KR101490579B1 - 스케일 박리성이 우수한 용접봉용 선재 및 그 제조방법 - Google Patents

스케일 박리성이 우수한 용접봉용 선재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스케일 박리성이 우수한 용접봉용 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.15%이하(0은 제외), Mn: 1.40~1.90%, Si: 0.55~1.10%, Ti: 0.16~0.22%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 표면에 0.1mm이상의 두께를 갖는 스케일이 형성되며, 마르텐사이트 및 베이나이트의 합이 0.1면적%미만으로 형성된 용접봉용 선재 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 스케일의 기계적 박리성이 우수하며 선재내부에 저온조직이 발생되지 않는 용접봉용 선재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

스케일 박리성이 우수한 용접봉용 선재 및 그 제조방법{WIRE ROD FOR WELDIND ROD HAVIGN EXCELLENT DESCALABILTY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 스케일 박리성이 우수한 용접봉용 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
선재의 제조방법은 일반적으로 열간압연 및 냉각을 행한 후 냉간상태에서 신선공정을 행하여 원하는 제품으로 만드는 방법을 사용하고 있다. 통상적으로 신선공정에서 제품의 미려한 표면을 얻기 위하여, 열간압연 및 냉각시 생성되는 산화스케일을 제거한 후, 냉간가공인 신선공정을 행하게 된다.
따라서, 열간압연 후 선재냉각공정과 신선공정 중간에 스케일제거 작업이 행하여지고 있으며, 그 방법으로는 물리적인 방법과 화학적인 방법으로 구분될 수 있다.
물리적인 방법으로는 선재의 반복 굽힘에 의해 표면의 스케일을 제거하는 기계적 박리법, 모래나 돌을 선재표면에 충돌시켜 스케일을 제거하는 쇼트블라스트(short blast)법, 공기 블라스트법 등이 사용되고 있다.
화학적인 방법으로는 선재를 산성용액에 일정 시간 침지시켜 화학적 반응에 의해 산화스케일을 제거하는 산세법이 있다. 산세법에 의한 스케일 제거시에는 스케일의 두께가 얇을수록 시간이 단축되어 소재의 합금성분, 열간압연 후의 냉각속도 조정 등을 이용해 얇은 스케일을 형성시키는 한편 산성용액 내에서 쉽게 용해되는 스케일을 형성시키는 방법을 이용하여 왔다. 그러나, 산세법은 스케일의 박리성이 우수한 반면, 설비의 설치나 가동을 위한 가동비(산용액의 소모)가 많이 소요되며 작업후 발생하는 폐수 및 폐산의 처리를 위한 공해방지 시설비가 증대되는 문제가 있다.
상기와 같은 이유로 물리적인 방법에 의한 스케일 박리법이 점차적으로 사용되고 있으며, 물리적으로 스케일을 제거하기 위해서는 산세법에서 필요로 하는 얇은 스케일의 형성이나 산성 용액 내에서 쉽게 용해되는 스케일을 형성시키지 않고, 물리적인 접촉이나 타격에 의해 용이하게 제거되는 기계적 박리성이 우수한 스케일을 형성시키는 것이 요구된다.
한편, 특수용접봉용 선재의 경우 제품의 물성치로서 가장 중요한 항목은 적정 인장강도와 용접성에 영향을 미치는 합금원소의 소량 첨가를 통해 신선가공할 때의 가공성을 확보하는 것이다. 이를 위해서는 권취 이후 연속냉각시 조절하는 제어 냉각을 함으로써 저온조직이 없는 균일한 페라이트 조직을 얻는 것이 필수적이다.
대표적인 스케일의 기계적 박리성을 향상시키는 방법으로는 특허문헌 1이 있다. 특허문헌 1에는 선재를 열간압연함에 있어 가열로 및 압연과정에서 생성되는 스케일을 조압연 직전 및 사상압연 직전에 90Kg/cm2 이상의 고압수를 분사시켜 스케일을 제거함으로써 표면조도를 1.5㎛이하로 조정하여 스케일의 기계적 박리성을 향상시키는 방법이 개시되어 있으나, 이러한 방법은 추가적인 장치가 요구되어 제조비용이 증가되고 공정이 복잡하게 되는 문제가 있다.
다른 기술로는 특허문헌 2 및 3이 있다. 특허문헌 2 및 3은 냉각개시온도와 냉각속도로 기계적 박리성이 우수한 용접봉용 선재를 제조하는 기술에 관한 것이나, 스케일의 두께가 일부 얇고 저온조직이 때때로 발생하는 문제가 있어 용접봉 제조사의 불만이 높아지고 있는 실정이다.
일본 공개특허공보 소61-154702호 한국 공개특허공보 제1999-0051485호 한국 공개특허공보 제1999-0033118호
본 발명은 선재의 냉각조건을 제어하여 일정 두께 이상의 스케일을 형성시킴으로써 스케일의 기계적 박리성이 우수한 용접봉용 선재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.15%이하(0은 제외), Mn: 1.40~1.90%, Si: 0.55~1.10%, Ti: 0.16~0.22%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 표면에 0.1mm이상의 두께를 갖는 스케일이 형성되며, 마르텐사이트 및 베이나이트의 합이 0.1면적%미만으로 형성된 용접봉용 선재를 제공한다.
본 발명의 다른 실시형태는 중량%로, C: 0.15%이하(0은 제외), Mn: 1.40~1.90%, Si: 0.55~1.10%, Ti: 0.16~0.22%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 열간압연하여 선재를 얻는 단계; 상기 선재를 950℃이상의 온도영역에서 냉각을 개시하여 Ar3±20℃의 온도범위까지 0.5℃/s이하의 속도로 1차 냉각을 행하는 단계; 상기 1차 냉각된 선재를 Ar1±20℃의 온도범위까지 0.5℃/s초과~1℃/s이하의 속도로 2차 냉각을 행하는 단계; 및 상기 2차 냉각된 선재를 상온까지 1℃/s초과~5℃/s이하의 속도로 3차 냉각하는 단계를 포함하는 용접봉용 선재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 스케일의 기계적 박리성이 우수하며 선재내부에 저온조직이 발생되지 않는 용접봉용 선재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명자들은 최종제품의 물성은 기존 용접봉용 선재 대비 유사한 수준을 가지면서도 스케일의 기계적 박리성이 우수하고, 나아가, 마르텐사이트 및 베이나이트 등과 같은 저온변태조직의 형성이 억제된 용접봉용 선재의 개발을 위해 연구를 행하던 중, 선재의 합금조성과 냉각조건을 적절히 제어함으로써, 상기와 같이 우수한 미케니컬 디스케일링성과 물성을 갖는 용접봉용 선재를 제공할 수 있다는 식견에 근거하여 본 발명을 완성하게 되었다.
이하, 본 발명을 설명한다. 먼저, 본 발명의 합금조성에 대하여 설명한다. 단, 이하에서 설명되는 합금조성의 %는 중량%를 의미한다.
C: 0.15%이하(0은 제외)
C는 용접부의 강도를 향상시키는 역할을 하는 원소이다. 상기 C의 함량이 0.15%를 초과하는 경우에는 용접성이 불안정해지는 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 C의 함량은 0.15%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
Mn: 1.40~1.90%
Mn은 용접부의 강도 및 용접성을 향상시키는 원소이다. 상기 Mn의 함량이 1.40%미만인 경우에는 용접성이 불안정해지는 단점이 있을 수 있으며, 1.90%를 초과하는 경우에는 용접부 인성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 Mn의 함량은 1.40~1.90%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
Si: 0.55~1.10%
Si는 용접성 및 강도를 향상시키는 원소이다. 상기 Si의 함량이 0.55%미만인 경우에는 용접성이 저하되는 단점이 있을 수 있으며, 1.10%를 초과하는 경우에는 용접부 인성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 Si의 함량은 0.55~1.10%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
Ti: 0.16~0.22%
Ti는 용접성을 향상시키는 역할을 하는 원소이다. 상기 Ti의 함량이 0.16%미만인 경우에는 용접성이 저하되는 단점이 있을 수 있으며, 0.22%를 초과하는 경우에는 용접부 인성 저하와 같은 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 Ti의 함량은 0.16~0.22%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
전술한 합금조성은 본 발명이 제공하는 용접봉용 선재에 최적화된 합금조성이다. 본 발명이 제공하는 용접봉용 선재는 전술한 합금성분을 포함하고, 나머지 성분이 Fe로 이루어질 수 있으며, 제조공정시 불가피하게 함유되는 불순물을 함유할 수 있다.
한편, 통상적으로 기계적인 스케일 박리법에 유리하게 적용되기 위해서는 선재의 표면에 형성되는 스케일의 두께가 두꺼울수록 유리하다. 이에, 본 발명의 선재는 그 표면에 0.1mm이상의 두께를 갖는 스케일을 형성시킴으로써 우수한 기계적 박리성을 확보할 수 있으며, 상기 스케일의 두께가 0.1mm미만일 경우에는 기계적 스케일 박리성이 저하될 수 있다. 상기 스케일은 그 두께가 두꺼울수록 기계적 박리법에 유리하게 적용될 수 있으므로, 그 상한에 대해서 특별히 한정하지 않으나, 공정조건이나 외부환경 등을 고려할 때, 0.5mm를 초과하기는 어렵다.
상기 스케일의 조성은 FeO로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 FeO는 Fe3O4 또는 Fe2O3에 비해 기계적 스케일 박리법에 유리한 스케일 조성이다.
또한, 본 발명이 제공하는 선재는 마르텐사이트나 베이나이트 등과 같은 저온변태조직을 면적분율로 0.1%미만 포함하는 것이 바람직하다. 상기 마르텐사이트 및 베이나이트 등의 저온변태조직은 경도가 매우 높아 미케니컬 디스케링일성을 저하시키고, 신선가공시 단선을 유발할 수 있다. 이에 따라, 선재 내부의 미세조직은 가능한 저온변태조직을 포함하지 않는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 마르텐사이트 조직을 분율을 0.1%미만으로 제어함으로써 우수한 디스케일링성과 신선가공성을 확보할 수 있다. 한편, 본 발명 선재의 주조직은 펄라이트와 페라이트로 이루어지는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명은 전술한 바와 같은 조성을 갖는 스케일을 두껍게 형성시킴과 동시에 저온변태조직의 형성을 억제함으로써 기계적 스케일 박리법에 바람직하게 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 신선가공성을 갖는 용접봉용 선재를 제공할 수 있다. 나아가, 본 발명의 용접봉용 선재를 이용하여 우수한 표면품질을 갖는 최종제품을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명 선재의 제조방법에 대하여 설명한다.
우선, 상기와 같은 합금조성을 갖는 강재를 준비한 뒤, 열간압연하여 선재를 얻는 것이 바람직하다. 상기 열간압연시 마무리 열간압연온도는 950~1100℃의 범위를 갖는 것이 바람직한데, 만일 상기 마무리 열간압연온도가 950℃미만일 경우에는 압연성이 저하되는 단점이 있을 수 있으며, 1100℃를 초과하는 경우에는 치수불량 등의 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 마무리 열간압연온도는 950~1100℃의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
상기 열간압연을 통해 얻어진 선재는 950℃이상의 온도영역에서 냉각을 개시하여 Ar3±20℃의 온도범위까지 0.5℃/s이하의 속도로 1차 냉각을 행하는 것이 바람직하다. 당해 기술분야에서 통상적으로 이용되는 열간압연 후, 냉각개시온도는 750~900℃의 범위인데, 상기 온도에서는 스케일이 대부분 FeO(Wustite, 뷔스타이트)로 형성되게 된다. 이러한 FeO는 Fe2O3(Hematite, 헤마타이트) 또는 Fe3O4(Magnetite, 마그네타이트)에 비하여 기계적 박리법에 의해 용이하게 제거되며, 상기 FeO는 일반적으로 고온일수록 FeO의 생성이 증가되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명에서는 통상의 온도범위보다 높은 950℃이상의 온도영역에서 냉각개시를 행함으로써 보다 안정적으로 FeO를 형성시킨다. 한편, 상기 냉각개시온도가 950℃보다 낮을 경우에는 스케일층을 두껍게 형성시키는 것이 곤란할 수 있다. 또한, 냉각시 온도편차의 발생으로 인해 저온조직이 형성될 가능성이 있고, 이에 따라 디스케일링성이나 양호한 재질 확보가 불가능하다.
한편, 상기 1차 냉각개시온도는 가능한 높을수록 FeO 형성에 유리하므로, 그 상한에 대해서 특별히 한정하지 않는다. 다만, 본 발명에서는 전술한 바와 같이 열간압연이 950~1100℃의 온도범위에서 행하여지는 것이 바람직하므로, 1차 냉각개시온도가 1100℃를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
또한, 상기 선재를 Ar3±20℃의 온도범위까지 1차 냉각을 행하는 이유는 용접봉 선재의 경우 연속냉각시 페라이트의 변태개시가 Ar3 온도 근처에서 이루어지기 때문이다. 즉, Ar3 온도이상의 온도범위에서는 FeO의 성장속도가 빠르기 때문에, 상기 냉각개시온도 영역으로부터 Ar3 온도까지 0.5℃/s이하의 낮은 냉각속도로 냉각을 행함으로써, 충분한 두께의 FeO 스케일층을 형성시킬 수 있다. 한편, 제조공정을 고려할 때 상기 1차 냉각이 정확히 Ar3온도까지 행하여지도록 제어하는 것은 상당히 어려울 수 있으므로, 본 발명에서는 오차범위를 ±20℃로 설정하였다. 다만, 상기 1차 냉각이 상기 오차범위를 벗어나는 온도영역에서 행하여지거나 상기 1차 냉각속도가 0.5℃/s를 초과하는 경우에는 본 발명에서 목표로 하는 FeO의 조성을 갖는 스케일층을 충분한 두께로 형성시키는 것이 곤란할 수 있다.
이후, 상기 1차 냉각된 선재를 Ar1±20℃의 온도범위까지 0.5℃/s초과~1℃/s이하의 속도로 2차 냉각하는 것이 바람직하다. 이를 통해, 스케일의 조성이 FeO에서 Fe3O4로 변태되는 것을 억제할 수 있다. 동시에 상변태 중 페라이트의 변태가 충분히 이루어지도록 할 수 있다. 상기 2차 냉각 또한 정확히 Ar1온도까지 행하여지도록 제어하는 것은 상당히 어려울 수 있으므로, 본 발명에서는 오차범위를 ±20℃로 설정하였으며, 상기 2차 냉각이 상기 오차범위를 벗어나는 온도영역에서 행하여지거나 상기 2차 냉각속도가 1℃/s를 초과하는 경우에는 Fe3O4의 조성을 갖는 스케일이 형성되어 기계적 스케일 박리성이 저하될 수 있을 뿐만 아니라, 충분한 분율의 페라이트가 형성되지 않을 수 있다. 0.5℃/s이하일 경우에도 스케일의 조성이 변화될 수 있으므로, 상기 2차 냉각속도는 0.5℃/s초과~1℃/s이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
이후, 상기 2차 냉각된 선재를 상온까지 1℃/s초과~5℃/s이하의 속도로 3차 냉각하는 것이 바람직하다. 이와 같이 서냉 공정을 통해 미변태된 오스테나이트가 마르텐사이트나 베이나이트 등과 같은 저온조직으로 변태되는 것을 억제하고, 동시에 스케일층 내의 FeO가 Fe3O4로 변태되는 것을 방지할 수 있다. 상기 3차 냉각속도가 5℃/s를 초과하는 경우에는 저온변태조직이 발생할 가능성이 높아져, 미케니컬 디스케일성이 저하되거나, 최종제품에 양호한 물성을 부여하는 것이 곤란할 수 있다. 1℃/s이하일 경우에는 변태가 지연되어 저온변태조직이 형성될 수 있으므로, 상기 3차 냉각속도는 1℃/s초과~5℃/s이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 냉각개시온도와 각 구간별 냉각속도를 제어함으로써, Fe3O4에 비해 소지철과의 접착력이 약한 FeO의 조성을 갖는 스케일을 두껍게 형성시켜 우수한 기계적 스케일 박리성을 갖도록 할 수 있을 뿐만 아니라, 내부조직으로는 가공성이 우수한 페라이트와 펄라이트가 주조직이 되도록 하되, 경도가 높은 저온조직은 발생하지 않도록 함으로써 최종 제품이 우수한 물성과 표면품질을 갖도록 할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지 않는다.
(실시예)
0.05%C-0.8%Si-1.5%Mn-0.2%Ti 합금조성을 갖는 강재를 950~1100℃에서 마무리 열간압연하여 선재를 얻은 뒤, 이 선재를 하기 표 1과 같은 조건으로 냉각을 행하였다. 냉각을 마친 후, 선재들에 대하여 스케일의 두께, 기계적 스케일 박리성과 마르텐사이트 및 베이나이트 등의 저온조직 분율을 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 상기 스케일 박리성의 측정 결과는 스케일을 기계적인 방법으로 박리한 후, 선재의 표면에 스케일이 잔존하는 경우에는 '미흡'으로, 스케일이 완전히 제거된 경우에는 '양호'로 나타내었다. 또한, 저온조직의 측정 결과는 면적분율로 0.1%이상 형성된 경우에는 '존재', 0.1%미만으로 형성된 경우에는 '없음'으로 나타내었다.
구분 냉각개시온도
(℃)		 구간별 냉각속도(℃/s) 스케일 두께
(mm)		 박리성 저온조직
냉각개시온도~Ar3 Ar3~Ar1 Ar1~상온
비교예1
 850 1 1.5 10 0.09 미흡 없음
비교예2
 930 0.6 2 15 0.08 미흡 존재
비교예3
 900 1.2 1.3 12 0.07 미흡 없음
비교예4
 890 1.3 1.9 8 0.05 미흡 존재
비교예5
 910 0.9 2.2 9 0.04 미흡 존재
발명예1
 955 0.4 0.8 4 0.11 양호 없음
발명예2
 950 0.3 0.6 3 0.15 양호 없음
발명예3
 970 0.35 0.9 5 0.11 양호 없음
발명예4
 990 0.5 1 4 0.13 양호 없음
발명예5
 960 0.4 0.65 3 0.14 양호 없음
발명예6
 1000 0.4 0.8 2 0.12 양호 없음
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 합금조성 및 냉각조건을 만족하는 발명예 1 내지 6의 경우에는 스케일이 0.1mm이상으로 두껍게 형성되어 우수한 기계적 스케일 박리성을 가질 뿐만 아니라, 마르텐사이트나 베이나이트와 같은 저온변태조직이 발생되지 않는 것을 알 수 있다.
반면, 본 발명의 냉각조건을 만족하지 않는 비교예 1 내지 5의 경우에는 스케일이 충분한 두께 이상으로 형성되지 않아 스케일 박리성이 좋지 않은 것을 알 수 있다. 특히, 발명예 2, 4, 5의 경우에는 저온조직이 발생되었음을 알 수 있으며, 이로 인해 양호한 물성을 얻기 곤란하다는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명이 제안하는 바와 같이 선재를 비교적 고온에서 서냉시키는 경우에는 상당한 두께의 스케일을 형성시킬 수 있고, 이를 통해 우수한 미케니컬 디스케일링성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 선재 내부에 저온조직이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.

Claims (4)

  1. 중량%로, C: 0.15%이하(0은 제외), Mn: 1.40~1.90%, Si: 0.55~1.10%, Ti: 0.16~0.22%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    표면에 0.1mm이상의 두께를 갖는 스케일이 형성되며,
    마르텐사이트 및 베이나이트의 합이 0.1면적%미만으로 형성된 용접봉용 선재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스케일은 FeO로 이루어지는 용접봉용 선재.
  3. 중량%로, C: 0.15%이하(0은 제외), Mn: 1.40~1.90%, Si: 0.55~1.10%, Ti: 0.16~0.22%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 열간압연하여 선재를 얻는 단계;
    상기 선재를 950℃이상의 온도영역에서 냉각을 개시하여 Ar3±20℃의 온도범위까지 0.5℃/s이하의 속도로 1차 냉각을 행하는 단계;
    상기 1차 냉각된 선재를 Ar1±20℃의 온도범위까지 0.5℃/s초과~1℃/s이하의 속도로 2차 냉각을 행하는 단계; 및
    상기 2차 냉각된 선재를 상온까지 1℃/s초과~5℃/s이하의 속도로 3차 냉각하는 단계를 포함하는 용접봉용 선재의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 열간압연시 마무리 열간압연온도는 800~1100℃의 범위를 갖는 용접봉용 선재의 제조방법.
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