KR101543844B1 - 고강도 선재 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 교량용강선 또는 PC강선 등에 사용되는 고강도 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 오스테나이징 후 담금질하여 형성된 마르텐사이트를 100℃ 이하의 온도에서 일정시간 유지시킨 후 다시 이상영역에서 열처리하여 최종 조직이 페라이트 및 마르텐사이트로 이루어지는 고강도 선재 및 그 선재를 제조하는 방법을 제공한다.

Description

고강도 선재 및 그 제조 방법 {HIGH STRENGTH WIRE ROD AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 교량용강선 또는 PC강선 등에 사용되는 고강도 선재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

통상적으로 교량용강선 또는 PC강선 등은 내피로 및 내부식 등 여러 가지 특성이 요구되지만, 우선적으로 우수한 강도 또는 경도가 요구된다고 말할 수 있다. 이는 강도 증가에 따른 로프경 감소, 나아가 중량 감소로 이어지기 때문이다. 예를 들어 인장강도가 100 MPa 증가 시 로프 중량은 5 % 줄어드는 것으로 알려져 있다.

우수한 강도를 얻기 위한 방법의 하나로서, 강의 강도를 높이는 강화원소를 다량 첨가하여 소재 자체의 강도를 증가시키는 방법을 들 수 있다. 이러한 강화 원소의 대표적인 예로서, C, Si, Mn, Cr 등 이들의 적절한 함량에 따라, 강도 향상뿐만 아니라, 신선가공량 증가, 펄라이트 미세화 및 선재 강도향상을 통한 충분한 신선가공량이 확보되게 된다.

그러나 고강도화를 위한 탄소함량 증대 및 합금원소 첨가에 의한 방법은 소재의 고강도화에 따른 연성 및 신선가공성 저하효과 이외에도, 빌렛 및 선재에서의 중심부 편석을 심화시켜 초석 세멘타이트 발생을 촉진시킨다.

우수한 강도를 얻기 위한 또 다른 방법으로서, 가공경화율을 증가시키는 방법이 있다. 선재의 신선가공시 가공경화율을 증가시킴으로서 강도가 대폭 향상될 수 있다.

그러나, 이러한 방법은 강도를 효과적으로 증가시키지만, 선재 연성이 낮고, 신선한계가 낮아 신선제조사가 원하는 만큼 신선 가공량을 부여할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명에서는 고가의 합금원소를 첨가하지 않으면서 선재의 강도를 강화시킬 수 있는 고강도 선재의 제조 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 고강도 선재의 제조 방법에 따라 제조되어 강도 및 경도가 향상된 고강도 선재를 제공하고자 한다.

본 발명은 C: 0.1~0.3 중량%, Si: 0.5~1.0 중량%, Mn: 0.5~1.0 중량%, B: 0.003~0.005 중량%, Nb: 0.003~0.005% 중량%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강을 열간압연하고 냉각하여 선재를 제공하는 단계, 상기 선재를 A₃~900℃로 가열하고 5~15분 동안 유지한 후, 냉각하는 1차 열처리 단계, 상기 1차 열처리한 선재를 90~120℃에서 50~70분 동안 유지하는 베이킹 단계 및 상기 베이킹된 선재를 A₁~A₃의 온도로 가열하고 3~7분 동안 유지한 후, 냉각하는 2 차 열처리 단계를 포함하는 고강도 선재의 제조 방법에 의하여 달성된다.

여기에서, 바람직하게는 상기 1차 및 2차 열처리 단계에서의 냉각은 70~90℃/s의 속도로 냉각한다.

본 발명은 C: 0.1~0.3 중량%, Si: 0.5~1.0 중량%, Mn: 0.5~1.0 중량%, B: 0.003~0.005 중량%, Nb: 0.003~0.005% 중량%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 페라이트 및 마르텐사이트로 이루어져 있으며, 선재의 중심과 1/4Q 또는 -1/4Q 사이의 경도 차이가 5 Hv 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 선재에 의하여 달성된다.

여기에서, 바람직하게는 상기 미세조직은 면적분율%로, 페라이트 80~85% 및 마르텐사이트 15~20%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 선재.

본 발명은 장시간 열에너지의 공급을 통하여 탄소를 확산시킴으로써, 페라이트 및 마르텐사이트 조직을 가지면서도 고강도이며 경도가 균일한 선재를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열처리 이력을 나타낸 개략도이다.

본 발명은 교량용강선 또는 PC강선 등에 사용되는 고강도 선재의 제조방법에 관한 것으로, 오스테나이징 후 담금질하여 형성된 마르텐사이트를 100℃ 내외의 온도에서 일정시간 유지시킨 후, 다시 이상영역에서 열처리하여 최종 조직이 페라이트 및 마르텐사이트로 이루어지는 고강도 강선을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 고강도 선재의 제조방법은 C: 0.1~0.3 중량%, Si: 0.5~1.0 중량%, Mn: 0.5~1.0 중량%, B: 0.003~0.005 중량%, Nb: 0.003~0.005% 중량%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강을 열간압연하고 냉각하여 선재를 제공하는 단계, 상기 선재를 A₃~900℃로 가열하고 5~15분 동안 유지한 후, 냉각하는 1차 열처리 단계, 상기 1차 열처리한 선재를 90~120℃에서 50~70분 동안 유지하는 베이킹 단계 및 상기 베이킹된 선재를 A₁~A₃℃로 가열하고 3~7분 동안 유지한 후, 냉각하는 2 차 열처리 단계로 이루어진다.

이하, 본 발명의 고강도 선재의 구성성분에 대하여 상세히 설명한다.

탄소(C): 0.1~0.3중량%

C는 강을 강화시키는데 가장 효과적인 원소이다. 탄소의 함량이 0.1중량% 미만인 경우에는 본 발명에서 의도하고자 하는 목표강도를 구현하기 어렵고, 강도를 상승시키기 위하여 Mo, Ni 등과 같은 고가의 합금원소를 다량 첨가하여야 하기 때문에 경제적이지 못하다. 반면에, C의 함량이 0.3중량%를 초과하는 경우에는 다수의 마르텐사이트가 페라이트 입계에 형성되어 연성이 감소하고 이로 인해 신선 시 단선을 일으키게 된다. 따라서, 상기 탄소는 0.1~0.3중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

실리콘( Si ): 0.5~1.0중량%

Si은 페라이트 기지 내 고용되어 고용강화 효과로 강도를 향상시키는 효과적인 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여 0.5중량%이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면에, 실리콘의 함량이 1.0중량%를 초과하는 경우에는 표면 탈탄층 및 스케일 형성으로 인한 손실이 발생한다. 따라서, 상기 실리콘은 0.5~1.5중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

망간( Mn ): 0.5~1.0중량%

Mn은 강을 고용 강화시키는데 효과적인 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여 0.5중량%이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면에, 망간이 1.0중량%를 초과하는 경우에는 소재가 취약해져 신선한계가 조기에 발생한다. 따라서, 상기 망간은 0.5~1.0중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

보론(B): 0.0030~0.0050중량%

B은 소둔 중 냉각하는 과정에서 오스테나이트가 펄라이트로 변태되는 것을 지연시키는 성분으로, 초석 세멘타이트의 형성을 억제하고 입계에 편석되어 소입성을 향상시킬 수 있는 원소이다. 상기 B의 함량이 0.0030 중량% 미만인 경우에는 상술한 효과를 발휘할 수 없다. 반면에, 그 함량이 0.0050 중량%를 초과하는 경우에는 B의 입계편석으로 인해 상기 효과가 포화될 뿐만 아니라, 과도한 표면 농화물의 형성으로 도금결함을 유발할 수 있다. 따라서, 상기 B의 함량은 0.0030~0.0050 중량%로 제어하는 것이 바람직하다.

니오븀( Nb ): 0.003~0.005중량%

Nb는 열간압연시 오스테나이트 결정립을 미세화시키는데 효과적인 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여 0.003중량%이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면에, 0.005중량%를 초과하는 경우에는 강중 C와 결합하여 NbC로 존재하여 신선성을 열화시키는 역할을 한다. 따라서, 상기 니오븀은 0.003~0.005중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명의 상기 기재한 성분을 제외한 고강도 선재의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

이하, 상기 성분들로 구성된 고강도 선재의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.

먼저 상기 성분계를 만족하는 강을 열간압연 및 냉각을 통하여 선재를 제공하는 단계를 실시한다. 열간압연은 통상의 방법에 따라 실시하면 되는 것으로 본 발명에서 특별히 제한하지 않는다. 그러나, 본 발명에서는 초석 페라이트가 생성되면 안 되는 것이므로 최소한 오스테나이트 온도에서 압연이 종료되어야 한다. 이어서, 상기 열간압연에 의해 얻어지는 선재의 냉각은 통상적인 방법에 의하여 냉각될 수도 있으므로 이에 관하여 특별히 한정하지 않으나, 초석페라이트가 발생하지 않는 냉각속도로 냉각하는 것이 바람직하다.

상기 제공된 선재로 1차 열처리 단계를 실시한다. 이러한 열처리에서 A3~900℃로 가열하고 5~15분 동안 유지하는 것은 선재의 조직을 전부 오스테나이트로 형성시켜 선재의 펄라이트 상을 없애기 위한 것이다.

전부 (fully) 오스테나이트화 하기 위해서는 A3℃ 이상으로 가열하여야 하고 미세한 오스테나이트를 형성하기 위해서는 900℃ 이하로 가열할 필요가 있다. 또한, 5분 미만으로 상기 온도로 유지할 경우에는 오스테나이트 상이 충분히 형성되지 않으며, 15분을 초과하여 유지하는 경우에는 오스테나이트 조대화가 발생한다. 따라서, A3~900℃로 가열하고 5~15분 동안 유지하는 것이 바람직하다. 이후 냉각을 통하여 마르텐사이트 조직이 형성된다.

여기에서, 상기 1차 열처리 단계에서의 냉각은 상기 70~90℃/s의 속도로 냉각하는 것이 바람직하다. 70℃/초 미만의 냉각속도로 냉각될 경우, 펄라이트 상이 존재하여 본 발명이 의도하고자 하는 미세조직을 얻기 어렵다. 상한은 특별히 한정될 필요가 없으나, 효과대비 및 제조원가를 고려하여 그 상한은 90℃/초로 제어할 수 있다. 또한, 냉각방법은 수냉이 바람직하다.

상기 1차 열처리 단계 이후, 베이킹 단계를 실시하게 된다. 베이킹 단계에서는 90~120℃로 유지가 가능한 베이킹로에서 50~70분 가량 베이킹 처리를 해줌으로써 마르텐사이트의 경도를 증가시킨다.

상기 베이킹 단계에서, 상기 기재된 바와 같이 베이킹 처리를 실시함으로써, 마르텐사이트 내에 존재하는 탄소는 균일하게 확산되어 마르텐사이트의 경도가 증가하는 것이다. 이러한 탄소의 확산 현상은 상온에서도 일어날 수 있으나, 그 속도가 너무나도 느리기 때문에 어느 정도의 에너지를 인가해줘야 할 필요가 있다. 충분한 탄소의 확산을 위하여, 90~120℃에서 50~70분 동안 열처리 하는 것이 바람직하며, 90℃이하의 온도에서 열처리를 하게 되면 열처리 시간의 너무 길어지게 되고, 120℃이상의 온도에서 열처리를 하게 되면 제조 단가가 상승하기 때문에, 90~120℃에서 50~70분 동안 열처리 하는 것이 바람직한 것이다.

상기 베이킹 단계에서, 사용되는 베이킹로는 어느 하나에 제한되지 않고 열처리 가능한 모든 수단이 사용 가능하나, 노의 전체를 균일한 온도분포로 유지할 수 있는 배치로가 바람직하다.

마르텐사이트는 탄소의 무확산 변태로 형성되는 조직으로, c 또는 a축에 탄소 침입하여 c축으로 팽창, a축으로 수축 반응을 동반하여 격자 뒤틀림으로 높은 경도를 갖는 조직이다. 또한, 에너지적으로 불안정한 상태이고 탄소도 불규칙적으로 존재하기 때문에 열 등의 외부 에너지를 충분히 공급하게 될 경우, 탄소의 확산이 발생하고 됨으로써, 본 발명의 베이킹 단계를 거침으로써 마르텐사이트의 경도가 증가시킬 수 있는 것이다. 이후, 2차 열처리 단계를 통하여 이상영역에서의 열처리로 최종조직을 형성시켰을 때, 표면과 중심부 사이의 경도차가 5Hv이하인 조직을 형성시킬 수 있는 것이다.

상기 베이킹 단계 이후에 2차 열처리 단계를 실시한다. 2차 열처리 단계는 본 발명에서 확보하고자 하는 이상조직인 마르텐사이트와 페라이트로 구성하기 위한 것으로, A1~A3℃로 가열하고 3~7분 동안 유지한 후, 냉각하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 마르텐사이트 및 페라이트의 이상조직을 구성하기 위해서 A1 온도 이상으로 유지할 필요가 있으며, 효과 대비 및 제조원가를 고려하여 A3℃이하로 2차 가열할 필요가 있다. 또한, 3분 이상으로 2차 가열을 실시하여야만 충분한 오스테나이트와 페라이트를 형성시킬 수 있고, 7분을 초과하는 경우에는 오스테나이트와 페라이트 결정립의 조대화 문제가 있다. 따라서 A1~A3℃로 가열하고 3~7분 동안 유지한 후, 냉각하는 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 2차 열처리 단계에서의 냉각은 상기 70~90℃/s의 속도로 냉각하는 것이 바람직하다. 70℃/초 미만의 냉각속도로 냉각될 경우, 충분한 마르텐사이트 상이 형성되지 않는다. 또한, 상한은 특별히 한정될 필요가 없으나, 효과대비 및 제조원가를 고려하여 그 상한은 90℃/초로 제어할 수 있다. 또한, 냉각방법은 수냉이 바람직하다. 이러한 냉각을 통하여 오스테나이트를 마르텐사이트로 형성시켜 최종적으로 페라이트와 마르텐사이트가 형성된다.

이하, 본 발명의 고강도 선재의 제조 방법에 따라 제조된 고강도 선재에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 제조 방법으로 제조된 고강도 선재의 조직은 페라이트 및 마르텐사이트로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 발명의 1차 열처리를 통하여 마르텐사이트가 형성되고, 본 발명의 베이킹 단계에서 마르텐사이트 내 탄소 확산을 유도하여 경도를 향상시키게 된다. 그리고 본 발명의 2차 열처리를 통해서 페라이트와 오스테나이트가 형성되고, 냉각시키면서 오스테나이트를 마르텐사이트로 만들어 최종적으로 페라이트와 마르텐사이트가 섞여 있는 조직이 완성될 수 있는 것이다.

상기 페라이트는 면적분율로 80~85%인 것이 바람직하다. 그리고 강도를 확보하기 위하여 마르텐사이트 면적분율을 최대 15~20%로 하는 것이 바람직하다. 또한, 연성을 확보하기 위해서는 80~85%로 페라이트 면적분율을 확보하는 것이 바람직하다.

본 발명의 고강도 선재는 1차 열처리 단계를 통하여 마르텐사이트가 생성되고, 베이킹 단계를 통해서 마르텐사이트 내 탄소를 확산시켜 강도향상뿐만 아니라 경도가 균일해지게 된다.

그리하여, 이후 2차 열처리 단계를 거쳐 완성된 본 발명의 고강도 선재는 1/4Q 또는 -1/4Q 과 중심부 사이의 경도차가 5Hv이하인 조직을 형성시킬 수 있다. 여기에서, 1/4Q은 중심에서 표면까지의 거리에서, 중심으로부터 1/4의 거리가 되는 지점을 의미하는 것이다. 또한, -1/4Q는 1/4Q과 반대 방향으로 중심에서부터 표면까지의 1/4지점을 의미하는 것이다.

본 발명의 고강도 선재는 신선하여 강선을 제조할 때, 선재를 패스당 단면감소율이 15~25%의 범위로 신선 가공하는 것이 바람직하다. 패스당 높은 강도를 얻기 위해서 패스당 단면감소율이 15% 이상인 것이 바람직하며, 소재와 다이스 마찰에 의한 표면열화방지를 위하여 패스당 단면감소율을 25% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[ 실시예 ]

본 발명의 실시예에서 사용된 합금성분은 C: 0.2중량%, Si: 1.0중량%, Mn: 1.0중량%, B: 0.005중량%, Nb: 0.005중량% 및 잔부는 기타 불가피한 불순물과 Fe로 이루어져 있다. 신선성을 확보하기 위하여 B과 Nb을 첨가하였으며, 페라이트 및 마르텐사이트 조직을 형성하기 위하여 1.0중량%의 Si을 첨가하였다.

상기 조성을 갖는 강을 가열하고 압연하여 13 mmf의 직경을 갖는 선재를 초석페라이트가 발생하지 않는 냉각속도로 냉각한 후, 다음의 열처리를 실시하였다.

도 1에서 본 발명의 실시예의 열처리 이력을 도시하고 있다. 열간압연된 13mm 선재를 서냉하여 냉각한 후, 20℃/s의 속도로 승온하며 900℃에서 10분 동안 유지하고, 이후 80℃/s로 냉각하여 마르텐사이트를 형성시켰다. 그리고 베이킹로에서 100℃에서 60분 유지시켜 마르텐사이트 내 탄소 확산을 유도하였다. 인라인 상태로 이상영역에서 열처리하는데, A1 온도와 A3사이 온도인 780 ℃에서 5분간 유지하면서 페라이트와 오스테나이트를 형성시킨 후, 80℃/s로 수냉하여 오스테나이트를 마르텐사이트로 만들어 최종 페라이트와 마르텐사이트가 섞여 있는 조직을 만들었다. 그 후, 단두식 건식 신선기를 이용하여, 총감면량 83.2%까지 신선하여 5.32 mmf의 강선을 제조하였다. 각 구간별 물성을 표 1에 나타내었다. 비교예는 1, 2차 열처리 사이에서의 베이킹로에서의 베이킹 처리가 없을 뿐 나머지 공정은 실시예와 동일하게 실시하였다.

구분	경도 (Hv)
	1차 열처리 후 (마르텐사이트)	100℃ x 60분 유지 후 (마르텐사이트)	100℃ x 120분 유지 후 (마르텐사이트)	2차 열처리 후 (페라이트+마르텐사이트)			5.32mm 신선재 경도
				1/4Q	중심	-1/4Q	중심
실시예	862 ± 20	881 ± 8	883 ± 5	384	382	386	482.5
비교예	865 ± 18	공정없음	공정없음	352	364	373	464.8

표 1에서는 본 발명의 실시예에 따라 선재가 제조되는 각 단계에서 비커스 경도계로 경도를 측정하였고, 본 발명에 따른 베이킹 단계를 실시하지 않은 비교예도 같은 방법으로 측정하였다. 1차 열처리와 베이킹 후의 측정값이 상기와 같은 범위를 가지는 것은, 비커스 경도계로 단면의 경도분포를 30번 이상 측정 후에 그 평균값을 기재하였기 때문이다. 또한, 2차 열처리 후의 측정값과 5.32mm로 신선한 선재를 측정한 값은 100℃에서 60분 동안 유지하면서 베이킹 단계를 거친 선재를 측정한 값이다.

실시예와 비교예의 경도차이가 있음을 상기 표 1로부터 확인할 수 있다. 1차 열처리 후 마르텐사이트의 C단면 경도분포를 확인해본 결과, 평균 경도 362~5 Hv로 실시예과 비교예는 거의 유사한 값을 보인다. 1차 열처리 후 냉각된 소재를 베이킹로에서 100℃에서 60분 동안 유지했을 때 마르텐사이트 경도는 881 Hv로 경도가 20 Hv 향상된 것을 확인할 수 있으며, 100℃에서 120분 동안 유지할 경우에는 크게 경도의 증가가 관찰되지 않은 것으로 미루어 60분 정도 열처리하는 것이 바람직한 것임을 확인할 수 있다.

표 1에서 2차 열처리 후, -1/4Q, 중심, 1/4Q의 경도를 측정해본 결과, 실시예가 비교예에 비해 전반적으로 경도가 향상된 것이 확인 가능하며, 실시예의 경우 중심은 380 Hv 수준, 1/4Q, -1/4Q의 경우 384, 386 HV로 중심과 1/4Q 사이의 편차가 5Hv로 편차가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 실시예의 강재를 5.32 mm까지 신선했을 때 중심 경도를 확인해본 결과, 482 Hv 수준으로 이 역시 비교예에 비해 경도가 향상된 것을 확인할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도면을 참조하여 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

Claims (4)

1. C: 0.1~0.3 중량%, Si: 0.5~1.0 중량%, Mn: 0.5~1.0 중량%, B: 0.003~0.005 중량%, Nb: 0.003~0.005% 중량%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강을 열간압연하고 냉각하여 선재를 제공하는 단계;
   상기 선재를 A₃~900℃로 가열하고 5~15분 동안 유지한 후, 냉각하는 1차 열처리 단계;
   상기 1차 열처리한 선재를 90~120℃에서 50~70분 동안 유지하는 베이킹 단계; 및
   상기 베이킹된 선재를 A₁~A₃의 온도로 가열하고 3~7분 동안 유지한 후, 냉각하는 2 차 열처리 단계를 포함하는 고강도 선재의 제조 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 1차 및 2차 열처리 단계에서의 냉각은 70~90℃/s의 속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 고강도 선재의 제조 방법.
   
3. C: 0.1~0.3 중량%, Si: 0.5~1.0 중량%, Mn: 0.5~1.0 중량%, B: 0.003~0.005 중량%, Nb: 0.003~0.005% 중량%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 면적분율%로, 페라이트 80~85% 및 마르텐사이트 15~20%로 이루어져 있으며, 선재의 중심과 1/4Q 또는 -1/4Q 사이의 경도 차이가 5 Hv 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 선재.
4. 삭제

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