KR101676130B1 - 고강도 고연성 선재 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소(C): 0.3중량% 내지 0.8중량%, 망간(Mn): 0.3중량% 내지 0.9중량%, 실리콘(Si): 0.1중량% 내지 1.0중량%, 바나듐(V): 0.01중량% 이상 0.5중량% 미만, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 펄라이트 조직의 컬러니 평균크기가 3.4㎛ 내지 6.0㎛인 선재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

고강도 고연성 선재 및 그 제조 방법{WIRE ROD HAVING HIGH STRENGTH AND DUCTILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 선재 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 높은 강도와 높은 연성을 가지는 선재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

선재는 플레시블 파이프 등의 다양한 신선재에 사용되며, 우수한 강도를 가지고 있을 것이 요구되며, 고강도 강선을 얻기 위한 방법은 아래와 같다.

1) 소재 자체의 강도를 증가시키는 방법

강의 강도를 높이는 원소를 다량 첨가하여 소재 자체의 강도를 증가시키는 방법을 들 수 있다. 이러한 강화 원소의 대표적인 예로는 탄소를 들 수 있다. 와이어 로프의 강도가 점차 증가함에 따라 탄소는 아공석 영역에서 공석영역으로 공석영역에서 과공석영역으로 점차 그 함량이 증가하여 왔다. 상기와 같이 탄소 함량이 증가할 경우 강재 내부에는 경질상인 세멘타이트의 분율이 증가하고 펄라이트 조직의 라멜라 간격이 조밀해지는 등 소재의 강도가 향상되게 된다. 이와 같이 탄소 이외에도 다양한 합금원소를 첨가하는 기술이 제안되어 왔다.

2) 가공경화율을 증가시키는 방법

신선가공될 때, 라멜라 간격이 미세화되고 가공경화계수가 증가하며, 전위가 집적하는 등의 이유로 가공경화된다.

3) 소재의 신선변형율 증가

상기와는 별도로 신선변형율을 증가시킴으로써 강도가 향상될 수 있다. 이때, 소재의 신선변형율은 소재의 연성에 밀접한 관계가 있는 것으로서 소재 자체가 신선가공시 단선이 일어나지 않고 용이하게 가공될수록 강도향상에 유리하다.

그러나, 이들 방법은 모두 독립적으로 작용하는 것이 아니라 상호 연관되어 강재의 강도를 변화시키는 것이므로 이들을 독립적으로 제어하여 강도를 향상시키는 것은 강도 상승에 한계가 있기 마련이다.

즉, 강재의 강도를 향상시키기 위해서 단순히 합금원소를 다량 첨가할 경우 선재 압연 후 후속되는 강선 제조공정에서 강재의 연성이 불량하여 단선이 발생하는 등의 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 선재의 강도 향상을 위해서는 다양한 관점에서 다양한 인자를 고려하여야 할 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고가의 합금원소를 첨가하지 않고도, 우수한 강도 및 연성을 갖는 선재 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.

한편, 본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 과제는 본 명세서의 내용 전반으로부터 이해될 수 있을 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 부가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

일 측면에서, 본 발명은 탄소(C): 0.3중량% 내지 0.8중량%, 망간(Mn): 0.3중량% 내지 0.9중량%, 실리콘(Si): 0.1중량% 내지 1.0중량%, 바나듐(V): 0.01중량% 이상 0.5중량% 미만, 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 펄라이트 조직의 컬러니 평균크기가 3.4㎛ 내지 6.0㎛인 고강도 고연성 선재를 제공한다.

한편, 상기 선재의 미세조직은 면적분율로 95% 이상의 펄라이트 조직 및 나머지 초석 페라이트 조직을 포함하는 것일 수 있다.

한편, 상기 선재는 인장강도가 900Mpa 내지 1100Mpa이고, 연신율이 15% 내지 30% 정도일 수 있다.

한편, 상기 선재의 V 석출물의 평균크기는 50nm이하(0nm 제외) 정도일 수 있다.

다른 측면에서, 본 발명은 탄소(C): 0.3중량% 내지 0.8중량%, 망간(Mn): 0.3중량% 내지 0.9중량%, 실리콘(Si): 0.1중량% 내지 1.0중량%, 바나듐(V): 0.01중량% 이상 0.5중량% 미만, 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 열간압연하여 선재를 얻는 단계; 및 상기 선재를 냉각하는 단계를 포함하며, 제조되는 선재는 펄라이트 조직의 컬러니 평균크기가 3.4㎛ 내지 6.0㎛인 고강도 고연성 선재의 제조 방법을 제공한다.

한편, 상기 열간압연은 1000℃ 내지 1200℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.

한편, 상기 냉각은 5℃/s 내지 10℃/s의 속도로 수행되는 것일 수 있다.

한편, 본 발명의 선재 제조 방법은 상기 냉각하는 단계 전에, 60℃/s 내지 80℃/s의 속도로 700℃ 내지 750℃까지 급냉하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

덧붙여, 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 의할 경우, 합금성분과 제조조건을 적절히 제어함으로써, 고가의 합금원소를 첨가하지 않고도, 고강도 및 고연성을 갖는 선재를 제공할 수 있으며, 궁극적으로 고강도 및 고연성을 갖는 강선을 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

1. 선재

본 발명자들은 상기한 과제를 해결하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 탄소(C), 망간(Mn), 실리콘(Si), 바나듐(V), 및 철(F)을 특별한 성분비로 포함하는 강재를 기초로 선재를 제조함에 있어서, 펄라이트 컬러니의 평균크기를 특정 크기로 제어하는 경우, 고가의 합금원소를 첨가하지 않고도 고강도 및 고연성을 갖는 선재를 얻을 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하였다.

구체적으로, 본 발명의 선재는 탄소(C): 0.3중량% 내지 0.8중량%, 망간(Mn): 0.3중량% 내지 0.9중량%, 실리콘(Si): 0.1중량% 내지 1.0중량%, 바나듐(V): 0.01중량% 이상 0.5중량% 미만, 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 펄라이트 조직의 컬러니 평균크기가 3.4㎛ 내지 6.0㎛ 이다.

본 발명의 강 조성을 구성하는 각 성분을 첨가하는 이유와 이들의 적절한 함량범위는 하기와 같다.

탄소(C): 0.3 ~ 0.8 중량%

탄소는 강선의 강도를 향상시키기 위한 가장 경제적인 원소로 탄소의 함량이 너무 적을 경우 강도가 저하되고, 너무 많이 첨가한 경우 연성이 감소한다. 특히, sour 특성은 탄소 양이 증가함에 따라 감소한다. 따라서, 탄소의 적절한 함량은 0.3 ~ 0.8 중량% 정도이며, 보다 바람직하게는 0.4 ~ 0.7중량% 정도이다.

망간(Mn): 0.3 ~ 0.9 중량%

망간은 기지조직 내에 고용체를 형성하여 고용 강화하는 원소로 매우 유용한 원소로 펄라이트 변태를 지연시키기 때문에 다소 느린 냉각속도에서도 미세한 펄라이트가 쉽게 생성되도록 일정한 함량 이상으로 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 망간은 중심편석이 심한 원소로서 과량 포함될 경우에는 저온조직을 유발할 가능성이 매우 크다. 따라서, 망간의 적절한 함량은 0.3 ~ 0.9 중량% 정도이며, 보다 바람직하게는 0.5 ~ 0.8중량% 정도이다.

실리콘(Si): 0.1 ~ 1.0 중량%

실리콘은 고용강화 효과와 함께 펄라이트 층상을 안정화시켜 강도저하를 억제하므로 일정한 함량 이상으로 첨가되어야 하며, 다만 과량 포함될 경우 신선가공성을 악화시킬 수 있다. 따라서, 실리콘의 적절한 함량은 0.1 ~ 1.0 중량% 정도이며, 보다 바람직하게는 0.2 ~ 0.7중량% 정도이다.

바나듐(V): 0.01 ~ 0.5 중량% 미만

바나듐(V)은 바나듐 카바이드(Vanadium carbide) 석출을 통해 펄라이트 조직의 컬러니 크기를 미세화시켜 강도를 증가시킬 수 있으나, 과량 포함될 경우 컬러니의 평균크기가 적절함에도 불구하고 연성이 급격하게 감소되어 신선가공을 악화시킬 수 있다. 따라서, 바나듐의 적절한 함량은 0.01 ~ 0.5 중량% 미만 정도이며, 보다 바람직하게는 0.05 ~ 0.2중량% 정도이다.

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

한편, 본 발명 선재는 고강도 고연성을 위하여 미세조직이 펄라이트 조직을 포함하는 것이 바람직하며, 예를 들면, 면적분율로 펄라이트 조직 95% 이상 및 나머지 초석 페라이트를 포함하는 것일 수 있다. 이때 상기 펄라이트 조직의 컬러니 평균크기는 3.4㎛ 내지 6.0㎛ 인 것이 바람직하며, 3.4㎛ 내지 5.2㎛ 또는 4.0㎛ 내지 5.2㎛인 것이 보다 바람직하다. 위와 같은 성분을 포함하는 본 발명의 선재는 펄라이트 컬러니의 평균크기가 상기 범위를 만족하해야만 우수한 강도와 연성을 모두 확보할 수 있다.

한편, 본 발명 선재의 V 석출물의 평균크기는 50nm이하(0nm 제외)인 것이 바람직하며, 예를 들면, 10~30nm 정도일 수 있다. 이러한 미세한 V 석출물을 통한 석출강화효과로 강도를 증가시키고, 결정립의 크기를 줄여 미세한 컬러니 크기를 확보하여 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있다. 상기 석출물의 크기는 미세할수록 좋으므로, 그 하한을 특별히 한정하지는 않는다.

한편, 상기와 같은 조건을 만족하는 본 발명의 선재는 인장강도가 900Mpa 내지 1100Mpa 정도이고, 연신율이 15% 내지 30% 정도이다. 이와 같이, 본 발명의 선재는 양립하기 어려운 강도와 연성 모두를 우수한 수준으로 확보할 수 있다.

2. 선재의 제조 방법

이하에서는, 본 발명 선재의 제조 방법의 일례에 대하여 설명한다. 다만, 본 발명 선재의 제조 방법이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 선재 제조 방법은, 탄소(C): 0.3중량% 내지 0.8중량%, 망간(Mn): 0.3중량% 내지 0.9중량%, 실리콘(Si): 0.1중량% 내지 1.0중량%, 바나듐(V): 0.01중량% 이상 0.5중량% 미만, 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 열간압연하여 선재를 얻는 단계; 및 상기 선재를 냉각하는 단계를 포함하며, 제조되는 선재는 펄라이트 컬러니의 평균크기가 3.4㎛ 내지 6.0㎛ 일 수 있다.

먼저, 전술한 조성성분 및 범위를 만족하는 강재를 1000℃ 내지 1200℃에서 열간압연하여 선재를 얻는 단계를 거칠 수 있다. 이때, 상기 열간압연 온도가 1000℃ 미만인 경우에는 압연 부하에 의해 압연이 용이하게 행해지지 않으며, 1200℃ 초과하는 경우에는 선재 내 결정립의 크기가 증가하여 연성확보가 불가하며, 스케일의 생성과 탈탄의 영향으로 표면의 품질이 저하될 우려가 있다.

이후, 상기 선재를 5℃/s 내지 10℃/s의 속도로 냉각함으로써, 우수한 강도 및 연성을 가짐과 동시에 향상된 신선가공성을 갖는 선재를 제조할 수 있다. 상기 냉각속도가 5℃/s 미만인 경우에는 펄라이트 라멜라 층상 간격이 넓어져 강도 및 연성 확보에 어려움이 따르며, 10℃/s를 초과하는 경우에는 펄라이트 조직을 확보하는데 어려움이 있고, 마르텐사이트 또는 베이나이트와 같은 저온변태조직의 생성으로 인해 신선 가공성을 확보하기 어렵다.

한편, 필요에 따라 상기 냉각공정 전에는 60℃/s 내지 80℃/s의 속도로 700℃ 내지 750℃까지 급냉하는 단계를 수행할 수 있으며, 이를 통해, 초석 시멘타이트의 생성을 억제하여, 신선가공시 단선 등의 결함 발생을 억제할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

실시예

하기 표 1의 성분범위를 가진 잉고트를 1100℃ 근방에서 열간압연하여 상온까지 10℃/s 근방의 냉각속도로 냉각하여 선재를 제조하였다. 제조된 선재의 컬러니 평균크기, 인장강도, 인장율, 석출물 크기 등을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	C (중량%)	Si (중량%)	Mn (중량%)	V (중량%)	컬러니 크기 (㎛)	인장 강도 (MPa)	연신율 (%)	V 석출물 평균크기 (nm)
발명예 1	0.62	0.2	0.7	0.05	5.13	956	17	19
발명예 2	0.62	0.2	0.7	0.1	4.54	1009	18	25
발명예 3	0.62	0.2	0.7	0.2	4.22	1021	16	29
비교예 1	0.62	0.2	0.7	-	6.47	889	15	-
비교예 2	0.62	0.2	0.7	0.5	4.87	892	5	(82)

1. 인장시편 사이즈 및 형상: 규격 JIS-13호(ASTM), 인장방향이 압연방향과 평행하게 시편 가공, Cross Head Speed: 10mm/min

2. 인장강도(MPa): 최대인장하중(N) / 시편단면적(mm²)

3. 연신율(%): (파단 후 표점 사이의 거리 - 표점 거리) / 표점 거리

4. 컬러니 평균크기(㎛): 전자현미경을 이용하여 측정

5. 석출물 평균크기(nm): 전자현미경을 이용하여 측정

상기 표 1에서 볼 수 있듯이, 본 발명에서 제안하고 있는 성분비, 컬러니 크기 등을 모두 만족하는 발명예 1 내지 3은 우수한 인장강도와 연신율을 모두 가질 수 있음을 알 수 있다. 통상적으로 석출강화시 강도는 증가하나 연성이 감소 될 수 있으나, 컬러니 크기를 감소시킴으로 인해 강도와 연신율을 모두 증가시킬 수 있는 것으로 판단된다. 한편, 발명예 1 내지 3 선재의 미세조직은 면적분율로 95% 이상의 펄라이트 조직 및 나머지 초석 페라이트 조직을 포함하는 것이었다.

반면, V를 포함하지 않는 비교예 1의 경우 컬러니 크기가 6.47㎛로 범위를 벗어나며, 강도가 좋지 못하다는 것을 알 수 있다. 또한, V가 0.5중량%로 포함되는 비교예 2의 경우 많은 양의 V를 첨가했음에도 불구하고 컬러니 크기를 효과적을 줄이지 못하며, 연신율이 크게 감소함을 알 수 있다. 이것은 V 석출물이 균질하게 분포하지 않고 뭉쳐서 연성에 나쁜 영향을 주었기 때문으로 판단된다. 따라서, V 석출물을 이용한 고강도 고연성 선재를 얻기 위해서는 적정량의 V를 첨가하여 함을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (8)

1. 탄소(C): 0.4중량% 내지 0.7중량%, 망간(Mn): 0.3중량% 내지 0.9중량%, 실리콘(Si): 0.1중량% 내지 1.0중량%, 바나듐(V): 0.01중량% 이상 0.5중량% 미만, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
   미세조직은 면적분율로 95% 이상의 펄라이트 조직 및 나머지 초석 페라이트 조직을 포함하고, 상기 펄라이트 조직의 컬러니 평균크기가 3.4㎛ 내지 6.0㎛이며,
   인장강도가 900Mpa 내지 1100Mpa이고, 연신율이 15% 내지 30%인 고강도 고연성 선재.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 선재의 V 석출물의 평균크기는 50nm이하(0nm 제외)인 고강도 고연성 선재.
   
5. 탄소(C): 0.4중량% 내지 0.7중량%, 망간(Mn): 0.3중량% 내지 0.9중량%, 실리콘(Si): 0.1중량% 내지 1.0중량%, 바나듐(V): 0.01중량% 이상 0.5중량% 미만, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 1000℃ 내지 1200℃에서 열간압연하여 선재를 얻는 단계; 및 상기 선재를 5℃/s 내지 10℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하며,
   제조되는 선재는 펄라이트 조직의 컬러니 평균크기가 3.4㎛ 내지 6.0㎛인 고강도 고연성 선재의 제조 방법.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 냉각하는 단계 전에, 60℃/s 내지 80℃/s의 속도로 700℃ 내지 750℃까지 급냉하는 단계를 더 포함하는 고강도 고연성 선재의 제조 방법.