KR101696113B1

KR101696113B1 - 열처리 생략이 가능한 선재, 그 제조방법 및 이를 이용한 강선의 제조방법

Info

Publication number: KR101696113B1
Application number: KR1020150183486A
Authority: KR
Inventors: 김호련; 양요셉
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2017-01-13

Abstract

중량%로, C: 0.1~0.2%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 5~8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, B: 0.001~0.003%, N: 0.004% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 90면적% 이상(100면적% 포함)의 마르텐사이트를 포함하는 선재와 이를 제조하는 방법과 이를 이용한 강선의 제조방법이 개시된다.

Description

열처리 생략이 가능한 선재, 그 제조방법 및 이를 이용한 강선의 제조방법{WIRE ROD ENABLING OMITTING HEAT TREATMENT, METHOD FOR MANUFACTURING SAME AND METHOD FOR MANUFACTURING STEEL WIRE USING THE SAME}

본 발명은 열처리 생략이 가능한 선재, 그 제조방법 및 이를 이용한 강선의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 열처리 생략이 가능한 아머 케이블(armor cable)용 선재, 그 제조방법 및 이를 이용한 강선의 제조방법에 관한 것이다.

아머 케이블(armor cable)은 해상에서 원유를 수송하는 플레시블 파이프에 걸리는 하중을 지탱해주는 보강재로, 강도 외 수소 저항성(HIC), 피로 특성이 우수해야 한다. 강도가 중요한 이유는 아머 케이블이 사용되는 이유에서 확인될 수 있는데, 아머 케이블은 중간 스테인레스 송유관을 지지해주는 역할을 하기 때문이다. 또한, 심유 유정 채취 환경이 대륙붕에서 심해로 변화하기 때문에, 심해에서 사용될 수 있기 긴 길이의 아머가 필요하고, 이는 강도를 증가시켜야만 가능하다. 수소 저항성이 높아야 하는 이유는 유정과 직접적으로 맞닿아 있지는 않지만, 간접적으로 영향을 받을 수 있기 때문이며, 또한 유정 내 S 함유량이 많을 경우 더욱더 높은 수소 저항성이 요구되기 때문이다. 피로 특성은 이들의 사용 환경이 정적이 아닌 동적 피로 환경에 놓이기 때문이고, 일반적으로 강도와 비례관계에 놓여 있는 것으로 알려져 있기 때문에 강도를 향상시켜 이의 특성을 높이고 있다.

현재까지 아머 케이블(armor cable)에 적용되는 강종은 탄소 함량이 0.3~0.8중량%인 일반적인 경강용 제품으로 그 외 나머지 성분계는 Si이 0.2~0.3중량%, Mn이 0.3~0.6중량%이며, P 및 S 는 각각 통상적인 수준인 0.015중량% 이하 및 0.012중량% 이하이다.

한편, 아머 케이블로 사용되는 제품의 탄소 함량이 0.3~0.8중량%인 이유는 열처리를 통해 미세한 펄라이트 조직을 형성시키고, 이의 분율을 높이기 위함이다. 이는 미세한 펄라이트 조직이 신선 가공 시 가장 효과적으로 강도를 향상시킬 수 있기 때문이다. 그런데, 이러한 펄라이트 조직을 활용한 제품은 조직 미세화를 위해 행해지는 신선 전 열처리를 필수적으로 수행하여야만 하기 때문에 경제성 측면에서 불리한 단점이 있어 왔다.

본 발명의 여러 목적 중 하나는, 열처리 생략이 가능한 선재, 이를 제조하는 방법과 이를 이용하여 강선을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면은, 중량%로, C: 0.1~0.2%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 5~8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, B: 0.001~0.003%, N: 0.004% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 90면적% 이상(100면적% 포함)의 마르텐사이트를 포함하는 선재를 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면은, 중량%로, C: 0.1~0.2%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 5~8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, B: 0.001~0.003%, N: 0.004% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 재가열하는 단계, 상기 재가열된 빌렛을 열간 압연하여 선재를 얻는 단계, 상기 선재를 권취하는 단계, 상기 권취된 선재를 500~850℃까지 1℃/sec 이하(0℃/sec 제외)의 속도로 1차 냉각하는 단계, 및 상기 1차 냉각된 선재를 200℃까지 10℃/sec 이상의 속도로 2차 냉각하는 단계를 포함하는 선재의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 또 다른 일 측면은, 중량%로, C: 0.1~0.2%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 5~8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, B: 0.001~0.003%, N: 0.004% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 재가열하는 단계, 상기 재가열된 빌렛을 열간 압연하여 선재를 얻는 단계, 상기 선재를 권취하는 단계, 상기 권취된 선재를 500~850℃까지 1℃/sec 이하(0℃/sec 제외)의 속도로 1차 냉각하는 단계, 및 상기 1차 냉각된 선재를 200℃까지 10℃/sec 이상의 속도로 2차 냉각하는 단계, 상기 2차 냉각된 선재의 표면에 형성된 스케일을 제거하고, 약 신선하여 치수 정밀도를 확보하는 단계, 및 상기 치수 정밀도가 확보된 선재를 100 m/m 이상 신선속도로 총감면량 66 % 이상으로 판압연하여 강선을 얻는 단계를 포함하는 강선의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 여러 효과 중 하나로서, 열처리를 생략 하더라도, 강도 및 연성이 우수한 강선을 확보할 수 있는 장점이 있다.

도 1의 (a) 및 (b)는 각각 발명예 1 및 비교예 1에 따른 선재의 표면을 관찰하여 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 일 측면인 열처리 생략이 가능한 선재에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 선재의 합금 성분 및 조성 범위에 대하여 상세히 설명한다. 후술하는 각 성분의 함량은 특별히 언급하지 않는 한 모두 중량 기준임을 미리 밝혀둔다.

탄소(C): 0.1~0.2%

탄소는 강의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에서 이러한 효과를 얻기 위해서는 탄소 함량이 0.1% 이상인 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 판상형 마르텐사이트가 형성되어 압연 중 단선이 발생할 수 있으므로 적합치 않다. 이를 방지하기 위해서는 탄소 함량이 0.2% 이하인 것이 바람직하고, 0.15% 이하인 것이 보다 바람직하다.

실리콘(Si): 0.1~0.5%

실리콘은 페라이트 내 고용되어 탄화물 형성을 억제하는 역할을 한다. 한편, 실리콘 첨가시 강의 강도가 향상되는데, 일반적으로 실리콘 0.1% 첨가시 14~16MPa 수준의 강도가 향상되는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서 이러한 효과를 얻기 위해서는 탄소 함량이 0.1% 이상인 것이 바람직하다. 한편, 실리콘 함량이 0.5% 초과시 강도 증가 효과가 크지 않기 때문에 그 상한을 0.5%로 한다.

망간(Mn): 5~8%

망간은 고안된 미세조직 내 치환형 고용체로 고용되어 존재하며, 강도 증가 더불어 소입성을 확보하기 위해 첨가된다. 특히, 본 발명에서 제어하는 범위로 망간을 첨가할 경우 스텔모아 냉각대에서 공냉하는 것만으로도 침상형 마르텐사이트를 형성시킬 수 있다. 만약, 그 함량이 5% 미만일 경우 목표 강도 확보가 어려울 수 있으며, 반면, 그 함량이 8%를 초과할 경우 망간 편석이 심하게 발생되어 압연 중 길이 방향으로 갈라지는 딜라미네이션이 발생할 수 있다.

인(P): 0.03% 이하 및 황(S): 0.03% 이하

인 및 황은 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로써, 본 발명에서는 특별히 그 함량을 규정하지는 않지만, 충분한 연성을 확보하기 위한 관점에서 그 상한을 각각 0.03% 이하로 관리한다.

보론(B): 0.001~0.003%

보론은 망간과 더불어 소입 효과가 강한 원소로서, 선재의 주조직으로 마르텐사이트를 얻기 위하여 첨가되는 필수적인 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 얻기 위해서는 보론의 함량이 0.001% 이상인 것이 바람직하고, 0.0012% 이상인 것이 보다 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 강 중 고용 B로 존재하지 않고, 입계에 조대한 BN 등을 형성하여 강의 연성에 악영향을 미칠 수 있다. 이를 방지하기 위한 측면에서, 보론의 함량은 0.003% 이하인 것이 바람직하고, 0.0025% 이하인 것이 보다 바람직하다.

질소(N): 0.004% 이하

질소는 불가피하게 함유되는 불순물로써, 페라이트에 고용되어 연성을 감소시키는 주된 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 이론상 질소의 함량은 0중량%로 제어하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 질소 함량의 상한을 0.004%로 관리한다.

상기 합금조성 외 잔부는 철(Fe)이다. 뿐만 아니라, 본 발명의 선재는 통상 강의 공업적 생산 과정에서 포함될 수 있는 기타의 불순물을 포함할 수 있다. 이러한 불순물들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 알 수 있는 내용이므로 본 발명에서 특별히 그 종류와 함량을 제한하지는 않는다.

본 발명의 선재는 마르텐사이트를 주조직으로 하며, 일 예에 따르면, 90면적% 이상(100면적% 포함)의 마르텐사이트를 포함할 수 있고, 보다 바람직하게는 95 면적% 이상(100면적% 포함)의 마르텐사이트를 포함할 수 있다. 상기와 같은 조직을 확보함으로써, 본 발명의 선재는 연성이 우수하며, 가공성이 우수한 장점이 있다.

일 예에 따르면, 마르텐사이트의 평균 원상당 직경은 15μm 이하일 수 있다. 만약, 평균 원상당 직경이 15μm를 초과할 경우 가공 중 단선이 야기될 우려가 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 선재는 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 그 제조방법은 특별히 제한되지 않는다. 다만, 일 구현예로써 다음과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다.

이하, 본 발명의 다른 일 측면인 열처리 생략이 가능한 선재의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 전술한 성분계를 만족하는 빌렛을 재가열한다. 본 단계는 결정립계에 형성되어 있던 (Fe,Mn)₂₃C₆ 탄화물을 용해시킴과 더불어 생성을 억제하기 위해 실시하는 단계이다.

일 예에 따르면, 빌렛의 재가열시, 재가열 온도는 1150~1250℃일 수 있다. 상기의 온도 범위는 오스테나이트 단상역으로써 오스테나이트 결정립이 조대화되지 않는 범위이며, 잔존하는 (Fe,Mn)₂₃C₆ 탄화물의 제거에 효과적인 온도이다. 만약, 재가열 온도가 1150℃ 미만인 경우 잔존하는 (Fe,Mn)₂₃C₆ 탄화물의 용융을 위해 요구되는 시간이 길어지게 되며, 이에 따라 오스테나이트 결정립의 조대화가 야기되어 냉각 후 형성되는 최종 미세조직이 조대화되는 경향이 있다. 한편, 재가열 온도가 1250℃를 초과하는 경우 역시 오스테나이트 결정립 조대화가 야기되어 냉각 후 형성되는 최종 미세조직이 조대화되는 경향이 있다.

일 예에 따르면, 빌렛의 재가열시, 재가열 시간은 90~150분일 수 있다. 만약, 재가열 시간이 90분 미만일 경우, (Fe,Mn)₂₃C₆ 탄화물이 충분히 용융되지 못할 우려가 있으며, 반면, 재가열 시간이 150분을 초과할 경우 오스테나이트 결정립의 조대화가 야기될 우려가 있다.

다음으로, 재가열된 빌렛을 열간압연하여 선재를 얻는다.

일 예에 따르면, 열간압연시, 마무리 압연 온도는 1000℃ 이상일 수 있다. 만약, 마무리 압연 온도가 1000℃ 미만일 경우 압연 중 변형에 의해 불순 조직이 형성될 우려가 있으며, 탄화물의 입계 석출 가능성이 커질 우려가 있다.

다음으로, 선재를 수냉 후, 권취한다.

일 예에 따르면, 권취시, 권취 온도는 900℃ 이하일 수 있다. 만약, 900℃를 초과할 경우 오스테나이트 결정립 조대화로 인해 연성이 저하될 우려가 있다.

다음으로, 권취된 선재를 냉각한다.

전술한 조성을 갖는 선재를 약 1℃/sec의 균일한 속도로 냉각할 경우, FCC 단상에서 BCC로 변태된 후, (Fe,Mn)₂₃C₆ 탄화물이 형성되게 된다. 이때, BCC로 변태되는 온도는 약 500℃이므로, 500~850℃의 온도 범위까지는 1℃/sec 이하(0℃/sec 제외)의 속도로 서냉(1차 냉각)한 후, (Fe,Mn)₂₃C₆ 탄화물이 형성되는 온도 구간인 200℃까지는 10℃/sec 이상의 속도로 급냉(2차 냉각)함이 바람직하다. 이는 탄화물 성장에 따른 인성 감소를 억제하기 위함이다. 한편, 1차 냉각시 냉각 속도가 지나치게 느릴 경우 실제 조업이 곤란할 정도로 생산성이 저하되는 측면이 있으므로, 생산성 측면을 고려할 때, 0.5℃/sec 이상의 속도로 서냉함이 보다 바람직하다.

이하, 본 발명의 또 다른 일 측면인 강선의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 전술한 성분계를 갖고, 전술한 방법에 의해 제조된 선재를 준비한 후, 선재의 표면에 형성된 스케일을 제거하고, 약 신선하여 치수 정밀도를 확보한다.

일반적으로 선재의 표면에는 약 20~30μm 두께의 스케일이 존재하며, 이러한 스케일은 가공 중 스케일 치입에 따른 파단을 야기할 수 있다. 따라서, 가공 전 스케일을 미리 제거함이 바람직하며, 예를 들어, 염산세 또는 황산세 또는 기계적 박리와 염산세를 혼합하여 스케일을 제거한다.

이후, 스케일 제거에 따른 선경 불균일을 저감하고 미소 균열의 발생을 억제하기 위하여 스케일이 제거된 선재를 약 신선하여 치수 정밀도를 확보한다.

일 예에 따르면, 약 신선시, 총감면량은 2~7%일 수 있다. 만약, 총감면량이 2% 미만일 경우 표면 조도가 균일하게 제어되지 못할 우려가 있으며, 반면, 7%를 초과할 경우 표면에만 변형이 크게 인가되어 조직의 분균질성을 유발하고, 제품의 물성 편차가 증가할 우려가 있다.

다음으로, 치수 정밀도가 확보된 선재를 판압연하여 강선을 얻는다.

이때, 신선속도는 100~300m/m인 것이 바람직하다. 만약, 신선속도가 100m/m 미만일 경우 생산성이 지나치게 저하되며, 300m/m을 초과할 경우 열간 크랙 발생 가능성이 지나치게 높아진다.

또한, 총감면량은 66 % 이상인 것이 바람직하다. 이는, 목표 강도 확보를 위함이다. 이때, 총감면량은 아래 식 1을 통해 계산할 수 있다.

[식 1]

총감면량(%) = {1-(신선 후 강선의 단면적/신선 전 선재의 단면적)}×100

본 발명에 따른 강선은 종래 조직 미세화를 위해 행해지는 신선 전 열처리를 생략할 수 있으며, 종래 40~70% 수준의 신선 가공량을 인가하여 제품 특성을 확보하였던 것과 달리, 5~10% 수준의 신선 가공량 및 50% 수준의 압연량을 인가하는 것만으로도 제품 특성을 확보할 수 있다는 점에서 제품 경쟁력이 매우 우수하다는 장점이 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.

( 실시예 )

하기 표 1의 조성을 갖는 빌렛을 준비하고, 1200℃에서 100분 간 재가열한 후, 마무리 압연 온도 1050℃의 조건 하 열간 압연하여 직경 11mm의 선재(발명예 1)를 얻었다. 이후, 상기 선재를 수냉한 후, 800℃에서 권취하고, 500℃까지 1℃/sec의 속도로 1차 냉각, 200℃까지 10℃/sec의 속도로 2차 냉각하였다. 이때, 2차 냉각된 선재의 인장강도는 1470MPa로 나타났다. 한편, 도 1의 (a)는 발명예 1에 따른 선재의 표면을 관찰하여 나타낸 사진이다.

이후, 스케일을 제거하고, 별도의 열처리 없이, 5%의 총 감면량으로 약 신선 및 50%의 총 감면량으로 판압연하여 강선을 얻었다. 이때, 강선의 인장강도는 1615MPa로 나타났으며, 연신율은 12.9%로 나타났다.

성분	C	Si	Mn	B	N	P	S
범위(중량%)	0.1	0.1	6	0.0015	0.005	0.009	0.010

한편, 비교를 위해, 현재 상용 판매 중인 탄소강(0.72wt%C-0.5wt%Si-0.75wt%Mn)을 이용하여 16mm 선재(비교예 1)를 제조하였다. 이때, 권취 온도는 900℃로, 권취 후 냉각 속도는 8℃/sec로 일정하게 하였다. 이때, 냉각된 선재의 인장강도는 980MPa로 나타났다. 한편, 도 1의 (b)는 비교예 1에 따른 선재의 표면을 관찰하여 나타낸 것이다.

이후, 스케일을 제거하고, 고온 가열로에서 950℃에서 1분 간 가열하고, 500℃에서 1분 유지한 후 ??칭하였다. 이후, 62%의 총 감면량으로 신선하여 강선을 얻었다. 이때, 강선의 인장강도는 1610MPa로 나타났으며, 연신율은 11.1%로 나타났다.

Claims

중량%로, C: 0.1~0.2%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 5~8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, B: 0.001~0.003%, N: 0.004% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 90면적% 이상(100면적% 포함)의 마르텐사이트를 포함하고, 12mm 이하(0mm 제외)의 직경을 갖는 선재.
제1항에 있어서,
상기 마르텐사이트의 평균 원상당 직경이 15μm 이하인 선재.
삭제
제1항에 있어서,
1400MPa 이상의 인장강도를 갖는 선재.
중량%로, C: 0.1~0.2%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 5~8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, B: 0.001~0.003%, N: 0.004% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 재가열하는 단계;
상기 재가열된 빌렛을 열간 압연하여 12mm 이하(0mm 제외)의 직경을 갖는 선재를 얻는 단계;
상기 선재를 권취하는 단계;
상기 권취된 선재를 500~850℃까지 1℃/sec 이하(0℃/sec 제외)의 속도로 1차 냉각하는 단계; 및
상기 1차 냉각된 선재를 200℃까지 10℃/sec 이상의 속도로 2차 냉각하는 단계;
를 포함하는 선재의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 빌렛의 재가열시, 재가열 온도는 1150~1250℃인 선재의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 빌렛의 재가열시, 재가열 시간은 90~150분인 선재의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 재가열된 빌렛의 열간 압연시, 마무리 압연 온도는 1000℃ 이상인 선재의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 선재의 권취 온도는 900℃ 이하인 선재의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 권취된 선재의 1차 냉각시, 냉각 속도는 0.5~1℃/sec인 선재의 제조방법.
중량%로, C: 0.1~0.2%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 5~8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, B: 0.001~0.003%, N: 0.004% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 재가열하는 단계;
상기 재가열된 빌렛을 열간 압연하여 12mm 이하(0mm 제외)의 직경을 갖는 선재를 얻는 단계;
상기 선재를 권취하는 단계;
상기 권취된 선재를 500~850℃까지 1℃/sec 이하(0℃/sec 제외)의 속도로 1차 냉각하는 단계; 및
상기 1차 냉각된 선재를 200℃까지 10℃/sec 이상의 속도로 2차 냉각하는 단계;
상기 2차 냉각된 선재의 표면에 형성된 스케일을 제거하고, 약 신선하여 치수 정밀도를 확보하는 단계; 및
상기 치수 정밀도가 확보된 선재를 100 m/m 이상 신선속도로 총감면량 66 % 이상으로 판압연하여 강선을 얻는 단계;
를 포함하는 강선의 제조방법.
제11항에 있어서,
상기 약 신선시, 총감면량은 2~7%인 강선의 제조방법.