KR101758477B1 - 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재, 강선 및 이들의 제조방법 - Google Patents

강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재, 강선 및 이들의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면은 중량%로, C: 0.9~1.1 %, Si: 0.7~1.5 %, Mn: 0.1 % 이하, Cr: 0.6~0.8 %, S: 0.015% 이하, P: 0.015 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 펄라이트 95면적% 이상을 포함하는 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재에 관한 것이다.

Description

강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재, 강선 및 이들의 제조방법{HIGH CARBON STELL WIRE ROD AND STEEL WIRE HAVING EXCELLENT STRENGTH AND CORROSION RESISTANCE AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 내식성이 우수한 고탄소강 선재, 강선 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
크래인 로프, 일반 교량용 케이블 등은 구조물을 지탱하거나, 선박 또는 기타 위치에서 물건을 이송할 때 하중을 지지하는 역할을 수행한다. 이들은 강선 단일 가닥이 아닌 다수의 가닥이 꼬여진 형태로 실 환경에 쓰이게 되는데, 그 두께는 작게는 50 mm에서 1000 mm까지 다양한 것으로 알려져 있다.
로프 선경 증가는 구조물의 중량 증가를 의미하는데, 이를 감소시킬 수 있는 가장 효과적인 방법은 이를 이루고 있는 강선의 강도 증가이다. 강선의 강도는 제품 경량화에 직결되는 문제이므로, 강선용 강종의 개발방향은 고강도화가 주를 이루고 있다.
강선 고강도화는 1960년대 엠버리(Embury)와 피셔(Fisher)가 제안한 실험식에 따르고 있다. 이에 따르면, 강도를 가장 효과적으로 향상시킬 수 있는 방법으로는 1) 소재의 강도 증가, 2) 전위의 움직임을 방해할 수 있는 초기 조직의 미세화에 따른 가공 경화율 향상, 3) 신선 가공량 증가 등이 있다.
소재 강도 증가 및 조직 제어에 따른 가공 경화율 향상은 합금 원소의 첨가를 주로 이용하고 있는데, C는 고용강화 및 석출 강화 효과, Cr은 오스테나이트에서 C 확산 저하 및 이로 인한 핵생성 사이트 증가에 따른 조직 미세화 및 이에 따른 신선 가공성 증가, Si은 페라이트 내 고용 강화, 펄라이트 조직 미세화에 따른 초기 강도를 증가시키는 역할을 한다.
마지막으로 신선 가공량 증가는 앞서 언급한 합금 원소 첨가에 따른 강도 증가보다 효율적으로 강도를 증가시킬 수 있는 방법인데, 실험실적 결과에 따르면 신선가공량 증가시 강도는 지수적으로 증가하는 것으로 알려져 있다. 이는 펄라이트 조직이 신선방향으로 전체 회전함에 따라 연질상과 경질상이 겹겹이 존재하는 복합조직으로 존재하기 때문이라는 이유와 신선 가공량이 증가하면서 세멘타이트 내 존재하는 탄소가 페라이트로 확산하는 함량이 증가하고, 이러한 탄소가 페라이트 내 과포화되면서 마르텐사이트와 같은 역할을 하고 이러한 조직 형성이 강도를 크게 증가시킨다는 이유라고 설명되고 있다. 다만, 현재까지는 이론적인 설명만이 주로 이루어졌고, 실험적인 검증은 아직까지 이루어지지 않고 있다.
또한, 상기 구조물들은 염분기가 많은 바닷가 등에 사용되는데, 강내 염기 침투를 억제하기 위하여 강선 표면에 Zn, Zn-Al 등의 도금층을 형성시키거나, 크래인 로프 등의 경우에는 오일 등을 발라두어 이의 영향을 최소화시키고자 하는 노력을 하고 있다. 그러나, 실제 환경에 놓일 경우 불가피하게 도금층이 벗겨지거나, 오일이 제거가 되는 경우가 발생하게 되고, Fe가 HCl, NaCl 등과 반응을 하게 됨으로써 부식 피트가 형성되고 조기 절손되어 로프 교체 등을 피할 수 없게 되는 문제점이 있다.
또한, Zn 은 슬립계가 적은 HCP(hexagonal close packing) 구조로 이루어져 있기 때문에 신선성을 크게 저하시키는 등 제조 원가를 상승시키는 문제점이 있으므로, 이를 감소시키는 방향으로 강종 설계 및 공정 제어가 이루어져야 할 것으로 생각된다.
따라서, 강도가 우수하고 인위적으로 도금층을 형성시키지 않아도 내식성이 우수한 고탄소강 선재, 강선 및 이들의 제조방법에 대한 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 미세조직 및 합금조성을 제어함으로써 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재, 강선 및 이들의 제조방법을 제공하기 위함이다.
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.
본 발명의 일 측면은 중량%로, C: 0.9 ~ 1.1 %, Si: 0.7 ~1.5 %, Mn: 0.07 ~ 0.1 %, Cr: 0.6 ~ 0.8 %, P: 0.030 % 이하, S: 0.010 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
미세조직은 펄라이트 95 면적% 이상을 포함하는 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재에 관한 것이다.
본 발명의 다른 일 측면은 중량%로, C: 0.9 ~ 1.1 %, Si: 0.7 ~1.5 %, Mn: 0.07 ~ 0.1 %, Cr: 0.6 ~ 0.8 %, P: 0.030 % 이하, S: 0.010 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
미세조직은 펄라이트 95 면적% 이상을 포함하는 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 강선에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 일 측면은 상기 합금조성을 갖는 강편을 1000~1100℃ 에서 90~120분 동안 유지하는 단계;
상기 강편을 950~1050℃ 에서 사상압연하고 최종압연 입측 온도 980~1050℃ 로 최종압연하여 선재를 얻는 단계; 및
상기 선재를 850~950℃ 에서 권취하고 스텔모아 냉각대에서 8~10 ℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재의 제조방법에 관한 것이다.
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 있다.
본 발명에 의하면, 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재, 강선 및 이들의 제조방법을 제공할 수 있는 효과가 있으며, 우수한 내식성을 가지므로 별도의 Zn, Zn-Al 등의 도금 처리, 오일(Oil)류의 외부 부착 등의 생략이 가능하여 제조 원가를 절감할 수 있어 제품 경쟁력에서 우위를 가질 수 있다.
도 1은 발명예 1의 선재의 미세조직을 촬영한 사진이다.
도 2은 비교예 5의 선재의 미세조직을 촬영한 사진이다.
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.
본 발명자들은 현재 사용되는 크래인 로프, 일반 교량용 케이블 등에 사용되는 강선의 강도를 증가시키고, 별도의 Zn, Zn-Al 등의 도금 처리, 오일(Oil)류의 외부 부착 등의 생략이 가능하도록 내식성을 향상시키기 위하여 깊이 연구하였다.
그 결과, 고 Cr 첨가를 통해 강도 및 내식성을 확보할 수 있으며, 이에 Ni을 추가로 첨가하는 경우 그 효과가 증가되고, Ni 및 Cu를 추가로 복합첨가하는 경우 그 효과가 더욱 증가되는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 강도 및 내식성이 우수한 선재는 중량 %로, C: 0.9 ~ 1.1 %, Si: 0.7 ~1.5 %, Mn: 0.07 ~ 0.1 %, Cr: 0.6 ~ 0.8 %, P: 0.030 % 이하, S: 0.010 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 펄라이트 95 면적% 이상을 포함한다.
먼저, 본 발명의 합금조성에 대하여 상세히 설명한다. 이하 각 합금원소의 단위는 중량%이다.
C (탄소): 0.9 ~ 1.1 %
C는 소재 강도를 가장 효과적으로 상승시킬 수 있는 원소이며, 펄라이트 강에서 C이 0.1 % 증가될 때 100 MPa 강도를 증가시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 0.9 % 초과 첨가시 이 강도 증가량은 점차 감소하는데, 이는 편석대 내 탄소 농도 증가 및 이 영역에 초석 세멘타이트 형성 및 두꺼운 세멘타이트가 형성될 가능성이 크기 때문이다.
C 함량이 0.9 % 미만인 경우 고강도를 확보하기 어려우며, C 함량이 1.1 % 초과인 경우 중심 편석이 크게 증가하는 문제점이 있다. 따라서 C 함량은 0.9~1.1%인 것이 바람직하다.
Si (실리콘): 0.7 ~ 1.5 %
Si은 페라이트 고용강화 및 펄라이트 조직을 미세화 따른 강도를 증가시키는 역할을 하며 Si이 0.1 % 첨가시 14~16 MPa 수준 강도가 향상된다. 또한, Si은 페라이트와 세멘타이트 계면에 존재하기 때문에 열처리 시 C 확산을 억제하는 역할을 하는데, 이 때문에 케이블 등에서 Si을 높게 사용한다. Si 함량이 0.7 % 미만인 경우 상술한 효과가 충분하지 못하고, Si 함량이 1.5 % 초과인 경우 모재와 밀착성이 큰 Fe2SiO4 스케일을 표면에 형성시켜 스케일 박리성을 저하시키는 문제점이 있다.
Cr (크롬): 0.6 ~ 0.8 %
Cr은 C, N 다음으로 강도를 효과적으로 향상시킬 수 있는 원소로, 펄라이트 강에서 0.1 % 증가 시 40~50 MPa를 증가시킬 수 있다. 또한, 신선사에서 열처리 후 세멘타이트의 이상부 출현 및 두꺼운 세멘타이트 형성을 억제시킬 수 있다. 그러나 페라이트 내 전위 밀도를 증가시킬 수 있기 때문에 페라이트 연성 저하로 인해 극세선 신선 시 단선을 유발시킬 수 있는 단점이 있다. Cr 함량이 0.6 % 미만인 경우 강도 확보가 어렵고, Cr 함량이 0.8 % 초과인 경우 탄화물 형성에 따른 변태 완료 시간이 증가하여 제조 효율이 저하될 수 있다. 따라서 Cr 함량은 0.6~0.8%인 것이 바람직하다.
Mn (망가니즈): 0.07 ~ 0.1 %
Mn은 강도 증가 역할도 하지만 그 첨가 목적이 고객사에서 납조 열처리 할 때 변태 노즈를 충분히 지연시켜주는 소입성 확보 목적으로 첨가된다. 또한, 강내 S와 쉽게 결합하기 때문에 탈황 목적으로도 사용된다. 탈황을 위해서는 0.07 % 이상 첨가할 필요가 있으며, 본 발명에서는 Cr과 Si 함량이 높기 때문에 충분한 소입성 효과를 나타낼 수 있으므로 그 함량을 0.1 % 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
P : 0.030 % 이하
P는 불순물이며, 특별히 함유량을 규정하지는 않지만, 종래의 강선과 마찬가지로 연성을 확보하는 관점에서 0.030% 이하로 하는 것이 바람직하다.
S: 0.010 % 이하
S는 불순물이며, 특별히 함유량을 규정하지는 않지만, 본 발명에서는 Mn 함량을 낮게 제어하고 있기 때문에 탈황처리를 쉽게 하기 위하여 S 함량을 0.010% 이하로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 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 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
이때, 상술한 합금조성에 Ni: 0.2 ~ 0.6 %를 추가로 첨가시킴으로써 내식성을 보다 향상시킬 수 있으며, Ni: 0.2 ~ 0.6 % 및 Cu: 0.6 % 이하 (0%는 제외)를 추가로 첨가시킴으로써 내식성을 보다 더 향상시킬 수 있다.
Ni (니켈): 0.2 ~ 0.6 %
Ni은 내식성을 향상시키는 원소로, Ni 첨가에 따라 녹(rust)의 입도가 미세화 되고 철이온의 용해 활성화가 저하되므로 녹과 강 계면의 저 pH화가 억제되며, 형성된 녹층의 양이온 선택 투과성이 증대되어 염소이온의 녹층 내로의 침투가 억제되므로 내식성이 크게 향상된다. Ni 첨가량은 증가하면 증가할수록, 내식성 등이 향상되는 이점이 있다. 0.2 % 미만 첨가시 효과가 없으며, 0.6 % 이상 첨가시 내식 효과가 크게 발생하나 고가이므로 그 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Cu (구리): 0.6 % 이하 (0%는 제외)
Cu는 녹층 입자의 미세화 및 치밀화로 강의 내식성을 향상 시키는 원소로 함량이 증가할수록 내식성 면에서는 유효하나, 재가열시 융점이 낮은 Cu가 강의 입계에 침투하여 열간가공시 크랙이 발생하는 열간가공균열 (hot shortness)을 야기할 수 있으므로 0.6% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 미량 첨가시에도 효과가 있으므로 그 하한을 특별히 한정하지는 않으나, 0.2 %이상 첨가될 경우 그 효과가 더욱 뚜렷할 수 있다.
또한, Ni 첨가 없이 Cu만 첨가하는 경우에는 열간 압연 중 용융 Cu 가 결정립계로 확산하여 결함이 발생되는 문제점이 있으므로 Ni과 함께 첨가한다.
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 강도 및 내식성이 우수한 선재의 미세조직에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 강도 및 내식성이 우수한 선재의 미세조직은 펄라이트 95면적% 이상을 포함한다. 펄라이트 이외에 5면적% 이하의 초석 세멘타이트를 포함할 수 있다.
또한, 상기 펄라이트의 평균 층간 간격은 110 ~ 120 nm인 것이 바람직하다.
상술한 합금조성 및 미세조직을 갖는 본 발명의 선재는 1400MPa 이상의 인장강도를 갖고, 단면감소율(Reduction of Area)이 15% 이상이다.
강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재의 제조방법
상기 본 발명의 선재의 제조방법은 특별히 제한하지 않으나, 본 발명의 한가지 방법에 따르면, 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재의 제조방법은 상술한 합금조성을 만족하는 강편을 1000~1100℃ 에서 90~120분 동안 유지하는 단계;
상기 강편을 950~1050℃ 에서 사상압연하고 최종압연 입측 온도 980~1050℃ 로 최종압연하여 선재를 얻는 단계; 및
상기 선재를 850~950℃ 에서 권취하고 스텔모아 냉각대에서 8~10 ℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 제조방법에 따라 제조된 선재는 펄라이트 95면적% 이상을 포함하고, 1400MPa 이상의 인장강도를 갖고, 단면감소율(Reduction of Area) 15% 이상이다.
강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 강선
본 발명의 또 다른 일 측면인 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 강선은 상술한 합금조성을 가지며, 미세조직은 펄라이트 95면적% 이상을 포함한다. 상기 펄라이트는 신성가공에 의해 신선방향으로 방향성을 가질 수 있다.
이때, 상기 펄라이트의 평균 층간 간격은 20~30 nm일 수 있다. LP 열처리 및 신선공정에 의해 선재의 경우보다 펄라이트의 평균 층간 간격이 미세화되기 때문이다.
또한, 강선 표면에 녹(rust) 형성시, 상기 녹이 결정립 크기가 20nm이하인 α-FeOOH(알파 수산화철)을 26 면적% 이상 포함할 수 있다. 상기 녹의 나머지는 β-FeOOH(베타 수산화철), γ-FeOOH(감마 수산화철) 등으로 이루어진다.
비정질인 α-FeOOH는 녹 형성을 억제하는 상이고, β-FeOOH는 γ-FeOOH 내에 균열이 쉽게 형성되게 하여 녹 형성을 촉진하는 상이다.
결정립이 미세할수록 녹이 치밀하게 형성되어 내후성 측면에서 유리하므로 결정립 크기가 20 nm이하인 α- FeOOH의 면적분율이 중요하며, 결정립 크기가 20 nm이하인 α- FeOOH의 면적분율이 26 면적% 이상 포함되는 경우 우수한 내후성 및 내식성을 확보할 수 있다.
α-FeOOH의 면적분율이 높을수록 내식성을 향상시킬 수 있으므로 그 상한을 특별히 한정할 필요는 없으나, 50 면적% 이상 형성시키는 것은 어렵기 때문에 그 상한은 50 면적 %일 수 있다.
상술한 합금조성 및 미세조직을 갖는 본 발명의 강선은 2400MPa 이상의 인장강도를 갖고, 내식성이 우수하며 비틀림 가공에 대한 저항성이 우수할 수 있다.
강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 강선의 제조방법
본 발명의 또 다른 일 측면인 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 강선의 제조방법은 상술한 선재의 제조방법에 의해 제조된 선재를 950 ℃이상으로 가열하고 2분 이상 유지하는 단계; 납조에서 ??칭 후 580 ℃이상에서 1분 이상 유지 후 수냉하는 단계; 및 100 m/m 이상 신선속도로 총감면량 80% 이상으로 건식신선하여 강선을 얻는 단계를 포함한다.
상기 제조방법에 의해 제조된 강선의 미세조직은 펄라이트 95면적% 이상을 포함하며, 2400MPa 이상의 인장강도를 갖고, 내식성이 우수하며 비틀림 가공에 대한 저항성이 우수하여 크래인 로프, 일반 교량용 케이블 등에 바람직하게 적용할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
본 발명에서는 최종 강선의 인장강도가 2400 MPa 이상이며 내식성이 우수한 특성을 갖는 강선을 제조하기 위한 실험을 행하였다.
하기 표 1의 합금조성을 갖는 50kg 잉곳 주조 후, 빌렛-잉곳 용접하고 선재 압연하였다. 선재 압연 조건은, 가열로: 1030 ℃에서 90 분 유지, 사상압연 출측: 1000 ℃, RSM 입측 온도: 990 ℃, 냉각 후 권취 온도: 900 ℃, 스텔모아 냉각속도: 8 ℃/s로 하여 13 mm 선재를 제조하였다.
상기 선재를 고온 가열로로 980 ℃로 가열하여 3분간 유지하고, 납조로 ??칭하여 LP(Lead Patenting) 열처리재를 얻었다. 상기 LP 열처리재를 590 ℃에서 1.5 분간 유지하고 수냉하여 미세 펄라이트 조직을 확보하였으며, 그 후 건식신선을 통해 직경 5.32 mm까지 신선하여 강선을 제조하였다.
상기 선재 및 LP 열처리재에 대한 인장강도(TS), 단면감소율(RA), 펄라이트 평균 층간 간격(lp)을 측정하고, 상기 강선에 대한 인장강도(TS) 및 비틀림 특성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 또한, 열간가공균열(HS, Hot Shortness) 발생 여부를 표 2에 나타내었다.
구분 C Si Cr Mn Cu Ni P S
비교예1 0.88 1.30 0.61 0.09 0.00 0.00 96 99
발명예1 0.98 1.30 0.62 0.10 0.00 0.00 95 98
발명예2 1.08 1.30 0.60 0.09 0.00 0.00 99 99
비교예2 1.18 1.30 0.60 0.10 0.00 0.00 96 97
비교예3 0.98 0.60 0.61 0.09 0.00 0.00 95 99
비교예4 0.98 1.55 0.62 0.09 0.00 0.00 96 98
비교예5 0.98 1.30 0.25 0.10 0.00 0.00 95 95
비교예6 0.98 1.29 0.92 0.10 0.00 0.00 99 97
발명예3 0.98 1.30 0.62 0.10 0.00 0.30 95 98
발명예4 0.98 1.30 0.62 0.10 0.00 0.60 95 98
비교예7 0.98 1.30 0.62 0.10 0.00 0.90 95 98
발명예5 0.98 1.30 0.62 0.10 0.10 0.30 95 98
발명예6 0.98 1.30 0.62 0.10 0.30 0.30 95 98
발명예7 0.98 1.30 0.62 0.10 0.60 0.30 95 98
비교예8 0.98 1.30 0.62 0.10 0.80 0.30 95 98
단, 상기 표 1에서 C, Si, Cr, Mn, Cu 및 Ni 함량의 단위는 중량%이고, P 및 S 함량의 단위는 ppm이다.
　구분 선재 LP열처리재 강선
(@5.32 mm)		 HS
TS
(MPa)		 RA
(%)		 lp
(nm)		 TS
(MPa)		 RA
(%)		 lp
(nm)		 TS
(MPa)		 비틀림
(회)
비교예1 1310 25 125 1410 32 98 2310 16 없음
발명예1 1410 23 118 1510 30 94 2405 14 없음
발명예2 1480 18 113 1570 28 92 2465 12 없음
비교예2 1510 8 105 1610 12 89 x x 없음
비교예3 1340 24 120 1440 30 99 2335 15 없음
비교예4 1550 7 105 1650 8 88 x x 없음
비교예5 1370 25 121 1470 28 93 2280 15 없음
비교예6 1500 11 116 1600 7 92 x x 없음
발명예3 1415 23 117 1515 29 93 2410 14 없음
발명예4 1417 23 118 1517 30 94 2407 14 없음
비교예7 x x x x x x x x 없음
발명예5 1416 23 118 1515 29 93 2411 14 없음
발명예6 1417 23 119 1517 28 94 2410 13 없음
발명예7 1418 24 118 1512 28 93 2420 13 없음
비교예8 x x x x x x x x 발생
비교예 1, 2와 발명예 1, 2는 C함량 변화에 따른 강도 변화를 보여준다. 탄소 함량이 0.88 %에서 1.18 %까지 증가할 때 거동을 확인해 보면, 기 알려진 바와 같이 강도는 증가하나, 탄소량이 크게 증가할 시 강도 증가 폭은 감소한다. 비교예 1은 최종 신선 후 목표 강도에 도달하지 못하고, 비교예 2는 LP 열처리 후 신선 시 파단이 발생하였다. 따라서, C 함량은 0.9 ~ 1.1 %인 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있다.
C 함량을 0.98 % 로 고정한 상태에서 Si 함량의 영향을 확인하였으며, 발명예 1, 비교예 3 및 4를 통해 이의 효과를 알 수 있다. Si은 페라이트 고용강화 원소이기 때문에 첨가시 강도는 증가하며, 펄라이트 층간간격도 서서히 감소한다. Si 함량이 0.6 %인 경우 최종 강선의 인장강도가 2335 MPa로 목표강도 대비 낮으며, Si 함량이 1.55 %인 경우 Fe2SiO4 스케일이 형성되었을 뿐만 아니라, LP 열처리 후 신선 시 파단이 발생하였다.
Cr 첨가 효과는 발명예1, 비교예 5 및 6을 통해 확인할 수 있다. Cr도 Si과 마찬가지로 0.25 % 첨가 시 강도 증가 효과가 크지 않고, 0.9 % 첨가 시 탄화물 형성 등으로 인하여 신선 시 파단이 발생하였다.
발명예 1의 선재의 미세조직을 촬영한 사진인 도 1과 비교예 5의 선재의 미세조직을 촬영한 사진인 도 2를 비교해보면, Cr 첨가로 인한 라멜라 간격의 미세화를 확인할 수 있다.
발명예 1, 3, 4 및 비교예 7은 Ni이 각각 0, 0.3, 0.6, 0.9 % 첨가된 경우로 Ni 함량에 따른 강도 및 비틀림 변화를 확인할 수 있다. Ni은 강도를 증가시키는 원소는 아니지만, 다량 첨가 시 납조열처리 시 저온조직을 발생시킨다. 비교예 7의 경우 Ni 함량이 0.9 %로 선재 냉각 중 형성된 마르텐사이트로 인하여 인장시험 중 파단이 발생하였으며, LP 열처리 후에도 마찬가지로 파단이 발생하였다. 발명예 1, 3, 4에서는 그러한 현상이 관찰되지 않았으며, 강도 및 비틀림 특성은 유사한 것을 확인할 수 있다.
Ni를 첨가하지 않고 Cu를 단독 첨가할 경우에는 열간 압연 중 용융 Cu 가 결정립계로 확산하여 결함이 발생될 수 있다. Ni과 함께 첨가하는 경우 Ni이 용융 Cu가 결정립계로 확산하는 것을 억제하기 때문에, 본 발명에서는 발명예 5, 6, 7 및 비교예 8을 통하여 Cu 단독이 아닌 Cu와 Ni의 복합첨가 효과를 관찰하고자 하였다. 발명예 5, 6, 7 및 비교예 8은 Ni을 0.3 % 첨가 한 강에서 Cu 함량 증가에 따른 거동을 보여준다. Cu 함량 증가에 따라 강도 변화는 거의 없었으나, 0.9 % 다량 첨가한 비교예 8의 경우 열간가공균열(hot shortness, HS)이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
강도 외 부식 특성이 중요한데 반복부식특성은 강선에 대하여 다음과 같은 조건으로 실험을 수행하여 확인하였다. 단, 최종 강선을 제조할 수 없었던 비교예 2, 4, 6, 7 및 8는 제외하였다.
염수량 (NaCl) 5% 및 습도 65 % 조건 하에서 16시간 분무한 후 8시간 건조를 반복 유지 시켰으며, 시험회수는 30일과 60일 유지하여 내식성 특성을 평가하였다. 상기 조건은 오키나와 해변을 모사한 것으로, 염분량 0.8 mdd의 해안에서 2년 (30 일 유지) 및 4년 (60일 유지) 정도 경과시의 부식정도 차이를 간접 모사하고자 하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 하기 표 3에서 pit 깊이, (a) 및 (b)의 단위는 μm이다.
구분 pit 깊이
(b)-(a)		 (a) (b) 녹 상분율 (%)
30일
유지		 60일
유지		 α-FeOOH
(결정립 크기 20 nm 이하)		 β-FeOOH 기타
비교예1 12.2 15.8 28.0 25 51 22
발명예1 10.9 15.1 26.0 27 50 23
발명예2 10.3 16.5 26.8 27 50 23
비교예3 11.5 15.2 26.7 18 58 24
비교예5 12.1 14.9 27 22 55 23
발명예3 9.7 14.8 24.5 29 49 22
발명예4 5.5 14.5 20 31 44 25
발명예5 8.9 14.6 23.5 30 48 22
발명예6 4.6 13.2 17.8 33 44 23
발명예7 3 12.4 15.4 37 40 23
발명예 1 내지 7은 모두 부식깊이 차이가 11 μm 이하로 내식성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
또한, 이러한 내식성은 녹(rust)에 결정립 크기 20 nm 이하인 α-FeOOH의 상분율과 밀접한 연관이 있음을 확인할 수 있으며, 발명예 1 내지 7은 본 발명에서 제한한 α-FeOOH의 상분율을 만족하여 내식성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 반면에 비교예들은 본 발명에서 제한한 α-FeOOH의 상분율을 만족하지 못하여 내식성이 열위하였다.
이들에 영향을 주는 인자를 고찰해보았다. 반복 부식실험 시 시간이 경과하면서 표면에 녹(rust)이 형성되는데, 일반적으로 비정질 α-FeOOH는 녹 형성을 억제하는 상이고, β-FeOOH는 녹 형성을 촉진하는 상으로 알려져 있다. 이는 γ -FeOOH내 균열이 쉽게 형성되기 때문이다. 여기서 α-FeOOH 분율은 결정립 크기 20 nm 이하인 것으로 한정한다. α-FeOOH 분율은 Cr 첨가 시 26 %까지 증가하며, Ni 첨가 시 31 %까지 Cu와 Ni 복합 첨가 시 최대 37 %까지 증가하는 것으로 확인하였다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 중량 %로, C: 0.9 ~ 1.1 %, Si: 0.7 ~1.5 %, Mn: 0.07 ~ 0.1 %, Cr: 0.6 ~ 0.8 %, Ni: 0.2 ~ 0.6 %, P: 0.030 % 이하, S: 0.010 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직은 펄라이트 95 면적% 이상을 포함하고, 상기 펄라이트의 평균 층간 간격은 110~120 nm 인 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선재는 Cu: 0.6 중량% 이하 (0%는 제외)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재.
  4. 삭제
  5. 중량 %로, C: 0.9 ~ 1.1 %, Si: 0.7 ~1.5 %, Mn: 0.07 ~ 0.1 %, Cr: 0.6 ~ 0.8 %, Ni: 0.2 ~ 0.6 %, P: 0.030 % 이하, S: 0.010 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 1000~1100℃ 에서 90~120분 동안 유지하는 단계;
    상기 강편을 950~1050℃ 에서 사상압연하고 최종압연 입측 온도 980~1050℃ 로 최종압연하여 선재를 얻는 단계; 및
    상기 선재를 850~950℃ 에서 권취하고 스텔모아 냉각대에서 8~10 ℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 강편은 Cu: 0.6 중량% 이하(0%는 제외)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 선재의 제조방법.
  8. 중량 %로, C: 0.9 ~ 1.1 %, Si: 0.7 ~1.5 %, Mn: 0.07 ~ 0.1 %, Cr: 0.6 ~ 0.8 %, Ni: 0.2 ~ 0.6 %, P: 0.030 % 이하, S: 0.010 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직은 펄라이트 95면적% 이상을 포함하고, 상기 펄라이트의 평균 층간 간격은 20~30 nm 인 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 강선.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 강선은 Cu: 0.6 중량% 이하(0%는 제외)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 강선.
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 강선 표면에 녹(rust) 형성시, 상기 녹이 결정립 크기가 20nm이하인 α-FeOOH(알파 수산화철)을 26 면적% 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 강선.
  13. 중량 %로, C: 0.9 ~ 1.1 %, Si: 0.7 ~ 1.5 %, Mn: 0.07 ~ 0.1 %, Cr: 0.6 ~ 0.8 %, Ni: 0.2 ~ 0.6 %, P: 0.030 % 이하, S: 0.010 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 1000~1100℃ 에서 90~120분 동안 유지하는 단계;
    상기 강편을 950~1050℃ 에서 사상압연하고 최종압연 입측 온도 980~1050℃ 로 최종압연하여 선재를 얻는 단계;
    상기 선재를 850~950℃ 에서 권취하고 스텔모아 냉각대에서 8~10 ℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계;
    상기 냉각된 선재를 950 ℃이상으로 가열하고 2분 이상 유지하는 단계;
    상기 가열된 선재를 납조에서 ??칭 후 580 ℃이상에서 1분 이상 유지 후 수냉하는 단계; 및
    상기 수냉된 선재를 100 m/m 이상 신선속도로 총감면량 80% 이상으로 건식신선하여 강선을 얻는 단계를 포함하는 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 강선의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 제13항에 있어서,
    상기 강편은 Cu: 0.6 중량% 이하(0%는 제외)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 강도 및 내식성이 우수한 고탄소강 강선의 제조방법.
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