KR101830537B1

KR101830537B1 - 피로 저항성이 우수한 고강도 강선 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101830537B1
Application number: KR1020160147271A
Authority: KR
Inventors: 박준학; 박용식
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2016-11-07
Filing date: 2016-11-07
Publication date: 2018-02-20
Also published as: CN108060360B; CN108060360A

Abstract

본 발명은 피로 저항성이 우수한 고강도 강선 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

피로 저항성이 우수한 고강도 강선 및 이의 제조방법 {HIGH-STRENGTH STEEL WIRE HAVING EXCELLENT FATIGUE RESISTANCE AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

선경 10~20mm로 생산되는 고강도 선재는 열처리 및 가공하여 선경 10mm 이하의 고강도 강선으로 제조하며, 이는 다양한 형태로 산업 전반 곳곳에 걸쳐 하중 지지를 위해 사용되고 있다.

대표적인 형태로 현수교, 사장교 등의 교량용 케이블, 콘크리트 교각 등에 콘크리트 보강용으로 사용되는 PC 강선, 대형 건축물이나 구조물용 케이블, 해상 유전이나 각종 구조물을 지지하는 앵커로프(Anchor rope) 등이 있다.

한편, 고강도 선재는 LP(Lead Patenting) 열처리를 통해, 층간 간격이 미세한 펄라이트 구조로 제조되는데, 이는 후속하는 신선 공정시 가공 경화 현상에 유리하기 때문이다.

상기 고강도 선재를 이용하여 PC 강선을 제조함에 있어서, 통상 총 감면량 80~90% 수준으로 신선되는데, 이때 펄라이트 구조는 전체 감면량에 따라 더욱 미세화되어 최종 신선선에서 2000MPa 이상의 고강도를 얻을 수 있게 된다.

일반적으로 PC 강선은 여러 가닥의 강선을 꼬아 연선으로 제조하여 사용하는데, 이러한 사용 과정에서 소재가 바람, 외부의 진동 등으로부터 피로 변형을 받게 된다. 이에, 구조물의 안정성 확보 측면에서 소재의 피로 변형 저항성의 확보는 매우 중요한 요소이다.

강선 상태에서 위와 같은 기계적 특성을 평가하기 위한 기본 방법은 반복 굽힘 시험(Reverse Bend Test)으로서, 상세하게는 주어진 곡률 반경(R), 굽힘 각도 조건에서 재료가 파단에 이르기까지의 굽힘 횟수를 측정하는 방법이다.

그런데, 고강도 선재를 신선하여 강선으로 제조함에 있어서, 상기 신선 과정에서 수반되는 가공 발열은 펄라이트의 층간 구조를 이루는 세멘타이트의 분해를 야기하여 탄소 원자가 인접한 페라이트에 재고용되는 현상을 일으킨다. 이 경우, 페라이트에 새롭게 유입된 탄소 원자는 신선 과정에서 발생한 전위와 고착하면서 소재의 연성을 저하시키고, 결과적으로 소재의 피로 저항성을 열위하게 하는 문제가 있다.

따라서, 피로 저항성이 우수한 고강도 강선을 얻기 위해서는, 선재의 신선시 가공 발열을 억제하여 세멘타이트로부터 페라이트로 탄소 원자가 유입되는 것을 최소화하는 방안이 요구된다.

본 발명의 일 측면은, 선재 신선시 가공 패스 및 발열 온도를 제어함으로써 세멘타이트로부터 페라이트로 탄소 원자가 유입되는 것을 억제하여 우수한 피로 저항성을 갖는 강선 및 이것을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.9~1.1%, 실리콘(Si): 0.6~1.5%, 망간(Mn): 0.2~0.8%, 크롬(Cr): 0.2~0.8%, 알루미늄(Al): 0.08% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 250℃ 이상으로 재가열시 175~225℃의 온도 범위에서 d²(△L/L)/dT² 피크(peak)가 측정되는 것을 특징으로 하는 피로 저항성이 우수한 강선을 제공한다.

본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 합금조성을 갖는 선재를 제조하는 단계 및 상기 선재를 신선하는 단계를 포함하고, 상기 신선시 총 감면율을 A라고 할 때, 감면율이 A의 80% 이상이 되는 시점부터의 신선 패스가 3회 이상으로 되도록 하며, 상기 감면율이 A의 80% 이상이 되는 시점부터의 신선시의 발열에 의한 온도가 200℃ 이하로 되도록 제어하고, 상기 총 감면율 A가 82~90%인 피로 저항성이 우수한 강선의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 선재 신선시 세멘타이트의 분해를 최소화시킴으로써, 고강도는 물론이고 피로 저항성이 우수한 강선을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 발명재와 비교재의 온도별 d²(△L/L)/dT²피크(peak) 결과를 나타낸 것이다.

본 발명자들은 피로 저항성이 우수한 강선을 제조함에 있어서, 선재 신선시 탄소 원자가 세멘타이트로부터 페라이트로 유입되는 것을 억제하는 것이 피로 저항성 확보에 유리함을 발견하였다. 이에, 본 발명에서는 선재 신선시 가공 패스 조건 및 발열 온도를 최적화함으로써 피로 저항성이 우수한 강선을 제공함에 기술적 의의가 있다 할 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 피로 저항성이 우수한 강선은, 중량%로 탄소(C): 0.9~1.1%, 실리콘(Si): 0.6~1.5%, 망간(Mn): 0.2~0.8%, 크롬(Cr): 0.2~0.8%, 알루미늄(Al): 0.08% 이하를 포함하는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명에서 제공하는 강선의 합금조성을 위와 같이 제어한 이유에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 특별한 언급이 없는 한 각 원소의 함량은 중량%를 의미한다.

C: 0.9~1.1%

탄소(C)는 강선에서 세멘타이트를 형성하는 원소로서, 상기 세멘타이트는 페라이트와 함께 층상 구조의 펄라이트를 형성한다. 이는 페라이트에 비해 고강도 이므로, 세멘타이트의 분율이 높을수록 강선의 강도가 증가하게 된다. 또한, 층상 구조의 간격이 균일하고 미세할수록 강선의 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.

이러한 C의 함량을 증가시키면 세멘타이트의 분율이 증가하고, 라멜라 층간 간격이 미세해지므로 강선의 강도를 향상시키는데에 매우 효과적이다. 이를 위해서 본 발명에서는 상기 C를 0.9% 이상으로 첨가하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 C의 함량이 0.9% 미만이면 초기 조직으로 미세한 펄라이트가 형성되지 못하며, 이러한 선재를 높은 가공량으로 신선하여 강도를 확보하는 경우 목표로 하는 피로 저항성을 얻지 못할 우려가 있다. 반면, 상기 C의 함량이 1.1%를 초과하게 되면 초석 세멘타이트의 분율이 과다해지고, 신선시 발열량 제어가 어려워지는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 C의 함량을 0.9~1.1%로 제어하는 것이 바람직하다.

Si: 0.6~1.5%

실리콘(Si)은 기지조직인 페라이트에 고용되어 강을 강화시키는 원소이다. 또한, 상기 Si은 펄라이트 중의 페라이트/세멘타이트 계면에 Si 농화층을 형성하여 신선시 가공 발열에 의한 세멘타이트의 붕괴(분해)를 억제시키는 역할을 한다. 이는 결과적으로, 탄소 원자가 페라이트로 유입되어 전위와 고착되는 현상을 억제함으로, 신선 후 얻어지는 강선의 피로 저항성이 열위해지는 것을 막는 효과가 있다.

상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.6% 이상으로 Si을 첨가하는 것이 바람직하나, 그 함량이 과다하여 1.5%를 초과하게 되면 소입성을 크게 증가시켜 선재 압연 후 연속 냉각 및 LP 열처리를 위한 오스테나이징 후 연속 냉각 공정시 마르텐사이트를 생성시켜 신선시 발열량 제어가 어려워지는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 Si의 함량을 0.6~1.5%로 제어하는 것이 바람직하다.

Mn: 0.2~0.8%

망간(Mn)은 펄라이트 변태를 지연시키는 원소로서, 다소 느린 냉각속도에서도 미세한 펄라이트가 용이하게 생성될 수 있도록 하는 효과가 있다.

상술한 효과를 위해서는 상기 Mn을 0.2% 이상으로 첨가하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 Mn의 함량이 0.2% 미만이면 초기 조직이 미세하지 않은 펄라이트로 형성되고, 이는 신선시 가공량을 증가시켜 강도를 확보하는 경우에 목표로 하는 피로 저항성을 얻지 못할 우려가 있다. 반면, 상기 Mn의 함량이 0.8%를 초과하게 되면 연속냉각 공정 중에 마르텐사이트를 생성시켜 신선시 발열량 제어가 어려워지는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 Mn의 함량을 0.2~0.8%로 제어하는 것이 바람직하다.

Cr: 0.2~0.8%

크롬(Cr)은 펄라이트의 라멜라 층간간격을 미세화시키며 상기 Si과 마찬가지로 신선시 세멘타이트의 분해를 억제하여 비틀림 특성이 열위해지는 현상을 최소화하는 효과가 있다.

상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.2% 이상으로 Cr을 첨가할 필요가 있으나, 만일 그 함량이 0.8%를 초과하게 되면 소입성을 크게 증가시켜 연속냉각 과정에서 마르텐사이트를 생성시킬 우려가 있다. 또한, 고가의 원소이므로 제조원가가 상승하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 Cr의 함량을 0.2~0.8%로 제어하는 것이 바람직하다.

Al: 0.08% 이하(0%는 제외)

알루미늄(Al)은 산소와 반응하기 쉬운 원소로, 제강의 탈산 반응에 활용되는 대표적인 원소이다. 다만, 이러한 Al이 강 중에 존재하는 경우 개재물의 형성을 조장할 우려가 있으므로, 가능한 강 중에 잔존하지 않도록 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 Al은 고온에서 탄소의 확산 반응에 관여하여 오스테나이징 가열 및 고온 유지시에 C가 세멘타이트에서 페라이트로 용해되는 반응을 억제하여 미용해 세멘타이트가 잔존하는 현상을 조장할 수 있다.

이를 고려하여, 본 발명에서는 0.08% 이하로 상기 Al을 첨가하는 것이 바람직하며, 0%는 제외한다.

상술한 합금조성을 만족하는 본 발명의 강선은 니켈(Ni), 코발트(Co), 바나듐(V) 및 몰리브덴(Mo) 중 1종 이상을 더 포함할 수 있으며, 이때 상기 성분들은 하기 관계식 1을 만족하도록 그 함량이 제어되는 것이 바람직하다.

[관계식 1]

3.6 ≤ 5.68Ni + 3.46Co + 72.83V + 23.06Mo ≤ 11

(여기서 Ni, Co, V, Mo은 각 원소의 중량 함량을 의미한다.)

상술한 Ni, Co, V 및 Mo은 선재의 신선시 세멘타이트를 안정화시켜 상기 세멘타이트가 분해되는 것을 억제하는데에 유효한 원소이다. 구체적으로, 상기 원소들은 세멘타이트 내부 또는 세멘타이트와 페라이트 계면에서 C의 이동을 저해함으로써 세멘타이트의 분해 및 형상 변화를 억제하는 것으로 예측할 수 있다.

상기 Ni, Co, V 및 Mo 간의 성분관계를 나타내는 상기 관계식 1의 값이 3.6 미만이면 강선의 피로 저항성이 열위할 우려가 있으며, 반면 그 값이 11을 초과하게 되면 소입성이 크게 증가하여 연속냉각 공정 중에 마르텐사이트가 생성될 우려가 있다. 이와 같이 마르텐사이트가 생성될 경우 신선시 발열량을 제어하기 어려워지는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 원소들을 1종 이상으로 첨가함에 있어서, 그 함량이 상기 관계식 1을 만족하는 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.

상술한 합금조성을 만족하는 본 발명의 강선은 250℃ 이상으로 재가열시 175~225℃의 온도 범위에서 d²(△L/L)/dT² 피크(peak)가 측정되는 것이 바람직하다.

본 발명은 선재를 신선 가공하여 강선으로 제조함에 있어서, 그 조건을 최적화하여 세멘타이트 분해를 효과적으로 억제할 수 있다. 이후, 본 발명의 강선을 특정 온도 이상, 구체적으로 250℃ 이상으로 재가열하게 되면, 175~225℃ 구간에서 d²(△L/L)/dT²의피크(peak)가 관찰되는 거동에 관여하게 된다.

만일, 강선을 250℃ 이상으로 재가열한 상태에서 d²(△L/L)/dT² 측정시175~225℃ 구간에서 피크가 관찰되지 않는다면, 이는 신선 도중 이미 세멘타이트가 분해된 것으로, 강선의 피로 저항성이 열위한 문제가 있다.

상기 d²(△L/L)/dT²의 정의와 물리적 의미는 다음과 같다.

d²(△L/L)/dT²: 온도 변화에 따른 열팽창 계수의 변화율(℃^-2)

d(△L/L)/dT: 온도 변화에 따른 소재의 연신율 변화율, 열팽창 계수(℃^-1)

△L/L: 가열에 따른 소재의 연신율

△L: 가열에 따른 소재의 길이 변화량(㎛)

L: 가열 전 초기 소재의 길이(㎛)

이와 같이, 본 발명에서 제안하는 합금조성을 만족하면서, 재가열시 175~225℃의 온도 범위에서 d²(△L/L)/dT² 피크(peak)가 나타나는 본 발명의 강선은 2000~2500MPa의 인장강도를 갖고, 상온(대략 20~28℃)에서 90℃ 반복 굽힘 시험(Reverse Bend Test)시 그 횟수가 5회 이상으로 확보되어, 피로 저항성을 우수하게 갖는다.

이하, 본 발명의 다른 일 측면인 피로 저항성이 우수한 강선을 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 강선은 상술한 합금조성과 관계식 1을 만족하는 선재를 제조한 후, 상기 선재를 신선하는 공정을 거침으로써 제조할 수 있다.

먼저, 상기 선재는 당해 기술분야에서 통상적으로 널리 알려진 다양한 선재 제조 기술을 통해 제조할 수 있으나, 바람직하게는 후술하는 일련의 공정을 거쳐 제조하는 것이 바람직하다.

먼저, 상술한 합금조성 및 관계식 1을 만족하는 빌렛을 제조한 후 이를 균질화하는 가열 공정을 거치는 것이 바람직하다.

상기 가열 공정을 통해서 빌렛의 미세조직이 오스테나이트 단상이 되도록 하는 것이 바람직하다.

이를 위해서는 950~1100℃의 온도범위에서 가열을 행하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 가열 온도가 950℃ 미만이면 후속하는 선재압연시 온도 영역의 확보가 어려워지며, 반면 그 온도가 1100℃를 초과하게 되면 스케일 생성 및 탈탄 현상이 심해져 표면 품질이 열위하게 되는 문제가 있다.

상기에 따라 가열된 빌렛을 선재 압연한 후 냉각하여 선재를 제조하는 것이 바람직하다.

이때, 선재 압연은 900~1000℃의 온도범위에서 마무리 압연을 행하는 것이 바람직하다. 만일, 마무리 압연 온도가 900℃ 미만이면 압연 부하에 의해 압연롤의 파손이 발생할 우려가 있으며, 반면 그 온도가 1000℃를 초과하게 되면 오스테나이트 결정립이 조대해져 목표로 하는 강도를 확보하기 어려워지는 문제가 있다.

이후, 5~25℃/s의 냉각속도로 냉각하여 펄라이트 조직을 갖는 선재를 제조하는 것이 바람직하다. 상기 냉각속도가 5℃/s 미만이면 미세조직으로 펄라이트 조직 이외에 초석 세멘타이트 등의 조직이 형성될 우려가 있고, 펄라이트의 층간간격이 조대해져 강도 확보가 어려워지는 문제가 있다. 반면, 25℃/s를 초과하게 되면 마르텐사이트 등의 경질상(phase)이 형성될 우려가 있다.

상술한 바에 따라 제조된 선재에 대해서 신선을 행하여 강선을 제조할 수 있으며, 상기 신선 공정을 행하기에 앞서서 상기 선재에 중간 열처리 즉, 오스테나이징 및 LP 열처리를 더 행할 수 있다. 상기 오스테나이징과 LP 열처리는 통상의 조건으로 행할 수 있으므로, 본 발명에서는 그 조건에 대해 특별히 한정하지 아니한다.

한편, 본 발명에서는 상기에서 제조된 선재에 대해 신선시 총 감면율을 A라고 할 때, 감면율이 A의 80% 이상이 되는 시점부터의 신선 패스가 3회 이상으로 되도록 하며, 또한 상기 감면율이 A의 80% 이상이 되는 시점부터의 신선시의 발열에 의한 온도가 200℃ 이하로 되도록 제어하는 것이 바람직하다.

선재 신선시 세멘타이트의 분해는 감면율이 총 감면율의 80%(비율)를 넘어서는 때부터 심해지기 때문에, 그 시점 이후의 신선 패스의 제어가 중요하다.

만일, 신선시 감면율이 상기 A의 80% 이상의 되는 시점부터의 신선 패스가 3회 미만이면 세멘타이트 분해가 급속도로 진행되어 연성은 물론이고, 본 발명에서 목표로 하는 피로 저항성의 확보에 어려움이 따르게 된다.

또한, 감면율이 상기 A의 80% 이상이 되는 시점부터의 신선시의 발열에 의한 온도가 200℃ 이하로 되도록 제어하는 것이 바람직하다.

만일, 상기 온도가 200℃를 초과하게 되면 세멘타이트 분해가 크게 활성화되어 강선의 피로 저항성이 열위할 가능성이 높아지므로 바람직하지 못하다.

본 발명에서는 상술한 바와 같이 신선을 행함에 있어서, 82~90%의 총 감면율로 행하는 것이 바람직하다.

구체적으로, 본 발명에서는 신선 후 얻어지는 강선의 강도를 2000MPa 이상으로 확보하면서, 신선 과정에서 펄라이트 콜로니를 회전시켜 펄라이트 조직의 재배열을 완료하기 위해서, 총 감면율 82% 이상으로 행하는 것이 바람직하다. 다만, 상기 총 감면율이 90%를 초과하게 되면 소재 강도가 지나치게 높아지고, 전위의 영향이 매우 커져 피로 저항성이 열위하게 되는 문제가 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 )

하기 표 1에 나타낸 합금조성을 갖는 빌렛을 제조한 후, 상기 빌렛을 1280℃에서 대략 2시간 동안 가열한 다음, 900℃ 이상의 온도에서 선경 13mm로 선재압연을 행하였다. 이후, 900℃까지 수냉을 행한 다음, 링(ring) 형태로 권취하여 롤러 컨베이어 상에서 8℃/s의 냉각속도로 450℃까지 송풍 냉각한 후, 상온까지 공냉하여 각각의 선재를 제조하였다.

상기에 따라 제조된 선재 중 일부 선재에 대해서는 1000℃에서 3분간 오스테나이징 처리한 후, 580℃에서 5분간 납조 열처리를 행하였다.

상기 미열처리 선재 및 열처리 선재 모두에 대해 총 감면율 82~90%로 신선하였으며, 이때 총 감면율의 80% 이상이 되는 때부터 최종 감면율까지의 신선 패스(pass) 수를 하기 표 2에 나타낸 것과 같이 실시하였다. 예컨대, 선재 신선시 총 감면율 90%로 행하는 경우, 감면율이 상기 총 감면율의 80%(비율)인 72% 이상이 되는 때부터 최종 감면율까지의 신선 패스 수를 나타낸 것이다.

또한, 상기 총 감면율의 80% 이상이 되는 때부터 최종 감면율까지의 신선시 발열에 의한 온도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

상기에 따른 신선을 완료한 강선에 대해서, 상온 인장강도를 측정하고, 상온 20R 조건에서 90° 반복 굽힘 시험을 실시하여 굽힘 횟수를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

상기 물성을 평가한 동일 강선에 대해, 신선 과정에서 매우 가혹한 변형을 받아 열팽창 데이터의 외란으로 작용할 소지가 있는 부분의 표면 직하 150~200㎛를 제거하여 딜라토미터 시편을 제작한 후, 10℃/s 승온속도로 250℃까지 가열하면서 d²(△L/L)/dT² 를 측정하였다. 상기 d²(△L/L)/dT² 측정을 행하면서, 175~225℃ 온도범위에서 피크가 관찰되는지 여부를 평가하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

구분	합금조성 (중량%)									관계식1	열처리 유무
구분	C	Si	Mn	Cr	Al	Ni	Co	V	Mo	관계식1	열처리 유무
발명재1	0.9	0.6	0.2	0.2	0.08	0.65	0	0	0	3.7	○
발명재2	0.9	0.6	0.2	0.8	0.04	0	1.15	0	0	4.0	×
발명재3	0.9	1.5	0.2	0.8	0.06	0	0	0.05	0	3.6	○
발명재4	0.9	1.5	0.8	0.2	0.02	0	0	0	0.16	3.7	×
발명재5	0.9	1.5	0.8	0.8	0.08	0.5	0.1	0.03	0	5.4	○
발명재6	1.0	0.6	0.2	0.5	0.02	0.1	0.2	0.06	0.1	7.9	×
발명재7	1.0	0.6	0.2	0.8	0.01	0	0.5	0.08	0.1	9.9	○
발명재8	1.0	0.6	0.5	0.5	0.04	0.2	0	0.12	0.04	10.8	×
발명재9	1.0	0.6	0.8	0.2	0.01	0	0	0.08	0.1	8.1	○
발명재10	1.0	0.9	0.5	0.8	0.04	0	1.2	0.04	0	7.1	×
발명재11	1.0	0.9	0.8	0.8	0.02	1.2	0.2	0	0.1	9.8	○
발명재12	1.0	1.5	0.2	0.2	0.04	0.5	0	0	0.3	9.8	×
발명재13	1.0	1.5	0.8	0.2	0.01	0.3	0	0.09	0	8.3	○
발명재14	1.0	1.5	0.8	0.5	0.04	0	1.2	0.04	0.1	9.4	×
발명재15	1.1	0.6	0.8	0.2	0.01	0.5	0.2	0.02	0.1	7.3	○
발명재16	1.1	0.6	0.8	0.2	0.08	0.5	0.1	0	0.25	9.0	×
발명재17	1.1	0.9	0.5	0.5	0.04	0.05	0	0.09	0	6.8	○
비교재1	0.88	1.5	0.8	0.8	0.03	0.1	0.2	0.06	0.1	7.9	○
비교재2	1.0	0.58	0.8	0.8	0.05	0	0.5	0.08	0.1	9.9	×
비교재3	1.0	1.5	0.18	0.8	0.04	1.2	0.2	0	0.1	9.8	○
비교재4	1.0	1.5	0.8	0.18	0.04	0.5	0	0	0.3	9.8	×
비교재5	1.12	0.6	0.2	0.2	0.05	0.3	0	0.09	0	8.3	○
비교재6	0.9	1.52	0.2	0.2	0.04	0.1	0.2	0.06	0.1	7.9	×
비교재7	0.9	0.6	0.82	0.2	0.05	0.1	0.2	0.06	0.1	7.9	○
비교재8	0.9	0.6	0.2	0.82	0.05	0	0.5	0.08	0.1	9.9	×
비교재9	1.0	1.5	0.8	0.2	0.01	0.5	0	0	0.3	9.8	○
비교재10	1.0	1.5	0.8	0.2	0.01	0.3	0	0.09	0	8.3	×
비교재11	1.1	1.5	0.8	0.8	0.01	0.1	0.2	0.06	0.1	7.9	○
비교재12	0.9	0.6	0.2	0.8	0.04	0	0.5	0.08	0.1	9.9	○
비교재13	0.9	1.5	0.2	0.8	0.06	0.62	0	0	0	3.5	○
비교재14	1.0	0.6	0.2	0.8	0.01	0	0.95	0	0	3.3	×
비교재15	1.0	0.9	0.8	0.8	0.02	0.1	0	0.04	0	3.5	○
비교재16	1.1	0.6	0.8	0.2	0.01	0.1	0.6	0.01	0	3.4	○
비교재17	0.9	1.5	0.2	0.8	0.06	0.02	0.1	0.01	0.1	3.5	×
비교재18	0.9	1.5	0.2	0.8	0.06	1.5	0.5	0.02	0	11.7	×
비교재19	1.0	0.6	0.2	0.8	0.01	0	0.3	0.1	0.2	12.9	○
비교재20	1.0	0.9	0.8	0.8	0.02	0	0	0.15	0.02	11.4	○

(표 1에서 비교재 9 내지 12는 합금조성 및 관계식 1이 본 발명을 만족하나, 하기와 같이 제조공정이 본 발명을 벗어나는 경우로서, 이에 비교재로서 나타낸 것이다.)

구분	신선 공정			기계적 물성		d²(△L/L)/dT² 피크 유무
구분	총 감면율 (%)	패스 수	최고 발열 온도 (℃)	인장강도 (MPa)	굽힘시험 (횟수)	d²(△L/L)/dT² 피크 유무
발명재1	82	3	200	2000	7	○
발명재2	85	4	190	2025	5	○
발명재3	88	5	180	2442	5	○
발명재4	90	3	170	2438	6	○
발명재5	82	4	170	2273	7	○
발명재6	85	5	190	2105	8	○
발명재7	88	3	180	2358	5	○
발명재8	90	4	200	2363	5	○
발명재9	82	5	180	2141	6	○
발명재10	85	3	170	2215	7	○
발명재11	88	4	190	2461	5	○
발명재12	90	5	200	2500	5	○
발명재13	85	3	160	2423	5	○
발명재14	85	4	170	2335	6	○
발명재15	88	5	180	2450	6	○
발명재16	90	3	200	2449	5	○
발명재17	85	4	180	2397	5	○
비교재1	90	4	195	1998	8	○
비교재2	85	4	195	2178	4	×
비교재3	88	3	193	2485	4	×
비교재4	87	3	185	2386	4	×
비교재5	82	4	202	2210	3	×
비교재6	85	4	208	2172	3	×
비교재7	85	4	210	2137	2	×
비교재8	85	4	205	2026	3	×
비교재9	85	2	198	2414	4	×
비교재10	85	4	205	2310	4	×
비교재11	81	3	198	1998	4	○
비교재12	91	4	205	2515	3	×
비교재13	88	4	170	2354	2	×
비교재14	85	4	180	2051	3	×
비교재15	88	3	200	2381	4	×
비교재16	90	3	180	2466	4	×
비교재17	85	4	195	2136	4	×
비교재18	88	3	202	2254	3	×
비교재19	90	3	208	2380	2	×
비교재20	85	4	210	2274	3	×

(표 2에서 패스 수는 감면율이 총 감면율의 80% 이상이 되는 시점부터의 최종 감면율까지 행해진 신선 패스 수를 의미하며, 최고 발열 온도는 감면율이 총 감면율의 80% 이상이 되는 시점부터 최종 감면율까지 신선시 발열에 의한 온도를 측정한 후 가장 높은 온도를 나타낸 것이다.)

상기 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 합금조성, 관계식 1 및 제조조건이 본 발명을 모두 만족하는 발명재 1 내지 17은 인장강도가 2000~2500MPa을 만족하면서, 재가열 후 d²(△L/L)/dT² 측정결과 175~225℃ 영역에서 피크(peak)가 나타난 것을 확인할 수 있다. 이에, 반복 굽힘 시험시 그 횟수가 모두 5회 이상으로 피로 저항성이 우수한 결과를 보였다.

반면, 합금조성 중 C의 함량이 불충분한 비교재 1은 강선의 강도가 2000MPa 미만으로 나타났다.

비교재 2 내지 4는 각각 Si, Mn, Cr의 함량이 불충분한 경우로, 신선시 세멘타이트 분해가 충분히 억제되지 못함에 따라 반복 굽힘 시험시 그 횟수가 모두 5회 미만으로 나타났으며, 재가열시 175~225℃ 영역에서 피크(peak)가 나타나지 않았다. 즉, 비교재 2 내지 4는 피로 저항성이 열위한 강선이다.

비교재 5 내지 8은 각각 C, Si, Mn 및 Cr의 함량이 과다하게 첨가된 경우로서, 신선시 발열량 제어가 어려워 최고 발열 온도가 모두 200℃를 초과하였으며, 재가열시 175~225℃ 영역에서 피크(peak)가 나타나지 아니하여, 반복 굽힘 시험시 그 횟수가 5회 미만으로 나타났다.

한편, 비교재 9 내지 12는 강 합금조성 및 관계식 1은 본 발명의 조건을 만족하지만, 신선 조건이 본 발명을 벗어나는 경우이다.

이중 비교재 9는 감면율이 총 감면율의 80% 이상이 되는 때부터의 신선 패스가 3회 미만인 경우로서, 세멘타이트 분해가 충분히 억제되지 못하여 재가열시 175~225℃ 영역에서 피크(peak)가 나타나지 아니하였으며, 반복 굽힘 시험시 그 횟수가 5회 미만으로 나타났다.

비교재 10은 감면율이 총 감면율의 80% 이상이 되는 시점부터의 신선시의 발열에 의한 온도가 200℃를 초과함에 따라, 재가열시 175~225℃ 영역에서 피크(peak)가 나타나지 아니하여, 반복 굽힘 시험시 그 횟수가 5회 미만으로 피로 저항성이 열위하였다.

비교재 11은 총 감면율이 82% 미만인 경우로서, 강도가 2000MPa 미만으로 목표 강도를 만족하지 못하였다.

비교재 12는 총 감면율이 90%를 초과한 경우로서, 강도가 2500MPa을 초과하였으며, 감면율이 총 감면율의 80% 이상이 되는 시점부터의 신선시의 발열에 의한 온도가 200℃를 초과함에 따라 재가열시 175~225℃ 영역에서 피크(peak)가 나타나지 아니하였다. 이에, 반복 굽힘 시험시 그 횟수가 5회 미만으로 피로 저항성이 열위하였다.

비교재 13 내지 17은 합금조성은 본 발명을 만족하나 관계식 1의 값이 본 발명을 만족하지 못하는 경우이다. 즉, 세멘타이트 분해 억제에 유리한 원소들이 충분히 첨가되지 못함에 따라 재가열시 175~225℃ 영역에서 피크(peak)가 나타나지 아니하여, 반복 굽힘 시험시 그 횟수가 5회 미만으로 피로 저항성이 열위하였다.

비교재 19 및 20은 관계식 1의 값이 11을 초과하는 경우로서, 감면율이 총 감면율의 80% 이상이 되는 시점부터의 신선시의 발열에 의한 온도가 200℃를 초과함에 따라 재가열시 175~225℃ 영역에서 피크(peak)가 나타나지 아니하였다. 이에, 반복 굽힘 시험시 그 횟수가 5회 미만으로 피로 저항성이 열위하였다.

도 1은 발명재 1과 비교재 2의 재가열시 온도에 따른 d²(△L/L)/dT² 측정 그래프를 나타낸 것으로, 발명재 1의 경우 175~225℃에서 피크가 나타나는 반면, 비교재 2는 그 온도영역에서 피크가 나타나지 않고 225℃를 초과하는 온도영역에서 피크가 나타남을 확인할 수 있다.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.9~1.1%, 실리콘(Si): 0.6~1.5%, 망간(Mn): 0.2~0.8%, 크롬(Cr): 0.2~0.8%, 알루미늄(Al): 0.08% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
니켈(Ni), 코발트(Co), 바나듐(V) 및 몰리브덴(Mo) 중 1종 이상을 하기 관계식 1을 만족하도록 더 포함하며,
250℃ 이상으로 재가열시 175~225℃의 온도 범위에서 d²(△L/L)/dT²피크(peak)가 측정되는 것을 특징으로 하는 피로 저항성이 우수한 강선.
(여기서, d²(△L/L)/dT²의 정의와 물리적 의미는 다음과 같다.
d²(△L/L)/dT²: 온도 변화에 따른 열 팽창계수의 변화율(℃^-2)
d(△L/L)/dT: 온도 변화에 따른 소재의 연신율 변화율, 열팽창 계수(℃^-1)
△L/L: 가열에 따른 소재의 연신율
△L: 가열에 따른 소재의 길이 변화량(㎛)
L: 가열 전 초기 소재의 길이(㎛))

[관계식 1]
3.6 ≤ 5.68Ni + 3.46Co + 72.83V + 23.06Mo ≤ 11
(여기서 Ni, Co, V, Mo은 각 원소의 중량 함량을 의미한다.)
삭제
제 1항에 있어서,
상기 강선은 2000~2500MPa의 인장강도를 갖고, 상온에서 90℃ 반복 굽힘 시험 횟수가 5회 이상인 피로 저항성이 우수한 강선.
중량%로, 탄소(C): 0.9~1.1%, 실리콘(Si): 0.6~1.5%, 망간(Mn): 0.2~0.8%, 크롬(Cr): 0.2~0.8%, 알루미늄(Al): 0.08% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 니켈(Ni), 코발트(Co), 바나듐(V) 및 몰리브덴(Mo) 중 1종 이상을 하기 관계식 1을 만족하도록 더 포함하는 선재를 제조하는 단계 및 상기 선재를 신선하는 단계를 포함하고,
상기 신선시 총 감면율을 A라고 할 때, 감면율이 A의 80% 이상이 되는 시점부터의 신선 패스가 3회 이상으로 되도록 하며, 상기 감면율이 A의 80% 이상이 되는 시점부터의 신선시의 발열에 의한 온도가 200℃ 이하로 되도록 제어하고,
상기 총 감면율 A가 82~90%인 피로 저항성이 우수한 강선의 제조방법.

[관계식 1]
3.6 ≤ 5.68Ni + 3.46Co + 72.83V + 23.06Mo ≤ 11
(여기서 Ni, Co, V, Mo은 각 원소의 중량 함량을 의미한다.)
삭제
제 4항에 있어서,
상기 선재를 제조하는 단계는, 빌렛을 제조하는 단계; 상기 빌렛을 950~1100℃에서 가열하는 단계; 가열된 빌렛을 900~1000℃에서 마무리 선재압연하여 선재를 제조하는 단계; 및 상기 선재를 5~25℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 것인 피로 저항성이 우수한 강선의 제조방법.
제 4항에 있어서,
상기 선재를 신선하기 전 오스테나이징 및 LP 열처리하는 단계를 더 포함하는 것인 피로 저항성이 우수한 강선의 제조방법.