KR101889179B1

KR101889179B1 - 고강도 강선 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101889179B1
Application number: KR1020160172657A
Authority: KR
Inventors: 이충열; 박용식
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2016-12-16
Filing date: 2016-12-16
Publication date: 2018-08-16
Also published as: KR20180070214A; EP3336205B1; EP3336205A1

Abstract

본 발명은 고강도 강선 및 이것의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고강도 강선 및 이의 제조방법 {HIGH-STRENGTH STEEL WIRE AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은 고강도 강선 및 이것의 제조방법에 관한 것이다.

냉간에서 신선된 펄라이트 강선은 높은 기계적 특성과 적정한 연성수준의 조합을 보여주는데, 이는 가장 강도가 높은 강재 중의 하나이며 타이어 코드 및 교량용 케이블 등의 용도에 널리 적용되고 있다.

상기 펄라이트 강선은 신선가공 후 강도가 급격히 증가하는데, 이는 라멜라 층상간격의 미세화에 기인하는 것으로 알려져 있으며, 이와 같은 펄라이트 강선의 미세조직과 관련된 거동은 현재까지 광범위하게 연구되고 있다.

일 예로, 뫼비우스 분광분석기(Mossbauer Spectroscopy), EELS(Electron Energy Loss Spectroscopy), 3D-AP(3 Dimensional Atom Probe, 원자단위의 정량적인 분석이 가능하고, 3차원으로 이미지 구현이 가능한 분석법) 등을 이용한 실험 결과에서 펄라이트 내 세멘타이트는 냉간에서 신선시 적어도 부분적으로 분해가 일어나는 것을 확인할 수 있다.

이러한 세멘타이트 분해는 신선시에 전위생성 및 이동을 포함한 변형기구에 강한 영향을 미치고, 결과적으로 기계적 특성에 큰 영향을 미치므로 여전히 중요한 주제로 많은 연구자에 의해 연구되고 있다.

그렇지만, 세멘타이트 분해에 미치는 합금원소 영향에 대해서 면밀하게 조사된 바 없고, 그에 따른 기계적 특성과의 상관관계는 알려진 바 없다.

또한, 세멘타이트 분해 거동을 잘 제어함으로써 펄라이트 강선의 강도와 연성의 발란스를 보다 효율적으로 개선할 수 있으므로, 이에 대한 기술적 연구가 필요하다.

본 발명의 일 측면은, 신선가공 후 인장강도가 크게 상승된 고강도 강선 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 중량%로, C: 0.52~0.72%, Mn: 0.6~0.8%, Si: 0.1~0.4%, Ni: 0.3~1.2%, V: 0.3~1.2%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 신선가공 후 펄라이트 내 세멘타이트 중 탄소 함량이 20at.% 이하인 고강도 강선을 제공한다.

본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 합금조성을 만족하는 강편을 가열하는 단계; 상기 가열된 강편을 900~1200℃의 온도범위에서 마무리 열간압연하여 선재로 제조하는 단계; 상기 선재를 5~20℃/s의 냉각속도로 상온까지 냉각하는 단계; 및 상기 냉각된 선재를 신선가공하여 강선을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 강선은 펄라이트 내 세멘타이트 중 탄소 함량이 20at.% 이하인 고강도 강선의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 합금조성으로서 Ni 및 V을 함유함으로써 신선가공 후 펄라이트 내 세멘타이트 분해가 효과적으로 촉진되어, 인장강도가 향상된 고강도 강선을 제공할 수 있다.

미세조직으로 펄라이트를 포함하는 선재를 신선가공하는 경우, 펄라이트 내 세멘타이트의 소성변형 외에 상기 세멘타이트에서 탄소가 빠져나와 페라이트의 전위아래 고착되어 안정화되는 현상이 발생하게 된다. 이때, 전위에 고착된 탄소는 이동을 방해하게 되고 이로 인해 항복강도가 증가하게 된다.

상술한 바와 더불어, 본 발명의 경우 강 합금조성으로서 Ni과 V을 함유하는데, 상기 Ni과 V이 세멘타이트의 분해를 촉진시킴으로써 동일한 신선가공량에도 페라이트로 다량의 탄소를 배출하여 고강도 강선을 얻는 것이 가능하다.

구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따른 고강도 강선은 중량%로, C: 0.52~0.72%, Mn: 0.6~0.8%, Si: 0.1~0.4%, Ni: 0.3~1.2%, V: 0.3~1.2%를 포함하는 것이 바람직하다.

이하에서는, 본 발명의 강선의 합금조성을 위와 같이 제어하는 이유에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 특별한 언급이 없는 한 각 성분의 함량은 중량%를 의미한다.

C: 0.52~0.72%

탄소(C)는 강의 강도 확보에 필수적인 원소이나, 그 함량이 과다한 경우 강재의 단면감소율이 감소되어 신선가공에 의한 강도 향상효과를 기대할 수 없게 된다. 또한, 그 함량이 너무 적은 경우에도 목표 수준의 강도를 확보할 수 없다.

따라서, 이를 고려하여 본 발명에서는 상기 C의 함량을 0.52~0.72%로 제어하는 것이 바람직하다.

Mn: 0.6~0.8%

망간(Mn)은 중심편석이 심한 원소이면서, 그 함량이 0.8%를 초과하게 되면 저온조직을 유발할 가능성이 매우 크므로 상기 Mn의 함량을 0.8% 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 너무 적어 0.6% 미만이면 소입성 확보에 어려움이 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 Mn의 함량을 0.6~0.8%로 제어하는 것이 바람직하다.

Si: 0.1~0.4%

실리콘(Si)은 페라이트에 우선적으로 고용되어 강도 향상에 효과적인 원소이다. 이를 위해서는 0.1% 이상으로 Si을 첨가하는 것이 바람직하나, 그 함량이 과다하여 0.4%를 초과하게 되면 강의 연성을 감소시키는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 Si의 함량을 0.1~0.4%로 제어하는 것이 바람직하다.

Ni: 0.3~1.2%

니켈(Ni)은 펄라이트 층상계면을 불안정하게 만들어 세멘타이트의 분해를 촉진하는 역할을 하며, 펄라이트 내 세멘타이트의 작동 가능한 슬립시스템 수를 증가시켜 소성변형능을 향상시키는 역할을 한다.

상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.3% 이상으로 Ni을 첨가하는 것이 바람직하나, 상기 Ni은 고가의 원소로서 제조원가를 고려하여 1.2% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에서는 상기 Ni의 함량을 0.3~1.2%로 제어하는 것이 바람직하다.

V: 0.3~1.2%

바나듐(V)은 강 중에 바나듐 탄화물(VC)을 석출하여 강도를 향상시키는데 기여하는 원소이며, 본 발명에서는 상기 Ni과 함께 펄라이트 층상계면을 불안정하게 만들어 세멘타이트의 분해를 촉진하는 역할을 한다.

상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.3% 이상으로 V을 첨가하는 것이 바람직하나, 만일 그 함량이 1.2%를 초과하게 되면 석출물의 군집화로 연성이 급격히 저하되어 신선가공성이 악화될 우려가 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 V의 함량을 0.3~1.2%로 제어하는 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 페라이트 내 세멘타이트에 함유된 탄소의 함량이 20at.% 이하인 것이 바람직하다.

일반적으로, 세멘타이트는 3개의 Fe원자와 1개의 C원자로 구성되어 있으므로 신선가공 전의 펄라이트 내의 세멘타이트(Fe₃C) 탄소 함량은 25at.%이다. 그런데, 신선가공을 행함에 따라 펄라이트 내 세멘타이트의 탄소 함량은 25at.% 보다 낮아지는데, 이는 신선가공에 의해 펄라이트 내의 세멘타이트가 소성변형 외에 세멘타이트 분해가 일어났음을 의미한다. 이러한 세멘타이트의 분해는 세멘타이트에서 탄소가 빠져나와 페라이트 기지 내로 이동하여 존재하는 것이 에너지적으로 안정하기 때문에 발생하는 현상이다.

상술한 바와 같이 Ni 및 V을 필수로 함유하는 본 발명의 선재를 신선가공하게 되면, 세멘타이트의 분해가 효과적으로 일어나 강선의 페라이트 내 세멘타이트 중 탄소 함량이 20at.% 이하가 된다.

앞서 언급한 바와 같이, 세멘타이트로부터 배출된 탄소는 페라이트로 이동하여 고용강화 효과를 일으키므로, 본 발명의 강선은 1450MPa 이상의 인장강도를 가지면서, 더불어 13% 이상의 연신율을 가지게 된다.

한편, 본 발명에서 제공하는 강선의 펄라이트 층상 간격은 180㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 펄라이트의 층상 간격이 180㎛를 초과하게 되면 펄라이트의 층상 간격이 커짐에 따라 강선의 강도 및 연성이 저하되는 문제점이 있다. 상기 강선의 펄라이트 층상 간격은 작을수록 바람직하므로, 그 하한은 특별히 한정하지 않는다.

이하, 본 발명의 다른 일 측면인 고강도 강선을 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 강선은 상술한 합금조성을 만족하는 선재를 제조한 후, 상기 선재를 신선하는 공정을 거침으로써 제조할 수 있다.

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 합금조성을 만족하는 강편을 제조한 후, 상기 강편을 오스테나이트 영역까지 가열한 후 열간압연하여 선재로 제조하는 것이 바람직하다.

상기 열간압연시 마무리 열간압연을 900~1200℃의 온도범위에서 실시하는 것이 바람직하다. 상기 마무리 열간압연시 온도가 900℃ 미만이면 압연부하의 증가로 롤 수명이 감소하는 문제가 있다. 반면, 그 온도가 1200℃를 초과하게 되면 결정립 크기가 조대해져 연성이 감소될 우려가 있으며, 탈탄이 과다하게 발생하여 신선가공성을 악화시킬 우려가 있다.

상기 마무리 열간압연을 완료한 후에는 상온까지 5~20℃/s의 냉각속도로 냉각하는 것이 바람직하다.

상기 선재를 5℃/s 미만의 냉각속도로 냉각하는 경우 초석 페라이트 상의 생성으로 신선가공성이 악화될 우려가 있고, 상기 선재를 20℃/s를 초과하는 냉각속도로 냉각하는 경우 저온 조직이 생성될 우려가 있다.

상기한 바에 따라 냉각된 선재를 신선가공하여 강선으로 제조하기 위하여, 상기 선재를 60~90%의 변형율(ε)로 신선가공하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 변형율이 60% 미만인 경우 충분한 강도를 확보하기 곤란하며, 상기 변형율이 90%를 초과하는 경우 딜라미네이션이 발생하여 제품에 결함이 발생할 가능성이 높아지므로 바람직하지 못하다.

상기에 따라 신선가공하여 얻은 본 발명의 강선은 펄라이트 내 세멘타이트의 탄소 함량이 20at.% 이하이면서, 1450MPa 이상의 인장강도 및 13% 이상의 연신율을 가질 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 )

하기 표 1에 나타낸 합금조성을 갖는 강편을 준비한 후, 하기 표 1에 나타낸 조건으로 열간압연 및 냉각하여 선재를 제조하였다. 이후, 상기 각각의 선재에 대해서 신선가공을 행한 다음, 판 형상으로 압연하여 강선을 제조하였다.

상기에 따라 제조된 강선에 대해서 펄라이트 내 세멘타이트의 탄소 함량, 인장특성, 라멜라 층상간격을 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

구분	합금조성 (중량%)					제조조건
구분	C	Si	Mn	Ni	V	마무리 열간 압연 온도 (℃)	냉각속도 (℃/s)	변형율 (ε)
발명강 1	0.62	0.2	0.7	0.6	0.5	900	9	81
발명강 2	0.62	0.2	0.7	1.0	1.0	900	10	81
비교강 1	0.62	0.2	0.7	0	0	830	11	81
비교강 2	0.62	0.2	0.7	0.1	0.1	830	12	81
비교강 3	0.62	0.2	0.7	0.1	2.0	830	11	81

구분	미세조직		인장특성
구분	탄소함량(at.%)	라멜라 층상간격 (nm)	인장강도(MPa)	연신율(%)
발명강 1	19	168	1492	13.7
발명강 2	17	147	1532	14.2
비교강 1	23	201	1429	12.4
비교강 2	22	199	1423	12.5
비교강 3	21	183	1285	8.1

(표 2에서 탄소함량은 신선가공 후 펄라이트 내 세멘타이트의 탄소함량을 나타낸 것이다.)

상기 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 발명강 1은 비교강 1의 합금조성에 Ni 0.6중량% 및 V 0.5중량%를 더 함유하는 강으로서, 신선가공 후의 세멘타이트 내의 탄소 함량이 19at.%로 감소한 것을 확인할 수 있다.

이와 같이, 비교강 1에 비하여 발명강 1의 펄라이트 내 세멘타이트의 탄소 함량이 작다는 의미는 동일한 변형량에서 세멘타이트 분해가 빠르게 일어났음을 의미한다. 세멘타이트 분해에 의해 배출된 탄소 원자들이 페라이트에 고용됨으로써 인장강도가 1429MPa에서 1492MPa로 63MPa 상승한 것이다. 또한, 강도가 증가하였음에도 불구하고 연신율이 13.7%로 비교강 1에 비해 우수한 것을 확인할 수 있다. 이는, Ni과 V의 첨가가 강도 증가뿐만 아니라 연성 향상에도 효과가 있음을 보여준다.

또한, 비교강 1 대비 Ni 1.0중량% 및 V 1.0중량% 더 함유하는 발명강 2의 펄라이트 내 세멘타이트의 탄소 함량은 17at.%로 비교강 1에 비해 훨씬 낮아진 것을 확인할 수 있다. 이로 인해, 발명강 2의 인장강도는 1532MPa, 연신율은 14.2%로 비교강 1 대비 크게 증가하였음을 보여준다.

한편, Ni과 V을 첨가하였음에도 불구하고 그 함량이 미비하거나 과도한 비교강 2와 3의 경우에는 비교강 1에 비해서는 펄라이트 내 세멘타이트의 탄소 함량이 낮아졌지만, 본 발명 수준에는 미치지 못하였으며 강도 및 연성도 발명강 1 및 2 보다 낮았다.

본 발명에서와 같이 Ni과 V을 적정 함량으로 동시에 첨가한 경우에 라멜라 층상간격이 감소하였으며, 이는 결국 강의 강도와 연성 향상에 영향을 준 것으로 보여진다.

따라서, 본 발명에 의할 경우, 고강도 고연성의 강선을 제공하는 효과가 있다 할 것이다.

Claims

중량%로, C: 0.52~0.72%, Mn: 0.6~0.8%, Si: 0.1~0.4%, Ni: 0.3~1.2%, V: 0.3~1.2%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
신선가공 후 펄라이트 내 세멘타이트 중 탄소 함량이 20at.% 이하이며, 13% 이상의 연신율을 갖는 고강도 강선.
제 1항에 있어서,
상기 강선의 펄라이트 층간간격이 180㎛ 이하인 고강도 강선.
제 1항에 있어서,
상기 강선은 1450MPa 이상의 인장강도를 갖는 고강도 강선.
중량%로, C: 0.52~0.72%, Mn: 0.6~0.8%, Si: 0.1~0.4%, Ni: 0.3~1.2%, V: 0.3~1.2%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 가열하는 단계;
상기 가열된 강편을 900~1200℃의 온도범위에서 마무리 열간압연하여 선재로 제조하는 단계;
상기 선재를 5~20℃/s의 냉각속도로 상온까지 냉각하는 단계; 및
상기 냉각된 선재를 60~90%의 변형율(ε)로 신선가공하여 강선을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 강선은 펄라이트 내 세멘타이트 중 탄소 함량이 20at.% 이하이며, 13% 이상의 연신율을 갖는 고강도 강선의 제조방법.
삭제