KR102020429B1 - 권취코일용 파이프 및 그 제조방법 - Google Patents

권취코일용 파이프 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 권취코일용 파이프 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 박판을 코일 형태로 권취시 릴(reel) 외접부에 삽입되는 권취코일용 파이프 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.28~0.33%, Si: 0.30~0.60%, Mn: 0.70~1.00%, P: 0.045%이하, S: 0.045%이하, Mo: 0.20~0.30%, Ni: 1.60~2.00%, Cr: 0.70~1.00%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 항복강도: 980MPa 이상, 인장강도: 1470MPa 이상, 연신율: 4% 미만인 권취코일용 파이프 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

권취코일용 파이프 및 그 제조방법{PIPE FOR WOUND COIL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 권취코일용 파이프 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 박판을 코일 형태로 권취시 릴(reel) 외접부에 삽입되는 권취코일용 파이프 및 그 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 권취코일 및 권취코일의 내경 측에 구비되는 스틸 슬리브를 나타내는 모식도이며, (a)는 정상적인 형태의 권취코일 및 스틸 슬리브를 나타내며, (b)는 좌굴 현상이 발생한 스틸 슬리브와 진원도가 확보되지 않은 권취코일을 나타낸다. 도 1 (a)에 나타난 바와 같이, 일반적으로 박판을 코일의 형태로 권취하는 경우, 권취코일(10)의 내경 측에는 박판을 권취 가능하게 하면서도 상기 권취코일을 지지할 수 있도록 상기 권취코일의 내경 측에 스틸 슬리브(20)가 구비된다. 상기 스틸 슬리브(20)는 통상적으로 열연판을 원형으로 성형시킨 후 용접하여 파이프의 형태로 제조되어 사용된다. 한편, 도 1 (b)에 나타난 바와 같이, 상기 스틸 슬리브(20)는 상당히 큰 하중이 가해지는 경우 휘어지거나 찌그러지는 현상인 좌굴이 발생하게 되며, 이러한 좌굴 현상은 고온의 상태일 때 더욱 잘 발생하게 된다. 상기 좌굴 현상은 스틸 슬리브 뿐만 아니라 권취코일의 진원도를 확보하기 어렵게 하므로, 상기 스틸 슬리브는 권취코일의 진원도를 안정적으로 확보할 수 있도록 좌굴 현상이 발생하지 않을 것이 요구된다.
기존의 스틸 슬리브는 약한 강도와 낮은 내열성 때문에 좌굴 현상이 발생하여 스틸 슬리브 및 권취코일의 진원도를 유지시키는 것이 어려웠다. 예를 들어, 방향성 전기강판 권취코일은 장시간의 고온소둔 공정(약 1300~1400℃, 140시간 이상)을 거치게 되며, 이후, 절연코팅을 위하여 상기 권취코일을 되풀기하게 된다. 그러나, 장시간의 고온소둔 과정으로 인하여 상기 스틸 슬리브에 좌굴 현상이 발생하게 되고, 이에 따라, 권취코일의 되풀기를 위하여 상기 스틸 슬리브를 릴에 재삽입시 장시간의 진원도 교정 작업이 요구됨에 따라 작업이 지연되어 생산성이 저하될 뿐만 아니라, 1회 사용 후 폐기해야 하기 때문에 생산 원가가 상승하는 요인이 된다.
한편, 이러한 권취코일용 파이프와 관련한 기술로는 특허문헌 1이 있다. 특허문헌 1은 강판의 합금성분을 주성분인 Fe와, 0.2％ 이하의 C, 0.4~1.2％의 Mn, 0.035％ 이하의 P, 0.035％ 이하의 S, 0.15~0.35％의 Si, 0.4~0.8％의 Cr, 0.4~1.5％의 Ni, 0.3~0.6％의 Mo, 0.15~0.5％의 Cu, 0.03~0.1％의 V 및 0.0005~0.006％의 B로 제어하고, 강판의 롤 벤딩시 리롤링 및 열처리를 통해 진원도를 확보하기 위한 강판권취 슬리브에 관한 것이나, 인장강도가 80㎏/㎟급에 불과할 뿐만 아니라, 내열성 확보에 대해서는 전혀 고려하고 있지 않아 여전히 진원도를 안정적으로 확보하기에는 어려움이 있다.
이에 따라, 권취코일의 안정적인 진원도 확보를 위한 우수한 기계적 물성을 갖는 스틸 슬리브가 요구되고 있는 실정이다.
한국 공개특허공보 제2006-0020552호
본 발명의 일측면은 권취코일의 진원도를 안정적으로 확보할 수 있는 권취코일용 파이프 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.28~0.33%, Si: 0.30~0.60%, Mn: 0.70~1.00%, P: 0.045%이하, S: 0.045%이하, Mo: 0.20~0.30%, Ni: 1.60~2.00%, Cr: 0.70~1.00%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 항복강도: 980MPa 이상, 인장강도: 1470MPa 이상, 연신율: 4% 미만인 권취코일용 파이프를 제공한다.
본 발명의 다른 실시형태는 중량%로, C: 0.28~0.33%, Si: 0.30~0.60%, Mn: 0.70~1.00%, P: 0.045%이하, S: 0.045%이하, Mo: 0.20~0.30%, Ni: 1.60~2.00%, Cr: 0.70~1.00%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 원심주조법을 이용하여 파이프를 얻는 단계; 상기 파이프를 800~900℃에서 5~20분 유지하는 1차 열처리 단계; 상기 1차 열처리 후, 상기 파이프를 700~800℃에서 20~40분 유지하는 2차 열처리 단계; 상기 2차 열처리 후, 상기 파이프를 200~400℃에서 90~120분 유지하는 3차 열처리 단계를 포함하는 권취코일용 파이프의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 우수한 기계적 물성의 확보를 통해 권취코일의 진원도를 안정적으로 유지할 수 있는 권취코일용 파이프 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 권취코일 및 권취코일의 내경 측에 구비되는 스틸 슬리브를 나타내는 모식도이며, (a)는 정상적인 형태의 권취코일 및 스틸 슬리브를 나타내며, (b)는 좌굴 현상이 발생한 스틸 슬리브와 진원도가 확보되지 않은 권취코일을 나타낸다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명 권취코일용 파이프의 합금조성에 대하여 설명한다. 하기 설명되는 합금조성의 단위는 특별한 언급이 없는 한, 중량%를 의미한다.
C: 0.28~0.33%
상기 C는 강도 향상을 위해 첨가되는 원소이며, 본 발명에서는 강도 향상을 통한 진원도 안정성 확보를 위하여, 0.28% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 만일, 상기 C가 0.28% 미만으로 첨가되는 경우에는 강도 확보가 어려울 뿐만 아니라, 경도가 떨어져 파이프의 표면부 황삭 가공성이 떨어질 수 있다. 반면, 상기 C가 0.33%를 초과할 경우에는 너무 높은 경도로 인해 오히려 파이프의 표면부 황삭 가공성이 떨어져 기계적 가공이 불가능해질 수 있다. 따라서, 상기 C는 0.28~0.33%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 C의 하한은 보다 바람직하게는 0.29%, 보다 더 바람직하게는 0.30%인 것이 유리하며, 상기 C의 상한은 보다 바람직하게는 0.32%, 보다 더 바람직하게는 0.31%인 것이 유리하다.
Si: 0.30~0.60%
상기 Si는 강도 향상을 위해 첨가되는 원소이다. 상기 Si가 0.30% 미만으로 첨가되는 경우에는 낮은 강도로 인해 안정적인 진원도를 확보가 어려울 뿐만 아니라, 경도가 떨어져 파이프의 표면부 황삭 가공성이 떨어질 수 있다. 반면, 상기 Si가 0.60%를 초과할 경우에는 너무 높은 경도로 인해 오히려 파이프의 표면부 황삭 가공성이 떨어져 기계적 가공이 불가능해질 수 있다. 따라서, 상기 Si는 0.30~0.60%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 Si의 하한은 보다 바람직하게는 0.35%, 보다 더 바람직하게는 0.40%인 것이 유리하며, 상기 Si의 상한은 보다 바람직하게는 0.55%, 보다 더 바람직하게는 0.50%인 것이 유리하다.
Mn: 0.70~1.00%
상기 Mn은 우수한 강성과 인성을 부여함으로써 안정적인 진원도 확보를 가능하게 하는 원소이다. 상기 Mn이 0.70% 미만인 경우에는 인성이 저하되어 파이프의 표면에 미세 크랙이 발생할 수 있으며, 반면, 1.00%를 초과하는 경우에는 연성이 너무 높아짐에 따라 좌굴 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 Mn은 0.70~1.00%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 Mn의 하한은 보다 바람직하게는 0.75%, 보다 더 바람직하게는 0.80%인 것이 유리하며, 상기 Mn의 상한은 보다 바람직하게는 0.95%, 보다 더 바람직하게는 0.90%인 것이 유리하다.
P: 0.045%이하
상기 P는 제조 공정상 불가피하게 함유되는 불순물로서, 상기 P가 0.045%를 초과하는 경우에는 본 발명이 얻고자 하는 기계적 물성을 얻기 곤란하므로, 상기 P의 함량은 0.045%이하의 범위로 제어하는 것이 바람직하다. 상기 P의 함량은 0.040%이하인 것이 보다 바람직하며, 0.035%이하인 것이 보다 더 바람직하다.
S: 0.045%이하
상기 S는 P와 마찬가지로 제조 공정상 불가피하게 함유되는 불순물로서, 상기 S가 0.045%를 초과하는 경우에는 본 발명이 얻고자 하는 기계적 물성을 얻기 곤란하므로, 상기 S의 함량은 0.045%이하의 범위로 제어하는 것이 바람직하다. 상기 S의 함량은 0.040%이하인 것이 보다 바람직하며, 0.035%이하인 것이 보다 더 바람직하다.
Mo: 0.20~0.30%
상기 Mo는 본 발명에서는 주조성을 확보하기 위해 첨가하는 원소이다. 상기 Mo가 0.20% 미만인 경우에는 주조시 용강의 유동성을 저하시키는 문제가 발생할 수 있고, 반면, 0.30%를 초과하는 경우에는 주조성은 양호하나 파이프에 미세 기공이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 Mo는 0.20~0.30%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 Mo의 하한은 보다 바람직하게는 0.22%, 보다 더 바람직하게는 0.24%인 것이 유리하며, 상기 Mo의 상한은 보다 바람직하게는 0.28%, 보다 더 바람직하게는 0.26%인 것이 유리하다.
Ni: 1.60~2.00%
상기 Ni은 고온에서의 내산화성을 확보하기 위한 원소로서, 1.60% 미만인 경우에는 상기 효과가 충분하지 않을 수 있다. 반면, 상기 Ni의 함량이 2.00%를 초과하는 경우에는 내산화성 향상 효과가 포화될 뿐만 아니라, 제조 비용의 상승을 유발한다. 따라서, 상기 Ni은 1.60~2.00%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 Ni의 하한은 보다 바람직하게는 1.65%, 보다 더 바람직하게는 1.70%인 것이 유리하며, 상기 Ni의 상한은 보다 바람직하게는 1.95%, 보다 더 바람직하게는 1.90%인 것이 유리하다.
Cr: 0.70~1.00%
상기 Cr은 Ni과 마찬가지로 고온에서의 내산화성을 확보하기 위한 원소로서, 0.70% 미만인 경우에는 상기 효과가 충분하지 않을 수 있다. 반면, 상기 Cr의 함량이 1.00%를 초과하는 경우에는 내산화성 향상 효과가 포화될 뿐만 아니라, 제조 비용의 상승을 유발한다. 따라서, 상기 Cr은 0.70~1.00%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 Cr의 하한은 보다 바람직하게는 0.75%, 보다 더 바람직하게는 0.80%인 것이 유리하며, 상기 Cr의 상한은 보다 바람직하게는 0.95%, 보다 더 바람직하게는 0.90%인 것이 유리하다.
본 발명이 제공하는 권취코일용 파이프는 항복강도: 980MPa 이상, 인장강도: 1470MPa 이상, 연신율: 4% 미만일 수 있으며, 이를 통해, 파이프의 좌굴 현상을 억제하여 권취코일의 진원도를 안정적으로 확보할 수 있으며, 아울러, 우수한 내열성을 가져 고온에서도 진원도를 확보할 수 있다.
본 발명이 제공하는 권취코일용 파이프는 방향성 전기강판의 권취에 바람직하게 적용될 수 있다.
한편, 본 발명의 파이프는 그 표면에 권취코일이 감겨지는 방향에 대하여 경사진 홈을 갖는 것이 바람직하다. 만일, 홈이 형성되지 않는 파이프에 강판을 권취시키는 경우, 특히, 방향성 전기강판의 권취시, 상기 방향성 전기강판은 장시간의 고온 소둔 공정을 거치기 때문에 상기 파이프와 강판이 서로 들러붙는 점착 현상이 발생할 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 상기와 같이 파이프의 표면에 경사진 홈을 형성시킴으로써 권취되는 강판이 파이프에 점착되는 현상을 방지할 수 있다. 본 발명에서는 상기 홈의 형태나 개수, 경사 등에 대해서 특별히 한정하지는 않는다.
아울러, 본 발명의 파이프는 그 표면에 산화 마그네슘 또는 산화 알루미늄 코팅층을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 산화 마그네슘 또는 산화 알루미늄은 내열성이 우수한 물질로서 고온에서도 용융되지 않기 때문에, 상기 코팅층의 형성을 통해 파이프와 권취되는 강판이 점착되는 현상을 보다 억제할 수 있다. 한편, 상기 코팅층은 상기 파이프의 표면에 형성될 뿐만 아니라 파이프에 형성된 홈에도 충진되도록 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 권취코일용 파이프의 제조방법에 대하여 설명한다.
먼저, 상기 합금조성을 갖는 용강을 준비한 뒤, 원심주조법을 이용하여 파이프를 얻는다. 상기 원심주조법으로는 당해 기술분야에서 통상적으로 알려진 방법을 이용하면 되므로, 이에 대해서 특별히 한정하지 않는다.
이후, 상기 파이프를 800~900℃에서 5~20분 유지하는 1차 열처리한다. 상기와 같이 1차 열처리 조건을 제어함으로써 이후 수행되는 열처리에 의해 풀림 효과를 얻을 수 있으며, 이후 수행되는 열처리에 의해 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있다. 또한, 금속의 조직이 마르텐사이트 대비 오스테나이트를 많이 포함하도록 함으로써 황삭 가공성을 향상시킬 수 있다. 상기 1차 열처리 온도가 900℃를 초과하거나 1차 열처리 시간이 20분을 초과하는 경우에는 본 발명이 얻고자 하는 강도와 내열성을 얻기 곤란하며, 상기 1차 열처리 온도가 800℃ 미만이거나 1차 열처리 시간이 5분 미만일 경우에는 열처리 효과가 적어 양호한 기계적 물성을 얻기 곤란하며, 주조시 발생된 시멘타이트 조직이 다량 존재하여 황삭 가공성이 저하될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 상기 1차 열처리 후, 상기 파이프의 표면 연마를 위한 황삭 가공을 수행할 수 있다.
이후, 상기 파이프를 700~800℃에서 20~40분 유지하는 2차 열처리한다. 상기와 같이 2차 열처리 조건을 제어함으로써 우수한 인장강도와 항복강도, 낮은 연신율을 얻을 수 있으며, 미세조직이 오스테나이트와 마르텐사이트를 거의 유사한 수준이 포함되도록 함으로써 표면 미려도 확보를 위한 밀링 가공성을 향상시킬 수 있다. 상기 2차 열처리 온도가 800℃를 초과하거나 2차 열처리 시간이 40분을 초과하는 경우에는 본 발명이 얻고자 하는 오스테나이트 조직이 많아져 가공성은 확보할 수 있으나, 강도가 상당히 저하되는 문제가 있으며, 상기 2차 열처리 온도가 700℃ 미만이거나 2차 열처리 시간이 20분 미만일 경우에는 시멘타이트 조직의 분율이 높아져 가공성이 저하될 수 있다.
이후, 상기 2차 열처리 후에는 상기 파이프를 200~400℃에서 90~120분 유지하는 3차 열처리한다. 상기 3차 열처리는 최종적으로 우수한 인장강도와 내열성 등의 기계적 물성을 확보하기 위한 것이다. 상기 3차 열처리 온도가 400℃를 초과하거나 3차 열처리 시간이 120분을 초과하는 경우에는 우수한 수준의 강도를 확보하기 어렵다는 문제가 있으며, 상기 3차 열처리 온도가 200℃ 미만이거나 3차 열처리 시간이 90분 미만일 경우에는 마르텐사이트 분율이 높아 고온의 조건에서 미세 크랙이 발생하는 단점이 있다.
한편, 본 발명에서는 상기 3차 열처리 단계 후, 상기 파이프의 표면에 권취코일이 감겨지는 방향에 대하여 경사진 홈을 형성시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 본 발명에서는 상기 파이프에 적절한 형태나 개수, 경사 등을 갖는 홈을 형성할 수 있는 것이라면, 상기 홈 가공 방법에 대하여 특별히 한정하지 않는다.
또한, 상기 홈을 형성시키는 단계 후에는 상기 파이프의 표면에 산화 마그네슘 또는 산화 알루미늄을 코팅하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 본 발명에서는 상기 코팅시 방법에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 예를 들면, 스프레이 분사 등의 방법을 이용할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 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 개시된 합금조성을 갖는 용강을 원심주조하여 파이프를 얻은 뒤, 상기 파이프를 하기 표 2의 조건으로 1~3차 열처리하여 최종적으로 파이프를 제조하였다. 상기 파이프에 대하여 인장강도, 항복강도 및 연신율을 측정하고, 내열성을 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 한편, 내열성 평가는 파이프를 1300℃에서 150시간 동안 유지한 후, 파이프의 기존 원형 유지 정도에 따라, 변형이 없는 경우를 양호, 1~2mm의 변형 발생시 보통, 2~4mm의 변형 발생시 불량으로 판단하였다.
구분 합금조성(중량%)
C Si Mn P S Mo Ni Cr
비교예1 0.10 0.10 0.40 0.080 0.080 0.050 1.30 0.20
비교예2 0.20 0.20 0.50 0.060 0.060 0.10 1.40 0.40
발명예1 0.28 0.30 0.70 0.045 0.045 0.20 1.60 0.70
발명예2 0.33 0.60 1.00 0.045 0.045 0.30 2.00 1.00
비교예3 0.40 0.80 1.20 0.045 0.045 0.40 2.10 1.20
비교예4 0.50 1.00 1.40 0.045 0.045 0.50 2.30 1.40
구분 1차 열처리
온도/시간
(℃, 분)		 2차 열처리
온도/시간
(℃, 분)		 3차 열처리
온도/시간
(℃, 분)		 인장강도
(MPa)		 항복강도
(MPa)		 연신율
(%)		 내열성
비교예1 600/2 50/5 100/30 960 360 2 불량
비교예2 700/3 600/10 100/60 1000 400 2.5 보통
발명예1 800/5 700/20 200/90 1470 980 4 양호
발명예2 900/20 800/40 400/120 1670 100 5 양호
비교예3 1000/30 900/50 500/160 1050 350 3.5 불량
비교예4 1000/40 1000/60 600/190 1200 300 3 불량
상기 표 1 및 2를 통해 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 합금조성 및 제조조건을 만족하는 발명예 1 및 2의 경우에는 인장강도가 1470MPa이상이고, 항복강도가 980MPa 이상이며, 연신율이 4% 미만으로 우수한 기계적 물성을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 아울러, 내열성 평가 또한 양호한 것을 확인할 수 있다.
그러나, 본 발명이 제안하는 합금조성 및 제조조건을 만족하지 않는 비교예 1 내지 4의 경우에는 인장강도 및 항복강도가 매우 낮은 수준인 것을 알 수 있으며, 내열성 평가 또한 양호하지 않음을 알 수 있다.
10: 권취코일
20: 스틸 슬리브

Claims (8)

  1. 중량%로, C: 0.28~0.33%, Si: 0.30~0.60%, Mn: 0.70~1.00%, P: 0.045%이하, S: 0.045%이하, Mo: 0.20~0.30%, Ni: 1.60~2.00%, Cr: 0.70~1.00%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
    항복강도: 980MPa 이상, 인장강도: 1470MPa 이상, 연신율: 4% 미만인 권취코일용 파이프.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 권취코일은 방향성 전기강판인 권취코일용 파이프.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 파이프는 그 표면에 권취코일이 감겨지는 방향에 대하여 경사진 홈을 갖는 권취코일용 파이프.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 파이프는 그 표면에 산화 마그네슘 또는 산화 알루미늄 코팅층을 포함하는 권취코일용 파이프.
  5. 중량%로, C: 0.28~0.33%, Si: 0.30~0.60%, Mn: 0.70~1.00%, P: 0.045%이하, S: 0.045%이하, Mo: 0.20~0.30%, Ni: 1.60~2.00%, Cr: 0.70~1.00%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 원심주조법을 이용하여 파이프를 얻는 단계;
    상기 파이프를 800~900℃에서 5~20분 유지하는 1차 열처리 단계;
    상기 1차 열처리 후, 상기 파이프를 700~800℃에서 20~40분 유지하는 2차 열처리 단계;
    상기 2차 열처리 후, 상기 파이프를 200~400℃에서 90~120분 유지하는 3차 열처리 단계를 포함하는 권취코일용 파이프의 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 1차 열처리 단계 후, 2차 열처리 단계 전, 상기 파이프를 황삭가공하는 단계를 추가로 포함하는 권취코일용 파이프의 제조방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 3차 열처리 단계 후, 상기 파이프의 표면에 권취코일이 감겨지는 방향에 대하여 경사진 홈을 형성시키는 단계를 추가로 포함하는 권취코일용 파이프의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 홈을 형성시키는 단계 후, 상기 파이프의 표면에 산화 마그네슘 또는 산화 알루미늄을 코팅하는 단계를 추가로 포함하는 권취코일용 파이프의 제조방법.
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