KR102020440B1 - 강선 제조장치, 고탄소 강선 및 그 제조방법 - Google Patents

강선 제조장치, 고탄소 강선 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 강선 제조장치는, 선재를 신선 가공하여 중간재를 제공하는 신선기; 상기 신선기로부터 제공된 상기 중간재를 가열하는 가열로; 상기 열처리장치로부터 추출되는 상기 중간재를 급랭하는 냉각기; 및 납욕이 수용된 납조를 구비하여 상기 급랭된 중간재를 납욕열처리하는 납욕열처리조를 포함할 수 있다.

Description

강선 제조장치, 고탄소 강선 및 그 제조방법{Manufacturing apparatus for steel wire, high-carbon steel wire and manufacturing method for the same}
본 발명은 강선 제조장치, 고탄소 강선 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 강도 및 비틀림 특성이 향상된 고탄소 강선을 제조하기 위한 강선 제조장치, 강도 및 비틀림 특성이 향상된 고탄소 강선 및 그 제조방법에 관한 것이다.
제철소에서 생산된 고탄소 선재에 대해, 신선사에서는 “산세, 1차 신선, 1차 열처리, 2차 신선, 2차 열처리 및 도금, 3차 신선”등의 공정을 수행하며, 그에 따라 타이어코드, 쏘우와이어 등에 사용되는 고탄소 강선을 제조할 수 있다.
고탄소 강선에 요구되는 주요 특성, 특히 타이어코드에 이용되는 고탄소 강선에 요구되는 주요 특성은, 강도 및 비틀림 특성 등이다. 타이어코드에 이용되는 고탄소 강선에 고강도가 요구되는 이유는, 타이어코드의 고강도화시 타이어의 지면 접촉 저항이 증가하며, 그에 따라 자동차 연비가 향상되기 때문이다. 또한, 타이어코드에 이용되는 고탄소 강선의 경우, 여러 가닥의 강선을 꼬아서 다발을 만드는 스트랜딩(stranding) 공정을 거치며, 비틀림 특성이 열위할 경우, 다발의 특성이 떨어지게 되기 때문이다.
타이어코드에 이용되는 고탄소 강선의 강도 확보를 위해, C, Cr 및 Si 등의 강도 향상 합금원소를 다량 첨가하는 방법이 일반적으로 이용된다. 강도 향상 합금원소를 다량 첨가하여 고탄소 강선을 제조하는 경우, 초기 소재의 효과적인 강도 증가가 가능하나, 합금 설계가 잘못될 경우, 중심편석, 초석 페라이트의 형성 및 초석 시멘타이트의 형성에 의해 신선 중 단선이 발생할 가능성이 높아질 수 있다. 특히, 합금원소를 다량 첨가한 고탄소 강선의 경우, 신선 가공량이 증가할수록 단선률이 높아지며, 비틀림 특성도 함께 열위해지는 문제가 존재한다. 따라서, 강도 향상에 기여하는 합금원소의 첨가 외에, 고탄소 강선의 강도 및 비틀림 특성을 모두 확보 가능한 기술이 요구되는 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0000794호(2014.01.06. 공개)
본 발명의 한 가지 측면에 따르면, 강도 및 비틀림 특성이 향상된 고탄소 강선을 제조하기 위한 강선 제조장치, 강도 및 비틀림 특성이 향상된 고탄소 강선 및 그 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 않는다. 통상의 기술자라면 본 명세서의 전반적인 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 강선 제조장치는, 선재를 신선 가공하는 중간재를 제공하는 신선기; 상기 신선기로부터 제공된 상기 중간재를 가열하는 가열로; 상기 가열로로부터 추출되는 상기 중간재를 급랭하는 냉각기; 및 납욕이 수용된 납조를 구비하여 상기 급랭된 중간재를 납욕열처리하는 납욕열처리조를 포함할 수 있다.
상기 냉각기는 상기 중간재의 진행경로를 기준으로 상기 가열로의 직후방에 배치될 수 있다.
상기 냉각기는 상기 중간재를 향해 냉각유체를 분사할 수 있다.
상기 냉각기는, 상기 중간재의 진행경로를 따라 관통 형성된 냉각공간을 구비하는 냉각기 몸체; 및 상기 냉각기 몸체에 구비되어 상기 냉각공간을 향해 상기 냉각유체를 분사 가능한 복수의 분사노즐들을 포함할 수 있다.
상기 냉각유체는 액화질소일 수 있다.
상기 납욕의 온도는 580~620℃일 수 있다.
상기 강선 제조장치는 상기 납욕열처리된 중간재를 최종 신선 가공하는 최종 신선기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 강선은, 중량%로, C: 0.97~1.15%, Si: 0.1~0.5%, Cr: 0.1~0.5%, Mn: 0.1~0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 99면적% 이상의 펄라이트 조직이며, 상기 펄라이트 조직의 평균 라멜라 간격은 50~70nm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 강선의 제조방법은, 선재를 신선 가공하고; 상기 신선 가공된 중간재를 가열하여 가열열처리하고; 상기 가열열처리된 중간재를 급랭처리하고; 상기 급랭처리된 중간재를 납욕에 침지하여 납욕열처리하고; 상기 납욕열처리된 중간재를 신선 가공하여 강선을 얻을 수 있다.
상기 선재는, 중량%로, C: 0.97~1.15%, Si: 0.1~0.5%, Cr: 0.1~0.5%, Mn: 0.1~0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 가열열처리는 950~1100℃의 온도에서 상기 중간재를 25~35초간 유지할 수 있다.
상기 급랭처리는 80~120℃/s의 냉각속도로 상기 납욕열처리의 온도범위 이하로 상기 중간재를 냉각할 수 있다.
상기 급랭처리된 중간재의 인장강도는 1370MPa 이상일 수 있다.
상기 납욕의 온도는 580~620℃일 수 있다.
상기 중간재는 6~9초간 상기 납욕에 침지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 강선 제조장치, 고탄소 강선 및 그 제조방법은, 가열처리된 중간재를 적정 온도로 급랭하여 납욕열처리한 후 강선을 제조하는바, 고탄소강선의 미세조직 최적화에 의해 우수한 강도 및 비틀림 특성을 효과적으로 확보할 수 있다.
도 1은 0.97wt%, 1.02wt%, 1.08wt%의 탄소를 함유하는 선재를 각각 가열로에서 가열한 후 납욕에 침지했을 경우의 온도 거동을 나타내는 그래프이다.
도 2는 선재의 열이력 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 강선 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 고탄소 강선의 미세조직을 현미경을 통해 촬영한 사진이다.
본 발명은 강선 제조장치, 고탄소 강선 및 그 제조방법에 관한 것으로, 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하고자 한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
타이어코드, 쏘우와이어 등의 제품에 이용되는 강선의 경우, 선재에 대해 복수의 신선 가공을 실시하여 강선으로 제공되는 것이 일반적이다. 신선 가공에 있어서, 가장 유리한 조직은 펄라이트 조직이다. 펄라이트 조직은 신선 가공시 경화율이 크기 때문이다. 또한, 펄라이트 조직이 미세화될수록 강선의 신선 가공성이 향상되며, 그에 따라 강선의 단선 발생이 감소될 수 있다.
납조열처리는 신선 가공에 의해 변형된 미세조직을 다시 펄라이트로 변형시키는 공정으로, 주로 신선 가공과 신선 가공의 사이에서 수행된다. 일반적으로 납조열처리는 신선 가공된 선재를 일정한 온도로 가열한 후 납욕에 침지시킴으로써 수행되며, 가열되었던 선재가 납조 내에서 냉각됨으로써 목적하는 펄라이트 조직을 형성하게 된다.
미세한 펄라이트 조직을 형성하기 위해, 납욕에 침지된 선재가 일정한 온도로 항온 열처리 될 필요성이 있다. 미세한 펄라이트 조직을 형성하기 위해, 선재는 납욕 내에서 약 600℃의 온도로 항온 열처리되는 것이 가장 바람직하다. 따라서, 일반적으로 납욕의 온도는 약 600℃로 유지되어 선재의 항온열처리가 수행될 수 있다. 다만, 선재의 탄소 함량이 증가함에 따라 오스테나이트 조직에서 펄라이트 조직으로 변태 시 발열량이 증가하는바, 납욕의 온도를 약 600℃로 유지함에도 불구하고, 납욕에 침지된 선재의 온도가 급격히 증가하여, 목표하는 약 600℃의 온도에서의 항온변태가 이루어지지 않을 수 있다.
도 1은 0.97wt%, 1.02wt%, 1.08wt%의 탄소를 함유하는 선재를 각각 가열로에서 가열한 후 납욕에 침지했을 경우의 온도 거동을 나타내는 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 납욕의 온도를 약 600℃의 범위로 유지함에도, 변태발열에 의해 납욕에 침치된 선재는 목표온도를 유지하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 납욕 내에서 선재의 변태발열이 발생하는 경우, 목표온도에서의 항온열처리가 불가능한바, 목표하는 미세한 펄라이트 조직을 확보할 수 없다.
도 2는 선재의 열이력 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 2의 실선 및 점선은 각각 이상적인 냉각 거동 및 변태발열이 발생한 경우의 냉각 거동을 의미한다. 즉, 미세한 펄라이트 조직을 확보하기 위해서는 열이력 곡선의 노즈를 통과하지 않고 펄라이트 변태를 시작해야 하지만, 변태발열이 발생한 경우는 열이력 곡선의 노즈를 통과하여 펄라이트 변태를 시작하게 된다. 따라서, 변태발열이 발생한 경우, 깨진 형태의 펄라이트(degenerated pearlite)가 조직에 현출되는바, 신선가공성이 열위하게 된다.
따라서, 본 발명은 이러한 변태발열을 적절히 제어하여 고탄소강 선재의 신선가공성을 효과적으로 확보하는 장치를 제공하고자 하며, 그에 따라 강도 및 비틀림 특성이 개선된 고탄소 강선 및 그 제조방법을 더불어 제공하고자 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 강선 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 강선 제조장치(1)는, 일방향으로 이동하는 선재(5)를 가열 가능한 가열로(10), 가열로(10)의 후단부측에 배치되어 가열로(10)로부터 추출되는 선재(5)를 급랭 가능한 냉각기(20) 및 납욕이 수용된 납조를 구비하여 급랭된 선재(5)를 납욕열처리 가능한 납욕열처리조(30)를 포함할 수 있다. 또한, 도 3에 도시하지는 않았지만, 본 발명의 일 실시예에 의한 강선 제조장치(1)는, 가열로(10)의 전방 및 납욕열처리조의 후방에 각각 배치되어 선재(5)를 신선 가공 가능한 제1 및 제2 신선기를 더 포함할 수 있다.
제1 신선기에서 신선 가공된 중간재(5)는 입구(12)를 통해 가열로(10)의 내부로 이동하며, 가열 처리 후 출구(14)를 통해 가열로(10)의 외부로 추출될 수 있다. 가열로(10)의 내부에는 열원을 제공 가능한 가열기(16)가 구비될 수 있으며, 가열기(16)에서 발생된 고열에 의해 중간재(5)가 가열될 수 있다. 본 발명의 가열기(16)는 통상의 가열 방식이 사용될 수 있으며, 본 발명의 가열기(16)의 가열 방식이 특정의 가열 방식에 한정되는 것은 아니다.
냉각기(20)는 가열로(10)의 직후방에 배치됨이 바람직하며, 출구(14)의 직후방에 배치되는 것이 냉각 효율 측면에서 보다 바람직하다. 도 3에는 가열로(10)로부터 일정 간격 이격되어 배치되는 냉각기(20)를 도시하였으나, 반드시 본 발명의 냉각기(20)의 위치가 이에 국한되는 것은 아니다. 즉, 온도차이에 의해 가열로(10) 및 냉각기(20)가 파손되는 것을 방지하기 위하여 가열로(10) 및 냉각기(20)는 일정 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 다만, 냉각 효율 확보 및 열 전달에 의한 설비 파손 방지 등의 요소를 고려하여 냉각기(20) 및 가열로(10) 사이에는 실링재 등이 배치될 수 있으며, 냉각기(20)가 가열로(10)에 직접적으로 연결될 수도 있다.
냉각기(20)의 내부에는 중간재(5)의 이동방향을 따라 냉각공간(22)이 관통 형성되며, 냉각공간(22) 내에는 복수의 분사노즐들(도시 안함)이 냉각공간(22)을 통해 이동하는 중간재(5)에 냉각유체를 분사하도록 구비될 수 있다. 냉각유체는 선재를 냉각 가능한 모든 유체를 포함하나, 본 발명의 냉각유체는 냉각 효율 측면에서 액화질소가 바람직할 수 있다. 냉각기(20)에서 분사되는 냉각유체의 양은 특별히 한정되지는 않으나, 냉각기(20)를 통과하는 중간재(5)의 냉각속도가 80~120℃/s의 범위를 만족하고, 냉각기(20)를 통해 배출되는 중간재(5)의 온도와 납욕열처리조(30)에 수용된 납욕과의 온도편차가 20℃ 이하가 되도록 냉각유체를 분사함이 바람직하다.
납욕열처리조(30)에 수용되는 납욕의 온도는 580~620℃의 범위로 유지될 수 있다. 납욕열처리조(30)를 통과한 중간재(5)는 제2 신선기에 공급될 수 있으며, 제2 신선기의 신선 가공에 의해 최종 강선으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 강선 제조장치(1)는 가열로(10)의 직후에 배치되는 냉각기(20)를 구비하는바, 납욕 침지 전 중간재(5)의 온도를 적절히 조절할 수 있으며, 그에 따라 변태발열이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 강선 제조장치(1)는 가열로(10)의 직후에 배치되는 냉각기(20)를 구비하여 가열로(10)에서 가열된 중간재(5)를 일정 온도범위 이하로 냉각시키는바, 납욕열처리조(30) 내에서 중간재(5)의 변태발열이 발생하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 강선은, 중량%로, C: 0.97~1.15%, Si: 0.1~0.5%, Cr: 0.1~0.5%, Mn: 0.1~0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 강 조성에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하, 특별히 달리 표시하지 않는 한 각 원소의 함량을 나타내는 %는 중량을 기준으로 한다.
C: 0.97~1.15%
C는 강선의 강도를 확보하기 위한 주요한 원소이며, C 함량이 약 0.1% 증가할 때 강선의 강도는 약 100MPa 증가하는 것으로 알려져 있다. C는 펄라이트 조직을 형성하는 주요 원소이나, 세멘타이트 조직을 형성하는 원소이기도 하다. C가 일정 함량 이하로 첨가되는 경우, 강선의 강도 확보가 어려운바, 본 발명의 C 함량의 하한은 0.9% 이상으로 제한할 수 있다. 특히, C 함량이 0.97% 미만인 경우, 오스테나이트 조직으로부터 펄라이트 조직의 변태시 변태 발열량이 미비한 수준인바, 본 발명의 C 함량은 0.97% 이상이 바람직할 수 있다. 또한, C 함량이 1.15%를 초과하는 경우, 중심편석부에서 초석 세멘타이트가 조대하게 형성되는바, 신선 가공성 및 비틀림 특성이 열위해질 수 있다. 따라서, 본 발명의 C 함량은 0.90~1.15% 일 수 있으며, 보다 바람직한 C 함량은 0.97~1.15% 일 수 있다.
Si: 0.1~0.5%
Si는 페라이트 조직 내에 고용되는 원소이며, 항복강도의 증가에 기여하는 원소이다. Si의 첨가량이 약 0.1% 증가할 때 항복강도는 약 14~16MPa 증가하는 것으로 알려져 있다. 이러한 항복강도의 증가 효과를 위해, 본 발명은 Si 함량의 하한을 0.1%로 제한할 수 있다. 다만, Si가 과다하게 첨가되는 경우, 표면품질의 저하가 우려되는바, 본 발명의 Si 함량의 상한은 0.5%로 제한할 수 있다. 따라서, 본 발명의 Si 함량은 0.1~0.5% 일 수 있다.
Cr: 0.1~0.5%
Cr은 강도 증가에 크게 기여하고, 세멘타이트 조직의 미세화에 의해 페라이트 조직의 가공경화율을 높이는 원소이다. 이러한 효과의 달성을 위해, 본 발명은 Cr 함량의 하한을 0.1%로 제한할 수 있다. 다만, Cr이 과다하게 첨가되는 경우, 세멘타이트 조직의 두께가 임계점 이하로 작아지며, 그에 따라 신선 가공성이 열위해지는바, 본 발명은 Cr 함량의 상한을 0.5%로 제한할 수 있다. 따라서, 본 발명의 Cr 함량은 0.1~0.5% 일 수 있다.
Mn: 0.1~0.5%
Mn은 오스테나이트 조직의 안정화 원소이며, 탈산에 기여하는 원소이다. 또한, Mn은 강 내에 존재하는 S와 결합하여 MnS를 형성하므로, S에 의한 적열취성을 방지하는 원소이기도 하다. 이러한 효과의 달성을 위해, 본 발명은 Mn 함량의 하한을 0.1%로 제한할 수 있다. 다만, Mn이 과다하게 첨가되는 경우 중심편석에 의해 신선 가공성이 열위해지는 문제가 발생하는바, 본 발명은 Mn 함량의 상한을 0.5%로 제한할 수 있다. 따라서, 본 발명의 Mn 함량은 0.1~0.5% 일 수 있다.
P: 0.015% 이하
P은 제강 공정에서 불가피하게 함유되는 원소로서, 연성 및 신선 가공성을 저하시키는 원소인바, 가급적 그 함량을 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 다만, 제강 부하 등의 효소를 고려하여, 본 발명은 P 함량을 0.015% 이하로 제한할 수 있다.
S: 0.015% 이하
S 역시 제강 공정에서 불가피하게 함유되는 원소로서, 연성 및 신선 가공성을 저하시키는 원소인바, 가급적 그 함량을 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 다만, 제강 부하 등의 효소를 고려하여, 본 발명은 S 함량을 0.015% 이하로 제한할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 강선의 미세조직은 99면적% 이상의 펄라이트 조직이며, 펄라이트 조직의 평균 라멜라 간격은 50~70nm 일 수 있다.
이하, 본 발명의 미세조직을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 고탄소 강선은 99면적% 이상의 펄라이트 조직을 미세조직으로 구비할 수 있다. 또한, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 고탄소 강선의 미세조직을 현미경을 통해 촬영한 사진으로, 본 발명의 고탄소 강선에 포함되는 펄라이트 조직의 평균 라멜라 간격은 50~70nm 수준인 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 고탄소 강선은 99면적% 이상의 펄라이트 조직을 미세조직으로 구비하며, 펄라이트 조직의 평균 라멜라 간격은 50~70nm 수준으로 미세한바, 신선가공성을 효과적으로 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 강선의 제조방법은, 선재를 신선 가공하고; 신선 가공된 선재를 가열하여 가열열처리하고; 가열열처리된 선재를 급랭하고; 급랭된 선재를 납욕에 침지하여 납조열처리하고; 납조열처리된 선재를 신선 가공하여 강선을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 제조공정을 보다 상세히 설명한다.
선재의 신선 가공
중량%로, C: 0.97~1.15%, Si: 0.1~0.5%, Cr: 0.1~0.5%, Mn: 0.1~0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 선재를 일정한 단면 감면율에 의해 신선 가공할 수 있다. 이 때 의 단면 감면율은 통상적인 수준이다. 본 발명의 신선가공에 제공되는 선재의 조성 함량은, 전술한 고탄소 강선의 조성 함량의 제한 이유와 동일한 이유로 제한되는바, 전술한 고탄소 강선의 조성 함량에 대한 설명으로 그 설명을 대신하도록 한다.
가열처리
신선 가공된 중간재를 950~1100℃의 온도범위에서 25~35초간 유지함으로써 신선 가공된 중간재의 가열처리를 실시한다. 가열처리의 온도범위 및 유지 시간은 중간재의 조직을 오스테나이징화 하기 위한 통상적인 온도범위 및 유지 시간이며, 본 발명의 가열처리의 온도범위 및 유지 시간은 반드시 이에 구속되는 것은 아니다. 즉, 중간재의 조성 및 설비 환경에 따라 본 발명의 가열처리 온도범위 및 유지 시간은 다양하게 적용될 수 있다.
급랭처리
가열처리된 중간재를 80~120℃/s의 냉각속도로 목적하는 납욕열처리의 온도범위 이하로 냉각할 수 있으며, 급랭처리는 가열처리의 직후에 수행되는 것이 보다 바람직하다. 급랭처리 속도가 80℃/s 미만인 경우, 충분한 급랭처리의 효과를 달성하기 어려운바, 본 발명은 급랭처리 속도의 하한을 80℃/s로 제한할 수 있다. 또한, 본 발명의 급랭처리 속도의 상한은 특별히 한정하지 않으나, 설비 부하 및 경제성 등의 이유로 급랭처리 속도의 상한을 120℃/s로 제한할 수 있다. 변태발열의 억제 효과를 고려 할 때 급랭처리의 도달 온도는 납욕의 온도 이하가 바람직한바, 본 발명의 급랭처리 도달온도는 580~620℃일 수 있다. 급랭처리의 실시 시간은 급랭처리의 도달온도의 도달 여부에 따라 결정될 수 있으나, 바람직한 금랭처리의 실시 시간은 1~4초 일 수 있다.
납조열처리
본 발명의 납조열처리는 580~620℃의 온도범위로 구비되는 납욕에 급랭처리된 중간재를 6~9초간 침지시킴으로써 수행될 수 있다. 본 발명의 납조열처리 온도 및 시간은 미세한 펄라이트 조직을 형성하기 위한 조건으로, 600℃의 목표 온도에서 오차범위를 고려한 온도 및 펄라이트 조직으로의 변태율 및 경제성을 고려한 시간이다.
최종 신선 가공
납조열처리된 중간재를 목표하는 단면 감면율로 신선 가공하며, 그에 따라 최종 강선을 얻을 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
(실싱예)
표 1과 같은 성분계로 구비되는 용강을 주조하여, 1050℃의 온도에서 재가열하고, 900℃에서 열간압연한 후 25℃/s의 냉각속도로 냉각하여 5.5mm 두께의 선재를 제조하였다.
구분 조성 함량(wt%) 비고
C Si Mn Cr P S
강1 0.92 0.22 0.32 0.22 0.012 0.011 비교강
강2 0.97 0.21 0.31 0.21 0.010 0.012 발명강
강3 1.02 0.22 0.3 0.18 0.009 0.008 발명강
강4 1.15 0.23 0.31 0.19 0.011 0.009 발명강
강5 1.18 0.21 0.3 0.21 0.012 0.010 비교강
표 1의 각 선재에 대해 신선사에서 신선 및 열처리를 반복하여 강선을 제조하였으며, 특히 최종 신선 전의 납조열처리시 가열처리 후 납욕열처리 전의 냉각 조건을 다양하게 변화하여 실시하였다. 납욕열처리 전의 냉각 조건은 아래의 표 2 와 같으며, 각각의 중간재 및 강선에 대한 물성 평가 역시 표 2에 나타난 바와 같다. 각각의 선재에 대해 97.7%의 평균 단면 감소율을 적용하여 최종 강선을 제작하였으며, 가열처리의 온도는 1050℃, 납욕의 온도는 600℃ 조건에서 강선을 제작하였다. 표 2의 중간재 인장강도(MPa)는 가열처리 전의 중간재 인장강도, 열처리 후 중간재 인장강도(MPa)는 납조열처리 후 중간재의 인장강도를 의미하며, 열처리 전후 인장강도 증가량(MPa)은 납조열처리 후 중간재의 인강강도와 가열처리 전의 중간재의 인장강도의 차를 의미한다. 펄라이트의 조직은 강선의 단면을 기준으로 1/4D~3/4D(D: 강선의 직경을 의미함)의 위치에서 관찰하였다. 1/4D~3/4D의 위치는 냉각속도에 가장 둔감한 지역으로, 변태발열 발생시 조직의 조대화를 뚜렷하게 관찰할 수 있는 영역이기 때문이다.
구분 냉각속도 (℃/s) 중간재
인장강도
(MPa)		 열처리 후 중간재 인장강도
(MPa)		 열처리
전후 인장강도 증가량
(MPa)		 최종강선 비고
펄라이트 평균 라멜라
간격
(nm)		 인장강도
(MPa)		 비틀림
(수)
강1 2 1,245 1,295 50 89 3,610 72 비교예 1
강2 2 1,278 1,323 45 90 3,618 64 비교예 2
강3 4 1,352 1,401 49 86 3,662 48 비교예 3
강4 6 1,415 1,455 30 85 3,673 32 비교예 4
강5 10 1,464 1,484 20 90 단선발생 0 비교예 5
강2 90 1,278 1,370 92 67 3,750 72 발명예 1
강3 90 1,352 1,460 108 62 3,845 69 발명예 2
강4 80 1,415 1,517 100 58 3,895 65 발명예 3
강5 90 1,464 1,569 105 85 단선발생 0 비교예 6
강4 60 1,352 1,407 55 84 3,668 49 비교예 7
발명예 1 내지 4의 경우, 최종 강선이 50~70nm의 평균 라멜라 간격을 만족하는 미세한 조직으로 구비되는 것을 확인할 수 있으며, 그에 따라 본 발명이 목적하는 물성을 확보함을 확인할 수 있다.
C 함량이 본 발명의 범위에 미치지 않는 비교예 1의 경우, 납조열처리 후 중간재의 인장강도가 1370MPa 이하임을 확인할 수 있다. 또한, C의 함량이 본 발명의 범위를 초과하는 비교예 5 및 비교예 6의 경우, 냉각소도와 무관하게 최종 강선에 단선이 발생하였는바, 신선 가공성이 열위한 것을 확인할 수 있다.
비교예 2 내지 4는 강 조성 함량이 본 발명의 범위를 만족하나, 급랭을 실시하지 않는 경우이다. 급랭을 실시하는 발명예 1 내지 3과 비교예 2 내지 4를 비교하는 경우, 급랭처리의 실시 여부에 따라 납조열처리 전후의 인장강도 차가 2배 이상 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 발명예 1 내지 3의 최종강선은, 비교예 2 내지 4의 최종강선 대비, 인장강도는 최소 약 130MPa 증가하였으며, 비틀림 수 역시 최소 약 11% 증가한 것을 확인할 수 있다.
또한, 비교예 7은 강 조성 함량이 본 발명의 범위를 만족하고 급랭을 실시하나, 냉각속도가 본 발명의 범위에 미치지 않는 경우로서, 발명예 3 대비 급랭의 효과가 미비함을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 강선 제조장치, 고탄소 강선 및 그 제조방법은, 가열된 중간재를 적정 조건으로 급랭한 후 납욕에 침지하여 신선 가공하는바, 강선의 강도 및 비틀림 특성을 효과적으로 확보할 수 있다.
이상에서 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 실시예들에 한정되지 않는다.
1: 강선 제조장치 5: 선재 10: 가열로
12: 입구 14: 출구 16: 가열기
20: 냉각기 22: 냉각공간 30: 납조열처리조

Claims (15)

  1. 선재를 신선 가공하여 중간재를 제공하는 신선기;
    상기 신선기로부터 제공된 상기 중간재를 950~1100℃의 온도범위에서 25~35초간 유지하여 가열하는 가열로;
    상기 가열로로부터 추출되는 상기 중간재를 80~120℃/s의 냉각속도로 납욕 온도 이하의 온도범위까지 급랭하는 냉각기;
    580~620℃의 상기 납욕이 수용된 납조를 구비하여 상기 급랭된 중간재를 납욕열처리하는 납욕열처리조; 및
    상기 납욕열처리된 중간재를 강선으로 최종 신선 가공하는 최종 신선기를 포함하되,
    상기 강선은, 중량%로, C: 0.97~1.15%, Si: 0.1~0.5%, Cr: 0.1~0.5%, Mn: 0.1~0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 99면적% 이상의 펄라이트 조직이며, 상기 펄라이트 조직의 평균 라멜라 간격은 50~70nm인, 강선 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각기는 상기 중간재의 진행경로를 기준으로 상기 가열로의 직후방에 배치되는, 강선 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각기는 상기 중간재를 향해 냉각유체를 분사하는, 강선 제조장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 냉각기는,
    상기 중간재의 진행경로를 따라 관통 형성된 냉각공간을 구비하는 냉각기 몸체; 및
    상기 냉각기 몸체에 구비되어 상기 냉각공간을 향해 상기 냉각유체를 분사 가능한 복수의 분사노즐들을 포함하는, 강선 제조장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 냉각유체는 액화질소인, 강선 제조장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 중량%로, C: 0.97~1.15%, Si: 0.1~0.5%, Cr: 0.1~0.5%, Mn: 0.1~0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 99면적% 이상의 펄라이트 조직이며, 상기 펄라이트 조직의 평균 라멜라 간격은 50~70nm인, 고탄소 강선.
  9. 선재를 중간재로 신선 가공하고;
    상기 중간재를 950~1100℃의 온도범위에서 25~35초간 유지하여 가열열처리하고;
    상기 가열열처리된 중간재를 80~120℃/s의 냉각속도로 급랭처리하고;
    상기 급랭처리된 중간재를 580~620℃의 납욕에 침지하여 납욕열처리하고;
    상기 납욕열처리된 중간재를 최종 신선 가공하여 강선을 제조하되,
    상기 급랭처리에서 상기 중간재는 상기 납욕 온도 이하의 온도범위로 냉각되며,
    상기 강선은, 중량%로, C: 0.97~1.15%, Si: 0.1~0.5%, Cr: 0.1~0.5%, Mn: 0.1~0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 99면적% 이상의 펄라이트 조직이며, 상기 펄라이트 조직의 평균 라멜라 간격은 50~70nm인, 고탄소 강선의 제조방법
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제9항에 있어서,
    상기 급랭처리된 중간재의 인장강도는 1370MPa 이상인, 고탄소 강선의 제조방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 중간재는 6~9초간 상기 납욕에 침지되는, 고탄소 강선의 제조방법.
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