KR102326241B1 - 초고강도 타이어코드용 선재, 강선 및 이들의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 명세서에서는 초고강도 선재, 강선 및 이들의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 타이어코드 등에 적용될 수 있는 초고강도 선재, 강선 및 이들의 제조방법을 개시한다.
개시되는 초고강도 타이어코드용 선재의 일 실시예에 따르면 중량%로, C: 1.0 내지 1.2%, Si: 0.2 내지 0.8%, Mn: 0.2 내지 0.6%, Cr: 0.2 내지 0.8%, Ni: 0.2 내지 0.5%, Co: 0.2 내지 0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)의 값이 340 이상이다.
(1) 301C + 19.7Si + 56.7Cr
상기 식 (1)에서, C, Si, Cr은 각 합금원소의 함량(중량%)을 의미한다.
개시되는 초고강도 타이어코드용 선재의 일 실시예에 따르면 중량%로, C: 1.0 내지 1.2%, Si: 0.2 내지 0.8%, Mn: 0.2 내지 0.6%, Cr: 0.2 내지 0.8%, Ni: 0.2 내지 0.5%, Co: 0.2 내지 0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)의 값이 340 이상이다.
(1) 301C + 19.7Si + 56.7Cr
상기 식 (1)에서, C, Si, Cr은 각 합금원소의 함량(중량%)을 의미한다.
Description
본 발명은 초고강도 선재, 강선 및 이들의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 타이어코드 등에 적용될 수 있는 초고강도 선재, 강선 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
타이어코드는 선경 4.5~5.5㎜의 고탄소강 선재의 미세조직을 완전 펄라이트 조직으로 제어한 후 연속적으로 신선 가공함으로써 높은 인장강도를 가지며, 최종 선경이 0.15~0.35㎜인 제품으로 제조된다. 신선 가공이 진행되면 펄라이트는 신선 가공 방향으로 배향되고, 선경이 줄어들면서 세멘타이트의 층간 간격도 미세화되어 인장강도가 증가하게 된다. 이때 일정 이상의 소성 가공이 부여되면 지속적으로 연성은 줄어들며 강도가 증가하기 때문에 더 이상 신선 가공을 할 수 없는 신선 가공 한계에 도달한다. 이에 따라, 연속적인 신선 가공 시 신선 가공 한계에 도달하기 전에 소재에 가공성을 부여하기 위하여 통상적으로 파텐팅(patenting) 열처리라고 하는 항온 변태 열처리를 신선 가공 이전에 수행한다.
타이어코드는 타이어 등의 보강제로 이용되는 제품으로서, 높은 인장강도가 요구된다. 상술한 바와 같이 높은 인장강도를 확보하기 위해서 고탄소강 선재의 미세조직을 완전 펄라이트 조직으로 제어한 다음, 연속적으로 신선 가공하기 때문에 기지조직인 펄라이트의 강도가 중요하다. 펄라이트의 강도는 라멜라(lamellar) 간격, 펄라이트 내의 페라이트 강도, 세멘타이트 분율 등에 의해 결정된다.
라멜라 간격은 파텐팅 열처리의 온도에 따라 결정되며, 라멜라 간격을 좁히면 펄라이트의 강도가 상승한다. 라멜라 간격을 좁히기 위하여 펄라이트 변태 온도를 지속적으로 낮추게 되면 펄라이트가 발달하지 못하여 분절되거나, 베이나이트 조직이 혼입되어 신선 가공성을 저하시킬 수 있는 문제가 있다.
펄라이트 내 페라이트 강도는 Si 등 페라이트 내 고용되는 치환형 합금원소를 첨가하여 고용 강화시킬 수 있다. 그러나, 대부분의 고용 강화 효과가 있는 원소들은 소입성을 증가시키기 때문에 파텐팅 열처리 시 많은 시간이 소요될 수 있으며, 장시간 열처리 시 셀프-템퍼링(self-tempering) 효과가 발생하여 도리어 펄라이트의 강도를 저하시킬 수 있는 문제가 있다.
세멘타이트 분율은 탄소 함량에 따라 결정되며, 세멘타이트 분율이 증가하면 펄라이트의 강도가 상승한다. 세멘타이트 분율을 증가시키기 위한 탄소 함량이 높은 고탄소강은 파텐팅 열처리에서 오스테나이트 단상역에서 펄라이트 변태 구간인 550~650℃ 온도역까지 냉각속도가 느리면, 오스테나이트상의 탄소 고용도가 감소하면서 과고용된 탄소가 입계로 배출되어 입계에 초석 세멘타이트상이 석출된다. 석출되는 초석 세멘타이트는 펄라이트 내의 세멘타이트에 비하여 두께가 두껍고, 소성 변형을 거의 하지 못하며, 오스테나이트 결정립계를 따라서 망상(network type)으로 석출되기 때문에 신선 가공성을 급격히 저하시켜 충분한 양의 신선 가공을 부여할 수 없는 문제가 있다. 따라서, 이러한 문제를 방지하기 위해서 초석 세멘타이트의 형성을 억제할 수 있도록 냉각속도를 빠르게 제어하여야 한다.
선경이 5.5mm 이하인 선재나 강선의 경우 파텐팅 열처리 시 초석 세멘타이트의 형성을 억제할 수 있는 빠른 냉각속도를 확보할 수 있으며, 선경이 가늘어질수록 냉각속도를 더 빠르게 제어할 수 있으므로, 초석 세멘타이트 형성을 억제하기 용이하다. 그러나, 과도하게 빠른 냉각속도는 초석 세멘타이트의 형성을 억제할 수 있으나, 신선 가공에 부적절한 경조직인 마르텐사이트를 형성하므로, 연속적인 신선 가공이 요구되는 타이어코드용 선재, 강선에 적용하기에는 여전히 문제점이 존재한다.
또한, 타이어코드는 꼬아서 연선(twisted wire) 형태로 코드 등으로 사용되기 때문에 타이어 코드로 사용되기 위해서는 비틀림 특성이 특히 중요하다. 비틀림 특성은 비틀림 응력 인가 시 수직으로 파괴가 발생하는 딜라미네이션(delamination) 현상에 이르기까지의 비틀림 횟수로 평가되는 것으로, 타이어코드의 경우 40 내지 50회 또는 그 이상의 비틀림 횟수가 요구되고 있다.
이러한 비틀림 특성에 영향을 끼치는 요소로는 강선의 강도, 표면 흠 및 인장잔류응력 등이 알려져 있다. 일반적으로 강도가 높으면 연성은 감소하며, 강도가 너무 높으면 딜라미네이션이 발생할 가능성이 커지게 되는 문제점이 있다. 이에 따라, 초고강도 특성을 만족하면서도, 동시에 우수한 비틀림 특성을 가지는 타이어코드에 적합한 소재의 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결할 수 있는 초고강도 선재, 강선 및 이들의 제조방법을 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 명세서는 중량%로, C: 1.0 내지 1.2%, Si: 0.2 내지 0.8%, Mn: 0.2 내지 0.6%, Cr: 0.2 내지 0.8%, Ni: 0.2 내지 0.5%, Co: 0.2 내지 0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)의 값이 340 이상인 초고강도 타이어코드용 선재를 개시한다.
(1) 301C + 19.7Si + 56.7Cr
상기 식 (1)에서, C, Si, Cr은 각 합금원소의 함량(중량%)을 의미한다.
본 발명의 각 초고강도 타이어코드용 선재에 있어서, 상기 선재의 길이 방향에 수직한 단면 상에서, 미세조직으로 마르텐사이트 면적분율 10 내지 50%, 나머지는 펄라이트를 포함할 수 있다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서 본 명세서는 중량%로, C: 1.0 내지 1.2%, Si: 0.2 내지 0.8%, Mn: 0.2 내지 0.6%, Cr: 0.2 내지 0.8%, Ni: 0.2 내지 0.5%, Co: 0.2 내지 0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)의 값이 340 이상인 강편을 선경 4.5 내지 5.5mm의 선재로 선재 압연하는 단계, 상기 선재를 850 내지 950℃에서 권취하는 단계 및 상기 권취된 선재를 15℃/s 이상의 평균 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 초고강도 타이어코드용 선재의 제조방법을 개시한다.
(1) 301C + 19.7Si + 56.7Cr
상기 식 (1)에서, C, Si, Cr은 각 합금원소의 함량(중량%)을 의미한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서 본 명세서는 중량%로, C: 1.0 내지 1.2%, Si: 0.2 내지 0.8%, Mn: 0.2 내지 0.6%, Cr: 0.2 내지 0.8%, Ni: 0.2 내지 0.5%, Co: 0.2 내지 0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)의 값이 340 이상이며, 선경은 0.2mm 이하인 초고강도 타이어코드용 강선을 개시한다.
(1) 301C + 19.7Si + 56.7Cr
상기 식 (1)에서, C, Si, Cr은 각 합금원소의 함량(중량%)을 의미한다.
본 발명의 각 초고강도 타이어코드용 강선에 있어서, 표면 상에 황동 도금층을 포함할 수 있다.
본 발명의 각 초고강도 타이어코드용 강선에 있어서, 인장강도가 4500MPa 이상일 수 있다.
본 발명의 각 초고강도 타이어코드용 강선에 있어서, 인장강도*단면적*0.008의 하중 인가 시 딜라미네이션이 발생하지 않는 비틀림 횟수가 50회 이상일 수 있다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서 본 명세서는 중량%로, C: 1.0 내지 1.2%, Si: 0.2 내지 0.8%, Mn: 0.2 내지 0.6%, Cr: 0.2 내지 0.8%, Ni: 0.2 내지 0.5%, Co: 0.2 내지 0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)의 값이 340 이상인 선재를 400 내지 500℃에서 1 내지 2시간 동안 템퍼링하는 단계, 상기 템퍼드된 선재를 선경 2.5 내지 3.5mm의 강선으로 1차 신선하는 단계, 상기 신선된 강선을 1차 파텐팅 열처리하는 단계, 상기 1차 파텐팅 열처리된 강선을 선경 1.3mm 내지 3mm의 강선으로 2차 신선하는 단계, 상기 신선된 강선을 2차 파텐팅 열처리하는 단계, 상기 2차 파텐팅 열처리된 강선을 황동 도금하는 단계 및 상기 황동 도금된 강선을 신선가공량 3.74 이상으로 3차 신선하는 단계를 포함하는 초고강도 타이어코드용 강선의 제조방법을 개시한다.
(1) 301C + 19.7Si + 56.7Cr
상기 식 (1)에서, C, Si, Cr은 각 합금원소의 함량(중량%)을 의미한다.
본 발명의 각 초고강도 타이어코드용 강선의 제조방법에 있어서, 상기 1차 또는 2차 파텐팅 열처리는 950 내지 1050℃에서 10 내지 60초 동안 열처리하는 것과 550 내지 600℃에서 10 내지 30초 동안 열처리하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 각 초고강도 타이어코드용 강선의 제조방법에 있어서, 상기 1차 또는 2차 파텐팅 열처리된 강선의 미세조직은 완전 펄라이트 조직일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 각 합금원소의 함량, 식 (1)을 통해 합금조성을 제어하여 초고강도 특성을 확보할 수 있다. 특히, 본 발명에 따르면 Si, Cr을 첨가하여 파텐팅 열처리 이후 강선의 충분한 인장강도를 확보할 수 있으며, Ni, Co를 첨가하여 신선가공성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 선재를 권취한 다음 평균 냉각속도를 높게 제어하여 선재의 미세조직을 초석 세멘타이트 대비 상대적으로 짧은 시간의 템퍼링 열처리만으로 신선 가공에 적합한 인성을 부여할 수 있는 마르텐사이트와 펄라이트가 혼재하도록 제어하여 연속 신선 가공에 적합한 신선가공성과 우수한 비틀림 특성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 최종 신선 시 충분한 신선가공량을 부여하고, 최종 신선 가공 이전의 강선의 인장강도를 일정 수준 이상으로 제어함으로써 초고강도 타이어코드용 강선의 최종 인장강도를 높게 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 초고강도 타이어코드용 강선은 인장강도가 4500MPa 이상인 초고강도 특성을 확보하는 것과 동시에 인장강도*단면적*0.008의 하중 인가 시 딜라미네이션이 발생하지 않는 비틀림 횟수가 50회 이상인 우수한 비틀림 특성을 확보할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
또한, 본 명세서의 "신선가공량"은 하기 식에 따라 도출되는 ε 값이다.
ε = 
위 식에서, D0는 신선 가공 이전의 선재/강선의 선경을 의미하며, D1은 신선 가공된 강선의 선경을 의미한다.
본 발명에 따른 초고강도 타이어코드용 선재는 중량%로, C: 1.0 내지 1.2%, Si: 0.2 내지 0.8%, Mn: 0.2 내지 0.6%, Cr: 0.2 내지 0.8%, Ni: 0.2 내지 0.5%, Co: 0.2 내지 0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함한다.
이하에서는 상기 합금조성에 대해서 한정한 이유에 대하여 구체적으로 설명한다. 하기 성분조성은 특별한 기재가 없는 한 모두 중량%를 의미한다.
탄소(C): 1.0 내지 1.2중량%
C는 강선에서 세멘타이트를 형성하는 원소이다. C를 첨가하면 세멘타이트의 분율이 증가하고, 펄라이트 조직의 라멜라 층간 간격이 미세해지므로 강도가 향상된다. 기지조직이 펄라이트인 강에서 C가 0.1중량% 증가될 때 약 100MPa 정도의 강도가 향상된다. 4,500MPa 이상의 초고강도를 확보하기 위하여 본 발명에서 C함량은 1.0중량% 이상 첨가될 수 있다. 다만, C함량이 과다하면 파텐팅 열처리에서 냉각속도를 빠르게 제어하더라도 초석 세멘타이트 형성의 억제가 어려워 충분한 신선 가공성을 확보할 수 없으며, 비틀림 특성이 저하될 우려가 있다. 이에 따라, 본 발명에서 C함량의 상한은 1.2중량%로 제한되는 것이 바람직하다.
규소(Si): 0.2 내지 0.8중량%
Si은 오스테나이트에서 펄라이트로 변태 시 페라이트에 대부분 분배되며, 세멘타이트에는 거의 분배되지 않는다. 또한, Si은 C보다 확산속도가 느려 오스테나이트에서 펄라이트로의 변태 시 Si의 분배에 오랜 시간이 소요되기 때문에 펄라이트 변태 속도를 느려지게 한다. 그 결과, Si은 펄라이트 라멜라 간격을 좁히며, 페라이트를 고용 강화하여 강도를 증가시키는 효과가 있다. 강도를 상승시키기 위하여 본 발명에서 Si함량은 0.2중량% 이상 첨가될 수 있다. 다만, Si 함량이 과다하면 불균일한 확산으로 인하여 오스테나이트 입계를 따라서 초석 페라이트가 생성되거나, 펄라이트 내 페라이트가 지나치게 고용된다. 초석 페라이트와 지나치게 고용 강화된 페라이트는 신선 가공성을 저하시키므로, 본 발명에서 Si함량의 상한은 0.8중량%로 제한되는 것이 바람직하다.
망간(Mn): 0.2 내지 0.6중량%
Mn은 완전 펄라이트 강재에서는 강도 증가 효과가 크지 않으나, 소입성을 적정 수준으로 유지하기 위하여 첨가한다. Mn함량이 0.2중량% 미만인 경우 선재 제조 시 소입성이 부족하여 초석 세멘타이트를 제어하기 어려우므로, 본 발명에서 Mn함량의 하한은 0.2중량%로 제어되는 것이 바람직하다. 다만, Mn함량이 과다하면 파텐팅 열처리 시 변태 시간이 증대되기 때문에 본 발명에서 Mn함량의 상한은 0.6중량%로 제한되는 것이 바람직하다.
크롬(Cr): 0.2 내지 0.8중량%
Cr은 첨가 시 펄라이트의 라멜라 층간 간격을 미세화하여 인장강도를 높이고, 신선가공성을 향상시키는 등 펄라이트의 기계적 특성을 개선한다. 인장강도, 신선가공성의 향상을 위하여 본 발명에서 Cr함량은 0.2중량% 이상 첨가될 수 있다. 다만, Cr함량이 과다하면 소입성이 지나치게 증가하고, 펄라이트의 세멘타이트 성장이 원활하게 이루어지지 않는다. 또한, 오스테나이징 시 합금성분이 균질화되는데 장시간이 소요되어 파텐팅 열처리 공정 시 오스테나이트가 불균질해져 오히려 기계적 특성이 저하될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서 Cr함량의 상한은 0.8중량%로 제한되는 것이 바람직하다.
니켈(Ni): 0.2 내지 0.5중량%
Ni은 펄라이트 조직을 갖는 고탄소강의 신선 가공 시 세멘타이트의 소성 가공능을 향상시켜 신선 가공성을 향상시키는 원소이다. 신선 가공성을 향상시키기 위하여 본 발명에서 Ni함량은 0.2중량% 이상으로 첨가될 수 있다. 다만, Ni함량이 과다하면 Si, Cr등과 함께 펄라이트 변태 완료를 늦추기 때문에 파텐팅 열처리에 소요되는 시간이 길어진다. 그 결과, 연속 열처리 공정에서 펄라이트 변태 미완료에 의한 미세조직이 불균일할 우려가 있다. 이를 고려하여, 본 발명에서 Ni함량의 상한은 0.5중량%로 제한되는 것이 바람직하다.
코발트(Co): 0.2 내지 0.5중량%
Co는 치환형 합금원소 중에서 거의 유일하게 펄라이트 변태를 촉진하는 원소이다. 또한, Co는 펄라이트의 라멜라 조직의 성장 중에 세멘타이트가 분절되지 않고 성장하도록 도와주어 펄라이트의 배향성을 향상시키며, 그 결과 신선 가공성을 향상시키는 원소이다. 신선 가공성을 향상시키기 위하여 본 발명에서 Co함량은 0.2중량% 이상으로 첨가될 수 있다. 다만, Co함량이 증가함에 따라 단위 첨가량 당 배향성 향상 효과는 포화되며, Co는 고가의 합금원소이므로, 본 발명에서 Co함량의 상한은 0.5중량%로 제한되는 것이 바람직하다.
인(P), 황(S): 0.015중량% 이하
P, S는 강의 취성을 유발하고, 청정도를 악화하기 때문에 그 함량을 최대한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 그러나, 일정 함량 이하에서 그 함량을 낮게 제어하기 위해서는 제강공정에서 추가적인 공정과 비용이 급증할 수 있기 때문에 경제성을 고려하여야 한다. 본 발명에서 P, S함량의 상한은 각각 0.015중량% 이하로 제한되는 것이 바람직하다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조 과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 상기 불순물들은 통상의 제조 과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
또한, 본 발명에 따르면 각 합금원소의 함량을 상술한 범위로 제한하는 것 이외에도, 이들 사이의 관계를 다음과 같이 더욱 한정할 수 있다.
본 발명의 발명자들은 하기 식 (1)의 값을 제어하면 파텐팅 열처리 이후 제품의 높은 인장강도를 확보할 수 있음을 발견하였다.
(1) 301C + 19.7Si + 56.7Cr
상기 식 (1)에서, C, Si, Cr은 각 합금원소의 함량(중량%)을 의미한다.
본 발명에 따르면 상술한 C, Si, Cr 함량 범위를 만족하고, 동시에 위 식 (1)의 값이 340 이상이 되어야 최종 인장강도 4500MPa 이상의 초고강도 타이어코드용 강선을 제조할 수 있다. 즉, 상술한 C, Si, Cr 범위를 만족하지 않거나, 식 (1)의 값이 340 미만이면 목적하는 인장강도 4500MPa 이상의 초고강도 타이어코드용 강선을 확보할 수 없다.
본 발명에 따르면 각 합금원소의 함량, 식 (1)을 통해 합금조성을 제어하여 초고강도 특성을 확보할 수 있다. 특히, 본 발명에 따르면 Si, Cr을 첨가하여 파텐팅 열처리 이후 강선의 충분한 인장강도를 확보할 수 있으며, Ni, Co를 첨가하여 신선가공성을 향상시킬 수 있다.
또한, 이상에서 서술한 선재의 합금조성에 대한 한정 이유는 강선의 합금조성에 대한 한정 이유와 동일하며, 편의상 강선의 합금조성에 대한 한정이유는 생략하도록 한다.
선재를 권취한 다음, 냉각하는 단계에서 냉각속도가 느리면 초석 세멘타이트가 석출될 수 있다. 석출되는 초석 세멘타이트는 펄라이트 내의 세멘타이트에 비하여 두께가 두껍고, 소성 변형을 거의 하지 못하며, 오스테나이트 결정립계를 따라서 망상으로 석출되기 때문에 신선 가공성을 급격히 저하시키며, 비틀림 특성을 악화시킨다.
따라서, 초석 세멘타이트가 두껍게 발생하는 경우 이를 분절하기 위하여 높은 온도에서 장시간 가열하는 구상화 열처리가 필요하다. 반면, 냉각속도가 빠르면 초석 세멘타이트 석출을 억제할 수 있으면서, 펄라이트 기지조직 내 마르텐사이트가 혼립된 조직을 확보할 수 있다. 마르텐사이트는 초석 세멘타이트와 마찬가지로 신선 가공성을 저하시키므로 이를 해소하기 위한 열처리가 필요하지만, 초석 세멘타이트 대비 상대적으로 짧은 시간의 템퍼링 열처리만으로 신선 가공에 적합한 인성을 부여할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 예에 따른 초고강도 타이어코드용 선재는 길이 방향에 수직한 단면(cross-sectional area, C단면) 상에서 미세조직으로 마르텐사이트 면적분율 10 내지 50%, 나머지는 펄라이트를 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 선재, 강선의 제조방법에 대하여 상세히 서술한다.
본 발명에 따른 초고강도 타이어코드용 선재의 제조방법은 중량%로, C: 1.0 내지 1.2%, Si: 0.2 내지 0.8%, Mn: 0.2 내지 0.6%, Cr: 0.2 내지 0.8%, Ni: 0.2 내지 0.5%, Co: 0.2 내지 0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 식 (1)의 값이 340 이상인 강편을 선재 압연하는 단계, 상기 선재를 권취하는 단계 및 상기 권취된 선재를 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따르면 선재 압연하는 단계는 강편을 1000 내지 1100℃로 가열하고, 선경 4.5 내지 5.5mm의 선재로 선재 압연할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따르면 선재를 권취하는 단계는 선재를 850 내지 950℃에서 권취할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따르면 권취된 선재를 냉각하는 단계는 스텔모어(stelmor) 등을 활용하여 송풍 냉각 처리할 수 있다. 냉각 시 냉각속도가 느리면 초석 세멘타이트가 형성되어 신선 가공 시 내부 균열을 야기시키고, 비틀림 특성을 악화시킨다. 또한, 이러한 내부 균열을 해결하기 위하여 초석 세멘타이트를 분절할 수 있는 구상화 열처리는 장시간이 소요되므로 비경제적이다.
따라서, 냉각속도는 전술한 바와 같이 초석 세멘타이트 대비 상대적으로 짧은 시간의 템퍼링 열처리만으로 신선 가공에 적합한 인성을 부여할 수 있는 마르텐사이트를 형성하기 위하여 빠르게 제어하는 것이 바람직하다. 일 예에 따르면 15℃/s 이상의 평균 냉각속도로 냉각할 수 있다. 15℃/s 미만의 평균 냉각속도로 냉각하면 초석 세멘타이트 형성을 억제할 수 없으며, 후속되는 템퍼링 열처리 시 제거되지 않아 신선 가공성이 저하될 우려가 있다.
또한, 특히 초석 세멘타이트 형성을 억제하기 위하여 초석 세멘타이트 형성 구간인 권취온도인 850 내지 950℃에서 400℃까지 15℃/s 이상의 평균 냉각속도로 가급적 빠른 냉각속도로 냉각하는 것이 바람직하다.
상술한 제조과정으로 제조되는 초고강도 타이어코드용 선재는 일 예에 따르면 중량%로, C: 1.0 내지 1.2%, Si: 0.2 내지 0.8%, Mn: 0.2 내지 0.6%, Cr: 0.2 내지 0.8%, Ni: 0.2 내지 0.5%, Co: 0.2 내지 0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 식 (1)의 값이 340 이상이며, 상기 선재의 길이 방향에 수직한 단면 상에서, 미세조직으로 마르텐사이트 면적분율 10 내지 50%, 나머지는 펄라이트를 포함할 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 강선의 제조방법을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 일 예에 따른 초고강도 타이어코드용 강선의 제조방법은 중량%로, C: 1.0 내지 1.2%, Si: 0.2 내지 0.8%, Mn: 0.2 내지 0.6%, Cr: 0.2 내지 0.8%, Ni: 0.2 내지 0.5%, Co: 0.2 내지 0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 식 (1)의 값이 340 이상인 선재를 템퍼링하는 단계, 상기 템퍼드된 선재를 1차 신선하는 단계, 상기 신선된 강선을 1차 파텐팅 열처리하는 단계, 상기 1차 파텐팅 열처리된 강선을 2차 신선하는 단계, 상기 신선된 강선을 2차 파텐팅 열처리하는 단계, 상기 2차 파텐팅 열처리된 강선을 황동 도금하는 단계 및 상기 황동 도금된 강선을 3차 신선하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 선재를 템퍼링하는 단계는 상술한 선재의 제조방법에 따라 형성되는 마르텐사이트를 해소하여 신선 가공 이전에 적합한 인성을 부여하는 단계이다. 템퍼링하는 단계는 일 예에 따르면 400 내지 500℃에서 1 내지 2시간 동안 템퍼링할 수 있다. 열처리 온도가 400℃ 미만이거나, 열처리 시간이 1시간 미만이면 마르텐사이트의 인성 회복이 어렵다. 열처리 온도가 500℃를 초과하거나, 열처리 시간이 2시간을 초과하게 되면 제조비용이 증가하기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명의 1차 신선하는 단계는 전술한 템퍼링하는 단계에 따라 템퍼드된 선재를 신선하는 단계이다. 본 발명의 대상강종은 고탄소강으로 탄소 함량이 1중량%를 초과하기 때문에 템퍼링 처리 후 인성이 충분히 회복되지 않거나, 미세조직의 불균일로 인하여 충분한 신선 가공성을 확보하지 못한 상태일 수 있으므로, 1차 신선 가공량은 최대한 줄여주는 것이 바람직하다.
일 예에 따르면 1차 신선하는 단계는 템퍼드된 선재를 선경 2.5 내지 3.5mm의 강선으로 신선할 수 있다. 선경 2.5mm 미만으로 신선하는 경우에는 신선 가공량이 커 미세조직 불균일, 충분히 회복되지 않은 인성 등의 이유로 신선 가공 시 균열이 발생할 가능성이 있다. 선경 3.5mm 초과하여 신선하는 경우에는 신선 가공량이 작아 후속되는 2차 신선의 신선 가공량이 지나치게 높아지므로, 바람직하지 않다.
본 발명의 1차 파텐팅 열처리하는 단계는 전술한 1차 신선된 강선에 가공성을 부여하기 위한 단계이다. 보다 구체적으로, 1차 파텐팅 열처리하는 단계는 강선을 오스테나이트 단상역까지 가열하여 균질화하고, 용융납, 염욕조 혹은 기타 항온유지 가능한 매질에 강선을 침지하여 냉각시킨 후 해당 온도에서 변태가 완료될 때까지 항온 열처리하여 미세한 라멜라 구조의 완전 펄라이트 조직으로 제어하는 단계이다.
강선을 오스테나이트 단상역까지 가열하여 균질화하는 단계는 950 내지 1050℃에서 10 내지 60초 동안 열처리하는 것을 포함할 수 있다. 950℃ 미만의 온도에서는 합금성분이 균질화할 수 없어 미세조직이 불균일할 우려가 있다. 1050℃를 초과하게 되면 오스테나이트 결정립 사이즈가 조대해져 변태 이후 펄라이트의 노듈(nodule) 사이즈가 증가하여 신선 가공성이 열위해질 우려가 있다. 여기서, 10 내지 60초는 균질화 온도인 950 내지 1050℃까지의 승온에 소요되는 시간은 제외한 오스테나이징 시간을 의미한다. 합금원소 첨가량에 따라 균질화에 소요되는 시간은 다르나, 최소 10초 이상은 유지되어야 균질화가 가능하며 60초를 초과하면 경제적으로 바람직하지 않다.
후속되는 용융납, 염욕조 혹은 기타 항온유지 가능한 매질에 강선을 침지하여 냉각시킨 후 해당 온도에서 변태가 완료될 때까지 항온 열처리하는 단계는 550 내지 600℃에서 10 내지 30초 동안 열처리하는 것을 포함할 수 있다. 항온 열처리 온도는 합금원소 첨가량에 따라 약간 다르게 설정될 수 있으나 550 내지 600℃으로 제어하면 충분하고, 고온의 강선이 침지되어도 매질의 온도가 600℃를 초과하면 바람직하지 않다. 여기서, 10 내지 30초는 항온 열처리 온도인 550 내지 600℃에 도달하여 유지되는 시간을 의미하며, 항온 열처리 온도까지 냉각하는 시간은 제외한다. 합금원소 첨가량에 따라 항온 열처리에 소요되는 시간은 다르나, 최소 10초 이상은 유지하여야 펄라이트 변태를 완료할 수 있으며, 30초를 초과하면 경제적으로 바람직하지 않다. 상술한 항온 열처리를 통하여 강선의 미세조직을 후속되는 2차 신선 가공에 적합한 신선 가공성을 갖는 완전 펄라이트(fully pearlite)로 제어할 수 있다.
본 발명의 2차 신선하는 단계는 전술한 1차 파텐팅 열처리에 의해 완전 펄라이트 조직을 갖는 강선을 신선하는 단계이다. 일 예에 따르면 2차 신선하는 단계는 전술한 파텐팅 열처리된 강선을 선경 1.3mm 이상의 강선으로 신선할 수 있다. 이하에서, 1.3mm 이상의 선경으로 신선하는 이유에 대해 상술한다.
신선 가공에 의하여 가공 경화된 타이어코드용 강선의 최종 강도는 신선 가공 이전의 강재의 인장강도와 신선 가공 시 부여하는 신선가공량에 의해 결정된다. 신선 가공 이전의 강재의 인장강도를 높이면 동일한 신선가공량에서 더 높은 강도를 확보할 수 있으나, 연성이 부족하여 부여할 수 있는 신선가공량이 감소하게 되어 최종 강선의 강도를 크게 높일 수 없다. 반면, 신선 가공 이전의 강재의 인장강도를 낮추면 부여할 수 있는 신선가공량은 증가되어 가공 경화 효과는 증가하지만, 신선 가공 이전의 강재의 인장강도가 낮아 최종 강선의 강도를 크게 높일 수 없다. 따라서, 최종 강도를 높이기 위해서는 신선 가공 이전의 강재의 인장강도와 신선 가공 시의 신선가공량을 적절하게 제어하는 것이 중요하다.
이를 고려하여, 본 발명에서는 후속되는 3차 신선 시 강선에 부여하는 신선가공량을 충분히 확보하기 위하여 2차 신선 시 1.3mm 이상의 선경의 강선으로 신선할 수 있다.
다만, 2차 신선된 강선의 선경이 3mm를 초과하는 경우 후속되는 2차 파텐팅 열처리 시 강선 내외부의 재질 편차가 심화되고, 냉각속도가 하향되며, 신선 가공의 질량 효과(mass effect) 등에 의해 3차 신선 시 충분한 신선가공량을 부여하기 어려워지며, 3차 신선 이전의 강선의 인장강도를 일정 수준 이상으로 높이기가 제한된다. 이를 고려하여 본 발명의 일 예에 따르면 2차 신선된 강선의 선경은 1.3mm 내지 3mm로 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 2차 파텐팅 열처리하는 단계는 전술한 2차 신선된 강선에 가공성을 부여하기 위한 단계이다. 파텐팅 열처리 온도, 시간 등의 조건은 1차 파텐팅 열처리하는 단계에서의 조건과 동일하며, 한정이유 또한 동일하므로 편의상 이에 대한 설명은 생략한다.
2차 파텐팅 열처리된 강선의 인장강도는 전술한 바와 같이 후속되는 3차 신선된 강선의 최종 강도를 높이기 위해서 일정 수준 이상이어야 하나, 3차 신선 시 신선가공량을 충분히 부여하기 위해서 지나치게 높은 것은 바람직하지 않다. 본 발명의 일 예에 따르면 2차 파텐팅 열처리된 강선의 인장강도는 1600MPa 이상일 수 있다.
본 발명에 따르면 3차 신선된 강선의 최종 인장강도를 높이기 위하여 2차 신선 시 1.3mm 이상의 선경의 강선으로 신선함으로써 3차 신선 시에 충분한 신선가공량을 부여할 수 있으며, 2차 파텐팅 열처리된 강선의 인장강도를 1600MPa 이상으로 제어할 수 있다. 이에 따라, 3차 신선된 강선은 초고강도 특성을 확보할 수 있게 된다.
본 발명의 황동 도금하는 단계는 강선의 표면 상에 황동(brass) 도금층을 형성하여 타이어코드용 강선과 타이어 고무와 접착성을 향상시키는 단계이다. 구체적으로, 강선 표면 상에 형성된 황동 도금층 내 구리는 타이어 등의 고무제품 속의 황과 화학적으로 반응하여 구리 황화물층을 형성하며, 구리 황화물층은 타이어코드용 강선과 타이어 등의 고무제품 간의 접착성을 향상하는 역할을 한다. 황동 도금 시 황동 내 구리, 아연의 함량 및 황동 도금층의 두께는 접착성을 향상시키는 목적 내에서 적절하게 조절될 수 있다.
본 발명의 3차 신선하는 단계는 황동 도금된 강선을 신선하여 타이어코드에 적용 가능한 타이어코드용 강선으로 제조하는 단계이다. 3차 신선하는 단계는 일 예에 따르면 신선가공량을 3.74 이상으로 신선하여 초고강도 특성을 확보할 수 있다. 본 발명의 일 예에 따르면 3차 신선된 타이어코드용 강선은 인장강도가 4500MPa 이상일 수 있다.
상술한 제조과정으로 제조되는 본 발명의 일 예에 따른 초고강도 타이어코드용 강선은 중량%로, C: 1.0 내지 1.2%, Si: 0.2 내지 0.8%, Mn: 0.2 내지 0.6%, Cr: 0.2 내지 0.8%, Ni: 0.2 내지 0.5%, Co: 0.2 내지 0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 식 (1)의 값이 340 이상이며, 선경은 0.2mm 이하일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 초고강도 타이어코드용 강선은 표면 상에 황동 도금층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 초고강도 타이어코드용 강선은 인장강도가 4500MPa 이상일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 초고강도 타이어코드용 강선은 인장강도*단면적*0.008의 하중 인가 시 딜라미네이션이 발생하지 않는 비틀림 횟수가 50회 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 초고강도 타이어코드용 강선은 초고강도 특성과 우수한 비틀림 특성을 가져 타이어코드 용도로 적합하다. 또한, 본 발명에 따른 타이어코드용 강선은 표면 상에 고무제품과의 접착성을 높일 수 있는 황동 도금층을 구비하고 있으므로, 각종 고무제품의 보강재로서 활용될 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 기술적 사상이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
{실시예}
이하의 각 발명예 및 비교예의 선재는 하기 표 1에 나타낸 합금성분을 갖는 강편을 선경 5.5mm로 선재 압연한 다음, 900℃에서 권취한 후 송풍 냉각하였다.
표 1에서 식 (1)은 하기 식 (1)에 각 합금원소의 함량(중량%)을 대입하여 도출한 값이다.
(1) 301C + 19.7Si + 56.7Cr
표 1에서 평균 냉각속도는 선재를 권취한 다음 송풍 냉각 시의 평균 냉각속도(℃/s)를 의미한다.
상기 표 1의 강종 1 내지 27의 선재들을 450℃에서 1시간 동안 템퍼링한 다음, 선경 3.0mm까지 1차 신선하고, 1차 파텐팅 열처리를 하였다. 이후 선경 1.2mm 또는 1.3mm까지 2차 신선하고, 2차 파텐팅 열처리를 하였다. 이후 황동 도금하고, 선경 0.2mm까지 3차 습식 신선하였다.
하기 표 2에 2차 파텐팅 열처리된 강선의 선경, 인장강도, 3차 신선된 강선의 신선 가공 시의 신선가공량, 인장강도 및 비틀림 시험 시 딜라미네이션 발생여부를 나타내었다.
신선가공량(ε)은 하기 식에 따라 도출되었다.
ε = 
위 식에서, D0는 2차 파텐팅 열처리된 강선의 선경이며, D1은 3차 신선된 강선의 선경을 의미한다.
비틀림 특성은 직경 D, 길이 100*D 시편을 마련한 다음, 인장강도*단면적*0.008의 하중은 인가하여 수직으로 파괴가 발생하는 딜라미네이션이 발생하기까지의 비틀림 횟수로 평가하였다.
표 1, 표 2의 결과를 참조하여 각 발명예, 비교예를 비교 평가하도록 한다.
발명예 1 내지 15, 비교예 1내지 15는 각각 동일한 강종 1 내지 15를 사용하였으며, 3차 신선 시 신선가공량을 3.74, 3.58 달리하여 신선하였다.
발명예 1 내지 15는 본 발명이 한정하는 합금조성, 식 (1) 및 선재, 강선의 제조조건, 3차 신선 시 신선가공량 3.74 이상을 모두 만족하였다. 이에 따라, 최종 인장강도가 4500MPa 이상이었으며, 딜라미네이션이 발생하지 않았다.
반면, 비교예 1 내지 15는 본 발명에서 한정하는 합금조성, 식 (1) 및 선재, 강선의 제조조건을 모두 만족하였으나, 3차 신선 시 신선가공량이 3.74 미만이었다. 이에 따라, 신선가공량이 부족하여 4500MPa 이상의 인장강도를 확보하지 못하였다.
비교예 16 내지 21은 본 발명이 한정하는 합금조성을 만족하였으나, 식 (1) 값이 340 미만으로 본 발명이 한정하는 식 (1) 값 범위를 만족하지 못한 결과, 최종 인장강도가 4500MPa 미만이었다.
비교예 20 내지 27은 본 발명이 한정하는 합금조성, 식 (1) 값 범위를 만족하였으나, 선재 권취 후 평균 냉각속도가 15℃/s 미만으로 본 발명이 한정하는 평균 냉각속도 범위를 만족하지 못하였다. 그 결과, 초석 세멘타이트가 두껍게 형성되었으며, 후속되는 템퍼링 열처리 시 초석 세멘타이트가 해소되지 않아 비틀림 특성이 저하되어 50회 미만의 비틀림 횟수에서 딜라미네이션이 발생하였다.
상술한 결과로부터, 본 발명이 한정하는 합금조성, 식 (1) 및 선재, 강선의 제조조건을 모두 만족하여야 초고강도 특성과 우수한 비틀림 특성 모두를 확보할 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (10)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 중량%로, C: 1.0 내지 1.2%, Si: 0.2 내지 0.8%, Mn: 0.2 내지 0.6%, Cr: 0.2 내지 0.8%, Ni: 0.2 내지 0.5%, Co: 0.2 내지 0.5%, P: 0% 초과 0.015% 이하, S: 0% 초과 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)의 값이 340 이상이며,
선경은 0.2mm 이하이고,
인장강도*단면적*0.008의 하중 인가 시 딜라미네이션이 발생하지 않는 비틀림 횟수가 50회 이상이고,
인장강도가 4500MPa 이상인 초고강도 타이어코드용 강선:
(1) 301C + 19.7Si + 56.7Cr
(상기 식 (1)에서, C, Si, Cr은 각 합금원소의 함량(중량%)을 의미한다). - 제4항에 있어서,
표면 상에 황동 도금층을 포함하는 초고강도 타이어코드용 강선. - 삭제
- 삭제
- 중량%로, C: 1.0 내지 1.2%, Si: 0.2 내지 0.8%, Mn: 0.2 내지 0.6%, Cr: 0.2 내지 0.8%, Ni: 0.2 내지 0.5%, Co: 0.2 내지 0.5%, P: 0% 초과 0.015% 이하, S: 0% 초과 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)의 값이 340 이상인 선재를 400 내지 500℃에서 1 내지 2시간 동안 템퍼링하는 단계;
상기 템퍼드된 선재를 선경 2.5 내지 3.5mm의 강선으로 1차 신선하는 단계;
상기 신선된 강선을 1차 파텐팅 열처리하는 단계;
상기 1차 파텐팅 열처리된 강선을 선경 1.3mm 내지 3mm의 강선으로 2차 신선하는 단계;
상기 신선된 강선을 2차 파텐팅 열처리하는 단계;
상기 2차 파텐팅 열처리된 강선을 황동 도금하는 단계; 및
상기 황동 도금된 강선을 신선가공량 3.74 이상으로 3차 신선하는 단계;를 포함하고,
상기 1차 또는 2차 파텐팅 열처리는,
950 내지 1050℃에서 10 내지 60초 동안 열처리하는 것과,
550 내지 600℃에서 10 내지 30초 동안 열처리하는 것을 포함하는 초고강도 타이어코드용 강선의 제조방법.
(1) 301C + 19.7Si + 56.7Cr
(상기 식 (1)에서, C, Si, Cr은 각 합금원소의 함량(중량%)을 의미한다). - 삭제
- 제8항에 있어서,
상기 1차 또는 2차 파텐팅 열처리된 강선의 미세조직은 완전 펄라이트 조직인 초고강도 타이어코드용 강선의 제조방법.
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