KR102415307B1 - 고강도 아공석 강선 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

고강도 아공석 강선 및 그 제조방법이 개시된다.
본 발명에 따른 고강도 아공석 강선은 중량%로, C: 0.5 내지 0.7%, Mn: 0.2 내지 0.7%, Si: 0.1 내지 0.6 %, Al: 1.0 내지 2.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 신선가공 후 펄라이트 내 시멘타이트 탄소함량이 7at.% 이하이다.
본 발명에 따른 고강도 아공석 강선의 제조방법은 상기 조성의 빌렛을 1,100 내지 1,200℃의 온도에서 열간 압연하여 선재를 제조하는 단계; 선재를 1 내지 5℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계; 및 냉각된 선재를 신선 가공하여 강선을 얻는 단계;를 포함한다.

Description

고강도 아공석 강선 및 그 제조방법{High Strength Hypoeutectoid Steel Wire and method for Manufacturing the same}

본 발명은 고강도 아공석 강선 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신선가공 시 시멘타이트의 분해를 촉진시켜 고강도를 확보할 수 있는 아공석 강선 및 그 제조방법에 관한 것이다.

냉간에서 신선된 펄라이트 강선은 높은 기계적 특성과 적정한 연성수준의 조합을 보여준다. 펄라이트 강선은 가장 강도가 높은 강 중 하나이며 타이어코드 및 교량용 케이블 등의 산업에 널리 적용된다. 펄라이트 강선의 신선가공후의 강도의 급격한 증가는 라멜라 층상간격의 미세화에 기인하는 것으로 보고되고 있으며, 펄라이트 강선의 미세조직은 현재까지도 광범위하게 조사되고 있다.

뫼스바우어 분광학(Mossbauer spectroscopy), 전자 에너지 손실 분광법(EELS), 3차원 원자탐침분석기(3D-AP; 3-dimension atom probe) 등을 이용한 미세조직 분석을 통해 밝혀진 바에 의하면 펄라이트의 세멘타이트는 냉간 신선시 적어도 부분적으로 분해가 일어난다는 것을 보여준다. 세멘타이트 분해는 신선 시의 전위생성 및 이동을 포함한 변형기구에 강한 영향을 미치고, 이로 인해 기계적 특성에 큰 영향을 미치므로 여전히 중요한 주제로서 많은 연구자들에 의해 연구되고 있다.

이러한 시멘타이트 분해 현상의 구동력 및 속도론적 해석은 여전히 논쟁 중에 있다. 일부 연구자들은 라멜라 세멘타이트에 있는 탄소 원자가 페라이트내의 전위에 고착되어 세멘타이트 분해가 발생한다고 보고하고 있으며, 다른 연구자들은 세멘타이트 분해의 구동력으로 신선가공에 따른 급격한 라멜라 계면의 증가로 인해 페라이트내의 탄소의 고용도를 급격히 증가시키기 때문(Gibbs-Thompson 효과)이라고 주장하고 있다.

그러나, 세멘타이트 분해에 미치는 합금원소의 영향에 대해서는 명확히 규명된 바 없고, 그에 따른 기계적 특성과의 상관관계도 발표된 바 없다. 따라서 합금원소의 첨가로 인한 펄라이트 조직 내의 분포 형태와 신선가공 후 시멘타이트의 분해에 미치는 영향을 규명하기 위한 연구가 필요하다.

본 발명은 합금원소를 첨가하여 신선가공시 세멘타이트 분해를 촉진함으로써 기계적 특성이 향상된 고강도 아공석 강선 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 고강도 아공석 강선은 중량%로, C: 0.5 내지 0.7%, Mn: 0.2 내지 0.7%, Si: 0.1 내지 0.6 %, Al: 1.0 내지 2.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 펄라이트 내 시멘타이트 탄소함량이 7at.% 이하일 수 있다.

강선의 인장강도는, 3,200 내지 3,400MPa일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 고강도 아공석 강선의 제조방법은 중량%로, C: 0.5 내지 0.7%, Mn: 0.2 내지 0.7%, Si: 0.1 내지 0.6 %, Al: 1.0 내지 2.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 1,100 내지 1,200℃의 온도에서 열간 압연하여 선재를 제조하는 단계; 선재를 1 내지 5℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계; 및 냉각된 선재를 신선 가공하여 강선을 얻는 단계;를 포함할 수 있다.

강선의 펄라이트 내 시멘타이트 탄소함량은 7at.% 이하일 수 있다.

강선의 인장강도는 3,200 내지 3,400MPa일 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 고강도 아공석 강선은 아공석강에 Al을 첨가함으로써 펄라이트 내의 세멘타이트 분해속도를 촉진시켜 신선 가공 후 고용강화 효과를 통해 고강도를 확보할 수 있다.

또한, 시멘타이트 분해의 촉진은 시멘타이트의 소성변형성을 증가시켜 연성을 향상시키므로, 동일한 신선가공량에서도 고강도 및 고연성의 아공석 강선을 제공할 수 있다.

본 명세서가 실시 예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시 예들 간에 중복되는 내용은 생략한다.

또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 신선 가공 후 세멘타이트 분해를 촉진시킴으로써 페라이트의 고용강화 효과를 증가시켜 고강도를 확보하고, 세멘타이트의 소성변형성을 증가시켜 고연성을 확보할 수 있는 선재를 제공한다. 본 발명에 따른 선재를 신선 가공함으로써 기계적 특성이 향상된 고강도 아공석 강선의 제조가 가능하다.

펄라이트 강은 신선가공시, 세멘타이트의 소성변형에 의해 소재의 강도가 향상되어 기계적 특성이 향상된다. 또한, 소성변형 현상 외에 세멘타이트에서 탄소가 빠져나와 페라이트의 전위 아래에 고착되어 안정화되는 현상이 발생하게 된다. 전위에 고착된 탄소는 전위의 이동을 방해하고 이로 인해 항복강도가 증가하게 된다. 이러한 시멘타이트 분해 현상은 시멘타이트의 소성변형성을 증가시켜 연성을 향상시킨다.

발명자는 합금원소 중 Al를 첨가하면 펄라이트 입계에서의 탄소의 이동도가 증가되어 세멘타이트 분해가 더욱 촉진되고, 소성 변형성이 증가되어 동일한 신선가공량에서도 고강도 및 고연성 강선을 확보할 수 있음을 확인하였다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 고강도 아공석 강선은 중량%로, C: 0.5 내지 0.7%, Mn: 0.2 내지 0.7%, Si: 0.1 내지 0.6 %, Al: 1.0 내지 2.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 펄라이트 내 시멘타이트 탄소함량이 7at.% 이하를 만족한다.

이하, 본 발명의 실시 예에서의 합금성분 원소 함량의 수치한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.

C의 함량은 0.5 내지 0.7%이다.

C는 강선의 강도를 향상시키기 위해 첨가되는 원소이다. C 함량이 0.5% 미만일 경우, 강도 향상 효과가 충분하지 못하고, C의 함량이 0.7%를 초과할 경우, 강의 강도는 확보할 수 있으나 연성이 저하되므로, 본 발명에서는 C의 함량을 0.5 내지 0.7%로 제어하는 것이 바람직하다.

Mn의 함량은 0.2 내지 0.7%이다.

Mn은 소입성을 증가시키는 효과적인 원소이다. Mn의 함량이 0.2% 미만일 경우 상술한 효과를 충분히 얻을 수 없으며, Mn의 함량이 0.7%를 초과할 경우 중심편석을 일으킬 수 있고, 저온조직을 유발할 가능성이 매우 크므로, 본 발명에서는 Mn의 함량을 0.2 내지 0.7%로 제어하는 것이 바람직하다.

Si의 함량은 0.1 내지 0.6%이다.

Si는 선재의 청정성을 높이고, 기지조직인 페라이트에 고용되어 강을 강화시켜 강도 향상에 효과적인 원소이다. Si의 함량이 0.1% 미만일 경우 전술한 효과를 얻을 수 없고, Si의 함량이 0.6%를 초과할 경우에는 신선가공량이 많을 경우 크랙 전파 경로가 될 수 있고, 연성을 급격히 감소시켜 신선가공성을 악화시키므로 Si의 함량은 0.1 내지 0.5%로 제어하는 것이 바람직하다.

Al의 함량은 1.0 내지 2.5%이다.

Al은 펄라이트 입계에서의 탄소의 이동도를 증가시킴으로써 세멘타이트 분해를 촉진시키는 원소이다. 세멘타이트가 분해되면, 세멘타이트 내에 존재하는 탄소가 페라이트로 이동하게 되고, 페라이트 내에 고용된 탄소는 고용강화 효과를 발휘한다. 뿐만 아니라, 페라이트 내로 이동하는 탄소는 페라이트 내 존재하는 전위에 고착되어 안정화되고, 이로 인해 전위의 이동이 방해되어 항복강도가 증가하게 된다.

본 발명에 따른 고강도 아공석 강선은 시멘타이트 분해를 촉진시키는 Al의 첨가에 의해 펄라이트 입계에서의 탄소의 이동도를 증가시켜 세멘타이트 분해가 촉진되므로 동일한 신선가공량에서도 페라이트로 다량의 탄소가 배출되어 고강도를 확보할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 고강도 아공석 강선은 시멘타이트의 분해가 촉진됨으로써 시멘타이트의 소성변형성도 증가되므로 고연성을 확보할 수 있다.

또한, Al은 초석 세멘타이트의 형성을 억제하고, 라멜라 간격을 축소시킴으로써 강도를 상승시키고, 더불어 신선가공성을 향상시킬 수 있다.

전술한 효과를 확보하기 위해서는 Al의 함량은 1.0%이상으로 포함되는 것이 바람직하다. 다만, Al의 함량이 2.5%를 초과할 경우에는 연성이 저하되어 신선가공성이 악화될 수 있으므로 본 발명에서는 Al의 함량을 1.0 내지 2.5%으로 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고강도 아공석 강선은 신선가공 후 펄라이트 내 시멘타이트 탄소함량이 7at.% 이하를 만족한다.

신선가공전의 펄라이트 내의 세멘타이트(Fe₃C) 탄소 함량은 25at.%이다. 세멘타이트가 3개의 Fe원자와 1개의 C원자로 구성되어 있기 때문이다. 그러나, 신선가공을 수행함에 따라 펄라이트 내의 세멘타이트 탄소함량은 25at.% 보다 작은 값을 갖는다. 이는 신선 가공을 수행함에 따라 펄라이트 내의 세멘타이트가 소성 변형뿐 아니라 세멘타이트 분해가 일어났음을 의미한다.

세멘타이트 분해는 세멘타이트에서 탄소가 빠져나와 페라이트 기지내로 이동하여 존재하는 것이 에너지적으로 안정하기 때문에 발생하는 현상이다. 본 발명에 따른 강선은 Al을 첨가하여 신선 가공 후에 세멘타이트 분해가 촉진됨으로써, 펄라이트 내 시멘타이트 탄소함량이 7at.% 이하를 나타낸다. 이에 따라 본 발명에 따른 고강도 아공석 강선의 인장강도는 3,200 내지 3,400MPa 로 충분한 인장 특성을 보였다.

합금조성 외 잔부는 Fe이다. 본 발명의 고강도 아공석 강선은 통상 강의 공업적 생산 과정에서 포함될 수 있는 기타의 불순물을 포함할 수 있다. 이러한 불순물들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 알 수 있는 내용이므로 본 발명에서 특별히 그 종류와 함량을 제한하지는 않는다.

다음으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고강도 아공석 강선의 제조방법에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 고강도 아공석 강선은 상술한 합금 조성을 포함하는 빌렛을 열간 압연하여 선재를 얻고, 이후 열간 압연된 선재를 냉각하고, 냉각된 선재는 신선 가공하여 제조될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 고강도 아공석 강선의 제조방법은 중량%로, C: 0.5 내지 0.7%, Mn: 0.2 내지 0.7%, Si: 0.1 내지 0.6 %, Al: 1.0 내지 2.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 1,100℃ 내지 1,200℃의 온도에서 열간 압연하여 선재를 제조하는 단계; 선재를 1 내지 5℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계; 및 냉각된 선재를 신선 가공하여 강선을 얻는 단계;를 포함한다.

이때, 빌렛은 1,100 내지 1,200℃의 온도에서 열간 압연될 수 있다. 바람직하게는, 1,150℃에서 열간 압연될 수 있다.

이때, 선재의 냉각은 1 내지 5℃/s의 냉각속도로 수행될 수 있다. 냉각 속도가 1℃/s 미만일 경우, 초석상과 조대 펄라이트 증가로 신선 가공성이 악화되는 문제가 있고, 냉각 속도가 5℃/s 초과일 경우 선재의 강도가 높아져 신선한계가 감소하는 문제가 있다. 이에 본 발명에서는 선재의 냉각 속도를 1 내지 5℃/s로 제어하는 것이 바람직하다.

이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

실시 예

하기 표 1의 합금 조성범위를 만족하는 잉고트를 1,150℃에서 24시간 균질화 처리한 후, 같은 온도에서 단조후 공냉을 통해 주조 조직을 제거하였다. 이후, 주조로부터 얻은 빌렛을 다시 1,150℃에서 열간 압연하여 2~3℃/s로 냉각하여 선재로 제조한 후, 제조된 선재를 신선 가공하여 강선을 얻었다. 이와 같이 제조된 발명강 1 내지 3, 비교강 1의 펄라이트 내 세멘타이트 탄소 함량과 강선 인장강도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

강종	합금 조성(중량%)
	C	Si	Mn	Al
발명강1	0.62	0.3	0.4	1.2
발명강2	0.62	0.3	0.4	1.5
발명강3	0.62	0.3	0.4	2.0
비교강1	0.62	0.3	0.4	0

강종	펄라이트 내 세멘타이트 탄소 함량 (at.%)	강선 인장강도 (MPa)
발명강1	5	3,216
발명강2	4	3,275
발명강3	2	3,368
비교강1	8	3,092

발명강 1은 비교강 1에 대비해 Al의 함량을 1.2% 증가시킴으로써 펄라이트 내의 세멘타이트 탄소함량이 8at.%에서 5at.%로 감소하였다. 비교강 1에 비해 발명강 1의 펄라이트 내 세멘타이트 탄소함량이 작다는 것은 동일한 변형량에서 세멘타이트 분해가 더 빠르게 일어났다는 것을 의미한다. 세멘타이트 분해에 의해 배출된 탄소 원자들이 페라이트에 고용됨으로써 발명강 1의 인장강도가 비교강 1의 3,092MPa에 비해 3,216MPa로 상승하였다.발명강 2는 비교강 1에 대비해 Al의 함량을 1.5% 증가시킴으로써 펄라이트 내의 세멘타이트 탄소함량이 4at.%로 비교강 1에 비해 훨씬 감소하였다. 또한, 발명강 1에 대비해서도 탄소함량이 적음을 보여주는데, 이는 Al의 함량이 증가함에 따라 세멘타이트 분해속도 증가하였다는 것을 의미한다. 발명강 2의 인장강도는 3,275MPa로 비교강 1의 3,092MPa에 비해 증가하였다.

발명강 3은 비교강 1에 대비해 Al를 함량을 2% 증가시켜 세멘타이트 탄소함량이 2at.%로 나타났으며, 인장강도는 3,368MPa로 크게 증가하였다.

상기 표 2의 결과에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 성분범위를 만족하는 발명강 1 내지 3의 경우, Al 첨가에 의해 고강도 강선의 제조가 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시 예들을 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 (5)

1. 중량%로, C: 0.5 내지 0.7%, Mn: 0.2 내지 0.7%, Si: 0.1 내지 0.6 %, Al: 1.0 내지 2.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
   펄라이트 내 시멘타이트 탄소함량이 7at.% 이하인 고강도 아공석 강선.
2. 제1항에 있어서,
   상기 강선의 인장강도는,
   3,200 내지 3,400MPa인 고강도 아공석 강선.
3. 중량%로, C: 0.5 내지 0.7%, Mn: 0.2 내지 0.7%, Si: 0.1 내지 0.6 %, Al: 1.0 내지 2.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 1,100 내지 1,200℃의 온도에서 열간 압연하여 선재를 제조하는 단계;
   상기 선재를 1 내지 5℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계; 및
   상기 냉각된 선재를 신선 가공하여 강선을 얻는 단계;를 포함하는 고강도 아공석 강선의 제조방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 강선의 펄라이트 내 시멘타이트 탄소함량은,
   7at.% 이하인 고강도 아공석 강선 제조방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 강선의 인장강도는,
   3,200 내지 3,400MPa인 고강도 아공석 강선 제조방법.