KR102464611B1 - 신선가공성이 향상된 강선 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

신선가공성이 향상된 강선 및 그 제조방법이 개시된다.
본 발명에 따른 강선은 중량%로, C: 0.52 내지 0.69%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 0.1 내지 0.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 펄라이트 내 시멘타이트 탄소함량이 7at.% 이상이고, 하기 식 (1)을 만족한다.
(1) [TS]+exp(ε)*10 < 1500
(상기 식 (1)에서, [TS]는 신선가공전 선재의 인장강도(MPa), ε는 신선 변형율을 의미한다)

Description

신선가공성이 향상된 강선 및 그 제조방법{Steel wire with improved wire drawability and the method for manufacturing the same}

본 발명은 신선가공성이 향상된 강선 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디라미네이션이 발생하지 않고, 비틀림 특성과 신선가공성이 향상된 강선 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 고강도 강선을 얻기 위해 여러 가지 방법이 사용될 수 있다.

우선 소재 자체의 강도를 증가시키는 방법이 사용될 수 있다. 즉, 고강도 강선을 얻기 위한 방법의 하나로서, 강의 강도를 높이는 강화원소를 다량 첨가하여 소재 자체의 강도를 증가시키는 방법이 사용될 수 있다. 이러한 강화 원소의 대표적인 예로는 탄소를 들 수 있다. 탄소 함량이 증가할 경우 선재 내부에는 경질상인 시멘타이트의 분율이 증가하고 펄라이트 조직의 라멜라 간격이 조밀해져 소재의 강도가 향상되게 된다. 탄소 이외에도 다양한 합금원소를 첨가하는 기술이 제안되어 왔다.

다른 방법으로 강선의 신선 변형율을 증가시킴으로써 강도가 향상될 수 있다. 이 때, 소재의 신선 변형율은 소재의 연성에 밀접한 관계가 있는 것으로서 소재 자체가 신선 가공시 단선이 일어나지 않고 용이하게 가공될수록 강도 향상에 유리하다.

선재의 강도를 향상시키기 위해 단순히 합금원소를 다량 첨가할 경우, 선재 압연 후 후속되는 강선 제조공정에서 선재의 연성이 열위해져 단선이 발생하는 등의 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 강선의 강도를 높이는 방법 중 가장 경제적인 방법은 합금원소 양을 줄이고 신선 변형율을 늘리는 방법이다.

그러나, 통상적으로 신선 변형율이 증가하면 디라미네이션(Delamination)이 발생하는데, 소선의 비틀림 시험시 디라미네이션이 발생하면 불량으로 보고 있으며, 디라미네이션이 발생하지 않는 최대 신선 변형율을 신선한계로 규정하고 있다.

디라미네이션의 발생은 시멘타이트 분해와 연관이 있는데 신선 변형율이 증가하여 시멘타이트 분해가 일어나는 경우, 시멘타이트의 탄소가 페라이트로 배출되어 페라이트의 소성변형능을 급격하게 감소시키고 크랙을 발생시킨다. 이는 강선의 고강도화에 큰 걸림돌로 작용한다.

따라서, 신선 변형율을 늘리면서도 디라미네이션의 발생을 억제시킬 수 있는 고강도 강선이 요구된다.

본 발명은 선재의 강도를 제어하고 시멘타이트의 분해 속도를 늦춤으로써 신선가공성이 향상된 강선 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 신선가공성이 향상된 강선은 중량%로, C: 0.52 내지 0.69%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 0.1 내지 0.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 펄라이트 내 시멘타이트 탄소함량이 7at.% 이상이고, 하기 식 (1)을 만족한다.

(1) TS+exp(ε)*10 < 1500

(상기 식 (1)에서, [TS]는 신선가공전 선재의 인장강도(MPa), ε는 신선 변형율을 의미한다)

선재의 인장강도는 700 내지 1,000 MPa일 수 있다.

강선의 비틀림 횟수는 30회 이상일 수 있다.

강선은 신선 변형율 4.02이하에서 디라미네이션(Delamination)이 발생되지 않을 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 피로수명 및 인성이 향상된 스프링용 강선의 제조방법은 C: 0.52 내지 0.69%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 0.1 내지 0.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 열간 압연하여 선재를 얻는 단계; 상기 열간 압연된 선재를 3 내지 20℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계; 및 상기 냉각된 선재를 하기 식 (1)을 만족하도록 신선 가공하여 강선을 얻는 단계;를 포함한다.

(1) [TS]+exp(ε)*10 < 1500

(상기 식 (1)에서, [TS]는 신선가공전 선재의 인장강도(MPa), ε는 신선 변형율을 의미한다)

신선 가공시 신선 변형율 4.02이하에서 디라미네이션(Delamination)이 발생되지 않을 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 강선은 선재의 강도를 제어하고 시멘타이트의 분해 속도를 늦춤으로써 신선 변형율이 높은 신선가공시에도 디라미네이션 발생을 억제하고 비틀림 특성 및 신선한계를 증대시킬 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 강선은 신선변형률 4.02에서도 비틀림 횟수를 27회 이상으로 확보할 수 있으며, 신선가공시 디라미네이션이 발생되지 않아 신선한계를 높일 수 있고, 궁극적으로 초고강도를 갖는 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 발명의 일 실시 예에 따른 신선가공성이 향상된 강선은 중량%로, C: 0.52 내지 0.69%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 0.1 내지 0.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 신선가공 후 펄라이트 내 시멘타이트 탄소함량이 7at.% 이상이고, 하기 식 (1)을 만족한다.

(1) [TS]+exp(ε)*10 < 1500

상기 식 (1)에서, [TS]는 신선가공전 선재의 인장강도(MPa), ε는 신선 변형율을 의미한다.

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

C의 함량은 0.52 내지 0.69% 이다.

C는 강선의 강도를 향상시키기 위해 첨가되는 원소이다. C 함량이 0.52% 미만일 경우, 강도 향상 효과가 충분하지 못하고, C의 함량이 0.69%를 초과할 경우, 강의 강도는 확보할 수 있으나 연성이 저하되므로, 본 발명에서는 C의 함량을 0.52 내지 0.69%로 제어하는 것이 바람직하다.

Mn의 함량은 0.3 내지 0.8%이다.

Mn은 소입성을 증가시키는 효과적인 원소이다. Mn의 함량이 0.3% 미만일 경우 상술한 효과를 충분히 얻을 수 없으며, Mn의 함량이 0.8%를 초과할 경우 중심편석을 일으킬 수 있고, 저온조직을 유발할 가능성이 매우 크므로, 본 발명에서는 Mn의 함량을 0.3 내지 0.8%로 제어하는 것이 바람직하다.

Si의 함량은 0.1 내지 0.5%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 0.5% 초과일 경우 신선가공량이 많을 경우 크랙 전파 경로가 될 수 있으며, 연성을 급격히 감소시켜 신선가공성을 악화시키므로 Si의 함량은 0.1 내지 0.5%로 제어하는 것이 바람직하다.

상기 조성 이외에 나머지는 Fe이며, 기타 제조공정상 불가피하게 혼입되는 불순물을 포함한다. 본 발명에서는 상기 언급된 합금 조성 이외에 다른 합금원소의 추가를 배제하지 않는다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 신선가공성이 향상된 강선은 신선가공 후 펄라이트 내 시멘타이트 탄소 함량이 7at.% 이상일 수 있다.

신선가공 전의 강선은 펄라이트 내의 시멘타이트(Fe₃C)의 탄소 함량이 25at.%인데, 신선 공정을 통해, 펄라이트 내의 시멘타이트의 탄소 함량이 25at.% 보다 낮아지게 된다. 시멘타이트 내의 탄소 함량이 7at.% 미만일 경우, 디라미네이션이 발생할 수 있으므로 시멘타이트 내의 탄소 함량을 7at.% 이상으로 제한한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 신선가공성이 향상된 강선은 하기 식 (1)을 만족한다.

(1) [TS]+exp(ε)*10 < 1500

상기 식 (1)에서, [TS]는 신선가공전 선재의 인장강도(MPa), ε는 신선 변형율을 의미한다.

신선 변형율(ε)은 2ln(di/df)로 표현된다. 여기서, di는 신선가공전 강선의 초기 직경을 의미하며, df는 신선가공후의 강선의 직경을 의미한다.

본 발명은 선재의 인장강도 및 신선 변형율을 식 (1) 값이 1,500 미만이 되도록 제어함으로써 시멘타이트 분해 속도를 늦출 수 있고, 디라미네이션 발생을 억제할 수 있다. 일반적으로 신선 공정에서 과도한 신선 변형율이 가해질 경우, 시멘타이트에 존재하던 탄소가 페라이트로 배출되어 페라이트의 소성변형능을 급격하게 감소시켜 크랙을 일으키고 디라미네이션의 발생 가능성을 증가시키나, 선재의 인장강도를 식 (1)을 만족하도록 감소시키면 높은 신선 변형율에도 시멘타이트 분해 속도를 늦출 수 있고, 이에 따라 디라미네이션이 억제될 수 있다.

구체적으로, 통상 신선을 수행할 때 신선 변형율이 3.0 이상인 경우를 과도한 변형으로 보고 있는데, 본 발명에서는 신선을 수행할 때 4.02의 혹독한 신선 변형율이 가해진 경우에도 비틀림 횟수를 27회 이상으로 할 수 있는 초고강도를 갖는 강선을 제공할 수 있다. 본 발명의 신선한계가 증대된 초고강도 강선은 타이어코드, Saw wire, 와이어로프, 피아노선, 교량용 강선 등의 제품에 적용 가능하다.

본 발명에 따른 선재의 인장강도는 700 내지 1,000 MPa 범위일 수 있다.

다음으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 신선가공성이 향상된 강선의 제조방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 신선가공성이 향상된 강선의 제조방법은, 중량%로, C: 0.52 내지 0.69%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 0.1 내지 0.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 열간 압연하여 선재를 얻는 단계; 열간 압연된 선재를 3 내지 20℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계; 및 상기 냉각된 선재를 하기 식 (1)을 만족하도록 신선 가공하여 강선을 얻는 단계를 포함한다.

(1) [TS]+exp(ε)*10 < 1500

상기 식 (1)에서, [TS]는 신선가공전 선재의 인장강도(MPa), ε는 신선 변형율을 의미한다.

본 발명에 따른 신선가공성이 향상된 강선은 상술한 합금 조성을 포함하는 빌렛을 열간 압연하여 선재를 얻고, 이후 열간 압연된 선재를 냉각하고, 냉각된 선재는 식(1)을 만족하도록 신선 가공하여 제조될 수 있다.

이때, 빌렛은 900~1100℃의 온도범위로 가열한 후 800℃내지 1200℃의 온도범위에서 열간 압연될 수 있다.

이때, 선재의 냉각은 3 내지 20℃/s 의 냉각속도로 수행될 수 있다. 냉각 속도가 3℃/s 미만일 경우, 분절되고 조대한 펄라이트가 생성되는 문제가 있고, 냉각 속도가 20℃/s 초과일 경우 마르텐사이트 등 저온조직이 발생하는 문제가 있다. 이에 본 발명에서는 선재의 냉각 속도를 3 내지 20℃/s로 제어하는 것이 바람직하다.

이어서 냉각된 선재를 상술한 식 (1)을 만족하도록 신선 가공할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 실시 예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지 않는다.

실시 예

중량%로, C: 0.57 내지 0.67%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 1.0 내지 1.6%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 합금 조성 및 성분범위를 가진 빌렛을 열간 압연후, 발명예 1 내지 3은 17℃/s의 냉각속도, 발명예 5, 6 및 비교예1은 5℃/s의 냉각속도로 냉각하여 선재를 얻은 뒤, 하기 표 1의 발명예 1 내지 5, 비교예 1에 대해 하기 표 1의 시멘타이트 탄소 함량, 선재 강도 및 신선 변형율 조건에 따라 신선가공하여 강선을 제조하였다. 이와 같이 제조된 강선의 비틀림 횟수 및 디라미네이션 발생여부를 하기 표 1에 나타내었다.

강선의 비틀림 횟수는 횡방향 응력을 가하는 비틀림 시험 시 강선이 파단할 때까지의 회전수로 하였으며, 소선 파단부에 나선형 파단 불량이 나타나는지 확인하여 디라미네이션 발생 유무를 나타내었다.

구분	선재 강도 (MPa)	신선 변형율	시멘타이트 탄소 함량 (at.%)	비틀림 횟수 (회)	디라미네이션 발생유무	식(1) 값
발명예 1	856	3.57	12	36	미발생	1211
발명예 2	844	3.79	11	34	미발생	1287
발명예 3	848	4.02	9	30	미발생	1405
발명예 4	948	3.57	10	35	미발생	1303
발명예 5	950	3.79	9	33	미발생	1393
비교예 1	967	4.02	6	24	발생	1524

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 부합되는 시멘타이트 탄소 ?t량과 신선가공 조건으로 제조된 발명재 1 내지 5는 30회 이상의 우수한 비틀림 횟수를 가질 뿐만 아니라, 디라미네이션이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다. 구체적으로, 신선가공 후 펄라이트 내 시멘타이트 탄소 함량이 6at.%이고, 식(1) 값이 1,500을 초과하는 비교예 1의 경우 비틀림 횟수가 24회로 현저하게 낮고, 디라미네이션이 발생하였으나, 시멘타이트 탄소 함량이 9at.% 이상이고 식 (1) 값이 1,500 미만인 발명재 1 내지 5의 경우에는 30회 이상의 비틀림 횟수를 보이고 디라미네이션이 발생하지 않았다.

신선 변형율이 증가하면 디라미네이션 발생 가능성이 증가하나, 발명예 3과 비교예 1을 비교하면 발명예 3은 비교예 1과 동일 신선 변형율을 가짐에도 선재의 인장 강도를 119 MPa 감소시킴으로써 비틀림 횟수를 30회 이상으로 확보하며, 디라미네이션이 억제됨을 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 (6)

1. 중량%로, C: 0.52 내지 0.69%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 0.1 내지 0.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
   펄라이트 내 시멘타이트 탄소함량이 7at.% 이상 25at.% 미만이고,
   신선 변형율 3.0 내지 4.02의 범위에서 하기 식 (1)을 만족하는 신선가공성이 향상된 강선.
   (1) TS+exp(ε)*10 < 1500
   (상기 식 (1)에서, [TS]는 신선가공전 선재의 인장강도(MPa), ε는 신선 변형율을 의미한다)
2. 제 1항에 있어서,
   상기 신선가공전 선재의 인장강도는,
   700 내지 1,000 MPa인 신선가공성이 향상된 강선.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 강선의 비틀림 횟수는,
   27회 이상인 신선가공성이 향상된 강선.
4. 제1항에 있어서,
   디라미네이션(Delamination)이 발생되지 않는 신선가공성이 향상된 강선.
5. 중량%로, C: 0.52 내지 0.69%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 0.1 내지 0.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 열간 압연하여 선재를 얻는 단계;
   상기 열간 압연된 선재를 3 내지 20℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계; 및
   상기 냉각된 선재를 신선 변형율 3.0 내지 4.02의 범위에서 하기 식 (1)을 만족하도록 신선 가공하여 강선을 얻는 단계;를 포함하며,
   상기 강선은 상기 신선 가공 후 펄라이트 내 시멘타이트 탄소 함량이 7at.% 이상 25at.% 미만인, 신선가공성이 향상된 강선의 제조방법.
   (1) [TS]+exp(ε)*10 < 1500
   (상기 식 (1)에서, [TS]는 신선가공전 선재의 인장강도(MPa), ε는 신선 변형율을 의미한다)
6. 제5항에 있어서,
   상기 신선 가공시 디라미네이션(Delamination)이 발생되지 않는 신선가공성이 향상된 강선의 제조방법.