KR20040041591A

KR20040041591A - 강도, 비틀림 특성이 우수한 인바 합금선 및 그 제조방법

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Publication number: KR20040041591A
Application number: KR10-2004-7003022A
Authority: KR
Inventors: 시미즈데쯔야; 노다도시하루; 하라다에이지; 니시까와다이찌로; 기따무라신이찌
Original assignee: 다이도 토쿠슈코 카부시키가이샤; 스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2001-09-13
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2004-05-17
Also published as: JP2003082439A; WO2003025239A1; JP4797305B2; KR100910332B1

Abstract

송전선 등에 사용되는 인바 합금선의 저열팽창특성, 강도 및 비틀림 특성을 양호하게 하고, 인바 합금선을 송전선으로서 사용했을 때에 철탑설치를 위한 비용을 저감할 수 있도록 한다.

그 목적을 위해 인바 합금선을, 중량%로 C:0.20∼0.40%, Si:≤0.8%, Mn:≤1.0%, P:≤0.050%, S:≤0.015%, Cu:≤1.0%, Ni:35∼40%, Cr:≤0.5%, Mo:1.5∼6.0%, V:0.05∼1.0%, 0:≤0.015%, N:≤0.03% 이고, Mo/V≥1.0 또한 (0.3Mo+V)≥4C 이고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것으로 하고, 20∼230℃까지와 230∼290℃까지의 평균선 열팽창계수가 각각 3.7×10^-6이하, 10.8×10^-6이하인 것으로 한다.

Description

강도, 비틀림 특성이 우수한 인바 합금선 및 그 제조방법 {INVAR ALLOY WIRE EXCELLENT IN STRENGTH AND TURNING CHARACTERISTICS AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF}

종래부터 송전선에는 강심 알루미늄 연선 (ACSR 선) 이 사용되고 있으나, 최근 송전 용량 향상, 철탑 설치 비용의 삭감을 위해 고강도의 저이도(低弛度) 송전선이 사용되게 되었다.

송전선을 고강도로 하면 철탑과 철탑의 간격을 크게 취할 수 있게 되고, 또 철탑의 높이도 낮게 할 수 있게 되어 철탑 설치 비용을 저감할 수 있다.

현재 실용화되어 있는 심재의 강도는 인장강도가 1150∼1250㎫ 정도이지만, 비용저감을 위해 보다 강도가 높은 재료가 요구되고 있다.

하나의 수단으로서 Co 를 첨가하고 가공 유기 마르텐사이트 변태를 이용하는 방법이 제안되어 있으나, Co 는 비용면에서 최대한 저감하는 것이 바람직하다.

본 발명은 기본적으로 Co 를 사용하지 않고, 필요한 저열팽창특성, 비틀림 특성 등을 유지한 상태에서 1300㎫를 초과하는 고강도가 얻어지는 인바 합금선 및그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 강도와 비틀림 특성이 필요하고 또한 저열팽창이 요구되는 송전선 등에 사용되는 인바 합금선 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 인바 합금선은 상기와 같은 사정하에 안출된 것으로, 중량%로 C:0.20∼0.40%, Si:≤0.8%, Mn:≤1.0%, P:≤0.050%, S:≤0.015%, Cu:≤1.0%, Ni:35∼40%, Cr:≤0.5%, Mo:1.5∼6.0%, V:0.05∼1.0%, 0:≤0.015%, N:≤0.03% 이고, Mo/V≥1.0 또한 (0.3Mo+V)≥4C 이고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 갖고, 20∼230℃까지와 230∼290℃까지의 평균 선열팽창계수가 각각 3.7×10^-6이하, 10.8×10^-6이하인 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은 인바 합금에 있어서의 화학성분에 대해 예의검토를 거듭한 결과, C. Mo, V 를 유효하게 이용하고 또한 특정 성분범위로 한정함으로써, 우수한 비틀림 특성에 추가하여 고강도, 저열팽창특성을 확보할 수 있는 것이다.

본 발명에서는 C 를 0.20∼0.40% 로 규정함과 동시에 Mo/V≥1.0, (0.3Mo+V)≥4C 로 하는 것이 필수이지만, 이것은 이하와 같은 의미를 갖는다.

본 발명에서는 인바 합금 중에 C 와 V 를 첨가함으로써 합금 중에 V 의 탄화물을 석출시키고, 그 석출경화에 의해 합금의 강도를 높인다. 단, V 만을 첨가할 경우 충분히 인바 합금선을 고강도화할 수 없다.

V와 함께 Mo 를 Mo/V≥1.0 이 되는 비율로 첨가하고, 그리고 이들의 탄화물을 석출시킴으로써 목적으로 하는 고강도를 얻을 수 있다.

그 이유는 이하의 점에 있는 것으로 생각된다.

Mo 를 첨가하지 않고 단순히 V 만을 첨가한 경우 (탄화물 형성원소로서), V 의 탄화물이 석출되지만, 이 석출묵은 조대한 입자로 되기 쉬워 충분한 고강도화를 달성할 수 없다.

이에 대해 Mo 를 V 와 함께 첨가하면, Mo 가 Mo₂C 또는 MC 내지 M₈C₇형의 미세한 탄화물을 석출시켜 탄화물의 조대입자화를 억제한다. 그 결과 인바 합금선의 강도가 효과적으로 고강도화된다.

단, 이들 Mo 와 V 의 탄화물 석출에 의한 고강도화를 충분히 달성하기 위해서는, 이들의 첨가비율을 Mo/V≥1.0 으로 하지 않으면 안된다.

이 식을 만족하지 않으면 조대한 탄화물이 석출되어, 강화가 효율적으로 실시되지 않게 된다.

이상과 같이 인바 합금선을 충분히 고강도화하기 위해서는 Mo/V≥1.0 으로 하는 것이 필요하지만, 단순이 이 식을 만족한 것만으로는 충분하고 안정된 비틀림 특성을 얻을 수 없다.

인바 합금선에 있어서의 고강도를 유지하면서 안정된 비틀림 특성을 실현하기 위해서는 (0.3Mo+V)≥4C 로 하지 않으면 안된다.

여기에서 비틀림 특성이란 파단에 도달하기 까지 몇번을 비틀 수 있는지와 같은 특성을 말한다.

상기의 식 (0.3Mo+V)≥4C 는 프리카본 (유리카본) 으로 되어야 할 C 를 Mo 와 V 에 의해 완전 고정화하여, 프리카본이 생성되지 않는 양으로 Mo 와 V 를 첨가하는 것을 의미한다.

인바 합금선에 있어서의 비틀림 특성은 주로 변형능의 문제로, 강도가 약하여 변형능이 크면 인바 합금선을 비틀었을 때에 충분히 비틀 수 있다.

그러나 인바 합금선의 강도가 고강도화되면, 상세하게는 단순히 고강도화되었을 뿐이면, 변형능의 저하에 의거하여 인바 합금선을 비틀었을 때에 끊어지기 쉬워진다.

그런데 인바 합금 중에 프리카본이 있고 또한 그 양이 많아지면, 인바 합금선을 비틀었을 때에 변형이 국부에 집중되어, 그곳이 쉽게 끊어지는 현상을 일으킨다.

이에 대하여 인바 합금선 중의 프리카본을 Mo 와 V 로 고정해 두면 이것을 양호하게 방지할 수 있다.

그 이유도 역시 명확하지 않지만, 추측해 보면 가공경화능이 이 문제에 크게 관여하는 것으로 생각된다.

상세하게는 인바 합금 중의 C 를 Mo 와 V 로 고정해 둠으로써 가공경화능이 높아지고, 이 경우 인바 합금선을 비틀어 가면 변형부분이 경화를 일으켜 동 부분의 변형에 대한 저항력이 커지고, 그 결과 변형부위와 가공경화가 점점 이행되어 가고, 결과적으로 파단에 도달하기 까지의 비틀림 회수, 즉, 비틀림 특성이 높아지는 것으로 생각된다.

즉, 본 발명에 있어서 Mo/V≥1.0, (0.3Mo+V)≥4C 모두 만족함으로써 고강도이면서 안정된 비틀림 특성을 얻을 수 있다.

본 발명에서는 상기 성분에 추가하여 W, Co, Ti, Nb, Ta, Hf 중 1 종 또는 2종 이상을 중량%로 이하의 범위, W:≤3%, Co:≤3%, Ti:≤0.5%, Nb:≤0.5%, Ta:≤0.5%, Hf:≤0.5%로 함유시킬 수 있다.

그리고 또 Ca, Mg, B, REM (REM 은 원소주기율표에서 3A족으로서 분류되는 금속원소의 1종 또는 2종 이상) 에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 합계 0.0005∼0.0100 중량% 함유시킬 수 있다.

다음으로 본 발명에서의 상기 화학성분의 첨가 및 한정 이유를 이하에 상세하게 서술한다.

C : 0.20∼0.40%

C 는 미세한 탄화물을 형성하여 석출경화에 의해 강도를 높이는 점에서 필수 원소이고, 1300㎫의 인장강도를 얻기에는 0.20%는 최저한 필요하다.

단, 과잉 첨가는 비틀림 특성, 저열팽창특성에 악영향을 주기 때문에 0.40% 를 상한으로 한다.

Si:≤0.8%

Si 는 강의 탈산제로서는 유효하지만 비틀림 특성, 저열팽창특성 면에서는 낮을수록 바람직하고, 상한을 0.8%로 한다. 바람직하게는 0.5% 이하이다.

Mn:≤1.0%

Mn 은 강의 탈산제로서 작용한다. 또 불순물 원소인 S 를 MnS 의 형태로 고정하고, 양호한 열간가공성을 확보하는데에 유효하다.

단, 비틀림 특성, 저열팽창특성의 면에서는 낮을수록 바람직하고, 상한을1.0%로 한다.

P:≤0.050%

P 는 입자계에 편석(偏析) 되어 입계 부식 감수성을 높이는 외에 인성의 저하를 초래하기 때문에 낮은 것이 바람직하지만, 필요 이상의 저감은 비용 상승을 초래하기 때문에 상한을 0.050%로 한다. 바람직하게는 0.020% 이하이다.

S:≤0.015%

S 는 피절삭성을 향상시키는데에 유효한 화합물의 구성원소이지만, 열간가공성을 극단적으로 저하시키는 점에서 저감시키는 것이 바람직하고, 상한을 0.015% 로 한다.

Cu:≤1.0%

Cu 는 강도의 향상에 유효하지만 과잉 첨가는 열간가공성을 열화시키고, 열팽창이 증가되는 점에서 1.0% 를 상한으로 한다.

Ni:35∼40%

Ni 는 저열팽창특성을 확보하는데에 필수이다. 그 범위는 35∼40%가 양호하다. 특히 저열팽창특성이 중시되는 경우에는 37∼39% 범위로 하는 것이 바람직하다.

Cr:≤0.5%

Cr 은 비틀림 특성을 향상시키는데에 유효하지만, 열팽창계수를 크게 하는 점에서 상한을 0.5% 로 규정한다.

Mo:1.5∼6.0%

Mo 는 미세한 Mo₂C 또는 MC, M₈C₇형의 탄화물로서 석출되고, 이것에 의해 강도와 비틀림 특성을 향상시킨다. 이들의 특성을 확보하기 위해 1.5% 를 하한으로 한다.

한편 6.0% 를 초과하면 열팽창특성이 높아지는 경우가 있기 때문에 이것을 상한으로 한다.

V:0.05∼1.0%

V는 Mo 와 마찬가지로 MC, M₈C₇형의 탄화물로서 석출되고, 강도와 비틀림 특성을 향상시킨다. 그 하한은 0.05% 이다.

한편 1.0% 를 초과하여 첨가하면 조대한 탄화물이 생성되어, 비틀림 특성, 인연성 (靭延性) 을 열화시키는 점에서 이것을 상한으로 한다.

0:≤0.015%

O 는 산화물을 형성하고, 비틀림 특성, 인연성을 저하시키는 점에서 최대한 저감하는 편이 좋기 때문에 상한을 0.015%로 한다. 바람직하게는 0.008% 이하, 더욱 바람직하게는 0.003% 이하이다.

N:≤0.03%

N은 질화물을 형성하고, 비틀림 특성, 인연성을 저하시키는 점에서 최대한 저감하는 편이 좋기 때문에 상한을 0.03%로 한다. 바람직하게는 0.012% 이하, 더욱 바람직하게는 0.008% 이하이다.

Mo/V≥1.0

Mo와 V 의 균형을 잡음으로써 더욱 고강도가 얻어진다.

이 식을 만족하면, 최초에 V 와 Mo 의 성분 균형이 잡힌 MC 또는 M₈C₇형의 탄화물이 생성되고, 그리고 이 식의 수치가 커짐에 따라 Mo₂C 가 형성되고, 이들이 강도와 비틀림 특성의 양방에 유효한 형태의 석출물로 된다.

단, 1.0 미만이면 높은 강도를 얻기 곤란해진다. 바람직하게는 1.5 이상, 더욱 바람직하게는 2.5 이상으로 한다.

(0.3Mo+V)≥4C

안정된 비틀림 특성을 확보하기 위해 이 식을 만족시킬 필요가 있다.

Mo 나 V 의 탄화물을 형성하지 않는 C 가 너무 과잉으로 있으면, 높은 강도는 얻을 수 있지만 안정된 비틀림 특성을 얻기가 매우 곤란해진다.

W:≤3%

W 는 보다 고강도를 얻는데에 유효하다. 단, 과잉 첨가는 열간가공성의 저하를 초래하기 때문에 3% 이하로 한다.

Co:≤3%

기본적으로는 Co 는 비용의 상승을 초래하는 점에서 첨가하지 않지만, 보다 높은 강도가 요망되는 경우 첨가해도 된다.

단, 비용의 상승을 감안하여 3% 를 상한으로 한다.

Ti, Nb, Ta, Hf:≤0.5%

Ti, Nb, Ta, Hf 는 Mo, V 와 동일하게 탄화물을 형성하고, 강도나 비틀림 특성을 향상시키는데에 유효하지만, 특성의 향상에 유효하지 않은 조대한 탄화물을 형성하기 쉬운 점에서 각각 0.5% 이하로 한다.

Ca, Mg, B, REM : 0.0005∼0.0100%

Ca, Mg, B, REM 은 강의 열간가공성을 향상시키는데에 유효한 원소인 점에서 0.0005%를 하한으로서 첨가해도 된다.

그러나 과잉으로 첨가해도 효과가 포화되고, 반대로 열간가공성을 저하시키기 때문에 그 상한을 0.0100%로 한다.

또한 REM 은 Ce, La 혹은 이들의 합금으로 이루어지는 것이다.

다음으로 본 발명의 인바 합금선의 제조방법은, 상기 화학성분을 함유하는 인바 합금을 선재 압연후 20∼75%의 범위에서 냉간가공하고, 그 후 625∼750℃의 온도범위에서 열처리하고, 그런 후 60% 이상의 냉간가공을 실시하여, 인장강도가 1300㎫ 를 초과하는 강도, 비틀림 특성이 우수한 인바 합금선을 제조하는 것을 특징으로 한다.

여기에서 선재 압연후의 냉간가공은, 다음 열처리의 단계에서 강도와 비틀림 특성에 효과가 있는 미세하고 균일한 탄화물을 형성하기 위한 예비 변형을 부여하기 위해 실시된다.

이 냉간가공에 있어서, 가공률 20% 미만에서는 충분한 예비변형을 부여할 수 없고, 반대로 75%를 초과하면 변형량이 너무 커져, 다음 공정의 열처리시에 모상의 재결정도가 커져 충분한 강도가 얻어지기 어려워진다.

이에 이어지는 625∼750℃의 온도범위에서의 열처리는, Mo 와 V 의 미세한탄화물을 균일하게 모상 중에 분산석출시키고, 그 석출강화에 의해 합금강도의 상승을 도모함과 동시에, 모상의 전위밀도를 저하시켜, 적절한 비틀림 특성을 확보하기 위한 것이다.

여기에서 열처리온도가 625℃ 미만에서는, 모상 중의 전위밀도의 저하나 탄화물의 석출량이 충분하지는 않고, 반대로 750℃를 초과하면 모상의 재결정도가 너무 커져 충분한 강도가 얻어지기 어려워진다.

이에 이어지는 냉간가공은 필요한 강도를 확보하기 위해 실행하는 것으로, 이 때 최저이더라도 60%의 가공률이 필요하다.

이에 의해 인장강도 1300㎫를 초과하는 강도를 갖는 인바 합금선이 얻어진다.

또한 선재 압연후 1100℃ 정도의 온도에서 용체(溶體) 화처리를 실시해도 되고, 또 도중의 공정에서 적절하게 표면의 흠집을 없애기 위한 표면박리를 실행할 수도 있다.

다음에 본 발명의 실시예를 이하에 상세하게 서술한다.

<실시예 1>

표 1 에 나타내는 화학성분을 갖는 강을 고주파 유도로에서 진공유도용해하고, 강괴 150㎏ 을 얻었다. 그리고 이것을 1150℃로 가열하여, 열간단조에 의해 직경 65㎜ 의 환봉으로 가공하였다.

이들을 1100℃ 가열후 선재 압연하고, 직경 13㎜ 의 코일을 제작하였다.그리고 이들의 소재를 표 1 에 나타내는 조건에서 가공하였다.

상세하게는 표 1 에 나타내는 가공률로 냉간인발가공하고 (인발 1), 이어서 동 표에 나타내는 온도조건에서 열처리를 실행하였다. 또한 열처리는 6시간 가열하고 그 후 공냉의 조건에서 실행하였다.

이어서 표면절삭 (표면박리) 을 실행하고, 그 후 동 표에 나타내는 가공률로 냉간인발가공을 실행하여 (인발 2) 인장강도, 비틀림 특성 (비틀림값), 열팽창계수 등의 특성평가를 실행하였다. 결과를 표 1 에 함께 나타낸다.

표 1

화학성분 (중량%) 과 제조조건 및 특성치

제조조건:진공유도용해-150㎏강괴-단조-압연(13D)-인발1(%)-열처리(6hAc)-표면절삭-인발2(%)

인장시험:JIS9호 시험편 (시험부 250㎜), n=3의 평균, ㎫

비틀림시험:시험편(50d), n=5 의 평균

열팽창계수(CTE)측정:시차열팽창측정, 표준물질 투명석영, 5℃/min 승온, A;실온-230℃, B;230-290℃

A:(0.30Mo+V)-4C 의 값 +의 값이면 본 발명 만족

<실시예 2>

표 2 에 나타내는 화학성분을 갖는 강을 전기로에서 용해하고, 이어서 AOD 정련을 실행하여 강괴 2.5t 을 얻었다. 이것을 분괴압연한 후, 1180℃ 에서 충분히 가열하고, 열간압연에 의해 직경 13㎜의 환봉으로 가공하였다.

그리고 이들의 소재를 표 2 에 나타내는 조건으로 가공하였다.

상세하게는 표 2 에 나타내는 가공률로 냉간인발가공하고 (인발 1), 이어서 동 표에 나타내는 온도조건에서 열처리를 실행하였다. 또한 열처리는 6시간 가열하고 그 후 공냉의 조건에서 실행하였다.

이어서 표면절삭 (표면박리) 을 실행하고, 그 후 동 표에 나타내는 가공률로 냉간인발가공하였다 (인발 2).

그리고 이들에 대해 인장시험, 비틀림시험, 저열팽창계수측정을 실행하고, 각 특성평가를 실행하였다. 결과를 표 2 에 함께 나타낸다.

표 2

화학성분 (중량%) 과 제조조건 및 특성치

제조조건:전기로용해-AOD정련-2.5t강괴-분괴압연-선재압연(13D)-인발1(%)-열처리(6hAc)-표면절삭-인발2(%)

인장시험:JIS9호 시험편 (시험부 250㎜), n=3의 평균, ㎫

비틀림시험:시험편(50d), n=5 의 평균

A:(0.30Mo+V)-4C 의 값 +의 값이면 본 발명 만족

이들 실시예의 결과에 나타나는 바와 같이 본 발명예의 것은 양호한 인장강도 (1300㎫ 이상), 비틀림 특성 및 저열팽창특성이 얻어지고 있다.

이에 대해 C, Mo, V, Mo/V, (0.3Mo+V) 의 값이 본 발명의 조건을 만족하고 있지 않은 비교예의 것은 인장강도, 비틀림 특성 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 낮고, 특성적으로 만족할만한 것이 얻어지고 있지 않다.

또한 표 2 에서 비교예 20, 21 은 Si 의 함유량이 본 발명의 범위를 초과하여 많은 것이다.

이와 같이 Si 의 함유량이 본 발명의 범위를 초과하여 많이 함유되어 있으면 비틀림 특성이 낮아진다.

표 1 에서 비교예 12∼16 은 화학조성적으로는 청구범위 제 1 항의 조건을 만족하고 있지만, 제조조건이 청구범위 4 항에 규정하는 조건을 만족하고 있지 않은 것의 예이다.

이들 비교예의 경우 반드시 양호한 특성이 얻어지고는 있지 않다.

이와 같은 것으로부터 본 발명에서는 합금의 화학성분을 청구범위 제 1 항에 규정하는 범위내로 규제하는 것이 일의적으로 중요하고, 이에 의해 양호한 강도 및 비틀림 특성, 저열팽창특성을 얻을 수 있게 되지만, 이 때에 인바 합금선의 제조방법도 중요하고, 합금성분을 청구범위 제 1 항에 규정하는 범위로 하는 것과, 제조조건을 청구범위 제 4 항에 규정하는 조건으로 하는 것이 합쳐져, 가장 바람직한 결과가 얻어지는 것을 나타내고 있다.

이상과 같이 본 발명의 인바 합금선에 의하면 강도 및 비틀림 특성, 저열팽창특성 어느것이나 양호하게 할 수 있고, 따라서 이것을 송전선에 사용했을 때, 철탑의 설치간격을 넓고, 또 철탑의 필요높이를 낮게 할 수 있어, 철탑설치를 위한 비용을 저감할 수 있는 등 우수한 효과를 나타낸다.

또 본 발명의 제조방법에 의하면, 상기 인바 합금이 갖는 특성을 최대한으로이끌어낼 수 있게 된다.

Claims

중량%로,

C:0.20∼0.40%,

Si:≤0.8%,

Mn:≤1.0%,

P:≤0.050%,

S:≤0.015%,

Cu:≤1.0%,

Ni:35∼40%,

Cr:≤0.5%,

Mo:1.5∼6.0%,

V:0.05∼1.0%,

0:≤0.015%,

N:≤0.03% 이고,

Mo/V≥1.0 또한 (0.3Mo+V)≥4C 이고,

잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 갖고, 20∼230℃까지와 230∼290℃까지의 평균 선열팽창계수가, 각각 3.7×10^-6이하, 10.8×10^-6이하인 것을 특징으로 하는 강도, 비틀림 특성이 우수한 인바 합금선.
제 1 항에 있어서, 추가로 W, Co, Ti, Nb, Ta, Hf 중 1 종 또는 2종 이상을 중량%로 이하의 범위

W:≤3%,

Co:≤3%,

Ti:≤0.5%,

Nb:≤0.5%,

Ta:≤0.5%,

Hf:≤0.5% 로 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 강도, 비틀림 특성이 우수한 인바 합금선.
제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 추가로 Ca, Mg, B, REM (REM 은 원소주기율표에서 3A족으로서 분류되는 금속원소의 1종 또는 2종 이상) 에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 합계 0.0005∼0.0100 중량% 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 강도, 비틀림 특성이 우수한 인바 합금선.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 조성의 인바 합금을 선재압연후 20∼75%의 범위에서 냉간가공하고, 그 후 625∼750℃의 온도범위에서 열처리하고, 그 후 60% 이상의 냉간가공을 실시하여, 그 상태에서 인장강도가 1300㎫을 초과하는 것을 특징으로 하는 강도, 비틀림 특성이 우수한 인바 합금선의 제조방법.