KR20090071206A - 강도와 연성이 우수한 신선용 선재 및 그 제조방법 - Google Patents

강도와 연성이 우수한 신선용 선재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

강도와 연성이 우수한 신선용 선재 및 그 제조방법이 제공된다.
강도와 연성이 우수한 신선용 선재는, 중량%로, C: 0.87~1.0%, Mn: 0.1~0.60%, Si: 0.3~1.0%, S: 0.010% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.011% 이하(0%를 포함하지 않음), Cr: 0.1~0.5%, N: 0.007% 이하(0%를 포함하지 않음), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 상기 Si, Cr의 함량이 다음의 수식, 0.6 ≤ Si+Cr ≤ 1.2 (Si 및 Cr은 해당원소의 중량%를 의미)을 만족하며, 펄라이트 조직을 포함하는 것을 특징으로 한다.
고강도, 고연성, 층상간격, 열처리

Description

강도와 연성이 우수한 신선용 선재 및 그 제조방법 {Wire Rods Having Superior Strength And Ductility For Drawing And Method For Manufacturing The Same}
본 발명은 타이어코드, 와이어로프, 피아노선, 교량용 강선 등에 사용되는 신선용 고강도 고연성 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 상세하게는, C의 함량을 적절히 제어하는 동시에 Si 및 Cr을 복합첨가함으로써 펄라이트 층상 조직의 미세화에 의해 고강도 뿐만 아니라 고연성도 가지는 신선용 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 신선용 고강도 선재를 얻는 방법으로는 다음의 세 가지 방법이 있다.
첫째, 강화 원소를 다량 첨가하여 소재 자체의 강도를 증가시킬 수 있다. 이러한 강화 원소의 대표적인 예로는 탄소를 들 수 있다. 요구 선재의 강도가 점차 증가함에 따라 탄소는 아공석 영역에서 공석 영역으로, 그리고 공석 영역에서 과공 석 영역으로 점차 그 함량이 증가하여 왔다. 탄소 함량이 증가할 경우 선재 내부에는 경질상인 세멘타이트의 분율이 증가하고 펄라이트 조직의 라멜라(lamellar) 간격이 조밀해짐에 따라 소재의 강도가 향상될 수 있는 것이다.
둘째, 신선용 선재는 압연된 선재가 신선 및 열처리되어 최종 소선으로 가공되는 것으로 가공시 가공 경화에 의해 강도가 대폭 향상될 수 있다. 선재가 가공될 때, 펄라이트 조직의 라멜라 간격이 미세화되고 가공경화 계수가 증가하며, 전위가 집적되는 등의 이유로 가공 경화될 수 있다.
셋째, 상기와는 별도로 소재의 신선 변형율을 증가시킴으로써 강도가 향상될 수 있다. 소재의 신선 변형율은 소재의 연성과 밀접한 관계가 있는 것으로서 소재 자체가 신선 가공시 단선이 일어나지 않고 용이하게 가공될수록 강도 향상에 유리할 수 있기 때문이다.
그러나, 상기 방법들은 독립적으로 작용하는 것이 아니라 상호 연관되어 선재의 강도를 변화시키는 것이므로 이들을 독립적으로 제어하여 강도를 향상시키는 것은 강도 상승에 한계가 있을 수 있다.
또한, 선재의 강도를 향상시키기 위해서 단순히 합금원소를 다량 첨가할 경우 선재 압연 후 후속되는 선재 제조공정에서 선재의 연성이 불량하여 단선이 발생 하는 등의 문제가 발생 될 수 있다. 즉, 탄소의 함량이 증가함에 따라 강도는 향상될 수 있으나 연성은 오히려 감소하는 문제가 발생한다.
본 발명은 C의 함량을 적절히 제어하는 동시에 Si 및 Cr을 복합첨가함으로써 펄라이트 층상 조직의 미세화에 의한 고강도 고연성을 갖는 신선용 선재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 강도와 연성이 우수한 신선용 선재는, 중량%로, C: 0.87~1.0%, Mn: 0.1~0.60%, Si: 0.3~1.0%, S: 0.010% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.011% 이하(0%를 포함하지 않음), Cr: 0.1~0.5%, N: 0.007% 이하(0%를 포함하지 않음), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 상기 Si, Cr의 함량이 다음의 수식, 0.6 ≤ Si+Cr ≤ 1.2 (Si 및 Cr은 해당원소의 중량%를 의미)을 만족하며, 펄라이트 조직을 포함하는 것을 특징으로 한다.
C의 함량을 적절히 제어하는 동시에 Si 및 Cr을 복합첨가함으로써 고강도 뿐만 아니라 고연성을 가지는 신선용 선재 및 그 제조방법을 제공할 수 있는 유용한 효과가 있다.
본 발명자들은 종래 신선재의 강도를 향상시키기 위해서 다량 첨가하는 것이 일반적이었던 탄소 함량과 신선재의 강도와의 관계에 대하여 면밀히 검토한 결과 다음의 결론에 이르게 되었다.
일반적으로 신선용 선재의 강도가 증가됨에 따라 탄소의 함량은 아공석 영역에서 과공석 영역으로 증가하게 되는데, 그러한 탄소의 함량이 일정수준 이상이 될 경우 강도 향상은 더 이상 기대할 수 없는데 비해 신선가공량이 감소하여 강도가 더 이상 증가하지 않거나 오히려 감소하게 된다.
따라서, 탄소의 함량을 계속하여 증가시키지 않고 신선가공량을 충분히 확보할 수 있는 범위로 탄소의 상한을 제한하는 한편, 다른 합금원소 특히, Si 및 Cr을 복합첨가하면 펄라이트의 층상 조직이 미세화됨에 따라 신선재의 강도 및 연성을 확보할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 강성분의 조성범위를 설명한다.
탄소(C)의 함량: 0.87~1.0% (이하, 중량%)
상기 C는 강도를 확보하기 위한 핵심적인 원소이나 그 함량이 1.0%를 초과하는 경우에는 강재의 단면감소율(RA)이 감소되어 결국에는 신선가공에 의한 강도증가를 기대할 수 없는 반면, 0.87% 미만인 경우에는 목표로 하는 강도를 확보하기 어려울 수 있다. 따라서, 상기 C의 함량은 0.87~1.0%로 제한하는 것이 바람직하다.
망간(Mn)의 함량 : 0.1~0.6%
상기 Mn은 소입성을 증가시키는 효과적인 원소이나 중심편석이 심한 원소로서, 0.6%를 초과하는 경우에는 저온조직을 유발할 가능성이 매우 크다. 0.1% 미만의 경우에는 첨가의 효과가 충분히 나타나지 않을 수 있다. 따라서, 상기 Mn의 함량은 0.1%~0.6%로 제한하는 것이 바람직하다.
실리콘(Si)의 함량 : 0.3~1.0%
상기 Si은 Cr과 더불어 본 발명에서 아주 중요한 역할을 하는 원소이다. C의 경우에는 첨가량이 증가하면 강도가 증가하는 반면 신선가공량이 감소하여 결국에는 강도상승에 한계를 가지게 되고, 과공석 조성 이상에서는 조대한 초석세멘타이트를 석출시켜 신선 중 주요한 균열 발생위치를 제공한다. Si 첨가의 경우 과공석 조성범위에서 초석세멘타이트 생성을 조장하지 않으며, 고용강화를 시켜 강도를 증가시키는 역할을 한다. Si은 제강공정에서 탈산제로 사용되므로 강중에 미량 포함되며, 0.3% 이상 첨가해야 강도 및 연성증가에 효과적이다. 그러나, 1.0%를 초과하여 첨가시 라멜라 페라이트의 연성을 급격히 감소시켜 신선가공성을 악화시킨다. 따라서, 상기 Si의 함량은 0.3~1.0%로 제한하는 것이 바람직하다.
크롬(Cr)의 함량 : 0.1~0.5%
상기 Cr은 Si과 더불어 본 발명에서 아주 중요한 역할을 하는 원소로서, 펄라이트의 층상 조직을 미세화함으로써 강도와 연성을 향상시킨다. Cr의 함량이 0.1%미만의 경우 충분한 층상조직의 미세화 효과가 없으며, 0.5% 초과하는 경우 항온변태속도를 느리게 하여 생산성을 악화시킨다. 따라서, 상기 Cr의 함량은 0.1~0.5%로 제한하는 것이 바람직하다.
실리콘(Si)의 함량 + 크롬(Cr)의 함량: 0.6~1.2%
상기 Si과 Cr은 복합 첨가되는 것이 효과적으로서, 두 원소 중량의 합으로 0.7~1.2% 첨가하는 경우 강도와 연성이 함께 상승하게 된다. 0.6% 미만일 경우에는 강도의 증가 폭이 작아 바람직하지 않은 반면, 1.2%를 초과할 경우에는 연성이 감소할 수 있으므로 상기 Si 및 Cr의 함량의 합은 0.7~1.2%로 제한하는 것이 바람직하다.
S: 0.010% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.011% 이하(0%를 포함하지 않음), N: 0.007% 이하(0%를 포함하지 않음)
S, P, N은 선재 제조시 존재하는 불순물 원소로 다량 존재시 소재의 취화를 초래하여 신선가공시 단선의 원인이 되므로, 각각 0.010%, 0.011%, 0.007%로 제한한다.
나아가, 강도와 연성이 우수한 선재는 Ni을 함유할 수 있다. Ni은 세멘타이 트의 슬립시스템을 1개 추가로 가동시켜 신선가공시 세멘타이트의 소성변형을 증가시키기 때문이며, 그 함량범위는 0.3~1.0%로 하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기한 성분 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.
상기와 같은 조성범위를 가진 선재의 경우 그 선재의 인장강도가 1300MPa 이상이고 단면감소율이 35% 이상을 가지게 된다.
이하, 본 발명의 선재의 조직에 대하여 설명한다.
상기의 조성범위를 가지는 선재의 펄라이트 조직의 층상간격은 130nm 이하가 된다.
선재를 LP(Lead Patenting) 열처리한 후에는 펄라이트 조직의 층상간격이 50nm 이하가 된다.
펄라이트 조직의 층상간격이 작을수록 선재의 강도는 높아지게 된다.
이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 설명한다.
중량%로, C: 0.87~1.0%, Mn: 0.1~0.60%, Si: 0.3~1.0%, S: 0.010% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.011% 이하(0%를 포함하지 않음), Cr: 0.1~0.5%, N: 0.007% 이하(0%를 포함하지 않음), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 상기 Si, Cr의 함량이 다음의 수식, 0.6 ≤ Si+Cr ≤ 1.2 (Si 및 Cr은 해당원소의 중량%를 의미)을 만족하는 것을 특징으로 하는 선재를 균질화 처리 및 열간압연 온도확보를 위해 1100~1300℃로 가열하여 압연한 후 미세하고 균질한 펄라이트 조직을 얻기 위하여 10~20℃/s로 냉각한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[실시예1]
하기 표1과 같은 조성범위를 가지는 강편을 1100~1300℃로 가열하여 압연한 후 10~20℃/s로 냉각하여 제조한 선재의 인장강도(TS), 단면감소율(RA), 펄라이트 조직의 라멜라 층상간격을 측정하였다.
비교강1 내지 6은 선재의 인장강도가 1119~1249MPa의 값을 보이고, 단면감소율은 비교강1을 제외하고는 30%이하이다. 비교강1의 경우는 0.82C강으로 낮은 탄소함량으로 인해 단면감소율은 높으나, 강도가 1119MPa로 매우 작아 고강도강에는 적합하지 않음을 알 수 있다.
이에 비해 발명강1 내지 5는 1300MPa이상의 강도를 보이고 있으며, 단면감소율도 30 이상을 보이고 있다. 발명강1을 비교강4와 비교하면 Si의 함량을 증가시킨 결과 인장강도가 112MPa증가하고, 단면감소율이 6.6%증가함을 보여준다. 발명강1 내지 3에서 Si함량을 증가시킴에 따라 단면감소율의 큰 감소 없이 강도가 증가됨을 알 수 있다. 그러나, 비교강7의 경우는 1.5%Si의 첨가시 강도는 증가하지만, C가 1.0%를 초과하여 첨가되어 단면감소율이 19.3%로 급격히 감소하게 된다.
발명강4와 같이 Cr을 0.496%첨가한 경우에도 인장강도 1364MPa과 단면감소율 38.7%의 우수한 강도와 연성을 보여주고 있다.
또한, Si과 Cr의 함량의 합이 0.7~1.2중량%의 범위에서 1300MPa이상의 인장강도와 30%이상의 단면감소율을 보여주고 있다.
또한, 발명강5의 경우 비교강5와 비교하여 0.5중량%Ni 첨가시 인장강도가 79MPa증가하고, 단면감소율이 3.2%증가함을 보여준다.
상기의 발명강들은 선재상태의 펄라이트 조직의 라멜라 층상간격이 130nm이하를 특징으로 하고 있으며, 우수한 강도와 단면감소율이 이에 기인함을 알 수 있다.
구분 성분 (중량%) TS(MPa) RA(%) 층상간격 (nm)
C Mn Si Cr Ni Si+Cr
발명강1 0.92 0.297 0.513 0.200 - 0.713 1361 35.8 124
발명강2 0.97 0.294 0.513 0.200 - 0.713 1385 32.4 128
발명강3 0.92 0.294 0.995 0.198 - 1.193 1464 36.2 88
발명강4 0.96 0.296 0.304 0.496 - 0.800 1364 38.7 127
발명강5 0.96 0.297 0.300 0.301 0.500 0.601 1328 32.3 122
비교강1 0.82 0.296 0.180 - - 0.180 1119 35.6 132
비교강2 0.93 0.328 0.204 - - 0.204 1208 29.5 157
비교강3 0.98 0.297 0.214 - - 0.214 1216 25.0 142
비교강4 0.93 0.298 0.202 0.198 - 0.400 1240 29.2 139
비교강5 0.97 0.297 0.200 0.200 - 0.400 1249 29.1 145
비교강6 0.98 0.294 0.202 0.102 - 0.304 1219 25.6 134
비교강7 1.02 0.297 1.512 0.198 - 1.710 1512 19.3 132
[실시예2]
하기 표2에는 실시예1의 방법으로 제조된 선재를 1050℃에서 오스테나이징한 후 납조온도 550℃에서 LP 열처리한 강재의 인장강도와 라멜라 층상간격을 나타내었다.
발명강1은 비교강4와 비교하여 Si의 증가에 의해 인장강도가 88MPa 증가했음을 알 수 있다. 또한 탄소함량이 더 높은 비교강5에 비해서도 인장강도가 우수함을 보여준다. Si 및 Cr의 복합첨가에 의해 LP 열처리 후에도 우수한 강도를 보여주고 있으며, 이때 층상간격이 26nm로 비교강에 비해 반정도 됨을 알 수 있다. 이것은 Si 원소첨가시 공석온도를 상승시키고, 이에 따라 과냉도를 증가시킴으로써 핵생성속도가 빨라졌기 때문이다.
구분 　 성분 (중량%) 인장강도 (MPa) 층상간격 (nm)
C Mn Si Cr Si+Cr
발명강1 0.92 0.297 0.513 0.200 0.713 1483 26
비교강4 0.93 0.298 0.202 0.198 0.400 1395 51
비교강5 0.97 0.297 0.200 0.200 0.400 1403 54
[실시예3]
하기 표3에는 실시예1 및 실시예2의 방법으로 제조된 선재를 신선가공 후 선의 물성을 나타낸다. 신선가공은 3.2%이상의 동일한 변형율로 수행하였고, 최종 선 직경은 2.7mm이다.
발명강1의 경우 인장강도, 비틀림 회수, 피로 특성이 모두 비교강4와 비교강5에 비해 높은 수치를 가진다.
비틀림 회수의 경우 우수한 강도를 유지하면서도 선의 가공성 또는 연성을 나타내는데 발명강이 비교강에 비해 우수함을 알 수 있다. 우수한 연성은 선재의 신선가공시 단선율을 낮출 수 있으며, delamination이 억제되는 역할을 한다.
또한, 피로특성은 사용수명이 증가하고 내구성이 증가되는 것을 나타내는데 발명강이 약 2배의 값을 갖는다.
따라서, Si과 Cr의 복합첨가에 의한 선재가 신선가공 후에도 강도 뿐만 아니라 연성 및 피로특성이 우수함을 알 수 있다.
구분 인장강도 (MPa) 비틀림 횟수 (회) Hunter피로특성 (회)
발명강1 3870 52 119,270
비교강4 3830 45 72,000
비교강5 3860 44 66,000
도1은 C의 함량 증가에 따른 인장강도 및 단면감소율을 나타내는 그래프이다.
도2는 조성범위에 따른 신선용 선재의 인장강도 및 단면감소율을 나타내는 그래프이다.

Claims (7)

  1. 중량%로, C: 0.87~1.0%, Mn: 0.1~0.60%, Si: 0.3~1.0%, S: 0.010% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.011% 이하(0%를 포함하지 않음), Cr: 0.1~0.5%, N: 0.007% 이하(0%를 포함하지 않음), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 상기 Si, Cr의 함량이 다음의 수식, 0.6 ≤ Si+Cr ≤ 1.2 (Si 및 Cr은 해당원소의 중량%를 의미)을 만족하며, 펄라이트 조직을 포함하는 것을 특징으로 하는 강도와 연성이 우수한 신선용 선재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 선재는 Ni이 0.3~1.0중량%가 추가적으로 포함되는 것을 특징으로 하는 강도와 연성이 우수한 신선용 선재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 선재의 인장강도가 1300MPa 이상이고 단면감소율이 35% 이상인 것을 특징으로 하는 강도와 연성이 우수한 신선용 선재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 선재의 펄라이트 조직의 층상간격이 130nm 이하인 것을 특징으로 하는 강도와 연성이 우수한 신선용 선재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 선재를 LP(Lead Patenting) 열처리한 후 펄라이트 조직의 층상간격이 50nm 이하인 것을 특징으로 하는 강도와 연성이 우수한 신선용 선재.
  6. 제1항에 있어서, 상기 선재를 신선가공 후 비틀림 횟수가 50회 이상인 것을 특징으로 하는 강도와 연성이 우수한 신선용 선재.
  7. 중량%로, C: 0.87~1.0%, Mn: 0.1~0.60%, Si: 0.3~1.0%, S: 0.010% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.011% 이하(0%를 포함하지 않음), Cr: 0.1~0.5%, N: 0.007% 이하(0%를 포함하지 않음), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 상기 Si, Cr의 함량이 다음의 수식, 0.6 ≤ Si+Cr ≤ 1.2 (Si 및 Cr은 해당원소의 중량%를 의미)을 만족하는 것을 특징으로 하는 선재를 1100~1300℃로 가열하여 압연한 후 10~20℃/s로 냉각하는 것을 특징으로 하는 강도와 연성이 우수한 신선용 선재의 제조방법.
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