KR20110020256A

KR20110020256A - 고강도 극세 강선 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20110020256A
Application number: KR1020107028271A
Authority: KR
Inventors: 준 다까하시; 마꼬또 고사까; 준이찌 고다마; 도시미 다루이; 다마끼 스즈끼
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2010-04-21
Publication date: 2011-03-02
Also published as: JP4719320B2; US20110168302A1; CN102066599A; TW201102443A; WO2010150450A1; EP2447382A1; JPWO2010150450A1; CN102066599B; EP2447382A4; EP2447382B1; KR101260598B1; TWI412608B

Abstract

본 발명은, C : 0.7 내지 1.2질량％, Si : 0.05 내지 2.0질량％, Mn : 0.2 내지 2.0질량％의 화학 성분을 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물을 함유하는 강선이며, 상기 강선은 펄라이트 조직을 갖고, 상기 강선의 최외층의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도가 0.2질량％ 이하이고, 상기 최외층의 강선 길이 방향의 잔류 압축 응력이 600㎫ 이상인 강선을 제공한다.

Description

고강도 극세 강선 및 그 제조 방법 {HIGH-STRENGTH ULTRATHIN STEEL WIRE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 자동차용 타이어의 스틸 코드, 또는 소우 와이어 등에 사용되는 고강도 강선 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 다이스를 사용하여 냉간에서 신선 가공 강화된 선 직경 0.04 내지 0.4㎜, 강도 4500㎫급 이상의 극세 강선에 관한 것이다.

본원은 2009년 6월 22일에, 일본에 출원된 일본특허출원 제2009-148051호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

자동차 타이어에 사용되고 있는 스틸 코드에 있어서는, 타이어의 경량화의 요구로부터, 강선의 고장력화에 대한 요구가 높아지고 있다. 마찬가지로, 사파이어 결정이나 SiC 결정 등을 정밀하게 절단하기 위한 소우 와이어에 있어서도, 고장력화에 대한 요구가 높아지고 있다. 이와 같은 요구에 따르기 위해, 다수의 연구가 정력적으로 전개되었다. 그 결과, 강선의 고장력화에 추가하여, 충분한 연성이 확보될 필요가 있는 것이 명백하게 되었다. 연성 지표로서는 몇 개 있지만, 예를 들어 비틀림 시험에 의한 파단에 이르기까지의 비틀림 횟수나, 비틀림 시험 중에 강선의 길이 방향으로 발생하는 균열(디라미네이션)의 발생의 유무가 있다. 강선의 고강도화에는 연성의 저하가 수반되는 것이 큰 과제로 되어 있어, 이것을 억제하는 것이 중요하다. 또한, 고강도 강선은 실온 시효(20℃ 내지 40℃, 수일 내지 수년)에 의해, 특성이 열화되는 현상도 보여지므로, 양호한 연성이 실질적으로 시효에 의해 저하되지 않는 것도 중요하다.

고강도 강선은, 일반적으로는 펄라이트 조직을 갖는 선재를 다이스 등을 사용하여, 신선 가공을 행함으로써 제조되고 있다. 이 가공에 의해, 펄라이트 라멜라 간격이 작아지고, 또한 페라이트상 중에 다량의 전위가 도입됨으로써, 인장 강도가 증대된다. 이 신선 변형이 매우 커지면, 펄라이트 조직 중의 시멘타이트가 미세화되어 분해되는 것이 최근 명백하게 되어 있다. 그러나, 특히 조직이 미세하므로, 이들 탄소의 존재 위치 및 존재 상태와, 기계적 성질의 관계는 명백하게 되어 있지 않고, 특히 연성 열화의 원인에 대해 불분명한 점이 많았다. 실제의 고강도 강선에서는, 강선 내의 조직이나 국소적인 변형량은, 표면 영역과 중심 영역에서 반드시 동일하지는 않은 것 같아, 이것이 강선의 특성에도 영향을 미치고 있다고 생각된다.

극세 강선의 고강도화를 도모하기 위해서는, 최종 파텐팅 처리 후의 소선 강도를 증가시키거나, 또는 최종의 신선 가공 변형을 증가시킬 필요가 있다. 그런데, 최종 파텐팅 처리 후의 소선 강도, 또는 신선 가공 변형을 증가시켜 극세 강선의 고강도화를 도모해도, 강도가 4500㎫를 초과하면 연성의 저하가 현저해져, 실용화하는 것이 극히 곤란했었다.

이에 대해, 연성 저하가 적은 고강도화 수단의 종래의 지식으로서, 예를 들어 특허문헌 1, 특허문헌 2 및 특허문헌 3에는 각각 C, Si, Mn, Cr 등의 화학 성분을 규정한 고강도이고 고연성인 극세선용 고탄소강 선재가 제안되어 있다. 그러나, 이들 공보에 개시되어 있는 실시예로부터도 알 수 있는 바와 같이, 강선의 인장 강도는 최대라도 3500 내지 3600㎫로, 극세 강선의 고강도화에는 한계가 있었다.

또한, 특허문헌 4에는 화학 성분과 비금속 개재물 조직 및 초석 시멘타이트의 면적분율을 제어한 고강도강 고인성강 선재가 제안되어 있다. 또한, 특허문헌 5에는 강의 화학 성분과 최종 다이스에서의 감면율을 제어하는 고강도강 고인성 극세선강의 제조 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이들 기술에서도 인장 강도가 4500㎫ 이상이고 고연성을 갖는 극세 강선을 실현하는 것은 불가능했다.

또한, 스틸 코드의 특성이 펄라이트 조직 중의 페라이트상 중의 탄소 농도에 영향을 받는다고 하는 별도의 발견이 있어, 이들의 농도를 규정함으로써 강도와 연성의 밸런스를 향상시키는 지침이 개시되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 6에서는 강선 중의 탄소 농도를 규정함으로써, 양호한 특성을 얻으려고 하고 있다. 특허문헌 7에서는, 더욱 열처리를 연구함으로써, 바람직한 탄소 상태를 실현하여, 양호한 특성을 얻는 방법이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 8에서는 강선 중의 탄소 농도와 라멜라 간격을 규정함으로써, 양호한 특성을 얻으려고 하고 있다. 그러나, 이들은 모두, 강선 최외층(표면으로부터 깊이 2㎛까지의 영역)의 탄소 상태에 대해서는 언급하고 있지 않다. 이는, 당시의 기술에서는 실측(및 제어)할 수 없었던 것에 유래한다.

또한, 특허문헌 9에서는 탄소 농도의 편차에 대해 규정하고 있다. 또한, 특허문헌 10에서는 탄소 농도의 편차에 영향을 미치는 라멜라 간격의 차이의 정도를 규정하고 있다. 그러나, 이들은 전체의 편차에 대해 서술하고 있고, 특정한 개소의 탄소 농도를 규정하고 있는 것은 아니다. 한편, 특허문헌 11은 강선 표층부와 강선 중심부에 있어서의 페라이트상 중의 C 농도비를 규정함으로써, 양호한 특성을 얻기 위한 강선 및 강선의 제조 방법을 개시하고 있다. 그러나, 어디까지나 중심부와 표층부의 상대치로서의 규정이고, 명확한 지표로 하기 위한 절대치의 규정은 이루어져 있지 않다. 또한, 실측은 표면으로부터 10㎛ 이상 이격된 내부에서 이루어져 있고, 표면으로부터 2㎛까지의 영역(최외층)에 있어서의 C 농도는 제어되어 있지 않다.

한편, 강선 최외층의 잔류 응력에 대해서는, 특허문헌 12나 특허문헌 13에 있어서, 피로성이나 내종균열성의 관점으로부터 잔류 응력의 범위를 규정하고 있다. 그러나, 잔류 압축 응력이 바람직하다고 하면서, 그 값의 절대치는 작고, 매우 우수한 연성과 강도의 밸런스를 얻기 위한 범위의 규정은 아직 이루어져 있지 않다. 또한, 최외층의 탄소 상태와의 관계에 대해 개시된 예는 없다.

고강도 극세 강선의 연성을 담당하고 있는 것은 페라이트상의 연성이고, 페라이트상의 연성을 유지하면, 고강도에서도 연성이 확보된다. 그러나, 신선 가공 변형이 증가하면, 일반적으로 시멘타이트가 분해되어 C 원자가 페라이트상 중으로 확산되어, 페라이트상 중의 탄소 농도가 증가한다. 비특허문헌 1에는 냉연 강판에 있어서, 페라이트상 중의 탄소 농도가 증가한 경우, 인장 시험 중에 페라이트상에 있어서의 전위가 탄소에 의해 고착되는 동적 변형 시효가 발생하여, 현저한 연성 저하를 일으키는 것이 서술되어 있다.

[특허문헌 1] 일본공개특허 소60-204865호 공보 [특허문헌 2] 일본공개특허 소63-24046호 공보 [특허문헌 3] 일본공고특허 평3-23674호 공보 [특허문헌 4] 일본공개특허 평6-145895호 공보 [특허문헌 5] 일본공개특허 평7-113119호 공보 [특허문헌 6] 일본공개특허 평11-199980호 공보 [특허문헌 7] 일본공개특허 제2008-208450호 공보 [특허문헌 8] 일본공개특허 제2006-249561호 공보 [특허문헌 9] 일본공개특허 제2001-220649호 공보 [특허문헌 10] 일본공개특허 제2007-262496호 공보 [특허문헌 11] 일본공개특허 제2003-334606호 공보 [특허문헌 12] 일본공개특허 평11-199979호 공보 [특허문헌 13] 일본공개특허 제2001-279381호 공보

[비특허문헌 1] 일본 금속학회지 제45권 제9호 (1981) 942 내지 947

강선의 신선 가공 시에 신선 가공량을 매우 크게 함으로써, 종래 기술에 의해서도 장력의 고강도화는 도모되지만, 연성이 저하되는 문제는 피할 수 없었다. 본 발명은 이상과 같은 현상을 배경으로 하여, 4500㎫ 이상의 고강도이고, 또한 연성이 우수한 고강도 강선, 특히 고강도 극세 강선을 제공한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이하의 수단을 채용하였다.

(1) 본 발명의 제1 형태는, C : 0.7 내지 1.2질량％, Si : 0.05 내지 2.0질량％, Mn : 0.2 내지 2.0질량％의 화학 성분을 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물을 함유하는 강선이며, 상기 강선은 펄라이트 조직을 갖고, 상기 강선의 최외층의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도가 0.2질량％ 이하이고, 상기 최외층의 강선 길이 방향의 잔류 압축 응력이 600㎫ 이상인 강선이다.

(2) 상기 (1)에 기재된 강선에서는, Cr : 0.05 내지 1.0질량％, Ni : 0.05 내지 1.0질량％, V : 0.01 내지 0.5질량％, Nb : 0.001 내지 0.1질량％, Mo : 0.01 내지 0.1질량％, B : 0.0001 내지 0.01질량％의 1종 이상의 화학 성분을 더 함유해도 좋다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 강선이 4500㎫ 이상의 인장 강도를 갖는 고강도 극세 강선이라도 좋다.

(4) 상기 (3)에 기재된 고강도 극세 강선이 스틸 코드라도 좋다.

(5) 상기 (3)에 기재된 고강도 극세 강선이 소우 와이어라도 좋다.

(6) 본 발명의 제2 형태는, 4500㎫ 이상의 인장 강도를 갖는 강선의 제조 방법이며, C : 0.7 내지 1.2질량％, Si : 0.05 내지 2.0질량％, Mn : 0.2 내지 2.0질량％의 화학 성분을 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물을 함유하는 강선에 파텐팅 처리를 행하여 펄라이트 조직을 생성하는 파텐팅 공정과, 상기 강선의 최외층의 상기 펄라이트 조직에 있어서의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도를 0.2질량％ 이하로 제어하여 상기 강선을 신선하는 신선 공정과, 상기 강선에 600㎫ 이상의 잔류 압축 응력을 부여하는 잔류 응력 부여 공정을 구비하는 강선의 제조 방법이다.

본 발명에 의한 강선은, 펄라이트 조직을 갖는 강선의 최외층의 페라이트상 중심부의 탄소 농도가 제어되고, 또한 잔류 압축 응력이 부여되어 있으므로, 높은 강도와 연성을 발휘할 수 있다.

또한, 충분한 연성과 인장 강도를 갖는 고강도 강선을 제공하는 것이 가능해지므로, 제조물의 경량화가 가능해진다.

도 1은 4500㎫ 이상의 극세 강선의 표면의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도와 표면 잔류 응력과 연성의 관계에 대해 조사한 결과를 나타내는 도면이다.
도 2a는 극세 강선의 표면으로부터 1㎛ 내부의 영역의 침 시료를 취출하는 방법에 있어서의, 블록 잘라내기 공정을 도시하는 도면이다.
도 2b는 상기 블록을 침 받침대 상에 고정하는 공정을 도시하는 도면이다.
도 2c는 집속 이온 빔(FIB) 장치에 의해 가공한 상기 블록을 도시하는 도면이다.
도 2d는 상기 블록을 상부로부터 관찰한 도면이다.
도 2e는 상기 블록에 FIB 가공하여 얻어지는 침 시료를 위에서 관찰한 도면이다.
도 2f는 상기 침 시료를 옆에서 관찰한 도면이다.
도 3은 3차원 아톰 프로브법(3DAP)에 의해 측정된 C 분포와 페라이트상 중심부의 C 농도를 나타내는 도면이다.

본 발명자들은 고강도 강선의 연성의 지배 인자에 대해 다양하게 해석한 결과, 강가공된 신선 펄라이트 조직에 있어서의, 강선의 최외층에 있어서의 페라이트상 중의 탄소(이하, C라고 표기) 농도와, 강선 최외층의 강선 길이 방향의 잔류 응력이, 강선의 연성에 강하게 영향을 미치는 것을 새롭게 발견하였다. 이는, 굽힘이나 비틀림에 있어서는, 강선 최외층은 내부보다 강한 응력이 가해져 파괴의 기점으로 되기 때문이라고 생각된다. 최외층의 잔류 응력을 조사하는 방법은 이전부터 존재했지만, 강선의 표면으로부터 2㎛ 이내의 강선의 최외층의 페라이트상 중의 C 농도를 고정밀도로 측정하는 방법은 존재하고 있지 않았다. 금회 이 방법을 개발하여, 특성과의 관계를 조사한 바, 강선의 최외층의 페라이트상 중의 C 농도가 규정치 이하로 되고, 또한 동시에 강선 길이 방향의 잔류 응력이 압축으로 되어, 이 압축 응력이 특정치 이상으로 되도록 제어함으로써, 극세 강선의 강도와 연성의 밸런스가 대폭으로 개선되는 것을 발견하였다.

한편, 강선의 최외층은 강선의 내부에 대해, 보다 엄격한 가공을 받아, 마찰 발열 등에 의한 심한 온도 변화를 받는다. 따라서, 강선의 내부와는 명백하게 다른 조직 및 상태로 된다. 따라서, 시멘타이트 분해가 보다 진행되어, 최외층의 페라이트상 중의 C 농도는 강선 내부의 페라이트상 중의 C 농도에 비해, 일반적으로 높은 농도를 나타낸다. 강선의 최외층이 특성에 가장 강하게 관여하므로, 강도와 연성의 밸런스가 우수한 강선은 최외층의 조직 등의 제어에 의해, 거의 실현할 수 있는 것이 판명되었다.

고강도 강선은, 일반적으로는 펄라이트 조직을 갖는 선재를 다이스 등을 사용하여, 고신선 가공을 실시하여 강화함으로써 얻어진다. 그와 같은 고강도 강선의 제조 시, 고신선 가공 시에 발생한 고신선 변형에 의해, 펄라이트 조직 중의 시멘타이트가 미세화되어 분해되어 C가 페라이트상 중에 용해되는 현상이 발생한다.

본 발명자들은 미세화 영역의 C의 국소 농도를 측정할 수 있는 3차원 아톰 프로브법(이하, 3DAP라고 표기함)과 금회 처음으로 가능해진 강선 최외층으로부터의 침 시료 제작 기술을 조합하여, 강선 중의 모든 장소의, 페라이트상 중의 C 농도와 강선의 강도ㆍ연성의 관계를 상세하게 조사하였다. 그 결과, 특히 강선 표층부의 페라이트상 중의 C 농도가 높아지거나, 또는 동일한 최외층의 잔류 응력이 강선 길이 방향으로 인장되거나, 또는 약한 압축의 경우에 있어서, 연성이 현저하게 저하되는 것이 밝혀졌다(도 1 참조).

즉, 충분한 연성을 확보하기 위해서는, 강선 최외층의 탄소 상태와 잔류 응력이 적절한 범위 내에 들어 있는 것이 동시에 만족될 필요가 있는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 발견은, 금회, 강선 최외층의 C 국소 농도를 조사하는 방법이 새롭게 개발되어, 강선 최외층의 탄소 상태를 조사하는 것이 가능해져 처음으로 발견되었다.

이들의 발견으로부터, 충분한 연성이 확보된 강도 강선을 실현하기 위해서는, 강선 최외층의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도를 특정치 이하로 하고, 또한 표면의 강선 길이 방향의 잔류 응력을 충분한 크기의 압축 응력으로 하는 것이 필요하다는 결론에 도달했다.

또한, 본 발명자들은 다양한 제법에 의해 4500㎫ 이상의 인장 강도를 갖는 시료를 제작하여, 인장 강도 및 연성과, 표면의 펄라이트 조직의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도와 표면의 잔류 응력의 관계를 조사하였다. 강선 최외층의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도는 3DAP에 의해 측정하고, 잔류 응력은 X선 회절법에 의해 조사하였다. 인장 강도 측정은 인장 시험기에 의해 행하고, 연성 평가의 하나인 비틀림 시험은 비틀림 시험기에 의해 행하였다. 연성 지표로서 파단에 이르기까지의 비틀림 횟수를 측정하였다.

도 1은 강선 표면 아래 1㎛의 위치에 있어서의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도 및 강선 최표층의 강선 길이 방향의 잔류 응력과, 비틀림 시험에 의한 파단에 이르기까지의 비틀림 횟수로 나타낸 연성의 관계에 대해 조사한 결과를 나타낸다. 여기서, 비틀림 횟수가 20회 이상인 시료를 백색 원(연성이 양호)으로 나타내고, 또한 25회 이상의 시료를 백색 사각(연성이 매우 양호)으로 나타냈다. 또한, 20회 미만의 시료는 흑색 삼각(연성 불량)으로 나타냈다. 4500㎫ 이상의 인장 강도를 갖고 연성이 양호한 강선은, 강선 최외층의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도가 0.2질량％ 이하이고, 또한 잔류 응력이 －600㎫ 이하인 큰 압축으로 되어 있는 경우에만 관찰되었다. 또한, 연성이 매우 양호해지는 강선은 페라이트상 중심부의 평균 C 농도가 0.1질량％ 이하이고, 또한 잔류 응력이 －600㎫ 이하인 강한 압축 응력으로 되어 있는 경우에만 관찰되었다.

이상의 결과로부터, 고강도이고 또한 충분한 연성을 실현하기 위해, 강선 최외층의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도가 0.2질량％ 이하, 보다 바람직하게는 0.1 질량％ 이하이고, 또한 강선 최외층의 강선 길이 방향의 잔류 응력이 －600㎫, 보다 바람직하게는 －700㎫ 이하로 되는 것이 바람직하다. 평균 C 농도는 낮을수록 바람직하지만, 최종 파텐팅재의 펄라이트 조직의 페라이트상 중심부의 탄소 농도가, 원리적으로 최저인 탄소 농도로 된다. 따라서, 최외층의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도의 하한치를 0.0001질량％로 설정해도 좋다. 한편, 잔류 압축 응력의 최고치는 원리적으로 강선의 항복 응력에 상당하지만, 실질적으로 －3000㎫로 해도 좋다. 이것보다 큰 압축 응력을 인가하는 것은, 현저한 비용 증가로 연결되어 실용적이지 않다.

여기서, 강선 최외층이라 함은, 도금 상이나 표면의 이질상을 제외한, 표면으로부터 깊이 2㎛ 이내의 영역을 나타낸다. 또한, 강선 최외층의 펄라이트 조직의 페라이트상 중심부라 함은, 페라이트상의 중심면의 위치로부터 양측으로 페라이트상의 폭의 1/4의 거리까지를 포함하는 영역(페라이트상의 폭의 절반의 영역)을 의미한다.

상술한 발견에 기초하는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 강선은, C를 0.7 내지 1.2질량％, Si를 0.05 내지 2.0질량％, Mn을 0.2 내지 2.0질량％ 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물을 갖는 강선이다. 이 강선은 신선 가공된 펄라이트 조직을 갖고, 최외층의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도가 0.2질량％ 이하이고, 상기 강선의 최외층의 강선 길이 방향의 잔류 압축 응력이 600㎫ 이상인 것을 특징으로 한다. 이하에, 그 한정 이유를 상세하게 서술한다. 또한, 이하에 나타내는 「％」는 특별히 설명이 없는 한 「질량％」를 의미한다.

C : C는 파텐팅 처리 후의 인장 강도의 증가 및 신선 가공 경화율을 높이는 효과가 있고, 보다 적은 신선 가공 변형으로 인장 강도를 높이는 것이 가능해진다. C 함유량이 0.7％ 이하에서는 본 발명에서 목적으로 하는 고강도의 강선을 실현하는 것이 곤란해지고, 한편, 1.2％를 초과하면 파텐팅 처리 시에 초석 시멘타이트가 오스테나이트 입계에 석출하여 신선 가공성이 열화되어 신선 가공 중의 단선의 원인이 된다. 이로 인해, C 함유량의 범위는 0.7 내지 1.2％로 규정된다.

Si : Si는 펄라이트 중의 페라이트상을 강화시키기 위해, 또한 강의 탈산을 위해 유효한 원소이다. Si 함유량이 0.05％ 미만에서는 상기한 효과를 기대할 수 없고, 한편, 2％를 초과하면 신선 가공성에 대해 유해한 경질의 SiO₂계 개재물이 발생하기 쉬워진다. 이로 인해, Si 함유량의 범위는 0.05 내지 2.0％로 규정된다.

Mn : Mn은 탈산, 탈황을 위해 필요할 뿐만 아니라, 강의 켄칭성을 향상시켜 파텐팅 처리 후의 인장 강도를 높이기 위해 유효한 원소이다. 그러나, Mn 함유량이 0.2％ 미만에서는 상기한 효과가 얻어지지 않고, 한편, 2.0％를 초과하면 상기한 효과가 포화되고, 또한 파텐팅 처리 시의 펄라이트 변태를 완료할 때까지의 처리 시간이 지나치게 길어져 생산성이 저하된다. 이로 인해, Mn 함유량의 범위는 0.2 내지 2.0％로 규정된다.

상술한 본 발명의 일 실시 형태에 관한 강선은, 이하의 이유에 의해, Cr, Ni, V, Nb, Mo, B의 1종 이상을 더 포함해도 좋다.

Cr : Cr은 펄라이트의 시멘타이트상의 간격을 미세화하여 파텐팅 처리 후의 인장 강도를 높이는 동시에, 신선 가공 경화율을 향상시킨다. 그러나, Cr 함유량이 0.05％ 미만에서는 상기 작용의 효과가 적고, 한편, 1.0％를 초과하면 파텐팅 처리 시의 펄라이트 변태 종료 시간이 길어져 생산성이 저하된다. 이로 인해, Cr 함유량을 0.05 내지 1.0％의 범위에 들어가게 하는 것이 바람직하다.

Ni : Ni는 파텐팅 처리 시에 변태 생성되는 펄라이트를 신선 가공성이 양호한 것으로 하는 작용을 갖지만, Ni 함유량이 0.05％ 미만에서는 상기한 효과가 얻어지지 않고, 1.0％를 초과해도 첨가량에 적합한 만큼의 효과가 적다. 이로 인해, Ni 함유량을 0.05 내지 1.0％의 범위에 들어가게 하는 것이 바람직하다.

V : V는 펄라이트의 시멘타이트상의 간격을 미세화하여 파텐팅 처리 시의 인장 강도를 높이는 효과가 있지만, 이 효과는 V 함유량이 0.01％ 미만에서는 불충분하고, 한편, 0.5％를 초과하면 효과가 포화된다. 이로 인해, V 함유량을 0.01 내지 0.5％의 범위에 들어가게 하는 것이 바람직하다.

Nb : Nb는 V와 마찬가지로, 시멘타이트상의 간격을 미세화하여 파텐팅 처리 시의 인장 강도를 높이는 효과가 있지만, Nb 함유량이 0.001％ 미만에서는 불충분하고, 한편, 0.1％를 초과하면 효과가 포화된다. 이로 인해, Nb 함유량을 0.001 내지 0.1％의 범위에 들어가게 하는 것이 바람직하다.

Mo : Mo는 V와 마찬가지로, 시멘타이트상의 간격을 미세화하여 파텐팅 처리 시의 인장 강도를 높이는 효과가 있지만, Mo 함유량이 0.01％ 미만에서는 불충분하고, 한편, 0.1％를 초과하면 효과가 포화된다. 이로 인해, Mo 함유량을 0.01 내지 0.1％의 범위에 들어가게 하는 것이 바람직하다.

B : B는 N을 BN으로서 고정하여, N에 의한 시효 열화를 방지하는 작용 효과가 있고, 이 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는 강재 중의 B 함유량을 0.0001％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 한편, 강재 중의 B 함유량이 0.01％를 초과하도록 첨가해도 효과가 포화되어 더 이상의 B 함유는 제조 비용을 높이는 원인이 되므로 바람직하지 않다. 이 이유로 본 발명에서는 강재 중에 B를 함유시키는 경우에는, B의 함유량을 0.0001 내지 0.01％의 범위에 들어가게 하는 것이 바람직하다.

다른 원소는 특별히 한정하지 않지만, 불순물로서 함유되는 원소로서, P : 0.015％ 이하, S : 0.015％ 이하, N :0.007％ 이하가 바람직한 범위이다. 또한, Al은 0.005％를 초과하면, 강 중의 개재물 중에서 가장 경질인 Al₂O₃계 개재물이 생성되기 쉬워져, 신선 가공 혹은 연선 가공 시의 단선 원인이 되므로, 0.005％ 이하가 바람직한 범위이다.

또한, 상기 원소 이외에도 제조 공정 등에서 불가피하게 혼입되는 불순물이 함유되어도 좋지만, 가능한 한 불순물이 혼입되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

강가공된 극세선의 신선 펄라이트 조직에 있어서의, 강선 최외층의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도를 0.2질량％ 이하이고, 또한 충분한 양의 잔류 압축 응력을 부여하기 위해서는, 최종 파텐팅 처리 이후의 제조 공정에서, 하기의 A 그룹, B 그룹, C 그룹으로부터 각각 하나씩의 제법을 채용하는 것이 가장 유효하다. 가령 3개의 제법을 채용하는 것으로 해도, 하나의 그룹으로 치우쳐, 모든 그룹의 제법을 채용하지 않는 경우에는, 충분한 효과는 얻어지지 않는다. 또한, 동일한 그룹으로부터 2종류를 채용한 경우에는, 오히려 특성이 저하되는 경우가 있다. 모든 그룹으로부터의 제법을 채용하고, 또한 다른 하나의 제법을 어떤 그룹으로부터 채용했다고 해도, 그다지 효과는 얻어지지 않는다. 이는, 동일한 그룹에 있는 제법은, 기본적으로는 유사한 효과를 부여하는 것인 반면, 다른 제법을 추가한 경우에, 효과를 상쇄해 버릴 가능성이 있기 때문이다. 따라서 전술한 바와 같이, 각각의 그룹으로부터 하나씩 제법을 채용하는 것이 바람직하다.

(A 그룹 제법)

A1 : 최종단에 스킨 패스 공정을 1회, 바람직하게는 복수회 넣는다.

중요한 제법의 하나인 스킨 패스 신선은, 통상의 신선의 감면율(10％ 이상)보다도 특히 작은 감면율로 신선하는 방법이다. 이 감면율로서는, 1％ 이상 6％ 이하가 바람직하고, 2％ 이상 5％ 이하가 보다 바람직하다. 감면율이 1％에 미치지 않는 경우에는, 강선의 표층 전체에 가공을 가하는 것이 어려워지고, 또한 7％를 초과하는 경우에는, 가공량이 지나치게 커, 바람직한 표면의 잔류 압축 응력이나 페라이트상 중의 탄소 농도를 얻을 수 없게 된다. 이 스킨 패스 신선은 싱글 다이스 방식으로 단독으로 행해도 좋고, 또한 더블 다이스 방식으로 통상 신선과 동시에 행해도 좋다. 감면율이 1％ 내지 6％인 스킨 패스 공정을 최종단에 1회, 바람직하게는 복수회 넣음으로써, 강선 표면에 압축의 잔류 응력을 인가하는 동시에, 표면의 라멜라 구조를 보다 균일하게 할 수 있다. 이 표면의 적정한 잔류 압축 응력 인가와 전위에 고착한 탄소를 제거하는 효과에 의해, 탄소의 국소 고용량을 저감시키기 쉽게 하여, 최외층의 시멘타이트 분해를 억제한다.

A2 : 신선 가공 후에 숏피닝을 행한다.

숏피닝은 특정한 압력으로, 특정한 시간, 특정 사이즈의 구형의 숏을 강선 전체에 조사하여, 강선의 표면 영역에만 가공층이나 변형층을 만드는 방법이다. 숏피닝은, 예를 들어 공기 투사식으로 공기 압력 4 내지 5×10⁵㎩, 시간은 5 내지 10초가 바람직하고, 숏 구형은 10 내지 100㎛가 바람직하다. 강선의 표면 전체에 충분한 양의 조사를 행하는 것이 유효하다.

신선 가공 후에 숏피닝을 행함으로써, 강선 표면에 압축된 잔류 응력을 부여하는 동시에, 표면의 라멜라 구조를 보다 균일한 것으로 정렬시킨다. 이 표면의 적정한 잔류 압축 응력 인가와 전위에 고착된 탄소를 제거하는 효과에 의해, 탄소의 국소 고용량을 저감시켜, 최외층의 시멘타이트 분해를 억제한다.

(B 그룹 제법)

B1 : 최종단의 신선 속도를 200m/분 이하, 바람직하게는 50m/분 이하의 저속 신선으로 행한다.

저속 신선을 행함으로써, 마찰이나 소성 변형에 의한 가공 발열량을 작게 할 수 있고, 이에 의해 펄라이트 조직 중의 시멘타이트의 분해를 억제하여 페라이트상 중에 확산되는 탄소량을 줄일 수 있다.

B2 : 신선 가공 패스 사이에 40 내지 400℃의 온도의 가열 처리를 0.5초 내지 5분간, 보다 바람직하게는 100 내지 300℃의 온도로, 1초 내지 3분간 실시한다.

신선 가공에 의한 와이어 온도는 순시에 상승하고 즉시 강하한다. 이것과는 별도로, 적당한 온도의 가열 처리를 신선 가공 패스 사이에 실시함으로써, 신선 가공 중에 시멘타이트가 분해되어 페라이트상 중에 용해된 과포화된 탄소를, 패스 사이의 가열 처리에 의해 페라이트상으로부터 배출시켜 페라이트상 중의 C 농도를 저하시키는 동시에, 불필요한 점 결함(원자 공공 등)이나 전위를 소멸시킬 수 있다. 이에 의해, 연성을 회복하여 고변형량의 가공, 즉 페라이트상 간격의 미세화를 가능하게 한다. 단, 이 처리는 신선 가공 패스 사이 전체에 실시하는 것은 아니고, 특정 패스 사이에 실시하는 것이 유효하다.

B3 : 스킨 패스를 포함하는 최종단 및 그 하나 앞의 신선 공정에 있어서, 어프로치각이 8 내지 12°이고 동마찰 계수가 0.1, 바람직하게는 0.05 이하인 다이스를 사용한다.

어프로치각이 작고, 또한 동마찰 계수가 작은 다이스를 사용함으로써, 신선 가공 시의 마찰 발열을 억제하여, 최외층의 온도 상승에 의한 시멘타이트 분해에 의한 페라이트상 중의 C 농도의 증가를 억제한다. 이는 최종단에 가까운 공정에 있어서 사용하는 것이 유효하다.

(C 그룹 제법)

C1 : 신선 가공 후, 60 내지 300℃의 가열 유지를 0.1분 내지 24시간, 보다 바람직하게는 180 내지 260℃로 20초 내지 15분 실시한다.

신선 가공 중 또는 가공 후의 시효에 의해, 시멘타이트가 분해되어 페라이트상 중에 용해된 과포화된 탄소를 배출시켜, 페라이트상 중의 탄소 농도를 저하시킨다. 단, 이 온도가 지나치게 높은 경우에는, 구 형상 시멘타이트나 천이 탄화물이 형성되고, 지나치게 낮은 경우에는 효과가 작다. 강재 종류, 신선 조건에 따라서 적합한 온도로 설정할 필요가 있다.

C2 : 최종단 앞의 3단을 제외한 신선 가공 중에 20％ 이상의 큰 감면율의 공정을 1회, 바람직하게는 복수회 넣는다.

20％ 이상의 큰 감면율의 공정을 1회, 바람직하게는 복수회 넣음으로써, 신선 변형을 표면에 치우치게 하지 않고, 내부까지 균일하게 변형을 넣을 수 있다. 이는, 최종단 앞의 3단보다 앞에 행하는 것이 유효하다.

강선 중의 페라이트상 중의 C 농도는 3차원 아톰 프로브법(3DAP)에 의해 정확하게 측정하는 것이 가능하다. 그러나, 종래에는 강선의 최외층의 신선 펄라이트 조직 중의 페라이트상 중의 C 농도를 측정할 수는 없었다. 집속 이온 빔(FIB) 장치를 사용하여, 강선 표면으로부터 작은 조각을 잘라내고, 이것을 FIB에 의해 가공함으로써 침 시료를 제작하는 기술을 개발한 것으로, 최외층의 탄소 농도를 고정밀도로 측정할 수 있게 되었다.

고용 C 농도는 페라이트상 중의 위치의 차이에 따라서 다른 값을 나타내는 경우가 있으므로 주의가 필요하다. 시멘타이트가 분해되어 C가 페라이트상 중에 확산된 경우, 일반적으로는, 페라이트상/시멘타이트상의 계면 위치에서의 C 농도가 높고, 페라이트상 중심 위치에서 가장 값이 작아진다. 본 실시 형태에서는, 페라이트상의 중심면의 위치로부터 양측으로 페라이트상의 폭의 1/4의 거리까지를 포함하는 영역(페라이트상의 폭의 절반의 영역)의 평균 C 농도가 규정된다.

3DAP로 분석함으로써, 페라이트상/시멘타이트상의 계면을 포함하는 페라이트상 중의 C 농도의 측정이 가능하므로, 측정 데이터로부터 조사하고 싶은 영역에 특정한 사이즈의 박스를 선택하여, 잘라냄으로써, 박스 내의 C 원자와 전체 원자의 비율을 계산하여, 페라이트상 중의 C 농도를 원자％로 구할 수 있다. 이것에 12/56을 곱함으로써 질량％로 변환할 수 있다. 이와 같은 측정을 복수의 페라이트상 중심부에 대해 행해 평균을 구하고, 이것을 페라이트상 중심부의 평균 C 농도로 하였다.

일례로서, 도 2a 내지 도 2f에는 강선 표면으로부터 1㎛ 내부의 페라이트상 중심부의 C 농도를 측정하기 위한 침 시료의 제작 방법을, 도 3에는 제작된 침 시료를 사용하여 3DAP에 의해 측정된 C 분포와 페라이트상 중심부의 C 농도를 각각 나타냈다.

강선 표면으로부터 1㎛ 내부의 영역의 침 시료를 제작하기 위해, 예를 들어 도 2a에 도시한 바와 같이, 강선 표면 영역으로부터, 강선 표면을 편측에 포함하는 막대 형상의 블록을 FIB로 잘라낸다. 이 블록을, 예를 들어 텅스텐 등의 증착(deposition)을 이용하여, 도 2b에 도시한 바와 같이 침 받침대 상에 고정한다. 이 블록을, 도 2c에 도시한 바와 같이 선단부가 가늘어지도록 FIB에 의해 가공한다. 도 2d는 가공 후의 블록을 상부로부터 관찰한 도면으로, 선단부가 강선 표면을 포함하는 막대 형상으로 되어 있는 것을 알 수 있다. 그 후, 상부로부터 링 형상의 빔을 조사함으로써, 선단부를 침형상으로 가공하였다. 도 2f는 이와 같이 하여 만들어진 침 시료를 옆에서 관찰한 도면이다. 침 선단 위치는, 도 2e에 도시된 바와 같이, 강선 표면으로부터 1㎛ 내부에 상당하도록 제작되었다. 이와 같은 침 시료 제작 기술을 사용함으로써, 강선 최외층의 침 시료를 제작할 수 있다.

또한, 도 3에 있어서, 색이 짙은 부분은 C 농도가 높고 색이 옅은 부분은 C 농도가 낮은 것을 나타낸다. 따라서, 색이 짙은 띠 형상의 영역은 신선 가공을 받은 시멘타이트상을 나타내고, 그들 사이의 색이 옅은 영역은 신선 가공을 받은 페라이트상을 나타낸다. 페라이트상 중에도 C는 고용되어 있는 모습이 도시되어 있다.

도면에 도시한 바와 같이, 페라이트상의 중심 위치로부터 박스를 잘라내어, 이 박스에 포함되는 C 원자 수를 박스 중의 전체 원자 수로 나눔으로써, 페라이트상 중심부의 탄소 농도를 예상할 수 있다. 이 예에서는, C 농도는 0.18질량％이다. 페라이트상 중심부는 2개의 시멘타이트상의 중간부에 위치하고, 페라이트상의 중심면의 위치로부터 양측으로 페라이트상의 폭의 1/4의 거리까지를 포함하는 영역(페라이트상의 폭의 절반의 영역)에 상당한다.

페라이트상의 폭은 가공량이나 시료의 장소에 따라서 반드시 일정하지는 않아, 좁은 부분에서는 10㎚ 이하의 영역도 존재한다. 박스 위치에 시멘타이트 영역을 포함해 버리면, 페라이트상 중의 실제의 C 농도보다도 높아져 버린다. 따라서, 분석하는 박스 위치는 페라이트상 중심부로 하고, 박스 폭은 페라이트상의 폭의 절반으로 하였다. 또한, 평균 C 농도의 예상으로서는, 5개 이상 바람직하게는 10개 이상의 다른 페라이트상 중심부의 C 농도의 측정치의 평균으로 한다.

강선 최외층의 잔류 응력은, 예를 들어 X선 회절법에 의해 고정밀도로 측정할 수 있다. 특히, 국소 영역을 측정할 수 있는 미소 영역 X선 회절 장치를 사용하여 디바이 링(debye ring) 피팅법에 의해 정확하게 측정할 수 있다. 이 방법은 강선의 결정립의 반사를 디바이 링으로서 피팅하고, 디바이 링의 변형으로부터, 잔류 응력의 크기 방향을 조사하는 방법이다. X선의 침투 깊이로부터 표면을 포함하는 깊이 영역이 결정된다. 예를 들어, X선원을 Cr으로 한 경우에는, 표면 수㎛의 깊이의 적산치가 얻어진다. 또한, 강선 표면의 잔류 응력을 조사하는 다른 방법으로서는 수시 용해법[헤인법(Heyn method)]이 있다. 이는, 조사하고 싶은 최외층을 용해시키기 전후의 강선의 길이의 차이를 측정함으로써, 강선 길이 방향의 잔류 응력을 조사하는 방법이다. 이들의 방법은 모두, 집합 조직이 발달한 고강도 강선의 잔류 응력을 고정밀도로 구할 수 있다.

(실시예)

이하, 실시예에 의해 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 더욱 구체적으로 설명한다.

표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 시험 제공재를 열간 압연으로 소정의 선 직경으로 한 후, 연욕을 사용하여 파텐팅 처리, 신선 가공을 행하여, 인장 강도가 4500㎫ 이상으로 되도록, 선 직경이 0.04 내지 0.40㎜인 브라스 도금을 갖는 신선 펄라이트 조직으로 이루어지는 고강도 극세선강을 시작하였다. 브라스 도금은 최종 파텐팅 처리한 후의 산세 후에 실시하였다.

표 2에, 극세 강선의 신선 가공 진변형, 제조 방법, 선 직경, 강선 최외층의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도, 강선 최외층의 잔류 응력, 인장 강도 및 비틀림 시험에 있어서의 파단에 이르기까지의 비틀림 횟수를 나타낸다. 표 2에 있어서, 제조 방법을 전술한 내용을 나타내는 기호로 나타냈다. 비틀림 시험은 시험편의 양단부 선 직경의 100배인 홀딩 간격으로 고정하여, 파단될 때까지의 비틀림 횟수를 조사하였다. 인장 강도가 4500㎫ 이상이고 또한 비틀림 횟수가 20회 이상인 것을 연성이 양호, 25회 이상인 것을 연성이 매우 양호라고 평가하였다. 강선 최외층의 페라이트상 중의 C 농도는 전술한 방법을 사용하여 3DAP에 의해 표면 1㎛ 위치를 측정하고, 강선 최외층의 강선 길이 방향의 잔류 응력은 전술한 디바이 링 피팅법에 의해 측정하였다. 잔류 응력이 부(負)인 경우에는 압축 응력을 나타내고, 정인 경우에는 인장 응력을 나타낸다.

표 2에 있어서 시험 번호 1 내지 6이 본 발명예이고, 그 이외는 비교예이다. 표 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명예는 모두 인장 강도가 4500㎫ 이상인 동시에, 최외층의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도가 0.2질량％ 이하, 잔류 응력이 －600㎫ 이하(잔류 압축 응력이 600㎫ 이상)로 되어 있다. 이 결과, 비틀림 횟수가 높은 충분한 연성을 갖는 극세 강선을 실현할 수 있다. 특히 시험 번호 1 내지 2는 비틀림 횟수가 25회 이상으로 매우 양호하게 되어 있었다.

한편, 시험 번호 7 내지 20은 비교예로, 인장 강도가 4500㎫ 이상으로 되어 있지만, 비틀림 횟수는 불충분했다.

번호 7 내지 9는 강선의 성분이 본 발명의 범위 외에 있는 비교예이다. 번호 7은 강선의 C량이 지나치게 적으므로, 또한 신선 변형량을 높였으므로, 페라이트상 중심부의 C 농도가 규정치 이상으로 되어, 연성이 저하되었다. 또한, 번호 8은 강선의 Si량, 번호 9는 C량이 본 발명의 범위보다 높은 비교예이다. 이들 비교예에서는, 잔류 응력 및 페라이트상 중심부의 C 농도가 규정 범위 내에 있지만, 연성이 저하되었다.

또한, 번호 10 내지 13은 강선의 성분과 잔류 응력은 본 발명의 범위 내에 있지만, 최외층의 페라이트상 중심부의 C 농도가 규정치 이상인 비교예이다. 이들 비교예에서는 연성이 저하되었다. 번호 14 내지 16은, 강선의 성분과 페라이트상 중심부의 C 농도는 본 발명의 범위 내에 있지만, 잔류 응력이 범위 외에 있는 비교예이다. 이들의 비교예에서는 연성이 저하되었다. 번호 17 내지 20은 최외층의 페라이트상 중심부의 C 농도와 잔류 응력이 모두 범위 외에 있는 비교예이다. 이들 비교예에서는 연성이 저하되었다.

본 발명에 의해, 충분한 연성을 갖는 고강도 강선의 제공이 가능해지므로, 산업상에 미치는 공헌은 매우 크다.

Claims

C : 0.7 내지 1.2질량％,
Si : 0.05 내지 2.0질량％,
Mn : 0.2 내지 2.0질량％
의 화학 성분을 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물을 함유하는 강선이며,
상기 강선은 펄라이트 조직을 갖고,
상기 강선의 최외층의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도가 0.2질량％ 이하이고,
상기 최외층의 강선 길이 방향의 잔류 압축 응력이 600㎫ 이상인 것을 특징으로 하는, 강선.
제1항에 있어서, Cr : 0.05 내지 1.0질량％,
Ni : 0.05 내지 1.0질량％,
V : 0.01 내지 0.5질량％,
Nb : 0.001 내지 0.1질량％,
Mo : 0.01 내지 0.1질량％,
B : 0.0001 내지 0.01질량％
의 1종 이상의 화학 성분을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 강선.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강선이 4500㎫ 이상의 인장 강도를 갖는 고강도 극세 강선인 것을 특징으로 하는, 강선.
제3항에 있어서, 상기 고강도 극세 강선이 스틸 코드인 것을 특징으로 하는, 강선.
제3항에 있어서, 상기 고강도 극세 강선이 소우 와이어인 것을 특징으로 하는, 강선.
4500㎫ 이상의 인장 강도를 갖는 강선의 제조 방법이며,
C : 0.7 내지 1.2질량％, Si : 0.05 내지 2.0질량％, Mn : 0.2 내지 2.0질량％의 화학 성분을 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물을 함유하는 강선에 파텐팅 처리를 행하여 펄라이트 조직을 생성하는 파텐팅 공정과,
상기 강선의 최외층의 상기 펄라이트 조직에 있어서의 페라이트상 중심부의 평균 C 농도를 0.2질량％ 이하로 제어하여 상기 강선을 신선하는 신선 공정과,
상기 강선에 600㎫ 이상의 잔류 압축 응력을 부여하는 잔류 응력 부여 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는, 강선의 제조 방법.