KR20110074791A

KR20110074791A - 고강도이고 연성 및 내피로성이 우수한 탄소강 선재, 그의 제조 방법 및 평가 방법

Info

Publication number: KR20110074791A
Application number: KR1020117012105A
Authority: KR
Inventors: 와따루 시미즈
Original assignee: 가부시키가이샤 브리지스톤
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2011-07-01
Also published as: ES2529299T3; EP2351621B1; US9403200B2; WO2010050596A1; CN102202808A; KR101579338B1; JPWO2010050596A1; EP2351621A4; JP5523332B2; EP2351621A1; US20110206552A1; CN102202808B

Abstract

전례 없이 고강도이고 연성 및 내피로성이 우수한 탄소강 선재, 그의 제조 방법 및 평가 방법을 제공한다. 탄소 함유량이 0.50 내지 1.10질량%인 탄소강 선재(1)의 크로스 단면(12)의 표층부(13)에서의 경도와 롱 단면(2)의 표층부(3)에서의 경도의 비인 계수 X(크로스 단면 경도/롱 단면 경도), 및 크로스 단면(12)의 중심부(14)의 경도와 롱 단면(2)의 중심부(4)에서의 경도의 비인 계수 X(크로스 단면 경도/롱 단면 경도)가 모두 다음 식, 0.9<계수 X≤1.10으로 표현되는 관계를 만족하고, 또한 4000MPa 이상의 항장력을 갖는 탄소강 선재이다.

Description

고강도이고 연성 및 내피로성이 우수한 탄소강 선재, 그의 제조 방법 및 평가 방법{CARBON STEEL WIRE WITH HIGH STRENGTH AND EXCELLENT DUCTILITY AND FATIGUE RESISTANCE, PROCESS FOR PRODUCING SAME, AND METHOD OF EVALUATION}

본 발명은, 고강도이고 연성 및 내피로성이 우수한 탄소강 선재(carbon steel wire), 그의 제조 방법 및 평가 방법에 관한 것이다.

공기 타이어나 공업용 벨트 등의 고무 제품에 있어서 이들을 경량화하고, 내구성을 향상시키기 위해, 보강재로서 사용되는 스틸 코드에 높은 인장 강도와 우수한 내피로성이 요구되고 있다. 또한, 현재 사용하는 스틸 코드의 사용량을 저감시키면서, 현 상황과 동등한 타이어 강도를 실현하기 위해, 보강재로서의 스틸 코드의 하나하나의 스틸 필라멘트의 항장력을 높이는 것이 요구되고 있다.

이러한 요청에 따르기 위해, 다양한 관점에서 많은 연구, 보고가 이루어지고 있고, 고항장력화를 도모하는 데 있어서, 강선재의 연성을 높이는 것이 중요한 것으로 알려져 있다. 따라서, 고항장력화를 실현하기 위해 강선재의 연성 등의 특성을 평가하는 것이 행해지는데, 예를 들어 탄소강 선재의 연성 등의 특성을 경도로 평가하는 경우, 종래법에서는 크로스 단면에서의 경도 분포를 사용하여 평가하는 방법이 채용되어 왔다.

예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 고탄소강 선재의 강선 중의 경도 분포가 R=0, R=0.8, R=0.95에 있어서, 0.960≤HV≤1.030의 조건(R은 강선의 반경을 r₀, 강선의 임의의 위치와 중심간의 거리를 r로 한 경우, R=r/r₀이고, HV는 R=0.5의 위치의 경도를 HV_0.5로 하고 위치 R의 경도를 HV_R로 한 경우, HV=HV_R/HV₀ _.5임)을 만족함으로써 고강도를 실현할 수 있는 고강도 강선이 개시되어 있다. 또한, 하기 특허문헌 2에서는, 고탄소강 선재의 와이어 단면에 있어서의 비커스 경도 분포가 표면으로부터 와이어 직경의 4분의 1 이내의 중심부를 제외한 내부까지 실질적으로 플랫하게 함으로써 초고강도이면서도 고인성을 얻을 수 있는 것이 보고되어 있다.

또한, 최종 습식 신선(wire drawing) 공정에 있어서 고연성, 높은 내피로성을 실현하기 위한 제조 방법도 다양하게 제안되고 있다. 예를 들어, 하기 특허문헌 3에서는, 범용의 스틸 코드용 선재에 의해서도 높은 품질의 강선을 얻는 것을 목적으로 하여, 스틸 코드의 원료 선재에 가해지는 가공 왜곡에 의해 최종 신선 공정의 각 감면율을 각각 소정 범위 내로 조정하는 것이 보고되어 있다. 또한, 하기 특허문헌 4에서는, 높은 비틀림 연성을 갖는 고항장력 스틸 와이어를 얻는 것을 목적으로 하여, 최종 습식 신선 공정에 있어서, 개개의 다이스의 감면율을 약 15% 내지 약 18%의 일정한 감면율로 신선 가공하는 것이 보고되어 있다.

일본 특허 공개 평8-156514호 공보(특허 청구 범위 등) 일본 특허 공개 평8-311788호 공보(특허 청구 범위 등) 일본 특허 공개 평7-305285호 공보(특허 청구 범위 등) 일본 특허 공개 평5-200428호 공보(특허 청구 범위 등)

그러나, 종래의 방법은, 고탄소강 선재의 고항장력화를 도모하는 데 있어서 반드시 충분하다고는 할 수 없었다. 예를 들어, 크로스 단면의 경도는, 컬드 그레인(curled grain; 펄라이트 조직이 신선에 의해 망가진 조직)의 영향을 받기 때문에, 측정 개소에 따라 차이가 발생하기 쉽고 편차가 커져, 특성을 평가하기에는 신뢰성이 부족하다고 사료된다. 따라서, 상기 특허문헌 1이나 특허문헌 2에 있어서도, 신선 가공된 금속 선재의 크로스 단면만의 경도 분포를 평가하고 있기 때문에, 컬드 그레인 조직의 편차를 고려하지 않은 채 평가하게 되어, 그의 특성을 평가하기에는 반드시 충분하다고는 할 수 없었다.

또한, 상기 특허문헌 3이나 특허문헌 4와 같이, 최종 신선 공정에서 고연성, 고 내피로성 등을 얻기 위해 다이스의 감면율(가공량)만을 조정해도, 실제 가공 시의 신선 조건은 감면율뿐만 아니라 다이스/와이어 사이에서의 마찰의 상태나 강재의 항장력 등에도 영향을 받기 때문에, 고연성, 고내피로성의 스틸 코드의 제조 방법으로서는, 역시 반드시 충분하다고는 할 수 없었다.

따라서 본 발명의 목적은, 전례 없이 고강도이고 연성 및 내피로성이 우수한 탄소강 선재, 그의 제조 방법 및 평가 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 탄소강 선재는, 탄소 함유량이 0.50 내지 1.10질량%인 탄소강 선재의 길이 방향에 직교하는 단면(크로스 단면)의 표층부에서의 경도와 길이 방향의 단면(롱 단면)의 표층부에서의 경도의 비인 계수 X(크로스 단면 경도/롱 단면 경도), 및 상기 크로스 단면의 중심부에서의 경도와 상기 롱 단면의 중심부에서의 경도의 비인 계수 X(크로스 단면 경도/롱 단면 경도)가 모두 다음 식,

0.9<계수 X≤1.10

으로 표현되는 관계를 만족하고, 또한 4000MPa 이상의 항장력을 갖는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 본 발명의 탄소강 선재의 제조 방법은, 상기 본 발명의 탄소강 선재를 제조하는 데 있어서, 최종 습식 신선 공정에서, 탄소 함유량이 0.50 내지 1.10질량%이고 또한 펄라이트 조직을 갖는 탄소강 선재를 각 다이스에서 신선 가공할 때, 다이스 항력과 다이스의 출구 선 직경으로 이루어지는 다음 식,

계수 A=(다이스 항력(kgf)/다이스 출구 선 직경(mm)²)

로 표현되는 계수 A가 95를 초과하는 다이스의 개수가 2개 이하이고, 최종 습식 신선 공정에서 2.5보다 큰 가공 왜곡 ε을 가하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 제조 방법에 있어서는, 최종 습식 신선 공정에 있어서, 모든 다이스에 대하여 계수 A가 90 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 탄소강 선재의 연성 평가 방법은, 탄소강 선재의 연성을 평가하는 데 있어서, 상기 탄소강 선재의 길이 방향에 직교하는 단면(크로스 단면)의 표층부에서의 경도와 길이 방향의 단면(롱 단면)의 표층부에서의 경도의 비인 계수 X(크로스 단면 경도/롱 단면 경도), 및 상기 크로스 단면의 중심부에서의 경도와 상기 롱 단면의 중심부에서의 경도의 비인 계수 X(크로스 단면 경도/롱 단면 경도)가 모두 다음 식,

0.9<계수 X≤1.10

으로 표현되는 관계를 만족하는지의 여부에 의해 연성을 평가하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 따르면, 전례 없이 고강도이고 연성 및 내피로성이 우수한 탄소강 선재를 얻을 수 있다. 또한, 탄소강 선재의 연성을 적합하게 평가할 수 있어, 연성이 좋은 것을 확실하게 얻을 수 있다.

도 1의 (A)는 강선재의 롱 단면의 경도 측정 개소를 도시하는 설명도이다.
도 1의 (B)는 강선재의 크로스 단면의 경도 측정 개소를 도시하는 설명도이다.
도 2는 루프 강도 유지율을 측정하기 위한 설명도이다.
도 3은 실시예 1 내지 3 및 비교예 1, 2의 크로스 단면 경도/롱 단면 경도인 계수 X(중심부), 및 크로스 단면 경도/롱 단면 경도인 계수 X(표층부)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 패스 스케줄로서, 각 패스와 계수 A의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 탄소강 선재는, 탄소 함유량이 0.50 내지 1.10질량%, 바람직하게는 0.85 내지 1.10질량%인 고탄소강 선재이다. 탄소 함유량이 0.50질량% 미만이면 초석 페라이트(proeutectoid ferrite)가 석출되기 쉬워져 금속 조직적 불균일을 초래하고, 또한 고강도를 얻기 위한 총 신선 가공량이 커진다. 한편, 탄소 함유량이 1.10질량%를 초과하면, 결정립계에 초석 시멘타이트(proeutectoid cementite)가 석출되기 쉬워져, 금속 조직적 불균일을 초래하게 된다.

또한, 본 발명의 탄소강 선재는, 탄소강 선재의 길이 방향에 직교하는 단면(크로스 단면)의 표층부에서의 경도와 길이 방향의 단면(롱 단면)의 표층부에서의 경도의 비인 계수 X(크로스 단면 경도/롱 단면 경도), 및 상기 크로스 단면의 중심부에서의 경도와 상기 롱 단면의 중심부에서의 경도의 비인 계수 X(크로스 단면 경도/롱 단면 경도)가 모두 다음 식,

0.9<계수 X≤1.10

으로 표현되는 관계를 만족하는 것이 중요하다.

신선된 탄소강 선재에 있어서, 롱 단면 경도는 컬드 그레인에 영향받지 않고, 라멜라의 배열에 의해 경도가 정해지기 때문에, 편차 없이 평가할 수 있다. 따라서, 롱 단면의 경도를 기준으로 하여, 크로스 단면 경도와의 비인 계수 X를 평가 함으로써, 보다 타당성이 있는 특성값 평가를 할 수 있다고 생각되고, 평가 시험을 실시한 바, 선재 중심부의 경도비인 계수 X가 0.90보다 클 때, 연성이 좋은 것을 얻을 수 있다는 것이 확인되었다. 따라서, 하한을 0.90으로 했다. 한편, 상한값에 대해서는, 평가 시험의 결과, 선재 표층부의 경도비인 계수 X가 1.04일 때, 연성이 가장 좋은 것이 얻어지고, 계수 X가 1.10에 있어서도 양호한 연성이 얻어진 점에서, 1.10으로 했다.

여기서, 롱 단면 경도는, 도 1의 (A)에 도시한 탄소강 선재(1)의 단면(2)에 있어서, 표층부(3)와 중심부(4)에서 측정되고, 또한 크로스 단면 경도는, 도 1의 (B)에 도시한 탄소강 선재(1)의 단면(12)에 있어서, 표층부(13)와 중심부(14)에서 측정된다. 이러한 경도로서, 예를 들어 비커스 경도를 적절하게 채용할 수 있다.

또한, 본 발명의 탄소강 선재에 있어서는, 4000MPa 이상의 항장력을 실현 가능하게 한 것에 의해, 사용하는 스틸 코드의 사용량을 저감시키면서 현 상황과 동등한 타이어 강도를 실현하는 것이 가능하게 된다.

이어서, 상술한 본 발명의 탄소강 선재의 제조 방법에 대하여 설명한다. 본 발명의 제조 방법에서는, 최종 습식 신선 공정에 있어서, 탄소 함유량이 0.50 내지 1.10질량%이고 또한 펄라이트 조직을 갖는 탄소강 선재를 각 다이스에서 신선 가공할 때 다이스 항력과 다이스의 출구 선 직경으로 이루어지는 다음 식,

계수 A=(다이스 항력(kgf)/다이스 출구 선 직경(mm)²)

로 표현되는 계수 A가 95를 초과하는 다이스의 개수를 2개 이하로 하고, 최종 습식 신선 공정에서 2.5를 초과하는 가공 왜곡 ε을 가하는 것이 중요하며, 바람직하게는 모든 다이스에 대하여 계수 A가 90 이하로 되도록 한다.

본 발명과 같이, 최종 습식 신선 공정에 있어서 감면율뿐만 아니라, 상기 계수 A를 평가함으로써 강재 종류, 항장력, 선 직경, 마찰 계수 등, 모든 신선 조건을 망라한 평가가 가능하게 된다. 그 결과, 스틸 코드의 품질, 물성에 영향을 미치는 모든 인자를 포함한 조건을 나타내는 것이 가능하게 되어, 지금까지의 감면율뿐인 조건보다, 더 구체적인 신선 조건을 나타낼 수 있다.

본 발명에 있어서, 이 계수 A가 95를 초과하는 다이스의 개수를 2개 이하로 하는 것은, 더 이상의 신선 조건에서 신선 가공을 행하면 가공량, 마찰의 관계로부터 강재의 조직이 물러져, 연성 및 내피로성이 저하되기 때문이다. 한편, 계수 A의 하한은, 너무 지나치게 낮으면 다이스에서의 신선 가공이 불균일해지기 때문에, 헤드 다이스 3개 이후에는 30 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 비, 즉, 계수 X(크로스 단면 경도/롱 단면 경도)가 다음 식,

0.9<계수 X≤1.10

으로 표현되는 관계를 만족시키는 것은, 특히 최종 습식 신선 공정에서 펄라이트 조직이 신선 방향으로 배향되고, 크로스 방향 조직에서 컬드 그레인이 치밀하게 형성되는 가공 왜곡 2.5 이후를 만족시키는 것이 바람직하다. 또한, 가공 왜곡 ε은, 다음 식

ε=2·ln(D0/D1)

(식 중, D0은 신선 가공 개시측의 강선재의 직경(mm), D1은 신선 가공 종료측의 강선재의 직경(mm)을 나타냄)에 의해 구해진다.

0.9<계수 X≤1.10

으로 표현되는 관계를 만족하는지의 여부에 의해 연성을 평가한다.

상술한 바와 같이, 경도비, 즉, 계수 X(크로스 단면 경도/롱 단면 경도)를 평가하여, 상기 범위 내의 값을 갖는 것을 선정함으로써, 연성이 좋은 것을 확실하게 얻을 수 있다.

또한, 다이스의 형상으로서는, 강선재의 신선에 일반적으로 사용되고 있는 형상을 적용할 수 있는데, 예를 들어 어프로치각(approach angle)이 8° 내지 12°, 베어링 길이가 0.3D 내지 0.6D 정도인 것을 사용할 수 있다. 또한, 다이스의 재질에 대해서도 소결 다이아몬드 다이스 등에 제한되는 것이 아니고, 저렴한 초경합금 다이스도 사용할 수 있다.

또한, 신선 가공에 제공하는 강선재로서는, 균일성이 양호한 고탄소강 선재를 사용하는 것이 바람직하고, 강선재 표층부의 탈탄(decarbonation)을 억제하면서, 초석 시멘타이트, 초석 페라이트 혹은 베이나이트 등의 혼재량이 적은 균일한 펄라이트 조직을 형성하도록 열처리하는 것이 바람직하다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예에 기초하여 설명한다.

하기의 표 1 및 표 2에 나타내는 종류의 고탄소강 선재를, 각각 마찬가지로 나타내는 직경이 될 때까지 건식 신선했다. 얻어진 강선재에 파텐팅(patenting) 열처리와 황동 도금을 실시하여, 황동 도금 강선재를 제조했다. 얻어진 황동 도금 강선재를, 표 1 및 표 2에 나타내는 각 패스 스케줄에 의해 신선하여, 각각 동일 표에 나타내는 직경의 강선을 제조했다.

또한, 신선 시에, 어프로치각이 약 12°이고 베어링 길이가 약 0.5D인 초경합금 다이스와, 슬립식의 습식 연속 신선기를 사용했다.

최종 신선 공정에 있어서의 신선 조건으로서, 하기의 표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 상술한 계수 A가 95를 초과하는 다이스 개수가 0개인 것(실시예 1 내지 3), 8개인 것(비교예 1) 및 3개인 것(비교예 2)으로, 조건을 바꾸어 신선을 행하여, 하기의 물성 평가를 행했다.

(항장력)

JIS G3510의 인장 시험에 기초하여, 시험용 강선재의 항장력을 측정했다.

(경도)

가부시끼가이샤 미쯔토요제 비커스 경도 측정기(형식: HM-211)를 사용하여 시험용 강선재의 롱 단면 및 크로스 단면의 표층부 및 중앙부에서의 경도를 측정하여, 각 비, 즉, 계수 X(크로스 단면 경도/롱 단면 경도)를 구했다.

(루프 강도 유지율)

시험용 강선재의 루프 강도 유지율을, 도 2에 도시한 바와 같이 하여, 그립(22)에 장착한 시험용 강선재(21)의 인장 강도와 루프 강도를 측정함으로써, 루프 강도 유지율=((루프 강도)/(인장 강도)×100)으로서 구했다. 이 측정은 10회 반복하여 행했다.

얻어진 결과를 하기의 표 3에 나타낸다.

도 3에, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1, 2의 크로스 단면 경도/롱 단면 경도인 계수 X(중심부), 및 크로스 단면 경도/롱 단면 경도인 계수 X(표층부)의 관계를 그래프로 나타낸다. 이 그래프로부터 명백해진 바와 같이, 실시예 1 내지 3에서는 표층부와 중심부에서 경도비가 작은 것을 알았다.

또한, 도 4에 패스 스케줄로서, 각 패스와 계수 A의 관계를 그래프로 나타낸다. 이 그래프로부터, 실시예 1에서는 계수 A가 90을 초과한 패스가 3개뿐이고 95를 초과한 것이 없고, 또한 실시예 2 및 3은 계수 A가 90을 초과한 패스가 존재하지 않으며, 비교예 1 및 2와는 명백하게 패스 스케줄이 상이한 것을 알았다.

1: 강선재
2: 롱 단면
12: 크로스 단면
3, 13: 표층부
4, 14: 중심부
21: 강선재
22: 그립

Claims

탄소 함유량이 0.50 내지 1.10질량%인 탄소강 선재(carbon steel wire)의 길이 방향에 직교하는 단면(크로스 단면)의 표층부에서의 경도와 길이 방향의 단면(롱 단면)의 표층부에서의 경도의 비인 계수 X(크로스 단면 경도/롱 단면 경도), 및 상기 크로스 단면의 중심부에서의 경도와 상기 롱 단면의 중심부에서의 경도의 비인 계수 X(크로스 단면 경도/롱 단면 경도)가 모두 다음 식,
0.9<계수 X≤1.10
으로 표현되는 관계를 만족하고, 또한 4000MPa 이상의 항장력을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소강 선재.
제1항에 기재된 탄소강 선재를 제조하는 데 있어서, 최종 습식 신선(wire drawing) 공정에서, 탄소 함유량이 0.50 내지 1.10질량%이고 또한 펄라이트 조직을 갖는 탄소강 선재를 각 다이스에서 신선 가공할 때, 다이스 항력과 다이스의 출구 선 직경으로 이루어지는 다음 식,
계수 A=(다이스 항력(kgf)/다이스 출구 선 직경(mm)²)
로 표현되는 계수 A가 95를 초과하는 다이스의 개수가 2개 이하이고, 최종 습식 신선 공정에서 2.5를 초과하는 가공 왜곡 ε을 가하는 것을 특징으로 하는 탄소강 선재의 제조 방법.
제2항에 있어서, 최종 습식 신선 공정에 있어서, 모든 다이스에 대하여 계수 A가 90 이하인 제조 방법.
탄소강 선재의 연성을 평가하는 데 있어서, 상기 탄소강 선재의 길이 방향에 직교하는 단면(크로스 단면)의 표층부에서의 경도와 길이 방향의 단면(롱 단면)의 표층부에서의 경도의 비인 계수 X(크로스 단면 경도/롱 단면 경도), 및 상기 크로스 단면의 중심부에서의 경도와 상기 롱 단면의 중심부에서의 경도의 비인 계수 X(크로스 단면 경도/롱 단면 경도)가 모두 다음 식,
0.9<계수 X≤1.10
으로 표현되는 관계를 만족하는지의 여부에 의해 연성을 평가하는 것을 특징으로 하는 탄소강 선재의 연성 평가 방법.