KR20120054941A

KR20120054941A - 수소지연파괴 저항성이 우수한 고강도 고망간 강선재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20120054941A
Application number: KR1020100116350A
Authority: KR
Inventors: 이종수; 전영수; 이유환; 김지수; 이태경
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2012-05-31
Also published as: KR101280500B1

Abstract

본 발명은 고강도화를 도모하면서, 우수한 수소지연파괴 저항성을 갖는 강선재와 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것으로서,
망간(Mn)을 12~25중량% 포함하는 고망간강을 1150~1200℃로 가열하는 단계;
상기 가열된 강을 700~1100℃의 온도범위에서 열간 압연(hot rolling)하는 단계;
및 상기 열간 압연된 강을 냉각한 후, 200℃ 이하의 온도에서 냉간 공형 압연을 행하는 단계를 포함하는 수소지연파괴 저항성이 우수한 고강도 고망간 강선재의 제조방법과 상기 제조방법으로 제조된 강선재를 제공한다.

Description

수소지연파괴 저항성이 우수한 고강도 고망간 강선재 및 그 제조방법{HIGH STRENGTH AND HIGH MANGANESE STEEL WIRE ROD HAVING EXCELLENT HYDROGEN DELATED FRACTURE RESISTANCE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 강선재에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 수소지연파괴 저항성이 우수하고, 높은 강도를 갖는 고망간 강선재와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

강선재는 고강도 와이어, 타이어 코드, 볼트 등을 제조하기 위해 사용되는 강재로서, 높은 강도에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있는 추세이다.

이러한 강선재의 고강도화에 있어서, 가장 큰 걸림돌이 되는 것은 재료의 안정성을 보장할 수 없는 수소지연파괴이다. 수소지연파괴는 외부환경에 존재하는 황화수소가스, 물 등으로부터 수소원자가 재료내부로 침투하여 재료의 금속결합을 약화시킴으로써 재료의 응집력(cohesive strength) 저하를 야기시킨다. 강재의 수소용해도는 상온에서 매우 낮기 때문에 재료에 침투된 수소는 에너지적으로 안정한 전위, 결정립계, 상간계면 등에 트랩되어 존재하는데, 그에 따라 결정립계 등에서 수소에 의한 집중적인 결합력 약화로 입계 파괴 등이 발생한다.

특히, 1GPa 이상의 고강도강에서는 수소지연파괴 저항성이 현저히 감소하는 것으로 알려져 있다. 이것은 재료의 고강도화가 될수록 재료내 필수결함인 전위밀도의 증가와 결정립 미세화에 따른 결정립계 밀도의 증가로 인해 확산성 수소 트랩부의 증가에서 기인한다.

따라서, 고강도강 개발과 동시에 수소지연파괴에 대한 저항성이 우수한 강선재가 요구되고 있다.

한편, 고망간강에 대한 종래 기술로는 한국특허등록 제0851158호가 있다. 상기 특허는 충돌특성이 우수한 고망간형 고강도 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, Mn을 10~25중량% 첨가한 고망간강을 이용한 판재의 제조방법에 대하여 기재되어 있으나, 상기 특허는 판재 적용에는 가능하지만, 변형 모드가 다른 공형압연기를 이용한 선재의 제조에는 부적합하며, 특히 선재에서 문제되는 수소지연파괴 특성에 대해서는 전혀 나타나 있지 않다.

본 발명의 일측면은 고강도화를 도모하면서, 우수한 수소지연파괴 저항성을 갖는 강선재 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 망간(Mn)을 12~25중량% 포함하는 고망간강을 1150~1200℃로 가열하는 단계;

상기 가열된 강을 700~1100℃의 온도범위에서 열간 압연(hot rolling)하는 단계;

및 상기 열간 압연된 강을 냉각한 후, 200℃ 이하의 온도에서 냉간 공형 압연을 행하는 단계를 포함하는 수소지연파괴 저항성이 우수한 고강도 고망간 강선재의 제조방법 및 상기 방법으로 제조된 강선재를 제공한다.

본 발명에 의하면, 우수한 수소지연파괴 저항성을 갖는 초고강도 강선재를 제공함으로써, 산업적으로 내구성 향상 및 안전성을 확보할 수 있는 고부가가치 제품 개발에 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 강선재 제조공정 이력을 시간과 온도로 나타낸 그래프임.
도 2(a) 및 (b)는 비교예의 후방 산란 전자의 회절 패턴의 이미지 맵(image map)과 입자 맵(grain map)을 나타낸 것이고, (c) 및 (d)는 각각 발명예 3의 이미지 맵(image map)과 입자 맵(grain map)을 나타낸 것임.
도 3(a) 및 (b)는 각각 판재압연한 강판과 공형압연한 선재의 투과전자현미경 사진을 나타낸 것임.
도 4은 공형 압연시 단면 감소율에 따른 변형에 대한 강도 변화를 나타낸 그래프임.
도 5는 확산성 수소량에 따른 노치 파단 강도를 나타낸 그래프임.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명자들은 수소지연파괴 저항성은 기존의 체심입방구조의 결정구조에서의 수소확산은 8면체의 틈자리(octahedral interstitial site)에서 바로 옆 8면체 틈자리로 확산이 이루어지지만, 면심입방구조의 결정구조에서는 4면체 틈자리(tetrahedral interstitial site)에 안정한 수소가 8면체 자리를 걸쳐 최인접 4면체 틈자리로 확산이 되어, 면심입방구조에서 수소의 확산은 체심입방구조에 비해 약 100~10000배 느리게 되는 점에 착안한 결과, 본 발명의 고망간 강선재에서는 오스테나이트계를 갖는 고망간 강선재를 이용하여 수소지연파괴 저항성을 향상시키게 되었다.

또한, 강재의 수소 균열도는 상온에서 약 10^-4ppm의 매우 낮은 수소 균열도를 갖기 때문에, 강재 내부에 침입한 수소는 주로 미세조직적 결함인 전위 및 결정립계 등에 트랩(trap)되어 존재한다. 기존의 강선재에서는 높은 전위 밀도와 미세결정립을 통하여 강도를 확보하여, 수소의 트랩에 대한 취약한 점이 있었으나, 본 발명의 고망간 강선재는 동적강화 효과를 바탕으로 하여, 낮은 전위밀도와 높은 쌍정계면에 의해 강도를 확보하는 동시에, 낮은 밀도의 확산성 수소 트랩부가 존재하여 수소지연파괴 저항성을 향상시키게 되었다.

이하, 본 발명의 강선재를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 강선재는 Mn을 12~25중량% 포함하는 고망간강을 이용하여 제조하는 것이 바람직하다. 본 발명 강선재의 일예로는 C 0.5~1.0중량%, Al 1.0~2.0 중량%를 포함하고 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.

먼저, 상기 1150~1200℃로 가열하는 단계를 통해 균질화 처리한다. 이는 주조시에 발생하는 원소의 편석을 방지하기 위함이다.

상기 가열된 고망간강을 700~1100℃의 온도범위에서 크기 조정을 위해서 선재 열간 압연(hot rolling)한다. 700℃ 미만의 온도에서 압연을 할 경우 압연 중에 발생하는 쌍정으로 인하여 냉간 공형 압연시에 압하율의 저하를 야기할 수 있으며, 1100℃를 초과한 온도에서 압연할 경우, 결정립 크기가 조대해져 냉간 공형 압연시에 쌍정이 효과적으로 발생하지 않아 압하율의 저하를 가져오기 때문에 700~1100℃에서 압연하는 것이 바람직하다.

상기 열간 압연된 강을 200℃ 이하의 온도에서 냉간 공형 압연한다. 이때 냉간 공형 압연(cold caliber rolling)의 단면 감소율은 선재의 용도에 따라 30~90%로 하는 것이 바람직하다.

상기 냉간 공형 압연 온도가 200℃를 초과하는 경우에는 낮은 변형률에서 쌍정 생성이 급격하여, 고변형률에서 쌍정이 발생하지 않는 문제점이 있어 재료의 단면 감소율이 오히려 더 낮아진다.

상기 단면 감소율은 선재의 용도에 따라 30%이상 행하는 것이 바람직하고, 90%는 재료의 단면 감소율 한계치라고 할 수 있다.

상기 냉간 공형 압연시에는 재료 내부에 발생하는 쌍정의 발생으로 결정립 미세화와 동일한 재료의 강화효과를 가져온다, 또한 판재압연에서 보다 높은 냉간 단면 감소율 및 고강도화를 얻을 수 있는 것은 도 3에 나타난 바와 같이, 판재압연한 강판과 공형 압연한 강선재의 투과전자현미경 사진을 통해 설명할 수 있다. 도 3(b)에 나타난 바와 같이, 판재압연을 행한 도 3(a)와 달리, 공형 압연시에 발생하는 쌍정은 4개의 다른방향 (4^th variant) 쌍정이 모두 형성이 되고 이는 기존의 판재 압연에서 발생하는 1개의 방향 (1^st variant) 쌍정만 형성되는 것과는 다르다. 4개의 다른방향 쌍정이 형성됨에 따라 결정립 미세화 효과는 극대화 되어 보다 높은 강도구현이 용이하며, 4개의 다른방향에서 쌍정이 재료의 주변형기구로 작용하여 높은 단면 감소율을 구현할 수 있어, 다양한 강도의 선재강 제조를 용이하게 한다.

이하, 본 발명의 강선재에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 강선재는 12~25중량%의 Mn, 0.5~1.0중량%의 C, 1.0~2.0중량%의 Al, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 수소지연파괴 저항성이 우수한 고강도 고망간 강선재는 오스테나이트 단상조직으로 이루어진다. 오스테나이트계는 수소의 확산속도가 느린 면심입방구조(FCC)임에 따라 재료내부에 트랩된 수소의 이동도가 기존의 페라이트계 강에 비해서 늦다. 또한 확산성 수소의 트랩부로 작용하는 결정립계 혹은 극미세 탄화물에 의한 강화가 아닌 기계적 쌍정을 통한 동적강화를 구현하는 고망간 강선재는 쌍정이 비확산성 수소의 트랩부로 작용하여 오히려 수소 지연 파괴에 긍정적인 효과를 가져온다. 이것은 기계적으로 형성된 쌍정은 기존에 알려진 정합 계면이 아닌 반정합 계면이기 때문에 수소와의 트랩 활성화 에너지가 큰 것으로 알려져 있다. 이에 따라 고망간 강선재는 느린 수소 확산속도와 높은 수소 트랩 확산성 에너지를 동시에 가지는 장점이 있어 수소 지연 파괴 저항성이 매우 우수하다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

Fe에 C: 0.6중량%, Mn: 18중량%, Al: 1.5중량%를 포함한 강을 도 1의 제조공정 이력에 따라 1200℃에서 가열하여 균열 처리하고, 1100℃에서 열간 압연을 실시한 후, 냉간에서 공형압연을 실시하여 강선재를 제조하였다. 상기 강선재는 냉간 공형 압연시 압하율에 따라서, 82%의 단면감소율로 공형 압연한 시편(발명예 1), 70%의 단면감소율로 공형 압연한 시편(발명예 2), 54%의 단면감소율로 공형 압연한 시편(발명예 3), 43%의 단면감소율로 공형 압연한 시편(발명예 4) 및 31%의 단면감소율로 공형 압연한 시편(발명예 5)을 각각 마련하였다.

한편, 종래예는 열간압연을 행하고, 냉간 공형 압연 없이 900℃에서 30분간 가열처리 후 오일 켄칭(oil quenching)을 행하고, 다시 460℃에서 90분간 가열한 후 공냉하여, 템퍼드 마르텐사이트 조직을 갖는 시편을 제조하였다.

또한, 비교예로는 열간압연 후 1000℃에서 10분간 가열처리한 후, 520℃까지 연욕처리를 통한 켄칭을 행하고, 공냉하여, 펄라이트 조직의 시편을 제조하였다.

도 2(a) 및 (b)는 비교예의 후방 산란 전자의 회절 패턴의 이미지 맵(image map)과 입자 맵(grain map)을 나타낸 것이고, (c) 및 (d)는 각각 발명예 3의 이미지 맵(image map)과 입자 맵(grain map)을 나타낸 것이다. 도 2의 (c)와 (d)에 나타난 바와 같이, 본 발명에서는 냉간 공형 압연을 실시함으로써, 매우 치밀한 기계적 쌍정이 생성된 미세조직을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이러한 변형에 의한 기계적 쌍정은 전위의 평균자유 이동거리(mean free path)를 감소시키는 장애물로 작용하여 강선재의 결정립 미세화 효과의 강화기구로 작용하여 재료의 강도를 증가시킨다.

도 4은 발명예 1 내지 5와 종래예의 변형량에 따른 강도변화를 나타낸 그래프이다. 도 4의 결과로부터, 냉간 공형 압연시 단면 감소율에 따라 강도와 연성을 변화시킬 수 있으며, 이는 냉간 공형 압연을 통해 종래예에 비해 연성은 유지하면서, 강도는 더 높일 수 있음을 알 수 있다.

한편, 수소지연파괴 저항성의 정량적 비교를 위해 양극 수소주입법과 저속도 인장시험을 행하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 본 발명의 오스테나이트계 고망간 발명예 3과 펄라이트계인 비교예 및 템퍼드 마르텐사이트계인 종래예의 동일한 수소량을 주입하기 위해 수소 주입 수용액을 달리하여 적용하였다.

본 발명예 3에서는 비교예나 종래예에 비해 확산성 수소의 트랩부가 적기 때문에 동일한 환경에서 수소주입량이 약 100배 정도 낮으므로, 발명예 3은 좀 더 가혹한 수용액인 티오시안산암모늄과 염화나트륨 혼합 용액에서 10~50A/㎡의 전류밀도로 3일간 수소 주입하였고, 종래예와 비교예는 비교적 덜 가혹한 0.1노르말 농도를 갖는 수산화나트륨 수용액에서 1~20A/㎡의 전류밀도로 3일간 수소 주입하였다.

저속도 인장시험은 10^-5/sec의 변형율 속도로 진행하여, 응력중심부로의 수소확산을 모사하여 노치 파단 강도를 측정하고 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타난 바와 같이, 확산성 수소량이 증가할수록 시료의 노치파단 강도는 줄어든다. 다만, 주목할 점은 수소에 의해 취화되는 정도이다. 종래예와 비교예의 경우에는 약 2ppm의 확산성 수소에 대해 각각 68%와 58%의 수소취화도(도 5에서의 파단 강도 감소율)을 나타내었으나, 발명예 3의 경우에는 약 14%의 수소취화도를 나타내었다.

따라서, 본 발명의 강선재는 수소유입에 대하여, 획기적인 수소지연파괴 저항성을 갖는 것을 확인할 수 있다.

Claims

망간(Mn)을 12~25중량% 포함하는 고망간강을 1150~1200℃로 가열하는 단계;
상기 가열된 강을 700~1100℃의 온도범위에서 열간 압연(hot rolling)하는 단계;
및 상기 열간 압연된 강을 냉각한 후, 200℃ 이하의 온도에서 냉간 공형 압연을 행하는 단계
를 포함하는 수소지연파괴 저항성이 우수한 고강도 고망간 강선재의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 냉간 공형 압연은 30~90%의 단면감소율로 행하는 수소지연파괴 저항성이 우수한 고강도 고망간 강선재의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 고망간강은 중량%로, C: 0.5~1.0%, Al: 1.0~2.0중량%, Mn: 12~25중량%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되는 수소지연파괴 저항성이 우수한 고강도 고망간 강선재의 제조방법.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 수소지연파괴 저항성이 우수한 고강도 고망간 강선재.
청구항 4에 있어서,
상기 강선재는 오스테나이트 단상조직으로 이루어지는 수소지연파괴 저항성이 우수한 고강도 고망간 강선재.