KR20120070375A

KR20120070375A - 고강도 고연성 과공석 선재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20120070375A
Application number: KR1020100131908A
Authority: KR
Inventors: 이충열; 양요셉; 정병인
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-06-29
Also published as: KR101271978B1

Abstract

본 발명은 고강도 고연성 과공석 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 와이어 로프 등에 사용될 수 있는 고강도 고연성 과공석 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 중량%로, C: 0.88~1.02%, Mn: 0.3~0.8%, Si: 0.4~1.0%, Cr: 0.3~0.8%, V: 0.05~0.18%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 펄라이트 컬러니의 평균크기가 3.30㎛이하(0은 제외)인 고강도 고연성 과공석 선재 및 그제조방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 성분 및 냉각조건의 제어를 통해 선재의 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있으며, 궁극적으로 초고강도 강선을 제공할 수 있다.

Description

고강도 고연성 과공석 선재 및 그 제조방법{HYPER EUTECTOID WIRE ROD HAVING HIGH STRENGTH AND DUCTILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 고강도 고연성 과공석 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 와이어 로프 등에 사용될 수 있는 고강도 고연성 과공석 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

와이어 로프는 구조물에 걸리는 힘을 지탱하기 위한 보강재이므로 높은 강도를 가지고 있을 것이 요구된다. 고강도 강선을 얻기 위한 방법은 아래와 같다.

1) 소재 자체의 강도를 증가시키는 방법

강의 강도를 높이는 원소를 다량 첨가하여 소재 자체의 강도를 증가시키는 방법을 들 수 있다. 이러한 강화 원소의 대표적인 예로는 탄소를 들 수 있다. 와이어 로프의 강도가 점차 증가함에 따라 탄소는 아공석 영역에서 공석영역으로 공석영역에서 과공석영역으로 점차 그 함량이 증가하여 왔다. 상기와 같이 탄소 함량이 증가할 경우 강재 내부에는 경질상인 시멘타이트의 분율이 증가하고 펄라이트 조직의 라멜라 간격이 조밀해지는 등 소재의 강도가 향상되게 된다. 한편, 이러한 탄소 이외에도 다양한 합금원소를 첨가하는 기술이 제안되어 왔다.

2) 가공경화율을 증가시키는 방법

와이어 로프는 압연된 선재가 신선 및 열처리되어 최종 소선으로 가공되어 생산되는 제품으로서, 가공시 가공경화에 의해 강도가 대폭 향상될 수 있다. 신선가공될 때, 라멜라 간격이 미세화되고 가공경화계수가 증가하며, 전위가 집적하는 등의 이유로 가공경화된다.

3) 신선변형율 증가

와이어 로프용 소재의 신선변형율을 증가시킴으로써 강도가 향상될 수 있다. 이때, 소재의 신선변형율은 소재의 연성에 밀접한 관계가 있는 것으로서 소재 자체가 신선가공시 단선이 일어나지 않고 용이하게 가공될수록 강도향상에 유리하다.

그러나, 이들 방법은 모두 독립적으로 작용하는 것이 아니라 상호 연관되어 강재의 강도를 변화시키는 것이므로 이들을 독립적으로 제어하여 강도를 향상시키는 것은 강도 상승에 한계가 있기 마련이다.

즉, 강재의 강도를 향상시키기 위해서 단순히 합금원소를 다량 첨가할 경우 선재 압연후 후속되는 강선 제조공정에서 강재의 연성이 불량하여 단선이 발생하는 등의 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 선재의 강도 향상을 위해서는 다양한 관점에서 다양한 인자를 고려하여야 할 필요가 있다.

본 발명의 일측면은 고가의 합금원소를 첨가하지 않고도 성분범위 및 냉각조건의 제어를 통해 강도 및 연성을 향상시킨 과공석 선재 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 중량%로, C: 0.88~1.02%, Mn: 0.3~0.8%, Si: 0.4~1.0%, Cr: 0.3~0.8%, V: 0.05~0.18%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 펄라이트 컬러니의 평균크기가 3.30㎛이하(0은 제외)인 고강도 고연성 과공석 선재를 제공한다.

이 때, 상기 선재는 인장강도가 1300~1450MPa이고, 단면감소율이 40%이상인것이 바람직하다. 상기 선재는 VC석출물의 크기가 30nm이하(0은 제외)인 것이 바람직하며, 펄라이트 층상간격은 70nm이하(0은 제외)인 것이 바람직하다.

본 발명은 중량%로, C: 0.88~1.02%, Mn: 0.3~0.8%, Si: 0.4~1.0%, Cr: 0.3~0.8%, V: 0.05~0.18%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 900~1100℃에서 열간압연하는 압연단계; 및 상기 열간압연된 강재를 1~20℃/s의 속도로 냉각하는 냉각단계를 포함하는 고강도 고연성 과공석 선재의 제조방법을 제공한다.

상기 냉각단계 전에는 60~80℃/s의 속도로 700~750℃까지 냉각을 행하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일측면에 따르면, 성분 및 냉각조건의 제어를 통해 선재의 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있으며, 궁극적으로 초고강도 강선을 제공할 수 있다.

본 발명자들은 와이어로프 등과 같이 고하중 지지용으로 사용될 수 있는 과공석 선재에 대하여 우수한 강도 및 연성을 부여하기 위한 연구를 행하던 중, V석물출에 의한 석출강화 효과를 이용하고, 동시에 펄라이트 조직의 컬러니 크기 제어를 통해 고강도와 고연성을 갖는 과공석 선재를 제조할 수 있다는 점을 인지하고, 관련 실험을 토대로 본 발명을 완성하게 되었다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

C(탄소): 0.88~1.02중량%

C는 과공석강 선재 내에서 대부분 시멘타이트의 형태로 존재한다. 시멘타이트는 페라이트와 함께 층상의 펄라이트를 형성하는데, 페라이트에 비하여 고강도이므로 시멘타이트의 분율이 증가할수록 선재의 강도는 증가하게 된다. C의 함량을 증가시키면 시멘타이트의 분율이 증가하고 층상 간격이 미세해지므로 선재의 강도를 향상시키는데 매우 효과적이다. 상기 효과의 발휘를 위하여 상기 C는 0.88%이상으로 첨가되는 것이 바람직하다. 그러나, 1.02%를 초과하는 경우에는 연성이 감소하게 되므로, 상기 C의 함량은 0.88~1.02중량%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

Mn(망간): 0.3~0.8중량%

Mn은 기지조직 내에 고용체를 형성하여 고용강화하는 원소로 매우 유용한 원소이다. 펄라이트 변태를 지연시키기 때문에 다소 느린 냉각속도에서도 미세한 펄라이트가 쉽게 생성되도록 0.3중량%이상 첨가하는 것이 바람직하며, 0.8중량%를 초과하는 경우에는 고용강화 효과보다는 Mn편석이 발생하고, 열처리시에 소재의 표면에 있는 조직의 결정립계가 산화되기 쉬어 제품 특성에 악영향을 미치므로 Mn의 함량은 0.3~0.8중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Si(실리콘): 0.4~1.0중량%

Si는 기지조직인 페라이트에 고용되어 고용강화의 효과를 발휘하며, 펄라이트 층상을 안정화시켜 강도저하를 억제하는 원소이다. 상기 Si의 함량이 0.4%미만인 경우에는 상기 효과가 미미하며, 1.0%를 초과하는 경우에는 재가열시 소재표면에 탈탄이 쉽게 발생되고 신선가공성이 저하되어 본 발명이 목표하고자 하는 강도를 얻기 어려워지게 된다. 따라서, 상기 Si의 함량은 0.4~1.0중량%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

Cr(크롬): 0.3~0.8중량%

Cr은 펄라이트 층상간격을 미세화시키고, 열처리시 상변태 속도를 느리게 하는 원소이다. 또한, Cr의 첨가를 통해 C의 함량을 줄이고도 선재의 강도를 효율적으로 증가시킬 수 있어, 강도와 연성 확보에 효과적인 원소이다. 그러나, 상기 Cr 이 0.3%미만인 경우에는 상기 효과가 미미하며, 0.8%를 초과하는 경우에는 소입성을 크게 증가시켜 연속냉각 공정 중에 마르텐사이트 등의 저온변태조직을 생성시킬 우려가 있으므로, 상기 Cr의 함량은 0.3~0.8중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

V(바나듐): 0.05~0.18중량%

V를 첨가하면 냉각 중에 탄화물이 석출되며, 이를 통해 펄라이트 조직의 컬러니 크기를 미세화시켜 강도와 연성을 효과적으로 확보할 수 있다. 상기 효과를 위하여, 상기 V는 0.05%이상으로 첨가되는 것이 바람직하나, 0.18%를 초과하여 첨가되는 경우에는 펄라이트 컬러니의 크기가 커지게 되어 연성을 급격히 감소시켜 신선가공성을 악화시킬 수 있다.

본 발명 선재의 펄라이트 컬러니의 평균크기는 3.30㎛이하인 것이 바람직하며, 이를 통해 우수한 강도와 연성을 확보할 수 있다. 상기 펄라이트 컬러니의 크기는 작으면 작을수록 좋으므로, 특별히 그 하한에 대하여 한정하지 않는다. 다만, 상기 펄라이트 컬러니의 크기가 3.30㎛를 초과하는 경우에는 선재의 연성을 확보할 수 없어, 가공성이 떨어지게 되어, 추후 신선 가공시 단선이 발생할 가능성이 높아지게 된다.

본 발명의 선재는 상기와 같은 조건 즉, 성분계, 미세조직 및 석출물 등의 조건을 만족하게 됨에 따라 1300~1450MPa의 인장강도와 40%이상의 단면감소율을 지닐 수 있다. 이 때, 상기 단면감소율은 높으면 높을수록 좋으므로, 그 상한에 대하여 특별히 한정하지는 않는다.

또한, 본 발명의 선재는 VC석출물의 크기가 30nm이하(0은 제외)인 것이 바람직하다. 이러한 미세한 VC석출물을 통한 석출강화효과로 강도를 증가시키고, 결정립의 크기를 줄여 미세한 컬러니 크기를 확보하여 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있다. 상기 석출물의 크기는 미세할수록 좋으므로, 그 하한을 특별히 한정하지는 않는다.

또한, 본 발명의 선재는 펄라이트 층상간격이 70nm이하(0은 제외)인 것이 바람직한데, 이를 통해 선재의 강도를 증가시킬 뿐만 아니라 추후 신선가공시 강선의 연성을 증가시켜 신선가공성을 향상시킬 수 있다. 상기 펄라이트 층상간격은 좁을수록 좋으므로, 그 하한을 특별히 한정하지는 않는다.

이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 설명한다.

전술한 조성성분 및 범위를 만족하는 강재를 900~1100℃에서 열간압연하는 단계를 거친다. 상기 열간압연 온도가 900℃미만인 경우에는 압연 부하에 의해 압연이 용이하게 행해지지 않으며, 1100℃를 초과하는 경우에는 선재 내 결정립의 크기가 증가하여 연성확보가 불가하며, 스케일이 생성과 탈탄의 영향으로 표면의 품질이 저하될 우려가 있다.

이후, 상기 열간압연된 강재를 1~20℃/s의 속도로 냉각한다. 상기 냉각속도가 1℃/s미만인 경우에는 펄라이트 라멜라 층상 간격이 넓어져 강도 및 연성 확보에 어려움이 따르며, 20℃/s를 초과하는 경우에는 펄라이트 조직을 확보하는데 어려움이 있고, 마르텐사이트 또는 베이나이트와 같은 저온변태조직의 생성으로 인해 신선 가공성을 확보하기 어렵다.

이 때, 상기 냉각공정 전에는 60~80℃/s의 속도로 700~750℃까지 냉각을 추가로 행하는 것이 바람직한데, 이를 통해, 초석 시멘타이트의 생성을 억제하여, 신선가공시 단선 등의 결함 발생을 억제할 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.

(실시예)

하기 표 1의 성분범위를 가진 잉곳을 1000℃에서 열간압연하여 720℃까지 60℃/s로 냉각한 뒤, 다시 상온까지 10℃/s로 냉각하여 선재로 제조하였다. 이후, 상기 선재의 미세조직 및 기계적 물성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	화학조성(중량%)					펄라이트 컬러니 평균크기 (㎛)	인장 강도 (MPa)	단면 감소율 (%)	VC석출물 평균크기 (nm)	펄라이트 층상간격 (nm)
구분	C	Si	Mn	Cr	V	펄라이트 컬러니 평균크기 (㎛)	인장 강도 (MPa)	단면 감소율 (%)	VC석출물 평균크기 (nm)	펄라이트 층상간격 (nm)
발명예1	0.92	0.6	0.5	0.6	0.05	3.30	1320	43	13	70
발명예2	0.92	0.6	0.5	0.6	0.1	2.54	1406	42	19	61
비교예1	0.92	0.6	0.5	0.6	0.2	3.42	1366	18	48	74
비교예2	0.92	0.6	0.5	0.6	0.5	3.46	1282	6	69	77
기존예	0.92	0.6	0.5	0.6	-	3.63	1278	37	-	88
단, 단면감소율이란 선재에 결함 또는 파단이 발생하기 직전까지의 감소율을 의미함.

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 발명예 1 및 2는 V의 적절한 첨가를 통해 펄라이트 컬러니 크기를 줄일 수 있음을 확인 할 수 있다. 발명예 2의 경우, 컬러니의 크기가 기존예의 경우보다 약 30%정도 감소되었으며, 이를 통해, 인장강도는 128MPa, 단면감소율은 5%정도 증가되었음을 알 수 있다.

그러나, 비교예 2의 경우 과도한 V의 첨가로 인해 펄라이트 컬러니의 크기를 효과적으로 줄이지 못하였으며, 단면감소율 또한 크게 감소하였다. 이것은 V석출물이 균질하게 분포하지 않고 뭉쳐서 존재하기 때문에, 연성에 나쁜 영향을 주었기 때문이라고 판단된다.

또한, 발명예 1은 VC석출물의 평균크기가 13nm로, 비교예 1의 것과 비교하여 상당히 작은 수준이다. 이를 통해, 강도와 연성 확보에 효과적이라는 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 1은 V함량의 증가에 따라 VC석출물의 크기가 증가하고 군집화하여 컬러니 크기 미세화에 효과적으로 작용하지 못하고 있음을 보여준다.

또한, 발명예 1은 펄라이트 층상간격이 70nm임을 알 수 있는데, 이는 기존예에 비하여 18nm 감소된 수치이다. 이렇게 미세화된 펄라이트 층상간격은 강도를 증가시킬 뿐만 아니라 추후 신선가공시 강선의 연성을 증가시켜 신선가공성을 향상시킬 수 있다.

Claims

중량%로, C: 0.88~1.02%, Mn: 0.3~0.8%, Si: 0.4~1.0%, Cr: 0.3~0.8%, V: 0.05~0.18%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 펄라이트 컬러니의 평균크기가 3.30㎛이하(0은 제외)인 고강도 고연성 과공석 선재.
제1항에 있어서, 상기 선재는 인장강도가 1300~1450MPa이며, 단면감소율이 40%이상인 고강도 고연성 과공석 선재.
제1항에 있어서, 상기 선재는 VC석출물의 크기가 30nm이하(0은 제외)인 고강도 고연성 과공석 선재.
제1항에 있어서, 상기 선재는 펄라이트 층상간격이 70nm이하(0은 제외)인 고강도 고연성 과공석 선재.
중량%로, C: 0.88~1.02%, Mn: 0.3~0.8%, Si: 0.4~1.0%, Cr: 0.3~0.8%, V: 0.05~0.18%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 900~1100℃에서 열간압연하는 압연단계; 및
상기 열간압연된 강재를 1~20℃/s의 속도로 냉각하는 냉각단계를 포함하는 고강도 고연성 과공석 선재의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 냉각단계 전, 60~80℃/s의 속도로 700~750℃까지 냉각을 행하는 것을 특징으로 하는 고강도 고연성 과공석 선재의 제조방법.