KR20170013340A

KR20170013340A - 강선용 선재 및 강선

Info

Publication number: KR20170013340A
Application number: KR1020167036839A
Authority: KR
Inventors: 도모노부 이시다; 도모카즈 마스다
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2015-06-02
Publication date: 2017-02-06
Also published as: US20170198375A1; EP3165625A4; EP3378964A1; CN106661687A; JP2016014168A; CA2951799A1; EP3165625A1; WO2016002413A1; MX2016017005A; CN109576448A

Abstract

저사이클 피로 특성이 우수하고, 와이어 로프나 PC 강선 등의 고강도 강선의 소재로서 유용한 강선용 선재, 및 이와 같은 특성을 발휘할 수 있는 강선을 제공한다. 본 발명의 강선용 선재는, 질량%로, C: 0.70∼1.3%, Si: 0.1∼1.5%, Mn: 0.1∼1.5%, N: 0.001∼0.006%, Al: 0.001∼0.10%, Ti: 0.02∼0.20%, B: 0.0005∼0.010%, P: 0% 이상 0.030% 이하, S: 0% 이상 0.030% 이하를 각각 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물이며, 펄라이트를 주상으로 하고, 초석 페라이트의 면적률이 1.0% 이하임과 더불어, 초석 페라이트의 평균 두께가 5μm 이하이다.

Description

강선용 선재 및 강선{WIRE MATERIAL FOR STEEL WIRE, AND STEEL WIRE}

본 발명은 와이어 로프나 PC 강선 등에 이용되는 고강도의 강선의 소재가 되는 강선용 선재, 및 그와 같은 강선에 관한 것이다.

엘리베이터용 로프나 크레인의 권상 로프 등, 반복 굽힘 응력이 부가되는 강연선에 있어서는, 소선(素線)의 굽힘 피로 특성이 로프의 설계 강도나 수명을 결정하는 중요 인자이다. 근년에는, 엘리베이터의 고속화나 크레인의 소형화에 수반하는 로프의 경량화 요구가 증대하고 있어, 그것을 실현하는 굽힘 피로 특성이 우수한 고강도인 강선용 선재가 요구되고 있다. 또한 굽힘 피로 특성이 우수한 고강도인 강선용 선재는, PC(Prestressed Concrete) 강선의 소재로서도 유용하다. 이러한 강선용 선재에는, 구체적으로는, 반복 횟수 10⁴∼10⁵회에서 일어나는 저사이클 피로가 발생하지 않을 것이 요구된다.

선재의 특성을 개선하는 기술로서, 지금까지도 다양하게 제안되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에서는, 강 중에 BN계 개재물을 미세 석출시키는 것에 의해 피로 강도를 향상시키는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 2에는, 열간 압연 후에 직접 용융 솔트 패턴팅 처리하는 것에 의해, 선재의 조직을 초석 페라이트의 면적률이 3% 이하인 펄라이트 조직으로 제어해서, 고강도 선재를 얻는 기술이 개시되어 있다.

또한 특허문헌 3에서는, 선재의 금속 조직을 95% 이상의 펄라이트 조직으로 하고, 또한 선재의 축 방향에 수직인 단면의 중심부의 펄라이트의 펄라이트 블록 입경의 최대값이나 평균값을 소정의 범위로 제어하는 것에 의해 고연성의 선재를 얻는 기술이 개시되어 있다. 또한 이 기술에서는, 신선 가공성을 양호하게 하는 데 있어서, 초석 페라이트의 체적률을 2% 이하로 조정하는 것이 유용하다는 것도 개시되어 있다.

일본 특허공개 2011-225990호 공보 일본 특허공개 2007-39800호 공보 국제 공개 제2007/139234호

상기 특허문헌 1의 기술에서 문제로 삼고 있는 특성은, 반복 횟수가 10⁷회인 피로 한도 근처에서 일어나는 고사이클 피로이며, 상기 저사이클 피로와는 메커니즘이 상이하다. 와이어 로프와 같은 장기간 외기에 노출되는 제품에 있어서는, 표층부의 산화나 수소의 침입, 소선끼리의 마찰 등의 영향에 의해, 표층부에 균열이 발생하기 쉬워, 본래의 피로 한도보다도 훨씬 저수명으로 단선이 생길 가능성이 있기 때문에, 균열 진전을 억제하는 대책을 강구할 필요가 있다.

또한, 상기 특허문헌 2의 기술에서는, 고강도 선재를 얻기 위해서는, 열간 압연 후에 직접적으로 패턴팅 처리를 행할 수 있는 특수한 설비가 필요해져, 설비 투자가 증대하게 된다. 또한 이와 같은 설비는, 선재를 컨베이어 상에서 반송시키면서 냉각하는, 소위 스텔모어 냉각 설비에 비해서, 생산성이나 메인터넌스성이 뒤떨어진다는 결점도 있다. 더욱이, 선재 중의 초석 페라이트의 면적률을 저감하는 것만으로는, 충분한 저사이클 피로 특성의 향상 효과가 발휘되지 않는다.

또한, 상기 특허문헌 3에 기재된 요건을 규정한 것만으로는, 저사이클 피로 특성에 대해서는 충분한 효과가 얻어지지 않는다.

본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 저사이클 피로 특성이 우수하고, 와이어 로프나 PC 강선 등의 고강도 강선의 소재로서 유용한 강선용 선재, 및 이와 같은 특성을 발휘할 수 있는 강선을 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명의 강선용 선재는, 질량%로, C: 0.70∼1.3%, Si: 0.1∼1.5%, Mn: 0.1∼1.5%, N: 0.001∼0.006%, Al: 0.001∼0.10%, Ti: 0.02∼0.20%, B: 0.0005∼0.010%, P: 0% 이상 0.030% 이하, S: 0% 이상 0.030% 이하를 각각 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물이며, 펄라이트를 주상으로 하고, 초석 페라이트의 면적률이 1.0% 이하임과 더불어, 초석 페라이트의 평균 두께가 5μm 이하인 점에 요지를 갖는다.

한편, 「펄라이트를 주상으로 한다」란, 금속 조직의 95면적% 이상이 펄라이트 조직인 것을 의미한다. 또한, 초석 페라이트의 평균 두께란, 초석 페라이트를 광학 현미경으로 관찰했을 때에, 초석 페라이트의 폭 방향 두께의 평균값을 의미한다.

본 발명의 강선용 선재는, 질량%로,

(a) Cr: 0% 초과 1.0% 이하 및 V: 0% 초과 0.5% 이하 중 적어도 1종,

(b) Ni: 0% 초과 0.5% 이하 및 Nb: 0% 초과 0.5% 이하 중 적어도 1종,

(c) Co: 0% 초과 1.0% 이하,

(d) Mo: 0% 초과 0.5% 이하 및 Cu: 0% 초과 0.5% 이하 중 적어도 1종

등을 추가로 함유하는 것도 바람직하다.

본 발명의 강선용 선재에 있어서, 고용 B의 함유량이 0.0003% 이상인 것이 바람직하다.

본 발명은 상기한 강의 화학 성분 조성으로 이루어지고, 10만회 피로 강도 σ가, 인장 강도 TS(Tensile Strength)와 하기 (1)식의 관계를 만족하는 강선도 포함한다.

σ＞0.45TS …(1)

본 발명에 의하면, 신선 가공 전의 강선재의 초석 페라이트의 면적률을 저감하고, 또한 그 두께를 작게 하는 것에 의해, 냉간 가공(신선 가공) 후의 강선의 굽힘 피로 강도를 향상시켜서, 우수한 피로 특성을 발휘시킬 수 있다. 특히, 10⁴∼10⁵회 정도의 반복 응력 부하로 생기는 저사이클 피로에 대해서, 우수한 특성을 발휘한다.

도 1은 4점 굽힘 피로 시험의 실시 상황을 나타내는 개략 설명도이다.
도 2는 관찰된 초석 페라이트립의 예를 나타내는 도면 대용 현미경 사진이다.

본 발명자들은, 펄라이트를 주상으로 하는 금속 조직인 강선재에 있어서, 저사이클 피로 특성을 좌우하는 인자를 예의 조사했다. 그 결과, 펄라이트 조직 중에 약간 석출된 초석 페라이트(이하, 「초석 α」라고 약기하는 경우가 있음)가 피로 균열의 진전을 촉진한다는 것을 알아냈다. 탄소 함유량이 0.70% 이상이 되는 고탄소강에서는, 후기의 도 2에 나타내는 바와 같이, 초석 α는 구 오스테나이트립계에 판상으로 석출되지만, 초석 α의 면적률을 1.0% 이하로 한 뒤에, 그 두께를 저감함으로써 우수한 저사이클 피로 특성을 발휘할 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성했다.

주상이 펄라이트 조직인 강선재에 있어서는, 초석 α와 펄라이트의 계면에 보이드가 생겨, 피로 균열의 진전을 촉진한다. 따라서, 초석 α의 면적률을 가능한 한 저감하여, 계면의 양을 감소시키는 것이 중요하다. 또한 초석 α의 면적률을 저감함으로써, 염회 시험 시의 세로 균열을 억제하는 효과도 얻어진다. 세로 균열이 일어나면, 연선 가공에 견딜 수 없으므로, 세로 균열되는 강선은 불량이라고 판단된다. 이들 효과를 생각하면, 초석 α의 면적률을, 금속 조직 전체에 대한 비율로 1.0% 이하로 할 필요가 있다. 초석 α의 면적률은, 바람직하게는 0.8% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.6% 이하이다.

초석 α의 면적률을 저감하기 위해서는, B의 첨가가 유효하다. 초석 α의 면적률 저감 효과를 발휘하는 것은, B가 고용 B로서 존재하는 경우이며, BN과 같은 화합물로서 석출된 부분은 그 효과를 잃게 된다. 따라서, 본 발명의 강선재에서는, N량, B량을 적절한 범위로 제어하는 것이 필요하고, 또한 BN이 석출되기 어려운 제조 조건에서 제조하는 것이 바람직하다.

한편, 초석 α의 두께가 커지면, 계면에 발생한 보이드로의 응력 집중에 의해 보이드가 확대되어, 피로 균열의 진전을 조장해서 피로 강도를 저하시킨다. 두께가 작은 초석 α는, 신선 가공에 의해 변형하여, 무해화되지만, 두께가 큰 초석 α는 신선 가공 후에도 잔존해서 굽힘 피로 강도(이하, 간단히 「피로 강도」라고 부르는 경우가 있음)를 저하시킨다. 구체적으로는, 초석 α의 평균 두께를 5μm 이하로 할 필요가 있다. 초석 α의 평균 두께는, 바람직하게는 4μm 이하이고, 보다 바람직하게는 3μm 이하이다.

초석 α의 평균 두께를 작게 하기 위해서는, TiC를 비롯한 Ti계 개재물을 강 중, 특히 입계 근방에 미세 분산시켜, 초석 α의 석출 핵을 다수 생성하고, 또한 그 핵 성장을 억제하는 것이 유효하다. 그것을 위해서는, 강선재 중의 Ti량을 적절한 범위로 제어하는 것이 필요해지고, 나아가서는 TiC 등 Ti계 개재물이 미세 석출되기 쉬운 제조 조건에서 제조하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 강선재는, 와이어 등에 적용했을 때에 그의 기본적인 특성을 발휘시키는 데에서도, 그의 화학 성분 조성도 적절히 조정할 필요가 있다. 상기한 B, N, Ti의 양도 포함시켜, 그의 화학 성분 조성은 이하와 같다. 한편, 화학 성분 조성에 있어서의 「%」는 모두 「질량%」이다.

(C: 0.70∼1.3%)

C는 강도의 상승에 유효한 원소이며, C량의 증가에 수반해서, 냉간 가공 전의 선재(강선재), 및 냉간 가공 후의 강선의 강도가 향상된다. 또한 C량은, 초석 α의 석출량에도 영향을 주고, C량이 적으면 초석 α의 석출을 충분히 억제할 수 없다. 그래서, C량은 0.70% 이상으로 정했다. C량은, 바람직하게는 0.74% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.78% 이상이다. 그러나, C량이 지나치게 과잉이 되면, 초석 시멘타이트(이하, 「초석 θ」라고 약기하는 경우가 있음)가 석출되어, 신선 가공 중에 단선을 야기한다. 그래서, C량은 1.3% 이하로 정했다. C량은, 바람직하게는 1.2% 이하이고, 보다 바람직하게는 1.1% 이하이다.

(Si: 0.1∼1.5%)

Si는 탈산제로서의 작용을 갖고, 또한 선재의 강도를 향상시키는 작용도 갖는다. 이들 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서, Si량을 0.1% 이상으로 정했다. Si량은, 바람직하게는 0.15% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.20% 이상이다. 한편, Si량이 지나치게 과잉이 되면, 냉간 신선성을 악화시켜, 단선율의 증가를 야기한다. 그래서, Si량을 1.5% 이하로 정했다. Si량은, 바람직하게는 1.4% 이하이고, 보다 바람직하게는 1.3% 이하이다.

(Mn: 0.1∼1.5%)

Mn은 Si와 마찬가지로 탈산 작용도 갖고 있지만, 특히 강 중의 S를 MnS로서 고정해서, 강의 인성 및 연성을 높이는 작용을 갖고 있다. 이들 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서, Mn량은 0.1% 이상으로 한다. Mn량은, 바람직하게는 0.15% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.20% 이상이다. 그러나, Mn은 편석되기 쉬운 원소이며, 과잉으로 첨가하면, Mn 편석부의 담금질성이 과잉으로 증대하여, 마텐자이트 등의 과냉 조직을 생성시킬 우려가 있다. 그래서, Mn량은 1.5% 이하로 정했다. Mn량은, 바람직하게는 1.4% 이하이고, 보다 바람직하게는 1.3% 이하이다.

(N: 0.001∼0.006%)

N은 강 중의 B와 화합해서 BN을 형성하여, B에 의한 효과를 잃게 한다. 또한, 고용 상태의 N은 신선 시에 변형 시효에 의한 염회 특성의 저하를 야기하고, 현저한 경우에는 세로 균열을 초래한다. 이들 폐해를 막기 위해서, N량은 0.006% 이하로 한다. N량은, 바람직하게는 0.005% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.004% 이하이다. 한편, 소량이면 TiN이나 AlN 등의 질화물에 의해 결정립을 미세화하여, 선재의 연성을 높이는 효과가 있다. 그와 같은 효과를 발휘시키기 위해서, N량은 0.001% 이상으로 한다. N량은, 바람직하게는 0.0015% 이상, 보다 바람직하게는 0.0020% 이상이다.

(Al: 0.001∼0.10%)

Al은 유효한 탈산 원소이다. 또한, AlN과 같은 질화물을 형성해서 결정립을 미세화하는 효과도 갖는다. 이와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서, Al량은 0.001% 이상으로 한다. Al량은, 바람직하게는 0.002% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.003% 이상이다. 한편, Al을 과잉으로 첨가하면 Al₂O₃과 같은 산화물을 형성하여, 신선 시의 단선을 증가시킨다. 이러한 관점에서, Al량은 0.10% 이하로 한다. Al량은, 바람직하게는 0.09% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.08% 이하이다.

(Ti: 0.02∼0.20%)

Ti는 TiC와 같은 탄화물을 형성하여, 초석 α의 입경(두께)을 저감하는 기능이 있다. 또한, 강 중의 N과 화합해서 TiN과 같은 질화물을 형성하여, N에 의한 염회 특성의 저하를 막는 기능도 있다. 그들 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서, Ti량은 0.02% 이상으로 한다. Ti량은, 바람직하게는 0.03% 이상, 보다 바람직하게는 0.04% 이상이다. 한편, Ti량이 과잉이 되면, TiC나 TiN 등의 Ti계 개재물이 다량으로 석출되어, 신선 시의 단선을 증가시킨다. 따라서, Ti량은 0.20% 이하로 한다. Ti량은, 바람직하게는 0.15% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.10% 이하이다.

(B: 0.0005∼0.010%, 바람직하게는 고용 B로서 0.0003% 이상)

B는 초석 α의 생성을 방해하여, 그의 면적률을 저감하는 기능이 있다. 그러나, BN과 같은 화합물을 형성한 경우에는, 이와 같은 작용을 발휘하지 않는다. B의 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서, B량은 0.0005% 이상으로 할 필요가 있다. 바람직한 B량의 하한은 0.0007% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.001% 이상이다. 한편, B량이 과잉이 되면, Fe와의 화합물인 Fe-B계 화합물, 예를 들면 FeB₂가 석출되어, 열간 압연 시의 균열을 야기하기 때문에, B량은 0.010% 이하로 할 필요가 있다. B량은, 바람직하게는 0.008% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.006% 이하이다. 또한, 고용 B로서 강 중에 0.0003% 이상 함유되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.0005% 이상이다.

(P: 0% 이상 0.030% 이하)

P는 구 오스테나이트립계에 편석되어서 입계를 취화시켜, 피로 강도를 저하시키기 때문에, 그의 함유량은 적으면 적을수록 바람직하다. 따라서, P량은 0.030% 이하로 한다. P량은, 바람직하게는 0.025% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.020% 이하이다. P량은 0%여도 되지만, 통상 0.001% 이상으로 포함된다.

(S: 0% 이상 0.030% 이하)

S는 P와 마찬가지로 구 오스테나이트립계에 편석되어서 입계를 취화시켜, 피로 강도를 저하시키기 때문에, 그의 함유량은 적으면 적을수록 바람직하다. 따라서, S량은 0.030% 이하로 한다. S량은, 바람직하게는 0.025% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.020% 이하이다. S량은 0%여도 되지만, 통상 0.001% 이상으로 포함된다.

본 발명의 선재의 기본 성분은 상기와 같으며, 잔부는 실질적으로 철이다. 단, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라 들어가는 불가피 불순물이 강 중에 포함되는 것은 당연히 허용된다.

또한 본 발명의 선재는, 강도, 인성, 연성 등의 특성을 더 향상시키기 위해, 필요에 따라서,

(a) Cr: 0% 초과 1.0% 이하 및 V: 0% 초과 0.5% 이하 중 적어도 1종,

(b) Ni: 0% 초과 0.5% 이하 및 Nb: 0% 초과 0.5% 이하 중 적어도 1종,

(c) Co: 0% 초과 1.0% 이하,

(d) Mo: 0% 초과 0.5% 이하 및 Cu: 0% 초과 0.5% 이하 중 적어도 1종

등을 추가로 함유하는 것도 바람직하다.

(Cr: 0% 초과 1.0% 이하 및 V: 0% 초과 0.5% 이하 중 적어도 1종)

Cr 및 V는 선재의 강도(인장 강도)를 높이는 데 있어서 유용한 원소이며, 이들은 1종 또는 2종을 병용해서 함유시켜도 된다.

특히 Cr은 펄라이트의 라멜라 간격을 미세화하여, 선재의 강도나 인성을 높이는 작용을 갖는다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서, Cr량은 0.05% 이상이 바람직하다. Cr량은, 보다 바람직하게는 0.10% 이상이고, 더 바람직하게는 0.15% 이상이다. 한편, Cr량이 지나치게 과잉이 되면, 담금질성이 향상되어서 열간 압연 중에 과냉 조직을 발생시킬 위험성이 높아지기 때문에, Cr량은 1.0% 이하로 하는 것이 바람직하다. Cr량은, 보다 바람직하게는 0.8% 이하이고, 더 바람직하게는 0.6% 이하이다.

V는 탄질화물을 형성해서 선재의 강도를 향상시키는 효과가 있다. 또한, Nb와 마찬가지로 AlN이 석출된 후의 잉여의 고용 N과 질화물을 형성하여, 결정립 미세화에 기여하는 것 외에, 고용 N을 고정하는 것에 의한 시효 취화의 억제 효과도 갖는다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서, V량은 0.01% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.02% 이상, 더 바람직하게는 0.03% 이상이다. 그러나, V는 고가인 원소이고, 과잉으로 첨가해도 그 효과는 포화되어, 경제적으로 쓸데없기 때문에, V량은 0.5% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.4% 이하, 더 바람직하게는 0.2% 이하이다.

(Ni: 0% 초과 0.5% 이하 및 Nb: 0% 초과 0.5% 이하 중 적어도 1종)

Ni 및 Nb는 강선의 인성을 높이는 데 있어서 유용한 원소이며, 이들은 1종 또는 2종을 병용해서 함유시켜도 된다.

특히 Ni는 신선 후의 강선의 인성을 높이는 원소이다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서, Ni량은 0.05% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1% 이상이며, 더 바람직하게는 0.2% 이상이다. 그러나, Ni는 과잉으로 첨가해도 그 효과가 포화되어, 경제적으로 쓸데없다. 따라서, Ni량은 0.5% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.4% 이하, 더 바람직하게는 0.3% 이하이다.

Nb는 Ti나 Al과 마찬가지로 질화물을 형성하여, 결정립을 미세화해서 강선의 인성 향상에 기여하는 것 외에, 고용 N을 고정하는 것에 의한 시효 취화의 억제 효과도 갖는다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서, Nb량은 0.01% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.03% 이상, 더 바람직하게는 0.05% 이상이다. 그러나, Nb는 고가인 원소이고, 과잉으로 첨가해도 그 효과는 포화되어, 경제적으로 쓸데없기 때문에, Nb량은 0.5% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.4% 이하, 더 바람직하게는 0.3% 이하이다.

(Co: 0% 초과 1.0% 이하)

Co는 특히 C량이 많은 경우에 초석 시멘타이트의 생성을 저감하여, 조직을 균일한 펄라이트 조직으로 하는 작용을 갖는다. 이 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서, Co량은 0.05% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1% 이상, 더 바람직하게는 0.2% 이상이다. 그러나, Co는 과잉으로 첨가해도 그 효과가 포화되어, 경제적으로 쓸데없다. 따라서, Co량은 1.0% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.8% 이하이며, 더 바람직하게는 0.6% 이하이다.

(Mo: 0% 초과 0.5% 이하 및 Cu: 0% 초과 0.5% 이하 중 적어도 1종)

Mo는 강선의 내식성을 향상시키는 원소이다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서, Mo량은 0.05% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1% 이상이며, 더 바람직하게는 0.2% 이상이다. 그러나, Mo량이 과잉이 되면, 열간 압연 시에 과냉 조직이 발생하기 쉬워지고, 또한 연성도 열화된다. 그래서 Mo량은 0.5% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.4% 이하이며, 더 바람직하게는 0.3% 이하이다.

Cu는 Mo와 마찬가지로 강선의 내식성을 향상시키는 원소이다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서, Cu량은 0.05% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.08% 이상이며, 더 바람직하게는 0.10% 이상이다. 그러나, Cu량이 과잉이 되면, S와 반응해서 입계부에 CuS를 편석시켜, 선재 제조 과정에서 흠집을 발생시킨다. 이와 같은 영향을 피하기 위해서, Cu량은 0.5% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.4% 이하이며, 더 바람직하게는 0.3% 이하이다.

Mo 및 Cu는 1종 또는 2종을 병용해서 함유시켜도 된다.

다음으로, 본 발명에 따른 강선용 선재를 제조할 수 있는 방법에 대해서 설명한다.

냉간 신선 전의 선재는, 통상, 화학 성분을 적절히 제어한 강을 용제, 분괴 압연 및 열간 압연하고, 추가로 필요에 따라서 패턴팅 처리하는 것에 의해 제조된다. 본 발명에서 규정하는 요건(금속 조직, 초석 α 면적률, 초석 α의 평균 두께)을 만족시키면서 본 발명의 선재를 제조하는 데 있어서는, Ti, B 및 N의 함유량을 상기의 범위로 적정하게 제어한 뒤에, TiC나 BN의 석출 거동을 적절히 컨트롤하는 것이 중요하다.

우선, 분괴 압연에서는, 주편을 1200℃ 이상으로 가열하여, 주조 시에 석출된 조대한 TiC를 분해하는 것이 바람직하다. 가열 온도가 1200℃보다도 낮으면, 선재에 조대한 TiC가 잔존하여, 초석 α의 두께를 충분히 작게 할 수 없으므로, 피로 강도가 저하된다. 이 가열 온도는, 보다 바람직하게는 1250℃ 이상이고, 더 바람직하게는 1300℃ 이상이다. 그러나, 가열 온도가 지나치게 높아지면, 선재의 용융이 생기므로, 통상은 1400℃ 정도까지로 설정된다.

계속해서 열간 압연을 행하는 데 있어서는, 1000℃ 이상의 온도 범위로 가열하는 것에 의해, 빌렛 중의 조대한 BN을 충분히 분해한 뒤에, 압연 후의 수냉으로 충분히 냉각해서, 압연재(선재)의 레잉 헤드에서의 재치 온도를 800∼1000℃로 제어하는 것이 바람직하다. 재치 온도가 1000℃를 초과하면, 재치 후의 컨베이어 상에서의 냉각 중에, 선재 중에 다량의 BN이 석출되어, 고용 B가 충분히 확보될 수 없을 우려가 있다. 재치 온도는, 보다 바람직하게는 980℃ 이하이고, 더 바람직하게는 950℃ 이하이다. 또한, 재치 온도가 800℃ 미만이 되면, 선재의 변형 저항이 증대하여, 예를 들면, 코일링할 수 없는 등 레잉 헤드에서의 재치 불량이 생길 가능성이 있다. 따라서 재치 온도는 800℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 재치 온도는, 보다 바람직하게는 820℃ 이상이고, 더 바람직하게는 850℃ 이상이다.

또한 열간 압연을 실시할 때에, 압연의 최종 4패스에 있어서의 변형 속도를 0.5초^-1 이상으로 하고, 동적 재결정에 의해 결정립을 미세화함과 더불어, 미세한 TiC를 석출시키는 것이 바람직하다. 상기 변형 속도가 0.5초^-1보다도 작아지면, TiC를 충분히 미세화할 수 없어서, 초석 α의 평균 두께를 충분히 작게 할 수 없다. 이때의 변형 속도는, 보다 바람직하게는 0.8초^-1 이상, 더 바람직하게는 1.0초^-1 이상이다. 그러나, 설비 부하의 문제 때문에, 상기 변형 속도는, 통상은 5초^-1 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 변형 속도 Vε은, 최종 패스로부터 4패스 바로 앞의 롤인 첫 번째의 롤에 입선하기 전의 단면적 S₀(m²)과, 최종 패스 통과 후의 단면적 S₄(m²)와, 4패스의 합계 통과 시간(압연 시간) t(초)를 이용해서, 하기 (2)식으로 표시될 수 있다.

Vε={ln(S₀/S₄)}/t …(2)

재치 후, 냉각 컨베이어 상에서 선재를 냉각하여, 이 냉각 중에 펄라이트 변태를 일으키게 하지만, 펄라이트 변태 개시까지의 평균 냉각 속도를 5℃/초 이상으로 해서 급냉하는 것이 바람직하다. 이때의 평균 냉각 속도가 느려지면, 초석 α가 고온으로 석출되어서 조대화되기 쉬워져, 초석 α의 두께를 충분히 작게 할 수 없을 우려가 있다. 또한, 평균 냉각 속도가 5℃/초보다 작아지면, 국소적으로 조대 펄라이트(coarse pearlite)라고 불리는 라멜라 간격이 극단적으로 성긴 조직이 석출되어, 신선성을 저하시키는 경우도 있다. 한편, 펄라이트 변태의 개시에 대해서는, 선재의 온도를 측정하여, 변태 발열에 의해 냉각 곡선이 변화하는 점(변곡점)을 구하면 된다. 이 평균 냉각 속도는, 보다 바람직하게는 10℃/초 이상이고, 더 바람직하게는 15℃/초 이상이다. 평균 냉각 속도의 바람직한 상한은 100℃/초 이하이고, 보다 바람직하게는 50℃/초 이하이다.

상기와 같이 해서 얻어진 선재는, 그대로 신선 가공(냉간 가공)해서 강선으로서 사용할 수 있지만, 신선 가공 전에 패턴팅 처리를 실시해도 된다. 이러한 신선 가공 전의 패턴팅 처리를 실시하는 것에 의해, 선재의 강도를 높이고, 또한 강도 격차를 저감할 수 있다.

또한 세경의 강선을 제조하는 경우와 같이, 신선 가공도가 커질 것이 예상될 때는, 압연재로부터 어느 정도 신선한 후에 패턴팅 처리를 실시하여, 선재 조직을 미가공된 펄라이트 조직으로 되돌린 뒤에, 추가로 신선 가공을 행하는 것도 유용하다. 이때, 패턴팅 처리를 실시함으로써, 열간 압연 시에 얻어진 초석 α는 없어지지만, 미세 석출된 TiC와 충분한 양의 고용 B가 확보되어 있으면, 일반적인 패턴팅 처리 조건에 의해 적절한 초석 α의 면적률과 평균 두께를 얻을 수 있다.

패턴팅 처리를 실시할 때의 가열 온도(이하, 이 온도를 「재가열 온도」라고 부르는 경우가 있음)는, 900∼1000℃ 정도가 바람직하고, 보다 바람직하게는 920℃ 이상 980℃ 이하이다. 재가열 온도는, 미고용 탄화물의 잔존을 막고, 조직을 완전히 오스테나이트화하는 관점에서, 900℃ 이상인 것이 바람직하지만, 너무 고온이 되면, TiC가 조대화되거나 고용 B가 N과 반응해서 감소함으로써, 소정의 초석 α의 면적률, 평균 두께가 얻어지지 않는 경우가 있다. 또한, 패턴팅 처리에서의 유지 온도는 530∼600℃ 정도가 바람직하고, 보다 바람직하게는 550℃ 이상 580℃ 이하이다.

본 발명의 선재는, 피로 균열의 발생, 진전을 조장하는 초석 α의 양이 충분히 저감되고, 또한 그 두께가 작게 제어되고 있기 때문에, 이것을 냉간 가공한 강선이나, 그 강선을 전부 또는 일부에 이용한 와이어 로프나 PC 강선 등의 제품은, 통상품보다도 피로 특성이 우수하다. 일반적으로, 인장 강도와 피로 강도는 비례 관계에 있지만, 본 발명의 선재로부터 제조된 강선은, 10만회 피로 강도 σ가, 인장 강도 TS와 하기 (1)식의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하고 있고, 본 발명은 이와 같은 강선도 포함한다. 또한, 본 발명은 이러한 강선을 전부 또는 일부에 사용해서 제조된 와이어 로프 등의 제품도 포함한다.

σ＞0.45TS …(1)

본원은 2014년 7월 1일에 출원된 일본 특허출원 제2014-136222호에 기초하는 우선권의 이익을 주장하는 것이다. 일본 특허출원 제2014-136222호의 명세서의 전체 내용이 본원에 참고를 위해 원용된다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명은 이하의 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니고, 상기, 후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하며, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

하기 표 1에 나타내는 화학 성분 조성의 강괴를, 하기 표 2에 나타낸 조건에서 분괴 압연, 열간 압연해서 선재 코일로 가공하고, 일부의 것은 추가로 하기 표 3에 나타낸 조건에서 패턴팅 처리를 행했다. 하기 표 2에 나타낸 압연 선경과 하기 표 3에 나타낸 패턴팅 선경이 상이한 것은, 중간 신선을 사이에 두고 열처리한 것을 나타내고 있다.

마무리 신선 전의 선재로부터 채취한 샘플을 이용하여, 인장 시험, 금속 조직(초석 α의 면적률, 펄라이트 면적률, 초석 α의 평균 두께)의 평가, 고용 B량의 측정을, 하기의 방법에 의해 실시했다.

(인장 시험)

채취한 샘플의 인장 강도 TS(Tensile Strength)는 JIS Z 2241(2011)에 준거해서 측정했다. 결과를 하기 표 4에 나타낸다.

(초석 α의 면적률의 평가)

초석 α의 면적률은, 채취한 샘플을 수지 등에 매설해서 경면 연마하고, 부식액으로 트라이나이트로페놀과 에탄올의 혼합액을 이용하고, 광학 현미경으로 관찰하여, 화상 해석에 의해 그의 면적률을 측정했다. 상기 부식액에 의해 희게 떠오른 부분이 초석 α이다. 선재의 직경을 D로 했을 때, 횡단면의 D/4부를 대표 조직이라고 생각하여, 배율 400배로 촬영해서 합계 5시야를 평가했다. 하기 표 4에 나타낸 「초석 α의 면적률」은 그의 평균값을 나타낸다. 한편, 횡단면이란 선재 길이 방향에 대해서 수직인 면을 가리킨다.

또한, 이 방법에 의해 펄라이트의 면적률도 측정했다. 한편, 하기 표 4에 있어서의 금속 조직의 항목에 있어서, 「P」라고 나타낸 것은, 펄라이트 조직이 95면적% 이상, 즉, 펄라이트가 주상인 것을 나타내고 있다. 또한, 「P+α」나 「P+θ」라고 나타낸 것은, 펄라이트 조직이 95면적% 미만이고, 펄라이트 조직 외에, 페라이트(α)나 시멘타이트(θ)가 혼합된 조직을 나타내고 있다.

(초석 α의 평균 두께의 평가)

상기와 마찬가지로 경면 연마한 시료를, SEM(Scanning Erectron Microscope)에 의해 조직 관찰하고, 관찰된 초석 α립의 10개의 두께를 측정하고, 그의 평균값을 구하여, 1개당 두께를 산출했다. 측정은 상기와 마찬가지로 횡단면의 D/4부에서 행했다. 결과를 하기 표 4에 나타낸다.

(고용 B량의 측정)

고용 B량은, 전해 추출 잔사 측정으로 평가했다. 10% 아세틸 아세톤 용액을 이용한 전해 추출 잔사 측정을 행하고, 눈금 크기: 0.1μm의 메시를 이용하여, 잔사 중의 화합물형 B량을 브롬 에스터법으로 측정했다. 강 중의 전체 B량으로부터 화합물형 B량을 뺌으로써, 고용 B량을 구했다. 결과를 하기 표 4에 나타낸다. 한편, 브롬 에스터법에 이용한 시료는 3g으로 했다. 또한 고용 B량은, 900℃ 이상의 열 이력을 받지 않는 한 변화하지 않기 때문에, 냉간 가공 후의 강선으로 조사해도 된다.

다음으로, 얻어진 선재 코일을 신선 가공해서 강선(와이어)을 제작하여, 인장 시험, 염회 특성의 평가, 피로 특성의 평가를 실시했다. 하기 표 5에, 신선 가공 시의 감면율과, 신선 가공에 의해 얻어진 강선의 선경을 나타낸다.

(인장 시험)

강선의 인장 강도 TS 및 항복점 YP(Yield Point)는 JIS Z 2241(2011)에 준거해서 측정했다. 결과를 하기 표 5에 나타낸다. 또한, 인장 강도 TS에 0.45를 곱한 값을 하기 표 5에 나타낸다.

(염회 특성의 평가)

염회 특성은, 염회 시험을 행하여, 파단까지 필요로 한 염회값(파단 염회 수)에 기초해서 평가했다. 하기 표 5 중의 염회값은 N=5본의 평균값이다. 이때, 염회 속도는 52회/분, 장력은 500gf(4.9N)로 했다. 한편, 염회값은 척간 거리(시험선 길이)를 선경 d의 100배(100d)로 환산해서 규격화했다. 또한, 파면 관찰에 의해 정상 파면과 세로 균열을 판별하고, 5본 중 1본이라도 세로 균열된 것은, 후기 표 5에 있어서 「세로 균열 있음」이라고 기재했다.

(피로 특성의 평가)

피로 특성은, 4점 지지가 되는 지그에 의해, 반복 4점 굽힘 피로 시험을 실시해서 평가했다. 도 1에 있어서, 1은 시험편(선재), 2는 반복 응력을 부가하는 방향, ○는 지지점을 나타낸다. 시험은 편 굽힘으로 행하고, 최대 응력과 최소 응력의 차를 응력 진폭이라고 정의했다. 여러 가지의 응력 진폭으로 10만회의 반복 굽힘을 행하고, N=3본의 시험에서 모두 파단(단선)되지 않았던 것을 합격, 1본이라도 파단된 것은 불합격으로 판정했다. 합격한 시료에 있어서의 최대의 응력 진폭을 10만회 피로 강도 σ라고 정의했다. 10만회 피로 강도 σ를 하기 표 5에 나타낸다. 한편, 응력 파형은 정현파, 주파수는 10Hz로 했다.

이들의 결과로부터 다음과 같이 고찰할 수 있다.

우선 시험 No. 1∼3, 10∼21은 화학 성분 조성, 금속 조직(펄라이트의 면적률, 초석 α의 면적률, 초석 α의 평균 두께)이 모두 본 발명에서 규정하는 범위 내에 있기 때문에, JIS G 3522(1991)에 기재되어 있는 「피아노선 B종」을 상회하는 인장 강도(규격에서는, 예를 들면 선경이 7.0mm로 1620∼1770MPa)를 얻은 뒤에, 상기 (1)식의 관계를 만족하는 피로 강도를 달성하는 강선(와이어)이 얻어지고 있다.

이에 비해, 시험 No. 4∼9, 22∼27은 본 발명의 요건 중 어느 것이 만족되어 있지 않았던 예이다. 이 중 시험 No. 4는 표 2에 나타내는 바와 같이 분괴 압연 시의 가열 온도가 낮았기 때문에, 조대한 TiC가 석출되어서 표 4에 나타내는 바와 같이 초석 α의 평균 두께가 커져, 피로 강도가 저하되었다.

시험 No. 5는 표 2에 나타내는 바와 같이 열간 압연 시의 가열 온도가 낮았기 때문에, 표 4에 나타내는 바와 같이 초석 α의 면적률이 증가하고, 또한 고용 B도 적어져, 피로 강도가 저하되었다.

시험 No. 6은 표 2에 나타내는 바와 같이 마무리 압연 시의 변형 속도가 작았기 때문에, 조대한 TiC가 석출되어서 표 4에 나타내는 바와 같이 초석 α의 평균 두께가 커져, 피로 강도가 저하되었다.

시험 No. 7은 표 2에 나타내는 바와 같이 열간 압연 후의 재치 온도가 낮았기 때문에, 재치 불량이 일어나서 시료가 얻어지지 않았다.

시험 No. 8은 표 2에 나타내는 바와 같이 열간 압연 후의 재치 온도가 높아, TiC가 조대화되었기 때문에 표 4에 나타내는 바와 같이 초석 α의 평균 두께가 커져, 피로 강도가 저하되었다.

시험 No. 9는 표 2에 나타내는 바와 같이 재치 후의 평균 냉각 속도가 느려, 표 4에 나타내는 바와 같이 초석 α의 평균 두께가 커져서, 피로 강도가 저하되었다.

시험 No. 22는 C량이 적었던 강종 P를 이용한 예인데, 표 4에 나타내는 바와 같이 초석 α의 면적률과 평균 두께가 모두 커져서, 염회 특성과 피로 강도가 저하되었다.

시험 No. 23은 C량이 많았던 강종 Q를 이용한 예인데, 다량의 초석 시멘타이트가 석출되었기 때문에 신선 중에 단선되었다.

시험 No. 24는 Ti량이 적었던 강종 R을 이용한 예인데, TiC량이 적어, 초석 α의 평균 두께가 커져서 피로 강도가 저하되었다.

시험 No. 25는 Ti량이 많았던 강종 S를 이용한 예인데, 다량의 Ti계 개재물이 석출되어서 신선 중에 단선되었다.

시험 No. 26은 B량이 많았던 강종 T를 이용한 예인데, 열간 압연 시에 단선되어서 시료가 얻어지지 않았다.

시험 No. 27은 B량이 적었던 강종 U를 이용한 예인데, 초석 α의 면적률이 커져, 염회 특성과 피로 강도가 저하되었다.

도 2는 실시예인 시험 No. 3에서 관찰된 초석 α의 예를 나타내는 도면 대용 현미경 사진이다. 도 2에 나타낸 타원(3)은 초석 α의 석출 위치를 나타내고 있다. 도 2로부터, 초석 α가 판상으로 석출되어 있고, 입자의 「폭 방향」과 「길이 방향」을 용이하게 판별할 수 있다는 것을 알 수 있다.

Claims

질량%로,
C: 0.70∼1.3%,
Si: 0.1∼1.5%,
Mn: 0.1∼1.5%,
N: 0.001∼0.006%,
Al: 0.001∼0.10%,
Ti: 0.02∼0.20%,
B: 0.0005∼0.010%,
P: 0% 이상 0.030% 이하,
S: 0% 이상 0.030% 이하
를 각각 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물이며,
펄라이트를 주상으로 하고,
초석 페라이트의 면적률이 1.0% 이하임과 더불어,
초석 페라이트의 평균 두께가 5μm 이하인 강선용 선재.
제 1 항에 있어서,
질량%로, 이하의 (a)∼(d) 중 어느 것에 속하는 1종 이상을 추가로 함유하는 강선용 선재.
(a) Cr: 0% 초과 1.0% 이하 및 V: 0% 초과 0.5% 이하 중 적어도 1종
(b) Ni: 0% 초과 0.5% 이하 및 Nb: 0% 초과 0.5% 이하 중 적어도 1종
(c) Co: 0% 초과 1.0% 이하
(d) Mo: 0% 초과 0.5% 이하 및 Cu: 0% 초과 0.5% 이하 중 적어도 1종
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
고용 B의 함유량이 0.0003% 이상인 강선용 선재.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 강의 화학 성분 조성으로 이루어지고, 10만회 피로 강도 σ가, 인장 강도 TS와 하기 (1)식의 관계를 만족하는 것인 강선.
σ＞0.45TS …(1)