KR20200065706A - 비틀림 특성 및 강도가 우수한 고탄소강 강선의 제조방법 - Google Patents

비틀림 특성 및 강도가 우수한 고탄소강 강선의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서에서는 타이어코드 등에 적용가능한 고강도 강선 제조방법에 관한 것으로, 비틀림 특성 및 강도가 우수한 고탄소강 강선 제조방법을 개시한다.
개시되는 고탄소강 강소 제조방법의 일 실시예에 따르면 중량 %로, C : 0.97~1.12%, Si : 0.1% 이하, Mn : 0.2~0.5%, Cr : 0.1~0.5%, B : 0.001~0.005%, Ti: 0.01~0.02%, N : 0.006% 이하, P 및 S : 0.02% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 선재를 제조하는 단계, 선재를 1차 신선하는 단계, 신선된 선재를 납조 열처리하는 단계 및 열처리된 선재를 2차 신선하는 단계를 포함하고, 상기 납조 열처리하는 단계는 목표온도 1000~1050℃까지 50~100℃/s의 승온속도로 가열한 후, 20초 이하 동안 유지하여 열처리하는 것을 특징으로 한다.

Description

비틀림 특성 및 강도가 우수한 고탄소강 강선의 제조방법 {Manufacturing method of high carbon steel wire having excellent torsional characteristics and strength}
본 발명은 고탄소강 강선의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 비틀림 특성 및 강도가 우수한 고탄소강 강선 및 그 제조방법에 관한 것이다.
통상적으로 타이어 카카스 및 벨트 부위에 보강재 등 타이어코드에 사용되는 강선은 다음과 같은 방법을 이용하여 제조된다. 탄소 강도가 공석-과공석 범위인 용강을 블룸으로 주조한다. 주조된 블룸을 압연하여 빌렛으로 제조하고, 이 빌렛을 가열로에서 균질화 처리하여 오스테나이트 단상으로 조직을 균질하게 한다. 그 후 선재 압연을 통해 5.0~6.0mm로 다운 사이징하며, 스텔모(stelmor) 냉각대 상에서 초석 페라이트 또는 초석 세멘타이트가 형성되지 않는 적정 속도로 냉각하여 전부 펄라이트 조직을 갖는 선재를 제조한다. 그 후 고객사에서 그 용도와 쓰임에 따라 신선하게 된다. 일반적으로 소재에 연성을 부여하는 열처리가 경우에 따라 1회, 통상적으로 2회 포함되며, 이외 건식 및 습식 신선을 통해 최종 강선이 얻어지며, 이후 동일 강선들을 꼬는 연선 작업이 추가적으로 포함된다.
타이어코드에 쓰이는 강선은 우수한 강도 및 비틀림 특성이 요구된다. 이는 타이어코드가 고강도화됨에 따라 코드 구조가 단순해지고, 이로 인해 보강재 경량화 외 타이어 자체 경량화가 가능하기 때문이다. 다른 요구 특성으로 우수한 비틀림 특성이 있는데, 이는 최종제품의 제조를 위해 신선재를 꼬는 연선 공정시 딜라미네이션이 발생하지 않고, 비틀림 횟수가 높아야 단선이 발생하지 않기 때문이다.
강선의 고강도화를 위해서 통상적으로 1) C, Cr, Si첨가 또는 합금량 증가를 통한 선재 또는 열처리재 강도 증가 및 신선가공량 고정, 2) 합금량 고정 및 신선가공량 증가, 3) 합금량 증가 및 신선가공량 증가 등과 같은 방법이 사용된다. 현재까지는 주로 1) C, Cr 등 합금원소 증량을 통한 고강도화가 진행되어 왔다.
강선의 고강도화를 위한 합금원소 중 C는 타 원소에 비해 미량을 첨가하더라도 강도를 크게 향상시킬 수 있는 원소이며, 0.1중량% 첨가시 인장강도 100 MPa 수준 증가하는 것으로 알려져 있다.
그러나, C함량이 0.97중량%를 초과하는 과공석강의 경우 초석 세멘타이트 등의 입계가 형성되고, 세멘타이트 두께가 증가하며, 펄라이트 층간간격의 미세화가 잘 진행되지 않는다. 이처럼 과공석강에서는 변형을 하지 않는 세멘타이트 분율 및 두께가 증가하기 때문에 강선의 인장강도의 증가율이 감소하며, 신선 가공 시 페라이트와 세멘타이트 계면에 균열(Void)이 발생하는 문제점이 있다.
한국특허등록공보 제10-1767821호 (공고일자: 2017년08월14일)
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 신선 가공 시 페라이트와 세멘타이트 계면에 형성되는 균열을 억제하여, 비틀림 특성 및 강도가 우수한 고탄소강 강선 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소강 강선의 제조방법은 중량 %로, C : 0.97~1.12%, Si : 0.1% 이하, Mn : 0.2~0.5%, Cr : 0.1~0.5%, B : 0.001~0.005%, Ti: 0.01~0.02%, N : 0.006% 이하, P 및 S : 0.02% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 선재를 제조하는 단계, 상기 선재를 1차 신선하는 단계, 상기 신선된 선재를 납조 열처리하는 단계 및 상기 열처리된 선재를 2차 신선하는 단계를 포함하고, 상기 납조 열처리하는 단계는 목표온도 1000~1050℃까지 50~100℃/s의 승온속도로 가열한 후, 20초 이하 동안 유지하여 열처리한다.
또한, 상기 1차 신선하는 단계는 총 감면율 65~75%까지 건식 신선할 수 있다.
또한, 상기 2차 신선하는 단계는 총 감면율 97~98%까지 습식 신선할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 고탄소강 강선은 중량 %로, C : 0.97~1.12%, Si : 0.1% 이하, Mn : 0.2~0.5%, Cr : 0.1~0.5%, B : 0.001~0.005%, Ti: 0.01~0.02%, N : 0.006% 이하, P 및 S : 0.02% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 인장강도*단면적*0.008의 하중 인가 시 비틀림 횟수가 60회 이상이다.
또한, 인장강도는 4300MPa 이상일 수 있다.
또한, 상기 하중에 따라 비틀린 이후의 균열수가 100㎛2 당 5개 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 납조 열처리 시 고온가열로의 승온속도 향상 및 유지시간 감소를 통해 펄라이트 노듈의 크기를 감소시켜, 신선중 발생하는 균열을 억제할 수 있다. 그 결과, 비틀림 특성 및 강도가 우수한 고탄소강 강선을 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
타이어 코드 등에 사용되는 강선은 우수한 비틀림 특성 및 강도가 요구된다. 강도를 향상시키기 위하여 1) C, Cr, Si첨가 또는 합금량 증가를 통한 선재 또는 열처리재 강도 증가 및 신선가공량 고정, 2) 합금량 고정 및 신선가공량 증가, 3) 합금량 증가 및 신선가공량 증가 등 다양한 방법이 존재했다. 그 중 주로 이용되는 1) C, Cr을 첨가하는 방법의 경우 탄소 함량이 증가함에 따라 초석 세멘타이트 등의 입계가 형성되며, 세멘타이트 두께가 증가하고, 펄라이트 층간간격의 미세화가 잘 진행되지 않아 신선 가공 시 페라이트와 세멘타이트 계면에 균열(Void)이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명에서는 납조 열처리 시 고온가열로의 승온속도 향상 및 유지시간 감소를 통해 펄라이트 노듈의 크기를 감소시켜, 신선 시에 발생하는 균열을 억제할 수 있으므로, 비틀림 특성 및 강도가 우수한 고탄소강 강선을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비틀림 특성 및 강도가 우수한 강선은 중량 %로, C : 0.97~1.12%, Si : 0.1% 이하, Mn : 0.2~0.5%, Cr : 0.1~0.5%, B : 0.001~0.005%, Ti: 0.01~0.02%, N : 0.006% 이하, P 및 S : 0.02% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함한다.
이하에서는 본 발명 실시예에서의 합금성분 원소 함량의 수치한정 이유에 대하여 설명한다. 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%으로 해석될 수 있다.
탄소(C): 0.97~1.12중량%
C는 강도를 확보하기 위한 주요 원소로 치환형 원소인 C는 주로 세멘타이트로 존재한다. C 함량 증가 시 세멘타이트 분율은 증가하며, 강도 또한 증가하는 것으로 알려져 있으며, 0.1% 증가 시 100 MPa의 강도가 증가한다. C는 0.97% 미만일 경우 본 발명 목표 강도를 달성하기 어려우며, C 함량이 1.12% 초과인 경우에는 중심 편석의 형성으로 인한 신선성 악화 문제나 초석 세멘타이트의 입계 형성 등의 문제로 인해 취성 파괴가 일어날 수 있다. 따라서, C의 함량은 0.97~1.12%로 정하는 것이 바람직하다.
규소(Si): 0.1 중량% 이하
Si는 페라이트 고용강화 원소로서 페라이트 내에 고용되며, 펄라이트에서는 페라이트 내 및 세멘타이트와 페라이트 계면에 편석되는 원소이다. Si은 함량이 0.1% 증가 시 인장강도를 14~16MPa 증가시키지만, 페라이트 경화에 따른 신선성 악화로 신선 가공량이 많이 부여되는 강선에는 부적합하다. 따라서, Si 함량이 0.1% 초과인 경우 신선 가공이 어렵기 때문에 0.1% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
크롬(Cr): 0.1~0.5 중량%
Cr은 페라이트 안정화 원소이며 강도를 크게 증가시킨다. 또한, 세멘타이트 내 일반형자리(general site)에 쉽게 위치할 수 있는 치환형 원소이기 때문에 Fe와 쉽게 치환되어 세멘타이트 두께를 미세화시켜 가공경화율을 향상시키는 역할을 한다. 상기 효과를 위해, Cr의 함량은 0.1%이상인 것이 바람직하다. 다만, 0.5%를 초과하는 경우에는 변태 노즈가 지연되고, 조대한 크롬탄화물이 형성되어 생산성을 저하시키기 때문에 그 이하로 하는 것이 바람직하다. 따라서, Cr 함량은 0.1~0.5%로 제어하는 것이 바람직하다.
망간(Mn): 0.2~0.5 중량%
Mn은 오스테나이트 안정화 원소이며, 주로 열처리 시 소입성을 확보하거나 강도를 증가시키기 위해 첨가한다. 0.2% 미만 첨가 시 소입성 확보가 어렵고, 0.5 % 초과 시 중심 편석에 의한 가공 중 단선 발생이 쉽기 때문에 그 이하로 첨가하는 것이 바람직하다. 따라서, Mn 함량은 0.2~0.5%로 제어하는 것이 바람직하다.
붕소(B) : 0.001~0.005 중량%
외부로의 C 확산은 농도 평행을 유지하기 위해 자연적으로 발생하는 것으로 입계 페라이트가 오스테나이트 계면 등을 따라 형성되면 최종 습식 신선 중에 단선을 유발하거나 또는 비틀림 응력을 인가 시 길이 방향으로 균열이 전파되는 딜라미네이션을 발생할 수 있다.
본 발명에서 B는 오스테나이트 계면에 존재하여 열처리 시에 발생하는 입계 페라이트 형성을 억제하는 역할을 한다. 첨가량이 0.001% 이하이면 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 0.005% 초과 첨가시 입계에 보론계 질화물의 석출로 인해 입계 강도를 저하시켜 열간가공성을 저하시킬 수 있다. 따라서, B 함량은 0.001~0.005%으로 제어하는 것이 바람직하다.
타이타늄 (Ti): 0.01~0.02 중량%
Ti는 N과 결합력이 좋은 원소로 보론계 질화물의 형성을 억제하므로, Ti를 첨가하여 B가 고용(soluble) 상태로 존재할 수 있도록 도와 경화능 향상의 효과를 얻을 수 있다. 첨가량이 0.01% 미만이면 첨가에 따른 효과가 미흡하며, 0.02%를 초과하면 조대한 질화물을 형성해 기계적 물성을 저해할 수 있다. 따라서, Ti 함량은 0.01~0.02%로 제어하는 것이 바람직하다.
질소(N) : 0.006 중량% 이하
N은 신선 중 페라이트 기지에 형성된 전위에 고착되어 시효경화를 유발시키는 원소일 뿐 아니라, 과포함 시에는 B 첨가강에서 BN을 입내에 형성시켜 B의 효과를 억제시킨다. 따라서, N 함량은 0.006% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
인(P) 및 황(S): 0.02 중량% 이하
P 및 S는 불순물로 그 함량이 낮을수록 좋으나, 너무 극한으로 제한할 경우 제강 공정에서 불순물 제거에 대한 비용이 증가한다. 또한, 상기 P와 S는 그 함량이 증가할 경우 소재의 연성이 감소하고 신선 가공성이 저하된다. 따라서, 상기 P, S의 함량은 통상적으로 그 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 상기 P 및 S의 상한을 0.02%로 제어하는 것이 바람직하다.
상술한 합금조성으로 제조되는 본 발명의 강선은 인장강도가 4300MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 강선은 150℃에서 1시간 유지 후 200D(D:제품직경) 기준으로 인장강도*단면적*0.008의 하중을 인가하는 경우 비틀림 횟수가 60회 이상일 수 있으며, 이때 딜라미네이션이 발생하지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 강선은 상기 인가된 하중에 따라 비틀린 이후의 균열수가 100㎛2 당 5개 이하일 수 있다.
이하, 본 발명의 비틀림 특성 및 강도가 우수한 고탄소강 강선의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 강선의 제조방법은 중량 %로, C : 0.97~1.12%, Si : 0.1% 이하, Mn : 0.2~0.5%, Cr : 0.1~0.5%, B : 0.001~0.005%, Ti: 0.01~0.02%, N : 0.006% 이하, P 및 S : 0.02% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물(이하, '성분계'라고 한다.)을 포함하는 선재를 제조하는 단계, 상기 선재를 1차 신선하는 단계, 상기 신선된 선재를 납조 열처리하는 단계 및 상기 열처리된 선재를 2차 신선하는 단계를 포함하고, 상기 납조 열처리하는 단계는 목표온도 1000~1050℃까지 50~100℃/s의 승온속도로 가열한 후, 20초 이하 동안 유지하여 열처리하는 것을 특징으로 한다. 이하에서는 각 제조단계에 대하여 설명한다.
선재를 제조하는 단계
상기 성분계를 만족하는 용강을 블룸으로 주조한 다음, 압연하여 빌렛으로 제조할 수 있다. 그 다음 빌렛을 1000~1100℃로 가열한다. 상기 온도범위에서 가열함으로써, 오스테나이트 단상을 유지하고 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지할 수 있으며, 잔존하는 편석, 탄화물 및 개재물을 효과적으로 용해할 수 있다. 가열온도가 1000℃ 미만인 경우에는 가열에 의한 상술한 효과를 얻기 어렵다. 반면에, 1100℃를 초과하는 경우에는 스케일 생성 및 탈탄 현상이 심해져 표면 품질이 열위하게 되는 문제가 있다.
상기와 같이 가열된 빌렛을 열간압연하여 선재를 제조한다. 상기 열간압연을 950℃ 미만에서 수행하는 경우 압연부하가 커져 압연롤이 파손될 우려가 있다. 또한, 열간압연의 온도가 1050℃를 초과하는 경우에는 오스테나이트 결정립이 조대하여 목표로 하는 강도의 확보가 어려워지는 문제가 있다. 따라서, 열간압연은 950~1050℃에서 수행되도록 제어되는 것이 바람직하다. 상기 선재 압연 이후에는 통상적인 수냉의 방법을 통하여 후속하는 권취 공정을 위한 온도범위까지 냉각하는 것이 바람직하다.
상술한 바에 따라 제조된 선재에 대해서 권취 및 냉각 공정을 거쳐 최종적으로 목표로 하는 물성을 갖는 선재를 제조하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기 권취 공정은 890~910℃의 온도범위에서 수행할 수 있다. 여기서 권취온도는 선재 표면의 온도를 기준으로 한다.
상기 권취 공정을 완료한 후에는 냉각 공정을 수행할 수 있다. 이때 권취된 선재 표면의 온도 890~910℃에서, Ae1온도(약 730℃)까지 냉각하는 것이 바람직하다. 냉각 공정은 균질한 조직을 확보하기 위하여 스텔모에서 행해질 수 있으며, 20~25℃/초의 냉각속도로 행하는 것이 바람직하다. 상기 냉각속도가 20℃/초 미만인 경우에는 초석 세멘타이트 및 펄라이트가 형성되는 문제가 있으며, 25℃/초를 초과하는 경우에는 스텔모 상에서 불가능하다.
상술한 제조과정으로 얻은 선재는 인장강도가 1350MPa 이상, 단면 수축률은 28% 이상일 수 있다.
선재를 1차 신선하는 단계
상술한 바와 같이 빌렛을 가열, 열간압연, 권취, 냉각하여 선재를 제조한 다음 산세 등 디스케일링 처리한 후, 1차 신선할 수 있다. 1차 신선은 건식 신선으로 신선기를 이용하여 총 감면율 65~75%까지 수행될 수 있다.
신선된 선재를 납조 열처리하는 단계
1차 신선된 선재를 납조 열처리할 수 있다. 납조 열처리는 목표온도 1000~1050℃까지 50~100℃/s의 승온속도로 고온가열한 다음, 20초 이하의 짧은 시간 동안 유지한 후 560~600℃의 납조에 20초 동안 침지하여 수행될 수 있다.
상기 납조 열처리 단계로 열처리된 선재의 미세조직인 펄라이트 노듈의 크기를 15㎛ 이하로 제어할 수 있다. 펄라이트 노듈의 크기가 15㎛ 이하로 제어된 결과, 입도 미세화에 의하여 습식 신선 시에 페라이트와 세멘타이트 계면에 형성되는 균열의 전파가 억제되므로, 습식 신선 후에 얻어지는 최종 목적의 고탄소강 강선은 인장강도, 비틀림, 딜라미네이션 발생 여부, 비틀린 이후의 균열수의 특성이 우수하다.
한편, 승온속도는 50~100℃/s인 것이 바람직하다. 승온속도가 50℃/s 미달인 경우에는 열처리선의 펄라이트 노듈의 크기를 충분히 작게 제어할 수 없으며, 100℃/s 초과하도록 고온가열하는 것은 설비상 제한된다.
목표온도 1000~1050℃에서의 유지시간은 20초 이하의 짧은 시간으로 설정하는 것이 바람직하다. 20초를 초과하는 경우에는 펄라이트 노듈의 크기를 충분히 작게 제어할 수 없다.
상술한 신선선을 납조 열처리하여 얻어지는 열처리선은 미세조직으로 펄라이트 기지조직을 포함하며, 본 발명에서 상기 펄라이트 노듈의 크기는 15㎛ 이하로 제어되는 것이 바람직하다. 또한, 열처리선은 단면 수축률이 45% 이상일 수 있다.
열처리된 선재를 2차 신선하는 단계
납조 열처리된 선재를 2차 신선하여 최종 산물인 고탄소강 강선을 얻을 수 있다. 2차 신선은 습식 신선으로 신선기를 이용하여 총 감면율 97~98%까지 수행될 수 있다. 최종 신선 공정인 2차 신선한 후 신선에 의해 내부에 형성된 내부 응력을 제거하기 위하여 150℃에서 1시간 유지하는 열처리 공정을 더 포함할 수 있다.
2차 신선으로 얻어지는 최종 산물인 고탄소강 강선은 인장강도가 4300MPa 이상일 수 있다.
또한, 강선은 150℃에서 1시간 유지 후 200D(D:제품직경) 기준으로 인장강도*단면적*0.008의 하중을 인가하는 경우 비틀림 횟수가 60회 이상일 수 있으며, 이때 딜라미네이션이 발생하지 않을 수 있다.
또한, 본 발명의 강선은 상기 인가된 하중으로 비틀린 이후의 균열수가 100㎛2 당 5개 이하일 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
{실시예}
이하의 각 발명예 및 비교예의 강선은 선재를 제조하는 단계, 선재를 1차 신선하는 단계, 신선된 선재를 납조 열처리하는 단계, 열처리된 선재를 2차 신선하는 단계로서 순차적으로 제조되었다.
각 발명예 및 비교예의 강선의 제조과정에 있어서, 납조 열처리는 이하의 표 2와 같이, 고온가열로에서 승온속도 및 유지시간 조건이 상이하다. 그 외의 제조과정은 모두 동일한 조건에서 수행되었다.
하기 표 1에 나타낸 성분조성을 갖는 용강을 이하의 제조과정을 통하여 선재로 제조하였다. 구체적으로, 표 1의 합금조성을 갖는 용강을 주조하여 빌렛을 얻은 뒤, 상기 빌렛을 1000℃ 이상 온도에서 90분 유지하여 오스테나이징하고, 900℃ 이상에서 열간압연하였으며, 수냉존 통과후 권취기(Laying head, L/H)에서 900℃에서 권취한 후, Ae1온도(약 730℃)까지 24℃/s로 냉각하여, 각 선재를 제조하였다. 이후 상온에서 7일 강제 시효시킨 후 각 선재의 인장강도(TS) 및 단면감소율(RA)를 측정하여 표 1에 기재하였다.
　구분 중량 (wt.%) 선재
C Si Cr Mn B Ti N P S TS
(MPa)		 RA
(%)
비교예1 1.12 0.09 0.22 0.32 0.002 0.018 0.006 0.015 0.013 1450 27
비교예2 1.02 0.08 0.21 0.33 0.002 0.02 0.005 0.012 0.011 1412 28
비교예3 0.97 0.10 0.23 0.31 0.002 0.01 0.005 0.009 0.014 1380 31
발명예1 1.12 0.09 0.22 0.32 0.002 0.018 0.006 0.015 0.013 1448 28
발명예2 1.02 0.08 0.21 0.33 0.002 0.02 0.005 0.012 0.011 1421 29
발명예3 0.97 0.10 0.23 0.31 0.002 0.01 0.005 0.009 0.014 1388 30
표 1에서 각 발명예 및 비교예 선재의 성분조성은 탄소(C)를 제외한 규소(Si), 크롬(Cr) 등의 합금량은 거의 유사하며, 탄소(C)는 0.97~1.12%까지 증가시켰다. 각 발명예 및 비교예의 선재 인장강도(TS)는 탄소함량이 증가하면서 1380MPa 이상(최대 1450 MPa)으로 증가하며, 단면 수축률(RA)는 28% 이상인 것을 표 1를 통해 확인할 수 있다.
표 1의 각 선재를 디스케일링하고 1차 신선(건식 신선)한 후, 납조 열처리를 하였다. 아래의 표 2에서 신선선은 1차 신선된 선재를 의미하며, 열처리선은 상기 신선된 선재를 납조 열처리한 선재를 의미한다. 납조 열처리 조건과 신선선 및 열처리선의 인장강도(TS), 단면 수축률(RA)의 측정 결과를 아래 표 2에 기재하였다.
이하의 표 2에서 측정된 펄라이트 노듈의 크기는 EBSD(Electron Backscatter Diffraction) 장비를 사용하여 페라이트 조직의 결정방위를 측정한 다음, 인접한 페라이트 결정 방위의 차가 15°인 경우를 노듈(nodule) 경계로 정의하고, 이때 그려지는 경계의 크기를 측정한 값이다.
구분 신선선 납조 열처리 열처리선
고온가열로 LP로
TS
(MPa)		 RA
(%)		 승온
속도
(C/s)		 목표
온도
(C)		 유지
시간
(sec.)		 목표
온도
(C)		 유지
시간
(sec.)		 TS
(MPa)		 RA
(%)		 노듈 크기
(㎛)
비교예1 2550 26 20 1020 42 600 20 1510 34 22
비교예2 2512 27 20 1022 41 600 20 1502 32 24
비교예3 2480 24 20 1020 42 600 20 1438 36 25
발명예1 2545 28 50 1021 20 600 20 1527 47 12
발명예2 2528 27 80 1019 18 600 20 1500 45 11
발명예3 2471 27 100 1020 15 600 20 1478 48 10
표 2의 신선선은 표 1의 각 선재를 감면율 75%까지 건식 신선하여 제조하였다. 표 2를 참조하면 건식 신선된 각 신선선은 선재 대비 인장강도가 1000MPa 이상 증가하는 값을 가졌으며, 단면 수축률(RA)은 선재 대비 약 27%로 감소하였다.
표 2의 납조 열처리는 비교예 1~3 및 발명예 1~3에서 상이한 조건으로 수행된다. 발명예 1~3의 납조 열처리는 고온가열로에서 목표온도 1020℃까지 승온속도 50~100℃/s로 가열한 다음, 20초 이하 동안 유지한 후 600℃의 납조에 침지하여 수행된다. 반면, 비교예 1~3은 고온가열로에서 목표온도 1020℃까지 승온속도 20℃/s로 가열한 다음, 약 40초 동안 유지하는 것이 발명예 1~3과 상이하다.
상이한 조건으로 납조 열처리한 결과, 발명예 1~3의 열처리선은 45% 이상의 단면 수축률(RA)을 가지고, 비교예 1~3의 열처리선 대비 단면 수축률(RA)이 약 10% 증가하였다. 상기 결과로부터 발명예 1~3의 열처리선은 비교예 1~3의 열처리선 대비 선재의 연성 및 신선가공성이 우수함을 알 수 있다.
이는 발명예 1~3의 열처리선의 펄라이트 노듈의 크기는 15㎛ 이하로, 비교예 1~3의 열처리선 대비 펄라이트 노듈의 크기가 약 10% 이상 작으므로, 발명예 1~3의 열처리선이 입도 미세화에 의한 균열 전파 억제 효과로 인하여 신선가공성 향상에 유리하기 때문이다.
표 2에 따른 각 비교예 및 발명예의 열처리선을 감면율 97.5%로 습식 신선한 후 150℃에서 1시간 유지하여 제조한 강선의 인장강도(TS), 비틀림, 딜라미네이션 발생 여부, 비틀린 이후의 균열수에 대한 측정 결과를 아래 표 3에 기재하였다.
표 3에서는 각 비교예 및 발명예의 강선에 200D(D:제품직경) 기준으로 인장강도(TS)*단면적*0.008의 하중(이하 '하중')을 인가하여 비틀림 특성을 측정하였다. 측정된 비틀림 특성은 딜라미네이션 발생(%), 비틀림 횟수, 균열수(n/100㎛2)이다. 이하에서, 측정된 비틀림 특성을 토대로 측정결과를 검토하였다.
　구분 강선 (최종신선선)
TS
(MPa)		 비틀림
(회)		 딜라미네이션
발생 여부		 균열수
(n/100㎛2)
비교예1 4100 42 50 % 발생 18
비교예2 4080 45 48 % 발생 14
비교예3 4010 48 45 % 발생 10
발명예1 4490 60 0 % 발생 4
발명예2 4410 62 0 % 발생 2
발명예3 4320 65 0 % 발생 1
표 3을 참조하면 발명예 1~3의 강선은 최소 인장강도(TS) 값이 4320MPa 이상으로 비교예 1~3의 강선의 최대 인장강도(TS) 값인 4100MPa보다 높으므로, 이로부터 발명예 1~3의 강선이 비교예 1~3의 강선보다 인장강도(TS)가 더 우수함을 알 수 있다.
표 3을 참조하면 발명예 1~3의 강선은 하중 인가 시 딜라미네이션 발생 없이 비틀림 수가 60회 이상인 반면, 비교예 1~3의 강선은 최대 50% 딜라미네이션이 발생하며 비틀림 수도 40~50회 정도에 불과하였다. 이로부터 발명예 1~3의 강선이 비교예 1~3의 강선보다 비틀림 특성이 더 우수함을 알 수 있다.
균열수 (n/100㎛2)는 상기 인가된 하중으로 비틀린 이후, 각 강선 단면부의 중심(-1/2D~+1/2D) 영역에서 관찰되는 균열수를 의미한다. 표 3을 참조하면 비교예 1~3의 강선의 균열수는 100㎛2 당 약 10~20개임을 알 수 있고, 이에 반하여 발명예 1~3의 강선은 균열수가 100㎛2 당 4개 이하로서 비교예 1~3의 강선의 균열수보다 월등히 적음을 알 수 있다.
발명예 1~3의 강선이 비교예 1~3의 강선보다 상술한 인장강도(TS), 비틀림, 딜라미네이션 발생 여부, 비틀림 이후의 균열수의 특성이 우수한 이유는 습식 신선 전의 발명예 1~3 열처리선의 미세조직인 펄라이트 노듈의 크기가 15㎛ 이하로 제어된 결과, 입도 미세화에 의하여 습식 신선 시에 페라이트와 세멘타이트 계면에 형성되는 균열의 전파가 억제되기 때문이다.
본 발명에서는 상술한 효과를 얻기 위하여, 납조 열처리 단계에서 목표온도 1020℃까지 승온속도 50~100℃/s로 가열한 다음, 20초 이하의 짧은 시간 동안 유지하여, 습식 신선 전의 열처리선의 미세조직인 펄라이트 노듈의 크기를 15㎛ 이하로 제어한다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 중량 %로, C : 0.97~1.12%, Si : 0.1% 이하, Mn : 0.2~0.5%, Cr : 0.1~0.5%, B : 0.001~0.005%, Ti: 0.01~0.02%, N : 0.006% 이하, P 및 S : 0.02% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 선재를 제조하는 단계;
    상기 선재를 1차 신선하는 단계;
    상기 신선된 선재를 납조 열처리하는 단계; 및
    상기 열처리된 선재를 2차 신선하는 단계를 포함하고,
    상기 납조 열처리하는 단계는 목표온도 1000~1050℃까지 50~100℃/s의 승온속도로 가열한 후, 20초 이하 동안 유지하여 열처리하는 것을 특징으로 하는 고탄소강 강선의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1차 신선하는 단계는 총 감면율 65~75%까지 건식 신선하는 것을 특징으로 하는 고탄소강 강선의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2차 신선하는 단계는 총 감면율 97~98%까지 습식 신선하는 것을 특징으로 하는 고탄소강 강선의 제조방법.
  4. 중량 %로, C : 0.97~1.12%, Si : 0.1% 이하, Mn : 0.2~0.5%, Cr : 0.1~0.5%, B : 0.001~0.005%, Ti: 0.01~0.02%, N : 0.006% 이하, P 및 S : 0.02% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고,
    인장강도*단면적*0.008의 하중 인가 시 비틀림 횟수가 60회 이상인 것을 특징으로 하는 고탄소강 강선.
  5. 제4항에 있어서,
    인장강도는 4300MPa 이상인 것을 특징으로 하는 고탄소강 강선.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 하중에 따라 비틀린 이후의 균열수가 100㎛2 당 5개 이하인 것을 특징으로 하는 고탄소강 강선.

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