KR20200075644A - 신선가공성이 향상된 고강도 강선 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

신선가공성이 향상된 고강도 강선이 개시된다. 개시된 강선은 중량%로, C: 0.95 내지 1%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 0.1 내지 0.3%, Cr: 0.4 내지 0.8%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 단면감소율(Reduction Ratio)이 40% 이상이며, 인강강도가 1,800Mpa 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

신선가공성이 향상된 고강도 강선 및 그 제조방법{HIGH STRENGTH STEEL WIRE WITH IMPROVED DRAWABILITY AND THE METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 우수한 신선가공성을 갖는 고강도 강선 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 고강도 강선을 얻기 위해 여러 가지 방법이 사용될 수 있다.

우선 소재 자체의 강도를 증가시키는 방법이 사용될 수 있다. 즉 고강도 강선을 얻기 위한 방법의 하나로서, 강의 강도를 높이는 강화원소를 다량 첨가하여 소재 자체의 강도를 증가시키는 방법이 사용될 수 있다. 이러한 강화 원소의 대표적인 예로는 탄소를 들 수 있다. 탄소 함량이 증가할 경우 선재 내부에는 경질상인 시멘타이트의 분율이 증가하고 펄라이트 조직의 라멜라 간격이 조밀해져 소재의 강도가 향상되게 된다. 탄소 이외에도 다양한 합금원소를 첨가하는 기술이 제안되어 왔다.

다른 방법으로 가공경화율을 증가시키는 방법이 사용될 수 있다. 강선 등은 압연된 선재를 신선 및 열처리하여 제조한다. 상기 선재의 신선가공시 가공경화율을 증가시킴으로써 강도가 대폭 향상될 수 있다. 즉, 신선가공시 가공경화율을 증가시키면 라멜라 간격이 미세화되고 가공경화계수가 증가하며, 전위의 집적도가 증가하게 되어 강선의 강도는 증가하게 된다.

또 다른 방법으로 강선의 신선변형율을 증가시킴으로써 강도가 향상될 수 있다. 이 때, 소재의 신선변형율은 소재의 연성에 밀접한 관계가 있는 것으로서 소재 자체가 신선가공시 단선이 일어나지 않고 용이하게 가공될수록 강도향상에 유리하다.

전술한 방법들은 모두 독립적으로 작용하는 것이 아니라 상호 연관되어 강선의 강도를 변화시키는 것이므로, 이들을 독립적으로 제어하여 강선의 강도를 향상시키는 것은 한계가 있다.

고강도강 제조시 합금원소를 첨가함에 따라 선재 압연 후, 후속되는 강선 제조공정에서 단선이 발생하고, 강선의 도전율이 감소하는 문제가 발생한다. 따라서, 강선의 강도에 미치는 합금원소의 영향 정도를 파악하여 강도를 높이면서도 신선가공성을 확보할 수 있는 강의 개발이 요구된다.

본 발명의 실시예들은 강도를 확보하면서도 신선가공성이 향상된 고강도 강선 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 신선가공성이 향상된 고강도 강선은 중량%로, C: 0.95 내지 1%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 0.1 내지 0.3%, Cr: 0.4 내지 0.8%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 단면감소율(Reduction Ratio)이 40% 이상이며, 인강강도가 1,800Mpa 이상이다.

또한, 상기 강선의 도전율이 8%IACS 이상일 수 있다.

또한, 상기 강선의 인강강도가 1,800 내지 2,300Mpa일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 신선가공성이 향상된 고강도 강선의 제조방법은 중량%로, C: 0.95 내지 1%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 0.1 내지 0.3%, Cr: 0.4 내지 0.8%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 선재를 변형율(e) 1.65 내지 1.80의 범위로 신선 가공하여 강선을 얻는 단계; 및 상기 강선을 280~350℃에서 열처리하는 단계;를 포함한다.

또한, 신선 가공 전, LP열처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, LP　열처리 온도는 500~630℃일 수 있다.

본 발명에 따르면, 고강도화의 걸림돌로 작용하고 있는 디라미네이션의 발생을 억제시키고 비틀림특성 또한 우수할 뿐만 아니라, 신선한계를 증대시킬 수 있어 고강도를 갖는 강선을 제공할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명의 일 측면에 따른 신선가공성이 향상된 고강도 강선은 중량%로, C: 0.95 내지 1%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 0.1 내지 0.3%, Cr: 0.4 내지 0.8%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 단면감소율(Reduction Ratio)이 35% 이상이며, 인강강도가 1,800Mpa 이상이다.

이하, 본 발명의 실시예에서의 함금성분 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.

C의 함량은 0.95 내지 1%이다.

탄소(C)는 강선의 강도를 향상시키기 위해 첨가되는 원소로, 0.95%이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과도할 경우, 강도 향상은 얻어지지만 연성이 저하되는 문제가 있어, 그 상한을 1%로 한정할 수 있다.

Mn의 함량은 0.3 내지 0.8%이다.

망간(Mn)은 소입성을 증가시키는데 효과적인 원소로 0.3%이상 첨가할 수 있다. 다만, 그 함량이 과도할 경우, 중심편석을 일으켜 저온조직을 유발하는 문제가 있어, 그 상한을 0.8%로 한정할 수 있다.

Si의 함량은 0.1 내지 0.3%이다.

실리콘(Si)은 페라이트상의 고용원소로, 강도 확보를 위해 0.1% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 그 함량이 과도할 경우, 페라이트상을 취하시켜 신선가공에 문제가 있을 뿐만 아니라, 페라이트에 고용시 응력장을 형성함으로써 자유전자의 이동을 강하게 억제하여 강선의 도전율을 감소시킨다. 따라서, 그 상한을 0.3%로 한정할 수 있다.

Cr의 함량은 0.4 내지 0.8%이다.

크롬(Cr)은 펄라이트의 층상 조직을 미세화함으로써 강도와 연성을 향상시키는 성분으로서, 0.4% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과도할 경우, 항온변태속도를 감소시켜 생산성에 영향을 미치는 바, 그 상한을 0.8%로 한정할 수 있다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 철강제조 과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 다른 일 측면에 따른 신선가공성이 향상된 고강도 강선의 제조방법은, 중량%로, C: 0.95 내지 1%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 0.1 내지 0.3%, Cr: 0.4 내지 0.8%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 선재를 변형율 1.65 내지 1.80%의 범위로 신선 가공하여 강선을 얻는 단계; 및 상기 강선을 280~350℃에서 열처리하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 강선은 상술한 합금조성을 만족하는 선재를 제조한 후, 상기 선재를 신선하는 공정을 거침으로써 제조할 수 있다.

우선, 전술한 조성을 갖는 빌렛(Billet)을 850 ~ 1,100℃에서 열간압연한 후, 냉각하여 선재를 제조한다. 제조된 선재가 신선가공에 적합하도록, 신선가공 전에 상기 선재를 LP(Lead Partenting)열처리하는 것이 바람직하다. 상기 LP열처리는 고온으로 열처리된 선재를 납욕에 담금질함으로써 신선가공에 적합한 조직으로 변태시키는 공정을 의미한다.

개시된 실시예에 따르면, 선재를 500~630℃에서 LP　열처리하여 미세한 펄라이트를 형성하는 것이 바람직하다.

상기 LP　열처리시 그 온도가 500℃ 미만이면 저온조직이 발생하여 신선 가공성을 악화시킬 우려가 있으며, 반면 그 온도가 630℃를 초과하게 되면 펄라이트 층상간격이 조대해져 강도를 확보할 수 없게 되는 문제가 있다.

이후, LP열처리를 거친 선재의 강도를 증가시키기 위해 신선가공하여 강선을 제조한다.

선재의 신선가공 시, 선재의 변형율(ε)이 1.65 내지 1.80%의 범위를 만족하도록 신선가공을 제어할 수 있다. 선재의 변형율이 1.65% 미만인 경우, 충분한 강도를 확보할 수 없으며, 1.65%를 초과하는 경우에는 지나친 가공경화로 인하여 강선의 단선이 일어나는 문제가 있다.

변형율(e)은 2ln(di/df)로 표현된다. 여기서, di는 신선가공전 강선의 초기 직경을 의미하며, df는 신선가공후의 강선의 직경을 의미한다.

신선가공 후에는 280~350℃의 온도 범위에서 강선에 대한 열처리를 수행한다. 열처리 온도가 280℃ 미만일 경우, 강선에 에이징(aging)이 발생하여 전위의 이동이 어려워짐으로써 신선가공성을 확보할 수 없다. 반면 열처리 온도가 350℃를 초과할 경우, 강선의 펄라이트 조직내에 포함된 판상의 시멘타이트가 구상으로 변화되어 인장강도를 확보할 수 없다.

전술한 바와 같이, 개시된 실시예는 신선가공 후에 열처리를 행하여, 디라미네이션 발생을 억제하고, 비틀림특성을 향상시킬 수 있다. 보다 상세하게, 개시된 실시예는 신선가공 후에 열처리를 행함으로써, 강선의 단면감소율을 40% 이상으로 증가시킬 수 있고, 연선 가공시 강선의 디라미네이션의 발생을 방지할 수 있으며, 1800MPa 이상의 인장강도 및 8%IACS 이상의 도전율을 확보할 수 있다.

따라서, 개시된 실시예에 따른 강선은 상기 특성들이 요구되는 송전선용 ACSR(Aluminum Conductor Steel Reinforced)) 강선에 적용될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

하기 표 1의 성분범위를 가진 잉고트(Ingot)를 900℃에서 열간압연하여 선재를 제조하였다.

구분	성분(중량 %)
	C	Si	Mn	Cr
발명강 1	0.92	0.15	0.5	0.6
발명강 2	0.97	0.2	0.5	0.6
비교강 1	0.97	2.0	0.5	0.3

이후, 하기 표 2의 조건으로 신선가공 및 열처리하여 강선을 제조하였다.

제조된 실시예와 비교예의 기계적 특성(인장강도, 단면감소율, 디라미네이션 발생여부)을 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

인장강도는, 열간압연된 선재를 ASTM E8 규격에 맞게 인장시편을 가공한 후, 전술한 강선 제조방법에 따른 후 인장시험을 실시하여 측정하였다.

RA는 단면감소율(Reduction Ratio)을 의미하며, 소재의 인장시험시 파단된 인장시편에서 단면적의 변화를 측정한 것으로 소재의 연성을 수치로 표현한 것이다.

또한, 횡방향 응력을 가하는 비틀림 시험 시 강선이 파단할 때까지의 회전수를 비틀림수로 하였으며, 소선 파단부에 나선형의 파단 불량이 나타나는지 확인하여 디라미네이션 발생 유무 하기 표 2에 기재하였다.

구분	선재	제조공정		기계적 특성			도전율 (%IACS)
		신선변형율(%)	열처리온도	인장강도 (MPa)	RA(%)	디라미네이션 발생 유무
실시예 1	발명강 1	1.71	330℃	2040	54	미발생	8.45
실시예 2	발명강 2	1.71	330℃	2164	51	미발생	8.42
비교예 1	발명강 1	1.92	240℃	2163	56	발생	8.41
비교예 2	발명강 2	1.71	240℃	2199	57	발생	8.40
비교예 3	비교강 1	1.71	240℃	1976	27	발생	4.79
비교예 4	비교강 1	1.71	330℃	2163	28	발생	4.80

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 부합되는 성분 및 조건으로 제조된 실시예 1 및 2는 인장강도를 2,200MPa 이상으로 확보할 수 있을 뿐만 아니라, RA가 40% 이상으로 나타났고, 디라미네이션이 발생하지 않았음을 확인할 수 있다. 따라서, 개시된 실시예에 따르면 연성을 저하시키지 않으면서 강도를 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

또한, 실시예 1 및 2는 도전율이 8%IACS 이상으로 나타나, 송선선용 소재에 적용이 가능하다. 이는 고용강화 원소인 Si의 함량을 0.3% 이하로 감소함으로써 자유전자의 이동을 원활하게 하여 도전율을 확보한 본 발명의 합금설계에 기인한 것으로 판단된다.

또한, 실시예 1 및 2의 경우 비교예 2 및 3에 비해 열처리 온도를 증가시켜 시효현상을 억제시킴으로써 제안된 범위의 변형율을 인가하더라도, 강선의 디라미네이션 발생을 억제할 있었다.

반면, 비교예 1은 신선변형율이 1.92%로 1.65~1.80% 범위를 벗어나, 지나친 가공경화로 인하여 신선가공시 디라미네이션이 발생하였다.

비교예 2는 열처리온도가 240℃로 낮아, 전위의 이동이 어려워짐으로써 신선가공시 디라미네이션이 발생하였다.

비교예 3 및 4는 RA값이 40% 미만으로 나타나 소재가 충분히 연화되지 못하였음을 알 수 있다. 이는 강선의 연성을 열위하게 하여 신선가공성을 악화시킬 수 있다. 또한 도전율이 8%IACS 미만으로 나타나 본 발명에서 목표하는 송선선용 소재에 적용에 무리가 있다.

결론적으로, 개시된 실시예에 따른 중량%로, C: 0.95 내지 1%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 0.1 내지 0.3%, Cr: 0.4 내지 0.8%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강선은 신선변형율 및 열처리온도를 최적화하여 강도를 높이면서도 신선가공성 및 도전율을 확보할 수 있다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 중량%로, C: 0.95 내지 1%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 0.1 내지 0.3%, Cr: 0.4 내지 0.8%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
   단면감소율(Reduction Ratio)이 40% 이상이며,
   인강강도가 1,800Mpa 이상인 신선가공성이 향상된 고강도 강선.
2. 제1항에 있어서,
   도전율이 8%IACS 이상인 신선가공성이 향상된 고강도 강선.
3. 제1항에 있어서,
   인강강도가 1,800 내지 2,300Mpa인 신선가공성이 향상된 고강도 강선.
4. 중량%로, C: 0.95 내지 1%, Mn: 0.3 내지 0.8%, Si: 0.1 내지 0.3%, Cr: 0.4 내지 0.8%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 선재를 변형율(e) 1.65 내지 1.80%의 범위로 신선 가공하여 강선을 얻는 단계; 및
   상기 강선을 280~350℃에서 열처리하는 단계;를 포함하는 신선가공성이 향상된 고강도 강선의 제조방법.
5. 제4항에 있어서,
   신선 가공 전, LP열처리하는 단계;를 더 포함하는 신선가공성이 향상된 고강도 강선의 제조방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 LP　열처리 온도는 500~630℃인 신선가공성이 향상된 고강도 강선의 제조방법.