KR20220089111A - 내산화성이 우수한 고강도 선재, 강선 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내산화성이 우수면서 고강도를 가지는 선재, 강선 및 그 제조 방법에 관한 것에 관한 것으로, 자세하게는 중량 %로, C: 0.01~0.03%, P: 0.05~0.2%, Mn: 0.2~0.8%, Mo: 0.02~0.08%, Si: 2.0~4.1%, S: 0.035% 이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하고, 페라이트 미세조직을 가지는 것을 특징으로 하는 내산화성이 우수면서 고강도를 가지는 선재, 강선 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

내산화성이 우수한 고강도 선재, 강선 및 그 제조 방법{HIGH STRENGTH STEEL WIRE ROD AND STEEL WIRE WITH EXCELLENT OXIDATION RESISTANCE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 내산화성이 우수하면서 고강도를 가지는 선재, 강선 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

통상적으로 강 섬유(steel fiber)는 그 자체만으로는 구조물을 형성할 수 없으므로 복합재료의 형태로 사용되는데 특히 복합재료에 강성과 인성을 부여하는 보강재로써 많이 사용된다.

강 섬유는 터널 공사 시 내부 토압을 지탱하는 콘크리트 보강용이나 교량 상판용 콘크리트 보강용으로 사용될 수 있다.

상업적으로 사용되는 강 섬유들 가운데, 소위 말하는 저강도급의 강 섬유에는 주로 탄소 함유량이 0.1 중량 %(이하 wt.% 또는 %라 한다) 이하의 저탄소강이 사용된다.

상기 저탄소강의 강 섬유는 여재 슬라브(surplus slab) 또는 선재를 모재로 사용하여, 신선사 또는 절단사에서 신선 또는 압연/절단가공하여 직경 약 0.4㎜ 정도의 강선 또는 0.4x0.4㎜ 각형의 바 형태로 만든 후 굴곡을 주어 최종 강 섬유로 제조된다.

강 섬유는 복합재료의 강성 및 인성을 위해 사용되므로 기본적으로 인장강도가 요구되며 이외에도 굽힘 강도도 요구된다.

일반적으로 강 섬유에 사용되는 강선은 인장강도가 700 MPa 이상이면 제품으로 사용할 수 있다.

한편 강 섬유는 상기 터널 등의 보강용 이외에도 용강과 직간접적인 위치에 놓이는 레이들, 임펠라, 렌스 등에 보강재로 사용될 수도 있다.

상기 레이들, 임펠라, 렌스 등은 고온의 용강과 직간접적으로 접촉하므로 통상적으로 복합재료 형태의 내화물로 이루어지며, 상기 내화물은 기지(matrix)가 주로 Al₂O₃, SiO₂ 등으로 이루어진 세라믹이어서 강(steel)에 비해 연성이 취약하다.

내화물 내의 강 섬유는 중량 %로 대략 10 % 이하의 함량으로 첨가되고 있으며, KS F 2564 규격에 규정된 형상으로 제조된다(도 1).

강 섬유가 내화물과 같은 복합재료의 보강재로 사용되기 위해서는 강섬유는 내화물의 연성파괴를 유도하여야 한다.

이에 따라 다른 복합재료의 강화재와 동일하게 내화물 내의 강섬유도 높은 강도를 가져야 한다.

또한 강섬유가 고온에서 사용되는 내화재 내에서 구조용 재료로 사용되기 위해서는 강섬유 자체의 산화 및 열 변형이 작아야 한다.

종래에는 탄소함량 0.1% 이하의 저탄소강으로 된 강 섬유가 내화물의 강화재로서 사용되기도 하였다.

그러나 저탄소강의 열악한 내산화 특성으로 인해, 현재는 대략 17~18% Cr이 포함된 스테인레스 강 섬유가 1300℃ 이하의 온도 환경에서 사용되는 내화물의 강화재로 기본적으로 사용되고 있다.

나아가 사용 온도가 1300℃를 초과하는 온도 환경에서는 Al이 추가적으로 1~4% 첨가된 강 섬유가 사용되고 있다.

일반적으로 고온 환경에서의 강 섬유의 내산화 특성 향상을 위해서는 외부 환경으로부터의 강 섬유 내부로의 산소의 침입을 억제할 수 있는 층 또는 치밀한 패시베이션층이 필요하다.

상기 스테인레스 강 섬유는 안정한 Cr-oxide를 형성할 수 있는 Cr을 다량 포함하고 있기 때문에 패시베이션 특성을 구현할 수 있는 것으로 알려져 있다.

반면 Cr을 포함한 스테인레스 강 섬유는 고가의 Cr, Ni 등을 포함하고 있어 가격이 매우 높은 큰 단점을 가진다.

나아가 스테인레스 강 섬유는 높은 Cr 함량으로 인해 가공이 어렵다는 또 다른 단점을 가진다.

이에 따라 가격이 저렴하면서도 가공이 쉬운 내화물 복합재료에 적용할 수 있는 강 섬유의 요구가 계속 증대되고 있다.

한편 상기 스테인레스 강의 내산화 특성을 보다 향상시키고자 다양한 합금원소를 첨가하려는 시도들이 있어 왔다.

그러나 대부분의 이전의 시도들은 모두 기존 스테인레스 강이 필수적으로 포함하고 있는 Cr-oxide를 이용하거나 또는 Cr-oxide와 첨가된 다른 합금 원소와의 복합 작용 효과를 이용하였다.

이에 따라 본 발명에서는 Cr과 같은 고가의 합금원소들을 많이 포함하지 않으면서도 가공이 용이한 새로운 강선과 그 제조 방법을 개발하고자 한다.

본 발명의 목적은 고가의 합금원소를 포함하지 않으면서도 내산화성이 우수한 고강도 선재 및 강선과 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

구체적으로 본 발명의 목적은 극저탄소강 기반의 고가의 합금원소를 포함하지 않으면서도 내산화성이 우수한 고강도 선재 및 강선과 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

보다 구체적으로 본 발명의 목적은 고용강화 원소와 용질끌림 효과(solute drag) 원소의 첨가를 통해 고온에서도 강도를 유지할 수 있는 내산화성이 우수한 고강도 선재 및 강선과 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 고가의 합금원소를 포함하지 않으면서도 나노 단위의 치밀한 산화물층을 모재와 스케일 층간 사이에 형성할 수 있는 내산화성이 우수한 고강도 선재 및 강선과 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 내산화물성이 우수한 고강도 선재는 중량 %로, C: 0.01~0.03%, P: 0.05~0.2%, Mo: 0.02~0.08%, Si: 2.0~4.1%를 포함할 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 보다 구체화된 일 실시예에 따른 내산화물성이 우수한 고강도 선재는 중량 %로, C: 0.01~0.03%, P: 0.05~0.2%, Mn: 0.2~0.8%, Mo: 0.02~0.08%, Si: 2.0~4.1%, S: 0.035% 이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하고, 페라이트 미세조직을 가질 수 있다.

바람직하게는, 상기 선재의 압연 후 인장강도는 500MPa 이상일 수 있다.

바람직하게는, 상기 선재의 기지와 표면 스케일 사이에 Fe₂SiO₄ (파이알라이트, fayalite)층을 포함할 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 내산화물성이 우수한 고강도 강선은 중량 %로, C: 0.01~0.03%, P: 0.05~0.2%, Mo: 0.02~0.08%, Si: 2.0~4.1%를 포함할 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체화된 일 실시예에 따른 내산화물성이 우수한 고강도 강선은 중량 %로, C: 0.01~0.03%, P: 0.05~0.2%, Mn: 0.2~0.8%, Mo: 0.02~0.08%, Si: 2.0~4.1%, S: 0.035% 이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하고, 페라이트 미세조직을 가질 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 더욱 구체화된 일 실시예에 따른 내산화물성이 우수한 고강도 강선은 중량 %로, C: 0.01~0.03%, P: 0.05~0.2%, Mn: 0.2~0.8%, Mo: 0.02~0.08%, Si: 2.0~4.1%, S: 0.035% 이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하고, 페라이트 미세조직을 가지며, 표면에 Fe₂SiO₄ 층을 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 강선의 상기 Fe₂SiO₄ 층의 두께는 300㎚ 이상일 수 있다.

바람직하게는, 상기 강선은 1,100℃의 대기 중에서 3시간 유지 시 중량 증가율이 45% 이하일 수 있다.

바람직하게는, 상기 강선의 신선 후 인장강도는 1,500MPa 이상일 수 있다.

상기 강선은 강화재로서 복합재료에 포함될 수 있다.

바람직하게는, 상기 복합재료 내에 상기 강선의 함량은 중량%로 6.2% 이하일 수 있다.

바람직하게는, 복합재료의 굴곡강도는 60MPa 이상일 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 내산화물성이 우수한 고강도 선재의 제조 방법은, 중량 %로, C: 0.01~0.03%, P: 0.05~0.2%, Mn: 0.2~0.8%, Mo: 0.02~0.08%, Si: 2.0~4.1%, S: 0.035% 이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하는 빌렛을 제조하는 단계; 상기 빌렛을 1,000~1,200℃로 재가열하는 단계; 상기 빌렛을 900~1,000℃에서 열간압연하는 단계; 상기 열간압연된 선재를 권취하는 단계; 상기 권취된 선재를 냉각하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 내산화물성이 우수한 고강도 강선의 제조 방법은, 중량 %로, C: 0.01~0.03%, P: 0.05~0.2%, Mn: 0.2~0.8%, Mo: 0.02~0.08%, Si: 2.0~4.1%, S: 0.035% 이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하는 빌렛을 제조하는 단계; 상기 빌렛을 1,000~1,200℃로 재가열하는 단계; 상기 빌렛을 900~1,000℃에서 열간압연하는 단계; 상기 열간압연된 선재를 권취하는 단계; 상기 권취된 선재를 냉각하는 단계; 상기 냉각된 선재를 디스케일링하는 단계; 상기 디스케일링된 선재를 신선하는 단계;를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 권취하는 단계에서의 온도는 900~950℃일 수 있다.

바람직하게는, 상기 냉각하는 단계에서의 냉각 속도는 20~30℃/s일 수 있다.

바람직하게는, 상기 신선하는 단계는 건식 신선 후 습식 신선하는 단계일 수 있다.

본 발명에 의하면 극저탄소강을 기반으로 인과 몰리브덴을 포함함으로써 기존의 상용재보다 더 높은 강도를 가지는 선재를 구현할 수 있다.

본 발명에 의하면 극저탄소강을 기반으로 인과 몰리브덴을 포함함으로써 기존의 강 섬유의 강도인 700MPa 이상의 고강도를 가지는 강선을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 실리콘을 포함하여 충분한 두께의 Fe₂SiO₄ 스케일 층을 형성함으로써 기지 내부로의 산소 침투를 억제하여 뛰어난 고온 내산화성을 확보한 강선을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 내화물 내에서 기존 상용재인 스테인레스 강 섬유와 동일한 굴곡강도를 가지지만 내화물 내에 사용되는 사용량을 기존 스테인레스 강의 사용량 대비 30% 이상 절감할 수 있는 강선을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 기존의 신선사 LP(lead partenting, 납조) 처리 없이 신선 가공만으로도 기계적 특성과 고온 내산화성이 우수한 선재 및 강선을 제조하는 제조방법을 제공할 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 KS F 2564 규격에 규정된 강선의 형상을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실험예 조성의 강선들의 Si 조성 범위에 따른 산화물 중량 증가율을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예 조성의 강선들의 Si 조성 범위에 따른 Fe₂SiO₄ 산화막의 두께를 도시한 그래프이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.

본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명에서는 극저탄소강 기반의 700MPa 이상의 인장강도, 산화물 형성에 따른 중량 증가율이 45% 이하인 내산화성이 우수한 고강도 강선과 그 제조 방법을 발명하고자 하였다.

상기 특성을 만족하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 강은 상기 우수한 내산화성 및 강도 특성을 만족시키기 위해 구체적으로 다음의 합금 원소들을 포함할 수 있다.

탄소(C)는 펄라이트(pearlite) 형성 시 강의 강도를 크게 향상시키는 원소이다. 그러나 탄소의 함량이 증가할 경우, 강선의 제조를 위해 습식 신선 시 가공 단선을 유발하는 펄라이트가 발생할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 강 내에서 탄소는 중량%(이하 %라 한다)로 0.01~0.03%의 범위에서 함유된다.

만일 탄소가 본 발명의 일 실시예의 강 내에 0.01%보다 적게 첨가되면, 강의 강도 목표를 달성하기 어려워지는 문제점을 가진다.

반면 탄소가 본 발명의 일 실시예의 강 내에 0.03%보다 많이 첨가되면, 과도한 탄소는 신선 가공 중 단선을 발생시켜 가공성을 떨어뜨리는 문제점을 가진다.

실리콘(Si)은 본 발명의 선재 및 강선을 고온에서 유지시킬 때, 모재(강) 상에 나노 크기(두께) 단위의 Fe₂SiO₄층을 형성시켜 강선의 내산화성을 향상시킨다. 따라서 본 발명에서 내산화성 향상을 위해 필수적으로 포함되어야 하는 원소이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 강 내에서 실리콘은 중량%(이하 %라 한다)로 2.0~4.1%의 범위에서 함유된다.

만일 실리콘이 본 발명의 일 실시예의 강 내에 2.0%보다 적게 첨가되면, 내산화성 확보가 어려워진다.

반면 실리콘이 본 발명의 일 실시예의 강 내에 4.1%보다 많이 첨가되면, 페라이트 경화에 따른 가공 단선이 발생할 수 있는 문제점을 가진다.

망간(Mn)은 고용강화 원소로써 선재 및 최종 제품인 강선의 강도 향상에 효과적이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 강 내에서 망간은 중량%(이하 %라 한다)로 0.2~0.8%의 범위에서 함유된다.

만일 망간이 본 발명의 일 실시예의 강 내에 0.2%보다 적게 첨가되면, 망간의 고용량이 적어 고용강화에 의한 강도향상을 도모하기 어려워진다.

반면 망간이 본 발명의 일 실시예의 강 내에 0.8%보다 많이 첨가되면, 주조 조직 내에 중심편석을 발생시키거나 MnS와 같은 게재물을 생성시켜 강의 선재로의 가공 시에 가공 단선이 발생할 가능성이 높아지는 문제점을 가진다.

몰리브덴(Mo)은 고온 상인 오스테나이트로부터 저온 상인 페라이트로의 변태를 억제할 수 있다. 보다 구체적으로 몰리브덴은 고온 오스테나이트 계면 또는 입내에 존재하여 용질끌림(solute drag) 효과가 우수하여 오스테나이트의 저온 페라이트로의 변태를 억제한다. 또한 몰리브덴은 강 내에 고용되어 고용강화에 의한 강도증가 효과를 가진다.

본 발명의 일 실시예에 따른 강 내에서 몰리브덴은 중량%(이하 %라 한다)로 0.02~0.08%의 범위에서 함유된다.

만일 몰리브덴이 본 발명의 일 실시예의 강 내에 0.02%보다 적게 첨가되면, 상기 용질끌림 효과와 고용강화 효과가 충분히 구현되지 못하여 목표로 하는 물성 확보가 어려워진다.

반면 몰리브덴의 용질끌림 효과와 고용강화 효과의 제약에서 기인한 상한값은 없다. 그러나 몰리브덴 첨가로 인한 제조 비용의 증가가 매우 크다는 점과 지나친 몰리브덴의 첨가는 빠른 냉각속도에서 마르텐사이트 생성을 조장할 수 있다는 측면에서 0.08%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

인(P)은 탄소(C), 질소(N) 다음으로 선재 및 강선 내에서 강도를 증가시키는 역할을 하는 원소이다. 특히 인은 고용강화 효과가 우수하여 강도 증가에 효과적이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 강 내에서 인은 중량%(이하 %라 한다)로 0.05~0.20%의 범위에서 함유된다.

만일 인이 본 발명의 일 실시예의 강 내에 0.05%보다 적게 첨가되면, 인에 의한 고용강화 효과가 미미하여 강 및 최종 제품인 강선의 목표 강도 달성이 어려워진다.

반면 인이 본 발명의 일 실시예의 강 내에 0.20%보다 많이 첨가되면, 강의 연주 시 표층 균열 형성에 따른 파단이 발생할 가능성이 높아지는 문제점이 있다.

한편 황(S)은 대표적인 TRAMP 원소 중 하나로서 강에서 MnS 게재물(inclusion)을 생성한다. 그 결과 황(S)은 최종 제품인 강선 제조 시 가공성을 저하시킬 수 있다.

이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 강 내에서 황(S)은 중량 %로 0.035%이하로 제한되는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예의 선재 및 강선 제조 방법에서는 종래의 신선 공정과는 달리 납조(lead partenting)공정을 포함하지 않는 특징이 있다.

따라서 본 발명의 실시예에 의한 선재 및 강선은 미세한 펄라이트(fine perlite) 미세조직을 가지지 않는다.

먼저 상기 화학성분을 가지는 빌렛(billet)이 제작된 후, 상기 빌렛은 1,000~1,200℃이상에서 재가열될 수 있다.

상기 빌렛은 다양한 크기로 형성될 수 있음은 통상의 기술자에게 명확할 것이다.

상기 재가열된 빌렛은 압연 온도 900~1,000℃에서 열간 압연되어 목적하는 크기의 선재로 제조될 수 있다.

상기 재가열 후의 빌렛 또는 열간 압연 후의 선재의 기지와 스케일 사이에는 본 발명의 기술적 특징들 중 하나인 Fe₂SiO₄ 산화물층이 형성될 수 있다.

상기 열간 압연된 선재는 선재 표면에 형성된 스케일의 박리성을 높이기 위해 권취 온도 900~950℃에서 20~30℃/s의 냉각속도로 냉각될 수 있다.

이 때 권취 온도가 950℃보다 높은 경우, 표면 스케일의 두께가 지나치게 증가하여 후속 디스케일링 시 공정시간이 증가하고 나아가 스케일의 완전한 박리가 어려워질 수 있다.

상기 냉각된 선재는 신선사에서 기계적으로 디스케일링 처리 된 후, 총 감면량(reduction of area) 99%으로 건식 및/또는 습식 신선 가공되어 최종적인 제품인 강선(강 섬유)으로 제조될 수 있다.

특히 습식 신선의 경우, 물 안에서 건식 신선된 강선이 다이스(dice)를 통과하므로 건식 신선 대비 신선 속도가 매우 빨라서 생산성이 향상되는 효과를 가질 수 있다.

[실험예]

아래의 표 1에서는 본 발명의 비교예와 실시예의 화학성분 및 조성범위를 보여준다.

[표 1]

본 실험예의 비교예 1은 현재 내화물용으로 상용화된 대략 17.6% Cr을 포함하는 스테인레스 강의 선재 및 강 섬유 제품이다.

반면 본 실험예의 비교예 2 내지 5 및 실시예 1 내지 3은 다음의 공정에 따라 제조되었다.

먼저 상기 표 1의 성분 및 조성범위를 가지는 강은 전기로에서 제강되고 160*160㎟ 크기의 연주 빌렛으로 제조된 후, 1100℃로 재가열 후 80분간 유지되었다.

그 후 950℃ 이상에서 조압연 및 사상압연하여 대략 직경 5.5㎜ 압연된 선재가 제조되었다.

상기 선재는 다시 디스케일링 공정에서 스케일의 박리성을 높이기 위해 권취온도 920℃에서 권취되어 스텔모아 냉각대에서 28℃/s의 냉각속도로 냉각되었다.

상기 권취된 선재 표면의 스케일은 신선사에서 기계적 디스케일링 방법을 이용하여 제거되었다.

그 후 상기 직경 5.5㎜ 선재는 건식 신선을 통해 직경 2㎜ 신선재로 1차 신선 가공되었고 다시 습식 신선을 통해 최종적으로 직경 0.5㎜의 신선재로 가공되었다.

상기 신선된 강선은 필요에 따라 번들(bundle) 공정을 거쳐 번들로 제조되었다.

표 2는 상기 실험예에서 비교예들과 실시예들의 기계적 특성, 고온산화 특성과 관찰된 미세조직을 나타낸다.

고온산화 특성은 최종 신선된 강선을 1,100℃에서 3시간 유지시킨 후 중량의 변화(다시 말하면 산화물 중량 증가율)를 측정함으로써 평가되었다.

굴곡강도는 Al₂O₃:SiO₂ = 1:1 비율의 내화 분말에 물과 강섬유를 혼합하고 1,100℃에서 3시간 경화시킨 내화물을 이용하여 1 점(1 point) 굴곡 평가하는 방법을 통해 측정되었다.

[표 2]

상기 표 2에서 선재는 빌렛이 열간 압연되어 직경 5.5㎜ 압연된 선재로 가공된 상태를 의미한다.

상기 표 2에서 강섬유는 상기 표 2의 직경 5.5㎜ 압연된 선재가 건식 신선 및 습식 신선된 신선재(강선)를 의미한다.

상기 표 2에서 내화물은 Al₂O₃:SiO₂ = 1:1 비율의 내화 분말에 물과 강선(신선재)을 혼합하고 1,100℃에서 3시간 경화시킨 내화물 형태의 복합재료를 의미한다.

한편 비교예 1의 스테인레스 강선은 1,100℃의 대기 중에서 3시간 유지시켰을 때, 산화물 중량 증가율은 거의 19% 수준으로 비교적 우수한 것으로 측정되었다.

비교예 1의 우수한 내산화성은 스테인레스 표면에 형성된 Cr 산화물이 Cr 산화물 아래의 스테인레스 모재의 산화를 어느 정도 방지하고 있기 때문인 것으로 판단된다.

한편 비교예 2 내지 5와 실시예 1 내지 3은 고온에서 실리콘이 강선의 강도와 내산화성에 미치는 영향을 영향을 확인하기 위해 실리콘의 조성범위를 변경한 실험예들이다.

실리콘의 함량이 1.3%까지 첨가된 비교예 2 및 3의 강선은 고온의 환경에서 산화물 중량 증가율(즉, 산화물에 의한 강선 또는 강섬유의 중량 증가율)을 기준으로 대략 98% 수준의 내산화성을 가지는 것으로 측정되었다.

비교예 2 및 3의 강선의 낮은 내산화성은 지나치게 적은 실리콘 첨가량으로 인해 선재 상태에서 표면의 스케일과 기지 사이에 형성되는 Fe₂SiO₄ 산화물이 불충분하게 형성된 것에서 유래된 것으로 판단된다.

그리고 상기 산화물 중량 증가율은 다시 강선 상태에서의 Fe₂SiO₄ 산화물 두께 측정 결과와도 잘 일치한다.

즉 상기 비교예 2 및 3의 강선에서 측정된 Fe₂SiO₄ 산화물의 두께는 그 아래의 기지를 고온의 환경으로부터 보호하기에 충분하지 못한 것으로 측정되었다.

반면 실리콘의 함량이 2~4.1%까지 첨가된 실시예 1 내지 3의 강선은 고온의 환경에서 산화물 중량 증가율을 기준으로 대략 18~32% 정도의 뛰어난 내산화성을 가지는 것으로 측정되었다.

통상적으로 산화물 중량 증가율이 45% 이하이면 내산화성이 우수한 것으로 평가되는데, 상기 실시예 1 내지 3의 강선은 상기 평가 기준 대비 월등히 뛰어난 내산화 특성을 가지는 것으로 측정되었다.

실시예 1 내지 3의 강선의 뛰어난 내산화성은 선재 상태에서 표면의 스케일과 기지 사이에 형성되는 Fe₂SiO₄ 산화물이 충분하게 형성된 것에서 유래된 것으로 판단된다.

그리고 상기 산화물 중량 증가율은 다시 강선에서의 Fe₂SiO₄ 산화물의 두께 측정 결과와도 잘 일치한다. 즉 상기 실시예 1 내지 3의 강선에서 측정된 Fe₂SiO₄ 산화물의 두께는 300㎚ 이상으로 아래의 기지를 고온의 환경으로부터 보호하기에 충분한 것으로 측정되었다.

특히 실시예 2 및 3의 강선의 내산화성은 고가의 상용재인 스테인레스 대비 동등 이상인 것으로 측정되었다.

한편 실리콘 함량이 4.3% 이상인 비교예 4 및 5의 강선도 실시예 1 내지 3의 강선과 유사한 고온 내산화특성을 가지는 것으로 조사되었다.

다만 비교예 4 및 5의 강선은 후술할 기계적 특성 평가 결과로부터 알 수 있듯이, 가공이 불가능하여 제품으로 사용될 수 없었다.

도 2는 본 발명의 실험예 조성의 강선들의 Si 조성 범위에 따른 산화물 중량 증가율을 도시한 그래프이다.

도 3은 본 발명의 실험예 조성의 강선들의 Si 조성 범위에 따른 Fe₂SiO₄ 산화막의 두께를 도시한 그래프이다.

상기 도 2 및 3에서 명확하게 도시하는 바와 같이, 강선에서의 실리콘 함량에 따른 산화물 증량 증가율과 Fe₂SiO₄ 산화막의 두께는 대략 2.0%의 실리콘 함량을 기준으로 그 특성이 명확하게 구분됨을 알 수 있다.

특히 도 2는 대략 2.0% 실리콘을 기준으로 하여 2.0% 미만과 2.0% 이상에서 산화물 중량 증가율이 3~4배 정도 차이가 난다는 것을 명확하게 도시하고 있다.

비교예 1에 해당하는 종래의 스테인레스 선재는 최종 신선까지 가공 시 인장강도는 280MPa 수준이며, 180도 굽힘 평가 시 파단이 발생하지 않는 상용 제품이다.

표 2의 비교예 2 내지 5와 실시예 1 내지 3의 기계적 특성 평가 결과가 제시하는 바와 같이, 본 발명의 실험예에 따른 선재 및 강선에서는 모두 실리콘의 함량이 증가함에 따라 강도는 지속적으로 증가하는 것으로 나타났다.

특히 실시예 1 내지 3의 선재 및 강선은 종래의 고가의 상용품인 비교재 1 대비 고온 내산화성은 동등 수준이면서 강도는 더욱 높은 것으로 측정되었다.

구체적으로 실시예 1 내지 3의 선재 및 강선은 모두 비교예 1의 선재 및 강선 대비 거의 2배 가까운 인장강도를 가짐을 알 수 있다.

한편 실리콘 함량이 4.3 % 이상인 비교재 4 및 5는 선재 상태에서의 인장강도는 매우 높으나 신선사에서 가공 중에 단선이 발생하여 강선(강섬유)으로의 가공이 불가능하였다.

상기 비교재 4 및 5의 선재의 지나치게 높은 강도와 신선불량은 미세조직 때문인 것으로 판단된다.

상기 표 2에서 나타나는 바와 같이, 실리콘 함량이 4.1%까지인 비교예 2 및 3과 실시예 1 내지 3의 선재는 모두 기지가 페라이트 미세조직을 가진다.

반면 실리콘 함량이 4.3%를 넘어가는 비교예 4 및 5의 선재는 페라이트와 마르텐사이트 미세조직을 가진다.

결국 비교예 4 및 5의 선재는 페라이트와 마르텐사이트를 포함하는 미세조직 때문에 고온 내산화성과 기계적 강도가 우수하더라도 신선 가공 중에 단선이 발생하여 강선 가공이 불가능하여 제품으로 사용할 수 없었다.

현재의 상용품인 비교예 1의 스테인레스 강 섬유를 혼합하여 내화물과 같은 복합재료를 제조하는 경우, 복합재료의 굴곡강도는 약 60MPa 정도이며 필요한 강섬유량은 9kg 정도가 필요한 것으로 확인되었다.

반면 본 실험예에서의 실시예 1 내지 3의 강선을 혼합한 복합재료는 상기 비교예 1을 포함한 복합재료 대비 동등 수준의 굴곡강도를 가지는 것으로 확인하였고, 상기 굴곡강도를 확보하는데 필요한 강선의 사용량은 대략 30% 이상 감소한 것으로 확인되었다.

따라서 본 발명의 실시예 1 내지 3의 선재 및 강선은 고가의 합금원소를 포함하지 않는 조성적 이점과 LP 처리를 필요하지 않는 공정상의 이점뿐만 아니라 특히 강선의 경우 복합재료 제조 시 그 사용량 자체를 줄일 수 있는 이점을 가질 수 있다.

상기의 결과를 통해 본 발명에서는 기존의 고가의 스테인레스를 대체할 수 있는 내산화성이 우수한 고강도 선재, 강선 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

구체적으로 본 발명에서의 강선은 극저탄소강을 기반으로 인과 몰리브덴을 포함하여 신선사 LP 열처리 없이도 신선 가공만으로도 인장강도가 기존의 강 섬유의 강도인 700MPa 이상을 구현할 수 있었다.

또한 본 발명에서의 강선은 2~4.1%의 실리콘 첨가로 인해 고온에서 300㎚ 이상의 Fe₂SiO₄ 스케일 층을 형성함으로써 기지 내부로의 산소 침투를 억제하여 뛰어난 고온 내산화성을 확보할 수 있었다.

또한 본 발명에서의 강선을 포함한 복합재료는 기존 사용품인 스테인레스 강 섬유를 사용한 복합재료와 동일한 굴곡강도를 가지지만 복합재료 내에 사용되는 사용량을 기존 스테인레스 강의 사용량 대비 30% 이상 절감할 수 있었다.

또한 본 발명에서의 선재 및 강선 제조 방법은 기존의 신선사 LP 처리 없이도 신선 가공만으로도 기계적 특성과 고온 내산화성이 우수한 선재 및 강선을 제조할 수 있었다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (15)

1. 중량 %로, C: 0.01~0.03%, P: 0.05~0.2%, Mn: 0.2~0.8%, Mo: 0.02~0.08%, Si: 2.0~4.1%, S: 0.035% 이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하고,
   페라이트 미세조직을 가지는 선재.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 선재의 압연 후 인장강도는 500MPa 이상인 선재.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 선재의 기지와 표면 스케일 사이에 위치하는 Fe₂SiO₄ 층을 포함하는 선재.
   
4. 중량 %로, C: 0.01~0.03%, P: 0.05~0.2%, Mn: 0.2~0.8%, Mo: 0.02~0.08%, Si: 2.0~4.1%, S: 0.035% 이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하고,
   페라이트 미세조직을 가지며,
   표면에 Fe₂SiO₄ 층을 포함하는 강선.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 Fe₂SiO₄ 층의 두께는 300㎚ 이상인 강선.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 강선은 1,100℃의 대기 중에서 3시간 유지 시 중량 증가율이 45% 이하인 강선.
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 강선의 인장강도는 1,500MPa 이상인 강선.
   
8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항의 강선을 포함하는, 복합재료.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 복합재료 내에 상기 강선의 함량은 중량%로 6.2% 이하인 복합재료.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 복합재료의 굴곡강도는 60MPa 이상인 복합재료.
    
11. 중량 %로, C: 0.01~0.03%, P: 0.05~0.2%, Mn: 0.2~0.8%, Mo: 0.02~0.08%, Si: 2.0~4.1%, S: 0.035% 이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하는 빌렛을 제조하는 단계;
    상기 빌렛을 1,000~1,200℃로 재가열하는 단계;
    상기 빌렛을 900~1,000℃에서 열간압연하는 단계;
    상기 열간압연된 선재를 권취하는 단계;
    상기 권취된 선재를 냉각하는 단계;를 포함하는 선재의 제조 방법.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 권취하는 단계에서의 온도는 900~950℃이고,
    상기 냉각하는 단계에서의 냉각 속도는 20~30℃/s인 선재의 제조 방법.
    
13. 중량 %로, C: 0.01~0.03%, P: 0.05~0.2%, Mn: 0.2~0.8%, Mo: 0.02~0.08%, Si: 2.0~4.1%, S: 0.035% 이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하는 빌렛을 제조하는 단계;
    상기 빌렛을 1,000~1,200℃로 재가열하는 단계;
    상기 빌렛을 900~1,000℃에서 열간압연하는 단계;
    상기 열간압연된 선재를 권취하는 단계;
    상기 권취된 선재를 냉각하는 단계;
    상기 냉각된 선재를 디스케일링하는 단계;
    상기 디스케일링된 선재를 신선하는 단계;를 포함하는 강선의 제조 방법.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 권취하는 단계에서의 온도는 900~950℃이고,
    상기 냉각하는 단계에서의 냉각 속도는 20~30℃/s인, 강선의 제조 방법.
    
15. 제13항에 있어서,
    상기 신선하는 단계는 건식 신선 후 습식 신선하는 단계인, 강선의 제조 방법.

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