KR100256346B1 - 신선용 과공석 선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도가 요구되어지는 특수교랑케이블, 콘크리트 보강용 강선등에 사용되어지는 Si함유 신선용 과공석강 선재의 제조방법에 관한 것으로, 고 Si함유 과공석강 선재의 합금성분계를 제어하고 이를 연속제어 냉각범을 적용하여 제조시 선재 압연 후 냉각개시온도로 부터 펄라이트 변태개시온도까지 냉각속도를 제어하여 냉각시 신선에 악영향을 미치는 초석 세멘타이트 및 마르텐사이트 발생을 억제하므로서, 신선에 적합한 미세 조직을 갖는 Si함유 과공석강 선재를 제조하는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 과공석 선재의 제조방법에 있어서, 중량비로 C:0.8-1.2%, Si:0.2-2.0%, Mn:0.6-0.9%, S:0.01%이하, P:0.01%이하, 잔부:Fe및 불가피한 불순물로 조성되는 강을 선재로 열간압연한후 850-950℃의 냉각 개시온도 범위에서 부터 펄라이트 변태개시온도까지 하기식(1)의 냉각속도 이상 및 하기식(2)의 냉각속도 이하의 냉각 속도범위로 냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 신선용 과공석 선재의 제조방법에 관한 것이다.

% C = 0.125 log(냉각속도)+0.95 .............(1)

% Si = -2.188 log(냉각속도)+2.89 ...........(2)

Description

신선용 과공석선재의 제조방법

제1도는 0.2% Si를 함유한 과공석강에 있어서 C함량과 냉각속도에 따른 미세조직 구역도.

제2도는 0.83% C몰 함유한 광공석강에 있어서 Si함량과 냉각속도에 따른 미세조직 구역도.

제3도는 0.94% C몰 함유한 과공석강에 있어서 Si함량과 냉각속도에 따른 미세조직 구역도.

본 발명은 고강도가 요구되어지는 특수 교량케이블, 콘크리트 보강용 강선등에 사용되어지는 Si함유 신선용 과공석강 선재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신선가공에 적합한 미세조직을 갖는 고 Si함유 과공석강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

용도특성에 따라 고강도가 요구되어지는 특수교량 케이블, 콘크리트 보강용 강선, 자동차 타이어 코드(tire cord)등에는 현재 실용재료 중 가장 높은 강도를 나타내는 공석강선 또는 과공석 강선이 사용되어지고 있다. 이들 강선들은 일반적으로 사용특성에 적합한 강도와 크기를 갖도록 직경 5.5-13mm의 선재로 부터 열처리와 신선공정을 거쳐 제조된다.

최근 사용환경이 극심해지고 거대구조물의 건축증가 추세에 따라 이들 강선들에 대하여 더욱 높은 강도가 요구되고 있으며 이에 따라 합금원소 첨가, 제조공정의 최적화 등을 통해 강선의 고강도화가 이루어지고 있다.

신선용 공석강선 및 과공석강선에 있어서 강도를 증강시키는 대표적인 방법은 이들 강선의 주구성조직인 펄라이트를 미세화 시키거나, 펄라이트 내 훼라이트에 고용강화를 야기시키는 것이다. 펄라이트 미세화는 크롬(Cr), 실리콘(Si), 코발트(Co)등의 합금원소 첨가 혹은 신선과 같은 극심한 소성변형을 부여하여 가능하며, 펄라이트 내 훼라이트의 고용강화 역시 망간(Mn), 실리콘(Si)과 같은 훼라이트내 고용도가 높은 원소를 첨가하고 효과를 얻을 수 있다.

강의 5대 합금원소를 제외한 합금원소들은 미량첨가로써 공석강 및 과공석강에 충분한 강화효과를 부여하나, 단가가 높고 경화능을 향상시켜 부적절한 냉각시 신선성에 유해한 베이나이트, 마르텐사이트 조직을 발생시킬 확률이 높기 때문에 최근에는 강종 단순화 추세와 더불어 강의 5대 합금원소의 함량을 적절히 조절하여 신선용 공석강 및 과공석강의 강도를 증가시키는 시도가 이루어지고 있다. 여기서 언급한 강의 5대 합금원소는 탄소(C), 망간(Mn), 실리콘(Si), 황(S), 인(P)이다. 강의 5대 합금원소 중 펄라이트 미세화 및 고용강화를 동시에 나타내는 것은 Si이며 Mn에 비해 경화능 향상 효과가 낮으므로 펄라이트 조직을 갖는 신선용 일반 고 탄소강의 강화를 위해 가장 적합한 원소로 알려져 있다. C역시 강도를 증가시키는데 있어서 가장 효과적인 원소로 알려져 있다. 따라서, 공석조성 이상의 C를 함유하는 일반과공석 탄소강에 Si를 통상함량(0.1-0.3중량%)이상 첨가한 고강도 선재의 개발이 시도되고 있다.

신선공정을 통하여 공석강선및 과공석 강선을 제조할 경우 상기 언급한 바와같이 신선에 적합한 미세 펄라이트 조직을 부여하기 위해 신선전에 페이턴팅(Patenting) 열처리를 행하며 이는 통상 납조(Pb bath)에서 실시한다. 페이턴팅 열처리는 환경오염, 생산성 저하, 생산원가 상승 등의 문제점을 수반하므로 이를 해결하기 위해 최근에는 선재 열간압연 후 항온냉각이 아닌 연속제어 냉각을 하여 페이턴팅 처리재와 유사한 미세 펄라이트를 갖는 열처리 생략형 신선용 선재가 생산되고 있다.

연속제어 냉각을 통해 적합한 미세 펄라이트를 갖는 고 Si함유 과공석 선재를 제조하기 위해서는 공석 조성 이상의 C함유에 의한 신선에 유해한 초석 세멘타이트의 발생을 억제함과 동시에 Si함량 증가에 따른 경화능 향상에 의한 저온 조직의 발생을 억제해야 한다.

연속제어냉각을 통한 고 Si함유 과공석 선재를 제조하는 것에 관한 종래의 기술로는 일본특허공개공보 (평)4-100772, (평)4-254526과 오찌아이(洛合)등이 제안하는 Si첨가에 의한 직접 페이턴팅형 고강도 선재(Wire Journal International, July(1983), p.72)등을 대표적으로 들수있다.

상기 일본특허공개공보 (평)4-100772호는 C:0.9-1.1%, Si:0.15-1.5%, Mn:0.3-0.6%, Cr:0.1-0.5%를 포함하는 강에 있어서 선재압연후 750-950℃로 부터 냉각시 초석 세멘타이트가 석출되지 않는 임계탄소함량을 550℃까지의 냉각속도에 대한 함수로 표현한 것을 특징으로 하며, Si의 함량 증가에 따른 경화능 향상에 의한 저온조직 발생은 고려하지 않고 있으며 Mn의 함량을 0.3-0.6%로 제한하고 있으므로 고강도가 요구되는 Mn 0.6%이상을 함유하는 과공석강에서는 적용이 곤란하다. 또한 크롬 첨가에 의한 제조가격상승의 단점이 있다.

상기 일본특허공개공보(평)4-254526호는 C:0.9-1.3%, Si:0.1-2.0%, Mn:0.2-1.3%, Cr:0.1-1.8%를 포함하는 고탄소강 선재 제조에 있어서 열간압연후 연속냉각시 초석 세멘타이트가 석출되지 않는 임계냉각개시온도(Tc)를 성분함량에 대해 설정한 것으로서 연속제어냉각의 주인자인 냉각속도에 대해서는 명확하게 제한을 두고 있지 않다.

오찌아이(洛合)등이 [Wire Journal Intermational, July(1983), P72]에 발표한 'Si첨가에 의한 직접 페이턴팅형 고강도 선재'는 강제공냉을 통하여 C:0.83%, Si:0.25-1.88%, Mn:〈0.6%의 간선제조시 Si함량 변화에 따른 신선시 기계적 성질의 변화에 대한 것으로서 연속제어냉각시 신선성에 유해한 조직을 억제하는 냉각조건에 대해서는 언급하고 있지 않다.

이에, 본 발명자들은 고 Si함유 고강도 과공석강 선재 제조에 있어서 상기한 문제점을 해결하기 위해 실험과 연구를 행한 결과, 중량%로 C:0.8-1.2%, Si:0.2-2.0%, Mn:0.6-0.9%, S:〈0.01%, P:〈0.01%의 조성을 갖는 강들을 선재압연 후 850-950℃범위의 냉각개시온도로 부터 펄라이트 변태 개시온도까지 냉각속도를 %C=0.125log(냉각속도)+0.95에서 구하여진 냉각속도 이상, 그리고 %Si=-2.188log(냉각속도)+2.89에서 구하여진 냉각속도 이하의 두 조건을 동시에 만족시키는 냉각속도로 설정하여 냉각할 경우 상기 화학조성 내에서 C함량과 Si 함량을 임의로 조절시 과공석강에서 나타나는 신선성에 악영향을 미치는 초석 세멘타이트 및 마르텐사이트의 발생을 억제하고 페이턴팅 처리재와 유사한 미세 펄라이트를 얻을 수 있다는 사실을 확인한 바, 이에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것이다.

본 발명은 고 Si함유 과공석강 선재의 합금성분계를 제어하고 이를 연속제어 냉각범을 적용하여 제조시 선재압연 후 냉각개시온도로 부터 펄라이트 변태개시온도까지 냉각속도를 제어하여 냉각시 신선에 악영향을 미치는 초석 세멘타이트 및 마르텐사이트 발생을 억제하므로서, 신선에 적합한 미세 조직을 갖는 Si함유 과공석강 선재를 제조하는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

과공석 선재의 제조방법에 있어서, 중량비로, C:0.8-1.2%, Si:0.2-2.0%, Mn:0.6-0.9%, S:0.01%이하, P:0.01%이하, 잔부:Fe및 불가피한 불순물로 조성되는 강을 선재로 열간압연한후 850-950℃의 냉각 개시온도 범위에서 부터 펄라이트 변태개시온도까지 하기식(1)의 냉각속도 이상 및 하기식(2)의 냉각속도 이하의 냉각속도범위로 냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 신선용 과공석 선재의 제조방법에 관한 것이다.

% C = 0.125 log(냉각속도)+0.95 .............(1)

% Si = -2.188 log(냉각속도)+2.89 ...........(2)

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

상기한 본 발명의 목적에 부합하기 위해 본 발명에서는 대상 선재의 화학성분을 중량%로 C:0.8-1.2%, Si:0.2-2.0%, Mn:0.6-0.9%, S:0.01%이하, 잔부:Fe및 불가피한 불순물로 한정하는 것이 바람직하며, 그 이유는 다음에 기술하는 바와 같다.

상기 탄소는 강도증가에 가장 효과적인 원소로 주지되고 있으나 본 발명재에서 탄소(C)량은 0.8-1.2%로 한정하는 것이 바람직하며 이는 0.8%이하에서는 초석 페라이트가 생성되어 강도가 저하되며 또한 초석 페라이트가 존재할 경우 펄라이트와 초석 페라이트 계면에서 균열이 발생하여 신선시 단선을 유발시키는 원인을 제공할 확률이 높아지기 때문이다. 1.2%이상의 탄소 함유시에는 초석 세멘타이트 석출 억제가 불가능하며 이로 인한 신선시 단선을 방지하기 위해 1.2%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 실리콘은 강의 탈산에 필수적인 원소로서 함유량이 0.1%이하의 소량일 경우 탈산효과가 충분치 않으며 적당량 첨가할 경우 펄라이트 내의 페라이트에 농축, 고용강화를 일으킴으로 펄라이트의 강도를 향상시킨다. 그러나 첨가량이 과다할 경우에는 선재 제조공정 중에 표면 탈탄을 조장하며 2.0%이상 첨가시 경화능이 상당히 향상되어 저온조직의 발생이 용이하게된다. 또한 전술한 바와같이 고용강화에 의하여 강도를 증가시키나 동시에 연성을 감소시켜 신선성을 저하시키므로 0.2-2.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 망간은 강의 제조시 탈산효과가 크며 강의 제조시 필수적으로 함유되는 황과 반응, 황화망간(MnS)을 형성하여 황의 결정립계 편석에 의한 적열취성을 방지하는 효과를 나타낸다. 일반적으로 0.5%이상의 망간 첨가시에는 경화능 향상 효과, 편석에 의한 저온조직을 발생시킬 수 있으나 강도 증가의 효과가 매우 현저하므로 본 발명에서는 0.6%이상 첨가하며 1%이상의 망간 첨가시에는 저온조직발생을 억제하기 위해 서냉을 하게되므로 초석 세멘타이트 석출을 야기시키며 또한 서냉에 의해조대한 펄라이트가 생성되어 원하는 강도를 얻을 수 없으므로 본 발명의 목적에 부합하도록 0.9%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 인은 제강시 중심부에 가장 편석되기 쉬운 원소로서 선재압연 후에도 중심부에 편석대를 형성하여 연성 및 인성을 저하시켜 결과적으로 신선성을 감소시키므로 0.01%이하로 관리하는 것이 바람직하다.

상기 황은 결정립계에 편석되기 쉬운 원소로서 결정립계에 편석될 경우 결정립계를 취약하게하여 특히 고온압연시 적열취성을 일으키므로 0.01%이하로 관리하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기와 같이 조성되는 강을 선재로 열간압연한 후 850-950℃의 온도 범위에서 부터 냉각을 개시함이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다.

850℃이하의 냉각개시온도에서는 연속냉각곡선 상에서 초석 세멘타이트 석출 개시 온도가 빠른 냉각속도측으로 이동하여 초석 세멘타이트가 석출되지 않는 냉각속도범위가 상당히 제한되며 950℃이상의 냉각개시온도에서는 오스테나이트 입자가 조대화되어 기계적 성질이 저하될 뿐 아니라 선재권취시 권취불량, 표면흠 발생 등 선재품질의 저하를 야기시키므로 선재냉각개시온도를 850℃-950℃로 한정한다.

본 발명에 있어서는 펄라이트 변태개시온도까지의 냉각속도는 %C=0.125log(냉각속도)+0.95에서 구하여진 냉각속도 이상, 그리고 %Si=-2.188log(냉각속도)+2.89에서 구하여진 냉각속도 이하의 두 조건을 동시에 만족시키는 냉각속도로 한정함이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다.

상기 언급한 화학조성을 갖는 강들에서 %C=0.125log(냉각속도)+0.95를 만족시키는 냉각속도 이하의 냉각속도로 냉각개시온도부터 펄라이트 변태개시온도까지 냉각시킬 경우 초석 세멘타이트 석출에 필요한 C확산에 충분한 시간을 부여하여 신선시 단선을 유발하는 초석 세멘타이트가 석출된다. 또한 상기 언급한 화학조성을 갖는 강들에서 Si함량에 대해 %Si=-2.188log(냉각속도)+2.89를 만족시키는 냉각속도 이상의 냉각속도로 냉각할 경우 Si함량 증가에 따른 경화능 향상에 의해 신선시 균열 발생 사이트(Site)를 제공하는 마르텐사이트나, 베이나이트와 같은 저온조직을 발생시킨다. C함량에 따라 저온조직이 발생하는 최대 냉각속도를 설정하지 않은 것은 C함량에 따라 저온조직이 발생하는 최대 냉각속도가 Si에 의한 저온조직 발생 최대 냉각속도 이상이기 때문이다. 따라서 본 발명에 있어서 선재압연 후 냉각개시온도부터 펄라이트 변태 개시온도까지의 냉각속도를 %C=0.125log(냉각속도)+0.95에서 구하여진 냉각속도이상, 그리고 %Si=-2.188log(냉각속도)+2.89에서 구하여진 냉각속도 이하의 두 조건을 동시에 만족시키는 냉각속도로 한정한다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

하기표 1의 화학성분을 갖는 과공석강의 인고트(ingot)를 진공유도용해로에서 제조, 압연비 10:1로 열간압연을 거친 후 900℃에서 5분간 유지하여 1℃/sec-80℃/sec의 냉각속도로 연속냉각한 후 조직검사를 통해 초석 세멘타이트와 저온조직인 마르텐사이트 발생 여부를 조사하고, 그 결과를 제 1도, 제 2도및 제 3도에 나타내었다. 이때 초석 세멘타이트와 마르텐사이트의 석출여부는 500배 배울 하의 광학 현미경에서 판단하였다.

* 상기 본문에 언급한 본 발명의 냉각 속도범위

제 1도는 0.2% Si를 함유한 과공석강들에 있어서 C함량을 0.83-1.17%범위 내에서 변화시켰을 경우 C함량과 냉각속도에 따른 미세조직 구역도로서 P는 완전 펄라이트 P+C 펄라이트에 초석 세멘타이트가 석출한 조직, P+M는 펄라이트에 마르텐사이트가 발생한 조직을 의미한다. 제 1도에서 알수 있는 바와같이, 상기 화학조성범위내의 강들에서 C함량에 대해 %C=0.125log(냉각속도)+0.95에서 구하여진 냉각속도 이상에서는 초석 세멘타이트가 석출되지 않음을 알 수 있다.

제 2도와 제 3도는 C를 각각 0.8%와 0.9%함유한 강에 있어서 Si함량을 0.20-1.40%범위내에서 변화시켰을 경우 Si함량과 냉각속도에 따른 미세조직 구역도로서 P는 완전 펄라이트, P+M은 펄라이트에 마르텐사이트가 발생한 조직을 의미한다. 제 2도와 제 3도에서 알수 있는 바와같이, 마르텐사이트가 발생하는 최대임계냉각속도는 탄소함량에 관계없이 일정하며 두 경우 모두 Si함량에 대해 %Si=-2.188log(냉각속도)+2.89에서 구하여진 냉각속도 이하에서는 완전 펄라이트 조직을 갖는다는 것이 확인되었다.

또한 제 1도, 제 2도, 제 3도의 비교는 C함량에 따라 저온조직이 발생하는 최대 냉각속도가 Si에 저온조직 발생 최대 냉각속도 이상이므로 본 발명에서 C함량에 따라 저온조직이 발생하는 최대 냉각속도를 한정하지 않아도 무방하다는 것을 보여준다.

[실시예 2]

상기한 본 발명의 냉각조건에서 신선에 적합한 미세 펄라이트 조직을 갖는지 확인하기 위해 지름 7mm의 봉상의 시편을 상기 표 1의 인고트로 부터 가공한 후 각각 5℃/sec, 7℃/sec, 15℃/sec, 및 25℃/sec의 냉각속도로 냉각한 후 단면을 절단하여 연마 후 나이탈(Nital)용액으로 부식하여 2000배의 배율하에 주사전자현미경으로 펄라이트 층상간격을 측정하고, 그 결과를 하기표 2에서 나타내었다. 여기서 언급한 신선에 적합한 미세 펄라이트는 층상간격이 0.3㎛이하인 것을 지칭한다. 표 1과 표 2에 비교재와 발명재의 C, Si함량에 따른 본 발명의 냉각속도 범위와 실시예에서 사용한 냉각속도, 초석 세멘타이트 및 마르텐사이트 발생여부, 펄라이트 층상간격을 나타내었다.

상기 표 2에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명 범위 내 냉각속도에 의해 제조된 발명재(1-6, 8, 12, 16, 17)들은 신선에 적합한 0.3㎛이하의 층상간격을 갖는 완전 펄라이트 조직으로 구성된 반면 본 발명의 냉각속도 범위에서 벗어난 냉각속도를 적용하여 제조된 비교재(7, 9, -11, 13-15, 18-21)들은 비록 미세 펄라이트 조직을 나타내더라도 신선에 유해한 초석 세멘타이트나 마르텐사이트 조직을 갖고 있음을 알 수 있다.

상술한 바와같이, 본 발명은 강의 합금성분계를 제어하고, 이들에 대해 열간압연 후 850-950℃의 냉각개시온도부터 펄라이트 변태 개시온도까지 %C=0.125log(냉각속도)+0.95에서 구하여진 냉각속도 이상, 그리고 %Si=-2.188log(냉각속도)+2.89에서 구하여진 냉각속도 이하의 두 조건을 동시에 만족시키는 냉각속도를 적용하여 냉각하므로서, 신선에 유해한 초석 세멘타이트 및 저온조직의 발생없이 신선에 적합한 미세 펄라이트를 갖는 신선용 고 Si함유 과공석강 선재를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 과공석 선재의 제조방법에 있어서, 중량비로, C:0.8-1.2%, Si:0.2-2.0%, Mn:0.6-0.9%, S:0.01%이하, P:0.01%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되는 강을 선재로 열간압연 후 850-950℃의 냉각 개시온도 범위에서부터 펄라이트 변태개시온도까지 하기식(1)의 냉각속도 이상 및 하기식(2)의 냉각속도 이하의 냉각속도범위로 냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 신선용 과공석 선재의 제조방법.

   % C = 0.125 log(냉각속도)+0.95 .............(1)

   % Si = -2.188 log(냉각속도)+2.89 ...........(2)