KR101359111B1

KR101359111B1 - 초고강도 타이어코드용 강선 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101359111B1
Application number: KR1020120117431A
Authority: KR
Inventors: 김현진; 주형돈
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-10-22
Filing date: 2012-10-22
Publication date: 2014-02-06

Abstract

본 발명은 고탄소강의 합금 성분을 적절히 제어하고, 신선 공정 조건을 개선함으로써 극세선으로 가공 하더라도 딜라미네이션 현상이 발생하지 않는 초고강도 타이어코드용 강선 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

Description

초고강도 타이어코드용 강선 및 그 제조방법{STEEL WIRE FOR ULTRA-HIGH STRENGTH TIRECORD AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 초고강도 타이어코드용 강선 및 그 제조방법에 관한 것이다.

통상적으로 타이어 코드는 다음과 같은 가공공정을 거쳐 제조된다.

선재 → 산세 → 1차 페턴팅 → 건식신선 → 2차 페턴팅 → 황동도금 → 습식신선 → 연선 → 타이어코드 제품

보다 상세하게는, 열간압연을 통해 제조된 선재를 최종 습식 신선의 시작 선경까지 줄이는 사이징 신선을 행한 후, 습식 신선을 위한 페턴팅 열처리를 가한 다음, 타이어 적용시 고무와의 접착성을 향상시키기 위하여 황동으로 코팅을 한다. 최종 제품은 최종 습식 신선에서 제품의 기계적 특성이 결정되며, 통상적인 타이어 코드 제품의 경우 2800MPa 이상의 인장강도를 가지나, 가공량에 한계가 있어 보다 우수한 강도를 부여하는 것은 쉽지 않다.

타이어코드 제품의 강도를 지속적으로 향상시키는 이유는 타이어 구동체에 적용되는 타이어코드의 중량뿐만 아니라 함께 사용되는 고무 부착량을 줄여 경량화에 따른 차량 연비 향상 효과를 향상시킬 수 있기 때문이다.

타이어코드를 고강도화하기 위해서는 합금성분을 증량하여 강도를 높이고 신선가공량을 증가시켜서 가공경화량을 크게 하는 방법이 있으나, 공업적인 생산과정에서 단선이 일어나지 말아야 한다는 한계점을 반드시 극복해야 한다. 단선에 영향을 주는 인자는 여러 가지가 있을 수 있지만 기본적으로 고강도 과공석강에 과도한 변형량을 가하는 작업이기 때문에 신선 과정시 선재 내부의 재료 유동(material flow)에 부적절한 부분이 생겨 연속적이지 않고 단속이 되는 문제가 있다. 또한, 특정 부위로 이상 변형이 집중되게 되는 경우 그 부위의 연성이 급격히 저하되어 비틀림 시험시 선의 길이방향으로의 쪼개짐 현상인 딜라미네이션 현상이 발생하는 것이 주요 이유 중 하나이다.

딜라미네이션 현상이란 신선에 의해 가공변형을 받은 강선에 잔류응력이 잔존하여 선의 횡방향 응력(비틀림)을 받으면 길이 방향으로 표면 크랙이 순식간에 전파되어 강선 파단부에 C형태의 파단 불량이 나타나는 현상으로, 주로 고탄소, 고합금강의 가공시 가혹한 변형이 주어지거나 선온도가 높은 경우에 발생하는 것으로 공지되어 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 총 감면율(초기선경 면적과 최종선경의 면적비)을 가능한 작게 하여 변형량을 줄이고 이로 인한 표면 잔류응력을 줄이는 기술이 제안되었다. 상기 기술은 제품의 딜라미네이션 현상 억제라는 측면에서는 유효한 것이었으나 가공량 감소에 따른 강도 증가에 한계가 존재하기 때문에 3000MPa 수준에서 더욱 고강도를 이루기에는 한계가 있고, 가공량 감소에 따른 강도 저하를 합금원소 첨가를 통해 달성하고자 하였기 때문에 Si, Cr 등을 과다하게 첨가해야 하는 문제가 있다. 이러한 합금원소의 과다한 첨가는 경제성 측면에서 부담이 될 뿐 아니라 페이턴팅 열처리시 상변태 속도를 지연시키고 국부적인 첨가 원소들의 편석에 의해 미세조직의 불균질을 초래하기 때문에 타이어코드 제품의 고강도화와 극세선화에 있어서 딜라미네이션을 근본적으로 해결하지 못하는 문제가 있다.

본 발명의 일측면인 초고강도 타이어코드용 강선의 제조방법은 선재를 1차 신선, 1차 페이턴팅 열처리, 2차 신선, 2차 페이턴팅 열처리하는 것을 포함하는 강선의 제조방법으로서, 상기 2차 신선된 신선재에 100kOe이상의 자기장을 인가하는 것이다.

본 발명의 다른 일측면은 선재를 1차 신선, 1차 페이턴팅 열처리, 2차 신선, 2차 페이턴팅 열처리하여 제조되는 강선으로서, 상기 2차 페이턴팅 열처리시 100kOe 이상의 자기장을 가해며, 상기 2차 페이턴팅 열처리 후, 미세조직은 펄라이트 조직이고, 상기 펄라이트의 평균 라멜라 간격은 135㎚이하인 초고강도 타이어코드용 강선에 관한 것이다.

덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 의하면 종래의 강선에 비하여, 극단적인 라멜라 간격을 확보하여 타이어코드 및 쏘우와이어(sawwire) 등의 극세선으로 가공 하더라도 딜라미네이션 현상이 발생하지 않는 초고강도 타이어코드용 강선 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 자기장 인가에 따른 깁스자유에너지의 변화를 나타낸 상태도이다.

본 발명자들은 펄라이트로의 항온변태시 강자장을 걸어주게 되면 공석온도가 증가하게 되어 과냉도가 증가하는 현상을 발견하고, 이를 활용하여 종래의 타이어코드용 강선보다 미세한 펄라이트 조직을 확보하여, 신선 가공시 가공 경화율을 높임과 동시에 신선 가공한계를 늘림으로써, 초고강도 타이어코드용 강선을 생산할 수 있음을 확인하고 본 발명에 이르게 되었다.

이하, 본 발명의 일측면인 초고강도 타이어코드용 강선의 제조방법에 대하여 자세히 설명한다.

본 발명에 바람직하게 적용될 수 있는 선재는 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 강종이라면 모두 사용이 가능하다.

본 발명자들은 마르텐사이트는 강자성을 나타내며 오스테나이트는 상자성을 나타낸다는 점을 착안하여 상변태시 자기장을 인가했을 때 자기 모멘트 차이에 기인한 효과 때문에 특정 자기장 이상의 강자장을 인가하는 경우 변태온도가 변하게 된다는 사실을 연구하였다. 본 발명자들이 현재까지 연구된 결과들을 종합하면 자기장은 재료 내부에 자기 에너지 상태의 변화를 가져와 깁스 자유 에너지의 변화를 가져온다. 즉, 자기장 중 열처리를 하면 결정립이 자기장에 대해 특정 결정방향으로 배치되고, 자기장은 재료 내부를 자기적으로 보다 정렬된 상태로 만든다. 이렇게 만들어진 정렬상태는 원자들이 이동하는데 있어 에너지 장벽의 역할을 함으로써 핵성장 속도를 줄여 재료의 재결정 속도를 늦추어주게 되는 효과를 발현한다. 더불어, 도 1에 나타난 탄소농도 변화에 따른 열적 깁스 자유에너지와 자기장 인가에 따른 자기적 깁스에너지의 변화를 적용하여 나타낸 상태도를 통해 보듯이, 자기장이 인가 됨에 따라, γ/α상간의 변태온도가 상승함에 비해 γ/q상간의 변태온도는 거의 변화하지 않는다. 이에 따라 공석 조성의 탄소량이 증가되는 방향으로 증가되며 공석 온도 또한 인가 자기장 100kOe당 10℃정도씩 증가됨을 알 수 있다. 공석온도의 증가는 동일온도에서의 항온변태시 과냉도를 증가시키는 효과를 나타내어 라멜라 간격을 미세화하고 강도증가와 신선 가공에 따른 강도 증가를 획기적으로 증가시킬 수 있다.

전술한 바와 같이, 선재라면 본 발명에 바람직하게 적용이 가능하나, 보다 바람직하게는 중량 %로, C: 0.90~1.20%, Si: 0.1~1.0%, Mn: 0.1~1.0%, Cr: 0.1~0.4%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 선재를 이용하는 것이 유리하다.

탄소(C): 0.9~1.2중량%

C는 타이어코드의 강도를 확보하기 위한 핵심적인 원소이다. 상기 탄소는 고탄소강 선재에서 대부분 세멘타이트의 형태로 존재한다. 세멘타이트는 페라이트와 함께 층상 펄라이트를 형성하는데 페라이트에 비하여 고강도이므로 세멘타이트의 분율이 증가할수록 선재의 강도는 증가하게 된다. 상기 탄소의 함량을 증가시킬수록 세멘타이트 분율이 증가하고, 층상간격이 미세해지므로 선재의 강도를 증가시키는데 효과적이다. 그러나, 탄소가 너무 다량 첨가될 경우에는 선재 생산시 초석 세멘타이트 제어가 어렵고 오스테나이트와 세멘타이트의 자유에너지 차이가 심해져서 변태 발명 제어가 어려워짐으로, 그 상한을 1.20중량%로 한정하는 것이 바람직하다. 반면에, 탄소의 함량이 너무 낮을 경우에는 강도가 감소하므로 그 하한은 0.98중량%로 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 C는 0.98~1.20중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

실리콘(Si): 0.1~1.0중량%

실리콘은 페라이트 고용강화에 의한 강도 향상을 위하여 첨가되는 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여 0.1중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, Si의 함량이 1.0중량%를 초과하는 경우에는 항온열처리시 표면에 탈탄이 형성되고, Si의 계면 편석으로 인해 신선 시 파단이 발생하게 된다. 또한 변태가 지연되기 때문에 자연적인 기계적 특성의 저하될 수 있다. 따라서, 상기 Si는 0.1~1.0중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

망간(Mn): 0.1~1.0중량%

Mn은 기지조직내에 고용체를 형성하여 고용강화하는 원소로 매우 유용한 원소이나 펄라이트 변태를 지연시키기 때문에 느린 냉각속도에서도 미세 펄라이트를 형성시킬 수 있도록 Mn양이 결정되어야 한다. 상기 망간의 함량이 0.1 중량%미만인 경우에는 강도 효과가 미비하다. 반면에, 0.5중량%를 초과하는 경우 Mn 중심편석이 발달되어 저온충격인성을 열화시킬 수 있다. 따라서, 상기 Mn의 함랑은 0.1~0.5중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

크롬(Cr): 0.1~0.4중량%

Cr은 강력한 탄화물 원소로 세멘타이트에 선택적으로 분배되며 라멜라 간격을 미세화하고 세멘타이트를 안정화시켜서 열처리 강도증가와 가공경화율 증가, 한계 신선 가공량 증가 등에 효과적인 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여 0.1중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, 0.4중량%를 초과하는 경우에는 강도 및 연신율 증가효과가 포화 값에 도달하기 때문에 추가적으로 그 효과를 기대하기 어렵다. 따라서, 상기 Cr의 함량은 0.1~0.4중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 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.

강선은 통상적으로 선재를 1차 신선, 1차 페이턴팅 열처리, 2차 신선, 2차 페이턴팅 열처리 및 3차 신선하여 얻어지며, 본 발명의 강선 제조방법 또한 상기 공정들을 포함하여 이루어진다. 상기 1차 페이턴팅 열처리 전에는 선재의 표면에 부착된 스케일이나 이물질 등을 제거하기 위하여 산세 공정을 추가적으로 행할 수 있으며, 타이어 등에 적용될 경우 고무와의 접착성을 향상시키기 위하여 2차 페이턴팅 열처리 후 황동 코팅을 행할 수 있다. 상기 신선 방법에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 1차 및 2차 신선은 건식신선으로 행하는 것이 바람직하고, 3차 신선은 습식신선으로 행하는 것이 바람직하다.

상기 1차 신선, 1차 페이턴팅 열처리, 2차 신선, 2차 페이턴팅 열처리 및 3차 신선은 당해 기술분야에서 통상적으로 수행되는 방법을 이용할 수 있다. 다만, 상기 2차 페이턴팅 열처리시 상기 2차 신선된 신선재에 100kOe 이상의 자기장을 가해주는 초고강도 타이어코드용 강선의 제조방법을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 2차 페이턴팅 열처리시 상기 2차 신선된 신선재에 100kOe 미만의 자기장을 인가해 주는 경우 충분한 과냉도 증가효과를 확보하기 어렵다. 자기장의 세기가 증가할수록 라멜라 간격을 최소화 시킬 수 있다. 상한은 특별히 한정될 필요는 없으나, 얻고자 하는 라멜라 간격을 고려할 때, 그 상한은 500kOe로 제어할 수 있다.

상기 2차 페이턴팅 후, 강선의 미세조직은 펄라이트인 것이 바람직하고, 상기 펄라이트의 평균 라멜라 간격은 135㎚이하(0은 제외)가 되도록 하는 것이 바람직하다. 135㎚를 초과하는 경우에는 세멘타이트가 과도하게 두꺼워져 신선 가공성을 저하시킬 수 있고, 강도 확보 또한 용이하지 않을 수 있다. 상기 평균 라멜라 간격은 작으면 작을수록 강도 확보 또는 딜라미네이션 발생 억제에 유리하므로, 그 하한에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.

또한, 최종 신선시(본 발명에서는 2차 신선에 해당), 15~25%의 단면감소율로 신선을 행하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 단면감소율이 15% 미만인 경우에는 패스수가 증가하는 문제가 있으며, 25%를 초과하는 경우에는 단선이 발생하거나 내부에 결함이 발생될 가능성이 커지기 때문이다. 따라서, 선재를 신선시 15~25%의 단면감소율로 신선을 행하는 것이 바람직하다.

상기 신선시 신선 변형량(ε)이 3.5이상인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 다른 일측면인 초고강도 타이어코드용 강선에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 다른 일측면은 선재를 1차 신선, 1차 페이턴팅 열처리, 2차 신선, 2차 페이턴팅 열처리하여 제조되는 강선으로서, 상기 2차 페이턴팅 열처리시 100kOe 이상의 자기장을 가하며, 상기 2차 페이턴팅 열처리 후, 미세조직은 펄라이트 조직이고, 상기 펄라이트의 평균 라멜라 간격은 135㎚이하인 초고강도 타이어코드용 강선에 관한 것이다.

이때, 선재는 중량 %로, C: 0.90~1.20%, Si: 0.1~1.0%, Mn: 0.1~1.0%, Cr: 0.1~0.4%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 4000MPa 이상의 인장강도를 갖는다.

이와 같이, 초고강도를 갖는 극세선의 강선을 제공함으로써, 타이어 코드의 중량뿐만 아니라 타이어에 적용시 고무 부착량을 줄일 수 있어 경량화에 따른 차량 연비 향상 효과를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 특성을 갖는 강선은 타이어 코드뿐만 아니라, 나아가 쏘우 와이어 등과 같은 기술분야에도 바람직하게 적용이 가능하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 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.

(실시예 1)

하기 표 1에 기재된 성분계를 만족하는 강들을 주조하였다. 그 후 통상적인 방법에 의해 5.5㎜의 직경을 갖는 선재를 제조하였다. 그 후, 1차 건식신선, 1차 페이턴팅 열처리, 2차 건식신선, 2차 페이턴팅 열처리, 황동 도금 및 3차 습식신선을 행하였다. 상기 2차 페이턴팅 열처리시 하기 표 1에 기재되어 있는 자기장의 세기로 자기장을 인가하였다. 상기와 같이 자기장을 인가한 후 라멜라 간격을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

구분	화학성분	Patenting 온도(℃)	인가 자기장 세기(kOe)	평균 라멜라 간격(㎚)
비교재1	1.02C-0.3Mn-0.2Si-0.20Cr	600	0	138
발명재1		600	100	125
발명재2		600	180	115
비교재2	1.07C-0.3Mn-0.2Si-0.20Cr	600	0	145
발명재3		600	100	131
발명재4		600	180	122
비교재3	1.02C-0.3Mn-0.5Si-0.20Cr	580	0	121
발명재5		580	100	109
발명재6		580	180	101

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 발명재 1 내지 6은 자기장이 인가됨에 따라 라멜라 간격이 미세해 지는 것을 확인 할 수 있었다.

(실시예 2)

상기 실시예 1에 기재되어 있는 발명재 중 발명재 6에 대하여 페이턴팅 열처리 후 신선과정에서 기계적 특성인 누적 신선 가공량, 인장강도, 단면감소율 및 딜라미네이션 발생여부를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

구분	누적신선 가공량(ε)	인장강도(MPa)	RA(%)	비틀림 시험시 딜라미네이션 발생여부
발명재6	0	1680	45	정상
	0.23	1867.187	52	정상
	0.45	1924.814	55	정상
	0.67	1989.996	62	정상
	0.88	2060.172	57	정상
	1.09	2139.106	50	정상
	1.33	2241.447	49	정상
	1.57	2358.511	52	정상
	1.80	2486.468	47	정상
	2.02	2625.289	44	정상
	2.23	2774.746	48	정상
	2.46	2959.92	42	정상
	2.66	3141.512	45	정상
	2.89	3377.103	43	정상
	3.15	3682.646	43	정상
	3.37	3978.298	42	정상
	3.61	4345.208	43	정상
	3.84	4746.262	40	정상
	4.10	5266.398	38	정상
	4.34	5318.602	27	딜라미네이션 발생
	4.55	5166.565	-	-

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 발명재 6은 라멜라 간격이 감소함에 따라 페이턴팅 열처리 후 선재의 인장강도는 1650MPa 이상 확보할 수 있으며, 가공경화율 및 신선한계도 매우 높은 수준을 확보할 수 있음을 확인하였다.

또한, 자기장을 500kOe 이상 인가하게 되는 경우 최종 습식신선을 행한 후의 강선의 직경은 0.16㎜수준의 극세선 강선을 확보할 수 있으며, 더불어 우수한 단면감소율 값과 딜라미네이션의 발생이 없어 5000MPa 이상의 초고강도 타이어코드용 강선을 제조할 수 있는 것을 확인하였다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

선재를 1차 신선, 1차 페이턴팅 열처리, 2차 신선, 2차 페이턴팅 열처리하는 것을 포함하는 강선의 제조방법으로서,
상기 2차 페이턴팅 열처리시 100kOe 이상의 자기장을 가해주는 초고강도 타이어코드용 강선의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 선재는 중량 %로, C: 0.90~1.20%, Si: 0.1~1.0%, Mn: 0.1~1.0%, Cr: 0.1~0.4%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 초고강도 타이어코드용 강선의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 2차 신선을 행할 때, 신선 변형량(ε)이 3.5이상인 초고강도 타이어코드용 강선의 제조방법.
선재를 1차 신선, 1차 페이턴팅 열처리, 2차 신선, 2차 페이턴팅 열처리하여 제조되는 강선으로서,
상기 2차 페이턴팅 열처리시 100kOe 이상의 자기장을 가해며, 상기 2차 페이턴팅 열처리 후, 미세조직은 펄라이트 조직이고, 상기 펄라이트의 평균 라멜라 간격은 135㎚이하인 초고강도 타이어코드용 강선.
제 4항에 있어서,
상기 선재는 중량 %로, C: 0.90~1.20%, Si: 0.1~1.0%, Mn: 0.1~1.0%, Cr: 0.1~0.4%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 4000MPa 이상의 인장강도를 포함하는 초고강도 타이어코드용 강선.