KR101461724B1

KR101461724B1 - 고강도 강선

Info

Publication number: KR101461724B1
Application number: KR1020120135519A
Authority: KR
Inventors: 양요셉; 석병설
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2014-11-14
Also published as: KR20140067804A

Abstract

본 발명은 강선의 성분계 원소 중 세멘타이트 분해를 촉진시키는 원소를 생략하고, 상온 시효를 억제하는 원소를 추가적으로 첨가함으로써, 상온시효 현상이 억제된 고강도 강선을 제공하고자 한다.

Description

고강도 강선{HIGH STRENGTH STEEL WIRE}

본 발명은 고강도 강선에 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 않게 하기 위해서는 반드시 한계점을 극복해야 한다.

강도가 증가된다는 것은 소재 강도 증가, 신선 가공량 증가 즉, 가혹한 조건에서 신선이 진행된다는 것인데, 이러한 조건에서 제조가 됨에 따라 정적 그리고 동적 시효는 필히 발생한다. 최종 신선 후 바로 연선하는 경우, 시효는 큰 문제가 되지 않지만, 바로 연선 되지 않고, 창고에 장시간 보관 후 연선 되는 경우, 큰 문제로 작용한다. 그 이유는 시효에 의해 강도가 100-200 MPa상승하는데, 강선은 이를 극복하지 못하고 연성이 감소되어 연선이 되지 않기 때문에, 타이어 주행 중 파단이 발생할 가능성이 크다.

본 발명의 일측면인 고강도 강선은 중량%로, C: 0.9~1.1%, Si: 0.8~1.5%, Cr: 0.1~0.5%, Mo: 0.1~0.2%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 Cr 및 Mo의 합은 0.6~0.7%인 조성을 가진다.

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, 합금원소의 생략 및 첨가를 함으로써, 상온에서 장시간 보관하더라도 상온 시효가 발생하지 않으면서도, 연선 파단이 발생하지 않아 스크랩 등의 불필요한 작업이 필요로 하지 않아 안정적으로 제품을 제공하는 효과가 있다.

본 발명의 발명자들은 상온 시효를 억제하기 위하여 연구를 행한 결과, 세멘타이트 분해 촉진 원소인 Mn을 생략하고, 상온 시효를 억제하는 원소인 Cr 및 Mo를 추가적으로 첨가함으로써 강도가 높으면서도 장시간 보관을 행한 후 연선하더라도 파단이 발생하지 않는 강선을 생산할 수 있음을 확인하고 본 발명에 이르게 되었다.

이하, 본 발명의 일측면인 고강도 강선에 대하여 상세히 설명한다.

탄소(C): 0.9~1.1 중량%

C는 강도를 확보하기 위한 핵심적인 원소이다. 상기 탄소는 고탄소강 선재에서 대부분 세멘타이트의 형태로 존재한다. 세멘타이트는 페라이트와 함께 층상 펄라이트를 형성하는데 페라이트에 비하여 고강도이므로 세멘타이트 분율이 증가할수록 또는 펄라이트 층간간격이 미세할수록 선재의 강도는 증가하게 된다. 상기 탄소 함량을 증가할수록 세멘타이트 분율이 증가하고, 층상간격이 미세해지므로 선재의 강도를 증가시키는데 매우 효과적이다. 그러나, 탄소가 너무 다량 첨가될 경우에는 선재 생산시 초석 세멘타이트 제어가 어렵고 오스테나이트와 세멘타이트의 자유에너지 차이가 심해져서 변태 제어가 어려워짐으로, 그 상한을 1.1중량%로 한정하는 것이 바람직하다. 반면에, 탄소의 함량이 너무 낮을 경우에는 강도가 감소하므로 그 하한은 0.9중량%로 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 C는 0.9~1.1중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

실리콘(Si): 0.8~1.5 중량%

실리콘은 페라이트 기지 내 고용되어 고용강화 효과로 강도를 상승시키며, 페라이트 입내, 페라이트/세멘타이트 입계에 존재하며, 세멘타이트 내 일반형자리나 특별형 자리의 Fe 원자와는 치환하지 못해 세멘타이트 내 고용도는 극히 낮은 원소이다. 또한, 과공석강에서 초석 세멘타이트의 형성을 억제한다. 중간 열처리 후 C, V, Cr 등에 비하면 강도를 증가시키는 효과는 적지만, 동일함량 첨가 시 Mn에 비해 약 2~2.5배(14kg/mm²) 크다. 또한, 습식 또는 건식 신선시 발생하는 세멘타이트 분해를 억제하는 원소이다. 본 발명에서 의도하는 강도를 확보하기 위해서는 0.8 중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 실리콘의 함량이 다량 첨가될 경우에는 표면 탈탄층 및 스케일 형성으로 인한 손실(loss)이 발생함으로, 그 상한을 1.5 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr): 0.1~0.5 중량%

크롬은 C, V 다음으로 강도를 크게 증가시키고 세멘타이트를 미세화하고 세멘타이트를 안정화시켜서 열처리 강도증가와 가공경화율 증가, 신선 한계 가공량 증가 등에 효과적인 원소이다. 이는 Cr이 세멘타이트 내 일반형자리(general site)에 쉽게 위치할 수 있는 치환형 원소이기 때문에 Fe와 쉽게 치환되어 세멘타이트 두께를 미세화 시키기 때문이다. 또한, 세멘타이트 내 탄소와 결합이 좋기 때문에, 세멘타이트 분해를 억제하며, 상온 시효 발생을 억제하는 역할을 한다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여 0.1중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 그러나 Cr의 함량이 다량 첨가될 경우에는 변태 종료 시간이 길어지기 때문에 생산성이 낮아지는 단점이 있다. 따라서 Cr을 0.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo): 0.1~0.2 중량%

Mo는 담금질 향상 효과에 의하여 또는 이를 통한 펄라이트 층간간격 감소로 강도를 증가시키는 효과가 있다. 또한, 탄화물 안정 원소이기 때문에, 세멘타이트 내 탄소의 분해를 억제하는 효과가 있다. 상기 몰리브덴의 함량이 0.2 중량%를 초과하는 경우에는 베이나이트 등의 저온조직 발생이 쉬워지는 문제가 있다. 따라서, 상기 몰리브덴의 함량은 0.2중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 상기 몰리브덴의 함량이 너무 낮은 경우에는 본 발명이 의도하고자 하는 효과가 나타나지 않기 때문에, 그 하한을 0.1중량%로 한정한다.

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.

다만, 그 중 인 및 황은 일반적으로 많이 언급되는 불순물이기 때문에 이에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

인(P): 0.015중량% 이하

상기 인은 불가피하게 함유되는 불순물로써, 주로 강편의 중심부에 편석되어 인성을 저하하고 용접성이 현저히 저하되기 때문에 후물재의 중심부 저온충격인성을 확보하기 위해서는 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 이론상 인의 함량은 0중량%로 제한하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 상기 인 함량의 상한은 0.015중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

황(S): 0.015중량% 이하

황은 불가피하게 함유되는 불순물로서, Mn등과 결합하여 비금속 개재물을 형성하며 이에 따라 강의 연성, 충격인성 및 용접성에 크게 손상시키기 때문에 그 함량을 최대한 억제하는 것이 바람직하다. 이론상의 황의 함량은 0%로 제한하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 상기 황 함량의 상한은 0.015중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 강선의 조성은 상술한 조건에 추가하여 상기 Mo와 Cr의 합이 0.6~0.7중량%으로 제한하는 것이 보다 바람직하다. 상기와 같이 Mo와 Cr의 합을 제어함으로써, 세멘타이트 분해를 억제하는 효과가 있다. 이러한 효과를 나타내기 위해서는 0.6% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 그러나, Cr과 Mo의 합이 0.7%를 초과하는 경우에는 변태 종료 시간이 길어져 조업에 부적합하다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 성분계 및 성분관계를 만족함으로써, 상온시효가 우수한 강성을 제공할 수 있으나, 본 발명이 의도하는 보다 더 바람직한 강선을 제공하기 위하여, Mo/Cr를 0.2~0.5의 범위로 제어하는 것이 바람직하다. Mo/Cr가 0.2 미만인 경우에는 세멘타이트를 분해를 억제하지 못하고, 0.5를 초과하는 경우에는 연성 확보가 어려운 문제가 있다.

또한, 상기 강선의 미세조직은 세멘타이트를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 세멘타이트 조직은 철강 재료의 금속 조직중에서 신장선 가공성에 우수하고 고강도이면서, 고인성 고연성을 확보하는 데 용이하다.

상기 세멘타이트는 면적분율%로, 13~16% 포함하는 것이 바람직하다.

상기 세멘타이트의 면적분율이 13% 미만인 경우에는 세멘타이트의 탄소가 부족하여, 연성 확보가 어려운 문제가 있다. 반면에, 세멘타이트의 면적분율이 16%를 초과하는 경우에는 강도 확보에 어려움이 있다.

또한, 딜라미네이션(delamination)의 균열 발생 기점이 표면이기 때문에, 표면에서 세멘타이트의 분해가 활발히 작용하면, 조직의 불균일로 인하여 균열이 발생하기 쉬운 상태가 된다. 따라서, 상기 강선의 표면에서 중심방향으로 100㎛까지 세멘타이트 내에 존재하는 탄소의 함량을 제어하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 표면에서 중심방향으로 100㎛까지 영역에서 탄소의 함량은 19.1~20.1중량%인 것이 바람직하다. 상기 탄소의 함량이 19.1중량% 미만인 경우에는 페라이트에 고용된 탄소가 많으므로 연성이 부족하다. 반면에, 세멘타이트의 분해를 억제하기 위해서는 최대 20.1중량%로 제어하는 것이 바람직하다.

더불어, 상기 강선을 상온에서 26~30일 유지 후 처음 신선된 강선의 인장강도와의 차이가 36MPa 이하인 것이 바람직하다.

상기 강선의 인장강도는 4000MPa 이상인 것이 바람직하다.

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)

하기 표 1과 같은 조성을 갖는 강을 주조하여 통상적인 조건으로 가열하고, 압연하여 5.5 mmf의 직경을 갖게 한 후 세멘타이트가 발생하지 않는 냉각속도로 냉각하여 선재를 제조하였다. 그 후, 신선을 통해 다운사이징(downsizing) 한 후 중간 열처리 (오스테나이징→LP 550℃)하여 연성을 부여한 후 신선가공량(ε) 3.2까지 신선하여 0.2 mmmf 강선을 제조하였다.

그 후, 하기 표 2에 나타나 있는 기계적 물성을 측정하여 결과를 나타내었다.

구분	C (중량%)	Si (중량%)	Cr (중량%)	Mo (중량%)	Cr+Mo (중량%)	Mo/Cr
발명예1	0.919	1.213	0.500	0.10	0.601	0.200
발명예2	0.923	1.221	0.500	0.20	0.700	0.400
발명예3	0.921	1.224	0.411	0.20	0.611	0.487
비교예1	0.918	1.239	0.198	0	0.198	0
비교예2	0.921	1.230	0.312	0	0.312	0
비교예3	0.919	1.200	0.401	0	0.401	0
비교예4	0.930	1.230	0.500	0	0.500	0
비교예5	0.921	1.210	0.602	0	0.602	0
비교예6	0.921	1.201	0.502	0.05	0.552	0.100
비교예7	0.918	1.215	0.498	0.01	0.508	0.020
비교예8	0.925	1.228	0.402	0.10	0.502	0.249
비교예9	0.918	1.209	0.419	0.05	0.469	0.119
비교예10	0.917	1.210	0.412	0.01	0.422	0.024
비교예11	0.921	1.211	0.301	0.10	0.401	0.332
비교예12	0.917	1.237	0.302	0.20	0.502	0.662
비교예13	0.921	1.220	0.317	0.05	0.367	0.158
비교예14	0.919	1.201	0.309	0.01	0.319	0.032
비교예15	0.93	1.231	0.211	0.10	0.311	0.474
비교예17	0.929	1.200	0.212	0.20	0.412	0.943
비교예18	0.922	1.210	0.203	0.05	0.253	0.246
비교예19	0.923	1.211	0.209	0.01	0.219	0.047

구분	인장강도(MPa)		상온시효결과(MPa)				강도 차이 (MPa)
	선재	강선	1일	7일	14일	28일	b-a	c-b	d-c	e-d	e-a
	선재	(a)	(b)	(c)	(d)	(e)	b-a	c-b	d-c	e-d	e-a
발명예1	1497	4055	4069	4087	4089	4091	14	18	2	2	36
발명예2	1511	4070	4083	4099	4102	4104	13	16	3	2	34
발명예3	1496	4027	4048	4051	4058	4062	21	3	7	4	35
비교예1	1421	3916	3964	4019	4031	4041	48	55	12	10	125
비교예2	1456	3951	3991	4032	4043	4051	40	41	11	8	100
비교예3	1473	3978	4016	4051	4060	4067	38	35	9	7	89
비교예4	1490	4022	4051	4079	4084	4097	29	28	5	13	75
비교예5	1521	4051	4081	4101	4113	4121	30	20	12	8	70
비교예6	1494	4049	4067	4084	4101	4125	18	17	17	24	76
비교예7	1492	4041	4078	4097	4110	4121	37	19	13	11	80
비교예8	1481	4007	4036	4054	4069	4078	29	18	15	9	71
비교예9	1479	4021	4052	4087	4101	4105	31	35	14	4	84
비교예10	1477	4019	4034	4057	4078	4097	15	23	21	19	78
비교예11	1486	3981	4003	4021	4054	4062	22	18	33	8	81
비교예12	1472	3997	4012	4028	4057	4082	15	16	29	25	85
비교예13	1467	3972	4008	4029	4041	4053	36	21	12	12	81
비교예14	1465	3970	4011	4041	4049	4057	41	30	8	8	87
비교예15	1435	3948	4009	4021	4028	4039	61	12	7	11	91
비교예17	1438	3965	4001	4019	4029	4043	36	18	10	14	78
비교예18	1431	3941	3984	4004	4019	4025	43	20	15	6	84
비교예19	1429	3931	3967	4001	4011	4019	36	34	10	8	88

또한, 하기 표 3에는 발명예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 19의 표면에서 중심방향으로 100㎛까지 세멘타이트 내에 존재하는 탄소의 함량을 측정하여 나타낸 결과이다.

구분	세멘타이트내에 존재하는 탄소 함량 (중량%)
발명예1	19.1~19.9
발명예2	19.2~20.1
발명예3	19.2~20.0
비교예1	10.2~12.4
비교예2	12.3~14.8
비교예3	15.7~17.2
비교예4	15.1~17.3
비교예5	16.2~17.7
비교예6	11.4~12.5
비교예7	13.9~15.9
비교예8	15.7~17.2
비교예9	14.3~17.1
비교예10	15.1~17.8
비교예11	14.9~18.9
비교예12	15.9~16.8
비교예13	14.4~17.1
비교예14	15.1~18.2
비교예15	14.2~17.8
비교예17	16.5~17.1
비교예18	14.9~17.5
비교예19	15.1~17.9

상기 표 1 내지 3에 나타난 바와 같이, 본 발명이 제안한 조건을 만족하는 경우 28일이 지난 후에도 상온 시효가 36MPa 이하로 적게 발생된 것을 확인할 수 있다.

반면에, 비교예 1 내지 4, 6, 7, 9, 10, 12 내지 14 및 17 내지 19와 같이 본 발명이 제안한 성분범위를 만족하나, Mo와 Cr의 합과 Mo/Cr의 비를 만족하지 못하는 경우에는 28일이 지난 후의 상온 시효가 매우 높은 것을 확인할 수 있다.

또한, 비교예 5와 같이 Mo와 Cr의 합은 만족하나, Mo와 Cr의 비가 만족되지 못하는 경우에도 28일이 지난 후의 상온 시효가 70MPa로 높게 나타난 것을 확인할 수 있다.

더불어, 비교예 8, 11 및 15는 Mo와 Cr의 비는 만족하나, Mo와 Cr의 합이 만족되지 못하는 경우로서, 이 역시 28일이 지난 후의 상온 시효가 매우 높은 것을 확인할 수 있다.

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

중량%로, C: 0.9~1.1%, Si: 0.8~1.5%, Cr: 0.1~0.5%, Mo: 0.1~0.2%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 Cr 및 Mo의 합은 0.6~0.7% 인 조성을 가지는 고강도 강선.
제 1항에 있어서,
상기 Mo과 Cr은 Mo/Cr: 0.2~0.5를 만족하는 고강도 강선.
제 1항에 있어서,
상기 강선의 미세조직은 면적분율%로, 13~16% 세멘타이트를 포함하는 고강도 강선.
제 1항에 있어서,
상기 강선의 표면에서 중심방향으로 100㎛까지 세멘타이트 내에 존재하는 탄소의 함량이 19.1~20.1중량%인 고강도 강선.
제 1항에 있어서,
상기 강선의 신선가공량은 최대 3.2인 고강도 강선.
제 1항에 있어서,
상기 강선을 상온에서 26~30일 유지 후 인장강도 변화는 36MPa 이하인 고강도 강선.