KR102139175B1

KR102139175B1 - 비틀림 특성이 향상된 고강도 선재, 강선 및 이들의 제조방법

Info

Publication number: KR102139175B1
Application number: KR1020180137532A
Authority: KR
Inventors: 양요셉; 박세원; 김현진; 박용식
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2020-07-29
Also published as: KR20200053971A

Abstract

비틀림 특성이 향상된 고강도 선재가 개시된다. 개시된 선재는 중량%로, C: 0.9 내지 1.2%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Si: 0.2% 이하(0은 제외), Cr: 0.3 내지 0.9%, Al: 0.8 내지 1.2%, W: 0.1 내지 0.3%, Al+W: 1.3 내지 1.5%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족하는 것을 특징으로 한다.
4 ≤ Al/W ≤ 12: 식(1)

Description

비틀림 특성이 향상된 고강도 선재, 강선 및 이들의 제조방법 {HIGH-STRENGTH WIRE ROD AND STEEL WIRE WITH IMPROVED TORSION PROPERTY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 강도를 확보하면서도 비틀림 특성이 향상된 선재, 강선 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.

통상적으로 교량용 강선에서 구조물을 지탱해주는 케이블 또는 로프류는 강도 이외 비틀림 특성이 요구된다. 강도는 기본적으로 요구되는 특성일 뿐만 아니라, 고강도화를 통한 소재의 경량화를 도모할 수 있다.

강선의 고강도화는 1960년대 Embury와 Fisher가 제시한 실험식에 기반을 둔, 초기소재(선재) 강도 증가(결정립 미세화도 포함) 및 가공량 증가를 통해 이루어져왔다. 초기소재 강도 증가는 제품의 강도를 효과적으로 증가시킬 수 있지만 또한 연성을 저하시키기 때문에 제품 고강도화에는 한계가 존재한다.

신선 가공량은 소재 강도 또는 미세조직에 영향을 크게 받기 때문에 무한정 가공량을 증가시킬 수 없어, 현재는 이 두 가지 방법을 조합하여 강도의 향상을 도모하고 있는 실정이다.

강선의 비틀림 특성이 중요시 되는 이유는, 이들이 강선 (single wire)로 사용되지 않고 여러가닥 강선을 꼬아서 제품으로 사용되고 있기 때문이다. 일반적으로 강도가 높으면 연성은 감소하며, 최종 딜라미네이션 발생에도 영향을 주어 강도가 너무 높게 되면 딜라미네이션(delamination)이 발생하는 문제가 있어, 제품으로 사용할 수 없다.

비틀림 특성에 영향을 끼치는 요소로는 표면결함, 잔류응력, 발생열 및 집합조직 등이 알려져 있다. 세멘타이트 분해는 비틀림 특성을 결정 짓는 중요한 인자로 알려져 있는데, 그 이유는 세멘타이트 분해로 인해 세멘타이트 조직이 깨져, 판상이 아닌 깨진 상으로 존재하여 균열을 유발하는 기점으로 작용하기 때문이다.

펄라이트 내 존재하는 세멘타이트는 페라이트와 결정방위 관계(Nishiyama-Wasserman(N-W) Relationship; (110)bcc//(111)fcc, [001]bcc//[101]fcc)를 형성하고, 탄소 확산에 의해 성장을 하기 때문에 콜로니, 블록 등의 개념을 가지고 미세조직을 형성하는데, 가장 작은 단위인 1개 콜로니는 같은 방향성을 갖는 세멘타이트로 이루어져있다.

즉, 콜로니가 크면 세멘타이트가 길다는 것을 의미하며, 이러한 콜로니가 신선방향에 수직한, 또는 고경각 관계를 가질수록 세멘타이트가 신선방향으로 회전이 되지 않기 때문에 쉽게 깨질 수 있고, 이는 세멘타이트 분해가 촉진된다고 할 수 있다.

이에 착안하여, 신선 방향과 큰 각도를 갖게 형성된 세멘타이트의 분해를 억제하여 강도를 확보하면서도 비틀림 특성이 향상된 선재, 강선 및 이들의 제조방법에 대한 개발이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 실시예들은 강도를 확보하면서도 비틀림 특성이 향상된 선재, 강선 및 이들의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 비틀림 특성이 향상된 고강도 선재는, 중량%로, C: 0.9 내지 1.2%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Si: 0.2% 이하(0은 제외), Cr: 0.3 내지 0.9%, Al: 0.8 내지 1.2%, W: 0.1 내지 0.3%, Al+W: 1.3 내지 1.5%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족한다.

4 ≤ Al/W ≤ 12: 식(1)

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 선재의 미세조직은 면적분율로, 95%이상의 펄라이트와 잔부 페라이트 또는 초석 세멘타이트를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 선재의 인장강도는 1,500 MPa이상이고, 단면감소율(RA)은 25% 이상일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 비틀림 특성이 향상된 고강도 강선은, 중량%로, C: 0.9 내지 1.2%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Si: 0.2% 이하(0은 제외), Cr: 0.3 내지 0.9%, Al: 0.8 내지 1.2%, W: 0.1 내지 0.3%, Al+W: 1.3 내지 1.5%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 콜로니 크기가 9㎛ 이하, 콜로니 내 세멘타이트 길이가 0.8㎛ 이하이며, 하기 식(1)을 만족한다.

4 ≤ Al/W ≤ 12: 식(1)

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 강선의 인장강도는 2,500 MPa이상이고, 비틀림 특성이 30회 이상일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, Dx0.05 ~ Dx0.25(여기서, D는 강선의 직경을 의미함)의 범위에서, 판상 세멘타이트 내의 탄소함량과 침상 세멘타이트 내의 탄소함량의 차이가 1.5 원자% 이하일 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 비틀림 특성이 향상된 고강도 강선의 제조방법은 중량%로, 중량%로, C: 0.9 내지 1.2%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Si: 0.2% 이하(0은 제외), Cr: 0.3 내지 0.9%, Al: 0.8 내지 1.2%, W: 0.1 내지 0.3%, Al+W: 1.3 내지 1.5%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족하는 빌렛을 제조하는 단계; 상기 빌렛을 1,000 내지 1,100℃에서 가열하는 단계; 상기 가열된 빌렛을 900 내지 1,000℃에서 선재 압연하는 단계; 제조된 선재를 880 내지 910℃에서 권취하고, 8 내지 10℃/s 의 냉각속도로 냉각하는 단계; 및 냉각된 상기 선재를 LP 열처리 후, 신선하여 강선을 얻는 단계;를 포함한다.

4 ≤ Al/W ≤ 12: 식(1)

본 발명의 실시예에 따르면, 합금성분 및 합금성분 사이의 관계를 조절함으로써, 강도를 확보하면서도 비틀림 특성이 향상된 선재 및 강선을 제공할 수 있다.

도 1은 신선방향과 평행(a), 수직(b)한 세멘타이트를 가공했을 때, 예측되는 페라이트 내 존재하는 탄소함량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강선의 세멘타이트 형상을 보여주는 미세조직 사진이다.

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.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명자들은 강선의 신선 방향과 고경각(15도 이상)을 갖는 침상 형태의 세멘타이트 분해가 활발히 나타나는 반면, 신선 방향과 거의 평행한 상태(15도 이하)로 존재하는 판상 세멘타이트 분해가 상대적으로 적게 발생하며, 이 둘의 차이가 크게 되면 조직이 불균일하게 되고, 균열 유발 가능한 기점으로 작용하여 딜라미네이션이 발생한다는 사실을 인지하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

도 1은 신선방향과 평행(a), 수직(b)한 세멘타이트를 가공했을 때, 예측되는 페라이트 내 존재하는 탄소함량 변화를 나타낸 그래프이다.

도 1은 신선방향과 세멘타이트가 놓인 방향에 따라, 세멘타이트 분해량에 차이가 있음을 보여준다. 도 1 (a)는 세멘타이트가 신선방향과 평행방향으로 놓였을 때를, (b)는 수직방향으로 놓였을 때를 나타낸 것이며, 그래프에서 X축의 오른쪽 방향으로 곡선이 존재하면 페라이트 내 존재하는 탄소 함량이 증가함을 의미한다. 즉, 신선방향과 수직방향으로 세멘타이트가 위치할 때 분해가 활발히 일어남을 확인할 수 있다.

본 발명에서는 Al과 W를 이용하여 신선 방향과 큰 각도를 갖게 형성된 세멘타이트의 분해를 억제하여 비틀림 특성 및 강도가 향상된 선재, 강선 및 이들의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 비틀림 특성이 향상된 고강도 선재는, 중량%로, C: 0.9 내지 1.2%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Si: 0.2% 이하(0은 제외), Cr: 0.3 내지 0.9%, Al: 0.8 내지 1.2%, W: 0.1 내지 0.3%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

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

C의 함량은 0.9 내지 1.2%이다.

탄소(C)는 고탄소강 선재에서 대부분 세멘타이트의 형태로 존재한다. 세멘타이트는 페라이트와 함께 층상 펄라이트를 형성하는데, 페라이트에 비하여 고강도이므로 세멘타이트 분율이 증가할수록 선재의 강도는 증가하게 된다.

탄소 함량이 많을수록 세멘타이트 분율이 증가하고 층상간격이 미세해지므로, 본 발명에서는 선재의 강도 확보를 위해 C를 0.9% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 초석 세멘타이트가 입계에 형성되고, 중심 편석이 심하게 발생하는 문제가 있어 그 상한을 1.2%로 한정할 수 있다.

Mn의 함량은 0.2 내지 0.8%이다.

망간(Mn)은 기지 조직내에 고용체를 형성하여 고용 강화하는 원소이나, 펄라이트 변태를 지연시키기 때문에 느린 냉각속도에서도 미세 펄라이트를 형성시킬 수 있도록 Mn양이 결정되어야 한다.

본 발명에서는 강도 확보를 위해 Mn을 0.2% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 그 함량이 과도할 경우, Mn 편석이 발생하여 마르텐사이트 또는 베이나이트 등의 저온조직이 발생하며 이는 신선 시 파단으로 이어지므로 그 상한을 0.8%로 한정할 수 있다.

Si의 함량은 0.2% 이하(0은 제외)이다.

실리콘(Si)은 페라이트 기지 내 고용되어 고용강화에 의한 강도 증가효과를 나타내지만, 신선 가공 시 페라이트 경화에 의한 신선한계 및 연성을 감소시킨다. 또한, 그 함량이 과도할 경우, FeSiO₄가 형성되어 스케일 박리성 측면에서 문제가 있으므로, 그 상한을 0.2%로 한정할 수 있다.

Cr의 함량은 0.3 내지 0.9%이다.

크롬(Cr)은 세멘타이트 두께 감소 및 펄라이트 조직의 미세화에 유용한 원소로, 강보 확보를 위해 0.3% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 그 함량이 과도할 경우, 펄라이트 변태가 종료되기까지의 시간이 길어지기 때문에, 열간압연 후 선재의 중심부에 마르텐사이트 또는 베이나이트 등의 저온조직이 생성되어 신선 가공중 단선 발생 빈도가 증가하는 문제가 있어, 그 상한을 0.9%로 한정할 수 있다.

Al의 함량은 0.8 내지 1.2%이다.

알루미늄(Al)은 페라이트 안정화 원소로 알려져 있으며, 강한 탈산재로 강 중 존재하는 산소와 결합하여 산화물을 형성한다. 다만, PC강연선 등에 사용되는 고탄소강선은 가공량이 90% 수준으로 타이어코드 등에 비해 선경이 두껍게 때문에 개재물에 의한 단선은 우려할 사항은 아니다.

Al은 펄라이트 층간간격을 미세화 시켜 강도를 증가시킴과 동시에 배열도를 저하시키는 역할을 하므로 0.8% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과도할 경우, 턴디쉬(Tundish) 노즐 막히고, 변태 종료 시간이 늘어나는 문제가 있어, 그 상한을 1.2%로 한정할 수 있다.

W의 함량은 0.1 내지 0.3%이다.

텅스텐(W)은 페라이트 안정화 원소로 알려져 있으며, 펄라이트 층간 간격을 감소시키고 배열도를 낮추는 역할을 하므로 0.1% 이상 첨가한다. 다만, 가격 경쟁력을 고려하여 그 상한을 0.3%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.

또한, 상기 Al과 W은 상술한 조성범위를 만족할 뿐만 아니라, 4 ≤ Al/W ≤ 12를 만족하는 것이 바람직하다.

일반적으로, Al 및 W은 단독으로 사용하게 되면 그 첨가 함량이 많아야 펄라이트 배열도를 효과적으로 낮출 수 있는 것으로 알려져 있다. 그런데 본 발명자들의 연구 결과, 상기 Al 및 W 함량의 비율을 적절히 제어할 경우, 상대적으로 적은 함량으로도 선재의 강도를 확보하면서도 연성 및 신선성을 향상시킬 수 있음을 알아내었다.

Al+W의 값이 1.3중량% 미만이고, Al/W비가 4 미만인 경우에는 세멘타이트 분해가 억제되지 못하여 균일한 조직이 형성되지 않는다. 반면에, Al+W의 값이 1.5중량%를 초과하고, Al/W비가 12를 초과하는 경우에는 세멘타이트가 취약해져 신선한계가 감소하고, 연성 확보가 어려운 문제가 있다.

상술한 합금조성을 만족하는 본 발명의 선재 미세조직은 면적분율로, 95%이상의 펄라이트와 잔부 비펄라이트 조직을 포함한다. 비펄라이트 조직은 페라이트 또는 초석 세멘타이트를 포함한다. 펄라이트 조직은 다시 세멘타이트(Cementite)가 한 방향성을 가지는 콜로니(Colony)로 나뉘어진다. 펄라이트 상분율이 95면적% 미만인 경우, 신선 가공시 단선이 발생하는 문제가 있다.　

펄라이트내 존재하는 세멘타이트는 부위별 차이가 있지만, 편석이 존재하는 중심부와 탈탄 및 조대한 펄라이트가 존재하는 표면부를 제외한 나머지 영역에서 12~15% 수준이다. 통상적으로 세멘타이트 분율은 탄소함량에 의존하며, 일반적으로 탄소 함량이 0.8%에서 세멘타이트 분율은 11 내지 12% 수준으로 알려져 있다. 본 발명에 따른 과공석강에서는 세멘타이트 분율이 12%를 초과하는 것이 바람직하다고 할 수 있으나, 초석세멘타이트가 연속냉각 중 형성되는 것을 일부 고려하여 그 상한을 15%로 한정할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 성분계 및 미세조직을 만족함으로써, Al 및 W 첨가를 통해 강도를 확보함과 동시에, 신선 가공 시　세멘타이트　분해를 억제함으로써 비틀림 특성이 향상된 선재를 제공할 수 있다. 또한, 상기 선재는 인장강도 1,500MPa 이상이고 단면감소율(Reduction in Area, RA) 이 25% 이상이다.　

이하, 본 발명의 다른 일 측면인 비틀림 특성이 향상된 고강도 선재를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 선재는 상술한 합금조성을 가지는 빌렛(Billet)을 제작한 후, 이를 재가열 - 선재 압연 - 냉각 공정을 거쳐 제조할 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 스프링용 선재의 제조방법은 전술한 합금조성을 만족하는 빌렛을 제조하는 단계; 상기 빌렛을 1,000 내지 1,100℃에서 가열하는 단계; 상기 가열된 빌렛을 900 내지 1,000℃에서 선재 압연하는 단계; 제조된 선재를 880 내지 910℃에서 권취하고, 8 내지 10℃/s 의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.

합금원소 함량의 수치 한정 이유에 대한 설명은 상술한 바와 같다.

빌렛을 제조한 후에는 상기 빌렛을 균질화하는 가열 단계;를 거치는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 빌렛을 1,000 내지 1,100℃의 온도 범위에서 가열하는 것이 바람직하다.

상기 가열 온도가 1,000℃미만인 경우, 압연시 온도가 크게 저하되기 때문에 압연 롤에 인가되는 부하가 커지게 되고, 이로 인해 롤 교체주기가 짧아져서 제조원가 상승하는 문제점이 있다. 반면에, 상기 가열 온도가 1,100℃를 초과하는 경우, 빌렛의 결정립이 조대하게 형성되어 연성이 열위해지는 문제점이 있다.　

더불어, 상기 가열은 120분 이하로 행하는 것이 바람직하다. 120분을 초과하여 가열을 행할 경우에는 오스테나이트 결정립의 조대화, 스케일 형성으로 인한 로스(loss)발생 및 탈탄 형성 등의 문제가 있다. 반면, 90분 미만으로 가열을 행할 경우 가열에 의한 효과를 얻기 어려운 문제점이 있다.

이어서, 상기 가열된 빌렛을 900 내지 1,000℃에서 선재 압연하여 선재를 제조한다. 압연 온도가 900℃ 미만인 경우, 본 발명이 의도하는 미세조직을 획득하기 어려우며, 열피로가 증가하여 롤 교체주기가 짧아져서 제조원가가 상승하는 문제점이 있다. 반면에, 압연 온도가 1,000℃를 초과하는 경우, 선재 내 결정립의 크기가 증가하여 연성확보가 불가하며, 스케일의 생성과 탈탄의 영향으로 표면의 품질이 저하될 우려가 있다.

상기 제조된 선재를 권취하는 단계를 포함한다. 이때, 권취 온도는 880℃ 내지 910℃인 것이 바람직하다. 권취 온도가 880℃ 미만인 경우에는 초석 세멘타이트가 형성될 가능성이 크며, 권취 온도가 910℃를 초과하는 경우 오스테나이트 결정립이 조대해지기 때문에 강도 및 연성이 열위해지는 문제점이 있다.

이어서, 권취한 선재를 8℃/s 내지 10℃/s 의 냉각속도로 냉각하여 펄라이트 조직을 확보한 후 공냉한다. 냉각속도가 8℃/s 미만인 경우에는, 초석 세멘타이트의 형성이 활발하게 이루어져 본 발명이 의도하고자 하는 미세조직을 얻기 어렵다. 반면에, 냉각속도가 15℃/s 를 초과하는 경우에는 베이나이트나 마르텐사이트 같은 경조직이 생성되어 연성을 확보하기 어려운 문제가 발생한다. 이때, 상기 냉각은 송풍량과 컨베이어 속도로 변태를 제어하는 냉각장치 중 하나인 스텔모아(Stelmor) 냉각대에서 행할 수 있다.

이하, 본 발명의 또 다른 일 측면인 비틀림 특성이 향상된 고강도 강선의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 또 다른 일 측면인 비틀림 특성이 향상된 고강도 강선의 제조 방법은 상술한 냉각된 선재를 LP(Lead Patenting) 열처리 후, 80~90%의 총 감면율로 신선하여 강선을 제조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

이때, 550 내지 600℃의 온도범위에서 LP 열처리하는 것이 바람직하다. 550℃미만인 경우에는 베이나이트가 일부 형성되어 가공성을 열위하게 하고, 600℃를 초과하는 경우에는 라멜라 층간 간격이 커져서 강도가 낮아지는 문제가 있다.

LP 열처리를 수행한 선재에 총 감면량 80 내지 90%를 부여하여 건식신선한다. 구체적으로, LP 열처리재는 10~12개 다이스를 통과하하면서 신선 가공을 거치는데, 이때 가공선속은 2 내지 4m/s, 패스당 감면량은 10 내지 20%로 제어하여 강선을 얻을 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 1에 나타낸 합금조성을 갖는 100Kg 잉곳을 주조하였다. 그 후, 1020 ℃에서 95분 동안 가열하고, 사상압연 입구 온도는 1,050℃로 제어하면서 열간압연 하여 선재를 제조하였다. 그 후, 세멘타이트가 발생하지 않도록 권취온도는 895℃로 제어하고, 냉각대에서 8℃/s의 속도로 냉각하였다. 선재의 인장강도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

이후, 선재를 1,025℃에서 가열하는 오스테나이트화 단계를 거친 다음, 600℃에서 LP 열처리를 수행하였다. LP 열처리재의 인장강도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 또한, LP 열처리에서 관찰되는 콜로니 크기와, 콜로니 내 존재하는 세멘타이트 길이를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.

이어서, 총감면량 84%를 인가하여 신선을 행하여 강선을 제조하였다. 구체적으로, 12개의 다이스를 사용하였고, 가공선속은 3.4 m/s, 패스당 감면량은 15 %인가, 최종 다이스만 7%로 건신신선하였다. 강선의 인장강도 및 비틀림 횟수를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

비틀림 실험은 범용 비틀림 시험기(back load: 파단응력x0.2)를 이용하였으며, 시험재의 길이는 100D(D: 강선의 직경)로 설정하였다.

또한, 강선의 신선 방향과 고경각(15도 이상)을 갖는 침상 형태의 세멘타이트와 신선 방향과 거의 평행한 상태(15도 이하)로 존재하는 판상 세멘타이트의 탄소함량을 측정하여 표 3에 나타내었다.

탄소함량은 강선의 단면부에서, D(직경)x0.05 ~ Dx0.25 내에서 시편을 채취하여 바늘모양(tip 반경: 50 nm 이하)으로 시편으로 가공한 후, 3차원 원자침분석기(3 Dimensional Atom Probe)를 이용하여 100x100x500 nm3의 영역의 세멘타이트 분해 거동을 정량분석하여 세멘타이트 내 잔존 탄소량을 측정한 것이다.

구분	C	Si	Mn	Cr	Al	W	Al/W	Al+W
실시예 1	0.99	0.19	0.5	0.60	1.2	0.3	4.0	1.5
실시예 2	0.97	0.19	0.5	0.61	1.2	0.2	6.0	1.4
실시예 3	0.99	0.20	0.5	0.61	1.2	0.1	12.0	1.3
비교예 1	0.97	0.20	0.5	0.62	1.2	0.5	2.4	1.7
비교예 2	0.97	0.20	0.5	0.60	1.0	0.3	3.3	1.3
비교예 3	0.97	0.19	0.5	0.62	0.6	0.3	2.0	0.9
비교예 4	0.97	0.20	0.5	0.60	0.2	0.3	0.7	0.5
비교예 5	0.97	0.20	0.5	0.61	0.8	0.2	4.0	1.0
비교예 6	0.98	0.19	0.5	0.62	0.4	0.2	2.0	0.6
비교예 7	0.98	0.20	0.5	0.62	1.0	0.1	10.0	1.1
비교예 8	0.97	0.20	0.5	0.60	0.8	0.1	8.0	0.9
비교예 9	0.99	0.19	0.5	0.60	0.4	0.1	4.0	0.5
비교예 10	0.97	0.18	0.5	0.61	-	-	-	-

구분	선재		LP열처리재	강선
구분	TS(Mpa)	RA(%)	TS(Mpa)	가공량(%)	TS(Mpa)	비틀림(회)
실시예 1	1,548	28	1,658	84.1	2,520	32
실시예 2	1,521	25	1,623	84.1	2,541	31
실시예 3	1,512	26	1,617	84.1	2,555	34
비교예 1	1,580	11	1,680	84.1	2,530	0
비교예 2	1,427	27	1,633	84.1	2,483	16
비교예 3	1,418	28	1,603	84.1	2,453	14
비교예 4	1,421	28	1,553	84.1	2,403	16
비교예 5	1,418	29	1,614	84.1	2,464	14
비교예 6	1,425	30	1,560	84.1	2,410	12
비교예 7	1,429	28	1,584	84.1	2,434	14
비교예 8	1,428	29	1,571	84.1	2,421	15
비교예 9	1,425	28	1,542	84.1	2,392	12
비교예 10	1,359	30	1,542	84.1	2,262	18

	LP 열처리재		세멘타이트 분해량 (at.%)
	콜로니 크기(um)	콜로니 내 세멘타이트 길이(um)	신선방향과 15도 이하 존재하는 세멘타이트 (A)	신선방향과 15도 이상 존재하는 세멘타이트 (B)	(A-B)
실시예 1	6	0.8	24.2	23.0	1.2
실시예 2	8	0.7	24.7	23.4	1.3
실시예 3	9	0.8	24.4	23.3	1.1
비교예1	7	0.9	24.1	22.0	2.1
비교예2	11	1.2	24.2	20.1	4.1
비교예3	12	1	24.1	20.1	4.0
비교예4	11	1.1	24.4	20.3	4.1
비교예5	12	1.2	24.8	20.1	4.7
비교예6	13	1.3	24.5	20.1	4.4
비교예7	11	1.4	24.4	20.6	3.8
비교예8	12	1.5	24.2	20.1	4.1
비교예9	11	1.2	24.8	20.5	4.3
비교예10	14	1.8	24.2	19.0	5.2

상기 표 2는 실시예 및 비교예의 선재, 열처리재 및 강선의 기계적 특성을 보여준다. 표 2를 참조할 때, 본 발명에서 제안하는 합금조성 및 Al과 W의 관계를 만족하는 실시예 1 내지 3의 경우, 선재의 인장강도가 1,500MPa 이상이고, 단면감소율이 25% 이상으로 강도 및 연성이 우수함을 확인할 수 있다.

비교예 선재의 경우, 인장강도가 1,500 MPa 이상으로 나타나지만, RA값이 11%로 낮아 연성을 확보할 수 없는 경우가 있고, 강도가 높으면 점차적으로 RA는 감소하는 경우도 관찰된다.

표 2를 참조하면, LP 열처리재의 인장강도는 선재에 비해 100~110 MPa 수준 증가하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 표 3을 참조하면, 실시예 1 내지 3의 LP 열처리재에서 관찰되는 콜로니 크기는 6~8μm 수준이며, 비교예 1을 제외하면 상대적으로 비교예에 비해 미세한 것을 확인할 수 있다.

세멘타이트 길이 또한, 0.8 μm 이하로, 비교예에 비해 짧은 것으로 확인되며, 이를 통해 Al+W, Al/W비를 조절함으로써 콜로니 크기 및 세멘타이트 길이를 낮출 수 있음을 확인할 수 있다.

표 2를 참조할 때, 본 발명에서 제안하는 합금조성 및 Al과 W의 관계를 만족하는 실시예 1 내지 3의 경우, 최종 강선의 인장강도가 2,500MPa 이상이고, 100D(D는　강선의 직경) 기준으로 딜라미네이션(Delamination)이 발생하지 않는 비틀림 횟수가 30회 이상으로 비틀림 특성이 매우 우수함을 확인할 수 있다.

반면, 비교예 1의 경우, W 함량이 본 발명이 제어하는 범위를 초과하여 딜라미네이션이 발생하였다.

반면, 비교예 2 내지 10의 경우, Al과 W 성분관계가 만족하지 않아 인장강도가 열위하게 나타났으며. 딜라미네이션은 발생하지 않지만 비틀림 횟수가 12 내지 18회로, 발명예 1 내지 3에 비해 비틀림 특성이 열위함을 확인할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강선에서의 세멘타이트 형상을 보여주는 미세조직 사진이다.

도 2를 참조하면, 신선방향과 거의 유사한방향을 갖는 콜로니는 판상을, 고경각을 이루는 이웃하는 콜로니는 구형에 가까운 모양을 갖는다. LP 열처리 당 시 형상은 판상이며, 신선 가공에 의해 변화된 것이다.

표 3을 참조하면, 신선방향과 거의 유사한 방향에 놓이는 판상 세멘타이트의 탄소함량은 실시예 및 비교예에서 24 내지 25%로 나타났으며, 이는 신선 가공에 의해서도 세멘타이트 분해가 거의 발생하지 않았다는 것을 의미한다.

그러나, 강선의 신선 방향과 고경각(15도 이상)을 갖는 콜로니 내에 존재하는 침상 형태의 세멘타이트 분해량에는 차이가 있다. 표 3을 참조하면, 실시예 1 내지 3은 1% 수준으로 세멘타이트 분해량의 차이가 발생한다면, 비교예의 세멘타이트 분해량의 차이는 4 % 수준으로, 실시예와 비교하여 침상형으로 존재하는 세멘타이트 분해가 활발히 일어남을 확인할 수 있다.

한편 Al. W이 첨가되지 않은 비교예 10은, 상대적으로 세멘타이트 분해가 더 발생되며, 이를 통해 Al, W이 세멘타이트 분해을 억제하는 원소임을 확인할 수 있다.

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예의 경우 비교예에 비해 비틀림 특성이 향상되었음을 확인할 수 있다. 본 발명에서는 Al 및 W를 이용하여 신선 방향과 큰 각도를 갖게 형성된 세멘타이트의 분해를 억제하여, 판상 세멘타이트 내의 탄소함량과 침상 세멘타이트 내의 탄소함량의 차이를 1.3원자% 이하로 제어하고자 하였다.

이를 통해, Al와 W이 복합첨가되며, Al+W 및 Al/W 비가 제어될 때 고경각 경계를 이루는 콜로니에서 세멘타이트 분해가 최대한 억제되어, 비틀림 특성이 향상되는 것을 확인할 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

중량%로, C: 0.9 내지 1.2%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Si: 0.2% 이하(0은 제외), Cr: 0.3 내지 0.9%, Al: 0.8 내지 1.2%, W: 0.1 내지 0.3%, Al+W: 1.3 내지 1.5%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족하는 비틀림 특성이 향상된 고강도 선재.
4 ≤ Al/W ≤ 12: 식(1)
제1항에 있어서,
상기 선재의 미세조직은 면적분율로, 95%이상의 펄라이트와 잔부 페라이트 또는 초석 세멘타이트를 포함하는 비틀림 특성이 향상된 고강도 선재.
제1항에 있어서,
상기 선재의 인장강도는 1,500 MPa이상이고, 단면감소율(RA)은 25% 이상인 비틀림 특성이 향상된 고강도 선재.
중량%로, C: 0.9 내지 1.2%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Si: 0.2% 이하(0은 제외), Cr: 0.3 내지 0.9%, Al: 0.8 내지 1.2%, W: 0.1 내지 0.3%, Al+W: 1.3 내지 1.5%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
콜로니 크기가 9㎛ 이하, 콜로니 내 세멘타이트 길이가 0.8㎛ 이하이며,
하기 식(1)을 만족하는 비틀림 특성이 향상된 고강도 강선.
4 ≤ Al/W ≤ 12: 식(1)
제4항에 있어서,
상기 강선의 인장강도는 2,500 MPa이상이고, 비틀림 특성이 30회 이상인 비틀림 특성이 향상된 고강도 강선.
제4항에 있어서,
Dx0.05 ~ Dx0.25(여기서, D는 강선의 직경을 의미함)의 범위에서,
판상 세멘타이트 내의 탄소함량과 침상 세멘타이트 내의 탄소함량의 차이가 1.5 원자% 이하인 비틀림 특성이 향상된 고강도 강선.
중량%로, C: 0.9 내지 1.2%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Si: 0.2% 이하(0은 제외), Cr: 0.3 내지 0.9%, Al: 0.8 내지 1.2%, W: 0.1 내지 0.3%, Al+W: 1.3 내지 1.5%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족하는 빌렛을 제조하는 단계;
상기 빌렛을 1,000 내지 1,100℃에서 가열하는 단계;
상기 가열된 빌렛을 900 내지 1,000℃에서 선재 압연하는 단계;
제조된 선재를 880 내지 910℃에서 권취하고, 8 내지 10℃/s 의 냉각속도로 냉각하는 단계; 및
냉각된 상기 선재를 LP 열처리 후, 신선하여 강선을 얻는 단계;를 포함하는 비틀림 특성이 향상된 고강도 강선의 제조방법.
4 ≤ Al/W ≤ 12: 식(1)