KR102443412B1

KR102443412B1 - 피로특성이 우수한 고강도 선재 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102443412B1
Application number: KR1020200167344A
Authority: KR
Inventors: 최석환; 양요셉; 최명수; 이만재
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2022-09-16
Also published as: KR20220078139A

Abstract

피로특성이 우수한 고강도 선재가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 피로특성이 우수한 고강도 선재는, 중량%로, C: 0.60 내지 0.92%, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0.4 내지 1.0%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.01 내지 0.05%, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 표면으로부터 중심부를 향해 직경×0.04까지의 영역인 표층부와 중심부의 경도 비가 1.23 내지 1.25 : 1이다.

Description

피로특성이 우수한 고강도 선재 및 이의 제조방법{HIGH STRENGTH WIRE ROD WITH EXCELLENT FATIGUE PROPERTIES AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 피로특성이 우수한 고강도 선재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표층부 미세조직을 제어하여 우수한 피로특성을 보이는 고강도 선재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 비드와이어는 타이어와 림의 고정을 위해 사용되는 보강재로, 주행 안정성, 타이어 수명 등을 향상시킨다.

탄소 함량의 증가는 제품 고강도를 의미하기 때문에 타이어 안정성을 요구하는 차량일수록 탄소 함량 0.6% 이상의 고탄소 비드와이어를 사용하는 추세이다.

이러한 고탄소 비드와이어는 질화나 침탄 처리를 통해 표면의 경도를 증가시켜 표면에서 균열이 형성되는 것을 억제함으로써 피로강도 또는 피로한을 증가시킬 수 있다. 하지만 질화나 침탄 처리는 별도의 공정이 추가되어 제조비용이 증가하는 문제가 있다.

또한, 질화나 침탄 처리를 하지 않고 미세조직을 제어하여 표면의 경도를 증가시킬 수 있으나, 표면에 마르텐사이트 상이 형성될 경우 연성이 부족하여 신선 시 가공 단선이 발생할 수 있다.

본 발명은 표층부의 미세조직을 제어하여 우수한 피로특성을 보이는 고강도 선재 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 명세서는 중량%로, C: 0.60 내지 0.92%, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0.4 내지 1.0%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.01 내지 0.05%, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 표면으로부터 중심부를 향해 직경×0.04까지의 영역인 표층부와 중심부의 경도 비는 1.23 내지 1.25 : 1인 피로특성이 우수한 고강도 선재를 개시한다.

또한, 상기 표층부의 경도는 400 내지 500Hv이며, 상기 중심부의 경도는 300 내지 380Hv일 수 있다.

또한, 인장강도는 2,000MPa 이상, 피로한은 1,040MPa 이상일 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 명세서는 중량%로, C: 0.60 내지 0.92%, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0.4 내지 1.0%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.01 내지 0.05%, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 빌렛을 1,000 내지 1,200℃에서 90 내지 150분 가열하여 사상압연까지 진행하고, 사상압연까지 진행된 선재의 표면 온도를 200 내지 300℃/s로 Ms 이하까지 냉각시키며, 표면이 냉각된 선재를 최종압연하여 800 내지 850℃에서 권취하고, 권취된 선재를 A1-50℃까지 20 내지 25℃/s로 1차 냉각하며, 이후 5 내지 10℃/s로 2차 냉각하는 피로특성이 우수한 고강도 선재의 제조방법을 개시한다.

또한, 상기 권취는 최종압연에서 발생된 가공 발열에 의한 복열을 이용하여 진행될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 표층부의 미세조직을 제어하여 비드와이어의 강도 및 피로 특성을 향상 시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 고탄소강의 표층부 경도가 중심부의 경도에 비해 1.23 내지 1.25배 높아 표면에서 발생되는 균열을 억제할 수 있으며, 이로 인해 고강도를 만족하는 동시에 선재의 피로한을 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 발명예 2의 표면 경화층을 관찰한 단면 사진이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

본 발명에 따른 피로특성이 우수한 고강도 선재는 중량%로, C: 0.60 내지 0.92%, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0.4 내지 1.0%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.01 내지 0.05%, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함한다.

이하에서는 상기 합금조성에 대해서 한정한 이유에 대하여 구체적으로 설명한다. 하기 성분조성은 특별한 기재가 없는 한 모두 중량%를 의미한다.

C(탄소): 0.60 내지 0.92%

C는 소재 강도를 가장 효과적으로 상승시킬 수 있는 원소이며, 0.1% C 증가 시 100 MPa의 강도 증가 효과가 있다. 0.60% 미만 첨가 시 제품 규제 하한 강도에 미달하며, 0.92% 초과 첨가 시 제품 규제 상한 초과 및 신선사에서 가공 중 단선 발생 위험도가 높기 때문에 0.60 내지 0.92%로 유지하는 것이 바람직하다.

Si(실리콘): 0.1 내지 0.5%

Si은 페라이트 고용강화 원소이며, 0.1% Si 첨가시 14 내지 16 MPa의 강도가 향상된다. 비드와이어는 Si-killed 강으로 0.1% 미만 유지 시 탈산이 안되기 때문에 강 중 형성된 산화물이 신선 가공 중 단선을 유발하는 문제가 있고, 0.5% 초과 시 스케일 박리를 위한 산세 시간 증가 또는 기계적 박리 시 스케일 제거에 어려움이 있기 때문에 그 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

Mn(망간): 0.4 내지 1.0%

Mn은 고용강화 원소로 0.1% 증가 시 강도를 20 MPa 증가시키거나 열처리 시 충분한 소입성을 부여하기도 한다. 0.4% 미만 시 목표 인장강도 확보에 어려움이 있고, 1.0% 초과 시 중심편석이 심하여 신선 가공 중 단선을 유발 시키기 때문에 그 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

P(인) 및 S(황): 0.03% 이하

P 및 S은 불순물이며, 특별히 함유량을 규정하지는 않지만, 종래의 강선과 마찬가지로 연성을 확보하는 관점에서 각각 0.03% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Al(알루미늄): 0.01 내지 0.05%

Al은 강 중 존재하는 N와 결합하여 AlN을 형성시키며, 오스테나이트 입계에 존재하기 때문에 결정립 성장을 억제시키는 역할을 하는 원소이다. Al이 0.01% 미만인 경우에는 결정립 미세화 효과가 적고, Al이 0.05% 초과하는 경우에는 조대한 AlN 형성 등에 따른 불균일한 결정립이 유발될 가능성이 크기 때문에 그 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

N(질소): 0.01% 이하

N는 C처럼 강도를 크게 증가시키는 원소이며, 0.1% 첨가 시 강도를 100 MPa 증가시키는 강도 측면에서 효과적인 원소이다. 다만, N는 코트렐(Cottrell) 분위기를 형성하여 전위를 고착시키며, 연성을 감소시키기 때문에 0.01% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조 과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 상기 불순물들은 통상의 제조 과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

본 발명의 일 실시예에 의한 피로특성이 우수한 고강도 선재는 표면으로부터 중심부를 향해 직경(D)×0.04까지의 영역인 표층부에 미세조직이 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 표면 경화층이 형성된다. 여기서 중심부는 선재의 두께 방향 단면의 중심을 의미한다.

또한, 표층부의 경도는 400 내지 500Hv, 중심부의 경도는 300 내지 380Hv로 이루어질 수 있으며, 표층부와 중심부의 경도 비는 1.23 내지 1.25 : 1로 이루어질 수 있다. 표층부의 경도가 중심부의 경도보다 1.23 내지 1.25배 클 경우 선재의 고강도를 만족하는 동시에 표면의 균열을 억제하여 피로한을 증가시킬 수 있으며, 신선 시 단선을 방지할 수 있다.

아울러 인장강도는 2,000Mpa 이상, 피로한은 1,040Mpa 이상으로 이루어질 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 피로특성이 우수한 고강도 선재의 제조방법에 대해 설명한다.

본 발명의 일 예에 따른 피로특성이 우수한 고강도 선재의 제조방법은 상술한 성분계를 만족하는 빌렛을 가열하여 사상압연까지 진행하는 단계, 사상압연까지 진행된 선재의 표면을 냉각시키는 단계, 표면이 냉각된 선재를 최종압연(RSM, reducing sizing mill)하여 권취하는 단계 및 권취된 선재를 냉각하는 단계를 포함한다.

빌렛을 가열하여 사상압연까지 진행하는 단계는, 선재 가열로에서 1,000 내지 1,200℃ 온도 범위에서 90 내지 150분간 유지하여 균일한 오스테나이트를 형성시킨 뒤 조압연 및 사상압연을 진행한다.

1,000 내지 1,200℃ 온도 범위에서의 가열은 오스테나이트 단상에서 유지되는 것으로 오스테나이트 결정립의 조대화가 발생되지 않는 조건이다. 1,000℃ 미만에서는 균일한 오스테나이트 결정립을 형성시키는 시간이 150분을 초과하여 필요하며, 1,200℃ 초과에서는 오스테나이트 결정립의 급성장 및 고온 스케일 형성에 따른 손실(loss) 증가로 인해 생산성이 감소되기 때문에 그 이하로 유지하는 것이 바람직하다. 마찬가지로 가열시간이 150분을 초과할 경우, 오스테나이트 결정립의 급성장 및 고온 스케일 형성에 따른 손실이 발생될 수 있어 가열시간은 90 내지 150분으로 유지하는 것이 바람직하다.

사상압연까지 진행된 선재의 표면을 냉각시키는 단계는, 최종압연(RSM) 전단, 즉 사압압연과 최종압연(RSM) 사이에서 진행되며, 본 발명에서 목표로 하는 템퍼드 마르텐사이를 확보하기 위해 사상압연까지 진행된 선재의 표면 온도를 200 내지 300℃/s로 Ms(martensite start)이하까지 냉각시킨다. 냉각은 수냉대에서 진행될 수 있다.

냉각속도가 200℃/s 미만 시, 선재압연 속도를 크게 낮춰야 하기 때문에 생산성 저하 및 제조원가 증가로 제품경쟁력이 낮아지고, 300℃/s 초과 시 D×0.04(㎜) 영역, 즉 표층부 이상까지 저온조직이 형성되기 때문에 신선사 가공 시 단선이 발생될 수 있어 그 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

표면이 냉각된 선재를 최종압연하여 권취하는 단계는, 표면이 냉각된 선재를 최종압연하고 최종압연에서 발생된 가공 발열에 의한 복열을 이용하여 800 내지 850℃로 권취한다.

합금성분계 고려 시 Acm이 780℃로 초석시멘타이트 형성을 피하기 위해서는 800℃이상으로 권취온도를 제어하는 것이 바람직하며, 스케일 두께 증가에 따른 손실 등을 고려하여 850℃를 초과하지는 않도록 한다.

권취된 선재를 냉각하는 단계는, 권취된 선재를 A1 － 50℃까지 20 내지 25℃/s로 1차 냉각하며, 이후 5 내지 10℃/s로 2차 냉각한다. 냉각은 공냉대에서 진행될 수 있다.

선재 단면 중심에서 입계에 형성되는 초석 시멘타이트를 2% 이하로 제어하는 것이 신선사 가공 측면에서 유리기 때문에 A1 － 50℃까지 최대한 냉각속도를 부여하며, 그 이하 온도에서는 5 내지 10℃/s로 다단냉각하여 표층부에 형성된 저온조직의 템퍼드 마르텐사이트 변태를 유도한다.

이와 같은 방법으로 제조된 선재의 중심부 경도는 300~400Hv를 가지며, 표층부 경도는 450~550Hv의 경도를 갖는다. 또한, 표층부 경도/중심부 경도는 1.23 내지 1.25 값을 갖는다. 표층부 경도/중심부 경도의 값이 1.25를 초과할 경우 신선 가공 시 단선이 발생하며, 1.23 미만에서는 인장강도 및 피로한의 증가에 효과적이지 않기 때문에 그 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

본 발명에서는 표 1과 같은 고탄소강을 제강/연주 및 강편압연을 통해 160×160㎜² 빌렛을 제조하였으며, 선재 가열로 1,120℃에서 100분 가열 후 통상적인 압연공정을 거쳤다. RSM 전단 수냉대에서는 표 1과 같이 변화를 주어 제조하였으며, 권취 온도 830℃로 귄취하였다.

구분	합금성분(wt.%)							RSM 전단 수냉대
구분	C	Si	Mn	P	S	Al	N	냉각속도 (℃/s)
발명예 1	0.62	0.2	0.6	0.02	0.009	0.03	0.006	250
발명예 2	0.72	0.2	0.6	0.02	0.009	0.03	0.006	250
발명예 3	0.82	0.2	0.6	0.02	0.009	0.03	0.006	250
발명예 4	0.92	0.2	0.6	0.02	0.009	0.03	0.006	250
비교예 1	0.72	0.2	0.6	0.02	0.009	0.03	0.006	150
비교예 2	0.72	0.2	0.6	0.02	0.009	0.03	0.006	380
비교예 3	0.52	0.2	0.6	0.02	0.009	0.03	0.006	250
비교예 4	0.98	0.2	0.6	0.02	0.009	0.03	0.006	250
비교예 5	0.72	0.2	0.6	0.02	0.009	0.03	0.006	통상조건

권취된 선재는 냉각대에서 700℃까지 23℃/s로 냉각하였으며, 다음 200℃까지 10℃/s로 하여 마무리 하였다. 냉각된 선재에 대해, 표면 경화층을 관찰하였으며, 표면 경화층이 형성된 표층부의 경도와 중심부의 경도를 측정하였다. 이후 해당 선재는 고객사에서 산세를 통해 디스케일링 처리 하였으며, 93.4% 신선인가를 통해 강선을 확보하여 인장강도 및 피로한을 측정하였다. 각각의 결과에 대해서는 아래 표 2에 기재하였다.

구분	선재				강선
구분	표면 경화층	표층부 경도(Hv)	중심부 경도(Hv)	표층/중심 경도 비	신선 가공성	인장강도 (MPa)	피로한 (MPa)
발명예1	D×0.04 이내	405	330	1.23	양호	2001	1041
발명예2	D×0.04 이내	428	349	1.23	양호	2110	1097
발명예3	D×0.04 이내	449	360	1.25	양호	2200	1144
발명예4	D×0.04 이내	470	378	1.24	양호	2315	1204
비교예1	D×0.04 이내	384	350	1.10	양호	1915	996
비교예2	D×0.04 초과	524	348	1.51	단선	측정불가	측정불가
비교예3	D×0.04 이내	370	301	1.23	양호	1905	972
비교예4	D×0.04 이내	498	399	1.25	단선	측정불가	측정불가
비교예5	없음	345	349	0.99	양호	1897	941

표 1 및 표 2를 함께 살펴보면, 발명예 1 내지 4는 C 함량이 0.62 내지 0.92%인 경우로, RSM 전단 수냉대에서 냉각속도를 250℃/s로 냉각하고, 냉각대에서 다단 냉각하여 표층 미세조직 제어를 통해 D×0.04 이내에 표면 경화층을 형성시켰으며, 제품의 인장강도가 2,000 MPa 이상이고, 피로한 또한 1,040 MPa 이상으로 나타나 우수한 피로특성을 보임을 확인할 수 있다.

비교예 1은 발명예 2와 합금성분은 동일하나, RSM 전단 수냉대에서의 냉각속도가 200℃/s 미만으로, 표면 경도가 400Hv 미만이며, 표층/중심 경도 비가 1.23 미만이어서 인장강도 및 피로한이 모두 낮게 나타남을 확인하였다.

비교예 2는 발명예 2와 합금성분은 동일하나, RSM 전단 수냉대에서의 냉각속도가 300℃/s 초과하여 표면 경화층이 D×0.04 영역을 초과하며, 신선 시 단선이 발생됨을 확인하였다.

비교예 3 및 4는 RSM 전단 수냉대에서의 냉각속도가 본 발명의 범위에 포함되나, 탄소 함량이 본 발명의 성분범위와 차이가 있어 인장강도 및 피로한이 목표치에 미치지 못하거나, 단선이 발생됨을 확인할 수 있다.

비교예 5는 일반적인 선재 제조방법과 같이 조압연, 사앙압연 및 최종압연을 진행한 후 권취 및 냉각하여 제조한 선재이며, 표면 경화층이 생성되지 않아 표층부의 경도가 중심부의 경도보다 낮게 나타남을 확인하였다.

또한, 표면 경화층의 미생성으로 인해 표층부와 중심부의 경도 비가 1.23 미만으로 나타났으며, 피로한이 1,040 MPa 미만으로 나타남을 확인할 수 있다.

도 1은 본 발명의 발명예 2의 단면을 관찰한 사진이다. 도 1을 참조하면, 수냉대 및 냉각대를 거쳐 변태 완료 후 확보된 발명예 2의 선재는 표면으로부터 중심부를 향해 직경(D)×0.04까지의 영역인 표층부에 표면 경화층이 형성되어 있음을 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 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

중량%로, C: 0.60 내지 0.92%, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0.4 내지 1.0%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.01 내지 0.05%, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고,
표면으로부터 중심부를 향해 직경×0.04까지의 영역인 표층부와 중심부의 경도 비는 1.23 내지 1.25 : 1인 피로특성이 우수한 고강도 선재.
제1항에 있어서,
상기 표층부의 경도는 400 내지 500Hv이며, 상기 중심부의 경도는 300 내지 380Hv인 피로특성이 우수한 고강도 선재.
제1항에 있어서,
인장강도는 2,000MPa 이상, 피로한은 1,040MPa 이상인 피로특성이 우수한 고강도 선재.
중량%로, C: 0.60 내지 0.92%, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0.4 내지 1.0%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.01 내지 0.05%, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 빌렛을 1,000 내지 1,200℃에서 90 내지 150분 가열하여 사상압연까지 진행하고,
사상압연까지 진행된 선재의 표면 온도를 200 내지 300℃/s로 Ms 이하까지 냉각시키며,
표면이 냉각된 선재를 최종압연하고 최종압연에서 발생된 가공 발열에 의한 복열을 이용하여 800 내지 850℃에서 권취하고,
권취된 선재를 A1-50℃까지 20 내지 25℃/s로 1차 냉각하며, 이후 5 내지 10℃/s로 2차 냉각하는 피로특성이 우수한 고강도 선재의 제조방법.
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