KR20110058820A - 고강력 금속 선재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 강력 및 신장 특성을 손상시키지 않고 굽힘 및 비틀림 특성을 향상시켜, 고인성이며 내피로성이 우수한 고강력 금속 선재를 제조하는 방법을 제공한다. 0.5 내지 1.1질량％의 탄소 원자를 갖고, 또한 가공 왜곡 2.5 이상, 강력(tenacity) 3000MPa 이상인 고탄소강의 금속 선재에 대해 90 내지 300℃의 온도 범위에서 열처리를 실시하는 데 있어서, 당해 온도 영역에 있어서의 열처리 시간 t(s)와, 열처리 온도 T(K)가 식

로 나타내어지는 관계를 만족하는 고강력 금속 선재의 제조 방법이다.

Description

고강력 금속 선재의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING HIGH-STRENGTH METAL WIRE ROD}

본 발명은 고강력 금속 선재의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 강력 및 신장 특성을 손상시키지 않고 굽힘 및 비틀림 특성을 향상시켜, 고인성이며 내피로성이 우수한 금속 선재를 얻을 수 있는 고강력 금속 선재의 제조 방법에 관한 것이다.

코드의 구성 요소가 되는 금속 소선에는 다양한 특성이 요구되고 있다. 예를 들어, 최근 환경 문제의 관점에서, 특히 자동차의 저연비화를 촉진하는 데 기여하는 타이어의 경량화가 급선무이다. 그것을 위해서는, 타이어의 보강재가 되는 코드를 고강도화하여, 그의 사용량을 저감시키는 것이 필요하다.

코드를 고강도화하는 방법으로서는, 코드를 구성하는 소선 자체를 고강도화하는 것이 유효하다. 이 소선의 고강도화에는, 신선(drawing) 가공하여 얻어지는 소선의 출발재인 금속 선재에 대해, 그의 성분 조성을 조정하거나, 혹은 신선 가공에 연구를 거듭하는 것이 행해지고 있다. 이에 의해, 고강도화를 달성하고 있지만, 한편 고강도화에 수반하여 금속 선재의 연성이 저하되는 것이 문제가 된다.

종래, 금속 선재의 연성을 회복하는 수단으로서는, 금속 선재에 저온이면서 단시간의 열처리, 소위 블루잉(bluing) 처리를 실시하는 것이 일반적이다. 이 블루잉 처리를 금속 선재에 실시함으로써 연성의 회복을 도모하고 있다.

예를 들어, 하기 특허문헌 1 및 2에서는, 인장 강도가 3000MPa 미만인 스틸 코드에, 400℃ 부근의 온도 영역에서 일정한 유지 시간 블루잉 처리를 실시함으로써, 스틸 코드의 파단 신장을 높일 수 있는 것이 보고되어 있다.

또한, 하기 특허문헌 3에서는, 스틸 와이어에 신선 가공, 도금 처리 및 340℃ 이상 500℃ 이하의 온도 영역에서 수초 내지 수십초의 블루잉 처리를 실시함으로써, 탄성 신장을 증가시킬 수 있는 것이 보고되어 있다.

또한, 하기 특허문헌 4에서는, 탄소강선에 250℃ 이상 440℃ 이하의 온도 영역에서 유지 시간을 6초 이상 15분 이하 사이로 조절하는 블루잉 처리를 실시함으로써, 탄소강선의 내부 마찰의 최댓값을 180℃ 이상 220℃ 이하의 온도 영역에 있어서 적합한 범위로 함으로써 연성을 향상시킬 수 있는 것이 보고되어 있다.

게다가 또한, 하기 특허문헌 5에는, 극세 고탄소강선의 시차 주사 열분석 곡선의 해석 결과로부터, 100℃ 부근의 발열 피크의 유무와, 극세 고탄소강선의 비틀림 변형 중의 디라미네이션의 발생의 상관의 발견으로부터, 신선 가공에 있어서, 저온 하에서 가공함으로써, 왜곡 시효(strain aging)(C 확산 기인)의 연성 저하를 억제할 수 있는 것이 개시되어 있다.

또한, 하기 특허문헌 6에는, 인장 강도가 4000MPa 이상인 금속 선재에, 250 내지 400℃의 온도 범위에서 열처리를 실시하는 데 있어서, 당해 온도 영역에 있어서의 유지 시간을, 상기 열처리 후의 금속 선재에 있어서의 Fe 확산 거리가 소정의 범위로 되도록 제어함으로써, 열처리 후의 금속 선재의 인장 강도 및 굽힘 강도를 희생하는 일 없이 연성을 회복할 수 있는 것이 보고되어 있다.

일본 특허 공개 평9-228274호 공보 일본 특허 공개 제2001-512191호 공보 일본 특허 공개 제2000-80441호 공보 일본 특허 공개 평11-269557호 공보 일본 특허 제3983218호 공보 일본 특허 공개 평2008-38199호 공보

금속 선재의 연성을 회복하는 등의 수단으로서 채용되어 온 상술한 각종 열처리 방법에서는, 파단 신장은 크게 회복되지만, 강력 저하가 크고 또한 시멘타이트가 구상화(球狀化)되기 때문에, 굽힘 강도 특성도 저하되어 버린다는 문제가 있었다. 한편, 저온 가공 방법으로 얻어진 강재에서는, 실온에 방치한 상태, 혹은 스틸 코드와 같은 타이어 제작시의 가열 처리에 있어서 상술한 왜곡 시효가 진행되어, 결국은 연성이나 피로성이 저하되어 버린다는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 강력 및 신장 특성을 손상시키지 않고 굽힘 및 비틀림 특성을 향상시켜, 고인성이며 내피로성이 우수한 금속 선재를 얻을 수 있는 고강력 금속 선재의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 고강력 금속 선재의 제조 방법은, 0.5 내지 1.1질량％의 탄소 원자를 갖고, 또한 가공 왜곡 2.5 이상, 강력(tenacity) 3000MPa 이상인 고탄소강의 금속 선재에 대해 90 내지 300℃의 온도 범위에서 열처리를 실시하는 데 있어서, 당해 온도 영역에 있어서의 열처리 시간 t(s)와, 열처리 온도 T(K)가 하기 식,

로 나타내어지는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 있어서는, 상기 열처리 전에 왜곡 시효 완화 처리를 행하는 것이 바람직하고, 또한 진공 중 또는 불활성 가스 중에서 상기 열처리를 행하는 것이 바람직하다.

본 발명은, 이하의 지견에 기초하여 완성된 것이다.

스틸 코드의 강도는, 주로 페라이트와 시멘타이트의 2상 구조(펄라이트 조직)에 의한 석출 강화, 가공에 의한 미세 강화, 가공 왜곡의 축적에 의한 가공 강화, 페라이트 중에 고용하고 있는 C, N 원자가 전위에 고착되는 왜곡 시효 등, 다양한 강화 기구를 이용하고 있는 것이 알려져 있다.

따라서, 이들 강화 기구가 열에 의해 어떻게 변화하는지, 시차 주사 열량계를 사용하여 와이어의 열분석을 행하고, 또한 각각의 온도에서 열처리한 와이어의 강도, 굽힘 강도를 예의 검토했다.

우선, 얻어진 피크로부터 90℃(제1 반응), 90 내지 250℃(제2 반응), 250 내지 400℃(제3 반응)의 3개의 발열 반응이 존재하는 것을 알 수 있었다.

또한, 각각의 반응 영역에서 열처리한 와이어의 강도, 굽힘 강도로부터 이하를 알 수 있었다.

(제1 반응)

일본 특허 제3983218호(특허문헌 5)에 기재되어 있는 왜곡 시효(C, N 확산 기인)의 반응에서, 강도는 증가하지만, 굽힘 강도는 저하된다. 이 반응은 신선 가공 중, 실온 부근에서도 발생한다.

(제2 반응)

강도가 약간 저하되지만, 굽힘 강도는 크게 상승했다. 이 원인으로서는, 금속 조직적인 큰 변화가 없는 점에서, 탄화물 생성이나, 왜곡이 이동하여 완화되는(회복 현상) 등으로, 제1 반응이나 가공 강화가 완화되는 현상이라고 생각할 수 있다.

(제3 반응)

강도ㆍ굽힘 강도 모두 크게 감소했다. 금속 조직도 붕괴하고 있는 점에서, 금속 조직 변화 기인이라고 생각할 수 있다.

따라서, 본 발명자는 이들 반응 중, 제2 반응에 착안하여, 반응의 진행량은 원자의 확산 율속이라고 생각하기 때문에, 일반적인 하기의 원자 확산 이동 거리 X로부터 계수를 도출했다.

t: 유지 시간(s)

T: 온도(K)

R: 기체 상수

Q: 활성화 에너지(kJ/mol)

D0: 확산 계수

상기 식으로부터, 적합한 열처리 범위의 온도 T, 유지 시간 t로부터 계수를 구하여 산출하고, 정리한 결과,

를 도출하여, 본 발명을 완성하는 데 이르렀다.

본 발명에 따르면, 강력 및 신장 특성을 손상시키지 않고 굽힘 및 비틀림 특성을 향상시켜, 고인성이며 내피로성이 우수한 고강력 금속 선재를 제조할 수 있다.

도 1은 실시예에 있어서의 열처리 지수와 굽힘 특성 지수의 관계를 나타내는 그래프.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 구체적으로 설명한다.

본 발명에 있어서는, 0.5 내지 1.1질량％의 탄소 원자를 갖고, 펄라이트 조직을 갖는 고탄소강에 대해 열처리를 실시한다. 탄소 원자 함유량이 당해 범위 내인 고탄소강은, 가공에 의해 펄라이트 내의 시멘타이트가 분해되어, 연성을 담당하는 페라이트 중의 탄소량이 증가하고, 왜곡 시효(왜곡에 탄소 원자가 고착)가 촉진되어, 연성이 저하되는 것이 확인되고 있다. 90 내지 300℃에서 열처리함으로써, 이 왜곡이 완화되어, 연성을 양호하게 높일 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서는, 고탄소강의 가공 왜곡이 2.5 이상, 바람직하게는 3 이상이다. 가공 왜곡 2.5 이상의 고탄소강에서, 전술한 시멘타이트 분해가 촉진되는 것이 확인되고 있다. 특히, 가공 왜곡 3 이상에서는 현저해져, 연성이 저하되기 쉽다. 여기서, 가공 직후, 교정 가공, 숏피닝 처리, 스킨 패스를 사용한 신선 등을 행하고, 가공 중에 발생한 왜곡 시효를 완화시키는 것이 소기의 효과를 얻는 데 있어서 적합하다.

또한, 본 발명에 있어서는, 이러한 고탄소강의 금속 선재의 강력은 3000MPa 이상, 바람직하게는 4000MPa 이상이다. 이 강력이 4000MPa 이상인 금속 선재는 디라미네이션 등에 의해 현저한 연성 저하가 발생하기 쉽기 때문에, 이러한 선재에 대해 본 발명의 열처리를 적용하여, 그의 연성을 폭 넓히는 것이 유리하다.

상술한 금속 선재는 기지의 방법으로 얻을 수 있고, 연신 방법 등의 제조 방법은 특별히 제한되어야 하는 것은 아니다.

본 발명에 있어서는, 상술한 금속 선재에 대해 90 내지 300℃의 온도 범위에서 열처리를 실시한다. 상술한 바와 같이, 이 온도 범위는, 2차의 발열 반응이며, 이 온도 영역에 있어서의 열처리 시간 t(s)와, 열처리 온도 T(K)가 하기 식,

바람직하게는, 하기 식,

로 나타내어지는 관계를 만족하는 것이 중요하다. 또한, 열처리 시간에 관해서는, 균일하게 열을 가할 수 있도록, 3min(180s) 이상이 적합하며, 장시간의 열처리에서는 생산성이 악화되는 점에서, 50h(180ks) 이하가 바람직하다.

상기 관계를 만족하는 경우, 시멘타이트의 구상화도 거의 일어나지 않아, 신장의 회복은 없지만 강력이 거의 저하되지 않고 왜곡 시효 완화에 의해 비틀림 특성, 굽힘 특성, 내피로성이 향상된다. 또한, 열처리가 90 내지 300℃의 저온이므로, 블루잉과 같은 산화 피막의 형성도 거의 볼 수 없다.

또한, 본 발명에 있어서는, 금속 선재에 열처리를 실시하기 위해서는, 감압 하 또는 불활성 가스 중에서 행하는 것이 바람직하다. 이러한 열처리를 대기 중에서 실시한 경우, 금속 선재의 표면이 산화되어 버려, 예를 들어, 상기 표면이 산화된 금속 선재를 타이어 등의 고무 물품의 보강에 사용했을 때, 고무와의 접착성이 악화될 우려가 있다. 또한, 금속 선재의 산화 피막을 제거할 수도 있지만, 상기 제거 프로세스를 금속 선재의 제조 공정에 부가하는 것보다는, 금속 선재의 표면의 산화를 억제하는 감압 하 또는 불활성 가스 중에서 열처리를 실시하는 것이 효율적이다.

<실시예>

이하, 본 발명을 실시예에 기초하여 설명한다.

(금속 선재에 대한 열처리의 영향)

1.0질량％의 탄소 원자 함유량, 가공 왜곡 3.8, 강력 4200MPa인 고탄소강의 금속 선재(이하, 「공시 금속 선재 1」이라고 칭함)에 대해 열처리를 실시하여, 각 온도에 있어서의 금속 선재의 반응열, 강도(항장력), 연성 강도를 측정했다.

각 온도에 있어서의 금속 선재의 반응열은, 시차 주사 열량계(DSC)에 준거하여 구했다. 또한, 열처리 후의 금속 선재의 강도는, JIS Z 2241에 준거한 인장 시험에 기초하여, 응력-왜곡 선도를 작성하고, 그 응력-왜곡 선도로부터 최대 응력을 구하여, 그 값으로 했다. 또한, 열처리 후의 연성 강도는, 일본 특허 공개 평6-184963호 공보에 기재된 루프 강도 유지율의 산출 방법에 기초하여 구했다.

얻어진 반응열 곡선으로부터, 90℃(1차)와, 90 내지 250℃(2차)와, 250 내지 400℃(3차)의 3개의 발열 반응의 존재를 확인할 수 있었다. 또한, 1차 반응에서는 강도는 높지만 연성 강도가 저하되고, 2차 반응에서는 강도는 약간 저하되지만 연성 강도가 향상되고, 또한 3차 반응에서는 강도와 연성 강도의 양쪽이 저하되는 것을 알 수 있었다.

(열처리와 굽힘 특성의 관계)

다음에, 열처리와 굽힘 특성의 관계를 구했다. 굽힘 특성은, 직경 0.22mmφ의 공시 금속 선재 1 및 공시 금속 선재 2(탄소 원자 함유량 0.9질량％, 가공 왜곡 4.2, 강력 4400MPa)에 대해, 일본 특허 공개 평6-184963호 공보에 기재된 루프 강도 유지율의 산출 방법에 따라서 구하고, 가열 처리를 실시하지 않는 가공인 채의 상태를 100으로 하여 지수 표시했다. 수치가 클수록 굽힘 특성이 양호한 것을 나타낸다.

또한, 열처리 지수는, 2차 반응의 발열 반응 영역에 있어서의 열처리 시간 t(s)와 열처리 온도 T(K)의 관계식,

의 값으로 했다. 그 결과, 공시 금속 선재 1 및 공시 금속 선재 2의 어느 경우도, 도 1에 나타낸 바와 같이, 이 값이 0.1 미만인 경우, 왜곡 시효만이 발생하여, 굽힘 특성이 저하되고, 또한 이 값이 11을 초과해도, 시멘타이트의 분단(구상화) 반응이 일어남으로써, 굽힘 특성은 역시 저하되는 것을 알 수 있었다.

Claims (3)

1. 0.5 내지 1.1질량％의 탄소 원자를 갖고, 또한 가공 왜곡 2.5 이상, 강력(tenacity) 3000MPa 이상인 고탄소강의 금속 선재에 대해 90 내지 300℃의 온도 범위에서 열처리를 실시하는 데 있어서, 당해 온도 영역에 있어서의 열처리 시간 t(s)와, 열처리 온도 T(K)가 하기 식,
   

   

   
   로 나타내어지는 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는, 고강력 금속 선재의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 열처리 전에 왜곡 시효(strain aging) 완화 처리를 행하는, 고강력 금속 선재의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 진공 중 또는 불활성 가스 중에서 상기 열처리를 행하는, 고강력 금속 선재의 제조 방법.

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