KR20170071632A - 신선성이 우수한 고탄소강 선재, 강선 및 그들의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면은 중량%로, C: 0.90~1.1 %, Si: 0.7~1.5 %, Cr: 0.3~1.2 %, Mn: 0.4~0.8 %, Co: 0.3~1.7 %, P: 0.030 % 이하, S: 0.030 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 면적분율로 펄라이트 95% 이상이며, 중심부에서 형성되는 초석 세멘타이트가 4% 이하인 신선성이 우수한 고탄소강 선재에 관한 것이다.

Description

신선성이 우수한 고탄소강 선재, 강선 및 그들의 제조방법{HIGH CARBON STEEL WIRE ROD AND STEEL WIRE HAVING EXCELLENT DRAWABILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 신선성이 우수한 고탄소강 선재, 강선 및 그들의 제조방법에 관한 것이다.

탄소 함량 0.8 % 이상 첨가된 고탄소강(과공석강, hyper eutectoid steel)은 통상적인 조건에서 건식 신선하여 선경 3 ~ 7 mm으로 제조되며, 구조물 용도에 맞게 50~1000 mm 로프로 연선되어 실 환경에 사용되며, 일반적으로 사장교 및 현수교의 주케이블용 또는 콘크리트 보강용 PC 강선으로 사용된다.

상기 케이블 또는 로프 증가는 구조물의 중량 증가를 의미하는데, 가설 업체에서는 이를 감소시킬 수 있는 가장 효과적인 방법으로 이를 구성하는 강선의 고강도화를 언급한다. 강선 고강도화 시 로프의 선경 감소에 따른 경량화뿐 아니라, 자중 및 주탑 높이 감소, 보강형의 단순화, 가설 작업성 개선 효과가 있다.

강선 고강도화는 1960년대 엠버리(Embury)와 피셔(Fisher)가 제안한 실험식에 따르고 있다. 이에 따르면, 강도를 가장 효과적으로 향상시킬 수 있는 방법으로는 1) 소재의 강도 증가, 2) 전위의 움직임을 방해할 수 있는 초기 조직의 미세화에 따른 가공 경화율 향상, 3) 신선 가공량 증가 등이 있다.

소재 강도 증가 및 조직 제어에 따른 가공 경화율 향상은 합금 원소의 첨가를 주로 이용하고 있는데, C는 고용강화 및 석출 강화 효과, Cr은 오스테나이트에서 C 확산 저하 및 이로 인한 핵생성 사이트 증가에 따른 조직 미세화 및 이에 따른 신선 가공성 증가, Si은 페라이트 내 고용 강화, 펄라이트 조직 미세화에 따른 초기 강도를 증가시키는 역할을 한다.

마지막으로 신선 가공량 증가는 앞서 언급한 합금 원소 첨가에 따른 강도 증가보다 효율적으로 강도를 증가시킬 수 있는 방법인데, 실험실적 결과에 따르면 신선가공량 증가시 강도는 지수적으로 증가하는 것으로 알려져 있다. 이는 펄라이트 조직이 신선방향으로 전체 회전함에 따라 연질상과 경질상이 겹겹이 존재하는 복합조직으로 존재하기 때문이라는 이유와 신선 가공량이 증가하면서 세멘타이트 내 존재하는 탄소가 페라이트로 확산하는 함량이 증가하고, 이러한 탄소가 페라이트 내 과포화되면서 마르텐사이트와 같은 역할을 하고 이러한 조직 형성이 강도를 크게 증가시킨다는 이유라고 설명되고 있다. 다만, 현재까지는 이론적인 설명만이 주로 이루어졌고, 실험적인 검증은 아직까지 이루어지지 않고 있다.

합금원소 중 C는 일반적으로 경제적이면서도 강도를 효과적으로 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있는데, 0.92 % 까지는 0.1 % C 증량에 따라 100 MPa 증가되나, 그 이상 C 첨가시 그 효과가 감소하는 것으로 알려져 있다. 이에 대해서는 다수의 설이 존재하나 C이 더 이상 펄라이트를 미세화시키지 않고, 세멘타이트 두께를 증가시키고, 또한 편석 내 C 농도 증가에 따른 초석 세멘타이트 형성으로 그 효과가 나타나지 않기 때문에, 과공석강에서 C는 그리 효과적이지 않다고 할 수 있다. 따라서, 고강도화를 위해서는 다른 원소 첨가를 고려해보아야 한다.

Cr은 오스테나이트에서 C 확산 저하 및 이로 인한 핵생성 사이트 증가에 따른 조직 미세화 및 이에 따른 신선 가공성 증가시키는 원소로 알려져 있다. 또한, 펄라이트와 베이나이트 노즈를 분리시키는 작용을 함으로써, 고객사에서 열처리 시 상부 베이나이트 형성에 따른 강도 저하 및 조업 안정성을 증가시킬 수 있다.

그러나, 과공석강에서 고 Cr 사용은 중심부 편석대에서 Cr의 편석에 의한 초석 세멘타이트 형성 및 이들에 의한 신선 가공성 악화 등의 문제점이 있다.

본 발명의 일 측면은 합금조성을 적절히 제어함으로써 신선성이 우수한 고탄소강 선재, 강선 및 그들의 제조방법을 제공하기 위함이다.

한편, 본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 과제는 본 명세서의 내용 전반으로부터 이해될 수 있을 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 부가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일 측면은 중량%로, C: 0.90~1.1 %, Si: 0.7~1.5 %, Cr: 0.3~1.2 %, Mn: 0.4~0.8 %, Co: 0.3~1.7 %, P: 0.030 % 이하, S: 0.030 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 면적분율로 펄라이트 95% 이상이며, 중심부에서 형성되는 초석 세멘타이트가 4% 이하인 신선성이 우수한 고탄소강 선재에 관한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면은 상술한 합금조성을 갖는 강편을 1200~1300 ℃에서 600~700분 동안 확산 열처리한 후, 압연 및 절단하여 빌렛을 얻는 단계;

상기 빌렛을 1000~1100 ℃의 온도 범위로 가열하고, 90~120분 동안 유지하여 열처리하는 단계;

상기 열처리된 빌렛을 950~1050 ℃의 온도 범위에서 압연하여 선재를 얻는 단계; 및

상기 선재를 850~950 ℃에서 권취한 후, 450~550 ℃까지 9 ℃/s 이상의 냉각속도로 냉각한 후, 5 ℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계;를 포함하는 신선성이 우수한 고탄소강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 일 측면은 중량%로, C: 0.90~1.1 %, Si: 0.7~1.5 %, Cr: 0.3~1.2 %, Mn: 0.4~0.8 %, Co: 0.3~1.7 %, P: 0.030 % 이하, S: 0.030 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 면적분율로 펄라이트 95% 이상이며, 중심부에서 형성되는 초석 세멘타이트가 4% 이하인 신선성이 우수한 고탄소강 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 있다.

본 발명에 의하면, 중심부의 초석 페라이트 형성을 억제할 수 있으며, 신선성이 우수한 고탄소강 선재, 강선 및 그들의 제조방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 0.98C-1.3Si-0.5Mn 성분계에 Cr이 0.6, 1.2 % 첨가 되었을 때 펄라이트 노즈와 베이나이트 노즈가 분리되는 것을 온도와 경도로 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 발명자들은 도 1에 나타낸 것처럼 0.98C-1.3Si-0.5Mn 성분계에 Cr이 0.6, 1.2 % 첨가 되었을 때 펄라이트 노즈와 베이나이트 노즈가 분리되어, 고 Cr 사용 시 고객사 열처리 조업 안정성을 향상시킬 수 있으나, 고탄소강(과공석강, hyper eutectoid steel)에서 고 Cr 첨가는 초석 세멘타이트의 형성을 유도하고 신선 가공성이 악화되는 등의 문제점이 있음을 인지하고, 이를 해결하기 위하여 깊이 연구하였다.

그 결과, 합금조성, 특히 Cr 및 Co의 함량을 적절히 제어함으로써 초석 세멘타이트의 형성을 억제하고, 신선성을 우수하게 하여 고강도 고탄소강 강선을 제조할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

신선성이 우수한 고탄소강 선재

이하, 본 발명의 일 측면에 따른 신선성이 우수한 고탄소강 선재에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 신선성이 우수한 고탄소강 선재는 중량%로, C: 0.90~1.1 %, Si: 0.7~1.5 %, Cr: 0.3~1.2 %, Mn: 0.4~0.8 %, Co: 0.3~1.7 %, P: 0.030 % 이하, S: 0.030 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 면적분율로 펄라이트 95% 이상이며, 중심부에서 형성되는 초석 세멘타이트가 4% 이하이다.

먼저, 본 발명의 합금조성에 대하여 상세히 설명한다. 이하, 합금조성의 단위는 중량%이다.

C (탄소): 0.9~1.1 %

C는 소재 강도를 가장 효과적으로 상승시킬 수 있는 원소이며, C가 0.1 % 증가될 때 신선 후 강도를 약 100 MPa 향상시킬 수 있으나, 0.9 % 초과 첨가시 강도 증가량은 점차 감소하는 것으로 알려져 있다. C는 펄라이트 조직을 형성시키는 주요 원소이며, 펄라이트 조직 미세화에 기여하고 가공 경화율도 증가시키는 작용을 한다.

C 함량이 0.9 % 미만인 경우에는 고강도를 확보하기 어려울 수 있으며, C 함량이 1.1 % 초과인 경우에는 중심 편석이 크게 증가하고 이 영역에 초석 세멘타이트 분율이 증가되는 문제점이 있다. 따라서, C 함량은 0.9~1.1 %인 것이 바람직하다.

Si (실리콘): 0.7~1.5 %

Si은 페라이트 고용강화 및 펄라이트 조직을 미세화 따른 강도를 증가시키는 역할을 하며 Si이 0.1 % 증가될 때 14~16 MPa 정도의 강도가 향상된다. 또한, Si은 페라이트와 세멘타이트 계면에 존재하기 때문에 열처리 시 C 확산을 억제하므로 케이블, 로프 등에서는 Si이 높게 사용된다. Si 함량이 0.7 % 미만인 경우 상술한 효과가 충분하지 못하고, Si 함량이 1.5 % 초과인 경우 모재와 밀착성이 큰 Fe₂SiO₄ 스케일을 표면에 형성시켜 스케일 박리성을 저하시키는 문제점이 있다.

Mn (망가니즈): 0.4~0.8 %

Mn은 강도 증가 역할 보다는 고객사에서 열처리 할 때 변태 노즈를 충분히 지연시켜주는 소입성 확보 목적으로 첨가된다. 또한, 강 내 S와 쉽게 결합하기 때문에 탈황 목적으로도 사용된다. Mn 함량이 0.4 % 미만인 경우에는 충분한 소입성을 확보하기 어렵고, Mn 함량이 0.8% 초과인 경우에는 중심 Mn 편석이 강하게 작용하여 신선 중 단선을 발생할 수 있는 문제점이 있다. 따라서 Mn 함량은 0.4~0.8 %인 것이 바람직하다.

Cr (크롬): 0.3~1.2 %

Cr은 펄라이트 조직을 미세화시키고 신선 가공성을 크게 형상시킬 수 있는 원소이다. Cr은 페라이트 안정화 원소이기 때문에 공석 변태 개시온도를 증가시키고, Cr 함량이 증가될수록 펄라이트 형성 변태 온도는 상향, 베이나이트 형성 온도는 하향되는 경향이 있다. 이러한 현상은 Mo, V 등에도 유사하게 나타난다. 또한, Cr이 0.1 % 증가될 때 인장강도는 40 MPa 이상 증가되는 것으로 알려져 있다.

Cr 함량이 0.3 % 미만인 경우에는 고강도를 확보하기 어려운 문제점이 있으며, Cr 함량이 1.2 % 초과인 경우에는 Cr 탄화물 등이 조대하게 형성되어 신선성에 악영향을 줄 수 있는 문제점이 있다. 따라서, Cr 함량은 0.3~1.2 %인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.6~1.2 %이다.

Co (코발트): 0.3~1.7 %

Co는 오스테나이트 안정화원소이며, 세멘타이트에 포함되지 않기 때문에 세멘타이트의 경도에는 큰 영향을 주지는 않는다. 또한, 펄라이트 층간 간격에 영향을 주지 않으므로 강도를 직접적으로 향상시키지는 않지만, 콜로니간 배열을 안정화시키기 때문에 큰 고경각 경계를 갖는 콜로니의 형성을 억제하여 신선 가공성을 향상시키는 작용을 하여 최종 강선의 강도 향상에 기여할 수 있다. Co의 또 다른 특성은 과공석강의 오스테나이트에서 펄라이트를 형성시키는 항온 변태 시 초석 세멘타이트 형성을 억제하는 것이 알려져 있다.

Co 함량이 0.3% 미만인 경우에는 초석 세멘타이트를 억제하는 효과가 충분하지 않아 고강도를 확보하기 어려운 문제점이 있으며, Co 함량이 1.7% 초과인 경우에는 그 효과가 포화될 수 있다. 따라서, Co 함량은 0.3~1.7 %인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.3~1.5%이다.

P 및 S: 각각 0.030 % 이하

P 및 S는 불순물이며, 특별히 함유량을 규정하지는 않지만, 종래의 강선과 마찬가지로 연성을 확보하는 관점에서 각각 0.030% 이하로 하는 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.

본 발명에 따른 선재의 미세조직은 면적분율로 펄라이트 95% 이상이며, 중심부에서 형성되는 초석 세멘타이트가 4% 이하이다. 나머지 기타 불가피한 상을 포함할 수 있으며, 예를 들어 초석 페라이트 등이 포함될 수 있다.

선재의 중심부에서 형성되는 초석 세멘타이트 면적 분율이 4% 이하로 신선시 단선이 발생하지 않아, 강선의 인장강도를 2500 MPa 이상으로 확보할 수 있다. 상기 중심부는 선재 중심으로부터 1/4D(D: 선재의 직경)까지의 영역를 말한다.

이때, 상기 펄라이트의 평균 층간 간격은 100~200nm일 수 있으며, 상기 초석 세멘타이트 최대 두께는 2 ㎛이하이고, 최대 형성 길이는 10 ㎛일 수 있다.

또한, 상기 선재의 강도는 1400MPa 이상일 수 있다. 선재의 강도가 1400MPa 이상이며, 상술한 바와 같이 초석 세멘타이트 면적 분율이 4% 이하이므로 신선시 단선이 발생하지 않아, 강선의 인장강도를 2500 MPa 이상으로 확보할 수 있는 것이다.

신선성이 우수한 고탄소강 선재의 제조방법

본 발명의 다른 일 측면인 신선성이 우수한 고탄소강 선재의 제조방법은 상술한 합금조성을 만족하는 강편을 1200~1300 ℃에서 600~700분 동안 확산 열처리한 후, 압연 및 절단하여 빌렛을 얻는 단계; 상기 빌렛을 1000~1100 ℃의 온도 범위로 가열하고, 90~120분 동안 유지하여 열처리하는 단계; 상기 열처리된 빌렛을 950~1050 ℃의 온도 범위에서 압연하여 선재를 얻는 단계; 및 상기 선재를 850~950 ℃에서 권취한 후, 450~550 ℃까지 9 ℃/s 이상의 냉각속도로 냉각한 후, 5 ℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계;를 포함한다.

확산 열처리 단계

상술한 합금조성을 만족하는 강편을 연속 주조 후 균열로(soaking pit)에서 1200~1300 ℃에서 600~700분 동안 확산 열처리한 후 압연 및 절단하여 빌렛을 얻는다. 상기 확산 열처리는 C 및 Cr의 편석 저감을 유도하기 위함이다.

확산 열처리 온도가 1200 ℃미만이거나 유지시간이 600분 미만인 경우에는 C, Cr 확산이 충분히 발생하지 않는다. 반면에, 확산 열처리 온도가 1300 ℃ 초과이거나 유지시간이 700분 초과인 경우에는 오스테나이트 결정립도가 커지고, 제조 비용이 증가하는 문제점이 있다.

빌렛 열처리 단계

상기 빌렛을 1000~1100 ℃의 온도 범위로 가열하고, 90~120분 동안 유지하여 열처리한다.

가열 온도가 1000 ℃미만이거나 유지시간이 90분 미만인 경우에는 오스테나이트 균질화 처리가 충분하지 않다. 반면에, 가열 온도가 1100 ℃초과이거나 유지시간이 120분 초과인 경우에는 오스테나이트 결정립도가 커지고, 제조 비용이 증가하는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 탈탄 두께 증가에 따른 실수율 감소 및 표면 결함이 발생할 수 있다.

압연 단계

상기 열처리된 빌렛을 950~1050 ℃의 온도 범위에서 압연하여 선재를 얻는다. 보다 구체적으로 상기 열처리된 빌렛을 조압연 및 중사압연한 후 950~1050 ℃에서 사상압연하고 수냉하고, 최종압연(RSM, Reducing & Sizing Mill) 출측 온도 980~1050 ℃의 온도 범위에서 최종압연하고 수냉하여 선재를 얻을 수 있다.

귄취 및 냉각 단계

상기 선재를 850~950 ℃에서 권취하고 스텔모아 냉각대에서 450~550 ℃까지 9 ℃/s 이상의 냉각속도로 냉각한 후, 5 ℃/s 이상의 냉각속도로 냉각한다.

권취 온도가 850 ℃미만인 경우에는 초석 세멘타이트가 형성될 수 있으며, 950 ℃초과인 경우에는 오스테나이트 결정립 성장에 따라 선재의 연성이 감소될 수 있기 때문이다. 또한, 450~550 ℃까지 9 ℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 이유는 펄라이트 성장이 완료될 때까지는 급냉하는 것이 바람직하기 때문이다. 이후에는 5 ℃/s 이상의 냉각속도로 상온까지 냉각할 수 있다.

신선성이 우수한 고탄소강 강선 및 그 제조방법

본 발명의 또 다른 일 측면인 신선성이 우수한 고탄소강 강선은 합금조성을 가지며, 미세조직은 면적분율로 펄라이트 95% 이상이며, 중심부에서 형성되는 초석 세멘타이트가 4% 이하이다. LP 열처리 및 신선 공정에 의해서 펄라이트 및 초석 세멘타이트의 면적분율에는 거의 변화가 없기 때문에, 선재와 동일한 상분율을 갖는다.

이때, 상기 강선의 인장강도가 2500 MPa 이상이고, 비틀림 횟수는 13회 이상일 수 있다.

상기 강선을 제조하기 위한 바람직한 제조방법은 상술한 선재의 제조방법에 의해 제조된 선재를 고온가열로에서 980℃이상으로 3분 이상 유지하는 단계;

상기 가열된 선재를 납조에서 590℃이상으로 1분 이상 유지하고 ??칭(quenching)하여 LP(Lead patenting) 열처리재를 얻는 단계; 및

상기 LP 열처리재를 100m/m 이상의 신선속도로 총감면량 83% 이상으로 건식 신선하여 강선을 얻는 단계를 포함한다.

상술한 본 발명의 일 측면에 따른 선재를 LP(Lead Patenting) 열처리하여 얻어진 LP 열처리재는 중심부에서 형성되는 초석 세멘타이트 면적 분율이 4%이하로, 상기와 같이 100m/m 이상의 신선속도로 총감면량 83% 이상으로 건식 신선하여도 단선이 발생하지 않아 강선의 인장강도를 2500 MPa 이상으로 확보할 수 있다.

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 )

본 발명에서는 최종 강선의 인장강도가 2500 MPa 이상을 갖는 강선을 제조하기 위한 실험을 행하였다.

하기 표 1의 합금조성을 갖는 강편을 연속 주조 후 1250℃에서 700분간 확산 열처리를 실시한 후, 압연 및 절단하여 빌렛을 얻었다.

선재 제조 조건으로는 선재 가열로 균열대: 1050 ℃, 추출대 온도: 1030 ℃ (가열로 총 유지시간 90분), 조압연-중사압연한 후 사상압연 출측 온도: 1010 ℃, 수냉 후 마무리압연(RSM, Reducing & Sizing Mill) 출측 온도: 1120 ℃, 수냉 후 권취 온도: 910 ℃, 스텔모아 냉각대에서 500 ℃까지 10 ℃/s로 냉각한 후, 5 ℃/s 로 냉각하여 13 mm 선재를 제조하였다.

그 후, 상기 선재로 강선을 제조하기 위하여, 고온가열로에서 980 ℃로 3분간 유지하고, 납조에서 590 ℃로 1분간 유지한 후 ??칭하여 LP 열처리재를 얻었으며, 건식신선 속도 100 m/m로 5.3 mm까지 신선하여 최종 강선을 제조하였다.

상기 선재의 인장강도 및 중심부에 존재하는 초석 세멘타이트 면적 분율(세타 분율), 상기 LP 열처리재의 인장강도, 상기 최종 강선의 인장강도 및 비틀림 특성을 평가하여 하기 표 1에 나타내었다. 상기 중심부는 선재 중심으로부터 1/4D(D: 선재의 직경)까지의 영역를 말한다.

구분	C	Si	Mn	Cr	Co	P	S
비교예1	0.88	1.30	0.50	0.61	0.00	0.012	0.011
비교예2	0.98	1.30	0.51	0.62	0.00	0.012	0.010
비교예3	1.08	1.30	0.52	0.60	0.00	0.013	0.012
비교예4	1.18	1.30	0.50	0.60	0.00	0.010	0.013
비교예5	0.98	0.60	0.51	0.61	0.00	0.011	0.012
비교예6	0.98	1.60	0.52	0.62	0.00	0.011	0.010
비교예7	0.98	1.30	0.53	0.25	0.00	0.010	0.011
비교예8	0.98	1.29	0.51	0.92	0.00	0.015	0.012
비교예9	0.98	1.30	0.52	1.32	0.00	0.012	0.015
비교예10	0.98	1.31	0.51	0.61	0.25	0.011	0.012
발명예1	0.98	1.30	0.52	0.62	0.50	0.010	0.011
발명예2	0.98	1.32	0.51	0.60	0.75	0.009	0.010
발명예3	0.98	1.29	0.50	0.63	1.00	0.011	0.010
발명예4	0.98	1.30	0.52	0.61	1.25	0.010	0.009
발명예5	0.98	1.31	0.50	0.60	1.50	0.012	0.010
비교예11	0.98	1.30	0.51	0.62	1.80	0.011	0.012
비교예12	0.98	1.31	0.51	0.25	0.25	0.010	0.011
비교예13	0.98	1.30	0.52	0.24	0.50	0.011	0.013
비교예14	0.98	1.32	0.51	0.26	0.75	0.012	0.012
비교예15	0.98	1.29	0.50	0.25	1.00	0.010	0.013
비교예16	0.98	1.30	0.52	0.24	1.25	0.010	0.012
비교예17	0.98	1.31	0.50	0.25	1.50	0.011	0.012
비교예18	0.98	1.30	0.51	0.24	1.80	0.012	0.011
비교예19	0.98	1.30	0.52	0.92	0.25	0.010	0.012
발명예6	0.98	1.32	0.51	0.91	0.50	0.013	0.012
발명예7	0.98	1.29	0.50	0.92	0.75	0.012	0.012
발명예8	0.98	1.30	0.52	0.9	1.00	0.013	0.013
발명예9	0.98	1.31	0.50	0.89	1.25	0.012	0.010
발명예10	0.98	1.30	0.51	0.91	1.50	0.010	0.010
비교예20	0.98	1.30	0.53	0.92	1.80	0.012	0.010
비교예21	0.98	1.29	0.51	1.32	0.25	0.011	0.011
비교예22	0.98	1.30	0.52	1.31	0.50	0.011	0.012
비교예23	0.98	1.31	0.51	1.30	0.75	0.010	0.012
비교예24	0.98	1.30	0.52	1.32	1.00	0.012	0.013
비교예25	0.98	1.32	0.51	1.30	1.25	0.011	0.010
비교예26	0.98	1.30	0.53	1.31	1.50	0.013	0.010
비교예27	0.98	1.29	0.51	1.32	1.80	0.012	0.011

상기 표 1에서 각 원소 함량의 단위는 중량%이다.

구분	세타 분율 (%)	선재 인장강도 (MPa)	LP열처리재 인장강도 (MPa)	강선 (@5.32 mm)
				인장강도 (MPa)	비틀림 (회)
비교예1	3.20	1350	1450	2310	16
비교예2	5.80	1442	1543	2420	14
비교예3	7.50	1522	1580	2405	12
비교예4	9.80	1555	1610	단선	x
비교예5	5.20	1380	1480	2375	15
비교예6	6.80	1590	1650	단선	x
비교예7	5.60	1380	1470	2280	15
비교예8	5.90	1540	1600	단선	x
비교예9	6.00	1550	1550	단선	x
비교예10	5.70	1442	1552	2439	15
발명예1	3.50	1448	1605	2502	17
발명예2	2.60	1452	1615	2513	19
발명예3	1.70	1455	1635	2524	19
발명예4	1.20	1465	1642	2530	18
발명예5	0.80	1466	1655	2541	17
비교예11	0.80	1470	1652	단선	X
비교예12	5.60	1380	1553	2373	15
비교예13	4.80	1388	1580	2400	15
비교예14	3.50	1392	1590	2410	16
비교예15	3.00	1395	1600	2420	16
비교예16	2.80	1398	1607	2427	15
비교예17	2.70	1400	1620	2440	15
비교예18	2.40	1402	1625	2445	14
비교예19	5.7	1560	1640	단선	x
발명예6	3.60	1575	1705	2575	16
발명예7	1.80	1578	1715	2592	16
발명예8	1.35	1590	1727	2600	14
발명예9	1.00	1600	1737	2602	14
발명예10	0.90	1602	1752	2610	13
비교예20	3.5	1615	1757	단선	x
비교예21	6.00	1580	1560	단선	x
비교예22	6.10	1570	1540	단선	x
비교예23	5.80	1582	1530	단선	x
비교예24	5.70	1579	1525	단선	x
비교예25	5.30	1580	1520	단선	x
비교예26	5.70	1598	1550	단선	x
비교예27	5.50	1578	1520	단선	x

비교예 1~4는 C 함량 증가에 따른 선재, LP 열처리재 및 강선에서의 물성 변화를 보여준다. 탄소 함량 증가 시 강도 증가는 나타나나, 현재의 납조열처리 로에서 냉각능의 한계 때문에 초석 세멘타이트 분율은 증가하는 것이 확인 가능하고, 이러한 특성이 신선재의 강도 증가 폭 및 강도를 저하 시키는 것으로 보인다. C 함량이 0.90 % 미만인 비교예 1의 경우, 초석 세멘타이트 분율은 적으나 강선 강도가 낮아 목표 강도에 도달할 수 없었다. C 함량이 1.1 % 초과인 비교예 4의 경우, 신선 중 단선이 발생하였다.

비교예 2, 5 및 6은 Si 함량에 따른 강도 증가 효과를 보여주며, Si 함량이 증가함에 따라 초석 세멘타이트 분율이 증가하였으나 C와 달리 급격히 증가하지는 않았다. Si 함량이 0.60 %인 비교예 5의 경우, 목표 강도 확보에 어려움이 있었다. Si 함량이 1.6 % 인 비교예 6의 경우, 신선 중 단선이 발생하였다.

비교예 2, 7~9는 Cr 함량에 따른 강도 증가를 보여준다. Cr 함량이 증가함에 따라 선재 및 열처리재의 강도는 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 Cr 함량이 0.90%를 초과하는 비교예 8 및 9의 경우, 신선 중 단선이 발생하였다. 이는 중심부 내 조대하게 형성되는 초석 세멘타이트의 영향으로 볼 수 있다.

발명예 1~5, 비교예 2, 10 및 11은 0.98C-1.3Si-0.5Mn-0.6Cr 성분계에 Co 함량에 따른 변화를 보여준다. Co 함량이 증가함에 따라 선재 및 열처리재의 강도는 약간씩 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 특성은 Co 첨가가 초석 세멘타이트 형성을 억제시킴에 따라, C가 조직을 미세화하는데 기여할 수 있었기 때문이라고 판단된다.

Co가 1.8 % 첨가된 비교예 11의 경우 중심부에 존재하는 초석 세멘타이트 면적 분율이 5.7 %에서 0.8 %까지 감소되었으나, 강선 제조시 단선이 발생하였다. 따라서, 2500 MPa이상의 인장강도를 갖는 강선을 얻기 위해서는 0.6 % Cr 첨가 시 Co 함량이 0.3~1.5 % 첨가하는 것이 바람직한 것으로 보인다.

비교예 12~18은 0.98C-1.3Si-0.5Mn-0.2Cr 성분계에서 상기와 동일하게 Co 함량을 0 %에서 1.8 % 첨가시킨 강이고, Co 첨가량 증가에 따라 초석 세멘타이트 분율은 감소하였으나, Cr 함량이 부족하여 목표로 하고자 하는 2500 MPa 이상의 강도를 얻을 수 없었다.

발명예 6~10, 비교예 8, 19 및 20은 0.98C-1.3Si-0.5Mn-0.9Cr 성분계에서 Co 함량에 따른 변화를 보여준다.

Co 함량이 0.3% 미만인 비교예 8 및 19의 경우 신선시 단선이 발생하였으며, Co함량이 1.8%인 비교예 20의 경우에도 신선시 단선이 발생하였다.

반면에, Co 함량이 본 발명 범위를 만족하는 발명예 6~10은 단선이 발생하지 않았으며 2500 MPa 이상의 강도를 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.

비교예 9, 21~27은 0.98C-1.3Si-0.5Mn-1.3Cr 성분계에서 Co 첨가에 따른 강도 증가를 확인한 결과인데, Cr 함량이 높음에도 불구하고 선재에서도 강도가 낮으며, Co 함량 증가함에도 강도 수준은 큰 변화가 없다. 상기 선재를 납조 열처리 한 LP 열처리재는 1600 MPa 이하의 강도를 갖고 초석 세멘타이트 분율에도 큰 감소가 나타나지 않았다. 따라서, Co 첨가에 따른 초석 세멘타이트 감소 효과는 Cr 함량이 과다한 경우에는 나타나지 않음을 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 (7)

1. 중량%로, C: 0.90~1.1 %, Si: 0.7~1.5 %, Cr: 0.3~1.2 %, Mn: 0.4~0.8 %, Co: 0.3~1.7 %, P: 0.030 % 이하, S: 0.030 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
   미세조직은 면적분율로 펄라이트 95% 이상이며, 중심부에서 형성되는 초석 세멘타이트가 4% 이하인 신선성이 우수한 고탄소강 선재.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 선재의 인장강도는 1400 MPa 이상인 신선성이 우수한 고탄소강 선재.
   
3. 중량%로, C: 0.90~1.1 %, Si: 0.7~1.5 %, Cr: 0.3~1.2 %, Mn: 0.4~0.8 %, Co: 0.3~1.7 %, P: 0.030 % 이하, S: 0.030 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 1200~1300 ℃에서 600~700분 동안 확산 열처리한 후, 압연 및 절단하여 빌렛을 얻는 단계;
   상기 빌렛을 1000~1100 ℃의 온도 범위로 가열하고, 90~120분 동안 유지하여 열처리하는 단계;
   상기 열처리된 빌렛을 950~1050 ℃의 온도 범위에서 압연하여 선재를 얻는 단계; 및
   상기 선재를 850~950 ℃에서 권취한 후, 450~550 ℃까지 9 ℃/s 이상의 냉각속도로 냉각한 후, 5 ℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계;를 포함하는 신선성이 우수한 고탄소강 선재의 제조방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 선재를 얻는 단계의 압연은 상기 열처리된 빌렛을 조압연 및 중사압연한 후 950~1050 ℃에서 사상압연하고 수냉한 후, 최종압연 출측 온도 980~1050 ℃의 온도 범위에서 최종압연하고 수냉하여 행하는 것을 특징으로 하는 신선성이 우수한 고탄소강 선재의 제조방법.
   
5. 중량%로, C: 0.90~1.1 %, Si: 0.7~1.5 %, Cr: 0.3~1.2 %, Mn: 0.4~0.8 %, Co: 0.3~1.7 %, P: 0.030 % 이하, S: 0.030 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
   미세조직은 면적분율로 펄라이트 95% 이상이며, 중심부에서 형성되는 초석 세멘타이트가 4% 이하인 고탄소강 강선.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 강선의 인장강도가 2500 MPa 이상이고, 비틀림 횟수는 13회 이상인 것을 특징으로 하는 고탄소강 강선.
   
7. 중량%로, C: 0.90~1.1 %, Si: 0.7~1.5 %, Cr: 0.3~1.2 %, Mn: 0.4~0.8 %, Co: 0.3~1.7 %, P: 0.030 % 이하, S: 0.030 % 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 1200~1300 ℃에서 600~700분 동안 확산 열처리한 후, 압연 및 절단하여 빌렛을 얻는 단계;
   상기 빌렛을 1000~1100 ℃의 온도 범위로 가열하고, 90~120분 동안 유지하여 열처리하는 단계;
   상기 열처리된 빌렛을 950~1050 ℃의 온도 범위에서 압연하여 선재를 얻는 단계;
   상기 선재를 850~950 ℃에서 권취한 후, 450~550 ℃까지 9 ℃/s 이상의 냉각속도로 냉각한 후, 5 ℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계;
   상기 냉각된 선재를 고온가열로에서 980℃이상으로 3분 이상 유지하는 단계;
   상기 가열된 선재를 납조에서 590 ℃이상으로 1분 이상 유지하고 ??칭(quenching)하여 LP(Lead patenting) 열처리재를 얻는 단계; 및
   상기 LP 열처리재를 100m/m 이상의 신선속도로 총감면량 83% 이상으로 건식 신선하여 강선을 얻는 단계;를 포함하는 고탄소강 강선의 제조방법.

Images