KR20220169248A - 강도 및 연화저항성이 향상된 선재, 강선 및 그 제조방법 - Google Patents
강도 및 연화저항성이 향상된 선재, 강선 및 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
강도 및 연화저항성이 향상된 선재, 강선 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
개시되는 강도 및 연화저항성이 향상된 선재의 일 실시예에 따르면, 중량%로, C: 0.8 내지 1.1%, Si: 0.1 내지 0.3%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Cr: 0.4 내지 1.0%, Mo: 0.5 내지 1.0%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 오스테나이트 결정립계에서 최대 두께가 20㎛ 이상의 초석 시멘타이트 조직이 면적분율로 10% 이하이다.
개시되는 강도 및 연화저항성이 향상된 선재의 일 실시예에 따르면, 중량%로, C: 0.8 내지 1.1%, Si: 0.1 내지 0.3%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Cr: 0.4 내지 1.0%, Mo: 0.5 내지 1.0%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 오스테나이트 결정립계에서 최대 두께가 20㎛ 이상의 초석 시멘타이트 조직이 면적분율로 10% 이하이다.
Description
본 발명은 강도 및 연화저항성이 향상된 선재, 강선 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금조성 및 석출물을 제어함으로써 강도가 우수함과 동시에 연화저항성이 향상된 선재, 강선 및 그 제조방법에 관한 것이다.
통상적으로 LNG저장탱크(liquefied natural gas storage tank), 사일로(Silo)등 외벽 보강용으로 사용되는 PC(Pre-stressed Concrete)강연선은 탄소 함량이 0.7중량% 이상인 탄소강을 이용한다. 한편, 저장구조물 보강용에 사용되는 강선은 1,580MPa 정도의 항복강도를 가지고, 인장강도 기준으로는 2,360MPa 정도의 값을 가지는 강선을 이용하여 제조하고 있다.
전세계적으로 제품의 고강도화는 계속해서 진행 중이다. 그 이유는 고강도화 될수록 제품의 경량화를 실현할 수 있을 뿐만 아니라, 건설 공기간 단축, 제조 단가 감소 등의 효과가 크기 때문이다.
PC강선의 강도를 높이기 위한 방법으로는 초기 소재의 강도를 높이거나 열처리를 통해 강도를 향상시키는 방법이 있으며, 조직적인 측면에서는 미세한 결정립을 형성함으로써 높은 강도를 확보하는 방법이 있다. 즉, 초기 소재의 강도가 높은 만큼 최종 강선에서도 높은 강도를 확보할 수 있고, 결정립이 미세할수록 강도를 확보함과 동시에 신선 가공중 세멘타이트 분절 등을 억제하여 신선 가공성도 크게 향상될 수 있다.
초기 소재의 강도 및 결정립 크기를 제어하는 방법은 C, Cr 등의 합금원소를 첨가하는 방법과 열처리 시 형성되는 미세조직 및 신선공정의 조건 등의 공정인자를 제어하는 방법이 있다.
다만, 합금원소를 첨가하는 방법은 강도 증가의 효과가 우수하나, 합금량 변화 시 열처리 온도, 유지 시간 및 신선 조건 변화 등을 고려해야 하기 때문에, 공정인자를 제어하는 것이 더 효과적이라고 할 수 있다. 특히, 공정인자 중 신선 가공량을 증가시키는 것이 효과적이다. 그러나, 신선 가공량은 소재의 성질에 크게 의존적이고, 높은 신선 가공기술이 필요하기 때문에 이에 대한 기술강화가 요구된다.
한편, 최근 중동, 유럽 등을 중심으로 미래도시를 위한 대형 건축물 크기가 증가하면서 화재 발생에 대한 저항성이 필요해짐에 따라, 우수한 고온연화저항성을 가지는 PC강연선에 대한 요구가 증대하고 있다.
고온에서의 연화저항성을 향상시키는데 효과적인 방법 중 하나는 미세탄질화물을 석출시키는 것이다. Cr, Mo, Nb, V 등의 첨가를 통해 미세한 탄질화 석출물 등을 고온에서 형성시켜 페라이트 입내의 전위를 피닝(pinning)함에 따라 고온강도를 확보할 수 있기 때문이다.
기존 건축물을 체결하는 볼트의 경우, 탄질화 석출물을 석출시켜 내화볼트 등으로 개발되어왔다. 그러나, 석출물 제어를 통한 내화용 PC강연선의 개발은 미흡한 실정이기 때문에 신규한 합금조성을 가지는 강재의 개발이 필요한 상황이다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 C, Cr, Mo의 성분범위와 제조공정을 최적화하여, 미세조직 및 석출물을 제어함으로써, 높은 항복강도를 확보함과 동시에 연화저항성이 향상된 선재, 강선 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강도 및 연화저항성이 향상된 선재는, 중량%로, C: 0.8 내지 1.1%, Si: 0.1 내지 0.3%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Cr: 0.4 내지 1.0%, Mo: 0.5 내지 1.0%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 오스테나이트 결정립계에서 최대 두께가 20㎛ 이상의 초석 시멘타이트 조직이 면적분율로 10% 이하일 수 있다.
여기서, 상기 선재는 선재의 직경을 D라고 할 때, 길이방향과 수직인 단면의 중심으로부터 선재 표면 방향으로 0.25D까지의 영역에서, 탄소의 최대 함량(Cmax)과 탄소의 평균 함량(C0)의 비가 하기 식(1)을 만족할 수 있다.
식(1): Cmax/C0≤1.25
여기서, 상기 선재는 선재 표층의 탄소 함량이 0.90중량%을 초과하는 영역에서, 평균입경이 1㎛ 이상인 탄화물을 포함하는 베이나이트 조직이 면적분율로 90% 이상일 수 있다.
여기서, 상기 선재는 항복강도가 1000MPa 이상일 수 있다.
여기서, 상기 선재는 연신율이 12% 이상일 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강도 및 연화저항성이 향상된 선재의 제조방법은, 중량%로, C: 0.8 내지 1.1%, Si: 0.1 내지 0.3%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Cr: 0.4 내지 1.0%, Mo: 0.5 내지 1.0%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 1000 내지 1200℃의 가열로에서 90 내지 120분 유지하는 단계; 상기 빌렛을 압연하여 선재를 제조하는 단계; 상기 제조한 선재를 900 내지 980℃에서 권취하는 단계; 상기 권취한 선재를 권취 온도로부터 500℃까지 10 내지 15℃/s의 냉각속도로 제1 냉각하는 단계; 및 상기 냉각한 선재를 500℃부터 300℃까지 0.1℃/s 이하의 냉각속도로 제2 냉각하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 압연은 1000 내지 1200℃에서 마무리 압연하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강도 및 연화저항성이 향상된 강선은, 중량%로, C: 0.8 내지 1.1%, Si: 0.1 내지 0.3%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Cr: 0.4 내지 1.0%, Mo: 0.5 내지 1.0%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 600℃에서 30분 유지한 후 ??칭하였을 때, 선재의 길이방향과 수직한 단면의 500nm2 영역에서 MC탄화물(여기서, M은 Cr 또는 Mo)의 수가 10개 이상일 수 있다.
여기서, 상기 강선은 600℃에서 30분 유지한 후의 항복강도가 780MPa 이상일 수 있다.
여기서, 상기 강선은 600℃에서 30분 유지한 후, 인장강도에 대한 항복강도의 비가 0.35 이상일 수 있다.
여기서, 상기 강선은 항복강도가 2200MPa 이상일 수 있다.
여기서, 상기 강선은 100D 기준으로, 딜라미네이션(Delamination)이 발생하지 않는 비틀림 횟수가 12회 이상일 수 있다.
여기서, 상기 강선은 신선 시 톤당 단선 횟수가 2회 이하일 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강도 및 연화저항성이 향상된 강선의 제조방법은, 상기 선재를 신선하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, C, Cr, Mo의 성분범위와 제조공정을 최적화하여 미세조직 및 석출물을 제어함으로써, 높은 항복강도를 확보함과 동시에 연화저항성이 향상된 선재, 강선 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 J-Mat 상용 프로그램으로 계산된 실시예 1의 연속냉각변태(Continuous cooling transformation, CCT)그래프이다.
도 2는 Thermo-Cale 프로그램을 이용하여 계산한 실시예 1의 평형상태도이다.
도 3은 실시예 1과 비교예 8을 각각의 온도에서 30분동안 유지한 후 ??칭하였을때, 온도에 따른 항복강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 Thermo-Cale 프로그램을 이용하여 계산한 실시예 1의 평형상태도이다.
도 3은 실시예 1과 비교예 8을 각각의 온도에서 30분동안 유지한 후 ??칭하였을때, 온도에 따른 항복강도 변화를 나타낸 그래프이다.
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 발명의 일 실시예에 따른 강도 및 연화저항성이 향상된 선재는, 중량%로, C: 0.8 내지 1.1%, Si: 0.1 내지 0.3%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Cr: 0.4 내지 1.0%, Mo: 0.5 내지 1.0%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
여기서, 상기 강도 및 연화저항성이 향상된 선재는, 중량%로, N: 0.01% 이하, P: 0.035% 이하, S: 0.035% 이하, Al: 0.02 내지 0.05%를 더 포함할 수 있다.
이하, 각 합금원소의 성분범위를 한정한 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.8 내지 1.1%이다.
C(탄소)는 펄라이트(Pearlite)를 구성하는 세멘타이트(Cementite)의 분율을 증가시키고, 펄라이트의 층간간격을 감소시킨다. C는 0.1중량% 첨가 시 강도를 약 80MPa 증가시키는 고용강화 원소로써, 소재의 강도를 확보하기 위해 0.8% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 중심 편석의 형성을 유발하여 신선 가공 중 단선을 유발하는 문제가 있다. 이를 고려하여, C 함량의 상한은 1.1%로 한정할 수 있다.
Si의 함량은 0.1 내지 0.3%이다.
Si(실리콘)은 페라이트 경화원소로, 용강 내 산소를 제거하고 강도를 향상시키기 위해 0.1% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 모재와 결합력이 우수한 Fe2sSiO4의 형성으로 스케일 박리성 저하가 발생하는 문제가 있다. 이를 고려하여, Si 함량의 상한은 0.3%로 한정할 수 있다.
Mn의 함량은 0.2 내지 0.8%이다.
Mn(망간)은 오스테나이트 안정화 원소로, 소입성을 향상시키고 초석 세멘타이트가 입계에 형성되는 것을 억제하기 위해 0.2% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, S와 결합하여 MnS 개재물이 형성되며, 중심부의 망간 편석이 발생하여 신선 가공 중 단선 가능성이 증가하는 문제가 있다. 이를 고려하여, Mn 함량의 상한은 0.8%로 한정할 수 있다.
Cr의 함량은 0.4 내지 1.0%이다.
Cr(크롬)은 베이나이트, 펄라이트 등 전위의 이동을 방해할 수 있는 결정립 크기를 감소시키기 때문에 제품의 강도를 증가시킬 수 있다. 또한, Cr은 고온에서 유지 시 Cr계 탄화물을 형성시키는 주요 원소로써, 600℃ 수준의 온도에서 연화저항성을 확보하기 위해 0.4% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 중심 편석대에서 마르텐사이트가 형성되어 신선가공성이 열위해지고, 목표로하는 강도 및 연화저항성에 대한 효과가 포화한다. 이를 고려하여, Cr 함량의 상한은 1.0%로 한정할 수 있다.
Mo의 함량은 0.5 내지 1.0%이다.
Mo(몰리브덴)은 MoC 탄화물을 형성하여 석출강화 효과에 의한 소재의 강도를 향상시키고 전위를 피닝(pinning)함에 따라 신선 시 가공경화율을 향상시키는 원소이다. 또한, Mo는 Cr과 더불어 고온에서의 연화저항성을 향상시키는 원소로써, 600℃ 수준의 온도에서 항복강도의 저하를 방지하기 위해 0.5% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 냉각대에서 마르텐사이트 상이 형성되어, 본 발명에서 목표로 하는 수준의 베이나이트 조직을 확보할 수 없다. 또한, Mo는 고가의 원소로써, 그 함량이 과다할 경우 제조 단가를 상승시켜 생산성이 저하되는 문제가 발생한다. 이를 고려하여, Mo 함량의 상한은 1.0%로 한정할 수 있다.
N의 함량은 0.01% 이하이다.
N(질소)는 고용강화에 의한 강도 증가가 우수한 원소이다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 전위와 N의 결합으로 시효강도가 증가하여 소재의 연성이 열위해지고, 제조원가가 증가하는 문제가 있다. 이를 고려하여, N 함량의 상한은 0.01%로 한정할 수 있다.
P의 함량은 0.035% 이하이다.
P(인)은 통상적으로 강 중 C 함량이 높을 경우 중심 편석대를 피하기 어려우며, 결정립계에 편석하거나, 입계에 FeP로 형성될 수 있어, 신선 가공 중 단선을 유발하는 문제가 있다. 이를 고려하여, P 함량의 상한은 0.035%로 한정할 수 있다.
S의 함량은 0.035% 이하이다.
S(황)은 다량 함유 시 입계에 MnS 개재물을 형성하여 가공성을 저하시키는 문제가 있다. 이를 고려하여, S 함량의 상한은 0.035%로 한정할 수 있다.
Al의 함량은 0.02 내지 0.05%이다.
Al(알루미늄)은 산소와 반응하기 쉬운 원소로, Si 함량이 낮은 경우에는, 제강의 탈산 반응에 활용하여 개재물을 제어하기 위해 0.02% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 연주 시 개재물에 의한 노즐 막힘이 발생하고, 특히 Al2O3 등의 조대한 알루미늄 개재물이 형성되어, 신선 가공중 단선을 유발하는 문제가 있다. 이를 고려하여, Al 함량의 상한은 0.05%로 한정할 수 있다.
상기 조성 이외에 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.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선재는 면적분율로 펄라이트 조직 80% 이상, 나머지 베이나이트 조직 또는 마르텐사이트 조직을 포함할 수 있다. 이때, 오스테나이트 결정립계에서 최대 두께가 20㎛ 이상의 초석 시멘타이트 조직이 면적분율로 10% 이하일 수 있다.
오스테나이트 결정립계에서 최대 두께가 20㎛ 이상의 초석 시멘타이트 조직이 면적분율로 10%를 초과하는 경우에는 신선 가공 시에 균열이 발생하기 쉬워져 신선 가공성이 열화된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선재는 길이방향과 수직인 단면의 중심으로부터 선재 표면 방향으로 0.25D까지의 영역에서, 탄소의 최대 함량(Cmax)과 탄소의 평균 함량(C0)의 비가 하기 식(1)을 만족할 수 있다. 여기서, 상기 D는 직경을 의미한다.
식(1): Cmax/C0≤1.25
선재 내부의 탄소의 최대 함량(Cmax)과 탄소의 평균 함량(C0)의 비는 ~에 영향을 끼치는 인자이다. 길이방향과 수직인 단면의 중심으로부터 선재 표면 방향으로 0.25D까지의 영역에서, 탄소의 최대 함량(Cmax)과 탄소의 평균 함량(C0)의 비가 1.25를 초과하는 경우, 중심부 C 편석이 증가하여 가공성이 열위해지고, 신선 가공시 단선을 유발할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선재는 선재 표층의 탄소 함량이 0.90중량%을 초과하는 영역에서, 평균입경이 1㎛ 이상인 탄화물을 포함하는 베이나이트 조직이 면적분율로 90% 이상일 수 있다.
선재 표층의 탄소 함량이 0.90중량%을 초과하는 영역에서, 평균입경이 1㎛ 이상인 탄화물을 포함하는 베이나이트 조직이 면적분율로 90% 미만인 경우, 항복강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선재는 항복강도가 1000MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 선재는 연신율이 12% 이상일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 강도 및 연화저항성이 향상된 선재를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선재의 제조방법은, 중량%로, C: 0.8 내지 1.1%, Si: 0.1 내지 0.3%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Cr: 0.4 내지 1.0%, Mo: 0.5 내지 1.0%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 1000 내지 1200℃의 가열로에서 90 내지 120분 유지하는 단계; 상기 빌렛을 압연하여 선재를 제조하는 단계; 상기 제조한 선재를 900 내지 980℃에서 권취하는 단계; 상기 권취한 선재를 500℃까지 10 내지 15℃/s의 냉각속도로 제1 냉각하는 단계; 및 상기 냉각한 선재를 300℃까지 0.1℃/s 이하의 냉각속도로 제2 냉각하는 단계;를 포함한다.
여기서, 상기 빌렛은, 중량%로, N: 0.01% 이하, P: 0.035% 이하, S: 0.035% 이하, Al: 0.02 내지 0.05%를 더 포함할 수 있다.
각 합금원소의 성분범위를 한정한 이유는 상술한 바와 같으며, 이하 각 제조단계에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 상술한 조성성분을 갖는 빌렛(Billet)을 제조한 후, 오스테나이트 단상으로 균질화하는 가열 단계를 거친다.
상기 가열 단계는 후속하는 선재 압연의 온도 영역을 확보하고, 빌렛의 미세조직을 오스테나이트 단상으로 확보하며, 장입 시간을 고려하여 1000℃ 이상의 온도에서 수행될 수 있다. 다만, 상기 가열 단계의 온도가 과도할 경우에는, 스케일 생성 및 탈탄 현상으로 인해 표면 품질이 열위해지고, 가열로에 부하가 걸리는 문제가 발생할 수 있다. 이를 고려하여, 상기 가열 온도의 상한은 1200℃로 한정할 수 있다.
더불어, 상기 가열 단계는 선재 중심부에 오스테나이트상을 확보하고, 강도 확보를 위한 고용강화 원소를 충분히 고용시키기 위해 90분 동안 수행될 수 있다. 다만, 가열 시간이 과도하게 긴 경우, 조대한 결정립이 형성되어 충분한 강도를 확보할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 이를 고려하여, 상기 가열 시간의 상한은 120분으로 한정할 수 있다.
이어서, 가열된 빌렛을 통상적인 압연 조건에서 압연할 수 있다. 즉, 가열된 빌렛에 조압연, 중간 조압연/사상압연 및 마무리 압연으로 순차적으로 구성된 열간압연을 수행하여 선재를 제조할 수 있다.
이때, 상기 압연은 1000 내지 1200℃에서 마무리 압연하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 온도는 마무리 압연 전단 온도로써 제어하는 것이 바람직하다. 마무리 압연 전 사상압연 이후에 소재의 온도가 높은 것을 고려하여, 마무리 압연 전단 입측 온도로써 제어하는 것이 더 바람직하다.
마무리 압연 온도가 1000℃ 미만인 경우에는, 마무리 압연 시 롤부하가 크게 발생할 수 있고, C가 확산할 수 있는 시간이 감소함에 따라, 선재 중심부의 C 편석량이 증가할 수 있다. 그 결과, 마무리 압연 온도가 1000℃ 미만인 경우에는 소재의 탄소의 평균 함량(C0)에 대한 탄소의 최대 함량(Cmax)비가 1.25를 초과할 수 있다.
반면, 마무리 압연 온도가 1200℃를 초과하는 경우에는 가공 발열에 의해 가공 중 선재의 동적변형시효(dynamic strain aging)를 촉진시킬뿐 아니라, 가공 후에는 정적변형시효(static strain aging)를 촉진시켜 선재에 층간분리를 일으킬 수 있다.
이어서, 제조한 선재를 900 내지 980℃의 온도범위에서 권취할 수 있다.
이때, 권취온도가 900℃ 미만인 경우, 스케일 두께가 얇아 박리성 측면에서 불리하다. 반면에, 권취 온도가 980℃를 초과하는 경우, 권취 형상이 적합하지 않고 냉각 중 스케일이 과다하게 형성될 수 있다.
한편, 상기 권취된 선재는 길이방향과 수직인 단면의 중심으로부터 선재 표면 방향으로 0.25D까지의 영역에서, 탄소의 최대 함량(Cmax)과 탄소의 평균 함량(C0)의 비가 하기 식(2)를 만족할 수 있다. 여기서, 상기 D는 선재의 직경을 의미한다.
식(2): 1≤Cmax/C0≤1.1
이어서, 권취한 선재를 권취 온도로부터 500℃까지 10 내지 15℃/s의 냉각속도로 진행되는 제1 냉각단계를 수행할 수 있다.
상기 제1 냉각단계는 초석시멘타이트 형성을 억제하기 위해, A1 이하의 온도인 500℃까지 냉각할 수 있다. 이때, 냉각속도가 10℃/s 미만인 경우에는 오스테나이트 결정립계에서 최대 두께가 20㎛ 이상의 초석 시멘타이트 조직이 면적분율로 10%를 초과하여, 신선 사 가공중 단선이 발생할 수 있다. 냉각속도가 15℃/s를 초과하는 경우에는, 추가 공정을 위한 비용이 발생하는 문제가 발생한다.
이어서, 상기 제1 냉각한 선재를 500℃부터 300℃까지 극서냉하는 제2 냉각단계를 수행할 수 있다.
제2 냉각단계에서 냉각속도가 0.1℃/s를 초과하는 경우, 마르텐사이트가 10% 이상 형성되어 가공성이 열위해짐에 따라, 신선 가공 시 단선이 발생할 수 있다. 이를 고려하여, 제2 냉각단계의 냉각속도는 0.1℃/s 이하로 한정할 수 있다.
이후, 상기 선재를 디스케일링(Descaling) 후 신선하여 강선을 제조할 수 있다. 이때, 신선 가공은 87% 이상의 총 신선 감면량으로 진행될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 강도 및 연화저항성이 향상된 강선에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 강선은, 중량%로, C: 0.8 내지 1.1%, Si: 0.1 내지 0.3%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Cr: 0.4 내지 1.0%, Mo: 0.5 내지 1.0%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
여기서, 상기 강도 및 연화저항성이 향상된 강선은, 중량%로, N: 0.01% 이하, P: 0.035% 이하, S: 0.035% 이하, Al: 0.02 내지 0.05%를 더 포함할 수 있다.
각 합금원소의 성분범위를 한정한 이유는 상술한 바와 같다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 강선은, 600℃에서 30분 유지한 후 ??칭하였을 때, 선재의 길이방향과 수직한 단면의 500nm2 영역에서 MC탄화물의 수가 그 크기와 상관없이 10개 이상일 수 있다.
여기서, M은 Cr 또는 Mo를 의미하며, 탄화물의 수는 평균입경, 최대직경 등의 크기와 상관없이 측정되는 MC 탄화물의 수를 의미한다. 상기 ??칭은 수냉(水冷), 유냉(油冷), 공랭(空冷), 노냉(爐冷) 등의 통상적인 방법으로 수행될 수 있다.
선재의 길이방향과 수직한 단면의 500nm2 영역에서 MC탄화물의 수가 10개 미만인 경우에는 고온에서의 연화저항성을 확보할 수 없다. 반면, MC탄화물의 수가 10개 이상인 경우에는 고온에서의 항복강도 저하를 억제할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 강선은 MC 탄화물이 형성됨에 따라, 600℃에서 30분 유지한 후에도 항복강도의 저하를 억제하여 780MPa 이상의 항복강도를 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 강선은, 600℃에서 30분 유지한 후에도 항복강도의 저하를 억제한 결과, 인장강도에 대한 항복강도의 비가 0.35 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 강선은, 항복강도가 2200MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 강선은, 100D 기준으로, 딜라미네이션(Delamination)이 발생하지 않는 비틀림 횟수가 12회 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 강선은, 신선 시 톤당 단선 횟수가 2회 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선재는 고강도 PC강선, 강연선, PC강연선 등의 제조에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 강선은 LP 열처리를 하지 않고, 현재 열처리 설비를 통해 제조될 수 있다. 또한, 강도를 확보함과 동시에 고온에서의 항복강도 저하를 방지함으로써 화재에 대한 저항효과를 확보할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
{실시예}
아래 표 1에 나타낸 다양한 합금조성을 만족하는 강을 진로에서 제강한 다음, 통상적인 조건에서 주조하여 160*160mm2 연주 빌렛재를 제조하였다. 이후, 제조된 빌렛은 오스테나이트상 및 강도 확보 등의 목적으로 가열로 온도 1,150℃에서 95분 동안 유지하였다.
| 중량% | |||||
| C | Si | Mn | Cr | Mo | |
| 실시예 1 | 0.98 | 0.2 | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
| 실시예 2 | 1.08 | 0.2 | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
| 실시예 3 | 0.98 | 0.2 | 0.6 | 0.9 | 0.6 |
| 실시예 4 | 0.98 | 0.2 | 0.6 | 0.6 | 0.9 |
| 비교예 1 | 0.98 | 0.2 | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
| 비교예 2 | 0.98 | 0.2 | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
| 비교예 3 | 0.98 | 0.2 | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
| 비교예 4 | 0.98 | 0.2 | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
| 비교예 5 | 1.12 | 0.2 | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
| 비교예 6 | 0.98 | 0.2 | 0.6 | 1.2 | 0.6 |
| 비교예 7 | 0.98 | 0.2 | 0.6 | 0.6 | 1.1 |
| 비교예 8 | 0.98 | 0.2 | 0.6 | 0.2 | 0.2 |
다음으로, 아래 표 2의 마무리 압연 온도 조건에 따라, 압연을 실시하여 선재를 제조하였다. 아래 표 2의 마무리 압연 온도는 사상압연 후 마무리 압연 전단 입측 온도를 의미한다.
이어서, 상기 제조된 선재를 권취한 다음 권취된 선재를 500℃까지 제1 냉각을 수행한 후, 500℃부터 300℃까지 제2 냉각을 수행하였다. 아래 표 2에는 권취공정의 온도, 권취한 선재의 탄소 평균 함량(C0)에 대한 탄소 최대 함량(Cmax)의 비, 제1 냉각 공정, 제2 냉각 공정의 냉각속도를 나타내었다.
| 마무리 압연 온도 (℃) |
권취온도 (℃) |
500℃까지의 냉각속도 (℃/s) |
300℃까지의 냉각속도 (℃/s) |
|
| 실시예 1 | 1,050 | 950 | 14 | 0.1 |
| 실시예 2 | 1,050 | 950 | 14 | 0.1 |
| 실시예 3 | 1,050 | 950 | 14 | 0.1 |
| 실시예 4 | 1,050 | 950 | 14 | 0.1 |
| 비교예 1 | 950 | 950 | 14 | 0.1 |
| 비교예 2 | 900 | 950 | 14 | 0.1 |
| 비교예 3 | 1,050 | 950 | 4 | 0.1 |
| 비교예 4 | 1,050 | 950 | 14 | 5 |
| 비교예 5 | 1,050 | 950 | 14 | 0.1 |
| 비교예 6 | 1,050 | 950 | 14 | 0.1 |
| 비교예 7 | 1,050 | 950 | 14 | 0.1 |
| 비교예 8 | 1,050 | 950 | 14 | 0.1 |
냉각공정을 마친 후, 선재의 초석 시멘타이트 분율, Cmax/C0, 베이나이트 분율, 항복강도(Yield strength, YS) 및 연신율(Elongation)을 측정하여, 아래 표 3에 나타내었다.
아래 표 3의 초석 시멘타이트 분율은 오스테나이트 결정립계에서 최대 두께가 20㎛ 이상인 초석 시멘타이트 조직의 면적분율을 의미한다. 시멘타이트 조직의 최대 두께는 모델명이 S-3700N인 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 통해 선재의 길이방향과 수직한 단면의 펄라이트 층상간격을 측정한 후 하기 식 (3)으로부터 계산하였다.
식(3): tc={S0*0.15(wt%C)}/Vp
상기 식 (3)에서 tc는 시멘타이트 조직의 최대두께, S0는 층상간격, Vp는 측정된 펄라이트 분율, wt%C는 시편의 탄소 함량을 의미한다.
아래 표 3의 Cmax/C0는 탄소의 평균 함량(C0)에 대한 탄소의 최대 함량(Cmax)의 비를 의미한다.
아래 표 3의 베이나이트 분율은 선재 표층의 탄소 함량이 0.90중량%을 초과하는 영역에서, 평균입경이 1㎛ 이상인 탄화물을 포함하는 베이나이트 조직의 면적분율을 의미한다.
베이나이트 분율은 먼저 탄소함량이 0.90중량%를 초과하는 영역을 측정하였다. 이후, 해당 영역에서 면적이 1mm2인 임의의 8개소에서 주사전자현미경을 이용하여 베이나이트 조직의 면적분율을 측정한 후, 평균 값을 산출하였다.
| 선재 초석 시멘타이트 분율(%) | 선재 Cmax/C0 |
선재 베이나이트 분율 (%) |
선재 항복강도 (MPa) |
선재 연신율 (%) |
|
| 실시예1 | 9 | 1.17 | 91 | 1,080 | 14 |
| 실시예2 | 9 | 1.21 | 91 | 1,170 | 13 |
| 실시예3 | 10 | 1.22 | 90 | 1,140 | 13 |
| 실시예4 | 10 | 1.24 | 92 | 1,180 | 12 |
| 비교예1 | 9 | 1.51 | 89 | 1,014 | 10 |
| 비교예2 | 8 | 1.86 | 88 | 970 | 7 |
| 비교예3 | 16 | 1.17 | 89 | 1,069 | 4 |
| 비교예4 | 9 | 1.18 | 78 | 780 | 4 |
| 비교예5 | 9 | 1.38 | 87 | 1,200 | 10 |
| 비교예6 | 9 | 1.17 | 86 | 1,190 | 9 |
| 비교예7 | 10 | 1.24 | 84 | 1,240 | 4 |
| 비교예8 | 8 | 1.15 | 92 | 920 | 18 |
상기 표 1을 참조하면, 실시예 1의 성분 조성을 기준으로, 실시예 2는 C가 더 첨가되었다. 한편, 실시예 1의 성분 조성을 기준으로 실시예 3은 Cr이 더 첨가되었으며, 실시예 4는 Mo이 더 첨가되었다.
상기 표 2 및 3을 참조하면, 실시예 1 내지 4는 본 발명에서 제어하는 합금조성 및 제조공정 조건을 만족한 결과, 선재 초석 시멘타이트 조직이 10% 이하로 형성되었으며 선재 베이나이트 조직의 분율이 90% 이상을 만족하였다.
또한, 실시예 1 내지 4는 마무리 압연 온도가 1000 내지 1200℃에서 수행된 결과, C가 확산할 수 있는 시간이 증가하였다. 이에 따라, 실시예 1 내지 4는 선재 중심부의 C 편석량이 감소하여, Cmax/C0 값이 1.25 이하를 만족하였다.
또한, 실시예 1 내지 4는 선재 항복강도가 1000MPa 이상의 항복강도를 확보함과 동시에 12% 이상의 연신율을 확보할 수 있었다.
이에 비해, 비교예 1은 마무리 압연 온도가 1000℃ 미만인 950℃에서 압연 공정이 수행된 결과, Cmax/C0 값이 1.51로 1.25를 초과하였다. 또한, 비교예 1은 베이나이트 조직이 90% 미만으로 형성되었으며, 연신율이 10%로 열위하였다.
비교예 2는 마무리 압연 온도가 1000℃ 미만인 900℃에서 압연 공정이 수행된 결과, Cmax/C0 값이 1.86으로 크게 증가하였다. 또한, 비교예 2는 베이나이 조직이 90% 미만으로 형성되었으며, 항복강도와 연신율이 열위하였다.
비교예 3은 권취 온도에서 500℃까지 10℃/s 미만인 4℃/s의 냉각속도로 냉각한 결과, 입계에서 두께가 20 이상인 초석 시멘타이트 조직의 분율이 10%를 초과하여 16%로 크게 증가하였다. 이에 따라, 비교예 3은 연신율이 4%로 가공성이 열위하였으며, 베이나이트 조직도 90% 미만으로 형성되었다.
비교예 4는 500℃에서 300℃까지 0.1℃/s 초과하는 5℃/s의 냉각속도로 냉각한 결과, 베이나이트 조직의 분율이 78%로 크게 저하되어, 최종 제품으로 생산하기에 부적합하였다.
비교예 5는 C가 1.1%를 초과하여 첨가됨에 따라, Cmax/C0의 값이 1.38로 증가하였다. 또한, 비교예 5는 베이나이트 조직이 90% 미만으로 형성되었으며, 연신율이 10%로 열위했다.
비교예 6은 Cr이 1.0%를 초과한 1.2%가 첨가됨에 따라, 연신율이 9%로 가공성이 열위했으며, 베이나이트 조직이 90% 미만인 86%로 형성되었다.
비교예 7은 Mo이 1.0%를 초과한 1.1%가 첨가됨에 따라, 연신율이 4%로 가공성이 불량했으며, 베이나이트 조직이 90% 미만인 84%로 형성되었다.
비교예 8은 Cr이 0.4% 미만인 0.2%가 첨가되었으며, Mo이 0.5% 미만인 0.2%가 첨가되었다. 이에 따라, 비교예 8은 항복강도가 1000MPa 미만인 920MPa로 크게 저하하는 문제가 발생했다.
이어서, 제조된 선재는 기계적 박리법을 이용하여 표면에 존재하는 스케일을 일부 제거한 후, 총 신선 감면량 87%로 신선가공을 수행하였다.
총 신선 감면량은 아래 식(4)를 통해 계산하였다.
식(4): 총 신선 감면량(%) = 100*[1-(신선 후 직경/신선 전 직경)2]
하기 표 4에는 상기 제조한 강선의 항복강도, 비틀림 횟수, 톤당 단선 횟수 및 MC 탄화물 수가 10개 이상인지 여부를 측정한 후 그 결과를 나타내었다.
하기 표 4에서 강선의 비틀림 특성 평가는 제조된 강선에 인장강도*단면적*0.008의 하중을 인가하여 범용 비틀림 시험기(back load: 파단응력x0.2)를 이용하였으며, 비틀림 길이 100*D(D: 강선의 직경)를 기준으로 비틀림 횟수를 측정하여 수행되었다.
아래 표 4에서 MC 탄화물의 수(M은 Cr 또는 Mo)는 크기와 관계없이 측정된 MC 탄화물의 개수를 의미한다. MC 탄화물의 수는 선재 표층에서 면적이 500nm2인 임의의 8개소를 주사전자현미경을 이용하여 측정한 후 평균 값을 산출하였다. 아래 표 4에서'○'는 MC 탄화물의 수가 10개 이상인 경우를 의미하며, 'X'는 MC 탄화물의 수가 10개 미만인 경우를 의미한다.
| 총 신선 감면량 (%) |
강선 항복강도 (MPa) |
강선 비틀림 (회) |
가공단선 (횟수/톤) |
MC 탄화물10개 이상 여부 | |
| 실시예1 | 87 | 2,210 | 16 | 0.4 | ○ |
| 실시예2 | 87 | 2,300 | 15 | 0.5 | ○ |
| 실시예3 | 87 | 2,280 | 14 | 0.7 | ○ |
| 실시예4 | 87 | 2,290 | 12 | 0.9 | ○ |
| 비교예1 | 87 | 1,896 | 11 | 2.5 | ○ |
| 비교예2 | 87 | 1,859 | 11 | 3.8 | ○ |
| 비교예3 | 87 | 2,150 | 8 | 4.2 | ○ |
| 비교예4 | 87 | 1,805 | 1 | 20.1 | ○ |
| 비교예5 | 87 | 2,300 | 4 | 19.2 | ○ |
| 비교예6 | 87 | 2,310 | 6 | 17.4 | ○ |
| 비교예7 | 87 | 2,340 | 2 | 22.7 | ○ |
| 비교예8 | 87 | 2,080 | 18 | 0.1 | X |
실시예 1 내지 4는 항복강도가 2000MPa 이상으로 우수하였으며, MC 탄화물의 수가 10개 이상을 만족하였다. 또한, 실시예 1 내지 4는 딜라미네이션이 발생하지 않는 비틀림 횟수가 12회 이상이었으며, 신선 시 톤당 단선 횟수가 2회 이하를 만족하여 가공성이 우수하였다.
이에 비해, 비교예 1 및 2는 항복강도가 2000MPa 미만으로 열위했으며, 비틀림 횟수가 12회 미만이었고, 가공 단선 횟수가 2회를 초과하였다.
비교예 3은 2000MPa 이상의 항복강도를 확보하였으나, 비틀림 횟수가 12회 미만인 8회이었으며, 가공 단선 횟수가 2회를 초과한 4.2회로 가공성이 열위했다.
비교예 4는 항복강도가 2000MPa 미만인 1805MPa로 열위했으며, 비틀림 횟수가 1회, 가공 단선 횟수가 20.1회로 가공성이 크게 저하되어 최종 제품으로 생산할 수 없는 문제가 발생했다.
비교예 5 내지 7은 2000MPa 이상의 항복강도를 확보하였으나, 비틀림 횟수가 12회 미만이었으며, 가공 단선 횟수가 2회를 초과하여 가공성이 불량했다.
도 3은 실시예 1과 비교예 8을 각각의 온도에서 30분동안 유지한 후 ??칭하였을때, 온도에 따른 항복강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 0 내지 500℃의 온도에서 30분 동안 유지한 후 ??칭하였을 때 실시예 2와 비교예 8의 항복강도 감소량은 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나, 비교예 8은 MC 탄화물이 10개 미만으로 형성되어 600℃ 이상의 온도에서 비교예 8는 실시예 2에 비해 항복강도가 크게 저하되었다.
또한, 비교예 8의 경우 600℃ 에서 30분 동안 유지한 후 ??칭하였을 때, 인장강도에 대한 항복강도의 비가 0.21이었다. 반면, 실시예 1의 경우 600℃ 에서 30분 동안 유지한 후 ??칭하였을 때, 인장강도에 대한 항복강도의 비가 0.35로 비교예 8의 166% 값을 가졌다.
개시된 실시예에 따르면, 합금조성 및 제조공정을 최적화함으로써, 우수한 항복강도와 연신율을 확보함과 동시에 600℃ 수준의 고온에서 항복강도의 저하를 억제할 수 있음을 알 수 있다.
Claims (13)
- 중량%로, C: 0.8 내지 1.1%, Si: 0.1 내지 0.3%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Cr: 0.4 내지 1.0%, Mo: 0.5 내지 1.0%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
오스테나이트 결정립계에서 최대 두께가 20㎛ 이상의 초석 시멘타이트 조직이 면적분율로 10% 이하인, 강도 및 연화저항성이 향상된 선재. - 제1항에 있어서,
선재의 직경을 D라고 할 때, 길이방향과 수직인 단면의 중심으로부터 선재 표면 방향으로 0.25D까지의 영역에서,
탄소의 최대 함량(Cmax)과 탄소의 평균 함량(C0)의 비가 하기 식(1)을 만족하는, 강도 및 연화저항성이 향상된 선재.
식(1): Cmax/C0≤1.25 - 제1항에 있어서,
선재 표층의 탄소 함량이 0.90중량%을 초과하는 영역에서,
평균입경이 1㎛ 이상인 탄화물을 포함하는 베이나이트 조직이 면적분율로 90% 이상인, 강도 및 연화저항성이 향상된 선재. - 제1항에 있어서,
항복강도가 1000MPa 이상인, 강도 및 연화저항성이 향상된 선재. - 제1항에 있어서,
연신율이 12% 이상인, 강도 및 연화저항성이 향상된 선재. - 중량%로, C: 0.8 내지 1.1%, Si: 0.1 내지 0.3%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Cr: 0.4 내지 1.0%, Mo: 0.5 내지 1.0%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 1000 내지 1200℃의 가열로에서 90 내지 120분 유지하는 단계;
상기 빌렛을 압연하여 선재를 제조하는 단계;
상기 제조한 선재를 900 내지 980℃에서 권취하는 단계;
상기 권취한 선재를 권취 온도로부터 500℃까지 10 내지 15℃/s의 냉각속도로 제1 냉각하는 단계; 및
상기 냉각한 선재를 500℃부터 300℃까지 0.1℃/s 이하의 냉각속도로 제2 냉각하는 단계;를 포함하는, 강도 및 연화저항성이 향상된 선재의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 압연은 1000 내지 1200℃에서 마무리 압연하는 단계를 포함하는, 강도 및 연화저항성이 향상된 선재의 제조방법. - 중량%로, C: 0.8 내지 1.1%, Si: 0.1 내지 0.3%, Mn: 0.2 내지 0.8%, Cr: 0.4 내지 1.0%, Mo: 0.5 내지 1.0%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
강선의 길이방향과 수직한 단면의 500nm2 영역에서 MC탄화물(여기서, M은 Cr 또는 Mo)의 수가 10개 이상인, 강도 및 연화저항성이 향상된 강선. - 제8항에 있어서,
600℃에서 30분 유지한 후의 항복강도가 780MPa 이상인, 강도 및 연화저항성이 향상된 강선. - 제8항에 있어서,
600℃에서 30분 유지한 후,
인장강도에 대한 항복강도의 비가 0.35 이상인, 강도 및 연화저항성이 향상된 강선. - 제8항에 있어서,
항복강도가 2200MPa 이상인, 강도 및 연화저항성이 향상된 강선. - 제8항에 있어서,
100D 기준으로, 딜라미네이션(Delamination)이 발생하지 않는 비틀림 횟수가 12회 이상인, 강도 및 연화저항성이 향상된 강선. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 강도 및 연화저항성이 향상된 선재를 신선하는 단계;를 포함하는, 강도 및 연화저항성이 향상된 강선의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
| KR20110014853A (ko) | 2009-08-06 | 2011-02-14 | 주식회사 포스코 | 고강도 ｐｃ강연선용 선재, ｐｃ강연선 및 그 제조방법 |
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