KR100544644B1 - 고강도 고탄소강 선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신선용 소재로 사용되는 고강도 탄소강 선재 제조 방법에 관한 것으로, 그 목적은 중탄소강 선재를 제조함에 있어 급속 냉각에 의한 잠열 및 변태 잠열을 이용하여 결과적으로 고강도 선재를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로 C : 0.6-1.0%, Mn :0.1- 1.0%, Si : 0.1-0.5%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛을 가열 후 열간선재압연후 급냉하여 850~750℃의 온도로 권취한 다음, 30~80℃/sec의 냉각속도로 530~560℃의 범위까지 냉각하고 이후 10℃/sec이하의 속도로 냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 고강도 고탄소강 선재의 제조방법에 관한 것을 그 기술요지로 한다.

선재, 마르텐사이트, 변재잠열, 페라이트, 펄라이트

Description

고강도 고탄소강 선재의 제조방법{Method for manufacturing high carbon wire rod having superior strength}

도 1은 연속냉각시 소재의 온도 변화를 나타내는 그래프

도 2는 2. 0.82중량%C-0.4중량%Mn-0.3중량%Si강의 연속 변태곡선

도 3은 0.82 중량%C-0.7 중량%Mn강의 80℃/sec냉각 후 10℃/sec로 냉각속도 변화시 냉각속도 변화 개시 변화 온도에 따른 미세조직사진

본 발명은 신선용 소재로 사용되는 고강도 탄소강 선재 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 압연후 냉각도중 빠른 냉각속도에서 변태 도중의 변태 잠열을 이용하여 베이나이트 마르텐사이트가 없는 페라이트+펄라이트 또는 펄라이트 조직의 고강도 선재를 제조하는 방법이다.

PC강선 비드와이어, 와이어 로프 등에 사용되는 강선의 강도를 증가시키는 방법은 신선 가공량 증대에 의한 방법과 소재의 강도 향상에 의한 방법으로 구분할 수 있 다. 신선 가공량 증대에 의한 방법은 비교적 손쉽게 접근할 수 있으나 신선 가공량이 증가하면 강선의 연성이 감소하여 제품화가 곤란한 경우가 많다. 따라서 소재의 강도 향상에 의한 강도 향상 방법이 가장 널리 이용되는 방법이다.

0.6중량%C 이상의 탄소강의 신선성 및 강도를 향상시키기 위한 방법으로는 탄소량을 증가시키거나 냉각속도를 증가시켜 미세한 펄라이트 층간간격을 얻는 방법이 있다. 미세한 펄라이트 층간간격을 확보하기 위해서는 통상 압연직후 20~30℃/sec 이상의 빠른 냉각속도로 냉각하여 오스테나이트에서 펄라이트 변태시 과냉도를 크게 해야 한다. 그러나 일정 냉각속도 이상으로 냉각하면 오스테나이트가 전부 펄라이트로 변태하기 전에 저온으로 냉각되어 일부 미 변태된 오스테나이트에서 베이나이트 또는 마르텐사이트가 형성된다. 이처럼 형성된 마르텐사이트는 매우 경한 상으로 신선 도중 변형이 거의 되지 않아 균열의 발생 위치로 작용하여 신선 도중 단선을 유발한다. 따라서 우수한 신선성을 유지하기 위하여서는 이러한 마르텐사이트 형성을 적극 억제하여야 한다. 또한 펄라이트와 베이나이트가 혼재되어 있으면 강도와 연성이 감소한다. 따라서 이러한 베이나이트 또는 마르텐사이트 형성을 적극 억제하는 것이 필요하다.

고강도 선재를 제조하기 위하여 냉각속도를 일정 냉각속도 이하로 제한하면서 합금원소를 첨가하거나 탄소량을 증가시키는 방법 등을 이용할 수 있는데, 이러한 기술은 널리 이용되고 있다. 그러나, 이러한 방법은 탄소량 증대 및 합금 원소의 증가 에 의하여 신선 가공 도중 신선성이 감소할 수 있다. 한편, 냉각 초기에는 급냉을 실시한 후 미변태된 오스테나이트를 마르텐사이트로의 변태를 억제하기 위하여 500℃전후에서 냉각속도를 낮추거나 유지시키는 방법도 제시하고 있다. 예를 들면 일본 특허공개공보 평7-90495호에서는 650~500℃까지 급냉 후 5초이상 5분이하의 시간동안 유지하는 방법을 제시하고 있다. 또한, 일본 특허공개공보 평5-156370은 고탄소강에서 450~~550℃ 까지 50℃/sec이상으로 냉각한 후 450℃ 이상의 온도에서 2분 동안 유지한 후 다시 냉각하는 방법등을 제시하고 있다. 그러나 이러한 방법들은 마르텐사이트 형성 억제에는 효과적이나 실제 생산시 정밀 온도 제어를 위한 설비가 필요하거나 대량 생산시 필연적으로 수반되는 온도 편차에 의하여 저온 조직이 발생할 가능성이 있다. 또한 일본 특허공개공보 평10-17943은 미스트를 이용하여 20℃/sec 이상에서 수냉에 가까운 냉각속도에 고강도 소재를 제조하는 방법을 제시하고 있는데 이들에 의하면 급냉 후 마르텐사이트 형성을 억제하기 위하여 급냉 후 -2~3℃/sec로 서냉 또는 보열 커버를 이용하여 온도를 상승하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 이러한 방법은 추가 설비가 필요하고 또한 급냉 완료 온도를 450~500℃로 제어하여 이러한 온도 영역에서는 베이나이트가 형성되는 문제점이 있다.

한편, 열간압연선재의 조절 냉각법으로는 스텔모아 법이 대표적으로, 대부분의 업계에서 널리 사용하고 있다. 그 방법은 850C~900℃ 정도에서 열간 압연 선재를 권취하고 컨베이어상에서 바람을 불어 냉각을 하는 방법이다. 이때 컨베이어에서의 코일의 이동 속도를 변경시켜 냉각대에서의 유지 시간을 변경시킬 수 있다. 즉 동일한 조건에서 이동 속도를 변경시키면 냉각되는 시간을 변경시키면 냉각이 종료되는 온도가 변할 수 있다.

본 발명에서는 0.6중량%이상의 C를 함유하는 선재를 제조함에 있어 급속 냉각에 의한 잠열 및 변태 잠열을 이용하여 결과적으로 고강도 선재를 제조하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선재제조방법은, 중량%로 C : 0.6-1.0%, Mn :0.1- 1.0%, Si : 0.1-0.5%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛을 가열 후 열간 선재 압연후 급냉하여 850~750℃의 온도로 권취한 다음 30~80℃/sec의 냉각속도로 530~560℃의 범위까지 냉각하고 이후 10℃/sec이하의 속도로 냉각하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명에서는 냉각대를 스텔모아 상에 일정길이로 설치하고 콘베이어 이동 속도를 변경하면 소재의 냉각과정을 변화시킬 수 있다는 점에 착안하여 냉각도중 펄라이트 변태시 변태 잠열을 이용하면 저온조직의 발생 없이 소재의 고강도화를 꽤 할 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성한 것이다. 이러한 본 발명의 강성분계의 조성범위 먼저 설명한다.

·C: 0.6~1.0%

상기 C는 강도 상승에 매우 효과적인 원소로 0.6%이상 첨가하는데 사용 용도에 따라 그 첨가량이 변화시킬 수 있다. 그러나, 탄소의 첨가량이1.0%이상 포함된 강에서는 초석 세멘타이트 및 세멘타이트 분률이 증가하여 신선성을 급격히 저하된다.

·Si: 0.1~0.5%

Si은 강의 탈산에 필요한 원소로서 그 함유량이 0.1%미만으로 너무 작을 경우 탈산효과가 충분하지 않으며, Si이 선재 제조시 가열로에서 강괴의 탈탄을 조장하므로 그 상한을 0.5%로 제한함이 바람직하다.

·Mn:0.1~1.0%

Mn은 강의 제조시 탈산 효과 뿐 아니라 소재내의 황과 더불어 유화망간(MnS)을 형성시켜 황에 의한 적열취성을 방지하므로 0.1%이상 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, 망간은 강도 상승과 층간간격을 미세화시키는 데는 매우 효과적인 원소이나 과다하게 첨가될 경우 편석대의 망간양이 매우 증가되어 마르텐사이트 형성의 가능성이 높아지므로 1.0%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 조성되는 빌렛으로 냉각선재압연하고 권취한 다음에 냉각조건을 제어하여 변태잠열을 이용함으로써 베이나이트와 마르텐사이트와 같은 저온조직을 피하면서 페라이트+펄라이트의 조직을 갖는 선재로 제조하는데, 이때 그 냉각조건의 설 정에 대하여 야금학적인 측면에서 구체적으로 설명한다.

도 1은 압연 후 강재를 오스테나이트 영역으로부터 상온까지 냉각할 때 소재의 온도변화의 예로서, 일정 냉각속도로 냉각되는 도중 변태가 시작되면 변태에 의한 잠열에 의하여 온도가 상승하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 이러한 변태 잠열을 이용하기 위해서는 연속 냉각시 변태전의 최대 냉각속도는 적어도 펄라이트 변태가 시작될 수 있는 냉각속도가 되어야 한다. 이 보다 빠른 냉각속도에서는 펄라이트가 변태되지 않고 저온 조직으로 변태가 먼저 시작된다. 또한 이보다 낮은 냉각속도에서는 펄라이트 또는 페라이트 변태가 상대적으로 높은 온도에서 시작되어 강도가 낮아지게 된다. 한편, 펄라이트 변태가 개시된 이후 냉각속도를 지속적으로 증가시키면 미 변태된 펄라이트로부터 마르텐사이트가 발생하게 된다.

즉, 도 2는 0.82중량%C-0.4중량%Mn-0.3중량%Si강의 냉각속도에 따른 변태곡선을 보이고 있다. 약 550℃전후에서 존재하는 펄라이트 변태 노우즈(nose)부분으로 급속 냉각한 후 이후 온도를 이 온도에 유지하면 전부 펄라이트로 변태 시킬 수 있으나, 이후 계속되는 냉각에서는 베이나이트 혹은 마르텐사이트 조직이 나올 수 있음을 알 수 있다. 한편, 오스테나이트로부터 이 보다 빠른 속도로 냉각되면 오스테나이트로부터 베이나이트가 먼저 석출하게 된다. 따라서 펄라이트 조직을 얻을 수 있는 최대 냉각속도는 펄라이트 변태 노우즈(nose)를 걸치는 까지의 냉각속도이다. 그러나, 지속적으로 이러한 냉각속도로 냉각하면 미 변태된 오스테나이트로부터 저온 조직이 발생하므로 강도가 저하되지 않는 범위에서 냉각속도를 감소시켜야 저온 조직이 없는 펄라이트 또는 펄라이트+페라이트 조직을 확보할 수 있으며 또한 높은 인장강도를 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기와 같이 빌렛을 열간선재압연하고 급냉하여 850~750℃로 권취한 다음, 냉각을 개시하는데, 이때의 냉각속도를 30~80℃/sec로 한다. 냉각속도가 80℃/sec 보다 빠른 경우에는 오스테나이트로부터 베이나이트가 먼저 석출하므로 이 보다 냉각속도를 낮추어야 한다. 냉각속도가 30℃/sec 보다 늦은 경우에는 현재 생산되는 제품에 비하여 강도 상승을 꾀할 수 없다.

이후 상기한 냉각속도로 냉각하다가 530~560℃의 범위에서는 냉각속도를 10℃/sec로 낮추어 냉각하는 것이다. 냉각속도를 계속하여 10℃/sec 보다 빠른 냉각속도로 냉각하면 베이나이트 혹은 마르텐사이트의 저온조직이 나올 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

0.82중량%C-0.7중량%Mn-0.3중량%Si의 화학성분을 갖는 빌렛(billet)를 연속 압연 후 800℃에서부터 80℃/sec의 냉각속도로 연속냉각을 실시하였다. 30℃/sec이하의 냉각속도에서는 펄라이트 조직을 확보할 수 있었으나 35℃/sec~80℃/sec의 냉각속도 범위에서는 펄라이트 변태가 우선적으로 되고 이후 일부 베이나이트 또는 마르 텐사이트가 냉각속도에 의존하여 석출되었다.

이처럼 마르텐사이트가 형성되는 임계 냉각속도를 아래 표 1에 나타내었다.

강종	마르텐사이트 형성 임계 냉각속도 (℃/sec)
0.72C+0.4Mn	45
0.72C+0.7Mn	40
0.82C	38
0.82C+0.7Mn	35

또한, 80℃/sec보다 빠른 냉각속도에서는 펄라이트 변태가 없는 마르텐사이트로 전부 변태됨을 알 수 있었다. 따라서, 신선재로 사용되는 선재의 경우 연속 냉각시 강종 변화에 관계없이 30~50℃/sec이상의 냉각속도에서는 베이나이트 혹은 마르텐사이트 형성을 피할 수 없다.

따라서, 이러한 마르텐사이트 형성이 가장 낮은 냉각속도에서 석출되는 0.82중량%C-0.7중량%Mn강을 열간 압연 이후 800℃에서부터 펄라이트 변태가 시작될 수 있는 최대 냉각속도인 80℃/sec로 냉각도중 임의의 온도에서 10℃/sec로 냉각속도를 변화시켰을 때, 냉각속도 변경 온도에 따른 미세조직 변화를 도 3에 나타내었다. 도 3에서 보는 바와 같이, 530℃이상에서 냉각속도를 변경하였을 경우에는 베이나이트 상의 형성은 없었으나 그 이하의 온도에서 냉각속도를 변경 시킬 경우 베이나이트 상이 형성되고 있다. 따라서 연속냉각에서는 35℃/sec이상에는 베이나이트 또는 마르텐사이트가 형성되고 있으나 냉각도중 냉각속도를 530℃이상에서 10℃/sec이하로 감소시키면 저온 조직이 없는 펄라이트 조직을 확보할 수 있었다.

표 2는 이처럼 냉각을 제어할 경우의 냉각속도 변화에 따른 인장강도 변화를 보이고 있다. 이때 냉각속도 변경 온도는 850℃에서 연속냉각 도중 급냉 설비에 유지되는 시간을 변경함으로써 제어하였다. 즉 통상의 스텔모아 설비 위에 35~80℃/sec의 냉각 효율을 갖는 설비를 설치 한 후 콘베아 이동 속도를 약 0.5~1.0m/sec의 속도로 이동하여 약 4~10sec동안 급냉 한 후 이후 냉각은 통상의 스텔모아 설비를 이용하여 10℃/sec이하로 제어하였다.

	오스테나이트 결정립 크기	초기 냉각속도	2차냉각속도	저온 조직 형성 유무	인장강도 (kg/mm2)	비고
0.82C+0.7Mn	12	25	-	무	121.7	비교재
	12	80	10	무	130	발명재
	12	95	10	유	120	비교재
	12	80	18	유	-	비교재
	13	58	8	무	128	발명재
	14	46	5	무	126	발명재
	15	35	5	무	124	발명재
0.72C+0.4Mn	12	25	-	무	106	비교재
	12	80	10	무	115	발명재
	13	58	8	무	111	발명재
	14	46	5	무	110	발명재
	15	35	5	무	109	발명재

표 2에 나타난 바와 같이, 2차 냉각속도를 빠르게 할 경우에는 미변태된 오스테나이트로부터 일부 미세한 마르텐사이트가 형성되었으며 또한 1차 냉각을 95℃/sec로 할 경우 거의 마르텐사이트로 변태되어 본 발명에서 얻고자 하는 특성을 얻지 못하였다. 그러나, 표 2에서 보는 바와 같이 냉각속도의 상승과 변태 전후에 냉각속도를 적절히 제어 함으로써 연속 냉각에 의한 제조된 소재에 비하여 펄라이트 조직에 서 약 10%이상의 강도 상승을 꾀 할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 급속 냉각에 의한 잠열 및 변태 잠열을 이용하여 고강도 선재를 제조할 수 있는 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims (2)

1. 중량%로 C : 0.6-1.0%, Mn :0.1- 1.0%, Si : 0.1-0.5%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛을 가열 후 열간선재압연후 급냉하여 850~750℃의 온도로 권취한 다음 30~80℃/sec의 냉각속도로 530~560℃의 범위까지 냉각하고 이후 10℃/sec이하의 속도로 냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 고강도 고탄소강 선재의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 선재는 페라이트+펄라이트 또는 펄라이트 조직을 갖음을 특징으로 하는 고강도 고탄소강 선재의 제조방법.

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