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KR101987670B1 - 내부 재질이 균일한 고탄소 선재 및 그 제조 방법 - Google Patents

내부 재질이 균일한 고탄소 선재 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR101987670B1
KR101987670B1 KR1020170178048A KR20170178048A KR101987670B1 KR 101987670 B1 KR101987670 B1 KR 101987670B1 KR 1020170178048 A KR1020170178048 A KR 1020170178048A KR 20170178048 A KR20170178048 A KR 20170178048A KR 101987670 B1 KR101987670 B1 KR 101987670B1
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wire rod
wire
uniform internal
internal material
pearlite
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박준학
박용식
박세원
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주식회사 포스코
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Publication date
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Abstract

내부의 재질이 균일하여 후속 인발 가공성이 향상된 선재, 강선 및 그들의 제조 방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내부 재질이 균일하여 인발 가공성이 높은 고탄소 선재는, 중량%로, 탄소(C): 0.8 내지 1.0%, 실리콘(Si): 0.15 내지 1.5%, 망간(Mn): 0.2 내지 0.8%, 크롬(Cr): 0.2 내지 0.8%, 알루미늄(Al): 0.05% 이하(0은 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 펄라이트 상을 기지조직으로 하며, 하기 식 (1)을 만족한다.
(1) 5 ≤ C*N ≤ 15
(여기서, C는 탄소의 함량(중량%)을, N은 선재의 반경을 R로 표시할 때, 표면으로부터 0.5R 지점에서 측정한 펄라이트 노듈(Nodule) 크기(㎛)를 의미한다.)

Description

내부 재질이 균일한 고탄소 선재 및 그 제조 방법{HIGH CARBON WIRE MATERIAL WITH UNIFORM INTERNAL MATERIAL AND MANUFACTURING OF THE SAME}
본 발명은 내부 재질이 균일하여 인발 가공성이 높은 고탄소 선재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
선경 10~15mm로 생산되는 고강도 선재는 열처리 및 가공을 통하여 고강도 강선으로 만들어지며, 강선은 다양한 형태로 산업 전반 곳곳에서 사용되고 있다. 대표적인 형태로 현수교, 사장교 등의 교량용 케이블, 콘크리트 보강용으로 사용되는 PC 강선, 대형 건축물이나 구조물용 케이블, 해상 유전이나 각종 구조물을 지지하는 앵커로프(Anchor rope) 등이 있다.
고강도 선재를 강선으로 가공할 때는 통상 인발(Drawing)을 거치게 되는데 이는 다른 가공 조건에 비하여 허용되는 냉간 가공량이 많아 가공 경화 효과를 최대한 활용할 수 있기 때문이다.
한편, 상기의 인발 가공은 미세조직을 페라이트와 세멘타이트의 층상 구조로 이루어진 펄라이트로 제어할 때 매우 유리하다. 이는 냉간가공 시 페라이트와 세멘타이트의 계면에서 전위의 생성이 활발하여 가공경화 효과가 클 뿐만 아니라 강도 확보에는 유리하지만 취성이 열위한 세멘타이트가 인발가공 시 정수압 변형 조건에서 활성화되는 추가적인 슬립계로 인하여 소성 가공능 또한 확보되기 때문이다.
이때, 소재 표면부와 중심부의 재질 편차를 최소화 하는 것이 중요하다. 그렇지 않을 경우 인발가공 중 소재 내부의 국부적인 영역에서 응력 집중이 심화되어 단선으로 이어질 수 있으며, 최종 강선에서 소재 표면에서 내부로 전파하는 크랙에 민감한 물성(예를 들어, 비틀림 특성)이 열위해 질 수 있다.
이러한 상황에서 인발가공 하였을 때 표면부와 중심부의 재질 편차를 최소화 할 수 있는 소재란 열간 압연 혹은 열처리한 인발 가공 전에 표면부와 중심부의 강도 수준과 가공 경화율을 조사하였을 때 그 차이가 작은 소재라 할 수 있다.
펄라이트 조직에서 위의 두 가지 물성에 영향을 미치는 인자는 층상간격(Interlamellar Spacing) 이다. 즉 층상간격이 미세할수록 강도 수준 및 가공 경화율이 모두 높다. 그렇지만 현재의 고강도 선재를 제조하는 공정; 즉 열간 압연 혹은 열처리한 소재를 냉각하여 인발 가공 전의 소재를 준비하는 과정에서는 필연적으로 소재의 표면부는 중심부 보다 층상 간격이 더 미세하게 되는데, 이는 표면부의 냉각속도가 항상 더 빠른 자연현상에 기인하다. 결국 표면부는 중심부 보다 초기 강도가 높고 가공 경화율이 높아 인발 가공 시 재질 불균형을 초래한다.
기존 연구에서는 이를 소재의 냉각능 개선과 관련된 문제로 인식하여 이를 개선할 수 있는 공정 측면의 연구가 많이 제시되었다. 그렇지만 본 발명자들은 표면부와 중심부의 재질 편차에 상변태 전의 미세조직학적 인자가 관여함을 발견하여 본 발명을 제시하기에 이르렀다.
본 발명의 실시예들은 변태발열을 억제하여 내부 재질이 균일한 인발 가공성이 향상된 선재, 강선 및 이들의 제조방법를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내부 재질이 균일한 선재는, 중량%로, 탄소(C): 0.8 내지 1.0%, 실리콘(Si): 0.15 내지 1.5%, 망간(Mn): 0.2 내지 0.8%, 크롬(Cr): 0.2 내지 0.8%, 알루미늄(Al): 0.05% 이하(0은 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 펄라이트 상을 기지조직으로 하며, 하기 식 (1)을 만족한다.
(1) 5 ≤ C*N ≤ 15
여기서, C는 탄소의 함량(중량%)을, N은 0.5R 지점에서 측정한 펄라이트 노듈(Nodule) 사이즈를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 보론(B): 0.0003 내지 0.0008% 또는 코발트(Co): 0.01 내지 0.015%를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 식 (2)로 표현되는 소재 표면 100㎛ 직하에서 0.5R R은 선재의 반경을 의미) 지점 사이의 영역에서 거리당 경도의 감소율이 30 HV/mm 이하를 만족할 수 있다.
(2) Δ경도/Δ거리
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 식 (3)으로 표현되는 소재 표면 100㎛ 직하에서 0.5R R은 선재의 반경을 의미) 지점 사이의 영역에서 거리당 1/√L의 변화율이 0.34 /mm 이하를 만족할 수 있다.
(3) (Δ1/√L)/거리
여기서, L은 펄라이트 라멜라 간격(㎛)을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 펄라이트 노듈의 크기는 5 내지 20㎛일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 내부 재질이 균일한 선재의 제조방법은, 중량%로, 탄소(C): 0.8 내지 1.0%, 실리콘(Si): 0.15 내지 1.5%, 망간(Mn): 0.2 내지 0.8%, 크롬(Cr): 0.2 내지 0.8%, 알루미늄(Al): 0.05% 이하(0은 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 가열하는 단계; 상기 가열된 빌렛을 압연하여 선재를 얻는 단계; 상기 선재를 750 내지 950℃에서 권취하는 단계; 및 변태발열이 시작되는 온도를 540 내지 680℃로, 변태발열에 의해 증가되는 온도가 50℃ 이하가 되도록, 상기 권취된 선재를 490 내지 630℃의 온도 범위에서 냉각속도를 5~30/s로 제어하면서 냉각하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 권취된 선재의 냉각은 2 내지 20초 동안 진행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 빌렛 가열온도는 950 내지 1100℃일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 선재 압연의 마무리 압연 온도는 900 내지 1000℃일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 선재는 하기 식 (1)을 만족할 수 있다.
(1) 5 ≤ C*N ≤ 15
여기서, C는 탄소의 함량(중량%)을, N은 선재의 반경을 R로 표시할 때, 표면으로부터 0.5R 지점에서 측정한 펄라이트 노듈(Nodule) 크기(㎛)를 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 내부 재질이 균일한 선재는 인발 가공성이 우수하여 다양한 분야에 적용이 가능하다.
도 1은 소재에서 거리당 재질 변화율 측정법을 도식화한 도면이다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명자들은 열간 압연 혹은 열처리 후 냉각 시 표면부와 중심부의 층상간격을 균일하게 할 수 있는 방안을 연구한 끝에 표면부와 중심부의 변태발열이 상변태 전의 미세조직에 의해서도 달라질 수 있음을 발견하였다.
즉 냉각시 표면부는 중심부보다 이른 시점에 상변태를 하게 되는데 이 때 변태발열이 발생한다. 이는 소재가 오스테나이트에서 펄라이트로 상변태 할 때 화학적 상태 에너지 차이에 기인하여 국부적으로 소재가 발열되는 현상이다. 변태발열은 소재 중심부로부터의 열전달을 방해하여 중심부의 냉각속도를 더욱 늦추게 된다.
본 발명에서는 상기의 변태발열 정도가 펄라이트 노듈 크기가 작을수록 더욱 커짐을 발견하였는데, 이는 결정립 크기가 작을수록 펄라이트 핵생성 사이트가 증가하여 상변태가 짧은 시간에 급속하게 이루어지기 때문이라고 추정돤다. 즉, 결정립이 미세할수록 변태발열이 커서 중심부의 냉각속도를 더욱 늦추게 되고 그로 인하여 표면과 중심부의 재질 편차는 더욱 커지게 되는 것이다.
본 발명에서는 합금 성분과 더불어 제조조건을 최적화하여 변태발열을 효과적으로 억제함으로써 내부 재질이 균일한 선재를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내부 재질이 균일한 선재는, 탄소(C): 0.8 내지 1.0%, 실리콘(Si): 0.15 내지 1.5%, 망간(Mn): 0.2 내지 0.8%, 크롬(Cr): 0.2 내지 0.8%, 알루미늄(Al): 0.05% 이하(0은 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 함금성분 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.8 내지 1.0%이다.
탄소(C)는 강선에서 세멘타이트(Cementite)를 형성하는 원소로서, 상기 세멘타이트는 페라이트(Ferrite)와 함께 층상 구조의 펄라이트(Pearlite)를 형성한다. 세멘타이트는 페라이트에 비해 고강도이므로, 세멘타이트의 분율이 높을수록 소재의 강도가 증가하게 된다. 또한, 층상 구조의 간격이 균일하고 미세할수록 소재의 강도를 더 향상시킬 수 있다.
C는 세멘타이트 분율을 향상시키고, 라멜라 층상 구조의 간격을 미세화하는 원소로서, 선재의 강도를 향상시킬 수 있어 0.8% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 초석 세멘타이트의 분율이 과다해져 연성이 저하되는 문제가 있는 바, 그 상한을 1.0%로 한정할 수 있다.
Si의 함량은 0.15 내지 1.5%이다.
실리콘(Si)은 기지조직인 페라이트에 고용되어 강을 강화시키는 원소로서, 선재를 강선으로 가공하는 경우 세멘타이트 분절(fragmentation)을 억제하여 인발 가공 후에도 건전한 라멜라 구조를 유지시킬 수 있어 0.15% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 소입성을 크게 증가시켜 선재 압연 후 연속냉각 과정에서 마르텐사이트를 생성시키는 문제가 있는 바, 그 상한을 1.5%로 한정할 수 있다.
Mn의 함량은 0.2 내지 0.8%이다.
망간(Mn)은 펄라이트 변태를 지연시키는 원소로서, 다소 느린 냉각속도에서도 미세한 펄라이트가 용이하게 생성되도록 하여 0.2% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 소입성이 크게 증가되어 연속냉각 과정에서 마르텐사이트를 생성시키는 문제가 있는 바, 그 상한을 0.8%로 한정할 수 있다.
Cr의 함량은 0.2 내지 0.8%이다.
크롬(Cr)은 펄라이트의 라멜라 층간간격을 미세화하는 원소로서, Si과 마찬가지로 인발시 세멘타이트의 분절을 억제할 수 있어 0.2% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 소입성을 크게 증가시켜 선재 압연 후 연속냉각 과정에서 마르텐사이트를 생성시킬 우려가 있으며, 고가의 원소로서 제조원가가 상승하는 문제가 있는 바, 그 상한을 0.8%로 한정할 수 있다.
Al의 함량은 0.05% 이하(0은 제외)이다.
알루미늄(Al)은 산소와 반응하기 쉬운 원소로, 제강의 탈산 반응에 활용되는 대표적인 원소이다. 다만, Al은 강 중에 존재하는 경우, 개재물을 생성할 우려가 있으므로, 가능한 강 중에 잔존하지 않도록 제어하는 것이 바람직하다.
또한, Al은 고온에서 탄소의 확산 거동에 관여하여 오스테나이징 가열 및 고온 유지시, C가 세멘타이트에서 페라이트로 용해되는 반응을 억제하여 용해되지 않은 세멘타이트를 잔존시킬 수 있어, 그 상한을 0.05%로 한정할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 내부 재질이 균일한 선재는, 보론(B): 0.0003 내지 0.0008% 또는 코발트(Co): 0.01 내지 0.015%를 더 포함할 수 있다.
B의 함량은 0.0004 내지 0.0008% 이다.
보론(B)은 오스나이트 입계에 편석되어 상변태를 지연시키는 원소로서, 상변태가 좁은 영역에서 단시간에 발생할 때 나타나는 변태발열 현상을 완화시켜 0.0004% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 지나친 상변태 지연효과로 인해 전체적인 재질 수준에 영향을 미치게 되어 마르텐사이트를 생성시키는 문제가 있는 바, 그 상한을 0.0008%로 한정할 수 있다.
Co의 함량은 0.01 내지 0.015% 이다.
코발트(Co)는 B과 마찬가지로 입계 에너지를 안정화하여 상변태를 지연시키는 원소로, 0.01% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 지나친 상변태 지연효과로 인해 전체적인 재질 수준에 영향을 미치게 될 뿐만 아니라, 고가의 원소로서 제조원가가 상승하는 문제가 있는 바, 그 상한을 0.015%로 한정할 수 있다.
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 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 합금조성을 만족하는 내부 재질이 균일한 선재는 미세조직으로 펄라이트 상을 기지조직으로 하며, 하기 식 (1)을 만족할 수 있다.
(1) 5 ≤ C*N ≤ 15
여기서, C는 탄소의 함량(중량%)을, N은 선재의 반경을 R로 표시할 때, 표면으로부터 0.5R 지점에서 측정한 펄라이트 노듈(Nodule) 크기(㎛)를 의미한다.
본 발명자들은 재질 편차에 영향을 주는 변태발열 정도는 탄소 함량과 펄라이트 노듈(Nodule) 크기의 곱에 의존함을 확인하였다. 이는 전술한 바와 같이 변태발열의 원인이 되는 상변태 에너지가 탄소 함량에 밀접하게 연관되어 있고, 이때의 발열 과정에 펄라이트 노듈 크기가 관여하여 생긴 결과이다.
C*N 값이 5 미만일 경우에는 변태발열이 충분히 억제되지 못하여 재질 편차가 큰 소재가 만들어지는 반면, C*N 값이 15 초과일 경우에는 노듈 크기가 너무 커서 인발가공시 수반되는 펄라이트 조직의 회전이 원할하지 않아 세멘타이트가 분절되는 문제가 발생한다.
또한, 개시된 실시예에 따른 내부 재질이 균일한 선재는 식 (2)로 표현되는 소재 표면 100㎛ 직하에서 0.5R R은 선재의 반경을 의미) 지점 사이의 영역에서 거리당 경도의 감소율이 30 HV/mm 이하일 수 있다.
(2) Δ경도/Δ거리
만일 식 (2)의 값이 30 HV/mm 를 초과할 경우, 내부의 재질 편차 수준이 과다하여 인발가공 중에 국부적인 영역에서 응력이 집중되어 결함 발생확률이 높아지는 문제가 있다.
또한, 개시된 실시예에 따른 내부 재질이 균일한 선재는 식 (3)으로 표현되는 소재 표면 100㎛ 직하에서 0.5R R은 선재의 반경을 의미) 지점 사이의 영역에서 거리당 1/√L 의 변화율이 0.34/mm 이하일 수 있다.
(3) (Δ1/√L)/거리
여기서, L은 펄라이트 라멜라 간격(㎛)을 의미한다.
만일 식 (3)의 값이 0.34/mm 초과할 경우, 내부의 재질 편차 수준이 과다하여 인발가공 중에 국부적인 영역에서 응력이 집중되어 결함 발생확률이 높아지는 문제가 있다.
도 1은 소재에서 거리당 재질 변화율 측정법을 도식화한 도면이다. 도 1을 참조하면, 거리당 경도의 감소율 및 거리당 1/√L의 변화율을 측정한 영역을 소재 표면 100㎛ 직하에서 0.5R 지점 사이로 한정한 것은 표면부 탈탄층 및 중심부의 편석대가 재질에 미치는 영향을 배제하기 위함이다.
이하, 본 발명의 다른 일 측면인 내부 재질이 균일한 선재의 제조방법이 구체적으로 설명된다.
상기 선재는 당해 기술분야에서 통상적으로 널리 알려진 다양한 선재 제조 기술을 통해 제조할 수 있으나, 바람직하게는 후술하는 일련의 공정을 거쳐 제조될 수 있다.
개시된 실시예에 따른 내부 재질이 균일한 선재의 제조방법은 상술한 합금조성을 만족하는 빌렛을 가열하는 단계와, 빌렛을 선재 압연하는 단계와, 선재를 제어된 온도조건에서 권취하는 단계와, 선재를 제어된 온도조건에서 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저 중량%로, 탄소(C): 0.8 내지 1.0%, 실리콘(Si): 0.15 내지 1.5%, 망간(Mn): 0.2 내지 0.8%, 크롬(Cr): 0.2 내지 0.8%, 알루미늄(Al): 0.05% 이하(0은 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛(Billet)을 제조한 후, 이를 오스테나이트 단상으로 균질화하는 가열 단계를 거친다.
가열 온도는 950 내지 1100℃인 것이 바람직하다.
후속하는 선재압연의 온도 영역을 확보하기 위해, 개시된 실시예에서는 가열 온도를 950℃ 이상으로 유지할 수 있다. 다만, 스케일 생성 및 탈탄 현상으로 인해 표면 품질이 열위해지는 문제를 방지하기 위해 가열 온도를 1100℃ 이하로 설정할 수 있다.
이때, 가열된 빌렛의 미세조직은 오스테나이트 단상일 수 있다.
이후, 상기 가열된 빌렛을 선재 압연한 후 냉각하는 단계를 거친다.
이때, 선재압연 단계에서는 900 내지 1000℃의 온도범위에서 마무리 압연을 행하는 것이 바람직하다.
압연 부하에 의해 압연롤이 파손되는 것을 방지하기 위해, 개시된 실시예에서는 마무리 압연 온도를 900℃ 이상으로 유지할 수 있다. 다만, 오스테나이트 결정립이 조대해져 강도가 열위해지는 문제를 방지하기 위해 마무리 압연 온도를 1000℃이하로 설정할 수 있다.
이어서, 통상적인 수냉을 통하여 후속하는 권취 단계를 위한 온도범위까지 냉각하는 과정을 포함할 수 있다.
이후, 상기 제조된 선재를 권취하는 단계를 거친다.
통상적으로, 펄라이트 조직의 노듈은 압연 후 존재하는 오스테나이트의 입계에서 펄라이트 상변태를 동반하며 성장하게 되는데, 일반적으로 오스테나이트의 결정립이 조대할수록 펄라이트 조직의 노듈 크기도 조대한 특징이 있다.
상기 오스테나이트는 압연 직후에는 핵생성 상태로 남아있다가 권취 후 냉각 과정에서 성장하기 때문에, 권취온도가 높으면 오스테나이트 성장이 가능한 온도 영역대가 상대적으로 고온이므로, 오스테나이트가 조대하게 되어 펄라이트 노듈 역시 조대하게 된다. 따라서 권취온도는 펄라이트 조직의 노듈 크기를 제어하는 중요한 인자이다.
본 발명에서는 0.5R 위치의 오스테나이트 결정립 크기가 5㎛ 이상 20㎛ 이하로 제어되어야 하므로, 권취온도는 선재 표면을 기준으로 750 내지 950℃일 수 있다. 바람직하게, 권취온도는 760 내지 940℃일 수 있다.
이후, 상기 권취된 선재를 냉각하는 단계를 거친다.
이때, 냉각 단계에서 발열이 시작되는 온도는 540 내지 680℃ 범위로 제어할 수 있다. 상기 발열은 상변태에 기인하는 데, 상변태 온도가 높으면 펄라이트 노듈이 커지고 상변태 온도가 낮으면 펄라이트 노듈 크기도 작아진다.
만일, 상변태 온도가 540℃ 미만이면 펄라이트 노듈 크기가 5㎛ 이하가 되어 변태발열 제어가 어렵고, 반면 상변태 온도가 680℃를 초과하게 되면 펄라이트 노듈 크기가 20 ㎛ 이상으로 조대해져, 후속 인발가공 시 펄라이트 조직의 회전이 원할하지 않아 세멘타이트 분절이 발생하여 내부 결함이 증가하는 문제가 발생한다.
또한, 발열에 의한 소재 온도 증가량을 50℃ 이하로 제어할 수 있다. 만일 증가량이 50℃ 를 초과할 경우, 변태발열이 충분히 제어되지 않아 소재 내부와 외부의 경도 및 층상 간격을 살펴 보았을 때 재질이 불균일해지는 문제가 발생한다.
본 발명에서는 발열이 시작되는 온도를 이른 바 '변태발열 구간'으로 지칭하고, 변태발열 직전의 50℃ 구간, 즉 490 내지 630℃에서의 냉각속도를 5~30/s로 제어하여 변태발열 발생시 증가되는 온도가 50 이하가 되도록 냉각할 수 있다. 또한, 변태발열 구간의 냉각시간은 2 내지 20초일 수 있다.
이때, 선재의 냉각은 통상의 냉각 공정으로 실시할 수 있다. 상기 냉각 공정의 대표적인 예로는 공냉, 송풍 냉각, 미스트 냉각, 염욕조 침지 등이 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예 1 내지 11
표 1에 기재된 합금조성을 만족하는 잉곳(70Kg)을 주조한 후 1100℃의 가열로에서 약 2시간 동안 가열한 다음, 가열로에서 추출하여 900℃ 이상의 온도에서 선경 13mm로 선재압연을 실시하였다. 이후 압연된 선재를 수냉하여 냉각한 다음, 750 내지 950℃에서 권취하였다.
이후, 스텔모어(stelmor) 라인 위에 권취된 선재를 세운 후 송풍량을 조절하거나 염욕조에 침지하여 유지시간을 조절하는 방식으로 선재의 변태발열 직전의 50 ℃ 구간, 즉 490 내지 630℃에서의 냉각속도를 5~30/s 로 제어하고, 변태발열 구간의 냉각시간은 2 내지 20 초가 되도록 냉각 하였다.
실시예 12 내지 17
상기 실시예 1 내지 11에서, 보론(B): 0.0003 내지 0.0008% 또는 코발트 (CO): 0.01~0.015% 를 1 종 이상 선택적으로 첨가한 것을 제외하고 나머지는 실시예 1 내지 11과 동일하게 수행하였다.
비교예 1 내지 4
상기 실시예 1 내지 17에서, 권취온도 및 발열 시작 온도가 상이한 것을 제외하고 나머지는 실시예 1 내지 17과 동일하게 수행하였다.
성분 조건 [wt%]
C Si Mn Cr Al B Co
실시예1 0.8 0.15 0.2 0.2 0.05    
실시예2 0.8 1.5 0.8 0.2 0.01    
실시예3 0.8 1.5 0.8 0.8 0.05    
실시예4 0.9 0.15 0.2 0.8 0.01    
실시예5 0.9 0.15 0.5 0.5 0.03    
실시예6 0.9 0.15 0.8 0.2 0.01    
실시예7 0.9 0.9 0.5 0.8 0.03    
실시예8 0.9 1.5 0.2 0.2 0.03    
실시예9 0.9 1.5 0.8 0.5 0.03    
실시예10 1 0.15 0.8 0.2 0.01    
실시예11 1 1.5 0.8 0.8 0.03    
실시예12 0.8 0.15 0.2 0.8 0.03   0.01
실시예13 0.8 1.5 0.2 0.8 0.04 0.0006  
실시예14 0.9 0.15 0.2 0.5 0.01   0.015
실시예15 0.9 0.9 0.8 0.8 0.01 0.0008  
실시예16 0.9 1.5 0.8 0.2 0.01 0.0004  
실시예17 1 0.15 0.8 0.2 0.05   0.012
비교예1 0.8 0.15 0.2 0.8 0.03   0.015
비교예2 0.9 0.15 0.5 0.5 0.03 0.0004  
비교예3 1 0.15 0.8 0.2 0.01   0.01
비교예4 0.8 1.5 0.2 0.8 0.04 0.0006  
실시예 및 비교예들의 냉각조건에 따른 재질을 조사하여 아래 표2 에 나타내었다.
펄라이트 노듈 사이즈의 경우, 선재의 단면에서 EBSD(Electron Backscatter Diffraction) 장비를 사용하여 페라이트 조직의 결정방위를 측정한 다음, 인접한 페라이트 결정의 방위차(Misorientation)가 8°이상인 경우를 노듈 경계로 정의하고, 이때 그려지는 경계선으로 이루어지는 결정립의 크기를 측정한 값을 나타내었다.
  권취온도 [℃] 냉각 단계 재질
발열시작 온도 [℃] 발열온도 [℃] 노듈크기 [㎛] 탄소함량* 노듈크기 Δ경도/Δ거리 (Δ1/√L)/거리 냉각 방법
실시예1 850 680 30 18 14.4 19 0.21 stelmor 송풍
실시예2 850 540 43 7 5.6 24 0.3 염욕조 침지
실시예3 750 680 39 11 8.8 22 0.26 stelmor 송풍
실시예4 850 580 40 9 8.1 22 0.25 stelmor 송풍
실시예5 750 540 50 6 5.4 30 0.34 염욕조 침지
실시예6 950 680 35 16 14.4 19 0.21 stelmor 송풍
실시예7 750 640 41 7 6.3 23 0.26 염욕조 침지
실시예8 850 540 43 7 6.3 24 0.32 염욕조 침지
실시예9 850 640 38 12 10.8 21 0.23 염욕조 침지
실시예10 950 580 37 12 12 21 0.25 stelmor 송풍
실시예11 950 680 35 15 15 19 0.21 stelmor 송풍
실시예12 750 640 36 8 6.4 23 0.26 염욕조 침지
실시예13 950 580 37 12 9.6 21 0.23 stelmor 송풍
실시예14 950 640 35 15 13.5 19 0.22 염욕조 침지
실시예15 950 580 37 12 10.8 21 0.23 stelmor 송풍
실시예16 950 680 35 16 14.4 19 0.21 stelmor 송풍
실시예17 750 540 50 5 5 30 0.34 염욕조 침지
비교예1 745 680 52 6 4.8 31 0.35 염욕조 침지
비교예2 955 540 50 17 15.3 29 0.34 stelmor 송풍
비교예3 850 685 49 16 16 30 0.34 염욕조 침지
비교예4 950 535 51 6 4.8 32 0.36 stelmor 송풍
표 2에 기재된 바와 같이, 실시예 1 내지 11의 경우 탄소 함량과 펄라이트 노듈 사이즈의 곱(C*N)이 5 이상 15 이하이고, 거리당 경도의 감소율이 30 HV/mm 이하이거나, 거리당 1/√L의 변화율이 0.34 /mm 이하로 내부 재질이 균일함을 알 수 있었다.
또한, 표 2에 기재된 바와 같이, 실시예 12 내지 17의 경우에도 탄소 함량과 펄라이트 노듈 사이즈의 곱(C*N)이 5 이상 15 이하이고, 거리당 경도의 감소율이 30 HV/mm 이하이거나, 거리당 1/√L의 변화율이 0.34 /mm 이하로 내부 재질이 균일함을 알 수 있었다.
표 1 및 표 2에 기재된 바와 같이, 비교예 1은 본 발명의 성분계를 모두 만족하지만, 권취온도가 750℃에 미달하여 탄소 함량과 펄라이트 노듈 사이즈의 곱(C*N)이 5미만으로 나타나 발열 온도가 50℃ 를 초과하였으며, 거리당 경도의 감소율 및 거리당 1/√L의 변화율이 각각 30 HV/mm, 0.34 /mm 를 초과하여 내부 재질이 불균일함을 확인할 수 있었다.
표 1 및 표 2에 기재된 바와 같이, 비교예 2는 본 발명의 성분계를 모두 만족하지만, 권취온도가 950℃를 초과하여 탄소 함량과 펄라이트 노듈 사이즈의 곱(C*N)이 15초과로 나타나 내부 재질은 균일하지만, 후속 인발가공 시 펄라이트 내 세멘타이트 회전이 원할하지 않아 시 가공성이 열위함을 확인할 수 있었다.
이를 통해 펄라이트 노듈 크기를 제어하기 위해 권취온도는 750 내지 950℃로 설정되어야 함을 알 수 있었다.
표 1 및 표 2에 기재된 바와 같이, 비교예 3은 본 발명의 성분계를 모두 만족하지만, 발열 시작 온도가 680℃를 초과하여 탄소 함량과 펄라이트 노듈 사이즈의 곱(C*N)이 15초과로 나타나 내부 재질은 균일하지만, 후속 인발가공 시 펄라이트 내 세멘타이트 회전이 원할하지 않아 시 가공성이 열위함을 확인할 수 있었다.
표 1 및 표 2에 기재된 바와 같이, 비교예 4는 본 발명의 성분계를 모두 만족하지만, 발열 시작 온도가 540℃에 미달하여 탄소 함량과 펄라이트 노듈 사이즈의 곱(C*N)이 5미만으로 나타나 발열 온도가 50℃ 를 초과하였으며, 거리당 경도의 감소율 및 거리당 1/√L의 변화율이 각각 30 HV/mm, 0.34 /mm 를 초과하여 내부 재질이 불균일함을 확인할 수 있었다.
이를 통해 펄라이트 노듈 크기를 제어하기 위해 발열 시작 온도는 540 내지 680℃로 설정되어야 함을 알 수 있었다.
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 (10)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.8 내지 1.0%, 실리콘(Si): 0.15 내지 1.5%, 망간(Mn): 0.2 내지 0.8%, 크롬(Cr): 0.2 내지 0.8%, 알루미늄(Al): 0.05% 이하(0은 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    펄라이트 상을 기지조직으로 하며,
    하기 식 (1)을 만족하는 내부 재질이 균일한 선재.
    (1) 5 ≤ C*N ≤ 15
    (여기서, C는 탄소의 함량(중량%)을, N은 선재의 반경을 R로 표시할 때, 표면으로부터 0.5R 지점에서 측정한 펄라이트 노듈(Nodule) 크기(㎛)를 의미한다.)
  2. 제1항에 있어서,
    중량%로, 보론(B): 0.0003 내지 0.0008% 또는 코발트(Co): 0.01 내지 0.015%를 더 포함하는 내부 재질이 균일한 선재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하기 식 (2)로 표현되는 소재 표면 100㎛ 직하에서 0.5R(R은 선재의 반경을 의미) 지점 사이의 영역에서 거리당 경도의 감소율이 30 HV/mm 이하인 내부 재질이 균일한 선재.
    (2) Δ경도/Δ거리
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하기 식 (3)으로 표현되는 소재 표면 100㎛ 직하에서 0.5R(R은 선재의 반경을 의미) 지점 사이의 영역에서 거리당 1/√L의 변화율이 0.34 /mm 이하인 내부 재질이 균일한 선재.
    (3) (Δ1/√L)/거리
    (여기서, L은 펄라이트 라멜라 간격(㎛)을 의미한다.)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 펄라이트 노듈의 크기는 5 내지 20㎛인 내부 재질이 균일한 선재.
  6. 중량%로, 탄소(C): 0.8 내지 1.0%, 실리콘(Si): 0.15 내지 1.5%, 망간(Mn): 0.2 내지 0.8%, 크롬(Cr): 0.2 내지 0.8%, 알루미늄(Al): 0.05% 이하(0은 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 가열하는 단계;
    상기 가열된 빌렛을 압연하여 선재를 얻는 단계;
    상기 선재를 750 내지 950℃에서 권취하는 단계; 및
    변태발열이 시작되는 온도를 540 내지 680℃로, 변태발열에 의해 증가되는 온도가 50℃ 이하가 되도록, 상기 권취된 선재를 490 내지 630℃의 온도 범위에서 냉각속도를 5~30/s로 제어하면서 냉각하는 단계;를 포함하는 내부 재질이 균일한 선재의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 권취된 선재를 냉각하는 단계는 2 내지 20초 동안 냉각하는 것을 특징으로 하는 내부 재질이 균일한 선재의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 빌렛을 가열하는 단계는 950 내지 1100℃에서 가열하는 것을 특징으로 하는 내부 재질이 균일한 선재의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 선재 압연은 900 내지 1000℃에서 마무리 압연하는 것을 특징으로 하는 내부 재질이 균일한 선재의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서,
    하기 식 (1)을 만족하는 내부 재질이 균일한 선재의 제조방법.
    (1) 5 ≤ C*N ≤ 15
    (여기서, C는 탄소의 함량(중량%)을, N은 선재의 반경을 R로 표시할 때, 표면으로부터 0.5R 지점에서 측정한 펄라이트 노듈(Nodule) 크기(㎛)를 의미한다.)
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