Among various steel wires, pearlitic steel wires are among the most widely used in many industrial applications such as steel cords in automobile tires, cable wires for suspension bridges, structural reinforcements in concrete, and industrial steel ropes. These wires are manufactured by wire drawing (WD) to satisfy the geometrical and structural requirement. The drawn wires are commonly applied to the subsequent manufacturing process called wire stranding. When the pearlitic steel wires with low-torsional ductility are stranded, the wires could cause helical-shaped delamination. The occurrence of delamination fractures is one of the major obstacles that should be overcome to increase the strength of the stranded wires. Therefore, increase of the attainable tensile strength without delamination fracture is an important issue for developing high-strength pearlitic steel wires.
In this study, a non-circular drawing (NCD) sequence was developed to improve the delamination fracture strength of pearlitic steel wire under torsional deformation mode. In the NCD sequence, two processing routes consisting of the NCD with route A (NCDA) and NCD with route B (NCDB), respectively, were introduced. In order to investigate the deformation behavior of the multi-pass WD, NCDA, and NCDB, an in-house finite element (FE) program, CAMPform3D, which analyzes bulk metal forming process based on a rigid-viscoplastic constitutive model by adopting three-dimensional auto remeshing schemes, was employed to predict the effective strain distribution and deformation behavior of the drawn wires. These numerical simulation results indicated that the NCD could impose relatively homogeneous plastic deformation on the wire compared to the WD. Experimental results showed that the NCD sequence could manufacture drawn wires that could satisfy the dimensional accuracy and surface roughness.
To evaluate the mechanical properties of the drawn wires, torsion, tension, Vickers micro-hardness, and fatigue tests were carried out. In the torsion test, delamination fracture was observed in the drawn wire by the WD for the 10th pass while it did not occur for the 12th pass NCDB. In addition, the ultimate tensile strength (UTS) of 2300 MPa grade wire was manufactured by the NCDB, and the UTS value was 257 MPa higher than the one of the WD. In the hardness test, a similar tendency was observed with the tension test result in the multi-pass WD, NCDA, and NCDB, in that order. From the axial fatigue test result, the fatigue strength of the drawn wire by the 12th pass NCDB was 100 MPa higher than that of the 9th pass WD.
The general tendency of the observed scanning electron microscopy (SEM) micrographs for the multi-pass NCD sequence was similar to that of the multi-pass WD. However, the measured microstructural factors such as interlamellar spacing and cementite thickness were changed depending on the number of passes. In addition, the globular cementite, which can accelerate delamination fracture, was rarely observed in the drawn wire by the NCDB. From the texture measurement using X-ray diffraction (XRD), the {110}<110> cylindrical texture component was rarely observed in the drawn wire by the 12th pass NCDB and the volume fraction was 1% while that of the 12th pass WD was 8%. The deformation texture evolution during the multi-pass NCDB could improve the torsional ductility of the drawn wire and extend the processing limit of the wire under the torsional deformation mode.
To investigate damage evolution of the drawn wires during the multi-pass WD, NCDA, and NCDB, a porosity evolution equation was introduced and calculated using the state variables from the FE analyses. Average density of the drawn wires was measured by using analytical balance with a specially designed density measurement kit. From the numerical and experimental results, the drawn wires by the multi-pass WD showed higher average porosity at the cross-section than those of the NCDA and NCDB. This result might be relevant to the mechanical strength and ductility of the drawn wires by the multi-pass WD, NCDA, and NCDB, in that order.
To evaluate the residual stress of the drawn wires, destructive and non-destructive methods were employed in this study. The axial surface residual stresses obtained from the deflection and XRD methods showed a similar tendency. In order to predict residual stress distribution of the drawn wires, a commercially available FE analysis program, DEFORM3D, was used for the numerical simulation based on an elasto-plastic constitutive model. Based on the numerical simulation results, an empirical relation was derived between surface residuals stress and the total area reduction for the multi-pass WD, NCDA, and NCDB, in that order.
In conclusion, it was demonstrated that the multi-pass NCD sequence, especially for the NCDB, could impose relatively homogeneous plastic deformation on the wire, resulting in high-torsional ductility with higher strength than the WD according to the present study.
펄라이트 강선은 차량용 타이어 코드, 교량용 케이블, 콘크리트 보강재 및 공업용 로프 등 다양한 산업분야에 사용된다. 이러한 강선은 치수 및 구조적 요구사항을 만족시키기 위해서 주로 신선 가공을 통해 제조되며, 신선된 강선은 일반적으로 후속 공정인 연선 공정에 적용되어 다발로 성형된다. 비틀림 연성이 부족한 펄라이트 강선이 연선 공정에 적용되면, 그 강선은 나선형의 파괴형태를 보이는 박리 현상이 발생할 수 있다. 이러한 박리 파괴의 발생은 강선의 고강도화를 위해서 극복해야 할 주요 장애물 중에 한 가지로 알려져 있다. 그러므로 박리 파괴가 발생하지 않으면서 강도를 향상시키는 것이 고강도 펄라이트 강선의 개발을 위한 중요한 이슈이다.
본 연구에서는 비틀림 변형 하에서 강선의 박리 파괴 강도 향상을 위해 비원형 신선 공정을 개발하였다. 제안된 비원형 신선 공정에서 A와 B로 정의되는 2가지 가공경로를 도입하였다. 기존의 신선 공정과 비원형 신선 가공경로 A와 B의 변형 거동을 다단 공정에서 살펴보기 위하여 강점소성 구성방정식에 기반하여 자체적으로 개발된 유한요소해석 프로그램인 CAMPform3D를 이용하여 유효변형률 분포와 변형 거동의 예측을 위한 해석을 수행하였다. 유한요소해석 결과 비원형 신선 공정이 기존의 신선 공정에 비하여 상대적으로 균일한 소성변형을 제조된 강선에 가할 수 있는 것으로 예상되었다. 실제 실험 결과에서는 기존의 신선 공정뿐만 아니라 비원형 신선 공정도 치수정밀도와 표면조도를 만족하는 강선을 제조할 수 있음을 확인하였다.
제조된 강선의 기계적 특성 평가를 위해서 비틀림, 인장, 비커스 미세경도 및 피로 시험을 수행하였다. 비틀림 시험에서 신선 공정으로 제조된 강선은 10 패스에서 이미 박리 파괴가 관찰되었지만, 비원형 신선 가공경로 B로 제조된 강선의 경우에는 12 패스에서도 박리 파괴가 관찰되지 않았다. 또한, 비원형 신선 공정 가공경로 B로 12 패스까지 제조한 강선의 경우 극한인장강도 2300 MPa급의 강선을 제조할 수 있었고, 이는 기존 신선 공정으로 제조된 강선에 비하여 257 MPa 만큼 극한인장강도가 높았다. 미세경도 측정 결과 인장시험에서의 강도의 변화와 유사한 경향이 관찰되었다. 축하중 피로시험 결과에서는 비원형 신선 가공경로 B로 12 패스까지 제조된 강선의 피로강도가 신선으로 9 패스까지 제조된 강선에 비하여 100 MPa 만큼 높았다.
주사전자현미경으로 관찰된 강선의 미세조직에서 비원형 신선과 기존 신선으로 제조된 강선 미세조직의 전체적인 발달 형태는 유사하였으나, 펄라이트 층상 간격이나 시멘타이트 두께와 같은 미세조직적 인자는 가공횟수에 따라서 다소 차이가 관찰되었다. 게다가 박리 파괴를 촉진할 수 있는 것으로 알려진 구형 시멘타이트가 비원형 신선 가공경로 B의 경우에 가장 적게 관찰되었다. X-선 회절법을 이용한 집합조직 관찰에서는 비원형 신선 가공경로 B가 {110}<110> 원통형 집합조직 성분이 가장 적게 발달하였고, 12 패스에서 비원형 신선 가공경로 B는 1%, 신선은 8%의 원통형 집합조직 성분이 관찰됨을 확인하였다. 이러한 비원형 신선 가공경로 B에서의 변형집합조직의 발달은 제조된 강선의 비틀림 연성을 향상시키고 비틀림 변형모드 하에서 강선의 가공한계를 연장시킬 수 있다.
다단 신선 및 비원형 신선 가공경로 A와 B로 제조된 강선의 손상해석을 위하여 기공률 발전식을 도입하고 상태변수를 이용하여 계산하였다. 강선의 평균밀도는 정밀분석저울과 특별히 고안된 밀도 측정 장치를 이용하여 측정되었다. 해석 및 실험 결과로부터 다단 신선 공정으로 제조된 강선의 경우가 비원형 신선 공정 가공경로 A와 B보다 평균 기공률이 높고 산포가 상대적으로 큰 것을 확인하였다. 이러한 결과는 신선 및 비원형 신선 가공경로 A와 B로 제조된 강선의 강도나 연성 등의 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있다.
제조된 강선의 잔류응력을 평가하기 위하여 파괴 및 비파괴적인 방법을 본 연구에서 사용하였다. 편위법과 X-선 회절법으로 측정된 축방향 표면 잔류응력의 경향은 유사하였다. 잔류응력의 분포를 예측하기 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 DEFORM3D의 탄소성 해석 모듈을 사용하였다. 해석 결과에 기반하여 강선의 표면 잔류응력과 총 감면율 간의 관계를 표현할 수 있는 경험적인 관계를 도출하였다.
결론적으로 비원형 신선 공정 특히, 가공경로 B의 경우에 신선 공정보다 상대적으로 균일한 소성변형을 소재에 가할 수 있었고, 결과적으로 기존 신선 공정에 비하여 고강도-고비틀림 연성의 강선을 제조할 수 있음을 확인하였다.
