JP7254211B2 - 超高強度鉄筋およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、超高強度鉄筋およびその製造方法に関する。より詳しくは、耐震性能に優れた建築構造物用超高強度鉄筋およびその製造方法に関する。
最近、空間の活用度を高めるために、設置される構造物は大型化しつつある。これによって、より高い強度を有する鉄筋が必要である。以前は降伏強度を基準として５００ＭＰａの鉄筋が求められていたが、最近は降伏強度が６００～７００ＭＰａの鉄筋が求められているのが現状であり、今後は１．０ＧＰａ級以上の鉄筋に対する需要も予想される。
一方、最近、韓国国内外にて発生している地震、火災、強風、豪雪、地盤沈下およびシンクホールなどの自然災害、または人為的災難などに備えた建築構造物の安定性の確保が国民のインフラ安全を確保するのに必須として作用している。このために構造物の安全設計は必須であり、これによって耐震鋼材の開発が切実な状況である。耐震特性を付与するために、炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）、バナジウム（Ｖ）およびニオブ（Ｎｂ）などの様々な種類の合金成分の添加による塑性変形能の増大が必要であるが、過剰の合金鉄の投入は生産コストの上昇をもたらす問題がある。
本発明に関する背景技術は、特許文献１（２０１１．１２．１９公告、発明の名称：耐震用鉄筋の製造方法およびこれにより製造される耐震用鉄筋）に開示されている。
大韓民国登録特許公報第１０－１０９５４８６号
本発明の一実施例によれば、高強度および耐震特性に優れた超高強度鉄筋およびその製造方法を提供する。
本発明の一実施例によれば、合金元素添加量の低減および工程の単純化により生産性およびコスト節減効果に優れた超高強度鉄筋およびその製造方法を提供する。
本発明の一つの観点は、超高強度鉄筋に関する。一具体例において、前記超高強度鉄筋は、炭素（Ｃ）：０．１０～０．４５重量％、シリコン（Ｓｉ）：０．５～１．０重量％、マンガン（Ｍｎ）：０．４０～１．８０重量％、クロム（Ｃｒ）：０．１０～１．０重量％、バナジウム（Ｖ）：０超過０．２重量％以下、銅（Ｃｕ）：０超過０．４重量％以下、モリブデン（Ｍｏ）：０超過０．５重量％以下、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１５～０．０７０重量％、ニッケル（Ｎｉ）：０超過０．２５重量％以下、スズ（Ｓｎ）：０超過０．１重量％以下、リン（Ｐ）：０超過０．０５重量％以下、硫黄（Ｓ）：０超過０．０３重量％以下、窒素（Ｎ）：０．００５～０．０２重量％、残部の鉄（Ｆｅ）およびその他の不可避不純物を含み、下記式１による炭素当量（Ｃｅｑ）：０．７以上であり、前記超高強度鉄筋は、中心部と、前記中心部の外周面に形成される表層部と、を含み、前記表層部は、テンパードマルテンサイトを含み、前記中心部は、フェライト、パーライトおよびベイナイトを含む微細組織からなり、前記フェライトは、多角形フェライトおよび針状型フェライトのうちの１つ以上を含み、降伏強度（ＹＳ）：７００ＭＰａ以上および引張強度／降伏強度（ＴＳ／ＹＳ）：１．２５以上である：
Figure 0007254211000001
 （上記式１中、前記［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｖ］、［Ｍｏ］、［Ｃｕ］および［Ｎｉ］は、前記鉄筋に含まれる炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）およびニッケル（Ｎｉ）の含有量（重量％）である）。
一具体例において、前記超高強度鉄筋は、降伏強度（ＹＳ）７００～８５０ＭＰａ、引張強度／降伏強度（ＴＳ／ＹＳ）１．２５～１．３５および延伸率（Ｅｌ）１０％以上であってもよい。
一具体例において、前記中心部は、フェライト３０～４５体積％、パーライト３０～４５体積％およびベイナイト１５～２５体積％を含む微細組織からなってもよい。
一具体例において、前記鉄筋は、横断面を基準として、表層部５～１５面積％および中心部８５～９５面積％を含むことができる。
一具体例において、前記中心部は、硬度３５０Ｈｖ以上のコア硬化層を含むことができる。
一具体例において、前記コア硬化層は、下部ベイナイト（ｌｏｗｅｒ ｂａｉｎｉｔｅ）および平均大きさ５～１０μｍの微細フェライトを含む微細組織からなってもよい。
一具体例において、前記コア硬化層は、硬度３５０～４００Ｈｖであり、前記コア硬化層を除いた中心部は、硬度２４０～２８０Ｈｖであり、表層部は、硬度３３０～３６０Ｈｖであってもよい。
一具体例において、前記鉄筋は、横断面を基準として、前記コア硬化層を１５～３０面積％含むことができる。
本発明の他の観点は、前記超高強度鉄筋の製造方法に関する。一具体例において、前記超高強度鉄筋の製造方法は、炭素（Ｃ）：０．１０～０．４５重量％、シリコン（Ｓｉ）：０．５～１．０重量％、マンガン（Ｍｎ）：０．４０～１．８０重量％、クロム（Ｃｒ）：０．１０～１．０重量％、バナジウム（Ｖ）：０超過０．２重量％以下、銅（Ｃｕ）：０超過０．４重量％以下、モリブデン（Ｍｏ）：０超過０．５重量％以下、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１５～０．０７０重量％、ニッケル（Ｎｉ）：０超過０．２５重量％以下、スズ（Ｓｎ）：０超過０．１重量％以下、リン（Ｐ）：０超過０．０５重量％以下、硫黄（Ｓ）：０超過０．０３重量％以下、窒素（Ｎ）：０．００５～０．０２重量％、残部の鉄（Ｆｅ）およびその他の不可避不純物を含み、下記式１による炭素当量（Ｃｅｑ）：０．７以上である半製品を再加熱するステップと、前記再加熱された半製品を仕上げ圧延温度：８５０～１０００℃の条件で熱間圧延して圧延材を製造するステップと、前記圧延材をＭｓ温度以下まで冷却するステップと、を含み、前記冷却は、前記圧延材を５００～７００℃まで復熱するステップ、を含んでなる超高強度鉄筋の製造方法であり、前記超高強度鉄筋は、中心部と、前記中心部の外周面に形成される表層部と、を含み、前記表層部は、テンパードマルテンサイトを含み、前記中心部は、フェライト、パーライトおよびベイナイトを含む微細組織からなり、前記フェライトは、多角形フェライトおよび針状型フェライトのうちの１つ以上を含み、降伏強度（ＹＳ）：７００ＭＰａ以上および引張強度／降伏強度（ＴＳ／ＹＳ）：１．２５以上である：
Figure 0007254211000002
 （上記式１中、前記［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｖ］、［Ｍｏ］、［Ｃｕ］および［Ｎｉ］は、前記半製品に含まれる炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）およびニッケル（Ｎｉ）の含有量（重量％）である）。
一具体例において、前記冷却は、前記圧延材の線速６．７～７．２ｍ／ｓおよび比水量３．７～３．９ｌ／ｋｇの条件で実施することができる。
一具体例において、前記再加熱は、１０５０～１２５０℃で実施することができる。
一具体例において、前記中心部は、硬度３５０Ｈｖ以上のコア硬化層を含むことができる。
本発明の超高強度鉄筋は、高強度および耐震特性に優れ、合金元素添加量の低減および工程の単純化により生産性およびコスト節減効果に優れ、建築構造物への適用時、地震が発生する場合、一般の鉄筋に比べて崩壊時点を遅延させ、建設工期の短縮効果および工事のコスト節減効果に優れることができる。
本発明の一具体例による超高強度鉄筋の製造方法を示す図である。 本発明の一具体例による超高強度鉄筋の横断面図である。 比較例１の鉄筋の横断面図である。 （ａ）は、実施例の鉄筋の表層部の微細組織であり、（ｂ）は、実施例の鉄筋の中心部の微細組織であり、（ｃ）は、実施例の鉄筋の中心部のコア硬化層の微細組織の写真である。 （ａ）は、比較例１の鉄筋の表層部の微細組織であり、（ｂ）は、比較例１の鉄筋の中心部の微細組織であり、（ｃ）は、比較例１の鉄筋の中心部の微細組織の写真である。
以下、本発明を詳細に説明する。この時、本発明を説明するにあたり、かかる公知の技術または構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不必要にあいまいにしうると判断された場合、その詳細な説明は省略する。
そして、後述する用語は本発明における機能を考慮して定義された用語であって、これは、使用者、運用者の意図または慣例などによって異なるので、その定義は本発明を説明する本明細書全般にわたる内容に基づいて行われなければならない。
超高強度鉄筋
本発明の一つの観点は、超高強度鉄筋に関する。一具体例において、前記超高強度鉄筋は、炭素（Ｃ）：０．１０～０．４５重量％、シリコン（Ｓｉ）：０．５～１．０重量％、マンガン（Ｍｎ）：０．４０～１．８０重量％、クロム（Ｃｒ）：０．１０～１．０重量％、バナジウム（Ｖ）：０超過０．２重量％以下、銅（Ｃｕ）：０超過０．４重量％以下、モリブデン（Ｍｏ）：０超過０．５重量％以下、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１５～０．０７０重量％、ニッケル（Ｎｉ）：０超過０．２５重量％以下、スズ（Ｓｎ）：０超過０．１重量％以下、リン（Ｐ）：０超過０．０５重量％以下、硫黄（Ｓ）：０超過０．０３重量％以下、窒素（Ｎ）：０．００５～０．０２重量％、残部の鉄（Ｆｅ）およびその他の不可避不純物を含む。
以下、前記超高強度鉄筋の構成成分について詳しく説明する。
炭素（Ｃ）
前記炭素（Ｃ）は、鋼の強度を高めるのに最も効果的であり、特に引張強度を高める重要な元素である。前記炭素は、オーステナイトに固溶して、焼入れ時にマルテンサイト組織を形成させる。炭素量の増加によって焼入れ硬度を向上させるが、焼入れ時に変形の可能性を大きくする。鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）およびチタン（Ｔｉ）などの元素と化合して炭化物を形成、強度と硬度を向上させる。
一具体例において、前記炭素は、前記超高強度鉄筋の全重量に対して０．１０～０．４５重量％含まれる。前記炭素を０．１０重量％未満で含む時、強度および硬度の確保が難しく、０．４５重量％超過で含む場合、焼入れ時に変形の可能性が増加し、延伸率および低温靭性を確保しにくいことがある。好ましくは、０．３５～０．４０重量％含まれる。
シリコン（Ｓｉ）
前記シリコン（Ｓｉ）は、モリブデンおよびクロムなどと同様に、硬化能を増加させる元素であり、脱酸剤として使用される。前記シリコンは、強力な脱酸剤であって、２重量％以上添加時には、靭性が低下し、塑性加工性を阻害するため、添加量に限界がある。また、前記シリコンは、テンパリング（焼戻し）時に軟化抵抗性を増大させる効果もある。さらに、硬化能元素として特定の制御冷却範囲で硬化相を形成することができる。
一具体例において、前記シリコンは、前記超高強度鉄筋の全重量に対して０．５～１．０重量％含まれる。前記含有量のシリコンを含む時、オーステナイト（γ）→フェライト（α）の相変態温度の変化とフェライト中の炭素の固溶度の変化により、粒界移動を妨げ、粒子の粗大化を防止し、複合フェライト（多角形および針状型）とベイナイトが形成される温度区間で残留バナジウム（Ｖ）と炭素および窒素（Ｃ、Ｎ）の欠陥を誘導してＶＣＮ析出物をフェライトの内部に形成して、材質特性と機械的物性に優れることができる。前記シリコンを０．５重量％未満で含む時、その添加効果がわずかであり、１．０重量％超過で含む時、鋼の表面に酸化物を形成して鋼の延性および加工性を低下させることがある。好ましくは、０．５０～０．６５重量％含まれる。
マンガン（Ｍｎ）
前記マンガン（Ｍｎ）は、鋼のオーステナイト安定化元素で、硬化能を向上させるのに効果的である。マンガンの一部は鋼中に固溶し、一部は鋼中に含有された硫黄と結合して非金属介在物であるＭｎＳを形成するが、前記ＭｎＳは延性があり、塑性加工時、加工方向に長く延伸される。しかし、前記ＭｎＳの形成により鋼中にある硫黄成分が減少しながら結晶粒が脆弱になり、低融点化合物であるＦｅＳの形成を抑制させることができる。
一具体例において、前記マンガンは、前記超高強度鉄筋の全重量に対して０．４０～１．８０重量％含まれる。前記マンガンを０．４０重量％未満で含む時、その添加効果がわずかであり、１．８０重量％超過で含む時、ＭｎＳなどの非金属介在物の含有量が増加して、溶接時、クラックなどの欠陥が発生しうる。好ましくは、１．２～１．５重量％含まれる。
クロム（Ｃｒ）
前記クロム（Ｃｒ）は、フェライト安定化元素で、本発明の炭素およびマンガン含有鋼に添加する時、溶質妨害効果で炭素の拡散を遅延して粒度の微細化に影響を及ぼし、硬化能を向上させる役割をする。
一具体例において、前記クロムは、前記超高強度鉄筋の全重量に対して０．１０～１．０重量％含まれる。前記クロムを０．１０重量％未満で含む時、その添加効果がわずかであり、１．０重量％超過で含む時、溶接性または熱影響部の靭性が低下することがある。好ましくは、０．２～０．５重量％含まれる。
バナジウム（Ｖ）
前記バナジウム（Ｖ）は、炭化物形成能がクロムより強く、結晶粒を微細化させるため、ステンレス鋼や切削工具鋼の改良にも用いられる。また、他の金属元素とも化合物を形成して析出硬化効果が著しいため、析出硬化形鋼や永久磁石などにも使用される。
一具体例において、前記バナジウムは、前記超高強度鉄筋の全重量に対して０超過０．２重量％以下含まれる。前記バナジウムを０．２重量％超過で含む時、生産単価が上昇して経済性が低下し、低温衝撃靭性が低下することがある。好ましくは、０．０８～０．１５重量％含まれる。
銅（Ｃｕ）
前記銅（Ｃｕ）は、常温でフェライトに約０．３５重量％まで固溶し、固溶強化効果を示すので、強度および硬度はやや改善されるものの、延伸率を低下させることがある。銅を含有した鋼は、熱間加工性が問題になり、特に０．５重量％以上含む時、赤熱脆性の原因になる。また、銅が少量含有されていても大気や海水中で耐食性が著しく増加し、０．４％以上添加時、銅の微細析出による析出硬化効果が現れるので、実際のステンレス鋼では約４％程度添加析出させて強力なステンレス鋼を作っている。
一具体例において、前記銅は、前記超高強度鉄筋の全重量に対して０超過０．４重量％以下含まれる。前記銅を０．４重量％超過で含む時、熱間加工性、延伸率が低下したり、赤熱脆性が発生しうる。好ましくは、０．１～０．３重量％含まれる。
モリブデン（Ｍｏ）
前記モリブデン（Ｍｏ）は、硬化能を増加させる元素として使用され、本発明において、鋼の強度、靭性および硬化能を向上させることができる。
一具体例において、前記モリブデンは、前記超高強度鉄筋の全重量に対して０超過０．５重量％以下含まれる。前記モリブデンを０．５重量％超過で含む時、溶接性が低下することがある。好ましくは、０．００１～０．１重量％含まれる。
アルミニウム（Ａｌ）
前記アルミニウム（Ａｌ）は、脱酸剤として機能することができる。一具体例において、前記アルミニウムは、前記超高強度鉄筋の全重量に対して０．０１５～０．０７０重量％含まれる。前記アルミニウムを０．０１５重量％未満で含む時、その添加効果がわずかであり、０．０７０重量％超過で含む時、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの非金属介在物の生成量が増加することがある。好ましくは、０．０１５～０．０２５重量％含まれる。
ニッケル（Ｎｉ）
前記ニッケル（Ｎｉ）は、鋼の強度を増加させ、低温衝撃値を確保できるようにする。一具体例において、前記ニッケルは、前記超高強度鉄筋の全重量に対して０超過０．２５重量％以下含まれる。前記ニッケルを０．２５重量％超過で含む時、常温強度が過剰に高くなって溶接性および靭性が劣化することがある。好ましくは、０．０００１～０．００５重量％含まれる。
スズ（Ｓｎ）
前記スズ（Ｓｎ）は、耐食性を確保するために添加できる。一具体例において、前記スズは、前記超高強度鉄筋の全重量に対して０超過０．１重量％以下含まれる。前記スズを０．１重量％超過で含む時、延伸率が著しく低下することがある。好ましくは、０．０００１～０．００５重量％含まれる。
リン（Ｐ）
前記リン（Ｐ）は、鋼中に均一に分布していれば大して問題にならないが、通常Ｆｅ３Ｐを形成する。前記Ｆｅ３Ｐは極めて脆弱で偏析していて、焼鈍処理をしても均質化されず、鍛造、圧延などの加工時に長く伸びる。前記リンは、衝撃抵抗を低下させ、焼戻し脆性を促進し、快削鋼では被削性を改善させるが、一般的に鋼に有害な元素として取扱いされる。
一具体例において、前記リンは、前記超高強度鉄筋の全重量に対して０超過０．０５重量％以下含まれる。前記リンを０．０５重量％超過で含む時、中心偏析および微細偏析を形成して材質に良くない影響を与え、延性を悪化させることがある。好ましくは、０超過０．０３重量％以下含まれる。
硫黄（Ｓ）
前記硫黄（Ｓ）は、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）およびモリブデン（Ｍｏ）などと結合して鋼の被削性を改善させ、マンガンと結合してＭｎＳ介在物を形成する。鋼中に前記マンガン含有量が十分でない場合、鉄と結合してＦｅＳを形成する。このＦｅＳは、非常に脆弱で溶融点が低いため、熱間および冷間加工時に亀裂を起こす。したがって、このようなＦｅＳ介在物の形成を避けるために、マンガンと硫黄との比は約５：１で含むことができる。
一具体例において、前記硫黄は、前記超高強度鉄筋の全重量に対して０超過０．０３重量％以下含まれる。前記硫黄を０．０３重量％超過で含む時、延性が大きく低下し、ＭｎＳなどの非金属介在物の発生量が著しく増加することがある。好ましくは、０超過０．０２５重量％以下含まれる。
窒素（Ｎ）
前記窒素（Ｎ）は、極めて微量でも鋼の機械的性質に大きな影響を及ぼし、引張強度、降伏強度を増加させるのに対し、延伸率を低下させる。特に衝撃値の減少および遷移温度の上昇が著しい。前記窒素は、侵入型元素であって、拡散速度が速く、フェライトに対して０．１重量％から０．００３重量％まで連続的に溶解度の変化を示す。また、前記窒素は、チタン、ジルコニウム、バナジウムおよびニオブなどと窒化物を形成して結晶粒を微細化させる。
一具体例において、前記窒素は、前記超高強度鉄筋の全重量に対して０．００５～０．０２重量％含まれる。前記窒素を０．００５重量％未満で含む時、その添加効果がわずかであり、０．０２重量％超過で含む時、鋼の延伸率および成形性が低下することがある。好ましくは、０超過０．０１重量％以下含まれる。
一具体例において、前記超高強度鉄筋は、下記式１で表される炭素当量（Ｃｅｑ）が０．７以上である：
Figure 0007254211000003
 （上記式１中、前記［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｖ］、［Ｍｏ］、［Ｃｕ］および［Ｎｉ］は、前記鉄筋に含まれる炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）およびニッケル（Ｎｉ）の含有量（重量％）である）。
前記炭素当量が０．７以上の場合、本発明の鉄筋に求められる耐震性能と降伏強度を達成することができる。前記炭素当量が０．７未満の場合、本発明の鉄筋の耐震性能と強度が低下することがある。例えば、前記炭素当量は０．７～０．８であってもよい。
図２は、本発明の一具体例による超高強度鉄筋の横断面図である。前記図２を参照すれば、前記超高強度鉄筋は、中心部２０と、中心部２０の外周面に形成される表層部１０と、を含む。
前記表層部は、テンパードマルテンサイト（ｔｅｍｐｅｒｅｄ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ）を含む。
前記中心部は、フェライト（ｆｅｒｒｉｔｅ）、パーライト（ｐｅａｒｌｉｔｅ）およびベイナイト（ｂａｉｎｉｔｅ）を含む微細組織からなる。例えば、前記中心部は、フェライト３０～４５体積％、パーライト３０～４５体積％およびベイナイト１５～２５体積％を含む微細組織からなってもよい。前記微細組織の体積分率の条件で中心部を形成する時、強度および耐震性能がすべて優れることができる。
前記フェライトは、多角形フェライト（ｐｏｌｙｇｏｎａｌ ｆｅｒｒｉｔｅ）および針状型フェライト（ａｃｉｃｕｌａｒ ｆｅｒｒｉｔｅ）のうちの１つ以上を含む。
一具体例において、前記超高強度鉄筋は、横断面を基準として、表層部５～１５面積％および中心部８５～９５面積％を含むことができる。前記条件で強度および耐震性能に優れることができる。例えば、表層部５～１０面積％および中心部９０～９５面積％を含むことができる。
前記図２を参照すれば、中心部２０は、コア硬化層２２を含むことができる。前記コア硬化層は、応力誘起変態により形成され、耐震特性および強度が同時に優れることができる。
前記コア硬化層は、下部ベイナイト（ｌｏｗｅｒ ｂａｉｎｉｔｅ）および平均大きさ５～１０μｍの微細フェライトを含む微細組織からなってもよい。前記コア硬化層が前記微細組織からなる場合、耐震特性および強度が同時に優れることができる。例えば、前記微細フェライトは、平均大きさが６～８μｍであってもよい。
前記コア硬化層は、硬度が３５０Ｈｖ以上であってもよい。前記条件で本発明の超強度鉄筋の耐震特性と強度が同時に優れることができる。
例えば、前記コア硬化層は、硬度３５０～４００Ｈｖであり、前記コア硬化層を除いた中心部は、硬度２４０～２８０Ｈｖであり、表層部は、硬度３３０～３６０Ｈｖであってもよい。
一具体例において、前記超高強度鉄筋は、横断面を基準として、前記コア硬化層を１５～３０面積％含むことができる。前記条件でコア硬化層を形成する時、耐震特性と強度に優れることができる。例えば、前記コア硬化層を１５～２５面積％含むことができる。
一具体例において、前記超高強度鉄筋は、降伏強度（ＹＳ）７００ＭＰａ以上、引張強度／降伏強度（ＴＳ／ＹＳ）１．２５以上および延伸率（Ｅｌ）１０％以上である。前記条件で強度および耐震性能がすべて優れることができる。例えば、前記超高強度鉄筋は、降伏強度（ＹＳ）７００～８５０ＭＰａ、引張強度／降伏強度（ＴＳ／ＹＳ）１．２５～１．３５および延伸率（Ｅｌ）１０～２０％であってもよい。
超高強度鉄筋の製造方法
本発明の他の観点は、超高強度鉄筋の製造方法に関する。図１は、本発明の一具体例による超高強度鉄筋の製造方法を示す図である。前記図１を参照すれば、前記超高強度鉄筋の製造方法は、（Ｓ１０）半製品再加熱ステップと、（Ｓ２０）圧延材製造ステップと、（Ｓ３０）冷却ステップと、を含む。
より具体的には、前記超高強度鉄筋の製造方法は、（Ｓ１０）炭素（Ｃ）：０．１０～０．４５重量％、シリコン（Ｓｉ）：０．５～１．０重量％、マンガン（Ｍｎ）：０．４０～１．８０重量％、クロム（Ｃｒ）：０．１０～１．０重量％、バナジウム（Ｖ）：０超過０．２重量％以下、銅（Ｃｕ）：０超過０．４重量％以下、モリブデン（Ｍｏ）：０超過０．５重量％以下、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１５～０．０７０重量％、ニッケル（Ｎｉ）：０超過０．２５重量％以下、スズ（Ｓｎ）：０超過０．１重量％以下、リン（Ｐ）：０超過０．０５重量％以下、硫黄（Ｓ）：０超過０．０３重量％以下、窒素（Ｎ）：０．００５～０．０２重量％、残部の鉄（Ｆｅ）およびその他の不可避不純物を含み、炭素当量（Ｃｅｑ）：０．７以上である半製品を再加熱するステップと、（Ｓ２０）前記再加熱された半製品を仕上げ圧延温度：８５０～１０００℃の条件で熱間圧延して圧延材を製造するステップと、（Ｓ３０）前記圧延材をＭｓ温度以下まで冷却するステップと、を含み、前記冷却は、前記圧延材を５００～７００℃まで復熱するステップ、を含んでなる。
前記製造された超高強度鉄筋は、中心部と、前記中心部の外周面に形成される表層部と、を含み、前記表層部は、テンパードマルテンサイトを含み、前記中心部は、フェライト、パーライトおよびベイナイトを含む微細組織からなり、前記フェライトは、多角形フェライトおよび針状型フェライトのうちの１つ以上を含み、降伏強度（ＹＳ）：７００ＭＰａ以上および引張強度／降伏強度（ＴＳ／ＹＳ）：１．２５以上である。
以下、前記超高強度鉄筋の製造方法をステップごとに詳しく説明する。
（Ｓ１０）半製品再加熱ステップ
前記ステップは、炭素（Ｃ）：０．１０～０．４５重量％、シリコン（Ｓｉ）：０．５～１．０重量％、マンガン（Ｍｎ）：０．４０～１．８０重量％、クロム（Ｃｒ）：０．１０～１．０重量％、バナジウム（Ｖ）：０超過０．２重量％以下、銅（Ｃｕ）：０超過０．４重量％以下、モリブデン（Ｍｏ）：０超過０．５重量％以下、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１５～０．０７０重量％、ニッケル（Ｎｉ）：０超過０．２５重量％以下、スズ（Ｓｎ）：０超過０．１重量％以下、リン（Ｐ）：０超過０．０５重量％以下、硫黄（Ｓ）：０超過０．０３重量％以下、窒素（Ｎ）：０．００５～０．０２重量％、残部の鉄（Ｆｅ）およびその他の不可避不純物を含む半製品を再加熱するステップである。
一具体例において、前記半製品は、前述した合金成分の溶鋼を連続鋳造して製造されたブルームまたはビレットであってもよい。
前記半製品に含まれる成分は前述したものと同一であるので、これに関する詳しい説明は省略する。
一具体例において、前記半製品は、下記式１で表される炭素当量（Ｃｅｑ）が０．７以上である：
Figure 0007254211000004
 （上記式１中、前記［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｖ］、［Ｍｏ］、［Ｃｕ］および［Ｎｉ］は、前記半製品に含まれる炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）およびニッケル（Ｎｉ）の含有量（重量％）である）。
前記炭素当量が０．７以上の場合、本発明の鉄筋に求められる耐震性能と降伏強度を達成することができる。前記炭素当量が０．７未満の場合、本発明の鉄筋の耐震性能と強度が低下することがある。例えば、前記炭素当量は０．７～０．８であってもよい。例えば、０．７０、０．７１、０．７２、０．７３、０．７４、０．７５、０．７６、０．７７、０．７８、０．７９または０．８０であってもよい。
一具体例において、前記再加熱は、１０５０～１２５０℃で実施できる。前記条件で再加熱する時、偏析成分と析出物が十分に再固溶し、圧延負荷を最小化することができる。例えば、前記再加熱は、１０５０～１１５０℃で実施できる。
（Ｓ２０）圧延材製造ステップ
前記ステップは、前記再加熱された半製品を仕上げ圧延温度：８５０～１０００℃の条件で熱間圧延して圧延材を製造するステップである。
例えば、前記圧延材は、前記再加熱された半製品を１０５０～１１５０℃の温度で熱間圧延を開始して、仕上げ圧延温度：８５０～１０００℃の条件で終了して製造できる。一具体例において、前記熱間圧延は、粗圧延（ＲＭ）、中間仕上げ圧延（ＩＭ）および仕上げ圧延（ＦＭ）などを経て実施できる。
前記熱間圧延時、仕上げ圧延温度８５０℃未満で実施する場合、圧延負荷を誘発して生産性を低下させ、熱処理効果を低減させ、前記仕上げ圧延温度が１０００℃超過で実施する場合、粗大パーライト組織が形成されて強度が低下することがある。例えば、仕上げ圧延温度９４０～１０００℃の条件で実施することができる。
（Ｓ３０）冷却ステップ
前記ステップは、前記圧延材をテンプコアを経てＭｓ温度以下まで冷却するステップである。例えば、前記圧延材をテンプコア（ｔｅｍｐｃｏｒｅ）工程を経て前記圧延材の表面温度をマルテンサイトの変態開始温度（Ｍｓ温度）以下まで冷却することができる。
前記圧延材の表面温度をＭｓ温度を超える温度で冷却終了時、本発明が目標とする鉄筋の複合微細組織を形成しにくく、これによって本発明が目標とする強度確保が難しいことがある。
一具体例において、前記テンプコア工程時、前記冷却された圧延材を５００～７００℃まで復熱するステップを含む。前記復熱温度を確保できない場合、目的とする表層部での硬化層の厚さを確保することができない。例えば、前記冷却された圧延材を６３０～６８０℃まで復熱することができる。前記圧延材は、前記復熱後に、空冷できる。
前記冷却は、テンプコア工程を経て前記圧延材の表面をＭｓ以下まで冷却して、表層部を形成し、前記表層部を除いた圧延材の中心部は、制御冷却により応力誘起変態を誘発することがある。前記冷却時、前記中心部は、多角形および針状型のうちの１つ以上のフェライト３０～４５体積％、パーライト３０～４５体積％およびベイナイト１５～２５体積％を含む複合微細組織が形成されかつ、前記中心部に下部ベイナイト（応力誘起ベイナイト）および微細フェライトで構成されたコア硬化層が形成される。
一具体例において、前記テンプコア工程時、前記圧延材の線速６．７～７．２ｍ／ｓおよび比水量３．７～３．９ｌ／ｋｇ（または３．７～３．９ｌ／圧延材－ｋｇ）の条件で実施することができる。前記条件で比水量および線速を制御する時、本発明が目標とする復熱温度を達成することができ、前記超高強度鉄筋の表層部の形成を制御し、誘起応力変態により前記超高強度鉄筋の中心部にベイナイトおよび微細フェライトを含む微細組織からなるコア硬化層の形成を誘導することができる。また、前記圧延材の線速および比水量の条件で冷却が十分に行われて、本発明が目標とする復熱温度範囲を達成することができる。
一具体例において、前記超高強度鉄筋は、横断面を基準として、表層部５～１５面積％および中心部８５～９５面積％を含むことができる。前記条件で強度および耐震性能に優れることができる。例えば、表層部５～１０面積％および中心部９０～９５面積％を含むことができる。
一具体例において、前記中心部は、コア硬化層を含むことができる。前記コア硬化層は、応力誘起変態により形成され、耐震特性および強度が同時に優れることができる。
前記コア硬化層は、下部ベイナイト（ｌｏｗｅｒ ｂａｉｎｉｔｅ）および平均大きさ５～１０μｍの微細フェライトを含む微細組織からなってもよい。本明細書において、前記「大きさ」は、前記微細フェライトの最大長さを意味することができる。前記コア硬化層が前記微細組織からなる場合、耐震特性および強度が同時に優れることができる。例えば、前記微細フェライトは、平均大きさが６～８μｍであってもよい。
前記コア硬化層は、硬度が３５０Ｈｖ以上であってもよい。前記条件で本発明の超強度鉄筋の耐震特性と強度が同時に優れることができる。
例えば、前記コア硬化層は、硬度３５０～４００Ｈｖであり、前記コア硬化層を除いた中心部は、硬度２４０～２８０Ｈｖであり、表層部は、硬度３３０～３６０Ｈｖであってもよい。
一具体例において、前記超高強度鉄筋は、横断面を基準として、前記コア硬化層を１５～３０面積％含むことができる。前記条件でコア硬化層を形成する時、耐震特性と強度に優れることができる。例えば、前記コア硬化層を１５～２５面積％含むことができる。
一具体例において、前記超高強度鉄筋は、降伏強度（ＹＳ）７００ＭＰａ以上、引張強度／降伏強度（ＴＳ／ＹＳ）１．２５以上および延伸率（Ｅｌ）１０％以上であってもよい。前記条件で強度および耐震性能がすべて優れることができる。例えば、前記超高強度鉄筋は、降伏強度（ＹＳ）７００～８５０ＭＰａ、引張強度／降伏強度（ＴＳ／ＹＳ）１．２５～１．３５および延伸率（Ｅｌ）１０～２０％であってもよい。
以下、本発明の好ましい実施例を通じて本発明の構成および作用をより詳細に説明する。ただし、これは、本発明の好ましい例として提示されたものであり、いかなる意味でもこれによって本発明が制限されるとは解釈されない。
実施例および比較例１～８
下記表１のような成分および含有量の合金成分と残部の鉄（Ｆｅ）およびその他の不可避不純物を含む半製品を製造した。また、前記半製品の炭素当量を下記式１によって計算して、表１に併せて示した。
Figure 0007254211000005
 （上記式１中、前記［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｖ］、［Ｍｏ］、［Ｃｕ］および［Ｎｉ］は、前記半製品に含まれる炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）およびニッケル（Ｎｉ）の含有量（重量％）である）。
その後、実施例および比較例の成分の半製品を下記表２の条件で再加熱した後、熱間圧延を実施して圧延材を製造した。その後、前記圧延材を前記表２の線速と比水量の条件でテンプコア冷却を経てＭｓ温度以下まで冷却した。また、前記テンプコア冷却時、前記圧延材の復熱温度を下記表２に併せて示した。
Figure 0007254211000006
Figure 0007254211000007
前記実施例および比較例１～８で製造された鉄筋に対して、降伏強度（ＹＳ）、降伏比（ＹＳ／ＴＳ）および延伸率（％）と、鉄筋の中心部の微細組織と、鉄筋の横断面を基準とした表層部の断面積を測定して、その結果を下記表３に示した。
Figure 0007254211000008
前記表３の結果を参照すれば、前記実施例１は、前記比較例１および２に比べてバナジウム（Ｖ）含有量を節減したにもかかわらずシリコン（Ｓｉ）含有量を増加させて、鉄筋の十分な材質確保が可能であることが分かった。前記実施例におけるシリコン（Ｓｉ）の含有量増加は、オーステナイト（γ）→フェライト（α）の相変態温度の変化とフェライト内の炭素固溶度の変化で粒界移動を妨げて粒子の粗大化を防止し、複合（多角形＋針状型）フェライトとベイナイトが形成される温度区間で残留バナジウム（Ｖ）と炭素、窒素（Ｃ、Ｎ）の結合を誘導して、ＶＣＮ析出物をフェライトの内部に形成して材質の上昇に寄与したと判断される。また、前記実施例は、求められる鉄筋の物性を確保するために、従来の冷却に従うのではなく、テンプコア時、比水量と線速の制御で表層部の制御と、鉄筋の中心部にベイナイトおよび微細フェライトで構成されたコア硬化層の形成を誘導した。
下記の図２は、実施例により製造された超高強度鉄筋の横断面図であり、図３は、比較例１の鉄筋の横断面図を示したものである。前記図２を参照すれば、本発明の実施例の鉄筋は、前記中心部は、フェライト４２体積％、パーライト３４体積％およびベイナイト２４体積％を含む微細組織からなる中心部２０と、中心部２０の外周面に形成され、テンパードマルテンサイトを含む微細組織からなる表層部１０とを含み、中心部２０には、下部ベイナイトおよび微細フェライトを含む複合微細組織からなるコア硬化層２２が形成されたことが分かる。
前記図３を参照すれば、前記比較例１の鉄筋は、多角形フェライト３５体積％およびパーライト６５体積％を含む中心部２と、中心部２の外部面に形成され、テンパードマルテンサイトを含む微細組織からなる表層部１とを含むことが分かる。
下記の図４（ａ）は、実施例の鉄筋の表層部の微細組織であり、図４（ｂ）は、実施例の鉄筋の中心部の微細組織であり、図４（ｃ）は、実施例の鉄筋の中心部のコア硬化層の微細組織の写真である。また、下記の図５（ａ）は、比較例１の鉄筋の表層部の微細組織であり、図５（ｂ）は、比較例１の鉄筋の中心部の微細組織であり、図５（ｃ）は、比較例１の鉄筋の中心部の微細組織の写真である。
前記図４および図５を参照すれば、前記実施例の鉄筋は、マルテンサイトを含む微細組織を有する表層部（硬度３７０Ｈｖ）と、フェライト、パーライトおよびベイナイトを含む中心部（硬度２６０Ｈｖ）とが形成され、前記中心部には、鉄筋横断面を基準として、約１５～２５面積％のコア硬化層（硬度３５０Ｈｖ）が形成されたことが分かった。また、前記コア硬化層は、下部ベイナイト（ｌｏｗｅｒ ｂａｉｎｉｔｅ）および平均大きさ約７～８μｍの微細フェライトを含む微細組織が形成されたことが分かった。
これに対し、比較例１の鉄筋は、マルテンサイトを含む微細組織を有する表層部（硬度３７０Ｈｖ）と、多角形フェライトを含む中心部（硬度２６０Ｈｖ）とが形成され、前記中心部に前記実施例のようなコア硬化層が形成されていないことが分かった。
前記図４および図５を参照すれば、実施例および比較例１の鉄筋は、明確な微細組織の差を確認することができ、微小硬度の測定結果からも、実施例の鉄筋の中心部の硬度値は、比較例１に比べて約１００Ｈｖ高いことを確認することができた。前記実施例のコア硬化層は、仕上げ熱間圧延時に蓄積された変形エネルギーと、冷却制御による連携効果で応力誘起変態（Ｓｔｒｅｓｓ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ、ＳＩＴ）による相制御により形成されたものであり、本発明の比水量３．７～３．９ｌ／圧延材－ｋｇの条件でコア硬化層の確保が可能であることが分かった。
しかし、シリコン（Ｓｉ）の添加量が過度に高くなると、強度確保には有利であるが、延伸率を低下する影響を及ぼすので、適正なシリコン（Ｓｉ）添加が重要であることが分かる。
また、降伏強度（ＹＳ）７００ＭＰａ以上の超高強度鋼材に耐震性能を同時に確保するためには、一定の炭素当量（Ｃｅｑ）以上を確保しなければならない。炭素当量（Ｃｅｑ）が０．６４である比較例３の場合、シリコン（Ｓｉ）添加効果により耐震性能の確保の可能性を示すものの、実施例１に比べて強度が低下することが分かる。さらに、炭素当量（Ｃｅｑ）が０．６７である比較例４の鉄筋も、本発明が目標とする降伏強度と耐震性能に及ばないことを確認することができる。これは、耐震性能と強度の確保が可能なシリコン添加と炭素当量０．７以上をすべて確保しなければならないことが分かる。
本発明の単純な変形乃至変更はこの分野における通常の知識を有する者によって容易に実施可能であり、このような変形や変更はすべて本発明の領域に含まれる。

Claims (12)

  1. 炭素（Ｃ）：０．１０～０．４５重量％、シリコン（Ｓｉ）：０．５～１．０重量％、マンガン（Ｍｎ）：０．４０～１．８０重量％、クロム（Ｃｒ）：０．１０～１．０重量％、バナジウム（Ｖ）：０超過０．２重量％以下、銅（Ｃｕ）：０超過０．４重量％以下、モリブデン（Ｍｏ）：０超過０．５重量％以下、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１５～０．０７０重量％、ニッケル（Ｎｉ）：０超過０．２５重量％以下、スズ（Ｓｎ）：０超過０．１重量％以下、リン（Ｐ）：０超過０．０５重量％以下、硫黄（Ｓ）：０超過０．０３重量％以下、窒素（Ｎ）：０．００５～０．０２重量％、残部の鉄（Ｆｅ）およびその他の不可避不純物を含み、下記式１による炭素当量（Ｃｅｑ）：０．７以上である超高強度鉄筋であり、
    前記超高強度鉄筋は、中心部と、前記中心部の外周面に形成される表層部と、を含み、
    前記表層部は、テンパードマルテンサイトを含み、前記中心部は、フェライト、パーライトおよびベイナイトを含む微細組織からなり、
    前記フェライトは、多角形フェライトおよび針状型フェライトのうちの１つ以上を含み、
    降伏強度（ＹＳ）：７００ＭＰａ以上および引張強度／降伏強度（ＴＳ／ＹＳ）：１．２５以上であることを特徴とする超高強度鉄筋：
    Figure 0007254211000009
     （上記式１中、前記［Ｃ］、［Ｍｎ］、［Ｃｒ］、［Ｖ］、［Ｍｏ］、［Ｃｕ］および［Ｎｉ］は、前記鉄筋に含まれる炭素（Ｃ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）およびニッケル（Ｎｉ）の含有量（重量％）である）。
  2. 降伏強度（ＹＳ）７００～８５０ＭＰａ、引張強度／降伏強度（ＴＳ／ＹＳ）１．２５～１．３５および延伸率（Ｅｌ）１０％以上であることを特徴とする、請求項１に記載の超高強度鉄筋。
  3. 前記中心部は、フェライト３０～４５体積％、パーライト３０～４５体積％およびベイナイト１５～２５体積％を含む微細組織からなることを特徴とする、請求項１に記載の超高強度鉄筋。
  4. 前記鉄筋は、横断面を基準として、表層部５～１５面積％および中心部８５～９５面積％を含むことを特徴とする、請求項１に記載の超高強度鉄筋。
  5. 前記中心部は、硬度３５０Ｈｖ以上のコア硬化層を含むことを特徴とする、請求項１に記載の超高強度鉄筋。
  6. 前記コア硬化層は、下部ベイナイト（ｌｏｗｅｒ ｂａｉｎｉｔｅ）および平均大きさ５～１０μｍの微細フェライトを含む微細組織からなることを特徴とする、請求項５に記載の超高強度鉄筋。
  7. 前記コア硬化層は、硬度３５０～４００Ｈｖであり、
    前記コア硬化層を除いた中心部は、硬度２４０～２８０Ｈｖであり、
    表層部は、硬度３３０～３６０Ｈｖであることを特徴とする、請求項５に記載の超高強度鉄筋。
  8. 前記鉄筋は、横断面を基準として、前記コア硬化層を１５～３０面積％含むことを特徴とする、請求項５に記載の超高強度鉄筋。
  9. 炭素（Ｃ）：０．１０～０．４５重量％、シリコン（Ｓｉ）：０．５～１．０重量％、マンガン（Ｍｎ）：０．４０～１．８０重量％、クロム（Ｃｒ）：０．１０～１．０重量％、バナジウム（Ｖ）：０超過０．２重量％以下、銅（Ｃｕ）：０超過０．４重量％以下、モリブデン（Ｍｏ）：０超過０．５重量％以下、アルミニウム（Ａｌ）：０．０１５～０．０７０重量％、ニッケル（Ｎｉ）：０超過０．２５重量％以下、スズ（Ｓｎ）：０超過０．１重量％以下、リン（Ｐ）：０超過０．０５重量％以下、硫黄（Ｓ）：０超過０．０３重量％以下、窒素（Ｎ）：０．００５～０．０２重量％、残部の鉄（Ｆｅ）およびその他の不可避不純物を含み、下記式１による炭素当量（Ｃｅｑ）：０．７以上である半製品を再加熱するステップと、
    前記再加熱された半製品を仕上げ圧延温度：８５０～１０００℃の条件で熱間圧延して圧延材を製造するステップと、
    前記圧延材をＭｓ温度以下まで冷却するステップと、を含み、
    前記冷却は、前記圧延材を５００～７００℃まで復熱するステップ、を含んでなる超高強度鉄筋の製造方法であり、
    前記超高強度鉄筋は、中心部と、前記中心部の外周面に形成される表層部と、を含み、
    前記表層部は、テンパードマルテンサイトを含み、前記中心部は、フェライト、パーライトおよびベイナイトを含む微細組織からなり、
    前記フェライトは、多角形フェライトおよび針状型フェライトのうちの１つ以上を含み、
    降伏強度（ＹＳ）：７００ＭＰａ以上および引張強度／降伏強度（ＴＳ／ＹＳ）：１．２５以上であることを特徴とする超高強度鉄筋の製造方法：
    Figure 0007254211000010
  10. 前記冷却時、前記圧延材の線速６．７～７．２ｍ／ｓおよび比水量３．７～３．９ｌ／ｋｇの条件で実施することを特徴とする、請求項９に記載の超高強度鉄筋の製造方法。
  11. 前記再加熱は、１０５０～１２５０℃で実施することを特徴とする、請求項９に記載の超高強度鉄筋の製造方法。
  12. 前記中心部は、硬度３５０Ｈｖ以上のコア硬化層を含むことを特徴とする、請求項９に記載の超高強度鉄筋の製造方法。
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