KR100358939B1 - 고온강도특성이 우수한 인장강도58kgf/mm2급 건축용 강재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화재시에 강재의 온도가 상승하여도 고온에서의 강도저하가 적은 인장강도 58kgf/㎟급 건축용강재의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 고온강도 특성이 우수한 인장강도 58kgf/㎟급 건축용강재의 제조방법은 중량%로 C:0.05∼0.15%, Si:0.55% 이하, Mn:1.60% 이하, Cr:0.70%, 이하, Mo:0.3∼0.9%, Nb:0.06% 이하, P:0.03% 이하, S:0.025% 이하, Sol. Al:0.01∼0.06%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물이 함유된 강슬래브를 1150∼1300℃로 가열하여 압연종료온도가 820℃ 이상이 되도록 열간압연한 다음, 7∼50'C/sec의 냉각속도로 상온까지 수냉한 후, 다시 500∼650℃의 온도범위에서 템퍼링처리하는 것을 특징으로 한다.

Description

고온강도 특성이 우수한 인장강도 58kgf/㎟급 건축용강재의 제조방법

본 발명은 화재시에 강재의 온도가 상승하여도 고온에서의 강도저하가 적은 58kgf/㎟급 건축용 강재의 제조방법에 관한 것이다.

보다 상세하게는 기존의 고온강도 특성이 우수한 인장강도 50kgf/㎟급 건축용 내화강(상온 항복강도:33kgf/㎟ 이상, 600℃ 항복강도:21kgf/㎟이상)을 이용하여 직접소입 공정의 적용으로 인장강도 58kgf/㎟급 건축용 내화강(상온 항복강도:47kgf/㎟ 이상, 600℃ 항복강도:31.3kgf/㎟ 이상)을 제조하는 방법에 관한 것이다.

철골 건축물은 화재 발생시 열에 의해 강재 강도가 낮아져 건축물로써의 내력이 저하되기 때문에 빌딩이 화재시 붕괴되는 것을 막기 위하여 철골부재의 온도가 일정한 시간 내에 특정한 온도 이상으로 상승하지 못하므로 내화피복으로 철골을 보호하는 것이 건축기준법에 규정되어 있다.

일반적으로 내화피복을 두껍게 하게 되면 건축물의 시공비와 시공공기가 늘어나게 되고 실사용 공간이 줄어들게 되므로 공사비 저감, 공기단축, 실면적 유효이용의 관점에서 내화피복 공사의 경감에 대한 필요성이 증대되어 왔다.

위의 필요성에 대응하여 개발된 것이 고온특성이 우수한 인장강도 50kgf/㎟급 내화강이다, 일반건축용 강재는 350℃에서 항복강도가 상온 규격치의 2/3 이하로 저하하여 구조부재에서 요구되는 내력에 미달하여 법정 내화시간 내에 350℃에 도달하지 못하도록 두꺼운 내화피복을 해야 한다.

반면 내화강은 600℃까지 항복강도가 상온규격치의 2/3 이상으로 강재온도가 600℃까지 증가하여도 붕괴하지 않는 것이 특징이다. 따라서 내화강을 사용 시에는 내화피복을 얇게 하여도 충분히 기존 내화시간 내에 붕괴하지 않게 되어 내화피복 경감의 큰 이점이 있게 된다.

이러한 이점을 갖는 인장강도 50kgf/㎟급 내화강은 표 1의 규격에서 보는바와 같이 C:0.l5wt% 이하, Si:0.55wt% 이하, Mn:1.60wt% 이하, Cr:0.70wt% 이하, Mo:0.3∼0.9wt%, P:0.03wt% 이하, S:0.025wt% 이하의 화학조성을 갖는 강을 통상의 방법으로 압연한 다음, 공냉 또는 가속냉각(열간압연 후 베이나이트 온도 이상의 온도까지 수냉하고, 그 이후 상온까지 공냉하는 제조공정)에 의해서 제조하고 있다.

그러나 최근에는 초고층 시대의 도래에 따라 골조의 경량화 및 공간이용효율 증대의 극대화를 위하여 강도가 더욱 높은 인장강도 58kgf/㎟ 이상의 고온강도특성이 우수한 내화강에 대한 필요성이 증대되고 있는데, 상기한 종래방법과 같이 상온 및 고온강도의 증가를 이룩하기 위해 고가인 Cr, Mo 등을 더욱 증가시키는 방법이행하여 질 수 있지만, 이러한 방법의 경우에는 탄소당량 증가에 따른 용접성 저하를 초래하는 문제점이 있다.

본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 인장강도 50kgf/㎟급 내화강 조성에 강재에 열간압연 후 직접소입-템퍼링처리를 행함으로써, 합금성분의 증가 없이 고온강도 특성이 우수한 인장강도 58kgf/㎟급 건축구조용 내화강을 제조하고자 하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 고장력강의 제조방법에 있어서, 종량%로 C:0.05∼0.15%, Si:0.55% 이하, Mn:1.60% 이하, Cr:0.70% 이하, Mo:0.3∼0.9%, Ni:0.06%이하, P:0.03% 이하, S:0.025% 이하, Sol. Al:0.01-0.06%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물이 함유된 강슬래브를 1150∼1300℃의 슬래브 가열온도에서 충분히 가열하고, 압연종료온도 820℃ 이상으로 열간압연한 다음, 7∼50℃/sec의 냉각속도로 상온까지 수냉한 후 500∼650℃의 온도범위에서 템퍼링처리하여 고온강도 특성이 우수한 인장강도 58kgf/㎟급 건축구조용 고장력강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

이하 상기 강 성분범위 및 제반 제조조건의 한정이유 등에 대하여 설명한다.

상기 C(탄소) 함량의 증가는 강의 소입성을 향상시켜 강도를 증가시킬 수 있지만 용접성을 해치고, 반대로 C함량을 감소시키면 소입성이 낮아 강도를 보증할 수 없으므로 C함량의 첨가는 0.05∼0.15wt%로 한다.

상기 Si(규소)는 탈산제로 첨가되는 성분인데, 구 함량이 증가하면 항복강도는 증가시키지만 충격천이온도를 상승시키고 용접성을 해치게 되므로 Si함량은0.55% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Mn(망간)은 소입성을 증가시켜 강도를 증가시킬 수 있으나, 용접성을 해치므로 적절한 강도확보와 용접성을 고려하여 Mn함량은 1.6wt% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Mo(몰리브덴)은 미세한 탄화물의 형태로 강중에 존재하여 고온강도를 높이는 효과가 있으며, 열간압연 후 직접소입 시는 소입성을 향상시켜 상온강도를 향상시키는데 유효하다. 0.3% 미만에서는 필요로 하는 고온강도를 얻기 어려우며, 0.9%를 초과하면 용접성이 열화되므로 적절한 고온강도 확보와 용접성을 고려하여 Mo함량은 0.3∼0.9wt%로 제한한다.

상기 Cr(크롬)은 소입성을 향상시키고, 미세한 탄화물의 형태로 존재하여 상온 및 고온강도를 증가시키는데 유효한 원소이나 용접성을 해치므로 그 첨가량은 0.7wt% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Nb(니오븀)은 열간압연시 오스테나이트 입도성장을 억제하고 소입성을 증가시켜 상온강도 및 인성향상에 유익하고, 강중에 미세한 탄화물로 존재하여 고온강도를 향상시키지만, 용접성을 해치므로 그 함량은 0.06% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 P(인) 및 S(황)는 충격인성 및 용접성에 유해한 원소이므로 함량이 낮으면 낮을수록 좋지만 제강공정에서 피할 수 없는 불순성분이므로 물성에 해로운 영향을 끼치지 않도록 상기 P는 0.03% 이하, 상기 S는 0.025% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Sol. Al(산가용성 알루미늄)은 탈산을 위한 필수적인 원소로서 충격흡수에너지를 개선시키지만, 다량 첨가 시에는 오히려 충격인성을 해지게 되므로 그 함량은 0.01-0.00006%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 슬래브 가열온도는 일반적으로 후판압연에서 사용되는 1150∼1300℃의 온도구역으로 설정하는 것이 바람직한데, 1150℃ 미만의 온도가열에서는 주조시 생성된 조대한 니오븀탄화물(Nb-C)이 용해되지 않아 압연 및 냉각과정에서의 Nb에 의한 오스테나이트 입도 미세화 및 소입성 향상효과를 기대할 수 없으며, 1300℃ 이상의 가열은 결정립 성장의 이상성장(Abnormal Grain Growth)을 가져오기 때문이다.

또한, 압연종료온도가 820℃ 미만인 경우에는 과다한 미재결정역 압연으로 강의 소입성이 저하하여 기지조직 중에서 상온 고온강도 발현에 바람직한 베이나이트나 침상 페라이트(Acicular Ferrite)의 분율이 미미하여 원하는 상온 및 고온강도를 얻을 수 없으므로 압연종료온도는 820℃ 이상으로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각속도는 빠를수록 강도 확보측면에서는 유리하지만 그 상한값은 후판냉각의 수냉 최대범위인 50℃/sec으로 하며, 7℃/sec 미만의 냉각속도에서는 기지조직이 대부분 페라이트와 펄라이트로 구성되어 강도와 인성을 확보할 수 없으므로, 냉각속도는 7∼50℃/sec으로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 템퍼링 온도는 강도와 인성의 확보에 중요한 인자이고, 통상적으로 ACi온도 이하에서 이루어지는데, 500℃ 이하에서는 충격인성이 저하하며 고온강도증가에 유효한 Cr 및 Mo 탄화물의 석출이 일어나기 어려우며, 650℃ 이상이 되면 기지의 연화와 탄화물의 조대화에 기인하여 상온 및 고온강도의 확보가 어렵기 때문에 500∼650℃ 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

일반적으로 강의 상온 및 고온강도는 합금원소의 고용도 증가에 의한 고용강화와 미세한 탄화물에 의한 석출강화에 의해 증가함은 잘 알려져 있는 사실이다. 본 발명의 경우 직접소입에 의해 탄소 및 합금원소를 많이 함유하는 베이나이트나 침상 페라이트 조직의 분율이 증가하게 되어 종래 압연 후 공냉 또는 가속냉각 방법에 의해 제조한 경우보다 고용강화 효과가 증대되었으며, 소입에 의한 전위밀도의 증가 및 공동과 같은 내부결함의 증가는 미세한 탄화물의 석출을 유기하여 기존의 방법에 비해 상온 및 고온강도가 현저하게 증가하게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같은 기존의 인장강도 50kgf/㎟급 내화강의 규격범위에 있는 본 발명강 슬래브를 1150∼1300℃에서 충분히 가열하여 하기 표 2와 같은 조건으로 평균압하율 17%의 연속적인 열간압연, 직접소입 및 템퍼링을 행하여 시편을 제작하고, 가 시편에 대해 기계적 성질을 측정하고, 그 측정결과를 종래방법에 의해 제조된 강(비교재)의 것과 함께 하기 표 3에 나타내었다.

또한, 본 발명에서는 이용하고 있는 직접소입 방법에 의해 제조시의 강도증가 원인을 분석하기 위하여 광학현미경에 의해 기지조직을 관할하였는데, 그 결과를 제1도에 나타내었다, 제1도에서 (가)는 발명재(2), (나)는 발명재(4), (다)는 발명재(6), (라)는 비교재(b)의 광학현미경 조직을 나타낸다.

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 발명재(1∼6)는 종래방법에 따라 제조된 비교재(a∼d)에 비해 상온에서의 항복강도 및 인장강도는 10kgf/㎟ 이상, 600℃ 항복강도의 경우 7∼12kgf/㎟, 600℃ 인장강도는 7∼14kgf/㎟ 정도 우수한데 반하여 충격인성은 열화되지 않음을 알 수 있는데, 이는 본 발명재가 종래재에 비하여 강도와 인성 측면에서 훨씬 우수한 물성을 갖고 있음을 나타낸다.

또한, 본 발명에 따라 820℃ 이상에서 열간압연을 종료하고, 직접소입한 후 600℃에서 템퍼링처리한 발명재(2), (4), (6)[제1도의 (가), (나), (다)]와 열간압연 후 공냉하여 제조한 비교재(B)[제1도의 (라)]의 기지조직에 대한 광학현미경 사진을 나타내는 제1도에 나타난 바와 같이 직접 소입으로 제조한 본 발명재(2), (4), (6)가 비교재(b)에서보다 탄소 및 합금원소를 많이 함유하여 높은 강도를 보유하는 베이나이트와 침상 페라이트(Acicular Ferrite)의 조직을 월등히 많이 가지고 있음을 알 수 있다. 그리고 제1도에서 압연종료온도의 저하에 따라 베이나이트와 침상 페라이트 함량이 현저히 감소함이 주목되는데, 이로부터 본 발명에서 목표로 하는 인장강도 58kgf/㎟급 내화강(상온항복강도 47kgf/㎟ 이상, 600℃ 항복강도 31.3kgf/㎟이상)의 물성을 만족시키기 위한 기지조직 확보를 위해서는 압연종료온도는 820℃ 이상이어야 함을 잘 알 수 있다.

위의 실시예를 통해볼 때, 본 발명의 직접소입에 의한 것이 종래재에 비해 인성의 열화 없이 상온 및 고온강도가 크게 향상된 원인은 다음과 같이 추론할 수 있다.

첫째, 직접소입에 의해 베이나이트와 침상 페라이트(Acicular Ferrite)의 생성이 조장되어 고용강화에 의한 상온 및 고온강도 증가효과가 종래재에 비해 컸음을 들 수 있다.

두 번째는 직접소입재가 소입에 의한 전위밀도 및 공공 등의 증가로 현저히 미세한 탄화물의 석출이 유기되어 기존의 방법에 비하여 석출강화에 의한 강도증가 효과도 컸음을 들 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 종래의 인장강도 50kgf/㎟급 건축용 내화강에 비해 합금원소의 증가 없이도 인성의 열화 없이 상온 항복강도와 인장강도는 10kgf/㎟ 이상, 600℃ 항복강도 및 인장강도 7∼14kgf/㎟ 정도 높은 고강도-고인성의 인장강도 58kgf/㎟급 건축구조용 내화강을 제공함으로써 고층빌딩 등의 구조를 제조분야에 적절히 응용될 수 있는 효과가 있는 것이다.

[표 1] 발명강의 화학성분과 종래강(인장강도 50kgf/㎟급 내화강)의 화학성분 규격 (wt%)

[표 2] 발명재와 비교재의 제조방법 비교

*압연후 가속냉각 : 열간압연 후 냉각종료온도까지 수냉하고, 그 이후 상온까지 공냉하는 제조공정

[표 3] 발명재와 비교재의 기계적 성질

제1도는 발명재와 비교재의 기지조직을 보여주는 광학현미경 조직사진이다.

Claims (1)

1. 중량%로 C:0.05∼0.15%, Si:0.55% 이하, Mn:1.60% 이하, Cr:0.70% 이하, Mo:0.3∼0.9%, Nb:0.06% 이하, P:0.03% 이하, S:0.025% 이하, Sol. Al:0.01∼0.06%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물이 함유된 강슬래브를 1150∼1300℃로 가열하여 압연종료온도가 820℃ 이상이 되도록 열간압연하는 단계와;

   상기 열간압연된 강재를 7∼50℃/sec의 냉각속도로 상온까지 수냉하는 단계와;

   상기 상온으로 수냉된 강재를 500∼650℃ 온도범위로 가열하여 템퍼링처리하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 고온강도 특성이 우수한 인장강도 58kgf/㎟급 건축구조용고장력강의 제조방법.