KR100711469B1 - 2000ＭＰａ급 과공석 강선의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교량의 케이블 및 콘크리트의 인장강도를 증가시키기 위한 PC강선 등에 사용되는 강선에 관한 것이다.

본 발명은 중량%로, C: 0.88~0.92%, Si: 1.0~1.4%, Mn: 0.3~0.6%, Cr: 0.2% 이하, S: 0.01% 이하, P: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성되는 강 빌렛을 1000~1250℃로 가열하여 통상의 방법을 이용하여 선재로 열간압연하는 단계; 상기 열간압연된 선재를 800~900℃까지 80℃/초 이상의 냉각속도로 냉각한 다음 권취하는 단계; 상기 권취된 선재를 1000℃ 이상의 온도로 재가열 후 510~610℃의 납조에 투입하여 항온변태시키는 단계; 및 상기 항온변태된 선재를 80~85%의 단면감소율로 신선한 다음 450~550℃에서 용융아연도금하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따르면 최종제품의 강도를 2000MPa 이상으로 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 신선전에 소재의 균질성을 확보함으로써 과공석 강선의 단선율을 감소시킴으로써 생산성을 향상시킬 수도 있다.

과공석, 강선, 교량용, PC강선, 패턴팅처리

Description

2000ＭＰａ급 과공석 강선의 제조방법{A method for manufacturing 2000MPa grade hypereutectoid steel wire}

도 1은 패턴팅처리를 위한 재가열온도에 따른 소재의 강도변화를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 교량의 케이블 및 콘크리트의 인장강도를 증가시키기 위한 PC강선 등에 사용되는 강선에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열간압연된 선재를 적절하게 신선, LP(Lead Patenting)열처리 및 용융아연도금처리함에 의한 2000MPa급 과공석 강선의 제조방법에 관한 것이다.

사장교, 현수교 등 특수교량에 있어서 하중의 대부분을 지지하는 케이블 및 콘크리트의 인장강도를 증가시키기 위해 사용되는 PC강선 등의 강선은 높은 강도가 요구되어지며, 이에 일반적으로 실용재료중 가장 고강도를 나타내는 냉간 신선을 거친 공석 강선 또는 과공석 강선이 사용되고 있다. 상기와 같은 공석 강선 또는 과공석 강선들은 일반적으로 제철소에서 직경 5~15mm의 선재로 제조된 후 수요가에 서 신선에 적합한 조직인 미세한 펄라이트를 얻기 위해 LP 열처리 공정을 거친 후 신선 공정을 거쳐 최종제품인 강선으로 제조된다.

또한, 교량용 강선들은 용도 특성상 수분, 염분 등 부식을 야기시키는 분위기하에서 장시간 노출되므로 내후성을 부여하기 위해 통상 신선후 아연도금처리를 거친다. 이때 신선가공된 강선은 열에 의해 가공경화된 부분중 일부가 상실되며, 이에 강선의 전체적인 강도가 저하되게 된다.

교량용 강선을 제조하는 공정중 최종 제품의 강도에 영향을 미치는 공정은 LP 열처리, 신선공정, 그리고 아연도금공정이 있다. 이들 공정중 LP 열처리 및 신선공정은 각각 조직 미세화와 가공경화에 의해 강도를 증가시키는 요인으로 작용하며, 반면 아연도금공정은 강도저하요인으로 작용한다.

상기 신선공정중의 강도 증가분은 가공경화율과 신선가공량 측면으로 나누어 생각해 볼 수 있는데, 신선가공량을 증가시키면 소재의 강도는 증가하지만 소재의 연성이 급격히 감소하여 제품 생산 공정중에 단선이나 가공 불량을 일으키게 된다. 따라서 통상적으로 소재의 강도를 증가시키기 위해서는 신선전 소재의 강도를 증가시키는 것이 바람직하다. 이와 같이 신선전 소재의 강도를 증가시키기 위해서는 완전 펄라이트 조직에서는 라멜라 층상간격을 미세하게 만드는 것이 가장 바람직하며 미세한 층상간격은 가공중 가공경화율을 높여 같은 신선 가공량에도 강도 증가분이 커지게 되어 최종제품의 강도를 높이게 된다.

신선에 적합한 균질한 완전 펄라이트 조직을 만드는 방법은 우선 열간에서 과공석강 선재를 마무리 압연할 때 높은 압연온도에서 느린 속도로 압연하여 압연 도중 압연에 의해 소재 내에 축적되는 변형 에너지를 해소한다. 그리하여 냉각시 오스테나이트 결정립계에서 초석 세멘타이트의 생성을 최대한 억제하는 것이다. 그러나, 선경 13mm 이상의 대경선재에서는 소재의 질량이 커서 냉각속도가 충분히 얻어지지 않고, 특히 소재 내외부의 냉각속도 편차가 심해져서 소재 내부에서는 오스테나이트 결정립계에 초석 세멘타이트가 자주 관찰된다. 이러한 상태로는 후속 신선공정에서 균열이나 디라미네이션(delamination)과 같은 문제를 일으키게 된다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존의 1800MPa급 교량용 강선보다 탄소의 함량을 증가시켜 강도를 확보하면서도 초석 세멘타이트의 생성을 최대한 억제하기 위한 합금성분계를 제시함과 아울러 LP 열처리 조건, 신선조건 및 용융아연도금 조건을 제어함에 의하여 2000MPa급 과공석 강선의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C: 0.88~0.92%, Si: 1.0~1.4%, Mn: 0.3~0.6%, Cr: 0.2% 이하, S: 0.01% 이하, P: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성되는 강 빌렛을 1000~1250℃로 가열하여 통상의 방법을 이용하여 선재로 열간압연하는 단계;

상기 열간압연된 선재를 800~900℃까지 80℃/초 이상의 냉각속도로 냉각한 다음 권취하는 단계;

상기 권취된 선재를 1000℃ 이상의 온도로 재가열 후 510~610℃의 납조에 투 입하여 항온변태시키는 단계; 및

상기 항온변태된 선재를 80~85%의 단면감소율로 신선한 다음 450~550℃에서 용융아연도금하는 단계;를 포함하는 2000MPa급 과공석 강선의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 강성분과 제조공정으로 나누어 상세하게 설명한다.

[강성분]

C: 0.88~0.92중량%(이하, 단지 '%'로 기재함)

상기 탄소(C)는 교량용 및 PC강선용 과공석강 선재에서 세멘타이트로 형성된다. 상기 세멘타이트는 페라이트와 함께 층상의 펄라이트를 형성하는데 페라이트에 비하여 고강도이므로 세멘타이트의 분율이 증가할수록 선재의 강도는 증가하게 된다. 또한, 전체 층상조직이 균질하고 미세할수록 선재의 강도는 향상된다. 탄소의 함량을 증가시키면 세멘타이트의 분율이 증가하고 라멜라 층간간격이 미세해지므로 선재의 강도를 증가시키는데 매우 효과적이다. 그러나, 탄소의 함량이 많아지면 냉각속도가 충분치 않은 경우 오스테나이트 결정립계에 초석 세멘타이트를 형성시켜 가공성을 열악하게 만드는 문제가 생기기도 한다. 따라서, 탄소의 함량을 증가시키는 경우 가공성을 해치지 않기 위해서는 냉각속도를 충분히 확보하거나 다른 합금성분계를 함께 첨가하여 오스테나이트-펄라이트 상변태 동역학(kinetics)을 제어할 수 있어야 한다. 본 발명에 있어서 상기 C의 함량이 0.88% 미만이면 요구되는 강도를 얻을 수 없고, 0.92%를 초과하면 후속공정 진행시 단선이나 최종제품의 염회치 불량으로 인해 사용할 수 없으므로, 그 함량을 0.88~0.92%로 제한하는 것이 바람직하다.

Si: 1.0~1.4%

상기 규소(Si)는 기지조직인 페라이트에 고용되어 강화시키기도 하지만 아연도금시 세멘타이트 조직 붕괴를 억제하여 강도저하를 억제하는 효과도 가지고 있다. 상기 강도저하 억제 메커니즘에 대해서는 다카하시(高橋)에 의해 펄라이트중의 페라이트/세멘타이트 계면에 Si 농화층이 생성하여 세멘타이트의 붕괴를 억제하기 때문이라고 보고되고 있다. 즉 아연도금 처리시의 강선온도는 400℃ 이상까지 상승하는데 이때 강선중의 라멜라 세멘타이트가 나노 사이즈로 입상화하고, 또한 조대화됨에 따라 강도와 동시에 연성도 저하하게 된다．상기 Si는 라멜라 세멘타이트 표면에 농화되어 존재하고，온도상승에 의해 라멜라 세멘타이트의 나노 입자의 조대화를 억제함에 따라 강도저하를 방지하여 고연성을 유지하게 한다．그러나, 상기 Si의 함량이 많아지면 열처리시 소재의 표면에서 탄소가 산화되어 쉽게 제거되므로 신선 가공시 디라미네이션(delamination)을 일으키기 쉽다. 본 발명에 있어서 상기 Si의 함량이 1.0% 미만이면 고객사 열처리 공정시 펄라이틱 세멘타이트의 붕괴로 인해 강도 확보가 어렵고, 1.4%를 초과하면 표면탈탄이 심해질 뿐만 아니라 조직이 너무 경화되어 후속공정을 위한 적절한 연성확보가 곤란하므로, 그 함량을 1.0~1.4%로 제한하는 것이 바람직하다.

Mn: 0.3~0.6%

상기 망간(Mn)은 펄라이트 변태를 지연시키기 때문에 다소 느린 냉각속도에서도 미세한 펄라이트가 쉽게 생성되도록 한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 적어도 0.3% 이상의 Mn을 첨가하여야 하나, 그 함량이 0.6%를 초과하면 열처리시에 소재의 표면에 있는 조직의 결정립계가 산화되기 쉽다. 따라서, 상기 Mn의 함량은 0.3~0.6%로 제한하는 것이 바람직하다.

Cr: 0.2% 이하

상기 크롬(Cr)은 라멜라 층간간격을 미세화시키며 Si과 마찬가지로 아연도금시 세멘타이트의 프라그멘테이션(fragmentation)을 억제하여 강도저하를 최소화하는 효과가 있다. 그러나, 상기 Cr은 고가의 원소일 뿐만 아니라 0.2%를 초과하여 첨가시 소입성을 크게 증가시켜 연속냉각 공정중에 마르텐사이트를 생성시킬 우려가 있다. 따라서, 상기 Cr의 함량은 0.2% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

S: 0.01% 이하

상기 황(S)은 저융점 석출물의 형태로 결정립계에 석출되어 열간취화를 유발시키므로 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하나, 그 함량을 낮추기 위해서는 추가적인 비용이 소모되므로 본 발명에서는 0.01% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

P: 0.01% 이하

상기 인(P)은 주상정 사이에 편석되어 열간취화를 일으키기도 하고, 또 냉간에서 신선가공시 균열을 유발시키므로 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하나, 그 함량을 낮추기 위해서는 추가적인 비용이 소모되므로 본 발명에서는 0.01% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 제조공정을 단계별로 나누어 상세하게 설명한다.

[제조공정]

먼저, 상기와 같은 강성분을 갖는 강 빌렛을 가열하여 선재로 열간압연한다.

상기 가열시 가열온도는 1000~1250℃로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 가열온도가 1000℃ 미만이면 균질한 오스테나이트를 확보하기 어렵고, 1250℃를 초과하면 오스테나이트 결정립이 너무 조대해져서 강도와 연성에 악영향을 끼치기 때문이다. 또한, 상기 열간압연은 통상의 방법을 이용하는 것이 가능하다.

이후 상기와 같이 열간압연된 선재를 냉각한 다음 권취한다.

상기 냉각시 냉각속도는 80℃/초 이상으로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 냉각속도가 80℃/초 미만인 경우 후속하는 권취온도를 맞추기 어려운 문제점이 있기 때문이다. 또한, 상기 권취온도는 800~900℃로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 권취온도가 800℃ 미만이면 빠른 냉각속도로 인해 마르텐사이트가 발생할 수 있고, 900℃를 초과하면 변태까지 많은 시간이 소요되기 때문이 다.

이렇게 제조된 선재는 선경을 줄이기 위해 신선가공을 거치게 되는데, 선재 상태의 미세조직은 가혹한 신선가공에 적합하지 않으므로 LP 열처리를 통해 적합한 미세조직을 가지게 된다. 펄라이트 조직의 기계적 특성에 영향을 미치는 미세조직학적 인자들은 라멜라 층간간격, 콜로니 크기 및 노듈(nodule) 크기 등이 있다. 기존에 알려진 바에 의하면 이러한 모든 미세조직학적 구성요소들이 미세하고 치밀한 경우 강도나 가공성이 우수한 것으로 알려져 있다. LP 열처리는 선재를 오스테나이트 단상역으로 가열한 뒤 납조에 담궈서 항온변태를 시키는 2단계의 공정으로 구성 되어져 있는데 최종적으로 미세한 조직을 얻어내기 위해서 가열온도나 변태온도를 모두 낮게 설정하는 것이 바람직하다. 가열온도가 높아지는 경우 오스테나이트 결정립의 크기가 커지게 되고 최종적으로 콜로니 크기나 노듈(nodule) 크기를 크게 만든다. 콜로니 크기와 노듈(nodule) 크기는 선재의 가공성에 큰 영향을 끼치는 것으로 알려져 있으며, 따라서 가열온도가 높은 것이 통상적으로 불리한 것으로 알려져 있었다.

그러나, 탄소함량이 증가하고 합금성분이 다양하게 첨가되면서 세멘타이트의 용해가 쉽게 이뤄지지 않기 때문에 가열온도를 무조건 낮추는 것이 선재의 강도나 가공성에 꼭 유리한 것은 아니라는 사실을 본 발명자가 발견하였다. 즉, 오스테나이트 단상역까지 가열했을 때 미리 존재하고 있던 세멘타이트들이 모두 녹아서 오스테나이트 내에 균질하게 분포해야 냉각시 펄라이트로 변태시킬 때 미세하고 균질 한 라멜라 조직을 얻을 수 있다. 또한 변태온도의 경우는 라멜라 층간간격과 밀접한 관계가 있는데, 변태온도가 낮을수록 라멜라 층간간격은 미세해지게 되어 최종제품의 강도를 크게 좌우하게 된다. 그러나 변태온도를 너무 낮추게 되면 저온조직인 베이나이트가 생성되어 가공성을 크게 열악하게 만드므로 신선가공시 단선이나 디라미네이션(delamination)을 일으키게 된다. 따라서, 합금성분계에 따라 적합한 최적의 온도가 설정되어야 하며, 본 발명의 이러한 가열온도 및 변태온도는 다음과 같이 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기 권취된 선재를 재가열하여 납조에서 항온변태시키게 된다. 본 발명에서는 이와 같은 공정을 적용하여 초석 세멘타이트 없이 균질하고 미세한 펄라이트 조직을 얻어낼 수 있으며, 이러한 방법으로 고강도를 확보하면서 초석 세멘타이트 생성을 억제하여 가공성을 함께 확보할 수 있다.

상기 재가열시 재가열온도는 1000℃ 이상으로 제한함이 바람직한데, 그 이유는 도 1에 나타낸 바와 같다. 즉, 도 1은 가열온도에 따라서 소재의 강도가 변화하는 형태를 보이고 있는데 재가열온도가 1000℃ 이상에서 강도의 증가가 포화되고 있는 것을 알 수 있다. 이는 가열온도가 1000℃ 이상에서 탄소의 분포가 가장 균질하게 나타남을 의미한다. 또한, 상기 항온변태시 온도는 510~610℃로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 항온변태 온도가 510℃ 미만이면 베이나이트가 일부 형성되어 가공성을 열악하게 하고, 610℃를 초과하면 라멜라 층간간격이 커져서 강도가 낮아지기 때문이다.

다음으로 상기와 같이 항온변태된 선재를 신선한 다음 용융아연도금하게 된다.

상기 신선시 단면감소율은 80~85%로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 단면감소율이 80% 미만이면 가공경화량이 작아서 강도를 확보하기 어렵고, 85%를 초과하면 가공경화량이 너무 많아 최종제품의 연성이 열악해지기 때문이다. 또한, 상기 용융아연도금은 450~550℃에서 실시하는 것이 바람직하며, 이는 상기 용융아연도금시 온도가 450℃ 미만이면 도금이 균질하게 이뤄지지 않고, 550℃를 초과하면 소재의 미세조직이 붕괴되어 강도가 크게 저하될 수 있기 때문이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

[실시예]

하기 표 1의 조성을 갖는 강 빌렛을 1000~1250℃의 온도에서 1~2시간 가열한 다음, 선경 13mm의 선재로 열간압연하였다. 이후 상기 열간압연된 선재를 820℃까지 80℃/초의 냉각속도로 냉각한 다음 권취하였다. 이후 상기 권취된 선재를 하기 표 2의 재가열온도로 재가열한 다음 하기 표 2의 항온변태온도로 항온변태시켰다. 이어 상기 항온변태된 선재를 하기 표 2의 조건으로 신선한 다음 아연도금하였다.

강종	성분함량(중량%)
	C	Si	Mn	Cr	P	S
A	0.91	1.00	0.5	0.2	<0.01	<0.01
B	0.92	1.21	0.5	0.2	<0.01	<0.01
C	0.92	1.40	0.5	0.2	<0.01	<0.01

구분	강종	재가열온도 (℃)	항온변태온도 (℃)	신선시 단면감소율(%)	아연도금온도 (℃)
발명재1	A	1000	560	80	500
비교재1		950	660	80	500
발명재2	B	1000	560	80	500
비교재2		1050	660	80	500
발명재3	C	1000	560	80	500
비교재3		1100	460	80	500

상기와 같이 제조된 시편의 강도변화를 선재상태, 신선후, 도금처리후로 나누어 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

구분	인장강도(MPa)
	선재상태(13mm)	신선후(5.12mm)	도금처리후
발명재1	1264.5	2263.5	2130.5
비교재1	1050.1	1944.4	1847.1
발명재2	1278.6	2269.9	2097.8
비교재2	1032.1	1957.8	1829.9
발명재3	1294.7	2386.4	2207.6
비교재3	1078.6	1949.7	1805.2

상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명재들의 경우 최종제품의 인장강도가 모두 2000MPa를 넘어서는 것으로 나타났다.

그러나, 재가열온도 및 항온변태온도가 본 발명의 범위를 벗어나는 비교재들의 경우 최종제품의 인장강도가 2000MPa 미만으로 나타났다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 최종제품의 강도를 2000MPa 이상으로 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 신선전에 소재의 균질성을 확보함으로써 과공석 강선의 단선율을 감소시킴으로써 생산성을 향상시킬 수도 있다.

Claims (1)

1. 중량%로, C: 0.88~0.92%, Si: 1.0~1.4%, Mn: 0.3~0.6%, Cr: 0.2% 이하, S: 0.01% 이하, P: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성되는 강 빌렛을 1000~1250℃로 가열하여 통상의 방법을 이용하여 선재로 열간압연하는 단계;

   상기 열간압연된 선재를 800~900℃까지 80℃/초 이상의 냉각속도로 냉각한 다음 권취하는 단계;

   상기 권취된 선재를 1000℃ 이상의 온도로 재가열 후 510~610℃의 납조에 투입하여 항온변태시키는 단계; 및

   상기 항온변태된 선재를 80~85%의 단면감소율로 신선한 다음 450~550℃에서 용융아연도금하는 단계;를 포함하는 2000MPa급 과공석 강선의 제조방법.

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