KR101304744B1 - 고강도 ｐｃ강연선용 선재, ｐｃ강연선 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도 PC강연선용 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 고탄소강 선재에 Cr을 첨가하고 항온열처리를 통하여 펄라이트 층상간격을 미세화하여 신선가공성을 향상시키고, Si 첨가에 의한 고용강화 효과 증대 및 블루잉 열처리에 따른 연화에 대한 저항성을 향상시킨 고강도 PC강연선용 선재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다. 또한, 상기 선재를 이용하여 신선한 PC강연선 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

PC강연선, 콘크리트 보강, 신선가공, LP열처리

Description

고강도 ＰＣ강연선용 선재, ＰＣ강연선 및 그 제조방법{High strength wire rod for prestressed concrete stranded wire and prestressed concrete stranded wire and manufacturing method thereof}

본 발명은 고강도 PC강연선용 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 펄라이트 층상간격을 미세화하여 신선가공성을 향상시키고 블루잉 열처리시 강도저하를 방지한 고강도 PC강연선용 선재, PC강연선 및 그 제조방법에 관한 것이다.

PC강연선은 프리스트레스트 콘크리트에서 긴장재로서 사용되는 강재로서, PC강선을 연선하여 제조하는 것으로 부착력, 인장강도 등이 우수하여야 한다. PC강연선을 가공하는 방법을 간략하게 설명하면 다음과 같다. 탄소농도가 공석조성 정도인 용강을 블룸 또는 빌렛으로 압연하고 빌렛을 1000~1200℃에서 약 2시간 재가열한 다음에 원하는 직경의 선재로 압연한다. 이 때 마무리 압연온도는 950~1200℃ 사이이다. 이 후 800~900℃까지 수냉한 다음 링(ring)의 형태로 권취하여 stelmor 냉각대 상에서 냉각시킨다. 10~14mm 선재의 표면을 산세한 후 신선가공 중의 마찰 을 줄이기 위해 윤활제를 코팅하고 신선 가공을 통해 최종 선경까지 신선하고, 고주파열처리(블루잉 열처리)를 통해 잔류응력을 제거하여 우수한 릴렉세이션 특성을 나타내도록 한다.

PC강연선의 강도를 획득하는 방법은 선재상태의 강도를 증가시키는 방법, 가공경화율 혹은 신선가공량을 증가시키는 방법, 블루잉 열처리시 강도의 저하를 억제하는 방법 등이 있다.

종래에는 PC강연선의 고강도화를 위하여 주로 탄소 함량을 증가시켜 세멘타이트의 분율을 증가시키거나, 냉각속도를 증가시킴으로써 펄라이트 층상간격을 미세화시켜, 선재상태의 강도를 증가시키거나 가공경화율을 증가시키는 방법에 의존하였다.

그러나, 가공경화율의 증가에 의한 강도증가를 추구하는 것은 타이어코드 같은 가공량이 매우 많은 경우에는 효과적이나 PC강연선처럼 가공량이 상대적으로 적은 경우에서는 효과적이지 못하다.

또한, 신선가공량을 늘리는 것은 소재의 연성을 심각하게 저하시키므로 강도확보는 손쉽게 달성할 수 있으나 가공상의 문제를 발생시킨다.

또한, 최종제품에 요구되는 인장강도가 증가하면서 신선가공 전 선재 상태에서도 높은 강도가 필요하게 되었다. 즉, 신선가공 중 가공경화에 의한 소재의 부위별 강도 불균형이 심화되어 신선가공이 적절하게 이뤄지지 않은 경우가 많고, 이는 최종제품의 품질 불량을 유발하는 문제가 된다.

본 발명은 고탄소강 선재에 Cr을 첨가하고 항온열처리를 통하여 펄라이트 층상간격을 미세화하여 신선가공성을 향상시키고, Si의 첨가를 통하여 고용강화 효과 증대 및 블루잉 열처리에 따른 연화에 대한 저항성을 향상시킨 고강도 PC강연선용 선재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다. 또한, 상기 선재를 이용하여 신선한 PC강연선 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 일구현례로서, 중량%로, C: 0.80~0.95%, Si: 0.8~1.6%, Mn: 0.3~0.8%, Cr: 0.1~0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 미세조직은 펄라이트 95%이상과 잔부는 페라이트 또는 초석 세멘타이트로 이루어진 PC강연선용 선재에 관한 것이다.

상기 펄라이트는 페라이트 85~90%와 세멘타이트 10~15%로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 펄라이트의 층상간격은 150nm 이하의 범위인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 다른 구현례로서, 상기 선재를 이용하여 제조한 PC 강연선으로서, 인장강도 2200MPa 이상인 것을 특징으로 하는 고강도 PC 강연선에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 다른 구현례로서, 중량%로, C: 0.80~0.95%, Si: 0.8~1.6%, Mn: 0.3~0.8%, Cr: 0.1~0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 1000~1200℃로 가열하고 상기 가열된 빌렛을 950~1200℃에서 열간압연한 후 상기 열간압연된 선재를 800~900℃로 냉각하고 권취한 다음, 상기 권취된 선재를 3~15℃/s의 냉각속도로 350~450℃까지 냉각하는 단계를 포함하는 고강도 PC 강연선용 선재의 제조방법에 관한 것이다.

상기 빌렛의 가열은 2~3시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 다른 구현례로서, 중량%로, C: 0.80~0.95%, Si: 0.8~1.6%, Mn: 0.3~0.8%, Cr: 0.1~0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 1000~1200℃로 가열하고 상기 가열된 빌렛을 950~1200℃에서 열간압연하고, 상기 열간압연된 선재를 800~900℃로 냉각하고 권취한 후 상기 권취된 선재를 3~15℃/s의 냉각속도로 350~450℃까지 냉각하고 상기 냉각된 선재를 950~1150℃로 재가열하고 상기 재가열된 선재를 10~30℃/s의 냉각속도로 펄라이트 변태 개시온도까지 냉각한 후 상기 냉각된 선재를 펄라이트 변태개시온도에서 1~3분간 항온유지하고 상기 항온 유지된 선재를 신선하고 상기 신선된 선재를 연선(撚線) 및 200~450℃로 블루잉(bluing)열처리하는 단계를 포함하는 고강도 PC 강연선의 제조방법에 관한 것이다.

본　발명에 의하면, 신선가공성과 가공경화율 및 인장강도가 우수한 선재를 제공할 수 있고, 상기 선재를 이용하여 인장강도 2200MPa 이상의 PC강연선을 제조할 수 있으므로 이를 통해 향후 대형 콘크리트 구조물에 적용을 하여, 구조물의 경량화, 슬림화 및 공사기간의 단축 등이 가능하여 건설비용을 크게 절감할 수 있다.

본 발명에서는 항온열처리를 적용하여 미세조직의 균일성을 최대한 확보하고, Cr을 첨가하여 항온열처리를 통해 펄라이트 층상간격의 미세화를 극대화할 수 있다. 그리고, Si의 함량을 증가시켜 고용강화 효과 증대 및 블루잉 열처리에 따른 연화에 대한 저항성을 가질 수 있다.

이하, 본 발명의 선재의 성분계 및 조성범위에 대하여 상세히 설명한다.

C(탄소): 0.80~0.95중량%

C는 과공석강 선재 내에서 대부분 세멘타이트의 형태로 존재한다. 세멘타이트는 페라이트와 함께 층상의 펄라이트를 형성하는데 페라이트에 비하여 고강도이므로 세멘타이트의 분율이 증가할수록 선재의 강도는 증가하게 된다. C의 함량을 증가시키면 세멘타이트의 분율이 증가하고 층상 간격이 미세해지므로 선재의 강도를 증가시키는데 매우 효과적이다.

본 발명에서는 2200MPa 이상의 인장강도를 확보하기 위하여, C의 함량은 0.80중량% 이상으로 포함하는 것이 바람직하다. 그러나, C의 함량이 0.95중량%를 초과하는 경우에는 냉각속도가 충분치 않은 경우 오스테나이트 입계에서 초석 세멘타이트가 발생하여 신선가공성을 저하시키는 문제점이 있다. 따라서, C의 함량을 증가시키는 경우 가공성을 해치지 않기 위해서는 냉각속도를 충분히 확보하거나 다른 합금성분계를 함께 첨가하여 상변태를 제어하는 것이 바람직하다.

Si(규소): 0.8~1.6중량%

Si는 기지조직인 페라이트에 고용되어 고용강화의 효과를 발휘하기도 하지만, 블루잉 열처리시 세멘타이트 조직 붕괴를 방지하여 강도저하를 억제하는 효과도 있다. 블루잉 열처리시 강선온도를 300℃ 이상으로 상승시키는데 이때 세멘타이트가 구상화되고 조대화되어 강도가 저하되는데, Si의 첨가에 의하여 펄라이트 미세조직의 페라이트/세멘타이트 계면에 Si 농화층이 생성되어 세멘타이트의 붕괴를 억제할 수 있다.

Si의 함량이 0.8중량% 미만인 경우에는 상기의 효과가 미미하다. 그리고, Si의 함량이 1.6중량%를 초과하는 경우에는 항온열처리를 위한 재가열시 소재의 표면에 탈탄이 쉽게 발생되고 신선가공성이 저하되어 본 발명이 목표하고자 하는 강도를 얻기 어려워진다.

도1에는 각각의 블루잉 열처리 온도에서 Si의 함량 변화가 신선가공재의 인장강도에 미치는 영향을 나타내었다. 200~500℃에서 60초간 열처리하면, Si 1.3~1.6중량%를 포함한 신선가공재는 300℃까지는 강도가 증가하고, 400℃부터는 강도가 떨어지기 시작하지만, 2200MPa이상의 강도를 유지하는 것을 확인할 수 있다. 500℃에서 열처리하는 경우 강도는 급격히 떨어지는 것을 알 수 있다.

Mn(망간): 0.3~0.8중량%

Mn은 기지조직 내에 고용체를 형성하여 고용강화하는 원소로 매우 유용한 원소이다. 펄라이트 변태를 지연시키기 때문에 다소 느린 냉각속도에서도 미세한 펄라이트가 쉽게 생성되도록 0.3중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 0.8중량%를 초과하는 경우에는 고용강화 효과보다는 Mn편석이 발생하고 열처리시에 소재의 표면에 있는 조직의 결정립계가 산화되기 쉬어 제품 특성에 악영향을 미친다.

Cr(크롬): 0.1~0.5중량%

Cr은 펄라이트 층상간격을 미세화시키고, 항온열처리에 의하여 미세화효과가 극대화되어 C의 함량을 줄이고도 선재의 강도를 효율적으로 증가시킬 수 있다. Si과 마찬가지로 블루잉 열처리시 세멘타이트의 분절을 억제하여 강도저하를 최소화하는 효과가 있으며, 상기 효과를 충분히 발휘하기 위하여 0.1중량% 이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, Cr의 함량이 0.5중량%를 초과하는 경우에는 첨가시 소입성을 크게 증가시켜 연속냉각 공정 중에 마르텐사이트를 생성시킬 우려가 있다.

S(황): 0.015중량%이하

S은 제조시 불가피하게 함유되는 원소이며, 저융점 석출물의 형태로 결정립계에 석출되어 열간취화를 유발시키므로 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하며, 이론상 S의 함량을 0%로 제한하는 것이 가능하나, 제조공정상 필연적으로 첨가될 수 밖에 없다. 상한을 관리하는 것이 중요하며, 상기 S의 함량의 상한은 0.015중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

P(인): 0.015중량%이하

P은 제조시 불가피하게 함유되는 원소이며, 주상정 사이에 편석되어 열간취화를 일으키기도 하고, 냉간 신선 가공시 균열을 유발시키므로 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하며, 이론상 P의 함량을 0%로 제한하는 것이 가능하나, 제조공정상 필연적으로 첨가될 수 밖에 없다. 상한을 관리하는 것이 중요하며, 상기 P의 함량의 상한은 0.015중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 선재의 미세조직은 펄라이트가 주상이며, 상분율로 95%이상인 것이 바람직하고 잔부는 페라이트 또는 초석 세멘타이트인 것이 바람직하다. 상기 펄라이트는 페라이트 85~90%와 세멘타이트 10~15%로 이루어지는 것이 바람직하며, 펄 라이트 중 세멘타이트 분율이 10% 미만이면 선재의 강도를 충분히 확보하지 못하며, 15%를 초과하는 경우에는 신선가공성이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 상기 펄라이트의 층상간격은 150nm 이하의 범위인 것이 바람직하다. 펄라이트의 층상간격이 150nm를 초과할 경우, 선재의 강도 및 가공경화율이 낮아져서 후속 신선가공에 따른 강도의 증가가 충분하지 않아 최종 PC강연선의 강도 확보를 할 수가 없는 어려움이 있다.

이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 설명한다.

열간압연단계

상기의 성분계 및 조성범위를 만족하는 빌렛을 1000~1200℃로 가열하며, 이 때 가열시간은 2~3시간인 것이 바람직하다. 이후 가열된 빌렛을 950~1200℃에서 열간압연하는 것이 바람직하다. 상기 열간압연단계를 통하여 10~14mm의 선재로 압연하는 것이 바람직하다.

냉각 및 권취단계

상기 열간압연된 선재를 800~900℃로 냉각하고 링 형태로 권취하고 3~15℃/s의 냉각속도로 350~450℃까지 냉각하는 것이 바람직하다.

재가열단계

상기 냉각된 선재를 950~1150℃로 재가열한 후 10~30℃/s의 냉각속도로 펄라이트 변태 개시온도까지 냉각하는 것이 바람직하다.

항온열처리 단계

상기 냉각된 선재를 펄라이트 변태개시온도에서 1~3분간 항온유지하는 것이 바람직하다. 이를 통하여, 펄라이트 층상간격을 미세화하고 목표하는 강도를 얻을 수 있으며, 선재의 부위별 편차를 최대한 억제할 수 있다. 항온유지시간이 1분미만인 경우에는 상기의 효과가 미미하고, 3분을 초과하는 경우에는 선재의 미세조직이 조대화되는 경향이 있다. 또한, 본 발명에서는 560~640℃의 납조에 투입하여 항온변태를 시키는 것(LP열처리)이 바람직하다.

신선단계

상기 항온 유지된 선재를 신선하는 단계로서, 목표로 하고자 하는 신선재의 특성에 따라 적정한 패스스케줄에 의하여 신선하는 것이 바람직하다.

블루잉 열처리 단계

상기 신선재를 200~450℃로 블루잉(bluing)열처리하며, 최종제품의 릴렉세이션 특성을 향상시키기 위하여 200~450℃의 온도범위에서 10~300초 동안 고주파 열처리를 하는 것이 바람직하다. 최종신선공정을 거치면서 신선가공량이 너무 많아서 생기게 된 잔류응력을 제거하여 릴렉세이션 특성을 향상시킬 수 있다. 200℃ 미만의 온도에서는 잔류응력을 충분히 해소할 수 없고, 450℃를 초과한 온도에서는 신선가공된 펄라이트 미세조직의 붕괴를 초래하여 강도가 저하될 수 있다. 따라서, 상기 블루잉 열처리 온도는 200~450℃로 한정하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표1과 같은 성분계 및 조성범위를 만족하는 강재를 시료로 하여 50kg 잉곳으로 주조 후 빌렛에 용접하여 1000~1200℃에서 약 2시간 동안 재가열한 다음, 추출하여 11mm의 직경을 가지는 선재로 열간압연하였다. 이 때 마무리 열간압연온도는 1000℃였으며, 이 후 800~900℃까지 수냉한 다음 링(ring) 형태로 권취하여 롤러 컨베이어 상에서 3~15℃/s의 냉각속도로 송풍 냉각하였다. 이 후 580℃에서 1분 30초간 항온열처리하고 선경 4.25mm로 신선한 후 250℃에서 블루잉 열처리를 실시하였다.

항온열처리 전, 후의 선재의 인장강도(TS) 및 단면감소율(RA)과 신선 후 신선재의 인장강도 및 단면감소율을 측정하여 하기 표2에 나타내었다.

구분	C(중량%)	Si(중량%)	Mn(중량%)	Cr(중량%)	비고
발명예1	0.91	1.29	0.50	0.31
발명예2	0.89	1.58	0.48	0.31
비교예1	0.90	0.62	0.51	0.30
비교예2	0.89	1.30	0.51	-
비교예3	0.90	1.30	0.49	0.8	마르텐사이트 형성

구분	항온열처리 전 선재		항온열처리 후 선재		신선재
	TS(MPa)	RA(%)	TS(MPa)	RA(%)	TS(MPa)	RA(%)
발명예1	1335	25	1474	31	2268	48
발명예2	1378	21	1493	28	2305	46
비교예1	1257	28	1319	35	2085	54
비교예2	1245	27	1310	31	1976	53

비교예1은 Si의 함량이 0.62중량%로 본 발명이 의도하고자하는 Si의 함량보다 낮아 강도가 저하되는 것을 방지할 수 없어서, 선재의 인장강도가 낮게 측정되었고, 신선 후 신선재의 인장강도는 2200MPa 미만으로 측정되었다.

비교예2는 Cr을 함유하지 아니하여 선재의 강도 향상 효과가 미미하였으며, 선재의 인장강도가 발명예에 비하여 낮음을 확인할 수 있었다.

비교예3은 Cr의 함량이 본 발명이 의도하고자 하는 Cr의 함량보다 많아 소입성이 증가하여 마르텐사이트가 형성됨을 알 수 있었다.

발명예1,2는 본 발명에서 제어하는 성분계 및 조성범위를 만족하여 선재의 인장강도 및 단면감소율이 본 발명에서 의도하고자 하는 목표에 해당함을 확인할 수 있다.

도1은 Si의 함량에 따른 블루잉 열처리 온도별 인장강도를 나타낸 그래프이다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 중량%로, C: 0.80~0.95%, Si: 0.8~1.6%, Mn: 0.3~0.8%, Cr: 0.1~0.5%, P: 0.015% 이하, S: 0.015% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 1000~1200℃로 가열하는 단계;

   상기 가열된 빌렛을 950~1200℃에서 열간압연하는 단계;

   상기 열간압연된 선재를 800~900℃로 냉각하고 권취하는 단계;

   상기 권취된 선재를 3~15℃/s의 냉각속도로 350~450℃까지 냉각하는 단계;

   상기 냉각된 선재를 950~1150℃로 재가열하는 단계;

   상기 재가열된 선재를 10~30℃/s의 냉각속도로 펄라이트 변태 개시온도까지 냉각하는 단계;

   상기 냉각된 선재를 펄라이트 변태개시온도에서 1~3분간 항온유지하는 단계;

   상기 항온 유지된 선재를 신선하는 단계; 및

   상기 신선된 선재를 연선(撚線) 및 200~450℃로 블루잉(bluing)열처리하는 단계를 포함하는 고강도 PC 강연선의 제조방법.

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