KR101597756B1 - 응력부식특성이 우수한 고강도 pc 강연선 - Google Patents

Abstract

본 발명은 응력부식특성이 우수한 고강도 PC 강연선에 관한 것이다. 이러한 고강도 PC 강연선은, 하나의 중심선에 여섯 개의 외층선을 꼬아져 이루어지는 PC 강연선에 있어서, 상기 중심선 및 상기 외층선은 C: 0.9 ~ 1.2 중량%, Mn: 0.4 ~ 0.7 중량%, Si: 1.0 ~ 1.5 중량%, Cr: 0.4~0.7 중량%, S: 0.01 중량% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.01 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)과 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한 고탄소강으로 이루어지고, 상기 강연선의 표면에서 적어도 10㎛의 깊이까지 구상화 조직층을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

응력부식특성이 우수한 고강도 PC 강연선{Prestressing Strand having high stress corrosion feature}

본 발명은 응력부식특성이 우수한 고강도 PC 강연선에 관한 것으로, 특히 고강도이며 내응력 부식 특성과 수소취성에 대한 저항성이 우수한 고강도 PC 강연선에 관한 것이다.

오늘날의 건축물이나 구조물에 필수적으로 사용되고 있는 콘크리트는 크게 RC(Reinforced Concrete)와 PC(Pre-stressed Concrete)로 구분될 수 있으며, 근래에는 점차 PC를 이용한 토목 건축이 두드러지기 시작하였다. RC란 구조물을 세움에 있어서 구조물의 형태 내에 철근을 배열하고 철선으로 연결한 후, 그 위로 콘크리트를 부은 후 양생시켜 얻어진 것이며, PC는 강선이나 강연선에 인장 응력을 부여한 상태에서 시멘트 혼합물을 부은 후 양생시켜 얻어진 것이다. 상기 철근, 강선 등은 충격에 취약한 특성을 갖는 콘크리트에 인성을 부여하는 역할을 한다는 점에서 있어서는 동일하다.

또한, PC는 내외압에 의해 발생되는 인장 응력을 강연선에 의한 압축응력에 의해 상쇄시키기 때문에, PC 강연선은 매우 큰 압력에도 충분히 견딜 수 있도록 내구연한에 걸쳐 일정한 압축 응력을 부여할 수 있어야 한다.

그러나, PC 강연선의 큰크리트를 이루는 시멘트에는 혼화제의 일종인 에이이(AE) 감수제가 함유되기 때문에 시멘트 내에는 1000~3000 ppm 의 티오시안산 이온(SCN-)이 함유되며, 이 티오시안산 이온이 응력 하에서 강선의 수소취성 및 응력부식균열을 야기시킴으로써, 강선의 조기 파괴를 초래하여 결국 PC 강연선의 수명을 단축시키는 문제가 있다. 그럼에도 불구하고 최근의 PC 강연선은 더욱 더 고압화, 경량화 및 장수명화가 요구되고 있는바, PC 강연선의 수소취성 및 응력부식균열에 대한 저항성 향상은 매우 중요한 해결 과제가 되고 있는 실정이다.

종래에 응력부식균열 및 수소취성에 대한 민감도를 낮추는 방법으로 한국공개특허 제1999-0055216호에는 강선 표면에 고방식 합성수지 피막을 형성시키는 방법 등이 제시되고 있으나 피막의 두께가 50㎛ 이하인 경우에는 큰 방청 효과가 없을 뿐만 아니라, 외부 충격에 의해 쉽게 피막이 손상될 가능성이 있다.

또한, 한국공개특허 제2004-0107786호에는 보론과 티타늄을 첨가시켜 보론, 티타늄-탄질화물을 형성시켜 수소의 확산을 억제하여 응력부식균열 저항성을 향상시키는 기술이 제안되었으나, 합금의 추가에 따라 추가비용이 발생되는 단점이 있다.

한편, 한국공개특허 제2003-0045827호에서는 강선에 쇼트피닝 처리를 실시함으로써 표면에 압축잔류응력을 도입하여 수소취성 및 응력부식특성을 개선시킬 수 있음이 제안되어 있다.

한국공개특허 제1999-0055216호 한국공개특허 제2004-0107786호 한국공개특허 제2003-0045827호

본 발명은 고강도이며 내응력 부식 특성과 수소취성에 대한 저항성이 우수한 고강도 PC 강연선을 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 응력부식특성이 우수한 고강도 PC 강연선은, 하나의 중심선에 여섯 개의 외층선을 꼬아져 이루어지는 PC 강연선에 있어서, 상기 중심선 및 상기 외층선은 C: 0.9 ~ 1.2 중량%, Mn: 0.4 ~ 0.7 중량%, Si: 1.0 ~ 1.5 중량%, Cr: 0.4~0.7 중량%, S: 0.01 중량% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.01 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)과 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한 고탄소강으로 이루어지고, 상기 강연선의 표면에서 적어도 10㎛의 깊이까지 구상화 조직층을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 중심선과 상기 외층선이 꼬아 연선된 후에, 섭씨온도 410도 내지 500도의 온도로 응력완화 열처리를 수행하고, 상기 응력완화 열처리에 의해 수소함량이 10ppm 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 중심선과 상기 외층선의 신선시, 신선 가공율이 14% 내지 23 % 로 가공되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 중심선(10)과 상기 외층선(20)의 신선 공정이 복수 회에 걸쳐 수행되는 경우, 각 회의 신선 가공율은 14% 내지 23 % 인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 응력부식특성이 우수한 고강도 PC 강연선은, 고강도이면서 응력부식균열 및 수소취성에 대한 저항성이 우수한 효과를 제공한다.

도1은 본 발명 실시예에 따른 고강도 PC 강연선의 단면도,
도2는 본 발명 실시예와 비교예들의 실험적 결과 비교표이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도1은 본 발명 실시예에 따른 고강도 PC 강연선의 단면도이고, 도2는 본 발명 실시예와 비교예들의 실험적 결과 비교표이다.

본 발명에 따른 응력부식특성이 우수한 고강도 PC 강연선(30)은, 하나의 중심선(10)에 여섯 개의 외층선(20)을 꼬아져 이루어지는 PC 강연선에 관한 것으로, 상기 중심선(10)과 외층선(20)에 사용되는 선재의 조성물에 의해 강도를 높이고, 구상화 조직을 깊게 확보하여 수소가 내부로 침투하지 못하게 표면에 가두는 트랩핑 작용을 하여 응력부식균열 및 수소취성에 대한 저항성을 현저히 향상시킨다.

또한, 응력완화 열처리의 온도 조건을 상향하여 수소함량을 제한하여 응력부식 특성을 향상시키고, 중심선(10) 및 외층선(20)의 신선 공정시 신선 가공량을 일정한 범위 내로 한정하여 비틀림 특성이 우수하여 나선 균열을 발생시키는 않도록 한 고강도 PC 강연선(30)에 관한 것이다.

구체적으로, 상기 중심선(10) 및 상기 외층선(20)은 C: 0.9 ~ 1.2 중량%, Mn: 0.4 ~ 0.7 중량%, Si: 1.0 ~ 1.5 중량%, Cr: 0.4~0.7 중량%, S: 0.01 중량% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.01 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)과 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한 고탄소강으로 이루어지고, 상기 강연선의 표면에서 적어도 10㎛의 깊이까지 구상화 조직층을 갖도록 형성된다.

상기 탄소(C)는 강의 강도를 높이는 가장 효과적이면서 경제적인 원소로서, 강이 펄라이트 조직 중의 세멘타이트를 형성하는 원소이다. 탄소 함량이 증가할수록 고강도인 세멘타이트의 분율이 증가하고, 펄라이트 라멜라 간격이 미세하게 되어 강도가 증가된다.

본 발명 실시예에 따르면, 탄소 함량을 0.9 중량% 이상으로 하여 2160MPa 이상의 고 인장 강도를 확보한다. 탄소 함량이 1.2 중량%를 초과하는 경우에 초석 세멘타이트의 석출이 우려되어 신선에 필요한 연성이 급격히 저하하기 때문에, 탄소의 함량 범위는 0.9 중량 % 내지 1.2 중량%로 한다.

망간(Mn)은 페라이트 조직에 강의 강도를 증가시키며 소입성을 증가시켜 펄라이트 변태를 지연시키는 원소로, 다소 느린 냉각 속도에서도 미세 펄라이트 조직을 확보하기 용이하게 하기 위해서 0.4 중량 % 이상을 첨가하고, 과도한 망간은 중심에 편석이 발생하여 중심부에 마르텐사이트 조직을 발생하여 신선성을 저해하기 때문에 그 상한을 0.7%로 한다.

규소(Si)는 펄라이트 중의 페라이트를 고용 강화하는 원소로 고강도화에 효과적이며, 아연 또는 아연-알루미늄 합금 도금시 세멘타이트의 분해를 억제하여 강도 저하를 방지하는 역할을 한다. 따라서, 고강도화를 위해서 1.0 중량% 이상으로 첨가하는 것이 필요하고, 1.5 중량% 를 초과하는 경우에는 페라이트의 연성을 급격히 감소시키고 표면 조직결함을 유발할 수 있으므로, 그 상한을 1.5 중량%로 한다.

크롬(Cr)은 펄라이트 라멜라 층상 간격을 미세화시켜 강도와 연성을 동시에 세멘타이트의 분해를 억제하는 효과가 있으며, 크롬의 함량이 0.4 중량% 미만인 경우에는 충분한 강도를 얻지 못하며, 0.7 중량% 초과시에는 항온 변태 종료 시간이 길어져 생산성이 떨어지며, 마르텐사이트 조직을 유발할 가능성이 높아진다. 따라서, 크롬은 0.4~0.7 중량% 범위로 첨가한다.

황(S)은 0.01 중량%를 초과하는 경우, 저융점 석출물의 형태로 결정립계에 석출하여 열간취화를 유발하므로 0.01 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

인(P)은 0.01 중량%를 초과하는 경우, 주상정 사이에 편석되어 열간 취화를 일으키고, 냉간 신선 중에 균열을 유발하므로 0.01 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명의 고강도 PC 강연선(30)을 구성하는 중심선(10) 및 외층선(20)은 상기 조성물 이외에 나머지는 철(Fe) 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진다.

상기와 같은 성분으로 제조되는 중심선(10) 및 외층선(20)을 이용하여 강연선을 제조한다. 하나의 중심선(10)에 6개의 외층선(20)을 꼬아 연선하여 강연선이 제조되며, 본 실시예에 따른 응력부식특성이 우수한 고강도 PC 강연선(30)은 표면에서 10㎛까지 구상화 조직층을 갖도록 형성된다.

상기 구상화 조직층은 중심선(10)에 외층선(20)을 꼬아 연선한 후에 응력완화(stress relieving) 열처리를 수행하는 과정에서 형성되며, 표면 조직을 구상화하여 형성되는 입상 세멘타이트 탄화물이 수소침투를 방지하여 응력부식특성을 향상시킨다. 본 발명에 따르면, PC 강연선은 표면에서 10㎛까지 구상화 조직층을 갖도록 형성된다.

또한, 본 발명 실시예에 따른 응력부식특성이 우수한 고강도 PC 강연선(30)은, 강연선을 구성하는 중심선(10)과 외층선(20)의 신선시, 신선 가공율이 14% 내지 23%로 가공된다.

신선 가공율을 상기 범위 내로 함으로써, 인장강도가 2160Mpa 이상인 중심선(10)과 외층선(20)을 제조할 수 있다. 바람직하게는, 신선은 복수 회에 걸쳐 수행되며, 각 회당 신선 가공율(패스당 신선 가공율)이 14% 내지 23%로 가공된다. 패스당 신선 가공율이 14% 이상인 경우 인장강도 2160Mpa를 확보할 수 있다. 한편, 패스당 신선 가공율이 23%를 초과하는 경우에는 소선의 비틀림 특성이 저하되고, 나선 균열이 발생되어 강연선을 제조했을 경우 피로특성과 연신율이 저하된다. 따라서, 중심선(10)과 외층선(20)의 신선시, 신선 가공율은 14% 내지 23%가 되도록 한다.

또한, 본 발명 실시예에 따른 응력부식특성이 우수한 고강도 PC 강연선(30)은, 상기와 같이 제조되는 중심선(10)에 외층선(20)을 꼬아 연선한 후에, 섭씨온도 410도 내지 500도의 온도로 응력완화 열처리를 수행하고, 상기 응력완화 열처리에 의해 수소함량이 10ppm 이하가 되도록 한다.

종래에 응력완화 열처리의 온도는 대략 섭씨온도 300도 내지 400도 범위 내에서 수행되던 것에 비하여, 본 발명 실시예에 따른 응력부식특성이 우수한 고강도 PC 강연선(30)은 응력완화 열처리 온도를 상향시켜 수소함량을 10ppm 이하가 되도록 제한하여 응력부식특성을 향상시킨다.

이하, 상술한 응력부식특성이 우수한 고강도 PC 강연선(30)의 작용 및 효과를 아래 비교예들을 참고하여 상세히 설명한다.

본 발명 실시예 및 비교예1,2,3으로 사용된 중심선(10) 및 외층선(20)으로는 중량%로, 탄소(C):0.98%, 망간(Mn): 0.5%, 규소(Si): 1.3%, 크롬(Cr): 0.6%, 인(P): 0.009%, 황(S): 0.01%를 포함하고, 나머지가 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강을 사용하였다. 상기 성분으로 이루어지는 선재를 항온변태 열처리를 실시하고 냉간 신선을 실시한다. 냉간 신선 후 1개의 중심선(10)과 6개의 외층선(20)을 꼬으는 연선공정을 통하여 적당한 형부율, 피치, 하중을 부여하였다.

비교예1,2,3의 응력완화 열처리 온도는 종래 PC 강연선 제조시의 열처리 온도인 섭씨 300도 내지 400도의 범위 내에서 선택되고, 본 발명 실시예에 따른 응력완화 열처리 온도는 종래 PC 강연선 제조시의 응력완화 열처리 온도보다 상향된 섭씨 410도 내지 500도 조건으로 열처리를 수행하였다.

또한, 본 발명 실시예에 따른 선재의 신선 가공량을 23% 이하로 하고, 연선 공정시 응력완화 열처리의 온도를 섭씨 410도 ~ 500도로 처리하여, 인장하중, 연신율, FIT Test 결과를 측정하였다. 또한, 비교예1,2,3의 신선 가공량은 본 발명 실시예와 유사하게 23% 이하로 하였다.

도2는 실시예와 비교예1,2,3 의 측정결과를 기록한 것으로, 강연선의 인장하중(kN), 연신율(%) 측정은 Instron 50ton 인장시험기로 측정하고, 수소함량은 Leco RH-402 hydrogen Determinator를 이용하여 ppm 단위로 측정하였다. 또한, 표면조직은 FE-SEM(Hitachi S-4800)으로 관찰하였다.

그리고, 강연선 사용 중 그 수명이 다할 때까지 받는 강연선의 수소취성 및 응력부식균열 환경에 대한 저항성을 평가하는 시험 방법으로 에프아이피(FIP: Federation Internationale de la Precontrainte) 시험 방법이 널리 사용되고 있다. FIP 시험은 ISO 15630-3 및 prEN10138-3을 참고하여, 50±1℃로 유지되는 강연선을 20% NH4SCN(타오시안산)용액에 침적시킨 후 규격 절단 하중(UTS)의 80%에 해당하는 인장하중을 부여한 상태를 유지하면서 강연선이 파단에 이르는 시간(최소 2시간)으로 수소 취성 및 응력부식균열에 대한 저항성을 평가하는 시험이다.

도2에 나타난 바와 같이, 실시예는 비교예1,2,3에 비하여 높은 연신율을 나타내고, 구상화 조직의 깊이가 비교예1,2,3에 비하여 깊으며, 수소함량이 10ppm 이하인 것을 확인할 수 있다. 낮은 수소함량 및 깊게 형성되는 구상화조직은 수소취성 및 응력부식균열에 대한 저항성을 향상시켜 FIP 시험의 최소 파단시간을 늘리는 효과를 제공한다. 또한, 높은 연신율은 높은 인성을 나타내어 비틀림이 우수한 효과를 제공한다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다.

10... 중심선 20... 외층선
30... 고강도 PC 강연선

Claims (4)

1. 하나의 중심선(10)에 여섯 개의 외층선(20)을 꼬아져 이루어지는 PC 강연선에 있어서,
   상기 중심선(10) 및 상기 외층선(20)은 C: 0.9 ~ 1.2 중량%, Mn: 0.4 ~ 0.7 중량%, Si: 1.0 ~ 1.5 중량%, Cr: 0.4~0.7 중량%, S: 0.01 중량% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.01 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)과 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 신선 가공율이 14% 내지 23%로 가공되는 고탄소강으로 이루어지고,
   상기 중심선(10)과 상기 외층선(20)이 꼬아 연선된 후에, 섭씨온도 410도 내지 500도의 온도로 응력완화 열처리를 수행하여,
   상기 응력완화 열처리에 의해 상기 강연선의 표면에서 적어도 10㎛의 깊이까지 구상화 조직층을 갖으며, 수소함량이 10ppm 이하인 것을 특징으로 하는 응력부식특성이 우수한 고강도 PC 강연선.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 중심선(10)과 상기 외층선(20)의 신선 공정이 복수 회에 걸쳐 수행되는 경우, 각 회의 신선 가공율은 14% 내지 23 % 인 것을 특징으로 하는 응력부식특성이 우수한 고강도 PC 강연선.

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