KR102100059B1 - 철근 및 그 제조방법 - Google Patents

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정준호
김태형
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현대제철 주식회사
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Abstract

본 발명은 탄소(C): 0.10 ~ 0.40중량%, 망간(Mn): 1.0 ~ 1.5중량%, 실리콘(Si): 0.05 ~ 0.50중량%, 크롬(Cr): 0.10 ~ 1.00중량%, 바나듐(V): 0.08 ~ 0.18중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.005 ~ 0.070중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.05중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.030중량% 이하, 질소(N): 0.005 ~ 0.025중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 최종 미세 조직의 중심부는 펄라이트 및 페라이트를 포함하고, 표면부는 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 철근을 제공한다.

Description

철근 및 그 제조방법{STEEL REINFORCEMENT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 철근 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고강도를 가지는 대규격의 철근 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 빌딩, 다리, 터널 등 건축 구조물을 설치함에 있어 공간의 활용을 높이기 위해, 설치되는 구조물들의 거대화 및 장대화에 대한 요구가 증대되고 있다. 그에 따라, 이전보다는 높은 강도를 가지는 철근의 수요가 증대되고 있다. 예를 들어, 항복강도를 기준으로 500MPa까지 요구되던 것이 최근에는 600 ~ 700MPa까지 요구되고 있는 실정이며, 향후에는 1000MPa급의 철근에 대한 수요도 예상되고 있다. 또한, 최근 건축 구조물의 고층화, 장대화 추세에 대응하여 높은 하중을 지지할 수 있는 대규격 강재에 대한 수요가 증가하고 있다. 이러한 고강도 대규격 철근은 소규격 대비 단련비가 줄어 강도를 확보하기 어렵다. 이를 보완하기 위해 C, Mn, V 등 여러 합금성분을 첨가하고 냉각을 적용하여 강도를 확보하는 방안이 필요하다
관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0095071호, 발명의 명칭: 고항복비형 고강도 용융아연 철근의 제조방법)가 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고강도를 가지면서 대규격의 철근 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 철근은 탄소(C): 0.10 ~ 0.40중량%, 망간(Mn): 1.0 ~ 1.5중량%, 실리콘(Si): 0.05 ~ 0.50중량%, 크롬(Cr): 0.10 ~ 1.00중량%, 바나듐(V): 0.08 ~ 0.18중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.005 ~ 0.070중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.05중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.030중량% 이하, 질소(N): 0.005 ~ 0.025중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 최종 미세 조직의 중심부는 펄라이트 및 페라이트를 포함하고, 표면부는 템퍼드 마르텐사이트를 포함한다.
상기 철근에서, 상기 최종 미세 조직의 중심부는 바나듐(V)을 함유하는 석출물을 포함할 수 있다.
상기 철근은 항복강도(YS)가 720MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 880MPa 이상이며, 인장강도와 항복강도의 비(TS/YS)가 1.2 이상이며, 연신율이 8.0% 이상일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 제조방법은 (a) 탄소(C): 0.10 ~ 0.40중량%, 망간(Mn): 1.0 ~ 1.5중량%, 실리콘(Si): 0.05 ~ 0.50중량%, 크롬(Cr): 0.10 ~ 1.00중량%, 바나듐(V): 0.08 ~ 0.18중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.005 ~ 0.070중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.05중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.030중량% 이하, 질소(N): 0.005 ~ 0.025중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 1050 ~ 1100℃에서 재가열하는 단계; (b) 상기 재가열된 강재를 920 ~ 1000℃의 최종 마무리압연온도 조건으로 열간 압연하는 단계; 및 (c) 상기 열간 압연된 강재에 대하여 템프코어 공정을 수행하는 단계; 를 포함한다.
상기 철근의 제조방법에서, 상기 (b) 단계는 압연시작온도가 1000 ~ 1050℃일 수 있다.
상기 철근의 제조방법에서, 상기 (c) 단계는 페라이트 내부에 바나듐 카바이드(VC) 석출물이 형성되는 단계를 포함할 수 있다.
상기 철근의 제조방법에서, 상기 (b) 단계는 오스테나이트 입계에 바나듐 나이트라이드(VN) 석출물이 형성되는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고강도를 가지면서 대규격의 철근 및 그 제조 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 철근의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 철근 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 적절하게 선택된 용어들로서, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 이하에서는 고강도를 가지면서 대규격의 철근 및 그 제조 방법을 실시하기 위한 구체적인 내용을 제공하고자 한다.
철근
본 발명의 일 실시예에 따르는 철근은 탄소(C): 0.10 ~ 0.40중량%, 망간(Mn): 1.0 ~ 1.5중량%, 실리콘(Si): 0.05 ~ 0.50중량%, 크롬(Cr): 0.10 ~ 1.00중량%, 바나듐(V): 0.08 ~ 0.18중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.005 ~ 0.070중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.05중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.030중량% 이하, 질소(N): 0.005 ~ 0.025중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 철근에 포함되는 각 성분의 역할 및 함량에 대하여 설명한다.
탄소(C)
탄소(C)는 강의 강도를 높이는데 가장 효과적이며 중요한 원소이다. 오스테나이트에 고용되어 담금질 시 마르텐사이트 조직을 형성시킨다. 탄소량 증가에 따라 담금질 경도를 향상시키지만 담금질 시 변형 가능성을 크게 만든다. 철, 크롬, 몰리브덴, 바나듐 등의 원소와 화합하여 탄화물을 형성, 강도와 경도를 향상시킨다. 탄소(C)는 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0.10 ~ 0.40중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 탄소의 함량이 전체 중량의 0.01중량% 미만일 경우에는 상술한 효과를 구현할 수 없으며 충분한 강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소의 함량이 전체 중량의 0.40중량%를 초과할 경우에는 과도한 강도와 용접성 열위성이 나타날 수 있다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 일부는 강 속에 고용되며 일부는 강중에 함유된 황과 결합하여 비금속개재물인 MnS를 형성하는데 이 MnS는 연성이 있어서 소성가공 시 가공방향으로 길게 연신된다. 그러나 Mns의 형성으로 강 속에 있는 황성분이 감소하면서 결정립이 취약해지고 저융점화합물인 FeS의 형성을 억제시킨다. 강의 내산성과 내산화성을 저해하지만 펄라이트가 미세해지고 페라이트를 고용강화 시킴으로써 항복강도를 향상시킨다. 망간은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 1.0 ~ 1.5중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 망간의 함량이 1.0중량% 보다 작을 경우, 상술한 망간의 첨가 효과를 충분히 발휘할 수 없다. 또한, 망간의 함량이 1.5중량%를 초과할 경우, 담금질 균열이나 변형을 유발시키며, 용접성이 저하되고, MnS 개재물 및 중심 편석(center segregation)이 발생하여 철근의 연성이 저하되고 내부식성이 저하될 수 있다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 페라이트 안정화 원소로 잘 알려져 있어 냉각 중 페라이트 분율을 높여 연성을 증가시키는 원소로 잘 알려져 있다. 한편, 실리콘은 알루미늄과 함께 제강공정에서 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가되며, 고용강화 효과도 가질 수 있다. 실리콘은 선철과 탈산제에서 잔류된 것으로 SiO2와 같은 화합물을 형성하지 않는 한 페라이트 속에 고용되므로 강의 기계적 성질에 큰 영향을 미치지 않는다. 상기 실리콘은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0.05 ~ 0.50중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 실리콘의 함량이 전체 중량의 0.05중량% 미만일 경우에는 상술한 실리콘 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 실리콘의 함량이 전체 중량의 0.50중량%를 초과하여 다량 첨가 시 인성이 저하되고 소성 가공성이 저하되는 문제가 있으며 강의 용접성을 저하시키며, 재가열 및 열간압연 시에 붉은 스케일(red scale)을 생성시킴으로써 표면품질에 문제를 줄 수 있다.
크롬(Cr)
크롬(Cr)은 페라이트 안정화 원소로 C-Mn강에 첨가 시 용질 방해효과로 탄소의 확산을 지연하여 입도 미세화에 영향을 미친다. 상기 크롬은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0.1 ~ 1.0중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 크롬의 함량이 전체 중량의 0.1중량% 미만일 경우에는 상술한 크롬 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 크롬의 함량이 전체 중량의 1.0중량%를 초과하여 다량 첨가 시 인성이 저하되고 가공성과 피삭성이 열화될 수 있다.
바나듐(V)
바나듐(V)은 결정립계에 피닝(pinning)으로 작용하여 강도 향상에 기여하는 원소이다. 바나듐의 탄화물 형성능은 크롬보다 강하며 결정립을 미세화 시키기 때문에 스테인리스강이나 절삭공구강의 개량에도 이용된다. 또한 타 금속원소과도 화합물을 형성하여 석출경화 효과가 현저하기 때문에 석출경화강이나 영구자석 등에 이용된다. 상기 바나듐은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0.08 ~ 0.18중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 바나듐의 함량이 전체 중량의 0.08중량% 미만인 경우 상술한 효과를 구현하기 어려우며, 바나듐의 함량이 전체 중량의 0.18중량%를 초과하여 다량 첨가 시 상기 강도 향상 효과와 대비하여 강의 제조 비용이 과도하게 상승시키는 문제가 있다.
구리(Cu)
구리(Cu)는 강의 경화능 및 저온 충격인성을 향상시키는 원소이다. 상온에서 페라이트에 고용되며 고용강화효과를 나타내므로 강도 및 경도는 약간 개선되나 연신율을 저하시킨다. 상기 구리는 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.40중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 구리의 함량이 전체 중량의 0.40중량%를 초과하여 다량 첨가 시 열간가공성이 열화되며 적열취성의 원인이 되고 제품 표면 품질을 저해할 수 있다.
몰리브데늄(Mo)
몰리브데늄(Mo)은 니켈 보다 경화능을 10배 정도 향상시킬 수 있는 원소이며, 뜨임취성을 방지하여 뜨임취성 저항성을 부여하는 원소이다. 몰리브데늄은 탄화물을 형성하므로 고급절삭공구의 합금원소로도 우수한 효과가 있으며 결정립 조대화온도를 상승시킨다. 경화능 향상을 위해 단독으로 사용하는 것 보다는 크롬과 같이 사용하면 그 효과가 더욱 좋다. 상기 몰리브데늄은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.50중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 몰리브데늄의 함량이 전체 중량의 0.50중량%를 초과하여 다량 첨가 시 용접성이 저하되고 부품의 제조원가가 높아지는 문제가 발생한다.
알루미늄(Al)
알루미늄(Al)은 실리콘과 같이 페라이트 안정화 및 탄화물의 형성을 억제하는 원소이다. 또한, 알루미늄은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 제강 공정에 첨가되며, AlN으로 강 중에 석출하여 결정립 미세화에 기여할 수 있다. 상기 알루미늄은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근 중량의 0.005 ~ 0.070중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 알루미늄의 함량이 0.005중량% 미만인 경우 상술한 효과를 구현하기 어려우며, 0.070중량%를 초과하면 비금속개재물인 알루미나(Al2O3)가 증가하여, 굽힘 가공시의 기점이 되어 굽힘 가공성이 저하되며, 제강 및 소둔 온도 증가 등 공정 부하가 발생하며 연주에 어려움이 있어 생산성이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
니켈(Ni)
니켈(Ni)은 경화능을 증대시키고, 인성을 향상시키는 원소이다. 상기 니켈은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.25중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 니켈의 함량이 전체 중량의 0.25중량%를 초과하여 다량 첨가 시 부품의 제조원가가 높아지는 문제가 발생한다.
인(P)
인(P)은 고용 강화에 의해 강도의 강도를 높이며, 탄화물의 형성을 억제하는 기능을 수행할 수 있다. 인은 강 중에 균일하게 분포되어 있으면 별 문제가 되지 않지만 보통 Fe3P의 해로운 화합물을 형성한다. 이 Fe3P는 극히 취약하고 편석되어 있어서 풀림처리를 해도 균질화되지 않고 단조, 압연 등 가공 시 길게 늘어난다. 충격저항을 저하시키고 뜨임취성을 촉진하며 쾌삭강에서는 피삭성을 개선시키지만 일반적으로 강에 해로운 원소로 취급된다. 상기 인은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.05중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 인의 함량이 0.05중량%를 초과하는 경우에는 상술한 석출거동에 의해 저온 충격치가 저하되는 문제가 있다.
황(S)
황(S)은 망간, 몰리브데늄 등과 결합하여 강의 피삭성을 개선시키며 망간과 결합하여 MnS 개재물을 형성한다. 강 중에 망간의 양이 충분하지 못할 경우 철과 결합하여 FeS를 형성한다. 이 FeS는 매우 취약하고 용융점이 낮기 때문에 열간 및 냉간 가공시에 균열을 일으킨다. 따라서 이러한 FeS 개재물 형성을 피하기 위해 망간과 황의 비는 5대 1로 할 수 있다. 상기 황은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.03중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 황의 함량이 0.03중량%를 초과할 경우, 인성 및 용접성을 저해하고, 저온 충격치를 저하시킬 수 있다.
질소(N)
질소(N)는 극히 미량으로도 강의 기계적 성질에 큰 영향을 미치는데 인장강도, 항복강도를 증가시키는 반면 연신율을 저하시키는 원소이다. 특히 충격치의 감소 및 천이온도의 상승이 현저하다. 질소는 침입형 원소로써 확산속도가 빠르고 페라이트에 대해 연속적으로 용해도 변화를 나타낸다. 이 밖에 바나듐 등과 질화물을 형성하여 결정립을 미세화시킨다. 본 발명에서는 VN 형성을 통한 고온 오스테나이트 입도 미세화 및 고용강화의 목적으로 상기 질소는 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0.005 ~ 0.025중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 질소의 함량이 전체 중량의 0.005중량% 미만인 경우 상술한 강도 상승의 효과가 미미하며, 0.025중량%를 초과하여 다량 첨가 시 인성을 저해하는 원소로 작용할 수 있다.
상술한 바와 같은, 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 철근은 최종 미세 조직의 중심부는 펄라이트 및 페라이트를 포함하고, 표면부는 템퍼드 마르텐사이트를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 최종 미세 조직의 중심부는 바나듐(V)을 함유하는 석출물을 포함할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 철근은 항복강도(YS)가 720MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 880MPa 이상이며, 인장강도와 항복강도의 비(TS/YS)가 1.2 이상이며, 연신율이 8.0% 이상일 수 있다.
이하에서는 상술한 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 제조 방법을 설명한다.
철근의 제조 방법
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 철근의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 철근의 제조 방법은 (a) 탄소(C): 0.10 ~ 0.40중량%, 망간(Mn): 1.0 ~ 1.5중량%, 실리콘(Si): 0.05 ~ 0.50중량%, 크롬(Cr): 0.10 ~ 1.00중량%, 바나듐(V): 0.08 ~ 0.18중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.005 ~ 0.070중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.05중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.030중량% 이하, 질소(N): 0.005 ~ 0.025중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 1050 ~ 1100℃에서 재가열하는 단계(S100); (b) 상기 재가열된 강재를 920 ~ 1000℃의 최종 마무리압연온도 조건으로 열간 압연하는 단계(S200); 및 (c) 상기 열간 압연된 강재에 대하여 템프코어 공정을 수행하는 단계(S300); 를 포함한다.
철근 제강/연주 공정은 일반적으로 전기로, LF, 연주로 구성된다. 본 발명의 일 실시예에 의한 철근의 제조방법에서는 내피로 특성 향상을 위해 2차 정련공정인 LF 이후 VD(vacuum Degassing) 공정을 거쳐 산소함량을 낮춘 뒤 연주공정에서 반소재로 응고시켰다.
압연공정은 재가열 과정, 열간변형 공정, 냉각 공정을 통하여 제조된다. 재가열 과정에서는 반제품 상태인 빌렛을 1050~ 1100℃까지 재가열 한다. 다음으로, 열간 압연 공정은 각 압연롤(RM, IM, FM)을 거치며 최종 마무리압연을 920 ~ 1000℃에서 변형이 완료 후, 템프코어(Tempcore)를 거치며 표면은 마텐사이트 시작온도(Ms)까지 급랭 후, 500 ~ 700℃ 까지 복열단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 강재는 탄소(C): 0.10 ~ 0.40중량%, 망간(Mn): 1.00 ~ 1.5중량%, 실리콘(Si): 0.05 ~ 0.50중량%, 크롬(Cr): 0.10 ~ 1.00중량%, 바나듐(V): 0.08 ~ 0.18중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.005 ~ 0.070%, 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.05중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.030중량% 이하, 질소(N): 0.005 ~ 0.025% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 강재는 1050 ~ 1100℃의 온도에서 재가열될 수 있다. 상기 강재는 상술한 온도에서 재가열될 때, 연속주조 공정 시에 편석된 성분이 재고용될 수 있다. 재가열온도가 1050℃보다 낮을 경우, 각종 탄화물의 고용이 충분하지 않을 수 있으며, 연속주조공정시 편석된 성분들이 충분히 고르게 분포되지 않는 문제가 있을 수 있다. 재가열온도가 1100℃를 초과할 경우, 매우 조대한 오스테나이트 결정립이 형성되어 강도 확보가 어려울 수 있다. 또한, 1100℃를 초과할 경우 가열 비용이 증가하고 공정 시간이 추가되어, 제조비용 상승 및 생산성 저하를 가져올 수 있다.
열간 압연 단계(S200)에서, 재가열된 상기 강재를 열간 압연한다. 1000 ~ 1050℃에서 압연을 시작하여 열간 변형 마무리 온도 범위는 920 ~ 1000℃에서 최종변형을 마무리하여 동적재결정을 통해 미세한 오스테나이트 조직과 바나듐(V)을 함유하는 석출물을 형성할 수 있다.
한편, 열간 압연 온도가 너무 낮으면 압연 시 압연 부하가 증가되고 에지(EDGE)부 혼립 조직이 발생할 수 있으므로, 열간 마무리 온도는 920℃ 이상이 바람직할 수 있다.
템프코어 공정을 수행하는 단계(S300)에서, 템프코어 냉각 온도는 500 ~ 700 ℃ 범위로 한다. 온도가 높아지면 페라이트, 펄라이트 라멜라 간격 등이 증가하여 전위 이동에 장애물로 작용하기 힘들어져 강도가 감소하게 되며 조대한 세멘타이트(cementite)와 페라이트(ferrite) 간의 계면에 변형이 집중되어 보이드(void)와 같은 결함이 발생하게 되고 크랙 성장 사이트로 작용하여 가공성을 저하 시킬 수 있다.
상술한 조성범위와 공정조건으로 제조한 철근은 망간과 바나듐의 함량을 낮게 설계했음에도 불구하고 충분한 재질 확보가 가능하다. 상술한 단계들을 수행하면 제품 표면은 급랭되지만, 내부는 짧은 냉각시간으로 인해 고온으로 남게 된다. 이후 템프코어 구간을 거쳐 공랭구간에 이르면 열전달에 의해 내부의 온도가 표면부로 전달되어, 제품 표면에는 상대적으로 경한 조직인 템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite)가, 중심부에는 상대적으로 연한 조직인 페라이트 및 펄라이트(Ferrite, Pearlite)가 형성된다.
표면부에 형성된 템퍼드 마르텐사이트는 탄소의 확산속도보다 변태속도가 빠르게 작용하여 형성된 조직으로서, 강도 확보에 도움을 주며, 중심부는 페라이트 조직의 변태속도를 증대시켜 입자 조대화를 방지하고 페라이트와 펄라이트가 형성되는 온도구간에서 잔류 바나듐(V)과 탄소(C)가 결함하여 바나듐 카바이드(VC) 석출물을 페라이트 내부에 형성하여 재질 상승에 기여하였을 것으로 판단된다. 또한 고온의 구간에서 오스테나이트 입계에 바나듐 나이트라이드(VN)를 석출하여 피닝 효과(pinning effect)에 의해 입계이동을 방해하여 입자 조대화를 방지한 것으로 판단된다.
상술한 공정을 수행하여 구현된 본 발명의 일 실시예에 따른 철근은 고가의 합금철을 줄이고 경화층을 형성하며 페라이트 입자 미세화, 바나듐 카바이드 형성으로 탄소 당량 측면에서 유리하다. 나아가, 상술한 제조방법으로 구현된 고강도 대규격 철근을 건축구조물에 적용 시 소규격 대비 높은 하중에 유리하여 붕괴를 예방함으로써 인명 안전에도 큰 역할을 할 것이며 건설 공기 단축 효과 및 공사 원가 절감을 할 수 있을 것으로 기대된다.
실험예
이하 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
1. 시편의 제조
본 실험예에서는 표 1의 주요 합금 원소 조성(단위: 중량비%)과 표 2의 공정 조건으로 구현된 시편들을 제공한다.
Figure 112018105367814-pat00001
Figure 112018105367814-pat00002
표 1의 실시예는 탄소(C): 0.10 ~ 0.40중량%, 망간(Mn): 1.00 ~ 1.5중량%, 실리콘(Si): 0.05 ~ 0.50중량%, 크롬(Cr): 0.10 ~ 1.00중량%, 바나듐(V): 0.08 ~ 0.18중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.005 ~ 0.070%, 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.05중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.030중량% 이하, 질소(N): 0.005 ~ 0.025% 및 나머지 철(Fe)로 이루어진 조성범위를 만족하는 반면에, 표 1의 비교예는 망간(Mn): 1.00 ~ 1.5중량% 및 바나듐(V): 0.08 ~ 0.18중량%의 조성범위를 만족하지 못한다.
또한, 표 1의 실시예는 1050 ~ 1100℃에서 재가열하는 단계, 1000 ~ 1050℃에서 압연시작하고 920 ~ 1000℃의 최종 마무리압연온도 조건으로 열간 압연하여 변형이 완료된 후, 템프코어(Tempcore)를 거치며 표면은 마텐사이트 시작온도(Ms)까지 급랭 후, 500 ~ 700℃ 까지 복열단계를 수행하는 공정조건을 만족하는 반면에, 표 1의 비교예는 복열단계를 수행하지 않고 공랭하는 공정조건을 적용하는 것이 실시예와 다르다.
2. 물성 및 미세조직 평가
표 3은 표 1 및 표 2의 조성과 공정조건을 적용한 시편에 대한 물성과 미세조직 관찰 결과를 나타낸 것이다.
Figure 112018105367814-pat00003
표 3을 참조하면, 실시예는 항복강도가 720MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 880MPa 이상이며, 인장강도와 항복강도의 비(TS/YS)가 1.2 이상이며, 연신율이 8.0% 이상인임을 확인할 수 있으며, 이러한 물성은 망간과 바나듐을 상대적으로 더 함유하는 비교예의 물성과 거의 대등함을 확인할 수 있다.
한편, 실시예의 중심부 미세조직은 펄라이트 및 페라이트를 포함하고, 바나듐(V)을 함유하는 석출물을 포함하되, 표면부는 경화증인 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 반면에, 비교예는 표면부에 템퍼드 마르텐사이트가 형성되지 않음을 확인할 수 있다.
비교예 대비 실시예의 재질을 보면 망간과 바나듐의 함량을 절감하였음에도 불구하고 냉각설비 적용에 의해 충분한 재질 확보가 가능함을 확인하였다. 냉각조건을 적용하게 되면 제품 표면은 급랭되지만, 내부는 짧은 냉각시간으로 인해 고온으로 남게 된다. 이후 템프코어 구간을 거쳐 공랭 구간에 이르면 열전달에 의해 내부의 온도가 표면부로 전달되어, 제품 표면에는 상대적으로 경한 조직인 템퍼드 마르텐사이트가, 중심부에는 상대적으로 연한 조직인 페라이트와 펄라이트가 형성된다. 표면부에 형성된 템퍼드 마르텐사이트는 탄소의 확산속도보다 변태속도가 빠르게 작용하여 형성된 조직으로서, 강도 확보에 도움을 주며, 중심부는 페라이트 조직의 변태속도를 증대시켜 입자 조대화를 방지하고 페라이트와 펄라이트가 형성되는 온도구간에서 잔류 바나듐과 탄소가 결함하여 바나듐 카바이드 석출물을 페라이트 내부에 형성하여 재질 상승에 기여하였을 것으로 이해된다. 또한 고온의 구간에서 오스테나이트 입계에 바나듐 나이트라이드를 석출하여 피닝 효과(pinning effect)에 의해 입계이동을 방해하여 입자 조대화를 방지한 것으로 이해된다.
본 실시예에 의한 고강도 대규격 철근 및 그 제조 방법은, 적합한 기계적 특성을 제공하므로 대형화 및 장대화 구조물 건설 시 경량화에 기여할 수 있다. 또한 대규격에 따른 하중을 증가시켜 좌굴을 방지하는데 용이할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 이에 대한 제조 방법은 냉각공정을 적용함으로써 제조 원가를 절감할 수 있으며 생산 효율을 증대시킬 수 있는 효과를 제공한다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 탄소(C): 0.10 ~ 0.40중량%, 망간(Mn): 1.0 ~ 1.5중량%, 실리콘(Si): 0.05 ~ 0.50중량%, 크롬(Cr): 0.10 ~ 1.00중량%, 바나듐(V): 0.16 ~ 0.18중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.005 ~ 0.070중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.05중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.030중량% 이하, 질소(N): 0.005 ~ 0.025중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지되,
    최종 미세 조직의 중심부는 펄라이트 및 페라이트를 포함하고, 표면을 마르텐사이트 시작온도까지 급랭하는 템프코어 공정과 복열단계를 통하여 상기 최종 미세 조직의 중심부에 바나듐(V)을 함유하는 바나듐 카바이드(VC) 석출물이 포함되어 재질을 상승시키고, 오스테나이트 입계에 바나듐 나이트라이드(VN)가 석출되어 입자 조대화를 방지하며, 표면부는 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    철근.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    항복강도(YS)가 720MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 880MPa 이상이며, 인장강도와 항복강도의 비(TS/YS)가 1.2 이상이며, 연신율이 8.0% 이상인,
    철근.
  4. (a) 탄소(C): 0.10 ~ 0.40중량%, 망간(Mn): 1.0 ~ 1.5중량%, 실리콘(Si): 0.05 ~ 0.50중량%, 크롬(Cr): 0.10 ~ 1.00중량%, 바나듐(V): 0.16 ~ 0.18중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.005 ~ 0.070중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.05중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.030중량% 이하, 질소(N): 0.005 ~ 0.025중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 1050 ~ 1100℃에서 재가열하는 단계;
    (b) 상기 재가열된 강재를 920 ~ 1000℃의 최종 마무리압연온도 조건으로 열간 압연하는 단계; 및
    (c) 상기 열간 압연된 강재에 대하여 표면을 마르텐사이트 시작온도까지 급랭하는 템프코어 공정을 수행하는 단계; 를 포함하되,
    상기 (c) 단계의 급랭 후 500~ 700 ℃까지 복열단계를 수행하여 강재 표면에 템퍼드 마르텐사이트를 형성하고, 페라이트 내부에 바나듐 카바이드(VC) 석출물이 형성되어 재질을 상승시키고,
    상기 (b) 단계는 오스테나이트 입계에 바나듐 나이트라이드(VN)가 석출되어 입자 조대화를 방지하는 것을 특징으로 하는,
    철근의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 압연시작온도가 1000 ~ 1050℃인 것을 특징으로 하는,
    철근의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
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