KR102166592B1 - 철근 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소(C): 0.10 ~ 0.45중량%, 망간(Mn): 0.15 ~ 3.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 1.0중량%, 크롬(Cr): 0.1 ~ 1.0중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하, 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.45중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.04중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.20중량% 이하, 니오븀(Nb): 0 초과 0.15중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.05중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.020중량% 이하, 안티몬(Sb): 0 초과 0.1중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 최종 미세 조직의 중심부는 펄라이트 및 침상형 페라이트로 이루어지거나 펄라이트, 베이나이트 및 침상형 페라이트로 이루어지고, 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 내피로 특성이 우수한 고강도의 철근 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근에는 구조물을 설치함에 있어 공간의 활용도를 높이기 위해 설치되는 구조물들이 거대화 및 장대화되어 가고 있는 실정이다. 예기치 못한 자연재해나 기후변화의 원인은 지구환경의 오염으로 인하여 지구 온난화가 지속적으로 이루어지고 있기 때문으로 분석되고 있다. 한편 지구 온난화의 주요 요인은 CO2 발생인 것으로 지적되고 있다. 고강도 철근 배근 시 철근량 감소로 과밀 배근을 해소할 수 있으며 이를 통해 철근 1톤 생산 시 발생하는 CO2 0.4톤을 초고강도 철근 적용 시 가구 1호당 0.2톤으로 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 이에 따라, 이전보다는 높은 강도를 가지는 철근이 필요하다. 예를 들어, 항복강도를 기준으로 500MPa까지 요구되던 것이 최근에는 600 ~ 700MPa까지 요구되고 있는 실정이며, 향후 1.0GPa급의 철근에 대한 수요도 예상되고 있다. 하지만 철근 고강도화만을 달성 뿐 아니라 거대화 및 장대화되어 가는 건축물 자체의 자중에 의한 부하와 지진 등과 자연재해 가운데에서도 안전성을 확보하는 것도 중요한 사안이다. 단순히 합금원소의 첨가량을 증가시키는 것만으로는 고합금 첨가로 인한 원가상승과 외부에서 가해는 외력에 대한 안전성을 확보가 불명확해지는 문제가 있다.
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 고강도 철근을 제조함에 있어 원가를 낮추며 새로운 설비가 투입되지 않고 생산성이 저하되지 않도록 이루어진 내피로도 특성을 부여한 고강도 철근 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 철근은 탄소(C): 0.10 ~ 0.45중량%, 망간(Mn): 0.15 ~ 3.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 1.0중량%, 크롬(Cr): 0.1 ~ 1.0중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하 , 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.45중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.04중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.20중량% 이하, 니오븀(Nb): 0 초과 0.15중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.05중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.020중량% 이하, 안티몬(Sb): 0 초과 0.1중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 최종 미세 조직의 중심부는 펄라이트 및 침상형 페라이트로 이루어지거나 펄라이트, 베이나이트 및 침상형 페라이트로 이루어지고, 표면부는 템퍼드 마르텐사이트를 포함한다.
상기 철근은 마그네슘(Mg): 0 초과 0.005중량% 이하 및 칼슘(Ca): 0 초과 0.005중량% 이하 중에서 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 철근은 항복강도(YS)가 650MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 850MPa 이상이며, 연신율이 19% 이상이며, 인장강도가 항복강도의 비(TS/YS)가 1.25 이상일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 제조방법은 (a) 탄소(C): 0.10 ~ 0.45중량%, 망간(Mn): 0.15 ~ 3.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 1.0중량%, 크롬(Cr): 0.1 ~ 1.0중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하 , 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.45중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.04중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.20중량% 이하, 니오븀(Nb): 0 초과 0.15중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.05중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.020중량% 이하, 안티몬(Sb): 0 초과 0.1중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 1050 ~ 1250℃에서 재가열하는 단계; (b) 상기 재가열된 강재를 마무리압연온도 (Ae3 + 50℃) 내지 (Ae3 + 100℃)의 조건으로 열간 압연하는 단계; 및 (c) 상기 열간 압연된 강재에 대하여 템프코어 공정을 수행하는 단계;를 포함한다.
상기 철근의 제조방법에서, 상기 템프코어 공정은 마르텐사이트 시작온도(Ms)까지 표면을 급냉한 후 550 ~ 650℃까지의 복열 단계를 포함할 수 있다.
상기 철근의 제조방법에서, 상기 (a) 단계의 강재는 전기로에서 출강한 용강을 LF 처리한 후 VD(Vacuum Degassing) 공정을 수행함으로써 용강 내 산소함량을 20ppm 이하로 제어하는 단계; 및 연속주조 공정으로 상기 용강을 응고시키는 단계;를 수행하여 구현한 강재일 수 있다.
상기 철근의 제조방법에서, 상기 강재는 마그네슘(Mg): 0 초과 0.005중량% 이하 및 칼슘(Ca): 0 초과 0.005중량% 이하 중에서 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 원가를 낮추며 새로운 설비가 투입되지 않고 생산성이 저하되지 않도록 이루어진 내피로도 특성을 부여한 고강도 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.
도 2는 본 발명의 실험예 중에서 비교예에 따른 철근의 미세조직을 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 실험예 중에서 실시예1에 따른 철근의 미세조직을 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실험예 중에서 실시예2에 따른 철근의 미세조직을 촬영한 사진이다.
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 고가의 합금원소인 V, Nb 등을 일부 줄이고, 강도와 내피로특성을 동시에 향상시킨 합금 저감형 철근의 강종 설계 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
철근
본 발명의 일 실시예에 따르는 철근은 탄소(C): 0.10 ~ 0.45중량%, 망간(Mn): 0.15 ~ 3.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 1.0중량%, 크롬(Cr): 0.1 ~ 1.0중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하 , 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.45중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.04중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.20중량% 이하, 니오븀(Nb): 0 초과 0.15중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.05중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.020중량% 이하, 안티몬(Sb): 0 초과 0.1중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하 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. 또한, 탄소의 첨가에 의하여 오스테나이트에 고용되어 담금질시 마르텐사이트 조직을 형성시킨다. 탄소량 증가에 따라 담금질 경도를 향상시키지만 담금질시 변형 가능성을 크게 만든다. 나아가, 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 ~ 0.45중량%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 0.45중량%를 초과할 경우에는 과도한 강도와 용접성 열위성이 나타날 수 있다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 일부는 강 내에 고용되며 일부는 강중에 함유된 황과 결합하여 비금속개재물인 MnS를 형성하는데 이 MnS는 연성이 있어서 소성가공시 가공방향으로 길게 연신된다. 그러나 MnS의 형성으로 강 내에 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 0.15 ~ 3.0중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 망간의 함량이 0.15중량% 보다 작을 경우, 상술한 망간의 첨가 효과를 충분히 발휘할 수 없다. 또한, 망간의 함량이 3.0중량%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. 상기 실리콘은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0.05 ~ 1.0중량%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 1.0중량%를 초과하여 다량 첨가시 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 첨가시 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 첨가시 인성이 저하되고 가공성과 피삭성이 열화될 수 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 첨가시 열간가공성이 열화되며 적열취성의 원인이 되고 제품 표면 품질을 저해할 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 첨가시 부품의 제조원가가 높아지는 문제가 발생한다.
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 0.45중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 몰리브데늄의 함량이 전체 중량의 0.45중량%를 초과하여 다량 첨가시 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 초과 0.04중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 알루미늄의 함량이 0.04중량%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.
바나듐(V)
바나듐(V)은 결정립계에 피닝(pinning)으로 작용하여 강도 향상에 기여하는 원소이다. 상기 바나듐은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.20중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 바나듐의 함량이 전체 중량의 0.20중량%를 초과하여 다량 첨가시 상기 강도 향상 효과와 대비하여 강의 제조 비용이 과도하게 상승되는 문제가 있다.
니오븀(Nb)
니오븀(Nb)은 NbC 또는 Nb(C,N)의 형태로 석출하여 모재 및 용접부의 강도를 향상시키는 원소이다. 상기 니오븀은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.15중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 니오븀의 함량이 전체 중량의 0.15중량%를 초과하여 다량 첨가시 취성 크랙이 발생하는 문제가 나타난다.
티타늄(Ti)
티타늄(Ti)은 고온 TiN 형성으로 AlN의 형성을 억제하고 Ti(C,N) 등의 형성으로 결정립 크기 미세화 효과를 가지는 원소이다. 상기 티타늄은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.05중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 티타늄의 함량이 전체 중량의 0.05중량%를 초과하여 다량 첨가시 모상 내 탄소 함량이 감소하여 강의 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
질소(N)
질소(N)는 바나듐과 질화물 혹은 탄질화물을 석출시켜 강도를 상승시키는 원소이다. 상기 질소는 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.02중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 질소의 함량이 전체 중량의 0.02중량%를 초과하여 다량 첨가시 인성을 저해하는 원소로 작용할 수 있다.
안티몬(Sb)
안티몬(Sb)은 열연 공정에서 생성되는 각종 서브스케일의 성장을 억제시키는 원소이다. 상기 안티몬은 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.1중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 안티몬의 함량이 전체 중량의 0.1중량%를 초과하여 다량 첨가시 재질의 가공 취화를 유발하는 원소로 작용할 수 있다.
주석(Sn)
주석(Sn)은 전기로 제강법에 첨가되는 원소이다. 상기 주석은 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.1중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 주석의 함량이 전체 중량의 0.1중량%를 초과하여 다량 첨가시 연신율이 저하되는 원소로 작용할 수 있다.
인(P)
인(P)은 고용 강화에 의해 강도의 강도를 높이며, 탄화물의 형성을 억제하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 인은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.03중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 인의 함량이 0.03중량%를 초과하는 경우에는 석출거동에 의해 저온 충격치가 저하되는 문제가 있다.
황(S)
황(S)은 미세 MnS의 석출물을 형성하여 가공성을 향상시킬 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.
한편, 본 발명의 변형된 일 실시예에 따른 철근은 상술한 조성범위 외에 마그네슘(Mg): 0 초과 0.005중량% 이하 및 칼슘(Ca): 0 초과 0.005중량% 이하 중에서 1종 이상을 더 포함할 수도 있다.
마그네슘(Mg)
마그네슘(Mg)은 강재 중 유화물 형태를 제어하고, 유화물에 의한 모재 인성저하를 저감하는 효과가 있다. 상기 마그네슘은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.005중량% 이하의 함량비로 더 첨가될 수 있다. 마그네슘의 함량이 0.005중량%를 초과할 경우, 첨가 효과가 포화되고 제조 비용만 증가할 수 있다.
칼슘(Ca)
칼슘(Ca)은 CaS 개재물을 형성시킴으로써 MnS 개재물의 생성을 방해함으로써, 전기저항 용접성을 향상시키기 위한 목적으로 첨가될 수 있다. 즉, 칼슘(Ca)은 망간(Mn)에 비하여 황과의 친화도가 높으므로 칼슘의 첨가시 CaS 개재물이 생성되고 MnS 개재물의 생성은 감소한다. 다만, 칼슘(Ca)의 함량이 0.005 중량%를 초과할 경우에는 CaO 개재물의 생성이 과도해져 연주성 및 전기저항 용접성을 떨어뜨리는 문제점이 있다. 따라서, 칼슘(Ca)은 전체 철근 중량의 0 초과 0.005 중량%이하로 제어된다.
상술한 바와 같은, 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 철근은 최종 미세 조직의 중심부는 펄라이트 및 침상형 페라이트로 이루어지거나 펄라이트, 베이나이트 및 침상형 페라이트로 이루어지고, 표면부는 템퍼드 마르텐사이트를 포함할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 철근은 항복강도(YS)가 650MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 850MPa 이상이며, 연신율이 19% 이상이며, 인장강도가 항복강도의 비(TS/YS)가 1.25 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 ~ 0.45중량%, 망간(Mn): 0.15 ~ 3.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 1.0중량%, 크롬(Cr): 0.1 ~ 1.0중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하 , 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.45중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.04중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.20중량% 이하, 니오븀(Nb): 0 초과 0.15중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.05중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.020중량% 이하, 안티몬(Sb): 0 초과 0.1중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 1050 ~ 1250℃에서 재가열하는 단계(S100); (b) 상기 재가열된 강재를 마무리압연온도 (Ae3 + 50℃) 내지 (Ae3 + 100℃)의 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 20ppm 이하로 낮춘 뒤 연주공정에서 반소재로 응고시켰다.
압연공정은 재가열 과정, 열간변형 공정, 냉각 공정을 통하여 제조된다. 재가열 과정에서는 반제품 상태인 빌렛을 1,050 ~ 1,250℃까지 재가열한다. 다음으로, 열간 압연 공정은 각 압연롤(RM, IM, FM)을 거치며 최종 마무리압연을 Ae3(837℃) + (50 ~ 100℃)에서 변형이 완료 후, 템프코어(Tempcore)를 거치며 표면은 마텐사이트 시작온도(Ms)까지 급냉 후, 550 ~ 650℃ 까지 복열단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 강재는 탄소(C): 0.10 ~ 0.45중량%, 망간(Mn): 0.15 ~ 3.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 1.0중량%, 크롬(Cr): 0.1 ~ 1.0중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하 , 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.45중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.04중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.20중량% 이하, 니오븀(Nb): 0 초과 0.15중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.05중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.020중량% 이하, 안티몬(Sb): 0 초과 0.1중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 강재는 마그네슘(Mg): 0 초과 0.005중량% 이하 및 칼슘(Ca): 0 초과 0.005중량% 이하 중에서 1종 이상을 더 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 상기 강재는 1050 ~ 1250℃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 1250℃를 초과할 경우, 매우 조대한 오스테나이트 결정립이 형성되어 강도 확보가 어려울 수 있다. 또한, 1250℃를 초과할 경우 가열 비용이 증가하고 공정 시간이 추가되어, 제조 비용 상승 및 생산성 저하를 가져올 수 있다.
열간 압연 단계(S200)에서, 재가열된 상기 강재를 열간 압연한다. 열간 변형 마무리 온도 범위는 Ae3(837℃) + (50 ~100℃)에서 최종변형을 마무리하여 동적재결정을 통해 최종 미세한 오스테나이트 조직과 미세한 Ti(C,N) 석출물을 형성할 수 있다. 즉, 동적재결정이 일어나는 임계온도에서 변형량을 임계 변형량까지 증가시키면 오스테나이트 입도 미세화와 고온에서부터 형성되기 시작한 미세한 Ti-탄질화물에 의한 입도 성장을 지연시켜 냉각시 미세한 페라이트 및 베이나이트가 형성되어 7 ~ 10㎛ 크기의 미세 페라이트를 형성시킬 수 있다. 이렇게 형성된 초미세립 페라이트를 통해 펄라이트 변태의 구동력을 극대화되고 그 결과 초미세립의 페라이트-펄라이트-베이나이트 조직을 가지게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 미세 조직을 관찰하면 상대적으로 넓은 열간변형 온도 하에서 미세한 페라이트 및 펄라이트가 급격히 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 하지만 열간 압연 온도가 너무 낮으면 압연 시 압연 부하가 증가되고 에지(EDGE)부 혼립 조직이 발생할 수 있으므로, 열간 마무리 온도는 A3 온도 직상이 바람직하다고 할 수 있다.
템프코어 공정을 수행하는 단계(S300)에서, 템프코어 냉각 온도는 550 ~ 650 ℃ 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 공정을 수행하여 구현된 본 발명의 일 실시예에 따른 철근은 강도를 증가 시키면서 동시에 우수한 내피로 특성과 내진성능을 발현시킬 수 있음을 보여주며 건축 구조물의 안정성을 진일보 시킬 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 공정 조건으로 구현된 시편들을 제공한다.
Figure 112018095114812-pat00001
표 1의 실시예1 및 실시예2는 탄소(C): 0.10 ~ 0.45중량%, 망간(Mn): 0.15 ~ 3.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 1.0중량%, 크롬(Cr): 0.1 ~ 1.0중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하 , 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.45중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.04중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.20중량% 이하, 니오븀(Nb): 0 초과 0.15중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.05중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.020중량% 이하, 안티몬(Sb): 0 초과 0.1중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하 및 나머지 철(Fe)로 이루어진 조성범위를 만족하는 반면에, 표 1의 비교예는 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.45중량% 이하, 니오븀(Nb): 0 초과 0.15중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.05중량% 이하, 안티몬(Sb): 0 초과 0.1중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하의 조성범위를 만족하지 못한다.
또한, 표 1의 실시예1 및 실시예2는 VD(Vacuum Degassing) 공정을 수행함으로써 용강 내 산소함량을 20ppm 이하로 제어하는 반면에, 표 1의 비교예는 VD(Vacuum Degassing) 공정을 수행하지 않아 용강 내 산소함량이 20ppm을 초과한다.
또한, 표 1의 실시예1 및 실시예2는 마무리압연온도 (Ae3 + 50℃) 내지 (Ae3 + 100℃)의 범위 내에서 마무리압연온도를 가지는 열간 압연을 수행하는 반면에, 표 1의 비교예는 (Ae3 + 100℃) 보다 높은 온도에서 마무리압연을 수행한다.
2. 물성 및 미세조직 평가
표 2는 표 1의 시편에 대한 물성과 중심부 미세조직 관찰 결과를 나타낸 것이다.
Figure 112018095114812-pat00002
표 2를 참조하면, 실시예1 및 실시예2는 항복강도(YS)가 650MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 850MPa 이상이며, 연신율이 19% 이상이며, 경도가 200Hv 이상이며, 인장강도가 항복강도의 비(TS/YS)가 1.25 이상임을 확인할 수 있으며, 이러한 물성은 비교예보다 항복강도, 인장강도, 연신율, 경도 특성이 모두 양호함을 이해할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실험예에 따른 철근의 중심부 미세조직을 촬영한 사진들이다. 구체적으로, 도 2는 표 2의 비교예에 관한 것이며, 도 3은 표 2의 실시예1에 관한 것이며, 도 4는 표 2의 실시예2에 관한 것이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 철근의 중심부는 최종 미세 조직이 펄라이트 및 침상형 페라이트로 이루어지거나 펄라이트, 베이나이트 및 침상형 페라이트로 이루어짐을 알 수 있다. 이에 반하여, 도 2를 참조하면, 본 발명의 비교예에 따른 철근의 중심부는 최종 미세 조직이 등축 페라이트와 펄라이트로 이루어짐을 알 수 있다.
미세 조직적으로 비교하여 보면 비교예의 경우 전형적인 페라이트와 펄라이트 조직인 반면 실시예의 경우 최종 변형온도 제어와 냉각공정 제어를 통해 페라이트 입도를 30㎛ 수준에서 10㎛ 미만까지 초미세화 하였으며, 침상페라이트와 펄라이트 또는 복합조직(베이나이트, 침상페라이트 및 펄라이트)이 형성되어 기계적 특성의 향상에도 영향을 미쳤음을 알 수 있다.
이와 같은 결과는 피로시험 결과를 통해서도 그 우수성이 나타난다. 표 3은 표 1 및 표 2의 시편에 대한 피로시험 결과를 나타낸 것이다.
Figure 112018095114812-pat00003
표 3을 참조하면, 피로시험의 하중 증가에 따라 실시예2의 수명이 비교예(19,936cycle) 대비 고강도재(46,244cycle) 임에도 불구하고 두 배 이상의 반복 피로 특성을 확보할 수 있음을 보여주고 있으며 상기 기술된 VD를 통한 비금속 개재물 개수 저감과 미세한 복합조직을 확보함으로써 구현되었음을 알 수 있다. 이와 같은 결과는 본 기술을 통하여 강도를 증가시키면서 동시에 우수한 내피로 특성과 내진성능을 발현 시킬 수 있음을 보여주며 건축 구조물의 안정성을 진일보 시킬 수 있을 것으로 기대된다.
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 ~ 0.45중량%, 망간(Mn): 0.15 ~ 3.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 1.0중량%, 크롬(Cr): 0.1 ~ 1.0중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하, 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.45중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.04중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.20중량% 이하, 니오븀(Nb): 0 초과 0.15중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.05중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.020중량% 이하, 안티몬(Sb): 0 초과 0.1중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지되,
    최종 미세 조직의 중심부는 펄라이트 및 침상형 페라이트로 이루어지거나 펄라이트, 베이나이트 및 침상형 페라이트로 이루어지고, 표면부는 템퍼드 마르텐사이트를 포함하고,
    VD(Vacuum Degassing)공정으로 비금속 개재물 개수가 저감되고, 열간 압연 최종온도 및 템프코어 공정을 통하여 상기 침상형 페라이트는 입도가 10㎛ 미만이고, 초미세화된 복합조직이며,
    항복강도(YS)가 650MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 850MPa 이상이며, 연신율이 19% 이상이며, 인장강도가 항복강도의 비(TS/YS)가 1.25 이상인 것을 특징으로 하는,
    철근.
  2. 제 1 항에 있어서,
    마그네슘(Mg): 0 초과 0.005중량% 이하 및 칼슘(Ca): 0 초과 0.005중량% 이하 중에서 1종 이상을 더 포함하는,
    철근.
  3. 삭제
  4. (a) 탄소(C): 0.10 ~ 0.45중량%, 망간(Mn): 0.15 ~ 3.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 1.0중량%, 크롬(Cr): 0.1 ~ 1.0중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.40중량% 이하, 니켈(Ni): 0 초과 0.25중량% 이하, 몰리브데늄(Mo): 0 초과 0.45중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.04중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.20중량% 이하, 니오븀(Nb): 0 초과 0.15중량% 이하, 티타늄(Ti): 0 초과 0.05중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.020중량% 이하, 안티몬(Sb): 0 초과 0.1중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 1050 ~ 1250℃에서 재가열하는 단계;
    (b) 상기 재가열된 강재를 마무리압연온도 (Ae3 + 50℃) 내지 (Ae3 + 100℃)의 조건으로 열간 압연하는 단계; 및
    (c) 상기 열간 압연된 강재에 대하여 템프코어 공정을 수행하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 (a) 단계의 강재는 전기로에서 출강한 용강을 LF 처리한 후 VD(Vacuum Degassing) 공정을 수행함으로써 용강 내 산소함량을 20ppm 이하로 제어하는 단계; 및 연속주조 공정으로 상기 용강을 응고시키는 단계;를 수행하여 비금속 개재물 개수를 저감시킨 것이고,
    상기 (b), (c) 단계를 통하여 생성된 최종 미세 조직의 중심부는 펄라이트 및 침상형 페라이트로 이루어지거나 펄라이트, 베이나이트 및 침상형 페라이트로 이루어지고, 표면부는 템퍼드 마르텐사이트를 포함하며, 상기 침상형 페라이트는 입도가 10㎛ 미만으로 초미세화된 복합조직이고,
    최종 회수된 철근은 항복강도(YS)가 650MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 850MPa 이상이며, 연신율이 19% 이상이며, 인장강도가 항복강도의 비(TS/YS)가 1.25 이상인 것을 특징으로 하는,
    철근의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 템프코어 공정은 마르텐사이트 시작온도(Ms)까지 표면을 급냉한 후 550 ~ 650℃까지의 복열 단계를 포함하는,
    철근의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 강재는 마그네슘(Mg): 0 초과 0.005중량% 이하 및 칼슘(Ca): 0 초과 0.005중량% 이하 중에서 1종 이상을 더 포함하는,
    철근의 제조방법.




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