KR102376475B1 - 콘크리트 보강 내진용 강 선재 및 이의 제조방법 - Google Patents

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김한휘
이만재
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Abstract

본 발명은 중량%로, C: 0.30~0.50%, Si: 0.5~1.5%, Mn: 0.1~0.5%, Nb: 0.01~0.05%, N: 0.008~0.015%, P: 0.04% 이하, S: 0.04% 이하, 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛재를 1,200~1,300℃의 온도에서 재가열하는 공정; 상기 재가열된 빌렛재를 1,100℃ 이상에서 조압연 및 중간압연하는 공정; 및 상기 조압연 및 중간압연된 빌렛재를 Ar3 변태점~Ar1 변태점의 온도에서 사상압연하는 공정;을 포함하는 콘크리트 보강 내진용 강 선재의 제조 방법, 및 이로부터 제조된 콘크리트 보강 내진용 강 선재에 관한 것이다.

Description

콘크리트 보강 내진용 강 선재 및 이의 제조방법 {Concrete reinforcement seismic steel wire rod, and method of manufacturing the same}
본 발명은 콘크리트 보강 내진용 강 선재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
통상적으로 빌딩 등 구조물에 사용되는 콘크리트 보강 앵커볼트는 기초 볼트로 불리며, 하중 지지 및 지진 등의 외부 충격 인가 시 건물에 안정성을 부여해주는 역학을 한다. 국내와는 다르게 지진이 빈번히 발생하는 일본은 앵커볼트에 내진성을 부여하여 사용하는 것을 의무화 하고 있다.
앵커볼트가 내진용으로 사용되기 위해서는 우선적으로 항복점 연신 특성이 필요하다. 이는 외부에서 충격 인가 시 좌우로 건물이 흔들릴 때 건물에 안정성을 주기 위한 것으로 적정 수준의 소성 변형이 필요하며, 항복점 연신이 발생하고, 이 구간이 길고 진폭 등이 안정할수록 내진 특성은 높다고 할 수 있다.
앵커볼트는 통상적으로 제강/연주, 압연, 냉각, 신선, 전조 또는 밀링 공정을 순차적으로 거쳐 제조된다. 최근 일본에서는 공사기간, 경제성 단축 및 수명 향상을 위해 항복점 연신 구간 있고, 강도가 높은 제품 개발을 요구하고 있다. 국내는 내진 앵커볼트 사용에 대한 의무 규정은 없으나, '16년 경주, '17년 포항지역에서 규모 5.0 이상 강한 지진이 발생한 이후, 이에 대한 기준을 설계에 반영하는 활동이 진행 중으로, 향후 국내에서도 수요가 예상되는 바이다.
한편, 항복이 나타나기 위해서는 적정 수준의 페라이트가 포함되어야 한다. 따라서, 항복점 연신 발생 및 길고 안정적으로 발생시킬 수 있는 탄소 최적화가 필요하다.
그러나, 항복비 0.75 이하를 충족시키면서 강도를 증가시키기는 쉽지 않다. 항복비를 0.75 이하로 낮추는 가장 효과적인 방법은 탄소량을 증가시켜 펄라이트 분율을 증가시키는 것이나, 펄라이트 분율 증가 시 항복점 연신이 발생하지 않고 항복점 또한 낮아지기 때문에 적합하지 않다. 통상적으로, 신선 등 후속 가공이 인가되면 이를 보완할 수 있으나, 가공비가 증가하는 등의 단점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제 10-2012-0132839호(2012.12.10)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 빌딩 등의 건축 구조물용으로 사용 가능한 콘크리트 보강 내진용 강 선재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
상세하게, 내진 특성을 향상시킬 수 있는 항복점 연신을 길고 안정적으로 형성시키며, 미세결정립 형성으로 연신율 및 충격인성이 향상되고, 고강도 특성을 가지는 콘크리트 보강 내진용 강 선재 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 중량%로, C: 0.30~0.50%, Si: 0.5~1.5%, Mn: 0.1~0.5%, Nb: 0.01~0.05%, N: 0.008~0.015%, P: 0.04% 이하, S: 0.04% 이하, 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛재를 1,200~1,300℃의 온도에서 재가열하는 공정; 상기 재가열된 빌렛재를 1,100℃ 이상의 온도에서 조압연 및 중간압연하는 공정; 및 상기 조압연 및 중간압연된 빌렛재를 Ar3 변태점~Ar1 변태점의 온도에서 사상압연하는 공정;을 포함하는 콘크리트 보강 내진용 강 선재의 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 일 양태는 중량%로, C: 0.30~0.50%, Si: 0.5~1.5%, Mn: 0.1~0.5%, Nb: 0.01~0.05%, N: 0.008~0.015%, P: 0.04% 이하, S: 0.04% 이하, 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함하며, SEM으로 측정된 페라이트 결정립의 크기가 7 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강 내진용 강 선재에 관한 것이다.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 콘크리트 보강 내진용 강 선재는 NbC 석출물의 최대 직경이 50 ㎚ 이하일 수 있으며, 단위면적(1 x 1 ㎛2) 당 NbC 석출물의 개수가 40개 이상일 수 있다.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 콘크리트 보강 내진용 강 선재는 항복점 연신 시작점이 0.05% 이상의 변형률에서 나타나며, 항복점 연신 구간에서 최대 응력값과 최소 응력값의 차(△S)가 10 ㎫ 이하인 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 콘크리트 보강 내진용 강 선재는 700 ㎫ 이상의 인장강도, 510 ㎫ 이상의 항복강도 및 30 % 이상의 연신율을 가지는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 콘크리트 보강 내진용 강 선재는 70 J 이상의 상온 충격인성, 및 50 J 이상의 -40℃ 저온 충격인성을 가지는 것을 특징으로 하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 콘크리트 보강 내진용 강 선재의 제조 방법은 중량%로, C: 0.30~0.50%, Si: 0.5~1.5%, Mn: 0.1~0.5%, Nb: 0.01~0.05%, N: 0.008~0.015%, P: 0.04% 이하, S: 0.04% 이하, 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛재를 1,200~1,300℃의 온도에서 재가열한 후 1,100℃ 이상의 온도를 유지하며 조압연 및 중간압연하고, Ar3 변태점~Ar1 변태점의 온도에서 사상압연하여 강 선재를 제조함으로써 내진 특성을 향상시킬 수 있는 항복점 연신을 길고 안정적으로 형성시킬 수 있으며, 미세결정립 형성으로 연신율 및 충격인성이 향상되고, 고강도 특성을 가지는 콘크리트 보강 내진용 강 선재를 제조할 수 있다.
도 1은 발명예 1 및 비교예 7에서 각각 제조된 강 선재의 주사전자현미경(SEM, Scanning electron microscope) 이미지로, 강 선재의 미세조직을 보여준다.
도 2는 발명예 2로부터 제조된 선재의 NbC 크기 및 개수를 분석하기 위하여, 레플리카 법을 통해 시편을 추출하고 투과전자현미경(TEM, Transmission electron microscope)으로 측정한 TEM 이미지이다.
이하 본 발명에 따른 콘크리트 보강 내진용 강 선재 및 이의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 일 양태는 콘크리트 보강 내진용 강 선재를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 상세하게 적정 합금조성을 가지는 빌렛재를 제작한 후, 재가열 공정, 압연 공정, 냉각 공정을 순차적으로 거쳐 강 선재를 제조할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 예에 따른 콘크리트 보강 내진용 강 선재의 제조방법은, 중량%로, C: 0.30~0.50%, Si: 0.5~1.5%, Mn: 0.1~0.5%, Nb: 0.01~0.05%, N: 0.008~0.015%, P: 0.04% 이하, S: 0.04% 이하, 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛재를 1,200~1,300℃의 온도에서 재가열하는 공정; 상기 재가열된 빌렛재를 1,100℃ 이상에서 조압연 및 중간압연하는 공정; 및 상기 조압연 및 중간압연된 빌렛재를 Ar3 변태점~Ar1 변태점의 온도에서 사상압연하는 공정;을 포함한다.
먼저, 본 발명에서 사용되는 빌렛재의 합금 성분 함량 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
본 발명의 일 예에 있어, 탄소(C)의 함량은 0.30~0.50 중량%일 수 있다.
C는 강 선재의 강도를 확보하기 위한 주요 원소이다. C는 펄라이트를 형성하는 주요 원소이며, 세멘타이트로 존재한다. C 함량이 0.30% 미만일 시 페라이트 분율 확보로 항복점 연신 구간이 나타나지만, 목표 강도 확보가 어렵고, 0.50% 초과 시 펄라이트 분율 증가로 항복점 연신이 잘 나타나지 않는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 규소(Si)의 함량은 0.5~1.5 중량%일 수 있다.
Si는 페라이트 고용강화 원소로, 페라이트 내에 고용되지만, 페라이트/세멘타이트 입계에도 편석되는 원소이다. Si 함량이 0.5% 미만일 시 본 발명에서 목표로 하는 강도 확보가 어렵고, 1.5% 초과 시 Fe2SiO4 스케일 형성에 따른 박리성 저하 문제 및 탈탄 발생 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 망간(Mn)의 함량은 0.1~0.5 중량%일 수 있다.
Mn은 오스테나이트 안정화 원소로 탈산 효과가 있어, 강내 존재하는 S와 결합하여 MnS를 형성시켜 황에 의한 적열취성을 방지하는 역할도 한다. 또한, 강도도 소폭 증가시키지만, 안정적인 소입 확보를 위해 첨가한다. Mn 함량이 0.1% 미만일 시 강내 MnS 제어가 어렵고, 소입성이 크게 요구되지 않기 때문에 목표를 달성할 수 있는 최대 함량인 0.5%까지 포함시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 예에 있어, 니오븀(Nb)의 함량은 0.01~0.05 중량%일 수 있다.
Nb은 미재결정 영역 온도를 크게 상승시키기 위해 첨가된다. 또한 Nb 첨가 시 석출이 형성될 수 있는 변태 온도 이하(Ar3 변태점 이하)에서 변형이 인가되면서 석출물이 형성되며, 이들 석출물에 의한 피닝 효과(pinning effect)로 인해 재결정 억제가 뛰어나다. 반면, Nb 함량이 0.01% 미만일 시 석출물 형성에 의한 피닝 효과가 없고, 0.05% 초과 시 석출물이 포화를 이루기 때문에 그 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 예에 있어, 질소(N)의 함량은 0.008~0.015 중량%일 수 있다.
N은 C처럼 강도를 크게 증가시키는 원소이며, 0.1% 첨가 시 100 ㎫의 강도가 증가한다. 그러나 무엇보다도 중요한 것은, N가 본 발명에서 제안하는 항복점 연신이 동반된 앵커 볼트의 제조를 가능하게 한다는 것이다. N은 전위에 고착(Cottel 분위기)될 수 있으며, 이때 항복 저하를 유발시킨다. N 함량이 0.008% 미만일 시 항복선반 길이를 충분하게 확보할 수 없으며, 0.015% 초과 시 연주 크랙이 발생되는 등 안정적인 조업이 어렵고 균열부 제거 등 후속 가공이 필요하다는 단점이 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 인(P) 및 황(S)의 함량은 0.05~0.2 중량%일 수 있다.
P 및 S는 불순물로 작을수록 좋으나, 너무 극한으로 제한할 경우 제강 공정에서 불순물 제거에 대한 비용이 증가하며, 또한 선재 압연 후 나사선 가공을 하기 때문에 적정 수준 포함시키는 것이 바람직하다.
상기 성분 이외에 본 발명은 잔부의 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 상기 성분 이외에 유효한 성분의 첨가를 배제하는 것은 아니다. 상기 불순물들은 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않게 첨가되는 것으로, 당업계의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
상기 합금 조성 및 함량을 만족하는 빌렛재가 준비되면, 콘크리트 보강 내진용 강 선재를 제조하기 위한 실질적인 공정이 수행될 수 있다.
먼저, 재가열 공정을 수행할 수 있다.
재가열은 노말라이징 및 오스테나이트 형성을 위해 수행된다. 재가열 온도가 1,200℃ 미만일 시 가열 중에 NbC이 석출되어 압연 공정 중 성장하기 때문에 결정립 피닝 효과가 나타나기 어렵다. 따라서 가열로 온도는 NbC 석출물을 생성하지 않는 1,200℃ 이상을 유지하는 것이 바람직하다. 반면, 재가열 온도가 1300℃ 초과 시 가열로 조업이 어렵기 때문에 그 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 재가열 시간이 100분 미만일 시 중심부 오스테나이트 형성이 어려울 수 있고, 150분 초과 시 조대한 결정립 성장이 일어날 수 있기 때문에, 재가열 시간은 100 내지 150분으로 제어하는 것이 바람직하다.
다음으로, 조압연 및 중간압연 공정을 수행할 수 있다.
NbC 석출물이 압연 공정 중 생성되는 것은 바람직하지 않으나, 압연속도가 빠르기 때문에 최소의 NbC 석출물만 생성시키고 성장은 가급적 억제시키는 것이 바람직하다. 이를 위해 조압연 및 중간압연은 1,100℃ 이상의 온도에서 수행될 수 있으며, 구체적으로는 1,100 내지 1,200℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.
다음으로, 사상압연 공정을 수행할 수 있다.
이때, 사상압연 공정 전 조압연 및 중간압연된 빌렛재를 냉각시키는 공정이 더 수행될 수 있다. 사상압연기 장입 전 수냉대에서 빌렛재의 표면 온도 기준 350~400℃ 감소시켜 Ar3 변태점~Ar1 변태점에 빌렛의 표면 온도가 포함되도록 하며, 상기 온도 범위를 유지하여 사상압연 공정을 수행한다. 0.4C-1.0Si-0.25Mn-0.03Nb 기준하여 Ar3 변태점은 772℃, Ar1 변태점은 730℃ 가량으로, 이 온도 구간에 포함되도록 수냉하여 사상압연을 수행하는 것이 바람직하다.
이때, 페라이트 결정립이 7 ㎛ 이하의 크기를 가지도록 제어하기 위해서는 사상압연 공정 시 변형량을 0.5 이상으로 인가하는 것이 바람직하다. 0.5 미만으로 변형량 인가 시 결정립 미세화 효과가 적다. 본 발명에서 상기 변형량의 상한은 특별히 한정하지 아니하나, 설비 부하 등을 고려하여 2.0 이하로 행할 수 있다.
이후, 사상압연을 통해 제조된 강 선재는 냉각되어 권취될 수 있다. 이때, NbC 석출물이 성장할 가능성은 낮으나, 공냉대에서 권취온도를 Ar3 변태점 이하로 제어하여 NbC 석출물의 성장을 최대한 억제하는 것이 바람직하며, 구체적으로, 권취온도는 Ar3 변태점 내지 (Ar3 변태점 - 50)℃일 수 있으며, 좋게는 Ar3 변태점 내지 (Ar3 변태점 - 20)℃일 수 있다. 이와 같은 범위에서 NbC 석출물의 성장을 최대한 억제할 수 있다. 이때, 상기 권취온도로 냉각하기 위한 냉각속도는 5℃/초 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 5℃/초는 현재 설비를 활용하여 냉각대에서 앵커볼트용 강 선재 직경에 부여할 수 있는 최대 냉각속도이다. 이때, 냉각속도의 하한은 1℃/초일 수 있다.
다음으로, 권취된 강 선재를 300℃ 이하까지 공냉하는 공정이 수행될 수 있다. 상기 공냉은 냉각대(stelmor conveyor)에서 이루어지며, 냉각속도는 5℃/초 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 이때, 냉각속도의 하한은 1℃/초일 수 있다.
이와 같은 방법에 따라 제조된 강 선재는 NbC 석출물의 성장이 억제되어, 미세 NbC 석출물이 50 ㎚ 이하의 최대 직경을 가질 수 있고, 보다 좋게는 30 ㎚ 이하의 최대 직경을 가질 수 있으며, 단위면적(1 x 1 ㎛2)당 미세 NbC 석출물의 개수는 40개 이상, 보다 좋게는 50개 이상임에 따라, 인장강도 및 항복강도 특성을 향상시킴에 있어 바람직하다. 이때, 미세 NbC 석출물 최대 직경의 하한은 10 ㎚일 수 있으며, 단위면적 당 미세 NbC 석출물 개수의 상한은 100개일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 양태는 전술한 콘크리트 보강 내진용 강 선재의 제조 방법으로부터 제조된 콘크리트 보강 내진용 강 선재로, 상기 콘크리트 보강 내진용 강 선재는 중량%로, C: 0.30~0.50%, Si: 0.5~1.5%, Mn: 0.1~0.5%, Nb: 0.01~0.05%, N: 0.008~0.015%, P: 0.04% 이하, S: 0.04% 이하, 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함하며, SEM으로 측정된 페라이트 결정립의 크기가 7 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강 내진용 강 선재에 관한 것이다.
이때, 합금 조성 및 함량의 수치 한정 이유에 대해서는 전술하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다.
이와 같이, 전술한 제조 방법으로부터 제조된 강 선재는 상기의 합금 조성 및 함량 범위를 만족함과 동시에 제시된 공정 조건을 만족함으로써, SEM으로 측정된 페라이트 결정립의 크기가 7 ㎛ 이하인 강 선재를 제조할 수 있으며, 이와 같은 미세결정립 형성으로 향상된 연신율 및 충격인성을 가지며, 고강도 특성을 가진 강 선재를 확보할 수 있다. 상기 빌렛재 및 공정 조건을 만족함으로써 길고 안정적으로 항복점 연신이 형성되어 내진 특성이 향상된 강 선재를 확보할 수 있다.
또한, 전술한 제조 방법으로부터 제조된 강 선재는 NbC 석출물의 성장이 억제되어, 미세 NbC 석출물이 50 ㎚ 이하의 최대 직경을 가질 수 있고, 보다 좋게는 30 ㎚ 이하의 최대 직경을 가질 수 있다. 또한, 단위면적(1 x 1 ㎛2)당 미세 NbC 석출물의 개수는 40개 이상, 보다 좋게는 50개 이상일 수 있다. 이와 같이 NbC 석출물의 크기 및 개수 조절을 통해 향상된 인장강도 및 항복강도 특성을 확보할 수 있어 좋다. 이때, 미세 NbC 석출물 최대 직경의 하한은 10 ㎚일 수 있으며, 단위면적 당 미세 NbC 석출물 개수의 상한은 100개일 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 페라이트 결정립 크기 및 NbC 석출물의 크기와 개수가 제어된 콘크리트 보강 내진용 강 선재는 항복점 연신이 길고 안정적으로 형성되어 내진 특성이 향상될 수 있으며, 연신율 및 충격인성이 향상되고, 고강도 특성을 가질 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 예에 따른 콘크리트 보강 내진용 강 선재는 항복점 연신 시작점이 0.05% 이상의 변형률에서 나타나며, 항복점 연신 구간에서 최대 응력값과 최소 응력값의 차(△S)가 10 ㎫ 이하일 수 있으며, 보다 구체적으로는 항복점 연신 시작점이 0.05~0.2%의 변형률에서 나타나며, 항복점 연신 구간에서 △S가 1 내지 10 ㎫일 수 있다. 앵커볼트 등이 내진용으로 사용되기 위해서는 우선적으로 항복점 연신 특성이 필요한데, 본 발명의 일 예에 따른 콘크리트 보강 내진용 강 선재는 항복점 연신 시작점이 0.05% 이상의 변형률에서 나타나며, 항복점 연신 구간에서 최대 응력값과 최소 응력값의 차(△S)가 10 ㎫ 이하임에 따라 뛰어난 내진 특성을 가져, 외부 충격에 의해 건물이 좌우로 흔들릴 때 건물의 안정성이 더욱 향상되어 쉽게 무너지지 않을 수 있다.
또한, 700 ㎫ 이상의 인장강도, 510 ㎫ 이상의 항복강도 및 30 % 이상의 연신율을 가질 수 있다. 아울러, 70 J 이상의 상온 충격인성, 및 50 J 이상의 -40℃ 저온 충격인성을 가질 수 있다. 구체적으로, 700 내지 1000 ㎫의 인장강도, 510 내지 650 ㎫의 항복강도, 30 내지 40 %의 연신율과, 70 내지 100 J의 상온 충격인성, 및 50 내지 80 J의 -40℃ 저온 충격인성을 가질 수 있다. 이처럼, 본 발명에 따른 콘크리트 보강 내진용 강 선재는 항복점 연신 특성을 가지면서도 고강도 특성을 가짐에 따라, 우수한 내진 특성을 확보할 수 있으며, 구체적으로 콘크리트 보강 내진용 앵커볼트로 활용할 수 있으며, 이를 건축구조물의 앵커볼트로 활용할 시 공사 기간 단축, 공사비용 단축 및 지진에 대한 안정성 향상 등의 효과를 달성할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 콘크리트 보강 내진용 강 선재 및 이의 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 % 단위는 중량%이며, 1 ppm은 0.0001 중량%이다.
[발명예 1 내지 2, 및 비교예 1 내지 7]
본 발명에서는 표 1과 같은 조성을 갖는 발명강 및 비교강을 각각 전로에서 제강한 다음 통상적인 조건에서 주조하여 160×160 ㎟ 연주 빌렛재를 생산하였다. 다음 가열로 온도 1,250℃에서 110분 동안 재가열한 후, 조압연-중간압연까지 1120℃가 되도록 유지하였으며, 사상압연 장입전 수냉대에서 냉각하여 사상압연 입구 온도 기준 표면 온도가 765℃로 되도록 하였다. 다음 사상압연에서 변형량 0.55 인가하였으며, 다음 4℃/s의 속도로 냉각하여 770℃에서 권취한 후 공냉대에서 4℃/s로 400℃까지 균일 냉각시켜 강 선재를 제조하였다. 하기 표 1에 포함된 강은 모두 동일한 공정을 거쳐 제조하였다.
(중량%)　 C Si Mn P S Nb N
발명강 1 0.4 1.0 0.2 0.012 0.02 0.021 0.012
발명강 2 0.4 1.0 0.2 0.015 0.02 0.050 0.011
비교강 1 0.2 1.0 1.2 0.015 0.02 0.020 0.011
비교강 2 0.6 1.0 1.2 0.014 0.03 0.020 0.010
비교강 3 0.4 0.3 1.2 0.013 0.02 0.019 0.010
비교강 4 0.4 1.6 0.2 0.012 0.02 0.020 0.012
비교강 5 0.4 1.0 0.2 0.014 0.02 0.080 0.010
비교강 6 0.4 1.0 0.2 0.012 0.02 0.020 0.019
비교강 7 0.4 1.0 0.2 0.012 0.02 - 0.012
표 2는 성분차이에 따른 강 선재에서의 기계적 특성을 보여준다. 앵커볼트는 강 선재 상태 또는 열간 압연재를 양쪽 전조 또는 밀링하여 제조하기 때문에, 냉각 후의 물성이 중요하다.
　 발명예
1 		발명예
2 		비교예
1 		비교예
2 		비교예
3 		비교예
4 		비교예
5 		비교예
6 		비교예
7
강종 발명강
1		 발명강
2		 비교강
1		 비교강
2		 비교강
3		 비교강
4		 비교강
5		 비교강
6		 비교강
7
인장강도 (㎫) 710 810 542 830 698 746* 800 820* 640
항복강도 (㎫) 511 595 300 640 512 540 620 640 465
항복비 (%) 0.72 0.73 0.55 0.77 0.72 0.76 0.78 0.78 0.73
연신율 (%) 32 30 35 23 28 15 21 5 33
U노치
상온충격 (J) 		74 70 85 - 73 30 68 10 75
U노치
저온충격 (J) 		59 55 70 - 61 17 53 1 60
항복점 연신
시작점 (%) 		0.06 0.06 0.05 미발생 0.07 0.05 0.05 0.07 0.06
△S (㎫) 5 5 6 - 6 6 5 3 4
페라이트 결정립 크기 (㎛) 6.1 5.7 - - 5.9 - 5.8 6.7 7
비고 1) * 연주 시 크랙 발생 표시(비교예 4 및 6)
2) △S: 항복점 연신 구간에서 최대 응력값 - 최소 응력값
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에서 제시한 합금 조성 및 함량을 만족하는 연주 빌렛재로 강 선재를 제조한 경우, 인장강도 700 ㎫ 이상 및 항복강도 500 ㎫ 이상인 고강도 특성을 가지면서도, 연신율 30% 이상, 항복점 연신 0.05% 이상에서 시작되며, 항복점 연신 구간에서 최대-최소 강도 값 차는 10 ㎫ 이하, 강 선재 상온 충격인성은 70J 이상, -40℃에서 충격인성은 50J 이상으로 외부 충격 인가 시 안정적 특성을 나타냈다.
반면, 비교예 1은 탄소 함량이 0.2 중량%로 너무 낮아짐에 따라, 항복점 연신은 발생하였으나, 항복비가 0.55%로 너무 낮고, 인장강도 542 ㎫ 및 항복강도 300 ㎫로 너무 낮아 제품으로 사용하기 어렵다. 반대로, 비교예 2는 탄소 함량이 0.6 중량%로 너무 높아짐에 따라, 강도는 증가하였으나, 항복비가 0.77로 너무 높고, 연신율은 23%로 너무 낮았으며, 무엇보다 항복점 연신이 발생하지 않아 내진용으로 활용하기 적합하지 않다는 문제가 있다.
비교예 3은 규소 함량이 0.3 중량%로 너무 낮아짐에 따라, 항복점 연신은 발생하였으나, 연신율이 28%로 다소 낮았다. 반대로, 비교예 4는 규소 함량이 1.6 중량%로 너무 높아짐에 따라, 인장강도 및 항복강도는 목표를 충족하나, 연신율이 15%로 크게 저하되며, 항복비는 0.76으로 높아 사용하기 바람직하기 않으며, 연주 시 크랙이 발생하기 때문에 적합하지 않다.
비교예 5는 니오븀의 함량이 0.08 중량%로 너무 높아짐에 따라, 인장강도 및 항복강도는 목표를 충족하나, 연신율이 21%로 크게 저하되며, 항복비는 0.78로 높아 사용하기 바람직하기 않다.
비교예 6은 질소의 함량이 0.019 중량%로 너무 높아짐에 따라, 인장강도 및 항복강도는 목표를 충족하고, 항복점 연신 구간에서 최대-최소 응력값이 크게 낮아지는 것이 관찰되나, 연신율이 5%로 현저하게 저하되며, 항복비는 0.78로 높고, 상온 및 저온에서의 충격인성이 너무 낮아 사용하기 바람직하기 않고, 연주 시 크랙이 발생하기 때문에 적합하지 않다.
한편, 비교예 7은 비교강 7을 이용해 제조된 강 선재로, 도 1에 도시된 바와 같이 Nb가 첨가되지 않음에 따라 발명예 1 대비 결정립의 크기가 매우 조대해진 것을 명확하게 확인할 수 있다.
[비교예 8]
발명예 2와 동일한 강(발명강 2)을 사용하되 공정 조건을 달리하여 강 선재를 제조하였다. 구체적으로, 가열로에서 1220℃에서 110분 동안 재가열한 다음, 1120℃에서 조압연-중간압연-사상압연을 수행하였다. 이후 권취기에서 780℃로 급랭하여 권취한 다음 발명예 2와 동일한 조건에서 냉각하여 강 선재를 제조하였다. 이때, 발명예 2와는 달리 사상압연에서 변형량을 0.28 인가하였다.
[비교예 9]
발명예 2와 동일한 강(발명강 2)를 사용하되 공정 조건을 달리하여 강 선재를 제조하였다. 구체적으로, 가열로에서 1220℃에서 110분 동안 재가열한 다음, 조압연-중간압연까지 790℃가 되도록 유지하였으며, 사상압연 장입전 수냉대에서 냉각하여 사상압연 입구 온도 기준 표면 온도가 765℃로 되도록 하였다. 다음 사상압연에서 변형량 0.55 인가하였으며, 4℃/s의 속도로 냉각하여 770℃에서 권취한 후 공냉대에서 4℃/s로 400℃까지 균일 냉각시켜 강 선재를 제조하였다.
　 강종 인장강도
(㎫) 		항복강도
(㎫) 		항복비
(%) 		페라이트
결정립 크기 (㎛) 		NbC 석출물
최대 직경
(㎚) 		직경 30㎚ 이하
미세 NbC 석출물 개수
(/1 ㎛ 2 )
발명예 2 발명강 2 810 595 0.73 5.7 27 58
비교예 8 650 472 0.73 27 51 37
비교예 9 940 690 0.73 4.1 21 62
상기 표 3을 통해 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 제조된 발명예 2의 경우, 페라이트 결정립 크기가 5.7 ㎛로 미세하였고, NbC 석출물 최대 직경은 27 ㎚였으며, NbC 석출물의 개수는 단위면적(1 x 1 ㎛2)당 58개 수준으로 존재하였다. 이에 따라 인장강도 810 ㎫, 항복강도 595 ㎫의 고강도 특성을 가지면서 미세결정립 형성으로 연신율 및 충격인성이 향상되어 내진 특성을 향상시킬 수 있는 콘크리트 보강 내진용 강 선재를 제조할 수 있었다.
이에 반해 사상압연 온도가 본 발명에서 제시한 범위를 벗어난 비교예 8의 경우, 페라이트 결정립 크기가 27 ㎛로 조대해졌고, NbC 석출물 최대 직경은 51 ㎚로 발명예 2에 비해 거의 2배 가량 컸으며, 단위면적(1 x 1 ㎛2)당 관찰된 NbC 석출물의 개수는 37개였다. 이에 따라, 동일한 강종을 사용했음에도 불구 항복강도 및 인장강도가 현저하게 저하되었다. 구체적으로, 비교예 8은 발명예 2 대비 인장강도가 160 ㎫ 낮아졌으며, 항복강도는 123 ㎫ 낮아졌다.
아울러, 조압연 및 중간압연 온도를 Ar3 이하 온도인 790℃로 제어한 비교예 9의 경우, 페라이트 결정립 크기가 4.1 ㎛, NbC 석출물 최대 직경은 21 ㎚로 더욱 작아지고, 단위면적(1 x 1 ㎛2)당 관찰된 NbC 석출물의 개수는 62개로 미세석출물의 개수는 더욱 많아졌으나, 조압연 및 중간압연 온도가 Ar3 이하로 설정됨에 따라 롤에 부하가 심하여 공정 중 강이 깨지는 현상이 발생하는 문제가 있었다.
이때, NbC 석출물의 크기 및 개수는 레플리카 법을 통해 시편을 추출하고 투과전자현미경(TEM, Transmission electron microscope)으로 측정된 이미지를 통해 분석하였다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (7)

  1. 중량%로, C: 0.30~0.50%, Si: 0.5~1.5%, Mn: 0.1~0.5%, Nb: 0.01~0.05%, N: 0.008~0.015%, P: 0.04% 이하, S: 0.04% 이하, 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛재를 1,200~1,300℃의 온도에서 재가열하는 공정;
    상기 재가열된 빌렛재를 1,100℃ 이상의 온도에서 조압연 및 중간압연하는 공정; 및
    상기 조압연 및 중간압연된 빌렛재를 Ar3 변태점~Ar1 변태점의 온도에서 사상압연하는 공정;을 포함하는 콘크리트 보강 내진용 강 선재의 제조 방법으로,
    상기 콘크리트 보강 내진용 강 선재는 SEM으로 측정된 페라이트 결정립의 크기가 7 ㎛ 이하이고, NbC 석출물의 최대 직경이 10 내지 50 ㎚이며, 단위면적(1 x 1 ㎛2) 당 직경 30 ㎚ 이하인 NbC 석출물의 개수가 40 내지 58개인 것을 특징으로 하는, 콘크리트 보강 내진용 강 선재의 제조 방법.
  2. 중량%로, C: 0.30~0.50%, Si: 0.5~1.5%, Mn: 0.1~0.5%, Nb: 0.01~0.05%, N: 0.008~0.015%, P: 0.04% 이하, S: 0.04% 이하, 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함하며, SEM으로 측정된 페라이트 결정립의 크기가 7 ㎛ 이하이고, NbC 석출물의 최대 직경이 10 내지 50 ㎚이며, 단위면적(1 x 1 ㎛2) 당 직경 30 ㎚ 이하인 NbC 석출물의 개수가 40 내지 58개인 것을 특징으로 하는 콘크리트 보강 내진용 강 선재.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 콘크리트 보강 내진용 강 선재는 항복점 연신 시작점이 0.05% 이상의 변형률에서 나타나며, 항복점 연신 구간에서 최대 응력값과 최소 응력값의 차(△S)가 10 ㎫ 이하인 것을 특징으로 하는, 콘크리트 보강 내진용 강 선재.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 콘크리트 보강 내진용 강 선재는 700 ㎫ 이상의 인장강도, 510 ㎫ 이상의 항복강도 및 30 % 이상의 연신율을 가지는 것을 특징으로 하는, 콘크리트 보강 내진용 강 선재.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 콘크리트 보강 내진용 강 선재는 70 J 이상의 상온 충격인성, 및 50 J 이상의 -40℃ 저온 충격인성을 가지는 것을 특징으로 하는, 콘크리트 보강 내진용 강 선재.
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