KR20030054703A - Ｃｕ함유 고강도 콘크리트 보강용 선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘크리트 보강용 강선(이하 PC강선, Prestressed Concrete)용으로 사용되는 선재에 관한 것으로, 그 목적은 고탄소강 선재에 Cu를 첨가하여 펄라이트 층상간격을 미세화시키고, 신선가공한 다음에 블루잉(Bluing)열처리할 때 Cu에 의해 시효경화되는 PC강선용 선재의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C: 0.80-1.42%, Si: 0.15-0.35%, Mn: 0.60-0.90%, P: 0.025%이하, S: 0.025% 이하, Cu: 0.2~4.0%, 나머지 Fe와 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 빌렛을 1000~1200℃에서 재가열하여 마무리압연온도 950~1200 ℃의 조건으로 열간선재압연하고, 800~850℃까지 수냉하여 권취하는 단계,

권취된 선재를 3~20℃/sec로 냉각하는 단계,

냉각된 선재를 냉간에서 신선가공하고, 이어서 250 ~ 450℃ 온도에서 30초이상 60초 이하 동안 열처리에 의하여 경화하는 단계를 포함하여 이루어지는 Cu함유 고강도 콘크리트 보강용 선재의 제조방법에 관한 것을 그 기술요지로 한다.

Description

Ｃｕ함유 고강도 콘크리트 보강용 선재의 제조방법{Method of manufacturing Copper bearing steel wire for pre-stressed concrete}

본 발명은 콘크리트 보강용 강선(이하 PC강선, Prestressed Concrete)용으로 사용되는 선재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고탄소강 선재에 Cu를 첨가하여 펄라이트 층상간격을 미세화시키고, 신선가공한 다음에 블루잉(Bluing)열처리할 때 Cu에 의해 시효경화되는 PC강선용 선재의 제조방법에 관한 것이다.

PC강선용 선재는 PC강선을 가공하기 위한 소재이다. PC강선의 제조공정을 간략하게 설명하면 다음과 같다. 탄소농도가 공석조성 정도인 용강을 블룸(bloom) 또는 블렛(billet)으로 압연한다. 빌렛을 1000~1200℃에서 약 2시간 재가열한 다음에 원하는 직경(7~13 mm)의 선재로 열간압연한다. 이 때 마무리 압연온도는 950~1200 ℃이므로 공석변태온도보다 약간 높은 온도(820℃)까지 수냉한 다음에 링(ring)의 형태로 권취하여 롤러 콘베어(roller conveyor) 상에서 냉각시킨다. 열간압연 후냉각되는 과정에서 과공석 조성의 오스테나이트에서는 초석시멘타이트가 먼저 생기고 그 다음에 공석조성의 잔류 오스테나이트는 시멘타이트와 페라이트로 구성되는 펄라이트 조직으로 변태된다.

이러한 조직을 갖는 소재를 요구되는 강도와 선경의 선재로 냉간에서 신선가공한 다음에 잔류응력을 제거하기 위하여 250~450℃ 정도에서 1분 이내의 열처리를 실시한다. 이 열처리를 실시하면 소재의 표면이 청색(blue)으로 변하기 때문에 통상 블루잉(Bluing)처리 또는 블루잉열처리라 칭한다. 블루잉열처리시에 온도 또는 시간의 제어가 정확하지 않으면 강도의 편차가 심하고, 또 냉간신선가공 직후의 강도보다도 떨어진다.

따라서, 본 발명은 PC강선의 제조공정 중에서 열간압연한 다음에 송풍냉각시에 펄라이트 층상간격의 미세화에 의해, 냉간에서 신선가공한 다음의 블루잉열처리시에 시효경화에 의해 강도를 증가시킬 수 있는 고강도 PC강선용 선재의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 미소경도에 대한 Cu농도의 영향을 나타내는 그래프

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선재 제조방법은, 중량%로, C: 0.80-1.42%, Si: 0.15-0.35%, Mn: 0.60-0.90%, P: 0.025%이하, S: 0.025% 이하, Cu: 0.2~4.0%,나머지 Fe와 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 빌렛을 1000~1200℃에서 재가열하여 마무리압연온도 950~1200℃의 조건으로 열간선재압연하고, 800~850℃까지 수냉하여 권취하는 단계,

권취된 선재를 3~20℃/sec로 냉각하는 단계,

냉각된 선재를 냉간에서 신선가공하고, 이어서 250 ~ 450℃ 온도에서 30초이상 60초 이하 동안 열처리에 의하여 경화하는 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 과공석 조성의 콘크리트 보강용 선재의 제조 제조공정중에서 열간에서 압연한 다음에 송풍에 의한 냉각시에 펄라이트 층상간격을 미세화시키고, 이 선재를 냉간에서 신선가공한 다음의 블루잉열처리시에 시효에 의해 강도를 증가시킬 수 있는 선재의 성분설계에 특징이 있다. 본 발명에서 핵심성분은 Cu로서, Cu는 시멘타이트에 고용도가 크지 않기 때문에 펄라이트 변태를 지연시므로서 그 층상간격을 미세화시키고, 또 Cu는 고용강화효과가 크지 않기 때문에 신선가공성을 해치지 않고, 신선가공시에 도입된 높은 전위밀도를 이용하여 신선가공후의 열처리시에 전위선상에 Cu를 급속하게 석출시켜서 강화시킬 수 있다. 즉, 과공석 조성의 강을 열간에서 선재로 마무리 압연한 다음에 수냉 후 냉각시킬 때 오스테나이트는 초석시멘타이트, 펄라이트의 순으로 변태되는데, 이 때 오스테나이트에 고용되어 있던 Cu는 시멘타이트에 고용되지 않는다. 따라서, 시멘타이트가 생성되고, 성장하려면 Cu가 배척되고, 탄소가 유입되어야만 된다. 그런데 Cu는 확산속도가 느리기 때문에서서히 배척되고, 또 탄소의 유입을 방해하게 된다. 따라서 초시멘타이트의 생성과 성장은 억제되고, 또 펄라이트의 생성과 성장도 억제되므로 미세하게 된다. 이러한 Cu와 함께 다른 기타 성분들의 조성범위에 대하여 설명한다.

·C:0.80~1.42%

PC강선용 선재에서 첨가된 탄소는 대부분 시멘타이트로서 존재한다. 시멘타이트는 페라이트와 층상구조를 형성하여 펄라이트 조직을 구성한다. 이 층상조직은 그 간격이 미세할수록 강하고, 신선가공성이 우수하다. 탄소농도가 높을수록 펄라이트의 층상간격은 미세하게 된다. 그러나 탄소농도가 너무 높으면 오스테나이트 결정입계에서 초석시멘타이트가 먼저 석출된 다음에 펄라이트로 변태되므로 탄소농도는 1.42%이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 탄소농도가 0.80%미만이면 초석페라이트가 생성된 다음에 펄라이트가 생성된다.

·Cu:0.2~4.0%

오스테나이트에 고용되어 있던 Cu는 시멘타이트에 고용되지 않기 때문에 시멘타이트가 생성되고, 성장하려면 Cu가 배척되고, 탄소가 유입되어야만 된다. 그런데 Cu는 확산속도가 느리기 때문에 서서히 배척되고, 또 탄소의 유입을 방해하게 된다. 따라서 초시멘타이트의 생성과 성장은 억제되고, 또 펄라이트의 생성과 성장도 억제되므로 미세하게 된다. 펄라이트 변태 시에 Cu는 페라이트에는 어느 정도의 고용도가 있기 때문에 0.2% 이상으로 첨가되어야하고, 4.0%초과하면 초석시멘타이트 뿐만 아니라 펄라이트 변태도 너무 지연되기 때문에 통상적인 스테모어(Stelmor)공정의 송풍냉각에서는 마르텐사이트가 발생된다. 또 과도한 양의 Cu를 함유한 오스테나이트에서는 결정입계산화 및 액상취화가 유발되므로 바람직하지 않다.

·Si:0.15~0.35%

상기 Si는 기지조직인 페라이트를 고용강화시키므로 0.15%로 첨가시키는 것이 바람직하다. Si가 0.35%초과하되면 열처리시에 소재의 표면에서 탄소가 산화되어 쉽게 제거되므로 신선가공할 때 단선되기 쉽다. 또 Si의 농도가 높게 되면 지나친 고용강화와 가공경화 때문에 신선가공 다이스의 마모를 촉진시켜서 다이스의 수명을 단축시킬 분 아니라 신선가공재의 표면에도 흠이 생성된다.

·Mn:0.60~0.90%

상기 Mn은 펄라이트 변태를 지연시키기 때문에 다소 느린 냉각속도에서도 미세한 펄라이트가 쉽게 생성되도록 하므로 0.60%이상 첨가한다. 0.90%초과하면 소재 표면에 있는 조직의 결정입계가 산화되기 쉽다.

·P:0.025%이하

상기 P는 주상정 사이에 편석되어 열간취화를 일어키기기도 하고, 또 냉간에서 신선가공시에 단선을 유발시키므로 0.025%이하로 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하다.

·S:0.025%이하

상기 S는 저융점인 FeS의 형태로 결정입계에 석출되어 열간취화를 유발시키므로 0.025%이하로 가능한한 낮게 관리하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 조성되는 강을 블룸(또는 빌렛)으로 주조한 다음에 빌렛압연공정(빌렛으로 주조하는 경우 생략), 선재압연공정, 권취공정, 냉각공정, 신선공정, 블루잉열처리공정의 일련의 공정을 통해 원하는 강도를 갖는 선재를 제조한다.

·빌렛압연공정

상기 조성을 갖는 블룸을 재가열하여 900~1200℃에서 빌렛(billet)으로 압연한다. 이때의 재가열은 1250℃에서 약 3시간 행하는 것이 바람직하다.

·선재압연공정

상기에서 얻은 빌렛을 Cu석출물이 고용될 수 있을 정도의 온도(약 950~1200℃)에서 재가열한 다음에 추출하여 원하는 직경(7.0~13 mm)의 선재로 압연한다. 이때 재가열은 약 2시간정도 행하며, 마무리 압연온도는 통상의 마무리 압연온도(약 950~1200℃)로 하는 것이 바람직하다.

·권취공정

선재압연하여 얻은 선재를 800~850℃까지 수냉한 다음에 링(ring)의 형태로 권취한다. 권취온도가 800 C 보다 낮으면 수냉이 과대하게 되어서 오스테나이트 결정립은 미세하게되고 결국 초석시멘타이트의 생성이 용이하게 되고, 또 400 C 이하로 냉각되면 저온조직이 발생되므로 신선가공성이 나쁘게 된다. 권취온도가 너무 높으면 수냉이 적게되어 표면의 스케일 형상이 나쁘게 된다.

·냉각공정

권취한 선재는 롤러 콘베어(roller conveyor) 상에서 이동하며 송풍하여 3~20 ℃/s의 속도로 냉각시킨다. 냉각속도가 20 C/s 이상으로 빠르면 저온조직이 발생되고, 3 C/s 이하로 너무 느리면 초석시멘타이트가 발생되거나 펄라이트 층상간격이 조대하기 때문에 신선가공성이 떨어진다.

·신선공정

송풍냉각된 선재를 냉간에서 신선가공한다. 통상 약 85%의 감면율로 신선하고 있다.

·블루잉열처리공정

신선한 선재는 250~450℃에서 30~60초 동안 블루잉처리한다. 블루잉처리온도가 250℃ 보다 낮으면 Cu가 석출되지 않고, 450℃ 보다 높으면 과시효에 의해서 오히려 강도가 떨어지게 된다. 특히 450 ℃ 이상의 높은 온도에서 60초 이상의 장시간 블루잉처리하게되면 강도는 떨어지게 된다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

하기 표 1에 본 발명에 사용된 소재의 조성을 나타냈다. 탄소농도가 0.95% 정도일 때 Cu의 농도를 변화시킨 것이다. 이러한 조성을 갖는 용강을 소형 인고트(50 kg)로 주조하였다.

	C	Cu	Si	Mn	P	S	비고
B Group	B1	0.97	-	0.25	0.69	0.01	0.001	비교강
	B2	0.93	0.20	0.25	0.66	0.01	0.001
	B3	0.94	0.51	0.25	0.67	0.01	0.001
	B4	0.96	2.01	0.25	0.71	0.01	0.001
	B5	0.93	3.98	0.27	0.72	0.01	0.001	마르텐사이트 발생

표 1의 인고트를 1250℃에서 약 10시간 균질화 열처리한 다음에 탈탄층을 제거하고, 단면이 160 x 160 mm2인 빌렛에 용접하였다. 이 빌렛을 1000~1200℃에서 약 2시간 재가열한 다음에 추출하여 직경 11 mm의 선재로 압연하였다. 이 때 마무리 압연온도는 1000℃ 정도이므로 약 800~850℃까지 수냉한 다음에 링(ring)의 형태로 권취하여 롤러 콘베어(roller conveyor) 상에서 송풍냉각하였다(Stelmor냉각방식). 송풍냉각 시의 냉각속도는 500 ℃까지 약 4 ℃/s였다. Cu농도와 무관하게 초석시멘타이트가 생성되지 않았고, 3.98%의 Cu가 함유된 강은 마르텐사이트가 발생하였다.

이러한 선재를 냉간에서 선경 4.21mm까지 신선가공한 다음에 블루잉처리하였다. 블루잉처리는 250~550 ℃의 온도범위에서 30~300초간 실시하였다.

도 1은 각각의 열처리온도에서 Cu농도가 열간압연재, 신선가공재, 열처리재의 경도변화에 미치는 영향을 나타냈다. 열간압연재, 신선가공재, 열처리재의 경도는 Cu농도가 증가할수록 증가하고, 경도의 Cu의존성은 열간압연재가 가장 크고, 열처리재, 신선가공재의 순서이다. 250~450 ℃에서 60초간 열처리하면 신선가공재의 경도보다 더 증가하고, 550 ℃에서 열처리하면 경도는 오히려 더 떨어진다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 고탄소강 선재에 Cu를 첨가하여 펄라이트 층상간격을 미세화시키고, 신선가공한 다음에 블루잉(Bluing)열처리할 때 Cu에 의해 시효경화되는 PC강선용 선재을 제공하는 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 중량%로, C: 0.80-1.42%, Si: 0.15-0.35%, Mn: 0.60-0.90%, P: 0.025%이하, S: 0.025% 이하, Cu: 0.2~4.0%, 나머지 Fe와 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 빌렛을 1000~1200℃에서 재가열하여 마무리압연온도 950~1200℃의 조건으로 열간에서 선재압연하고, 800~850℃까지 수냉하여 권취하는 단계,

   권취된 선재를 3~20℃/sec로 냉각하는 단계,

   냉각된 선재를 냉간에서 신선가공하고, 이어서 250 ~ 450℃ 온도에서 30~60초 동안 열처리에 의하여 경화하는 단계를 포함하여 이루어지는 Cu함유 고강도 콘크리트 보강용 선재의 제조방법.