KR20040057216A - 고강도 과공석강 및 이를 이용한 과공석강 선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘크리트 보강용 강선(이하 PC강선, Prestressed Concrete)용으로 사용되는 과공석강에 관한 것이다.

이 강은 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: 0.2~3.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

그리고, 이 강을 이용한 과공석강 선재의 제조방법 역시 제공된다.

이 강은 고탄소강 선재에 Cu를 첨가하여 상변태될 때 펄라이트 층상간격을 미세화시킴과 아울러 신선가공한 다음에 블루잉(Bluing) 열처리할 때 구리를 석출시킴에 의에 강도를 향상시킨 과공석강 선재를 제공하는 효과가 있다.

Description

고강도 과공석강 및 이를 이용한 과공석강 선재의 제조방법{High strength hypereutectoid steel and method for manufacturing hypereutectoid steel rod wire using the same}

본 발명은 콘크리트 보강용 강선(이하 PC강선, Prestressed Concrete)용으로 사용되는 과공석강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고탄소강 선재에 Cu를 첨가하여 상변태될 때 펄라이트 층상간격을 미세화시킴과 아울러 신선가공한 다음에 블루잉(Bluing) 열처리할 때 구리를 석출시킴에 의에 강도를 향상시킨 과공석강 및 이를 이용한 과공석강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

PC강선용 선재는 PC강선을 가공하기 위한 소재이다. 상기 PC강선의 제조공정을 간략하게 설명하면 다음과 같다. 탄소농도가 공석조성 정도인 용강을 블룸(bloom)으로 주조한다. 상기 블룸을 재가열한 다음에 빌렛(billet)으로 압연한다. 상기 빌렛을 재가열한 다음에 원하는 직경의 선재로 열간압연한다. 이후, 공석 변태온도보다 약간 높은 온도(약 820℃)까지 수냉한 다음에 링(ring)의 형태로 권취하여 롤러 콘베어(roller conveyor) 상에서 냉각시킨다. 상기 열간압연 후 냉각되는 과정에서 과공석 조성의 오스테나이트에서는 초석시멘타이트가 먼저 생기고 그 다음에 공석조성의 잔류 오스테나이트는 시멘타이트와 페라이트로 구성되는 펄라이트 조직으로 변태된다. 상기 펄라이트 조직을 갖는 열간압연선재를 요구되는 강도와 선경의 선재로 냉간에서 신선가공한 다음, 잔류응력을 제거하기 위하여 열처리를 실시한다. 상기 열처리를 실시하면 소재의 표면이 청색(blue)으로 변하기 때문에 통상 블루잉 처리 또는 블루잉 열처리라 한다. 상기 블루잉 열처리시에 온도 또는 시간의 제어가 정확하지 않으면 강도의 편차가 심하고, 또 냉간 신선가공 직후의 강도보다도 떨어지게 된다.

따라서, 종래에는 고탄소강의 강도를 증가시키기 위해서 탄소농도를 증가시킴으로써 시멘타이트의 분율을 증가시키거나, 냉각속도를 증가시킴으로써 펄라이트 층상간격을 미세화시키는 방법에 의존하였다. 그러나, 공석조성을 초과하는 탄소의 농도는 초석시멘타이트로 석출되기 때문에 탄소농도의 증가에 의한 고강도화는 한계가 있는 문제점이 있으며, 또한 신선가공재를 블루잉 처리하면 강도가 떨어지는 문제점도 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고탄소강 선재에 Cu를 첨가하여 상변태될 때 펄라이트 층상간격을 미세화시킴과 아울러 신선가공한 다음에 블루잉(Bluing) 열처리할 때 구리를 석출시킴에 의에 강도를 향상시킨 과공석강 및 이를 이용한 과공석강 선재의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 각각의 열처리온도에서 구리의 함량에 따른 경도변화를 나타내는 그래프

상기한 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: 0.2~3.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

또한, 본 발명은 상기와 같이 조성되는 빌렛을 1000~1200℃에서 90~150분 동안 재가열한 다음 950~1200℃에서 마무리 압연하고, 800~850℃까지 수냉한 다음 권취한 후, 3~20℃/초의 냉각속도로 300~500℃까지 냉각시킨 다음 냉간에서 신선가공하고, 250~450℃에서 30~60초 동안 열처리하는 것을 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명에서 과공석 조성의 강을 열간에서 선재로 마무리 압연한 다음에 수냉 후 냉각시킬 때 오스테나이트는 초석시멘타이트, 펄라이트의 순으로 변태된다. 이때 오스테나이트에 고용되어 있던 Cu는 시멘타이트에 고용되지 않기 때문에 시멘타이트가 생성되려면 Cu가 배척되고, C가 유입되어야만 된다. 그런데, Cu는 확산속도가 느리기 때문에 서서히 배척되고, 상대적으로 C의 유입을 방해하게 된다. 따라서, 초석시멘타이트의 생성과 성장은 억제되고, 또 펄라이트의 생성과 성장도 억제되므로, 펄라이트 층상간격이 미세하게 되는 것이다.

먼저, 본 발명의 성분제한 이유부터 살펴본다.

C: 0.80~1.42중량%

본 발명에서 첨가된 C는 대부분 시멘타이트로 존재한다. 상기 시멘타이트는 페라이트와 층상구조를 형성하여 펄라이트 조직을 구성한다. 상기 층상구조는 그 간격이 미세할수록 강하고, 신선가공성이 우수하다. 본 발명에 있어서 C함량이 높을수록 펄라이트의 층상간격이 미세하게 된다. 그러나, 상기 C의 함량이 1.42중량%를 초과하면 오스테나이트 결정입계에서 초석시멘타이트가 먼저 석출된 다음에 펄라이트로 변태되고, 0.80중량% 미만이면 초석페라이트가 생성된 다음에 펄라이트가 생성되므로, 그 함량을 0.80~1.42중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Si: 0.15~0.35중량%

상기 Si는 기지조직인 페라이트를 고용강화시키는데 유효한 성분으로, 0.15중량% 미만 첨가되면 상기 고용강화 효과를 얻을 수 없고, 0.35중량%를 초과하여 첨가되면 열처리시 소재의 표면에서 탄소가 산화되어 쉽게 제거됨으로써 신선가공시 단선이 발생되기 쉬울 뿐만 아니라 지나친 고용강화와 가공경화 때문에 신선가공 다이스의 마모를 촉진시켜서 다이스의 수명을 단축시키고 신선가공재의 표면에도 흠을 발생시키므로, 그 함량을 0.15~0.35중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Mn: 0.60~0.90중량%

상기 Mn은 펄라이트 변태를 지연시키기 때문에 다소 느린 냉각속도에서도 미세한 펄라이트가 쉽게 생성되도록 한다. 상기 Mn의 함량이 0.60중량% 미만이면 상기 효과를 얻을 수 없고, 0.90중량%를 초과하여 첨가되면 소재 표면에 있는 조직의 결정입계가 산화되기 쉬워지므로, 그 함량을 0.60~0.90중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

P: 0.025중량% 이하

상기 P는 주상정 사이에 편석되어 열간취화를 일으키는 성분으로, 0.025중량%를 초과하여 함유되면 냉간에서 신선가공시 단선을 유발시키므로, 그 함량을 0.025중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

S: 0.025중량% 이하

상기 S는 저융점인 FeS의 형태로 결정입계에 석출되어 열간취화를 유발시키는 성분으로, 0.025중량%를 초과하여 함유되면 열간취화를 유발하므로, 그 함량을 0.025중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Cu: 0.2~3.5중량%

본 발명에서 Cu는 시멘타이트에 고용도가 크지 않기 때문에 펄라이트 변태를 지연시켜 펄라이트의 층상간격을 미세화시키고, 고용강화효과가 크지 않기 때문에 신선가공성을 해치지 않으며 신선가공시에 도입된 높은 전위밀도를 이용하여 신선가공 후의 열처리시 전위선 상에 Cu를 급속하게 석출시켜서 강도를 향상시키는데 유효한 성분이다. 상기 Cu는 펄라이트 변태시 페라이트에 어느 정도 고용되어 있기 때문에 0.2중량% 이상으로 첨가되어야 하고, 3.5중량%를 초과하여 첨가되면 초석시멘타이트 뿐만 아니라 펄라이트 변태도 너무 지연되기 때문에 선재냉각공정(Stelmor)의 송풍냉각에서 마르텐사이트가 발생된다. 또한, 과도한 양의 Cu를 함유한 오스테나이트에서는 결정입계 산화 및 액상취화가 유발되므로 바람직하지 않다. 따라서, 상기 Cu의 함량은 0.2~3.5중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기한 조성 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

상기와 같이 조성되는 빌렛을 1000~1200℃에서 90~150분 동안 재가열한 다음에 추출하여 원하는 직경의 선재로 열간압연한다. 이때 마무리 압연온도는 950~1200℃로 행하는 것이 바람직하다. 상기 재가열 온도가 1000℃ 미만이면 구리의 재고용이 충분하지 않아서 상변태시 펄라이트의 미세화 및 구리의 석출물이 미세하지 않고, 1200℃를 초과하면 빌렛의 표면에서 탈탄이 심하게 되므로, 상기 재가열 온도는 1000~1200℃로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 재가열 시간이 90분 미만이면 구리가 충분히 고용되지 않고, 150분을 초과하면 심하게 탈탄되므로, 상기 재가열 시간은 90~150분으로 제한하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 마무리 압연온도가 950℃ 미만이면 재결정이 어렵고, 1200℃를 초과하면 심하게 탈탄되므로, 상기 마무리 압연온도는 950~1200℃로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 열간압연 후, 800~850℃까지 수냉한 다음 링(ring)의 형태로 권취하여 롤러 컨베이어(roller conveyor) 상에서 3~20℃/초의 냉각속도로 300~500℃까지 냉각시킨다. 상기 수냉종료 온도가 800℃ 미만이면 권취가 곤란하고, 850℃를 초과하면 펄라이트가 조대하므로, 상기 수냉종료 온도는 800~850℃로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 권취 후, 냉각속도가 3℃/초 미만이면 구리가 석출되어 신선가공성을 나쁘게 하고, 20℃/초를 초과하면 마르텐사이트가 생성되어 신선가공성이 나빠지므로, 상기 냉각속도는 3~20℃/초로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 냉각종료 온도가 300℃ 미만이면 급냉에 의하여 마르텐사이트가 생성되어 신선가공성을 나쁘게 하고, 500℃를 초과하면 변태가 불완전하므로, 상기 냉각종료 온도는 300~500℃로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 냉각 후, 원하는 직경으로 신선가공한 다음에 250~450℃에서 30~60초 동안 블루잉(Bluing) 열처리한다. 상기 블루잉 열처리 온도가 250℃ 미만이면 구리가 석출되지 않고, 450℃를 초과하면 과시효에 의해서 오히려 강도가 떨어지므로, 상기 블루잉 열처리 온도는 250~450℃로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 블루잉 열처리 온도가 30초 미만이면 구리가 석출되지 않고, 60초를 초과하면 강도가 떨어지므로, 상기 블루잉 열처리 시간은 30~60초로 제한하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같이 조성되는 용강을 50kg의 소형 잉곳으로 주조하였다. 상기 잉곳을 1250℃에서 10시간 동안 균질화 열처리한 다음에 탈탄층을 제거하고, 단면이 160 x 160 mm²인 빌렛에 용접하였다. 상기 빌렛을 1000~1200℃에서 2시간 동안 재가열한 다음에 추출하여 직경 11 mm의 선재로 열간압연하였다. 이때 마무리 열간압연온도는 1000℃였으며, 이후 800~850℃까지 수냉한 다음에 링(ring) 형태로 권취하여 롤러 컨베이어(roller conveyor) 상에서 송풍냉각하였다(Stelmor냉각방식). 상기 송풍냉각시 냉각속도는 500℃까지 4℃/초였다. 이후 상기 선재를 냉간에서 선경 4.21mm까지 신선가공한 다음에 블루잉 열처리하였다. 상기 블루잉 열처리는 250~550℃에서 30~300초간 실시하였다. 상기와 같이 제조된 선재의 강도를 측정하였으며, 그 결과는 도 1과 같다.

도 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 성분 범위를 만족하는 발명강(A~C)는 Cu가 첨가되지 않은 비교강(A)에 비하여 경도가 우수하다. 상기 시편에서 Cu 함량의 증가에 따른 초석시멘타이트 양의 변화는 뚜렷하지 않았고, 3.98중량%의 Cu가 첨가된 비교강(B)는 마르텐사이트가 발생하였다.

도 1은 각각의 열처리온도에서 구리의 함량이 열간압연재, 신선가공재, 열처리재의 경도변화에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다. 도 1에서 알 수 있듯이, 열간압연재, 신선가공재, 열처리재의 경도는 Cu의 농도가 증가할수록 증가하고, 경도의 Cu 함량에 대한 의존성은 열간압연재가 가장 크고, 열처리재, 신선가공재의 순서이다.

본 발명의 범위내에서 블루잉 열처리한 시편들의 경우, 신선가공재의 경도보다 더 증가하는 것을 도 1에서 확인할 수 있다. 그러나, 본 발명의 범위를 벗어난 범위에서 블루잉 열처리한 시편들은 경도가 오히려 저하되었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 고탄소강 선재에 Cu를 첨가하여 상변태될 때 펄라이트 층상간격을 미세화시킴과 아울러 신선가공한 다음에 블루잉(Bluing) 열처리할 때 구리를 석출시킴에 의에 강도를 향상시킨 과공석강 선재를 제공하는 효과가 있다.

Claims (2)

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: 0.2~3.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 고강도 과공석강.
2. 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: 0.2~3.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛을 1000~1200℃에서 90~150분 동안 재가열한 다음 950~1200℃에서 마무리 압연하고, 800~850℃까지 수냉한 다음 권취한 후, 3~20℃/초의 냉각속도로 300~500℃까지 냉각시킨 다음 냉간에서 신선가공하고, 250~450℃에서 30~60초 동안 열처리하는 것을 포함하여 이루어지는 고강도 과공석강 선재의 제조방법.