KR20110010985A - 강도와 연성이 우수한 나선형 콘크리트 보강용 선재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 콘크리트 보강용 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 선재의 성분계 및 조성범위를 제어하고, 가열온도, 압연조건, 냉각조건 등을 제어하여 항복강도, 인장강도, 연신율 및 굽힘성이 우수한 나선형 콘크리트 보강용 선재 및 그 제조방법을 제공한다. 이를 통하여, Cr, Ni 등의 고가원소를 첨가하지 않고도, 항복강도 400MPa 이상, 인장강도 700MPa 이상, 연신율 20%이상, 굽힘시험시 직경이 16mm이하인 경우 D=2.5d/180°를 만족하는 선재를 제공할 수 있다. 더불어, 선재의 외형에 이형형상을 압연하여 콘크리트와 선재의 접착력을 증가시킬 수 있다.

나선형, 코일철근, 철근, 빌렛, 콘크리트, 보강재

Description

강도와 연성이 우수한 나선형 콘크리트 보강용 선재 및 그 제조방법{Spiral reinforcing wire rod having excellent strength and ductility and producing method of the same}

본 발명은 나선형 콘크리트 보강용 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 선재의 성분계 및 조성범위를 제어하고, 가열온도, 압연조건, 냉각조건 등을 제어하여 항복강도, 인장강도, 연신율 및 굽힘성이 우수한 선재를 제공할 수 있다.

콘크리트 보강용 선재는 콘크리트를 보강할 목적으로 콘크리트에 매입하는 선재를 의미하며, 일반적으로 철근이라 불린다.

콘크리트 보강용 선재 중 직선철근은 통상 6~12m 길이로 절단되어 사용되어 2차 가공시 철근 끝단부가 남고, 겹이음 가설 등으로 인해 소모되는 재료의 비율이 5~10%에 이르러 비효율적이다. 또한, 경제의 선진화에 따른 인건비 증가 및 건설비용의 절감에 대한 필요성 등에 의해 원가를 절감할 수 있는 나선형 콘크리트 보강용 선재(코일철근)의 활용이 요구되고 있다.

현재는 유럽을 중심으로 선진국 시장에서 철근 직경 D16 이하의 경우는 자동화 가공설비를 이용하는 나선형 콘크리트 보강용 선재(코일철근)가 대부분을 차지하고 있으나, 국내는 아직 시장이 미형성된 단계이며 향후 고인건비 구조의 경제로 변화될 것이 예상되므로 상기 선재의 활용은 급격히 늘어날 것으로 전망이 된다.

더불어, 선재의 외형에 돌기를 포함한 이형형상을 갖는 나선형 콘크리트 보강용 선재는 선재와 콘크리트의 접착력을 증대시킬 수 있어서 활용이 요구되고 있다.

또한, 나선형 콘크리트 보강용 선재는 주로 거대 구조물에 적용되므로 고강도 고인성의 기계적 성질을 가져야 한다. 현재까지 항복강도 400MPa 이상, 인장강도 700MPa 이상, 연신율 20%이상, 굽힘시험시 직경이 16mm이하인 경우 D=2.5d/180°를 만족하는 나선형 콘크리트 보강용 선재(코일철근)는 제시되지 않고 있다.

본 발명은 콘크리트 보강용 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선재의 성분계 및 조성범위를 제어하고, 가열온도, 압연조건, 냉각조건 등을 제어하여 항복강도, 인장강도, 연신율 및 굽힘성이 우수한 나선형 콘크리트 보강용 선재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일구현례로서 나선형 콘크리트 보강용 선재는 중량%로, C: 0.35~0.65%, Si: 0.10~0.35%, Mn: 0.60~0.90%, P: 0.030%이하 및 S: 0.035%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

상기 미세조직은 면적분율로 페라이트 20~40%과 잔부 펄라이트로 이루어진 것이 바람직하다.

더불어, 상기 페라이트의 평균입경은 15~25㎛인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 선재는 항복강도 400MPa 이상, 인장강도 700MPa 이상, 연신율 20%이상, 굽힘시험시 직경이 16mm이하인 경우 D=2.5d/180°를 만족하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 선재의 외형이 이형 형상으로 압연된 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 구현례로서, 나선형 콘크리트 보강용 선재의 제조방법은 중 량%로, C: 0.35~0.65%, Si: 0.10~0.35%, Mn: 0.60~0.90%, P: 0.030%이하, S: 0.035%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 빌렛을 1000~1200℃에서 90~150분 동안 가열하고 950~1200℃에서 다단계 압연하며, 수냉한 후 850~950℃에서 링(ring)의 형태로 권취한 후 롤러 콘베어(roller conveyor) 상에서 2~10℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함한다.

상기 다단계 압연단계는 순차적으로 조압연, 중간압연, 사상압연 및 이형압연하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 선재는 항복강도 400MPa 이상, 인장강도 700MPa 이상, 연신율 20%이상, 굽힘시험시 직경이 16mm이하인 경우 D=2.5d/180°를 만족하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 Cr, Ni 등의 고가원소를 첨가하지 않고도, 항복강도 400MPa 이상, 인장강도 700MPa 이상, 연신율 20%이상, 굽힘시험시 직경이 16mm이하인 경우 D=2.5d/180°를 만족하는 나선형 콘크리트 보강용 선재를 제공할 수 있다. 더불어, 선재의 외형에 이형형상을 압연하여 콘크리트와 선재의 접착력을 증가시킬 수 있다. 또한, 직선철근에 비하여 재료의 손실이 적고 경제성이 우수한 나선형 콘크리트 보강용 선재를 제공할 수 있다.

본 발명은 각종 건설 현장에서 사용되는 콘크리트 구조물에 적용될 수 있는 콘크리트 보강용 선재에 관한 것으로서, 선재 표면에, 선재와 콘크리트 양자 사이의 부착강도를 증대시킬 수 있는 이형 형상을 표면에 압연하고 선재 자체의 강도와 연성을 향상시킨 기계적 성질이 우수한 선재를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 나선형 콘크리트 보강용 선재의 성분계 및 조성범위에 대하여 상세히 설명한다.

C(탄소): 0.35~0.65중량%

C는 강재의 강도를 확보하기 위하여 필수적으로 첨가되어야할 원소이다. C의 함량이 0.35중량% 미만인 경우에는 본 발명이 의도하고자 하는 강도를 얻을 수 없다. 반면에, C의 함량이 0.65중량%를 초과하는 경우에는 높은 강도를 확보할 수 있으나 본 발명이 의도하고자 하는 연성 및 굽힘성을 확보할 수 없다. 따라서, 상기 C의 함량은 0.35~0.65%로 한정하는 것이 바람직하다.

Si(실리콘) : 0.10~0.35중량%

Si은 강재의 탈산에 필요한 원소이며, 고용강화원소로서 항복응력을 향상시시킬 수 있다. 다만, Si의 함량이 0.10중량% 미만인 경우에는 상기 효과를 발휘할 수 없다. 반면에, Si의 함량이 0.35중량%를 초과하는 경우에는 연성 및 굽힘성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 상기 Si의 함량은 0.10~0.35중량%로 한정하는 것 이 바람직하다.

Mn(망간) : 0.60~0.90중량%

Mn은 기지조직 내에 치환형 고용체를 형성하여 고용강화하는 원소로서, 강재의 강도향상에 매우 유용한 원소이다. 상기 Mn의 함량이 0.6중량% 미만인 경우에는 Mn에 의한 편석의 영향이 거의 없으나, 고용강화에 의한 강의 강도향상의 효과를 얻을 수 없다. 반면에, Mn의 함량이 0.9중량%를 초과하는 경우에는 고용강화 효과보다는 Mn 편석을 발생시켜 제품 특성에 악영향을 미친다. 따라서, 상기 Mn의 함량은 0.60~0.90중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

P(인): 0.030중량% 이하

P는 불순물로서, 결정립계에 편석되어 열간취화를 유발하거나 연성을 저하시키는 주요 원인이 될 수 있으므로 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하며, 이론상 P의 함량을 0%로 제한하는 것이 가능하나, 제조공정상 필연적으로 첨가될 수 밖에 없다. 상한을 관리하는 것이 중요하며, 상기 P의 함량의 상한은 0.035중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

S(황): 0.035중량% 이하

S은 불순물 원소이며, 저융점 원소로서, 입계에 석출되어 열간취화를 유발시키므로 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하며, 이론상 S의 함량을 0%로 제한하 는 것이 가능할 수 있으나, 제조공정상 필연적으로 첨가될 수 밖에 없다. 상한을 관리하는 것이 중요하며, 상기 S의 함량의 상한은 0.035중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 선재를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 선재를 제조하는 방법은 상기 성분계 및 조성범위를 만족하는 빌렛을 1000~1200℃에서 90~150분 동안 가열하고, 상기 가열된 빌렛을 950~1200℃에서 다단계 압연하며, 상기 압연된 선재를 수냉한 후 850~950℃에서 권취한 후 2~10℃/s의 냉각속도로 냉각하는 것이다.

가열단계: 1000~1200℃에서 90~150분 동안 가열

상기 가열온도 범위에서 본 발명에서 제어한 성분계 및 조성범위를 만족하는 빌렛을 가열하는 경우 오스테나이트 단상이 유지되고, 오스테나이트 결정립이 조대화되지 않으며, 잔존하는 편석, 탄화물 및 개재물을 효과적으로 용해할 수 있다.

가열온도가 1000℃ 미만인 경우에는 가열에 의하여도 편석, 탄화물 등을 재고용할 만큼 충분한 열이 전달될 수 없다. 반면에, 가열온도가 1200℃를 초과하는 경우 빌렛의 표면에서 탈탄이 일어나고 오스테나이트 결정립이 매우 조대하게 되어 냉각 후에 미세조직 중에서 페라이트의 분율이 매우 적어지므로 충분한 연성을 확 보할 수 없다. 따라서, 상기 가열온도는 1000~1200℃로 한정하는 것이 바람직하다.

가열 시간이 90분 미만인 경우에는 가열하고자 하는 빌렛의 온도가 균일하게 될 수 없다. 반면에, 가열 시간이 150분을 초과하면 탈탄이 지나치게 된다. 따라서 상기 가열 시간은 90~150분으로 한정하는 것이 바람직하다.

압연단계: 950~1200℃에서 압연

상기에서 가열된 빌렛을 950~1200℃ 범위에서 조압연, 중간압연, 사상압연을 하여 원하는 두께와 폭으로 압연하고, 최종 롤에서 철근 형상을 가지도록 이형 압연하는 것이 바람직하다.

권취공정: 850~950℃까지

압연 후 선재를 850~950℃까지 수냉한 다음에 링(ring) 형태로 권취한다. 권취온도가 850℃ 미만인 경우에는 수냉이 과도하게 되어서 소재 강도가 증가하여 권취가 곤란하고, 권취온도가 950℃를 초과하는 경우에는 미세조직이 조대화되어 원하는 기계적 물성을 얻기 힘들다.

냉각단계: 2~10℃/s로 냉각하는 단계 ;

상기 권취 후 귄취된 선재를 냉각한다. 냉각속도가 2℃/s 미만인 경우에는 결정립의 성장을 초래하여 원하는 강도를 얻기 곤란하다. 반면에, 10℃/s를 초과하 게 되면 마르텐사이트와 같은 저온조직이 생성되어 원하는 연성 및 굽힘성을 확보하기 곤란하다. 따라서, 상기 냉각속도는 2~10℃/s로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 열간압연 후 냉각되는 과정에서, 아공석 조성의 오스테나이트에서는 초석 페라이트가 먼저 생성되고 그 다음에 잔류 오스테나이트는 세멘타이트와 페라이트로 구성되는 펄라이트 조직으로 변태된다.

결과적으로 본 발명의 선재의 미세조직은 면적분율 20~40%, 결정립 크기가 15~25㎛인 페라이트와 잔부 펄라이트로 이루어진 복합조직이 형성된다. 또한, 항복강도 400MPa이상, 인장강도 700MPa이상, 연신율 20%이상 그리고 굽힘시험시 코일철근의 직경이 16mm이하인 경우 D=2.5d, 180°인 기계적 성질을 확보할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표1과 같은 성분계 및 조성범위를 갖는 빌렛을 1000~1200℃에서 2시간 동안 재가열한 다음, 추출하여 D13의 직경을 가지는 나선형 보강용 선재로 열간압연하였다. 이때, 마무리 열간압연온도는 1000℃ 였으며, 이후 900~940℃까지 수냉한 다음 링(ring) 형태로 권취하여 롤러 컨베이어 상에서 2~10℃/s의 냉각속도로 송풍 냉각하였다.

상기와 같은 제조방법에 의하여 제조된 나선형 보강용 선재의 항복강도, 인장강도, 연신율, 굽힘성 및 미세조직을 판단하여 하기 표2에 나타내었다. 굽힘시험시 D=2.5d/180°를 만족하는 경우에는 ○로 표시하고, 이를 만족하지 못하는 경우에는 X로 표시하였다.

구분	C(중량%)	Si(중량%)	Mn(중량%)	P(중량%)	S(중량%)
발명예1	0.44	0.26	0.75	0.023	0.028
발명예2	0.62	0.25	0.74	0.025	0.023
비교예1	0.33	0.26	0.75	0.028	0.028
비교예2	0.68	0.40	0.75	0.024	0.025

구분	미세조직	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	연신율 (%)	굽힘성 (D=2.5d, 180°)
발명예1	페라이트33% + 잔부 펄라이트	404	767	25.2	○
발명예2	페라이트21% + 잔부 펄라이트	440	923	20.4	○
비교예1	페라이트48% + 잔부 펄라이트	355	647	27.2	○
비교예2	페라이트 10% + 잔부 펄라이트	473	985	16.9	X

비교예1의 C 함량은 본 발명이 제어하고자 하는 C의 함량보다 낮은 경우로서, C의 함량이 낮아 선재의 항복강도가 400MPa 미만이며, 인장강도가 700MPa 미만임을 알 수 있다. 비교예2의 C 및 Si의 함량은 본 발명이 제어하고자 하는 C 및 Si의 함량보다 높아서 선재의 강도는 높게 측정이 되나, 연신율이 20%미만이며, 굽힘성도 불량함을 알 수 있다.

본 발명에서 의도하고자 하는 성분계 및 조성범위에 해당하는 경우인 발명예1 및 2는 페라이트의 분율이 20~40% 이내이고, 항복강도 400MPa이상, 인장강도 700MPa이상, 연신율 20%이상, 굽힘시험시 D=2.5d/180°를 만족하는 우수한 기계적 물성을 나타내었다.

Claims (8)

1. 중량%로, C: 0.35~0.65%, Si: 0.10~0.35%, Mn: 0.60~0.90%, P: 0.030%이하 및 S: 0.035%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 페라이트 및 펄라이트로 이루어진 미세조직을 포함하는 나선형 콘크리트 보강용 선재.
2. 제1항에 있어서, 상기 미세조직은 면적분율로 페라이트 20~40%과 잔부 펄라이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 나선형 콘크리트 보강용 선재.
3. 제1항에 있어서, 상기 페라이트의 평균입경은 15~25㎛인 것을 특징으로 하는 나선형 콘크리트 보강용 선재.
4. 제1항에 있어서, 상기 선재는 항복강도 400MPa 이상, 인장강도 700MPa 이상, 연신율 20%이상, 굽힘시험시 직경이 16mm이하인 경우 D=2.5d/180°를 만족하는 것을 특징으로 하는 나선형 콘크리트 보강용 선재.
5. 제1항에 있어서, 상기 선재의 외형이 이형 형상으로 압연된 것을 특징으로 하는 나선형 콘크리트 보강용 선재.
6. 중량%로, C: 0.35~0.65%, Si: 0.10~0.35%, Mn: 0.60~0.90%, P: 0.030%이하, S: 0.035%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 빌렛을 1000~1200℃에서 90~150분 동안 가열하는 단계;

   상기 가열된 빌렛을 950~1200℃에서 다단계 압연하는 단계;

   상기 압연된 선재를 수냉한 후 850~950℃에서 링(ring)의 형태로 권취하는 단계; 및

   상기 귄취된 선재를 롤러 콘베어(roller conveyor) 상에서 2~10℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 나선형 콘크리트 보강용 선재의 제조방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 다단계 압연단계는 순차적으로 조압연, 중간압연, 사상압연 및 이형압연을 포함하는 선형 콘크리트 보강용 선재의 제조방법.
8. 제6항에 있어서, 상기 선재는 항복강도 400MPa 이상, 인장강도 700MPa 이상, 연신율 20%이상, 굽힘시험시 직경이 16mm이하인 경우 D=2.5d/180°를 만족하는 것 을 특징으로 하는 나선형 콘크리트 보강용 선재의 제조방법.