KR20200012145A - 형강 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 형강의 제조방법은 (a) 탄소(C): 0.06 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 0.60 ~ 2.0중량%, 실리콘(Si): 0.05 ~ 0.25중량%, 크롬(Cr): 0.5 ~ 1.30중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.4중량% 이하, 몰리브덴(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.015 ~ 0.070중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.10중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.008중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.02중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 1150 내지 1250℃로 재가열하는 단계; (b) 상기 강재를 압연종료온도 910 ~ 960℃가 되도록 열간 압연하는 단계; 및 (c) 상기 열간 압연된 강재를 QST(Quenching & Self-Tempering) 냉각하는 단계; 를 포함한다.

Description

형강 및 그 제조 방법{SHAPE STEEL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 형강 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내화/내진 성능을 가지는 고강도 및 고성능의 형강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
형강은 일반적으로 단면 형상이 다각적으로 변화를 가지는 강재를 의미한다. 최근에 형강은 대형 건축물의 기둥과 같은 구조용 강재로 적용되고 있으며, 지하철, 교량 등의 토목용 가설재와 기초용 말뚝으로도 적용되고 있다. 형강은 연속 주조로 제조된 블룸(Bloom), 빌렛(Billet), 빔블랭크(Beam blank) 등의 주편을 열간압연함으로써 제조될 수 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0056765호(2014.05.12 공개, 발명의 명칭 : 형강 및 그 제조 방법)가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 내화/내진 성능을 가지는 고강도 및 고성능의 형강 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 형강은 탄소(C): 0.06 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 0.60 ~ 2.0중량%, 실리콘(Si) 0.05 ~ 0.25중량%, 크롬(Cr): 0.5 ~ 1.30중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.4중량% 이하, 몰리브덴(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.015 ~ 0.070중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.10중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.008중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.02중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 표면부의 상온 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트 및 베이나이트를 포함하고, 중심부의 상온 미세조직은 침상형 페라이트, 베이나이트 및 펄라이트를 포함한다.
상기 형강은 칼슘(Ca) 및 붕소(B) 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 더 포함하되, 칼슘(Ca): 0 초과 0.005중량% 이하, 붕소(B): 0 초과 0.003중량% 이하일 수 있다.
상기 형강에서, 상기 페라이트의 평균 입도는 10 ~ 20㎛일 수 있으며, 상기 중심부의 베이나이트는 분율이 15 ~ 25%일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 형강의 제조 방법은 (a) 탄소(C): 0.06 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 0.60 ~ 2.0중량%, 실리콘(Si): 0.05 ~ 0.25중량%, 크롬(Cr): 0.5 ~ 1.30중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.4중량% 이하, 몰리브덴(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.015 ~ 0.070중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.10중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.008중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.02중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 1150 내지 1250℃로 재가열하는 단계; (b) 상기 강재를 압연종료온도 910 ~ 960℃가 되도록 열간 압연하는 단계; 및 (c) 상기 열간 압연된 강재를 QST(Quenching & Self-Tempering) 냉각하는 단계; 를 포함한다.
상기 형강의 제조 방법에서, 상기 강재는 칼슘(Ca) 및 붕소(B) 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 더 포함하되, 칼슘(Ca): 0 초과 0.005중량% 이하, 붕소(B): 0 초과 0.003중량% 이하일 수 있다.
상기 형강의 제조 방법에서, 상기 QST 냉각은 표면 복열 온도를 630 ~ 810℃로 제어하면서 진행된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 내화/내진 성능을 가지는 고강도 및 고성능의 형강 및 그 제조 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 형강의 제조 방법을 도해하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 형강의 중심부 미세조직을 촬영한 사진이다.
도 3 및 도 4은 본 발명의 실시예들에 따른 형강의 중심부 미세조직을 촬영한 사진들이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 형강 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.
최근 건축 구조물이 고층화되는 추세에서 화재나 지진 등의 재해에 대비한 구조물 안전 설계가 필수적이며, 내화, 내진 등의 고기능성 건설 소재 개발이 절실한 상황이다. 한편, 화재시 건축물의 재난안전 확보를 위한 안전설계 요구도 강화되는 추세이다. 영국을 비롯한 유럽 및 미국, 호주 등에서는 초고층 건축물의 내화 설계에 대한 법규정 정비를 통한 안전설계 요구 수준이 증가되고 있다. 국내와 유사한 건축법 규정체계를 가지고 있는 일본의 경우에도 건축기준법을 개정하여 내화구조에 대한 성능규정 도입 및 내화성능에 관한 규정을 적용 중이다. 국내에서는 내화 후판재가 개발되었으나 상용화까지는 이르지 못하였으며, 형상이 있는 건축 구조물 강재 (H형강 등)에 대한 내화 강재 개발 및 성능 평가는 전무한 실정이다. 이하에서는 안정적인 내화/내진 성능을 가지는 고강도 고성능 형강과 그 제조방법을 제공하고자 한다.
형강
본 발명의 일 실시예에 따르는 형강은 탄소(C): 0.06 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 0.60 ~ 2.0중량%, 실리콘(Si) 0.05 ~ 0.25중량%, 크롬(Cr): 0.5 ~ 1.30중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.4중량% 이하, 몰리브덴(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.015 ~ 0.070중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.10중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.008중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.02중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 형강에 포함되는 각 성분의 역할 및 함량에 대하여 설명한다.
탄소(C)
탄소(C)는 강도를 확보하기 위하여 첨가되며, 용접성에 가장 큰 영향을 미치는 원소이다. 상기 탄소(C)는 본 발명의 일 실시예에 따른 형강의 전체 중량의 0.06 ~ 0.20중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 탄소의 함량이 전체 중량의 0.06중량% 미만일 경우에는 충분한 강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소의 함량이 전체 중량의 0.20중량%를 초과할 경우에는 모재의 충격 인성을 저하시킬 수 있으며, 전기저항용접(ERW)시 용접성의 저하를 가져오는 문제점이 있을 수 있다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 고용 강화에 효과적이다. 또한, 망간(Mn)은 강의 경화능을 증가시킬 수 있다. 망간은 본 발명의 일 실시예에 따른 형강의 전체 중량의 0.60 ~ 2.0중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 망간의 함량이 0.60중량% 보다 작을 경우, 고용 강화의 효과를 충분히 발휘할 수 없다. 또한, 망간의 함량이 2.0중량%를 초과할 경우, 용접성이 저하되고, MnS 개재물 및 중심 편석(center segregation)이 발생하여 형강의 연성이 저하되고 내부식성이 저하될 수 있다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 알루미늄과 함께 제강공정에서 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가된다. 또한, 실리콘은 고용강화 효과도 가질 수 있다. 상기 실리콘은 본 발명의 일 실시예에 따른 형강의 전체 중량의 0.05 ~ 0.25중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 실리콘의 함량이 전체 중량의 0.05중량% 미만일 경우에는 실리콘 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 실리콘의 함량이 전체 중량의 0.25중량%를 초과하여 다량 첨가시 강의 용접성을 저하시키며, 재가열 및 열간압연 시에 적 스케일(red scale)을 생성시킴으로써 표면품질에 문제를 줄 수 있다.
크롬(Cr)
크롬(Cr)은 페라이트 안정화 원소로 C-Mn강에 첨가시 용질 방해 효과로 탄소의 확산을 지연하여 입도 미세화에 영향을 미친다. 상기 크롬은 본 발명의 일 실시예에 따른 형강의 전체 중량의 0.5 ~ 1.30중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 크롬의 함량이 전체 중량의 0.5중량% 미만일 경우에는 크롬 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 크롬의 함량이 전체 중량의 1.30중량%를 초과하여 다량 첨가시 인성 및 경화성의 관점에서 강의 특성이 저하되는 문제를 줄 수 있다.
구리(Cu)
구리(Cu)는 페라이트에 고용되어 고용강화 효과를 나타내는 원소이다. 또한, 베이나이트 변태에 있어서 석출하지 않고 과포화된 구리가 상온에서는 조직 중에 고용하고, 내화강으로서의 사용 온도 600 ℃ 가열시에 베이나이트 변태에 의해 도입된 전위 상에 구리 상을 석출하고, 그 석출 경화에 의해 모재의 내력을 증가시킨다. 상기 구리는 본 발명의 일 실시예에 따른 형강의 전체 중량의 0 초과 0.4중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 구리의 함량이 전체 중량의 0.4중량%를 초과하여 다량 첨가시 열간가공이 어려우며 석출 강화는 포화되며 인성을 저하시키며 적열취성의 원인이 되는 문제점이 발생한다.
몰리브덴(Mo)
몰리브덴(Mo)은 모재 강도 및 고온 강도의 확보에 유효한 원소이다. 상기 몰리브덴은 본 발명의 일 실시예에 따른 형강의 전체 중량의 0 초과 0.50중량% 이하 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 몰리브덴의 함량이 전체 중량의 0.50중량%를 초과하여 다량 첨가시 켄칭성이 지나치게 상승하여 모재 및 용접 열 영향부의 인성이 열화되는 문제점이 발생한다.
알루미늄(Al)
알루미늄(Al)은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 제강 공정에 첨가된다. 또한, AlN으로 강 중에 석출하여 결정립 미세화에 기여할 수 있다. 상기 알루미늄은 본 발명의 일 실시예에 따른 형강 중량의 0.015 ~ 0.070중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 알루미늄의 함량이 0.015중량% 미만이면 탈산효과가 미흡하고, 0.070중량%를 초과하면 연주에 어려움이 있어 생산성을 떨어뜨리며, 비금속개재물인 알루미나(Al2O3)를 형성하여 연성 및 인성이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
니켈(Ni)
니켈(Ni)은 전기로 스크랩의 트램프 원소로서, 재료의 강도를 증가시키고, 저온 충격치를 확보할 수 있도록 한다. 상기 니켈은 본 발명의 일 실시예에 따른 형강의 전체 중량의 0 초과 0.10중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 니켈의 함량이 전체 중량의 0.10중량%를 초과할 경우에는 상온 강도가 과다하게 높아져 용접성 및 인성이 열화되는 문제점이 발생한다.
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 형강의 전체 중량의 0 초과 0.020중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 인의 함량이 0.020중량%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 형강의 전체 중량의 0 초과 0.008중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 황의 함량이 0.008중량%를 초과할 경우, 인성 및 용접성을 저해하고, 저온 충격치를 저하시킬 수 있다.
질소(N)
질소(N)는 AlN 등의 질화물계 석출물을 형성하여 결정립 미세화에 기여하고, 고온 강도를 확보하는 데 기여할 수 있다. 상기 질소는 본 발명의 일 실시예에 따른 형강의 전체 중량의 0 초과 0.02중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 상기 질소의 함량이 0.02중량%를 초과하면 용접부 인성이 저하되고, 충격치가 저하될 수 있다.
주석(Sn)
주석(Sn)은 고용강화 효과를 가지면서도 연신율의 저하를 방지하는 원소이다. 다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 형강의 전체 중량에서 주석이 0.1중량%를 초과하여 다량 첨가될 경우 강의 연성이 급격히 저하되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 형강의 전체 중량에서 주석의 함량을 강 전체 중량의 0.1중량%이하로 제한하였다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 형강은 칼슘(Ca) 및 붕소(B) 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 선택적으로 더 포함할 수도 있다. 이 경우, 형강의 전체 중량에서 칼슘(Ca): 0 초과 0.005중량% 이하 및/또는 붕소(B): 0 초과 0.003중량% 이하일 수 있다.
칼슘(Ca)
칼슘(Ca)은 황화물 또는 산화물의 형상 제어를 위해 첨가할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 형강에서 칼슘은 선택적으로 0 초과 0.005중량% 이하로 첨가할 수 있다. 만일, 칼슘의 함량이 본 발명의 일 실시예에 따른 형강의 전체 중량의 0.005중량%를 초과할 경우에는 산화물이 조대화하여 인성 및 연성이 저하되는 문제점이 발생한다.
붕소(B)
붕소(B)은 강력한 소입성 원소로서 강의 강도 향상에 기여한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 형강에서 붕소는 선택적으로 0 초과 0.003중량% 이하로 첨가할 수 있다. 만일, 붕소의 함량이 본 발명의 일 실시예에 따른 형강의 전체 중량의 0.003중량%를 초과할 경우에는 입계 편석에 의한 재질 편차를 발생시키는 문제점이 있다.
상술한 바와 같은, 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 형강은 상온에서의 항복강도(YS) 355MPa 이상, 인장강도(TS) 490MPa 이상, 항복비(YR) 0.80 이하, 연신율(EL) 10% 이상을 가지며, 600℃ 고온에서의 항복강도는 상온에서의 항복강도의 2/3 이상일 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 형강에서, 표면부의 상온 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트 및 베이나이트를 포함하고, 중심부의 상온 미세조직은 침상형 페라이트, 베이나이트 및 펄라이트를 포함할 수 있다. 상기 페라이트의 평균 입도는 10 ~ 20㎛일 수 있으며, 상기 중심부의 베이나이트는 분율이 15 ~ 25%일 수 있다.
이하에서는 상술한 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 형강의 제조 방법을 설명한다.
형강의 제조 방법
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 형강의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 우수한 내화 특성을 가지는 형강의 제조 방법은 재가열 단계(S100), 열간 압연 단계(S200) 및 QST(Quenching & Self-Tempering) 단계(S300)을 포함한다.
먼저, 재가열 단계(S100)에서는, 상술한 소정의 조성의 강재를 재가열한다. 상기 강재는 제강 공정을 통해 원하는 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 제조될 수 있다. 상기 강재는 일 예로서, 빌렛(Billet) 또는 빔 블랭크(Beam Blank)일 수 있다.
상기 강재는 탄소(C): 0.06 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 0.60 ~ 2.0중량%, 실리콘(Si): 0.05 ~ 0.25중량%, 크롬(Cr): 0.5 ~ 1.30중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.4중량% 이하, 몰리브덴(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.015 ~ 0.070중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.10중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.008중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.02중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 강재는 칼슘(Ca) 및 붕소(B) 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 조성은 칼슘(Ca): 0 초과 0.005중량% 이하, 붕소(B): 0 초과 0.003중량% 이하일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 강재는 1150 내지 1250℃의 온도에서 재가열될 수 있다. 상기 강재는 상술한 온도에서 재가열될 때, 연속주조 공정 시에 편석된 성분이 재고용될 수 있다. 재가열온도가 1150℃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. 상기 열간 압연은 압연종료온도가 910 ~ 960℃가 되도록 제어될 수 있다. 상기 압연종료온도가 910℃ 미만이면, 미재결정 영역에서의 압연이 진행됨으로써, 압연 부가가 커질 수 있으며, 압연 결과물인 형강의 항복비가 높아질 수 있다. 또한, 상기 압연종료온도가 960℃를 초과하면, 목표하는 강도 및 인성 확보가 어려울 수 있다.
QST(Quenching & Self-Tempering) 단계(S300)에서, 상기 열간 압연된 형강을 냉각 및 자가 템퍼링 처리한다. 상기 냉각은 상기 형강에 대해 냉각수를 분사하는 켄칭(quenching) 방법을 적용한다. 또한 상기 QST 단계는, 상기 형강의 이송 속도, 또는 분사되는 냉각수의 수량을 제어함으로써, 상기 형강의 복열 온도를 630 ~ 810℃로 제어된 상태로 진행될 수 있다.
상술한 강재 제조 공정을 요약하면, 재가열 과정, 열간변형 공정, 냉각 공정을 통하여 제조된다. 재가열 과정에서는 반제품 상태인 빌렛(Billet) 및 빔블랭크(Beam Blank)을 1150 내지 1250℃에서 재가열 한다. 다음으로, 재가열된 상기 소재를 열간 압연하며 최종 마무리압연을 910 ~ 960℃에서 변형 완료 후, 외부 냉각설비로 일부 표면은 마르텐사이트를 형성하고 중심부는 침상 페라이트 및 베이나이트를 형성할 수 있는 온도인 250 ~ 300℃까지 급냉후, 630 ~ 810℃까지의 표면 복열 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 요구 특성을 만족하기 위해서는 베이나이트 분율이 15 ~ 25% 확보될 필요가 있다.
본 발명의 실시예에서는, 통상적으로 활용되는 고가의 석출경화형 합금원소인 니오븀(Nb)이나 티타늄(Ti)를 사용하지 않고 강도와 인성이 동시에 향상될 수 있도록 크롬(Cr) 및 일부 합금원소를 첨가한 강종 설계 및 공정 조건을 적용한다. 또한, 저온인성확보는 상기 냉각시의 복열 온도 제어를 통해 진행할 수 있다.
상술한 제조 방법을 통하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 형강을 제조할 수 있다. 상기 제조된 형강은, 상온에서의 항복강도(YS) 355MPa 이상, 인장강도(TS) 490MPa 이상, 항복비(YR) 0.80 이하, 연신율(EL) 10% 이상을 가지며, 600℃ 고온에서의 항복강도는 상온에서의 항복강도의 2/3 이상일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 형강에서, 표면부의 상온 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트 및 베이나이트를 포함하고, 중심부의 상온 미세조직은 침상형 페라이트, 베이나이트 및 펄라이트를 포함할 수 있다. 상기 페라이트의 평균 입도는 10 ~ 20㎛일 수 있으며, 상기 중심부의 베이나이트는 분율이 15 ~ 25%일 수 있다.
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
표 1의 주요 합금 원소 조성(단위: 중량비%)을 가지는 비교예 1 ~ 2 및 실시예 1 ~ 2의 시편을 표 2의 공정 조건을 각각 진행하여 제조하였다.
구분 C Si Mn P S Cu Nb Cr Mo Ni Sn Al N
비교예1 0.08 0.21 1.29 0.018 0.017 0.21 0.031 0.32 0.32 0.03 0.01 0.019 0.008
비교예2 0.06 0.15 1.30 0.019 0.009 0.22 0.020 0.20 0.70 0.05 0.01 0.020 0.008
실시예1 0.14 0.20 0.70 0.017 0.005 0.20 - 1.00 0.011 0.09 0.03 0.020 0.006
실시예2 0.15 0.10 1.05 0.015 0.005 0.19 - 0.85 0.010 0.08 0.05 0.042 0.006
구분 재가열온도 압연시작온도 압연종료온도 복열온도 냉각속도(℃/s)
비교예1 1200℃ 1050℃ 937℃ 676℃ 5.3
비교예2 1200℃ 1050℃ 934℃ 628℃ 6.1
실시예1 1200℃ 1050℃ 937℃ 636℃ 6.1
실시예2 1200℃ 1050℃ 933℃ 644℃ 6.0
표 3 및 표 4를 참조하면, 실시예1 및 실시예2에서는 탄소(C): 0.06 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 0.60 ~ 2.0중량%, 실리콘(Si) 0.05 ~ 0.25중량%, 크롬(Cr): 0.5 ~ 1.30중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.4중량% 이하, 몰리브덴(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.015 ~ 0.070중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.10중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.008중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.02중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하의 조성범위를 만족한다. 이에 반하여, 비교예1에서는 황은 조성이 0.008중량%를 초과하며, 니오븀(Nb)을 합금원소로 포함하며, 크롬(Cr)이 0.50중량% 미만이며, 비교예2에서는 황은 조성이 0.008중량%를 초과하며, 니오븀(Nb)을 합금원소로 포함하며, 크롬(Cr)이 0.50중량% 미만이며, 몰리브덴(Mo)이 0.50중량%를 초과한다.
상기 시편들은 각각 압연 종료 후에, 표 2의 복열 온도를 유지하면서 QST 처리를 진행하였다.
2. 기계적 물성 평가
표 3 및 표 4는 비교예 1 ~ 2및 실시예 1 ~ 2에 따른 시편의 기계적 물성 평가 결과 및 상온 미세조직 관찰내용을 나타내고 있다.
구분 상온
YS(MPa)		 상온
TS(MPa)		 상온
YR Ratio		 상온
EL(%)		 고온(600℃)
YS(MPa)
비교예1 455 639 0.71 17.5 302
비교예2 506 675 0.75 15.0 326
실시예1 481 675 0.71 23.9 337
실시예2 527 729 0.72 20.6 384
상온 표면부 미세조직 상온 중심부 미세조직
구분 템퍼드 마르텐사이트 베이나이트 페라이트
(형상)		 베이나이트
(분율)		 펄라이트 석출물
비교예1 ○ ○ ○
(polygonal)		 ○
(16.8)		 ○ ○
비교예2 ○ ○ ○
(polygonal)		 ○
(17.5)		 ○ ○
실시예1 ○ ○ ○
(acicular)		 ○
(19.2)		 ○ -
실시예2 ○ ○ ○
(acicular)		 ○
(22.7)		 ○ -
표 3 및 표 4를 참조하면, 비교예1 및 비교예2 보다 실시예1 및 실시예2에서 연신율이 상대적으로 더 높으며, 고온 항복강도(YS)도 상대적으로 더 높게 나타남을 확인할 수 있다. 또한, 형강의 상온 중심부 미세조직에서 나타나는 페라이트의 형상은 비교예1 및 비교예2에서 폴리고날(polygonal) 형상임에 반하여 실시예1 및 실시예2에서는 침상형(acicular) 형상임을 확인할 수 있다. 나아가, 형강의 상온 중심부 미세조직에서 나타나는 페라이트의 형상은 비교예1 및 비교예2 보다 실시예1 및 실시예2에서 베이나이트 분율이 상대적으로 더 높음을 확인할 수 있다.
상술한 고온 항복강도의 차이는 상온 중심부 미세조직의 페라이트 형상도 주요한 원인 중의 하나로 이해된다.
도 2는 본 발명의 비교예2에 따른 형강의 중심부 미세조직을 촬영한 사진이고, 도 3 및 도 4은 본 발명의 실시예1 및 실시예2에 따른 형강의 중심부 미세조직을 촬영한 사진들이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 비교예 보다 실시예의 중심부 미세조직에서 페라이트 입도가 더 미세함을 확인할 수 있다.
열간 변형 마무리 온도 범위는, 연속적인 초석 세멘타이트 형성을 방지하고 폭발적인 핵 생성을 일으키기 위해 공석변태온도 근방에서 변형을 한다. 미세조직을 보면 비교예 대비 실시예1 및 실시예2의 경우 넓은 열간변형온도 하에서 미세한 베이나이트 조직이나, 페라이트 및 펄라이트가 급격히 형성되어 있음을 통해 초석 페라이트 생성 없이 발생했음을 확인 할 수 있다. 하지만 열간 압연 온도가 너무 낮으면 압연 시 압연 부하가 증가되고 일부 혼립 조직이 발생할 수 있으므로, 마무리 온도는 A3 + (30 ~ 50℃) 온도가 바람직하다고 할 수 있다. 반면, 온도가 높아지면 베이나이트 분율이 감소하거나 펄라이트 조직 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. 또한, 비교예의 경우 전형적인 (페라이트+펄라이트) 조직인 반면 실시예의 경우 최종 변형온도 제어와 냉각 제어를 통해 페라이트 입도를 30 ~ 40㎛수준에서 10㎛까지 초미세화 하였으며, 복합조직 (베이나이트 + 침상페라이트)이 형성되어 기계적 특성 향상에도 영향을 미쳤음을 알 수 있다.
지금까지 본 발명의 실시예들에 따른 형강 및 그 제조방법을 설명하였다. 본 발명에 따른 고기능 형강 및 그 제조방법은 적합한 기계적 특성을 제공하므로 대형화/장대화 구조물 건설시 고가의 합금원소 투입 비용 저감에 따른 건설부재 비용 절감 및 내화 성능과 내진 성능 향상에 동시 기여할 수 있다. 이에 따른 제조 원가를 절감할 수 있으며 생산 효율을 증대시킬 수 있는 효과를 제공한다.
즉, 본 발명에 따른 고기능성 내화 내진 형강 및 그의 제조 방법은 기존 성분과 제조법으로 제작한 비교강과 비교하여 높은 수준의 기계적 특성을 제공한다. 특히 본 발명에서는 고가의 합금철을 줄이고 안정된 고온특성을 가지는 베이나이트, 침상 페라이트 형성 목적으로 크롬(Cr) 함량을 증가시키고, 탄소 당량 측면에서 불리하지 않은 수준까지 탄소를 증가하여 용접성도 함께 확보할 수 있다. 또한 기존의 형강 생산 측면에서 큰 변화가 없기 때문에 추가 설비 등이 필요 없으므로 비용의 증가 없이 내화 및 내진 특성을 갖는 고기능 고강도 형강을 제조할 수 있는 장점이 있다. 본 발명을 통해 제조된 고기능 형강을 건축 구조물에 적용 시 지진과 화재 발생 시에도 일반 형강 대비 붕괴시점을 지연시킴으로써 인명 안전에도 큰 역할을 할 것이며, 고가의 내화 도료 적용도 최소화할 수 있어 건설 공기 단축 효과 및 공사 원가 절감을 할 수 있는 장점이 있다.
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 (6)

  1. 탄소(C): 0.06 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 0.60 ~ 2.0중량%, 실리콘(Si): 0.05 ~ 0.25중량%, 크롬(Cr): 0.5 ~ 1.30중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.4중량% 이하, 몰리브덴(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.015 ~ 0.070중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.10중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.008중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.02중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지며,
    표면부의 상온 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트 및 베이나이트를 포함하고, 중심부의 상온 미세조직은 침상형 페라이트, 베이나이트 및 펄라이트를 포함하는,
    형강.
  2. 제 1 항에 있어서,
    칼슘(Ca) 및 붕소(B) 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 더 포함하되,
    칼슘(Ca): 0 초과 0.005중량% 이하, 붕소(B): 0 초과 0.003중량% 이하인 것을 특징으로 하는,
    형강.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 페라이트의 평균 입도는 10 ~ 20㎛이고, 상기 중심부의 베이나이트는 분율이 15 ~ 25%인 것을 특징으로 하는,
    형강.
  4. (a) 탄소(C): 0.06 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 0.60 ~ 2.0중량%, 실리콘(Si) 0.05 ~ 0.25중량%, 크롬(Cr): 0.5 ~ 1.30중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.4중량% 이하, 몰리브덴(Mo): 0 초과 0.50중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.015 ~ 0.070중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.10중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.008중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.02중량% 이하, 주석(Sn): 0 초과 0.1중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 1150 내지 1250℃로 재가열하는 단계;
    (b) 상기 강재를 압연종료온도 910 ~ 960℃가 되도록 열간 압연하는 단계; 및
    (c) 상기 열간 압연된 강재를 QST(Quenching & Self-Tempering) 냉각하는 단계; 를 포함하는,
    형강의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 강재는 칼슘(Ca) 및 붕소(B) 중에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 더 포함하되, 칼슘(Ca): 0 초과 0.005중량% 이하, 붕소(B): 0 초과 0.003중량% 이하인 것을 특징으로 하는,
    형강의 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 QST 냉각은 표면 복열 온도를 630 ~ 810℃로 제어하면서 진행되는,
    형강의 제조 방법.



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