KR20200078722A

KR20200078722A - 철근 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20200078722A
Application number: KR1020180166814A
Authority: KR
Inventors: 정준호; 김태형; 심재혁; 이준호
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-07-02
Also published as: KR102250322B1

Abstract

본 발명은 탄소(C): 0.07 ~ 0.43중량%, 망간 (Mn): 0.5 ~ 2.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 0 초과 0.5중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 4.5중량% 이하, 붕소(B): 0 초과 0.003중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.25중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.012중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하, 니켈(Ni), 니오븀(Nb) 및 티타늄(Ti) 중에서 적어도 어느 하나 이상의 합: 0.01 ~ 0.5중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 최종 미세 조직은 페라이트, 베이나이트, 펄라이트, 잔류 오스테나이트 및 구리를 함유하는 석출물로 이루어진 것을 특징으로 하는 철근을 제공한다.

Description

철근 및 그 제조방법{STEEL REINFORCEMENT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 철근 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내피로 특성이 우수한 고강도의 철근 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근에는 구조물을 설치함에 있어 공간의 활용도를 높이기 위해 설치되는 구조물들이 거대화 및 장대화되어 가고 있는 실정이다. 예기치 못한 자연재해나 기후변화의 원인은 지구환경의 오염으로 인하여 지구 온난화가 지속적으로 이루어지고 있기 때문으로 분석되고 있다. 한편 지구 온난화의 주요 요인은 CO₂ 발생인 것으로 지적되고 있다. 고강도 철근 배근 시 철근량 감소로 과밀 배근을 해소할 수 있으며 이를 통해 철근 1톤 생산 시 발생하는 CO₂ 0.4톤을 초고강도 철근 적용 시 가구 1호당 0.2톤으로 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 이에 따라, 이전보다는 높은 강도를 가지는 철근이 필요하다. 예를 들어, 항복강도를 기준으로 500MPa까지 요구되던 것이 최근에는 600 ~ 700MPa까지 요구되고 있는 실정이며, 향후 1.0GPa급의 철근에 대한 수요도 예상되고 있다. 하지만 철근 고강도화만을 달성 뿐 아니라 거대화 및 장대화되어 가는 건축물 자체의 자중에 의한 부하와 지진 등과 자연재해 가운데에서도 안전성을 확보하는 것도 중요한 사안이다. 단순히 합금원소의 첨가량을 증가시키는 것만으로는 고 합금 첨가로 인한 원가상승 및 철근의 균열 흠 발생 및 인성과 연성이 저하되는 문제가 있다. 나아가, 제품 표면경화를 위하여 적용하는 템프코어 공정은 생산성 측면에서 부담이 되는 문제가 있다.

관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0095071호, 발명의 명칭: 고항복비형 고강도 용융아연 철근의 제조방법)가 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고강도 철근을 제조함에 있어 원가를 낮추며 새로운 설비가 투입되지 않고 생산성이 저하되지 않도록 템프코어 공정을 최소화할 수 있는 고강도 철근 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 철근은 탄소(C): 0.07 ~ 0.43중량%, 망간 (Mn): 0.5 ~ 2.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 0 초과 0.5중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 4.5중량% 이하, 붕소(B): 0 초과 0.003중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.25중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.012중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하, 니켈(Ni), 니오븀(Nb) 및 티타늄(Ti) 중에서 적어도 어느 하나 이상의 합: 0.01 ~ 0.5중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지되, 최종 미세 조직은 페라이트, 베이나이트, 펄라이트, 잔류 오스테나이트 및 구리를 함유하는 석출물로 이루어진다.

상기 철근에서, 상기 최종 미세 조직은 베이나이트 분율이 90% 이상이며, 잔류 오스테나이트 분율이 5% 이하일 수 있다.

상기 철근은 항복강도(YS)가 750MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 1000MPa 이상이며, 연신율이 11% 이상이며, 인장강도와 항복강도의 비(TS/YS)가 1.25 이상일 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 제조방법은 (a) 탄소(C): 0.07 ~ 0.43중량%, 망간 (Mn): 0.5 ~ 2.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 0 초과 0.5중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 4.5중량% 이하, 붕소(B): 0 초과 0.003중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.25중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.012중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하, 니켈(Ni), 니오븀(Nb) 및 티타늄(Ti) 중에서 적어도 어느 하나 이상의 합: 0.01 ~ 0.5중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 1050 ~ 1230℃에서 재가열하는 단계; (b) 상기 재가열된 강재를 마무리압연온도 950 ~ 1020℃의 조건으로 열간 압연하는 단계; 및 (c) 상기 열간 압연된 강재에 대하여 400 ~ 600℃에서 15 ~ 60분 동안 에이징(aging) 열처리하는 단계; 를 포함한다.

상기 철근의 제조방법에서, 상기 (c) 단계를 수행한 후의 최종 미세 조직은 페라이트, 베이나이트, 펄라이트, 잔류 오스테나이트 및 구리를 함유하는 석출물로 이루어질 수 있다.

상기 철근의 제조방법에서, 상기 최종 미세 조직은 베이나이트 분율이 90% 이상이며, 잔류 오스테나이트 분율이 5% 이하일 수 있다.

상기 철근의 제조방법에서, 상기 (c) 단계를 수행한 후의 철근의 항복강도(YS)는 750MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 1000MPa 이상이며, 연신율이 11% 이상이며, 인장강도와 항복강도의 비(TS/YS)가 1.25 이상일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고강도 및 고인성 철근을 제조함에 있어 원가를 낮추며 새로운 설비가 투입되지 않고 생산성이 저하되지 않도록 템프코어 공정을 최소화할 수 있는 고강도 철근 및 그 제조 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 철근의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실험예에 따른 시편의 경도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 시편의 최종 미세조직을 촬영한 사진이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 철근 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. 이하에서는 고가의 합금원소 등을 일부 줄이고, 생산성이 저하되지 않도록 템프코어 공정을 최소화할 수 있는 고강도 철근 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.

철근

본 발명의 일 실시예에 따르는 철근은 탄소(C): 0.07 ~ 0.43중량%, 망간 (Mn): 0.5 ~ 2.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 0 초과 0.5중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 4.5중량% 이하, 붕소(B): 0 초과 0.003중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.25중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.012중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하, 니켈(Ni), 니오븀(Nb) 및 티타늄(Ti) 중에서 적어도 어느 하나 이상의 합: 0.01 ~ 0.5중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 철근에 포함되는 각 성분의 역할 및 함량에 대하여 설명한다.

탄소(C)

탄소(C)는 강의 강도를 높이는데 가장 효과적이며 중요한 원소이다. 또한, 탄소의 첨가에 의하여 오스테나이트에 고용되어 담금질시 마르텐사이트 조직을 형성시킨다. 탄소량 증가에 따라 담금질 경도를 향상시키지만 담금질시 변형 가능성을 크게 만든다. 나아가, 철, 크롬, 몰리브덴, 바나듐 등의 원소와 화합하여 탄화물을 형성, 강도와 경도를 향상시킨다. 탄소(C)는 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0.07 ~ 0.43중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 탄소의 함량이 전체 중량의 0.07중량% 미만일 경우에는 상술한 효과를 구현할 수 없으며 충분한 강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소의 함량이 전체 중량의 0.43중량%를 초과할 경우에는 과도한 강도와 용접성 열위성이 나타날 수 있다.

망간(Mn)

망간(Mn)은 일부는 강속에 고용되며 일부는 강중에 함유된 황과 결합하여 비금속개재물인 MnS를 형성하는데 이 MnS는 연성이 있어서 소성가공시 가공방향으로 길게 연신된다. 그러나 Mns의 형성으로 강속에 있는 황성분이 감소하면서 결정립이 취약해지고 저융점화합물인 FeS의 형성을 억제시킨다. 강의 내산성과 내산화성을 저해하지만 펄라이트가 미세해지고 페라이트를 고용강화 시킴으로써 항복강도를 향상시킨다. 망간은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0.5 ~ 2.0중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 망간의 함량이 0.5중량% 보다 작을 경우, 상술한 망간의 첨가 효과를 충분히 발휘할 수 없다. 또한, 망간의 함량이 2.0중량%를 초과할 경우, 담금질 균열이나 변형을 유발시키며, 용접성이 저하되고, MnS 개재물 및 중심 편석(center segregation)이 발생하여 철근의 연성이 저하되고 내부식성이 저하될 수 있다.

실리콘(Si)

실리콘(Si)은 페라이트 안정화 원소로 잘 알려져 있어 냉각 중 페라이트 분율을 높여 연성을 증가시키는 원소로 잘 알려져 있다. 한편, 실리콘은 알루미늄과 함께 제강공정에서 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가되며, 고용강화 효과도 가질 수 있다. 상기 실리콘은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0.05 ~ 0.5중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 실리콘의 함량이 전체 중량의 0.05중량% 미만일 경우에는 상술한 실리콘 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 실리콘의 함량이 전체 중량의 0.5중량%를 초과하여 다량 첨가시 인성이 저하되고 소성 가공성이 저하되는 문제가 있으며 강의 용접성을 저하시키며, 뜨임 시 연화 저항상을 증대시키며, 재가열 및 열간압연 시에 붉은 스케일(red scale)을 생성시킴으로써 표면품질에 문제를 줄 수 있다.

크롬(Cr)

크롬(Cr)은 페라이트 안정화 원소로 C-Mn강에 첨가시 용질 방해효과로 탄소의 확산을 지연하여 입도 미세화에 영향을 미친다. 상기 크롬은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.5중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 크롬의 함량이 전체 중량의 0.5중량%를 초과하여 다량 첨가시 인성이 저하되고 가공성과 피삭성이 열화될 수 있다.

구리(Cu)

구리(Cu)는 강의 경화능 및 저온 충격인성을 향상시키는 원소이다. 상온에서 페라이트에 고용되며 고용강화효과를 나타내므로 강도 및 경도는 약간 개선되나 연신율을 저하시킨다. 상기 구리는 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 4.5중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 구리의 함량이 전체 중량의 4.5중량%를 초과하여 다량 첨가시 열간가공성이 열화되며 적열취성의 원인이 되고 제품 표면 품질을 저해할 수 있다.

붕소(B)

붕소(B)는 담금질성을 확보하기 위한 중요한 원소이다. 상기 붕소는 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.003중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 붕소의 함량이 전체 중량의 0.003중량%를 초과하여 다량 첨가시 첨가 효과는 포화되며 연신율이 감소할 수 있으므로 상한치를 0.003중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

바나듐(V)

바나듐(V)은 고용, 석출 강화에 유용한 성분으로 탄화물 형성능은 크롬보다 강하며 결정립을 미세화시키기 때문에 탄소 첨가량을 억제할 수 있는 효과를 가지며, 결정립계에 피닝(pinning)으로 작용하여 강도 향상에 기여하는 원소이다. 상기 바나듐은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.25중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 바나듐의 함량이 전체 중량의 0.25중량%를 초과하여 다량 첨가시 상기 강도 향상 효과와 대비하여 강의 제조 비용이 과도하게 상승시키는 문제가 있다.

질소(N)

질소(N)는 바나듐과 질화물 혹은 탄질화물을 석출시켜 강도를 상승시키는 원소이다. 상기 질소는 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.012중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 질소의 함량이 전체 중량의 0.012중량%를 초과하여 다량 첨가시 인성을 저해하는 원소로 작용할 수 있다.

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 철근의 전체 중량의 0 초과 0.03중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 인의 함량이 0.03중량%를 초과하는 경우에는 충격저항을 저하시키고 뜨임취성을 촉진시키며 석출거동에 의해 저온 충격치가 저하되는 문제가 있다.

황(S)

황(S)은 망간, 티타늄 등과 결합하여 강의 피삭성을 개선시키며 미세 MnS의 석출물을 형성하여 가공성을 향상시킬 수 있다. 상기 황은 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 전체 중량의 0 초과 0.03중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 황의 함량이 0.03중량%를 초과할 경우, 인성 및 용접성을 저해하고, 저온 충격치를 저하시킬 수 있다. 철근 중에 망간의 양이 충분하지 못할 경우 철과 결합하여 FeS를 형성한다. 이 FeS는 매우 취약하고 용융점이 낮기 때문에 열간 및 냉간가공 시에 균열을 일으킨다. 따라서 이러한 FeS 개재물 형성을 피하기 위해 망간과 황의 비는 5대 1로 조절될 수 있다.

니켈(Ni), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti)

니켈(Ni)은 경화능을 증대시키고, 인성을 향상시키는 원소이고, 니오븀(Nb)은 NbC 또는 Nb(C,N)의 형태로 석출하여 모재 및 용접부의 강도를 향상시키는 원소이고, 티타늄(Ti)은 고온 TiN 형성으로 AlN의 형성을 억제하고 Ti(C,N) 등의 형성으로 결정립 크기 미세화 효과를 가지는 원소이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 철근은 니켈(Ni), 니오븀(Nb) 및 티타늄(Ti) 중 적어도 1종 이상을 함유하되, 그 함량의 합이 철근의 전체 중량의 0.01 ~ 0.5중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 철근에 함유된 니켈(Ni), 니오븀(Nb) 및 티타늄(Ti) 중 적어도 1종 이상의 함량의 합이 0.01중량% 보다 낮은 경우 상술한 첨가효과를 기대할 수 없으며, 0.5중량% 보다 높은 경우 부품의 제조원가가 높아지며, 취성 크랙이 발생하며, 모상 내 탄소 함량이 감소하여 강의 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

상술한 바와 같은, 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 철근은 최종 미세 조직은 페라이트, 베이나이트, 펄라이트, 잔류 오스테나이트 및 구리를 함유하는 석출물로 이루어진다. 나아가, 상기 최종 미세 조직에서 베이나이트 분율이 90% 이상이며, 잔류 오스테나이트 분율이 5% 이하일 수 있다.

또한, 상술한 바와 같은 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 철근은 항복강도(YS)가 750MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 1000MPa 이상이며, 연신율이 11% 이상이며, 인장강도와 항복강도의 비(TS/YS)가 1.25 이상일 수 있다.

이하에서는 상술한 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 제조 방법을 설명한다.

철근의 제조 방법

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 철근의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 철근의 제조 방법은 (a) 탄소(C): 0.07 ~ 0.43중량%, 망간 (Mn): 0.5 ~ 2.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 0 초과 0.5중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 4.5중량% 이하, 붕소(B): 0 초과 0.003중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.25중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.012중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하, 니켈(Ni), 니오븀(Nb) 및 티타늄(Ti) 중에서 적어도 어느 하나 이상의 합: 0.01 ~ 0.5중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 1050 ~ 1230℃에서 재가열하는 단계(S100); (b) 상기 재가열된 강재를 마무리압연온도 950 ~ 1020℃의 조건으로 열간 압연하는 단계(S200); 및 (c) 상기 열간 압연된 강재에 대하여 400 ~ 600℃에서 15 ~ 60분 동안 에이징(aging) 열처리하는 단계(S300); 를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르는 철근은 재가열 과정, 열간변형 공정, 냉각 공정을 통하여 제조된다. 재가열 과정에서는 반제품 상태인 빌렛(Billet)을 1050 ~ 1230℃까지 재가열 한다. 다음으로, 열간 압연 공정은 각 압연롤 (RM, IM, FM)을 거치며 950 ~ 1020℃에서 최종 마무리압연을 압연 완료 후, 400 ~ 600℃까지 공냉후 요구 물성에 따라 특정 시간만큼 냉각상 이전 및 냉각상에서 400 ~ 600℃에서 15분 내지 60분 유지하며 에이징 열처리 하는 것을 특징적으로 한다.

철근 제강/연주 공정은 일반적으로 전기로, LF, 연주로 구성된다. 내피로 특성 향상을 위해 2차 정련공정인 LF 이후 VD(vacuum Degassing) 공정을 거쳐 산소함량을 소정의 수준 이하로 낮춘 뒤 연주공정에서 반소재로 응고시킬 수 있다.

상기 강재는 탄소(C): 0.07 ~ 0.43중량%, 망간 (Mn): 0.5 ~ 2.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 0 초과 0.5중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 4.5중량% 이하, 붕소(B): 0 초과 0.003중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.25중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.012중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하, 니켈(Ni), 니오븀(Nb) 및 티타늄(Ti) 중에서 적어도 어느 하나 이상의 합: 0.01 ~ 0.5중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.

일 실시예에서, 상기 강재는 1050 ~ 1230℃의 온도에서 재가열될 수 있다. 상기 강재는 상술한 온도에서 재가열될 때, 연속주조 공정 시에 편석된 성분이 재고용될 수 있다. 본 발명은 석출 및 고용강화를 통해 강도 향상을 도모하고 있다. 때문에 열간 압연 전 이들 원소를 오스테나이트 내 충분히 고용 시켜야 하고 그 때문에 빌렛을 1050℃ 이상으로 가열할 필요가 있다. 재가열온도가 1050℃보다 낮을 경우, 각종 탄화물의 고용이 충분하지 않을 수 있으며, 연속주조공정시 편석된 성분들이 충분히 고르게 분포되지 않는 문제가 있을 수 있다. 하지만 재가열온도가 1230℃를 넘는 온도로는 오스테나이트 조대화나 탈탄 등 악영향이 있고 목적하는 강도를 얻을 수 없다. 즉, 재가열온도가 1230℃를 초과할 경우, 매우 조대한 오스테나이트 결정립이 형성되어 강도 확보가 어려울 수 있다. 또한, 재가열온도가 1230℃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. 열간 변형 마무리 온도 범위는 950 ~ 1020℃일 수 있다. 열간 변형 마무리 온도는 최종 재질에 미치는 매우 중요한 인자로 950 ~ 1020℃에서의 압연은 오스테나이트를 미세화 할 수 있는 온도이다. 그러나, 열간 압연 온도가 950℃ 보다 낮으면 압연 시 압연 부하가 증가되고 에지(EDGE)부 혼립 조직이 발생할 수 있다. 또한 1020℃를 넘는 고온영역의 압연은 결정립 조대화로 목표 기계적 성질을 얻을 수 없다.

열간압연 직후 공냉후 400 ~ 600℃를 유지할 수 있는 보온뱅크나 보온조 내에 바로 투입한다. 보온조 내에서의 선재 온도는 400 ~ 600℃ 정도 된다. 템프코어를 적용한 항복강도 600MPa급 철근 대비 표면부에 마르텐사이트가 미발생 하므로 연성과 인성에도 유리하다. 또한 제품 자체 온도로 온도 유지를 시키므로 추가적인 열처리가 필요 없어 생산 비용 발생이 절감된다. 보온 시 400 ~ 600℃에서 15 ~ 60분 동안 유지시 강도, TS/YS비 및 연성 증가에 유리함을 확인하였다. 400℃ 보다 낮은 온도에서는 템퍼링 효과가 부족하고, 600℃ 보다 높은 온도에서는 강도 상승 효과가 부족하므로 400 ~ 600℃ 온도범위를 정했다.

에이징 열처리를 수행하지 않은 경우 최종 미세조직은 페라이트 및 펄라이트 조직을 가지는 반면 에이징 열처리를 수행한 본 발명의 철근의 경우 온도 유지를 통해 베이나이트를 형성시켰고 잔류 오스테나이트 역시 5% 이하로 형성되었으며, 철근의 항복강도(YS)는 750MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 1000MPa 이상이며, 연신율이 11% 이상이며, 인장강도와 항복강도의 비(TS/YS)가 1.25 이상의 기계적 특성을 확보할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 제조방법을 통해 구리 첨가를 통한 나노 석출물 형성으로 고기능 확보 및 기존 바나듐 계에서도 템프코어 공정 없이 특정온도 보온을 통해 충분한 석출강화효과를 극대화 할 수 있는 초간단 공정 및 원가 절감형 제조방법을 개시하여 공정이 단순화 되었음에도 불구하고 종래 기계적 특성을 상회하는 고강도, 고내진특성, 인장강도가 항복강도의 높은 비율을 발현시킬 수 있음을 보여주며 건축 구조물의 안정성을 진일보 시킬 수 있을 것으로 기대된다.

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

본 실험예에서는 표 1 및 표 2의 합금 원소 조성(단위: 중량%)과 공정 조건으로 구현된 시편들을 제공한다.

표 1에 개시된 조성은 탄소(C): 0.07 ~ 0.43중량%, 망간 (Mn): 0.5 ~ 2.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 0 초과 0.5중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 4.5중량% 이하, 붕소(B): 0 초과 0.003중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.25중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.012중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하, 니켈(Ni), 니오븀(Nb) 및 티타늄(Ti) 중에서 적어도 어느 하나 이상의 합: 0.01 ~ 0.5중량% 및 나머지 철(Fe)로 이루어진 조성범위를 모두 만족한다.

한편, 표 2의 실시예들은 상술한 조성의 강재를 1050 ~ 1230℃에서 재가열하는 단계; 상기 재가열된 강재를 마무리압연온도 950 ~ 1020℃의 조건으로 열간 압연하는 단계; 및 상기 열간 압연된 강재에 대하여 400 ~ 600℃에서 15 ~ 60분 동안 에이징(aging) 열처리하는 단계를 수행하는 공정 조건을 만족하는 반면에, 표 2의 비교예1은 상기 열간 압연된 강재에 대하여 템프코어 공정을 수행하되 에이징 열처리 공정을 적용하지 않았다. 또한, 표 2의 비교예2, 비교예3, 비교예4는 에이징 열처리를 500 ~ 600℃에서 15 ~ 60분을 초과하여 120분 동안 수행하였다.

2. 물성 및 미세조직 평가

도 2 및 도 3은 본 발명의 실험예에 따른 시편의 경도를 나타낸 그래프이다.

도 2의 ■항목(실시재1)은 표 1의 실시예1의 조성 조건과 표 2의 실시예1의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 해당하며, 실시재1에 대하여 600℃의 에이징 열처리를 0분, 30분, 60분, 90분, 120분 동안 수행하였다. 도 2의 ●항목(실시재2)은 표 1의 실시예2의 조성 조건과 표 2의 실시예2의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 해당하며, 실시재2에 대하여 600℃의 에이징 열처리를 0분, 30분, 60분, 90분, 120분 동안 수행하였다. 도 2의 ▲항목(실시재3)은 표 1의 실시예3의 조성 조건과 표 2의 실시예3의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 해당하며, 실시재3에 대하여 600℃의 에이징 열처리를 0분, 30분, 60분, 90분, 120분 동안 수행하였다. 도 2의 ▼항목(비교재1)은 표 1의 비교예1의 조성 조건과 표 2의 비교예1의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 해당하며, 비교재1에 대하여 630℃의 복열조건을 가지는 템프코어 공정을 수행하였다.

도 3의 ■항목(실시재1)은 표 1의 실시예1의 조성 조건과 표 2의 실시예1의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 해당하며, 실시재1에 대하여 500℃의 에이징 열처리를 0분, 30분, 60분, 90분, 120분 동안 수행하였다. 도 3의 ●항목(실시재2)은 표 1의 실시예2의 조성 조건과 표 2의 실시예2의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 해당하며, 실시재2에 대하여 500℃의 에이징 열처리를 0분, 30분, 60분, 90분, 120분 동안 수행하였다. 도 3의 ▲항목(실시재3)은 표 1의 실시예3의 조성 조건과 표 2의 실시예3의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 해당하며, 실시재3에 대하여 500℃의 에이징 열처리를 0분, 30분, 60분, 90분, 120분 동안 수행하였다. 도 3의 ▼항목(비교재1)은 표 1의 비교예1의 조성 조건과 표 2의 비교예1의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 해당하며, 비교재1에 대하여 630℃의 복열조건을 가지는 템프코어 공정을 수행하였다.

표 3은 본 발명의 실험예에 따른 시편에 대하여 500℃의 온도에서 30분 동안 에이징 열처리를 수행한 철근에 대한 강도, 항복강도(YS), 인장강도(TS), 연신율, 인장강도와 항복강도의 비(TS/YS)를 나타낸 것이다. 표 3에서 실시재1은 표 1의 실시예1의 조성 조건과 표 2의 실시예1의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 해당하며, 실시재1에 대하여 500℃의 에이징 열처리를 30분 동안 수행한 후의 기계적 특성을 평가하였다. 표 3에서 실시재2는 표 1의 실시예2의 조성 조건과 표 2의 실시예2의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 해당하며, 실시재2에 대하여 500℃의 에이징 열처리를 30분 동안 수행한 후의 기계적 특성을 평가하였다. 표 3에서 실시재3은 표 1의 실시예3의 조성 조건과 표 2의 실시예3의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 해당하며, 실시재3에 대하여 500℃의 에이징 열처리를 30분 동안 수행한 후의 기계적 특성을 평가하였다. 표 3에서 비교재1은 표 1의 비교예1의 조성 조건과 표 2의 비교예1의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 해당하며, 비교재1에 대하여 에이징 열처리를 적용하지 않고 템프코어 공정을 수행한 후의 기계적 특성을 평가하였다.

표 4는 본 발명의 실험예에 따른 시편에 대하여 400℃의 온도에서 60분 동안 에이징 열처리를 수행한 철근에 대한 강도, 항복강도(YS), 인장강도(TS), 연신율, 인장강도와 항복강도의 비(TS/YS)를 나타낸 것이다. 표 4에서 실시재4는 표 1의 실시예4의 조성 조건과 표 2의 실시예4의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 해당하며, 실시재4에 대하여 400℃의 에이징 열처리를 60분 동안 수행한 후의 기계적 특성을 평가하였다. 표 4에서 실시재5는 표 1의 실시예5의 조성 조건과 표 2의 실시예5의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 해당하며, 실시재5에 대하여 400℃의 에이징 열처리를 60분 동안 수행한 후의 기계적 특성을 평가하였다. 표 4에서 비교재1은 표 1의 비교예1의 조성 조건과 표 2의 비교예1의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 해당하며, 비교재1에 대하여 에이징 열처리를 적용하지 않고 템프코어 공정을 수행한 후의 기계적 특성을 평가하였다.

도 4는 본 발명의 실험예에 따른 시편의 최종 미세조직을 촬영한 사진이다. 구체적으로, 도 4는 표 1의 실시예5의 조성 조건과 표 2의 실시예5의 재가열온도 및 마무리압연온도 공정 조건을 적용한 시편에 대하여 400℃의 에이징 열처리를 30분 동안 수행한 후의 최종 미세조직을 촬영한 사진이다.

상기 도 2 내지 도 4 및 표 3 내지 표 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에서는 열간압연 직후 공냉후 400 ~ 600℃를 유지할 수 있는 보온뱅크나 보온조 내에 바로 투입한다. 보온조 내에서의 선재 온도는 400 ~ 600℃ 정도 된다. 템프코어를 적용한 항복강도 600MPa급 철근(비교예) 대비 표면부에 마르텐사이트가 미발생 하므로 연성과 인성에도 유리함을 확인할 수 있다. 또한 제품 자체 온도로 온도 유지를 시키므로 추가적인 열처리가 필요 없어 생산 비용 발생이 절감되며, 보온 시 400 ~ 600℃에서 15 ~ 60분 동안 유지시 강도, TS/YS비 및 연성 증가에 유리함을 확인하였다. 에이징 열처리를 수행하지 않은 경우 최종 미세조직은 페라이트 및 펄라이트 조직을 가지는 반면 에이징 열처리를 수행한 본 발명의 철근의 경우 온도 유지를 통해 베이나이트를 형성시켰고 잔류 오스테나이트 역시 5% 이하로 형성되었으며, 철근의 항복강도(YS)는 750MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 1000MPa 이상이며, 연신율이 11% 이상이며, 인장강도가 항복강도의 비(TS/YS)가 1.25 이상의 기계적 특성을 확보할 수 있음을 확인하였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 철근의 제조방법을 통해 구리 첨가를 통한 나노 석출물 형성으로 고기능 확보 및 기존 바나듐 계에서도 템프코어 공정 없이 특정온도 보온을 통해 충분한 석출강화효과를 극대화 할 수 있는 초간단 공정 및 원가 절감형 제조방법을 개시하여 공정이 단순화 되었음에도 불구하고 종래 기계적 특성을 상회하는 고강도, 고내진특성, 인장강도가 항복강도의 높은 비율을 발현시킬 수 있음을 보여주며 건축 구조물의 안정성을 진일보 시킬 수 있을 것으로 기대된다.

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

탄소(C): 0.07 ~ 0.43중량%, 망간 (Mn): 0.5 ~ 2.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 0 초과 0.5중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 4.5중량% 이하, 붕소(B): 0 초과 0.003중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.25중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.012중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하, 니켈(Ni), 니오븀(Nb) 및 티타늄(Ti) 중에서 적어도 어느 하나 이상의 합: 0.01 ~ 0.5중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지되,
최종 미세 조직은 페라이트, 베이나이트, 펄라이트, 잔류 오스테나이트 및 구리를 함유하는 석출물로 이루어진 것을 특징으로 하는,
철근.
제 1 항에 있어서,
상기 최종 미세 조직은 베이나이트 분율이 90% 이상이며, 잔류 오스테나이트 분율이 5% 이하인 것을 특징으로 하는,
철근.
제 1 항에 있어서,
항복강도(YS)가 750MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 1000MPa 이상이며, 연신율이 11% 이상이며, 인장강도와 항복강도의 비(TS/YS)가 1.25 이상인,
철근.
(a) 탄소(C): 0.07 ~ 0.43중량%, 망간 (Mn): 0.5 ~ 2.0중량%, 실리콘 (Si): 0.05 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 0 초과 0.5중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 4.5중량% 이하, 붕소(B): 0 초과 0.003중량% 이하, 바나듐(V): 0 초과 0.25중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.012중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.03중량% 이하, 니켈(Ni), 니오븀(Nb) 및 티타늄(Ti) 중에서 적어도 어느 하나 이상의 합: 0.01 ~ 0.5중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 1050 ~ 1230℃에서 재가열하는 단계;
(b) 상기 재가열된 강재를 마무리압연온도 950 ~ 1020℃의 조건으로 열간 압연하는 단계; 및
(c) 상기 열간 압연된 강재에 대하여 400 ~ 600℃에서 15 ~ 60분 동안 에이징(aging) 열처리하는 단계; 를 포함하는,
철근의 제조방법.
제 4 항에 있어서,
상기 (c) 단계를 수행한 후의 최종 미세 조직은 페라이트, 베이나이트, 펄라이트, 잔류 오스테나이트 및 구리를 함유하는 석출물로 이루어진 것을 특징으로 하는,
철근의 제조방법.
제 5 항에 있어서,
상기 최종 미세 조직은 베이나이트 분율이 90% 이상이며, 잔류 오스테나이트 분율이 5% 이하인 것을 특징으로 하는,
철근의 제조방법.
제 4 항에 있어서,
상기 (c) 단계를 수행한 후의 철근의 항복강도(YS)는 750MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 1000MPa 이상이며, 연신율이 11% 이상이며, 인장강도와 항복강도의 비(TS/YS)가 1.25 이상인 것을 특징으로 하는,
철근의 제조방법.