KR890002619B1 - 고장력선재의 제조방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

고장력선재의 제조방법

제1도는 PS콘크리트의 오토클레이브 양생의 대표적인 가열패턴을 보여주는 그래프.

제2도는 제1도의 가열패턴에 따라 얻어진 이완치의 변화를 보여주는 그래프로서, 이때 A곡선은 종래의 방법에 의하여 얻어진 것이며, B곡선은 본 발명에 의하여 얻어진 것임.

제3도는 고장력강선을 제조하기 위한 싸이징 인발 및 이형가공 단계를 포함한 종래의 강선 제조라인의 공정도.

제4도는 역시 고장력강선을 제조하기위한 담금질 및 뜨임 단계를 포함한 종래의 강선 제조라인의 공정도.

제5도는 담금질 및 뜨임 단계를 포함하는 본 발명방법의 공정도.

제6도는 본 발명의 방법에 사용된 온간교정기를 도시한 개략도.

본 발명은 우수한 응력이완저항 특성을 가지며, 충격을 가할때 비교적 대량의 에너지를 흡수할 수 있는 고장력 강봉 및 강선(이하 "선재"라 통칭함)의 제조방법에 관한 것이다.

종래의 방법에 있어서 예를들어 JIS G-3109의 SBPR 110/135 및 SBPD 130/145급의 프리스트레스 콘크리트 선재(Prestressed concrete wire)(이하 "PC 선재"라 칭한다)와 같은 고장력 선재는 열간압연봉을 기계적, 화학적 또는 전기적으로 디스케일링(descaling)하고 윤활피막 처리를 하여 냉간 인발하고, 필요에 따라 이형 가공을 한후, 블루잉(bluing) 처리를 하여서 제조하든지 또는 블루잉 대신에 담금질과 뜨임을 하여서 제조한다.

상기 PC 선재는 PS콘크리트에 압축응력을 부여하는데 사용되며, 이 압축응력은 사용중 보존되어야만 한다. 콘크리트에 가해진 압축응력은 미리 선재에 가해진 인장응력에 의하여 생기는 것이므로, PC선재의 이완치(relaxation value)는 작아야 한다. 예를들어 JIS에서도 상온에서 냉간인발된 선재의 경우는 5%이하, 또는 담금질하고 풀림한 선재의 경우 1.5%이하의 이완치로 하도록 규정되어 있다. 그러나 최근의 추세대로 PS콘크리트를 200℃ 전후의 온도에서 오토클레이브 양생시키게 되면 PC선재 자체가 가열 및 냉각을 받게 되므로 PC선재의 내이완성은 양성중에 상당히 감소한다. 따라서 PC선재의 응력이완을 방지하는 것이 당 분야에서 크게 요망되고 있다.

상술한 바와같이 콘크리트 파일과 같은 프리스트레스 콘크리트 구조물에 사용하는 고장력 PC선재는 그 선재의 항복점의 약 80%의 긴장력(즉 프리스트레스)을 가하고 고온 고압양생, 즉 콘크리트 양생을 촉진시키기 위한 목적으로 실시되는 이른바 오토클레이브 양생을 시키게된다. 대표적인 오코클레이브 양생의 가열패턴이 제1도에서 도시되어 있다. 제2도는 상기 제1도에서 도시한 가열패턴에 의하여 얻어진 이완치의 변화를 도시하고 있다. 제2도에서 특히 A곡선에서 명확히 나타난 바와같이 온도가 증가함에따라 이완치는 커지며, 그다음 냉각하면 이완치는 온도강하와 함께 감소한다. 그러나 선재가 실온으로 냉각될때 이완치는 0을 나타내지 않고 여전히 25%로 나타낸다. 이것은 미리 가해진 응력이 이완치의 감소와 일치하는 크기만큼, 이 경우에 있어서는 25%만큼, 감소된다는 것을 의미한다. 즉, 콘크리트 파일의 제조단계에서 가해진 프리스트레스의 약 25%가 양생중에 손실되어 완성된 큰크리트 파일 강도의 현저한 감소를 초래하게 된다. 그러나 프리스트레스의 감소에도 불구하고 일정한 수준의 강도를 보존하기 위하여는 선재의 사용 본수(本數)를 증가시키고 이들 선재에 비교적 높은 프리스트레스를 가해야만 한다. 또는 다른 방법으로서 양생중 프리스트레스의 이완을 보상할 수 있을 정도로 높은 프리스트레스를 가해야만 한다. 그러나 추가적인 선재의 사용은 제조비를 증가시키므로 재료절약의 관점에서 볼때 바람직하지 못하다. 또한, 선재의 프리스트레스를 증가시켜 가하게되면 때때로 과도하게 가해져서 선재를 절손시키거나 지연파괴를 발생시킬 위험이 있으므로 이와같은 방법으로 종래기술의 문제점을 해결하는 방법은 바람직하지 못하며 오히려 위험한 것이다. 또한 프리스트레스가 크면 클수록 양생중 프리스트레스의 손실이 더욱 커지게 되므로 늘 일정한 응력을 유지하는 것은 불가능한 것이다.

실제적인 관점에서 볼때 양생중 프리스트레스의 감소를 나타내지 않는, 즉 양생중 이완되지 않는 고장력 선재를 제조하는 것이 바람직하다. 또한 상기 종래방법의 단점 외에도 또 다른 문제점이 있다. 즉, PC파일과 같은 PS콘크리트 구조물은 충격하중에 대한 저항성이 좋지 못하므로 지진이 일어날 경우 콘크리트파일이 파괴되기도하며,때로는 소송도중에 파괴되기도 한다. 이것이 종래의 방법에서 해결하여야 할 또 다른 문제점인 것이다. 물론 이와같은 문제들은 PS콘크리트 구조물 자체의 충격파괴에 대한 저항성을 향상시키므로서 쉽게 해결될수 있다. 이를 위해서는 선재 자체의 충격파괴에 대한 저항성을 향상시킬 필요가 있다. 따라서 본 발명의 목적은 이완에 대한 저항성(내이완성)이 우수한 고장력선재의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 충격강도가 높은 고장력선재의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 0.5%이하, 특히 0.1% 내지 0.35%의 탄소를 함유하는 선재를 Ac₃변태점 이상의 온도로 가열한후 경화된 조직을 형성시키기 위하여 임계 냉각속도 이상의 냉각속도로 담금질하고나서 100℃-700℃의 온도로 가열하며, 3%-90%, 가급적 3%-50%의 변형율로 100℃-700℃의 온도하에서 소정가공(예를들어 열간가공)을 하거나 교정가공(straightening)을 가하는 단계들로 이루어지는 고장력 선재 제조방법을 제공한다.

상기 선재는 담금질한후에 실온 또는 보다 높은 온도하에서 냉간인발시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서는 상기 선재를 Ac₃변태점으로 가열하기전에 싸인징(sizing)과 이형가공중의 적어도 하나를 적용할 수 있다. 또한 상기 선재는 Ac₃변태점으로 가열하기전에 상기 냉간인발 대신에 열간압연을 시키므로써 ±0.15mm의 공차로 마무리가공할 수도 있다. 이와같이 본 발명에 의하면 선재는 담금질후에 100℃-700℃, 주로 300℃-500℃의 온도로 가열되고, 그 다음 3%-90%의 변형율로 소성가공 또는 교정가공된다. 즉 본 발명에 따르면, 마르텐사이트 조직이 온간온도(溫間溫度)에서 가공되므로 가공중에 전위수(轉位數)가 현저히 증가하고, 이렇게 발생되는 전위는 매트릭스내에 용해된 탄소(고용탄소)로 인한 동적시효의 영향하에 유리하게 정지되며 따라서 이완이 현저히 감소하게 된다. 또한 강의 내이완성에 불리한 영향을 미치는 가동전위는 선재의표면쪽으로 상승이동하여 소멸되므로 전위밀도의 불필요한 증대가 방지되고, 동시에 내이완성이 현저히 향상될 수 있다. 이러한 목적을 위하여서는 온도가 100℃보다 낮아서는 안되고, 바람직한 온도는 300℃이상이다. 온도가 500℃이상으로 올라가면 매트릭스가 재결정을 하게되어 본 발명이 기대하는 효과향상을 상쇄시켜 버린다. 온도가 700℃이상이 되면 완성된 선재의 강도가 실제적인 관점에서 볼때 허용불가능할 정도로 저하된다.

본 발명에 의하면, 담금질한 선재는 실온에서 냉간 인발시킨후에, 예를들어 3%-90%, 가급적 3%-50%의 변형율로 온간가공 및/또는 교정가공된다. 상기 냉간인발은 선재를 일정한 싸이즈로 마무리가공할 목적으로 실시하며, 나사가공, 헤딩가공등을 용이하게 하기 위한 것이다. 이와같은 추가적인 가공단계는 선재가 PC선재로 사용될때 요구될 수 있다. 성형된 PC선재를 제조하고자 할때는 예를들어 선재에 홈을 파기위한 성형공정이 냉간인발 이후에 적용될 수 있다.

상기 냉간인발 대신에 온간인발, 즉 100℃이상의 온도에서 인발하는 방법이 사용될 수 있다. 이것은 선재의 담금질 또는 냉간인발 다음에 실시하게될 온간가공이 2단계로 나뉘어질 수 있다는 것을 의미한다. 즉, 제1단계는 온간인발이고 제2단계는 인발에 국한되지 않은 온간가공이다. 이 경우에 있어서 실시될 변형율은 합계 3%-90%, 가급적 3%-50%이어야 한다. 선재의 탄소함량을 0.5%이하로, 가급적 0.1-0.35%로 제한하는 것은 탄소함량이 0.5% 이상이 되면 생성되는 마르텐사이트에 냉간 또는 온간가공을 실시하기 어렵기 때문이다. 용접가공을 실시하고자 할때는 탄소함량을 낮추는 것이 바람직한데, 그 이유는 탄소함량이 크면 선재의 연성, 인성 및 충격 인장강도가 용접조건의 영향에 의해 저하되기 때문이다. 총 변형율은 본 발명에 따라 3%-90%로 국한된다. 만약 총 변형율이 3%미만이 되면 소성가공의 효과가 없으며, 이완치도 개선되지 않는다. 바람직한 변형율은 3%-50%이다. 만약 변형율이 50%이상이 되면, 변형율이 증가함에 따라 충격인장강도가 감소한다. 한편, 온간 가공의 경우에 있어서는 가공경화 때문에 변형율을 90%이상으로 하는 것은 전적으로 곤란하다.

본 발명을 이용하여 콘크리트 파일에 사용하기 위한 선재를 제조하고자 할때는 열간압연후에 선재를 종래의 방법에서와 같이 싸이징 및 이형가공하고 나서 본 발명에 따라 처리하면 된다. 그러나 최근의 당해 기술분야에서는 압연조건을 정밀제어하여 선재를 압연시키는 정밀압연이 사용되고 있다. 정밀압연을 이용하면 ±0.15mm의 공차로 선재를 제조할 수 있게 된다. 또한 성형부가 달려있는 특수 마무리가 공로울러를 사용하여 열간 압연중에 다수의 이형가공을 하는 것이 가능하다. 즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서 열간압연중에 정밀압연과 이형가공을 조합하는 방법이 사용될 수 있다. 이 경우에 있어서 본 발명은 이와같이 제조된 선재에 적용될 수 있다.

본 발명을 첨부도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 일반적으로 콘크리트 파일에 상용하기 위한 강선을 다음과 같이 제조된다. 즉, 열간압연된 탄소강 또는 저합금강으로 된 강봉을 산세척 또는 스케일 제거기를 이용하여 디스케일링한후 그 표면에 윤활피막을 입힌다. 이렇게 얻어진 강봉(1)을 제3도에 도시한 바와같이 인발다이스(2)를 통과시켜 싸이징 인발시킨다. 이렇게 얻어진 소정규격의 강선을 이형가공장치(3)로 이송시켜 선재의 표면에 나선형 모양을 만들어 준다.

그 다음 강선(1)을 캡스턴(4)에 코일형으로 감는다. 상기 강선을 소정의 규격으로 마무리가공하는 목적은 콘크리트 파일을 제조하는 과정에서 나사가공이나 헤딩가공을 용이하게 하기 위한 것이다. 또한 이형가공을 실시하여 강선과 콘크리트 사이의 결합강도를 향상시키므로써 콘크리트 파일의 강도를 증대시킨다. 그 다음 제3도에 도시한 바와같이 코일모양으로 감겨있는 강선을 제4도에 도시한 바와같이 별도의 생산라인에서 담금질과 뜨임을 포함하는 열처리를 가하게 된다. 즉, 코일형태에서 풀려진 강선(1)을 일련의 압연로울러(5)를 통과시켜 약하게 교정시킨다. 그 다음 약하게 교정가공된 상기 선재를 가열장치(6)에 이송하여 강선의 강 조성에 의하여 결정되는 Ac₃변태점 이상의 온도로 가열한다. 가열법으로서는 고주파 유도가열법이 가장 일반적인 것이나, 등유의 연소에 의한 가열 분위기도 때때로 이러한 목적을 위하여 사용된다. 가열장치(6)를 통하여 Ac₃변태점보다 높은 온도로 가열한 후에 냉각장치(7)로 이송시킨다. 냉각장치(7)에서는 강선을 임계냉각 속도보다 높은 냉각속도로 담금질하여 마르텐사이트로 변태시킨다. 냉각장치(7)는 가열된 강선에 고속으로 냉각수를 분무하는 노즐을 사용하는 것이 일반적이나, 강선침지수, 오일 또는 기타 냉각매체를 담은 용기를 사용하는 것도 있다. 담금질후에 강선은 후속 가열장치(8)를 연속적으로 통과하면서 뜨임을 받게 된다. 상기 가열장치(8)는 가열장치(6)와 동일한 형태의 것을 사용할 수도 있다. 뜨임 온도는 강선의 강 조성 및 소망하는 기계적 성질에 따라서 결정된다. 이와같은 이유때문에 뜨임온도는 정확하게 한정되지 않지만, 대부분의 경우에 300℃-500℃이다. 뜨임한 후에 선재는 소정의 직경을 가진 드럼(9)에 감겨져 코일형태의 제품으로 된다.

본 발명에 의하면, 담금질한 후의 강선은 100℃와 700℃사이의 온도로 가열된 다음, 100℃와 700℃사이의 온도하에서 3%-90%의 변형율로 소성가공 또는 고정가공된다.

제5도에서 도시한 바와같은 본 발명의 한 실시예에 있어서 뜨임한 강선은 온간가공되어 3%-90%의 벼형율을 갖게된다. 상기 온간가공장치(10)대신에 교정기를 사용할 수도 있다. 예를들어 제6도에 도시된 교정기(11)는 강선(1)의 통과 라인의 상하위치에 지그재그식으로 배열된 다수의 압축로울러다이(12)들로 이루어져있다. 상기 압축로울러 다이는 강선의 라인 주위를 회전한다. 또한 당 분야에서 널리 사용되는 일련의 로울러들로 이루어진 온간가공기도 사용될 수 있다. 이와같이 본 발명에 의하면 예를들어 제2도의 곡선 B에 의하여 도시된 것과 같이 내이완성이 우수한 고장력 강선이 제조될 수 있다.

[실시예 1]

표 1에서 열거한 조성으로 된 직경 7.5mm의 열간압연강봉을 산세척하고 그 표면에 윤활피막을 입힌후에 냉간인발시켜 직경 7.0mm의 강선을 만들었다. 이렇게 얻어진 강선을 950℃로 가열하고 나서 담금질하여 마르텐사이트로 변태시킨 다음 고주파유도가열을 이용하여 표2에 제시된 각종 온도로 가열한 후에 가공을 하였다. 상기 가공은 텐덤배열된 2-4조의 로울러다이를 이용한 연신가공과 교정기를 이용한 교정가공이었다. 상기 가공조건은 표2에 요약되어 있다.

상술한 냉간압연강선 외에도, 표1의 조성(C)을 갖는 강봉을 직경 7.0±0.1mm로 정밀압연하고 950℃로 가열한 다음에 담금질하여 조직을 경화시켰다. 이렇게 담금질한 강봉을 유도가열을 이용하여 가열하고, 표2에 ix로 지시된 가공조건하에서 가공을 실시하였다. 인장시험은 JIS Z 2241에 의거, JIS Z 2201의 시편 2호 및 9호를 사용하여 실시되었다. 이완시험은 제1도에 나타낸 가열패턴을 이용하여 실시되었으며, 이때 시편은 4시간에 걸쳐 20℃에서 180℃로 가열된 다음 3시간동안 180℃에서 유지되고 16시간동안 20℃로 냉각되었다.

상기 가열패턴은 상술한 바와같이 공업규모의 콘크리트 양생에서 널리 사용되는 것과 유사한 것이다. 초기응력은 104㎏f/㎟이고, 이 완치는 초기응력에서 23시간후의 응력을 뺀 응력감소량을 초기응력으로 나누어 얻은 값(%)이다. 충격인장시험은 폐루프(closed-loop)식 전기 서보유압 시험기를 사용하여 실시하였고, 시편은 양단을 냉간압연하여 나사가공한 강선이었다. 척(chuck)사이의 거리는 400mm였다. 100㎏f/㎟의 응력을 약 40초동안 가하였고 30mm/sec의 인장속도로 고속인장을 실시하여 응력-변형율 선도를 얻었다. 이 응력-변형율선도로부터 강선파괴까지의 전에너지를 구하였다. 파괴에너기는 전에너지를 척사이의 시편(길이 400mm)의 변형부분의 체적으로 나눈단위체적당의 에너지로 평가하였다. 상기 시험결과를 표3에 나타내었다.

시험번호 1-4는 온간가공온도를 100℃에서 750℃로 증가시켰을때의 결과를 보여준다. 온도가 750℃일때 강선은 강도가 대폭으로 저하하여 실용성을 상실한다. 시험번호 5-8은 온간가공중 강선의 변형율이 2.5%에서 55%로 증가하였을때의 결과를 보여준다. 변형율이 2.5%인 경우 이완치가 종래의 방법과 같이 25%내외의 높은 이완치를 나타내나, 변형율이 5%인 경우에는 이완치가 현저히 향상되어 변형율이 2.5%일때 얻어진 값의 절반이하로 개선된다. 변형율이 50%이상일 경우 이 완치는 더 향상되지 않는다. 즉 가공효과는 변형율이 50%이상일때 포화된다. 또한 변형율이 50%이상일때 강선이 파괴될때까지 흡수될 수 있는 에너지는 변형율이 50%이하일때 흡수되는 에너지의 반으로 감소된다.

시험번호 9에서와 같이 탄소함량이 0.5%이상인 강으로 만든 강봉은 파괴되기 쉬어 가공할 수없게 된다. 이에비해 시험번호 10에서와 같이 탄소함량이 0.4%인 강선으로 만든 강선은 이완치와 충격흡수에너지 면에서 향상된 특성을 보여주고 있다. 시험번호 16에서와 같이 추가적인 가공을 가하지 않은 정밀압연강봉의 경우에는 시험번호 11에서 나타난 것과 대체로 동일한 특성을 보여준다. 따라서 표2 및 제3에 나타낸 시험결과에서 알수 있듯이 본 발명에 따른 강선은 이완 및 충격강도면에서 만족할만한 특성을 갖는다.

[실시예 2]

표 4에 제시된 조성(G)-(J)을 각각 갖고 있는 강봉들을 열간압연하여 직경 7.5mm의 강봉으로 만든다음 싸이징 및 이형가공을 하였다. 얻어진 강선을 900℃로 가열한 다음에 담금질하고 430-460℃에서 뜨임을 하였다. 뜨임한 강선을 일부는 온간교정가공을 하고 일부는 하지 않았다. 이 양자의 강선에 대하여 실시예 1에서와 같이 기계적 성질 및 이완치를 조사하였다.

시험결과는 표 5에 요약되어 있다.

표 5에 있어서 비교실시예(시험번호 19,21,23 및 25)들은 온간가공이 적용되지 않은 종래의 방법에 따라 실시되었다. 본 발명의 실시예를 종래의 것과 비교하면 온간교정가공이 기계적 성질에는 영향을 미치지 않을지라도 이완특성에는 많은 영향을 미치는 것을 알수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 내인완성이 현저하게 향상됨을 알수 있다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

[표 4]

[표 5]

Claims (8)

1. 탄소함량이 0.5%이하인 선재를 Ac³변태점이상의 온도로 가열한후, 임계냉각속도 이상의 냉각속도로 담금질하여 조직을 경화시키고 나서, 100-700℃사이의 온도로 가열하고 100-700℃사이의 온도에서 3%-90%의 변형율로 소성가공 또는 교정가공하여 고장력 선재를 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 선재의 탄소함량이 0.1-0.35%인것을 특징으로 하는 고장력 선재의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 담금질한 선재를 300-500℃사이의 온도로 가열하는 고장력 선재의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 변형율이 3-50%인 고장력 선재의 제조방법.
5. 제1항-4항중 어느 한항에 있어서, 선재를 열간압연하여 ±0.15mm의 공차로 마무리 가공하는 고장력 선재의 제조방법.
6. 제5항에 있어서, 열간압연중의 선재를 이형가공하여 ±0.15mm의 공차로 마무리 가공하는 고장력 선재의 제조방법.
7. 제5항에 있어서, ±0.15mm의 공차로 마무리 가공되는 선재는 냉간인발중에 이형가공된 것인 고장력 선재의 제조방법.
8. 탄소함량이 0.5%이항인 선재를 Ac₃변태점 이상의 온도로 가열한후, 임계 냉각속도 이상의 냉각속도로 담금질하여 조직을 경화시키고나서 실온이상의 온도에서 인발시킨후 100-700℃사이의 온도로 가열하고 100-700℃사이의 온도에서 3-90%의 변형율로 소성가공 또는 교정 가공하여 고장력선재를 제조하는 방법.

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