KR101377920B1 - 철근 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

벤딩 작업시 크랙 발생을 억제할 수 있는 철근 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 철근 제조 방법은 (a) 철근 모재를 Ar3 온도 이상의 마무리압연온도 조건으로 열간압연하여 철근 형상의 열간압연재를 형성하는 단계; (b) 상기 열간압연재를 냉각하여, 마르텐사이트 또는 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 갖는 1차 철근을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 1차 철근의 표면을 열처리하여, 중심부보다 표면부가 연한 조직을 갖는 최종 철근을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

철근 및 그 제조 방법 {STEEL REINFORCEMENT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 철근 제조 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 벤딩 작업시 크랙 발생을 방지할 수 있는 철근 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
철근은 통상 콘크리트의 보강재로서 사용되는 강 제품이다.
최근에는 템프코어(Tempcore) 공정을 통하여 철근의 표면을 마르텐사이트(Martensite) 또는 템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite) 조직으로 변태시켜 제품화하고 있다. 이러한 템프코어 공정을 통하여 제조된 철근은 종래의 철근에 비하여 인장강도, 항복강도, 연신율 등의 기계적 성질이 향상되는 장점이 있다.
철근 사용시, 통상 벤딩(bending) 작업이 필수적이다. 그러나, 템프코어 공정을 거친 철근의 경우, 표면의 단단한 마르텐사이트 또는 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 인하여 벤딩 작업시 크랙의 시발점이 되는 문제점을 가지고 있다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제 10-2012-0044136호(2012.05.07. 공개)에 개시된 템프코어를 이용한 저항복비 고장력 철근의 제조방법이 있다.
본 발명의 하나의 목적은 종래 템프코어 공정을 개선하여 표면에 연질 조직을 형성할 수 있는 철근 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조되어 벤딩 작업시 크랙 발생을 방지할 수 있는 철근을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 철근 제조 방법은 (a) 철근 모재를 Ar3 온도 이상의 마무리압연온도 조건으로 열간압연하여 철근 형상의 열간압연재를 형성하는 단계; (b) 상기 열간압연재를 냉각하여, 마르텐사이트(martensite) 또는 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)를 포함하는 미세조직을 갖는 1차 철근을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 1차 철근의 표면을 열처리하여, 중심부보다 표면부가 연한 조직을 갖는 최종 철근을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 (c) 단계의 표면 열처리는 고주파 열처리 방식으로 수행될 수 있다. 상기 고주파 열처리는 상기 1차 철근의 표면을 Ac1-100℃ 내지 Ac3 온도로 가열하여 10초 이내로 유지한 후, 5℃/sec 이하의 평균냉각속도로 냉각하는 방식으로 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (a) 단계의 열간압연은 Ar3 온도 내지 Ar3+200℃의 마무리압연온도 조건으로 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (b) 단계의 냉각은 상기 열간압연재를 100~300℃까지 50~400℃/sec의 평균냉각속도로 수냉하여 마르텐사이트를 형성한 후, 공냉하는 것이 바람직하다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 철근은 중심부와 표면부가 서로 다른 미세조직으로 형성되어 있되, 상기 중심부가 마르텐사이트 또는 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 형성되어 있고, 상기 표면부의 미세조직이 상기 중심부의 미세조직보다 연한 조직인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 표면부의 미세조직은 페라이트(ferriet)와 펄라이트(pearlite)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 철근 제조 방법은 종래의 템프코어 공정을 개선하여 전체적인 경질 조직이 형성된 1차 철근을 제조하고, 표면 열처리를 통하여 표면에 연질조직을 형성한다.
따라서, 본 발명에 따른 철근은 중심부에 경질 조직이 형성되고, 표면부에 연질 조직이 형성됨으로써, 고강도를 가지면서도, 벤딩 작업시 크랙 발생을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 철근 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 각 과정에 의해 미세조직이 변하는 것을 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 특징과 이를 달성하기 위한 방법은 첨부되는 도면과, 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해진다. 그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예에 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하기 위함이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 철근 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 철근 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다. 도 2는 도 1에 도시된 각 과정에 의해 미세조직이 변하는 것을 개략적으로 나타낸 것으로, 도 1을 설명함에 있어, 도 2를 참조하기로 한다.
도 1을 참조하면, 도시된 철근 제조 방법은 열간압연 단계(S110), 냉각 단계(S120) 및 표면 열처리 단계(S130)를 포함한다.
열간압연
열간압연 단계(S110)에서는 빌렛 혹은 잉곳과 같은 철근 모재를 열간압연하여 철근 형상의 열간압연재를 형성한다.
빌렛 또는 잉곳의 합금 조성은, 통상 철근 합금 조성으로 이용되는 중량%로, 탄소(C) : 0.08~0.16%, 실리콘(Si) : 0.2~0.3%, 망간(Mn) : 0.7~0.9%, 인(P) : 0.02~0.03%, 황(S) : 0.01~0.02% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 제시할 수 있다. 그러나 빌렛 또는 잉곳의 합금 조성은 반드시 이에 제한되지 않고, 목적하는 바에 따라 보론(B), 몰리브덴(Mo) 등 다양한 첨가 원소가 포함된 합금 조성이 이용될 수 있다.
이때, 본 발명에서는 철근 모재의 열간압연을 Ar3 온도 이상의 마무리압연온도 조건으로 수행하여 오스테나이트 단상 조직(도 2의 210)이 되도록 한다.
열간 압연은 Ar3 온도 내지 Ar3+200℃의 마무리 압연온도 조건으로 수행하는 것이 보다 바람직하다. 마무리 압연온도가 Ar3 온도 미만일 경우, 오스테나이트와 페라이트 2상역 압연이 되어, 후술하는 냉각 단계(S120)에서 페라이트가 포함된 조직을 갖는 1차 철근이 형성될 수 있어, 바람직하지 못하다. 반대로, 마무리 압연온도가 Ar3+200℃를 초과하는 경우, 결정립 조대화로 인하여 충분한 강도를 확보하기 어렵다.
냉각
다음으로, 냉각 단계(S120)에서는 템프코어(Tempcore)와 같은 수냉 장치를 이용하여 열간압연재를 냉각하여, 마르텐사이트 또는 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 미세조직(도 2의 220)을 갖는 1차 철근을 형성한다.
이때, 냉각은 열간압연재를 마르텐사이트 온도 영역에 해당하는 100~300℃까지 50~400℃/sec의 평균냉각속도로 수냉하여 마르텐사이트를 형성한 후, 공냉하는 것이 바람직하다.
이러한 냉각 방식에 의하면, 수냉에 의하여 철근 전체적으로 마르텐사이트가 형성되고, 공냉에 의해 셀프 템퍼링(self tempering)이 이루어지면서 마르텐사이트의 일부 또는 전부가 템퍼드 마르텐사이트화될 수 있다.
냉각종료온도가 300℃를 초과하는 경우, 불충분한 냉각으로 인하여 중심부까지 거의 완전한 마르텐사이트가 형성되기 어려워질 수 있다. 반대로, 냉각종료온도가 100℃ 미만일 경우, 공냉에 의한 셀프 템퍼링이 불충분할 수 있는 바, 냉각종료온도를 100℃ 이상으로 설정하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 평균냉각속도가 50℃/sec 미만일 경우, 중심부까지 거의 완전한 마르텐사이트가 형성되기 어려워질 수 있다. 반대로, 평균냉각속도가 400℃/sec를 초과하는 경우, 과도한 냉각으로 인하여 철근의 취성이 증가할 수 있으며, 온도 제거가 어려워질 수 있다.
표면 열처리
표면 열처리 단계(S130)에서는 1차 철근의 표면을 열처리하여, 중심부보다 표면부가 연한 조직을 갖는 최종 철근을 형성한다.
이때, 표면 열처리는 고주파 가열기를 이용한 고주파 열처리 방식으로 수행되는 것이 바람직하다. 고주파 열처리는 단시간에 철근의 표면을 가열할 수 있는 장점이 있다.
보다 구체적으로, 고주파 열처리는 1차 철근의 표면을 Ac1-100℃ 내지 Ac3 온도로 가열하여 10초 이내로 유지한 후, 5℃/sec 이하의 평균냉각속도로 냉각하는 방식으로 수행되는 것이 보다 바람직하다.
고주파 열처리시 1차 철근 표면의 가열 온도가 Ac1-100℃일 경우, 열처리에 의한 표면부 미세조직 변태 효과가 불충분하고, 반대로, 가열 온도가 Ac3 온도를 초과하는 경우, 과다한 가열로 인하여 중심부까지 가열이 이루어지거나, 결정립 조대화로 인하여 강도가 저하될 수 있다.
또한, 가열 후에는 즉시 냉각하거나 혹은 10초 이내로 냉각하는 것이 바람직한데, 이는 중심부까지 가열이 이루어지는 것을 방지하기 위함이다.
또한, 열처리 후 평균냉각속도가 5℃/sec를 초과하는 경우, 다시 마르텐사이트 등의 경질 조직이 형성될 수 있기 때문에 열처리 후 5℃/sec 이하의 평균냉각속도로 냉각하는 것이 바람직하고, 공냉하는 것이 보다 바람직하다.
이러한 표면 열처리에 의하여, 제조되는 최종 철근은 중심부와 표면부가 서로 다른 미세조직을 가지며, 중심부보다 표면부가 연한 조직으로 형성된다.
보다 구체적으로는 중심부가 마르텐사이트 또는 템퍼드 마르텐사이트 조직(도 2의 220)으로 형성될 수 있으며, 표면부는 중심부의 미세조직보다 연한 조직인 페라이트와 펄라이트를 포함하는 미세조직(도 의 230)으로 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 철근 제조 방법은 템프코어 장치를 이용하여 전체적인 경질 조직이 형성된 1차 철근을 제조하고, 고주파 열처리 등의 표면 열처리를 통하여 표면에 페라이트와 펄라이트 혼합 조직을 형성함으로써, 제조된 철근이 고강도를 가지면서도, 표면의 연질 조직을 통하여 벤딩 작업시 크랙 발생을 방지할 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.
S110 : 열간압연 단계
S120 : 냉각 단계
S130 : 표면 열처리 단계
210 : 오스테나이트 조직
220 : 마르텐사이트 또는 템퍼드 마르텐사이트 조직
230 : 페라이트와 펄라이트 혼합 조직

Claims (7)

  1. (a) 철근 모재를 Ar3 온도 이상의 마무리압연온도 조건으로 열간압연하여 철근 형상의 열간압연재를 형성하는 단계;
    (b) 상기 열간압연재를 냉각하여, 마르텐사이트 또는 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 갖는 1차 철근을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 1차 철근의 표면을 열처리하여, 중심부보다 표면부가 연한 조직을 갖는 최종 철근을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 철근 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 표면 열처리는
    고주파 열처리 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 철근 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고주파 열처리는
    상기 1차 철근의 표면을 Ac1 ~ Ac3 온도로 가열하여 10초 이내로 유지한 후, 5℃/sec 이하의 평균냉각속도로 냉각하는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 철근 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 열간압연은
    Ar3 온도 내지 Ar3+200℃의 마무리압연온도 조건으로 수행하는 것을 특징으로 하는 철근 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (b) 단계의 냉각은
    상기 열간압연재를 100~300℃까지 50~400℃/sec의 평균냉각속도로 수냉하여 마르텐사이트를 형성한 후, 공냉하는 것을 특징으로 하는 철근 제조 방법.
  6. 중심부와 표면부가 서로 다른 미세조직으로 형성되어 있되,
    상기 중심부가 마르텐사이트 또는 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 형성되어 있고,
    상기 표면부의 미세조직이 상기 중심부의 미세조직보다 연한 조직인 것을 특징으로 하는 철근.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 표면부의 미세조직은 페라이트와 펄라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 철근.
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