KR20110066637A - 고강도 ｐｃ 강선의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 고강도 ｐｃ 강선 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도 PC 강선의 제조방법에 관한 것으로서, 고탄소강 선재에 Cr을 첨가하고, 항온열처리 및 신선공정 초기에 소량의 신선가공량을 가함으로써 신선가공성, 가공경화율 및 인장강도를 향상시킬 수 있는 고강도 PC 강선의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

PC 강선, 콘크리트 보강, 신선가공, LP열처리

Description

고강도 ＰＣ 강선의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 고강도 ＰＣ 강선{Method for manufacturing high strength steel wire for prestressed concrete stranded wire and high strength steel wire for prestressed concrete stranded wire produced by the same}

본 발명은 고강도 PC 강선의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 PC 강선에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신선 공정 초기에 소량의 신선가공량을 가하여 강선의 연성을 향상시켜 기존보다 많은 신선가공량의 적용이 가능하게 하여 강도가 향상되록 하고, 블루잉 열처리시 강도저하를 방지한 고강도 PC 강선의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 PC 강선에 관한 것이다.

PC 강선은 프리스트레스트 콘크리트(prestressed concrete)에서 긴장재로 사용되는 강재로서, PC 강선을 연선하여 제조하는 것으로 부착력, 인장강도 등이 우수하여야 한다.

PC 강선을 가공하는 방법을 간략하게 설명하면 다음과 같다.

탄소농도가 공석조성 정도인 용강을 블룸 또는 빌렛으로 압연하고 1000~1200℃에서 약 2시간 재가열한 다음에 원하는 직경의 선재로 압연한다. 이 때 마무리 압연온도는 950~1200℃이며, 이후 800~900℃까지 수냉한 다음 링(ring)의 형태로 권취하여 스텔모아(stelmor) 냉각대 상에서 냉각시킨다. 이후 제조된 10~14mm 선재의 표면을 산세한 후 신선가공 중의 고주파열처리(블루잉 열처리)를 통해 잔류응력을 제거하여 우수한 릴렉세이션(relaxation) 특성을 가지는 PC 강선을 제조한다.

PC 강선의 강도를 획득하는 방법은 선재상태의 강도를 증가시키는 방법, 가공경화율 혹은 신선가공량을 증가시키는 방법, 블루잉 열처리시 강도의 저하를 억제하는 방법 등이 있다.

PC 강선에서 탄소 함량을 증가시켜 선재의 강도 및 가공경화율을 향상시키는 경우 높은 강도 및 부위별 가공편차로 인하여 균일한 제품물성이 확보되지 못하고, 블루잉 열처리시 강도저하의 문제가 발생되므로, 궁극적으로 최종 제품의 강도를 확보하지 못하는 문제가 발생한다.

균일한 제품 물성이 확보되지 못하는 이유는 선재의 강도가 증가할수록 신선가공 시 가해지는 하중이 커지기 때문에 소재 내의 불균일한 미세조직 부분이나 신선가공상의 문제로 생성될 수 있는 외적인 결함 등에 균열을 발생시킬 확률이 증가하기 때문이다. 따라서 소재의 미세조직을 보다 균일하게 하지 않으면 고강도 선재 를 신선 가공한 뒤 균일한 품질의 확보가 어렵다.

또한, 가공경화율의 증가에 의한 강도증가를 추구하는 것은 타어이코드 같은 가공량이 매우 많은 경우에는 효과적이나 PC 강선처럼 가공량이 상대적으로 적은 경우에서는 효과적이지 못하다. 또한, 신선가공량을 늘리는 것은 소재의 연성을 심각하게 저하시키므로 강도확보는 손쉽게 달성할 수 있으나 가공상의 문제를 발생시킨다.

또한, 최종제품에 요구되는 인장강도가 증가하면서 신선가공 전 선재 상태에서도 높은 강도가 필요하게 되었다. 즉, 신선가공 중 가공경화에 의한 소재의 부위별 강도 불균형이 심화되어 신선가공이 적절하게 이뤄지지 않은 경우가 많고, 이는 최종제품의 품질 불량을 유발하는 문제가 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 신선 공정 초기에 소량의 신선가공량을 가하여 강선의 연성을 향상시켜 기존보다 많은 신선가공량의 적용이 가능하게 하여 강도가 향상되록 하고, 블루잉 열처리를 함으로써 강도저하를 방지하여 선재의 강도를 향상시키고자 하는 것이다.

본 발명은 선재를 신선함에 있어 최초 신선패스(pass)시 3~10%의 범위로 소량의 신선가공을 하여 신선재를 제조하고, 상기 신선재를 200~450℃에서 블루잉(bluing)열처리한다.

또한, 상기 신선가공 전의 선재를 950~1150℃로 재가열하고, 상기 재가열된 선재를 10℃/s이상의 냉각속도로 펄라이트 변태 개시온도까지 냉각한 후, 상기 냉각된 선재를 펄라이트 변태 개시온도에서 1~3분간 항온유지하는 것이 바람직하다.

이 때, 항온유지는 560~640℃의 납조에 투입하여 항온변태를 시키는 것(LP열처리)을 포함하는 것이 유리하다.

본 발명의 유리한 효과를 얻기 위하여, 상기 선재는 Cr : 0.1~0.5중량%를 포 함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 성분에 더하여, C : 0.80~0.95중량%, Si : 0.8~1.6중량%, Mn : 0.3~0.8중량%, P : 0.015중량% 이하, S : 0.015중량% 이하를 더 포함하는 것이 유리하다.

2300MPa이상의 고강도를 갖는 PC 강선을 제조할 수 있으며, 이를 통해 향후 대형 콘크리트 구조물에 적용하여, 구조물의 경량화, 슬림화 및 공사기간의 단축 등이 가능하여 건설비용 절감에 상당한 효과를 볼 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명자는 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 깊이 연구한 결과 최초 신선패스(pass)시 선재에 소량의 신선가공을 가한 후, 추가 신선가공을 행하고, 이후 블루잉 열처리를 하게 되면 강선의 강도가 향상된다는 것을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.

또한, 본 발명자는 연구를 통하여, 최초 신선 패스시 신선가공을 3~10%의 범 위로 하는 것이 효과적이라는 것을 알게 되었다. 3%미만으로 신선가공을 할 경우 본 발명에서 얻고자 하는 강도 증가의 효과가 나타나지 않고, 10%를 초과할 경우 강선 표면 근방의 펄라이트 라멜라 미세조직이 신선방향으로 용이하게 재배열되지 않으며, 최종신선 후 라멜라 미세조직이 분절되는 경향을 보이기 때문이다. 이에 따라, 최초 신선패스(pass)를 실시하고 추가 신선가공을 행한 후, 신선재를 제조함에 있어, 최초 신선 패스시 신선가공량은 3~10%의 범위로 하는 것이 바람직하다.

상기 최초 신선패스 이후, 추가적인 신선가공이 이루어지게 되는데, 이는 최종제품인 PC 강선마다 요구되는 선경 및 강도에 따라 신선가공율을 달리 할 수 있다.

또한, 상기 신선가공을 마친 신선재는 블루잉(bluing)열처리를 행하는 것이 바람직한데, 이는 최종신선공정을 거치면서 신선가공량이 너무 많아서 생기게 된 잔류응력을 제거함으로써 최종제품의 릴렉세이션 특성을 향상시키기 위함이다. 더 바람직하게는 상기 신선재를 200~450℃의 온도범위에서 블루잉(bluing)열처리하는 것이 효과적이며, 이는 200℃ 미만의 온도에서는 잔류응력을 충분히 해소할 수 없고, 450℃를 초과한 온도에서는 신선가공된 펄라이트 미세조직의 붕괴를 초래하여 강도가 저하될 수 있기 때문이다. 따라서, 상기 블루잉 열처리 온도는 200~450℃로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 블루잉 열처리는 10~300초 동안 고주파 열처리를 하는 것이 바람직하다.

이에 더하여 선재압연된 선재는 재가열하고, 상기 재가열된 선재를 펄라이트 변태 개시온도까지 냉각한 후, 상기 냉각된 선재를 펄라이트 변태 개시온도에서 항온유지를 하는 것이 바람직하다. 이 때, 선재압연은 열간압연, 냉각 및 권취하는 과정을 통하여 제조되는 것이며, 이러한 과정들은 통상의 선재 압연공정에 준하면 되는 것이므로 특별한 설명은 생략하도록 하겠다.

상기한 열처리 공정은 선재의 펄라이트의 층상간격을 미세화함으로써, 강도 를 향상시키고자 하는 것이며, 동시에 연성의 증가까지 얻고자 하기 위함이다. 상기 재가열온도는 950~1150℃가 바람직한데, 950℃ 미만이면 효과적인 오스테나이트화가 일어나지 못하여 균질한 오스테나이트를 확보하기 어렵고, 1150℃를 초과하면 오스테나이트 결정립이 너무 조대해져서 강도와 연성에 악영향을 끼치기 때문이다.

또한, 상기 재가열된 선재를 10℃/s이상의 냉각속도로 펄라이트 변태 개시온도까지 냉각하는 것이 바람직하다. 10℃/s미만의 냉각속도로 냉각을 하게되는 경우, 충분한 펄라이트 조직의 미세화가 어렵게 되며, 라멜라 조직이 조대화되어 강도가 저하되는 단점이 있기 때문이다.

또한, 냉각된 선재를 펄라이트 변태개시온도에서 1~3분간 항온유지하는 것이 바람직한데, 이를 통하여, 펄라이트 층상간격을 미세화하고 목표하는 강도를 얻을 수 있으며, 선재의 부위별 편차를 최대한 억제할 수 있기 때문이다. 항온유지시간이 1분 미만인 경우에는 상기의 효과가 미미하고, 3분을 초과하는 경우에는 선재의 미세조직이 조대화되는 경향이 있다.

이 때, 상기 항온유지단계에서 선재를 560~640℃의 납조에 투입하여 항온변태를 시키는 것(LP열처리)이 바람직한데, 560℃미만이면 베이나이트가 일부 형성되어 가공성을 열악하게 하고, 640℃를 초과하게 되면 라멜라 층간간격이 커져서 강도가 낮아지기 때문이다.

본 발명이 제공하고자 하는 강선은, 전술한 제조공정을 통해 통상적인 성분계를 가지는 빌렛 또는 블룸을 이용하여 제조될 수 있으나, 더욱 효과적으로 제조하기 위해서는 상기 선재가 아래와 같은 성분을 포함하는 것이 유리하다.

전술한 바와 같이, 상기한 선재는 Cr : 0.1~0.5중량%를 포함하는 것이 보다 바람직한데, Cr은 펄라이트 층상간격을 미세화시키고, 항온열처리에 의하여 미세화효과가 극대화되어 C의 함량을 줄이고도 선재의 강도를 효율적으로 증가시킬 수 있기 때문이다. 또한, Si와 마찬가지로 블루잉 열처리시 세멘타이트의 분절을 억제하여 강도저하를 최소화하는 효과가 있으며, 상기 효과를 충분히 발휘하기 위하여 0.1%이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, Cr의 함량이 0.5%를 초과하는 경우에는 첨가시 소입성을 크게 증가시켜 연속냉각 공정 중에 마르텐사이트를 생성시킬 우려가 있다.

뿐만 아니라, 상기 선재는 중량 %로, C : 0.80~0.95%, Si : 0.8~1.6%, Mn : 0.3~0.8%, P : 0.015%이하, S : 0.015%이하를 더 포함하는 것이 유리하다.

C : 0.80~0.95중량%

C는 과공석강 선재 내에서 대부분 세멘타이트의 형태로 존재한다. 세멘타이트는 페라이트와 함께 층상의 펄라이트를 형성하는데 페라이트에 비하여 고강도이므로 세멘타이트의 분율이 증가할수록 선재의 강도는 증가하게 된다. C의 함량을 증가시키면 세멘타이트의 분율이 증가하고 층상 간격이 미세해지므로 선재의 강도를 증가시키는데 매우 효과적이다.

따라서, 2300MPa 이상의 인장강도를 확보하기 위하여, C의 함량은 0.80%이상으로 포함하는 것이 바람직하다. 그러나, 냉각속도가 충분치 않은 경우 오스테나이트 입계에서 초석 세멘타이트가 발생하여 신선가공성을 저하시키는 문제점이 발생하므로, C의 함량을 0.95%이하로 한정하는 것이 바람직하다.

Si : 0.8~1.6중량%

Si는 기지조직인 페라이트에 고용되어 고용강화의 효과를 발휘하기도 하지만, 블루잉 열처리시 세멘타이트 조직 붕괴를 방지하여 강도저하를 억제하는 효과 도 있다. 블루잉 열처리시 강선온도를 300℃ 이상으로 상승시키게 되고, 이때 세멘타이트가 구상화되고 조대화되어 강도가 저하되는데, Si의 첨가에 의하여 펄라이트 미세조직의 페라이트/세멘타이트 계면에 Si 농화층이 생성되어 세멘타이트의 붕괴를 억제할 수 있다.

Si의 함량이 0.8%미만인 경우에는 상기의 효과가 미미하다. 그리고, Si의 함량이 1.6%를 초과하는 경우에는 항온열처리를 위한 재가열시 소재의 표면에 탈탄이 쉽게 발생되고 신선가공성이 저하되어 본 발명이 목표하는 강도를 얻기 어려워진다.

Mn : 0.3~0.8중량%

Mn은 기지조직 내에 고용체를 형성하여 고용강화하는 원소로 매우 유용한 원소이다. 또한, 펄라이트 변태를 지연시키기 때문에 다소 느린 냉각속도에서도 미세한 펄라이트가 쉽게 생성되도록 0.3%이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 0.8%를 초과하는 경우에는 고용강화 효과보다는 Mn편석이 발생하고 열처리시에 소재의 표면에 있는 조직의 결정립계가 산화되기 쉬어 제품 특성에 악영향을 미친다.

S : 0.015중량% 이하

S는 제조시 불가피하게 함유되는 원소이며, 저융점 석출물의 형태로 결정립계에 석출되어 열간취화를 유발시키므로 0.015%이하로 한정하는 것이 바람직하다.

P : 0.015중량% 이하

P는 제조시 불가피하게 함유되는 원소이며, 주상정 조직 사이에 편석되어 열간취화를 일으키며, 또한 냉간 신선 가공시 균열을 유발시키므로 0.015%이하로 한정하는 것이 바람직하다.

전술한 본 발명의 PC 강선 제조방법에 의하여 제조된 강선은 2300MPa 이상의 고강도를 갖게 되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 아래의 실시예에 국한되는 것은 아니다.

[실시예]

하기 표 1과 같은 성분계 및 조성범위를 만족하는 강재를 시료로 하여 50kg 잉곳으로 주조 후 빌렛에 용접하여 1150℃에서 2시간 동안 가열한 다음, 추출하여 12mm의 직경을 가지는 선재로 열간압연하였다. 이 때 마무리 열간압연온도는 1000℃였으며, 이후 850℃까지 수냉한 다음 링(ring) 형태로 권취하여 롤러 컨베이어 상에서 10℃/s의 냉각속도로 냉각하였다. 이에 이어, 상기 선재를 1000℃로 재가열하고, 20℃/s의 냉각속도로 580℃까지 냉각한 후, 1분 30초간 항온열처리를 실시하였으며, 항온열처리 전, 후의 선재의 인장강도(TS) 및 단면감소율(RA)을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

구분	C(중량%)	Si(중량%)	Mn(중량%)	Cr(중량%)	P(중량%)	S(중량%)
발명강1	0.90	1.30	0.50	0.30	0.011	0.012
발명강2	0.89	1.59	0.48	0.31	0.010	0.011
비교강1	0.90	0.62	0.51	0.30	0.009	0.011
비교강2	0.91	1.30	0.51	-	0.010	0.009

구분	항온열처리 전 선재		항온열처리 후 선재
	TS(MPa)	RA(%)	TS(MPa)	RA(%)
발명강1	1312	25	1465	30
발명강2	1356	22	1481	27
비교강1	1231	29	1303	33
비교강2	1228	25	1295	31

상기 표 1 및 2에 나타난 바와 같이, 항온열처리를 실시한 발명강 1은 항온열처리를 하지 않은 경우에 비하여 인장강도가 153MPa 증가하였으며, 단면감소율 또한 5%증가하였다. 발명강 2 또한 항온열처리 실시여부에 따라 인장강도가 125MPa, 단면감소율이 5% 증가함을 알 수 있었다.

이에 더하여, 비교강 1은 Si의 함량이 0.62중량%로 본 발명이 의도하고자 하는 Si의 함량보다 낮아 강도가 저하되는 것을 방지할 수 없어서, 선재의 인장강도가 낮게 측정되었다. 또한, 비교강 2는 Cr을 함유하지 아니하여 항온열처리 후에도 선재의 강도 향상 효과가 미미하였으며, 선재의 인장강도가 발명강 1 및 2에 비하여 낮음을 확인할 수 있었다.

상기 항온열처리 후, 최초 신선패스를 5%와 20%로 실시하여, 12mm의 직경을 가지는 선재가 최초 신선패스 후, 각각 11.7mm, 10.7mm가 되게 하였고, 최종제품의 선경이 4.25mm가 되도록 추가 신선공정을 가하였다. 이후 250℃에서 블루잉 열처리를 실시하였으며, 상기 공정을 거친 발명예 및 비교예의 인장강도와 단면감소율을 측정하여, 아래의 표 3에 나타내었다.

구분		최초 신선패스 시 신선가공량(%)	TS(MPa)	RA(%)
발명강 1	발명예 1	5	2307	45
	비교예 1	20	2254	43
발명강 2	발명예 2	5	2336	42
	비교예 2	20	2285	40
비교강 1	비교예 3	5	2109	49
	비교예 4	20	2072	48
비교강 2	비교예 5	5	2054	52
	비교예 6	20	2013	50

표 3에 나타난 바와 같이, 최초 신선패스함에 있어, 가공량을 5%로 한 경우는 20%로 실시한 경우에 비하여, 발명예 1 및 2의 강도가 51~53MPa 증가하는 효과가 있는 것을 알 수 있으며, 단면감소율 또한 향상되는 것을 알 수 있었다.

또한, 발명예 1 및 2는 본 발명에서 제어하는 성분계 및 조성범위를 만족하고 신선가공 초기에 소량의 신선가공을 가하여 신선재의 인장강도 및 단면감소율이 본 발명에서 의도하고자 하는 목표에 해당함을 확인할 수 있었다.

상기 발명예 1 및 2 뿐만 아니라, 비교예 3 및 5 또한 최초 신선패스 시 신선가공량을 5%로 함으로써 20%로 신선가공을 한 경우(비교예 4, 6)에 비하여 강도가 상승하는 효과가 나타났다. 그러나, 상기 비교예 3 및 5는 발명예 1 및 2와 동일한 제조과정을 거쳤음에도 불구하고, 본 발명이 제안한 성분계 및 조성범위를 만족하지 않아, 인장강도가 2300MPa 미만으로 측정되었다.

Claims (6)

1. 선재를 신선함에 있어 최초 신선패스(pass)시 3~10%의 범위로 신선가공을 하여 신선재를 제조하는 단계 및 상기 신선재를 200~450℃에서 블루잉(bluing)열처리하는 단계를 포함하는 고강도 PC 강선의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 신선가공 전의 선재를 950~1150℃로 재가열하고, 상기 재가열된 선재를 10℃/s이상의 냉각속도로 펄라이트 변태 개시온도까지 냉각한 후, 상기 냉각된 선재를 펄라이트 변태 개시온도에서 1~3분간 항온유지하는 것을 포함하는 고강도 PC 강선의 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 항온유지는 560~640℃의 납조에 투입하여 항온변태를 시키는 것(LP열처리)을 포함하는 고강도 PC 강선의 제조방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선재는 Cr : 0.1~0.5중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 PC 강선의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 선재는 중량 %로, C : 0.80~0.95%, Si : 0.8~1.6%, Mn : 0.3~0.8%, P : 0.015%이하, S : 0.015%이하를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 PC 강선의 제조방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조되는 고강도 PC 강선으로서, 인장강도 2300MPa 이상인 것을 특징으로 하는 고강도 PC 강선.