Effect of TempCore Processing on Microstructure and Mechanical Properties of 700 MPa-Grade High-Strength Seismic Resistant Reinforced Steel Bars

700 MPa급 고강도 내진 철근의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 템프코어 공정의 영향

Abstract

The present study deals with the microstructure and mechanical properties of 700 MPa-grade high-strength seismic resistant reinforced steel bars fabricated by various TempCore process conditions. For the steel bars, in the surface region tempered martensite was formed by water cooling and subsequent self-tempering during TempCore process, while in the center region there was ferrite-pearlite or bainite microstructure. The steel bar fabricated by the highest water flow and the lowest equalizing temperature had the highest hardness in all regions due to the relatively fine microstructure of tempered martensite and bainite. In addition, the steel bar having finer microstructures as well as the high fraction of tempered martensite in the surface region showed the highest yield and tensile strengths. The presence of vanadium precipitates and the high fraction of ferrite contributed to the improvement of seismic resistance such as high tensile-to-yield strength ratio and high uniform elongation.

1. 서론

최근 국내를 비롯하여 세계적으로 빈번히 발생하는 지진으로 인해 건축물의 안전에 대한 중요성이 높아지고 있다. 이에 따라 건축물의 안전과 기대 수명을 더욱 향상시키기 위해 내진(seismic resistant) 설계 의무화에 대한 법규가 강화되고 있으며, 건축물의 구조재로 사용되는 고강도 내진 철근 개발 및 외부 변형에 대한 안전성 연구가 꾸준히 진행되고 있다[1~3].

내진 철근은 높은 항복 강도 대비 인장 강도 (tensile-to-yield strength ratio, 이하 항복비)와 높은 균일 연신율(uniform elongation)과 같은 우수한 변형능(deformability) 특성을 요구한다. 이러한 특성을 요구하는 이유는 지진과 같이 큰 하중이 급격히 발생할 때 적은 양으로 더 큰 하중을 견디고, 소성 변형이 시작되는 시점부터 최종 재료의 파단까지 시간적 여유를 확보하여 건축물의 안전성을 증가시키기 때문이다[4~6].

일반적으로 철근의 강도와 변형능 특성은 화학조성 및 제조 방법에 따라 크게 달라지는데, 이는 첨 가되는 합금원소나 공정조건에 따라 인장 특성에 미치는 미세조직이 변하기 때문이다. 합금원소 첨가의 경우 바나듐(V)이나 니오븀(Nb)이 탄소(C) 및 질소(N)와 결합하여 탄화물 및 질화물을 형성함으로써 강도와 변형능 특성을 향상시킬 수 있다[7~9]. 그러나 이러한 합금원소의 첨가는 재료의 단가 상승과 용접성 결함 등의 문제점을 야기할 수 있기 때문에 탄소 당량(carbon equivalent, C_eq)을 일정 수치 이하로 제한하고 있다[10].

한편 철근 제조 방법의 경우 공냉(air cooling) 공정과 템프코어(TempCore) 공정이 대표적이다. 공냉 공정에서는 철근이 전체적으로 균일한 미세조직을 얻어 높은 항복비와 높은 균일 연신율을 얻을 수 있는 장점이 있지만, 강도가 다소 낮은 단점이 있다. 반면 수냉(water cooling)을 포함한 템프코어 공정을 통해 제조된 철근은 표면부에 경한 템퍼드 마르텐 사이트(tempered martensite)가 형성되어 강도를 높일 수 있지만, 균일 연신율과 항복비와 같은 내진 성능이 저하될 수 있다 [11,12]. 따라서 고강도의 내진 철근을 경제적으로 개발하기 위해서는 다양한 화학조 성과 공정조건에 따른 철근의 미세조직과 기계적 특성간의 상관관계를 잘 이해하여야 한다.

본 연구에서는 서로 다른 템프코어 공정 조건으로 제조된 철근의 미세조직, 경도 및 인장 특성을 비교하고, 템프코어 공정 조건과 미세조직, 경도 및 인장 특성간의 상관관계를 이해함으로써 향후 항 복 강도 800 MPa급 이상인 초고강도 내진 철근의 개발에 도움이 되고자 하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서 사용된 철근 시편은 공정조건과 직경이 다른 고강도 및 내진 철근으로 조성은 0.34C- 0.27Si-1.25Mn-0.13V (wt.%)이다. 이들의 자세한 공정조건과 시편들의 미세조직은 Table 1에 나타나 있다. 일반적으로 압연 속도(rolling speed)는 철근의 직경이 작을수록 빠르고, 수량(water flow)이 많을수록 냉각속도가 증가하기 때문에 미세한 조직을 형성시켜 강도를 높일 수 있다. 균등화 온도(equalizing temperature)는 철근의 표면부와 중심부의 온도가 같아지는 온도로 자체 템퍼링(self-tempering) 온도로도 언급되며, 수량이 커질수록 균등화 온도가 낮아진다 [13]. 본 연구에서 사용된 철근 시편들의 탄소 당량은 SD 700 S를 기준으로 한국산업표준(KS D 3504)의 700 MPa급 내진 철근 기준을 모두 만족하였으며, 편의상 철근의 직경을 기준으로 ‘D10’, ‘D13’ 그리고 ‘D16’으로 표기하였다. 철근 시편들은 900 ^oC 이상에서 열간압연한 후 템프코어(TempCore) 공정을 통해 제조되었다.

Table 1 TempCore process conditions and microstructures of the reinforced steel bars investigated in this study

제조된 세 철근 시편의 미세조직은 기계적 연마 후 3% 나이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope, AISI1800C, SERON, Korea)을 사용하여 관찰하였다. 또한 철근 시편의 에칭된 단면의 명암이 교차되는 지점을 통하여 경화능 깊이(hardenability depth, d_h)를 실체현미경(SMZ 745T, Nikon, Japan) 측정 프로그램을 통해 구하였고, 이를 통해 템퍼드 마르텐사이트분율(tempered martensite fraction, V_TM)을 계산하였다. 경도 시험은 비커스 경도 시험기(FM-800, Future-Tech Corp., Japan)를 이용하여 표면부로부터 1 mm 간격마다 하중 500 gf 하에서 유지시간 15초로 실시하였다.

한편 공정조건과 직경에 따라 달리 제조된 철근 시편들의 인장 특성을 평가하기 위해 본 연구에서 는 KS B 0801 표준 인장 시편 규격에 따라 기계적 가공없이 표점 거리를 각 철근 시편 직경의 8배, 물림 간격을 표점 거리에 직경의 2배를 더한 길이를 표시한 후, 100톤 용량의 만능재료시험기를 이용하여 KS B 0802 표준 인장 시험 규격에 따라 인장 시험을 실시하였다. 인장 시험에 따른 응력-변형률 곡선으로부터 얻은 항복 강도는 연속 항복 거동을 보인 경우 0.2 % 상쇄한 유동응력을 항복 강도로 하고, 불연속 항복 거동을 보인 경우 상부 항복점을 항복 강도로 규정하였다. 또한 인장 강도, 항복비 및 균일 연신율을 측정하여 미세조직과 인장 특성의 상관관계를 고찰하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 미세조직

철근과 같은 철강 재료의 미세조직은 화학 조성과 제조공정에 따라 결정되기 때문에 먼저 본 연구 에서 사용된 템프코어 공정을 이해하는 것이 중요하다. 일반적으로 템프코어 공정은 열간 압연 이후 수냉 처리하는 공정으로 표면부에는 마르텐사이트 조직이 형성되고, 이후 공냉 과정에서 표면부의 마 르텐사이트 조직이 중심부의 잠열(latent heat)로 인해 템퍼링되어 템퍼드 마르텐사이트 조직이 형성된다. [14]. Fig. 1에 템프코어 제조 공정과 이에 따른 미세 조직 변화를 도식화하여 나타내었다.

Fig. 1 Schematic diagram of TempCore process used for the fabrication of high-strength reinforced steel bars

본 연구에서 사용된 철근 시편의 중심부와 표면부의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 결과를 Fig. 2 에 나타내었다. 세 시편 모두 표면부에 템퍼드 마르 텐사이트 조직이 형성되었는데, 이는 앞에서 설명한 바와 같이 템프코어 공정에 의해 표면부에 마르텐 사이트 조직이 형성된 후 중심부의 잠열로 인해 템퍼링되었기 때문이다. 중심부의 경우 D13 시편에서는 전형적인 페라이트와 시멘타이트(cementite) 층상 구조로 이루어진 펄라이트가 관찰되었다. 반면 D10 및 D16 시편의 중심부에는 베이나이트(bainite) 조직이 형성되었는데, 이는 Table 1에서 확인할 수 있듯이 템프코어 공정 조건의 차이 때문이다.

Fig. 2 Optical micrographs of the reinforced steel bars fabricated by TempCore Process. Microstructure was observed on the surface and center regions of the steel bars

D10 시편과 D16 시편에서는 공통적으로 중심부에 베이나이트 조직이 형성되었지만, 주사전자현미경 (SEM)을 통해 자세하게 관찰해본 결과 두 시편의 차이점을 확인할 수 있었다. Fig. 3을 보면, 중심부에서 D10 시편의 베이나이트 조직은 침상형으로 더 미세한 것으로 확인되었다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 템프코어 공정 중 공급되는 수량이 가장 많고 균등화 온도가 가장 낮아 결정립 성장이 억제되며, 열간 압연시 다른 시편들보다 압하량이 상대적으로 크기 때문이다.

Fig. 3 SEM micrographs of the reinforced steel bars fabricated by TempCore Process. Microstructure was observed on the surface and center regions of the steel bars

한편 철근 시편의 경화층 두께와 템퍼드 마르텐 사이트 분율(V_TM)을 측정하기 위하여 시편의 단면을 실체현미경으로 관찰한 사진을 Fig. 4에 나타내었다. 경화층 두께는 에칭된 단면의 명암이 교차되는 지점으로부터 실체현미경의 측정 프로그램을 사용하여 계산하였고, 이를 통해 템퍼드 마르텐사이트 분율을 구하였다(Table 2). 세 철근 시편에서 공통적으로 표면부는 어둡게, 내부는 밝게 관찰되었다. 어두운 영역은 템퍼드 마르텐사이트 조직이 형성된 영역이고, 비교적 밝은 영역은 페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트 조직이 형성된 영역이다. 경화층 두께 측정 결과 세 철근 시편 중에서 D16 시편이 1.32 mm 로 가장 높은 값을 나타내지만, 전체 직경에 대한 템퍼드 마르텐사이트 분율은 D10 시편과 D16 시 편이 약 30 %로 비슷한 값을 보였다. 일반적으로 경화능에에 영향을 미치는 인자에는 첨가되는 합금원소, 오스테나이트 결정립 크기와 공정 조건이 있다. 본 연구에 사용된 세 철근 시편들은 조성이 모두 동일하기 때문에 경화능에 영향을 준 변수로는 오스테나이트 결정립 크기와 공정 조건을 생각할 수 있다. 먼저 D16 시편의 경우 상대적으로 작은 압하량으로 인한 큰 오스테나이트 결정립 크기와 냉각이 충분히 진행되도록 하는 느린 압연 속도의 영향으로 인해 경화층 두께와 템퍼드 마르텐사이트의 분율이 높게 측정되었다. D10 시편의 경우 압연 속도가 가장 빠르지만 세 시편 중 공급되는 수량이 가장 많았기 때문에 D16 시편과 템퍼드 마르텐사이트 분율이 비슷하게 측정되었다.

Fig. 4 Photographs of the cross-section of the reinforced steel bars. The volume fraction of tempered martensite (VTM) was determined from hardenability depth (dh) corresponding to the average thickness of relatively dark regions in each steel bar. In the photographs, relatively dark regions are hardened regions indicating the formation of tempered martensite

Table 2 Mechanical properties of the reinforced steel bars investigated in this study

3.2 경도 특성

본 연구에서 사용된 세 철근 시편에 대하여 표면부에서 중심부 방향으로 1 mm 간격을 기준으로 측 정한 경도 결과를 Fig. 5와 Table 2에 나타내었다. 세 시편 모두 표면부는 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 인해 약 330 ~ 350 Hv의 경도를 보였고, 중심부에 가까워질수록 템퍼드 마르텐사이트보다 비교적 연한 조직의 형성으로 인해 경도가 낮아지는 경향을 나타내었다.

Fig. 5 Hardness as a function of location of the reinforced steel bars

세 철근 시편의 경도 차이를 살펴보면(Fig. 5), 표면부와 중심부 모두 D10 시편의 경도가 가장 높았다. 일반적으로 템퍼드 마르텐사이트의 경도가 탄소의 함량 및 템퍼링 온도에 크게 의존하기 때문에 D10 시편의 표면부는 자체 템퍼링 온도, 즉 균등화 온도가 500 ^oC 이하로 가장 낮아 실제로 높은 경도를 나타내었다. 표면부와 마찬가지로 D10 시편의 중심부는 상대적으로 많은 수량과 낮은 균등화 온도로 인해 미세한 침상형 베이나이트 조직이 형성되어 가장 높은 경도를 나타내었다.

3.3 인장 특성

본 연구에서는 세 철근 시편의 전체적인 인장 곡선과 항복점 구간을 확대한 인장 곡선을 Fig. 6에 나타내고, 그 결과를 Table 2에 정리하였다. 먼저 세 시편의 항복 거동을 살펴보면(Fig. 6(b)), D10 및 D16 시편은 연속 항복 거동을, D13 시편은 불연속 항복 거동을 나타내었다. 일반적으로 불연속 항복 거동에 의한 항복점 현상은 인장 시험 간 재료 내부의 전위와 페라이트 내의 용질 원자와의 상호작용에 의한 것으로 알려져 있다[15,16]. 따라서 D13 시편은 적은 수량으로 인해 중심부에 형성된 페라이트-펄라이트 조직 중 페라이트 내 전위와 용질 원자의 상호작용으로 인해 불연속 항복 거동이 나타나며, D10 및 D16 시편은 비교적 많은 수량과 낮은 균등화 온도로 인해 중심부에 베이나이트가 형성됨으로써 높은 전위밀도로 인해 연속 항복 거동을 나타난 것으로 생각된다.

Fig. 6 (a) Engineering stress-strain curves and (b) enlarged engineering stress-strain curves corresponding to the dashed box of the (a) engineering stress-strain curves for the reinforced steel bars

세 철근 시편의 인장 특성을 비교해보면(Fig. 6(a)), D10 시편의 항복 및 인장 강도는 각각 851 MPa, 1018 MPa로 가장 높은 것으로 확인되었다. 일반적으로 항복 강도는 초기 미세조직의 영향을 크게 받는데, 결정립이 미세하거나 베이나이트와 마르텐사이트 같은 경한미세조직의 분율이 높을수록 그 값이 증가한다. 따라서 D10 시편의 경우 가장 많은 수량 및 낮은 균등화 온도로 인해 표면부에는 고경도를 갖는 템퍼드 마르텐사이트의 분율이 증가되었고, 중심부에는 침상형 베이나이트 조직이 형성되었기 때문에 항복 강도가 가장 높았다. 또한 가장 많은 압하량으로 인해 미세해진 오스테나이트 결정립 크기도 항복 강도에 영향을 준 것으로 생각된다.

한편 인장 강도는 항복 이후 가공경화의 영향을 크게 받는데, 펄라이트, 베이나이트 및 마르텐사이 트와 같은 경한 조직의 분율이 높을수록 가공경화가 잘 일어나며, 기지와 부정합을 이루는 석출물도 높은 가공경화를 일으켜 인장 강도를 증가시키는 것으로 알려져 있다 [17,18]. D10 시편의 경우 인장 강도는 높지만 항복비는 낮은데, 이는 낮은 균등화 온도로 인해 바나듐 석출물이 충분히 형성되지 않아 가공경화가 크지 않기 때문으로 생각된다. 반면 D13 시편은 균일 연신율이 5.5 %로 가장 높은데, 이는 경화층의 두께가 얇고, 중심부에는 연한 상인 페라이트의 분율이 높아 상대적으로 전위의 슬립에 의한 소성변형이 잘 일어나기 때문이다.

본 연구에서는 서로 다른 템프코어 공정 조건에 따라 제조된 세 철근의 인장 특성을 비교해본 결과 700 MPa 이상의 항복 강도를 갖는 고강도 철근을 제조할 수 있었지만, 일부 철근은 높은 항복비와 높은 균일 연신율과 같이 내진 철근에서 요구하는 변형능 특성을 만족하지 못하였다. 따라서 향후 우수한 변형능 특성을 갖는 800 MPa급 이상의 초고강도 내진 철근을 개발하기 위해서는 합금원소의 첨가와 함께 템프코어 공정 조건과 미세조직이 인장 특성에 미치는 영향에 대한 체계적인 검토와 연구가 더욱 필요할 것으로 생각된다.

4. 결론

본 연구에서는 템프코어 공정 조건과 직경이 다른 3종류 고강도 철근 시편의 미세조직을 분석하고, 경도 및 인장 시험을 실시한 후 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 모든 철근 시편들은 템프코어 공정을 통해 제조되었기 때문에 표면부의 경우 템퍼드 마르텐사이 트 조직이 관찰되었다. 그러나 중심부의 경우 D13 시편에서는 페라이트-펄라이트 조직이 형성된 반면, 비교적 많은 수량과 낮은 균등화 온도를 통해 제조된 D10 및 D16 시편에서는 베이나이트 조직이 관찰되었다.

(2) 철근 시편의 단면을 관찰한 결과 D13 시편은 경화층 두께와 템퍼드 마르텐사이트 분율이 가장 작았고, D10 및 D16 시편은 비슷한 값을 보였다. 이는 압하량의 차이, 압연 속도 및 수량 등이 시편의 경화능에 영향을 주기 때문이다.

(3) 철근 시편의 위치에 따른 경도 분석 결과 세 시편 모두 표면부에는 템퍼드 마르텐사이트 조직이, 중심부에는 보다 연한 조직이 형성되어 표면부에서 중심부로 갈수록 경도가 감소하였다. D10 시편은 모든 위치에서 가장 높은 경도를 나타냈는데, 이는 압하량의 차이와 함께 많은 수량과 낮은 균등화 온도로 인해 상대적으로 미세한 조직이 형성되었기 때 문이다.

(4) 항복 강도의 경우 압하량, 수량 및 균등화 온도의 차이로 인해 미세한 침상형 베이나이트 조직 과 높은 분율의 템퍼드 마르텐사이트가 형성된 D10 시편이 가장 높았다. 반면 D13 시편은 항복비와 균일 연신율이 모두 높았는데, 이는 적은 수량과 높은 균등화 온도로 인해 바나듐 석출물의 형성과 함께 연한 조직인 페라이트가 상대적으로 많이 형성되었기 때문으로 생각된다.

후기

This work was supported by the Technology Innovation Program (Grant No. 10063488) funded by the Ministry of Trade, Industry and Energy (MOTIE), Korea. The authors would like to thank Mr. Bo-Sung Kim of Daehan Steel for the supply and tensile test of reinforced steel bars.