강재의 열처리 및 용접성, 구조용 강재의 종류 및 특징

강재의 열처리 및 용접성

 

1. 강재의 열처리

1) 담금질(Quenching)

700~750℃ 정도의 온도로 강을 가열한 후 급랭하여 강의 조직을 변화시켜 강재의 강도와 경도를 향상시키기 위한 열처리를 말합니다. 담금질에 의해 강의 강도와 경도는 증가하지만 연성은 감소합니다.

2) 뜨임(Tempering)

담금질에 의해 생긴 강재의 조직을 변화시켜 안정된 조직에 근접시키는 동시에 잔류응력을 감소시키는 것을 목적으로 적당한 온도(200~400℃)로 가열한 후 서서히 냉각시키는 열처리를 말합니다. 높은 강도는 그대로 유지하고 강재의 인성을 증가시키기 위하여 실시합니다.

 

2. 강재의 용접성

1) 개요

KS 규격품의 강재는 강재검사증명서(Mill Sheet)가 첨부되어 출하됩니다. 밀시트에는  화학성분 분석시험과 기계적 성질의 시험결과가 기재되어 있습니다. 밀시트에 기재된 화학분석치로부터 강재의 용접성을 추정할 수 있습니다. 강재의 용접성에 가장 큰 영향을  미치는 인자는 탄소량이며, 탄소량이 많아질수록 고강도 강재를 만들 수 있으나 용접성은 급격히 저하됩니다. 강재의 용접성을 평가하기 위해 탄소 이외의 원소도 탄소의 상당량으로 환산하여 합산한 값을  탄소 당량이라 합니다.

2) 특성

(1) 용접시공에서 용접재료의 선택 또는 예열이나 후열처리 등의 여부를 판단하는 기준으로서 널리 사용됩니다. 일반적으로 탄소성분이 높을수록 임계점에서의 냉각속도가 빠르므로 더욱 예열이 필요하며 저수소계 용접봉을 사용해야 합니다.

(2) 강재의 저온균열 감수성을 평가하는 데에도 이용됩니다.

(3) 구조용 강의 용접 열영향부의 경화성을 표현하는 척도로 사용되고 있습니다.

(4) 탄소당량값이 낮을수록 용접성이 좋아집니다.

(5) 용접강재의 경우 탄소당량값이 보통 0.44% 이하입니다. 구조용 강에서 탄소당량이 0.44%를 초과할 때는 규정된 예열을 실시하여야 합니다.

3) 산출식

Ceq = C + Mn / 6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Ni + Cu) / 15

 

3. 라멜라 티어링

압연강재는 제조특성상 압연방향과 그 직각방향, 그리고 압연의  두께방향에 따라 다른 특성을 가지게 됩니다. 탄성상태에서 압연방향과 그 직각방향은 거의 대등한 특성을 가지지만 압연두께 방향의 연신율은 압연방향에 비해 현저하게 떨어집니다. 특히 압연두께 방향으로 용접 등에 의해 수축이 발생하게 되면 압연의 결을 따라 찢겨짐 현상이 발생하는데 이를 라멜라 티어링이라 합니다.

 

 

구조용 강재의 종류 및 특징

 

1. 구조용 강재의 분류 및 특징

건축구조에서 일밙적으로 사용하는 구조용 강재의 표기법은 다음과 같습니다. 구조용 강재는 용접성과 항복강도 그리고 열처리 등으로 구분하고 있습니다. 예를 들어 SMA 355AW의 경우는 SMA는 용접구조용 내후성 열간압연강재를 나타내고,  355는 항복강도 355N/㎟, A는  샤르피 흡수에너지에 대해서 규정을 두지 않고 W는 녹안정화처리를 한 강재를 나타냅니다. 그리고 열처리 및 라멜라 테어링에 대해서는 별도의 표기를 하지 않고 있으므로 이러한 특성들에 대한 보증은 특별히 고려하지 않았음을 의미합니다. 

주요구조용  강재의 특징은 다음과 같습니다.

1) 일반구조용 압연강재(SS강재:Steel for Structure)

SS400등급은 그동안 가장  일반적으로 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 두께가 두꺼워지는 경우(약 25mm) 용접성에 문제가 발생되는 것으로 보고되어 왔으며 고강도강재의 필요성이 요구되는 근래에 와서는  점점 사용이 줄어들고 있습니다. 특히 SS315강재의 경우 용접성이 문제가 많아 현 기준에서도 용접되지 않는 곳에 사용되는 강재로 분류되어 있기 때문에 사용에 유의하여야 합니다.

2) 용접구조용  압연강재(SM강재:Steel for Marine)

SS강재의 용접성을 개선시키기 위해 원소함유량을 조절하여 탄소당량을 낮게 만든 강재입니다. 최근 SM355강재의 사용이 점차 늘고 있는 추세입니다. SM강재의 뒤에 붙는 A, B, C는 샤르피 충격에너지 등급을 나타내며, 반복하중을 받는 경우나 저온지역에 사용되는 강재의 경우 B 또는 C등급을 사용하는 것이 바람직합니다.

3) 건축구조용 압연강재(sN강재:Steel for New Structure) 및 건축구조용 열간압연강재(SHN강재)

SN강재 및 SHN강재는 일반 강재와는 다르게 건축구조에서만 사용하는 건축전용강재입니다. 대규모 지진 등의 자연재해가 발생되어 대형 건축물이 붕괴하는 경우 많은 인명의 손실이 발생되기 때문에 보다 품질관리가 엄격한 강쟁의 필요성이 대두되어 개발된 강재입니다. 주요 특징은 항복비를 제한하여 내진성능을 향상시켰으며, 용접성능을 강화시킨 강재입니다. 건축구조용 압연강재가 개발된 이유는 일반기계, 선박 등과 같은 설계에서는 탄성설계를 기본으로 하고 있으나, 건축물의 내진설계에서는 소성변형을 허용하는 설계를 할 수 있기 때문입니다. 소성변형을 허용하는 경우 탄성설계에서는 고려하지 않아도 되는 변형능력의 확보, 설계에서 의도한 변형능력의 실현 및 붕괴 메커니즘의 재현성 및 용접성 확보 등이 필요합니다. 다만, 건축구조용 압연강재(SN강) 뒤에 붙는  A, B, C는 샤르피 흡수에너지 등급으로 분류된 것이 아니며, 사용 부위에 의한 요구성능의 차이를 나타냅니다. 예를 들어 용접이 없고 소성변형성능도 요구하지 않는 보조부재에는 A종을,  주요구조부재 혹은 용접을 필요로 하는 부재에는 B종을, 다이어프램 등과  같이 판두께 방향의 특성도 요구되는 부재에는 C종을 사용하는 것이 바람직함을 나타냅니다. SN강재의 경우 포항제철에서 생산되는 판재의 강재이며, SHN강재의 경우 현대제철에서 생산되는 압연형강입니다. 

4) TMC(Thermo Mechanical Control) : 후판재의 성능개선을 위해 열가공 제어처리

두께가 40mm를 초과하는 강재는 두께 40mm 이하의 강재에 비해 강재표면과 내부의 냉각속도 차이가 크기 때문에 냉각과정에서 발생하는 잔류응력의 영향을 고려하여 항복강도를 낮게 설정하고 있습니다. 그러나 TMC강재의 경우는 열가공제어에 의해 생산하기 때문에 일반적으로 공랭 혹은 급랭을 하는 강재에 비해 40mm 이상의 강재에서도 잔류응력의 영향이 매우 작아집니다. 따라서 TMC강재의 경우는 두께 40mm 이상에서도 항복강도가 거의 저하되지 않으므로 두께 40mm 이하인 경우와 같은 항복강도를 사용할 수 있습니다.(1) 고강도를 유지하면서도 탄소당량이 낮아 용접성이 좋습니다.(2) 항복비가 낮아 내진성능이 좋습니다.(항복비 0.8 이하)(3) 강판의 두께가 40mm를 초과하는 경우에도 항복강도의 감소가 없습니다.(4) 후판재의 용접성을 개선시킬 수 있습니다.

5) 내후성강

강재를 바바람에 맟히면 수분.염분.아황산가스(이산화황) 등의 작용으로 부식하여 붉은 녹이 슬기 쉽습니다. 그러나 소량의 구리.인(燐).크롬 등을 강철에 첨가하면 이 원소들이 녹층(層)의 안쪽에 농축하여 밀착성이 높은 녹이 슬어, 보호피막의 역할을 하므로 강철이 부식하기 어렵습니다. 내후성 강은 부식에 효과가 있는 Cu, P, Cr  등을 첨가한 강재로서 내식성은 보통강재일 때보다 4~6배 정도 높습니다. 내후성 강재는 교량, 수문, 탱크용기, 철탑, 건물의 외장재 등으로 사용되며, 건물외장재 사용 시 표피에 발생되는 녹의 색을 그대로 외관에 이용한 것입니다. 내후성 강은 녹이  나지 않는 것이 아니라 보통 붉은 녹 밑에 특유한 흑갈색 녹이 발생하여 밑바탕 강재와 밀착됨으로써 붉은 녹이 더 깊이 침투하지 못하게 합니다.

6) 내화강

(1) 배경- 1871년 시카고 대화재에 의한 건축물 붕괴로 엄격한 내화규정이 만들어졌으며, 현재 일반적인 구조용 강의 경우 내화피복이 필요합니다.- 화재 시 온도는 1000℃ 정도이며, 3시간 내화성능을 위해 5cm 피복이 필요합니다.- 피복감소, 공기단축, 공간이용도 극대화를 위해 내화성능이 뛰어난 강재가 필요합니다.(2) 내화강의 특징- 일반 구조용 강과 상온에서의 용접성, 가공성 등은 동등합니다.- 항복비가  낮아 내진성이 우수합니다.- 크롬 및 몰디브덴 원소를 첨가하여 일반강에 비해 고온특성이 우수하고 600℃에서 상온규격강도의 2/3 이상 보증합니다.(3) 향후 전망내화강이 가격 경쟁력을 확보하는 경우, 피복의 경감 및 생략으로 공기단축 등이 가능하며, 건물의 유효공간 증대로 경제성을 확보할 수 있을 것으로 사료됩니다.