현대 철근 생산에서는 압연 공정 중 담금질(quenching)과 템퍼링(tempering) 기술을 적용하여 고강도 철근을 제조합니다. 이 기술로 생산된 철근을 TMT(열기계처리, Thermo-Mechanically Treated) 철근이라고 합니다.
TMT 철근은 일반 저탄소강으로 제작되며, 항복강도, 연성, 탄소 또는 탄소 당량, 항복-인장 비율 등으로 규격화됩니다. 최대·최소 탄소 함량 규정은 용접성과 경화능을 보장하기 위함입니다. 탄소 함량이 너무 낮으면 경화능이 부족해 더 강력한 담금질이 필요하며, 이는 압연기 속도와 냉각 챔버의 길이·효율 등 설비 설계에 영향을 줍니다. 탄소 0.13~0.24%, 탄소 당량(CE) 0.48% 미만인 강재가 용접성, 경화능, 강도 균형을 가장 잘 만족하는 것으로 입증되었습니다.
TMT 철근은 콘크리트 구조물 보강에 이상적인 소재입니다. 열팽창 계수가 콘크리트와 유사하고, 콘크리트와의 부착 성능이 우수하며, 구조물에 작용하는 최대 인장 응력을 견딜 수 있습니다. 건설 산업의 핵심 자재일 뿐만 아니라, 일반 가공 작업(굽힘, 가공, 용접)에도 고품질 소재로 널리 쓰입니다.
TMT 철근 생산은 고강도 철근을 경제적으로 제조하는 방법입니다. 냉간 뒤틀림 변형(CTD) 철근과 비교할 때, 기계적 뒤틀림 공정 비용이 절감되며 특히 소구경 철근에서 이점이 큽니다. 합금 원소 소요량 감소, 오프그레이드 열·제품 감소, 재고 비용 절감 등 부가적 이점도 있습니다. 비용 증가 요인은 담금질 설비 설치·운영과 관련된 압연 작업뿐입니다.
대표적인 두 공법은 Tempcore 공법과 Thermex 공법입니다. Tempcore는 1970년대 벨기에 CRM(Centre de Recherche Metallurgiques)이 연강 빌릿으로부터 고항복강도 용접 가능 철근을 제조하기 위해 개발했습니다. Thermex는 독일 헨니히스도르퍼 슈탈 엔지니어링(HSE)이 같은 시기에 개발·상표화한 공법입니다.
TMT 철근 생산은 열기계처리(thermo-mechanical processing) 원리에 기반합니다. 이는 소성 변형 공정과 열처리, 수냉, 가열, 다양한 속도의 냉각 등 열 공정을 단일 공정으로 통합한 야금 공정입니다. 냉간 뒤틀림으로 제조되는 토스틸(Torsteel) 철근과 달리, 열기계처리 기법으로 고강도를 부여합니다. 철근 강도는 표면의 템퍼드 마르텐사이트층에서, 연성은 심부의 페라이트-펄라이트층에서 나옵니다.
열기계처리는 철근 표면을 경화 조직(마르텐사이트)으로 전환한 뒤, 상온 냉각 과정에서 뜨거운 심부의 열이 표면으로 전달되어 마르텐사이트층을 자체 템퍼링(self-tempering)시킵니다. 그 결과, 표면부에는 템퍼드 마르텐사이트, 그 안쪽에는 펄라이트와 베이나이트 전이층, 심부에는 미세 입자 페라이트-펄라이트로 구성된 독특한 복합 미세조직이 형성됩니다(그림 1). 이처럼 담금질과 자체 템퍼링으로 생산되므로 '담금질 자체 템퍼링(QST) 철근'이라고도 부릅니다.
두 공법 모두 위 원리를 따릅니다. Tempcore는 담금질 박스 내부를 물이 한쪽에서 다른 쪽으로 흐르는 방식이고, Thermex는 담금질 박스에서 열간 압연봉에 물을 분사하는 방식입니다. 연속 냉각 변태(CCT) 다이어그램상 공정 개략도는 그림 2와 같습니다.
열기계처리는 가열된 강편을 압연기에서 최종 치수·형상으로 압연한 뒤 수행됩니다. 주요 조작 변수는 압연 종료 온도, 냉각 속도, 급냉 시간, 강재 화학 성분입니다. 공정 흐름(그림 2)은 다음 세 단계로 진행됩니다.
철근이 최종 압연 스탠드를 떠나는 즉시 시작됩니다. 냉각 설비에서 물을 이용해 철근 표면을 급속·강력하게 냉각하여 표면 경화를 유도합니다. 냉각 설비의 효율은 철근 표면 냉각 속도가 마르텐사이트 생성 임계 속도보다 높도록 충분해야 합니다. 이 단계가 끝나면 철근 미세조직은 오스테나이트 심부를 마르텐사이트-오스테나이트 혼합층이 감싼 상태가 됩니다. 요구 두께의 마르텐사이트층을 얻는 것이 이 단계의 목적입니다.
철근이 수냉 구역(담금질 박스)을 나와 공냉 구역으로 이동하면 시작됩니다. 이때 심부 온도가 표면보다 높아 열이 심부에서 표면으로 흐르며 1단계에서 형성된 마르텐사이트층을 템퍼링합니다. 심부의 잔열을 이용해 표면 마르텐사이트층을 자체 템퍼링하는 것입니다(이 단계에서 Tempcore라는 이름이 유래: 'TEMPered by the CORE'). 심부는 아직 오스테나이트 상을 유지합니다. 템퍼링 과정은 적절한 연성을 보장하면서 높은 항복강도를 유지시킵니다.
냉각 베드에서의 자유 냉각 중 발생합니다. 심부의 오스테나이트가 연성인 페라이트와 펄라이트 조직으로 변태합니다. 결과적으로 TMT 강철근은 동심원으로 배치된 경질 외층, 연질 심부, 중간 경도의 전이층으로 구성된 복합 소재가 됩니다.
최종 조직은 표면의 강한 템퍼드 마르텐사이트층과 심부의 연성 페라이트-펄라이트층으로 이루어져, 강도와 연성을 동시에 갖는 독특한 특성을 부여합니다. 구조 구성요소의 형태는 강재 화학 성분, 철근 직경, 냉각 시간과 효율에 따라 달라집니다.
위 공정으로 생산된 TMT 철근은 CTD 철근보다 우수한 특성을 나타냅니다.
TMT 철근의 대표적인 부식 단면 에칭 사진은 세 가지 야금 영역을 보여줍니다. 마르텐사이트 형태의 얇은 판상 패킷 형태인 템퍼드 마르텐사이트가 경화층을 특징짓고, 베이나이트와 다각형 페라이트 혼합물이 중간 경화층을, 다각형 페라이트와 펄라이트가 심부에서 발달합니다. 공정상 비교적 빠른 심부 냉각과 열기계처리 덕분에 미세조직은 일반적으로 미세합니다.
마르텐사이트층이 두꺼우면 담금질 시 잔열이 적어 템퍼링이 약해지고, 항복강도는 높아지나 신율은 낮아집니다. 공정 파라미터와 강재 성분이 최종 특성을 결정합니다. 담금질 시간 연장, 마무리 온도 저하, 담금질 강도 증가는 마르텐사이트층을 두껍게 하고 템퍼링 온도를 낮춥니다. 탄소와 망간 함량 증가는 강재 경화능을 높여 마르텐사이트 생성을 촉진하며, 탄소 함량 증가에 따라 템퍼드 마르텐사이트 강도도 상승합니다.
TMT 철근의 대표적 항복강도 범위는 415~550 N/mm²이며, 5d 게이지 길이 기준 신율은 같은 순서로 30%~25%입니다. 항복 응력과 인장 강도 비율은 약 0.85입니다.
담금질-템퍼링 공정으로 생산된 철근의 주요 장점:
제조공정
철근(Rebar) 생산을 위한 템프코어(Tempcore) 공정은 열간 압연된 철근이 압연기의 최종 압연 스탠드(Stand)에서 나온 직후 물로 표면을 집중적으로 담금질(Quenching)하고, 이후 공랭 과정에서 코어(Core)에 남아 있는 열이 방출되면서 담금질된 표면층이 셀프 템퍼링(Self-tempering)되는 특허 공정입니다. 템프코어 공정은 1970년대 초 벨기에 리에주(Liege)의 금속학 연구 센터(Centre de Recherche Metallurgiques, CRM)에서 개발된 열기계적 공정 중 하나로, 미세 합금
고강도 철근의 생산과 특성 지난 몇십 년간 철근콘크리트 구조물에는 대부분 항복강도 415MPa(415N/mm²) 철근이 보, 거더, 기둥에 쓰였고, 특수 모멘트 저항 골조에 속하지 않는 기둥에는 간혹 500MPa급이 사용되었습니다. 하지만 현재는 고층 콘크리트 건물과 내진 설계가 중요한 구조물에서 415MPa급을 대체해 고강도 철근이 널리 쓰이고 있습니다. 이는 지진 하중에 효과적으로 대응하기 위함입니다. 일반적으로 고강도 철근은 항복강도(YS) 500MPa 이상인 철근으로 정의됩니다. 일본에서는 내진 부재에 항복강도 690MPa급
