KR100240990B1 - 저온인성이 우수한 고강도 페라이트계 망간강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액화 천연가스(LNG)의 대형 저장탱크 및 수송설비에 사용되는 페라이트계 망간강의 제조방법에 관한 것으로 망간망의 합금성분과 열간압연 과정을 제어하여 결정립을 미세화시킨 후 바로 뜨임 처리를 실시하여 오스테나이트를 잔류시킴으로써, 저온인성이 우수할 뿐만 아니라 반복열처리 공정을 생략한, 보다 경제성이 있는 망간강의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 페라이트계 망간강을 제조하는 방법에 있어서, 중량%로, C:0.003-0.1%, Si:0.05-0.5%, Mn:8-14%, Al:2-3.5%, Mo:0.05-0.6%, P:0.02% 이하, S:0.01% 이하, 나머지 : Fe 및 기타 불가피한 원소로 조성되는 페라이트계 망간강을 700-900℃의 온도범위에서 20% 이상의 압하율로써 마무리 열간압여하고, (As-100℃)-As의 온도범위에서 뜨임처리하는 것을 포함하여 이루어지는 저온인성이 우수한 고강도 페라이트계 망간강의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

저온인성이 우수한 고강도 페라이트계 망간강의 제조방법

제1도는 비교강과 발명강의 열간압연 및 열처리 과정을 비교한 개략도로서,

(a)도는 비교강의 경우.

(b)도는 발명강의 경우.

제2도는 비교강의 열간압연후 뜨임처리 조직 및 반복 열처리후 미세조직을 나타낸 사진.

제3도는 발명강을 열간제어 압연하여 뜨임처리한 후의 조작을 나타낸 사진.

제4도는 비교강을 반복 열처리한 후와 발명강을 열간제어 압연한 후 550℃에서 뜨임처리한 경우, 뜨임시간에 따른 잔류 오스테나이트 함량의 변화를 나타낸 그래프.

제5도는 비교강을 반복 열처리한 후와 발명강을 열간제어압연한 후 550℃에서 뜨임처리한 경우, 뜨임시간에 따른 액체질소온도(-196℃)에서의 샤르피 브이-노치(Charpy V-notch) 충격인성을 나타낸 그래프.

본 발명은 액화천연가스(LNG)의 대형저장 탱크 및 수송설비에 사용되는 페라이트(ferrite)계 망간(Mn)강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온인성이 우수한 고강도 페라이트계 망간강의 제조방법에 관한 것이다.

현재 액화천연가스의 용기로 사용되고 있는 9% 니켈(Ni)강은 값이 비싼 니켈을 다량 함유하고 있으므로 이를 값이 싼 망간으로 대체하려는 노력이 진행되어 왔다. 그러나 니켈을 망간으로 대체할 때는 저온에서의 인성 감소가 나타나는 바, 이는 니켈강에서와는 달리 망간강에서는 ε-마르텐사이트(ε-martensite)가 석출되기 때문에 니켈강에서 저온인성 향상방법으로 이용되는 결정립의 미세화와 오스테나이트(austenite)의 잔류에 장애가 되기 때문이다.

이러한 ε-마르텐사이트의 석출을 억제하기 위해서는 알루미늄(Al)의 첨가가 효과적이라고 알려져 있으며, 이러한 사실을 이용하여 본 발명자는 대한민국특허 제 60754 호에 12.7%의 망간강에 2.7%의 알루미늄(Al)을 첨가하여 ε-마르텐사이트의 석출을 억제시킨 후 반복열처리를 이용하여 결정립을 미세화시키고, 오스테나이트와 페라이트 2상영역에서의 뜨임처리로 오스테나이트를 잔류시킴으로써 저온인성이 우수한 페라이트계 저온용강을 제안한바 있다.

그러나 N에 대한민국특허 제 60754 호의 페라이트계 망간강의 제조방법은, 우수한 저온인성을 얻을 수있음에도 불구하고 결정립 미세화 과정으로서 열간압연후에 반복 열처리 과정이 추가로 도입됨에 따라 니켈을 망간으로 대체한 경제성을 상당히 상실한 단점이 있다.

이에, 본 발명자는 상기한 대한민국 특허 제 60754 호의 문제점을 개사하기 위하여 연구와 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 상기한 대한민극 특허 제 60754 호의 망간강과 유사한 화학조성을 갖는 망간강에 있어서, 열간압연 과정을 제어하여 결정립을 미세화시킨 후 바로 뜨임처리를 실시하여 오스테나이트를 잔류시킴으로써, 저온인성이 우수할 뿐만 아니라 반복열처리 공정을 생략한, 보다 경제성이 있는 망간강의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 페라이트계 망간강을 제조하는 방법에 있어서, 중량%로, C:0.003-0.1 %, Si:0.05-0.5%, Mn:8-14%, Al:2-3.5%, Mo:0.05-0.6%, P:0.02% 이하, S:0.01% 이하, 나머지 : Fe 및 기타 불가피한 원소로 조성되는 페라이트계 망간강을 700-900℃의 온도범위에서 20% 이상의 압하율로써 마무리 열간압연하고, (As-100℃)-As의 온도범위에서 뜨임처리하는 것을 포함하여 이루어지는 저온인성이 우수한 고강도 페라이트계 망간강의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 우선 강을 상기와 같이 조성함이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다.

탄소(C)는 함량이 높을수록 강도는 증가되나, 저온인성을 해치고 용접성에도 나쁘므로 그 함량은 0.003-0.1%로 제한함이 바람직하다.

규소(Si)는 통상 탈산제로 첨가하나, 본 발명에서는 Mn과 Al 등 탈산역할을 하는 원소가 다량 첨가되므로 첨가할 필요는 없다. 이 원소는 항복강도는 증가시키지만 충격천이온도를 높히고 용접성을 해치므로 그 함량은 0.05-0.5%로 제한함이 바람직하다.

망간(Mn)은 강에서 템퍼취성을 야기하고, 또한 8% 이상 첨가되면 ε-마르텐사이트의 석출을 조장하나, 본 발명에서는 알루미늄을 첨가하여 이를 억제하는 조건하에서, 뜨임처리에 의한 오스테나이트의 잔류량을 충분히 하기 위하여 그 함량은 8-14%로 제한함이 바람직하다. 망간이 8% 보다 적으면 열처리후의 잔류 오스테나이트 양이 적어서 저온인성의 향상을 기대할 수 없고, 14% 보다 많으면 압연판 상태에서 오스테나이트가 잔류하여 이후의 뜨임처리에서 잔류 오스테나이트의 양이 너무 많아 항복강도가 너무 작아지는 문제가 있기 때문이다.

알루미늄(Al)은 망간강에 첨가될 때 오스테나이트의 적층 결함에너지(Stacking fault energy)를 높혀서 ε-마르텐사이트의 석출을 억제하는 중요한 원소로서 그 함량은 2-3.5%로 제한함이 바람직하다. 망간이 8-14% 첨가된 강에서 2% 이상의 알루미늄이 첨가되면 ε-마르텐사이트의 석출이 완전히 억제되어 통상의 α-마르텐사이트가 생성된다. 한편 알루미늄이 3.5% 이상 첨가되면 통상의 재가열 압연과정에서 α-마르텐사이트 외에 δ-상이 석출하여 인성을 해치게 되기 때문이다.

몰리브덴(Mo)은 뜨임취성(Temper embrittlement)을 방지하는 목적으로 첨가한다. 망간이 많이 첨가되면 475-580℃ 구간으로 가열할 때 결정립계가 취약해지는 일반적인 뜨임취성 경향이 생기므로 그 억제원소로서 몰리브덴을 첨가한다 그러나, 너무 많이 첨가되면 기지를 강화시켜 충격인성을 해치므로 첨가량은 0.05-0.6% 범위로 제한함이 바람직하다.

인(P) 및 황(S)은 충격인성에 특히 나쁜 원소들로서 함량이 낮으면 낮을수록 좋으나 제강과정에서 피할 수 없는 원소이므로 물성에 해로운 영향을 끼치지 않도록 P는 0.02% 이하, S:0.01% 이하로 제한함이 바람직하다.

본 발명에서는 상기와 같이 페라이트계 망간강을 조성한 후 이를 가열한 후, 700-900℃에서 30-50%의 압하율로써 마무리 압연하는 열간제어압연을 실시한 후 냉각시킴이 바람직한데 그 이유는 다음과 같다.

최종 열간제어압연 온도를 900℃ 이상으로 하면 오스테나이트의 재결정립이 크고 또한 재차 성장하므로 미세한 결정립을 얻기 어렵고, 반면 700℃ 이하로 하면 미세한 조직을 얻는 데에는 유리하지만 열간압연시에 재료에 균열이 발생하기 쉽다. 따라서 마무리 압연온도는 700-900℃의 온도범위로 하는 것이 좋다. 한편 압하율을 20% 이하로 하면 오스테나이트가 미세하게 되기 어려우므로 압하율은 20% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 열간제어 압연후 냉각된 강판을 As 온도(Austenite forming-Start 온도 : 강을 가열할 때 오스테나이트가 생기기 시작하는 온도)보다 낮고(As-100℃)보다 높은 온도 범위로 뜨임 처리함이 바람직하다. 뜨임처리의 목적은 열간압연후의 냉각중에 생긴 마르텐사이트 기지(Matrix)를 연화시켜 인성을 좋게 하는 것과, 오스테나이트를 잔류시켜 이것에 의한 인성의 향상을 도모하기 위함이다. 여기서 As 온도 이하에서도 오스테나이트가 생기는 이유는, As 온도가 연속가열시에는 비평형 오스테나이트의 생성 시작온도인데 반해, 뜨임온도에서 유지될 경우에는 평형상태의 오스테나이트가 생기기 때문이다. 뜨임온도를 한정한 이유는, (As-100℃)보다 뜨임온도가 낮으면 기지의 연화도 적고 오스테나이트의 잔류량도 적어서 저온인성이 작아지기 대문이며, 뜨임온도가 As 온도 이상으로 높은면 잔류한 오스테나이트의 양은 많으나 잔류한 오스테나이트의 기계적 안정성이 부족하여 저온인성을 향상시키지 못하기 때문이다. 또한 뜨임온도가 너무 높으면 오스테나이트가 열적으로도 불안정하여 냉각중에 마르텐사이트로 변태하여 오스테나이트가 잔류하지 않는다.

이러한 뜨임처리시간은 잔류되는 오스테나이트가 충분한 양만큼 잔류하도록 해야하는데, 뜨임온도에 따른 오스테나이트 생성거동을 고려하여, 뜨임시간은 뜨임온도가 600℃ 보다 높으면 1시간 이상, 뜨임온도가 600℃ 보다 낮으면 4시간 이상 실시하는 것이 좋으며, 뜨임 처리에서 냉각방법은 수냉하여도 관계없고 공냉하여도 좋다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같은 화학조성을 갖도록 강을 제조하였다. 하기 표 1에서 비교강에 비하여 발명강의 경우, 규소(Si)와 몰리브덴(Mo)가 다소 많이 포함되어 있을 뿐 다른 원소의 성분은 거의 유사하다. 그리고 비교강은 본 발명자가 대한민국특허60754호에서 제안한 강이다.

[표 1]

상기와 같이 조성되는 비교강 및 발명강을 제1(a)도 및 제1(b)도와 같은 방법으로 열간압연한 다음, 그 결정립 사진을 비교강의 열간압연한 후 반복 열처리 없이 바로 뜨임처리한 경우의 결정립 조직을 제2(a)도에 나타내었다.

제1도는 비교강과 발명강의 열간압연과정 및 열처리 과정을 비교한 비교강의 경우 통상의 열간압연을 완료한 후에 반복열처리 과정과 뜨임과정을 거치고 있다. 그러나 발명강의 경우 열간압연 과정을 제어하여 미세한 결정립을 형성시킴으로서 비교강에서 결정립 미세화 과정으로 사용되고 있는 반복 열처리 과정을 생략하고, 뜨임처리 하였다. 발명강의 열간압연제어 과정을 자세히 살펴보면 1000℃ 에서의 압하율을 50%, 900℃에서의 압하율을 50%, 최종적으로 800℃에서의 압하율을 40% 하여 각 온도에서의 열간압연 패스는 1회씩만 하였다. 열간압연후의 결정립 크기는 열간압연 최종패스의 온도와 압하율에 가장 큰 영향을 받는 바, 본 발명에서는 최종 패스의 온도를 최대한 낮추고 압하율은 크게 하고자 하였다.

제2도는 비교강을 열간압연 후 바로 뜨임 처리한 경우와 반복열처리를 한 다음 뜨임처리한 경우의 결정립의 크기를 비교하였다. 제3도는 발명강을 제어열간압연 후 바로 뜨임 처리한 경우의 결정립 크기를 나타내었다. 제2도 및 제3도에서 알 수 있는 바와같이, 비교강을 열간압연 후 바로 뜨임처리한 (a)도의 경우 결정립 크기는 40㎛ 이상이었으나, 반복열처리후 뜨임처리한 (a)도의 경우 결정립 크기는 10㎛ 정도였다. 이에 반하여, 제3도에서 알 수 있는 바와같이, 발명강의 경우는 제어열간압연 후 결정립 크기가 20㎛ 정도로 비교강의 반복 열처리 후의 결정립보다는 크지만 열간압연후 직경 뜨임 처리한 (a)도의 경우의 결정립에 비해서는 작았다. 따라서 열간압연 과정을 제어함으로써 결정립 미세화에 이용되는 반복열처리 과정을 생략할 수 있음을 알 수 있다.

그리고 비교강을 열간압연 후 반복 열처리하고 500℃에서 뜨임 처리한 (b)도의 경우와 발명강을 열간제어 압연하고 500℃에서 뜨임 처리한 경우의 뜨임 시간에 따른 잔류 오스테나이트 관찰하고 그 결과를 제4도에, 그리고 뜨임시간에 따른 액체질소 온도(-196℃)에서의 샤르피 브이-노치(Charpy V-notch)충격치 변화를 관찰하고 그 결과를 제5도에 나타내었다.

제4도에서 알 수 있는 바와같이, 비교강의 경우 16시간 가열후면 잔류오스테나이트 함량이 40% 정도가 되어 가열시간이 길어져도 더 이상 증가하지 않지만 발명강의 경우는 64시간 까지 가열하여야 잔류 오스테나이트 함량이 40% 정도에 이르고 가열시간이 길어져도 더 이상 증가하지 않는다. 이렇게 잔류오스테나이트의 함량이 증가하지 않는 포화점에 도달하는 시간이 차이나 나는 것은 비교강과 발명강의 결정립 크기의 차이에 따른 것으로, 오스테나이트와 페라이트 이상영역에서 뜨임처리시 결정립 크기가 작을수록 오스테나이트 석출위치로 작용하는 결정립계가 많기 때문에 석출속도가 빠르게 된다.

제5도에서 알 수 있는 바와같이, 발명강의 경우 충격치는 제4도에서 나타난 오스테나이트 석출양상과 유사하게 변하는 것을 알 수 있는 바, 비교강에 비하여 발명강의 충격치가 다소 작은 값을 갖는다. 이는 비교강에 비하여 발명강이 기지강화원소인 규소와 몰리브덴의 함량이 높기 때문으로 생각된다. 이로부터 재료의 충격인성이 잔류오스테나이트의 부피분율과 밀접한 관계를 가지고 있음을 알 수 있다.

또한, 발명강과 비교강의 기계적 성질을 확인하기 위하여 비교강 및 발명강을 제1(a)도 및 제1(b)도와 같은 방법으로 열간압연 한 후 하기 표 2와 같은 조건으로 뜨임처리를 한 다음, 이의 -196℃에서의 기계적 특성을 평가하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

[표 2]

상기 표 2는 비교강과 발명강의 액체질소온도(-196℃)에서의 충격인성과 인장실험 결과를 나타낸 것으로, 제2도에서 알 수 있는 바와같이, 뜨임시간이 길어질수록 충격치의 증가와 함께 항복강도의 감소가 나타나고 있음을 알 수 있는데 이는 오스테나이트 함량의 증가에 따른 것이다. 잔류 오스테나이트 함량이 40% 정도로 비슷한 발명예(1-3)중 64시간 뜨임처리한 발명예(3)의 시편과 비교강을 16시간 뜨임처리한 비교예(1) 시편의 기계적 성질을 비교하여 보면 충격치는 발명예(3)이 적지만 항복강도는 약간 큰 것을 알 수 있다.

이와같이 발명강이 비교강에 비하여 결정립 크기가 큼에도 불구하고 항복강도가 크게 나타나는 것은 발명강이 비교강에 비하여 규소와 몰리브덴의 함량이 높기 때문이다.

상술한 바와같이, 본 발명은 기존의 저온용 페라이트계 망간강에서 결정립 미세화를 위해 도입하였던 열간압연후의 반복열처리를 생략하고, 그 대신 열간압연 과정을 제어함으로써 반복 열처리와 유사한 결정립 미세화 효과를 얻어 그 후의 뜨임 처리로 오스테나이트를 잔류시켜 저온인성이 우수한 고강도의 페라이트계 망간강의 제조방법을 제시할 수 있어, 고가의 니켈강을 망간강을 대체하고 복잡한 제조공정을 단순화시킴으로써 제조원가를 대폭 절감하는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 페라이트계 망간강을 제조하는 방법에 있어서, 중량%로, C:0.003-0.1%, Si:0.05-0.5%, Mn:8-14%, Al:2-3.5%, Mo:0.05-0.6%, P:0.02% 이하, S:0.01% 이하, 나머지 : Fe 및 기타 불가피한 원소로 조성되는 페라이트계 망간강을 700-900℃의 온도범위에서 20% 이상의 압하율로써 마무리 열간압연하고, (As-100℃)-As의 온도범위에서 뜨임처리하는 것을 포함하여 이루어지는 저온인성이 우수한 고강도 페라이트계 망간강의 제조방법.