KR100276303B1 - 변형시효발생이 억제되는 파이프용 저탄소 냉연강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도금 및 파이프 제조용으로 사용되는 저탄소 냉연강판의 제조방법에 관한 것이며, 그 목적은 변형시효 발생이 억제되어 도금 후 파이프 제조 공정에서 가공불량이 없어 우수한 가공성 및 형상동결성을 갖는 파이프용 냉연강판의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 파이프용 냉연강판의 제조방법에 있어서, 중량%로 C:0.03-0.05%, Mn:0.20-0.45%, S:0.015-0.020%, P:0.02%이하, Si:0.01%이하, Al:0.05% 이하를 함유하고, 상기 S/C가 0.30-0.67의 조건 범위를 만족하고, 잔류 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어지는 알루미늄킬드강을 1100-1250℃의 온도범위에서 균질화처리하고, 900-950℃의 온도범위에서 마무리 열간압연한 다음 650-720℃의 온도범위에서 권취하고 이어 압하율 75-85% 범위로 냉간압연한 후 640-680℃의 재결정 온도범위에서 상소둔하고, 압하율0.5% 이하의 범위로 조질압연 하는 변효시효 발생이 억제되는 파이프용 저탄소 냉연강판의 제조방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

변형시효 발생이 억제되는 파이프용 저탄소 냉연강판의 제조방법

본 발명은 파이프 제조용으로 사용되는 저탄소 냉연강판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 변형시효 발생이 억제되어 도금 후 파이프 제조공정에서 가공불량이 없어 우수한 가공성 및 형상동결성을 갖는 파이프용 냉연강판의 제조방법에 관한 것이다.

종래의 파이프용 강판은 일반적 용도에는 저탄소 강판이 주로 사용되어 왔으며, 보일러의 순환파이프, 냉장고의 냉매파이프, 자동차의 유압파이프 등의 특수용도에는 동(銅)도금 처리를 한 저탄소 냉연강판이 주로 사용되어 왔다. 상기 동도금은 주로 전기도금방식으로 처리 하고 있으며, 이러한 전기도금 과정에서는 온도증가가 거의 없기 때문에 강판의 재질변화가 거의 일어나지 않는다.

한편, 최근 들어 상기 전기도금 방식에 비해 더욱 균일한 도금층 및 도금층 밀착강도를 얻을 수 있고 도금설비를 획기적으로 축소할 수 있는 진공증착 도금방식이 개발 되어 차세대 기술로서 각광 받고 있다, 그러나, 상기 진공증착도금방식은 도금특성은 우수한 반면 도금 소재가 500℃정도까지 고온상태로 가열되므로 재질의 변화, 열화가 발생하는 문제가 대두되고 있다. 따라서, 이러한 신기술을 적용하기 위해서는 고온 가열에 따른 재질의 변화를 억제할 수 있는 강판의 개발이 절실히 요구되고 있다. 이러한 진공증착 과정에서 온도상승으로 인한 재질열화는 변형시효발생과 연신율 저하라는 두가지로 대별할 수 있는데, 도금 후 파이프 제조공정에서는 연신율이 그다지 중요하지 않기 때문에 변형시효가 주된 문제가 되고 있다.

일반적으로 냉연강판에서 변형시효는 고용탄소와 전위의 상호작용에 의해 생성되는 것으로 인장시험시 항복강도증가 및 항복점 연신율이 발생되는 현상으로 나타난다. 구체적으로 도1를 통하여 설명하면 변형시효현상이 발생하는 저탄소강판은 항복강도가 급격히 증가하여 항복점연신이 발생함을 알 수 있고, 반면에 변형시효가 없는 특수원소 첨가 극저탄소강판은 일반적인 인장변형거동을 나타낸다. 또한, 진공증착에 의한 동도금처리 전, 후 소재의 인장변형거동을 나타낸 도 2를 보면, 도금과정의 온도증가에 의해 소재는 변형시효현상이 나타나고 이에 따라 항복강도가 현저히 상승하며 항복점연신 현상이 나타남을 알 수 있다. 이와 같은 변형시효에 의한 항복강도 증가는 결국 도금후의 파이프 성형공정에서 가공불량을 야기하는데, 도 3에 대표적인 파이프 제조공정 및 가공불량을 나타내었다. 파이프는 일반적으로 롤(roll)성형에 의해 가공되고, 이러한 롤 성형 후 용접에 의해 원형의 파이프로 형상이 고정되게 된다. 이때, 용접이 원활히 수행되기 위해서는 롤 성형 후 원형의 파이프 형상을 그대로 유지하고 있어야 한다. 그러나 변형시효에 의한 항복강도 증가가 발생하면 롤 성형 후 소재가 원래의 형상으로 되돌아가려는 현상, 즉 스프링백(spring back)현상이 발생하고 이에 따라 롤 성형된 파이프는 원형을 유지 못하게 되어 용접이 불가능하게 된다.일반적으로 스프링 백 현상은 항복강도와 비례하기 때문에 이와 같은 불량을 방지하기 위해서 변형시효 발생이 억제된 파이프용 저탄소 냉연강판의 제조가 필수적이다.

통상 강판에서 강도를 결정하는 가장 중요한 원소는 탄소이다. 탄소가 많고 적음에 따라 고탄소강, 중탄소강, 저탄소강, 극저탄소강으로 분류하는 데 중탄소강 이상은 고강도에 따른 저탄소강 이하의 강판이 사용되고 있다. 강 중의 탄소는 Fe₃C화합물 형태의 탄화물, 즉 카바이드(carbide)형태와 원자상태의 고용탄소(C)로 존재하는데 이를 현미경 조직을 나타낸 도4를 통해 구체적으로 설명하면 강판 중에 존재하는 탄화물은 주로 결정립계를 따라 생성되게 되며 고용탄소는 침입형 원소로 Fe 원자들 사이사이에 위치하므로 현미경을 통해서도 관찰할 수 없다.상기 침입형 원소로 Fe에 고용되는 탄소는 그 크기가 아주 작기 때문에 강판중의 소성변형 기구인 전위와 상호작용을 일으켜서 변형시효 현상을 일으키는데, 도 5를 통해 구체적으로 설명하면 외부에서 가해진 힘에 의해 강판이 변형하는 것은 강판내부에 존재하는 전위들의 이동에 의해서인데 이러한 전위이동은 고용탄소에 의해 방해받게 된다. 따라서 전위의 이동이 도5(a)와 같이 부드럽게 이루어지지 않고, 고용탄소가 전위의 이동을 방해하여 도5(b)와 같은 형태로 이동하게 되고 이것이 인장변형 시 도1에 나타낸 바와 같은 변형시효를 일으키게 된다.

저탄소냉연강판의 대부분의 탄소가 탄화물형태로 존재한다면 이러한 변형시효현상이 발생하지 않게 되나 도금 공정 중의 온도상승에 의해 탄화물은 재용해되어 고용탄소의 양이 증가되고 따라서 변형시효의 발생이 더욱 용이하게 된다. 이러한 과정에서 조대한 탄화물은 미세한 탄화물보다 그 재용해가 힘들며 조대한 탄화물이 많을수록 시효억제에는 더욱 유리하게 된다.

현재 사용되는 저탄소강판은 진공증착도금공정 후 변형시효발생이 불가피한 실정이며 이러한 시효발생에 의한 강도의 증가가 원판 항복강도의 50% 정도인 10kgf/㎟에 이르고 있다. 도6은 기존에 사용되던 저탄소 냉연강판의 도금공정의 온도상승에 따른 변형시효발생 거동을 보여주는 그래프로서, 온도가 300℃보다 높아지면 변형시효가 심하게 발생하는 것을 볼 수 있으며 도금시 냉연강판이 실제로 받게 되는 500℃를 고려하면 항복강도는 약 7-10kgf/㎟ 정도 상승된다. 이것은 온도가 증가함에 따라 탄화물의 재용해가 더욱 용이해 지기 때문이며 크게 상승된 항복강도는 파이프 롤 성형시 스프링백 불량을 야기하는 것이다.

한편, 도금 후에도 재질변화, 즉 변형시효 발생이 없는 특수원소(티타늄)첨가 극저탄소강의 제조방법이 제안되어 있는데, 상기 방법은 제조공정이 복잡하고 제강 및 연주공정에서 노즐막힘 등의 문제가 발생하며 제품가격이 비싸고 특히 심가공성을 주 목적으로 하기 때문에 그 항복강도가 15kgf/㎟ 정도로 아주 낮아 내압에 견뎌야 하는 파이프소재로는 부적합한 결정적인 단점을 가지고 있다.

이에, 본 발명은 일반 저탄소강판에서 도금 공정 후에 발생하는 변형시효에 의한 문제점을 해결하기 위하여 금속야금학적 연구와 실험을 수행하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 저탄소 알루미늄 킬드강을 기본성분으로 하여 망간(Mn)과 탄소(C)의 첨가량과 S/C 비를 적절히 제어하고 열연,소둔, 조질압연 단계에서 각 공정변수를 제어하여 도금공정 중의 온도상승에도 탄화물이 용해되는 것을 어렵게 하여 다시 용해되는 탄소, 즉 고용탄소량을 감소시켜 변형시효발생을 억제하므로써 스프링 백이 없는 파이프용 냉연강판을 제조하는 방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

도1은 저탄소 강판과 티타늄 첨가 극저탄소강의 인장변형거동을 나타내는 그래프.

도2는 도금열처리 전과 후의 냉연강판의 인장변형 거동을 나타내는 그래프.

도3은 냉연강판을 이용한 파이프 제조공정 및 불량 현상을 나타내는 그래프.

도4는 저탄소 냉연강판의 탄화물 분포을 나타내는 사진.

도5는 전위와 고용탄소에 의한 변형시효발생 메카니즘을 나타내는 모식도.

도6은 저 탄소강의 온도별 변형시효 발생거동을 나타내는 그래프.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 파이프용 냉연강판의 제조방법에 있어서, 중량%로 C:0.03-0.05%, Mn:0.20-0.45%, S:0.015-0.020%, P:0.02%이하, Si:0.01%이하, Al:0.05%이하를 함유하고, 상기 S/C비가 0.03-0.67이고, 잔부 Fe 및 기타불가피하게 함유되는 불순물로 이루어지는 알루미늄킬드강을 1100-1250℃의 온도범위에서 균질화처리하고, 900-950℃의 온도범위에서 마무리 열간압연한 다음 650-720℃의 온도범위에서 권취하고 이어 압하율 75-85% 범위로 냉간압연한 후 640-680℃의 재결정 온도범위에서 상소둔하고, 압하율 0.5% 이하의 범위로 조질압연 하는 변형시효 발생이 억제되는 파이프용 저탄소 냉연강판의 제조방법에 관한 것이다.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 우선 강을 상기와 같은 조성범위를 만족하는 알루미늄킬드강을 선택함이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다.

탄소(C)량이 0.03% 이하가 되면 파이프용 소재로 가져야하는 강도를 얻기 곤란하며 또한 0.02% 부근의 탄소함량은 강의 성질을 아주 민감하게 변화시키는 탄소량 범위이기 때문에 제강공정에서 조성조절이 매우 힘들고 0.05% 이상이 되면 강도가 너무 증가하거나 과도한 탄화물이 생성되어 성형성에 열화를 가져오게 되어 탄소의 첨가량 범위를 0.03-0.05%로 하는 것이 바람직하다.

상기 망간(Mn)은 황에 의한 적열취성을 방지하기 위해 일반적으로 0.05% 이상 첨가하게 되는데 MnS와 같은 황화합물을 형성하여 황을 고정시키게 된다. 황화합물은 이러한 기능 외에도 Fe₃C와 같은 탄화물 형성을 용이하게 하는 특성, 즉 탄화물이 생성되기 쉬운 핵생성 위치를 제공하는 기능이 있기 때문에, 이에 주안점을 두어 그 첨가량을 0.20-0.45% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 황(S)은 강의 제조시 불가피하게 들어가는 원소인데 강의 제조공정에서 발생하는 적열취성을 야기하는 원소이기 때문에 망간의 첨가에 의해 강 중에 황화합물로 고정시켜 이를 방지하게 된다. 본 발명에서 설정한 성분범위의 망간에 적합한 정도로 황을 0.015-0.020%의 범위로 제한하여 황화합물을 적당히 형성시키고 탄화물형성을 더욱 용이하도록 하였으며, 이것은 S/C의 비가 0.30-0.67이 되는 범위의 첨가량으로서 저탄소강에서 가장 효과적으로 탄화물을 형성시키고 조대화 시킬 수 있는 성분범위가 된다. 또한 황(S)에 비해 Mn/S의 비가 10-30이 되도록 충분한 양의 망간(Mn)을 넣어 유해한 황(S)이 모두 MnS로 생성되도록 하였다.

상기 알루미늄(Al)의 경우 강의 탈산을 위해 첨가하며, 고용 알루미늄이 증가하면 강의 가공성이 저하되므로 0.05%이하로 제한하였다.

상기 인(P)과 규소(Si)는 고용강화를 일으키게 되는 원소이므로 본 발명에서 목적으로 하는 탄소에 의한 강도조절이 가능하도록 각기 0.02%이하, 0.01%이하로 제한 하였다.

본 발명에서는 상기와 같은 조성범위를 만족하도록 알루미늄킬드강을 조성한 후, 다음과 같은 조건을 만족하도록 열간압연 및 냉간압연하여 본 발명의 파이프용 냉연강판을 제조함이 필수적인데, 그 이유는 다음과 같다.

상기 조성으로 용해된 강의 내부조직을 초기상태로 하고 황화합물을 형성하기 위하여 1100-1250℃의 온도범위에서 균질화처리를 실시한다. 상기 균질화처리한 후 열간압연이 용이한 900-950℃의 온도범위에서 열간압연을 마무리하고, 650-720℃의 온도범위에서 고온권취하므로서 조대한 탄화물을 형성시킨다. 권취온도가 높아질수록 강중의 고용탄소의 이동이 용이하고 탄화물로 석출할 수 있는 시간이 증대되어 탄화물 크기 및 양이 증가되고 이에 따라 고용탄소양은 상대적으로 줄어들게 된다. 권취된 열연강판을 75-85%의 압하율 범위로 냉간압연하는 데 압하율이 75%이하가 되면 고온권취시 생성된 황화합물 및 탄화물이 미세하게 분산되지 못하게 되고 85%이상이 되면 상소둔시 강판과 강판이 붙는 스티킹(sticking)현상이 발생하기 쉬워지기 때문이다. 상기와 같은 범위의 압하율에서 냉간압연된 강판은 상소둔을 통하여 재결정 소둔처리된다. 연속소둔을 이용할 경우 빠른 가열과 냉각과정을 통해 결정립이 너무 미세하게 되고 탄화물의 충분한 석출이 발생하지 않아 고용탄소의 양이 증가되기 때문에 상소둔방식으로 재결정 소둔처리하는 것이 바람직하다. 일반적으로 상소둔방식에 의해 생산되는 냉연강판은 가공성 확보를 위해 모두 540℃부근에서 저온권취 되었으나 본 발명에서는 새로이 고온권취를 적용하고 그 온도를 설정하므로써 가공성에 약간의 저하를 가져오더라도 탄화물 생성을 더욱 촉진하여 파이프용 소재로서의 목적에 적합하도록 하였다. 재결정 소둔은 고온권취를 통해 얻어진 탄화물이 완전히 재용해 되지 않는 낮은 비교적 640-680%의 재결정 온도범위에서 이루어지도록 하였다.

재결정 소둔처리 후 행하여지는 조질압연은 강 중에 전위의 생성을 다량 발생시키기 때문에 도금공정 중의 온도상승에 따라 전위와 고용탄소의 작용에 의한 변형시효발생을 더욱 용이하게 하는 공정이 된다. 따라서 가능한 조질압연을 하지 않는 것이 파이프용 냉연강판 제조에는 유리하나 최종적으로 형상을 확보하기 위하여 압하율 0.5% 이하로 조질압연 하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

실시예

하기 표1과 같은 조성의 슬라브를 1200℃의 가열로에서 1.2시간 유지한 후 열간압연을 실시하였다. 이때 열간압연 마무리 온도는 920℃, 권취온도는 700℃로 하였다. 상기와 같이 열간압연 후 권취된 열연강판을 82%의 냉간압하율로 냉간압연하고 670℃로 상소둔을 실시하였다. 상소둔이 완료된 냉연강판에 대해서는 0.5-1.0% 정도의 조질압연을 실시하여 냉연강판을 제조하였다.

이와 같이 제조된 파이프용 냉연강판에 대해서 도금온도 조건인 500℃의 로에서 20초동안 열처리를 한 후 인장시험을 실시하여 변형시효발생을 측정하고 항복강도상승과 항복점연신율을 구하여, 그 결과를 하기 표2에 나타내었다.

[표 1]

*열연조건

균질화처리 : 1200℃, 열간압연 마무리온도 : 920℃, 소둔온도 : 670℃

*S/C : 중량비

[표 2]

시편게이지부길이:25mm, 시편폭:12.5mm, 인장속도:10mm/min(크로스헤드속도)

상기 표2에 나타낸 바와 같이, 발명재(1-2)의 경우 항복강도 21-22kgf/㎟ 수준을 보이고 있으며 도금 열처리 공정 이후에도 큰 재질변화가 발생하지 않았다. 초기항복강도와 도금 열처리 이후의 항복강도 증가를 고려하면 발명재(2)는 1.8kgf/㎟의 증가량과 항복점 연신율은 오히려 감소하는 우수한 특성을 나타내었다. 그런데 이 강은 조질압연을 하지 않은 강으로서 냉연강판의 형상을 우수하게 하기 위해서는 조질압연을 실시하는 것이 바람직하다. 본 발명재(1)의 경우 3.2kgf/㎟ 의 약간 증가하는 값을 나타내었으나 이정도의 증가량은 비교강의 도금 열처리 후 항복강도와 비교하였을때 10kgf/㎟ 정도의 낮은 값이므로 파이프 성형에는 큰 영향을 주지 않는 값이다.

그러나 비교재(1)의 경우 640℃ 정도의 권취온도 및 1%의 조질압연을 수행한 강으로서 S/C 값이 낮아 고용탄소가 증가하고 조질압연에 의한 전위 증가효과가 중첩되어 도금 열처리 후 11kgf/㎟ 정도의 큰 항복강도 상승하고 이에 따라 35kgf/㎟ 정도의 높은 항복강도를 갖기 때문에 롤 성형시 스프링백에 의한 형상동결성 불량이 발생한다. 비교재(2)의 경우 S/C 비가 다소 낮고 저온권취가 이루어져 7.8kgf/㎟정도의 항복강도 상승에 따른 32.8kgf/㎟ 의 항복강도를 보였다. 비교재(3)의 경우 540℃의 저온권취 및 1.6%의 조질압하율에 근거하여 S/C비가 약간 증가하였으나 역시 도금 열처리 후 9.9kgf/㎟에 항복강도 증가에 따른 34.5kgf/㎟ 의 항복강도를 나타내었다. 비교재(4)의 경우 큰 S/C 비를 가짐에 따른 비교적 타 비교강에 비해 항복강도 증가량이 줄수 있으나 기본적으로 저온권취 및 가해진 조질압하량에 의해 도금 열처리 후 32.8kgf/㎟ 정도의 비교적 높은 항복강도를 가졌다. 통상 파이프가공에서 스프링 백에 의한 형상동결성 불량이 없으려면 27kgf/㎟ 이하의 항복강도를 가져야 하는데 위의 비교강들은 도금 열처리 전에는 이 조건에 만족하는 값을 가지나 도금 열처리 공정에 의한 변형시효발생으로 이 보다 훨씬 높은 항복강도를 가지므로 파이프 소재로 이용하기가 곤란하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 소재로 알루미늄 킬드 저탄소강을 사용하고 황과 탄소, 망간을 적절히 조절하여 첨가하고, 또한 열연 권취조건, 상소둔온도 및 조질압연 압하율을 적절하게 설정함으로써, 탄화물(Fe₃C)의 분포 및 크기를 적절히 제어하여 변형시효를 억제할 수 있는 파이프용 저탄소 냉연강판을 제공할 수 있고, 상기 제공된 강판은 진공증착도금방식과 같은 고온에서 열처리 하는 도금 방식에 적용될 수 있는 유용한 효과가 있다.

Claims (1)

1. (정정) 파이프용 냉연강판의 제조방법에 있어서, 중량%로 C:0.03-0.05%, Mn:0.20-0.45%, S:0.015-0.020%, P:0.02%이하, Si:0.01%이하, 및 Al:0.05%이하를 함유하고, 상기 S/C 비가 0.30-0.67이고, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어지는 알루미늄킬드강을 1100-1250℃의 온도범위에서 균질화처리하고, 900-950℃의 온도범위에서 마무리 열간압연한 다음 650-720℃의 온도범위에서 권취하고 이어 압하율 75-85% 범위로 냉간압연한 후 640-680℃의 재결정 온도범위에서 상소둔하고, 압하율 0.5% 이하의 범위로 조질압연함을 특징으로 하는 변형시효 발생이 억제되는 파이프용 저탄소 냉연강판의 제조방법.