KR100334679B1 - 도막 내구성이 우수한 도장용 강재 및 그 제조방법 - Google Patents

도막 내구성이 우수한 도장용 강재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

염분의 침투가 불가피한 환경에서 도막 내구성과 양호한 용접성을 겸비한 도장용 강재를 제공한다.
질량%로, C : 0.12 % 이하, Cu : 0.05 ~ 3.0 %, Ni : 0.05 ~ 6.0 %, Ti : 0.025 ~ 0.15 %를 함유하고, Cu + Ni : 0.50 % 이상, 용접 크랙 감수성 지수 PCM이 0.23 % 이하로 상기 성분에 또한 Si : 1.0 % 이하, Mn : 2.5 % 이하, P : 0.05 % 이하, S : 0.02 % 이하, Cr : 0.05 % 이하를 함유하는 도막 내구성이 우수한 도장용 강재이다. 또, 상기 성분에 또한 질량%로, B : 0.0005 ~ 0.0030 %, Al : 0.05 ~ 0.50 %, Ca : 0.0001 ~ 0.05 %, Ce : 0.0001 ~ 0.05 %, La : 0.0001 ~ 0.05 %, Nb : 0.002 ~ 0.05 %, V : 0.01 ~ 0.10 %, Zr : 0.002 ~ 0.05 %, Mo : 0.05 ~ 0.5 % 중 어느 하나 이상을 함유하는 도막 내구성이 우수한 도장용 강재이다.

Description

도막 내구성이 우수한 도장용 강재 및 그 제조방법 {Steel for Coating Excellent in good Durability of Coated Film, and Manufacturing Process Thereof}
본 발명은 교량 또는 철탑 등의 재도장을 포함한 유지관리업무의 일상적인 수행이 곤란한 강 구조물에 이용되는 강재에 속하는 것으로, 특히 해안근방 또는 동결방지용으로 도로에 염화물을 산포하게 되는 한냉지 등의 염해환경에 적합한 도장용 강재 및 그 제조방법의 기술분야에 속하는 것이다.
강에 Cr, Cu, Ni, P 등의 화학성분을 적당량 첨가한 내후성(耐候性) 강재로서 일본 공업규격 JIS에 용접구조용 내후성 열간압연강재(SMA : JIS G 3114)와 고내후성 압연강재(SPA : JIS G 3125)의 2 종류가 규정되어 있고, 또한 아래에서 설명하는 특허공보에도 내후성 강재가 나타나 있다. 내후성 강은 강재 표면에 생성된 치밀한 안정녹층(安定層)에 의해 영속적인 부식의 진행을 막는 강재로, 내륙지방 등에서 자주 사용한다.
그러나, 내후성 강이 안정적인 녹층을 생성하기까지는 약 10 년 이상의 장기간을 필요로 하고, 실용적으로도 초기의 부식과 그에 따르는 빨간 녹(赤)의 유출 등이 문제가 되고 있다. 온난습윤한 기후인 일본에서는 특히 그 경향이 강하다. 내후성 강을 무도장으로(裸使用) 할 때, 녹 안정화까지의 녹즙(汁)에 의한 주위 구조물의 오염 등을 방지할 목적으로 녹 안정화 처리가 일반적으로 행해지고 있다. 단, 이 방법도 녹즙을 방지할 뿐, 무도장과 마찬가지로 염분이 많이 침투하는 환경 아래에서는 치밀한 녹층의 생성이 저해되어 기대한 효과를 얻을 수 없다는 문제가 있다.
한 편, 내후성 강이 지닌 상기 문제점을 해결하는 수단도 종래부터 제안되어 왔다. 특공소53-22530호 공보, 특공소56-33991호 공보, 특공소58-39915호 공보, 특공소58-17833호 공보, 특개평02-133480호 공보, 특공평06-21273호 공보 등에서는 내후성 강의 표면에 수지를 도장함으로써 외부환경으로부터의 염분의 침입을 방지하고 안정녹의 생성을 촉진하는 방법이 제안되고 있다. 예를 들면, 특개평02-133480호 공보에는 인편상(鱗片狀) 결정구조인 Fe3O4, 인산, 부티랄(butyral) 수지 즉, 폴리비닐알콜을 부틸알데히드와 반응시켜서 합성된 수지 및 잔부가 용제(溶劑)인 안정녹의 생성을 촉진하는 표면처리액이, 특공평06-21273호 공보에는 P, Cu, Cr, Ni, Si 및 Mo의 화합물 중 하나 이상, Fe2O3+ Fe3O4, 인산, 비스페놀계 에폭시 수지 및 잔부가 용제와 도료 보조제인 도장액을 도포하는 녹 안정화 표면처리방법이 나타나 있다. 그러나, 이들 방법은 모두 내후성 강재의 것을 개선한 것이 아니고, 안정녹의 생성을 촉진하는 데에는 문제가 있다. 즉, 수지도장은 통상, 아주 작은 결함을 지니고 있고, 그 결함개소에서는 도막의 효과를 기대할 수 없다. 또한, 도막 결함부에서의 부식의 진행은 도막-소지계면(素地界面)에서의 극간(隙間) 부식을 초래하는 일도 있고, 안정녹층이 생성되기 이전에 도막 자체의 박리, 탈락을 일으키는 일도 있다. 따라서, 염분의 침투가 불가피한 환경에서의 내후성 강의 사용은 제한을 받게 되어 큰 문제가 되고 있다.
또한, 교량분야에서는 재도장에 의한 유지관리비의 감축은 물론이고, 건설비용의 경감도 중요한 과제가 되고 있다. 즉, 소수주형(少數主桁), 합리화 형화(桁化), 현장용접시공 공수의 삭감, 보수관리의 경감 등이다. 이를 위해서는 강재의 두께, 고강도화에 덧붙여 용접시공 시에 저온 크랙(crack) 방지에 필요한 예열을 생략할 수 있고, 대입 열용접이 가능한 강재가 필요하게 된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것이므로 염분의 침투가 불가피한 환경에서 사용하는 도장용 강재의 도막 내구성과 양호한 용접성을 겸비한 도장용 강재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 인성에 미치는 가열온도와 Ti/C와의 관계를 나타낸 도이다.
도 2는 Ni량이 1.0 %인 경우의 인성에 미치는 압연종료온도(FRT)와 Ar3의 차이와 Ti/C와의 관계를 나타낸 도이다.
도 3은 Ni량이 0.5 %인 경우의 인성에 미치는 압연종료온도(FRT)와 Ar3의 차이와 Ti/C와의 관계를 나타낸 도이다.
도 4는 Ni량이 1.0 %인 경우의 인성에 미치는 담금질(Quenching) 온도와 Ac3의 차이와 Ti/C와의 관계를 나타낸 도이다.
도 5는 Ni량이 0.5 %인 경우의 인성에 미치는 담금질 온도와 Ac3의 차이와 Ti/C와의 관계를 나타낸 도이다.
도 6은 촉진시험 및 대기폭로시험의 공시재 형상을 나타낸 도이다.
도 7은 촉진시험의 복합사이클 시험조건의 설명도이다.
도 8은 Cu + Ni 합계 첨가량과 내후성과의 관계를 나타낸 도이다.
도 9는 Ti 첨가량과 내후성과의 관계를 나타낸 도이다.
본 발명의 요지는, 질량%로, C : 0.12 % 이하, Si : 1.0 % 이하, Mn : 2.5 % 이하, P : 0.05 % 이하, S : 0.02 % 이하, Cr : 0.05 % 이하, Cu : 0.05 ~ 3.0 %, Ni : 0.05 ~ 6.0 %, Ti : 0.025 ~ 0.15 %를 함유하고, Cu + Ni : 0.50 % 이상, PCM이 0.23 % 이하인 도막 내구성이 우수한 도장용 강재이다.
본 발명 상의 강재는 상기 성분 외에 질량%로, B : 0.0005 ~ 0.0030 %, Al : 0.05 ~ 0.50 %, Ca : 0.0001 ~ 0.05 %, Ce : 0.0001 ~ 0.05 %, La : 0.0001 ~ 0.05 %, Nb : 0.002 % ~ 0.05 %, V : 0.01 ~ 0.10 %, Zr : 0.002 ~ 0.05 %, Mo : 0.05 ~ 0.5 % 중 어느 하나 이상을 함유하는 도막 내구성(塗膜耐久性)이 우수한 도장용 강재이다.
본 발명 상의 강재에 있어 상기 성분을 함유하는 도장용 강재 내의 Ti/C가 4를 넘는 강은 가열온도(T)가 850 ~ 1200℃, 950℃ 이하의 압연종료온도로 압연하고, 공냉(空冷) 또는 1℃/s 이상의 냉각속도로 수냉(水冷), 또는 압연 후 Ar3~ 950℃의 온도에서 직접 담금질(Quenching)하거나, Ac3~ 950℃의 온도에서 재가열 담금질(Quenching)하고, 다시 템퍼링(tempering)처리를 행하는 도막 내구성이 우수한 도장용 강재의 제조방법이다.
본 발명 상의 강재에 있어 상기 성분을 함유하는 도장용 강재 내의 Ti/C가 4 이하인 강은 가열온도(T)가 850T(1200 - 50 ×Ti/C)℃, (Ar3+ 50 ×Ti/C + 100 × Ni2)℃ 이하의 압연종료온도로 압연하고, 공냉 또는 1℃/s 이상의 냉각속도로 수냉 또는 압연 후 (Ar3+ 50 ×Ti/C + 100 × Ni2)℃ 이하의 온도에서 직접 담금질, 또는 (Ac3+ 50 ×Ti/C + 100 × Ni2)℃ 이하의 온도에서 재가열 담금질하고, 다시 템퍼링(tempering)처리를 행하는 도막 내구성이 우수한 도장용 강재의 제조방법이다. 여기서 PCM, Ar3, Ac3는 다음과 같다.
PCM= C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B
Ar3= 910-310C-80Mn-20Cu-55Ni-80Mo+0.35(t-8) (t는 판 두께를 나타낸다)
Ac3= 908-223.7C+438.5P+30.49Si+37.92V-34.43Mn-23Ni+2(100C-54+6Ni) (단, 2(100C-54+6Ni)는 정(正)의 값일 때에만 적용)위 식에서 PCM은 용접 크랙 감수성 지수(容接crack感受性指數)로서, 강재의 용접성을 알아보기 위한 용접성 지수이므로, 비철분 성분함량이 많을수록 이 PCM은지수가 올라가게 되어 용접성이 나빠지게 되고 본 발명에서는 교량용 강재용도가 많으므로 이를 제한하여로 한정한 것입니다.여기에서,PCM은 용접 크랙 감수성 지수로서 본 발명에서는을 요한다. 그 이유에 대해서는 뒤에 설명한다.
강 표면에 치밀한 안정녹층이 생성되면 환경 중에 존재하는 수분, 산소 또는 염소이온이라는 부식촉진인자가 물리적 또는 전기화학적 작용에 의해 기재(基材)인 강에 도달하기 어렵기 때문에 강의 부식반응은 지연되고 특별한 방식(防食)처리를 행함 없이 부식속도는 무시할 수 없는 정도까지 감소하는 것이 알려져 있다. 내후성 강은 이러한 치밀한 녹에 의해 자기방식작용(自己防食作用)을 적극적으로 이용한 강이다.
구체적으로는 Cr, Cu, Ni, P라는 생성 녹의 치밀화를 촉진하는 원소를 미량 첨가함으로써 내후성 강을 얻을 수 있다. 즉, 내후성 강이라는 나재(裸材)를 사용함으로써 그 작용효과를 거둘 수 있는 강종(鋼種)이다. 그러나, 상술한 바와 같이 내후성 강이 지니는 안정녹 생성의 촉진작용은 침투 염분을 무시할 수 없는 염해환경 하에서는 그 충분한 효과가 발휘되지 않는다. 그래서, 안정녹이 생성되기까지의 기간, 침투염분이 강에 도달하는 것을 피할 목적으로 강 표면에 얇은 수지도막을 설치한다는 여러가지 대응책이 고안되고 있지만, 이미 말한 바와 같은 도막 결함의 문제가 있기 때문에 유효한 대책은 되지 못하는 것이 실상이다.
본 발명자들은 도막 결함부에서 부식기구를 예의 검토한 결과, 강 성분으로 함유하는 Cr이 부식인자로서 영향을 미치고 있는 것을 발견하였다. 즉, 도막 결함에서 강이 부식반응을 개시하면 철 원자에 따라 미량 용해한 Cr이온은 C1이온의 작용과 함께 결함부 내에서의 수소이온농도(pH)를 저하시키고, 이에 따라 결함부 내에서의 응집수분의 산성화를 촉진함으로써 도막-소지 경계면에서의 극간 부식을 유발하는 작용을 일으키는 것을 발견하였다.
따라서, 상술한 부식기구로부터의 연역에 의해 염해지역(鹽害地域)에서 수지도장 내후성 강의 내구성 향상을 위한 성분 설계 상 다음에 기술하는 세 가지의 점이 중요한 것을 알 수 있었다.
(1) Cr 첨가량을 가능한 한 적게 하고, 도막 결함부에서 부식촉진요인을 줄일 것.
(2) Cr 첨가를 대체하는 안정녹 생성촉진원소를 탐색-첨가할 것.
수지도막이 있는 경우, 도막건전부(塗膜健全部)에서는 도막에 의한 차폐(遮蔽)효과에 의해 염분은 강에 도달하기 곤란해지고, 또한 도막 결함부에서도 결함(흠)폭이 아주 작을 경우에는, 도막의 두께가 물리적인 장벽이 되어 침투 염분은 소지에는 도달하기 어려워진다. 따라서, 도막 결함 내부에서의 현저한 pH 저하를 억제하고, 성분 원소의 조절이 가능하다면 염해환경 하에서도 긴 수명을 가진 도장 강재를 제공할 수 있다고 생각된다.
(3) 도막 결함 내에서의 pH 저하를 완충하는 작용을 지니는 원소를 탐색-첨가할 것. 즉, 미량 용해하여 pH를 알칼리측으로 높이는 작용을 지니는 원소를 첨가할 것.
이러한 조건을 만족하면 도막 결함을 갖고도 강은 안정녹을 형성할 수 있지만, 표면을 덮은 피복재에 대해서는 경제성, 시공성, 간편성 등에서 가장 일반적인 유기수지계의 도장을 행하는 것이 권장된다. 폴리에스텔계, 에폭시계, 우레탄계 등 강 표면을 덮을 수 있는 것이라면 모든 수지가 도장 가능하지만, 발명자들의 실험한 바 강인하고 휘어짐성이 있고 충격 강도가 크며, 금속과의 접착성이 우수한 부티랄 수지가 가장 우수한 수지이다.
도장용 강재가 용접성, 저온 인성(靭性)을 겸비한 두께, 고강도화로 하면 소수주형, 합리화 형화에 대응할 수 있고, 교량 건설비용을 경감시킬 수 있다. 따라서, 강재의 용접성을 확보하기 위해 C 함유량과 용접 크랙 감수성 지수(溶接crack感受性指數) PCM을 규정하고, 모재(母材) 인성을 확보하기 위해 TiC의 석출 제어, 즉, Ti/C에 맞춘 가열, 압연, 열처리 조건을 규정하고, 두께, 고강도화를 위해 B, Nb, V, Zr, Mo를 첨가하며, 또한 용접 열영향부의 인성(靭性) 확보와 대입 열용접(大入熱溶接)을 가능하게 하기 위해 C와 Ti 함유량의 상한을 규정하여 B의 유효 활용을 도모하고 있다.
본 발명은 이상의 관점으로부터 도출된 것으로, 각 첨가성분마다 그 작용효과 및 첨가범위의 한정이유를 이하에 설명한다.
(발명의 실시형태)
우선, 내후성 강에 필수원소인 Cu, Ni, Ti에 대해 설명한다.
Cu는 전기화학적으로 철보다 귀한 원소로, 생성녹을 치밀화하여 안정녹 생성을 촉진하는 작용을 지니는 필수원소이다. 이러한 작용은 0.05 % 이상의 첨가로 발휘되지만, 3.0 %를 넘게 첨가해도 그 이상의 효과는 얻을 수 없고 오히려 열간압연 시에 소재(素材)의 취화(脆化)만 일으킬 우려가 있다. 따라서, Cu 함유량은 0.05 ~ 3.0 %의 범위로 한다.
Ni는 Cu와 같은 내식성 향상작용을 지니는 원소로, 그 효과를 얻기 위해서는 0.05 % 이상의 첨가가 필요하다. 또한 Ni는 Cu의 첨가 시에 우려되는 열간 취성(脆性)을 억제하는 효과도 있다. 그러나, 6.0 %를 넘게 첨가해도 내식성 향상작용은 포화(飽和)한다. 따라서 Ni 함유량 0.05 ~ 6.0 %의 범위로 한다.
또한, 본 발명에서는 Cu + Ni의 함유량을 0.50 % 이상으로 규정한다. 본 발명자들이 행한 Cu + Ni 첨가량과 내후성과의 관계를 도 8에 나타내었다. 공시재는 본 발명의 청구항 1에 준하는 재료이고, 실험방법은 도 7에 나타낸 복합사이클(횟수)시험이다. 평가는 도막 결함부에서의 불룩한 폭으로 평가하였다. 그림에서 내후성 지수는 1-평균 불룩한 폭(mm)으로 표시하고 있고, 지수가 큰 것일수록 내후성이 우수하다. 이 그림으로부터 알 수 있는 바와 같이, Cu + Ni의 함유량의 증가와 함께 내후성은 상승하고, Cu + Ni 함유량이 0.50 % 이상에서 효과가 높다.
Ti는 상술(2)한 바로부터 본 발명에서 선택된 Cr 첨가량을 대체하는 필수 첨가원소로, Cr, Cu, Ni와 마찬가지로 생성녹을 치밀화하고 안정녹층의 생성을 촉진하는 유익한 작용을 지니고 있는 동시에, 매우 우수한 내식성도 지니고 있다. 또한 강의 청정화(淸淨化)라는 이점도 겸해 갖추고 있다. 이러한 효과는 0.025 % 이상에서 현저하게 상승한다. 그러나 0.15 %를 넘게 첨가해도 그 효과는 포화하여 용접 열영향부의 인성을 열화(劣化)시킨다. 따라서 Ti 함유량은 0.025 % ~ 0.15 %의 범위로 한다.
도 9에, 본 발명자들이 행한 Ti 첨가량과 내후성과의 관계에 대해 나타내었다. 공시재는 본 발명의 청구항 1에 준거한 재료이고, 실험방법 및 평가는 상기 Ni에 대한 설명의 내용과 같다. 그림으로부터 알 수 있는 것과 같이, Ti 첨가량의 증가와 함께 내후성은 상승하고, 0.05 % 이상 첨가하면 효과는 매우 높다.
다음으로, P, Cr, C, Si, Mn에 대해 설명한다. P 및 Cr은 종래의 도장을 하지 않은 그대로의 사용(裸使用)을 주로 한 내후성 강에서는 유효한 원소이지만, 용접성을 크게 열화시키는 원소이기 때문에 강재를 현장 용접할 기회가 많고, 특히 교량 등의 구조물을 용도로 하는 본 발명 강에서는 P 및 Cr의 함유량은 상한을 0.05 %로 하였다. 또한, Cr은 상술한 바와 같이, 도막 결함부에서는 pH 저하의 원인이 되고 결함 내에서의 응집수분의 산화성을 촉진함으로써 도막-소지 경계면에서의 극간 부식을 유발하는 작용을 일으키기 때문에, 0.05 %를 넘게 첨가하는 것은 바람직하지 않다.
C는 강의 강도 확보를 위한 필수원소이지만, 함유량이 증가하면 용접성 및 내식성을 열화시킨다. 따라서, C 함유량은 0.12 % 이하로 하였다. 또한, 충분한 용접성 및 내식성을 확보하기 위해서는 C 함유량은 0.10 % 이하가 바람직하다. 더욱이, 용접성을 중시하기 때문에 본 발명에서는 PCM을 0.23 % 이하로 한정하였다.
Si는 고용강화원소인 동시에 안정녹의 생성을 촉진하고 내식성 향상 효과도 지닌다. 그러나, 다량의 첨가는 용접성 저하의 원인이 된다. 따라서 Si 함유량은 1.0 % 이하로 한다.
Mn은 C를 대신하여 강도 확보를 위한 원소로 유효하지만, 다량이 강 중에 존재하면 가공성과 인성의 저하 및 MnS의 생성 촉진으로 인해 내식성의 열화를 초래할 우려가 있다. 따라서, Mn 함유량은 2.5 % 이하로 한다.
S는 Mn 및 Fe와 곁합하여 MnS 또는 FeS를 형성하고 이들이 부식의 기점이 된다. 따라서, S 함유량은 0.02 % 이하로 한다.
Al은 Ti과 마찬가지로, 상술(2)한 바로부터 본 발명에서 선택된 Cr 첨가를 대체한 첨가원소이고 Cr, Cu, Ni와 마찬가지로 생성녹을 치밀화하고 안정녹층의 생성을 촉진하는 유익한 작용을 지니고 있다. 이러한 효과는 0.05 % 이상의 첨가로 얻어지고, Ti과 복합 첨가함으로써 그 효과는 증대된다. 그러나, 0.50 %를 넘는 과잉 첨가를 행하여도 그 효과는 포화경향을 나타낼 뿐 아니라 모재 인성을 열화시킨다. 따라서, Al 함유량은 0.05 ~ 0.50 %의 범위로 한다.
Ca, Ce, La는 상술(3)한 바로부터 본 발명에서 선택된 도막 결함 내에서의 pH 저하를 완충하는 작용을 지니는 첨가원소로, 이들 원소는 도막 하의 부식진행 과정에서 철의 부식반응에 따른 미량 용해로도 알칼리성을 보이는(애노드 용해 선단부의 용액 pH 완충효과) 원소로, 도막 결함부에서의 극간 부식을 억제하는 작용을 지닌다. 이들 원소는 0.0001 % 이상의 첨가로 상기의 효과를 발휘하지만, 첨가량을 과잉 증가시켜도 그 효과는 포화한다. 따라서, 각각의 함유량은 0.0001 ~ 0.05 %의 범위로 한다.
다음으로, B의 한정이유에 대해 설명한다. B는 강의 담금질성을 높이고, 강도 향상에 유효함과 함께, 용접계수 열영향부의 조직을 미세 페라이트(Ferrite)화하고, TiC 석출 취화를 보충하는 작용을 지니기 때문에, 본 발명 강에서의 대입 열용접영향부의 인성 향상에 매우 유익한 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는 0.0005 % 이상의 첨가가 필요하지만, 0.0030 %를 넘게 첨가해도 그 이상의 효과는 얻을 수없고 오히려 용접성을 저하시킨다. 따라서, B 함유량은 0.0005 ~ 0.0030 %의 범위로 한다.
다음으로, Mo, Nb, Zr, V의 한정이유에 대해 설명한다. 이들 원소는 판 두께 50 mm 이상의 두께재 및 강도레벨 590 N/㎟급의 고강도 강에 첨가되고, 내식성에 거의 영향을 미치지 않는다.
Mo는 B와 마찬가지로 강의 강도 향상에 유효한 원소로, 그 효과를 얻기 위해서는 0.05 % 이상의 첨가가 필요하다. 그러나 0.5 %를 넘게 첨가해도 그 이상의 효과는 얻을 수 없고 용접성이 저하한다. 따라서, Mo 함유량은 0.05 ~ 0.5 %의 범위로 한다.
Nb, Zr은 그 탄질화물(炭室化物)을 생성하여 강도를 향상시키는 원소이다. 이 작용은 0.002 % 이상의 첨가로 발휘되지만, 0.05 %를 넘게 첨가해도 그 이상의 효과는 얻지 못하고 인성을 저하시킨다. 따라서, Nb, Zr의 함유량은 각각 0.002 ~ 0.05 % 의 범위로 한다.
V는 Nb, Zr과 마찬가지로 강의 강도 향상에 유효한 원소로, 그 효과를 얻기 위해서는 0.01 % 이상의 첨가가 필요하다. 그러나 0.10 %를 넘게 첨가해도 그 이상의 효과는 얻지 못하고 인성을 저하시킨다. 따라서, V 함유량은 0.01 ~ 0.10 %의 범위로 한다.
다음으로, 제조조건의 한정이유에 대해 설명한다. 본 발명은 도장 내식성을 확보하기 위해 Ti을 대량으로 활용하는 것에 특징이 있다. 그러나, Ti은 TiC로 석출되기 때문에 모재 인성을 크게 열화시킨다. 따라서 강재를 제조하는데에 TiC에의한 인성 열화를 어떻게 억제할지가 포인트가 된다. 그러기 위해서는 ① 압연가열 시, 담금질 가열시에 Ti을 고용(固溶)시키지 않을 것, ② 고용한 Ti을 무해화시킬 것의 두 가지 점이 중요하다고 생각하여, Ti/C가 4 이상과 4 미만으로 구별하여 제조조건에 대해 여러가지의 검토를 행하였다.
또한, 여기서 압연 시의 가열 전 및 담금질 시의 가열 전에 석출되고 있는 TiC의 인성 열화에 대해 검토의 필요성이 없는 것은, 이 경우의 TiC가 커서 인성에 영향을 미치지 않기 때문이다. 즉, 압연 시의 가열 전에 존재하는 TiC는 주조 후의 공냉 중에 생성되고, 또한 담금질 시의 가열 전에 존재하는 TiC는 압연 후 공냉 시에 생성된다. 주조 후의 공냉에서는 슬라브 두께가 두껍기 때문에 냉각속도가 매우 느리고, 석출된 TiC가 성장하여 커진다. 또한 담금질재의 압연은 압연 시에 재질을 넣어 만든것이 아니기 때문에 고온에서 압연을 종료하고 , 공냉하기 때문에 TiC가 성장하여 커진다. 이와 같이 성장한 TiC는, 존재하더라도 인성에는 영향을 미치지 않기 때문에 무시할 수 있다.
1, Ti/C가 4 이하이고, 담금질(Quenching)하여 다시 템퍼링(tempering)처리를 행하지 않은 경우
가열온도의 영향에 대해 우선, Ti를 고용시키지 않기 위한 가열온도의 조건을 조사하였다. 공시재의 화학성분은 0.05 % C-0.55 % Cu-0.50 % Ni-0.05 % Ti을 기초로 Ti/C를 여러가지로 변화시키고, 압연조건은 되도록 고용한 Ti를 무해화(無害化)하는 관점(γ의 저온역까지 압연을 실시함으로써 고온역에서의 압연에 의해 도입된 뒤틀림(strain)에 의해 TiC가 석출되고, 그 후의 압연 중에 조대화(粗大化)하여 매트릭스와의 정합성(整合性)을 잃기 때문에, 인성 열화가 억제 가능하게 된다)에서, 압연종료온도(FRT)를 Ar3근방의 760℃로 한 제어압연으로 하고 가열온도를 여러가지로 변화시켜 판 두께 25 mm의 강판을 제조하여 인성을 조사하였다. 여기서 압연 후의 냉각은 공냉이다. 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1은 인성에 미치는 가열온도와 Ti/C와의 관계를 나타내는 도이고, 이 그림으로부터 알 수 있는 바와 같이, 가열온도(T)가 1200 - 50 ×Ti/C 이하(도 중의 사선 이하)이면 목표로 하는 vEO 100 J를 만족하는 것이 판명되었다. 또한, 가열온도의 하한은, 가열온도가 낮아지면 변형저항이 커지고 압연하기 어려워지기 때문에 압연 시의 생산성을 고려하여 850℃로 하였다.
다음으로, 압연종료온도에 대해, 고용한 Ti을 무해화시키기 위한 압연종료온도의 조건을 조사하였다. 공시재의 화학성분은 0.05 % C-0.55 % Cu-0.05 % Ti를 기초로 Ti/C를 여러가지로 변화시켰다. 또한 Ni는 인성을 향상시키는 원소로, 본 발명의 도장용 강재는 도장 내식성 향상을 위해 Ni를 적극적으로 활용하고 있다. 그래서 인성에 미치는 Ni량의 영향을 고려할 필요가 있다고 생각하여, Ni량을 0.5 %와 1.0 %로 검토하였다. 가열온도는 상기 조사결과로부터, 되도록 낮은 쪽이 바람직하고, 일반적으로 연속식 가열로를 적용할 경우의 하한온도가 되는 1050℃로 하였다. 이렇게 하여 압연종료온도를 여러가지로 변화시켜 판 두께 25 mm의 강판을 제조하여 인성을 조사하였다. 여기서 압연 후의 냉각은 공냉이다. 그 결과를 도 2, 도 3에 나타내었다.
도 2, 도 3은 Ni량이 1.0 %와 0.5 %인 경우의 인성에 미치는 압연종료온도
(FRT)와 Ar3의 차이와, Ti/C와의 관계를 나타낸 도이다. 도로부터 알 수 있는 바와 같이 FRT는 Ar3+ 50 ×Ti/C + 100 ×[Ni]2이하(도 중의 사선 이하)이면, 목표로 하는 vEO 100 J를 만족하는 것임이 판명되었다. 특히, 높은 인성을 얻기 위해서는 압연종료온도(FRT)는 700 ~ 800℃가 바람직하다.
2, Ti/C가 4 이하이고, 담금질하여 다시 템퍼링(tempering)처리를 행하는 경우
담금질 템퍼링 온도의 영향에 대해 Ti을 고용시키지 않기 위한 담금질 온도의 조건을 조사하였다. 공시강의 화학성분은 0.05 % C-0.55 % Cu-0.50 % Ni-0.05 % Ti에 B를 10 ppm 첨가한 강을 기초로 Ti/C를 여러가지로 변화시켰다. 또한 상술한 바와 마찬가지로 Ni량을 0.5 %와 1.0 %로 검토하였다. 압연 시의 가열온도는 일반적인 용접구조용 강재에 적용되고 있는 1100℃, 압연종료온도 (FRT)는 850℃로 하고, 판 두께 25 mm의 강판을 제조하였다. 여기서 압연 후의 냉각은 공냉이다.
이와 같이 하여 제조한 강판에 대해 담금질 온도를 여러가지로 변화시킨 담금질 템퍼링 열처리를 행하고, 인성을 조사하였다. 템퍼링 온도는 일반적인 용접구조용 570 N/㎟급 강재에 적용되고 있는 640℃로 하였다. 담금질 시의 냉각속도는 20℃/s였다. 그 결과를 도 4, 도 5에 나타내었다.
도 4, 도 5는 Ni량 1.0 %와 0.5 %인 경우의 인성에 미치는 담금질 온도와Ac3의 차이와, Ti/C의 관계를 나타낸 도이다. 도로부터 알 수 있는 바와 같이 담금질 온도는 Ac3+ 50 ×Ti/C + 100 ×[Ni]2이하(도 중의 사선 이하)이면 목표로 하는 vEO 100 J를 만족하는 것임이 판명되었다. 특히, 높은 인성을 얻기 위해서는 담금질 온도는 850 ~ 880℃가 바람직하다.
상기 담금질 온도에 대한 설명은 재가열 담금질 시의 것이지만, Ti/C가 4 이상일 때의 가열온도, 압연종료온도(FRT)를 만족하고 있다면 직접 담금질이 가능하고 당연히 인성은 vEO 100 J를 만족한다. 압연 후에는 판 두께를 고려하여 필요한 강도를 확보할 수 있도록 수냉에 의한 냉각속도를 조정한다. 특히, 높은 인성을 얻기 위해서는 압연종료온도(FRT)를 700 ~ 800℃로 하고, 그 후 직접 담금질하는 것이 바람직하다.
3, Ti/C가 4를 넘는 경우
Ti/C가 4를 넘으면 Ti/C는 오스테나이트(Austenite) 중에 비정합 석출(인성을 열화시키지 않는다)되고, 페라이트 중으로의 정합 석출(인성을 열화시킨다)은 거의 생성되지 않기 때문에 가열온도, 압연종료온도(FRT), 담금질 온도에 대해서는 기본적으로 규정하지 않는다. 단, 실제 조업을 고려하여 비용, 생산성의 면에서 다음과 같이 규정하였다. 가열온도는 연료 사용량을 고려하여 상한을 1200℃, 압연 생산성을 고려하여 상한을 850℃로 하였다. 압연종료온도는, 강도를 향상시키기 위해서는 결정립(結晶粒)의 미세화가 필요하기 때문에 강도 확보를 위해 상한을 950℃로 하였다. 특히, 높은 인성을 얻기 위해서는, 압연종료온도는 700 ~ 800℃가 바람직하다. 또한 압연종료 후 직접 담금질이 가능하다. 담금질 온도는 연료 사용량을 고려하여 상한을 950℃, 하한은 강도를 확보하기 위해 Ac3로 하였다. 단, 저항복비를 실현하기 위해서는 이상역(2相域)에서의 담금질이 필요한 경우가 있고 그 경우에는 이에 한정하지 않는다.
(실시예)
실시예 1
이하, 실시예에 따라 본 발명을 설명한다. 표 1에 나타낸 화학성분의 강판과 표 2에 나타낸 수지를 조합시켜서 공시재를 제작하고 도 6에 나타내도록 공시재의 표면에 커터나이프로 크로스커트식의 인공도막 결함을 넣어 촉진시험 및 대기폭로시험에 의해 공시재의 장기 내구성을 평가하였다. 강판으로의 도장처리는 어느 도료계의 경우도 하지처리로 샌드 블라스트(Sand Blast) 처리 후 스프레이 도장으로 두께 10 ㎛까지 도장하였다. 표 중의 도료 B는 부티랄 수지, P는 폴리에스텔 수지, E는 에폭시 수지, U는 우레탄 수지, F는 불소수지를 나타낸다.
촉진시험은 도 7에 나타낸 복합사이클시험(카본아크 램프 조사(照射)→염수침지(0.1 %와 0.5 %와 3.0 %의 세 종류)→항온항습)을 행하고 60 사이클 후에 외관 및 크로스커트로부터의 도막 하의 부식의 넓이폭을 평가하였다. 대기폭로시험은 남향으로 수평에 대해 30°의 경사로 1 년간 대기에 노출(주 1 회에 0.1 %의 염수산포)하였다. 대기폭로시험의 평가는 촉진시험과 마찬가지로 외관 및 크로스커트로부터의 도막 하의 부식의 넓이폭으로 평가하였다. 또한 크로스커트로부터의 도막 하의 부식의 넓이폭의 평가는 넓이폭을 8 점 계측하고, 그 평균치로 평가하였다. 또한 외관평가의 레이팅 넘버(RN)는 외관을 보고 가장 양호한 경우를 10, 손상이 커짐에 따른 순으로 수치를 낮추고, 가장 손상이 큰 경우(전면부식)를 1로 하였다. 각각의 종합평가를 상대적으로 ◎,, △, × 등으로 표시하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 의한 도장강재와 비교강의 우열의 차는 뚜렷하다. 비교예에 대해 하나하나 설명하면 No. 1은 보통강, No. 2는 소위 내후성 강이지만 Cr을 함유하고 있기 때문에 pH가 저하하고 도막 하의 부식의 넓이폭이 크다. No. 3은 Cr 첨가를 대체하는 안정녹 생성촉진원소 및 pH 저하를 완충하는 원소를 함유하고 있지 않기 때문에 각각 내식성이 불충분하게 되어 표 2의 결과를 생성하는 것이라도 생각된다. 표 2의 결과는 본 발명의 충분한 유용성을 증명하고 있는 것이다.
실시예 2
표 1에 나타낸 화학성분의 강편을 표 3에 나타낸 제조조건으로 판 두께 25 ~ 80 mm의 강판을 제조하였다. 이들 강판에 대해 인장강도, 저온인성, JIS Z 3158에 의한 용접크랙방지 예열온도, 용접 열영향부의 인성을 조사하였다. 그 결과를 표 3에 함께 기록하였다. 용접 열영향부의 인성은 입열 120 kJ/cm의 엘렉트로가스아-크용접에 따른 용접계수에 의해 조사하고, 인성치는 본드부(용접금속과 모재의 경계), 본드부로부터 모재측으로 1 mm 및 3 mm 들어간 3 개소의 위치에서의 가장 낮은 값을 채용하였다.
비교예인 No. 5는 PCM이 높기 때문에 용접 크랙(crack)방지 예열온도가 100℃로 높고, 용접 열영향부의 인성도 20 J로 낮다.
비교예인 No. 7 - 6은 가열온도가 본 발명의 규정온도보다 높고 No. 7 - 7은 압연종료온도가 본 발명의 규정온도보다 높기 때문에 모재의 인성이 60 J와 80 J로 100 J 이상을 만족하고 있지 않다. 비교예인 No. 8 - 1, 8 - 2는 Ti/C가 4를 넘는 예이지만, No. 8 - 1은 가열온도가 본 발명의 규정온도보다 높고 No. 8 - 2는 압연종료온도가 본 발명의 규정온도보다 높기 때문에 모재의 인성이 85 J와 76 J로 100 J 이상을 만족하고 있지 않다.
비교예인 No. 15 - 1은 Ti/C가 4 이하인 예이지만, 담금질 온도가 본 발명의 규정온도보다 높기 때문에 모재의 인성이 80 J로 낮다. 본 발명예는 표 2에 나타낸 것과 같이 Ti/C가 4를 넘는 경우, 4 이하의 경우 모두 우수한 모재특성, 용접크랙방지 예열온도, 용접 열영향부의 인성이 얻어지고 있다. 또한 본 발명예인 No. 15 - 2 및 19는 압연 후 직접 담금질을 행한 것이지만, 다른 재가열 담금질을 행한 본 발명예와 동등한 값이 얻어지고 있다.
이상, 설명한 바로부터 알 수 있듯이 본 발명에 의한 도막 내구성이 우수한 도장용 강재는 침투 염분의 영향을 무시할 수 없는 염해환경 하에서도 우수한 장기 내구성을 지니고 있고, 강 구조물의 유지관리업무를 최소화할 수 있는 강재로서, 도로에 염화물을 산포하는 한냉지를 포함한 내륙지방에서 해안근방까지의 폭넓은 영역에서 실용할 수 있는 우수한 특성을 지니고 있다. 한 편, 제조방법에 있어서는 B를 첨가함과 함께 Ti/C의 비에 의해 가열온도, 압연종료온도, 담금질 온도를 규정하고 있기 때문에 본 발명의 도장용 강재는 두께, 고강도 강에서도 양호한 용접성 및 저온인성을 겸비하고 있다.

Claims (12)

  1. 질량%로, C : 0.12 % 이하(0 %는 제외), Si : 1.0 % 이하(0 %는 제외), Mn : 2.5 % 이하(0 %는 제외), P : 0.05 % 이하(0 %는 제외), S : 0.02 % 이하(0 %는 제외), Cr : 0.05 % 이하(0 %는 제외), Cu : 0.05 ~ 3.0 %, Ni : 0.05 ~ 6.0 %, Ti : 0.025 ~ 0.15 %를 함유하고, Cu + Ni : 0.50 % 이상, 용접 크랙 감수성 지수(PCM)는 0.23 % 이하인 것을 특징으로 하는 도막 내구성이 우수한 도장용 강재(塗漿用鋼材).
  2. 청구항 제 1 항에 있어서, 상기 성분에 또한 질량%로, Al : 0.05 ~ 0.50 %, Ca : 0.0001 ~ 0.05 %, Ce : 0.0001 ~ 0.05 %, La : 0.0001 ~ 0.05 % 중 어느 하나 이상을 함유하는 도장용 강재.
  3. 청구항 제 1 항에 있어서, 상기 성분에 또한 질량%로, B : 0.0005 % ~ 0.0030 %를 함유하는 도장용 강재.
  4. 청구항 제 2 항에 있어서, 상기 성분에 또한 질량%로, B : 0.0005 ~ 0.0030 %를 함유하는 도장용 강재.
  5. 청구장 제 1 항에 있어서, 상기 성분에 또한 질량%로, Nb : 0.002 % ~ 0.05%, V : 0.01 ~ 0.10 %, Zr : 0.002 ~ 0.05 %, Mo : 0.05 ~ 0.5 % 중 어느 하나 이상을 함유하는 도장용 강재.
  6. 청구항 제 2 항에 있어서, 상기 성분에 또한 질량%로, Nb : 0.002 ~ 0.05 %, V : 0.01 ~ 0.10 %, Zr : 0.002 ~ 0.05 %, Mo : 0.05 ~ 0.5 % 중 어느 하나 이상을 함유하는 도장용 강재.
  7. 청구항 제 3 항에 있어서, 상기 성분에 또한 질량%로, Nb : 0.002 ~ 0.05 %, V : 0.01 ~ 0.10 %, Zr : 0.002 ~ 0.05 %, Mo : 0.05 ~ 0.5 % 중 어느 하나 이상을 함유하는 도장용 강재.
  8. 청구항 제 4 항에 있어서, 상기 성분에 또한 질량%로, Nb : 0.002 ~ 0.05 %, V : 0.01 ~ 0.10 %, Zr : 0.002 ~ 0.05 %, Mo : 0.05 ~ 0.5 % 중 어느 하나 이상을 함유하는 도장용 강재.
  9. 청구항 제 1 항부터 8 항 중 어느 하나의 항에 기재된 성분을 함유하는 강재로서, 또한 Ti과 C의 함유량의 비 Ti/C가 4를 넘는 강재를 850 ~ 1200℃로 가열하고, 950℃ 이하의 온도에서 압연이 끝나도록 압연하며, 그 후 공냉(空冷) 또는 1℃/초 이상의 냉각속도로 수냉(水冷)하는 것을 특징으로 하는 도막 내구성이 우수한 도장용 강재의 제조방법.
  10. 청구항 제 1 항부터 8 항 중 어느 하나의 항에 기재된 성분을 함유하는 강재로서, 또한 Ti과 C의 함유량의 비 Ti/C가 4를 넘는 강재를 850 ~ 1200℃로 가열하고, 950℃ 이하의 온도에서 압연이 끝나도록 압연하며, 그 후 Ar3~ 950℃의 온도에서 직접 담금질(Quenching), 또는 Ac3~ 950℃의 온도에서 재가열 담금질하고, 그 후 다시 템퍼링(tempering)처리를 행하는 것을 특징으로 하는 도막 내구성이 우수한 도장용 강재의 제조방법.
  11. 청구항 제 1 항부터 8 항 중 어느 하나의 항에 기재된 성분을 함유하는 강재로서, 또한 Ti과 C의 함유량의 비 Ti/C가 4 이하인 강재를, 850 ~ (1200 - 50 × Ti/C)℃로 가열하고, (Ar3+ 50 ×Ti/C + 100 ×[Ni]2)℃ 이하의 온도에서 압연이 끝나도록 압연하며, 그 후 공냉 또는 1℃/초 이상의 냉각속도로 수냉하는 것을 특징으로 하는 도막 내구성이 우수한 도장용 강재의 제조방법.(단, 식 중 [Ni]은 Ni의 함유량을 나타냄)
  12. 청구항 제 1 항부터 8 항 중 어느 항에 있어서, 그 상기 성분을 함유하는 강재로, 또한 Ti과 C의 함유량의 비 Ti/C가 4 이하인 강재를, 850 ~ (1200 - 50 × Ti/C)℃로 가열하고, (Ar3+ 50 ×Ti/C + 100 ×[Ni]2)℃ 이하의 온도에서 압연이 끝나도록 압연하며, 그 후 (Ar3+ 50 ×Ti/C + 100 ×[Ni]2)℃ 이하의 온도에서 직접 담금질, 또는 (AC3+ 50 ×Ti/C + 100 ×[Ni]2)℃의 온도에서 재가열 담금질하고, 그 후 다시 템퍼링처리를 행하는 것을 특징으로 하는 도막 내구성이 우수한 도장용 강재의 제조방법.(단, 식 중[Ni]는 Ni의 함유량을 나타냄)
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