KR100370473B1 - 페라이트 세립형 구조용강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 항복강도 45㎏f/㎟이상, 인장강도 62㎏f/㎟이상, 연신율 20% 이상의 기계적 성질을 갖는 고강도의 65㎏f/㎟급 구조용강 제조방법에 관한 것으로, 그 구성은 중량%로 C : 0.05∼0.2%, Si : 0∼0.5% Mn :0.9∼1.8%, Ti : 0.008∼0.012%, V : 0.03∼0.08%, N : 0.005∼0.01%와 미량의 불가피한 불순원소 및 Fe로 조성된 합급강괴를 주조하는 단계와, 주조된 강괴를 1100∼1300℃로 가열후 오스테나이트 재결정온도에서 50%이상 압연후 서냉시켜 페라이드를 생성시키는 단계와, 페라이트가 생성된 강판을 다시 50%이상의 압하로 압연하여 압연시 가공열로 변형된 페라이트를 재결정시키는 단계와, 1∼10℃/S로 상온까지 냉각시키는 단계로 구성되는 페라이트 세립형 구조용강 제조방법에 관한 것이다.

Description

페라이트 세립형 구조용강 제조방법{A Method for Manufacturing a High Strength Structural Steel Having Fine Ferrites}

본 발명은 페라이트 세립형 구조용강 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 항복강도 48㎏f/㎟이상, 인장강도 62㎏f/㎟이상, 연신율 2% 이상을 갖는 구조용강의 제조방법에 관한 것이다.

산업의 발달과 더불어 구조용강은 산업 및 건축, 토목등 많은 분야에서 사용되고 있으며 고강도의 품질을 요구하고 있다.

이는 강의 고강도화에 따라 강의 중량을 낮출 수 있는 장점이 있어 강의 부피와 중량을 줄여주며 필요한 강도의 구조물을 형성시킬 수 있기 때문이다.

일반적으로 구조용강으로 사용되는 강은, 인장강도 40∼50㎏f/㎟급으로서 통상의 제어압연(Controlled rolling)이나 재결정 제어압연(RecrystallizationControlled rolling) 등의 열간압연을 행한 후에 공냉하거나, 경우에 따라서는 가속냉각시키는 방법으로 제조된다.

재결정 제어압연(RCR)이란 Ti, V, N 등의 합금원소로 설계한 강에서 스라브재가열과 고온압연시의 결정립 성장의 억제, 압연중의 정적 재결정에 의한 결정립 미세화, γ→α변태시 탄질화물 석출에 의한 페라이트 결정립 미세화 및 석출강화를 이용하여 압연종료온도(FRT)를 900℃∼1050℃로 높히고도 강도와 충격인상을 높일 수 있는 기술이다.

또한 강도를 증가시키기 위하여 합금원소를 첨가하거나 열처리(담금질이나 뜨임)을 실시하는 경우도 있다.

그러나 상술한 구조용강은 인장강도가 40∼50㎏f/㎟급으로서, 수요자의 고강도 구조용강에 부합하지 못하여 근래에는 고강도의 60㎏f/㎟급 구조용강 제조방법이 발표되고 있다.

60㎏f/㎟급 구조용강 제조방법의 일예로는, 합금원소의 첨가없이 압연방법을 달리하여 압연함으로써 페라이트를 미세화시켜 강도를 향상시키는 것으로 이를 조금 더 상세하게 설명하면, 오스테나이트 변태온도 직상에서 50%이상을 압연하여 페라이트를 생성시키고, 다시 연속해서 50%이상 압연하여 이미 형성된 페라이트를 재결정시킴으로써 페라이트를 미세화하여 강도를 향상시키는 것이다.

상술한 압연방법은 포항제철소에서도 98년 특허를 출원(98-52500)한바 있다.

그러나, 산업의 발달에 따라 고강도 저중량의 소재를 필요로 하는 운송수단에 소요되는 소재나 부양력을 필요로 하는 기재나 구조물 등은 끊임없이 고강도의소재를 필요로 하는 바, 이에 부응하기 위하여 조금이라도 강도가 높은 고강도의 구조용강의 개발이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 구조용강의 수요에 적합하며, 기존의 구조용강의 강도보다 높은 강도 65㎏f/㎟를 갖는 구조용강의 제조방법을 제공함에 있다.

도 1은 발명강과 비교강의 광학현미경 미세조직 사진,

도 2는 발명강의 석출물 미세조직 사진.

도 3은 본 실시예에 적용된 압연 프로세스를 도시한 그래프.

상술한 기술적 과제를 성취시키기 위한 본 발명은, 기존의 압연방법을 이용하여 페라이트를 미세화 시키고, 용접성을 저해하지 않는 수준에서 타타늄을 첨가하여 재가열시 오스테나이트의 결정립 성장을 억제시키고 바나늄을 첨가하여 탄질화물의 석출로 강도를 더욱 향상시키며, 이들 석출물에 의해 페라이트의 성장을 억제하여 페라이트를 세립화시키는 것을 그 기술사상으로 한다.

이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

중량%로, C : 0.05∼0.2%, Si : 0.5% 이하, Mn : 0.9∼1.8%, Ti : 0.008∼0.012%, V : 0.03∼0.08%, N : 0.005∼0.01%와 미량의 불가피한 불순 원소 및 Fe로 구성된 합금강을 강괴로 주조하는 단계와, 상술한 강괴를 1100∼1300℃범위에서 가열한 후 오스테나이트 재결정 온도에서 50%이상의 압하율로 압연하는 단계와, 상기 오스테나이트가 미세화된 강판을 미재결정역(Ar3-Ae3사이의 온도)에서 50%이상 압연을 행한 후 서냉시켜 페라이트를 생성시키는 단계와, 페라이트가 생성된 강판을 다시 50%이상의 압하율로 압연하여 압연시의 가공열로 변형된 페라이트를 재결정시키는 단계와,

페라이트가 재결정된 강판을 1∼10℃/S로 상온까지 냉각시키는 단계를 포함하여 구성된다.

이하 상기 성분의 한정이유 및 열간압연 등에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 탄소(C)는 함량이 적을 경우 제 2상 조직의 분율이 저하하여 강도가 저하되고, 많을 경우에는 강도는 증가하나 연신율을 해치고 용접성에도 나쁘므로 0.05∼0.2% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 규소(Si)는 제강시 탈산제로 첨가되며 고용강화효과도 있으나, 충격천이온도를 높이고, 0.5% 이상 첨가되면 용접성이 저하되며 강판 표면에 산화피막이 심하게 형성되므로 그 함량은 0.5%이하로 제한 하는 것이 바람직하다.

상기 망간(Mn)은 0.9%이하가 되면 강의 경화능을 저하시켜 열간압연후의 냉각시 제 2상 조직인 베이나이트를 형성하기 어려워 강도확보가 어렵고, 1.8%이상 첨가되면 용접성이 저하하므로, 그 함량은 0.9∼1.8%로 제한 하는 것이 바람직하다.

상기 티타늄(Ti)은 TiN 석출물을 형성하여 재가열시에 오스테나이트의 결정립 성장을 막고, 압연중 재결정후에 일어나는 결정립 성장을 억제 하는 효과가 있다. 화학양론적인 차이에 따라 석출물의 크기는 달라지게 되는 데, 적정한 크기의 TiN 석출물을 위하여 Ti의 함량은 0.008∼0.012%이 바람직하다.

상기 바나듐(V)은 0.01%이하가 되면 강의 탄질화물 형성에 의한 강도 향상효과가 저하되고 0.08%이상 첨가되면 재가열시에 오스테나이트 강중에 용해시키기가 어려우므로 그 함량은 0.01∼0.08%정도로 제한 하는 것이 바람직하다.

상기 질소(N)은 TiN이나 V(C,N)을 형성하는 중요한 원소로서 양이 너무 적으면 효과적인 석출물을 기대하기 어렵고, 양이 너무 많으면 제조 공정상의 어려움이 있기 때문에, 그 함량을 0.005∼0.01%로 하는 것이 바람직하다.

상기 재가열 온도에서 가열온도가 1300℃ 이상일 경우에는 오스테나이트 입자도 너무 조대화 되고, 강중에 델타-페라이트가 일부 생성되어 강판의 성질을 열화시키는 문제가 있고, 가열온도가 너무 낮으면 용질원자가 완전히 오스테나이트에 고용되지 않아서 강도 확보가 어렵고, 재결정역 압연 온도를 맞추기 어려우므로 주괴 가열온도는 1100∼1300℃사이로 하는 것이 바람직하다.

상기 재결정역압연에서 압연온도가 1000℃이상에서는 오스테나이트가 재결정된다고 하더라도 결정립 크기가 조대하여 다음에 이루어지는 압연에 의한 페라이트 미세화 효과가 적고 850℃이하에서는 미재결정역(Ar3∼Ae3)이므로, 조대한 오스테나이트의 변형에 의해 다음 공정이 이루어지게 되는데, 그 때의 페라이트 미세화 효과는 작다. 여기서, "Ar3-Ae3"는 미재결정역으로서, 평형상태의 A3변태온도(Ae3)와 냉각시의 A3변태온도(Ar3) 사이의 차이를 나타낸다.

상기 미재결정역(Ar3∼Ae3)에서의 압연은 오스테나이트에서 페라이트로 변태가 되기 직전에 압연을 행하여 변형대 생성을 극대화 시키고자 하는 것으로, 이때 압하량이 50%이상을 주어야 하고, 압연후 페라이트를 30%이상 생성할 때까지 서냉하고, 다시 압연을 50%이상을 하여 페라이트를 재결정시킨다.

상기 냉각 속도는 너무 느리면 생성되는 페라이트의 입도가 조대해지고, 너무 빠르면 마르텐사이트나 하부베이나이트의 생성으로 연속항복(Continuous yielding)이 발생하여 항복강도가 저하하고, 또한 연성이 저하되므로, 1∼10℃/S로 한정하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

〈실시예〉

중량%로 C : 0.15%, Mn : 1.5%, Si : 0.25%, V : 0.03%, Ti : 0.01%, N : 0.008, P : 0.003, S : 0.003 및 나머지 Fe로 구성된 강괴를 1200℃로 가열하고, 본 발명 방법인 도 3에 도시된 압연프로세스로 열간압연한 후, 상온까지 5℃/S의 냉각속도로 냉각하여 본 발명강의 시편을 제조하였다.

비교강 1 은 주요성분이 발명강과 동일하며, V이 발명강에 비해 조금 증가된 조성으로, 일반적인 제어압연 및 가속냉각(RCR)에 의하여 제조된 강이다.

비교강 2 는 주요성분인 C, Si, Mn성분이 발명강 및 비교강과 동일하며, 합금원소가 첨가되지 않은 탄소강으로 도 3에 도시된 압연프로세스를 이용하여 시편을 제조하였다.

표 1은 각 시편의 조성을 나타낸 표로서, P,S는 불순물로 강 내에 함유된 원소이다.

상술한 바와 같이 제조된 시편에 항복강도, 인장강도, 연신율 및 페라이트 입도를 측정하여 그 측정 결과를 표 2에 나타내었다.

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 발명강은 항복강도 53㎏f/㎟, 연신율 27%이며, 페라이트 결정립 3㎛이다. 비교강 1은 RCR 법으로 제조된 것으로, 1250℃에서 2시간 재가열하고 난 후, 6∼7패스로 제어압연을 행한 다음, FRT 950℃에서 5℃/S으로 가속냉각하여 제조되었다. 그 결과, 비교강 1은 항복강도 40㎏f/㎟, 인장강도 54㎏f/㎟, 연신율은 30%였다. 본 발명강은 석출강화 효과가 큰 바나듐의 함량이 더 높은 비교강 1보다 인장강도가 더 높았다. 이것은 발명강의 경우 오스테나이트의 재결정역에서의 압연에 의하여 오스테나이트 결정이 재가열온도에서 보다 1/10로 작아지고(250→25㎛), 비교강의 경우는 재결정역에서의 오스테나이트 재결정 입도가 1/5정도로 작다(250→50㎛). 이는 페라이트가 생성될 수 있는 유효입계 면적이 그 만큼 발명강의 경우가 더 크다는 것을 말한다. 발명강의 경우 도 3에서와 같은 760℃에서의 연속압연은 먼저 1단(1-step) 압연에서 앞서 작아진 오스테나이트를 60%의 변형에 의해 조직 내의 변형대를 증가시켜서 페라이트의 핵생성 장소를 증대시키고, 그 후 서냉에 의해 조직내의 페라이트가 변태된 후 연속된 2단 (2-step)의 압연으로 가공발열에 의하여 이미 생성된 페라이트를 재결정시켰다. 이때, 탄질화물에 의해 페라이트의 조대화를 최대한 억제시키고, 이어서 5℃/S의 냉각속도로 상온까지 냉각하여 페라이트가 조대하지 않고 연속항복을 일으키는 마르텐사이트나 베이나이트의 생성을 억제하고 미세한 페라이트와 펄라이트를 얻었다. 도 1에 발명강(가)와 비교강 1(나), 비교강 2(다)의 광학현미경 미세조직을 보였다. 페라이트 결정립의 크기는 발명강의 경우 3㎛이고, 비교강 1의 경우는 10㎛, 비교강 2의 경우는 4㎛로서 발명강의 경우가 제일 작았다. 또한, 발명강은 동일한 압연조건으로 제조된 비교강 2에 비하여 항복강도와 인장강도가 상승하였는데 이는 미재결정압연 후 도 2에서와 같은 바나듐 탄질화물의 석출에 의한 강화효과와 페라이트 결정립의 성장억제로 인한 효과에 의한 것이다.

이러한 효과로 인해, 미재결정(Ar3-Ae3)영역에서 2-패스(pass) 압연에 의해 제조한 발명강의 경우가 다패스로 압연한 비교강의 경우보다, 그리고 합금원소가 첨가되지 않고 2-패스 압연한 경우보다 페라이트가 미세한 조직을 갖게 되고 석출물에 의한 강도 상승으로 우수한 기계적성질을 나타내었다. 이와같이, 압연하는 동안 탄질화물을 석출시키고 페이트 변태 직전에 압하를 하고, 다시 연속적인 압연을 행하여 미세한 페라이트를 얻을 수 있었고, 그에 따라 페라이트 세립형 65㎏f/㎟급의 구조용강을 얻을 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 강도향상을 위하여 합금 원소를 첨가하여 오스테나이트의 결정립 성장을 최대한 억제시키고, 냉각하는 동안 탄질화물을 석출시키고, 미재결정역(Ar3-Ae3 사이)의 온도에서 연속적으로 2번의 압연을 행하여 가속냉각시킴으로써, 미세한 페라이트를 얻고 페라이트의 결정립 성장을 석출물로 억제시켜 인장강도가 65㎏f/㎟급 구조용강을 얻을수 있다.

Claims (1)

1. 인장강도 65㎏f/㎟급 구조용강을 제조하는 방법에 있어서,

   중량%로, C : 0.05∼0.2%, Si : 0∼0.5% 이하, Mn : 0.9∼1.8%, Ti : 0.008∼0.012%, V : 0.03∼0.08%, N : 0.005∼0.01%와, 나머지 미량의 불가피한 불순원소 및 Fe로 조성된 합금강을 강괴로 주조하는 단계와,

   주조된 강괴를 1100∼1300℃ 범위에서 가열한 후 850∼1000℃ 범위의 온도에서 50%이상 압하율로 압연하는 단계와,

   상기 강판을 700~850℃ 범위의 온도에서 50% 이상 압연을 행한 후 서냉시키는 단계와,

   상기 서냉된 강판을 다시 50% 이상의 압하율로 압연하여 압연시 가공열로 변형된 페라이트를 재결정시키는 단계와,

   페라이트가 재결정된 강판을 1~10℃/S의 속도로 상온까지 냉각시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 페라이트 세립형 구조용강 제조방법.