KR100430067B1

KR100430067B1 - Ｈａｚ 인성의 입열 의존성이 없는 용접 구조물용 강과 그 제조방법

Info

Publication number: KR100430067B1
Application number: KR10-2001-7007269A
Authority: KR
Inventors: 우에모리류지; 도미타유키오; 하라다쿠야; 아이하라슈지; 사이토나오키
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 1999-10-12
Filing date: 2000-10-12
Publication date: 2004-05-03
Also published as: DE60020522T2; KR20010080751A; JP3802810B2; WO2001027342A1; EP1143023A1; DE60020522D1; EP1143023B1; EP1143023A4

Abstract

질량%로, C:0.01∼0.2%, Si:0.02∼0.5%, Mn:0.3∼2%, P:0.03% 이하, S:0.0001∼0.03%, Al:0.0005∼0.05%, Ti:0.003∼0.05%, Mg:0.0001∼0.01%, O:0.0001∼0.008%를 함유하고, 나머지가 철 및 불가피한 불순물로 구성되는 강에 있어서 입자 지름이 0.2∼5μm인 Mg 함유 산화물 및 질화물의 일방이 단독으로 또는 양방이 복합하여 석출한 입자가, 평균 입자 간격 30∼100μm로 강 중에 분산되고, 또는 입자 지름이 0.005∼0.2μm미만의 Mg 함유 산화물을 핵으로 하여, 황화물 및 질화물 중 일방이 단독으로 또는 양방이 복합하여 석출한 입자가, 평균 입자 간격 30μm이하로 강 중에 분산되어 있는 HAZ 인성이 우수한 용접 구조물용 강.

Description

ＨＡＺ 인성의 입열 의존성이 없는 용접 구조물용 강과 그 제조방법{STEEL FOR WELDED STRUCTURE PURPOSE EXHIBITING NO DEPENDENCE OF HAZ TOUGHNESS ON HEAT INPUT AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

해양 구조물 등 용접 구조물이 취성 파괴를 방지하는 관점에서 용접부로부터 생기는 취성 파괴 발생을 억제하는 연구, 즉, 사용하는 강판에서의 HAZ 인성의 향상에 관한 연구가 수없이 보고되고 있다. 근년에는, 용접 시공 능률의 향상 관점에서, 종래 실시하여 온 대입열 용접(대강 20kJ/mm이하)에서, 또한 용접 입열이 증대된 초대입열 용접(20∼150kJ/mm)을 실시하는 경우가 증가하고 있다.

대입열 용접과 초대입열 용접이 강판에 미치는 영향의 차이는, l400℃ 이상의 고온에서의 체류 시간의 차이에 기인하고 있다.

즉, 초대 입열 용접에서는, 그 체류 시간이 매우 장시간이기 때문에, HAZ에 있어서 결정 입경이 현저하게 조대화하는 영역이 넓어져, 인성의 저하가 현저하다.

일반적으로, 강판의 HAZ에서의 결정립의 조대화에 대한 조대화 방지책으로서는, 예를 들면, 일본특허공개공보 소55-26l64호 공보에 기재되어 있는 TiN이나, 일본특허공개공보 소52-173l4호 공보에 기재되어 있는 "중량%로, C:0.0l∼0.2%, Si:0.002∼l.5%, Mn:0.5∼2.5%, Ti 및/또는 Zr:0.002∼0.l%, Ca 및/또는 Mg:0.004% 이하, Ce 및/또는 La:0.001∼0.l%, Al:0.005∼0.1%, N:0.002∼0.015%를 함유하는 것을 특징으로 하는 대입열 용접용 구조용 강"에서의 ZrN 등과 같이, 강중에 미세 분산시킨 개재물 입자에 의하여 구오스테나이트립(이하「구γ립」으로 표기, 또 그 입경을「구γ입경」으로 표기)을 피닝하는 효과(피닝 효과)를 이용하는 방법이 알려져 있다.

그러나, 이와 같은 질화물은, 소입열 내지 중입열의 용접시에는 용해되지 않고 구γ립을 피닝하여 피닝 효과를 발휘하고, 결정립의 미세화에 기여하지만, l400℃ 이상의 고온에서의 체류 시간이 극히 긴 대입열 내지 초대입열의 용접시에는, 그 용접열로, 강 중에서 용이하게 용해되어, 소멸되어 버린다고 하는 문제점을 안고 있다.

한편, 근년, HAZ 인성을 보다 향상시키기 위한 목적에서, 용강 중에서 생성 되는 산화물을 사용하는 기술이 개시되어 있다. 예를 들면, 일본특허공개공보 소59-190313호 공보에는, 용강을 Ti 혹은 Ti 합금으로 탈산하고, 이어서, Al, Mg 등을 첨가하는 것을 특징으로 하는 용접성이 우수한 강재의 제조 방법이 개시되어 있다. 이 제조 방법은, Ti 산화물을 페라이트의 변태 핵으로서 작용시키고, 페라이트 분율을 증가시킨다는 효과를 이용하는 것으로, 종래, 질화물 등의 석출물에 의한 피닝 효과를 이용하는 방법과는 다른 방법으로, HAZ 인성의 향상을 꾀하는 기술이다.

그 후, 이 기술 분야에 있어서는 일본특허공개공보 소6l-79745호 공보, 일본특허공개공보 평5-43977호 공보, 일본특허공개공보 평6-37364호 공보 등에서, 입내 변태 핵으로서의 산화물의 갯수의 증가를 꾀하는 발명 등, 여러 발명이 개시되어 있다.

특히, 일본특허공개공보 소59-1903l3호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 이러한 발명의 골자는,「γ→α변태시의 페라이트 핵 생성, 즉, 페라이트 조직 미세화에 이용 가능한 Ti 함유 산화물을, 균일하게 미세 분산시키는」것이고, 먼저 말했던 바와 같은 질화물 등에 의하여 피닝 효과를 확보하는 것이 아니라, 냉각 과정에서 발생하는 γ→α변태시의 페라이트 변태를 촉진하는 것으로, 조대한 취화 조직 생성 억제를 꾀하고, 조직 미세화를 달성하는 것이다.

이들의 인성 개선 방법은, 모두, 조대 조직 중에, 입내의 페라이트 변태를 촉진시키기 위하여, 변태 핵으로서 1μm정도의 비교적 큰 산화물을 분산시켜 이용하는 것이다.

그러나, 근년, 용접 구조물의 대형화, 경량화라는 관점에서, 보다 고강도의 고장력 강에 대한 요구가 높아지고 있고, 고장력 강의 성분 조성에 있어서는, 합금 원소의 첨가량이 증가하는 경향이 있다. 그 경우, HAZ에서의 담금질성의 증가에 기인하여, 종래의 페라이트 변태를 이용하는 HAZ 인성의 향상 대책은, 유효하지 않게 되었다.

이상과 같은 관점에서, 근본적인 HAZ 인성의 향상을 꾀하기 위하여, 폭 넓은 입열 조건에 있어서도 구γ립에 대한 피닝 효과를 기대할 수 있고, 고온에서도 용해하여 어려운 산화물 입자 등을, 질화물과 같이, 강중에 미세 분산하게 할 수 있는 기술의 개발이 요망된다. 그밖에도, 그러한 경우에, 지금까지의 페라이트 변태 핵 이상의 변태 능력을 부여하는 것이 가능하다면, 이 기술 분야에서 이용되는 강재 특성에 대하여, HAZ 인성의 비약적인 향상을 가져올 것으로 생각된다.

산화물의 도입 방법으로서는, 강의 용제 공정에 있어서 Ti 등의 탈산 원소를 단독으로 첨가하는 방법이 있다. 그러나, 많은 경우, 용강 유지(維持) 중에 산화물의 응집합체가 생성되어, 조대한 산화물의 생성을 초래하게 되고, 오히려, 강의 청정도를 손상하여, 인성을 저하시켜 버린다. 그래서, 이러한 산화물의 미세화를 꾀하기 위하여, 앞의 예에서 말한 바와 같이, 복합 탈산법 등 여러 연구가 이루어지고 있다.

그러나, 종래 알려져 있는 방법에서는, 용접 입열이 큰 경우에 있어서 결정립의 조대화를 완전히 저지할 수 있을 정도의 작용을 이루는 미세한 산화물을, 강중에 분산시킬 수 없다.

발명의요약

본 발명은, 종래의 복합 탈산 방법을 개량하고, 종래 이상으로, 산화물 및/혹은 질화물을 미세하고 균일하게 분산시키고, 또한, 이 미세 분산 입자에 페라이트 변태능도 아울러 부여하며, 초대입열을 포함하는 어떠한 입열 조건에서의 용접에 있어서도, HAZ 인성이 우수한 용접 구조물용 강을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.

본 발명 요지는, 이하와 같다.

(1) 질량%로,

C:0.01∼0.2%

Si:0.02∼0.5%,

Mn:0.3∼2%

P:0.03% 이하

S:0.0001∼0.03%

Al:0.0005∼0.05%

Ti:0.003∼0.05%,

Mg:0.0001∼0.0l%

O:0.0001∼0.008%를 함유하고,

나머지가 철 및 불가피한 불순물로 이루어지고,

입자 지름이 0.2∼5μm의 Mg 함유 산화물을 핵으로 하여 황화물 및 질화물의 일방이 단독으로 또는 양방이 복합하여 석출된 입자가, 평균 입자 간격 30∼100μm로 강중에 분산되고, 또는

입자 지름이 0.005∼0.2μm미만인 Mg 함유 산화물을 핵으로 하고, 황화물 및 질화물의 일방이 단독으로, 또는, 양방이 복합하여 석출된 입자가, 평균 입자 간격 30μm 이하로 강 중에 분산되고 있는,

것을 특징으로 하는 HAZ 인성의 입열 의존성이 없는 용접 구조물 용강.

(2) 질량%로, 또한,

Cu:0.05∼1.5%,

Ni:0.05∼5%,

Cr:0.02∼1.5%,

Mo:0.02∼1.5%,

V:0.01∼0.l%,

Nb:0.0001∼0.2%,

Zr:0.0001∼0.05%,

Ta:0.0001∼0.05%,

B:0.0003∼0.005% 중에 1종류 또는 2 종류 이상

을 함유하는

것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 HAZ 인성의 입열 의존성이 없는 용접 구조물용 강.

(3) 질량%로, 또한,

Ca:0.0005∼0.005%

REM:0.0005∼0.005% 중, 1종류 또는 2 종류 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 HAZ 인성의 입열 의존성이 없는 용접 구조물용강.

(4) HAZ 조직의 구오스테나이트 입경이, 용접 입열에 의존하지 아니하고 10∼200μm인 것을 특징으로 하는 앞에서 기술한 (l), (2) 또는 (3)에 기재된 HAZ 인성의 입열 의존성이 없는 용접 구조물용 강.

(5) 제강 단계에 있어서, Si, Mn을 첨가하여 약탈산 처리를 한 후,

Ti:0.003∼0.05질량%와, 소요량의 Mg를, 순차적으로 혹은 동시에 첨가하여 용존 산소량을 50ppm이하로 하고, 그 상태에서 주조, 혹은, 추가적으로 Mg를, 최종 함유량으로 0.01질량% 이하가 되도록 첨가하여 주조하는 것을 특징으로 하는 상기 (1), (2), (3) 또는 (4)에 기재된 HAZ 인성의 입열 의존성이 없는 용접 구조물용 강의 제조 방법.

(6) 제강 단계에 있어서, Si, Mn을 첨가하여 약탈산 처리를 한 후, Ti:0.003∼0.05질량%와, 소요량의 Al, Ca, Mg를, 순차적으로, 혹은 동시에 첨가하여 용존 산소량을 50ppm이하로 하고 그 상태에서 주조, 혹은, 추가적으로 Mg를, 최종 함유량으로 0.01질량% 이하가 되도록 첨가하여, 주조하는 것을 특징으로 하는 앞에서 기술한 (1), (2), (3) 또는 (4)에 기재된 HAZ 인성의 입열 의존성이 없는 용접 구조물용 강의 제조 방법.

본 발명은, 해양 구조물, 천연 가스·원유 수송용 라인 파이프, 건축, 조선, 교량, 건설 기계 등에 사용하는 용접 구조물용 강 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은, 용접부의 인성이 요구되고, 용접시의 입열이 0.5kJ/mm부터 l50kJ/mm인 폭 넓은 입열 조건에서 용접을 실시하여도 용접열 영향부(이하「HAZ」로 표기)에서의 구 오스테나이트입경이 작고, 용접열 영향부의 인성(이하「HAZ 인성」으로 표기)이 입열조건에 의존하지 아니하는 우수한 용접 구조물용 강에 관한 것이다

도 1은, 용접 입열량을 변화시킨 경우의 HAZ에서의 구γ입경을 나타내는 도면이다.

도 2는, 초미세한 Mg 산화물을 핵으로 한 복합 입자의 형태를 모식적으로 나타내는 도면이다.

Mg는, 종래부터, 강탈산제, 탈황제로서 강의 청정도를 높이고, HAZ 인성을 향상시키는 원소로서 알려져 있다.

또 산화물의 분산을 제어하여 HAZ 인성을 향상시키는 기술로서, Ti 첨가 후, Mg를 첨가하는 복합 첨가 기술이, 일본특허공개공보 소59-l903l3호 공보에 기재되어 있다.

그러나, 그 기술의 목적은, 먼저 인용하였던 바와 같이, Mg첨가에 의하여 입내 변태 핵인 Ti산화물의 증가를 촉진하는 것이고, 산화물을 보다 미세하게 분산시켜 피닝에 의하여 결정립의 세립화를 달성하는 것은 아니다.

이에, 본 발명자들은, Mg가 가지는 강탈산제로서의 작용에 착안하고, Al보다 응집 조대화가 일어나기 어려운 성질을 이용하여, Ti 첨가 강에 있어서, 제강 공정에서의 탈산제의 첨가 순서 및 분량을 제어하면, 산화물의 미세 분산을 기대할 수 있는 여지가 있다는 착상을 하기에 이르렀다.

이하, 본 발명에 관하여 상세하게 설명한다.

본 발명자들은, Ti를 첨가하여 약탈산한 용강 중에 Mg를 첨가한 경우에 있어서, 산화물의 상태를 계통적으로 조사하였다.

그 결과, 용강을 Si, Mn에 의하여 탈산한 후, Ti, Mg의 순으로 Ti와 Mg를 첨가하거나, 혹은, Ti 첨가와 Mg 첨가를 동시에 하고, 또한, 평형 상태가 된 상태에서 다시 한번 Mg를 첨가한 경우에, 산화물의 입경으로서 2종류의 입경을 가지는 산화물이 생성되는 것을 알아내었다.

또한, 첫 번째 단계의 Mg 탈산에 있어서는, 동시 혹은 미리 A1, Ca를 첨가한 경우도, 상기와 다름없는 경향이 되는 것이, 본 발명에서 확인되어 있다.

즉, 하나는, 입경이 0.2∼5.0μm인 Mg 함유 산화물이고, 나머지는, 0.005∼0.2μm의 초미세한 MgO 내지는 Mg 함유 산화물이다. 이와 같은 산화물의 생성은, 다음과 같은 이유에 기초하는 것으로 추정된다.

우선, Ti 첨가, 혹은, Ti와 소량의 Mg의 동시 첨가에 의하여, 일단 Ti 혹은 Ti를 주체로 하는 μm 사이즈의 산화물이 생성된다. 다음으로, 이 상태에서, 탈산력이 강한 Mg가 더 첨가되면, 이미 생성되어 있는 산화물이 Mg에 의하여 환원되고, 최종적으로, μm사이즈로, Mg를 주체로 하는 Mg 함유 산화물이 생성된다.

또한 이 때에, 용존 산소가 적어져 있음에도 불구하고, Mg가 Ti보다 탈산력이 강하기 때문에, 새로운 Mg 단독의 서브 μm 사이즈의 미세한 산화물도 동시에 생성된다.

그 결과, 종래의 첨가 방법에서는 달성할 수 없었던 입자수의 증가와 사이즈의 미세화를 달성할 수 있게 된다.

일반적으로, μm 사이즈의 산화물에 관하여는, 5μm 이상인 것이 많아질수록 파괴 기점이 되기 쉽기 때문에, Mg를 첨가하는 경우에는, 일본특허공개공보 평9-157787호 공보에도 기재되어 있는 바와 같이, Mg 첨가량은, 30∼50ppm 정도가 한계로 되어 있다.

그러나, 본 발명에 따르면, 이와 같은 문제는 회피되어, l00ppm까지는 Mg의첨가가 가능하게 된다.

한편, Ti 탈산이나, Ti + 소량 Mg 탈산에서는, 약탈산 원소 혹은 소량의 강탈산 원소에 의한 탈산이기 때문에, 용강 중에 용존 산소가 아직 남아 있고, 그러한 시점에서, 추가적으로 Mg를 첨가하면, 전술한 μm 내지 서브 μm의 산화물뿐만 아니라, 아직 남아 있는 용존 산소와 Mg의 산화 반응이 완만하게 진행되고, 초미세 산화물이 추가로 생성된다. 초미세 산화물이 생성되는 이유는, 용존 산소량이 적어져 있고, 또한 용존 산소의 용강 중에서의 분포가 균일화되어 있어, 산화물의 크러스터화가 억제된 것으로 추정된다.

이상과 같이, 강중에 생성된 산화물은, 주조시, 혹은, 그 후의 냉각 과정이나 재가열-열간 공정 중에, 황화물 및 질화물의 핵 생성 사이트가 된다.

그리고, 전자 현미경을 사용하여, 1000배∼l0만배의 배율로, 강중 산화물의 상태를 조사한 결과, 강중 산화물의 존재 상태는, 이하, l) 및 2)와 같이 정리할 수 있다. 더욱이, 산화물의 존재 상태에 관해서는, 특정 배율(예를 들면,초미세 산화물의 경우에는 10만배 정도)로 10시야 이상을 관찰하고, 평균 입자 간격 등을 측정하는 것이 바람직하다

1) 입자 지름이 0.2∼5μm의 Mg 함유 산화물을 핵으로 하여, 황화물 및 질화물의 일방이 단독으로, 또는, 양방이 복합하여 석출한 입자가, 평균 입자 간격 30∼100μm로, 강 중에 함유되어 있다.

2) 입자 지름이 0.005∼0.2μm 미만인 Mg 함유 산화물을 핵으로 하여, 황화물 및 질화물의 일방이 단독으로, 또는, 양방이 복합하여 석출한 입자가, 평균 입자 간격 30μm 이하로 강 중에 함유되어 있다.

본 발명은, 상기 1) 및/또는 2)의 산화물의 존재 상태에 의하여 달성되는 우수한 HAZ 인성을 구비하는 강재에 관한 것이고, 종래에는 입열량에 크게 의존하고 있던 HAZ에 있어서 인성 변화를 최대한 억제할 수 있는 획기적인 기술을 제공하는 것이다.

이하, HAZ 인성의 향상에 대하여 설명한다.

지금까지 알려져 있는 바와 같이, 입내 변태는, 산화물의 갯수가 많을수록, 또한, 황화물과 질화물의 산화물상에의 석출이 있는 경우에 촉진된다. 상기 1)에 나타낸 바와 같이, 갯수에 관하여는, 종래와 비교하여 10배 이상 증가되어 있고, 또한 복합 석출에 관하여도, 확인한 바, 100% 황화물 혹은 질화물이 복합적으로 석출되므로, 본 발명 Mg 함유 산화물에 있어서는, 입내 변태능이 매우 커진다.

이어서, 본 발명에서 가장 중요한 구γ입경의 미세화에 대하여도 도 1에 기초하여 설명한다.

도 1은, 0.10 C-l.0 Mn 강을 베이스 성분으로 하여, 입열량을 횡축으로 한 때의 HAZ에서의 구γ입경을, 각 입열조건[lkJ/mm, 10kJ/mm, 50kJ/mm, 100kJ/mm, l50kJ/mm]으로 측정한 것이다.

구γ입경의 측정은, 실이음부의 경우에는, HAZ의 일부를 절단 가공 등에 의하여 추출한 후, 연마처리를 하고, 또한, 나이탈 부식하여 얻어지는 마이크로 조직을, 광학 현미경을 사용하여, 50배∼200배의 배율로 사진 촬영(5 매이상)하고, 절단법에 의해 실시하였다. 도 1에서의 l∼50kJ/mm의 구γ입경은, 이 방법에 의하여 구한 값이다.

또 초대입열의 경우는, 구γ입계를 따라서 입계 페라이트가 생성되므로, 입계 페라이트를 포함시켜 구γ립으로 하여 산출하거나, 혹은, 입열 상당량을 동일하게 한 재현 열 싸이클 시험기를 사용하여 소정의 조건으로 가열한 후, 급랭 처리를 하여 얻은 마이크로 조직으로부터 구γ입경을 측정하는 것이 보통이다. 도 1에서의 100kJ/mm과 l50kJ/mm의 경우의 구γ입경은, 후자의 재현 열 싸이클 시험기를 사용하여 형성한 미크로 조직으로부터 구한 값이다.

여기에서는, Al 탈산강, Ti 첨가 Al 탈산강, Mg 탈산강의 측정례를 나타내고 있고, 상기 2)의 Mg 산화물의 유무에 따라 구γ입경의 입열 의존성이 전혀 다르다는 것을 알 수 있다.

즉, Mg 탈산강 이외에는, 입열량의 증대에 따라서, 구γ입경이 현저하게 커져 있다.

이것에 비하여, 상기 1) 및 2)의 산화물의 존재 상태가 실현되고 있는 경우,혹은, 상기 2)의 산화물의 존재 상태가 실현되어 있는 경우에는, 입열량이 크게 변화한 경우의 Mg 탈산강에서는, 구γ입경의 변화가 극히 적다는 것을 알 수 있다.

특히, 상기 2)의 산화물의 존재 상태는, 구γ입경의 미세화에 대하여 지배적인 요인이 되어 있다.

그렇지만, 입열량이 60kJ/mm 정도까지이면, 상기 1)의 산화물의 존재 상태(단독)만으로도, 구γ 입경의 세립화는 달성되어 있다.

더욱이, 상기 l) 단독 산화물의 존재 상태에 있어서도, 피닝력이 그 효력은 작지만 작용하고 있는데, 상기 2)의 산화물의 존재 상태와 공존하면, 구γ립의 미세화가 현저하게 촉진되고 있다.

구γ립이 미세화된 강판을 전자현미경으로 관찰한 결과, 0.1μm 이하의 면심입방 구조의 MgO나 Mg를 주요 구성 원소로 하는 스피넬형 구조의 MIIMIII₂O₄(MII: Mg, Ca, Fe, Mn 등, MIII: A1, Ti, Cr, Mn, V 등) 입자, 혹은, 도 2에 형태를 모식적으로 나타내는 Mg 함유 산화물-황화물 및/또는 질화물 [TiN 등]의 복합 입자가, 다수 존재하는 것으로 밝혀졌다.

또 전자 현미경 관찰에 있어서, Mg 함유 산화물 - 황화물 혹은 질화물 입자간의 결정학적인 방위 관계를 조사하였더니, 어느 것이나, 완전 평행 방위 관계를 가지고 있는 것도 밝혀졌다.

이것은, Mg의 초미세 산화물이, 황화물이나 질화물의 우선 석출 사이트로서 작용하고 있는 것을 나타내고 있다. 즉, 이 우선 석출 사이트가 다수 존재함으로써 결정립의 피닝에 유효한 질화수가 증가하고 있는 것으로 생각된다.

즉, 입열이 적은 경우에는, 이러한 복합 입자가, 피닝을 이루는 입자로서 작용하고 있다고 생각되고, 또한, 초대입열 용접시와 같은 고온에서의 체류시간이 긴 경우에는, 질화물 입자의 용해가 발생하나, 본 발명에서는, 다수의 MgO 내지는 Mg 함유 산화물이 존재하고, 비록 질화물 입자가 용해되어도 여전히 존재하는 미세한 산화물 입자가, 고온에서의 피닝 입자로서 작용하고 있다고 생각된다.

따라서, 본 발명에 있어서는, 종래 강에서는 결코 얻을 수 없었던 HAZ에 있어서의 구γ립의 성장 억제를 달성할 수 있는 것이다.

즉, 본 발명의 특징의 하나는, 입내 변태능의 현저한 향상 이외에, TiN 등의 질화물을 이용하여 결정립의 피닝을 꾀한 종래 강의 경우와는 달리, MgO 등의 산화물을 강중에 미세하게 도입함으로써 질화물의 석출 핵을 창출하고, 이것에 의하여 질화물의 갯수의 증가를 실현하여, 질화물이 유효하게 작용하는 소입열 용접에 있어서는, 이러한 복합 입자의 존재에 의하여 HAZ에 10∼200μm이하의 구γ립을 얻을 수 있다는 점에 있다.

또한, 본 발명의 다른 특징은, 질화물이 용해되어, 종래, 전혀 인성의 개선 효과가 얻어지지 않았던 대입열∼ 초대입열 용접에 있어서도, 산화물 단독에 의한 입성장 억제 효과에 의하여 HAZ에 있어서, 구γ입경에는, 거의 변화가 생기지 않는다는 점에 있다.

본 발명에서의 Mg의 첨가 방법은, 이미 설명한 바와 같이, 최초로, Si, Mn을 첨가하고, 그 후, 우선, Ti를 첨가하여 용강 중의 산소량을 조정하고, 그 후, 소량의 Mg를 서서히 첨가하거나, 혹은, Ti와 소량의 Mg를 동시에 첨가하고, 그 후에, 최종적으로, 다시, Mg를 첨가하는 것이다.

최적의 Mg 첨가량은, Ti 첨가 후, 용강 중에 존재하는 산소량 등에 의존하지만, 실험에 의하면, 그 때의 산소 농도는, Ti첨가량과 Mg 첨가까지의 시간에 의존하므로, 결국은, Ti 첨가량과 Mg 첨가량을 적정한 범위로 제어하면 된다.

더욱이, 최종적인 Mg 첨가시의 용존 산소량은 0.1∼50ppm 정도가 적량이다.최소 0.1ppm은, 미세한 Mg 산화물이 생기는 최소한도의 용존 산소량이다. 한편, 용존 산소량이 50ppm을 넘으면, 조대한 Mg 산화물이 생기고, 피닝력이 약화되므로, 50ppm을 한도로 하였다.

또 Mg를 첨가할 때에 사용하는 Mg의 소재 및 첨가 방법에 관해서는, 금속Mg를 Fe박에 싸서 첨가하는 방법, Mg 합금을 사용하여 첨가하는 방법 등을 시험해 본 결과, 전자는, 용강 투입 때의 산화 반응이 심하고, 원료에 대한 제품 비율이 저하되는 것으로 판명되었기 때문에, 통상의 대기압하에서 용제하는 경우에는, 비중이 비교적 무거운 Mg 합금을 사용하여 첨가하는 것이 바람직하다

이하, 본 발명 성분 조성의 한정 이유에 대하여 설명한다.

C는, 강의 모재 강도를 향상시키는 기본적인 원소이다. 그 향상 효과를 확보하기 위하여 0.01% 이상의 첨가가 필요하나, 0.2%를 넘어 과잉으로 첨가하면, 강재의 용접성이나 인성의 저하를 초래하므로, 상한을 0.2%로 한다.

Si는, 제강상 탈산 원소로서 필요한 원소이고, 강 중에 0.02% 이상을 첨가할 필요가 있으나, 0.5%를 넘어 첨가하면, HAZ 인성을 저하되므로, 0.5%를 상한으로 한다.

Mn은, 모재의 강도 및 인성의 확보에 필요한 원소이지만, 2%를 넘어 첨가하면, HAZ 인성을 현저하게 저해하고, 반대로, 0.3% 미만으로 첨가하면, 모재의 강도 확보가 곤란하게 되므로, 첨가량의 범위를 0.3∼2%로 한다.

P는, 강의 인성에 영향을 주는 원소이고, 0.03%를 넘어 함유되어 있으면, 모재뿐만 아니라 HAZ의 인성이 현저하게 저해되므로, 상한을 0.03%로 한다.

S는, 0.03%를 넘어 함유되어 있으면 조대한 황화물을 생성하여, 인성을 저해하지만, 0.0001% 미만으로 함유되면, 입내 페라이트의 생성에 유효한 MnS 등의 황화물의 생성량이 현저하게 저하되므로, 0.0001∼0.03%를 첨가량의 범위로 한다.

Al은, 통상, 탈산제로서 첨가되지만,

본 발명에 있어서는,

0.05%를 넘어 첨가되면, Mg의 첨가 효과를 저해하므로, 0.05%를 상한으로 한다. 또한 안정적으로 MIIMIII₂O₄를 생성하기 위하여, 적어도, 0.0005%는 필요하므로, 0.0005%를 하한으로 한다.

Ti는, 탈산제로서, 또, 질화물 형성 원소로서, 결정립의 세립화에 효과를 발휘하는 원소이지만, 다량의 첨가는, 탄화물의 형성에 의한 인성에 현저한 저하를 가져오기 때문에, 상한을 0.05%로 할 필요가 있다. 또한, 소정의 효과를 얻기 위하여, 0.003% 이상의 첨가가 필요하기 때문에, 그 첨가량의 범위를, 0.003∼0.05%로 한다.

Mg는, 본 발명에서의 주요한 합금 원소이고, 주로, 탈산제로서 첨가되지만, 0.01%를 넘어 첨가되면, 조대한 산화물이 생성되기 쉽고, 모재 및 HAZ 인성의 저하를 가져온다. 그러나, 0.0001% 미만의 첨가에서는, 입내 변태 및 피닝 입자로서 필요한 산화물의 생성을 충분히 기대할 수 없으므로, 첨가량의 범위를, 0.0001∼0.0l0%로 한다.

O (산소)는, Mg 함유 산화물을 생성시키기 위한 필수 원소이다. 강중에 최종적으로 잔존하는 산소량이, 0.0001% 미만이면, 산화물의 갯수가 충분하지 않으므로, 0.000l%를 하한으로 한다. 한편, 0.008%를 넘어 잔존한 경우에는,조대한 산화물이 많아지고, 모재 인성 및 HAZ 인성의 저하를 가져오기 때문에, 상한을 0.008%로 한다.

더욱이, 본 발명에 있어서는, 강도 및 인성을 개선하는 원소로서, Cu, Ni, Cr, Mo, V, Nb, Zr, Ta, B 중에서 l종류 또는 2 종류 이상의 원소를 첨가할 수 있다.

Cu는, 인성을 저하시키지 않고 강도를 높이는 데 유효한 원소지만, 0.05% 미만에서는 효과가 없고, 1.5%를 넘으면 강편 가열때나 용접시에 균열이 발생하기 쉽다. 따라서, 그 함유량 범위를 0.05∼1.5%로 한다.

Ni는, 인성 및 강도의 개선에 유효한 원소이고, 그 효과를 얻기 위해서는, 0.05% 이상 첨가할 필요가 있지만, 5%를 넘어 첨가하면 용접성이 저하되기 때문에, 상한을 5%로 한다.

Cr은, 석출 강화에 의한 강의 강도를 향상시키기 위하여, 0.02% 이상의 첨가가 유효하지만, 1.5%를 넘어 다량으로 첨가하면, 담금질성을 상승시키고, 베이나이트 조직을 발생시키며, 인성을 저하시킨다. 따라서, 그 상한을 1.5%로 한다.

Mo는, 담금질성을 향상시킴과 동시에, 탄질화물을 형성하여 강도를 개선하는 원소이고, 그 효과를 얻기 위하여, 0.02% 이상의 첨가가 필요하지만, l.5%를 넘은 다량의 첨가는, 필요 이상의 강화와 함께, 인성의 현저한 저하도 초래하므로, 그 함유량의 범위를 0.02∼1.5%로 한다.

V는, 탄화물, 질화물을 형성하여 강도의 향상에 효과가 있는 원소이지만, 0.01% 미만 첨가하면 그 효과가 없고, 0.l%를 넘어 첨가하면, 반대로 인성의 저하를 초래하기 때문에, 그 함유량의 범위를 0.01∼0.1%로 한다.

Nb는, 탄화물, 질화물을 형성하여 강도의 향상에 효과가 있는 원소이지만, 0.0001% 미만 첨가하면 그 효과가 없고, 0.2%를 넘게 첨가하면, 인성의 저하를 초래하므로, 그 함유량의 범위를 0.0001∼0.2%로 한다.

Zr과 Ta도, Nb와 같이 탄화물, 질화물을 형성하여 강도의 향상에 효과가 있는 원소지만, 0.0001% 미만 첨가하면 그 효과가 없고, 0.05%를 넘게 첨가하면, 반대로 인성의 저하를 초래하므로, 그 함유량의 범위를 0.0001∼0.05%로 한다.

B는, 일반적으로, 고용하면 담금질성을 증가시키나, 또한, BN으로서 고용 N을 저하시키고, 용접 열영향부의 인성을 향상시키는 원소이다. 따라서, 0.0003% 이상 첨가하면 그 효과를 이용할 수 있지만, 과잉 첨가할 경우, 인성의 저하를 초래하므로, 그 상한을 0.005%로 한다.

Ca 및 REM은, 황화물을 생성함으로써 신장된 MnS의 생성을 억제하고, 강재의 판 두께 방향의 특성, 특히, 내라멜라테어성을 개선한다. Ca, REM은, 모두, 0.0005% 미만 첨가할 경우, 이 효과가 얻어지지 않기 때문에, 그 하한을 0.0005%로 한다. 반대로, 0.005%를 넘어 첨가하면, Ca 및 REM의 산화물의 갯수가 증가되고, 초미세 Mg 함유 산화물의 갯수가 저하되므로, 그 상한을 0.005%로 한다.

상기 성분을 함유하는 강은, 제강 공정에서 용제한 후, 연속 주조 등을 거쳐, 후판 가열, 압연이 실시된다. 이 경우, 압연 방법과 가열 냉각 방법 및 열처리 방법에 있어서는, 해당 분야에 있어서 종래부터 적용되고 있는 방법을 사용하여도 HAZ 인성에 대하여 아무런 지장이 없다.

특히, 모재의 입경이 작으면 작을수록, HAZ의 입경과의 입경차가 커지므로,본 발명에 의한 HAZ에서의 구γ입경의 미세화는, HAZ 인성뿐만 아니라, 경도 매칭 등을 고려할 필요가 있는 경우에도, 큰 효력을 발휘한다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.

표 lA 및 표 1B의 화학 성분을 가지는 강괴에, 표 2에 나타내는 조건으로 열간압연 및 열처리를 하여 강판으로 한 후, 그 강판에, 용접 입열이 l.7kJ/mm인 소입열, 20kJ/mm인 대입열, 및 150kJ/mm인 초대입열 용접을 실시하였다. 또한, HAZ에서의 구γ입경을, 전술한 절단법에 의하여 측정함과 동시에, 샤르피 충격 시험에 의해 HAZ 인성(시험편 채취 위치는 최조립역)의 입열 의존성을 평가하였다. 그 결과를 표2에 나타낸다.

또한, 표 2 중의 △vEo는 소입열(1.7kJ/mm)과 초대입열(150kJ/mm)의 샤르피 흡수 에너지의 차, 즉 [소입열시의 인성: vEo(J)] - [초대입열시의 인성: vEo(J)]를 계산한 것이고, 각각의 흡수 에너지는, 0℃에서의 3개의 시험편에 대해서 측정한 값의 평균치이다.

또 λ1과 λ2는, λ1이 l000배인 전자현미경 사진 10매로부터, λ2가 10만배인 전자현미경 사진 10매로부터, 각각 산출한 산화물의 평균 입자 간격이다.

dl: 입열 1.7kJ/mm의 구γ입경,

d2: 입열 20.0kJ/mm의 구γ입경,

d3: 입열 150.0kJ/mm의 구γ입경 (단, 20-2의 d3는 입열 60.0kJ/mm의 구γ입경)

λ1: Mg 함유 산화물(0.2∼5.0μm)의 평균 입자 간격,

λ2: Mg 함유 산화물(0.005∼0.2μm)의 평균 입자 간격

vEo(kgf·m): 입열 1.7kJ/mm인 경우의 0℃에서의 샤르피 흡수 에너지

△vEo(kgf·m): [입열 1.7kJ/mm의 샤르피 흡수 에너지]-[입열 150.0kJ/mm (또는, 60.0kJ/mm)의 샤르피 흡수 에너지]

강 1∼22는 본 발명예를 나타낸다. 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 이러한 발명강에서의 구γ입경은, 소입열∼초대입열이 넓은 입열조건의 범위에 있어서, 모두, 200μm 이하이다. 강 20-2와 21-2은, 화학 성분이, 각각, 강 20과 2l의 화학 성분과 거의 같은 것이지만, 탈산 조건을 변화하게 한 것이고, Mg량이 다소 다른 것이다. 강 20-2의 경우는 λ1이, 강 21-2의 경우는 λ2가, 본 발명에 규정하는 범위 외의 것이지만, 이러한 경우에 있어서도, 강 20-2에서는, 입경이 거의 변화가 없는 것으로 인정되고, 또 강 21-2에서는, 입열조건 60.0kJ/mm에서 입경이 200μm이하가 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 이들 발명강의 샤르피 흡수 에너지는, 모두, l0kgf·m를 초과하고, 상기 발명 강이 고인성의 강임을 나타내고 있다.

그밖에도, 소입열과 초대입열의 경우에 있어서 샤르피 흡수 에너지의 차는,최대라도, 대략 4kgf·m이하로 작고, 폭 넓은 입열조건의 범위에 있어서도, HAZ 인성에 큰 변화는 없다.

더욱이, 표 2에는, 상기 샤르피 흡수 에너지의 차에 마이너스가 붙어 있는 것이 있지만, 이것은, 구γ입경이 커졌는데도 불구하고 인성이 향상된 것을 나타내고 있다. 그리고, 이것은, 본 발명에 있어서는 Mg함유 산화물의 입내 변태능이 매우 큰 것에 기인하고 있다.

이에 대하여, 강 23∼35는, 본 발명의 방법에서 일탈하여 제조된 비교강을나타내고 있다. 즉, 비교강 23, 24, 25, 26, 27, 29, 30, 33, 34 및 35는, 기본 성분 혹은 선택 원소 내, 어느 한 원소가, 본 발명이 규정하는 조성 범위를 넘어 첨가되어 있는 예이다.

상기 비교강에 있어서는, 본 발명에 있어서 중요한 요건인 산화물의 평균 입자 간격은, 대부분이 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하고 있으나, 인성 열화 요인이 되는 원소가 과잉으로 첨가되어 있어 소입열 조건 및 초대입열 조건에서의 용접시, HAZ 인성의 악화가 조장된 것이다.

비교강 28과 비교강 31은, 각각, Al과 Ti가, 본 발명에서 규정하는 Al과 Ti의 하한치보다 작은 경우의 강이고, 입열량이 커짐에 따라, 구γ입경은 조대화되어 있고, 비교강 28과 비교강 31은, 모두, 인성치가 낮은 것이다.

또 비교강 32는, Mg가 무첨가된 것이고, 소입열 조건 하에서는, 인성은 양호하지만, 초대입열 조건하에서는, 인성의 악화가 크고, 결국, 샤르피 흡수 에너지의 차는, l0.3kgf·m로 크다.

상기 비교강에 있어서는, 어느 것이나, HAZ 인성은 낮은 레벨에 있고, 또한, 입열량이 큰 경우에는, 더욱, HAZ 인성이 저하된다.

더욱이, 비교강 33과 비교강 34에 있어서는, 미세한 산화물이 다수 존재하고 있으므로 다른 것에 비하여 충분히, 구γ입경이 작아져 있음에도 불구하고, 인성이 크게 악화되어 있다.

이 이유는, 과잉 Mg 혹은 O이 첨가된 것에 기인하고, 주로, 5μm 이상의 조대한 입자가 생성되고, 취성 파괴가 촉진되기 때문이다.

비교강 36과 비교강 37은, 화학 성분이, 각각, 발명강 l 과 발명강 2의 화학 성분과 같으나, 최종 Mg를 소정량 첨가할 때, 용강 중의 용존 산소량이 50ppm을 넘었던 강이다.

결국, 비교강 36과 비교강 37은, 강 중에 있어서 초미세 산화물의 생성이 적었기 때문에, 구γ입경의 조대화와 현저한 인성 열화가 일어나고 있는 것이다.

본 발명의 화학 성분 및 제조 방법에 의하면, Ti 첨가 후에 Mg를 적절하게 소정량 첨가하거나, 혹은, Ti와 Mg를 동시에 첨가한 다음에, Mg를 적절하게 소정량 첨가함으로써 입열 조건에 상관없이 HAZ에 있어서 구γ립의 성장을 억제할 수 있다.

본 발명에 있어서는, 이 억제 효과에 의하여 HAZ 인성을, 입열 조건의 폭넓은 범위에서 향상시킬 수 있다.

그 결과, 해양 구조물, 천연 가스·원유 수송용 라인 파이프, 건축, 조선, 교량, 건설 기계 등의 폭넓은 기술 분야에 있어서, 용접 구조물이 취성 파괴에 대한 안전성이 대폭적으로 향상된다.

따라서, 본 발명은, 각종 산업 기술의 발전에 기여하는 바가 지대하다.

Claims

HAZ 인성이 0.5 ~ 150kJ/mm 범위의 입열에 의존하지 않는 용접 구조물용 강으로서,

질량%로, C:0.0l∼0.2%, Si:0.02∼0.5%, Mn:0.3∼2%, P:0.03% 이하, S:0.0001∼0.03%, Al:0.0005∼0.05%, Ti:0.003∼0.05%, Mg:0.0001∼0.01%, O:0.0001∼0.008%를 함유하고, 추가로, Cu:0.05∼1.5%, Ni:0.05∼5%, Cr:0.02∼1.5%, Mo:0.02∼1.5%, V:0.01∼0.1%, Nb:0.0001∼0.2%, Zr:0.0001∼0.05%, Ta:0.0001∼0.05%, B:0.0003∼0.005%, Ca:0.0005∼0.005%, REM:0.0005∼0.005% 중 1종 또는 2종 이상을 선택적으로 함유하고, 나머지가 철 및 불가피한 불순물로 이루어지며;

Ti와 Mg를 순차적 또는 동시에 첨가하는 제 1 탈산 처리에 의한 입경 0.2 ∼ 5μm의 Mg 함유 산화물을 핵으로 하여, 황화물 및 질화물의 일방이 단독으로, 또는 양방이 복합적으로 석출된 제 1 입자가, 평균 입자 간격 30 ∼ 100μm로 강 중에 분산되어 있고, 또한

Mg를 첨가하는 제 2 탈산 처리에 의한 입경 0.005 ∼ 0.2μm 미만의 Mg 함유 산화물을 핵으로 하여, 황화물 및 질화물의 일방이 단독으로, 또는 양방이 복합적으로 석출된 제 2 입자가, 평균 입자 간격 30μm 이하로 강 중에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는, HAZ 인성의 입열 의존성이 없는 용접 구조물용 강.
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제 1 항에 있어서,

HAZ 조직의 구오스테나이트 입경이 l0 ∼ 200μm인 것을 특징으로 하는, HAZ 인성의 입열 의존성이 없는 용접 구조물용 강.
HAZ 인성이 0.5 ~ 150kJ/mm 범위의 입열에 의존하지 않는 용접 구조물용 강을 제조하는 방법으로서,

Si, Mn을 첨가하여 약탈산 처리를 하는 단계,

입경 0.2 ~ 5μm의 Mg 함유 산화물을 핵으로 하여, 황화물 및 질화물의 일방이 단독으로 또는 양방이 복합적으로 석출하는 평균 간격 30 ~ 100μm의 입자를 얻기 위하여, Ti: 0.003∼0.05질량%와 Mg: 0.01질량% 미만을, 순차적으로 혹은 동시에 첨가하여 제 1 탈산 처리를 행하는 단계,

용존 산소량을 50ppm 이하로 조정하여 평형 상태를 유지시키는 단계,

입경 0.005 ~ 0.2μm 미만인 Mg 함유 산화물을 핵으로 하여, 황화물 및 질화물의 일방이 단독으로 또는 양방이 복합적으로 석출하는 평균 간격 30μm 이하의 입자를 얻기 위하여, 추가적으로 Mg를, 최종 함유량으로 0.0l 질량% 이하가 되도록 첨가하여 제 2 탈산 처리를 행하는 단계, 및

질량%로, C:0.0l∼0.2%, Si:0.02∼0.5%, Mn:0.3∼2%, P:0.03% 이하, S:0.0001∼0.03%, Al:0.0005∼0.05%, Ti:0.003∼0.05%, Mg:0.0001∼0.01%, O:0.0001∼0.008%를 함유하고, 추가로, Cu:0.05∼1.5%, Ni:0.05∼5%, Cr:0.02∼1.5%, Mo:0.02∼1.5%, V:0.01∼0.1%, Nb:0.0001∼0.2%, Zr:0.0001∼0.05%, Ta:0.0001∼0.05%, B:0.0003∼0.005%, Ca:0.0005∼0.005%, REM:0.0005∼0.005% 중 1종 또는 2종 이상을 선택적으로 함유하고, 나머지가 철 및 불가피한 불순물로 이루어지고, HAZ 조직의 구오스테나이트 입경이 10 ~ 200μm인 강을 생산하기 위하여, 탈산된 용강을 주조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, HAZ 인성의 입열 의존성이 없는 용접 구조물용 강의 제조 방법.
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