KR100431851B1

KR100431851B1 - 고강도 구조용 강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100431851B1
Application number: KR10-1999-0063187A
Authority: KR
Inventors: 서동한; 조익준
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 1999-12-28
Filing date: 1999-12-28
Publication date: 2004-05-20
Also published as: KR20010060760A

Abstract

본 발명은 건축, 토목, 조선 등에 사용되는 구조용 강재에 관한 것으로, 그 목적은 페라이트 결정립미세화를 통한 60kgf/㎟급 고강도 강 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C:0.05∼0.2%, Si:0.01∼0.5% Mn:0.5∼2.0%, Al:0.005∼0.1%, Nb과 Ti의 단독 또는 복합:0.01∼0.03%, P:0.03%이하, S:0.03%이하, N:0.003∼0.014%, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 그 미세조직이 페라이트+펄라이트 또는 페라이트+베이나이트의 복합조직이고, 상기 페라이트의 입도가 5∼7㎛으로 이루어지는 고강도 구조용 강과;

중량%로, C:0.05∼0.2%, Si:0.01∼0.5% Mn:0.5∼2.0%, Al:0.005∼0.1%, Nb과 Ti의 단독 또는 복합:0.01∼0.03%, P:0.03%이하, S:0.03%이하, N:0.003∼0.014%, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되는 주괴를 1100∼1250℃의 온도범위에서 가열한 후, 오스테나이트 재결정역에서 50%이상의 총압하율로 1차열간압연한 다음, Ar₃∼Ar₃+40℃ 온도구간에서 1패스당 20%이상의 압하율로 누적압하율이 70%이상이 되도록 가공발열에 의해 2차 연속다단 열간압연하고, 이어 2∼20℃/s의 냉각속도로 상온까지 가속냉각하여 페라이트+펄라이트 또는 페라이트+베이나이트의 복합조직으로 페라이트의 입도가 5∼7㎛로 고강도 구조용 열연강판의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

고강도 구조용 강 및 그 제조방법{structural steel having High strength and method for menufactreing it}

본 발명은 건축, 토목, 조선 등에 사용되는 구조용 강재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금원소의 첨가없이 페라이트 결정립미세화를 통해 강도를 개선시킨 구조용 강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 구조용강재에는 인장강도 40-50kgf/㎟ 급의 강재가 주로 사용되고 있으며, 이들 강재는 제어압연(Controlled rolling)이나 재결정 제어압연 (Recrystallization controlled rolling) 등의 열간압연 후에 공냉 또는 가속냉각하는 방법으로 제조되고 있다. 또한, 이들 강재의 강도를 증가시키기 위하여 합금원소를 첨가하거나 열처리(Quenching and Tempering)를 실시하는 것이 보통이다. 이러한 제조기술은 공정이 복잡하거나 합금원소의 첨가에 의한 제조원가 상승의 문제점을 갖는다. 따라서, 공정의 단순화를 위하여 많은 노력을 쏟고 있다.

따라서, 최근에는 열간압연을 종료한 후에 750∼600℃까지 4℃/s 이상으로 냉각하는 가속냉각법이 소개되었다. 하지만, 이 방법에서 사용한 화학성분에는 값이 비싼 합금 원소가 함유되어 있어 합금 원단위가 비싸고 또한 제강 및 연속주조시 어려운 문제가 발생할 소지가 많고, 통상의 열간압연으로 행하기 때문에 압연회수의 증가로 생산성이 떨어지는 단점이 있다.

일반적으로 합금의 첨가는 용접성 저해를 초래하게 되는데 이러한 단점을 극복할 수 있는 방법이 페라이트의 입도를 미세화시키는 것이다. 구조용강재에서 결정립을 미세화시키기 위한 종래의 기술로는 제어압연에 의해서 (1)오스테나이트 미재결정역 또는 (2) 오스테나이트 + 페라이트 이상역에서 압연하는 방법이 있다. 이 방법에 의하면 오스테나이트 립의 연신화 및 입내의 변형대를 생성하여 페라이트의 핵생성 자리를 증가시키거나, 가공된 페라이트의 회복, 재결정에 의해 페라이트립을 미세하게 하는 것으로서 저온 인성 및 강도의 향상에 유효하였다.

(1) 오스테나이트 미재결정역 압연에 있어서 페라이트 핵생성 자리를 증대시키는 방법으로, 예를 들면 proceeding of Microalloying 75(1975), p120 에 공지된 것과 같이 고온에서 누적압하량을 증가한 것이다. 하지만, 이 기술로부터 제조되는 강재의 페라이트 결정립은 약 10㎛ 정도로 조대하다.

(2) 상기 오스테나이트 + 페라이트 이상역에서 압연을 하여 페라이트 립을 미세화시킨 경우가 있다. 예를 들면 철과강 65(1979) 9, p1400 에 공지된 것과 같이, 가공시킨 페라이트가 압연후 재가열에 의해 회복 및 재결정 되어 결정이 미세해진다고 하였다. 하지만 열처리 공정이 부가되어 공정이 복잡하다.

한편, 고온에서 누적압연에 의해 조직을 미세화시킨 방법으로, 일본 특허공보 (소) 63-050426호를 예로 들 수 있다. 여기서는 압연온도 영역으로 Ar₃~Ar₃+ 150℃ 와 같이 150℃ 의 온도범위를 규정하고 있다. 하지만 온도가 높아 누적 효과가 많지 않아 결정립 미세화 효과가 크지 않았다. Ar₃온도이하에서 오스테나이트와 페라이트가 존재하는 이상역 압연에 의한 방안도 제시되고 있는데 온도가 낮아 페라이트가 재결정되지 않고 연신되는 결과를 초래한다.

또한, 불안정한 오스테나이트를 한번의 강가공을 한 경우 변형 유기변태에 의해 변형 중에 동적으로 페라이트가 생성되어 아주 미세하게 되는 방법도 있다. 예를들면 CAMP-ISIJ vol 12(1999), p369 에서와 같이 열간변형모사시험기를 이용하여 저탄소강에서 Ar₃직상온도에서 한번의 가공량을 70% 이상으로 가공할 경우 페라이트의 결정립이 1-2㎛ 로 아주 미세하게 된다. 하지만, 이러한 방법은 한번의 가공량이 너무 많아 실제산업현장에 적용하기에는 현실적인 여러움이 있다.

본 발명에서는 합금의 다량 첨가 없이 저탄소강에서 페라이트의 입도를 더 작게 만들어 용접성이 기존강재와 동일하면서도 고강도를 갖는 강 및 그 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고강도 구조용 강은, 중량%로, C:0.05∼0.2%, Si:0.01∼0.5% Mn:0.5∼2.0%, Al:0.005∼0.1%, Nb+Ti:0.01∼0.03%, P:0.03%이하, S:0.03%이하, N:0.003∼0.014%, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 그 미세조직이 페라이트+펄라이트 또는 페라이트+베이나이트의 복합조직이고, 상기 페라이트의 입도가 5∼7㎛으로 구성된다.

또한, 본 발명의 고강도 구조용 강의 제조방법은, 중량%로, C:0.05∼0.2%, Si:0.01∼0.5% Mn:0.5∼2.0%, Al:0.005∼0.1%, Nb+Ti:0.01∼0.03%, P:0.03%이하, S:0.03%이하, N:0.003∼0.014%, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되는 주괴를 1100∼1250℃의 온도범위에서 가열한 후, 오스테나이트 재결정역에서 50%이상의 총압하율로 1차열간압연한 다음, Ar₃∼Ar₃+40℃ 온도구간에서 1패스당 20%이상의 압하율로 누적압하율이 70%이상이 되도록 2차 연속다단 열간압연하고, 이어 2∼20℃/s의 냉각속도로 상온까지 가속냉각하여 페라이트+펄라이트 또는 페라이트+베이나이트의 복합조직으로 페라이트의 입도가 5∼7㎛로 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 저탄소강에서 합금원소를 첨가하지 않으면서 페라이트입도를 5∼7㎛로 미세화하여 고강도화와 더불어 용접성을 개선하는데, 그 특징이 있다.

이와 같이 페라이트 입도를 미세화하도록 하기 위하여 본 발명에서는,

재가열 온도를 낮추고 재결정역압연에 의해 오스테나이트의 결정립크기를 미세하게 하여 페라이트가 핵생성될 수 있는 유효입계 면적을 증대시키는 것과 함께, Ar₃근처에서 1회의 가공량을 증대하여 가공발열에 의해 압연 후 온도가 하강되는 것을 막아 누적 효과를 극대화하여 페라이트의 입도를 미세화하는 것이다. 즉, 압연의 초기에는 오스테나이트로부터 변태되는 페라이트의 핵생성 자리를 많이 제공하여 상변태를 촉진하고 연속된 압연으로 가공발열에 의해 동일 온도에서 압연이 가능하게 하여 페라이트를 회복 및 재결정이 촉진되도록 함으로써 페라이트 결정립을 미세화시켜 강도를 향상시키는 것이다. 이러한 특성에 기초하여 완성된 본 발명의 강과 그 제조방법을 구분하여 설명한다.

[강 성분]

상기 탄소(C)는 함량이 적을 경우 제2상 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 고용강화원소로, 0.01% 미만으로 되면 충분한 탈산효과를 얻지 못하고 0.5%를 초과하면 인성과 용접성이 저하되며강판 표면에 산화피막이 심하게 형성되므로 0.01∼0.5% 의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 망간(Mn)은 강의 강도와 인성의 향상에 유효한 강의 기본 원소로, 0.5% 미만으로 되면 그 효과가 적고 강의 경화능을 저하시켜 강도 확보가 어렵고, 2.0% 를 초과하면 용접성이 저하하므로 그 함량은 0.5∼2.0% 로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 인(P)은 충격인성에 특히 나쁜 원소로서 함량이 낮으면 낮을수록 좋으나 제강과정에서 피할 수 없는 원소이므로 물성에 해로운 영향을 끼치지 않도록 그 함량은 0.03% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 황(S)은 MnS의 비금속 개재물로 존재하고 열간압연에 의하여 길게 연신되어 강판 물성의 이방성을 조장하기 때문에 그 함량은 0.03%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Sol. Al 은 강의 탈산을 위해 첨가하는 원소로, 0.005% 미만에서는 충분한 효과를 얻지 못하고 0.1%에서는 그 효과가 포화된다. 따라서, Al은 0.005∼0.1%로 하는 것이 바람직하다.

상기 Nb과 Ti은 석출물로 존재하여 재가열시에 오스테나이트의 결정립성장을 억제하고 석출경화에 의해 강도를 상승시키는 효과를 가지는 원소이다. 하지만 이들 원소는 첨가량이 많게 되면 원가상승의 원인이 되고 용접성이 저해되므로 오스테나이트의 결정립 미세화 효과가 있는 범위에서 0.01∼0.03%로 한정함이 바람직하다.즉, 상기 Nb과 Ti의 함량이 단독 또는 복합으로 0.01%미만인 경우에는 열간압연을 위하여 고온가열시 오스테나이트 결정립이 조대하게 성장하고, 0.03%를 초과하는 경우에는 합금원소의 첨가로 원가가 상승하여 경제적으로 불리하므로, 상기 Nb과 Ti의 함량은 단독 또는 복합으로 0.01∼0.03%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 질소(N)는 Ti 또는 Nb과 함께 석출물을 형성하는 원소로 이를 위해 0.003%이상 함유되도록 한다. 이러한 질소는 그 첨가량이 많을 수록 좋으나 이는 제강공정에서 작업부하를 초래하고 또한, 석출물이 조대해져서 결정립이 미세화하지 못하고 N가 오스테나이트 안정화 원소로서 인성을 떨어뜨릴 수 있으므로 0.014%이하로 한다. 상기한 측면을 고려할 때, 상기 질소(N)의 함량은 0.003-0.01%로 설정하는 것이 보다 바람직하다.

상기와 같은 성분계를 갖는 본 발명의 강은 미세조직이 페라이트+펄라이트 또는 페라이트+베이나이트의 복합조직을 갖는데, 이 복합미세조직에서 상분율은 기계적 성질을 고려하여 적절히 조절할 수 있다. 항복강도는 복합상중에 소프트(soft)한 상에 의해 결정되므로 페라이트의 결정립 크기와 상관성이 크고 인장강도는 항복이 일어나고 난 후의 최대 강도이므로 하드(hard)한 상에 의해 결정되어진다. 본 발명의 강성분계에서 얻어지는 페라이트의 평균입도는 5∼7㎛으로 , 강의 강도의 특성을 확보해준다.상기 페라이트 결정립의 크기가 7㎛를 초과하는 경우에는 충분한 강도를 확보하기 곤란하게 되며, 상기 페라이트 결정립의 크기는 강도측면에서는 작으면 작을 수록 좋지만, 페라이트 결정립을 보다 미세화 하는데 어려움이 있다.따라서, 상기 페라이트 결정립은 5∼7㎛으로 설정하는 것이 바람직하다.

[제조방법]

상기와 같은 성분계를 갖는 주괴(분괴재 또는 슬라브)를 1100∼1250℃의 온도범위에서 재가열하는 것이 바람직하다. 이는 재가열 온도가 1250℃를 초과하면 오스테나이트 입자가 너무 조대화되고 강중에 델타-페라이트가 일부 생성되어 강판의 성질을 열화시키는 문제가 있고, 가열온도가 1100℃미만이면 용질 원자가 완전히 오스테나이트에 고용되지 않아서 강도 확보가 어렵고, 재결정역 압연온도를 맞추기 어렵기 때문이다.

상기와 같이 재가열한 다음 오스테나이트 재결정역에서 50%이상의 총압하량으로 1차 열간압연한다. 이때의 총압하율은 오스테나이트의 결정립크기를 충분히 작게 하고자 하는 것으로 오스테나이트의 결정립 크기가 작으면 변형대 생성이 용이하고 이후 압연에 의해 페라이트의 핵생성이 촉진되기 때문이다. 압연은 1패스 또는 2패스 이상의 다단압연을 채택하여 총압하율이 50%이상되도록 한다.

본 발명에서 재결정역의 압연온도는 1000℃이하에서 행하는 것이 바람직하다. 1000℃ 이상에서는 오스테나이트가 재결정된다고 하더라도 결정립 크기가 조대하여 다음에 이루어지는 압연에 의한 페라이트 미세화 효과가 적기 때문이다. 본 발명의 성분계는 약 900℃를 기준으로 재결정역이 된다.

상기와 같이 재결정역에서 1차압연한 다음, 미재결정역의 (Ar₃~ Ar₃+ 40℃)에서 1패스당 압하율을 20%이상으로 하고 누적압하율을 70%이상으로 하여 2차 연속다단 열간압연을 한다. 이는 오스테나이트에서 페라이트로 변태가 되기 직전에 압연을 행하여 변형대 생성을 극대화시키고자 하는 것으로, 이때 1패스당 압하량을 20% 이상으로 하는 것은 가공발열에 의해 동일 수준의 온도에서 압연이 진행되어 페라이트의 상변태가 촉진되도록 하는 것이며, 누적압하량을 70% 이상으로 하는 것은 생성된 페라이트가 회복 및 재결정에 의해 결정립이 미세화되도록 하기 위해서이다.

상기와 같이 열간압연에 이어 냉각속도는 너무 느리면 생성되는 페라이트의 입도가 조대해지고 너무 빠르면 마르텐사이트나 하부 베이나이트의 생성으로 연속항복(continuous yidlding)이 발생하여 항복강도가 저하하고 또한 연성이 저하되므로 2-20℃/s 로 한정하는 것이 바람직하다. 이러한 냉각속도에 따라 열연판의 조직은 미세한 페라이트+펄라이트 또는 미세한 페라이트+베이나이트의 복합조직을 갖게 된다. 이 복합조직에서 펄라이트는 강의 인장강도를 높이고 베이나이트는 강의 인장강도를 높이면서 항복강도를 낮추는 작용을 한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

[실시예]

표 1의 강성분을 갖는 주괴를 표 2의 제조조건으로 하여 열연강판을 제조하였다.

성분	C	Si	Mn	P	S	Al	Nb	Ti
A	0.148	0.251	1.12	0.010	0.004	0.027	0.01	0.011
B	0.152	0.248	1.13	0.009	0.006	0.030	0.04	0.011
C	0.137	0.34	1.32	0.017	0.011	0.010
D	0.1	0.29	1.29	0.004	0.007	0.039

구분	강	성분	압연종류	Ar₃(℃)	압연개시온도(℃)	압연종료온도(℃)	1회압하량(%)	총압하량(%)	압연후냉각조건(℃/s)	열처리 여부
발명재	1	A	연속다단	750	780	780	20	70	-20	무
	2	A	연속다단	750	780	780	30	70	-8	무
	3	A	연속다단	750	780	780	40	70	-15	무
	4	A	연속다단	750	770	770	50	70	-7	무
	5	A	연속다단	750	760	760	30	70	-5	무
	6	A	연속다단	750	760	760	40	70	-2	무
비교재	7	A	제어압연	-	1150	950	12	80	공냉	무
	8	B	제어압연	-	1150	950	12	80	공냉	유
	9	A	누적압연	-	1150	800	12	90	-5	무
	10	C	이상역압엽	780	730	710	15	33.5	공냉	유
	11	D	이상역압연	750	725	725	50	50	공냉	무

상기 표 2에서와 같이 발명재(1-6)은 Ar₃직상에서 1회 압하량을 20% 이상으로 동일 온도에서 연속다단 압연을 행하였고, 비교재(7)은 제어압연, 비교재(8)은 제어압연후 열처리를 한 경우이고 비교재(9)는 누적압연에 의한 제조법이며, 비교재(10)과 (11)은 이상역압연을 행한 후 열처리를 한 경우와 안 한 경우이다.

상기와 같이 제조된 소재들에 대한 인장특성을 조사하기 위하여 인장시험편은 KS 규격(KS B 0801) 4호 시험편을 이용하였으며 인장시험은 크로스해드스피드(cross head speed) 5mm/min 에서 시험하였다. 발명재와 비교재에 대하여 안정성질을 측정하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.

구분	항복강도(kgf/㎟)	인장강도(kgf/㎟)	연신율(%)	페라이트입도(㎛)
발명재	1	48	60	30	7
	2	49	61	30	6
	3	52	62	28	5.5
	4	51	62	33	5.8
	5	52	62	26	5.2
	6	51	61	27	5.3
비교재	7	32	40	35	20
	8	49	59	25	15
	9	37	49	29	10
	10	41	58	26.5	10
	11	38	52	28	8

상기 표 3에서 나타난 바와 같이, 발명재(1-6)에 비하여 비교재(7)은 페라이트의 결정립도가 커서 강도가 낮고, 비교재(8)은 강도는 발명재 수준이지만 합금의 첨가와 열처리에 의한 원가상승의 단점이 있고, 비교재(9)는 제어압연과 가속냉각에 의해 페라이트의 결정립도를 많이 감소하였지만 발명재 수준에 미치지 못하였고, 비교재(10)은 강도수준이 발명강과 비슷하지만 열처리를 하므로 경제적이지 못하며, 비교재(11)은 압연온도가 낮음에 따른 페라이트의 결정립 미세화가 발명강 수준에 도달하지 못하였다.

상술한 바와같이, 본 발명은 많은 합금의 다량 첨가나 열처리 없이 Ar₃온도 위에서 가공발열에 의한 동일온도의 연속 다단압연을 통하여 페라이트 결정립 미세화를 유도하여 구조용강의 고강도화를 확보함에 따라 용접성도 우수한 구조용강재를 제공할 수 있는 것이다.

Claims

중량%로, C:0.05∼0.2%, Si:0.01∼0.5% Mn:0.5∼2.0%, Al:0.005∼0.1%, Nb과 Ti의 단독 또는 복합:0.01∼0.03%, P:0.03%이하, S:0.03%이하, N:0.003∼0.014%, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 그 미세조직이 페라이트+펄라이트 또는 페라이트+베이나이트의 복합조직이고, 상기 페라이트의 입도가 5∼7㎛으로 이루어지는 고강도 구조용 강.
중량%로, C:0.05∼0.2%, Si:0.01∼0.5% Mn:0.5∼2.0%, Al:0.005∼0.1%, Nb과 Ti의 단독 또는 복합:0.01∼0.03%, P:0.03%이하, S:0.03%이하, N:0.003∼0.014%, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되는 주괴를 1100∼1250℃의 온도범위에서 가열한 후, 오스테나이트 재결정역에서 50%이상의 총압하율로 1차열간압연한 다음, Ar₃∼Ar₃+40℃ 온도구간에서 1패스당 20%이상의 압하율로 누적압하율이 70%이상이 되도록 2차 연속다단 열간압연하고, 이어 2∼20℃/s의 냉각속도로 상온까지 가속냉각하여 페라이트+펄라이트 또는 페라이트+베이나이트의 복합조직으로 페라이트의 입도가 5∼7㎛를 갖는 것을 포함하여 이루어지는 고강도 구조용 강의 제조방법.
제 2항에 있어서, 상기 1차열간압연은 900∼1000℃에서 행함을 특징으로 하는 저항복비를 갖는 고강도 구조용 강의 제조방법.