KR100431852B1 - 고강도 후강판의 제조방법 및 딥 드로잉에 의한 용기의제조방법 - Google Patents

고강도 후강판의 제조방법 및 딥 드로잉에 의한 용기의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고강도 후강판의 제조방법에 있어서, 연속주조공정 및 후판압연공정을 제어하고, 용기제조시 구상화열처리 및 최종열처리를 실시함으로써, 80kg/㎟급의 고강도와 우수한 심가공성을 갖는 고강도 후강판의 제조방법 및 딥드로잉에 의한 용기의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
본 발명은 후강판의 제조방법에 있어서,
중량%로, C: 0.30~0.40%, Si: 0.10~0.30%, Mn: 1.30~1.70%, P: 0.013%이하, S: 0.005%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 연주주조시 2차 냉각의 비수량을 0.2~0.7ℓ/kg 범위로 하여 2차냉각하고 다단적치공냉한 다음, 재가열한 후 후판압연시 폭출비를 1.30이상으로 하고 마무리압연온도를 900℃ 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 고강도 후강판의 제조방법 및 이를 이용하여 1차 냉간가공한 다음 구상화열처리를 하고 딥드로잉한 후, 최종열처리하는 것을 특징으로 하는 딥드로잉에 의한 용기의 제조방법을, 그 기술적 요지로 한다.

Description

고강도 후강판의 제조방법 및 딥 드로잉에 의한 용기의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING HIGH STRENGTH THICK STEEL SHEET AND A VESSEL BY DEEP DRAWING}
본 발명은 1피스(piece) 고압가스용기제작에 사용되는 고강도 후강판의 제조방법 및 딥 드로잉에 의한 용기의 제조방법에 관한 것으로서, 고강도 후강판의 제조방법에 있어서, 연속주조공정 및 후판압연공정을 제어하고, 용기제조시 구상화열처리 및 최종열처리를 실시함으로써, 80kg/㎟급의 고강도와 우수한 심가공성을 갖는 고강도 후강판의 제조방법 및 딥드로잉에 의한 용기의 제조방법에 관한 것이다.
종래는 고강도 확보를 위하여 탄소 함유량을 높게하고, 가공도중 크랙발생이 일어나지 않아야 하는 특성을 지녀야 하므로, 통상 조괴법(INGOT CASTING)을 적용하여 생산하는 것이 일반적인데, 그 이유는 중심편석이 용이한 성분인 탄소의 다량 첨가로 편석을 유발하는 요인이 존재하고 있기 때문이다. 그러나, 조괴법은 생산성낮은 공정으로 생산비용이 비싸지는 문제점이 있다.
또한, 통상적인 연주제조법으로 제조시 중심편석과 표면의 크랙발생으로 심가공용 소재에 적합하지 않은 문제점을 가지고 있다.
한편, 종래 용기의 제조기술은 파이프를 소재로 하고 상,하부를 밀봉하는 것이 었다. 그러나, 이와 같이 제작할 경우에는, 밀봉시 시간이 많이 소요되고 용기제작후 밀봉부위에서의 내압성이 저하하여, 안전도 측면에서도 불리한 요인으로 작용하는 문제가 있었다. 이러한 기존의 소재는, 공정특성상 심가공성(Deep Drawing)이 필요하지 않고 단지 최종 가공 용기제작후 요구 강도만 만족시켜지도록 되어 있으며, 소재가격 측면에서도 비싸지는 문제점도 있었다.
이에, 본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 고강도 후강판의 제조방법에 있어서, 연속주조공정 및 후판압연공정을 제어하고, 용기제조시 구상화열처리 및 최종열처리를 실시함으로써, 80kg/㎟급의 고강도와 우수한 심가공성을 갖는 고강도 후강판의 제조방법 및 딥드로잉에 의한 용기의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
도1은 본 발명의 구상화열처리 및 최종열처리공정을 나타내는 그래프
본 발명은 후강판의 제조방법에 있어서,
중량%로, C: 0.30~0.40%, Si: 0.10~0.30%, Mn: 1.30~1.70%, P: 0.013%이하, S: 0.005%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 연주주조시 2차 냉각의 비수량을 0.2~0.7ℓ/kg 범위로 하여 2차냉각하고 다단적치공냉한 다음, 재가열한 후 후판압연시 폭출비를 1.30이상으로 하고 마무리압연온도를 900℃ 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 고강도 후강판의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 중량%로, C: 0.30~0.40%, Si: 0.10~0.30%, Mn: 1.30~1.70%, P: 0.013%이하, S: 0.005%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 연주주조시 2차 냉각의 비수량을 0.2~0.7ℓ/kg 범위로 하여 2차냉각하고 다단적치공냉한 다음, 재가열한 후 후판압연시 폭출비를 1.30이상으로 하고 마무리압연온도를 900℃ 이상으로 하여 제조된 후강판을, 1차 냉간가공하고 Ac1직하의 온도로 가열하여 25~50분 동안 유지한 다음 430~470℃까지 서냉한 후 25~50분 동안 유지한 다음, 100~150℃ 까지 서냉한 후, 공냉하는 구상화열처리를 실시하고, 딥드로잉한 후 Ac3+50∼90℃의 온도에서 소입한 다음 580∼620℃의 온도에서 소려하는 최종열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 딥드로잉에 의한 용기의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 1차 냉간가공(Cupping)후 딥드로잉을 행하는데, 바람직하게는 상기 1차 냉간가공전에 소둔처리를 하여 실시하고, 그 후 2차,3차 구상화열처리를 실시하여 심가공성과 열처리후 고강도를 확보하기 위한 고강도 후강판의 제조방법에 관한 것이다.
통상, 고강도 확보를 위해서는 탄소함량을 높이고, Mn을 첨가하여 소입성 향상을 도모하는데, 이와 동시에 가공도중 크랙발생이 일어나지 않는 특성을 지녀야 한다. 그러나, 편석용이한 성분인 C와 Mn의 다량 첨가로 인해 중심편석이 유발되며 가공성 저하의 요인이 되고 있다. 일반적으로, 탄소함량의 증가에 따라서 가공도의 일부 척도라 할 수 있는 연신율이 저하하게 되는데, 만일 편석내부크랙 등의 내부품질에 문제가 있을 경우 가공성은 더욱더 떨어지게 된다.
따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 소재가 가질 수 있는 문제점을 해결하기 위하여, 소재의 특성이 스펀(SPUN)방식이 아닌 드로잉방식에 적합하도록 하고, 심가공용 고강도 후강판을 연속주조(Continious-Casting)공정-후판압연공정을 거쳐 제조하였으며, 공정별로 가공성에 영향을 주는 조업항목을 관리함으로써, 심가공성에 적합하고 최종열처리후 고강도(80kg/mm2급)의 성질을 지니도록 하는 심가공용 고강도 후강판을 제조할 수 있고, 이렇게 제조된 후강판을 이용하여 용기를 제작하는 경우 제품가공성 및 물성이 확보될 수 있다.
이하, 강성분 및 제조조건에 대하여 설명한다.
본 발명의 상기 탄소(C)는 강의 열처리시 소입성을 증가시켜 경도 및 강도를 증가시키는 원소이지만, 그 함량이 과다하면 소입성 과다 및 크랙발생에 유해하고 연신율이 저하하는 문제가 있고, 반대로 소량 첨가되면 고강도를 확보할 수 없으므로, 그 성분범위는 0.30∼0.40%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 규소(Si)는 탄화물을 형성하고, Fe중에 고용되어 탄성한계 인장력을 높이는 탈산원소로 주편표면상태를 양호하게 하지만, 다량 첨가시 페라이트 조직을 저하하고 비금속개재물(실리케이트)을 형성하여 인성과 가공성을 해치는 반면, 소량첨가시는 탈산능력이 저하하여 내부품질에 바람직하지 않으므로, 그 성분범위는 0.10∼0.30%로 설정하는 것이 바람직하다.
상기 망간(Mn)은 소입성 향상원소로 열처리시 경도향상에 기여하게 되는데, 그 함량이 과다하면 용접성을 해치고, 반대로 소량첨가되면 소입성저하로 경도확보가 불안정하므로, 그 함량은 1.30∼1.70%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 인(P)은 강판 중심부에 편석되어 취약한 경화조직을 형성하여 저온충격인성을 저해시키는 가장 큰 불순물로서, 내부품질을 열화시키므로 그 함량은 0.013% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 황(S)은 인과 같이 동일한 유해원소로서, 후판 제품에 있어서 두께 중심부에 편석대를 형성할 뿐만 아니라 MnS개재물을 형성하여 압연후 길게 연신되어 드로잉성열화의 원인이 되므로, 그량은 0.005% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 조성된 강을 이용하는 본 발명에서는 연속주조에 의한 슬라브를 제조하고, 후판압연공정에서 크로스압연과 1.3배 이상의 폭출비(슬라브:플레이트의 폭비) 및 마무리 압연온도를 관리하는 것이 중요하다.
즉, 본 발명은 연주에서의 내부품질을 확보하기 위해 2차 냉각을 실시하고 공냉관리하는데, 상기 연속주조시의 2차 냉각은 주편표면에 물을 분사하여 용강을 응고시키는 것으로, 이때 물분사량은 0.2∼0.7ℓ/kg의 범위로 설정하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.32~0.40ℓ/kg의 범위로 설정하는 것이다. 만일, 물분사량이 0.7ℓ/kg을 초과하게 되면 연주조업중 급냉으로 인한 슬라브내 표면 크랙발생의 우려가 있고, 0.2ℓ/kg 미만인 경우에는 슬라브 내부의 불순물이 중심부에 편석하여 응고말기의 용강유동량을 증대시키고 수지상(Dendrite) 사이에 존재하는 농화용강이 분출되어 중심편석을 조장할 뿐만 아니라 벌징(Buldging)에 의해 내부 크랙의 원인이 된다. 이러한 요인들은 가공시 크랙으로 진전 요인이 되어질 뿐만 아니라 열처리시 열변형 또는 조직변형에 의한 응력발생시 크랙으로 이어질 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.
상기와 같이 연속주조한 후 슬라브 상태에서 내부에 잔존하는 유해한 가스인 수소를 확산시키기 위해 다단으로 적치 공랭을 하게 된다.
공냉이후 상기 슬라브를 재가열한 후, 폭내기압연을 실시하기 위하여 제품폭에 대한 슬라브 폭의 비를 1.3이상이 되도록 후판압연하는 것이 바람직하다. 이 때압연하는 슬라브는 90°로 회전시켜 폭방향으로 압연하고, 슬라브폭이 플레이트의 폭보다 크게 압연한 다음, 다시 90°로 회전시켜 길이방향으로 압연이 되도록 한다. 이와 같은 폭내기 압연은 MnS 개재물과 같은 비금속개재물이 한쪽방향으로만 연신되는 것을 억제하기 위해 실시한다.
그 후 열간압연은 900℃ 이상의 마무리압연온도에서 종료하고, 재결정시켜 조직이 등방성을 갖도록 하는데, 그 이유는 다음과 같다. 1차 냉간가공시 가스-컷팅(GAS-CUTTING)으로 디스크(DISK)제작하고 열영향부 제거후 곧바로 컵핑(Cupping, 이후 1차 냉간가공이라 칭함) 작업이 이뤄지는데, 이때 모든 방향으로 동등한 연신성이 갖춰지지 않을 경우 귀나옴(Earing)이 발생하여 최종 공정까지 이어질 경우 제품화가 어렵게 되기 때문에 이방성을 최소화해야 하는 것이다.
이렇게 하여 얻어진 후판을 소정의 제품(88mm¢)으로 절단하는데, 그 절단수단이 가스 컷팅(GAS CUTTING)인 경우에는 열영향부의 거리가 5∼8mm정도 된다. 그런데, 고탄소 및 고Mn의 성분계로 되어 있는 소재에서는 이 부위에 경화조직 (Martensite나 Bainite)이 생성되기 때문에, 1차 냉간가공시 경화부와 미경화부 사이에서 연신성의 차이로 인한 크랙이 유발된다. 따라서, 10mm이상을 제거하여 주는 것이 바람직하다.
한편, 절단수단이 기계일 경우에는 주변만 매끄럽게 처리하면 된다.
그 후, 딥드로잉을 위해서는 1차 냉간가공시 많은 응력을 포함하고 있으므로, 중간열처리인 구상화열처리를 도1(a)에 나타난 것처럼 실시한다. 이 열처리는 Ac1점 직하에서 가열하고 25~50분 동안 유지한 후 90~100℃/h의 냉각속도로 430~470℃까지 서냉하고, 25~50분 동안 유지한 다음, 100~150℃까지 서냉하고, 그 이후는 공냉을 실시하는 것이 바람직하다. 만일, 3차 냉간가공이 있을 경우에도, 그 전에 상기와 같은 열처리를 실시하는 것이 바람직하다.
최종 가공이 끝난 후에는, 도1(b)에 나타난 것과 같이 최종열처리인 소입소려열처리를 하게 되는데, 이 때 소입온도는 Ac3+50∼90℃의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 그 이유는 소입온도가 낮을 경우 충분한 강도를 확보할 수 없으며, 높을 경우에는 결정립이 조대화되기 때문이다. 통상, 상기와 같이 가열한 후, 30분간 유지하고 유냉을 실시한다.
그 후, 소려처리를 실시하는데 이는 인성부여를 위해 행하여 지는 것으로, 580∼620℃의 온도범위로 가열하고 30분간 유지하며 공냉한다. 상기 소려온도가 580℃ 미만이면 인성, 연성 확보가 어렵고, 620℃보다 높으면 전위가 소멸되어지거나 조직의 조대화로 요구물성치의 확보가 어렵게 된다.
이하, 실시예를 통하여, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
(실시예1)
하기 표1과 같이 조성되는 용강을 전로에서 용해하여 노외정련 처리를 한 후 연속주조하여 단면 두께가 203mm인 주편을 하기 표2와 같은 폭출비로 각각 압연하여 최종두께가 12.5(mm)인 후판으로 제조하였다. 그 후, 이들에 대한 기계적시험을 행하고, 그 결과를 하기 표2에 나타내었다.
강종 화 학 성 분 (중량%,)
C Si Mn P S Cu Cr Mo V H
발명강1 0.391 0.24 1.63 0.008 0.003 0.01 0.01 0.01 0.002 0.15
발명강2 0.315 0.25 1.48 0.010 0.003 0.02 0.01 0.02 0.003 0.14
발명강3 0.376 0.26 1.55 0.011 0.002 0.02 0.01 0.01 0.002 0.12
구분 모재특성 기계적 특성
후판압연 폭출비 항복점(kg/㎟) 인장강도(kg/㎟) 연신율(%)
기준 50.0 이하 24<
비교재1 발명강1 1.20 46.1 75.1 23
발명재1 1.60 42.2 73.8 29
발명재2 발명강2 1.65 42.3 75.5 27
발명재3 발명강3 1.62 46.6 73.7 27
상기 표2에 나타난 바와 같이, 비교재(1)은 본 발명성분계를 만족하지만, 후판압연 폭출비가 본 발명범위를 벗어나서, 기계적 특성에 있어서 발명재 대비 열화한 특성을 나타냄을 알 수 있다.
(실시예 2)
실시예 1의 후강판을 이용해 1차 냉간가공한 후, 700℃에서 30분간 유지한 후 1150℃ 까지 서냉하고 45분간 유지한 다음, 150℃까지 서냉하고 공냉하는 구상화열처리를 실시한 다음, 딥드로잉하고, 하기 표3과 같은 조건으로 소입,소려를 행하여 최종 제품을 제조하였다.
이와 같이 제조된 제품으로 부터 시편을 채취하고, 이에 대해 KS 규정에 준하고 Gauge Length(GL) 50mm을 적용한 시험기준의 기계적시험 및 딥드로잉을 행하고, 그 결과를 하기 표3에 나타내었는데, 이 때 딥드로잉성은 요구수준인 3% 미만을 기준으로 하여 판단하였다.
한편, 종합판정은 용기가 갖춰야할 강도와 연신율을 모두 만족할 경우를 '만족'으로 평가하였다.
한편, 발명예(3)에 대해서는 상기 1차 냉간가공전에 Ac1직하에서 가열한 후 로안에서 90~110℃/h의 속도로 450℃까지 냉각하여 50분간 유지하고, 100℃까지 이후는 공냉하는 소둔열처리를 실시하였다.
구분 가공후 열처리 재질실적[YP/TS(kg/㎟)/El(%)] 딥드로잉결과 종합판정
소입(℃×Hr) 소려(℃×Hr)
65</ 78</ 19< 3.0%이하 기준
발명예1 발명강1 860×0.5 580×0.5 72.5/82.5/20 2.50 만족
발명예2 850×0.5 620×0.5 68.1/80.0/24 2.85
발명예3 발명강2 840×0.5 610×0.5 69.1/81.4/24 0.50
발명예4 발명강3 870×0.5 620×0.5 68.7/79.8/25 1.57
비교예1 850×0.5 570×0.5 75.3/85.5/18 1.80 미만족
비교예2 830×0.5 620×0.5 68.7/75.6/22 1.85
비교예3 890×0.5 620×0.5 63.7/79.8/20 1.50
상기 표2에 나타난 바와 같이, 발명예(1)~(4)는 본 발명의 열처리조건을 모두 만족하여 요구기준인 3.0% 이하의 딥드로잉성을 얻을 수 있었고, 또한 종합판정에서도 모두 만족스러운 결과를 얻을 수 있었다.
반면에, 비교예(1)~(3)은 소입 및 소려온도가 본 발명범위를 벗어나 재질실적이 요구수준을 만족하지 못하였다.
한편, 1차 냉간가공전에 소둔열처리를 실시한 발명예(3)은 다른 발명예 대비 딥드로잉결과가 매우 양호하여짐을 알 수 있다.
(실시예 3)
강성분이 물성에 미치는 영향을 확인하기 위해, 하기 표4와 같이 본 발명범위를 벗어나는 비교강을 이용해, 본 발명의 제조조건으로 최종제품을 만들고, 기계적 성질 및 딥드로잉성을 평가하여, 그 결과를 하기 표5에 나타내었다.
강종 화학성분(중량%)
C Si Mn P S Cu Cr Mo V H
비교강1 0.281 0.22 1.40 0.010 0.003 0.01 0.02 0.02 0.002 0.15
비교강2 0.350 0.26 1.20 0.009 0.002 0.02 0.01 0.01 0.002 0.13
비교강3 0.330 0.35 1.50 0.011 0.004 0.01 0.01 0.02 0.001 0.16
비교깅4 0.450 0.28 1.56 0.009 0.003 0.02 0.01 0.01 0.002 0.17
실시예 강종 모재특성 가공후 열처리 재질실적[YP/TS(kg/mm2), /El(%)] 딥드로잉결과 종합판정
후판압연폭출비 소입(℃×Hr) 소려(℃×Hr)
요구기준 - - - 65</ 78</ 19< ≤3.0% 기준이상
비교재2 비교강1 1.55 850×0.5 610×0.5 62.5/76.5/26 2.50 미만족
비교재3 1.60 850×0.5 620×0.5 61.1/73.8/27 2.85 미만족
비교재4 비교강2 1.65 840×0.5 610×0.5 64.1/77.4/25 0.50 미만족
비교재5 1.65 840×0.5 620×0.5 63.3/75.6/25 0.60 미만족
비교재6 비교강3 1.60 870×0.5 620×0.5 67.6/79.9/24 20.0 미만족
비교재7 1.55 850×0.5 600×0.5 68.9/83.7/21 10.0 미만족
비교재8 비교강4 1.65 860×0.5 610×0.5 72.1/89.6/16 1.85 미만족
비교재9 1.50 850×0.5 620×0.5 71.6/86.8/18 2.50 미만족
상기 표5에 나타난 바와 같이, 제조조건이 본 발명을 만족시키더라도, 강성분이 본발명범위를 벗어나면, 종합판정을 만족시키지 못함을 알 수 있다.
즉, 탄소함량이 적은 비교재(2),(3)의 경우에는 강도가 요구에 만족하지 않았고, 반면에 탄소함량이 많은 비교재(8),(9)의 경우는 연신율이 나빴다.
또한, Mn의 함량이 적은 비교재(4),(5)의 경우도 강도가 만족치 않았다.
한편, 비교재(6),(7)은 Si이 상향첨가된 경우로, 강도는 만족하였으나, 딥드로잉성이 만족치 못한 결과를 나타내었다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 강성분을 조정하고 연주조업조건, 후판압연방식 및 이후 열처리방식을 적절히 제어함으로써, 1차 냉간가공상태에서도 심가공성을 유지하고, 최종 소입소려후 고강도의 기계적 성질을 제공하여 1Piece 고압가스용기제작에 적합한 효과가 있는 것이다.

Claims (5)

  1. 후강판의 제조방법에 있어서,
    중량%로, C: 0.30~0.40%, Si: 0.10~0.30%, Mn: 1.30~1.70%, P: 0.013%이하, S: 0.005%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 연주주조시 2차 냉각의 비수량을 0.2~0.7ℓ/kg 범위로 하여 2차냉각하고 다단적치공냉한 다음, 재가열한 후 후판압연시 폭출비를 1.30이상으로 하고 마무리압연온도를 900℃ 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 고강도 후강판의 제조방법
  2. 제1항에 있어서, 상기 2차 냉각의 비수량을 0.32~0.40ℓ/kg 범위로 하는 것을 특징으로 하는 고강도 후강판의 제조방법
  3. 중량%로, C: 0.30~0.40%, Si: 0.10~0.30%, Mn: 1.30~1.70%, P: 0.013%이하, S: 0.005%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 연주주조시 2차 냉각의 비수량을 0.2~0.7ℓ/kg 범위로 하여 2차냉각하고 다단적치공냉한 다음, 재가열한 후 후판압연시 폭출비를 1.30이상으로 하고 마무리압연온도를 900℃ 이상으로 하여 제조된 후강판을, 1차 냉간가공하고 Ac1직하의 온도로 가열하여 25~50분 동안 유지한 다음 430~470℃까지 서냉한 후 25~50분 동안 유지한 다음, 100~150℃ 까지 서냉한 후, 공냉하는 구상화열처리를 실시하고, 딥드로잉한 후 Ac3+50∼90℃의 온도에서 소입한 다음 580∼620℃의 온도에서 소려하는 최종열처리를 실시하는것을 특징으로 하는 딥드로잉에 의한 용기의 제조방법
  4. 제3항에 있어서, 상기 딥드로잉을 1회 이상 실시하고, 각각의 딥드로잉전에는 항상 구상화열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 딥드로잉에 의한 용기의 제조방법
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 1차 냉간가공전에 Ac1직하의 온도로 가열하여 25~50분 동안 유지한 다음 430~470℃까지 서냉한 후 25~50분 동안 유지한 다음, 100~150℃ 까지 서냉한 후, 공냉하는 구상화열처리를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 딥드로잉에 의한 용기의 제조방법
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