KR100514667B1

KR100514667B1 - 용접 열 영향부 인성이 우수한 강재

Info

Publication number: KR100514667B1
Application number: KR10-2002-7010139A
Authority: KR
Inventors: 미나가와마사노리; 코세키도시히코; 후나쓰유지; 오타니준; 하다도모히코; 이시카와다다시; 나가하라마사아키
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2000-11-13
Publication date: 2005-09-14
Also published as: EP1262571B1; DE60033070D1; EP1262571A4; EP1520912B1; EP1520912A3; EP1262571A1; KR20020073579A; WO2001059167A1; EP1520912A2; DE60033070T2; DE60021919D1; DE60021919T2

Abstract

비약적으로 HAZ특성을 향상시키기 위하여, 고온에서 장시간 가열된 때의 오스테나이트립 조대화를 한층 더 억제하여 우수한 HAZ 인성을 실현한다. 본 발명은, 특정 성분을 가지고 EN이 (% N), (% Ti), (% B)로 나타내지는 당량식에 있어서, EN이 0∼0.002를 만족하는 강 중에, 원 상당경이 0.005∼2.0μm, 바람직하게는 0.l∼2.0μm이고, 성분조성으로서 적어도 Ca, Al, O을 포함하며 O을 제외한 원소가 질량비로, Ca:3% 이상, Al: 1% 이상을 함유하고, 나머지가 기타 탈산원소 및/또는 불가피한 불순물로 이루어지며, 그 개수가 100∼3000개/mm²함유하는 용접 열 영향부 인성이 우수한 강재.

Description

용접 열 영향부 인성이 우수한 강재{STEEL PRODUCT HAVING WELD HEAT-AFFECTED ZONE EXCELLENT IN RIGIDITY}

본 발명은 선박, 해양 구조물, 중고층 빌딩 등에 사용되는 용접 열 영향부(이하 HAZ라 한다)의 인성이 우수한 용접 구조용 강재에 관한 것이다.

[종래 기술]

근년, 선박, 해양 구조물, 중고층 빌딩, 교량 등의 대형 구조물에 사용되는 용접용 강재의 재질 특성에 대한 요망은 점점 엄격해지고 있다. 또한 그와 같은 구조물을 건조할 때, 용접 효율화를 촉진하기 위하여 플럭스-동 받침 용접법, 일렉트로 가스 용접법, 일렉트로 슬러그 용접법 등으로 대표되는 대입열 용접법의 적용이 요망되고, 강재 자신의 인성과 마찬가지로, HAZ의 인성에 대한 요구도 점점 엄격해지고 있다.

대입열용접 시의 강재의 HAZ 인성에 주목한 제안은 종래 수없이 많았다. 예를 들면, 일본국 특공소55-26164호 공보 등에 개시되는 바와 같이, 미세한 Ti 질화물을 강중에 확보함으로써 HAZ의 오스테나이트 립을 작게 하여 인성을 향상시키는 방법이 있다. 또한, 일본국 특개평3-264614호 공보에서는 Ti 질화물과 MnS의 복합 석출물을 페라이트의 변태 핵으로서 활용하여 HAZ의 인성을 향상시키는 방법이 제안되었다. 또한, 일본국 특개평4-143246호 공보에는 Ti 질화물과 BN의 복합 석출물을 입계 페라이트의 석출핵으로서 활용하여 HAZ 인성을 향상시키는 방법이 제안되어 있다.

그러나 Ti 질화물은 HAZ 중 최고 도달 온도가 l400℃를 넘는 용접 금속과의 경계(용접 본드부라 한다) 근방에서는 거의 고용되어 버리기 때문에 인성 향상 효과가 저하되는 문제가 있어, 근년의 HAZ 인성에 대한 엄격한 요구나, 초대입열 용접에 있어서 HAZ 인성을 달성하는 것이 곤란하다.

이 용접 본드부 근방의 인성을 개선하는 방법으로서, Ti 산화물을 함유한 강철이 후판, 형강 등의 여러 분야에서 사용되고 있다. 예를 들면, 일본국 특공소 61-79745호 공보나 일본국 특공소 62-103344호 공보에 예시되어 있는 바와 같이, Ti 산화물을 함유한 강이 대입열 용접부 인성 향상에 대단히 유효하며, 고장력 강에 대한 적용이 유망하다. 이 원리는 강의 융점에 있어서도 안정된 Ti 산화물을 사이트로 하여 용접 후의 온도 저하 도중에 Ti 질화물, MnS 등이 석출되고, 또한 그들을 사이트로 하여 미세 페라이트가 생성되고, 그 결과 인성에 유해한 조대 페라이트의 생성이 억제되어 인성의 악화를 방지할 수 있는 것이다. 그러나, 이와 같은 Ti 산화물은 강 중에 분산되는 개수를 충분히 다량으로 할 수 없다.

그 원인은 Ti 산화물의 조대화나 응집합체 때문으로, Ti 산화물의 개수를 증가시키면 5μm 이상의 조대한 Ti 산화물, 이른바 개재물이 증가한다. 이 5μm 이상의 개재물은 구조물의 파괴 기점이 되어 유해하며 인성의 저하를 일으킨다. 따라서 추가적인 HAZ 인성의 향상을 달성하기 위하여, 조대화나 응집합체가 일어나기 어렵고 Ti 산화물보다 미세하게 분산하는 산화물을 활용할 필요가 있다.

또한 이와 같은 Ti 산화물을 강중에 분산하는 방법으로서는, Al 등의 강탈산 원소를 실질적으로 포함하지 않는 용강 중에 Ti를 첨가하는 많은 방법이 있다. 그러나, 단지 용강 중에 Ti를 첨가하는 것만으로는 강중의 Ti 산화물의 개수, 분산도를 제어하기가 곤란하고, 나아가 TiN, MnS 등의 석출물의 개수, 분산도를 제어하는 것도 곤란하다. 그 결과 Ti 탈산에 의하여 Ti 산화물을 분산시킨 강에 있어서는, 예를 들면 Ti 산화물의 개수가 충분하지 않거나, 후판의 판 두께 방향의 인성 변동을 일으키는 등의 문제점이 나타난다.

또한, 상기 일본국 특개소 61-79745호 공보 등의 방법에서는, Ti 산화물을 생성하기 쉽도록 하기 위하여, Al량의 상한을 0.007%이라는 상당히 적은 양으로 제한하고 있다. 강재 중의 Al량이 적은 경우, AlN 석출물 양의 부족 등의 원인에 의하여, 모재의 인성이 저하되는 경우가 있다. 또한, 통상 사용되고 있는 용접 재료를 사용하여 Al량이 적은 강판을 용접한 경우, 용접 금속의 인성이 저하하는 경우가 있다.

이와 같은 과제에 대하여, 일본국 특개평6-293937호 공보에 있어서 Ti 첨가 직후의 Al을 첨가함으로써, 생성하는 Ti-Al 복합 산화물을 활용하는 기술이 제안되어 있다. 이 기술에 의하여 대입열용접 HAZ 인성을 대폭적으로 향상시킬 수 있으나, 조선업계, 건설업계에 있어서는 200kJ/cm 이상, 큰 것으로는 1000kJ/cm인 것 등 더욱 용접입열의 증가가 진행되고 있어, 한층 더 큰 HAZ 인성을 가지는 강재를 필요로 하고 있다. 이 때, 특히 용접 융합부 근방의 인성 향상이 필요하게 된다.

발명의 요약

본 발명은 상기와 같은 초대입열의 용접에 있어서도, 비약적으로 HAZ 특성을 향상시키기 위하여, 고온으로 장시간 가열된 때의 오스테나이트립 조대화를 한층 더 억제하고, 우수한 HAZ 인성을 실현 가능하게 한 용접 열 영향부 인성이 우수한 강재를 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위한 것으로, 그 요지는 다음과 같다.

(2) 질량%로,

C:0.03∼0.18%,

Si:≤0.5%,

Mn:0.4∼2.0%,

P:≤0.02%,

S:≤0.02%,

Al:0.005∼0.04%,

Ti:0.005∼0.03%,

Ca:0.0005∼0.003%,

N:0.0005∼0.007%Mg: 0.0001∼0.002%

를 함유하고, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강으로서, 또한, 상기 강 중에 원 상당경으로 0.005∼2.0μm의 산화물 입자를 단위 면적당 개수 밀도로 100∼3000개/mm²함유하고, 그 산화물 입자의 조성이 적어도 Ca, Al, O을 포함하고, O을 제외한 원소의 경우 질량%로, Ca:5% 이상, Al:5% 이상, Mg:l% 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 용접열 영향부 인성이 우수한 강재.

삭제

(3) 상기 강재의 산화물 입자의 조성이 적어도 Ca, Al, S를 포함하고, O를 제외한 원소의 경우 질량%로, Ca:5% 이상, Al:5% 이상, S:1% 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (2)에 기재된 용접 열 영향부 인성이 우수한 강재.

(4) 상기 강재의 산화물 입자의 조성이 적어도 Ca, Al, Mg, O, S를 포함하고, O를 제외한 원소의 경우 질량%로, Ca:5% 이상, Al:5% 이상, Mg:1% 이상, S:1% 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (2) 또는 (3)에 기재된 용접 열 영향부 인성이 뛰어난 강재.

(5) 상기 강재에 추가적으로 질량%로 B:0.0005∼0.003%를 포함하고,

또한 B를 함유한 때의 산화물 입자의 조성이 적어도 Ca, Al, O를 포함하고, O를 제외한 원소의 경우 질량%로, Ca:3% 이상, Al: 1% 이상을 함유하며, 또한, EN=(% N)-0.292(% Ti)-1.292(% B)인 당량식에 있어서 -0.0005≤EN≤0.002를 만족하는 것을 특징으로 하는 상기 (2)에 기재된 용접 열 영향부 인성이 우수한 강재.

(6) 상기 강재에, 추가적으로 질량%로, Cu≤l.0%, Ni≤1.5%, Nb≤0.04%, V:≤0.1%, Cr:≤0.6%, Mo≤0.6%, REM≤0.05%의 l종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (2)∼(5) 중 어느 한 항에 기재된 용접 열 영향부 인성이 우수한 강재.

(7) 상기 강재가 EN=(% N)-0.292(% Ti)-1.292(% B)인 당량식에 있어서 -0.004≤EN≤-0.0005를 만족하는 것을 특징으로 하는 상기 (2)∼(4) 중 어느 한 항에 기재된 용접 열 영향부 인성이 우수한 강재.

(8) 상기 강재가, EN=(% N)-0.292(% Ti) -1.292(% B)인 당량식에 있어서 0≤EN≤0.002를 만족하는 것을 특징으로 하는 상기 (2)∼(4) 중 어느 한 항에 기재된 용접 열 영향부 인성이 우수한 강재.

(9) 상기 강재의 산화물 입자가 원 상당경으로 0.1∼2.0μm임을 특징으로 하는 상기 (5)항에 기재된 용접 열 영향부 인성이 우수한 강재.

도 l은 본 발명의 청구항 1∼4에 있어서 강 중의 산화물 입자의 개수와 HAZ 인성의 관계를 나타내는 도이다.

도 2는 본 발명의 청구항 5에 있어서 강 중의 산화물 입자수와 HAZ 인성의 관계를 도시하는 도이다.

도 3은 당량식 EN과 HAZ 인성의 관계에 있어서 본 발명의 범위를 나타내는 도이다.

도 4는 당량식 EN과 HAZ 인성의 관계에 있어서 본 발명의 바람직한 범위를 나타내는 도이다.

[발명의 구성]

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다. 본 발명자들은 HAZ 인성을 향상시키는 금속 조직 요인으로서, 1400℃ 이상으로 가열되는 HAZ 영역의 재가열 오스테나이트 세립화를 산화물을 이용하여 달성하는 것을 검토하였다.

재가열 오스테나이트립을 세립화하기 위하여 고온에서의 오스테나이트립 성장을 억제하는 것이 필요하다. 그 수단으로서 가장 유효한 방법은, 분산 입자에 의하여 오스테나이트의 입계를 피닝하고, 입계의 이동을 정지시키는 방법을 생각할 수 있다. 그와 같은 작용을 하는 분산 입자의 하나로서, 종래, Ti 질화물과 산화물이 유효하다고 생각되어왔다. 그러나 Ti 질화물은 1400℃ 이상의 고온에서는 고용 비율이 커지기 때문에, 피닝 효과가 적어지는 것은 이미 설명하였다. 이에 대하여 고온에서 안정된 산화물을 피닝입자로서 활용하는 것이 필요하다.

또한 분산 입자에 의한 결정립계의 피닝 효과는 분산 입자의 체적율이 클수록, 1개의 입자경이 클수록 크다. 단, 분산 입자의 체적율은 강 중에 포함되는 입자를 구성하는 원소의 농도에 의하여 상한이 있기 때문에, 체적율을 일정하다고 가정한 경우에는, 입자경은 어느 정도 작은 것이 피닝에는 유효하다. 이와 같은 관점에서, 본 발명자들은 산화물의 체적분율을 크게 하고, 또한 적정한 입자경이 되도록 여러 가지로 검토하였다.

산화물의 체적분율을 크게 하는 수단의 하나로서, 산소량을 증대시키는 것이 있으나, 산소량의 증대는 재질에 유해한 조대 산화물도 다수 생성하는 원인이 되기 때문에 유효한 수단은 아니다. 이에 본 발명자들은 산소를 최대한으로 이용하기 위하여 산소와의 용해도적이 작은 원소를 활용하는 것을 검토하였다. 산소와의 용해도적이 작은 원소, 즉 강탈산 원소로서 일반적으로는 Al이 사용된다. 그러나, Al만으로는 산소를 충분히 이용하는 데 불충분하여, Al보다 강한 탈산원소가 필요하며, 철강의 탈산공정에 범용적으로 사용되는 Ca를 활용하는 것이 중요하다. Ca는 산소와의 용해도적이 작기 때문에, 동량의 산소에 대하여 Al보다 한층 다량의 산화물을 생성할 수 있다. 탈산원소로서 Ca를 사용한 실험을 한 결과, 강 중에 생성하는 산화물 입자의 조성으로서, Ca가 3% 이상, Al가 1% 이상 함유됨으로써, 산화물의 체적분율 즉 산화물 양을 크게 할 수 있다는 것을 알아냈다. 이 결과를 토대로, 강 중에 포함되는 산화물 입자의 조성을 적어도 Ca, Al, O를 포함하고, O을 제외한 원소가 질량비로 Ca를 3% 이상, Al을 1% 이상으로 하였다.

또한 Ca와 동시에 Mg를 사용하는 것도 산화물을 다수 생성시키는 데 유효하다. Mg는 Ca 정도의 효과는 없지만, Al보다 강한 탈산원소이고, 산소와의 용해도적이 작다. 따라서, Mg를 Ca와 복합하여 탈산에 사용함으로써 산화물 개수를 한층 더 증가시킬 수 있게 된다. 발명자들은 탈산원소로서 Ca를 사용한 실험을 한 결과, 강 중에 생성되는 산화물 입자의 조성으로서, Ca가 5% 이상, Al이 5% 이상, Mg가 1% 이상 포함됨으로써, 산화물의 체적분율 즉 산화물량을 한층 더 크게 할 수 있다는 것을 알아냈다. 이 결과를 토대로, 강 중에 포함되는 산화물 입자의 조성을 적어도 Ca, Al, Mg, O를 포함하고, O를 제외한 원소의 경우 질량비로 Ca를 5% 이상, Al을 5% 이상, Mg를 1% 이상으로 하였다.

또한, 본 발명자들은 산화물의 주위에 CaS 및 MgS 등의 황화물이 석출되어, 산화물과 황화물을 합쳐 더 한층 체적분율의 증가가 가능해지는 것을 밝혀냈다. 이 결과를 토대로, 강 중에 포함되는 입자의 조성을 적어도 Ca, Al, O, S를 포함하고, O를 제외한 원소의 경우 질량비로 Ca를 5% 이상, Al를 5% 이상, S를 1% 이상, 또는, 적어도 Ca, Al, Mg, O, S를 포함하고, O를 제외한 원소의 경우 질량비로 Ca를 5% 이상, Al을 5% 이상, Mg를 1% 이상, S를 l% 이상으로 하였다.

이 때, 나머지 부분의 산화물 구성 원소로서, 탈산력이 Al과 Ca의 사이에 있는 Mg 또는/및 REM을 포함하여도 본 발명의 효과는 유효하며, 또한, 불가피하게 혼입되는 Si, Mn, Ti 등의 Al보다 약한 탈산원소 및/또는 Ca 등과 불가피하게 연결되는 S 등의 불순물 원소를 포함하여도 본 발명 효과에 영향이 없는 것을 확인하였다.

다음으로, 피닝에 유효한 산화물 입자의 크기에 대하여 설명한다. 분산 입자에 의한 결정립계의 피닝 효과는 분산 입자의 체적율이 클수록, 한 개의 입자경이 클수록 크지만, 입자의 체적율이 일정할 때 산화물 입자 한 개의 크기가 작은 편이 입자수가 많아져 피닝효과가 커지지만, 너무 작아지면 입계에 존재하는 입자의 비율이 적어지므로, 그 효과는 저감되는 것으로 생각하였다. 입자의 크기를 다양하게 변화시킨 시편을 사용하여, 고온으로 가열한 때의 오스테나이트 입경을 상세하게 조사한 결과, 피닝에는 입자의 크기가 0.005∼2.0μm인 것이 효과가 크다는 것을 밝혀내었다. 또한, 오스테나이트 입계의 이동을 중지시키는 피닝 분산 입자의 사이즈가 클수록 강한 것을 밝혀내었고, 입자경 0.005∼2.0μm 중에서도 0.l∼2.0μm의 입자의 크기가 특히 유효하다는 것을 밝혀내기에 이르렀다. 0.1μm 보다 작아지면 피닝 효과는 서서히 감소하고, 0.005μm보다 적어지면 거의 피닝 효과를 발휘하지 않는다. 또한 2.0μm보다 큰 산화물 입자는 피닝 효과는 있으나, 취성 파괴 기점이 되는 경우가 있어 강재의 특성상 부적당하다. 이러한 결과로부터 필요한 입자경을 0.005∼2.0μm, 그 중에서도 특히 0.1∼2.0μm로 하였다.

다음으로, HAZ 인성에 필요한 피닝 입자의 개수에 대하여 검토하였다.

산화물 입자 개수가 많을수록 조직 단위는 미세하게 되고, 입자 개수가 많을 수록 HAZ 인성이 향상되지만, 강재에 요구되는 HAZ 인성은 그 용도, 그 사용되는 용접 방법 등에 의하여 복잡하게 달라진다. 특히 요구 특성이 엄격한 것으로 생각되는 고강도의 조선용 강에서 대입열 용접 시공되는 경우에 요구되는 HAZ 인성, 예를 들면, 시험 온도 -40℃에 있어서 흡수 에너지 50J 이상을 만족하려면, 도 1, 도2에 도시하는 바와 같이, 원 상당지름이 0.005∼2.0μm의 산화물 입자수가 100개/mm²이상 필요하다는 것을 밝혀내었다. 단, 입자수가 많을수록 그 인성 향상 효과는 줄어들고, 필요 이상으로 입자 개수를 늘리는 것은 인성에 유해한 조대한 입자가 생성될 가능성이 높아지는 것을 고려할 때, 입자수의 상한은 3000개/mm²가 적절하다.

이 산화물 입자의 크기 및 개수의 측정은 예를 들면 이하의 요령으로 한다. 모재가 되는 강판으로부터 추출 레플리카를 제작하고, 그것을 전자현미경에서 l0000배로 20 시야 이상, 관찰 면적으로 l000mm² 이상을 관찰함으로써 그 산화물의 크기 및 개수를 측정한다. 크기의 측정은 예를 들면 입자를 촬영한 사진을 기초로 하여 그 원 상당경(circle-equivalent diameter)(산화물 입자의 2차원 투영 면적과 동일한 면적을 갖는 원의 지름)을 구한다. 이 때 강판의 표면층부로부터 중심부까지 어떤 부위로부터 채취한 추출 레플리카이어도 무방하다. 또 입자가 적정하게 관찰 가능하면, 관찰 배율을 낮추어도 무방하다.

산화물 입자는 용강을 탈산할 때에 생성한다. 이것을 1차 산화물이라 한다. 또한 주조, 응고 중에 용강온도의 저하와 함께 Ti-Al-Ca 산화물은 생성된다. 이것을 2차 산화물이라 한다. 본 발명에서는, 1차 산화물과 2차 산화물 중 어느 것을 사용하여도 무방하다.

또한, 강재를 제조하는 프로세서로서, 통상 압연 그대로, 제어 압연, 또한 이것과 제어 냉각과 템퍼링의 조합, 및 담금질·템퍼링의 조합 등이어도 산화물의 효과는 영향을 받지 않는다.

한편, 이와 같이 하여 강 중에서 산화물을 분산함으로써 HAZ의 재가열 오스테나이트립은 피닝에 의하여 매우 유효하게 세립화되고, HAZ 인성도 그에 수반하여 향상되지만, 동시에 오스테나이트립이 미세화함에 따라 입계 면적이 증가하고, 입계로부터의 페라이트 생성능도 증가하며, 상당히 엄격한 인성 요구에 있어서는 특히 입계의 각부(입계 삼중점)의 비교적 조대한 페라이트가 기점이 되어 인성 향상을 저해하고 있는 것이 새로운 문제점으로 드러났다. 다시 말하면, 이와 같은 입계 및 입계 삼중점에 형성하는 비교적 조대한 페라이트를 억제·개선할 수 있으면, HAZ 미세화 효과와 함께 중첩적으로 인성을 대폭적으로 향상시키는 것이 가능하다. 이와 같은 입계 및 입계 삼중점에 생성되는 비교적 조대한 페라이트의 문제는 대입열용접 HAZ 조직을 산화물에 의하여 종래에 없던 미세화를 함으로써 처음 밝혀낸 것이다.

본 발명자들은, HAZ 조직의 미세화에 의한 인성 향상 효과를 비약적으로 향상시키기 위하여 계속 검토를 하였다. 그 결과, 미세한 산화물을 다수 분산하여 재가열 오스테나이트립을 세립화한 경우, HAZ조직 형성과정 중에 일어나는 입계 및 입계 삼중점의 페라이트의 성장을 억제하기 위하여, B의 첨가가 매우 유효한 것을 밝혀내었다. 또한 B의 첨가 효과의 기구를 상세하게 조사한 결과, B와 N의 밸런스가 중요하고, 용접열 싸이클의 냉각 중에 페라이트 생성이 일어나는 단계에서 B가 N에 완전히 포착되지 않고 고용상태에서 잔존하고 있는 것이 B의 첨가 효과를 높이고, 세립 HAZ의 인성을 대폭적으로 향상시키며 안정화하는 것이 밝혀졌다.

Ti 첨가 강에서는, Ti와 N의 친화력이 매우 크기 때문에, Ti에 의하여 소비되는 N을 고려한 결과, 도 3, 도 4에 도시하는 바와 같이, HAZ 인성은 EN=(% N)-0.292(% T) -1.292(% B)인 당량으로 잘 정리할 수 있고 당량치가 -0.004∼-0.0005의 범위, 바람직하게는 0∼0.002의 범위이면, 그 첨가 효과가 크고, 인성이 대폭적으로 향상되는 것을 알게 되었다. 이 당량치가 -0.004 미만인 경우는 B와 동시에 Ti도 고용상태가 되어 경화성이 현저하게 증가하고, HAZ 인성은 악화된다. 한편, -0.0005를 넘는 경우에는 고용 B를 확보할 수 없어, 페라이트의 미세화 효과는 없다.

강재를 제조하는 프로세스로서, 통상 압연 그대로, 제어 압연, 또한 이것과 제어 냉각과 템퍼링의 조합, 및 담금질·템퍼링의 조합 등이어도 산화물의 효과는 영향을 받지 않는다.

또한, 본 발명의 기본 성분 범위에 대하여 설명한다.

C는 강의 강도를 향상시키는 유효한 성분으로서 하한을 0.03%로 하고, 또한 과잉 첨가는, 강재의 용접성이나 HAZ 인성 등을 현저하게 저하시키므로, 상한을 0.18%로 하였다.

Si는 모재의 강도 확보, 탈산 등에 필요한 성분이지만, HAZ의 경화에 의하여 인성이 저하되는 것을 방지하기 때문에 상한을 0.5%로 하였다.

Mn은 모재의 강도, 인성의 확보에 유효한 성분으로서 0.4% 이상의 첨가가 필요하지만, 용접부의 인성, 균열성 등의 허용할 수 있는 범위에서 상한을 2.0%로 하였다.

P는 함유량이 적을수록 바람직하지만, 이것을 공업적으로 저감시키는 데 많은 비용이 들기 때문에 0.02%를 상한으로 하였다.

S는 함유량이 적을수록 바람직하나, 이것을 공업적으로 저감시키는 데 많은 비용이 들기 때문에, 0.02%를 상한으로 하였다.

Al은 중요한 탈산원소로서 하한치를 0.005%로 하였다. 또한, Al이 다량으로 존재하면 주편의 표면 품위가 열화되므로, 상한을 0.04%로 하였다.

Ti는 N과 결합하여 Ti 질화물을 형성시키기 위하여 0.005% 이상 첨가한다. 그러나, 고용 Ti량이 증가하면 HAZ 인성이 저하하기 때문에, 0.03%를 상한으로 한다.

Ca는 Ca계 산화물을 생성시키기 위하여 0.0005% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 과잉 첨가는 조대 개재물을 생성시키므로 0.003%를 상한으로 하였다.

Mg는 Mg계 산화물을 생성시키기 위하여 0.0001% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 과잉 첨가는 조대 개재물을 생성시키므로 0.002%를 상한으로 하였다.

N은 TiN으로서 석출함으로써 HAZ 인성의 향상 효과가 있기 때문에, 하한을 0.0005%로 하였다. 그러나 고용 N이 증대하면 HAZ 인성의 저하를 초래하므로 0.007%를 상한으로 하였다.

B는 고용상태에서 가열 오스테나이트립의 입계에 생성하는 페라이트의 성장을 억제하는 유효한 원소로서, 적어도 0.0005% 첨가한다. 그러나 다량으로 첨가하면 강재의 인성을 악화시키기 때문에, 상한을 0.003%로 하였다.

Cu는 강재의 강도를 향상시키는 데 유효하지만, 1.0%를 넘으면 HAZ 인성을 저하시키므로, 1.0%를 상한으로 하였다.

Ni는 강재의 강도 및 인성을 향상시키는 데 유효하지만, Ni량의 증가는 제조 코스트를 상승시키기 때문에, 1.5%를 상한으로 하였다.

Nb는 경화성을 향상시킴으로써 모재의 강도 및 인성을 향상시키는 데 유효한 원소지만, HAZ부에 있어서 과잉 첨가는 인성을 현저하게 저하시키기 때문에 0.04%를 상한으로 하였다.

V, Cr, Mo에 대하여도 Nb와 마찬가지 효과를 가지므로, 각각 0.1%, 0.6%, 0.6%를 상한으로 하였다.

REN은 용강 중 Ca 다음 가는 탈산력을 가지며, Ca에 의한 미세 산화물 형성을 보조하는 작용을 하지만, 과잉으로 넣으면 Ca에 비하여 코스트 증가가 큰 동시에, 조대 개재물을 만들어 강판 및 HAZ의 인성을 저해하므로, 상한을 0.05%로 하였다.

<실시예1>

표 l에 도시한 화학 성분으로, 50kg의 강을 시험 제작하였다. 1∼8이 본 발명강, 9∼l4가 비교강이다. 시작강은 전로 용제하고, RH로 진공 탈가스 처리시에 탈산을 한다. Ti 투입 전에 용강의 용존 산소를 Si로 조정하고, 그 후 Ti, Al을 순서대로 첨가하여 탈산을 하고, 연속 주조에 의하여 280mm 두께 주편으로 주조한 다음, 가열 압연을 거쳐, 판 두께 45mm의 강판으로서 제조하였다. 얻어진 강판을 l 패스의 SEGARC 용접하였다. 입열은 약200kJ/cm²이다.

표 2에는, 산화물 입자의 조성, 입자경 0.005∼2.0μm의 입자수, 강판의 압연 조건, 모재 특성 및 HAZ의 인성을 나타낸다. HAZ 인성 평가를 위한 샤르피치는 퓨전라인으로부터 HAZ lmm의 부위에서 9개의 시험을 하여, 그 평균치이다.

표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, l∼8의 본 발명강은 비교강에 비하여 우수한 HAZ 인성을 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 산화물의 입자경, 입자수, 조성의 양이 본 발명의 범위에 있음으로써, -40℃의 HAZ 인성이 매우 우수하다. 또한 본 발명강 중에서, 산화물 입경 0.1∼2.0μm가 100∼3000개/mm²의 범위 내인 발명강 3, 4, 5, 6, 8, 산화물 입자 조성의 Mg가 l% 이상인 발명강 2, 4, 5, 6, 7, 8, 산화물 입자 조성의 S가 l% 이상인 발명강 3, 4, 5는 그 이외의 본 발명강 보다 HAZ 인성이 양호한 것을 알 수 있다.

한편, 비교예의 9∼16은 모두 샤르피 시험 -40℃에서 40J 미만의 낮은 인성밖에 나타내지 않았다. 이 원인은, 비교예 9에 있어서는 산화물 입자 조성인 Ca량, Mg량 및 산화물 입자수가 본 발명의 하한을 벗어나고, 또한 비교예 10은 산화물 입자의 Ca량 및 산화물 입자수가 본 발명의 하한을 벗어나기 때문이다. 또한 비교예 11∼15는 산화물 입자수가 본 발명의 하한을 벗어나고 있기 때문이다.

또한 비교예 16은 산화물 입자의 Al량 및 산화물 입자수가 본 발명의 하한을 벗어나고 있었기 때문이다.

<실시예2>

표 3에 나타낸 화학 성분으로, 50∼60kg의 강을 시험 제작하였다. l7∼24가 본 발명강, 25∼31이 비교강이다. 시작강은 전로 용제 하고, RH로 진공 탈가스 처리 시에 탈산을 행하고, Ti 투입 전에 용강의 용존 산소를 Si로 조정하고, 그 후 Ti, Al, Ca를 순서대로 첨가하여 탈산을 하고, 연속 주조에 의하여 280mm 두께 주편으로 주조한 후, 가열 압연을 거쳐, 판 두께 50mm의 강판으로서 제조하였다. 얻어진 강판을 1 패스의 일렉트로 슬러그 용접하였다. 입열은 약280kJ/cm²이다.

표 4에는, 산화물 입자의 평균 조성, 전자현미경으로 측정한 입자경 0.005∼2.0μm의 입자수, EN=(% N)-0.292 (% Ti) -1.292 (%B)의 값, 100배의 광학현미경 20 시야에서 절단법으로 측정한 HAZ 조직 오스테나이트립의 평균경, 및 오스테나이트 입계 또는 입계 삼중점의 최대 페라이트 사이즈(폭), 및 HAZ의 인성을 나타낸다. HAZ 인성 평가를 위한 샤르피 시험은 -40℃에서 하고, 기재 값은 본드로부터 HAZ lmm의 부위에서 9개의 시험을 하여, 그 평균치이다.

표 4부터 알 수 있는 바와 같이, 17∼24의 본 발명강은 비교강과 비교하여 우수한 HAZ 인성을 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 입자경이 0.005∼2.0μm이고, Ca, Al을 소정의 조성으로 포함하는 산화물의 입자수가 100∼3000개/mm²의 범위이므로, 비교강과 비교하여 HAZ 조직 오스테나이트 입경도 작고, 또한, B의 효과에 의하여 오스테나이트 입계 혹은 입계 삼중점의 페라이트도 작아지며, 그 결과, -40℃의 샤르피 흡수 에너지값은 강구조물의 파괴 역학적 입장에서 일반적으로 요구되는 평균 50J를 크게 상회하고 있어, HAZ 인성이 매우 뛰어나다는 것을 알 수 있다. 또한, 17, 18, 20, 2l, 23, 24는 입자경 0.1∼2.0μm의 입자수도 100개/mm² 이상이고, 19 및 22와 비교하여, 상대적으로 오스테나이트 입경이 작고, 또한 샤르피 흡수 에너지도 높다.

한편, 비교예 25∼31은, 어느 것이나 샤르피 시험 -40℃에서 50J 미만의 낮 인성밖에 나타내지 않았다. 이러한 원인은 비교예 25∼28에서는, 강재의 화학 성분이 본 발명 범위로부터 벗어나고, 산화물 입자가 본 발명 범위 내의 조성, 개수가 아니기 때문이고, 29, 30은 산화물 조성, 개수는 본 발명의 범위내이지만, EN당량이 본 발명 범위로부터 벗어나 있기 때문이다. 또한 비교예 31는 다른 강철보다 강중 산소량이 높아 산화물 입자수가 본 발명의 상한을 벗어나 있기 때문이다.

<실시예3>

표 5에 나타낸 화학 성분으로서, 50∼60kg 강을 시험 제작하였다. 32∼39가 본 발명강, 40∼46이 비교강이다. 시작 강을 전로 용제하고, RH로 진공 탈가스 처리 시에 탈산을 하였다. Ti 투입 전에 용강의 용존 산소량을 Si로 조정하고, 그 후 Ti, Al, Ca를 순서대로 첨가하여 탈산을 행하고, 연속 주조에 의하여 260mm 두께 주편으로 주조한 후, 가열 압연을 거쳐, 판 두께 50mm의 강판으로서 제조하였다. 얻어진 강판을 1 패스의 일렉트로 가스 용접하였다. 입열은 약280kJ/cm²이다.

표 6에는, 산화물 입자의 평균 조성, 전자현미경으로 측정한 입자경 0.005∼2.0μm 의 입자수, EN=(% N)-0.292(% Ti)-1.292(% B)의 값, 100배의 광학 현미경 사진 20 시야로 절단법으로 측정한 HAZ 조직 오스테나이트립의 평균경 및 오스테나이트 입계 혹은 입계 삼중점의 최대 페라이트 사이즈(폭), 및 HAZ의 인성을 나타낸다. HAZ 인성치는 상기 용접 후의 강판의 본드로부터 HAZ 1mm의 부위에서 9개의 시편을 채취하고, 이를 -40℃로 샤르피 시험을 하여, 그 평균치이다.

표 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 32∼39의 본 발명강은 비교강과 비교하여 우수한 HAZ 인성을 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 입자경이 0.005∼2.0μm이고, Ca, Al을 소정의 조성으로 포함하는 산화물의 입자수가 100∼3000 개/mm²의 범위이므로, 비교강과 비교하여 HAZ 조직 오스테나이트 입경도 작고, 또한, B의 효과에 의하여 오스테나이트 입계 혹은 입계 삼중점의 페라이트도 적으며, 그 결과, -40℃의 샤르피 흡수 에너지값은 강구조물의 파괴역학적 입장에서 일반적으로 요구되는 평균 50J를 크게 상회하고 있어, HAZ 인성이 매우 뛰어난 것이 명백하다. 더우기, 32, 33, 35, 36, 38, 39는 입자경 0.1∼2.0mm의 입자수도 100개/mm²이상이고, 34 및 37과 비교하여 상대적으로 오스테나이트 입경이 작고, 또한 샤르피 흡수 에너지도 높다.

한편, 비교예의 40∼46은, 모두 샤르피 시험 40℃에서 50J미만의 저인성 밖에 나타내지 않았다. 이러한 원인은 40∼43에서는 화학 성분이 본 발명 범위에서 벗어나고, 산화물 입자의 조성, 개수가 본 발명의 범위를 벗어나기 때문이며, 비교예 44, 45는 산화물 입자의 조성, 개수는 본 발명의 범위 내이지만, EN당량이 본 발명 범위로부터 벗어나 있기 때문이다. 또한 비교예 46은 다른 강보다 강중 산소량이 높고, 산화물 입자수가 본 발명의 상한을 벗어나므로 본 발명예 강보다 낮은 인성이 되었다.

본 발명은 200kJ/cm²이상의 대입열용접, 초대입열용접에 대하여 우수한 용접 이음부 인성을 가지는 강판이고, 선박, 해양 구조물, 중고층 빌딩, 교량 등에 사용되는 용접 구조용 강재 전반 이외에도, 강관용 소재의 강판, 봉강, 조강, 열연강판 등에도 적용 가능하고, 어떠한 경우에든 용접 이음부의 인성이 대폭 향상되었다.

Claims

삭제
질량%로,

C:0.03∼0.l8%,

Si:≤0.5%,

Mn:0.4∼2.0%,

P:≤0.02%,

S:≤0.02%,

Al:0.005∼0.04%,

Ti:0.005∼0.03%,

Ca:0.0005∼0.003%,

N:0.0005∼0.007%,

Mg: 0.0001∼0.002%

를 함유하고, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강으로서, 또한, 상기 강 중에 원 상당경(circle-equivalent diameter)으로 0.005∼2.0μm의 산화물 입자를 단위 면적당 개수 밀도로 100∼3000개/mm² 함유하고, 그 산화물 입자의 조성이 Ca, Al, Mg, O를 포함하고, O을 제외한 원소의 경우 질량%로, Ca: 5% 이상, Al: 5% 이상, Mg: l% 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 용접열 영향부 인성이 우수한 강재.
질량%로,

C:0.03∼0.l8%,

Si:≤0.5%,

Mn:0.4∼2.0%,

P:≤0.02%,

S:≤0.02%,

Al:0.005∼0.04%,

Ti:0.005∼0.03%,

Ca:0.0005∼0.003%,

N:0.0005∼0.007%,

Mg: 0.0001∼0.002%

를 함유하고, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강으로서, 또한, 상기 강 중에 원 상당경(circle-equivalent circle)으로 0.005∼2.0μm의 산화물 입자를 단위 면적당 개수 밀도로 100∼3000개/mm²함유하고, 그 산화물 입자의 조성이 Ca, Al, S를 포함하고, O를 제외한 원소의 경우 질량%로 Ca: 5% 이상, Al: 5% 이상, S: 1% 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 용접열 영향부 인성이 우수한 강재.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 강재의 산화물 입자의 조성이 Ca, Al, Mg, O, S를 포함하고, O를 제외한 원소의 경우 질량%로, Ca:5% 이상, Al:5% 이상, Mg:l% 이상, S:l% 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 용접 열 영향부 인성이 우수한 강재.
제2항에 있어서,

상기 강재에 질량%로 B: 0.0005∼0.003%을 추가로 함유하고, 또한 산화물 입자의 조성이 Ca, Al, O, S를 포함하고, O를 제외한 원소가 질량%로, Ca: 3% 이상, Al: l% 이상을 함유하고, 또한, EN=(% N)-0.292(% Ti)-1.292(%B)인 당량식에 있어서 -0.0005≤EN≤-0.002를 만족하는 것을 특징으로 하는 용접열 영향부 인성이 우수한 강재.
제2항, 제3항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 강재에 질량%로, Cu: ≤l.0%, Ni: ≤1.5%, Nb: ≤0.04%, V:≤0.l%, Cr:≤0.6%, Mo: ≤0.6%, REM: ≤0.05%의 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 용접열 영향부 인성이 우수한 강재.
삭제
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 강재가 EN=(% N)-0.292(% Ti)-1.292(%B)인 당량식에 있어서 0≤EN≤0.002를 만족하는 것을 특징으로 하는 용접열 영향부 인성이 우수한 강재.
제5항에 있어서,

상기 강재의 산화물 입자가 원 상당경으로 0.l∼2.0μm인 것을 특징으로 하는 용접열 영향부 인성이 우수한 강재.
질량%로,

C: 0.03∼0.l8%,

Si: ≤0.5%,

Mn: 0.4∼2.0%,

P: ≤0.02%,

S: ≤0.02%,

Al: 0.005∼0.04%,

Ti: 0.005∼0.03%,

Ca: 0.0005∼0.003%,

N: 0.0005∼0.007%

를 함유하고, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강으로서, 또한, 상기 강 중에 원 상당경(circle-equivalent diameter)으로 0.005∼2.0μm의 산화물 입자를 단위 면적당 개수 밀도로 100∼3000개/mm²함유하고, 그 산화물 입자의 조성이 Ca, Al, O을 포함하고, O을 제외한 원소의 경우 질량%로, Ca: 5% 이상, Al: 5% 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 용접열 영향부 인성이 우수한 강재.
제10항에 있어서,

상기 강 중에 원 상당경으로 0.005∼2.0μm의 산화물 입자를 단위 면적당 개수 밀도로 100∼3000개/mm²함유하고, 그 산화물 입자의 조성이 Ca, Al, S를 포함하고, O를 제외한 원소가 질량%로 Ca: 5% 이상, Al: 5% 이상, S: 1% 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 용접열 영향부 인성이 우수한 강재.
제10항에 있어서,

상기 강재의 산화물 입자의 조성이 Ca, Al, Mg, O, S를 포함하고, O를 제외한 원소가 질량%로, Ca: 5% 이상, Al: 5% 이상, Mg: l% 이상, S:l% 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 용접 열 영향부 인성이 우수한 강재.
제10항에 있어서,

상기 강재에 질량%로 B: 0.0005∼0.003%을 추가로 함유하고, 또한 산화물 입자의 조성이 Ca, Al, O, S를 포함하고, O를 제외한 원소가 질량%로, Ca: 3% 이상, Al: l% 이상을 함유하고, 또한, EN=(% N)-0.292(% Ti)-1.292(%B)인 당량식에 있어서 -0.0005≤EN≤-0.002를 만족하는 것을 특징으로 하는 용접열 영향부 인성이 우수한 강재.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 강재에 질량%로, Cu: ≤l.0%, Ni: ≤1.5%, Nb: ≤0.04%, V:≤0.l%, Cr:≤0.6%, Mo: ≤0.6%, REM: ≤0.05%의 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 용접열 영향부 인성이 우수한 강재.
제10항에 있어서,

상기 강재가 EN=(% N)-0.292(% Ti)-1.292(%B)인 당량식에 있어서 0≤EN≤0.002를 만족하는 것을 특징으로 하는 용접열 영향부 인성이 우수한 강재.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 강재의 산화물 입자가 원 상당경으로 0.l∼2.0μm인 것을 특징으로 하는 용접열 영향부 인성이 우수한 강재.
제4항에 있어서,

상기 강재에 질량%로, Cu: ≤l.0%, Ni: ≤1.5%, Nb≤: 0.04%, V:≤0.l%, Cr:≤0.6%, Mo: ≤0.6%, REM: ≤0.05%의 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 용접열 영향부 인성이 우수한 강재.