KR100518338B1 - 변형유기 동적변태를 이용한 저탄소 세립강의 제조방법 - Google Patents

변형유기 동적변태를 이용한 저탄소 세립강의 제조방법 Download PDF

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Abstract

변형유기 동적변태를 이용한 저탄소 세립강 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제조방법은, 중량%로, C: 0.3%이하, Si: 1.5%이하, Mn: 2.0%이하, Nb: 0.01~0.08%, 잔부 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 강재를 마련하는 단계; 상기 강재를 마무리압연하기 전에 그 오스테나이트 조직의 평균결정입 크기가 50㎛이하가 되도록 제어하는 단계; 및 상기 조직의 강재를 Ar3 ~ Ar3+100℃의 온도범위에서 개시하여 한 패스당 압하율을 30% 이하로 유지하면서 그 총압하율이 60%이상이 되도록 열간다단가공하는 단계를 포함하여 구성된다.

Description

변형유기 동적변태를 이용한 저탄소 세립강의 제조방법{Method for manufacturing ultrafine-grained low-carbon steel by using Strain-Induced Dynamic Transformation}
본 발명은 미세한 페라이트 조직을 다량 포함하는 저탄소 구조용강 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 변형유기동적변태를 이용하여 그 입경이 5㎛이하의 미세한 페라이트 조직으로 이루어진 후판, 열연, 형강, 선재 및 봉강등 제조용 저탄소 구조용강 제조방법에 관한 것이다.
강재의 강도를 향상시키는 방법으로는 석출물강화, 고용강화, 마르텐사이트 강화, 미세펄라이트 강화등 다양한 강화방법들을 들 수 있다. 그러나 이러한 강재의 강화방법들은 강도를 향상시키는 반면에 인성의 열화를 동반하게 된다. 그런데 결정립을 미세화시켜 강재의 강도를 강화시키는 경우에는 고강도화에 동반되는 인성열화문제를 해소할 수 있을 뿐만 아니라 충격천이온도의 저감을 기대할 수 있기 때문에 그 동안 이 분야에 대한 많은 기술적 발전이 진행되어 왔다. 특히, 구조물 제작시 용접접합을 많이 하거나, 강재의 충격인성이 중요한 특성으로 요구되는 경우 주로 사용되는 저탄소 구조용강은 급냉처리(quenching)를 하는 경우를 제외하고는 미세조직의 대부분이 페라이트로 이루어지게 되는데(이하, "페라이트강"이라 한다), 근래에 들어 이 페라이트강의 결정립 미세화기술이 비약적으로 발전하였다.
이 중에서 강재를 오스테나이트 미재결정역에서 마무리압연하여 오스테나이트를 길게 연신시킨 상태에서 가속냉각을 함으로써 상변태의 핵생성속도를 증대시켜 결정립을 미세화시키는, 소위 TMCP(Thermo-Mechanical Controlled Process)법이 근래에 개발되어 결정립 미세화기술에 획기적인 전기를 제공하였다. 그리고 최근에 들어 이 TMCP법보다 더욱 결정립의 미세화시킬 수 있는 저온 강압하기술이 개발되고 있다.
TMCP법은 개발당시에는 획기적이었으나, 최근에 들어서는 일반화된 세립강 제조기술로 평가받고 있으며, 저탄소 페라이트강에 적용하는 경우에는 페라이트 결정립을 약 5㎛까지 미세화시킬 수 있는 것으로 알려지고 있다. 그러나 결정립 미세화를 통해 강재를 고강도화하는 경우에는 강도가 결정립 크기의 역수에 의존하여 증대되므로, 페라이트의 결정립이 5㎛ 이하의 범위에서는 결정립 미세화에 따른 강도의 증가속도가 현저히 급격해진다. 따라서 최근에 페라이트 결정립크기가 5㎛ 이하가 되도록 하는 결정립 초세립화기술이 다방면으로 개발되고 있다.
결정립 초미세립화와 관련된 종래의 기술로서는 대한민국 특허출원, 공개번호 1999-029986, 1999-029987, 1999-58126, 1999-63186과, 미국특허발명 번호4466842호, 5200005호, 6027587호등을 들 수 있다.
상기 공개특허출원 1999-029986에서는 저탄소강을 가열한후 냉각하는 과정에서 오스테나이트 미재결정역 온도범위에서 압하율 30%이상의 압축가공을 하고, 가속냉각을 통해서 페라이트를 미세화시키는 방법을 제시하고 있다. 그리고 상기 공개특허출원 1999-029987에서는 일반탄소강을 먼저 마르텐사이트 조직으로 열처리한후, 이 강을 페라이트 안정온도 범위(500oC~Ac1)로 가열하여 패스당 50% 이상의 압하율로 가공함으로써 페라이트의 회복 및 재결정을 통해 5㎛ 이하로 미세화시키는 방법을 제시하고 있다.
또한 상기 공개특허출원 1999-58126에서는 저탄소강을 가열한후 냉각시키다가 Ar3 근처에서 80% 이상의 강압하를 통해 페라이트 입도를 미세화시키는 방법을 제시하고 있으며, 공개특허 1999-63186에서는 저탄소강을 가열한후 압연하는 과정에서 마무리압연을 Ar3±20oC 온도범위내에서 패스당 20%이상의 압하율로 항온압연을 하여 페라이트를 미세화시키는 방법을 제시하고 있다.
그리고 미국특허 4466842호에서는 재가열된 저탄소강을 Ar3온도 근처에서 마무리압연을 할 때, 단일패스 또는 다단패스를 통해 총압하율이 75% 이상이 되도록 하고, 패스간 유지시간을 1초이하로 하여 가속냉각함으로써 페라이트 결정립이 4㎛ 이하가 되도록 미세화시키는 기술을 제시하고 있다. 또한 미국특허 5200005호에서는 극저탄소강을 가열한후 압연하는 과정에서 마무리압연을 페라이트 안정온도인 Ar1 이하의 범위에서 온간압연을 함으로써 페라이트 결정립도가 5㎛ 이하가 되는 초세립강의 제조방법을 제시하고 있으며, 미국특허 6027587호에서는 저탄소강을 가열한 후 압연하는 과정에서 50㎛ 이상의 크기로 유지한 미변태 오스테나이트를 700 내지 950oC의 온도범위에서 압연을 함으로써 강재 표층부에 5㎛ 이하의 초미세립 페라이트를 얻는 제조방법을 제시하고 있다.
즉, 상술한 종래기술에 제시된 발명들은 강재를 제조하는 주요공정인 열간 또는 온간가공공정에서 대압하를 가해야 초세립 페라이트를 얻을 수 있다는 개념을 공통으로 전제하고 있으며, 이에 따라, 특허에 따라서 다소 차이는 있지만 페라이트 세립화를 위한 필요조건으로써 패스당 최소압하율 또는 패스간의 최대유지시간 등을 규정하고 있다. 그러나 이러한 종래기술과 같이 열간가공시에 대압하를 부여하기 위해서는 엄청나게 큰 용량을 가진 압연기 등의 열간가공설비가 필요하여 기존의 설비로는 달성하는 것이 거의 불가능하였으며, 또한 이러한 대압하 부여에 따른 가공열 때문에 형성된 페라이트 조직이 쉽게 성장하는등 초미세 페레이트 조직을 형성함에 한계가 있었다.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 오스테나이트 결정입도 및 그에 대한 열간가공조건등을 최적화함으로써 평균결정입 크기가 5㎛이하의 초미세 페라이트 조직으로 이루어진 강재 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C: 0.3%이하, Si: 1.5%이하, Mn: 2.0%이하, Nb: 0.01~0.08%, 잔부 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 강재를 마련하는 단계; 상기 강재를 마무리압연하기 전에 그 오스테나이트 조직의 평균결정입 크기가 50㎛이하가 되도록 제어하는 단계; 및 상기 조직의 강재를 Ar3 ~ Ar3+100℃의 온도범위에서 한 패스당 압하율을 30% 이하로 유지하면서 그 총압하율이 60%이상이 되도록 열간다단가공하는 단계를 포함하는 변형유기 동적변태를 이용한 초세립강 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 설명한다.
상술한 바와 같이, 종래에는 패스당 압하율을 가능하면 많이 부가함으로써 강재의 초세립화를 확보하려고 하였으나, 이렇게 하면 오히려 가공에 의한 발열량이 너무 커서 소재온도가 상승하게 되므로써 결정립의 성장이 발생한다는 문제점이 있다. 따라서 실제 조업에서 이런 문제를 해결하기 위해서는 압연기 직후에 소재온도 상승을 방지하기 위해서 엄청난 성능의 냉각장치를 부가적으로 설치하는 것이 필요하였다.
따라서 본 발명자들은 이러한 종래기술의 한계를 극복하기 위하여 연구와 실험을 거듭하였으며 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하는 것으로서, 본 발명은 열간가공공정중 소재온도 상승에 따른 결정입성장 문제가 발생하지 않는 범위에서 초세립화 할 수 있도록 그 제조공정조건을 최적화함을 특징으로 한다.
즉, 본 발명자는 강재의 초세립화를 위하여 아래의 3가지 공정조건을 충족하여야 함을 발견하고, 본 발명을 제안하는 것이다.
첫째, 본 발명은 오스테나이트 조직의 강재를 열간가공시켜 변형유기 동적변태현상을 이용하여 초미세 페라이트 조직을 형성하는 기술로써, 이러한 변형유기 동적변태현상이 작은 압하율에서도 잘 일어날 수 있도록 오스테나이트 결정립크기를 50㎛이하로 미세하게 제어한다.
둘째, 본 발명에서는 상기 변형유기 동적변태로 형성된 미세 페라이트 조직이 성장하지 않도록 저압하율 다단가공으로 열간가공하며, 아울러, 소정량의 Nb을 함유시켜 동적변태로 형성된 페라이트 결정립의 성장이 일어나지 않도록 미세한 니오븀(Nb) 탄질화물을 분포시킨다.
셋째, 상기 열간가공온도를 최적으로 제어한다.
이와 같이, 본 발명에서는 평균 오스테나이트 결정립크기를 특정수준 이하로 유지한후 강재를 열간다단가공시키므로써 다량의 변형유기 동적변태 페라이트가 효과적으로 빠른 속도로 균일하게 형성될 수 있다. 또한 열간다단가공시 각 패스당 압하율을 특정수준 이하로 유지하면서 그 누적압하율을 소정치이상으로 제한하여 가공발열량을 최소화함으로써 가공 도중에 초미세립의 페라이트가 변형유기 동적변태로 형성되게 하며, 니오븀 석출물을 이용하여 초미세 페라이트의 성장을 억제함으로 최종 냉각후의 페라이트 결정립의 평균크기를 5㎛ 이하로 제어할 수 있는 것이다.
이하, 본 발명의 강 조성성분을 설명한다.
탄소(C)는 강재의 효과적인 강화를 위해서는 적당량 그 함유가 필요한 원소이다. 그러나 그 함유량이 0.3중량%(이하, 단지 %라 한다)를 초과하면 최종 미세조직에서 페라이트가 차지하는 비율이 약 60% 이하가 되어 저탄소강재로 분류할 수 없고, 용접시에 열영향부의 인성저하가 큰 문제가 될 수 있다.
따라서 본 발명에서는 탄소함량이 0.3%이하로 제한한다.
실리콘(Si)은 고용강화효과와 함께 제강공정에서 탈산을 위해 첨가가 필요한 성분원소이다. 그러나 그 함유량이 1.5%를 초과하면 용접성이 저하되고 강판표면에 제거하기 곤란한 산화피막이 형성될 가능성이 크며, 특히 페라이트 결정립의 조대화를 조장할 수 있다.
따라서 이를 고려하여 그 함유량을 1.5% 이하로 제한한다.
망간(Mn)은 탈산을 위해 첨가가 필요하나, 만일 그 첨가량이 2.0%를 초과하면 경화능을 불필요하게 증가시켜 압연시 페라이트의 변태속도를 저하시킬 뿐만 아니라 용접시 저온조직의 발생가능성이 커질 수 있다.
따라서 본 발명에서는 Mn의 함유량을 2.0% 이하로 제한한다.
니오븀(Nb)은 재가열시 또는 열간압연시 강중의 탄소 또는 질소와 결합하여 수십 나노미터 크기의 극미세 탄질화 석출물을 형성하는 성분원소로써 본 발명에서 아주 중요하다.
상술한 바와 같이, 동적변태 페라이트 조직은 그 특성상 매우 미세하므로 열간다단압연하는 동안, 특히 패스간 유지시간 동안 쉽게 성장해 버린다. 따라서 이러한 성장을 억제하는 것이 필수적이다.
이러한 동적 페라이트 조직의 성장억제를 위해, 탄질화물을 형성할 수 있는 티타늄이나 알루미늄, 또는 바나듐의 첨가를 고려할 수 있다. 그러나 본 발명자들의 연구에 따르면, 티타늄이나 알루미늄의 탄질화물은 본질적으로 그 크기가 니오븀 탄질화물에 비하여 조대하기 때문에 수 마이크론 크기의 초세립 페라이트 결정입계의 이동을 효과적으로 억제할 수 없으며, 단지 수십 마이크론의 크기에 이르는 오스테나이트 결정입성장을 억제함에 효과가 있음을 확인하였다. 또한 바나듐의 경우 열간압연공정에서는 온도가 높아서 탄질화물을 형성하기 어렵고, 압연후 냉각과정에서 매우 미세한 탄질화물로 석출될 수 있기 때문에 강재의 강도를 증대시킴에는 효과적이나 초세립 페라이트 결정입계의 이동을 효과적으로 억제할 수 없었다.
이점을 고려하여, 본 발명에서는 니오븀을 이용함을 특징으로 하며, 이러한 니오븀은 열간압연단계에서 수십 나노미터에 이르는 매우 미세한 탄질화물을 쉽게 형성시켜 동적변태의 결과로 생성되는 수 마이크론 크기의 초세립 페라이트 성장을 효과적으로 억제할 수 있다.
그러나 니오븀의 함량이 0.01%미만이면 니오븀 석출물의 숫자가 너무 적기 때문에 전체 초세립 페라이트의 결정립 성장을 효과적으로 억제할 수 없으며, 0.08%를 초과하면 그 첨가에 따른 효과가 포화될 뿐만 아니라 강을 너무 경화시켜 충분한 동적변태 페라이트 조직을 쉽게 얻을 수 없다.
따라서 본 발명에서는 니오븀 함량을 0.01~0.08%로 제한한다.
다음으로, 상기와 같이 조성된 강재를 이용하여 초세립 페라이트강을 제조하는 방법을 설명한다.
본 발명에서는 상기와 같이 조성된 강재를 제조한후, 이를 재가열하고 필요에 따라서 조압연과정을 거칠 수 있다. 본 발명에서는 이때, 후속하는 마무리 열간압연 직전에 그 오스테나이트 조직 평균결정입 크기가 50㎛이하가 되도록 강재의 재가열온도, 조압하율등을 제어할 것이 요구된다. 만일 마무리압연 직전의 강재의 오스테나이트 결정립크기가 50㎛를 초과하면, 후속하는 열간가공도중 변형유기 동적변태 페라이트의 형성속도가 현저히 저하됨과 동시에 변형유기 동적변태 페라이트의 형성장소도 매우 불균일해져서 최종적으로 혼립 페라이트가 형성될 가능성이 매우 높기 때문에 초미세립 페라이트강을 얻기가 어려워 질 수 있기 때문이다.
따라서 최종 제품상태에서 효과적으로 미세한 페라이트 결정립을 얻기 위해서는 후속하는 마무리 열간압연에 들어가는 과냉 오스테나이트 결정립크기를 평균 50㎛ 이하로 유지하는 것이 필요하다. 만일 미재결정역에서 오스테나이트가 변형된 상태로 과냉되는 경우에는 오스테나이트 단면상에서 타원형으로 변형된 오스테나이트 결정립의 장축과 단축의 길이 평균이 50㎛ 이하로 유지되어야 한다.
그리고 상기와 같이 오스테나이트 조직의 평균결정입 크기가 제어된 강재는 소정의 냉각속도로 냉각된후 과냉상태에서 마무리 열간다단가공되는데, 이때 마무리 열간압연 개시온도를 Ar3 ~ Ar3+100oC로 제한한다. 만일 상기 마무리 열간압연 개시온도가 Ar3보다 낮으면 열간압연전에 조대한 초석 페라이트가 오스테나이트 결정립을 따라서 형성되어 압연가공중 길게 연신됨으로써 각종 물성을 저하시키는 문제가 발생하며, Ar3+100oC를 초과하면 동적변태 페라이트의 분율을 충분히 확보할 수 없게 되어 조직 미세화 자체가 불가능해 질 수 있다.
한편, 본 발명에서는 상기 마무리 열간다단가공을 수행함에 있어서, 각 패스당 압하율을 30% 이하로 유지하면서 그 누적압하율이 60%이상이 되도록 열간다단압연할 것이 요구된다.
만일 상기 열간다단압연의 한 패스당 압하율을 30% 이상으로 하면 열간가공소재의 온도가 가공발열에 의해 과도하게 상승하게 되어 결정립의 미세화효과를 반감시키는 문제가 발생한다. 따라서 본 발명에서는 열간다단압연의 한 패스당 압하율은 30% 이하로 유지하는 것이 필수적이다.
또한 상기 열간다단압연의 누적압하율이 60% 이하로 되면 미세화에 효과적인 동적변태 페라이트의 형성량이 충분치 못하기 때문에 초세립 조직을 얻기 힘들게 된다.
이러한 열간다단압연은 그 압연 종료시점에서의 변형유기 동적변태 페라이트 분율이 40%이상이 되도록 수행됨이 최종적인 미세한 페라이트 미세조직 확보측면에서 바람직하다. 만일 이러한 분율이 40%미만이 되면, 가공 후 냉각시에 형성되는 정적변태 페라이트의 크기가 조대해지기 때문에 충분히 미세하고 균일한 최종제품의 조직을 확보할 수 없게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 마무리 열간압연전의 오스테나이트 조직의 입도, 마무리 열간압연조건을 적절하게 제어함으로써 평균결정입 크기 5㎛이하의 페라이트 조직을 갖는 강재를 효과적으로 제조할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
(실시예 1)
중량%로, C: 0.08%, Si: 0.25%, Mn: 1.51%, Nb: 0.04%, N: 0.005%, 잔부 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성된 강재를 마련하였다. 이렇게 마련된 강재를 900~1250oC로 재가열하여 오스테나이트화 하였으며, 이 때 오스테나이트의 결정립크기(AGS)를 하기 표 1과 같이 제어하였다. 이어, 이러한 강재를 열간다단가공시점까지 초당 2oC의 냉각속도로 일단 냉각하여 과냉상태로 제어한후, 열간압연 모사시험장치를 이용하여 열간다단가공하였으며, 이때 그 구체적인 조건은 하기 표 1과 같다. 한편 이러한 열간다단가공시의 패스간 휴지시간은 10초로 하였다.
이와 같이 실험의 결과로 얻어진 미세조직을 관찰하여 평균 페라이트 결정립크기(FGS)를 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다. 아울러, 상기 열간다단 가공공정중에 냉각을 하면서 강재의 길이변화를 측정하여 그 때까지의 열간가공 과정에서 형성된 동적변태 페라이트 및 정적변태 페라이트이 분율을 계산하여 표 1에 또한, 나타내었다. 한편, 여기에서, 동적변태분율이란 열간가공을 하는 동안 동적으로 페라이트로 변태하는 분율을 나타내며, 정적변태분율은 패스간 유지시간 동안 페라이트로 변태한 분율을 나타낸다.
또한, 하기의 표1에 나타난 Ar3 온도는 시험강재를 재가열한 후 초당 2oC의 냉각속도로 냉각하면서 오스테나이트로부터 페라이트가 형성되기 시작하는 온도를 측정한 결과이다.
구분 시험 번호 AGS(㎛) Ar3 온도(oC) 가공온도(oC) 패스당압하율(%) 총압하율(%) 동적변태페라이트분율(%) 정적변태페라이트분율(%) 평균FGS(㎛)
비교재 1 300 621 750 20 67 7 5 15.6
비교재 2 300 621 750 50 75 11 3 13.4
비교재 3 150 683 750 20 67 15 8 11.0
비교재 4 150 683 750 50 75 18 10 10.3
발명재 1 50 705 750 20 79 40 13 4.2
발명재 2 50 705 750 30 76 42 11 4.5
발명재 3 20 739 750 20 67 44 15 3.7
발명재 4 20 739 750 30 66 49 9 4.1
비교재 5 20 739 750 50 75 52 6 5.4
비교재 6 20 739 750 70 70 50 0 5.9
비교재 7 50 705 750 50 75 36 5 8.5
비교재 8 50 705 750 30 51 23 5 8.2
비교재 9 20 739 750 20 49 24 9 7.9
비교재 10 50 705 690 20 67 42 13 6.2
비교재 11 20 739 850 20 67 0 0 13.5
비교재 12 50 705 810 20 79 22 0 11.5
비교재 13 110 690 750 20 67 24 9 9.1
비교재 14 110 690 750 50 75 29 12 9.6
비교재 15 80 701 750 20 67 31 10 7.9
비교재 16 80 701 750 50 75 33 11 8.2
상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 오스테나이트 평균결정입 크기(AGS), 마무리 압연온도, 각 패스당 압하율 및 누적압하율등이 최적으로 제어된 본 발명재(1~4)의 경우 모두 얻어지는 페라이트 조직의 결정입 크기가 5㎛이하의 초미세 페라이트 조직의 강재를 얻을 수 있었다.
한편, 표 1은 AGS가 커질수록 Ar3는 감소하며, 또한 동적변태 및 정적변태 페라이트 분율도 감소하는 경향을 나타냄을 보이고 있다. 그리고 동적변태 페라이트 분율이 높은 가공조건일수록 최종 미세조직의 평균 FGS가 작은 결과를 나타내고 있다. 따라서 FGS가 5 ㎛ 이하의 값을 나타내기 위해서는 동적변태분율이 40% 이상이 바람직함을 알 수 있다.
이에 대하여, 오스테나이트 평균결정입 크기(AGS)가 150㎛ 이상으로 너무 조대한 비교재(1~4)의 경우는 모두 그 동적변태 페라이트 분율이 40%이하로 낮은 값을 갖게 되어 최종 페라이트 평균결정입 크기(FGS)가 5㎛ 이상이 얻어졌다. 특히, 비교예(1)과 비교예(3)은 비록 압연조건을 최적화하더라도 초기 오스테나이트 평균결정입 크기가 특정값 이상이면 초미세 페라이트강을 얻을 수 없음을 잘 보여주고 있다.
또한, 그 마무리 열간압연 개시온도가 Ar3 온도 미만인 비교재(10)은 동적변태 페라이트 분율이 42%로 비교적 높은 값을 나타내었음에도 불구하고 최종 미세조직의 평균 FGS는 6.2㎛로 얻어졌다. 이는 가공온도가 Ar3 온도보다 낮아서 초기 냉각과정에서 오스테나이트 결정립계를 따라 이미 조대한 초석 페라이트가 형성되었고 이들이 가공 동안에 연신 및 회복됨으로써 최종 미세조직에는 미세한 동적변태 페라이트와 비교적 조대한 초석페라이트가 혼재하였기 때문인 것으로 판단되어진다.
그리고 Ar3 온도보다 100oC 이상 높은 온도에서 마무리 열간압연을 한 비교재(11)는 가공온도가 Ae3(오스테나이트와 페라이트의 평형변태점) 이상이 되어 가공하는 동안 페라이트가 열역학적으로 형성될 수 없는 조건이다. 따라서 최종 미세조직은 냉각시에 얻어진 비교적 조대한 페라이트로만 이루어지게 된다. 또한 비교재(12)의 경우도 비록 Ae3 온도 이하에서 가공되었기 때문에 열역학적으로 동적변태 페라이트가 형성될 수 있는 조건은 만족되지만, 속도론적으로 변태속도가 느려져서 동적변태 페라이트 분율이 22%로 낮게 나타났다. 이로 인하여 최종 FGS는 11.5㎛로 조대한 결과를 보여주고 있다.
그리고 마무리 열간다단가공공정중 단위 패스당 압하율이 30%를 초과하는 비교재(5~7)는 동적변태 페라이트 분율이 상당히 높은 수준임에도 불구하고 최종 FGS는 5㎛보다 큰 값을 갖는 것으로 나타났는데, 이는 패스당 가공량이 너무 커서 열간가공으로 인한 발열에 의해서 강재의 온도가 과도하게 상승되어 페라이트의 결정립이 성장하였기 때문인 것으로 판단된다.
또한 다른 조건은 발명재(2~3)과 동일하나, 총압하율이 60%미만인 비교재(8~9)은 모두 동적변태 페라이트분율이 각각 23%와 24%로 낮게 얻어졌으며, 이로 인하여 최종 FGS가 8.2 및 7.9㎛로 조대하게 나타났다. 이는 각종 AGS나 패스당 압하율 등이 적정 수준으로 유지되더라도 기본적으로 총압하율이 어떤 값 이상이 되도록 가공해야만 동적변태 페라이트 분율이 필요한 만큼 얻어진다는 사실을 잘 보여주고 있다. 따라서 열간가공중 40% 이상의 동적변태 페라이트 분율을 확보하기 위해서는 최소한 60% 이상의 총압하율이 필요하다고 할 수 있다.
한편, 비교재(13-16)는 그 강조성성분은 본 발명범위내이나 오스테나이트 평균결정입 크기(AGS)가 80㎛이상으로 너무 조대하기 때문에 중요한 동적변태 핵생성장소인 오스테나이트 결정입계의 면적율이 충분하지 못하여 동적변태 페라이트 분율이 40%이하의 값을 갖게 되어 최종 페라이트 평균결정입 크기(FGS)가 7㎛이상으로 얻어졌다.
(실시예 2)
강종 화학성분 (중량%)
C Si Mn Nb N Fe 및 불순물
A 0.08 0.25 1.51 0.04 0.005 잔부
B 0.15 0.42 1.10 0.05 0.005 잔부
C 0.09 0.24 2.21 0.04 0.003 잔부
D 0.15 1.53 1.08 0.06 0.004 잔부
E 0.08 0.23 1.49 - 0.005 잔부
F 0.09 0.25 1.50 0.09 0.005 잔부
상기 표 2와 같이 그 조성성분을 달리하는 강재를 마련하였다. 이렇게 마련된 강재를 재가열한후 조압연하여 그 오스테나이트 결정립크기(AGS)를 하기 표 3과 같이 제어하였다. 이어, 이러한 강재를 열간다단가공시점까지 초당 2oC의 냉각속도로 일단 냉각하여 과냉상태로 제어한후, 열간압연 모사시험장치를 이용하여 열간다단가공하였으며, 이때 그 구체적인 조건은 하기 표 3과 같다. 한편 이러한 열간다단가공시의 패스간 휴지시간은 10초로 하였다.
이와 같이 마무리 열간압연된 강재를 초당 10oC의 냉각속도로 상온까지 냉각한후 미세조직을 조사하여 평균 페라이트 결정립크기(FGS)를 측정하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다. 아울러, 상기 열간다단 가공공정중에 냉각을 하면서 강재의 길이변화를 측정하여 그 때까지의 열간가공 과정에서 형성된 동적변태 페라이트 및 정적변태 페라이트이 분율을 계산하여 표 3에 또한, 나타내었다.
구분 시험 번호 강종 AGS(㎛) Ar3 온도(oC) 가공온도(oC) 패스당압하율(%) 총압하율(%) 동적변태페라이트분율(%) 정적변태페라이트분율(%) 평균FGS(㎛)
발명재 5 A 20 740 750 20 67 44 15 3.7
발명재 6 B 25 710 720 20 67 47 17 3.2
비교재 13 C 20 710 730 30 76 21 12 7.5
비교재 14 D 20 802 810 30 76 42 8 6.2
비교재 15 E 20 748 760 20 67 45 14 7.5
비교재 16 F 15 652 700 20 67 22 8 8.2
상기 표 3에 나타난 바와 같이, Si, Mn, 특히, Nb의 함량이 적절하게 제어된 본 발명재(5~6)의 경우 모두 동적변태 페라이트 분율이 40%이상이고 최종 미세조직의 평균 FGS는 5㎛이하였다.
이에 대하여, Mn 함량이 본 발명범위를 벗어난 비교재(13)은 동적변태 페라이트의 분율이 21%로 낮은 값을 나타났으며, 이로 인해 최종 미세조직의 평균 FGS는 7.5㎛으로 비교적 조대한 것으로 나타났다.
또한 Si 함량이 과도한 비교재(14)의 경우는 동적변태 페라이트 분율은 40% 이상이었지만 최종적인 FGS는 6.2㎛의 값을 나타내었다. 이는 Si의 과도한 첨가에 따라 용접부의 특성을 악화시키는 이외에도 페라이트의 변태속도도 저하시키면서 특별히 페라이트 결정립을 조대화시키는 효과가 있기 때문이다.
그리고 Nb이 첨가되지 비교재(15)는 동적변태 페라이트 분율이 45%로 높은 값이 얻어졌음에도 불구하고 최종 FGS가 7.5㎛으로 얻어졌다. 이는 Nb 비첨가에 따라, 열간가공시 미세하게 형성된 동적변태 페라이트가 성장하는 것을 방지할 수 있는 미세 석출물이 형성되지 않아서 최종 미세조직상에서 비교적 조대한 페라이트로 성장하였기 때문이다.
한편, Nb 첨가량이 과다한 비교재(16)에서는 석출물을 형성하고 잔존한 다량의 고용 Nb성분에 의해 경화능이 증가하여 동적변태 및 정적변태 속도를 현저히 저감시키는 효과를 나타내었으며, 이로 인해 동적변태가 일어났던 페라이트 부분은 5㎛ 이하의 미세한 상태로 유지되었지만 최종 미세조직에서의 평균 FGS는 8.2㎛으로 심한 혼립상태를 나타내었다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 저탄소강재에 있어서 합금의 다량첨가나 열처리를 통하지 않고 Ar3 온도 직상에서 소위 "변형유기동적변태"를 조장시키는 조건으로 연속다단가공을 하여 효과적으로 페라이트 결정립을 미세화시킴으로써 우수한 용접성을 유지하면서 강재의 물성을 향상시킬 수 있는 우수한 구조용 강재의 제조에 유용한 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 중량%로, C: 0.3%이하, Si: 1.5%이하, Mn: 2.0%이하, Nb: 0.01~0.08%, 잔부 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 강재를 마련하는 단계;
    상기 강재를 마무리압연하기 전에 그 오스테나이트 조직의 평균결정입 크기가 50㎛이하가 되도록 제어하는 단계; 및
    상기 조직의 강재를 Ar3 ~ Ar3+100℃의 온도범위에서 개시하여 한 패스당 압하율을 30% 이하로 유지하면서 그 총압하율이 60%이상이 되도록 열간다단가공하는 단계를 포함하는 변형유기 동적변태를 이용한 초세립강 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열간다단가공 종료시점에서의 변형유기동적변태 페라이트 분율이 40% 이상이 되도록 열간다단가공하는 것을 특징으로 하는 변형유기 동적변태를 이용한 초세립조직강의 제조방법.
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