KR100611314B1 - 고강도 ｐ첨가 강과 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 출원의 발명은 고강도 P첨가 강과 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 출원의 발명은 페라이트 입경을 미세화하여 강도를 향상시킨 탄소강과 그의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 그 과제를 P의 취성문제를 극복하고, P의 존재에 의해 고강도 강을 실현하는 것으로 하여, 이를 위한 해결수단으로 평균 페라이트 입경 3㎛ 이하로 0.04∼0.1중량%의 P를 함유하는 탄소강에서, 입계 P 편석량이 입계를 두께 1㎚로 씌운 경우의 체적율로 0.3 이하인 것으로 한다.

고강도 강

Description

고강도 Ｐ첨가 강과 그의 제조방법{High strength phosphorus-containing steel and method for producing the same}

도 1은 맥리언(McLean) 식으로 계산한 강중 P농도 0.01% 및 0.1%에 있어서 각종 온도에서의 입계 P 편석량과 입경의 관계를 나타낸 도,

도 2는 가공 열처리후의 P첨가재와 비교재의 조직을 나타낸 도면 대용 전자현미경 사진으로써, a는 본 발명재, b는 비교재 1, c는 비교재 2,

도 3은 열연후 및 가공 열처리후의 P첨가재와 비교재의 비커스 경도를 나타낸 도로써, 0.1 P는 본 발명재, 0.02 P는 비교재 1, 0 P는 비교재 2이다.

본 출원의 발명은 고강도 P첨가 강과 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 출원의 발명은 페라이트 입경을 미세화하여 강도를 향상시킨 탄소강과 그의 제조방법에 관한 것이다.

종래로부터, 저탄소강에 있어서는 P(인)는 저온인성에 악영향을 미치기 때문에 정련공정에서의 P(인)의 제거에는 다대한 정력이 소비되어 왔다. 그래서, 이 P 의 존재가 허용되지 않는 것은 종래의 정련공정을 간략화하는 것을 어렵게 하고, 강재의 재이용에 있어서도 지장으로 되어 왔다.

실제로, 예컨대 0.1중량%의 P가 함유되어 있는 경우에는, 연성/취성 천이온도가 40K나 증가하게 된다. 이렇게, 탄소강에 있어서는 P에 의한 취화의 문제가 있고, 종래에는 여전히 P는 제거해야 할 것으로써 정련공정의 큰 부담요인으로 되어 왔다.

한편, 본 출원의 발명자들은 고강도 강의 개발을 목적으로 하여 페라이트립을 미세화하는 것을 검토해 왔다. 이 과정에서, 페라이트 입경이 미세하게 되면 천이온도가 대폭 저하하기 때문에, P의 존재에 의한 취화의 문제는 결정립의 미세화에 의해 극복되는 것은 아닌가 하고 생각했다.

그러나, 페라이트립의 미세화와 이 P의 존재를 어떻게 제어할까는 기술적으로 미답의 문제이었다.

본 출원의 발명은 이상과 같은 배경에 의해 이루어진 것으로, 종래의 기술적 한계를 극복하고, P의 존재를 적극적 요인으로 하여도 고강도인 강을 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 출원의 발명은 먼저, 제 1에서는 평균 페라이트 입경 3㎛ 이하로 0.04∼0.1중량%의 P를 함유하는 탄소강에서, 입계 P 편석량이 입계를 두께 1㎚로 씌운 경우의 체적율로 0.3 이하인 것을 특징으로 하는 미세조직을 가지는 고강도 P첨가 강을 제공한다.

또한, 본 출원의 발명은 제 2에서는, 화학조성(중량%)으로써,

C : 0.3% 이하,

Si : 0.5% 이하,

Mn : 3.0% 이하,

S : 0.02% 이하

와 Fe를 기본 성분으로 하는 상기의 고강도 P첨가 강을 제공한다.

그리고, 본 출원의 발명은 제 3에서는 상기 강의 제조방법에 있어서, Ac3점 이상으로 가열하여 오스테나이트화한 후에, Ar3점 이상의 온도에서 압하율 50% 이상 엔빌압축가공을 가하고, 이어서 냉각하는 것을 특징으로 하는 고강도 P첨가 강의 제조방법을 제공한다.

본 출원의 발명은 이상과 같은 특징을 갖는 것이지만, 이하에서 보다 상세히 실시형태에 대하여 설명한다.

먼저, 본 발명의 미세조직을 가지는 고강도 P(인)첨가 강은, 다음의 관점에 입각하고 있다.

(1)페라이트 입경을 미세하게 하는 것으로 천이온도는 대폭 저하하고, P에 의한 취화의 문제가 극복된다.

(2)P는 적층결함에너지를 내리고, 소둔쌍정 밀도를 증가시킨다.

(3)P는 상 계면에 편석하여 드래그(drag)효과로 성장속도를 저하시킴에 의해 가공경도 γ에서의 상변태에 의해 페라이트립 미세화에 유효하다.

(4)P는 저렴하고, 고용강화능이 뛰어나고, Ceq를 높이지 않는다.

이상과 같이, P의 특징을 적극적으로 이용함에 의해 페라이트 입경의 미세화를 도모하고, 본 발명의 미세조직을 가지는 강으로 하고 있다.

본 발명의 탄소강에 대해서는, 그 요건은 다음과 같다.

<A>평균 페라이트 입경은 3㎛ 이하이다.

<B>0.04∼0.1중량%의 P를 함유하고 있다.

<C>입계 P 편석량은 입계를 두께 1㎚로 씌운 경우의 체적율로써 0.3 이하이다.

이들 요건은 상관하는 관계에 있다. 먼저, 본 발명에 있어서의 「탄소강」은 1.0중량% 이하의 C(탄소)를 포함하는 철로써 정의된다. 그리고, 페라이트 평균입경 <A>에 대해서는, 본 발명에서는 3㎛ 이하이지만, 이 경우의 평균입경의 산출방법은 단면사진에서 절단법에 의해 측정한 입절편에 1.128을 곱한 것(ASTM 공칭입경)으로 할 수 있다. P의 함유량 <B>에 대해서는, 0.1중량%에서 Hv(비커스 경도)를 20 높이고, 0.04중량%에서 Hv를 10 높이는 것으로부터, 저온취성을 일으키지 않는 범위를 기준으로 하여 0.04∼0.1중량%로 하고 있다. 또한, 페라이트 입경의 미세화가 연성/취성 천이온도를 저하시켜 P에 의한 취화를 극복하고, 또, 고강도한 탄소강을 실현한다는 관점에서는, 페라이트 입경 <A>에 대해서는, 3㎛ 이하로 한다. 더구나, 상기 P의 함유량에서는 원료성분에 부수하는 불가피적 불순물로써의 것도 당연히 포함된다.

입계 P 편석량 <C>에 대해서는, P함유량 <B> 및 페라이트 입경 <A>도 관계하고, 이 편석량은 맥리언의 계산식{D. McLean "Grain Boundarics in Metals" Clarendon Pres, Oxford(1957) 116}에 의해 페라이트 입경과의 관계로써 산출되는 것이다. 예를들어, 도 1은 이 맥리언의 식을 사용하여 P의 입계 편석 에너지를 53kJ{H. Erhart and H. J. Grabke : Met. Sic., 15(1981) 401}로써 계산한 강중 P농도 0.01% 및 0.1%에 있어서 각종 온도(500K, 1000K, 1500K)에서의 입계 P 편석량과 입경의 관계를 나타낸 것이다. 이 계산결과에 기하여, P의 입계 편석에 의한 취화를 막는 관점에서 강중 P량을 0.1%로 한 경우에 입계 편석량이 1000K에서 입계 두께 1㎚ 범위의 체적율에서 0.3을 넘지 않는 범위로 입경을 규정함에 의해 본 발명에서는 입경 3㎛ 이하로 함이 지지된다.

그리고, 입경 P 편석량 <C>는 본 발명에서는 체적율로 0.3 이하로 하고 있다.

상기 요건 <A><B><C>의 범위 외의 것에 있어서는, P의 존재는 저해요인으로 되고, 본 발명의 고강도 강의 실현은 곤란하게 된다.

또한, 본 발명의 탄소강은, 그 적당한 화학조성은 상기한 바와 같지만, 이 조성을 기본으로 하는 것은 Ceq를 40k 레벨 용접용 구조용 강의 레벨 이하에 머물러 용접성을 확보하기 위해 적합한 것으로 하고 있다.

그리고, 제조방법에 있어서는 원료성분에서 용제(溶製)하고, Ac3점 이상으로 가열하여 오스테나이트화하고, Ar3점 이상의 온도에서 압하율 50% 이상으로 엔빌압축하는 것, 그리고 냉각하는 것이 소망스럽다.

Ar3점 이상에서 가공하는 것은, α상과 퍼얼라이트상만으로 되고, α상으로 전위 등의 왜곡이 없는 상태를 얻음을 목적으로 하기 때문이다. 이 이하의 온도에 서의 가공 열처리라면 α상중에 잔류왜곡이 축적된다. 압하율 50% 이상은 가공왜곡을 많이 넣음에 의해 γ→α의 상변태에 의해 미세 α입의 핵형성 구동력을 부여하기 위함이고, 이 이하의 압하율에서는 미세화에 필요한 충분한 구동력이 얻어지지 않는다.

아래에 실시예를 들고 보다 상세히 설명한다.

[실시예]

(1) 공시재(供試材)는 Fe-0.1C-0.3Si-1.5Mn(중량%)을 기초로 하고, 이에 0.1중량%의 P를 첨가한 조성에서 고주파 용해·열연(熱延)을 행한 것을 이용했다. 분석결과를 표 1에 나타냈다.

(2) 이 시료에 평면왜곡 압축에 의한 가공 열처리를 실시했다. 그 조건은 1173K 60sec γ화 후, 10K/sec로 1023K까지 냉각하고, 1023K에서 공칭 75%의 압축왜곡을 가해 10K/sec로 냉각하는 것으로 했다. 이 75%의 압하는 시료 중심부에서 실질 90%의 압하에 상당한다.

(3) 그후, 광학현미경·전자현미경으로 조직관찰을 행했다.

(4) 도 2a에 가공 열처리후의 시료에서의 조직관찰 결과를 나타낸다. 평균입경은 0.1% P첨가재에서 3.0㎛ 이었다. 0.1%의 P첨가에 의해 현저한 미세화 효과가 확인되었다. 조직은 거의 등축 페라이트립 조직으로 퍼얼라이트 밴드를 갖고 있다. 또한, 무가공재에 대하여 열팽창에 의한 변태측정을 행했던 바, 0.1% P첨가에 의한 γ/α 변태의 개시점이 942Ｋ에서 저온측의 908Ｋ로 쉬프트(전위)하는 것이 확인되었다.

(5) 도 3에 가공 열처리후의 시료에서 비커스 경도 측정결과를 입경의 1/2승의 관계로써 플로트(plot)한 것을 나타낸다. 이에 의한 미세화에 의해 경도가 증가하고 있는 것이 나타난다. 도 3중의 오른쪽 위의 점이 P 0.1% 첨가의 평균입경 3㎛ 경우에 상당한다.

[비교예]

(1) 도 2b, 2c에 가공 열처리후의 비교예인 2종류의 시료에서의 조직관찰 결과를 나타냈다. 또한, 이들 조성의 분석결과를 표 1에 나타냈다. 평균입경은 도 2b의 0.02% P첨가재(비교재 1)에서 4.0㎛, 도 2c의 0% P첨가재(비교재 2)에서 4.2㎛이었다. 0.02% P의 첨가에서는 페라이트립 미세화에 그다지 효과는 보이지 않았다.

(2) 도 3에 가공 열처리후의 2종류의 비교재 시료에서의 비커스 경도 측정결과를 입경의 1/2승의 관계로써 발명재와 겸하여 플로트한 것을 나타낸다. 이에 의한 경도가 P첨가에 의해 증가하고 있는 것이 나타난다. 도 3을 외삽(外揷)함에 의해 0.02% 및 0% P첨가재의 3㎛ 경에서의 Hv가 측정된다. 이 값을 비교해도 P의 0.1% 첨가(발명재)에 의해 동일 3㎛ 입경조직에서 현저한 Hv증가가 얻어지는 것을 알 수 있다.

(3) 더구나, 상기 맥리언 식에 의해 T=1000Ｋ에서 강중 P농도 0.02%(비교재 1)인 경우의 입계 P 편석량을 평균입경 4.0㎛와의 관계로부터 산출하면 체적율은 약 0.08이다.

표 1

조성

시료	C	Si	Mn	P	S	Ti	T-Al	N
발명재 (목표값) (분석값)	0.1 0.074	0.3 0.29	1.5 1.46	0.1 0.098	0 0.001	0 <0.01	0 <0.01	0 0.002
비교재 1 (목표값) (분석값)	0.1 0.098	0.3 0.29	1.5 1.48	0.02 0.022	0 0.001	0 <0.01	0 <0.01	0 0.0012
비교재 2 (목표값) (분석값)	0.1 0.088	0.3 0.29	1.5 1.46	0 <0.003	0 0.001	0 <0.01	0 <0.01	0 0.0016

이상 상세히 설명한 바와 같이, 본 출원의 발명에 의해 종래는 정련공정에서 P제거하는 것에 기술개발이 경주되어 왔지만, P를 적극 이용하는 것으로 고강도 강을 실현하고 있다.

예를들어, 0.1중량% 근처의 P첨가에 의해 연성/취성 천이온도가 40Ｋ 증가하지만, 페라이트 입경이 미세하게 되면 천이온도는 대폭 저하함으로 P에 의한 취화의 문제가 결정립 미세화에 의해 극복된다. 또한, P첨가는 페라이트립의 미세화에 기여한다.

P는 저렴하고, 고용강화능이 뛰어나고, Ceq를 높이지 않는다. 게다가, 철강재중의 함유가 허용되면 정련공정을 간략화하고, 생태학적으로 유용한 물질(ecologically favorable material)의 개발로 이어진다.

Claims (3)

1. 평균 페라이트 입경 3㎛ 이하이고 0.04∼0.1중량%의 P를 함유하는 탄소강에서, 입계 P 편석량이 입계 1㎚ 두께에서 체적율로 0.3 이하이고 페라이트상 및 퍼얼라이트상 만으로 이루어진 미세조직의 고강도 P첨가 강.
2. 제 1항에 있어서, 화학조성(중량%)으로써,

   C : 0.3% 이하,

   Si : 0.5% 이하,

   Mn : 3.0% 이하,

   S : 0.02% 이하

   와 Fe를 기본 성분으로 하는 고강도 P첨가 강.
3. Ac3점 이상으로 가열하여 오스테나이트화한 후에, Ar3점 이상의 온도에서 압하율 50% 이상 엔빌압축가공을 가하고, 냉각시키는 것으로 구성되는 제 1항 또는 제 2항에 따른 고강도 P첨가 강의 제조방법.

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