KR100711467B1 - 표층부 인성이 우수한 보론첨가 극후물 강판의 제조방법 - Google Patents

표층부 인성이 우수한 보론첨가 극후물 강판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보론첨가 극후물 강판의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 중량%로, C: 0.06~0.09%, Si: 0.15~0.45%, Mn: 1.45~1.6%, P: 0.012% 이하, S: 0.003% 이하, Sol.Al: 0.06% 이하, Nb: 0.005~0.03%, Ti: 0.005~0.03%, B: 0.0005~0.0015%, N: 0.008% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 1000~1250℃로 재가열하는 단계; 상기 재가열된 강 슬라브를 표면온도 기준으로 Ar3~Ar3+60℃의 온도범위에서 마무리압연을 개시하여 40% 이상의 압하량으로 마무리압연하는 단계; 및 상기 마무리압연된 강판을 450~550℃까지 2℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따르면 두께가 50mm 이상인 보론 첨가강의 -40℃에서의 표층부 인성을 200J 이상까지 향상시킨 극후물 강판을 제공할 수 있다.
표층부 인성, 보론, 극후물, 고강도, 열가공제어법

Description

표층부 인성이 우수한 보론첨가 극후물 강판의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING BORON-ADDED THICK STEEL PLATE HAVING EXCELLENT TOUGHNESS AT THE SURFACE REGION}
본 발명은 보론첨가 극후물 강판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두께가 50mm 이상이고 -40℃에서의 표층부 인성이 200J 이상인 우수한 표층부 인성을 갖는 보론첨가 극후물 강판의 제조방법에 관한 것이다.
극후물 강판에서 표층부 인성을 개선시키기 위한 노력들이 신일본제철을 중심으로 이루어져 왔는데, 이에 관련된 대표적인 기술로는 SUF(Surface with Ultra Fine grained microstructure)가 있다. 상기 SUF는 극후물강에서 나타나는 두께중심부의 복열을 이용하는 기술로, 복잡한 압연-냉각 공정이 필요하며 보론이 첨가되어 있지 않다.
강재에 보론을 첨가하는 것은 보론이 오스테나이트 입계에 편석하여 페라이트의 생성을 억제하는 경화능을 높여 강의 강도를 확보하기 위함이다. 일반적으로, 극후물 제조에 있어서는 두께중심부에서도 일정 수준의 강도를 확보하기 위해 강냉 을 하게 되고, 이 경우 표층부는 20~30℃/초 정도의 빠른 속도로 냉각되어 마르텐사이트, 베이나이트 등 저온변태조직의 생성으로 표층부 충격인성이 열화된다. 특히, 보론이 첨가된 극후물강의 경우 보론이 가지는 우수한 경화능으로 인해 표층부에서 저온변태조직 매우 쉽게 형성되기 때문에 인성이 크게 저하된다. 이런 이유로 보론이 첨가되는 극후물강은 주로 직접담금질-소려처리(Direct Quenching & Tempering, DQT)를 함으로써 표층부 경도를 완화시켜 인성을 증가시키는 것이 일반적이다. 그러나, 상기 DQT 공정은 열가공제어법(Thermo-Mechanical Control Process, TMCP)에 비해 열처리에 따른 비용증가와 생산성 하락을 피할 수 없다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 인장강도 500MPa 이상의 보론첨가 고강도 극후물 강판의 제조에 있어 DQT 공정 대신 TMCP 공정을 사용하고도 표층부 인성을 향상시킬 수 있는 보론첨가 극후물 강판의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로, C: 0.06~0.09%, Si: 0.15~0.45%, Mn: 1.45~1.6%, P: 0.012% 이하, S: 0.003% 이하, Sol.Al: 0.06% 이하, Nb: 0.005~0.03%, Ti: 0.005~0.03%, B: 0.0005~0.0015%, N: 0.008% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 1000~1250℃로 재가열하는 단계;
상기 재가열된 강 슬라브를 표면온도 기준으로 Ar3~Ar3+60℃의 온도범위에서 마무리압연을 개시하여 40% 이상의 압하량으로 마무리압연하는 단계; 및
상기 마무리압연된 강판을 450~550℃까지 2℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계;를 포함하여 이루어지는 표층부 인성이 우수한 보론첨가 극후물 강판의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 강성분과 제조공정으로 나누어 상세하게 설명한다.
[강성분]
C: 0.06~0.09중량%(이하, 단지 '%'로 기재함)
상기 C는 강재의 강도를 확보하는데 매우 효과적인 원소로서, 0.06% 미만에서는 강도확보가 어렵고, 0.09%를 초과하여 과다 첨가될 경우 모재의 인성을 감소시키므로, 그 함량을 0.06~0.09%로 제한하는 것이 바람직하다.
Si: 0.15~0.45%
상기 Si는 용강의 탈산 역할을 수행하며 인장강도 확보를 위해 0.15% 이상 함유할 필요가 있으나, 0.45%를 초과하면 인성이 크게 저하되므로, 그 함량을 0.15~0.45%로 제한하는 것이 바람직하다.
Mn: 1.45~1.6%
상기 Mn은 강도확보에 유용한 원소로서, 그 함량이 1.45% 미만이면 인성이 저하되고, 1.6%를 초과하여 과다 투입될 경우 용접부 인성이 저하된다. 따라서, 상기 Mn의 함량은 1.45~1.6%로 제한하는 것이 바람직하다.
P: 0.012% 이하, S: 0.003% 이하
상기 P와 S는 강의 인성을 크게 저하시키는 원소로서 최대한 저감하는 것이 필요하나, 매우 낮은 수준까지 함량을 저감하는 데에는 제강 공정상 많은 부하와 비용을 초래하게 된다. 이에 P와 S는 각각 0.012%, 0.003% 이하에서는 큰 문제가 발생하지 않으므로, 그 상한을 각각 0.012%와 0.003%로 제한하는 것이 바람직하다.
Sol.Al: 0.06% 이하
상기 Sol.Al은 Si과 함께 탈산제로 사용되는 원소로서, 0.06%를 초과하여 과다하게 첨가될 경우 탈산효과가 포화될 뿐만 아니라 모재의 인성도 저하된다. 따라서, 그 함량을 0.06% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Nb: 0.005~0.03%
상기 Nb는 강의 경화능을 높여 강도 향상에 매우 효과적인 원소로서 강도 향상 뿐만 아니라 강을 미세화시켜 모재의 인성을 향상시키게 되며, 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.005% 이상 첨가되어야 하나, 0.03%를 초과하여 과다 첨가될 경우 용접부 인성이 열화될 수 있다. 따라서, 그 함량을 0.005~0.03%로 제한하는 것이 바람직하다.
Ti: 0.005~0.03%
상기 Ti는 질소와 결합, TiN을 형성함으로써 오스테나이트 결정립을 미세화시켜 인성을 향상시키는데 유효한 성분으로, 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.005% 이상 첨가되어야 하나, 0.03%를 초과하여 첨가시 첨가에 따른 사익 효과가 포화된다. 따라서, 그 함량을 0.005~0.03%로 제한하는 것이 바람직하다.
B: 0.0005~0.0015%
상기 B은 소량의 첨가만으로도 강의 경화능을 확보할 수 있는 원소로서, 본 발명에서 목적으로 하는 강도를 확보하기 위해서는 0.0005% 이상 함유되어야 하나, 0.0015%를 초과하여 함유되면 보론석출물이 형성되어 경화능이 저하될 뿐만 아니라 표층부에 조대한 페라이트를 형성하여 표층부 인성을 크게 저하시킨다. 따라서, 그 함량을 0.0005~0.0015%로 제한하는 것이 바람직하다.
N: 0.008% 이하
상기 N은 제강공정에서 피할 수 없는 원소이나, 강중에 고용된 상태에서 모재의 인성을 떨어뜨리고, B과 결합하여 BN을 형성함으로써 B의 경화능을 저하시킨다. 따라서, 본 발명에서는 그 함량을 0.008% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
이하, 제조공정을 단계별로 구분하여 상세하게 설명한다.
[제조공정]
본 발명에서는 상기와 같이 조성되는 강 슬라브를 재가열한 다음 열간압연하고, 이어 적절한 냉각 종료온도까지 냉각하는 공정을 거쳐 극후물 강판을 제조하게 된다.
먼저, 상기와 같이 조성된 강 슬라브를 1000~1250℃로 재가열한다. B의 경화능을 활용하기 위해서는 응고중 형성된 BN을 강중에 다시 고용시켜야 하며, 이를 위해서는 상기 재가열온도가 1000℃ 이상이어야 하나, 상기 재가열온도가 1250℃를 초과하면 TiN 석출물이 용해되어 강중에 고용 N의 함량이 늘어나 압연 및 냉각중에 BN이 형성될 수 있으므로, 상기 재가열온도는 1000~1250℃로 제한하는 것이 바람직하다.
이후, 상기 재가열된 강 슬라브를 열간압연함에 있어서, 마무리압연은 표면온도 기준으로 이상역 변태 개시온도(Ar3)~이상역 변태 개시온도(Ar3)+60℃의 온도범위에서 개시하며, 또한 압하량은 40% 이상으로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 마무리압연 개시온도는 보론이 첨가된 저탄소 극후물강에서 표층부 인성을 확보하기 위한 가장 중요한 요소이다. 즉, 실측한 강판의 표면온도 기준으로 마무리압연 개시온도가 '이상역 변태 개시온도'보다 낮으면 표층부에 조대한 페라 이트가 형성되어 표층부 인성이 크게 떨어진다. 반대로, 마무리압연 개시온도가 '이상역 변태 개시온도+60℃'보다 높으면 보론 첨가강의 특징인 높은 경화능에 의해 표층부에 마르텐사이트를 포함하는 취성이 강한 저온변태조직들이 다량 분포하게 되므로 표층부 인성이 저하된다. 상기와 같이, 마무리압연 개시온도가 본 발명의 범위에 속하게 되면 보론의 경화능이 적정한 수준으로 제어되면서 표층부에 인성이 우수한 에시큘라 페라이트가 형성되기 때문에 인성이 크게 향상된다. 따라서, 본 발명의 마무리압연 개시온도는 실측한 표면온도 기준으로 '이상역 변태 개시온도 ~ 이상역 변태 개시온도+60℃'로 제한하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 마무리압연시 압하량이 클수록 표층부의 오스테나이트 결정립이 미세화되어 강의 인성이 향상된다. 만일 마무리압연시 압하량이 40% 미만일 경우에는 충분히 결정립 미세화가 이루어지지 못해 재가열시 발생한 이상 조대립이 사라지지 않고 남아 모재의 충격인성을 저하시키므로, 마무리압연시 압하량은 40% 이상으로 제한하는 것이 바람직하다.
이어 본 발명에서는 상기와 같이 마무리압연된 강판을 450~550℃까지 2℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하게 된다.
상기 냉각종료 온도가 550℃를 초과하는 경우에는 모재의 강도 확보가 곤란하고, 450℃ 미만일 경우에는 모재의 강도 확보에는 유리하나, 저온변태조직의 과다 생성으로 인해 모재의 충격인성 확보가 어렵다. 따라서, 상기 냉각종료 온도의 범위는 450~550℃로 제한하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 냉각종료 온도까지의 냉각속도가 2℃/초 미만인 경우에는 강도 확보가 어려울 수 있다. 따라서, 상기 냉각종료 온도까지의 냉각속도는 2℃/초 이상으로 제한하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
중량%로, C: 0.075%, Si: 0.28%, Mn: 1.54%, P: 0.008%, S: 0.003%, Sol.Al: 0.032%, Nb: 0.021%, Ti: 0.011%, B: 0.0012%, N: 0.004%의 조성을 갖는 강 슬라브를 조압연하고, 하기 표 1에 제시된 조건으로 마무리압연 및 냉각을 실시하였다. 이때, 마무리압연 개시온도와 종료온도는 모두 표면온도 기준이고, 상기와 같이 조성되는 강판의 이상역 변태 개시온도는 791℃로 측정되었고, 최종 두께는 85mm였다. 강판 두께의 1/4 지점에서 채취한 시편으로부터 측정된 모재의 물성과 함께 강판의 표층부에서 채취한 시편으로부터 측정된 표층부 충격인성을 하기 표 2에 나타내었다.
단, 여기서 vE-40은 강판 두께의 1/4 지점에서 채취한 시편을 이용해 -40℃에서 충격시험한 결과로서 평균충격흡수에너지를 나타낸다. 그리고, 표층부 vE-40은 표면에서 2mm 아래에서부터 가공된 충격시편으로부터 -40℃에서 측정한 평균충격흡수에너지를 나타낸다.
구분 마무리압연 개시온도 (℃) 마무리압연 종료온도 (℃) 마무리압연 압하량 (%) 냉각개시 온도 (℃) 냉각종료 온도 (℃) 냉각속도 (℃/초)
발명재1 799 790 45 781 498 4.1
발명재2 818 807 45 798 502 4.2
발명재3 839 831 45 820 489 3.9
발명재4 819 810 40 799 505 4.1
발명재5 817 806 45 796 536 4.1
발명재6 818 807 45 798 462 4.0
발명재7 821 812 45 800 497 3.4
비교재1 758 746 45 734 487 4.1
비교재2 779 768 45 759 493 3.9
비교재3 859 850 45 838 505 4.0
비교재4 878 865 45 854 497 4.2
비교재5 820 812 30 800 489 4.2
비교재6 821 809 45 798 573 3.8
비교재7 819 808 45 798 423 4.3
비교재8 820 809 45 796 506 1.5
구분 항복강도 (MPa) 인장강도 (MPa) vE-40 (J) 표층부 vE-40 (J)
발명재1 443 553 321 253
발명재2 447 559 308 292
발명재3 454 564 287 236
발명재4 436 556 264 283
발명재5 408 523 332 306
발명재6 455 573 249 287
발명재7 417 524 279 297
비교재1 435 546 324 15
비교재2 439 556 342 137
비교재3 458 567 186 146
비교재4 465 572 125 24
비교재5 432 543 153 285
비교재6 396 492 227 287
비교재7 462 584 168 276
비교재8 396 492 96 287
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명재(1~7)의 경우, 표층부의 평균충격흡수에너지인 표층부 vE-40이 200J 이상을 만족하였다.
그러나, 비교재 1 및 비교재 2에서와 같이 마무리압연 개시온도가 이상역 변태 개시온도인 791 ℃이하에서는 표층부에 조대한 페라이트가 형성되어 충격인성이 크게 저하되는 것을 알 수 있었다. 반대로, 비교재 3 및 비교재 4에서 나타난 것과 같이 마무리압연 개시온도가 851℃를 초과하는 경우에는 보론의 경화능이 지나치게 커져 표층부에 인성이 취약한 마르텐사이트가 형성되므로 인성이 크게 감소하고, 아울러 강판 두께의 1/4 지점의 충격인성도 보론의 경화능 증가에 따른 베이나이트 분율의 증가와 결정립 미세화 효과 부족으로 떨어지게 된다.
비교재 5는 마무리압연 압하량이 본 발명의 범위에 미치지 못하는 경우로서, 강판 두께의 1/4 지점의 충격인성이 결정립 미세화 효과 부족으로 저하된 것을 알 수 있었다.
비교재 6은 냉각종료온도가 본 발명의 상한값보다 큰 경우로서, 표층부와 1/4 지점에서의 충격인성은 모두 200J 이상이나, 강도 수준이 본 발명재들에 비해 크게 낮았다.
비교재 7은 냉각종료온도가 발명재들에 비해 낮은 경우로서, 1/4 지점의 강도와 표층부 충격인성은 매우 우수하나, 낮은 냉각종료온도로 인해 저온변태조직의 과다 생성되므로, 1/4 지점에서 충격인성이 크게 저하되었다.
비교재 8은 발명재들에 비해 냉각속도가 매우 낮은 경우로서, 페라이트와 펄라이트 조직 분율의 증가로 강판의 1/4 지점 강도와 충격인성이 크게 저하되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 두께가 50mm 이상인 보론 첨가강의 -40℃에서의 표층부 인성을 200J 이상까지 향상시킨 극후물 강판을 제공할 수 있다.

Claims (2)

  1. 중량%로, C: 0.06~0.09%, Si: 0.15~0.45%, Mn: 1.45~1.6%, P: 0.012% 이하, S: 0.003% 이하, Sol.Al: 0.06% 이하, Nb: 0.005~0.03%, Ti: 0.005~0.03%, B: 0.0005~0.0015%, N: 0.008% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 1000~1250℃로 재가열하는 단계;
    상기 재가열된 강 슬라브를 표면온도 기준으로 Ar3~Ar3+60℃의 온도범위에서 마무리압연을 개시하여 40% 이상의 압하량으로 마무리압연하는 단계; 및
    상기 마무리압연된 강판을 450~550℃까지 2℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계;를 포함하여 이루어지는 표층부 인성이 우수한 보론첨가 극후물 강판의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 극후물 강판은 두께가 50mm 이상임을 특징으로 하는 표층부 인성이 우수한 보론첨가 극후물 강판의 제조방법.
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