KR100723155B1

KR100723155B1 - 저항복비 열연강판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100723155B1
Application number: KR1020050127019A
Authority: KR
Inventors: 박광균
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2007-05-30

Abstract

라인파이프용으로 주로 사용되고, 저항복비를 갖는 열연강판과 그 제조방법이 제공된다.

이 강판은 중량%로, C: 0.01~0.05%, Si: 0.1~0.8%, Mn: 1.0~2.0%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, Nb: 0.01~0.8%, Ca: 0.001~0.006%, Al: 0.01~0.06%, N: 0.006%이하, Cr: 0.01~0.6%, Mo: 0.01~0.6%, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고; 그 조직은 면적비로 10% 이상의 폴리고날 페라이트 및 1~2㎛ 크기의 미세한 페라이트와 6~8㎛ 크기의 조대한 페라이트로 이루어지고; 그리고 두께는 6~10mm 이다.

본 발명에 따르면, 항복강도 450MPa 이상, 88% 이하의 저항복비를 갖는 라인파이프용 열연강판을 제공할 수 있다.

라인파이프용, 저항복비, 항복강도, 열연강판, 폴리고날 페라이트

Description

저항복비 열연강판 및 그 제조방법{Hot-rolled steel sheet having low yield ratio and the method for manufacturing the same}

도1은 본 발명과 종래 발명의 냉각패턴을 나타내는 CCT 곡선이다.

도2는 본 발명의 실시예에서 발명강과 비교강의 제조방법을 나타내는 온도-시간 곡선이다.

도3은 도1의 냉각패턴에 의해 제조된 강판의 미세조직을 나타내는 사진이다.

본 발명은 라인파이프용으로 주로 사용되는 열연강판에 관한 것이다. 보다 상세하게는 450MPa 이상의 항복강도를 확보하고, 88% 이하의 저항복비를 갖는 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

파이프 라인 부설 시 특히 해저 파이프 라인에서는 강관에 관련된 휨 응력의 대책으로서 찌그러짐이 2% 이상 될 때의 버클링을 방지하기 위하여 저항복비형 라인파이프용 강관이 요구되고 있다.

또한, 화산대에 위치하는 파이프 라인 부설 시에도 지진 대책으로서 지진에 의한 단층 발생과 관련되는 응력에 의한 버클링을 방지하기 위하여 저항복비형 라인파이프용 강관이 요구되고 있다.

종래에는 항복강도 450MPa 이상이 요구되는 고강도 구조용 강재를 제조하는방법에 있어서, C, Mn 및 미량 합금원소들을 다량 첨가하여 강판의 인장강도를 증가시키면서 항복강도를 높이는 방법과 C, Mn 및 미량 합금원소들을 미량 첨가하고 압연시 미재결정 영역인 저온에서 압연을 실시함으로써 항복강도를 확보하는 방법이 주로 이용되고 있다.

그러나 종래기술들 중 전자의 경우 합금원소를 다량첨가 함에 따라 용접시 크랙 발생지수가 증가하거나 제조비용 증가의 문제가 발생하였고, 후자의 경우에는 저온압연을 실시하여 강판조직으로 불균일한 이상조직(banded pearlite 조직)이 발생되므로 조직 확보가 어려우며, 저온압연에 의한 생산성 저하와 강판물로 제조할 수 있는 두께에 한계가 있는 문제점들이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 성분 및 열연공정 특히, ROT 냉각을 적절히 제어하여 기지조직을 제어함으로써, 항복강도 450MPa 이상 및 저항복비를 갖는 라인파이프용 열연강판 및 제조방법을 제공하는데, 그 목적 이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C: 0.01~0.05%, Si: 0.1~0.8%, Mn: 1.0~2.0%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, Nb: 0.01~0.8%, Ca: 0.001~0.006%, Al: 0.01~0.06%, N: 0.006%이하, Cr: 0.01~0.6%, Mo: 0.01~0.6%, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고; 그 조직이 면적비로 10% 이상의 폴리고날 페라이트 및 1~2㎛ 크기의 미세한 페라이트와 6~8㎛ 크기의 조대한 페라이트로 이루어지고; 그리고 두께가 6~10mm인 것을 특징으로 하는 저항복비 열연강판에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 중량%로, C: 0.01~0.05%, Si: 0.1~0.8%, Mn: 1.0~2.0%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, Nb: 0.01~0.8%, Ca: 0.001~0.006%, Al: 0.01~0.06%, N: 0.006%이하, Cr: 0.01~0.6%, Mo: 0.01~0.6%, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 가열하고 조압연한 다음 900~800℃에서 마무리압연을 종료한 후 15~20℃/s의 속도로 Ar₃에서 Ar₃-20℃까지 냉각하고, 그 온도에서 4~8초 동안 유지한 후 12~16℃/s의 속도로 300~600℃까지 냉각한 다음 그 온도에서 권취하는 저항복비 열연강판의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명자는 저항복비를 갖는 두께 10mm 이하의 열연강판을 제조하는 방법을 모색하던 중 저탄소강에 Si,P 및 Nb 등을 복합첨가하고, 열간압연 공정 후 Ar₃ 직하에서 일정시간 유지하여 조대한 페라이트를 생성하고, 이후 냉각하면 조대한 페라이트는 성장하고, 미변태 오스테나이트는 미세한 페라이트로 변태되어 저항복비가 확보된다는 것을 실험을 통해 확인하고, 그 실험결과에 기초하여 본 발명을 완성하게 되었다. 먼저 본 발명의 강성분의 조성범위를 설명한다.

C: 0.01~0.05%가 바람직하다.

상기 C는 강도, 인성 및 파이프라인 시공시의 원주 용접부 인성에 영향을 미치는 원소로서, 탄화물 형성 원소인 Nb, V, Ti과 페라이트 상 중에 NbC, VC, TiC 등의 석출물 또는 복합 석출물을 형성함으로써 강도를 증가시킨다. 또한, 열간 마무리 압연후의 냉각제어에 의하여 페라이트 변태 핵의 발생 빈도를 높이고 미세한 페라이트 입자를 형성하여 인성을 향상시킨다.

그 함량이 0.01% 미만인 경우 탄화물 형성이 부족하여 본 발명에서 목표로 하는 강도를 확보할 수 없으며, 조대한 페라이트를 형성하여 인성을 저하시킬 수 있다. 반면, 0.05%를 초과하는 경우 밴드상의 펄라이트가 형성되기 쉬우며 인성의 저하 및 HIC (hydrogen Induced Cracking)의 저하를 초래할 뿐만 아니라, 조대한 탄화물 형성에 의한 강도 저하 등의 문제가 발생할 가능성이 높으므로, 상기 C의 함량은 0.01~0.05%로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.03~0.05% 이다.

Si: 0.1~0.8%가 바람직하다.

상기 Si은 페라이트 상중의 C 활동도를 증가시키고, 페라이트 안정화를 촉진하는 작용을 하며, 고용강화에 의한 강도확보에 기여한다. 또한, 상기 Si은 ERW 용접시 Mn₂SiO₄ 등의 저융점 산화물을 형성시키고 용접(upset)시 산화물이 쉽게 배출되도록 하는 역할을 한다. 그 함량이 0.1% 미만인 경우 제강상의 비용 문제가 발생하는 반면, 0.8%를 초과하는 경우 Mn₂SiO₄ 이외에 고융점의 SiO₂ 산화물이 다량 형성되고 ERW 용접부의 인성이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 Si의 함량은 0.1~0.8%로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.3~0.8%이다.

Mn: 1.0~2.0%가 바람직하다.

상기 Mn은 오스테나이트/페라이트 변태 개시 온도에 큰 영향을 주고 변태 개시 온도를 저하시키는 원소로서, 파이프 모재부 및 용접부의 인성에 영향을 미치며, 고용강화 원소로서 강도 증가에 기여한다. 그 함량이 1.0% 미만에서는 상기의 효과를 기대하기 어려운 반면 2.0%를 초과하는 경우 편석대가 발생할 가능성이 높다. 따라서 상기 Mn의 함량은 1.0~2.0%로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바 람직하게는 1.1~1.4%이다.

P: 0.02% 이하가 바람직하다.

상기 P은 고용강화 원소로서, 오스테나이트/페라이트 변태 개시 온도를 대폭적으로 상승시키는 작용을 하고, 조대한 페라이트 입자를 형성하는데 유용하게 작용한다. 그 함량이 0.02%를 초과하는 경우 상기의 효과를 확보하기 어려우므로, 상기 P의 함량은 0.02%로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.015% 이하이다.

S: 0.01% 이하가 바람직하다.

상기 S은 조대한 개재물을 형성하기 쉬운 원소이고, 인성 저하나 크랙 진전을 조장하므로 가능한 한 낮게 제한하는 것이 바람직하므로, 상기 S의 함량은 0.01% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.005% 이하이다.

Nb: 0.01~0.8%가 바람직하다.

상기 Nb은 미세한 페라이트 입자(저온변태 페라이트, 베이나이틱 페라이트)를 제어 압연에 의해 발생시키는데 유효한 원소로서, 열간 압연 과정으로의 오스테나이트 재결정을 지연시키는 작용을 한다. 또한, 상기 Nb은 탄화물을 형성하여 강도 증가에 기여한다. 그 함량이 0.01% 미만에서는 이러한 효과를 확보할 수 없는 반면, 0.1%를 초과하면 담금질성이 현저하게 상승하고 용접부 인성이 저하될 수 있 다. 따라서 상기 Nb의 함량은 0.01~0.8%로 제한하는 것이 바람직하다.

Ca: 0.001~0.006%가 바람직하다.

상기 Ca은 유화물의 형태 제어를 위해 첨가하는 원소로서, 그 함량이 0.001% 미만인 경우에는 MnS가 발생하고 인성의 저하를 초래할 수 있다. 0.006%를 초과하는 경우 소강중의 S량에 대하여 과잉하게 첨가되어 CaO 클러스터 (cluster)의 CaS가 발생할 수 있으므로, 상기 Ca의 함량은 0.0001~0.006%로 제한하는 것이 바람직하다. 또한 S량이 많다면 CaS 클러스터가 발생을 방지하기 위해 동시에 S량도 제어하는 것이 바람직하다. 즉 철중의 S량 및 O량에 따라 차식의 범위에 Ca량을 제어하는 것이 바람직하다.

Al: 0.01~0.06%가 바람직하다.

상기 Al은 제강시의 탈산을 위해 첨가한다. 그 함량이 0.01% 미만인 경우 이러한 작용이 부족한 반면, 0.06%를 초과하는 경우 ERW용접부에 알루미나 또는 알루미나 산화물을 포함하는 복합 산화물의 형성이 조장되고 용접부 인성을 손상시킬 수 있다. 따라서 상기 Al의 함량은 0.01~0.06%로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.015~0.05%이다.

N: 0.006% 이하가 바람직하다.

상기 N는 고용 상태에서는 시효 열화를 일으키는 원인이므로, Ti, Al등의 질 화물로서 고정된다. 그 함량이 0.006%를 초과하는 경우 Ti, Al등의 첨가량 증가가 불가피하므로, 상기 N의 함량은 0.006%이하로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.005%이하이다.

Cr: 0.01~0.6%가 바람직하다.

상기 Cr은 Mn과 마찬가지로 오스테나이트/페라이트 변태 개시 온도를 내리는 효과를 가진다. 이러한 효과는 0.01% 이상에서 현저해진다. 또한 상기 Cr은 Mn보다 편석되기 어려운 반면, Mn보다 산소와의 친화력이 강하므로 0.6%를 초과하게 되면 용접부에 산화물을 남길 수 있다. 따라서 상기 Cr의 함량은 0.01~0.6%로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.02~0.3%이다.

Mo: 0.01~0.6%가 바람직하다.

상기 Mo은 Ni과 마찬가지로 페라이트 상에 고용되어 강도 증가에 기여한다. 또한 열간 압연후의 냉각 과정에 있어서 페라이트 변태에 경합하는 펄라이트 변태의 개시를 지연시키는 작용을 하고 밴드상 펄라이트 생성을 억제하므로 인성 향상에 기여한다. 그리고 상기 Mo은 원주 용접부의 HAZ로의 결정립 조대화를 방지하는 역할을 한다. 그 함량이 0.01% 미만인 경우 이러한 효과를 기대할 수 없는 반면, 0.5%를 초과하면 합금비용 상승을 초래하고 용접부 인성을 저하시킬 수 있다. 따라서 상기 Mo의 함량은 0.01~0.6%로 제한하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.1~0.4%이다.

본 발명은 상기한 성분 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

이하, 본 발명의 강판의 조직에 대하여 설명한다.

본 발명의 강판의 조직은 면적비로 10% 이상의 폴리고날 페라이트 및 1~2㎛ 크기의 미세한 페라이트와 6~8㎛ 크기의 조대한 페라이트를 포함한다.

일반적으로 두께 10mm이하의 열연강판의 조직은 미세한 페라이트로서, 높은 항복강도 및 항복비를 갖는다. 본 발명에서는 저항복비를 확보하기 위하여 항복강도를 낮추는 것이 중요한데, 이를 위해 미세한 페라이트의 함량을 낮추고 조대한 폴리고날 페라이트를 형성하여 저항복비를 확보하고 있는 것이다. 이는 압연방향으로 길게 연신되어 있는 결정립을 압연 직각방향으로 일종의 등축정 형태의 결정립을 만듬으로써 압연 직각방향의 항복비 값이 낮은 열연강판을 제조할 수 있는 것이다. 상기 폴리고날 페라이트의 분율이 10% 미만인 경우 상기의 효과를 기대할 수 없으므로, 10% 이상으로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 조직 중 미세한 페라이트의 분율이 40~60% 이고, 조대한 페라이트의 분율이 40~60%인 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 미세한 페라이트의 분율이 40% 미만 및 60%를 초과하는 경우 본 발명에서 목표로 하는 저항복비를 확보할 수 없다. 또한, 일반적으로 조대한 폴리고날 페라이트의 분율이 40% 미만 및 60%를 초과하는 경우에도 88% 이하의 저항복비를 확보할 수 있으나 제조공정과 생산원가 측면에서 불리하므로, 상기 미세한 페라이트 및 조대한 페라이트의 분율을 40~60%로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 두께 6~10mm인 열연강판을 제조하는 것을 특징으로 한다. 일반적으로 강판의 두께가 얇을수록 미세한 페라이트가 다량 형성되어 저항복비 확보가 어려운 경향이 있다. 따라서, 본 발명에서는 제조공정과 생산원가 측면을 고려하여 저항복비를 갖는 두께 6~10mm인 열연강판으로 제한하고 있다. 두께가 6mm 이하인 경우 생산성 측면에서 저하를 초래할 수 있으며, 또한 두께 10mm를 초과하는 경우에는 약간의 공정의 제어만으로 저항복비 확보가 쉬우므로 본 발명에서는 저항복비 확보가 가장 어려운 두께 6~10mm로 제한하고 있는 것이다.

이하, 상기와 같이 조성되는 강을 갖는 열연강판의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.

먼저, 상기와 같이 조성되는 강 슬라브를 재가열한 후, 조압연한 다음 900~800℃에서 마무리압연을 종료한다. 상기 마무리 압연온도가 800℃ 미만인 경우 본 발명에서 목표로 하는 저항복비를 확보할 수 없는 반면, 900℃를 초과하는 경우 생산성 측면에서 불리하므로 상기 마무리 압연온도는 900~800℃로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 열간압연을 마무리한 후 15~20℃/s의 속도로 Ar₃에서 Ar₃-20℃까지 냉각하고, 그 온도에서 4~8초 동안 유지한다.

본 발명에서 목표로 하는 저항복비를 확보하기 위해서는 상기 냉각속도가 낮을수록 유리한 반면, 15℃/s 미만 및 20℃/s를 초과하는 경우 생산성 측면에서 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 냉각속도는 15~20℃/s로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유지시간은 일반적으로 오랜시간 유지할수록 저항복비를 달성하기가 쉬운 반면, 현장의 생산성을 저해하지 않는 범위를 고려하여 4~8초동안 유지하는 것이다. 4초 미만인 경우 적절한 조직을 확보하기 어려운 반면, 8초를 초과하는 경우에는 현장 생산성의 저하를 초래하므로 상기 유지시간은 4~8초로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유지온도는 Ar₃온도에 가까울수록 고온에서 발생한 초석 페라이트로 인해 저항복비 달성이 용이한 반면, 유지온도가 내려갈수록 도1에서의 냉각패턴 ① 또는 ②처럼 종래재의 냉각패턴을 따르게 되므로 이를 제한하기 위해서 Ar₃-20℃로 온도를 한정한다.

이어, 12~16℃/s의 속도로 300~600℃까지 냉각한다.

상기 냉각속도가 16℃/s를 초과하는 경우 너무 빠른 냉각으로 적절한 양의 조대한 페라이트를 확보하기가 곤란한 반면, 12℃/s 미만인 경우 현장 생산성을 저해할 수 있다. 따라서, 상기 냉각속도는 12~16℃/s으로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 열연강판을 냉각한 후 300~600℃의 온도에서 권취한다.

상기 권취온도는 낮을수록 유리한 반면, 300℃ 미만 및 600℃를 초과하는 경우 설비능력상 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 권취온도는 300~600℃로 제한하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

하기 표1과 같이 조성되는 강 슬라브를 도2와 같은 조건으로 제조하였으며, 이때 유지시간은 4~8초이며, 유지 후 12~16℃/s의 속도로 냉각하였다.

얻어진 강판은 인장시험기(ASTM 370)를 이용하여 항복강도, 인장강도, 항복비 및 연신율을 측정하였다.

표2는 본 발명강과 비교강의 조직 및 기계적 성질을 나타낸 것이다.

강종	성분함량(중량%)
강종	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ca	Al	N	Cr	Mo
발명강A	0.04	0.2	1.25	0.008	0.001	0.045	0.002	0.025	0.004	0.01	0.15
발명강B	0.04	0.2	1.25	0.008	0.001	0.045	0.002	0.025	0.004	0.4	0.01
발명강C	0.04	0.2	1.25	0.008	0.001	0.045	0.002	0.025	0.004	0.5	0.3
발명강D	0.04	0.8	1.25	0.008	0.001	0.045	0.002	0.025	0.004	0.5	0.3
발명강E	0.04	0.5	1.25	0.008	0.001	0.045	0.002	0.025	0.004	0.01	0.01
발명강F	0.04	0.5	1.25	0.008	0.001	0.045	0.002	0.025	0.004	0.5	0.3

구분	강종	냉각 방법	결정립분율(%)		550℃ 권취
구분	강종	냉각 방법	미세 페라이트 (1~2㎛)	조대 페라이트 (6~8㎛)	항복강도 0.5(MPa)	인장강도 (MPa)	항복비 (YS/TS)	연신율 (%)
발명재1	발명강A	패턴 ①	40	60	476	545	87.3	39
발명재2	발명강B		45	55	544	621	87.6	30
발명재3	발명강C		43	57	540	647	83.5	33
발명재4	발명강D		51	49	482	557	86.5	37
발명재5	발명강E		53	47	459	529	86.8	40
발명재6	발명강F		49	51	453	647	70	38
비교재1	발명강A	패턴②	20	80	500	530	94.3	32
비교재2	발명강B	패턴②	35	65	530	577	91.9	32
비교재3	발명강A	패턴③	27	73	508	533	95.3	35
비교재4	발명강B	패턴③	31	69	529	570	92.8	41
(1) 냉각패턴①의 유지온도: 740℃, 냉각패턴②의 유지온도: 680℃, 냉각패턴③의 유지온도: 600℃ (2) 항복강도0.5는 0.5% 언더로드(underload) 방법에 의해 얻어진 항복강도.

상기 표2에서 나타난 바와 같이 본 발명의 성분범위를 만족하는 발명강(A~F)을 이용하여 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 발명재(1~6)의 경우, 40~51% 분율의 1~2㎛의 미세한 페라이트와 47~60% 분율의 6~8㎛의 조대한 페라이트를 확보하여 항복강도 450MPa 이상 및 70~88%의 저항복비를 확보하였다. 또한, 인장강도 520MPa 이상 및 30% 이상의 연신율을 확보하였다.

그러나, 본 발명의 성분범위를 만족하는 발명강(A,B)을 이용하여 본 발명의 제조방법을 만족하지 않는 냉각패턴② 및 ③에 따라 제조된 비교재(1~4)의 경우, 미세 페라이트 및 조대 페라이트의 결정립 분포가 본 발명이 제한하는 범위를 벗어나 항복비 91~96%로서 본 발명이 목표로 하는 저항복비를 확보할 수 없었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 저탄소강에 Si,P 및 Nb 등을 복합첨가하고 열연공정 특히 냉각조건을 적절히 제어하여 기지조직을 제어함으로써 두께 6~10mm인 저탄소강에서 저항복비를 갖는 열연강판을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims

중량%로, C: 0.01~0.05%, Si: 0.1~0.8%, Mn: 1.0~2.0%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, Nb: 0.01~0.8%, Ca: 0.001~0.006%, Al: 0.01~0.06%, N: 0.006%이하, Cr: 0.01~0.6%, Mo: 0.01~0.6%, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고; 그 조직이 면적비로 10% 이상의 폴리고날 페라이트로 되고, 페라이트 중에서 1~2㎛ 크기의 미세한 페라이트가 40-60%이고, 6~8㎛ 크기의 조대한 페라이트가 40-60%로 이루어지고; 그리고 두께가 6~10mm인 것을 특징으로 하는 저항복비 열연강판.
삭제
중량%로, C: 0.01~0.05%, Si: 0.1~0.8%, Mn: 1.0~2.0%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, Nb: 0.01~0.8%, Ca: 0.001~0.006%, Al: 0.01~0.06%, N: 0.006%이하, Cr: 0.01~0.6%, Mo: 0.01~0.6%, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 가열하고 조압연한 다음 900~800℃에서 마무리압연을 종료한 후 15~20℃/s의 속도로 Ar₃에서 Ar₃-20℃까지 냉각하고, 그 온도에서 4~8초 동안 유지한 후 12~16℃/s의 속도로 300~600℃까지 냉각한 다음 그 온도에서 권취하는 저항복비 열연강판의 제조방법.