KR100723170B1

KR100723170B1 - 고강도 해변용 내후성강의 제조방법

Info

Publication number: KR100723170B1
Application number: KR1020050130104A
Authority: KR
Inventors: 엄경근; 최종교
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2007-05-30

Abstract

본 발명은 고강도 해변용 내후성강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 강도를 가지면서도 충분한 인성을 가져서 구조물의 안정성을 확보할 수 있는 동시에 저온에서도 취성파괴를 일으키기 않으며 염소이온의 농도가 높은 부식환경하에서 우수한 내식성을 갖는 고강도 내후성 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 내부에 미세한 패킷 사이즈를 가지는 마르텐사이트를 제공하기 위하여 오스테나이트 재결정 온도 이하의 온도에서 충분한 압하량으로 마무리 압연을 실시하고, 이후 적절한 온도에서 켄칭(quenching)을 개시하는 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 의할 경우 고강도 해변용 내후성강으로서 인장강도 60kgf/mm² 이상, 항복강도 50kgf/mm² 이상으로 고강도를 가지면서도 동시에 -10℃ 충격흡수에너지를 100J 이상인 강재를 용이하게 제공할 수 있다.

고강도, 고인성, 내후성, 압하율, 켄칭(quenching), 템퍼링

Description

고강도 해변용 내후성강의 제조방법{PRODUCING METHOD OF WEATHER RESISTABLE STEEL HAVING HIGH STRENGTH FOR USING AT THE SEASIDE ATMOSPHERE}

종래의 내후성강은 Cu, Cr, P 등의 원소를 미량 함유하고, 일반강에 비하여 4~8배의 대기부식 저항성을 갖는 것으로 알려져 있다. 이와 같이 내후성강이 일반강에 비하여 우수한 부식저항을 갖는 이유는 내후성강이 대기에 노출된 초기기간 동안에는 일반강과 유사하게 녹이 발생하여 유출되거나 박리되지만, 기간이 경과함에 따라 그 녹의 일부가 서서히 모재에 밀착되어 치밀한 안정녹을 형성하게 되고, 이에 따라 그 녹층이 부식환경에 대하여 보호막으로 작용하기 때문이다. 이처럼 부식환경에 대한 보호막으로 작용할 수 있는 안정녹은 비정질 구조를 갖는 수산화철 (FeOOH)나 α-수산화철(α-FeOOH)로 알려져 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 내후성강은 일반적인 대기부식 환경, 즉 전원지대나 SO₂를 함유하고 있는 공장지대 등에서는 3년 이상의 장기간이 경과한 후 우수한 내식성을 나타내는 것으로 알려져 있으나, 비교적 염소이온의 농도가 높은 해안지대나 동결방지제인 염화나트륨이 살포된 지역에서는 시간이 경과하더라도 일반강과 큰 차이를 보이지 않는다. 그 이유는 강재표면에 부착된 염소이온이 강재표면에 형성되는 수막의 산성화를 조장하여 강재의 전체적인 부식속도를 증가시키고 안정녹 형성을 방해할 뿐만 아니라 β-FeOOH와 같은 결함이 많은 부식생성물을 형성시키기 때문이다. 따라서, 염소이온의 농도가 높은 해안지역이나 염화나트륨이 살포된 지역에서 내후성을 향상시키기 위해서는 β-FeOOH의 형성을 억제하고 치밀한 구조를 갖는 α-FeOOH를 형성시킴으로써 완전한 부동태 피막을 형성시켜야 한다.

대기폭로시 형성되는 녹층의 구조는 부식환경에 따라 영향을 받게 되며, 부식환경 즉 강재표면에 형성되는 수막의 pH가 높을수록 β-FeOOH의 형성이 억제되고 α-FeOOH의 형성이 촉진된다. 그러나, 실제로 대기환경의 제어에 의한 pH의 제어는 매우 어렵기 때문에 강재에 염기성 원소를 첨가하여 강재표면에 형성되는 수막의 pH를 높이려는 시도가 이루어지고 있다.

Ca, Mg와 같은 염기성 원소를 첨가하여 강재표면의 pH를 높임으로써 내후성을 증가시키는 종래기술의 예로는 일본 공개특허공보 평2-125839호와 평5-51668호 가 있다. 상기 일본 공개특허공보 평2-125839호는 강에 Ca을 첨가하여 (Al, Ca)O 복합산화물을 형성함으로써 내후성을 향상시키는 방법을 제시하고 있으며, 상기 일본 공개특허공보 평5-51668호는 평균입경 1㎛ 이하의 CaO입자와 평균입경 200㎛ 이하의 철분을 혼련한 예비처리분말을 첨가함으로써 강표면의 pH를 증가시키는 방법을 제시하고 있다.

상기 종래기술중 일본 공개특허공보 평2-125839호에서 Ca를 첨가함에 따라 생성되는 개재물은 CaO 단독산화물이 아니라 Ca계 복합산화물로 구성되며, 평5-51668호에서와 같이 CaO형태로 직접 투입하더라도 투입된 CaO는 용강내에 존재하는 Al₂O₃와 SiO₂ 등의 다른 산화물과 쉽게 반응하여 액상개재물인 (Al, Si, Ca)O, CaO-2Al₂O₃, CaO-6Al₂O₃와 같은 화합물로 존재하게 된다. 본 발명자가 이들 종래기술에 대하여 조사한 결과, Ca계 복합산화물은 물에 용해되지 않으므로 강재표면의 pH 상승에 크게 기여하지 못하고, 따라서 내후성 향상효과는 미미하였다.

또한, 이와 관련하여 본 발명자도 용강중에 Ca-Si 와이어를 첨가하여 강중에 Ca계 복합유화물과 Ca계 복합산화물을 형성하여 강재표면의 pH를 증가시켜 내후성을 향상시키는 기술인 대한민국 공개특허공보 2002-25571호를 제시한 바 있다. 그러나, 상기 종래기술에서는 Ca-Si 첨가에 의해 Ca계 복합산화물과 Ca계 복합유화물로 조성된 강중 개재물을 형성할 수는 있으나, 이들 각 개재물들의 분율을 확인해보면 거의 대부분인 95%정도가 Ca계 복합산화물로 존재하여 강재표면의 pH증가에 미치는 영향이 미미하여 내후성의 향상에 크게 기여하지 못하였다.

또한, 상기 내후성강은 사용환경이 가혹해지고 구조물이 경량화 됨에 따라 고강도를 겸비할 것이 점차로 요구되고 있다. 그러나, 강의 강도가 높아질수록 인성은 오히려 감소하는 경향을 나타내는 것이 일반적인데, 강이 한랭지 또는 겨울에 사용될 경우에는 고강도화에 따른 강의 취성파괴가 염려되는 실정이다. 따라서, 해변용 내후성강의 고강도화를 이루면서 이에 수반되기 쉬운 인성저하를 방지하는 기술개발이 시급한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로 인장강도 60kgf/mm² 이상, 항복강도 50kgf/mm² 이상으로 고강도를 가지면서도 동시에 -10℃ 충격흡수에너지를 100J 이상으로 확보할 수 있는 고강도 해변용 내후성강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 중량%로, C: 0.15% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, Cu: 0.2~1.0%, Ni: 0.2~5.0%, Al: 0.001~0.1%, P: 0.03% 이하, S: 0.002~0.03%, Ca: 0.001~0.01%, Nb: 0.02~0.07%, V: 0.1% 이하 및 B: 0.003% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 상기 성분중에서 Ca, S, Al, Si이 하기 관계식 1,

[관계식 1]

Ca(%)/S(%) > [1.5Al(%)+2Si(%)]

을 만족하며, 강중 Ca계 비금속개재물중 수용성 CaS 개재물의 분율이 30% 이상인 해변 내후성이 우수한 강재를, 압연종료온도를 하기 관계식 2로 표현되는 오스테나이트 재결정 온도 이하로 하고 상기 오스테나이트 재결정 온도 이하에서의 압하율을 30% 이상으로 하는 마무리 압연을 실시한 후, 하기 관계식 3으로 표시되는 냉각개시온도 하한보다 높은 온도에서 켄칭(quenching)을 시작하는 것을 특징으로 한다.

[관계식 2]

오스테나이트 재결정 온도(Tnr, ℃) = 860 + 3000×[%Nb] + 3000×[%Mo]

단, 여기서 [%Nb] 및 [%Mo]는 각각 해당원소의 중량기준 함량을 의미한다.

[관계식 3]

냉각개시온도 하한(SDQT) = 910 - 272×[%C] - 74×[%Si] - 290×[%Mo] - 50×[%Cu] - 15000×[%B] - 550×[%Nb]

단, 여기서 [%C], [%Si], [%Mo], [%Cu], [%B] 및 [%Nb]는 각각 해당원소의 중량기준 함량을 의미한다.

이때, 상기 강재는 Ti: 0.005~0.1%, Mo: 0.01~1.0% 및 W: 0.01~1.0%으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.

강의 인성을 보다 향상시키기 위해서는, 상기 켄칭(quenching) 이후에 템퍼링을 실시하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명의 특징적인 구성에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 해변 또는 동결방지제가 다량 살포되는 한랭지 등 염소이온 높은 환경하에서 사용되는 해변 내후성용 강조성으로 본 발명의 출원인이 이미 출원한 대한민국 특허출원 제 10-2004-0040356호에 기재된 강조성과 그 특징을 그대로 이용한다.

우선, 본 발명에서 강의 해변용 내후성을 확보하기 위한 구체적인 기구(mechanism)에 대하여 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 내후성강은 γ-FeOOH나 Fe₃O₄와 같은 녹층이 초기에 형성되며, 이들 녹층은 유출 및 박리되므로 내후성을 열화시킬 뿐만 아니라 초기 경관이 좋지 않다. 특히, 비례염분량이 높은 해안지대에서는 이들 녹층 이외에 내후성에 보다 나쁜 β-FeOOH도 생성되므로 내후성 및 초기 경관을 보다 해치게 된다. 그러나 강재표면의 pH가 높아지면 β-FeOOH, γ-FeOOH, Fe₃O₄와 같은 녹층의 형성은 억제되고 내후성 향상에 기여할 수 있는 안정녹인 α-FeOOH의 형성이 조장된다.

이러한 이유로 종래에는 초기 강재표면의 pH를 상승시키고자 강재에 Ca을 첨가하였다. 그러나, 상기와 같이 용강중에 Ca을 첨가할 경우, 첨가된 Ca은 수용액의 pH를 상승시키는 수용성의 CaO나 CaS를 형성하는 것이 아니라 강중에 존재하는 Si, Al, O와 반응하여 (Al, Si, Ca)O 형태의 복합산화물(90% 이상)을 형성하게 된다. 또한 이들 개재물은 크기가 3㎛ 이상으로 크고, 그 분포 또한 균일하게 나타나지 않는다. 더욱이 이와 같이 형성된 복합산화물은 물에 용해되지 않으므로 강재표면의 pH를 상승시키는데 아무런 기여도 하지 못한다.

따라서 본 발명자들은 상기 종래기술의 문제점을 극복하기 위하여 연구와 실험을 거듭하였으며, 그 결과 강재내 개재물 형성에 영향을 미치는 Ca, S, Al, Si 등의 성분을 최적화함과 아울러, Ca 투입방법을 최적화하여 제강공정시 개재물중 Ca계 복합산화물을 부상분리함으로써 최종 제품내 Ca계 비금속개재물중 수용성 CaS 개재물의 분율이 30% 이상인 내후성이 우수한 내후성 강재를 제조하게 되었다.

이하, 본 발명의 내후성 강재의 조성 설정이유에 대하여 설명한다.

C: 0.15중량% 이하

상기 C는 강도를 향상시키기 위해 첨가되는 원소로 그 함량을 증가시키면 소입성을 향상시켜 강도를 향상시킬 수 있지만, 0.15중량%를 초과하면 용접성을 해치므로, 그 함량을 0.15중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Si: 1.0중량% 이하

상기 Si는 탈산제로 작용할 뿐만 아니라 강의 강도를 증가시키는 역할을 하는 성분이다. 상기 Si의 함량이 1.0중량%를 초과하면 인성 및 용접성을 저해하고 Ca와 반응하여 물에 용해되지 않는 복합산화물을 형성하여 Ca첨가에 따른 내후성 증가 효과를 감소시키는 문제점이 있으므로, 그 함량을 1.0중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Mn: 2.0중량% 이하

상기 Mn은 인성을 저하시키지 않으면서 강도를 상승시키는데 유효한 성분으로, 함량이 증가하면 소입성이 증가하여 강도가 증가되나 2.0중량%를 초과하여 첨가되면 용접성이 저하되는 문제점이 있으므로, 그 함량을 2.0중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Cu: 0.2~1.0중량%

상기 Cu는 녹층입자의 미세화 및 치밀화를 유도하여 강의 내후성을 향상시키는데 유효한 성분이다. 상기 Cu의 함량이 0.2중량% 미만이면 상기 내후성 향상 효과를 기대하기 어렵고, 1.0중량%를 초과하면 내후성 향상 효과가 포화될 뿐만 아니라 압연을 위한 슬라브 재가열시 융점이 낮은 Cu가 강의 입계에 침투하여 열간가공시 크랙이 발생하는 문제점이 발생할 수 있으므로, 그 함량을 0.2~1.0중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Ni: 0.2~5.0중량%

상기 Ni은 내후성 향상에 기여하는 중요한 원소의 하나로서, Ni이 첨가되면 비정질 녹층 또는 α-FeOOH 녹층이 미세화 및 치밀화되어 녹층을 통한 물질의 투과를 억제시키므로 내후성의 향상에 기여하고 특히 비례염분량이 높은 해안지역에서의 내후성 향상에 효과적이다. 상기 Ni의 함량이 0.2중량% 미만이면 첨가에 따른 상기 효과를 얻을 수 없고, 5.0중량%를 초과하면 내후성 향상 효과가 포화될 뿐만 아니라 고가의 Ni을 다량으로 첨가함에 따라 제조비용이 상승하는 문제점이 있으므로, 그 함량을 0.2~5.0중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Al: 0.001~0.1중량%

상기 Al은 제강시 탈산을 위하여 필수적으로 첨가되는 원소로서, 충격흡수에너지를 개선시키지만 Si과 마찬가지로 Ca와 반응하여 물에 용해되지 않는 복합산화물을 형성하기 때문에 Ca의 내후성 향상 효과를 저해시키는 원인이 된다. 상기 Al의 함량이 0.001중량% 미만이면 탈산이 충분히 이루어지지 않으며, 0.1중량%를 초과하면 오히려 충격인성을 저해시키는 문제점이 있으므로, 그 함량을 0.001~0.1중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

P: 0.03중량% 이하

상기 P는 강중에 존재시 수용액중에서 PO₄ ^3-이온을 형성하여 녹층의 양이온 선택 투과성을 증대시킴으로써, 염소이온이 녹층투과를 억제하여 내후성을 향상 시키는데 유효한 성분이다. 그러나, 그 함량이 0.03중량%를 초과하여 첨가되면 용접성이 현저히 저하될 뿐만 아니라 인성이 열화되므로, 그 함량을 0.03중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

S: 0.002~0.03중량%

상기 S는 일반적으로 Mn과 반응하여 MnS를 형성함으로써 부식의 기점으로 작용하지만, 본 발명과 같이 Ca을 첨가시 Ca와 반응하여 수용액에 용해되어 pH를 상승시킬 수 있는 CaS를 형성함으로써 내후성의 향상에 기여하게 된다. 이러한 CaS에 의한 pH 상승효과를 얻기 위해서는 최소한 0.002중량% 이상 첨가하여야 하나, 그 함량이 0.03중량%를 초과하면 충격인성 및 용접성을 열화시키는 문제점이 있다. 따라서, 그 함량을 0.002~0.03중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Ca: 0.001~0.01중량%

상기 Ca는 용강중에서 Al, Si, O와 반응하여 (Al, Si, Ca)O 형태의 복합산화물을 형성하고 이어 S와 반응하여 CaS를 형성한다. 상기 조대한 복합산화물은 pH 상승에 전혀 기여를 하지 못해 내후성 향상에 아무런 영향을 미치지 못할 뿐만 아니라 오히려 충격인성을 저해시킨다. 그러나, 미세한 CaS 개재물은 물에 용해되어 강재표면의 pH를 상승시킴으로써 안정녹 형성을 촉진하여 내후성 향상에 기여한다. 상기 Ca가 이렇게 CaS 형성에 의한 내후성 향상효과를 기대하기 위해서는 최소한 0.001중량% 이상 첨가되어야 하나, 0.01중량%를 초과하면 제강공정시 내화물의 용손을 야기하는 문제점이 있으므로, 그 함량을 0.001~0.01중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기한 성분에 Nb, V 및 B를 포함하여 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 추가로 첨가하게 된다.

Nb: 0.02~0.07중량%

상기 Nb은 결정립을 미세화시키는데 매우 유용한 성분으로 동시에 강도도 크게 향상시키는 역할을 한다. 상기 Nb의 함량이 0.02중량% 미만이면 첨가에 따른 상기 효과를 얻을 수 없고, 0.07중량%를 초과하여 첨가되면 조대한 Nb 석출물이 형성되어 강 내부에 균열을 야기할 수 있을 뿐만 아니라 충격특성도 저해된다. 따라서, 상기 Nb의 함량은 0.02~0.07중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

V: 0.1중량% 이하

상기 V은 Nb와 마찬가지로 탄질화물을 형성하여 강도향상에 유용하나, 그 첨가량이 0.1중량%를 초과하면 강도상승 효과가 포화될 뿐만 아니라 오히려 강의 충격특성을 저해시키는 문제점이 있다. 따라서, 상기 V의 함량은 0.1중량% 이하로 제 한하는 것이 바람직하다.

B: 0.003중량% 이상

상기 B은 미량의 첨가로도 강의 경화능을 현저하게 증가시켜 강의 강도를 향상시키는데 유효한 성분이다. 상기 B의 함량이 0.003중량%를 초과하면 Fe₃B를 형성하여 적열취성을 야기하고 용접성도 저해시키므로, 그 함량을 0.003중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기한 성분 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명에서 상기한 성분에 Ti, Mo 및 W으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 추가로 첨가한다면 보다 우수한 내후성을 확보하는 것이 가능하다.

Ti: 0.005~0.1중량%

상기 Ti는 강중에서 미세한 산화물과 질화물을 형성하고 이들은 융점이 높아 압연시 재가열온도 이상에서도 용해되지 않음으로써 피닝(pinning)효과에 의한 오스테나이트 결정립 성장을 억제하여 충격인성 향상에 기여한다. 또한, 미세한 Ti 산화물은 Ca과 반응할 수 있는 기점으로 작용하여 개재물의 미세한 분포를 유도한다. 상기 Ti의 함량이 0.005중량% 미만이면 첨가에 따른 상기 효과를 얻을 수 없고, 0.1중량%를 초과하면 고용된 Ti 양이 증가하여 모재와 용접부의 인성을 저해시키는 문제점이 있으므로, 그 함량을 0.005~0.1중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Mo: 0.01~1.0중량%

상기 Mo는 수용액내에서 MoO₄ ^2-이온을 형성하여 염소이온의 투과를 억제시킴으로써 해변 내후성을 향상시킬 뿐만 아니라 강도향상에도 유효한 성분이다. 상기 Mo의 함량이 0.01중량% 미만이면 첨가에 따른 상기 효과를 얻을 수 없고, 1.0중량%를 초과하면 그 효과가 포화되므로, 그 함량을 0.01~1.0중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

W: 0.01~1.0중량%

상기 W는 Mo와 마찬가지로 수용액내에서 WO₄ ^2-이온을 형성하여 녹층을 통과하는 염소이온의 투과를 억제시킴으로써 해변 내후성을 향상시키는데 유효한 성분이다. 상기 W의 함량이 0.01중량% 미만이면 첨가에 따른 상기 효과를 얻을 수 없고, 1.0중량%를 초과하면 그 효과가 포화되므로, 그 함량을 0.01~1.0중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기의 적절한 강조성에 덧붙여 안정녹인 α-FeOOH의 형성을 위하여 적절한 조성의 개재물을 형성시킬 필요가 있다. 본 발명에서 형성시키고자 하는 개재물은 상술한 바와 같이 CaS 계 개재물인데, Ca는 내후성 향상에 기여하는 CaS를 형성할 뿐만 아니라 내후성 향상에 도움이 되지 않는 복합산화물도 형성한다. 따라서, 복합산화물의 형성을 억제하고 CaS 개재물 형성을 증가시키기 위해서는 Ca, S, Al, Si의 첨가량을 적절하게 제어하는 것이 필요하다. 하기 관계식 1은 복합산화물을 억제하고 CaS 개재물 형성을 증가시키기 위한 관계식으로써, 본 발명자의 반복된 실험으로부터 도출된 경험식이다.

[관계식 1]

Ca(%)/S(%) > [1.5Al(%)+2Si(%)]

본 발명의 성분범위를 만족하더라도 상기 관계식 1을 만족하지 않는 경우에는 최종제품에서 Ca계 비금속개재물중 CaS 개재물의 분율을 소망하는 수치로 제어할 수 없다. 즉, 상기 관계식1을 만족하도록 Ca, S, Al, Si 함량을 제어하면 Ca계 비금속개재물중 CaS 개재물의 분율을 적절하게 제어할 수 있어 본 발명이 목적으로 하는 내후성의 향상을 도모할 수 있다.

다음으로, 상기 강도와 인성이 우수한 저항복비 해변용 내후성강의 내부조직 에 대하여 설명한다.

본 발명에서 제공하고자 하는 고강도 내후성강으로서 저온에서의 사용에 큰 문제가 없는 충분한 인성을 가진 강은 내부에 마르텐사이트 조직을 가진 강으로서 마르텐사이트 조직에 의해 충분한 강도가 발현됨과 동시에 상기 마르텐사이트 패킷의 크기가 아주 미세하여 취성 크랙 전파 정지특성이 우수한 성질을 가지고 있다.

상기 내후성이 우수한 고강도 강재를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

본 발명에서는 패킷사이즈가 미세한 마르텐사이트를 내부에 형성시키기 위해 압연후 켄칭(quenching)하는 방법을 실시한다. 이후, 인성을 보다 높이기 위해서는 상기 켄칭(quenching)이후에 템퍼링을 실시할 수 있다.

압연시 마무리 압연은 하기 관계식 2로 표현되는 오스테나이트 재결정온도 이하에서 종료되는 것이 바람직하다.

[관계식 2]

오스테나이트 재결정 온도(Tnr, ℃) = 860 + 3000×[%Nb] + 300×[%V]

즉, 강조성에 따라 차이가 있지만 본 발명에 따른 해변용 내후성강의 오스테나이트 재결정온도는 상기 Nb와 Mo의 조성에 많이 의존하며 상기 관계식 2에 의해 결정되는 것이다. 마무리 압연 종료온도가 상기 오스테나이트 재결정온도(Tnr)이하에서 실시되면 오스테나이트가 재결정이 되지 않고 압연에 의해 변형된 오스테나이트가 압연 종료후에도 계속 형상을 유지할 수 있다. 이러할 경우 결정립 내부에 축적된 많은 변형에너지로 인하여 향후 켄칭(quenching)에 의해 마르텐사이트가 생성될 때 아주 미세한 패킷사이즈를 가진 마르텐사이트를 얻을 수 있다.

그 결과 마르텐사이트에 의한 강도 상승과 미세 결정립에 의한 크랙 전파 정지 효과를 모두 얻을 수 있는 것이다.

다만, 상기 마무리 압연에 의한 충분한 오스테나이트 변형 효과를 얻기 위해서는 상기 오스테나이트 재결정온도 이하에서의 압하량이 30% 이상은 되어야 한다. 상기와 같은 압하량을 충족시키지 못할 경우 오스테나이트 결정립에 충분한 변형에너지가 도입되지 못하여 향후 켄칭(quenching)시에 마르텐사이트 패킷을 미세화시키기 곤란하기 때문이다.

압연 과정을 거친 강재는 상술하였듯이 내부에 마르텐사이트를 형성시키기 위하여 급냉시키는 켄칭(quenching) 과정을 겪게된다. 이때, 상기 켄칭(quenching)을 개시하는 온도는 하기 관계식 3에 의해 표시되는 냉각개시온도보다 높은 온도이어야 한다.

[관계식 3]

냉각개시온도를 상기 관계식 3에 의해 표현되는 냉각개시온도 하한(SDQT) 보다 높은 온도에서 실시하여야 하는 이유는 다음과 같다. 즉, 냉각 개시온도가 낮을 경우에는 냉각시 초석 페라이트가 생성되기 용이하여 최종 조직에 마르텐사이트 외에도 페라이트가 다량 생성되게 되는데 이러한 초석 페라이트는 강재의 강도를 현저히 감소시키기 때문이다.

따라서, 냉각개시온도는 상기 관계식 3의 냉각재시온도 하한보다 높은 온도일 필요가 있다.

상술한 과정에 의하면 본 발명에서 의도하는 내부에 미세한 패킷 사이즈를 가진 마르텐사이트가 주로 형성된 조직을 얻을 수 있다.

다만, 마르텐사이트는 그 자체로 브리틀한 성질을 가지므로 보다 인성을 향상시키기 위해서는 상기 켄칭(quenching) 공정이후에 템퍼링 공정을 추가로 실시하는 것이 바람직하다.

상기 템퍼링 공정은 통상적인 강의 템퍼링 방법에 따라 실시하면 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부하는 도면과 표를 참조하여 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 하나의 실시방식을 나타내는 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

(실시예)

본 발명의 조성을 가지는 해변용 내후성 강을 제조하기 위하여 제강-연속주조공정을 거쳐 슬라브를 제조하였다.

특히, 제강공정에서는 Ca(%)/S(%) > [1.5Al(%)+2Si(%)]의 관계를 만족시키기 위하여, Ca-Si분말을 포함하는 와이어를 2회에 나누어 분할 투입하여, 초기 투입된 Ca가 용강중 잔존하는 산소와 반응하여 복합산화물을 형성하고, 2회째 투입된 Ca가 유화물을 생성하여 최종적으로 산유화물을 형성하도록 하였다.

이후, 연속주조를 통하여 슬라브를 제조하였으며, 성분 편차를 없애기 위하여, 제강과정의 레이들 하나에서 공급되는 강으로부터 연속주조시 최초로 생산되는 슬라브(초주편)과 최후에 생산되는 슬라브(말주편)을 제외한 주편들 중 총 7개의 주편을 준비하였다. 이들 슬라브는 슬라브 내부품질이나 조성이 동일한 것으로 보아도 좋기 때문에 제강 및 연속주조단계에서 슬라브별로 발생되는 해석상의 편차를 최소화할 수 있었다.

상기의 과정으로 제조되어 본 발명의 실험에 사용된 슬라브의 조성을 하기 표 1에 도시하였다.

강종	성분함량(중량%)															Tnr	①	②	③	SDQ
강종	C	Si	Mn	Cu	Ni	Al	P	S	Ca	Nb	V	B	Ti	Mo	W	Tnr	①	②	③	SDQ
A	0.08	0.2	0.7	0.3	0.9	0.015	0.013	0.002	0.0047	0.03	-	-	-	-	-	971	2.35	0.42	5.9	805
B	0.095	0.27	0.73	0.32	0.95	0.01	0.014	0.003	0.0058	-	0.03	-	0.01	-	-	912	1.93	0.56	5.5	814
C	0.092	0.31	0.8	0.38	1	0.01	0.013	0.003	0.0049	0.03	-	0.001	0.01	0.2	-	976	1.63	0.64	4.3	717
D	0.087	0.34	0.9	0.35	0.98	0.013	0.013	0.002	0.0042	0.02	0.01	-	0.02	-	0.2	952	2.10	0.70	4.9	791
E	0.079	0.25	1	0.35	1.02	0.011	0.013	0.003	0.0041	0.02	0.02	-	0.02	0.2	-	952	1.37	0.52	4.1	728
F	0.081	0.31	0.8	0.41	0.98	0.009	0.012	0.006	0.0042	-	-	0.001	-	0.4	-	896	0.70	0.63	3.8	677
G	0.085	0.27	0.87	0.38	1.01	0.005	0.012	0.005	0.0036	-	0.02	0.001	-	-	0.2	904	0.72	0.55	4.9	789
- ①=Ca/S, ②=1.5Al+2Si, ③=12/Mn_eq(냉각속도 하한, ℃/sec) Tnr : 상기 관계식 2에서 설정한 오스테나이트 재결정 온도(℃) SDQ : 상기 관계식 3에서 설정한 냉각개시온도의 하한(℃) 단, 각 강종당 5매의 슬라브 채취

상기 표 1에 기재한 각 강종의 성분은 강종별로 채취한 총 4 매의 슬라브의 평균조성을 의미하는 것으로 4매의 슬라브에서 채취한 조성의 조성편차는 각 성분별로 5% 미만으로 거의 조성편차가 없음을 확인한 후 사용하였다. 또한, 상기표에서 사용된 Tnr은 강의 조성별로 오스테나이트 재결정온도를 계산한 이론온도를 나타내는 것이다.

상기 각 조성의 슬라브들을 가열로에서 가열한 뒤, 조압연후 마무리 압연을 실시하고 공냉하였다. 각슬라브의 오스테나이트 결정립도와 구체적인 마무리 압연 조건은 하기 표 2와 같다. 하기 표 2에 기재된 조건으로 강판을 제조한 후 추가적으로 템퍼링을 실시하여 강의 인성을 향상시키고자 하였다. 템퍼링 온도는 600~650℃으로 하였다.

강종	패턴	압연개시온도(℃)	압연종료온도(℃)	압하량(%)	냉각개시온도
A	1	1030	950	35	935
B	1	980	880	35	865
C	1	1020	930	35	900
D	1	1020	915	35	880
E	1	1020	920	35	880
F	1	980	870	35	840
G	1	980	895	35	870
A	2	1030	925	50	910
B	2	980	855	50	840
C	2	1020	900	50	880
D	2	1020	895	50	860
E	2	1020	890	50	860
F	2	980	860	50	840
G	2	980	880	50	850
A	3	1030	960	20	945
B	3	980	890	20	875
C	3	1020	940	20	910
D	3	1020	925	20	890
E	3	1020	930	20	890
F	3	980	880	20	850
G	3	980	880	20	880
A	4	1000	890	50	780
B	4	950	820	50	750
C	4	990	870	50	690
D	4	990	860	50	705
E	4	990	855	50	660
F	4	950	855	50	640
G	4	950	845	50	750

상기 표 2에서 압연개시온도라 함은 마무리 압연 개시온도를 의미하는 것이고, 압연종료온도라 함은 마무리 압연 종료온도를 의미하는 것이다. 마찬가지로 압하량은 마무리 압연시 오스테나이트 재결정 온도(Tnr) 이하에서의 압하량을 의미하는 것이다.

상기 표 2에서 볼 수 있듯이, 모든 경우의 압연종료온도는 모두 오스테나이트 재결정온도 이하로 설정하였다. 그러나, 패턴 3의 경우는 비록 압연종료온도가 오스테나이트 재결정온도 이하라 하더라도 오스테나이트 재결정 온도 이하의 압하량이 20%에 불과한 것으로서 본 발명의 압하량 조건을 만족시키기 못한다.

또한, 패턴 4의 경우는 압연조건은 본 발명의 조건을 모두 만족하나 냉각개시온도가 상기 관계식 3에 의해 정의된 냉각개시온도 하한(SDQ) 보다 낮은 온도인 경우로서 냉각조건이 본 발명에서 규정한 요건을 충족시키지 못한 경우이다.

따라서, 압연조건과 냉각조건을 모두 만족시키는 본 발명에서 규정한 제조방식에 따른 발명예는 처리 패턴 1 및 처리 패턴 2이며, 나머지 처리 패턴은 본 발명에서 규정한 요건을 만족시키지 못하는 비교예인 것이다.

상기 표 2의 조건으로 상기 표 1의 조성을 가진 슬라브를 각각의 조건으로 압연하고 냉각한 후의 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

강종	패턴	항복강도 (Mpa)	인장강도 (Mpa)	vE (-10℃, J)
A	1	52	67	124
B	1	51	64	121
C	1	53	69	119
D	1	53	67	118
E	1	53	69	122
F	1	50	67	119
G	1	51	64	121
A	2	54	67	147
B	2	52	65	144
C	2	55	70	142
D	2	55	68	141
E	2	55	70	145
F	2	52	68	142
G	2	52	65	144
A	3	55	68	98
B	3	53	66	94
C	3	56	71	93
D	3	56	69	91
E	3	56	70	95
F	3	53	68	93
G	3	53	66	94
A	4	44	57	153
B	4	43	55	150
C	4	46	60	148
D	4	46	58	147
E	4	45	59	151
F	4	42	57	148
G	4	43	55	150

상기 표 3에서 볼 수 있듯이, 오스테나이트 재결정 온도 이하에서의 마무리 압연시 압하율이 20%로서 본 발명의 규정에 미달되는 패턴 3에 의해 제조된 강판은 비록 항복강도와 인장강도는 높지만, 오스테나이트 변형에 의한 마르텐사이트 패킷 미세화 효과를 거둘 수 없어 -10℃ 충격흡수 에너지가 본 발명에서 목표하는 100J미만을 나타내었다.

반대로, 오스테나이트 재결정 온도 이하에서의 마무리 압연시 압하율은 본 발명의 규정을 충족하나 냉각개시온도가 상기 관계식 3의 냉각개시온도 하한(SDQ) 보다 낮은 처리 패턴 4의 경우는 -10℃ 충격흡수 에너지는 아주 양호하나 내부 조직중 페라이트가 다량 형성되어 항복강도와 인장강도가 각각 본 발명에서 의도하는 50kgf/mm² 및 60kgf/mm²을 만족시키지 못하였다.

그러나, 본 발명에 의한 제조조건을 모두 만족시키는 처리패턴 1 및 처리패턴 2의 결과를 보면 항복강도 최소치가 50kgf/mm² 이며, 인장강도 최소치도 64kgf/mm²으로서 모두 본 발명에서 목표하는 강도 규격을 만족시킬 뿐만 아니라, -10℃ 충격흡수에너지도 100J 이상으로 본 발명에서 의도하는 인성이 양호한 고강도 내후성강의 요건을 충족하고 있었다.

따라서, 상술한 시험에 의해 본 발명의 제조방법의 유리한 효과를 확인할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의할 경우 고강도 해변용 내후성강으로서 인장강도 60kgf/mm² 이상, 항복강도 50kgf/mm² 이상으로 고강도를 가지면서도 동시에 -10℃ 충격흡수에너지를 100J 이상인 강재를 용이하게 제공할 수 있다.

Claims

중량%로, C: 0.15% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, Cu: 0.2~1.0%, Ni: 0.2~5.0%, Al: 0.001~0.1%, P: 0.03% 이하, S: 0.002~0.03%, Ca: 0.001~0.01%, Nb: 0.02~0.07%, V: 0.1% 이하 및 B: 0.003% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 상기 성분중에서 Ca, S, Al, Si이 하기 관계식 1,

[관계식 1]

Ca(%)/S(%) > [1.5Al(%)+2Si(%)]

을 만족하며, 강중 Ca계 비금속개재물중 수용성 CaS 개재물의 분율이 30% 이상인 해변 내후성이 우수한 강재를,

압연종료온도를 하기 관계식 2로 표현되는 오스테나이트 재결정 온도 이하로 하고 상기 오스테나이트 재결정 온도 이하에서의 압하율을 30% 이상으로 하는 마무리 압연을 실시한 후, 하기 관계식 3으로 표시되는 냉각개시온도 하한보다 높은 온도에서 켄칭(quenching)을 시작하는 것을 특징으로 하는 고강도 해변 내후성강의 제조방법.

[관계식 2]

오스테나이트 재결정 온도(Tnr, ℃) = 860 + 3000×[%Nb] + 300×[%V]

단, 여기서 [%Nb] 및 [%Mo]는 각각 해당원소의 중량기준 함량을 의미한다.

[관계식 3]

냉각개시온도 하한(SDQT) = 910 - 272×[%C] - 74×[%Si] - 290×[%Mo] - 50×[%Cu] - 15000×[%B] - 550×[%Nb]

단, 여기서 [%C], [%Si], [%Mo], [%Cu], [%B] 및 [%Nb]는 각각 해당원소의 중량기준 함량을 의미한다.
제 1 항에 있어서, 상기 강재는 Ti: 0.005~0.1%, Mo: 0.01~1.0% 및 W: 0.01~1.0%으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 해변 내후성강의 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 켄칭(quenching) 이후에 템퍼링을 실시하는 것을 특징으로 하는 고강도 해변 내후성강의 제조방법.