KR100833068B1 - 저항복비를 가진 초세립 열간압연 강재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중량%로, C: 0.03 ~ 0.2%, Si: 0.1 ~ 0.5%, P: 0.015% 이하를 포함하고 잔부가 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 탄소당량(Ceq)이 0.40% 이하를 만족하는 강슬라브를, 900~1300℃로 재가열한 후, 페라이트와 오스테나이트의 평형 온도인 Ae₃ 온도 이하에서 압연하여 미세 페라이트 조직이 형성된 것을 특징으로 하는 인장강도 780MPa 이상의 강재에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 용접특성이나 성형가공성을 저하시키지 않도록 합금성분을 적게 함유하면서도 페라이트의 결정립 크기를 초세립화함으로써 인장강도가 780MPa 이상이 되는 고강도 고연성의 열간압연 강재를 통상의 압연설비와 통상의 합금조성으로 용이하게 제조할 수 있게 된다.

초세립 페라이트, 열간압연, 동적변태

Description

저항복비를 가진 초세립 열간압연 강재{Fine-Grained Hot-Rolled Steel with Low Yield Ratio}

본 발명은 미세 페라이트 조직의 고강도 저항복비 강재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금성분을 첨가하는 대신 결정립을 미세하게 하여 강재의 강도를 높이고, 동시에 성형성 또는 가공성 등을 확보하기 위해 항복비를 저감시킨 세립형 고강도 저항복비 열간압연 강재에 관한 것이다.

강재의 강도를 향상시키는 방법으로는 석출물 강화, 고용 강화, 마르텐사이트 강화, 미세퍼얼라이트 강화 등 다양한 강화 방법을 들 수 있다. 그러나 이러한 강재의 강화 방법들은 강도의 향상을 가져오는 장점이 있는 한편, 인성의 열화를 동반하는 것이 일반적이다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 결정립을 미세화시키는 방법이 개발되기에 이르렀다.

결정립의 미세화에 의한 강도 향상 방법의 경우에는 고강도화에 동반되는 인 성 열화 문제를 해소할 수 있을 뿐만 아니라, 충격 천이 온도의 저감을 기대할 수 있기 때문에 그 동안 이 분야에 대한 많은 기술적 발전 및 연구가 진행되어 왔다.

특히 구조물 제작시 용접접합을 많이 하거나, 강재의 충격인성이 중요한 특성으로 요구되는 경우에 주로 사용되는 저탄소 구조용 강재는 급냉 처리(켄칭)를 하는 경우를 제외하고는 미세조직의 대부분이 페라이트로 이루어지게 되는데(이하 '페라이트강'), 근래에 들어 이러한 페라이트강의 결정립 미세화기술이 비약적으로 발전하였다.

이러한 페라이트강의 미세화기술 중에서 강재를 오스테나이트 미재결정역에서 마무리 압연하여 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.

TMCP법은 개발 당시에는 획기적이었으나, 최근에 들어서는 일반화된 세립강 제조기술로 평가받고 있으며, 저탄소 페라이트강에 적용하는 경우에는 페라이트 결정립을 약 5mm까지 미세화시킬 수 있는 것으로 알려지고 있다. 그러나 결정립 미세화를 통해 강재를 고강도화하는 경우에는 강도가 결정립 크기의 역수에 의존하여 증대되므로, 페라이트의 결정립이 5mm 이하의 범위에서는 결정립 미세화에 따른 강 도의 증가속도가 현저히 급격해진다. 따라서 최근에 페라이트 결정립크기가 5mm 이하가 되도록 하는 결정립 초미세립화 기술이 다방면으로 개발되고 있다.

결정립 초미세립화와 관련된 종래의 기술로는 미국 특허 제4466842호, 미국 특허 제5200005호, 미국 특허 제6027587호, 일본 특허 특개평11-152544호, 일본 특허 특개2000-144316호, 일본 특허 특개2000-328186호 등이 있다. 이 중에서 미국 특허 제4466842호는 재가열된 저탄소강을 Ar₃온도 근처에서 마무리 압연을 할 때, 단일패스 또는 다단패스를 통해 총압하율이 75% 이상이 되도록 하고, 패스간 유지시간을 1초이하로 하여 가속냉각을 함으로써 페라이트 결정립이 4mm 이하가 되도록 미세화시키는 기술을 요지로 하며, 미국 특허 제5200005호는 극저탄소강을 가열한 후 압연하는 과정에서 마무리압연을 페라이트 안정온도인 Ar₁ 이하의 범위에서 온간압연을 함으로써 페라이트 결정립도가 5mm 이하가 되는 초세립강의 제조방법을 요지로 하는 특허이다.

또한, 미국 특허 제6027587호는 저탄소강을 가열한 후 압연하는 과정에서 50mm 이상의 크기로 유지한 미변태 오스테나이트를 700 내지 950℃의 온도범위에서 압연을 함으로써 강재 표층부에 5mm 이하의 초미세립 페라이트를 얻는 제조방법을 요지로 하는 특허이다. 또한 일본특허 특개평 11-152544호는 페라이트를 주상으로 하는 열연강판에서 평균 페라이트 결정립 크기가 2mm 미만, 페라이트의 장단축비가 1.5미만인 초세립강의 제조방법을 요지로하는 특허이며, 일본특허 특개 2000-144316호은 페라이트와 제2상으로 이루어진 미세조직에서 2~4mm의 초세립 페라이트에 평균입경이 8mm 이하이고 장단축비가 2.0 이하, 입자간 간격이 입경보다 큰 비율이 80%인 제2상으로 이루어지는 초세립 열연강판의 제조방법에 관한 특허이다.

그러나 상기의 특허들은 미세조직이 초세립 페라이트 단상 또는 초세립 페라이트와 제2상의 복합 조직으로 이루어진 강재 또는 그 제조 방법에 관한 것이나, 강재의 미세조직을 초세립화시키는 것에 초점을 맞추었을 뿐, 초세립강의 중요한 특성인 기계적 성질을 극대화하거나 항복비를 낮추기 위한 기술은 언급되어 있지 않다.

특히, 이들 특허 중 일본 특허 특개평 11-152544호 및 일본 특허 특개 2000-144316호에 기재된 실시예에는 초세립 페라이트로 이루어진 강재의 인장 강도가 일부 소개되어 있는데, 이들은 모두 초세립 페라이트의 조직을 가지고 있지만 인장 강도가 780MPa 이하로 낮은 값을 갖는 것으로 실시예에 나타나 있다. 즉, 초세립 페라이트 미세조직을 갖고 있음에도 불구하고 기계적 특성을 극대화하지 못했다는 문제점이 존재한다는 사실을 의미한다.

본 발명은 합금 성분 첨가가 최소화된 초세립화 미세조직을 가지며 인장 강 도가 극대화되고 항복비가 저감된 고강도의 기계적 성질을 갖는 초세립 미세조직의 열간압연 강재를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은, 중량%로, C: 0.03 ~ 0.2%, Si: 0.1 ~ 0.5%, P: 0.015% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고,

로 정의되는 탄소당량(Ceq)이 0.40% 이하이며,

내부 조직이 결정립 크기 5㎛ 이하인 미세 페라이트의 분율이 70 ~ 80% 및 마르텐사이트 20 ~ 30%으로 이루어진 것을 특징으로 하는 항복비가 낮고 인장강도가 780MPa 이상인 강재에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명이 나타내는 초세립강이란, 일반적으로 열간압연을 통해 강재를 제조할 때 압연 및 냉각공정을 적절히 제어함으로써 얻어지는 최종의 미세조직의 75%가 평균결정립 크기로 5㎛ 이하의 페라이트 및 마르텐사이트로 이루어지는 강을 의미한다. 전술한 바와 같이 전통적인 TMCP 압연법을 이용하면 평균페라이트 결정립 크기를 약 5㎛ 정도까지 미세화 시킬 수 있는데, 동적변태 압연법과 같은 특별한 압 연 방법을 적용하면 페라이트의 결정립을 이보다 더욱 미세화시켜 초세립화시키는 것이 가능해진다.

초세립화된 저탄소강은 합금성분을 특별히 많이 첨가하지 않더라도 결정립계 강화의 기구에 의해 재료의 강도를 현저히 상승시키는 것이 가능하다. 앞서 소개한 선행특허들은 이러한 초세립강의 제조법을 다루고 있으나 강재의 인장 강도가 대체로 780MPa 이하로 나타나, 기존의 전통적 TMCP 강재에 대비하여 특별히 우수한 기계적 성질을 나타낼 수 없어 그 용도가 제한되고 초세립강으로서의 장점을 살릴 수 없다는 문제가 있다.

그러나 본 발명자들은 다양한 실험을 통해 압연공정에서 초세립 페라이트의 핵생성을 일으키고 이어지는 냉각 과정에서 냉각 속도 또는 냉각 종료 온도 등을 조정하여 최종 미세조직의 70~80%가 초세립의 페라이트, 20~30%가 마르텐사이트로 이루어지면 합금성분을 적게 함유하더라도 인장강도가 780MPa 이상을 가질 수 있게 제조하는 것이 가능하게 된다는 것을 알게 되었고, 이러한 강재 및 그 제조 방법을 제안하기에 이르렀다.

이하, 본 발명의 성분계에 관하여 상세히 설명한다.

중량%로, 탄소(C)는 강재의 효과적인 강화를 위해서는 적당량의 함유가 필요 한 원소이다. 그러나 그 함유량이 0.2%를 초과하면 강도는 쉽게 증대시킬 수 있으나 가공시 또는 용접시 품질저하를 초래하게 된다. 그리고 탄소함량이 너무 적어서 0.03% 미만으로 첨가하게 되면 미세조직에서 페라이트가 차지하는 비율이 과다하게 되어 강도의 확보에 제약이 생긴다. 따라서 탄소함량은 0.03% 이상 0.2% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

실리콘(Si)은 고용강화 효과와 함께 제강공정에서 탈산을 위해 첨가가 필요한 성분이다. 그러나, 그 함유량이 0.5%를 초과하면 용접성이 저하되고 강판표면에 제거하기 곤란한 산화피막이 형성될 가능성이 크며 페라이트의 취성을 유발하는 원인이 된다. 반면, 0.1% 미만으로 첨가하면 탈산이 불충분하여 문제가 될 수 있다. 따라서 이를 고려하여 그 함유량은 0.1% 이상 0.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

인(P)는 강중에 불가피한 불순물로 첨가되는 경우가 대부분이지만 정련을 통하여 0.015% 이하로 유지할 필요가 있다. 만일 그 함유량이 0.015%를 초과하면 강의 인성을 크게 해치게 된다.

망간(Mn)은 탈산 및 경화능 향상을 위해 첨가가 필요하나, 만일 그 첨가량이 2.0%를 초과하면 경화능을 불필요하게 증가시켜 압연 및 냉각시 페라이트의 변태속도를 저하시킬 뿐만 아니라 용접시 품질의 결함을 야기시킬 수 있다. 따라서 본 발 명에서는 Mn의 함유량은 2.0% 이하로 제한한다.

크롬(Cr)은 경화능 향상을 위해 첨가가 필요하나, 만일 그 첨가량이 1.0%를 초과하면 경화능을 불필요하게 증가시켜 압연 및 냉각시 페라이트의 변태속도를 저하시킬 뿐만 아니라 용접시 품질결함을 야기시킬 수 있다. 따라서 본 발명에서는 Cr의 함유량은 1.0% 이하로 제한한다.

몰리브덴(Mo)은 경화능 향상을 위해 첨가가 필요하나, 만일 그 첨가량이 1.0%를 초과하면 경화능을 불필요하게 증가시켜 압연 및 냉각시 페라이트의 변태속도를 저하시킬 뿐만 아니라 용접시 품질결함을 야기시킬 수 있다. 따라서 본 발명에서는 Mo의 함유량은 1.0% 이하로 제한한다.

상기 니켈(Ni)은 인성 및 경화능 향상을 위해 첨가가 필요하나, 만일 그 첨가량이 2.0%를 초과하면 경화능을 불필요하게 증가시켜 압연 및 냉각시 페라이트의 변태속도를 저하시킬 뿐만 아니라 용접시 품질결함을 야기시킬 수 있다. 따라서 본 발명에서는 Ni의 함유량은 3.0% 이하로 제한한다.

상술한 합금 성분들 중, 망간, 크롬, 몰리브덴, 니켈 합금 성분을 첨가하는 주목적은 경화능의 향상이다. 이러한 원소들이 적절히 함유되어야 저탄소 초세립강의 인장강도를 780MPa 이상으로 확보하는 것이 가능하게 된다.

그러나 이들 경화능 향상 원소들의 총량이 너무 많아지면 전체적으로 강재의 경화능이 필요 이상으로 증대되어서 특히 용접할 때 열영향부에서 결함이 발생할 가능성이 매우 커진다. 이러한 이유로 각각의 첨가원소가 강재의 경화능에 미치는 영향도를 고려한 다음 식으로 나타나는 탄소 당량(Ceq)을 이용하면, 합금원소의 총량에 대한 종합적이고 정량적인 제어가 가능하다.

상기 탄소 당량의 식을 기준으로 합금원소의 양을 조절하면 합금원소의 총량이 경화능에 미치는 영향도를 판단할 수 있게 된다.

그러나 상기 탄소당량이 0.40%를 초과하게 되면 강재의 경화능이 불필요하게 커지는 문제점이 발생하고, 특히 용접시 열영향부의 품질 결함의 원인이 될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 탄소당량을 0.40% 이하로 한정한다.

이하 본 발명의 미세조직에 관하여 상세히 설명한다.

먼저 페라이트의 평균 결정립 크기는 5㎛ 이하가 바람직하다. 이는 강재의 인장강도와 관련있는데, 상기의 개별 합금성분 첨가량이나 탄소당량으로 표현되는 종합적인 합금첨가량이 0.40% 이하로 되면 통상적인 제조방법으로는 인장강도를 780MPa 이상이 되도록 하는 것이 불가능하므로, 가공특성 또는 용접성을 확보하면서 동시에 고강도를 이루기 위해서는 합금원소를 탄소당량으로 0.40% 이하로 유지하면서 페라이트의 결정립을 평균크기로 5㎛ 이하로 초세립화하는 것이 필요하기 때문이다. 만일 페라이트 결정립이 5㎛을 초과하면 이러한 합금조성에서는 780MPa 이상의 인장강도를 얻는 것이 불가능하다. 따라서 페라이트의 결정립 평균크기는 5㎛ 이하로 제한한다.

또한, 최종 미세조직에서 페라이트의 분율을 70~80%로 제한하였는데 만일 페라이트분율이 70% 미만으로 조성되면 인장강도 향상에는 유리할 수 있으나 페라이트 분율이 낮아져 상대적으로 제2상이 과다해질 경우, 연성 또는 성형성이 나빠지게 되어 사용상 문제가 발생하며, 80%를 초과하면 마르텐사이트가 적어져 인장강도가 저하된다. 따라서 페라이트의 분율은 70~80%로 제한하는 것이 필요하다.

또한, 최종 미세조직에서 마르텐사이트의 분율을 20 ~ 30%로 한정하였는데 만일 마르텐사이트의 분율이 30%를 초과하면 연성 또는 성형성이 과도하게 나빠져서 사용상 문제가 발생하며, 20% 미만일 경우에는 인장강도가 저하되며 항복비를 0.8 이하로 낮추기 어렵게 된다. 따라서 마르텐사이트의 분율을 20 ~ 30%로 제한하는 것이 필요하다.

따라서, 합금원소는 용접성 및 가공성 등을 고려하여 탄소당량으로 환산할 때 상한치(0.40%) 이하로 첨가하고, 이러한 첨가로 인하여 저하될 수 있는 인장강도는 페라이트의 미세조직을 초세립화(5mm 이하)함으로써 보완할 수 있다. 나아가 마르텐사이트를 20 ~ 30% 형성시켜 항복비를 0.8 이하로 낮추도록 한다. 그리고 초세립 페라이트와 마르텐사이트의 상분율을 적절한 수치 범위로 조절하여, 인장강도 780MPa 이상을 유지하면서 연성, 가공성, 용접성 등 사용상의 문제점을 최소화시킨 강재를 제공할 수 있다.

이하 본 발명의 압연 조건에 관하여 설명한다.

본 발명에 따라 강도 및 소부 경화 특성이 우수한 열연 이상조직강을 제조하기 위해서는 상기 조성으로 이루어진 강재를 제조한 후 여기에, 재가열 단계, 조압연하는 단계, 마무리 압연하는 단계 및 냉각하는 단계를 거쳐야 한다.

상기 재가열 단계에서의 온도는 900 ∼ 1300℃가 바람직하고 조압연 단계에서의 총 압하율은 50% 이상이 바람직하다. 재가열 단계에서 온도 및 압하율을 각각 조절하는 이유는 마무리 압연시의 오스테나이트 조직의 평균 결정립 크기(AGS : Austenite Grain Size)를 이상조직강에 적합한 50㎛ 이하로 만들기 위함이다.

만일 마무리 압연 직전 AGS가 50㎛를 초과하면 후속하는 열간가공 중 변형유 기 동적변태로 발생하는 페라이트 조직의 형성 속도가 현저히 저하됨과 동시에 변형유기 동적변태 페라이트의 형성장소도 매우 불균일해져서 최종적으로 혼립 페라이트가 형성되고 이로 인하여 기계적 성질의 열화가 발생할 수 있으므로 주의해야 한다.

상기 재가열 단계 및 조압연 단계를 거친 이후에 상기 마무리 압연 단계를 거치게 된다. 상기 마무리 압연 단계에서 '변형유기 동적변태'가 나타나게 되고, 이를 이용하여 미세 페라이트가 생성된다. 상기 미세 페라이트 결정립의 크기(FGS, Ferrite Grain Size)는 5㎛ 이하, 바람직하게는 3㎛ 이하이다.

'변형유기 동적변태'는 적절한 온도 범위 내에서 필요한 양 이상의 가공을 부여하는바, 마무리 열간 다단 압연에서 Ar₃와 하기 (관계식 1)로 정의되는 Ae₃ 사이의 온도 범위에서 그 누적 압하율이 60% 이상, 바람직하게는 75~90%가 될 것이 요구된다.

(관계식 1)

(여기서, C, Mn, Si은 각 원소 함량의 중량%를 나타낸다.)

상술한 마무리 열간 압연의 조건이 만족되지 못하면 충분한 동적 변태 페라 이트의 형성량이 생성되지 않게 되고 이후의 냉각공정에서 페라이트 변태 촉진 효과가 저하된다.

상기 강재의 Ae₃ 온도는 가공 조건과는 무관하고 강의 성분에 의해 결정되며, 본 발명의 대상 강종 성분 범위에서는 주 합금 원소인 C, Si, Mn의 함량에 의해 영향을 받는다.

강 성분에 따른 Ae₃ 온도는 상용 열역학 데이터베이스를 이용하여 구할 수 있는 바, 상기 (관계식 1)은 본 발명에 나타난 성분 범위에서의 여러 강종에 있어서 Ae₃ 온도를 구한 값들을 회귀 분석하여 도출된 것이다.

그리고, 마무리 압연후 강재를 냉각하는 과정에서 냉각 종료 온도 또는 권취 온도는 350℃ 이하임이 바람직하다. 만일, 냉각 종료 온도가 350℃를 초과하면 권취 후 권취 상태에서 서냉되는 동안, 소부 경화 특성을 향상시키는 고용된 탄소와 질소 성분의 대부분이 탄질화물로 석출되므로, 제2상이 마르텐사이트로 형성되지 못하고 소부 경화 특성이 저하되는 문제점을 나타낸다. 또한, 350℃ 이하의 온도에서 권취를 하더라도 냉각 도중에 공냉 시간을 별도로 확보할 필요가 없이 연속 냉각이 가능하므로, 압연재의 통판 속도가 제한되지 않고 생산성이 향상될 수 있으므로 바람직하다.

나아가 강재의 냉각 과정에서는 강 내부에 인장강도를 향상시키기에 충분한 20 ~ 30% 분율의 마르텐사이트를 얻기 위하여 냉각 속도를 일정하게 조절하는 것이 필요하다. 상기 냉각 속도는 40℃/s 이상, 바람직하게는 50℃/s 이상임이 바람직하다. 냉각속도가 40℃/s 미만이면 충분한 양의 마르텐사이트가 생성되지 않고, 베이나이트 또는 퍼얼라이트의 다른 조직이 발생하여 물성이 저하된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다,.

(실시예)

본 실시예에서는 먼저 진공유도용해를 통해서 하기 표1과 같이 조성되는 강의 잉곳을 제조하였다.

강종	C	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	Ceq	비고
A	0.09	0.22	1.45	0.21	-	-	0.37	발명강
B	0.11	0.25	1.64	-	-	-	0.38	발명강
C	0.02	0.21	1.65	0.51	-	-	0.39	비교강
D	0.12	1.71	1.54	-	-	-	0.38	비교강
E	0.08	0.24	2.23	0.20	-	-	0.49	비교강
F	0.07	0.20	1.56	1.50	-	-	0.63	비교강
G	0.06	0.19	1.71	-	1.41	-	0.63	비교강
H	0.07	0.22	1.64	-	-	2.92	0.54	비교강
I	0.15	0,22	1.55	0.23	0.30	0.51	0.55	비교강

(단위 : 중량%)

여기에서 강종 A, B는 본 발명에서 제시하는 합금성분의 제한조건을 충족하는 경우이고, 강종 C ~ I는 첨가원소의 함량이 범위를 벗어나거나 탄소당량이 범위를 벗어나는 비교강에 해당한다. 강종 C, D는 탄소당량의 측면으로는 0.40% 이하로 첨가되어 있으나 강종 C는 탄소함량이 0.03%보다 적고, 강종 D는 실리콘함량이 1.71%로 과잉으로 첨가된 경우이다. 그리고 강종 E~I는 망간, 크롬, 몰리브덴, 니켈 등이 과잉으로 첨가되어 탄소당량이 0.4%보다 높은 경우이다.

이렇게 얻어진 잉곳을 열간압연 시험기를 이용하여 다양한 압연조건으로 열간압연을 실시하고 냉각속도를 변화시켜서 열간압연 소재를 제조하였다. 제조된 열간압연 소재들에 대하여 미세조직 관찰 및 인장 실험을 수행하고 그 결과를 표2에 나타내었다.

시편	강종	냉각속도 (℃/초)	페라이트 분율 (%)	마르텐사이트 분율 (%)	평균FGS (mm)	인장강도 (MPa)	항복비	비고
1	A	50	79	21	2.3	795	0.65	발명강
2	A	30	80	10	2.2	785	0.82	비교강
3	A	20	76	7	2.3	745	0.85	비교강
4	B	50	77	23	2.4	813	0.69	발명강
5	B	30	76	12	2.3	792	0.82	비교강
6	B	50	92	8	2.2	782	0.84	비교강
7	C	50	99	1	7.3	451	0.78	비교강
8	D	50	85	15	6.4	744	0.63	비교강
9	E	50	57	43	2.1	960	0.83	비교강
10	F	50	32	68	1.6	1235	0.92	비교강
11	G	50	34	66	1.8	1227	0.88	비교강
12	H	50	48	52	2.7	1325	0.94	비교강
13	I	50	46	54	3.1	1123	1	비교강

※ FGS : Ferrite Grain Size (페라이트 결정립 크기)

우선 발명강(시편 1,4)의 경우는 합금성분 뿐만 아니라 압연 및 냉각조건이 적절히 제어되어 페라이트의 평균크기, 페라이트 분율, 마르텐사이트 분율 등의 조합이 본 발명에서 제한하는 범위를 모두 만족하게 되어 인장강도 780MPa 이상, 항복비 0.8 이하의 양호한 결과를 나타내었다.

냉각속도를 50℃/s로 하였을 때에는 압연 후 잔존 오스테나이트가 모두 마르텐사이트로 변태되었지만, 30℃/s 또는 20℃/s로 냉각된 경우에는 잔존 오스테나이트의 일부가 마르텐사이트로 변태되고 냉각속도에 따라서 베이나이트 또는 펄라이트로 변태되었다. 냉각속도가 낮아서 충분한 마르텐사이트가 형성되지 못한 경우는 합금성분이 적당히 함유되었더라도 인장강도가 780MPa 이하로 나타났고(시편 2,3,5,6) 항복비도 높은 값을 나타내었다.

그리고 강종 C(시편 7)의 경우처럼 탄소함량이 과도하게 적은 경우에는 동적변태에 의한 페라이트의 함량이 너무 높아서 냉각속도를 빠르게 하더라도 제2상의 분율이 너무 낮아진다. 이런 경우에는 미세조직이 거의 페라이트만으로 구성되기 때문에 강도도 낮아지고 항복비는 매우 높아진다. 또한, 시편 8의 경우는 실리콘 함량이 과도하게 높아서 동적변태가 고온에서 형성되었기 때문에 페라이트 결정립의 평균크기가 5㎛를 초과하게 된다. 이 경우 냉각속도를 높여 잔존 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되도록 유도하여도 인장강도가 780MPa에 못 미치게 된다.

한편 탄소당량이 0.4%를 초과하는 경우(강종 E~I, 시편 9~13)는 동적변태시 충분한 분율의 페라이트를 형성시키지 못하게 되어(75% 미만) 잔존 오스테나이트의 분율이 과다하게 남게 된다. 이 상태에서 냉각속도를 빠르게 하면 잔존 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하면서 인장강도는 매우 증가하게 되지만, 마르텐사이트의 분율이 과도하게 되어 항복비도 같이 높아지게 되고, 특히 시편 13과 같이 경우에 따라서는 인장시험시 항복 직후에 파단이 발생하여 항복비가 1에 이르는 경우도 자주 발생한다.

따라서 강도를 향상시키기 위해 합금성분을 과도하게 첨가하거나 마르텐사이트의 분율을 과도하게 증대시키면, 다시 말해서 동적변태 페라이트의 분율을 75% 이하로 하게 되면 인장강도는 손쉽게 증대시킬 수 있을지 모르나, 항복비를 0.8 이하로 제어하는 것은 불가능하게 된다는 사실을 알 수 있다.

이상의 실시예에서 나타나 있듯이, 인장강도와 저항복비 특성을 향상시키기 위해서는 합금 성분 뿐만 아니라 냉각 조건이 본 발명의 조건에 부합되어야 함을 알 수 있다.

본 발명에 의하면, 각종 구조물의 제작시 용접특성이나 성형가공성을 저하시키지 않도록 합금성분을 적게 함유하면서도 페라이트의 결정립 크기를 초세립화함 으로써 인장강도가 780MPa 이상이 되는 동시에 항복비를 0.8 이하로 제어할 수 있는 고성능의 열간압연 강재를 통상의 압연설비와 통상의 합금조성으로 용이하게 제조할 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 중량%로, C: 0.03 ~ 0.2%, Si: 0.1 ~ 0.5%, P: 0.015% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고,

   

   로 정의되는 탄소당량(Ceq)이 0.40% 이하이며,

   내부 조직이 결정립 크기 5㎛ 이하인 미세 페라이트의 분율이 70 ~ 80% 및 마르텐사이트 20 ~ 30%으로 이루어진 것을 특징으로 하는 초세립 열간압연 강재.
2. 제1항에 있어서 상기 강재는 Mn: 2.0% 이하, Cr: 1.0% 이하, Mo: 1.0%이하, Ni: 3.0% 이하로 이루어진 그룹에서 1종 또는 2종 이상의 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 초세립 열간압연 강재.
3. 제1항 또는 제2항의 조성을 가진 강슬라브를,

   900~1300℃에서 재가열하는 재가열 단계;

   재가열된 상기 강슬라브를 총 압하율을 50% 이상으로 압연하는 조압연 단계;

   상기 조압연된 강재를 열간 마무리 압연하는 단계로서,

   

   (여기에서 C, Si 및 Mn은 각 원소 함량의 중량%)

   로 정의되는 Ae₃ 온도 이하에서 총 압하율 70~95%로 압연을 개시하고, Ae₃ ~ Ar₃ 의 온도에서 누적 압하율 60% 이상이 되도록 압연하여 Ar₃ 온도 이상에서 종료하는 열간 마무리 압연 단계;

   상기 열간 마무리 압연된 강슬라브를 40℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각하는 냉각 단계; 및

   350℃ 이하의 냉각 종료 온도에서 냉각 권취하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 초세립 열간압연 강재의 제조방법.