KR100946047B1

KR100946047B1 - 변형유기 동적변태를 이용한 고강도, 고인성 초세립강제조방법

Info

Publication number: KR100946047B1
Application number: KR1020020085251A
Authority: KR
Inventors: 엄경근; 최종교; 서동한; 이재상
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2010-03-09
Also published as: KR20040059577A

Abstract

변형유기 동적변태를 이용한 고강도, 고인성 초세립강 제조방법이 제공된다.

본 발명은, 중량%로, C: 0.3%이하, Si: 2.0%이하, Mn: 3.0%이하, Nb: 0.01~0.08%, 잔부 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 강재를 마련하는 단계; 상기 강재를 마무리압연하기 전에 오스테나이트 조직의 평균결정입 크기를 50㎛이하가 되도록 제어하는 단계; 상기 조직의 강재를 Ar₃ ~ Ar₃+100℃의 온도범위에서 한 패스당 압하율을 30% 이하로 유지하면서 그 총압하율이 60%이상이 되도록 열간다단가공하는 단계; 및 그 강재조직중 펄라이트 분율이 40%이하가 되도록 상기 열간가공된 강재를 서냉시키는 단계;를 포함하는 변형유기 동적변태를 이용한 초세립강 제조방법에 관한 것이다.

초세립강, 펄라이트 분율, 변형유기 동적변태

Description

변형유기 동적변태를 이용한 고강도, 고인성 초세립강 제조방법 {Manufacturing of high-strength ultrafine grained steels with high toughness using Strain Induced Dynamic Transformations}

본 발명은 미세한 페라이트 조직을 다량 포함하는 저탄소 구조용강 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 변형유기동적변태를 이용하여 그 입경이 5㎛이하의 미세한 페라이트와 펄라이트 복합 조직으로 이루어진 후판, 열연, 형강, 선재 및 봉강등 제조용 저탄소 구조용강 제조방법에 관한 것이다.

강재의 강도를 향상시키는 방법으로는 석출물강화, 고용강화, 마르텐사이트 강화, 미세펄라이트 강화등 다양한 강화방법들을 들 수 있다. 그러나 이러한 강재의 강화방법들은 강도를 향상시키는 반면에 인성의 열화를 동반하게 된다. 그런데 결정립을 미세화시켜 강재의 강도를 강화시키는 경우에는 고강도화에 동반되는 인성열화문제를 해소할 수 있을 뿐만 아니라 충격천이온도의 저감을 기대할 수 있기 때문에 그 동안 이 분야에 대한 많은 기술적 발전이 진행되어 왔다. 특히, 구조물 제작시 용접접합을 많이 하거나, 강재의 충격인성이 중요한 특성으로 요구되는 경 우 주로 사용되는 저탄소 구조용강은 급냉처리(켄칭)를 하는 경우를 제외하고는 미세조직의 대부분이 페라이트로 이루어지게 되는데(이하, "페라이트강"이라 한다), 근래에 들어 이 페라이트강의 결정립 미세화기술이 비약적으로 발전하였다.

이 중에서 강재를 오스테나이트 미재결정역에서 마무리압연하여 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. 그리고 최근에 들어 이 TMCP법보다 더욱 결정립의 미세화시킬 수 있는 저온 강압하기술이 개발되고 있다.

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

결정립 초미세립화와 관련된 종래의 기술로서는 대한민국 특허출원, 공개번호 1999-029986호, 1999-029987호, 1999-58126호, 1999-63186호와, 미국특허발명 번호4466842호, 5200005호, 6027587호등을 들 수 있다.

상기 공개특허출원 1999-029986호에서는 저탄소강을 가열한후 냉각하는 과정에서 오스테나이트 미재결정역 온도범위에서 압하율 30%이상의 압축가공을 하고, 가속냉각을 통해서 페라이트를 미세화시키는 방법을 제시하고 있다. 그리고 상기 공개특허출원 1999-029987호에서는 일반탄소강을 먼저 마르텐사이트 조직으로 열처리한후, 이 강을 페라이트 안정온도 범위(500^oC~Ac₁)로 가열하여 패스당 50% 이상의 압하율로 가공함으로써 페라이트의 회복 및 재결정을 통해 5㎛이하로 미세화시키는 방법을 제시하고 있다.

또한 상기 공개특허출원 1999-58126호에서는 저탄소강을 가열한후 냉각시키다가 Ar₃ 근처에서 80% 이상의 강압하를 통해 페라이트 입도를 미세화시키는 방법을 제시하고 있으며, 공개특허 1999-63186d서는 저탄소강을 가열한후 압연하는 과정에서 마무리압연을 Ar₃±20^oC 온도범위내에서 패스당 20%이상의 압하율로 항온압연을 하여 페라이트를 미세화시키는 방법을 제시하고 있다.

그리고 미국특허 4466842호에서는 재가열된 저탄소강을 Ar₃온도 근처에서 마무리압연을 할 때, 단일패스 또는 다단패스를 통해 총압하율이 75% 이상이 되도록 하고, 패스간 유지시간을 1초이하로 하여 가속냉각함으로써 페라이트 결정립이 4㎛ 이하가 되도록 미세화시키는 기술을 제시하고 있다. 또한 미국특허 5200005호에서는 극저탄소강을 가열한후 압연하는 과정에서 마무리압연을 페라이트 안정온도인 Ar₁ 이하의 범위에서 온간압연을 함으로써 페라이트 결정립도가 5㎛ 이하가 되는 초세립강의 제조방법을 제시하고 있으며, 미국특허 6027587호에서는 저탄소강을 가열한 후 압연하는 과정에서 50㎛ 이상의 크기로 유지한 미변태 오스테나이트를 700 내지 950^oC의 온도범위에서 압연을 함으로써 강재 표층부에 5㎛ 이하의 초미세립 페라이트를 얻는 제조방법을 제시하고 있다.

즉, 상술한 종래기술에 제시된 발명들은 강재를 제조하는 주요공정인 열간 또는 온간가공공정에서 대압하를 가해야 초세립 페라이트를 얻을 수 있다는 개념을 공통으로 전제하고 있으며, 이에 따라, 특허에 따라서 다소 차이는 있지만 페라이트 세립화를 위한 필요조건으로써 패스당 최소압하율 또는 패스간의 최대유지시간 등을 규정하고 있다. 그러나 이러한 종래기술과 같이 열간가공시에 대압하를 부여하기 위해서는 엄청나게 큰 용량을 가진 압연기 등의 열간가공설비가 필요하여 기존의 설비로는 달성하는 것이 거의 불가능하였으며, 또한 이러한 대압하 부여에 따른 가공열 때문에 형성된 페라이트 조직이 쉽게 성장하는등 초미세 페레이트 조직을 형성함에 한계가 있었다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 마련된 것으로서, 오스테나이트 결정입도 및 열간가공조건등을 최적화함으로써 평균결정입 크기가 5㎛이하의 초미세 페라이트와 부피분율 40% 이하의 펄라이트 복합 조직으로 이루어진 고강도, 고인성 강재 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C: 0.3%이하, Si: 2.0%이하, Mn: 3.0%이하, Nb: 0.01~0.08%, 잔부 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 강재를 마련하는 단계; 상기 강재를 마무리압연하기 전에 오스테나이트 조직의 평균결정입 크기를 50㎛이하가 되도록 제어하는 단계; 상기 조직의 강재를 Ar₃~ Ar₃+100℃의 온도범위에서 한 패스당 압하율을 30% 이하로 유지하면서 그 총압하율이 60%이상이 되도록 열간다단가공시키는 단계; 및 그 강재조직중 펄라이트 분율이 40%이하가 되도록 상기 열간가공된 강재를 서냉시키는 단계;를 포함하는 변형유기 동적변태를 이용한 고강도, 고인성 초세립강 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명자들은 상술한 종래기술의 한계를 극복할 수 있는 초세립강 제조방법을 대한민국 특허출원 제2002-63394호로 제시한 바 있다. 이 특허출원에서는 오스테나이트 조직의 강재를 열간가공시켜 변형유기 동적변태현상을 이용하여 초미세 페라이트 조직을 형성하는 기술이 제시되어 있다. 구체적으로, 상기 특허출원에서는 초세립 고강도강을 제조하기 위해서는, 이러한 변형유기 동적변태현상이 작은 압하율에서도 잘 일어날 수 있도록 오스테나이트 결정립크기를 50㎛이하로 제어해야 하며, 열간가공시 누적압하율, 가공온도등이 최적으로 제어되어야 함을 제시하 고 있다.

그런데 본 발명자들의 추가적인 연구결과에 의하면, 상술한 조건외에도 열간가공처리된 강재를 소정의 조건으로 냉각하면, 그 최종냉각후 5㎛이하의 초미세 페라이트와 부피분율 40% 이하의 펄라이트 복합조직으로 이루어진 고강도, 고인성 강재를 제조할 수 있음을 발견을 본 발명을 제시하는 것이다.

이하, 본 발명의 강 조성성분을 설명한다.

탄소(C)는 강재의 효과적인 강화를 위해서는 적당량 그 함유가 필요한 원소이다. 그러나 그 함유량이 0.3중량%(이하, 단지 %라 한다)를 초과하면 최종 미세조직에서 페라이트가 차지하는 비율이 약 60% 이하(펄라이트의 비율이 40% 이상)가 되어 저탄소강재로 분류할 수 없고, 용접시에 열영향부의 인성저하가 큰 문제가 될 수 있다.

따라서 본 발명에서는 탄소함량이 0.3%이하로 제한한다.

실리콘(Si)은 고용강화효과와 함께 제강공정에서 탈산을 위해 첨가가 필요한 성분원소이다. 그러나 그 함유량이 2.0%를 초과하면 용접성이 저하되고 강판표면에 제거하기 곤란한 산화피막이 형성될 가능성이 크며, 특히 페라이트 결정립의 조대화를 조장할 수 있다.

따라서 이를 고려하여 그 함유량을 2.0% 이하로 제한한다.

망간(Mn)은 탈산을 위해 첨가가 필요하나, 만일 그 첨가량이 3.0%를 초과하면 경화능을 불필요하게 증가시켜 압연시 페라이트의 변태속도를 저하시킬 뿐만 아니라 용접시 저온조직의 발생가능성이 커질 수 있다.

따라서 본 발명에서는 Mn의 함유량을 3.0% 이하로 제한한다.

니오븀(Nb)은 재가열시 또는 열간압연시 강중의 탄소 또는 질소와 결합하여 수십 나노미터 크기의 극미세 석출물을 형성하는 성분원소로써 본 발명에서 아주 중요하다.

상술한 바와 같이, 동적변태 페라이트 조직은 그 특성상 매우 미세하므로 열간다단압연하는 동안, 특히 패스간 유지시간 동안 쉽게 성장해 버린다. 따라서 이러한 성장을 억제하는 것이 필수적인데, 이에 적합한 기술로써 본 발명에서는 미세한 니오븀 석출물을 이용하는 것이다. 즉, 미세한 페라이트의 결정립 성장을 효과적으로 방지하기 위해서는 미세한 석출물이 필요하며, 이에 가장 효과적인 니오븀 탄질화물을 이용하는 것이다.

그러나 니오븀의 함량이 0.01%미만이면 니오븀 석출물의 숫자가 너무 적기 때문에 전체 초세립 페라이트의 결정립 성장을 효과적으로 억제할 수 없으며, 0.08%를 초과하면 그 첨가에 따른 효과가 포화될 뿐만 아니라 강을 너무 경화시켜 충분한 동적변태 페라이트 조직을 쉽게 얻을 수 없다.

따라서 본 발명에서는 니오븀 함량을 0.01~0.08%로 제한한다.

다음으로, 상기와 같이 조성된 강재를 이용하여 초세립 페라이트강을 제조하는 방법을 설명한다.

본 발명에서는 상기와 같이 조성된 강재를 제조한후, 이를 재가열하고 필요에 따라서 조압연과정을 거치는데, 이때, 강재의 오스테나이트 조직 평균결정입 크기가 50㎛이하가 되도록 재가열온도, 조압하율등을 제어할 것이 요구된다. 만일 마무리압연 직전의 강재의 오스테나이트 결정립크기가 50㎛를 초과하면, 후속하는 열간가공도중 변형유기 동적변태 페라이트의 형성속도가 현저히 저하됨과 동시에 변형유기 동적변태 페라이트의 형성장소도 매우 불균일해져서 최종적으로 혼립 페라이트가 형성될 가능성이 매우 높기 때문에 초미세립 페라이트강을 얻기가 어려워 질 수 있기 때문이다.

따라서 최종 제품상태에서 효과적으로 미세한 페라이트 결정립을 얻기 위해서는 후속하는 마무리 열간압연에 들어가는 과냉 오스테나이트 결정립크기를 평균 50㎛ 이하로 유지하는 것이 필요하다. 만일 미재결정역에서 오스테나이트가 변형된 상태로 과냉되는 경우에는 오스테나이트 단면상에서 타원형으로 변형된 오스테나이트 결정립의 장축과 단축의 길이 평균이 50㎛ 이하로 유지되어야 한다.

그리고 상기와 같이 오스테나이트 조직의 평균결정입 크기가 제어된 강재는 소정의 냉각속도로 냉각된후 과냉상태에서 마무리 열간다단압연되는데, 이때 마무리 열간압연 개시온도를 Ar₃ ~ Ar₃+100℃로 제한한다. 만일 상기 마무리 열간압연 개시온도가 Ar₃보다 낮으면 열간압연전에 조대한 초석 페라이트가 오스테나이트 결정립을 따라서 형성되어 압연가공중 길게 연신됨으로써 각종 물성을 저하시키는 문제가 발생하며, Ar₃+100℃를 초과하면 동적변태 페라이트의 분율을 충분히 확보할 수 없게 되어 조직 미세화 자체가 불가능해 질 수 있다.

한편, 본 발명에서는 상기 마무리 열간다단압연을 수행함에 있어서, 각 패스당 압하율을 30% 이하로 유지하면서 그 누적압하율이 60%이상이 되도록 열간다단압연할 것이 요구된다. 만일 상기 열간다단압연의 한 패스당 압하율을 30% 이상으로 하면 열간가공소재의 온도가 가공발열에 의해 과도하게 상승하게 되어 결정립의 미세화효과를 반감시키는 문제가 발생한다. 따라서 본 발명에서는 열간다단가공의 한 패스당 압하율은 30% 이하로 유지하는 것이 필수적이다.

또한 상기 열간다단압연의 누적압하율이 60% 이하로 되면 미세화에 효과적인 동적변태 페라이트의 형성량이 충분치 못하기 때문에 초세립 조직을 얻기 힘들게 된다.

이러한 열간다단압연은 그 압연 종료시점에서의 변형유기 동적변태 페라이트 분율이 40%이상이 되도록 수행됨이 최종적인 미세한 페라이트 미세조직 확보측면에서 바람직하다. 만일 이러한 분율이 40%미만이 되면, 가공후 냉각시에 형성되는 정적변태 페라이트의 크기가 조대해지기 때문에 충분히 미세하고 균일한 최종제품의 조직을 확보할 수 없게 된다.

이어, 본 발명에서는 그 강재조직중 펄라이트 분율이 40%이하가 되도록 상기 열간가공된 강재를 서냉시키는데, 이는 연질의 페라이트의 미세화만으로는 구조용 강재로 사용할 수 없기 때문이다. 그러나 만일 펄라이트 분율이 40%를 초과하면 오히려 조직강도는 강화되나 강재의 인성이 열화되는 문제가 있다.

바람직하게는, 상기 열간압연된 강재를 10℃/sec이하의 냉각속도로 서냉시키는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 마무리 열간압연전의 오스테나이트 조직의 입도, 마무리 열간압연, 냉각조건을 적절하게 제어함으로써 평균결정입 크기 5㎛이하의 페라이트+ 펄라이트 복합조직을 갖는 강재를 효과적으로 제조할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

(실시예)

강종	화학성분 (중량%)
강종	C	Si	Mn	Nb	N	Fe 및 불순물
A	0.08	0.25	1.51	0.04	0.005	잔부
B	0.15	0.42	1.10	0.05	0.005	잔부
C	0.20	0.24	2.21	0.04	0.003	잔부
D	0.28	1.53	1.08	0.06	0.004	잔부
E	0.35	0.23	1.49	-	0.005	잔부

상기 표 1과 같이 그 조성성분을 달리하는 강재를 마련하였다. 이렇게 마련된 강재를 재가열한후 조압연하여 그 오스테나이트 결정립크기(AGS)를 하기 표 2과 같이 제어하였다. 이어, 이러한 강재를 열간다단압연 까지 공냉하여 과냉상태로 제어한후, 열간압연 하였으며, 이때 그 구체적인 조건은 하기 표 2과 같다. 한편 이러한 열간다단 압연시의 패스간 휴지시간은 10-15초로 하였다.

이렇게 마무리 열간압연된 강재를 표 2와 같이 그 냉각속도를 달리하여 냉각한후 미세조직을 조사하여 평균 페라이트 결정립크기(FGS)를 측정하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다. 아울러, 상기 열간다단 가공공정을 열간 모사시험기에서 모사하여 동적변태 페라이트 분율을 측정하였다. 동적변태 페라이트의 분율은 가공 후 시편의 길이 변화를 Dillatometry 로 측정하여 동적변태된 분율을 계산하였다.

한편, 상기와 같이 제조된 각 시험강재들의 항복강도, 인장강도 및 연신율과 같은 기계적 특성을 측정하였으며, 또한 그 충격천이온도를 평가하여 표 3에 나타내었다.

		강종	AGS(㎛)	Ar₃온도 (℃)	압연개시 온도(℃)	압연종료 온도(℃)	패스당 압하율(%)	총압하율 (%)	냉각속도(℃/s)	종료냉각온도 (℃)
발 명 재	1	A	50	740	800	760	20	67	공냉	-
	2	B	45	755	800	770	25	75	8	550
	3	C	43	710	750	720	20	76	공냉	-
	4	D	48	700	730	710	28	76	공냉	-
비 교 재	1	B	45	755	800	770	25	75	15	260
	2	C	43	710	750	720	20	76	11	560
	3	D	48	700	730	710	28	76	12	580
	4	E	47	680	710	700	25	76	공냉	-

		강종	동적변태 페라이트 분율(%)	최종 페라이트 분율(%)	펄라이트 분율(%)	평균 FGS(㎛)	항복강도(kgf/㎛²)	인장강도(kgf/㎛2)	연신율(%)	충격천이온도(℃)
발 명 재	1	A	44	72	28	3.7	43.8	61.8	33	-108.8
	2	B	47	74	26	3.2	45.2	62.5	21	-119.3
	3	C	43	66	34	3.3	43.1	65.5	35	-116.9
	4	D	41	62	38	3.1	44.2	68.3	32	-121.5
비 교 재	1	B	47	58	0	3.2	40.6	69.3	28	-35.2
	2	C	43	55	45	3.3	43.5	69.1	23	-75.5
	3	D	41	52	48	3.1	45.6	70.3	21	-65.3
	4	E	35	48	52	3.4	41.6	71.2	18	-45.1

표 2 및 표 3에 나타난 바와 같이, Si, Mn, Nb의 함량이 적절하게 제어된 강재를 본 발명의 조건에 부합되게 열간가공한후 냉각하여 최종 조직중 펄라이트 분율이 40%이하로 제어된 본 발명재(1~4)의 경우 그 항복강도와 인장강도도 우수할 뿐만 아니라 그 충격특성도 우수함을 알 수 있다.

이에 대해, 열간가공후 260℃까지 15℃/s이상의 냉각속도로 냉각한 비교재(1)은 잔류 오스테나이트가 곧바로 마르텐사이트로 변태되어 펄라이트조직을 얻을 수 없었으며, 이에따라 그 강도는 높으나 충격특성은 좋지 않았다.

또한 열간가공후 강재를 500℃이상의 고온으로 냉각하였으나, 그 냉각속도를 10℃/s이상으로 한 비교재(2~3)은 그 최종조직에서 펄라이트 분율이 40%를 초과하여 소망하는 충격특성치를 얻을 수 없었다.

한편 비교재(4)는 강재의 탄소성분이 본 발명 보다 과다 함유된 경우로서, 강재의 충격특성이 매우 좋지 않았다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 저탄소강재에 있어서 합금의 다량첨가나 열처리를 통하지 않고, Ar₃온도직상에서 소위 "변형유기동적변태"를 조장시키는 조건으로 연속다단가공을 하여 효과적으로 페라이트 결정립을 미세화시키고 제2상인 펄라이트를 혼합하여 복합조직화 함으로써 우수한 용접성을 유지하면서 강재의 물성을 향상시킬 수 있는 우수한 구조용 강재의 제조에 유용한 효과가 있다.

Claims

중량%로, C: 0.3%이하, Si: 2.0%이하, Mn: 3.0%이하, Nb: 0.01~0.08%, 잔부 철 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 강재를 마련하는 단계;

상기 강재를 마무리압연하기 전에 오스테나이트 조직의 평균결정입 크기를 50㎛이하가 되도록 제어하는 단계;

상기 조직의 강재를 Ar₃ ~ Ar₃+100℃의 온도범위에서 한 패스당 압하율을 30% 이하로 유지하면서 총압하율이 60%이상이 되도록 열간다단가공하는 단계; 및

펄라이트 분율이 40%이하가 되도록 상기 열간가공된 강재를 10℃/sec이하의 냉각속도로 서냉시키는 단계;를 포함하여 상기 강재조직중 동적변태 페라이트의 분율이 40%이상이고, 페라이트의 평균결정입 크기가 5㎛이하인 것을 특징으로 하는 변형유기 동적변태를 이용한 초세립강 제조방법.
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