KR100957972B1

KR100957972B1 - 용접부 강도와 인성이 우수한 고강도 내후성 열연강판 및그 제조방법

Info

Publication number: KR100957972B1
Application number: KR1020070139406A
Authority: KR
Inventors: 이창훈; 김성환; 류재화; 장세환
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2010-05-17
Also published as: KR20090071180A

Abstract

본 발명은 건축, 교량, 해양구조물, 컨테이너 등에 사용되는 내후성강으로, 특히 용접부의 강도와 인성이 우수한 고강도 내후성 열연강판 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 고강도 내후성 열연강판은 중량%로, C: 0.03~0.12%, Si: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음), Mn: 0.5~1.5%, Cu: 0.1~0.6%, Cr: 0.2~1.5%, Ni: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.05~0.15%, S: 0.01~0.1%, Al: 0.01~0.1%, Nb: 0.01~0.05%, N: 0.01~0.05%, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, Ti: 48/14×[N]% 이하, B: 11/14×[N]% 이하로 구성되는 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종을 추가적으로 포함하고, 그 조직이 초석 페라이트의 분율이 50% 이하 및 나머지는 페라이트/베이나이트 복합조직 또는 페라이트/마르텐사이트 복합조직으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

용접부 강도, 열연강판, 냉각속도, 베이나이트 변태 시작온도

Description

용접부 강도와 인성이 우수한 고강도 내후성 열연강판 및 그 제조방법{High Strength Weather-Resistable Hot-Rolled Steel Sheet having Excellent Strength and Toughness of Welded Zone and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 건축, 교량, 해양구조물, 컨테이너 등에 사용되는 내후성강으로, 용접부 강도와 인성이 우수한 고강도 내후성 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 합금원소의 함량을 최적화하고, 열연공정 조건의 제어를 통해서 용접부의 강도와 인성이 우수한 고강도 내후성 열연강판을 제공한다.

최근 고유가시대에서는 운송비에 대한 부담이 증가하고 있다. 이에 운송용 컨테이너 소재의 두께를 대폭 줄여 그 무게를 줄이면서 운송 안정성을 보장하기 위하여 고강도 박물재에 대한 수요가 증가되고 있다. 또한 컨테이너의 저원가에 대한 요구가 존재하므로 저원가 고강도 내후성강의 개발을 위해 합금원소의 첨가를 최소화하면서 동시에 공정조건 제어를 통한 열연재 개발이 요구되는 실정이다. 이와 더불어 컨테이너 등의 대부분의 구조물은 용접에 의해 제작되는데, 용접부의 강도 및 인성 은 통상 열위하다는 문제점을 가진다.

이러한 문제를 해결하기 위한 종래기술은 석출강화형 원소인 Nb 미첨가로 인해 용접시, 용접부의 강도가 저하되는 문제가 있거나, 권취온도의 하한을 규정함으로써 강도의 추가상승 가능성을 배제하고 있는 단점이 존재한다.

따라서, 본 발명은 Ti, B 및 N의 함량을 최적화하고, 열연공정 중 냉각속도와 권취온도의 제어를 통해서 용접부의 강도와 인성이 우수한 고강도 내후성 열연강판 및 그 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

나아가, 본 발명의 고강도 내후성 열연강판의 제조방법은 중량%로, C: 0.03~0.12%, Si: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음), Mn: 0.5~1.5%, Cu: 0.1~0.6%, Cr: 0.2~1.5%, Ni: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.05~0.15%, S: 0.01~0.1%, Al: 0.01~0.1%, Nb: 0.01~0.05%, N: 0.01~0.05%, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물 로 조성되는 강 슬라브를 Ar3 변태점 이상에서 열간 마무리압연하고 냉각속도 50℃/s 이상으로 냉각하여 Bs(베이나이트 변태 시작온도)이하에서 권취하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 용접부의 강도 및 인성이 우수한 고강도 내후성 열연강판 및 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 조성범위에 대하여 구체적으로 설명한다.

C: 0.03~0.12% (이하, 중량%)

상기 C는 0.03~0.12%로 제한한다. 탄소는 강판의 강도를 증가시키는데 필수적인 원소로서, 첨가량이 증가하면 강도는 증가하나, 과잉 첨가되면 가공성이 저하되므로, 0.12%로 그 상한을 제한하였다. 또한, 탄소함량이 0.03% 미만이 되면 냉각제어를 통한 상(phase) 제어가 불가능하고, 고강도를 얻을 수 없기 때문에 그 하한을 제한하였다.

Si: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음)

상기 Si은 고용강화에 의한 페라이트 강도 향상의 효과가 있는 원소이나, 다량 첨 가되는 경우에 스케일결함의 증가로 인하여 표면 품질의 저하 및 도금성의 저하를 초래하므로, 그 상한을 1.0%로 제한한다.

Mn: 0.5~1.5%

상기 Mn은 강에서 고용강화 효과가 매우 큰 원소이며, 동시에 오스테나이트에서 페라이트로의 변태를지연시키며, Ar3온도를 낮추는 원소이다. 그 첨가량이 0.5% 미만이면 고강도화에 문제가 있으며, 그 첨가량이 1.5%를 초과하면 용접성 및 MnS에 의한 가공성 열위의 문제가 발생되기 때문에 Mn의 함량을 0.5~1.5%로 제한하였다.

Cu: 0.1~0.6%

상기 Cu은 부식분위기에서 안정적인 녹층을 형성하여 내부식성을 향상시키며, 미세석출물을 형성시켜 강도를 상승시키는 원소로 그 함량이 0.1% 미만이면 기술된 효과를 보기 힘들며, 0.6%를 초과하여 첨가되면 가공성의 열위를 초래하기 때문에 그 범위을 0.1~0.6%으로 제한하였다

Cr: 0.2~1.5%

상기 Cr은 Cu와 같이 안정적인 녹층을 형성시키며, 경화능 향상 및 탄화물 생성을 조장하여 강도를 상승시키는 원소로, 그 효과를 얻기 위해 하한을 0.2%로 제한하였고, 함유량이 1.5%를 초과하면 그 효과는 포화되고, 제강 제조원가 상승의 문제가 있어 그 상한을 제한한다.

Ni: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)

상기 Ni은 고용강화와 함께 경화능을 향상시켜 열처리성을 향상시키는데 유효한 원소이나, 고비용의 원가로 인해 그 상한을 0.5%로 제한하였다.

P: 0.05~0.15%

상기 P는 내후성 향상에 영향을 미치는 중요한 합금원소로, 동시에 고용강화형 원소이다. 0.05% 미만으로 첨가되면 내후성 향상 및 고용강화를 기대하기 어렵고, 0.15%를 초과하여 첨가되면 용접성 및 열연제조시에 악영향을 미치고, 가공성이 열화되기 때문에 범위를 0.05~0.15%로 제한한다.

S: 0.01~0.1%

상기 S는 본 발명에서 가장 중요하게 제어되어야 하는 원소중의 하나로, 강중에서 MnS의 형태로 석출이 이루어져 용접부 및 용접 열영향부의 침상형 에시큘라 페라이트 미세조직의 핵생성 사이트 역할을 함으로써 용접부 및 용접 열영향부의 강도와 인성을 증가시키는 원소이기 때문에 일정이상의 함량은 유지되어야하므로 하한을 0.01%로 제한하였다. 하지만 0.1%를 초과하면 성형성이 열위하므로 그 상한을 0.1%로 제한하였다.

Al: 0.01~0.1%

상기 Al은 두 가지 목적으로 첨가되는데, 그 하나는 강 중에 존재하는 산소를 제거하여 응고시 비금속 개재물의 형성을 방지함이고, 다른 하나는 강 중에 존재하는 질소를 AlN으로 고정함에 의하여 결정립 크기를 미세화시키기 위함이다. 따라서, Al 역시 적정한 범위로 첨가되어야 하는데, 그 성분함량이 0.01% 미만이면 상기 첨가목적을 이룰 수 없으며, 0.1%를 초과하면 강의 강도를 증가시키는 문제와 제강 원단위의 상승의 문제가 있으므로, 0.01~0.1%로 제한한다.

Nb: 0.01~0.05%

상기 Nb은 탄질화물 석출을 조장하여 강판의 강도를 상승시키고, 결정립 미세화를 통해 열연강판의 인성을 향상시키는데 유효한 원소이다. 첨가량이 0.01% 미만에서는 이와 같은 효과를 얻을 수 없고, 첨가량이 0.05% 초과할 경우 열연시 압연하중 증가 등의 공정상의 문제를 야기할 수 있기 때문에 그 상한을 제한한다.

N: 0.01~0.05%

상기 N은 Ti, B 등과 결합하여 질화물을 형성하는 원소로서, 본 발명에서는 생성된 질화물이 용접부 및 용접 열영향부의 침상형 에시큘라 페라이트 미세조직의 핵생성 사이트 역할을 함으로써 용접부 및 용접 열영향부를 미세화시켜 강도와 인성을 증가시키는 역할을 하는 원소이기 때문에 그 하한을 0.01%로 제한하였고, 그 함량이 많아지면 성형성이 열위해지므로 그 상한을 0.05%로 제한하였다.

상기 성분 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

상기 Ti는 N과 결합하여 질화물을 형성함으로써 용접부 및 용접 열영향부의 침상형 에시큘라 페라이트 조직을 형성시켜 강도와 인성을 향상시킨다. Ti가 Ti: 48/14×[N]% 이하([N]%는 N의 중량%)이면 N과 결합하여 모든 Ti가 질화물을 형성하여 에시큘라 페라이트 조직을 위한 추가적인 핵생성 사이트를 제공한다. Ti가 48/14×[N]% 초과하면 더 이상의 질화물은 생성되지 않고, 제조비용만 증가하게 되므로 그 상한을 제한하였다.

상기 B는 N과 결합하여 질화물을 형성함으로써 용접부 및 용접 열영향부의 침상형 에시큘라 페라이트 조직을 형성시켜 강도와 인성을 향상시킨다. 하지만 그 함량이 많아지면 성형성 저하를 초래해 그 상한을 11/14×[N]% 로 제한하였다.

상기 열연강판은 탄화물이 존재하지 않는 초석 페라이트의 분율이 50% 이하 및 나머지는 페라이트/베이나이트 복합조직 또는 페라이트/마르텐사이트 복합조직으로 구성된다.

상대적으로 강도가 낮은 페라이트의 분율을 가급적 낮추고, 상대적으로 강도가 높은 베이나이트나 마르테사이트의 분율을 증가시킴으로써 인장강도 600MPa급 이상의 고강도 내후성강을 제조하기 위함이다. 페라이트의 분율을 낮추고, 베이나이트/마르텐사이트 분율을 증가시키기 위해서는 냉각속도를 증가시키고, 권취온도를 Bs온 도 이하로 낮추는 제조공정이 필요하다.

도 1은 고온(예, 사상압연 마무리 온도)으로부터 각기 다른 냉각속도로 (냉각속도 1 > 냉각속도2 > 냉각속도3) 상온까지 냉각함에 따라서 얻어지는 미세조직을 연속냉각상태도로 도식적으로 나타낸 것이다. 냉각속도1로 냉각시 마르텐사이트 단상이 얻어지며, 냉각속도2의 냉각속도로 냉각시는 페라이트+베이나이트+마르텐사이트 조직이 얻어지고, 냉각속도3으로 냉각시는 페라이트+펄라이트+베이나이트의 조직이 얻어진다. 이때 강도는 냉각속도1일 때가 가장 높고, 냉각속도2, 냉각속도3으로 냉각속도가 느려질수록 강도는 낮아진다. 이러한 냉각공정 제어를 통해서 합금성분 변화없이도 고강도를 얻을 수 있는 장점이 있다.

이하, 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

(1) 마무리 온도

열간압연 마무리 온도를 Ar3 변태점 이상으로 정한 이유는 2상역 압연이 이루어지는 것을 방지하기 위함인데, 본 발명강의 경우 2상역 압연이 행해질 경우 탄화물이 존재하지 않는 초석 페라이트가 다량 발생하므로 본 발명의 베이나이트 조직을 얻을 수가 없다.

(2) 냉각속도

열간압연후 냉각속도를 50℃/s 이상으로 제한한 것은, 그 미만의 냉각속도에서는 페라이트와 펄라이트가 다량 석출되어, 본 발명의 페라이트/베이나이트 복합조직 또는 페라이트/마르텐사이트의 복합조직을 얻는 것이 불가능하기 때문이다. 상한의 제한이 없는 것은 상기 도 1의 설명에 나타난 바와 같이 냉각속도가 빠를수록 베이나이트, 마르텐사이트 조직을 얻는 것에 어려움이 없기 때문이다.

(3) 권취온도

열연 권취를 Bs(베이나이트 변태 시작온도)이하로 권취온도룰 제한한 것은 이를 초과한 온도에서의 권취는 펄라이트 변태를 유발하여 본 발명의 저온조직을 얻을 수 없기 때문이며, 하한의 경우는 실제 열연 권취기의 권취가능한 범위 내에서 낮을 수록 본 발명의 미세한 베이나이트 혹은 마르텐사이트 조직을 얻는데 유리하기 때문에 이를 제한하지 않았다.

또한, 본 발명에서는 위와 같이 제조된 열연강판을 이용하여 용접을 하였을 때, 용접 열영향부(HAZ)의 미세조직이 산화물, 황화물, 질화물 등의 개재물에서 생성되어 성장한 침상형의 에시큘라 페라이트 조직으로 구성되어 용접부 강도와 인성이 우수한 고강도 내후성 열연강판을 제조한다.

도2는 에시큘라 페라이트 조직과 베이나이트 조직의 모식도를 나타내고 있는데, 에시큘라 페라이트 조직은 개재물에서 생성되어 사방으로 퍼지며 성장하기 때문에 균 열의 전파가 힘들기 때문에 강도와 인성이 비교적 우수하다. 반면에 베이나이트 조직은 오스테나이트 결정립으로부터 생성되어 한방향으로 성장하기 때문에 균열의 전파가 쉬워 강도는 우수하나 인성이 상대적으로 열위하다.

산화물, 황화물, 질화물 등의 개재물이 없으면, 용접부 및 용접 열영향부는 핵생성 사이트가 없기 때문에 에시큘라 페라이트 변태가 불가능하며, 오스테나이트로부터 베이나이트 조직으로 변태하여 우수한 강도와 인성의 조합을 얻기 어렵다. 따라서, 상기 개재물들을 생성시키는 S, N, Al, Ti, B 등의 합금원소를 첨가하였다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

하기 표 1에 나타낸 조성의 강에 대하여 표 2와 같은 조건으로 열연강판을 제조하였다.

강종	C	Si	Mn	Cu	Cr	Ni	P	S	Al	Nb	N	기타
1	0.07	0.45	0.82	0.29	0.45	0.13	0.11	0.021	0.03	0.020	0.027	Ti:0.072 B:0.018
2	0.08	0.42	0.79	0.33	0.42	0.15	0.11	0.017	0.028	0.022	0.038	Ti:0.054 B:0.012
3	0.07	0.43	0.80	0.26	0.48	0.15	0.09	0.012	0.032	0.032	0.014	Ti:0.034 B:0.009
4	0.07	0.45	0.78	0.28	0.47	0.14	0.10	0.006	0.032	0.023	0.014	-
5	0.08	0.40	0.81	0.27	0.40	0.14	0.09	0.014	0.022	0.029	0.004	Ti:0.032 B:0.005

상기 표 1에서 강종 1, 2, 3은 발명의 범위에 속하지만, 강종 4, 5는 발명강의 성분 조건에서 벗어난 강종이다.

삭제

표 1의 강종에 대한 제조조건, 즉, 사상압연후 냉각속도(ROT 냉각속도), 권취온도에 따른 최종 미세조직(에시큘라 페라이트 조직의 생성여부) 및 인장강도를 표 2에 나타내었다.

강종	강종-제조조건	열연공정			용접열영향부
강종	강종-제조조건	ROT 냉각속도 (℃/s)	권취 온도 (℃)	인장 강도 (MPa)	미세 조직	인장강도 (MPa)	연신율 (%)	충격인성 (0℃) (J)
1	1-1 (비교강1)	5	400	523	AF	458	35	89
1	1-2 (발명강1)	50	450	688	AF	469	34	72
2	2-1 (발명강2)	50	550	731	AF	502	33	82
2	2-2 (비교강2)	50	650	584	AF	488	34	77
3	3-1 (비교강3)	50	450	576	AF	442	35	88
3	3-2 (비교강4)	5	500	505	AF	435	35	79
4	4-1 (비교강5)	50	450	669	B	440	31	41
5	5-1 (비교강6)	50	450	711	B	490	32	35
5	5-2 (비교강7)	5	550	597	B	493	32	33

상기 표 2에서 나타난 바와 같이, 발명강 1, 2는 열연시 인장강도가 600MPa 이상으로 높으며, 용접후 에시큘라 페라이트 조직의 형성으로 우수한 강도와 인성을 조합을 얻는데 반해, 기타 비교강들은 열연시 고강도화와 용접시 우수한 강도-인성 조합을 동시에 만족할 수 없었다.

도1은 냉각속도에 따른 미세조직 변화를 나타내는 개략도이다.

도2는 에시큘라 페라이트 및 베이나이트 조직 모식도이다.

Claims

중량%로, C: 0.03~0.12%, Si: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음), Mn: 0.5~1.5%, Cu: 0.1~0.6%, Cr: 0.2~1.5%, Ni: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.05~0.15%, S: 0.01~0.1%, Al: 0.01~0.1%, Nb: 0.01~0.05%, N: 0.01~0.05%, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, Ti: 48/14×[N]% 이하, B: 11/14×[N]% 이하로 구성되는 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종을 추가적으로 포함하고, 그 조직이 초석 페라이트의 분율이 50% 이하 및 나머지는 페라이트/베이나이트 복합조직 또는 페라이트/마르텐사이트 복합조직으로 구성되는 것을 특징으로 하는 용접부 강도와 인성이 우수한 고강도 내후성 열연강판.
제1항에 있어서, 상기 열연강판을 이용하여 용접을 할 경우, 용접 열영향부(HAZ)의 미세조직이 산화물, 황화물, 질화물 등의 개재물로부터 생성되어 성장한 침상형 에시큘라 페라이트 조직으로 구성되는 것을 특징으로 하는 용접부 강도와 인성이 우수한 고강도 내후성 열연강판.
중량%로, C: 0.03~0.12%, Si: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음), Mn: 0.5~1.5%, Cu: 0.1~0.6%, Cr: 0.2~1.5%, Ni: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.05~0.15%, S:

0.01~0.1%, Al: 0.01~0.1%, Nb: 0.01~0.05%, N: 0.01~0.05%, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를

Ar3 변태점 이상에서 열간 마무리압연하고 냉각속도 50℃/s 이상으로 냉각하여 Bs(베이나이트 변태 시작온도)이하에서 권취하는 것을 특징으로 하는 용접부 강도와 인성이 우수한 고강도 내후성 열연강판의 제조방법.