KR100984413B1

KR100984413B1 - 저온용 강재 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100984413B1
Application number: KR1020087006436A
Authority: KR
Inventors: 가즈키 후지와라; 도모야 가와바타; 슈지 오카구치; 가즈시게 아리모치
Original assignee: 수미도모 메탈 인더스트리즈, 리미티드
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2006-01-13
Publication date: 2010-09-29
Also published as: EP1942203B1; EP1942203A1; EP1942203B9; JP4872917B2; WO2007034576A1; JPWO2007034576A1; EP1942203A4; KR20080038226A

Abstract

9％Ni 강보다 적은 Ni함유량으로, 9％Ni 강과 동등한 성능을 가진 강재 및 그 제조 방법이다. 그 강재는, 질량％으로, C： 0.01~0.1%, Si： 0.005~0.6％, Mn： 0.3~2％, Ni： 6％초과, sol.Al： 0.005~0.05％, N： 0.0005~0.005％를 함유 해, 잔부는 Fe 및 불순물로부터 되어, 아래와 같은 (1)식을 만족시키는 강재이며, 면적비로 해서 1.7％이상의 오스테나이트를 포함해, 그 오스테나이트는 어스펙트비가 평균 3.5 이하이고, 한편 평균원 상당 입경이 1.0㎛ 이하, 또는/및 함유된 세멘타이트가 어스펙트비가 평균 5.0 이하로, 한편 평균원 상당경이 0.6㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 저온용 강재이다. 이 강재는, 또한 Mo, Cu, Cr, V, Nb, Ti, B, Ca 및 Mg의 1종 이상을 포함해도 괜찮다.

20C＋2.4Mn＋Ni≥10·…(1)

Description

저온용 강재 및 그 제조 방법{STEEL PRODUCT USABLE AT LOW TEMPERATURE AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF}

본 발명은, 저온용 Ni함유강재, 특히 LNG 등의 저온 저조 탱크의 구조재로서 상당히 적합한 Ni함유강재, 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

LNG 등의 저온 물질의 저조탱크를 제조하기 위한 저온용 강에는, 안전성 확보의 측면에서 우수한 파괴 인성이 요구된다. 그 요구에 응하는 강의 대표예는 9％Ni강이다.

종래, P, S를 비롯한 불순물의 저감이나 C의 저감, 또한 3단 열처리법, 즉 「담금질(Q), 2상역(相域) 담금질(L) 및 뜨임(T)」이라는 열처리, 등의 9％Ni강에 대한 여러 가지의 개선이 실시되어 왔다. 한편, Ni함유강의 강도 및 인성 향상에 유효한 합금 원소로서 Mo의 첨가가 검토되어 왔다. 상기의 QLT나 Mo의 첨가는, 인성 개선의 근간이 되는 잔류 오스테나이트 양을 증가시키기 위해서이다. 이러한 종래 기술의 상황을 특허 문헌을 근거로 개괄하면 다음과 같다.

특허 문헌 1에는 Mo： 0.04~0.5％를 첨가한 3단 열처리법(QLT) 또는 직접 담금질-2상 담금질(DQ－LT)법에 따라 제조한, 판 두께 40㎜ 이상의 9Ni강이 개시되어 있다.

특허 문헌 2에는, 담금질-뜨임법(QT) 또는 직접 담금질-뜨임(DQ－T)법에 의한 판 두께 40㎜ 이상의 9Ni강의 제조 방법이 개시되어 있다.

근년에, 합금 원소 가격의 상승 등으로 강재의 가격이 급등하고 있다. Ni 등 고가의 합금 원소를 다량으로 첨가해야 하는 9％Ni강에 있어서는, 합금 원소의 가격 상승은 보다 한층 더 강재 가격의 상승을 초래한다. 그래서, 강재 가격의 억제를 위해, 생산 비용 절감을 위해 적은 Ni함유량으로 9％Ni강과 동등 이상의 성능, 예를 들면 뛰어난 인성을 가진 강재의 개발이 필요해지고 있다. 이러한 저Ni형 저온용 강에 관한 종래 기술로서는 아래와 같은 것이 있다.

특허 문헌 3에는 4.0~7.5％의 Ni를 함유하고, Ms점이 370℃ 이하가 되는 저온용 강이 개시되어 있다. 또, 상기의 특허 문헌 2에는, 7.5~10％의 Ni를 함유하는 강과 DQ－LT에 의한 제조법이 나타나 있다. 또한, 특허 문헌 4에는 5.5~10％의 Ni를 함유하는 강 및 그 연속 주조법이 나타나 있다.

특허 문헌 5 및 특허 문헌 6에는 1.5~9.5％의 Ni와 0.02~0.08％의 Mo를 함유하는 강이 개시되어 있다.

[특허 문헌 1： 일본국 특허 공개 평4－371520호 공보]

[특허 문헌 2： 일본국 특허 공개 평6－184630호 공보]

[특허 문헌 3： 일본국 특허 공개 평6－136483호 공보]

[특허 문헌 4： 일본국 특허 공개 평7－90504호 공보]

[특허 문헌 5： 일본국 특허 공개 평9－302445호 공보]

[특허 문헌 6： 일본국 특허 공개 2002－129280호 공보]

그러나, 특허 문헌 1에는 압연의 상세한 조건이 기재되어 있지 않고, Ni함유량이 6％ 초과 8％ 미만의 강으로 후술하는 본원 발명의 강과 동등한 성능은 얻지 못한다.

특허 문헌 2에는, 7.52％의 Ni를 함유하는 강이 비교예로서 예시되어 있지만, 그 강은, 화학 성분 및 제조 방법이 적절하지 않기 때문에, 잔류 오스테나이트 양이 1.5％로 불충분하고, 9％Ni강과 동등한 성능이 얻어지지 않는다. 따라서, 그 강은 비교예로서 취급되어 있다.

특허 문헌 3에는, 용접 열영향부(HAZ)의 인성 개선 방법이 개시되어 있지만, 9％Ni강 수준의 모재 특성을 얻기 위한 화학 성분의 설계나 제조 방법에 대해서는 개시되어 있지 않고, 모재 특성 그 자체도 개시되어 있지 않다.

상기의 특허 문헌 2에는 700~900℃에서의 압하율을 20~90％로 한다고 기재되어 있지만, 1패스당의 압하율에 대한 기재가 없고, 그 제조법으로 제조된 강은 -196℃에서의 인성이 250J로 이르지 않았다.

특허 문헌 4에는, 연속 주조 가능한 성분계가 기재되어 있지만, 모재의 제조 방법이나 모재 특성에 대해서는 개시되어 있지 않다. 또, 구체적으로 나타낸 Ni량의 최소값은 9.08％이고, 저Ni로 9％Ni강과 동등한 모재 성능을 얻는 수단은 개시되어 있지 않다.

특허 문헌 5 및 특허 문헌 6에서는 400℃ 이하에서 수냉을 정지하는 DQ－LT의 제조법이 개시되어 있다. 그러나, 가열 온도나 압연 조건이 개시되어 있지 않다. 또, 7％Ni 정도의 특성은 개시되어 있지 않고, 실시예로서 나타내었듯이, 모재 인성은 9％Ni강에서는 vTs가 -196℃미만이 되는 것에 반해, 5.0％Ni강에서는 vTs는 -160℃, 1.5Ni강에서는 vTs는 -125℃로 Ni량의 감소가 인성 열화에 직결된다.

이상과 같이, 상기의 각 문헌에는, 9％Ni강보다 저Ni이면서, 9％Ni강과 동등한 성능을 가진 강 및 그 제조 방법은 구체적으로 개시되어 있지 않다.

[발명이 해결하려고 하는 과제]

본 발명의 목적은, 9％Ni강보다 적은 Ni함유량으로, 9％Ni강과 동등한 성능을 가진 강재 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명자는, 상기의 목적을 달성하기 위해, 상술의 종래 기술을 자세하게 검토하였다. 그 결과, 종래의 기술로서는 조직 미세화와 잔류 오스테나이트 양의 확보가 불충분한 것을 알게 되었다. 즉, 모재 조직 그 자체를 미세화함과 더불어, 9％Ni강보다 적은 Ni함유량으로도 오스테나이트를 안정화시키는 수단이 필요한 것이다.

9％Ni강보다 적은 Ni함유량으로 오스테나이트를 안정화시키는 수단으로서는, 종래에 알려져 있는 Mo의 미량 첨가 외에, 이하의 수단이 있는 것이 판명되었다.

제1 수단은, 미변태 오스테나이트로의 격자 결함의 도입에 의해, 마르텐사이트 변태가 종료하는 Mf점을 저하시키는 방법이다. 오스테나이트로부터 마르텐사이트로의 변태는, 전위의 이동에 의한 전단형 변태이고, 오스테나이트 중에 존재하는 격자 결함은 전위 이동의 방해가 되고, 오스테나이트로부터 마르텐사이트로의 전단형 변태의 종료를 지연시켜 마르텐사이트 종료점인 Mf점을 저온 측으로 이행시킨다. Mf점을 저온측으로 이행시킴으로써, 실온으로 잔류하는 오스테나이트 양을 증가시킬 수 있다.

제2 수단은, 미변태 오스테나이트상의 미세화이다. 미변태 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태했을 경우, 전단형 변태에 의해 순간적으로 생성되는 마르텐사이트의 최소 단위(라스)의 크기는, 두께 방향으로 0.5~1㎛정도이다. 이 변태는, 실제로는 체적 팽창을 수반한다. 따라서, 미변태 오스테나이트 상의 크기가, 이 마르텐사이트의 최소 단위와 동등, 또는 그보다 작아지면, 팽창에 의한 마르텐사이트 변태는 현저하게 억제되고, 오스테나이트는 실제 화학 성분량으로부터 얻을 수 있는 것보다 현저하게 안정화되는 것을 알게 되었다.

이렇게 해서 얻어진 저Ni강의 잔류 오스테나이트는, 그 양에 대해 종래의 9％Ni강의 담금질-뜨임재로 얻어지는 잔류 오스테나이트 양과 필적할 뿐만 아니라, 그 형태는 다음과 같은 특징이 있다. 즉, 종래의 9％Ni강의 담금질-뜨임재로 얻을 수 있는 잔류 오스테나이트는 2차원 관찰에서는 침(針)상의, 3차원적으로는 얇은 판 모양의 형태를 나타내고, 어스펙트비는 큰 것이다. 그러나, 저Ni강으로 얻어진 오스테나이트는, 전체량은 9％Ni강과 거의 동등해도, 2차원 관찰에서는 입상이 지극히 미세한 형태인 것이 특징이다. 따라서, 저Ni이라도 전술의 이유에 의해 잔류 오스테나이트가 안정적으로 존재한다.

미변태 오스테나이트에 격자 결함(전위)을 도입하고, 동시에 미변태 오스테나이트상을 미세하게 하려면, 가열, 압연 및 냉각 조건이 중요하다. 저온으로 강 압하를 하면 격자 결함(전위)이 다량으로 도입되고, 그 후의 조직이 미세하게 되는 것이 알려져 있다. 또, 상기의 미세화에는 특히 미량 원소로서 Nb의 첨가가 효과적이다. 이는 Nb(C, N)의 미세 석출이 전위의 이동을 방해하고 오스테나이트 중의 격자 결함(전위) 밀도를 증가시키기 때문이다.

이상의 지견에 근거하여 이루어진 본 발명은 아래와 같은 강재 및 그 제조 방법을 요지로 한다.

(1) 질량％로, C： 0.01~0.1%, Si： 0.005~0.6％, Mn： 0.3~2％, Ni： 6％ 초과 8％ 미만, sol.Al： 0.005~0.05％, N： 0.0005~0.005％를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 아래와 같은 (1)식을 만족하는 강재로서, 면적비로 해서 1.7％ 이상의 오스테나이트를 포함해, 그 오스테나이트는 어스펙트비가 평균 3.5 이하이고, 동시에 평균원 상당 입경이 1.0㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 저온용 강재.

20C+2.4Mn+Ni≥10·…(1)

다만, (1)식 중의 원소 기호는 그 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.

(2) 질량％로, C： 0.01~0.1%, Si： 0.005~0.6％, Mn： 0.3~2％, Ni： 6％ 초과 8％ 미만, sol.Al： 0.005~0.05％, N： 0.0005~0.005％를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어져, 아래와 같은 (1)식을 만족하는 강재이고, 면적비로 해서 1.7％ 이상의 오스테나이트를 포함해, 함유된 세멘타이트의 어스펙트비가 평균 5.0 이하이고, 한편 평균원 상당경이 0.6㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 저온용 강재.

20C+2.4Mn+Ni≥10·…(1)

(3) 질량％로, C： 0.01~0.1%, Si： 0.005~0.6％, Mn： 0.3~2％, Ni： 6％ 초과 8％ 미만, sol.Al： 0.005~0.05％, N： 0.0005~0.005％를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로부터 이루어지고, 하기의 (1)식을 만족하는 강재로서, 면적비로 해서 1.7％ 이상의 오스테나이트를 포함해, 그 오스테나이트는 어스펙트비가 평균 3.5 이하이고 평균원 상당 입경이 1.0㎛ 이하이고, 더 함유된 세멘타이트의 어스펙트비가 평균 5.0 이하이고, 평균원 상당경이 0.6㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 저온용 강재.

20C+2.4 Mn+Ni≥10…(1)

(4) Fe의 일부에 대신해 더욱 질량％로, Mo： 0.1％ 이하, Cu： 2.0％ 이하, Cr： 0.8％ 이하, v： 0.08％ 이하, Nb： 0.08％ 이하, Ti： 0.03％ 이하, B： 0.0030％ 이하, Ca： 0.0050％ 이하 및 Mg： 0.0050％ 이하 중에서 선택한 1종 이상을 함유하고, 하기와 같은 (2)식을 만족하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)로부터 (3)까지의 어느 기재의 저온용 강재.

20C+2.4Mn+Ni+0.5Cu+0.5Mo≥10…(2)

다만, (2)식 중의 원소 기호는 그 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.

(5) 상기 (1)로부터 (4)까지의 어느 기재의 화학 조성을 가진 강편(鋼片)을 850~1050℃로 가열해, 700~830℃의 온도 영역에서 1패스당 5％ 이상으로 누적 압하율 25％ 이상의 압연을 실시해, 700~800℃의 온도 영역에서 압연을 마무리한 후, 즉시 200℃ 이하의 온도 영역까지 가속 냉각을 행하는 제조 방법로서, 그 가속 냉각에 있어서의 냉각 개시 온도부터 적어도 600℃까지는 10℃/s 이상의 냉각 속도로 하고, 또 냉각 개시 온도로부터 200℃까지의 냉각 속도를 5℃/s 이상으로 하며, 그 가속 냉각 후에, 650℃ 이하의 온도에서 뜨임을 하는 것을 특징으로 하는 저온용 강재의 제조 방법.

(6) 압연 후의 가속 냉각과 650℃ 이하에서의 뜨임 사이에, 600~800℃로 가열하고, 200℃ 이하까지 5℃/s 이상으로 냉각하는 2상역 열처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기(5)에 기재된 저온용 강재의 제조 방법.

[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]

본 발명에 있어서, 강재의 화학 조성 및 금속 조직 및 제조 조건을 상술과 같이 규정한 이유에 대해, 이하에 상술한다. 또한, 강재의 성분 함유량에 대한 「％」는 「질량％」이다.

C： 0.01~0.1%

C는, Mf점을 저하시켜, 잔류 오스테나이트의 안정화에는 유효한 원소이다. 그러나, 마르텐사이트 소지 그 자체를 경화시켜, 오스테나이트 양의 증가에 의한 인성 개선 이상으로 인성 열화를 일으키게 한다. 따라서, C의 함유량은, 강도를 확보하는데 필요한 양 이상으로 하고, 인성을 열화시키는 과대량을 피하는 것이 중요하다. 0.01％ 미만에서는 강도가 부족해, 0.1％를 초과하면 인성이 연화된다. 따라서 C의 함유량은 0.01~ 0.1％로 한다. 보다 바람직한 범위는 0.03~0.07％이다.

Si： 0.005~0.6％

Si는, 탈산 원소로서 유효하다. 또, 세멘타이트의 석출을 억제하고 뜨임으로의 오스테나이트의 안정화를 개선하는 원소로서 유효하다. 그러나, Si의 함유량이 지나치게 많으면 인성 열화를 일으킨다. 따라서, 함유량을 0.005~0.6％로 한다. 바람직한 것은 0.03~0.5％, 보다 바람직한 것은 0.1~0.3％이다.

Mn： 0.3~2％

Mn은, Mf점을 저하시켜 오스테나이트를 안정화하는데 유효하고, 그 함유량이 많을수록 다량의 오스테나이트를 얻을 수 있다. 그러나, Mn함유량이 과다하게 되면, 마르텐사이트 소지의 인성을 열화시킨다. 따라서 함유량을 0.3~2.0％로 한다.보다 바람직한 하한은 0.5％, 더 바람직한 하한은 0.7％이다. 또, 바람직한 상한은 1.5％, 더 바람직한 상한은 1.0％이다.

Ni： 6％ 초과 8％ 미만

Ni는, 강의 강도를 상승시킴과 더불어 오스테나이트의 안정화에 기여하기 때문에, 본 발명 강의 가장 중요한 원소이다. 함유량이 많을수록 강도가 상승함과 더불어 Mf점이 저하하고 잔류 오스테나이트 양이 증가하기 때문에 바람직하다. 그렇지만, Ni를 다량으로 함유시키는 것은 생산 비용 상승을 초래하기 때문에, 8％미만으로 한다. 보다 바람직한 상한은 7.5％이다. 한편, 본 발명의 목적의 하나는 9％Ni강과 동등한 성능을 가진 강재를 얻는 것에 있고, 그 목적을 달성하기 위해서는, 6％를 초과하는 Ni함유량이 필요하다. 보다 바람직한 하한은 6.5％이다.

sol.Al： 0.005~0.05％

Al은, Si와 같이 탈산 원소로서 또, 세멘타이트의 석출을 억제해 뜨임으로 오스테나이트의 안정화를 개선하는 원소로서 유효하다. 또한 Al은, N과 결합하여 AlN이 되어 가열시의 오스테나이트입의 미세화에 기여하는 효과도 가진다. 따라서, sol .Al로서 0.005％ 이상의 함유가 필요하다. 그러나, Al함유량이 과다하게 많으면 인성 열화를 일으킨다. 따라서, 함유량을 sol.Al로서 0.005~0.05％로 한다. 보다 바람직한 함유량의 범위는, 0.02％~0.04％이다.

N： 0.0005~0.005％

N은, 오스테나이트의 안정화에 기여하는 원소이기 때문에 첨가하는 것이 바람직하다. 또, Al과 결합해 AlN이 되고 가열시의 오스테나이트입의 미세화에 효과를 발휘한다. 이러한 효과를 얻으려면 0.0005％ 이상의 함유가 필요하다. 그러나, 과잉 N은 마르텐사이트 소지를 열화시키기 때문에, 그 함유량은 0.005％ 이하로 할 필요가 있다. 보다 바람직한 함유량의 범위는 0.002％~0.004％이다.

본 발명의 강재의 하나는, 상기의 성분 외에, 잔부가 Fe와 불순물로 이루어진 것이다. 본 발명의 강재의 또 하나는, 상기의 성분에 더해 Mo, Cu, Cr, V, Nb, Ti, B, Ca 및 Mg 중에서 선택한 1종 이상을 함유하는 강재이다. 이하, 이들의 성분에 대해 서술한다.

Mo： 0.1％ 이하

Mo는, 저온 영역에서는 오스테나이트 안정화 원소로서 오스테나이트 양의 증가에 유효하다. 이 효과를 얻으려면 0.01％ 이상의 함유가 바람직하다. 그러나, Mo의 함유량이 0.1％를 초과하면 마르텐사이트 소지의 열화를 통해 인성이 저하하기 때문에 0.1％ 이하로 할 필요가 있다. 보다 바람직한 함유량의 하한은 0.02％, 바람직한 상한은 0.06％, 더 바람직한 상한은 0.05％이다.

Cu： 2.0％ 이하

Cu는, 고용상태로 오스테나이트를 안정화시키는 원소로서, 첨가하는 것이 바람직하다. 이 효과를 얻기 위해서는 0.05％ 이상의 함유가 바람직하다. 그렇지만, 뜨임 처리에 의해, 고용Cu가 ε-Cu로서 석출되기 때문에, 고강도화에는 유효하지만 인성을 열화시킨다. 따라서, 함유량의 상한을 2.0％로 한다.

Cr： 0.8％ 이하

Cr는, 강도 상승에 유효한 원소로서, 이 효과를 얻기 위해서는 0.05％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그렇지만, 그 함유량이 0.8％를 초과하면 인성이 열화하기 때문에, 0.8％을 상한으로 한다.

V： 0.08％ 이하

V는, 강의 고강도화에 유효한 원소로서, 뜨임 처리에 의해서 석출물이 되고,강을 강화한다. 그 효과를 얻기 위해서는, 함유량을 0.005％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 그 함유량이 0.08％를 초과하면 과잉인 석출물에 의해 인성이 열화하기 때문에 0.08％ 이하로 한다.

Nb： 0.08％ 이하

Nb는, 압연에서의 미재결정 온도 영역을 확대해, 압연 후의 조직 미세화와 고인화에 유효하다. 이 효과를 얻으려면 0.005％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 그 함유량이 0.08％를 초과하면 인성이 열화 하기 때문에, 상한을 0.08％로 한다.

Ti： 0.03％ 이하

Ti는, 슬라브의 균열 방지에 유효한 원소로서, 이 효과를 얻으려면 0.005％ 이상의 함유가 바람직하다. 그러나, 그 함유량이 0.03％을 넘으면 인성이 열화되기 때문에, 상한을 0.03％로 한다.

B： 0.0030％ 이하

B는 강도 상승에 유효한 원소로서, 이 효과를 얻으려면 0.0002％ 이상 함유 시키는 것이 바람직하다. 그러나, B의 함유량이 0.0030％을 초월하면 인성이 열화하기 때문에, 상한을 0.0030％로 한다.

Ca： 0.0050％ 이하

Ca는 인성 개선에 유효한 원소로서, 이 효과를 얻으려면 0.0002％ 이상의 함유가 바람직하다. 그러나, 그 함유량이 0.0050％를 초과하면 인성이 열화되기 때문에 상한을 0.0050％로 한다.

Mg： 0.0050％ 이하

Mg는 인성 개선에 유효한 원소로서, 이 효과를 얻으려면 0.0005％ 이상 함유 시키는 것이 바람직하다. 그러나, 그 함유량이 0.0050％를 초월하면 인성이 열화하기 때문에, 상한을 0.0050％로 한다.

20C+2.4Mn+Ni≥10, 또는

20C+2.4Mn+Ni+0.5Cu+0.5Mo≥10

Ni의 함유량을 감소시켜 강재로 9％Ni강과 동등한 인성을 얻으려면 잔류 오스테나이트 양의 확보가 중요하다. 가열, 압연 및 열처리의 조건에 의해, 얻을 수 있는 잔류 오스테나이트 양은 변화하지만, 오스테나이트를 안정화시키는 화학 성분의 첨가도 중요하다. 이 때문에, 「20C＋2.4Mn＋Ni」또는 「20C＋2.4Mn＋Ni＋0.5Cu＋0.5Mo」의 값으로 10 이상이 필요하다. 보다 바람직한 것은, 10.5 이상, 12 이하이다.

오스테나이트 양：

강재의 오스테나이트 양은 저Ni에서도 인성을 개선하는 수단으로서 중요하다. 저Ni강이라도 9％Ni강과 동등한 인성을 얻기 위해서는, 면적비로 해서 1.7％ 이상의 오스테나이트 양이 필요하다. 바람직한 하한은 2.0％, 더 바람직한 하한은 3.0％이다. 오스테나이트 양은 많으면 많을수록 인성 개선에 유효하기 때문에, 상한은 규정하지 않지만, 40％를 초과하면 강도가 부족하다. 따라서, 오스테나이트 양의 상한은 40％가 바람직하다.

오스테나이트의 형태：

저Ni함유량으로 오스테나이트를 안정화하기 위해서는, 미변태 오스테나이트상을 미세하게 할 필요가 있다. 이에 의해서는, 오스테나이트를 미세한 입상으로 할 필요가 있고, 그 어스펙트비를 평균 3.5 이하, 평균원 상당경을 1.0㎛ 이하로 할 필요가 있다. 바람직한 어스펙트비는 2.5 이하이다. 여기에서, 원상당경이라는 것은 오스테나이트의 투영 면적을 동일한 면적의 원으로 했을 경우의 원의 직경이라는 것이다. 또한, 원상당경이라는 것은 압연 방향과 평행한 면(판 두께와 수직 방향)에 강재를 절단했을 때에 관찰되는 조직을 측정해 얻을 수 있는 것이고, 오스테나이트의 투영 면적은 화상 해석 장치를 이용해 측정할 수 있다.

세멘타이트의 형태：

세멘타이트는, 마르텐사이트 소지로부터 석출됨과 더불어, 미변태 오스테나이트가 분해해 석출된다. 전자의 석출은 마르텐사이트의 강도를 저하시킴과 더불어, 인성을 열화시킨다. 따라서, 세멘타이트의 크기는, 평균원 상당경이 0.6㎛ 이하일 필요가 있다. 또한, 세멘타이트의 원상당경은, 상술한 오스테나이트의 원상당경과 동일하고, 오스테나이트 대신에 세멘타이트에 대해 측정한 것이다.

다음에 상기의 강재의 제조 방법에 대해 서술한다.

(1)강편의 가열

강재의 인성 향상을 위해서는, 초기 오스테나이트입이, 즉 압연 전의 강편에서의 오스테나이트입의 미세화가 중요하고, 이 오스테나이트입의 미세화는 잔류 오스테나이트 양의 증가에도 기여한다. 따라서, 압연 전의 강편의 가열 온도를 850~1050℃로 한다. 850℃보다 저온에서의 가열은 강도가 부족하고, 또 1050℃를 초과하는 온도에서의 가열은 인성이 열화된다. 보다 바람직한 가열 온도는 900~1000℃이다.

(2) 압연

조직 미세화와 오스테나이트 양의 증가를 위해서는, 오스테나이트의 미재결정 영역에서 충분한 압연을 실시해야 한다. 700~830℃의 온도 영역에서 1패스당 5％ 이상으로 누적 압하율 25％ 이상의 압연은, 미재결정 오스테나이트 온도 영역에서 오스테나이트 중에 격자 결함(전위)을 도입해, 미변태 오스테나이트의 마르텐사이트로의 변태를 억제하는데 필요하다. 이때, 700~800℃의 온도에서 압연을 마무리하는 것이 필요하다. 마무리 온도가 700℃보다 낮으면 강재의 이방성이 현저해 진다. 또, 마무리 온도가 800℃을 초과하면 인성이 열화된다.

(3) 냉각

압연 종료후, 200℃ 이하의 온도 영역까지 가속 냉각을 할 필요가 있다. 여기서, 냉각 개시부터 적어도 600℃까지는, 10℃/s 이상으로 냉각할 필요가 있다. 이는, 마무리 압연에 도입된 격자 결함(전위)을 가능한 한 많이 함유시키기 때문이다. 또, 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있도록 하기 위해, 냉각 개시 온도로부터 200℃ 이하까지 5℃ 이상의 속도로 냉각할 필요가 있다. 200℃보다 고온으로 가속 냉각을 정지했을 경우에는, 충분히 마르텐사이트를 얻지 못하고 강도가 연화된다. 압연 마무리로부터 수냉 개시까지의 시간은 짧은 것이 좋고, 압연 종료로부터 수냉 개시까지를 30초 이내로 하는 것이 바람직하다.

(4) 뜨임

가속 냉각 후에는, 650℃ 이하의 온도에서 뜨임을 할 필요가 있다. 이에 의해 냉각 처리, 즉 담금질에 의해 생성된 마르텐사이트를 뜨임을 할 수 있고, 강도를 조정함과 더불어, 인성을 개선할 수 있다. 650℃를 초과하는 온도에서 뜨임을 행하면 강도가 저하한다.

(5) 2상역 가열

잔류 오스테나이트 양을 더 증가시키기 위해서는, 뜨임 전에 페라이트와 오스테나이트의 2상역에 가열을 하는 것이 바람직하다. 그 2상역 열처리는, 600~800℃로 가열해, 그 후 200℃ 이하까지 5℃/s의 냉각 속도로 냉각하는 처리로 할 필요가 있다. 또한, 2상역 열처리의 가열 온도의 보다 바람직한 범위는, 680~750℃이다.

표 1에 나타낸 화학 조성을 가진 공시재를 용제(溶製)하여, 판 두께 20㎜의 강판을 시작(試作)했다. 제조 조건을 표 2에 나타낸다. 얻어진 강판의 판 두께의 1/4부(1/4t부)로부터 인장 시험편 및 샤르피 시험편을 채취했다. 오스테나이트 양은 X선으로 측정했다. 또, 오스테나이트 및 세멘타이트의 크기 및 형태는, 투과형 전자현미경에 의해 40000배의 배율로 20시야(視野)씩 관찰해, 평균 어스펙트비를 구함과 더불어, 평균원 상당 입경을 화상 해석 장치에 의해 구했다. 측정 결과를 표 3에 나타낸다.

［표 1］

［표 2］

［표 3］

표 3에 나타낸 「본 발명예」는, 본 발명에서 정하는 화학 조성을 가지고, 본 발명의 제조 방법으로 제조한 것이며, 상기의 (1)식 또는 (2)식을 만족시키고, 오스테나이트의 면적율, 형태 및 세멘타이트의 형태가 모두 본 발명에서 정한 조건 을 만족시키는 것이다. 그리고, 그 본 발명예에서는, YS가 585㎫ 이상, TS가 690~825㎫이고, -196℃에서의 샤르피 충격 에너지가 250J 이상이다.

특히, 금속 조직에 관한 2개의 요건, 즉 면적비로 해서 상기 1.7％ 이상의 오스테나이트를 포함해, (1)그 오스테나이트는 어스펙트비가 평균 3.5 이하이고, 평균원 상당 입경이 1.0㎛ 이하인 것, (2)세멘타이트의 어스펙트비가 평균 5.0 이하이고, 평균원 상당경이 0.6㎛ 이하인 것의 (1)과 (2) 양자를 만족시킬 경우(시험 번호 T2, T4, T6, T7, T8, T10, T13 및 T15)에는, 흡수 에너지가 290J 이상인 높은 인성을 갖는다.

한편, 화학 조성 그 외의 조건 중 어느 것이 본 발명에서 정하는 범위내에 없는 비교예는, 모두 충격 에너지가 낮고, 저온 인성이 불충분하다.

또한, 종래법(담금질-뜨임)으로 제조된 동일 두께의 9％Ni강의 기계적 특성은, YS가 610㎫, TS가 720㎫이고, -196℃에서의 샤르피 흡수 에너지는 280J이다. 이에 의해, 본 발명 강은 Ni 양이 적음에도 불구하고, 9％Ni강과 동등한 성능을 가지는 것을 알 수 있다.

본 발명에 의하면, 6％ 초과 8％ 미만이라고 하는 낮은 Ni함유량에서도, 9％의 Ni를 포함한 강과 동등 이상의 기계적 성질을 가진 강재가 얻어진다. 이 강재는 저렴하고 저온 인성이 뛰어나기 때문에, LNG와 같은 저온 물질 저장 탱크 등의 구조 재료로서 상당히 적합하다.

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질량％로, C: 0.01~0.1%, Si: 0.005~0.6%, Mn: 0.3~2％, Ni: 6％ 초과 8％ 미만, sol.Al: 0.005~0.05%, N: 0.0005~0.005%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 아래의 (1)식을 만족시키는 강재로서, 면적비로 해서 1.7％ 이상의 오스테나이트를 포함하고, 함유된 시멘타이트의 어스펙트비가 평균 5.0 이하이고, 또한 평균원 상당 입경이 0.6㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 저온용 강재.

20C+2.4Mn＋Ni≥10 ... (1)

단, (1)식 중의 원소 기호는 그 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.
질량％로, C: 0.01~0.1%, Si: 0.005~0.6%, Mn: 0.3~2％, Ni: 6％ 초과 8％ 미만, sol.Al: 0.005~0.05%, N: 0.0005~0.005%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 아래의 (1)식을 만족시키는 강재로서, 면적비로 해서 1.7％ 이상의 오스테나이트를 포함하고, 그 오스테나이트는 어스펙트비가 평균 3.5 이하이고, 또한 평균원 상당 입경이 1.0㎛ 이하이고, 함유된 시멘타이트의 어스펙트비가 평균 5.0 이하이고, 또한 평균원 상당 입경이 0.6㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 저온용 강재.

20C+2.4Mn＋Ni≥10 ... (1)

단, (1)식 중의 원소 기호는 그 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,

Fe의 일부를 대신하여 질량％로, Mo: 0.1％ 이하, Cu: 2.0% 이하, Cr: 0.8％ 이하, V: 0.08％ 이하, Nb: 0.08% 이하, Ti: 0.03% 이하, B: 0.0030% 이하, Ca: 0.0050% 이하 및 Mg: 0.0050% 이하 중에서 선택한 1종 이상을 더 함유하고, 아래 (2)식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 저온용 강재.

20C+2.4Mn＋Ni+0.5Cu+0.5Mo≥10 ... (2)

단, (2)식 중의 원소 기호는 그 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.
청구항 2 또는 청구항 3에 기재된 화학조성을 가진 강편을 850~1050℃로 가열하고, 700~830℃의 온도 영역에서 1패스당 5% 이상으로 누적 압하율 25% 이상의 압연을 실시하고, 700~800℃의 온도 영역에서 압연을 마무리한 후 바로 200℃ 이하의 온도 영역까지 가속 냉각을 실시하는 제조방법으로서, 그 가속 냉각에 있어서의 냉각 개시 온도부터 적어도 600℃까지는 10℃/s 이상의 냉각 속도로 하고, 또 냉각 개시 온도부터 200℃까지의 냉각 속도를 5℃/s 이상으로 하고, 또한 그 가속 냉각 후에 650℃ 이하의 온도에서 뜨임(tempering)을 하는 것을 특징으로 하는 저온용 강재의 제조방법.
청구항 5에 있어서,

압연 후의 가속 냉각과, 650℃ 이하에서의 뜨임 사이에, 600~800℃로 가열하고, 200℃ 이하까지를 5℃/s 이상으로 냉각하는 2상역(二相域) 열처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온용 강재의 제조방법.
청구항 4에 기재된 화학조성을 가지는 강편을 850~1050℃로 가열하고, 700~830℃의 온도 영역에서 1패스당 5% 이상으로 누적 압하율 25% 이상의 압연을 실시하고, 700~800℃의 온도 영역에서 압연을 마무리한 후 바로 200℃ 이하의 온도 영역까지 가속 냉각을 실시하는 제조방법으로서, 그 가속 냉각에 있어서의 냉각 개시 온도부터 적어도 600℃까지는 10℃/s 이상의 냉각속도로 하고, 또 냉각 개시 온도부터 200℃까지의 냉각 속도를 5℃/s 이상으로 하고, 또한 그 가속 냉각 후에 650℃ 이하의 온도에서 뜨임을 하는 것을 특징으로 하는 저온용 강재의 제조방법.
청구항 7에 있어서,

압연 후의 가속 냉각과, 650℃ 이하에서의 뜨임 사이에, 600~800℃로 가열하고, 200℃ 이하까지를 5℃/s 이상으로 냉각하는 2상역 열처리를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온용 강재의 제조방법.