KR101124808B1 - 용접 열영향부의 인성이 우수한 강재 - Google Patents

용접 열영향부의 인성이 우수한 강재 Download PDF

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Abstract

본 발명의 과제는, 대입열 용접 후의 HAZ 인성이 우수하고, 또한 주입시에 노즐 폐색이나 노즐 용손을 야기하지 않는 강재를 제공하는 것이다.
본 발명의 강재는, REM, Zr, Ti, Al, 및 Ca를 함유하는 복합 산화물을 포함하고, 상기 강재에 포함되는 전체 개재물의 조성을 측정하여 단독 산화물로 환산하였을 때, 하기 (A) 및 (B)를 만족하는 것이다.
(A) 전체 개재물에 대한 비율로, REM의 산화물(REM을 M의 기호로 나타내면 M2O3):5 내지 50％, ZrO2:5.0 내지 50％, TiO2:20.0％ 이하(0％를 포함하지 않음), Al2O3:20.0％ 이하(0％를 포함하지 않음), CaO:50.0％ 이하(0％를 포함함)를 만족한다. (B) REM의 산화물(M2O3), Al2O3 및 CaO의 합계량에 대한 비율이, 하기 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 만족한다.
[수학식 1]
Figure 112010018593203-pat00026

[수학식 2]

Description

용접 열영향부의 인성이 우수한 강재{STEEL HAVING EXCELLENT TOUGHNESS IN WELDING HEAT AFFECTED ZONE}
본 발명은, 교량이나 고층 건조물, 선박 등에 사용되는 강재이며, 특히 대입열(大入熱) 용접하였을 때의 용접 열영향부(이하, 단순히「HAZ」라 하는 경우가 있음)의 인성이 우수한 강재에 관한 것이다.
교량이나 고층 건조물, 선박 등에 사용되는 강재에 요구되는 특성은 최근 점점 엄격해지고 있고, 특히 양호한 인성이 요구되고 있다. 이들 강재는, 일반적으로 용접하여 접합되는 경우가 많지만, 용접 이음부 중 특히 HAZ는 용접시에 열영향을 받아 인성이 열화되기 쉽다고 하는 문제가 있다. 이 인성 열화는 용접시의 입열량이 커질수록 현저하게 나타나고, 그 원인은 용접시의 입열량이 커지면 HAZ의 냉각 속도가 느려지고, 켄칭성이 저하되어 조대한 섬 형상 마르텐사이트를 생성하는 데 있다고 생각되고 있다. 따라서 HAZ의 인성을 개선하기 위해서는, 용접시의 입열량을 최대한 억제하면 된다고 생각된다. 그러나 한편, 용접 작업 효율을 높이는 면에서는, 예를 들어 일렉트로 가스 용접, 일렉트로 슬래그 용접, 서브머지 용접 등의 열량이 50kJ/㎜ 이상인 대입열 용접법의 채용이 요망된다.
따라서 본 출원인은, 대입열 용접법을 채용한 경우의 HAZ 인성 열화를 억제하는 강재를 특허 문헌 1 내지 3에 제안하고 있다. 이들 강재는, 산화물로서 REM의 산화물 및/또는 CaO와, ZrO2를 함유하고 있는 것에 특징이 있다. 상기 산화물은, 용강 중에서는 액상으로 존재하기 때문에 강 중에 미세 분산하고, 게다가 용접시에는 열영향을 받아도 고용(固溶) 소실되지 않으므로, HAZ의 인성 향상에 기여한다.
한편, 특허 문헌 4 및 5에는, 주조시에 있어서의 노즐 폐색을 방지하는 용강의 용제 방법이 개시되어 있다. 이들 특허 문헌에는, 모재 및 용접 열영향부의 조직 제어에 유효한 Ti 산화물을 강 중에 존재시키면, 주입(鑄入)시에 노즐 폐색이 발생하기 쉬워져 생산성이 열화되는 것이 지적되어 있고, 산화물계 개재물(구체적으로는, Ti 산화물, Ca 산화물, REM 산화물, Al2O3)의 조성을 최적 범위로 조정하여 노즐의 폐색을 방지하고 있다.
그러나 상기한 특허 문헌 4 및 5에서는, 용접 입열량이 약 10kJ/㎜ 정도인 소입열(小入熱) 용접에 있어서의 용접 열영향부의 인성을 평가하고 있는 것에 지나지 않으며, 용접 입열량이 약 50kJ/㎜ 이상인 대입열 용접을 행하면, 용접 열영향부의 인성은 열화되는 것이 본 발명자들의 검토에 의해 명백해졌다.
또한, 용접 열영향부의 인성을 향상시키는 기술은 아니지만, 특허 문헌 6에는, 건축 구조물이나 교량, 해양 구조물, 조선 등의 분야에서 사용되는 REM 함유 강재를 제조하기 위해 REM 첨가 강을 용제하면, 주조시에 레이들 혹은 침지 노즐이 폐색하여, 주조 불가능해지는 것이 지적되어 있다. 이 문헌에는, 노즐 폐색은 REM 황화물에 의해 야기되는 것 ; 노즐 폐색을 회피하기 위해서는 REM 황화물을, 예를 들어 REM 옥시설파이드 등으로 하면 좋은 것이 개시되어 있다.
그러나 이들 특허 문헌 4 내지 6에서는, 노즐의 용손 방지에 대해 충분히 고려되어 있지 않다.
[특허문헌1]일본특허출원공개제2007-100213호공보 [특허문헌2]일본특허출원공개제2007-247004호공보 [특허문헌3]일본특허출원공개제2007-247005호공보 [특허문헌4]일본특허출원공개제2001-20031호공보 [특허문헌5]일본특허출원공개제2001-20033호공보 [특허문헌6]일본특허출원공개제2005-60739호공보
본 발명은, 상기 사정에 비추어 이루어진 것이며, 그 목적은 대입열 용접 후의 HAZ 인성이 우수하고, 또한 주입시에 노즐 폐색이나 노즐 용손을 야기하지 않는 강재를 제공하는 데 있다.
본 과제를 해결할 수 있는 본 발명에 관한 용접 열영향부의 인성이 우수한 강재라 함은, C:0.02 내지 0.15％(「질량％」의 의미. 이하 동일), Si:0.5％ 이하(0％를 포함하지 않음), Mn:2.5％ 이하(0％를 포함하지 않음), P:0.03％ 이하(0％를 포함하지 않음), S:0.02％ 이하(0％를 포함하지 않음), Al:0.050％ 이하(0％를 포함하지 않음), N:0.01％ 이하(0％를 포함하지 않음), Ti:0.005 내지 0.10％, Zr:0.0003 내지 0.050％, REM:0.0003 내지 0.015％, Ca:0.0003 내지 0.010％를 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지는 강재이고, 또한 상기 강재는 REM, Zr, Ti, Al, 및 Ca를 함유하는 복합 산화물을 포함하고, 상기 강재에 포함되는 전체 개재물의 조성을 측정하여 단독 산화물로 환산하였을 때, 하기 (A) 및 (B)를 만족하는 점에 요지를 갖는다.
(A) 전체 개재물에 대한 비율(질량％)로, REM의 산화물(REM을 M의 기호로 나타내면 M2O3):5 내지 50％, ZrO2:5.0 내지 50％, TiO2:20.0％ 이하(0％를 포함하지 않음), Al2O3:20.0％ 이하(0％를 포함하지 않음), 및 CaO:50.0％ 이하(0％를 포함함)를 만족한다.
(B) REM의 산화물(M2O3), Al2O3, 및 CaO의 합계량에 대한 비율(질량％)이, 하기 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 만족한다. 단, 하기 [수학식 1], [수학식 2] 중, [ ]는 각 산화물의 비율(질량％)을 나타낸다.
[수학식 1]
Figure 112010018593203-pat00001
[수학식 2]
Figure 112010018593203-pat00002
본 발명의 상기 강재는, 다른 원소로서, Cu:2％ 이하(0％를 포함하지 않음), Ni:3.5％ 이하(0％를 포함하지 않음), Nb:0.25％ 이하(0％를 포함하지 않음), Mo:1％ 이하(0％를 포함하지 않음), V:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음), Cr:3％ 이하(0％를 포함하지 않음), 및 B:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 더 함유해도 좋다.
본 발명에 따르면, 입내 페라이트 변태의 핵이 되는 소정의 복합 산화물(상세하게는, REM, Zr, Ti, Al, 및 Ca를 함유하는 복합 산화물이며, 단독 산화물로 환산하였을 때의 전체 개재물에 대한 비율이 적절하게 제어된 복합 산화물)을 강재 중에 포함하고 있으므로, 대입열 용접 후의 HAZ 인성이 우수하다. 또한, 본 발명에 따르면, 상기 단독 산화물로 환산한 REM의 산화물, Al2O3, 및 CaO로 구성되는 개재물[(REM의 산화물)－Al2O3－CaO의 개재물]의 조성이 적절하게 제어되어 있으므로, 주입시의 노즐 폐색이나 노즐 용손을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명자들은, 대입열 용접 후의 HAZ 인성이 우수한 강재를 제공하기 위해, 개재물을 유효 활용한다고 하는 관점에서 검토를 진행해 왔다. 그 결과, (I) REM과 Zr을 포함하는 복합 산화물은, REM의 산화물 단독 또는 ZrO2 단독인 경우에 비해, HAZ 조직의 미세화능이 매우 우수하고, 고온에서도 안정적이므로, 대입열 후의 HAZ 인성 향상에 효과적인 것을 밝혀내어, 상기 효과를 유효하게 발휘시키기 위한 REM 및 Zr의 단독 산화물의 비율을 규정하였다. 또한, (II) 이 복합 산화물은, Ti, Al, 및 Ca를 함유하고 있고, 단독 산화물로 환산하였을 때의 상기 조성이 적절하게 제어되어 있으면, 대입열 후의 HAZ 인성 향상에 악영향을 미치지 않는 것을 밝혀내어, 이들 단독 산화물의 비율도 규정하였다. 이들 결과를 정리한 것이 하기 요건 (A)이다.
(A) 전체 개재물에 대한 비율이, REM의 산화물(REM을 M의 기호로 나타내면 M2O3):5 내지 50％, ZrO2:5.0 내지 50％, TiO2:20.0％ 이하(0％를 포함하지 않음), Al2O3:20.0％ 이하(0％를 포함하지 않음), 및 CaO:50.0％ 이하(0％를 포함함)를 만족한다.
다음에, 본 발명자들은, 상기한 바와 같은 개재물의 유효 활용에 있어서는, 실제 기계 프로세스에 있어서, 개재물에 의한 노즐의 폐색이 우려되는 것 ; 개재물에 따라서는, 노즐의 용손이 발생할 우려도 있다고 하는 실정에 비추어, 대입열 용접 후의 HAZ 인성 향상뿐만 아니라, 실제 기계 조업성도 고려하여 노즐의 폐색, 나아가서는 노즐의 용손을 야기하지 않고 주조할 수 있는 기술도 동시에 제공한다는 관점에서, 검토를 거듭하였다. 그 결과, (III) 하기 요건 (B)에서 규정하는 개재물[상세하게는, (REM의 산화물)－Al2O3－CaO로 이루어지는 개재물]의 조성을 이하와 같이 적절하게 제어하고, 당해 개재물의 융점을 노즐의 폐색이나 용손의 방지에 유용한 범위 내로 조정하면, 소기의 목적이 달성되는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하였다.
(B) REM의 산화물(M2O3), Al2O3, 및 CaO의 합계량에 대한 비율이, 하기 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 만족한다. 단, 하기 [수학식 1], [수학식 2] 중, [ ]는 각 산화물의 비율을 나타낸다.
[수학식 1]
Figure 112010018593203-pat00003
[수학식 2]
Figure 112010018593203-pat00004
본 명세서에 있어서, 복합 산화물이라 함은, 2종 이상의 원소를 포함하는 산화물로, 1종의 원소만을 포함하는 단독 산화물과 구별하고 있다. 또한, 본 명세서에 있어서, REM을 기호 M으로 나타내면, REM의 단독 산화물은「M2O3」으로 나타내어지고, Zr의 단독 산화물은「ZrO2」로 나타내어지고, Ti의 단독 산화물은「TiO2」로 나타내어지고, Al의 단독 산화물은「Al2O3」으로 나타내어지고, Ca의 단독 산화물은「CaO」로 나타내어지는 것으로 한다. 이들 단독 산화물은, 단순히「REM의 산화물」등이라 하는 경우가 있다.
그리고 본 발명의 강재는, REM, Zr, Ti, Al, 및 Ca를 함유하는 복합 산화물을 포함하고 있다. 이들 원소를 함유하는 복합 산화물은, 용접시에 열영향을 받아도 고용 소실되지 않고, 입내 페라이트 변태의 기점이 되므로, 특히 대입열 용접 후의 HAZ 인성 향상에 매우 유용하다. 구체적으로는, 상기 복합 산화물은, REM의 단독 산화물(M2O3)과, Zr의 단독 산화물(ZrO2)과, Ti, Al, 및 Ca의 단독 산화물(TiO2, Al2O3, 및 CaO)을 포함하고 있다. 이들 단독 산화물은, 서로 응집된 것이라도 좋다. 또한, 상기한 복합 산화물은, 산화물만으로 구성되어 있어도 좋고, 상기 원소 이외의 산화물(예를 들어, SiO2 등)을 포함하고 있어도 좋다. 혹은, 상기한 복합 산화물은, 산화물 외에, 황화물이나 질화물 등의 다른 화합물이 복합 석출된 형태로 존재해도 좋다.
이하, 본 발명을 특징짓는 요건 (A) 및 (B)에 대해 상세하게 설명한다.
[(A) 전체 개재물에 대한 단독 산화물의 평균 조성에 대해]
본 발명의 강재는, 하기 요건 (A)를 만족하는 것이다.
(A) 전체 개재물에 대한 비율이, REM의 산화물(REM을 M의 기호로 나타내면 M2O3):5 내지 50％, ZrO2:5.0 내지 50％, 및 TiO2:20.0％ 이하(0％를 포함하지 않음), Al2O3:20.0％ 이하(0％를 포함하지 않음), CaO:50.0％ 이하(0％를 포함함)를 만족한다.
여기서,「전체 개재물」이라 함은, 강재의 단면을 예를 들어 EPMA(Electron Probe X-ray Micro Analyzer ; 전자선 마이크로 프로브 X선 분석계)로 관찰하여, 관찰 시야 내에 확인되는 개재물을 의미한다. 측정 조건의 상세는, 후기하는 실시예의 란에서 설명한다. 상기 방법에 따르면, 본 발명의 강재 중에 포함되는 원소의 산화물[구체적으로는, 상기 요건 (A)로 규정하는 산화물이나, 상기 이외의 다른 원소의 산화물(예를 들어, MnO나 SiO2 등)], 황화물(예를 들어, CaS나 REM의 황화물, MnS 등), 탄화물, 질화물 등을 들 수 있다.
전체 개재물에 대한 상기 단독 산화물의 비율이 상기 (A)의 요건을 만족함으로써, 복합 산화물이, 입내 페라이트 변태의 핵으로서 유효하게 작용하게 되어, 대입열 용접 후의 HAZ 인성이 한층 향상된다. 상기 단독 산화물의 비율이 상기한 하한치를 하회하면, 용접시에 입내 페라이트의 생성 핵이 되는 산화물량이 부족하여, 대입열 용접 후의 HAZ 인성 향상 작용이 유효하게 발휘되지 않는다. 한편, 상기 단독 산화물의 비율이 상기한 상한치를 초과하면, 산화물이 조대화되어 입내 페라이트의 생성 핵으로서 유효하게 작용하는 미세한 산화물의 개수가 적어져, 대입열 용접 후의 HAZ 인성 향상 작용이 유효하게 발휘되지 않는다.
상기 단독 산화물의 상세는 이하와 같다.
우선, REM의 산화물의 비율은 5 내지 50％로 한다. 바람직하게는 10％ 이상이고, 보다 바람직하게는 15％ 이상, 더욱 바람직하게는 20％ 이상이다. 한편, 상한은 바람직하게는 45％이고, 더욱 바람직하게는 40％이다. 또한, REM의 산화물은, REM 원소를 기호 M으로 나타내면, 강재 중에 M2O3, M3O5, MO2 등의 형태로 존재하지만, 상술한 바와 같이 본 발명에서는 REM의 산화물을 모두 M2O3으로 환산하였을 때의 양을 의미한다.
ZrO2의 비율은 5.0 내지 50％로 한다. 바람직하게는 10％ 이상이고, 보다 바람직하게는 13％ 이상, 더욱 바람직하게는 15％ 이상이다. 한편, 상한은 바람직하게는 45％이고, 더욱 바람직하게는 40％이다.
TiO2, Al2O3, 및 CaO의 비율은, 각각 TiO2:20.0％ 이하(0％를 포함하지 않음), Al2O3:20.0％ 이하(0％를 포함하지 않음), CaO:50.0％ 이하(0％를 포함함)로 한다. 각 단독 산화물은, 모두 입내 페라이트의 변태 촉진 작용을 갖고 있고, HAZ 인성을 높이기 위해 본 발명에서는 모든 산화물이 필수이다. 각 단독 산화물의 범위는 이하와 같다.
상기 Ti의 산화물은, 20.0％ 이하(0％를 포함하지 않음)로 한다. 바람직하게는 18％ 이하이고, 보다 바람직하게는 16％ 이하이다. Ti의 산화물은, 0.5％ 이상 함유하고 있는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1％ 이상이다. 또한, Ti의 산화물은, 강재 중에서 Ti2O3이나 Ti3O5, TiO2로서 존재하지만, 모든 Ti의 산화물을 TiO2로서 환산한 값이 상기 범위를 만족하고 있으면 된다.
상기 Al2O3은, 20.0％ 이하(0％를 포함하지 않음)로 한다. 바람직하게는 15％ 이하이고, 보다 바람직하게는 10％ 이하이다. 적당한 농도이면 Al2O3은, 조대한 TiN이 산화물 상에 정출(晶出)하는 것을 억제하여, 조대 개재물에 의한 인성 열화를 억제하는 작용을 갖고 있으므로, 0.1％ 이상 함유하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5％ 이상이다.
상기 CaO는, 50.0％ 이하(0％를 포함함)로 한다. 50.0％를 초과하면, 입내 페라이트의 변태능이 오히려 열화하는 것 외에, 주조시에 노즐의 용손을 야기시키는 원인이 된다. 바람직하게는 45％ 이하이고, 보다 바람직하게는 40％ 이하, 특히 바람직하게는 35％ 이하이다.
[(B) 3성분 개재물의 비율에 대해]
본 발명의 강재는, 또한 하기 요건 (B)를 만족하는 것이다.
(B) REM의 산화물(M2O3), Al2O3, 및 CaO의 합계량에 대한 비율이, 하기 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 만족한다. 단, 하기 [수학식 1], [수학식 2] 중, [ ]는 각 산화물의 비율을 나타낸다.
[수학식 1]
Figure 112010018593203-pat00005
[수학식 2]
Figure 112010018593203-pat00006
상기 요건 (B)에서 규정하는 3성분 개재물, 즉 (REM의 산화물)－Al2O3－CaO로 이루어지는 개재물은, 노즐의 폐색이나 용손의 방지에 매우 유용하고, 상기 범위 내로 제어함으로써, 대입열 용접 후의 HAZ 인성을 양호하게 유지한 채로, 주조시에 노즐의 폐색이나 용손을 일으키는 일 없이 주조하는 것이 가능해진다. 그 이유는 상세하게는 불분명하지만, 상기 범위의 조성을 벗어나면, 융점이 낮아지거나, 현저하게 높아지는 것에 대해, 상기 범위 내의 조성물로 함으로써, 노즐의 폐색 방지 등에 유용한 융점의 범위 내로 조정할 수 있었기 때문이라고 생각된다.
본 발명에 있어서, Al2O3의 비율[Al2O3]이 상기 [수학식 1]을 만족하지 않는 경우에는, Al2O3의 생성량이 지나치게 많아지므로, Al2O3이 주입시에 이용하는 노즐의 내벽에 부착되어, 노즐을 폐색하는 원인이 된다. 따라서 Al2O3의 생성량은, 상기 [수학식 1]의 관계를 만족할 필요가 있다. 바람직하게는 하기 [수학식 1a]를 만족하는 것이 좋고, 보다 바람직하게는 하기 [수학식 1b]를 만족하는 것이 좋다.
[수학식 1a]
Figure 112010018593203-pat00007
[수학식 1b]
Figure 112010018593203-pat00008
또한, REM의 산화물의 비율[REM의 산화물(M2O3)] 및 CaO의 비율[CaO]이 상기 [수학식 2]의 관계를 만족하지 않는 경우에는, CaO의 생성량이 REM의 산화물과 비교하여 지나치게 많아지므로, 과잉의 CaO가 주입시에 이용하는 노즐을 구성하는 Al2O3과 반응하여 저융점 조성의 산화물을 형성하여, 노즐이 용손되는 원인이 된다. 바람직하게는 하기 [수학식 2a]를 만족하는 것이 좋고, 보다 바람직하게는 하기 [수학식 2b]를 만족하는 것이 좋다.
[수학식 2a]
Figure 112010018593203-pat00009
[수학식 2b]
Figure 112010018593203-pat00010
다음에, 본 발명의 강재(모재)에 있어서의 성분 조성에 대해 설명한다. 본 발명의 강재는, 기본 성분으로서, C:0.02 내지 0.15％, Si:0.5％ 이하(0％를 포함하지 않음), Mn:2.5％ 이하(0％를 포함하지 않음), P:0.03％ 이하(0％를 포함하지 않음), S:0.02％ 이하(0％를 포함하지 않음), Al:0.050％ 이하(0％를 포함하지 않음), N:0.01％ 이하(0％를 포함하지 않음), Ti:0.005 내지 0.10％, Zr:0.0003 내지 0.050％, REM:0.0003 내지 0.015％, Ca:0.0003 내지 0.010％를 함유하고 있다. 이러한 범위를 정한 이유는 이하와 같다.
C는, 강재(모재)의 강도를 확보하기 위해 결여할 수 없는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.02％ 이상 함유시킬 필요가 있다. C는, 0.04％ 이상 함유시키는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.05％ 이상이다. 그러나 C가 0.15％를 초과하면, 용접시의 HAZ에 섬 형상 마르텐사이트(MA)를 많이 생성하여 HAZ의 인성 열화를 초래할 뿐만 아니라, 용접성에도 악영향을 미친다. 따라서 C는 0.15％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.13％ 이하, 보다 바람직하게는 0.1％ 이하로 한다.
Si는, 탈산 작용을 갖는 동시에, 고용 강화에 의해 강재의 강도를 확보하는 데 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Si는 0.02％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.05％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.1％ 이상 함유시키는 것이 좋다. 그러나 Si가 0.5％를 초과하면, 강재(모재)의 용접성이나 인성이 열화되므로, Si는 0.5％ 이하로 억제할 필요가 있다. 바람직하게는 0.45％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.4％ 이하이다. 또한, 용접시의 HAZ에 고인성이 요구되는 경우는, Si를 0.3％ 이하로 억제하는 것이 권장된다. 바람직하게는 0.05％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.01％ 이하이다. 단, Si량을 지나치게 저감하면, 모재 자체의 강도가 저하되는 경향이 있다.
Mn은, 강재(모재)의 강도 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.5％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. Mn은, 보다 바람직하게는 0.7％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.8％ 이상 함유시키는 것이 좋다. 그러나 Mn량이 2.5％를 초과하면, 강재(모재)의 용접성을 열화시키므로, Mn은 2.5％ 이하로 억제할 필요가 있다. 바람직하게는 2.3％ 이하이고, 보다 바람직하게는 2％ 이하로 한다.
P는 편석되기 쉬운 원소이며, 특히 강재 중의 결정입계에 편석되어 HAZ 인성을 열화시키는 원소이다. 따라서 P는 0.03％ 이하로 억제할 필요가 있고, 바람직하게는 0.02％ 이하, 보다 바람직하게는 0.015％ 이하이다. 또한, P는 통상, 불가피적으로 0.001％ 정도 함유하고 있다.
S는 Mn과 결합하여 황화물(MnS)을 생성하고, 모재의 인성이나 판 두께 방향의 연성을 열화시키는 유해한 원소이다. 또한, S는 희토류 원소(예를 들어, La나 Ce)와 결합하여 황화물(예를 들어, LaS나 CeS)을 생성하고, 희토류 원소의 산화물이 생성되는 것을 저해하여, HAZ 인성을 열화시키는 원소이다. 따라서 S는 0.02％ 이하로 억제할 필요가 있다. 바람직하게는 0.015％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.01％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.006％ 이하이다. 또한, S는 통상, 불가피적으로 0.0005％ 정도 함유하고 있다.
Al은 REM과 Zr과 함께 복합 산화물을 형성하고, HAZ 인성을 향상시키는 데 작용하는 원소이다. 또한, Al은 탈산제로서 작용하는 원소이다. 그러나 과잉으로 첨가하면 산화물을 환원하여 조대한 Al 산화물을 형성하여, HAZ 인성이 열화된다. 따라서 Al은 0.050％ 이하로 억제할 필요가 있다. Al은, 바람직하게는 0.03％ 이하, 보다 바람직하게는 0.01％ 이하이다. 또한, Al은 통상, 불가피적으로 0.0005％ 정도 함유하고 있다.
N은 질화물(예를 들어, ZrN이나 TiN 등)을 석출하는 원소이고, 상기 질화물은, 용접시에 HAZ에 생성되는 오스테나이트립의 조대화를 방지(핀 고정 효과)하고, 또한 페라이트 변태를 촉진하여 HAZ 인성의 향상에 기여한다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.003％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.004％ 이상이다. N은 많을수록 질화물을 형성하여 오스테나이트립의 미세화가 촉진되므로, HAZ의 인성 향상에 유효하게 작용한다. 그러나 N이 0.01％를 초과하면, 고용 N량이 증대하여 모재 자체의 인성이 열화되고, HAZ 인성도 저하된다. 따라서 N은 0.01％ 이하로 억제할 필요가 있다. 바람직하게는 0.009％ 이하, 보다 바람직하게는 0.008％ 이하로 한다.
Ti는 REM과 Zr과 함께 복합 산화물을 형성하고, HAZ 인성을 향상시키는 데 작용하는 원소이다. 또한, Ti는 강재 중에 TiN 등의 질화물이나, Ti의 산화물을 생성하고, HAZ 인성의 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Ti는 0.005％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는 0.007％ 이상, 보다 바람직하게는 0.01％ 이상으로 한다. 그러나 Ti를 과잉으로 첨가하면 Ti의 산화물이 지나치게 다량으로 생성되어 강재(모재)의 인성을 열화시키므로, Ti는 0.10％ 이하로 억제해야 한다. Ti는, 바람직하게는 0.07％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.06％ 이하이다.
Zr은, Zr을 함유하는 복합 산화물을 형성하여, HAZ 인성의 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.0003％ 이상 함유할 필요가 있다. 바람직하게는 0.001％ 이상, 보다 바람직하게는 0.002％ 이상이다. 그러나 과잉으로 첨가하면, 조대한 Zr 탄화물이 생성되어, 모재 자체의 인성을 저하시킨다. 따라서 Zr은 0.050％ 이하로 억제할 필요가 있다. 바람직하게는 0.04％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.03％ 이하이다.
REM(희토류 원소)은, REM을 함유하는 복합 산화물을 형성하여, HAZ 인성의 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, REM은 0.0003％ 이상 함유할 필요가 있다. 바람직하게는 0.001％ 이상이고, 보다 바람직하게는 0.002％ 이상이다. 그러나 과잉으로 첨가하면, 고용 REM이 편석되어 모재 인성이 열화되므로, REM은 0.015％ 이하로 억제할 필요가 있다. 바람직하게는 0.01％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.007％ 이하이다.
또한, 본 발명에 있어서, REM이라 함은, 란타노이드 원소(La로부터 Lu까지의 15원소) 및 Sc(스칸듐)와 Y(이트륨)를 포함하는 의미이다. 이들 원소 중에서도, La, Ce 및 Y로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 함유하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 La 및/또는 Ce를 함유하는 것이 좋다.
Ca는, REM과 Zr과 함께 복합 산화물을 형성하여, HAZ 인성을 향상시키는 데 작용하는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해, Ca는 0.0003％ 이상 함유할 필요가 있다. 바람직하게는 0.001％ 이상, 보다 바람직하게는 0.0015％ 이상이다. 그러나 Ca를 과잉으로 첨가하면, 조대한 Ca의 황화물을 형성하여, 모재의 인성을 열화시킨다. 따라서 Ca는 0.010％ 이하로 억제할 필요가 있다. Ca는, 바람직하게는 0.009％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.008％ 이하이다.
본 발명의 강재는, 상기 원소를 필수 성분으로서 함유하고, 잔량부는 철 및 불가피 불순물(예를 들어, Mg나 As, Se 등)이다.
본 발명의 강재는, 강재의 강도를 높이기 위해, Cu:2％ 이하(0％를 포함하지 않음), Ni:3.5％ 이하(0％를 포함하지 않음), Nb:0.25％ 이하(0％를 포함하지 않음), Mo:1％ 이하(0％를 포함하지 않음), V:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음), Cr:3％ 이하(0％를 포함하지 않음), 및 B:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 것도 유효하다. 이러한 범위를 정한 이유는 이하와 같다.
Cu는, 강재를 고용 강화시키는 원소이며, 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.05％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.1％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.2％ 이상이다. 특히 0.6％ 이상 함유시키면, 고용 강화 외에, 시효 석출 강화도 발휘하여, 대폭적인 강도 향상이 가능해진다. 그러나 2％를 초과하여 함유시키면, 강재(모재)의 인성을 저하시키므로, Cu는 2％ 이하로 억제하는 것이 좋다. 바람직하게는 1.8％ 이하이고, 보다 바람직하게는 1.6％ 이하로 한다.
Ni는, 강재의 강도를 높이는 동시에, 강재의 인성을 향상시키는 데 유효하게 작용하는 원소이다. 이러한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.05％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.1％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.2％ 이상이다. Ni는 많을수록 바람직하지만, 고가의 원소이므로 경제적 관점으로부터 3.5％ 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 3.3％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 3％ 이하이다.
Nb를 첨가하여 강도를 높이기 위해서는, 0.003％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.005％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.01％ 이상, 특히 바람직하게는 0.03％ 이상이다. 그러나 0.25％를 초과하면 탄화물(NbC)이 석출되어, 모재의 인성을 열화시키므로, Nb는 0.25％ 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.23％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.2％ 이하이다.
Mo를 첨가하여 강도를 높이기 위해서는, 0.01％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.02％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.03％ 이상 함유시키는 것이 권장된다. 단, 1％를 초과하면 용접성을 악화시키므로 Mo는 1％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.9％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.8％ 이하로 억제하는 것이 권장된다.
V를 첨가하여 강도를 높이기 위해서는, 0.003％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.005％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.01％ 이상, 특히 바람직하게는 0.03％ 이상 함유시키는 것이 좋다. 그러나 0.1％를 초과하면 용접성이 악화되는 동시에, 모재의 인성이 열화되므로, V는 0.1％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.08％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.06％ 이하이다.
Cr을 첨가하여 강도를 높이기 위해서는, 0.01％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.02％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.03％ 이상, 특히 바람직하게는 0.1％ 이상이다. 그러나 3％를 초과하면 용접성이 열화되므로, Cr은 3％ 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1.5％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 1％ 이하이다.
B는, 강재의 강도를 높이는 동시에, 용접시에 가열된 HAZ가 냉각되는 과정에 있어서 강 중의 N과 결합하여 BN을 석출하여, 오스테나이트 입내로부터의 페라이트 변태를 촉진시킨다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.0003％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.0005％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.0008％ 이상, 특히 바람직하게는 0.001％ 이상이다. 그러나 0.005％를 초과하면 강재(모재)의 인성을 열화시키므로 B는 0.005％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.004％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.003％ 이하이다.
다음에, 본 발명의 강재를 제조하기 위해 적절하게 채용할 수 있는 제법에 대해 설명한다.
본 발명의 강재는, 용강의 용존 산소량을 0.010％ 이하로 조정한 용강에 첨가하는 원소의 첨가 순서 및 시간, 나아가서는 주조 개시까지의 시간을 엄밀하게 관리하여 제조하는 것이 매우 중요하고, 이것으로부터 상기 (A) 및 (B)의 요건을 만족하는 강재를 제조할 수 있다.
우선, Ti, REM, Zr, 및 Ca를 제외한 원소의 양이 적절하게 조정된 용강이며, 용강의 용존 산소량이 0.010％ 이하로 조정된 용강을 준비한다. 계속해서, Ti, REM, 및 Zr로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 첨가하고, 그 후에 Ca를 첨가한다. 본 발명에서는, REM의 첨가 후 40분 이내에 Ca를 첨가하는 동시에, Ca의 첨가 후 80분 이내에 주조를 개시하는 것이 중요하다. 용존 산소량을 조정한 용강에, 상기 소정의 합금 원소를 이 순서로 첨가함으로써 조대한 산화물의 생성이 억제되고, 입내 페라이트의 생성 핵이 되는 원하는 복합 산화물이 생성되어, 상기 요건 (A)를 만족시킬 수 있다. 또한, REM의 첨가 후 Ca를 첨가할 때까지의 시간과, Ca의 첨가 후 주조를 개시할 때까지의 시간을 모두 적절하게 제어함으로써, 상기 요건 (B)에서 규정하는 3성분 개재물의 조성을 적절하게 조정할 수 있어, 주조시에 있어서의 노즐의 폐색과 용손을 방지할 수 있다. 이하, 본 발명의 강재의 제법에 대해 상세하게 설명한다.
[용강의 용존 산소량에 대해]
우선, 본 발명에서는, 용존 산소량을 0.010％ 이하로 조정한 용강에, Ti, REM 및 Zr로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 첨가한다. 용존 산소량이 0.010％를 초과하는 용강에 상기 어느 하나의 원소를 첨가하면, 조대한 산화물을 형성하므로, HAZ 인성이 오히려 열화된다. 따라서 상기 원소를 첨가하기 전의 용존 산소량은, 0.010％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.009％ 이하, 보다 바람직하게는 0.008％ 이하로 한다. 또한, 용존 산소라 함은, 산화물을 형성하고 있지 않고, 용강 중에 존재하는 자유 상태의 산소를 의미한다.
또한, 전로나 전기로에서 1차 정련된 용강 중의 용존 산소량은, 통상 0.0100％를 초과하고 있으므로, 본 발명에서는 용강 중의 용존 산소량을, 예를 들어 이하의 방법으로 상기 범위로 조정할 필요가 있다.
용강 중의 용존 산소량을 조정하는 방법으로서는, 예를 들어 RH식 탈가스 정련 장치를 이용하여 진공 C 탈산하는 방법이나, Si나 Mn, Ti, Al 등의 탈산성 원소를 첨가하는 방법 등을 들 수 있고, 이들의 방법을 적절하게 조합하여 용존 산소량을 조정해도 좋다. 또한, RH식 탈가스 정련 장치 대신에, 레이들 가열식 정련 장치나 간이식 용강 처리 설비 등을 이용하여 용존 산소량을 조정해도 좋다. 이 경우, 진공 C 탈산에 의한 용존 산소량의 조정은 할 수 없으므로, 용존 산소량의 조정에는 Si 등의 탈산성 원소를 첨가하는 방법을 채용하면 좋다. Si 등의 탈산성 원소를 첨가하는 방법을 채용할 때에는, 전로로부터 레이들에 출강(出鋼)할 때에 탈산성 원소를 첨가해도 상관없다.
[REM 첨가 후의 시간에 대해]
REM의 첨가 후 40분 이내에 Ca를 첨가하는 동시에, Ca의 첨가 후 80분 이내에 주조를 개시한다.
REM을 첨가하기 전에 Ca를 첨가하면, Ca의 산화물(CaO)이 다량으로 형성되므로, CaO가 노즐을 구성하는 Al2O3과 반응하여 저융점 조성의 산화물을 형성하여, 노즐의 용손이 발생한다.
또한, REM을 첨가하고 나서 Ca를 첨가한 경우라도, REM을 첨가하고 나서 40분을 초과하여 Ca를 첨가하면, REM의 산화물이 부상(浮上) 분리되어 감소하고, 그 후의 Ca 첨가에서 CaO가 다량으로 형성되므로, CaO가 노즐을 구성하는 Al2O3과 반응하여 저융점 조성의 산화물을 형성하여, 노즐의 용손이 발생한다. 따라서 REM을 첨가하고 나서 Ca를 첨가할 때까지의 시간은 40분 이내로 한다. 바람직하게는 36분 이내이고, 보다 바람직하게는 32분 이내이다.
또한, Ca를 첨가하고 나서 80분을 초과하여 주조를 개시하면, Ca가 용강 중에 형성된 산화물(특히, REM의 산화물)을 환원하여 CaO가 다량으로 형성되므로, CaO가 노즐을 구성하는 Al2O3과 반응하여 저융점 조성의 산화물을 형성하여, 노즐의 용손이 발생한다. 따라서 Ca를 첨가하고 나서 주조를 개시할 때까지의 시간은 80분 이내로 한다. 바람직하게는 70분 이내이고, 보다 바람직하게는 60분 이내이다.
또한, 본 발명자들의 검토 결과에 따르면, 원하는 특성을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 당해 공정의 시간 관리가 매우 중요하여, 상술한 범위를 벗어나면, 원하는 특성이 얻어지지 않는 것이 판명되었다.
용강에 첨가하는 REM이나 Ca, Zr, Ti의 형태는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 REM으로서, 순(純)La나 순Ce, 순Y 등, 혹은 순Ca, 순Zr, 순Ti, 나아가서는 Fe-Si-La 합금, Fe-Si-Ce 합금, Fe-Si-Ca 합금, Fe-Si-La-Ce 합금, Fe-Ca 합금, Ni-Ca 합금 등을 첨가하면 좋다. 또한, 용강에 미시메탈을 첨가해도 좋다. 미시메탈이라 함은, 희토류 원소의 혼합물이며, 구체적으로는 Ce를 40 내지 50％ 정도, La를 20 내지 40％ 정도 함유하고 있다. 단, 미시메탈에는 불순물로서 Ca를 포함하는 경우가 많으므로, 미시메탈이 Ca를 포함하는 경우는 본 발명에서 규정하는 범위를 만족할 필요가 있다.
성분 조정하여 얻어진 용강은, 통상의 방법에 따라서 연속 주조하여 슬래브로 한 후, 통상의 방법에 따라서 열간 압연하면 된다.
본 발명에 관한 강재는, 예를 들어 교량이나 고층 건조물, 선박 등의 구조물의 재료로서 사용할 수 있고, 소입열 내지 중입열 용접은 물론, 입열량이 50kJ/㎜ 이상인 대입열 용접에 있어서도 용접 열영향부의 인성 열화를 방지할 수 있다.
본 발명의 강재는, 판 두께가 약 3.0㎜ 이상인 후강판 등의 강재를 대상으로 하고 있다. 본 발명에 따른 우수한 HAZ 인성 향상 작용은, 판 두께가 50㎜ 이상, 특히 80㎜ 이상인 후강판으로 하고, 입열량이 50kJ/㎜ 이상인 대입열 용접을 행하였을 때에 유효하게 발휘된다.
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것은 아니며, 상기?후기하는 취지에 적합한 범위에서 적당히 변경하여 실시하는 것도 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
용선(溶銑)을 240톤 전로에서 1차 정련한 후, 상기 전로로부터 레이들에 출강하여, 성분 조정 및 온도 조정하면서 2차 정련을 행하였다.
레이들에서는, Si와 Mn을 이용하여 탈산하고, 하기 표 1, 표 2에 나타내는 용존 산소량으로 조정한 용강에, Ti를 첨가하고, 계속해서 REM과 Zr을 첨가하고, 계속해서 Ca를 첨가하였다. 이때, REM을 첨가하고 나서 Ca를 첨가할 때까지의 시간과, Ca를 첨가하고 나서 주조를 개시할 때까지의 시간을 하기 표 1, 표 2에 나타내는 바와 같이 다양하게 변화시켰다. 하기 표 1, 표 2에는, REM과 Ca의 첨가 순서도 나타냈다. 또한, 하기 표 1의 No.33 내지 35에 대해서는, Ca를 첨가하고 나서 REM을 첨가할 때까지의 시간을 나타냈다.
용존 산소량이라 함은, 용강에 용존 원자로서 포함되는 산소량을 의미하고, 고체 전해질을 이용한 산소 센서를 이용하여 측정하였다. 또한, REM은 La를 50％ 정도와 Ce를 25％ 정도 함유하는 미시메탈의 형태로, Zr은 Zr 단체로, Ti는 Fe-Ti 합금의 형태로, Ca는 Ni-Ca 합금 또는 Ca-Si 합금 또는 Fe-Ca 압분체의 형태로 각각 첨가하였다.
또한, 2차 정련에는, 레이들 가열 정련 장치(LF)나 환류식 탈가스 정련 장치(RH) 등을 이용하였다.
하기 표 3 내지 표 6에, 성분 조정 후의 강재의 성분 조성(잔량부는 철 및 불가피 불순물)을 나타낸다.
성분 조정 후의 용강은, 레이들로부터 연속 주조기로 옮겨 슬래브로 주조하였다. 레이들 내의 용강을 연속 주조기로 옮길 때에 이용하는 노즐(레이들 노즐)에는, 철강업에서 일반적으로 이용되고 있는 알루미나 그라파이트 재질의 노즐을 이용하였다.
주조 후에, 레이들 노즐을 육안으로 관찰하여, 노즐의 내벽에 부착물이 확인되지 않은 경우를「노즐 폐색 없음(합격, ○)」, 노즐의 내벽에 부착물이 확인되고, 폐색된 경우를「노즐 폐색 있음(불합격, ×)」으로 평가하였다. 평가 결과를 하기 표 11, 표 12에 나타낸다.
또한, 레이들 노즐을 육안으로 관찰하여, 노즐에 용손이 확인되지 않은 경우를「노즐 용손 없음(합격, ○)」, 노즐에 용손이 확인된 경우를「노즐 용손 있음(불합격, ×)」으로 평가하였다. 평가 결과를 하기 표 11, 표 12에 나타낸다.
주조하여 얻어진 슬래브를 열간 압연하여 두께 30㎜의 강판을 얻었다. 얻어진 열연 강판의 t/4(단, t는 열연 강판의 두께) 위치에 있어서의 횡단면으로부터 샘플을 잘라내었다. 잘라내어진 샘플 표면을 니혼 덴시제의 EPMA「JXA-8500F(장치명)」를 이용하여 10,000배로 관찰하고, 최대 직경이 0.2㎛ 이상인 개재물에 대해 성분 조성을 정량 분석하였다. 관찰 조건은, 가속 전압을 20㎸, 시료 전류를 0.01㎂, 관찰 시야 면적을 1 내지 5㎠, 분석 개수는 무작위로 선택한 100개로 하고, 특성 X선의 파장 분산 분광에 의해 개재물 중앙부에서의 성분 조성을 정량 분석하였다. 분석 대상 원소는, Al, Mn, Si, Ti, Zr, Ca, La, Ce, O, S로 하고, 이미 알고 있는 물질을 이용하여 각 원소의 X선 강도와 원소 농도의 관계를 미리 검량선으로서 구해 두고, 분석 대상으로 하는 개재물의 중앙부로부터 얻어진 X선 강도와 상기 검량선으로부터 분석 대상으로 하는 개재물에 포함되는 원소 농도를 정량하였다.
개재물 중, 산소 함유량이 5％ 이상인 것을 산화물로 하였다. 또한, 하나의 개재물로부터 5％ 이상의 산소와, 복수의 원소가 검출된 경우에는, 각 원소에 기초하는 X선 강도의 비로부터 각 원소의 단독 산화물로 환산하여, 산화물의 평균 조성을 산출하였다. 또한, 개재물 중에 S가 검출된 경우는, 산화물보다도 황화물이 우선적으로 생성되어 있다고 가정하고, Ca, REM, Mn의 산화물의 평균 조성을 산출하였다. 즉, 개재물 중에 S가 검출된 경우는, Ca, REM, Mn의 순으로 CaS, REM의 황화물, MnS가 생성되어 있다고 상정하고, 검출된 S 농도에 따라서 정량된 원소 농도로부터 황화물로서 소비된 원소 농도를 빼고 남은 원소 농도가, 산화물로서 생성되어 있다고 생각하고 산화물의 평균 조성을 산출하였다. 열연 강판에 포함되는 개재물의 조성을 하기 표 7 내지 표 10에 나타낸다.
또한, 표 7 내지 표 10에 있어서,「기타」는, MgO나 Cr2O3 등의 개재물의 함유량을 의미한다.
REM의 산화물은, 금속 원소를 M으로 나타내면, 강재 중에 M2O3이나 M3O5, MO2의 형태로 존재하지만, 모든 REM의 산화물을 M2O3으로 환산하여, 평균 조성을 산출하였다. 또한, Ti의 산화물은, 강재 중에서 Ti2O3이나 Ti3O5, TiO2로서 존재하지만, 모든 Ti의 산화물을 TiO2로서 환산하여, 평균 조성을 산출하였다.
상기 샘플 표면을 EPMA로 관찰한 결과, 관찰된 개재물은, REM과 Zr을 포함하는 복합 개재물이 대부분이었지만, 단독 개재물로서 REM의 개재물이나 Zr의 개재물도 생성되어 있었다.
표 7 내지 표 10에 나타낸 개재물의 조성 중, Al2O3, CaO, 및 REM의 산화물의 합계를 100％로서 재환산하였을 때의 각 산화물의 평균 조성을 하기 표 11, 표 12에 나타낸다.
표 11, 표 12에 나타낸 각 산화물의 평균 조성에 기초하여 하기 [수학식 2']에서 산출되는 Z값을 하기 표 11, 표 12에 더불어 나타낸다.
[수학식 2']
Figure 112010018593203-pat00011
다음에, 용접시에 열영향을 받는 HAZ의 인성을 평가하기 위해, 대입열 용접을 모의하여 하기에 나타내는 용접 재현 시험을 행하였다. 용접 재현 시험은, 상기 열연 강판으로부터 잘라낸 샘플이 1400℃가 되도록 가열하고, 이 온도에서 60초간 유지한 후, 냉각하여 행하였다. 냉각은, 800℃로부터 500℃로의 냉각 시간이 300초가 되도록 조정하였다. 냉각 후의 샘플의 충격 특성은, V 노치 샤르피 시험을 행하여 -40℃에 있어서의 흡수 에너지(vE-40)를 측정하여 평가하였다.
샘플은, 동일 강종으로부터 JIS Z2242「금속 재료의 샤르피 충격 시험 방법」에 준하여 3개씩 채취하였다. 각 샘플에 대해 측정한 vE-40의 평균치를 하기 표 11, 표 12에 나타낸다. vE-40의 평균치가 100J 이상인 것을 합격(HAZ 인성 양호)으로 한다.
하기 표 1 내지 표 12로부터 다음과 같이 고찰할 수 있다. No.1 내지 32는, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하는 예이며, 강재 중의 산화물 조성을 적절하게 제어할 수 있으므로, 주조시에 노즐의 폐색이나 용손이 발생하는 일 없이 제조되고, 게다가 얻어진 강재는, 용접하였을 때의 HAZ 인성이 양호하게 되어 있다. 한편, No.33 내지 75는, 본 발명에서 규정하는 어느 하나의 요건을 벗어나는 예이다.
특히 No.33 내지 35는, 용존 산소량[O]을 조정한 용강에, REM을 첨가하기 전에 Ca를 첨가하고 있으므로, REM의 산화물보다도 CaO가 지나치게 많이 생성되어, REM의 산화물과 CaO의 생성량이 상기 [수학식 2]의 관계를 만족하고 있지 않다. 따라서 CaO가 노즐을 구성하는 Al2O3과 반응하여 저융점 조성의 산화물을 형성하여, 노즐의 용손이 발생하였다.
No.36은, Ca를 과잉으로 첨가하고 있으므로, REM의 산화물보다도 CaO가 지나치게 많이 생성되어, REM의 산화물과 CaO의 생성량이 상기 [수학식 2]의 관계를 만족하고 있지 않다. 따라서 CaO가 노즐을 구성하는 Al2O3과 반응하여 저융점 조성의 산화물을 형성하여, 노즐의 용손이 발생하였다.
No.37, 38, 46, 74는, REM을 첨가하고 나서 40분을 초과하여 Ca를 첨가하고 있으므로, REM의 산화물보다도 CaO가 지나치게 많이 생성되어, REM의 산화물과 CaO의 생성량이 상기 [수학식 2]의 관계를 만족하고 있지 않다. 따라서 CaO가 노즐을 구성하는 Al2O3과 반응하여 저융점 조성의 산화물을 형성하여, 노즐의 용손이 발생하였다.
No.39 내지 45는, 강재의 성분 조성이, 본 발명에서 규정하는 범위로부터 벗어나 있으므로, HAZ 인성이 열화되어 있다.
No.47, 49, 51, 53은, 준비한 용강의 용존 산소량이 지나치게 많으므로, 원하는 개재물 조성이 얻어져 있지 않다. 따라서 REM의 산화물과 CaO의 생성량이 상기 [수학식 2]를 만족하지 않아 노즐의 용손을 야기하였다. 또한 HAZ 인성이 열화되어 있다.
No.48, 52는, 준비한 용강의 용존 산소량이 지나치게 많은 것 외에, REM을 첨가하고 나서 40분을 초과하여 Ca를 첨가하고 있으므로, REM의 산화물과 CaO의 생성량이 상기 [수학식 2]를 만족하지 않아 노즐이 용손되었다. 또한 HAZ 인성이 열화되어 있다.
No.50은 Ca를 첨가하고 나서 80분을 초과하여 주조를 개시하고 있으므로, 원하는 개재물 조성이 얻어져 있지 않다. 따라서 REM의 산화물과 CaO의 생성량이 상기 [수학식 2]를 만족하지 않아, 노즐의 용손을 야기하였다.
No.54, 56은, REM을 첨가하고 나서 40분을 초과하여 Ca를 첨가하고 있는 예이다. 이들 예는, Al2O3의 생성량이 상기 [수학식 1]을 만족하지 않으므로, 노즐 폐색이 발생하였다. 또한 HAZ 인성이 열화되어 있다.
No.60, 61, 75는, Ca를 첨가하고 나서 80분을 초과하여 주조를 개시하고 있으므로, 원하는 개재물 조성이 얻어져 있지 않다. 따라서 Al2O3의 생성량이 상기 [수학식 1]을 만족하지 않아, 노즐의 용손을 야기하였다. 또한, HAZ 인성이 열화되어 있다.
No.55, 57, 58, 59는, 준비한 용강의 용존 산소량이 지나치게 많으므로, Al2O3의 생성량이 상기 [수학식 1]을 만족하지 않아, 노즐의 폐색이 발생하였다. 또한 HAZ 인성이 열화되어 있다.
No.62, 63, 65, 66, 68, 69, 71, 72는, 준비한 용강의 용존 산소량이 지나치게 많으므로, 단독 산화물로 환산하였을 때의 조성이 상기 요건 (A)를 만족하고 있지 않다. 따라서 HAZ 인성이 열화되어 있다.
No.64와 67은, Ca를 첨가하고 나서 80분을 초과하여 주조를 개시하고 있는 예이다. 이들 예는, 단독 산화물로 환산하였을 때의 조성이 상기 요건 (A)를 만족하고 있지 않다. 따라서 HAZ 인성이 열화되어 있다.
No.70과 73은, REM을 첨가하고 나서 40분을 초과하여 Ca를 첨가하고 있는 예이다. 이들 예는, 단독 산화물로 환산하였을 때의 조성이 상기 요건 (A)를 만족하고 있지 않다. 따라서 HAZ 인성이 열화되어 있다.
Figure 112010018593203-pat00012
Figure 112010018593203-pat00013
Figure 112010018593203-pat00014
Figure 112010018593203-pat00015
Figure 112010018593203-pat00016
Figure 112010018593203-pat00017
Figure 112010018593203-pat00018
Figure 112010018593203-pat00019
Figure 112010018593203-pat00020
Figure 112010018593203-pat00021
Figure 112010018593203-pat00022
Figure 112010018593203-pat00023

Claims (2)

  1. C:0.02 내지 0.15％(「질량％」의 의미. 이하 동일),
    Si:0.5％ 이하(0％를 포함하지 않음),
    Mn:2.5％ 이하(0％를 포함하지 않음),
    P:0.03％ 이하(0％를 포함하지 않음),
    S:0.02％ 이하(0％를 포함하지 않음),
    Al:0.050％ 이하(0％를 포함하지 않음),
    N:0.01％ 이하(0％를 포함하지 않음),
    Ti:0.005 내지 0.10％,
    Zr:0.0003 내지 0.050％,
    REM:0.0003 내지 0.015％,
    Ca:0.0003 내지 0.010％를 함유하고,
    잔량부가 철 및 불가피 불순물로부터 이루어지는 강재이고, 또한,
    상기 강재는, REM, Zr, Ti, Al, 및 Ca를 함유하는 복합 산화물을 포함하고,
    상기 강재에 포함되는 전체 개재물의 조성을 측정하여 단독 산화물로 환산하였을 때, 하기 (A) 및 (B)를 만족하는 것을 특징으로 하는, 용접 열영향부의 인성이 우수한 강재.
    (A) 전체 개재물에 대한 비율로,
    REM의 산화물(REM을 M의 기호로 나타내면 M2O3):5 내지 50％,
    ZrO2:5.0 내지 50％,
    TiO2:20.0％ 이하(0％를 포함하지 않음),
    Al2O3:20.0％ 이하(0％를 포함하지 않음), 및
    CaO:50.0％ 이하(0％를 포함함)를 만족함.
    (B) REM의 산화물(M2O3), Al2O3, 및 CaO의 합계량에 대한 비율(질량％)이, 하기 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 만족함. 단, 하기 [수학식 1], [수학식 2] 중, [ ]는 각 산화물의 비율(질량％)을 나타냄.
    [수학식 1]
    Figure 112010018593203-pat00024

    [수학식 2]
    Figure 112010018593203-pat00025
  2. 제1항에 있어서, 상기 강재가, 다른 원소로서,
    Cu:2％ 이하(0％를 포함하지 않음),
    Ni:3.5％ 이하(0％를 포함하지 않음),
    Nb:0.25％ 이하(0％를 포함하지 않음),
    Mo:1％ 이하(0％를 포함하지 않음),
    V:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음),
    Cr:3％ 이하(0％를 포함하지 않음), 및
    B:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음)
    로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 더 포함하는 것인, 용접 열영향부의 인성이 우수한 강재.
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