KR101129979B1

KR101129979B1 - 고강도 강재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101129979B1
Application number: KR1020090103159A
Authority: KR
Inventors: 황병일; 이중헌
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2012-03-26
Also published as: KR20110046637A

Abstract

본 발명은 고강도 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 C: 0.08~0.10wt%, Si: 0.33~0.37wt%, Mn: 1.40~1.50wt%, P: 0초과 0.015wt% 이하, S: 0초과 0.015wt% 이하, Cr: 0초과 0.1wt% 이하, Cu: 0.1~0.15wt%, Al: 0.02~0.04wt%, Nb: 0.04~0.05wt%, N: 0.08~0.12wt% 및 나머지 Fe과 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는 주편을 1150~1250℃로 가열한 후, 890~910℃범위에서 시작하여 최종 압연온도까지 누적 압하량이 40~50%가 되게 압연을 수행하고, 이어 625~675℃까지 가속 냉각한 후 상온까지 공냉한다.

이와 같이 제조된 강재는 570MPa 이상의 인장강도를 확보하고도 항복비 0.65 이하를 만족한다. 이는 내진용 강재 항복비(항복강도/인장강도) 기준 0.85이하를 충분히 만족하는 기준이므로 지진 위험 지역의 초고층 빌딩에 널리 적용이 가능한 이점이 있다.

고강도 강재, 내진

Description

고강도 강재 및 그 제조방법{steel having high strength, and method for producing the same}

본 발명은 고강도 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Ni, V, Ti가 미첨가된 인장강도 570MPa급 구조용 고강도 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

교량, 빌딩 등의 구조물에 주로 사용되는 구조용 강재는 건물이 고층화됨에 따라 고강도화가 요구된다. 특히, 지진에 대한 위험도가 높은 지역에서는 고강도와 함께 내진특성을 동시에 요구한다.

따라서, 내진용 강재는 항복비(항복강도/인장강도) 0.85이하 기준을 요구한다.

일반적으로 SM570급 강재는 고강도 확보를 위해 합금설계에서 V, Ti, Nb를 첨가하고, Ni를 0.1wt% 이상 첨가한다.

그러나, 이처럼 V, Ti, Ni와 같은 합금원소를 첨가하여 고강도를 확보하는 경우에는 인장강도와 동시에 항복강도도 상승한다. 그리고, 고가의 합금원소 첨가에 따른 원단위 상승으로 인해 가격 경쟁력 확보에서 열위하다.

또한, 합금원소의 다량첨가는 용접균열성을 증가시키고 강재의 가공성을 저하시킨다. 따라서 현재 건축용 내진용 강재는 인장강도 490MPa까지만 사용되고 있는 실정이다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, SM570급의 인장강도를 확보하면서도 낮은 항복비를 갖는 고강도 강재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 C: 0.08~0.10wt%, Si: 0.33~0.37wt%, Mn: 1.40~1.50wt%, P: 0초과 0.015wt% 이하, S: 0초과 0.015wt% 이하, Cr: 0초과 0.1wt% 이하, Cu: 0.1~0.15wt%, Al: 0.02~0.04wt%, Nb: 0.04~0.05wt%, N: 0.08~0.12wt% 및 나머지 Fe과 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는 주편을 1150~1250℃로 가열한 후, 890~910℃범위에서 시작하여 최종 압연온도까지 누적 압하량이 40~50%가 되게 압연을 수행하고, 이어 625~675℃까지 가속 냉각한 후 상온까지 공냉한다.

상기 최종 압연온도는 750~790℃이다.

상기 가속 냉각은 13~19℃/sec의 냉각속도로 수행한다.

C: 0.08~0.10wt%, Si: 0.33~0.37wt%, Mn: 1.40~1.50wt%, P: 0초과 0.015wt% 이하, S: 0초과 0.015wt% 이하, Cr: 0초과 0.1wt% 이하, Cu: 0.1~0.15wt%, Al: 0.02~0.04wt%, Nb: 0.04~0.05wt%, N: 0.08~0.12wt% 및 나머지 Fe과 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는다.

본 발명은 Ni, V, Ti가 미첨가된 강재로, Nb첨가와 제어압연 및 제어압연 후의 냉각속도 조절로 인장강도 570MPa 이상을 확보한다. 따라서, 원단위 절감을 통한 가격경쟁력 확보가 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 570MPa 이상의 인장강도를 확보하고도 항복비 0.65 이하를 만족한다. 이는 내진용 강재 항복비(항복강도/인장강도) 기준 0.85이하를 충분히 만족하는 기준이다. 따라서, 지진 위험 지역의 초고층 빌딩에 널리 적용이 가능한 효과가 있다.

이하, 본 발명에 의한 고강도 강재 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 고강도 강재로 인장강도 570MPa급 구조용 강재를 예로 들어 설명한다.

합금조성은 C: 0.08~0.10wt%, Si: 0.33~0.37wt%, Mn: 1.40~1.50wt%, P: 0초과 0.015wt% 이하, S: 0초과 0.015wt% 이하, Cr: 0초과 0.1wt% 이하, Cu: 0.1~0.15wt%, Al: 0.02~0.04wt%, Nb: 0.04~0.05wt%, N: 0.08~0.12wt% 및 나머지 Fe과 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

구체적으로, 본 발명은 Ni, V, Ti가 미첨가된 강재로, 압연조건과 냉각속도를 제어함으로써 항복비를 낮춰 강재의 탄성영역 후 소성영역을 증가시킨다. 강재의 소성영역을 증가시키는 것은 고강도 강재에서 내진특성을 향상시킨다.

일반적으로 Ni, V, Ti는 강재의 고강도 확보를 위해 첨가된다. 그러나 Ni, V, Ti를 첨가하면 인장강도와 동시에 항복강도가 상승하여 강재의 가공성이 저하되고, 용접 균열성이 증가한다. 그리고 본 발명에서 요구하는 내진특성도 기대하기 어렵다. 따라서, 용접균열성 저감 및 항복강도 저감을 위해 Ni, V, Ti를 첨가하지 않고 압연조건과 냉각속도 제어로 고강도와 저항복비가 동시에 확보되도록 한다.

항복비는 0.65 이하이다. 그리고, 최종조직은 미세한 페라이트와 펄라이트 조직을 갖는다. 이때, 최종조직 중 페라이트는 80% 이상이다.

이하, 본 발명의 합금원소들의 기능 및 함량의 한정 이유에 대해 설명한다.

C: 0.08~0.10wt%

C는 강재의 강도 확보를 취해 첨가된다. C는 0.08wt% 미만으로 첨가되면 강도확보가 어렵고, 0.10wt%를 초과하면 강도는 증가하나 취성적인 성질 및 열에 약한 특성을 가지게 되어 충격인성 및 용접성이 저하된다. 따라서, C는 충격인성 및 용접성을 고려하여 0.08~0.10wt%의 범위로 설정한다.

Si: 0.33~0.37wt%

Si는 제강공정에서 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가되며, 고용강화 효과도 가진다. Si는 함량이 0.33wt% 미만이면 그 효과가 미흡하고, 0.37wt%를 초과하면 용접성과 인성을 열화시킨다. 따라서, Si의 함량은 탈산효과와 고용강화 효과를 도모하기 위해 0.33~0.37wt%의 범위로 설정한다.

Mn: 1.40~1.50wt%

Mn은 오스테나이트 안정화 원소로서 Ar3온도를 낮추어 제어압연 영역을 확대시킴으로써 압연에 의한 결정립을 미세화시켜 강도 및 인성을 향상시킨다.

Mn은 함량이 1.40wt% 미만이면 강도 향상에 기여하지 못해 추가의 소입성 원소를 첨가해야 하고, 1.50wt%를 초과하면 제조원가의 상승 및 용접성 열화의 문제를 유발한다. 따라서 Mn 함량을 1.40~1.50wt%의 범위로 설정한다.

P: 0초과 0.015wt% 이하

P는 충격인성을 저하시키는 대표적인 원소로서 그 함량이 낮으면 낮을수록 좋다. 하지만 제강과정에서 피할 수 없는 불순물이므로 그 함량을 0.015% 이하로 제한한다.

S: 0초과 0.015wt% 이하

S는 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소이며 유화물계 개재물(MnS)을 형성하여 충격인성을 저하시키므로 0.015wt% 이하로 제한한다.

Cr: 0초과 0.1wt% 이하

Cr은 첨가하면 강도를 높이는 작용을 하나, 미세한 개재물 CrS를 형성하므로 첨가하지 않아도 좋다. 하지만 첨가할 경우 Cr은 0.1wt%를 초과하면 페라이트의 비율이 크게 저하되므로 0.1wt% 이하로 제한한다.

Cu: 0.1~0.15wt%

Cu는 고용강화 효과에 의해 강도를 증가시킨다. Cu는 함량이 0.1wt% 미만이면 효과가 미비하고, 0.15wt%를 초과하면 인성의 현저한 저하와 열간가공성의 열화를 초래한다. 따라서 Cu 함량을 0.1~0.15wt%로 설정한다.

Al: 0.02~0.04wt%

Al은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 제강 공정에 첨가된다. Al은 함량이 0.02wt% 미만이면 탈산효과가 미흡하고, 0.04wt%를 초과하면 비금속개재물인 Al₂O₃를 형성하여 충격인성을 저하시킨다. 따라서 함량을 0.02~0.04wt%로 설정한다.

Nb: 0.04~0.05wt%

Nb는 석출 및 고용강화 효과를 통해 강재의 강도 상승을 도모하는 효과가 크 다. Nb은 C, N와 결합하여 탄질화물을 형성한다. 이는 압연시 결정립 성장을 억제하여 결정립을 미세화시키므로 인성향상 및 압연 냉각 후의 석출강화 효과를 가져온다.

Nb은 함량이 0.04wt% 미만이면 효과가 미비하고, 0.05wt%를 초과하면 인성을 저하시킬 우려가 있다. 따라서, 그 함량을 0.04~0.05wt%로 설정한다.

N: 0.08~0.12wt%

N은 인장강도, 항복강도를 증가시키고, 연신율을 저하시킨다. 특히 N은 다른 Nb 등과 결합하여 질화물을 형성하여 결정립을 미세하게 만든다. 그러나 다량 첨가시 고용N이 증가하여 강의 연신율 및 성형성을 저하시키는 문제점이 있다.

N은 0.08wt% 미만으로 첨가되면 결정립 미세화 효과가 미비하고, 0.12wt%를 초과하면 상술한 연신율 및 성형성 저하의 문제점이 있으므로 N의 함량을 0.08~0.12wt%로 한다.

본 발명은 상기 합금강의 성분들을 포함하고, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 원소들이며, 원료, 자재, 제조설비 등의 상황에 따라 함유되는 원소로서 불가피한 불순물의 미세한 혼입도 허용될 수 있다.

상기와 같은 조성을 갖는 강재의 주편은 제강공정을 통해 용강을 얻은 다음 연속주조공정을 통해 제조되며, 제어압연 및 압연 후 냉각조건의 최적화를 통해 결정립을 미세화할 수 있다.

이하에서는 제어압연 및 압연 후의 냉각에 대해 보다 상세하게 설명한다.

[재가열]

본 발명에서는, 상기한 조성을 갖는 강재의 주편을 주조시 편석된 성분을 재고용하기 위해 1150~1250℃에서 소정시간, 예를 들어, 1~3시간 동안 재가열 한다.

재가열 온도는 1150℃보다 낮으면 주편의 온도가 낮아 압연 부하가 커지는 문제점이 있고 1250℃를 초과하면 오스테나이트 결정립이 조대화되어 강도확보가 어려운 문제점이 있다.

[제어압연]

1150~1250℃로 가열한 후에는 890~910℃범위에서 시작하여 최종 압연온도까지 누적 압하량이 40~50%가 되게 압연을 수행하고, 이어 625~675℃까지 가속 냉각한 후 상온까지 공냉한다.

강재의 압연시 총 압하량을 70%라 가정할 때, 890~910℃범위에서 시작하여 최종 압연온도까지 누적 압하량이 40~50%가 되게 압연을 수행하기 위해 890~910℃범위 이전에 누적 압하량은 20~30%가 되게 압연을 수행한다.

예를들어, 강재의 압연시 총 압하량을 70%로 하면, 890~910℃범위 이전에 누적 압하량이 20%가 되게 압연을 수행하고, 890~910℃범위에서 시작하여 최종 압연온도까지 누적 압하량이 50%가 되게 압연을 수행하는 것이다.

상술한 제어압연은 Nb석출양과 고용Nb양을 제어하여 항복강도를 낮추는 효과를 갖는다. 이는 Nb석출양과 고용Nb양을 특정 범위내로 제어할 경우 인장강도가 증가하는 폭에 비해 항복강도가 증가하는 폭이 낮아 항복강도를 낮출 수 있기 때문이 다.

따라서, Nb석출양과 고용Nb양이 특정범위로 제어되도록 890~910℃범위에서 시작하여 최종 압연온도까지 누적 압하량이 40~50%가 되게 압연을 수행한다. 특정범위는 Nb석출양과 고용Nb양이 65:35~75:25[wt%]의 비율을 갖도록 하는 것이다. Nb석출양과 고용Nb양이 상기 비율보다 높거나 낮으면 Nb석출물 또는 고용Nb가 항복강도를 증가시키는 작용을 한다.

890℃보다 낮은 온도에서 누적 압하량을 증가시키면 석출Nb양이 과도하게 증가하고, 910℃보다 높은 온도에서 누적 압하량을 증가시키면 고용Nb양이 과도하게 증가하여 항복비가 증가한다.

누적 압하량은 40% 이상을 주어야 Nb석출에 의한 결정립 미세화를 달성할 수 있으며, 누적 압하량이 50%를 초과하면 압연 통판성이 저하될 수 있다.

실시예로 압연은 6개 이상의 연속밀을 통과하여 압연한다.

구체적으로 설명하면, 제 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 및 11 압연기(11pass)로 구성되는 연속밀을 통과하여 열간압연하되, 제 5압연기의 취입전 주편의 온도가 890~910℃가 되게 하여 제 5압연기의 압연부터 최종 압연기의 압연까지 누적 압하량이 40~50%가 되게 압연을 수행한다.

상술한 제어압연 방법은 아래의 표 1의 압연패스를 따른다.

[표 1]

(단위:℃)

구분	1pass	2pass	3pass	4pass	5pass	6pass	7pass	8pass	9pass	10pass	11pass
압연온도	1050±5	1020±5	1000±5	980±5	950±5	900±5	870±5	840±5	810±5	780±5	770±5

표 1에 의하면, 제어압연은 총 11pass에 걸쳐 진행하며 5번째 압연기부터(5pass) 누적 압하량 40~50% 압연을 진행한다. 참고로, 압연온도는 압연기 취입전 온도를 기준으로 한다.

최종 압연온도는 750~790℃이다. 이는 최종 압연온도가 750℃ 보다 낮으면 상변태로 변태된 페라이트가 연신되어 물성치 및 충격치가 낮아질 수 있고, 790℃를 초과하면 인성에 나쁜 영향을 미치는 침상 페라이트 또는 베이나이트가 생성될 수 있다.

가속 냉각은 13~19℃/sec의 냉각속도로 수행한다.

냉각속도는 13℃/sec 미만이면 페라이트 분율이 저하되어 강도확보가 어렵고, 19℃/sec를 초과하면 과냉조직인 침상 페라이트(acicular ferrite)가 생성된다. 침상 페라이트는 폭이 좋고 길게 연신된 바늘형태를 갖는 조직으로 항복강도를 증가시켜 강재의 취성을 증가시킨다.

한편 가속 냉각 정지온도는 베이나이트나 마르텐사이트나 생성되지 않는 정도의 온도인 625~675℃로 한다.

본 실시예에 기재된 합금조성을 갖는 강재의 주편을 전술한 제어압연 및 압연 후의 냉각을 실시하면, 페라이트 조직이 80%이상인 결정립을 얻을 수 있다. 이러한 조직을 갖는 강재는 570MPa 이상의 인장강도와 0.65 이하의 항복비를 만족한다.

아래의 표 2는 각각의 성분 요소가 다른 본 발명의 발명예와 비교예 및 전술한 제어압연 조건, 그리고 그에 따라 측정된 기계적 성질들을 나타낸 것이다.

[표 2]

1.합금조성

(잔부 Fe, 단위:wt%)

구분	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Cu	V	Ti	Al	Nb	N
발명예	0.085	0.34	1.46	0.01	0.01	0.003	0.06	0.103	0	0	0.019	0.05	0.11
비교예1	0.067	0.199	1.24	0.01	0.01	0.331	0.05	0.103	0.02	0	0.043	0.05	0.1
비교예2	0.092	0.2	1.24	0.02	0.01	0.011	0.06	0.099	0.02	0.02	0.029	0.05	0.1

발명예는 고강도를 위해 Nb만을 첨가하였고, 비교예1은 고강도를 위해 Nb외에 추가로 V와 Ni를 첨가하였으며, 비교예2는 고강도를 위해 Nb외에 추가로 Ti, V를 첨가하였다. 그리고, 발명예에서 Ni:0.003wt%는 불가피한 불순물이다.

위 합금조성을 갖는 주편을 1200℃에서 2시간 동안 가열한 후 아래의 압연패스로 제어압연을 수행하였다. 이때, 압연은 총 11pass에 걸쳐 진행하며 5번째 압연기부터(5pass) 누적 압하량 45% 압연을 진행하였다. 참고로, 압연온도는 압연기 취입전 온도를 기준으로 한다.

아래에는 각 압연패스별 제어압연 온도를 나타내었다.

2.압연온도

(단위:℃)

구분	1pass	2pass	3pass	4pass	5pass	6pass	7pass	8pass	9pass	10pass	11pass
압연온도	1048.7	1016.2	1001.7	980.2	951.3	903.9	870.7	837.2	809.6	789.3	770.6

상술한 압연패스로 제어압연을 수행한 후 스프레이 타입의 수냉설비를 통해 650℃까지 수행하였으며, 냉각속도는 15℃/s로 유지하였다. 이 후에는 상온까지 공냉하였다.

아래에는 상술한 합금조성과 제어압연을 통해 생산된 강재의 기계적 성질을 나타내었다.

3. 기계적 성질

구분	항복강도(MPa)	인장강도(MPa)	충격치(J)	항복비 (항복강도/인장강도)
발명예	372	575	116.5	0.65
비교예1	480	543	177.9	0.88
비교예2	458	522	143.7	0.88

표 2의 합금조성, 압연온도, 기계적 성질을 살펴보면, 고강도 확보를 위해 Nb이외에 다른 성분 Ti, V, Ni 등을 첨가하면 결정립 미세화에 의해 충격치 및 항복강도는 상승하나 인장강도는 상승하지 않음을 알 수 있다. 또한, 항복비가 0.88로 매우 높아 건축용 내진성 강재로는 적용하기 어려움을 알 수 있다.

아래의 표 3은 본 발명의 성분 요소 및 제어압연 조건, 그리고 그에 따라 측정된 기계적 성질들을 나타낸 것이다.

[표 3]

1.합금조성

(잔부 Fe, 단위:wt%)

구분	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Cu	V	Ti	Al	Nb	N
조성	0.085	0.34	1.46	0.01	0.01	0.003	0.06	0.103	0	0	0.019	0.05	0.11

위 합금조성은 고강도를 위해 Nb만을 첨가한 것으로, Ni:0.003wt%는 불가피한 불순물이다.

아래에는 각 압연패스별 제어압연 온도를 나타내었다.

2.압연온도

(단위:℃)

구분	1pass	2pass	3pass	4pass	5pass	6pass	7pass	8pass	9pass	10pass	11pass
발명예	1048.7	1016.2	1001.7	980.2	951.3	903.9	870.7	837.2	809.6	789.3	770.6
비교예1	1048	1029	994.2	899.9	853.2	830.8	809.9	806.9	789.7	774.9	763.4
비교예2	1064	1047.3	1021.8	999.8	972.9	948.6	923.9	896.5	848.3	796.3	774.6
비교예3	1072	1060	1042	1027	1016	999.6	985	962.7	956.5	810.3	789.9

3. 기계적 성질

구분	항복강도(MPa)	인장강도(MPa)	충격치(J)	항복비 (항복강도/인장강도)
발명예	372	575	116.5	0.65
비교예1	494	570	107.7	0.87
비교예2	459	559	117.3	0.82
비교예3	475	544	70.6	0.87

표 3의 합금조성, 압연온도, 기계적 성질을 살펴보면, 890℃보다 낮거나 910℃보다 높은 온도에서 누적 압하량을 증가시키는 압연이 진행되면 항복강도가 상승 하여 항복비가 증가함을 알 수 있다.

참고로, 표 2와 표 3에서 충격치는 -5℃에서의 충격치로 110J이상의 충격치 기준을 만족함을 알 수 있다.

즉, 표 2와 표 3의 실험결과로부터 Ni, V, Ti를 미첨가하더라도 제어압연 및 제어압연 후의 냉각속도를 조절하는 것에서 570MPa 이상의 인장강도 및 0.65이하의 항복비를 만족하는 강재를 제조할 수 있음을 알 수 있다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims

C: 0.08~0.10wt%, Si: 0.33~0.37wt%, Mn: 1.40~1.50wt%, P: 0초과 0.015wt% 이하, S: 0초과 0.015wt% 이하, Cr: 0초과 0.1wt% 이하, Cu: 0.1~0.15wt%, Al: 0.02~0.04wt%, Nb: 0.04~0.05wt%, N: 0.08~0.12wt% 및 나머지 Fe과 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는 주편을

1150~1250℃로 가열한 후, 890~910℃범위에서 시작하여 최종 압연온도까지 누적 압하량이 40~50%가 되게 압연을 수행하고,

이어 625~675℃까지 가속 냉각한 후 상온까지 공냉하는 것을 특징으로 하는 고강도 강재의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 최종 압연온도는 750~790℃인 것을 특징으로 하는 고강도 강재의 제조방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 가속 냉각은 13~19℃/sec의 냉각속도로 수행하는 것을 특징으로 하는 고강도 강재의 제조방법.
C: 0.08~0.10wt%, Si: 0.33~0.37wt%, Mn: 1.40~1.50wt%, P: 0초과 0.015wt% 이하, S: 0초과 0.015wt% 이하, Cr: 0초과 0.1wt% 이하, Cu: 0.1~0.15wt%, Al: 0.02~0.04wt%, Nb: 0.04~0.05wt%, N: 0.08~0.12wt% 및 나머지 Fe과 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 강재.