KR101167389B1

KR101167389B1 - 구조용 강재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101167389B1
Application number: KR1020100017600A
Authority: KR
Inventors: 황병일
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2012-07-19
Also published as: KR20110098136A

Abstract

본 발명은 구조용 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, C: 0.14~0.16wt%, Si: 0.25~0.35wt%, Mn: 1.35~1.45wt%, Cu: 0.15~0.2wt%, V: 0.08~0.1wt%, Nb: 0.04~0.05wt%, N: 0.008~0.012wt% 및 잔부 Fe과 기타 불순물의 성분을 포함하고, C, Si, Nb, V의 함량이 1.5<[C]+[Si]+10([Nb]+[V])<2.0의 조건을 만족하는 주편을 재가열한 후, 940~960℃에서 시작하여 최종압연온도까지 누적 압하량이 40~50% 범위가 되도록 H형상으로 열간압연을 하고, 이어 상온까지 공냉한다.
이와 같이 제조된 구조용 강재는 인장강도 650MPa 이상, -5℃에서의 충격치가 47J 이상을 만족하므로 고강도와 저온인성을 요구하는 건축 구조용 강재로 널리 적용 가능한 이점이 있다.

Description

구조용 강재 및 그 제조방법{Steel for structure, and method for producing the same}

본 발명은 구조용 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압연에 의해 제조되고 650MPa 이상의 인장강도를 갖는 건축 구조용 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

교량, 빌딩 등의 구조물에 사용되는 구조용 강재는 건축물이 고층화됨에 따라 고강도화가 요구된다. 구조용 강재는 단면형상에 따라 H형강, T형강, ㄱ형강, ㄷ형강 등으로 분류된다.

이 중 H형강은 가장 널리 사용되는 구조용 강재로 두 개의 플랜지와 하나의 웨브로 구성된다.

본 발명의 목적은 합금설계와 압연조건의 제어로 650MPa 이상의 인장강도와 -5℃에서 47J 이상의 충격치를 갖는 'H'형상의 구조용 강재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 C: 0.14~0.16wt%, Si: 0.25~0.35wt%, Mn: 1.35~1.45wt%, Cu: 0.15~0.2wt%, V: 0.08~0.1wt%, Nb: 0.04~0.05wt%, N: 0.008~0.012wt% 및 잔부 Fe과 기타 불순물의 성분을 포함하고, 인장강도 650MPa 이상, -5℃에서의 충격치가 47J 이상인 강재이다.

상기 기타 불순물은 P: 0 초과 0.025wt% 이하, S: 0 초과 0.02wt% 이하, Ni: 0 초과 0.15wt% 이하, Cr: 0 초과 0.15wt% 이하, Al: 0 초과 0.03wt% 이하를 포함한다.

상기 강재는 C, Si, Nb, V의 함량이 1.5<[C]+[Si]+10([Nb]+[V])<2.0의 조건을 만족한다. 여기서, [C],[Si],[Nb],[V]는 각각의 원소의 함량(wt%)을 나타낸다.

상기 강재는 압연에 의해 제조는 압연 H형강이다.

C: 0.14~0.16wt%, Si: 0.25~0.35wt%, Mn: 1.35~1.45wt%, Cu: 0.15~0.2wt%, V: 0.08~0.1wt%, Nb: 0.04~0.05wt%, N: 0.008~0.012wt% 및 잔부 Fe과 기타 불순물의 성분을 포함하고, 상기 C, Si, Nb, V의 함량이 1.5<[C]+[Si]+10([Nb]+[V])<2.0의 조건을 만족하는 주편을 재가열한 후, 940~960℃에서 시작하여 최종압연온도까지 누적 압하량이 40~50% 범위가 되도록 H형상으로 열간압연을 하고, 이어 상온까지 공냉한다. 여기서, [C],[Si],[Nb],[V]는 각각의 원소의 함량(wt%)을 나타낸다.

상기 최종압연온도는 850~910℃이다.

본 발명은 합금성분이 1.5<[C]+[Si]+10([Nb]+[V])<2.0를 만족하고, 압연은 940~960℃에서 시작하여 최종압연온도까지 누적 압하량이 40~50% 범위가 되도록 압연하여 H형상의 강재를 제조한다. 여기서, [C],[Si],[Nb],[V]는 각각의 원소의 함량(wt%)을 나타낸다.
이와 같이 제조된 강재는 고용강화, 석출강화, 결정립 미세화 효과로 인장강도 650MPa 이상, -5℃에서의 충격치 47J 이상을 만족한다.

따라서 고강도와 저온인성을 요구하는 건축 구조용 강재로 활용가능하므로 초고층 빌딩에 널리 적용할 수 있는 유용한 효과가 있다.

이하 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명의 구조용 강재는 C: 0.14~0.16wt%, Si: 0.25~0.35wt%, Mn: 1.35~1.45wt%, Cu: 0.15~0.2wt%, V: 0.08~0.1wt%, Nb: 0.04~0.05wt%, N: 0.008~0.012wt% 및 잔부 Fe과 기타 불순물로 이루어진다.

기타 불순물은 P: 0 초과 0.025wt% 이하, S: 0 초과 0.02wt% 이하, Ni: 0 초과 0.15wt% 이하, Cr: 0 초과 0.15wt% 이하, Al: 0 초과 0.03wt% 이하를 포함한다.

합금성분 중 C, Si, Nb, V의 함량은 1.5<[C]+[Si]+10([Nb]+[V])<2.0의 조건을 만족한다. 여기서, [C],[Si],[Nb],[V]는 각각의 원소의 함량(wt%)을 나타낸다.

제조방법은 상술한 합금조성을 갖는 주편을 재가열 후, 940~960℃에서 시작하여 최종압연온도까지 누적 압하량이 40~50% 범위가 되도록 H형상으로 열간압연하고 상온까지 공냉한다.

이와 같이 제조된 강재는 H형강으로 인장강도 650MPa 이상, -5℃에서의 충격치가 47J 이상을 만족한다.

현재 압연에 의해 제조되는 H형강은 인장강도가 600MPa급 이하로 낮다. 따라서 인장강도 600MPa급 이상을 요구하는 경우에는 강도가 높은 후판(두꺼운 판)을 절개하여 플랜지와 웨브를 용접으로 접합하여 H형 단면형상으로 제조하는 용접 H형강이 적용되고 있다.

용접 H형강의 경우 후판 용접에 따른 가공비용이 증가하고 강도 상승에 따른 고강도 용접봉 사용으로 용접비용이 추가되어 제조원가가 상승한다. 따라서, 합금설계와 압연조건의 제어로 압연 H형강을 제조한다.

또한, 혹한지나 극지 같은 지역에서 사용되는 강재의 경우에는 무엇보다 저온인성이 높은 재질이 요구되므로 본 발명은 -5℃에서의 충격치가 47J 이상을 만족하도록 한다.

구체적으로, 본 발명은 C와 Si를 포함하는 합금성분에 Nb와 V를 첨가하여 고용강화와 석출강화를 유도함으로써 인장강도 650MPa 이상을 확보하고, 압연온도 제어로 누적 압하량을 조절하여 결정립을 미세화함으로써 -5℃에서의 충격치가 47J 이상이 되도록 한다.

식 1.5<[C]+[Si]+10([Nb]+[V])<2.0는 고용강화와 석출강화 효과를 확보하기 위한 식으로, 복수회 실험을 통해 얻어진 결과를 수식으로 나타낸 것이다. 원리는 C, Si, Nb, V가 고용 및 석출강화 효과를 통해 강재(H형강)의 강도를 상승시키는 것이다.

보다 상세하게는, 강에 C, Si가 고용된 상태로 주편이 제조되고, 주편의 재가열시 강에 고용된 C중 일부가 Nb, V와 결합되어 NbC, VC형태로 석출되는 것이다. 참고로, N은 고온에서 VN, NbN로 석출되어 조대화되므로 석출강화 효과가 C보다 낮다. 즉, N보다 C가 석출강화에 더 큰 영향을 미치므로 수식에서 N은 언급하지 않았다.

C+Si+10(Nb+V)의 값이 1.5 이하이면 입내 석출이 부족하여 석출물이 입내에 충분히 고용되지 못하고 고용강화 효과도 충분치 않다. 반면, C+Si+10(Nb+V)의 값이 2.0 이상이면 과도한 입계석출로 충격치가 저하된다.

본 발명의 기본성분이 되는 합금원소들의 기능과 함유량은 다음과 같다.

[필수 첨가원소]

C: 0.14~0.16wt%

C는 강도 확보를 위해 첨가된다. C는 0.14wt% 미만이면 목표하는 강도 확보가 어렵고, 0.16wt%를 초과하면 강도는 상승되나 취성적인 성질을 가지게 되어 충격치가 저하된다.

Si: 0.25~0.35wt%

Si는 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가되며 고용강화 효과도 가진다. Si는 0.25wt% 미만이면 고용강화 효과가 충분하지 않고, 0.35wt%를 초과하면 탄소당량이 높아져 용접성과 인성을 열화시킨다.

탄소당량이 높아지면 용접성과 인성이 열화되므로 구조용 강재는 용접에 있어서 성분을 탄소당량으로 규제한다. 탄소당량은 탄소 및 탄소와 같은 역할을 하는 합금원소의 상대적인 분율이다.

Mn: 1.35~1.45wt%

Mn은 강도 및 인성을 증가시키고 오스테나이트를 안정화시키며 소입성을 증가시킨다. 또한, 고온에서 결정립 성장을 억제하며 주조성을 좋게 하고 S의 해를 감소시킨다.

Mn은 1.35wt% 미만이면 그 효과가 충분하지 않고, 1.45wt%를 초과하면 탄소당량이 높아져 용접성 열화의 문제를 유발한다.

Cu: 0.15~0.2wt%

Cu는 고용강화 효과에 의해 강도를 증가시킨다. Cu는 0.15wt% 미만이면 그 효과가 미비하고, 0.2wt%를 초과하면 열간 가공성의 열화를 초래하고 용접성을 떨어뜨린다.

V: 0.08~0.1wt%

V는 고용강화 및 VC석출물 형성을 통해 강도 향상에 기여한다.

V는 0.08wt% 미만이면 그 효과가 미비하고, 0.1wt%를 초과하면 용접성과 인성을 저하시키게 된다.

Nb: 0.04~0.05wt%

Nb는 NbC, NbN의 석출물 형태로 석출되어 압연시 입계성장을 가로막아 결정립사이즈를 미세화한다. Nb는 0.04wt% 미만이면 그 효과가 미비하고, 0.05wt%를 초과하면 충격인성을 저하시킨다.

N: 0.008~0.012wt%

N은 인장강도, 항복강도를 증가시키고 연신율을 저하시킨다. N은 V, Nb 등과 결합하여 결정립을 미세하게 한다. 하지만 다량 함유시 N이 개재물을 발생시켜 내부품질을 저하시킨다.

따라서 N은 극저로 관리하는 것이 유리하다. 하지만 0.008wt% 미만으로 관리하기에는 관리의 어려움이 있고 제조비용이 증가하며, 0.012wt%를 초과하면 내부품질이 저하된다.

[기타 불순물]

P: 0 초과 0.025wt% 이하

P는 강 중에 균일하게 분포되는 경우 별문제가 없으나, 보통 Fe₃P의 해로운 화합물을 형성한다. 이 화합물은 극히 취약하고 편석되어 있어 풀림처리를 하여도 균질화되지 않는다.

따라서, P는 그 함량이 낮으면 낮을수록 좋다. 하지만 P는 제강과정에서 피할 수 없는 불순물이므로 그 함량을 0.025wt% 이하로 제한한다.

S: 0 초과 0.02wt% 이하

S는 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소로 강의 인성 및 용접성을 저해하고, 유화물계(MnS) 비금속 개재물을 증가시켜 크랙 등의 발생을 야기한다. 특히, S는 과다 첨가시 조대한 개재물을 증가시켜 피로특성을 열화하고 P와 마찬가지로 강의 저온 충격인성을 저하시키므로 0.02wt% 이하의 범위로 제한한다.

Ni: 0 초과 0.15wt% 이하

Ni는 강의 조직을 미세화시키고, 오스테나이트나 페라이트에도 고용이 잘되므로 기지를 강화시킨다. 특히, Ni은 내식성과 내산화성을 증대시키고 소입성을 증가시켜 대형재의 열처리를 용이하게 한다. 또한, Ni는 저온인성을 향상시키는데 효과적인 원소이다.

하지만 0.15wt%를 초과하면 고가 합금원소의 첨가에 따른 제조 원단위가 상승하고 연주공정이 까다로워지는 문제점이 있다.

Cr: 0 초과 0.15wt% 이하

Cr은 첨가하면 강도를 높이는 작용을 하나, 미세한 개재물 CrS를 형성하므로 첨가하지 않아도 좋다. 하지만 첨가할 경우 0.15wt%를 초과하면 용접균열성이 증대된다.

Ni와 Cr의 함량은 탄소당량 및 용접균열성 저감을 위해 Ni+Cr<0.25를 만족하도록 한다.

Al: 0 초과 0.03wt% 이하

Al은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 제강 공정에 첨가된다. Al은 0.03wt%를 초과하면 비금속개재물인 Al₂O₃를 형성하여 충격인성을 저하시킨다.

본 발명은 상기 성분들을 함유하고, 잔부 Fe이며, 원료, 자재, 제조설비 등의 상황에 따라 함유되는 원소로서 0.01wt% 이의 산소 등의 기타 불가피한 불순물의 미세한 혼입도 허용된다.

상기와 같은 조성을 갖는 주편(빔브랑크)은 제강공정을 통해 원하는 조성의 용강을 얻은 다음 연속주조공정을 통해 제조되며, 재가열, 열간압연을 거쳐 웨브와 웨브의 양측에 플랜지가 돌출된 'H'형 단면형상으로 제조된다.

재가열은 1150~1250℃로 가열한다. 이후 가열된 주편을 여러 가지 공형롤로 압연하여 H형상으로 제조한다.

재가열은 주편의 주조시 편석된 성분을 재고용하기 위한 것이다. 재가열 온도는 1150℃보다 낮으면 주편의 온도가 낮아 공형롤에서 압연시 압연 부하가 커지는 문제점이 있고, 1250℃를 초과하면 오스테나이트 결정립이 조대화되어 강도확보가 어려운 문제점이 있다.

공형롤에서의 압연은 940~960℃에서 시작하여 최종압연온도까지 누적 압하량이 40~50% 범위가 되도록 압연한다. 압연 후에는 상온까지 공냉한다.

940~960℃에서 시작하여 최종압연온도까지 누적 압하량이 40~50% 범위가 되도록 압연하는 것은 미재결정 영역에서 압하량을 높여 결정립 미세화를 유도하기 위함이다. 940~960℃에서 시작하여 최종압연온도까지 누적 압하량이 40% 미만이면 결정립 미세화 효과가 미비해 충격치가 저하되고, 50%를 초과하면 압연통판성이 저하된다. 미재결정 영역은 재결정이 정지된 후의 영역이다.

구체적으로 설명하면, 압연은 6개 이상의 공형롤을 통과하여 압연하되, 4번째 압연기 취입전 주편의 온도가 940~960℃가 되게 하여 4번째 압연기부터 최종 압연기까지의 누적 압하율이 40~50%가 되게 압연을 수행한다.

압연패스는 표 1을 따른다.

구분	1pass	2pass	3pass	4pass	5pass	6pass	7pass	8pass
압연온도(℃)	1175~ 1165	1155~ 1145	1135~ 1125	960 940~	950~ 940	945~ 935	930~ 920	910~ 850

최종압연온도는 850~910℃이다. 최종압연온도는 850℃ 미만이면 물성치 및 충격치가 낮아지고, 910℃를 초과하면 항복강도가 낮아질 수 있다.

그리고 본 실시예에서는 H형강을 예로 들어 설명하고 있으나, 상술한 합금조성 및 합금설계는 H형강 외에도 T형강, ㄱ형강, ㄷ형강 등 다양한 형강에 적용할 수 있음은 물론이다.

이하에서는 본 발명을 실험을 통해 상세하게 설명한다.

<실험 1>

합금성분에 따른 H형강의 기계적 성질을 실험하였다.

아래의 표 2는 각각의 성분요소가 다른 발명예와 비교예를 나타낸 것이다.

(잔부:Fe, 단위:wt%)

구분	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Nb	V	Al	N
발명예	0.15	0.35	1.35	0.020	0.010	0.17	0.11	0.10	0.040	0.098	0.02	0.011
비교예1	0.072	0.206	1.419	0.0152	0.0095	0.1008	0.312	0.049	0.0494	0.0051	0.042	0.01
비교예2	0.092	0.258	1.228	0.0155	0.0094	0.1	0.024	0.047	0.0511	0.0216	0.041	0.01

표 2는 식 C+Si+10(Nb+V)가 아래의 조건범위를 갖는다.

발명예:1.5<[C]+[Si]+10([Nb]+[V])<2.0

비교예1: [C]+[Si]+10([Nb]+[V])<1.0

비교예2: 1.0<[C]+[Si]+10([Nb]+[V])<1.5

아래의 표 3은 표 2의 합금성분에 의해 제조된 H형강의 기계적 성질을 측정한 결과를 나타낸 것이다.

구분	C+Si+10(Nb+V) [wt%]	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	-5℃에서의충격치 (J)	연신율 (%)
발명예	1.88	499	650	59.3	29
비교예1	0.823	541	597	139	22
비교예2	1.077	493	585	77.9	23

제조방법은 표 2의 합금성분을 갖는 주편을 1200℃에서 2시간 재가열 후 950℃에서 시작하여 910℃까지 누적 압하량이 40~50% 범위가 되도록 압연하고, 압연 후에는 상온까지 공냉하였다.

표 2와 표 3을 살펴보면, C, Si, Nb, V가 식 1.5<[C]+[Si]+10([Nb]+[V])<2.0를 만족하는 경우 인장강도 650MPa가 확보되었으며, -5℃에서의 충격치도 47J 이상이 되었다.

반면, 1.5<[C]+[Si]+10([Nb]+[V])<2.0를 만족하지 않는 비교예1과 비교예2는 충격치는 높았으나 650MPa 이상의 인장강도를 확보하지 못했다.

<실험 2>

압연조건의 제어에 따른 H형강의 기계적 성질을 실험하였다.

아래의 표 4는 각 공형롤 압연패스별 압연온도를 나타낸 것이다.

C:0.15wt%, Si:0.35wt%, Mn:1.35wt%, P:0.020wt%, S:0.010wt%, Cu:0.17wt%, Ni:0.11wt%, Cr:0.10wt%, Nb:0.040wt%, V:0.098wt%, Al:0.02wt%, N:0.011wt% 및 잔부 Fe과 기타 불가피한 불순물로 조성되는 주편을 1200℃에서 2시간 재가열 후 아래의 표 3과 같은 압연조건으로 압연하였다. 압연 후에는 상온까지 공냉하였다.

압연은 6개 이상의 공형롤을 통과하여 압연하며 발명예는 4번째 압연기 취입전 주편의 온도가 940~960℃가 되게 하여 4번째 압연기부터 최종 압연기까지의 누적 압하율이 40~50%가 되게 압연을 수행하였다.

구분	압연온도(℃)								비고
구분	1pass	2pass	3pass	4pass	5pass	6pass	7pass	8pass	비고
발명예	1172	1153	1128	950	945	938	927	909	4pass에서 8pass까지 누적 압하량:40~50%
비교예	1170	1150	1130	1115	1100	1085	1070	850	8pass의 누적압하량:10%

아래의 표 5는 표 4의 압연조건으로 제조된 H형강의 기계적 성질을 측정한 결과를 나타낸 것이다.

구분	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	-5℃에서의 충격치 (J)	연신율 (%)
발명예	499	650	59.3	29
비교예	510	666	38	29

표 4와 표 5를 살펴보면, 940~960℃에서 시작하여 최종압연온도까지 누적 압하량이 40~50% 범위가 되도록 압연한 발명예의 경우 -5℃에서의 충격치가 47J 이상을 만족하였다. 이는 미재결정 영역의 누적 압하량 증가로 결정립이 미세화한 결과이다.

반면, 비교예는 인장강도는 상승하나 940~960℃에서 시작하여 최종압연온도까지 누적 압하량이 40% 미만으로 낮아 -5℃에서의 충격치가 38J로 낮았다. 이는 미재결정 영역의 누적 압하량이 낮아 결정립 미세화가 미비하였기 때문이다.

표 2 내지 표 5를 통해, 합금성분과 압연온도 제어로 인장강도 650MPa 이상, -5℃에서의 충격치가 47J 이상을 만족하는 압연 H형강을 제조할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 강재는 고강도와 저온인성을 요구하는 건축 구조용 강재에 적합하다.

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: 0.14~0.16wt%, Si: 0.25~0.35wt%, Mn: 1.35~1.45wt%, Cu: 0.15~0.2wt%, V: 0.08~0.1wt%, Nb: 0.04~0.05wt%, N: 0.008~0.012wt% 및 잔부 Fe과 기타 불순물의 성분을 포함하고, 인장강도 650MPa 이상, -5℃에서의 충격치가 47J 이상인 강재인 것을 특징으로 하는 구조용 강재.
청구항 1에 있어서,
상기 기타 불순물은 P: 0 초과 0.025wt% 이하, S: 0 초과 0.02wt% 이하, Ni: 0 초과 0.15wt% 이하, Cr: 0 초과 0.15wt% 이하, Al: 0 초과 0.03wt% 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조용 강재.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 강재는 C, Si, Nb, V의 함량이 1.5<[C]+[Si]+10([Nb]+[V])<2.0의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 구조용 강재.
(여기서, [C],[Si],[Nb],[V]는 각각의 원소의 함량(wt%)을 나타낸다.)
청구항 3에 있어서,
상기 강재는 압연에 의해 제조는 압연 H형강인 것을 특징으로 하는 구조용 강재.
C: 0.14~0.16wt%, Si: 0.25~0.35wt%, Mn: 1.35~1.45wt%, Cu: 0.15~0.2wt%, V: 0.08~0.1wt%, Nb: 0.04~0.05wt%, N: 0.008~0.012wt% 및 잔부 Fe과 기타 불순물의 성분을 포함하고, 상기 C, Si, Nb, V의 함량이 1.5<[C]+[Si]+10([Nb]+[V])<2.0의 조건을 만족하는 주편을
재가열한 후, 940~960℃에서 시작하여 최종압연온도까지 누적 압하량이 40~50% 범위가 되도록 H형상으로 열간압연을 하고, 이어 상온까지 공냉하는 것을 특징으로 하는 구조용 강재의 제조방법.
(여기서, [C],[Si],[Nb],[V]는 각각의 원소의 함량(wt%)을 나타낸다.)
청구항 5에 있어서,
상기 최종압연온도는 850~910℃인 것을 특징으로 하는 구조용 강재의 제조방법.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
상기 기타 불순물은 P: 0 초과 0.025wt% 이하, S: 0 초과 0.02wt% 이하, Ni: 0 초과 0.15wt% 이하, Cr: 0 초과 0.15wt% 이하, Al: 0 초과 0.03wt% 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조용 강재의 제조방법.