KR101439688B1 - 고강도 고인성 인 함유강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도 고인성 인 함유강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강중 다량 함유될 경우 취성을 유발한다는 종래의 통념을 극복한 새로운 개념의 인 함유강에 관한 것이다.
본 발명의 일측면에 따른 인 함유강은 중량%로, C: 0.3초과~0.6%, Mn: 0.5~3.0%, P: 0.05~0.2%, La: 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가지고, 베이나이트의 면적분율이 80% 이상인 조직을 가질 수 있다.

Description

고강도 고인성 인 함유강{A STEEL CONTAINING PHOSPHOROUS WITH EXCELLENT IMPACT TOUGHNESS AND HIGH STRENGTH}

본 발명은 고강도 고인성 인 함유강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강중 다량 함유될 경우 취성을 유발한다는 종래의 통념을 극복한 새로운 개념의 인 함유강에 관한 것이다.

지구상에서 채취되는 철광석에는 광산에 따라 다소 상이하기는 하나 다량의 인 성분이 포함되어 있다. 상기 인 성분은 채광이후의 선광과정에서도 광석으로부터 제거되지 않으며, 대부분 원래의 함량대로 소결광, 분광석, 브리케트 등의 형태의 제철원료에 포함되게 된다. 뿐만 아니라, 철광석을 처리하여 용선으로 제조하는 소위 제선공정에서도 인 성분은 거의 제거되지 않으며, 용선 내에 상당량 잔류하게 된다.

이러한 현상은 인이 독특한 화학반응 특성을 가지기 때문이다. 즉, 제철공정에서 철로부터 인을 제거하기 위해서는 인을 철과 분리되는 물질로 변환시켜야 하는데, 한가지 방법은 철 중에 고용된 인을 기상의 인으로 변환(기화탈린)시키는 것이며, 또 한가지 방법은 인과 산소를 반응시켜 인의 산화물(예를 들면 P₂O₅ 또는 그 유사한 화합물을 들 수 있다)로 변환시키는 방법을 들 수 있다. 그런데, 전자의 방법은 극단적인 환원조건을 필요로 하기 때문에 공업적인 방법으로는 현실적이지 않다. 따라서, 통상적으로 사용되는 방법은 후자의 산화공정인데, 철광석으로부터 용선을 제조하기 위해서는 환원성이 강한 환원제, 예를 들면 코크스 등을 사용하는 것이 필수적이므로 용선은 환원성 (그러나, 기화탈린에 적합하지는 않은 정도의 환원성) 분위기를 가지고 있다. 제선공정에서 인 성분을 제거하는 것은 현실적으로 가능하지 않다.

따라서, 현재 상용화된 제철공정에서 인의 제거는 제강공정(예비처리공정을 포함한다)에 집중되어 있다. 대표적인 인의 제거 공정은 전로로 대표되는 1차 정련공정을 들 수 있다. 전로공정은 주로 탄소를 제거하여 용선을 용강으로 변환시키는 공정으로서 탄소를 제거하기 위하여 공정 중에 순산소를 취입하는 것을 특징으로 한다. 이때, 순산소의 취입에 의해 인을 포함한 여타 산소친화적인 원소가 함께 산화되게 되는데, 전로에서의 탈린은 이러한 현상을 이용하는 것이다.

그런데, 상기 전로 이후의 2차정련 공정에서는 다시 환원제가 투입되어 환원성 분위기가 유지되게 되므로, 추가적인 탈린은 기대하기 어려워 전로에서 가급적 전량의 탈린이 이루어지는 것이 바람직하다. 따라서, 용선 중 초기 인의 함량이 높거나, 목표로 하는 최종 인의 함량이 낮을 경우에는 전로에서의 인제거 부하가 증가할 뿐만 아니라, 목표 탄소량에 이미 도달하였는데도 불구하고 인제거를 위한 산소취입에 따른 추가적인 탈탄이 불가피하게 이루어지며, 그에 따라 탄소와 밀접한 열역학적 관계를 가지는 용존 산소량이 증가할 수 밖에 없다. 산소량이 증가할 경우에는 출강시 또는 2차 정련과정에서 투입되는 알루미늄, 실리콘, 망간 등의 원소를 포함하는 환원제의 투입량이 증가할 수 밖에 없는데, 그에 따라 환원제와 용존 산소의 환원반응에 의해 생성되는 탈산생성물이 용강 내에 증가하게 되어 용강의 품질은 악화되게 된다.

뿐만 아니라, 전로에서의 탈린량이 증가되면서 야기되는 추가적인 문제로는 산소취입량의 증가에 따른 용강온도의 상승 및 그에 따른 노체 수명의 열화 등 셀 수 없이 많다.

전로에서의 탈린량을 감소시키고 상술한 문제점을 경감시키기 위하여 전로 이전의 공정에서 용선에 산화제를 첨가하여 탈린을 도모하는 방법이 제안된 바 있다. 상기 방법은 1차 정련이라 불리는 전로 전의 공정에서 이루어지므로 용선예비처리공정이라고도 불리고 있다. 용선예비처리에 의해 전로에 투입되는 용선 중의 인의 양은 감소하고 그에 따라 전로에서의 탈린부하는 경감될 수 있다. 그러나, 상기 공정은 부가적인 과정을 필요로 하고 용선의 온도감소를 야기하는 등 근원적으로 문제를 해결하는 방법은 아니다.

따라서, 강 중의 인의 함량을 높게 유지하면서도 종래 인에 의한 취성 등의 문제를 발생하지 않도록 할 경우에는 제강공정의 부하를 경감할 수 있을 뿐만 아니라, 강의 품질이 향상될 수 있음에도 이에 대한 해답을 공업적으로 제시한 발명은 아직 제안된 바 없다.

본 발명의 일측면은 비교적 높은 인 함량에서도 취성이 발생되지 않도록 하여 제강과정에서의 부담을 경감할 수 있는 신규한 고인성 인 함유강을 제공한다.

본 발명의 또다른 일측면은 인함유에 의해 높은 강도를 가질 수 있는 고강도 인 함유강을 제공한다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 추가적인 과제는 명세서 전반적인 내용에 기재되어 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 지식을 가지는 자라면 본 발명의 명세서로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일측면에 따른 인 함유강은 중량%로, C: 0.3초과~0.6%, Mn: 0.5~3.0%, P: 0.05~0.2%, La: 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가지고, 베이나이트의 면적분율이 80% 이상인 조직을 가질 수 있다.

또한, Si: 1.0% 이하, Cr: 2.0% 이하 및 Ni: 3.0% 이하 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 조직의 구 오스테나이트 평균입도는 10~50㎛일 수 있다.

본 발명에 따르면, 강 중에 La를 첨가함으로써 인에 의한 취화 현상을 방지할 수 있어, 비교적 높은 인 함량에서도 충분한 인성을 확보할 수 있어 고인성 인 함유강을 제공할 수 있다. 그에 따라 제강등 선공정에서의 부담을 경감할 수 있으며, 전체적인 공정을 합리적으로 제어할 수 있다.

뿐만 아니라, 인은 결정립 기지내에 존재할 경우 고용강화 효과를 부여하는 원소로서 비교적 높은 함량의 인첨가에 의하여 높은 강도를 얻을 수 있다.

도 1은 발명강3의 미세조직을 관찰한 현미경 사진, 그리고
도 2는 발명강3을 -20℃에서 충격시험한 시편의 파단면을 관찰한 현미경 사진이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 발명자들은 인이 다량 포함될 때, 강재내에서 취성이 발생하는 기구에 대하여 검토한 결과 포함되는 인이 결정립 계면에 편석되기 때문이라는 점을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.

즉, 본 발명에서는 인의 결정립 계면에 편석되는 현상을 최대한 억제함으로써 달성될 수 있다. 이를 위해서 본 발명에서는 강의 성분을 적절한 범위로 제어하고, 결정립 계면에 편석되는 인의 양을 최대한 감소시키는 것을 한가지 측면으로 한다. 특히, 본 발명에서는 결정립 계면에 편석되는 인의 양을 감소시키기 위해 인과 석출물을 형성시키는 La를 첨가시킨다. 즉, La가 첨가될 경우 상기 첨가된 La는 인과 함께 석출물을 형성시키기 때문에, 결정립계에 편석되는 P의 양이 상대적으로 줄어드는 것이다. 뿐만 아니라, La는 강재의 강화에 유리하게 작용하는 원소일 뿐만 아니라, La와 P의 석출물은 석출강화 현상을 기대할 수도 있으므로 강도의 향상에도 유리하다.

또한, 강재의 강도와 인성은 상기 La 첨가외에도 추가적인 성분을 적절히 제어함으로써 보다 향상될 수 있다.

보다 구체적으로는 본 발명의 인 함유강은 C: 0.05~0.3%, Mn: 0.5~3.0%, P: 0.05~0.2%, La: 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가지고, 베이나이트의 면적분율이 80% 이상인 조직을 가질 수 있다.

이하, 본 발명의 성분에 대하여 설명한다. 본 발명에서는 첨가되는 각 원소의 함량에 대하여 특별한 기재가 없다면 중량%를 의미함에 유의할 필요가 있다.

C: 0.3초과~0.6%

C는 탄소강 성분계에서 강의 강도 확보를 위하여 필요한 원소이다. 따라서, 0.3% 초과로 첨가되는 것이 바람직하다. 다만, 과다하게 첨가될 경우에는 B와 반응하여 석출물을 형성해 B 원자의 입계 편석효과를 떨어뜨려 충격인성 확보에 악영향을 미치므로 C 함량의 상한은 0.6%로 정하는 것이 바람직하다.

Mn: 0.5~3.0%

상기 Mn은 고용강화 및 경화능 향상에 효과가 있는 원소이나, 다량 첨가되는 경우에 중심편석 혹은 미소편석 등의 편석이 심해져 제품 품질에 악영향을 미치므로, 하한과 상한을 0.5%와 3.0%로 각각 제한한다.

P: 0.05~0.2%

이미 설명한 바 있듯이, P는 결정립계에 편석하여 강의 취화의 원인이 된다. 따라서, 종래는 상기 P의 함량범위를 통상 0.03% 이하로 제한하는 것이 일반적이나, 본 발명에서는 P의 결정립계 편석을 최소화할 수 있는 수단을 함께 마련함으로써 상기 P를 0.05% 이상으로 적극 첨가한다. 이러할 경우, 제강에서의 P의 정련제거부하를 경감하여 원가절감을 도모할 수 있다는 효과 이외에도 P가 가지는 고용강화 효과를 거둘 수 있다는 장점이 있다. 다만, 그 함량이 너무 높으면 충격특성을 열위시키는 문제가 있어, 하한과 상한을 각각 0.05%와 0.2%로 제한한다. 본 발명의 효과를 얻을 수 있는 보다 바람직한 P의 함량은 0.1~0.2%이다.

La: 0.1~0.5%

La는 P의 편석을 감소시킬 수 있는 역할을 하는 원소이다. 앞에서도 설명하였듯이, La는 P와 석출물을 형성하여 P 편석량을 감소시키는 역할을 한다. 즉, La는 편석되지 않은 상태에서 P에 대한 친화력을 가짐으로써 P가 결정립계에 편석되는 것을 방지할 수 있다. 상기와 같은 효과를 위해서는 상기 La는 0.1% 이상 첨가되는 것이 바람직하며, 0.25% 이상 첨가되는 것이 보다 바람직하다. 다만, 과다하게 첨가되면 오히려 La와 P의 석출물에 의한 인성 저하가 문제될 수 있으므로 그 함량을 0.5% 이하로 정하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 인 함유강은 C: 0.05~0.3%, Mn: 0.5~3.0%, P: 0.05~0.2%, La: 0.1~0.5%를 포함하는 조성을 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 인 함유강은 상술한 성분 이외에도 강의 기능을 향상시킬 수 있는 공지의 원소를 적정량 포함하는 것을 배제하지 않는다는 점에 유의할 필요가 있다.

강의 기능을 향상시킬 수 있는 공지의 원소의 예를 든다면, Si: 1.0% 이하, Cr: 2.0% 이하, Ni: 3.0% 이하를 들 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 이들 성분은 1종만 포함될 수도 있으며, 그 중에서 선택된 2종 이상의 성분들이 복합적으로 첨가될 수도 있다. 이하, 상기 추가 성분들의 첨가이유에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 이들은 임의성분으로서 반드시 첨가하지 않아도 되기 때문에 그 하한을 특별히 규정하지는 않는다.

Si: 1.0% 이하

Si은 고용강화에 의한 강도 향상의 효과가 있는 원소이나, 다량 첨가되는 경우에 스케일 결함의 증가로 인하여 표면 품질의 저하를 초래하므로, 상한을 1.0%로 제한한다.

Cr: 2.0% 이하

Cr은 강의 소입성을 향상시키는 원소로 알려져 있으나, 다량으로 첨가되는 경우 경우에는 중심편석 등의 역효과가 예상되므로 상한을 2.0% 이하로 제한한다.

Ni: 3.0% 이하

Ni은 강의 충격특성을 향상시키는 원소로 알려져 있으나, 다량으로 첨가될 경우 원가상승에 큰 부담을 미칠 수 있기 때문에 상한을 3.0% 이하로 제한한다.

뿐만 아니라, 본 발명의 강재는 통상 강의 공업적 생산 과정에서 포함될 수 있는 기타의 불순물을 포함할 수 있다. 이러한 불순물들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 알 수 있는 내용이므로 본 발명에서 특별히 그 종류와 함량을 제한하지는 않는다.

또한, 본 발명의 강재는 높은 강도와 인성을 가지기 위해서 베이나이트 조직을 주조직으로 포함한다. 보다 구체적으로는 본 발명의 강재의 조직 중 베이나이트의 함량은 면적분율로 80% 이상인 것이 바람직하다. 이와 같이 조직을 확보할 경우 1000MPa 이상의 강도, 바람직하게는 1000~1500MPa의 강도를 확보할 수 있다. 상기 베이나이트 이외의 조직으로서는 강재 내부에 형성되는 조직이라면 특별히 제한하지 않으며, 한두가지 예를 들면 페라이트 또는 마르텐사이트 조직을 들 수 있다.

또한, 상기 베이나이트 조직은 오스테나이트가 결정립계가 유지되는 상태에서 생성되는데, 그러므로 상온의 조직에서도 고온조직인 오스테나이트 조직의 형태를 관찰할 수 있으며, 이는 결정립의 크기를 나타내는 정도로 사용될 수 있다. 이러한 오스테나이트 조직 흔적의 크기를 구 오스테나이트 결정립 크기라고 통상 칭한다. 본 발명에서는 상기 구 오스테나이트 결정립 크기는 50㎛ 이하인 것이 바람직하다. 즉, 결정립 크기가 작을 경우에는 P가 편석될 장소가 증가하기 때문에 편석되는 장소에서의 P 함량이 과도하게 높게 되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 구 오스테나이트 결정립의 평균 크기는 50㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이론적으로는 결정립 크기를 작게하면 할수록 유리할 것이나, 구 오스테나이트 크기를 10㎛ 미만으로 제어하는 것은 공업적으로 용이하지 않으므로 상기 구 오스테나이트 결정립 평균 크기의 하한은 10㎛로 정한다. 본 발명에서는 La를 첨가하여 P의 입계편석을 감소시킴으로써 충격인성을 향상시킬 수 있기 때문에 입도를 상기 범위로 하여도 인성이 향상된 인 함유강을 얻을 수 있는 것이다. 그 결과 본 발명의 강재는 -20℃에서도 충격파단면의 벽개파면율이 면적기준으로 80% 이상일 수 있다.

상술한 바와 같이 강재의 조직을 제어하는 방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 방법을 통하여 달성할 수 있으며, 본 발명에서는 특별히 그 방법을 제한하지 않는다. 예를 들면, 압연온도, 압하율, 냉각속도, 냉각 구간, 부가적인 열처리의 유무 등을 들 수 있는데, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 이러한 조건을 변경하여 본 발명의 조직을 얻는데 특별한 어려움이 없을 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

제강공정에 의해 얻어지는 조성을 모사한 표 1과 2에 나타낸 조성의 강괴를 진공 유도 용해에 의해 두께 60mm, 폭 175mm로 주조하였다. 상기 얻어진 강괴를 1200℃에서 1시간 재가열을 실시한 후 열연 두께 7mm가 되도록 열간압연을 하였다. 열간압연된 시합금은 분위기로에서 900℃, 30분 오스테나이트화 열처리한 후, 500℃, 3시간 염욕처리를 통해 베이나이트 조직을 확보하고, 최종 5mm 서브사이즈(subsize) 샤피충격시편을 가공하여 충격인성시험을 실시하였다. 각 시편별 강도와 충격특성도 표 1 및 표 2에 함께 나타내었다. 표에서 강도는 인장강도(MPa)를 인성은 충격인성(J/cm², -20℃ 기준, 샤피 충격흡수에너지)을 의미한다. 또한, 각 조직의 분율(%)은 면적기준으로 측정된 것이며, 입도의 단위는 마이크로미터(㎛)이다.

구분	화학성분(중량%)					조직		물성
	C	Mn	P	La	기타성분	베이나이트 분율	구오스테나이트 평균입도	강도	인성
비교강1	0.35	1.00	0.17	0.01		85	32	1081	16
비교강2	0.34	0.98	0.1	0.09		92	34	1033	21
발명강1	0.35	1.02	0.11	0.12		87	26	1044	34
발명강2	0.35	0.99	0.16	0.15		88	31	1082	30
발명강3	0.34	1.00	0.16	0.29		87	35	1089	28
발명강4	0.34	0.95	0.1	0.42		87	29	1050	33
발명강5	0.34	0.99	0.12	0.49		90	32	1070	30
비교강3	0.35	0.97	0.11	0.53		92	32	1067	21
비교강4	0.36	0.97	0.14	0.65		84	34	1095	11

구분	화학성분(중량%)					조직		물성
	C	Mn	P	La	기타성분	베이나이트 분율	구오스테나이트 평균입도	강도	인성
비교강5	0.35	1.04	0.03	0.17		82	27	989	43
비교강6	0.35	0.96	0.04	0.22		94	34	997	40
발명강6	0.35	0.96	0.06	0.18		88	31	1009	39
발명강7	0.34	0.97	0.11	0.21		87	32	1047	35
발명강8	0.35	0.97	0.14	0.21		82	27	1070	31
발명강9	0.34	1.03	0.19	0.22		86	28	1108	26
발명강10	0.34	0.96	0.11	0.22	Si:0.42	83	33	1048	33
발명강11	0.36	0.98	0.10	0.22	Cr:1.03	81	26	1045	35
발명강12	0.35	0.98	0.13	0.18	Ni:1.96	82	35	1065	31
발명강13	0.34	0.99	0.14	0.20	Si:0.69 Cr:1.14	82	31	1073	27
발명강14	0.34	1.00	0.16	0.22	Si:0.87 Ni:1.54	84	29	1090	25
발명강15	0.35	1.01	0.12	0.19	Cr:0.99 Ni:1.78	88	27	1062	33
발명강16	0.36	1.02	0.12	0.23	Si:0.42 Cr:0.94 Ni:1.60	92	32	1066	33
비교강7	0.35	0.99	0.21	0.23		84	31	1123	19
비교강8	0.35	1.04	0.23	0.17		84	26	1137	10

상기 표 1에서 확인할 수 있듯이, La 성분의 함량의 증가에 따라 인장강도가 증가되는 효과를 확인할 수 있다. 이는 La 함량이 증가함에 따라 입계에 편석되는 P의 양이 감소하고 La와 P에 의한 강도향상효과도 도모할 수 있었기 때문으로 판단된다. 또한, La의 함량이 부족할 경우에는 높은 P 함량 조건에서 P의 결정립계 편석을 방지할 수 없으므로 충격인성의 향상효과도 기대하기 어려워 낮은 충격흡수에너지(24J/cm² 미만)를 가진다. 또한, La가 과량으로 첨가되면 강도는 증가할 수 있으나, 석출물(LaP)이 생성됨으로 인해 강재가 취화되어 충격흡수에너지가 기대에 미치지 못한다. 따라서, 본 발명의 바람직한 조성범위에서 La 함량은 0.1~0.5%인 것이 바람직한 것을 확인할 수 있었다.

또한, 상기 표 2에서 확인할 수 있듯이, 다른 조성이 본 발명의 조성을 충족하되 P 함량이 낮은 경우에는 충격특성은 양호하나, 강도가 충분하지 못하다. P 함량이 증가함에 따라 인장강도가 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 그러나, P 함량이 과다할 경우에는 강도 향상효과는 확인할 수 있으나, 본 발명에서 규정하는 범위를 초과할 경우에는 인성이 양호하지 못함을 확인할 수 있었다.

도 1에 발명강3의 미세조직을 나타내었다. 상기 도면에서 확인할 수 있듯이, 발명강3의 미세조직은 84%의 베이나이트와 나머지 페라이트 및 마르텐사이트로 이루어져 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 도 2에는 발명강3을 -20℃에서 충격시험한 시편의 파단면을 나타내었다. 도면에서 볼 수 있듯이, 통상의 고P 강에서 나타나는 입계파괴가 아닌 벽개파괴가 나타나는 것을 확인할 수 있었다(바람직한 범위인 80% 이상의 벽개파면 면적분율을 만족한다). 이는 La가 첨가되어 P가 결정립계에 편석하는 것을 방지함으로써 결정립계가 취약하게 되는 것을 방지한다는 것을 간접적으로 의미한다.

Claims (3)

1. 중량%로, C: 0.3초과~0.6%, Mn: 0.5~3.0%, P: 0.05~0.2%, La: 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가지고,
   베이나이트의 면적분율이 80% 이상인 조직을 가지며,
   샤피 충격흡수에너지가 -20℃에서 24J/cm² 이상인 인 함유강.
   
2. 제 1 항에 있어서, Si: 1.0% 이하, Cr: 2.0% 이하 및 Ni: 3.0% 이하 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는 인 함유강.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 조직의 구 오스테나이트 평균입도는 10~50㎛인 인 함유강.
   

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