KR101553033B1 - Segarc 용접 특성이 우수한 후강판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판 및 그 제조방법로서, 더욱 상세하게는 선박 제조시 용접생산성을 효과적으로 높이도록 하는 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예는 중량%로, C : 0.06~0.10%, Si : 0.2~0.4%, Mn : 1.4~1.6%, Al : 0.015~0.050%, Ti : 0.007~0.020%, Nb : 0.015~0.025%, N : 0% 초과 0.006% 이하, Cu : 0.08~0.12%, Ni : 0.18~0.22%, P : 0% 초과 0.015% 이하, S : 0% 초과 0.004% 이하, V : 0% 초과 0.015% 이하 및 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어지고, 탄소당량(Ceq) 값이 0.311~0.404, 균열 감수성 조성(Pcm) 값이 0.144~0.207인 슬래브를 1100℃~1160℃로 재가열하는 단계와, 재가열된 상기 슬래브를 페라이트(Ferrite) 및 오스테나이트(Austenite)의 이상역까지 누적압하율 80~90%로 제어압연하는 단계 및 압연된 상기 슬래브를 상온까지 공냉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판의 제조방법을 제공한다.

Description

SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판 및 그 제조방법{THE STEEL PLATE WITH EXCELLENT SEGARC WELDING CHARACTERISTICS AND MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판 및 그 제조방법으로서, 더욱 상세하게는 선박 제조시 용접생산성을 효과적으로 높이도록 하는 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 강판이란 철강재의 하나로 슬래브(Slab)를 고온으로 가열한 상태에서 압연롤(Roll)로 누르고 늘여 두께를 규격화한 제품을 말한다. 특히, 후강판은 통상 두께 6mm 이상의 두꺼운 강판을 지칭하는 것으로써, 선박 건설, 다리, 압력 용기 등에 널리 사용된다.

일반적인 후강판의 제조공정(10)은 도 1에 도시한 것과 같다. 먼저, 슬래브(Slab)를 가열로(1)에서 적당한 온도로 가열하여 추출한 후, 조압연장치(2) 및 사상압연장치(3)를 거치면서 적절한 폭 및 두께로 압연을 실시한다.

그리고, 냉각장치(4)와 열간교정장치(5)를 거쳐 평탄도 교정작업을 행한 후 냉각상(6)에서 공냉하고, 절단장치(7)에서 주문된 크기와 형상으로 절단한다. 이후, 연소버너를 이용한 열처리장치(8)에서 열처리되는 과정을 거친다.

한편, 선박, 건축 및 토목 등의 분야에서 사용되는 강구조물은 용접 접합에 의해 필요로 하는 형상의 구조물로 완성되는 것이 일반적이다. 따라서, 이들 구조물의 안전성을 확보하기 위해서는, 사용되는 후강판의 모재 인성과 용접부의 인성이 우수해야 한다. 최근에는, 선박 또는 강구조물이 더욱 대형화되어, 이에 사용되는 후강판의 고강도화가 적극적으로 진행되고 있다.

후강판에는 고능률 대입열의 용접 방법이 적용되어야 하며, 이에 따라, 이러한 고능률 대입열의 용접방법으로 SEGARC(Simple Electro Gas Arc) 용접이 알려져 있다.

SEGARC 용접(a)은, 도 2 내지 도 4에서와 같이, 용융금속과 슬래그가 유출되지 않도록 전면에서는 용접점과 함께 상승 이동되는 동담금(Cu shoe, 수냉식 구리 백킹재)이 구비되는 방식으로써, 홈을 둘러 싸는 동시에 상승 동담금의 상부에 있는 가스 포터로부터 보호가스, 예컨대 이산화탄소를 공급하는 일종의 일렉트로가스 용접에 적용하는 용접기법이다.

SEGARC 용접(a)은 SMAW(Shielded Metal Arc Welding, b) 및 FCAW(Flux Cored Arc Welding, c) 대비 용착율이 높은 용접기법으로써, 강재두께를 기준으로 1극(Single, A) 혹은 2극(Tandem, B) 기법을 선택적으로 적용하며, 입열량이 높은 특징이 있다.

한편, 구체적으로 도시하진 않았지만, 후강판의 용접부 중앙에는 용융한 모재(Base Metal, BM) 및 용접 재료로부터 생성한 용착금속(용접과정에서 용해되었다가 다시 응고되는 부위)의 양자가 용융 상태로 거의 균일하게 혼합되고, 이러한, 모재 및 용착금속의 혼합으로 인해 응고된 용접금속(Welding Metal, WM)도 함께 존재하게 된다.

용접금속의 양측에는 용접시에 투입된 열에 의해 열영향을 받아 모재의 조직과 특성이 변질된 열영향부(Heat Affected　Zone, HAZ)가 존재하고, 그 양측에는 모재가 존재한다.

용접금속과 열영향부의 경계부는 일반적으로 융합선(Fusion Line, FL)이라고 칭해지는데, 이러한 융합선 주위의 열영향부는, 열영향부 중에서도 특히 용융점 부근의 고온으로 가열된 후 급냉되기 때문에 최고 경도를 나타낸다.

여기서, 용접 열영향부는 용접시의 입열량이 커지면 결정립이 조대화되어 인성이 현저하게 저하되기 때문에, 이러한 대입열 용접에 수반하는 열영향부의 인성 저하에 대해서는 종래에 많은 대안이 제시되었다.

종래의 경우, 대부분 TMCP(Thermo Mechanical Control Process) 압연 후 수냉을 하여 EGW(Electro Gas Welding) 용접부 -60℃ 특성을 만족하는 후강판을 제조한다. 이러한 후강판의 제조방식은 예컨대 대한민국 등록특허 제10-1193799호 및 공개특허 특2000-0042183호에 개시되어 있다.

하지만, 전술한 등록특허 제10-1193799호는 탄소(C)함량이 높기 때문에 담금질시에 변형이 생기거나 용접 열영향부의 충격인성이 상대적으로 떨어지므로, 결국 SEGARC 용접 특성이 저하될 수 있다.

또한, 공개특허 특2000-0042183호에서 제시한 것과 같은 대입열 용접용 강재의 경우, 수냉형 후강판에 해당하므로 가속냉각설비를 갖추어야만 목적에 맞는 최종제품을 제조할 수 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 선박 제조시 용접생산성을 효과적으로 높이도록 하는 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 중량%로, C : 0.06~0.10%, Si : 0.2~0.4%, Mn : 1.4~1.6%, Al : 0.015~0.050%, Ti : 0.007~0.020%, Nb : 0.015~0.025%, N : 0% 초과 0.006% 이하, Cu : 0.08~0.12%, Ni : 0.18~0.22%, P : 0% 초과 0.015% 이하, S : 0% 초과 0.004% 이하, V : 0% 초과 0.015% 이하 및 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어지고, 탄소당량(Ceq) 값이 0.311~0.404, 균열 감수성 조성(Pcm) 값이 0.144~0.207인 슬래브를 1100℃~1160℃로 재가열하는 단계와, 재가열된 상기 슬래브를 페라이트(Ferrite) 및 오스테나이트(Austenite)의 이상역까지 누적압하율 80~90%로 제어압연하는 단계 및 압연된 상기 슬래브를 상온까지 공냉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 슬래브의 고온 균열 감수성 지수(UCS)는 8.2 이하일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 중량%로, C : 0.06~0.10%, Si : 0.2~0.4%, Mn : 1.4~1.6%, Al : 0.015~0.050%, Ti : 0.007~0.020%, Nb : 0.015~0.025%, N : 0% 초과 0.006% 이하, Cu : 0.08~0.12%, Ni : 0.18~0.22%, P : 0% 초과 0.015% 이하, S : 0% 초과 0.004% 이하, V : 0% 초과 0.015% 이하 및 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어지고, 탄소당량(Ceq) 값이 0.311~0.404, 균열 감수성 조성(Pcm) 값이 0.144~0.207을 이루되, 보증온도 -40℃에서 360~400J의 저온인성을 갖는 것을 특징으로 하는 후강판일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 후강판은 항복강도(YS) 440MPa 이상, 인장강도(TS) 535MPa 이상 및 연신율(EL) 23% 이상일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 적용입열량 210~230 kJ/㎝의 SEGARC(Simple Electro Gas Arc) 용접에서 용접금속(WM)의 경도가 220Hv 이하인 것을 특징으로 하는 후강판일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 후강판의 두께는 30~40mm일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 후강판의 화학성분 및 불순물의 제어로 인해 후강판의 청정도를 확보하고, 제어압연 후 공냉조건으로 미세조직을 구현하여 항복강도, 인장강도, 충격인성 등의 일반적인 기계적 성질이 조건에 만족하는 후강판의 제조방법을 제공할 수 있다.

그리고, 기계적 성질 평가 및 SEGARC 용접을 실시하여 선급규격을 만족하면서 적정 합금설계와 SEGARC 용접 특성이 우수한 용접부를 갖는 제어압연 공정의 후강판 제조기술을 제공할 수 있다.

더욱이, 모재의 Nb 및 Ti와 같은 미량의 합금원소의 첨가로 인해 이상역 제어압연 공랭재의 양호한 SEGARC 용접부 충격인성이 확보될 수 있다.

또한, 이를 통해 제조된 후강판은 220kJ/㎝의 대입열 용접을 행해도 용접 열영향부의 인성이 우수하고, 서브머지드 아크 용접, 일렉트로가스 용접, 일렉트로슬래그 용접 등의 대입열 용접에 의해 시공되는 선박, 대형 강구조물, 건축구조물, 해양구조물, 압력용기 등에 효율적으로 활용될 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 일반적인 후강판 제조공정를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 SEGARC 용접의 용착율을 FCAW 용접 및 SMAW 용접과 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 3은 SEGARC 용접의 1극(Single) 방식 및 2극(Tandem) 방식을 나타내는 도면이다.
도 4는 1극 SEGARC 용접 및 2극 SEGARC 용접에 적용되는 후강판의 기준두께를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 모재의 DBTT 시험결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 모재의 길이방향 1/4t의 미세조직을 나타내는 도면이다.
도 7(a)는 SEGARC 용접의 1극(Single) 방식에 의한 용접부의 미세조직을 나타내는 도면이다.
도 7(b)는 SEGARC 용접의 2극(Tandem) 방식에 의한 용접부의 미세조직을 나타내는 도면이다.
도 8은 SEGARC 용접의 1극(Single) 방식 및 SEGARC 용접의 2극(Tandem) 방식에 따른 용접부의 경도특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 용접부의 위치에 따른 CVN 충격시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 용접금속을 OM 장비로 관찰한 조직사진이다.
도 11은 용접금속을 SEM 장비로 관찰한 조직사진이다.
도 12는 1극 SEGARC 용접에 의한 용접부의 조직사진이다.
도 13은 2극 SEGARC 용접에 의한 용접부의 조직사진이다.
도 14는 본 발명에 따른 Nb 첨가량에 따른 용접열영향부의 조직변화를 나타내는 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판의 제조방법은, 중량%로, C : 0.06~0.10%, Si : 0.2~0.4%, Mn : 1.4~1.6%, Al : 0.015~0.050%, Ti : 0.007~0.020%, Nb : 0.015~0.025%, N : 0% 초과 0.006% 이하, Cu : 0.08~0.12%, Ni : 0.18~0.22%, P : 0% 초과 0.015% 이하, S : 0% 초과 0.004% 이하, V : 0% 초과 0.015% 이하 및 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어지고, 탄소당량(Ceq) 값이 0.311~0.404, 저온 균열 감수성 조성(Pcm) 값이 0.144~0.207인 슬래브를 1100℃~1160℃로 재가열하는 단계를 실시한다.

이때, 슬래브의 고온 균열 감수성 지수(UCS)는 8.2 이하를 나타낼 수 있고, 전술한 탄소당량, 저온 균열 감수성 조성 및 고온 균열 감수성은 후술될 관계식을 바탕으로 산출할 수 있다.

Ceq = C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5

Pcm = C+(Si/30)+(Mn+Cu+Cr)/20+(Ni/60)+(Mo/15)+(V/10)+5B

UCS = 230C+190S+75P+45Nb-12.3Si-5.4Mn-1

다음으로, 재가열된 슬래브를 페라이트(Ferrite) 및 오스테나이트(Austenite)의 이상역까지 누적압하율 80~90%로 제어압연하는 단계를 거치고, 압연된 슬래브를 상온까지 공냉하는 단계를 거치면, 이를 통해 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판에 얻고자 하는 물성이 구현되도록 할 수 있다.

이하에서는 본 실시예에 따른 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판의 제조방법에서 제시된 화학조성 및 제한사유를 설명한다. 단, 구성합금의 함유량 단위는 중량%이다.

C(탄소) : 0.06~0.10 중량%

탄소는 소입성을 향상시켜 강의 강도를 확보하기 위해 첨가되는 원소이다. 탄소의 함량이 0.06 중량% 미만인 경우에는 탄소의 함량이 너무 낮기 때문에, 원하는 강도를 얻기 어려워서 고가의 합금원소를 추가적으로 포함하여야 원하는 강도를 얻을 수 있다. 더욱이, 동일한 강도를 발휘하기 위하여 다른 합금원소를 상대적으로 다량 첨가해야 하기 때문에 비경제적이다. 탄소가 0.10%를 초과하여 첨가되면, 용접 열영향부의 충격인성이 저하되어 SEGARC 용접 특성이 저해될 수 있다. 따라서, 탄소의 함유량은 0.06~0.10 %로 제한하는 것이 바람직하다.

Si(규소) : 0.2~0.4 중량%

규소는 철강의 탈산에 필수적인 원소이며, 강도상승에 효과가 있는 원소이다. 그러나, 함유량이 0.2 중량% 미만이면 원하는 고강도가 얻어지지 않는다. 더욱이, 0.4 중량%를 넘으면 인성 및 용접성의 저하를 초래한다. 따라서, 그 함유량은 0.2~0.4 중량%의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

Mn(망간) : 1.4~1.6 중량%

망간은 열처리 시에 강도를 상승시키는 효과가 있으며, 탄소의 첨가량이 제한됨에 따른 강도보상을 위해 필수적으로 첨가되는 원소이다. 그런데, 망간은 첨가량이 너무 낮으면 소입성 향상효과가 거의 없고, 일정범위를 넘으면 비금속개재물인 황화망간(MnS)을 형성하여 용접성 및 인성을 저하시키므로, 1.4~1.6 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Al(알루미늄) : 0.015~0.050 중량%

알루미늄은 용강에 존재하는 산소와 반응하여 산소를 제거하는 탈산제로서의 역할을 수행하는 원소이지만, 그 양이 너무 많으면 산화물계 개재물이 다량 형성되어 소재의 충격인성을 저해하게 되므로, 0.015~0.050 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Ti(티타늄) : 0.007~0.020 중량%

티타늄은 결정립 미세화를 통한 저온인성 향상을 위한 핵심적인 역할을 한다. 따라서, 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.007 중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하나, 다만, 그 양이 너무 많으면 오히려 저온에서의 충격인성이 열화되기 때문에, 그 상한을 0.020 중량%로 한정하는 것이 바람직하다. 이때, 니오븀(Nb) 질화물이 석출될 수 있고 인접하게 황화구리(CuS)와 함께 관찰되기도 한다. 따라서, 티타늄은 0.007~0.020 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Nb(니오븀) : 0.015~0.025 중량%

니오븀은 결정립을 미세화시키는데 매우 유용한 원소이고, 고강도 조직인 침상페라이트 또는 베이나이트의 형성을 촉진시켜 강도를 향상시키는데 효과적인 원소이다. 여기서, 0.015 중량% 미만으로 첨가되는 경우 전술한 것과 같은 효과가 미미하고, 0.025 중량%를 초과하는 경우에는, 용접 후 열영향부의 판상 펠라이트(Ferrite side plate, FSP) 및 직경이 5um 이상인 경질의 섬 형상 마르텐사이트(Martensite, MA)가 다수 생성되어 인성저하를 유발하는 조직의 분율이 높아진다. 따라서, 니오븀의 함유량을 0.015~0.025 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

N(질소) : 0 초과 0.006 이하 중량%

질소는 강 중에 고용되었다가 석출되어 강의 강도를 증가시키는 역할을 하며, 이러한 고용강화 효과는 탄소보다 크다. 강 중에 질소가 존재하면 인성이 저하될 수 있지만, 본 실시예에서는 질소를 티타늄(Ti)과 반응시켜 질화티탄(TiN)을 형성하여 슬래브의 재가열과정에서 결정립 성장을 억제하도록 제어한다. 그러나, 과잉첨가의 경우, 질소는 고용질소로 존재하여 열영향부의 인성을 크게 저하시키는 문제가 있으므로, 함유량을 0 중량% 초과 0.006 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Cu(구리) : 0.08~0.12 중량%

구리는 고용강화 및 석출강화에 의한 강의 강도 향상에 유효한 원소이고, 첨가량의 하한은 특히 규정되어 있지 않으나, 이와 같은 작용을 적극적으로 활용하고자 할 경우에는 0.08% 이상 함유시키는 것이 좋다. 그러나, 함량이 너무 많아지면 강의 열간가공성이 열화되고, 강재 표면에 크랙(Crack)이 생기기 쉬우므로, 0.12 중량% 이하로 억제하는 것이 좋다.

Ni(니켈) : 0.18~0.22 중량%

소재 자체의 내식성을 확보하기 위해 첨가되는 원소로써, 강도 및 충격인성 향상에도 도움을 준다. 이를 위해서 0.18 중량% 이상 첨가되어야 하지만, 0.22 중량%를 초과할 경우, 소입성이 과도하게 증가되어 용접부 인성이 저하와 균열발생의 원인이 될 수 있으며, 고가여서 많이 함유할수록 경제성이 떨어진다. 따라서, 그 함유량이 0.18~0.22 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

P(인) : 0 초과 0.015 이하 중량%

인은 강 제조시 불가피하게 함유되며, 응고시 슬래브 중심부에 쉽게 편석되는 원소로서 취성을 유발하므로 되도록 낮게 제어하는 것이 바람직하며, 이론상 인의 함량을 0 중량%로 제한하는 것이 가능하나, 제조공정상 필연적으로 첨가될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하고, 인의 함량의 상한은 0.015 중량% 이하로 한정하면서 그 함유량을 0 중량% 초과 0.015 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

S(황) : 0 초과 0.004 이하 중량%

황은 강 제조시 불가피하게 함유되는 원소이며, 망간(Mn)과 친화력이 좋기 때문에 황화망간(MnS) 형태로 존재하여 압연시 압착되지 않으며, 길게 연신되는 특징을 가진다. 또한, 적열취성을 일으키므로 그 함량을 최대한 억제하는 것이 바람직하다. 이론상 황의 함량을 0 중량%로 제한하는 것이 가능하나, 제조공정상 필연적으로 첨가될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 황의 함량의 상한을 0.004 중량%로 한정하면서 그 함유량을 0 중량% 초과 0.004 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

V(바나듐) : 0 초과 0.015 이하 중량%

바나듐은 탄소와 반응하여 바나듐석출물을 형성하고, 바나듐 석출물에 의하여 석출강화 및 소입성을 향상시킬 수 있다. 다만, 0.015 중량% 이상으로 포함되는 경우에는 용접성 및 인성이 저하되고, 고가여서 경제성이 떨어질 수 있기 때문에, 그 함유량을 0 중량% 초과 0.015 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 후강판은 강도향상을 위하여 필요에 따라 후술될 Cr(크롬), Mo(몰리브덴), Ca(칼슘), B(붕소) 중 적어도 1종 이상을 추가적으로 선택할 수 있다.

Cr(크롬) : 0 초과 0.05 이하 중량%

크롬은 경화능을 증가시켜 강도의 증가에 큰 효과가 있으므로 효과를 얻기 위해서는 0.05% 이하의 첨가가 필요하며, 0.05% 이상의 첨가는 용접성을 크게 저하시키므로 0.05% 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 따라서, 비교적 낮은 냉각속도에서도 안정적인 충분한 강도를 얻기 위해서는 0 중량% 초과 0.05 중량% 이하의 범위로 첨가하는 것이 보다 바람직하다.

Mo(몰리브덴) : 0 초과 0.008 이하 중량%

몰리브덴을 첨가하여 강도를 높이기 위해서는 0 중량％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 단, 0.008％를 초과하면 용접성을 악화시키기 때문에, 몰리브덴은 0.008％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 그 함유량은 0 중량% 초과 0.008 중량% 이하의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

Ca(칼슘) : 0 초과 0.003 이하 중량%

칼슘은, 용접 열영향부의 인성을 향상시키는 효과를 갖는 원소로써, 황화망간(MnS)의 구상화 효과, 즉 개재물의 형태 제어에 의한 이방성의 저감 작용이 있어 용접 열영향부의 인성을 향상시킨다. 이와 같은 효과를 충분히 발휘시키기 위해 강재 중에, 칼슘은 0 중량％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 양이 과잉이면, 오히려 모재 인성 및 용접 열영향부 인성을 열화시키므로, 0.003 중량％ 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

B(붕소) : 0 초과 0.001 이하 중량%

붕소는 강재의 강도를 높이는 동시에, 용접시에 가열된 용접 열영향부가 냉각되는 과정에 있어서 강중의 질소와 결합해서 질화붕소(BN)를 석출하여 오스테나이트 입자 내로부터의 페라이트 변태를 촉진시킨다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는 0 중량％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 0.001％를 초과하면 강재(모재)의 인성이 열화되기 때문에, 그 함유량을 0.001％ 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 실시예에 따른 후강판의 나머지 성분은 Fe(철)이다. 다만, 통상의 철강제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다.

이들 불순물들은 통상의 철강제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 언급하지는 않는다. 다만, 그 중 O(산소), H(수소), Mg(마그네슘), Sn(주석) 및 기타 REM(희토류 원소) 등은 일반적으로 많이 언급되는 불순물이기 때문에 이에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

H(수소) : 0 초과 3.00 이하 중량%

수소는 개재물이나 또는 공극에 원자상태로 석출한 후, 수소분자를 형성하여 내부압력증대로 크랙을 유발하는 원소로써, 그 함량은 0 중량% 초과 3.00 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

O(산소) : 0 초과 0.002 이하 중량%

산소는 산화물계 비금속 개재물의 크기와 양을 결정하는 중요인자로써, 비금속 개재물로 인한 취성 균열의 발생을 막기 위해서, 산소는 0 중량% 초과 0.002 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Mg(마그네슘) : 0 초과 0.003 이하 중량%

마그네슘은 산화물 및 황화물을 형성하며, 조대한 황화망간(MnS)의 형성을 억제하는 작용을 갖는데, 그 함유량이 0.003%를 초과할 경우, 마그네슘 산화물 및 마그네슘 황화물의 클러스터(Cluster)를 다발시켜 인성의 저하를 초래한다. 이 때문에 마그네슘은 0 중량% 초과 0.003 중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

Sn(주석) : 0 초과 0.005 이하 중량%

주석은 제강 원료로서 사용되는 스크랩 등으로부터 혼입한다. 주석은 입계(Grain Boundary) 등에 쉽게 편석되는 원소로써, 0.005% 를 초과하여 다량으로 함유하면 입계 강도가 저하하여 인성의 저하를 초래한다. 이 때문에 주석은 0 중량% 초과 0.005 중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

REM(희토류 원소) : 0 초과 0.01 이하 중량%

희토류 원소는 전술한 칼슘(Ca) 및 마그네슘(Mg)과 같이 인성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. 그리고, 황화망간(MnS)의 구상화 효과, 즉 개재물의 형태 제어에 의한 이방성의 저감 작용이 있어 용접 열영향부 인성을 향상시킨다. 그러나, 과잉이면 오히려 모재 인성 및 용접 열영향부 인성을 열화시키기 때문에, 그 함유량을 0 중량% 초과 0.01 중량％ 이하로 정하는 것이 바람직하다.

상술한 내부조직의 조건을 만족하는 후강판은 그 두께가 30~40mm(보다 바람직하게는 35mm)인 것으로써, 보증온도 -40℃에서 360~400J의 저온인성을 갖는다.

또한, 항복강도(YS) 440MPa 이상, 인장강도(TS) 535MPa 이상 및 연신율(EL) 23% 이상인 것으로써, 본 실시예에서 목적으로 하는 성질을 모두 충족하는 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판이다.

도 5는 본 발명에 따른 모재의 DBTT 시험결과를 나타내는 그래프이고, 도 6은 모재의 길이방향 1/4t의 미세조직을 나타내는 도면이고, 도 7(a)는 SEGARC 용접의 1극(Single) 방식에 의한 용접부의 미세조직을 나타내는 도면이고, 도 7(b)는 SEGARC 용접의 2극(Tandem) 방식에 의한 용접부의 미세조직을 나타내는 도면이고, 도 8은 SEGARC 용접의 1극(Single) 방식 및 SEGARC 용접의 2극(Tandem) 방식에 따른 용접부의 경도특성을 나타내는 그래프이고, 도 9는 용접부의 위치에 따른 CVN 충격시험 결과를 나타내는 그래프이고, 도 10은 용접금속을 OM 장비로 관찰한 조직사진이고, 도 11은 용접금속을 SEM 장비로 관찰한 조직사진이고, 도 12는 1극 SEGARC 용접에 의한 용접부의 조직사진이고, 도 13은 2극 SEGARC 용접에 의한 용접부의 조직사진이고, 도 14는 본 발명에 따른 Nb 첨가량에 따른 용접열영향부의 조직변화를 나타내는 그래프인 바, 이를 바탕으로 설명한다.

더욱이, 이하에서는 본 발명의 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다.

<실시예>

본 실시예에서는, 전술한 바와 같은, 합금 조성의 범위를 갖는 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판을 제조하였으며, 표 1은 본 실시예에 따라 제조된 후강판의 합금 조성을 나타내고, 표 2는 그에 따른 후강판의 기계적 성질을 나타낸다.

단, 비교예 A 및 비교예 B는 TMCP 압연 후 수냉방식으로 제조된 후강판이다. 또한, 표 1에서 표시된 원소의 함량단위는 중량%이고, C_eq는 탄소당량, P_cm는 저온 균열 감수성 조성의 값을 각각 의미한다.

모재 구분	모재 특성
	항복강도(MPa)	인장강도(MPa)	연신율(%)
비교예 A	545 이상	695 이상	25 이상
비교예 B	380 이상	495 이상	21 이상
실험예 A	440 이상	535 이상	23 이상

표 1 및 2에서 알 수 있듯이, 비교예 A, 비교예 B 및 실험예 A는 모두 국제선급연합회(IACS) 기준(예컨대, 항복강도 355MPa 이상, 인장강도 490~620MPa, 연신율 21% 이상, -40℃ 충격인성 34J 이상)을 만족한다.

하지만, 비교예 A는 C 함유량이 높고 후강판의 화학조성중, Mn, Nb, Cu, Ni, S, V의 함유량이 본 실시예의 목적에서 벗어나며, 고원가인 V를 과하게 함유하고 있다.

또한, 비교예 B는 Nb 및 Cu만의 함유량이 본 실시예의 목적에서 벗어나지만, 수냉형 후강판에 해당하기 때문에 가속냉각설비의 구비가 필수이므로, 본 실시예의 목적을 만족하는 후강판 제조방법을 제공할 수 없다.

전술한 표 1 및 표 2와 도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 실험예 A의 후강판의 기계적 성질은 전체적으로 규격을 만족하고 있으며, -40℃ CVN(Charpy V-Notch, V노치 샤르피 충격 시험) 충격인성이 국제선급연합회 규격의 10배 이상으로 우수하다.

또한, DBTT(Ductile-Brittle Transition Temperature, 연성-취성 천이온도) 시험에서는 길이방향을 기준으로, -40℃의 충격인성이 400J에 가까우며, -60℃에서도 평균 350J 이상을 나타내고 있음을 알 수 있다.

도 6은 본 실시예에 의해 제조된 후강판, 즉 모재의 길이방향 1/4t 지점의 미세조직으로써, 미량합금원소의 적정첨가와 이상역 저온압연에 의한 압연 방향과 직각방향에 따른 소성이방성이 뚜렷하지 않다.

더욱이, 비교적 균일하고 미세한 폴리고날 페라이트(Polygonal Ferrite) 및 펄라이트(Pearlite)가 매트릭스(Matrix)로 구성됨을 알 수 있다.

따라서, 전술한 것과 같이, 본 실시예에 따른 조건을 만족하는 실험예 A 후강판의 슬래브를 1100℃~1160℃로 제가열한 후, 재가열된 슬래브를 페라이트(Ferrite) 및 오스테나이트(Austenite)의 이상역까지 누적압하율 80~90%로 제어압연하는 단계를 거치고, 압연된 슬래브를 상온까지 공냉하게 된다.

전술한 공정으로 제조된 실험예 A의 후강판은 보증온도 -40℃에서 360~400J의 저온인성을 갖고, 항복강도(YS) 440MPa 이상, 인장강도(TS) 535MPa 이상 및 연신율(EL) 23% 이상의 기계적 성질로 이루어진다.

이를 통해, 바람직한 원소함량과 제조방법으로 구현된 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판을 기대할 수 있다.

한편, 전술한 화학조성 및 기계적 성질의 실험예 A의 후강판을 SEGARC 용접(적용입열량 210~230kJ/cm)으로 용접하였고, 용접부의 성능시험(예컨대, 용접부의 충격인성)을 위해 용접부 충격시험 위치를 정하였으며, 그 결과를 하기에서와 같이 나타낼 수 있다.

단, 용접부 충격시험 위치는, 용접금속(Welding Metal, 이하 WM), 융합선(Fusion Line, 이하 FL), FL+1mm, FL+3mm, FL+5mm, FL+7mm이다.

이하에서는 표 3과 도 7 내지 도 14를 참조하여 구체적으로 설명하겠다.

먼저, 도 7에서와 같이, 1극(Single) 및 2극(Tandem) SEGARC 용접부의 비드형상이 다른 것을 알 수 있다.

2극(Tandem) 기법의 비드횡단면 형상은 절구통 모양같으며 비드폭이 상대적으로 넓다. 그 이유는, 위이빙(Weaving) 폭, 정지시간, 고정 폴(Pole), 동담금(Cu shoe) 등의 용접변수에 의함이다.

도 8은 용접부 경도특성을 비교한 그래프로써, WM은 1극(Single) 및 2극(Tandem) 기법 모두 220Hv 이하로, 최고 260Hv 미만인 규격상한을 만족함을 알 수 있다.

2극(Tandem) 기법 조건의 WM은 Mn, Mo이 많아서 탄소당량이 높기 때문에 상대적으로 보다 높은 경도를 보였고, 1극(Single) 기법 및 2극(Tandem) 기법 모두 모재 대비 40~50Hv 높게 나타났다.

용접 열영향부(Heat Affected Zone, 이하 HAZ)는 FL에 가까운 곳이 경도가 가장 높았고, H_max는 200Hv 남짓한 값을 보였으며, 350Hv 이하를 요구하는 선급기준에 두 기법 모두 만족하였다.

또한, 표 3 및 도 9를 참조하면, 모재의 시험온도와 동일한 -40℃에서 1극(Single) 및 2극(Tandem) SEGARC 용접부의 CVN 충격시험을 수행하였다.

그 결과, 두 조건 모두 선급규격 34J 이상을 만족하였고, 용접부 충격인성은 시공기법에 따라 별 차이가 없었으며, WM, FL, HAZ(FL+1mm) 부위가 상대적으로 낮게 나타남을 알 수 있다.

위치 (부위)	1극(Single) SEGARC 용접				2극(Tandem) SEGARC 용접
	1	2	3	평균	1	2	3	평균
WM	71	83	75	73	78	82	76	78
FL	64	46	71	63	81	44	84	70
+ 1mm	78	59	85	74	55	70	95	73
+ 3mm	188	68	96	115	144	133	61	112
+ 5mm	292	196	142	243	178	197	142	172
+ 7mm	367	378	199	315	165	388	341	298

한편, 도 10 및 도 11은 WM을 광학 및 전자현미경을 이용해 관찰한 조직사진으로써, 이를 통해, 주로 침상 페라이트(Acicular Ferrite)와 일부 입계페라이트(Grain Boundary Ferrite, GBF)가 관찰됨을 알 수 있다.

도 12는 1극(Single) 용접부의 미세조직을 나타내는 조직사진으로써, 전술한 표 3을 참조하면, 도 12(a)는 평균 63J의 FL, 도 12(b)는 평균 74J의 FL+1mm, 도 12(c)는 평균 115J의 FL+3mm, 도 12(d)는 평균 243J의 FL+5mm, 도 12(e)는 평균 315J의 FL+7, 도 12(f)는 평균 393J의 FL+30mm를 각각 나타낸다.

도 13은 2극(Tandem) 용접부의 미세조직을 나타내는 조직사진으로써, 전술한 표 3을 참조하면, 도 13(a)는 평균 70J의 FL, 도 13(b)는 평균 73J의 FL+1mm, 도 13(c)는 평균112J의 FL+3mm, 도 13(d)는 평균 172J의 FL+5mm, 도 13(e)는 평균 298J의 FL+7, 도 13(f)는 평균 392J의 FL+30mm를 각각 나타낸다.

즉, 전술한 표 3과 도 12 및 도 13을 통해서, 2극(Tandem) 기법조건의 FL+1mm가 상대적으로 미세한 편이지만 부위별로 거의 동일한 양상을 보임을 알 수 있다.

도 14는 본 실시예에 의한 강재의 Nb 첨가량에 따른 HAZ 조직변화를 나타내는 그래프로써, Nb가 증가함에 따라, 입계페라이트(GBF), Ferrite Side Plate(FSP), 상부베이나이트(Upper Bainite, UB, occasionally Lower Bainite), Intra-Granular Ferrite(IGF) 조직이 HAZ에 형성되는데, 이를 통해, 모재에 첨가한 Nb 0.015% 첨가는 바람직한 함유량의 범위임을 알 수 있다.

따라서, 모재의 Nb, Ti과 같은 미량의 합금원소의 첨가를 통해 이상역 제어압연 공랭재의 우수한 SEGARC 용접부 충격인성을 확보할 수 있다.

결과적으로, 전술한 도 5 내지 도 14에서 도시한 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 후강판의 화학성분 및 불순물의 제어로 인해 후강판의 청정도를 확보할 수 있다.

그리고, 제어압연 후 공냉조건으로 미세조직을 구현하여 항복강도, 인장강도, 충격인성 등의 기계적 성질을 만족하는 후강판의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 기계적 성질 평가 및 SEGARC 용접을 실시하여 선급규격을 만족하면서 적정 합금설계와 SEGARC 용접 특성이 우수한 용접부를 갖는 제어압연 공정의 후강판 제조기술을 제공할 수 있다.

더욱이, 모재의 Nb 및 Ti와 같은 미량의 합금원소의 첨가로 인해 이상역 제어압연 공랭재의 양호한 SEGARC 용접부 충격인성이 확보될 수 있다.

또한, 이를 통해 제조된 후강판은 220kJ/㎝의 대입열 용접을 행해도 용접 열영향부의 인성이 우수하고, 서브머지드 아크 용접, 일렉트로가스 용접, 일렉트로슬래그 용접 등의 대입열 용접에 의해 시공되는 선박, 대형 강구조물, 건축구조물, 해양구조물, 압력용기 등에도 효율적으로 활용될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 가열로 2: 조압연장치
3: 사상압연장치 4: 냉각장치
5: 열간교정장치 6: 냉각상
7: 절단장치 8: 열처리장치
10: 후강판 제조공정
A: 1극(Single) B: 2극(Tandem)
a: SEGARC 용접 b: SMAW 용접
c: FCAW 용접

Claims (6)

1. 중량%로, C : 0.06~0.10%, Si : 0.2~0.4%, Mn : 1.4~1.6%, Al : 0.015~0.050%, Ti : 0.007~0.020%, Nb : 0.015~0.025%, N : 0% 초과 0.006% 이하, Cu : 0.08~0.12%, Ni : 0.18~0.22%, P : 0% 초과 0.015% 이하, S : 0% 초과 0.004% 이하, V : 0% 초과 0.015% 이하 및 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어지고, 탄소당량(Ceq) 값이 0.311~0.404, 균열 감수성 조성(Pcm) 값이 0.144~0.207인 슬래브를 1100℃~1160℃로 재가열하는 단계;
   재가열된 상기 슬래브를 페라이트(Ferrite) 및 오스테나이트(Austenite)의 이상역까지 누적압하율 80~90%로 제어압연하는 단계; 및
   압연된 상기 슬래브를 상온까지 공냉하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판의 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 슬래브의 고온 균열 감수성 지수(UCS)는 8.2 이하인 것을 특징으로 하는 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판의 제조방법.
   
3. 중량%로, C : 0.06~0.10%, Si : 0.2~0.4%, Mn : 1.4~1.6%, Al : 0.015~0.050%, Ti : 0.007~0.020%, Nb : 0.015~0.025%, N : 0% 초과 0.006% 이하, Cu : 0.08~0.12%, Ni : 0.18~0.22%, P : 0% 초과 0.015% 이하, S : 0% 초과 0.004% 이하, V : 0% 초과 0.015% 이하 및 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어지고, 탄소당량(Ceq) 값이 0.311~0.404, 균열 감수성 조성(Pcm) 값이 0.144~0.207을 이루되, 보증온도 -40℃에서 360~400J의 저온인성을 갖는 것을 특징으로 하는 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판.
   
4. 제 3 항에 있어서.
   상기 후강판은 항복강도(YS) 440MPa 이상, 인장강도(TS) 535MPa 이상 및 연신율(EL) 23% 이상인 것을 특징으로 하는 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   적용입열량 210~230 kJ/㎝의 SEGARC(Simple Electro Gas Arc) 용접에서 용접금속(WM)의 경도가 220Hv 이하인 것을 특징으로 하는 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판.
   
6. 제 4 항 또는 5 항에 있어서,
   상기 후강판의 두께는 30~40mm인 것을 특징으로 하는 SEGARC 용접 특성이 우수한 후강판.

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