KR101585742B1

KR101585742B1 - 용접부의 확관성이 우수한 확관 파이프용 오스테나이트계 강재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101585742B1
Application number: KR1020130163386A
Authority: KR
Inventors: 이학철; 서인식; 김용진; 박인규
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2016-01-14
Also published as: KR20150075331A

Abstract

본 발명은 용접부의 확관성이 우수한 확관 파이프용 오스테나이트계 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시형태는 중량%, Mn: 14~20%, C: 0.3~1.0%, Cu: 3%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, Mo: 0.5%이하 및 B: 0.005%이하 중 1종 이상을 추가로 포함하고, 용접에 의해 얻어지는 용접이음부가 2면적%이하의 카바이드 및 잔부 오스테나이트로 이루어지는 미세조직을 갖는, 용접부의 확관성이 우수한 확관 파이프용 오스테나이트계 강재 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 용접이음부의 결정립내에 카바이드 석출물이 형성되는 것을 방지함으로써 용접부의 우수한 확관성을 확보할 수 있는 확관 파이프용 오스테나이트계 강재를 제공할 수 있다.

Description

용접부의 확관성이 우수한 확관 파이프용 오스테나이트계 강재 및 그 제조방법{AUSTENITIC STEEL FOR EXPANDABLE PIPE HAVING EXCELLENT EXPANDABILITY OF WELDED ZONE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 용접부의 확관성이 우수한 확관 파이프용 오스테나이트계 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 지표에서 지하의 유전까지 강관을 부설하기 위해서는, 우선 지표로부터 소정의 깊이까지 굴착해, 케이싱으로 불리는 강관을 매설해 벽의 붕괴를 방지한다. 그 후, 상기 케이싱의 첨단으로부터 한층 더 지하를 굴착해 보다 깊은 우물을 만들고, 먼저 매설한 케이싱 내부를 통해 새로운 케이싱을 매설한다. 이 작업을 반복함으로써, 최종적으로 유전에 도달하는 유정관(튜빙)이 부설된다. 매우 깊은 우물을 굴착하는 경우에는, 직경이 다른 다종류의 케이싱을 필요로 한다. 이는 원유나 가스를 통하는 유정관의 지름은 정해져 있기 때문인데, 이로 인해 지름 방향에 있어서의 굴착 면적을 넓게 할 필요가 있다. 따라서, 케이싱으로 사용되기 위한 강관은 우수한 확관성이 요구된다.

이러한 확관용 강재를 제조하기 위해서 일반적으로 전기저항용접(ERW)이 사용되는데, 이 때 템퍼링 온도 수준의 영향을 받는 SCHAZ에서는 결정립계에 카바이드가 석출되어 연성이 저하되어 확관성이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 용접부의 확관성이 우수한 확관 파이프용 오스테나이트계 강재 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태는 중량%, Mn: 14~20%, C: 0.3~1.0%, Cu: 3%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, Mo: 0.5%이하 및 B: 0.005%이하 중 1종 이상을 추가로 포함하고, 용접에 의해 얻어지는 용접이음부가 2면적%이하의 카바이드 및 잔부 오스테나이트로 이루어지는 미세조직을 갖는, 용접부의 확관성이 우수한 확관 파이프용 오스테나이트계 강재를 제공한다.

본 발명의 다른 실시형태는 중량%, Mn: 14~20%, C: 0.3~1.0%, Cu: 3%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, Mo: 0.5%이하 및 B: 0.005%이하 중 1종 이상을 추가로 포함하는 강 슬라브를 재가열한 뒤, 마무리 압연온도가 850~1100℃가 되도록 열간압연하여 열연강재를 얻는 단계; 및 상기 열연강재를 5℃/s이상으로 600℃이하까지 냉각하는 단계를 포함하는 가공경화율과 내마모성이 우수한 오스테나이트계 강재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 용접이음부의 결정립내에 카바이드 석출물이 형성되는 것을 방지함으로써 용접부의 우수한 확관성을 확보할 수 있는 확관 파이프용 오스테나이트계 강재를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발명예 1의 용접 열영향부 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 2는 본 발명의 범위를 벗어난 비교예 3의 용접 열영향부 미세조직을 관찰한 사진이다.

본 발명자들은 확관성이 우수한 강재의 제조에 대해 연구하던 중, Cu의 첨가가 카바이드 성장속도를 지연시키고, 동시에 Mo 또는 B의 첨가를 통해 이들 합금원소가 결정립계에 우선 편석되도록 함으로써 용접이음부, 특히 SCHAZ(Sub Critical HAZ)의 결정립내에 카바이드 석출물이 형성되는 것을 효과적으로 억제함으로써 용접부에 우수한 인성을 부여할 수 있고, 이를 통해 우수한 확관성을 확보할 수 있다는 식견하에 본 발명을 완성하게 되었다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다. 하기 설명되는 합금조성의 %는 중량%를 의미한다.

Mn: 14~20%

Mn은 오스테나이트 안정화의 대표적인 원소로서, 균일 연신율을 향상시키는 원소이다. 상기 Mn의 함량이 14%미만인 경우에는 오스테나이트 안정도가 저감되여 일부 마르텐사이트가 생성되거나 카바이드가 쉽게 석출하게 되어 내마모성을 저하시키는 단점이 발생할 수 있으며, 20%를 초과하는 경우에는 오스테나이트의 변형 메커니즘이 슬립에 의존하게 됨에 따라 가공경화율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 Mn의 함량은 14~20%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 Mn의 하한은 보다 바람직하게는 15%, 보다 더 바람직하게는 16%이다. 상기 Mn의 상한은 보다 바람직하게는 19%, 보다 더 바람직하게는 18%이다.

C: 0.3~1.0%

C는 오스테나이트 안정화 원소로서 균일 연신율을 향상시키는 역할을 할 뿐만 아니라 강도를 향상시키고, 가공경화율을 높이는데 유리한 원소이다. 상기 C의 함량이 0.3%미만인 경우에는 오스테나이트의 안정도가 저감되어 마르텐사이트가 생성될 수 있으며, 이와 더불어 가공경화율이 떨어짐에 따라 우수한 강도를 확보할 수 없고, 1.0%를 초과하는 경우에는 다량의 카바이드가 입계에 생성되어 확관성을 저하시키는 문제가 있다. 따라서, 상기 C의 함량은 0.3~1.0%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 C의 하한은 보다 바람직하게는 0.4%, 보다 더 바람직하게는 0.45%, 가장 바람직하게는 0.5%이다. 상기 C의 상한은 보다 바람직하게는 0.9%, 보다 더 바람직하게는 0.8%, 가장 바람직하게는 0.7%이다.

Cu: 3%이하

Cu는 카바이드 내 고용도가 매우 낮으며 오스테나이트 내 확산이 느려서 카바이드 생성시에 카바이드 주변에 편석되어 카바이드 주변에서의 탄소 고용도를 상승시켜 카바이드가 조대화되는 것을 억제하는 효과가 있다. 또한 오스테나이트 내부의 탄소고용도를 높여 카바이드 자체의 생성을 방지하는 효과 또한 존재한다. 하지만 3%를 초과하여 첨가될 경우 제조원가의 상승을 가져올 뿐 아니라 오스테나이트의 변형모드를 가공경화가 낮은 슬립 형태로 변화시키기 때문에 인장강도 감소를 초래할 수 있으며, 추가적으로 제조 시 판재의 균열을 발생시키는 원인(hot shortness)이 될 수 있으므로, 그 함량을 3%이하로 제어하는 것이 바람직하다.

Mo: 0.5%이하

Mo는 오스테나이트 결정립계에 편석되어 결정립계의 안정도를 높여주는 원소로써, 일반적으로 낮은 결정립계 안정도로 인해 카바이드가 오스테나이트 결정립계에서 다량 석출되는 현상을 제어하는 역할을 한다. 상기 Mo의 함량이 0.5%를 초과하는 경우에는 제조원가 상승 및 고강도화에 따른 인성 저하가 발생할 수 있으므로, 상기 Mo의 함량은 0.5%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

B: 0.005%이하

B 또한 Mo와 마찬가지로 오스테나이트 결정립계에 편석되어 결정립계의 안정도를 높여주는 원소로써, 결정립계의 낮은 안정도로 인해 오스테나이트 결정립계에서 카바이드가 다량 석출되는 현상을 억제하는 역할을 한다. 상기 B가 0.005%를 초과할 경우 고강도화에 따른 인성 저하 및 BN 석출에 의한 취성이 발생할 수 있으므로 상기 B의 함량은 0.005%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명이 제안하는 강재는 전술한 바와 같은 합금조성의 제어를 통해 추가적인 합금원소의 첨가없이도 우수한 확관성을 확보할 수 있다. 다만, 하기 설명되는 바와 같은 이유로 Cr: 5중량%이하를 추가로 포함할 수 있다.

Cr: 5%이하

Cr은 강도를 향상시키는데 유리한 원소이다. 다만, 상기 Cr이 5중량%를 초과하는 경우에는 다량의 카바이드가 석출되어 연신율이 저감될 수 있다.

본 발명이 제공하는 강재는 용접에 의해 얻어지는 용접이음부는 오스테나이트 단상 조직을 갖는 것이 바람직하며, 이를 통해 우수한 강도와 연성을 확보할 수 있다. 다만, 용접에 의해 용접이음부가 형성되는 경우, 상기 용접이음부 특히, 템퍼링 온도 수준의 영향을 받는 SCHAZ(Sub Critical HAZ)에는 카바이드가 불가피하게 형성될 수 있으며, 본 발명에서는 상기 카바이드의 함량을 2면적%이하로 관리한다. 만일, 상기 카바이드가 2면적%를 초과하는 경우에는 경우에는 연성이 급격히 저하됨으로써 확관성이 매우 떨어진다는 문제가 있다. 따라서, 본 발명의 용접이음부는 2면적%이하의 카바이드 및 잔부 오스테나이트로 이루어지는 미세조직을 갖는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 제공되는 본 발명의 강재는 300MPa이상의 항복강도와 600MPa이상의 인장강도를 확보할 수 있는 동시에 40%이상의 균일 연신율을 확보함으로써 매우 우수한 확관성을 가질 수 있어 높은 확관율이 요구되는 확관 파이프용 강재로서 매우 바람직하게 이용될 수 있다.

이하, 본 발명 강재의 제조방법에 대하여 설명한다.

우선, 전술한 합금조성을 만족하는 강 슬라브를 재가열한 뒤, 열간압연하여 열연강재를 얻는다. 이 때, 상기 열간압연은 마무리 압연온도가 850~1100℃가 되도록 행하여지는 것이 바람직한데, 상기 마무리 압연온도가 850℃미만일 경우에는 카바이드가 석출되어 균일 연신율이 저하될 수 있으며, 이로 인해 미세조직이 팬케이크화 되어 조직이방성으로 인한 불균일 연신이 발생할 수 있다. 상기 마무리 압연온도가 1100℃를 초과하는 경우에는 결정립이 조대화되어 강도 및 연신율이 저하되는 내마모성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 마무리 압연온도는 850~1100℃의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 한편, 상기 재가열은 당해 기술분야에서 통상적으로 이용되는 온도 범위 내에서 이루어지면 되므로, 본 발명에서는 상기 재가열 온도 범위에 대하여 특별히 한정하지 않는다.

상기 열간압연을 통해 얻어지는 열연강재를 5℃/s이상으로 600℃이하까지 냉각하는 것이 바람직한데, 이를 통해 결정립계에서 카바이드가 석출되는 것을 억제하여 확관성이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 상기 냉각속도가 5℃/s미만이거나, 냉각정지온도가 600℃를 초과하는 경우에는 카바이드가 석출되어 연신율이 낮아짐에 따라 내마모성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 냉각은 5℃/s이상으로 600℃이하까지 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 냉각 속도는 10℃/s이상의 속도를 갖는 보다 바람직하며, 15℃/s이상의 속도를 갖는 것이 보다 더 바람직하다. 다만, 공정조건의 한계상 500℃/s를 초과하기는 어렵다. 상기 냉각정지온도 또한 600℃이하의 조건을 만족하기만 하면 본 발명이 얻고자 하는 효과를 얻을 수 있으므로 그 하한에 대해서는 특별히 한정하지 않는다. 상기 냉각정지온도는 500℃이하인 것이 보다 바람직하다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본원발명의 권리범위를 한정하지 않는다.

(실시예)

하기 표 1과 같은 합금조성을 갖는 강 슬라브를 1150℃에서 재가열한 뒤, 마무리 압연온도가 970℃가 되도록 열간압연하여 열연강재를 얻고, 이 열연강재를 10℃/s으로 300℃까지 냉각하여 열연강재를 제조하였다. 상기 제조된 40mm 두께의 열연강재를 플럭스 코어드 아크 용접을 이용하여 20kJ/cm의 입열량으로 다층용접하여 용접이음부를 얻은 뒤, 이와 같이 얻어진 용접이음부에 대하여 오스테나이트 및 카바이드 분율과 기계적 물성 등을 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 또한, 상기 얻어진 열연강재를 조관하여 강관을 얻은 뒤, 상기 강관 용접부의 확관율에 대해서 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

구분	화학조성(중량%)
구분	Mn	C	Cu	Mo	B	Cr
발명예1	17.3	0.45	0.9	0.18	0.0021	-
발명예2	19.1	0.92	2.1	0.31	0.0029	-
발명예3	14.8	0.63	2.8	0.22	0.0018	-
발명예4	18.6	0.59	1.8	0.41	0.0023	2.1
비교예1	22.3	0.21	3.54	0.43	0.0025	-
비교예2	16.8	1.21	1.5	0.21	0.0018	-
비교예3	17.5	0.79	-	0.21	0.0018	-
비교예4	18.8	0.85	1.7	-	-	-

구분	오스테나이트 분율 (면적%)	카바이트 분율 (면적%)	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	균일연신율 (%)	확관율 (%)
발명예1	99.8	0.2	365	895	67	54
발명예2	98.9	1.1	427	954	49	43
발명예3	99.7	0.3	388	930	59	49
발명예4	98.7	1.3	407	965	47	42
비교예1	99.9	0.1	256	586	38 (네킹 발생)	35
비교예2	96.8	3.2	495	855	28	25
비교예3	97.2	2.8	435	875	35	31
비교예4	97.7	2.3	442	831	37	32

상기 표 1 및 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명이 제안하는 합금조성을 만족하는 발명강 1 내지 4의 경우에는 Cu, Mo, B의 복합첨가를 통해 용접 열영향부에 카바이드가 2%이하로 석출됨으로써 40%이상의 우수한 균일 연신율과 함께 우수한 확관율을 확보하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 300MPa 이상의 항복강도와 600MPa 이상의 우수한 인장강도 또한 나타냄을 알 수 있다.

반면, 비교예 1의 경우에는 C의 함량이 본 발명이 제안하는 범위에 미달하여 항복강도가 낮으며, Mn과 Cu가 다량 첨가됨에 따라 카바이드가 미량 형성되기는 하였으나, 과도한 양으로 인하여 변형모드가 슬립으로 변하게 됨에 따라 가공경화율이 저하되어 인장강도가 낮은 수준임을 알 수 있다. 또한 변형모드의 변화로 인해 네킹(necking)이 발생하여 균일연신율이 낮아짐에 따라 낮은 확관율을 나타내는 것을 알 수 있다.

비교예 2의 경우에는 본 발명이 제안하는 C 함량 범위를 초과하여 카바이드가 용접부에 다량 석출됨에 따라 균일 연신율이 낮아지고, 이로 인해 매우 낮은 확관율을 가지고 있음을 확인할 수 있다.

비교예 3의 경우에는 본 발명이 제안하는 Cu 를 미첨가하여 카바이드가 용접부에 다량 석출하였으며, 이로 인해 매우 낮은 균일 연신율 및 확관율을 가지고 있음을 확인할 수 있다.

비교예 4의 경우에는 본 발명이 제안하는 Mo 및 B가 첨가되지 않아, SCHAZ에 다량의 카바이드가 석출되었으며, 이로 인해 40%미만의 균일연신율과 낮은 확관율을 보이는 것을 알 수 있다.

도 1 및 2는 각각 발명예 1 및 비교예 3의 용접 열영향부 미세조직을 관찰한 사진이다. 발명예 1의 경우에는 결정립계에 카바이드가 거의 석출되지 않았음을 알 수 있는 반면, 비교예 3의 경우에는 Cu의 미첨가로 인해 결정립계에 다량의 카바이드가 석출되었음을 확인할 수 있다.

Claims

중량%, Mn: 14~20%, C: 0.3~1.0%, Cu: 3%이하(0은 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
Mo: 0.5%이하(0은 제외) 및 B: 0.005%이하(0은 제외) 중 1종 이상을 추가로 포함하고,
용접에 의해 얻어지는 용접이음부가 2면적%이하의 카바이드 및 잔부 오스테나이트로 이루어지는 미세조직을 갖는, 용접부의 확관성이 우수한 확관 파이프용 오스테나이트계 강재.
청구항 1에 있어서,
상기 강재는 Cr: 5%이하(0은 제외)를 추가로 포함하는 용접부의 확관성이 우수한 확관 파이프용 오스테나이트계 강재.
청구항 1에 있어서,
상기 용접이음부는 항복강도가 300MPa이상이고, 인장강도가 600MPa이상인 용접부의 확관성이 우수한 확관 파이프용 오스테나이트계 강재.
청구항 1에 있어서,
상기 용접이음부는 균일 연신율이 40%이상인 용접부의 확관성이 우수한 확관 파이프용 오스테나이트계 강재.
중량%, Mn: 14~20%, C: 0.3~1.0%, Cu: 3%이하(0은 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, Mo: 0.5%이하(0은 제외) 및 B: 0.005%이하(0은 제외) 중 1종 이상을 추가로 포함하는 강 슬라브를 재가열한 뒤, 마무리 압연온도가 850~1100℃가 되도록 열간압연하여 열연강재를 얻는 단계; 및
상기 열연강재를 5℃/s이상으로 600℃이하까지 냉각하는 단계를 포함하는 용접부의 확관성이 우수한 확관 파이프용 오스테나이트계 강재의 제조방법.
청구항 5에 있어서,
상기 강 슬라브는 Cr: 5%이하(0은 제외)를 추가로 포함하는 용접부의 확관성이 우수한 확관 파이프용 오스테나이트계 강재의 제조방법.