KR101654684B1

KR101654684B1 - 저온 충격인성이 우수한 고강도 무어링 체인강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101654684B1
Application number: KR1020150177251A
Authority: KR
Inventors: 이운재; 최수조; 이기원
Original assignee: 주식회사 세아베스틸
Priority date: 2015-12-11
Filing date: 2015-12-11
Publication date: 2016-09-06

Abstract

본 발명의 저온 충격인성이 우수한 고강도 무어링 체인강은, 화학 성분이 C : 0.20 ~ 0.25 중량%, Si : 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn : 1.30 ~ 1.50 중량%, P : 0.015 중량% 이하(0 미포함), S : 0.008 중량% 이하(0 미포함), Ni : 1.10~1.60 중량%, Cr : 1.50 ~ 1.70 중량%, Mo : 0.45~0.55 중량%, V : 0.02 ~ 0.15 중량%, Al : 0.020 ~ 0.040 중량%, N : 0.005~0.009 중량%, H : 0.0001 중량% 이하(0 미포함)를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고 QT열처리 후에 인장강도 1,100MPa이상, 0.02% 오프셋 항복강도 950MPa이상, 연신율 15%이상, 단면수축률 50%이상, -20℃ 저온충격 65J 이상을 가지며, 오스테나이트 결정입도 No.8 이상, 조미니경도 J3mm 48HRc이상 및 J50mm 47HRc이상의 특성을 발휘하여 기존 일반 무어링체인강 대비 강도 및 저온 충격인성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

Description

저온 충격인성이 우수한 고강도 무어링 체인강 및 그 제조방법{MOORING CHAIN STEELS WITH HIGH STRENGTH AND HIGH IMPACT TOUGHNESS AT LOW TEMPERATURE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 저온 충격인성이 우수한 고강도 무어링 체인강에 관한 것으로서, 강의 조성을 최적화하여 강도 및 소입성을 향상시키고, 템퍼연화저항성을 확보한 무어링 체인강에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 소입소려 열처리 조건을 최적화하여 종래의 무어링체인강에 비해 더 우수한 저온 충격인성 및 고강도를 갖는 무어링 체인강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근 오일/가스 시추 영역이 극저 해양 지방(북해)으로 이동하여, 사용환경이 열악해짐에 따라 강도 및 저온충격인성 강화가 요구되어 저온충격특성이 우수한 고강도 무어링 체인강의 개발이 요구되고 있다. 일반적으로 무어링 체인강의 경우 템퍼링온도가 590℃이상 요구되는데, 현재 사용 중인 R4, R5 등급(Grade)으로는 해당 소입소려 열처리 조건에서 고강도와 저온충격인성 모두를 만족시키기 어렵다.

한국특허공보 제1992-0010228호에서는 망간(Mn)과 실리콘(Si) 함량을 증가시켜서 내충격성 및 용접성이 우수한 무어링 체인강에 대해 개시하고 있다.

본 발명은 종래의 무어링체인강을 바탕으로 저온충격인성과 강도를 향상시키기 위한 무어링 체인강을 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, 본 발명은 저온충격, 고강도 및 용접성, 수소유기크랙을 고려하여 합금성분을 최적화하고 소입소려 열처리 조건을 최적화하여 저온 충격인성이 우수한 고강도 무어링 체인강을 제공한다.

본 발명은 저온충격인성을 확보하기 위해서 Ni 첨가, 저탄소 및 Si 함량을 관리하고, 강도 및 소입성을 향상시키기 위해, Mn, Cr, Mo 성분을 최적화하고, 결정립미세화를 위하여 Al 및 V를 첨가하고, 수소유기크랙 방지를 위해 저 H 관리 및 V 첨가를 통해, 저온충격인성이 우수한 고강도 무어링 체인강을 제공한다.

또한, 소입소려 열처리 조건을 최적화하여 종래의 무어링체인강에 비해 더 우수한 저온 충격인성 및 고강도를 갖는 무어링 체인강을 제조하는 방법을 제공한다.

상기한 과제는, C : 0.20 ~ 0.25 중량%, Si : 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn : 1.30 ~ 1.50 중량%, P : 0.015 중량% 이하(0 미포함), S : 0.008 중량% 이하(0 미포함), Ni : 1.10~1.60 중량%, Cr : 1.50 ~ 1.70 중량%, Mo : 0.45~0.55 중량%, V : 0.02 ~ 0.15 중량%, Al : 0.020 ~ 0.040 중량%, N : 0.005~0.009 중량%, H : 0.0001 중량% 이하(0 미포함)를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 고강도 무어링 체인강에 의해 달성된다.

또한 상기 목적을 달성하기 위해서는 880~900℃에서 25.4mm 당 30분 유지 후 수냉을 실시하고 590~610℃에서 25.4mm 당 60분 유지 후 수냉을 실시해야 한다.

또한 본 발명에 따른 목적은 상기 조성들을 갖는 저온충격인성이 우수한 고강도 무어링체인강은 소입소려 열처리를 통해 인장강도 1,100MPa이상, 0.02% 오프셋 항복강도 950MPa이상, 연신율 15%이상, 단면수축률 50% 이상, -20℃ 저온충격 65J이상을 가지며, 오스테나이트 결정입도 No.8 이상, 조미니경도 J3mm 48HRc이상 및 J50mm 47HRc이상의 특성을 가져 기존 무어링체인강 대비 저온충격인성 및 강도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명강은 소입소려 열처리에 의해 달성하고자 하는 물성치를 확보할 수 있도록 C, Ni, Mn, Cr함량 최적화 및 수소유기크랙 민감성을 낮추고 결정립을 미세화시키기 위한 Al, V 첨가 등을 고려하여 저온충격인성이 우수한 고강도 무어링체인강의 최적의 합금설계 및 제조방법을 제시한다.

도 1은 비교강 및 발명강의 조미니경도 프로파일이다.
도 2는 본 발명의 방법에 적용되는 소입소려 열처리된 비교강 및 발명강의 기계적 성질을 나타낸 것이다.
도 3은 비교강 및 발명강의 오스테나이트 결정입도를 나타낸 것이다.
도 4는 비교강 및 발명강의 템퍼링 온도별 템퍼연화저항성을 나타낸 것이다.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다. 용어 약이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.

본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, 포함하다 및 포함하는 이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.

본 발명의 저온충격인성 및 고강도를 갖는 무어링체인강은 C : 0.20 ~ 0.25 중량%, Si : 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn : 1.30 ~ 1.50 중량%, P : 0.015 중량% 이하(0 미포함), S : 0.008 중량% 이하(0 미포함), Ni : 1.10~1.60 중량%, Cr : 1.50 ~ 1.70 중량%, Mo : 0.45~0.55 중량%, V : 0.02 ~ 0.15 중량%, Al : 0.020 ~ 0.040 중량%, N : 0.005 ~ 0.009 중량%, H : 0.0001 중량% 이하(0 미포함)를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

이하 본 발명의 합금성분 첨가 및 성분범위 한정 이유를 설명한다.

C : 0.20 중량% ~ 0.25 중량%

C는 특수강에서 강도, 경도를 결정하는 주 원소중 하나로 강도를 확보하기 위하여 첨가한다. C 함량이 0.20 중량% 미만인 경우에는 달성하고자 하는 강도를 낼 수 없고 0.25 중량%를 초과하여 첨가하면 소재의 경도 상승으로 인해 저온충격인성 및 가공성, 용접성이 저하된다. 따라서 C의 함량을 0.20중량% ~ 0.25중량%인 것이 바람직하다.

Si : 0.15 중량% ~ 0.35 중량%

Si는 제강시 유효한 탈산제로 사용되며 경화능을 증가시킨다. Si 함량이 0.15 중량% 미만인 경우에는 원활한 탈산을 실시할 수 없고 0.35 중량%를 초과하여 첨가하면 Ac3변태점이 상승하고 ??칭 시에 탄소 함유량이 적은 중심부에서의 페라이트 형성이 증가하여 강도의 저하를 초래하고 또한 인성 및 충격인성이 저하된다. 따라서 Si의 함량을 0.15중량% ~ 0.35중량%인 것이 바람직하다.

Mn : 1.30 중량% ~ 1.50 중량%

Mn은 소입성과 강도를 향상시키며, 강 중에 존재하는 S의 유해함을 방지하기 위하여 첨가되어 MnS를 형성함으로써 적열 취성을 방지하고 절삭 가공성을 향상시킨다. Mn 함량이 1.30 중량% 미만인 경우에는 소입성이 저하되며 원하는 강도를 낼 수 없고 1.50 중량%를 초과하여 첨가하게 되면 인성이 저하되므로 인성 저하 없이 충분한 소입성 및 필요 가공성을 얻고자 Mn 함량을 1.30 중량% ~ 1.50 중량%인 것이 바람직하다.

P : 0.015 중량% 이하 (0 미포함)

P는 오스테나이트 결정립 입계에 편석되어 인성을 저하시키므로, 0.015 중량% 이하인 것이 바람직하다.

S : 0.008 중량% 이하 (0 미포함)

S는 강중에서 Mn과 결합하여 MnS를 형성한다. MnS를 형성하여 피삭성을 향상시키나, 과도한 S 첨가량은 피로강도의 열화 및 충격인성을 저하시키므로, 0.008 중량% 이하인 것이 바람직하다.

Ni : 1.10 중량% ~ 1.60 중량%

Ni은 저온충격인성을 향상시키는 원소로서 본 발명에서 가장 중요한 성분으로, 강의 조직을 미세화시키고 소입성, 인성을 향상시키는 원소이다. Ni 함량이 1.10 중량% 미만인 경우에는 원하고자 하는 저온충격 특성을 확보할 수 없다. 그러나 고가의 원소로서 1.60 중량%를 초과하여 첨가하게 되면 경도가 상승하여 피삭성이 저하되고 부품의 제조 원가를 높여 경제적이지 못하다. 따라서 Ni의 함량은 1.10중량% ~ 1.60중량%인 것이 바람직하다.

Cr : 1.50 중량% ~ 1.70 중량%

Cr은 소입성을 증대시키고 강도를 향상시키는 원소이다. Cr 함량이 1.50 중량% 미만인 경우에는 소입성이 저하되며 원하는 강도를 낼 수 없고 그러나 1.70 중량%를 초과하여 첨가하면 소재의 경도 상승을 통해 가공성을 저하시킨다. 따라서 Cr의 함량은 1.50중량% ~ 1.70중량%인 것이 바람직하다.

Mo : 0.45 중량% ~ 0.55 중량%

Mo은 소입성 향상, Mo탄화물에 형성에 의한 결정립 미세화 효과 및 고온 템퍼연화저항성 효과가 있는 원소이다. Mo 함량이 0.45 중량% 미만인 경우에는 소입성이 저하되며 원하는 강도를 낼 수 없고 그러나 0.55 중량%를 초과하여 첨가시 제조원가 상승 요인이 되고 인성을 저하시킨다. 따라서 Mo의 함량은 0.45중량% ~ 0.55중량%인 것이 바람직하다.

V : 0.02 중량% ~ 0.15 중량%

V은 미세 탄화물 형성에 의해 결정립을 미세화시켜 강도 및 인성을 향상시킨다. 또한 고온템퍼연화저항성 효과가 있으며 수소유기크랙 민감성 저감 효과가 있는 원소이다. 이러한 목표를 달성하기 위해서는 적어도 0.02중량%이상의 V를 첨가할 필요가 있다. 그러나 0.15 중량%를 초과하여 첨가하면 강도는 증가하나 인성이 저하될 뿐만 아니라 제조원가 상승에 의한 경제적인 효과가 없기 때문에 바람직하지 않다. 따라서 V 함량은 0.02중량% ~ 0.15중량%인 것이 바람직하다.

Al : 0.020 중량% ~ 0.040 중량%

Al은 강력한 탈산제로서 작용하는 것과 동시에 N와 결합하여 결정립을 미세화시키는 역할을 한다. 0.020 중량% 보다 적게 첨가하게 되면 탈산이나 결정립 미세화 작용이 충분하지 않기 때문에 바람직하지 않다. 또한 0.040 중량%를 초과하여 첨가하게 되더라도 이러한 효과는 포화되고 오히려 Al₂O₃와 같은 비금속 개재물 양의 증가로 오히려 인성저하 등의 해로운 영향을 미칠 수 있다. 따라서, Al의 적정 함량 범위는 0.020 중량% ~ 0.040 중량%인 것이 바람직하다.

N : 0.005 중량% ~ 0.009 중량%

N는 V, Al, Nb, Ti 등의 합금 원소들과 결합하여 질화물을 형성시켜 오스테나이트 결정립 미세화에 의한 강도 및 인성 향상에 기여한다. 그러나 0.009 중량%를 초과하여 첨가하면 효과가 포화되고 변형시효를 발생시킨다. 따라서 N의 적정 함량 범위는 0.005 중량% ~ 0.009 중량%인 것이 바람직하다. 0.005중량% 미만으로 첨가하면 충분한 질화물을 형성시키지 못하여 충분한 결정립미세화 효과를 낼 수 없다.

H : 0.0001 중량%이하 (0 미포함)

H는 수소유기크랙을 발생시키므로 0.0001 중량% 이하인 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 대해 설명하면 다음과 같다.

표 1은 본 발명의 조성을 갖는 발명강과 비교강(종래강)의 화학 성분을 나타낸다. 발명강은 개발을 위해 설정된 합금설계안으로 VIM(Vacumn Induction Melting) 제강 및 단조하여 제조된 강종에 대한 화학성분을 나타낸다.

(단위: 중량%)

구분		C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	V	Al	N	H
발 명 강	A	0.23	0.28	1.45	0.012	0.007	1.15	1.62	0.51	0.05	0.029	0.008	0.00007
	B	0.23	0.28	1.44	0.011	0.007	1.15	1.62	0.50	0.11	0.033	0.007	0.00008
	C	0.23	0.28	1.40	0.011	0.007	1.43	1.60	0.49	0.11	0.032	0.006	0.00008
비 교 강	D	0.24	0.30	1.55	0.015	0.011	0.60	1.05	0.40	0.00	0.030	0.008	0.00009
	E	0.24	0.30	1.55	0.012	0.012	0.50	0.60	0.22	0.00	0.030	0.008	0.00008
	F	0.17	0.22	0.90	0.013	0.011	2.85	1.46	0.42	0.11	0.015	0.007	0.00008

이하, 제조공정을 구체적으로 설명한다.

먼저, 상기 표 1의 조성을 갖는 발명강 A~C를 각각 진공유도로 용해시키고, 잉곳(Ingot) 주조한 다음 1200~1250℃의 온도에서 가열한다. 가열된 강을 단조하여 Φ60mm 환봉으로 제작한다. 생산된 환봉을 900℃에서 노멀라이징(25.4mm(1인치) 당 30분 유지 후 공냉)을 실시하고 Φ25mm 의 공시재 시편으로 가공한다.

인장강도 1,100 MPa이상, 0.02% 오프셋 항복강도 950 MPa이상, 연신율 15% 이상, 단면수축률 50% 이상, -20℃ 저온충격인성 65J 이상(바람직하게는 70J 이상)을 확보하기 위하여 준비된 시편을 소입소려 열처리를 실시한다. 상기 소입소려 열처리는 880~900℃의 온도에서 1 인치(25.4mm) 당 30분 유지 후 수냉을 실시하는 단계(소입 처리), 이후 590~610℃의 온도에서 1 인치(25.4mm) 당 60분 유지 후 수냉을 실시하는 단계(소려 처리)로 이루어진다.

조미니경도는 조미니 시편 가공 후 925℃ 1시간 유지 후 끝단 소입(End quenching)을 실시하여 평가하였다. 오스테나이트 결정입도는 925℃ 1시간 유지 후 수냉을 실시하여 평가하였다. 또한 기존 무어링체인강 및 유사강종과의 비교평가를 실시하였다.

소입소려 열처리된 시편은 만능시험기, 충격시험기를 이용하여 기계적 성질을 평가하였고 광학현미경으로 입도 및 미세조직을 평가하였다. 조미니시편 가공 및 열처리 후에 조미니경도를 측정하였다.

도 1은 발명강 A,B,C와 비교강 D,E,F의 조미니경도를 평가한 결과이다. 조미니경도 측정은 ??칭시 강의 소입성 및 표면, 심부경도를 평가할 수 있는 좋은 방법이다. 비교강 D,E는 발명강와 동등 수준의 J3mm 경도를 나타냈지만, 발명강 대비 낮은 합금성분의 영향으로 J50mm 지점에서는 경도가 낮게 나타났다. 또한 비교강 F의 경우 낮은 C함량으로 인해 J3mm 지점에서부터 발명강 대비 낮은 경도값을 나타냈다. 이러한 조미니경도 특성은 QT 열처리 후 기계적 물성치에 영향을 미치며 J3mm와 J50mm간 경도 차이는 표면과 심부에서의 기계적 물성치 편차를 야기할 수 있다. 발명강의 경우 최종 ??칭 후 조미니경도 J3mm 48HRc, J50mm 47HRc 이상을 갖는다.

표 2 및 도 2는 발명강 A,B,C와 비교강 D,E,F의 소입소려 열처리 후 기계적물성치를 평가한 결과이다. 발명강의 경우 합금성분 최적화로 인해 항복강도(YS) 1,000MPa이상, 인장강도(TS) 1,100MPa이상, 연신율(EL) 20%이상, 단면수축률(ROA) 60%이상, 저온충격인성(IV) 74J 이상의 특성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 그러나 비교강의 경우 저온충격인성은 발명강 동등이상이나 충분한 항복강도 및 인장강도 갖지 못하는 것을 확인할 수 있다. 비교강 D,E의 경우 Ni, Cr, Mo, V 성분이 충분하지 못하여 충분한 강도 및 템퍼연화저항성을 갖지 못하였으며, 비교강 F의 경우 C성분이 낮아서 충분한 강도를 갖지 못하기 때문이다.

표 3 및 도 3는 발명강 A,B,C와 비교강 D,E,F의 입도를 평가한 결과이다. Mo 및 V성분의 차이로 인해 비교강 D 대비 발명강에서 오스테나이트 결정 입도 No. 8 이상으로 미세한 오스테나이트 결정립이 형성되어있는 것을 확인할 수 있다. 미세한 오스테나이트 결정립은 홀-패치(Hall-Patch) 이론에 따라 강도를 향상시키며 저온충격에 악영향을 미치는 불순물 원소의 편석을 개선하여 강도 및 저온충격인성을 향상시킨다.

도 4는 ??칭 후 템퍼링온도별 4시간씩 유지하였을 때의 템퍼연화저항성을 나타낸 것이다. 발명강이 비교강 대비 약 20% 향상된 템퍼연화저항성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 미세탄화물 형성원소이자 연화저항성을 향상시키는 V이 다량 첨가된 발명강 B의 템퍼연화저항성이 가장 우수한 것을 확인할 수 있다. 이러한 이유는 다수의 미세 Mo 및 V탄화물이 고르게 분포 시에 연화 저항성이 향상되고, 탄화물의 확산을 지연하여 연화의 원인인 탄화물의 응집 및 형성을 억제하기 때문이다.

	항복강도 (YS, MPa)	인장강도 (TS, MPa)	연신율 (EL, %)	단면수축률 (ROA, %)	저온충격인성 (IV, J,-20℃)
발명강A	1,026	1,139	21.0	60.0	85
발명강B	1,026	1,147	20.3	62.3	74
발명강C	1,000	1,118	20.5	62.3	101
비교강D	759	859	18.6	62.5	133
비교강E	938	1,030	17.5	64.0	66
비교강F	940	1,019	18.6	68.4	165

	발명강A	발명강B	발명강C	비교강D
오스테나이트 결정입도 No.	8.9	9.1	8.9	7.0

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

C : 0.20 ~ 0.25 중량%, Si : 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn : 1.30 ~ 1.50 중량%, P : 0.015 중량% 이하(0 미포함), S : 0.008 중량% 이하(0 미포함), Ni : 1.10~1.60 중량%, Cr : 1.50 ~ 1.70 중량%, Mo : 0.45~0.55 중량%, V : 0.02 ~ 0.15 중량%, Al : 0.020 ~ 0.040 중량%, N : 0.005~0.009 중량%, H : 0.0001 중량% 이하(0 미포함)를 포함하고 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고,
880~900℃의 온도에서 25.4mm 당 30분 유지한 후 수냉을 실시하고 590~610℃의 온도에서 25.4mm 당 60분 유지 후 수냉하는 소입소려 열처리 후에, 인장강도 1,100MPa 이상, 0.02% 오프셋 항복강도 950MPa 이상, 연신율 15% 이상, 단면수축률 50% 이상, -20℃ 저온충격 65J 이상 및 오스테나이트 결정입도 No.8 이상인, 저온충격특성이 우수한 고강도 무어링체인강.
제1항에 있어서, 상기 조성으로 이루어진 강재를 이용하여 조미니 시편 가공하고 925℃에서 끝단 소입한 후의 조미니 경도 J3mm이 48HRc 이상이고, J50mm이 47HRc 이상인, 저온충격특성이 우수한 고강도 무어링체인강.
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