KR101687687B1

KR101687687B1 - 판두께 방향의 내피로 특성이 우수한 후강판 및 그의 제조 방법, 그 후강판을 이용한 필렛 용접 조인트

Info

Publication number: KR101687687B1
Application number: KR1020167003625A
Authority: KR
Inventors: 츠네히사 한다; 사토시 이기; 시게루 엔도
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2016-12-19
Also published as: CN103459637B; CN103459637A; TWI469846B; TW201302368A; KR20160021911A; KR20130125822A

Abstract

압력 용기 등의 용접 강 구조물용으로서 적합한, 판두께 방향의 내피로 특성이 우수한 후강판 및 그의 제조 방법, 그 후강판을 이용한 필렛 용접 조인트를 제공한다. 구체적으로는, 강판의 압연면의 양측 또는 편측으로부터 판두께 방향으로 4㎜까지의 범위에 있어서, 판두께 방향에 직각이 되는 압축 잔류 응력이 100㎫ 이상이고, 바람직하게는 질량％로, C: 0.03∼0.15％, Si: 1.0％ 이하, Mn: 1.0∼2.0％를 포함하고, 추가로 Ti: 0.005∼0.05％, Nb: 0.001∼0.05％의 1종 또는 2종, Al: 0.1％ 이하 추가로, Cu, Ni, Cr, Mo, V, W, Zr, Ca, B 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성으로 하는 후강판 및 그의 제조 방법, 그 후강판을 이용한 필렛 용접 조인트이다.

Description

판두께 방향의 내피로 특성이 우수한 후강판 및 그의 제조 방법, 그 후강판을 이용한 필렛 용접 조인트{THICK STEEL SHEET HAVING SUPERIOR FATIGUE RESISTANCE PROPERTIES IN DIRECTION OF SHEET THICKNESS, METHOD FOR PRODUCING SAME, AND FILLET WELDED JOINT USING SAID THICK STEEL SHEET}

본 발명은, 선박(ships), 해양 구조물(marine structure), 교량(bridge), 건축물(construction), 압력 용기(pressure vessel) 등의 용접 강 구조물(welded steel structure)용으로서 적합한 판두께 방향의 내피로 특성(fatigue resistandce)이 우수한 후강판(steel plate) 및 그의 제조 방법, 그 후강판을 이용한 필렛 용접 조인트에 관한 것이다.

선박, 해양 구조물, 교량, 건축물, 압력 용기 등의 용접 강 구조물에 사용되는 강판은, 강도(strength), 인성(toughness) 등의 기계적 성질(mechanical property)이나 용접성(weldability)이 우수한 것은 물론이지만, 가동시에 있어서의 정상(定常)의 반복 하중(steady cyclic load)이나, 바람(wind), 지진(earthquake) 등의 진동에 기인하는 비(非)정상의 반복 하중(unsteady cyclic load)에 대해서도, 구조물의 구조 안전성(structural safety)을 확보할 수 있는 특성을 갖는 것이 요구된다. 특히 최근에는, 강판에 대하여, 내피로 특성이 우수한 것이 강하게 요구되고 있다.

용접 강 구조물에서는, 용접 지단부(止端部) 등에 다수의 응력 집중부가 존재하지만, 용접 지단부에는 응력이 집중되기 쉽고, 또한, 인장의 잔류 응력도 작용하기 때문에, 반복 하중이 작용한 경우에는, 용접 지단부(weld toe)로부터 피로 균열(fatigue crack)이 발생하기 쉬워, 용접 지단부가 피로 균열의 발생원이 되는 일이 많다.

이러한 피로 균열의 발생을 방지하기 위해, 지단부 형상의 개선이나, 압축의 잔류 응력(compressive residual stress)의 도입 등의 방책이 알려져 있다. 그러나, 용접 강 구조물에는 다수의 용접 지단부가 존재하기 때문에, 용접 지단부마다, 상기한 피로 균열의 발생을 방지하는 방책을 실행하는 것은, 막대한 노력과 시간을 필요로 하며, 시공 공수의 증가나, 시공 비용의 상승을 초래한다.

그래서, 이러한 피로 균열의 발생을 방지하는 방책을 대신하여, 사용하는 강판 자체의 내피로 특성을 향상시켜, 용접 강 구조물의 내피로 특성의 향상을 도모하는 것이 생각되고 있다. 강판 자체의 내피로 특성을 향상시킴으로써, 피로 균열의 성장이 억제되어, 용접 강 구조물의 피로 수명(fatigue life)의 연장이 가능해진다.

이러한 요망에 대하여, 예를 들면 특허문헌 1에서는, 강판 압연 방향으로 연재되는 줄무늬 형상의 제2상(相)이 모상(母相) 내에 5∼50％의 면적률로 산재하는 미시 조직(microstructure)을 갖고, 제2상의 경도(hardness) H_V가 모상의 경도 H_V보다 30％ 이상 높은, 내피로 균열 진전 특성(fatigue crack propagation properties)이 양호한 강판이 제안되고 있다.

특허문헌 1에 기재된 기술은, 모상 중에, 경도가 높은 제2상을 분산시키고, 피로 균열이 단단한 제2상 부근에 도달하면 균열의 전파가 대폭으로 지연되는 현상에 의해, 강판의 내피로 균열 전파 특성을 향상시키는 것으로, 제2상의 애스펙트비(aspect ratio)를 4 이상으로 하는 것이 바람직하다고 하고 있다. 이러한 강판을, 표면으로부터 피로 균열이 발생하여 전파되는 대형 구조물에 사용하면, 특별한 배려를 필요로 하지 않고, 높은 피로 균열 전파 저지 특성을 대형 구조물에 부여 가능하다는 것이 기재되어 있다.

또한, 용접 조인트 중에서는, 모서리 돌림 용접(box arc weld), 십자 용접(cruciform arc weld), 커버 플레이트 용접(cover plate weld), 스터드 용접(stud weld) 등의 필렛 용접 조인트(fillet welded joint)의 피로 강도(fatigue strength)가 가장 낮은 것이 알려지고, 특히 최근의 대형 콘테이너선(container vessels) 등에 적용되는 극후강판(heavy gauge steel)의 필렛 용접 조인트에 있어서의 피로 강도의 개선이 긴급한 과제(urgent issue)로 여겨지고 있다. 필렛 용접 조인트의 경우, 용접 지단부로부터 발생한 피로 균열은 판두께 방향으로 진전하기 때문에 판두께 방향의 내피로 특성이 우수한 강판을 이용하는 것이 조인트로서의 내피로 특성을 향상시키기 위해 유효하다.

또한, 특허문헌 2에는, 질량％로, C: 0.015∼0.20％, Si: 0.05∼2.0％, Mn: 0.1∼2.0％, P: 0.05％ 이하, S: 0.02％ 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지며, X선으로 측정한 판두께 방향의 (200)회절 강도비(diffracted intensity ratio)가 2.0∼15.0이고, 또한 회복 페라이트립(粒)(recovery ferrite grain) 또는 재결정 페라이트립(recrystallized ferrite grain)의 면적률(area ratio)이 15∼40％인, 판두께 방향의 피로 균열 전파 속도(fatigue crack growth rate)가 낮은 후강판이 기재되어 있다.

특허문헌 3에는, 강판을 퀀칭, 노말라이징 등의 오프라인 열처리, 혹은, 직접 퀀칭, 가속 냉각 등의 온라인 열처리를 행한 후, Ac1점 이하의 온도에서 템퍼링을 행하고, 그 후의 냉각하는 경우에, 냉각 과정에 있어서의 강판 표면과 강판 판두께 중심부의 온도차의 최대값을 200℃ 이상으로 하는 강제 냉각을 행함으로써, 강판 표면에 압축 잔류 응력이 부여되어, 우수한 피로 강도의 강판이 얻어진다고 되어 있다.

일본공개특허공보 평7-90478호 일본공개특허공보 평8-199286호 일본공개특허공보 평6-100947호

그러나, 특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 피로 균열 전파 속도를 낮게 하고, 피로 균열의 전파를 현저하게 지체시키기 위해, 모상에 비하여 제2상의 경도를 높게 하고, 추가로 경질(硬質)인 제2상을 다량으로 분산시킬 필요가 있다. 이 때문에, 강판의 연성(ductility), 인성의 저하가 현저해진다는 문제가 발생한다. 강판의 연성, 인성의 저하는, 다량의 합금 원소의 함유로 방지할 수 있는 경우도 있지만, 다량의 합금 원소의 함유는, 재료 비용의 상승을 초래한다는 문제를 피할 수 없다.

또한, 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 판두께 방향의 (200)회절 강도비를 2.0 이상으로 하고, 즉, (100)면이 판면에 평행하게 구비된 집합 조직(texture)을 발달시키고, 피로 균열 선단(fatigue crack tip)에서 여러 가지의 슬립계(slip system)를 활동시켜 전위(dislocation)끼리의 간섭(interference)을 발생시키고, 균열의 전파를 억제하여 판두께 방향의 피로 균열 전파 속도를 낮게 하고 있다. 그러나, (100)면은 벽개면(cleavage plane)이며, 판면에 평행하게 (100)면이 구비된 후강판에서는, 판두께 방향의 인성이 열화한다는 문제를 남기고 있었다.

또한, 특허문헌 1, 2에 기재된 기술은, 피로 균열 전파 속도는 저감되지만, 피로 균열 발생 수명을 포함한 토털(total)의 피로 수명은 현저하게는 증가하지 않는다는 근본적인 문제를 갖고 있었다.

전술한 바와 같이, 특허문헌 1, 2에 기재된 내피로 특성이 우수한 후강판은 용접 구조물용으로서는, 비용이나 성능면에서 개선해야 할 여지가 있으며, 한편, 필렛 용접 조인트의 제작에 있어서도, 조인트로서의 내피로 특성을 향상하는 용접법은 분명하게 되어 있지 않다.

또한, 특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 강판 표면에 압축 잔류 응력을 부여하는 데에, 템퍼링 처리가 필수이며, 생산성이 좋은 압연 그대로의 강판 제공이 불가능하다는 문제를 남기고 있었다.

본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제를 유리하게 해결하여, 용접 강 구조물용으로서 적합한 강도와 인성을 구비한, 판두께 방향의 내피로 특성이 우수한 후강판 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 판두께 방향의 내피로 특성이 우수한 후강판을 이용한 필렛 조인트로 내피로 특성이 우수한 필렛 용접 조인트를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 강판의 연성·인성의 저하 및 판두께 방향의 인성 저하를 수반하는 일 없이, 생산성이 좋은 압연 그대로 피로 특성을 향상시키기 위해, 강판의 내부 잔류 응력에 착목하여 예의 연구를 거듭하여, 이하의 지견을 얻었다.

(1) 판두께 방향의 피로 특성은, 강판의 압연면의 양측 또는 편측으로부터 판두께 방향으로 4㎜까지의 범위에 있어서, 판두께 방향에 직각이 되는 압축 잔류 응력을 100㎫ 이상으로 함으로써, 향상된다.

(2) 상기 압축 잔류 응력을 구비한 강판은, 판두께 중앙부의 온도를 (Ar3점＋50)℃ 이상으로 하여 누적 압하율 30％ 이상의 열간 압연을 행하고, 그 후, 3℃/s이상의 냉각 속도로 350℃ 이하까지 냉각하면 압연 그대로(템퍼링 처리 없이) 제조 가능하다.

또한, (3) 본 발명은, 판두께: 50㎜ 이상의 강판을 대상으로 하며, 「내피로 특성이 우수했다」란, 도 1에 나타내는 치수 형상의 3점 굽힘 피로 시험편을 이용하여, 응력비가 0.1이 되는 조건으로 피로 시험을 실시하여, 판두께 방향의 피로 수명을 구하고, 응력 범위 340㎫에서의 피로 수명이 200만회 이상인 경우로 한다.

또한, (4) 강판의 판두께 방향과 직각 방향의 압축 잔류 응력을, 강판의 압연면의 양측 또는 편측으로부터 판두께 방향으로 4㎜까지의 범위에 있어서, 100㎫ 이상으로 하는 것도 유효하다.

또한, (5) 필렛 용접 조인트 제작시의 용접 입열과 적층 수를 제한하는 것이, 필렛 용접부의 피로 강도를 향상시키는 데에 유효하다.

또한, 본 발명은 판두께 50㎜ 이상의 후강판의 필렛 용접 조인트를 대상으로 한다. 판두께 50㎜ 미만에서는, 판두께 효과에 의한 피로 강도의 저하는 그다지 현저하지 않으며, 또한, 과거의 많은 피로 시험 데이터베이스에 기초한 각종 피로 설계 곡선에 준거하면, 본 발명을 이용하지 않아도 내피로 안전성은 확보된다. 「내피로 특성이 우수했다」란, 도 2에 나타내는 치수 형상의 절결을 낸 3점 굽힘 필렛 용접 조인트 피로 시험편을 이용하여, 응력비가 0.1이 되는 조건으로 피로 시험을 실시하여, 판두께 방향의 피로 수명을 구하고, 응력 범위 340㎫에서의 피로 수명이 25만회 이상인 경우로 한다.

본 발명은, 얻어진 지견에, 추가로 검토를 더하여 완성된 것이며, 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 강판의 압연면의 양측 또는 편측으로부터 판두께 방향으로 4㎜까지의 범위에 있어서, 판두께 방향에 직각이 되는 압축 잔류 응력이 100㎫ 이상인 것을 특징으로 하는 판두께 방향의 내피로 특성이 우수한 후강판.

(2) 상기 후강판이, 질량％로, C: 0.03∼0.15％, Si: 1.0％ 이하, Mn: 1.0∼2.0％를 포함하고, 추가로 Ti: 0.005∼0.05％, Nb: 0.001∼0.05％의 1종 또는 2종, N: 0.0035∼0.0075％를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 후강판.

(3) 또한, 질량％로, Cu: 0.01∼0.5％, Ni: 2.0％ 이하, Cr: 0.01∼0.5％, Mo: 0.01∼0.5％, V: 0.001∼0.1％, W: 0.5％ 이하, Zr: 0.5％ 이하, Ca: 0.0005∼0.0030％, B: 0.0005∼0.0020％의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성으로 하는 것을 특징으로 하는 (2)에 기재된 후강판.

(4) 또한, 질량％로, Al: 0.1％ 이하를 함유하는 조성으로 하는 것을 특징으로 하는 (2) 또는 (3)에 기재된 후강판.

(5) (2) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 화학 성분을 갖는 강 소재를, 1000∼1250℃의 온도로 가열 후, 판두께 중앙부가 (Ar3점＋50)℃ 이상이 되는 온도역에서 누적 압하율 30％ 이상의 열간 압연을 행하고, 그 후, 3℃/s 이상의 냉각 속도로 350℃ 이하까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 판두께 방향의 내피로 특성이 우수한 후강판의 제조 방법.

(6) 판두께 50㎜ 이상의 판두께 방향의 내피로 특성이 우수한 후강판의 필렛부를, 입열 30kJ/㎝ 이하, 3층 6패스 이하의 적층으로 용접하는 것을 특징으로 하는, 피로 강도가 우수한 필렛 용접 조인트.

(7) 상기 판두께 50㎜ 이상의 후강판의 압연면의 양측 또는 편측으로부터 판두께 방향으로 4㎜까지의 범위에 있어서, 판두께 방향과 직각 방향의 압축 잔류 응력이 100㎫ 이상인 것을 특징으로 하는 (6)에 기재된 피로 강도가 우수한 필렛 용접 조인트.

본 발명에 의하면, 판두께 방향의 내피로 특성이 우수한 판두께 50㎜ 이상의 후강판을 연성, 인성을 손상시키지 않고, 용이하게, 게다가 염가로 제조할 수 있어, 산업상 각별한 효과를 나타낸다.

또한, 본 발명에 의하면, 피로 강도가 특별히 문제가 되는 판두께 50㎜ 이상의 후강판의 필렛 용접부의 피로 특성을 용접 구조물로서의 연성, 인성을 구비한 후강판을 이용하여 용이하게, 또한 염가로 향상할 수 있어, 산업상 각별한 효과를 나타낸다.

도 1은 피로 시험에 사용하는 3점 굽힘 시험편의 치수 형상을 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 2는 피로 시험에 사용하는 절결을 낸 3점 굽힘 필렛 용접 조인트 피로 시험편의 치수 형상을 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 3은 필렛 용접 조인트에 적용하는 후강판의 판두께 방향 단면(斷面)에 있어서의, 진전하는 피로 균열 선단에서의 슬립의 발생 상황을 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 4는 필렛 용접 조인트의 용접 조건을 설명하는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 본 발명에서 규정하는 강판의 압축 잔류 응력, 바람직한 성분 조성, 제조 조건에 대해서 설명한다.

[강판의 압축 잔류 응력]

본 발명에 따른 후강판은, 강판의 압연면의 양측 또는 편측으로부터 판두께 방향으로 4㎜까지의 범위에 판두께 방향에 직각이 되는, 100㎫ 이상의 압축 잔류 응력을 구비한다.

용접 구조물의 제작에 있어서 강판 표면부로의 임시부착(假付) 용접 혹은 타상(dent) 등을 피할 수 없고, 강판의 극히 표리면부에 있어서는 압축 잔류 응력이 손상되기 때문에, 100㎫ 이상의 압축 잔류 응력이 존재하는 범위를 강판의 압연면의 양측 또는 편측으로부터 판두께 방향으로 4㎜로 한다.

한편, 압축 잔류 응력의 범위가 표면으로부터 4㎜를 초과하여 판두께의 내부에까지 확대되면, 내부 응력의 밸런스로부터 피로 균열이 발생하는 표면부 부근의 압축 잔류 응력이 작아지기 때문에, 강판의 압연면의 양측 또는 편측으로부터 판두께 방향으로 4㎜까지의 범위로 한다.

상기 범위 내에 있어서의 판두께 방향에 직각 방향의 압축 잔류 응력은 100㎫ 이상으로 한다. 피로 균열의 전파 억제에는, 균열면과 직각 방향으로 압축 응력을 작용시키는 것이 유효하다. 본 발명은 판두께 방향에 전파되는 균열을 대상으로 하기 때문에, 압축 잔류 응력의 압축 방향을 판두께 방향과 직각 방향으로 한다.

압축 잔류 응력이 100㎫ 미만에서는, 피로 균열 전파 속도는 저감되기는 하지만, 피로 수명의 향상으로 이어질 만큼 현저한 효과는 얻어지지 않기 때문에, 100㎫ 이상으로 한다. 또한, 보다 바람직하게는, 150㎫ 이상이다. 강판의 압연면의 양측 또는 편측으로부터 판두께 방향으로 4㎜까지의 범위를 초과하는 강판 내의 판두께 방향으로 직각 방향의 압축 잔류 응력에 대해서는 특별히 규정하지 않지만, 통상, 판두께 방향으로 4㎜까지의 범위 내보다 작은 크기가 된다.

본 발명에 따른 후강판에 용접 강 구조물용으로서의 강도와 인성(인장 강도 TS: 490㎫ 이상, 판두께 1/4 채취의 샤르피 충격값으로서 ―40℃에 있어서의 흡수 에너지: 100J 이상)을 겸비시키기 위한, 바람직한, 성분 조성과 제조 조건은 이하와 같다.

[성분 조성] 설명에 있어서 ％는 질량％로 한다.

C: 0.03∼0.15％

C는, 강의 강도를 증가시키는 작용을 갖는 원소이며, 소망하는 고강도를 확보하기 위해서는, 0.03％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.15％를 초과하여 함유하면, 용접 열 영향부 인성이 저하된다. 이 때문에, C는 0.03∼0.15％의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

Si: 1.0％ 이하

Si는, 탈산제로서 작용함과 함께, 고용(固溶)하여 강의 강도를 증가시키는 작용을 갖는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.01％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 1.0％를 초과하는 함유는, 용접 열 영향부 인성을 저하시킨다. 이 때문에, Si는 1.0％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.50％ 이하이다.

Mn: 1.0∼2.0％

Mn은, 강의 강도를 증가시키는 작용을 갖는 원소이며, 소망하는 고강도를 확보하기 위해서는, 1.0％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 2.0％를 초과하여 함유하면, 모재 인성의 저하가 우려된다. 이 때문에, Mn은 1.0∼2.0％의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 1.0∼1.60％이다.

Ti: 0.005∼0.05％, Nb: 0.001∼0.05％의 1종 또는 2종

Ti, Nb는, 석출 강화를 통하여 강도를 증가시킴과 함께, 가열시의 오스테나이트립의 성장을 억제하여 강판 조직의 미세화에 기여하는 원소이며, 본 발명에서는 1종 또는 2종을 함유한다.

Ti는, 탄화물, 질화물을 형성하고, 강판 제조시의 오스테나이트립의 미세화에 기여함과 함께, 용접 열 영향부의 결정립 조대화(粗大化)를 억제하여, 용접 열 영향부 인성을 향상시킨다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.005％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 0.05％를 초과하는 함유는, 인성을 저하시킨다. 이 때문에, Ti는 0.005∼0.05％의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.005∼0.02％이다.

Nb는, Ti와 동일하게, 석출 강화를 통하여 강도를 증가시키고, 추가로 조직을 미세화함과 함께, 오스테나이트의 재결정을 억제하여, 소망하는 조직을 형성하기 위한 압연에 의한 효과를 촉진하는 작용을 갖는다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.001％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.05％를 초과하는 함유는, 조직이 침상화(針狀化)되어 인성이 저하되는 경향이 된다. 이 때문에, Nb는 0.001∼0.05％의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.02∼0.05％이다.

Al: 0.1％ 이하

Al은, 탈산제로서 작용함과 함께, 결정립의 미세화에도 기여하는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.015％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.1％를 초과하는 과잉의 함유는, 인성의 저하로 연결된다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Al은 0.1％ 이하로 한정했다. 또한, 바람직하게는 0.08％ 이하이다.

N: 0.0035∼0.0075％

N은, TiN의 필요량을 확보하기 위해 필요한 원소로, 0.0035％ 미만에서는 충분한 TiN량이 얻어지지 않고, 0.0075％를 초과하면 용접 열 사이클에 의해 TiN이 용해되는 영역에 있어서 고용 N량이 증가하여, 어느 경우도 용접부의 인성을 현저하게 저하시키기 때문에, 0.0075％ 이하로 한다.

추가로 특성을 향상시키는 경우, 상기 기본 성분에 더하여, Cu, Ni, Cr, Mo, V, W, Zr, B, Ca의 1종 또는 2종 이상을 함유할 수 있다.

Cu: 0.01∼0.5％, Ni: 2.0％ 이하, Cr: 0.01∼0.5％, Mo: 0.01∼0.5％, V: 0.001∼0.1％, W: 0.5％ 이하, Zr: 0.5％ 이하, Ca: 0.0005∼0.0030％, B: 0.0005∼0.0020％의 1종 또는 2종 이상

Cu, Ni, Cr, Mo, V, W, Zr, B는, 강의 강도 및 인성을 향상시키는 원소로, 소망하는 특성에 따라서 1종 또는 2종 이상을 함유한다.

Cu는, 주로 석출 강화를 통하여 강의 강도 증가에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.01％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.5％를 초과하는 함유는, 석출 강화가 과다해져, 인성이 저하된다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Cu는 0.5％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.35％ 이하이다. Ni는, 강의 강도를 증가시킴과 함께, 인성 향상에도 기여한다.

Ni는, Cu에 의한 열간 압연시의 균열을 방지하기 위해 유효하게 작용한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.1％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, 2.0％를 초과하여 다량으로 함유해도, 효과가 포화되어 함유량에 알맞는 효과를 기대할 수 없게 되어 경제적으로 불리해짐과 함께, Ni는 고가의 원소이며 다량의 함유는 재료 비용의 상승을 초래한다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Ni는 2.0％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.05％ 이상이다.

Cr은, 펄라이트 양을 증가시켜, 강의 강도 증가에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.01％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.5％를 초과하는 함유는, 용접부의 인성을 저하시킨다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Cr은 0.5％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.01∼0.2％이다.

Mo는, 강의 강도 증가에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.01％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.5％를 초과하는 함유는, 용접부의 인성을 저하시킨다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Mo는 0.5％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.01∼0.08％이다.

V는, 고용 강화, 석출 강화를 통하여 강의 강도 증가에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.001％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.1％를 초과하는 함유는, 모재 인성 및 용접성을 현저하게 저하시킨다. 이 때문에, V는 0.1％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.05∼0.1％이다.

W는, 강의 강도 증가, 특히 고온의 강도 증가에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.1％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.5％를 초과하는 다량의 함유는, 용접부의 인성을 저하시킨다. 또한, 고가의 W의 다량 함유는 재료 비용의 상승을 초래한다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, W는 0.5％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.2∼0.4％이다.

Zr은, 강의 강도 증가에 기여함과 함께, 아연 도금 처리재에 있어서의 내도금 균열성을 향상시킨다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.01％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.5％를 초과하는 함유는, 용접부 인성을 저하시킨다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, 0.5％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.01∼0.1％이다.

B는, 퀀칭성의 향상을 통하여 강의 강도 증가에 기여함과 함께, 압연 중에 BN으로서 석출하고, 압연 후의 페라이트립의 미세화에 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.0005％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.0020％를 초과하는 함유는 인성을 열화시킨다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, B는 0.0020％ 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.0010∼0.0020％이다.

Ca: 0.0005％∼0.0030％

Ca는, S의 고정에 의한 인성 개선 효과를 갖는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키려면 적어도 0.0005％는 함유하는 것이 필요하지만, 0.0030％를 초과하여 함유해도 효과가 포화되기 때문에, 0.0005％∼0.0030％로 한다.

상기한 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물로, P: 0.035％ 이하, S: 0.035％ 이하를 허용할 수 있다.

[제조 조건]

슬라브 등의 강 소재의 제조 방법은, 특별히 한정하지 않는다. 상기 조성의 용강을, 전로(轉爐) 등의 상용(常用)의 용제로를 이용하여 용제하고, 연속 주조법 등의 상용의 방법으로, 슬라브 등의 강 소재로 하여, 1000∼1250℃의 온도로 가열한다.

가열 온도가 1000℃ 미만에서는, 소망하는 열간 압연이 곤란해진다. 한편, 1250℃를 초과하는 가열 온도에서는, 표면 산화가 현저해지고, 또한, 결정립의 조대화가 현저해진다. 이 때문에, 강 소재의 가열 온도는, 1000∼1250℃의 범위의 온도로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는, 인성 향상의 관점에서, 1200℃ 이하이다.

가열된 강 소재에, 열간 압연을 시행한다. 열간 압연은, (Ar3점＋50)℃ 이상의 온도역에 있어서 누적 압하율 30％ 이상의 압연을 행하고, 후술의 냉각 조건과의 조합으로, 강판의 압연면의 양측 또는 편측으로부터 판두께 방향으로 4㎜까지의 범위에, 100㎫ 이상의 판두께 방향에 직각 방향의 압축 잔류 응력을 도입한다. Ar3점은, 예를 들면, Ar3(℃)＝910―273×C―74×Mn―57×Ni―16×Cr―9×Mo―5×Cu(각 원소는 함유량(질량％))로 구하는 것이 가능하다.

열간 압연에서는, 판두께 50㎜ 이상의 강판으로 한다. 압축 잔류 응력은, 피로 특성을 향상시키지만, 좌굴(座屈) 성능을 저하시키고, 그 저하는 판두께가 얇은 강판일수록 현저하고 판두께 50㎜ 미만에서는 강판 자체의 좌굴 성능의 저하가 우려되기 때문에, 판두께 50㎜ 이상으로 한다.

또한, 본 발명은 규정한 온도역 외에서의 압연을 제한하는 것이 아니고, 슬라브 가열 후의 고온에서 실시하는 조(粗)압연 등을 행하는 것이 가능하다.

압연 종료 후, 3℃/s 이상의 냉각 속도로 350℃ 이하까지 냉각한다. 냉각 속도, 냉각 정지 온도 중 어느 쪽이 상기 규정을 벗어나면, 강판의 압연면의 양측 또는 편측으로부터 판두께 방향으로 4㎜까지의 범위에 있어서, 판두께 방향에 직각이 되는 100㎫ 이상의 압축 잔류 응력이 얻어지지 않는다. 보다 바람직하게는, 5℃/s 이상의 냉각 속도로 300℃ 이하까지 냉각한다.

본 발명에서는, 판두께 방향의 내피로 특성이 우수한 후강판의 필렛 조인트의 용접 조건으로서 용접 입열(kJ/㎝)과 적층 방법을 규정한다. 용접 입열(welding heat input)(단순히, 입열이라고 하는 경우가 있음)은 30kJ/㎝ 이하로 한다. 30kJ/㎝를 초과하는 입열로 필렛 용접하면, 용접의 열 영향에 의해, 강판의 조직 혹은 내부 잔류 응력의 형태가 변화하여, 판두께 방향의 내피로 특성이 우수한 강판의 피로 특성에 악영향을 미치기 때문에 30kJ/㎝ 이하로 한다.

또한, 용접 입열 30kJ/㎝ 이하라도 3층이나 6패스를 초과하는 적층으로 필렛 용접 조인트를 제작하면, 용접 지단부의 인장 잔류 응력이 높아져, 피로 특성 향상 효과가 얻어지지 않게 되기 때문에, 적층은 3층 이하 또는 6패스 이하로 한다. 또한, 용접법은 특별히 규정하지 않는다. 손 용접(hand welding), MIG 용접(metal inert gas welding), CO₂ 용접(carbon dioxide welding) 등을 적용할 수 있다.

[실시예 1]

표 1에 나타내는 조성의 강 소재에, 표 2에 나타내는 조건으로 열간 압연을 시행하여, 판두께 55∼80㎜의 후강판으로 했다. 이들 후강판에 대해서, 잔류 응력 측정, 인장 시험, 인성 시험, 피로 시험을 실시했다. 시험 방법은 다음과 같이 했다.

(1) 잔류 응력 측정

얻어진 후강판으로부터, X선에 의한 잔류 응력의 측정용 시험편(크기: 판두께(강판 본래 두께 그대로)×12.5㎜×300㎜[판두께 방향 치수×압연 직각 방향 치수×압연 방향 치수])를 채취하고, 측정면[12.5㎜×300㎜의 면]에 전해 연마를 시행한 후, 판두께 방향으로 4㎜ 피치로 X선에 의해 판두께 방향에 직각 방향의 잔류 응력을 측정했다. 판두께 방향으로 4㎜ 피치로 측정하는 라인 수는 5라인으로 했다. 측정된 5라인의 잔류 응력을 각 판두께 위치마다 5점 평균하여 구한 잔류 응력의 판두께 방향 분포도로부터, 표면/이면(裏面)으로부터 4㎜의 위치에 있어서의 잔류 응력(마이너스의 값)을 구하여, 그 절대값을, 압축 잔류 응력으로 했다.

(2) 인장 시험

얻어진 후강판으로부터, JIS Z 2201(1998)의 규정에 준거하여, 인장 방향이 강판의 압연 방향과 직각 방향이 되도록, JIS 4호 인장 시험편(평행부 지름: 14㎜)을 채취했다. 시험편의 채취 위치는, 판두께의 1/4 위치로 했다. 인장 시험은, JIS Z 2241(1998)에 준거하여 행하고, YS: 항복 강도 또는 0.2％ 내력 TS: 인장 강도, 연신 EL을 구하여, 정적 인장시의 인장 특성을 평가했다.

(3) 인성 시험

얻어진 후강판으로부터, JIS Z 2242(2005)의 규정에 준거하여, 긴쪽 방향이 압연 방향으로 평행해지도록, V노치 시험편을 채취하고, ―40℃에 있어서의 흡수 에너지를 구하여, 인성을 평가했다. 또한, V노치 시험편은, 판두께의 1/4 위치로부터 채취했다.

(4) 피로 시험

얻어진 후강판으로부터, 피로 균열의 전파 방향이 판두께 방향이 되도록, 피로 시험용 시험편(크기: 판두께(강판 본래 두께 그대로)×12.5㎜×300∼350㎜[판두께 방향 치수×압연 수직 방향 치수×압연 방향 치수])를 채취했다. 시험편은, 도 1에 나타내는 치수 형상의 절결을 낸 3점 굽힘 피로 시험편이며, 피로 시험시의 굽힘 스팬(bending span)을 판두께의 4배로 하기 위해, 판두께가 50∼65㎜인 경우, 압연 방향 치수를 300㎜, 판두께가 80㎜인 경우, 압연 방향 치수를 350㎜로 했다. 피로 시험은, 응력 범위가 340㎫, 응력비 R(＝최소 하중/최대 하중)이 0.1이 되는 조건으로 실시하여, 판두께 방향의 피로 특성(피로 수명)을 구했다.

얻어진 결과를 표 2에 나타낸다. 본 발명예(No.2, 4, 5, 7, 8, 10, 13, 15, 17)는 모두, 표면/이면으로부터 4㎜의 위치(표면/이면으로부터 4㎜까지의 범위에서 압축 잔류 응력이 최저인 위치)에서, 판두께 방향에 수직 방향의 압축 잔류 응력이 100㎫ 이상이 되어 있어, 인성의 저하도 없으며, 판두께 방향의 내피로 특성이 우수한 후강판이 되어 있다.

한편, 비교예(No.1, 3, 6, 9, 11, 12, 14, 16)는, 판두께 방향에 수직 방향의 압축 잔류 응력이 100㎫ 미만이 되어 있어, 판두께 방향의 내피로 특성이 뒤떨어진다. 비교예 11은 강의 성분 조성에 있어서 C량이 0.23질량％로 본 발명의 바람직한 함유량의 상한을 초과하기 때문에, 압축 잔류 응력이 100㎫ 미만으로 판두께 방향의 내피로 특성이 뒤떨어진다.

[실시예 2]

표 3에 화학 성분, 표 4에 제조 조건 및 특성을 나타내는 판두께 55∼70㎜의 판두께 방향의 피로 특성이 우수한 후강판 1∼10을 이용하여, 필렛 용접 조인트를 제작하고, 도 2에 형상을 나타내는 절결을 낸 3점 굽힘 필렛 용접 조인트 피로 시험편을 이용하여 3점 굽힘 피로 시험을 실시했다. 후강판 1∼10의 조직, 기계적 특성 및 판두께 방향 피로 특성을 확인하기 위한 시험 방법은, 실시예 1과 동일하게 행했다.

전술한 시험에 의해 특성을 확인한 후강판 1∼10을 이용하여, 도 4에 나타내는 조건으로 필렛 용접 조인트를 제작하고, 피로 시험을 실시했다. 피로 시험편으로서, 도 2에 나타내는 치수 형상의 절결을 낸 3점 굽힘 필렛 용접 조인트 피로 시험편을 이용하고, 응력 범위가 340㎫, 응력비 R(＝최소 하중/최대 하중)이 0.1이 되는 조건으로 실시하여, 피로 수명을 구했다. 후강판 1∼10으로 얻어진 결과를 표 5에 나타낸다.

후강판 1∼10에 있어서, 본 발명예(시험 No.2, 7, 8, 10)는 모두, 응력 범위 340㎫의 엄격한 조건으로, 피로 수명이 25만회 이상으로 내피로 특성이 우수한 필렛 용접 조인트가 얻어지는 것이 확인되었다. 한편, 본 발명에서 규정하는 용접 조건(입열 30kJ/㎝ 이하, 3층 이하 또한 6패스 이하의 적층 조건)의 범위를 벗어나는 비교예(시험 No.4, 5) 및, 판두께 방향의 피로 수명이 뒤떨어지는 후강판을 이용한 비교예(시험 No.1, 3, 6, 9)는, 내피로 특성을 확보하지 못하고 있다.

Claims

질량％로, C: 0.07∼0.15％, Si: 0.19∼1.0％, Mn: 1.0∼2.0％를 포함하고, 추가로 Ti: 0.005∼0.05％, Nb: 0.001∼0.05％의 1종 또는 2종, N: 0.0035∼0.0075％, Ni: 0.1∼0.2％, Al: 0% 초과 0.1% 이하를 함유하고, 추가로 Cu: 0.01∼0.5％, Cr: 0.01∼0.5％, Mo: 0.01∼0.5％, V: 0.001∼0.1％, W: 0.5％ 이하, Zr: 0.5％ 이하, Ca: 0.0005∼0.0030％, B: 0.0005∼0.0020％의 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖고, 강판의 압연면의 양측 또는 편측으로부터 판두께 방향으로 4㎜까지의 범위에 있어서, 판두께 방향에 직각이 되는 압축 잔류 응력이 105㎫ 이상인, 판 두께 60mm 이상의 판 두께 방향의 내피로 특성이 우수한 후강판.
제1항에 기재된 화학 성분을 갖는 강 소재를, 1000∼1250℃의 온도로 가열 후, 판두께 중앙부가 (Ar3점＋50)℃ 이상이 되는 온도역에서 누적 압하율 30％ 이상의 열간 압연을 행하고, 그 후, 6℃/s 이상의 냉각 속도로 280℃ 이하까지 냉각하는, 판 두께 60mm 이상의 판 두께 방향의 내피로 특성이 우수한 후강판의 제조 방법.
제1항에 기재된 판두께 60㎜ 이상의 판두께 방향의 내피로 특성이 우수한 후강판의 필렛부를, 입열 30kJ/㎝ 이하, 3층 이하 또한 6패스 이하의 적층으로 용접한 필렛 용접 조인트.