KR101764083B1

KR101764083B1 - 선박용 단강품

Info

Publication number: KR101764083B1
Application number: KR1020167018904A
Authority: KR
Inventors: 도모야 시노자키; 야스마사 요시다; 노부유키 후지츠나
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2017-08-01
Also published as: JP5876864B2; JP2015117390A; CN105814225B; WO2015093178A1; CN105814225A; KR20160098412A

Abstract

본 발명은, C: 0.13 질량% 이상 0.25 질량% 이하, Si: 0.15 질량% 이상 0.45 질량% 이하, Mn: 0.3 질량% 이상 1.0 질량% 이하, Ni: 1.2 질량% 이상 2.6 질량% 이하, Cr: 0.4 질량% 이상 0.9 질량% 이하, Mo: 0.15 질량% 이상 0.8 질량% 이하, V: 0.05 질량% 이상 0.15 질량% 이하, N: 0.02 질량% 이하, S: 0.002 질량% 이상 0.015 질량% 이하, Ti 및 Al: 합계 0.003 질량% 이상 0.05 질량% 이하의 기본 성분을 포함하며, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 조성을 갖고, 14×(Ti/48＋Al/27)≥N를 만족하며, 페라이트-베이나이트 또는 페라이트-펄라이트-베이나이트의 복합 조직이며, 표면에 있어서의 페라이트 조직 및 펄라이트 조직의 합계 면적률이 70% 이하인, 선박용 단강품에 관한 것이다.

Description

선박용 단강품{MARINE STEEL FORGING}

본 발명은 선박용 단강품에 관한 것이다.

선박의 저연비화의 관점에서 선박용 부재에 경량화가 요구되고 있으며, 그 때문에 선박용 부재에 이용되는 강재의 고강도화가 요구되고 있다. 일반적으로, 강재의 고강도화는, 열처리 공정에 있어서 오스테나이트화 후의 냉각을 빠르게 하여, 경질인 베이나이트나 마르텐사이트를 생성시킴으로써 달성할 수 있다. 그러나, 중량이 수 톤 내지 수십 톤의 대형 후육(厚肉) 부재인 경우는, 오스테나이트화 후의 급랭을 위해 수냉하면, 냉각시의 열 응력이나 변태 응력에 의해 균열이 발생해 버릴 우려가 있다. 그 때문에, 오스테나이트화 후의 냉각은 냉각 속도가 느린 공냉에 의하지 않을 수 없어, 대형 후육 부재로 고강도를 얻는 것은 어렵다.

이에 반하여, 고강도의 대형 후육 부재로서, (1) 합금 원소 첨가량을 적정 범위로 제어함으로써, 공냉 등 냉각 속도가 느린 경우에도 담금질성을 높여서, 고강도화를 실현하는 주강품(일본 특허 제 3509634 호 공보 및 일본 특허 제 5229823 호 공보 참조)이나, (2) 비금속 개재물의 제어에 주목하여, 비금속 개재물 저감을 위해 S 함유량을 저감함으로써 우수한 피로 강도를 실현하는 단강품(일본 특허 공개 제 2009-91649 호 공보 참조)이 개발되어 있다.

그러나, 상기 (1)의 주강품은, 주조에 기인하여 마이크로 기공(microporosity) 등의 주조 결함이 불가피적으로 존재하여, 바람직한 피로 강도의 실현이 곤란하다. 또한, 상기 (1)의 주강품은, 단조하는 것에 의해 주조 결함을 저감할 수 있지만, 결정 입경이 주강품보다 미세해진다. 일반적으로 알려진 바와 같이, 강의 담금질성은 결정 입경이 작아지면 저하되어 버리기 때문에, 상기 (1)의 제어를 단강품에 적용해도 충분한 강도를 얻는 것이 곤란하다.

한편, 단강품은, 대형 부재가 될수록 강괴 내부의 편석이 현저해져 편석부에 있어서 수소가 농화(濃化)되는 경향이 있다. 상기 (2)의 단강품과 같이 S 함유량이 저감되면, 피로 강도가 향상하지만, 수소 트랩 사이트가 되는 MnS량이 감소하기 때문에, 수소가 농화된 편석부에 있어서 수소 균열이 생기기 쉬워진다. 그 때문에, 상기 (2)의 단강품은 대형 부재에는 적용하기 어렵다.

일본 특허 제 3509634 호 공보 일본 특허 제 5229823 호 공보 일본 특허 공개 제 2009-91649 호 공보

본 발명은, 상술한 바와 같은 사정에 근거하여 이루어진 것으로서, 고강도를 갖고, 대형 후육 부재에도 호적하게 이용되는 선박용 단강품의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 하나의 국면은, C(탄소): 0.13 질량% 이상 0.25 질량% 이하, Si(규소): 0.15 질량% 이상 0.45 질량% 이하, Mn(망간): 0.3 질량% 이상 1.0 질량% 이하, Ni(니켈): 1.2 질량% 이상 2.6 질량% 이하, Cr(크롬): 0.4 질량% 이상 0.9 질량% 이하, Mo(몰리브덴): 0.15 질량% 이상 0.8 질량% 이하, V(바나듐): 0.05 질량% 이상 0.15 질량% 이하, N(질소): 0 질량% 초과 0.02 질량% 이하, S(유황): 0.002 질량% 이상 0.015 질량% 이하, Ti(티탄) 및 Al(알루미늄) 중 1종 이상의 원소: 합계 0.003 질량% 이상 0.05 질량% 이하의 기본 성분을 포함하며, 잔부가 Fe(철) 및 불가피적 불순물인 조성을 갖고, 하기 식 (1)을 만족하며, 금속 조직이 페라이트-베이나이트 또는 페라이트-펄라이트-베이나이트의 복합 조직이며, 표면에 있어서의 페라이트 조직 및 펄라이트 조직의 합계 면적률이 70% 이하인 선박용 단강품에 관한 것이다.

14×(Ti/48＋Al/27)≥N ···(1)

도 1은 실시예에 있어서의 V 함유량과 인장 강도의 관계를 나타내는 그래프,
도 2는 실시예에 있어서의 페라이트 및 펄라이트의 면적률과 인장 강도의 관계를 나타내는 그래프.

본 발명의 선박용 단강품은, C(탄소): 0.13 질량% 이상 0.25 질량% 이하, Si(규소): 0.15 질량% 이상 0.45 질량% 이하, Mn(망간): 0.3 질량% 이상 1.0 질량% 이하, Ni(니켈): 1.2 질량% 이상 2.6 질량% 이하, Cr(크롬): 0.4 질량% 이상 0.9 질량% 이하, Mo(몰리브덴): 0.15 질량% 이상 0.8 질량% 이하, V(바나듐): 0.05 질량% 이상 0.15 질량% 이하, N(질소): 0 질량% 초과 0.02 질량% 이하, S(유황): 0.002 질량% 이상 0.015 질량% 이하, Ti(티탄) 및 Al(알루미늄 중 1종 이상의 원소: 합계 0.003 질량% 이상 0.05 질량% 이하의 기본 성분을 포함하며, 잔부가 Fe(철) 및 불가피적 불순물인 조성을 갖고, 하기 식 (1)을 만족하며, 금속 조직이 페라이트-베이나이트 또는 페라이트-펄라이트-베이나이트의 복합 조직이며, 표면에 있어서의 페라이트 조직 및 펄라이트 조직의 합계 면적률이 70% 이하인 선박용 단강품인 것을 특징으로 한다.

14×(Ti/48＋Al/27)≥N ···(1)

강재의 각 조성의 함유량을 상기 범위에서 또한 상기 식 (1)을 만족하는 것으로 하고, 금속 조직을, 페라이트-베이나이트 또는 페라이트-펄라이트-베이나이트의 복합 조직이며, 또한 표면에 있어서의 페라이트 조직 및 펄라이트 조직의 합계 면적률이 상기 상한 이하의 것으로 하는 것에 의해, 열처리 공정에 있어서 오스테나이트화 후의 냉각 속도를 빠르게 하지 않아도 충분한 강도를 확보할 수 있다. 또한, 해당 선박용 단강품은, 강재의 조성을 상기 식 (1)을 만족시킴으로써, 질소(N)와의 친화성이 높은 티탄(Ti) 또는 알루미늄(Al)에 의해 질소(N)가 고정되어 바나듐 질화물(이하, V 질화물이라 약칭함)의 생성이 억제된다. 즉, 질소(N)와의 결합에 의한 바나듐(V)의 소비량이 저감되므로 바나듐 탄화물(이하, V 탄화물이라 약칭함)의 감소가 억제되어, 오스테나이트화 후의 냉각 속도가 느린 경우라도 바나듐 탄화물의 석출 강화능(냉각 중에 변태와 동시에 경질 입자를 석출시키는 능력)에 의해 해당 선박용 단강품의 강도를 높일 수 있다.

본 발명의 선박용 단강품은 고강도를 갖고, 대형 후육 부재에도 호적하게 이용된다.

이하, 본 발명에 따른 선박용 단강품의 실시형태에 대하여 설명한다.

＜금속 조직＞

본 실시형태에 있어서의 선박용 단강품의 금속 조직은, 페라이트-베이나이트 또는 페라이트-펄라이트-베이나이트의 복합 조직이며, 표면에 있어서의 페라이트 조직 및 펄라이트 조직의 합계 면적률이 70% 이하이다. 페라이트 조직 및 펄라이트 조직이 많아지면, 충분한 강도를 확보하는 것이 곤란해진다. 그 때문에, 이와 같이 금속 조직을 페라이트-베이나이트 또는 페라이트-펄라이트-베이나이트의 복합 조직으로 하고, 페라이트 조직 및 펄라이트 조직의 합계 면적률을 상기 상한 이하로 함으로써, 해당 선박용 단강품은 높은 강도를 갖는다. 또한, 페라이트 조직 및 펄라이트 조직의 면적률의 측정 방법으로서는, 예를 들면, 단강품으로부터 마이크로 조직 관찰용의 시험편을 절출(切出)하고, 이러한 시험편의 평행면을 단조 신장 방향으로 경면 연마하고, 나이탈(nital)로 부식시켜 광학 현미경으로 관찰하는 것에 의해 실행할 수 있다.

＜조성＞

본 실시형태의 선박용 단강품은, C: 0.13 질량% 이상 0.25 질량% 이하, Si: 0.15 질량% 이상 0.45 질량% 이하, Mn: 0.3 질량% 이상 1.0 질량% 이하, Ni: 1.2 질량% 이상 2.6 질량% 이하, Cr: 0.4 질량% 이상 0.9 질량% 이하, Mo: 0.15 질량% 이상 0.8 질량% 이하, V: 0.05 질량% 이상 0.15 질량% 이하, N: 0 질량% 초과 0. 02 질량% 이하, S: 0.002 질량% 이상 0.015 질량% 이하, Ti 및 Al 중 1종 이상의 원소: 합계 0.003 질량% 이상 0.05 질량% 이하의 기본 성분을 포함하며, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 조성을 갖고, 또한 하기 식 (1)을 만족한다.

14×(Ti/48＋Al/27)≥N ···(1)

본 실시형태에 있어서, 선박용 단강품의 C 함유율의 하한으로서는, 0.13 질량%이며, 0.15 질량%가 바람직하다. 한편, 선박용 단강품의 C 함유율의 상한으로서는, 0.25 질량%이며, 0.23 질량%가 바람직하다. 선박용 단강품의 C 함유율이 상기 하한 미만이면, 충분한 담금질성과 강도를 확보할 수 없을 우려가 있다. 반대로, 선박용 단강품의 C 함유율이 상기 상한을 초과하면, 용접 균열의 감수성이 높아져, 용접 균열이 생기기 쉬워진다. 선박용 단강품의 C 함유율을 상기 범위로 하는 것에 의해, 선박용 단강품의 담금질성 및 강도를 적절히 확보할 수 있다.

본 실시형태의 선박용 단강품에 있어서, Si 함유율의 하한으로서는, 0.15 질량%이며, 0.16 질량%가 바람직하다. 한편, 상기 Si 함유율 상한으로서는, 0.45 질량%이며, 0.30 질량%가 바람직하다. 상기 Si 함유율이 상기 하한 미만이면, 탈산을 충분히 할 수 없을 우려나, 강도를 확보할 수 없을 우려가 있다. 반대로, 상기 Si 함유율이 상기 상한을 초과하면, 역 V 편석을 조장할 우려가 있다. 상기 Si 함유율을 상기 범위로 하는 것에 의해, 선박용 단강품의 강도를 적절히 확보할 수 있다.

본 실시형태의 선박용 단강품에 있어서, Mn 함유율의 하한으로서는, 0.3 질량%이며, 0.31 질량%가 바람직하다. 한편, 상기 Mn 함유율의 상한으로서는, 1.0 질량%이며, 0.95 질량%가 바람직하다. 상기 Mn 함유율이 상기 하한 미만이면, 충분한 강도와 담금질성을 확보할 수 없을 우려가 있다. 반대로, 상기 Mn 함유율이 상기 상한을 초과하면, 뜨임(tempering) 취화를 조장할 우려나, 용접성을 저해할 우려가 있다. 상기 Mn 함유율을 상기 범위로 함으로써, 선박용 단강품의 담금질성, 강도 및 용접성을 적절히 확보할 수 있다.

본 실시형태의 선박용 단강품에 있어서, Ni 함유율의 하한으로서는, 1.2 질량%이며, 1.4 질량%가 바람직하다. 한편, 상기 Ni 함유율의 상한으로서는, 2.6 질량%이며, 2.5 질량%가 바람직하다. 상기 Ni 함유율이 상기 하한 미만이면, 충분한 강도와 담금질성을 확보할 수 없을 우려가 있다. 또한, Ni는 고가의 원소이기 때문에, 상기 Ni 함유율이 상기 상한을 초과하면, 강도 및 담금질성 향상 효과가 한계점에 도달하는 한편, 제조 비용이 증대하기 때문에 공업적인 관점에서 바람직하지 않다. 상기 Ni 함유율을 상기 범위로 하는 것에 의해, 선박용 단강품의 담금질성 및 강도를 적절히 확보할 수 있다.

본 실시형태의 선박용 단강품에 있어서, Cr 함유율의 하한으로서는, 0.4 질량%이며, 0.41 질량%가 바람직하다. 한편, 상기 Cr 함유율의 상한으로서는, 0.9 질량%이며, 0.85 질량%가 바람직하다. 상기 Cr 함유율이 상기 하한 미만이면, 충분한 담금질성과 뜨임 연화 저항을 확보할 수 없을 우려가 있다. 반대로, 상기 Cr 함유율이 상기 상한을 초과하면, 용접성이 저하될 우려나, 역 V편석을 조장할 우려가 있다. 상기 Cr 함유율을 상기 범위로 함으로써, 선박용 단강품의 담금질성, 뜨임 연화 저항 및 용접성을 적절히 확보할 수 있다.

본 실시형태의 선박용 단강품에 있어서, Mo 함유율의 하한으로서는, 0.15 질량%이다. 한편, 상기 Mo 함유율의 상한으로서는, 0.8 질량%이며, 0.7 질량%가 바람직하다. 상기 Mo 함유율이 상기 하한 미만이면, 충분한 담금질성과 뜨임 연화 저항을 확보할 수 없을 우려가 있다. 반대로, 상기 Mo 함유율이 상기 상한을 초과하면, 용접성이 저하될 우려, 강괴 중의 마이크로 편석을 조장할 우려, 또는 중력 편석이 발생하기 쉬워질 우려가 있다. 상기 Mo 함유율을 상기 범위로 함으로써, 선박용 단강품의 담금질성, 뜨임 연화 저항 및 용접성을 적절히 확보할 수 있다.

V은 미세한 V 탄화물을 형성하여 석출 강화에 의해 강도를 높이는 원소이다. 오스테나이트화 후의 냉각이 공냉과 같이 느린 경우는, 연질인 페라이트가 생성되어 강도가 저하되어 버리지만, V 탄화물을 페라이트 중에 석출시킴으로써 연질인 페라이트를 경화시켜, 강도를 높일 수 있다.

본 실시형태의 선박용 단강품에 있어서, V 함유율의 하한으로서는, 0.05 질량%이며, 상기 V 함유율의 상한으로서는, 0.15 질량%이다. 상기 V 함유율이 상기 하한 미만이면, 강도가 불충분하게 된다. 반대로, 상기 V 함유율이 상기 상한을 초과하면, 강도 향상 효과가 작아질 뿐만 아니라 용접성을 저해할 우려가 있다. 상기 V 함유율을 상기 범위로 함으로써, 선박용 단강품의 강도 및 용접성을 적절히 확보할 수 있다.

N는 강 중의 V와 결합하여 V 질화물을 생성한다. V 질화물은 V 탄화물보다 용해 온도가 높으므로 오스테나이트화시에 미고용으로 잔류하는 경우가 있으며, 탄화물 석출에 의한 석출 강화능을 저감시킨다. 그 때문에, N의 함유량은 낮은 것이 바람직하다. 단, N는 불가피적으로 불순물로서 혼재되어 버리므로, N의 함유량은 0으로는 할 수 없다. 따라서, 본 실시형태의 선박용 단강품의 N 함유율의 하한으로서는, 0 질량% 초과이다. 한편, 상기 N 함유율의 상한으로서는, 0.02 질량%이며, 0.015 질량%가 바람직하며, 0.012 질량%가 보다 바람직하다. 상기 N 함유율이 상기 상한을 초과하면, 석출 강화능이 저감하여 충분한 강도를 확보할 수 없을 우려가 있다. 상기 N 함유율을 상기 범위로 함으로써, 선박용 단강품의 강도를 적절히 확보할 수 있다.

본 실시형태의 선박용 단강품에 있어서, S 함유율의 하한으로서는, 0.002 질량%이며, 0.003 질량%가 바람직하다. 한편, 본 실시형태의 선박용 단강품의 V 함유율의 상한으로서는, 0.015 질량%이며, 0.01 질량%가 바람직하다. S은 강 중에서 Mn과 결합하여 MnS을 형성하고, MnS은 강 중의 수소 트랩 사이트가 되어 수소 균열을 방지한다. 그 때문에, 상기 S 함유율이 상기 하한 미만이면, 수소 균열이 발생할 우려가 있다. 반대로, 상기 S 함유율이 상기 상한을 초과하면, 주 단조 방향에 대하여 수직 방향의 연성이나 인성이 저하될 우려가 있다. 상기 S 함유율을 상기 범위로 하는 것에 의해, 선박용 단강품의 수소 균열을 적절히 방지할 수 있다.

본 실시형태의 선박용 단강품에 있어서, Ti 및 Al중 1종 이상의 원소의 합계 함유율의 하한으로서는, 0.003 질량%이며, 0.005 질량%가 바람직하다. 한편, 상기 Ti 및 Al의 합계 함유율의 상한으로서는, 0.05 질량%이며, 0.045 질량%가 바람직하다. V 탄화물에 의한 석출 강화능을 충분히 발휘시키기 위해서는, V 질화물의 생성을 억제할 필요가 있지만, N와의 친화력이 V보다 높은 Ti이나 Al을 첨가하는 것에 의해 N를 고정시킬 수 있어, V 질화물의 생성을 억제할 수 있다. 그 때문에, 상기 Ti 및 Al의 합계 함유율이 상기 하한 미만이면, 충분히 V 질화물의 생성을 억제할 수 없다. 한편, Ti 및 Al는 다른 원소와도 결합하기 때문에, 상기 Ti 및 Al의 합계 함유율이 상기 상한을 초과하면, 비금속 개재물이나 금속간 화합물이 생성되어 내부 결함이 될 우려가 있다. 상기 Ti 및 Al의 합계 함유율을 상기 범위로 함으로써, V 탄화물에 의한 석출 강화능이 충분히 발휘되어, 선박용 단강품의 강도를 적절히 확보할 수 있다.

본 실시형태의 선박용 단강품은, 상술한 기본 성분 이외에 잔부에 Fe 및 불가피적 불순물을 포함한다. 또한, 불가피적 불순물로서는, 예를 들면 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라서 혼입되는 P(인), Sn(주석), As(비소), Pb(납) 등의 원소의 혼입이 허용된다. 또한, 추가로 그 이외의 조성을 적극적으로 함유시키는 것도 유효하며, 함유되는 조성의 종류에 따라서 단강재의 특성이 더욱 개선된다.

본 실시형태의 선박용 단강품의 불가피 불순물인 P의 함유율의 상한으로서는, 0.1 질량%가 바람직하고, 0.05 질량%가 보다 바람직하며, 0.01 질량%가 더욱 바람직하다. 상기 P 함유율이 상기 상한을 초과하면, 입계 편석에 의한 입계 파괴를 조장할 우려가 있다.

＜각 조성의 관계식＞

본 실시형태의 선박용 단강품에 있어서, 각 원소의 함유량이 하기 식 (1)을 만족한다.

14×(Ti/48＋Al/27)≥N ···(1)

상기 식 (1)의 좌변은, TiN이나 AlN으로서 화학양론적으로 소비되는 N량을 나타내고 있다. 상기 식 (1)에 나타내는 바와 같이, 이러한 소비되는 N량이 N 함유량 이상이 되면, N가 TiN이나 AlN으로서 전량 소비되게 되고, V 질화물의 생성을 억제할 수 있어, V 탄화물에 의한 석출 강화능을 충분히 발휘시킬 수 있다.

또한, 본 실시형태의 선박용 단강품은, 각 원소의 함유량이 하기와 같이 식 (2)를 만족하는 것이 바람직하다.

C＋Mn/6＋Ni/15＋(Cr＋Mo＋V)/5≤0.8 ···(2)

상기 식 (2)의 좌변은, 강의 경화성 및 용접성에 미치는 합금 원소의 영향을 탄소량으로 환산한 탄소 당량(Ceq: equivalent carbon content)이며, 강재의 용접성의 지표로서 이용된다(예를 들면, 일본 특허 제 3863413 호 공보 참조). Ceq가 커지면, 용접 열영향부(HAZ: Heat-Affected Zone)의 경도가 높아져 균열 발생을 조장한다. 일반적으로 Ceq와 HAZ 최고 경도에는 상관이 있는 것이 알려져 있으며, Ceq가 높은 경우는, 용접시의 예열 온도를 높게 할 필요가 있다. 그러나, 대형 단강품인 경우는 고온에서의 예열이 곤란하기 때문에, 본 실시형태의 선박용 단강품에서는, 예열 온도 50℃ 이하에서 용접 가능하게 하기 위한 용접성 지수로서 Ceq를 0.8 이하로 한다. 이에 의해, 본 실시형태의 선박용 단강품은 용접성이 우수하고, 용접 시행을 필요로 하는 단강품으로서 호적하게 이용할 수 있다.

＜기계적 성질＞

본 실시형태의 선박용 단강품의 인장 강도(TS)의 하한으로서는, 600㎫가 바람직하다. 상기 인장 강도가 상기 하한 이상이면, 선박용의 대형 후육 부재에 요구되는 강도를 만족할 수 있다. 인장 강도의 평가는, 예를 들어 JIS-Z2241(1998)에 따른 인장 시험에 의해 실행할 수 있다.

본 실시형태의 선박용 단강품의 0.2% 내력(YS)의 하한으로서는, 400㎫가 바람직하다. 해당 선박용 단강품의 0.2% 내력이 상기 하한 이상이면, 선박용의 대형 후육 부재에 요구되는 강도를 만족할 수 있다. 0.2% 내력의 평가는, 예를 들어 JIS-Z2241(1998)에 의한 인장 시험에 의해 실행할 수 있다.

＜제조 방법＞

본 실시형태의 선박용 단강품은, 예를 들어 이하의 용해 공정, 주조 공정, 가열 공정, 단조 공정 및 열처리 공정에 의해 제조된다.

(용해 공정)

용해 공정에서는, 우선 고주파 용해로, 전기로, 전로 등을 이용하여, 상술한 소정의 조성으로 조정한 강을 용해한다. 그 후, 성분 조정 후의 용해한 강에 진공 처리를 실시하여, O(산소), H(수소) 등의 가스 성분이나 불순 원소를 제거한다.

(주조 공정)

주조 공정에서는, 대형 단조용 강인 경우는 주로 잉곳(강괴) 주조가 채용된다. 비교적 소형의 단강품인 경우는 연속 주조법을 채용하는 것도 가능하다.

(가열 공정)

가열 공정에서는, 소정의 온도로 소정 시간, 강괴를 가열한다. 저온이 되면 재료의 변형 저항이 증대되므로, 재료의 변형능의 양호한 범위에서 가공을 실시하기 위해, 가열 온도는 1150℃ 이상으로 한다. 또한, 강괴의 표면과 내부의 온도를 균일하게 하기 위해 소정의 가열 시간이 필요하며, 가열 시간을 3시간 이상으로 한다. 가열 시간은, 일반적으로 피가공물의 직경의 2승에 비례하는 것으로 고려되고 있으며, 대형재일수록 가열 보지 시간은 길어진다.

(단조 공정)

단조 공정에서는, 가열 공정에서 1150℃ 이상의 온도로 가열된 강괴를 단조한다. 수축공(shrinkage cavity)이나 마이크로 기공 등의 주조 결함을 압착시키기 위해서, 단련 성형비로서는 3S 이상이 바람직하다.

(열처리 공정)

본 실시형태에 있어서, 선박용 단강품의 구성은, 화학 조성뿐만이 아니라 마이크로 조직을 적절히 제어하는 것에 의해서 달성되는 것이기 때문에, 소정의 마이크로 조직을 얻기 위해서 열처리를 실시한다. 열처리 공정은, 불림(normalizing) 처리를 실행한 후, 뜨임 처리를 실행한다. 불림 처리는, 우선 오스테나이트화 처리를 실행하고, 오스테나이트화 후에 냉각 처리를 실행한다.

불림 처리에 있어서, 우선 강재의 오스테나이트화를 실행한다. 오스테나이트화는, Ac3 변태점(830℃) 이상으로 승온 속도 30~70℃/hr로 가열하고, 일정 시간(예를 들면 1시간 이상) 보지한다. 구 오스테나이트 결정립 조대화 억제의 관점에서, 오스테나이트화는 940℃ 이하로 처리하는 것이 바람직하다. 또한, 대형품인 경우, 가열시에 재료의 내외에서 온도차가 생기기 때문에, 오스테나이트화 온도까지 서서히 가열하고, 강재의 표면과 내부의 온도를 균일하게 하기 위해서 일정 시간 보지할 필요가 있다. 이러한 보지 시간은 강재 직경에 의존하며, 대형재일수록 길게 할 필요가 있다.

다음에, 불림 처리에 있어서, 오스테나이트화에 의해 강재의 온도가 균질이 된 후, 강재를 냉각한다. 중량이 수 톤 내지 수십 톤의 대형 후육 부재의 경우, 수냉하면 냉각시의 열 응력이나 변태 응력에 의해 균열이 발생해버리기 때문에, 오스테나이트화 후의 냉각은, 수냉보다 느린 공냉 등의 방법으로 냉각하는 것이 바람직하다. 공냉에서의 냉각 속도는 직경 D(㎜)에 따라서 상이하지만, 예를 들어 D/4 위치에 있어서의 공냉의 냉각 속도는 φ200㎜에서 약 300℃/hr, φ500㎜에서 약 150℃/hr, φ1000㎜에서 약 70℃/hr가 된다. 또한, 완전하게 변태를 완료시키기 위해서 200℃ 이하까지 강재를 냉각한다. 냉각이 불충분한 경우, 미변태의 잔류 오스테나이트가 잔존하여, 특성 편차의 원인이 된다.

상기 냉각 후, 뜨임 처리를 실행하는 것에 의해 해당 선박용 단강품이 얻어진다. 강재의 뜨임은, 소정의 온도까지 승온 속도 30~70℃/hr로 서서히 가열하고, 일정 시간(예를 들면 5~20시간) 보지한다. 뜨임은, 강도, 연성 및 인성의 밸런스를 조정하는 동시에, 상변태로 생긴 내부 응력(잔류 응력)을 제거하기 위해서 550℃ 이상에서 실행한다. 다만, 고온이 되면 탄화물의 조대화, 전위 조직의 회복 등에 의해 강재가 연화되며, 충분한 강도를 확보할 수 없기 때문에 650℃ 이하로 한다.

＜기계 가공＞

필요에 따라서, 열처리 후에 본 실시형태의 선박용 단강품의 표층의 적어도 일부의 연삭을 포함하는 마무리 기계 가공을 함으로써, 선박용의 강재로 할 수 있다.

《실시예》

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[시험 시료의 작성]

표 1에 나타내는 조성을 갖는 강 A~P를 용해했다. 강 A, B, C, E, F, G, H, I, J, K, M은 고주파 용해로에 의해 용해되고, 강 D, L, N, O, P는 진공 용해로에 의해 용해되며, 각각 20~150kg의 잉곳(강괴)을 주조했다. 얻어진 강괴를 1230℃로 3시간 가열한 후, 단련 성형비를 3S~6S로 하여 열간에서 단조 신장하여, 대기 중에서 실온까지 방랭(放冷)했다. 그 후, 각 단조 신장재로부터 20㎜×20㎜×150㎜의 시험편을 절출했다. 이러한 절출한 시험편에 대하여, 기계적 특성을 확보하기 위한 열처리(불림 처리 및 뜨임 처리)를 실행했다. 불림 조건에 대해서는, 러더 스톡(rudder stock)이나 중간축과 같은 대형 단강품의 가열 속도 및 냉각 속도를 모의한 열처리를 실시했다. 구체적으로는, 소형 열처리로를 이용하여 오스테나이트화 온도(850~920℃)까지 40℃/hr로 승온하고, 그 온도에서 1시간 이상 보지했다. 그 후, 800~500℃의 온도 범위에 있어서의 평균 냉각 속도가 30~300℃/hr가 되도록 냉각을 실행했다. 뜨임 처리는, 580~640℃에서 10시간 이상 보지하고나서 노냉(爐冷)했다. 이와 같이 하여 표 2에 나타내는 실시예 1~19 및 비교예 1~8의 단강품의 시험 시료를 작성했다.

또한, 표 1 중 "-"는 측정 한계 이하를 나타낸다. 강 A~P는, 모두 용접성을 고려하여, 상기 식 (2)의 좌변에 나타내는 탄소 당량 Ceq이 0.8 이하가 되도록 성분 설계했다. 또한, 표 2 중의 "N-14×(Ti/48＋Al/27)"은 N 함유량으로부터 상기 식 (1)의 좌변을 줄인 것이며, Ti 또는 Al에 의해서 소비되지 않고 잔류하는 N의 양을 나타내고 있으며, 이러한 값이 0 이하이면, N가 TiN이나 AlN으로서 전량 소비된다고 말할 수 있다.

(실시예 1~19)

실시예 1~19의 시험 시료는, C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V, N, S, Ti, Al의 함유율이 본 발명의 범위 내에서, 또한 상기 식 (1)을 만족하는 강 A~J를 이용하여, 상술한 작성 방법에 의해 작성한 것이다. 실시예 6~8의 시험 시료는, 동일 조성의 강(F)을 이용하여, 표 2에 나타내는 바와 같이 불림 처리에 있어서의 냉각 속도를 상이하게 하여 작성한 것이다. 마찬가지로, 실시예 9~12, 실시예 13~15, 실시예 16~18의 시험 시료도, 각각 동일 조성의 강 G, H, I를 이용하여, 불림 처리에 있어서의 냉각 속도를 상이하게 하여 작성한 것이다.

(비교예 1, 2)

비교예 1 및 2의 시험 시료는, C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V, N, S, Ti, Al의 함유율이 본 발명의 범위 내인 강 E, F를 이용하여 작성한 것이지만, 불림 처리에 있어서의 냉각 속도를 느리게 하여, 페라이트 조직 또는 펄라이트 조직을 많이 생성시킨 것이다.

(비교예 3~5, 7, 8)

비교예 3~5, 7, 8의 시험 시료는, C, Ni, Cr, Mo, V 중 적어도 어느 하나의 함유율이 본 발명의 범위 이외인 강 K~M, O, P를 이용하여 작성한 것이다.

(비교예 6)

강 N의 조성은, C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V, N, S, Ti, Al의 함유율이 본 발명의 범위 내이지만, 상기 식 (1)을 만족하지 않는 것이다.

비교예 6의 시험 시료는 이러한 강 N을 이용하여 작성한 것이다.

[표 1]

[마이크로 조직의 관찰]

열처리 후, 시험 시료로부터 마이크로 조직 관찰용의 시험편을 절출하고, 그 시험편의 평행면을 단조 신장 방향으로 경면 연마하고, 나이탈로 부식시켜 광학 현미경으로 관찰했다. 관찰은 400배의 배율로 실행하고, 임의로 4시야로 관찰하여 마이크로 조직을 판정하고, 4시야 각각의 페라이트 조직 및 펄라이트 조직의 면적 비율을 구하여 평균화했다. 각 시험 시료에 대하여 구한 금속 조직의 면적률을 표 2에 나타낸다. 표 2에서는, 페라이트 조직을 "F", 펄라이트 조직을 "P", 베이나이트 조직을 "B"라고 기재했다.

[기계적 성질의 측정]

열처리 후, 시험편의 길이 방향이 단조 신장 방향으로 평행하게 되도록 시험 시료를 가공하여 인장 시험을 실시했다. 시험편 형상은, JIS-Z2201(1998)의 14호 시험편으로 φ6×G.L.30㎜로 했다. 인장 시험은, JIS-Z2241(1998)에 근거하여 실시하고, 인장 강도, 0.2% 내력, 신율 및 단면 수축률을 측정했다. 인장 강도가 600㎫ 이상이며, 또한 0.2% 내력이 400㎫ 이상인 것을 선박용의 대형 후육 부재에 요구되는 강도를 만족하는 것으로서 총합 평가 "A"로 하고, 이들 강도를 만족하지 않는 것을 총합 평가 "B"로 했다. 이들 측정 결과를 표 2에 나타낸다.

[표 2]

[측정 결과]

실시예 1~19의 시험 시료는 모두 페라이트 조직 및 펄라이트 조직의 합계 면적률이 70% 이하였다. 또한, 모두 인장 강도가 600㎫ 이상이며, 0.2% 내력이 400㎫ 이상이었다.

이에 반하여, 비교예 1, 2 및 8의 시험 시료는, 페라이트 조직 및 펄라이트 조직의 합계 면적률이 70%를 초과하고 있었다. 또한, 비교예 1~8의 시험 시료에서는, 모두 인장 강도가 600㎫ 미만이며, 또한 비교예 1, 4, 5, 8의 시험 시료에서는, 0.2% 내력이 400㎫ 미만이었다.

비교예 3, 4, 5, 7, 8에서는, 본 발명의 범위 외인 조성을 갖는 강 K, L, M, O, P를 이용했기 때문에, 대형 후육 부재로서 요구되는 강도가 얻어지지 않는다고 말할 수 있다. 또한, 비교예 6에 있어서는, 본 발명의 상기 식 (1)을 만족하지 않는 조성을 갖는 강 N을 이용했기 때문에, 대형 후육 부재로서 요구되는 강도가 얻어지지 않는다고 말할 수 있다. 또한, 비교예 1 및 2에서는, 동일한 강 E, F를 이용한 실시예 5~8에 비하여 오스테나이트화 후의 냉각 속도가 느리기 때문에, 이들 실시예에 비하여 페라이트 및 펄라이트의 면적률이 커져서 강도가 저하되어, 대형 후육 부재로서 요구되는 강도가 얻어지지 않는다고 말할 수 있다. 또한, 비교예 8에서는, 이용한 강 P의 조성이 본 발명의 범위와는 크게 상이한 것에 기인하여 오스테나이트화 후의 페라이트의 면적률이 커지고 있고, 그 때문에 다른 비교예와 비교하여 더욱 강도가 저하되었다고 말할 수 있다.

(V 함유량과의 관계)

기본 조성(C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo)이 대략 동등하고, V 및 상기 식 (1)에 포함되는 원소(Ti, Al, N)가 상이한 강 A~D, K~N를 이용하여 작성한 시험 시료(실시예 1~4 및 비교예 3~6)에 대한 V 함유량과 인장 강도의 관계를 도 1에 나타낸다. 도 1로부터, V 함유량이 동일한 시험 시료를 보면, 상기 식 (1)을 만족하는 것은 고강도가 얻어지고 있으며, V 탄화물의 석출 강화가 크게 발휘되고 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 600㎫ 이상의 인장 강도를 확보하려면, 상기 식 (1)을 만족하고, 또한 V을 0.05 질량% 이상 함유시킬 필요가 있다는 것을 알 수 있다.

(페라이트 및 펄라이트 면적률과의 관계)

본 발명에서 규정하는 조성을 만족하는 강 A~J를 이용한 실시예 및 비교예의 시험 시료 표면에 있어서의 페라이트 및 펄라이트 면적률과 인장 강도의 관계를 도 2에 나타낸다. 도 2로부터, 페라이트 및 펄라이트가 많아질수록 강도는 저하되지만, 페라이트 및 펄라이트의 합계 면적을 70% 이하로 하는 것에 의해, 600㎫ 이상의 인장 강도를 확보할 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 출원은 2013년 12월 16일에 출원된 일본 특허 출원 제 2013-259564 호를 기초로 하는 것이며, 그 내용은 본원에 포함되는 것이다.

본 발명을 표현하기 위해서, 전술에 있어서 도면 등을 참조하면서 실시형태를 통하여 본 발명을 적절하고 충분히 설명했지만, 당업자라면 전술한 실시형태를 변경 및/또는 개량하는 것은 용이하게 이룰 수 있는 것이라고 인식해야 한다. 따라서, 당업자가 실시하는 변경 형태 또는 개량 형태가 청구범위에 기재된 청구항의 권리 범위를 이탈하는 레벨의 것이 아닌 한, 해당 변경 형태 또는 해당 개량 형태는 해당 청구항의 권리 범위에 포괄되는 것으로 해석된다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명은 선박용 단강품의 기술 분야에 있어서, 광범위한 산업상의 이용 가능성을 갖는다. 특히, 러더 스톡, 타판(舵板) 플랜지, 타용(舵用) 볼트, 축용 볼트, 핀틀(pintle), 추진축, 중간축 등의 선박용 대형 후육 부재로서 유용하다.

Claims

C: 0.13 질량% 이상 0.25 질량% 이하,
Si: 0.15 질량% 이상 0.45 질량% 이하,
Mn: 0.3 질량% 이상 1.0 질량% 이하,
Ni: 1.2 질량% 이상 2.6 질량% 이하,
Cr: 0.4 질량% 이상 0.9 질량% 이하,
Mo: 0.15 질량% 이상 0.8 질량% 이하,
V: 0.05 질량% 이상 0.15 질량% 이하,
N: 0 질량% 초과 0.02 질량% 이하,
S: 0.002 질량% 이상 0.015 질량% 이하,
Ti 및 Al 중 1종 이상의 원소: 합계 0.003 질량% 이상 0.05 질량% 이하의 기본 성분을 포함하며,
잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 조성을 갖고,
하기 식 (1)을 만족하며,
금속 조직이 페라이트-베이나이트 또는 페라이트-펄라이트-베이나이트의 복합 조직이며, 표면에 있어서의 페라이트 조직 및 펄라이트 조직의 합계 면적률이 70% 이하인
선박용 단강품.
14×(Ti/48＋Al/27)≥N ···(1)