KR101899684B1

KR101899684B1 - 표면 품질이 우수한 내마모 강재의 제조방법

Info

Publication number: KR101899684B1
Application number: KR1020160176811A
Authority: KR
Inventors: 원영목; 김용진
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-09-17
Also published as: KR20180073206A

Abstract

표면 품질이 우수한 내마모 강재의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 제조방법은, 중량%로, C:0.6~1.4%, Si: <1.0%, Mn: 11~25%, Cu: < 3.0% , Al: < 2.0% , Nb: < 0.1% , B: < 0.01% , Ni: < 5% , Cr: < 5% , Ti: < 0.1%, P: < 0.05%, S: < 0.01%, N: < 0.1%, 잔여 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 고Mn강 슬라브를 재가열하는 공정; 상기 재가열된 고Mn강 슬라브를 열간 압연하는 공정; 및 상기 열간 압연된 강판을 냉각하는 공정;을 포함하는 고Mn 내마모 강재의 제조방법에 있어서, 상기 고 Mn강의 재가열 공정에서, 하기 관계식 1에 의해 정의되는 T_고상선 + 30℃보다 낮은 온도에서 재가열하는 것을 특징으로 하다.

Description

표면 품질이 우수한 내마모 강재의 제조방법{Method for manufacturing wear-resistant steel plates having excellent surface quality}

본 발명은 표면 품질이 우수한 내마모 강재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 적정화된 가열 온도조건 및 압연 온도조건을 적용하여 압연중 발생하는 강판 선·후단부의 Alligatoring을 방지하고 동시에 표면결함을 극소화할 수 있는 내마모 강재의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 광산산업, 오일 및 가스 산업(Oil and Gas Industries)의 성장에 따라 채굴, 수송, 정제 및 저장 과정에서 사용되는 두꺼운 강재(일명, 후강판)의 마모가 큰 문제점으로 대두 되고 있다. 특히, 석유를 대체할 화석 연료로 오일 샌드(Oil Sands)에 대한 개발이 본격화됨에 따라 오일, 자갈, 모래 등이 포함된 슬러리(Slurry)에 의한 강재 마모는 생산 비용의 증가를 일으키는 중요한 원인으로 지적되고 있으며, 이에 따라 내마모성이 우수한 강재의 개발 및 적용에 대한 수요가 크게 증가하고 있다.

고Mn강은 Ni 첨가강 대비 저가의 Mn을 함유하는 오스테나이트(Austenite) 안정화 원소로 구성된 강으로서 연성 및 강도특성의 향상 효과가 매우 우수하며, 스테인레스강처럼 별도의 품종개발이 가능하여 널리 다양한 특수 목적의 강 종으로 활용분야를 넓히고 있으며, 차세대 각광을 받는 강재로서 자리 잡고 있다. 특히, 고Mn강 후판의 활용 특징으로는 오스테나이트계이기 때문에 가공 경화율이 높아 저항복비를 보여주며, 저온에서 인성이 뛰어나며, 자석이 붙지 않는 고유의 특징을 지니고 있어 비자성강으로도 사용이 된다. 또한 방진특성 및 내마모성이 우수하여 방진강 및 내마모강으로도 사용되며, 내수소취성으로 파이프관으로 확장영역을 넓히고 있다. 한편 오스테나이트/페라이트 변태가 없기 때문에 후판 제조시 냉각조건의 제약이 적고, 용접부의 열영향부의 특성이 우수한 것으로 널리 알려져 있다.

그러나 기존의 광산산업에서는 내마모성이 우수한 해드필드(Hadfield)강이 주로 사용되어 왔으며, 강재의 내마모성을 높이기 위해 높은 함량의 탄소를 함유시키고 망간을 다량 포함시켜 오스테나이트 조직 및 마모 저항성을 증가시키고자 하는 노력이 꾸준히 진행되어 왔다. 그러나 해드필드강의 경우 높은 함량으로 첨가되는 탄소가 오스테나이트 입계를 따라 네트워크(network) 형태의 탄화물을 고온에서 생성시켜 강재의 물성, 특히 연성을 급격히 저하시키는 단점이 있다. 또한, 고Mn강의 잉곳 또는 주편은 응고중 망간 및 탄소 등의 합금원소에 의한 편석이 필연적으로 발생하고 이는 열간압연 등의 후가공 시 더욱 악화되어, 결국 최종제품에서 심화된 편석대를 따라 탄화물의 부분적 석출이 네트워크 형태로 발생하여 미세조직의 불균일성을 조장하고 물성을 열화시키는 결과를 가져온다. 따라서 강재의 내마모성 향상을 위해서는 탄소의 함량을 증가시키는 것이 필수적인 바, 상기 탄소에 의한 탄화물 석출로 인해 물성이 열화되는 문제를 해결하기 위하여 상대적으로 높은 가열온도 조건에서 탄화물의 형성을 억제하는 것이 필수적이며, 과도하게 높은 가열온도에서 적용시 중심 편석부의 부분 용융으로 압연중 선·후단부의 Alligatoring이 발생하는 문제점에 봉착하게 된다.

도 1은 일반적인 압연시 판의 단면 형상 및 Alligatoring 압연판 형상을 보이는 그림이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 일반적으로는 판재가 압연시 압축에 의한 중심부에 2차 인장 응력이 발생하고, 판재의 두께방향 중심 면을 따라 금속학적으로 중심부의 결함이 극심하게 존재하면 판재가 두께방향으로 갈라져 벌어지게 되는 파괴현상을 Alligatoring이라 한다. 여기에서, 도 1(a)는 가볍게 압연했을 때의 판의 단면을, 도 1(b)는 심하게 압연했을 때의 판의 단면을, 그리고 도 1(c)는 Alligatoring을 나타낸다.

종래의 후판용 고Mn강의 가열조건은 탄화물 형성 억제를 위해 일반 탄소강의 슬라브의 재가열온도를 보통 1200~1350℃ 정도에서 가열로내 분위기 온도를 제어하였다.(출원번호 2014-0187691호) 고Mn강은 일반 탄소강에 비교하여 고상선 온도가 대략 150~250℃가 낮기 때문에 탄소강과 같이 유사한 높은 가열온도에서는 슬라브 중심부의 국부적인 농화 현상 등에 의해 발생하는 거시 편석부의 부분 용해로 인해 압연중 쉽게 선·후단부의 Alligatoring이 발생할 수 있다.

따라서 최근에는 고Mn강의 재가열온도를 탄소와 망간의 중량함량의 식으로 표현하여 해당하는 온도보다 낮게 행하는 것을 특징으로 하는 기술(출원번호 2015-0181859)이 있으나, 고Mn강의 첨가원소로 사용되는 Cr, Mo, Cu, Al 등의 첨가 합금원소는 포함되지 않았으며, 불순물 원소인 Si, P 및 S 등이 포함되지 않아 불완전한 가열온도 예측이 될 수 있다. 왜냐하면, 이러한 불순물 및 첨가 합금원소는 고상선 온도를 급히 떨어뜨리는 특징이 있어 Alligatoring 압연판이 발생될 수 있다. 따라서 정확한 고상선 온도를 도출해야 가장 적정한 가열온도를 높게 확보함으로써 앞서 언급된 탄화물의 형성을 억제하여 제품의 외관뿐만 아니라 물성을 확보할 수 있기 때문이다.

한국 특허공개 2015-0075294호(2015-07.03 공개)

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 한계를 극복하기 위하여 안출된 것으로서, 고Mn강의 고상선 온도를 정확하게 도출함과 아울러 슬라브의 중심 편석 지수를 반영함으로써, 고온가열로 인한 중심부의 국부적인 농화 현상 등에 따라 발생하는 거시 편석부의 부분 용해를 미연에 방지하고, 이로 인한 압연시 발생하는 강판 선·후단부의 Alligatoring을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 탄화물 형성을 억제하고 최적의 압연온도에서 압연을 함으로써 제품의 표면품질과 재질이 우수한 내마모 강재의 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, C:0.6~1.4%, Si: <1.0%, Mn: 11~25%, Cu: < 3.0% , Al: < 2.0% , Nb: < 0.1% , B: < 0.01% , Ni: < 5% , Cr: < 5% , Ti: < 0.1%, P: < 0.05%, S: < 0.01%, N: < 0.1%, 잔여 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 고Mn강 슬라브를 재가열하는 공정; 상기 재가열된 고Mn강 슬라브를 열간 압연하는 공정; 및 상기 열간 압연된 강판을 냉각하는 공정;을 포함하는 고Mn 내마모 강재의 제조방법에 있어서,

상기 고 Mn강의 재가열 공정에서, 하기 관계식 1에 의해 정의되는 T_고상선 + 30℃ 보다 낮은 온도에서 재가열하는 것을 특징으로 하는 고Mn 내마모강재의 제조방법에 관한 것이다.

[관계식 1]

T_고상선(℃)= 1484.71 - {166.151[C] + 20.052[Si] + 3.7626[Mn] + 394.181[P] + 52.1[S] + 11.133[Cu] + 82.48[Al] + 674.86[Nb] + 14940.3[B] - 16.94[Ni] + 4.2815[Cr] + 119.3[Ti] - 256.52[N]} × S_INDEX

여기에서, [ ]는 각 성분의 중량%이며, S_INDEX는 슬라브의 중심 EPMA Mn 편석지수를 나타낸다.

바람직하게는, 상기 고 Mn강의 재가열 공정에서, 상기 관계식 1에 의해 정의되는 T_고상선 보다 낮은 온도에서 재가열을 실시하는 것이다.

바람직하게는, 상기 재가열 유지시간을 슬라브 두께 10mm당 12~14분으로 관리하는 것이다.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명은, 최적화된 고Mn강 고상선 온도를 도출하여 재가열 및 압연 조업시 적정한 온도를 적용함으로써 기존 재가열 후 압연 조업에서 쉽게 발생하였던 Alligatoring 압연판을 획기적으로 감소하여 종합실수율이 높고 제품 표면결함이 적은 고Mn 내마모강재를 안정적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 압연시 판의 단면 형상 및 Alligatoring 압연판 형상을 보이는 그림이다.
도 2는 전형적인 고Mn강 압연시 Alligatoring 압연판 형상을 보이는 사진이다.
도 3은 여러 가지 열역학적 모델을 활용한 Lot별 고상선 온도 계산결과 및 측정결과를 보이는 그림이다.
도 4는 고Mn강 슬라브 및 그 최종 제품의 중심 편석 분석결과를 보이는 조직사진이다.
도 5는 고Mn강 가열온도 조건과 관계식 1로부터 도출된 고상선 온도간의 상관 관계를 보이는 그림이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

고Mn강은 일반 탄소강에 비교하여 고상선 온도가 대략 150~250℃가 낮기 때문에 탄소강과 같이 유사한 가열온도조건 및 압연온도 조건에서 후판 압연을 하게 되면 제품 표면결함 또는 압연제품의 선·후단부에 중심부 부분 용해가 발생하는 Alligatoring 현상이 나타나게 된다.

도 2에는 전형적인 고Mn강 슬러리 파이프용 강의 Alligatoring 발생 사진으로, 가열로의 온도가 높을 경우에는 슬라브 중심부에 부분 용융 액상이 형성되거나, 반용융상태로 고온에서 취약한 결함으로 존재하게 되어 Alligatoring 결함이 쉽게 발생할 수 있다. 따라서 고Mn강 슬러리 파이프용강의 적정한 가열온도조건과 압연온도조건을 선택함으로써 Alligatoring을 미연에 방지할 수 있는 온도 조건 등을 최적화할 수는 고Mn 내마모강재 제조 방법에 제공하는 것이 요청되는 것이다.

그러므로 본 발명의 고 Mn 내마모강재 제조방법은, 중량%로, C:0.6~1.4%, Si: <1.0%, Mn: 11~25%, Cu: < 3.0% , Al: < 2.0% , Nb: < 0.1% , B: < 0.01% , Ni: < 5% , Cr: < 5% , Ti: < 0.1%, P: < 0.05%, S: < 0.01%, N: < 0.1%, 잔여 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 고Mn강 슬라브를 재가열하는 공정; 상기 재가열된 고Mn강 슬라브를 열간 압연하는 공정; 및 상기 열간 압연된 강판을 냉각하는 공정;을 포함하는 고Mn 내마모 강재의 제조방법에 있어서, 상기 고 Mn강의 재가열 공정에서, 하기 관계식 1에 의해 정의되는 T_고상선 + 30℃ 보다 낮은 온도에서 재가열을 실시하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 고Mn 내마모강 제조 방법을 상세히 설명한다.

[고 Mn 강슬라브 준비공정]

먼저 본 발명에서는 고 망간(Mn) 강 슬라브를 마련한다.

본 발명에서 고Mn 강슬라브는 Mn을 11~25중량%로 범위로 포함함이 바람직하다. 본 발명에서 망간(Mn)은 오스테나이트를 안정화시키는 역할을 하는 매우 중요한 원소로서, 균일 연신율을 향상시키는 효과가 있다. 본 발명에서 주 조직으로 오스테나이트를 얻기 위해서는 11% 이상으로 Mn이 포함되는 것이 바람직하다.

상기 Mn의 함량이 11% 미만이면 오스테나이트 안정도가 저하되어 마르텐사이트 조직이 형성될 수 있고, 이로 인해 오스테나이트 조직을 충분히 확보하지 못하면 충분한 균일 연신율의 확보가 어려워지는 문제가 있다. 반면, 그 함량이 25%를 초과하게 되면 제조비용이 상승할 뿐만 아니라, 망간첨가로 인한 내식성 저하, 제조 공정상의 어려움 등의 문제점이 있으므로 바람직하지 못하다.

나아가, 본 발명의 고Mn 강 슬라브는 C를 0.6~1.4중량% 범위로 포함할 수 있다. 상기 탄소(C)는 오스테나이트 안정화 원소로서 균일 연신율을 향상시키는 역할을 할 뿐만 아니라 강도 향상 및 가공경화율을 높이는데 매우 유리한 원소이다. 이러한 탄소의 함량이 0.6% 미만이면 상온에서 안정한 오스테나이트를 형성하기 어렵고, 충분한 강도 및 가공경화율을 확보하기 어려운 문제가 있다. 반면, 그 함량이 1.4%를 초과하게 되면 탄화물이 다량 석출되어 균일 연신율을 저감시켜 우수한 연신율을 확보하기 곤란할 수 있으며, 내마모성 하락 및 조기 파단을 야기하는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

기타 본 발명의 고Mn 강 슬라브는 Si, Cu, Al, Nb, B, Ni, Cr 및 Ti 중 1종 이상을 포함할 수도 있다. 아울러, 기타 불순물로서 P,S 및 N을 소정 함량 이하로 관리될 필요가 있으며, 잔여 성분은 Fe 이다.

바람직하게는, 본 발명에서 상기 고Mn 강은 중량%로, C:0.6~1.4%, Si: <1.0%, Mn: 11~25%, Cu: < 3.0% , Al: < 2.0% , Nb: < 0.1% , B: < 0.01% , Ni: < 5% , Cr: < 5% , Ti: < 0.1%, P: < 0.05%, S: < 0.01%, N: < 0.1%, 잔여 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 것이다.

[슬라브 재가열공정]

본 발명에서는 상기와 같은 성분조성을 갖는 고Mn 강 슬라브를 재가열하는데, 이때 그 재가열온도를 적정치로 제어함을 특징으로 한다. 구체적으로, 본 발명에서는 고 Mn강의 재가열 공정에서, 하기 관계식 1에 의해 정의되는 T_고상선 + 30℃ 보다 낮은 온도에서 재가열함을 특징으로 한다.

[관계식 1]

본 발명자들은 여러 가지 열역학적인 모델을 이용하여 고Mn강 성분에 따른 고상선온도를 계산하였다. 도 3에 나타난 바와 같이, Lot별 주어진 성분계에 따라 계산으로 도출된 고상선 온도는 각각 다르며, 열역학 모델에 따른 고상선 온도 변화 형상은 거의 비슷한 형상을 가지며 변화한다. 특히, 도 3에서 평형 열역학 Database를 사용하는 평형조건(Calculator 1)과 완전 비평형 응고이론인 Scheil식(Calculator 4)을 따르는 고상선 온도 사이에 각 Lot별 고상선 온도가 실제 존재하게 된다. 그런데 본 발명자들이 Lot 5번 강재에 대해서는 고상선 온도 측정시험을 하였는데, 열역학적 비평형 계산 조건인 Calculator 2와 비교적 잘 일치함을 확인하였다. 따라서 열역학 모델중 Calculator 2번으로 고Mn 내마모강의 고상선 온도를 산출(각 성분별로 Loop 계산 수행, 나머지 성분의 함량은 고정)하였으며, 그 일반화된 관계식을 얻었다. 따라서 본 발명에서는 이 관계식을 고Mn강의 고상선 온도(T_고상선)로 정의한 것이다.

본 발명에서 고Mn 내마모 강재가 열간압연 중 Alligatoring 압연판이 발생하지 않는 안정한 재가열조건은, 가열온도는 직접 가열이 아닌 분위기 온도를 제어하는 간접 가열방식이므로 상기 관계식 1로 나타내는 T_고상선 + 30℃ 보다 낮은 온도를 유지해야 한다. 이에 의해, 슬라브 중심부의 국부적인 농화 현상 등에 의해 발생되는 거시 편석부의 부분 용해로 인해 압연중 쉽게 발생하는 선·후단부의 Alligatoring를 방지할 수 있다. 보다 바람직하게는, T_고상선 보다 낮은 온도에서 재가열하는 하는 것이다.

도 4는 고 Mn강 슬라브의 중심 편석 상태를 분석한 결과로서, 중심 편석이 심할수록 성분이 증가하므로, 같은 가열온도조건에 따라 슬라브의 중심 편석지수에 따라 Alligatoring이 발생할 수도 있고, 발생하지 않을 수도 있음을 알 수 있다. 따라서 슬라브 재가열온도를 결정함에 강슬라브의 중심 편석 상태를 반영하는 것이 중요하므로, 상기 관계식 1에서는 이를 반영하고 있다.

한편 탄화물 형성 억제를 위해서는 상기 재가열 온도를 유지하면서 가열유지시간을 기존보다 길게 유지하는 것이 제품의 목표로 하는 재질특성을 달성하는데 바람직하다. 일반적으로 가열유지시간은 슬라브 두께 10mm당 10분으로 적용하지만, 낮은 가열온도에서 탄화물 형성 억제 및 탄화물 재용해를 위해서는 슬라브 두께 10mm당 12~14분 정도는 유지해야 효과가 극대화할 수 있다. 만일 14분 이상 가열유지시간을 지나치게 오래 하면, 제품의 표면품질 및 특성이 열화되는 경향이 있다. 또한 추출온도 또는 조압연(Rough Mill) 시작 온도는 고상선 온도 보다 항상 낮아야 바람직하다. 만약 상기 온도보다 높게 된다면 높을수록 Alligatoring 압연판 발생 정도는 급격하게 증가함으로 주의가 필요하다

[열간 압연공정]

이어, 상기 재가열된 강 슬라브를 열간 마무리 압연하여 열연강재로 제조할 수 있으며, 본 발명은 이러한 열연공정의 구체적인 공정조건에 제한되는 것은 아니다. 다만 그 일예로서 열간 마무리 압연은 850~1050℃ 온도범위에서 실시하는 것이 다.

[냉각 공정]

후속하여 본 발명에서는 상기와 같이 열간 압연된 고Mn 강재를 냉각함으로써 최종 고 Mn 내마모강재를 얻을 수 있다. 본 발명은 이러한 냉각공정의 구체적인 냉각조건에 제한되지 않으며, 다양한 냉각조건을 이용할 수 있다. 그 일예로, 5℃/s 이상의 냉각속도로 600℃ 이하까지 냉각을 실시하는 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

중량%로, C:0.6~1.4%, Si: <1.0%, Mn: 11~25%, Cu: < 3.0% , Al: < 2.0% , Nb: < 0.1% , B: < 0.01% , Ni: < 5% , Cr: < 5% , Ti: < 0.1%, P: < 0.05%, S: < 0.01%, N: < 0.1%, 잔여 Fe 및 불가피한 포함하는 조성성분 범위를 갖는 103매의 고 Mn 강재 시편을 마련하였다. 이러한 조성성분을 갖는 강재 시편들 각각에 대하여 상기 관계식 1에 의한 T_고상선 온도를 산출하였으며, 산출된 고상 선의 온도와 실제 재가열 처리된 온도를 대비하여 도 5에 나타내었다. 또한 각 고Mn 강 시험편의 가열온도조건과 관계식 1로부터 도출된 고상선 온도와의 상관성을 Alligatoring 압연판 발생 유무에 대해 분석하여, 그 결과를 또한 도 5에 나타내었다.

도 5는 고Mn강 슬러리 파이프용 강재 가열온도 조건과 고상선 온도 사이의 관계를 도시한 그림으로서, 고상선 온도보다 30℃ 높은 범위의 가열온도 조건에서는 대부분 Alligatoring 압연판이 발생하였으며(Alligatoring 발생율 69%), 고상선온도 보다 30℃ 이내의 가열온도 조건에서는 거의 발생하지 않았고(Alligatoring 발생율 4%), 그리고 고상선 온도 직하로 가열온도 조건을 유지하면 완벽하게 Alligatoring 압연판이 발생하지 않음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

중량%로, C:0.6~1.4%, Si: <1.0%, Mn: 11~25%, Cu: < 3.0% , Al: < 2.0% , Nb: < 0.1% , B: < 0.01% , Ni: < 5% , Cr: < 5% , Ti: < 0.1%, P: < 0.05%, S: < 0.01%, N: < 0.1%, 잔여 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 고Mn강 슬라브를 재가열하는 공정; 상기 재가열된 고Mn강 슬라브를 열간 압연하는 공정; 및 상기 열간 압연된 강판을 냉각하는 공정;을 포함하는 고Mn 내마모 강재의 제조방법에 있어서,
상기 고 Mn강의 재가열 공정에서, 하기 관계식 1에 의해 정의되는 T_고상선 + 30℃보다 낮은 온도에서 재가열하는 것을 특징으로 하는 고Mn 내마모강재의 제조방법.
[관계식 1]
T_고상선(℃)= 1484.71 - {166.151[C] + 20.052[Si] + 3.7626[Mn] + 394.181[P] + 52.1[S] + 11.133[Cu] + 82.48[Al] + 674.86[Nb] + 14940.3[B] - 16.94[Ni] + 4.2815[Cr] + 119.3[Ti] - 256.52[N]} × S_INDEX
여기에서, [ ]는 각 성분의 중량%이며, S_INDEX는 슬라브의 중심 EPMA Mn 편석지수를 나타낸다.
제 1항에 있어서, 상기 고 Mn강의 재가열 공정에서, 상기 관계식 1에 의해 정의되는 T_고상선 보다 낮은 온도에서 재가열하는 것을 특징으로 하는 고Mn 내마모강재의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 재가열 유지시간을 슬라브 두께 10mm당 12~14분으로 관리하는 것을 특징으로 하는 고Mn 내마모강재의 제조방법.
삭제