KR102164112B1 - 연성 및 저온 인성이 우수한 고강도 강재 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박 또는 강 구조물 등에 적합한 구조용 강재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연성 및 저온 인성이 우수한 고강도 강재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

연성 및 저온 인성이 우수한 고강도 강재 및 이의 제조방법 {HIGH-STRENGTH STEEL SHEET HAVING EXCELLENT DUCTILITY AND LOW-TEMPERATURE TOUGHNESS AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 선박 또는 강 구조물 등에 적합한 구조용 강재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연성 및 저온 인성이 우수한 고강도 강재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

선박 또는 강 구조물 등은 충돌과 같은 외부 충격에 의해 강판에 파단이 발생할 수 있으며, 이로 인해 침수, 침몰 등의 사고로 이어질 수 있다. 또한, 선박 또는 강 구조물 등의 제작 과정에서 성형 가공 등으로 인한 균열이 발생할 수 있으며, 이 경우 공사기간이 늘어나거나 제작비가 증가하는 등의 문제가 있다.

위와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 선박 또는 강 구조물 등에 사용되는 강판의 강도를 요구하는 수준으로 유지하면서도 연신율을 높여야 한다. 강의 연신율이 높을수록 외부 충격 등에 의해 강이 변형되더라도 파단에 이르기까지 더 많은 변형을 수용할 수 있으므로, 파단의 발생을 억제할 수 있고, 가공에 의한 균열의 발생 가능성도 줄이는 효과를 얻을 수 있다.

일반적으로, 강의 강도와 연신율은 반비례의 관계를 가지므로, 강도를 유지하면서 연신율을 높이는 것에는 한계가 있음에도 불구하고, 다음과 같은 기술들이 개발되어 왔다.

예를들어, 특허문헌 1은 주상인 페라이트의 평균 입경을 3~12㎛ 제어하고, 그러한 페라이트를 90분율% 이상으로 형성하는 한편, 제2상의 평균 원 상당 직경을 0.8㎛ 이하로 미세화함으로써 인장강도가 490MPa 이상이면서 균일 연신율이 15% 이상인 충돌 흡수성이 우수한 강판을 개시하고 있다.

특허문헌 2에서는 압연 후 냉각 과정에서 전단 냉각, 공냉, 후단 냉각으로 이루어진 공정을 적용함으로써, 조직이 페라이트와 경질 제2상으로 이루어지고, 상기 페라이트의 체적 분율이 판 두께 전체에서 75% 이상이며, 경도가 Hv 140 이상 160 이하, 평균 결정 입경이 2㎛ 이상인 강재에 대해 개시하고 있다.

또한, 특허문헌 3은 충돌 시의 에너지 흡수능을 증가시키기 위하여 조직을 페라이트와 펄라이트를 주체로 하는 이상(dual phase)으로 구성하고, 상기 상의 경도, 분율, 평균 면적, 평균 주위 길이가 소정의 조건을 만족하면서 페라이트가 갖는 평균 전위 밀도를 일정 이하로 낮춘 후강판에 대해 개시하고 있다. 나아가, 상술한 후강판을 얻기 위하여 강 소재를 통상적인 재가열 온도보다 높은 고온으로 가열한 후 제어 압연을 수행하고 공냉 또는 약수냉하는 공정을 개시하고 있다.

그런데, 상술한 기술들은 몇 가지 문제점이 있음을 발견할 수 있다.

구체적으로, 강판의 파단은 균일 연신율보다는 총 연신율(또는 파단 연신율)의 관련성이 더 큼에도 불구하고, 특허문헌 1은 균일 연신율에 대해서만 개시하고 있으므로 실질적으로 외부 충격 등에 의한 파단 등의 결함을 억제하는 효과 등에 대해서는 개시하고 있지 않다. 특허문헌 2 역시 균일 연신율에 대해서만 개시하고 있는 바, 특허문헌 2에 개시된 강판의 총 연신율 등에 대해서는 불명확하다. 한편, 특허문헌 3은 총 연신율에 대해 기술하고 있기는 하나, 구조용 강재의 특성으로서 매우 중요한 인성 확보에 관해서는 어떠한 개시도 없다.

즉, 선박 또는 강 구조물 등에 사용하기 적합한 구조용 강재에 요구되는 특성은 강도 및 연성(총 연신율)뿐만 아니라, 인성 특히, 저온 인성을 확보하는 것이 중요하며, 이러한 특성들이 모두 확보된 구조용 강재의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

한국공개특허공보 제10-2006-0127762호 한국공개특허공보 제10-2016-0104077호 일본 등록특허 제5994819호

본 발명의 일 측면은, 구조용 소재로 적합한 강재를 제공함에 있어서, 고강도를 가지면서 연성이 우수하고, 나아가 저온 인성이 우수한 강재 및 이것을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 본 발명 명세서 전반에 걸친 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.05~0.12%, 실리콘(Si): 0.2~0.5%, 망간(Mn): 1.2~1.8%, 인(P): 0.012% 이하, 황(S): 0.005% 이하, 알루미늄(Al): 0.01~0.06%, 티타늄(Ti): 0.005~0.02%, 니오븀(Nb): 0.01~0.03%, 질소(N): 0.002~0.006%, 니켈(Ni): 0.5% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,

미세조직으로 주상이 평균 결정립 크기(원 상당 직경)가 2~8㎛인 폴리고날 페라이트, 제2상으로 펄라이트와 베이나이트를 포함하며, 두께가 8~15mm인 연성 및 저온 인성이 우수한 고강도 강재를 제공한다.

본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 합금조성을 만족하는 강 슬라브를 1100~1200℃의 온도범위에서 가열하는 단계; 상기 가열된 강 슬라브를 조압연 및 마무리 압연하여 열연강판으로 제조하는 단계; 및 상기 열연강판을 냉각하는 단계를 포함하고, 상기 마무리 압연은 Ar3+70℃~Ar3+170℃의 온도범위에서 행하는 것인 연성 및 저온 인성이 우수한 고강도 강재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 고강도 및 고연성을 가질 뿐만 아니라, 저온 인성이 우수한 강재를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 강재는 구조용 강재의 소재로서 유리하게 적용가능한 효과가 있다.

일반적으로 강의 강도를 증가시키면 상대적으로 연성이 감소하므로 강도가 높으면서 연신율이 우수한 강을 제조하는 것은 쉽지 않다. 또한, 강의 연신율이 높다고 하여 반드시 저온 인성이 우수하지 아니한 바, 고강도 및 고연성과 함께 저온 인성을 우수하게 확보하는 것은 더욱 어렵다.

하지만, 본 발명자들은 고강도, 고연성뿐만 아니라 저온 인성을 동시에 확보할 수 있는 강재를 개발하기 위하여 깊이 연구한 결과, 다음과 같이 합금조성 및 제조조건을 규명함으로써 목표로 하는 기계적 물성을 가지는 강재를 제공할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 연성 및 저온 인성이 우수한 고강도 강재는 중량%로, 탄소(C): 0.05~0.12%, 실리콘(Si): 0.2~0.5%, 망간(Mn): 1.2~1.8%, 인(P): 0.012% 이하, 황(S): 0.005% 이하, 알루미늄(Al): 0.01~0.06%, 티타늄(Ti): 0.005~0.02%, 니오븀(Nb): 0.01~0.03%, 질소(N): 0.002~0.006%, 니켈(Ni): 0.5% 이하를 포함할 수 있다.

이하에서는, 본 발명에서 제공하는 강재의 합금조성을 위와 같이 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다.

한편, 본 발명에서 특별히 언급하지 않는 한 각 원소의 함량은 중량을 기준으로 하며, 조직의 비율은 면적을 기준으로 한다.

탄소(C): 0.05~0.12%

탄소(C)는 강 조직 중 펄라이트의 분율에 영향을 미치며, 강도 확보에 유리한 원소이다. 본 발명에서 목표로 하는 수준의 강도를 확보하기 위해서는 0.05% 이상으로 포함할 수 있다. 특히, 본 발명의 강재를 제조하기 위한 일련의 공정(압연 및 냉각 공정)에서는 상기 C를 0.05% 이상으로 포함하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.12%를 초과하게 되면 강 조직 중 펄라이트의 분율이 과도해져 저온 인성이 열위하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 상기 C를 0.05~0.12%로 포함할 수 있으며, 보다 유리하게는 0.06~0.10%로 포함할 수 있다.

실리콘(Si): 0.2~0.5%

실리콘(Si)은 강의 탈산을 돕고, 경화능을 높이는 원소로서, 목표로 하는 수준의 강도를 확보하기 위해서는 0.2% 이상으로 포함할 수 있다. 다만, 그 함량이 0.5%를 초과하게 되면 강도가 지나치게 증가하여 총 연신율과 저온 충격인성을 저해하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 Si을 0.2~0.5%로 포함할 수 있다.

망간(Mn): 1.2~1.8%

망간(Mn)은 강의 연신율을 크게 감소시키지 않으면서 강도를 높이는데에 유용한 원소이다. 본 발명에서 목표로 하는 수준의 강도를 확보하게 위해서는 1.2% 이상으로 Mn을 포함할 수 있으나, 그 함량이 1.8%를 초과하게 되면 강의 강도가 크게 증가하여 연성의 확보가 곤란해진다.

따라서, 본 발명에서는 상기 Mn을 1.2~1.8%로 포함할 수 있으며, 보다 유리하게는 1.4~1.7%로 포함할 수 있다.

인(P): 0.012% 이하

인(P)은 강 중 불가피하게 혼입되는 불순물로서, 강의 연성과 저온 충격인성을 감소시키므로 최소화할 필요가 있다. 본 발명에서는 상기 P을 0.012% 이하로 함유하더라도 의도하는 물성 확보에 큰 무리가 없으므로, 상기 P의 상한을 0.012%로 제한할 수 있다. 다만, 제강공정시 부하를 고려하여 0%는 제외할 수 있다.

황(S): 0.005% 이하

황(S)은 상기 P과 같이 강 중에 불가피하게 혼입되는 불순물로서, 황화물을 형성하여 연성을 크게 감소시키므로 그 함량을 최소화할 필요가 있다. 본 발명에서는 상기 S을 0.005% 이하로 함유하더라도 의도하는 물성 확보에는 큰 무리가 없으므로, 상기 S의 상한을 0.005%로 제한할 수 있다. 다만, 제강공정시 부하를 고려하여 0%는 제외할 수 있다.

알루미늄(Al): 0.01~0.06%

알루미늄(Al)은 강의 탈산에 필수적인 원소로서, 강의 청정성을 확보하기 위해서는 0.01% 이상으로 함유할 수 있다. 다만, 그 함량이 과도할 경우 용접부의 인성을 저해할 우려가 있으므로, 이를 고려하여 0.06% 이하로 제한할 수 있다.

티타늄(Ti): 0.005~0.02%

티타늄(Ti)은 강 제조 공정 중 가열 과정에서 오스테나이트가 과도하게 성장하는 것을 억제하여, 오스테나이트-페라이트 변태시 페라이트의 결정립을 미세화하는데 유용한 원소이다. 상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.005% 이상으로 Ti을 포함할 수 있으나, 그 함량이 0.02%를 초과하게 되면 조대한 질화물을 형성하여 결정립 미세화 효과가 감소하고, 충격인성도 열화된다.

따라서, 본 발명에서는 상기 Ti을 0.005~0.02%로 포함할 수 있다.

니오븀(Nb): 0.01~0.03%

니오븀(Nb)은 강 제조 공정 중 압연 과정에서 탄질화물로 석출하여 오스테나이트의 결정립을 미세화시키는데에 유효하며, 강도 향상에도 기여한다. 이러한 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.01% 이상으로 Nb을 첨가할 수 있으나, 그 함량이 0.03%를 초과하게 되면 강도가 지나치게 상승하여 연성의 확보가 곤란해지고, 용접부 인성도 저해할 우려가 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 Nb을 0.01~0.03%로 포함할 수 있다.

질소(N): 0.002~0.006%

질소(N)는 상기 Ti, Nb 등과 결합하여 강 가열 중에 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하고, 압연 중에 미세한 탄질화물을 형성함으로써 결정립 미세화 효과를 얻는데에 유리하다. 이를 위해서는 0.002% 이상으로 N을 첨가할 수 있으나, 그 함량이 0.006%를 초과하게 되면 주편과 강재의 표면 품질을 해칠 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 N를 0.002~0.006%로 포함할 수 있다.

니켈(Ni): 0.5% 이하(0% 포함)

니켈(Ni)은 상기 Mn과 유사하게 페라이트 결정립을 미세화하여 강도를 높이면서, 연신율은 크게 저해하지 않는 원소이다. 이러한 Ni을 일정 함량으로 추가 첨가함으로써, 본 발명에서 목표로 하는 강도, 연성 및 저온 인성을 보다 유리하게 확보할 수 있다. 하지만, 그 함량이 0.5%를 초과하게 되면 연신율의 저하가 발생하고, 제조비용이 증가하게 되므로, 상기 Ni은 0.5% 이하로 포함할 수 있다.

본 발명에서는 상기 Ni을 첨가하지 않더라도 물성 확보에는 무리가 없는 바, 0% 이어도 무방하다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

상술한 합금조성을 가지는 본 발명의 강재는 미세조직으로 폴리고날 페라이트를 주상으로 포함하고, 제2상으로 펄라이트와 베이나이트를 포함할 수 있다.

본 발명과 같은 강재의 미세조직이 페라이트 단상인 경우, 본 발명에서 목표로 하는 수준의 강도를 확보하기 위해서는 상기 페라이트의 평균 결정립 크기(입경)가 매우 작아야 하며, 이러할 경우 강의 균일 연신율이 크게 감소하여 목표로 하는 총 연신율의 달성이 불가능하게 된다. 또한, 미세조직이 애시큘러 페라이트 또는 베이나이트 단상으로 이루어지는 경우에도 강도는 우수하나, 고연성의 확보가 어렵다.

게다가, 페라이트를 주상으로 하고, 제2상이 경질상(베이나이트 또는 마르텐사이트)인 경우에도 균일 연신율은 우수한 반면, 네킹(necking) 이후의 연성을 나타내는 포스트 연신율이 열위해져 총 연신율의 확보가 어려워진다.

따라서, 본 발명은 강재의 강도와 연성의 균형을 확보하기 위하여 상기 강재의 미세조직으로 페라이트-펄라이트 복합조직을 형성하며, 이러한 강재의 제조공정 중 일부 포함될 수 있는 베이나이트의 분율을 최소화함으로써, 의도하는 물성을 확보할 수 있다.

특히, 상기 제2상 중 펄라이트는 면적분율 5~25%로 포함하고, 상기 베이나이트는 면적분율 2% 이하(0% 포함)인 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 펄라이트의 분율이 5% 미만이면 목표 수준의 강도를 확보하기 어려우며, 그 분율이 25%를 초과하게 되면 연신율이 저하되고 목표로 하는 인성을 달성할 수 없다. 한편, 상기 베이나이트의 분율이 2%를 초과하게 되면 포스트 연신율이 저하되어 본 발명에서 목표로 하는 총 연신율의 확보가 곤란해진다.

한편, 상기 폴리고날 페라이트의 평균 결정립 크기(원 상당 직경)가 작을수록 강의 강도와 저온 인성을 향상시킴에는 유리한 반면, 연신율은 감소하므로 상기 폴리고날 페라이트의 평균 결정립 크기를 적절히 제어할 필요가 있다.

폴리고날 페라이트의 평균 결정립 크기와 연신율의 관계는 선형적이지 않으며, 상기 폴리고날 페라이트의 평균 결정립 크기가 2㎛ 보다 작아질 경우 연신율이 급격히 감소하는 경향을 보인다.

본 발명에서는 상기 폴리고날 페라이트의 평균 결정립 크기를 2~8㎛로 제어함으로써 적절한 미세화로부터 강도와 연성의 균형을 확보할 수 있다. 만일, 상기 폴리고날 페라이트의 평균 결정립 크기가 2㎛ 미만이면 균일 연신율이 크게 감소하여 총 연신율의 확보가 어려워지며, 반면 그 크기가 8㎛를 초과하게 되면 목표 수준의 강도를 확보하기 위하여 펄라이트의 분율을 높여야 하나, 저온 충격인성이 열위하게 된다.

보다 구체적으로, 상술한 바와 같은 미세조직을 가지는 본 발명의 강재는 인장강도가 490MPa 이상, 연신율이 30% 이상, -40℃에서 충격인성이 100J 이상으로 강도 및 연성뿐만 아니라 저온 인성을 동시에 우수하게 확보할 수 있다.

이하, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 연성 및 저온 인성이 우수한 고강도 강재를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 고강도 강재는 본 발명에서 제안하는 합금조성을 만족하는 강 슬라브를 [가열 - 열간압연 - 냉각]의 일련의 공정을 거쳐 제조할 수 있다.

이하에서는 상기 각각의 공정 조건에 대하여 상세히 설명한다.

강 슬라브 가열

본 발명에서는 열간압연을 행하기에 앞서 강 슬라브를 가열하여 균질화 처리하는 공정을 거치는 것이 바람직하며, 이때 1100~1200℃에서 가열 공정을 행함이 바람직하다.

만일, 가열 온도가 1100℃ 미만이면 충분히 균일화되지 못하고, 강 슬라브의 두께 중심부에 존재하는 Nb 탄질화물 등이 충분히 용해되지 못하여 목표 수준의 강도를 확보하기 어려워진다. 반면, 그 온도가 1200℃를 초과하게 되면 오스테나이트 결정립의 이상입성장(abnormal grain growth)에 의해 연신율과 저온 인성이 저하되므로 바람직하지 못하다.

상술한 온도범위에서 가열을 행함에 있어서, 가열 시간은 강 슬라브의 두께에 따라 다르게 설정할 수 있으며, 강 슬라브의 표면부로부터 두께 중심부까지 충분히 균일화될 수 있도록 설정함이 바람직하다. 통상, 강 슬라브의 두께 1mm당 1분 이상 가열을 행할 수 있다.

열간압연

상기에 따라 가열된 강 슬라브를 열간압연하여 열연강판을 제조할 수 있으며, 이때 2단계의 압연을 거칠 수 있다.

구체적으로, 첫 번째 압연으로 조압연을 행하며, 이는 가열된 강 슬라브를 가열로에서 추출한 직후 바로 행할 수 있다. 상기 조압연은 최종 강판의 폭을 확보하기 위한 폭내기 압연을 포함하여, 후속하는 두 번째 압연인 마무리 압연을 개시하는 두께까지 압연을 행할 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 두 번째 압연으로 마무리 압연을 행하며, 의도하는 두께를 가지도록 압연을 행할 수 있다. 본 발명에서는 상기 마무리 압연시 Ar3+70℃~Ar3+170℃의 온도범위에서 행하는 것이 바람직하다.

일반적으로 마무리 압연시 온도가 낮을수록 최종 조직의 페라이트 결정립 크기가 감소하므로 강도와 저온 인성을 향상시킬 수 있는 반면, 연신율은 감소하게 된다.

따라서, 본 발명에서 목표로 하는 강도, 연성과 더불어 저온 인성을 동시에 향상시키기 위해서는 적정한 온도범위에서 마무리 압연을 행하여야 하나, 그 온도범위가 매우 협소할 수 있으며, 그러할 경우 공업적으로 강재의 제조가 어려워지는 문제가 있다.

이에, 본 발명자들은 합금조성과 제조공정 사이의 관계를 깊이 연구한 끝에, 합금조성 중 Mn 또는 Mn과 Ni을 적절히 첨가하는 것으로부터 마무리 압연시 의도하는 물성 확보에 유리한 온도범위를 확대할 수 있음을 발견하였다.

구체적으로, 상기 Mn과 Ni은 페라이트 변태 온도를 낮춰 페라이트 결정립 미세화를 유도하며, 이로부터 강도와 저온 인성 향상을 도모하는 한편, 연신율을 크게 저해하지 않는다.

이로부터, 본 발명에서 제안하는 Mn, Ni의 함량 범위에서 마무리 압연을 Ar3+70℃~Ar3+170℃의 온도범위에서 행함으로써 강도 및 연성과 더불어 저온 인성이 우수한 강재를 얻을 수 있다.

상기 마무리 압연시 온도가 Ar3+70℃ 미만이면 강의 강도가 급격히 증가하여 연신율이 크게 감소하게 되며, 반면 그 온도가 Ar3+170℃를 초과하게 되면 오스테나이트가 조대화되어 최종 조직인 페라이트의 결정립이 조대화되므로 강도와 저온 인성이 열위하는 문제가 있다.

여기서, Ar3는 하기와 같은 성분식으로 나타낼 수 있다.

[Ar3 = 910 - 310C - 80Mn - 20Cu - 55Ni - 15Cr - 80Mo (각 원소는 중량함량을 의미한다)]

또한, 상술한 온도범위에서 마무리 압연시 누적 압하율이 60~90%가 되도록 행하는 것이 바람직하다. 만일, 마무리 압연시 누적 압하율이 60% 미만이면 페라이트 평균 결정립 크기가 조대해져 목표 수준의 강도를 확보하기 어렵고, 반면 90%를 초과하게 되면 페라이트 평균 결정립 크기가 너무 미세해져 강도 확보에는 유리한 반면, 연신율이 열위하게 된다.

냉각

상술한 바에 따라 열간압연을 행하여 제조된 열연강판을 냉각할 수 있으며, 이때 공냉을 통해 상온까지 냉각하는 것이 바람직하며, 대기 중에 냉각하는 것을 의미한다.

상기 냉각시 수냉을 적용할 경우, 페라이트가 과도하게 미세화되거나 제2상으로 베이나이트와 같은 경질상의 분율이 증가하게 되어 냉각 불균일의 확률이 높아지고, 포스트 연신율의 확보가 어려워 결국 총 연신율의 확보가 곤란해지는 문제가 있다.

상술한 일련의 제조공정을 거쳐 제조된 본 발명의 강재는 8~15mm의 두께를 가지며, 상기 두께 범위 내에서 어떠한 두께를 가지던지 관계없이 본 발명에서 의도하는 미세조직을 균일하게 형성할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

( 실시예 )

하기 표 1에 나타낸 합금조성을 가지는 용강을 제조한 다음, 연속주조법으로 250mm 두께의 강 슬라브를 얻었다. 이후, 하기 표 2에 나타낸 조건으로 가열, 압연, 냉각을 거쳐 최종 8~15mm의 두께를 가지는 강판을 제조하였다. 이때, 상기 냉각은 공냉과 수냉으로 나누어 적용하였으며, 수냉의 경우 약 20℃/s의 냉각속도로 행하고, 650℃에서 수냉을 종료한 다음 상온까지 공냉하였다.

강번	합금조성 (중량%)										Ar3
	C	Si	Mn	P	S	Al	Ti	Nb	N	Ni
1	0.11	0.23	1.34	0.008	0.003	0.035	0.014	0.022	0.003	0	769
2	0.09	0.28	1.47	0.011	0.002	0.023	0.012	0.026	0.004	0	765
3	0.08	0.34	1.53	0.007	0.004	0.019	0.013	0.021	0.003	0.13	756
4	0.08	0.25	1.34	0.007	0.003	0.041	0.016	0.014	0.005	0.45	753
5	0.07	0.42	1.63	0.009	0.004	0.031	0.008	0.026	0.003	0	758
6	0.05	0.39	1.74	0.008	0.002	0.033	0.009	0.026	0.003	0	755
7	0.14	0.25	1.35	0.007	0.003	0.038	0.012	0.021	0.004	0	759
8	0.04	0.36	1.65	0.009	0.003	0.025	0.013	0.027	0.003	0	766
9	0.08	0.41	1.58	0.009	0.004	0.048	0.002	0.018	0.005	0	759
10	0.09	0.29	1.45	0.011	0.003	0.036	0.012	0.003	0.004	0	766

강번	두께 (mm)	가열온도 (℃)	마무리 압연 온도(℃)	마무리 압연 누적 압하율(%)	냉각	구분
1	15	1124	893	70	공냉	발명예 1
2	15	1135	903	80	공냉	발명예 2
3	15	1108	881	80	공냉	발명예 3
4	15	1123	854	85	공냉	발명예 4
5	15	1143	884	80	공냉	발명예 5
2	11	1172	881	80	공냉	발명예 7
3	11	1149	865	80	공냉	발명예 8
4	11	1155	853	70	공냉	발명예 9
5	8	1189	892	70	공냉	발명예 10
6	8	1194	913	80	공냉	발명예 11
7	15	1243	909	80	공냉	비교예 1
8	15	1133	892	75	공냉	비교예 2
9	15	1119	845	85	수냉	비교예 3
10	15	1129	841	50	수냉	비교예 4
5	15	1134	852	80	수냉	비교예 5
6	23	1132	867	85	공냉	비교예 6

상술한 바에 따라 제조된 각각의 강판의 미세조직을 관찰하기 위하여, 각각의 강판 두께의 t/4 지점(여기서 t는 강판 두께(mm)를 의미함)에서 시편을 채취하여 연마하고, 나이탈 부식 용액으로 에칭한 다음 광학현미경으로 관찰하였다. 이후, 광학현미경에 연결된 이미지 분석기(image analyzer)를 이용하여 폴리고날 페라이트의 평균 결정립 크기(원 상당 직경), 펄라이트 분율 및 베이나이트 분율을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 이때, 펄라이트와 베이나이트 분율은 면적을 기준으로 측정하였다.

또한, 각각의 강판의 폭의 1/4 지점에서 인장시편과 충격시편을 채취하여 기계적 물성을 평가하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

이때, 인장시편은 시편의 길이가 강판의 폭 방향이 되도록 시편 폭 25mm, 시편 두께는 강판 두께로 하여 표점길이를 5.65×√(시편 폭×시편 두께)로 하는 비례시편으로 가공하였으며, 상온 인장 시험을 통해 항복강도(YS), 인장강도(TS), 총 연신율(El) 값을 측정하였다.

그리고, 충격시편은 시편의 길이가 강판의 폭 방향이 되도록 하여 ASTM E 23 Type A 표준시편으로 가공(단, 두께가 8mm인 강판은 서브사이즈(subsize) 시편(10mm×7.5mm)으로 가공)한 후 -40℃에서 충격시험을 실시하였으며, 3개의 시편으로부터 흡수된 에너지의 평균으로 나타내었다.

구분	미세조직			기계적 물성
	페라이트 평균 결정립 크기 (㎛)	펄라이트 분율 (면적%)	베이나이트 분율 (면적%)	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	총 연신율 (%)	충격인성 (-40℃, J)
발명예 1	7.2	22	1	374	537	33	211
발명예 2	7.8	17	1	367	521	35	179
발명예 3	5.5	15	0	398	523	37	311
발명예 4	4.7	14	0	382	518	35	327
발명예 5	6.1	10	1	375	519	36	336
발명예 7	3.8	18	0	385	521	33	299
발명예 8	2.6	16	0	419	520	36	312
발명예 9	2.8	14	0	423	528	35	325
발명예 10	2.1	19	1	432	526	35	124
발명예 11	2.3	16	2	416	531	34	132
비교예 1	10.2	29	1	391	569	28	75
비교예 2	7.2	4	0	367	481	34	259
비교예 3	6.3	6	14	425	563	28	277
비교예 4	8.8	7	18	413	565	27	84
비교예 5	4.7	3	21	444	552	29	247
비교예 6	9.5	14	1	352	486	34	192

(상기 표 3에서 펄라이트와 베이나이트 분율을 제외한 나머지는 폴리고날 페라이트이다.)

상기 표 1 내지 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 합금조성 및 제조조건을 모두 만족하는 발명예 1-5, 7-11은 강도, 연성 및 저온 인성이 모두 목표 수준 이상으로 확보됨을 확인할 수 있다.

반면, 합금조성 중 C 함량이 과다하고, 슬라브 가열시 온도가 너무 높은 비교예 1은 펄라이트 분율이 높고, 페라이트 평균 결정립의 크기가 조대하여 연신율과 충격 에너지 값이 열위하였다. 또한, 합금조성 중 C 함량이 미비한 비교예 2는 펄라이트 분율이 낮아 목표 수준의 강도를 확보할 수 없었다.

한편, 열간압연 후 냉각시 수냉을 적용한 비교예 3 내지 5는 베이나이트 상이 과도하게 형성되어 강도는 높은 반면, 연신율이 30% 미만으로 열위하였다. 이 중, 마무리 압연시 누적 압하율이 불충분한 비교예 4의 경우에는 저온 인성도 열위한 것을 확인할 수 있다.

비교예 6은 최종 강판의 두께가 23mm인 것으로서, 열간압연 후 공냉을 적용하였으나 상대적으로 공냉 속도가 느려 목표 수준의 강도를 확보할 수 없었다.

Claims (6)

1. 중량%로, 탄소(C): 0.05~0.12%, 실리콘(Si): 0.2~0.5%, 망간(Mn): 1.2~1.8%, 인(P): 0.012% 이하, 황(S): 0.005% 이하, 알루미늄(Al): 0.01~0.06%, 티타늄(Ti): 0.005~0.02%, 니오븀(Nb): 0.01~0.03%, 질소(N): 0.002~0.006%, 니켈(Ni): 0.5% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
   미세조직으로 주상이 평균 결정립 크기(원 상당 직경)가 2~8㎛인 폴리고날 페라이트, 제2상으로 펄라이트와 베이나이트를 포함하며,
   상기 제2상 중 펄라이트는 면적분율 5~25%, 베이나이트는 면적분율 2% 이하(0% 포함)로 포함하고,
   -40℃에서 충격인성이 100J 이상이며, 두께가 8~15mm인 연성 및 저온 인성이 우수한 고강도 강재.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 강재는 인장강도가 490MPa 이상, 연신율이 30% 이상인 연성 및 저온 인성이 우수한 고강도 강재.
   
4. 중량%로, 탄소(C): 0.05~0.12%, 실리콘(Si): 0.2~0.5%, 망간(Mn): 1.2~1.8%, 인(P): 0.012% 이하, 황(S): 0.005% 이하, 알루미늄(Al): 0.01~0.06%, 티타늄(Ti): 0.005~0.02%, 니오븀(Nb): 0.01~0.03%, 질소(N): 0.002~0.006%, 니켈(Ni): 0.5% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1100~1200℃의 온도범위에서 가열하는 단계;
   상기 가열된 강 슬라브를 조압연 및 마무리 압연하여 열연강판으로 제조하는 단계; 및
   상기 열연강판을 상온까지 공냉하는 단계를 포함하고,
   상기 마무리 압연은 853℃~Ar3+170℃의 온도범위에서 행하며, 8~15mm의 두께를 가지는 연성 및 저온 인성이 우수한 고강도 강재의 제조방법.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 마무리 압연은 누적 압하율 60~90%가 되도록 행하는 것인 연성 및 저온 인성이 우수한 고강도 강재의 제조방법.
   
6. 삭제