KR19990038335A - 인장강도 150ｋｇｆ/㎟급 고장력강판의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 육상전투차량 등의 장갑소재로 사용되는 고장력강판의 제조방법에 관한 것이며; 그 목적은 종래의 125kgf/㎟급 고장력강과 유사한 화학조성의 강에 제어압연 및 직접소입 공정을 적용하여 저온충격인성이 우수한 인장강도 150kgf/㎟급 고장력강판의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고장력강판의 제조방법에 있어서,
중량%로 C:0.14-0.18%, Mn:0.5-1.5%, Si:0.15-0.35%, P:0.02%이하, S:0.008% 이하, Ni:2.5-3.5%, Cr:0.5-1.0%, Mo:0.15-0.45%, Nb:0.01-0.04%, Sol-Al: 0.02-0.06% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브를 1150-1300℃ 온도에서 가열한 후, 미재결정온도 영역에서 누적압하율 50% 이상이 되도록 하는 조건으로 제어압연한 다음, 30초 이내에 냉각을 개시하여 10-50℃/sec의 냉각속도로 상온까지 수냉한 후 150-350℃에서 소려처리하여 이루어지는 인장강도 150kgf/㎟급 고장력강판의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.
Description
본 발명은 육상전투차량 등의 장갑소재로 사용되는 고장력강판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 종래 125kgf/㎟급 강과 유사한 화학조성의 강에 제어압연 및 직접소입 공정을 적용하여 저온충격인성이 우수한 인장강도 150kgf/㎟급 고장력강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근, 육상 전투차량의 기동력 향상이 중요하게 인식되면서, 장갑소재의 고강도화에 의한 차량 경량화가 필연적으로 요구되고 있다. 또한, 장갑소재의 방호력 향상을 위해서 소재의 고강도와 함께 고인성이 요구되고 있다.
지금까지 전투차량 장갑소재용에 이용되는 강판은 인장강도 125kgf/㎟급까지의 고장력강판으로, 그 대표적인 제조방법은 다음과 같다. 중량%로, C:0.15-0.20%, Mn:0.1-0.4%, Si:0.15-0.38%, P:0.015%이하, S:0.008%이하, Ni:2.75-3.5%, Cr:1.3-1.7%, Mo:0.35-0.45%, V:0.03%이하 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 원소로 구성되는 슬라브를 1150-1300℃에서 충분히 가열하고, 각 압연패스(pass)당 10-30%의 압하율 및 900℃이상의 압연 마무리온도의 조건으로 열간압연을 한 다음, 공냉한 후 다시 900℃이상으로 재가열하여 소입하고, 이어 350-600℃에서 소려처리하여 인장강도 125kgf/㎟급까지의 고장력강판을 얻고 있다(MIL-A-12560G(MR), 31 August 1988).
그런데, 상기한 종래방법에 의해 제공되는 고장력강판은 전투차량에 요구되는 소재의 특성을 감안할 때, 강도특성이 낮다는 문제가 있다. 이 문제는 C의 증가와 함께 고가인 Ni, Cr, Mo, Co 등의 합금원소를 증가시키는 방법에 의해 상기 종래강판의 인성을 해치지 않으면서 강도를 증가시킬 수는 있다. 하지만, 이러한 방법은 탄소당량 증가에 따른 용접성 저하는 물론 생산 비용의 증가를 초래하는 문제점이 뒤따른다.
이에, 본 발명자는 고장력강에서 합금원소의 큰 증가없이 강도와 인성을 동시에 향상시키는 방법에 대해서 깊이 있게 연구와 실험을 행한 결과, 제어압연 및 직접소입 조건을 제어하면 마르텐사이트의 유효결정립의 미세화 및 전위강화 효과에 의해 그 해결이 가능하다는 것을 확인하고, 본 발명을 제안하게 이르렀다.
즉, 본 발명은 종래의 고장력강과 거의 유사한 강을 제어압연 및 직접소입 공정을 적용하여 저온충격인성이 우수한 150kgf/㎟급 고장력강판의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
도 1은 발명재와 비교재의 인장강도-충격인성 관계를 나타내는 그래프이고,
도 2는 발명재와 비교재의 미세조직을 나타내는 광학현미경 사진이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고장력강판의 제조방법은, 중량%로 C:0.14-0.18%, Mn:0.5-1.5%, Si:0.15-0.35%, P:0.02%이하, S:0.008%이하, Ni:2.5-3.5%, Cr:0.5-1.0%, Mo:0.15-0.45%, Nb:0.01-0.04%, Sol-Al: 0.02-0.06% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브를 1150-1300℃ 온도에서 가열한 후, 미재결정온도 영역에서 누적압하율 50% 이상이 되는 조건으로 제어압연한 다음, 30초 이내에 냉각을 개시하여 10-50℃/sec의 냉각속도로 상온까지 수냉한 후 150-350℃에서 소려처리하는 것을 포함하여 구성된다.
이하, 상기 성분범위 및 제조조건 한정 이유에 대해서 설명한다.
상기 C는 고장력강에서 주요 강화원소로서 그 함량이 증가하면 소입성 및 강도가 증가되지만 용접성 및 인성을 해치고 반대로 그 함량이 감소하면 소입성 및 강도가 감소하여 강도확보가 불가능하므로 0.14-0.18%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 Mn도 소입성을 향상시켜 강도를 증가시키나 과도하게 첨가될 경우에 용접성을 해치므로 0.5-1.5%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 Si 는 탈산제로 첨가되는 성분인데, 그 함량이 증가하면 항복강도는 증가하지만 연성-취성 천이온도를 높여 인성을 해치고 용접성에도 유해하므로 0.15-0.35%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 P과 S는 제강과정에서 피할수 없는 불순물 원소로서 인성 및 용접성에 유해한 원소이므로 그 함량을 P는 0.02%, S 는 0.008% 이하로 각각 제한하는 것이 바람직하다.
상기 Ni은 강의 연성-취성 천이온도를 낮춰 저온인성을 개선시키는 고장력강의 필수원소이지만, 고가인 관계로 2.5-3.5%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 Cr 과 Mo은 강의 소입성 향상을 위해서 필수적인 원소일뿐만 아니라 550℃이상의 고온소려처리시 소려연화를 억제하여 강도를 현저히 증가시키는 원소이며 그 첨가량이 증가할수록 고온소려처리시 소려연화를 억제하는 효과는 증가한다(출처-저자 : G. Krauss, 서명 : Principles of Heat Treatment of Steel), 한편 Cr과 Mo는 그 첨가량이 증가함에 따라 용접성을 해치는 것으로 알려져 있다. 따라서 350℃이하의 온도에서 소려처리함을 하나의 특징으로 하고 있는 본 발명의 경우에는 Cr과 Mo는 소입성 향상만을 위해서는 첨가되며 이와 같은 경우에는 Cr은 0.5-1.0%, Mo는 0.15-0.45%로 각각 제한하는 것이 바람직하다.
상기 Nb 은 열간압연시 오스테나이트 입도성장을 억제하는 한편, 미재결정 온도를 높여 제어압연시 압연 생산성을 높이는 효과가 있어 제어압연을 행하는 경우에 필수적인 원소지만, 그 함량이 증가함에 따라 용접성이 나빠짐으로 그 함량을 0.01-0.04%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 Sol-Al은 탈산을 위해서 필수적인 원소로서 인성을 개선시키는 효과가 있으나 그 함량이 과도하게 증가할 경우에 강중의 알루미늄 산화물 증가로 오히려 인성을 해치게 되므로 그 함량을 0.02-0.06%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 이루어진 슬라브를 1150-1300℃로 가열하는 것이 필요한데, 그 이유는 가열온도가 1150℃이하인 경우에는 압연시 변형저항의 증가로 과도한 압연부하를 초래하며, 1300℃이상의 경우에는 오스테나이트 결정립의 이상성장에 의한 조직의 불균일을 초래하여 결과적으로 인성을 해치게 되기 때문이다.
상기와 같이 가열된 슬라브를 열간압연하는데, 이때 미재결정온도 영역에서의 누적압하율이 50%이상이 되는 조건으로 열간압연하는 것이 필요하다. 그 이유는 미재결정온도 영역에서 누적압하율이 50%이하인 경우에는 오스테나이트로 부터 변태되는 마르텐사이트 유효결정립의 불충분한 미세화에 의해서 저온인성의 개선효과가 미미할 뿐만 아니라 오스테나이트로 부터 유기되는 가공전위 조직을 확보할 수 없기 때문이다.
상기와 같이 열간압연한 후 이어 수냉하는데, 이때 수냉개시까지의 유지시간은 그 시간이 짧을수록 제어압연 및 직접소입에 의한 강도와 인성증가 효과를 충분히 확보할 수 있으며, 그 유지시간이 너무 길면 오스테나이트의 재결정에 의해서 제어압연 효과가 줄어들게 되므로 30초 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 냉각을 개시하여 냉각하는 속도는 10-50℃/sec가 바람직하다. 그 이유는 냉각속도는 빠를수록 마르텐사이트 조직확보 및 미재결정압연에 의한 마르텐사이트의 강도증가의 측면에서 유리하지만, 50℃/sec이상으로 빠르면 심한 판변형을 유발하기 때문이다. 또한, 냉각속도가 너무 느리면 상부베이나이트 등의 연질조직 발생으로 강도가 저하하며 미재결정압연 효과가 감소하여 강도가 감소될 수 있기 때문이다.
상기와 같이 상온으로 냉각한 다음, 150-350℃의 온도범위에서 소려처리 한다. 소려온도는 강도와 인성에 중요한 인자로서 그 온도가 450℃이상이면 인성은 증가하나 세멘타이트 형성 및 제어압연에 의해서 생성된 전위의 소멸에 의해서 강도가 급격히 감소하여 150kgf/㎟의 강도 확보가 불가능하며, 350-450℃온도 영역에서는 소려마르텐사이트 취화현상이 발생하여 인성이 급격히 저하하므로 그 상한은 350℃로 하는 것이 바람직하다. 또한 소려온도가 너무 낮으면 강도는 우수하지만 인성의 확보가 힘들기 때문에 그 하한은 150℃로 하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[실시예]
하기 표 1과 같이 조성되는 슬라브를 1150-1300℃에서 충분히 가열하고, 하기 표 2의 조건으로 압연 및 열처리하여 제조된 각 시편에 대하여 기계적 성질을 측정하고 그 측정결과를 하기 표 3에 나타내었다. 또한 각 시편들에 대한 항복강도-충격인성 관계를 측정하여 그 결과를 도 1에 나타내었다. 그리고, 발명재(a), 비교재(2)에 비교재(5)에 대하여 광학현미경 미세조직을 관찰하고 그 결과를 도 2에 나타내었다.
| 강종 | 화 학 성 분 (중량%) | ||||||||||
| C | Mn | Si | P | S | Ni | Cr | Mo | V | Nb | Sol.Al | |
| 발명강 | 0.161 | 1.02 | 0.23 | 0.002 | 0.004 | 2.96 | 0.98 | 0.30 | - | 0.017 | 0.026 |
| 종래강 | 0.169 | 0.27 | 0.25 | 0.004 | 0.005 | 2.92 | 1.53 | 0.39 | 0.026 | - | 0.020 |
| 시편번호 | 미재결정온도영역 에서의압하율(%) | 소입방법 | 냉각속도(℃/sec) | 소려온도(℃) | 강 종 | |
| 발명재 | a | 65 | 압연후 직접소입 | 35 | 200 | 발명강 |
| b | 65 | 압연후 직접소입 | 35 | 300 | 발명강 | |
| 비교재 | 1 | 65 | 압연후 직접소입 | 35 | 400 | 발명강 |
| 2 | 0 | 압연후 직접소입 | 35 | 200 | 발명강 | |
| 3 | 0 | 압연후 직접소입 | 35 | 300 | 발명강 | |
| 4 | 0 | *재가열소입 | 35 | 200 | 발명강 | |
| 5 | 0 | *재가열소입 | 35 | 200 | 비교강 | |
| 6 | 0 | *재가열소입 | 35 | 300 | 비교강 | |
| 7 | 0 | *재가열소입 | 35 | 400 | 비교강 | |
| * 재가열소입은 통상의 압연을 완료하고, 재가열후 약 910℃의 온도에서 소입 |
| 기계적성질시편 | 항복강도(kgf/㎟) | 인장강도(kgf/㎟) | 연신율 | 충격인성(Joule) | ||
| 20℃ | -40℃ | |||||
| 발명재 | a | 127.7 | 161.9 | 14,8 | 47.0 | 44.8 |
| b | 127.5 | 154.1 | 12.9 | 45.8 | 43.9 | |
| 비교재 | 1 | 125.5 | 145.6 | 12.5 | 42.9 | 36.8 |
| 2 | 100.9 | 140.0 | 14.9 | 50.4 | 46.5 | |
| 3 | 106.5 | 140.6 | 14.2 | 52.6 | 44.5 | |
| 4 | 111.0 | 136.8 | 15.9 | 62.0 | 49.9 | |
| 5 | 108.4 | 135.6 | 15.1 | 66.0 | 59.0 | |
| 6 | 106.8 | 131.4 | 14.8 | 66.2 | 33.2 | |
| 7 | 101.2 | 128.6 | 15.7 | 64.1 | 29.4 |
참고로, 육상전투차량의 장갑소재로 사용하기 위해서는 -40℃에서의 충격인성이 40joule 이상이 되어야 한다(MIL-A-12560G(MR), 31 August 1988).
먼저, 상기 표 3에 나타난 바와같이, 본 발명에 의해서 제조된 발명재(a-b)만이 -40℃에서 충격인성의 보증이 가능한 동시에 150kgf/㎟이상의 인장강도를 만족함을 알 수 있었다.
이에 반해, 발명강을 통상의 압연-직접소입 방법으로 제조한 비교재(2-3)와 발명강을 통상의 압연-재가열소입 방법으로 제조한 비교재(4) 그리고, 종래강을 통상의 압연-재가열소입하는 종래의 방법으로 제조한 비교재(5-7)은 모두 150kgf/㎟이상의 인장강도를 만족하지 못하며, 비교재(2-5)만이 -40℃에서의 충격인성를 만족하고 있었다.
한편, 도 1에 나타난 바와같이, 본 발명에 따라 제어압연 및 직접소입법에 의해서 제조된 발명재(a, b)은 재가열소입법에 의해서 제조된 비교재(4-7)에 비해서 월등히 우수한 강도-인성의 관계를 보이고 있었다.
이를 야금학적인 관점에서 분석해 볼 때, 그 첫 번째 이유로는 미재결정압연에 의해서 심하게 변형된 오스테나이트 결정립이 마르텐사이트 래스의 핵생성을 조장하여 결과적으로 마르텐사이트의 유효결정립 미세화를 야기한 것에 있다(출처 - 저자: K.A. Taylor외 2, 서명 : Physical Metallurgy of Direct-Quenched Steels), 그 두 번째 이유로는 미재결정압연에 의해서 형성된 전위들이 직접소입에 의해서 마르텐사이트에 잔류함으로 인해서 부가적인 강도증가가 가능한 것에 있다.
이에 대한 증거는 도 2에 제시된 미세조직을 보면 확인할 수 있다. 즉, 도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 발명재(a)는 오스테나이트가 심하게 변형되었을 뿐만 아니라 변형조직이 마르텐사이트 변태 후에도 잔류함을 보이고 있다(도 2a). 반면 재가열소입법에 의해서 제조된 비교재(5)의 경우에는 그러하지 않음을 알 수 있다(도 2c).
또한, 도 1에 나타난 바와같이, 발명강을 미재결정압연 없이 통상의 열간압연 후 직접소입을 행한 비교재(2, 3)의 경우에는 발명재와 유사한 인성을 보이나 항복강도가 15-20kgf/㎟ 정도 낮다. 이는 비교재(2-3)의 경우에는 직접소입의 효과는 일부 작용하였으나 제어압연과 직접소입을 동시에 행할 경우에 야기되는 마르텐사이트의 유효결정립 미세화 및 전위강화 효과가 불충분한 것에 주요 원인이 있다. 이에 대한 증거로서 도 2에 나타낸 비교재(2)의 미세조직(도 2b)을 보면, 발명재에 비해서 오스테나이트는 거의 변형되지 않았을 뿐만 아니라 아주 큼을 알 수 있다.
그리고, 도 1에 나타난 바와같이, 발명재와 동일한 압연 및 소입공정으로 제조한 반면 최종 소려처리 만을 달리한 비교재(1)의 경우에 강도와 인성 모두 발명재에 비해서 좋지 않음을 알 수 있었다. 일반적으로 마르텐사이트는 소려온도가 높아지면 강도는 감소하는 반면 인성은 증가하는 경향을 보이지만 세멘타이트가 형성되는 온도인 350-450℃부근에서는 강도와 인성이 동시에 감소하며, 이는 야금학적으로 잘알려진 소려 마르텐사이트 취화현상이며 이는 바로 비교재(1)의 낮은 강도와 인성의 원인이다.
이상으로 부터, 본 발명재(a,b)의 경우 제어압연 및 직접소입 공정에 의해서 마르텐사이트에 잔류된 가공전위에 의해서 큰 강도증가가 이루어졌으며 또한, 제어압연 및 직접소입에 의한 마르텐사이트 유효결정립의 미세화에 의해서 강도증가는 물론 강도증가에 따른 인성감소를 억제함으로서 종래강과 유사한 인성을 보이면서 20kgf/㎟이상의 강도증가가 이룩됨을 알 수 있었다.
상술한 바와같이, 본 발명은 종래강의 성분계를 미세조정하고 제어압연 후 직접소입함으로서 종래강과 동등이상의 인성을 보이면서도 강도를 20kgf/㎟이상 향상시킬 수 있는 150kgf/㎟ 급 고장력강을 경제적으로 생산할 수 있는 효과가 있는 것이다.
Claims (1)
- 고장력강판의 제조방법에 있어서,중량%로 C:0.14-0.18%, Mn:0.5-1.5%, Si:0.15-0.35%, P:0.02%이하, S:0.008% 이하, Ni:2.5-3.5%, Cr:0.5-1.0%, Mo:0.15-0.45%, Nb:0.01-0.04%, Sol-Al: 0.02-0.06% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브를 1150-1300℃ 온도에서 가열한 후, 미재결정온도 영역에서 누적압하율 50% 이상이 되는 조건으로 제어압연한 다음, 30초 이내에 냉각을 개시하여 10-50℃/sec의 냉각속도로 상온까지 수냉한 후 150-350℃에서 소려처리하는 것을 특징으로 하는 인장강도 150kgf/㎟급 고장력강판의 제조방법.
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