KR20010017295A

KR20010017295A - 강도와 인성이 우수한 크롬-몰리브덴강 제조방법

Info

Publication number: KR20010017295A
Application number: KR1019990032742A
Authority: KR
Inventors: 장웅성; 김숙환
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사; 신현준; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 1999-08-10
Publication date: 2001-03-05

Abstract

본 발명은 강도와 인성이 우수한 크롬-몰리브덴강 제조방법에 관한 것이며, 그 목적하는 바는 강중 탄소함량을 0.10이하로 매우 낮추고 이에 따른 강도보상 차원으로 직접소입법을 적용함으로서, 강의 강도향상과 용접성 개선을 동시에 확보하는 Cr-Mo강의 제조방법을 제공하고자 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량비로, C:0.10이하, Si:0.40이하, Mn:0.1-1.0, Cr:1.8-3.5, Mo:0.8-1.6, Al:0.08이하, P:0.010이하, S:0.004이하, N:0.006이하를 함유하고, Cu:0.5이하, Ni:0.5이하, V:0.10-0.40, Nb:0.005-0.1, Ti:0.005-0.030, B:0.0005-0.003로 이루어지고, 상기 Cu와 Ni의 합이 0.5이하인 그룹으로 부터 선택된 1종 또는 2종이상을 함유한 강 소재를 900℃-Ar₃온도범위에서 압하율이 5-20인 경압하압연을 행한 후, 직접소입하고 이어서 소려처리 및 응력제거소둔처리를 행하는 강도와 인성이 우수한 Cr-Mo강 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

강도와 인성이 우수한 크롬-몰리브덴강 제조방법{A Method for Manufacturing Cr-Mo Steels with Excellent Strength and Toughness}

본 발명은 주로 구조용강으로 사용되는 Cr-Mo강의 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 우수한 강도 및 인성을 보이고, 용접성이 개선된 Cr-Mo강의 제조방법에 관한 것이다.

종래부터 2.25Cr-1Mo강은 석유공장, 화학공장, 발전소 등의 플랜트 구조용강으로서 널리 사용되고 있다. 이 강은 높은 Cr, Mo 함량에 의해 고온환경에서 요구되는 내산화성, 고온강도, 내크리이프(creep)성 등 중고온용강이 필요로 하는 성능을 만족시키는 것이다. 그러나, 최근들어 상기와 같은 플랜트에 있어서 효율증대를 위해 조업조건의 고온, 고압화, 플랜트의 대형화 추세를 보이고 있으며, 현행의 조업조건 플랜트에 있어서도 부재의 박물화에 의해 건설시 재료 비용(cost)을 저감하려는 노력이 행해지고 있다. 또한, 석유화학공업 등에 있어서 플랜트의 조업조건도 점점 고온, 고압화되고 있는 상황이다. 따라서, 기존의 강재보다 높은 강도와 인성을 요구하고 있다. 게다가 이러한 구조물은 다양한 용접공정을 통해 제작되므로 이에 따른 강재의 우수한 용접성이 보장되지 않으면 안된다.

통상 2.25Cr-1Mo강은 다량의 Cr, Mo 외에도 강도 확보를 위해 C, Si, Mn 등의 합금성분이 첨가되어 용접시 저온균열 발생 방지를 위해 높은 예열온도를 필요로 하고 용접후 열처리시 재열균열이 발생하기 쉽다. 따라서, 2.25Cr-1Mo강의 경우 모재의 강도와 인성을 향상시키는 노력과 함께 용접성을 개선하는 작업이 동시에 요구되는 어려운 점이 있다. 일반적으로 강도 향상은 용접성 저하를 의미한다.

일본의 특개소61-223162호 공보에 따르면 V과 Nb의 미량첨가에 의해 Cr-Mo강의 강도향상을 도모하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, V, Nb 첨가에 의한 강도향상을 얻기 위해서는 강재의 고온가열이 필요하고 그를 위해 가열설비가 필요하다. 또한, 오스테나이트 결정립 조대화를 초래하여 인성의 저하가 현저해지는 문제점이 있다.

이에 본 발명자들은 상기 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 연구와 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 강중 탄소함량을 0.10이하로 매우 낮추고 이에 따른 강도보상 차원으로 직접소입법을 적용함으로서, 강의 강도향상과 용접성 개선을 동시에 확보하는 Cr-Mo강의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량비로, C:0.10이하, Si:0.40이하, Mn:0.1-1.0, Cr:1.8-3.5, Mo:0.8-1.6, Al:0.08이하, P:0.010이하, S:0.004이하, N:0.006이하를 함유하고, Cu:0.5이하, Ni:0.5이하, V:0.10-0.40, Nb:0.005-0.1, Ti:0.005-0.030, B:0.0005-0.003로 이루어지고, 상기 Cu와 Ni의 합이 0.5이하인 그룹으로 부터 선택된 1종 또는 2종이상을 함유한 강 소재를 900℃-Ar₃온도범위에서 압하율이 5-20인 경압하압연을 행한 후, 직접소입하고 이어서 소려처리 및 응력제거소둔처리를 행하는 것을 특징으로 하는 강도와 인성이 우수한 Cr-Mo강 제조방법에 관한 것이다.

다음에서는 본 발명을 상세히 설명하는데 먼저 강성분조성에 대하여 상세히 설명한다.

C:0.10이하

상기 C는 강도 및 소입성 확보에 유용한 원소이지만, 0.10를 초과하면 용접성이 저하하기 때문에, 0.10이하로 한정한다.

Si:0.40이하

상기 Si는 강도를 확보하는데 유효한 원소이지만, 0.40를 초과하면 소려취화, 수소침식에 대한 감수성이 증대하고 또한 크리이프파단응력도 저하하는 경향을 보이기 때문에, 0.40이하로 한정한다.

Mn:0.1-1.0

상기 Mn은 탈산작용, 강도 및 소입성 확보를 위해 0.1이상 함유시켜야 하는 반면, 1.0를 초과하면 소려취화 감수성이 증대하고 열처리시 산화에 의해 표면성상이 열화되기 때문에, 0.1-1.0범위로 한정한다.

Cr:1.8-3.5

상기 Cr은 강도, 인성, 내식성, 내수소침식성 향상에 유효한 원소인데, 그 함량이 1.8미만에서는 효과가 미미하고, 3.5를 초과하면 용접성이 열화되는 문제가 있다. 따라서, Cr의 함량은 1.8-2.5범위로 한정한다.

Mo:0.8-1.6

상기 Mo는 강도, 인성 및 크리이프 파단강도 향상에 효과가 있지만, 그 함량이 0.8미만에서는 효과가 미미하고, 1.6를 초과하는 경우에는 그 효과가 포화되어 원가측면에서 불리하다. 따라서, Mo의 함량은 0.8-1.6범위로 한정한다.

Al:0.08이하

상기 Al은 0.08를 초과하면 내수소침식성이 저하하고 열간가공성이 저하하기 때문에, 그 함량을 0.08이하로 한정한다.

P:0.010이하

상기 P는 입계에 편석하여 소려취화를 유발하므로 낮을수록 좋으나, 실조업에서 소려취화가 일어나지 않고, 조업원가 상승을 초래하지 않는 0.01이하로 한정한다.

S:0.004이하

상기 S는 0.004이하로 제한하는 경우 내수소침식성, 내SR균열성을 향상되기 때문에, 0.004이하로 한정한다.

N:0.006이하

상기 N는 0.006이하로 제한하는 경우 내수소침식성, 내SR균열성 및 크리이프 파단강도의 향상을 도모할 수 있기 때문에, 0.006이하로 한정한다.

Cu:0.5이하, Ni:0.5이하

상기 Cu 및 Ni는 모두 소입성 향상에 큰 효과를 나타내지만 Cu, Ni의 합이 0.5를 초과하는 경우 원가에 비해 효과가 크지 않고 소려취화감수성을 증대시킨다. 따라서, Cu와 Ni는 첨가시 단독 또는 복합으로 첨가되며 그 합을 0.5이하로 한정한다.

V:0.10-0.40

상기 V의 함량이 0.10를 초과하면 내수소침식성, 고온강도, 크리이프강도가 향상되며 특히 0.20를 초과하여 첨가하면 더 우수한 효과를 보이나, 0.4를 초과하면 SR균열감수성이 증대되는 문제점이 있다. 따라서, V는 첨가시 0.10-0.40범위로 한정하는 것이며, 보다 바람직하게는 0.20-0.35범위로 함유시키는 것이 좋다.

Nb:0.005-0.1

상기 Nb는 상온강도, 고온강도를 향상시키고 또한 SR균열감수성을 낮추기 위해 0.005이상 첨가시키나, 0.1를 초과하여 첨가하면 비금속개재물을 형성하여 제조성이 손상된다. 따라서, Nb는 첨가시 0.005-0.1범위로 한정하는 것이며, 보다 바람직하게는 0.005-0.05범위로 함유시키는 것이 좋다.

Ti:0.005-0.030

상기 Ti는 TiN으로 석출하고 강중의 고용N를 저하시키는 효과가 있다. N를 저하시킴으로서 내수소침식성, 내SR균열성이 향상된다. 따라서, N량의 상한을 규정하는 것 이외에 Ti첨가에 의해 N을 고정화하여 실효적인 N량(고용N량)을 더욱 저하시키면 한층 내수소침식성, 내SR균열성이 향상된다. 이같은 효과를 위해 적어도 0.005이상을 첨가시키는데, 0.035를 초과하여 첨가하면 인성의 저하를 초래하게 된다. 따라서, Ti는 첨가시 0.005-0.035범위로 한정한다.

B:0.0005-0.003

상기 B는 0.0005이상 첨가하여 소입성 향상을 도모할 수 있으나, 0.003를 초과하는 경우 페라이트 생성을 촉진하여 강도, 인성이 오히려 저하하게 된다. 따라서, B는 첨가시 0.0005-0.003범위로 한정한다.

다음에서는 본 발명의 제조조건에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 상기와 같은 강성분조성을 갖는 강재를 900℃-Ar₃온도범위에서 압하율이 5-20인 경압하압연을 행한다.

상기 경압하압연이 900℃미만의 온도에서 압하율이 20를 넘으면 압연변형이 커지고 강재 기계적성질의 이방성이 현저히 나타나서, 높은 안전성을 요구하는 압력용기용강에는 적합하지 않게 된다. 그러나, 압연변형에 의해 결정립내에 전위를 도입하게 되면 이어지는 소려 또는 용접후 열처리시 이 전위가 미세탄화물의 석출장소가 되어 균일한 석출을 촉진하므로서 강재 사용성능에 악영향을 미치는 조대한 입계석출물 형성을 억제하여 강재의 강도와 고온사용성능 향상에 기여한다. 900℃미만에서의 압하율이 5미만이면 그 효과가 미미하다. 또한, 압연중 강의 온도가 Ar₃점보다 낮아지면 페라이트가 석출하여 강도가 저하된다. 따라서, 본 발명에서는 열간압연의 최종단계를 900-Ar₃온도 범위, 압하율을 5-20범위로 한정한다.

또한, 본 발명명에서는 상기 경압하압연 후, 직접소입하고 이어서 소려처리 및 응력제거소둔처리를 행하는데, 열간압연을 위해 슬라브 가열은 고온에서 하므로 합금원소는 충분히 고용되고 그 후 석출강화가 충분히 기대된다.

상기 소입, 소려 및 소둔처리는 통상의 방법을 적용하여 행할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

실시예 1

하기 표1과 같이 C함량이 0.10이하인 발명강(C-F)과 C함량이 통상수준으로 첨가된 비교강(A,B)을 준비하였다.

	C	Si	Mn	Cu	Ni	Cr	Mo	V	Nb	Al	Ti	B	N
비교강A	0.14	0.40	0.45	-	-	2.26	1.01	-	-	0.01	-	-	0.005
비교강B	0.14	0.28	1.38	0.15	0.13	2.17	1.03	0.04	-	0.01	-	-	0.005
발명강C	0.08	0.14	0.46	-	-	2.22	0.97	-	-	0.01	-	-	0.004
발명강D	0.06	0.24	1.41	-	-	2.11	1.12	0.04	-	0.02	0.015	0.0009	0.004
발명강E	0.09	0.23	1.40	0.16	0.21	2.10	1.01	-	0.01	0.01	-	-	0.005
발명강F	0.09	0.24	1.46	-	-	2.21	0.98	0.04	-	0.01	-	-	0.004

상기 표1에서의 발명강(C)과 같은 조성을 보이는 슬래브를 이용하여, 하기 표2와 같은 제조조건으로 처리하여 시료를 제조하였다. 이때, 비교예(1)의 경우는 상기 슬라브를 1200℃로 2시간 가열한후 열간압연한 다음 공냉하고, 910℃로 재가열하여 노말라이징하는 일반적인 제조공정을 거쳤고, 비교예(2)의 경우는 상기 슬라브를 1200℃로 2시간 가열한 후 열간압연을 900℃이상에서 마무리하여 직접소입하였고, 비교예(3)의 경우는 1200℃로 2시간 가열한 후 열간압연을 Ar₃온도이하에서 마무리하여 직접소입하였고, 비교예(4)의 경우는 1200℃로 2시간 가열한 후 열간압연을 강압하 조건인 압하율 30로 900-Ar₃온도범위에서 마무리하여 직접소입하였다. 또한, 발명예(5-6)의 경우는 1200℃로 2시간 가열한 후 열간압연을 압하율 5-20로 900-Ar₃온도범위에서 마무리하여 직접소입하고, Ar₃-670℃ 온도범위에서 동일하게 소려처리하였다.

이와같이 제조된 시료의 기계적성질을 측정하여 그 결과를 하기 표2에 나타내었다.

	제조방법	마무리압연온도(℃)	압하율()	항복강도(kg/mm²)	인자강도(kg/mm²)	연신율()	파면천이온도(℃)
비교예1	재가열소입	-	-	47.5	62.2	23	-20
비교예2	직접소입	980	15	56.6	70.1	19	-30
비교예3	직접소입	790	19	44.3	61.2	22	-50
비교예4	직접소입	880	30	55.8	66.3	19	-40
발명예5	직접소입	880	18	55.1	67.8	24	-80
발명예6	직접소입	890	15	56.1	68.4	23	-75

상기 표2에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명의 조건을 만족하는 발명예(5-6)은 인장강도에 있어서는 68kg/mm²수준의 높은 값을 나타내었다. 이에 반하여, 통상의 재가열소입에 의한 비교예(1)의 경우와, 열간압연을 Ar₃온도 이하에서 마무리하여 직접소입한 비교예(3)의 경우는 인장강도가 각각 62kg/mm², 61kg/mm²으로 발명예에 비해 낮은 수준을 보였으며, 마무리압연온도가 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예(2)의 경우는 강도는 높게 얻어졌지만 파면천이온도가 -30℃로 발명예에 비해 저온인성이 매우 낮게 나타났다. 또한, 마무리압연시 강압하를 적용한 비교예(4)의 경우도 강도는 발명예와 유사하게 얻어졌지만 인성은 발명예에 비하여 낮은 수준을 보였다.

실시예 2

상기 표1과 같은 조성의 강들을 이용하여, 본 발명의 조건을 만족하는 방법으로 열간압연하여 직접소입한 후 동일한 온도에서 소려처리를 실시한 다음, 얻어진 시료의 인성을 측정하였다. 측정된 결과는 하기 표3에 나타내었다.

한편, 용접경화성이 높을수록 용접부에서 각종 균열의 발생 위험이 높아지므로 용접구조물의 시공 및 사용중 안전성 확보를 위해서는 용접경화성이 낮은 강재 사용이 매우 중요한 과제이다. 따라서, 본 발명강과 비교강에 대하여 용접성 평가시 가장 보편적으로 적용하는 용접열영향부 최고경도시험(입열량 17kJ/cm)을 실시하여 각 강종의 용접경화성을 비교하였으며, 그 결과를 하기 표3에 나타내었다.

	강종	모재인성(파면천이온도, ℃)	용접경화성(최고경도, Hv 10kg)
비교예 a	비교강A	-20	408
비교예 b	비교강B	-40	410
발명예 c	발명강C	-80	326
발명예 d	발명강D	-100	310
발명예 e	발명강E	-80	334
발명예 f	발명강F	-90	331

상기 표3에서 알 수 있는 바와 같이, 탄소함량이 낮은 발명강(C-F)를 적용한 발명예(c-f)의 경우, 모재인성은 파면천이온도가 -80℃이하로 매우 우수한 값을 보였다. 특히, 용접경화성을 나타내는 용접열영향부 최고경도는 비교예(a-b)의 경우 Hv 400이상의 높은 수준을 보이는데 비해 발명예(c-f)의 경우는 Hv 310-330정도로 매우 낮은 경화성을 지닌다. 이와같은 낮은 경화성은 용접부에서 발생할 수 있는 각종 저온균열에 대한 저항능을 높이므로 최종구조물의 안정성 측면에서 매우 유리하다.

상술한 바와같은 본 발명에 의하면, 얻어지는 모재의 강도와 인성이 우수하고 동시에 용접경화성이 낮으므로, 용접구조물 제조작시 용접작업공수의 절감이나 비용절감 등의 효과를 얻을 수 있다.

Claims

중량비로, C:0.10이하, Si:0.40이하, Mn:0.1-1.0, Cr:1.8-3.5, Mo:0.8-1.6, Al:0.08이하, P:0.010이하, S:0.004이하, N:0.006이하를 함유하고, Cu:0.5이하, Ni:0.5이하, V:0.10-0.40, Nb:0.005-0.1, Ti:0.005-0.030, B:0.0005-0.003로 이루어지고, 상기 Cu와 Ni의 합이 0.5이하인 그룹으로 부터 선택된 1종 또는 2종이상을 함유한 강 소재를 900℃-Ar₃온도범위에서 압하율이 5-20인 경압하압연을 행한 후, 직접소입하고 이어서 소려처리 및 응력제거소둔처리를 행하는 것을 특징으로 하는 강도와 인성이 우수한 Cr-Mo강 제조방법