KR20020016023A

KR20020016023A - Ｃｒ-Ｍｏ강의 제조방법

Info

Publication number: KR20020016023A
Application number: KR1020000049107A
Authority: KR
Inventors: 장웅성; 김숙환
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사; 신현준; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2000-08-24
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2002-03-04

Abstract

본 발명은 석유공장, 화학공장, 발전소 등의 플랜트 구조용 강으로 사용되는 Cr-Mo강의 제조방법에 관한 것으로서, 강중 탄소함량을 0.10%이하로 매우 낮추고 이에 따른 강도보상 차원으로 소준(normalizing)열처리 및 그 조건을 최적화함으로써, 강의 강도향상과 용접성 개선을 동시에 확보하는 Cr-Mo강의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량비로, C:0.10%이하, Si:0.80%이하, Mn:0.1-1.0%, Cr:0.8-3.5%, Mo:0.3-1.6%, Al:0.08%이하, P:0.010%이하, S:0.004%이하, N:0.006%이하를 함유하고, Cu:0.5%이하, Ni:0.5%이하, V:0.10-0.40%, Nb:0.005-0.1%, Ti:0.005-0.035%, 및 B:0.0005-0.004%의 그룹으로 부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하며, 상기 Cu와 Ni은 단독 혹은 복합으로 0.5% 이하 함유하는 열연강판을 소준 열처리하고, Ar₁~500℃의 온도범위까지 2-10℃/sec의 냉각속도로 강제냉각한 다음 상온까지 공냉시키고, 이어서 소려처리 및 응력제거소둔처리를 행하는 것을 특징으로 하는 Cr-Mo강의 제조방법을 그 기술적 요지로 한다.

Description

Ｃｒ-Ｍｏ강의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING Cr-Mo STEEL}

본 발명은 석유공장, 화학공장, 발전소 등의 플랜트 구조용 강으로 사용되는 Cr-Mo강의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강의 강도향상 및 용접성 개선을 동시에 확보하는 Cr-Mo강의 제조방법에 관한 것이다.

Cr-Mo강은 Cr, Mo의 함량이 높아서, 고온환경에서 요구되는 내산화성, 고온강도, 내크리이프(creep)성 등 중고온용 강이 필요로 하는 성능을 만족시킨다. 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 Cr-Mo강은, 다량의 Cr, Mo 외에도 강도 확보를 위해 C, Si, Mn 등의 합금성분이 첨가되기 때문에, 용접시 저온균열 발생 방지를 위해 높은 예열온도를 필요로 하고 용접후 열처리시 재열균열이 발생하기 쉽다. 따라서, Cr-Mo강의 경우, 모재의 강도와 인성을 향상시키는 노력과 함께 용접성을 개선하는 작업이 동시에 요구되는 어려운 점이 있다. 일반적으로 강도 향상은 용접성 저하를 의미한다.

이러한 두가지 문제를 해결하여 기계적 성질을 개선하면서 용접성을 향상시키기 위한 기술로서, 일본의 특개소61-223162호는, V과 Nb 등의 합금원소를 첨가하여 강도향상을 도모하거나, 혹은 기준의 소준-소려(normalizing-tempering)열처리 대신 직접소입-소려(direct quenching-tempering)와 같은 새로운 공정을 도입하고 있다. 그러나, V, Nb 첨가에 의한 강도향상을 얻기 위해서는 강재의 고온가열이 필요하기 때문에, 고온가열을 위한 가열설비가 요구되고, 고온가열시 오스테나이트 결정립이 조대화되어 인성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 직접소입을 위해서, 열간압연 공정 중 가속냉각 설비의 도입이 요구되는 문제도 있다.

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

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량비로, C:0.10%이하, Si:0.80%이하, Mn:0.1-1.0%, Cr:0.8-3.5%, Mo:0.3-1.6%, Al:0.08%이하, P:0.010%이하, S:0.004%이하, N:0.006%이하를 함유하고, Cu:0.5%이하, Ni:0.5%이하, V:0.10-0.40%, Nb:0.005-0.1%, Ti:0.005-0.035%, 및 B:0.0005-0.004%의 그룹으로 부터 선택된 1종 또는 2종이상을 함유하며, 상기 Cu와 Ni은 단독 혹은 복합으로 0.5% 이하 함유하는 열연강판을 소준 열처리하고, Ar₁~500℃의 온도범위까지 2-10℃/sec의 냉각속도로 강제냉각한 다음 상온까지 공냉시키고, 이어서 소려처리 및 응력제거소둔처리를 행하는 것을 특징으로 하는 Cr-Mo강의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하는데 먼저 강성분조성에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 Cr-Mo 강 성분 중 상기 C는, 강도 및 소입성 확보에 유용한 원소이지만, 0.10%를 초과하면 용접성이 저하하기 때문에, 0.10%이하로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 Si는 강도를 확보하는데 유효한 원소이지만, 0.80%를 초과하면 소려취화, 수소침식에 대한 감수성이 증대하고 또한 크리이프파단응력도 저하하는 경향을보이기 때문에, 0.80%이하로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 Mn은 탈산작용, 강도 및 소입성 확보를 위해 0.1%이상 함유시켜야 하지만, 그 함량이 1.0%를 초과하면 소려취화 감수성이 증대하고 열처리시 산화에 의해 표면성상이 열화되기 때문에, 0.1-1.0%범위로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 Cr은 강도, 인성, 내식성, 내수소침식성 향상에 유효한 원소인데, 그 함량이 0.8%미만에서는 효과가 미미하고, 3.5%를 초과하면 용접성이 열화되는 문제가 있다. 따라서, Cr의 함량은 0.8-3.5%의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 Mo는 강도, 인성 및 크리이프 파단강도 향상에 효과가 있지만, 그 함량이 0.3%미만에서는 효과가 미미하고, 1.6%를 초과하는 경우에는 그 효과가 포화되어 원가측면에서 불리하다. 따라서, Mo의 함량은 0.3-1.6%범위로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 Al은 0.08%를 초과하면 내수소침식성이 저하하고 열간가공성이 저하하기 때문에, 그 함량을 0.08%이하로 한정하는 것이 바람직하다.

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

상기 S는 0.004%이하로 제한하는 경우 내수소침식성, 내SR균열성이 향상되기 때문에, 0.004%이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 N는 0.006%이하로 제한하는 경우 내수소침식성, 내SR균열성 및 크리이프 파단강도의 향상을 도모할 수 있기 때문에, 0.006%이하로 한정하는 것이 바람직하다.

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

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

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

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. 이 같은 효과를 위해 적어도 0.005%이상을 첨가시키는데, 0.035%를 초과하여 첨가하면 인성의 저하를 초래하게 된다. 따라서, Ti는 첨가시 그 함량을 0.005-0.035%범위로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 B는 0.0005%이상 첨가하여 소입성 향상을 도모할 수 있으나, 0.004%를 초과하는 경우 페라이트 생성을 촉진하여 강도, 인성이 오히려 저하하게 된다. 따라서, B는 첨가시 0.0005-0.004%범위로 한정하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 제조조건에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 상기와 같은 강성분조성을 갖는 열연강판을 소준열처리하고,강재의 두께에 따라 일정시간 유지한 후 냉각 테이블상에 설치한 강제공냉장치를 이용하여 제어냉각을 실시한다. 이 때, 소준열처리는 통상의 온도범위인 Ac₃~930℃에서 실시하는 것이 바람직하고, 제어냉각은 판두께에 관계없이 강재 중심부에서의 냉각속도가 2-10℃/sec가 되도록 조절하여 Ar₁~550℃ 온도범위까지 강제공냉한 후 상온까지 자연 냉각시키는 식으로 행하는 것이 바람직하다. 상기 강제냉각을 Ar₁~550℃ 온도범위까지 실시한 다음, 자연냉각을 실시하면, 미세한 Cr, Mo계 탄화물의 석출을 조장할 수 있다.

한편, 통상의 강재는 별도의 강제냉각없이 자연 냉각되므로 강재의 두께에 따라 냉각속도가 달라지는데, 통상 그 냉각속도는 1℃/sec 전후가 된다. 본 발명에서는 강제냉각을 실시하기 위해, 소준온도에서 Ar₁~550℃ 온도범위까지 2-10℃/sec의 냉각속도로 냉각하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 냉각속도가 2℃/sec 미만이면 강제냉각의 효과가 없고, 10℃/sec 보다 빠르면 냉각속도에 따른 기계적 성질의 변화가 커져서 재질 제어가 용이하지 않기 때문이다.

상기와 같이, 소준한 강재는 소려 및 응력제거소둔처리를 실시한 후 사용하는데, 소려처리는 통상의 온도범위인 Ac₁~670℃에서 실시하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

실시예 1

하기 표1과 성분을 달리하여 강 슬래브를 제조하고, 본 발명의 제조조건에 따라, 소준열처리 및 강제냉각을 적용한 후 Ac₁~670℃의 온도범위에서 소려처리를 실시한 다음, 모재의 기계적 성질을 측정하였다. 또한, 모재의 용접경화성 평가는 통상 행해지고 있는 용접 열영향부 최고경도 시험(입열량 17kJ/cm)으로 실시하고, 그 평가결과는 하기 표2에 나타내었다.

구분	화학성분(중량%)
구분	C	Si	Mn	Cu	Ni	Cr	Mo	V	Nb	Al	Ti	B	N
비교강1	0.16	0.35	0.58			1.04	0.52			0.01			0.004
비교강2	0.15	0.68	0.51	0.21	0.14	1.32	0.56			0.01			0.004
비교강3	0.14	0.40	0.45			2.26	1.01			0.01			0.005
발명강1	0.08	0.34	0.56			1.02	0.52			0.01			0.004
발명강2	0.06	0.36	0.54			0.99	0.53	0.20	0.02	0.02	0.014		0.004
발명강3	0.09	0.55	0.52			1.25	0.55			0.01			0.005
발명강4	0.08	0.54	0.53	0.16	0.15	1.26	0.56	0.20		0.02	0.010	0.0009	0.004
발명강5	0.08	0.14	0.46			2.22	0.97			0.01		0.0012	0.004
발명강6	0.06	0.24	0.41			2.11	1.12	0.20		0.02	0.015	0.0009	0.004

구분	강종	기계적 성질
구분	강종	모재인성(파면천이온도,℃)	용접경화성(최고경도,Hv 10kg)
비교재a	비교강1	-20	367
비교재b	비교강2	-40	386
비교재c	비교강3	-30	408
발명재a	발명강1	-70	272
발명재b	발명강2	-100	269
발명재c	발명강3	-80	284
발명재d	발명강4	-90	288
발명재e	발명강5	-70	322
발명재f	발명강6	-80	310

상기 표1, 2에 나타난 바와 같이, 탄소함량이 0.1 이하인 발명강(1)~(6)으로 제조된 발명재(a)~(f)는, 파면천이온도가 -70℃ 이하로 낮아 매우 우수한 인성치를 갖음을 알 수 있다.

한편, 용접 경화성이 높을수록 용접부에서 각종 균열의 발생 위험이 높아지므로, 용접 구조물의 시공 및 사용 중 안전성 확보를 위해서는 용접 경화성이 낮은 강재를 사용하는 것이 배우 중요한 과제이다. 상기 표1, 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 성분 함량 범위를 만족시키는 발명재(a)~(f)는 Hv값이 270~320으로, 비교재(a)~(c) 대비 매우 낮은 것을 알 수 있다.

(실시예2)

실시예 1의 발명강(5)를 이용하고, 하기 표3과 같이 제조조건을 달리하였다. 즉, 발명재(1),(2)는 열연강판을 910℃로 재가열하고 Ac₃~930℃의 온도범위에서 소준열처리한 후, 2~10℃/sec의 냉각속도로 강제냉각하고, Ac₁~670℃의 온도범위에서 소려처리하였다. 반면, 비교재(1)은 강 슬라브를 열간압연하고 공냉한 다음 910℃로 재가열하여 자연공냉하는 일반적인 소준공정으로 제조하였고, 비교재(2)는 열연강판을 910℃에서 재가열한 후 강제냉각속도를 1℃/sec로 하였고, 비교재(3)은 동일하게 소준열처리한 후 강제냉각속도를 13℃/sec로 하였고, 또한 비교재(4)는 본 발명의 강제냉각을 적용하지만, 상온까지 상기 강제냉각이 적용하였다. 상기 발명재(1),(2) 및 비교재(1)~(4)에 대한 모재의 기계적 성질 및 용접성을 평가하고, 그결과를 하기 표2에 나타내었다.

구분	냉각방식	냉각속도(℃/sec)	냉각정지온도(℃)	항복강도(kg/㎟)	인장강도(kg/㎟)	연신율(%)	파면천이온도(℃)
비교재1	공냉	0.5	－	43.2	58.6	24	-15
비교재2	강제냉각	1	600	48.3	61.9	28	-30
비교재3	강제냉각	13	600	58.3	74.2	13	0
비교재4	강제냉각	5	20	52.8	63.2	19	-30
발명재1	강제냉각	3	600	54.9	67.9	25	-70
발명재2	강제냉각	8	620	56.3	67.8	24	-65

상기, 표2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 조건을 만족하는 발명재(1),(2)는 인장강도에 있어서 68kg/mm²수준의 높은 값을 나타내었다. 이에 반하여, 통상의 자연냉각을 적용한 비교강(1)과, 냉각속도를 2℃/sec 보다 느리게 하여 강제냉각을 적용한 비교재(2)의 경우는, 인장강도가 각각 59kg/mm², 62kg/mm²로 발명재(1),(2) 대비 낮은 수준임을 알 수 있다. 또한, 강제속도를 10℃/sec 보다 빠르게 하여 강제냉각을 적용한 비교재(3)은 강도는 높았지만, 파면천이온도가 0℃로 발명재(1),(2) 대비 저온인성이 매우 낮음을 알 수 있다. 한편, 강제냉각을 상온까지 적용한 비교재(4)의 경우도 강도와 인성이 발명재(1),(2) 대비 낮은 수준임을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 얻어지는 모재의 강도와 인성이 우수하고 동시에 용접경화성이 낮으므로, 용접구조물 제조시 용접작업공수의 절감이나 비용절감 등의 효과를 얻을 수 있는 것이다.

Claims

중량비로, C:0.10%이하, Si:0.80%이하, Mn:0.1-1.0%, Cr:0.8-3.5%, Mo:0.3-1.6%, Al:0.08%이하, P:0.010%이하, S:0.004%이하, N:0.006%이하를 함유하고, Cu:0.5%이하, Ni:0.5%이하, V:0.10-0.40%, Nb:0.005-0.1%, Ti:0.005-0.035%, 및 B:0.0005-0.004%의 그룹으로 부터 선택된 1종 또는 2종이상을 함유하며, 상기 Cu와 Ni은 단독 혹은 복합으로 0.5% 이하 함유하는 열연강판을 소준 열처리하고, Ar₁~500℃의 온도범위까지 2-10℃/sec의 냉각속도로 강제냉각한 다음 상온까지 공냉시키고, 이어서 소려처리 및 응력제거소둔처리를 행하는 것을 특징으로 하는 Cr-Mo 강의 제조방법