KR20040081433A - 3상 나노 복합 강 - Google Patents

Abstract

마르텐사이트(13)의 래스(lath)가 얇은 막의 오스테나이트(14)와 교대로 배치된 전위 래스 조직을 포함하는 결정립과 융합된 페라이트 결정립으로 이루어진 3상 미세 조직을 포함하는 고성능의 탄소강이 개시된다. 상기 조직은 마르텐사이트-오스테나이트 결정립(12)과 융합된 페라이트 결정립(11)을 포함하며, 각 마르텐사이트-오스테나이트 결정립(12)은 실질적으로 평행한 래스(13)가 마르텐사이트 결정립으로 이루어져 있고, 이들 래스는 잔류 오스테나이트상의 얇은 막(14)에 의해 분리되어 있는 전위 래스 조직을 갖는다. 그러한 미세 조직은, 오스테나이트화 후에, 베이나이트 및 펄라이트의 형성을 피하고 상 계면에서의 석출을 피하도록 다단계의 냉각을 행하는 독특한 방법에 의해 형성될 수 있다. 원하는 미세 조직은, 주조, 열처리, 실시간 단조, 기타 통상의 야금학적 처리 과정에 의해 얻어질 수 있으며, 기계적 성질과 부식 성질의 우수한 조합을 얻을 수 있다.

Description

3상 나노 복합 강{TRIPLE-PHASE NANO-COMPOSITE STEELS}

마르텐사이트상과 오스테나이트상의 복합 상의 미세 조직으로 된 높은 강도, 인성 및 냉간 성형성을 갖는 강 합금이 아래의 미국 특허에 개시되어 있으며, 이들 특허들은 본 명세서에 참조로 인용된다.

미국 특허 제4,170,497호(Gareth Thomas, Bangaru V.N. Rao ; 1977년 8월 24일자로 출원되어 1979년 10월 9일자로 특허 허여됨)

미국 특허 제4,170,499호(Gareth Thomas, Bangaru V.N. Rao; 1977년 8월 24일자로 출원된 상기 특허 출원의 계속 출원으로서 1978년 9월 14일자로 출원되어 1979년 10월 9일자로 특허 허여됨)

미국 특허 제4,619,714호(Gareth Thomas, Jae-Hwan Ahn, Nack-Joon Kim; 1984년 8월 6일자로 출원된 특허 출원의 계속 출원으로서 1984년 11월 29일자로 출원되어 1986년 10월 28일자로 특허 허여됨)

미국 특허 제4,671,827호(Gareth Thomas, Nack J. Kim, Ramamoorthy Ramesh;1985년 10월 11일자로 출원되어 1987년 6월 9일자로 특허 허여됨)

미국 특허 제6,273,968B1호(Gareth Thomas; 2000년 3월 28일자로 출원되어 2001년 8월 14일자로 특허 허여됨)

미세 조직은 특정 강 합금의 성질을 얻는 데에 중요한 역할을 하고, 그와 같은 합금의 강도 및 인성은 합금 원소의 선정 및 그 양에 의존할 뿐만 아니라, 결정상의 존재 및 그 배열에도 의존한다. 특정 환경에 사용하도록 의도된 합금은 고강도 및 고인성, 그리고 일반적으로는 그러한 성질들의 조합을 요구하는 데, 그러한 조합은 한 가지 성질에 기여하는 어떤 합금 원소가 다른 성질을 저하시킬 수 있기 때문에 종종 상충될 수 있다.

앞서 열거한 특허들에 개시된 합금은 얇은 막의 오스테나이트와 교대로 배치되어 있는 마르텐사이트의 래스(lath)로 이루어진 미세 조직을 갖는 탄소강 합금이고, 미국 특허 제4,619,714호에 개시된 합금은 2상의 저탄소강 합금이다. 전술한 특허에 개시된 합금 중 일부에서는 마르텐사이트에는 오토템퍼링(autotempering)에 의해 생성된 탄화물의 미세 결정립이 분산되어 있다. 한 가지 상의 래스가 다른 상의 얇은 막에 의해 분리되어 있는 배열은 "전위 래스(dislocated lath)" 조직으로 지칭되며, 먼저 합금을 오스테나이트 영역으로 가열하고, 이어서 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하는 상 변태 온도(phase transition temperature) 아래의 범위로 그 합금을 냉각함으로써 형성하고, 이러한 냉각은 제품의 원하는 형상을 얻고, 래스와 얇은 막이 교대하는 배열을 조질 처리(refining)하도록 압연 또는 단조를 행하는 것을 수반한다. 이러한 미세 조직은, 래스 조직이 보다 큰 인성을 갖기때문에 쌍정 마르텐사이트 조직의 대안으로 바람직할 수 있다. 상기 특허들에서는 또한 래스 영역 내의 과잉의 탄소가 냉각 과정 중에 석출하여, "오토템퍼링"으로 알려진 현상에 의해 시멘타이트(탄화철, Fe₃C)를 형성한다. 상기 미국 특허 제6,273,968호에서는 마르텐사이트상이 형성되기 시작하는 온도인 마르텐사이트 변태 개시 온도(M_s)가 350℃ 또는 그 이상으로 되도록 합금 원소의 선택을 제한함으로써 오토템퍼링을 피할 수 있다고 개시하고 있다. 어떤 합금에서, 오토템퍼링된 탄화물은 강의 인성을 증가시키지만, 다른 합금에서는 그러한 탄화물이 인성을 제한하게 된다.

전위 래스 조직은 인성 및 연성 모두를 갖는 고강도의 강을 생성하며, 그러한 특성은 크랙의 전파에 대해 저항하고 또한 그러한 강으로 공학적 구성품을 성공적으로 제조할 수 있게 하는 충분한 성형성을 위해 필요하다. 쌍정 조직보다는 전위 래스 조직을 얻기 위해 마르텐사이트상을 제어하는 것은 필요한 수준의 강도 및 인성을 달성하는 동시에 잔류 오스테나이트의 얇은 막이 연성 및 성형성의 특성에 기여하게 하는 가장 효과적인 방법 중 하나이다. 덜 바람직한 쌍정 조직보다는 그러한 전위 래스 미세 조직을 얻는 것은 M_s의 값에 영향을 미치는 합금 조성을 주의 깊게 선택함으로써 달성할 수 있다.

특정 용례에서, 강 합금은 매우 낮은 온도를 비롯하여 매우 넓은 범위의 조건에 걸쳐 강도, 연성, 인성, 내부식성을 유지할 필요가 있다. 높은 강도 및 인성을 갖고 또한 내부식성도 갖는 강의 제조와 관련한 전술한 문제점 및 다른 문제점이 본 발명에 의해 다루어진다.

본 발명은 강 합금, 특히 높은 강도, 인성, 내부식성 및 냉간 성형성을 갖는 강 합금 분야에 관한 것이며, 또한 특별한 물리적 및 화학적 성질을 강에 제공하는 미세 조직을 형성하도록 강 합금을 처리하는 기법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 합금의 미세 조직을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 특정 탄소강 합금에 대한 탄소 함량 및 상이한 온도에서의상이한 결정상을 보여주는 상태도이다.

도 3은 본 발명의 특정 Fe/Si/C 강에 대한 본 발명의 제2 단계의 냉각의 처리 과정 및 조건을 나타내는 동적 변태-온도-시간 선도이다.

도 4는 종래 기술의 AISI 강 A706과 본 발명의 합금을 비교하는 응력 대 변형률 곡선을 도시하는 그래프이다.

도 5는 예외적인 저온 인성을 보여주는, 본 발명의 합금에 대한 샤르피 충격 에너지 대 온도를 나타내는 그래프이다.

3상 결정 조직을 갖는 탄소강 합금이 넓은 범위의 조건에 걸쳐 높은 성능 및 내부식성을 제공한다는 것이 현재 확인되었다. 3상 결정 조직은 페라이트, 오스테나이트, 및 마르텐사이트 결정상의 독특한 조합이며, 이 조합에서 페라이트의 결정은 전술한 종래 기술의 특허에 개시된 전위 래스 조직, 즉 오스테나이트의 얇은 막과 교대로 배치된 마르텐사이트의 래스를 함유하는 결정과 융합된다. 이러한 3상 조직은 넓은 범위의 조성에 걸쳐 다양한 방식으로 형성될 수 있으며, 다양한 형태의 주조, 열처리, 압연 또는 단조를 포함하는 각종 처리 과정에 의해 형성된다. 3상 조직을 생성하는 데에 사용되는 합금 조성물은 약 300℃ 또는 그 이상, 바람직하게는 350℃ 이상의 마르텐사이트 변태 개시 온도를 갖는 것이다. 이는 전위 래스 마르텐사이트 조직이 전체 미세 조직의 일부로서 포함되는 것을 보장한다. 이를 달성하는 데에 도움이 되도록, 탄소 함량은 최대 0.35 중량%이다.

상기 미세 조직을 얻은 바람직한 방법은, 단일의 탄소강 합금 조성물을 오스테나이트상에서부터 단계적으로 냉각 처리하는 야금학적 처리를 수반한다. 상기 방법의 제1 냉각 단계는 페라이트 결정이 석출되도록 오스테나이트상을 부분적으로 재결정시키고, 이에 의해 오스테나이트와 페라이트 결정의 2상 결정 조직을 형성하는 것으로 이루어진다. 제1 냉각 단계에서 도달하는 온도는 특정 합금의 상태도를 통해 쉽게 확인할 수 있는 바와 같이 오스테나이트 대 페라이트의 비율을 결정한다. 그러한 온도가 달성되면, 강은 원하는 최종 제품에 따라, 추가적인 균질화 및단면 감소를 달성하기 위해 열간 가공되고, 원하는 바에 따라서는 성형 가공을 겪게 된다. 열간 가공은 봉 또는 판재인 최종 제품을 위해 제어된 압연에 의해 수행되거나, 블레이드, 농업용 기구, 헬멧, 헬리 시트(heli-seat) 등과 같은 독특한 형상을 생성하도록 단조에 의해 수행된다. 이러한 중간 온도에서 열간 가공 후에, 오스테나이트의 대부분을 마르텐사이트로 전환하는 한편, 오스테나이트의 일부가 마르텐사이트의 래스와 교대로 배치되는 얇은 막으로 잔류하게 함으로써, 오스테나이트를 전위 래스 조직을 전환하는 제2 단계의 냉각이 이루어진다. 이 제2 냉각 단계는 일반적으로 베이나이트 및 펄라이트상과 일반적인 상간 석출물(interphase precipitates)(즉, 인접한 상을 분리시키는 경계를 따른 석출물)의 형성을 방지하도록 신속하게 수행된다. 이와 관련한 최저 냉각 속도는 합금 조성의 차이로 달라질 수 있지만, 각 합금에 대해 존재하는 변태-온도-시간 상태도를 통해 쉽게 알 수 있다. 그러한 상태도의 예가 본 명세서에서는 도 3에 제시되어 있으며, 이하에서 논의하겠다.

얻어지는 3상 결정 조직은, 응력-변형률 관계, 충격 에너지-온도 관계, 부식 성능, 그리고 피로 파괴 인성의 측면에 있어서 종래의 강에 비해 우수한 성질을 갖는 강 합금을 제공한다. 본 발명의 전술한 목적, 특징 및 이점과 기타 목적, 특징 및 이점은 후술되는 상세한 설명에 의해 보다 잘 이해될 것이다.

본 발명의 3상 결정 조직은 연속적인 덩어리로 융합된 2가지 형태의 결정립, 즉 페라이트 결정립과 마르텐사이트-오스테나이트 결정립을 포함하며, 이 마르텐사이트-오스테나이트 결정립에는 전위 래스 조직을 갖는 마르텐사이트의 래스가 포함되어 있다. 개별 결정립의 크기는 중요하지 않으며 폭넓게 변화할 수 있다. 최고의 결과를 위해, 결정립 크기는 일반적으로 약 2미크론 내지 약 100미크론의 범위에, 바람직하게는 약 5미크론 내지 약 30미크론의 범위 내에 포함되는 직경(또는 적절한 특징적인 다른 선형 치수)을 가질 것이다. 마르텐사이트-오스테나이트 결정립 내에, 마르텐사이트 래스들은 일반적으로 약 0.01미크론 내지 약 0.3미크론의 폭(얇은 오스테나이트 막에 의해 분리된 인접한 래스), 바람직하게는 약 0.05미크론 내지 약 0.2미크론의 폭을 갖는다. 마르텐사이트-오스테나이트상에 대한 페라이트상의 상대적인 양 또한 폭넓게 변화할 수 있으며, 본 발명에 있어서 중요한 것은 아니다. 그러나, 대부분의 경우에, 최고의 결과는 마르텐사이트-오스테나이트상이 3상 결정 조직의 약 5 중량% 내지 약 95 중량%, 바람직하게는 약 15 중량% 내지 약 60 중량%, 가장 바람직하게는 약 20 중량% 내지 약 40 중량%를 구성할 때 얻어질 것이다.

합금의 탄소 함량 또한 최대 0.35%의 한계 내에서 달라질 수 있다. 대부분의 경우, 최고의 결과는 탄소의 수준이 약 0.01% 내지 약 0.35%, 바람직하게는 약 0.03% 내지 약 0.3%, 그리고 가장 바람직하게는 약 0.05% 내지 약 0.2%의 범위일 때 얻어질 수 있다. 전술한 바와 같이, 래스 내부 탄화물 또는 탄질화물(carbonitride) 석출물, 즉 래스 경계를 따라 위치하기보다는 마르텐사이트 래스 내에 위치하는 석출물이 존재할 수 있는 반면, (경계를 따른) 상간 석출물(interphase precipitates)은 피하는 것이 바람직하다. 본 발명의 특정 실시예에서는 추가적인 합금 원소가 존재할 수 있다. 한 가지 예로는 규소가 있으며, 이 규소는 약 0.1% 내지 약 3%, 바람직하게는 약 1% 내지 약 2.5%를 구성한다. 다른 한 가지 예로는, 크롬이 있으며, 이 크롬은 (크롬이 없는 Fe/Si/C 강에서와 같이) 전혀 없을 수 있거나, 존재하는 경우 약 1 중량% 내지 약 13 중량%, 바람직하게는 약 6 중량% 내재 약 12 중량%, 가장 바람직하게는 약 8 중량% 내지 10 중량%의 범위에 이를 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 포함되는 다른 합금 원소의 예로는, 망간, 니켈, 코발트, 알루미늄, 그리고 질소가 있으며, 이들은 단독으로 또는 조합되어 포함된다. 몰리브덴, 니오븀, 티타늄 및 바나듐과 같은 미소 합금 원소도 존재할 수 있다. 여기에서의 모든 %는 중량%이다.

본 발명의 바람직한 3상 결정 조직은 또한 실질적으로 어떠한 탄화물도 함유하지 않는다. 전술한 바와 같이, 탄화물 및 다른 석출물은 오토템퍼링에 의해 생성된다. 석출물이 강의 인성에 대해 갖는 효과는 강의 미세 조직에서의 석출물의 형태에 의존한다. 석출물이 상 사이의 경계에 위치하는 경우, 인성 및 내부식성의 감소를 가져온다. 석출물의 직경이 약 500Å 또는 그 이하라면, 상 자체 내에 존재하는 석출물은 인성에 유해하지 않다. 이들 상 내부 석출물은 실제로 인성을 향상시킨다. 그러나, 일반적으로 그런 석출물은 내부식성을 감소시킨다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상이한 결정상의 계면에 석출물이 형성되지 않는다면 오토템퍼링이 발생할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 "실질적으로 어떠한 탄화물도 없는"이라는 표현은 어떤 탄화물이 실제로 존재하더라도 그 양이 너무 작아 그 탄화물이 최종 합금의 성능 특성, 구체적으로는 내부식성에 유해한 영향을 미치지 않음을 나타낸다.

본 발명의 3상 합금은 먼저 원하는 조성의 합금을 형성하는 데에 필요한 적절한 성분을 조합하고, 이어서 모든 원소 및 성분이 고용체(solid solution) 상태로 있는 균일한 오스테나이트 조직이 얻어지기에 충분한 기간의 시간 동안 및 충분한 온도에서 조성물을 균질화[즉, 균열(均熱, soaking)]함으로써, 마련될 수 있다. 그러한 균질화를 위한 조건은 당업자라면 쉽게 알 수 있는 것으로, 통상적인 온도 범위는 1050℃ 및 1200℃이다. 당업계에 공지된 실시 방법에 있어서, 균열은 단면 감소율이 10% 또는 그 이상, 대부분의 경우에는 약 30 % 내지 약 60%에 이르도록 압연을 행하는 것이 뒤따르게 된다. 이는 균질한 오스테나이트 결정상을 형성하도록 합금 원소를 확산시키는 데에 도움이 된다.

오스테나이트상이 형성되면, 합금 조성물은 오스테나이트상과 페라이트상이 평형 상태로 공존하는 영역으로서 정의되는 임계간 영역(intercritical region)의 온도로 냉각된다. 이러한 냉각에 의해 오스테나이트의 일부는 페라이트 결정립으로 재결정되며, 나머지는 오스테나이트로 남게 된다. 평형 상태에서의 두 가지 상 각각의 상대적인 양은 이 단계에서 조성물이 냉각되는 온도에 따라, 또한 합금 원소의 수준에 따라 달라진다. 두 상간의 탄소 분포도 또한 온도에 따라 달라진다. 전술한 바와 같이, 두 상의 상대적인 양은 본 발명에 있어서 중요한 것이 아니며, 선호되는 특정 범위에서 달라질 수 있다. 2상 페라이트-오스테나이트 조직이 얻어지도록 오스테나이트를 냉각하는 온도의 측면에서, 합금 조성에 따라 바람직한 온도 범위는 약 750℃ 내지 약 950℃, 보다 바람직한 온도 범위는 약 775℃ 내지 약 900℃이다.

2상 페라이트-오스테나이트 조직이 형성되면[즉, 임계간 상(intercritical phase)에서의 선택된 온도에서 평형 상태가 달성되면], 그 합금은 오스테나이트 결정이 전위 래스 미세 조직으로 전환하도록 마르텐사이트 변태 영역을 통과해 냉각됨으로써 신속하게 담금질(quenching)된다. 냉각 속도는 페라이트상으로의 어떠한 변화도 실질적으로 회피하기에 충분히 크게 한다. 하지만, 바람직한 실시예에서는 또한 냉각 속도를, 베이나이트 또는 펄라이트의 형성 및 합금 조성에 따른 질화물 또는 탄질화물 석출물의 형성을 피하고, 또한 상 경계를 따른 임의의 석출물의 형성을 피하도록 충분히 크게 한다. 본 명세서에서 사용된 "상간 석출" 및 "상간 석출물"은 상 경계를 따른 석출을 의미하며, 마르텐사이트상과 오스테나이트상 사이,즉 래스와 이 래스를 분리시키는 얇은 막 사이의 지점에 화합물의 작은 침착물이 형성되는 것을 지칭한다. "상간 석출물"이 오스테나이트 막 자체를 지칭하는 것은 아니다. 상간 석출물뿐만 아니라 베이나이트, 펄라이트, 질화물, 및 탄질화물 석출물을 비롯한 모든 각종 형태의 석출물이 형성되는 것을 본 명세서에서는 포괄적으로 "오토템퍼링(autotempering)"으로 지칭한다. 오토템퍼링을 피하기 위한 최소 냉각 속도는 합금에 대한 변태-온도-시간 선도를 통해 알 수 있다. 그 선도의 수직 축선은 온도를, 수평 축선은 시간을 나타내며, 그 선도에서의 곡선은 각 상이 단독으로 존재하거나 다른 상과 함께 존재하는 영역을 나타낸다. 통상적인 그러한 선도가 전술한 Thomas의 미국 특허 제6,273,968B1호에 제시되어 있으며, 또 다른 선도가 아래에서 논의하는 도 3으로 본 명세서에 포함되어 있다. 그러한 선도에서, 최소 냉각 속도는 시간에 따라 온도가 감소하여 C형 곡선의 좌측편에 닿게 되는 사선(diagonal line)이다. 곡선의 오른쪽 영역은 탄화물이 존재하는 것을 나타내며, 따라서 허용 가능한 냉각 속도는 곡선의 좌측편에 계속 남아 있는 선으로 나타낸 냉각 속도이고, 최저 냉각 속도의 선은 최저 기울기를 가지며 곡선에 닿게 된다.

합금 조성에 따라서, 상기 요건을 충족시키기에 충분히 큰 냉각 속도는 수냉을 요구하는 것이거나, 공냉으로 얻어질 수 있는 것일 수 있다. 일반적으로, 공냉 가능하면서 충분히 높은 냉각 속도를 여전히 갖고 있는 합금 조성물 내의 특정 합금 원소의 수준이 낮아진다면, 공냉 능력을 유지시키는 다른 합금 원소의 수준을 증가시킬 필요가 있다. 예를 들면, 탄소, 크롬, 또는 규소와 같은 합금 원소 중하나 또는 그 이상이 낮아지면, 망간과 같은 원소의 수준을 증가시킴으로써 보상할 수 있다.

본 발명의 목적을 위해 바람직한 합금 조성물은, 약 0.05 중량% 내지 약 0.1 중량%의 탄소, 약 0.3 중량% 내지 약 5 중량%의 니켈, 대략 2 중량%의 규소, 그리고 잔부로서 철을 함유하는 조성물이다. 니켈은 적어도 약 0.5 중량%, 바람직하게는 1-2 중량%의 농도의 망간으로 대체될 수 있거나, 이들 둘 모두가 존재할 수 있다. 바람직한 담금질 방법은 수냉에 의한 것이다. 바람직한 합금 조성물은 또한 약 300℃ 또는 그 이상의 마르텐사이트 변태 개시 온도를 갖는다.

전술한 미국 특허들에 기재된 처리 과정 및 조건, 특히 열처리, 결정립 조질 처리, 실시간 단조(on-line forging), 그리고 봉, 판재 및 기타 형상을 위한 압연기는, 합금 조성물을 오스테나이트상으로 가열하고, 그 오스테나이트상에서부터 임계간 상으로 합금을 냉각하고, 이어서 마르텐사이트 변태 영역을 통과해 냉각하는 본 발명을 실시하는 데에도 사용될 수 있다. 압연은 예를 들면 오스텐나이트화 및 제1 단계 냉각 과정 중에 하나 또는 그 이상의 단계로 제어된 방식으로 수행하여, 균질한 오스테나이트 결정상을 형성하도록 합금 원소의 확산에 도움을 주고, 나아가 결정립을 변형시키고 결정립 내의 변형 에너지를 저장하는 한편, 제2 단계 냉각에서의 압연은 새로이 형성되는 마르텐사이트상이 잔류 오스테나이트의 얇은 막에 의해 분리된 마르텐사이트 래스의 전위 래스 배열로 되게 안내하는 기능을 한다. 압연에서의 단면 감소 정도는 달라질 수 있으며, 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다. 마르텐사이트-오스테나이트 전위 래스 결정에 있어서, 잔류 오스테나이트 막은 미세 조직의 부피 중 약 0.5% 내지 약 15%, 바람직하게는 약 3% 내지 약 10%, 가장 바람직하게는 최대 약 5%을 구성한다. 전체 3상 미세 조직에 대한 오스테나이트의 비율은 최대 약 5%일 것이다. 단일의 잔류 오스테나이트 막의 실제 폭은 바람직하게는 약 50Å 내지 약 250Å의 범위내이며, 보다 바람직하게는 약 100Å이다. 전체 3상 미세 조직에 대한 오스테나이트의 비율은 일반적으로 최대 약 5%일 것이다.

도 1은 본 발명의 3상 결정 조직을 나타내는 도면이다. 이 조직에는 마르텐사이트-오스테나이트 결정립(12)과 융합된 페라이트 결정립(11)이 있고, 마르텐사이트-오스테나이트 결정립(12)은 각각 평행한 래스(13)가 마르텐사이트상 결정의 결정립으로 이루어져 있고, 이들 래스는 잔류 오스테나이트상의 얇은 막에 의해 분리되어 있는 전위 래스 조직을 갖는다.

도 2는 냉각 단계 중에 발생하는 변태 및 상이한 탄소 농도의 효과를 나타내는 탄소강류에 대한 상태도이다. 이 특정 상태도는 2%의 규소를 함유한 탄소강을 나타낸다. 상측 곡선의 오른쪽 영역은 오스테나이트상을 나타내는 "γ"로 표시되어 있고, 이외의 다른 모든 영역은 페라이트를 나타내는 "α"을 갖고 있다. 오스테나이트화 단계에서, 합금은 상측 오른쪽의 전체 γ영역까지 가열된다. 0.1% 탄소에서의 수직 점선은 0.1% 탄소강 합금(2%의 규소 함유)을 오스테나이트상에서부터 냉각시킬 때의 상들을 나타낸다. 냉각을 900℃("T-1")에서 중단한 경우, 두 상에서의 탄소 농도는 두 곡선과 T-1선이 교차하는 지점에 의해 표시되는 농도이다. 도 2에 도시한 경우에, T-1까지 냉각시에 두 상의 탄소 함량은 대략 페라이트상에서 0.001%C이고 오스테나이트상에서 0.14%C이다. 상의 비율은 선택된 온도에 의해서도 얻어질 수 있다. 이는 상태도로부터 알 수 없지만, 그 비율은 당업자라면 용이하게 결정할 수 있다. 도 2에 도시한 경우에, T-1에서 얻어지는 비율은 60%의 오스테나이트와 40%의 페라이트이다. 강이 800℃("T-2")까지 냉각된 경우, 두 상에서의 탄소 농도는 두 곡선과 T-2선의 교차하는 지점에 의해 표시되는 농도이며, 이는 900℃에 해당하는 농도와는 다르고, 상의 비율 또한 마찬가지로 다르다. 이 경우에, 두 상에서의 탄소 수준은 대략 페라이트상에서 0.03%이고, 오스테나이트상에서 0.3%일 것이다. 두 상의 상대적인 양은 대략 25%의 오스테나이트와 75%의 페라이트일 것이다. 따라서, 비율은 제1 단계 냉각이 발생하는 온도를 선택하고, 300℃ 이상의 오스테나이트의 M_s온도를 유지함으로써, 선택된다.

제1 단계 냉각이 완료되면, 강은 결정립의 크기를 제어하고, 최종 용도를 위해 강을 성형하기 위해 당업계에 공지된 방식으로 제어된 압연을 겪게된다.

이어서, 마르텐사이트상을 전위 래스 배열로 형성하게 되는 제2 단계 냉각을 수행한다. 이는, 전술한 바와 같이 베이나이트 및 펄라이트 모두의 형성을 방지하고, 또한 임의의 상간 석출물의 형성을 방지하기에 충분히 빠른 속도로 수행한다. 도 3은 0.079%C, 0.57%Mn, 그리고 1.902%Si를 함유하는 합금에 대한 제2 단계 냉각을 나타내는 동적 변태-온도-시간 선도이다. 다음과 같은 부호가 사용된다.

"A" : 오스테나이트

"M" : 마르텐사이트

"F" : 페라이트

"B" : 베이나이트

"UB" : 상부 베이나이트

"LB" : 하부 베이나이트

"P": 펄라이트

"M_s" : 마르텐사이트 변태 개시 온도(420℃)

"M_f" : 마르텐사이트 변태 종료 온도(200℃)

도 3에서 경사진 점선은 베이나이트 또는 펄라이트 및 일반적인 상간 석출물의 형성을 피할 수 있는 최저 냉각 속도를 나타내며, 따라서, 그 냉각 속도 및 보다 가파른 선으로 나타낸 임의의 냉각 속도가 사용될 수 있다.

도 4는, 마르텐사이트-오스테나이트상이 전체 미세 조직 중 40%를 구성하고, 래스간(inter-lath) 오스테나이트가 전체 미세 조직 중 2%를 구성하는 본 발명의 3상 결정 조직의 탄소강 합금을 종래의 AISI A706 강 합금과 비교하는 응력 대 변형률 그래프이다. 인장 강도 대 항복 강도의 비는 1.5보다 크고, 그 그래프에서 본 발명의 합금의 우수성이 확인된다.

도 5는 도 4에 제시된 본 발명의 탄소강 합금과 동일한 탄소강 합금의 샤르피 충격 에너지 대 온도의 그래프이다.

본 발명의 강 합금은 높은 인장 강도를 요구하는 제품에 특히 유용하며, 그 중에서도 염분/해양 환경에서 사용되는 제품에 특히 유용하다.

전술한 상세한 설명은 주로 예시를 위해 제공되는 것이다. 또, 본 발명의 기본적이면서도 신규의 개념을 여전히 실시할 수 있는, 합금 조성, 처리 과정 및 조건의 다양한 파라미터에 대한 수정 및 변형이 행해질 수 있다. 이러한 수정 및 변형은 당업자들에 의해 용이하게 이루어질 수 있으며, 본 발명의 보호 범위 내에 포함된다.

Claims (10)

1. 철과, 최대 0.35 중량%의 탄소를 포함하는 합금 탄소강으로서,

   마르텐사이트-오스테나이트 결정과 융합된 페라이트 결정을 포함하는 3상 미세 조직을 가지며, 상기 마르텐사이트-오스테나이트 결정은 얇은 막의 오스테나이트와 교대로 배치되는 마르텐사이트 래스(lath)를 포함하는 것인 합금 탄소강.
2. 제1항에 있어서, 상기 마르텐사이트-오스테나이트 결정은 상(phase) 사이의 계면에 탄화물 석출물이 없는 것인 합금 탄소강.
3. 제1항에 있어서, 상기 마르텐사이트-오스테나이트 결정은 상기 3상 미세 조직의 약 20 중량% 내지 약 40 중량%를 구성하는 것인 합금 탄소강.
4. 제1항에 있어서, 상기 탄소는 상기 3상 미세 조직의 약 0.05 중량% 내지 약 0.2 중량%를 구성하는 것인 합금 탄소강.
5. 제1항에 있어서, 합금 조성물의 약 1 중량% 내지 약 2.5 중량%의 농도의 규소를 더 포함하는 합금 탄소강.
6. 제1항에 있어서, 상기 탄소는 상기 3상 미세 조직의 약 0.05 중량% 내지 약0.2 중량%를 구성하며, 상기 합금 탄소강은 합금 조성물의 약 1 중량% 내지 약 2.5 중량%의 농도의 규소를 더 포함하고, 어떠한 탄화물도 실질적으로 함유하지 않는 것인 합금 탄소강.
7. 강도, 내부식성 및 인성이 높은 합금 탄소강을 제조하는 제조 방법으로서,

   (a) 철과 적어도 하나의 합금 원소로 이루어진 합금 조성물을 형성하는 단계로, 상기 적어도 하나의 합금 원소는 마르텐사이트 변태 개시 온도가 적어도 약 300℃인 마르텐사이트 변태 영역을 갖는 합금 조성물을 제공하도록 선택된 비율로 최대 약 0.35 중량%의 탄소를 포함하는 것인 합금 조성물을 형성하는 단계와,

   (b) 상기 합금 조성물이 모든 합금 원소가 용해된 상태에 있는 균질한 오스테나이트상을 취하게 하는 조건하에서, 상기 합금 조성물을 오스테나이트화하기에 충분히 높은 온도로 가열하는 단계와,

   (c) 상기 균질한 오스테나이트상의 일부가 페라이트 결정으로 변태하고, 이에 의해 오스테나이트 결정과 융합된 페라이트 결정을 포함하는 2상 미세 조직을 형성하기에 충분하도록 상기 균질한 오스테나이트상을 냉각하는 단계와,

   (d) 잔류 오스테나이트의 막과 교대로 배치된 마르텐사이트의 래스를 포함하는 미세 조직으로 상기 오스테나이트 결정을 전환하는 조건하에서 상기 2상 미세 조직을 상기 마르텐사이트 변태 영역을 통과하여 냉각하는 단계

   를 포함하는 제조 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 (d) 단계는 오토템퍼링의 발생을 피하기에 충분한 속도로 상기 2상 미세 조직을 냉각하는 것을 포함하는 것인 제조 방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 (c) 단계는 상기 균질한 오스테나이트상을 약 775℃ 내지 약 900℃의 온도까지 냉각하는 것을 포함하는 것인 제조 방법.
10. 제7항에 있어서, 상기 탄소는 상기 합금 조성물의 약 0.05 중량% 내지 약 0.2 중량%를 구성하며, 상기 합금 조성물은 약 1 중량% 내지 약 2.5 중량%의 농도의 규소를 더 포함하는 것인 제조 방법.