KR20060130700A

KR20060130700A - 대입열 용접에 의한 용접 열영향부의 저온 인성이 우수한두꺼운 고강도 강판

Info

Publication number: KR20060130700A
Application number: KR1020067020353A
Authority: KR
Inventors: 미노루 이또오; 아끼히꼬 고지마; 마사노리 미나가와; 요오이찌 다나까; 도시에이 하세가와; 쥰 오오따니
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2005-04-06
Publication date: 2006-12-19
Also published as: NO20065095L; US20070181223A1; SG151274A1; JP2005320624A; WO2005098068A1; EP1736562A1; TW200538561A; JP4660250B2; TWI295693B; EP1736562A4; KR100839262B1

Abstract

본 발명은 판 두께 50 내지 80 ㎜, 모재 인장 강도 490 내지 570 ㎫급의 강판으로, 용접 입열량이 20 내지 100 kJ/㎜인 용접을 행한 경우에 있어서도 우수한 용접 HAZ 인성을 실현할 수 있는 두꺼운 고강도 강판을 제공하는 것이고, 질량 ％로, C : 0.03 내지 0.14 ％, Si : 0.30 ％ 이하, Mn : 0.8 내지 2.0 ％, P : 0.02 ％ 이하, S : 0.005 ％ 이하, Ni : 0.8 내지 4.0 ％, Nb : 0.003 내지 0.040 ％, Al : 0.001 내지 0.040 ％, N : 0.0010 내지 0.0100 ％, Ti : 0.005 내지 0.030 ％를 함유하고, Ni와 Mn이 식 [1]을 만족시키고, 잔량부가 철 및 불가피 불순물인 것을 특징으로 한다.

Ni/Mn ≥ 10 × Ceq － 3 (0.36 ＜ Ceq ＜ 0.42) …[1]

단, Ceq ＝ C ＋ Mn/6 ＋ (Cr ＋ Mo ＋ V)/5 ＋ (Ni ＋ Cu)/15

대입열 용접, 고강도 강판, HAZ 인성, 오스테나이트

Description

대입열 용접에 의한 용접 열영향부의 저온 인성이 우수한 두꺼운 고강도 강판{THICK HIGH STRENGTH STEEL PLATE HAVING EXCELLENT LOW TEMPERATURE TOUGHNESS IN WELDING HEAT AFFECTED ZONE CAUSED BY HIGH HEAT INPUT WELDING}

본 발명은 선박, 해양 구조물, 중고층 빌딩, 교량 등에 사용되는 용접 열영향부(Heat Affected Zone, 이후, HAZ라 칭함)의 저온 인성이 우수한 두꺼운 고강도 강판에 관한 것으로, 특히 판 두께 50 ㎜이상, 모재 인장 강도 490 내지 570 ㎫급의 강판이고, 용접 입열량이 20 내지 100 kJ/㎜인 용접을 행한 경우에 있어서도 우수한 용접 이음매부를 갖는 강판에 관한 것이다.

최근, 선박, 해양 구조물, 중고층 빌딩, 교량 등의 대형 구조물에 사용되는 용접용 강재의 재질 특성에 대한 요구는 엄격함이 늘고 있다. 특히, 이들 구조물 중에서는 판 두께가 50 ㎜를 넘는 두껍고 모재의 인장 강도가 570 ㎫급인 강판의 사용도 많아지고 있다. 또한, 용접의 효율화를 촉진하기 위해, 이와 같은 두꺼운 고강도 강판의 용접에는 일렉트로 가스 용접법, 일렉트로 슬러그 용접법 등으로 대표되는 대입열 용접법에 의한 1 패스 용접이 검토되고 있고, 모재 자체의 인성과 마찬가지로 HAZ 인성의 요구도 엄격함이 늘고 있다.

대입열 용접법이 적용되는 강재의 HAZ 인성에 주목한 제안은 지금까지 수차 례 이루어져 왔다. 예를 들어, 일본 특허 공개 소55-026164호 공보에서는 미세한 Ti 질화물을 강 중에 확보함으로써, HAZ의 오스테나이트 입자를 작게 하여 인성을 향상시키는 발명이 개시되어 있다. 또한, 일본 특허 공개 평03-264614호 공보에서는 Ti 질화물과 MnS의 복합 석출물을 페라이트의 변태핵으로서 활용하여 HAZ의 인성을 향상시키는 발명이 제안되어 있다. 또한, 일본 특허 공개 평04-143246호 공보에서는 Ti 질화물과 BN의 복합 석출물을 입계 페라이트의 석출핵으로서 활용하여 HAZ 인성을 향상시키는 발명이 제안되어 있다.

그러나, 이 Ti 질화물은 HAZ 중 최고 도달 온도가 1400 ℃를 넘는 용접 금속과의 경계(이하, 용접 본드부라 칭함) 근방에서는 거의 고체 용융되므로, 인성 향상 효과가 저하된다는 문제가 있다. 그로 인해, 상기와 같은 Ti 질화물을 이용한 강재에서는 최근의 HAZ 인성에 관한 엄격한 요구나, 초대입열 용접에 있어서의 HAZ 인성의 필요 특성을 달성하는 것이 곤란하다.

이 용접 본드부 근방의 인성을 개선하는 방법으로서, Ti 산화물을 함유한 강이 두꺼운 판, 형강 등의 다양한 분야에서 사용되고 있다. 예를 들어, 두꺼운 강판의 분야에서는 일본 특허 공개 소61-079745호 공보나 일본 특허 공개 소61-117245호 공보에 기재된 발명과 같이 Ti 산화물을 함유한 강이 대입열 용접부 인성 향상에 매우 유효하고, 고장력강으로의 적용이 유망하다. 이 원리는 강의 융점에 있어서도 안정된 Ti 산화물을 석출 사이트로 하고, 용접 후의 온도 저하 도중에 Ti 질화물, MnS 등이 석출되고, 또한 이들을 사이트로 하여 미세 페라이트가 생성되고, 그 결과, 인성에 유해한 조대 페라이트의 생성이 억제되어 인성의 열화를 방지 할 수 있다는 것이다.

그러나, 이와 같은 Ti 산화물은 강 중으로 분산되는 개수를 그다지 많게 할 수 없다는 문제가 있다. 그 원인은 Ti 산화물의 조대화나 응집 합체이고, Ti 산화물의 개수를 증가시키고자 하면 5 ㎛ 이상의 조대한 Ti 산화물, 소위 개재물이 증가하기 때문이라 사료된다. 이 5 ㎛ 이상의 개재물은 구조물의 파괴의 기점이 되거나, 인성의 저하를 일으키거나 하여 유해하므로 회피해야 하는 것이다. 그로 인해, HAZ 인성의 향상을 더 달성하기 위해서는, 조대화나 응집 합체가 일어나기 어려워 Ti 산화물보다도 미세하게 분산하는 산화물을 활용할 필요가 있었다.

또한, 이와 같은 Ti 산화물의 강 중으로의 분산 방법으로서는, Al 등의 강탈산 원소를 실질적으로 포함하지 않는 용강 중으로의 Ti 첨가에 의한 것이 많다. 그러나, 단순히 용강 중에 Ti를 첨가하는 것만으로는 강 중의 Ti 산화물의 개수, 분산도를 제어하는 것은 곤란하고, 또한 TiN, MnS 등의 석출물의 개수, 분산도를 제어하는 것도 곤란하다. 그로 인해, Ti 탈산에 의해서만 Ti 산화물을 분산시킨 강에 있어서는, 예를 들어 Ti 산화물의 개수를 충분히 얻을 수 없거나, 혹은 두꺼운 판의 판 두께 방향의 인성이 변동되는 등의 문제가 있었다.

이와 같은 문제에 대해, 일본 특허 공개 평06-293937호 공보나 일본 특허 공개 평10-183295호 공보에서는 Ti 첨가 직후의 Al 첨가, 혹은 Al, Ca 복합 첨가로 생성되는 Ti-Al 복합 산화물이나 Ti, Al, Ca의 복합 산화물을 활용하는 발명이 개시되어 있다. 이와 같은 발명에 의해, 대입열 용접 HAZ 인성을 대폭으로 향상시키는 것이 가능하게 되었다.

그러나, HAZ의 오스테나이트 입자를 작게 하거나, 석출물을 페라이트의 변태핵으로 하여 페라이트를 생성하거나 하는 상기한 종래 수단에서는, 판 두께 50 ㎜ 이상이고 모재 강도를 인장 강도 490 ㎫ 이상 확보하기 위해서는 합금 원소를 증가시킬 필요가 있고, 이 경우, 용접 HAZ의 경도가 상승하는 것과 동시에, 인성을 열화시키는 MA(Martensite-Austenite constituent)의 생성이 현재화되므로, 예를 들어 조선 분야에서의 E 그레이드(－20 ℃ 보증)와 같은 충분한 HAZ 인성이 안정적으로 확보할 수 없다. 또한, 모재 강도가 인장 강도 570 ㎫ 이상이 되면 필요한 HAZ 인성을 얻을 수 없다.

그래서, 본 발명은 판 두께 50 내지 80 ㎜, 모재 인장 강도 490 내지 570 ㎫급의 강판이고, 용접 입열량이 20 내지 100 kJ/㎜인 용접을 행한 경우에 있어서도 우수한 용접 HAZ 인성을 실현할 수 있고, 대입열 용접에 의한 용접 열영향부의 저온 인성이 우수한 두꺼운 고강도 강판을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명자들은 Ni 첨가량 및 Ni/Mn을 규정함으로써, 상기 과제를 유리하게 해결할 수 있는 것을 지견하고, 또한 검토를 더한 후 비로소 본 발명을 완성시킨 것이고, 그 요지는 이하와 같다.

(1) 질량 ％로, C : 0.03 내지 0.14, Si : 0.30 ％ 이하, Mn : 0.8 내지 2.0 ％, P : 0.02 ％ 이하, S : 0.05 ％ 이하, Al : 0.001 내지 0.040 ％, N : 0.0010 내지 0.0100 ％, Ni : 0.8 내지 4.0 ％, Ti : 0.005 내지 0.030 ％, Nb : 0.003 내지 0.040 ％를 함유하고, Ni와 Mn이 식 [1]을 만족시키고, 잔량부가 철 및 불가피 불순물인 것을 특징으로 하는 대입열 용접에 의한 용접 열영향부의 저온 인성이 우수한 두꺼운 고강도 강판.

Ni/Mn ≥ 10 × Ceq － 3 (0.36 ＜ Ceq ＜ 0.42) …[1]

단, Ceq ＝ C ＋ Mn/6 ＋ (Cr ＋ Mo ＋ V)/5 ＋ (Ni ＋ Cu)/15

(2) 질량 ％로, Ca : 0.0003 내지 0.0050 ％, Mg : 0.0003 내지 0.0050 ％, REM : 0.001 내지 0.030 ％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하고, 또한 O : 0.0010 내지 0.0050 ％를 함유하고, 원상당 직경이 0.005 내지 0.5 ㎛인 산화물을 100개/㎟ 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 대입열 용접에 의한 용접 열영향부의 저온 인성이 우수한 두꺼운 고강도 강판.

(3) 질량 ％로, B : 0.0005 내지 0.0050 ％를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 대입열 용접에 의한 용접 열영향부의 저온 인성이 우수한 두꺼운 고강도 강판.

(4) 질량 ％로, Cr : 0.1 내지 0.5 ％, Mo : 0.01 내지 0.5 ％, V : 0.005 내지 0.10 ％, Cu : 0.1 내지 1.0 ％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 대입열 용접에 의한 용접 열영향부의 저온 인성이 우수한 두꺼운 고강도 강판.

도1은 45 kJ/㎜ 상당의 용접열 사이클을 도시하는 도면이다.

도2는 Ni/Mn과 Ceq와 재현 HAZ 인성의 관계를 나타내는 도면이다.

도3은 미세 산화물 분산 또는 B 활용에 의한 재현 HAZ 인성 향상 효과를 나 타내는 도면이다.

이하에, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.

지금까지 HAZ 인성의 향상 수단으로서, 전술한 바와 같이 고온에서의 오스테나이트 입자의 성장을 억제하는 것이 고안되어 왔다. 그 수단으로서 가장 유효한 방법은 분산 입자에 의해 오스테나이트의 입계를 핀닝하여 입계의 이동을 멈추는 방법이다. 이는 용접 입열이 20 내지 100 kJ/㎜와 대입열인 경우에 있어서도 HAZ의 재가열 오스테나이트 입자는 핀닝에 의해 매우 유효하게 세립화된다. 그러나, 모재 강도를 높이기 위해 합금 첨가량을 증가시켜 가고, 강재의 용접성과 동시에 화학 성분적인 켄칭성을 나타내는 탄소당량(Ceq)이 0.36 이상이 되는 강재에서는 HAZ의 경도가 더 높아지므로, 재가열 오스테나이트 입자가 핀닝에 의해 세립화된 경우라도 충분한 HAZ 인성을 얻을 수 없다는 문제가 새롭게 생겼다. 이와 같이, HAZ부의 경도가 높아지는 경우에는 지철 자체의 인성을 향상시키는 것이 필요하다.

그래서, 발명자들은 과제로 하고 있는 두꺼운 고강도 강에 필요해지는 Ceq가 0.36 이상 0.42 이하로 높은 경우의 HAZ 인성 개선에 지철 자체의 인성을 개선하는 최적 성분계를 예의 검토하였다. 매트릭스의 인성을 높이는 원소로서는 종래부터 Ni가 유효한 것이 알려져 있다. 그러나, 금회와 같이 Ceq가 0.36 이상 0.42 이하로 높은 HAZ의 인성 개선에 유효한지 여부, 또한 유효한 경우에는 어떤 성분 조건이면 유효한지에 대해서는 알려져 있지 않다. 그래서, 우선 Ni 첨가량의 영향을 검토하였다. 검토에 있어서는 모재 강도 확보에 유효한 Nb량을 0.003 ％ 이상 첨 가하는 것을 전제로 하였다. HAZ 인성의 평가에는 도1에서 도시되는 일렉트로 가스 용접(입열 45 kJ/㎜) 상당의 열사이클을 부여하였을 때의 샤르피 충격 시험에서의 연성ㆍ취성 천이 온도(vTrs)를 채용하였다.

Ni 첨가량의 영향을 검토한 결과, 우선 Ni가 0.8 ％보다 적은 경우에는 필요한 인성을 얻을 수 없는 것이 판명되었다. 또한, Ni를 0.8 ％ 이상 첨가한 경우라도 HAZ 인성이 개선되지 않는 것과, 반대로 HAZ 인성이 저하되는 것도 발견되었다. 그래서, 또 다른 첨가 원소나 Ceq와의 관계를 포함하여 예의 검토한 결과, 이와 같이 Ceq가 0.36 이상 0.42 이하인 경우에는, 도2에 도시한 바와 같이 HAZ 인성은 Ceq와 Ni/Mn에 의해 관계되는 것을 발견하였다. 도2는 검토에 이용한 강재의 재현 HAZ 인성(vTrs)을 Ceq마다 층 구별하고 Ni/Mn비를 횡축으로 하여 플로트한 것이다. 도2로부터,

Ni/Mn ≥ 10 × Ceq － 3 … [1]

의 관계가 성립하는 강재에 있어서, vTrs이고 －5 ℃ 이하인 양호한 인성을 얻을 수 있었다. 식 [1]을 만족시키지 않는 강재가 충분한 HAZ 인성을 얻을 수 없는 이유로서는, Ni의 첨가량이 충분하지 않고 매트릭스 고인화 효과가 작기 때문이거나, 혹은 Ni를 많이 포함하는 경우라도 Mn의 과잉 첨가에 의해 HAZ 중에 MA를 생성하여 Ni의 고인화 효과가 소실되기 때문이라 사료된다. 또한, 상기 검토에서 이용한 강재를 입열 100 kJ/㎜ 상당의 열 사이클에서 동일한 검토를 행한 결과, 입열 100 kJ/㎜인 경우에 있어서도 식 [1]의 관계에 있는 강재에 있어서는 양호한 재현 HAZ 인성을 얻을 수 있는 것을 확인하고 있다.

상술한 검토에 의해 HAZ 인성은 식 [1]을 만족시키고, 0.8 ％ 이상의 Ni 첨가에 의해 개선되는 것을 발견하였지만, 발명자들은 한층 더 나은 HAZ 인성 개선을 더 검토하였다. HAZ 인성을 개선시키는 방법으로서 이하의 3개를 검토하였다. 첫째로, 대입열 용접에서는 고온 체류 시간이 장기화되기 때문에 오스테나이트 입자가 조대화되고, 이것이 HAZ 인성을 저하시키기 때문에, 고온 체류 시의 오스테나이트의 조대화를 억제시키는 방법이다. 둘째로, 대입열 용접에서는 용접 후의 냉각 시간이 길기 때문에 오스테나이트 입계로부터 생성되는 페라이트가 조대화되고, 이 조대한 입계 페라이트가 HAZ 인성 저하의 원인이 되므로, 입계 페라이트의 조대화를 억제하는 방법이다. 셋째로, HAZ 조직 자체를 미세하게 하는 방법이다.

첫째인 오스테나이트 입자의 조대화를 억제하는 방법에 관해서는, 예를 들어 특허문헌 7에 기재되어 있는 바와 같이 미세 산화물을 분산시키는 방법이 유효하다. 특허문헌 7에서는 미세 산화물의 분산에 탈산 공정에서 용강의 용존 산소량을 Si와의 평형 반응에서 조정하고, 또한 그 후, Ti, Al, Ca의 순서로 탈산하는 것으로 하고 있다. 그리고, 이 방법에 의해, 입자 직경이 0.01 내지 1.0 ㎛인 산화물을 5 × 10³ 내지 1 × 10⁵개/㎟로 분산시키는 것으로 하고 있다.

그래서, 발명자들은 Ceq가 0.36 이상 0.42 이하로 높은 경우이고, Nb를 0.003 ％를 포함하고, 또한 Ni를 0.8 ％ 이상 첨가한 시스템에 있어서, 미세 산화물을 분산시켜 HAZ 인성을 더 향상시키는 방법을 예의 검토하였다. 우선, 미세 산화물을 분산시키는 방법이지만, 이와 같은 시스템에 있어서는 탈산 공정에서 용강 의 용존 산소량을 0.0010 내지 0.0050 ％로 조정하고, 그 후, 우선 Ti로 탈산하고, 계속해서 Al로 탈산한 후, Ca, Mg, REM 중 1종류 이상 첨가함으로써 원상당 직경이 0.005 내지 0.5 ㎛인 미세 산화물을 100개/㎟ 이상 분산시키는 것이 가능한 것을 발견하였다. 또한, 이 미세 산화물 분산에 의해 용접에서의 고온 체류 시의 오스테나이트 입자 조대화가 억제되어 HAZ 인성을 더 개선시킬 수 있었다. 일 예로서, Ni를 적정만 첨가한 HAZ 인성과 비교한 결과를 도3에 나타낸다. 또한, 생성되는 산화물은 Ni의 양이 많을수록 미세하고, 개수도 많아지고, Ni량이 1.5 ％ 이상인 경우에는 1000개/㎟ 이상이 된다. 이는 금회에 발견한 것이다. 또한, 용강 중의 Si량에 대해서는 Si량이 많은 경우에는 산화물이 생기기 어려워지므로, Si량은 0.30 ％ 이하, 또한 0.20 ％ 이하로 하는 것이 바람직한 것이 금회의 검토로부터 명백해졌다. 한편, Ti 탈산 전의 용존 산소량이 0.0050 ％를 넘는 경우나 탈산 원소의 순서가 다른 경우에는 산화물이 조대화되어 미세 산화물을 충분히 얻을 수 없으므로, 오스테나이트 입자의 조대화의 억제 효과는 거의 얻을 수 없다. 또한, 원상당 직경 0.005 내지 0.5 ㎛의 산화물의 개수는 모재가 되는 강판으로부터 추출 레플리카를 제작하고, 그것을 전자 현미경으로 10000배에서 100 시야 이상(관찰 면적으로 하여 10000 ㎛² 이상)을 관찰하고, 0.1 ㎛ 미만의 입자에 관해서는 적절하게 배율을 높여 관찰하였다. 관찰된 0.005 내지 0.5 ㎛ 직경의 각 입자에 있어서 원소 분석을 행하여 산화물인 것을 카운트하였다.

다음에, 발명자들은 HAZ 인성 향상 방법으로서, 상술에서 제2 방법 및 제3 방법으로서 기재한 입계 페라이트의 조대화 억제 및 HAZ 조직의 미세화를 예의 검토하였다. 그 결과, Ceq가 0.36 이상 0.42 이하로 높은 경우이고, 또한 Ni를 0.8 ％ 이상 첨가한 시스템이고, 특히 금회와 같은 20 내지 100 kJ/㎜ 상당의 대입열 용접을 하는 경우에 있어서는 B의 첨가가 유효한 것이 판명되었다. 그 이유는, 입계 페라이트의 조대화 억제의 점에서는 재가열 오스테나이트 입계에 고체 용융 B가 편석함으로써 입계 페라이트의 생성이 억제되기 때문이다. 또한, HAZ 조직의 미세화의 점에서는, 금회와 같은 대입열 용접에서 냉각 속도가 느린 경우에는 B 첨가에 의해 오스테나이트 입계 및 오스테나이트 입자 내의 개재물에 B 질화물이 석출되고, 그것을 핵으로 하는 수㎛의 미세한 페라이트가 오스테나이트 입계 및 입자 내에 다수 생성됨으로써 HAZ 조직이 미세화되기 때문이다. B 첨가에 의한 HAZ 인성의 개선을, Ni를 적정만 첨가한 HAZ 인성과 비교한 결과를 도3에 나타낸다. B 첨가에 의해 HAZ 인성이 더 향상되어 있는 것이 판명된다. 또한, 도3에는 상술한 미세 산화물을 분산시키는 방법에 부가하여 B를 첨가시킨 경우의 HAZ 인성을 나타내고 있지만, 미세 산화물 분산과 B 첨가에 의해 HAZ 인성이 한층 향상되어 있다. 이는, BN의 석출 사이트가 되는 산화물이 증가한 것에 의해, 그 BN을 핵으로 하는 페라이트가 증가하여 HAZ 조직이 보다 미세화되었기 때문이라 사료된다.

또한, 강도 확보나 내식성의 향상의 관점으로부터 상기 조건에 부가하여 Cu, Cr, Mo, V를 첨가한 경우의 HAZ 인성도 검토하였다. 그 결과, 각각 0.1 내지 0.4 ％, 0.1 내지 0.5 ％, 0.01 내지 0.2 ％, 0.005 내지 0.050 ％의 범위에서의 첨가이면, HAZ 인성을 크게 저하시키지 않는 것이 판명되었다.

또한, 본 발명의 강판의 제조 방법은 특별히 제한되는 것은 아니고, 공지의 방법에 따라서 제조하면 된다. 예를 들어, 상기한 적합 성분 조성으로 조정한 용강을 연속 주조법으로 슬라브로 한 후, 1000 내지 1250 ℃로 가열한 후, 열간 압연을 실시하면 된다.

다음에, 본 발명에서 사용하는 강 소재의 성분 조성의 한정 이유에 대해 설명한다. 이하, 조성에 있어서의 질량 ％는 단순히 ％로 기재한다.

C는 강의 강도를 향상시키는 유효한 성분으로서 하한을 0.03 ％로 하고, 또한 과잉의 첨가는 탄화물이나 MA를 다량으로 생성하여 HAZ 인성을 현저하게 저하시키므로, 상한을 0.14 ％로 하였다.

Si는 모재의 강도 확보, 탈산 등에 필요한 성분이지만, HAZ의 경화에 따라서 인성이 저하되는 것을 방지하기 위해 상한을 0.30 ％로 하였다. 또한, 산화물을 이용하는 경우에는 용강 중의 산소 농도의 감소를 방지하기 위해 상한을 0.20 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mn은 모재의 강도, 인성의 확보에 유효한 성분으로서 0.8 ％ 이상의 첨가가 필요하지만, 용접부의 인성, 균열성 등의 허용할 수 있는 범위에서 상한을 2.0 ％로 하였다. 또한, Mn의 상한에 관해서는 Ceq, Mn량 및 Ni량과의 관계를 나타내는 식 [1]을 만족시킬 필요가 있다. 이는, 금회의 검토에서 새롭게 발견된, Ceq가 높은 경우에 Mn의 증가가 HAZ 조직 중에 MA를 다량으로 생성시키는 원인이 되어 Ni에 의한 HAZ 인성의 향상 효과를 소실시킨다는 것을 기초로 한다.

Ni/Mn ≥ 10 × Ceq － 3 …[1]

P는 함유량이 적을수록 바람직하지만, 이를 공업적으로 저감시키기 위해서는 많은 비용이 걸리기 때문에, 함유 범위를 0.02 이하로 하였다.

S는 함유량이 적을수록 바람직하지만, 이를 공업적으로 저감시키기 위해서는 많은 비용이 걸리기 때문에, 함유 범위를 0.005 이하로 하였다.

Ni는 본 발명에서 중요한 원소이고, 적어도 0.8 ％의 첨가가 필요하다. 또한, Ni의 하한에 관해서는 Ceq, Mn량 및 Ni량과의 관계를 나타내는 식 [1]을 만족시킬 필요가 있다. 상한에 관해서는 제조 비용의 관점에서 4.0 ％로 하였다.

Ni/Mn ≥ 10 × Ceq － 3 … [1]

Nb는 켄칭성을 향상시킴으로써 모재의 강도를 향상시키기 때문에 유효한 원소이므로 0.003 ％ 이상 첨가한다. 그러나, Nb를 많이 첨가하면 Ni/Mn비에 관계없이 HAZ 중에 MA가 생성되기 쉬워지고, 0.040 ％보다 많이 첨가한 경우에는 HAZ 중에 긴 직경이 5 ㎛ 이상인 조대한 MA가 다수 생성되어 HAZ 인성을 크게 저하시키는 일이 있으므로 Nb의 상한을 0.040 ％로 하였다. 또한, 보다 높은 인성을 얻기 위해서는, 상술한 식 [1]을 만족시키는 Ni/Mn비의 경우에 긴 직경이 5 ㎛ 이상인 조대한 MA가 거의 생성되지 않는 0.020 ％ 이하로 Nb량을 억제하는 것이 바람직하다. 또한, 높은 인성을 보다 안정적으로 얻기 위해서는, 상술한 식 [1]을 만족시키는 Ni/Mn비의 경우에 긴 직경이 3 ㎛ 이상인 MA가 거의 생기지 않는 0.010 ％ 이하로 Nb량을 억제하는 것이 바람직하다.

Al은 중요한 탈산 원소이고, 하한치를 0.001 ％로 하였다. 또한, Al이 다량으로 존재하면, 주물편의 표면 품위가 열화되므로 상한을 0.040 ％로 하였다.

Ti는 재가열 오스테나이트 입자의 조대화 억제를 위해 필요한 핀닝 입자가 되는 Ti 질화물이나 Ti 함유 산화물을 생성시키기 위해 0.005 ％ 이상 첨가한다. 그러나, 과잉의 첨가는 고체 용융 Ti량을 증가시켜 HAZ 인성의 저하를 초래하므로, 0.030 ％를 상한으로 하였다.

N은 용접 후의 냉각 중에 오스테나이트 입계 및 입자 내에 Ti 질화물이나 B질화물을 생성시키기 위해 필요에 따라서 첨가량을 조정한다. B와 결합하여 B 질화물을 형성시키기 위해서는 0.0010 ％ 이상 첨가가 필요하지만, 과잉의 첨가는 고체 용융 N량을 증대시켜 HAZ 인성의 저하를 초래하므로, 0.0100 ％를 상한으로 하였다.

Ca는 재가열 오스테나이트 입자의 조대화 억제를 위해 필요한 핀닝 입자가 되는 Ca계 산화물을 생성시키기 위해 필요에 따라서 0.0003 ％ 이상 첨가한다. 그러나, 과잉의 첨가는 조대 개재물을 생성시키므로, 0.0050 ％를 상한으로 하였다.

Mg는 재가열 오스테나이트 입자의 조대화 억제를 위해 필요한 핀닝 입자가 되는 Mg계 산화물을 생성시키기 위해 필요에 따라서 0.0003 ％ 이상 첨가한다. 그러나, 과잉의 첨가는 조대 개재물을 생성시키므로, 0.0050 ％를 상한으로 하였다.

REM은 재가열 오스테나이트 입자의 조대화 억제를 위해 필요한 핀닝 입자가 되는 REM계 산화물을 생성시키기 위해 필요에 따라서 0.001 ％ 이상 첨가한다. 그러나, 과잉의 첨가는 조대 개재물을 생성시키므로, 0.030 ％를 상한으로 하였다. 또한, 여기서 서술하는 REM이라 함은, Ce 및 La이고, 첨가량은 양자의 총량이다.

B는 고체 용융 B로서 용접 후의 냉각 중에 오스테나이트 입계에 편석시켜 입 계 페라이트의 생성을 억제하고, 또한 오스테나이트 입계나 입자 내에서 BN을 생성시키기 위해 필요에 따라서 0.0005 ％ 이상 첨가한다. 그러나, 과잉의 첨가는 고체 용융 B량을 증대시키고 HAZ 경도를 크게 상승시켜 HAZ 인성의 저하를 초래하므로, 0.0050 ％를 상한으로 하였다.

Cu는 강재의 강도 및 내식성을 향상시키기 위해 필요에 따라서 0.1 ％ 이상 첨가한다. 그 효과는 1.0 ％에서 포화되므로 상한을 1.0으로 하였지만, 0.4 ％를 초과하면 MA가 생성되기 쉬워져 HAZ 인성이 저하되므로, 바람직하게는 0.4 ％ 이하가 좋다.

Cr은 강재의 내식성을 향상시키기 위해 필요에 따라서 0.1 ％ 이상 첨가하지만, 과잉의 첨가는 MA 생성에 의한 HAZ 인성의 저하를 초래하므로, 0.5 ％를 상한으로 하였다.

Mo는 모재의 강도 및 내식성을 향상시키기 위해 유효한 원소이고 필요에 따라서 0.01 ％ 이상 첨가한다. 그 효과는 0.5 ％에서 포화되므로 상한을 0.5 ％로 하였지만, 과잉의 첨가는 MA 생성에 의한 HAZ 인성의 저하를 초래하므로, 바람직하게는 0.2 ％ 이하가 좋다.

V는 모재의 강도를 향상시키기 위해 유효한 원소이고 필요에 따라서 0.005 ％ 첨가한다. 그 효과는 0.10 ％에서 포화되므로 상한을 0.10 ％로 하였지만, 과잉의 첨가는 MA 생성에 의한 HAZ 인성의 저하를 초래하므로, 바람직하게는 0.050 ％ 이하가 좋다.

(제1 실시예)

표1에 나타낸 화학 성분의 용강을 연속 주조하여 강편을 제작하였다. D23 내지 D34, D46 내지 D49에 관해서는 Ti 투입 전에 용강의 용존 산소를 Si로 0.0010 ％ 내지 0.0050 ％로 조정하고, 그 후, 우선 Ti에서 탈산하고, 계속해서 Al에서 탈산한 후, Ca, Mg, REM 중 어느 하나를 첨가하여 탈산하였다. 이들을 1100 내지 1250 ℃에서 재가열한 후, 이하의 2종류의 압연 방법에 의해 판 두께 50 내지 80 ㎜의 강판을 제조하였다. 하나는 표면 온도가 750 내지 900 ℃의 온도 범위에서 압연한 후, 복열 후의 판 표면의 온도가 200 내지 400 ℃의 온도 범위가 될 때까지 수냉하는 방법(표2에서는 TMCP라 기재)이고, 다른 하나는 열간 압연한 후 실온까지 수냉하고, 500 내지 600 ℃의 범위에서 템퍼링하는 제조 방법(표2에서는 DQ-T라 기재)이다.

표2에 강판의 제조 조건, 판 두께, 기계적 성질을 나타낸다. 또한, D23 내지 D34, D46 내지 D49에 관해서는, 강판의 임의의 부위에 있어서 측정한 원상당 직경 0.005 내지 0.5 ㎛의 미세 산화물의 개수를 병기하였다. 산화물의 개수는 강판의 임의의 부위로부터 추출 레플리카를 제작하고, 그것을 전자 현미경으로 10000배에서 100 시야 이상(관찰 면적으로 하여 10000 ㎛² 이상)을 관찰하고, 0.1 ㎛ 미만의 입자에 관해서는 적절하게 배율을 높여 관찰하였다. 관찰되는 0.005 내지 0.5 ㎛ 직경의 각 입자에 있어서 원소 분석을 행하고, 산화물인 것을 카운트함으로써 구하였다. D23 내지 D31, D46 내지 D49의 어느 강재도 원상당 직경 0.01 내지 0.5 ㎛의 미세 산화물이 본 발명 범위의 100개/㎟ 이상 분산시키고 있다. 또한, Si 이 외의 원소가 대략 동등한 D46, D47 및 D48, D49의 비교로부터 Si량은 0.20 ％ 이하로 적은 쪽이 산화물의 양이 많은 것을 알 수 있다.

이들 강판에 용접 입열량이 20 내지 100 kJ/㎜인 일렉트로 가스 용접(EGW) 혹은 일렉트로 슬러그 용접(ESW)을 이용하여, 강판을 맞대고 수직 배향 1 패스 용접을 행하였다. 그리고, 판 두께 중앙부(t/2)에 위치하는 HAZ에 있어서, FL로부터 1 ㎜ 이격된 HAZ와 FL의 2군데에 노치를 넣고, －40 ℃에서 샤르피 충격 시험을 행하였다. 표2에 용접 조건과 HAZ 인성을 나타낸다. 여기서의 샤르피 충격 시험에서는 JIS4호의 2 ㎜V 노치의 풀 사이즈 시험 부재를 이용하였다. 또한, 표2에는 FL 내지 HAZ 1 ㎜ 사이의 구오스테나이트 입경을 병기하였다. 여기서 기재하고 있는 FL 내지 HAZ 1 ㎜ 사이의 구오스테나이트 입경은 판 두께 중앙부를 중심으로 한 판 두께 방향 2 ㎜와, FL 내지 HAZ 1 ㎜를 포함하는 면에 포함되는 구오스테나이트 입자의 입경을 단면법에 의해 측정한 평균 입경이다. 또한, 여기서는 네트형으로 연결되어 있는 괴상 페라이트를 구오스테나이트 입자의 입계로서 측정을 행하였다.

D1 내지 D49는 본 발명 강이다. 강의 화학 성분이 적절하게 제어되어 있으므로, 소정의 모재 성능을 만족시키면서 －40 ℃에서의 대입열 HAZ 인성이 양호하다. 또한, 미세 산화물을 분산시킨 D23 내지 D34, D46 내지 D49는 FL 내지 HAZ 1 ㎜ 사이의 구오스테나이트 입경이 200 ㎛ 이하로 다른 것보다 미세 입경으로 되어 있고, －40 ℃에서의 대입열 HAZ 인성이 한층 높게 되어 있다. 또한, B를 첨가하여 HAZ 조직의 미세화를 도모한 D20은 b를 첨가하고 있지 않은 B 이외의 첨가 원소가 동량인 D19에 비해 HAZ 인성이 양호하고, －40 ℃에서의 대입열 HAZ 인성도 높 은 값을 나타내고 있다.

한편, 비교 강의 C1 내지 17은 식 [1]을 만족시키기 위한 충분한 Ni가 포함되어 있지 않거나, 혹은 강의 화학 성분이 적절하게 제어되어 있으므로, 대입열 HAZ 인성이 불충분하다.

[표1]

[표1-1]

[표1-2]

[표1-3]

*Ni/Mn ≥ 10 × Ceq － 3을 만족시키는 경우에는 ○, 만족시키지 않는 것은 ×를 기재한다.

[표2]

[표2-1]

[표2-2]

[표2-3]

1) 판 두께 중심 위치, YS와 TS는 시험 부재 2개의 평균치, －40 ℃에서의 샤르피 흡수 에너지(vE － 40)는 시험 부재 3개의 평균치.

2) 강판의 임의의 부위로부터 추출 레플리카를 제작. 전자 현미경으로 10000배에서 100 시야 이상(관찰 면적으로 하여 10000 ㎛² 이상)을 관찰.

단, 0.1 ㎛ 미만의 입자에 관해서는 적절하게 배율을 높여 관찰.

원상당 직경 0.005 내지 0.5 ㎛의 입자 중 원소 분석에서 산화를 포함하는 것을 카운트하여 1 ㎟당의 개수로 환산.

3) EGW : 일렉트로 가스 용접, ESW : 일렉트로 슬러그 용접, 용접 입열량은 용접 전체 길이에서의 평균치, 각 용접법에서 공통인 용접 재료를 사용.

4) 판 두께 중앙부를 중심으로 한 판 두께 방향 2 ㎜와, FL 내지 HAZ 1 ㎜를 포함하는 면에 포함되는 구오스테나이트의 평균 입경.

단면법에 의해 측정. 네트형으로 연결되어 있는 페라이트를 구오스테나이트 입자의 입계로서 측정.

5) FL 노치는 WM과 HAZ가 등분이 되도록 표시하고, 각 노치 위치에서의 vE － 40－은 시험 부재 3개의 평균치.

본 발명은 선박, 해양 구조물, 중고층 빌딩 등의 파괴에 대한 엄격한 인성 요구를 만족시키는 두꺼운 강판을 공급하는 것이고, 이러한 종류의 산업 분야에 초래하는 효과는 매우 크고, 또한 구조물의 안전성의 의미에서 사회에 대한 공헌도 매우 크다.

Claims

질량 ％로,

C : 0.03 내지 0.14 ％,

Si : 0.30 ％ 이하,

Mn : 0.8 내지 2.0 ％,

p : 0.02 ％ 이하,

S : 0.005 ％ 이하,

Al : 0.001 내지 0.040 ％,

N : 0.0010 내지 0.0100 ％,

Ni : 0.8 내지 4.0 ％,

Ti : 0.005 내지 0.030 ％,

Nb : 0.003 내지 0.040 ％

를 함유하고, Ni와 Mn이 식 [1]을 만족시키고, 잔량부가 철 및 불가피 불순물인 것을 특징으로 하는 대입열 용접에 의한 용접 열영향부의 저온 인성이 우수한 두꺼운 고강도 강판.

Ni/Mn ≥ 10 × Ceq － 3 (0.36 ＜ Ceq ＜ 0.42) …[1]

단, Ceq ＝ C ＋ Mn/6 ＋ (Cr ＋ Mo ＋ V)/5 ＋ (Ni ＋ Cu)/15
제1항에 있어서, 질량 ％로,

Ca : 0.0003 내지 0.0050 ％,

Mg : 0.0003 내지 0.0050 ％,

REM : 0.001 내지 0.030 ％

중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하고, 또한

O : 0.0010 내지 0.0050 ％

를 함유하고, 원상당 직경이 0.005 내지 0.5 ㎛인 산화물을 100개/㎟ 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 대입열 용접에 의한 용접 열영향부의 저온 인성이 우수한 두꺼운 고강도 강판.
제1항 또는 제2항에 있어서, 질량 ％로,

B : 0.0005 내지 0.0050 ％

를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 대입열 용접에 의한 용접 열영향부의 저온 인성이 우수한 두꺼운 고강도 강판.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 질량 ％로,

Cr : 0.1 내지 0.5 ％,

Mo : 0.01 내지 0.5 ％,

V : 0.005 내지 0.10 ％,

Cu : 0.1 내지 1.0 ％

중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 대입열 용접에 의한 용접 열영향부의 저온 인성이 우수한 두꺼운 고강도 강판.