KR20070021211A - 내피로균열 진전성이 우수한 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

용접 구조물 등의 용접부 등에 내재하는 균열이 반복 응력을 받아 진전하는 것에 대한 저항성을 높인 내피로 파괴성능이 우수한 강판과 그 제조 방법의 제공. 질량%로, C:0.01∼0.10%, Si:0.03∼0.6%, Mn:0.3∼2%, solAl:0.001∼0.1%, N:0.0005∼0.008%를 함유하고, 필요에 따라 1군∼3군 중 적어도 1군에서 선택한 1종 이상의 원소를 포함하고, 잔부는 Fe와 불순물로 이루어지고, 또한, 금속 조직이 면적률로 30% 이상의 베이나이트 조직, 합계로 5% 이하의 마르텐사이트 조직과 펄라이트 조직, 잔부가 페라이트 조직인 강판과 그 제조방법.

Description

내피로균열 진전성이 우수한 강판 및 그 제조방법{STEEL PLATE EXCELLENT IN RESISTANCE TO FATIGUE CRACK PROGRESSION}

본 발명은 토목건축 구조물, 선박, 해양 구조물, 교량, 건축물, 자동차, 탱크 및 라인 파이프 등의 구조물의 재료로서 알맞은, 대기중 및 부식환경 중에서의 내피로균열 진전성이 우수한 강판과 그 제조방법에 관한 것이다.

선박, 해양 구조물, 교량, 건축물, 탱크, 자동차, 라인 파이프 등으로 사용되는 강재에는, 강도, 인성, 피로특성 등 각종 기계적 성질이 우수할 것, 및 용접성이 우수할 것이 요구된다. 특히 기계적 성질의 중에서 피로특성은 구조물의 강도 설계상 매우 중요하다.

특허문헌 1에는, 피로특성이 우수한 고강도 열연 강판의 제조방법의 발명이 개시되어 있다. 본 발명은, 같은 인장 강도라도 피로 강도 또는 피로 한도비를 올리기 위해 금속조직을 규정한 것으로, P 및 Cu를 첨가한 강을 페라이트와 베이나이트로 이루어지는 조직으로 하고, 페라이트 부분의 경도를 120Hv 이상으로 하면, 가공성이 우수하고, 피로 한도가 향상하는 것이 나타나 있다.

특허문헌 2에는, 피로특성과 신장 플랜지성이 우수한 고강도 열연 강판에 관계되는 발명이 개시되어 있다. 본 발명에서는, Si, P, Mn 및 Cr의 각 함유량을 규 정한 페라이트와 제2 상(펄라이트, 베이나이트, 마르텐자이트 및 잔류 오스테나이트 등)으로 이루어지는 고강도 열연 강판에 있어서, 제2 상의 경도를 200∼600Hv, 체적률을 5∼10%로 하고, 페라이트의 경도를 제2 상의 양으로부터 결정하는 어느 경도로 제어함으로써 피로 한도비의 향상을 도모하고 있다.

이들 문헌에 기재된 발명에서는, 피로한도를 개선한 것을 특징으로 하고 있는데, 피로한도 혹은 피로 한도비는, 통상은 회전 굽힘, 박판의 경우는 평면 굽힘의 피로시험에 의한 S-N 곡선에서 요구된다. 그들 시험편은 특정한 경우를 제외하고, 최대 응력이 가해지는 부분은 가능한 한 평활하게 되기 때문에, 재료에 흠집이나 균열이 존재하는 경우의 참고로는 될 수 없다.

일반적으로 피로파괴가 일어나는 과정은, 응력 집중부에서의 균열의 발생, 및 그 후의 피로균열의 진전으로 크게 2개의 과정으로 구분할 수 있는데, 상기와 같은 시험법에 의해 구한 피로한도나 피로 한도비의 값에서는, 그것들이 균열의 발생과 진전과의 각 과정에 미치는 영향이 불명하다.

용접 구조물에서는, 응력 집중부로서의 용접지 단부가 다수 존재하고 있고, 피로균열의 발생을 완전히 방지하는 것은 기술적으로 불가능에 가까우며, 또한, 경제적으로도 상책이 아니다. 그 때문에, 균열이 이미 존재하고 있는 상태로부터의 균열 진전에 의한 내용(耐用)수명의 단축을 대폭 연장시킬 필요가 있다.

따라서, 균열의 진전 속도를 가능한 한 느리게 하는 것이 중요해진다.

구조물 설계시의 대책으로서, 응력이 집중하지 않도록 하중을 분산시키고, 강도적으로 충분한 여유를 갖게 함으로써, 설령 균열이 발생해도 치명적인 파괴에 달하는 것이 없도록 하는 것은 가능하다. 그러나, 강도상 충분한 여유를 갖게 하는 것은 경제상의 제약이 있어, 가능한 한 강재 자신의 피로균열의 진전을 느리게 하는 것, 즉, 균열 진전저항을 증대시키는 것이 바람직하다. 그러나, 이 재료의 피로균열 진전 저항성을 향상시키는 기술에 대해서는, 종래 그다지 검토되지 않았다.

특허문헌 3에는, 피로강도와 피로균열 전파저항과 함께 우수한 고강도 열연 강판의 제조방법이 기재되어 있고, P 및 Cu의 함유량을 규제하고, 페라이트 결정 입경을 5∼25㎛, 제2 상의 체적 분률이 10∼30%의 이상 조직으로 함으로써 피로강도와 피로균열 전파저항이 개선되는 것이 개시되어 있다. 단, 이 문헌에서 말하는 피로균열 전파저항이란, 후술의 피로균열의 진전에서의 하한계 응력확대 계수범위(ΔKth)를 말하며, 피로균열 전파저항이 개선되면, 피로균열이 진전하는 하한의 응력확대 계수값을 높이는 효과는 있지만, 피로균열 진전 속도를 느리게 하는 것에 대해서는 효과가 있는 방법은 아니다.

특허문헌 4에는, 조직의 20% 이상이 베이나이트인 강재의 피로균열 진전속도 평가방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 문헌에 기재한 발명은 평가방법에 관한 것이고, 강재의 강도나 인성 등 기계적 특성이 고려되어 있지 않아, 토목건축 구조물, 선체나 해양 구조물 등으로의 적용이 적절하다고는 할 수 없다.

특허문헌 1: 일본국 특허 공개공보 4-276016호

특허문헌 2: 일본국 특허 공개공보 4-329848호

특허문헌 3: 일본국 특허 공개공보 4-337026호

특허문헌 4: 일본 특허 공개공보 2001-41868호

본 발명의 과제는, 각종 용접 구조물 등의 용접부 등에 내재하는 균열이, 반복 응력을 받아 진전하는 것에 대한 저항성을 높인 내피로 파괴성능이 우수한 강판과 그 제조방법을 제공하는 것에 있다. 구체적으로는, 후술하는 반복하중 1 사이클 중의 응력확대 계수(K)의 최대값과 최소값의 차인 ΔK가 20MPa√m에서, 응력비 0.1의 조건으로 구한 피로균열 진전 속도가 3.2×10^-5㎜/cycle 이하인 강판과 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 여러 실험과 검토를 거듭했다.

도 1은, 균열진전 속도, 즉 피로균열 진전 속도와 응력확대 계수와의 관계를 나타내는 도면이다.

전술한 바와 같이 피로 파괴가 일어나는 과정은, 응력 집중부에서의 균열의 발생과, 그 후의 피로균열의 진전으로 크게 2개의 과정으로 구분할 수 있다. 이미 피로균열이 발생한 상태에서, 균열의 진전을 파괴 역학적으로 취급하면, 반복 응력의 응력비(R=σmin/σmax:1 사이클 중의 최대 응력과 최소 응력의 비)가 일정한 경우, 피로균열 진전 속도(da/dN:반복하중 1 사이클당 균열 진전량)와 응력확대 계수범위(ΔK=Kmax-Kmin:1 사이클 중의 응력확대 계수(K)의 최대값과 최소값의 차) 사이에는, 양대수 표시로 도 1에 나타내는 바와 같은 관계가 있다.

이 도면에서, 「Ⅱa」로 나타낸 ΔK가 작은 영역에서는, 균열이 있어도 진전 속도는 작고, 어느 하한치(ΔKth)에서 피로균열 진전 속도(da/dN)는 급격히 작아져, 균열의 진전은 사실상 인정되지 않게 된다. 이 ΔKth를 하한계 응력확대 계수범위라 하고, 이 이하의 응력이면, 균열이 존재한 상태이어도 진전은 없다.

「Ⅱb」로 나타낸 바는, 균열 선단의 미끄럼면 분리가 지배적 기구로 되어 균열이 진전하는 영역이다. 이 영역에서 형성되는 찰흔(striation)은, 전형적인 피로파괴의 파면으로서 관찰된다. 이「Ⅱb」의 영역에서는, 파리스 규칙으로서 알려지는 식

da/dN=C(ΔK)^m

이 성립한다. 여기서, C 및 m은 재료, 환경, 응력비 등에 의존하는 정수이다.

「Ⅱc」로 나타낸 영역에서는, 통상의 인장응력에 의한 파괴, 즉 벽개나 입계 균열, 혹은 미소 홀의 합체와 같은 미시적인 금속 조직적 양상을 나타내는 정적인 파괴에 가까워, 균열 진전 속도는 현저히 가속된다.

여기서, 피로균열 진전 속도의 측정방법에 대해 설명해 둔다.

도 6은, 피로균열 진전 속도의 측정방법을 설명하기 위한 도면이다. 동 도면 (a),(b)에 나타내는 바와 같이 응력확대 계수범위(ΔK)가 약 18, 22, 26, 30, 34MPa√m의 경우의 da/dN의 값을 구한다. 다음으로, 파리스(Paris)식

da/dN=C(ΔK)^m

을 이용하여 5개의 da/dN과 ΔK의 관계로부터 도 6(c)에 나타내는 바와 같이 대수 그래프를 작성하고, 직선 근사로부터 C와 m의 값을 구한다. 그리고 내삽법에 따라 ΔK=20MPa√m의 때의 da/dN을 구하고, 3.2×10^-5㎜/cycle 이하를 본 발명의 목표값으로 하고 있다.

본 발명자들은, 도 1의 「Ⅱb」 영역에서의 균열 진전을 느리게 하는 것에 착안하여, 동 영역에서의 피로균열 진전 속도(da/dN)에 미치는 재료의 영향 및 제조방법에 관하여, 여러 시험을 반복하여 검토를 거듭한 결과, 이하의 지견을 얻었다.

1) 피로균열 진전 속도(da/dN)는 조직에 의해 좌우되고, 베이나이트 조직이 30% 이상으로 작아지는 것. 특히 60∼85%에서 da/dN이 가장 작아진다.

2) 형상 교정을 적정한 조건으로 행하면, da/dN가 더 작아진다.

3) 마르텐사이트 조직과 펄라이트 조직은 단단하고 무른 조직 때문에 상 경계에서 피로균열의 진전을 억제할 수 없어, 이들의 조직이 면적율에서 5%를 넘으면 da/dN이 열화한다.

상기 1)에 대해 본 발명자들은, 피로균열이 진전하여 베이나이트상을 만나면, 그 입계에서 균열이 정류하거나, 혹은 베이나이트 조직을 피하도록 굴곡하거나 하면서 진전하는 것을 확인하였다.

도 2는, 베이나이트상의 피로균열의 진전에 미치는 영향을 조사하기 위해 이용한, 페라이트 단상강(單相鋼) 및 베이나이트 단상강으로 이루어지는 적층형 CT 시험편(10)의 사시도이다.

본 발명자들은, 동 도면에 간이적으로 나타내는 바와 같이 페라이트 단상강(F), 베이나이트 단상강(B)으로 이루어지는 적층형 CT 시험편(10)을 제작하고, 피로균열(12)의 진전방향이 상기 F 및 B의 각 시험편의 적층 경계에 직각이 되도록 가공하였다. 이 시험편을 이용하여 ΔK=25MPa√m에서의 피로균열 진전 속도를 응력비 O.1의 조건으로 측정하였다.

도 3은, 측정 결과로부터 얻어진 피로균열 길이와 피로균열 진전 속도(전파속도)와의 관계를 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 바와 같이 페라이트 상(F)으로부터 베이나이트상(B)에 균열이 진전할 때에, 진전 속도가 크게 억제되어 있는 것이 분명해져, 베이나이트상 경계에서의 균열의 정류, 굴곡이 영향하고 있는 것이 시사되었다.

또한, 베이나이트는 피로균열 진전시험과 같은 반복 변형을 받으면 가공 연화하는 것이 알려져 있다. 이는 변태에 의해 도입된 전위가, 반복 변형에 의해 합체, 소멸하기 때문이고, 이에 의해 피로균열 선단에 축적하는 뒤틀림이 완화된다. 즉 가공 연화특성에 의해 균열진전 구동력이 저하하는 것도 베이나이트가 균열 진전의 억제에 유효하다고 생각된다.

그래서, 본 발명자들은 하기의 시험을 실시하였다.

C:0.08%, Si:0.25%, Mn:1.4%, Nb:0.02%, Ti:0.01%, sol.Al:0.025%, N:0.004%, 잔부 Fe 및 불순물의 화학조성을 갖는 강편을 1150℃로 가열하고, 열간 압연을 실시한 후, 냉각 속도 25℃/s의 가속냉각을 행하여, 베이나이트 분률이 다른 4종류의 베이나이트-페라이트 강판을 얻었다. 그들 강판의 ΔK=20MPa√m에서의 da/dN을 응력비 0.1의 조건으로 측정하였다.

도 4는, 측정 결과로부터 얻어진 베이나이트　조직 분률과 피로균열 진전 속도(da/dN)의 관계를 나타내는 도면이다. 동 도면에 나타내는 바와 같이 베이나이트 분률이 30% 이상이면 da/dN이 작아지고, 특히 60∼85%에서 가장 작아지는 것을 알기에 이르렀다.

대부분의 경우, 압연후 혹은 열처리 후에 롤러 레벨러나 프레스기에 의한 형상 교정을 실시한다.

특히 롤러 레벨러에 의한 교정은 형상 교정을 위해서 뿐 아니라, 피로균열 진전속도 저하에도 효과적이고, 소성 변형률이 중요한 관리 항목이 된다는 것을, 본 발명자들은 하기 실험에 의해 알기에 이르렀다.

C:0.05%, Si:0.20%, Mn:1.45%, Cu:0.2%, Ni:0.1%, Nb:0.02%, so1.Al:0.030%, N:0.004%, 잔부 Fe 및 불순물의 조성을 갖는 강편을 1150℃로 가열후, 마무리 온도 880℃에서 열간 가공을 실시한 후, 800℃에서 냉각 속도 25℃/s의 가속냉각을 개시하고, 100℃ 이하에서 냉각을 정지하여 판두께 15㎜의 강판을 얻었다.

그 열연 강판을, 압하 조건을 여러가지 바꾼 롤러 레벨러에 통과시켜 교정을 실시하고, 얻어진 강판으로부터 시험편을 채취하여 피로균열 진전 속도를 측정함과 동시에, 교정하기 전의 강판의 피로균열 진전 속도도 측정하여, 교정 전후의 강판으로 비교하였다. 또, 피로균열 진전 속도는 응력비 0.1의 조건에서, ΔK=20MPa√m일 때의 것이다.

도 5는 소성 변형률과 균열진전 속도 변화비의 관계를 나타내는 도면이다. 도면 중의 피로균열 진전 속도비는, 교정전의 da/dN을 교정후의 da/dN으로 나눈 것이다. 즉 이 비가 1를 넘으면 교정에 의해 da/dN이 증가하고, 1보다 작으면 da/dN이 저하한 것을 나타낸다. 또한, 레벌러의 소성 변형률이란, 여기서는 레벌러의 입구측으로부터 세어 3개째의 롤로 설정하였다. 일반적으로 롤러 레벨러의 경우, 들어가는 측에서 나오는 측에 걸쳐서 압하량을 경사적으로 작게 하는, 이른바 들어가는 측에서 나오는 측을 향해 테이퍼 형상이 되는 것과 같은 롤 간격으로 하여 교정한다. 따라서, 들어가는 측의 롤 쪽이 나오는 측에 비해, 부하는 커진다. 재료 역학적으로 생각한 경우, 1, 2개째의 롤에는 지점수가 적기 때문에, 가장 부하가 걸리는 롤이 3개째이기 때문이다. 이 3개째의 롤에 의한 소성 변형률의 계산 방법을 이하에 나타낸다.

소성 변형률(

)은 하기 식에 의해 구할 수 있다.

=1-2ρ_iσ_y/Et

여기서 ρ_i:롤러 레벨러 들어가는 측에서 i개째의 롤에서의 강판의 곡률 반경, σ_y:2차원 항복 응력, σ_y=1.15×σe(σe는 통상 강재로 표현하는 항복 응력), E:종탄성 계수, t:판두께이다.

또, 종탄성 계수는 강판의 온도에 따라 변화한다. 예를 들면 「기계공학 편람」 A4편 재료 역학의 A4-6페이지의 표 2에, 탄소강(C:0.25% 이하)의 온도와 종탄성 계수의 관계가 제시되어 있고, 이 값을 사용하는 것이 바람직하다.

도 5로부터, 소성 변형률을 적정화함으로써 교정 가공전에 비해, 균열진전 속도 변화비가 작아지는 것을 알 수 있다. 이는 교정 가공에 의해, 시험편 내부의 전위가, 피로 시험시에 용이하게 움직이기 쉬운 전위로 변화하기 때문이라 생각된다. 통상 전위는, 압연에 의해 다량으로 조직에 도입되는데, 이들 전위는 서로 얽혀 피로 시험시에 움직이기 어렵고, 반복 변형에 있어서도 전위끼리의 소멸이 일어나지 않아 반복 연화의 현상이 생기지 않는다. 이에 대해, 레벌러에 의한 교정을 행함으로써, 조직중의 전위가 움직이기 쉬워지고, 반복 변형에 의한 전위끼리의 합체, 소멸이 많아져, 반복 연화량이 커지고, 그 결과, 진전 속도가 늦어지기 때문이라 생각된다.

본 발명자들은 이상의 지견을 토대로, 이하에 나타내는 내피로균열 진전성이 우수한 강판 및 그 제조방법을 발명하기에 이르렀다.

여기에, 본 발명은, 질량%에서, C:0.01∼0.10%, Si:0.03∼0.6%, Mn:0.3∼2%, sol.Al:0.001∼0.1%, N:0.0005∼0.008%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖고, 또한 금속조직이 면적률에서 30% 이상의 베이나이트 조직, 합계에서 0∼5%의 마르텐사이트 조직과 펄라이트 조직, 잔부가 페라이트 조직인 것을 특징으로 하는 강판이다.

상기의 강판은, 하기의 제1군으로부터 제3군까지 중의 적어도 1군에서 선택한 1종 이상의 성분을 더 함유시킬 수 있다.

제1군:

질량%에서, Cu:0.05∼1%, Ni:0.05∼1%, Cr:0.05∼1%, Mo:0.05∼0.8% 및 W:0.05∼0.5%.

제2군:

질량%에서, Nb:0.005∼0.08%, Ti: 0.005%∼0.03%, V:0.005∼0.08% 및 B:0.0005∼0.003%.

제3군:

질량%에서, Ca:0.0005∼0.007%, MG:0.0005∼0.007% 및 REM:0.0005∼0.05%.

다른 면에서는, 본 발명은, 상기의 화학조성을 갖는 강편을, 1000℃∼1250℃의 온도 범위내로 가열한 후, 열간 압연을 행하고 나서 냉각을 행하고, 냉각후에 형상 교정을 행하는 강판의 제조방법으로서, 상기 냉각시에, 적어도 650℃∼500℃의 온도영역은 평균 냉각속도 5℃/s 이상의 가속냉각을 행하는 강판의 제조방법이다.

또 다른 면에서는, 본 발명은, 상기의 화학조성을 갖는 강편을, 1000℃∼1250℃의 온도 범위내로 가열한 후, 열간 압연을 행하여, 열간 압연후 Ac₁점 이상의 온도로 재가열하여 냉각을 행하고, 냉각후에 형상 교정을 행하는 강판의 제조방법으로서, 상기 냉각시에, 적어도 650℃∼500℃의 온도영역은 평균 냉각속도 5℃/s 이상의 가속냉각으로 하는 동판의 제조방법이다.

본 발명에 따른 각각의 상기 제조방법에 있어서, 냉각후 450℃ 이하로 더 가열하여 템퍼링을 행해도 된다.

형상 교정에서의 강판의 소성 변형률을 0.3∼0.87로 하여 교정을 행해도 된다.

형상 교정에 이용하는 장치를 롤러 레벨러로 하고, 하기 식으로부터 구해지는 롤러 레벨러의 강판 들어가는 측에서 3개째의 롤에 의한 강판의 하기 소성 변형률(

)을 0.3∼0.87로 하여 교정해도 된다.

=1-2ρ_iσ_y/Et

여기서, ρ_i:롤러 레벨러 들어가는 측에서 3개째의 롤에서의 강판의 곡률 반경, σ_y:2차원 항복응력, σ_y= 1.15×σe(σe는 통상 강재로 표현하는 항복응력), E:종탄성 계수, t:판두께로 한다.

또, 또 다른 면에서는, 본 발명은, 상기의 어느 것인가의 강재 또는 상기의 어느 것인가에 기재한 제조방법에 의해 제조된 강재를 이용한 구조물이다.

(발명의 효과)

본 발명에 의하면, 피로균열 진전에 대한 저항성이 큰 강판이 얻어지고, 이 강판을 토목건축 구조물, 선박, 해양 구조물, 교량, 건축물, 탱크, 자동차, 라인 파이프 등의 반복 하중하에서 사용되는 강 구조물에 이것을 적용함으로써, 그 안전성이 높아져, 구조물의 수명의 연장, 또 강재 사용량의 삭감이 가능해진다.

도 1은 피로균열 진전 속도와 응력확대 계수 범위와의 관계를 나타내는 설명도이다.

도 2는 페라이트 단상강, 베이나이트 단상강으로 이루어지는 적층형 CT 시험편의 사시도이다.

도 3은 피로균열 길이와 피로균열 진전 속도와의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4는 베이나이트　조직 분률과 피로균열 진전 속도(da/dN)의 관계를 나타 내는 그래프이다.

도 5는 소성 변형률과 균열진전 속도 변화비의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6(a), (b), (c)는, 피로균열 진전 속도의 측정방법을 설명하기 위한 설명도이다.

도 7은 템퍼링 온도와 피로균열 진전 속도의 관계를 나타내는 도면 그래프ㅇ이.

도 8(a), (b)는 각각 CT 시험편의 정면도와 측면도이다.

도 9는 전기 유압식 폐루프형 피로시험 장치를 나타내는 측면도이다.

본 발명의 강판의 화학조성 및 제조방법에 있어서의 각 조건의 한정 이유에 대해 상세히 설명한다.

또, 이하로 나타내는 각 원소의 함유량을 나타내는 「%」는, 어느 것이나 「질량%」이다.

(1)강판의 화학조성

C:0.01∼0.10%

강도의 확보 및 적량의 베이나이트상을 생성시키기 위해, 함유량을 관리할 필요가 있다. 함유량이 0.01% 미만에서는, 베이라이트 양이 불충분하여, 균열 진전의 저항성을 늘릴 수 없다. 한편, 함유량이 O.10%를 넘으면, 용접성이 악화한다. 그래서, C 함유량은, 0.01∼0.10%로 하였다. 바람직하게는 0.02∼0.08%이다.

Si:0.03∼0.6%

Si는 탈산 및 강도를 높일 목적으로 첨가한다. 0.03% 미만의 함유량에서는 그 효과가 충분하지 않고, 0.6%를 넘으면 베이나이트 조직중에 섬형상 마르텐사이트가 형성되어, 인성의 열화나, 표면 성상의 악화를 초래하기 때문에, 그 함유량은 0.03∼0.6%로 하였다. 또, 알맞은 범위로서는 0.1∼0.5%이다.

Mn:0.3∼2%

Mn은 구조용 강으로서의 강도의 보증이나 안정한 베이나이트상의 생성에 필요한 원소로, 0.3% 미만에서는 효과가 충분하지 않고, 2%를 넘으면 용접성이나 인성이 열화한다. 바람직하게는 0.5% 이상이다.

안정하게 양호한 효과가 얻어지는 바람직한 범위는, 0.8∼1.8%이다.

Sol.Al: 0.001∼0.1%

Al은, 탈산의 목적으로 제강시에 첨가한다. 함유량이 O.001% 미만에서는 탈산 불충분으로 압연 전의 강괴에 내부 결함이 증가하고, O.1%를 넘으면 인성이 열화한다. 바람직하게는 O.01% 이상이다.

따라서, Al 함유량은 O.001%∼0.1%로 하였다. 또, 어느 정도 이상 첨가해도 효과가 포화되기 때문에, 바람직한 것은 0.01∼0.05%이다.

N:0.0005∼0.008%

N은 Al이나 Ti와 결합하여 석출물이 되고, 오스테나이트 입자의 세립화에 기여하여, 인성을 개선하는 작용이 있다. 이 효과를 얻기 위해서는, N은 0.0005% 이상 함유시킬 필요가 있다. 한편, N 함유량이 0.008%를 넘으면 섬형상 마르텐사이트 비율이 증가하여, 인성이 열화하기 때문에, 그 상한은 0.008%로 하였다.

Cu, Ni, Cr, Mo, W:

이들의 원소는, 강의 강도향상, 피로균열 진전 억제에 효과가 있음과 동시에, 내식성 향상에도 효과가 있다. 그 때문에, 사워원유(sour crude) 중 등의 부식 환경하에서도 피로균열 진전 억제에 효과를 발휘하여, 필요에 의해 함유시킨다. 함유시키는 경우는 Cu, Ni, Cr에서는 0.05∼1%, Mo에서는 0.05∼0.8%, W에서는 0.05∼0.5%으로 한다. 이들의 하한 미만에서는 충분한 효과가 얻어지지 않는다. 한편, 이들의 상한을 넘으면, Cu에서는 열간 압연시의 균열, Ni, Cr에서는 용접성의 열화, Mo, W에서는 인성의 열화를 초래한다.

Nb, Ti, V, B:

이들의 원소는, 어느 것이나 강도를 높이고, 피로균열 진전 속도를 억제하는 효과가 있어, 필요에 의해 함유시킨다.

보다 구체적으로는 Nb 및 Ti는, 석출 경화에 의해 강도를 개선할 수 있다. 또한, 압연 조건이나 열처리 조건과 조합에 의해 오스테나이트 입경의 제어를 할 수 있고, 또 담금질성 향상에 의한 전위 도입에 의해 피로균열 진전 속도가 억제한다. 이들의 효과를 충분히 얻기 위해서는, Nb, Ti 모두 0.005% 이상 함유시킨다. 바람직하게는 0.01% 이상이다. 한편, 너무 많으면 강의 인성을 열화시키기 때문에, 그 함유량의 상한은, Nb의 상한은 0.08%, Ti의 상한은 0.03%이다.

V, B는, 강의 강도를 높이는 외에 인성을 높이는 효과가 있다. 또한, 이들의 원소는 담금질성 향상에 의해, 조직중의 전위 밀도를 상승시켜 피로균열 진전 속도의 향상에 기여한다. 특히 B는 담금질성 향상에 의한 변태점 저하의 효과가 크기 때문에 유효하다. 이들의 효과를 충분히 얻기 위해는 V는 0.005% 이상, B는 O.0005% 이상 함유시킨다. 한편, V는 O.08%를, B는 O.003%를 넘으면, 인성이 열화한다. 바람직한 함유량은, V에서는 0.02∼0.06%, B에서는 O.0008∼0.002%이다.

Ca, Mg, REM(희토류 원소):

이들의 원소는 조직을 미세화하고, 인성 개선에 효과가 있어 필요에 의해 함유시킨다. 이들의 효과를 충분히 얻기 위해는 각 원소 모두 0.0005% 이상 함유시킨다. 그러나, 과잉으로 넣으면 인성이 열화하기 때문에, Ca, Mg의 상한은 0.007%, REM의 상한은 0.05%로 하였다. 따라서, Ca:0.0005∼O.007%, MG:O.0005∼O.007%, REM:0.0005∼0.05%로 하였다.

P 및 S는, 어느 것이나 인성을 열화시키는 불순물 원소이고, 적으면 적을수록 좋다. 본 발명의 강에서는, 두드러진 영향을 끼치지 않는 한계로서, P 및 S의 함유량은 각각 0.02% 이하, 0.01% 이하로 하는 것이 바람직하다.

(2) 금속조직

베이나이트 조직:

내피로균열 진전성이 우수한 강판의 개발목표로서, ΔK=20MPa√m로 응력비 0.1의 조건에서 da/dN을 3.2 이하로 하였지만, 도 4로 나타내는 바와 같이 베이나이트 분률로 80% 부근에서 가장 da/dN이 작아지는 것을 알 수 있었다

따라서, da/dN을 3.2 이하로 하기 위해서는, 도 4로부터 알 수 있듯이 베이나이트 분률을 30% 이상으로 할 필요가 있다. 상한은 규정하지 않지만 92% 이하가 바람직하다. 바람직하게는 35∼90%이다.

마르텐사이트 조직, 펄라이트 조직:

마르텐사이트, 펄라이트는, 단단하고 무른 조직이기 때문에, 상 경계에서 피로균열의 진전을 억제할 수 없으므로 매우 적은 편이 좋다. 그들의 합계가 5%를 넘으면 da/dN가 열화하기 때문에, 0∼5%로 하였다. 또, 잔부는 페라이트 조직으로 이루어진다.

(3) 제조방법

ⅰ) 강편의 가열온도, 열간 압연:

가열온도는 1000∼1250℃으로 하였지만, 이 온도는 강편(슬래브)의 중심 온도이다. 이는 전열 계산에 의해 상기 온도 범위가 되도록, 가열로의 각 존의 온도설정, 재로(在爐) 시간을 정하면 된다. 1000℃ 미만에서는 페라이트률이 높아져, 균열의 진전 속도가 커진다. 또한 1250℃을 넘는 경우, 조직이 거칠고 커져, 인성이 열화하기 때문이다. 열간 압연은 통상의 방법으로 행하면 되고, 또한 마무리 온도는 특히 규정은 하고 있지 않지만, Ar₃점을 충분히 상회하는 온도로 소요 두께로 마무리하는 것이 바람직하다. 또한 압연중의 각 패스, 특히 마무리 압연공정에서는, 압하율을 10% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이는 금속조직의 베이나이트 분률을 30% 이상으로 하기 위함이다.

ⅱ) 가속냉각:

가속냉각이란, 물 등의 냉각매체를 이용하여 강제적으로 강판을 냉각하는 것을 말한다.

a) 열간 압연 직후에 가속냉각을 행하는 이른바 TMCP형의 제조방법.

적어도 650∼500℃의 온도 범위의 강제 냉각 속도를 5℃/s 이상으로 하는 것은, 5℃/s 미만에서는 페라이트률이 높아져, 균열진전 속도가 커지기 때문이다. 또, 강제 냉각 정지온도를 500℃ 이하로 하는 것은, 강제 냉각 정지온도가 500℃보다 높아지면, 페라이트률이 높아져, 균열진전 속도가 커지기 때문이다. 바람직한 강제 냉각 정지온도 범위는 450℃ 이하이고, 더 바람직하게는 400℃ 이하이다.

b) 압연 직후에 가속냉각은 행하지 않고, 일단 방냉한 후에 다시 강판을 가열하여 강제 냉각에 의해 담금질을 하는 제조방법.

이 방법은 열간 압연후 방냉하고, 다른 라인에서 재가열, 강제 냉각 및 형상 교정을 행하는 방법으로, 강제 냉각 조건 및 강제 냉각 정지온도의 한정 이유는 상기 a)의 경우와 마찬가지다.

상기 a) 및 b)의 방법 모두 강제 냉각의 정지온도의 하한은 한정하는 것이 아니라, 상온까지 강제 냉각해도 된다.

재가열 온도를 Ac₁점 이상으로 하는 것은, Ac₁점을 하회하면 담금질에 의한 변태가 생기지 않기 때문에 목표의 베이나이트 분률 30% 이상을 갖는 강재를 얻을 수 없기 때문이다

(ⅲ) 템퍼링 온도:

템퍼링 처리는, 강도 조정과 인성 개선이 필요한 경우에 실시한다. 템퍼링을 행하는 경우, 템퍼링 온도는 450℃ 이하로 하고, 하한은 행하지 않지만, 그 효과를 얻기 위해는 300℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명자들은, C:0.06%, Si:0.30%, Mn:1.50%, Cu:0.2%, Ni:0.1%, Nb:0.02%, sol.Al: 0.03%, N:0.003%, 잔부 Fe 및 불순물의 조성을 갖는 강편을 1150℃로 가열후, 마무리 온도 870℃에서 열간 가공을 실시한 후, 810℃에서 냉각 속도 20℃/s로 가속냉각을 개시하고, 400℃에서 냉각을 정지하여 얻은 판두께 25㎜의 강재를 이용하여, 템퍼링 온도가 da/dN에 미치게 하는 영향을 조사하였다.

도 7은, 시험의 결과 얻어진 템퍼링 온도와 피로균열 진전 속도의 관계를 나타내는 도면이다.

동 도면에 나타내는 바와 같이 450℃ 이상에서는, 균열 진전속도가 급격히 열화하는 것이 분명해졌다. 원인은 확실하지 않지만, 베이나이트 중의 전위가 소멸하여, 균열진전 억제 효과가 감소하기 때문이라 생각된다.

(ⅳ) 형상 교정:

소성 변형률과, 균열진전 속도의 관계는 시험결과로부터 얻어진 도 5에 나타낸대로, 소성 변형률이 0.3∼0.87이면, 교정 가공전에 비해, 속도 변화비가 작아지는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 이 속도 변화비를 0.9 이하로 하는 경우에는, 레벌러의 소성 변형률을 0.3∼0.82로 하는 것이 바람직하다.

형상 교정에 이용하는 장치는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 특히 롤러 레벨러 방식이 바람직하다. 발명자들의 실험에 의하면, 롤러 레벨러의 경우, 소성 변형률이 중요한 관리 항목이 된다.

따라서, 본 발명에서는 이 레벌러에 의한 교정이 특히 중요하다. 이 메카니즘으로서는 압연으로 생긴 초기 전위를 피로 시험시에 용이하게 움직이기 쉬운 전위에 변화시키기 위함이다.

압연에 의해 다량의 전위가 조직에 도입되는데, 이들의 전위는 서로 얽혀 피로 시험시에 움직이기 어렵고, 반복 변형에 있어서도 전위끼리의 소멸이 일어나지 않아 반복 연화의 현상이 생기지 않는다. 이에 대해, 레벌러에 의한 교정을 행함으로써, 조직중의 전위가 움직이기 쉬워져, 반복 변형에 의한 전위끼리의 합체·소멸이 많아지고, 반복 연화량이 커져, 그 결과, 진전 속도가 늦어지기 때문이라 생각된다.

여기에 본 발명에 의하면, 예를 들면 이하의 실시예에 나타내는 바와 같이 인장 강도 490MPa 이상, 샤르피 충격값(VE-20) 10OJ 이상, 피로균열 진전 속도 3.2×10^-5㎜/cycle 이하의 열연 강판이 얻어진다.

실시예

표 1에 나타내는 화학조성의 강편(슬래브)을 이용하여, 표 2에 나타내는 제조조건으로 판두께 15㎜의 열간 압연강판을 제조하였다.

얻어진 강판으로부터 각종 시험편을 채취하고, 광학 현미경 조직 관찰, 인장시험 및 샤르피 시험을 실시했다. 도 8에 나타낸 CT 시험편을 채취하고 ASTM 규격 E 647에 따라 피로균열 진전시험을 행했다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.

금속조직의 관찰, 인장 강도, 인성 및 피로균열 진전 속도의 평가는 이하 방법으로 하였다.

금속조직은, 판두께의 1/4에 상당하는 부분으로부터 채취한 시료의 단면을 연마하고, 2% 나이탈 부식액에 의해 에칭을 실시한 면에 대해, 광학 현미경 관찰에 의해 베이나이트, 펄라이트의 분률을 측정하였다. 1시료에 대해 10시야 측정하고, 10개의 측정치의 평균을 해당 강판의 베이나이트 분률, 펄라이트 분률로 하였다.

인장 시험편은, JIS14B호 인장 시험편을 압연방향에 직각으로 채취하여, 인장 시험에 제공하였다. 인성은, JIS-Z2202에 규정되는 4호의 샤르피 충격 시험편을 판두께 중심부에서 압연방향으로 평행히 채취하여 샤르피 충격시험을 행하고, 충격흡수 에너지(vE-20, 단위는 J)를 구하였다.

피로균열 진전 속도는, 도 8에 나타낸 CT 시험편과 전기 유압식 폐루프형 피로시험 장치를 이용하는 피로 시험법에 의해 측정하였다.

도 8은, CT 시험편을 나타내는 도면으로, 도 8(a)는 정면도, 도 8(b)은 측면도이다. 도면 중, 수치(단위:㎜)는 시험편의 치수형상을 나타낸다. 시험편에는 노치 선단에 피로 예균열이 형성되어 있다.

도 9는 전기 유압식 폐루프형 피로시험 장치를 나타내는 측면도이다. 도 9에 나타내는 장치로, 참조번호 1은 CT 시험편, 2는 하중 측정용 로드셀, 3은 유압 실린더, 4는 유압원, 5는 유압 밸브, 6은 파형 발생기, 7은 부하 제어기, 8a 및 8b는 부하봉을 각각 나타낸다. 도 8에 나타내는 CT 시험편에는 노치의 선단에 길이 2.5㎜의 피로 예균열이 도입되어 있고, 그 상하의 구멍부에 부하봉(8a 및 8b)을 장착한다.

본 장치에 의해, CT 시험편(1)에 유압 실린더(3)로부터 부하봉(8a 및 8b)을 경유하여 피로 예균열 선단부에 반복 응력을 부하한다. 시험편은 두께 방향에서 판두께 중심의 부분으로부터 피로균열의 길이 방향이 압연방향에 직각이 되도록 채취하고, 표리면을 0.5㎜씩 삭제하여 경면 연마를 실시했다.

피로시험 조건은 다음과 같이 하였다.

f(반복 속도)= 20Hz

R(응력비)= 0.1

T(시험온도)=실온

시험 분위기는 대기중

피로균열 진전시험의 결과, 어느쪽 시험편의 경우도, 중 ΔK 영역(ΔK:응력확대 계수범위에서 최대 응력확대 계수와 최소 응력확대 계수와의 차)에 있어서의 피로균열 진전 속도가 평가되었다. 본 시험에서의 중 ΔK 영역(15∼34MPa√m)은 피로균열 진전의 제 Ⅱb 영역에 상당했다. 즉 파리스(Paris)식〔Trans. ASTM, Ser. D.85,523(1963)〕

da/dN= C(ΔK)^m

단, ΔK:MPa√m, da/dN:㎜/cycle

이 성립하는 것을 판명하였다.

이로부터, 본 발명에서는, 피로균열 진전특성은 이 중 ΔK 영역의 ΔK=20MPa√m에서의, 균열진전 속도 da/dN(㎜/cycle)로 평가하였다.

표 2, 3에 상기의 각 시험의 결과를 나타낸다. 이들의 표에 나타내는 바와 같이, 조직과 성분이 본 발명에서 규정하는 조건을 만족하는 강종 기호 A∼L은, 피로균열 진전 속도가 3.2×10^-5㎜/cycle 이하로 느리고, 매우 우수한 피로균열 진전 저항성을 갖고 있었다. 이에 대해, 강종 기호 M∼Q의 강판은, 흡수 에너지가 100J를 만족하지 않거나, 피로균열 진전 속도가 4×10^-5㎜/cycle을 초과하고 있어, 원하는 피로균열 진전 저항성이 얻어지지 않았다.

Claims (10)

1. 질량%로, C:0.01∼0.10%, Si:0.03∼0.6%, Mn:0.3∼2%, sol.Al:0.001∼0.1%, N:0.0005∼0.008%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학조성을 갖고, 또한 금속조직이 면적율로 30% 이상의 베이나이트 조직, 합계로 0∼5%의 마르텐사이트 조직과 펄라이트 조직, 잔부가 페라이트 조직인 것을 특징으로 하는 강판.
2. 청구항 1에 있어서,

   Fe의 일부 대신에, 질량%로, Cu:0.05∼1%, Ni:0.05∼1%, Cr:0.05∼1%, Mo:0.05∼0.8% 및 W:0.05∼0.5%의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 강판.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   Fe의 일부 대신에, 질량%로, Nb:0.005∼0.08%, Ti: 0.005%∼0.03%, V:0.005∼0.08% 및 B:0.0005∼0.003%의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 강판.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

   Fe의 일부 대신에, 질량%로, Ca:0.0005∼0.007%, Mg:0.0005∼0.007% 및 REM:0.0005∼0.05%의 1종 또는 2종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강판.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재한 화학조성을 갖는 강편을, 1000℃∼1250℃의 온도 범위 내로 가열한 후, 열간 압연을 행하고 나서 냉각을 행하고, 냉각후에 형상 교정을 행하는 강판의 제조방법으로서, 상기 냉각시에, 적어도 650℃∼500℃의 온도영역은 평균 냉각속도 5℃/s 이상에서 가속냉각을 하는 것을 특징으로 하는 강판의 제조방법.
6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재한 화학조성을 갖는 강편을, 1000℃∼1250℃의 온도 범위내로 가열한 후, 열간 압연을 행하고, 이어 열간 압연후 Ac₁점 이상의 온도로 재가열하여 냉각을 행하고, 냉각후에 형상 교정을 행하는 강판의 제조방법으로서, 상기 냉각시에, 적어도 650℃∼500℃의 온도영역은 평균 냉각속도 5℃/s 이상으로 가속냉각을 하는 것을 특징으로 하는 강판의 제조방법.
7. 청구항 5 또는 청구항 6에 기재한 강판의 제조방법에 있어서, 가속 냉각후 450℃ 이하로 더 가열하여 템퍼링 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 강판의 제조방법.
8. 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,

   강판의 소성 변형률을 0.3∼0.87로 하여 형상 교정을 하는 것을 특징으로 하 는 강판의 제조방법.
9. 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,

   형상 교정을 롤러 레벨러에 의해 행하고, 하기 식으로부터 구해지는 롤러 레벨러의 강판 들어가는 측에서 3개째의 롤에 의한 강판의 소성 변형률(

   

   )을 0.3∼0.87로 하여 형상 교정을 하는 것을 특징으로 하는 강판의 제조방법.

   

   =1-2ρ_iσ_y/Et

   여기서, ρ_i:롤러 레벨러 들어가는 측에서 3개째의 롤에서의 강판의 곡률 반경, σ_y:2차원 항복응력, σ_y= 1.15×σe(σe는 통상 강재로 표현하는 항복응력), E:종탄성 계수, t:판두께로 한다.
10. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재한 강재 또는 청구항 5 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 기재한 제조방법에 의해 제조된 강재를 이용한 구조물.

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