KR20080094626A

KR20080094626A - 용접열 영향부 및 모재의 저온 인성이 우수한 저항복비고장력 강판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20080094626A
Application number: KR1020080036370A
Authority: KR
Inventors: 유지 다카하시
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2008-04-18
Publication date: 2008-10-23
Also published as: KR101060787B1; CN101289727B; CN101289727A; JP4972451B2; JP2008266735A

Abstract

본 발명의 저항복비 고장력 강판은 소정의 화학 성분 조성을 만족함과 아울러, t/4(t: 판 두께) 위치의 마이크로 조직에서, 전체 조직에서 차지하는 페라이트 비율이 60∼85면적%, 섬 형상 마르텐사이트 비율이 5% 이하(0%를 포함함)이며, 잔부가 베이나이트 조직의 혼합 조직으로 이루어지고, 상기 페라이트의 평균 결정 입경이 14㎛ 이하이고, 또한 제 2 상의 평균 비커스 경도(Vickers Hardness) Hv가 265∼400이다. 이러한 구성에 의해, 고온 가열에 의해 용접을 행한 경우에도 HAZ의 저온 인성이 우수함과 아울러, 모재(강판)의 저온 인성도 우수하다.

Description

용접열 영향부 및 모재의 저온 인성이 우수한 저항복비 고장력 강판 및 그 제조 방법{LOW YIELD RATIO, HIGH TENSILE STRENGTH STEEL SHEET EXCELLENT IN LOW TEMPERATURE TOUGHNESS OF WELD HEAT-AFFECTED ZONE AND PARENT METAL, AND METHOD FOR THE SAME}

본 발명은 용접열 영향부 및 모재의 저온 인성이 우수한 저항복비 고장력 강판에 관한 것이고, 저온에 노출되는 용도에 사용되는 경우, 예컨대, 액화 암모니아와 액화 프로페인 가스를 혼재하는 다목적 탱크용으로서 적용할 수 있는 용접열 영향부 및 모재의 저온 인성이 우수한 저항복비 고장력 강판에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 고장력 강판의 용접 방법까지 한정하는 것은 아니고, 서브머지 아크 용접, 일렉트로 가스 아크 용접 등에 적용할 수 있지만, 이하에서는, 용접열 영향부의 인성 확보가 특히 곤란하다는 대입열의 편면 서브머지 아크 용접을 실시하는 경우를 예로 설명한다.

최근에는, 해양 구조물이나 LPG 등의 액화 가스를 저장하는 저온용 탱크 등을 단기간에 제조해야 하는, 예컨대, 입열량이 50∼200kJ/㎝나 되는 대입열의 편면 서브머지 아크 용접 시공이 널리 채용되고 있다. 그러나, 상기 용접은 시공의 고능률화를 실현할 수 있는 반면, 용접에 의해 형성되는 용접열 영향부(이하, 「HAZ」로 나타냄)의 인성을 안정하게 확보하는 것이 어렵고, 저입열에 의한 다층 용접을 적용하여 제조해야 하는 경우도 많이 있다. 따라서, 상기 저온용 탱크 등의 제조에, 고능률 시공이 가능한 상기 대입열 용접법(high-heat input welding method)이 채용되고, 또한 -60℃ 정도의 저온에서도, HAZ의 인성(저온 인성)이 우수한 강판이 요망되고 있다.

한편, 액화 암모니아용 탱크에 사용하는 강판에는, 응력 부식 균열(SCC)을 방지하기 위해 440MPa 이하의 낮은 항복 강도 YS와, 강재 총중량을 저감하기 위해 510MPa 이하의 인장 강도 TS를 구비하고 있을 것이 요구된다. 액화 암모늄과 액화 프로페인 가스를 혼재하는 탱크의 경우, 사용하는 강판(모재)의 특성으로서 저온 인성도 우수할 것이 요구된다. 액화 암모니아는 강재의 응력 부식 균열(SCC)을 야기하는 것이 알려져 있고, 강판의 특성으로서 항복 강도 YS를 440MPa 이하로 억제하는 것이 규정되어 있다(IGC CODE 17.13(International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk) 2002년판).

그러나, 상기 액화 암모늄과 액화 프로페인 가스를 혼재하는 다목적용에서는, 당연한 일이지만 양자에 요구되는 특성을 만족시킬 필요가 있고, 또한 선박 등의 해양 구조물의 대형화에 따라, 선박 등에 탑재되는 탱크의 대용량화도 진행되고, 그것에 의한 강판의 고장력화도 요구되고 있어, 항복 강도 YS의 상한 규제에 따른 저항복비화(항복비 YR=YS/TS)의 동시 달성이 큰 과제가 되고 있다.

지금까지도, 상기 HAZ의 저온 인성을 개선하기 위한 여러 가지의 방법이 제안되어 있다. 예컨대, 일본 특허 공보 소55-026164호, 일본 특허 공보 제2950076호에는, TiN, Al옥사이드 등의 피닝(pinning) 입자에 의해 오스테나이트 입자의 조대화(粗大化)를 억제하는 것으로, HAZ 인성을 개선하는 방법이 제안되어 있다. 또한, 일본 특허 공보 평07-068577호, 일본 특허 공보 평05-017300호에는, 오스테나이트 입자 내에 페라이트 변태 핵을 다수 존재시킴으로써 결정립의 미세화를 도모하는 기술이 나타나 있다. 구체적으로는, TiN, MnSBN, Ti 옥사이드 등을 페라이트 변태 핵으로서 이용함으로써, 결정립의 미세화를 달성하고, HAZ의 저온 인성의 개선을 도모하고 있다.

그러나 상기 어느 쪽의 방법에서도, 대입열의 편면 서브머지 아크 용접을 한 경우에는, TiN 등의 석출물이 상당히 용해되고, 그 후의 결정립 조대화 등을 억제하는 것이 어렵기 때문에, -60℃ 정도에서의 저온에서 우수한 HAZ의 인성(이하, 「HAZ의 저온 인성」 또는 간단히 「HAZ 인성」이라고 하는 경우가 있음)을 확보하기 위해서는, 개선이 더욱 필요하다.

또한, 지금까지 제안되어 있는 HAZ 인성 개선 기술에서는, 액화 암모늄과 액화 프로페인 가스를 혼재하는 다목적용 탱크로서 요구되는 저항복비(예컨대, 75% 이하)를 구비하는 것에 대해서는 검토되고 있지 않은 현실이다.

그런데, 강판의 저항복비를 실현하기 위해서는, 일반적으로 강(鋼) 조직의 이상화(dual phase화), 즉 항복 강도를 지배하는 연질상(軟質相)(통상, 페라이트) 과 인장 강도를 확보하기 위한 경질상(硬質相)(퍼라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 등)의 혼합 조직화가 효과적인 것이 알려져 있다. 이러한 기술로서, 예컨대, 일본 특허 공보 제3371744호에는 제어 압연을 페라이트와 오스테나이트의 2상 영역 온도까지 공냉하고, 페라이트+베이나이트 또는 페라이트+베이나이트+마르텐사이트의 혼합 조직으로 함으로써, 저항복비를 실현하는 기술이 표시되어 있다.

이 기술에서는, 화학 성분적으로는, C함유량이 많을수록 경질상이 경화하고, 저항복비화가 용이해지는 한편, 용접성이나 저온 인성에는 불리하다고 하는 문제가 있고, 저온 인성과 저항복비는 양립하지 않은 특성으로서, 양립하는 것은 매우 곤란한 상황이다. 종래의 건축 용도에 적용되는 강재와 같이, 인성 레벨이 비교적 낮고, 저항복비에 유리한 고C강이라도 그다지 문제가 되는 것은 아니었지만, 상기와 같은 HAZ 및 모재의 저온 인성이 요구되는 강재에는 적용할 수 없다.

또한 강판(모재)의 저온 인성과 저항복비를 양립하기 위한 기술에 대해서도, 지금까지 몇 개인가 제안되어 있다. 예컨대, 일본 공개 특허 공보 제2002-3983호에는, 경질상인 섬 형상 마르텐사이트(MA: Martensite-Austenite constituent)를 적극적으로 생성시키고, 형태(어스펙트비)나 크기를 규정함으로써, 저온 인성을 파면 천이 온도(vTrs)에서 -80℃ 전후까지 개선하는 것이 제안되어 있다. 그러나, 경질인 MA를 생성시키는 것은, 파괴의 기점이나 전파의 원인이 되므로, 강재로서 필요한 특성을 유지하면서 저온 인성을 개선하는 것은 한계가 있다.

본 발명은 이러한 사정에 감안해서 이루어진 것으로서, 그 목적은 고온 가열에 의해 용접을 한 경우에도 HAZ의 저온 인성이 우수함과 아울러, 모재(강판)의 저온 인성도 우수한 저항복비 고장력 강판을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성할 수 있었던 본 발명의 고장력 강판은, C: 0.05∼0.09%(「질량%」의 의미, 화학 성분에 대해서는 이하 동일), Si: 0.05∼0.25%, Mn: 1.2∼1.6%, P: 0.01% 이하, S: 0.003% 이하, Al: 0.02∼0.04%, B: 0.0006∼0.0020%, N: 0.0030∼0.0080%, Ti: 0.005∼0.025%를 각각 함유하고, 또한 t/4(t: 판 두께) 위치의 마이크로 조직에 있어서, 전체 조직에서 차지하는 페라이트 비율이 60∼85면적%, 섬 형상 마르텐사이트 비율이 5% 이하이며, 잔부가 베이나이트 조직의 혼합 조직으로 이루어지고, 상기 페라이트의 평균 결정 입경이 14㎛ 이하이고, 또한 제 2 상의 비커스 경도 Hv가 265∼400이다.

본 발명의 고장력 강판에 있어서는, 화학 성분 조성이 하기 수학식 (1)을 만족하는 것이 바람직하다.

-20≤(B-NT/1.3)≤10

{식 중, B는 B 함유량(질량 ppm)을 나타낸다.

또한 NT는

N(N 함유량, 단위: 질량ppm)과 Ti(Ti 함유량, 단위: 질량ppm)의 관계가,

(N-Ti/3.4)≥0인 경우에는, NT=(N-Ti/3.4),

(N-Ti/3.4)<0인 경우에는, NT=0을 나타낸다.}

본 발명의 고장력 강판에 있어서는, 필요에 따라,

(a) Cu: 0.05∼0.4%, Ni: 0.05∼0.4%, Cr: 0.05∼0.4%, Mo: 0.05∼0.4% 및 V: 0.005∼0.02%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종,

(b) Nb: 0.005∼0.025%, (c) Ca: 0.001∼0.003% 등

을 더 함유시키는 것도 바람직하고, 함유시키는 성분에 따라 그 특성이 개선된다.

상기와 같은 저항복비 고장력 강판을 제조함에 있어서는, 열간 압연을 한 후, 강판의 (Ar₃ 변태점 -40℃)를 초과하는 온도로부터 10℃/초 이상의 평균 냉각 속도로 (Ar₃변태점 -40℃) 이하의 온도까지 냉각하고, 해당 온도에서 일단 냉각을 중단하여 30∼150초의 공냉을 하고, 계속해서 t/4(t: 판 두께) 위치의 온도가 (Ar₃ 변태점 -80℃)∼(Ar₃ 변태점 -190℃)의 온도 범위로부터 350℃ 초과 550℃ 이하의 온도 범위까지 10℃/초 이상의 평균 냉각 속도로 냉각하도록 하면 좋다.

본 발명에 의하면, 강판(모재)의 항복 강도 YS가 440MPa 이하이고, 인장 강도 TS가 510MPa 이상이고, 또한 강판(모재)의 저온 인성도 우수하며, 또한 강판에 대입열의 용접을 실시한 경우에도, HAZ는 -60℃에서 우수한 인성을 나타내기 때문 에, 액화 암모니아와 액화 프로페인 가스를 혼재하는 다목적 탱크 등의 용접 구조물의 대형화에 기여함과 아울러, 예컨대, 대입열의 편면 서브머지 아크 용접법을 채용할 수 있어, 상기 용접 구조물을 보다 단기간에 제조할 수 있다.

본 발명자는 HAZ 및 모재의 저온 인성이 우수한 고장력 강판을 실현하기 위해 여러 가지 관점에서 검토했다. 그 결과, C를 0.09% 이하, Si를 0.25% 이하로 비교적 낮게 설정하면서 화학 성분 조성을 조정함과 아울러, t/4(t: 판 두께) 위치의 마이크로 조직에 있어서, 페라이트 분율을 적정하게 규정한 혼합 조직(페라이트+제 2 상)으로 하고, 또한 페라이트의 평균 결정 입경을 14㎛ 이하로 함과 아울러, 제 2 상의 평균 비커스 경도 Hv를 265∼400으로 되도록 하면, 상기 목적이 훌륭히 달성되는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 고장력 강판은, t/4(t: 판 두께) 위치의 마이크로 조직에 있어서, 페라이트 비율을 60∼85면적%로 조정해야 한다. 이 페라이트 비율을 60면적% 미만으로 하면, 항복 강도 YS: 440MPa 이하를 달성할 수 없고, 85면적%를 초과하면 인장 강도 TS: 510MPa 이상을 확보할 수 없게 된다. 이 페라이트 비율의 바람직한 범위는 65면적% 이상 80면적% 이하이다.

또한 모재의 인성을 확보하기 위해서는(즉, 파괴의 전파를 개선하기 위해서는), 페라이트의 평균 결정 입경을 14㎛ 이하가 되도록 제어하는 것도 중요한 요건이다. 도 1은 페라이트의 평균 결정 입경(페라이트 입경)과, 모재의 인성(파면 천 이 온도 vTrs로 평가)의 관계를 나타낸 그래프이며, 후술하는 실시예의 데이터를 정리한 것이다. 이 결과로부터 명백한 바와 같이, 페라이트 입경을 14㎛ 이하로 함으로써, 모재의 양호한 저온 인성(파면 천이 온도 vTrs에서 -100℃ 이하)을 확보할 수 있음을 알 수 있다. 이 페라이트 입경의 바람직한 상한은 12㎛이다.

본 발명의 고장력 강판은 마이크로 조직이 페라이트를 주체(主體)로 하고, 제 2 상(경질상)으로서 베이나이트 또는 (베이나이트+섬 형상 마르텐사이트)를 포함하는 혼합 조직이지만, 섬 형상 마르텐사이트의 분율이나 제 2 상의 경도도 적절히 조정해야 한다. 즉, 이들 요건을 적절히 규정함으로써, 파괴의 기점이 되는 것을 방지하고, 모재의 저온 인성을 저하시키지 않고, 모재 강도를 확보할 수 있게 된다.

이러한 관점으로부터, 섬 형상 마르텐사이트(이하, 섬 형상 마르텐사이트를 MA라고 함)의 분율은 5면적% 이하(0면적%를 포함함)로 할 필요가 있다. 즉, MA의 비율이 5면적%보다 많게 되면, 모재의 강도는 향상하지만 저온 인성이 저하하게 된다.

또한, 제 2 상의 경도는 페라이트 분율(결과적으로, 제 2 상의 분율)에도 영향을 미치는 것이지만, 기본적으로 제 2 상 중 베이나이트와 MA의 비율에 의해 그 값이 결정된다. 또한, 화학 성분 조성에 의해서도 경도에 차이가 나게 된다. 이 제 2 상의 경도를 비커스 경도 Hv로 265∼400의 범위 내로 함으로써, 모재의 저온 인성을 저하시키지 않고, 모재 강도를 확보할 수 있게 된다. 도 2는 MA 비율과 제 2 상 경도가 모재의 특성에 미치는 영향을 나타낸 그래프이며, 후술하는 실시예의 데이터를 정리한 것이다. 이 도 2에서, 「○」은 모재의 강도 및 저온 인성을 확보할 수 있었던(인장 강도 TS: 510MPa 이상, 파면 천이 온도: -100℃ 이하) 강판(본 발명예), 「△」은 모재의 강도 및 저온 인성의 적어도 어느 한 쪽의 특성을 만족하지 않는 강판(비교예)을 나타내고 있다. 이 결과로부터 명백한 바와 같이, MA 분율을 5면적% 이하로 함과 아울러, 제 2 상의 경도를 Hv로 265∼400의 범위 내로 제어함으로써, 양호한 특성(모재의 저온 인성, 강도)을 확보할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 고장력 강판에서는, 그 강판으로서의 기본적 특성을 만족시키기 위해, C 및 Si의 함유량을 감소시키면서, 화학 성분 조성을 적절히 조정해야 하지만, 이들 성분을 포함하는 그 기본 성분(C, Si, Mn, P, S, Al, B, N, Ti)의 범위 한정 이유는 다음과 같다.

[C: 0.05∼0.09%]

경질상인 MA의 생성을 억제하고, -60℃에서의 HAZ 인성을 확보하기 위해, C 함유량을 0.09% 이하로 억제할 필요가 있다. 한편, C는 강판의 강도 확보에 필수적인 원소이기 때문에, 0.05% 이상 함유시킨다. 또한, C 함유량은 바람직하게는 0.06% 이상, 0.08% 이하로 하는 것이 좋다.

[Si: 0.05∼0.25%]

Si는 0.25% 이하로 감소시킴으로써, MA의 생성을 충분히 억제할 수 있고, HAZ의 저온 인성을 용이하게 확보할 수 있다. 한편, Si는 용강의 탈산에 사용됨과 아울러 강도 향상에 효과적으로 작용하는 원소이기 때문에, 0.05% 이상 함유시킬 필요가 있다.

또한, 상기한 바와 같이 HAZ 인성을 확실히 높임과 아울러, 강판(모재)의 강도나 인성 등 그 밖의 특성을 구비시키기 위해서는, 상기 이외의 성분의 함유량을 하기 범위 내로 할 필요가 있다.

[Mn: 1.2∼1.6%]

Mn은 S를 MnS로서 포착하고, S에 의한 HAZ 인성의 열화를 억제하는데 유용한 원소이다. 또한, 담금질성을 높여 강판의 고강도화에 기여하는 원소이기도 하다. 이러한 작용을 효과적으로 발휘시키기 위해서는, Mn을 1.2% 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는 1.3% 이상이다. 그러나, Mn량이 과잉으로 되면 HAz 인성이 도리어 열화하기 때문에, 1.6% 이하로 억제한다. 바람직하게는, 1.55% 이하이다.

[P: 0.01% 이하]

P는 HAZ 인성을 열화시키는 원소이기 때문에 가능한 한 저감할 필요가 있으며, 본 발명에서는 0.01% 이하로 억제한다.

[S: 0.003% 이하]

S는 조대한 황화물을 생성하여 HAZ 인성을 열화시키는 원소이다. 따라서 가능한 한 저감할 필요가 있으며, 본 발명에서는 0.003% 이하로 억제한다.

[Al: 0.02∼0.04%]

Al은 탈산제로서 사용됨과 아울러, AlN계 석출물을 생성하여 고온 가열 용접 시의 HAZ 인성을 향상시키는 원소이며, 본 발명에서는 0.02% 이상 함유시킨다. 그러나 Al함유량이 과잉으로 되면, 알루미나 등의 산화물계 개재물이 증대함과 아울 러, MA의 생성이 촉진되어 HAZ 인성이 열화하므로, 0.04% 이하로 억제한다.

[B: 0.0006∼0.0020%]

B는 BN을 생성함으로써 HAZ 인성에 유해한 용해제 N을 고정함과 아울러, 입자 내 페라이트의 생성을 촉진하는 작용을 한다. 또한 용해제 B는 입계 페라이트의 조대화 및 페라이트 사이드 플레이트의 생성을 억제하고, 오스테나이트 입자 내의 결정립을 미세화하는 효과도 갖는다. 상기 작용 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, B를 0.0006% 이상 함유시킬 필요가 있다. 한편, B가 너무 많으면, 과잉의 고용 B의 작용에 의해 결정이 일정 방향으로 형성되어, HAZ 인성이 도리어 열화한다. 따라서 B 함유량은 0.0020% 이하로 억제한다. 또한, B 함유량의 바람직한 하한은 0.0008%이며, 바람직한 상한은 0.0018%이다.

[N: 0.0030∼0.0080%]

N은 Ti나 Al 등의 원소와 질화물을 형성하고 HAZ 인성을 향상시키는 원소이기 때문에, 0.0030% 이상(바람직하게는 0.0040% 이상) 함유시킬 필요가 있다. 또한, 고용 N은 HAZ의 인성을 열화시키는 원인이 된다. 전체 질소량의 증가에 의해, 전술한 질화물은 증가하지만 용해제 N도 과잉으로 되기 때문에, 본 발명에서는 N 함유량을 0.0080% 이하(바람직하게는 0.0070% 이하)로 억제한다.

[Ti: 0.005∼0.025%]

Ti는 TiN계 석출물을 생성하여 입자 내 페라이트의 생성을 촉진함과 아울러, 오스테나이트 입자의 조대화 억제에도 효과적인 원소이다. 또한, 고강도화에 기여하는 원소이기도 하다. 이러한 작용을 효과적으로 발휘시키기 위해서는, Ti를 0.005% 이상 함유시킬 필요가 있고, 바람직하게는 0.010% 이상이다. 그러나, Ti를 과잉으로 함유시키면, 도리어 HAZ 인성의 저하를 초래하기 때문에 0.025% 이하로 해야 하고, 바람직하게는 0.024% 이하로 하는 것이 좋다.

본 발명에서 규정하는 함유 원소는 상기한 바와 같고, 잔부는 철 및 불가피한 불순물이며, 상기 불가피한 불순물로서, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 의해 투입되는 원소의 혼입이 허용될 수 있다. 또한, 상기한 성분 범위 내에서, B, N 및 Ti의 밸런스를 최적화하여 고용 B량의 최적화를 엄밀히 도모하는 것에 의해, 오스테나이트 입자 내의 결정립을 미세화할 수 있고, 그 결과로서 HAZ의 저온 인성을 각별히 높이는 데에 효과적이다.

도 3은 0.06% C-0.20% Si-1.4% Mn-0.03% Al-0.010% Nb를 기본 성분으로 하고, B, N 및 Ti를 각각 후술하는 규정 범위 내에서 변화시키고, (B-NT/1.3){B는 B 함유량(질량ppm), NT는 N(N 함유량, 단위: 질량ppm)과 Ti(Ti 함유량, 단위: 질량ppm)의 관계가,

(N-Ti/3.4)≥0인 경우에는, NT=(N-Ti/3.4),

(N-Ti/3.4)<0인 경우에는, NT=0을 나타낸다.

이하 수학식 (1)에 대해서도 동일}

을 여러 가지의 값으로 한 강판을 이용해, 열 사이클 시험을 행하여, HAZ의 저온 인성(vE_-60)을 후술하는 실시예와 같이 측정하고, 이들의 결과를 정리한 것이다. 또한, 열 사이클 시험은 용접 입열: 60kJ/㎝(판 두께 12㎜)를 상정하고, 1400 ℃×5초로 가열 유지 후, 800℃에서 500℃까지 150초에 냉각했다.

이 도 3으로부터, HAZ의 저온 인성으로서, vE_-60: 100J 이상을 달성시키는데 있어서, 하기 수학식 (1)에 나타내는 바와 같이, (B-NT/1.3)의 값이 -20ppm 이상, 10ppm 이하의 범위로 수렴되도록 하는 것이 효과적인 것을 알 수 있다.

[수학식 1]

-20≤(B-NT/1.3)≤10

상기 수학식 (1)과 같이, B, N 및 Ti의 밸런스를 최적화함으로써, 오스테나이트 입자 내의 입계에 존재하는 고용 B에 의한, 입계 페라이트(오스테나이트 입계로부터의 조대한 페라이트)의 생성이 충분히 억제되고, 또한 입계로부터의 페라이트 사이드 플레이트의 생성도 억제되는 효과, 및 BN의 페라이트 변태 핵으로서의 효과를 최대한으로 발휘할 수 있었다고 생각된다.

본 발명의 고장력 강판으로 규정하는 화학 성분 조성, 및 B, N 및 Ti의 밸런스의 최적화를 도모하는 요건은 상기한 바와 같지만, 필요에 따라, (a) Cu: 0.05∼0.4%, Ni: 0.05∼0.4%, Cr: 0.05∼0.4%, Mo: 0.05∼0.4% 및 V: 0.005∼0.02%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종, (b) Nb: 0.005∼0.025%, (c) Ca: 0.0010∼0.003% 등을 함유시키는 것도 바람직하고, 함유시키는 성분에 따라 그 특성이 더욱 개선된다. 이들 원소를 함유시킬 때의 범위 설정 이유는 이하와 같다.

[Cu: 0.05∼0.4%, Ni: 0.05∼0.4%, Cr: 0.05∼0.4%, Mo: 0.05∼0.4% 및 V: 0.005∼0.02%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종]

Cu, Ni, Cr, Mo 및 V는 모두 강도 확보에 유용한 원소이다. Cu는 용해 강화 및 석출 강화에 의해 강도(인장 강도 TS)를 높이는데 효과적인 원소이다. 이러한 작용을 효과적으로 발휘시키기 위해서는, 0.05% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나 과잉으로 함유시키면, 열간 가공성을 저해시키기 때문에 0.4% 이하로 억제한다. Ni는 모재의 강도와 인성을 동시에 향상시키는 원소이다. 이러한 작용을 효과적으로 발휘시키기 위해서는, 0.05% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.2% 이상이다. 그러나, 과잉 첨가는 비용이 상승하게 됨과 아울러, 액화 암모니아 중에서 SCC를 유기(誘起)할 가능성이 있기 때문에 0.4% 이하로 억제한다.

V는 담금질성을 높여 고강도를 확보함과 아울러, 템퍼링 연화 저항을 높이는데 유용한 원소이다. 이러한 작용을 효과적으로 발휘시키기 위해서는, 0.005% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나 과잉 함유되면, HAZ 인성이 열화하기 때문에 0.02% 이하로 억제된다.

Cr 및 Mo는 모재의 고강도화에 효과적인 원소이다. 이러한 작용을 효과적으로 발휘시키기 위해서는, 모두 0.05% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 과잉 첨가는 인성을 열화시키므로, 모두 0.4% 이하로 억제하는 것이 좋다.

[Nb: 0.005∼0.025%]

Nb는 조대한 입계 페라이트의 생성을 충분히 억제하고, 오스테나이트 입자 내의 결정립 미세화를 달성시키는데 유용한 원소이다. 이러한 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, Nb를 함유할 때의 양은 0.005% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나 과잉 함유되어 있으면, 경질상인 섬 형상 마르텐사이트(MA)가 쉽게 생성되고, 또한 결정이 일정 방향으로 형성되어, HAZ 인성의 열화를 초래하므로, 0.025% 이하로 억제한다.

[Ca: 0.0010∼0.003%]

Ca는, HAZ 인성에 악영향을 미치는 S를 CaS로서 고정함과 아울러, 비금속 개재물을 입상(粒狀)으로 형태 제어하여 인성을 향상시키는데 효과적인 원소이다. 이러한 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, Ca를 0.0010% 이상 함유시키는 것이 바람직하지만, 과잉 함유시키면 이들의 효과는 포화하여 HAZ 인성이 도리어 열화한다. 따라서 Ca 함유량은 0.003% 이하로 하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 조직으로 하여 본 발명의 강재를 제조하기 위해서는, 예컨대 하기에 나타내는 방법에 의해, HAZ의 저온 인성이 우수한 저항복비 고장력 강판을 얻을 수 있다.

상술한 성분 조성을 만족하는 강재를, 소정의 온도(예컨대, 1000℃ 이상의 온도)로 가열하고, 소정의 판 두께까지 열간 압연을 실시하여 열간 압연을 종료한 후[단, 압연 종료 온도는 (Ar₃ 변태점 -40℃)를 초과하는 온도], 그 온도로부터 10℃/초 이상의 평균 냉각 속도로 (Ar₃변태점 -40℃) 이하의 온도까지 냉각하고(1회째의 냉각), 그 온도에서 일단 냉각을 중단하여 30∼150초의 공냉을 행하고, 계속해서 t/4(t: 판 두께) 위치의 온도가 (Ar₃ 변태점 -80℃)∼(Ar₃ 변태점 -190℃)의 온도 범위로부터 350℃ 초과, 550℃ 이하까지의 온도를 10℃/초 이상의 평균 냉각 속도로 냉각한다(2회째의 냉각). 이 방법에 있어서의 각 조건의 범위 설정 이유는 다음과 같다.

[1회째의 냉각]

(a) 1회째의 냉각에 의해, 과냉(過冷)된 오스테나이트로부터 미세한 페라이트를 석출시키고, 그 후 공냉함으로써, 소정의 페라이트 비율을 확보할 수 있게 된다. 열간 압연 종료 후의 냉각 개시 온도를 (Ar₃변태점 -40℃) 이하로 하면, 냉각 전에 조대한 페라이트가 석출되어 미세한 페라이트 조직을 얻을 수 없다. 또한 평균 냉각 속도가 10℃/초 미만이면, 충분한 과냉도가 얻어지지 않게 되어, 핵 생성 사이트가 저하하여 평균 결정 입경으로 14㎛ 이하의 페라이트를 얻기 어렵게 된다. 또한, 본 발명에서, 「Ar₃ 변태점」이란, 하기 수학식 (2)로 구해진 값이다.

Ar₃ 변태점=930-230·[C]+25·[Si]-74·[Mn]-56·[Cu]-16·[Ni]-9·[Cr]-5·[Mo]-1620·[Nb]

단, [C], [Si], [Mn], [Cu], [Ni], [Cr], [Mo] 및 [Nb]는 각각 C, Si, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo 및 Nb의 함유량(질량%)을 나타낸다.

(b) 상기 냉각은 (Ar₃변태점 -40℃) 이하의 온도까지 냉각해야 한다(단, 2회째의 냉각 개시 온도 이상). 1회째의 냉각에 의해 오스테나이트로부터 미세한 페라이트를 석출시키기 위해서는, 이 냉각에 의해 과냉 상태로 해야하지만, 그것을 위해서는 냉각을 정지하는 온도를 (Ar₃변태점 -40℃) 이하의 온도로 해야 한다. 이보다 온도가 높게 되면 과냉의 효과가 없어져, 그 후의 공냉 중에 조대한 페라이트를 생성하여, 냉각하지 않은 경우와 같은 조직이 된다.

(c) 1회째의 냉각 정지 온도에서 일단 냉각을 중단하고, 30∼150초의 공냉을 할 필요가 있지만, 이때의 시간(공냉 시간)을 30초 미만으로 하면, 페라이트 비율이 부족해지고, 150초를 초과하면 페라이트 비율이 너무 높아지며, 또한 페라이트 입경도 커져, 모재 인성이나 강도의 확보가 곤란해진다. 바람직하게는 100초 미만이다. 또한, 이 때의 공냉은 공냉 후에 t/4(t: 판 두께) 위치의 온도가 (Ar₃ 변태점 -80℃)∼(Ar₃ 변태점 -190℃)의 온도(2회째의 냉각 개시 온도)로 되는 범위에서 실행해야 하지만, 이 온도가 (Ar₃변태점 -190℃) 미만으로 되거나, (Ar₃변태점 -80℃)를 초과하거나 하면, 페라이트 비율이 부족해진다. 또한, 본 발명에 있어서 「공냉」이란, 냉각을 정지하고 방냉함으로써, 냉각 속도가 1.0℃/초 미만인 상태를 의미한다.

[2회째의 냉각]

(a) 2회째의 냉각은 MA의 비율을 제어하면서 제 2 상 경도를 소정의 범위(비커스 경도 Hv로 265∼400)로 하기 위한 것이다. 이 때의 평균 냉각 속도가 10℃/초 미만이면, 퍼라이트 조직으로 되거나, 조대한 MA가 대량으로 생성됨으로써, 모재의 인성이나 강도를 확보할 수 없게 된다. 또한 냉각 정지 온도가 350℃ 이하로 되면, 제 2 상으로부터 마르텐사이트 MA가 생성되어 경도가 높아져 버린다. 이에 비하여, 냉각 정지 온도가 350℃를 초과하면, MA가 분해되어 그 분율이 감소함과 아울러, 미세하게 분산되게 된다. 그러나, 냉각 정지 온도가 550℃를 초과하면, 제 2 상이 퍼라이트 조직으로 되어, 모재의 인성이나 강도를 확보할 수 없게 된다.

상기와 같이 350℃ 초과, 550℃ 이하까지 냉각한 후에는, 공냉(AC)하는 것이 바람직하다. 또한 500∼600℃에서 템퍼링을 행할 수도 있고, 이러한 공정을 부가함으로써, 강도의 조정이 가능해진다.

또한, 상기에 나타낸 온도는, 강판의 평균적인 성능을 발휘하는 위치로서, t/4부(t: 판 두께)의 위치의 온도로 관리한 것이다. 또한, 본 발명의 강재는, 이른바 두께 강판에 효과적으로 적용할 수 있다. 이 때의 판 두께는 약 7㎜ 이상이며 상한은 특별히 한정되지 않지만, 통상 40㎜ 이하 정도이다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것이 아니라, 전기/후기의 취지에 적합한 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

(실시예)

하기 표 1에 나타내는 화학 성분 조성의 강편(鋼片)을, 1100℃로 가열하고, 소정의 판 두께(12㎜ 또는 30㎜)까지 열간 압연을 실시하여 열간 압연을 종료한 후, 소정의 냉각 속도로 소정의 온도 범위까지 냉각하고(1회째의 냉각), 그 도중에서 냉각을 정지하여, 공냉했다. 그 후, 해당 온도 범위로부터 10℃/초 이상의 냉 각 속도로 550℃ 이하(냉각 정지 온도)까지 냉각한다(2회째의 냉각). 이 때의 제조 조건을 표 2, 3에 나타낸다.

상기와 같이 하여 얻어진 각 강판에 대하여, 모재 조직(페라이트 분율, 페라이트 입경, MA 분율, 제 2 상 경도), 모재 특성[판 두께, 항복 강도 YS, 인장 강도 TS, 인성(파면 천이 온도 vTrs)] 및 HAZ 인성(vE_-60)의 평가를, 각각 하기의 요령으로 실시했다.

[페라이트 분율, 페라이트 입경의 측정]

페라이트(폴리고날페라이트)의 분율은, 각 강판의 t/4부(t: 판 두께)에 대하여, 광학 현미경을 이용하여 배율 200배로 1시야: 300㎛×300㎛의 영역을 관찰하여, 화상 해석 소프트를 이용해 측정하고, 5시야의 평균값을 구했다. 또한, 페라이트의 평균 결정 입경은, 각 강판의 t/4부(t: 판 두께)의 위치에서, 400배로 10시야를 관찰하여 JLS G 0551로 규정되는 비교법에 의해 측정했다.

[MA 분율]

각 강판의 t/4부(t: 판 두께)의 위치에서, 레페라(LePera) 부식을 한 후, 광학 현미경을 이용하여 배율 1000배로 1시야: 50㎛×50㎛의 영역을 관찰하여, 화상 해석 소프트를 이용해 측정하고, 10시야의 평균값을 구했다.

[제 2 상 경도]

각 강판의 t/4부(t: 판 두께)의 위치에서, 10kgf의 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 제 2 상의 경도를 임의의 10점에서 측정하고, 그 평균값을 구했다.

[모재 특성의 평가]

각 강판의 전체 두께로부터, 압연 방향에 직각인 방향으로 JIS Z 2201의 1B 호 시험편을 채취하여, JIS Z 2241의 요령으로 인장 시험을 행하고, 항복 강도 YS(항복점이 있을 때는 하항복점 YP, 없을 때는 0.2% 내력 σ_0.2) 및 인장 강도(TS)를 측정했다. 그리고 항복 강도: 440MPa 이하, 인장 강도: 510MPa 이상에서, 항복비 (YS/TS)가 75% 이하인 것을 저항복비 고장력 강판이라고 평가했다.

또한 각 강판의 표면 쪽으로부터 1㎜ 절삭한 부분으로부터, 압연 방향으로 JIS Z 2202의 V노치 시험편을 채취하여, JIS Z 2242의 요령으로 샤르피 충격 시험을 하여, 파면 천이 온도 vTrs를 측정했다. 그리고, 파면 천이 온도 vTrs가 -100℃ 이하인 것을 우수한 모재 인성을 구비하고 있다고 평가했다.

[HAZ 인성의 평가]

상기 강판을 이용한 편면 서브머지 아크 용접을 FCB법으로 실시했다. FCB 법은 구리판 상에 받침 플럭스를 깔고, 개선 이면에 눌러대고, 표면 한쪽으로부터 백 비드를 형성하면서 용접을 완료시키는 방법으로, 조선 등의 판이음 용접에서 일반적으로 적용되고 있다. 개선 형상을 도 4[(a)는 판 두께 12㎜인 경우, (b)는 판 두께 30㎜인 경우]에 도시한다. 용접 재료는 하기의 저온용 강철 용접 재료(고베 세이코쇼)를 사용하여, 도 5 및 표 4의 용접 조건으로 용접 이음을 제작했다.

[용접 재료]

· 와이어: US-255

· 표면 플럭스: PFI-50 LT

· 받침 플럭스: MF-1R

그리고, 표면 측으로부터 1㎜ 깎고, HAZ(본드부)의 위치에 판 표면에 수직하게 잘라낸 JIS Z 2202의 V 노치 시험편을, 각각 3개 채취하고, JIS Z 2242의 요령으로 샤르피 충격 시험을 행했다. 그리고, 시험 온도: -60℃에서의 흡수 에너지(vE_-60)를 측정했다. 그리고, 이 흡수 에너지 (vE_-60)의 평균값이 100J 이상인 것을 HAZ의 저온 인성이 우수하다고 평가했다.

이들 결과를, 실용접 시공 조건(시공법, 입열량)과 함께, 일괄하여 하기 표 5, 6에 나타낸다.

이들 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다(또한, 하기 No.는 표 중의 실험 No.를 나타냄).

본 발명에서 규정하는 요건을 만족하는 No.1∼14의 강판은, HAZ의 저온 인성이 우수함과 아울러, 모재 특성(저온 인성, 항복 강도 YS: 440MPa 이하, 인장 강도 TS: 510MPa 이상, 항복비 YR: 75% 이하)도 우수한 고장력 강판이며, 이 강판을 대입열 편면 서브머지 아크 용접법으로 용접하여, 저온 조건의 용도에 이용하는 경우에도 우수한 특성을 발휘한다.

이에 비하여, 본 발명의 규정을 만족하지 않는 No.15∼29는, 각각 이하의 문제를 갖고 있다. 즉, No.15∼18은 HAZ의 저온 인성이 우수하지만, 모재의 페라이트 비율이 낮아, 희망하는 모재 특성(항복 강도 YS: 440MPa 이하, 항복비 YR: 75% 이하, vTrs: -100℃ 이하)을 얻을 수 없다.

No.19는 HAZ의 저온 인성이 우수하지만, 모재의 MA 비율이 높게 되어 있어, 희망하는 모재 특성(인장 강도 TS: 510MPa 이상, 항복비 YR: 75% 이하, vTrs가 -100℃ 이하)을 얻을 수 없다. No.20은 HAZ의 저온 인성이 우수하지만, 모재의 MA 비율이 높아져서 제 2 상 경도가 높게 되어 있어, 희망하는 모재 특성(항복비 YR: 75% 이하, vTrs: -100℃ 이하)을 얻을 수 없다. No.21∼23에서는, 페라이트 입경도 커져 있고, 모재 인성이 열화되어 있다.

No.24는 C 함유량이 상한을 초과하고, No.25는 Si 함유량 및 Mn 함유량이 상한을 초과하고 있기 때문에, 모두 MA 분율이 많아져서 HAZ 인성 및 모재 인성이 열악하다. 또한, No.26은 Ti 함유량이 과잉이기 때문에, No.27은 B 함유량이 과잉이기 때문에, 또한 모두 (B-NT/1.3)가 수학식 (1)의 상한을 상회하고 있어, 모두 HAZ 인성이 열악하다.

No.28은 V 함유량이 바람직한 범위를 초과하고, 또한 Ti나 B를 함유하고 있지 않으며, 아울러 (B-NT/1.3)가 수학식 (1)의 하한을 하회하고 있기 때문에, HAZ 인성이 열악하다. No.29는 Ni 함유량이 바람직한 범위를 초과하고 있고, 또한 B를 함유하고 있지 않아, 강도가 저하됨과 아울러, HAZ 인성도 열악하다.

도 1은 페라이트 입경과 모재의 파면 천이 온도 vTrs의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 2는 MA 분율과 제 2 상 경도가 모재의 특성에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.

도 3은 (B-NT/1.3)과 HAZ의 vE_-60의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4는 실시예에서의 용접에 있어서의 개선 형상의 단면도를 나타낸다.

도 5는 FCB 용접 시의 전극 배치의 모식도를 나타낸다.

Claims

C: 0.05∼0.09%(「질량%」의 의미, 화학 성분에 대해서는 이하 동일), Si: 0.05∼0.25%, Mn: 1.2∼1.6%, P: 0.01% 이하, S: 0.003% 이하, Al: 0.02∼0.04%, B: 0.0006∼0.0020%, N: 0.003∼0.008%, Ti: 0.005∼0.025%를 각각 함유하고,

t/4(t: 판 두께) 위치의 마이크로 조직에서, 전체 조직이 차지하는 페라이트 비율이 60∼85면적%, 섬 형상 마르텐사이트 분율이 5% 이하(0%를 포함함)이며, 잔부가 베이나이트 조직의 혼합 조직으로 이루어지고,

상기 페라이트의 평균 결정 입경이 14㎛ 이하이고, 또한 제 2 상의 비커스 경도 Hv가 265∼400인

강판.
제 1 항에 있어서,

화학 성분 조성이 하기 수학식 (1)을 만족하는 강판.

[수학식 1]

-20≤(B-NT/1.3)≤10

{식 중, B는 B함유량(질량 ppm)을 나타내고;

NT는 N(N 함유량, 단위: 질량ppm)과 Ti(Ti 함유량, 단위: 질량ppm)의 관계가,

(N-Ti/3.4)≥0인 경우에는, NT=(N-Ti/3.4),

(N-Ti/3.4)<0인 경우에는, NT=0을 나타냄}
제 1 항에 있어서,

Cu: 0.05∼0.4%, Ni: 0.05∼0.4%, Cr: 0.05∼0.4%, Mo: 0.05∼0.4% 및 V: 0.005∼0.02%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 강판.
제 1 항에 있어서,

Nb: 0.005∼0.025%를 함유하는 강판.
제 1 항에 있어서,

Ca: 0.001∼0.003%를 함유하는 강판.
청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 기재된 저항복비 고장력 강판을 제조하는 방법으로서,

열간 압연을 행한 후, 강판의 (Ar₃변태점 -40℃)를 초과하는 온도로부터 10℃/초 이상의 평균 냉각 속도로 (Ar₃ 변태점 -40℃) 이하의 온도까지 냉각하고, 그 온도에서 일단 냉각을 중단하여 30∼150초의 공냉을 행하고, 계속해서 t/4(t: 판 두께) 위치의 온도가 (Ar₃ 변태점 -80℃)∼(Ar₃ 변태점 -190℃)의 온도 범위로부터 350℃ 초과 550℃ 이하의 온도 범위까지 10℃/초 이상의 평균 냉각 속도로 냉각하 는

저항복비 고장력 강판 제조 방법.