KR20090047234A - 딥 드로잉용 고장력강 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중량%로 C : 0.25~0.40%, Si : 0.15~0.40%, Mn : 0.4~1.0%, Al : 0.001~0.05%, Cr : 0.8~1.2%, Mo : 0.15~0.8%, Ni : 1.0%이하, P : 0.015%이하, S : 0.015%이하, Ca 0.0005~0.002%, Ti : 0.005%~0.025%이하, B : 0.0005~0.0020% 및 잔부 불가피한 불순물 및 Fe를 포함하며, 그 미세 조직이 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트의 3상 복합조직임을 특징으로 하는 딥 드로잉용 강재, 상기 강재 및 고압용기를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면 본 발명의 강재는 미량의 Ti 및 B 첨가에 의해 인성의 저하없이 종래의 1100MPa급 강재에 비해 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 딥 드로잉시 구상화 열처리시간을 획기적으로 단축함으로써 비용 및 시간을 절약하고, 연화층의 깊이를 줄여 강도 저하를 방지하여 딥 드로잉에 의해 인장강도 1200Mpa급 저온고압용기용 강재를 제조할 수 있다.
딥 드로잉, 3상 복합 조직, 연화층, 저온 인성, 베이나이트, 마르텐사이트

Description

딥 드로잉용 고장력강 및 그 제조방법{High Tensile Steel for Deep Drawing and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 딥 드로잉(Deep Drawing)용 인장강도 1200MPa급 저온 고압용기용 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특히 저온 및 고압용 압력용기, 자동차용 CNG저장용기 등에 사용되는 강판의 제조시 저온 인성을 확보하며, 필요한 강재의 구상화 열처리 시간을 단축하여 탈탄에 의한 강도 저하가 적고 경제성 및 생산성이 우수한 인장강도 저온 고압용기용 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래에는 높은 인장강도(일반적으로 1100MPa급) 저온 고압용기용 강판을 제조하기 위해 이음매없는 파이프(Seamless Pipe)를 사용하여 스피닝형(Spinning type)의 가공법을 통해 압력 용기용 실린더를 제작하는 방법이 사용되었다. 하지만 이러한 방법으로 제작된 실린더는 이음매가 존재하므로 외관이 미려하지 못하고 이음매 부분의 물성 저하의 문제점이 존재한다.
또한 이러한 강판은 이음매 없는 파이프용으로 제작된 것이어서, 소입-소려 후 강력한 탄화물 석출 원소인 V이 함유되는 경우가 많다. 따라서, 딥 드로잉(Deep Drawing) 공정 전 구상화 열처리를 하는 경우에는 V의 석출 강화 현상에 의해 강재의 강도가 너무 높아져 딥 드로잉으로 직접 사용하는 것이 어렵다는 문제점이 있었다.
아울러, 이러한 구상화 열처리는 딥 드로잉 전에 수행되어 적절한 가공성을 부여하는데 사용되는데, 종래의 강재에 대하여 구상화 열처리를 수행하는 경우 90분 이상의 장시간이 소요되어 강재의 생산성 및 생산 비용 면에서 좋지 않다는 단점이 있으며, 나아가 장시간의 구상화 열처리에 의해 발생하는 탈탄 현상으로 인하여 강재의 강도가 저하되는 현상이 발생할 수 있다는 문제점이 존재하였다.
본 발명은 상술한 문제점, 즉 장시간의 구상화 열처리 시간을 단축함으로써 시간 및 비용을 절약하고 탈탄으로 인한 강도 저하를 억제하며, 나아가 구상화 열처리 후의 강도를 700MPa 이하로 유지하여 높은 가공성을 구비할 수 있는, 저온인성이 우수한 인장강도 1200MPa급 강재를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 중량%로 C : 0.25~0.40%, Si : 0.15~0.40%, Mn : 0.4~1.0%, Al : 0.001~0.05%, Cr : 0.8~1.2%, Mo : 0.15~0.8%, Ni : 1.0%이하, P : 0.015%이하, S : 0.015%이하, Ca 0.0005~0.002%, Ti : 0.005%~0.025%이하, B : 0.0005~0.0020% 및 잔부 불가피한 불순물 및 Fe를 포함하며, 그 미세 조직이 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트의 3상 복합조직임을 특징으로 하는 딥 드로잉용 강재를 제공한다.
나아가, 본 발명은 중량%로 C : 0.25~0.40%, Si : 0.15~0.40%, Mn : 0.4~1.0%, Al : 0.001~0.05%, Cr : 0.8~1.2%, Mo : 0.15~0.8%, Ni : 1.0%이하, P : 0.015%이하, S : 0.015%이하, Ca 0.0005~0.002%, Ti : 0.005%~0.025%이하, B : 0.0005~0.0020% 및 잔부 불가피한 불순물 및 Fe를 포함하는 강괴를, 1000~1250℃에서 가열하는 재가열, 750~1000℃의 압연 종료 온도로 압연, 노멀라이징 처리하여 그 미세 조직을 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트의 3상 복합조직으로 형성, Ac1~Ac3의 온도에서 30분 이상 구상화 열처리 및 딥 드로잉하여 고압 용기를 제조하고, 여기에 850~950℃에서 1.9t+5분~1.9t+30분(t는 강판의 두께, mm) 동안 유지한 후 켄칭 및 550~625℃에서 템퍼링하여 인장강도 1200MPa급, 37Joules 이상의 -50℃ 저온 충격 인성을 보유하는 딥 드로잉 강재 및 상기 강재로 제조된 고압용기를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 강재는 미량의 Ti 및 B 첨가에 의해 인성의 저하없이 종래의 1100MPa급 강재에 비해 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 딥 드로잉시 구상화 열처리시간을 획기적으로 단축함으로써 비용 및 시간을 절약하고, 연화층의 깊이를 줄여 강도 저하를 방지하여 딥 드로잉에 의해 인장강도 1200Mpa급 저온고압용기용 강재를 제조할 수 있다.
본 발명에서는 딥 드로잉용으로 적합한 합금설계를 통해 전술한 인장강도 1200MPa급의 강 및 적정 열처리 방법을 제공하여 외관이 미려하고 이음부가 없으며 물성 및 생산성이 우수한 저온고압용기용 강을 제공한다.
이하 본 발명의 성분계에 관하여 상세히 설명한다.(이하 %는 중량%)
C는 목표로 하는 강도를 확보하기 위해 첨가되는 원소로 그 첨가량이 너무 낮으면 강도가 급격히 저하될 수 있고, 반면 첨가량이 너무 많으면 용접성이 저하되므로 그 첨가량을 0.25~0.40% 범위로 한정한다.
Si는 제강 공정에서 팔요한 탈산제의 역할을 하며 고용강화 원소로서 강도에도 영향을 미치므로 0.15~0.40%의 범위 내에서 첨가한다.
Mn은 강의 강도 및 인성에 중요한 영향을 미치는 합금원소로서, 그 함량이 0.4% 미만일 경우에는 강도 및 인성의 향상 효과를 기대하기 어렵고, 또한 1.0%를 초과하는 경우에는 가공성이 저하되고 합금 원료의 비용이 상승할 수 있는바, 그 함량을 0.4~1.0%로 한정한다.
Al은 Si와 마찬가지로 제강 공정에서 강력한 탈산제의 하나이며, 0.001% 이상 첨가하지 않으면 그 효과가 미미하다. 하지만, 0.05%를 초과하면 더이상의 상승효과가 나타나지 않으므로 0.001~0.05% 이내로 첨가한다.
Cr은 소입성을 부여하기 위한 필수적인 합금원소로, 본 발명에서는 0.8~1.2%를 첨가한다. Cr의 함량이 0.8% 미만인 경우에는 소입성이 저하되어 강도의 확보가 어려우며, 반면 1.2%를 초과하여 과다하게 첨가하면 제조비의 상승을 초래하므로 0.8~1.2%로 한정한다.
Mo는 소입성에 유효한 합금원소이며, 황화물 크랙을 방지하는 원소로 알려져 있다. 또한, 소입-소려 후 미세 탄화물의 석출에 의해 강도의 확보에 유효한 원소이므로 0.15~0.8%의 범위에서 첨가한다.
Ni은 저온 인성의 향상에 매우 효과적인 원소이긴 하지만 Ni 자체는 고가의 원소이므로 본 발명에서는 1.0% 이하로 첨가한다.
P는 저온인성을 해치는 원소이나 제강 공정에서 P를 제거하는 공정은 상당한 비용이 소요되므로, 본 발명에서는 P의 양을 0.015% 이하의 범위 내에서 관리한다.
S 역시 P와 더불어 저온인성을 해치는 원소이지만 제강 공정에서 제거하는데 많은 비용이 소요되므로 0.015% 이하의 범위에서 관리한다.
Ca는 MnS와 같이 압연방향으로 길게 연신되는 개재물을 구상화시켜 압연 후 압연방향에 따른 재질 이방성을 감소시키는 역할을 한다. 그러나 그 함유량이 0.0005% 미만이면 개재물의 구상화 효과를 크게 기대할 수 없고, 반면 0.002%를 초과하면 오히려 개재물의 증가를 초래하므로 Ca의 함량은 0.0005~0.002%의 범위로 제한한다.
B는 본발명에 있어 핵심적인 첨가원소로서 소입성을 높여 고강도화를 이룰 수 있는 원소이다. 그 함유량이 0.0005% 이하이면 소입성 향상효과를 크게 기대할 수 없고 0.0025% 이상 과다 첨가는 그 효과가 더 이상 증대되지 않으므로 0.0005~0.0020%의 범위로 제한한다.
Ti은 B의 효과를 극대화시키는 역할을 하는 원소로 작용하므로 0.005% 이상을 첨가한다. 특히, 본 발명에서는 Ti를 B와 복합첨가함으로써 구상화 열처리시 탈탄에 의하여 발생하는 연화층의 깊이를 1mm 이하의 깊이로 크게 감소시켜 강도 저하를 최소화시킬 수 있다. 하지만, 0.025%를 초과하는 과다 첨가는 제조비용을 상승시키므로 0.005~0.025%의 범위로 제한하여 첨가한다.
이하 본 발명의 강재를 제조하는 방법 및 그 조건에 관하여 상세히 설명한다.
또한, 본 발명의 강재를 제조하기 위해서는 강괴를 1000~1250℃에서 재가열한다. 재가열 온도가 1000℃보다 낮을 경우 용질 원자의 고용이 어려워지며, 반면 가열온도가 1250℃를 초과하면 오스테나이트 결정립 크기가 너무 조대하게 되어 강판의 물성이 저하될 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명에서 압연종료 온도는 750℃ ~ 1000℃로 한정한다. 압연종료 온도가 750℃보다 낮으면 미재결정역 압연량이 과다하여 재질의 이방성이 발생하여 딥 드로잉성이 저하되며, 반면에 압연종료온도가 1000℃를 초과하면 결정립이 조대화되어 강재의 물성을 해칠 수 있기 때문이다.
상기 조건으로 압연된 강판에 대해 통상의 노말라이징 열처리를 가하여 그 미세조직이 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트의 3상 복합조직 형태로 구성되도록 한다. 이것은 마르텐사이트 및 베이나이트의 강도 상승 효과를 얻기 위한 것 이외에도, 본 발명에서 얻고자 하는 구상화 열처리 시간의 단축을 위한 조직 구성으로 볼 수 있다.
마르텐사이트, 베이나이트, 퍼얼라이트 등과 같은 저온 변태조직에서는 Carbide가 미세할수록 구상화 속도가 빨라지는데, 일반적으로 그 속도는 마르텐사이트>베이나이트>퍼얼라이트 순서로 구상화 시간이 단축될 수 있다고 알려져 있다.
따라서, 본 발명에서는 이와같은 3상 복합조직으로 구성하되, 페라이트를 10~40%, 베이나이트를 10~40% 및 마르텐사이트를 20~80%의 분율로 구성되도록 강을 제조한다. 페라이트의 분율이 너무 많고 베이나이트 및 마르텐사이트의 분율이 적으면 강도가 하락할 수 있으며, 반면 페라이트가 너무 적으면 딥 드로잉성이 열화 될 수 있다.
이러한 조건에 의해 제조된 강재에 딥 드로잉(Deep Drawing)을 수행하기 이전에 적절한 가공성이 주어지도록 구상화 열처리가 이루어진다. 이 경우 Ac1~Ac3의 온도에서 30분 이상, 바람직하게는 30~90분으로 유지함으로써 딥 드로잉 전에 700MPa 이하의 인장강도를 가지게 된다. Ac1~Ac3의 온도는 본 발명에서 구상화처리를 위한 온도 범위로서, 이 온도 범위보다 낮은 온도에서 구상화 열처리가 될 경우에는 구상화에 장시간이 소요되며, 반면 이 온도 범위를 초과한다면 오스테나이트로의 상변태가 발생해서 구상화된 탄화물의 형성이 어렵게 될 수 있다. 따라서, 구상화 열처리는 Ac1~Ac3의 온도의 범위에서 이루어지도록 한다.
종래의 딥 드로잉용 강재에 필요한 구상화 열처리 시간이 90분 이상이었던 점을 감안할 때, 이러한 구상화 열처리 유지시간의 단축은 에너지 및 비용의 절감과 생산성 측면에서 매우 중요하다.
나아가, 이러한 강재에 대해 딥 드로잉을 수행한 이후에 1200MPa의 인장강도를 확보하는 것이 요구되는데, 이를 위하여 강재의 내부 조직을 오스테나이트 조직으로 변태시키는 것이 필요한 바, 850~950℃에서 적정시간 유지한 후 수냉(켄칭)을 실시한다. 만일 켄칭온도가 850℃ 보다 낮으면 고용용질 원소들의 재고용이 어려워 강도의 확보가 어렵고, 켄칭온도가 950℃보다 높은 경우에는 결정립 성장이 일어나 저온인성을 해치기 때문이다.
또한, 켄칭된 강재에 대해 550~625℃에서 템퍼링을 실시하는데, 템퍼링 온도가 550℃보다 낮으면 인성의 확보가 어렵고 625℃보다 높게되면 강도의 확보가 어렵게 된다.
이와 같이 제조된 딥 드로잉 고압용기용 강재는 1200MPa급의 인장강도를 보유할 수 있을 뿐만 아니라, 37Joules 이상의 -50℃의 저온충격인성을 나타내므로 그 활용도가 넓고 매우 우수한 물성을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 제품에 대한 구상화 열처리시 표면부의 탈탄으로 인한 연화층의 깊이가 종래의 제품에 비해 대폭 감소하여 열처리로 인한 강도 감소의 문제점을 해결할 수 있게 된다.
이하 실시예를 통하여 본 발명의 강재 및 그 제조방법을 보다 상세히 설명한다.
(실시예)
하기 표 1의 조성을 가지는 각 강판(슬라브)을 하기 표 2의 조건으로 제조하고, 그 물성을 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 나타나 있다.
C Mn Si P S Ni Cr Mo Ca Ti Al B
발명강A 0.35 0.85 0.25 0.011 0.002 0.51 0.92 0.44 0.0016 0.015 0.0033 0.0010
발명강B 0.36 0.80 0.26 0.008 0.003 0.48 1.01 0.52 0.0012 0.012 0.0028 0.0020
비교강C 0.35 0.81 0.24 0.010 0.003 0.29 0.89 0.25 0.0007 - 0.0030 -
강종 구분 압연종료 온도 (℃) 구상화 온도 (℃) 구상화 시간* (분) 켄칭 온도 (℃) 템퍼링 온도 (℃)
발 명 강 A 1 870 750 40 885 565
A 2 880 760 38 890 550
A 3 905 780 35 895 565
B 4 900 740 40 890 570
B 5 875 760 39 885 575
B 6 860 780 36 900 550
비교강 C 7 850 780 95 880 550
C 8 900 740 100 900 575
C 9 950 740 105 900 570
* 구상화 시간 : 구상화 열처리 이후에 인장강도 650MPa를 얻기 위한 구상화 최소 구상화 열처리 시간(분)
표 2에서 볼 수 있듯이, 발명강의 구상화 열처리 시간은 비교강의 시간에 비해 상대적으로 짧았으며, 이를 통하여 비용의 절감, 탈탄 현상으로 인한 물성 저하가가 저감될 수 있을 것으로 판단된다.
강종 구분 압연종료온도(℃) 인장 강도 (MPa) 연신율 (%) -50℃충격인성 (J) 연화층 깊이** (mm)
발 명 강 A 1 870 1209 15 60 0.50
A 2 880 1215 14 61 0.51
A 3 905 1210 17 63 0.49
B 4 900 1203 16 61 0.48
B 5 875 1205 15 65 0.49
B 6 860 1218 14 61 0.50
비교강 C 7 850 1142 16 62 1.43
C 8 900 1112 15 67 1.40
C 9 950 1110 18 66 1.35
** 연화층 깊이 : 딥 드로잉 및 열처리 후 표층으로부터 탈탄 등에 의한 연화층 깊이(mm)
또한, 상기 표 3에서 본 발명에 의한 발명강들의 경우에는 표 2와 같이 단축된 구상화 열처리시간에도 불구하고, 연화층의 깊이를 대폭 감소시킴으로써 우수한 인장강도 및 충격 인성을 확보할 수 있는 1200Mpa급 딥 드로잉용 강을 제조할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (10)

  1. 중량%로 C : 0.25~0.40%, Si : 0.15~0.40%, Mn : 0.4~1.0%, Al : 0.001~0.05%, Cr : 0.8~1.2%, Mo : 0.15~0.8%, Ni : 1.0%이하, P : 0.015%이하, S : 0.015%이하, Ca 0.0005~0.002%, Ti : 0.005%~0.025%이하, B : 0.0005~0.0020% 및 잔부 불가피한 불순물 및 Fe를 포함하는 딥 드로잉용 강재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 강재는 그 미세 조직이 페라이트 10~40%, 베이나이트 10~40% 및 마르텐사이트 20~80%의 분율로 조성되는 3상 복합조직임을 특징으로 하는 딥 드로잉용 강재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 강재는 구상화 열처리 및 딥 드로잉 처리 이후에도 1200MPa 이상의 인장강도 및 37Joules 이상의 -50℃의 저온충격인성을 가지는 것을 특징으로 하는 딥 드로잉용 강재.
  4. 제3항에 있어서, 상기 딥 드로잉용 강재는 구상화 열처리 이후의 표면 연화층이 1mm 이하임을 특징으로 하는 딥 드로잉용 강재.
  5. 중량%로 C : 0.25~0.40%, Si : 0.15~0.40%, Mn : 0.4~1.0%, Al : 0.001~0.05%, Cr : 0.8~1.2%, Mo : 0.15~0.8%, Ni : 1.0%이하, P : 0.015%이하, S : 0.015%이하, Ca 0.0005~0.002%, Ti : 0.005%~0.025%이하, B : 0.0005~0.0020% 및 잔부 불가피한 불순물 및 Fe를 포함하는 강괴에 대해,
    1000~1250℃에서 가열하는 재가열 단계;
    750~1000℃의 압연 종료 온도로 압연하는 압연 단계; 및
    노멀라이징 처리하여 그 미세 조직을 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트의 3상 복합조직으로 형성하는 노멀라이징 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 딥 드로잉용 강재의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 노멀라이징 단계는 상기 강재의 미세 조직을 페라이트 10~40%, 베이나이트 10~40% 및 마르텐사이트 20~80%의 분율로 조성하는 것을 특징으로 하는 딥 드로잉용 강재의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 딥 드로잉용 강재의 제조 방법은, Ac1~Ac3의 온도에서 30분 이상 유지하는 구상화 열처리 단계 및 딥 드로잉하는 용기 제조 단계를 추가 적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 딥 드로잉용 강재의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 구상화 열처리를 거친 이후 표면에 발생하는 연화층의 깊이가 1mm 이하임을 특징으로 하는 딥 드로잉용 강재의 제조 방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 딥 드로잉용 강재의 제조 방법은,
    850~950℃에서 1.9t+5~1.9t+30분간 유지한 후 켄칭하는 켄칭 단계; 및
    550~625℃에서 템퍼링하는 템퍼링 단계;를
    추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 딥 드로잉용 강재의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 켄칭 단계 및 템퍼링 단계를 거쳐 1200MPa 이상의 인장강도 및 37Joules 이상의 -50℃의 저온충격인성을 가지는 것을 특징으로 하는 딥 드로잉용 강재의 제조 방법.
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