KR20090084666A

KR20090084666A - 용접성이 우수한 고장력 강판

Info

Publication number: KR20090084666A
Application number: KR1020080136979A
Authority: KR
Inventors: 요시또미 오까자끼; 히로유끼 다까오까; 히데노리 나꼬
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2009-08-05
Also published as: JP2009179868A; CN101497967A; CN101497967B

Abstract

본 발명의 과제는 소입열 용접으로부터 대입열 용접까지의 넓은 입열량 범위에서 용접을 행해도, 안정적으로 양호한 HAZ 인성을 확보할 수 있는, 용접성이 우수한 590 ㎫ 초급의 베이나이트 고장력 강판을 제공하는 것이다.

소정의 화학 성분 조성을 만족하고, 소정의 관계식으로 규정되는 BP값 및 Pcm값이 각각 120 내지 300(질량％), 0.20(질량％) 이하이며, 또한 원 상당 직경으로 0.05 ㎛ 이하의 Ti 함유 질화물이 1 ㎟당 5.0 × 10⁶개 이상 존재하고, 이 중 원 상당 직경으로 0.01 내지 0.03 ㎛인 Ti 함유 질화물 갯수가 전체 Ti 함유 질화물 갯수에 대해 75 ％ 이상을 차지하는 것이다.

소입열 용접, 대입열 용접, 베이나이트, 고장력 강판

Description

용접성이 우수한 고장력 강판{HIGH-TENSION STEEL PLATE HAVING EXCELLENT WELDABILITY}

본 발명은 교량이나 고층 건조물, 선박 등의 용접 구조물에 적용되는 고장력 강판에 관한 것으로, 특히 소입열 용접 후부터 대입열 용접 후에서의 열 영향부(이하, 단순히「HAZ」라 부르는 경우가 있음)의 인성이 우수한 고장력 강판에 관한 것이다.

최근, 상기 각종 용접 구조물의 대형화에 수반하여, 판 두께가 50 ㎜ 이상인 후강판의 용접이 불가피해지고 있다. 이로 인해, 모든 분야에 있어서, 용접 시공 효율의 개선이라는 관점에서, 25 kJ/㎜ 이상의 대입열 용접이 지향되는 상황이다.

그러나, 대입열 용접을 행하면, HAZ가 고온의 오스테나이트 영역까지 가열되고 나서 서냉되므로, HAZ부(특히 HAZ부의 본드부 부근)의 조직이 조대화, 그 부분의 인성이 열화되기 쉬운 문제가 있다. 이러한 HAZ부에 있어서의 인성(이하,「HAZ 인성」이라 부르는 경우가 있음)을 양호하게 확보하는 것이 오랜 세월의 과제로 되고 있다.

대입열 용접시에 있어서의 HAZ 인성의 열화 방지를 위한 기술은, 지금까지도 여러가지 제안되어 있다. HAZ 인성을 개선하는 기술로서, 강재 중에 Ti 함유 질화물을 분산시키는 것이 유효한 것이 알려져 있다. 이러한 기술로서는, 예를 들어 특허 문헌 1에 개시된 바와 같이, 강도가 590 ㎫ 초급(超級)의 베이나이트 강에 있어서, 합금 원소의 적정화를 도모하는 동시에, Ti 함유 질화물의 제어에 의해 양호한 HAZ 인성을 확보하는 것이 제안되어 있다.

본 발명자들은, 용접시에 고온의 열 영향을 받은 경우라도 HAZ의 인성이 열화되지 않는 강재를 특허 문헌 2에 앞서 제안하고 있다. 이 기술에서는, 강재에 N을 다량으로 첨가하고, 또한 Ti와 B의 첨가 밸런스를 적절하게 제어함으로써, 용접 후에도 아직 고용으로 존재하는 TiN의 양을 증가시켜 HAZ 인성을 개선하는 것이다.

한편, 고장력 강판에서는, 상기한 바와 같은 대입열 용접에 한하지 않고, 입열량이 2 kJ/㎜ 정도인 소입열에서의 용접도 행해지는 경우가 있고, 이러한 소입열 용접에서는 HAZ의 강도 과다가 발생하여, 용접 균열이 발생하거나, HAZ 인성이 열화되는 경향이 있다. 이러한 문제에 대해서는, 각 합금 원소의 함유량에 의해 구해지는 Ceq값이나 Pcm값을 저감시킴으로써 개선할 수 있는 것이 알려져 있다(예를 들어 특허 문헌 3).

본 발명자들은, 비교적 강도가 낮은 490 ㎫급의 강판에 있어서, 용접강 중에 존재하는 TiN계 개재물 중에 Nb를 적극적으로 함유시키는 동시에, Ti/Nb비를 제어하여, 입경이 0.01 내지 0.25 ㎛인 개재물의 갯수를 1 ㎟당 1.0 × 10⁴개 이상으로 함으로써, 폭넓은 입열 범위에서의 HAZ 인성을 확보하는 기술을 제안하고 있다(특 허 문헌 4).

[특허 문헌 1] 일본 특허 제3746707호 공보

[특허 문헌 2] 일본 특허 출원 공개 제2005-200716호 공보

[특허 문헌 3] 일본 특허 출원 공개 소57-143430호 공보

[특허 문헌 4] 일본 특허 출원 공개 제2004-218010호 공보

그러나, 지금까지 제안되어 있는 기술에서는, 강도가 590 ㎫ 초급의 베이나이트 강판에 있어서, 소입열 용접으로부터 대입열 용접까지의 넓은 입열량 범위에 걸쳐서 안정적으로 양호한 HAZ 인성을 확보할 때까지에 이르지 않은 것이 실정이다.

본 발명은 이와 같은 상황에 비추어 이루어진 것이며, 그 목적은 소입열 용접으로부터 대입열 용접까지의 넓은 입열량 범위에서 용접을 실시해도, 안정적으로 양호한 HAZ 인성을 확보할 수 있는, 용접성이 우수한 590 ㎫ 초급의 베이나이트 고장력 강판을 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명에 관한 고장력 강판이라 함은, C : 0.01 내지 0.08 ％(「질량％」의 의미. 이하 동일), Si : 0.30 ％ 이하(0 ％를 포함함), Mn : 0.5 내지 2.0 ％, Al : 0.01 내지 0.05 ％, Cr : 0.5 내지 2.0 ％, Nb : 0.005 내지 0.050 ％, Ti : 0.010 내지 0.040 ％, B : 0.0010 내지 0.0050 ％, N : 0.0020 내지 0.0100 ％, Ca : 0.0050 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)를 각각 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 (1)식에서 규정되는 BP값이 120 내지 300(질량％)의 범위에 있는 동시에, 하기 (2)식에서 규정되는 Pcm값이 0.20(질량％) 이하이며, 또한 원 상당 직경으로 0.05 ㎛ 이하의 Ti 함 유 질화물이 1 ㎟당 5.0 × 10⁶개 이상 존재하고, 이 중 원 상당 직경으로 0.01 내지 0.03 ㎛의 Ti 함유 질화물 갯수가 전체 Ti 함유 질화물 갯수에 대해 75 ％ 이상을 차지하는 것인 점에 요지를 갖는 것이다.

BP값 = 414[C] + 78[Si] + 31[Mn] + 79[Cr] - 14[Cu] - 26[Ni] + 2280[Nb] + 218[Mo] …(1)

Pcm값 = [C] + [Si]/30 + [Mn]/20 + [Cu]/20 + [Ni]/60 + [Cr]/20 + [Mo]/15 + [V]/10 + 5[B] …(2)

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

또한, 상기「원 상당 직경」이라 함은, Ti 함유 질화물의 크기에 착안하여, 그 면적이 같아지도록 상정한 원의 직경을 구한 것으로, 투과형 전자 현미경(TEM) 관찰면 상에서 확인되는 질화물인 것이다. 또한, 본 발명에서 대상으로 하는 Ti 함유 질화물이라 함은, TiN은 물론, Ti의 일부(원자비로 50 ％ 이하 정도)를 다른 질화물 형성 원소(예를 들어 Nb, Zr, V 등)로 치환한 질화물도 포함하는 취지이다.

본 발명의 후강판에는, 필요에 의해, 또한 (a) Cu 및/또는 Ni : 2.0 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음), (b) Mo : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음) 및/또는 V : 0.1 내지 0.5 ％, (c) Mg, Zr 및 REM으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소 : 합계로 0.010 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)를 함유시키는 것도 유용하고, 함유시키는 원소의 종류에 따라서 고장력 강판의 특성이 더욱 개선되게 된 다.

본 발명에 따르면, 상기 (1)식에서 규정되는 BP값, (2)식에서 규정되는 Pcm값을 적절한 범위로 제어하면서, 강판의 화학 성분 조성을 적절한 범위 내에 들어가게 하고, 또한 미세한 Ti 함유 질화물의 분산 상태(갯수/밀도)를 적절하게 제어함으로써, 소입열 용접으로부터 대입열 용접까지의 넓은 입열량 범위에서 용접을 실시해도, 안정적으로 양호한 HAZ 인성을 확보할 수 있는, 용접성이 우수한 590 ㎫ 초급의 베이나이트 고장력 강판을 실현할 수 있었다.

강도가 590 ㎫ 초급의 강판에서는, HAZ에 있어서 베이나이트 조직이 형성되게 되는 것이지만, 베이나이트 조직 형태에 대한 합금 원소의 영향에 대해서는, 불분명한 점이 많았다. 본 발명자들은, 베이나이트 강판의 HAZ 인성에 미치는 합금 원소의 영향을 파악하기 위해 베이나이트 조직 형태와 합금 설계 지침에 대해 검토하였다.

그 결과, HAZ의 베이나이트 조직(블록 사이즈)이 10 ㎛ 이하가 되도록 미세화하면, 양호한 HAZ 인성을 확보할 수 있다는 착상을 얻게 되었다. 계속해서, 베이나이트 블록의 미세화는 베이나이트 조직의 변태 구동력과 상관 관계가 있다고 생각하여, 변태 구동력을 상승시키는 성분 설계를 실시하면 된다고 생각하고, 각종 합금의 영향에 대해 검토하였다.

베이나이트 변태의 형성 과정을 생각하면, 그 변태 구동력은 베이나이트 변 태의 구동력이 발생하는 온도(이하,「T₀ 온도」라 부름)와, 실제로 베이나이트 변태가 발생하는 온도(이하,「B_S점」이라 부름)와의 차로 설명할 수 있다고 생각되었다.

그래서, 각각의 온도(T₀ 온도, B_S점)에 대한 합금 원소의 영향에 대해 다시 검토하였다. 상기 T₀ 온도에 대해서는, 열역학 계산에서 산출할 수 있으므로, 열역학 계산 소프트웨어(Thermo-calc, CRC 통합 연구소로부터 구입 가능)를 이용하여, 각 합금 원소의 영향에 대해 검토하고, 각 원소의 영향에 대해 정식화하였다. 한편, B_S점에 대해서는, 현 시점에서는 이론적으로 산출할 수 없으므로, 실험치를 사용하였다. 즉, 합금 원소가 다른 강종의 B_S점을 실험에서 구하고, 각 원소의 영향을 회귀 분석에 의해 정식(定式)하였다. 얻어진 양식의 차를 취하여, (T₀ 온도 - B_S점)의 식으로 함으로써, 하기 (1)식으로 규정되는 BP값이 요구된 것이다. 그리고, 이 BP값이 120 내지 300(질량％)의 범위 내에 있을 때, 대입열 용접을 행해도 HAZ가 적절한 베이나이트 조직 형태가 되어, 양호한 HAZ 인성이 달성되는 것이다. 또한, 상기 BP값의 바람직한 하한은 140이며, 바람직한 상한은 260이다.

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

또한, 상기 BP값을 규정하는 원소 중에는, 본 발명의 후강판의 기본 성분 (C, Si, Mn, Cr, Nb) 이외에도, 필요에 따라서 함유되는 것도 포함되지만, (Cu, Ni, Mo 등), 이들 원소를 포함하지 않을 때에는, 그 항목이 없는 것으로 하여 BP값을 계산하고, 이 원소를 포함할 때에는 상기 (1)식으로부터 BP값을 계산하면 된다.

본 발명의 고장력 강판에 있어서는, 소입열 용접으로부터 대입열 용접까지 안정적으로 양호한 HAZ 인성을 확보하기 위해, 하기 (2)식에서 규정되는 Pcm값도 적절한 범위로 제어할 필요가 있다(상기 특허 문헌 3).

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

상기 (2)식에서 규정되는 Pcm값은, 강도 과다를 기초로 하는 HAZ 인성 열화를 초과하지 않기 때문에 중요한 요건이며, 각 원소의 경화능을 C 함유량으로 환산한 것이고, 탄소당량 Ceq에 상당하는 것이다. 이 Pcm값을 0.20(질량％) 이하로 제어함으로써, 소입열 용접으로부터 대입열 용접까지 안정적으로 양호한 HAZ 인성을 확보할 수 있게 된다.

또한, 상기 (1)식과 마찬가지로, 상기 Pcm값을 규정하는 원소 중에는, 본 발명의 후강판의 기본 성분(C, Si, Mn, Cr, B) 이외에도, 필요에 의해 함유되는 것도 포함되지만(Cu, Ni, Mo, V 등), 이들 원소를 포함하지 않을 때에는 그 항목이 없는 것으로 하여 Pcm값을 계산하고, 이 원소를 포함할 때에는, 상기 (2)식으로부터 Pcm값을 계산하면 된다.

그런데, 본 발명자들은 용접시의 고온에 있어서도 녹아 남는 Ti 함유 질화물(이하, TiN로 대표하는 경우가 있음)을 증가시키는 데 성공한 것이지만(상기 특허 문헌 2), 이러한 기술을 기본으로 하여 HAZ 인성을 더욱 개선하기 위해 검토를 거듭하였다.

용접시에는, 미세 TiN은 용해하는 동시에, 조대한 TiN은 입성장하는 거동(오스트왈드 성장)을 나타내는 것이 된다. 본 발명자들은, 이러한 거동에 착안하여, 가능한 한 미세한 TiN을 다량으로 분산시킴으로써, 입성장한 후에 있어서도 TiN 분포가 미세 균일해지도록 하기 위해서는, 원 상당 직경으로 0.05 ㎛ 이하의 TiN이 1 ㎟당 5.0 × 10⁶개 이상이 되도록 제어하면 되는 것을 발견하였다.

또한 상기한 바와 같은 오스트왈드 성장은 TiN의 사이즈 분포(불균일)가 크면 촉진되어, 용접 후의 조직이 불균일하기 쉬운 것에도 착안하여, 이러한 현상을 가능한 한 억제하기 위해서는, TiN 전체에 차지하는 미세 TiN의 비율이 일정량 이상이 되도록 균일하게 분산하면 된다는 착상을 얻게 되었다. 구체적으로는, 원 상당 직경으로 0.01 내지 0.03 ㎛의 미세 TiN 갯수가 전체 TiN 갯수에 대해 75 ％ 이상을 차지하도록 하면, 용접 후의 조직이 불균일해지는 것을 방지할 수 있는 것이 판명된 것이다.

본 발명의 강판에 있어서는, 후술하는 제어에 의해 미세한 TiN을 주체로 하여 분산시키는 것이다. 따라서, 일부 조대한 TiN(예를 들어, 원 상당 직경으로 0.05 ㎛보다도 큰 TiN)이 포함되어 있어도, 이러한 조대 TiN은 강판의 특성에 그만 큼 영향을 주지 않으므로,「전체 TiN」은 이러한 조대 TiN도 포함하는 취지이다. 또한, 0.01 내지 0.03 ㎛의 미세 TiN 갯수가 전체 TiN 갯수에 대해 차지하는 비율(이하,「점유율」이라 부르는 경우가 있음)은, 바람직하게는 77 ％ 이상이며, 더욱 바람직하게는 80 ％ 이상이다.

다음에, 본 발명의 강재(모재)에 있어서의 성분 조성에 대해 설명한다. 상기한 바와 같이, 본 발명의 강판은 그 화학 성분 조성이 상기 (1)식 및 (2)식의 관계식을 만족하고 있어도, 각각의 화학 성분(원소)의 함유량이 적정 범위 내에 없으면, 우수한 HAZ 인성을 달성할 수 없다. 따라서, 본 발명의 후강판에서는, TiN(Ti 함유 질화물)의 분포 상황이 양호한 것 및 화학 성분이 상기 (1)식 및 (2)식을 만족시키는 데 더하여, 각각의 화학 성분의 양이 이하에 기재하는 바와 같은 적정 범위 내에 있는 것도 필요하다. 이들 성분의 범위 한정 이유는 하기와 같다.

[C : 0.01 내지 0.08 ％]

C는 강판의 강도를 확보하기 위해 뺄 수 없는 원소로, C 함유량이 0.01 ％ 미만에서는 강판의 강도를 확보할 수 없다. 바람직하게는 0.02 ％ 이상이다. 그러나, C 함유량이 과잉이 되면 넓은 입열량 범위에서의 양호한 HAZ 인성을 확보할 수 없게 된다. 따라서 C는 0.08 ％ 이하, 바람직하게는 0.06 ％ 이하로 억제할 필요가 있다.

[Si : 0.30 ％ 이하(0 ％를 포함함)]

Si는 고용 강화에 의해 강판의 강도를 확보하는 데 유용한 원소이지만, 과잉으로 함유하면, HAZ에 MA상이 많이 생성되거나, Ti 함유 질화물의 조대화를 초래하 게 되어, 넓은 입열량 범위에서의 양호한 HAZ 인성을 확보할 수 없게 된다. 이러한 관점에서, Si 함유량은 0.30 ％ 이하로 할 필요가 있고, 바람직하게는 0.25 ％ 이하로 억제한다. 또한, 양호한 HAZ 인성을 확보한다는 관점에서 보면, Si 함유량은 0 ％라도 좋다.

[Mn : 0.5 내지 2.0 ％]

Mn은 강판의 켄칭성을 높여 강도ㆍHAZ 인성을 확보하는 면에서 유용한 원소이며, 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는 0.5 ％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는 0.8 ％ 이상이다. 그러나, 2.0 ％를 초과하여 과잉으로 함유시키면 HAZ의 경화가 현저해지고, HAZ 인성이 열화되므로, Mn 함유량은 2.0 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 1.6 ％ 이하이다.

[Al : 0.01 내지 0.05 ％]

Al은 탈산 원소로서 유용하다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.01 ％ 이상 함유시킬 필요가 있고, 바람직하게는 0.02 ％ 이상이다. 그러나, Al 함유량이 과잉이 되면, HAZ에 MA상이 많이 생성되어 HAZ 인성이 열화되므로, 0.05 ％ 이하로 억제할 필요가 있고, 바람직하게는 0.04 ％ 이하로 한다.

[Cr : 0.5 내지 2.0 ％]

Cr은 상기 온도 To를 저하시키는 것보다도 더욱 B_S점을 저하시키고, 베이나이트 변태의 구동력을 확보하여 HAZ 조직을 미세화시키는 데 유효하게 작용하는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Cr은 0.5 ％ 이상 함유시킬 필요가 있고, 바람직하게는 0.7 ％ 이상으로 한다. 그러나, Cr 함유량이 과잉이 되면, 대입열 용접시에서의 HAZ 인성이 오히려 열화되므로, 2.0 ％ 이하로 억제할 필요가 있다. 바람직하게는 1.6 ％ 이하이다.

[Nb : 0.005 내지 0.050 ％]

Nb는 소량으로 강판의 고강도화에 기여하는 효과를 발휘하는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는 0.005 ％ 이상 함유시킬 필요가 있고, 바람직하게는 0.012 ％ 이상이다. 그러나, Nb 함유량이 과잉이 되면, 베이나이트 조직이 조대화되어, 대입열 용접시의 HAZ 인성이 열화되게 된다. 이러한 이유로, Nb 함유량은 0.050 ％ 이하로 할 필요가 있고, 바람직하게는 0.030 ％ 이하이다.

[Ti : 0.010 내지 0.040 ％]

Ti는 N과 반응하여 미세한 Ti 함유 질화물(예를 들면 TiN)을 형성하고, HAZ의 오스테나이트립(γ립) 조대화를 억제하고, 대입열 용접시의 HAZ 인성을 양호하게 하는 데 유용한 원소이다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Ti는 0.010 ％ 이상 함유시키는 것이 필요하고, 바람직하게는 0.012 ％ 이상(더욱 바람직하게는 0.015 ％ 이상)으로 한다. 그러나, Ti 함유량이 과잉이 되면, Ti 함유 질화물이 조대해져 그 갯수가 감소하므로, 대입열 용접시의 HAZ 인성이 열화된다. 이러한 이유로, Ti 함유량은 0.040 ％ 이하로 억제해야 한다. 바람직하게는 0.035 ％ 이하(더욱 바람직하게는 0.030 ％ 이하)로 한다.

[B : 0.0010 내지 0.0050 ％]

B는 고온시에 녹아 남은 TiN을 핵으로 BN으로서 석출하여 HAZ 조직을 균일화 하는 작용을 발휘한다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.0010 ％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는 0.0015 ％ 이상이다. 그러나, B 함유량이 과잉이 되면, 넓은 입열량 범위에서의 HAZ 인성이 열화되므로, 0.0050 ％ 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.0040 ％ 이하로 하는 것이 좋다.

[N : 0.0020 내지 0.0100 ％]

N은 Ti 함유 질화물을 미세 분산시켜 HAZ의 구γ입경을 균일 미세화시키는 면에서 유용한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, N 함유량을 0.0020 ％ 이상으로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.0035 ％ 이상이다. 그러나, N 함유량이 과잉이 되면, 고용 N양이 증대하여, 넓은 입열량 범위에서의 HAZ 인성이 열화된다. 따라서 N은 0.0100 ％ 이하로 억제할 필요가 있고, 바람직하게는 0.0070 ％ 이하로 한다.

[Ca : 0.0050 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)]

Ca는 조대한 Ti 함유 질화물을 저감(산화물계 개재물에 복합되어 정출하는 조대 질화물이 감소함)시키는 효과를 갖고, HAZ 인성의 개선에 기여하는 원소이다. 이러한 효과는 Ca 함유량이 증대함에 따라서 증가하지만, 0.0010 ％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, Ca 함유량이 과잉이 되면, 개재물이 조대화되어 HAZ 인성이 열화되므로, 0.0050 ％ 이하로 억제할 필요가 있다. 바람직하게는 0.0030 ％ 이하이다.

본 발명에서 규정하는 함유 원소는 상기와 같으며, 잔량부는 철 및 불가피적 불순물이고, 상기 불가피적 불순물로서, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 의해 가지고 들어가는 원소(예를 들어 P, S, Sn, As, Pb 등)의 혼입이 허용될 수 있다. 또한, 하기 원소를 더욱 적극적으로 함유시키는 것도 유효하고, 함유되는 성분의 종류에 따라서 강판의 특성이 더욱 개선된다.

[Cu 및/또는 Ni : 2.0 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)]

Cu 및 Ni는 매트릭스의 인성을 개선시키는 효과를 발휘하고, HAZ 인성을 개선하는 데 유효한 원소이다. 이들 원소의 함유량이 과잉이 되면, HAZ 경화가 현저해지는 동시에, 베이나이트 변태의 구동력을 저하시켜, 대입열 용접시의 HAZ 인성이 오히려 열화된다. 이러한 이유로, 이들 원소를 함유시킬 때는, 그 함유량(1종 또는 2종의 함유량)은 2.0 ％ 이하로 억제할 필요가 있고, 바람직하게는 1.5 ％ 이하이다. 또한, 상기 효과를 발휘시키는 면에서, 이들 원소의 1종 또는 2종(합계)으로, 0.1 ％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.4 ％ 이상으로 한다.

[Mo : 0.4 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음) 및/또는 V : 0.1 내지 0.5 ％]

Mo 및 V는 상기 온도 T₀을 상승시키지만 B_S점을 저하시키고, 베이나이트 변태의 구동력을 확보하여 HAZ 조직을 미세화시키는 데 유효하게 작용하는 원소이다. 이러한 효과는, Mo에 대해서는 그 함유량이 증가함에 따라서, V에 대해서는 0.1 ％ 이상 함유시킴으로써 유효하게 발휘된다. 그러나, 이들 함유량이 과잉이 되면, 대입열 용접시의 HAZ 인성을 오히려 열화되므로, Mo에서 0.4 ％ 이하, V에서 0.5 ％ 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

[Mg, Zr 및 REM으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소 : 합계로 0.010 ％ 이하]

Mg, Zr 및 REM(희토류 원소)은, 강판 중의 산화물계 개재물을 미세화시킴으로써 대입열 용접시의 HAZ 인성의 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 효과는 그들 함유량이 증가함에 따라서 증대하지만, 함유량이 과잉이 되면, 개재물이 조대화되어 대입열 용접시의 HAZ 인성이 열화되므로, 합계로 0.010 ％ 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서, REM(희토류 원소)이라 함은, 란타노이드 원소(La로부터 Ln까지의 15원소) 및 Sc(스칸듐)와 Y(이트륨)를 포함하는 의미이다.

본 발명에 있어서, Ti 함유 질화물의 미세 분산을 상기와 같이 제어하기 위해서는, 하기 (3)식에서 규정되는 X값을 10 이상이 되도록 성분 조성을 조정하고, 압연 전의 가열 시간을 4시간 이내로 하는 동시에, 주조시의 냉각 속도를, 1500 내지 1300 ℃의 온도 범위를 10 ℃/min 이상으로 냉각하도록 하여 슬라브를 형성하는 것이 추천된다. 또한, 이와 같이 냉각 속도를 제어하기 위해서는, 슬라브 두께를 저하시키거나, 냉각수량을 증가시키는 수단을 들 수 있다. 이들 제조 조건에 대해 설명한다.

X값 = 500[C] + 32[Si] + 8[Mn] - 9[Nb] + 14[Cu] + 17[Ni] - 5[Cr] - 25[Mo] - 34[V] …(3)

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

또한, 상기 (1)식 및 (2)식과 마찬가지로, 상기 X값을 규정하는 원소 중에 는, 본 발명의 강판의 기본 성분(C, Si, Mn, Nb, Cr) 이외에도, 필요에 의해 함유되는 것도 포함되지만(Cu, Ni, Mo, V 등), 이 원소를 포함하지 않을 때에는, 그 항목이 없는 것으로 하여 X값을 계산하고, 이 원소를 포함할 때에는 상기 (3)식으로부터 X값을 계산하면 된다.

Ti 함유 질화물은 강괴의 주조시에 석출되지만, 그 석출 상태는 합금 원소의 영향을 받는 것을, 본 발명자들은 명백하게 하고 있다(예를 들어, 일본 특허 출원 제2006-163852호). 상기 (3)식의 관계를 규정하는 X값은 δ영역의 온도 범위에 관한 함수이다. 상기「δ영역」이라 함은, 강의 상태도에 있어서 δ철이 포함되는 영역을 의미한다. 이「δ철이 포함되는 영역」은 δ철뿐인 영역 외에도, δ + γ의 2상 영역 등, δ철과 다른 상태가 포함되는 영역도 포함한다. 그리고「δ영역의 온도 범위」라 함은, δ철이 포함되는 온도 범위(δ영역의 상한 온도와 하한 온도의 차)를 말한다. 여기서 특정 조성의 강에 있어서, 예를 들어 δ철뿐인 온도 범위와 δ + γ철의 온도 범위가 있는 경우, 이들 온도 범위의 합계가 δ영역의 온도 범위이다. 이 δ영역의 온도 범위는, 열역학 계산 소프트웨어(Thetmo-calc, CRC 통합 연구소로부터 구입 가능)에 강판의 화학 성분 조성을 입력함으로써 계산할 수 있다.

이 δ철 중에서는 Ti의 확산 속도가 빠르기 때문에, δ영역의 온도 범위가 넓으면, δ철이 존재하는 시간이 길어져, 조대한 Ti 함유 질화물이 형성되기 쉬워진다고 생각할 수 있다. 그래서 화학 성분 조성을 조정하여 δ영역의 온도 범위를 축소함으로써, Ti 함유 질화물을 미세화하는 것을 검토하였다. 그로 인해 Thermo- calc의 계산에서, 특정 성분을 기준으로 화학 성분량의 1개만을 변경함으로써, 각 화학 성분의 δ영역의 온도 범위에의 영향을 조사하였다. 그와 같은 검토에 의해, δ영역의 온도 범위와 상관 관계에 있고, 화학 성분 조성의 함수에서 나타내는 상기 X값이 구해진 것이다.

X값의 상기 식 중 계수는, 특정 성분의 강으로부터, 각 화학 성분을 변화시킨 경우의 δ영역의 온도 범위의 변화량에 대응한다. 구체적으로는, 예를 들어 [C]의 계수의「500」은, C양을 0.01 ％만큼 증대시켰을 때에, Thermo-calc의 계산에 의해 δ영역의 온도 범위가 약 5 ℃ 감소하는 것을 의미한다. 그리고 X값과 δ영역의 온도 범위라 함은, 거의 반비례의 관계(X값이 증대하면, δ영역의 온도 범위는 감소하는 관계)에 있다.

이와 같은 생각을 기초로 하여 다양한 X값을 갖는 강판을 제조하여 조사한 결과, X값을 증대시킴으로써, Ti 함유 질화물의 평균 입자 직경을 미세화할 수 있고, HAZ 인성을 향상시킬 수 있는 것을 판명하였다. 각 화학 성분량이 적정 범위 내이면, X값이 커질수록, Ti 함유 질화물의 평균 입자 직경 및 HAZ 인성 및 모재 인성이 향상된다. 이 X값의 하한은 10(바람직하게는 15, 더욱 바람직하게는 20)이다. X값의 상한은 각 화학 성분의 적정량으로부터 정해져 128이다.

한편, 압연 전의 가열 시간이 4시간을 초과하면, TiN의 조대화가 진행되어 0.05 ㎛ 이하의 갯수가 저감되고, 또한 주조시의 냉각 속도(1500 내지 1300 ℃의 온도 범위)가 10 ℃/min 미만이 되어도, TiN의 조대화가 진행되어 원 상당 직경이 0.05 ㎛ 이하의 Ti 함유 질화물 갯수가 저감하게 된다.

본 발명의 고장력 강판의 두께에 대해서는 한정되는 것은 아니지만, 기본적으로는 판 두께가 3.0 ㎜ 이상인 후강판을 상정한 것이다. 본 발명의 후강판의 판 두께는, 바람직하게는 50 ㎜ 이상, 더욱 바람직하게는 60 ㎜ 이상이다. 즉, 본 발명의 후강판은, 입열량이 5 내지 100 kJ/㎜의 넓은 범위의 입열량 용접이라도 양호한 HAZ 인성을 나타내므로, 판 두께가 두꺼워도 입열량을 증대시킴으로써 효율적으로 용접할 수 있는 것이다.

이렇게 하여 얻어지는 본 발명의 고장력 강판은, 예를 들어 교량이나 고층 건조물, 선박 등의 구조물의 재료로서 사용할 수 있고, 소 내지 중 입열 용접은 물론 대입열 용접에 있어서도, 용접 열 영향부의 인성 열화를 방지할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것은 아니며, 전ㆍ후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당하게 변경하여 실시하는 것도 가능하며, 이들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

하기 표1, 표2에 나타내는 조성의 Al 킬드 강판을 용제하고, 이 용강을 주조시(1500 내지 1300 ℃의 온도 범위)에 있어서의 냉각 속도를 제어하면서 냉각하여 슬라브(단면 형상 : 150 ㎜ × 250 ㎜)로 한 후, 가열 시간을 제어하면서 1100 ℃로 가열하여 열간 압연을 행하고, 판 두께 : 50 ㎜의 열간 압연판으로 하여, 압연 후에 공랭을 하여 시험판으로 하였다. 또한, 표1에 있어서, REM은 Ce를 50 ％ 정도와 La를 25 ％ 정도 함유하는 미시메탈의 형태로 첨가하였다. 또한 표1 중「-」는 원소를 첨가하고 있지 않은 것을 나타내고 있다.

상기한 바와 같이 하여 제조한 각 시험판에 대해, 하기의 요령으로 Ti 함유 질화물의 갯수 밀도(원 상당 직경으로 0.05 ㎛ 이하인 것의 갯수, 및 원 상당 직경으로 0.01 내지 0.03 ㎛인 것의 점유율), 후강판의 인장 강도 TS, HAZ 인성을 측정하였다. 이들 결과를, X값[= 500[C] + 32[Si] + 8[Mn] - 9[Nb] + 14[Cu] + 17[Ni] - 5[Cr] - 25[Mo] - 34[V]], 주조시의 냉각 속도, 및 압연 전 가열 시간과 함께, 하기 표3, 표4에 나타낸다.

[Ti 함유 질화물의 갯수 밀도의 측정]

각 강판의 t(판 두께)/4부위를, 투과형 전자 현미경(TEM)으로 관찰 배율 6만배, 관찰시야 2 × 2(㎛), 관찰 부위 5군데의 조건에서 관찰하였다. 그리고 화상 해석에 의해, 그 시야 중의 각 Ti 함유 질화물의 면적을 측정하고, 이 면적으로부터 각 질화물의 원 상당 직경을 산출하였다. 또한, Ti 함유 질화물인 것은 EDX(에너지 분산형 X선 검출기)에 의해 판별하였다.

원 상당 직경이 0.05 ㎛ 이하가 되는 Ti 함유 질화물의 갯수를 1 ㎟당으로 환산하여 구하는 동시에, 원 상당 직경이 0.01 내지 0.03 ㎛인 미세한 Ti 함유 질화물의 전체 Ti 함유 질화물(원 상당 직경으로 0.05 ㎛를 초과하는 것도 포함함)에 대한 갯수 비율(점유율 : ％)을 계산하였다.

[인장 시험]

각 강판의 t(판 두께)/4부위로부터, 압연 방향에 대해 직각 방향으로 JIS Z 2201의 4호 시험편을 채취하고, JIS Z 2241의 요령으로 인장 시험을 행하여 인장 강도(TS)를 측정하였다. 그리고, TS가 590 ㎫ 이상인 것을 합격이라 평가하였다.

[HAZ 인성의 평가]

각 강판의 t(판 두께)/4부위로부터, 압연 방향에 대해 직각 방향으로 JIS Z 2201의 4호 시험편을 채취하여, 소입열 용접 및 대입열 용접을 모의한 열 사이클 시험을 행하고, HAZ 인성을 평가하였다. 이때 열 사이클 시험은 하기 (A), (B)의 2개의 조건에서 행하였다.

(A) 시험편을 1400 ℃(최고 온도)로 가열하여 5초간 유지한 후, 800 내지 500 ℃의 온도 범위를 40초에 걸쳐서 냉각한다.

(B) 시험편을 1400 ℃(최고 온도)로 가열하여 5초간 유지한 후, 800 내지 500 ℃의 온도 범위를 200초에 걸쳐서 냉각한다.

상기 (A)의 조건은, 용접 입열량이 4 kJ/㎜에 상당하는 열 사이클을 부여한 것이고, 상기 (B)는 용접 입열량이 25 kJ/㎜에 상당하는 열 사이클을 부여한 것이다.

얻어진 각 시험편에 대해, JIS Z 2242에 준거하여, -10 ℃에서 샤르피 충격 시험을 행하고, 흡수 에너지(vE_-10)를 측정하였다. 이때 3개의 시험편에 대해 흡수 에너지(vE_-10)를 측정하고, 그 평균치를 구하였다. 그리고, vE_-10의 값이, 상기 (A)의 조건의 것에서 150 J를 초과하는 것, 상기 (B)의 조건의 것에서 120 J를 초과하는 것을, 각각 HAZ 인성이 우수하다고 평가하였다.

이들 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다(또한, 하기 번호는 표1 내지 표4의 강 번호를 나타냄). 번호 1 내지 번호 16은, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하는 예로, 화학 성분 조성, BP값, Pcm값, X값 및 Ti 함유 질화물의 미세 분산이 적절하게 이루어져 있고, 넓은 입열량 범위에서 HAZ의 인성이 양호한 강판을 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.

이에 대해, 번호 17 내지 번호 33은, 본 발명에서 규정하는 어느 하나의 요건을 벗어나는 예로, 용접 열 영향부의 인성이 떨어져 있다. 상세하게는, 하기와 같다.

번호 17은, 강판 중 C 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하는 것이며, Ti 함유 질화물의 형태는 양호해도, HAZ 인성이 열화되어 있다.

번호 18은, 강판 중의 Si 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하는 것이며, Ti 함유 질화물의 형태가 불량으로 되어 있고(미세한 Ti 함유 질화물이 얻어지고 있지 않음), 소입열 및 대입열의 어느 것에 있어서도 양호한 HAZ 인성이 얻어지고 있지 않다. 번호 19는 강판 중의 Mn 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하는 것이며, Ti 함유 질화물의 형태는 양호해도, 대입열 용접시의 HAZ 인성이 열화되어 있다.

번호 20은, 강판 중 Al의 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하는 것이며, Ti 함유 질화물의 형태는 양호해도, 소입열 용접시 및 대입열 용접시의 어느 것에 있어서도 HAZ 인성이 열화되어 있다. 번호 21은, 강판 중의 Cr 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하는 것이며, Ti 함유 질화물의 형태는 양호해도, 대입열 용접시의 HAZ 인성이 열화되어 있다.

번호 22는, 강판 중의 Nb 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하는 것이며, Ti 함유 질화물의 형태는 양호해도 대입열 용접시의 HAZ 인성이 열화되어 있다. 번호 23은, 강판 중의 Ni 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하는 것이며, Ti 함유 질화물의 형태는 양호해도, 대입열 용접시의 HAZ 인성이 열화되어 있다.

번호 24, 번호 25는, 강판 중의 Ti 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나는 것으로, Ti 함유 질화물의 형태가 불량으로 되어 있고(미세한 Ti 함유 질화물이 얻어지고 있지 않음), 적어도 대입열 용접시의 HAZ 인성이 열화되어 있다.

번호 26은, 강판 중의 B 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하는 것이며, Ti 함유 질화물의 형태는 양호해도, 소입열 용접시 및 대입열 용접시의 어느 것에 있어서도 HAZ 인성이 열화되어 있다. 번호 27은, 강판 중의 N 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하는 것이며, Ti 함유 질화물의 형태는 양호해도, 대입열 용접시의 HAZ 인성이 열화되어 있다.

번호 28은, 강판 중에 Ca를 포함하지 않는 것이며, Ti 함유 질화물의 형태가 불량으로 되어 있고(미세한 Ti 함유 질화물이 얻어지고 있지 않음), 대입열 용접시의 양호한 HAZ 인성이 얻어지고 있지 않다.

번호 29는, 강판 중에 Nb를 포함하지 않고, 또한 Cu 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하는 것이며(Pcm값도 크게 되어 있음), Ti 함유 질화물의 형태는 양호해도, 소입열 용접시 및 대입열 용접시의 어느 것에 있어서도 HAZ 인성이 열화되어 있다.

번호 30은, 강판 중의 Cr 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위에 차지 않는 것이며(BP값도 작게 되어 있음), Ti 함유 질화물의 형태는 양호해도, 소입열 용접시 및 대입열 용접시의 어느 것에 있어서도 HAZ 인성이 열화되어 있다. 번호 31은, 강판 중의 Mo 함유량이 본 발명의 바람직한 범위를 초과하는 것이며, Ti 함유 질화물의 형태가 불량으로 되어 있고(미세한 Ti 함유 질화물이 얻어지고 있지 않음), 소입열 용접시 및 대입열 용접시의 어느 것에 있어서도 HAZ 인성이 열화되어 있다.

번호 32, 번호 33은, 제조 조건이 적절한 조건으로부터 벗어나 있고, Ti 함유 질화물이 조대화되어 있고, Ti 함유 질화물의 충분한 갯수 밀도가 달성되어 있지 않아, 대입열 용접시의 HAZ 인성이 열화되어 있다.

Claims

C : 0.01 내지 0.08 ％(「질량％」의 의미. 이하 동일), Si : 0.30 ％ 이하(0 ％를 포함함), Mn : 0.5 내지 2.0 ％, Al : 0.01 내지 0.05 ％, Cr : 0.5 내지 2.0 ％, Nb : 0.005 내지 0.050 ％, Ti : 0.010 내지 0.040 ％, B : 0.0010 내지 0.0050 ％, N : 0.0020 내지 0.0100 ％, Ca : 0.0050 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)를 각각 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 (1)식에서 규정되는 BP값이 120 내지 300(질량％)의 범위에 있는 동시에, 하기 (2)식에서 규정되는 Pcm값이 0.20(질량％) 이하이며, 또한 원 상당 직경으로 0.05 ㎛ 이하의 Ti 함유 질화물이 1 ㎟당 5.0 × 10⁶개 이상 존재하고, 이 중 원 상당 직경으로 0.01 내지 0.03 ㎛의 Ti 함유 질화물 갯수가 전체 Ti 함유 질화물 갯수에 대해 75 ％ 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 용접성이 우수한 고장력 강판.

BP값 = 414[C] + 78[Si] + 31[Mn] + 79[Cr] - 14[Cu] - 26[Ni] + 2280[Nb] + 218[Mo] …(1)

Pcm값 = [C] + [Si]/30 + [Mn]/20 + [Cu]/20 + [Ni]/60 + [Cr]/20 + [Mo]/15 + [V]/10 + 5[B] …(2)

단, [C], [Si], [Mn], [Cr], [Cu], [Ni], [Nb], [Mo], [V] 및 [B]는 각각 C, Si, Mn, Cr, Cu, Ni, Nb, Mo, V 및 B의 함유량(질량％)을 나타냄.
제1항에 있어서, 또한 Cu 및 Ni 중 1종 이상을 2.0 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음) 함유하는 것인 고장력 강판.
제1항에 있어서, 또한, Mo : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음) 및 V : 0.1 내지 0.5 ％ 중 1종 이상을 함유하는 것인 고장력 강판.
제2항에 있어서, 또한 Mo : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음) 및 V : 0.1 내지 0.5 ％ 중 1종 이상을 함유하는 것인 고장력 강판.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 또한 Mg, Zr 및 REM으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소 : 합계로 0.010 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)를 함유하는 것인 고장력 강판.