KR20100023852A

KR20100023852A - 미소합금 첨가물을 갖는 박판 주조 스트립 제품과 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20100023852A
Application number: KR1020097025584A
Authority: KR
Inventors: 제임스 지오프레이 윌리엄스; 헤롤드 로란드 카울; 다니엘 지오프레이 에델만; 크리스토퍼 로날드 킬모어
Original assignee: 누코 코포레이션
Priority date: 2007-05-06
Filing date: 2008-05-06
Publication date: 2010-03-04
Also published as: AU2008247365B2; EP2162251A4; CA2686495C; CA2686495A1; CN101765469B; EP2162251B1; CN101765469A; JP2010527789A; EP2162251A1; CN101765470A; MY150225A; RU2009145115A; NZ581394A; NZ581424A; EP2152451A4; NZ581423A; CN101795792A; MY149968A; AU2008247367B2; PL2152451T3

Abstract

본 발명은, 중량 기준으로, 0.25% 미만의 카본, 0.20 내지 2.0%의 망간, 0.05 내지 0.50%의 실리콘, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀, 0.01% 내지 0.20%의 바나듐을 포함하고, 미소구조의 대부분은 베이나이트(bainite)와 침상 페라이트(acicular ferrite) 구조를 포함하며, 70%를 초과하는 고용체 니오븀 및/또는 바나듐을 포함하는 강철 제품 또는 박판 주조 강철 스트립을 개시한다. 상기 강철 제품은 시효경화 후에 연신율과 항복강도가 증가될 수 있다. 상기 시효경화 강철 제품은 10 나노미터 이하의 평균 입자 크기를 갖는 니오븀 카보나이트라이드 입자들을 가지며, 50나노미터를 넘는 어떠한 니오븀 카보나이트라이드 입자들을 실질적으로 함유하지 않는다. 상기 강철제품은 적어도 380Mpa의 항복강도와 적어도 410Mpa의 인장강도 또는 모두를 가질 수 있다. 상기 강철제품은 적어도 6% 또는 10%의 총 연신율을 가질 수 있다.

베이나이트, 침상 페라이트, 미소합금 첨가물, 박판 주조 스트립 제품, 트윈 롤 캐스터, 시효경화 강철 제품, 항복강도, 인장강도

Description

미소합금 첨가물을 갖는 박판 주조 스트립 제품과 그 제조 방법{A THIN CAST STRIP PRODUCT WITH MICROALLOY ADDITIONS, AND METHOD FOR MAKING THE SAME}

본 발명은 고강도 박판 주조 스트립(thin cast strip)의 제조에 관한 것으로서, 특히 쌍롤식 주조기(twin roll caster)에 의해 박판 주조 스트립(cast strip)을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

쌍롤식 주조기(twin roll caster)에 있어서, 용융 금속은 한 쌍의 반대로 회전하는 내부적으로 냉각되는 캐스팅 롤 사이에 투입됨으로써 금속 쉘(metal shells)들이 이동하는 롤 표면상에서 응고하고, 상기 롤들 사이의 닙(nip) 부위에서 한데 모아져서 상기 캐스팅 롤들 사이의 닙 부위로부터 아래로 공급되는 응고된 캐스트 스트립 제품을 제조하게 된다. 여기서, 상기 "닙"이란 용어는 캐스팅 롤들이 서로 가장 근접하는 영역 전반을 지칭하도록 사용된다. 용융 금속은 래들(ladle)로부터 상기 닙 부위 위에 위치한 코어 노즐(core nozzle)과 턴디쉬(tundish)를 포함하는 금속 공급 시스템을 통해 옮겨져서, 상기 닙 부위 위에 위치한 롤들의 캐스팅 표면 위에 유지되고 또한 닙의 길이를 따라서 연장되어 있는 용융 금속으로 이루어진 하나의 캐스팅 풀(casting pool)을 형성하게 된다. 이러한 캐스팅 풀은 통상 상기 롤의 단부 표면과 미끄럼 가능한 맞물림 구성으로 유지되는 내화성(refractory) 측면 플레이트들(plates) 또는 댐들(dams)의 사이에 형성되며, 그 캐스팅 풀의 양측 단부가 용융 금속의 유출(outflow)을 저지하는 댐의 기능을 하도록 한다.

종전에는 3.0㎜ 미만의 스트립 두께에서 413MPa(60ksi) 이상의 항복강도(yield strength)를 갖는 고강도 저탄소 박판 스트립은 냉간 압연(cold rolled) 스트립의 회복 어닐링(recovery annealing)에 의해 제조되었다. 냉간 압연(cold rolling)은 소망하는 두께를 만들기 위해 요구되었다. 냉간 압연 스트립은 그 다음에 강도를 현저하게 감소시킴이 없이 연성을 향상시키기 위하여 회복 어닐링 처리되었다. 그러나 결과적인 스트립 제품의 최종적인 연성은 여전히 상대적으로 낮았고 그 스트립은 6%를 넘는 총 연신율(total elongation) 수준을 달성할 수가 없어서, 구조물들에 대한 소정의 건축법규에 따른 구조 강철(structural steel)이 요구된다. 이러한 회복 어닐링 처리된 냉간압연 저탄소 강철은 간단한 형성 공정들, 예컨대 롤 형성 및 벤딩(bending)에만 일반적으로 적합하였다. 냉간 압연 및 회복 어닐링 제조 과정을 사용하여 더 높은 연성을 갖는 이러한 강철 스트립을 제조하는 것은 이러한 최종적인 스트립 두께에서는 기술적으로 실현 불가능하였다.

종전에는 고강도 강철은 니오븀, 바나듐, 티타늄 또는 몰리브덴과 같은 성분으로 미소합금(microalloying) 처리하고 열간 압연(hot rolling) 처리함으로써 소망하는 두께와 강도 수준을 달성하도록 제조되었다. 이러한 미소합금 처리는 값 비싼 높은 수준의 니오븀, 바나듐, 티타늄 또는 몰리브덴을 필요로 했고 10 내지 20%의 베이나이트(bainite)를 전형적으로 갖는 베이나이트-페라이트 미소구조의 형성 을 초래하였다. 미국특허 제6,488,790호를 참조하기 바란다. 선택적으로는 상기한 미소구조는 10-20% 펄라이트(pearlite)를 갖는 페라이트(ferrite)일 수도 있다. 스트립을 열간 압연하는 것은 이러한 합금 성분들의 부분적 침전(partial precipitation)을 초래하였다. 결과적으로, 소망하는 강도 레벨을 달성하기 위해서는 상대적으로 높은 합금 수준의 Nb, V, Ti 또는 Mo 요소들에 페라이트 우세조직으로 변성된 미소구조의 충분한 시효경화(age hardening)를 제공함이 요구되었다. 이러한 높은 미소합금 수준은 필요한 열간 압연 부하를 현저하게 상승시켰을 뿐만 아니라 경제성 있게 그리고 실질적으로 생산될 수 있는 열간압연 스트립의 두께 범위를 제한하였다. 그러한 합금으로 된 고강도 스트립은 두께가 3㎜를 넘는 제품 범위의 더 두꺼운 쪽 단부에 대하여 산처리(pickling) 후에 갈바나이징(galvanizing) 처리를 위해 직접 이용될 수 있다.

그러나, 베이스 강철 화학반응(base steel chemistry)에 Nb, V, Ti 또는 Mo을 첨가하여 3㎜ 미만의 두께의 고강도 강철 스트립을 제조하는 것은 매우 어려운데, 특히 높은 압연 부하량 때문에 광폭 스트립에 대해서는 더욱 곤란하고, 상업적으로 항상 실현 가능한 것도 아니었다. 과거에는 이러한 성분들의 대량의 첨가는 강철을 강화하기 위해 필요로 했고, 부가적으로는, 강철의 신장특성의 감소를 야기하였다. 과거의 고강도 미소합금처리 열간 압연 스트립들은 강도를 제공함에 있어 상대적으로 비효율적이었고, 상대적으로 고가이며, 종종 다른 합금 성분을 보상적으로 추가하는 것을 필요로 하였다.

부가적으로, 냉간 압연은 일반적으로 더 얇은 두께의 스트립에 대해서 요구 되지만, 그러나 열간 압연 스트립의 고강도는 그 스트립의 두께를 감소시키기 위해 필요한 높은 냉간 압연 부하(loadings) 때문에 그러한 냉간 압연 공정을 더욱 어렵게 만든다. 이러한 높은 합금 수준은 또한 필요한 재결정화 어닐링 온도를 상당히 상승시켜서, 냉간 압연 스트립의 완전한 재결정화 어닐링에 필요한 높은 어닐링 온도를 달성할 수 있는 고비용의 어닐링 공정 라인의 구축과 운용을 필요로 한다.

요약하면, 고강도의 박판 스트립을 제조하기 위하여 Nb, V, Ti 또는 Mo 성분들을 이용하는 기존의 미소합금 제법의 적용은 높은 합금 비용, 첨가 성분들의 상대적 비효율성, 열간 및 냉간 압연 시의 높은 압연 부하(rolling loads)로 인한 곤란성 및 높은 재결정화 어닐링의 필요성 등으로 인하여 상업적으로는 경제성 있는 제품을 제공하지 못하였다.

본 발명은, 이하 중량 기준으로, 0.25% 미만의 카본, 0.20 내지 2.0%의 망간, 0.05 내지 0.50%의 실리콘, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약0.20%의 니오븀을 함유하고, 미세구조의 대부분은 베이나이트(bainite)와 침상 페라이트(acicular ferrite) 구조를 포함하며 그리고 70%를 초과하는 고용체 니오븀을 함유하는 강철 제품을 개시한다. 선택적으로 상기 니오븀은 0.1% 미만일 수 있다. 상기 강철제품은 약 0.05% 내지 약 0.50% 범위의 몰리브덴, 약 0.01% 내지 0.20%의 바나듐, 및 그들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 더 포함할 수도 있다.

상기 강철제품은 적어도 340Mpa의 항복강도를 그리고 적어도 410Mpa의 인장강도를 가질 수 있다. 상기 강철제품은 또한 적어도 485Mpa의 항복강도를 그리고 적어도 520Mpa의 인장강도를 가질 수도 있다. 상기 강철제품은 적어도 6%의 총 연신율(elongation)을 갖는다. 선택적으로, 상기 총 연신율은 적어도 10%일 수도 있다.

상기 강철제품은 박판 주조 강철 스트립(thin cast steel strip)일 것이다. 선택적으로는 상기 박판 주조 강철 스트립은 50나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 강철 미소구조를 통해 분포된 실리콘 및 철의 미세한 산화물 입자들을 포함할 수 있다.

상기 박판 주조 강철 스트립은 2.5㎜ 미만의 두께를 갖는다. 선택적으로 상기 박판 주조 강철 스트립은 2.0㎜ 미만의 두께를 가질 수도 있다. 또 다른 선택으로서 상기 박판 주조 강철 스트립은 약 0.5㎜ 내지 약 2㎜ 범위의 두께를 가질 수도 있다.

본 발명은 또한, 이하 중량 기준으로 0.25% 미만의 카본, 0.20 내지 2.0%의 망간, 0.05 내지 0.50%의 실리콘, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀을 함유하고, 미소구조의 대부분은 베이나이트(bainite)와 침상 페라이트(acicular ferrite) 구조를 포함하며 20% 내지 40% 사이의 압하율(reduction)에서 적어도 410Mpa의 항복강도를 제공할 수 있는 3㎜ 미만의 두께의 열간 압연(hot rolled) 강철제품을 개시한다. 상기 강철제품은 적어도 485Mpa의 항복강도를 그리고 적어도 520Mpa의 인장강도를 가질 수 있다. 선택적으로, 니오븀은 0.1% 미만일 수 있다.

선택적으로, 상기 열간 압연 강철제품은 50나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 강철 미소구조를 통해 분포된 철 및 실리콘의 미세한 산화물 입자들을 포함할 수 있다.

상기 열간압연 강철제품은 적어도 6%의 총 연신율을 갖는다. 선택적으로, 총 연신율은 적어도 10%일 수도 있다. 상기 열간압연 강철제품은 2.5㎜ 미만의 두께를 갖는다. 선택적으로, 상기 열간압연 강철제품은 2.0㎜ 미만의 두께를 가질 수도 있다. 또 다른 선택으로서 상기 열간압연 강철제품은 약 0.5㎜ 내지 약 2㎜ 범위의 두께를 가질 수도 있다.

본 발명은 또한, 중량 기준으로, 0.25% 미만의 카본, 0.20 내지 2.0%의 망간, 0.05 내지 0.50%의 실리콘, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀, 약 0.01% 내지 약 0.20%의 바나듐 및 그들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고, 코일링(coiling) 및 냉각 후에 70%를 초과하는 니오븀 및/또는 바나듐 고용체를 갖는 코일형 강철제품을 개시한다. 선택적으로 상기 니오븀은 0.1% 미만일 수 있다.

선택적으로는 상기 코일형 강철제품은 50나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 강철 미소구조를 통해 분포된 철 및 실리콘의 미세한 산화물 입자들을 포함할 수 있다.

코일형 강철제품은 적어도 340Mpa의 항복강도를 그리고 적어도 410Mpa의 인장강도를 가질 수 있다. 상기 코일형 강철제품은 3㎜ 미만의 두께를 갖는다. 상기 강철제품은 또한 적어도 485Mpa의 항복강도를 그리고 적어도 520Mpa의 인장강도를 가질 수도 있다.

선택적으로, 상기 코일형 강철제품은 2.5㎜ 미만의 두께를 갖는다. 선택적으로, 상기 코일형 강철제품은 2.0㎜ 미만의 두께를 가질 수도 있다. 또 하나의 선택으로서 상기 코일형 강철제품은 약 0.5㎜ 내지 약 2㎜ 범위의 두께를 가질 수도 있다. 상기 코일형 강철제품은 적어도 6%의 총 연신율을 갖는다. 선택적으로, 상기 총 연신율은 적어도 10%일 수도 있다.

본 발명은 또한, 중량 기준으로, 0.25% 미만의 카본, 0.20 내지 2.0%의 망간, 0.05 내지 0.50%의 실리콘, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀, 약 0.01% 내지 약 0.20%의 바나듐 및 그들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고, 미소구조의 대부분은 베이나이트(bainite)와 침상 페라이트(acicular ferrite) 구조를 포함하며, 또한 시효경화 후에 항복강도의 증가와 연신율에서의 증가를 이루는 시효경화 강철제품을 개시한다. 선택적으로, 상기 니오븀은 0.1% 미만일 수 있다.

상기 시효경화 강철제품은 50나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 강철 미소구조를 통해 분포된 철 및 실리콘의 미세한 산화물 입자들을 첨가물로 포함할 수 있다.

상기 시효경화 강철제품은 적어도 340Mpa, 또는 적어도 380Mpa, 또는 적어도 410Mpa, 또는 적어도 450Mpa, 또는 적어도 500Mpa, 또는 적어도 550Mpa, 또는 적어도 600Mpa, 또는 적어도 650Mpa의 항복강도를 희망에 따라 가질 수 있다. 상기 시효경화 강철제품은 적어도 410Mpa, 또는 적어도 450Mpa, 또는 적어도 500Mpa, 또는 적어도 550Mpa, 또는 적어도 600Mpa, 또는 적어도 650Mpa, 또는 적어도 700Mpa의 인장강도를 희망에 따라 가질 수 있다. 상기 시효경화 강철제품은 3㎜ 미만의 두께를 갖는다. 선택적으로, 상기 시효경화 강철제품은 2.5㎜ 미만의 두께를 갖는다. 선택적으로, 상기 시효경화 강철제품은 2.0㎜ 미만의 두께를 가질 수도 있다. 또 다른 선택으로서 상기 시효경화 강철제품은 약 0.5㎜ 내지 약 2㎜ 범위의 두께를 가질 수도 있다. 상기 시효경화 강철제품은 적어도 6%의 총 연신율을 갖는다. 선택적으로, 상기 총 연신율은 적어도 10%일 수도 있다.

본 발명은 또한, 중량 기준으로, 0.25% 미만의 카본, 0.20 내지 2.0%의 망간, 0.05 내지 0.50%의 실리콘, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀, 약 0.01% 내지 약 0.20%의 바나듐으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고, 미소구조의 대부분은 베이나이트(bainite)와 침상 페라이트(acicular ferrite) 구조를 포함하며, 그리고 50나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 강철 미소구조를 통해 분포된 철 및 실리콘의 미세한 산화물 입자들을 포함하는 강철제품을 개시한다. 선택적으로, 상기 니오븀은 0.1% 미만일 수 있다. 선택적으로, 상기 강철제품은 약 0.05% 내지 약 0.50% 사이의 몰리브덴을 포함할 수도 있다.

상기 강철제품은 적어도 340Mpa의 항복강도를 그리고 적어도 410Mpa의 인장강도를 가질 수 있다. 상기 강철제품은 또한 적어도 485Mpa의 항복강도를 그리고 적어도 520Mpa의 인장강도를 가질 수도 있다. 상기 강철제품은 적어도 6%의 총 연신율을 갖는다. 선택적으로, 상기 총 연신율은 적어도 10%일 수도 있다.

본 발명은 또한, 중량 기준으로, 0.25% 미만의 카본, 0.20 내지 2.0%의 망간, 0.05 내지 0.50%의 실리콘, 0.01% 미만의 알루미늄, 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀을 포함하고, 미소구조의 대부분은 베이나이트와 침상 페라이트 구조를 포함하며, 또한 10나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 니오븀 카보나이트라이드(carbonitride) 입자들을 포함하는 시효경화 강철제품을 개시한다. 본 명세서 및 특허청구범위에 있어 카보나이트라이드는 카바이드(carbide), 나이트라이드(nitride), 카보나이트라이드 및 그들의 조합을 포함하고 있다. 선택적으로, 상기 니오븀은 0.1% 미만일 수 있다.

상기 시효경화 강철제품은 50나노미터를 넘는 어떠한 니오븀 카보나이트라이드 입자들도 실질적으로 함유하지 않을 수 있다. 상기 시효경화 강철제품은 적어도 340Mpa의 항복강도를 그리고 적어도 410Mpa의 인장강도를 가질 수 있다. 상기 시효경화 강철제품은 적어도 6%의 총 연신율을 갖는다. 선택적으로, 상기 총 연신율은 적어도 10%일 수도 있다.

코일형 박판 주조 강철 스트립을 제조하기 위한 방법에 있어서,

측면으로 배치되어 그 사이에 하나의 닙(nip) 부위를 형성하는 캐스팅 롤들을 구비하는 냉각 롤 캐스터를 내부에 조립하고, 그리고 상기 닙 부위 위에서 캐스팅 롤들 상에 지지되고 측면 댐에 의해 상기 캐스팅 롤들의 단부 근처에서 제한되어 있는 용융 철로 이루어진 캐스팅 풀을 형성하는 단계,

상기 캐스팅 롤들이 캐스팅 풀을 통해 이동함에 따라서 캐스팅 롤들 위에서 금속 쉘들이 응고하도록 캐스팅 롤들을 서로 반대방향으로 회전시키는 단계,

상기 캐스팅 롤들의 사이의 닙 부위를 통해 아래쪽으로 금속 쉘들로부터 강철 스트립을 형성하는 단계, 및

중량 기준으로, 0.25% 미만의 카본, 0.20 내지 2.0%의 망간, 0.05 내지 0.50%의 실리콘, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀, 약 0.01% 내지 약 0.20%의 바나듐 및 그들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고, 미소구조의 대부분은 베이나이트 및 침상페라이트 구조를 포함하며, 또한 70%를 넘는 니오븀 및/또는 바나듐 고용체를 갖는 조성물을 제공하기 위해 적어도 초당 10℃의 비율로 상기 강철 스트립을 냉각하는 단계를 포함하는 강철 스트립을 제조하기 위한 방법이 개시된다.

상기 방법은 50나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 강철 미소구조를 통해 분포된 철 및 실리콘의 미세한 산화물 입자들을 코일로 된 강철제품에서 제공할 수도 있다. 또한, 상기 방법은 강철 스트립을 열간압연하는 단계와, 그리고 450℃에서 700℃ 사이의 온도에서 상기 열간압연 처리된 강철 스트립을 코일형태로 만드는 단계들을 포함할 수도 있다. 선택적으로, 상기 열간압연 처리된 강철 스트립의 냉각은 650℃ 미만의 온도에서 이루어질 수 있다.

상기 방법은 적어도 550℃의 온도에서 인장강도를 증가시키도록 강철 스트립을 시효경화하는 단계를 더 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 시효경화는 625℃에서 800℃ 사이의 온도에서 일어날 수 있다. 또 하나의 선택으로, 상기 시효경화는 650℃에서 750℃ 사이의 온도에서 일어날 수도 있다.

박판 주조 강철 스트립을 제조하기 위한 방법에 있어서,

중량 기준으로, 0.25% 미만의 카본, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀, 약 0.01% 내지 약 0.20%의 바나듐 및 그들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고, 미소구조의 대부분은 베이나이트 및 침상페라이트를 포함하는 한편, 70%를 넘는 니오븀 및/또는 바나듐 고용체를 갖는 조성물을 제공하기 위해 적어도 초당 10℃의 비율로 상기 강철 스트립을 냉각하는 단계,

625℃에서 800℃ 사이의 온도에서 상기 강철 스트립을 시효경화하는 단계를 포함하는 박판 주조 강철 스트립을 제조하기 위한 방법이 개시된다.

상기 방법은 인장강도를 증가시키도록 강철 스트립을 시효경화하는 단계를 더 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 시효경화는 650℃에서 750℃ 사이의 온도에서 일어날 수도 있다.

상기 방법은 10 나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 니오븀 카보나이트라이드 입자들을 갖는 시효경화 처리된 강철 스트립을 제공할 수 있다. 선택적으로, 상기 시효경화 강철 스트립은 50 나노미터보다 더 큰 어떤 니오븀 카보나이트라이드 입자들도 실질적으로 갖지 않는다.

상기 방법은 50 나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 강철 미소구조를 통해 분포된 철 및 실리콘의 미세한 산화물 입자들을 코일로 된 강철제품에서 제공할 수도 있다. 또한, 상기 방법은 강철 스트립을 열간압연하는 단계와 그리고 700℃ 미만의 온도에서 상기 열간압연 강철 스트립을 코일로 만드는 단계들을 포함할 수도 있다. 선택적으로, 상기 열간압연 강철 스트립의 냉각은 650℃ 미만의 온도에서 이루어질 수도 있다.

박판 주조 강철 스트립을 제조하기 위한 방법에 있어서,

중량 기준으로, 0.25% 미만의 카본, 0.20% 내지 2.0%의 망간, 0.05 내지 0.50%의 실리콘, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀, 약 0.01% 내지 약 0.20%의 바나듐 및 그들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고, 미소구조의 대부분은 베이나이트 및 침상페라이트 구조를 포함하는 조성물을 제공하기 위해 적어도 초당 10℃의 비율로 상기 강철 스트립을 냉각하는 단계,

625℃에서 800℃ 사이의 온도에서 상기 강철 스트립을 시효경화하는 한편 시효경화 후에 연신율의 증가와 항복강도의 증가를 제공하는 단계를 포함하는 박판 주조 강철 스트립을 제조하기 위한 방법이 개시된다.

상기 방법은 50나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 강철 미소구조를 통해 분포된 철 및 실리콘의 미세한 산화물 입자들을 코일로 된 강철제품에서 제공할 수도 있다. 또한, 상기 방법은 10 나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 니오븀 카보나이트라이드 입자들을 갖는 시효경화 처리된 강철 스트립을 제공할 수 있다. 선택적으로, 상기 시효경화 강철 스트립은 50 나노미터보다 더 큰 어떤 니오븀 카보나이트라이드 입자들도 실질적으로 갖지 않는다.

상기 방법은 강철 스트립을 열간압연하는 단계와 그리고 750℃ 미만의 온도에서 상기 열간압연 강철 스트립을 코일로 만드는 단계들을 포함할 수도 있다. 선택적으로, 상기 열간압연 강철 스트립의 냉각은 700℃ 미만의 온도에서 이루어질 수도 있다.

본 발명을 더 상세히 기술하기 위하여, 이하 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명한다.

도 1은 직렬형 열간압연기(hot rolling mill) 및 코일기(coiler)를 구비하고 있는 스트립 주조 장치를 도시한다;

도 2는 트윈형 롤 스트립 캐스터의 상세도이다;

도 3은 니오븀 또는 바나듐 첨가물이 존재하거나 없을 경우의 스트립 항복강도에 대한 코일화 온도의 효과를 도시한다;

도 4a는 니오븀 강철 스트립의 광학적 현미경사진이다;

도 4b는 표준 USS SS 등급 380 강철 스트립의 광학적 현미경사진이다;

도 5는 본 발명의 강철 스트립의 항복강도에 대한 코일 후 시효경화의 효과를 나타내는 그래프이다;

도 6은 본 발명의 강철 스트립의 항복 및 인장강도에 대한 코일링 후 여기된 시효경화의 효과를 나타내는 그래프이다;

도 7은 항복강도에 대한 열간압연 압하율(reduction)의 효과를 나타내는 그래프이다;

도 8은 연신율에 대한 항복강도의 효과를 나타내는 그래프이다;

도 9는 저수준의 니오븀에서 항복강도에 대한 니오븀 양의 효과를 나타내는 그래프이다;

도 10a는 열간압연 후에 0.065% 니오븀 강철의 제1샘플의 미소구조에 대한 현미경사진을 도시한다;

도 10b는 열간압연 후에 0.065% 니오븀 강철의 제2샘플의 미소구조에 대한 현미경사진을 도시한다;

도 11은 항복강도에 대한 니오븀 양의 효과를 나타내는 그래프이다;

도 12는 항복강도에 대한 코일링 온도의 효과를 나타내는 그래프이다;

도 13은 저수준의 니오븀에서 항복강도에 대한 코일링 온도의 효과를 나타내는 그래프이다;

도 14는 항복강도에 대한 열처리 조건들의 효과를 나타내는 그래프이다;

도 15는 0.026% 니오븀 강철의 항복강도에 대한 시효경화 열처리 온도의 효과를 나타내는 그래프이다;

도 16은 0.065% 니오븀 강철의 항복강도에 대한 최대 시효경화(peak aging) 온도의 효과를 나타내는 그래프이다;

도 17은 0.065% 니오븀 강철의 항복강도에 대한 최대 시효경화 온도의 효과를 나타내는 그래프이다;

도 18은 0.084% 니오븀 강철의 항복강도에 대한 최대 시효경화 온도 및 유지시간(hold time)의 효과를 나타내는 그래프이다;

도 19는 시효경화 전후의 연신율에 대한 항복강도의 효과를 나타내는 그래프이다;

도 20은 연속 어닐링(annealing) 열처리 결과를 나타내는 그래프이다;

도 21은 시효경화 조건을 나타내는 그래프이다;

도 22는 경도에 대한 온도 및 시간의 효과를 나타내는 그래프이다;

도 23은 본 발명의 바나듐 강철의 항복강도에 대한 열처리의 효과를 나타내 는 그래프이다; 및

도 24는 본 발명의 바나듐 강철의 항복강도에 대한 열간압연 압하율의 효과를 나타내는 그래프이다.

하기의 실시예에 대한 설명은 트윈 롤 캐스터(twin roll caster)를 이용하는 연속주조 강철 스트립에 의해 제조되는 미소합금 첨가물들을 갖는 고강도 박판 주조 스트립과의 관계에서 이루어진다.

도 1은 강철 스트립을 연속으로 주조하기 위한 스트립 캐스터의 연속 공정의 일부를 도시한다. 도 1 및 도 2는 주조 강철 스트립(12)을 연속적으로 제조하는 트윈 롤 캐스터(11)를 도시하고 있는데, 이 강철 스트립은 가이드 테이블(13)을 지나 핀치롤들(14A)이 구비된 핀치롤 스탠드(14)를 향해 이송통로(transit path)(10)를 따라 통과한다. 핀치롤 스탠드(14)를 빠져나온 바로 다음에 상기 스트립(12)은 한 쌍의 압하 롤들(reduction rolls)(16A) 및 지지 롤들(backing rolls)(16B)을 구비한 열간 압연기(16)를 통과하는데, 여기서 주조 스트립은 열간압연 처리되어 희망하는 두께로 축소된다. 상기한 열간압연 스트립은 런아웃(run-out) 테이블(17)을 통과하는데, 여기서 스트립은 물 분사기(18)(또는 다른 적절한 수단)를 통해 공급되는 물과의 접촉 및 대류에 의해서 그리고 복사에 의해서 냉각될 수 있다. 그 다음, 압연 및 냉각된 상기 스트립은 한 쌍의 핀치롤들(20A)을 구비하는 핀치롤 스탠드(20)를 통과해 코일러(coiler)(19)로 공급된다. 주조 스트립의 최종적인 냉각은 코일링(coiling) 후에 이루어진다.

도 2에 도시된 바와 같이, 트윈 롤 캐스터(11)는 메인 장치 프레임(21)을 포함하는데, 이것은 캐스팅 표면(22A)을 갖는 한 쌍의 측면으로 배치된 캐스팅 롤들(22)을 지지한다. 용융 금속은 캐스팅 공정 중에 래들(ladle)(미도시)로부터 턴디쉬(23)를 거쳐 내화성 덮개(24)를 통해 분배기 또는 이동형 턴디쉬(25)로 공급되며, 그 다음, 분배기(25)로부터 캐스팅 롤들(22) 사이의 금속 공급 노즐(26)을 통해 닙(27) 부위 위로 공급된다. 캐스팅 롤들(22) 사이에 공급된 용융 금속은 상기 닙 부위 위에서 하나의 캐스팅 풀(30)을 형성한다. 상기 캐스팅 풀(30)은 한 쌍의 측면 폐쇄 댐들 또는 플레이트들(28)에 의해 캐스팅 롤들의 단부에서 구속되는데, 상기 댐들 또는 플레이트들은 측면 플레이트 지지 홀더들에 연결된 유압식 실린더 유니트들(미도시)을 구비하는 한 쌍의 쓰러스터들(thruster)(미도시)에 의해 캐스팅 롤들의 단부에 대해 미는 작용을 하도록 배치된다. 캐스팅 풀(30)의 상부 면(일반적으로 "메니스커스(meniscus)" 레벨이라고 지칭됨)은 공급노즐의 하단부가 캐스팅 풀(30) 내에 잠기게 되도록 통상적으로 공급 노즐의 하단부 위로 상승하게 된다. 캐스팅 롤들(22)은 내부적으로 수냉식으로 냉각됨으로써 쉘들이 캐스팅 풀을 통과함에 따라 이동하는 롤러 표면에서 응고하게 되며, 캐스팅 롤들 사이의 닙(27) 부위에서 한데 모여져 주조 스트립(12)을 만들게 되고, 이것은 캐스팅 롤들 사이의 닙으로부터 아래쪽으로 공급된다.

전술한 트윈 롤 캐스터는 미국특허 제5,184,668호 및 제5,277,243호 또는 제5,488,988호에서 상세하게 예시되고 기술되어 있는 종류의 것일 수 있다. 본 발명 의 일 실시예에 있어 사용하기에 적절한 트윈 롤 캐스터의 적절한 세부구성에 대해서는 상기한 특허들을 참조하여야 할 것이다.

통상적인 경량(light gauge) 강철 제품들의 결점을 극복함과 아울러 고강도의 경량 강철 스트립 제품을 제조하는 트윈 롤 캐스터를 이용하여 고강도 박판 주조 스트립이 제조될 수 있다. 본 발명은 니오븀(Nb), 바나듐(V), 티타늄(Ti) 또는 몰리브덴(Mo), 또는 그들의 조합을 포함하는 성분들을 이용하고 있다.

강철에 있는 미소합금 성분들은 티타늄, 니오븀, 및 바나듐 성분들을 지칭하는 것으로 통상 간주된다. 이들 성분들은 종전에는 보통 0.1% 미만의 수준에서 첨가되었으나, 어떤 경우에는 0.2% 만큼 높은 수준으로 첨가되었다. 이 성분들은 경화능(hardenability), 결정립 미세화(grain refining) 및 강화효과(strengthening effect) 조합을 통해(과거의 카보나이트라이드 포머(carbonitride former)와 같이) 강철 미소구조 및 특성에 대하여 강력한 효과를 발휘할 수가 있다. 몰리브덴은 그 자체로는 상대적으로 약한 카보나이트라이드 포머이기 때문에 미소합금 성분으로 통상 간주되지는 않았으나 본 발명의 경우에서는 효과적일 수 있으며, 니오븀 및 바나듐과 함께 합성 카보나이트라이드(complex carbonitride) 입자들을 형성할 수도 있다. 후술하는 바와 같이 이들 성분들로써 열간압연 스트립에서는 카보나이트라이드 형성은 억제된다.

이들 성분들과 미소합금을 형성함으로써 고강도 경량(light gauge) 주조 스트립 제품을 달성하기 위하여 상기 고강도 박판 주조 스트립은 여러 속성들을 결합한다. 스트립의 두께는 3㎜ 미만, 2.5㎜ 미만, 또는 2.0㎜ 미만일 수 있고, 0.5㎜ 내지 2.0㎜ 범위일 수도 있다. 상기 주조 스트립은 스트립을 희망하는 두께로 더 축소시키기 위한 냉간압연이 필요없이 열간압연에 의해 제조된다. 따라서, 고강도 박판 주조 스트립 제품은 경량의 열간압연 두께 범위와 냉간압연 두께 범위 양쪽을 겹치게 한다. 상기 스트립은 초당 10℃ 이상의 비율로 냉각될 수 있으며, 대부분이 그리고 전형적으로 베이나이트(bainite) 및 침상 페라이트(acicular ferrite) 우세의 미소구조를 형성한다.

고강도 박판 주조 스트립 제품의 제조를 통해 얻을 수 있는 이점은 상대적으로 높은 합금 비용, 미소합금에 있어서의 비효율성, 열간 및 냉간 압연의 곤란성, 재결정화 어닐링의 곤란성 등을 야기하는 종전 방식의 통상적으로 제조된 미소합금 강철들에 대비되는데, 이는 통상적인 연속 갈바나이징(galvanizing) 및 어닐링 공정 라인들은 필요한 높은 어닐링 온도를 제공할 수가 없기 때문이다. 또한, 냉간압연 및 복구 어닐링 처리 제조공정에 의해 만들어지는 스트립에 있어 나타나는 상대적으로 낮은 연성이 극복된다.

종전의 통상적인 방식으로 제조된 미소합금 강철에 있어 니오븀 및 바나듐과 같은 성분들은 응고, 열간압연, 코일링(coiling) 및 냉각을 통해 고용체로 남아있을 수 없었다. 니오븀과 바나듐은 고온의 코일 제조공정의 여러 단계에서 카보나이트라이드 입자들을 형성하는 미소구조를 통해 확산된다. 본 명세서와 청구범위에 있어 카보나이트라이드 입자들은 카바이드, 나이트라이드, 카보나이트라이드 및 그들의 조합물을 포함한다. 종전의 통상적인 방식으로 제조된 미소합금 강철의 고온 후판화(slab) 및 후속적인 코일링 공정에 있어 탄소 및 질소 입자들의 형성과 성장 은 고온 후판에 있어 오스테나이트(austenite)의 결정립 크기를 더욱 작게 하는데, 이에 따라 강철의 경화능(hardenability)은 더욱 감소한다. 이러한 종래의 강철에 있어서는 고온 후판(슬라브)의 입자들의 효과는 미소합금 성분들의 양을 증가하고, 주조 후판을 더 높은 온도로 재가열하고, 탄소성분을 낮춤으로써 극복될 필요가 있었다.

종래의 통상적인 방식으로 제조된 강철과는 대조적으로 본 발명에서는 (이하, 중량 기준으로) 0.25% 미만의 카본, 0.20 내지 2.00%의 망간, 0.05 내지 0.50%의 실리콘, 0.06% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약 0.20%의 티타늄, 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀, 약 0.05% 내지 약 0.50%의 몰리브덴, 약 0.01% 내지 약 0.20%의 바나듐으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고, 대다수의 베이나이트(bainite)를 갖는 고강도 박판 주조 강철 스트립 제품이 제조되었다. 상기 강철 제품은 50나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 강철 미소구조를 통하여 분포된 실리콘 및 철의 미세한 산화물 구조를 더 포함할 수 있다. 상기 강철 제품은 통상적인 후판 주조 제품으로써 이전에 생산된 것보다 미소구조를 통해 더욱 균일한 분포의 미소합금을 더 포함할 수도 있다.

선택적으로, 상기한 고강도 박판 주조 강철 스트립은, 이하 중량 기준으로, 0.25% 미만의 카본, 0.20 내지 2.0%의 망간, 0.05 내지 0.50%의 실리콘, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀을 함유하고, 미소구조의 대부분은 베이나이트(bainite)와 침상 페라이트(acicular ferrite)를 포함하며, 그리고 70%를 초과하는 가용성 니오븀을 함유할 수도 있다.

또 다른 선택으로, 코일형(coiled) 강철 제품은, 중량 기준으로, 0.25% 미만의 카본, 0.20 내지 2.0%의 망간, 0.05 내지 0.50%의 실리콘, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀, 약 0.01% 내지 약 0.20%의 바나듐 및 그들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함할 수 있고, 코일링(coiling) 및 냉각 후에 70%를 초과하는 가용성 니오븀 및 바나듐을 선택에 따라 갖는다. 상기한 코일형 고강도 박판 강철 스트립 제품은 열간압연 압하(hot rolling reduction) 및 후속하는 코일링 후에 그리고 시효경화 전에 특히 선택에 따라 70%를 초과하는 가용성 니오븀 및 바나듐을 선택에 따라 가질 수 있다. 미소구조는 베이나이트와 침상 페라이트의 혼합일 수 있다. 선택적으로, 상기한 열간압연 및 후속적인 코일링 처리된 냉각된 강철의 미소구조는 80%를 초과하는 니오븀 및/또는 바나듐이 고용체로 남아있는 베이나이트 및 침상 페라이트를 포함할 수 있으며, 선택적으로는 90%를 초과할 수도 있다.

선택적으로 또는 추가적으로, 상기 강철 제품은 6%를 넘거나 또는 10%를 넘는 총 연신율을 가질 수 있다. 상기 강철 제품은 적어도 340Mpa(약 49ksi)의 항복강도 또는 적어도 410Mpa의 인장강도, 또는 양자를 가질 수 있으며, 만족스러운 연성을 보여준다. 도 8은 열간 압연 제품의 항복강도와 총연신율과의 관계를 나타낸다.

열간 압연 후에 열간 압연 처리된 강철 스트립은 약 500-700℃ 범위의 온도에서 코일일 수 있다. 박판 주조 강철 스트립은 또한 적어도 550℃의 온도에서 인장강도를 증가시키기 위하여 그 강철 스트립을 시효경화 처리할 수 있다. 상기한 시효경화는 550℃ 내지 800℃ 또는 625℃ 내지 750℃, 또는 675℃ 내지 750℃ 범위의 온도에서 일어날 수 있다. 따라서 연속적인 갈바나이징 또는 어닐링 라인들의 통상적인 퍼니스(furnace)들은 미소합금으로 된 주조 스트립 제품을 강화하기 위해 필요한 시효경화 온도를 제공할 수가 있다.

예를 들면, 박판 주조 스트립 공정에 의해 주조되는, 중량 기준으로, 0.026% 니오븀, 0.04% 카본, 0.85% 망간, 0.25% 실리콘의 강철 조성물을 만듦으로써 하나의 강철 조성물이 제조되었다. 상기한 스트립은 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 트윈 롤 캐스터를 사용하여 1.7㎜ 두께로 주조되고 또한 1.5㎜ 내지 1.1㎜ 스트립 두께의 범위로 직렬식으로 열간압연 처리되었다. 상기 스트립은 590℃ 내지 620℃(1094-1148℉)의 코일링 온도에서 코일로 감겼다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 주조 스트립에서 달성되는 항복 및 인장 강도 레벨은 소정 범위의 코일링 온도들에 걸쳐서 베이스 비-미소합금(non-microalloyed)의 주조 스트립 강철 조성에서 달성 가능한 항복 및 인장 강도에 비교된다. 니오븀 강철 스트립은 420-440Mpa(약 61-64 ksi) 범위의 항복강도와 약 510Mpa(약 74ksi)의 인장강도를 달성하였다는 것을 알 수 있다. 본 발명의 주조 스트립 제품은 미소합금 강철과 같은 코일링 온도로 처리된 C-Mn-Si 베이스 강철 조성물에 비교되는데, 니오븀 강철은 실질적으로 더 높은 강도 수준을 만들어낸다. 비교되는 베이스 강철 스트립은 주조 니오븀 강철 제품에 필적하는 강도 수준에 접근하기 위하여 매우 낮은 온도에서 코일링을 할 필요가 있었다. 주조 니오븀 강철 제품은 열간압연으로 그의 강화 능력을 달성하기 위하여 낮은 코일링 온도에서 코 일링을 할 필요가 없었다. 또한, 주조 니오븀 강철에 대한 항복 및 인장 강도 수준은 도 7에 도시된 것과 같이 적어도 19% 내지 37%의 압하율(reduction)로써 직렬 열간압연의 정도에 의해서 현저하게 영향을 받지 않았다.

본 발명의 강철의 경화능(hardenability)이 도 9에 도시되어 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 0.007%만큼 적은 레벨의 니오븀이 최종 스트립의 강도를 증가함에 있어 효과적이었고 380 MPa를 넘는 항복강도 수준이 약 0.01%를 초과하는 니오븀 레벨로써 달성되었다. 약 0.005% 미만의 니오븀 레벨은 잔존하는 것으로 간주될 수도 있다는 점을 유념해야할 것이다. 따라서 매우 적은 양의 미소합금 성분들의 첨가가 실질적인 강화에 있어 효과적일 수 있다.

프로유텍틱 페라이트(proeutectic ferrite)의 형성의 억압을 통해 강철의 경화능을 증가시키기 위해 니오븀 미소합금 첨가물을 이용함으로써 높은 강도가 달성되었다. 도 4b는 프로유텍틱 페라이트가 베이스 강철에서 이전의 오스테나이트(austenite) 결정립계(allotriomorphic ferrite)를 따라 형성되었음을 나타내지만, 그것은 도 4a에 도시된 니오븀 강철에서는 존재하지 않았다. 니오븀 첨가물의 경화능 효과는 페라이트 변환을 억압하였고, 이에 따라 냉각 중 통상적인 냉각율과 더 높은 코일링 온도를 사용하면서 더 강한 베이나이트 및 침상 페라이트 미소구조가 생성되는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 니오븀 강철의 최종적인 미소구조는 베이나이트 및 침상 페라이트의 조합을 대부분 포함한다. 도 4b에 도시된 베이스 강철은 500℃ 미만의 상대적으로 매우 낮은 코일링 온도, 즉 오스테나이트 결정립계에서 페라이트 형성을 억제하는 것으로 알려진 냉각조건으로 냉각되었다.

항복강도에 대한 고온 압하의 효과는 본 발명의 니오븀 강철에서 저하된다. 이전의 C-Mn 제품에서는 고온 압하율을 증가함에 따라 전형적으로 강도에 있어 감소가 있다. 대조적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 항복강도에 대한 고온 압하의 효과는 본 발명의 강철 제품에서 현저하게 감소한다. 본 실험에서 코일링 온도는 일정하게 유지되었고 열간압연 압하율의 범위를 적어도 40%까지 적용할 경우 1.0㎜ 내지 1.5㎜ 범위의 스트립 두께를 나타내었다. 비-미소합금 베이스 강철과는 달리, 열간압연 주조 스트립 제품에 있어 본 발명에 개시된 니오븀 미소합금 강철의 강도 수준은 적어도 40%까지의 축소율에 대해 열간압연 압하율의 정도에 상대적으로 둔감하다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이 550℃ 내지 650℃ 범위의 통상적인 코일링 온도를 사용하여 이러한 높은 강도 수준이 달성되었다.

이러한 효과를 더욱 조사하기 위하여, 0.026 Nb 강철의 각각의 두께에서 오스테나이트 결정립 크기가 측정되었다. 베이스 강철이 약 25% 고온 압하율을 넘어서 완전히 재결정화되는 경향이 있는 반면에 0.026Nb 강철은 40% 압하율에서도 단지 제한된 재결정화만을 보였다. 이것은 고용체 속의 니오븀이 열간압연 후에 변형된 오스테나이트의 정적인 재결정화를 억제함으로써 강도 특성에 대한 고온 압하의 효과를 감소시켰음을 나타낸다. 이것은 도 10에 나타나 있는데, 여기서 오스테나이트 결정립들이 더 미세한 결정립들로의 재결정화 없이 열간압연 압하에 의해 신장되었음을 알 수 있다. 더 미세한 입자들은 오스테나이트 결정립계 영역을 증가시키는데, 이로써 강철의 경화능을 감소시키게 된다. 그러나 더 미세한 오스테나이트 결정립 크기로의 재결정화가 억제되는 반면에 그러한 고온의 열간압연 압하는 페라 이트 변성 개시 온도를 상승시키는 것으로 알려져 있다. 또한, 고온의 열간압연 압하는 상기한 오스테나이트 결정립들 내에서 통상 전단 밴드(shear bands)로 지칭되는 국부적인 높은 변형(스트레인) 영역을 야기할 수 있는데, 이것은 페라이트 핵생성(nucleation)을 위한 결정립내(intragranular) 핵생성 사이트로서 작용할 수 있는 것이다. 본 발명의 강철에 있어 니오븀의 경화능 효과는 변형된 오스테나이트 결정립들 내에서 페라이트의 형성을 억제하기에 충분하였으며, 이것은 열간압연의 정도에 크게 둔감한 강도 수준을 초래하였다.

상기한 박판 주조 스트립 니오븀 강철 제품은 적용된 열간압연 범위에 대해서 일정한 항복 및 인장 강도 수준을 보유하였고, 20% 내지 40%의 압하율로써 적어도 410MPa의 항복강도를 제공할 수가 있었다. 이전의 오스테나이트 결정립 크기는 각각의 스트립 두께에 대하여 결정되었다. 오스테나이트 결정립 크기 측정에 따르면 매우 제한된 재결정화만이 고온 열간압연 압하에서 발생하였던 반면에 비교할 만한 베이스 강철 스트립에서는 미소구조는 약 25%를 넘는 열간압연 압하에서 거의 전부 재결정화 하였다. 주조 강철 스트립에 대해 니오븀의 첨가는 열간압연 공정 중의 거친 애즈-캐스트(as-cast) 오스테나이트 입자 크기의 재결정화를 억제하였고, 열간압연 및 용해된 니오븀의 보유 후에 유지되고 있는 강철의 경화능으로 귀결되었다.

열간압연 후의 상기 강철 스트립의 더 높은 강도는 대부분 미소구조의 형성에 기인한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 주조 니오븀 강철의 미소구조는 모든 스트립 두께에 대해 대부분은 아니지만 다수의 베이나이트를 포함한다. 그러나, 도 4b에 도시된 바와 같이, 비교되는 비-미소합금 강철은 낮은 코일링 온도에서의 코일링에 의해 유사한 강도를 보이고, 약간의 결정립계 페라이트를 갖는 대부분 침상 페라이트를 포함하는 미소구조를 가졌다. 강철 스트립에 대한 니오븀의 첨가로 강철의 경화능이 증가하고, 결정립계 페라이트의 형성을 억제하며, 또한 상당히 더 높은 코일링 온도에서도 베이나이트 미소구조를 촉진한다.

열간압연 직후(as-hot rolled) 조건에서 아래 표 2에 도시된 시험 강철로부터 얻은 항복 및 인장 강도 결과값들은 도 11에 요약되어 있다. 강도 수준은 적어도 340MPa의 항복 강도로써, 상기 열간압연 직후 조건에서 약 500MPa까지 이르는 수준으로써 니오븀 성분을 증가함에 따라 증가한다. 인장 강도는 적어도 410MPa일 것이다. 초기의 빠른 강도의 증가는 프로유텍틱 페라이트 형성의 억제 및 베이나이트 및 침상 페라이트의 촉진에 의하며, 반면에 후속적인 경화는 계속적인 미소구조의 정제와 고용체로 유지되는 니오븀으로부터의 가능한 고용체 경화에 의할 수 있다.

또한, 전자현미경(TEM) 시험에 의하면 열간압연 직후의 주조 스트립에서 어떠한 실질적인 니오븀 침전물도 나타나지 않았다. 이것은 니오븀이 고용체에 유지되었으며 제공된 경화능은 베이나이트가 대다수인 그리고 아마도 베이나이트가 우세한 미소구조의 형성으로 귀결되는 니오븀의 향상된 경화능 효과에 주로 기인하였음을 지시한다. 상기 주조 강철 스트립의 경화능은 또한 주조 스트립의 형성 중에 생성되는 거친 오스테나이트 입자에 의해 향상되는 것으로 보인다. 페라이트보다는 베이나이트로의 변성은 코일링 온도로부터 코일의 냉각 중에 박판 주조 스트립에 있는 니오븀의 미소합금 첨가의 침전을 억제함에 있어서의 주요인인 것으로 판단된다.

전자현미경(TEM) 시험은 강철에 존재하는 니오븀 카보나이트라이드 입자들의 크기, 동일성 및 체적 분율을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 전자현미경 시험 시에 어떤 니오븀 카보나이트라이드 입자들이 없다는 것은 관찰된 강도가 주로 페라이트보다는 주로 베이나이트로 이루어진 미소구조에 기인하였다는 견해를 지지하였다. 시효경화 열처리로부터 발생하는 후속적으로 관찰된 강도 증가는 따라서 니오븀이 열간압연 스트립에서 실질적으로 용융되어 있었다는 결론에 도달한다. 전자현미경 분석을 사용하여 미소구조의 카보나이트라이드 입자들의 체적 분율을 결정한 다음 고용체의 미소합금 성분의 양이 결정될 수 있다.

박판(thin foil) 또는 카본 복사필름(carbon replicates)이 본 발명의 카보나이트라이드 입자들의 양을 결정함에 있어 TEM에 의해 평가될 수도 있다. 본 발명자의 분석에서는 JEOL 2010 전자현미경이 사용되었다. 그러나 본인들의 이러한 기기들에 대한 경험에 따르면 4나노미터 아래의 Nb입자들은 심하게 교란된(dislocated) 페라이트에서는 분석되지 않을 수 있다.

박판 호일(foil)의 분석을 위해서 호일이 준비된다. 상기 호일은 절단되어 0.1㎜의 두께로 연마된다. 그 다음, 이 샘플을 Tenupole-2 전자연마기(electro-polishing unit)에서 5% 과염소산(perchloric acid), 95% 아세틱 산 전해액을 사용하여 전해연마(electro-polishing)함으로써 전자 투명도(electron transparency)로 얇게 한다. 그 후, 상기 샘플은 TEM으로 곧바로 이동될 수 있다.

카본 복제를 위하여, 연마된 샘플을 에칭 후 Nital(알콜과 질산의 용액)에서 에칭하고, 그 샘플을 카본으로 코팅하고, 그 다음 TEM 분석을 위해 상기 카본 코팅을 적절한 크기(예를 들면, 평방 2㎜)로 새김표시(scoring)를 냄으로써 희망하는 샘플이 준비될 수 있다. 표시를 낸 다음, 카본 복사품(carbon replicas)은 3% Nital 용액에서 페라이트 매트릭스를 용융시킴으로써 그 샘플로부터 유리될 수 있다. 상기 카본 복사품 샘플들은 3㎜ 직경의 지지 격자에 채집되어 그 다음에는 계속해서 에탄올/물 용액에서 세척된다. 이어서, 지지 격자를 갖는 카본 추출물 복사품은 전자현미경으로 이송될 수 있다.

열간압연 주조 스트립에서 니오븀 카보나이트라이드 입자들의 결여를 설명하는 것으로 판단되는 부가적인 요인은 전술한 주조 스트립을 연속적으로 제조하는 방법에 의한 스트립의 형성 중에 그 스트립의 급격한 응고성을 갖는 니오븀의 분산의 성질에 관련된다. 종래에 이루어진 미소합금 고강도 스트립에 있어서 상대적으로 긴 시간 간격들이 슬라브 냉각, 슬라브 재가열 및 열기계적 처리공정과 함께 응고 과정에 수반되었는데, 이것은 (Nb, V, Ti, Mo)(CN)과 같은 카보나이트라이드 입자들의 고체상태 침전물 및/또는 사전군집화(pre-clustering)를 위한 기회를 허용하는 한편 제조공정의 여러 단계들을 통한 후속적인 침전물에 대한 동역학(kinetics)을 가능하게 하였다. 전술한 본 발명의 공정에서 주조 스트립은 캐스팅 롤들 사이의 캐스팅 풀에서 연속적으로 형성되는데, 주조 스트립을 형성함에 있어 과도하게 빠른 초기 응고는 카보나이트라이드 입자들의 고체상태 침전물 및/또는 사전군집화(pre-clustering)를 금지하고, 차례로 압연 및 코일링 작업을 포함하 는 후속적인 처리 과정에서 미소합금의 침전을 위한 운동에너지를 늦추고 감소시키는 것으로 판단된다. 이것은 Nb, V, Ti, Mo의 미소합금들이 전통적인 슬라브 캐스팅과 제조공정에 의해 이전에 제조되었던 박판 강철 스트립에서보다는 오스테나이트 및 페라이트 상에서 상대적으로 더 균일하게 분포된다는 것을 의미한다.

전술한 것과 같은 캐스팅 롤들 사이의 캐스팅 풀로부터 형성되는 니오븀 주조 스트립에 대한 원자 탐침 분석에 의하면 650℃ 이하에서 코일로 만들어질 때 애즈-캐스트 및 열간압연 스트립 양자에 있어 미소합금의 더욱 균일한 분포(감소된 사전군집화 및/또는 고체상태 응고를 나타냄)를 입증하였다. 이러한 더욱 균일한 성분 분포는 그러한 성분들의 미세한 응집성(coherent) 침전물이 이전에 통상적으로 제조되고 처리된 미소합금 슬라브 주조강에서 일어났던 조건 하에서 코일링 과정에서의 카보나이트라이드의 형성을 억제하고 있는 것으로 판단된다. 트윈 롤 캐스팅에 의해 제조된 미소합금 주조 스트립에서 카보나이트라이드의 고체상태 형성 및/또는 사전군집화의 결여 또는 감소는 어닐링 같은 후속적인 열기계적 공정 중에 카보나이트라이드의 형성을 위한 운동에너지의 제공을 또한 늦어지게 한다. 그 다음, 이것은 이전에 통상적으로 처리된 스트립에서의 입자들이 조대화 구조(coarsening mechanism)(결정립계 성장: Ostwald ripening)를 통해 그들의 강화능력을 상실한 경우의 그것보다 더 높은 온도에서 시효경화를 위한 기회가 될 수 있다.

시효경화 열처리로써 더 높은 인장강도가 달성가능한 것으로 발견되었다. 예를 들면, 0.026% 니오븀 첨가로써 항복강도가 410에서 450MPa(약 60-65psi)로 적어 도 35MPa(약 5ksi)의 증가하는 것이 관찰되었다. 0.05%의 니오븀 첨가시, 시효경화로써 적어도 10ksi의 증가가 예상된다고 판단되며, 또한 0.1%의 니오븀 첨가시, 시효경화로써 적어도 20ksi의 증가가 예상된다고 판단된다. 본 발명에 따른 시효경화 강철 제품의 미소구조는 10나노미터 이하의 평균 입자 크기를 갖는 니오븀 카보나이트라이드 입자들을 가질 수 있다. 상기 시효경화 강철 제품의 미소구조는 50 나노미터를 초과하는 어떠한 니오븀 카보나이트라이드 입자들도 실질적으로 포함하지 않을 수 있다.

열간압연 스트립에서 고용체로 남아있는 것으로 판단되는 니오븀의 활동을 유인하기 위하여 여러 가지의 온도와 시간에서 0.026% 니오븀 강철의 샘플에 대하여 실험적 시효 열처리(ageing heat treatment)가 행하여 졌다. 도 5에 도시된 바와 같이, 시효 열처리는 약 480MPa(약 70ksi)의 항복강도로 강도에 있어 현저한 증가를 보인다. 이것은 니오븀이 고용체로 유지되고 있으며 후속적인 에이징(aging)에서, 예를 들면, 연속적인 갈바나이징 공정라인 상에 어닐링 퍼니스의 사용을 통해 또는 연속적인 어닐링 라인을 사용함으로써 시효경화를 제공하는 것이 가능하다는 것을 확인하였다. 따라서 연속적인 갈바나이징 라인에 부착된 어닐링 퍼니스 또는 통상적인 연속 어닐링 라인을 통해 니오븀 미소합금 주조 강철 제품을 처리함으로써 에이징 능력(ageing potential)을 자극하기 위해 단시간의 시효경화가 실시된다. 후자의 경우, 시효경화 처리된 고강도 스트립 제품은 후속적으로 갈바나이징, 도장(painted) 되거나 또는 미도장 상태로 활용될 수도 있다.

도 6에 도시된 것과 같이, 결과치는 700℃(1292℉)의 최고 프로세싱 온도에 대하여 더 낮은 온도에서 더 오랜 시간 동안 수행한 것에 근접하는 강도 수준을 갖도록 현저한 강화가 실현되었다는 것을 명백히 보여준다. 700℃(1292℉)의 최고 온도를 사용하여 단시간의 에이징 처리를 한 후의 니오븀 박판 주조 강철 제품의 인장특성이 표1에 제공된다. 주조 스트립 제품의 고강도 이외에도 연성(ductility) 및 성형성(formability)이 고품질 구조 제품에 만족스럽다. 생산된 주조 스트립 제품은 니오븀 미소합금의 이용을 통해 구조적 응용에 적합한 박판 고강도 스트립 제품이다. 더 높은 미소합금 수준은 잠재적으로 550MPa(약 80ksi)를 초과하는 더 높은 항복 강도를 실현한다고 생각된다.

스트립 두께,㎜	항복강도, MPa	인장강도, MPa	총연신율,%	YS/TS	'n' 값	'r' 값
1.1	477	563	18	0.85	0.12	0.90

최근에는 0.026wt% 니오븀 강철을 생산하는 것에 부가하여 0.014wt% 및 0.065wt%의 니오븀 첨가물을 포함하는 강철이 본 공정을 통해 성공적으로 생산되었다. 열처리 조성들이 하기 표 2에 나타나 있다.

강철	C (wt%)	Mn (wt%)	Si (wt%)	Nb (wt%)	V (wt%)	N (wt%)
A	0.032	0.72	0.18	0.014	<0.003	0.0078
B	0.029	0.73	0.18	0.024	<0.003	0.0063
C	0.038	0.87	0.24	0.026	<0.003	0.0076
D	0.032	0.85	0.21	0.041	<0.003	0.0065
E	0.031	0.74	0.16	0.059	<0.003	0.0085
F	0.030	0.86	0.26	0.065	<0.003	0.0072
G	0.028	0.82	0.19	0.084	<0.003	0.0085
H	0.026	0.90	0.21	<0.003	0.042	0.0070
베이스 강철	0.035	0.85	0.27	<0.003	<0.003	0.0060

강철 C 및 강철 F에 대해 달성된 항복강도는 도 12에 도시되며, 더 낮은 Mn 성분을 포함하여 생산된 0.014% Nb 열처리 강철 A에 대한 항복강도 결과는 도 13에 나타나 있다. 니오븀의 첨가는 베이스 강철 조성물에 관련하여 모든 코일링 온도들에서 항복강도를 증가시켰다. 항복강도는 0.014% Nb 및 0.026% Nb 첨가물들에 대하여 약 70 내지 100 MPa(10 내지 15 ksi)만큼 증가했고, 그리고 0.065% Nb 첨가물에 대하여는 약 140 내지 175 MPa(20 - 25 ksi)만큼 증가했다. 도 12로부터는 0.026% Nb 강철이 유사한 코일링 온도에 대하여 0.8 Mn 베이스 강철보다 더 높은 항복강도를, 그리고 상기 0.8 Mn 베이스 강철이 낮은 온도에서 코일로 되었을 때에 필적할만한 항복강도를 달성하였다는 것이 이해된다. 선택적으로, 낮은 코일링 온도(약 500℃)에서 상기한 0.8 Mn 베이스 강철에서 달성된 강도는 이러한 Nb 첨가물로써 더 높은 코일링 온도(약 600℃)에서 달성될 수 있다.

부가적으로, 종전의 통상적인 방식으로 생산된 미소합금 강철과 비교하여 본 발명의 미소합금 첨가물은 열간압연 및 후속하여 코일링되어 냉각된 강철에 있어 카보나이트라이드 입자들의 형성을 억제한다는 것을 발견하였다. 대신에 열간압연 및 후속하여 코일링되어 냉각된 강철의 미소구조는 고용체로 잔존하는 70%를 초과하는 니오븀 및/또는 바나듐을 갖는 베이나이트 및 침상 페라이트를 포함한다. 선택적으로, 상기한 열간압연 및 후속적으로 코일링되어 냉각된 강철의 미소구조는 고용체로 잔존하는 80%를 초과하는 니오븀 및/또는 바나듐을 갖는 베이나이트 및 침상 페라이트를 포함할 수 있고, 또 다른 선택으로는, 고용체로 잔존하는 90%를 초과하는 니오븀 및/또는 바나듐을 갖는 베이나이트 및 침상 페라이트를 포함할 수도 있다.

그리하여, 니오븀 주조 스트립은 경량(light gauge)의 고강도 강철 제품으로 귀결된다는 것을 알 수 있다. 상기 니오븀 첨가물은 먼저 열간압연 중에 오스테나이트 재결정화를 억제할 수가 있는데, 이것은 상대적으로 거친 애즈-캐스트 오스테나이트 크기를 유지함으로써 강철의 경화능을 향상시킨다. 열간압연 후에 오스테나이트에서 고용체로 유지되고 있는 니오븀은 강철의 경화능을 직접적으로 증가시키는데, 이것은 상대적으로 높은 코일링 온도에서조차 대부분이 베이나이트로 이루어진 최종적인 미소구조로 상기 오스테나이트를 변환하는 데에 도움이 된다. 베이나이트 미소구조의 형성은 열간압연 스트립에서 고용체 상태로 있는 니오븀 참가물의 보전을 촉진하였다.

본 발명의 강철을 시효경화함으로써 특성을 한층 더 개선할 수도 있다. 이전의 미소합금 및 비-미소합금 처리 강철에 있어서는 강도의 증가는 시효경화에 의해 획득될 수 있었으나, 그러한 종래의 강철에 있어서 연신율의 감소가 강도의 증가와 함께 일어난다. 본 발명자들은 연신율과 강도의 증가 모두를 본 발명의 강철을 시효경화함으로써 얻을 수 있다는 것을 발견하였다.

종래의 프로세싱 조건들에 의한 고용체 상태의 니오븀 및 바나듐과 같은 미소합금 성분들의 보존은 후속적인 시효경화 사이클에 대해 상당한 경화능을 제공하였다. 그러한 시효경화 사이클은 적절한 연속적인 갈바나이징 라인 또는 연속적인 어닐링 설비를 이용하여 만들 수 있다. 그러므로, 적절한 갈바나이징 라인 또는 어닐링 설비에 의해 제공된 시효경화 열처리 공정과 결합하여 박판 스트립 캐스팅 프로세스를 이용하여 제조되는 미소합금 강철 스트립은 이러한 종류의 강철 제품에 대한 독창적인 강화 접근방법을 제공하는 독창적인 제조경로이다.

열간압연 처리된 0.026% Nb 주조 스트립 물질의 등온선 에이징 처리법이, 전자현미경 시험에 의해 확인되었듯이, 니오븀 카보나이트라이드, 또는 Nb(C,N)의 형성을 유도하는 600℃ 및 650℃(1110℉ 및 1200℉)에서 20분간 실시되었다. 이것은 도 14에 도시된 바와 같이 물질의 항복강도의 증가로 귀결되었다. 또한 도 6 및 도 14에서 도시된 것과 같이, 갈바나이징 라인의 어닐링 구간을 통한 스트립의 열 사이클은 현저한 강도 증가를 유발하였으며, 더 낮은 온도에서 등온선 에이징으로 달성된 것에 근접하였다.

페라이트 변성의 억압을 통해 미소합금 첨가에 의해 제공된 경화능에 있어서의 증가는 오스테나이트 분해(decomposition) 온도를 베이나이트/침상 페라이트 온도 범위로 현저하게 낮춰준다. 이러한 더 낮은 변성 시작 온도는 통상적인 런아웃 테이블 냉각율 및 적절한 코일링 온도를 인가함으로써 미소합금의 대다수를 고용체로 유지하는 잠재능력을 제공한다.

니오븀 및 바나듐과 같은 고용체 상태로 존재하는 미소합금 성분들은 후속적인 열처리 과정 중에 강도를 증가시키기 위하여 시효경화를 이용할 수 있다. 실험실에서의 시효경화 연구에 따르면 실질적인 경화는 연속적인 어닐링 라인과 갈바나이징 라인들을 이용하는 것과 같은 상대적으로 짧은 열처리 사이클로써도 달성될 수 있다는 점을 확인하고 있다. 도 15 내지 도 18에서 도시된 바와 같이, 실험실에서의 결과치는 시료 강철 C(0.026% Nb), 강철 F(0.065% Nb), 강철 G(0.084% Nb)에 적용된 연속 어닐링 사이클들을 가정하였다.

실험실에서의 연구로부터 설정된 열처리 조건들을 이용하여 강철 B 및 F로써 실물크기의 실험을 한 결과는 도 20 및 도 21에 각각 나타난다. 강철 B 및 F로써 실질적인 강도의 증가가 달성되었다. 450MPa를 초과하는 항복강도 레벨이 강철 B(0.024% Nb 강철)로써 기록되었고, 550MPa를 넘는 항복강도가 강철 F(0.065% Nb 강철)로써 기록되었다. 시효경화로 인한 강도 증가는 강철 B(0.024% Nb강)에 대해서는 70MPa 정도이었고, 강철 F(0.065% Nb 강철)에 대해서는 약 100MPa가지 이르렀다. 상기한 0.065% Nb 강철은 시효경화 처리 조건에서 600MPa를 넘는 항복강도를 달성할 수도 있다.

강철 F	두께 ㎜	항복강도, MPa	인장강도, MPa	연신율,%
고온 밴드	0.996	512	599	11.47
갈바나이징	0.991	581	645	14.16

강철 F의 샘플들은 갈바나이징 라인에서 발견된 시효경화 조건들을 이용하면서 시효경화 처리되었다. 상기 표 3에서와 같이, 시효경화 처리된 강철은 거의 70MPa의 강도와 11.47%에서 14.16%로 증가된 연신율을 갖는다. 열간압연 직후(as-hot rolled)의 조건과 시효경화 및 갈바나이징 처리 조건(세로 테스트 방향)에서 현재 개시된 니오븀 강철에 대한 항복강도와 총 연신율 사이의 관계가 도 19에 나타나 있다.

도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명자들은 10초 홀드 사이클이 오버에이징(overaging)을 방지하기 위하여 675℃ 내지 725℃ 사이에서 사용될 수 있다는 것을 발견하였다. 그러나 온도 범위는 홀딩 타임의 함수이다. 홀드 타임을 20초로 증가시키면 온도 범위를 다소 낮추게 되지만, 영의 홀드 시간에 대해서는 온도 범위는 도 17에 도시된 것과 같이 다소 증가한다. 시효경화 온도범위는 전체적인 열처리 사이클 시간, 즉 가열율, 홀딩 시간, 냉각율에 따라서 대략 625℃에서 800℃ 사이에 존재할 수 있다.

더 긴 시간의 열처리의 경우에는 500℃ 내지 650℃ 범위의 더 낮은 온도가 이용될 수 있다. 도 6에서, 600℃에서 20분간의 열처리가 700℃에서 연속적인 어닐링 사이클에서 10초만큼의 유사한 강도 수준을 생성한다는 것을 볼 수 있다. 도 22는 20분 및 120분 동안 실시된 실험실에서의 열처리의 결과를 나타낸다. 그 결과는 550℃에서 120분간의 열처리에 대하여 실질적인 경화가 달성되었지만, 약 650℃를 넘는 온도에서 120분간의 에이징은 강의 경도를 낮추었다는 것을 나타낸다. 500℃ 내지 650℃의 온도범위에서의 배치(batch) 어닐링, 또는 500℃ 내지 650℃ 온도범위를 통한 제어형 냉각에 의해, 보존된 니오븀을 침전시키도록 설계된, 열간압연 코일을 위한 다른 포스트 코일링 냉각 방식과 같은, 더 긴 열처리 시간이 전체적인 코일 어닐링 프로세스와 함께 이용될 수 있다.

전자현미경(TEM) 조사가 강철 C 및 F의 샘플들에 대해 실시되었는데, 이들에 대해서 650℃에서 60분간의 열처리를 하였다. 4 내지 15 나노미터 크기범위의 미세입자들이 발견되었다. 이들 미세입자들은 니오븀 카보나이트라이드를 포함하는 것으로 알려졌는데, 그러한 경화가 미세 니오븀 카보나이트라이드 입자들에 의한 시효경화에 기인할 수 있는 것을 나타내고 있다.

시효경화 처리된 미소합금 강철 제품의 미소구조는 10 나노미터 이하의 평균 입자크기를 갖는 니오븀 카보나이트라이드 입자들을 가질 수 있다. 상기한 시효경화 처리된 강철 제품의 미소구조는 50 나노미터를 넘는 어떤 니오븀 카보나이트라이드 입자들도 실질적으로 갖지 않을 수 있다. 본 발명의 니오븀 강철의 샘플들은 전자현미경을 이용하여 검사되었고, 그러한 미소구조의 일부분들은 어떠한 측정가능한 양의 카보나이트라이드 입자들도 포함하지 않았다.

본 발명자들은 본 발명의 시효경화 강철에서 향상된 강도/연신율 관계가 5나노미터를 초과하는 크기의 입자들이 실질적으로 존재하지 않는 미소구조의 부분들, 또는 "무-침전물 구역(precipitate free zone)" 및 나노-클러스터 덕분인 것으로 믿고 있다. 입자 경계선 근방에서 무-침전물 구역의 발전은 입자 경계선에 인접한 영역들에 경도의 감소를 일으킴으로써 강도 및 인장 연신율 관계에 영향을 미칠 수 있다. 무-침전물 구역에 있어 스트레스 집중의 완화는 강도 및 연신율을 향상시키는 것으로 보고되었다. 연신율 및 강도에 대한 무-침전물 구역의 이로운 효과는 상기한 무-침전물 구역들이 협소하고 입자 경계선 침전물들의 크기가 작을 경우에 나타날 수 있다.

본 발명의 강철에 있어서 성분의 첨가는 통상적으로 생산된 니오븀 강철에서보다 더 작은 무-침전물 구역 폭과 더 작은 경도 변화를 생성함으로써 시효경화 후에 증가된 강도를 갖는 증가된 연신율을 제공할 수 있다. 빠르게 응고된 강철에 있어 더욱 균일한 성분의 분산 덕분으로 시효경화의 운동에너지(kinetics)가 지연되어 나노-클러스터들의 형성이 안전하게 제어될 수 있는 시간-온도 윈도우를 효과적으로 팽창시키도록 해준다. 상기한 성분의 나노-클러스터들은 시효경화의 초기 단계에서 강화를 제공할 수 있다. 클러스터 강화(strengthening)는 전위(dislocation)가 용질 종(solute species)의 클러스터의 확산 경계를 절단하기 위해 요구되는 여분의 에너지 때문일 수도 있다. 상기한 클러스터들은 그들의 탄력적으로 유연한 경계들이 전위 이동을 엄격하게 억제하거나 정상적인 제2상 입자들이 하는 방식으로 축적(pile-ups)을 야기하지 않기 때문에 연성을 감소시키지 않고 실질적인 강화를 제공할 수 있다.

본 발명의 강철에서 더욱 균일한 분포의 성분들이 강철의 신속한 응고 중에 고용체로 유지된다. 이전의 통상적으로 생산된 니오븀 및 바나듐 강철과는 대조적으로 본 발명의 열간압연 및 후속적으로 코일링 및 냉각된 강철의 미소구조는 고용체로 남아있는 70%를 초과하는 니오븀 및/또는 바나듐 첨가물을 갖는 베이나이트 및 침상 페라이트를 포함하며, 50 나노미터를 넘는 어떠한 니오븀 및/바나듐 입자들도 실질적으로 갖지 않는다. 선택적으로, 상기한 열간압연 및 후속적으로 코일링 및 냉각된 강철의 미소구조는 고용체로 존재하는 80%를 초과하는 니오븀 및/또는 바나듐 첨가물을 갖는 베이나이트 및 침상 페라이트를 포함할 수 있으며, 선택적으로는, 고용체로 존재하는 90%를 초과하는 비율을 가질 수도 있다.

상기 성분들은 열간압연 코일에서 용융 상태로 트랩 되어 존재하며 코일링 온도가 650℃ 미만이라면 침전하지 않는다. 고온 스트립 압연을 위한 통상적인 슬라브 캐스팅 및 재가열에 있어 보통 발생하는(입자의 형태로 된 것과 같은) 종전의 원자들의 결합(association of atoms)이 본 공정에서는 방지되기 때문에 형성이 효과적으로 지연된다. 열간압연 코일에서 일어나는 강도에 있어서의 관찰된 증가는 따라서 경화능 및 고용체 경화 효과에 크게 기인할 것이다.

카보나이트라이드 입자들의 형성은 열처리 중에 활성화될 수 있다. 부가적으로, 시효경화 중에 전-침전(pre-precipitation) 클러스터들 및 더 미세한 입자들은 시효경화 전에 고용체 상태의 니오븀 및/또는 바나듐의 현저한 양 때문에 확장된 범위의 시간 및 온도에 걸쳐 안정성이 있다. 정상적인 침전 현상과 같이 입자 경계 가까이에서 형성되는 무-침전물 구역들은 통상적으로 생산된 강철에 대해서보다 더 폭이 좁고 더욱 균일하게 분산된 나노-클러스터들 및 더 미세한 침전물들을 함유한다. 그리하여, 입자 내부에 대한 무-침전물 영역에서의 경도 변화는 현재의 강철에 대해서 상대적으로 적다. 본 발명자는 더 좁은 무-침전물 영역과 무-침전물 영역을 가로지르는 작은 경도 변화에 의해 무-침전물 영역에서의 차별적인 응력변형(preferential deformation)으로부터의 미소균열을 감소시키는 무-침전물 영역에 있어 스트레스 집중이 감소한다고 믿는다. 본 발명자들은 클러스터 강화가 전위 축적(dislocation pile-up)이 클러스터에서 일어나지 않기 때문에 연성의 저하 없는 강도 증가를 특징으로 한다고 믿는다. 좁은 무-침전물 영역과 클러스터 강화 작용의 조합은 현재의 강철의 무-침전물 영역들로 귀착된다고 판단된다. 이것은 크랙들이 시작하기에 더욱 어렵고 입자 경계 무-침전물 영역에 덜 구속되기 때문에 향상된 연신율로 귀결된다. 또한, 상기한 나노-클러스터들은 소정의 어닐링 온도/시간 조합들에 대하여 입자 내부 영역들 내에서 구별되는(distinct) 입자들과 공존할 수도 있다.

시효경화를 수행하기 위해 어닐링 퍼니스가 사용될 수 있는데, 그것은 그러한 제품들을 처리하기 위한 현재의 강화를 위한 해결방식은 아니다. 어닐링 조건은 적어도 650℃의 피크 온도를 갖고, 800℃ 미만에서 675℃ 내지 750℃가 양호한 하나의 연속적인 어닐링 사이클일 수 있다. 선택적으로, 그러한 강화는 연속적인 갈바나이징 라인들에 통합된 통상적인 어닐링 퍼니스들로서 가능한 매우 짧은 시효경화 사이클을 이용하여 제조 환경에서 달성될 수 있다. 실물 크기의 플랜트 시험에서 기록된 최종 강도 레벨은 각각의 강철의 실험실에서의 열처리로서 제조된 것들에 유사하였다.

약 0.01% 내지 약 0.20% 사이의 티타늄, 약 0.05% 내지 약 0.50% 사이의 몰리브덴, 및 약 0.01% 내지 약 0.20% 사이의 바나듐뿐만 아니라, 0.01%에서 약 0.20% 사이의 니오븀으로써 유사한 결과가 관찰되었다.

바나듐을 활용하는 현재의 강철의 조성이 표 2의 강철 H로 나타나 있다. 강철 H의 항복강도는 도 23에 도시된다. 바나듐 강철은 두 개의 상이한 코일링 온도로써 생산되며, 후속적으로 고용체 상태의 바나듐에 의해 경화를 유도하기 위해 650℃ 및 700℃에서 20분간 에이징 처리된다. 그 결과는 현저한 강화가 이 열처리 조건으로부터 달성되었음을 보여준다. 강화 증가는 더 높은 코일링 온도로써 제조된 물질에 대하여 조금 더 높았는데, 이것은 침전물 경화(hardening)와 미소구조 연화(softening)의 상반되는 프로세스들의 효과에 기인할 수 있다. 더 낮은 코일링 온도에서 생산된 물질로써 구현된 강화 증가분은 0.026% Nb를 포함한 강철로 달성된 것과 같은 정도였다.

열간압연 직후(as-hot rolled) 및 갈바나이징 조건들에 있어서 강철 H의 항복강도는 도 24에서 제공된다. 도 23 및 도 24는 바나듐 강철이 더 높은 코일링 온도를 이용하여 생산되었지만 보통의 탄소 베이스 강보다 더 높은 강도 수준을 달성하였다는 것을 나타내고 있다. 도 24에 도시된 샘플들에 있어, 강철 H의 코일링 온도는 570℃이었고 베이스 강철 코일링 온도는 500℃ 미만이었다.

또한 도 24에 도시되었듯이, 연속적 갈바나이징 라인에서 어닐링 퍼니스들을 이용하는 시효경화로부터 강도의 증가가 바나듐 강철에서 실현되었으나, 강도 증가는 동등한 니오븀 성분으로부터 실현되는 것보다는 낮았다. 갈바나이징 라인에서 도 24에서의 샘플의 항복강도는 갈바나이징된 조건에서 약 450MPa이었고, 이것은 도 23에 도시된 더 긴 시간의 실험실 열처리로써 달성된 그 정도이다. 바나듐 강철의 강도는 니오븀 강철보다 코일링 온도에 더 민감할 수도 있다.

이러한 박판 주조 스트립은 다음과 같은 것을 구비하는 새로운 종류의 강철 제품의 생산을 가능하게 해준다:

1. 갈바나이징 공정 중의 시효경화와 주 구성성분으로서 베이나이트를 포함하는 미소구조를 활용함으로써 고강도의 얇은 두께의 갈바나이징된 스트립. 갈바나이징 라인의 어닐링 구간은 열간압연 처리된 박판 주조 스트립의 니오븀 및/또는 바나듐의 시효경화를 유도하기 위해 사용될 수 있다.

2. 연속적인 어닐링 라인에서의 프로세싱 중에 대부분이 베이나이트이고 시효경화된 미소구조를 활용하여 고강도의 얇은 두께의 비도포된 스트립. 통상적인 연속 어닐링의 고온의 퍼니스는 박판 주조 스트립의 열간압연 후에 베이나이트 미소구조에 의해 고용체 상태로 남아있는 니오븀 및 바나듐 성분의 활성화를 유도하도록 사용될 수 있다.

3. 강도 레벨이 인가된 열간압연 압하율의 정도에 민감하지 않은 고강도의 얇은 두께의 열간압연 주조 스트립 제품. 상기 베이나이트 미소구조는 상대적으로 높은 강도의 제품(YS ≥ 380 MPa (~55ksi))을 생산한다. 열간압연 도중 또는 후의 오스테나이트 재결정화의 억제는 열간압연 압하율의 정도에 둔감한 최종 강도 레벨을 제공할 수 있다. 최종적인 강도 레벨은 박판 주조 스트립 공정에 의해 생산될 수 있는 두께의 범위에 걸쳐 일관될 것이다.

이상 본 발명은 전술한 도면 및 설명에서 상세히 예시되고 기술되었지만, 그것들은 특성에 있어 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 고려되어야 할 것이며, 단지 그들의 예시적인 실시예들만이 도시되고 기술되었음을 이해하여야 할 것이다. 그리고 후술하는 청구범위에 의해 기술된 발명의 범위 내에 들어가는 모든 변경 및 변형들도 보호되어야 할 것이다. 본 발명의 부가적인 특징들은 상세한 설명을 고려하여 당해 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자에게는 명백할 것이다. 본 발명의 범위와 영역에서 벗어남이 없이 그러한 변형들이 이루어질 것이다.

본 발명은 고강도 박판 주조 스트립(thin cast strip)의 제조에 이용된다.

Claims

중량 기준으로, 0.25% 미만의 카본, 0.20 내지 2.0%의 망간, 0.05 내지 0.50%의 실리콘, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀, 약 0.01% 내지 약 0.20%의 바나듐, 및 그들의 혼합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고, 미소구조의 대부분은 베이나이트(bainite)와 침상 페라이트(acicular ferrite) 구조를 포함하며, 시효경화 후에 연신율의 증가와 항복강도의 증가를 갖는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 니오븀은 0.1% 미만임을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 50나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 강철 미소구조를 통해 분포된 실리콘 및 철의 미세한 산화물 입자들을 추가로 포함하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 340Mpa의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 380Mpa의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 410Mpa의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 450Mpa의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 500Mpa의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 550Mpa의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 600Mpa의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 650Mpa의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 410Mpa의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 450Mpa의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 500Mpa의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 550Mpa의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 600Mpa의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 650Mpa의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 700Mpa의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 3.0㎜ 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 2.5㎜ 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 2.0㎜ 미만의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 0.5㎜ 내지 약 2㎜ 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 6%의 총 연신율을 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제1항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 10%의 총 연신율을 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
중량 기준으로 0.25% 미만의 카본, 0.20 내지 2.0%의 망간, 0.05 내지 0.50% 의 실리콘, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀, 약 0.01% 내지 약 0.20%의 바나듐 및 그들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고, 미소구조의 대부분은 베이나이트(bainite)와 침상 페라이트(acicular ferrite) 구조를 포함하며, 시효경화 후에 연신율의 어떠한 감소가 없고 항복강도의 증가를 갖는 시효경화 처리된 강철 제품.
제25항에 있어서, 상기 니오븀은 0.1% 미만임을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제25항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 6%의 총 연신율을 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제25항에 있어서, 상기 강철 제품은 적어도 10%의 총 연신율을 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
중량 기준으로, 0.25% 미만의 카본, 0.20 내지 2.0%의 망간, 0.05 내지 0.50%의 실리콘, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀을 포함하고, 미소구조의 대부분은 베이나이트(bainite)와 침상 페라이트(acicular ferrite) 구조를 포함하며, 10나노미터 이하의 평균 입자 크기를 갖는 니오븀 카보나이트라이드 입자들을 갖는 시효경화 처리된 강철 제품.
제29항에 있어서, 상기 시효경화 강철 제품은 50나노미터를 넘는 어떠한 니오븀 카보나이트라이드 입자들을 실질적으로 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제29항에 있어서, 상기 니오븀은 0.1% 미만임을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제29항에 있어서, 상기 시효경화 강철 제품은 적어도 340Mpa의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제29항에 있어서, 상기 시효경화 강철 제품은 적어도 410Mpa의 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제29항에 있어서, 상기 시효경화 강철 제품은 적어도 6%의 총 연신율을 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
제29항에 있어서, 상기 시효경화 강철 제품은 적어도 10%의 총 연신율을 갖는 것을 특징으로 하는 시효경화 처리된 강철 제품.
박판 주조 강철 스트립을 제조하는 방법에 있어서,

측면으로 배치되어 그 사이에 하나의 닙 부위를 형성하는 캐스팅 롤들을 구비하는 냉각 롤 캐스터를 내부에 조립하고, 그리고 상기 닙 부위 위에서 캐스팅 롤들 상에 지지되고 측면 댐에 의해 상기 캐스팅 롤들의 단부 근처에서 제한되어 있는 용융 철로 이루어진 캐스팅 풀을 형성하는 단계,

상기 캐스팅 롤들이 캐스팅 풀을 통해 이동함에 따라서 캐스팅 롤들 위에서 금속 쉘들이 응고하도록 캐스팅 롤들을 서로 반대방향으로 회전시키는 단계,

상기 캐스팅 롤들의 사이의 닙 부위를 통해 아래쪽으로 금속 쉘들로부터 강철 스트립을 형성하는 단계, 및

중량 기준으로, 0.25% 미만의 카본, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀, 약 0.01% 내지 약 0.20%의 바나듐 및 그들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고, 미소구조의 대부분은 베이나이트 및 침상페라이트를 포함하며 또한 70%를 넘는 고용체 상태의 니오븀 및/또는 바나듐을 갖는 조성물을 제공하기 위해 적어도 초당 10℃의 비율로 상기 강철 스트립을 냉각하는 단계,

625℃ 내지 800℃ 사이의 온도에서 상기 강철 스트립을 시효경화하는 단계를 포함하는 박판 주조 강철 스트립을 제조하는 방법.
제36항에 있어서, 상기 시효경화 강철 스트립은 10 나노미터 이하의 평균 입자 크기를 갖는 니오븀 카보나이트라이드 입자들을 갖는 것을 특징으로 하는 박판 주조 강철 스트립을 제조하는 방법.
제36항에 있어서, 상기 시효경화 강철 스트립은 50 나노미터를 넘는 어떠한 니오븀 카보나이트라이드 입자들을 실질적으로 함유하지 않음을 특징으로 하는 박판 주조 강철 스트립을 제조하는 방법.
제36항에 있어서, 상기 코일로 된 강철 스트립은 50나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 강철 미소구조를 통해 분포된 철 및 실리콘의 미세한 산화물 입자들을 갖는 것을 특징으로 하는 박판 주조 강철 스트립을 제조하는 방법.
제36항에 있어서,

상기 강철 스트립을 열간압연하는 단계, 및

700℃ 미만의 온도에서 상기 열간압연된 강철 스트립을 코일링하는 단계를 더 포함하는 박판 주조 강철 스트립을 제조하는 방법.
제36항에 있어서,

상기 강철 스트립을 열간압연하는 단계, 및

650℃ 미만의 온도에서 상기 열간압연된 강철 스트립을 코일링하는 단계를 더 포함하는 박판 주조 강철 스트립을 제조하는 방법.
제36항에 있어서, 인장강도를 증가시키기 위하여 상기 강철 스트립을 시효경화하는 단계를 더 포함하는 박판 주조 강철 스트립을 제조하는 방법.
제36항에 있어서, 상기 시효경화하는 단계는 650℃에서 750℃ 사이의 온도에서 일어남을 특징으로 하는 박판 주조 강철 스트립을 제조하는 방법.
박판 주조 강철 스트립을 제조하기 위한 방법에 있어서,

측면으로 배치되어 그 사이에 하나의 닙 부위를 형성하는 캐스팅 롤들을 구비하는 냉각 롤 캐스터를 내부에 조립하고, 그리고 상기 닙 부위 위에서 캐스팅 롤들 상에 지지되고 측면 댐에 의해 상기 캐스팅 롤들의 단부 근처에서 제한되어 있는 용융 철로 이루어진 캐스팅 풀을 형성하는 단계,

상기 캐스팅 롤들이 캐스팅 풀을 통해 이동함에 따라서 캐스팅 롤들 위에서 금속 쉘들이 응고하도록 캐스팅 롤들을 서로 반대방향으로 회전시키는 단계,

상기 캐스팅 롤들 사이의 닙 부위를 통해 아래쪽으로 금속 쉘들로부터 강철 스트립을 형성하는 단계, 및

중량 기준으로, 0.25% 미만의 카본, 0.20% 내지 2.0%의 망간, 0.05% 내지 0.50%의 실리콘, 0.01% 미만의 알루미늄, 및 약 0.01% 내지 약 0.20%의 니오븀, 약 0.01% 내지 약 0.20%의 바나듐 및 그들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하고, 미소구조의 대부분은 베이나이트 및 침상페라이트를 포함하는 조성물을 제공하기 위해 적어도 초당 10℃의 비율로 상기 강철 스트립 을 냉각하는 단계,

625℃에서 800℃ 사이의 온도에서 상기 강철 스트립을 시효경화하고 시효경화 후에 항복강도의 증가와 연신율의 증가를 갖는 박판 주조 강철 스트립을 제조하기 위한 방법.
제44항에 있어서, 상기 코일로 된 강철 스트립은 50 나노미터 미만의 평균 입자 크기를 갖는 강철 미소구조를 통해 분포된 철 및 실리콘의 미세한 산화물 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 박판 주조 강철 스트립을 제조하는 방법.
제44항에 있어서, 상기 시효경화 강철 스트립은 10 나노미터 이하의 평균 입자 크기를 갖는 니오븀 카보나이트라이드 입자들을 갖는 것을 특징으로 하는 박판 주조 강철 스트립을 제조하는 방법.
제44항에 있어서, 상기 시효경화 강철 스트립은 50나노미터를 넘는 어떠한 니오븀 카보나이트라이드 입자들도 실질적으로 함유하지 않는 것을 특징으로 하는 박판 주조 강철 스트립을 제조하는 방법.
제44항에 있어서,

상기 강철 스트립을 열간압연하는 단계, 및

750℃ 미만의 온도에서 상기 열간압연된 강철 스트립을 코일링하는 단계를 더 포함하는 박판 주조 강철 스트립을 제조하는 방법.
제44항에 있어서,

상기 강철 스트립을 열간압연하는 단계, 및

700℃ 미만의 온도에서 상기 열간압연된 강철 스트립을 코일링하는 단계를 더 포함하는 박판 주조 강철 스트립을 제조하는 방법.