KR20100046995A

KR20100046995A - 고강도 내후성강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20100046995A
Application number: KR1020080106066A
Authority: KR
Inventors: 박지환; 김성주
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2010-05-07

Abstract

본 발명은 고강도 내후성강 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 탄소(C) 0.06~0.10wt%, 실리콘(Si) 0.3~1.5wt%, 망간(Mn) 0.3~2.5wt%, 인(P) 0.05~0.10wt%, 크롬(Cr) 0.3~0.5wt%, 구리(Cu) 0.2~0.5wt%, 니켈(Ni) 0.1~1.0wt%, 알루미늄(Al) 0.01~0.05wt%, 보론(B) 0.001~0.005wt%을 포함하고, 나머지 철(Fe)과 강의 제조시 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어지는 강에 몰리브덴(Mo)과 티타늄(Ti)이 추가로 함유된다. 본 발명은 인(P)의 첨가량을 줄이지 않고도 보론(B) 첨가와 미량의 티타늄(T), 몰리브덴(Mo) 첨가로 내식성과 저온 충격인성, 고강도가 만족되는 내후성강을 제조하므로 고강도 경량화가 가능하여 가혹한 환경에서도 교량, 송전용 철탑, 컨테이너 등의 구조물에 안정적으로 사용될 수 있는 효과가 있다.

내후성강, 고강도, 충격천이온도

Description

고강도 내후성강 및 그 제조방법{High-strength corrosion resistance steel, and method for producing the same}

본 발명은 고강도 내후성강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저온에서 취성파괴를 일으키지 않으며 염소이온의 농도가 높은 부식환경하에서 우수한 내식성을 갖는 고강도 내후성강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

내후성강은 일반강의 조성에 구리(Cu), 크롬(Cr), 인(P) 등의 합금원소를 첨가하여 일반강 대비 부식환경에서의 내식성을 4~8배 정도 향상시킨 강이다.

내후성강은 대기에 노출된 초기기간은 일반강과 유사하게 녹이 발생하지만 기간이 경과함에 따라 그 녹의 일부가 서서히 모재에 밀착되면서 치밀하고 안정된 녹을 형성하므로 그 녹층이 부식환경에 대한 보호막으로 작용한다. 이처럼 부식환경에 대한 보호막으로 작용할 수 있는 안정된 녹은 비정질 구조를 갖는 수산화철(FeOOH)이나 α-수산화철(α-FeOOH)로 알려져 있다.

이러한 내후성강은 주요 용도가 교량, 송전용 철탑, 빌딩 등이므로 내후성과 함께 저온에서도 취성파괴를 일으키지 않는 저온인성이 동시에 요구되며, 구조물의 경량화에 대한 요구로 인하여 고강도화가 요구된다.

즉, 내후성강은 겨울과 같은 저온의 환경에 사용될 경우에는 동결방지제인 염화칼슘 등이 다량 사용되고 이로 인하여 부식성 환경에 노출될 우려가 있으므로 충격천이온도(DBTT)를 가능한한 낮출 필요가 있다. 충격천이온도는(DBTT)는 연성파괴에서 취성파괴로 전이되는 온도를 나타내는 것으로 강의 저온 충격인성을 파악하는 중요한 척도가 된다.

그런데, 내후성강 제조시 첨가되는 인(P)은 강의 고강도와 내후성 향상에 가장 효과적인 원소이지만 입계에 편석되어 저온 충격인성을 저하시키게 된다. 이로 인해 충격천이온도가 상승하게 된다.

이처럼 인(P)은 강도상승 및 내식성 증가 효과가 우수하고 제조원가가 저렴하여 그 함량을 증가시키는 것이 내후성강 제조에 효과적이나 저온 충격인성이 확보되지 못하는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위해, 저온 충격인성을 저하시키는 인(P) 첨가량을 0.05wt% 미만으로 제한하고, 강도상승 및 내식성 향상을 위해 합금원소(Mn, Cr, Ni, Mo)를 첨가하는 방법이 제안될 수 있으나, 이는 고가의 망간(Mn), 몰리브덴(Mo) 함량을 증가시키므로 제조원가 상승 문제로 상업적 생산이 어려워지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 내식성을 유지하면서도 저온 충격인성과 고강도가 모두 확보되는 고강도 내후성강 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 탄소(C) 0.06~0.10wt%, 실리콘(Si) 0.3~1.5wt%, 망간(Mn) 0.3~2.5wt%, 인(P) 0.05~0.10wt%, 크롬(Cr) 0.3~0.5wt%, 구리(Cu) 0.2~0.5wt%, 니켈(Ni) 0.1~1.0wt%, 알루미늄(Al) 0.01~0.05wt%, 보론(B) 0.001~0.005wt%을 포함하고, 나머지 철(Fe)과 강의 제조시 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어지는 강에 몰리브덴(Mo)과 티타늄(Ti)이 추가로 함유된다.

상기 몰리브덴(Mo)은 0.05~0.2wt%, 티타늄(Ti)은 0.05~0.15wt%의 범위로 함유된다.

탄소(C) 0.06~0.10wt%, 실리콘(Si) 0.3~1.5wt%, 망간(Mn) 0.3~2.5wt%, 인(P) 0.05~0.10wt%, 크롬(Cr) 0.3~0.5wt%, 구리(Cu) 0.2~0.5wt%, 니켈(Ni) 0.1~1.0wt%, 몰리브덴(Mo) 0.05~0.2wt%, 알루미늄(Al) 0.01~0.05wt%, 티타늄(Ti) 0.05~0.15wt%, 보론(B) 0.001~0.005wt%을 포함하고, 나머지 철(Fe)과 강의 제조시 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어지는 강슬라브를 1150~1250℃에서 균질화 처리하고, 800~900℃에서 열간 마무리압연을 실시하며, 560~650℃의 온도범위에서 권취한다.

본 발명은 인(P)의 첨가량을 줄이지 않고도 보론(B) 첨가와 미량의 티타늄(T), 몰리브덴(Mo) 첨가로 내식성과 저온 충격인성, 고강도가 만족되는 내후성강을 제조한다.

특히, 본 발명은 고가의 합금원소 함량을 최소화 하면서 800MPa 이상의 인장강도와 DBTT -70℃ 이하를 만족하는 고강도 고인성 내후성강을 제조한다.

따라서 비교적 저렴한 비용으로도 우수한 저온 충격인성, 고강도가 확보되는 내후성강을 제조할 수 있으므로 제조원가가 절감되는 효과가 있다.

또한 본 발명은 고강도로 인한 경량화가 가능하고, 가혹한 환경에서도 안정적으로 사용될 수 있는 효과가 있다.

이하 본 발명에 의한 고강도 내후성강 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 탄소(C) 0.06~0.10wt%, 실리콘(Si) 0.3~1.5wt%, 망간(Mn) 0.3~2.5wt%, 인(P) 0.05~0.10wt%, 크롬(Cr) 0.3~0.5wt%, 구리(Cu) 0.2~0.5wt%, 니켈(Ni) 0.1~1.0wt%, 몰리브덴(Mo) 0.05~0.2wt%, 알루미늄(Al) 0.01~0.05wt%, 티타늄(Ti) 0.05~0.15wt%, 보론(B) 0.001~0.005wt%을 포함하고, 나머지 철(Fe)과 강의 제조시 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어진다.

이러한 강슬라브를 오스테나이트 영역의 온도인 1150~1250℃에서 균질화 처리하고, 800~900℃에서 열간 마무리압연을 실시하여 열연강판으로 제조하고, 이어 서 560~650℃의 온도범위에서 권취한다.

본 발명은 강의 고강도와 내후성 향상에 가장 효과적인 원소인 인(P) 첨가량을 0.05~0.10wt% 수준으로 유지하고, 인(P)의 다량 첨가에 의해 발생되는 인의 입계편석은 보론(B)의 첨가를 통해 방지되도록 한다. 그리고, 미량의 티타늄(Ti)과 몰리브덴(Mo) 첨가를 통해 고강도가 확보되도록 하여 저온 충격인성이 양호하면서도 고강도가 확보되는 내후성강을 제조하는 것이다.

보론(B)은 침입형 원소로 인(P)과의 자리경쟁효과(site competition effect)로 인(P)의 입계편석을 방지한다. 즉, 보론(B)은 인(P)이 편석되는 자리를 차지하여 인(P)의 입계편석을 방지하는 것이다. 그리고 강 중에 존재하는 보론(B) 중 일부는 강 중의 고용질소와 결합하여 BN(보론나이트라이드)으로 석출되므로 가공성 향상에도 기여하게 된다.

여기서, 질소는 불순물 개념으로 전기로의 경우 80~100ppm, 고로의 경우 40ppm정도가 강에 함유되어 있다.

그리고, 티타늄(Ti)과 몰리브덴(Mo)은 미량 첨가로도 강의 강도상승 및 충격인성 향상에 크게 기여한다. 티타늄(Ti)은 재가열온도 이상에서 용해되지 않고, 강 중의 탄소(C) 또는 질소(N)와 결합하여 TiC, TiN의 미세한 석출물을 형성하므로 결정립을 미세하게 하여 항복강도를 증진시키고 인성향상에 기여하게 된다.

몰리브덴(Mo)은 내후성 확보와 강도상승 효과의 두 가지 목적을 위해 첨가된다. 몰리브덴(Mo)은 티타늄(Ti)보다 강도 향상 효과가 더 크나 고가인 점을 고려하여 내후성 향상에 기여하면서도 제조원가의 상승을 최소화 할 수 있는 범위로 첨가 한다. 그리고 나머지를 티타늄(Ti)으로 대체하여 고강도를 확보한다.

이하, 본 발명의 합금원소들의 기능과 함유량은 다음과 같다.

탄소(C) 0.06~0.10wt%

탄소(C)는 강도향상이 목적이다. 탄소(C)는 함량이 0.06wt% 미만으로 첨가되면 고강도확보가 어려워 고용강화 원소를 첨가해야 하므로 제조원가가 상승하고, 0.10wt%를 초과하여 과다 첨가되면 용접성이 저하되고 강도 증가에 따른 연성 및 스트레치-플렌지성이 저하된다.

따라서 탄소(C)는 강의 강도를 향상시키면서도 용접성을 저하시키지 않는 0.06~0.10wt% 범위로 함유한다.

실리콘(Si) 0.3~1.5wt%

실리콘(Si)은 고용강화 원소로서 강의 청정화에 기여한다. 실리콘(Si)은 적정 망간이 첨가되는 강에 첨가되면 용접시 용융금속의 유동성을 향상시켜 용접부 내 개재물 잔류를 최대한 감소시키고 항복비와 강도 및 연성의 균형을 저해하기 않으면서 강도를 향상시킨다.

실리콘(Si)은 함량이 0.3wt% 미만으로 첨가되면 강도 향상 효과가 없고, 과다 첨가되면 적스케일로 인한 표면 결함을 발생시킬 뿐 아니라 용접성을 저하시키는 문제점을 발생시킨다. 따라서 실리콘(Si)은 강의 강도를 상승시키면서도 인성과 용접성을 저하시키지 않는 0.3~1.5wt% 범위로 함유한다.

망간(Mn) 0.3~2.5wt%

망간(Mn)은 고용강화와 소입성을 개선하는 효과를 통해 강도를 확보한다.

망간(Mn)은 0.3wt% 미만으로 첨가되면 강도상승 효과가 적고, 2.5wt%를 초과하여 첨가되면 망간(Mn) 밴드조직이 형성되고 편석이 급격하게 증가하여 강의 가공성과 내식성 및 용접성을 저해하게 된다.

따라서 망간(Mn)은 결함발생이 없고 용접성이 저하되지 않는 0.3~2.5wt% 범위로 함유한다.

인(P) 0.05~0.10wt%

인(P)은 고용강화 효과가 높으면서 연신율값의 저하가 적은 원소로 고강도를 보증한다. 그리고 인(P)은 강 중에 존재시 표면에서 PO₄ ^-3이온을 형성하여 표면에 발생한 녹(산화피막)을 통한 염소이온의 투과를 제한하여 내후성을 향상시킨다.

인(P)은 0.05wt% 미만으로 첨가되면 내후성 향상 효과가 없고, 0.10wt%를 초과하여 첨가되면 강의 인성 및 용접성이 현저하게 저하된다. 따라서 인(P)은 내후성을 향상시키면서도 용접성이 저하되지 않는 0.05~0.10wt% 범위로 함유한다.

크롬(Cr) 0.3~0.5wt%

크롬(Cr)은 강 중에 첨가시 내식성을 향상시킨다. 크롬(Cr)은 과도하게 첨가 시 제조원가의 상승을 유발하므로 0.3~0.5wt% 수준으로 제한한다.

구리(Cu) 0.2~0.5wt%

구리(Cu)는 녹(산화피막)층 결정입자의 미세화 치밀화를 유도하여 강의 내후성을 향상시킨다. 구리(Cu)는 0.2wt% 미만으로 첨가되면 내후성 향상 효과를 기대하기 어렵고, 0.5wt%를 초과하여 첨가되면 내후성 향상 효과가 포화될 뿐만 아니라 압연을 위한 슬라브 재가열시 융점이 낮은 구리(Cu)가 강의 입계에 침투하여 열간가공시 크랙이 발생하는 문제점이 발생할 수 있다.

따라서 구리(Cu)는 내후성을 향상시키면서도 열간압연공정의 결함이나 취성이 발생하지 않도록 0.2~0.5wt% 범위로 함유한다.

니켈(Ni) 0.1~1.0wt%

니켈(Ni)도 강의 내후성 향상에 기여하는 원소 중 하나이다. 니켈(Ni)은 염소이온의 투과를 억제하는 녹층의 미세화 치밀화 정도를 향상시킨다.

니켈(Ni)은 0.1wt% 미만으로 첨가되면 효과가 미비하고, 과도하게 첨가하면 제조원가가 상승하는 문제점이 있다. 따라서, 니켈(Ni)은 녹층의 미세화 치밀화가 향상되면서도 제조원가가 부담이 되지 않는 0.1~1.0wt% 범위로 함유한다.

몰리브덴(Mo) 0.05~0.2wt%

몰리브덴(Mo)은 인과 마찬가지로 녹 중에서 Mo₄ ^-2이온을 형성하여 염소이온의 투과를 억제시킴으로써 강의 내후성을 향상시킨다. 그리고 강도향상에도 유효한 성분이다.

몰리브덴(Mo)은 0.05wt% 미만으로 첨가되면 상기 효과를 얻을 수 없고, 0.2wt%를 초과하면 제조원가 상승의 문제를 유발한다. 따라서 몰리브덴(Mo)은 강의 내후성 향상에 기여하면서도 제조원가의 상승을 최소화할 수 있는 0.05~0.2wt% 범위로 함유한다.

알루미늄(Al) 0.01~0.05wt%

알루미늄(Al)은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가된다. 알루미늄(Al)은 첨가량이 적으면 강중의 잔류 산소가 제강 시 보론(B), 망간(Mn), 크롬(Cr), 실리콘(Si) 등과 결합하여 산화물을 형성하므로 성분제어를 어렵게 하고, 경화능을 저하시키며, 산화물이 비금속 개재물로 존재하여 강의 기계적 성질과 피로특성을 저하시킨다.

알루미늄(Al)은 0.01wt% 미만으로 첨가되면 그 효과가 미비하고, 0.05wt%를 초과하여 첨가되면 가공성을 저해하게 된다. 따라서 알루미늄(Al)은 탈산효과에 기여하면서도 강의 가공성을 저해하지 않는 0.01~0.05wt% 범위로 함유한다.

티타늄(Ti) 0.05~0.15wt%

티타늄(Ti)은 강 중에서 미세한 산화물과 질화물을 형성하고 이들의 오스테나이트 결정립 성장을 억제하여 충격인성 향상에 기여한다.

티타늄(Ti)은 0.05 미만으로 첨가되면 상기 효과가 없고, 0.15wt%를 초과하여 첨가되면 고용된 티타늄(Ti) 양이 증가하여 용접성과 인성을 저해하게 된다. 따라서 티타늄(Ti)은 충격인성 향상에 기여하면서도 용접성 및 인성이 저해되지 않는 0.05~0.15wt% 범위로 함유한다.

보론(B) 0.001~0.005wt%

보론(B)은 인(P)첨가로 인해 발생하는 입계편석을 방지하기 위해 첨가된다.

보론(B)은 0.001wt% 미만으로 첨가되면 그 효과가 없고, 0.005wt%를 초과하여 첨가되면 제강공정 제어가 어려워 열연 및 열처리 후 재질편차가 커지게 된다.

따라서 보론(B)은 0.001~0.005wt% 범위로 함유한다.

본 발명은 상술한 성분계를 함유하고, 나머지는 실질적으로 철(Fe) 및 불가피한 원소들이며, 원료, 자재, 제조설비 등의 상황에 따라 함유되는 원소로서 불가피한 불순물의 미세량 혼입도 허용된다.

이하 본 발명에 의한 합금조성을 갖는 고강도 내후성강의 제조방법을 일 실시예를 통해 상세히 설명한다.

- 내후성강의 제조방법

상술한 합금조성을 가지는 강슬라브를 오스테나이트 영역의 온도인 1150~1250℃에서 2~3시간 동안 균질화 처리하고, 800~900℃에서 열간 마무리압연을 실시하여 열연강판으로 제조하고, 이어서 560~650℃의 온도범위에서 권취한다. 냉각은 일반적인 수냉을 실시한다.

이때, 상기 균질화 처리 온도는 1150℃ 미만인 경우 편석된 성분이 재고용되지 못하고, 1250℃ 를 초과하면 오스테나이트 결정입도가 증가하여 페라이트 입도가 조대화되므로 강도의 감소를 초래한다.

또, 균질화 처리 유지시간은 2시간 보다 짧을 경우 균질화 정도가 미비하여 강의 품질이 나빠지는 문제가 발생할 수 있고, 3시간을 초과하면 경제적으로 효율적이지 못하다.

열간 마무리 압연온도는 800℃ 미만인 경우 압연하중이 증가하여 압연 통판성에 좋지 못한 영향을 끼치게 되고, 900℃를 초과하면 조직이 너무 조대해져 강도와 연성의 저하를 가져오게 된다.

권취온도는 560℃ 미만인 경우 열연강판의 형상이 나빠지는 문제점이 있고. 650℃ 를 초과하는 경우에는 열연강판에 조대한 펄라이트가 형성되므로 고강도 확보가 어렵다.

아래의 표 1은 각각의 성분 요소가 다른 본 발명의 실시예와 비교예를 나타낸 것이다.

(단위:wt%)

구분	C	Si	Mn	P	Cr	Cu	Ni	B	Ti	Mo	인장강도(MPa)	DBTT(℃)
비교예1	0.07	0.45	0.40	0.10	0.45	0.30	0.15	-	-	-	474	-30
실시예1	0.07	0.10	1.80	0.05	-	-	-	-	0.10	0.15	810	-40
실시예2	0.07	0.45	1.80	0.10	0.45	0.30	0.15	0.0030	-	-	465	-70
실시예3	0.07	0.10	1.80	0.05	-	-	-	0.0025	0.10	0.15	812	-80

[DBTT:충격 천이온도]

표 1을 살펴보면, 비교예 1과 실시예 1에서 티타늄과 몰리브덴이 첨가될 경우 인장강도는 향상되나 충격 천이온도가 낮아지지 않았다.

그리고, 실시예 2에 의하면 충격 천이온도를 낮추기 위해 보론을 첨가할 경우 충격 천이온도는 낮아지나 강도향상 효과가 미비하였다.

그에 반해, 실시예 3에서와 같이, 인(P)의 입계편석을 방지하는 보론(B)과 강도 향상에 효과적인 티타늄(Ti)과 몰리브덴(Mo)을 모두 첨가하는 경우 충격 천이온도가 낮아지고 고강도도 확보되었다.

실시예들을 통해 인(P)의 첨가량을 줄이지 않고도 보론(B) 첨가와 미량의 티타늄(T), 몰리브덴(Mo) 첨가로 내식성이 확보되면서도 저온 충격인성 향상과 고강도가 동시에 만족되는 내후성강을 제조할 수 있음을 알 수 있다. 그리고, 상술한 방법은 인(P), 크롬(Cr), 구리(Cu), 니켈(Ni)의 미량원소 첨가도 최소화 할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims

탄소(C) 0.06~0.10wt%, 실리콘(Si) 0.3~1.5wt%, 망간(Mn) 0.3~2.5wt%, 인(P) 0.05~0.10wt%, 크롬(Cr) 0.3~0.5wt%, 구리(Cu) 0.2~0.5wt%, 니켈(Ni) 0.1~1.0wt%, 알루미늄(Al) 0.01~0.05wt%, 보론(B) 0.001~0.005wt%을 포함하고, 나머지 철(Fe)과 강의 제조시 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어지는 강에 몰리브덴(Mo)과 티타늄(Ti)이 추가로 함유되는 것을 특징으로 하는 고강도 내후성강.
청구항 1에 있어서,

상기 몰리브덴(Mo)은 0.05~0.2wt%, 티타늄(Ti)은 0.05~0.15wt%의 범위로 함유되는 것을 특징으로 하는 고강도 내후성강.
탄소(C) 0.06~0.10wt%, 실리콘(Si) 0.3~1.5wt%, 망간(Mn) 0.3~2.5wt%, 인(P) 0.05~0.10wt%, 크롬(Cr) 0.3~0.5wt%, 구리(Cu) 0.2~0.5wt%, 니켈(Ni) 0.1~1.0wt%, 몰리브덴(Mo) 0.05~0.2wt%, 알루미늄(Al) 0.01~0.05wt%, 티타늄(Ti) 0.05~0.15wt%, 보론(B) 0.001~0.005wt%을 포함하고, 나머지 철(Fe)과 강의 제조시 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어지는 강슬라브를

1150~1250℃에서 균질화 처리하고, 800~900℃에서 열간 마무리압연을 실시하며, 560~650℃의 온도범위에서 권취하는 것을 특징으로 하는 고강도 내후성강의 제조방법.