KR20100087481A - 고강도 고인성 후판 강재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고강도 고인성 후판 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 탄소(C) 0.05~0.10wt%, 실리콘(Si) 0.20~0.50wt%, 망간(Mn) 1.50~1.80wt%, 인(P) 0.015wt% 이하, 황(S) 0.005wt%, 알루미늄(Al) 0.02~0.05wt%, 니켈(Ni) 0.3~0.4wt%, 티타늄(Ti) 0.005~0.015wt%, 구리(Cu) 0.1~0.3wt%, 니오븀(Nb) 0.01~0.05wt%, 바나듐(V) 0.01~0.05wt%, 질소(N) 60ppm 이하, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는다. 본 발명은 합금원소의 조절과 제어압연 및 냉각조건 조절을 통해 소둔 열처리 공정을 생략하고도 고강도와 고인성의 조건을 만족하는 후판 강재를 제조하므로 생산원가를 절감할 수 있는 이점이 있다.
후판 강재, 제어압연

Description

고강도 고인성 후판 강재 및 그 제조방법{Steel sheet having high strength and toughness, and method for producing the same}
본 발명은 고강도 고인성 후판 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 교량, 빌딩 등의 구조물에 사용되는 항복강도 400MPa급 고강도 고인성 후판 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
교량, 빌딩 등의 구조물에 사용되는 후판 강재는 고강도와 고인성의 확보를 위해 합금원소를 다량 첨가하고 일반압연을 행하여 제조하거나, 또는 일반압연 후 열처리를 행하여 제조한다.
예를들면, 종래의 구조용 후판 강재로는 탄소(C) 0.13~0.16wt%, 실리콘(Si) 0.3~0.4wt%, 망간(Mn) 1.40~1.50wt%, 인(P) 0.025wt% 이하, 구리(Cu) 0.2~0.3wt%, 니켈(Ni) 0.1~0.2wt%, 니오븀(Nb) 0.02~0.04wt%, 알루미늄(Al) 0.02~0.05wt%, 질소(N) 70ppm 이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 슬라브를 1150~1250℃로 재가열한 후, 통상의 방법으로 압연하고 Ar3 이상의 온도로 소둔 열처리(Normalizing)하여 제조하는 항복강도 400MPa급 강을 들 수 있다.
하지만 상술한 바와 같이 소둔 열처리법을 적용하여 후판 강재를 생산할 경 우 일반압연 후 오프라인(Off-line)으로 이송하여 열처리를 해야하므로 생산공정의 지연과 열처리에 의한 제조원가의 상승이라는 단점이 있다.
또한, 고강도 확보를 위해 탄소당량이 증가함에 따라 인성에는 유리하나 용접성이 크게 저하되는 문제점이 있다. 이를 방지하기 위하여 탄소의 첨가량을 줄일 수도 있으나 이는 후판 강재의 강도를 저하시키게 된다.
또한, 후판 강재는 사용환경에 따라 요구되는 품질이 다양하다. 특히, 철도 교량용이나 가혹한 환경에 사용되는 경우에는 저온 충격인성을 요구한다. 하지만 종래 후판 강재의 경우 -60℃의 저온에서의 충격인성이 82.3J로 요구되는 수준보다 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 탄소당량을 낮추어 용접성을 개선하고, 대신 열간압연 및 냉각조건을 최적화하여 400MPa급 항복강도가 확보되는 고강도 고인성 후판 강재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고강도 고인성과 함께 저온 충격인성이 확보되는 고강도 고인성 후판 강재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 탄소(C) 0.05~0.10wt%, 실리콘(Si) 0.20~0.50wt%, 망간(Mn) 1.50~1.80wt%, 인(P) 0.015wt% 이하, 황(S) 0.005wt%, 알루미늄(Al) 0.02~0.05wt%, 니켈(Ni) 0.3~0.4wt%, 티타늄(Ti) 0.005~0.015wt%, 구리(Cu) 0.1~0.3wt%, 니오븀(Nb) 0.01~0.05wt%, 바나듐(V) 0.01~0.05wt%, 질소(N) 60ppm 이하, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는다.
탄소(C) 0.05~0.10wt%, 실리콘(Si) 0.20~0.50wt%, 망간(Mn) 1.50~1.80wt%, 인(P) 0.015wt% 이하, 황(S) 0.005wt%, 알루미늄(Al) 0.02~0.05wt%, 니켈(Ni) 0.3~0.4wt%, 티타늄(Ti) 0.005~0.015wt%, 구리(Cu) 0.1~0.3wt%, 니오븀(Nb) 0.01~0.05wt%, 바나듐(V) 0.01~0.05wt%, 질소(N) 60ppm 이하, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는 슬라브를 1100~1200℃로 가열한 후, 잔압하율이 40~60% 범위가 되도록 900℃ 이상의 온도에서 1차 열간압연을 마무리하고, 2차 열간압연 개시온도까지 가속 냉각한 다음 다시 780~850℃ 온도에서 2차 열간압연을 마무리하여 450~580℃까지 가속 냉각한 후 공냉한다.
상기 1차 열간압연 후에는 상기 2차 열간압연 개시온도까지 2~20℃/sec의 냉각속도로 냉각하고, 상기 2차 열간압연 후에는 450~580℃까지 3~15℃/sec의 냉각속도로 냉각한다.
상기 1차 열간압연시에는 압연 1회당 20~30%의 압하율을 갖도록 압연한다.
본 발명은 탄소당량을 낮추어 용접성을 개선하고, 대신 동적 재결정을 유발하는 제어압연과 냉각조건 조절을 통한 결정립 미세화로 항복강도 400MPa급 고강도 고인성 후판 강재를 제조한다. 따라서 소둔 열처리 공정을 생략하고도 고강도와 고인성의 조건을 만족하는 후판 강재를 제조하는 것이 가능하여 생산원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 결정립 미세화에 기여하는 원소와 저온 충격인성에 영향을 미치는 원소가 최적의 조건으로 함유되게 합금 설계한다. 따라서 고강도와 함께 저온 충격인성도 향상되므로 가혹한 환경에서도 안정적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명에 의한 고강도 고인성 후판 강재 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 탄소(C) 0.05~0.10wt%, 실리콘(Si) 0.20~0.50wt%, 망간(Mn) 1.50~1.80wt%, 인(P) 0.015wt% 이하, 황(S) 0.005wt%, 알루미늄(Al) 0.02~0.05wt%, 니켈(Ni) 0.3~0.4wt%, 티타늄(Ti) 0.005~0.015wt%, 구리(Cu) 0.1~0.3wt%, 니오븀(Nb) 0.01~0.05wt%, 바나듐(V) 0.01~0.05wt%, 질소(N) 60ppm 이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는다.
이러한 조성을 갖는 슬라브를 1100~1200℃로 재가열한 후, 잔압하율이 40~60% 범위가 되도록 900℃ 이상의 온도에서 1차 열간압연을 마무리하고, 2차 열간압연 개시온도까지 2~20℃/sec의 냉각속도로 냉각한 다음, 다시 780~850℃ 온도에서 2차 열간압연을 마무리하여 450~580℃ 온도까지 3~15℃/sec의 냉각속도로 냉각한 후 공냉한다.
보다 상세하게는 합금조성에 있어서는 용접성을 저해하는 탄소(C)의 당량을 낮추고 대신 제어압연과 압연 후의 냉각조건을 최적화하여 강재의 고강도와 고인성을 확보한다.
그리고, 결정립 미세화에 기여하는 망간(Mn), 니켈(Ni), 바나듐(V), 티타늄(Ti)을 첨가하거나 함량을 높이고, 저온 충격인성을 저해하는 인(P)과 니오븀(Nb)의 함량을 낮춰 고강도와 함께 저온 충격인성도 향상되도록 한다.
제어압연은 압연패스량, 압연패스 유지시간, 압연온도 등을 제어하여 미세한 결정립을 얻는 압연방법으로, 2번에 걸쳐 열간압연을 실시한다.
1차 열간압연에서는 패스당 압하율(압연 1회당 압하율)을 20~30%로 유지하여 동적 재결정에 의한 오스테나이트 결정립 미세화를 유도한다. 동적 재결정은 에너 지가 가해진 순간 회복-재결정-결정립성장의 3단계를 거치는 것으로 임계변형량을 넘는 변형을 가하였을 경우 발생한다.
2차 열간압연은 오스테나이트 미재결정역에서 수행하여 강도 대비 높은 물성이 확보되도록 한다. 이는 2차 열간압연 후 재결정을 일으키지 않고 결정립내에서 페라이트 핵을 다량 발생시켜 열간압연 종료후 미세한 조직이 확보되도록 한다.
그리고 1차 열간압연 마무리 후 2차 열간압연 개시온도까지 구간과, 2차 열간압연 마무리 후 권취온도인 450~580℃까지 구간은 냉각속도를 제어하여 결정립 성장이 억제되도록 한다.
본 발명의 합금원소들의 기능과 함유량은 다음과 같다.
탄소(C) 0.05~0.10wt%
탄소(C)는 강의 강도를 확보하기 위해 첨가된다. 탄소는 0.05wt% 미만으로 첨가되면 제 2상 조직의 분율이 저하되어 강도가 낮아지고 0.10wt%을 초과하면 강도는 증가하나 충격인성 및 용접성이 저하된다. 따라서 함량을 0.05~0.10wt%의 범위로 설정한다.
실리콘(Si) 0.20~0.50wt%
실리콘(Si)은 제강공정에서 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가되며, 고용강화 효과도 가지고 있다. 실리콘은 함량이 0.20wt% 미만이면 효과가 미흡하고, 0.50wt%를 초과하면 표면에 산화물을 형성하여 도금특성을 저해하고 용접성을 저하시킨다. 따라서 함량을 0.20~0.50wt%로 설정한다.
망간(Mn) 1.50~1.80wt%
망간(Mn)은 오스테나이트 안정화 원소로서 Ar3온도를 낮추어 제어압연을 영역을 확대시킴으로써 압연에 의한 결정립을 미세화시켜 강도 및 인성을 향상시킨다.
망간은 함량이 1.50wt% 미만이면 제 2상의 형성이 부족하여 강도향상에 기여하지 못하고, 1.80wt%를 초과하면 강에 고용된 황을 MnS로 석출하여 충격인성을 저하시키게 된다. 따라서 함량을 1.50~1.80wt%로 설정한다.
인(P) 0.015wt% 이하
인(P)은 충격인성을 저하시키는 대표적인 원소로서 그 함량이 낮으면 낮을수록 좋다. 하지만 제강과정에서 피할 수 없는 불순물이므로 그 함량을 0.015% 이하로 제한한다.
황(S) 0.005wt%
황(S)은 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소이며 유화물계 개재물(MnS)을 형성하여 충격인성을 저하시키므로 0.005wt% 이하로 제한한다.
알루미늄(Al) 0.02~0.05wt%
알루미늄(Al)은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 제강 공정에 첨가된 다. 알루미늄은 함량이 0.02wt% 미만이면 탈산효과가 미흡하고, 0.05wt%를 초과하면 비금속개재물인 Al2O3를 형성하여 충격인성을 저하시킨다. 따라서 함량을 0.02~0.05wt%로 설정한다.
니켈(Ni) 0.3~0.4wt%
니켈(Ni)은 결정립을 미세화하고 오스테나이트 및 페라이트에 고용되어 기지를 강화시킨다. 특히 니켈은 저온인성을 향상시키는데 효과적인 원소이다. 니켈은 함량이 0.3wt% 미만이면 그 효과가 미비하고, 0.4wt%를 초과하면 적열취성을 유발한다. 따라서 함량을 0.3~0.4wt%로 설정한다.
티타늄(Ti) 0.005~0.015wt%
티타늄(Ti)은 슬라브 재가열시 TiN을 형성하여 오스테나이트 결정립 성장을 억제하는 효과가 크다. 티타늄은 함량이 0.005wt% 미만이면 효과가 미비하고, 0.015wt%를 초과하면 TiN석출물이 조대해져 결정립 성장을 억제하는 효과가 저하된다. 따라서 함량을 0.005~0.015wt%로 설정한다.
구리(Cu) 0.1~0.3wt%
구리(Cu)는 고용강화 효과에 의해 강도를 증가시킨다. 구리는 함량이 0.1wt% 미만이면 효과가 미비하고, 0.3wt%를 초과하면 적열취성을 유발한다. 따라서 함량 을 0.1~0.3wt%로 설정한다.
니오븀(Nb) 0.01~0.05wt%
니오븀(Nb)은 탄소(C), 질소(N)와 결합하여 탄질화물을 형성한다. 이는 압연시 결정립 성장을 억제하여 결정립을 미세화 시키므로 강도와 인성을 향상시킨다. 니오븀은 함량이 0.01wt% 미만이면 효과가 미비하고, 0.05wt%를 초과하면 더 이상의 효과 증대를 기대할 수 없으며 페라이트 내 고용된 상태로 존재하여 충격인성을 저하시킬 위험이 있고, 또한 용접성을 저하시킬 우려가 있다. 따라서 함량을 0.01~0.05wt%로 설정한다.
바나듐(V) 0.01~0.05wt%
바나듐(V)은 냉각 중 탄소와 결합하여 VC탄화물을 형성하여 석출강화 및 결정립 성장 억제에 기여한다. 바나듐은 함량이 0.01wt% 미만이면 효과가 미비하고, 0.05wt%를 초과하면 VC탄화물이 조대해져 취성을 유발시키고 용접성을 저하시키게 된다. 따라서 함량을 0.01~0.05wt%로 설정한다.
질소(N) 60ppm 이하
질소는 강 중에 개재물을 발생시켜 강의 내부품질을 저하시키므로 극저로 관리하는 것이 유리하지만 제조비용이 증가하고 관리의 어려움이 있으므로 60ppm 이하로 제한한다.
본 발명은 상기 합금강의 성분들을 포함하고, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 원소들이며, 원료, 자재, 제조설비 등의 상황에 따라 함유되는 원소로서 불가피한 불순물의 미세한 혼입도 허용된다.
상기와 같이 조성을 갖는 슬라브는 제강공정을 통해 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 제조되며, 여기서는 1차 열간압연, 2차 열간압연을 거쳐 강판 형태로 제조되는 아래의 공정을 거치게 된다.
[재가열 공정]
상기한 조성을 갖는 슬라브를 주조시 편석된 성분을 재고용하기 위해 1100~1200℃에서 재가열 한다.
재가열 온도는 1100℃보다 낮으면 슬라브의 온도가 낮아 압연 부하가 커지는 문제점이 있고 1200℃를 초과하면 오스테나이트 결정립이 조대화되어 강도확보가 어렵다.
[열간압연 공정]
1. 1차 열간압연
재가열한 슬라브를 잔압하율이 40~60%가 되도록 900℃ 이상의 온도에서 제1열간압연을 마무리하고, 제1열간압연 후에는 2~20℃/sec의 냉각속도로 780~850℃까지 냉각한다.
이때, 패스당 압하율은 20~30%로 유지하여 동적 재결정이 유발되도록 한다. 동적 재결정은 결정립 미세화와 관련되는데, 상기 범위보다 높거나 낮으면 결정립 미세화가 어렵다.
그리고, 잔압하율은 상기 범위보다 높거나 낮으면 압연 후 오스테나이트 결정립의 성장이 진행되어 최종제품의 인성확보가 곤란해 진다.
냉각속도는 1차 열간압연 후 2차 열간압연 온도 개시까지 결정립 성장을 억제하고 생산성 향상을 위해 2~20℃/sec로 설정한다. 이는 냉각속도가 2℃/sec 미만이면 결정립 성장 억제 효과가 미흡하고 20℃/sec를 초과하면 균일 냉각제어가 어렵고 2차 열간압연 개시온도를 정확히 맞추는 것이 어렵다.
2. 2차 열간압연
이후, 780~850℃에서 2차 열간압연을 마무리하고, 2차 열간압연 후에는 3~15℃/sec의 냉각속도로 450~580℃까지 냉각한 후 공냉한다.
2차 열간압연은 780~850℃에서 마무리하는 것이 바람직하다. 이는 2차 열간압연을 종료하는 온도가 780℃ 미만이면 초석 페라이트가 일부 석출하여 재질의 이방성을 야기시키는 문제점이 있고, 850℃를 초과하면 항복강도 저하가 발생하기 때문이다.
이와 같은 압연조건을 적용하면, 오스테나이트 결정립내 변형대가 형성되며 그로 인해 결정립내 페라이트 핵생성 사이트를 다량 발생시켜 압연종료 후 미세한 조직을 확보하게 된다.
2차 열간압연이 종료되면, 결정립 성장을 억제하고 저온 변태조직(베이나이트, 침상형 페라이트)을 형성시켜 고강도 고인성의 재질 특성을 확보하기 위해 450~580℃의 온도 범위까지 3~15℃/sec의 냉각속도로 가속냉각한 후 공냉을 실시한 다.
이때, 가속냉각 종료온도는 450℃보다 낮거나 580℃보다 높을 경우 항복강도, 인장강도를 확보하기 어렵다.
그리고, 냉각속도는 3℃/sec 미만이면 결정립 성장이 촉진되어 강도확보가 어렵고, 15℃/sec를 초과하면 베이나이트 분율이 증가하여 강도는 증가하지만 충격인성이 저하되는 문제점이 발생한다.
이하, 상술한 고강도 고인성 후판 강재 및 그 제조방법을 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다.
아래의 표 1은 각각의 성분 요소가 다른 본 발명의 실시예와 비교예를 나타낸 것이다.
[실시예]
발명의 이해를 돕고자 표 1과 같은 조성을 갖는 슬라브를 1150℃에서 2시간 재가열한 후 표 2의 조건으로 제어압연을 실시하고 가속 냉각한 후 공냉을 실시하였다. 참고로 비교예 3은 종래의 제어압연을 실시하지 않은 후판 강재의 기계적 성질 및 충격인성을 나타낸 것으로 본 발명의 실시예와 비교를 위해 추가한 것이다.
(단위:wt%)
구분 C Si Mn P S Al Ni Ti Cu Nb V N(ppm)
실시예1 0.081 0.30 1.55 0.007 0.002 0.030 0.35 0.011 0.15 0.02 0.02 44
실시예2 0.078 0.28 1.58 0.008 0.002 0.030 0.32 0.013 0.16 0.02 0.02 48
비교예1 0.077 0.22 1.43 0.008 0.002 0.034 0.25 0.009 0.26 0.007 - 44
비교예2 0.072 0.23 1.42 0.012 0.002 0.034 0.22 0.010 0.23 0.008 - 38
비교예3 0.137 0.38 1.46 0.019 0.005 0.040 0.14 0.003 0.24 0.014 - -

구분
 압연조건 냉각조건 기계적 성질 충격인성
(vE -60℃,J)
용접성
압연종료온도
(℃)		 2차압연 잔압하율
(%)		 냉각종료온도
(℃)		 냉각속도
(℃/sec)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)
실시예1 790 50 500 8 424 351.2 33 263.7 ○
실시예2 780 50 500 8 413 532.8 34 257.8 ○
비교예1 720 40 520 5 385 518 35 237.1 ○
비교예2 720 40 520 5 366 471 31 221.4 ○
비교예3 - - - - 365 562 31 82.3 ×
표 1과 표 2에 의하면, 탄소당량을 감소시킴에 따라 용접성이 개선되었으며, 제어압연과 가속냉각을 실시함에 따라 충격인성이 3배 이상 향상되었다. 그리고 제어압연과 가속냉각을 실시하는 경우에도 압연종료온도에 따라 항복강도가 차이가 남이 확인된다.
즉, 비교예 1과 비교예 2의 경우 냉각조건의 차이로 인해 실시예 1과 실시예 2에 비해 강도 및 충격인성이 열위하였으며, 실시예 1과 실시예 2의 경우 우수한 기계적 강도와 충격인성을 나타내었다.
그리고, 비교예 3에 의하면 통상의 소둔열처리를 적용한 종래의 경우에는 강성분 및 열처리 방법이 달라 충격인성 및 용접성이 열위함을 알 수 있다.
상기 실험결과로부터 제어압연과 가속냉각을 실시함에 따라 용접성 및 충격인성이 향상된 항복강도 400MPa급 고강도 고인성 후판 강재를 제조할 수 있음을 알 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 (4)

  1. 탄소(C) 0.05~0.10wt%, 실리콘(Si) 0.20~0.50wt%, 망간(Mn) 1.50~1.80wt%, 인(P) 0.015wt% 이하, 황(S) 0.005wt%, 알루미늄(Al) 0.02~0.05wt%, 니켈(Ni) 0.3~0.4wt%, 티타늄(Ti) 0.005~0.015wt%, 구리(Cu) 0.1~0.3wt%, 니오븀(Nb) 0.01~0.05wt%, 바나듐(V) 0.01~0.05wt%, 질소(N) 60ppm 이하, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 고인성 후판 강재.
  2. 탄소(C) 0.05~0.10wt%, 실리콘(Si) 0.20~0.50wt%, 망간(Mn) 1.50~1.80wt%, 인(P) 0.015wt% 이하, 황(S) 0.005wt%, 알루미늄(Al) 0.02~0.05wt%, 니켈(Ni) 0.3~0.4wt%, 티타늄(Ti) 0.005~0.015wt%, 구리(Cu) 0.1~0.3wt%, 니오븀(Nb) 0.01~0.05wt%, 바나듐(V) 0.01~0.05wt%, 질소(N) 60ppm 이하, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는 슬라브를
    1100~1200℃로 가열한 후, 잔압하율이 40~60% 범위가 되도록 900℃ 이상의 온도에서 1차 열간압연을 마무리하고, 2차 열간압연 개시온도까지 가속 냉각한 다음 다시 780~850℃ 온도에서 2차 열간압연을 마무리하여 450~580℃까지 가속 냉각한 후 공냉하는 것을 특징으로 하는 고강도 고인성 후판 강재의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 1차 열간압연 후에는 상기 2차 열간압연 개시온도까지 2~20℃/sec의 냉 각속도로 냉각하고, 상기 2차 열간압연 후에는 450~580℃까지 3~15℃/sec의 냉각속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 고강도 고인성 후판 강재의 제조방법.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 1차 열간압연시에는 압연 1회당 20~30%의 압하율을 갖도록 압연하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 고강도 고인성 후판 강재의 제조방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101290364B1 (ko) * 2011-02-24 2013-07-26 현대제철 주식회사 고강도 후강판 및 그 제조 방법
KR101299319B1 (ko) * 2011-09-28 2013-08-26 현대제철 주식회사 극후 강판 및 그 제조 방법

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