KR20100087677A

KR20100087677A - 용접 열영향부의 인성이 우수한 강재

Info

Publication number: KR20100087677A
Application number: KR1020100007499A
Authority: KR
Inventors: 다쿠 가토; 히로키 오타
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2010-01-27
Publication date: 2010-08-05
Also published as: CN101787488B; KR101164729B1; JP5432539B2; JP2010174314A; CN101787488A

Abstract

본 발명의 강재는, 소정의 화학 성분 조성을 만족하고, 또한 현미경 관찰했을 때의 개재물의 최대 투영 길이에 수직 방향으로 가장 폭이 큰 길이를 개재물의 크기로 했을 때에, 그 크기가 2㎛ 이상인 개재물이 분산된 것임과 더불어, 상기 개재물은 하기 수학식 1 및 2의 관계를 만족하는 것이다. 이러한 구성에 의해, 조대한 TiN의 생성이 억제되어, HAZ 인성이 우수하다.
[수학식 1]
0.01≤[Ca]/[Al]≤0.50
[수학식 2]
0.08≤([CaO]+[CaS])/([Al₂O₃])≤1.80
단, [Ca], [Al], [CaO], [CaS] 및 [Al₂O₃]은, 각각 개재물 중의 Ca, Al, CaO, CaS 및 Al₂O₃의 함유량(질량%)을 나타낸다.

Description

용접 열영향부의 인성이 우수한 강재{STEEL MATERIAL EXCELLENT IN TOUGHNESS OF WELD HEAT AFFECTED ZONE}

본 발명은, 교량이나 고층 건조물, 선박 등의 용접 구조물에 적용되는 강재에 관한 것이고, 특히 대입열 용접 후의 열영향부(이하, 간단히 「HAZ」라고 부르는 경우가 있음)의 인성이 우수한 강재에 관한 것이다.

최근, 상기 각종 용접 구조물의 대형화, 강재의 후육화(厚肉化)가 진행되고 있는 바, 제조 비용 삭감, 작업의 고효율화 등의 관점에서, 용접 입열량이 400kJ/cm를 넘는 대입열 용접이 적용되고 있다.

그러나, 대입열 용접을 행하면, HAZ가 고온의 오스테나이트(γ) 영역에서 장시간 유지된 후 서냉되기 때문에, 가열시의 γ립 성장, 냉각 과정에서의 조대(粗大) 페라이트(α)립 생성으로 대표되는 바와 같은 조직 조대화가 초래되기 쉽게 되어, 그 부분의 인성이 열화하기 쉽다는 문제가 있다. 안전성의 관점에서, 대입열 용접에 있어서도 HAZ에서의 인성(이하, 「HAZ 인성」이라고 부르는 경우가 있음)을 안정되게 높은 수준으로 유지하는 기술이 필요하게 되고 있다.

HAZ 인성을 확보하기 위한 주된 수단으로서는, 산화물, 질화물, 황화물 등의 개재물 입자에 의한 γ립 성장 핀(pin)고정(이하, 「γ 핀고정」이라고 약기함), 개재물 입자를 기점으로 하는 입내 α 생성에 의한 조직 미세화 등이 제안되어 있다. 이러한 기술로서는, 예컨대 일본 특허공고 제1980-26164호에 개시된 바와 같이, 강재 중에 미세한 TiN을 γ 핀고정 입자로서 분산시킴으로써 대입열 용접을 실시했을 때의 HAZ에서 생기는 오스테나이트립의 조대화를 억제하여, HAZ 인성의 열화를 억제하는 기술이 제안되어 있다. 그러나 이 기술에서는, 주조 후에 적정한 온도로 재가열이 필요한 것에 더하여, 강재 중의 개재물 형태를 고려하고 있지 않고, 개재물을 핵으로 하는 조대한 TiN이 생기기 때문에, HAZ 인성이 반드시 양호하지 않다고 하는 것이 실정이다.

다른 한편, 일본 특허공개 2001-98340호에서는, Ti와 N의 첨가량을 적정화함으로써, TiN의 분산 상태를 적정화하여, 오스테나이트립의 조대화를 억제함으로써 HAZ 인성의 열화를 억제하는 기술도 제안되어 있다. 그러나 Ti와 N의 첨가량을 제어할 뿐으로는, 용강이 응고하는 과정에서 Ti와 N의 농도가 불균일하게 되어, 충분한 분산 효과가 얻어지기 어렵다는 문제가 있다. 특히, 최종 응고부 등에서는, Ti와 N이 농화(濃化)되어, 조대한 TiN이 용강 중에 석출하기 때문에 HAZ 인성이 도리어 열화되어 버리는 일이 있다.

본 발명은, 이러한 상황에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은, 조대한 TiN의 생성을 억제하여, HAZ 인성이 우수한 강재를 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명에 따른 강재는, C: 0.02 내지 0.15%(「질량%」의 의미, 화학 성분에 관해서는 이하 같음), Si: 0.03 내지 1.0%, Mn: 1.0 내지 2.0%, P: 0.02% 이하, S: 0.0002 내지 0.01%, Al: 0.005 내지 0.08%, Ti: 0.003 내지 0.03%, Ca: 0.0003 내지 0.005%, N: 0.001 내지 0.01% 및 O: 0.004% 이하를 각각 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 또한 현미경 관찰했을 때의 개재물의 최대 투영 길이에 수직 방향으로 가장 폭이 큰 길이를 개재물의 크기로 했을 때에, 그 크기가 2μm 이상인 개재물이 분산된 것임과 함께, 상기 개재물은 하기 수학식 1 및 2의 관계를 만족한다.

단, [Ca], [Al], [CaO], [CaS] 및 [Al₂O₃]은, 각각 개재물 중의 Ca, Al, CaO, CaS 및 Al₂O₃의 함유량(질량%)을 나타낸다.

한편, 상기 개재물의 크기란, 개재물의 최대 투영 길이에 수직 방향으로 가장 폭이 큰 개소의 길이를 의미하지만, 이 크기는 SEM이나 EPMA 등의 화상 처리에 의해 용이하게 측정할 수 있는 것이다. 또한, 상기 수학식 1 및 2에 있어서의, [Ca], [Al], [CaO], [CaS] 및 [Al₂O₃]은, 강재 중에 포함되는 상기 크기가 2㎛ 이상의 전 개재물의 조성을 측정하여, 단독 개재물로서 환산했을 때의 함유량을 의미한다. 또한, 분산되고 있다는 것은, 크기가 2㎛ 이상인 개재물이, 모재 중에 거의 균일하게 독립적으로 흩어져 있는 상태를 뜻하고 있다.

본 발명의 강재에 있어서, 개재물의 형태로서, Ti를 10% 이상 함유하는 Ti 함유 개재물로, 상기 크기가 2㎛ 이상인 것의 개수가, 상기 크기가 2㎛ 이상인 모든 개재물의 개수의 7% 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 강재에는, 필요에 따라 추가로, (a) B: 0.005% 이하, Nb: 0.06% 이하, V: 0.1% 이하, Cu: 1.5% 이하, Ni: 3.5% 이하, Cr: 1.5% 이하 및 Mo: 1.5% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소, (b) Zr: 0.05% 이하, REM: 0.005% 이하 및 Mg: 0.005% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소 등을 함유시키는 것도 유용하며, 이러한 원소를 함유함으로써 그 종류에 따라 강재의 특성이 추가로 개선되게 된다.

본 발명에 따르면, 강재의 화학 성분 조성을 적절한 범위 내로 한정함과 함께, 소정의 화학 성분 조성을 갖는 크기가 2㎛ 이상의 개재물을 적절히 분산시키는 것에 의해, 조대한 TiN의 생성을 억제하면서 용접 열영향부(HAZ)의 인성 개선을 꾀한 강재가 실현되어, 이러한 강재는, 교량이나 고층 건조물, 선박 등의 용접 구조물에 적용하는 것으로서 매우 유용하다.

도 1은 ([CaO]+[CaS])/([Al₂O₃])과 파면 천이 온도 vTrs의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 Ti 함유 개재물의 비율과 파면 천이 온도 vTrs의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 No. 25의 강판 중의 개재물의 형태를 나타낸 설명도이다.
도 4는 No. 27의 강판 중의 개재물의 형태를 나타낸 설명도이다.
도 5는 No. 35의 강판 중의 개재물의 형태를 나타낸 설명도이다.
도 6은 No. 37의 강판 중의 개재물의 형태를 나타낸 설명도이다.

본 발명자들은, 대입열 용접시에 HAZ 인성에 미치는 요인에 대하여, 다양한 각도로부터 검토했다. 그 결과, HAZ 인성이 열화하는 주된 원인은, 조대한 Ti 함유 개재물의 존재이며, 이러한 Ti 함유 개재물은, 주로 용강이 응고하는 단계에서 정출(晶出)하는 TiN 또는 TiO₂임이 판명되었다.

상기와 같은 조대한 Ti 함유 개재물의 생성 과정, 및 이러한 개재물이 HAZ 인성을 열화시키는 요인에 관해서는, 다음과 같이 생각할 수 있었다. 우선 용강 중에 Al을 첨가함으로써 탈산하는 결과, 용강 중에 일그러진(타원) 형상을 한 Al₂O₃의 고체가 분산되어, 액상선 온도(예컨대, 1535℃ 이하)에서 용강의 일부에서 고체의 δ상 또는 γ상이 생기고, 남은 액상 중에 Ti, N, S가 농화되게 된다. 그리고, Ti와 N의 용해도 곱을 초과하면, 고체의 Al₂O₃을 핵으로 하여, TiN을 결출(結出)시킴과 함께, 미응고부에 S가 농화됨으로써, 고상선 온도를 저하시키게 된다. 최종적으로 액상선과 고상선 사이의 온도역(예컨대, 1535 내지 1490℃ 정도)에서 TiN이 성장하게 된다고 생각된다.

이러한 생성 기구를 고려하여, 본 발명자들은, Ti 함유 개재물의 생성을 억제하면서, 양호한 HAZ 인성이 얻어지기 위한 요건에 대하여 더욱 검토를 거듭했다. 그 결과, 강재(모재)의 화학 성분 조성을 적절히 조정함과 함께, 하기 수학식 1 및 2의 관계를 만족함과 더불어, 상기한 바와 같이 정의되는 크기가 2㎛ 이상의 개재물이 분산된 것으로 하면, Ti 함유 개재물의 생성을 억제하면서, 양호한 HAZ 인성이 얻어지는 것을 알아내어, 본 발명을 완성하였다.

[수학식 1]

0.01≤[Ca]/[Al]≤0.50

[수학식 2]

0.08≤([CaO]+[CaS]/[Al₂O₃])≤1.80

본 발명의 강재에 있어서, 분산시키는 개재물은 상기 수학식 1 및 2를 만족해야 하지만, 이들의 요건을 규정한 이유는, 다음과 같다.

[[Ca]/[Al]: 0.01 내지 0.50; 상기 수학식 1의 관계]

Ca와 Al의 첨가비는, 개재물의 저융점화의 촉진과 용강의 저융점화의 억제, 또한 CaS에 의한 TiN의 정출을 억제하기 위해서 최적의 (CaO)와 (Al₂O₃)의 비를 얻기 위해서 제어해야 한다. 이들의 효과를 얻기 위해서는, [Ca]/[Al]을 0.01 내지 0.50의 범위 내로 제어해야 한다. [Ca]/[Al]의 값이 0.01 미만이면, 개재물이 충분히 저융점화하지 않고, 조대한 TiN이 정출하여, HAZ 인성을 열화시키게 된다. 한편, [Ca]/[Al]의 값이 0.50을 초과하면, 강재의 청정도를 저하시키는 데다가, Al 첨가량의 감소에 따라, TiO₂가 석출하기 때문에, HAZ 인성이 열화하게 된다. 한편, [Ca]/[Al]의 값의 바람직한 상한은 0.40이다.

[([CaO]+[CaS])/([Al₂O₃]): 0.08 내지 1.80; 상기 수학식 2의 관계]

강재 중에 포함되는 개재물(기본적으로 산화물계 개재물)을, CaO, CaS 및 Al₂O₃을 포함하는 복합 개재물로 하는 것에 의해, 개재물을 저융점화하는 한편으로, 용강의 융점의 저하를 억제하기 때문에 조대 TiN의 정출도 억제할 수 있다. 더하여, CaS의 석출에 의해서, Ca와 Al을 포함하는 복합 개재물로부터의, TiN의 생성 능력을 저감할 수 있기 때문에, 보다 조대한 TiN의 정출을 억제할 수 있다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는, 강재 중에 포함되는 크기가 2㎛ 이상의 개재물의 ([CaO]+[CaS])/([Al₂O₃])의 값을 0.08 내지 1.80의 범위 내로 제어해야 한다. ([CaO]+[CaS])/([Al₂O₃])의 값이 0.08 미만이면, 개재물이 충분히 저융점화하지 않는 데다가, CaS의 석출량도 억제되기 때문에, 조대한 TiN이 정출하여, HAZ 인성을 열화시키게 된다. 한편, ([CaO]+[CaS])/([Al₂O₃])의 값이 1.80을 초과하면, 강재의 청정도를 저하시킴과 더불어, Al 첨가량을 낮게 하지 않으면 안되어, TiO₂의 석출량이 증가하기 때문에, HAZ 인성이 열화하게 된다. 한편, ([CaO]+[CaS])/([Al₂O₃])의 값의 바람직한 하한은 0.10이며, 바람직한 상한은 1.1이다.

본 발명의 강재에 있어서는, 상기의 요건을 만족하는 개재물(복합 개재물)이 적절히 분산됨으로써, HAZ 인성이 양호하게 되는 것이지만, 상기 취지로부터 분명하듯이 그것에 응해서 TiN으로 대표되는 Ti 함유 개재물(예컨대, TiN 외에 TiO₂를 포함) 중에, 그 크기가 2㎛ 이상의 조대한 것은 될 수 있는 한 적은 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 본 발명의 강재에 있어서, 개재물의 형태로서, Ti를 10% 이상 함유하는 크기가 2㎛ 이상인 Ti 함유 개재물의 개수가, 크기가 2㎛ 이상인 모든 개재물의 개수의 7% 이하인 것이 바람직하다. 한편, 크기가 2㎛에 차지 않는 미세한 Ti 함유 개재물(특히, 0.5㎛ 이하의 것)에서는, 그 개수의 여하에 관계없이, HAZ 인성에 그다지 영향을 주지는 않는다.

상기와 같은 요건을 만족하는 개재물을 분산시키는 것에 의해, 강재의 HAZ 인성이 양호하게 되는 기구에 관해서는, 그 모두를 해명할 수 있는 것은 아니지만, 상기한 조대 TiN의 생성 기구도 고려하면, 하기와 같이 생각할 수 있다.

용강 중에 Al을 첨가하면, 알루미나(Al₂O₃)가 형성되는 것이지만, 이 때 동시에 Ca가 포함되어 있으면, 복합 개재물로 되어 융점이 저하되어, 액 상태로 되어 있다. 이 상태는, 철의 응고가 시작한 단계에서도 계속되게 된다. 이러한 상태이면, TiN이 석출하는 시기라도 정출할 수 있는 핵이 존재하지 않게 되어, TiN의 석출이 억제되게 된다. 그 후, TiN이 석출하더라도, 철이 응고하는 상태이기 때문에, TiN은 이제는 조대화하지 않게 된다.

또한, Al₂O₃와 CaO가 고체가 되어 석출하여(액상으로부터 나가서), 철의 액상에 S가 농화되게 된다. 이 때, 철의 액상에 S가 농화되어 가면, 철이 응고하기 어려운 상태로 된다. 이 상태는 TiN이 조대화를 촉진하는 것이지만, CaS가 존재함으로써(S가 CaS로 된다), S가 농화되지 않고서 TiN이 조대화되기 어렵게 된다고 생각된다.

또한, CaS는 TiN에 대하여 격자 정합성이 나쁜 것도 알려져 있고(예컨대, 「강중 개재물에 의한 조직과 재질 제어의 현상과 제어 메커니즘의 검토」 (사)일본철강협회 기초연구회 1995년 9월 발행), CaS가 TiN의 정출 사이트가 되기 어려운 것도, CaS의 존재에 의해서 TiN의 조대화가 억제되는 원인이 된다고 생각된다.

상기와 같은 개재물의 분산 상태를 실현하기 위해서는, 다음과 같은 순서에 따라 강재를 제조하면 된다. 우선, 용강 중의 Al 농도가 0.005 내지 0.08%가 되 도록 Al을 첨가하여 탈산한 후, 탈가스 장치(예컨대, RH 장치)로 탈가스를 10분 이상 실시한다. 그 후, 탈가스가 완료되기 5분 전까지 Ti를 첨가하고, 그 후 1분 이상 환류한다. 탈가스를 완료한 후 Ca를 첨가하여, 상기 크기가 2㎛ 이상인 각 개재물에 대하여, Al₂O₃, MnS, MnO, CaO, CaS의 합계한 질량(100%)에 차지하는 Al₂O₃, CaO 및 CaS의 질량%의 표준편차 σ가, 각각 σ(Al₂O₃)≤30질량%, σ(CaO)≤15질량% 및 σ(CaS)≤20질량%가 된 후 주조하도록 하면 된다. 여기서, σ(Al₂O₃)란, 하나의 강재 중의 다수의 개재물을 조사했을 때, 각 개재물에 있어서의 Al₂O₃함유 비율(개재물 중 Al₂O₃, MnS, MnO, CaO, CaS의 합계 질량에 대한 질량%)의 분포에 대한 표준편차를 뜻하고 있다. σ(CaO), σ(CaS)도 같은 의미이다. 각 개재물의 조성은, 후의 실시예의 설명 중의 [개재물의 조성 측정]에서 기술하는 방법으로 조사할 수 있다. 그와 같은 측정을 다수의 개재물에 대하여 행하여, 수득된 데이타로부터 표준편차를 구하면 된다.

최초에 첨가하는 Al은, 탈산력이 강하여, 용강 중의 산소와 결합하여, Al₂O₃를 형성한다. 다음으로 탈가스 장치에 의해 조대한 Al₂O₃ 등의 불순물을 부상(浮上) 분리한다. 탈가스를 완료하기 5분 전까지 Ti의 수율을 향상시키고, 그 후 1분 이상 환류함으로써, 용강 중에 Ti를 균일하게 분산시킨다.

탈가스를 완료한 후, Ca를 첨가하여, 용강 중에 CaO 및 CaS를 생성시킨 후, Al₂O₃, CaO 및 CaS의 질량%의 표준편차 σ가, 각각 σ(Al₂O₃)≤30질량%, σ(CaO)≤15질량% 및 σ(CaS)≤20질량%으로 하는 것에 따라, CaO와 CaS가 Al₂O₃와 균일하게 결합하여, 상기와 같은 (CaO+CaS)와 Al₂O₃가 양호한 균형을 갖는 [상기 수학식 2의 관계], Al₂O₃, CaO 및 Ca를 포함하는 복합 개재물이 형성된다.

한편, 본 발명의 강재를 제조하기에 즈음해서는, 용강의 단계에서 상기와 같은 조건으로 제조하는 것이 유용하지만, 열간 압연 공정에서도, 그 조건을 적절히 제어하는 것이 바람직하다. 즉, 강 소재(슬래브)를 열간 압연하는 것에 있어서, 그 가열 온도는 1000 내지 1250℃ 정도로 하는 것이 바람직하다. 이 온도가, 1000℃ 미만이면, 열간 압연 중에 온도 저하를 초래하여, 적정한 온도로 압연을 완료하기 어렵게 되는 데다가, 슬래브 중의 주조 결함을 압착시키는 것이 어렵게 된다. 한편, 이 가열 온도가 1250℃를 초과하면, 오스테나이트가 조대화하는 동시에, TiN도 조대화하기 때문에 HAZ 인성이 열화하게 된다.

상기의 온도 범위로 가열한 슬래브는, 다음으로 Ar₃ 변태점에서(Ar₃ 변태점 1100℃)의 온도역에 있어서, 누적 압하율이 30% 이상이 되도록 열간 압연을 실시하면 좋다. 열간 압연을, 상기와 같은 조건으로 실시하는 것에 따라, 강재의 결정 입경이 미세화되어 양호한 모재 인성을 확보하는 데에 있어서 유용하다. 상기의 조건으로 열간 압연을 완료한 후는, 강재(강판)의 표면 온도로 3℃/초 이상의 냉각 속도로 500℃ 이하까지 냉각을 실시한다. 압연 종료 온도의 상한은, 상기 가열 온도의 범위 내로 된다. 한편, 상기 Ar₃ 변태점이란, 하기 수학식 3으로 구해진 값이다.

단, [C], [Si], [Mn], [Ni], [Cu] 및 [Cr]은, 각각 C, Si, Mn, Ni, Cu 및 Cr의 함유량(질량%)을 나타내고, 합금 원소를 첨가하지 않는 경우는, 그 항이 없는 것으로 하여 계산한다.

다음으로 본 발명의 후강판(모재)에 있어서의 화학 성분 조성에 대하여 설명한다. 본 발명의 강재는, 개재물의 분산 상태가 적절하더라도, 강재의 화학 성분 조성이 적정 범위 내에 없으면, 모재의 특성과 HAZ를 양호하게 할 수 없다. 따라서, 본 발명의 강재에서는, 각각의 화학 성분의 양이, 이하에 기재하는 바와 같은 적정 범위 내에 있는 것도 필요하다. 한편, 이들 성분 중, 개재물을 형성하는 원소(예컨대, Al, Ca, Ti 등)의 함유량은, 그 작용 효과로부터 분명하듯이, 개재물을 구성하는 양을 포함한 것이다.

[C: 0.02 내지 0.15%]

C는, 강판(모재) 및 용접부(용접 금속)의 강도를 확보하기 위해서 뺄 수 없는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, C 함유량을 0.02% 이상으로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.03% 이상이다. 그러나, C 함유량이 지나치게 되면, HAZ 인성과 용접성을 열화시키기 때문에 0.15% 이하(바람직하게는 0.13% 이하)로 억제할 필요가 있다.

[Si: 0.03 내지 1.0%]

Si는, 탈산 작용을 가짐과 더불어, 모재 및 용접부의 강도 향상에 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Si는 0.03% 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는 0.05% 이상이다. 그러나 Si가 지나치게 함유되면, 용접성이나 모재의 인성이 열화되기 때문에, 1.0% 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는, 0.7% 이하이다.

[Mn: 1.0 내지 2.0%]

Mn은, 모재 및 용접부의 강도 향상에 유효한 원소이며, 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 1.0% 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는 1.2% 이상이다. 그러나 Mn 함유량이 지나치게 되면 HAZ 인성이나 용접성을 열화시키기 때문에, 2.0% 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 1.8% 이하이다.

[P: 0.02% 이하]

P는 강재 중에 불가피하게 포함되는 불순물 원소이며, 그 함유량이 0.02%를 초과하면 HAZ 인성의 열화가 현저하게 되기 때문에, 0.02% 이하로 억제해야 하고, 바람직하게는 0.015% 이하로 한다. 그러나, 공업적으로, 강중의 P를 0%로 하는 것은 곤란하다.

[S: 0.0002 내지 0.01%]

S는, CaS를 형성하여 조대 TiN의 생성을 억제하는 작용을 발휘한다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, S 함유량은 0.0002% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나 S 함유량이 지나치게 되면, 연신한 MnS를 다량으로 생성하여, HAZ 인성의 열화가 현저하게 되기 때문에, 0.01% 이하로 억제해야 하고, 바람직하게는 0.008% 이하로 한다.

[Al: 0.005 내지 0.08%]

Al은 강탈산소 원소이며, Al 함유량이 적으면 TiO₂가 다량으로 생성되기 때문에, 그 함유량은 0.005% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나 Al 함유량이 지나치게 되면 (CaO+CaS)과의 적절한 조성[상기 수학식 2]을 확보할 수 없기 때문에, 0.08% 이하로 억제할 필요가 있다. Al 함유량의 바람직한 상한은 0.06%이다.

[Ti: 0.003 내지 0.03%]

Ti는, 강재 중에서 TiN으로서 석출함으로써, 용접시의 HAZ에서의 오스테나이트립의 조대화를 방지하여, 페라이트 변태를 촉진하기 때문에, HAZ 인성을 향상시키는데 필요한 원소이다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Ti는 0.003% 이상 함유시킬 필요가 있고, 바람직하게는 0.005% 이상으로 한다. 그러나 Ti를 지나치게 함유시키면, 고용 Ti량이 증가, TiC의 석출이 생겨, 모재 및 HAZ의 인성을 열화시키기 때문에, 그 함유량은 0.03% 이하로 억제해야 한다. 바람직하게는 0.02% 이하로 하는 것이 좋다.

[Ca: 0.0003 내지 0.005%]

Ca는 본 발명의 강재에 있어서 가장 중요한 위치를 차지하는 원소이며, CaO·CaS로서 Al₂O₃과 함께, 복합 개재물을 형성함으로써, 개재물을 저융점화하는 것에 더하여, 고용 S를 감소시킴으로써 강의 저융점화를 억제하기 때문에, 개재물과 강의 융점을 접근시키는 효과가 있어, 조대한 TiN의 정출을 억제할 수 있다. 또한, CaS의 석출에 의해서, Ca와 Al를 포함하는 복합 개재물로부터의 TiN의 생성 능력을 저감할 수 있기 때문에, 조대한 TiN의 정출을 억제할 수 있다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는, Ca는 0.0003% 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는, 0.0005% 이상이다. 그러나 Ca 함유량이 지나치게 되면, 강재의 청정도를 저하시키는 데다가, 주조시에 노즐의 용융 손실이 생기기 때문에, 0.005% 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는, 0.004% 이하이다.

[N: 0.001 내지 0.01%]

N은, 강재 조직 중에 TiN으로서 석출하여, HAZ의 오스테나이트립의 조대화를 억제하고, 또한 페라이트 변태를 촉진하기 때문에, HAZ 인성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, N은 0.001% 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는, 0.003% 이상이다. 그러나 N의 함유량이 지나치게 되면, 고용 N량이 증대하여, 도리어 HAZ의 인성이 열화된다. 이러하기 때문에, N 함유량은 0.01% 이하로 억제할 필요가 있고, 바람직하게는 0.008% 이하로 한다.

[O: 0.004% 이하]

O는, 본 발명에 있어서 개재물을 구성하는 원소이며, 관리해야 한다. 0.004%를 넘는 지나친 O는 강재의 청정도를 저하시키고, 파괴의 기점이 되는 조대한 개재물을 많이 생성시켜, 모재 인성, HAZ 인성을 저하시킨다. 따라서 O는 0.004% 이하로 한다. 바람직하게는, 0.003% 이하이다. 한편, O 함유량은 적을 수록 바람직하기 때문에, 그 하한을 설정할 필요는 없지만, 공업적으로, O의 저감에는 한계가 있고, 통상 0.0005% 이상은 포함된다.

본 발명에서 규정하는 함유 원소는 상기와 같고, 잔부는 철 및 불가피적 불순물이며, 상기 불가피적 불순물로서, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라 반입되는 원소(예컨대, Co, Zn, Pb 등)의 혼입이 허용될 수 있다. 또한, 추가로 하기 원소를 적극적으로 함유시키는 것도 유효하며, 함유되는 성분의 종류에 따라 강판의 특성이 더욱 개선된다.

[B: 0.005% 이하, Nb: 0.06% 이하, V: 0.1% 이하, Cu: 1.5% 이하, Ni: 3.5% 이하, Cr: 1.5% 이하 및 Mo: 1.5% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소]

B, Nb, V, Cu, Ni, Cr 및 Mo는, 어느 것이나 강재의 강도를 향상시키는 데에 있어서 유용한 원소이며, 필요에 따라 1종 또는 2종 이상을 함유시키더라도 좋다. 이 중, B는 강재의 담금질성을 높여, 모재 및 용접부의 강도를 높이는 동시에, 용접시에 가열된 HAZ가 냉각하는 과정에서, N과 결합하여 BN을 석출하여, 오스테나이트립내에서 페라이트 변태를 촉진하기 때문에, HAZ 인성을 향상시킨다. 이러한 효과는, 그 함유량이 증가함에 따라서 증대하지만, 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.0002% 이상 함유시키는 것이 바람직하다(보다 바람직하게는 0.0005% 이상). 그러나, B 함유량이 지나치게 되면, 모재 및 HAZ의 인성이나 용접성이 열화하기 때문에, 0.005% 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.004% 이하로 하는 것이 좋다.

Nb는 강도와 모재 인성을 높이는 데 유용한 원소이며, 그 효과는 그 함유량이 증가함에 따라서 증대하지만, 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.005% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, Nb 함유량이 지나치게 되면, 모재 및 HAZ의 인성이 열화되기 때문에, 0.06% 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

V는 강도를 높이는 데 유용한 원소이며, 그 효과는 그 함유량이 증가함에 따라서 증대하지만, 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.005% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, V 함유량이 지나치게 되면, HAZ 인성 및 용접성이 열화되기 때문에, 0.1% 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

Cu는 강재의 담금질성을 높여 강도를 높이는 데 유효한 원소이다. 이러한 효과는, 그 함유량이 증가함에 따라서 증대하지만, 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.05% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, Cu 함유량이 지나치게 되면, 모재 및 HAZ의 인성이 열화하기 때문에, 1.5% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Ni는 강재 및 용접부의 강도와 인성을 높이는 데 유용한 원소이며, 그 효과는 그 함유량이 증가함에 따라서 증대하지만, 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.05% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, Ni 함유량이 지나치게 되면, 구조용 강재로서 매우 비싸게 되기 때문에, 경제성의 관점에서 3.5% 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

Cr는 강재의 강도를 높이는 데 유효한 원소이다. 이러한 효과는, 그 함유량이 증가함에 따라서 증대하지만, 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.01% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, Cr 함유량이 지나치게 되면, HAZ 인성이 열화되기 때문에, 1.5% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mo는 강재의 강도와 인성을 높이는 데 유효한 원소이다. 이러한 효과는, 그 함유량이 증가함에 따라서 증대하지만, 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.01% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, Mo 함유량이 지나치게 되면, HAZ 인성 및 용접성이 열화되기 때문에, 1.5% 이하로 하는 것이 바람직하다.

[Zr: 0.05% 이하, REM: 0.005% 이하 및 Mg: 0.005% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소]

Zr, REM(희토류 원소) 및 Mg은, HAZ 인성의 향상에 유효한 원소이며, 필요에 따라 1종 또는 2종 이상을 함유시키더라도 좋다. 이 중, Zr 및 REM은, 산화물을 형성하여 미세하게 분산됨으로써 HAZ 인성을 향상시킨다. 이러한 효과는, 그 함유량이 증가함에 따라서 증대하지만, 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 어느 것이나 0.001% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 이들의 함유량이 과잉이 되면, (CaO+CaS)/(Al₂O₃)의 최적 균형을 유지할 수 없게 되어 HAZ 인성이 열화되게 된다. 이러하기 때문에, Zr로 0.05% 이하, REM으로 0.005% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 본 발명에 있어서, REM(희토류 원소)란, 란타노이드 원소(La에서 Ln까지의 15원소) 및 Sc(스칸듐)과 Y(이트륨)을 포함하는 의미이다.

Mg는, 결정립의 미세화를 통하여 HAZ 인성을 향상시킨다. 이러한 효과는, Mg 함유량이 증가함에 따라서 증대하지만, 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.001% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, Mg를 지나치게 함유시키더라도 그 효과가 포화하기 때문에, 0.005% 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 강재는, 기본적으로 후강판의 소재를 상정한 것이지만, 후강판이란, JIS에서 정의되는 바와 같이, 일반적으로 판두께가 3.0mm 이상인 것을 가리킨다. 본 발명의 강재는, 판두께가 30mm 이상이 되는 후강판에 대하여, 입열량이 400kJ/cm을 넘는 대입열 용접을 행하더라도 양호한 HAZ 인성을 나타내는 것이기 때문에, 이러한 두께가 있는 강판에 적용하는 것은 바람직한 태양이지만, 강판의 두께는 30mm 이상의 것에 한정되지 않고, 그 미만이 되는 강판에의 적용을 배제하는 것이 아니다.

이렇게 하여 얻어지는 후강판은, 예컨대 교량이나 고층 건조물, 선박 등의 구조물의 재료로서 사용할 수 있고, 소∼중입열 용접은 물론 대입열 용접에 있어서도, 용접 열영향부의 인성 열화를 막을 수 있다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것이 아니라, 전·후기의 취지에 적합할 수 있는 범위로 적당히 변경하여 실시하는 것도 가능하고, 그들은 어느 것이나 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

하기 표 1, 2에 나타내는 화학 성분 조성의 용강을 연속 주조기로 슬래브로 한 후, 이 슬래브를 1000 내지 1250℃로 가열하여, Ar₃ 변태점 내지 (Ar₃ 변태점+100℃)의 온도역에 있어서, 누적 압하율이 30% 이상이 되도록 열간 압연을 실시하여, 판두께가 50mm인 강판을 수득했다. 한편, 표 1, 2에 있어서, REM은 La를 30% 정도와 Ce를 50% 정도 함유하는 미쉬 메탈(Misch metal)의 형태로 첨가했다. 또한 표 1중 「-」은 원소를 첨가하지 않고 있는 것을 나타내고 있다.

[개재물의 조성 측정]

상기와 같이 하여 수득된 각 강판에 대하여, 그 단면(압연 방향에서 표면에 수직한 단면)을 시마즈제작소제 「EPMA-8705」로 관찰하여, 상기한 바와 같이 하여 정의되는 크기가 2㎛ 이상의 개재물에 대하여, 성분 조성을 정량 분석했다. 이 때의 관찰 조건은, 관찰 배율: 100 내지 400배, 관찰 시야: 10 내지 70mm²로 하여, 특성 X선의 파장 분산 분광에 의해 개재물 중앙부에서의 성분 조성을 정량 분석했다.

이 때의 분석 대상 원소는, Al, Mn, Si, Mg, Ca, Ti, Zr, Ni, Cu, V, S, Cr, REM으로 하여, 기지 물질을 이용하여, 각 원소의 X선 교조(敎祖)와 원소 농도의 관계를 미리 검량선으로서 구해 두고, 다음으로 상기 개재물로부터 수득된 X선 강도와 상기 검량선으로부터 각 개재물의 원소 농도를 정량했다. 이들의 측정치에 따라서, 하기의 기준에 따라서 CaS, CaO 및 Al₂O₃의 함유량을 측정함과 함께, [Ca]/[Al],([CaO]+[CaS])/([Al₂O₃])의 값을 구했다(측정 방법은 상기함). 또한, Ti를 10% 이상 함유하는 개재물을 Ti 함유 개재물로서 정의하여, 그 크기가 2㎛ 이상의 개재물을 대상으로 전 개재물 개수(EPMA에 의해서 측정)에서 차지하는 Ti 함유개재물의 비율(%)을 산출했다.

(1) CaS 함유량의 산출: 검출된 S는 Mn과 우선적으로 결합하여, MnS를 형성하는 것으로 하고, Mn에 대하여 과잉의 S가 CaS를 형성하는 것으로 했다.

(2) CaO 함유량의 산출: 검출된 Ca 중, CaS 이외의 Ca는 CaO로서 존재하는 것으로 했다.

(3) Al₂O₃함유량의 산출: 검출된 Al는, 모두 Al₂O₃로서 존재하는 것으로 했다.

[HAZ 인성의 평가]

용접시에 열영향을 받는 HAZ의 인성을 평가하기 위해서, 각 강판에 대하여 용접 입열량이 1000kJ/cm 또는 600kJ/cm의 대입열 용접을 모의(模擬)하여, 하기에 나타내는 용접 재현 시험을 실시했다.

(1) 용접 입열량 1000kJ/cm: 슬래브로부터 잘라낸 샘플 전체가 1400℃가 되도록 가열한 후, 30초 유지하여 냉각했다. 이 때의 냉각 속도는 800 내지 500℃에서의 냉각 시간이 730초가 되도록 조정했다.

(2) 용접 입열량 600kJ/cm: 슬래브로부터 잘라낸 샘플 전체가 1400℃가 되도록 가열한 후, 60초 유지하여 냉각했다. 이 때의 냉각 속도는 800 내지 500℃에서의 냉각 시간이 500초가 되도록 조정했다.

냉각 후의 샘플로부터, HAZ의 위치의 판표면에 수직하게 절결(切缺)을 넣은 JIS Z2202의 V노치 시험편을 채취하여, JIS Z2242의 요령으로 샤르피 충격 시험을 행하여, 파면 천이 온도 vTrs를 측정했다(1회의 측정치). 그리고, 파면 천이 온도 vTrs가 0℃ 이하인 것을, HAZ 인성이 양호하다고 평가했다.

이들의 결과를, 일괄해서 하기 표 3, 4에 나타낸다. 또한 이들의 결과에 따라서, ([CaO]+[CaS])/([Al₂O₃])와 파면 천이 온도 vTrs와의 관계를 도 1에, Ti 함유개재물의 비율과 파면 천이 온도 vTrs의 관계를 도 2에 나타낸다.

이들의 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다(한편, 하기 No.는, 표 1 내지 4의 강 No.를 나타낸다). No. 1 내지 34는, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하는 예이며, 화학 성분 조성, 개재물의 분산이 적절히 이루어져 있고, 양호한 HAZ 인성이 얻어지고 있음을 알 수 있다. 이에 대하여, No. 35 내지 50은, 본 발명에서 규정하는 어느 것인가의 요건을 벗어나는 예이며, HAZ 인성이 열화하고 있음을 알 수 있다.

양호한 HAZ 인성이 수득된 강판(No. 2, 3, 26)과, HAZ 인성이 열화된 강판(No. 47)에 대하여, 주조 전(前) 개재물 중의 각 성분(Al₂O₃, MnS, MnO, CaS, CaO)의 표준편차 σ에 대하여 조사했다. 그 결과를 하기 표 5에 나타내지만, 양호한 HAZ 인성을 나타낸 것으로서는, 주조 전 개재물 중의 각 성분이 소정의 범위 내에 있어[σ(Al₂O₃)≤30질량%, σ(CaO)≤15질량%, σ(CaS)≤20질량%], CaO와 CaS가 Al₂O₃와 균일하게 결합하고 있음을 확인할 수 있었다. 이에 대하여, HAZ 인성이 열화된 것에서는, 상기의 범위를 벗어나고 있음을 알 수 있다.

양호한 HAZ 인성이 수득된 강판(No. 2, 3, 11, 13)과, HAZ 인성이 열화된 강판(No. 35, 36)에 대하여, 크기가 0.5㎛ 이하인 TiN에서의 개수 밀도에 대하여 조사했다. 그 결과를 하기 표 6에 나타내지만, 미세한 TiN의 개수 밀도는 HAZ 인성에 그다지 영향을 주지 않음을 알 수 있다.

상기의 각 강판 중에서, 그 대표적인 것에 대하여, 개재물의 형태를 나타낸다. 도 3은, No. 25의 강판 중의 개재물의 형태를 나타낸 것이다[도 3(a)는 도면 대용 현미경 사진, 도 3(b)는 개재물의 형태를 모식적으로 나타낸 설명도]. 도 3(a)의 참조부호 1로 나타낸 부분은, CaO: 36%, CaS: 29%, Al₂O₃: 63%, SiO₂: 1%의 부분, 참조부호 2로 나타낸 부분은, CaO: 24%, CaS: 6%, MgO: 2%, Al₂O₃: 68%의 부분이다.

도 4는, No. 27의 강판 중의 개재물의 형태를 나타낸 것이다[도 4(a)는 도면 대용 현미경 사진, 도 4(b)는 개재물의 형태를 모식적으로 나타낸 설명도]. 도 4(a)의 참조부호 1로 나타낸 부분은, MnO: 2%, CaS: 76%, CaO: 19%, Al₂O₃: 3%의 부분, 참조부호 2로 나타낸 부분은, CaO: 38%, CaS: 4%, Al₂O₃: 57%의 부분, 참조부호 3으로 나타낸 부분은, MnO: 1%, CaO: 23%, CaS: 18%, Al₂O₃: 20%, TiO₂: 38%의 부분이다.

도 5는, No. 35의 강판 중의 개재물의 형태를 나타낸 것이다[도 5(a)는 도면 대용 현미경 사진, 도 5(b)는 개재물의 형태를 모식적으로 나타낸 설명도]. 도 5(a)의 참조부호 1로 나타낸 부분은, TiN: 100%의 부분, 참조부호 2로 나타낸 부분은, MgO: 13%, Al₂O₃: 85%, TiN: 1%의 부분이다.

도 6은, No. 37의 강판 중의 개재물의 형태를 나타낸 것이다[도 6(a)는 도면 대용 현미경 사진, 도 6(b)는 개재물의 형태를 모식적으로 나타낸 설명도]. 도 6(a)의 참조부호 1로 나타낸 부분은, MnO: 10%, CaO: 46%, CaS: 2%, MgO: 2%, Al₂O₃: 26%, SiO₂: 11%, TiO₂: 2%의 부분, 참조부호 2로 나타낸 부분은, MnO: 4%, CaO: 13%, MgO: 1%, Al₂O₃: 7%, SiO₂: 4%, TiO₂: 71%의 부분이다.

Claims

C: 0.02 내지 0.15%(「질량%」의 의미, 화학 성분에 관해서는 이하같음), Si: 0.03 내지 1.0%, Mn: 1.0 내지 2.0%, P: 0.02% 이하, S: 0.0002 내지 0.01%, Al: 0.005 내지 0.08%, Ti: 0.003 내지 0.03%, Ca: 0.0003 내지 0.005%, N: 0.001 내지 0.01% 및 O: 0.004% 이하를 각각 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지며,
또한 현미경 관찰했을 때의 개재물의 최대 투영 길이에 수직 방향으로 가장 폭이 큰 길이를 개재물의 크기로 했을 때에, 그 크기가 2㎛ 이상인 개재물이 분산된 것임과 더불어, 상기 개재물은 하기 수학식 1 및 2의 관계를 만족하는 강재.
[수학식 1]
0.01≤[Ca]/[Al]≤0.50
[수학식 2]
0.08≤([CaO]+[CaS])/([Al₂O₃])≤1.80
단, [Ca], [Al], [CaO], [CaS] 및 [Al₂O₃]은, 각각 개재물 중의 Ca, Al, CaO, CaS 및 Al₂O₃의 함유량(질량%)을 나타낸다.
제 1 항에 있어서,
Ti를 10% 이상 함유하는 Ti 함유 개재물로서, 상기 크기가 2㎛ 이상인 것의 개수가, 상기 크기가 2㎛ 이상인 모든 개재물의 개수의 7% 이하인 강재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
추가로, B: 0.005% 이하, Nb: 0.06% 이하, V: 0.1% 이하, Cu: 1.5% 이하, Ni: 3.5% 이하, Cr: 1.5% 이하 및 Mo: 1.5% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 포함하는 강재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
추가로, Zr: 0.05% 이하, REM: 0.005% 이하 및 Mg: 0.005% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 포함하는 강재.