KR20100105790A

KR20100105790A - 저온 인성이 우수한 고강도 강판 및 강관 및 그들의 제조 방법

Info

Publication number: KR20100105790A
Application number: KR1020107019073A
Authority: KR
Inventors: 다이시 후지시로; 신야 사까모또; 다꾸야 하라; 히또시 아사히
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2009-04-07
Publication date: 2010-09-29
Also published as: JP4358900B1; JP2009270197A; EP2264205A1; US8110292B2; US20110023991A1; CN101965414B; BRPI0911117A2; EP2264205A4; KR101252920B1; CN101965414A; WO2009125863A1; EP2264205B1

Abstract

본 발명은 저온 인성이 우수한 고강도 강판, 이것을 모재로 하는 고강도 강관 및 그들의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 강판은 Mo : 0.05 내지 1.00％, B : 0.0003 내지 0.0100％를 함유하고, Ceq가 0.30 내지 0.53이고, Pcm이 0.10 내지 0.20이고, 폴리고널 페라이트의 면적률이 20 내지 90％이고, 잔량부가, 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽 또는 양쪽으로 이루어지는 경질상인 금속 조직을 갖는다. 상기 강판을 얻기 위해, 개시 온도가 Ar₃＋60℃ 이하, 종료 온도가 Ar₃ 이상, 압하비가 1.5 이상인 변형 도입 압연을 행하고, 그 후, 공냉하여 Ar₃－100℃ 내지 Ar₃－10℃의 온도로부터 10℃/s 이상으로 가속 냉각한다.

Description

저온 인성이 우수한 고강도 강판 및 강관 및 그들의 제조 방법 {HIGH-STRENGTH STEEL PLATE EXCELLENT IN LOW-TEMPERATURE TOUGHNESS, STEEL PIPE, AND PROCESSES FOR PRODUCTION OF BOTH}

본 발명은, 특히 원유 및 천연 가스 수송용 라인 파이프에 적합한, 저온 인성이 우수한 고강도 강판 및 강관에 관한 것이다.

최근, 원유 및 천연 가스의 수송 효율 향상을 위해, 파이프 라인의 내압의 고압화가 검토되고 있다. 이에 수반하여, 라인 파이프용 강관의 고강도화가 요구되고 있다. 또한, 고강도 라인 파이프용 강관에는 인성, 변형 성능, 내어레스트성 등도 요구된다. 그로 인해, 베이나이트, 마르텐사이트를 주체로 하여, 미세한 페라이트를 생성시킨 강판 및 강관이 제안되어 있다.

예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제2003－293078호 공보, 일본 특허 출원 공개 제2003－306749호 공보 및 일본 특허 출원 공개 제2005－146407호 공보 참조. 그러나, 이들은 미국 석유 협회(API) 규격 X100(인장 강도 760㎫ 이상) 이상의 고강도 강관이다.

한편, 간선 파이프 라인의 소재로서 실용화되고 있는, API 규격 X70(인장 강도 570㎫ 이상)이나, API 규격 X80(인장 강도 625㎫ 이상)의 고강도 강관의 고성능화도 요구되고 있다. 이에 대해서는, 베이나이트 중에 미세한 페라이트를 생성시킨 모재를 갖는 강관의 용접 열 영향부(HAZ)를 가열 처리하여, 변형 성능과 저온 인성을 높이는 방법이 제안되어 있다. 예를 들어, 일본 특허 출원 공개 제2004－131799호 공보 참조.

이와 같이, 강도와 인성을 양립시킨 베이나이트, 마르텐사이트를 주체로 하는 강판 및 강관을 기초로, 페라이트를 생성시켜, 변형 성능 등의 특성을 더욱 향상시키는 방법이 제안되어 있다. 그러나, 최근에는 저온 인성에 대한 요구가 점점 높아져, ―60℃ 이하 등의 극저온에서의 모재 인성이 요구되고 있다. 또한, 모재뿐만 아니라, HAZ의 저온 인성도 매우 중요하다.

HAZ 인성의 향상을 위해서는, 탄소당량(Ceq) 및 균열 감수성 지수(Pcm)를 제어하고, 또한 B 및 Mo를 첨가하여, 켄칭성을 높여, 베이나이트를 주체로 하는 미세한 금속 조직으로 하는 것이 유효하다. 그러나, 한편으로는, 모재에 페라이트를 생성시키는 것이 곤란해진다. 특히, B와 Mo를 복합 첨가하여 켄칭성을 높이면, 페라이트의 변태가 일어나기 어려워진다. 특히, 열간 압연의 종료 직후에 공냉하여, 폴리고널 페라이트를 생성시키는 것은 극히 곤란했다.

본 발명은 이와 같은 실정을 감안하여, 탄소당량(Ceq) 및 균열 감수성 지수(Pcm)를 제어하고, 또한 B 및 Mo의 첨가에 의해 켄칭성을 높인 고강도 강판에 폴리고널 페라이트를 생성시키는 것이다. 본 발명은, 특히 모재의 저온 인성을 개선하고, 또한 이 고강도 강판을 모재로 하는 고강도 강관 및 그들의 제조 방법의 제공을 과제로 하는 것이다.

또한, 본 발명에서는 압연 방향으로 연신되어 있지 않은, 어스펙트비가 4 이하인 페라이트를 폴리고널 페라이트라고 한다. 여기서, 어스펙트비는 페라이트 입자의 길이를 폭으로 나눈 값이다.

종래, B 및 Mo를 동시에 첨가하여, 켄칭성의 지표(Ceq) 및 용접성의 지표인 균열 감수성 지수(Pcm)를 최적의 범위로 제어하여, HAZ 인성을 향상시킨 고강도 강판의 금속 조직에 폴리고널 페라이트를 생성시키는 것은 곤란했다. 본 발명은 켄칭성이 높은 성분 조성을 갖는 강판의 금속 조직을, 열간 압연의 조건의 최적화에 의해, 폴리고널 페라이트와 경질상의 복상 조직으로 한 것이다. 본 발명의 요지는 이하와 같다.

(1) 질량％로, C : 0.010 내지 0.08％, Si : 0.01 내지 0.50％, Mn : 0.5 내지 2.0％, S : 0.0001 내지 0.005％, Ti : 0.003 내지 0.030％, Mo : 0.05 내지 1.00％, B : 0.0003 내지 0.010％, O : 0.0001 내지 0.008％를 포함하고, P : 0.050％ 이하, Al : 0.020％ 이하로 제한하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고, 하기 수학식 1에 의해 구해지는 Ceq가 0.30 내지 0.53이고, 하기 수학식 2에 의해 구해지는 Pcm이 0.10 내지 0.20이고, 금속 조직의 폴리고널 페라이트의 면적률이 20 내지 90％이고, 잔량부가 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽 또는 양쪽으로 이루어지는 경질상인 것을 특징으로 하는 저온 인성이 우수한 고강도 강판.

[수학식 1]

[수학식 2]

여기서, C, Si, Mn, Ni, Cu, Cr, Mo, V 및 B는 각 원소의 함유량[질량％]이다.

(2) 질량％로, Cu : 0.05 내지 1.5％, Ni : 0.05 내지 5.0％의 한쪽 또는 양쪽을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 저온 인성이 우수한 고강도 강판.

(3) 질량％로, Cr : 0.02 내지 1.50％, W : 0.01 내지 0.50％, V : 0.01 내지 0.10％, Nb : 0.001 내지 0.20％, Zr : 0.0001 내지 0.050％, Ta : 0.0001 내지 0.050％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 저온 인성이 우수한 고강도 강판.

(4) 질량％로, Mg : 0.0001 내지 0.010％, Ca : 0.0001 내지 0.005％, REM : 0.0001 내지 0.005％, Y : 0.0001 내지 0.005％, Hf : 0.0001 내지 0.005％, Re : 0.0001 내지 0.005％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 고강도 강판.

(5) 금속 조직의 폴리고널 페라이트의 면적률이 20 내지 80％인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 고강도 강판.

(6) 모재가 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 강판인 것을 특징으로 하는 저온 인성이 우수한 고강도 강관.

(7) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 성분으로 이루어지는 강편을, 950℃ 이상으로 재가열하여, 열간 압연을 행하고, 상기 열간 압연의 최종 공정으로서, 개시 온도가 Ar₃＋60℃ 이하, 종료 온도가 Ar₃ 이상, 압하비가 1.5 이상인 변형 도입 압연을 행하고, 그 후, 공냉하여, Ar₃－100℃ 내지 Ar₃－10℃의 온도로부터, 10℃/s 이상의 냉각 속도로, 하기 수학식 3에 의해 구해지는 Bs 이하의 온도까지 가속 냉각하는 것을 특징으로 하는 저온 인성이 우수한 고강도 강판의 제조 방법.

[수학식 3]

여기서, C, Mn, Ni, Cr 및 Mo는 각 원소의 함유량[질량％]이다.

(8) 상기 (7)에 기재된 방법으로 제조한 강판을, UO 공정에서 관 형상으로 성형하여, 맞댐부를 내외면으로부터 서브머지드 아크 용접하고, 그 후, 관 확대하는 것을 특징으로 하는 저온 인성이 우수한 고강도 강관의 제조 방법.

도 1은 열간 가공 온도와 폴리고널 페라이트 면적률의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는 수냉 개시 온도와 폴리고널 페라이트 면적률의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 폴리고널 페라이트 면적률과 인성 및 강도의 관계를 나타내는 도면이다.

고강도 강판의 인성의 향상, 특히 ―40℃, 또는 ―60℃라고 하는 극저온에서의 인성의 확보에는 결정립의 미세화가 필요하다. 그러나, 베이나이트, 마르텐사이트로 이루어지는 금속 조직을, 압연에 의해 미세화하는 것은 곤란하다. 또한, 연질인 페라이트를 생성시키면 인성은 향상된다. 그러나, 오스테나이트와 페라이트가 공존하는 온도 영역에서 열간 압연을 행하여, 가공 페라이트를 생성시키면, 인성이 저하되는 것을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명자들은 열간 압연의 종료 후, 고온에서의 냉각 시에 폴리고널 페라이트를 생성시켜, 고강도 강판의 저온 인성을 향상시키는 방법을 지향하였다. 그러나, HAZ의 강도 및 인성을 확보하기 위해 켄칭성을 높인 고강도 강판에서는, 폴리고널 페라이트를 생성시키는 것은 어렵다.

폴리고널 페라이트를 생성시키기 위해서는, 강판을 열간 압연한 직후, 즉 공냉 전에, 미재결정의 오스테나이트의 전위 밀도를 높여 두는 것이 유효하다. 본 발명자들은, 우선 금속 조직이 오스테나이트이고, 재결정하지 않은 온도 영역, 즉 미재결정 γ영역에서의 압연의 조건에 대해 검토를 행하였다.

질량％로, C : 0.01 내지 0.08％, Si : 0.01 내지 0.50％, Mn : 0.5 내지 2.0％, S : 0.0001 내지 0.005％, Ti : 0.003 내지 0.030％, O : 0.0001 내지 0.008％를 포함하고, P : 0.050％ 이하, Al : 0.020％ 이하로 제한하고, Mo의 함유량을 0.05 내지 1.00％, B의 함유량을 0.0003 내지 0.010％로 하고, 켄칭성의 지표인 탄소당량(Ceq)을 0.30 내지 0.53 및 용접성의 지표인 균열 감수성 지수(Pcm)를 0.10 내지 0.20으로 한 강을 용제하고, 주조하여 강편을 제조하였다.

다음에, 얻어진 강편으로부터 높이 12㎜, 직경 8㎜의 시험편을 잘라내어, 열간 압연을 모의한 가공 열처리를 실시하였다. 가공 열처리로서, 압하비를 1.5로 하는 1회의 가공을 실시하여, 공냉에 상당하는 0.2℃/s로 냉각하고, 또한 수냉에 상당하는 15℃/s로 가속 냉각하였다. 또한, 가공 페라이트의 생성을 피하기 위해, 가공 온도는 냉각 시의 변태 온도 Ar₃ 이상의 온도로 하였다. 냉각 시의 변태 온도 Ar₃은 열팽창 곡선으로부터 구하였다. 가공 열처리 후, 시험편의 폴리고널 페라이트의 면적률을 측정하였다. 또한, 압연 방향으로 연신되어 있지 않은, 어스펙트비가 1 내지 4인 페라이트를 폴리고널 페라이트로 하였다.

수냉에 상당하는 15℃/s에서의 가속 냉각을 개시하는 온도는, Ar₃－90℃, Ar₃－70℃, Ar₃－40℃로 하고, 가공을 가하는 온도(가공 온도)를 변화시켜, 폴리고널 페라이트가 생성되는 조건을 검토하였다. 결과를, 도 1에 나타낸다. 도 1은 폴리고널 페라이트의 면적률을 가공 온도와 Ar₃의 차에 대해 플롯한 것으로, 「○」, 「□」, 「△」는 가속 냉각의 개시 온도를, 각각, Ar₃－90℃, Ar₃－70℃, Ar₃－40℃로 한 결과이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 열간 가공의 가공 온도를 Ar₃＋60℃ 이하로 하면, 면적률 20％ 이상의 폴리고널 페라이트가 생성되는 것을 알 수 있었다.

또한, 열간 압연기를 사용하여, 가속 냉각 개시 온도와 폴리고널 페라이트의 면적률의 관계 및 폴리고널 페라이트의 면적률과 인성의 관계에 대해 검토를 행하였다. 열간 압연은 재가열 온도를 1050℃로 하고, 패스 횟수를 20 내지 33회로 하고, Ar₃ 이상에서 압연을 종료하여, 공냉한 후, 가속 냉각으로서 수냉을 행하였다.

또한, 열간 압연의 최종 공정, 즉, Ar₃＋60℃ 이하로부터 종료까지의 압연을 변형 도입 압연이라고 한다. Ar₃＋60℃ 이하로부터 종료까지의 압하비, 즉 변형 도입 압연의 압하비를 1.5 이상으로 하여, 공냉한 후, 다양한 온도로부터 수냉(가속 냉각)을 개시하였다. 변형 도입 압연의 패스 횟수는 4 내지 20회로 하였다.

얻어진 강판의 폴리고널 페라이트의 면적률을 광학 현미경을 사용하여 측정하여, 인장 시험과 낙중 시험(Drop Weight Tear Test, DWTT라고 함)을 행하였다. 인장 특성은 API 규격의 시험편을 사용하여 평가하였다. DWTT는 ―60℃에서 행하여, 균열의 연성 파면율(Shear Area, SA라고 함)을 구하였다.

가속 냉각의 개시 온도와, 폴리고널 페라이트의 면적률의 관계를, 도 2에 나타낸다. 도 2로부터, 열간 압연 후의 가속 냉각의 개시 온도를 Ar₃－100℃ 내지 Ar₃－10℃로 하면, 강판의 폴리고널 페라이트의 면적률이 20 내지 90％로 되는 것을 알 수 있었다. 즉, 열간 압연의 종료 후, Ar₃ 이상의 온도로부터, Ar₃－100℃ 내지 Ar₃－10℃의 범위 내의 온도까지 공냉하면, 면적률 20 내지 90％의 폴리고널 페라이트를 생성시킬 수 있다.

또한, 폴리고널 페라이트의 면적률과, 인장 강도 및 ―60℃에서의 연성 파면율(SA)의 관계를 도 3에 나타낸다. 도 3으로부터, 폴리고널 페라이트의 면적률을 20％ 이상으로 하면, 극히 양호한 저온 인성이 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 도 3으로부터, X70에 상당하는 570㎫ 이상의 인장 강도를 확보하기 위해서는 폴리고널 페라이트의 면적률을 90％ 이하로 하는 것이 필요한 것을 알 수 있다. 또한, 도 3에 도시한 바와 같이, X80에 상당하는 625㎫ 이상의 인장 강도를 확보하기 위해서는, 폴리고널 페라이트의 면적률을 80％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명자들은, 폴리고널 페라이트를 확보하기 위해서는, 열간 압연을 행할 때에, 미재결정 영역에서의 압연에 의한 변형의 도입이 중요한 것을 발견하였다. 본 발명자들은 한층 상세한 검토를 행하여, 이하의 지식을 얻어 본 발명을 완성시켰다.

열간 압연에서는 Ar₃＋60℃ 이하에서의 압하비의 확보가 중요하다. 그로 인해, 열간 압연의 최종 공정으로서, 변형 도입 압연을 행하는 것이 필요하다. 변형 도입 압연은 열간 압연에 있어서의, Ar₃＋60℃ 이하, 압연 종료까지의 패스로, 적어도 1 패스는 필요하고, 복수의 패스로 해도 좋다. 열간 압연 후의 공냉에 의해 폴리고널 페라이트를 생성시키기 위해, 변형 도입 압연의 압하비는 1.5 이상으로 한다. 또한, 변형 도입 압연의 압하비는 Ar₃＋60℃의 판 두께와 압연 종료 후의 판 두께의 비이다.

압연 후, 공냉하여 폴리고널 페라이트를 생성시킨 후, 베이나이트 변태에 의한 강도의 향상을 위해, 10℃/s 이상의 냉각 속도로 가속 냉각한다. 또한, 강도를 확보하기 위해, 가속 냉각은 베이나이트 생성 온도(Bs) 이하로 정지시키는 것이 필요하다.

이하, 본 발명의 강판에 대해 상세하게 설명한다. 또한, ％는 질량％를 의미한다.

C : 0.01 내지 0.08％

C는 강의 강도를 향상시키는 원소로, 금속 조직에 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽 또는 양쪽으로 이루어지는 경질상을 생성시키므로, 0.01％ 이상의 첨가가 필요하다. 또한, 본 발명에서는 고강도와 고인성을 양립시키기 위해, C의 함유량을 0.08％ 이하로 한다.

Si : 0.01 내지 0.50％

Si는 탈산 원소로, 효과를 얻기 위해 0.01％ 이상의 첨가가 필요하다. 한편, 0.50％ 초과의 Si를 함유시키면, HAZ의 인성이 열화되므로, 상한을 0.50％로 한다.

Mn : 0.5 내지 2.0％

Mn은 켄칭성을 높이는 원소로, 강도 및 인성의 확보를 위해, 0.5％ 이상의 첨가가 필요하다. 한편, Mn의 함유량이 2.0％를 초과하면, HAZ의 인성을 손상시킨다. 따라서, Mn의 함유량을 0.50 내지 2.0％로 한다.

P : 0.050％ 이하

P는 불순물로, 0.050％ 초과를 함유하면, 모재의 인성이 현저하게 저하된다. HAZ의 인성을 향상시키기 위해서는, P의 함유량을 0.02％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

S : 0.0001 내지 0.005％

S는 불순물로, 0.005％ 초과를 함유하면 조대한 황화물을 생성하여, 인성을 저하시킨다. 또한, 강판에 Ti의 산화물을 미세하게 분산시키면, MnS가 석출되어 입자 내 변태가 발생하여, 강판 및 HAZ의 인성이 향상된다. 이 효과를 얻기 위해서는, S를 0.0001％ 이상 함유시키는 것이 필요하다. 또한, HAZ의 인성을 향상시키기 위해서는, S량의 상한을 0.003％로 하는 것이 바람직하다.

Al : 0.020％ 이하

Al은 탈산제이지만, 개재물의 생성을 억제하여 강판 및 HAZ의 인성을 높이기 위해서는, 상한을 0.020％로 하는 것이 필요하다. Al의 함유량을 제한함으로써, 입자 내 변태에 기여하는 Ti의 산화물을 미세하게 분산시킬 수 있다. 입자 내 변태의 생성을 촉진시키기 위해서는, Al량을 0.010％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직한 상한은 0.008％이다.

Ti : 0.003 내지 0.030％

Ti는 강판 및 HAZ의 입경의 미세화에 기여하는 Ti의 질화물을 생성하는 원소로, 0.003％ 이상의 첨가가 필요하다. 한편, Ti를 과잉으로 함유시키면 조대한 개재물이 발생하여 인성을 손상시키므로, 상한을 0.030％로 한다. 또한, Ti의 산화물은 미세하게 분산시키면, 입자 내 변태의 생성핵으로서 유효하게 작용한다.

Ti를 첨가할 때의 산소량이 많으면, 조대한 Ti의 산화물을 생성하므로, 제강 시에는, Si, Mn에 의해 탈산을 행하여, 산소량을 저하시켜 두는 것이 바람직하다. 이 경우, Al의 산화물은 Ti의 산화물보다도 생성되기 쉬우므로, 과잉의 Al의 함유는 바람직하지 않다.

B : 0.0003 내지 0.010％

B는 켄칭성을 현저하게 높이고, 또한 HAZ에서의 조대한 입계 페라이트의 생성을 억제하는 중요한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, B를 0.0003％ 이상 첨가하는 것이 필요하다. 한편, B를 과잉으로 첨가하면 조대한 BN이 발생하여, 특히 HAZ의 인성을 저하시키기 때문에, B량의 상한을 0.010％로 한다.

Mo : 0.05 내지 1.00％

Mo는, 특히 B와의 복합 첨가에 의해, 켄칭성을 현저하게 높이는 원소로, 강도 및 인성의 향상을 위해 0.05％ 이상을 첨가한다. 한편, Mo는 고가의 원소로, 첨가량의 상한을 1.00％로 하는 것이 필요하다.

O : 0.0001 내지 0.008％

O는 불순물로, 개재물의 생성에 의한 인성의 저하를 피하기 위해, 함유량의 상한을 0.008％로 하는 것이 필요하다. 입자 내 변태에 기여하는 Ti의 산화물을 생성시키기 위해서는, 주조 시에 강 중에 잔존하는 0량을 0.0001％ 이상으로 한다.

또한, 강도 및 인성을 향상시키는 원소로서, Cu, Ni, Cr, W, V, Nb, Zr 및 Ta 중, 1종 또는 2종 이상을 첨가해도 좋다. 또한, 이들 원소는 함유량이 바람직한 하한 미만인 경우에는, 특히 악영향을 미치는 경우는 없으므로, 불순물이라고 간주할 수 있다.

Cu 및 Ni는 인성을 손상시키지 않고 강도를 상승시키는 유효한 원소로, 효과를 얻기 위해서는, Cu량 및 Ni량의 하한을 0.05％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Cu량의 상한은 강편의 가열 시 및 용접 시의 균열의 발생을 억제하기 위해, 1.5％로 하는 것이 바람직하다. Ni는 과잉으로 함유시키면 용접성을 손상시키므로, 상한을 5.0％로 하는 것이 바람직하다.

또한, Cu와 Ni는, 표면 손상의 발생을 억제하기 위해 복합하여 함유시키는 것이 바람직하다. 또한, 비용의 관점으로부터는 Cu 및 Ni의 상한을 1.0％로 하는 것이 바람직하다.

Cr, W, V, Nb, Zr 및 Ta는 탄화물, 질화물을 생성하여, 석출 강화에 의해 강의 강도를 향상시키는 원소로, 1종 또는 2종 이상을 함유시켜도 좋다. 강도를 효과적으로 상승시키기 위해서는, Cr량의 하한은 0.02％, W량의 하한은 0.01％, V량의 하한은 0.01％, Nb량의 하한은 0.001％, Zr량 및 Ta량의 하한은 모두 0.0001％로 하는 것이 바람직하다.

한편, Cr, W의 한쪽 또는 양쪽을 과잉으로 첨가하면, 켄칭성의 향상에 의해 강도가 상승하여, 인성을 손상시키는 경우가 있으므로, Cr량의 상한을 1.50％, W량의 상한을 0.50％로 하는 것이 바람직하다. 또한, V, Nb, Zr, Ta의 1종 또는 2종 이상을 과잉으로 첨가하면, 탄화물, 질화물이 조대화되어, 인성을 손상시키는 경우가 있으므로, V량의 상한을 0.10％, Nb량의 상한을 0.20％, Zr량 및 Ta량의 상한을 모두 0.050％로 하는 것이 바람직하다.

또한, 개재물의 형태를 제어하여, 인성의 향상을 도모하기 위해, Mg, Ca, REM, Y, Hf 및 Re 중, 1종 또는 2종 이상을 첨가해도 좋다. 또한, 이들 원소도, 함유량이 바람직한 하한 미만인 경우에는 특별히 악영향을 미치는 경우가 없으므로, 불순물이라고 간주할 수 있다.

Mg는 산화물의 미세화나, 황화물의 형태 억제에 효과를 발현하는 원소이다. 특히, 미세한 Mg의 산화물은 입자 내 변태의 생성핵으로서 작용하고, 또한 피닝 입자로서 입경의 조대화를 억제한다. 이들 효과를 얻기 위해서는, 0.0001％ 이상의 Mg를 첨가하는 것이 바람직하다. 한편 0.010％를 초과하는 양의 Mg를 첨가하면, 조대한 산화물이 생성되어, HAZ의 인성을 저하시키는 경우가 있으므로, Mg량의 상한을 0.010％로 하는 것이 바람직하다.

Ca 및 REM은 황화물의 형태 제어에 유용하고, 황화물을 생성하여 압연 방향으로 신장된 MnS의 생성을 억제하여, 강재의 판 두께 방향의 특성, 특히 내라멜라 티어성을 개선하는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, Ca량 및 REM량의 하한을 모두 0.0001％로 하는 것이 바람직하다. 한편, Ca, REM의 한쪽 또는 양쪽은 함유량이 0.005％를 초과하면 산화물이 증가하고, 미세한 Ti 함유 산화물이 감소하여, 입자 내 변태의 생성을 저해하는 경우가 있으므로, 0.005％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Y, Hf 및 Re도, Ca 및 REM과 동일한 효과를 발현하는 원소로, 과잉으로 첨가하면 입자 내 변태의 생성을 저해하는 경우가 있다. 그로 인해, Y, Hf 및 Re의 양의 바람직한 범위는 0.0001 내지 0.005％이다.

또한, 본 발명에 있어서는, 특히 HAZ의 켄칭성을 확보하여 인성을 높이기 위해, C, Mn, Ni, Cu, Cr, Mo 및 V의 함유량[질량％]으로부터 계산되는, 하기 수학식 1의 탄소당량(Ceq)을 0.30 내지 0.53으로 한다. 탄소당량(Ceq)은 용접부의 최고 경도와 상관이 있는 것이 알려져 있고, 켄칭성이나 용접성의 지표가 되는 값이다.

[수학식 1]

또한, 강판 및 HAZ의 저온 인성을 확보하기 위해, C, Si, Mn, Cu, Cr, Ni, Mo, V 및 B의 함유량[질량％]으로부터 계산되는, 하기 수학식 2의 균열 감수성 지수(Pcm)를 0.10 내지 0.20으로 한다. 균열 감수성 지수(Pcm)는 용접 시의 저온 균열의 감수성을 추측할 수 있는 계수로서 알려져 있고, 켄칭성이나 용접성의 지표가 되는 값이다.

[수학식 2]

또한, 선택적으로 함유되는 원소인, Ni, Cu, Cr, V는 상술한 바람직한 하한 미만인 경우, 불순물이므로, 상기 수학식 1 및 수학식 2에 있어서는, 0으로서 계산한다.

강판의 금속 조직은 폴리고널 페라이트와 경질상을 포함하는, 복합 조직으로 한다. 폴리고널 페라이트는 열간 압연 후의 공냉 시에 비교적 고온으로 생성한 페라이트이다. 폴리고널 페라이트는 어스펙트비가 1 내지 4이고, 압연되어 연신된 가공 페라이트나, 가속 냉각 시에 비교적 저온으로 생성하여, 입성장이 불충분한 미세 페라이트와는 구별된다.

또한, 경질상은 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽 또는 양쪽으로 이루어지는 조직이다. 강판의 광학 현미경 조직에서는 폴리고널 페라이트 및 베이나이트와 마르텐사이트의 잔량부로서 잔류 오스테나이트, MA를 포함하는 경우가 있다.

폴리고널 페라이트의 면적률은 20％ 이상으로 한다. 상술한 바와 같이, 켄칭성을 높인 성분 조성을 갖는 강판에서는, 폴리고널 페라이트를 생성시키고, 또한 잔량부를 베이나이트와 마르텐사이트의 경질상으로 함으로써 강도와 인성의 밸런스가 양호해진다. 특히, 폴리고널 페라이트의 면적률을 20％ 이상으로 함으로써, 도 3에 도시된 바와 같이, 저온 인성은 현저하게 향상되어, ―60℃에서의 DWTT의 결과, SA를 85％ 이상으로 할 수 있다.

한편, 강도를 확보하기 위해서는, 폴리고널 페라이트의 면적률을 90％ 이하로 하는 것이 필요하다. 도 3에 도시된 바와 같이, 폴리고널 페라이트의 면적률을 90％ 이하로 함으로써, X70 이상에 상당하는 인장 강도를 확보할 수 있다. 또한, 강도를 높여, X80 이상에 상당하는 인장 강도를 확보하기 위해서는, 폴리고널 페라이트의 면적률을 80％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 폴리고널 페라이트의 잔량부는 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽 또는 양쪽으로 이루어지는 경질상이다. 경질상의 면적률은 폴리고널 페라이트의 면적률이 20 내지 90％이므로, 10 내지 80％로 된다. 한편, 예를 들어, 압연 종료 온도가 Ar₃을 하회하고, 어스펙트비가 4를 초과하는 가공 페라이트가 생성되면, 인성이 저하된다.

본 발명에 있어서, 폴리고널 페라이트라 함은, 광학 현미경 조직에 있어서, 입자 내에 조대한 시멘타이트나 MA 등의 석출물을 포함하지 않는, 어스펙트비 1 내지 4인, 백색 둥근 형상을 띤 괴상의 조직으로서 관찰된다. 여기서, 어스펙트비는 페라이트 입자의 길이를 폭으로 나눈 값이다.

또한, 베이나이트는 라스 혹은 괴상 페라이트 사이에 탄화물이 석출된 것, 또는 라스 내에 탄화물이 석출된 조직으로 정의된다. 또한, 마르텐사이트는 라스 또는 라스 내에 탄화물이 석출되어 있지 않은 조직이다. 잔류 오스테나이트는 고온으로 생성된 오스테나이트가 변태되지 않고, 잔류한 오스테나이트이다.

다음에, 본 발명의 강판을 얻기 위한 제조 방법에 대해 설명한다.

상술한 성분은 HAZ의 인성을 향상시키기 위해 켄칭성을 높인 것으로, 강판의 저온 인성을 향상시키기 위해서는, 열간 압연의 조건을 제어하여, 페라이트를 생성시키는 것이 필요하다. 특히, 본 발명에 따르면, 판 두께가 20㎜ 이상인 강판과 같이, 열간 압연 공정에서의 압하비를 높이는 것이 어려운 경우라도, 비교적 저온에서의 압하비를 확보함으로써, 페라이트를 생성시킬 수 있다.

우선, 제강 공정에서 강을 용제한 후, 주조하여 강편으로 한다. 강의 용제 및 주조는 상법으로 행하면 좋지만, 생산성의 관점으로부터 연속 주조가 바람직하다. 강편은 열간 압연을 위해 재가열된다.

열간 압연 시의 재가열 온도는 950℃ 이상으로 한다. 이는, 열간 압연을 강의 조직이 오스테나이트 단상으로 되는 온도, 즉 오스테나이트 영역에서 행하여, 모재 강판의 결정립 직경을 미세하게 하기 위해서이다. 상한은 규정하지 않지만, 유효 결정립 직경의 조대화 억제를 위해서는, 재가열 온도를 1250℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 폴리고널 페라이트의 면적률을 높이기 위해서는, 재가열 온도의 상한을 1050℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.

재가열된 강편은, 온도와 압하비를 제어하면서 복수회의 패스 열간 압연을 실시하고, 종료 후, 공냉하여 가속 냉각을 행한다. 또한, 열간 압연은 모재의 조직이 오스테나이트 단상으로 되는 Ar₃ 온도 이상에서 종료하는 것이 필요하다. 이는, Ar₃ 온도 미만에서 열간 압연을 행하면, 가공 페라이트가 생성되어, 인성이 저하되기 때문이다.

본 발명에서는 열간 압연의 최종 공정으로서, 변형 도입 압연을 행하는 것이 극히 중요하다. 이는, 압연 종료 후, 미재결정 오스테나이트에, 폴리고널 페라이트의 생성 사이트로 되는 변형을 많이 도입하기 때문이다. 변형 도입 압연은 Ar₃＋60℃ 이하로부터 압연 종료까지의 패스라고 정의된다. 변형 도입 압연의 개시 온도는 Ar₃＋60℃ 이하에서의, 최초의 패스의 온도이다. 변형 도입 압연의 개시 온도는 보다 저온인 Ar₃＋40℃ 이하의 온도가 바람직하다.

변형 도입 압연의 압하비는 열간 압연 후의 공냉 시에 폴리고널 페라이트를 생성시키기 위해, 1.5 이상으로 한다. 본 발명에 있어서, 변형 도입 압연의 압하비라 함은, Ar₃＋60℃에 있어서의 판 두께, 또는, 변형 도입 압연의 개시 온도에서의 판 두께를, 열간 압연 종료 후의 판 두께로 나눈 비이다. 압하비의 상한은 규정하지 않지만, 압연 전의 강편의 판 두께와 압연 후의 모재 강판의 판 두께를 고려하면, 통상 12.0 이하이다. 켄칭성을 높인 성분 조성의 강판의 폴리고널 페라이트의 면적률을 증가시키기 위해서는, 변형 도입 압연의 압하비를, 2.0 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 변형 도입 압연 전에, 재결정 압연, 미재결정 압연을 행해도 좋다. 재결정 압연은 900℃ 초과의 재결정 영역에서의 압연이고, 미재결정 영역 압연은 900℃ 이하의 미재결정 영역에서의 압연이다. 재결정 압연은 강편을 가열로로부터 추출 후, 즉시 개시해도 좋으므로, 개시 온도는 특별히 규정하지 않는다. 강판의 유효 결정립 직경을 미세화하기 위해서는, 재결정 압연의 압하비를 2.0 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 압연 종료 후, 공냉하여 가속 냉각을 실시한다. 면적률이 20 내지 90％인 폴리고널 페라이트를 생성시키기 위해서는, Ar₃ 미만의 온도까지 공냉하는 것이 필요하다. 따라서, 가속 냉각을, Ar₃－100℃ 내지 Ar₃－10℃의 범위 내의 온도로 개시할 필요가 있다. 또한, 펄라이트나 시멘타이트의 생성을 억제하여, 인장 강도 및 인성을 확보하기 위해서는, 가속 냉각의 냉각 속도를 10℃/s 이상으로 하는 것이 필요하다.

가속 냉각은 펄라이트나 시멘타이트의 생성을 억제하여, 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽 또는 양쪽으로 이루어지는 경질상을 생성시키기 위해, 정지 온도를 수학식 3의 Bs 이하로 할 필요가 있다. 또한, Bs는 베이나이트 변태 개시 온도이고, 수학식 3에 의해, C, Mn, Ni, Cr, Mo의 함유량으로부터 구해지는 것이 알려져 있다. Bs 이하의 온도까지 가속 냉각하면, 베이나이트를 생성시킬 수 있다.

[수학식 3]

수냉 정지 온도의 하한은 규정하지 않고, 실온까지 수냉해도 좋지만, 생산성이나 수소성 결함을 고려하면, 150℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

(실시예)

표 1에 나타내는 성분 조성을 갖는 강을 용제하여, 240㎜의 두께를 갖는 강편으로 하였다. 이들 강편을, 표 2에 나타내는 조건으로 열간 압연하고, 냉각하여 강판을 제조하였다. 각 강종의 Ar₃은 용제한 강편으로부터 높이 12㎜, 직경 8㎜의 시험편을 잘라내어, 열간 압연을 모의한 가공 열처리를 실시한 후, 열팽창 측정에 의해 구하였다.

강판의 판 두께 중앙부의 마이크로 조직을 광학 현미경에 의해 관찰하여, 폴리고널 페라이트와, 잔량부인 베이나이트 및 마르텐사이트의 면적률을 측정하였다. 또한, 강판으로부터, API, 5L3, ASTM, E436에 준거하여, 판 폭 방향을 길이 방향으로 하고, 노치를 판 두께 방향과 평행하게 하여 설치한 프레스 노치 시험편을 제작하였다. DWTT는 ―60℃에서 행하여, SA를 구하였다. 인장 특성은 API 규격의 시험편을 사용하여 평가하였다. 결과를 표 3에 나타낸다.

제조 번호 1 내지 3, 6, 7, 10, 12, 14, 16 내지 19는 본 발명예로, 어스펙트비 1 내지 4인 폴리고널 페라이트가 면적률로 20 내지 90％로 되어 있다. 이들은 X70 이상, 또는 X80 이상의 강도를 만족시켜, DWTT에서의 SA가 85％ 이상으로 되는 저온 인성이 우수한 강판이다.

이들 강판을 UO 공정으로 조관하여, 맞댐부를 내외면으로부터 서브머지 아크 용접하여, 관 확대하여 강관을 제조하였다. 이들 강관의 조직은 강판과 마찬가지로, 강도는 강판보다도 20 내지 30㎫ 높고, 저온 인성은 강판과 마찬가지였다.

한편, 제조 번호 4는 가속 냉각의 개시 온도가 낮아, 페라이트의 면적률이 증가하여, 강도가 저하된 예이다. 또한, 제조 번호 5는 가속 냉각의 냉각 속도가 지연되어, 강도를 확보하기 위한 경질상이 얻어지지 않아, 강도가 저하된 예이다. 제조 번호 8은 압연 종료 온도가 Ar₃을 하회하고 있으므로, 어스펙트비가 4를 초과하는 가공 페라이트가 생성되어, 폴리고널 페라이트가 감소하여, 저온 인성이 저하된 예이다.

또한, 제조 번호 8에 있어서, 폴리고널 페라이트 및 경질상의 잔량부는 어스펙트비가 4 초과인 페라이트이다.

제조 번호 9, 13, 15는 가속 냉각의 개시 온도가 높고, 제조 번호 11은 변형 도입 압연의 압하비가 낮아, 페라이트의 생성이 불충분해져, 인성이 저하된 예이다.

또한, 제조 번호 20 내지 22는 화학 성분이 본 발명의 범위 외의 비교예이다. 제조 번호 20은 B량이 적고, 제조 번호 22는 Mo를 첨가하고 있지 않으므로, 본 발명의 제조 조건은 폴리고널 페라이트가 증가하여, 강도가 저하된 예이다. 제조 번호 21은 Mo량이 많아, 본 발명의 제조 조건에서도 폴리고널 페라이트의 면적률이 낮아, 인성이 저하된 예이다.

본 발명에 따르면, 탄소당량(Ceq) 및 균열 감수성 지수(Pcm)를 제어하고, 또한 B 및 Mo를 첨가하여 켄칭성을 높인 성분 조성을 갖는 고강도 강판의 금속 조직에 있어서, 폴리고널 페라이트를 생성시키는 것이 가능해진다. 이에 의해, 강도 및 HAZ 인성을 향상시키고, 또한 저온 인성에도 극히 우수하고, 금속 조직이 폴리고널 페라이트와 경질상으로 이루어지는 고강도 강판, 또한 이것을 모재로 하는 고강도 강관 및 그들의 제조 방법의 제공이 가능해져, 산업상의 공헌이 극히 현저하다.

Claims

질량％로,
C : 0.01 내지 0.08％,
Si : 0.01 내지 0.50％,
Mn : 0.5 내지 2.0％,
S : 0.0001 내지 0.005％,
Ti : 0.003 내지 0.030％,
Mo : 0.05 내지 1.00％,
B : 0.0003 내지 0.010％,
O : 0.0001 내지 0.008％
를 포함하고,
P : 0.050％ 이하
Al : 0.020％ 이하
로 제한하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖고, 하기 수학식 1에 의해 구해지는 Ceq가 0.30 내지 0.53이고, 하기 수학식 2에 의해 구해지는 Pcm이 0.10 내지 0.20이고, 금속 조직의 폴리고널 페라이트의 면적률이 20 내지 90％이고, 잔량부가 베이나이트, 마르텐사이트의 한쪽 또는 양쪽으로 이루어지는 경질상인 것을 특징으로 하는, 저온 인성이 우수한 고강도 강판.
[수학식 1]

[수학식 2]

여기서, C, Si, Mn, Ni, Cu, Cr, Mo, V 및 B는 각 원소의 함유량[질량％]이다.
제1항에 있어서, 질량％로,
Cu : 0.05 내지 1.5％,
Ni : 0.05 내지 5.0％
의 한쪽 또는 양쪽을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 저온 인성이 우수한 고강도 강판.
제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로,
Cr : 0.02 내지 1.50％,
W : 0.01 내지 0.50％,
V : 0.01 내지 0.10％,
Nb : 0.001 내지 0.20％,
Zr : 0.0001 내지 0.050％,
Ta : 0.0001 내지 0.050％
중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 저온 인성이 우수한 고강도 강판.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 질량％로,
Mg : 0.0001 내지 0.010％,
Ca : 0.0001 내지 0.005％,
REM : 0.0001 내지 0.005％,
Y : 0.0001 내지 0.005％,
Hf : 0.0001 내지 0.005％,
Re : 0.0001 내지 0.005％
중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 저온 인성이 우수한 고강도 강판.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 조직의 폴리고널 페라이트의 면적률이 20 내지 80％인 것을 특징으로 하는, 저온 인성이 우수한 고강도 강판.
모재가 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 강판인 것을 특징으로 하는, 저온 인성이 우수한 고강도 강관.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 성분으로 이루어지는 강편을, 950℃ 이상으로 재가열하여, 열간 압연을 행하고, 상기 열간 압연의 최종 공정으로서, 개시 온도가 Ar₃＋60℃ 이하, 종료 온도가 Ar₃ 이상, 압하비가 1.5 이상인 변형 도입 압연을 행하고, 그 후, 공냉하여, Ar₃－100℃ 내지 Ar₃－10℃의 온도로부터, 10℃/s 이상의 냉각 속도로, 하기 수학식 3에 의해 구해지는 Bs 이하의 온도까지 가속 냉각하는 것을 특징으로 하는, 저온 인성이 우수한 고강도 강판의 제조 방법.
[수학식 3]

여기서, C, Mn, Ni, Cr 및 Mo는 각 원소의 함유량[질량％]이다.
제7항에 기재된 방법으로 제조한 강판을, UO 공정에서 관 형상으로 성형하여, 맞댐부를 내외면으로부터 서브머지드 아크 용접하고, 그 후, 관 확대하는 것을 특징으로 하는, 저온 인성이 우수한 고강도 강관의 제조 방법.