KR20100105821A - 고온 강도와 저온 인성이 우수한 용접 구조용 강 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
C: 0.003% ~ 0.05%, Si: 0.60% 이하, Mn: 0.6% ~ 2.0%, P: 0.020% 이하, S: 0.010% 이하, Cr: 0.20% ~ 1.5%, Nb: 0.005% ~ 0.05%, Al: 0.060% 이하, N: 0.001% ~ 0.006%이고, 또한 불순물로서 Mo를 0.03% 이하로 제한하고, 잔부가 철과 불가피한 불순물로 이루어지고, PCM = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B로 정의된 용접 균열 감수성 조성 PCM 값이 0.22% 이하인 강재를 1000℃ ~ 1300℃의 온도로 가열하고, 800℃ 이상의 온도에서 열간 압연을 종료하고, 그 후에 냉각함으로써, 고온 강도와 저온 인성이 우수한 용접 구조용 강을 저비용으로 제조하는 방법을 제공한다.
용접 구조용 강, 용접 균열 감수성, 고온 강도, 저온 인성
Description
본 발명은 화재 등 고온 시의 내력 유지를 목적으로 하는 건축 구조용 내화강(耐火鋼)을 주된 목표로 하며, 건축 용도뿐만 아니라 해양 구조물, 선박, 교량, 각종 저장 탱크용 등 광범위한 용도의 용접 구조용 강에 적용 가능하다. 또한, 주로 대상으로 하는 강판의 강도 수준은 항복 강도로 235MPa ~ 475MPa, 인장 강도로 400MPa ~ 640MPa인 소위 일반적으로 40kg급, 50kg급 강으로 불리는 등급이다.
고온 내력의 확보를 목적으로 하는 건축 용도로의 소위 내화강에 대해서는, 일본 공개특허 평2-77523호 공보 등을 비롯하여 많은 기술이 개시되어 있다. 그러나, 그 대부분은 Mo를 함유하는 것이다. 확실히 Mo는 강의 고온 내력을 확보하기 위하여 매우 유효한 원소이지만, 동시에 고가의 원소이기도 하다.
한편, 일본 공업 규격(JIS) 등으로 규격화되어 있는 일반 구조용 강은 약 350℃부터 강도가 저하하므로, 그 허용 온도는 약 350℃로 되어 있다. 즉, 빌딩이나 사무소, 주택, 입체 주차장 등의 건축물에 상기 강재를 이용한 경우에는, 화재 시에 안전성을 확보하기 위하여, 충분한 내화 피복을 실시하는 것이 의무화되어 있 고, 일본 건축 관련 모든 법령에서는 화재 시에 강재 온도가 350℃ 이상이 되지 않도록 규정되어 있다. 이는, 상기 강재에서는 350℃ 정도에서 내력이 상온의 2/3 정도가 되고, 필요한 강도를 하회하기 때문이다. 따라서, 일반 강재를 건축물에 이용하는 경우에, 화재 시에 강재의 온도가 350℃에 도달하지 않도록 내화 피복을 실시할 필요가 있다.
이 내화 피복을 생략하거나 경감하기 위하여, 600℃ 등에서의 고온 인장 시험 시의 고온 내력(이하, 특별히 명시되지 않는 경우에는, 고온은 600℃를 나타내고, 고온 강도는 고온 내력을 나타냄)을 높인 내화강이 사용되어 왔다.
일반적으로 내화강에는, 고온 강도 유지를 목적으로 Mo가 첨가된다. 그러나 Mo는 시황(市況) 변화가 크고, 첨가량에 따라 다르기는 하나, 내화 피복 비용에 비하여 고가가 되는 경우가 많다. 따라서, Mo를 첨가하지 않은 저가의 내화강의 개발과 실용화가 기대되고 있다.
본 발명은 고가의 Mo를 첨가하지 않고 우수한 고온 강도와 함께 강재의 기본 성능의 하나인 저온 인성도 우수한 용접 구조용 강을 얻는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여, 강 성분을 특정 범위로 한정하고 제조 방법을 한정함으로써, 고온 강도가 우수하고 용접 균열 감수성을 억제하여 저온 인성을 확보한 내화강을 공업적으로 안정적으로 그리고 낮은 비용으로 공급할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 화재 발생 등과 같이 고온에 노출되는 환경에서도 충분한 내력을 갖는 용접 구조용 강이 대량으로 저렴하게 공급 가능하므로, 각종 용도의 광범위한 용접 강 구조물의 안전성 향상에 기여하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 요점은, 600℃의 고온 강도를 안정적으로 확보하기 위하여, 고가의 Mo 대신에 비교적 미량의 C 양 및 Cr과 Nb의 복합 첨가에 의하여, 변태 조직 강화와 Cr이나 Nb의 석출물(탄질화물)에 의한 석출 강화를 이용하는 것이다.
즉, Mo를 함유하지 않는 조건에서 적정량의 Cr을 첨가 함유시킴으로써, 강의 담금질성이 향상하여 변태 온도가 저하하고, 세멘타이트를 포함하는 경질 조직이 베이나이트로 되는 것을 밝혀내었다.
이에 의하여 상온 및 고온 강도가 증가함과 더불어, 모재가 비교적 저온에서 변태한 미세한 베이나이트 조직이므로, 고온 시에는 Cr과 Nb의 복합 첨가에 의한 Cr 및 Nb의 단독 또는 복합 탄질화물이 그 모재 중에 매우 미세하게 석출하고, 고온 강도를 높은 수준으로 확보하고 유지할 수 있는 것을 밝혀내어, 본원 발명에 이르게 되었다.
전술한 바와 같이, Mo를 함유하지 않는 내화강은 그 자체가 매우 획기적일 뿐만 아니라, 담금질성이 높은 Mo를 함유하지 않음으로써, 용접 구조용 강으로서의 기본 성능(강도, 인성)은 물론이고 용접성이나 가스 절단성도 오히려 향상시키게 된다.
본원 발명은, Cr, Nb뿐만 아니라 C, Si, Mn을 비롯한 개개의 원소 양 및 용접 균열 감수성 조성 PCM을 규정하고, 제조 조건을 한정함으로써, 고가의 Mo를 사용하지 않고 우수한 고온 강도와 저온 인성을 양립시킬 뿐만 아니라, 용접 구조용 강으로 각종 사용 성능을 확보한 것이다. 그 요지는 다음과 같다.
(1) 성분이 질량 %로,
C: 0.003% ~ 0.05%,
Si: 0.60% 이하,
Mn: 0.6% ~ 2.0%,
P: 0.020% 이하,
S: 0.010% 이하,
Cr: 0.20% ~ 1.5%,
Nb: 0.005% ~ 0.05%,
Al: 0.060% 이하,
N: 0.001% ~ 0.006%이고,
또한, 불순물로 Mo를 0.03% 이하로 제한하고, 잔부가 철과 불가피한 불순물로 이루어지고,
PCM = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B
로 정의되는 용접 균열 감수성 조성 PCM 값이 0.22% 이하인 강재를 1000℃ ~ 1300℃의 온도로 가열하고, 800℃ 이상의 온도에서 열간 압연을 종료하고, 그 후 냉각하는 것을 특징으로 하는 고온 강도와 저온 인성이 우수한 용접 구조용 강의 제조 방법.
(2) 상기 열간 압연을 종료한 후, 750℃ 이상의 온도에서 가속 냉각을 개시하고, 550℃ 이하의 온도에서 가속 냉각을 정지하는 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재된 고온 강도와 저온 인성이 우수한 용접 구조용 강의 제조 방법.
(3) 질량 %로,
V: 0.01% ~ 0.10%,
Ti: 0.005% ~ 0.025%
중 1종 또는 2종을 또한 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 고온 강도와 저온 인성이 우수한 용접 구조용 강의 제조 방법.
(4) 질량 %로,
Ni: 0.05% ~ 0.50%,
Cu: 0.05% ~ 0.50%,
B: 0.0002% ~ 0.003%,
Mg: 0.0002% ~ 0.005%
중 1종 또는 2종 이상을 또한 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) ~ (3) 중 어느 한 항에 기재된 고온 강도와 저온 인성이 우수한 용접 구조용 강의 제조 방법.
(5) 질량 %로,
Ca: 0.0005% ~ 0.004%,
REM: 0.0005% ~ 0.008%
중 1종을 또한 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) ~ (4) 중 어느 한 항에 기재된 고온 강도와 저온 인성이 우수한 용접 구조용 강의 제조 방법.
(6) 성분이 질량 %로,
C: 0.003% ~ 0.05%,
Si: 0.60% 이하,
Mn: 0.6% ~ 2.0%,
P: 0.020% 이하,
S: 0.010% 이하,
Cr: 0.20% ~ 1.5%,
Nb: 0.005% ~ 0.05%,
Al: 0.060% 이하,
N: 0.001% ~ 0.006%이고,
또한, 불순물로서 Mo를 0.03% 이하로 제한하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어지고,
PCM = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B
로 정의되는 용접 균열 감수성 조성 PCM 값이 0.22% 이하인 강재를 1000℃ ~ 1300℃의 온도로 가열하고, 800℃ 이상의 온도에서 열간 압연을 종료하고, 그 후 냉각하여 얻어진 것을 특징으로 하는 고온 강도와 저온 인성이 우수한 용접 구조용 강.
본 발명에서 규정한 각 합금 원소의 첨가 범위에 대해 설명한다.
C: 0.003% ~ 0.05%
C는 고장력강으로서는 매우 낮은 수준으로 한정되어 있다. 이는 다른 성분과 함께 제조 방법과 밀접하게 관련되어 있다. 강 성분 중에서도 C는 강재의 특성에 가장 큰 영향을 미친다. 하한 0.003%는 강도 확보나 용접 등의 열 영향부가 필요 이상으로 연화되지 않도록 하기 위한 최소치이다.
C 양이 너무 다량이면 담금질성이 필요 이상으로 상승하고, 강재의 강도와 인성의 균형, 용접성 등에 악영향을 미친다. 또한, 후술하는 바와 같이, 목적으로 하는 판 두께나 강도에 따라서는 가속 냉각을 비교적 저온에서 정지하는 경우가 있고, 그 때에 강재 표리면(表裏面) 근방의 극단적인 경화나 판 두께 방향의 재질 변동을 억제하기 위하여, 상한을 0.05%로 하였다.
조업 변동이나 기타 성분과의 균형의 관점에서 강도 저하를 피하기 위하여, 하한은 0.005%로 하는 것이 바람직하고, 0.01%로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 과도한 담금질 경화나 재질 변동을 피하기 위하여, 상한은 0.04%가 바람직하고, 0.03%로 하는 것이 더욱 바람직하다.
Si: 0.60% 이하
Si는 탈산을 위해 강에 함유되는 원소이지만, 다량으로 첨가하면, 용접성, HAZ 인성이 저하하므로, 상한을 0.60%로 하였다. 강의 탈산은 Ti, Al으로도 가능하므로, 원소들과의 균형을 고려하여 함유량을 결정하면 된다. 그러나, HAZ 인성, 담금질성 등의 관점에서 낮을수록 바람직하고, 첨가하지 않을 수도 있다. 따라서, 상한을 0.40%, 0.20%, 0.10%로 제한하여도 무방하다. 또한, 제강 공장에서 강을 제조하는 경우, Si 무첨가로 Ti, Al에 의해 탈산되는 경우에도, 0.01%의 Si가 함유되는 것이 일반적이다.
Mn: 0.6% ~ 2.0%
Mn은 상온의 강도와 인성을 확보하는 데 불가결한 원소이고, 그 하한은 0.6%이다. 바람직하게는 0.8% 이상 또는 1.0% 이상이다. 그러나, Mn 양이 너무 많으면 담금질성이 상승하여, 용접성, HAZ 인성을 저하시킬 뿐만 아니라, 연속 주조 슬라브의 중심 편석을 조장하기 때문에, 상한을 2.0%로 하였다. 바람직하게는 1.8% 이하, 더욱 바람직하게는 1.6% 이하 또는 1.4% 이하이다.
P: 0.020% 이하
P는 그 양이 적으면 HAZ에서의 입계 파괴를 감소시키는 경향이 있으므로, 적을수록 바람직하다. 함유량이 많으면, 모재와 용접부의 저온 인성을 저하시키므로, 상한을 0.020%로 한다. 0.015% 이하, 0.010% 이하 또는 0.008% 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 물론 첨가하지 않을 수도 있다.
S: 0.010% 이하
S는 모재의 저온 인성의 관점에서는 적을수록 바람직하다. 함유량이 많으면, 모재와 용접부의 저온 인성을 저하시키므로 상한을 0.010%로 한다. 0.008% 이하, 0.006%, 0.004%로 하는 것이 더욱 바람직하다. 물론 첨가하지 않을 수도 있다.
Cr: 0.20% ~ 1.5%
Cr은 본원 발명에서 가장 중요한 원소의 하나이다. 고온 강도 확보를 위해 Nb와 함께 Cr 첨가가 필수이다. 이는, Cr의 담금질성 향상 효과에 의해 변태 온도가 저하하고, 세멘타이트를 포함하는 경질 조직이 베이나이트가 되기 때문에, 상온 및 고온에서의 강도를 증가시키고, 더욱이 고온 시에는 Cr의 석출물(탄질화물)에 의한 석출 강화를 이용하기 위함이다.
이러한 효과를 얻기 위하여, Cr 함유량은 최저 0.20%가 필요하다. 바람직하게는 0.35% 이상이고, 0.50% 이상, 0.8% 또는 1.0% 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 그러나 첨가량이 너무 많으면, 모재와 용접부의 인성 및 용접성의 저하를 초래하고 경제성도 저하하므로, 상한을 1.5%로 하였다. 바람직하게는 1.3% 이하일 수 있다.
Nb: 0.005% ~ 0.05%
Nb는 Cr과 함께 본원 발명에서 가장 중요한 원소이다. Cr과 마찬가지로, 고온 강도 확보를 위하여 Nb의 석출물(탄질화물)에 의한 석출 강화를 이용하고 있기 때문이다.
이를 위하여, 적어도 0.005% 이상은 필요하다. 바람직하게는 0.010% 이상일 수 있다. 그러나, 첨가량이 너무 많으면, 용접부의 인성 저하를 초래하므로, 상한을 0.05%로 하였다. 바람직하게는 0.045% 이하, 더욱 바람직하게는 0.030% 이하일 수 있다. 또한, Nb 첨가는 오스테나이트의 미재결정 온도를 상승시키고, 열간 압연 시의 제어 압연의 효과를 최대한으로 발휘하는 것에도 기여한다.
전술한 Cr과 Nb의 복합 첨가에 의해, Mo가 함유되지 않아도 고온 강도를 확보할 수 있는 것이다. 따라서, 본원 발명에서는 Mo를 의도적으로 첨가하지는 않는다. 또한, 불순물로서 Mo가 의도하지 않게 혼입된 경우에도 0.03% 이하로 제한한다.
Al: 0.060% 이하
Al은 일반적으로 탈산을 위해 강에 함유되는 원소이다. 탈산은 Si 또는 Ti로도 이루어지므로, 이 원소들과의 균형을 고려하여 양을 결정하면 된다. 그러나, Al 양이 많아지면, 강의 청정도가 저하될 뿐만 아니라, 용접 금속의 인성이 저하하기 때문에, 상한을 0.060%로 한다. 바람직하게는 0.040% 이하일 수 있다. 그 양은 적을수록 바람직하고, 첨가되지 않을 수도 있다. 또한, 제강 공장에서 강을 제조하는 경우에, Al에 의한 탈산을 실시하지 않은 경우에도, 0.001% 이상의 Al이 함유되는 것이 일반적이다.
N: 0.001% ~ 0.006%
N은 불가피한 불순물로서 강 중에 함유되는데, Nb와 결합하여 탄질화물을 형성하여 강도를 증가시키고, TiN을 형성하여 전술한 바와 같이 강의 성질을 향상시킨다. 이를 위하여, N 양으로서 최저 0.001% 필요하다. 바람직하게는 0.0015% 이상일 수 있다. 그러나, N 양의 증가는 용접 열 영향부 인성과 용접성에 유해하고, 본 발명의 강에서는 그 상한은 0.006%이다. 더욱 바람직하게는 0.0045% 이하일 수 있다.
다음으로, 필요에 따라 함유 가능한 V, Ti의 첨가 이유에 대하여 설명한다.
V: 0.01% ~ 0.10%
V는 Nb와 거의 같은 효과가 있고, 본원 발명에서의 V의 역할은 Nb를 보완하는 것이다. 단, V는 Nb에 비하여 효과는 작고, 담금질성에도 영향을 미치므로, 상한과 하한을 한정하였다. 하한은 V 첨가의 효과를 확실하게 얻을 수 있는 최소량으 로서 0.01%로 하였다. 바람직하게는 0.025% 이상일 수 있다. 상한은 후술하는 용접 균열 감수성 조성 PCM에 미치는 영향도 감안하여 0.10%로 하였다. 바람직하게는, 0.08% 이하, 더욱 바람직하게는 0.05% 이하일 수 있다.
Ti: 0.005% ~ 0.025%
Ti는 모재 및 용접 열 영향부 인성 향상을 위해 첨가하는 것이 바람직하다. 그 이유는, Ti는 Al 양이 적은 경우(예를 들어 0.003% 이하)에, O와 결합하여 Ti203를 주성분으로 하는 석출물을 형성하고, 입내 변태 페라이트 생성 핵이 되고 용접 열 영향부 인성을 향상시키기 때문이다.
또한, Ti는 N과 결합하여 TiN으로서 강재 중에 미세 석출하고, 가열시의 γ립의 조대화를 억제하고 압연 조직의 미세화에 유효하다. 또한 강재 중에 존재하는 미세 TiN은 용접 시에 용접 열 영향부 조직을 미세화하고 인성을 향상시킨다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Ti는 최저 0.005% 필요하다. 그러나 너무 많으면 TiC를 형성하고, 저온 인성이나 용접성을 저하시키기 때문에, 그 상한은 0.025%로 하였다. 바람직하게는 0.020% 이하이다.
다음으로, Ni, Cu, B, Mg의 첨가 이유에 대하여 설명한다.
기본이 되는 성분에, 추가로 이 원소들을 첨가하는 주된 목적은 본 발명 강의 우수한 특징을 손상시키지 않고, 강도, 인성 등의 특성을 향상시키기 위함이다. 따라서 그 첨가량 그 자체는 제한되어야 할 성격의 것이다.
Ni: 0.05% ~ 0.50%
Ni는, 과잉으로 첨가되지 않으면, 용접성, 용접 열 영향부 인성에 악영향을 미치지 않고 모재의 강도와 인성을 향상시킨다. 이 효과를 발휘하기 위해서는, 적어도 0.05% 이상의 첨가가 필수이다.
한편, 과잉의 첨가는 고가일 뿐만 아니라 용접성에도 바람직하지 않다. 또한 Ni를 다량 첨가하면, 액체 암모니아 중에서 응력 부식 균열(SCC)을 일으킬 가능성이 지적되고 있다. 본 발명자들의 실험에 의하면, 1.0%까지의 첨가는 용접성이나 액체 암모니아 중에서의 SCC를 크게 저하시키지 않고 강도와 인성 향상 효과가 크지만, 경제성을 우선으로 하여 상한을 0.50%로 하였다. 더욱 경제성을 우선으로 하는 경우에, 0.35%로 제한할 수도 있다.
Cu: 0.05% ~ 0.50%
Cu는 Ni와 거의 마찬가지의 효과와 현상을 나타내며, 상한의 0.50%는, 용접성 저하와 더불어, 과잉 첨가에 의해 열간 압연 시에 Cu-균열이 발생하고 제조가 곤란하게 되므로 규제된다. 하한은 실질적인 효과가 얻어지기 위한 최소량으로 하여야 하며 0.05%이다. 경제성을 우선으로 하는 경우에, 상한을 0.30%로 제한할 수 있다.
B: 0.0002% ~ 0.003%
B는 오스테나이트 입계에 편석하고 페라이트의 생성을 억제함으로써, 담금질성을 향상시키고 강도 향상에 기여한다. 이 효과를 얻기 위하여, 최소 0.0002% 이상 필요하다.
그러나 너무 많은 첨가는 담금질성 향상 효과가 포화할 뿐만 아니라 인성에 유해하게 되는 B 석출물을 형성할 가능성도 있기 때문에, 상한을 0.003%로 한다. 바람직하게는 0.002% 이하일 수 있다. 또한, 탱크용 강 등으로서, 응력 부식 균열이 우려되는 경우에는, 모재 및 용접 열 영향부의 경도 저감이 중요해지게 되는 경우가 많고[예를 들면, 황화물 응력 부식 균열(SCC) 방지를 위해서는 로크웰 경도로 HRC≤22(HV≤248)가 필수], 그와 같은 경우에는 담금질성을 증대시키는 B 첨가는 바람직하지 않다. 또한, B는 전술한 바와 같은 강도 향상 효과가 있지만, B 첨가에 의한 열 영향부 인성 등의 재질 저하 문제가 있기 때문에, 이 문제를 회피하기 위해서는, B를 0.0003% 이하로 제한하거나 첨가하지 않는 것이 더욱 바람직하다.
Mg: 0.0002% ~ 0.005%
Mg는 용접 열 영향부에서의 오스테나이트립의 성장을 억제하고 미세화하는 작용이 있고, 용접부의 강인화가 도모된다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, Mg는 0.0002% 이상 필요하다. 한편, 첨가량이 증가하면, 첨가량에 대한 효과 증가가 작아지기 때문에 비용상 바람직한 방안이 아니므로, 상한은 0.005%로 하였다. 바람직하게는 0.0035% 이하일 수 있다.
다음으로, Ca 또는 REM의 첨가 이유에 대하여 설명한다.
Ca: 0.0005% ~ 0.004%
REM: 0.0005% ~ 0.008%
Ca 및 REM은 MnS의 형태를 제어하고, 모재의 저온 인성을 향상시킬 뿐만 아니라 습윤 황화수소 환경 하에서의 수소 유기 균열(HIC, SSC, SOHIC) 감수성을 저감시킨다. 이 효과를 발휘하려면, 최소한 0.0005% 필요하다.
그러나 너무 많은 첨가는, 강의 청정도를 오히려 악화시키고, 모재 인성이나 습윤 황화수소 환경에서의 수소 유기 균열(HIC, SSC, SOHIC) 감수성을 높이기 때문에, 첨가량의 상한은 Ca, REM 각각 0.004%, 0.008%로 한정하였다. 바람직하게는 각각 0.003%, 0.006% 이하일 수 있다. 또한, Ca와 REM은 대략 동등한 효과가 있기 때문에, 어느 1종을 상기 범위로 첨가할 수도 있고, 양자를 첨가할 수도 있다.
강의 개개의 성분을 한정하여도, 성분계 전체가 적절하지 않으면 우수한 특성은 얻어지지 않는다. 본원 발명에서는 각 원소 함유량(질량 %)으로부터 이하의 식으로 정의되는 용접 균열 감수성 조성 PCM의 값을 0.22% 이하로 한정한다.
PCM = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B
PCM은 용접성을 나타내는 지표이고, 낮을수록 용접성은 양호하다. JIS G 3106 "용접 구조용 압연 강재"에서는, 강도 수준이나 판 두께에 따라 다르기는 하나, 가장 엄격한 것으로는 0.24% 이하로 규정하고 있다.
본 발명자들의 다양한 강종에서의 각종 용접 균열 시험에 의하면, 더욱 엄격한 구속 조건과 환경 조건에서도 확실하게 용접 냉간 균열을 방지할 수 있는 조건으로서 PCM을 0.22% 이하로 한정하는 것이다. 또한, 하한은 특히 한정하지는 않으나, 각 성분의 한정 범위로부터 자체적으로 제약되는 것이다.
이어서, 제조 조건에 대하여 설명한다.
열간 압연 전에 가열 온도를 1000℃ ~ 1300℃로 한정한 이유는, 가열시 오스테나이트립을 작게 유지하고, 압연 조직의 미세화를 도모하기 위함이다. 1300℃는 가열 시의 오스테나이트가 극단적으로 조대화하지 않는 상한 온도이고, 가열 온도가 이를 초과하면 오스테나이트립이 조대 혼립화(混粒化)하고 변태 후의 조직도 조대화하기 때문에, 강의 인성이 현저하게 저하한다.
한편, 가열 온도가 너무 낮으면, 판 두께에 따라서는 후술하는 압연 종료 온도의 확보가 곤란해질 뿐만 아니라, 오스테나이트의 미재결정 온도를 상승시키고, 석출 강화를 발현시키기 위한 Nb의 용체화(溶體化)의 관점에서 하한을 1000℃로 하였다. 가장 바람직한 가열 온도 범위는 1050℃ ~ 1250℃이다.
전술한 바와 같은 조건에서 가열한 강재를 800℃ 이상에서 열간 압연을 종료한 후에 냉각한다. 냉각 수단은 특별히 한정되지는 않는다. 대기 중에 방치하여 냉각할 수도 있으나, 750℃ 이상의 온도부터 550℃ 이하의 온도까지 가속 냉각을 함으로써, 더욱 강재의 특성을 향상시킬 수 있다.
압연 종료 온도가 800℃ 미만이면, C 양이 비교적 적은 본원 발명의 강에 있어서는 페라이트가 변태 석출하고, 페라이트를 가공(압연)할 우려가 있고, 저온 인성 확보의 관점에서 바람직하지 않다. 따라서, 압연 종료 온도는 800℃ 이상으로 한정한다. 바람직하게는 820℃ 이상일 수 있다.
800℃ 이상에서 열간 압연을 종료한 후에, 비교적 강도가 낮은 이른바 40kg급 강(예를 들면 JIS 규격의 SM400, SN400 강)은 대기 중에 방치하여 냉각하여도 소정의 강도를 만족시킬 수 있다.
그러나, 50kg급 강(예를 들면 JIS 규격의 SM490, SN490 강)이나 40kg급 강에서도 판 두께가 두꺼워지면, 대기 중에 방치한 냉각 상태에서는 강도의 안정적인 확보가 곤란하기 때문에, 800℃ 이상에서 열간 압연을 종료한 후에, 750℃ 이상의 온도부터 가속 냉각하는 것이 바람직하다. 압연 후의 가속 냉각은 강재의 특성을 더욱 향상시키기 위함이고, 본원 발명의 우수한 특징을 손상하는 것은 아니다.
가속 냉각은 원래 변태 구역의 냉각 속도를 빠르게 함으로써 조직을 미세화하고 강도와 인성을 동시에 향상시키기 위한 것이다. 따라서, 변태 개시 전 또는 적어도 변태 종료 전에 개시하지 않으면 실질적으로 의미를 갖지 못한다. 따라서, 가속 냉각 개시 온도는 750℃ 이상으로 한정하는 것이다. 이러한 가속 냉각은, 그 효과를 얻기 위해, 550℃ 이하의 온도까지 냉각시킬 필요가 있다. 550℃를 초과하는 온도에서는 가속 냉각 시의 변태가 충분히 진행되지 않고 조직의 미세화가 불충분하기 때문이다. 바람직한 가속 냉각의 개시 온도는 760℃ 이상이고, 바람직한 가속 냉각의 정지 온도의 범위는 520℃ 이하 300℃ 이상이다.
또한, 가속 냉각 시의 냉각 속도는 강 성분이나 의도하는 강도나 저온 인성 수준에 따라 다르지만, 판 두께 방향으로 표면으로부터 판 두께의 1/4 위치에서, 가속 냉각 개시 온도부터 550℃까지의 평균 냉각 속도가 3℃/초 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 냉각 후에 압연재에 대하여, Ac1 온도 이하의 템퍼링 처리를 부가하여도 본원 발명의 우수한 특성을 손상시키는 것은 아니다. 냉각의 불균일성을 상쇄하고 판 내의 재질의 균일성을 높이기 위해서는 오히려 바람직하다.
<실시예>
전로(轉爐) - 연속 주조 - 후판 공정에서 각종 강 성분의 강판(두께 19mm ~ 100mm)을 제조하고 그 재질을 조사하였다.
표 1에 비교강과 함께 본원 발명강의 강 성분을 나타내고, 표 2에 강판의 제조 조건과 제반 특성을 나타내었다.
본원 발명에 따라 제조한 강판(본원 발명강)은 모두 양호한 특성을 가진다. 이에 대하여, 본원 발명에 의하지 않고 제조한 강판(비교강)은 어느 하나의 특성이 저하함을 알 수 있다.
비교강 11은 C 양이 높기 때문에, 본원 발명강에 비해 모재와 재현(再現) HAZ 모두 저온 인성이 저하한다.
비교강 12는 Nb가 첨가되어 있지 않고, 비교강 13은 Cr 양이 적기 때문에, 모두 고온 강도가 낮다.
비교강 14는 C 양이 적기 때문에 고온 강도가 낮다.
비교강 15는 Cr 양이 높기 때문에 모재와 재현 HAZ 모두 인성이 저하한다.
비교강 16은 Nb의 양이 높기 때문에 HAZ 인성이 저하한다.
비교강 17-1 내지 17-3의 성분은 본원 발명강 5와 동일하다. 그러나, 비교강 17-1은 압연 종료 온도가 낮고, 그 결과 가속 냉각 개시 온도가 확보 가능하지 않고 낮아지게 되므로, 상온·고온 강도가 모두 낮다. 비교강 17-2는 가속 냉각 개시 온도가 낮으므로, 상온·고온 강도가 모두 낮다. 비교강 17-3은 가속 냉각 정지 온도가 높기 때문에 상온·고온 강도가 모두 낮다.
비교강 18은 개개의 원소나 제조 방법이 본원 발명 범위이고, 상온·고온 강 도나 인성 등은 490MPa급으로서 필요 특성을 만족하고 있지만, PCM이 높기 때문에, 용접성(경사 y형 용접 균열 시험)에 있어서 균열이 발생하였다.
본 발명에 의해, 고온 강도와 저온 인성이 우수한 용접 구조용 강이 대량으로 저렴하게 제공 가능하게 되었다. 그 결과, 건축 구조용으로서, 내화 피복의 경감 또는 생략이 가능하게 되었다. 또한, 건축 이외의 용도에 있어서도, 강도, 인성 등의 기본 성능을 구비할 뿐만 아니라 고온 강도도 구비하므로, 고온에 노출될 가능성이 있는 용접 구조물용 강으로서, 구조물의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있게 되었다.
Claims (6)
- 성분이 질량 %로,C: 0.003% ~ 0.05%,Si: 0.60% 이하,Mn: 0.6% ~ 2.0%,P: 0.020% 이하,S: 0.010% 이하,Cr: 0.20% ~ 1.5%,Nb: 0.005% ~ 0.05%,Al: 0.060% 이하,N: 0.001% ~ 0.006%이고,또한, 불순물로서 Mo를 0.03% 이하로 제한하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어지고,PCM = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B로 정의된 용접 균열 감수성 조성 PCM 값이 0.22% 이하인 강재를 1000℃ ~ 1300℃의 온도로 가열하고, 800℃ 이상의 온도에서 열간 압연을 종료하고, 그 후에 냉각하는 것을 특징으로 하는 고온 강도와 저온 인성이 우수한 용접 구조용 강의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,상기 열간 압연을 종료한 후, 750℃ 이상의 온도부터 가속 냉각을 개시하고, 550℃ 이하의 온도에서 가속 냉각을 정지하는 것을 특징으로 하는 고온 강도와 저온 인성이 우수한 용접 구조용 강의 제조 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,질량 %로,V: 0.01% ~ 0.10%,Ti: 0.005% ~ 0.025%중 1종 또는 2종 또한 함유하는 것을 특징으로 하는 고온 강도와 저온 인성이 우수한 용접 구조용 강의 제조 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,질량 %로,Ni: 0.05% ~ 0.50%,Cu: 0.05% ~ 0.50%,B: 0.0002% ~ 0.003%,Mg: 0.0002% ~ 0.005%중 1종 또는 2종 이상을 또한 함유하는 것을 특징으로 하는 고온 강도와 저온 인성이 우수한 용접 구조용 강의 제조 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,질량 %로,Ca: 0.0005% ~ 0.004%,REM: 0.0005% ~ 0.008%중 1종을 또한 함유하는 것을 특징으로 하는 고온 강도와 저온 인성이 우수한 용접 구조용 강의 제조 방법.
- 성분이 질량 %로,C: 0.003% ~ 0.05%,Si: 0.60% 이하,Mn: 0.6% ~ 2.0%,P: 0.020% 이하,S: 0.010% 이하,Cr: 0.20% ~ 1.5%,Nb: 0.005% ~ 0.05%,Al: 0.060% 이하,N: 0.001% ~ 0.006%이고,또한, 불순물로서 Mo를 0.03% 이하로 제한하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어지고,PCM = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B로 정의된 용접 균열 감수성 조성 PCM 값이 0.22% 이하인 강재를 1000℃ ~ 1300℃의 온도로 가열하고, 800℃ 이상의 온도에서 열간 압연을 종료하고, 그 후에 냉각하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 고온 강도와 저온 인성이 우수한 용접 구조용 강.
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