KR20120040733A

KR20120040733A - 내후성이 우수한 구조용 강재 및 강 구조물

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Publication number: KR20120040733A
Application number: KR1020127005703A
Authority: KR
Inventors: 신이치 미우라; 이사무 가게; 마사츠구 무라세; 도시유키 호시노
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-09-28
Publication date: 2012-04-27
Also published as: JP2012067377A; EP2484790B1; JP5691350B2; EP2484790A4; WO2011040621A1; MY156959A; EP2484790A1; CN102575327A; US20120183431A1

Abstract

저비용이며, 내후성이 우수한 구조용 강재 및 강 구조물을 제공한다.
구체적으로는, 구조용 강재는, 질량％ 로, C : 0.020 ％ 이상 0.140 ％ 미만, Si : 0.05 ％ 이상 2.00 ％ 이하, Mn : 0.20 ％ 이상 2.00 ％ 이하, P : 0.005 ％ 이상 0.030 ％ 이하, S : 0.0001 ％ 이상 0.0200 ％ 이하, Al : 0.001 ％ 이상 0.100 ％ 이하, Cu : 0.10 ％ 이상 1.00 ％ 이하, Ni : 0.10 ％ 이상 0.65 ％ 미만, W : 0.05 ％ 이상 1.00 ％ 이하를 함유하고, 추가로, Nb : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하, Sn : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하의 1 종 또는 2 종을 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어진다.

Description

내후성이 우수한 구조용 강재 및 강 구조물{STEEL MATERIAL FOR STRUCTURES HAVING EXCELLENT WEATHER RESISTANCE AND STEEL STRUCTURE}

본 발명은, 주로 교량 (bridge) 등의 옥외에서 사용되는 강 구조물 (Steel Structures) 에 관한 것이고, 특히 해안 근방 (coastal environment) 등의 높은 비래 염분 (air-borne salt) 의 환경하에서 내후성 (atmospheric corrosion resistance) 이 요구되는 부재로서 바람직한 강재 및 강 구조물에 관한 것이다.

종래부터, 교량 등의 옥외에서 사용되는 강 구조물에 있어서는, 내후성 강 (weathering steel) 이 사용되고 있다. 내후성 강은, 대기 노출 환경 (atmospheric environment) 에 있어서, Cu, P, Cr, Ni 등의 합금 원소가 농화된 보호성이 높은 녹층 (rust layer) 으로 표면이 덮임으로써 부식 속도 (corrosion rate) 가 현저하게 저감되는 강재이다. 그 우수한 내후성에 의해, 내후성 강을 사용한 교량은, 종종 무도장 (paintless) 인 채로 수십 년간의 공용에 견디는 것이 알려져 있다.

그러나, 해안 근방 등의 비래 염분량 (amount of air-borne salt) 이 많은 환경에서는, 상기 보호성이 높은 녹층은 생성하기 어려워, 실용적인 내후성이 잘 얻어지지 않는 것이 알려져 있다.

비특허문헌 1 에 의하면, 종래의 내후성 강 (JIS G 3114 : 용접 구조용 내후성 열간 압연 강재) 은, 비래 염분량이 0.05 ㎎?NaCl/dm²/day (이후, 단위 (㎎?NaCl/dm²/day) 를 mdd 로 표기하는 경우가 있음) 이하인 지역에서만 무도장 사용을 할 수 있었다. 따라서, 해안 근방 등의 비래 염분량이 많은 환경에서는, 보통 강재 (JIS G 3106 : 용접 구조용 압연 강재) 에 도장 등의 방식 조치를 실시하여 사용되고 있다. 한편, dm 은 데시미터 (decimeter) 의 의미이다.

도장 (coating) 은, 시간의 경과와 함께 도막 (coating film) 이 열화되어, 정기적인 보수 (maintenance and repair) 가 필요해진다. 또한, 인건비 (labor cost) 의 고등이나, 재도장 (recoating) 의 곤란함이 추가된다. 이와 같은 이유로부터, 현재, 무도장으로 사용 가능한 강재가 요구되어, 무도장으로 사용 가능한 강재의 요망이 높다.

이와 같은 현상황에 대하여, 최근, 해안 근방 등의 높은 비래 염분 환경에 있어서 무도장으로 사용 가능한 강재로서, 여러 가지의 합금 원소, 특히 Ni 를 다량으로 함유시킨 강재가 개발되었다.

예를 들어, 특허문헌 1 에서는, 내후성 향상 원소로서, Cu 와 1 중량 ％ 이상의 Ni 를 첨가한 고내후성 강재가 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 2 에서는, 1 mass％ 이상의 Ni 와 Mo 를 첨가한 내후성이 우수한 강재가 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 3 에서는, Ni 에 추가로, Cu, Ti 를 첨가한 내후성이 우수한 강재가 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 4 에서는, Ni 를 다량으로 함유하고, 추가로 Mo, Sn, Sb, P 등을 함유한 용접 구조용 강재가 개시되어 있다.

한편, 해안 근방 등의 높은 비래 염분 환경에 있어서의 내후성에 대해서는 언급하고 있지 않지만, 선박의 밸러스트 탱크 (ballast tank) 등의 해수의 비말이 직접 가해지는 엄격한 부식 환경 (corrosion environment) 에서 사용되는 내식 강재로서, 특허문헌 5 에는, W 와 Cr 을 함유하고, 추가로 Sb, Sn, Ni 등을 함유시킨 선박용 내식 강재가 개시되어 있다.

일본 특허공보 제3785271호 (일본 공개특허공보 평11-172370호) 일본 특허공보 제3846218호 (일본 공개특허공보 2002-309340호) 일본 특허공보 제3568760호 (일본 공개특허공보 평11-71632호) 일본 공개특허공보 평10-251797호 일본 공개특허공보 2007-254881호

내후성 강재의 교량으로의 적용에 관한 공동 연구 보고서 (XX), 제88호, 1993년 3월, 건설성 토목 연구소, (사) 강재 클럽, (사) 일본 교량 건설 협회

그러나, 특허문헌 1, 2 와 같이, Ni 의 함유량을 증가시킨 경우, 합금 비용의 상승에 의해 강재의 가격이 상승해 버린다는 문제점이 있다.

또한, 특허문헌 3 에서는, Ni 의 함유량을 낮게 억제하고, 또한 Cu, Ti 를 첨가하고 있는데, 본 발명에서는 다른 첨가 원소에 대하여 탐색하였다.

또한, 특허문헌 4 와 같이, Ni 의 함유량을 증가시키고, Cu, Mo, Sn, Sb, P 등을 함유한 강재에서는, 합금 비용의 상승에 의해 강재의 가격이 상승하고, 또한 P 의 함유량이 높기 때문에 용접성이 저하된다.

또한, 특허문헌 5 에 개시되어 있는 강재는 용도가 상이하기 때문에 요구되는 내식 성능이 상이하고, 해안 근방 등의 높은 비래 염분 환경에 있어서의 내후성에 대해서는 기술되지 않았다.

본 발명은, 이러한 사정을 감안하여, 저비용이며, 내후성이 우수한 구조용 강재 및 강 구조물을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위하여, 높은 비래 염분의 환경에 있어서의 내후성의 관점에서 강재의 성분 조성에 대하여 예의 검토하였다. 그 결과, Cu, Ni 를 함유하는 베이스 강에 W 와 Sn 및/또는 Nb 를 복합 함유시킴으로써, 높은 비래 염분 환경에 있어서의 강재의 내후성이 향상되는 것을 알아냈다.

도 1 은, 표 1 에 나타내는 성분을 갖는 강재에 대하여, 건습 반복 부식 시험 (wet and dry cyclic corrosion test) 을 실시한 결과이다. 건습 반복 부식 시험은, 상기 강재로부터 35 ㎜ × 35 ㎜ × 5 ㎜ 의 시험편을 채취하고, 이어서 채취한 시험편에 대하여, 표면에 부착되는 염분량이 0.2 mdd 가 되도록 조정한 인공 해수 용액 (diluted solution of artificial seawater) 을 주에 1 회, 건조 공정 (dry process) 중에 시험편의 표면에 도포하고, 온도 40 ℃, 상대습도 (relative humidity) 40 ％RH 의 건조 공정을 11 시간, 온도를 25 ℃, 상대습도를 95 ％RH 의 습윤 공정 (wet process) 을 11 시간, 이행 시간을 1 시간으로 하고, 24 시간으로 1 사이클 (cycle) 로 하여, 12 주간 (84 사이클) 실시하고, 이어서 염산 (hydrochloric acid) 에 헥사메틸렌테트라민 (hexamethylenetetramine) 을 첨가한 수용액에 시험편을 침지시켜 탈청 (derusting) 하고 나서 중량을 측정하였다. 도 1 에 있어서의 판두께 감소량 (단위는 ㎛) 은, 시험편 편면의 평균 판두께 감소량으로서, 상기에 의해 얻어진 중량과 초기 중량의 차를 구하고, 그 값을 시험편의 시험 대상 부분의 표면적으로 나눈 값이다. 또한, 동일한 시험을 1 강종에 대하여 3 회 실시하고, 그 3 회의 측정 평균치를 도 1 중 부호 ● 로 나타내고, 최대치와 최소치 (minimum and maximum values) 를 에러 바 (error bar) 로 나타낸다.

또한, 지금까지의 지견으로부터, 본 부식 시험에 있어서의 부착된 염분량 0.2 mdd 는 비래 염분량으로 환산하면 약 0.5 mdd 가 되는 것을 알 수 있고, 비래 염분량 약 0.5 mdd 는, 해안 근방 등의 비래 염분량이 많은 환경에 상당한다.

또한, 시험에 의해 얻어진 평균 판두께 감소량으로부터 외삽에 의해 100 년 후의 부식량을 구한 경우, 본 부식 시험의 기간에 의해 얻어지는 평균 판두께 감소량이 14 ㎛ 이하이면, 100 년 후의 평균 판두께 감소량은 층상의 박리 녹의 발생이 없는 0.5 ㎜ 이하가 된다.

일반적으로, 무도장 내후성 강의 교량으로의 적용 가부의 기준은, 100 년 후의 판두께 감소량이 0.5 ㎜ 이하인 것이 알려져 있기 때문에, 각종 강재에 대하여 본 부식 시험을 실시하여, 얻어지는 평균 판두께 감소량이 14 ㎛ 이하이면 무도장의 내후성 강의 교량으로의 적용이 가능해진다.

이상으로부터, 도 1 에 있어서, 평균 판두께 감소량이 14 ㎛ 이하인 강재에 대하여 내후성이 우수하다고 판정하였다.

도 1 의 결과로부터, 베이스 강 (강종 R) 에 W 와 Nb 를 복합 함유한 강 (강종 D), 혹은 W 와 Sn 을 복합 함유한 강 (강종 C) 은, 평균 판두께 감소량이 14 ㎛ 보다 작은 값이 되어, 종래의 내후성 강 (강종 Q), 보통 강 (강종 S), 다른 원소의 조합 (강종 A, B, E ? P) 과 비교해도 내후성이 현격히 우수하다는 것을 알 수 있다. 또한, 강종 C, D 와, Ni 함유량이 많은 강종 T 를 비교한 경우, 강종 C, D 의 내후성은 강종 T 의 내후성보다 우수하다.

이와 같이, 강종 C, D 가, Ni 함유량이 적음에도 불구하고 우수한 내후성을 나타낸 이유는 하기와 같이 추정된다.

강종 C, D 는, Ni 함유량을 줄이고, Cu 를 함유하고, W, Nb 및/또는 Sn 을 복합 함유한 강이다. Cu, Ni 는, 녹층을 치밀화시켜, 부식 촉진 인자인 염화물 이온이 녹층을 투과하여 지철에 도달하는 것을 방지한다. W 는, 애노드부에 있어서, 녹층과 지철의 계면 부근에 Fe 와의 복합 산화물을 형성하여, 애노드 반응을 억제한다. 또한, W 산 이온으로서 녹층에 분포됨으로써, 카티온 선택 투과성을 발현하여, 부식 촉진 인자인 염화물 이온이 녹층을 투과하여 지철에 도달하는 것을 방지한다. Nb 는, 애노드부에 있어서 녹층과 지철의 계면 부근에 농화되어, 애노드 반응, 캐소드 반응을 억제한다. Sn 은, Nb 와 마찬가지로 애노드부에 있어서 녹층과 지철의 계면 부근에 농화되어, 애노드 반응, 캐소드 반응을 억제한다. 단, 이들 효과는 단독 함유로는 불충분하고, Cu, Ni, W 와 Nb 및/또는 Sn 의 복합 함유에 의한 상승 효과에 의해, Cu, Ni, W, Nb, Sn 의 부식 억제 효과가 크게 향상되는 것으로 추정된다.

특히, Cu, Ni, W 를 복합 함유한 강 (강종 U) 에, Nb 또는 Sn 을 함유시킨 강 (강종 V, W) 과, Nb 와 Sn 양방을 함유시킨 강 (강종 X) 을 비교한 경우, 강종 X 의 내후성은 강종 V, W 의 내후성보다 현격히 우수하다.

강종 C, D, V, 및 W 와 같이 Nb 와 Sn 은, 적어도 어느 1 종을 함유시키면 본 발명의 효과를 발휘할 수 있다. 그러나, Nb 와 Sn 양방을 함유시키면, 강종 X 에 나타내는 바와 같이, 보다 현저하게 내후성을 향상시키는 효과가 있음을 알 수 있었다.

본 발명은, 이상의 지견에 기초하여 이루어진 것으로서, 그 요지는 이하와 같다.

[1] 질량％ 로, C : 0.020 ％ 이상 0.140 ％ 미만, Si : 0.05 ％ 이상 2.00 ％ 이하, Mn : 0.20 ％ 이상 2.00 ％ 이하, P : 0.005 ％ 이상 0.030 ％ 이하, S : 0.0001 ％ 이상 0.0200 ％ 이하, Al : 0.001 ％ 이상 0.100 ％ 이하, Cu : 0.10 ％ 이상 1.00 ％ 이하, Ni : 0.10 ％ 이상 0.65 ％ 미만, W : 0.05 ％ 이상 1.00 ％ 이하를 함유하고, 추가로, Nb : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하, Sn : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하의 1 종 또는 2 종을 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내후성이 우수한 구조용 강재.

[2] 상기 [1] 에 있어서, 추가로, 질량％ 로, Nb : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하 및, Sn : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 내후성이 우수한 구조용 강재.

[3] 상기 [1] 또는 [2] 에 있어서, 추가로, 질량％ 로, Cr : 0.1 ％ 초과 1.0 ％ 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 내후성이 우수한 구조용 강재.

[4] 상기 [1] ? [3] 중 어느 하나에 있어서, 추가로, 질량％ 로, Co : 0.01 ％ 이상 1.00 ％ 이하, Mo : 0.005 ％ 이상 1.000 ％ 이하, Sb : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하, REM : 0.0001 ％ 이상 0.1000 ％ 이하에서 선택되는 1 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 내후성이 우수한 구조용 강재.

[5] 상기 [1] ? [4] 중 어느 하나에 있어서, 추가로, 질량％ 로, Ti : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하, V : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하, Zr : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하, B : 0.0001 ％ 이상 0.0050 ％ 이하, Mg : 0.0001 ％ 이상 0.0100 ％ 이하에서 선택되는 1 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 내후성이 우수한 구조용 강재.

[6] 상기 [1] ? [5] 중 어느 하나에 있어서, 하기 식 (1) 로 정의되는 용접 균열 감수성 지표 Pcm 이 0.25 질량％ 이하인 것을 특징으로 하는 내후성이 우수한 구조용 강재. Pcm ＝ [C] ＋ [Si]/30 ＋ [Mn]/20 ＋ [Cu]/20 ＋ [Ni]/60 ＋ [Cr]/20 ＋ [Mo]/15 ＋ [V]/10 ＋ 5 × [B] ?????(1)

여기에서, [C], [Si], [Mn], [Cu], [Ni], [Cr], [Mo], [V], [B] 는, 각 원소의 함유량 (질량％) 을 나타낸다.

[6] 상기 [1] ? [6] 중 어느 하나에 기재된 내후성이 우수한 구조용 강재를 사용한 강 구조물.

한편, 본 명세서에 있어서, 강의 성분을 나타내는 ％ 는 모두 질량％ 이다. 또한, 본 발명에 있어서, 「내후성이 우수하다」란, 0.5 mdd 이하의 고비래 염분 환경에 있어서 적용 가능한 고내후성을 실용상 만족시키는 구조용 강재이다.

본 발명에 의하면, 저비용이며, 내후성이 우수한 구조용 강재 및 강 구조물이 얻어진다. 본 발명의 구조용 강재는, 내후성 향상에 유효한 원소를 복합 함유시킴으로써, Ni 등의 고가 원소를 다량으로 함유하지 않고 저비용이고, 실용적인 용접성을 가지며, 또한 해안 근방 등의 비래 염분량이 많은 환경에 있어서 우수한 내후성을 가질 수 있다. 특히, 비래 염분량이 0.05 mdd 초과인 고비래 염분 환경에서 현저한 효과를 갖는다. 단, 비래 염분량의 상한은 0.5 mdd 이하 또는 부착된 염분량의 상한은 0.2 mdd 이하인 것이 바람직하다.

도 1 은, 표 1 에 나타내는 강종 (강종 No.A ? X) 과 평균 판두께 감소량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2 는, 부식 시험의 조건 및 사이클을 나타내는 모식도이다.

이하에, 본 발명을 상세히 설명한다.

C : 0.020 ％ 이상 0.140 ％ 미만

C 는 구조용 강재의 강도를 향상시키는 원소로, 소정의 강도를 확보하기 위하여 0.020 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.140 ％ 이상에서는 용접성 및 인성이 열화된다. 따라서, C 함유량은 0.020 ％ 이상 0.140 ％ 미만으로 한다. 바람직하게는 0.060 ? 0.100 ％ 의 범위이다.

Si : 0.05 ％ 이상 2.00 ％ 이하

Si 는 제강시의 탈산제로서, 또한, 구조용 강재의 강도를 향상시켜 소정의 강도를 확보하는 원소로서, 0.05 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 2.00 ％ 를 초과하여 과잉으로 함유되면 인성 및 용접성이 현저하게 열화된다. 따라서, Si 함유량은 0.05 ％ 이상 2.00 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.10 ? 0.80 ％ 의 범위이다.

Mn : 0.20 ％ 이상 2.00 ％ 이하

Mn 은 구조용 강재의 강도를 향상시키는 원소로, 소정의 강도를 확보하기 위하여 0.20 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 2.00 ％ 를 초과하여 과잉으로 함유되면 인성 및 용접성이 열화된다. 따라서, Mn 함유량은 0.20 ％ 이상 2.00 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.20 ? 1.50 ％ 의 범위이다.

P : 0.005 ％ 이상 0.030 ％ 이하

P 는 구조용 강재의 내후성을 향상시키는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 0.005 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.030 ％ 를 초과하여 함유하면 용접성이 열화된다. 따라서, P 함유량은 0.005 ％ 이상 0.030 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.005 ? 0.025 ％ 의 범위이다.

S : 0.0001 ％ 이상 0.0200 ％ 이하

S 는 0.0200 ％ 를 초과하여 함유하면 용접성 및 인성이 열화된다. 한편, 함유량을 0.0001 ％ 미만까지 저하시키면, 생산 비용이 증대한다. 따라서, S 함유량은 0.0001 ％ 이상 0.0200 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.0003 ? 0.0050 ％ 의 범위이다.

Al : 0.001 ％ 이상 0.100 ％ 이하

Al 은, 제강시의 탈산에 필요한 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위하여, Al 함유량으로서 0.001 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.100 ％ 를 초과하면 용접성에 악영향을 미친다. 따라서, Al 함유량은 0.001 ％ 이상 0.100 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.010 ? 0.050 ％ 의 범위이다. 또한, Al 함유량은 산 가용 Al 을 측정하였다.

Cu : 0.10 ％ 이상 1.00 ％ 이하

Cu 는 녹 입자를 미세화함으로써 치밀한 녹층을 형성하여, 구조용 강재의 내후성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이와 같은 효과는 함유량이 0.10 ％ 이상에서 얻어진다. 한편, 1.00 ％ 를 초과하면 Cu 소비량 증가에 수반하는 비용 상승을 초래한다. 따라서, Cu 함유량은 0.10 ％ 이상 1.00 ％ 이하로 하였다. 바람직하게는 0.20 ? 0.50 ％ 의 범위이다.

또한, 특허문헌 5 는 선박용 내식 강재에 관한 것이다. 선박의 밸러스트 탱크의 방식 도막의 수명 (일반적으로 10 년) 이, 선박 수명 (20 년) 의 절반으로, 나머지 10 년은 보수 도장을 실시함으로써 내식성을 유지하고 있다는 현상황으로부터, 특허문헌 5 에 기재된 선박용 내식 강재에서는, 선박의 밸러스트 탱크 등의 해수 혹은 그 비말이 직접 가해지는 엄격한 부식 환경하에 있어서, 강재의 표면 상태에 좌우되지 않고 우수한 내식성을 발휘하여, 보수 도장까지의 기간 연장이 가능해지고, 나아가서는 보수 도장의 작업 경감을 도모하는 것을 목적으로 하고 있다. 이에 반해, 본 발명의 구조용 강재는, 교량 등의 옥외에서 사용되는 강 구조물에 적용하고, 해안 근방 등의 고비래 염분 환경에 있어서 100 년 후의 판두께 감소량이 0.5 ㎜ 이하인 것을 목적으로 하고 있어, 특허문헌 5 에 기재된 강재와는 강재를 사용하는 환경과 목적이 크게 상이하다. 따라서, 특허문헌 5 에 기재된 강재에서는 Cu 를 함유할 필요는 없지만, 본 발명에서는 Cu 를 함유하여, 치밀한 녹층을 형성시켜, 강재의 내후성을 향상시킬 필요가 있다. 그 때문에, 상기와 같이, 본 발명에 있어서 Cu 는 0.10 ％ 이상 함유하는 것으로 한다.

Ni : 0.10 ％ 이상 0.65 ％ 미만

Ni 는 녹 입자를 미세화함으로써 치밀한 녹층을 형성하여, 구조용 강재의 내후성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.10 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.65 ％ 이상이면 Ni 소비량 증가에 수반하는 비용 상승을 초래한다. 따라서, Ni 함유량은 0.10 ％ 이상, 0.65 ％ 미만으로 한다. 바람직하게는 0.15 ? 0.50 ％ 의 범위이다.

W : 0.05 ％ 이상 1.00 ％ 이하, Nb : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하 및/또는 Sn : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하

W 는, 본 발명에 있어서 중요한 요건으로, Nb 및/또는 Sn 과 공존함으로써, 고비래 염분 환경에 있어서의 강재의 내후성을 현저하게 향상시키는 효과가 있다. 또한, 강재의 애노드 반응에 수반하여 WO42- 가 용출되어, 녹층 중에 WO42- 로서 분포됨으로써, 부식 촉진 인자의 염화물 이온이 녹층을 투과하여 지철에 도달하는 것을 정전적으로 방지한다. 또한, 강재 표면에 W 를 함유하는 화합물이 침전됨으로써, 강재의 애노드 반응을 억제한다. 이들 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.05 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 1.00 ％ 를 초과하면 W 소비량 증가에 수반하는 비용 상승을 초래한다. 따라서, W 함유량은 0.05 ％ 이상 1.00 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.10 ? 0.70 ％ 의 범위이다.

Nb 는, 본 발명에 있어서 중요한 요건으로, W 와 공존함으로써, 고비래 염분 환경에 있어서의 강재의 내후성을 현저하게 향상시키는 효과가 있다. 또한, 애노드부에 있어서 녹층과 지철의 계면 부근에 농화되어, 애노드 반응, 캐소드 반응을 억제한다. 이들 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.005 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.200 ％ 를 초과하면 인성의 저하를 초래한다. 따라서, Nb 함유량은 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.010 ? 0.030 ％ 의 범위이다.

Sn 은, 본 발명에 있어서 중요한 요건으로, W 와 공존함으로써, 고비래 염분 환경에 있어서의 강재의 내후성을 현저하게 향상시키는 효과가 있다. 또한, 강재 표면에 Sn 을 함유하는 산화 피막을 형성하여, 강재의 애노드 반응, 캐소드 반응을 억제시킴으로써 구조용 강재의 내후성을 향상시킨다. 이들 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.005 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.200 ％ 를 초과하면 강의 연성이나 인성의 열화를 초래한다. 따라서, Sn 함유량은 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.010 ? 0.050 ％ 의 범위이다.

또한, Nb 와 Sn 은, 적어도 어느 1 종을 함유시키면 본 발명의 효과를 발휘할 수 있다. 그러나, Nb 와 Sn 양방을 함유시키면, 보다 현저하게 내후성을 향상시키는 효과가 있다. Nb 와 Sn 양방을 함유시키는 효과의 이유는, 분명하지는 않지만, 건조 과정과 습윤 과정이 반복되는 환경에 있어서, Nb 와 Sn 이 현저하게 효과를 발휘하는 조건 (예를 들어, 기온, 상대습도, 또는 녹 중의 염분 농도 등의 환경) 이 상이하기 때문에, Nb 와 Sn 이 각각의 효과를 서로 보완함으로써, 보다 현저하게 내후성을 향상시켰기 때문이라고 생각하고 있다.

또한, 강재의 기계적 성질, 용접성 등을 확보함에 있어서, 내후성을 열화시키지 않고 Nb, Sn 의 첨가량을 각각 저감시킬 수 있다는 이점도 있다. 이와 같은 이유로부터, Nb 와 Sn 양방을 함유하는 것은, 바람직한 발명 형태가 된다.

잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다.

여기에서 불가피적 불순물로서 N : 0.010 ％ 이하, O : 0.010 ％ 이하, Ca : 0.0010 ％ 이하를 허용할 수 있다. 또한, 불가피적 불순물로서 함유하는 Ca 는, 강 중에 다량으로 존재하면 용접열 영향부의 인성을 열화시키기 때문에 0.0010 ％ 이하가 바람직하다.

상기 성분 원소에 더하여, 이하의 합금 원소를 필요에 따라 첨가할 수 있다.

Cr : 0.1 ％ 초과 1.0 ％ 이하

Cr 은, 녹 입자를 미세화함으로써 치밀한 녹층을 형성하여, 내후성을 향상시키는 원소로, 이 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.1 ％ 초과로 함유할 필요가 있다. 한편, 1.0 ％ 를 초과하면, 용접성의 저하를 초래한다. 따라서, 함유하는 경우, Cr 함유량은 0.1 ％ 초과 1.0 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.2 ? 0.7 ％ 의 범위이다.

또한 본 발명에서는, 이하의 이유에서, Co, Mo, Sb 및 REM 에서 선택되는 1 종 이상을 함유할 수 있다.

Co : 0.01 ％ 이상 1.00 ％ 이하

Co 는 녹층 전체에 분포되며, 녹 입자를 미세화함으로써 치밀한 녹층을 형성하여, 구조용 강재의 내후성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이와 같은 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.01 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 1.00 ％ 를 초과하면 Co 소비량 증가에 수반하는 비용 상승을 초래한다. 따라서, 함유하는 경우, Co 함유량은 0.01 ％ 이상 1.00 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.10 ? 0.50 ％ 의 범위이다.

Mo : 0.005 ％ 이상 1.000 ％ 이하

Mo 는, 강재의 애노드 반응에 수반하여 MoO42- 가 용출되어, 녹층 중에 MoO42- 가 분포됨으로써, 부식 촉진 인자의 염화물 이온이 녹층을 투과하여 지철에 도달하는 것을 방지한다. 또한, 강재 표면에 Mo 를 함유하는 화합물이 침전됨으로써, 강재의 애노드 반응을 억제한다. 이들 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.005 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 1.000 ％ 를 초과하면 Mo 소비량 증가에 수반하는 비용 상승을 초래한다. 따라서, 함유하는 경우, Mo 함유량은 0.005 ％ 이상 1.000 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.100 ? 0.500 ％ 의 범위이다.

Sb : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하

Sb 는 강재의 애노드 반응을 억제함과 함께, 캐소드 반응인 수소 발생 반응을 억제함으로써 구조용 강재의 내후성을 향상시키는 원소이다. 이와 같은 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.005 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.200 ％ 를 초과하면 인성의 열화를 초래한다. 따라서, 함유하는 경우, Sb 함유량은 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.010 ? 0.050 ％ 의 범위이다.

REM : 0.0001 ％ 이상 0.1000 ％ 이하

REM 은 녹층 전체에 분포되며, 녹 입자를 미세화함으로써 치밀한 녹층을 형성하여, 구조용 강재의 내후성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.0001 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.1000 ％ 를 초과하면 그 효과는 포화된다. 따라서, 함유하는 경우, REM 함유량은 0.0001 ％ 이상 0.1000 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.0010 ? 0.0100 ％ 의 범위이다.

또한 본 발명에서는, 이하의 이유에서, Ti, V, Zr, B 및 Mg 에서 선택되는 1 종 이상을 함유할 수 있다.

Ti : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하

Ti 는, 강도를 높이기 위하여 필요한 원소이다. 이 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.005 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.200 ％ 를 초과하면 인성의 열화를 초래한다. 따라서, 함유하는 경우, Ti 함유량은 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.010 ? 0.100 ％ 의 범위이다.

V : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하

V 는, 강도를 높이기 위하여 필요한 원소이다. 이 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.005 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.200 ％ 를 초과하면 효과가 포화된다. 따라서, 함유하는 경우, V 함유량은 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.010 ? 0.100 ％ 의 범위이다.

Zr : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하

Zr 은, 강도를 높이기 위하여 필요한 원소이다. 이 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.005 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.200 ％ 를 초과하면 효과가 포화된다. 따라서, 함유하는 경우, Zr 함유량은 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.010 ? 0.100 ％ 의 범위이다.

B : 0.0001 ％ 이상 0.0050 ％ 이하

B 는, 강도를 높이기 위하여 필요한 원소이다. 이 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.0001 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.0050 ％ 를 초과하면 인성의 열화를 초래한다. 따라서, 함유하는 경우, B 함유량은 0.0001 ％ 이상 0.0050 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.0005 ? 0.0020 ％ 의 범위이다.

Mg : 0.0001 ％ 이상 0.0100 ％ 이하

Mg 는, 강 중의 S 를 고정시켜 용접열 영향부의 인성 향상에 유효한 원소이다. 이 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.0001 ％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.0100 ％ 를 초과하면 강 중의 개재물의 양이 증가하여 오히려 인성의 열화를 초래한다. 따라서, 함유하는 경우, Mg 함유량은 0.0001 ％ 이상 0.0100 ％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.0005 ? 0.0020 ％ 의 범위이다.

Pcm : 0.25 질량％ 이하

또한, 용접에 의한 저온 균열을 방지하고, 용접 시공시의 예열 온도를 50 ℃이하로 실제 조업상 문제가 없는 레벨로 하기 위해서는, 하기 식으로 정의되는 용접 균열 감수성 지표 Pcm 이 0.25 질량％ 이하인 것이 바람직하다. 바람직하게는 0.20 질량％ 이하의 범위이다.

Pcm ＝ [C] ＋ [Si]/30 ＋ [Mn]/20 ＋ [Cu]/20 ＋ [Ni]/60 ＋ [Cr]/20 ＋ [Mo]/15 ＋ [V]/10 ＋ 5 × [B]

또한, [C], [Si], [Mn], [Cu], [Ni], [Cr], [Mo], [V], [B] : 각 원소의 함유량 (질량％) 을 나타낸다.

본 발명의 내후성이 우수한 구조용 강재는, 상기 성분 조성을 갖는 강을 전로 (steel converter), 전기로 (electric furnace) 등의 용제(溶製) 수단으로 통상적인 방법에 의해 용제하고, 통상적인 연속 주조 (continuous casting) 나 분괴법에 의해 얻어진 슬래브 (slab) 를 열간 압연 (hot rolling) 함으로써 후판 (steel plate) 이나 형강 (shaped steel), 박강판 (steel sheet), 봉강 (bar steel) 등의 강재로 제조되어 얻어진다. 가열, 압연 조건은, 요구되는 재질에 따라 적절히 결정하면 되고, 제어 압연 (controlled rolling), 가속 냉각 (accelerated cooling), 혹은 재가열 (reheating) 의 열처리 등의 조합도 가능하다.

또한, 이상에 의해 얻어지는 구조용 강재를 강 구조물의 구조 부재로서 사용함으로써, 해안 근방 등의 비래 염분량이 많은 환경에 있어서 우수한 내후성을 갖는 강 구조물로 할 수 있다.

실시예

표 2, 3 및 4 에 나타내는 화학 조성의 강을 용제하고, 1150 ℃ 로 가열한 후, 열간 압연 (hot rolling) 을 실시하고, 실온 (room temperature) 까지 공랭 (air cooling) 하여 두께 6 ㎜ 의 강판을 시험 제작하였다. 이어서, 얻어진 강판으로부터 35 ㎜ × 35 ㎜ × 5 ㎜ 의 시험편 (test specimen) 을 채취하였다. 시험편은, 표면을 표면 거칠기 (Ra : surface roughness) 가 1.6 ㎛ 이하가 되도록 연삭 가공 (grinding processing) 하고, 단면 (edge face), 이면 (back side) 을 테이프 (tape) 로 시일 (seal) 하고, 표면 노출부 (exposed area) 의 면적이 25 ㎜ × 25 ㎜ 가 되도록 표면도 테이프로 시일하였다.

이상에 의해 얻어진 시험편에 대하여, 내후성 시험 (wet and dry cyclic corrosion test) 을 실시하여, 내후성을 평가하였다.

내후성 평가 시험으로는, 실제 교량 등의 구조물에 있어서 가장 엄격한 환경이라고 생각되는, 비에 노출되지 않는 도리 (girder) 내부의 환경을 모의한 부식 시험을 실시하였다. 부식 시험의 조건은 이하와 같다. 온도 40 ℃, 상대습도 40 ％RH 의 건조 공정을 11 시간, 그 후, 이행 시간을 1 시간 취한 후, 온도를 25 ℃, 상대습도를 95 ％RH 의 습윤 공정을 11 시간으로 하고, 그 후 1 시간 이행 시간을 취하고, 합계 24 시간으로 1 사이클로 하여, 실제 환경의 온습도 사이클을 모의하였다. 또한, 시험편 표면에 부착되는 염분량이 0.2 mdd 가 되도록 조정한 인공 해수 용액을 주에 1 회, 건조 공정 중에 시험편의 표면에 도포하였다. 이 조건에서, 12 주간으로 84 사이클의 시험을 실시하였다. 상기 부식 시험의 조건 및 사이클을 모식적으로 도 2 에 나타낸다. 또한, 부식 시험 종료 후, 시험편을 염산에 헥사메틸렌테트라민을 첨가한 수용액에 침지시켜 탈청하고 나서 중량을 측정하고, 얻어진 중량과 초기 중량의 차를 구하여 편면의 평균 판두께 감소량을 구하였다. 이 평균 판두께 감소량이 14 ㎛ 이하이면, 내후성이 우수하다고 평가하였다.

또한, 상기 시험편에 대하여, 용접성 (weldability) 을 평가하였다. 평가 방법으로서, 용접부의 저온 균열 감수성 (cold cracking susceptibility) 을 조사하는 y 형 용접 균열 시험 (y-slit weld cracking test) 을 실시하여, 용접 균열 방지 (prevention of weld cracking) 의 예열 온도 (preheating temperature) 를 구하였다. 이 용접 균열 방지 예열 온도가 높은 경우에는, 용접성이 열등하다고 평가하였다.

이상에 의해 얻어진 부식 시험의 결과 및 용접성 평가의 결과를 성분 조성과 함께 표 2, 3 및 4 에 나타낸다.

본 발명예 (강종 No.1 ? 25) 에서는, 판두께 감소량은 11.8 ? 13.8 ㎛ 로, 우수한 내후성을 갖고 있다. 단, No.25 는, 우수한 내후성을 갖고 있지만, Pcm 이 0.25 질량％ 를 초과하였기 때문에, 용접 균열 방지 예열 온도가 100 ℃ 로 높고, 용접성이 열등하다.

특히, Nb 와 Sn 양방을 함유시킨 강종 No.7 은, Cu, Ni, W 와, Nb 혹은 Sn 의 첨가량이 거의 동등하고, Nb 혹은 Sn 중 1 종을 함유시킨 강종 No.2, 5 에 비해, 보다 현저하게 내후성이 향상되었다. 마찬가지로, Nb 와 Sn 양방을 함유시킨 강종 No.8 은, 강종 1, 4 에 비해, 보다 현저하게 내후성이 향상되었다. 마찬가지로, Nb 와 Sn 양방을 함유시킨 강종 No.11 과 12 는, 강종 10 에 비해, 내후성이 향상되었다.

한편, 본 발명에서 규정하는 범위로부터 벗어나는 비교예 (강종 No.26 ? 42) 에서는, 판두께 감소량이 14.3 ? 17.7 ㎛ 로 본 발명예에 비해 크게 내후성이 열등한 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 (강종 No.41 및 No.42) 는, 판두께 감소량이 14.0 ㎛, 12.5 ㎛ 로 내후성이 우수하지만, Ni 를 많이 함유하고 있기 때문에, 합금 비용이 상승하여 강재의 가격이 높다. 또한, 비교예 강종 No.42 는, Pcm 이 0.25 질량％ 를 초과하였기 때문에, 용접 균열 방지 예열 온도가 100 ℃ 로 높고, 용접성이 열등하다.

Claims

질량％ 로, C : 0.020 ％ 이상 0.140 ％ 미만, Si : 0.05 ％ 이상 2.00 ％ 이하, Mn : 0.20 ％ 이상 2.00 ％ 이하, P : 0.005 ％ 이상 0.030 ％ 이하, S : 0.0001 ％ 이상 0.0200 ％ 이하, Al : 0.001 ％ 이상 0.100 ％ 이하, Cu : 0.10 ％ 이상 1.00 ％ 이하, Ni : 0.10 ％ 이상 0.65 ％ 미만, W : 0.05 ％ 이상 1.00 ％ 이하를 함유하고, 추가로, Nb : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하, Sn : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하의 1 종 또는 2 종을 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 구조용 강재.
제 1 항에 있어서,
추가로, 질량％ 로, Nb : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하 및, Sn : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하를 함유하는 구조용 강재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
추가로, 질량％ 로, Cr : 0.1 ％ 초과 1.0 ％ 이하를 함유하는 구조용 강재.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
추가로, 질량％ 로, Co : 0.01 ％ 이상 1.00 ％ 이하, Mo : 0.005 ％ 이상 1.000 ％ 이하, Sb : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하, REM : 0.0001 ％ 이상 0.1000 ％ 이하에서 선택되는 1 종 이상을 함유하는 구조용 강재.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
추가로, 질량％ 로, Ti : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하, V : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하, Zr : 0.005 ％ 이상 0.200 ％ 이하, B : 0.0001 ％ 이상 0.0050 ％ 이하, Mg : 0.0001 ％ 이상 0.0100 ％ 이하에서 선택되는 1 종 이상을 함유하는 구조용 강재.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
하기 식 (1) 로 정의되는 용접 균열 감수성 지표 Pcm 이 0.25 질량％ 이하인 구조용 강재.
Pcm ＝ [C] ＋ [Si]/30 ＋ [Mn]/20 ＋ [Cu]/20 ＋ [Ni]/60 ＋ [Cr]/20 ＋ [Mo]/15 ＋ [V]/10 ＋ 5 × [B] ?????(1)
여기에서, [C], [Si], [Mn], [Cu], [Ni], [Cr], [Mo], [V], [B] 는, 각 원소의 함유량 (질량％) 을 나타냄.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 구조용 강재를 사용한 강 구조물.