KR20120083855A

KR20120083855A - 내식성이 우수한 구조 부재용 강재

Info

Publication number: KR20120083855A
Application number: KR1020120005022A
Authority: KR
Inventors: 다까히로 오자와; 신지 사까시따; 사또시 요시다
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2012-07-26
Also published as: JP5771011B2; KR101389160B1; CN102605277A; JP2012149296A; CN102605277B

Abstract

심한 부식 환경 하에 있어서, 도장이나 라이닝 방식 등의 다른 방식 수단을 강구하지 않아도 우수한 장기 내식성을 나타내는 구조 부재용 강재를 제공한다. 본 발명의 구조 부재용 강재는, 소정의 화학 성분 조성을 만족하고, 또한 하기 수학식 1로 규정되는 A값이 -2.0 이상, 2.0 이하이다.
[수학식 1]

단, [S], [P], [Mn], [Ti], [Ca], [Cu], [Ni] 및 [Cr]은, 각각 S, P, Mn, Ti, Ca, Cu, Ni 및 Cr의 함유량(질량％)을 나타낸다.

Description

내식성이 우수한 구조 부재용 강재 {STEEL MATERIAL FOR STRUCTURAL MEMBER HAVING EXCELLENT CORROSION RESISTANCE}

본 발명은, 원유 탱커, 화물선, 객선, 군함 등의 선박 외에, 교량 등과 같은 해양 구조물의 구성 부재로서 유용한 구조 부재용 강재에 관한 것으로, 특히 심한 부식 환경 하에서 우수한 내식성을 발휘하는 구조 부재용 강재에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 구조 부재용 강재는, 각종 선박 외에, 교량 등과 같은 해양 구조물의 구성 부재로서 적용할 수 있는 것이지만, 이하에서는 대표적인 것으로서 선박용으로 사용되는 경우를 중심으로 설명한다.

각종 선박에 있어서 주요한 구조 부재로서 사용되고 있는 강재는, 해수에 의한 염분이나 고온 고습, 원유 중에 포함되는 수분 외에, 부식성 가스 성분 등에 의해 심한 부식 환경에 노출되게 된다. 특히, 원유 탱커의 유조(원유 탱크)에서는, 원유중의 휘발 성분이나 혼입 해수, 유전 염수 중의 염분, 방폭(防曝)을 위하여 유조 내에 보내지는 이너트 가스(배 엔진의 배기 가스) 외, 밤낮의 온도 변동에 의한 결로 등에 의해 독특한 부식 환경이 되기 때문에, 강재(특히, 강판)의 부식 두께 감소(부식에 기인하는 판 두께 현상)가 발생한다.

이로 인해, 부식여유를 고려한 판 두께 설계가 행해져, 전체면 부식이나 국부 부식으로의 대책으로 되어 있다. 그리고, 상기와 같은 부식 두께 감소에 의해 원하는 부재 강도를 유지하는 것이 곤란해진 경우에는, 부식된 부재를 절단해서 새로운 부재와 용접 접합하거나, 소위 강판의 전환이 필요해져 막대한 비용이 들게 된다. 이러한 점에서, 부식대의 저감이 도모되고, 게다가 비용 상승을 방지할 수 있는 내식성이 우수한 구조 부재용 구리재의 개발이 요망되고 있다.

강재의 부식 방지를 도모하는 기술로서는, 도장에 의한 방식법(도장 방식법)이나, 아연이나 알루미늄을 강재 표면에 용사에 의해 라이닝해서 방식하는 방법(라이닝 방식법)이 일반적이다. 그러나, 이러한 기술에서는, 시공 비용이 커진다는 경제적인 문제가 있는 것에 더하여, 방식을 위한 층(방식층)에 시공시에 있어서의 마이크로적인 결함이 존재하거나, 방식층이 시간이 지나면서 열화됨으로써 부식이 불가피하게 진전되게 된다. 그로 인해, 도장 방식법이나 라이닝 방식법에 의해서도, 정기적인 검사와 보수가 불가결해진다고 하는 문제가 있다.

상기 기술 외에, 화학 성분의 조정 등에 의해 구리재 자체의 내식성을 향상시킨 내식성 강재도 지금까지 다수 제안되어 있다. 예를 들어 특허 문헌 1에는, Mg나 Cu 등의 함유량을 적절하게 제어한 조선용 내식강이 제안되어 있으며, 특허 문헌 2에는, W의 함유량을 적절하게 제어한 조선용 내식강이 제안되어 있다. 이들의 기술에서는, 무도장이어도, 우수한 내식성을 발휘하는 것이 개시되어 있다. 또한, 특허 문헌 3에는, Sn의 함유량을 적절하게 제어하는 동시에, 표면에 도장을 실시함으로써 우수한 내식성을 갖는 것이 개시되어 있다.

그러나, 상기 기술에서는 모두, 심한 부식 환경 하에서의 내식성이 충분하다고는 할 수 없다. 특히, 원유와 접촉하는 심한 부식 환경 하에서도, 장기간에 걸쳐서 우수한 내식성을 확보하기 위해, 구조 부재용 강재의 가일층의 내식성 향상이 요망되고 있는 것이 실상이다.

일본 특허 출원 공개 제2000-17381호 공보 일본 특허 출원 공개 제2009-97083호 공보 일본 특허 출원 공개 제2009-127076호 공보

본 발명은 상기와 같은 사정에 착안해서 이루어진 것이며, 그 목적은, 심한 부식 환경 하에 있어서, 도장이나 라이닝 방식 등의 다른 방식 수단을 강구하지 않아도 우수한 장기 내식성을 나타내는 구조 부재용 강재를 제공하는 데 있다

상기 목적을 달성할 수 있었던 본 발명의 구조 부재용 강재란, C:0.05 내지0.20％(질량％의 의미, 이하 동일), Si:0.1 내지 0.3％, Mn:0.50 내지 1.20％, P:0.005 내지 0.020％, S:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음), Al:0.01 내지 0.08％, Cu:0.15 내지 0.50％, Ni:0.15 내지 0.50％, Cr:0.02 내지 0.20％, Ti:0.005 내지 0.020％ 및 Ca:0.001 내지 0.010％를 각각 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 또한 하기 수학식 1로 규정되는 A값이 -2.0 이상, 2.0 이하인 점에 요지를 갖는 것이다.

[수학식 1]

본 발명의 구조 부재용 강재에 있어서는, 필요에 따라, 또한 (a) Mg:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음), (b) Co:1％ 이하(0％를 포함하지 않음), (c) Mo:1％ 이하(0％를 포함하지 않음) 등을 함유시키는 것도 유효하며, 이들을 함유시킴으로써 구조 부재용 구리재의 특성이 더욱 개선된다.

본 발명에 있어서는, 화학 성분 조성을 엄밀하게 규정하는 동시에, S, P, Ti, Mn, Ca, Cu, Ni 및 Cr의 함유량에 따라 규정되는 A값을 적정한 범위로 제어함으로써, 심한 부식 환경 하에서도 우수한 내식성을 나타내고, 장시간에 걸쳐서 양호한 내식성을 확보할 수 있는 구조 부재용 강재를 실현할 수 있으며, 이러한 구조 부재용 강재는, 선박이나 해양 구조물의 소재로서 매우 유용하다.

도 1은 수학식 1로 규정되는 A값과 부식 속도의 관계를 나타낸 그래프.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 연구를 거듭하였다. 그 결과, C, Si, Mn, P, S, Al, Cu, Ni, Cr, Ti, Ca 등의 원소를 엄밀하게 조정하는 동시에, 성분에 의해 구해지는 하기 A값(수학식 1)을, -2.0 이상, 2.0 이하의 범위로 제어하면, 내식성이 우수한 구조 부재용 강재가 얻어지는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하였다.

[수학식 1]

상기 A값은, 균일하고 안정된 표면 녹 피막을 발현하는 파라미터로, 심한 부식 환경 하에서도 장시간의 내식성을 나타내는 지표가 되는 것이다. 상기 수학식 1에 있어서의 각 원소에 대한 계수는, 본 발명자들이, 회귀 분석에 의해 결정한 것이다. 이 계수의 부호가 플러스이면, 내식성을 악화시키는 방향으로 작용하는 원소이고, 마이너스이면 내식성을 향상시키는 방향으로 작용하는 원소이다. 또한, 상기 수학식 1로 규정되는 A값이, 2.0을 초과하면 내식성이 악화되기 때문에, A값을 2.0 이하로 할 필요가 있다. 또한 A값이 -2.0 미만이 되면, 강재의 균일한 녹 생성 반응을 저해하게 된다. A값의 바람직한 하한은 -1.8이며, 바람직한 상한은 1.8이다.

본 발명의 강재에서는, 그 강재로서의 기본적 특성 및 내식성을 만족시키기 위해서, C, Si, Mn, P, S, Al, Cu, Ni, Cr, Ti, Ca 등의 성분을 적절하게 조정할 필요가 있다. 이들 성분의 범위 한정 이유는, 다음과 같다.

[C:0.05 내지 0.20％]

C는, 강재의 강도 확보를 위하여 필요한 원소이다. 구조 부재용 강재로서 요구되는 강도(대략 300㎫ 이상)를 얻기 위해서는, 0.05％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, 0.20％를 초과해서 과잉으로 함유시키면 강재의 인성이 열화된다. 이러한 점에서, C 함유량의 범위는 0.05 내지 0.20％로 하였다. 또한, C 함유량의 바람직한 하한은 0.06％이며, 보다 바람직하게는 0.07％ 이상으로 하는 것이 좋다. 또한, C 함유량의 바람직한 상한은 0.18％이며, 보다 바람직하게는 0.16％ 이하로 하는 것이 좋다.

[Si:0.1 내지 0.3％]

Si는, 탈산과 강도 확보를 위해 필요한 원소이며, 0.1％를 만족하지 않으면 구조 부재로서 요구되는 강도를 확보할 수 없다. 그러나, 0.3％를 초과해서 과잉으로 함유시키면, 용접성이 열화된다.

[Mn:0.50 내지 1.20％]

Mn은 MnS으로서 S를 트랩해서 내식성 향상에 유효한 원소이다. 또한, Si와 마찬가지로 탈산과 강도 확보를 위해서 필요하며, 0.50％를 만족하지 않으면 구조 부재로서 요구되는 강도를 확보할 수 없다. 그러나, 1.20％를 초과해서 과잉으로 함유시키면, MnS가 조대화되어 내식성이 악화될 뿐만 아니라, 인성도 열화된다. 따라서, Mn 함유량의 범위는 0.50 내지 1.20％로 하였다. 또한, Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.55％이며, 보다 바람직하게는 0.6％ 이상으로 하는 것이 좋다. 또 Mn 함유량의 바람직한 상한은 1.15％이며, 보다 바람직하게는 1.10％ 이하로 하는 것이 좋다.

[P:0.005 내지 0.020％]

P는, 내식성에 유해한 것에 더하여, 인성이나 용접성도 열화시킨다. P 함유량이 0.020％ 정도까지라면, 실제로 해는 없다. 그러나, P의 저감에는 막대한 비용이 필요해지기 때문에, P 함유량은 0.005％ 이상으로 하였다.

[S:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

S는, 내식성, 인성 및 용접성에 유해한 원소이며, 그 양은 가능한 한 적은 것이 바람직하다. 이러한 점에서, S 함유량은 0.005％ 이하로 하였다. 또한, S 함유량의 바람직한 상한은 0.004％이다(보다 바람직하게는 0.003％ 이하).

[Al:0.01 내지 0.08％]

Al도 Si나 Mn과 마찬가지로, 탈산 및 강도 확보를 위하여 필요한 원소이며, 그 함유량이 0.01％를 만족하지 않으면, 탈산의 효과가 발휘되지 않는다. 그러나, 0.08％를 초과해서 과잉으로 함유되면 용접성을 해치게 된다. 이러한 점에서, Al 함유량은, 0.01 내지 0.08％로 하였다. 또한, Al 함유량의 바람직한 하한은 0.015％이며, 보다 바람직하게는 0.02％ 이상으로 하는 것이 좋다. 또한, Al 함유량의 바람직한 상한은 0.075％이며, 보다 바람직하게는 0.065％ 이하로 하는 것이 좋다.

[Cu:0.15 내지 0.50％]

Cu는, 내식성 향상에 유효한 원소이다. 특히 Cu는, 표면 녹 피막의 치밀화를 향상시키는 작용을 갖고 있고, 환경 차단성을 높여서 내식성을 향상시키는 데 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Cu는 0.15％ 이상 함유시킬 필요가 있지만, 과잉으로 함유시키면 용접성이나 열간 가공성이 열화되기 때문에, 0.50％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, Cu 함유량의 바람직한 하한은 0.2％이며, 바람직한 상한은 0.4％이다.

[Ni:0.15 내지 0.50％]

Ni는, 내식성 향상에 유효한 원소이다. 특히 Ni는, 부식 환경에 있어서 치밀한 표면 녹 피막을 형성하는 작용을 갖고 있고, 표면 녹 피막에 의한 부식 억제 효과를 발현하는 원소이다. 또 Ni는, Cu를 함유하는 것에 의한 적열 취성을 방지하는 효과도 발휘한다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Ni는 0.15％ 이상 함유시킬 필요가 있지만, 과잉으로 함유시키면 용접성이나 열간 가공성이 열화되기 때문에, 0.50％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, Ni 함유량의 바람직한 하한은 0.2％이며, 바람직한 상한은 0.4％이다.

[Cr:0.02 내지 0.20％]

Cr은, 내식성 향상에 유효한 원소이다. 특히 Cr은 Cu와 마찬가지로, 표면 녹 피막의 치밀화를 향상시키는 작용을 갖고 있으며, 환경 차단성을 높여서 내식성을 향상시키는 데 유효한 원소이다. 또한, 적당량의 Cr은, 인성을 향상시키는 데 유효하고, 구조 부재용 강재로서 필요한 기계적 특성을 얻기 위해서도 필요한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Cr은 0.02％ 이상 함유시킬 필요가 있지만, 과잉으로 함유시키면 용접성이나 열간 가공성이 열화되기 때문에, 0.20％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, Cr 함유량의 바람직한 하한은 0.05％이며, 바람직한 상한은 0.15％이다.

[Ti:0.005 내지 0.020％]

Ti는, 내식성 향상에 유효한 원소이다. 특히 Ti는, 부식 환경에 있어서 형성되는 표면 녹 피막을 안정화시키는 작용을 갖고 있으며, 표면 녹 피막에 의한 부식 억제 효과를 장시간에 걸쳐서 발현시키는 데 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Ti는 0.005％ 이상 함유시킬 필요가 있지만, 과잉으로 함유시키면 용접성이나 열간 가공성이 열화되기 때문에, 0.020％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, Ti 함유량의 바람직한 하한은 0.008％이며, 바람직한 상한은 0.018％이다.

[Ca:0.001 내지 0.010％]

Ca는, 내식성 향상에 유효한 원소이다. 특히, 부식에 의해 용해된 Fe의 가수 분해에 의한 pH 저하를 억제하는 작용을 갖는다. 이 작용에 의해, 외부로의 수소 이온 확산이 일어나기 어려운 구조적 간극부에 있어서, pH 저하를 억제시켜 부식을 억제하고, 특히 내 간극 부식성을 향상시킬 수 있다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Ca는 0.001％ 이상 함유시킬 필요가 있지만, 0.010％를 초과해서 과잉으로 함유시키면 용접성이나 가공성을 열화시키게 된다. 또한, Ca 함유량의 바람직한 상한은 0.005％이다.

본 발명의 구조 부재용 강재에 있어서의 기본 성분은 상기한 바와 같으며, 잔량부는 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것이다. 불가피적 불순물로서는, 예를 들어 O, H, W 등을 들 수 있으며, 이들의 원소는 강재의 특성을 해치지 않는 정도로 함유해도 좋다.

또한, 본 발명의 구조 부재용 강재에는, 상기 성분의 다른 필요에 의해, 또한, (a) Mg:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음), (b) Co:1％ 이하(0％를 포함하지 않음), (c) Mo:1％ 이하(0％를 포함하지 않음) 등을 함유시키는 것도 유효하고, 함유시키는 성분에 따라서 구조 부재용 강재의 특성이 더욱 개선되게 된다.

[Mg:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Mg는 Ca와 마찬가지로, 내식성 향상에 유효한 원소이며, 필요에 따라서 함유시킬 수 있다. 이러한 효과는 그 함유량이 늘어남에 따라서 증대하지만, 과잉으로 함유시키면 용접성이나 가공성이 열화되기 때문에, 0.005％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, Mg를 함유시킬 때의 바람직한 하한은 0.0005％ 이상이다.

[Co:1％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Co는, 내식성 향상에 유효한 원소이며, 필요에 따라서 함유시킬 수 있다. Co는 Ni와 마찬가지로, 부식 환경에 있어서 치밀한 표면 녹 피막을 형성시키는 작용을 갖고 있으며, 표면 녹 피막에 의한 부식 억제 효과를 발휘한다. 특히 Mg와 공존시킴으로써 현저한 내식 효과가 얻어진다. 이러한 효과는 그 함유량이 늘어남에 따라 증가하지만, 과잉으로 함유시키면 용접성이나 가공성이 열화되기 때문에, 1％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, Co를 함유시킬 때의 바람직한 하한은 0.01％ 이상(보다 바람직하게는 0.02％ 이상)이다.

[Mo:1％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Mo는, 내식성 향상에 유효한 원소이며, 필요에 따라서 함유시킬 수 있다. Mo는, 표면 녹 피막에 의한 부식 억제 효과를 발휘하는 원소이다. 이러한 효과는 그 함유량이 늘어남에 따라서 증대하지만, 과잉으로 함유시키면 용접성이 열화되기 때문에, 1％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, Mo를 함유시킬 때의 바람직한 하한은 0.01％ 이상(보다 바람직하게는 0.03％ 이상)이다.

본 발명의 구조 부재용 강재는, 기본적으로는 도장 방식이나 라이닝 방식을 실시하지 않아도 강재 자체가 우수한 내식성을 발휘하는 것이지만, 필요에 따라서, 타르 에폭시 수지 도료, 혹은 그 이외 대표되는 중방식 도장, 징크리치 페인트, 숍 프라이머 등의 다른 방식 방법과 병용하는 것도 가능하다.

이하, 실시예를 들어서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 원래부터 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것이 아니라, 전?후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가해서 실시하는 것도 물론 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이다.

<실시예>

하기 표 1 내지 3에 나타내는 화학 성분 조성의 강재(시험 N0.1 내지 68)를 용제하고, 열간 압연, 및 필요에 따라 열처리를 실시하여, 판 두께:20㎜의 후동판으로 하였다. 이 후동판으로부터, 치수:5×30×30(㎜)의 부식 시험편을 잘라내어, 부식 시험에 제공하였다.

이때 부식 환경(모의 환경)은, 0.14㏖/L의 염산 수용액을 사용하여, 72 시간 침적 시험을 실시하였다. 또 수용액 온도는 30℃로 하였다.

상기 모의 환경에 있어서의 부식 시험 후, 부식 속도(㎜/년)를 산출하고, A값과 비교 검토하였다. 그 결과(부식 시험 결과)를, A값과 함께, 상기 표 1 내지 3에 나타낸다. 시험 N0.1 내지 31의 것은, 본 발명에서 규정하는 요건(화학 성분 조성 및 A값)을 만족하는 예(실시예)이다. 한편, 시험 N0.32 내지 52의 것은, 화학 성분 조성이 본원 발명에서 규정하는 범위를 벗어나는 것이며, 시험 N0.53 내지 67의 것은, 화학 성분 조성은 만족하지만, A값이 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나는 것이다. 시험 N0.68의 것은, 화학 성분 조성도 A값도 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나는 것이다.

표 1 내지 3에 도시한 것 중, 시험 N0.1 내지 31의 것과, 시험 N0.53 내지 68의 것에 대해서, 수학식 1로 규정되는 A값과 부식 속도의 관계를 도 1에 도시하지만(도면 중, ◆은 시험 N0.1 내지 31의 것, ■는 시험 N0.53 내지 68의 것을 나타낸다), A값을 적절한 범위로 제어함으로써, 내식성이 향상되고 있는 것을 알 수 있다.

Claims

C:0.05 내지 0.20％(질량％의 의미, 이하 동일), Si:0.1 내지 0.3％, Mn:0.50 내지 1.20％, P:0.005 내지 0.020％, S:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음), Al:0.01 내지 0.08％, Cu:0.15 내지 0.50％, Ni:0.15 내지 0.50％, Cr:0.02 내지 0.20％, Ti:0.005％ 내지 0.020％, 및 Ca:0.001 내지 0.010％를 각각 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 또한 하기 수학식 1로 규정되는 A값이 -2.0 이상, 2.0 이하인 것을 특징으로 하는, 내식성이 우수한 구조 부재용 강재.
[수학식 1]

단, [S], [P], [Mn], [Ti], [Ca], [Cu], [Ni] 및 [Cr]은, 각각 S, P, Mn, Ti, Ca, Cu, Ni 및 Cr의 함유량(질량％)을 나타낸다.
제1항에 있어서, Mg:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음), Co:1％ 이하(0％를 포함하지 않음), Mo:1％ 이하(0％를 포함하지 않음)로부터 선택되는 1종 이상을 더 함유하는, 내식성이 우수한 구조 부재용 강재.