KR20120087498A - 저온인성이 우수한 고강도 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

저온인성이 우수한 고강도 강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온인성이 우수한 베이나이트계 고강도 강판 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 강판은, 탄소(C) 0.03 ~ 0.06 중량%, 규소(Si) 0.01 ~ 0.5 중량%, 망간(Mn) 1.5 ~ 2.5 중량%, 니켈(Ni) 0.3 ~ 0.6 중량%, 구리(Cu) 0.5 중량% 이하, 크롬(Cr) 0.5 중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.1 ~ 0.5 중량%, 니오븀(Nb) 0.05 ~ 0.08 중량%, 바나듐(V) 0.01 ~ 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.1 ~ 0.2 중량%, 알루미늄(Al) 0.05 중량% 이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고 미세조직상 침상형 페라이트 조직의 면적분율이 75% 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

저온인성이 우수한 고강도 강판 및 그 제조방법 {HIGH STRENGTH STEEL SHEET WITH LOW-TEMPERATURE TOUGHNESS AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 저온인성이 우수한 고강도 강판과 이를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 제어된 가공열처리법을 통해 고가의 합금원소를 최소한으로 사용하면서 우수한 강도와 저온인성을 구현할 수 있는 강판과 이의 제조방법에 관한 것이다.
산업구조가 급속하게 성장하면서 건축물, 선박, 교량 등이 점점 대형화되고 있으며, 대형의 구조물들이 큰 하중을 견디거나 지진 등으로부터 안전하게 유지되기 위해서 구조용 철강재료는 보다 높은 강도와 인성이 요구되고 있다.
이러한 요구에 대응하기 위하여, 최근에는 베이나이트 조직을 기반으로 하는 저온변태상을 이용한 철강재료가 활발히 연구되고 있는데, 현재까지 제안되고 있는 방법은 주로 합금조성이나 압연 열처리 공정을 변화시켜 저온변태상을 얻는 것이다.
이중 합금조성의 조절을 통한 새로운 철강재료 개발에는 오랜 시간이 걸리고, 합금원소의 가격변동에 따라 적용 여부가 크게 좌우되기 때문에 응용에 어려움이 있다. 이에 비해, 압연 열처리 공정의 조절은 기존의 화학조성을 이용하되 제조공정을 최적화시켜 미세조직을 제어하는 방법으로 합금조성의 조절보다 그 적용이 용이할 수 있으며, 이러한 이유로 전세계 여러 철강사에서는 다양한 압연 열처리 조건을 개발하고 있다.
포스코(POSCO)사의 TMCP(thermomechanical control process) 방법은 고온에서 제어압연을 실시하여 결정립 미세화 효과를 충분히 얻고, 가속냉각을 통해 저온변태상을 형성시키는 것으로서, 주로 제어압연 후 γ 단상영역과 (γ+α) 이상영역에서의 가속냉각을 통해 조직을 조절하는 방법이다.
또한, 신일본제철의 TMCP 방법은 MAC(mild accelerated cooling)을 통해 제어압연 후 냉각을 지연시킴으로써 급랭으로 형성된 베이나이트 조직과 달리 미세한 침상형 페라이트가 형성될 수 있도록 유도하는 것이다.
또한, JFE 스틸사는 베이나이트와 MA(martensite-austenite constituents)로 구성된 이상조직을 얻기 위하여 HOP(heat treat online process)라는 TMCP 방법을 개발하였는데, HOP는 유도가열 방식을 이용하여 베이나이트를 재가열하는 동안 2차상을 형성시키고, 베이나이트를 템퍼링시키면서 탄소의 과포화를 제거하여 경한 MA를 형성시키는 방법이다.
그 외에도 MA를 포함한 페라이트와 마르텐사이트의 이상조직, 침상형 페라이트조직 등을 활용한 강들이 연구되고 있는데, 전체적으로 볼 때 연한 페라이트와 강한 저온변태조직으로 구성된 이상조직이 고강도 고인성 철강재료의 제조를 위한 주된 미세조직이라고 할 수 있다.
한편, 고강도 고인성강은 우수한 상온 물성뿐만 아니라 우수한 저온인성도 요구되는데, 이는 동토지대나 심해저에서 사용되는 라인 파이프, 선박, 해양구조물 등에 고강도 철강재료가 이용되기 때문이다. 이에 따라 압연 열처리 공정의 조절을 통해, 강도는 물론 저온인성도 보다 개선된 구조용 철강재료의 개발이 요구된다.
본 발명은 압연 열처리 공정제어를 통해, 고가의 합금원소 사용을 최소화하면서도 우수한 강도와 저온인성을 구현할 수 있는 우수한 베이나이트계 고강도 강판을 제공하는 것을 해결하려는 과제로 한다.
또한, 본 발명의 다른 과제는 저온인성이 우수한 베이나이트계 고강도 강판의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, 탄소(C) 0.05 - 0.08 중량%, 규소(Si) 0.01 - 0.5 중량%, 망간(Mn) 1.5 - 2.5 중량%, 니켈(Ni) 0.3 - 0.6 중량%, 구리(Cu) 0.5 중량% 이하, 크롬(Cr) 0.2 - 1.0 중량%, 몰리브데늄(Mo) 0.1 - 0.5 중량%, 니오븀(Nb) 0.05 - 0.08 중량%, 바나듐(V) 0.01 - 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.1 - 0.2 중량%, 알루미늄(Al) 0.05 중량% 이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직상 침상형 페라이트 조직의 면적분율이 75% 이상인 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판을 제공한다.
본 발명에 있어서, '면적분율'이란 각 미세조직이 철강재료 내에 분포하는 정도를 퍼센트로 나타낸 것으로서, 철강재료의 미세조직을 2000배 배율의 주사전자현미경으로 촬영한 사진에서 각 미세조직을 형태학상으로 구분한 후 이미지 분석기를 이용하여 각 미세조직의 면적분율을 측정한 것을 의미한다.
또한, 본 발명에 따른 고강도 강판에서, 상기 강판의 미세조직상 침상형 페라이트 조직의 면적분율은 80% 이상이고, 나머지는 입상형 베이나이트(granular bainite) 조직으로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고강도 강판에서, 상기 강판의 인장강도가 790 MPa 이상이고, 연신율이 20% 이상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고강도 강판은, 상온 및 저온충격에너지가 230 J 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 고강도 강판에 있어서, 고가의 합금원소인 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo)의 함량은 그 총합이 1.0중량% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 다른 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은, (a) 탄소(C) 0.03 - 0.06 중량%, 규소(Si) 0.01 - 0.5 중량%, 망간(Mn) 1.5 - 2.5 중량%, 니켈(Ni) 0.3 - 0.6 중량%, 구리(Cu) 0.5 중량% 이하, 크롬(Cr) 0.5 중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.1 - 0.5 중량%, 니오븀(Nb) 0.05 - 0.08 중량%, 바나듐(V) 0.01 - 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.1 - 0.2 중량%, 알루미늄(Al) 0.05 중량% 이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1100 ~ 1200℃에서 1 ~ 12시간 동안 가열하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 가열된 슬라브를 오스테나이트 재결정온도 내지 오스테나이트 재결정온도＋300℃에서 85 ~ 90%의 압하율로 압연하는 단계; (c) 압연된 강판을 700 ~ 600℃까지 공랭시키는 단계; (d) 공랭된 강판을 10 ~ 20℃/초의 냉각속도로 400±50℃까지 가속냉각시키는 단계; 및 (e) 가속냉각된 강판을 상온까지 공랭시키는 단계;를 포함하는 저온인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 제조방법에서 상기 (b) 단계는 가열된 슬라브를 오스테나이트 재결정온도 내지 오스테나이트 재결정온도＋300℃에서 80 ~ 85%의 압하율로 압연한 후, 추가로 오스테나이트 재결정온도 내지 오스테나이트 재결정온도-100℃에서 1 ~ 5%의 압하율로 압연할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 강판의 조성과 제조방법에 있어서 수치한정의 이유에 대해 설명한다.
강의 조성
탄소의 함량이 0.03중량% 이하일 경우에는 베이나이트와 마르텐사이트로 구성된 다양한 저온변태조직을 얻기 어려워 1.0 GPa 이상의 인장강도를 나타낼 수 없는 문제가 있고, 0.06중량%를 초과하는 경우에는 인성이 크게 저하되는 문제가 있으므로, 0.03 ~ 0.06중량%로 함유되어야 한다.
실리콘은 탈산 및 강도향상을 위해 첨가되며, 0.01중량% 미만인 경우에는 탈산효과가 불충분하게 나타나는 문제가 있고, 0.5중량%를 초과하는 경우에는 인성과 용접성이 저하되는 문제가 있으므로, 0.01 ~ 0.5중량%로 함유되어야 한다.
망간은 고용강화를 위해 첨가되며, 낮은 탄소 함량에 의해 감소된 경화능을 보상하여 베이나이트와 마르텐사이트 조직의 형성을 촉진한다. 1.5중량% 미만인 경우에는 강판의 강도가 저하되어 고강도 강판을 제조할 수 없는 문제가 있고, 2.5중량%를 초과하는 경우에는 인성과 용접성의 저하 및 편석이 발생하는 문제가 있으므로, 1.5 ~ 2.5중량%로 첨가어야 한다.
니켈은 강도와 인성 향상에 효과적인 원소이며, 0.3중량% 미만인 경우에는 강도와 인성이 저하되는 문제가 있고, 0.6중량%를 초과하는 경우에는 제조비용이 증가하는 문제가 있으므로, 0.3 ~ 0.6중량%로 첨가되어야 한다.
구리는 기지를 강화시키는 원소이며, 0.5중량%를 초과하는 경우에는 인성과 용접성이 저하되며, 열간 압연 중에 균열이 발생하기 쉽기 때문에 0.5중량% 이하로 첨가되어야 한다.
크롬은 망간(Mn)과 같이 낮은 탄소 함량에서 냉각 시 충분한 경화능을 확보하기 위해 첨가되는데, 0.5중량%를 초과하는 경우에는 인성과 용접성이 저하되므로 0.5중량% 이하로 첨가되어야 한다.
몰리브덴은 크롬(Cr)과 같이 경화능을 증가시키는 원소로서, 0.1중량% 이상으로 첨가되어야 경화능을 향상시키는 효과를 얻을 수 있고, 0.5중량%를 초과하는 경우에는 제조비용이 증가하고, 인성과 용접성이 저하되기 때문에 0.1 ~ 0.5중량% 이하로 첨가되어야 한다.
니오븀은 열간압연 중 탄질화물로 석출되어 재결정을 억제시키고, 결정립 성장을 방해하여 오스테나이트 결정립을 미세화시킴으로써 강도와 인성을 동시에 향상시킨다. 0.05중량% 미만에서는 상기 효과를 구현할 수 없는 문제가 있고, 0.08중량% 이상 첨가되면 인성이 다소 저하되므로, 0.05 ~ 0.08중량%로 첨가되어야 한다.
바나듐은 탄화물 또는 질화물을 형성하여 강도 증가에 기여한다. 0.01 중량% 미만인 경우에는 상기 효과를 구현할 수 없으며, 0.10중량%를 초과하는 경우에는 인성과 용접성이 저하되는 문제가 있으므로, 0.01 ~ 0.10중량%로 첨가되어야 한다.
티타늄의 함량이 0.1중량% 이상 첨가되면 석출물을 형성하여 강도를 향상시키지만, 0.2중량%를 초과하는 경우에는 석출물이 조대화되어 인성이 저하되는 문제가 있으므로, 0.1 ~ 0.2중량%로 첨가되어야 한다.
알루미늄은 실리콘(Si)과 같이 탈산제로 첨가되며, 0.05중량%를 초과하는 경우에는 비금속산화물인 Al2O3를 형성하여 모재와 용접부의 인성을 저하시키는 문제가 있으므로, 알루미늄은 0.05중량% 이하로 첨가되어야 한다.
또한, 강판의 제조과정에서 의도하지 않게 포함되는 불순물인 인(P), 황(S), 질소(N) 등은 최소화되는 것이 바람직하다.
압연 열처리 공정조건
강 슬라브의 가열공정을 1100℃ 미만의 온도에서 실시할 경우 철강재료 내에 고용된 원소들이 전체적으로 균일한 분포를 갖기 어렵고, 미세조직을 완전한 오스테나이트로 얻는데 많은 시간이 걸리고, 1200℃를 초과한 온도에서 실시할 경우 열처리로의 성능을 높여야하기에 경제적으로 비효율적이기 때문에 1100 ~ 1200℃에서 실시한다. 또한, 강 슬라브의 가열시간은 1 시간 미만일 경우 철강재료 내에 고용된 원소들이 전체적으로 균일한 분포를 갖기 어렵고, 미세조직을 완전한 오스테나이트로 얻기 어렵고, 2 시간을 초과할 경우 경제적으로 비효율적이기 때문에, 1 ~ 2 시간으로 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열간압연공정은 오스테나이트 재결정온도 미만에서 실시할 경우 오스테나이트 결정립에서의 페라이트 형성으로 미세한 베이나이트계 조직을 얻기 어렵고, 오스테나이트 재결정온도보다 300℃를 초과한 온도에서 실시할 경우 압연롤이 너무 높은 온도로 인해 손상을 입어 압연이 제대로 되지 않거나 오스테나이트의 빠른 재결정화로 압연에 의한 충분한 조직미세화 효과를 얻기 어렵기 때문에, 열간압연은 오스테나이트 재결정온도 내지 오스테나이트 재결정온도 +300℃에서 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 압하율을 85% 미만으로 할 경우 미세한 결정립의 조직을 얻기 어렵고, 90% 초과하여 압연할 경우 강판의 두께가 너무 얇아지고 압연롤에 무리가 가해지기 때문에 열간압연시 압하율은 85 ~ 90%가 바람직하다.
또한, 압연된 강판을 공랭할 때 공랭종료온도를 700℃보다 높게 할 경우 베이나이트계 미세조직의 형성이 불완전하여 결정립이 성장하거나 페라이트가 형성되어 강도가 낮게 나타날 수 있고, 600℃ 미만으로 할 경우 마르텐사이트의 형성으로 충분한 인성을 얻기 어렵기 때문에, 압연된 강판의 공랭온도는 700 ~ 600℃가 바람직하다.
또한, 공랭된 강판을 가속냉각을 할 때, 냉각속도를 10℃/초 미만으로 할 경우 베이나이트계 조직보다 페라이트가 쉽게 형성되어 강도가 낮고, 20℃/초를 초과할 경우 마르텐사이트가 쉽게 형성되어 인성이 낮기 때문에, 가속냉각시 냉각속도는 10 ~ 20℃/초가 바람직하다. 또한 가속냉각종료온도가 450℃ 이상이면 결정립이 성장하거나 페라이트가 형성되어 강도가 낮고, 350℃ 미만이면 마르텐사이트가 많아져서 인성이 낮아지기 때문에, 가속냉각종료온도는 450 ~ 350℃가 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 제조방법에서, 상기 (b) 단계는 추가로 오스테나이트 재결정온도~오스테나이트 재결정온도 -100℃ 범위에서 1 ~ 5%의 압하율로 열간압연할 수 있는데, 이때 오스테나이트재결정온도 이하에서의 압하율이 1% 미만일 경우 페라이트 결정립의 미세화 효과가 거의 없고, 5% 초과일 경우 결정립 내의 전위가 다량 형성되어 인성이 낮아질 수 있기 때문에, 1 ~ 5%로 하는 것이 바람직하다. 또한, 오스테나이트 재결정온도보다 100℃를 초과하여 더 낮은 온도에서 압연을 할 경우, 결정립 내에 다량의 전위가 형성되어 인성이 낮아질 수 있기 때문에 추가 압연의 온도범위는 오스테나이트 재결정온도 ~ 오스테나이트 재결정온도-100℃의 범위가 바람직하다.
본 발명에 따르면, 냉각 조건의 정밀한 제어를 통해 75% 이상의 침상형 페라이트를 포함한 베이나이트계 혼합조직을 구성함으로써, 고가의 합금원소인 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo)의 함량의 총합을 1.0 중량% 이하로 최소화하면서도, 항복강도가 600MPa 이상이고, 상온 및 -40℃에서의 충격에너지가 230J 이상인 높은 강도와 저온인성이 우수한 강판의 제공이 가능해진다.
도 1은 본 발명에 따른 강판의 제조방법을 개략적으로 나타낸 공정흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 2에 따라 제조된 강판의 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 비교예 1 및 2에 따라 제조된 강판의 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 비교예 3 및 4에 따라 제조된 강판의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2와 비교예 1에 따라 제조된 강판의 EBSD 사진이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소 및 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 강판의 제조방법은, 도 1에 도시된 바와 같이, 크게 슬라브 가열단계(S1), 제어압연단계(S2), 공랭단계(S3) 및 제어냉각단계(S4)를 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 저온인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법을 도 1을 참고하여 단계별로 상세히 설명한다.
상기 슬라브 가열단계(S1)는 탄소(C) 0.03 ~ 0.06중량%, 규소(Si) 0.01 ~ 0.5중량%, 망간(Mn) 1.5 ~ 2.5중량%, 니켈(Ni) 0.3 ~ 0.6중량%, 구리(Cu) 0.5중량% 이하, 크롬(Cr) 0.5중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.1 ~ 0.5중량%, 니오븀(Nb) 0.05 ~ 0.08중량%, 바나듐(V) 0.01 ~ 0.1중량%, 티타늄(Ti) 0.1 ~ 0.2중량%, 알루미늄(Al) 0.05중량% 이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1100 ~ 1200℃로 재가열하는 단계이다. 이 단계에서는 강 슬라브 내에 존재하는 (Nb,V)(C,N) 등의 모든 탄화물 및 탄질화물 등이 완전히 용해되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 제어압연단계(S2)는 오스테나이트 결정립을 미세화시키고, 오스테나이트 내부에 전위나 변형띠와 같은 결함들을 생성시켜 오스테나이트에서 페라이트로의 변태를 촉진함으로써, 최종적인 미세조직의 결정학적 크기를 감소시켜 강도와 인성을 향상시키기 위한 단계이다. 이때, 오스테나이트에서 페라이트로 전환되는 온도(Ar3) 이상인 경우에는 압연된 오스테나이트의 두께는 10㎛ 이하가 되도록 하는 것이 바람직하며, 이를 위해 가열된 슬라브를 오스테나이트 재결정온도 ~ 오스테나이트 재결정온도 + 300℃의 온도에서 85 ~ 90%의 압하율로 열간압연하는 것이 바람직하다. 또한, 제어압연단계(S2)는 오스테나이트 재결정온도 이하(즉, 이상 영역)에서 추가적인 압연이 수행될 수 있는데, 이때, 압연 이전 또는 압연 과정에서 페라이트가 형성되며, 압연 이전에 형성된 페라이트는 압연 과정에서 변형되어 가공경화에 의해 강도를 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.
상기 공랭단계(S3)는 제어압연된 강판을 700 ~ 600℃까지 공랭시키는 단계이다. 이 단계는 제어압연된 강을 상기 온도범위에서 공랭시킴으로써 2상 영역(오스테나이트 + 페라이트)을 통과하는 과정에서 변형되지 않은 미세한 페라이트가 더 형성되도록 하고, 최종 미세조직에서 침상형 페라이트가 75% 이상으로 형성되게 하는 단계이다. 만약, 침상형 페라이트가 75%이상 형성되지 못하면 나머지 오스테나이트에서 마르텐사이트나 베이나이트가 형성되어 저온인성이 낮아지는 문제가 생기므로, 상기 온도범위로 공랭시키는 것이 중요하다.
상기 제어냉각단계(S4)는 공랭된 강판을 10 ~ 20℃/초의 냉각속도로 400±50℃까지 냉각시킨 후 재차 상온까지 공랭시키는 단계이다. 이 단계에서 가속냉각은 상기한 냉각속도를 구현할 수 있는 것이면 어느 것이나 사용될 수 있으며, 통상 물을 이용하여 수행될 수 있다. 이 단계는 잔류하고 있는 오스테나이트로부터 입상 베이나이트, 변질 상부 베이나이트, 하부 베이나이트, 래스 마르텐사이트 등이 형성되도록 하는 단계이다.
이하에서는 상기와 같은 공정을 통해 제조된 실시예들을 설명한다.
[실시예 1]
탄소(C): 0.05중량%, 규소(Si): 0.25중량%, 망간(Mn): 1.90중량%, 니켈(Ni): 0.5중량%, 크롬(Cr): 0.2중량%, 몰리브데늄(Mo): 0.25중량%, 니오븀(Nb): 0.004중량%, 바나듐(V): 0.04중량%, 티타늄(Ti): 0.15중량%, 알루미늄(Al): 0.03중량%, 질소(N): 0.003중량%를 포함하는 강 슬라브를, 강 슬라브를, 1150℃에서 1시간 동안 가열시켰다.
이어서, 가열된 슬라브를 오스테나이트 재결정온도 이상(1080 ~ 780℃)에서 88%의 압하율로 열간압연하였다.
그리고 열간압연된 강판은 600℃까지 공랭한 후 물을 사용하여 약 10℃/초의 냉각속도로 400℃까지 가속냉각시키고 400℃부터 상온까지는 다시 공랭하는 방식으로 제어냉각을 하여 실시예 1에 따른 강판을 얻었다.
[실시예 2]
탄소(C): 0.05중량%, 규소(Si): 0.25중량%, 망간(Mn): 1.90중량%, 니켈(Ni): 0.5중량%, 크롬(Cr): 0.2중량%, 몰리브데늄(Mo): 0.25중량%, 니오븀(Nb): 0.004중량%, 바나듐(V): 0.04중량%, 티타늄(Ti): 0.15중량%, 알루미늄(Al): 0.03중량%, 질소(N): 0.003중량%를 포함하는 강 슬라브를, 1150℃에서 1시간 동안 가열시켰다.
이어서, 가열된 슬라브를 오스테나이트 재결정온도 이상(1080 ~ 780℃)에서 85%의 압하율로 열간압연하고, 오스테나이트 재결정온도 이하(780 ~ 720℃)에서 3%의 압하율로 열간압연하였다.
그리고 열간압연된 강판은 600℃까지 공랭한 후 물을 사용하여 약 10℃/초의 냉각속도로 400℃까지 가속냉각시키고 400℃부터 상온까지는 다시 공랭하는 방식으로 제어냉각을 실시하여 실시예 2에 따른 강판을 얻었다.
[비교예 1]
탄소(C): 0.05중량%, 규소(Si): 0.25중량%, 망간(Mn): 1.90중량%, 니켈(Ni): 0.5중량%, 크롬(Cr): 0.2중량%, 몰리브데늄(Mo): 0.25중량%, 니오븀(Nb): 0.004중량%, 바나듐(V): 0.04중량%, 티타늄(Ti): 0.15중량%, 알루미늄(Al): 0.03중량%, 질소(N): 0.003중량%를 포함하는 강 슬라브를, 1150 ℃에서 1시간 동안 가열시켰다.
이어서 가열된 슬라브를 오스테나이트 재결정온도 이상(1080 ~ 780℃)에서 88%의 압하율로 열간압연한 후 700℃까지 공랭하였다.
그리고 700℃에서 물을 이용하여 약 10℃/초의 냉각속도로 상온까지 가속냉각하여 비교예 1에 따른 강판을 얻었다.
[비교예 2]
탄소(C): 0.05중량%, 규소(Si): 0.25중량%, 망간(Mn): 1.90중량%, 니켈(Ni): 0.5중량%, 크롬(Cr): 0.2중량%, 몰리브데늄(Mo): 0.25중량%, 니오븀(Nb): 0.004중량%, 바나듐(V): 0.04중량%, 티타늄(Ti): 0.15중량%, 알루미늄(Al): 0.03중량%, 질소(N): 0.003중량%를 포함하는 강 슬라브를, 1150℃에서 1시간 동안 가열시켰다.
이어서 가열된 슬라브를 오스테나이트 재결정온도 이상(1080 ~ 780℃)에서 88%의 압하율로 열간압연한 후 600℃까지 공랭하였다.
그리고 공랭된 강판은 600℃부터 물을 이용하여 10℃/초의 냉각속도로 상온까지 가속냉각하여 비교예 2에 따른 강판을 얻었다.
[비교예 3]
탄소(C): 0.05중량%, 규소(Si): 0.25중량%, 망간(Mn): 1.90중량%, 니켈(Ni): 0.5중량%, 크롬(Cr): 0.2중량%, 몰리브데늄(Mo): 0.25중량%, 니오븀(Nb): 0.004중량%, 바나듐(V): 0.04중량%, 티타늄(Ti): 0.15중량%, 알루미늄(Al): 0.03중량%, 질소(N): 0.003중량%를 포함하는 강 슬라브를, 1150℃에서 1시간 동안 가열시켰다.
이어서 가열된 슬라브를 오스테나이트 재결정온도 이상(1080 ~ 780℃)에서 85%의 압하율로 열간압연하고, 오스테나이트 재결정온도 이하(780 ~ 720℃)에서 3%의 압하율로 열간압연한 후 700℃까지 공랭하였다.
그리고 공랭된 강판을 700℃부터 물을 이용하여 약 10℃/초의 냉각속도로 상온까지 가속냉각하여 비교예 3에 따른 강판을 얻었다.
[비교예 4]
탄소(C): 0.05중량%, 규소(Si): 0.25중량%, 망간(Mn): 1.90중량%, 니켈(Ni): 0.5중량%, 크롬(Cr): 0.2중량%, 몰리브데늄(Mo): 0.25중량%, 니오븀(Nb): 0.004중량%, 바나듐(V): 0.04중량%, 티타늄(Ti): 0.15중량%, 알루미늄(Al): 0.03중량%, 질소(N): 0.003중량%를 포함하는 강 슬라브를, 1150℃에서 1시간 동안 가열시켰다.
이어서 가열된 슬라브를 오스테나이트 재결정온도 이상(1080 ~ 780℃)에서 85%의 압하율로 열간압연하고, 오스테나이트 재결정온도 이하(780 ~ 720℃)에서 3%의 압하율로 열간압연한 후 600℃까지 공랭하였다.
그리고 공랭된 강판은 600℃부터 물을 이용하여 약 10℃/초의 냉각속도로 상온까지 가속냉각하여 비교예 4에 따른 강판을 얻었다.
하기 표 1은, 상기 실시예 1, 2 및 비교예 1 ~ 4에 따른 압연열처리 조건을 나타낸 것이다.
예 성분(중량%) 압연종료 가속냉각시작온도 가속냉각종료온도
C Si Mn Ni Cr Mo Nb V Ti Al N
실시예1 0.05 0.25 1.90 0.5 0.2 0.25 0.04 0.04 0.15 0.03 0.003 880 600 400
실시예2 0.05 0.25 1.90 0.5 0.2 0.25 0.04 0.04 0.15 0.03 0.003 705 600 400
비교예1 0.05 0.25 1.90 0.5 0.2 0.25 0.04 0.04 0.15 0.03 0.003 880 700 25
비교예2 0.05 0.25 1.90 0.5 0.2 0.25 0.04 0.04 0.15 0.03 0.003 880 600 25
비교예3 0.05 0.25 1.90 0.5 0.2 0.25 0.04 0.04 0.15 0.03 0.003 705 700 25
비교예4 0.05 0.25 1.90 0.5 0.2 0.25 0.04 0.04 0.15 0.03 0.003 705 600 25
미세조직 분석
본 발명의 실시예 1 및 2와 비교예 1 ~ 4에 따른 강판의 미세조직의 차이를 알아보기 위하여, 주사전자현미경(FE-SEM, field emission scanning electron microscope, Model: S-4300SE, Hitachi)으로 분석하였으며, 그 결과를 도 2 ~ 4에 나타내었다.
베이나이트계 철강재료는 합금원소와 압연 열처리조건에 따라 다양한 미세조직을 가지는데, 본 발명에서는 다음과 같은 형태학적 분류로부터 각 미세조직을 구분하였다.
침상형 페라이트(AF)는 수㎛의 결정립이 불규칙적인 형태로 형성되어 있고 결정립계에는 미세한 2차상(secondary phases) 들이 분포하고 있어서 강도와 인성의 조합이 우수하다.
베이나이트계 페라이트(BF)는 침상형 페라이트(AF)보다 빠른 냉각 조건에서 형성되는 조직으로 결정립이 수십㎛로 크며, 결정립의 내부나 결정립계에 2차상이 래스(lath) 형태로 분포하고 있어서 강도는 우수하나 인성이 낮다.
입상형 베이나이트(GB)는 침상형 페라이트(AF)보다 느린 냉각 조건에서 형성되고 결정립의 내부에 2차상이 아일랜드(island) 형태로 존재하며, 결정립이 수십 ㎛로 크고, 강도와 인성이 비교적 낮다. 2차상은 대부분 1㎛ 내외의 크기로서, 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트, 세멘타이트(cementite) 등이다.
강의 미세조직을 SEM으로 관찰하여 이로부터 분석한 각 강의 미세조직 면적분율을 하기 표 2에 나타내었다.
예 입상형 베이나이트
(%)		 베이나이트계 페라이트
(%)		 침상형 페라이트
(%)
실시예1 20 - 80
실시예2 10 - 90
비교예1 90 - 10
비교예2 - 80 20
비교예3 90 - 10
비교예4 80 10 10
상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 비교예 1은 10㎛ 이상의 조대한 입상형 베이나이트(GB)가 90% 정도 형성되어 있고, 1 ~ 2㎛의 미세한 침상형 페라이트(AF)가 10% 정도 관찰된다.
또한, 비교예 2는 10㎛ 이상의 베이나이트계 페라이트(BF)가 80% 정도 존재하고, 20%의 침상형 페라이트(AF)가 미세하게 형성되어 있다.
이에 비해, 실시예 1은 미세한 침상형 페라이트(AF)가 80% 정도 형성되어 있고 입상형 베이나이트(GB)가 20% 정도 관찰된다. 실시예 1의 입상형 베이나이트(GB)는 비교예 1의 입상형 베이나이트(GB)보다 미세하여 그 크기가 5㎛ 이내이다.
또한, 비교예 3은 비교예 1과 비슷하게 10㎛ 이상의 큰 입상형 베이나이트(GB)가 90% 정도, 1 ~ 2㎛의 미세한 침상형 페라이트(AF)가 10%정도 관찰된다.
또한, 비교예 4는 10㎛ 이상의 조대한 입상형 베이나이트(GB)가 80% 정도, 베이나이트계 페라이트(BF)와 1 ~ 2㎛의 미세한 침상형 페라이트(AF)가 각각 10% 정도 형성되어 있다.
이에 비해, 실시예 2는 실시예 1과 마찬가지로 미세한 침상형(AF)가 90% 정도 형성되어 있고 5㎛ 이하의 미세한 입상형 베이나이트(GB)가 10% 정도 관찰된다. 그리고 실시예 2의 미세조직은 실시예 1과 비슷하지만 결정립이 더 미세하다.
도 2 ~ 4에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 실시예 1 ~ 2에서는 5 ㎛ 이하의 미세한 침상형 페라이트가 80%이상 형성되어 있고, 이와 같은 미세조직은 샤르피 충격시험 시 인성을 향상시키고 특히 저온인성의 향상에 효과적으로 작용할 수 있다.
인장특성 및 충격특성 분석
본 발명에 따른 실시예 1 및 2와, 비교예 1 ~ 4에 따른 강판의 인장강도, 항복강도, 항복비 및 상온과 -40℃에서의 충격에너지를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 하기 표 3에서 항복강도와 인장강도는 압연방향에 직각인 방향에서 측정한 값이고, 균일 연신율과 항복비는 압연방향에서 측정한 값이며, 저온 충격에너지는 -40℃에서 실시한 충격에너지 값이다.
예 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)		 항복비
(%)		 상온충격
에너지 (J)		 저온충격
에너지 (J)
실시예1 626 798 24 78 290 280
실시예2 641 796 22 81 235 248
비교예1 612 851 22 72 222 139
비교예2 728 983 19 74 198 187
비교예3 618 861 21 72 222 182
비교예4 608 862 20 71 206 178
상기 표 3에서 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 및 2에 따른 강판은 인장강도가 790 MPa 이상이고, 연신율은 22% 이상이며, 상온과 저온 충격에너지는 230J 이상으로 저온인성이 우수한 것을 알 수 있다.
그러나, 본 발명의 조성범위에는 부합하지만 냉각조건이 변화하여 침상형 페라이트가 충분히 형성되지 못한 비교예 1 ~ 4는 인장강도가 높지만 상온 충격에너지가 230 J이하로 낮고 저온충격에너지는 200J 이하로 낮다.
또한, 비교예 2는 728 MPa의 항복강도와 983 MPa의 인장강도를 보여 모든 강판 중에서 가장 강도가 높지만, 연신율은 19%로 가장 낮았는데, 이는 강도는 높지만 인성이 낮은 베이나이트계 페라이트(BF)로 미세조직이 주로 형성되어 있기 때문이다.
또한, 조대한 입상형 베이나이트(GB)로 이루어진 비교예 1, 3 및 4는 항복강도가 610 ~ 620 MPa, 인장강도가 850 ~ 860 MPa, 연신율이 20 ~ 22%로 비슷한 인장 성질을 가진다.
이에 비해 미세한 침상형 페라이트(AF)로 이루어진 실시예 1 및 2는 비교예 1, 3 및 4보다 항복강도(630 ~ 640 MPa)와 연신율(22 ~ 24%)은 높지만 인장강도(800 MPa)는 낮고, 항복비는 실시예 1 및 2가 78 ~ 81%로, 비교예 1 ~ 4의 72 ~ 74%보다 높으며, 전반적으로 80% 이내로 낮다.
상온 충격에너지는 인장강도와 반대의 경향을 보이며, 비교예 2가 198J로 가장 낮은 샤르피 충격 인성을 가진다. 이는 비교예 2의 미세조직이 인성이 낮은 베이나이트계 페라이트(BF)가 주로 형성되어 있기 때문이다. 조대한 입상형 베이나이트(GB)로 이루어진 비교예 1, 3 및 4는 비교예 2보다 상온 충격에너지가 200 ~ 220J로 다소 높지만, 절대적인 수치에 있어서 여전히 낮은 샤르피 충격 인성을 보인다.
반면, 미세한 침상형 페라이트(AF)로 이루어진 실시예 1 및 2의 상온 충격에너지는 비교적 높으며, 특히 실시예 1의 상온 충격 에너지는 290J로 가장 높다.
저온 충격에너지는 실시예 1 및 2가 240J 이상으로 높으며, 비교예 1 ~ 4는 200J 이하로 낮다. 이는 입상형 베이나이트(GB)가 10㎛ 이상으로 조대하거나 인성이 낮은 베이나이트형 페라이트(BF)의 분율이 높기 때문이다.
실시예 2와 비교예 1 강판의 저온에서 샤르피 충격 시험한 시편의 파단면을 Ni 코팅한 후 SEM과 EBSD으로 분석한 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에서 확인되는 바와 같이, 조대한 입상형 베이나이트(GB)를 통과하는 파괴전파경로는 직선적으로 길지만, 미세한 침상형 페라이트(AF)를 통과할 때는 파괴전파경로가 꺾여 단위균열길이가 짧다. 비교예 1의 강판에서 입상형 베이나이트(GB)는 수십㎛로 큰 유효 결정립을 가지고 직선적으로 균열이 길게 전파된다. 반면, 실시예 2의 강판에서 침상형 페라이트(AF)는 유효 결정립이 5㎛ 이하로 미세하여 벽개 파괴의 진행이 자주 꺾이고 단위균열길이가 짧다.
이상과 같은 내용으로부터, 인장강도 790 MPa 이상이고 연신율이 20% 이상이면서, 상온 및 저온충격에너지가 230J 이상인 고강도와 우수한 저온인성을 구비한 강판을 제조하기 위해서는 80% 이상의 침상형 페라이트의 조직이 요구됨을 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 탄소(C) 0.05 - 0.08 중량%, 규소(Si) 0.01 - 0.5 중량%, 망간(Mn) 1.5 - 2.5 중량%, 니켈(Ni) 0.3 - 0.6 중량%, 구리(Cu) 0.5 중량% 이하, 크롬(Cr) 0.2 - 1.0 중량%, 몰리브데늄(Mo) 0.1 - 0.5 중량%, 니오븀(Nb) 0.05 - 0.08 중량%, 바나듐(V) 0.01 - 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.1 - 0.2 중량%, 알루미늄(Al) 0.05 중량% 이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직상 침상형 페라이트 조직의 면적분율이 75% 이상인 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 강판의 미세조직상 침상형 페라이트 조직의 면적분율이 80% 이상이고, 나머지는 입상형 베이나이트 조직으로 이루어진 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 강판은 인장강도가 790 MPa 이상이고, 연신율이 20% 이상인 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 강판은 상온 및 저온충격에너지가 230J 이상인 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 몰리브데늄(Mo)의 함량의 합이 1중량% 이하인 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판.
  6. (a) 탄소(C) 0.03 - 0.06 중량%, 규소(Si) 0.01 - 0.5 중량%, 망간(Mn) 1.5 - 2.5 중량%, 니켈(Ni) 0.3 - 0.6 중량%, 구리(Cu) 0.5 중량% 이하, 크롬(Cr) 0.5 중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.1 - 0.5 중량%, 니오븀(Nb) 0.05 - 0.08 중량%, 바나듐(V) 0.01 - 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.1 - 0.2 중량%, 알루미늄(Al) 0.05 중량% 이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1100 ~ 1200℃로 가열하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 가열된 슬라브를 오스테나이트 재결정온도 ~ 오스테나이트 재결정온도＋300℃에서 85 ~ 90%의 압하율로 열간압연하는 단계;
    (c) 압연된 강판을 700 ~ 600℃까지 공랭시키는 단계;
    (d) 공랭된 강판을 10 ~ 20℃/초의 냉각속도로 400±50℃까지 가속냉각시키는 단계; 및
    (e) 가속냉각된 강판을 상온까지 공랭시키는 단계;를 포함하는 저온인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 가열된 슬라브를 오스테나이트 재결정온도 ~ 오스테나이트 재결정온도＋300℃에서 80 ~ 85%의 압하율로 열간압연한 후, 추가로 오스테나이트 재결정온도 내지 오스테나이트 재결정온도-100℃에서 1 ~ 5%의 압하율로 열간압연하는 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
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