KR20120110333A

KR20120110333A - 구조용 강재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20120110333A
Application number: KR1020110028120A
Authority: KR
Inventors: 황병일; 김양곤; 박영국; 이동규
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-10-10

Abstract

본 발명은 구조용 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상기 구조용 강재는 탄소(C) 0.09 중량% 내지 0.11 중량%, 실리콘(Si) 0.25 중량% 내지 0.35 중량%, 망간(Mn) 1.25 중량% 내지 1.35 중량%, 인(P) 0.03 중량% 이하, 황(S) 0.015 중량% 이하, 니켈(Ni) 0.05 중량% 내지 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0.15 중량% 이하, 구리(Cu) 0.1 중량% 내지 0.2 중량%, 바나듐(V) 0.18 중량% 내지 0.22 중량%, 알루미늄(Al) 0.01 중량% 내지 0.02 중량%, 니오븀(Nb) 0.015 중량% 내지 0.025 중량%, 질소(N) 0.012 중량% 내지 0.014 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 포함한다.
본 발명에 따르면 고강도, 고연성을 보이며, 저온 충격치가 우수한 구조용 강재를 제조할 수 있다.

Description

구조용 강재 및 그 제조방법{Structural steel and method for manufacturing the same}

본 발명은 구조용 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고항복강도와 고연성 특성을 갖는 구조용 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

건축물이 고층화됨에 따라 구조용 강재에 고강도 특성이 요구되고 있다. 또한, 구조물 건설 시 강재의 총중량은 지속적으로 감소되고 있는 추세이고, 이에 따라 구조물을 이루는 강재 자체의 강도 증가가 보다 크게 요구되고 있다. 그런데, 강재의 강도가 증가할수록 인성 특성이 저하될 수 있어, 저온 충격에 대해 취약할 수 있다. 따라서, 저온에서 취성파괴에 저항할 수 있도록 저온 충격치를 확보할 수 있는 고강도, 고연성 구조용 강재가 요구되고 있다.

상기한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래기술을 의미하는 것은 아니다.

본 발명은 고강도, 고연성을 보이며, 저온 충격치를 확보할 수 있는 구조용 강재 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 구조용 강재는 탄소(C) 0.09 중량% 내지 0.11 중량%, 실리콘(Si) 0.25 중량% 내지 0.35 중량%, 망간(Mn) 1.25 중량% 내지 1.35 중량%, 인(P) 0.03 중량% 이하, 황(S) 0.015 중량% 이하, 니켈(Ni) 0.05 중량% 내지 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0.15 중량% 이하, 구리(Cu) 0.1 중량% 내지 0.2 중량%, 바나듐(V) 0.18 중량% 내지 0.22 중량%, 알루미늄(Al) 0.01 중량% 내지 0.02 중량%, 니오븀(Nb) 0.015 중량% 내지 0.025 중량%, 질소(N) 0.012 중량% 내지 0.014 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 포함한다.

상기 강재의 항복강도가 500MPa 이상일 수 있다.

상기 강재의 연신율이 30% 이상일 수 있다.

상기 강재의 -5℃에서의 충격치가 100J 이상일 수 있다.

상기 강재는 티타늄은 0 중량% 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 구조용 강재 제조방법은 탄소(C) 0.09 중량% 내지 0.11 중량%, 실리콘(Si) 0.25 중량% 내지 0.35 중량%, 망간(Mn) 1.25 중량% 내지 1.35 중량%, 인(P) 0.03 중량% 이하, 황(S) 0.015 중량% 이하, 니켈(Ni) 0.05 중량% 내지 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0.15 중량% 이하, 구리(Cu) 0.1 중량% 내지 0.2 중량%, 바나듐(V) 0.18 중량% 내지 0.22 중량%, 알루미늄(Al) 0.01 중량% 내지 0.02 중량%, 니오븀(Nb) 0.015 중량% 내지 0.025 중량%, 질소(N) 0.012 중량% 내지 0.014 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 포함하는 소재를,

1,150℃ 내지 1,250℃에서 가열하는 단계 및 상기 소재를 압연하는 단계를 포함한다.

상기 1,150℃ 내지 1,250℃에서 가열하는 단계에서, 가열시간은 1시간 내지 3시간일 수 있다.

상기 소재를 압연하는 단계에서, 압연 종료온도는 950℃ 내지 1,050℃일 수 있다.

상기 소재를 압연하는 단계는

상기 소재를 조압연하는 단계와 상기 소재를 사상압연하는 단계를 포함하며, 상기 사상압연 종료온도는 950℃ 내지 1,050℃이며, 상기 사상압연하는 단계 이후 상기 소재를 권취하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 소재는 티타늄을 0 중량% 포함할 수 있다.

본 발명의 구조용 강재 및 그 제조방법은 고강도, 고연성을 보이며, 저온 충격치가 우수한 잇점이 있다.

이하 본 발명에 따른 구조용 강재 및 그 제조방법의 일 실시예를 설명한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명은 일반적인 중탄강에 비해 탄소의 함량을 0.09 중량% 내지 0.11 중량%로 낮게 가져가며, 바나듐(V) 0.18 중량% 내지 0.22 중량%, 니오븀(Nb) 0.015 중량% 내지 0.025 중량%, 질소(N) 0.012 중량% 내지 0.014 중량%와 기타 첨가원소 및 잔부의 철(Fe)을 포함하는 구조용 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

보다 자세하게는, 탄소(C) 0.09 중량% 내지 0.11 중량%, 실리콘(Si) 0.25 중량% 내지 0.35 중량%, 망간(Mn) 1.25 중량% 내지 1.35 중량%, 인(P) 0.03 중량% 이하, 황(S) 0.015 중량% 이하, 니켈(Ni) 0.05 중량% 내지 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0.15 중량% 이하, 구리(Cu) 0.1 중량% 내지 0.2 중량%, 바나듐(V) 0.18 중량% 내지 0.22 중량%, 알루미늄(Al) 0.01 중량% 내지 0.02 중량%, 니오븀(Nb) 0.015 중량% 내지 0.025 중량%, 질소(N) 0.012 중량% 내지 0.014 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 포함하는 구조용 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 강재의 성분계를 조절하고 가열(재가열) 조건 및 압연 종료 온도를 조절함으로써, 500MPa 이상의 항복 강도(YP), 30% 이상의 연신율(EL) 및 -5℃에서의 100J 이상의 충격치를 가지는 구조용 강재를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 구조용 강재 성분계의 한정 범위 및 그 한정 이유에 대해서 설명한다.

(1) 탄소(C)

탄소(C)는 전체 성분계(조성물)에 대해 0.09 중량% 내지 0.11 중량% 포함될 수 있다. 탄소(C)는 구조용 강재의 강도와 인성을 확보하기 위해 첨가될 수 있다. 본 발명에서는 탄소(C)의 함량을 0.09 중량% 내지 0.11 중량%로 일반적 중탄강에 비해 낮게 가져가며, 강도 보상을 위해 바나듐(V)과 니오븀(Nb)을 첨가할 수 있다. 상기 범위 내에서 저온 인성 특성이 우수하며, 강도의 하락을 방지할 수 있다. 보다 바람직하게는 0.10 중량% 함유될 수 있다.

(2) 실리콘(Si)

실리콘(Si)은 전체 성분계에 대해 0.25 중량% 내지 0.35 중량% 포함될 수 있다. 실리콘(Si)은 제강 공정 중에 강 중의 산소를 제거하는 탈산제로 첨가될 수 있다. 또한, 실리콘(Si)은 고용강화 효과에 의해 강도를 상승시킬 수 있다. 함량이 높을수록 강도는 증가하지만, 0.35 중량%보다 많이 첨가될 경우 인성을 열화시킬 수 있고, 0.25 중량%보다 적게 첨가될 경우 탈산 효과의 저하가 발생될 수 있다. 따라서, 0.25중량% 내지 0.35중량% 범위에서 첨가되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 0.30 중량% 정도 첨가될 수 있다.

(3) 망간(Mn)

망간(Mn)은 전체 성분계에 대해 1.25 중량% 내지 1.35 중량% 포함될 수 있다. 망간(Mn)은 고용 강화에 의해 강도를 향상시키는 원소로 첨가될 수 있다. 또한, 오스테나이트 안정화 원소로 Ar3 온도를 낮추어 압연 영역을 확대할 수 있고, 압연에 의한 결정립을 미세화시켜 강도 및 인성을 향상시킬 수 있다. 망간(Mn)은 1.25 중량% 미만으로 첨가될 때 강도 향상에 기여하는 효과가 저하될 수 있고, 1.35 중량%보다 많이 첨가될 경우 강재 사용 시 용접부의 인성이 취약해 질 수 있다. 따라서, 망간(Mn)은 1.25 내지 1.35 중량% 첨가될 수 있으며, 바람직하게는 1.3 중량% 첨가될 수 있다.

(4) 인(P)

인(P)은 전체 성분계에 대해 0.03 중량% 이하 포함될 수 있다. 인(P)은 탁월한 고용강화 효과 및 내식성에 유리한 성분이나, 다량으로 인(P)이 첨가될 경우 입계에 인(P)이 편석되어 2차 가공 취성을 유발할 수 있다. 이에 따라, 인(P)은 0.03 중량% 이하로 첨가될 수 있다. 보다 유효하게는 0.015 중량% 정도로 첨가될 수 있다. 한편, 인은 포함되지 않을 수도 있으며, 불가피하게 0 중량%를 초과할 수 있다.

(5) 황(S)

황(S)은 전체 성분계에 대해 0.015 중량% 이하 포함될 수 있다. 황(S)은 황화망간(MnS)과 같은 유화물계 개재물의 형성을 야기할 수 있고, 샤르피 충격 흡수 에너지를 저하시켜 충격치를 저하시키는 원소로 작용할 수 있다. 가능한 한 낮게 유지하는 것이 유리하므로, 그 상한을 0.015 중량%로 한다. 한편, 황은 포함되지 않을 수도 있으며, 불가피하게 0 중량%를 초과할 수 있다.

(6) 니켈(Ni)

니켈(Ni)은 전체 성분계에 대해 0.05 중량% 내지 0.15 중량% 포함될 수 있다. 니켈(Ni)은 결정립을 미세화하고 오스테나이트 및 페라이트에 고용되어 기지를 강화시킬 수 있다. 이에 따라 강재의 강도와 인성을 향상시킬 수 있다. 니켈(Ni)은 0.05중량% 이상 첨가될 때 인성을 향상시키는 데 효과적이나, 고가 원소이고 과다 첨가 시 취성을 유발할 수 있으므로, 0.15중량% 이내로 포함되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.1중량% 정도 첨가될 수 있다.

(7) 크롬(Cr)

크롬(Cr)은 전체 성분계에 대해 0.15 중량% 이하 포함될 수 있다. 크롬(Cr)은 경화능을 증가시켜 강도의 증가에 효과적일 수 있지만, 0.15 중량% 이내로 첨가되는 것이 유효하다. 한편, 크롬(Cr)은 포함되지 않을 수도 있으며 불가피하게 0 중량%를 초과할 수 있다.

(8) 구리(Cu)

구리(Cu)는 전체 성분계에 대해 0.1 중량% 내지 0.2 중량% 포함될 수 있다. 구리(Cu)는 강재 내에 잔류할 수 있는 순환성 원소(tramp element)로서 제강 공정에서 완전히 제거할 수 없는 불순물이다. 0.2 중량%를 초과할 경우 강의 연신율 및 표면 품질을 저하시킬 수 있고, 0.1 중량% 미만 포함될 경우 강의 강도가 저하될 수 있으므로 0.1 중량% 내지 0.2 중량% 포함되는 것이 바람직하다.

(9) 바나듐(V)

바나듐(V)은 전체 조성물에 대해 0.18 중량% 내지 0.22 중량% 포함될 수 있다. 바나듐(V)은 냉각 중 탄소와 결합하여 VC를 형성하여 석출 강화 및 결정립 성장 억제에 기여할 수 있다. 즉, 강도의 하락을 방지하는 효과를 유도할 수 있다. 탄소(C)의 함량을 0.1% 내외로 일반적 중탄강에 비해 낮게 가져가고 바나듐(V)의 함량을 통상적인 경우보다 늘려줌으로써 강도 향상을 꾀할 수 있다. 바나듐(V)의 함량이 0.18 중량% 미만이면 그 효과가 미미할 수 있고, 0.22 중량%를 초과할 경우 인성의 저하를 야기할 수 있으므로, 0.18 중량% 내지 0.22 중량% 범위로 제한하는 것이 바람직하다. 바나듐(V)은 0.18 중량% 내지 0.22 중량% 첨가될 때 충격치의 개선에 보다 유효할 수 있다.

(10) 알루미늄(Al)

알루미늄(Al)은 전체 성분계에 대해 0.01 중량% 내지 0.02 중량% 포함될 수 있다. 알루미늄(Al)은 탈산제 성분으로 첨가될 수 있으며, 강 중의 용존 산소량을 낮춰 용존 산소량이 낮은 상태로 유지하는 기능을 수행할 수 있다. 0.02 중량%를 초과하여 첨가될 경우, 연주 불량, 산화알루미늄의 과다 생성으로 충격 인성 저하와 같은 문제가 발생할 수 있고, 0.01 중량% 미만으로 첨가될 경우, 탈산 기능이 저하될 수 있으므로, 0.01 중량% 내지 0.02 중량% 범위에서 첨가되는 것이 바람직하다.

(11) 니오븀(Nb)

니오븀(Nb)은 전체 성분계에 대해 0.015 중량% 내지 0.025 중량% 포함될 수 있다. 니오븀(Nb)은 NbC 또는 NbCN 형태로 석출되어 모재의 강도를 향상시키는 원소로 첨가될 수 있다. 압연 시 결정립 성장을 억제하여 결정립을 미세화시키므로 인성 향상 및 압연 냉각 후의 석출 강화 효과를 유도할 수 있다. 0.015 중량% 미만으로 첨가될 때 효과가 미미하고, 0.025 중량% 보다 많이 첨가될 경우 취성 크랙(crack)을 유도할 수 있어, 0.015 중량% 내지 0.025 중량% 첨가되는 것이 바람직하다.

(12)) 질소(N)

질소(N)는 전체 성분계에 대해 0.012 중량% 내지 0.014 중량% 포함될 수 있다. 질소(N)는 강도를 증가시키는 반면에 인성을 감소시키기 때문에, 0.014 중량% 이하로 그 함량을 제한하는 것이 바람직하다. 그럼에도 질소 함량의 제어는 제강 부하를 증가시키기 때문에 하한을 0.012 중량%로 제한하는 것이 바람직하다. 질화물 석출에 의한 강도 보상에 부족함이 없도록 질소 함유량을 통상적인 경우보다 높게 가져가는 것이 바람직하다.

본 발명의 구조용 강재는 전술한 성분들을 포함하고, 나머지의 잔부량으로 철(Fe)을 포함한다. 또한, 불가피하게 포함되는 원소들이 혼입될 수도 있으나, 이러한 원소들은 원료, 자재, 제조설비 등에서 불가피하게 혼입되는 원소들이다. 또한, 본 발명의 강재는 티타늄(Ti)을 포함하지 않을 수 있다. 즉, 티타늄 함량이 0 중량%일 수 있다.

본 발명은 전술한 성분계를 가지는 소재(슬라브 등)를 가열로에서 가열(재가열)하고 압연하여 제조할 수 있다. 가열로에서의 가열온도는 1,150℃ 내지 1,250℃ 온도범위일 수 있으며, 가열시간은 1시간 내지 3시간, 바람직하게는 2시간 정도일 수 있다. 상기 온도범위에서 압연 부하를 줄일 수 있고, 결정립의 조대화를 방지하여 강도 확보에 유리하다. 가열에 의해 주조시 편석된 성분을 재고용한 후, 가열로에서 추출한 후 소재를 바로 압연할 수 있으며, 압연 종료온도는 950℃ 내지 1,050℃로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 압연 종료온보 범위에서 고강도, 고연성을 보이며, 저온 충격치가 우수한 강재를 제조할 수 있다.

가열로는 슬라브 등의 소재를 열간압연하기 위해 (재)가열하는 로(Reheating furnace)로서, 가열로에 사용되는 연료로는 중유, 천연가스, 코크스 가스 등이 사용될 수 있다. 가열로는 소재의 진행방향을 따라 예열대, 가열대 및 균열대 등을 포함할 수 있으며, 예열대 이전에 장입대를 더 포함할 수 있다. 예열대에서는 낮은 온도로 소재를 가열하고, 가열대에서는 가열온도를 높여 소재를 목표온도에 도달시킬 수 있으며, 균열대에서는 슬라브의 모든 부분에서 온도가 균일하게 분포되도록 할 수 있다. 물론, 가열대에서도 균열기능을 수행할 수 있다. 장입대 또는 예열대는 급속한 온도 상승에 의해 소재에 파열, 균열, 크랙이 발생하는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 전술한 것과 같이 소재를 1,150℃ 내지 1,250℃ 온도범위에서 1시간 내지 3시간 가열하는 공정조건을 만족하면 가열로의 구성 및 가열조건 등에 제한은 없다. 상기 온도범위에서 압연 부하를 줄일 수 있고, 결정립의 조대화를 방지하여 강도 확보에 유리하다.

가열로에서 소재를 추출 후 바로 압연할 수 있으며, 압연 종료온도는 950℃ 내지 1,050℃로 설정하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 조압연과 사상압연을 거칠 수 있으며 사상압연 종료온도가 950℃ 내지 1,050℃일 수 있다. 사상압연 후 소재를 권취기에서 권취할 수 있다. 그 밖의 스케일 제거를 위한 디스케일러, 에지 히터 등은 통상의 구성 및 배치로 존재할 수 있다.

< 실시예 및 비교예 >

전술한 성분계를 갖는 구조용 강재와 이와 비교되는 성분계를 가지는 비교 실험예의 구조용 강재를 제조하여 항복강도(YP), 연신율(EL) 및 -5℃에서의 충격치를 평가하였고 그 결과를 아래 표 1에 나타내었다.

아래 표 1의 실시예1 내지 실시예5, 비교예1 내지 비교예3은 표 1에 표시된 성분계를 갖는 강재를 1,150℃ 내지 1,250℃ 온도범위에 2시간 가열(재가열)하고, 가열로에서 소재를 추출한 후 바로 압연하였으며, 압연 종료온도는 1,000℃로 설정하였다.

아래 표 1에 나타난 것과 같이, 실시예1에 비해 탄소의 함량이 높은 비교예1의 경우, 탄소 함량 증가에 따른 펄라이트의 증가로 강도는 상승하나 연성 및 충격치가 크게 감소함을 알 수 있다. 실시예1에 비해 바나듐 함량이 적은 비교예2의 경우, 바나듐 석출물의 급감으로 강도가 미달함을 알 수 있으며, 실시예1에 비에 니오븀과 질소의 함량의 적은 비교예3의 경우, 니오븀 및 질소의 감소로 질화석출물이 감소하고 이에 따라 강도가 저하됨을 알 수 있다.

[표 1]

본 발명의 일 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims

탄소(C) 0.09 중량% 내지 0.11 중량%, 실리콘(Si) 0.25 중량% 내지 0.35 중량%, 망간(Mn) 1.25 중량% 내지 1.35 중량%, 인(P) 0.03 중량% 이하, 황(S) 0.015 중량% 이하, 니켈(Ni) 0.05 중량% 내지 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0.15 중량% 이하, 구리(Cu) 0.1 중량% 내지 0.2 중량%, 바나듐(V) 0.18 중량% 내지 0.22 중량%, 알루미늄(Al) 0.01 중량% 내지 0.02 중량%, 니오븀(Nb) 0.015 중량% 내지 0.025 중량%, 질소(N) 0.012 중량% 내지 0.014 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 포함하는 구조용 강재.
제1항에 있어서,
상기 강재의 항복강도가 500MPa 이상인 구조용 강재.
제1항에 있어서,
상기 강재의 연신율이 30% 이상인 구조용 강재.
제1항에 있어서,
상기 강재의 -5℃에서의 충격치가 100J 이상인 구조용 강재.
제1항에 있어서,
상기 강재는 티타늄(Ti)을 0 중량% 포함하는 구조용 강재.
탄소(C) 0.09 중량% 내지 0.11 중량%, 실리콘(Si) 0.25 중량% 내지 0.35 중량%, 망간(Mn) 1.25 중량% 내지 1.35 중량%, 인(P) 0.03 중량% 이하, 황(S) 0.015 중량% 이하, 니켈(Ni) 0.05 중량% 내지 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0.15 중량% 이하, 구리(Cu) 0.1 중량% 내지 0.2 중량%, 바나듐(V) 0.18 중량% 내지 0.22 중량%, 알루미늄(Al) 0.01 중량% 내지 0.02 중량%, 니오븀(Nb) 0.015 중량% 내지 0.025 중량%, 질소(N) 0.012 중량% 내지 0.014 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 포함하는 소재를,
1,150℃ 내지 1,250℃에서 가열하는 단계; 및
상기 소재를 압연하는 단계
를 포함하는 구조용 강재 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 1,150℃ 내지 1,250℃에서 가열하는 단계에서, 가열시간은 1시간 내지 3시간인 구조용 강재 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 소재를 압연하는 단계에서, 압연 종료온도는 950℃ 내지 1,050℃인 구조용 강재 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 소재를 압연하는 단계는
상기 소재를 조압연하는 단계와 상기 소재를 사상압연하는 단계를 포함하며, 상기 사상압연 종료온도는 950℃ 내지 1,050℃이며,
상기 사상압연하는 단계 이후 상기 소재를 권취하는 단계를 더 포함하는 구조용 강재 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 소재는 티타늄(Ti)을 0 중량% 포함하는 구조용 강재 제조방법.