KR20130048980A

KR20130048980A - 저온인성이 우수한 고강도 강판

Info

Publication number: KR20130048980A
Application number: KR1020110113939A
Authority: KR
Inventors: 이성학; 성효경; 신상용; 황병철; 이창길
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-05-13
Also published as: KR101317275B1

Abstract

본 발명은 저온인성이 우수한 베이나이트계 고강도 강판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 강판은, 탄소(C) 0.03 ~ 0.06중량%, 규소(Si) 0.01 ~ 0.5중량%, 망간(Mn) 1.5 ~ 2.5중량%, 니켈(Ni) 0.3 ~ 0.6중량%, 크롬(Cr) 0.5중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.1 ~ 0.5중량%, 니오븀(Nb) 0.01 ~ 0.1중량%, 바나듐(V) 0.01 ~ 0.1중량%, 티타늄(Ti) 0.01 ~ 0.02중량%, 알루미늄(Al) 0.05중량% 이하, 질소(N) 0.003중량% 이하, 붕소(B) 0.002중량% 이하, 잔부 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 항복강도가 1000 MPa 이상이고, 상온 및 -40℃에서의 충격에너지가 150J 이상의 고강도와 우수한 저온인성을 나타낸다.

Description

저온인성이 우수한 고강도 강판 {STEEL SHEET HAVING GOOD LOW TEMPERATURE TOUGHNESS}

본 발명은 저온인성이 우수한 고강도 강판과 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 특히 고강도와 우수한 저온인성이 요구되는 라인 파이프 제조에 사용될 수 있을 정도의 높은 강도와 우수한 저온인성을 갖는 강판과 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

산업이 고도로 발전함에 따라서 건축물, 산업 설비, 교량, 선박 등이 점점 대형화되고 있고, 이들을 안정적으로 건설 및 제조하기 위해서는 고강도 고인성의 철강재료의 사용이 요구된다. 더욱이 최근에는 지진이나 해일 등의 자연 재해로부터 인명과 시설물을 안전하게 보호하고, 심해와 극지방 등에서의 강한 압력과 저온에서의 파괴를 견뎌내기 위해서 철강재료는 기가급 이상의 강도와 상온은 물론 저온에서도 높은 인성을 절실히 필요로 한다.

고강도 고인성의 철강재료를 얻기 위해, 합금원소의 조성을 조절하거나 압연 열처리 공정을 변화시키는 방법을 통해 철강재료의 미세조직을 최적화하는 방법이 사용되어 왔다.

종래의 고강도 고인성 후판강은 주 미세조직을 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합조직으로 하였고 이 강에서는 1GPa 이상의 높은 강도를 얻을 수 있었다. 그런데, 종래의 기가급 고강도 강은 높은 강도에 비해 인성(특히 저온 인성)이 낮아 그 사용이 매우 제한적이었다.

이에 따라, 낮은 인성을 향상시키기 위해서 베이나이트계 저온 변태상을 미세하게 형성시켜 미세한 결정조직을 구현함으로써 고강도와 함께 인성이 우수한 미세조직을 형성하려는 연구가 이루어지고 있으나, 아직까지 심해나 극지방과 같은 저온 환경에서 사용될 수 있는 고강도 고인성 강판은 개발되지 않고 있다.

본 발명은 1GPa 이상의 고강도와 함께 상온은 물론 저온에서 인성이 우수하여, 높은 강도와 인성이 요구되는 다양한 분야에 적용할 수 있는 강판을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명의 다른 과제는 저온인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제1측면은 상기 과제를 해결하기 위한 것으로, 탄소(C) 0.03 ~ 0.06중량%, 규소(Si) 0.01 ~ 0.5중량%, 망간(Mn) 1.5 ~ 2.5중량%, 니켈(Ni) 0.3 ~ 0.6중량%, 크롬(Cr) 0.5중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.1 ~ 0.5중량%, 니오븀(Nb) 0.01 ~ 0.1중량%, 바나듐(V) 0.01 ~ 0.1중량%, 티타늄(Ti) 0.01 ~ 0.02중량%, 알루미늄(Al) 0.05중량% 이하, 질소(N) 0.003중량% 이하, 붕소(B) 0.002중량% 이하, 잔부 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 저온인성이 우수한 고강도 강판을 제공한다.

또한, 본 발명의 제1측면에 따른 강판에 있어서, 추가로 구리(Cu) 0.8중량% 이하가 포함될 수 있다.

또한, 본 발명의 제1측면에 따른 강판은, 베이나이트계 페라이트(BF)와 침상형 페라이트(AF)가 혼합된 조직으로 이루어지며, 상기 침상형 페라이트(AF) 조직이 면적분율로 25% 이상이고, 상기 베이나이트계 페라이트(BF) 조직의 면적분율은 40% 이상인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 제1측면에 따른 강판은, 바람직하게는 인장강도가 1000MPa 이상이고, 저온충격에너지가 120J 이상이며, 보다 바람직하게는 인장강도 1000MPa 이상이고 저온충격에너지가 150J 이상이다.

또한, 본 발명의 제1측면에 따른 강판의 유효 결정립 크기는 5㎛ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 제2측면은 상기 다른 과제를 해결하기 위한 것으로, (a) 탄소(C) 0.03 ~ 0.06중량%, 규소(Si) 0.01 ~ 0.5중량%, 망간(Mn) 1.5 ~ 2.5중량%, 니켈(Ni) 0.3 ~ 0.6중량%, 크롬(Cr) 0.5중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.1 ~ 0.5중량%, 니오븀(Nb) 0.01 ~ 0.1중량%, 바나듐(V) 0.01 ~ 0.1중량%, 티타늄(Ti) 0.01 ~ 0.02중량%, 알루미늄(Al) 0.05중량% 이하, 질소(N) 0.003중량% 이하, 붕소(B) 0.002중량% 이하, 잔부 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1100℃ ~ 1200℃에서 30분 ~ 12시간 동안 용체화 처리하는 단계; (b) 용체화 처리된 강슬라브를 오스테나이트 단상 영역에서 80 ~ 95%의 압하율로 압연하는 단계; (c) 압연된 강판을 600℃까지 공랭시키는 단계; 및 (d) 600℃에서 상온까지 10 ~ 50℃/초의 냉각속도로 가속 냉각시키는 단계;를 포함하는 저온인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 제3측면은 상기 다른 과제를 해결하기 위한 것으로, (a) 탄소(C) 0.03 ~ 0.06중량%, 규소(Si) 0.01 ~ 0.5중량%, 망간(Mn) 1.5 ~ 2.5중량%, 니켈(Ni) 0.3 ~ 0.6중량%, 크롬(Cr) 0.5중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.1 ~ 0.5중량%, 니오븀(Nb) 0.01 ~ 0.1중량%, 바나듐(V) 0.01 ~ 0.1중량%, 티타늄(Ti) 0.01 ~ 0.02중량%, 알루미늄(Al) 0.05중량% 이하, 질소(N) 0.003중량% 이하, 붕소(B) 0.002중량% 이하, 잔부 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1100℃ ~ 1200℃에서 30분 ~ 12시간 동안 용체화 처리하는 단계; (b) 용체화 처리된 강슬라브를 오스테나이트 단상 영역에서 80 ~ 95%의 압하율로 압연하는 단계; (c) 압연된 강판을 600℃까지 공랭시키는 단계; (d) 600℃에서 400℃까지 10 ~ 50℃/초의 냉각속도로 가속 냉각시키는 단계; 및 (e) 가속 냉각된 강판을 400℃에서 상온까지 공랭시키는 단계;를 포함하는 저온인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 제2측면 및 제3측면에 따른 강판의 제조방법에 있어서, 추가로 구리(Cu) 0.8중량% 이하를 포함할 수 있다.

또한, 상기 본 발명의 제2측면 및 제3측면에 따른 강판의 제조방법에 있어서, 상기 (b)단계에서, 오스테나이트 단상 영역에서 75 ~ 90%의 압하율로 압연한 후, 오스테나이트와 페라이트의 이상 영역에서 추가로 5% 이하의 압하율로 압연할 수 있다.

또한, 상기 본 발명의 제2측면 및 제3측면에 따른 강판의 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서, 압연된 오스테나이트의 두께는 10㎛ 이하가 되도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 강판은 인장강도 1000MPa 이상이면서 연신율은 약 10% 이상, -40℃에서의 충격에너지가 최소 120J, 최대 160J 이상의 우수한 저온인성을 나타내어, 특히 고강도와 저온인성이 요구되는 라인 파이프와 같은 설비나 부품에 적합하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 저온인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법을 개략적으로 나타낸 공정흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 내지 4의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 3은 비교예 1 내지 4의 주사전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 3의 EBSD 사진이다.
도 5는 비교예 3의 EBSD 사진이다.

본 발명자들은 1GPa 이상의 높은 인장 강도를 유지하면서 상온 및 저온인성이 우수한 강판을 제조하기 위하여 연구개발한 결과, 강의 미세조직 형성과 냉각조건의 변화에 큰 영향을 미치는 조성(특히 붕소(B)와 구리(Cu)의 함량)과 냉각 조건을 제어함으로써, 미세한 침상형 페라이트(AF)와 베이나이트계 페라이트(BF)를 위주로 하는 저온변태조직의 강 조직을 구현할 경우, 1GPa 이상의 인장 강도와 함께 종래에 비해 현저하게 개선된 우수한 저온인성을 얻을 수 있음을 밝혀내어 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명에 따른 강판은, 탄소(C) 0.03 ~ 0.06중량%, 규소(Si) 0.01 ~ 0.5중량%, 망간(Mn) 1.5 ~ 2.5중량%, 니켈(Ni) 0.3 ~ 0.6중량%, 크롬(Cr) 0.5중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.1 ~ 0.5중량%, 니오븀(Nb) 0.01 ~ 0.1중량%, 바나듐(V) 0.01 ~ 0.1중량%, 티타늄(Ti) 0.01 ~ 0.02중량%, 알루미늄(Al) 0.05중량% 이하, 질소(N) 0.003중량% 이하, 붕소(B) 0.002중량% 이하, 잔부 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하며, 추가로 구리(Cu) 0.8중량%를 포함할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 강판의 조성을 상기와 같이 한정한 이유에 대해 상세하게 설명한다.

탄소(C): 0.03 ~ 0.06중량%

탄소(C)는 고용강화를 통하여 금속 및 용접부의 기지를 강화하는 가장 효과적인 원소이며, 작은 크기의 세멘타이트, 바나듐(V) 및 니오븀(Nb) 탄질화물 및 몰리브덴(Mo) 탄화물의 형성을 통한 석출경화 효과를 얻을 수 있다. 탄소(C)의 함량이 0.03중량% 이하일 경우에는 베이나이트와 마르텐사이트로 구성된 다양한 저온변태조직을 얻기 어려워 1GPa 이상의 인장 강도를 얻을 수 없고, 0.06중량%를 초과하는 경우에는 인성이 크게 저하되기 때문에, 0.03 ~ 0.06중량%의 범위로 포함되는 것이 바람직하다.

실리콘(Si): 0.01 ~ 0.5중량%

실리콘(Si)은 고용강화 및 탈산 효과를 위해 첨가되며, 0.01중량% 미만인 경우에는 탈산효과가 충분하지 않고, 0.5중량%를 초과하는 경우에는 인성과 용접성이 저하되므로, 0.01 ~ 0.5중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

망간(Mn) : 1.5 ~ 2.5중량%

망간(Mn)은 고용강화를 위해 첨가되며, 낮은 탄소(C) 함량에 의해 감소된 경화능을 보상하여 베이나이트와 마르텐사이트 조직의 형성을 촉진한다. 1.5중량% 미만인 경우에는 강판의 강도가 저하되어 1GPa 이상의 인장 강도를 얻을 수 없고, 2.5중량%를 초과하는 경우에는 제강공정에서 슬라브 주조시 중심 편석을 조장하고 인성과 용접성이 저하되므로, 1.5 ~ 2.5중량%로 포함하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni) : 0.3 ~ 0.6중량%

니켈(Ni)은 저탄소강에서 용접성 및 저온인성을 해치지 않고도 강도와 인성을 향상시킬 수 있는 원소이다. 0.3중량% 미만인 경우에는 강도와 인성이 저하되고, 0.6중량%를 초과하는 경우에는 제조비용이 증가하는 문제가 있으므로, 0.3 ~ 0.6중량%로 포함하는 것이 바람직하다.

구리(Cu) : 0.8중량% 이하

구리(Cu)는 기지를 강화시키는 원소이며, 0.8중량%를 초과하는 경우에는 인성과 용접성이 저하되며, 열간 압연 중에 균열이 발생하기 쉬운 문제가 있으므로, 0.8중량% 이하로 포함하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr) : 0.5중량% 이하

크롬(Cr)은 망간(Mn)과 같이 낮은 탄소(C) 함량에서도 냉각 시 충분한 경화능을 확보하기 위해 0.5중량% 이하로 첨가되며, 0.5중량%를 초과하는 경우에는 인성과 용접성이 저하되는 문제가 있으므로, 0.5중량% 이하로 포함하는 것이 바람직하다.

몰리브데늄(Mo) : 0.1 ~ 0.5중량%

몰리브데늄(Mo)은 크롬(Cr)과 같이 경화능을 증가시키는 원소로서 특히 붕소(B)와 함께 첨가될 경우 경화능 향상효과는 매우 크게 나타난다. 또한 니오븀(Nb)과 함께 첨가될 경우 오스테나이트 재결정을 억제하여 결정립 미세화에 기여한다. 0.1중량% 미만에서는 경화능의 저하로 강도와 인성 확보에 필요한 베이나이트계 페라이트 함량이 저하되고, 0.5중량%를 초과하는 경우에는 제조비용이 증가하고, 인성과 용접성이 저하되므로, 0.1 ~ 0.5중량%로 포함하는 것이 바람직하다.

니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.1중량%

니오븀(Nb)은 결정립 미세화를 통하여 강도와 인성을 동시에 향상시키는 역할을 한다. 열간압연 중 생성되는 니오븀 탄질화물은 오스테나이트 재결정을 억제하고 결정립 성장을 막아서 오스테나이트 결정립을 미세하게 한다. 특히 니오븀(Nb)은 몰리브데늄(Mo)과 함께 첨가될 때 오스테나이트 재결정을 억제하여 결정립미세화 효과가 증대되고, 석출강화 및 경화능 향상을 통한 강화효과가 있다. 0.01중량% 미만에서는 상기한 효과를 구현할 수 없는 문제가 있고, 0.1% 이상 첨가되면 더 이상 효과상승을 기대하기 어려울 뿐만 아니라 과도한 니오븀(Nb) 탄질화물의 석출에 기인되어 오스테나이트 미재결정 온도를 지나치게 높이기 때문에 재질 이방성이 증가하고 비용이 증가하며 용접성 및 용접열영향부 인성에 나쁜 영향을 주게 되므로, 0.01 ~ 0.1중량%로 포함하는 것이 바람직하다.

바나듐(V) : 0.01 ~ 0.1중량%

바나듐(V)은 탄화물 또는 질화물을 형성하여 강도 증가에 기여한다. 0.01중량% a미만인 경우에는 상기 효과를 구현할 수 없으며, 0.10중량%를 초과하는 경우에는 인성과 용접성이 저하되는 문제가 있으므로, 0.01 ~ 0.1중량%로 포함하는 것이 바람직하다.

티타늄(Ti) : 0.1 ~ 0.2중량%

티타늄(Ti)은 그 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 포함하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al) : 0.05중량% 이하

알루미늄(Al)은 실리콘(Si)과 같이 탈산제로 첨가되며, 0.05중량%를 초과하는 경우에는 비금속산화물인 Al₂O₃를 형성하여 모재와 용접부의 인성을 저하시키므로, 0.05중량% 이하로 포함하는 것이 바람직하다.

질소(N) : 0.003중량% 이하

질소(N)는 슬라브 가열 중 오스테나이트 결정립 성장을 억제하고, TiN 석출물은 용접 열영향부의 오스테나이트 결정립 성장을 억제한다. 그러나, 과도한 N 첨가는 슬라브 표면 결함을 조장하고, 용질 질소가 있을 경우 기지 및 용접 열영향부의 인성을 저하시키므로, 0.003중량% 이하로 포함하는 것이 바람직하다.

붕소(B) : 0.002중량% 이하

붕소(B)는 저탄소강에서 경화능을 매우 향상시키고 용접성 및 저온균열 저항성을 증가시킨다. 특히, 몰리브데늄(Mo) 및 니오븀(Nb)의 경화능 향상효과를 증대시키는 역할을 하며 결정립계의 강도를 증가시켜 수소에 의하여 발생되는 입내균열을 억제한다. 그러나 과도한 B의 첨가는 Fe₂₃(C,B)₆ 석출에 따라 취화의 원인이 된다. 따라서, 붕소의 함량은 다른 경화능 원소의 함량을 고려하여 결정하여야 하는데, 본 발명에서는 붕소의 함량으로서 상술한 바와 같이 0.002중량% 이하로 포함하는 것이 바람직하다.

기타 불가피한 불순물

원료나 강의 제조과정에서 의도하지 않게 인(P), 황(S), 질소(N) 등의 불순물이 포함될 수 있는데 이들 불순물은 최소화되는 것이 바람직하다.

또한, 고가의 합금원소인 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo)의 경우, 이들 원소의 중량%의 합이 1.0중량% 이하로 유지하는 것이 경제적이다.

본 발명에 따른 강판은 크게 4단계의 공정을 통해 제조되는데, 구체적으로, 탄소(C) 0.03 ~ 0.06중량%, 규소(Si) 0.01 ~ 0.5중량%, 망간(Mn) 1.5 ~ 2.5중량%, 니켈(Ni) 0.3 ~ 0.6중량%, 크롬(Cr) 0.5중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.1 ~ 0.5중량%, 니오븀(Nb) 0.01 ~ 0.1중량%, 바나듐(V) 0.01 ~ 0.1중량%, 티타늄(Ti) 0.01 ~ 0.02중량%, 알루미늄(Al) 0.05중량% 이하, 철(Fe) 잔부 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1100 ~ 1200℃에서 재가열시키는 단계(제 1 단계)와, 상기 제 1 단계에서 재가열된 슬라브를 오스테나이트 재결정온도 이상에서 소정 압하율로 열간압연하는 제어압연 단계(제 2 단계)와, 상기 제 2단계에서 압연된 강판을 600℃까지 공랭시키는 단계(제 3 단계)와, 제 3 단계에서 공랭시킨 강판을 10 ~ 50℃/초의 냉각속도로 상온 또는 400℃까지 가속냉각시키는 가속냉각 단계(제 4 단계)로 이루어진다.

상기 각 단계별 공정 조건의 제한 이유는 다음과 같다.

상기 제 1 단계는 강 슬라브 내에 있는 (Nb, V)(C, N) 등의 모든 탄화물과 탄질화물 등이 완전히 용해되도록 하기 위한 재가열공정이다. 이때 재가열온도는 1100 ~ 1200℃인 것이 바람직한데, 1100℃ 미만일 경우 탄화물 또는 탄질화물의 용해가 완전하지 못할 수 있고, 1200℃를 초과할 경우 오스테나이트 결정립이 지나치게 조대화되어 강판의 인성을 저하시킬 수 있기 때문이다.

상기 제 2 단계는 강판의 미세조직을 제어하기 위한 제어 압연 단계로, 가속냉각 전에 재가열된 오스테나이트 결정립을 미세화시키고, 오스테나이트 내부에 전위나 변형띠와 같은 결함들을 생성시켜 오스테나이트에서 페라이트로의 변태를 촉진함으로써, 최종적인 미세조직의 결정학적 크기를 감소시켜 강도와 인성을 향상시키기 위한 단계이며, 다음의 2가지 방법으로 수행할 수 있다.

첫째는, 재가열된 강 슬라브를 오스테나이트 재결정온도(Ar3) 이상에서 80 ~ 95%의 압하율로 열간압연하는 방법이다.

둘째는, 오스테나이트 재결정온도 이상에서 75 ~ 90%로 압연한 후 오스테나이트 재결정온도 이하에서 5% 이하의 압하율로 열간압연하는 방법이다. 두 번째 방법은 오스테나이트 + 페라이트 2상 영역에서 추가적으로 압연을 수행하는 방법인데, 이 방법에 의하면 압연 이전 또는 압연 과정에서 페라이트가 형성되고, 압연이전에 형성된 페라이트는 압연 과정에서 변형되어 가공 경화에 의해 강도를 증가시킬 수 있게 된다.

한편, 오스테나이트에서 페라이트로 전환되는 온도(Ar3) 이상에서 압연하였을 때, 압연된 오스테나이트의 두께는 10㎛ 이하가 되도록 하는 것이 바람직한데, 이는 압연된 오스테나이트의 두께가 10㎛를 초과할 경우 결정립의 방위 관계 차이가 적어지고 균열의 쉬운 전파로 인해 인성이 저하되기 때문이다.

상기 제 3 단계는 제어 압연된 강을 600℃까지 공랭시키는 단계로, 제어 압연된 강을 2상 영역(오스테나이트 + 페라이트)을 통과하는 동안 변형되지 않은 미세한 페라이트가 더 형성되도록 하기 위한 단계이다. 제 3 단계를 통해 강판의 최종 미세조직에서 침상형 페라이트와 베이나이트계 페라이트의 비율이 본 발명에서 원하는 수준으로 조절되며, 이는 강판의 저온인성에 큰 영향을 미친다. 만약, 침상형 페라이트가 미세조직의 면적 분율로 25% 이상 형성되지 못하면 나머지 오스테나이트에서 마르텐사이트나 베이나이트가 형성되어 저온인성이 낮아지는 문제가 생기고 베이나이트계 페라이트가 면적 분율로 45% 이상 형성되지 않으면 고강도를 얻을 수 없게 된다.

상기 제 4 단계는, 잔류하고 있는 오스테나이트로부터 입상 베이나이트, 변질 상부 베이나이트, 하부 베이나이트, 래스(lath) 마르텐사이트 등이 적절하게 형성되도록 하는 냉각제어 단계이다. 구체적으로, 제 3 단계에서 공랭된 강판을 10 ~ 50℃/초 이상의 냉각속도로 상온 또는 400℃까지 가속냉각시키는 것을 특징으로 한다.

냉각속도가 10℃/초 미만일 경우 다각형 페라이트가 다량 생성될 수 있어 강도 및 인성을 확보할 수 없게 되고, 50℃/초를 초과할 경우 마르텐사이트와 같은 경질상이 형성되어 인성이 저하되거나 강판의 뒤틀림 형상이 발생하여 강판의 형상이 불량하게 되므로, 냉각속도는 상기 범위가 바람직하다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

[실시예 1]

탄소(C) 0.05중량%, 규소(Si) 0.25중량%, 망간(Mn) 1.9중량%, 니켈(Ni) 0.5중량%, 크롬(Cr) 0.2중량%, 몰리브데늄(Mo) 0.25중량%, 니오븀(Nb) 0.04중량%, 바나듐(V) 0.04중량%, 티타늄(Ti) 0.015중량%, 알루미늄(Al) 0.03중량%, 질소(N) 0.003중량%, 붕소(B) 0.001중량% 를 포함하는 강 슬라브를 1150℃에서 1시간 동안 가열함으로써, 탄화물 또는 탄질화물이 용해되도록 하였다.

가열된 강 슬라브를 오스테나이트 재결정온도 이상인 850℃(압연종료온도)에서 88%의 압하율로 열간압연한 후 600℃까지 공랭하였다. 600℃까지 공랭한 강판을 수랭하여 600℃에서 상온까지 약 20℃/초의 냉각속도로 가속 냉각하여, 두께 12mm의 강판을 제조하였다.

[실시예 2]

가열된 강 슬라브를 오스테나이트 재결정온도 이상인 850℃(압연종료온도)에서 85%의 압하율로 열간압연하고, 오스테나이트 재결정온도 이하인 780℃에서 3%의 압하율로 열간압연한 후 600℃까지 공랭하였다. 600℃까지 공랭한 강판을 수랭하여 600℃에서 400℃까지 약 20℃/초의 냉각속도로 가속 냉각한 후, 400℃부터 상온까지는 공랭하는 방식으로 냉각하여, 두께 12mm의 강판을 제조하였다.

[실시예 3]

탄소(C) 0.05중량%, 규소(Si) 0.25중량%, 망간(Mn) 1.9중량%, 니켈(Ni) 0.5중량%, 구리(Cu) 0.5중량%, 크롬(Cr) 0.2중량%, 몰리브데늄(Mo) 0.25중량%, 니오븀(Nb) 0.04중량%, 바나듐(V) 0.04중량%, 티타늄(Ti) 0.015중량%, 알루미늄(Al) 0.03중량%, 질소(N) 0.003중량%, 붕소(B) 0.001중량% 를 포함하는 강 슬라브를 1150℃에서 1시간 동안 가열함으로써, 탄화물 또는 탄질화물이 용해되도록 하였다.

[실시예 4]

[비교예 1]

탄소(C) 0.05중량%, 규소(Si) 0.25중량%, 망간(Mn) 1.9중량%, 니켈(Ni) 0.5중량%, 크롬(Cr) 0.2중량%, 몰리브데늄(Mo) 0.25중량%, 니오븀(Nb) 0.04중량%, 바나듐(V) 0.04중량%, 티타늄(Ti) 0.015중량%, 알루미늄(Al) 0.03중량%, 질소(N) 0.003중량%, 붕소(B) 0.003중량%를 포함하는 강 슬라브를 1150℃에서 1시간 동안 가열함으로써, 탄화물 또는 탄질화물이 용해되도록 하였다.

[비교예 2]

가열된 강 슬라브를 오스테나이트 재결정온도 이상인 850℃(압연종료온도)에서 88%의 압하율로 열간압연하고 600℃까지 공랭하였다. 600℃까지 공랭한 강판을 수랭하여 600℃에서 400℃까지 약 20℃/초의 냉각속도로 가속 냉각한 후, 400℃부터 상온까지는 공랭하는 방식으로 냉각하여, 두께 12mm의 강판을 제조하였다.

[비교예 3]

탄소(C) 0.05중량%, 규소(Si) 0.25중량%, 망간(Mn) 1.9중량%, 니켈(Ni) 0.5중량%, 구리(Cu) 1.0중량%, 크롬(Cr) 0.2중량%, 몰리브데늄(Mo) 0.25중량%, 니오븀(Nb) 0.04중량%, 바나듐(V) 0.04중량%, 티타늄(Ti) 0.015중량%, 알루미늄(Al) 0.03중량%, 질소(N) 0.003중량%, 붕소(B) 0.001중량% 를 포함하는 강 슬라브를 1150℃에서 1시간 동안 가열함으로써, 탄화물 또는 탄질화물이 용해되도록 하였다.

[비교예 4]

상기 실시예 1 ~ 4와 비교예 1 ~ 4의 조성을 정리하여 하기 표 1에 나타내었다.

예	성분(중량%)
예	C	Si	Mn	Ni	Cu	Cr	Mo	Nb	V	Ti	Al	N	B
실시예1	0.05	0.25	1.9	0.5	0	0.2	0.25	0.04	0.04	0.15	0.03	0.003	0.001
실시예2	0.05	0.25	1.9	0.5	0	0.2	0.25	0.04	0.04	0.15	0.03	0.003	0.001
실시예3	0.05	0.25	1.9	0.5	0.5	0.2	0.25	0.04	0.04	0.15	0.03	0.003	0.001
실시예4	0.05	0.25	1.9	0.5	0.5	0.2	0.25	0.04	0.04	0.15	0.03	0.003	0.001
비교예1	0.05	0.25	1.9	0.5	0	0.2	0.25	0.04	0.04	0.15	0.03	0.003	0.003
비교예2	0.05	0.25	1.9	0.5	0	0.2	0.25	0.04	0.04	0.15	0.03	0.003	0.003
비교예3	0.05	0.25	1.9	0.5	1.0	0.2	0.25	0.04	0.04	0.15	0.03	0.003	0.001
비교예4	0.05	0.25	1.9	0.5	1.0	0.2	0.25	0.04	0.04	0.15	0.03	0.003	0.001

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1과 2는 구리(Cu)를 함유하지 않고, 실시예 3과 4는 구리를 1.0중량% 미만으로 함유하는 것을 특징으로 한다. 또한, 비교예 1과 2는 붕소(B)의 함량이 0.003중량%로 본 발명의 실시예들에 비해 붕소의 함량이 많으며, 비교예 3과 4는 구리(Cu)의 함량이 1.0중량%로 본 발명의 실시예들에 비해 구리(Cu)를 많이 함유하고 있는 차이가 있다.

또한, 상기 실시예 1 ~ 4와 비교예 1 ~ 4의 제조방법을 정리하여 하기 표 2에 나타내었다.

예	압하율(%)		압연종료 온도 (℃)	가속냉각 시작온도 (℃)	가속냉각 종료온도 (℃)
예	Ar3 이상	Ar3 미만	압연종료 온도 (℃)	가속냉각 시작온도 (℃)	가속냉각 종료온도 (℃)
실시예1	88	-	850	600	25
실시예2	85	3	850	600	400
실시예3	88	-	850	600	25
실시예4	85	3	850	600	400
비교예1	88	-	850	600	25
비교예2	88	-	850	600	400
비교예3	88	-	850	600	25
비교예4	88	-	850	600	400

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 3과 4는 오스테나이트 재결정 온도(Ar3) 이상에서 85%의 압하율로 압연한 후, 오스테나이트 재결정 온도(Ar3) 이하에서 3%의 압하율로 압연하는 방식을 사용하였으며, 실시예 1, 3과 비교예 1 ~ 4는 모두 오스테나이트 재결정 온도(Ar3) 이상에서 88%의 압하율로 압연을 완료하였다.

미세 조직

이상과 같이 제조된 본 발명의 실시예 1 ~ 4와, 비교예 1 ~ 4의 미세조직을 주사전자현미경(FE~SEM, field emission scanning electron microscope, Model: S~4300E, Hitachi, Tokyo, Japan)으로 분석하였으며, 그 결과를 도 2 및 3에 나타내었다.

베이나이트계 철강재료는 합금원소와 압연 열처리조건에 따라 다양한 미세조직을 가지는데, 본 발명에서는 형태학적 분류로부터 각 미세조직을 다음과 같이 구분하였다.

침상형 페라이트(AF)는 수㎛의 결정립이 불규칙적인 형태로 형성되어 있고 결정립계에는 미세한 이차상들(secondary phases)이 분포하고 있는 상(phase)으로, 강도와 인성의 조합이 우수한 상이다.

베이나이트계 페라이트(BF)는 침상형 페라이트(AF)보다 빠른 냉각 조건에서 형성되는 조직으로 결정립이 수십㎛로 크며, 결정립의 내부나 결정립계에 이차상이 래스(lath) 형태로 분포하고 있는 상으로, 강도는 우수하나 인성이 낮은 상이다.

입상형 베이나이트(GB)는 침상형 페라이트(AF)보다 느린 냉각 조건에서 형성되고 결정립의 내부에 이차상이 섬(island) 형태로 존재하며, 결정립이 수십㎛로 큰 상으로, 강도와 인성이 비교적 낮은 상이다. 또한, 이차상은 대부분 1㎛ 내외의 크기로서, 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트, 세멘타이트 등이다.

이상과 같은 형태학적 분류 및 마르텐사이트 조직으로 미세조직을 구분하여 각 미세조직의 면적분율을 측정한 결과는 하기 표 3과 같았다.

예	AF (%)	GB (%)	BF (%)	마르텐사이트 (%)
실시예1	25	0	60	15
실시예2	40	0	50	10
실시예3	30	0	45	25
실시예4	35	0	50	15
비교예1	0	40	45	15
비교예2	0	40	50	10
비교예3	10	30	30	30
비교예4	20	20	45	15

도 2, 도 3 및 상기 표 3에서 확인되는 바와 같이, 붕소(B) 함량이 0.003중량%인 비교예 1은 BF가 45%, GB가 40%, 마르텐사이트가 15%로 관찰되고, BF와 M의 결정립은 1㎛ 정도로 작지만 GB는 10㎛ 정도로 결정립이 커서 전반적인 결정립의 크기는 크다.

또한, 비교예 2는 BF가 50%, GB가 40%, 마르텐사이트가 10%로 관찰되고, 결정립의 크기도 5㎛ 이상으로 조대하다.

또한, 구리(Cu)를 1.0중량% 포함하는 비교예 3은 BF, GB 및 마르텐사이트가 각각 30%이고, AF가 10% 포함된 혼합 조직을 나타내며 결정립의 크기는 조대한 편이다.

또한, 구리(Cu)를 1.0중량% 포함하는 비교예 4는 BF가 45%, AF 및 GB가 각각 20%, 마르텐사이트가 15% 정도 형성되어 다양한 베이나이트계 조직들이 혼합된 미세조직이 형성되었다.

이에 비해, 구리(Cu)를 함유하지 않고, 붕소(B)는 0.001중량%로 함유한 실시예 1의 경우, BF가 60%, AF가 25%, 마르텐사이트가 15%로 이루어진 혼합조직을 이루고 있고, 결정립의 크기는 1㎛ 이하로 매우 미세하다.

실시예 1과 동일하게 구리(Cu)를 함유하지 않고, 붕소(B)는 0.001중량%로 함유하며, 가공 열처리 과정이 상이한 실시예 2의 경우, BF가 50%, AF가 40%, 마르텐사이트가 10% 정도 형성된 혼합조직을 이루고 있으며, 결정립 크기는 1㎛ 이하로 매우 미세하다.

구리(Cu)가 0.5중량% 첨가된 실시예 3은 BF가 45%, AF가 30%, 마르텐사이트가 25%로 이루어진 혼합조직을 이루며, 실시예 1과 마찬가지로 1㎛ 이하의 매우 미세한 결정립을 보인다.

실시예 3과 동일하게 구리(Cu)가 0.5중량% 첨가된 실시예 4는 BF가 50%, AF가 35%, 마르텐사이트가 15%로 이루어진 혼합조직을 이루며, 실시예 2와 마찬가지로 1㎛ 이하의 매우 미세한 결정립을 보인다.

즉, 본 발명에 따른 실시예 1 ~ 4에 따른 강판의 AF의 분율은 25% 이상으로, 비교예 1 ~ 4에 비해 높으며, 결정립의 크기도 1㎛ 이하의 매우 미세한 조직을 나타냄을 알 수 있다.

인장 및 충격특성

본 발명의 실시예 1 ~ 4와 비교예 1 ~ 4에 따라 제조한 강판을 인장시험기를 사용하여 각 강판의 인장특성을 평가하고, 또한 샤르피 시험기를 사용하여 상온 및 -40℃에서의 충격특성을 평가한 후, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

예	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	연신율 (%)	항복비 (%)	상온충격 에너지 (J)	저온충격 에너지 (J)
실시예1	1106	1199	9.6	92	192.4	154.2
실시예2	998	1146	11.2	87	167.6	162.9
실시예3	1163	1232	10.7	94	162.3	157.4
실시예4	1020	1161	12.4	88	161.1	128.4
비교예1	1029	1165	14.1	88	120.1	21.7
비교예2	997	1162	14.3	86	125.9	28.6
비교예3	1107	1237	13.0	89	159.1	68.3
비교예4	1067	1204	13.8	89	162.2	37.3

상기 표 4에서 항복강도와 인장강도는 압연방향에 직각인 방향에서 측정한 값이고, 균일연신율과 항복비는 압연방향에서 측정한 값이다.

상기 표 4에 확인되는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 ~ 4는 모두 인장강도가 1000MPa 이상의 고강도를 나타내며, 연신율도 9.6 ~ 12.4%로 일정한 정도의 기계 가공성을 가지고 있음을 알 수 있다. 또한, 상온 충격에너지의 경우, 161 ~ 192J 수준으로 양호하며, 특히 저온 충격에너지의 경우, 128 ~ 162J 수준으로 상온 충격에너지와 큰 차이를 보이지 않는 우수한 인성을 나타낸다.

이에 비해, 본 발명의 실시예에 비해, 구리(Cu)와 붕소(B)의 함량이 상이하고 그에 따른 미세조직이 상이한 비교예 1 ~ 4의 경우, 인장강도와 상온 충격에너지는 우수하나, 저온충격에너지는 모두 70J 이하로 매우 낮아, 특히 저온인성이 요구되는 분야에는 사용되기 어려움을 알 수 있다. 이와 같이, 비교예 1 ~ 4가 높은 강도와 양호한 연신율을 보임에도 저온인성이 낮은 것은, 강도를 높이는데는 유리하나 인성에는 좋지 않은 영향을 미치는 GB 또는 마르텐사이트 조직 위주로 미세조직이 이루어져 있기 때문으로 보인다.

도 4 및 도 5는 각각 실시예 3과 비교예 3 강판의 미세조직을 EBSD로 분석한 결과를 나타낸 것이다. 이들 도면에서 조대한 GB를 많이 포함하는 비교예 3은 유효 결정립의 크기가 수십 ㎛로 큰 반면에, 실시예 3에서 AF는 유효 결정립이 5㎛ 이하로 미세함을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예와 같은 고강도와 우수한 저온인성은, 도 2에서 보여지는 바와 같은 1㎛ 이하의 미세한 침상형 페라이트를 적어도 25%이상 포함하고, 베이나이트계 페라이트 조직을 40% 이상 포함하는 미세조직에 기인함을 알 수 있다.

Claims

탄소(C) 0.03 ~ 0.06중량%, 규소(Si) 0.01 ~ 0.5중량%, 망간(Mn) 1.5 ~ 2.5중량%, 니켈(Ni) 0.3 ~ 0.6중량%, 크롬(Cr) 0.5중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.1 ~ 0.5중량%, 니오븀(Nb) 0.01 ~ 0.1중량%, 바나듐(V) 0.01 ~ 0.1중량%, 티타늄(Ti) 0.01 ~ 0.02중량%, 알루미늄(Al) 0.05중량% 이하, 질소(N) 0.003중량% 이하, 붕소(B) 0.002중량% 이하, 잔부 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 저온인성이 우수한 고강도 강판.
제 1 항에 있어서,
추가로 구리(Cu) 0.8중량% 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 강판은, 베이나이트계 페라이트(BF)와 침상형 페라이트(AF)가 혼합된 조직으로 이루어지며, 상기 침상형 페라이트(AF) 조직이 면적분율로 25% 이상인 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 강판은, 인장강도가 1000MPa 이상이고, 저온충격에너지가 120J 이상인 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판.
제 4 항에 있어서,
상기 강판은, 저온충격에너지가 150J 이상인 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 강판의 유효 결정립 크기는 5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판.
제 2 항에 있어서,
상기 베이나이트계 페라이트(BF) 조직의 면적분율은 40% 이상인 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판.
(a) 탄소(C) 0.03 ~ 0.06중량%, 규소(Si) 0.01 ~ 0.5중량%, 망간(Mn) 1.5 ~ 2.5중량%, 니켈(Ni) 0.3 ~ 0.6중량%, 크롬(Cr) 0.5중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.1 ~ 0.5중량%, 니오븀(Nb) 0.01 ~ 0.1중량%, 바나듐(V) 0.01 ~ 0.1중량%, 티타늄(Ti) 0.01 ~ 0.02중량%, 알루미늄(Al) 0.05중량% 이하, 질소(N) 0.003중량% 이하, 붕소(B) 0.002중량% 이하, 잔부 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1100℃ ~ 1200℃에서 30분 ~ 12시간 동안 용체화 처리하는 단계;
(b) 용체화 처리된 강슬라브를 오스테나이트 단상 영역에서 80 ~ 95%의 압하율로 압연하는 단계;
(c) 압연된 강판을 600℃까지 공랭시키는 단계; 및
(d) 600℃에서 상온까지 10 ~ 50℃/초의 냉각속도로 가속 냉각시키는 단계;를 포함하는 저온인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
(a) 탄소(C) 0.03 ~ 0.06중량%, 규소(Si) 0.01 ~ 0.5중량%, 망간(Mn) 1.5 ~ 2.5중량%, 니켈(Ni) 0.3 ~ 0.6중량%, 크롬(Cr) 0.5중량% 이하, 몰리브데늄(Mo) 0.1 ~ 0.5중량%, 니오븀(Nb) 0.01 ~ 0.1중량%, 바나듐(V) 0.01 ~ 0.1중량%, 티타늄(Ti) 0.01 ~ 0.02중량%, 알루미늄(Al) 0.05중량% 이하, 질소(N) 0.003중량% 이하, 붕소(B) 0.002중량% 이하, 잔부 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1100℃ ~ 1200℃에서 30분 ~ 12시간 동안 용체화 처리하는 단계;
(b) 용체화 처리된 강슬라브를 오스테나이트 단상 영역에서 80 ~ 95%의 압하율로 압연하는 단계;
(c) 압연된 강판을 600℃까지 공랭시키는 단계;
(d) 600℃에서 400℃까지 10 ~ 50℃/초의 냉각속도로 가속 냉각시키는 단계; 및
(e) 가속 냉각된 강판을 400℃에서 상온까지 공랭시키는 단계;를 포함하는 저온인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
추가로 구리(Cu) 0.8중량% 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 (b)단계에서, 오스테나이트 단상 영역에서 75 ~ 90%의 압하율로 압연한 후, 오스테나이트와 페라이트의 이상 영역에서 추가로 5% 이하의 압하율로 압연하는 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 (b) 단계에서, 압연된 오스테나이트의 두께는 10㎛ 이하가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 (e) 단계의 가속냉각은 수랭에 의하는 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.