KR20130123431A

KR20130123431A - 내후성이 우수한 구조용 강재

Info

Publication number: KR20130123431A
Application number: KR1020137023586A
Authority: KR
Inventors: 신이치 미우라; 이사무 가게; 마사츠구 무라세; 토시유키 호시노
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-11-12
Also published as: JP2012177143A; KR20150067771A; JP5120472B2; MY153633A; WO2012115280A1; CN103392023A; CN103392023B

Abstract

저비용으로, 내후성이 우수한 구조용 강재를 제공한다. 구체적으로, 구조용 강재는, 질량％로, 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 1종 또는 2종을 포함한다. 또한, R값≥2.0질량％이다. 단, R값＝(R1값＋R2값)^0.5, R1값＝[Cu]×0.2＋[Ni]×3＋[W]×4＋[Nb]×20＋[Sn]×8.5, R2값＝(Log₁ _.5([W]²＋0.002)＋16)×((Log₂([Nb]×0.1＋0.001)＋10)＋(Log₂([Sn]×0.1＋0.001)＋10)×0.75)×0.5이다([M]은, 원소 M의 함유량(질량％)을 나타내고, 함유하지 않는 경우는 0으로 함).

Description

내후성이 우수한 구조용 강재{STRUCTURAL STEEL EXHIBITING SUPERIOR WEATHER RESISTANCE}

본 발명은, 주로 교량(bridge) 등의 옥외에서 이용되는 강 구조물(Steel Structures)에 관한 것으로, 특히 해안 근방(coastal environment) 등의 높은 공기중 염분(high air-borne salt)의 환경하에서 내후성(atmospheric corrosion resistance)이 요구되는 부재로서 적합한 강재에 관한 것이다.

종래부터, 교량 등의 옥외에서 이용되는 강 구조물에 있어서는, 내후성 강(weathering steel)이 이용되고 있다. 내후성 강은, 대기 폭로 환경(atmospheric environment)에 있어서, Cu, P, Cr, Ni 등의 합금 원소가 농화한, 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 공기중 염분량(amount of air-borne salt)이 많은 환경에서는, 상기 보호성이 높은 녹층은 생성되기 어려워, 실용적인 내후성을 얻기 어려운 것이 알려져 있다(이후, 공기중 염분량은 JIS Z2382의 방법으로 측정한 값으로 함).

비특허문헌 1에 의하면, 종래의 내후성 강(JIS G 3114: 용접 구조용 내후성 열간 압연 강재)은, 공기중 염분량이 0.05mg·NaCl/d㎡/day(이후, 단위(mg·NaCl/d㎡/day)를 mdd로 표기하는 경우가 있음) 이하의 지역에서만, 무도장 사용 가능하게 되어 있다. 따라서, 해안 근방 등의 공기중 염분량이 많은 환경에서는, 보통 강재(JIS G 3106: 용접 구조용 압연 강재)에 도장 등의 방식(corrosion prevention) 조치를 시행하여 사용되고 있다. 또한, dm은, 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 급격한 상승이나, 재도장(recoating)의 곤란함이 더해진다. 이러한 이유로부터, 현재, 무도장으로 사용 가능한 강재가 요구되어, 무도장으로 사용 가능한 강재의 요망이 높다.

이러한 현상에 대하여, 최근, 해안 근방 등의 높은 공기중 염분 환경에 있어서 무도장으로 사용 가능한 강재로서, 여러 가지의 합금 원소, 특히 Ni를 다량으로 함유시킨 강재가 개발되고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에서는, 내후성 향상 원소로서, Cu와 1질량％ 이상의 Ni를 첨가한 고내후성 강재가 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 2에서는, 1질량％ 이상의 Ni와 Mo를 첨가한 내후성이 우수한 강재가 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 3에서는, Ni에 더하여, Cu, Ti를 첨가한 내후성이 우수한 강재가 개시되어 있다.

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

한편, 해안 근방 등의 높은 공기중 염분의 환경에 있어서의 내후성에 대해서는 언급하고 있지 않지만, 선박의 밸러스트 탱크(ballast tank) 등의 해수의 비말(飛沫;splash)이 직접 가해지는 가혹한 부식 환경(corrosion environment)에서 이용되는 내식 강재로서, 특허문헌 5에는, W와 Cr를 함유하고, 또한 Sb, Sn, Ni 등을 함유시킨 선박용 내식 강재가 개시되어 있다.

일본특허공보 제3785271호(일본공개특허공보 평11-172370호) 일본특허공보 제3846218호(일본공개특허공보 2002-309340호) 일본특허공보 제3568760호(일본공개특허공보 평11-71632호) 일본공개특허공보 평10-251797호 일본공개특허공보 2007-254881호

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

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

또한, 특허문헌 3에서는, Ti를 필수 원소로 하고 있기 때문에, Ti를 다량으로 첨가하면 인성이 열화되는 경우가 있다.

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

또한, 특허문헌 5에 개시되어 있는 강재는 용도가 상이하기 때문에, 강재가 노출되는 환경도 크게 상이해지는 결과, 요구되는 내식 성능이 상이하여, 해안 근방 등의 높은 공기중 염분 환경에 있어서의 내후성에 대해서는 서술되어 있지 않다.

본 발명은, 이러한 사정을 감안하여, 저비용으로, 공기중 염분량이 0.4mdd 정도인 환경에 있어서도 내후성이 우수한 구조용 강재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해, 높은 공기중 염분의 환경에 있어서의 내후성의 관점에서 강재의 성분 조성에 대해서 예의 검토했다. 그 결과, Cu, Ni를 함유하는 베이스강에 W와 Sn 및/또는 Nb를 복합 함유함으로써, 높은 공기중 염분의 환경에 있어서의 강재의 내후성이 향상되는 것을 발견했다.

후술하는 건습 반복 부식 시험(wet and dry cyclic corrosion test)에서의 부식에 의한 강판 두께 감소량(84일간)은, 공기중 염분량이 약 0.4mdd인 실제의 환경에 84일간 폭로한 경우의 부식에 의한 강판 두께 감소량과 동등해지는 것을 알 수 있다. 그래서, 본 발명에서는, 공기중 염분량이 약 0.4mdd인 환경에서의 내후성을 평가하는 방법으로서, 후술하는 건습 반복 부식 시험을 행했다. 또한, 종래부터, Ni를 다량으로 함유하는 후술의 표 1에 나타내는 강종 No.18은 공기중 염분량이 0.4mdd 정도인 환경에 있어서 사용 가능하다는 것이 알려져 있으며, 이 강종의 후술하는 건습 반복 부식 시험에서의 평균 판두께 감소량은 14.0㎛이기 때문에, 본 발명에서, 각종 강재의 평가는, 후술하는 건습 반복 부식 시험에서의 평균 판두께 감소량이 14.0㎛ 이하가 되는지 아닌지를 기준으로 했다.

그 결과, W와 Nb를 복합 함유한 강, 혹은 W와 Sn을 복합 함유한 강은, 종래의 내후성 강, 보통 강, 다른 원소의 조합을 이용한 내후성 강과 비교하여 부식 시험에 의한 강판 두께 감소량이 작은 값이 되어, 내후성이 우수한 경향에 있고, 또한, 강 중에 있어서의 성분 함유량을 보다 한정하고 조정한 조성에서는 Ni 함유량이 많은 강종과 비교한 경우에도, 내후성이 보다 우수한 결과가 얻어졌다.

이와 같이, Ni 함유량이 적음에도 불구하고 우수한 내후성을 나타낸 이유는 하기와 같이 추정된다.

즉, Cu, Ni는, 녹층을 치밀화시키고, 부식 촉진 인자인 염화물 이온이 녹층을 투과하여 지철(地鐵;base iron)에 도달하는 것을 방지한다. W는, 애노드부에 있어서, 녹층과 지철의 계면 부근에 Fe와의 복합 산화물을 형성하여, 애노드 반응을 억제한다. 또한, W산 이온으로서 녹층에 분포함으로써, 양이온 선택 투과성을 발현하여, 부식 촉진 인자인 염화물 이온이 녹층을 투과하여 지철에 도달하는 것을 방지한다. Nb는, 애노드부에 있어서 녹층과 지철의 계면 부근에 농화하여, 애노드 반응, 캐소드 반응을 억제한다. Sn은, Nb와 동일하게, 애노드부에 있어 녹층과 지철의 계면 부근에 농화하여, 애노드 반응, 캐소드 반응을 억제한다. 단, 이들 효과는 단독 함유로는 불충분하고, Cu, Ni, W와 Nb 및/또는 Sn의 복합 함유에 의한 상승 효과에 의해, Cu, Ni, W, Nb, Sn의 부식 억제 효과가 크게 향상된다. 그 결과, Ni 단독을 고함유량으로 포함하는 강종보다도 내후성이 우수한 결과가 된다.

이러한 인식에 기초하여, 본 발명자들은, 이들 원소의 내후성에 미치는 영향에 대해서 더욱, 예의 검토를 행하고, 하기에 나타내는 내후성 지표 R값을 발견했다. 그리고, 이 R값이 2.0 이상이 되도록, Cu, Ni, W, Nb, Sn의 강 중에 있어서의 성분 함유량을 조정함으로써, 내후성이 우수한 강재를 얻을 수 있는 것을 발견했다.

R값≥2.0질량％

단, R값＝(R1값＋R2값)^0.5

R1값＝[Cu]×0.2＋[Ni]×3＋[W]×4＋[Nb]×20＋[Sn]×8.5

R2값＝(Log₁ _.5([W]²＋0.002)＋16)×((Log₂([Nb]×0.1＋0.001)＋10)＋

(Log₂([Sn]×0.1＋0.001)＋10)×0.75)×0.5

또한, 상기에 있어서, [M]은, 원소 M의 함유량(질량％)을 나타내고, 함유하지 않는 경우는 0으로 한다.

또한 R1값은, 상기한 여러 가지의 시험 등으로부터, 각각의 성분의 단독으로의 내후성 향상에 기여하는 효과를 예상하여, 반(半)경험적으로 추정하여 작성한 것이다. 또한, R2값은 각 성분의 상승(相乘) 효과를 평가하고자 하고 있는 것이다. 상승 효과는 첨가량에 대하여 점차 포화되어 가는 경향이 인정되기 때문에 대수 함수(logarithmic function)로 나타난다고 생각하여, 정수(定數)를 반경험적으로 설정하여 작성한 것이다. 내후성에 대한 향상 효과는 이들 단독 효과와 상승 효과의 합으로 생각하여 본 발명의 R값을 나타내는 식을 도출했다.

본 발명은, 이상의 인식에 기초하여 이루어진 것으로, 그의 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 1종 또는 2종을 포함하며, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 또한, 하기식 (1)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 내후성이 우수한 구조용 강재.

R값≥2.0질량％ … 식 (1)

단,

R값＝(R1값＋R2값)^0.5

R1값＝[Cu]×0.2＋[Ni]×3＋[W]×4＋[Nb]×20＋[Sn]×8.5

R2값＝(Log₁ _.5([W]²＋0.002)＋16)×((Log₂([Nb]×0.1＋0.001)＋10)＋

(Log₂([Sn]×0.1＋0.001)＋10)×0.75)×0.5

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

[3] 상기 [1] 또는 [2]에 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％ 이하로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로하는 내후성이 우수한 구조용 강재.

[4] 상기 [1]∼[3] 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％ 이하로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 내후성이 우수한 구조용 강재.

또한, 본 명세서에 있어서, 강의 성분을 나타내는 ％는, 모두 질량％ 이다. 또한, 본 발명에 있어서, 「내후성이 우수한 구조용 강재」란, 0.4mdd 이하의 높은 공기중 염분 환경에 있어서 적용 가능한 고내후성을 실용상 만족하는 구조용 강재이다.

본 발명에 의하면, 저비용으로, 내후성이 우수한 구조용 강재가 얻어진다.

본 발명의 구조용 강재는, 내후성 향상에 유효한 원소를 복합 함유시킴으로써, Ni 등의 고가의 원소를 다량으로 함유하는 일 없이 저비용으로, 실용적인 용접성을 갖고, 또한 해안 근방 등의 공기중 염분량이 많은 환경에 있어서 우수한 내후성을 가질 수 있다. 특히, 공기중 염분량이 0.05mdd 초과의 높은 공기중 염분 환경에서 현저한 효과를 갖는다. 단, 공기중 염분량의 상한은 0.4mdd 이하인 것이 바람직하다.

도 1은 부식 시험의 조건 및 사이클을 나타내는 개략도이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하에, 본 발명을 상세하게 설명한다.

C: 0.020％ 이상 0.140％ 미만

C는 구조용 강재의 강도를 향상시키는 원소로서, 소정의 강도를 확보하기 위해 0.020％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.140％ 이상에서는 용접성 및 인성이 열화된다. 따라서, C함유량은 0.020％ 이상 0.140％ 미만으로 한다. 바람직하게는, 0.060％ 이상 0.100％ 이하이다.

Si: 0.05％ 이상 2.00％ 이하

Si는 제강(製鋼)시의 탈산제로서, 또한, 구조용 강재의 강도를 향상시켜 소정의 강도를 확보하는 원소로서, 0.05％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 2.00％를 초과하여 과잉으로 함유하면 인성 및 용접성이 현저하게 열화된다. 따라서, Si함유량은 0.05％ 이상 2.00％ 이하로 한다. 바람직하게는, 0.10％ 이상 0.80％ 이하이다.

Mn: 0.20％ 이상 2.00％ 이하

Mn은 구조용 강재의 강도를 향상시키는 원소로서, 소정의 강도를 확보하기 위해 0.20％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 2.00％를 초과하여 과잉으로 함유하면 인성 및 용접성이 열화된다. 따라서, Mn 함유량은 0.20％ 이상 2.00％ 이하로 한다. 바람직하게는, 0.20％ 이상 1.50％ 이하이다.

P: 0.005％ 이상 0.030％ 이하

P는 구조용 강재의 내후성을 향상시키는 원소이다. 이러한 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％ 이상 0.025％ 이하이다.

S: 0.0001％ 이상 0.0200％ 이하

S는 0.0200％를 초과하여 함유하면 용접성 및 인성이 열화된다. 한편, 함유량을 0.0001％ 미만까지 저하시키면, 생산 비용이 증대된다. 따라서, S 함유량은 0.0001％ 이상 0.0200％ 이하로 한다. 바람직하게는, 0.0003％ 이상 0.0050％ 이하이다.

Al: 0.001％ 이상 0.100％ 이하

Al은, 제강시의 탈산에 필요한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해, 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％ 이상 0.050％ 이하이다. 또한 Al 함유량은 산 가용(acid-soluble) Al을 측정한다.

Cu: 0.10％ 이상 1.00％ 이하

Cu는 녹 입자를 미세화함으로써 치밀한 녹층을 형성하여, 구조용 강재의 내후성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이러한 효과는 함유량이 0.10％ 이상에서 얻어진다. 한편, 1.00％를 초과하면 Cu 첨가량 증가에 수반하는 비용 상승을 초래한다. 따라서, Cu 함유량은 0.10％ 이상 1.00％ 이하로 했다. 바람직하게는, 0.20％ 이상 0.50％ 이하이다.

또한, 특허문헌 5는 선박용 내식 강재에 관한 것이다. 선박의 밸러스트 탱크의 방식 도막의 수명(일반적으로 10년)이, 선박의 수명(20년)의 절반으로, 나머지 10년은 보수 도장을 행함으로써 내식성을 유지하고 있다는 현상으로부터, 특허문헌 5에 기재된 선박용 내식 강재에서는, 선박의 밸러스트 탱크 등의 해수 또는 그의 비말이 직접 가해지는 가혹한 부식 환경하에 있어서, 강재의 표면 상태에 좌우되는 일 없이 우수한 내식성을 발휘하여, 보수 도장까지의 기간의 연장이 가능해지고, 나아가서는 보수 도장의 작업 경감을 도모하는 것을 목적으로 하고 있다. 이에 대하여, 본 발명의 구조용 강재는, 교량 등의 옥외에서 이용되는 강 구조물에 적용하고, 무도장으로 해안 근방 등의 0.4mdd 정도의 높은 공기중 염분 환경에 있어서 사용 가능한 것을 목적으로 하고 있으며, 특허문헌 5에 기재된 강재와는, 강재를 사용하는 환경과 목적이 크게 상이하다. 따라서, 특허문헌 5에 기재된 강재에서는 Cu를 함유할 필요는 없지만, 본 발명에서는, Cu를 함유하고, 치밀한 녹층을 형성시켜, 강재의 내후성을 향상시킬 필요가 있다. 그 때문에, 상기한 바와 같이, 본 발명에 있어서, Cu는 0.10％ 이상 함유하는 것으로 한다.

Ni: 0.10％ 이상 0.65％ 미만

Ni는 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％ 이상 0.50％ 이하이다.

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

W는, 본 발명에 있어서 중요한 요건으로, Nb 및/또는 Sn과 공존함으로써, 높은 공기중 염분 환경에 있어서의 강재의 내후성을 현저하게 향상시키는 효과가 있다. 또한, 강재의 애노드 반응에 수반하여 WO₄ ² ^-가 용출하고, 녹층 중에 WO₄ ² ^-로서 분포함으로써, 부식 촉진 인자의 염화물 이온이 녹층을 투과하여 지철에 도달하는 것을 정전적으로(electrostatically) 방지한다. 또한, 강재 표면에 W를 포함하는 화합물이 침전함으로써, 강재의 애노드 반응을 억제한다. 이들 효과를 충분히 얻기 위해서는, W는 0.05％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 1.00％를 초과하면 W 첨가량 증가에 수반하는 비용 상승을 초래한다. 따라서, W 함유량은 0.05％ 이상 1.00％ 이하로 한다. 바람직하게는, 0.10％ 이상 0.70％ 이하이다.

Nb는, 본 발명에 있어서 중요한 요건으로, W와 공존함으로써, 높은 공기중 염분 환경에 있어서의 강재의 내후성을 현저하게 향상시키는 효과가 있다. 또한, 애노드부에 있어서 녹층과 지철의 계면 부근에 농화하여, 애노드 반응, 캐소드 반응을 억제한다. 이들 효과를 충분히 얻기 위해서는, Nb는 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％ 이상 0.050％ 이하이다.

Sn은, 본 발명에 있어서 중요한 요건으로, W와 공존함으로써, 높은 공기중 염분 환경에 있어서의 강재의 내후성을 현저하게 향상시키는 효과가 있다. 또한, 강재 표면에 Sn을 포함하는 산화 피막을 형성하여, 강재의 애노드 반응, 캐소드 반응을 억제함으로써 구조용 강재의 내후성을 향상시킨다. 이들 효과를 충분히 얻기 위해서는, Sn은 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％ 이상 0.050％ 이하이다.

또한, Nb와 Sn은, 적어도 어느 1종을 함유시키면 본 발명의 효과를 나타낼 수 있다. 그러나, Nb와 Sn의 양쪽을 함유시키면, 보다 현저하게 내후성을 향상시키는 효과가 있다. Nb와 Sn의 양쪽을 함유시키는 효과의 이유는, 명백하지 않지만, 건조 과정과 습윤 과정이 반복되는 환경에 있어서, Nb와 Sn이 현저하게 효과를 발휘하는 조건(예를 들면, 기온, 상대 습도, 또는 녹 중의 염분 농도 등의 환경)이 상이하기 때문에, Nb와 Sn이, 각각의 효과를 서로 보완함으로써, 보다 현저하게 내후성을 향상시켰기 때문이라고 생각하고 있다.

또한, 강재의 기계적 성질, 용접성 등을 확보하는 데에 있어서, 내후성을 열화시키지 않고 Nb, Sn의 첨가량을 각각 저감하는 것이 가능하다는 이점도 있다. 이러한 이유로부터, Nb와 Sn의 양쪽을 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 Ca는, 강 중에 다량으로 존재하면 용접 열영향부의 인성을 열화시키기 때문에 0.0010％ 이하가 바람직하다.

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

Cr: 0.1％ 초과 1.0％ 이하

Cr은, 녹 입자를 미세화함으로써 치밀한 녹층을 형성하여, 내후성을 향상시키는 원소로서, 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％ 이하, 바람직하게는, 0.2％ 이상 0.7％ 이하이다.

또한 본 발명에서는, 이하의 이유로, Co, Mo, Sb 및 REM으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.

Co: 0.01％ 이상 1.00％ 이하

Co는 녹층 전체에 분포하고, 녹 입자를 미세화함으로써 치밀한 녹층을 형성하여, 구조용 강재의 내후성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이러한 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％ 이하, 바람직하게는, 0.10％ 이상 0.50％ 이하이다.

Mo: 0.005％ 이상 1.000％ 이하

Mo는, 강재의 애노드 반응에 수반하여 MoO₄ ² ^-가 용출하고, 녹층 중에 MoO₄ ² ^-가 분포함으로써, 부식 촉진 인자의 염화물 이온이 녹층을 투과하여 지철에 도달하는 것을 방지한다. 또한, 강재 표면에 Mo를 포함하는 화합물이 침전함으로써, 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％ 이하, 바람직하게는, 0.100％ 이상 0.500％ 이하이다.

Sb: 0.005％ 이상 0.200％ 이하

Sb는 강재의 애노드 반응을 억제함과 함께, 캐소드 반응인 수소 발생 반응을 억제함으로써 구조용 강재의 내후성을 향상시키는 원소이다. 이러한 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％ 이하, 바람직하게는, 0.020％ 이상 0.060％ 이하이다.

REM: 0.0001％ 이상 0.1000％ 이하

REM은 녹층 전체에 분포하고, 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％ 이하, 바람직하게는, 0.0010％ 이상 0.0350％ 이하이다.

또한 본 발명에서는, 이하의 이유로, Ti, V, Zr, B 및 Mg로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.

Ti: 0.005％ 이상 0.200％ 이하

Ti는, 강도를 높이기 위해 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％ 이하, 바람직하게는, 0.010％ 이상 0.100％ 이하이다.

V: 0.005％ 이상 0.200％ 이하

V는, 강도를 높이기 위해 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％ 이하, 바람직하게는, 0.010％ 이상 0.100％ 이하이다.

Zr: 0.005％ 이상 0.200％ 이하

Zr은, 강도를 높이기 위해 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％ 이하, 바람직하게는, 0.010％ 이상 0.100％ 이하이다.

B: 0.0001％ 이상 0.0050％ 이하

B는, 강도를 높이기 위해 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％ 이하, 바람직하게는, 0.0010％ 이상 0.0050％ 이하이다.

Mg: 0.0001％ 이상 0.0100％ 이하

Mg는, 강 중의 S를 고정하여 용접 열영향부의 인성 향상에 유효한 원소이다. 이 효과를 충분히 얻기 위해서는, 0.0001％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, 0.0100％를 초과하면 강 중의 개재물의 양이 증가하고 오히려 인성의 열화를 초래한다. 따라서, 함유하는 경우, Mg 함유량은 0.0001％ 이상 0.0100％ 이하, 바람직하게는, 0.0020％ 이상 0.0050％ 이하이다.

또한, 고염분 환경에 있어서의 내후성 향상 효과를 충분히 얻기 위해서는, 하기로 정의되는 R값이 소정의 범위를 충족시킬 필요가 있다.

R값≥2.0질량％

단,

R값＝(R1값＋R2값)^0.5

R1값＝[Cu]×0.2＋[Ni]×3＋[W]×4＋[Nb]×20＋[Sn]×8.5

R2값＝(Log₁ _.5([W]²＋0.002)＋16)×((Log₂([Nb]×0.1＋0.001)＋10)＋

(Log₂([Sn]×0.1＋0.001)＋10)×0.75)×0.5

상기의 R값은, 강재의 내후성을 나타내는 지표로서, 고염분 환경에 있어서 우수한 내후성을 얻기 위해서는, R값은, 2.0 이상으로 한다.

본 발명의 내후성이 우수한 구조용 강재는, 상기 성분 조성을 갖는 강을 전로(steel converter), 전기로(electric furnace) 등의 용제 수단으로 상법에 의해 용제하고, 통상의 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 따라서 적절하게 결정하면 좋고, 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 이용함으로써, 해안 근방 등의 공기중 염분량이 많은 환경에 있어서 우수한 내후성을 갖는 강 구조물로 할 수 있다.

[실시예]

표 1에 나타내는 화학 조성의 강을 용제하고, 1150℃로 가열한 후, 열간 압연(hot rolling)을 행하고, 실온(room temperature)까지 공랭(air cooling)하여 두께 6㎜의 강판을 실험 제작했다. 이어서, 얻어진 강판으로부터 35㎜×35㎜×5㎜의 시험편(test specimen)을 채취했다. 시험편은, 표면을 표면 조도(surface roughness)(Ra)가 1.6㎛ 이하가 되도록 연삭 가공(grinding processing)하고, 단면(edge face), 이면(back side)을 테이프(tape)로 시일(seal)하여, 표면 노출부(exposed area)의 면적이 25㎜×25㎜가 되도록 표면도 테이프로 시일했다.

이상에 의해 얻어진 시험편에 대해서, 0.4mdd 환경에서의 내후성을 평가하는 방법으로서 건습 반복 부식 시험을 행하여, 판두께 감소량을 측정했다. 건습 반복 부식 시험 방법 및 판두께 감소량 측정 방법에 대해서, 이하에 나타낸다.

건습 반복 부식 시험

상기의 시험편에 대하여, 도 1에 나타내는 바와 같이, 편측 표면에 염분을 부착시킨 상태에서 온습도 사이클을 행했다. 온습도 사이클은, 온도 40℃, 상대 습도 40％ RH의 건조 공정을 11시간, 이행 시간을 1시간으로 하고, 다음으로, 온도를 25℃, 상대 습도를 95％ RH의 습윤 공정을 11시간, 이행 시간을 1시간으로 하고, 24시간으로 1사이클로 하여, 12주간(84사이클) 행했다. 염분의 부착은, 온습도 사이클 개시 전 및, 온습도 사이클 7사이클마다(온습도 사이클의 건조 공정 전), 합계 12회 행했다. 이때, 강판 표면에 부착하는 염분량이 1.4㎎/d㎡가 되도록, 조정한 인공 해수 용액의 소정량을 시험편의 표면에 도포했다.

판두께 감소량 측정

건습 반복 부식 시험 후, 37％ 염산(hydrochloric acid) 500mL, 헥사메틸렌테트라민(hexamethylene tetramine) 3.5g, 히비론(Hibiron) (아이코케미컬사 제조 인히비터(inhibitor)) 3mL에 증류수(distilled water)를 더하여 1L(리터)로 한 제청 용액(rust removing solution)에, 시험편을 침지하여 탈청하고 나서 중량을 측정했다. 또한, 중량의 측정은, 제145회 부식 방식 심포지엄 자료 「부식 감모 평가 방법의 고정밀화」에 기재된 방법에 준거했다. 또한, 얻어진 중량과 초기 중량과의 차를 구하여 시험편의 시험 대상면의 면적으로 나눔으로써, 시험편 편면의 평균 판두께 감소량을 산출했다.

이상에 의해 얻어진 부식 시험 결과를 성분 조성, R값과 함께 표 1-1∼표 1-6에 나타낸다.

표 1-1∼표 1-6으로부터, R값이 2.0 이상이 되는 본 발명예에서는, 판두께 감소량은 11.8∼13.9㎛로서, 우수한 내후성을 갖고 있는 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명에서 규정하는 범위로부터 벗어나는 비교예에서는, R값이 2.0 미만이며, 판두께 감소량이 14.3∼17.7㎛로 본 발명예에 비하여 크게 내후성이 뒤떨어지고 있다.

(표 1-1)

(표 1-2)

(표 1-3)

(표 1-4)

(표 1-5)

(표 1-6)

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 1종 또는 2종을 포함하며, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 또한, 하기식 (1)을 충족시키는 구조용 강재.
R값≥2.0질량％ … 식 (1)
단, R값＝(R1값＋R2값)^0.5
R1값＝[Cu]×0.2＋[Ni]×3＋[W]×4＋[Nb]×20＋[Sn]×8.5
R2값＝(Log₁ _.5([W]²＋0.002)＋16)×((Log₂([Nb]×0.1＋0.001)＋10)＋
(Log₂([Sn]×0.1＋0.001)＋10)×0.75)×0.5
또한, 상기에 있어서, [M]은, 원소 M의 함유량(질량％)을 나타내고, 함유하지 않는 경우는 0으로 한다.
제1항에 있어서,
추가로, 질량％로, Cr: 0.1％ 초과 1.0％ 이하를 함유하는 구조용 강재.
제1항 또는 제2항에 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％ 이하로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 구조용 강재.
제1항 내지 제3항 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％ 이하로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 구조용 강재.