KR20140085215A

KR20140085215A - 탄소강 단조플랜지 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20140085215A
Application number: KR1020120155537A
Authority: KR
Inventors: 선혜선; 신용택
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-07

Abstract

탄소강 단조플랜지 및 이의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 탄소강 단조플랜지는, 탄소, 규소, 인, 황, 및 망간을 함유하는 것으로서, 탄소의 함유량이 0.15 내지 0.25 wt%이고, 규소의 함유량이 0.20 내지 0.30 wt%이고, 인의 함유량이 0.005 내지 0.015 wt%이고, 황의 함유량이 0.001 내지 0.003 wt%이고, 및 망간의 함유량이 0.80 내지 0.90 wt%인 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

탄소강 단조플랜지 및 이의 제조방법 {Forged Carbon steel flange and method of producing the same}

본 발명은 탄소강 단조플랜지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소강 강관들을 연결하는 압력배관용 탄소강 단조플랜지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

탄소강 단조플랜지는 일정한 압력이 작용하는 강관과 강관을 연결하기 위한 자재로서 원소재를 적정 크기로 절단 후, 가열, 단조, 열처리, 및 가공공정을 거쳐 제조된다.

일정한 압력이 작용하는 강관과 강관을 연결하기 위한 자재로서 사용되는 탄소강 단조플랜지의 특성상, 강도 및 경도를 안정적으로 확보하는 것은 필수적이다. 구체적으로는 500 내지 540 Mpa의 인장강도와 300 Mpa 이상의 항복강도, 그리고 130 HB 이상의 경도를 유지할 필요성이 있다.

한편, 상기 탄소강 단조플랜지의 기계적 물성은 탄소 및 망간의 함량에 따라서 크게 영향을 받는다. 통상 탄소강 단조플랜지 원소재의 탄소 함량은 0.1 내지 0.25 wt% 범위로 관리되고 있으며, 이를 초과하면 균열 감수성이 증가하는 것으로 알려져 있다. 이는 탄소강 단조플랜지의 용접부 및 열영향부의 경도 상승에 따른 균열 발생에 기인하며, 이는 망간의 함량을 통하여 제어가 가능하다.

망간은 강(steel) 중에 첨가되어 고온에서도 결정입자의 성장을 억제하여 강도와 경도를 향상시키며, 특히 인성을 향상시키는 원소이다. 하지만, 망간의 함량이 증가하면, 강(steel) 중 MnS를 형성하게 되는데, MnS는 가공 시(예를 들어, 단조가공)에 가공 방향으로 길게 연신되는 특성이 있다. 이러한 연신된 편상(Flake type) MnS는 결정립을 취약하게 하여, 열 가공 또는 용접 후 작용하는 인장응력이 큰 경우 균열을 일으키는 주된 원인으로 작용한다. 이 때문에 탄소강 단조플랜지의 제조시에 망간의 적절한 함량 관리가 매우 중요하다.

하지만, 현재까지 상기와 같은 단조플랜지의 기계적 물성을 만족하는 망간의 함량범위와 단조플랜지에 대한 단조 종료온도, 그리고 열처리 온도 범위 등에 관한 연구가 진행된 바 없었다.

한국등록특허 제1193783호

본 발명은 망간 및 그 외 원소들의 함량, 단조 종료온도 및 열처리 온도범위를 한정하여 상기와 같은 기계적 물성을 가지는 탄소강 단조플랜지 및 이의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 탄소, 규소, 인, 황, 및 망간을 함유하는 탄소강 단조플랜지에 있어서, 상기 탄소의 함유량이 0.15 내지 0.25 wt%이고, 상기 규소의 함유량이 0.20 내지 0.30 wt%이고, 상기 인의 함유량이 0.005 내지 0.015 wt%이고, 상기 황의 함유량이 0.001 내지 0.003 wt%이고, 및 상기 망간의 함유량이 0.80 내지 0.90 wt%인 것을 특징으로 하는 탄소강 단조플랜지가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소의 함유량은 0.19 내지 0.20 wt%; 상기 규소의 함유량은 0.24 내지 0.25 wt%; 상기 인의 함유량은 0.009 내지 0.010 wt%; 상기 황의 함유량은 0.001 내지 0.002 wt%; 및 상기 망간의 함유량은 0.81 내지 0.85 wt% 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소강 단조플랜지의 인장강도는 500 내지 540 MPa, 보다 바람직하게는 507 내지 515 MPa 일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 탄소 0.15 내지 0.25 wt%, 규소 0.20 내지 0.30 wt%, 인 0.005 내지 0.015 wt%, 황 0.001 내지 0.003 wt%, 및 망간 0.80 내지 0.90 wt%을 함유하는 탄소강 단조플랜지 원소재를 준비하는 단계; 상기 원소재를 절단한 후, 가열하는 단계; 상기 가열한 원소재를 단조하는 단계; 상기 단조한 원소재를 열처리하는 단계; 및 상기 열처리한 원소재를 냉각하는 단계를 포함하는 탄소강 단조플랜지의 제조방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 원소재의 탄소의 함유량은 0.19 내지 0.20 wt%; 상기 규소의 함유량은 0.24 내지 0.25 wt%; 상기 인의 함유량은 0.009 내지 0.010 wt%; 상기 황의 함유량은 0.001 내지 0.002 wt%; 및 상기 망간의 함유량은 0.81 내지 0.85 wt% 일 수 있다.

또한, 상기 단조단계에서 단조 종료온도는 800 내지 900 ℃일 수 있다.

또한, 상기 단조한 원소재의 열처리는 860 내지 900 ℃에서 수행될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 탄소강 단조플랜지의 망간의 함유량을 한정함으로써 우수한 인장강도를 가지는 탄소강 단조플랜지를 제공할 수 있다. 결국, 향상된 인장강도로 인해 탄소강 단조플랜지의 강도저하에 의한 파손 우려가 최소화될 수 있다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

상기 망간의 함유량이 0.8 wt% 미만일 경우, 탄소강 단조플랜지에 요구되는 인장강도를 만족하지 못하는 문제점이 있고, 0.9 wt%를 초과하는 경우는 형성된 MnS가 단조 가공방향으로 길게 연신됨으로써, 편상(Flake type)으로 존재하게 되는 MnS가 결정립을 취약함으로써 균열을 일으킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소의 함유량은 0.19 내지 0.20 wt%; 상기 규소의 함유량은 0.24 내지 0.25 wt%; 상기 인의 함유량은 0.009 내지 0.010 wt%; 상기 황의 함유량은 0.001 내지 0.002 wt%; 및 상기 망간의 함유량은 0.81 내지 0.85 wt% 일 수 있다.

한편, 일반적인 단조플랜지의 단조공정은, 최종 제품의 중량을 예측하여 적절한 크기로 원소재를 절단하는 공정, 절단된 원소재를 가열로에 장입하여 1200 ℃ 이상의 온도로 가열하는 공정, 이후 가열로에서 원소재를 추출하여 단조 헴머로 신속히 이동하여 플랜지의 두께방향과 원주방향 모두를 정해진 절차에 따라 단조하는 공정을 거친다. 이때 단조 시작온도는 가열로에서 원소재 추출 후 단조 헴머까지 이동시간에 따라 결정되며, 단조 종료온도는 단조 헴머의 용량에 따라 결정된다. 즉, 단조 헴머의 용량이 큰 경우는 통상의 압하율(단조비) 약 70 % 수준까지 도달하는데 소요되는 시간을 줄일 수 있으므로 단조 종료온도 관리가 쉽지만, 단조 헴머의 용량이 작으면 목표수준의 압하율까지 도달하지 못하고 단조 종료 온도 범위를 초과할 수도 있다. 이런 경우는 제품을 재가열하여 단조작업을 해야 하며, 단조 종료 온도보다 낮은 온도에서 단조작업을 할 경우 최종 제품의 불량을 초래하기도 한다. 단조 종료 온도 조건을 준수해서 단조 작업이 완료되면 이후 열처리로에 제품을 장입하여 사전에 설정된 열처리 조건으로 제품을 가열, 유지하는 공정을 거쳐서 제품을 열처리로에서 추출 후 냉각과정을 거친다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기와 같은 망간의 함유량을 가지는 탄소강 단조플랜지 원소재를 이용하여 탄소강 단조플랜지를 제조하는 방법이 제공될 수 있다. 구체적으로 탄소 0.15 내지 0.25 wt%, 규소 0.20 내지 0.30 wt%, 인 0.005 내지 0.015 wt%, 황 0.001 내지 0.003 wt%, 및 망간 0.80 내지 0.90 wt%을 함유하는 탄소강 단조플랜지 원소재를 준비하는 단계; 상기 원소재를 절단한 후, 가열하는 단계; 상기 가열한 원소재를 단조하는 단계; 상기 단조한 원소재를 열처리하는 단계; 및 상기 열처리한 원소재를 냉각하는 단계를 포함하는 탄소강 단조플랜지의 제조방법이 제공될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소강 단조플랜지 원소재의 상기 탄소의 함유량은 0.19 내지 0.20 wt%; 상기 규소의 함유량은 0.24 내지 0.25 wt%; 상기 인의 함유량은 0.009 내지 0.010 wt%; 상기 황의 함유량은 0.001 내지 0.002 wt%; 및 상기 망간의 함유량은 0.81 내지 0.85 wt%일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 원소재를 단조하는 단조단계에서 단조 종료온도는 800 내지 900 ℃일 수 있다.

이는 단조 종료온도가 800 ℃ 미만인 경우 내부응력의 증가로 단조균열 발생가능성은 증가하게 되고, 900 ℃를 초과하는 경우에는 기계적 물성 향상 및 결정립 성장의 억제가 어려워지는 문제점이 있기 때문이다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 단조한 원소재의 열처리는 860 내지 900 ℃에서 수행될 수 있다.

상기에서 단조한 원소재의 열처리 온도가 860 ℃ 미만일 경우, 결정립의 균일화 효과가 떨어져 기계적 물성이 나빠지게 되고, 900 ℃ 초과일 경우에는 결정립의 조대화로 열처리 후 기계적 물성이 감소되는 문제점이 있을 수 있어 바람직하지 않다.

또한, 상기 냉각 단계는 공냉(air cooling) 또는 급냉(quenching) 후 뜨임(tempering) 처리로 수행할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 탄소강 단조플랜지의 망간의 함유량 및 열처리 조건을 상기와 같이 한정함으로써 우수한 인장강도를 가지는 탄소강 단조플랜지를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.

실시예 1 내지 8

하기 표 1의 화학조성을 가지는 탄소강 단조플랜지 원소재를 각각 준비하여 절단, 가열, 단조, 열처리 및 냉각단계를 거쳐 각각 탄소강 단조플랜지를 제조하였다. 단조단계에서 단조 종료온도는 850 ℃였고, 열처리 단계는 880 ℃에서 수행하였으며, 냉각 단계는 공냉식(air cooling type)으로 수행하였다. 실시예 1 및 8에 의해 제조된 단조플랜지의 인장강도를 측정한 결과 하기 표 1과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

상기 표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 탄소플랜지는 인장강도 507 내지 515 MPa, 항복강도 308 내지 325 MPa, 연신율은 31 내지 35%, 단면수축율은 60 내지 64 % 및 경도는 141 내지 148 HB의 우수한 물성을 유지하고 있음을 알 수 있다.

상기와 같은 물성은 망간의 함량이 0.80 내지 0.90 wt% 범위, 특히 0.81 내지 0.85 wt%로 한정됨과 동시에, 단조 종료 온도를 800 내지 900℃인 조건으로 단조를 수행하고, 단조한 원소재를 860 내지 900 ℃ 구간에서 열처리하는 조건을 통해 달성된 것이다. 따라서, 본 발명이 제시하는 화학조성 및 공정상 열처리 조건에 따를 경우, 인장강도, 항복강도, 연신율 및 단면수축율 뿐만 아니라 경도가 매우 우수한 탄소플랜지를 얻을 수 있음을 명확히 알 수 있다.

결국, 본 발명의 실시예들은 탄소강 단조플랜지의 망간의 함유량을 한정함으로써 우수한 물성을 나타내는 탄소강 단조플랜지를 제공하고 있으며, 상기와 같이 향상된 물성으로 인해 탄소강 단조플랜지의 강도저하에 의한 파손 우려를 최소화할 수 있는 효과가 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

탄소, 규소, 인, 황, 및 망간을 함유하는 탄소강 단조플랜지에 있어서, 상기 탄소의 함유량이 0.15 내지 0.25 wt%이고, 상기 규소의 함유량이 0.20 내지 0.30 wt%이고, 상기 인의 함유량이 0.005 내지 0.015 wt%이고, 상기 황의 함유량이 0.001 내지 0.003 wt%이고, 상기 망간의 함유량이 0.80 내지 0.90 wt%인 탄소강 단조플랜지.
탄소 0.15 내지 0.25 wt%, 규소 0.20 내지 0.30 wt%, 인 0.005 내지 0.015 wt%, 황 0.001 내지 0.003 wt%, 및 망간 0.80 내지 0.90 wt%을 함유하는 탄소강 단조플랜지 원소재를 준비하는 단계;
상기 원소재를 절단한 후, 가열하는 단계;
상기 가열한 원소재를 단조하는 단계;
상기 단조한 원소재를 열처리하는 단계; 및
상기 열처리한 원소재를 냉각하는 단계;
를 포함하는 탄소강 단조플랜지의 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 원소재를 단조하는 단계에서 단조 종료온도는 800 내지 900 ℃인 탄소강 단조플랜지의 제조방법.
제2항에 있어서,
상기 단조한 원소재의 열처리는 860 내지 900 ℃에서 수행되는 탄소강 단조플랜지의 제조방법.