KR20150075317A - 용접 열영향부 강도가 우수한 저온용강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 합금성분 및 조성범위를 효과적으로 제어함으로써, 용접 열영향부의 오스테나이트 결정립 크기를 평균 80㎛이하로 제어하고 이를 통해 용접부의 강도를 증가시키고 용접 후 열영향부의 탄화물 생성을 분산시켜 네트워크 형태의 탄화물 형성이 억제된 용접열영향부 강도 및 인성이 우수한 저온용 강재를 제공한다.

Description

용접 열영향부 강도가 우수한 저온용강 {LOW TEMPERATURE STEELS WITH EXCELLENT STRENGTH IN HEAT AFFECTED ZONE}

본 발명은 액화가스 저장 탱크 및 수송설비 등의 저온에서부터 실온까지 광범위한 온도에 사용할 수 있는 저온용강에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 저온에서도 용접 열영향부의 강도가 우수한 저온용강에 관한 것이다.

액화천연가스 및 액체질소 등의 저장용기, 해양구조물 및 극지방 구조물에 사용되는 강재는 극저온에서도 충분한 인성과 강도를 유지하는 저온용 강판이어야 한다. 이러한 저온용 강판은 뛰어난 저온 인성과 강도뿐만 아니라 열팽창율과 열전도율이 작아야 하며, 자기특성도 문제가 되는 강이다.

최근에는 상기와 같은 저온용 강판으로서, 니켈을 완전히 배제하는 대신 다량의 망간 및 탄소를 첨가하여 오스테나이트를 안정화시키고 알루미늄을 첨가한 극저온 특성이 우수한 강재 (특허문헌 1) 및 망간 첨가를 통해 오스테나이트와 입실런 마르텐사이트 혼합조직을 얻음으로써 저온 인성이 우수한 강재 (특허문헌 2) 등이 보고되고 있다.

그러나, 오스테나이트 조직의 저온용 강재의 경우 용접 열영향부에서의 결정립 크기가 조대화되어 항복강도가 낮아지는 단점이 있다. 용접 열영향부에서의 연화는 용접부 국부 변형으로 인한 구조적 불안정을 야기시키며 또한 낮은 강도로 인해 구조물의 설계 두께를 증가시켜 소재 사용량 증가에 따른 원가 증대 및 구조 하중 증가로 인해 구조물 안정성 감소 등 많은 문제를 야기시키게 된다.

특허문헌 1: 대한민국 특허공개번호 1991-0012277 특허문헌 2: 일본특허공개번호 2007-126715

본 발명은 용접 열영향부의 오스테나이트 결정립 조대화를 억제하여 열영향부의 강도가 우수한 저온용강을 제공하고자 한다.

본 발명은 망간(Mn): 15~35중량%, 탄소(C): 23.6C+Mn≥28 및 33.5C-Mn≤23을 충족하는 범위, 구리(Cu): 5중량% 이하 (0중량% 제외), 크롬(Cr): 28.5C+4.4Cr≤57 (0중량% 제외)의 조건을 충족하는 범위, 티타늄(Ti): 0.01~0.3중량%, 질소(N): 0.003~0.1중량%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용접 열영향부 강도가 우수한 저온용강에 의하여 달성된다.

또한, 바람직하게는 상기 저온용강의 용접 열영향부는 용접 후 10℃/s 이상의 냉각속도로 냉각된 용접 열영향부 강도가 우수한 저온용강에 의하여 달성된다.

바람직하게는, 상기 저온용강의 용접 열영향부에서의 오스테나이트 조직이 면적분율로 95% 이상이다.

바람직하게는, 상기 저온용강의 용접 열영향부에서의 오스테나이트 입계에 존재하는 탄화물이 면적분율로 5% 이하이다.

바람직하게는, 상기 저온용강의 용접 열영향부의 오스테나이트의 결정립 크기는 평균 80㎛이하이다.

본 발명에 따르면, 합금성분 및 조성범위를 효과적으로 제어함으로써, 용접 부의 오스테나이트 결정립 크기를 제어하고 이를 통해 용접열영향부의 탄화물 생성을 분산시켜 네트워크 형태의 탄화물 형성이 억제된 용접열영향부 인성이 우수한 저온용 강재를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발명예 4의 용접열영향부를 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 2는 본 발명에서 제어하는 탄소 및 망간의 범위를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 저온에서도 용접 열영향부의 강도가 우수한 저온용강에 관한 것이다.

본 발명의 발명자들은 강재의 조직을 오스테나이트계로 제어하기 위하여, 망간, 탄소 및 크롬 등을 다량 첨가하더라도 네트워크 형태의 탄화물에 의한 용접부 인성의 저하를 일으키지 않기 위해서는 강재의 성분을 적절히 제어할 필요가 있음을 확인하고 본 발명에 이르게 되었다.

즉, 본 발명은 오스테나이트 조직을 확보하기 위하여, 망간, 탄소 및 크롬을 첨가하면, 강재가 용접과 같은 열싸이클의 영향을 받았을 때, 탄소에 의해 탄화물이 형성될 수 있는데, 이것을 최소화하기 위하여 망간의 함량에 따른 탄소 함량을 조절함으로써, 용접열영향부를 포함하는 용접부의 인성을 충분히 확보할 수 있음을 확인하였다. 또한, 추가적인 원소 첨가에 의하여 용접부의 오스테나이트 결정립 크기를 제어하여 탄화물 형성을 적극적으로 억제할 수 있다는 식견에 근거하여 본 발명을 완성하게 되었다.

이하, 본 발명의 용접 열영향부의 강도가 우수한 저온용강에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명의 용접 열영향부 강도가 우수한 저온용강은 망간(Mn): 15~35중량%, 탄소(C): 23.6C+Mn≥28 및 33.5C-Mn≤23을 충족하는 범위, 구리(Cu): 5중량% 이하 (0중량% 제외), 크롬(Cr): 28.5C+4.4Cr≤57 (0중량% 제외)의 조건을 충족하는 범위, 티타늄(Ti): 0.01~0.3중량%, 질소(N): 0.003~0.1중량%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

이하, 상기 합금조성에 대하여 설명한다. 단, 이하 %는 특별히 언급되지 않은 한 중량%임에 유의할 필요가 있다.

망간(Mn): 15~35%

망간은 본 발명과 같은 고망간강에 첨가되는 중요한 원소로서, 오스테나이트를 안정화시키는 역할을 하는 원소이다. 본 발명에서 극저온에서의 오스테나이트상을 안정화 시키기 위해서 15% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 즉, 망간의 함량이 15% 미만인 경우에는 탄소 함량이 작은 경우, 준안정상인 입실런 마르텐사이트가 형성되어 극저온에서의 가공유기변태에 의해 쉽게 알파 마르텐사이트로 변태하므로 인성을 확보할 수 없으며, 이를 방지하기 위해 탄소함량을 증가시켜 오스테나이트의 안정화를 도모할 경우에는 오히려 탄화물 석출로 인해 물성이 급격히 열화되므로 바람직하지 못하다. 따라서 망간의 함량은 15% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 반면에, 망간의 함량이 35%를 초과하는 경우에는 강재의 부식속도의 저하를 초래하고 함량 증가로 인해 경제성이 감소하는 문제점이 있다. 따라서, 상기 망간의 함량은 15~35%로 한정하는 것이 바람직하다.

탄소(C): 23.6C+Mn 28 및 33.5C-Mn ≤ 23의 관계를 만족

탄소는 오스테나이트를 안정화시키고 강도를 증가시키는 원소이며, 특히 냉각과정 혹은 가공에 의한 오스테나이트에서 입실런 혹은 알파 마르텐사이트로의 변태점인 Ms 및 Md를 낮추는 역할을 한다. 따라서, 탄소가 불충분하게 첨가될 경우에는 오스테나이트의 안정도가 부족하여 극저온에서 안정한 오스테나이트를 얻을 수 없으며 또한 외부 응력에 의해 쉽게 입실런 혹은 알파 마르텐사이트로 가공유기변태를 일으켜 인성을 감소시키며 또한 강재의 강도도 감소시켜며 반대로 탄소의 함량이 과다할 경우에는 탄화물 석출로 인해 인성이 급격히 열화되며 강도의 지나친 증가로 가공성이 나빠지는 단점이 있다.

특히, 본 발명에서 탄소의 함량은 탄소 및 기타 함께 첨가되는 원소들과의 관계에 주의하며 결정하는 것이 바람직한데, 이를 위하여 본 발명자가 발견한 탄화물 형성에 대한 탄소와 망간의 관계를 도 1에 나타내었다. 도면에서 볼 수 있듯이, 물론 탄화물은 탄소로 인하여 형성되는 것이나, 탄소가 독립적으로 탄화물의 형성에 영향 미치는 것이 아니라, 망간과 복합적으로 작용하여 그 형성 경향에 영향을 미치는 것이다. 도면에서 적정 탄소 함량을 나타내었다. 도면에 탄화물 형성을 방지하기 위해서는 다른 성분이 본 발명에서 규정하는 범위를 충족한다는 전제하에 23.6C+Mn(C, Mn은 각 성분의 함량을 중량% 단위로 나타낸 것임)의 값을 28이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 이는 도면의 평행사변형 영역의 경사진 왼쪽 경계를 의미한다. 23.6C+Mn이 상기 28 미만일 경우에는 오스테나이트의 안정도가 감소하여 극저온에서의 충격에 의해 가공유기변태를 일으켜 충격인성을 저하시키게 된다. 탄소 함량이 너무 높은 경우 즉, 33.5C-Mn이 23보다 클 경우 과다한 탄소의 첨가로 인해 탄화물이 석출하여 저온 충격 인성을 낮추는 문제가 발생한다. 결론적으로, 본 발명에서 탄소는 15~35, 23.6C+Mn≥28 및 33.5C-Mn≤23을 만족하도록 첨가하는 것이 바람직하다. 도면에서도 알 수 있듯이, 상기 수식을 충족시키는 범위내에서 C 함량은 최하한은 0% 이다.

구리(Cu): 5% 이하(0%는 제외)

구리는 탄화물 내 고용도가 매우 낮고 오스테나이트 내 확산이 느려서 오스테나이트와 핵생성된 탄화물 계면에 농축되는데, 이에 따라 탄소의 확산을 방해함으로써 탄화물 성장을 효과적으로 늦추게 되고, 결국 탄화물 생성을 억제하는 효과가 있다. 모재의 경우 제조 과정중 가속 냉각을 통해 탄화물 석출을 억제할 수 있으나 용접 열영향부는 냉각 속도 제어가 쉽지 않으므로 본 발명에서는 탄화물 석출 억제에 매우 효과적인 원소인 구리를 첨가하는 것이다. 또한 구리는 오스테나이트를 안정화시켜 극저온 인성을 향상시키는 효과가 있다. 다만, Cu의 함량이 5%를 초과하는 경우에는 강재의 열간가공성을 저하시키는 문제점이 있으므로, 상한은 5%로 제한하는 것이 바람직하다. 상술한 탄화물 억제 효과를 얻기 위한 구리의 함량은 0.5% 이상인 것이 보다 바람직하다.

상술한 원소 이외에도 본 발명의 오스테나이트 강재는 Cr을 더 포함할 수 있다. 이때, Cr은 탄소와의 관계를 고려하여 아래와 같은 범위내로 첨가되는 것이 바람직하다.

크롬(Cr): 28.5C+4.4Cr ≤ 57 (0%는 제외)

크롬은 적정한 첨가량의 범위까지는 오스테나이트를 안정화시켜 저온에서의 충격 인성을 향상시키고 오스테나이트내에 고용되어 강재의 강도를 증가시키는 역할을 한다. 또한 크롬은 강재의 내식성을 향상시키는 원소이기도 하다. 다만 크롬은 탄화물 원소로써 특히, 오스테나이트 입계에 탄화물을 형성하여 저온 충격을 감소시키는 원소이기도 하다. 따라서, 본 발명에서 첨가되는 크롬의 함량은 탄소 및 기타 함께 첨가되는 원소들과의 관계에 주의하며 결정하는 것이 바람직한데, 탄화물 형성을 방지하기 위해서는 다른 성분이 본 발명에서 규정하는 범위를 충족한다는 전제하에 28.5C+4.4Cr (C, Cr은 각 성분의 함량을 중량% 단위로 나타낸 것임)의 값을 57이하로 제어하는 것이 바람직하다. 28.5C+4.4Cr의 값이 57을 초과하는 경우 과도한 크롬 및 탄소 함량으로 인해 오스테나이트 입계에서의 탄화물 생성을 효과적으로 억제하기 힘들며 따라서 저온에서의 충격인성이 감소하는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서 크롬은 28.5C+4.4Cr ≤ 57을 만족하도록 첨가하는 것이 바람직하다.

타이타늄(Ti): 0.01~0.3% 및 질소(N): 0.003~0.1%

타이타늄 및 질소는 고온에서 TiN을 형성하는 원소로써, 오스테나이트 결정립이 성장시 결정립 이동을 막아주는 역할을 한다. 일반적으로 Ti:N 의 비율이 3:1 보다 작을 경우 조대한 TiN 이 정출됨으로써 결정립 미세화에 악영향을 주게 되므로 Ti:N 비율을 3:1 에서 N 의 양을 늘리는 방향으로 첨가하는 것이 바람직하다. Ti을 0.01%미만으로 첨가할 경우 TiN의 양이 감소함으로써 결정립 성장 방해에 큰 영향을 미치지 못하므로 0.01%이상 첨가하는 것이 바람직하며, 0.3%를 초과할 경우 제강시 산화물을 형성함으로써 생산성을 떨어뜨리게 되므로 그 함량을 0.3%이하로 제어하는 것이 바람직하다. 이와 더불어 N의 경우 0.003%미만으로 첨가할 경우 TiN 의 양이 감소함으로써 결정립 성장 방해에 큰 영향을 미치지 못하므로 0.003%이상 첨가하는 것이 바람직하며, 0.1%를 초과하여 첨가할 경우 강도는 상승하게 되나 모재의 연성이 저하되는 단점이 있으므로 0.1% 이하로 첨가한다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물이다. 다만, 통상의 철강 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 철강제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

상기 저온용강은 용접 열영부에서 오스테나이트 조직을 면적분율로 95% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 저온에서도 연성 파괴를 보이는 대표적인 연질 조직인 오스테나이트는 저온 인성을 확보하기 위한 필수 미세조직으로 면적분율로 95% 이상 포함하여야 하며 95% 미만인 경우 충분한 저온 인성, 즉 -196도에서 41J 이상의 충격인성을 확보하기에 충분하지 못하므로 그 하한은 95%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 오스테나이트 입계에 존재하는 탄화물은 면적분율로 5% 이하인 것이 바람직하다. 본 발명에서 오스테나이트 이외에 존재 가능한 조직으로는 대표적으로 탄화물이 있으며 이는 오스테나이트 결정립계에 석출하여 입계 파단의 원인이 되어 저온 인성 및 연성을 열위하게 만드므로 그 상한은 5%로 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명의 강재는 상술한 성분계를 만족하는 성분 범위내에서 열간압연 및 냉각 공정을 통해 제조되거나 혹은 열간압연 후 재가열 및 냉각공정을 통해 제조될 수 있으며 용접부 냉각속도는 10℃/s 이상이 되는 것이 바람직하다. 상기의 냉각 속도는 탄화물 형성 원소인 Cr, C의 첨가량이 큰 경우 탄화물 형성 억제에 유리한 냉각 속도이다.

또한, 본 발명의 강재는 용접 열영향부에서 상기 오스테나이트 결정립의 크기가 평균 80㎛이하 (0은 제외)인 것이 바람직하다. 상기와 같이 오스테나이트의 조대화를 억제함으로써, 강도를 증가시키고 또한 탄화물의 석출이 될 수 있는 장소를 다량으로 제공하여 네트워크 형태의 탄화물이 아닌 분산된 탄화물을 형성시킬 수 있고, 이를 통해 인성을 향상시킬 수 있다. 상기 오스테나이트 결정립 크기는 미세할수록 본 발명 효과 확보에 유리하므로, 하한에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지 않는다.

[ 실시예 ]

하기 표 1에 기재된 화학조성을 갖는 강 슬라브를 통해 열연강판을 제조한 뒤 두께 30mm의 두께를 가지는 강재를 용접한 뒤 용접부 미세조직, 인장특성, 샤르피 충격인성 등을 측정하여 아래 표 2에 나타내었다.

구분	C	Mn	Cu	Cr	Ti	N	23.6C+Mn	33.5C-Mn	28.5C+4.4Cr
비교예1	0.62	18.12	0.12	0.2		0.012	32.8	2.5	18.6
비교예2	0.91	18.15	0.3	0.1		0.013	39.6	12.1	26.4
비교예3	0.32	30.6	0.13	1.15	0.002	0.06	38.2	-20.0	14.2
비교예4	0.35	25.4	1.1	3.76	0.22	0.001	33.7	-13.8	26.5
비교예5	0.61	18.13	1.5	1.25		0.012	32.5	2.1	22.9
발명예1	0.65	19.03	0.15	0.3	0.05	0.009	34.4	2.6	19.8
발명예2	0.28	29.1	0.2	1.5	0.12	0.03	35.7	-19.8	14.6
발명예3	0.87	18.3	0.41	0.13	0.22	0.06	38.8	10.6	25.4
발명예4	0.6	21.8	0.1	2.51	0.17	0.035	36.0	-1.9	28.1
발명예5	0.41	24.2	0.54	2.01	0.08	0.02	33.9	-10.6	20.5

구분	용접부 냉각속도 (oC/s)	용접열영향부 평균 오스테나이트 크기(mm)	용접 열영향부 탄화물 면적 분율(%)	항복강도(MPa)	인장강도(MPa)	연신율(%)	용접 열영향부 -196℃ 샤르피 충격값(J)
비교예1	18	365	0.8	320	1012	69	102
비교예2	25	275	0.8	336	982	59	112
비교예3	12	305	0	342	963	56	138
비교예4	16	225	0.3	316	945	52	146
비교예5	21	340	0.2	322	1002	31	127
발명예1	16	75	0.5	435	975	58	136
발명예2	18	68	1	452	980	68	154
발명예3	17	56	0.6	428	1003	49.8	121
발명예4	20	38	1.2	440	986	62	156
발명예5	22	52	1.1	443	977	56	130

발명예1 내지 5는 본 발명에서 제어하는 성분계 및 조성범위를 만족하는 강종으로서, 용접 열영향부내 탄화물 형성을 면적 분율로 5%이하로 제어하고 안정한 오스테나이트가 얻어지며 극저온에서 우수한 인성을 얻을 수 있음을 보여 주고 있다. 티타늄 및 질소의 첨가는 용접 열영향부에서 TiN이 효과적으로 결정립 성장을 억제하여 평균 결정립크기가 80mm 이하임을 보여주고 있으며 이로 인해 용접부 항복강도는 비교예와 비교하여 높은 값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 또한 결정립 미세화로 인해 탄화물의 핵생성 사이트가 증대하여 네트웍 형태의 탄화물 석출이 억제되어 보다 높은 인성값을 나타내고 있다.

이에 반해, 비교예 1내지 5는 본 발명에서 제어하는 성분계 및 조성범위를 만족하지 못함으로써 용접 열영향부에서 용접입열에 의해 오스테나이트 결정립이 조대화되어 용접부 강도가 열위함을 나타내고 있다.

도 1은 발명예 4의 용접열영향부를 광학현미경으로 관찰한 사진인데, 도 1에 나타난 바와 같이, 발명예 1의 용접 열영향부는 5%이하의 탄화물 및 오스테나이트 평균 결정립크기가 80mm이하임을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되고 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

Claims (5)

1. 망간(Mn): 15~35중량%, 탄소(C): 23.6C+Mn≥28 및 33.5C-Mn≤23을 충족하는 범위, 구리(Cu): 5중량% 이하 (0중량% 제외), 크롬(Cr): 28.5C+4.4Cr≤57 (0중량% 제외)의 조건을 충족하는 범위, 티타늄(Ti): 0.01~0.3중량%, 질소(N): 0.003~0.1중량%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용접 열영향부 강도가 우수한 저온용강.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 저온용강의 용접 열영향부는 용접 후 10℃/s 이상의 냉각속도로 냉각된 용접 열영향부 강도가 우수한 저온용강.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 용접 열영향부에서의 오스테나이트 조직이 면적분율로 95% 이상인 용접 열영향부 강도가 우수한 저온용강.
   
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 용접 열영향부에서의 오스테나이트 입계에 존재하는 탄화물이 면적분율로 5% 이하인 용접 열영향부 강도가 우수한 저온용강.
   
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 저온용강의 용접 열영향부의 오스테나이트의 결정립 크기는 평균 80㎛이하인 용접 열영향부 강도가 우수한 저온용강.

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