KR20150075336A - 피로균열 저항성이 우수한 저온용강 - Google Patents

피로균열 저항성이 우수한 저온용강 Download PDF

Info

Publication number
KR20150075336A
KR20150075336A KR1020130163394A KR20130163394A KR20150075336A KR 20150075336 A KR20150075336 A KR 20150075336A KR 1020130163394 A KR1020130163394 A KR 1020130163394A KR 20130163394 A KR20130163394 A KR 20130163394A KR 20150075336 A KR20150075336 A KR 20150075336A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
austenite
low temperature
steel
less
fatigue crack
Prior art date
Application number
KR1020130163394A
Other languages
English (en)
Inventor
이순기
서인식
김용진
박인규
Original Assignee
주식회사 포스코
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 포스코 filed Critical 주식회사 포스코
Priority to KR1020130163394A priority Critical patent/KR20150075336A/ko
Publication of KR20150075336A publication Critical patent/KR20150075336A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/16—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Heat Treatment Of Steel (AREA)

Abstract

본 발명은 피로균열 전파 경로가 되는 입계의 탄화물을 제어하기 위하여, Mo,B를 결정립계에 우선 편석시켜 결정립계 에너지를 낮추고, 적층결함에너지를 제어하여 평면 슬립을 조장하여 줌으로써 저온에서 피로균열이 진전되는 것을 억제할 수 있는 피로균열 저항성이 우수한 저온용강을 제공한다.

Description

피로균열 저항성이 우수한 저온용강 {LOW TEMPERATURE STEELS WITH EXCELLENT FATIGUE CRACK RESISTANCE}
본 발명은 가스 저장 탱크 및 수송설비 등의 저온에서부터 실온까지 광범위한 온도에 사용할 수 있는 저온용강에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 저온에서도 피로균열이 진전되는 것을 억제할 수 있는 피로균열 저항성이 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 안정화 시키고 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.
저온용 강재의 경우 구조 설계 시 안전성 관련 설계가 매우 중요하며, 이를 위해서는 기본적으로 내피로 성능이 우수한 강재갈 필수적이다. 오스테나이트를 주 조직으로 하는 강재의 경우 내피로 성능을 향상시키기 위해서는 강도 증가, 결정립 사이즈 제어 등이 통상 사용되는 방안이며 특히 피로균열성장을 억제하기 위해 결정립 크기를 크게 하여 크랙 선단에서의 균일 닫힘현상을 이용하는 방안이 효과적인 것으로 알려져 있다. 그러나 결정립 크기를 조대화하면 강재의 강도가 감소한다는 문제가 있으므로 결정립 크기와 상관없이 내피로 특성을 향상시키고 동시에 고강도화할 필요가 절실히 요구되고 있다.
특허문헌 1: 대한민국 특허공개번호 1991-0012277 특허문헌 2: 일본특허공개번호 2007-126715
본 발명은 피로균열 전파 경로가 되는 입계의 탄화물을 제어하여, 저온에서도 피로균열이 진전되는 것을 억제할 수 있는 강도 및 피로균열 저항성이 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%는 제외), 크롬(Cr): 28.5C+4.4Cr≤57 (0중량%는 제외)의 조건을 충족하는 범위, 니켈(Ni): 5중량% 이하, 몰리브덴(Mo): 5중량% 이하, 보론(B): 500ppm 이하, 규소(Si): 4중량% 이하, 알루미늄(Al): 5중량% 이하, 질소(N): 1중량% 이하 (0중량%는 제외), 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식의 적층결함에너지 SFE가 10~24mJ/m2의 범위를 만족하는 피로균열 저항성이 우수한 저온용강에 의하여 달성된다.
SFE (mJ/m2) = 1.6Ni - 1.3Mn + 0.06Mn2 - 1.7Cr + 0.01Cr2 + 15Mo - 5.6Si + 1.6Cu + 5.5Al - 60(C + 1.2N)1/2 + 26.3(C + 1.2N)(Cr + Mn + Mo)1/2 + 0.6[Ni(Cr + Mn)]1/2
[단, 각 수식의 Mn, C, Cr, Si, Al, Ni, Mo 및 N 은 각 성분함량의 중량%를 의미함]
여기에서, 바람직하게는 상기 저온용강은 -163℃에서 피로시험 후, 파단면에서 관찰한 벽개면 (cleavage facet) 크기와 오스테나이트 결정립 크기의 비가 0.2 이상이다.
바람직하게는, 상기 저온용강은 오스테나이트 조직을 면적분율로 96% 이상 포함한다.
바람직하게는, 상기 오스테나이트 입계에 존재하는 탄화물은 면적분율로 4% 이하이다.
본 발명은 오스테나이트 강재의 적층결함에너지를 제어함으로써 피로 특성에 중요한 영향을 미치는 평면 슬립을 제어하고, 피로균열 전파 경로가 되는 입계의 탄화물을 제어하기 위하여, Mo,B를 결정립계에 우선 편석시켜 결정립계 에너지를 낮춤으로써, 탄화물 핵생성을 억제할 수 있어 저온에서도 피로균열이 진전되는 것을 억제할 수 있는 피로균열 저항성이 우수한 저온용강을 제공할 수 있다.
도 1a는 적층결함에너지가 높은 종래의 강재인 비교예 3을 -163?에서 피로균열시험을 실시한 후의 크랙 전파경로를 보여주는 전자현미경 사진이다.
도 1b는 적층결함에너지가 낮은 본 발명의 일 실시예인 발명예 3을 -163?에서 피로균열시험을 후의 크랙 전파경로를 보여주는 전자현미경 사진이다.
도 2는 본 발명에서 제어하는 탄소 및 망간의 범위를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 저온에서도 피로균열이 진전되는 것을 억제할 수 있는 피로균열 저항성이 우수한 저온용강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 피로균열 전파 경로가 되는 입계의 탄화물을 제어하고 강재의 적층결함에너지를 제어하여 면상 슬립 (planar slip)이 일어나도록 조장함으로써, 저온에서도 피로균열이 진전되는 것을 억제할 수 있는 강도 및 피로균열 저항성이 우수한 저온용강을 제공할 수 있다.
강재가 피로 하중을 받는 경우, 표면 결함이나 내부 결함 등의 형상 또는 미세조직적 불연속부에서 응력 집중이 발생하여 낮은 하중에서도 쉽게 구조물의 파괴에 이르게 되는 문제가 있다. 강재의 내피로 특성을 개선하기 위하여 여러가지 방안들이 도출되었고, 특히, 오스테나이트 조직의 강재의 경우 결정립 크기, 오스테나이트 입계 탄화물 특성 및 슬립 특성 등이 중요한 인자로 알려져 있다.
오스테나이트 결정립은 조대할 수록 균열 닫힘을 유도하여 균열 전파를 느리게 하여 내피로 성능을 개선하지만 강재의 강도가 감소한다는 문제점이 있으며 입계 탄화물이 존재하는 경우 오스테나이트 입계가 피로 균열 성장의 주요 경로가 되므로 내피로 성능을 급격히 열화시키게 된다. 통상 균열 선단에서는 소성 영역부가 존재하게 되며 소성 영역부에서 균일 변형을 수반하게 되지만 변형의 특성이 평면 슬립이 되는 경우 슬립 변형에 특정한 결정면으로 한정되게 됨에 따라 변형의 국부화 (strain localization)로 인해 내피로 특성이 향상되는 것으로 알려져 있다. 또한 평면 슬립의 경우 슬립 가역성 (slip reversibility)이 좋아져 내피로 특성이 향상되는 장점도 있다. 이러한 평면 슬립화는 결정립 사이즈에 크게 영향을 받지 않으므로 오스테나이트 결정립을 작게 하더라도 통상의 내피로 성능 저하와 상관없이 피로 성능 향상을 기대할 수 있다. 변형의 평면 슬립화를 제어하는 가장 큰 인자는 성분에 따른 적층결함에너지이며 값이 낮을수록 평면 슬립에 유리해진다. 또한, 적층결함에너지 외에도 평면 슬립 경향을 나타내는 척도로 오스테나이트 강재의 파단면에서 관찰한 벽개면 (cleavage facet) 크기와 오스테나이트 결정립 크기의 비이며 이 값이 클수록 평면 슬립에 유리하다고 알려져 있다. 또한, 오스테나이트 주 조직에서 피로균열 전파에 취약한 경로가 되는 오스테나이트 입계 탄화물을 제어함으로써 내피로 성능을 더욱 향상 시킬 수 있다. 본 발명에서 제어하는 성분계 및 성분범위를 만족하면서 동시에 구리 첨가를 통해 탄화물 생성을 억제하여 내피로 성능을 향상시킬 수 있으며 또한, 몰리브덴과 보론 첨가를 통해 상기 원소의 결정립계 편석을 유도하여 결정립계 에너지를 낮춤으로써 탄화물의 입계 석출을 억제할 수 있다.
이하, 본 발명의 피로균열 저항성이 우수한 저온용강에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 피로균열 저항성이 우수한 저온용강은 망간(Mn): 15~35중량%, 탄소(C): 23.6C+Mn≥28 및 33.5C-Mn≤23을 충족하는 범위, 구리(Cu): 5중량% 이하 (0중량%는 제외), 크롬(Cr): 28.5C+4.4Cr≤57 (0중량%는 제외)의 조건을 충족하는 범위, 니켈(Ni): 5중량% 이하, 몰리브덴(Mo): 5중량% 이하, 보론(B): 500ppm 이하, 규소(Si): 4중량% 이하, 알루미늄(Al): 5중량% 이하, 질소(N): 1중량% 이하 (0중량%는 제외), 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식의 적층결함에너지 SFE가 10~24mJ/m2의 범위를 만족한다.
[식 1]
SFE (mJ/m2) = 1.6Ni - 1.3Mn + 0.06Mn2 - 1.7Cr + 0.01Cr2 + 15Mo - 5.6Si + 1.6Cu + 5.5Al - 60(C + 1.2N)1/2 + 26.3(C + 1.2N)(Cr + Mn + Mo)1/2 + 0.6[Ni(Cr + Mn)]1/2
[단, 각 수식의 Mn, C, Cr, Si, Al, Ni, Mo 및 N 은 각 성분함량의 중량%를 의미함]
탄소와 망간의 함유량이 높은 오스테나이트계 강재의 경우 일반적인 변형거동은 적층결함에너지에 의해 좌우되는 것으로 알려져 있으며 그 값이 높아질수록 변형모드는 가공유기변태에서 쌍정, 슬립의 순으로 점차 변화하는 것으로 알려져 있다. 내피로 성능을 개선하기 위한 평면 슬립을 조장하기 위해서는 그 값은 식 1로 계산하였을 때 10mJ/m2이상이고 동시에 24mJ/m2미만인 것이 바람직하다. 그 이유는, 10mJ/m2미만인 경우 오스테나이트가 불안정해져 가공유기변태에 의해 인성이 급격히 열위되며, 24mJ/m2을 초과하는 경우는 평면 슬립이 아닌 통상의 슬립이 주로 일어나게 되어 내피로 성능을 개선하지 못하기 때문이다. 합금 원소별로 적층결함에너지를 높이는 원소 및 낮추는 원소가 있으며 이는 상기 식 1을 통해 계산하였을 때 본 발명에서 제시한 범위를 만족하여야 평면 슬립에 따른 내균열 저항성이 개선된다.
이하, 강재의 각 조성을 한정한 이유에 대하여 설명한다.
망간(Mn): 15~35중량%
망간은 본 발명에서 오스테나이트를 안정화시키는 역할을 하는 원소이다. 본 발명에서 극저온에서의 오스테나이트상을 안정화 시키기 위해서 15중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 즉, 망간의 함량이 15중량% 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 15중량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 반면에, 망간의 함량이 35중량%를 초과하는 경우에는 강재의 부식속도의 저하를 초래하고 함량 증가로 인해 경제성이 감소하는 문제점이 있다. 따라서, 상기 망간의 함량은 15~35중량%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 3에 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 중량중량% 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 0중량% 이다.
크롬(Cr): 28.5C+4.4Cr ≤ 57 (0중량%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 중량중량% 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.
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.
니켈(Ni): 5중량% 이하
니켈은 효과적인 오스테나이트 안정화 원소이며 냉각과정 혹은 가공에 의한 오스테나이트에서 입실런 혹은 알파 마르텐사이트로의 변태점인 Ms 및 Md를 낮추는 역할을 하여 강재의 인성을 향상시키는 원소이다. 특히, 식 1에서 알 수 있듯이 매우 효과적으로 적층결함에너지를 높여 슬립을 조장하는 원소로 잘 알려져 있다. 다만, 5%를 초과하여 첨가되는 경우 쌍정발생에 필요한 응력이 통상의 강재의 가공량에 해당하는 응력값을 초과하여 불필요하게 되며 또한 고가의 원소이므로 경제성이 감소하게 되는 문제점이 있으므로, 상한은 5중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
규소(Si): 4중량% 이하
규소는 용강의 주조성을 향상시키고 특히, 오스테나이트 강재에 첨가되는 경우 강재 내부에 고용되어 강도를 효과적으로 증가시키는 원소이다. 다만, 4%를 초과하여 첨가되는 경우 적층결함에너지를 감소시켜 쌍정발생을 조장하게 되며 고강도화에 따른 인성 저하가 발생할 수 있는 문제점이 있으므로, 상한은 4중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
알루미늄(Al): 5중량% 이하
알루미늄은 적정 첨가량 범위에서 오스테나이트를 안정화 시키며 냉각과정 혹은 가공에 의한 오스테나이트에서 입실런 혹은 알파 마르텐사이트로의 변태점인 Ms 및 Md를 낮추는 역할을 하여 강재의 인성을 향상시키는 원소이다. 또한 강재 내부에 고용되어 강도를 증가시키는 원소이며 특히 강재 내 탄소의 활동도에 영향을 주어 탄화물 형성을 효과적으로 억제하여 인성을 증가시키는 원소이다. 특히, 식 1에서 알 수 있듯이 효과적으로 적층결함에너지를 높여 슬립을 조장하는 원소로 잘 알려져 있다. 다만, 5%를 초과하여 첨가되는 경우 쌍정발생에 필요한 응력이 통상의 강재의 가공량에 해당하는 응력값을 초과하여 불필요하게 되고 산화물 및 질화물 형성을 통해 강의 주조성 및 표면품질을 열위하게 만드는 문제점이 있으므로, 상한은 5중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
질소(N): 1중량%이하 (0중량%는 제외)
질소는 탄소와 더불어 오스테나이트를 안정화시켜 인성을 향상시키는 원소이며, 특히 탄소와 같이 고용 강화를 통해 강도를 향상시키는데 매우 유리한 원소이다. 특히, 식 1에서 알 수 있듯이 효과적으로 적층결함에너지를 높여 슬립을 조장하는 원소로 잘 알려져 있다. 다만, 1%를 초과하여 첨가되는 경우 쌍정발생에 필요한 응력이 통상의 강재의 가공량에 해당하는 응력값을 초과하여 불필요하게 되고 조대한 질화물이 형성되어 강재의 표면 품질 및 물성을 열화시키는 문제점이 있으므로, 상한은 1중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
몰리브덴(Mo): 1중량% 이하 및 보론(B): 500 ppm 이하
몰리브덴 및 보론은 오스테나이트 결정립계에 우선 편석되어 결정립계의 에너지를 낮추어 안정도를 높여주는 원소이다. 일반적으로 오스테나이트 결정립계는 매우 높은 에너지를 지니어 안정도가 매우 낮아 특히, 탄질화물등의 형성위치로 작용한다. 탄소 및 질소 등이 다량 함유된 오스테나이트 강재의 경우 낮은 냉각속도에서 탄화물이 오스테나이트 결정립계 쉽게 생성되어 연신율 및 저온 인성을 급격히 열화시키게 된다. 몰리브덴 및 보론의 경우 오스테나이트 결정립계에 우선 편석되는 원소로 알려져 있으며 이로 인해 결정립계의 에너지가 낮아저 안정화 됨으로써 기타 탄질화물 등의 핵생성 및 성장을 방해하게 된다. 다만 그 첨가량이 몰리브덴과 보론의 경우 각각 1중량%, 500ppm을 초과하는 경우 첨가량에 따른 효과가 더 이상 증가하지 않으며 고가의 원소이므로 경제성이 감소하게 되고 특히, 몰리브덴의 경우 강재를 고강도화 시켜 연신율 감소의 원인이 되고 보론의 경우 입내 조대한 보론질화물의 석출을 일으켜 바람직하지 못하므로 상기 몰리브덴과 보론의 상한은 각각 1중량%, 500ppm로 제한하는 것이 바람직하다.
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 -163℃에서 피로균열시험 후 강재의 파단면에서 관찰한 벽개면 (cleavage facet) 크기와 오스테나이트 결정립 크기의 비가 0.2 이상인 것이 바람직하다. 벽개면 크기와 오스테나이트 결정립 크기의 비가 0.2미만인 경우 평면 슬립이 발달하지 않은 것을 의미하며 따라서 내피로 성능 향상을 기대할 수 없기 때문이다.
상기 저온용강은 오스테나이트 조직을 면적분율로 96% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 저온에서도 연성 파괴를 보이는 대표적인 연질 조직인 오스테나이트는 저온 인성을 확보하기 위한 필수 미세조직으로 면적분율로 95% 이상 포함하여야 하며 96% 미만인 경우 충분한 저온 인성, 즉 -196도에서 41J 이상의 충격인성을 확보하기에 충분하지 못하므로 그 하한은 96%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 오스테나이트 입계에 존재하는 탄화물은 면적분율로 4% 이하인 것이 바람직하다. 본 발명에서 오스테나이트 이외에 존재 가능한 조직으로는 대표적으로 탄화물이 있으며 이는 오스테나이트 결정립계에 석출하여 입계 파단 및 피로 균열 전파의 경로가 되어 저온 인성 및 내피로성을 열위하게 만드므로 그 상한은 4%로 제한하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 후술하는 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다.
[ 실시예 ]
하기 표 1에 기재된 성분계를 충족하는 슬라브를 이용하여 통상의 제조공정을 통해 열간압연 강판을 제조한 후, 적층결함에너지, 미세조직, -196도에서의 충격인성, -163℃에서 피로균열성장 실험을 실시한 뒤 △Kth값과 파면에서의 벽개면 크기와 오스테나이트 결정립 크기의 비를 측정하여 하기 표 2, 3에 나타내었다.
구분 C Mn Cu Cr Ni Mo B Si Al N
비교예1 0.26 17.03 0.009
비교예2 0.28 30.6 0.12 1.2 0.13
비교예3 1.2 18.6 2.5 0.007
비교예4 0.56 21.5 0.7 0.59 1.2 0.8 0.005
비교예5 0.36 23.1 0.54 2.23 0.009
발명예1 0.65 18.2 0.2 0.5 0.003 0.008
발명예2 0.32 24.6 0.13 3.4 0.42 0.012
발명예3 0.26 27 0.2 1.06 0.3 1.5 0.021
발명예4 0.61 18.13 1.5 1.25 0.004 0.012
발명예5 0.28 23.8 0.2 1.5 0.5 0.003 0.25 0.03
구분 23.6C+Mn 33.5C-Mn 28.5C+4.4Cr 적층결함에너지 (mJ/m2)
비교예1 23.2 -8.4 7.4 -6.8
비교예2 37.2 -21.3 13.3 35.8
비교예3 46.92 21.24 45.2 72.2
비교예4 34.716 -2.908 18.6 34.0
비교예5 31.596 -11.148 20.1 11.4
발명예1 33.54 3.38 20.7 21.8
발명예2 32.152 -13.976 24.1 17.0
발명예3 33.136 -18.368 12.1 20.8
발명예4 32.5 2.1 22.9 21.0
발명예5 30.4 -14.5 14.6 14.6
구분 오스테나이트분율(%) 탄화물분율(%) 모재 충격치
(J, -196℃)		 벽개면 크기/오스테나이트 결정립 크기비 -163℃ △Kth값 (Mpa√m)
비교예1 52 0 20 0.11 5.0
비교예2 100 0 140 0.13 6.0
비교예3 94 6 14 0.15 5.0
비교예4 100 0 162 0.12 4.8
비교예5 98.6 1.4 132 0.16 5.1
발명예1 100 0 156 1.20 10.5
발명예2 100 0 149 0.40 11.2
발명예3 100 0 172 0.60 11.5
발명예4 100 0 150 1.10 12.2
발명예5 100 0 168 0.35 10.3
발명예 1 내지 5는 본 발명에서 제어하는 성분계 및 조성범위를 만족하는 강종으로서, 미세조직 내 오스테나이트의 분율이 96%이상으로 제어되고, 탄화물은 4%미만으로 제어되는 안정한 오스테나이트가 얻어지며, 따라서 극저온에서 우수한 인성을 얻을 수 있음을 보여주고 있다. 특히 본 발명에서 제어하는 적층결함에너지 범위를 만족함으로써 평면 슬립이 조장되어 내피로 특성이 향상된 것을 알 수 있다. 또한, 피로 시험 후 파면 관찰을 통해 벽개면 크기와 오스테나이트 크기의 비가 모두 본 발명에서 제어하는 값을 만족하여 내피로 특성이 비교재와 비교하여 월등한 값을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이에 반해, 비교예 1은 탄소 및 망간이 본 발명에서 제어하는 범위를 만족하지 않아 불안정한 오스테나이트 및 입실런 마르텐사이트 등이 형성되어 저온 충격 인성이 열위함을 알 수 있다.
또한, 비교예 2내지 5는 적층결함에너지가 본 발명에서 제어하는 범위를 만족하지 못하여 평면 슬립이 충분히 일어나지 못해 피로 특성이 열위하고 또한 벽개면 크기와 오스테나이트 크기의 비가 본 발명에서 제어하는 범위에 들지 못하여 피로 특성이 열위함을 알 수 있다.
도 1a에서는 비교예 3을 -163?에서 피로균열시험을 실시한 후의 크랙 전파경로를 보여주는 전자현미경 사진을 나타내고 있고, 도 1b에서는 발명예 3을 -163?에서 피로균열시험을 후의 크랙 전파경로를 보여주는 전자현미경 사진을 나타내고 있다. 도 1a는 하나의 선으로 일정하게 크랙이 형성되어, 피로균열이 쉽게 전파될 수 있음을 알 수 있다. 반면에, 도 1b는 여러방향으로 크랙이 형성되어, 크랙이 전파되는 것을 막아줄 수 있어, 도 1a와 비교하여 피로균열이 쉽게 전파되지 않음을 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 (4)

  1. 망간(Mn): 15~35중량%, 탄소(C): 23.6C+Mn≥28 및 33.5C-Mn≤23을 충족하는 범위, 구리(Cu): 5중량% 이하 (0중량%는 제외), 크롬(Cr): 28.5C+4.4Cr≤57 (0중량%는 제외)의 조건을 충족하는 범위, 니켈(Ni): 5중량% 이하, 몰리브덴(Mo): 5중량% 이하, 보론(B): 500ppm 이하, 규소(Si): 4중량% 이하, 알루미늄(Al): 5중량% 이하, 질소(N): 1중량% 이하 (0중량%는 제외), 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식의 적층결함에너지 SFE가 10~24mJ/m2의 범위를 만족하는 피로균열 저항성이 우수한 저온용강.
    SFE (mJ/m2) = 1.6Ni - 1.3Mn + 0.06Mn2 - 1.7Cr + 0.01Cr2 + 15Mo - 5.6Si + 1.6Cu + 5.5Al - 60(C + 1.2N)1/2 + 26.3(C + 1.2N)(Cr + Mn + Mo)1/2 + 0.6[Ni(Cr + Mn)]1/2
    [단, 각 수식의 Mn, C, Cr, Si, Al, Ni, Mo 및 N 은 각 성분함량의 중량%를 의미함]
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 저온용강은 -163℃에서 피로시험 후, 파단면에서 관찰한 벽개면 (cleavage facet) 크기와 오스테나이트 결정립 크기의 비가 0.2 이상인 피로균열 저항성이 우수한 저온용강.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 저온용강은 오스테나이트 조직을 면적분율로 96% 이상 포함하는 피로균열 저항성이 우수한 저온용강.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 오스테나이트 입계에 존재하는 탄화물은 면적분율로 4% 이하인 피로균열 저항성이 우수한 저온용강.
KR1020130163394A 2013-12-25 2013-12-25 피로균열 저항성이 우수한 저온용강 KR20150075336A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130163394A KR20150075336A (ko) 2013-12-25 2013-12-25 피로균열 저항성이 우수한 저온용강

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130163394A KR20150075336A (ko) 2013-12-25 2013-12-25 피로균열 저항성이 우수한 저온용강

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20150075336A true KR20150075336A (ko) 2015-07-03

Family

ID=53788375

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130163394A KR20150075336A (ko) 2013-12-25 2013-12-25 피로균열 저항성이 우수한 저온용강

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20150075336A (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104988385A (zh) * 2015-07-04 2015-10-21 江阴兴澄特种钢铁有限公司 一种不含镍的超低温环境用钢板及其制备方法
KR20200047319A (ko) * 2018-10-25 2020-05-07 주식회사 포스코 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재 및 그 제조방법
US11136637B2 (en) 2015-12-04 2021-10-05 Posco Wire rod having excellent low temperature impact toughness and manufacturing method therefor

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104988385A (zh) * 2015-07-04 2015-10-21 江阴兴澄特种钢铁有限公司 一种不含镍的超低温环境用钢板及其制备方法
CN104988385B (zh) * 2015-07-04 2017-03-08 江阴兴澄特种钢铁有限公司 一种不含镍的超低温环境用钢板及其制备方法
US11136637B2 (en) 2015-12-04 2021-10-05 Posco Wire rod having excellent low temperature impact toughness and manufacturing method therefor
KR20200047319A (ko) * 2018-10-25 2020-05-07 주식회사 포스코 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재 및 그 제조방법
KR20210102146A (ko) * 2018-10-25 2021-08-19 주식회사 포스코 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101543916B1 (ko) 표면 가공 품질이 우수한 저온용강 및 그 제조 방법
JP6645103B2 (ja) 高Ｍｎ鋼材及びその製造方法
KR101647227B1 (ko) 표면 가공 품질이 우수한 저온용 강판 및 그 제조 방법
KR101665821B1 (ko) 표면 가공 품질이 우수한 저온용 강판 및 그 제조방법
WO2013100614A1 (ko) 피삭성 및 용접 열영향부 극저온 인성이 우수한 오스테나이트계 강재 및 그의 제조방법
KR101353843B1 (ko) 용접 열영향부 극저온 인성이 우수한 오스테나이트 강재
JP2019537667A (ja) 耐水素誘起割れ性に優れた圧力容器用鋼材及びその製造方法
KR102109270B1 (ko) 표면품질이 우수한 저온용 고 망간강재 및 제조방법
JPWO2010119911A1 (ja) 被削性に優れた低比重鍛造用鋼
JP6703608B2 (ja) 耐水素脆化性に優れたオーステナイト系鋼材
KR20160078825A (ko) 절삭 가공성 및 표면가공품질이 우수한 저온용강 및 그 제조방법
KR20150075305A (ko) 항복강도가 우수한 저온용강 및 그 제조 방법
KR20150075336A (ko) 피로균열 저항성이 우수한 저온용강
KR102004654B1 (ko) 극저온 인성이 우수한 알루미늄 첨가 오스테나이트계 경량 고망간강 및 그의 제조방법
KR20160078713A (ko) 피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 저온용강
KR101299361B1 (ko) 강재 및 이를 이용한 강관 제조 방법
KR101543915B1 (ko) 항복강도가 우수한 오스테나이트계 저온용 강판 및 그 제조 방법
KR102255827B1 (ko) 표면품질이 우수한 극저온용 오스테나이트계 고망간 강재 및 그 제조방법
KR101461736B1 (ko) 피삭성 및 용접 열영향부 극저온 인성이 우수한 오스테나이트계 강재 및 그의 제조방법
KR101568546B1 (ko) 절삭성이 우수한 저온용강 및 그 제조방법
KR101439791B1 (ko) 수소유기균열 저항성이 우수한 강관용 강판 및 그 제조방법
KR101543917B1 (ko) 표면 가공 품질이 우수한 저온용 강판 및 그 제조 방법
KR20150075333A (ko) 피삭성이 우수한 저온용강 및 그 제조방법
KR20150075330A (ko) 용접 열영향부 인성이 우수한 저온용강 및 그 제조 방법
KR101585743B1 (ko) 고강도 저온용 강관 및 그 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment