KR20160078562A - 파괴전파 저항성 및 항복비 특성이 우수한 강재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라인파이프 등으로 사용되는 강재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파괴전파 저항성 및 항복비 특성이 우수한 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

파괴전파 저항성 및 항복비 특성이 우수한 강재 및 그 제조방법{STEEL PLATE HAVING EXCELLENT FRACTURE RESISTANCE AND YIELD RATIO, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 라인파이프 등으로 사용되는 강재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파괴전파 저항성 및 항복비 특성이 우수한 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 기후조건이 열악한 시베리아, 알래스카 등의 한랭지역을 중심으로 유전 개발이 이루어지면서 유전지역의 풍부한 가스 자원을 라인파이프를 통해 소비지역으로 수송하고자 하는 프로젝트들이 활발히 진행 중에 있다. 이러한 라인파이프 프로젝트는 높은 수송가스의 압력뿐만 아니라 극저온과 지반의 변형에 대한 내구성을 고려하여 주로 후물재이면서 저온파괴인성과 항복비 특성을 동시에 보유한 강재들이 적용되고 있다. 특히, 두께 30mm 이상의 극후물 강재의 경우, 두께 중심부의 파괴전파 저항성 보증이 매우 중요하다.

일반적으로 저온인성용 후물 라인파이프용 강재는 중심부 파괴전파 저항성 보증을 위해 1140℃ 이하의 저온 추출을 통해 초기 오스테나이트 입도를 미세화하거나, 페라이트 변태 개시 온도(Ar3) 직상까지 저온 압연을 해야만 보증온도 -30℃ 수준의 중심부 파괴전파 저항성 확보가 가능하다.

그러나, 상기 저온 추출 조업으로 제조되는 강판은 슬라브내에 석출 또는 정출되어 있는 Nb 탄질화물(Nb(C,N))을 충분히 고용시키지 못하므로, Nb 탄질화물의 재석출을 통한 석출강화 효과가 미비하다. 따라서, 고가의 Mo나 Ni 등을 다량 합금 원소로 첨가하여 강도와 인성을 보상하는 제조법이 일반적으로 적용되고 있다. 또한, 저온 압연 조업은 미세 조직상에 등축 페라이트 변태를 촉진하고 상대적으로 침상 페라이트 및 베이나이트 분율이 낮아 강도를 열화시키므로 저항복비 특성을 확보하는데 한계가 있다.

본 발명의 일측면은 조성성분과 제조공정을 최적화함으로써 강재의 파괴전파 저항성 및 항복비 특성이 우수한 강재 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일태양은 중량%로, C: 0.03~0.06%, Si: 0.05~0.50%, Mn: 0.5~1.8%, Al: 0.01~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, N: 0.002~0.01%, Nb: 0.04~0.07%, Cr: 0.05~0.35%, Cu: 0.05~0.4%, P: 0.02% 이하, S: 0.005% 이하, Ca: 0.0005~0.004%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,

미세조직은 면적분율로, 침상 페라이트 60~75%, 베이나이트 20~30%, 등축 페라이트 10% 이하 및 도상 마르텐사이트 5% 이하를 포함하고,

상기 침상 페라이트와 등축 페라이트의 평균 유효 결정립 크기가 10㎛ 이하이고, 상기 베이나이트의 평균 유효 결정립 크기가 20㎛이하인 파괴전파 저항성 및 항복비 특성이 우수한 강재를 제공한다.

또한, 본 발명의 또다른 일태양은 상기 조성을 포함하는 강 슬라브를 1160~1200℃의 온도로 재가열하는 단계;

상기 재가열된 강 슬라브를 1160℃ 이상에서 30분 이상 유지한 후 추출하는 단계;

상기 강 슬라브를 Tnr-10℃ ~ Tnr+20℃의 범위에서 종료하는 재결정역 압연을 행하는 단계;

상기 미재결정역 압연 후, Tnr-80℃ ~ Tnr-40℃의 범위에서 개시하고, Ar3+80℃ ~ Ar3+120℃의 범위에서 종료하는 미재결정역 압연을 행하는 단계; 및

상기 미재결정역 압연 후, Ar3+20℃ ~ Ar3+60℃의 범위에서 개시하고, Ms-40℃ ~ Ms+20℃의 범위에서 종료하며, 15~50℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 파괴전파 저항성 및 항복비 특성이 우수한 강재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 고가의 합금원소를 첨가하지 않더라도 저온에서도 저온파괴인성 또는 파괴 전파저항성, 즉 DWTT 특성이 우수할 뿐만 아니라 항복비도 탁월한 강재를 제공할 수 있다. 따라서, 극저온에서 사용되는 라인파이프 등의 강재를 경제적으로 제조할 수 있다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 강재 및 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

종래, 일반적인 슬라브 고온 추출 조업을 적용할 경우, Nb 고용도를 높일 수 있어 Nb에 의한 석출강화 효과를 극대화할 수 있으나, 초기 오스테나이트 결정립이 조대화되는 문제가 야기된다. 특히, 슬라브 중심부의 온도는 표면부에 비해 높기 때문에 재결정역에서 압연이 진행된다 하더라도 표면부에 비해 상대적으로 조대한 오스테나이트 입도를 갖게 된다. 이로 인해 극후물 강판 중심부의 파괴전파 저항성을 향상시키는데 한계가 있다. 따라서, 중심부 결정립 미세화를 위해 저온 추출 조업 또는 Ar3 직상까지 저온 압연이 선택적으로 적용되고 있다.

그러나, 저온 추출 조업의 경우, 고가의 합금설계가 불가피하고, Ar3 직상까지의 저온 압연은 항복비를 증가시키고 강판 제조시 많은 시간과 에너지를 요하기 때문에 이를 이용하면 강판의 저항복비를 기대하기 어렵고, 제조 효율이 감소한다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서는 슬라브의 냉각 공정을 제어하여, 상기 저온 추출 또는 저온 압연을 하지 않아도 우수한 중심부 파괴전파 저항성을 갖는 극후물 강재의 제조기술을 제공하고자 한다. 아울러, Ar3 온도 보다 80~120℃ 높게 압연을 종료하고 냉각을 Ar3 온도보다 20~60℃ 높게 시작함으로써, 등축 페라이트 변태를 억제하고, 침상 페라이트와 베이나이트 변태만을 유도하여 저항복비를 부여한다.

먼저, 본 발명의 조성에 대해 상세히 설명한다. 하기 조성의 단위는 특별히 언급하지 않은 경우에는 중량%이다.

탄소(C)의 함량은 0.03~0.06%인 것이 바람직하다. 상기 탄소는 강의 강도를 향상시키는데 가장 효과적인 원소이나, 지나치게 다량 첨가될 경우에는 오히려 제강공정에서 슬라브 주조할 때 두께 중심부에 편석을 조장하여 강판의 인성, 용접성 및 성형성 등을 저하시킬 수 있다. 탄소의 함량이 0.03% 미만에서는 탄소의 함량의 너무 낮아 원하는 강도를 얻기 어려워 고가의 합금원소를 추가적으로 포함하여야 원하는 강도를 얻을 수 있다. 그러나, 0.06%를 초과하게 되면 탄소의 함량이 너무 높아 상술한 바와 같이, 중심부 인성, 용접성 및 성형성이 저하되는 문제점이 있다.

실리콘(Si)의 함량은 0.05~0.50%인 것이 바람직하다. 상기 실리콘은 용강을 탈산시키는 탈산제 역할을 하고, 고용강화 원소로 사용된다. 실리콘의 함량이 0.05% 미만인 경우에는 용강의 탈산이 충분하지 못하여 인성이 저하될 수 있다. 그러나, 0.50%를 초과하게 되면 열간압연시 실리콘에 의한 붉은 스케일이 형성되어 강판 표면 형상이 매우 열약해지고 용접부 인성이 저하된다.

망간(Mn)의 함량은 0.5~1.8%인 것이 바람직하다. 망간은 고용강화 효과로 인하여 강도를 향상시킬 수 있는 원소이다. 망간은 0.5% 이상 포함되어야 소입성의 증가효과와 항복강도 65ksi급 강재에서 요구하는 고강도를 얻을 수 있다. 그러나, 1.8%를 초과하는 경우에는 제강공정에서 슬라브를 주조할 때 두께 중심부에 편석이 다량 발생하여 강판의 인성과 용접성을 해칠 수 있다.

알루미늄(Al)의 함량은 0.01~0.05%인 것이 바람직하다. 알루미늄은 실리콘과 함께 제강단계에서 탈산제로 첨가되고, 고용강화에 의하여 강도를 향상시킬 수 있는 원소이다. 알루미늄이 0.01% 미만으로 포함되는 경우 상술한 탈산효과가 불충분하여 인성이 저하된다. 그러나, 0.05%를 초과하는 경우에는 충격인성이 저하되는 문제가 있다.

티타늄(Ti)의 함량은 0.005~0.02%인 것이 바람직하다. 티타늄은 강의 응고단계에서 N과 결합하여 TiN 석출물을 형성함으로써, 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하며, 최종 조직의 입도를 미세화시켜 강의 인성을 향상시킬 수 있다. 티타늄의 함량이 0.005% 미만인 경우에는 TiN 석출물이 불충분하여 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하기 어렵다. 그러나, 0.02%를 초과하는 경우에는 통상 용질 Ti가 과다하게 존재하여 슬라브 가열시 TiN이 조대하게 석출되어 입도 미세화에 적절하지 못하다.

질소(N)의 함량은 0.002~0.01%인 것이 바람직하다. 질소는 강 중에 고용되었다가 석출되어 강의 강도를 증가시키는 역할을 하며, 이러한 고용강화 효과는 탄소보다 크다. 강 중에 질소가 존재하면 인성이 저하된다. 그러나, 본 발명에서는 적정량의 질소를 이용하여 티타늄과 반응시켜 TiN을 형성하여 슬라브의 재가열 과정에서 결정립 성장을 억제하도록 제어한다. 질소의 함량이 0.002% 미만인 경우에는 TiN 석출물의 함량이 적어 결정립 성장을 억제하는 효과가 그리 크지 않다. 반면에, 질소의 함량이 0.01%를 초과하는 경우에 질소는 고용질소로 존재하여 인성을 크게 저하시키는 문제가 있다.

니오븀(Nb)의 함량은 0.04~0.07%인 것이 바람직하다. 니오븀은 탄소 혹은 질소와 결합하여 미세한 석출물을 형성하는 석출강화 효과를 통해 강도를 확보하는데 매우 효과적인 원소이다. 또한, 결정립을 미세화시키는데도 매우 유용한 원소이고, 고강도 조직인 침상 페라이트 또는 베이나이트의 형성을 촉진시켜 강도를 향상시키는데 효과적인 원소이다. 0.04% 미만으로 첨가되는 경우에는 상기와 같은 효과가 미미하다. 그러나, 0.07%를 초과하는 경우에는 용접성을 저하시킬 수 있다.

크롬(Cr)의 함량은 0.05~0.35%인 것이 바람직하다. 크롬은 소재의 강도를 상승시키는데 유효하므로, 0.05% 미만으로 첨가되는 경우에는 강도 향상 효과가 미미하다. 한편, 지나치게 과량 첨가하면 용접성의 열화를 유발할 수 있으므로 0.35%를 상한으로 한다.

구리(Cu)의 함량은 0.05~0.4%인 것이 바람직하다. 구리는 강의 강도와 인성 향상 및 부식 저항성 향상을 위해서 첨가되는 원소이다. 구리는 강 중에 고용되어 강도를 향상시키고, 황화수소를 포함하는 분위기내에서 표면에 보호피막을 형성하여 강의 부식속도를 낮추고, 강 중으로 확산하는 수소 양을 줄여주는 역할을 하므로 0.05% 이상 포함되어야 한다. 그러나, 구리는 0.4%를 초과할 경우, 열간압연시 표면에 균열을 유발시켜 표면 품질을 저하시키므로, 그 상한을 0.4%로 하는 것이 바람직하다.

인(P)의 함량은 0.02% 이하인 것이 바람직하다. 인은 강 제조시 불가피하게 함유되는 원소로서, 상술한 바와 같이 본 발명에서 인의 함량을 최대한 낮게 제어하여야 한다. 인이 첨가되면 강판의 중심부에 편석되고 균열 개시점 또는 진전 경로로 이용될 수 있다. 이론상 인의 함량을 0%로 제한하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적인 불순물로서 첨가될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 상기 인의 함량의 상한을 0.02%로 관리하는 것이 바람직하다.

황(S)의 함량은 0.005% 이하인 것이 바람직하다. 황은 강 제조시 불가피하게 함유되는 원소로서, 망간과 반응하여 비금속개재물인 MnS를 형성하여 압연시 연신되어 강의 인성을 저하시키고, 특히 극저온상태에서 중심부 취성 파괴 정지 특성을 확보하기 위하여 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 이론상 황의 함량을 0%로 제한하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적인 불순물로서 첨가될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 상기 황의 함량의 상한을 0.005%로 관리하는 것이 바람직하다.

칼슘(Ca)의 함량은 0.0005~0.004%인 것이 바람직하다. 칼슘은 MnS 비금속 개재물을 구상화시키는데 유용한 원소로서, 상기 MnS 개재물 주위에서의 균열 생성을억제할 수 있다. 칼슘의 함량이 0.0005% 미만인 경우 MnS 개재물의 구상화 효과가 나타나지 않는다. 그러나, 그 함량이 0.004%를 초과하는 경우에는 오히려 CaO계 개재물이 다량 생성되어 충격인성을 저하시킨다.

나머지는 철(Fe)와 통상의 제조과정에서 원료 또는 주위 환경으로부터 의도하지 않는 불순물들이 포함할 수 있다.

이하, 본 발명 강재의 미세조직에 대해 상세히 설명한다. 본 발명 강재의 미세조직은 면적분율로, 침상 페라이트 60~75%, 베이나이트 20~30%, 등축 페라이트 10% 이하, 도상 마르텐사이트 5% 이하를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 침상 페라이트가 60% 미만일 경우에는 DWTT(Drop Weight Tearing Test) 특성이 열화되며, 85%를 초과하게 되면 강도와 항복비가 열화된다. 또한, 베이나이트가 20% 미만일 경우에는 강도 및 항복비가 열위하고, 30%를 초과할 경우에는 DWTT 특성이 열화된다. 등축 페라이트가 10%를 초과하는 경우에는 강도와 항복비를 열화시키며, 도상 마르텐사이트가 5%를 초과하게 되면, DWTT 특성이 열화된다.

한편, 본 발명의 강재가 라인파이프 등으로 저온에서 안전하게 사용되기 위해서는 취성파괴정지 특성을 나타내는 DWTT(Drop Weight Tearing Test) 특성이 필수적으로 우수해야 한다. 특히 극한지에 사용되는 파이프 등은 DWTT 연성파면율이 -20℃이하에서 85% 이상이 되는 것이 요구되며, 이러한 파이프 등에 공급되는 강재는 기본적으로 DWTT 연성파면율이 -30℃미만에서 85% 이상을 보유하는 것이 바람직하다. 이러한 DWTT 특성은 강재의 유효 결정립 크기와 깊은 연관성을 갖는다.

유효 결정립 크기는 고경각입계를 갖는 결정립(grain)들의 크기로 정의되며, 균열이 개시되어 전파될 때, 균열은 유효 결정립계에서 진전 경로가 바뀌게 된다. 따라서, 유효 결정립 크기가 미세할수록 균열의 전파 저항성은 증가하게 된다. 상기 고경각입계라는 것은 결정립 사이의 방위차가 15도 이상인 경우를 의미하며, 고경각입계를 갖는 결정립을 유효 결정립이라 한다.

본 발명의 강재에서 상기 침상 페라이트와 등축 페라이트의 평균 유효 결정립 크기는 10㎛ 이하, 상기 베이나이트의 평균 유효 결정립 크기는 3㎛ 이하인 것이 바람직하다.

또한, 침상 페라이트, 등축 페라이트와 베이나이트 모두 표층(표면으로부터 5㎜ 이내)과 두께 중심부에서의 평균 유효 결정립 크기의 차이는 5㎛ 미만인 것이 바람직하다. 이는 극후물 강재의 양호한 균열 전파 저항성을 유지하기 위한 것이며, 표층과 중심부간 평균 유효 결정립 크기의 차이가 5㎛를 초과할 경우에, 균열은 조대한 중심부 결정립을 따라서 집중적으로 발달하므로 균열 전파 저항성이 급격히 열화된다. 한편, 상기 도상 마르텐사이트 평균 유효 결정립 크기는 두께 전체에 걸쳐 3㎛ 이하인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명 강재의 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명에서는 저온파괴인성과 항복비를 동시에 확보하기 위해서, 앞서 언급한 조성에 더해 압연 공정을 최적화하여 균일하고 미세한 조직 제조하기 위한 방법을 제안한다.

먼저, 상기 합금 및 조성범위를 만족하는 강 슬라브를 준비하여, 1160~1200℃에서 재가열한다. 열간압연 전 슬라브를 1160℃ 이상으로 재가열함으로써, Nb 탄질화물이 용해되어 Nb 원자 상태로 존재하도록 한다. 상기 재가열 온도가 1160℃ 미만인 경우에는 Nb 탄질화물의 용해도가 낮아 강도 열화가 발생하는 문제가 있고, 1200℃를 초과하는 경우에는 재가열시 조대한 TiN 석출물이 형성되며, 초기 오스테나이트 결정립이 급격히 성장하는 문제점이 있으므로, 슬라브 재가열 온도는 1160~1200℃인 것이 바람직하다.

상기 재가열된 슬라브는 균열대에서 1160℃ 이상에서 30분 이상 유지 후 추출한다. 상기 슬라브 유지온도가 1160℃ 미만인 경우에는 압연성 등 작업성이 저하될 수 있다. 아울러, 균열대에서 30분 미만 유지 시에는 슬라브 두께와 길이 방향으로 균열도가 낮아 압연성이 열위하고 최종 강판의 물성편차를 야기할 수 있다. 따라서, 가능한 많은 시간 유지하는 것이 바람직하나, 생산성을 고려하여 90분 이하로 행하는 것이 바람직하다.

상기 추출된 슬라브를 1100℃ 이하의 온도 범위까지 냉각속도 5℃/s 이상으로 냉각한다. 이를 통해, 재결정역 압연을 저온에서 실시할 수 있도록 제어가 가능하다. 재결정역 저온 압연은 고온 추출에 의해 초기 오스테나이트가 조대화 되더라도 입도를 미세화 시킬 수 있는 효과적인 방법이다. 특히 슬라브 두께 중심부 온도를 낮출 수 있으므로, 중심부 입도를 미세하게 제어할 수 있다. 궁극적으로 두께 전체에 걸쳐 균일 미세한 재결정 오스테나이트 컨디션닝이 가능하다. 상기 추출된 슬라브의 냉각 직후 온도가 1100℃ 이상일 경우, 재결정역 저온 압연 효과가 미비하여 강판의 두께 중심부에 조대한 베이나이트가 형성될 수 있으며, 이로 인해 본 발명의 얻고자 하는 DWTT 특성을 확보할 수 없다. 상기 냉각의 종료 온도는 특별히 한정하는 것은 아니나, 후속하는 재결정역 압연을 고려하면 Tnr+20℃ 초과의 범위까지 행하는 것이 바람직하다.

상기 냉각은 5℃/s 이상의 냉각속도로 행하는 것이 바람직한데, 냉각속도가 5℃/s 미만인 경우에는 슬라브 두께 방향으로 균열도가 낮아 최종 강판의 물성편차를 야기할 수 있다. 특히, 슬라브 중심부에 온도 감소가 미비하여 재결정역 저온 압연 효과를 기대할 수 없다. 이로인해 최종 강판의 두께 중심부에 조대 베이나이트가 형성되어 DWTT 특성이 열화된다. 아울러, 상기에서 서술한 재결정역 저온 압연 시작 온도를 1100℃ 이하로 제어하는 데, 장시간이 소요되므로 생산성을 열화시킬 수 있다. 한편, 상기 냉각속도는 설비 특성상 20℃/s를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 상기 냉각은 수냉방식으로 행하는 것이 바람직하다.

강판의 저온인성을 향상시키기 위하여 오스테나이트 결정립을 미세한 크기로 제어하는 것이 바람직하다. 이는 압연온도 및 압하율을 제어함으로써 가능하다. 본 발명에서 압연은 두 가지 온도영역에서 실시하는 것이 바람직한데, 상기 두 온도영역에서 재결정 거동이 상이하므로 그 조건도 각각 설정하는 것이 바람직하다.

첫번재 압연은 재결정역 압연으로서, 상기 냉각된 슬라브를 압연하여 Tnr-10℃ ~ Tnr+20℃에서 종료한다. 상기 Tnr은 오스테나이트의 재결정역이 정지되는 온도를 말하는 것으로서, Tnr= 887+(464*C)+((6445*Nb)-(644*SQRT(Nb)))+((732*V)-(230*SQRT(V)))+(890*Ti)+(363*Al)-(357*Si)로 도출해 낼 수 있다. 상기 Tnr 식에서 각 성분의 함량의 단위는 중량%이며, 상기 SQRT는 수학 부호 root를 의미한다. 상기 재결정역 압연을 통하여 구오스테나이트의 결정립을 미세화시킬 수 있다.

상기 재결정역 압연시 평균 압하율은 10% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 평균 압하율이 10% 미만인 경우에는 조대 베이나이트와 같이 DWTT 특성을 급격히 저하시킬 수 있는 변태조직이 유발될 수 있다. 상기 압하율의 상한은 특별히 한정하지 않으나, 조업 설비를 고려할 때, 25%는 넘지 않는 것이 바람직하다. 압연 종료 온도가 Tnr-10℃ 미만이거나 Tnr+20℃ 초과하는 경우에도 상기와 같은 이유로 DWTT 특성이 저하될 수 있다.

두번째 압연은 미재결정역 압연으로서, 상기 재결정역 압연된 강판을 Tnr 온도 미만에서 미재결정역 압연하는 과정이다. 미재결정역 압연 개시온도는 Tnr-80℃ ~ Tnr-40℃ 범위로 하는 것이 바람직하다. 미재결정역 압연 종료온도는 Ar3+80℃ ~ Ar3+120℃ 범위로 하는 것이 바람직하다. 이 때, Ar3 온도는 오스테나이트가 페라이트로 변태되는 온도를 말하는 것이며, 반드시 이로 제한하는 것은 아니나 이론상 Ar3 = 910-(310*C)-(80*Mn)-(55*Ni)-(15*Cr)-(80*Mo)-(20*Cu)+(0.35*(강판두께-8))로 도출해낼 수 있다. 상기 Ar3 식에서 각 성분이 단위는 중량%이다.

미재결정역 압연 개시온도가 Tnr-80℃ 미만인 경우, 압연종료온도가 Ar3+80℃ 미만, 냉각개시온도가 Ar3+20℃ 미만이 되어, 강도와 항복비가 열되는 문제가 있고, Tnr-40℃를 초과하는 경우에는 조대한 변태조직이 형성되는 문제가 있다. 미재결정역 압연 종료온도가 Ar3+120℃를 초과하는 경우에는 조대한 변태조직이 형성되는 문제가 있고, Ar3+80℃ 미만인 경우에는 강도와 항복비가 열화되는 문제점이 있다.

상기 미재결정역 압연 단계의 누적 압하율은 73~80%로 하는 것이 바람직하다. 누적 압하율이 80%를 초과하는 경우에는 재결정역 압연 효과가 약화되어 조대한 미재결정 오스테나이트가 잔존하는 반면, 73% 미만인 경우에는 오스테나이트가 충분히 찌그러지지 않아 미세한 변태 조직을 얻을 수 없다.

상기 미재결정역 압연된 강판을 냉각한다. 냉각개시온도는 Ar3+20℃ ~ Ar3+60℃인 것이 바람직하다. 상기 냉각개시온도가 Ar3+20℃ 미만이거나 Ar3+60℃를 초과하는 경우에는 침상 페라이트 적정 분율을 확보하지 못하는 문제가 있다. 냉각종료온도는 Ms-40℃ ~ Ms+20℃로 하는 것이 바람직하다. 상기 Ms는 마르텐사이트 변태온도를 의미하는 것으로, Ms=539-423*C-30.4*Mn-17.7*Ni-12.1*Cr-7.5*Mo로 도출해 낼 수 있다. 상기 Ms 식에서 각 성분이 단위는 중량%이다. 상기 냉각종료온도가 Ms+20℃을 초과하는 경우에 조대한 도상마르텐사이트 및 탄화물(Carbide)이 형성되어 DWTT 특성이 열화되고, Ms-40℃ 미만일 경우에는 조대 베이나이트 분율이 30%를 초과하여 DWTT 특성이 열화된다.

상기 냉각속도는 15℃/s 이상인 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 15~50℃/s로 한다. 냉각속도가 15℃/s 미만일 경우에는 등축 페라이트가 형성되고 조직의 입도가 증가하여 강도와 인성이 모두 열화될 수 있다. 냉각속도가 50℃/s를 초과할 경우, 침상 페라이트 변태가 억제되어 DWTT 특성이 열화된다.

본 발명의 강재는 저온에서도 저온파괴인성 또는 파괴 전파저항성, 즉 DWTT 특성이 우수할 뿐만 아니라 항복비도 탁월하다. 보다 구체적으로 본 발명은 보증온도 -30℃미만에서 85%이상의 중심부 DWTT 연성파면율을 확보하고 동시에 88% 미만의 항복비를 갖는 항복강도 65ksi급, 30mm 이상의 두께를 갖는 강재를 제공한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하는 것이 아니다.

(실시예)

하기 표 1의 조성을 만족하는 슬라브를 준비한 후, 하기 표 2의 제조조건에 따라 두께 38㎜의 판재를 제조하였다. 표 1의 조성의 단위는 중량%이며, 표 1에 표시되지 않는 나머지는 Fe와 불가피한 불순물임은 통상의 기술자에게 자명한 사항이다.

강종	C	Si	Mn	P	S	Nb	Cr	Al	Cu	Ca	Ti	N
A	0.042	0.22	1.58	0.0097	0.0008	0.048	0.246	0.024	0.181	0.0007	0.015	0.0044
B	0.049	0.19	1.55	0.0103	0.0007	0.054	0.266	0.033	0.201	0.0010	0.011	0.0042
C	0.045	0.18	1.53	0.0088	0.0005	0.045	0.259	0.032	0.203	0.0009	0.013	0.0041

No.	강종	추출 온도(℃)	슬라브 냉각 정지 온도(℃)	슬라브 냉각 속도(℃/s)	재결정 압연 종료 온도(℃)	이론 Tnr(℃)	미재결정 압연 개시 온도(℃)	미재결정 압연 종료 온도(℃)	미재결정 누적 압하율(%)	가속냉각 개시 온도(℃)	이론 Ar3(℃)	냉각속도(℃/s)	가속냉각 종료 온도(℃)	이론 Ms (℃)
1	A	1175	1081	11	1025	1018	951	874	76	810	774	22	475	470
2	B	1182	1092	13	1072	1062	985	890	80	831	773	31	435	468
3	C	1167	1079	9	1015	1020	960	876	77	800	776	25	465	470
4	A	1205	1135	16	1060	1018	958	873	78	799	774	29	455	470
5	A	1123	1065	9	1001	1018	948	861	78	810	774	26	464	470
6	A	1161	1095	3	1036	1018	965	866	78	805	774	22	471	470
7	B	1185	1095	9	1075	1062	1030	943	70	865	773	42	458	468
8	B	1162	1079	10	1053	1062	922	819	88	777	773	26	466	468
9	C	1171	1075	11	1011	1020	962	861	82	751	776	19	486	470
10	C	1177	1081	12	1015	1020	966	875	78	805	776	11	555	470
11	C	1174	1089	13	1021	1020	961	879	80	811	776	53	359	470

상기와 같이 제조된 판재에 대해 광학현미경 분석을 실시하여 각 상들의 ㅂ분율을 측정하여 그 결과를 표 3에 나타내었다. 아울러 표층부(표면으로부터 5㎜ 지점)과 중심부에 대한 전자후방산란회절(Electron Backscatter Diffraction, EBSD) 분석을 수행하여 고경각입계를 갖는 유효 결정립의 평균 크기를 측정하여 표 3에 나타내었다.

한편, 상기 판재에 대해 DWTT와 인장시험을 실시하여 그 결과를 표 4에 나타내었다. DWTT는 하중낙중시험(Drop Weight Tear Test)라고 지칭되며, 라인 파이프 강재의 취성 파괴전파 저항성을 평가하기 위해 고안된 API 규격 인증용 시험방법 중 하나이다. DWTT 시험은 상온에서 -60℃까지 실시하였으며, 각 시편에 대하여 노치부의 연성파면율을 측정하여 그 값이 85% 이상인 최저온도를 하기 표 4에 나타내었다.

No.	강종	두께 중심부 조직들의 평균 면적분율/ 평균사이즈(%)/(㎛)				두께 중심부 조직들의 평균사이즈- 표층부 조직들의 평균사이즈(㎛)			비고
		침상페라이트	등축페라이트	도상마르텐사이트	베이나이트	침상페라이트	등축페라이트	베이나이트
1	A	71/7.8	5/8.2	1/1.6	23/15.5	2.2	3.3	2.6	발명예 1
2	B	68/8.2	3/9.1	3/2.4	26/18.3	2.6	2.1	2.8	발명예 2
3	C	69/6.8	8/6.9	1/0.8	22/13.8	2.1	3.2	2.9	발명예 3
4	A	41/13.1	6/9.6	3/1.4	50/36.6	3.2	5.5	10.9	비교예 1
5	A	58/9.4	7/8.5	2/0.9	33/22.5	3.9	4.9	5.3	비교예 2
6	A	62/7.2	2/7.9	3/2.2	33/25.6	3.5	4.1	15.6	비교예 3
7	B	42/12.6	0/-	6/2.9	52/26.1	3.4	-	6.6	비교예 4
8	B	15/8.1	55/8.5	1/1.4	29/16.5	2.1	3.8	6.9	비교예 5
9	C	9/9.5	59/17.4	4/3.8	28/21.5	3.7	5.6	9.9	비교예 6
10	C	55/9.6	14/12.1	6/4.2	25/29.1	3.1	5.7	14.5	비교예 7
11	C	45/6.6	3/7.1	4/2.4	48/23.5	2.3	2.6	3.9	비교예 8

No.	강종	DWTT 연성파면율 85% 이상 만족하는 최저온도(℃)	압연 직각방향 항복강도(MPa)	압연 직각방향 인장강도(MPa)	압연 직각 방향 항복비(%)	비고
1	A	-41	525	615	85	발명예 1
2	B	-35	519	629	83	발명예 2
3	C	-46	510	601	85	발명예 3
4	A	-15	529	631	84	비교예 1
5	A	-24	493	599	82	비교예 2
6	A	-27	505	615	82	비교예 3
7	B	-11	489	635	77	비교예 4
8	B	-29	503	561	90	비교예 5
9	C	-28	486	551	88	비교예 6
10	C	-21	477	558	85	비교예 7
11	C	-17	505	636	79	비교예 8

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 발명예 1 내지 발명예 3은 본 발명의 성분범위를 만족하는 강종 A, B, C를 사용하여 본 발명의 제조조건을 통해 압연 및 냉각한 것으로서, 10㎛ 이하의 평균 결정립크기를 갖는 약 60~75% 분율의 침상페라이트와 약 10% 미만 분율의 등축페라이트, 20㎛ 이하의 평균 결정립크기를 갖는 20~30% 분율의 베이나이트, 상기 침상페라이트, 등축페라이트 그리고 베이나이트 모두 표층(표면으로부터 내부 5㎜)과 두께 중심부에서 평균 유효 결정립 크기의 차이가 5㎛미만, 그리고 3㎛ 이하의 평균 결정립 크기의 5% 미만 분율의 도상마르텐사이트 복합 조직강을 보유한 강판으로 제조되었으며, DWTT 연성파면율이 85% 이상을 만족하는 최저 온도는 -30˚C 미만이며 항복비 88% 미만으로 극한지 적용 라인파이프 강재의 보증물성을 만족하였다.

또한, API-5L 규격에 의가하여 API-X65(65ksi)급 강관의 항복강도는 448MPa이며 강관을 제조하기 위한 강판의 항복강도는 통상 460~560MPa 정도를 요구하고 있다. 상기 표 4의 발명예들의 항복강도는 모두 65ksi급의 라인파이프용 강판으로서 사용할 수 있는 수치를 보여주고 있다.

이에 비하여, 비교예 1 내지 비교예 8은 본 발명의 성분범위는 모두 만족하나 제조조건이 본 발명에서 제어하는 조건을 벗어나고, 그 결과 본 발명에서 제어하는 미세조직을 확보하지 못한 경우로서, DWTT 특성 혹은 항복비가 열위한 실적을 보였다.

Claims (8)

1. 중량%로, C: 0.03~0.06%, Si: 0.05~0.50%, Mn: 0.5~1.8%, Al: 0.01~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, N: 0.002~0.01%, Nb: 0.04~0.07%, Cr: 0.05~0.35%, Cu: 0.05~0.4%, P: 0.02% 이하, S: 0.005% 이하, Ca: 0.0005~0.004%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
   미세조직은 면적분율로, 침상 페라이트 60~75%, 베이나이트 20~30%, 등축 페라이트 10% 이하 및 도상 마르텐사이트 5% 이하를 포함하고,
   상기 침상 페라이트와 등축 페라이트의 평균 유효 결정립 크기가 10㎛ 이하이고, 상기 베이나이트의 평균 유효 결정립 크기가 20㎛이하인 파괴전파 저항성 및 항복비 특성이 우수한 강재.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 침상 페라이트, 등축 페라이트 및 베이나이트의 표층(표면으로부터 5㎜이내) 평균 유효 결정립과 중심부 평균 유효 결정립의 차가 5㎛ 이하인 파괴전파 저항성 및 항복비 특성이 우수한 강재.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 도상 마르텐사이트 평균 유효 결정립 크기는 두께 전체에 걸쳐 3㎛ 이하인 파괴전파 저항성 및 항복비 특성이 우수한 강재.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 강재는 DWTT(Drop Weight Tearing Test) 연성파면율이 -30℃미만에서 85% 이상이고, 항복비가 88% 미만인 파괴전파 저항성 및 항복비 특성이 우수한 강재.
   
5. 중량%로, C: 0.03~0.06%, Si: 0.05~0.50%, Mn: 0.5~1.8%, Al: 0.01~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, N: 0.002~0.01%, Nb: 0.04~0.07%, Cr: 0.05~0.35%, Cu: 0.05~0.4%, P: 0.02% 이하, S: 0.005% 이하, Ca: 0.0005~0.004%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1160~1200℃의 온도로 재가열하는 단계;
   상기 재가열된 강 슬라브를 1160℃ 이상에서 30분 이상 유지한 후 추출하는 단계;
   상기 강 슬라브를 Tnr-10℃ ~ Tnr+20℃의 범위에서 종료하는 재결정역 압연을 행하는 단계;
   상기 미재결정역 압연 후, Tnr-80℃ ~ Tnr-40℃의 범위에서 개시하고, Ar3+80℃ ~ Ar3+120℃의 범위에서 종료하는 미재결정역 압연을 행하는 단계; 및
   상기 미재결정역 압연 후, Ar3+20℃ ~ Ar3+60℃의 범위에서 개시하고, Ms-40℃ ~ Ms+20℃의 범위에서 종료하며, 15~50℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계
   를 포함하는 파괴전파 저항성 및 항복비 특성이 우수한 강재의 제조방법.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 강 슬라브를 추출한 후 1100℃ 이하의 온도까지 5℃/s 이상으로 냉각하는 단계를 더 포함하는 파괴전파 저항성 및 항복비 특성이 우수한 강재의 제조방법.
   
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 재결정역 압연은 평균 압하율 10% 이상으로 행하는 파괴전파 저항성 및 항복비 특성이 우수한 강재의 제조방법.
   
8. 청구항 5에 있어서,
   상기 미재결정역 압연은 누적 압하율 73~80%로 행하는 파괴전파 저항성 및 항복비 특성이 우수한 강재에 제조방법.