KR20160078673A - 저온 인성이 우수한 저항복비 고강도 강재 및 그 제조방법 - Google Patents

저온 인성이 우수한 저항복비 고강도 강재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건축구조물, 기계구조물 등의 소재로 사용되는 구조용 강재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저온 인성이 우수한 저항복비 고강도 강재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

저온 인성이 우수한 저항복비 고강도 강재 및 그 제조방법 {HIGH STRENGTH AND LOW YIELD RATIO STEEL SHEET HAVING EXCELLENT LOW TEMPERATURE TOUGHNESS AND MATHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 건축구조물, 기계구조물 등의 소재로 사용되는 구조용 강재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저온 인성이 우수한 저항복비 고강도 강재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
빌딩, 교량 등과 같은 구조물은 큰 하중으로 인하여 높은 강도를 필요로 하는 경우가 많으며, 이러한 구조물의 건설이 투입되는 원가감소에 대한 지속적인 요 구 등으로 인해 강재의 총중량은 지속적으로 감소하는 추세이기 때문에, 이들 구조물 등에 사용되는 소재 자체의 강도 증가에 대한 요구가 점점 더 증가하고 있다.
그러나, 강재는 강도가 증가할수록 강재의 저온 인성 특성과 같은 성질은 저하되는 것이 일반적이기 때문에, 고강도를 갖는 구조용 강재는 저온 인성 특성이 취약한 것이 대부분이다.
저온 인성은 극저온에서 강재가 얼마나 취성 파괴에 저항할 수 있는지에 대한 척도로서, 저온 인성이 취약한 강재를 극한지와 같은 열악한 저온 지역 등에서 사용할 경우, 강재에 쉽게 취성파괴가 일어나기 때문에 사용 가능한 환경이 제약될 수 밖에 없다. 이러한 저온 인성은 통상적으로 연성-취성 천이온도(DBTT)를 그 척도로 삼는 경우가 많다.
뿐만 아니라, 강재의 강도가 증가할수록 인장강도에 대한 항복강도의 비율인 항복비(항복강도(YS)/인장강도(TS))가 상승하는 경우가 대부분인데, 이와 같이 항복비가 상승할 경우 소성변형이 일어나는 시점(항복점)에서 파괴가 일어나는 시점까지의 응력차가 작아진다. 이러할 경우, 건축물이 변형에 의해 에너지를 흡수하여 파괴를 방지할 수 있는 여유가 적어지기 때문에, 지진 등과 같은 거대 외력이 작용하였을 때 구조물의 안전성을 담보하기가 어려워진다.
이에 대한 대안으로서, 특허문헌 1에서는 인장강도 800MPa 이상의 강도 및 저항복비를 확보하기 위하여 강재의 성분과 압연조건을 적절히 조절함으로써 고강도를 도모하는 방법이 기재되어 있는데, 특히 가속냉각 이후 재가열 온도를 350~550℃로 하여 마르텐사이트 체적 분율을 60%이상 함유하고 잔부가 베이나이트 조직으로 이루어지도록 함으로써 충격 인성 및 저항복비를 확보하고 있다.
그러나, 상기 특허문헌 1과 같이 압연 후 열처리 공정을 거치게 되면 납기를 지연시키고 생산 원가가 상승하고, 생산성이 저하하는 등의 문제가 있다.
일본 등록특허 제5034290호
본 발명의 일 측면은, 강의 성분조성 및 제조조건을 제어하여 미세조직을 최적화함으로써 저온 인성이 우수하면서 고강도 및 저항복비를 갖는 강재 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.04~0.10%, 망간(Mn): 2.4~2.8%, 실리콘(Si): 0.01~0.6%, 알루미늄(Al): 0.005~0.5%, 니오븀(Nb): 0.005~0.1%, 티타늄(Ti): 0.005~0.1%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 보론(B): 10~40ppm, 질소(N): 15~150ppm, 칼슘(Ca): 60ppm 이하와, 구리(Cu): 1.0% 이하, 니켈(Ni): 0.01~2.0%, 크롬(Cr): 0.05~1.0%, 몰리브덴(Mo): 1.0% 이하 및 바나듐(V): 0.3% 이하로 구성된 그룹에서 선택된 1종 이상, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 관계식 1로 표현되는 가공경화지수(N)가 0.12 이상이고,
미세조직이 베인입계분율(Bain grainboundary fraction)이 44% 이상인 베이니틱 페라이트를 포함하는 저온 인성이 우수한 저항복비 고강도 강재를 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 성분조성을 만족하는 강 슬라브를 1050~1250℃ 온도범위에서 재가열하는 단계; 상기 재가열된 강 슬라브를 베이나이트 변태 개시온도(Bs)+50℃ 이상에서 열간 마무리 압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 및 상기 열연강판을 5℃/s 이상의 냉각속도로 베이나이트 변태 종료온도(Bf) 이하까지 냉각하는 단계를 포함하는 저온 인성이 우수한 저항복비 고강도 강재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 고강도 및 저항복비를 가질 뿐만 아니라, 저온 충격인성이 우수한 강재를 제공할 수 있으며, 상기 본 발명의 강재는 강도 및 인성이 동시에 요구되는 구조물 등의 소재로서 적합하게 적용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명 일 실시예에 따른 발명예의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명 일 실시예에 따른 발명예의 가공경화지수(n)에 따른 항복비의 변화를 그래프로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명 일 실시예에 따른 발명예의 냉각종료온도에 따른 베인입계분율(fbain)의 변화 및 연성-취성 천이온도(DBTT)의 변화를 그래프로 나타낸 것이다.
본 발명자들은 구조용 강재로서 고강도 및 저온 인성을 동시에 확보할 수 있으면서 저항복비를 갖는 강재를 제공하기 위하여 깊이 연구한 결과, 강 성분조성 및 제조조건을 제어하여 강도 및 저온 인성을 확보하는데 최적화된 미세조직을 제어할 수 있으며, 이로 인해 목표로 하는 물성을 갖는 강재를 제공할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 저온 인성이 우수한 저항복비 고강도 강재는 중량%로, 탄소(C): 0.04~0.10%, 망간(Mn): 2.4~2.8%, 실리콘(Si): 0.01~0.6%, 알루미늄(Al): 0.005~0.5%, 니오븀(Nb): 0.005~0.1%, 티타늄(Ti): 0.005~0.1%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 보론(B): 10~40ppm, 질소(N): 15~150ppm, 칼슘(Ca): 60ppm 이하와, 구리(Cu): 1.0% 이하, 니켈(Ni): 0.01~2.0%, 크롬(Cr): 0.05~1.0%, 몰리브덴(Mo): 1.0% 이하 및 바나듐(V): 0.3% 이하로 구성된 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
이하에서는, 본 발명의 강재 성분조성을 위와 같이 제어하는 이유에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 특별한 언급이 없는 한 각 성분들의 함량은 중량%를 의미한다.
C: 0.04~0.10%
본 발명에서 탄소(C) 기지에 베이니틱 페라이트를 형성시키는데 가장 중요한 원소로서, 적절한 범위 내에서 강 중에 함유될 필요가 있다.
이러한 C의 함량이 0.04% 미만이면 경화능이 감소하게 되어 인장강도의 하락을 초래하는 문제가 있으며, 반면 C의 함량이 0.10%를 초과하게 되면 오히려 경화능이 증대되어 래스(lath) 마르텐사이트의 분율을 증가시킴에 따라 저온 인성이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서 C의 함량은 0.04~0.10%로 제어하는 것이 바람직하다.
Mn: 2.4~2.8%
망간(Mn)은 고용강화에 의해 강도를 향상시키며 경화능 향상에 유용한 원소이로서, 본 발명에서는 가공경화지수를 높여 항복비를 낮추는데 중요한 원소이다. 이를 위해서는 2.4% 이상으로 Mn을 첨가할 필요가 있으나, 그 함량이 2.8%를 초과하게 되면 경화능의 과도한 증가로 마르텐사이트 분율이 급격히 증가함에 따라 저온 인성이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서 Mn의 함량은 2.4~2.8%로 제한하는 것이 바람직하다.
Si: 0.01~0.6%
실리콘(Si) 용강을 탈산하는 탈산제로 사용되며, 강도 향상 효과가 있어 유용한 원소이나, 그 함량이 0.6%를 초과하게 되면 저온 인성을 저하시키며, 동시에 용접성도 악화시키는 문제가 있다. 또한, 그 함량이 0.01% 미만이면 탈산 효과가 불충분하게 되는 문제가 있으므로, 그 함량이 0.01~0.6%로 제한하는 것이 바람직하다.
다만, 상기 Si은 도상 마르텐사이트(M&A)의 안정성을 높이는 원소로서, 용접부에 C의 함량이 적은 경우라도 다량의 도상 마르텐사이트 상을 형성시킬 수 있어 용접부 인정 저하를 초래하는 문제가 있다. 따라서, 보다 유리한 Si의 범위는 0.1~0.4%인 것이 바람직하다.
Al: 0.005~0.5%
알루미늄(Al)은 용강을 저렴하게 탈산할 수 있는 원소로서, 이를 위해서는 0.005% 이상으로 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.5%를 초과하게 되면 연속주조시 노즐막힘을 야기하는 문제가 있으며, 또한 고용된 Al은 용접부에 도상 마르텐사이트를 형성시킬 수 있어 용접부 인성 저하의 결과를 초래한다.
따라서, 본 발명에서는 Al의 함량을 0.005~0.5%로 제어함이 바람직하다.
Nb: 0.005~0.1%
니오븀(Nb)은 TMCP(Thermo Mechanical Control Process) 강의 제조에 있어서 가장 중요한 원소로서, NbC 또는 NbCN의 형태로 석출하여 모재 및 용접부의 강도를 크게 향상시키는 역할을 한다. 또한, 고온으로 재가열시에 고용된 Nb은 오스테나이트의 재결정을 억제할 뿐만 아니라, 페라이트 또는 베이나이트의 변태를 억제하여 조직을 미세화시키는 효과가 있다. 이외에도, 본 발명에서는 조압연 후 슬라브가 냉각될 때 낮은 냉각 속도로도 베이나이트를 형성하게 할 뿐만 아니라, 최종 압연 후의 냉각시에도 오스테나이트의 안정성을 크게 높여 낮은 속도의 냉각에서도 래스(lath) 마르텐사이트 생성을 촉진하는 역할도 한다.
상술한 효과들은 충분히 확보하기 위해서는 0.005% 이상으로 Nb을 첨가하는 것이 바람직하나, 그 함량이 0.1%를 초과할 경우에는 강재 모서리(에지, edge)에 취성 크랙을 야기할 가능성이 커지는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서 Nb의 함량은 0.005~0.1%로 제어함이 바람직하다.
Ti: 0.005~0.1%
티타늄(Ti)은 재가열시 결정립의 성장을 억제하여 저온 인성을 크게 향상시킬수 있으므로, 그 효과를 충분히 발현시키기 위해서는 0.005% 이상으로 첨가할 필요가 있다. 다만, 그 함량이 0.1%를 초과하게 되면 연주 노즐의 막힘이나 중심부 정출로 인해 저온 인성이 저하되는 문제점이 있으므로 바람직하지 못하다.
따라서, 본 발명에서 Ti의 함량은 0.005~0.1%로 제어함이 바람직하다.
P: 0.02% 이하
인(P)은 강도향상 및 내식성에 유리한 원소이지만, 충격 인성을 크게 저해하는 원소이므로 가능한 낮게 하는 것이 유리하므로, 그 상한을 0.02%로 제한하는 것이 바람직하다. 다만, 제강공정의 부하를 고려하여 0%르 초과하여 포함될 수 있다.
S: 0.01% 이하
황(S)은 MnS 등을 형성하여 충격 인성을 크게 저해하는 원소이므로 가능한 낮게 하는 것이 유리하므로, 그 상한을 0.01%로 제한하는 것이 바람직하다. 다만, 제강공정의 부하를 고려하여 0%르 초과하여 포함될 수 있다.
B: 10~40ppm
보론(B)은 저가의 첨가원소로 강력한 경화능을 나타내는 유효원소이다. 이러한 B은 미량 첨가로도 강의 강도를 크게 향상시킬 수 있으며, 본 발명에서는 열간 마무리 압연 후 냉각시 저속냉각을 행하더라도 저온변태조직을 형성하는데 크게 기여하는 효과가 있다.
상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는 10ppm 이상으로 B을 첨가할 필요가 있다. 다만, 그 함량이 그 함량이 너무 과다하여 40ppm을 초과하게 되면 Fe23(CB)6를 형성하여 오히려 경화능을 저하시키며, 저온 인성도 크게 저하시킨다.
따라서, 본 발명에서 B의 함량은 10~40ppm으로 제어함이 바람직하다.
N: 15~150ppm
질소(N)는 강의 강도를 증가시키는 반면, 인성을 크게 감소시키기 때문에, 그 함량을 150ppm 이하로 제어할 필요가 있다. 다만, 상기 N을 15ppm 미만으로 제어하기 위해서는 제강부하를 증가시키는 문제가 있으므로, 그 하한을 15ppm으로 제한함이 바람직하다.
Ca: 60ppm 이하
칼슘(Ca)은 주로 MnS 개재물의 형상을 제어하고, 저온인성을 향상시키는 원소로 사용된다. 이러한 Ca의 함량이 과도할 경우 다량의 CaO-CaS가 형성 및 결합하여 조대한 개재물을 형성하게 되며, 이로 인하 강의 청정도 저하는 물론, 현장 용접성을 저해하는 문제가 있다. 따라서, 이를 고려하여 60ppm 이하로 Ca의 함량을 제한하는 것이 바람직하다.
상술한 성분조성을 만족하는 본 발명의 강재는 위와 같은 함량범위의 합금원소를 포함하는 것만으로도 충분한 효과를 얻을 수 있으나, 강재의 강도 및 인성과 같은 특성을 보다 향상시키기 위해서는 후술하는 합금원소들을 적절한 범위 내로 더 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 하기의 합금원소들은 1종만 첨가될 수 있으며, 2종 이상 복합 첨가되어도 무방하다.
Cu: 1.0% 이하
구리(Cu)는 모재의 인성 저하를 최소한으로 하면서 동시에 강도를 높일 수 있는 원소이지만, 과도하게 첨가할 경우 제품 표면 품질을 크게 저해하므로 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Ni: 0.01~2.0%
니켈(Ni)은 모재의 강도와 인성을 동시에 향상시킬 수 있는 거의 유일한 원소이며, 그 효과가 나타나기 위해서는 0.01% 이상으로 첨가되는 것이 바람직하나, 고가의 원소이므로 2.0%를 초과하여 첨가하는 것은 경제적인 측면에서 매우 불리하며, 용접성도 열화되는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.
Cr: 0.05~1.0%
크롬(Cr)은 경화능을 증가시켜 강도 향상에 큰 효과가 있으므로, 그 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.05% 이상으로 첨가되는 것이 바람직하나, 너무 과도하게 첨가하게 되면 용접성을 크게 저하시키는 문제가 있으므로, 그 함량을 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Mo: 1.0% 이하
몰리브덴(Mo)은 소량의 첨가만으로도 경화능을 크게 향상시켜 페라이트 상의 형성을 억제하는 효과가 있으며, 강도를 크게 향상시킬 수 있는 원소이나, 그 함량이 너무 과도할 경우 용접부의 경도를 크게 증가시키고 인성을 저해하는 문제가 있으므로, 그 함량을 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
V: 0.3% 이하
바나듐(V)은 다른 합금원소에 비해 고용되는 온도가 낮으며, 용접열영향부(HAZ)에 석출하여 강도의 저하를 방지하는 효과가 우수한 원소이나, 그 함량이 너무 과다하면 오히려 인성의 저하를 초래하는 문제가 있으므로, 그 함량을 0.3% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
상술한 성분조성을 만족하는 본 발명의 강재는 하기 관계식 1로 표현되는 가공경화지수(n)가 0.12 이상을 만족하는 것이 바람직하다.
도 2는 가공경화지수(n)에 따른 강재 항복비를 나타낸 것으로서, 가공경화지수 값이 클수록 재료에 항복이 일어난 후에도 소성변형에 따른 가공 경화가 크게되어 결과적으로 항복비를 낮추게 된다. 따라서, 본 발명에서 목표로 하는 항복비를 만족시키기 위해서는 가공경화지수(n)가 0.12 이상일 필요가 있다.
[관계식 1]
n= -0.0939 + (0.364×C) + (0.0781×Mn) + (0.0313×Mo)
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
상술한 성분조성을 만족하는 본 발명의 강재는 종래의 강재보다 소입성이 향상된 강재로서, 급격한 수냉 등을 실시하지 않더라도 목적하는 조직을 강재 내부에 형성시킬 수 있다. 다만, 강재의 소입성이 향상되어 내부에 경질조직이 용이하게 형성될 경우에는 저온 인성이 악화되는 문제가 있으므로, 본 발명에서는 상기 강재의 바람직한 조직형태를 다음과 같이 규정함으로써 강재의 소입성이 향상되더라도 저온인성 특성이 악화되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 본 발명의 강재는 미세조직으로 베인입계분율(Bain grainboundary fraction, fbain)이 44% 이상인 베이니틱 페라이트를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 베이니틱 페라이트의 래스(lath)간 입계 방위차가 25도 이상인 입계를 베인입계라고 부르는데, 이러한 베인입계는 크랙의 전파를 방해하여 강의 충격인성을 높이는 역할을 한다.
본 발명에서는 이러한 베인입계를 44% 이상으로 포함하는 것이 바람직한데, 만일 베인입계분율이 44% 미만이면 강의 본 발명에서 얻고자 하는 연성-취성 천이온도(DBTT)를 -40℃ 이하로 확보할 수 없게 되는 문제가 있다. 이는, 도 3을 통해 확인할 수 있는데, 도 3은 냉각종료온도에 따른 베인입계분율 및 DBTT 간의 관계를 나타낸 것이다.
한편, 본 발명에서는 전자　후방산란 회절(Electron Back-scattered Diffraction:　EBSD)　기법으로 상기 베이니틱 페라이트의 래스(lath) 간 입계 방위차가 25도 이상인 베인입계분율(fBain, Bain boundary fraction)을 측정할 수 있다.
상술한 바와 같은 미세조직을 갖는 본 발명의 강재는 인장강도가 800MPa 이상으로 고강도를 가질 뿐만 아니라, 항복비가 85% 이하로 저항복비를 갖고 연성-취성 천이온도(DBTT)가 -40℃ 이하로 우수한 충격인성을 갖는다.
이하에서는, 본 발명에 따른 강재를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다. 하기의 제조방법은 본 발명의 강판을 제조할 수 있는 바람직한 일 예를 나타낸 것이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 제조방법은 개략적으로는 상술한 성분계를 만족하는 강 슬라브를 가열하여 균질화 처리한 후, 열간압연(조압연 및 열간 마무리 압연) 및 냉각 공정을 거쳐 열연강판으로 제조하는 방법을 제공한다. 이하, 각 단계별 상세한 조건에 대하여 설명한다.
슬라브 재가열 온도: 1050~1250℃
먼저, 상술한 성분조성을 만족하는 강 슬라브를 준비한 후, 상기 강 슬라브를 1050~1250℃의 온도범위에서 재가열하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 재가열은 1050℃ 이상에서 실시함이 바람직한데, 이는 주조 중에 형성된 Ti 및/또는 Nb 탄·질화물을 고용시키기 위함이다. 즉, 주조 중에 형성된 Ti 및/또는 Nb 탄·질화물을 충분히 고용시키기 위해서는 1050℃ 이상에서 재가열할 필요가 있다. 다만, 너무 과다하게 높은 온도로 재가열할 경우에는 오스테나이트가 조대화될 수 있으므로, 이를 고려하여 상기 재가열 온도를 1250℃ 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
조압연: Tnr~1250℃
상기와 같이 재가열된 슬라브는 그 형상의 조정을 위해 가열 후 조압연을 실시한다. 이때, 압연온도는 오스테나이트의 재결정이 멈추는 온도(Tnr) 이상으로 제어하는 것이 바람직한데, 상기 조압연에 의해 주조 중에 형성된 덴드라이트 등의 주조조직을 파괴 하고 오스테나이트의 크기를 작게하는 효과를 얻을 수 있다.
열간 마무리 압연: Bs+50℃ 이상
상기한 바에 따라 조압연된 강판의 오스테나이트 조직에 불균일 미세조직을 도입하기 위하여 열간 마무리 압연을 실시한다. 이때, 압연온도는 압연 종료 후 가속 냉각기에 진입하는 시간을 고려하여 베이나이트 변태 시작온도(Bs)+50℃ 이상으로 제어하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 Bs+50℃ 이상 ~ 오스테나이트 재결정온도(Tnr) 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 만일, 재결정온도(Tnr)을 초과하는 경우에는 오스테나이트의 크기가 조대화되므로 바람직하지 못하다.
냉각: 5℃/s 이상의 냉각속도로 Bf 이하까지
본 발명에서 목표로 하는 저온 복합조직을 얻기 위해서는, 냉각시 5℃/s 이상의 냉각속도로 수냉을 개시하여 베이나이트 변태 종료 온도(Bf) 이하까지 냉각함이 바람직하다. 이와 같이 냉각을 실시함으로써 베이니틱 페라이트 미세조직을 형성할 수 있다.
상기 냉각시 냉각속도가 5℃/s 미만이면 그래뉼러 베이나이트가 형성되어 강도가 감소되고, 베인입계분율의 저하로 충격인성의 열화가 발생하는 문제가 있다.
또한, 상기 냉각을 Bf를 초과하는 온도에서 종료하게 되면 그래뉼러 베이나이트가 형성될 우려가 있으므로 바람직하지 못하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 후술하는 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
하기 표 1에 나타낸 성분조성을 갖는 강 슬라브를 하기 표 2에 나타낸 각각의 제조조건을 적용하여 열연강판을 제조하였다.
이후, 제조된 각각의 열연강판에 대해 항복강도, 인장강도와 연성-취성 천이온도(DBTT)를 측정하여 하기 표 3에 나타내었다. 이때, 상기 연성-취성 천이온도(DBTT)는 샤르피 충격 테스트를 이용하여 측정하였다.
또한, 각각의 제조된 열연강판의 미세조직을 전자　후방산란 회절(Electron Back-scattered Diffraction:　EBSD)　기법으로 관찰하여, 래스(lath) 간의 입계 방위차가 25도 이상인 베인입계분율(fBain, Bain boundary fraction)을 도출하였다.
구분 성분조성(중량%)
C Si Mn Al P S Ti Nb Ni Cu Cr Mo V B* N* n
발명강1 0.059 0.15 2.48 0.035 0.013 0.002 0.017 0.04 0.4 0 0.3 0 0 15 40 0.121
발명강2 0.065 0.3 2.55 0.013 0.012 0.002 0.02 0.05 0.3 0.2 0 0.1 0.03 23 55 0.132
발명강3 0.08 0.3 2.65 0.013 0.013 0.002 0.02 0.04 0.21 0 0.5 0 0 19 42 0.142
발명강4 0.04 0.2 2.6 0.013 0.013 0.002 0.02 0.03 0 0.22 0 0 0 19 42 0.124
비교강1 0.012 0.2 2.2 0.032 0.013 0.005 0.016 0.04 0.3 0.2 0.3 0.15 0.04 15 32 0.087
비교강2 0.09 0.4 1.8 0.024 0.013 0.005 0.01 0.02 0 0 0.5 0 0 14 28 0.079
비교강3 0.085 0.2 1.55 0.043 0.015 0.009 0.009 0.04 0 0 0 0.1 0 17 26 0.061
(상기 표 1에서 B* 및 N*는 'ppm' 단위로 나타낸 것이다. 상기 발명강 1 내지 4, 비교강 1 내지 3에서 Ca은 불순물 정도로 함유되어 있어서, 특별히 그 함량을 표기하지 아니하였다.)
구분 Bs Ms Tnr 조압연 열간 마무리압연 냉각 비고
슬라브
두께		 재가열
추출온도		 조압연
종료온도		 개시
온도		 종료
온도		 속도 종료
온도
발
명
강
1		 505 425 1014 244 1170 1090 964 924 14 410 발명예1
245 1121 1041 944 904 22 399 발명예2
220 1125 1045 934 894 14 400 발명예3
244 1105 1025 920 880 2 415 비교예1
220 1155 1075 1045 1015 8 399 비교예2
220 1145 1065 850 810 10 475 비교예3
발
명
강
2		 509 430 1011 250 1100 1020 961 921 11 385 발명예4
245 1110 1030 941 901 26 365 발명예5
220 1115 1035 931 891 16 410 발명예6
244 1112 1032 820 780 3 378 비교예4
220 1175 1075 1051 1025 8 401 비교예5
220 1054 974 850 810 10 485 비교예6
발
명
강
3		 499 421 969 250 1115 1045 919 879 12 415 발명예7
244 1125 1048 899 859 17 395 발명예8
220 1135 1055 889 849 19 385 발명예9
250 1108 1028 820 780 2.5 405 비교예7
220 1150 1100 1031 995 7 389 비교예8
220 1135 1055 850 810 9 445 비교예9
발
명
강
4		 532 445 936 244 1115 1035 886 846 13 356 발명예10
250 1135 1055 866 826 19 389 발명예11
220 1113 1033 856 816 18 395 발명예12
244 1095 1015 820 780 3 415 비교예10
220 1100 1080 996 956 9 398 비교예11
220 1125 1045 850 810 9 480 비교예12
비교강1 529 449 935 255 1115 1035 885 845 10 404 비교예13
244 1129 1049 865 825 11 415 비교예14
220 1120 1040 855 815 15 395 비교예15
비교강2 554 470 821 244 1195 1115 771 731 16 415 비교예16
250 1134 1054 751 711 9 435 비교예17
220 1120 1040 741 701 15 423 비교예18
비교강3 604 510 1007 244 1105 1025 958 918 17 455 비교예19
250 1120 1040 938 898 8 425 비교예20
220 1125 1045 928 888 15 415 비교예21
(상기 표 2에서 Bs: 베이나이트 변태 개시온도(℃), Ms: 마르텐사이트 변태 개시온도(℃), Tnr: 오스테나이트 재결정온도(℃)를 의미한다.
또한, 상기 슬라브 두께의 단위는 'mm'이고, 각각의 온도의 단위는 '℃'이고, 냉각속도의 단위는 '℃/s'이다.)
구분 제품
두께(mm)		 기계적 성질 미세조직
YS(MPa) TS(MPa) YR DBTT(℃) fbain(%)
발명예1 70 690 889 78 -55 48.3
발명예2 35 735 911 81 -59 48.9
발명예3 55 687 885 78 -64 49.5
비교예1 70 589 759 78 -62 49.3
비교예2 25 677 872 78 -29 39
비교예3 55 686 884 78 -36 41.7
발명예4 75 652 877 74 -60 49.2
발명예5 60 735 923 80 -58 48.8
발명예6 55 693 831 78 -63 49.5
비교예4 45 546 735 74 -61 49.3
비교예5 35 648 872 74 -35 41
비교예6 60 692 932 74 -32 40.1
발명예7 70 724 942 77 -63 49.5
발명예8 80 759 958 79 -60 49.1
발명예9 55 765 961 80 -65 49.6
비교예7 60 603 785 77 -63 49.5
비교예8 35 715 930 77 -37 42
비교예9 45 737 946 78 -32 39.8
발명예10 75 678 891 76 -60 49.1
발명예11 25 731 911 80 -54 48.1
발명예12 55 710 905 78 -59 49
비교예10 45 574 755 76 -58 48.7
비교예11 35 671 882 76 -32 41.5
비교예12 35 678 891 76 -31 39.6
비교예13 65 853 981 87 -51 47.4
비교예14 70 840 982 86 -55 48.2
비교예15 60 863 992 87 -60 49.1
비교예16 65 688 793 87 -47 46.3
비교예17 35 670 783 86 -51 47.2
비교예18 55 698 798 87 -56 48.4
비교예19 70 658 752 88 -43 44.8
비교예10 25 651 723 90 -48 46.6
비교예21 45 681 745 91 -46 45.7
(상기 표 3에서 'fbain'은 베인입계분율을 의미한다.
상기 표 3에서 YR은 항복비로서, (항복강도(YS)/인장강도(TS))*100 으로 계산하여 도출한 값을 기재한 것이다.)
상기 표 1 내지 3에 나타낸 바와 같이, 강 성분조성이 본 발명을 발명강을 이용하여 본 발명의 제조조건으로 제조한 발명예 1 내지 12는 베인입계분율(Bain grainboundary fraction)이 44% 이상인 베이니틱 페라이트가 형성됨에 따라 인장강도가 800MPa 이상, 항복비 85% 이하로 고강도 및 저항복비를 가질 뿐만 아니라, 연성-취성 천이온도(DBTT)가 -40℃ 이하로 저온에서의 충격인성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
반면, 본 발명을 만족하는 발명강을 이용하였음에도 불구하고, 제조조건이 본 발명을 만족하지 아니한 비교예 1 내지 12의 경우에는 저온 충격인성이 열화하거나, 고강도의 확보가 불가능하였다.
특히, 냉각속도가 너무 느린 비교예 1, 4, 7 및 10 충분한 강도를 확보할 수 없었으며, 열간 마무리 온도와 냉각종료온도가 너무 높은 비교예 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11 및 12의 경우에는 베인입계분율이 44% 미만으로 형성되어 저온 충격인성이 매우 열위한 것을 확인할 수 있다.
또한, 강 성분조성이 본 발명을 만족하지 아니한 비교강을 이용한 경우 제조건이 본 발명을 만족하더라도 강도 또는 저온 충격인성이 열화하였다.
특히, C의 함량이 불충분한 비교강 1을 이용한 비교예 13 내지 15의 경우 항복비가 85%을 초과하였으며, Mn의 함량이 불충분한 비교강 2를 이용한 비교예 16 내지 18의 경우와 비교강 3을 이용한 비교예 19 내지 21의 경우 인장강도가 800MPa 미만으로 나타났으며, 가공경화지수가 모두 0.12 이상을 만족하지 못함에 따라 항복비가 85%를 초과하는 결과가 도출되었다.
도 1은 본 발명의 조건을 모두 만족하는 발명예의 미세조직을 관찰한 사진으로서, 강재의 미세조직이 베이니틱 페라이트로 이루어진 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 2는 본 발명의 조건을 모두 만족하는 발명예의 가공경화지수(n)에 따른 항복비의 변화를 나타낸 것으로서, 가공경화지수(n) 값이 0.12 이상을 만족할 때 항복비 85% 이하의 저항복비를 갖는 강재를 제공할 수 있음을 확인할 수 있다.
그리고, 도 3은 본 발명의 조건을 모두 만족하는 발명예의 냉각종료온도에 따른 베인입계분율(fbain)의 변화 및 연성-취성 천이온도의 변화를 나타낸 것으로서, 베인입계분율(fbain)이 44% 이상일 경우 연성-취성 천이온도를 -40℃ 이하로 확보할 수 있음을 확인할 수 있으며, 이를 위해서는 냉각종료온도가 일정범위로 제어되어야 함을 알 수 있다.

Claims (5)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.04~0.10%, 망간(Mn): 2.4~2.8%, 실리콘(Si): 0.01~0.6%, 알루미늄(Al): 0.005~0.5%, 니오븀(Nb): 0.005~0.1%, 티타늄(Ti): 0.005~0.1%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 보론(B): 10~40ppm, 질소(N): 15~150ppm, 칼슘(Ca): 60ppm 이하와, 구리(Cu): 1.0% 이하, 니켈(Ni): 0.01~2.0%, 크롬(Cr): 0.05~1.0%, 몰리브덴(Mo): 1.0% 이하 및 바나듐(V): 0.3% 이하로 구성된 그룹에서 선택된 1종 이상, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 관계식 1로 표현되는 가공경화지수(n)가 0.12 이상이고,
    미세조직이 베인입계분율(Bain grainboundary fraction)이 44% 이상인 베이니틱 페라이트를 포함하는 저온 인성이 우수한 저항복비 고강도 강재.

    [관계식 1]
    n= -0.0939 + (0.364×C) + (0.0781×Mn) + (0.0313×Mo)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 강재는 85% 이하의 항복비(YS/TS)를 갖는 저온 인성이 우수한 저항복비 고강도 강재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 강재는 인장강도 800MPa 이상, 연성-취성 천이온도(DBTT)가 -40℃ 이하인 저온 인성이 우수한 저항복비 고강도 강재.
  4. 중량%로, 탄소(C): 0.04~0.10%, 망간(Mn): 2.4~2.8%, 실리콘(Si): 0.01~0.6%, 알루미늄(Al): 0.005~0.5%, 니오븀(Nb): 0.005~0.1%, 티타늄(Ti): 0.005~0.1%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 보론(B): 10~40ppm, 질소(N): 15~150ppm, 칼슘(Ca): 60ppm 이하와, 구리(Cu): 1.0% 이하, 니켈(Ni): 0.01~2.0%, 크롬(Cr): 0.05~1.0%, 몰리브덴(Mo): 1.0% 이하 및 바나듐(V): 0.3% 이하로 구성된 그룹에서 선택된 1종 이상, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 관계식 1로 표현되는 가공경화지수(N)가 0.12 이상인 강 슬라브를 1050~1250℃ 온도범위에서 재가열하는 단계;
    상기 재가열된 강 슬라브를 베이나이트 변태 개시온도(Bs)+50℃ 이상에서 열간 마무리 압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 및
    상기 열연강판을 5℃/s 이상의 냉각속도로 베이나이트 변태 종료온도(Bf) 이하까지 냉각하는 단계
    를 포함하는 저온 인성이 우수한 저항복비 고강도 강재의 제조방법.

    [관계식 1]
    n= -0.0939 + (0.364×C) + (0.0781×Mn) + (0.0313×Mo)
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 냉각 후 베인입계분율(Bain grainboundary fraction)을 44% 이상 포함하는 베이니틱 페라이트 갖는 저온 인성이 우수한 저항복비 고강도 강재의 제조방법.
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