KR20160078713A - 피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 저온용강 - Google Patents

피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 저온용강 Download PDF

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KR20160078713A
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Abstract

본 개시의 일 실시 형태에 따른 피로균열가공성이 우수한 오스테나이트께 저온용강은 망간(Mn): 15~35중량%, 탄소(C): 23.6C+Mn≥28 및 33.5C-Mn≤23의 조건을 만족하는 범위, 구리(Cu): 5중량% 이하, 크롬(Cr): 28.5C+4.4Cr≤57 (0중량% 제외)의 조건을 만족하는 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, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 관계식 1의 적층결함에너지 T-SFE가 40mJ/m2이하일 수 있다. 상기 저온용강은 성분, 성분범위 및 결정립 크기를 통하여, 평면슬립 및 탄화물의 분율을 제어할 수 있어 우수한 피로균열저항성을 확보할 수 있다.

Description

피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 저온용강 {AUSTENITIC STEELS FOR LOW TEMPERATURE SERVICES WITH EXCELLENT FATIGUE CRACK RESISTANCE}
본 개시는 피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 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.
저온용 강재의 경우 구조 설계 시 안전성 관련 설계가 매우 중요하며, 이를 위해서는 기본적으로 내피로 성능이 우수한 강재가 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.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 오스테나이트의 안정화와 동시에 결정립 크기를 최적화하여 피로균열저항성을 확보하는 기술이 필요한 실정이다.
하기의 특허문헌 1 은 극저온 특성이 우수한 고 망간강의 제조방법에 관한 것이며, 하기의 특허문헌 2는 오스테나이트와 ε-마르텐사이트의 혼합조직에 의하여 저온 인성이 우수한 고 Mn 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
특허문헌 1: 한국특허공개번호 제1991-0012277호 특허문헌 2: 일본특허공개번호 제2007-126715호
본 개시의 일 실시 형태는 피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 저온용강에 관한 것이다.
본 개시의 일 실시 형태에 따른 피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 저온용강은 망간(Mn): 15~35중량%, 탄소(C): 23.6C+Mn≥28 및 33.5C-Mn≤23 (0중량%는 제외)을 만족하는 범위, 구리(Cu): 5중량% 이하 (0중량%는 제외), 크롬(Cr): 28.5C+4.4Cr≤57 (0중량%는 제외)의 조건을 만족하는 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 관계식 1의 적층결함에너지 T-SFE가 40mJ/m2이하일 수 있다.
(관계식 1)
T-SFE(mJ/m2) = C-SFE(C, mJ/m2) + S-SFE(mJ/m2)
(관계식 2)
C-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
(관계식 3)
S-SFE(mJ/m2) = 20.073×EXP(-0.054*AGS)
[단, 각 수식의 Mn, C, Cr, Si, Al, Ni, Mo 및 N 은 각 성분함량의 중량%를 의미하며, AGS는 오스테나이트 결정립크기의 μm를 의미함]
본 개시의 일 실시 형태에 따르면, 성분, 성분범위 및 결정립 크기의 조절을 통하여 평면슬립 및 탄화물의 분율을 제어할 수 있어, 피로균열저항성이 우수한 저온용강을 제공할 수 있다.
도 1a는 종래의 저온용강의 피로균열시험 후 크랙전파경로를 나타낸 전자 현미경 사진이다.
도 1b는 본 개시의 일 실시 형태에 따른 저온용강의 피로균열시험 후 크랙전파경로를 나타낸 전자 현미경 사진이다.
도 2는 오스테나이트 결정립의 크기가 적층결함에너지에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 형태에 따른 탄소 및 망간의 함량 범위를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 개시의 실시 형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 개시를 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
또한, 본 개시의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 개시의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 본 개시에 의한 피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 저온용강에 대하여 상세히 설명한다.
본 개시의 일 실시 형태의 피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 저온용강은 망간(Mn): 15~35중량%, 탄소(C): 23.6C+Mn≥28 및 33.5C-Mn≤23 (0중량%는 제외)의 조건을 만족하는 범위, 구리(Cu): 5중량% 이하 (0중량%는 제외), 크롬(Cr): 28.5C+4.4Cr≤57 (0중량%는 제외)의 조건을 만족하는 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 관계식 1의 적층결함에너지 T-SFE가 40mJ/m2이하이다.
(관계식 1)
T-SFE(mJ/m2) = C-SFE(C, mJ/m2) + S-SFE(mJ/m2)
(관계식 2)
C-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
(관계식 3)
S-SFE(mJ/m2) = 20.073×EXP(-0.054*AGS)
[단, 각 수식의 Mn, C, Cr, Si, Al, Ni, Mo 및 N 은 각 성분함량의 중량%를 의미하며, AGS는 오스테나이트 결정립크기의 μm를 의미함]
상기 C-SFE는 합금 성분의 영향을 받는 적층결함에너지(chemical SFE)를 말하고, 상기 S-SFE는 오스테나이트 결정립 크기에 영향을 받는 적층결함에너지(size SFE)를 말하며, T-SFE은 전체 적층결함에너지(total SFE)를 말한다.
탄소와 망간의 함유량이 높은 오스테나이트계 강재의 변형거동은 적층결함에너지에 의해 좌우되며, 상기 적층결함에너지가 높아질수록 변형모드는 가공유기변태에서 쌍정, 슬립의 순으로 점차 변화한다.
적층결함에너지(T-SFE)는 합금 성분과 결정립의 크기의 함수로, 결정립의 크기가 클수록 감소한다.
상기 결정립 크기가 클수록 적층결함에너지가 감소하여, 평면슬립이 발생하게 되며, 특정 성분계에서 합금 성분에 의한 적층결함에너지(C-SFE)가 크더라도 오스테나이트 결정립의 크기를 조대화하면, 전체 적층결함에너지(T-SFE)는 낮아지게 되어, 평면슬립이 발생할 수 있다.
원소에서는 저온용강의 적층결함에너지를 높이는 원소 및 낮추는 원소가 있으며, 합금 성분에 의한 적층결함에너지는 상기 관계식 2의 C-SFE를 통해 계산될 수 있다. 또한, 오스테나이트 결정립 크기에 의한 적층결함에너지는 상기 관계식 3의 S-SFE를 통해 계산될 수 있다.
최종적으로, 전체 적층결함에너지(T-SFE)는 합금 성분과 결정립의 크기에 의한 적층결함에너지로서 상기 관계식 1을 통해 T-SFE로 계산될 수 있다.
상기 T-SFE는 40mJ/m2 이하일 수 있다.
상기 T-SFE는 40mJ/m2 이하를 만족하면, 슬립에 따른 내균열 저항성을 향상시킬 수 있다.
일반적으로, 균열 선단은 소성 영역부가 존재하며, 소성 영역부에서 균일 변형을 수반하게 된다.
상기 변형의 특성이 평면슬립이 되는 경우 슬립 변형에 특정한 결정면으로 한정되게 되어 변형의 국부화(strain localization)로 인하여 내피로 특성이 향상될 수 있다. 또한, 평면슬립은 슬립가역성(slip reversibility)이 좋아져 내피로 특성이 향상될 수 있다.
상기 평면슬립화를 제어하는 인자는 성분에 따른 적층결함에너지이며, 상기 적층결함에너지가 낮을수록 평면 슬립에 유리해진다.
이하, 상기 피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 저온용강이 성분 조성에 대하여 설명한다. 단, 각 성분의 함량에 관해서는 특별히 언급하지 않는 한 중량%를 의미함에 유의한다.
망간( Mn ): 15~35중량%
상기 망간은 오스테나이트를 안정화시키는 역할을 하는 원소이다.
상기 망간은 극저온에서 오스테나이트를 안정화시키기 위하여 15 중량% 이상의 함량이 포함될 수 있다.
상기 망간의 함량이 15 중량 미만이면, 탄소의 함량이 작은 저온용강의 경우 준안정상인 ε-마르텐사이트가 형성되어 극저온에서의 가공유기변태에 의해 쉽게 α-마르텐사이트로 변태할 수 있어, 상기 저온용강의 인성이 감소할 수 있다.
또한, 저온용강의 인성을 확보하기 위하여 탄소의 함량을 증가시킨 저온용강의 경우, 탄화물 석출로 인하여 저온용강의 물성이 급격히 감소할 수 있다.
상기 망간의 함량이 35 중량%를 초과하면, 저온용강의 부식속도의 감소를 초래할 수 있으며, 제조원가 상승으로 인하여 저온용강의 경제성이 감소할 수 있다.
탄소(C): 23.6C+ Mn ≥28 및 33.5C- Mn ≤23 (0중량%는 제외)의 조건을 만족하는 범위
상기 탄소는 오스테나이트를 안정화시키며, 저온용강의 강도를 증가시키는 원소이다.
상기 탄소는 냉각공정 혹은 가공에 의한 오스테나이트 ε-마르텐사이트 또는 α-마르텐사이트의 변태점인 Ms 및 Md를 낮추는 역할을 할 수 있다.
상기 탄소의 함량이 불충분하게 첨가되면, 오스테나이트의 안정도가 부족하여 극저온에서 안정한 오스테나이트를 얻을 수 없으며, 외부 응력에 의해 쉽게 ε-마르텐사이트 또는 α-마르텐사이트로 가공유기변태를 일으켜 저온용강의 인성 및 강도가 감소할 수 있다.
상기 탄소의 함량이 과다하면, 탄화물 석출로 인하여 저온용강의 인성이 급격히 감소할 수 있으며, 저온용강의 강도가 지나치게 높아져 저온용강의 가공성이 감소할 수 있다.
상기 탄소의 함량은 탄소 및 기타 첨가되는 원소들과의 관계에 주의하며 결정하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 개시의 일 실시 형태에 따른 탄소 및 망간의 함량 범위를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 탄소가 독립적으로 탄화물의 형성에 영향을 미치는 것이 아니며, 망간과 복합적으로 작용하여 탄화물의 형성에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
따라서, 탄소의 함량은 적정 범위가 있으며, 그 범위는 23.6C+Mn≥28 및 33.5C-Mn≤23을 만족할 수 있다.
상기 C 및 Mn은 각 성분의 함량을 중량%로 나타낸 것이며, 상기 탄소의 함량 범위는 0 중량%도 포함될 수 있다.
도 3에서 상기 탄소의 함량의 범위인 23.6C+Mn≥28은 평행사변형 영역의 경사진 왼쪽 경계를 의미한다.
상기 탄소의 함량 범위에서 23.6C+Mn가 28 미만이면, 오스테나이트의 안정도가 감소하여 극저온에서 충격에 의해 가공유기변태를 일으켜, 저온용강의 충격 인성이 감소할 수 있다.
또한, 탄소의 함량이 과다한 경우, 즉, 33.5C-Mn이 23을 초과하면, 과다한 탄소의 첨가로 인하여 탄화물이 석출되어 저온용강의 저온 충격 인성이 감소할 수 있다.
구리( Cu ): 5중량% 이하 (0중량%는 제외)
상기 구리는 탄화물 내 고용도가 매우 맞고 오스테나이트 내 확산이 느려, 오스테나이트와 핵생성된 탄화물의 계면에 농축된다.
상기 농축된 구리는 탄소의 확산을 방해하여 탄화물 성장을 효과적으로 늦추게 할 수 있으며, 탄화물 생성을 억제할 수 있다.
모재의 경우 제조과정 중 가속 냉각을 통해 탄화물 석출을 억제할 수 있으나, 용접 열영향부는 냉각 속도 제어가 쉽지 않을 수 있다.
본 개시의 저온용강은 상기 구리를 첨가하여, 탄화물 생성을 억제할 수 있으며, 오스테나이트를 안정화시켜 저온용강의 극저온 인성을 향상시킬 수 있다.
상기 구리의 함량은 5중량% 이하일 수 있다.
상기 구리의 함량이 5중량%를 초과하면, 저온용강의 열간 가공성을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기의 탄화물 생성 억제 효과를 얻기 위한 상기 구리의 함량은 0.5중량% 이상이 바람직하다.
크롬( Cr ): 28.5C+4.4 Cr ≤57 (0중량%는 제외)의 조건을 만족하는 범위
상기 크롬은 오스테나이트를 안정화시켜 저온에서의 충격 인성을 향상시킬 수 있으며, 오스테나이트 내에 고용되어 저온용강의 강도 및 내식성을 향상시킬 수 있다.
그러나, 상기 크롬은 탄화물 형성 원소로, 오스테나이트의 결정립계에 탄화물을 형성하여 저온 충격을 감소시킬 수 있다.
따라서, 상기 크롬의 함량은 탄소 및 기타 함께 첨가되는 원소들과의 관계를 주의하며 결정하는 것이 바람직하다.
상기 크롬의 함량은 28.5C+4.4Cr≤57의 범위를 만족할 수 있다.
상기 C 및 Cr은 각 성분의 함량을 중량%로 나타낸 것이다.
상기 크롬의 함량 범위에서 28.5C+4.4Cr가 57을 초과하면, 과도한 크롬 및 탄소의 함량으로 인하여 오스테나이트 결정립계에서의 탄화물 생성을 효과적으로 억제할 수 없으며, 저온에서의 충격 인성이 감소할 수 있다.
니켈( Ni ): 5중량% 이하
상기 니켈은 오스테나이트의 안정화 원소로서, 냉각과정 또는 가공에 의한 오스테나이트에서 ε-마르텐사이트 또는 α-마르텐사이트의 변태점인 Ms 및 Md를 낮추는 역할을 하여 저온용강의 인성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 니켈은 상기 저온용강의 적층결함에너지를 높여 슬립을 조장하는 원소이다.
상기 니켈의 함량은 5중량% 이하일 수 있다.
상기 니켈의 함량이 5중량%를 초과하면, 쌍정발생응력이 저온용강의 가공량에 해당하는 응력값을 초과할 수 있으며, 고가의 원소이므로 저온용강의 경제성이 감소될 수 있다.
몰리브덴( Mo ): 5중량% 이하 및 보론(B): 500 ppm 이하
상기 몰리브덴 및 보론은 오스테나이트 결정립계에 우선 편석되어 결정립계의 에너지를 낮추어 오스테나이트의 안정도를 높여주는 원소이다.
일반적으로, 오스테나이트 결정립계는 매우 높은 에너지를 가져 안정도가 매우 낮아, 탄질화물의 형성 위치로 작용한다.
탄소 및 질소가 다량 함유된 오스테나이트 강재의 경우, 낮은 냉각속도에서 탄화물이 오스테나이트 결정립계에 쉽게 생성되어 연신율 및 저온 인성이 급격히 감소할 수 있다.
상기 몰리브텐 및 보론은 오스테나이트 결정립계에 우선 편석되어 결정립계의 에너지를 낮추고, 오스테나이트를 안정화시킴으로써, 기타 탄질화물 등의 핵생성 및 성장을 억제할 수 있다.
상기 몰리브덴의 함량은 5중량% 이하일 수 있다.
상기 몰리브덴의 함량이 5중량%를 초과하면, 결정립계의 안정도에 큰 영향을 미치지 못할 수 있으며, 고가의 원소이므로 저온용강의 경제성이 감소되며, 고강도화에 따른 연신율 및 인성 감소의 원인이 될 수 있다.
상기 보론의 함량은 500ppm 이상일 수 있다.
상기 보론의 함량이 500ppm을 초과하면, 결정립계의 안정도에 큰 영향을 미치지 못할 수 있으며, 입내 조대한 보론 질화물의 석출을 일으킬 수 있다.
규소( Si ): 4중량% 이하
상기 규소는 오스테나이트 강재에 첨가되면 강재 내부에 고용되어 강도를 효과적으로 증가시키는 원소이다.
상기 규소의 함량은 4중량% 이하일 수 있으며, 0 중량%은 포함되지 않는다.
상기 규소의 함량이 4중량%를 초과하면, 적층결함에너지를 감소시켜 쌍정 발생을 조장하게 되며, 고강도화에 따른 인성 저하가 발생할 수 있다.
알루미늄( Al ): 5중량% 이하
상기 알루미늄은 오스테나이트의 안정화 원소로서, 냉각과정 또는 가공에 의한 오스테나이트에서 ε-마르텐사이트 또는 α-마르텐사이트의 변태점인 Ms 및 Md를 낮추는 역할을 하여 저온용강의 인성을 향상시킬 수 있다.
상기 알루미늄은 저온용강의 내부에 고용되어 강도를 증가시키는 원소이며, 저온용강 내 탄소의 활동도에 영향을 주어 탄화물 형성을 효과적으로 억제하여 인성을 증가시키는 원소이다. 또한, 상기 알루미늄은 적층 결함에너지를 높여 슬립을 조장하는 원소이다.
상기 알루미늄의 함량은 5중량% 이하일 수 있으며, 0 중량%은 포함되지 않는다.
상기 알루미늄의 함량이 5중량%를 초과하면, 쌍정발생응력이 저온용강의 가공량에 해당하는 응력값을 초과할 수 있으며, 산화물 및 질화물 형성을 통해 저온용강의 주조성 및 표면품질을 감소시킬 수 있다.
질소(N): 1중량% 이하 (0중량%는 제외)
상기 질소는 탄소와 더불어 오스테나이트를 안정화시켜 인성을 향상시키는 원소이다.
상기 질소는 탄소와 같이 고용 강화를 통하여 강도를 향상시키는데 매우 유리한 원소이다. 또한, 상기 질소는 효과적으로 적층결함에너지를 높여 슬립을 조장하는 원소이다.
상기 질소의 함량은 1중량% 이하일 수 있다.
상기 질소의 함량이 1중량%를 초과하면, 쌍정발생응력이 저온용강의 가공량에 해당하는 응력값을 초과할 수 있으며, 조대한 질화물이 형성되어 저온용강의 표면품질 및 물성을 감소시킬 수 있다.
본 개시의 저온용강은 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
통상의 철강 제조과정에서 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있어, 이를 배제할 수는 없다.
이들 불순물은 통상의 철강제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 개시에서는 언급하지는 않는다.
본 개시의 저온용강은 성분, 성분범위 및 결정립 크기를 만족하면서, 구리의 첨가로 탄화물 생성을 억제하여 피로균열저항성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 저온용강은 몰리브덴과 보론의 첨가는 상기 원소의 결정립계의 편석을 유도하여, 결정립계의 에너지를 낮추고 오스테나이트를 안정화시킴으로써, 탄화물의 입계 석출을 억제할 수 있다.
상기 오스테나이트 결정립의 크기는 조대할수록 균열 닫힘을 유도하여 균열 전파를 느리게 할 수 있다. 이로 인해, 강재의 내피로 성능이 개선될 수 있으나, 강재의 강도가 감소할 수 있다.
도 2는 오스테나이트 결정립의 크기가 적층결함에너지에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
본 개시의 저온용강은 미세조직 내 오스테나이트 결정립의 크기가 5μm 내지 150μm일 수 있다.
상기 오스테나이트 결정립의 크기가 5μm 미만이면, 결정립이 지나치게 미세화되어 평면슬립이 조장되지 않아, 피로균열저항성능의 향상을 기대할 수 없다.
도 2를 참조하면, 상기 오스테나이트 결정립의 크기가 150μm를 초과할 경우, 적층결함에너지에 기여하지 못하고, 강재의 강도가 감소할 수 있다.
상기 저온용강은 합금 성분에 의한 적층결함에너지가 높아, 평면슬립이 발달하지 못하더라도 결정립의 크기를 크게 만들어 평면슬립을 조장할 수 있다.
그러나, 오스테나이트 결정립의 조대화는 강재의 항복강도를 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 강재의 피로특성이 감소될 수 있다.
따라서, 상기 저온용강은 400MPa 이상의 항복강도를 가지는 것으로 제한하는 것이 바람직하다.
저온에서 연성 파괴를 보이는 대표적인 연질 조직인 오스테나이트는 저온 인성을 확보하기 위한 필수 미세조직이다.
상기 저온용강의 미세조직은 오스테나이트를 면적분율로 95% 이상 포함할 수 있다.
상기 오스테나이트의 면적분율이 95% 미만이면, 저온 인성, 즉, -196℃에서 41J 이상의 충격 인성의 확보가 어려울 수 있다.
상기 저온용강은 오스테나이트 이외에 존재 가능한 조직으로는 탄화물이 있을 수 있다.
상기 오스테나이트의 결정립계에 존재하는 탄화물은 면적분율로 4% 이하일 수 있다.
상기 탄화물의 면적분율이 4%를 초과하면, 오스테나이트의 결정립계에 석출하여 입계 파단 및 피로 균열 전파의 경로가 되어 저온 인성 및 내피로성을 감소시킬 수 있다.
상기 저온용강은 오스테나이트 및 탄화물 이외에 존재 가능한 조직으로 MnS, Al2O3, 페라이트, ε-마르텐사이트 등을 포함할 수 있다.
본 개시의 피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 저온용강은 피로균열의 전파 경로가 되는 결정립계의 탄화물을 제어하고, 합금 성분 및 오스테나이트 결정립의 크기를 조절함으로써, 상기 저온용강의 적층결함에너지를 제어하고, 면상 슬립(planar slip)이 일어나도록 조장할 수 있다.
이로 인해, 저온에서 피로균열이 진전되는 것을 억제할 수 있는 강도 및 피로균열저항성이 우수한 저온용강을 제공할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 개시를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 개시를 상세하게 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 개시의 권리범위를 한정하지 않는다.
(실시예)
하기 표 1의 성분 및 성분의 함량을 만족하는 슬라브를 이용하여 통상의 제조공정을 통해 열간압연 강판을 제조한 후, C-SFE, S-SFE, T-SFE, 미세조직, -196℃에서의 충격인성, -163℃에서의 피로균열성장 실험을 실시한 후, △Kth을 측정하여 하기 표 2 및 표 3에 나타내었다.
상기 △Kth는 피로균열성장속도와 응력확대계수범위 그래프에서 피로균열이 성장하지 않는 문턱응력 확대계수 범위의 값을 말한다.
구분 C Mn Cu Cr Ni Mo B Si Al N
비교예 1 0.26 17.03 - - - - - - - 0.009
비교예 2 0.28 30.6 0.12 1.2 - - - - - 0.13
비교예 3 1.2 18.6 - 2.5 - - - - - 0.007
비교예 4 0.56 21.5 0.7 0.59 1.2 - - - 0.8 0.005
비교예 5 0.63 23.1 0.54 2.23 - - - - 1.5 0.11
실시예 1 0.65 18.2 0.2 0.5 - - 0.003 - 0.42 0.008
실시예 2 0.47 24.6 0.13 3.4 - 0.42 - - - 0.012
실시예 3 0.41 27 0.2 1.06 - - - 0.3 0.85 0.021
실시예 4 0.61 18.13 1.5 1.25 0.7 - 0.004 - - 0.019
실시예 5 0.28 29.4 0.2 1.5 - 0.5 0.003 0.25 - 0.09
구분 23.6C+Mn
(중량%)		 33.5C-Mn
(중량%)		 28.5C+4.4Cr
(중량%)		 C-SFE
(mJ/m2)		 S-SFE
(mJ/m2)		 T-SFE
(mJ/m2)
비교예 1 23.2 -8.3 7.4 -6.8 5.5 -1.3
비교예 2 37.2 -21.2 13.3 35.8 6.8 42.6
비교예 3 46.9 21.6 45.2 72.2 7.1 79.3
비교예 4 34.7 -2.7 18.6 34.0 6.4 40.4
비교예 5 38.0 -2.0 27.8 52.9 6.6 59.5
실시예 1 33.5 3.6 20.7 24.1 1.1 25.2
실시예 2 35.7 -8.9 28.4 31.0 0.5 31.5
실시예 3 36.7 -13.3 16.3 30.6 1.3 31.9
실시예 4 32.5 2.3 22.9 24.9 0.4 25.3
실시예 5 36.0 -20.0 14.6 34.7 1.1 35.8
구분
 미세조직
 항복강도
(MPa)		 -163℃
△Kth 값
(MPa√m)		 모재충격치
(J, -196℃)
오스테나이트 면적분율(%) 탄화물
면적분율(%)		 기타조직
면적분율(%)
비교예 1 52 0 48 320 5.0 23
비교예 2 100 0 0 358 6.0 140
비교예 3 94 5.5 0.5 462 5.0 11
비교예 4 99.5 0 0.5 375 4.8 162
비교예 5 98.6 1.2 0.2 481 5.3 152
실시예 1 99.7 0 0.3 441 11.6 148
실시예 2 99.4 0 0.6 465 12.7 161
실시예 3 99.6 0 0.4 428 11.4 168
실시예 4 99.5 0 0.5 450 13.1 158
실시예 5 99.3 0 0.7 444 10.9 162
상기 표 1 내지 표3에서 실시예 1 내지 5는 본 개시에서 제어하는 성분계 및 조성범위를 만족하는 저온용강이다.
상기 실시예 1 내지 5는 미세조직 내 오스테나이트의 면적분율이 95%이상을 만족하고, 탄화물은 4% 미만을 만족하는 안정한 오스테나이트가 얻어지며, 극저온에서 우수한 인성을 얻을 수 있음을 나타내었다.
또한, 본 개시에서 제어하는 적층결함에너지(T-SFE)의 범위를 만족함으로써, 평면슬립이 조장되어 내피로 특성이 향상된 것을 알 수 있었다.
비교예 1은 탄소 및 망간이 본 개시에서 제어하는 범위를 만족하지 않음으로써, 불안정한 오스테나이트 및 ε-마르텐사이트 등이 형성되어 저온 충격 인성이 감소한 것을 확인하였다.
또한, 비교예 2 내지 5는 적층결함에너지가 본 개시에서 제어하는 범위를 만족하지 못하여, 평면슬립이 충분히 일어나지 않아 피로 특성이 감소한 것을 확인할 수 있었다.
도 1a는 비교예 3의 피로균열시험 후 크랙전파경로를 나타낸 전자 현미경 사진이며, 도 1b는 실시예 3의 피로균열시험 후 크랙전파경로를 나타낸 전자 현미경 사진이다.
상기 피로균열시험은 -163℃에서 실시하였으며, 도 1a은 비교예 3의 크랙전파경로 사진이며, 도 1b는 실시예 3의 크랙전파경로 사진이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 비교예 3은 하나의 선으로 일정하게 크랙이 형성되어 피로균열이 쉽게 전파될 수 있으며, 실시예 3은 여러 방향으로 크랙이 형성되어 크랙이 전파되는 것을 막아줄 수 있음을 확인할 수 있다.
즉, 실시예 3은 비교예 3과 비교하여 피로균열이 쉽게 전파되지 않음을 알 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 자에게 있어서는 본 개시의 기본적인 사상의 범주 내에서 본 개시를 다양하게 수정 및 변경이 가능하며, 또한, 본 개시의 권리범위는 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 함을 명시한다.

Claims (5)

  1. 망간(Mn): 15~35중량%, 탄소(C): 23.6C+Mn≥28 및 33.5C-Mn≤23 (0중량% 제외)의 조건을 만족하는 범위, 구리(Cu): 5중량% 이하(0중량% 제외), 크롬(Cr): 28.5C+4.4Cr≤57 (0중량% 제외)의 조건을 만족하는 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% 제외), 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 관계식 1의 적층결함에너지 T-SFE가 40mJ/m2이하인 피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 저온용강.
    (관계식 1)
    T-SFE(mJ/m2) = C-SFE(C, mJ/m2) + S-SFE(mJ/m2)
    (관계식 2)
    C-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
    (관계식 3)
    S-SFE(mJ/m2) = 20.073×EXP(-0.054*AGS)
    [단, 각 수식의 Mn, C, Cr, Si, Al, Ni, Mo 및 N 은 각 성분함량의 중량%를 의미하며, AGS는 오스테나이트 결정립크기의 μm를 의미함]
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저온용강의 오스테나이트 결정립의 크기는 5μm 내지 150μm인 피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 저온용강.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저온용강은 400MPa 이상의 항복강도를 갖는 피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 저온용강.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저온용강의 미세조직은 오스테나이트를 면적분율로 96% 이상 포함하는 피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 저온용강.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오스테나이트의 결정립계에 존재하는 탄화물은 면적분율로 4% 이하인 피로균열저항성이 우수한 오스테나이트계 저온용강.
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