KR20160126368A - 고장력강 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR20160126368A
KR20160126368A KR1020150057346A KR20150057346A KR20160126368A KR 20160126368 A KR20160126368 A KR 20160126368A KR 1020150057346 A KR1020150057346 A KR 1020150057346A KR 20150057346 A KR20150057346 A KR 20150057346A KR 20160126368 A KR20160126368 A KR 20160126368A
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현대제철 주식회사
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Abstract

고장력강 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 고장력강 및 그 제조방법은 최적의 합금성분 조성비와 압연 온도제어를 통해 우수한 극저온 충격인성 특성을 갖고 강재의 미세조직을 균일하게 하여 저온인성 및 고강도 특성을 향상시키며, 인장강도 520~550MPa, 항복강도 390~410MPa과 -60℃에서 충격인성 280~340J을 확보할 수 있고, 특히 용접시 열영향부에서는 -60℃에서 120~400J의 충격인성 특성을 갖기 때문에 LPG/NH3 탱크용 50kg급 TMCP강재로 최적화된 효과가 있다.

Description

고장력강 및 그 제조방법{HIGH STRENGTH STEEL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 고장력강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 최적의 합금성분 조성비와 압연 온도제어를 통해 우수한 극저온 충격인성 특성을 구현한 고장력강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 액화가스 운반선의 건조량이 증가함에 따라 그에 사용되는 화물 탱크용 강재의 사용량이 증가되고 있다. 이에따라, 그 적용 강재는 일반 강재와 달리 저온 특성 및 다양한 요구사항을 만족해야 한다. 특히, 암모니아(NH3)를 산적하는 탱크에 사용되는 강재는 액화 암모니아와 강재가 직접 닿기 때문에 H2S로 인한 응력부식균열(Stress Corrosion Carcking)을 발생시킬 수 있다. 이때문에 카고탱크(Cargo Tank)용으로 사용되는 저온용 강재는 설계단계시 최소 항복응력이 440MPa이하로 제한 및 항복강도-인장강도 비율(YR비)을 85% 이하로 제한하고 있다. 설계항복강도보다 높을시에는 추가적인 응력제거 열처리를 요구하고 있다. 또한, 일반 구조용 강재보다 사용 두께가 얇아 엄격한 두께공차를 요구하고 있다. 이러한 제약조건을 만족하기 위해서는 암모니아/LPG 산적용 강재의 제조시 높은 제어압연기술을 요구되어진다. 관련 선행기술로 대한민국 등록특허공보 제10-0643361호(2006.11.10. 저항복비 석출강화형 라인파이프 강재의 제조방법)가 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면 최적의 합금성분 조성비와 압연 온도제어를 통해 우수한 극저온 충격인성 특성을 갖는 고장력강의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면에 의하면 강재의 미세조직을 균일하게 하여 저온인성 및 고강도 특성을 향상시킨 고장력강의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면 인장강도 520~550MPa, 항복강도 390~410MPa과 -60℃에서 충격인성 280~340J을 확보할 수 있고, 특히 용접시 열영향부에서는 -60℃에서 120~400J의 충격인성을 갖는 고장력강을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 LPG/NH3 탱크용 50kg급 TMCP강재로 최적화된 특성을 지니는 고장력강을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타 해결하고자 하는 과제들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고장력강의 제조방법은 a) 중량%로, C : 0.05 ~ 0.10%, Si : 0.05 ~ 0.20%, Mn : 0.90 ~ 1.6%, P : 0 초과 ~ 0.01% 이하, S : 0 초과 ~ 0.005% 이하, Al : 0.02 ~ 0.05%, Ni : 0.2 ~ 1.0%, Cu : 0.1 ~ 0.5%, Nb : 0.005 ~ 0.03%, Ti : 0.01 ~ 0.02% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1100 ~ 1200℃로 재가열하는 단계; b) 상기 재가열된 슬라브 판재를 오스테나이트 재결정 영역에서 1차 압연하는 단계; c) 상기 1차 압연된 판재를 오스테나이트 미재결정 영역에서 2차 압연하는 단계; 및 d) 상기 2차 압연된 판재를 10 ~ 20℃/sec의 속도로 400 ~ 550℃까지 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 구체예에서, 상기 슬라브 판재는 Ceq : 0.3 ~ 0.4 를 갖는 것을 특징으로 한다.
일 구체예에서, 상기 고장력강은, 최종 미세조직이 침상 페라이트 및 베어나이트를 포함하는 복합조직을 갖고, 상기 침상 페라이트 및 베어나이트의 평균 결정립 크기가 0.1 내지 15㎛ 인 것을 특징으로 한다.
일 구체예에서, 상기 슬라브 판재는, 하기 수학식 1을 만족하는 범위에서, 상기 구리(Cu) 및 니켈(Ni)을 포함하는 것을 특징으로 한다 :
[수학식 1]
[Cu] : [Ni] = 1 : 1.5 내지 1 : 3.0
(여기서, 상기 [ ]는 각 원소의 중량%임)
일 구체예에서, 상기 슬라브 판재는, 하기 수학식 2을 만족하는 범위에서, 상기 Si(실리콘) 및 니오븀(Ni)을 포함하는 것을 특징으로 한다 :
[수학식 2]
[Si] + [Nb] : Ceq ≥ 1 : 1.5 내지 1 : 2
(여기서, 상기 [ ]는 각 원소의 중량%임)
상기 다른 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고장력강은 중량%로, C : 0.05 ~ 0.10%, Si : 0.05 ~ 0.20%, Mn : 0.90 ~ 1.6%, P : 0 초과 ~ 0.01% 이하, S : 0 초과 ~ 0.005% 이하, Al : 0.02 ~ 0.05%, Ni : 0.2 ~ 1.0%, Cu : 0.1 ~ 0.5%, Nb : 0.005 ~ 0.03%, Ti : 0.01 ~ 0.02% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 수학식 1을 만족하는 범위에서, 상기 구리(Cu) 및 니켈(Ni)을 포함하는 것을 특징으로 한다 :
[수학식 1]
[Cu] : [Ni] = 1 : 1.5 내지 1 : 3.0
(여기서, 상기 [ ]는 각 원소의 중량%임)
일 구체예에서, 상기 고장력강은, 하기 수학식 2을 만족하는 범위에서, 상기 Si(실리콘) 및 니오븀(Ni)을 포함하는 것을 특징으로 한다 :
[수학식 2]
[Si] + [Nb] : Ceq ≥ 1 : 1.5 내지 1 : 2
(여기서, 상기 [ ]는 각 원소의 중량%임)
일 구체예에서, 상기 고장력강은, -60℃에서의 충격흡수에너지가 120 ~ 400J 인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 고장력강 및 그 제조방법은 최적의 합금성분 조성비와 압연 온도제어를 통해 우수한 극저온 충격인성 특성을 갖고 강재의 미세조직을 균일하게 하여 저온인성 및 고강도 특성을 향상시키며, 인장강도 520~550MPa, 항복강도 390~410MPa과 -60℃에서 충격인성 280~340J을 확보할 수 있고 특히, 용접시 열영향부에서는 -60℃에서 120~400J의 충격인성 특성을 갖기 때문에 LPG/NH3 탱크용 50kg급 TMCP강재로 최적화된 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강 및 그 제조방법을 개략적으로 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강 및 그 제조방법을 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의한 합금성분(Si)별 항복비(YR비)의 영향을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의한 합금성분(Nb)별 항복비(YR비)의 영향을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 출원의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해 질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 출원에서 서술되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 기술되는 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 방법 또는 제조방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
고장력강
본 발명의 하나의 관점은 중량%로, C : 0.05 ~ 0.10%, Si : 0.05 ~ 0.20%, Mn : 0.90 ~ 1.6%, P : 0 초과 ~ 0.01% 이하, S : 0 초과 ~ 0.005% 이하, Al : 0.02 ~ 0.05%, Ni : 0.2 ~ 1.0%, Cu : 0.1 ~ 0.5%, Nb : 0.005 ~ 0.03%, Ti : 0.01 ~ 0.02% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 수학식 1을 만족하는 범위에서, 상기 구리(Cu) 및 니켈(Ni)을 포함하는 고장력강에 관한 것이다 :
[수학식 1]
[Cu] : [Ni] = 1 : 1.5 내지 1 : 3.0
(여기서, 상기 [ ]는 각 원소의 중량%임)
상기 본 발명의 고장력강은 인장강도 520~550MPa, 항복강도 390~410MPa과 -60℃에서 충격인성 280~340J을 확보할 수 있고, 특히 용접시 열영향부에서는 -60℃에서 120~400J의 충격인성 특성을 구현할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 고장력강에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소(C)
상기 탄소(C)는 오스테나이트 안정화 원소로써 고장력강에서 펄라이트 조직과 페라이트 내부에 탄화물을 최소화시키고 결정립을 미세화시킬 수 있다. 복합 석출물의 재고용이 고장력강의 소둔과정에서 부분적으로 재용해되어 10~30㎛ 정도의 미세 결정립 또는 결정립계에 나타나고 마르텐사이트(Martensite)를 20%이하로 제한함으로써 성형성에 좋은 집합조직을 발달시킬 수 있다.
상기 탄소(C)는 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강 전체 100중량%에 대하여 0.05~0.10중량%로, 예를들어, 0.06~0.09중량%로, 예를들어 0.07~0.08중량%로 포함될 수 있다. 상기 탄소(C)의 함량이 0.05 중량% 미만으로 첨가될 경우, 임계온도 영역에서 안정한 오스테나이트를 확보하지 못하여 냉각 후 적절한 마르텐사이트 분율이 생성되지 않기 때문에 강도 확보가 곤란한 문제가 있고, 상기 탄소(C) 함량이 0.10중량% 초과로 첨가될 경우, 강판의 강도는 증가하나 연성 확보가 어렵고 용접성을 악화시키는 문제가 있다.
또한, 하기의 수학식 3으로 정의되는 탄소당량(Ceq, carbon equivalent)은 Ceq : 0.3 ~ 0.4, 예를들어, Ceq : 0.32 ~ 0.39, 예를들어, Ceq : 0.35 ~ 0.38을 만족하는 것이 바람직하다 :
[수학식 3]
Ceq = [C] + [Mn]/6 + ([Cu] + [Ni])/15 + ([Cr] + [Mo] + [V])/5
(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
상기 Ceq 값이 0.3 미만일 경우, 본 발명의 목적 구현을 위한 강도 확보가 곤란한 문제가 있고, 상기 Ceq 값이 0.4 초과일 경우, 연성 확보가 어렵고 용접성을 약화시키는 문제가 있다.
실리콘(Si)
상기 실리콘(Si)은 페라이트 안정화 원소로써 고용강화에 의하여 강도를 증가시킬 뿐만 아니라 연속소둔 단계에서 시멘타이트의 석출을 억제하고, 탄소(C)가 오스테나이트로 농화되는 것을 촉진하여 냉각시 마르텐사이트 형성 및 연성 향상에 기여할 수 있다.
상기 실리콘(Si)은 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강 전체 100중량%에 대하여 0.05~0.20중량%로, 예를들어, 0.08~0.15중량%로, 예를들어 0.10~0.12중량%로 포함될 수 있다. 상기 실리콘(Si)의 함량이 0.05중량% 미만으로 첨가될 경우, 실리콘 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없어서 오스테나이트 안정화 효과가 미미할 수 있고, 상기 실리콘(Si)의 함량이 0.20중량% 초과로 첨가될 경우, 표면 선상의 열화로 실리콘 산화물이 농화되어 용접성 및 도금성이 매우 열화되는 문제가 있다.
한편, 상기 Si(실리콘)와 후술하는 니오븀(Ni)은 하기 수학식 2를 만족하는범위로 포함되는 것이 보다 바람직하다 :
[수학식 2]
[Si] + [Nb] : Ceq ≥ 1 : 1.5 내지 1 : 2
(여기서, 상기 [ ]는 각 원소의 중량%임)
본 발명의 일 구체예에서, 상기 실리콘과 니오븀의 함량 합계와 Ceq 값의 함량비가 1 : 1.5 미만일 경우, 본 발명의 목적 구현 효과가 미미하고, 상기 실리콘과 니오븀의 함량 합계와 Ceq 값의 함량비가 1 : 1.2 초과일 경우, 항복강도 제어 및 YR비 제어가 곤란한 문제가 있다.
망간(Mn)
상기 망간(Mn)은 오스테나이트 안정화 성분으로써 상온으로 냉각하는 동안 마르텐사이트 조직으로 안정하게 생성할 수 있다. 상기 망간(Mn)은 고용강화에 의하여 강도를 향상시키는 효과와 강중에서 황(S)과 결합하여 MnS 개재물을 형성하여 슬라브의 열간 균열을 방지할 수 있다.
상기 망간(Mn)은 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강 전체 100중량%에 대하여 0.90~1.6중량%로, 예를들어, 1.1~1.4중량%로, 예를들어 1.2~1.3중량%로 포함될 수 있다. 상기 망간(Mn)의 함량을 0.9중량% 미만으로 첨가할 경우, 오스테나이트에서 펄라이트(pearlite) 상으로의 변태를 지연시키기 어렵고, 상기 망간(Mn)의 함량을 1.6중량% 초과로 첨가할 경우, 비교적 고가인 망간(Mn)의 사용량 증가로 비용이 상승할 뿐만 아니라 용접성 및 성형성을 열화시키는 문제가 있다.
인(P)
상기 인(P)은 고용강화에 의하여 강도를 증가시키는 원소로써 실리콘(Si)과 함께 첨가할 경우 시멘타이트 석출을 억제시키고 오스테나이트로 탄소 농화를 촉진시킬 수 있으나, 저온 충격인성을 저하시키는 대표적인 원소로 그 함량이 낮으면 낮을수록 좋다.
상기 인(P)은 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강 전체 100중량%에 대하여 0 초과 ~ 0.01중량% 이하로, 예를들어, 0 초과 ~ 0.005중량% 이하로, 예를들어 0 초과 ~ 0.001중량% 이하로 포함될 수있다. 상기 인(P)의 함량을 0.01중량% 초과로 첨가할 경우, 2차 가공취성 문제를 유발하고 아연도금의 밀착성을 저하시켜 합금화 성질을 저하시키는 문제가 있다.
황(S)
상기 황(S)은 상기 인(P)과 함께 불가피하게 함유되는 불순물로써, 강의 인성 및 용접성을 저해하고 망간(Mn)과 결합하여 MnS 비금속 개재물을 형성함으로써 강의 가공 중 크랙을 발생시키는 원소이다. 따라서, 이론상 그 함량을 0%로 제한하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없으므로 상한을 관리하는 것이 중요하다.
상기 황(S)은 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강 전체 100중량%에 대하여 0 초과 ~ 0.005중량% 이하로, 예를들어, 0 초과 ~ 0.003중량% 이하로, 예를들어 0 초과 ~ 0.001중량% 이하로 포함될 수 있다. 상기 황(S)의 함량을 0.005중량% 초과로 첨가할 경우, 강의 인성 및 용접성을 저해하고 망간(Mn)과 결합하여 MnS 비금속 개재물을 형성함으로써 강의 가공 중 크랙을 발생할 수 있는 문제가 있다.
알루미늄(Al)
상기 알루미늄(Al)은 탈산재로 사용되는 동시에 실리콘(Si)과 같이 시멘타이트 석출을 억제하고 오스테나이트를 안정화하는 역할을 하는 원소이다. 상기 알루미늄은 열연 강판의 결정립계와 탄화물을 미세하게 만들기 때문에 강 중의 불필요한 고용 질소(N)를 AlN으로 석출시켜 강도를 상승시킬 수 있다.
상기 알루미늄(Al)은 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강 전체 100중량%에 대하여 0.02~0.05중량%로, 예를들어, 0.03~0.04중량%로, 예를들어, 0.033~0.037중량%로 포함될 수 있다. 상기 알루미늄(Al)의 함량이 0.02중량% 미만으로 첨가될 경우, 오스테나이트 안정화 효과가 미미할 수 있고, 상기 알루미늄(Al)의 함량이 0.05중량% 초과로 첨가될 경우, 제강시 노즐 막힘, 주조시 Al 산화물 등에 의하여 열간 취성과 연성이 저하되는 문제가 있다.
니켈(Ni)
상기 니켈(Ni)은 결정립을 미세화하고 오스테나이트 및 페라이트에 고용되어 기지를 강화시키고, 특히, 저온 충격인성을 향상시키는데 효과적인 역할을 수행한다.
상기 니켈은 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강 전체 100중량%에 대하여 0.2~1.0중량%로, 예를들어, 0.4~0.8중량%로, 예를들어, 0.5~0.7중량%로 포함될 수 있다. 상기 니켈(Ni)의 함량이 0.2중량% 미만으로 첨가될 경우, 니켈 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없고, 상기 니켈(Ni)의 함량이 1.0중량% 초과로 첨가될 경우, 적열취성을 유발하는 문제가 있다.
한편, 상기 니켈(Ni)과 후술하는 구리(Cu)는 하기 수학식 1을 만족하는 범위로 첨가되는 것이 보다 바람직하다 :
[수학식 1]
[Cu] : [Ni] = 1 : 1.5 내지 1 : 3.0
(여기서, 상기 [ ]는 각 원소의 중량%임)
본 발명의 일 구체예에서, 상기 구리의 함량과 니켈의 함량비가 1 : 1.5 미만일 경우, 상기 원소의 첨가를 통한 본 발명의 목적 구현 효과가 미미하고, 상기 구리의 함량과 니켈의 함량비가 1 : 3.0 초과일 경우, 강도 및 저온인성 향상이 어려운 문제가 있다.
구리(Cu)
상기 구리(Cu)는 니켈(Ni)과 함께 강의 경화능 및 저온 충격인성을 향상시키는 역할을 수행한다.
상기 구리(Cu)는 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강 전체 100중량%에대하여 0.1~0.5중량%로, 예를들어, 0.2~0.4중량%로, 예를들어, 0.25~0.35중량%로 포함될 수 있다. 상기 구리(Cu)의 함량이 0.1중량% 미만으로 첨가될 경우, 구리의 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없고, 상기 구리(Cu)의 함량이 0.5중량% 초과로 첨가될 경우, 고용 한도를 초과하기 때문에 더 이상의 강도 증가에 기여하지 못하며 적열취성을 유발하는 문제가 있다.
한편, 상기 구리(Cu)와 전술한 니켈(Ni)은 하기 수학식 1을 만족하는 범위로 첨가되는 것이 보다 바람직하다 :
[수학식 1]
[Cu] : [Ni] = 1 : 1.5 내지 1 : 3.0
(여기서, 상기 [ ]는 각 원소의 중량%임)
본 발명의 일 구체예에서, 상기 구리의 함량과 니켈의 함량비가 1 : 1.5 미만일 경우, 상기 원소의 첨가를 통한 본 발명의 목적 구현 효과가 미미하고, 상기 구리의 함량과 니켈의 함량비가 1 : 3.0 초과일 경우, 강도 및 저온인성 향상이 어려운 문제가 있다.
니오븀(Nb)
상기 니오븀(Nb)은 고온에서 탄소(C) 및 질소(N)와 결합하여 탄화물 또는 질화물을 형성한다. 니오븀계 탄화물 또는 질화물은 압연시 결정립 성장을 억제하여 결정립을 미세화시킴으로써 강판의 강도와 저온인성을 향상시킨다.
상기 니오븀(Nb)은 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강 전체 100중량%에 대하여 0.005~0.03중량%로, 예를들어, 0.01~0.025중량%로, 예를들어 0.015~0.02중량%로 포함될 수 있다. 상기 니오븀(Nb)의 함량이 0.005중량% 미만으로 첨가될 경우, 니오븀 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없고, 상기 니오븀(Nb)의 함량이 0.03중량% 초과로 첨가될 경우, 강판의 용접성을 저하시키고, 니오븀 함량 증가에 따른 강도와 저온인성은 더 이상 향상되지 않고 페라이트 내에 고용된 상태로 존재하여 오히려 충격인성을 저하시킬 위험이 있다.
한편, 상기 니오븀(Ni)과 전술한 Si(실리콘)는 하기 수학식 2를 만족하는 범위로 포함되는 것이 보다 바람직하다 :
[수학식 2]
[Si] + [Nb] : Ceq ≥ 1 : 1.5 내지 1 : 2
(여기서, 상기 [ ]는 각 원소의 중량%임)
본 발명의 일 구체예에서, 상기 실리콘과 니오븀의 함량 합계와 Ceq 값의 함량비가 1 : 1.5 미만일 경우, 본 발명의 목적 구현 효과가 미미하고, 상기 실리콘과 니오븀의 함량 합계와 Ceq 값의 함량비가 1 : 1.2 초과일 경우, 항복강도 제어 및 YR비 제어가 곤란한 문제가 있다.
티타늄(Ti)
상기 티타늄(Ti)은 슬라브 재가열시 TiN을 형성하여 오스테나이트 결정립 성장을 억제하여 강판의 조직을 미세화하는 역할을 한다.
상기 티타늄(Ti)은 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강 전체 100중량%에 대하여 0.01~0.02중량%로, 예를들어, 0.012~0.018중량%로, 예를들어, 0.014~0.016중량%로 포함될 수 있다. 상기 티타늄(Ti)의 함량이 0.01중량% 미만으로 첨가될 경우, 티타늄의 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없고, 상기 티타늄(Ti)의 함량이 0.02중량% 초과로 첨가될 경우, TiN 석출물이 조대해져 결정립 성장을 억제하는 효과가 저하되는 문제가 있다.
기타 불순물
질소(N)는 그밖에 불가피하게 포함되는 대표적인 불순물로써, 다량 첨가시 고용 질소가 증가하여 강의 연신율 및 성형성을 떨어뜨리는 문제가 있다. 따라서, 상기 질소(N)는 본 발명의 일 구체예에 의한 냉연강판 전체 100중량%에 대하여 예를들어 0.001중량% 미만으로 제한하여 포함될 수 있다.
상기 고장력강은 최종 미세조직이 침상 페라이트 및 베어나이트를 포함하는 복합조직을 갖고, 상기 침상 페라이트 및 베어나이트의 평균 결정립 크기가 0.1 내지 15㎛, 예를들어, 0.5 내지 10㎛, 예를들어, 1 내지 5㎛ 일 수 있다. 상기 평균 결정립 크기 범위에서, 연신율 증가에 기여하고 굽힘성 개선이 현저한 효과가 있다.
상기 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강에서, 상기 침상 페라이트의 평균 상간거리는 1.4~4.7㎛, 상기 베어나이트의 평균 구상화율(세로/가로)은 0.3~1.2일 수 있다. 예를들어, 상기 침상 페라이트의 평균 상간거리는 2.5~4.0㎛, 상기 베어나이트의 평균 구상화율(세로/가로)은 0.5~0.8일 수 있다. 상기 범위에서 구상에 가까운 형상을 유지함으로써 내부에서 형성된 크랙의 전파를 지연시켜 굽힘 가공성을 향상시키는 효과가 있다.
상기 고장력강은 -60℃에서의 충격흡수에너지가 120~400J 일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 본 발명의 고장력강은 인장강도 520~550MPa, 항복강도 390~410MPa과 -60℃에서 충격인성 280~340J을 확보할 수 있고, 특히 용접시 열영향부에서는 -60℃에서 120J~400J의 충격인성 특성을 구현할 수 있다.
상기 특성 범위에서, 암모니아(NH3)를 산적하는 탱크에 사용되는 강재가 액화 암모니아와 강재가 직접 닿기 때문에 H2S로 인한 응력부식균열(Stress Corrosion Carcking)을 발생되는 문제를 최소화하고, 또한, 카고탱크(Cargo Tank)용으로 사용되는 저온용 강재가 설계단계시 최소 항복응력이 440MPa이하로 제한되고 항복강도-인장강도 비율(YR비)을 85% 이하로 제한되는 문제를 저감하며, 또한, 설계항복강도보다 높을시 추가적인 응력제거 열처리가 요구되고 일반 구조용 강재보다 사용 두께가 얇아 엄격한 두께공차가 요구되는 제어 조건을 적절히 조절할 수 있는 장점이 있다. 이를 통해, 본 발명의 일 구체예에 의한 극저온 충격인성이 우수한 LPG/NH3 탱크용 50kg급 TMCP강재인 고장력강을 구현할 수 있다.
고장력강의 제조방법
본 발명의 다른 하나의 관점은 a) 중량%로, C : 0.05 ~ 0.10%, Si : 0.05 ~ 0.20%, Mn : 0.90 ~ 1.6%, P : 0 초과 ~ 0.01% 이하, S : 0 초과 ~ 0.005% 이하, Al : 0.02 ~ 0.05%, Ni : 0.2 ~ 1.0%, Cu : 0.1 ~ 0.5%, Nb : 0.005 ~ 0.03%, Ti : 0.01 ~ 0.02% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1100 ~ 1200℃로 재가열하는 단계; b) 상기 재가열된 슬라브 판재를 오스테나이트 재결정 영역에서 1차 압연하는 단계; c) 상기 1차 압연된 판재를 오스테나이트 미재결정 영역에서 2차 압연하는 단계; 및 d) 상기 2차 압연된 판재를 10 ~ 20℃/sec의 속도로 400 ~ 550℃까지 냉각하는 단계;를 포함하는 고장력강의 제조방법에 관한 것이다. 상기 각 성분인 C, Si, Mn, P, S, Al, Ni, Cu, Nb, Ti 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물 및, 그 함량비 등은 모두 전술한 바와 같다.
이하, 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강의 제조방법에 대하여 개략적으로 나타낸 공정 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강의 제조방법을 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 상기 고장력강의 제조방법은 슬라브 재가열 단계(S110), 1차 압연 단계(S120), 2차 압연 단계(S130) 및 냉각 단계(S140)를 포함한다. 상기 슬라브 재가열 단계(S110)는 반드시 수행되어야 하는 것은 아니나, 석출물의 재고용 등의 효과를 도출하기 위하여 실시하는 것이 더 바람직하다.
본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강의 제조방법에서 열연공정의 대상이 되는 반제품 상태의 슬라브 판재는 중량%로, C : 0.05 ~ 0.10%, Si : 0.05 ~ 0.20%, Mn : 0.90 ~ 1.6%, P : 0 초과 ~ 0.01% 이하, S : 0 초과 ~ 0.005% 이하, Al : 0.02 ~ 0.05%, Ni : 0.2 ~ 1.0%, Cu : 0.1 ~ 0.5%, Nb : 0.005 ~ 0.03%, Ti : 0.01 ~ 0.02% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
슬라브 재가열
상기 슬라브 재가열 단계(S110)에서는 상기 조성을 갖는 슬라브 판재를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1100 ~ 1200℃로, 예를들어 1120 ~ 1180℃로 재가열할 수 있다. 상기 슬라브 판재는 제강공정을 통해 원하는 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 얻어질 수 있다. 상기 슬라브 재가열 단계(S110)에서는 연속주조공정을 통해 확보한 슬라브 판재를 재가열하는 것을 통하여 주조시 편석된 성분을 재고용할 수 있다.
상기 슬라브 재가열 온도(SRT)가 1100℃ 미만일 경우, 재가열 온도가 낮아 압연 부하가 커지는 문제가 있고, 또한, Nb계 석출물인 NbC, NbN 등의 고용 온도에 이르지 못해 열간압연시 미세한 석출물로 재석출되지 못하여 오스테나이트의 결정립 성장을 억제하지 못해 오스테나이트 결정립이 급격히 조대화되는 문제점이 있다. 반면에, 상기 슬라브 재가열 온도가 1200℃ 초과일 경우, Ti 석출물(TiN)이 고용되어 오스테나이트 결정립 성장을 억제하지 못해 오스테나이트 결정립이 급격히 조대화되어 제조되는 강판의 강도 및 저온인성 확보가 어려운 문제점이 있다.
1차 압연
상기 1차 압연 단계(S120)에서는 상기 재가열된 슬라브 판재를 오스테나이트 재결정 영역에서 1차 압연한다. 상기 1차 압연은 오스테나이트 재결정 영역에 해당하는 900 ~ 950℃에서, 예를들어 910 ~ 940℃에서 실시될 수 있다.
상기 1차 압연 단계에서, 상기 1차 압연 종료온도가 900℃ 미만일 경우에는 혼립조직이 형성될 우려가 높아 최종 페라이트 결정립 크기의 불균일을 초래하여 저온인성을 저해할 수 있다. 반면에, 상기 2차 압연 종료온도가 950℃ 초과일 경우에는 충분한 압하율을 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 특히, 상기 온도범위는 재결정영역 직상인 온도구간 범위로써, 상기 범위에서, 본 발명의 목적 구현을 위해, 균일한 미세 오스테나이트 조직의 수득이 가능한 장점이 있다.
또한, 상기 1차 압연의 압하율은 후술되는 2차 압연의 누적 압하율에 따라 결정될 수 있다. 예를들어, 압연전 판재의 두께가 100mm, 제어압연 종료 후 두께가 40mm이고, 2차 압연의 누적압하율이 50%인 경우, 1차 압연 후의 판재 두께는 40mm로 저감됨을 감안하여 80mm가 되어야 한다. 따라서, 1차 압연의 압하율은 20%가 될 수 있다.
2차 압연
상기 2차 압연 단계(S130)에서는 상기 1차 압연된 판재를 오스테나이트 미재결정 영역에서 2차 압연한다. 이때, 2차 압연은 제어 압연이 적용되도록 복수의 압연 패스를 이용할 수 있다.
이때, 상기 2차 압연 종료온도는 Ar3 - 50℃ ~ Ar3 + 50℃일 수 있으며, 구체적으로 860 ~ 880℃를 제시할 수 있다. 2차 압연 종료온도는 강도 및 저온인성에 밀접한 연관성을 갖는다. 상기 2차 압연 종료온도가 Ar3 - 50℃ 미만일 경우에는 이상역압연이 발생하여 균일하지 못한 조직이 형성됨으로써 저온 충격인성을 크게 저하시킬 수 있다. 반대로, 2차 압연 종료온도가 Ar3 + 50℃ 초과일 경우에는 연성 및 인성은 우수하나, 강도가 급격히 저하되는 문제가 있다. 특히, 상기 온도범위는 재결정영역 직하인 온도구간 범위로써, 상기 범위에서, 본 발명의 목적 구현을 위해, 낮은 항복비의 수득이 가능한 장점이 있다.
이때, 상기 2차 압연은 미재결정 영역에서의 누적압하율이 40 ~ 60%가 되도록 실시될 수 있다. 2차 압연의 누적압하율이 40% 미만일 경우에는, 균일하면서도 미세한 조직을 확보하는 것이 어려워 중심부의 조직이 조대화되어 저온 충격 특성이 저하되는 문제가 있다. 반대로, 2차 압연의 누적압하율이 60% 초과일 경우에는, 압연 공정 시간이 길어져 생선성이 저하되는 문제가 있다.
한편, 상기 본 발명에서는 각 패스마다 충분한 압연이 이루어질 수 있도록, 각 패스당 평균 압하율은 10 ~ 30%가 되도록 실시하는 것이 바람직하다. 만일, 각 패스당 평균 압하율이 10% 미만으로 실시될 경우에는 두께 중심부까지 스트레인이 충분히 가해지지 못하여 냉각 후 미세한 결정립을 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 상기 각 패스당 평균 압하율이 30%를 초과할 경우에는 압연기의 부하로 인하여 제조가 불가능해지는 문제가 있다.
냉각
상기 냉각 단계(S140)에서는 상기 2차 압연이 완료된 판재를 가속냉각 방식으로 베이나이트 변태온도 영역에 해당하는 냉각종료온도인 400~500℃까지, 예를들어 420~480℃까지 냉각함으로써 결정립 성장을 억제한다.
상기 냉각 단계에서, 상기 냉각종료온도가 400℃ 미만일 경우, 저온변태조직이 다량형성되어 강도는 증가하나 저온 충격인성이 급격히 저하되는 문제점이 있다. 반면에, 상기 냉각종료온도가 500℃ 초과일 경우, 조대한 미세조직 형성으로 인하여 강도 확보가 불충분해지는 문제가 있다. 특히, 상기 온도 범위는, 최종 두께까지 압연 종료 후 중심부의 냉각속도를 증가시키기 위해 Spray Cooling 기술을 적용하여 냉각가능한 온도구간 범위로써, 상기 범위에서, 강재 내부의 미세조직이 충분한 냉각이될 수 있도록 제어하여 강도향상 및 저온충격인성을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 냉각 단계(S140)에서 냉각속도는 10 ~ 20℃/sec로, 예를들어, 12 ~ 18℃/sec로, 예를들어 14 ~ 16℃/sec로 실시하는 것이 바람직하다. 상기 냉각 속도가 10℃/sec 미만으로 실시될 경우, 강판의 두께 중심부의 결정립 성장이 촉진되어 강도 확보에 어려움이 따르고, 상기 냉각 속도가 20℃/sec 초과일 경우, 저온 충격인성이 급격히 저하되는 문제가 있다. 특히, 상기 냉각속도 범위에서 중심부까지 미세한 침상 페라이트의 상을 수득할 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 냉각 단계(S140) 이후에는 상온까지 공냉이 진행될 수 있다.
상기 과정(S110 ~ S140)으로 제조되는 고장력강은 합금성분 조절 및 공정조건제어를 통하여, 최종 미세조직이 침상페라이트 및 베이나이트를 포함하는 복합 조직을 가지며, 상기 침상 페라이트 및 베이나이트의 평균 결정립 크기가 0.1 내지 15㎛, 예를들어, 0.5 내지 10㎛, 예를들어, 1 내지 5㎛ 일 수 있다. 상기 평균 결정립 크기 범위에서, 연신율 증가에 기여하고 굽힘성 개선이 현저한 효과가 있다.
상기 본 발명의 일 구체예에 따른 고장력강 및 그 제조방법은 최적의 합금성분 조성비와 압연 온도제어를 통해 우수한 극저온 충격인성 특성을 갖고 강재의 미세조직을 균일하게 하여 저온인성 및 고강도 특성을 향상시키며, 인장강도 520~550MPa, 항복강도 390~410MPa과 -60℃에서 충격인성 280~340J을 확보할 수 있고, 특히 용접시 열영향부에서는 -60℃에서 120~400J의 충격인성 특성을 갖는 효과가 있다. 따라서, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 고장력강은 520~550 MPa의 인장강도(TS)를 가지면서도 극저온 충격인성이 우수하므로, 액화가스 산적운반선의 탱크 주위 선체구조용이나 냉동운반선용 판재로 널리 활용될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예
실시예 1
하기 표 1의 조건 성분을 포함하여 고장력강 시편을 제조하였고, 해당 시편을 통해 항복강도, 인장강도, 항복비 및 평균 충격인성 등 물성을 측정하였다.
실시예 2
하기 표 1의 조건에서 고장력강을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 방법으로 제조 후 물성을 측정하였다.
비교예 1 내지 3
하기 표 1의 조건에서 고장력강을 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 방법으로 제조 후 물성을 측정하였다.
  실시예1 실시예2 비교예1 비교예2 비교예3

C 0.080 0.060 0.060 0.070 0.070
Si 0.150 0.100 0.300 0.200 0.200
Mn 1.600 1.500 1.700 1.500 1.500
P 0.003 0.002 0.005 0.002 0.002
S 0.001 0.001 0.003 0.003 0.003
Al 0.035 0.030 0.033 0.031 0.031
Ni 0.300 0.500 0.300 0.500 0.800
Cu 0.200 0.200 0.300 0.300 0.200
Nb 0.020 0.015 0.030 0.025 0.025
Ti 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015
Ceq 0.380 0.357 0.383 0.373 0.373

어 
[Cu]:[Ni] 1 : 1.5 1 : 2.5 1 : 1 1 : 1.7 1 : 4.0
[Si]+[Nb] 0.170 0.115 0.330 0.225 0.225
([Si]+[Nb]):Ceq 1 : 2.2 1 : 3.1 1 : 1.2 1 : 1.7 1 : 1.7

슬라브 재가열 온도(℃) 1,100 1,170 1,150 1,130 1,140
압연종료온도
(℃)
828 963 934 855 860
압하율(%) 45% 45% 45% 45% 45%
열처리조건 TMCP TMCP TMCP TMCP TMCP
냉각속도(℃/s) 12.9 14.2 13.1 14.3 14.1

항복강도(Mpa) 407 387 466 434 451
인장강도(Mpa) 528 512 534 524 530
항복비(%) 77 76 87 83 85
평균 충격인성
(-60℃)
221 322 113 155 161
시험결과 : 물성평가
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의한 합금성분(Si)별 항복비(YR비)의 영향을 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 실시예 1에 의한 합금성분(Nb)별 항복비(YR비)의 영향을 나타낸 그래프이다.
도 3 내지 4를 참조하면, 본 발명의 일 구체예에 의한 실시예 1과 같이, 합금성분인 Si와 Nb에 따라 항복비(YR비)가 저하되는 바, 이를 통해 본원발명에 의할 경우, 인장강도(TS)가 520~550Mpa 값을 가지면서도 극저온 충격인성이 우수한 특성이 있음을 알 수 있다.
반면에, 비교예 1, 3에 의할 경우, [Cu]:[Ni] 값이 1 : 1.5 미만이거나(비교예 1), [Cu]:[Ni] 값이 1 : 3.0 초과일 경우(비교예 3), 항복비가 높고 평균 충격인성값이 본원발명의 실시예와 비교시 현저히 낮아져 문제가 있음을 알 수 있다. 또한, 비교예 1 내지 2와 같이, ([Si]+[Nb]) : Ceq 값이 1 : 1.5 내지 1 : 2 미만일 경우, 평균 충격인성값이 본원발명의 실시예와 비교시 현저히 낮고 항복강도가 높아짐을 알 수 있다.
상기 결과를 통해, 본 발명의 일 구체예에 의한 고장력강 및 그 제조방법은 최적의 합금성분 조성비와 압연 온도제어를 통해 우수한 극저온 충격인성 특성을 갖고 강재의 미세조직을 균일하게 하여 저온인성 및 고강도 특성을 향상시키며, 인장강도 520~550MPa, 항복강도 390~410MPa과 -60℃에서 충격인성 280~340J을 확보할 수 있고, 특히 용접시 열영향부에서는 -60℃에서 120~400J의 충격인성 특성을 갖기 때문에 LPG/NH3 탱크용 50kg급 TMCP강재로 최적화된 효과가 있음을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (8)

  1. a) 중량%로, C : 0.05 ~ 0.10%, Si : 0.05 ~ 0.20%, Mn : 0.90 ~ 1.6%, P : 0 초과 ~ 0.01% 이하, S : 0 초과 ~ 0.005% 이하, Al : 0.02 ~ 0.05%, Ni : 0.2 ~ 1.0%, Cu : 0.1 ~ 0.5%, Nb : 0.005 ~ 0.03%, Ti : 0.01 ~ 0.02% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1100 ~ 1200℃로 재가열하는 단계;
    b) 상기 재가열된 슬라브 판재를 오스테나이트 재결정 영역에서 1차 압연하는 단계;
    c) 상기 1차 압연된 판재를 오스테나이트 미재결정 영역에서 2차 압연하는 단계; 및
    d) 상기 2차 압연된 판재를 10 ~ 20℃/sec의 속도로 400 ~ 550℃ 까지 냉각하는 단계;를 포함하는, 고장력강의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    a) 단계에서,
    상기 슬라브 판재는 Ceq : 0.3 ~ 0.4 를 갖는 것을 특징으로 하는, 고장력강의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고장력강은,
    최종 미세조직이 침상 페라이트 및 베어나이트를 포함하는 복합조직을 갖고, 상기 침상 페라이트 및 베어나이트의 평균 결정립 크기가 0.1 내지 15㎛인 것을 특징으로 하는, 고장력강의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 슬라브 판재는,
    하기 수학식 1을 만족하는 범위에서, 상기 구리(Cu) 및 니켈(Ni)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고장력강의 제조방법 :
    [수학식 1]
    [Cu] : [Ni] = 1 : 1.5 내지 1 : 3.0
    (여기서, 상기 [ ]는 각 원소의 중량%임)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 슬라브 판재는,
    하기 수학식 2을 만족하는 범위에서, 상기 Si(실리콘) 및 니오븀(Ni)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고장력강의 제조방법 :
    [수학식 2]
    [Si] + [Nb] : Ceq ≥ 1 : 1.5 내지 1 : 2
    (여기서, 상기 [ ]는 각 원소의 중량%임)
  6. 중량%로, C : 0.05 ~ 0.10%, Si : 0.05 ~ 0.20%, Mn : 0.90 ~ 1. 6%, P : 0 초과 ~ 0.01% 이하, S : 0 초과 ~ 0.005% 이하, Al : 0.02 ~ 0.05%, Ni : 0.2 ~ 1.0%, Cu : 0.1 ~ 0.5%, Nb : 0.005 ~ 0.03%, Ti : 0.01 ~ 0.02% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 수학식 1을 만족하는 범위에서, 상기 구리(Cu) 및 니켈(Ni)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고장력강 :
    [수학식 1]
    [Cu] : [Ni] = 1 : 1.5 내지 1 : 3.0
    (여기서, 상기 [ ]는 각 원소의 중량%임)
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고장력강은,
    하기 수학식 2을 만족하는 범위에서, 상기 Si(실리콘) 및 니오븀(Ni)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고장력강 :
    [수학식 2]
    [Si] + [Nb] : Ceq ≥ 1 : 1.5 내지 1 : 2
    (여기서, 상기 [ ]는 각 원소의 중량%임)
  8. 제6항에 있어서,
    상기 고장력강은,
    -60℃에서의 충격흡수에너지가 120 ~ 400J 인 것을 특징으로 하는, 고장력강.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108943911A (zh) * 2018-05-29 2018-12-07 南京钢铁股份有限公司 一种tmcp型船用奥氏体不锈钢复合板及制备方法
CN110184528A (zh) * 2018-06-11 2019-08-30 江阴兴澄特种钢铁有限公司 一种高温模拟焊后热处理条件下具有优异性能的q345r钢板及其制造方法

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