KR20200130327A - 고장력 및 고인성강 - Google Patents

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마레츠 쿠자
베른하르트 코슐릭
랄프 호다
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발루렉 도이칠란트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 적어도 862 MPa(125 Ksi)의 항복 강도를 갖고, 특히 동상 및 해동 정착 사이클에 놓일 수 있는 엄격한 조건, 즉 빙점 이하의 온도에서 우수한 경도 및 인성 거동을 나타내는 합금강을 다룬다. 본 발명은 또한 상기 강을 포함하는 심리스 파이프 및 그 파이프의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

고장력 및 고인성강
본 발명은 적어도 862 MPa(125 Ksi)의 항복 강도를 갖고, 특히 동상 및 해동 정착 사이클(frost-heave 및 thaw settlement cycles)에 놓일 수 있는 엄격한 조건, 즉 빙점 이하의 온도에서 우수한 경도 및 인성(toughness) 거동을 나타내는 합금강을 다룬다.
특히, 본 발명의 강은, 특히 -60℃까지의 가혹한 환경 조건 및 사용 온도가 발생하는, 유정 및 가스정, 육상 또는 해상 용도, 유압 실린더로서의 기계적 용도를 위한 부속품에 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 강은 빙점 이하의 북극 용도(arctic applications)에 특히 적합하다.
본 발명은 또한, 상기 강을 포함하는 심리스 파이프(seamless pipe) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
북극권의 유전 및 가스전이 개발됨에 따라, 저온, 특히 최대 -60℃ 또는 -80℃까지의 빙점 이하의 사용 온도에서 큰 변형이 부과될 수 있는 온도에서, 양호하고 안정된 기계적 성질을 가지며 만족할만한 인성 거동을 나타내는 강으로 제조된 부속품에 대한 탐색이 촉진되고 있다.
이러한 용도에서는, 종래에 굴착 현장에서 사용될 수도 있는 심리스 파이프와 같은 다양한 제품을 제조하기 위하여, 고인장 강도(Ys) 및 극한 인장 강도(UTs)와 같은 우수한 기계적 성질과, -60℃와 같은 낮은 온도까지 우수한 충격 인성을 나타내는 강을 개발하려는 시도가 행해지고 있다.
API 5CT 표준은 최대 38.1mm(1.5")의 벽 두께의 강관에 대한 상세한 사양을 제공한다. 더 두꺼운 벽 두께(예컨대, 최대 76.2mm(3"))에 대해서는, 표준 요구조건이 없다.
그러나, 상기한 엄격한 조건에서는, 종래에 사용되는 것보다 더 고품질이고, 항복 강도 및 극한 인장 강도가 더 크며, -60℃ 또는 -80℃의 저온과 같이 빙점 이하의 온도에서 우수한 연성(ductility) 또는 인성(toughness) 성질을 나타내며 두꺼운 벽 두께에 적합한 강을 제조할 필요가 있다.
용접 파이프 또는 플레이트 제조의 경우 최대 690 MPa 등급, 혹은 그 이상의 등급의 강을 대상으로 한 성질은 약간 변경한 화학적 조성 및 열처리와 열기계적 압연의 조합에 의해 달성될 수 있는 반면에, 심리스 파이프에 필요한 성질은 제어된 압연 프로세스를 이용하고, 후속하여 잘 조정된 화학분석과 조합하여 소입(quenching) 및 소둔(tempering) 처리를 이용하여 달성하여야 한다.
소입 처리는 심리스 파이프의 마이크로조직에 마르텐사이트 상을 형성하여 그 강도를 개선한다.
상기 용도를 위한 열간 가공 심리스 파이프의 적당한 연성을 유지하면서 필요한 강도를 증대시키기 위해서는 새로운 합금화 개념을 개발할 필요가 있다. 특히, 항복 강도가 690 MPa를 초과하는 강의 경우, 종래의 합금화 개념 또는 종래의 프로세스로는, 저온의 사용 온도에서 적당한 고연성 또는 고인성을 실현하기가 곤란하다.
강도를 증대시키는 통상의 공지의 방법은 석출 경화의 프로세스에 기초하여, 종래의 합금화 개념 및/또는 마이크로 합금화 개념을 이용하여, 탄소 함량 또는 탄소 당량(carbon equivalent)을 증대시키는 것이다.
일반적으로 말하면, 티탄, 니오븀 및 바나듐과 같은 마이크로-합금화 원소는 강도를 증대시키기 위해 채용된다. 티탄은 매우 거친 질화티탄으로서, 고온에서 액상 중에 이미 부분적으로 석출한다. 니오븀은 저온에서 니오븀(C, N) 석출물을 형성한다. 온도가 더 낮아짐에 따라, 바나듐은 탄질화물의 형태로 탄소 및 질소와 함께 축적하고, VC-입자의 경우, 재료를 취화시킨다.
그럼에도 불구하고, 이러한 마이크로-합금화 원소의 극히 조대한 석출물은 종종 연성을 방해한다. 따라서, 이들 합금화 원소의 농도는 일반적으로 제한된다. 또한, 석출물의 형성을 위해 필요한 탄소 및 질소의 농도는 고려되어야 하고, 전체 화학적 조성의 정의를 복잡하게 한다.
따라서, 이러한 주지의 개념은 강의 연성 또는 인성을 열화시킬 수가 있다.
상기 단점을 해결하기 위하여, 마이크로-합금화 기법과 조합하여 고용 경화(solution hardening)에 의해 강도를 증가시키기에 적당한 원소의 추가에 기초한 새로운 합금화 개념을 적절히 조사하였다.
그러나, 상기 강으로 얻은 심리스 파이프는 매우 낮은 사용 온도, 특히 빙점 이하의 온도에서, 안정된 기계적 성질 및 만족스러운 연성 또는 인성 거동을 보이지 않으며, 따라서 이들 파이프를 북극 용례에 사용하는 것은 어렵고 지루하다.
실제로, 이러한 심리스 파이프의 경도는 벽 두께에 따라 현저히 감소하고, 이는 그 파이프의 마이크로조직, 특히 소입 단계중에 일어나는 마르텐사이트 변형이 특히 중간 벽 위치에서 균일하지 않다는 것을 의미한다. 이는 경도가 심리스 파이프의 두께에 따라 변동하여 엄격한 조건 하의 해상 용도에 사용하는 것을 심각하게 방해한다는 것을 의미한다.
또한, 전체 샘플 크기(10x10 mm)에 대한 샤르피(Charpy) 충격 시험 ASTM E23 - Type A에 따르면, 상기 강으로 얻은 심리스 파이프의 인성 값은 빙점 이하의 온도에서 현저히 떨어져, 북극 용도에의 잠재적인 사용을 저해한다.
예컨대, 전체 샘플 크기(10x10 mm)에 대한 샤르피 충격 시험 ASTM E23 - Type A에 따르면, 벽 두께가 약 40 내지 50mm인 이러한 강의 인성 값은 0℃ 내지 -40℃에서 거의 43% 감소하는데, 이는 이러한 강으로 얻은 심리스 파이프의 인성 거동이 빙점 이하의 온도에서 안정하지 않다는 것을 의미한다.
따라서, 빙점 이하의 사용 온도에서 우수하고 안정적인 기계적 성질 및 뛰어난 인성을 나타내는 북극 용례에 적합한 강을 제공할 현실적인 필요성이 있다.
더욱이, 본 발명의 목적 중 하나는 빙점 이하의 사용 온도가 발생하는 해상 용도, 라인 프로세스 파이프 및 기계적 용도에서 사용할 수 있는 심리스 파이프의 제조를 가능케 하는 강을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적 중 하나는 높은 항복 강도 및 극한 인장 강도를 갖고, 벽 두께 전체에 걸쳐 -60℃까지(횡방향)의 사용 온도에서 우수한 충격 성질을 가지며, 심리스 파이프의 경도 성질을 개선할 수 있는 강을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적 중 하나는 북극권에서 사용할 수 있도록 저온에서 우수하고 균일한 기계적 성질 및 높은 인성을 갖고, P110 또는 Q125 강종 제품(각각, 적어도 758 및　862 MPa의 항복 강도에 대응)보다도 더 높은 항복 강도를 갖는 강종 제품(grade steel product)을 제공하는 것이다.
더욱 구체적으로, 본 발명은 빙점 이하의 사용 온도에서 높은 인장 및 인성 성질을 갖는 심리스 파이프용 강을 제공하고자 하는 것이다.
따라서, 본 발명은 다음의 화학적 조성을 갖는(이하의 원소는 중량%) 심리스 파이프용 강에 관한 것으로서,
C: 0.27 내지 0.30 wt%,
Si: 0.20 내지 0.35 wt%,
Mn: 0.80 내지 0.90 wt%,
Cr: 1.30 내지 1.45 wt%,
Mo: 0.65 내지 0.75 wt%,
Ni: 0.15 내지 0.25 wt%,
Cu: 최대 0.25 wt%,
Al: 0.015 내지 0.035 wt%,
Ti: 0.024 내지 0.038 wt%,
N: 최대 0.012 wt%,
V: 최대 0.05 wt%,
B: 0.001 내지 0.0025 wt%,
Nb: 0.02 내지 0.03 wt%,
상기 강의 잔부는 철 및 공업 처리에서 비롯되는 불가피한 불순물이고, 적어도 862 MPa의 항복 강도(Ys)와, 극한 인장 강도(UTS)를 가지며, 항복 강도(Ys)와 극한 인장 강도(UTs) 간의 비는 0.93 미만이다.
본 발명의 강은 적어도 862 MPa의 항복 강도와 조합된 낮은 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비를 나타내고, 이는 이러한 강은 또한, 적어도 927 MPa, 바람직하게는 적어도 1000 MPa의 극한 인장 강도를 갖는다는 것을 의미한다.
결과로서, 이러한 강에 의해 스트레인 능력(strain capacity)이 높은 심리스 파이프가 얻어진다. 환언하면, 이러한 강은 심리스 파이프의 스트레인 능력을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 강은 빙점 이하의 사용 온도에서, 우수한 인성 거동을 나타낸다. 예컨대, 125ksi의 강종에 대하여, 전체 샘플 크기(10x10 mm)에 대한 샤르피 충격 시험 ASTM E23 - Type A에 따르면, 종방향의 인성 값은 -40℃에서 적어도 120 Joules, -60℃에서 약 100 Joules이고, 횡방향에서 인성 값은 -40℃에서 적어도 100 Joules, -60℃에서 약 80 Joules이다.
특히, 전체 샘플 크기(10x10 mm)에 대한 샤르피 충격 시험 ASTM E23 - Type A에 따르면, 상기 인성 값은 횡방향에서 0℃ 및 -40℃ 사이의 온도에서 안정적이고, 이는 인성 거동이 빙점 이하의 온도에서 안정적이라는 것을 의미한다.
또한, 이러한 강에 의해, 두께에 걸쳐 균일한 경도를 나타내는 심리스 파이프가 얻어진다.
실제로, 본 발명의 강은 실질적으로 균일한 마이크로조직(microstructure)을 제공하는데, 마르텐사이트 상의 양은 전체 마이크로조직과 관련하여 적어도 95%, 바람직하게는 99%이고, 이는 이러한 강에 기반한 심리스 파이프의 기계적 성질의 균일성을 보증한다.
이는, 본 발명의 강이 P110 또는 Q125 강종 제품보다 높은 항복 강도, 적어도 125 Ksi(862 MPa), 바람직하게는 적어도 930 MPa(135 Ksi)를 갖고, 저온에서 높은 극한 인장 강도 및 고인성 거동을 갖는 것을 의미한다.
이는 또한, 본 발명의 강이 심리스 파이프의 경도 및 경화능(hardenability)을 개선할 수 있다는 것을 의미한다.
따라서, 본 발명의 강은 빙점 이하의 북극 용례에 특히 적합하다.
그 결과, 본 발명의 강은, 전체 길이 및 벽 두께에 걸쳐, 항복 강도 및 인장 강도가 크고, 변형 능력이 크고, 경도가 높고 균일하며, 빙점 이하의 온도에서 높고 안정적인 인성 성능을 나타내는 심리스 파이프로 이어질 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 강은 바람직하게는 12.6 mm보다 큰, 보다 바람직하게는 20 mm보다 크고, 더욱 바람직하게는 38 mm 내지 78 mm 범위의 벽 두께를 갖는 심리스 파이프를 얻는 데에 유리하게 사용된다.
따라서, 상기 강은, 벽 두께가 크고, 외벽, 내벽 또는 중간 벽 중 어디에서도 기계적 성질이 안정한 심리스 파이프를 얻는 데에 사용될 수 있다. 이는, 엄격한 조건 하에서 높은 변형이 부과되는 자산인 벽의 두께에 기계적 성질이 의존하지 않는다는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 목적은 강제 심리스 파이프의 제조 방법을 다루는 것으로서, 상기 방법은 다음의 연속적인 단계, 즉
(i) 상기한 화학적 조성을 갖는 강을 제공하는 단계,
(ii) 열간 성형 프로세스를 통해 1100℃ 내지 1300℃의 온도에서 상기 강을 열간 성형하여, 파이프를 얻는 단계 및
(iii) 상기 파이프를 890℃ 이상의 오스테나이트화 온도(austenitizing temperature)(AT)까지 가열하고, 그 파이프를 5분 내지 30분의 시간 동안 상기 오스테나이트화 온도(AT)에 유지하는 단계를 포함하고, 이 단계에 후속하여
- 소입된 파이프를 얻기 위하여, 상기 파이프를 최대 100℃의 온도까지 냉각하고,
- 소입 및 소둔된 파이프를 얻기 위하여, 상기 소입된 파이프를 580℃ 내지 720℃의 소둔 온도(TT)로 가열하여 유지하고, 그 파이프를 소둔 시간 동안 상기 소둔 온도(TT)에서 유지하고, 이어서 상기 파이프를 최대 20℃의 온도로 냉각하며,
(iv) 상기 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비를 측정하고, 그 비를 0.93 미만으로 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 상기 방법은 주로 마르텐사이트로 구성되는 실질상 균일한 마이크로조직을 갖는 심리스 파이를 얻을 수 있도록 하며, 상기 마르텐사이트 양은 전체 마이크로조직과 관련하여 적어도 95%, 바람직하게는 99%이다. 페라이프, 베이나이트 및 마르텐사이트의 총합은 100%이다.
본 발명의 방법으로부터 알 수 있는 바와 같이, 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비는, 본 발명의 강의 화학적 조성과 함께, 기계적 성질의 안정성, 특히, 강제 심리스 파이프의 벽 두께 전체에 걸친 경도의 균일성, 빙점 이하의 온도에서 고인장 강도 값 및 고인성을 보증하는 제어 파라미터이다.
환언하면, 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비 및 화학적 조성은 강의 필요한 성능을 보증한다.
본 발명은 또한, 상기한 강으로 제조된 심리스 파이프에 관한 것이다.
상기한 바와 같이, 강제 심리스 파이프는, 북극 용례에 특히 적당하고, 오일 및 가스용 부속품, 및/또는 기계적 부품, 바람직하게는 북극권에서의 해상 용례에 사용될 수 있다.
상기 강제 심리스 파이프는 길이 및 벽 두께에 걸쳐 양호하고 안정한 기계적 성질을 갖는다는 이점-이는 실질적으로 균일한 마이크로조직의 특징-과, 빙점 이하의 온도에서 고인성의 이점을 제공한다.
본 발명의 다른 주제는 상기한 것과 같은 적어도 심리스 파이프를 포함하는 오일 및 가스 부속품 및/또는 기계적 부품에 관한 것이다.
본 발명의 다른 주제, 특성, 양태 및 이점은 다음의 설명 및 예를 통해 보다 명확하게 나타날 것이다.
이하의 설명에서, 달리 언급하지 않는다면, 값들의 범위의 한계는 특히 "사이" 및 ~부터 ~까지의 범위"의 표현에서, 그 범위에 포함된다.
더욱이, 본 명세서에서 "적어도 하나"라는 표현은 "하나 이상의"라는 표현과 동등하다.
본 발명에 따르면, 상기 강의 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비는 0.93 미만이고, 이는 값 0.93은 배제된다는 것을 의미한다.
바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 강은 0.9 미만, 바람직하게는 0.88 미만의 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비를 갖는다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 강의 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비는 0.84 내지 0.93이고, 값 0.93은 포함되지 않는다.
보다 바람직하게는, 본 발명에 따른 강의 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비는0.84 내지 0.91이고, 보다 바람직하게는 0.85 내지 0.90이다.
바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 강은 적어도 900 MPa, 바람직하게는 적어도 930 MPa의 항복 강도(Ys)를 갖는다.
바람직하게는, 상기 항복 강도는 862 MPa 내지 1200 MPa, 보다 바람직하게는 900 MPa 내지 1100 MPa, 보다 바람직하게는 930 MPa 내지 1100 MPa이다.
바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 강은 적어도 950 MPa, 바람직하게는 적어도 1000 MPa, 보다 바람직하게는 적어도 1035MPa의 극한 인장 강도(UTs)를 갖는다.
이는, 이러한 강이 높은 스트레인 능력을 유지하기에 적당한 심리스 파이프를 제조하는 데에 적당하다는 것을 의미한다.
바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 강은 전체 샘플 크기(10x10 mm)에 대한 샤르피 충격 시험 ASTM E23 - Type A에 따르면, 횡방향으로 -40℃에서 적어도 다음의 인성 값을 갖는다.
Figure pct00001
특히, 본 발명에 따른 강은, 전체 샘플 크기(10x10 mm)에 대한 샤르피 충격 시험 ASTM E23 - Type A에 따르면, 횡방향으로 -60℃에서 적어도 다음의 인성 값을 갖는다.
Figure pct00002
이는, 본 발명의 강이 빙점 이하의 온도에서 개선된 인성을 나타냄을 의미한다.
이는, 상기 강이 빙점 이하의 온도에서 연성 거동을 명확히 나타냄을 의미한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 강은, 니켈, 크롬 및 망간 함량 사이에서 이하의 관계를 만족하는 화학적 조성을 갖는다:
∑(Ni, Cr, Mn) ≥ 2.2
이는 본 발명의 강이 유리하게도, ASTM A255 표준의 범주 DI를 만족하는 것을 의미한다.
보다 바람직하게는, 본 발명에 따른 강은 니켈, 크롬, 망간 및 규소 함량 사이에서 이하의 관계를 만족하는 화학적 조성을 갖는다:
∑(Ni, Cr, Mn, Si) ≥ 2.4
바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 강은, 전체 마이크로조직에 기초하여 적어도 95%의 마르텐사이트, 바람직하게는 전체 마이크로조직에 기초하여 적어도 99%의 마르텐사이트를 포함하는 마이크로조직을 갖고 있다. 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트의 합은 100%이다.
또한, 본 발명의 체제에서, 화학적 조성 원소, 바람직하게는, 마이크로조직 특징 및 제조 프로세스 파라미터의 영향을 이하에서 상세히 설명한다.
화학적 조성 범위는 중량%로 나타내고, 상한 및 하한을 포함한다는 것을 상기해야 한다.
강의 화학적 조성의 원소
탄소: 0.27% 내지 0.30%
탄소는, 본 발명에 따른 강의 항복 강도 및 경도를 현저히 증대시키는 강력한 오스테나이트 포머(austenite former)이다. 0.27% 미만에서, 항복 강도 및 인장 강도는 현저히 감소하고, 항복 강도가 기대치를 하회할 위험이 있다. 0.30%를 초과하면, 용접성, 연성 및 인성과 같은 성질이 악영향을 받는다.
규소: 0.20% 내지 0.35%
규소는 액상 강을 탈산시키는 원소이다. 적어도 0.20%가 함유되면, 이러한 효과를 발생시킬 수 있다. 규소는 또한 본 발명에서, 0.20%를 초과하는 범위에서 강도 및 연신율(elongation)을 증대시킨다. 0.35%를 초과하면, 본 발명에 따른 강의 인성이 부정적인 영향을 받아, 감소한다. 이러한 유해한 효과를 피하기 위하여, Si 함량은 0.20 및 0.35% 사이이다.
바람직하게는, 규소 함량은, 강의 전체 화학적 조성에 기초하여, 0.22 내지 0.30 wt%이다.
망간: 0.80% 내지 0.90%
망간은 강의 단조성(forgeability) 및 경도를 개선하는 원소이며, 소입되는 강의 경향(aptitude)에 기여한다. 또한, 이 원소는 강의 강도를 증대시키는 강력한 오스테나이트 포머이다. 결과로서, 망간의 함량은 최소 0.80%이어야 한다. 0.90%를 초과하면, 용접성 및 인성이 부정적인 영향을 받을 수도 있다.
또한, 0.90%를 초과하면, 오스테나이트 상의 증대가 예상되며, 이는 마르텐사이트 상의 양을 감소시켜 불균일한 마이크로조직을 야기할 수 있어, 기계적 성질의 안정성을 방해한다.
바람직하게는, 망간 함량은 강의 화학적 조성의 총 중량에 기초하여, 0.80 내지 0.85 wt%, 바람직하게는 0.80 내지 0.83 wt%이다.
알루미늄: 0.015% 내지 0.035%
알루미늄은 강력한 강의 탈산제이고, 그 존재는 강의 탈황을 촉진시킨다. 알루미늄은, 이러한 효과를 갖기 위하여, 적어도 0.015%의 양으로 첨가된다.
그러나, 0.035%를 초과하면, 상기 효과와 관련하여 포화 효과가 생긴다. 또한, 조대하고, 연성에 유해한 Al 질화물이 형성되는 경향이 있다. 따라서, Al 함량은 0.015 및 0.035% 사이이어야 한다.
바람직하게는, 알루미늄 함량은 강의 화학적 조성의 전체 중량에 기초하여, 0.017 내지 0.030 wt%, 바람직하게는 0.020 내지 0.028 wt%이다.
구리: 최대 0.25%
구리는 용체 경화를 위한 원소이지만, 일반적으로 인성 및 용접성에 유해한 것으로 알려져 있다. 구리의 존재는 강의 인성을 저해하는 경향이 있다. 이 때문에, Cu의 양은 최대 0.25로 제한되어야 한다.
바람직하게는, 구리 함량은 강의 화학적 조성의 전체 중량에 기초하여, 0.1 내지 0.25 wt%, 바람직하게는 0.1 내지 0.2 wt%이다.
크롬: 1.30% 내지 1.45%
본 발명에 따른 강 중에 크롬이 존재하면, 크롬 석출물을 형성하고, 이는 특히 항복 강도를 증대시킨다. 이 때문에, 항복 강도를 현저히 증대시키기 위하여, 1.30%의 최소 Cr 함량이 필요하다. 1.45%를 초과하면, 석출 밀도가 본 발명에 따른 강의 인성에 부정적인 영향을 미친다.
바람직하게는, 크롬 함량은 강의 화학적 조성의 전체 중량에 기초하여, 1.30 내지 1.40 wt%, 바람직하게는 1.35 내지 1.40 wt%이다.
니켈: 0.15% 내지 0.25%
니켈은 본 발명의 강의 용체 경화를 위해 매우 중요한 원소이다. Ni은 항복 강도 및 인장 강도를 증대시킨다. Cu의 존재와 조합하여, 니켈은 인성 성질을 개선한다. 이 때문에, 그 최소 함량은 0.15%이다. 0.25%를 초과하면, 본 발명에 따른 강의 표면 품질은 열간 압연 프로세스에 의해 부정적인 영향을 받는다.
바람직하게는, 니켈 함량은 강의 화학적 조성의 전체 중량에 기초하여 0.15 내지 0.20 wt%이다.
몰리브덴: 0.65% 내지 0.75%
몰리브덴은 항복 강도 및 인장 강도를 증대시키고, 상기 파이프의 길이 및 두께에 걸쳐 모재에서의 기계적 성질, 마이크로조직 및 인성의 균일성을 지원한다. 0.65% 미만에서는, 상기 효과가 충분히 효과적이지 않다. 0.75%를 초과하면, 인성에 관한 강의 거동이 악영향을 받는다.
바람직하게는, 몰리브덴 함량은 화학적 조성의 전체 중량에 기초하여, 0.65 내지 0.70 wt%이다.
니오븀: 0.020% 내지 0.030%
니오븀은 존재는 탄화물 및/또는 질화물 석출물을 야기하고, 이는 입계 핀 효과(grain boundary pinning effect) 및 개선된 인장 강도에 의해 미세한 입경의 마이크로조직을 야기한다. 이러한 모든 효과를 위해, 본 발명의 강에서, 최소 0.020%의 Nb이 필요하다. 0.030%를 초과하면, NbC의 취성 효과를 피하기 위하여, 질소 함량에 대한 엄밀한 제어가 필요하다. 또한, 0.030%를 초과하면, 본 발명에 따른 강에 대해 인성 거동의 저하가 예상된다.
바람직하게는, 니오븀 함량은 강의 화학적 조성의 전체 중량에 기초하여, 0.020 내지 0.025 wt%이다.
붕소: 0.001% 내지 0.0025%
붕소의 존재는 심리스 파이프의 경화능을 향상시킨다.
0.0025% 미만에서는, 상기 파이프의 길이 및 두께에 걸쳐 모재의 기계적 성질, 마이크로조직 및 인성의 균일성을 지원한다. 0.001% 미만에서는, 긍정적인 효과가 사라진다.
바람직하게는, 붕소 함량은 강의 화학적 조성의 전체 중량에 기초하여 0.001 및 0.0025 wt%, 보다 바람직하게는 0.001 및 0.0018 wt% 사이이다.
바나듐: ≤0.05%
0.05%를 초과하면, 바나듐 석출물은 저온에서 인성 값의 변동의 위험성, 및/또는 고온으로의 천이 온도의 이동의 위험성을 증대시킨다. 그 결과, 인성 성질은 0.05%을 초과하는 바나듐 함량에 의해 악영향을 받는다. 바람직하게는, 바나듐 함량은 엄밀히, 0.02 wt% 미만이다.
티탄: 0,024% 내지 0.038%
Ti의 존재는 탄화물 및/또는 질화물 석출물을 야기한다. TiN은 BN보다 우선하여 생성된다. 따라서, B는 주로 원자의 형태이고, 따라서 경화능 성능을 증대시킨다. 0.038%를 초과하면, TiN 및 TiC가 인성 거동을 감소시킨다. 0.024% 미만에서는, 상기한 효과는 충분히 효과적이지 않다.
바람직하게는, 티탄 함량은 강의 화학적 조성의 전체 중량에 기초하여, 0.028 내지 0,038wt%이다.
질소: ≤0.012%
0.012%를 초과하면, 큰 크기의 질화물 석출물이 예상되고, 이들 석출물은 상한 범위의 천이 온도를 변화시켜, 인성 거동에 악영향을 미친다.
바람직하게는, 질소 함량은 강의 화학적 조성의 전체 중량에 기초하여, 0.001 내지 0.010 wt%이다.
잔여 원소
잔부는 Fe 및 강의 제조 및 주조 프로세스의 결과로서 생기는 불가피 불순물이다. 주요 불순물 원소의 함량은 인, 황 및 수소에 대해 하기와 같이 제한된다:
P ≤0.015%, 바람직하게는 P ≤0.012%, 보다 바람직하게는 P ≤0.010%,
S ≤0.003%, 바람직하게는 S ≤0.002%
H ≤0.003%.
Ca 및 REM(희토류 미네랄)과 같은 기타 원소 역시 불가피 원소로서 존재할 수 있다.
불가피 불순물 원소들 함량의 총합은 0.1% 미만이다.
화학적 조성
바람직한 실시예에 따르면, 화학적 조성은 다음과 같다.
C: 0.27 내지 0.30 wt%,
Si: 0.20 내지 0.35 wt%,
Mn: 0.80 내지 0.90 wt%,
Cr: 1.30 내지 1.45 wt%,
Mo: 0.65 내지 0.75 wt%,
Ni: 0.15 내지 0.25 wt%,
Cu: 0.10 내지 0.25 wt%
Al: 0.015 내지 0.035 wt%,
Ti: 0.024 내지 0.038 wt%,
N: 0.001 내지 0.012 wt%,
V: 0.001 내지 0.050 wt%
B: 0.001 내지 0.0025 wt%,
Nb: 0.02 내지 0.03 wt%,
상기 강의 잔부는 철 및 산업 공정에서 비롯되는 불가피 불순물이다.
이 실시예에 따르면, 상기 불가피 분술물은, 상기 화학적 조성의 총 중량에 대해서, 다음 중에서 선택된다:
P ≤0.015 wt%, 바람직하게는 P ≤0.012 wt%, 보다 바람직하게는 P ≤0.010 wt%,
S ≤0.003 wt%, 바람직하게는 S ≤0.002 wt%.
보다 바람직한 실시예에서, 화학적 조성은 다음과 같다:
C: 0.27 내지 0.30 wt%,
Si: 0.22 내지 0.30 wt%,
Mn: 0.80 내지 0.85 wt%,
Cr: 1.30 내지 1.40 wt%,
Mo: 0.65 내지 0.70 wt%,
Ni: 0.15 내지 0.20 wt%,
Cu: 0.10 내지 0.20 wt%,
Al: 0.017 내지 0.030 wt%,
Ti: 0.028 내지 0.038 wt%,
N: 0.001 내지 0.010 wt%,
V: 0.001 내지 0.020 wt%
B: 0.0010 및 0.0018%,
Nb: 0.020 내지 0.025 wt%,
상기 강의 잔부는 철 및 산업 공정에서 비롯되는 불가피 불순물이다.
이 실시예에 따르면, 상기 불가피 불순물은 상기한 원소들 중에서 선택된다.
제조 방법
상기한 바와 같이, 본 발명의 방법은 적어도 다음의 연속적인 단계, 즉
(i) 상기한 화학적 조성을 갖는 강을 제공하는 단계,
(ii) 열간 성형 프로세스를 통해 1100℃ 내지 1300℃의 온도에서 상기 강을 열간 성형하여, 파이프를 얻는 단계;
(iii) 상기 파이프를 890℃ 이상의 오스테나이트화 온도(AT)까지 가열하고, 5분 내지 30분의 시간 동안 상기 오스테나이트화 온도(AT)에 유지하는 단계, 이에 후속하여,
(iv)
- 소입된 파이프를 얻기 위하여, 상기 파이프를 최대 100℃의 온도까지 냉각하고,
- 소입 및 소둔된 파이프를 얻기 위하여, 상기 소입된 파이프를 580℃ 내지 720℃의 소둔 온도(TT)로 가열하여 유지하고, 그 파이프를 소둔 시간 동안 상기 소둔 온도(TT)에서 유지하고, 이어서 상기 파이프를 최대 20℃의 온도로 냉각하는
단계와,
(v) 상기 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비의 측정치가 0.93 미만인 단계를 포함한다.
상기 방법에 따르면, 심리스 파이프가 제조된다.
본 발명의 상기 방법은 0.93 미만의 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비를 달성할 수 있는 마이크로조직을 생성하는 이점이 있다.
실제로, 상기 강의 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비가 0.93을 초과하면, 저온에서 기계적 성질 및 인성의 안정성이 방해된다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 방법은 이하의 연속적인 단계를 포함한다.
상기 화학적 조성을 갖는 강은 당업계에서 알려진 주조 방법에 따라 얻는다.
이어서, 상기 강을 1100℃ 및 1300℃ 사이의 온도에서 가열하여, 모든 지점에서, 도달한 온도가 열간 성형 중에 강이 받게 될 높은 변형률에 유리하게 한다. 이 온도 범위는 오스테나이트 범위 내에 있을 필요가 있다. 바람직하게는, 상기 최대 온도는 1300℃ 미만이다.
이어서, 잉곳(ingot) 또는 빌렛(billet)을 세계적으로 일반적으로 사용되는 열간 성형 공정, 예컨대 단조, 필거 프로세스(pilger process), 콘티 맨드렐(conti mandrel), 고품질 사양의 마무리 프로세스 중 적어도 하나의 단계를 이용하여, 원하는 치수의 파이프로 열간 성형한다.
최소의 변형비는 적어도 2,8이다.
이어서, 상기 파이프를 오스테나이트화, 즉 마이크로조직이 오스테나이트인 온도(AT)까지 가열한다. 오스테나이트화 온도(AT)는 Ac3보다 높고, 바람직하게는 890℃보다 높으며, 보다 바람직하게는 910℃이다.
본 발명에 따른 강으로 제조된 파이프를 이어서, 적어도 5분의 오스테나이트화 시간(At) 동안 오스테나이트화 온도(AT)에서 유지하며, 그 목적은 파이프의 모든 지점에서, 도달된 온도가 적어도 오스테나이트화 온도와 같도록 하여, 온도가 파이프 전체에 걸쳐 균일하도록 하는 것이다. 오스테나이트화 시간(At)은 30분 보다 길어서는 안되는데, 왜냐하면 30분 보다 오래 지속되면, 오스테나이트 결정립이 원하지 않게도 크게 성장하여 더 거친 최종 조직을 야기하기 때문이다. 이는 인성에 유해할 것이다.
바람직하게는, 오스테나이트화 시간(At)은 5 내지 15 분이다.
본 발명에 따른 강으로 제조된 파이프를 이어서, 바람직하게는 수냉을 이용하여, 최대 100℃의 온도까지 냉각한다. 환언하면, 상기 파이프를 100℃ 이하, 바람직하게는 20℃의 온도까지 냉각한다.
이어서, 본 발명에 따른 강으로 제조된 상기 소입된 파이프를 580℃ 및 720℃ 사이, 특히 600℃ 및 680℃ 사이의 소둔 온도(TT)에서 소둔, 즉 가열 및 유지하는 것이 바람직하다.
이러한 소둔은 10분 및 60분 사이의 소둔 시간(Tt), 특히 15본 동안 행해진다.
마지막으로, 본 발명에 따른 파이프를, 소입 및 소둔된 파이프를 얻기 위하여, 공냉을 이용하여 최대 20℃, 바람직하게는 20℃의 온도로 냉각한다
이러한 방식으로, 면적으로, 전체 마이크로조직과 관련하여 적어도 95%의 마르텐사이트, 바람직하게는 99%의 마르텐사이트를 포함하는, 소입 및 소둔된 강제 파이프가 얻어진다. 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트의 총합은 100%이다.
특히, 본 발명의 상기 방법은 바람직하게는 적어도 다음의 연속 단계를 포함한다:
(i) 상기한 화학적 조성을 갖는 강을 제공하는 단계,
(ii) 열간 성형 프로세스를 통해 1100℃ 내지 1300℃의 온도에서 상기 강을 열간 성형하여, 파이프를 얻는 단계, 이어서
(iii) 상기 파이프를 890℃ 이상의 오스테나이트화 온도(AT)까지 가열하고, 5분 내지 30분의 시간 동안 상기 오스테나이트화 온도(AT)에 유지하는 단계, 이에 후속하여
(iv)
- 소입된 파이프를 얻기 위하여, 상기 파이프를 100℃ 이하의 온도까지 냉각하고
- 소입 및 소둔된 파이프를 얻기 위하여, 상기 소입된 파이프를 580℃ 내지 720℃의 소둔 온도(TT)로 가열하여 유지하고, 그 파이프를 소둔 시간 동안 상기 소둔 온도(TT)에서 유지하고, 이어서 상기 파이프를 최대 20℃의 온도로 냉각하는
단계와,
(v) 상기 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비의 측정치가 0.93 미만인 단계를 포함한다.
본 발명의 상기 방법의 단계 (v)에 따르면, 상기 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비의 측정은 상기 결과가 0.93 미만인 것을 입증하기 위하여 수행된다.
마이크로조직 특징
마르텐사이트
본 발명에 따른 강 중의 마르텐사이트 함량은 상기 화학적 조성과 조합하여, 소입 작업 동안의 냉각 속도에 의존한다. 마르텐사이트 함량은 적어도 95%, 바람직하게는 99%이다. 100%까지의 잔부는 페라이트 및 베이나이트이다.
페라이트
바람직한 실시예에서, 최종 냉각 후의 본 발명에 따른 소입 및 소둔된 강제 파이프는 마이크로조직에 1 vol% 미만의 페라이트를 제공한다. 이상적으로, 강 중에는 페라이트가 없는데, 왜냐하면 페라이트는 본 발명에 따라 항복 강도(Ys) 및 극한 인장 강도(UTs)에 악영향을 미치기 때문이다.
또한, 페라이트의 존재는 벽 두께에 걸쳐, 기계적 성질, 특히 경도의 균일성을 방해할 수도 있다.
베이나이트
본 발명에 따른 강 중의 베이나이트 함량은 상기 화학적 조성과 조합하여, 소입 작업 동안의 냉각 속도에 의존한다. 그 함량은 최대 1%로 제한된다. 100%까지의 잔부는 페라이트 및 마르텐사이트이다.
기계적 부품
상기한 바와 같이, 본 발명은 상기한 강을 포함하는 심리스 파이프에 관한 것이다.
바람직하게는, 심리스 파이프는 상기 강으로 제조된다.
바람직한 실시예에서, 본 발명은 상기한 강을 포함하는, 바람직하게는 상기 강으로 제조된 강제 심리스 파이프에 관한 것이다.
바람직한 실시예에 따르면, 강제 심리스 파이프는 12.5 mm 보다 큰, 바람직하게는 20 mm보다 큰, 보다 바람직하게는 38 mm(1.5 인치 미만) 내지 78 mm(3 인치보다 큼) 범위의 벽 두께를 갖는다.
바람직하게는, 강제 심리스 파이프는 80 mm 내지 660 mm의 외경을 갖는다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 또한, 상기한 강을 포함하는 오일 및 가스 부속품 및/또는 기계적 부품에 관한 것이다.
강의 용도
본 발명은 또한 심리스 파이프를 제조하는 데에 상기 강을 이용하여 것에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 심리스 파이프의 경화능을 개선하는 데에 있어서의 상기 강의 용도에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 제품의 경화능은 소입되었을 때의 경화능에 대한 제품의 능력으로서 정의되고, 단면적에 걸친 경도의 분포 및 깊이에 관련된다.
본 발명에 따르면, 경화능은 조미니 엔드 소입 시험(Jominy end quench test)으로 측정한다.
본 발명은 또한 오일 및 가스 부속품 및/또는 기계적 부품의 제조시에 상기한 강의 이용에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 오일 및 가스 부속품의 제조시에 상기한 강의 이용에 관한 것이다.
본 발명의 예시로서, 이하의 예를 제시한다.
예
I. 강-A (본 발명에 따른 것)
상류측 프로세스, 즉 용융에서 열간 성형까지의 프로세스를 심리스 강관을 제조하기 위한 공지의 방법으로 수행한다.
예컨대, 이하의 성분 조성의 용강을 일반적인 용융 방법으로 용융시키는 것이 바람직하다. 포함된 일반적인 방법은 연속 또는 잉곳 주조 프로세스이다.
표 1은 본 발명에 따른 강의 화학적 조성을 보여준다(표시된 양은 wt%로 계산한 것이고, 상기 화학적 조성의 잔부는 철이다).
강-A의 화학적 조성
강 C Si Mn P S Cr Mo Ni

A		 0.29 0.26 0.81 0.007 0.001 1.38 0.66 0.17
Cu Al Ti Nb V B N
0.14 0.025 0.033 0.024 0.007 0.0014 0.008
이어서, 이들 재료를 1100℃ 및 1300℃ 사이의 온도에서 가열한 다음에, 상기 구성성분 조성을 원하는 치수로 성형하는, 일반적으로 알려진 제조 방법인 단조, 플러그 또는 필거 밀 프로세스에 의한 열간 가공에 의해 파이프 형태로 제조한다.
이어서, 표 1에 나타낸 조성물을, 표 2에 요약할 수 있고 이하의 단계 특징을 갖는 제조 프로세스를 겪게 한다:
- 상기 파이프를 910℃의 오스테나이트화 온도(AT)까지 가열하고, 이 온도에서 10분(At: 오스테나이트화 시간) 동안 유지한 다음에,
- 파이프를 100℃ 이하의 온도까지 수냉하여 소입된 파이프를 얻고, 이 소입된 파이프를 소둔 온도(TT)까지 가열하고 15분 동안 유지한 다음에, 20℃ 이하의 온도까지 냉각하여 소입 및 소둔된 파이프를 얻고,
- 상기 소둔 단계 이후에, 항복 강도(Ys)와 극한 인장 강도(UTs) 간의 비를 제어한다.
상기 방법을 수행하여, 각각 벽 두께가 38.1 mm(1.5 인치에 대응)인 두 개의 심리스 파이프(A-1.1 및 A-1.2)와 각각 벽 두께가 76.2 mm(3 인치에 대응)인 두 개의 심리스 파이프(A-2.1 및 A-2.2)를 얻었다.
상기 방법의 파라미터를 표 2에 요약하였다:
열간 압연 후의 예의 프로세스 조건
강 파이프 n° AT(℃) At
(min)		 TT(℃) Tt
(min)		 벽 두께
(mm)

A		 A-1.1 910 10' 650 15 38.1
A-1.2 910 10' 650 15 38.1
A-2.1 910 10' 620 15 76.2
A-2.2 910 10' 620 15 76.2
표 2에 나타낸 프로세스 파라미터는 본 발명과 합치한다.
이에 의해, 소입 및 소둔된 강관이 얻어졌는데, 이 강은, 소둔 온도로부터의 최종 냉각 후에, 마이크로조직에 기초하여 적어도 99%의 마르텐사이트를 포함하는 마이크로조직을 제공한다.
또한, 얻어진 상기 소입 및 소둔된 강관의 외경은 304.8 mm이다.
기계적 성질
1.1. 소입된 심리스 파이프의 경도
표 1에 개시된 조성(강 조성 A)으로부터 얻어진 상기 소입 및 소둔된 강제 심리스 파이프(시편 A-1.1; 38.1 mm에 대응하는 벽 두께)의 4개의 사분면(quadrants)(Q1, 22, Q3, Q4) 상에서, 로크웰 스케일(HRC)에 기초한 경도를 측정한다. 각 사분면은 90°의 각도 배향을 나타낸다.
각각의 사분면에 대하여, 상기 강제 심리스 파이프의 외벽, 내벽 및 중간 벽 상에서 경도를 3회 측정하였다.
그 결과를 표 3에 요약한다.
경도(로크웰 스케일(HRC))
사분면 외벽 중간벽 내벽
Q1 49.5 49.3 48.5 51.3 52.0 51.5 50.3 48.8 49.6
Q2 48.7 48.6 48.8 52.3 51.8 50.5 49.8 48.8 49.3
Q3 48.7 49.3 48.7 51.6 50.8 51.3 49.6 49.3 50.2
Q4 49.3 48.5 48.1 51.0 51.1 52.0 49.8 49.3 49.8
도 1은 위치의 함수로서, 각 사분면에 대하여 표 3에 요약한 경도값을 나타내는데, 경도 측정값은 파이프 벽, 즉 외벽, 내벽 및 중간벽 상에서 결정하였다.
이들 결과는 경도가 심리스 파이프 전체에 걸쳐 균일하다는 것을 보여준다.
항복 강도( Ys ) 및 인장 강도( UTs )의 결정
1.1.1. 벽 두께: 38.1 mm(1.5 inch)
심리스 파이프 A-1.1(벽 두께: 38.1 mm) 및 심리스 파이프 A-1.2(벽 두께: 38.1 mm)로부터 심리스 파이프의 각 단부로부터 하나씩 두 시편의 셋트를 취하였다.
각 시편 상에서, 종방향으로 두 개의 사분면, 즉 0° 및 180° 상에서 항복 강도(Ys; MPa), 극한 인장 강도(UTs; MPa), 파단 연신율(elongation at break)(A%) 및 단면 감소율(min%)을 평가하였다.
기계적 성질에 대한 결과를 표 4에 요약한다.
기계적 성질(Ys, UTs, A(%) 및 단면 감소율)
시편 Ys
(MPa)		 UTs
(MPa)		 Ratio
Ys/
UTs		 A
%		 단면 감소율 min%
A-1.1.a Q(0°) 911 1021 0.89 19.6 63.0
Q(180°) 907 1016 0.89 20.4 64.2
A-1.1.b Q(0°) 899 1002 0.90 21.7 64.1
Q(180°) 908 1018 0.89 20.2 63.8
A-1.2.a Q(0°) 912 1019 0.89 20.8 63.1
Q(180°) 908 1023 0.89 19.2 63.4
A-1.2.b Q(0°) 918 1026 0.89 19.4 63.3
Q(180°) 900 1009 0.89 20.7 63.7
시편 전체가 0.93 미만의 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비를 나타낸다.
이들 결과로부터, 각 시편은 높은 항복 강도 및 인장 강도, 높은 파단 연신율 및 파단 전 적어도 60%의 단면 감소율을 나타냄을 알 수 있다.
따라서, 이는, 본 발명의 강으로 제조한 시편은 높은 스트레인 변형을 지탱할 수 있다는 것을 의미한다.
1.2.2. 벽 두께: 76.2 mm(3 inches)
심리스 파이프의 각 단에 심리스 파이프 A-2.1(벽 두께: 76.2 mm) 및 심리스 파이프 A-2.2(벽 두께: 76.2 mm)로부터 두 시편의 셋트를 취하였다.
각 시편 상에서, 종방향으로 두 개의 사분면, 즉 0° 및 180° 상에서 항복 강도(Ys; MPa), 극한 인장 강도(UTs; MPa), 파단 연신율(A%) 및 단면 감소율(min%)을 평가하였다.
기계적 성질에 대한 결과를 표 5에 요약한다.
기계적 성질(Ys, UTs, A(%) 및 단면 감소율)
시편 Ys
(MPa)		 UTs
(MPa)		 Ratio
Ys/UTs		 A
%		 단면 감소율 min%
A-2.1.a Q(0°) 937 1031 0.91 16.8 58.4
Q(180°) 922 1018 0.91 19.4 60.4
A-2.1.b Q(0°) 917 1021 0.90 19.7 57.4
Q(180°) 930 1022 0.91 20.0 56.4
A-2.2.a Q(0°) 893 1002 0.89 19.1 56.8
Q(180°) 898 996 0.90 21.4 61.5
A-2.2.b Q(0°) 909 1007 0.90 19.7 62.4
Q(180°) 919 1017 0.90 18.2 59.1
시편 전체가 0.93 미만의 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비를 나타낸다.
이들 결과로부터, 각 시편은 높은 항복 강도 및 인장 강도, 높은 파단 연신율 및 파단 전 적어도 60%의 단면 감소율을 나타냄을 알 수 있다.
따라서, 이는, 본 발명의 강으로 제조한 시편은 높은 스트레인 변형을 지탱할 수 있다는 것을 의미한다.
2. 충격 에너지 결과(벽 두께: 38. 1 mm )
벽 두께가 38.1 mm인 상기 각 시편에 대하여 저온에서의 인성을 평가하였다.
2.2. 횡방향
각각의 시편에 대하여, -20℃에서 전체 샘플 크기(10x10 mm)에 대한 샤르피 충격 시험 ASTM E23 - Type A에 따라 횡방향에서의 충격 에너지 값(Joules)(Kcv)을 결정하였다.
각각의 시편에 대하여, 이 파라미터를 3회 결정하였다. 충격 에너지 값에 대하여 평균(Ave)을 결정하였다. 그 결과를 표 6에 요약한다.
저온(횡)에서의 인성
시편 배향 온도(℃) Kcv1
(J)		 Kcv2
(J)		 Kcv3
(J)		 Ave
A-1.1.a
횡
-20℃		 134 131 133 134
A-1.1.b 139 136 129 135
A-1.2.a 136 136 135 136
A-1.2.b 139 139 139 139
2.3. 온도의 함수로서의 샤르피 천이 값
샤르피 시험을 위한 치수 및 형태로 표준화하기 위하여, 심리스 파이프 A-1.1(벽 두께: 38.1 mm)로부터 시험편을 취출하였다.
0℃ 내지 -60℃ 범위의 온도의 함수로서의 충격 에너지 값(Joules)(Kcv) 역시 이 시편에 대하여 횡방향에서 평가하였다. 이 파라미터는 각 온도에서 3회 결정하였다. 그 결과는 표 7에 요약한다.
샤르피 천이 값
시편 배향 온도(℃) Kcv1
(J)		 Kcv2
(J)		 Kcv3
(J)		 Ave
(J)

A-1.2.c
횡		 0 148 143 146 146
-20 135 142 146 141
-40 121 112 128 120
-60 88 94 91 91
도 2는 표 7에 나타낸 값에 기초하여, 횡방향으로의 온도의 함수로서 샤르피 천이 곡선(Joules)을 보여주며, 벽 두께가 38.1 mm(1.5 인치)인 본 발명에 따른 강제 심리스 파이프를 나타낸다.
표 7에 나타낸 결과는, 강이 빙점 이하의 온도에서 연성 거동을 갖고 있음을 명확히 보여준다. 특히, 시편은 -60℃에서 90 Joules 보다 큰 충격 에너지 값 및 안정적인 거동을 나타낸다.
3. 충격 에너지 결과(벽 두께: 76. 2 mm )
상기한 시편 A-2.1.a, A-2.1.b 및 A-2.2.a에 대하여 저온에서의 인성을 평가하였다. 이 평가를 위해, 심리스 파이프 A-2(시편 A-2.2.c)로부터 추가의 시편을 취출하였다.
횡방향으로 측정을 수행하였다.
각각의 시편에 대하여, -20℃에서 수행한 전체 샘플 크기(10x10 mm)에 대한 샤르피 충격 시험 ASTM E23 - Type A에 따라 횡방향에서의 충격 에너지 값(Joules)(Kcv)을 결정하였다.
각각의 시편에 대하여, 이 파라미터를 3회 결정하였다. 충격 에너지 값에 대하여 평균(Ave)을 결정하였다. 그 결과를 표 8에 요약한다.
저온(횡)에서의 인성
시편 배향 온도(℃) Kcv1
(J)		 Kcv2
(J)		 Kcv3
(J)		 평균
A-2.1.a
횡
-20℃		 106 104 103 104
A-2.1.b 121 125 124 123
A-2.2.a 119 105 121 115
A-2.2.c 117 124 125 122
이들 결과로부터, -20℃에서 (100 Joules보다 큰) 큰 충격 에너지 값이 얻어지는 것을 알 수 있고, 이는 각 시편이 빙점 이하의 온도에서 인성 거동을 나타냄을 의미한다.
3.3. 온도의 함수로서의 샤르피 천이 값
0℃ 내지 -60℃ 범위의 온도의 함수로서의 충격 에너지 값(Joules)(Kcv) 역시 시편 A-2.2.c에 대하여 횡방향에서 평가하였다. 이 파라미터는 각 온도에서 3회 결정하였다. 그 결과는 표 9에 요약한다.
샤르피 천이 값
시편 배향 온도
(℃)		 Kcv1
(J)		 Kcv2
(J)		 Kcv3
(J)		 평균
(J)

A-2.2.c
횡		 0 127 133 138 133
-20 117 124 125 122
-40 107 106 111 108
-60 75 91 83 83
도 3은 표 9에 나타낸 값에 기초하여, 횡방향으로의 온도의 함수로서 샤르피 천이 곡선(Joules)을 보여주며, 벽 두께가 76.2 mm(3 인치)인 본 발명에 따른 강제 심리스 파이프를 나타낸다.
이들 결과로부터, -20℃에서 (적어도 약 80 Joules보다 큰) 충격 에너지 값이 얻어지는 것을 알 수 있고, 이는 각 시편이 빙점 이하의 온도에서 인성 거동을 나타냄을 의미한다.
또한, 본 발명의 강은 빙점 이하의 사용 온도에서 우수한 인성 거동, 예컨대 150 ksi강종에 대한 전체 샘플 크기(10x10 mm)에 대한 샤르피 충격 시험 ASTM E23 - Type A에 따라, 종방향으로, -40℃에서 적어도 130 Joules, -60℃에서 적어도 약 100 Joules의 인성 값, 횡방향으로, -40℃에서 적어도 100 Joules, -60℃에서 적어도 80 Joules의 인성 값을 나타낸다.
결과로서, 본 발명에 따른 시편은 벽 두께가 38.1 mm 또는 76.2 mm이든, 빙점 이하의 온도에서 인성 거동 및 연성 거동을 나타낸다.
5. 충격 에너지 결과(벽 두께: 50. 8 mm )
상기한 방법을 수행하여, 표 1에 개시된 화학적 조성(본 발명에 따른 강-A)으로부터 벽 두께가 50.8 mm(2 인치에 대응)인 심리스 파이프(A-3)를 얻었다.
상기 방법의 파라미터를 표 10에 요약한다.
방법의 프로세스 파라미터
강 파이프
n°		 At
(℃)		 At
(min)		 TT(℃) Tt
(min)		 벽 두께
(mm)
A A-3 910 10' 650 15 50.8
0℃ 내지 -60℃ 범위의 온도의 함수로서의 충격 에너지 값(Joules)(Kcv)을 이 시편에 대하여 평가하였다.
도 4는 이 시편에 대한 횡방향으로의 샤르피 천이 곡선(Joules)을 보여준다.
이들 결과로부터, -60℃에서 (적어도 약 90 Joules의) 큰 충격 에너지 값이 얻어지는 것을 알 수 있고, 이는 빙점 이하의 온도에서 인성 거동을 나타낸다.
II. 강-B(비교 강)
표 11은 비교 강의 화학적 조성(표시된 양은 wt%로 계산된 것이고, 상기 조성의 잔부는 철이다)을 나타낸다.
강-B의 화학적 조성
강 C Si Mn P S Cr Mo Ni

B		 0.29 0.19 0.33 0.011 0.0014 0.95 0.8 0.04
Cu Al Ti Nb V B N
0.02 0.046 0.017 - 0.003 0.0012 0.0046
강-B에 대하여 수행한 상류측 프로세스 및 제조 프로세스는 강-A에 대하여 상기한 것과 동일하다.
수행된 방법을 실시하여, 벽 두께가 76.2 mm(3 인치에 대응)인 심리스 파이프(B-1)를 얻었다.
이 방법의 파라미터를 표 12에 요약한다.
열간 압연 후의 예의 프로세스 조건
강 파이프
n°		 At
(℃)		 At
(min)		 TT(℃) Tt
(min)		 벽 두께
(mm)
B B-1 910 10' 650 15 76.2
1. 기계적 성질
1.1. 항복 강도 및 극한 인장 강도
심리스 파이프 B-1로부터 두 시편의 셋트를 취하였다.
각 시편 상에서, 종방향으로, 항복 강도(Ys; MPa), 극한 인장 강도(UTs; MPa), 파단 연신율(A%)을 평가하였다.
특히, 이들 성질의 평가는 시편 B-1.2 및 B-1.3의 외벽 상에서, 시편 B-1.5의 내벽 상에서 수행하였다.
기계적 성질에 대한 결과를 표 13에 요약한다.
기계적 성질(Ys, UTs 및 A(%))
시편 Ys
(MPa)		 UTs
(MPa)		 A
(%)
B-1.2 970 1046 18.7
B-1.3 987 1062 17.8
B-1.5 972 1049 16.3
2. 충격 에너지 결과
전체 샘플 크기(10x10 mm)에 대한 샤르피 충격 시험 ASTM E23 - Type A에 따라, 심리스 파이프 B-1로부터 3개의 시편 셋트를 취하였다.
0℃에서 횡방향으로의 충격 에너지 값을 결정하여, 각 시편에 대한 인성을 평가하였다. 각 시편에 대하여, 충격 에너지 값을 3회 결정하였다. 그 결과를 이하에 나타낸다.
0℃에서의 충격 에너지 값
배향 Kcv1
(J)		 Kcv2
(J)		 Kcv3
(J)
B-1.6 횡 138 132 134
B-1.7 134 135 138
시편 B-1.8에 대하여, 시편의 외벽, 내벽 및 중간 벽 상에서 측정값을 결정하였다.
0℃에서의 충격 에너지 값
B-1.8 Kcv1(J) Kcv2(J) Kcv3(J)
외벽 131 130 138
중간 벽 121 126 112
내벽 137 146 152
3. 온도의 함수로서의 샤르피 천이 값
20℃ 내지 -40℃ 범위의 온도의 함수로서의 충격 에너지 값(Joules)(Kcv)을 시편 B-1.6에 대하여 횡방향으로 평가하였다. 이 파라미터는 각 온도에서 3회 결정하였다. 그 결과는 표 16에 요약한다.
샤르피 천이 값
시편 배향 Temp
(℃)		 Kcv1
(J)		 Kcv2
(J)		 Kcv3
(J)		 Ave
(J)

B-1.6
횡		 20 114 123 119 119
0 138 132 134 135
-20 110 107 91 103
-40 79 64 82 75
도 5는 이 시편에 대한 횡방향으로의 샤르피 천이 곡선(Joules)을 보여준다.
이들 결과에 따르면, 충격 에너지 값이 20℃에서 110 Joules보다 크지만, 빙점 이하의 온도에서, 특히 -40℃에서 현저히 감소하는 것을 알 수 있다. 사실, -40℃에서 충격 에너지는 약 75 Joules이다.
따라서, 시험한 시편의 인성은 매우 낮은 온도에서 현저히 감소한다.
IV. 본 발명에 따른 강 D
표 17은 본 발명에 따른 강의 화학적 조성(표시된 양은 wt%로 계산된 것이고, 상기 조성의 잔부는 철이다)을 나타낸다.
강-D의 화학적 조성
강 C Si Mn P S Cr Mo Ni

D		 0.28 0.32 0.87 0.011 0.001 1.45 0.71 0.18
Cu Al Ti Nb V B N
0.15 0.022 0.038 0.02 0.024 0.0017 0.005
강-D에 대하여 수행한 상류측 프로세스 및 제조 프로세스는 강-A에 대하여 상기한 것과 동일하다.
특히, 수행된 방법을 실시하여, 벽 두께가 38.1 mm(1.5 인치에 대응)인 심리스 파이프(D-1)를 얻었다.
이 방법의 파라미터를 표 18에 요약한다.
열간 압연 후의 예의 프로세스 조건
강 Pipe
n°		 At
(℃)		 At
(min)		 TT(℃) Tt
(min)		 벽 두께
(mm)
D D-1 910 10' 650 15 38.1
상기 방법에 의해 소입 및 소둔된 강관이 얻어졌고, 이 강관은, 소둔 온도로부터의 최종 냉각 후에, 99%의 마르텐사이트를 포함하고, 잔부는 페라이트 및 베이나이트인 마이크로조직을 나타낸다.
또한, 상기 얻어진 소입 및 소둔된 강관의 외경은 374.65 mm이다.
1. 항복 강도( Ys ) 및 인장 강도( UTs )의 결정
심리스 파이프 D-1로부터 시편을 취하였다. 종방향으로, 항복 강도(Ys; MPa), 극한 인장 강도(UTs; MPa), 파단 연신율(A%)을 평가하였다.
기계적 성질에 대한 결과를 표 19에 요약한다.
기계적 성질(Ys, UTs 및 A(%))
시편 Ys
(MPa)		 UTs
(MPa)		 Ratio
Ys/UTs		 A
(%)
D-1.1 996 1134 0.88 17.6
2. 조미니 시험에 따른 경화능
표 17에 개시된 조성으로부터 얻은 시편의 경화능(로크웰 스케일에 기초)을 조미니 시험에 따라 연구하였다.
2.1. 수순
조미니 시험(ASTM A255)의 요구조건에 따라, 시편의 형태 및 치수를 표준화하였다.
910℃의 오스테나이트화 온도(AT)에서의 오스테나이트화 후에 조미니 시험을 수행하고, 그 온도에서 10분(At: 오스테나이트화 시간) 동안 유지하였다.
이들 시험은, 시편의 한 단부를 물에 의해 소입하고, 소입된 단부로부터 1.5 mm(약 1/6 인치) 증분으로 시편의 경도를 측정하고, 이어서 소입된 단부로부터의 거리 대 경도 측정치의 플롯을 준비하여, 수행하였다.
소입된 단부로부터 거리가 증가함에 따른 경도의 빠른 저하는 낮은 경화능(경도)를 나타낸다. 따라서, 조미니 곡선이 수평선에 가까울수록, 경화능(경도)은 더 크다.
일반적으로, 경도가 로크웰 50 HRC 미만인, 물에 의해 소입된 단부로부터의 거리를 본원에서 조미니 깊이라 지칭한다.
2.2. 결과
도 6은 조미니 곡선(로크웰 스케일에 기초한 경도)을 보여주며, 물에 의해 소입된 단부로부터의 거리 대 경도 측정치가 표시되어 있다.
도 6의 결과는, 시편의 소입 단부로부터 40 mm의 거리까지, 조미니 곡선이 약 50 HRC로 편평하게 남아 있음을 보여준다.
이들 결과는, 시험 시편의 길이 전체에 걸쳐 경도가 안정되게 남아 있고, 경화능이 높다는 것을 보여준다.
이러한 소입성(quenchability)은 벽 두께가 40 mm이고, 물에 의해 소입된 파이프에 대하여, 전체적으로 마르텐사이트 조직(99.9%)을 얻을 수 있다는 것이 추정된다.
환언하면, 본 발명의 강으로 제조한 시편에 대한 순수 마르텐사이트 조직의 생성이 그 경화능 조미니 곡선에 의해 추가로 확증되었다.
3. 비교강과의 경화능 비교
3.1. 강 비교
표 20은 비교강의 화학적 조성(표시된 양은 wt%로 계산된 것이고, 상기 조성의 잔부는 철이다)을 나타낸다.
강-F의 화학적 조성
강 C Si Mn P S Cr Mo Ni

F		 0.29 0.19 0.33 0.011 0.0014 0.95 0.8 0.04
Cu Al Ti Nb V B N
0.02 0.046 0.017 - 0.003 0.0012 0.0046
3.2. 수순
강 조성물 F로부터 만든 시편을 조미니 시험의 요구조건에 따라 표준화하였다.
910℃의 오스테나이트화 온도(AT)에서의 오스테나이트화 후에 조미니 시험을 수행하고, 그 온도에서 10분(At: 오스테나이트화 시간) 동안 유지하였다.
3.3. 결과
도 7은 강 조성물 F로부터 만든 시편의 조미니 곡선(로크웰 스케일에 기초한 경도)을 보여주며, 물에 의해 소입된 단부로부터의 거리 대 경도 측정치가 표시되어 있다.
도 7의 결과는, 이 시편의 조미니 곡선은 편평하지 않고 소입 단부로부터의 거리가 증가함에 따라 현저히 떨어지는 것을 보여준다.
특히, 강 조성물 F로부터 얻은 시편의 곡선은 현저히 떨어지기 전에, 15 mm 부근에 변곡점을 갖고 있다.
이들 결과는, 시험 시편의 길이 전체에 결쳐 경도가 안정적이지 않다는 것을 명확히 보여준다.
이들 결과는, 수행된 소입성이 전체 마르텐사이트 조직에 이를 수 없다는 사실을 확증해준다. 실제, 이 시편의 조직은 소입 단부로부터 40 mm의 거리에서 90% 미만의 마르텐사이트로 이루어져 있다.
특히, 이는, 이러한 소입성은 벽 두께가 40 mm이고, 물에 의해 소입된 파이프에 대하여, (외부 소입이든 외부 및 내부 소입이든) 전체적으로 마르텐사이트 조직(99.9%)을 얻을 수 없고 대신에 90% 미만의 마르텐사이트를 갖는 조직이 얻어진다는 것을 의미한다.

Claims (15)

  1. 심리스 파이프용 강으로서:
    C: 0.27 내지 0.30 wt%,
    Si: 0.20 내지 0.35 wt%,
    Mn: 0.80 내지 0.90 wt%,
    Cr: 1.30 내지 1.45 wt%,
    Mo: 0.65 내지 0.75 wt%,
    Ni: 0.15 내지 0.25 wt%,
    Cu: 최대 0.25 wt%,
    Al: 0.015 내지 0.035 wt%,
    Ti: 0.024 내지 0.038 wt%,
    N: 최대 0.012 wt%,
    V: 최대 0.05 wt%,
    B: 0.001 내지 0.0025 wt%,
    Nb: 0.02 내지 0.03 wt%,
    의 화학적 조성을 가지며,
    상기 강의 잔부는 철 및 공업 처리에서 비롯되는 불가피한 불순물이고, 적어도 862 MPa의 항복 강도(Ys)와, 극한 인장 강도(UTS)를 가지며, 항복 강도(Ys)와 극한 인장 강도(UTs) 간의 비는 0.93 미만인, 심리스 파이프용 강.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 화학적 조성은,
    C: 0.27 내지 0.30 wt%,
    Si: 0.22 내지 0.30 wt%,
    Mn: 0.80 내지 0.85 wt%,
    Cr: 1.30 내지 1.40 wt%,
    Mo: 0.65 내지 0.70 wt%,
    Ni: 0.15 내지 0.20 wt%,
    Cu: 0.10 내지 0.20 wt%,
    Al: 0.017 내지 0.030 wt%,
    Ti: 0.028 내지 0.038 wt%,
    N: 0.001 내지 0.010 wt%,
    V: 0.001 내지 0.020 wt%
    B: 0.0010 및 0.0018%,
    Nb: 0.020 내지 0.025 wt%이고,
    상기 강의 잔부는 철 및 산업 공정에서 비롯되는 불가피 불순물인, 심리스 파이프용 강.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 항복 강도(Ys)와 극한 인장 강도(UTs) 간의 비는 0.9보다 작고, 바람직하게는 0.88보다 작은, 심리스 파이프용 강.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 항복 강도(Ys)는 적어도 900 MPa이고, 바람직하게는 적어도 930 MPa인, 심리스 파이프용 강.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 극한 인장 강도(UTs)는 적어도 950 MPa이고, 바람직하게는 적어도 1035 MPa인, 심리스 파이프용 강.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강은 전체 샘플 크기(10x10 mm)에 대한 샤르피 충격 시험 ASTM E23 - Type A에 따라, 횡방향으로 -40℃에서 적어도 다음의 인성 값을 갖는 것인, 심리스 파이프용 강.
    Figure pct00003
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강은 전체 샘플 크기(10x10 mm)에 대한 샤르피 충격 시험 ASTM E23 - Type A에 따라, 횡방향으로 -60℃에서 적어도 다음의 인성 값을 갖는 것인, 심리스 파이프용 강.
    Figure pct00004
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성은 니켈, 크롬 및 망간 함량 사이에서 이하의 관계를 만족하는 것인, 심리스 파이프용 강.
    ∑(Ni, Cr, Mn) ≥ 2.2
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조성은 니켈, 크롬, 망간 및 규소 함량 사이에서 이하의 관계를 만족하는 것인, 심리스 파이프용 강.
    ∑(Ni, Cr, Mn, Si) ≥ 2.4
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강의 마이크로조직은 전체 마이크로조직과 관련하여 적어도 95%, 바람직하게는 99%의 마르텐사이트를 포함하는 것인, 심리스 파이프용 강.
  11. 강제 심리스 파이프의 제조 방법으로서, 적어도
    (i) 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 따라 정의된 화학적 조성을 갖는 강을 제공하는 단계,
    (ii) 열간 성형 프로세스를 통해 1100℃ 내지 1300℃의 온도에서 상기 강을 열간 성형하여, 파이프를 얻는 단계;
    (iii) 상기 파이프를 890℃ 이상의 오스테나이트화 온도(AT)까지 가열하고, 상기 파이프를 5분 내지 30분의 시간 동안 상기 오스테나이트화 온도(AT)에 유지하고, 이에 후속하여,
    - 소입된(quenched) 파이프를 얻기 위하여, 상기 파이프를 최대 100℃의 온도까지 냉각하고,
    - 소입 및 소둔된(tempered) 파이프를 얻기 위하여, 상기 소입된 파이프를 580℃ 내지 720℃의 소둔 온도(TT)로 가열하여 유지하고, 그 파이프를 소둔 시간 동안 상기 소둔 온도(TT)에서 유지하고, 이어서 상기 파이프를 최대 20℃의 온도로 냉각하는
    단계와,
    (iv) 상기 항복 강도와 극한 인장 강도 간의 비를 측정하고, 그 비를 0.93 미만으로 제어하는 단계
    를 포함하는 것인, 제조 방법.
  12. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 따른 강으로 제조한 심리스 파이프.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 강제 심리스 파이프는 38 내지 78 mm 범위의 벽 두께를 갖는 것인, 심리스 파이프.
  14. 적어도 청구항 12 또는 청구항 13의 심리스 파이프를 포함하는 오일 및 가스 부속품 및/또는 기계적 부품.
  15. 오일 및 가스 부속품 및/또는 기계적 부품의 제조 시에 사용하는 데에 있어서의 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 따른 강의 용도.
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