KR20210080693A - 용접 열영향부 인성이 우수한 고강도 강판 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고강도 특성을 구비하면서, 우수한 용접 열영향부 인성을 가지는 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명의 일 측면에 따르는 강판은 해양구조물, 건축구조물, 선박 등 구조물의 제작에 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 고강도 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용접 열영향부 인성이 우수한 고강도 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 해양구조물, 건축구조물, 선박 등 구조물 제작에 고강도 강판의 채용이 활발하게 이루어지고 있다. 이는, 고강도 강재를 사용함으로써 강재 무게를 줄여 구조물의 중량을 낮출 수 있기 때문이다.
그러나, 일반적으로 고강도 강재는 합금원소의 첨가량이 높아 용접 측면에서는 불리하다. 특히, 용접부 내에 존재하는 용접 열영향부(Heat Affected Zone) 인성이 크게 저하되므로 고강도 강판의 사용이 제한되는 측면이 있다.
이에, 고강도 강판에서 용접 열영향부 인성이 저하되는 것을 막기 위해 여러 기술들이 제안되어 왔다.
예를 들어, 특허문헌 1은 구리의 다량 첨가로 인한 석출 강화를 통해 강판의 고강도화를 도모하므로, 용접 열영향부 인성을 크게 저하시키는 탄소의 첨가량을 억제하며, 그에 따라, 용접 열영향부 인성을 향상시키는 방안을 제시하고 있다.
그러나, 특허문헌 1은 구리를 다량 첨가함에 따라 강판 제조 과정에서 구리에 의한 표면 균열이 발생하여, 강판의 표면 품질이 크게 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
특허문헌 2는 CaS 개재물을 활용하기 위해 칼슘, 산소 및 황의 함량을 적절히 제어하고, 망간 함량을 높여 용접 열영향부 인성을 개선하는 방안을 제시하고 있다.
그러나, 칼슘, 산소 및 황은 제강 공정 상 정밀하게 제어하기 어렵다는 단점이 있다.
특허문헌 3은 보론의 경화능을 활용하기 위하여 극저탄소화를 도모하고, 이를 통해 강도와 용접 열영향부 인성을 동시에 확보하는 방안을 제시하고 있다.
그러나, 보론을 유효하게 활용하기 위해서는 보론 뿐만 아니라, 질소, 티타늄, 알루미늄 및 산소를 정밀하게 제어하여야 하는데, 이 원소들에 대한 정밀 제어를 실패할 경우, 유효 보론을 확보하지 못하여 강도 확보가 곤란해지는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고강도 특성을 구비하면서, 우수한 용접 열영향부 인성을 가지는 강판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 않는다. 통상의 기술자라면 본 명세서의 전반적인 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, C: 0.02~0.05%, Si: 0.05~0.2%, Mn: 2.0~2.4%, P: 0.012% 이하, S: 0.003% 이하, Al: 0.01~0.04%, Cu: 0.2~0.4%, Ni: 2.1~2.5%, Nb: 0.005~0.015%, Ti: 0.005~0.015%, N: 0.002~0.006%, Ca: 0.0005~0.002%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기의 관계식 1에서 정의되는 Pcm이 0.19~0.21이며, 미세조직으로 0.5~1.5면적%의 시멘타이트 및 잔부 페라이트를 포함하고, EBSP법으로 측정된 페라이트 평균 입경이 4㎛ 이하이고, 항복강도가 500MPa 이상인 용접 열영향부 인성이 우수한 고강도 강판을 제공할 수 있다.
[관계식 1]
Pcm = [C]+[Si]/30+([Mn]+[Cu]+[Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15+[V]/10+5[B]
(여기서, [C], [Si], [Mn], [Cu], [Cr], [Ni], [Mo], [V] 및 [B]는 해당 합금원소의 중량%이다.)
상기 강판은 -50℃에서의 충격 평균 흡수에너지가 100J 이상이고, -20℃에서의 FL CTOD 최소값이 0.25mm 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은, 중량%로, C: 0.02~0.05%, Si: 0.05~0.2%, Mn: 2.0~2.4%, P: 0.012% 이하, S: 0.003% 이하, Al: 0.01~0.04%, Cu: 0.2~0.4%, Ni: 2.1~2.5%, Nb: 0.005~0.015%, Ti: 0.005~0.015%, N: 0.002~0.006%, Ca: 0.0005~0.002%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기의 관계식 1에서 정의되는 Pcm이 0.19~0.21를 만족하는 강 슬라브를 1050~1150℃ 범위의 온도에서 재가열하는 단계; 상기 재가열된 슬라브를 900℃ 이상의 온도에서 1차 압연하는 단계; 상기 1차 압연된 강판을 700~850℃의 압연 종료 온도로 2차 압연하는 단계; 상기 2차 압연된 강판을 3℃/s 이상의 냉각속도로 300℃ 이하까지 수냉하는 단계; 및 상기 냉각된 강판을 500~600℃로 템퍼링 열처리하는 단계를 포함하는 용접 열영향부 인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법을 제공할 수 있다.
[관계식 1]
Pcm = [C]+[Si]/30+([Mn]+[Cu]+[Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15+[V]/10+5[B]
(여기서, [C], [Si], [Mn], [Cu], [Cr], [Ni], [Mo], [V] 및 [B]는 해당 합금원소의 중량%이다.)
상기 수냉된 강판을 상온까지 공냉하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 2차 압연의 누적 압하율은 40% 이상일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고강도 특성을 구비하면서, 우수한 용접 열영향부 인성을 가지는 강판 및 그 제조방법이 제공될 수 있다. 보다 상세하게는 본 발명의 일 측면에 따르는 강판은 해양구조물, 건축구조물, 선박 등 구조물의 제작에 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 구현예들을 설명하고자 한다. 본 발명의 구현예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 구현예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 구현예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
강 구조물의 제작 시 용접 입열이 높을수록 용접 열영향부의 부피가 증가하고, 용접 금속에 바로 인접한 결정립 조대화 영역이 증가하여 인성이 저하되므로 안전성 확보 차원에서 용접 입열량을 제한하게 된다.
그러나, 5kJ/mm 이하의 저입열량으로 후강판을 용접하는 경우에는 1 패스로 용접이 이루어지지 않으므로 다층 용접이 필수적이다. 다층 용접을 하게 되면 이전 패스의 용접열로 인해 생성된 용접 열영향부의 조직이 다음 패스의 용접열에 의해 변하게 되므로 용접 열영향부 내에 다양한 국부영역이 형성된다.
많은 연구자들이 다층 용접부의 용접 열영향부 내에 존재하는 여러 국부영역에 대해 연구한 결과, 가장 인성이 취약한 국부영역이 이상역 재가열 결정립 조대화 (Intercritically Reheated Coarse-Grained) 영역임을 밝혀내었다. 이 국부영역은 이전 패스에서 조대한 결정립이 형성된 후 다음 패스에서 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 이상역까지 재가열되었다가 냉각된 영역으로, 결정립이 조대하면서 결정립계를 따라 M-A (Martensite-Austenite) 조직이 형성되므로 인성이 가장 취약하다. 해당 국부영역은 전체 용접 열영향부에 비해 매우 작은 영역이므로, 충격시험과 같이 평균적인 인성을 평가하는 시험에서는 잘 드러나지 않으나, CTOD (Crack Tip Opening Displacement) 시험과 같이 시편 내에 가장 취약한 영역을 쉽게 샘플링하는 시험에서는 큰 문제를 야기할 수 있다.
많은 연구자들이 CTOD 시험 시 평균에 비해 매우 낮은 CTOD 값을 보이는 시편에 대해 조사한 결과, 많은 시편들이 이상역 재가열 결정립 조대화 국부영역에서 취성 균열이 시작되었음을 확인하였다.
본 발명자는 국부영역의 인성을 높이는 방안에 대해 연구한 결과, 이상역 재가열 결정립 조대화 영역은 기본적으로 결정립 조대화 영역에 속해 있으므로 조대한 구 오스테나이트 입계를 갖고 있으며, 구 오스테나이트 입계 내부에 베이나이트 또는 애시큘러 페라이트 타입의 미세조직을 갖고 있는 것을 알 수 있었다. 애시큘러 페라이트 미세조직은 특정 개재물을 핵으로 하여 애시큘러 타입의 페라이트가 형성되므로 인성이 우수하나, 전체 결정립 조대화 영역을 모두 애시큘러 페라이트 조직으로 만들기는 공업적으로 매우 어렵다. 따라서, 애시큘러 페라이트 외에 형성되는 베이나이트 조직의 인성을 높일 필요가 있음을 확인하였다.
본 발명에서는 Ni을 일정 함량 이상 첨가하여 이상역 재가열 결정립 조대화 영역에서 생성되는 베이나이트 인성을 향상시킴으로써 상기 국부영역의 인성을 높일 수 있음을 확인하고, 제조조건을 최적화하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
이하에서는, 본 발명의 강 조성에 대해 자세히 설명한다.
본 발명에서 특별히 달리 언급하지 않는 한 각 원소의 함량을 표시하는 %는 중량을 기준으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르는 강판은 중량%로, C: 0.02~0.05%, Si: 0.05~0.2%, Mn: 2.0~2.4%, P: 0.012% 이하, S: 0.003% 이하, Al: 0.01~0.04%, Cu: 0.2~0.4%, Ni: 2.1~2.5%, Nb: 0.005~0.015%, Ti: 0.005~0.015%, N: 0.002~0.006%, Ca: 0.0005~0.002%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
탄소(C): 0.02~0.05%
탄소(C)는 경화능 원소로, 본 발명에서 목표로 하는 강도를 확보하기 위해서는 0.02% 이상 첨가되어야 한다. 다만, 탄소(C)는 이상역 재가열 결정립 조대화 영역 내에 M-A(Martensite-Austenite) 조직의 분율을 증가시켜 인성을 저해하므로 그 함량을 0.05% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
따라서, 탄소(C)의 함량은 0.02~0.05%일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.02~0.035%일 수 있다.
실리콘(Si): 0.05~0.2%
실리콘(Si)는 탈산 및 강도 확보에 기여하는 원소로 0.05% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 잔류 오스테나이트가 시멘타이트로 변태되는 것을 막아, 이상역 재가열 결정립 조대화 영역에서 M-A 조직이 형성되는 것을 돕기 때문에 그 함량을 0.2% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
따라서, 실리콘(Si)의 함량은 0.05~0.2% 일 수 있다.
망간(Mn): 2.0~2.4%
망간(Mn)은 C 함량이 낮은 상태에서 용접 열영향부 인성을 크게 저하시키지 않으면서 강의 경화능을 높일 수 있는 원소로, 강도 확보를 위해 2.0% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 2.4%를 초과하면 강판의 두께중심부 편석을 조장하여 인성을 저해하는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 망간(Mn)의 함량은 2.0~2.4%일 수 있으며, 보다 바람직하게는 2.1~2.3%일 수 있다.
인(P): 0.012% 이하
인(P)은 제강 과정에서 강 중에 불가피하게 혼입되는 불순물로서, 용접 열영향부 인성을 저하시키므로 그 함량을 0.012% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
따라서, 인(P)의 함량은 0.012% 이하일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.008% 이하일 수 있다.
황(S): 0.003% 이하
황(S)은 제강 과정에서 강 중에 불가피하게 혼입되는 불순물로, 용접 열영향부 CTOD 인성을 크게 저하시키므로 0.003% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
따라서, 황(S)의 함량은 0.003% 이하일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.002% 이하일 수 있다.
알루미늄(Al): 0.01~0.04%
알루미늄(Al)은 탈산에 기여하는 원소로, 조대한 산화물이 형성되는 것을 막기 위하여 0.01% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.04%를 초과하면 이상역 재가열 결정립 조대화 영역에서 M-A 조직의 형성이 현저해져 인성을 크게 저하시키는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 알루미늄(Al)의 함량은 0.01~0.04%일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.02~0.03%일 수 있다.
구리(Cu): 0.2~0.4%
구리(Cu)는 강의 강도를 높이면서 용접 열영향부 인성을 크게 저하시키지 않는 원소로, 0.2% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.4%를 초과하면 구리(Cu)에 의한 크랙 발생으로 강판의 표면 품질이 저하될 위험이 있다.
따라서, 구리(Cu)의 함량은 0.2~0.4%일 수 있다.
니켈(Ni): 2.1~2.5%
니켈(Ni)은 본 발명에서 가장 중요한 합금 원소이다. 본 발명의 발명자들은 다층 용접부의 열영향부 내에 존재하는 이상역 재가열 결정립 조대화 국부영역의 인성을 확보할 수 있는 방안에 대해 많은 실험을 수행한 결과, 니켈(Ni)이 가장 유효한 원소임을 확인하였다. 아울러, 본 발명에서 목표로 하는 용접 열영향부 인성을 확보하기 위해서는 2.1% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 2.5%를 초과하면 상술한 효과가 포화되고, 니켈(Ni)이 고가의 원소라는 점에서 제조비용이 상승하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 니켈(Ni)의 함량은 2.1~2.5%일 수 있으며, 보다 바람직하게는 2.1~2.3%로 포함할 수 있다.
니오븀(Nb): 0.005~0.015%
니오븀(Nb)은 압연 시 오스테나이트의 미재결정역을 확장시켜 최종 조직을 미세화하여 강도와 인성을 높이는데 기여하므로 0.005% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.015%를 초과하면 용접 열영향부 내에 M-A 조직의 형성을 조장하여 인성을 저해할 수 있다.
따라서, 니오븀(Nb)의 함량은 0.005~0.015%일 수 있다.
티타늄(Ti): 0.005~0.015%
티타늄(Ti)은 N와 결합하여 고온 안전성이 우수한 TiN 입자를 형성하여 용접 시 용접 열에 의해 오스테나이트가 지나치게 성장하는 것을 막아, 결정립 조대화 영역의 인성을 개선시키므로, 0.005% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.015%를 초과하면 TiN 입자가 조대해져 오스테나이트의 성장을 막지 못하게 된다.
따라서, 티타늄(Ti)의 함량은 0.005~0.015%일 수 있다.
질소(N): 0.002~0.006%
질소(N)는 Ti과 결합하여 TiN 입자를 형성하여 결정립 조대화 영역에서 오스테나이트가 크게 성장하는 것을 막으므로 0.002% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.006%를 초과하면 연속 주조 시 강 주편에 표면 크랙을 유발할 수 있다.
따라서, 질소(N)의 함량은 0.002~0.006%일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.003~0.005%일 수 있다.
칼슘(Ca): 0.0005~0.002%
칼슘(Ca)은 S와 결합하여 압연 중 쉽게 연신되는 MnS의 형성을 막아, 용접 열영향부 인성이 저해되는 것을 막으므로 0.0005% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.002%를 초과하면 상술한 효과가 포화되고, 제강 공정 상 부하가 증가하게 되는 문제점이 있다.
따라서, 칼슘(Ca)의 함량은 0.0005~0.002%일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.001~0.002%일 수 있다.
본 발명의 강판은, 상술한 조성 이외에 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 불가피한 불순물은 통상의 제조공정에서 의도되지 않게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이러한 불순물들은 통상의 철강제조분야의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
본 발명의 강판은 상술한 합금조성을 만족하며, 관계식 1에서 정의되는 Pcm이 0.19~0.21를 만족할 수 있다.
Pcm은 저온 균열의 생성 가능성을 나타내는 지수 중 하나로, 본 발명의 강과 같이 0.05% 이하의 C를 함유하고 있는 강에서 강의 경화능을 나타내는 지수로 사용할 수 있다. Pcm은 하기 관계식 1로 나타낼 수 있다.
[관계식 1]
Pcm = [C]+[Si]/30+([Mn]+[Cu]+[Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15+[V]/10+5[B]
(여기서, [C], [Si], [Mn], [Cu], [Cr], [Ni], [Mo], [V] 및 [B]는 해당 합금원소의 중량%이다.)
Pcm이 0.19 미만이면 강의 경화능 부족으로 본 발명에서 목표로 하는 강도 확보가 곤란해지고, 0.21을 초과하면 경화능이 지나치게 높아져 용접 열영향부의 인성 확보가 곤란해진다.
이하에서는, 본 발명의 강 미세조직에 대해 자세히 설명한다.
본 발명에서 특별히 달리 언급하지 않는 한 미세조직의 분율을 표시하는 %는 면적을 기준으로 한다.
상술한 합금조성을 만족하는 본 발명의 강판은 미세조직으로 0.5~1.5%의 시멘타이트와 잔부 페라이트를 포함할 수 있다. 이 때, EBSP법으로 측정된 페라이트 평균 입경은 4㎛ 이하인 것이 바람직하다.
시멘타이트는 미세조직으로 0.5~1.5%를 포함하는 것이 바람직하다.
시멘타이트가 0.5% 미만이면 강도 확보가 곤란하고, 그 면적율이 1.5%를 초과하면 이상역 재가열 결정립 조대화 열영향부에서 M-A 조직의 형성이 조장되어 인성 확보가 어려워진다.
잔부 조직으로 페라이트를 포함하는 것이 바람직하다.
페라이트는 가속냉각 후 생성된 베이나이트 또는 마르텐사이트 조직이 템퍼링에 의해 풀리면서 형성되는 조직으로, 본 발명에서 목표로 하는 인성을 만족하기 위해 시멘타이트를 제외한 잔부 조직으로 포함되어야 한다.
EBSP법으로 측정된 페라이트 평균 입경은 4㎛ 이하인 것이 바람직하다.
페라이트는 수냉 과정에서 형성된 베이나이트 또는 마르텐사이트가 템퍼링되어 형성된 것으로 매우 미세하여 광학현미경으로는 입계를 명확히 분해하기 어렵다. 대신 EBSP (Electron Back-Scattered Pattern)법으로 측정된 방위각 차가 15도 이상인 경계를 유효 결정립계로 간주하였을 때, 강판의 두께중심부에서 측정된 페라이트 평균 입경은 4㎛ 이하인 것이 바람직하다. 페라이트 평균 입경이 4㎛를 초과하면 본 발명에서 목표로 하는 두께중심부 인성을 확보하기 곤란하다.
이하에서는, 본 발명의 강 제조방법에 대해 자세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따르는 강판은 상술한 합금조성을 만족하는 강 슬라브를 재가열, 압연, 냉각 및 열처리하여 제조될 수 있다.
슬라브 재가열
상술한 합금조성을 만족하는 강 슬라브를 1050~1150℃ 범위의 온도에서 재가열하는 것이 바람직하다.
재가열 온도가 1150℃를 초과하면 압연 전 오스테나이트 조직이 조대해지고, 70mm 이상의 후강판의 경우에는 압연을 거치더라도 두께중심부의 오스테나이트 조직을 충분히 미세화하기 어렵기 때문에 두께중심부 인성 확보가 곤란하다. 다만, 그 온도가 1050℃ 미만이면 압연 부하가 증대되어 압연 시 충분한 패스당 압하량을 부여하지 못하여 강 주편의 두께중심부에 존재할 수 있는 기공들을 압착하지 못하므로 두께중심부의 두께방향 연성이 저하될 수 있다.
재가열 시간은 특별히 한정하지 않으나, 통상적으로 강 주편 두께 1mm 당 1분 이상이면 두께중심부까지 충분히 가열시킬 수 있다.
1차 압연
재가열된 강 슬라브를 900℃ 이상의 온도에서 1차 압연하는 것이 바람직하다. 1차 압연 온도가 900℃ 미만이면 압연 부하가 증가하여 패스당 압하량이 부족해지고, 이로 인해 강 주편의 두께중심부에 존재하는 기공들의 압착이 어려워져 두께방향 연성 확보가 곤란해진다.
2차 압연
1차 압연된 강판을 700~850℃의 압연 종료 온도와 40% 이상의 누적 압하율로 2차 압연하는 것이 바람직하다. 2차 압연 종료 온도가 850℃를 초과하면 두께중심부 인성 확보가 곤란하고, 그 온도가 700℃ 미만이면 압연 부하가 지나치게 높아지므로 공업적으로 적용이 곤란해진다.
2차 압연의 누적 압하율이 40% 미만이면 두께중심부의 오스테나이트 조직이 충분히 미세화되지 못하여 강판의 두께중심부 인성 확보가 곤란해진다.
냉각
압연된 강판을 300℃ 이하까지, 3℃/s 이상의 냉각속도로 수냉한 후, 상온까지 공냉하는 것이 바람직하다.
냉각 종료 온도가 300℃를 초과하거나, 냉각속도가 3℃/s 미만이면 강판의 두께중심부에 조대한 상부 베이나이트가 형성되어 강판의 두께중심부 충격인성 확보가 곤란해진다.
300℃ 이하로 냉각된 강판을 상온까지 공냉할 수 있다.
열처리
냉각된 강판을 500~600℃ 범위의 온도로 템퍼링 열처리하는 것이 바람직하다. 템퍼링 열처리는 냉각 이후 강판의 두께 방향 재질 특성을 보완하기 위한 것으로, 템퍼링 열처리 온도가 500℃ 미만이면 두께중심부 인성 확보가 곤란해진다. 다만, 그 온도가 600℃를 초과하면 템퍼링 열처리를 통해 생성되는 탄화물이 조대해져 강도 확보가 곤란해진다.
상기와 같이 제조된 본 발명의 강판은 항복강도가 500MPa 이상, 인장강도가 600MPa 이상, -50℃에서의 충격 평균 흡수에너지가 100J 이상이면서 -20℃에서의 FL (Fusion Line) 최소 CTOD 값이 0.25mm 이상인, 저입열 다층용접 시 용접 영향부의 인성이 우수하면서도 고강도 특성을 구비할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 아래의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다.
(실시예)
하기 표 1 에 나타낸 합금조성을 갖는 용강을 만든 후, 연속 주조법을 통해 강 주편을 제조하였다. 이렇게 제조된 강 주편을 하기 표 2에 나타낸 조건으로 재가열, 압연, 냉각 및 열처리를 통해 75mm 두께의 강판을 제조하였다. 이 때, 냉각 후 상온까지는 공냉하였다.
| 강종 | 합금조성(중량%) | Pcm | |||||||||||
| C | Si | Mn | P | S | Al | Cu | Ni | Nb | Ti | N | Ca | ||
| A | 0.026 | 0.15 | 2.34 | 0.006 | 0.002 | 0.033 | 0.21 | 2.46 | 0.008 | 0.012 | 0.0038 | 0.0012 | 0.200 |
| B | 0.037 | 0.17 | 2.27 | 0.005 | 0.003 | 0.028 | 0.35 | 2.14 | 0.006 | 0.009 | 0.0027 | 0.0008 | 0.209 |
| C | 0.042 | 0.11 | 2.15 | 0.003 | 0.002 | 0.032 | 0.37 | 2.16 | 0.009 | 0.013 | 0.0046 | 0.0017 | 0.208 |
| D | 0.045 | 0.08 | 2.05 | 0.004 | 0.001 | 0.031 | 0.25 | 2.27 | 0.011 | 0.011 | 0.0033 | 0.0013 | 0.201 |
| E | 0.039 | 0.06 | 2.11 | 0.005 | 0.003 | 0.022 | 0.22 | 2.11 | 0.013 | 0.008 | 0.0048 | 0.0011 | 0.193 |
| F | 0.024 | 0.09 | 2.36 | 0.009 | 0.001 | 0.027 | 0.38 | 2.38 | 0.007 | 0.012 | 0.0031 | 0.0009 | 0.204 |
| G | 0.056 | 0.15 | 2.13 | 0.003 | 0.002 | 0.034 | 0.26 | 2.29 | 0.008 | 0.009 | 0.0033 | 0.0015 | 0.219 |
| H | 0.028 | 0.03 | 2.37 | 0.005 | 0.003 | 0.004 | 0.37 | 2.35 | 0.013 | 0.011 | 0.0028 | 0.0014 | 0.208 |
| I | 0.046 | 0.09 | 2.05 | 0.006 | 0.002 | 0.027 | 0.21 | 1.87 | 0.009 | 0.009 | 0.0037 | 0.0011 | 0.193 |
| J | 0.033 | 0.17 | 2.27 | 0.007 | 0.002 | 0.016 | 0.28 | 2.21 | 0.022 | 0.013 | 0.0045 | 0.0009 | 0.203 |
| K | 0.042 | 0.13 | 2.35 | 0.004 | 0.002 | 0.022 | 0.36 | 2.36 | 0.008 | 0.011 | 0.0035 | 0.0015 | 0.221 |
[관계식 1]
Pcm = [C]+[Si]/30+([Mn]+[Cu]+[Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15+[V]/10+5[B]
(여기서, [C], [Si], [Mn], [Cu], [Cr], [Ni], [Mo], [V] 및 [B]는 해당 합금원소의 중량%이다.)
| 시편 번호 | 강종 | 재가열 | 1차 압연 | 2차 압연 | 냉각 | 열처리 | ||
| 온도 (℃) | 종료 온도 (℃) | 종료 온도 (℃) | 누적 압하율 (%) | 종료 온도 (℃) | 속도 (℃/s) | 템퍼링 온도 (℃) | ||
| 1 | A | 1068 | 932 | 764 | 55 | 206 | 3.6 | 552 |
| 2 | B | 1123 | 981 | 798 | 45 | 251 | 3.9 | 548 |
| 3 | C | 1098 | 993 | 832 | 50 | 287 | 4.2 | 519 |
| 4 | D | 1135 | 987 | 735 | 50 | 265 | 3.4 | 583 |
| 5 | E | 1052 | 926 | 718 | 55 | 230 | 3.1 | 561 |
| 6 | F | 1087 | 959 | 789 | 40 | 276 | 3.7 | 540 |
| 7 | G | 1099 | 946 | 754 | 45 | 250 | 3.3 | 539 |
| 8 | H | 1112 | 992 | 729 | 50 | 255 | 3.4 | 576 |
| 9 | I | 1125 | 965 | 769 | 55 | 288 | 3.2 | 581 |
| 10 | J | 1067 | 955 | 771 | 45 | 223 | 3.8 | 546 |
| 11 | K | 1098 | 931 | 769 | 55 | 271 | 3.4 | 567 |
| 12 | C | 1183 | 970 | 804 | 55 | 261 | 3.7 | 552 |
| 13 | D | 1091 | 955 | 876 | 35 | 259 | 3.9 | 548 |
| 14 | E | 1103 | 979 | 805 | 55 | 349 | 2.4 | 568 |
| 15 | F | 1092 | 936 | 756 | 50 | 255 | 3.7 | 626 |
제조된 강판의 미세조직을 분석하기 위해 강판의 두께중심부에서 시편을 채취하였다. 채취된 시편을 연마하고, 나이탈 부식 용액으로 에칭한 후 광학현미경에 연결된 상분석기(Image Analyzer)를 이용해 시멘타이트 면적율을 측정하였다. 페라이트 평균 입경은 EBSP법을 이용해 측정되었는데, Kikuchi 패턴의 관찰 간격은 0.2㎛이었고, 관찰 면적은 200㎛ x 200㎛으로 하였다. 페라이트 평균 입경은 측정된 결정간의 방위각 차가 15도 이상인 경계로 정의하였고, 그 결과를 시멘타이트 면적율과 함께 표 3에 나타내었다.
제조된 강판으로부터 강판 두께의 1/4 지점에서 인장시편을 채취한 후 상온에서 인장시험을 통해 항복강도 및 인장강도를 측정하였다. 또한, 강판 두께의 1/2 지점에서 3개의 충격시편을 채취한 후 -50℃에서 샤르피 충격시험을 실시하여 평균 흡수에너지를 구하였다.
용접 열영향부 인성을 평가하기 위해 강판에 5kJ/mm 입열량으로 잠호 다층용접을 실시하였다. 이후 용접금속과 용접 열영향부의 경계인 FL (Fusion Line)에 피로균열을 삽입한 후 BS 7448 규격에 따라 -20℃에서 5회 CTOD 시험을 실시하였다.
인장시험으로부터 상온 항복강도 및 인장강도, 충격시험으로부터 -50℃ 평균 흡수에너지, FL CTOD 시험으로부터 -20℃에서 측정된 최소 CTOD 값을 구하여 하기 표 3에 나타내었다.
| 시편 번호 | 강종 | 미세조직 | 기계적 물성 | 구분 | ||||
| 시멘타이트 면적율 (%) |
페라이트 평균 입경 (㎛) | 항복강도 (MPa) | 인장강도 (MPa) | -50℃ 평균 충격흡수에너지 (J) | -20℃ FL CTOD 최소값 (mm) | |||
| 1 | A | 0.6 | 2.9 | 527 | 623 | 287 | 0.85 | 발명예1 |
| 2 | B | 1.2 | 3.7 | 538 | 621 | 236 | 0.68 | 발명예2 |
| 3 | C | 1.4 | 3.9 | 547 | 637 | 178 | 0.55 | 발명예3 |
| 4 | D | 1.4 | 3.4 | 511 | 607 | 251 | 0.41 | 발명예4 |
| 5 | E | 1.3 | 3.8 | 518 | 609 | 290 | 0.85 | 발명예5 |
| 6 | F | 0.7 | 3.2 | 522 | 616 | 266 | 1.03 | 발명예6 |
| 7 | G | 1.8 | 3.7 | 558 | 641 | 217 | 0.11 | 비교예1 |
| 8 | H | 0.8 | 3.3 | 531 | 624 | 236 | 0.07 | 비교예2 |
| 9 | I | 1.6 | 3.5 | 514 | 504 | 264 | 0.18 | 비교예3 |
| 10 | J | 1.1 | 3.1 | 528 | 619 | 289 | 0.13 | 비교예4 |
| 11 | K | 1.2 | 3.6 | 549 | 653 | 198 | 0.09 | 비교예5 |
| 12 | C | 1.3 | 4.6 | 532 | 625 | 78 | 0.48 | 비교예6 |
| 13 | D | 1.4 | 4.9 | 530 | 618 | 51 | 0.39 | 비교예7 |
| 14 | E | 1.3 | 4.3 | 491 | 604 | 95 | 0.77 | 비교예8 |
| 15 | F | 1.2 | 3.8 | 486 | 591 | 153 | 0.95 | 비교예9 |
발명예 1 내지 6은 본 발명에서 제안하는 합금조성 및 제조방법을 만족하여, 항복강도가 500MPa 이상, 인장강도가 600MPa 이상, 충격시험의 평균 흡수에너지가 100J 이상이면서 FL CTOD 최솟값이 0.25mm 이상으로 고강도 특성을 구비하면서 우수한 용접 열영향부 인성을 나타내었다.
비교예 1 내지 5는 본 발명에서 제안하는 합금조성 또는 Pcm 범위를 만족하지 못하여 FL CTOD 값이 본 발명에서 목표로 하는 최소값인 0.25mm를 넘지 못하였다.
비교예 6 및 7은 각각 재가열 온도 및 2차 압연 종료 온도가 본 발명의 범위에서 벗어난 것으로, 강도 및 FL CTOD는 양호하나 페라이트 평균 입경이 4㎛를 초과하고, -50℃ 두께중심부 충격인성이 좋지 못하였다.
비교예 8 및 9는 각각 냉각 조건 및 템퍼링 온도가 본 발명의 범위를 만족시키지 못하여 강도 또는 두께중심부 충격인성이 좋지 못하였다. 비교예 9의 경우, 템퍼링 온도가 본 발명의 범위보다 높아 시멘타이트가 조대화되어 강도를 확보하지 못하였다.
이상에서 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 실시예들에 한정되지 않는다.
Claims (5)
- 중량%로, C: 0.02~0.05%, Si: 0.05~0.2%, Mn: 2.0~2.4%, P: 0.012% 이하, S: 0.003% 이하, Al: 0.01~0.04%, Cu: 0.2~0.4%, Ni: 2.1~2.5%, Nb: 0.005~0.015%, Ti: 0.005~0.015%, N: 0.002~0.006%, Ca: 0.0005~0.002%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
하기의 관계식 1에서 정의되는 Pcm이 0.19~0.21이며,
미세조직으로 0.5~1.5면적%의 시멘타이트 및 잔부 페라이트를 포함하고,
EBSP법으로 측정된 페라이트 평균 입경이 4㎛ 이하이고,
항복강도가 500MPa 이상인 용접 열영향부 인성이 우수한 고강도 강판.
[관계식 1]
Pcm = [C]+[Si]/30+([Mn]+[Cu]+[Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15+[V]/10+5[B]
(여기서, [C], [Si], [Mn], [Cu], [Cr], [Ni], [Mo], [V] 및 [B]는 해당 합금원소의 중량%이다.)
- 제1항에 있어서,
상기 강판은 -50℃에서의 충격 평균 흡수에너지가 100J 이상이고, -20℃에서의 FL CTOD 최소값이 0.25mm 이상인 용접 열영향부 인성이 우수한 고강도 강판.
- 중량%로, C: 0.02~0.05%, Si: 0.05~0.2%, Mn: 2.0~2.4%, P: 0.012% 이하, S: 0.003% 이하, Al: 0.01~0.04%, Cu: 0.2~0.4%, Ni: 2.1~2.5%, Nb: 0.005~0.015%, Ti: 0.005~0.015%, N: 0.002~0.006%, Ca: 0.0005~0.002%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기의 관계식 1에서 정의되는 Pcm이 0.19~0.21를 만족하는 강 슬라브를 1050~1150℃ 범위의 온도에서 재가열하는 단계;
상기 재가열된 슬라브를 900℃ 이상의 온도에서 1차 압연하는 단계;
상기 1차 압연된 강판을 700~850℃의 압연 종료 온도로 2차 압연하는 단계;
상기 2차 압연된 강판을 3℃/s 이상의 냉각속도로 300℃ 이하까지 수냉하는 단계; 및
상기 냉각된 강판을 500~600℃로 템퍼링 열처리하는 단계를 포함하는 용접 열영향부 인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
[관계식 1]
Pcm = [C]+[Si]/30+([Mn]+[Cu]+[Cr])/20+[Ni]/60+[Mo]/15+[V]/10+5[B]
(여기서, [C], [Si], [Mn], [Cu], [Cr], [Ni], [Mo], [V] 및 [B]는 해당 합금원소의 중량%이다.)
- 제3항에 있어서,
상기 수냉된 강판을 상온까지 공냉하는 단계를 더 포함하는 용접 열영향부 인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
- 제3항에 있어서,
상기 2차 압연의 누적 압하율은 40% 이상인 용접 열영향부 인성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
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