KR20210156635A

KR20210156635A - 고강도 및 저온 인성이 우수한 강재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20210156635A
Application number: KR1020200074470A
Authority: KR
Inventors: 조영욱; 김영준; 김종철; 조성규
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2021-12-27

Abstract

본 발명은, 높은 강도와 우수한 저온 인성을 가지는 강재를 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 강재는, 중량%로, 탄소(C): 0.04% ~ 0.07%, 실리콘(Si): 0.05% ~ 0.20%, 망간(Mn): 1.40% ~ 1.80%, 가용성 알루미늄(S_Al): 0.015% ~ 0.055%, 구리(Cu): 0.10% ~ 0.40%, 니켈(Ni): 0.8% ~ 1.1%, 크롬(Cr): 0% 초과 ~ 0.1%, 니오븀(Nb): 0.005% ~ 0.03%, 티타늄(Ti): 0.005% ~ 0.015%, 바나듐(V): 0.01% ~ 0.10%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.01%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.002%, 및 잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하고, 인장강도(TS): 505 MPa ~ 665 MPa, 항복강도(YS): 460 MPa ~ 580 MPa, 연신율(EL): 17% ~ 25% 및 -40℃ 온도에서 샤르피 충격 흡수에너지: 60 J ~ 200 J 을 만족한다.

Description

고강도 및 저온 인성이 우수한 강재 및 그 제조방법{Steel having high strength and excellent low-temperature toughness and method of manufacturing the same}

본 발명의 기술적 사상은 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 강도와 우수한 저온 인성을 가지는 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

선박이나 해양 구조물 등의 해양구조용 강재나, 이산화탄소, 암모니아, 액화천연가스 등의 다종 액화가스를 수용하는 다목적 탱크용 강재는 그 사용환경이 매우 가혹하므로, 강도 및 저온 인성이 매우 중요하다. 특히, 해양구조용 강재는 온난지역에서의 자원고갈로 인해 해상석유가스 자원이 풍부한 북극과 같은 한랭지역으로 사용환경이 점차 이동하여, 종래의 저온 인성용 강재로는 극저온 환경에 사용하기 어렵다. 극지에 사용되는 해양구조용 강재는 영하 30℃ 이하의 극한 환경에 노출되고, 빙하 충돌로 인한 하중, 심해의 높은 압력, 폭발압력 등의 극한환경을 견딜 수 있도록 고강도 및 우수한 저온 인성을 요구하고 있다. 그러나, 강재의 강도를 향상시키기 위하여 탄소 또는 합금 원소의 함량을 증가하면, 저온 인성이 저하되는 문제점이 있다.

한국공개특허번호 제2016-0079166호

일반적으로, 고강도와 및 고 저온 인성을 동시에 확보하는 강재를 형성하기에는 어려움이 있고, 특히 페라이트-펄라이트 미세 조직을 이용한 고강도 및 고인성의 동시 확보에는 한계가 있다. 또한, 니켈과 같은 원소를 첨가하거나, ??칭과 텀퍼링의 열처리를 통하여 미세조직을 제어하여 고강도 및 고인성의 동시 확보를 시도하고 있으나, 생산성이 낮고 제조비용이 높은 한계가 있다.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 강도와 우수한 저온 인성을 가지는 강재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 의하면, 높은 강도와 우수한 저온 인성을 가지는 강재 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 강재는, 중량%로, 탄소(C): 0.04% ~ 0.07%, 실리콘(Si): 0.05% ~ 0.20%, 망간(Mn): 1.40% ~ 1.80%, 가용성 알루미늄(S_Al): 0.015% ~ 0.055%, 구리(Cu): 0.10% ~ 0.40%, 니켈(Ni): 0.8% ~ 1.1%, 크롬(Cr): 0% 초과 ~ 0.1%, 니오븀(Nb): 0.005% ~ 0.03%, 티타늄(Ti): 0.005% ~ 0.015%, 바나듐(V): 0.01% ~ 0.10%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.01%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.002%, 및 잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하고, 인장강도(TS): 505 MPa ~ 665 MPa, 항복강도(YS): 460 MPa ~ 580 MPa, 연신율(EL): 17% ~ 25% 및 -40℃ 온도에서 샤르피 충격 흡수에너지: 60 J ~ 200 J 을 만족할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 강재는, 그래뉼라 베이나이트, 애시큘러 페라이트 및 베이니틱 페라이트가 혼합된 조직을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 강재는 -40℃ ~ -60℃의 연성-취성 천이온도를 나타낼 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 강재의 제조 방법은, 중량%로, 탄소(C): 0.04% ~ 0.07%, 실리콘(Si): 0.05% ~ 0.20%, 망간(Mn): 1.40% ~ 1.80%, 가용성 알루미늄(S_Al): 0.015% ~ 0.055%, 구리(Cu): 0.10% ~ 0.40%, 니켈(Ni): 0.8% ~ 1.1%, 크롬(Cr): 0% 초과 ~ 0.1%, 니오븀(Nb): 0.005% ~ 0.03%, 티타늄(Ti): 0.005% ~ 0.015%, 바나듐(V): 0.01% ~ 0.10%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.01%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.002%, 및 잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 1,000℃ ~ 1,150℃의 온도에서 재가열하는 단계; 가열된 상기 강재를 700℃ ~ 800℃의 온도에서 종료되도록 열간압연하는 단계; 및 상기 열간압연된 강재를 냉각하는 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 강재를 냉각하는 단계는 4℃/초 ~ 10℃/초의 냉각속도로 400℃ ~ 500℃의 냉각종료온도까지 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 열간압연하는 단계는 5%/패스 ~ 30%/패스의 압하율로 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 냉각하는 단계를 수행한 후, 상기 강재는, 인장강도(TS): 505 MPa ~ 665 MPa, 항복강도(YS): 460 MPa ~ 580 MPa, 연신율(EL): 17% ~ 25% 및 -40℃ 온도에서 샤르피 충격 흡수에너지: 60 J ~ 200 J 을 만족하고, 그래뉼라 베이나이트, 애시큘러 페라이트 및 베이니틱 페라이트가 혼합된 조직을 가질 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 의할 경우, 합금성분 최적화와 불순물 제어를 통하여 높은 강도와 우수한 저온 인성을 가지는 강재를 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 강재는 460 MPa 이상의 항복강도, 17% 이상의 연신율, 및 -40℃에서 60 J 이상의 샤르피 충격 흡수에너지를 나타내므로, 해양구조용 강재 또는 다목적 탱크용 강재에 적용될 수 있다.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고강도 및 저온 인성이 우수한 강재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 공정 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.

해양구조용 강재는 통상적으로 -40℃ 이하에서 저온 인성이 보증되어야 하고, 더 나아가 우수한 CTOD(Crack Tip Opening Displacement) 특성을 가져야 한다. 해양구조용 강재의 강도 및 저온 인성을 증가시키는 방법으로, 대경각 입계(hign-angle grain boundary)를 줄이거나, 인이나 황과 같은 불순물을 저감시키는 방법 등 다양한 방법이 시도되고 있다. 일반적으로, 강판의 강도와 저온 인성을 증가시키기 위하여, 오스테나이트(Austenite)의 결정립(grain)을 제어하여, 저온 변태조직의 패킷(Packet), 예를 들어 베이나이트 패킷 등의 크기를 제어하는 방식을 사용한다. 종래에는, 오스테나이트의 결정립을 제어하기 위해서, 페라이트-펄라이트(Ferrite-Pearlite) 기지의 강재를 제조할 때와 유사하게, 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 및 바나듐(V)의 석출물을 이용하여 상기 패킷의 미세화를 유도하는 방법이 이용되었다. 그러나, 이러한 석출물이 조대화될 경우 취성의 기점이 되는 저온 인성 취약부를 형성하므로, 합금원소 최적화와 기지조직 자체의 인성을 향상시킬 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 기술적 사상은 해양구조용, 특히 선박 및 극지해양 플랜트에 사용되는 80t 고강도 후판재에 관한 것으로서, 강재의 합금성분 최적화와 불순물 제어를 통하여 향상된 저온 인성을 가지는 항복강도 460 MPa 이상의 고강도 강재 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

이하, 본 발명의 일 측면인 우수한 저온 인성과 고강도를 가지는 강재에 대하여 설명한다.

강재의 구성원소

본 발명의 일 측면인 강재는, 중량%로, 탄소(C): 0.04% ~ 0.07%, 실리콘(Si): 0.05% ~ 0.20%, 망간(Mn): 1.40% ~ 1.80%, 가용성 알루미늄(S_Al): 0.015% ~ 0.055%, 구리(Cu): 0.10% ~ 0.40%, 니켈(Ni): 0.8% ~ 1.1%, 크롬(Cr): 0% 초과 ~ 0.1%, 니오븀(Nb): 0.005% ~ 0.03%, 티타늄(Ti): 0.005% ~ 0.015%, 바나듐(V): 0.01% ~ 0.10%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.01%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.002%, 및 잔부는 철 (Fe)과 불가피한 불순물을 포함한다. 상기 불순물은 제강 공정 등에서 불가피하게 함유되는 다양한 불순물로 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 강재에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.

탄소(C)

탄소는 강재 전체 중량의 0.04 중량% ~ 0.07 중량%로 첨가된다. 탄소는 강재에 고강도를 부여하기 위한 불가결한 원소로서, 강재의 담금질성을 높이고, 담금질 후 강도를 결정하는 주요 원소이다. 탄소의 함량과 제조방법에 따라 소재 조직 내부에서 고용탄소가 되기도 하고, 탄소와 결합하려는 성질이 아주 높은 원소들과 결합하여 탄화물을 형성하게 된다. 탄소의 함량이 0.04 중량% 미만인 경우에는, 원하는 강도를 얻기 어렵다. 탄소의 함량이 0.07 중량%를 초과하는 경우에는, 용접성, 저온충격인성, 연신율 및 내식성 등이 저하된다.

실리콘(Si)

실리콘은 강재 전체 중량의 0.05 중량% ~ 0.20 중량%로 첨가된다. 실리콘은 제강과정에서 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가된다. 또한 실리콘은 고용강화 효과에도 유효한 원소이다. 실리콘의 함량이 0.05 중량% 미만인 경우에는, 실리콘 첨가 효과가 불충분하다. 실리콘의 함량이 0.20 중량%를 초과하는 경우에는, 강재 표면에 산화물을 형성하여 용접성, 도금 특성, 인성, 및 용접 열영향부 인성 등이 저하된다.

망간(Mn)

망간은 강재 전체 중량의 1.40 중량% ~ 1.80 중량%로 첨가된다. 망간은 강재의 강도 및 인성을 증가시키고 강의 소입성을 증가시키는 원소이다. 망간의 함량이 1.40 중량% 미만인 경우에는, 강도 확보에 어려움이 있을 수 있다. 망간의 함량이 1.80 중량%를 초과하는 경우에는, 강도는 증가하나 편석이 발생하여 조직 불균일을 발생시킬 수 있고, 저온충격인성을 저하시킬 수 있다.

가용성 알루미늄(S_Al)

가용성 알루미늄은 강재 전체 중량의 0.015 중량% ~ 0.055 중량%로 첨가된다. 가용성 알루미늄은 탈산재로 사용되는 동시에 실리콘과 같이 시멘타이트 석출을 억제하고 오스테나이트를 안정화하는 역할을 하며 강도를 향상시키는 역할을 한다. 가용성 알루미늄의 함량이 0.015 중량% 미만인 경우에는, 오스테나이트 안정화 효과를 기대하기 어려운 등 첨가효과가 불충분하다. 가용성 알루미늄의 함량이 0.055 중량%를 초과하는 경우에는, 제강시 노즐 막힘 문제가 발생할 수 있고, 주조시 알루미늄 산화물 등에 의하여 열간 취성이 발생하여 크랙 발생과 연성이 저하되는 문제가 있다.

구리(Cu)

구리는 강재 전체 중량의 0.10 중량% ~ 0.40 중량%로 첨가된다. 구리는 니켈과 함께 강재의 경화능 및 저온 및 충격인성을 향상시키는 역할을 한다. 구리의 함량이 0.10 중량% 미만인 경우에는, 구리의 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 구리의 함량이 0.40 중량%를 초과하는 경우에는, 적열취성 및 표면결함을 유발할 수 있다.

니켈(Ni)

니켈은 강재 전체 중량의 0.8 중량% ~ 1.1 중량%로 첨가된다. 니켈은 결정립을 미세화하고 오스테나이트 및 페라이트에 고용되어 기지를 강화시킨다. 특히, 니켈은 저온 인성을 향상시키는 데 효과적인 원소이다. 니켈의 함량이 0.8 중량% 미만인 경우에는, 니켈 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 니켈의 함량이 1.1 중량%를 초과하는 경우에는, 용접성을 저해하며 적열취성을 유발하는 문제가 있다.

크롬(Cr)

크롬은 강재 전체 중량의 0 중량% 초과 ~ 0.1 중량%로 첨가된다. 크롬은 담금질성을 높이고 강도를 확보하기 위해 첨가되는 원소이다. 또한, 크롬은 담금질성을 증가시키는 역할을 하지만 함량이 증가할수록 크롬과 산소가 결합하여 생성된 Cr-O₂에 의해 국부 부식이 일어나며, 인성이 저하된다. 크롬의 함량이 0.1 중량%를 초과하는 경우에는, 내용접 균열특성이 저하될 수 있다.

니오븀(Nb)

니오븀은 강재 전체 중량의 0.005 중량% ~ 0.03 중량%로 첨가된다. 니오븀은 고온에서 강에 포함되는 탄소 및 질소와 결합하여 탄화물 또는 질화물을 형성하고, 이러한 니오븀계 탄화물 또는 질화물은 압연 시 재결정 및 결정립 성장을 억제하여 결정립을 미세화시킴으로써 강재의 강도와 인성을 모두 향상시킨다. 니오븀의 함량이 0.005 중량% 미만인 경우에는, 니오븀 첨가 효과가 미미하다. 니오븀의 함량이 0.03 중량%를 초과하는 경우에는, 강재의 인성을 저하시킬 수 있다.

티타늄(Ti)

티타늄은 강재 전체 중량의 0.005 중량% ~ 0.015 중량%로 첨가된다. 티타늄은 고온안정성이 높은 Ti(C, N) 석출물을 생성시킴으로써, 재가열 단계에서 오스테나이트 결정립의 조대화를 방해하여 강재의 인성을 향상시킬 수 있다. 티타늄의 함량이 0.005 중량% 미만인 경우에는, 티타늄 첨가 효과가 미미하다. 티타늄의 함량이 0.015 중량%를 초과하는 경우에는, 조대한 석출물을 생성시킴으로써 오스테나이트 결정립 성장을 억제하는 효과가 저하되고 강재의 인성을 저하시킨다.

바나듐(V)

바나듐은 강재 전체 중량의 0.01 중량% ~ 0.10 중량%로 첨가된다. 바나듐은 탄소 또는 질소와 결합하여 V(C, N) 석출물을 형성하여 강도 향상에 기여하고, 경화능을 향상시키는 원소이다. 바나듐의 함량이 0.01 중량% 미만인 경우에는, 바나듐 첨가 효과가 미미하다. 바나듐이 0.10 중량%를 초과하는 경우에는, 석출물의 조대화로 오히려 인성을 저하시키는 원인이 된다.

인(P)

인은 강재 전체 중량의 0 중량% 초과 ~ 0.01 중량%로 포함된다. 인은 강도 향상에 일부 기여하나, 인의 함량이 0.01 중량%를 초과하는 경우에는, 용접부 인성 및 저온 인성을 저하시키고, 중심 편석은 물론 미세 편석도 형성하여 재질에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다.

황(S)

황은 강재 전체 중량의 0 중량% 초과 ~ 0.002 중량%로 포함된다. 황은 인과 함께 강의 제조 시 불가피하게 함유되는 원소로서, MnS 와 같은 비금속개재물을 형성하고, 저융점 원소로서 입계 편석 가능성이 높아 인성을 저하시킨다. 황의 함량이 0.002 중량%를 초과하는 경우에는, 모재 및 용접부 인성을 크게 저하시키는 문제점이 있다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다.

상기 불순물은 몰리브덴(Mo), 붕소(B), 및 질소(N) 등을 포함할 수 있다. 몰리브덴(Mo)은 그 함량을 0.08 중량% 이하, 붕소(B)는 0.0005 중량% 이하, 및 질소(N)는 0.007 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 상기 함량을 초과하는 경우에는, 몰리브덴은 경화능 증가, 연신율 감소 및 용접성 저하를 야기할 수 있고, 붕소는 저온 인성 및 용접성을 저하시킬 수 있고, 질소는 내부에 개재물을 발생시켜 내부 품질을 저하시킬 수 있다.

전술한 합금 조성의 구체적인 성분 및 이들의 함량 범위를 제어하고, 후술하는 강재의 제조 방법을 통해 본 발명은 인장강도(TS): 505 MPa ~ 665 MPa, 항복강도(YS): 460 MPa ~ 580 MPa, 연신율(EL): 15% ~ 25%, 및 -40℃ 온도에서 샤르피 충격 흡수에너지: 60 J ~ 200 J 을 만족하고, 연성-취성 천이온도(DBTT)가 -40℃ ~ -60℃ 범위인 강재를 얻을 수 있다. 상기 강재의 항복강도는 최소 값이 460 MPa 일 수 있다.

상기 합금 조성의 강재는 강도 및 저온 인성이 우수하여 해양구조용 후강판의 강재 용도 등으로 사용하기 적합할 수 있다.

본 발명의 다른 측면은 고강도 및 저온 인성이 우수한 강재의 제조방법이 제공된다. 이에 따르면 전술한 합금 조성으로 이루어지는 강재를 1,000℃ ~ 1,150℃의 온도에서 재가열하는 단계; 가열된 상기 강재를 700℃ ~ 800℃의 온도에서 종료되도록 열간압연하는 단계; 및 상기 열간압연된 강재를 냉각하는 단계;를 포함한다.

상기 강재를 냉각하는 단계는 4℃/초 ~ 10℃/초의 냉각속도로 400℃ ~ 500℃의 냉각종료온도(Finish Cooling Temperature, FCT)에 도달할 때까지 수행될 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 저온 인성이 우수한 강재의 제조방법에 관하여 설명한다.

강재의 제조 방법

본 발명에 따른 강재 제조방법에서 열연공정의 대상이 되는 반제품은 예시적으로 슬라브(slab)일 수 있다. 반제품 상태의 슬라브는 제강공정을 통해 소정의 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 확보할 수 있다.

상기 강재는, 중량%로, 탄소(C): 0.04% ~ 0.07%, 실리콘(Si): 0.05% ~ 0.20%, 망간(Mn): 1.40% ~ 1.80%, 가용성 알루미늄(S_Al): 0.015% ~ 0.055%, 구리(Cu): 0.10% ~ 0.40%, 니켈(Ni): 0.8% ~ 1.1%, 크롬(Cr): 0% 초과 ~ 0.1%, 니오븀(Nb): 0.005% ~ 0.03%, 티타늄(Ti): 0.005% ~ 0.015%, 바나듐(V): 0.01% ~ 0.10%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.01%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.002%, 및 잔부는 철 (Fe)과 불가피한 불순물을 포함한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 강재의 제조방법은 재가열 단계(S10), 열간압연 단계(S20), 및 냉각 단계(S30)를 포함한다.

재가열 단계(S10)

재가열 단계(S10)에서는 상기의 조성을 갖는 강재를, 예를 들어 슬라브 판재를, 1,000℃ ~ 1,150℃의 재가열 온도(Slab Reheating Temperature, SRT)에서 재가열한다. 이러한 재가열을 통해, 주조 시 편석된 성분의 재고용 및 석출물의 재고용이 발생할 수 있다. 재가열 온도가 1,000℃ 미만인 경우에는, 가열온도가 충분하지 않아 압연 부하가 커지는 문제가 있고 주조 시 편석된 성분이 충분히 재고용되지 못하는 문제점이 있다. 또한, 니오븀(Nb)계 석출물이 고용 온도에 이르지 못해 열간압연시 미세한 석출물로 재석출되지 못하여 오스테나이트의 결정립 성장을 억제하기 못해 오스테나이트 결정립이 급격히 조대화되는 문제점이 있다. 상기 재가열 온도가 1,150℃를 초과하는 경우에는, 오스테나이트 결정립이 급격히 조대화되거나 또는 탈탄 현상이 발생하여 제조되는 강의 강도 및 저온 인성 확보가 어려운 문제점이 있다. 또한, 과도한 가열 공정으로 인하여 강의 제조 비용만 상승할 수 있다.

열간압연 단계(S120)

상기 가열된 강재는 먼저 그 형상의 조정을 위해 가열 후에 열간압연을 실시한다. 상기 열간압연은 폭압연, 조압연, 및 사상압연으로 연속적으로 수행될 수 있다. 상기 열간압연 단계에 의하여, 상기 강재는 강판을 형성할 수 있다.

상기 열간압연은, 700℃ ~ 800℃의 압연 종료온도(finish rolling temperature, FRT)에서 종료될 수 있다. 상기 압연 종료온도가 800℃를 초과하는 경우에는, 오스테나이트 결정립이 조대화되어 변태 후 페라이트 결정립 미세화가 충분히 이루어지지 않으며, 이에 따라 강도 확보가 어려워질 수 있다. 상기 압연 종료온도가 700℃ 미만인 경우에는, 압연 부하를 유발하여 생산성을 저하시키고 열처리 효과를 저감시킬 수 있다. 상기 열간압연하는 단계는, 5%/패스 ~ 30%/패스의 압하율로 수행될 수 있다.

냉각 단계(S130)

상기 열간압연된 강재를 냉각한다. 4℃/초 ~ 10℃/초의 냉각속도(Cooling rate, CR)로 400℃ ~ 500℃의 냉각종료온도(Finish Cooling Temperature, FCT)에 도달할 때까지 냉각한다.

이와 같이, 냉각조건은 미세조직에 영향을 미치는 요소로서, 4℃/sec 미만의 냉각속도로 냉각하는 경우에는, 오스테나이트/마르텐사이트의 양이 지나치게 증가하여 강도 및 인성을 저해할 수 있고, 냉각속도가 10℃/sec를 초과하는 경우에는, 과다한 냉각으로 인해 강재의 뒤틀림 현상이 발생하여 형상제어가 불량하게 될 수 있다.

또한, 냉각온도는 오스테나이트/마르텐사이트 조직이 생성되지 않도록 500℃ 이하로 제어하는 것이 바람직하고, 다만 냉각 온도가 너무 낮으면 효과가 포화될 뿐만 아니라 과다한 냉각으로 인해 강재의 뒤틀림 현상이 발생할 수 있고, 또한 과도한 강도 상승으로 인해 충격인성이 저하되는 문제가 있을 수 있으므로, 하한은 400℃로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 단계(S110 ~ S130)로 제조되는 강재는 열처리 조건의 적절한 제어로 인하여, 인장 강도(TS): 505 MPa ~ 665 MPa, 항복강도(YS): 460 MPa ~ 580 MPa, 연신율(EL): 17% ~ 25% 및 -40℃ 온도에서 샤르피 충격 흡수에너지: 60 J ~ 200 J을 만족하는 강재를 형성할 수 있다.

이하에서는, 강재의 강도 향상 기구에 대하여 설명하기로 한다.

강재의 목표 항복강도 460 MPa ~ 580 MPa의 경우에는, 혼합 조직을 가지고, 니오븀, 티타늄, 바나듐 등의 결정립 미세화 원소를 첨가하여 구현할 수 있다. 본 발명의 기술적 사상에 따른 강재는 그래뉼라 베이나이트(granular bainite), 애시큘러 페라이트(acicular ferrite) 및 베이니틱 페라이트(bainitic ferrite)가 혼합된 조직을 가지게 하여 460 MPa 이상의 항복강도를 구현하였다. 상기 베이니틱 페라이트의 분율은 25% ~ 30% 일 수 있다. 상기 혼합된 조직의 경도는, 예를 들어 200~ 240 Hv, 예를 들어 220 Hv일 수 있다.

상기 그래뉼라 베이나이트는 입내 또는 입계에 마르텐사이트/오스테나이트와 같은 이차상이 존재하며 강재의 강도를 증가시키는 미세조직이다. 상기 애시큘러 페라이트는 침상형태의 미세 결정립을 가지는 미세조직으로서, 균일한 경도를 나타내고, 마르텐사이트 또는 베이나이트 조직에 비하여 낮은 경도값을 갖기 때문에 내수소유기균열성 및 내황화물 응력 균열성이 우수한 특성이 있다. 상기 베이니틱 페라이트는 초기 오스테나이트 입자 내부에 래스(lath) 형태의 입계를 무수히 많이 생성시킴으로써 강도와 함께 충격인성을 우수하게 하는 미세조직이다. 예를 들어, 오스테나이트 내부에 변형띠를 다량 생성시켜 페라이트 핵성성 자리를 다량 확보함으로써 애시큘러 페라이트와 그래뉼라 베이나이트의 생성을 촉진할 수 있다.

또한, 상기 강재는 결정립 미세화 원소로서 니오븀, 티타늄, 및 바나듐을 상술한 바와 같이 포함하고 있다. 이러한 결정립 미세화 원소는 질화물, 탄화물 등의 화합물 형태로 석출되어 결정립 성장을 억제할 수 있다. 또한, 석출물 미세 분산을 통한 석출 경화에 의하여 강도를 증가시킬 수 있다.

이하에서는, 강재의 저온 인성 향상 기구에 대하여 설명하기로 한다.

상온에서의 강재의 인성은 결정립 미세화를 통하여 구현할 수 있으나, 상온보다 낮은 저온에서 저온 인성은 기지 조직을 청정화하는 방식으로 구현할 수 있고, 예를 들어 인(P)이나 황(S)의 함량을 낮추는 방법에 의해 구현할 수 있다. 또한, 상기 저온 인성은 결정립과 베이나이트 패킷을 세립화하여 향상시킬 수 있다. 반면, 결정립이 조대화되고, 마르텐사이트/오스테나이트 상이 증가하면, 임계 파괴의 응력이 감소되어 결과적으로 저온 인성이 감소된다.

또한, 강재의 원소 성분 및 함량의 제어를 통하여 저온 인성을 증가시킬 수 있다. 티타늄 질화물(TiN)의 입계 고착을 이용하여 고온 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제한다. 기지 내의 티타늄질화물(TiN), 알루미늄질화물(AlN), 및 인(P)의 함량을 감소시켜, 기지의 청정도를 향상시킨다. 첨가물 중에서 특히 기지의 인성을 향상시키는 니켈의 함량을 증가시킨다. 또한, 붕소를 첨가하지 않도록 엄격하게 배제함으로써, 붕소질화물(BN)석출물의 형성을 방지한다. 이러한 방법을 이용하여 기지의 인성을 향상시키거나 석출물과 기지의 결합력을 증가시켜, 강재의 저온 인성을 증가시킬 수 있다.

또한, 강재의 제조 공정의 제어를 통하여 저온 인성을 증가시킬 수 있다. 재가열 온도를 감소시켜, 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제하고 기지를 균질화한다. 또한, 고온 강압하 처리하여, Nb(C,N) 미재결정역 온도를 증가시킨다. 또한, 변형대를 증가시켜 오스테나이트에서 페라이트로의 변태를 위한 핵생성 위치를 증가시킨다. 이러한 방법을 이용하여 강재의 저온 인성을 증가시킬 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하나, 이는 본 발명의 바람직한 실시예일뿐 본 발명의 범위가 이러한 실시예의 기재범위에 의하여 제한되는 것은 아니다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

실시예

아래의 표 1 및 표 2에 제시된 조성을 갖는 비교예 및 실시예의 강재들을 제조하였다. 잔부는 철(Fe)과 제강 공정 등에서 불가피하게 함유되는 불순물로 이루어진다.

(단위 : 중량%)

구분	C	Si	Mn	S_Al	Cu	Ni	Cr	Nb
비교예	0.056	0.124	1.463	0.054	0.194	0.59	0.03	0.030
실시예	0.061	0.096	1.651	0.026	0.294	0.91	0.02	0.012

(단위 : 중량%)

구분	Ti	V	Mo	P	S	B (ppm)	N (ppm)
비교예	0.019	0.002	0.04	0.0087	0.002	13	71
실시예	0.013	0.058	0	0.0072	0.001	0	38

표 2를 참조하면, 실시예에서, 붕소와 몰리브덴의 함량이 0 ppm으로 나타났으며, 이에 따라 붕소와 몰리브덴은 강재에서 포함되지 않도록 제한되었음을 알 수 있다. 또한, 실시예에서 질소의 함량도 비교예에 비하여 약 절반 수준의 낮은 값을 나타내었다.

공정 조건은, 비교예와 실시예 모두 1070℃의 재가열 온도, 720℃의 압연 종료온도, 및 450℃의 냉각종료온도의 동일한 조건하에서 제조되었다.

상기 제조된 강재에 대하여, 기계적 강도로서 항복강도(YS), 인장강도(TS), 연신율(EL)을 각각 측정하여 그 결과를 표 3에 나타내었다.

구분		항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	연신율(%)
비교예	#1	551	635	19
비교예	#2	550	634	19
실시예	#1	538	625	22
실시예	#2	508	598	22

표 3을 참조하면, 비교예에 비하여 실시예는 인장강도와 항복강도는 약간 감소되었으나, 연신율은 증가되었다. 실시예는 항복강도가 538 MPa 및 508 MPa 로서, 목표 수치인 최소 항복강도 460 MPa을 만족한다.

상기 제조된 강재에 대하여, -20℃, -40℃, 및 -60℃에서의 샤르피 충격 흡수에너지(CVN)를 샘플마다 각각 3회씩 측정하여 결과를 표 4에 나타내었다. 표 4의 단위는 줄(J) 이다.

구분		-20℃	-40℃	-60℃
비교예	#1	77/50/189	42/47/36	Fail
비교예	#2	154/177/117	83/23/131	Fail
실시예	#1	208/167/199	192/164/163	139/176/117

표 4를 참조하면, 비교예는 -20℃에서 최대 189 J, -40℃에서 최대 131 J을 나타냈으며, 측정 시의 편차가 매우 크게 나타났다. 또한, -60℃에서는 측정이 불가능하게 나타났다. 반면, 실시예는 -20℃에서 최대 208 J, -40℃에서 최대 192 J, -60℃에서 최대 176 J을 나타내었다. 또한, 측정 시의 편차가 작게 나타났다. 따라서, 실시예가 저온에서 인성이 상대적으로 높음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.04% ~ 0.07%, 실리콘(Si): 0.05% ~ 0.20%, 망간(Mn): 1.40% ~ 1.80%, 가용성 알루미늄(S_Al): 0.015% ~ 0.055%, 구리(Cu): 0.10% ~ 0.40%, 니켈(Ni): 0.8% ~ 1.1%, 크롬(Cr): 0% 초과 ~ 0.1%, 니오븀(Nb): 0.005% ~ 0.03%, 티타늄(Ti): 0.005% ~ 0.015%, 바나듐(V): 0.01% ~ 0.10%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.01%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.002%, 및 잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하고,
인장강도(TS): 505 MPa ~ 665 MPa, 항복강도(YS): 460 MPa ~ 580 MPa, 연신율(EL): 17% ~ 25% 및 -40℃ 온도에서 샤르피 충격 흡수에너지: 60 J ~ 200 J 을 만족하는,
강재.
제 1 항에 있어서,
상기 강재는, 그래뉼라 베이나이트, 애시큘러 페라이트 및 베이니틱 페라이트가 혼합된 조직을 가지는,
강재.
제 1 항에 있어서,
상기 강재는 -40℃ ~ -60℃의 연성-취성 천이온도를 나타내는,
강재.
중량%로, 탄소(C): 0.04% ~ 0.07%, 실리콘(Si): 0.05% ~ 0.20%, 망간(Mn): 1.40% ~ 1.80%, 가용성 알루미늄(S_Al): 0.015% ~ 0.055%, 구리(Cu): 0.10% ~ 0.40%, 니켈(Ni): 0.8% ~ 1.1%, 크롬(Cr): 0% 초과 ~ 0.1%, 니오븀(Nb): 0.005% ~ 0.03%, 티타늄(Ti): 0.005% ~ 0.015%, 바나듐(V): 0.01% ~ 0.10%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.01%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.002%, 및 잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 1,000℃ ~ 1,150℃의 온도에서 재가열하는 단계;
가열된 상기 강재를 700℃ ~ 800℃의 온도에서 종료되도록 열간압연하는 단계; 및
상기 열간압연된 강재를 냉각하는 단계;를 포함하는,
강재의 제조방법.
제 4 항에 있어서,
상기 강재를 냉각하는 단계는 4℃/초 ~ 10℃/초의 냉각속도로 400℃ ~ 500℃의 냉각종료온도까지 수행하는,
강재의 제조방법.
제 4 항에 있어서,
상기 열간압연하는 단계는 5%/패스 ~ 30%/패스의 압하율로 수행되는,
강재의 제조방법.
제 4 항에 있어서,
상기 냉각하는 단계를 수행한 후,
상기 강재는, 인장강도(TS): 505 MPa ~ 665 MPa, 항복강도(YS): 460 MPa ~ 580 MPa, 연신율(EL): 17% ~ 25% 및 -40℃ 온도에서 샤르피 충격 흡수에너지: 60 J ~ 200 J 을 만족하고,
그래뉼라 베이나이트, 애시큘러 페라이트 및 베이니틱 페라이트가 혼합된 조직을 가지는,
강재의 제조방법.