KR20220010183A - 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강 - Google Patents

용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강 Download PDF

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Abstract

본 명세서에서는 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강을 개시한다.
개시되는 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강의 일 실시예에 따르면, 중량%로, C: 0.05% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 1.0 내지 2.0%, Cr: 18 내지 24%, Ni: 1 내지 4%, Mo: 0.5 내지 1.0%, Cu: 1 내지 3%, N: 0.15 내지 0.25%, Zr: 0.1% 이하 및 나머지는 Fe와 피할 수 없는 불순물을 포함하고, 압연방향과 평행하고, 강재 표면과 수직인 면을 투과전자현미경으로 관찰했을 때, 관찰면적 200㎛2 내에 종횡비 5 이상의 막대(rod)형 M2X 석출물의 면적률이 1.5% 이하일 수 있다.

Description

용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강 {Low alloy duplex stainless steel with improved impact toughness of weld zone}
본 발명은 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강에 관한 것이다.
듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트상과 페라이트상의 두 가지 상을 가지고, 고강도, 고내식 특성으로 인하여 석유화학, 담수설비, 펌프 및 케미컬 탱크 재료 등에 사용되고 있다. 또한, 듀플렉스 스테인리스강은 일반적으로 오스테나이트계 스테인리스강에 비하여 Ni 함량이 낮기 때문에 비용이 저렴하고, 원료가격에 대한 변동이 상대적으로 적은 재료로서 주목을 받고 있다.
최근에는 기존 듀플렉스 스테인리스강인 ASTM A240에 규격화되어 있는 S32205(대표 성분: 22Cr-5Ni-3Mo-0.16N) 대비 Ni 및 Mo 함량이 더 낮은 저합금 듀플렉스 스테인리스강을 개발하여 비용을 더욱 저감시키고자 하고 있다. 저합금 듀플렉스 스테인리스강은 STS304와 유사한 수준의 내식성을 가지면서도 항복강도가 더 높기 때문에 수문, 담수설비 부재, 건자재 등의 용도로 사용되고 있으며, 그 대표적인 예로 ASTM A240에 규격화된 S32101(대표성분: 22Cr-1.5Ni-5Mn-0.22N)이 있다.
저합금 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트상 안정화 원소인 Ni 함량을 저감하면서도 오스테나이트상과 페라이트상의 비율을 각각 40 내지 60%로 유지해야 된다. 이에 따라, Ni 대체하여 오스테나이트상을 안정화시킬 수 있는 Mn 또는 N 성분을 적극 활용해야 하며, 제강기술의 발달로 용강 중 질소 첨가가 용이해짐에 따라 0.15중량% 이상의 고질소 성분계를 갖는 저합금 듀플렉스 스테인리스강이 개발되고 있다.
그러나, 고질소 성분계는 용접 후 냉각하는 과정에서 용접 열영향부(welding heat affected zone, HAZ)에 과도한 질화물을 석출시켜 충격인성을 저하시키는 원인으로 작용하는 문제가 있다. 특히, 용접 생산성 향상을 위하여 입열량을 증대시킨 대입열 용접조건 하에서는 용접 열영향부에서 Cr 질화물 석출이 더욱 조장되기 때문에, Cr 질화물 석출을 억제하여 열영향부 충격인성을 향상시키는 것이 필요하다.
한국 공개특허공보 제10-2016-0077370호(공개일자: 2016년07월04일)
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 대입열 용접 조건 하에서 용접부 충격인성 저하 및 내식성 저하를 억제하여 용접 생산성을 향상시킬 수 있는 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강을 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명의 일 예에 따른 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강은 중량%로, C: 0.05% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 1.0 내지 2.0%, Cr: 18 내지 24%, Ni: 1 내지 4%, Mo: 0.5 내지 1.0%, Cu: 1 내지 3%, N: 0.15 내지 0.25%, Zr: 0.1% 이하 및 나머지는 Fe와 피할 수 없는 불순물을 포함하고, 압연방향과 평행하고, 강재 표면과 수직인 면을 투과전자현미경으로 관찰했을 때, 관찰면적 200㎛2 내에 종횡비 5 이상의 막대(rod)형 M2X 석출물의 면적률이 1.5% 이하일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 각 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강은 하기 식 (1)로 표현되는 fCr이 0.001 이하일 수 있다.
(1) fCr = [%Cr]/%Cr
상기 식 (1)에서, [%Cr]은 강재 내 석출물을 잔사추출했을 때 석출물에 포함되는 Cr중량%를 의미하며, %Cr은 모재 평균 Cr중량%를 의미한다.
또한, 본 발명에 따른 각 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강은 용접으로 용융된 영역의 응고 시 하기 식 (2)로 표현되는 오스테나이트상의 생성 속도(Vα→γ)가 0.24 이상일 수 있다.
(2) Vα→γ = [%γ1100℃]/(T1 - 1100℃)
상기 식 (2)에서, [%γ1100℃]는 1100℃에서 오스테나이트상 면적분율을 의미하며, T1은 오스테나이트상의 형성이 시작되는 온도를 의미한다.
또한, 본 발명에 따른 각 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강은 하기 식 (3)으로 표현되는 PCIV가 120 이상일 수 있다.
(3) PCIV = -30.3 + 3.87*[%γ] + 247*Vα→γ - 68326*fCr
상기 식 (3)에서, [%γ]는 용접 열영향부에서의 오스테나이트상 면적분율을 의미한다. Vα→γ은 용접으로 용융된 영역의 응고 시 오스테나이트상의 생성 속도로 다음의 식으로 도출되며, Vα→γ = [%γ1100℃]/(T1 - 1100℃), [%γ1100℃]는 1100℃에서 오스테나이트상 면적분율을 의미하고, T1은 오스테나이트상의 형성이 시작되는 온도를 의미한다. fCr은 강재 내 석출물을 잔사추출했을 때 석출물에 포함되는 Cr중량%을 모재 평균 Cr중량%으로 나눈 값을 의미한다.
또한, 본 발명에 따른 각 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강은 용접 열영향부의 오스테나이트상 면적분율이 45 내지 54%일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 각 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강은 용접 열영향부의 상온 샤르피 충격값이 120J/cm2 이상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 각 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강은 임계공식온도가 25℃ 이상일 수 있다.
본 발명에 따르면 대입열 용접 조건 하에서 용접 열영향부의 충격인성 저하를 억제하여 용접 생산성의 향상을 도모할 수 있으며, Ni, Mo 등의 고가의 합금원소 함량을 저감하여 원가가 상대적으로 저렴한 저합금 듀플렉스 스테인리스강을 제공할 수 있다. 구체적으로, M2X 석출물의 분포, 강재의 석출물을 잔사추출했을 때 석출물에 포함되는 Cr중량%을 모재 평균 Cr중량%로 나눈 비(fCr), 용접으로 용융된 영역의 응고 시 오스테나이트상의 생성 속도(Vα→γ) 및 용접 열영향부에서의 오스테나이트상 면적분율을 제어하여 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면 적절한 합금설계를 통하여 개선된 용접부의 충격인성과 충분한 내식성을 동시에 확보할 수 있는 저합금 듀플렉스 스테인리스강을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 저합금 듀플렉스 스테인리스강은 용접부 충격인성이 우수하고, 충분한 내식성을 가지며, STS304 또는 STS316L 대비 원료비용이 저렴하므로, 담수설비, 식음료 설비, 수문 등의 다양한 산업설비용 소재로 적용 가능하다.
도 1은 용접 열영향부에서 실제로 측정된 상온 샤르피 충격값 대비 PCIV로 예상된 샤르피 충격값을 도시한 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
또한, 본 명세서의 "대입열 용접(high heat input welding)"이란 용접 입열량이 높은 용접이라고 정의할 수 있으며, 기존에 사용하던 용접기법보다 입열량이 높은 용접기법을 통상적으로 지칭한다. "대입열 용접조건"이란 일반 용접에 비해 높은 입열량을 갖는 용접조건을 의미하며, 예를 들면 용접 입열량이 약 3.5MJ/m 이상의 용접조건을 의미할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 대입열 용접조건 하에서도 개선된 충격인성을 확보할 수 있다는 기재의 의미는 일반적인 용접조건에 비하여 입열량이 높아 용접부 충격인성이 저조될 가능성이 상대적으로 높은 대입열 용접조건 하에서도 개선된 충격인성을 확보할 수 있다는 효과를 강조하는 것이며, 일반적인 용접조건 하에서도 개선된 충격인성을 확보할 수 있다는 점을 유의할 필요가 있다.
또한, 본 명세서에서 "용접 열영향부"란 용접열에 의해 금속조직이나 성질에 변화를 받은 강재의 영역을 의미하며, 용접열에 의해 온도가 상승한 지점으로부터 용접열에 의해 온도가 상승하지 않은 상온인 지점까지의 영역을 총칭한다. 본 명세서에서 "용접부"란 용접금속 및 용접 열영향부를 포함하는 부분의 영역을 의미한다.
저합금 듀플렉스 스테인리스강의 용접 열영향부 충격인성을 향상시키기 위해서는 용접 열영향부에서 석출되는 Cr 질화물을 감소시키는 것이 중요하다. 듀플렉스 스테인리스강은 용접으로 용융된 영역의 응고 시 페라이트 단상으로 응고가 시작되어 오스테나이트상으로 변태되며, 최종적으로 각 상이 40 내지 60%의 면적분율을 가진다. 페라이트상은 체심입방형 결정구조를 가지기 때문에 침입형 원소인 질소에 대한 고용도가 오스테나이트상에 비하여 낮다. 따라서 응고 초기 페라이트 단상 구간에서 질소가 과포화된 상태가 되며, 과포화된 질소는 Cr과 반응하여 500 내지 600℃ 범위의 온도에서 Cr 질화물을 형성, 석출하게 된다. 이렇게 석출된 Cr 질화물은 종횡비(aspect ratio) 5 이상의 막대(rod)형태를 가지며, 군집 형태로 석출되어 충격인성을 저하시킨다.
따라서, 강재의 미세조직 내 군집형태의 Cr 질화물의 석출량이 적도록 제어하면 충격인성의 저하를 방지할 수 있다. 이에 착안하여 본 발명의 연구자들은 압연방향과 평행하고, 강재 표면과 수직인 면을 투과전자현미경으로 관찰했을 때, 관찰면적 200㎛2 내에 종횡비 5 이상의 막대형 M2X 석출물의 면적률이 1.5% 이하가 되도록 제어하면 대입열 용접조건에서도 양호한 충격인성 확보가 가능한 것을 확인하였다. 여기서, M2X 석출물은 금속원자(M)와 침입형원소(X)가 화학양론적으로 2:1의 비율로 결합하고 있는 화합물을 의미하며, 일 예를 들면 Cr 질화물(Cr2N)이 있다.
또한, 듀플렉스 스테인리스강의 합금성분에 따라 용접 열영향부에는 다양한 종류의 석출물이 존재할 수 있으나, Ti, Nb, V 등 석출물 형성이 용이한 합금원소를 포함하지 않는 한, 대부분의 석출물은 Cr을 포함하는 석출물로 존재하게 된다. 이에 착안한 본 발명의 일 예에 따르면 다음의 저합금 듀플렉스 스테인리스강의 석출물을 잔사추출했을 때 석출물에 포함되는 Cr중량%을 모재 평균 Cr중량%로 나눈 비 (fCr)값이 0.001 이하인 경우에도 대입열 용접조건에서도 양호한 충격인성 확보가 가능하다.
(1) fCr = [%Cr]/%Cr
상기 식 (1)에서, [%Cr]은 강재 내 석출물을 잔사추출했을 때 석출물에 포함되는 Cr중량%를 의미하며, %Cr은 모재 평균 Cr중량%를 의미한다.
용접 열영향부의 충격인성을 저하시키는 Cr 질화물의 생성을 억제하는 방안으로서, 용접으로 용융된 영역이 응고하여 형성되는 페라이트상 내에 과포화된 질소를 감소시켜 Cr 질화물을 형성하는 질소의 함량을 낮추는 방안이 있다. 본 발명의 발명자들은 오스테나이트상은 면심입방형 결정구조를 가지기 때문에 질소에 대한 고용도가 페라이트상에 비해 큰 점에 착안하여 용접으로 용융된 영역의 응고 시 오스테나이트상의 형성속도(Vα→γ)를 증가시키면 페라이트상에 과포화된 질소를 줄일 수 있는 것을 확인하였다.
그러나, 실험적으로 오스테나이트상의 형성속도(Vα→γ)를 측정하기는 어렵기 때문에, 열역학적인 계산을 통해 Vα→γ를 도출하였다. 열역학적 계산에는 Thermo-Calc 소프트웨어를 사용하였으며, 오스테나이트상의 형성이 시작되는 온도(T1)과 그때의 오스테나이트상 면적분율 0.0%에서 1100℃에서의 오스테나이트상 면적분율 간 평균 기울기를 다음과 같이 계산하여 도출하였다.
(2) Vα→γ = [%γ1100℃]/(T1 - 1100℃)
상기 식 (2)에서, [%γ1100℃]는 1100℃에서 오스테나이트상 면적분율을 의미하며, T1은 오스테나이트상의 형성이 시작되는 온도를 의미한다. 1100℃를 기준으로 오스테나이트 형성속도를 도출한 이유는 열역학 계산 상 1100℃까지는 오스테나이트상 면적분율이 선형적으로 증가하는 구간이며, 실험적으로 1100℃를 초과하는 온도에서는 시간에 따른 상분율의 변화가 미미하여 오스테나이트상이 안정된 온도라고 판단되기 때문이다.
또한, 오스테나이트상은 결정학적 특성에 의하여 페라이트상 보다 충격인성이 우수하며, 온도가 낮아짐에 따라 연성천이구간이 나타나지 않으므로, 오스테나이트상의 면적분율이 증가할수록 충격인성이 개선되는 경향이 있다. 본 발명의 일 예에 따른 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강은 용접 열영향부의 오스테나이트상 면적분율이 45 내지 54%일 수 있다.
본 발명의 발명자들은 대입열 용접조건 하에서 보다 개선된 용접부 충격인성을 확보하기 위하여 용접부 충격인성을 개선할 수 있는 상술한 fCr, Vα→γ, 용접 열영향부에서의 오스테나이트상 면적분율을 조합하여 용접 열영향부의 상온 충격인성을 평가할 수 있는 파라미터 PCIV를 도출하였다.
(3) PCIV = -30.3 + 3.87*[%γ] + 247*Vα→γ - 68326*fCr
상기 식 (3)에서, [%γ]는 용접 열영향부에서의 오스테나이트상 면적분율을 의미한다. Vα→γ은 용접으로 용융된 영역의 응고 시 오스테나이트상의 생성 속도로 상술한 식 (2)로 도출된다. fCr은 강재 내 석출물을 잔사추출했을 때 석출물에 포함되는 Cr중량%을 모재 평균 Cr중량%으로 나눈 값으로 상술한 식 (1)로 도출된다.
PCIV는 용접 열영향부의 상온 샤르피 충격값을 보다 정밀하게 예상하여 목적하는 충격인성을 확보하기 위한 파라미터이다. 첨부된 도 1을 참조하면 용접 열영향부에서 실제로 측정된 상온 샤르피 충격값과 PCIV로 예상된 샤르피 충격값이 정비례하여 정합함을 알 수 있다. 본 발명에서는 PCIV가 120 이상이 되도록 제어하여 충분한 충격인성을 확보한다.
본 발명에서 용접부 충격인성을 개선하기 위한 수단으로 설명한 M2X 석출물의 분포, fCr, Vα→γ, 용접 열영향부에서의 오스테나이트상 면적분율 및 PCIV는 독립적인 수단으로 서로 종속하는 관계 아님을 유의할 필요가 있다. 또한, 용접부 충격인성을 개선하기 위하여 전술한 수단들은 각각 또는 조합되어 적용될 수 있다. 일 예를 들면 M2X 석출물의 분포를 제어하고, fCr 값을 제어하는 것으로 충격인성의 개선을 도모할 수 있으며, 다른 일 예를 들면 Vα→γ과 용접 열영향부에서의 오스테나이트 면적분율을 제어하여 충격인성의 개선을 도모할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강은 중량%로, C: 0.05% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 1.0 내지 2.0%, Cr: 18 내지 24%, Ni: 1 내지 4%, Mo: 0.5 내지 1.0%, Cu: 1 내지 3%, N: 0.15 내지 0.25%, Zr: 0.1% 이하 및 나머지는 Fe와 피할 수 없는 불순물을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강의 합금성분의 함량범위에 대해서 설명한다.
C의 함량은 0.05중량% 이하일 수 있다.
C는 고용강화에 의한 재료 강도 증가에 유효한 원소이나, C함량이 과다하면 페라이트-오스테나이트 상 경계에서 내식성에 유효한 Cr과 같은 탄화물 형성 원소와 쉽게 결합하여 결정립계 주위의 Cr 함량을 낮추어 부식 저항성을 감소시킨다. 충분한 내식성을 확보하기 위해 본 발명에서 C의 함량은 0.05중량% 이하로 제한된다. 내식성 향상 측면에서 본 발명에서 C의 함량은 바람직하게는 0.03중량% 이하일 수 있다.
Si의 함량은 1.0중량% 이하일 수 있다.
Si는 페라이트상 안정화원소로 작용하며, 탈산 목적을 위하여 첨가된다. 다만, Si은 과다첨가 되면 충격인성과 관련된 기계적 특성을 저하시키므로 본 발명에서 Si의 함량은 1.0중량% 이하로 제한된다.
Mn의 함량은 1.0 내지 2.0중량%일 수 있다.
Mn은 용탕 유동도를 조절하기 위해 함유되며, 고가의 Ni를 대체하기 위한 오스테나이트상 안정화 원소로서 첨가된다. 또한, 적정량의 Mn은 열간 가공성을 향상시킬 수 있어 본 발명에서 Mn은 1.0중량% 이상 첨가된다. 그러나, Mn 함량이 과다하면 강 중의 S와 결합하여 MnS를 형성하여 내식성을 저하시킬 우려가 있으며, 열간 가공성도 오히려 저하될 수 있으므로 본 발명에서 Mn의 함량은 2.0중량% 이하로 제한된다.
Cr의 함량은 18 내지 24중량%일 수 있다.
Cr은 Mo와 함께 페라이트 안정화원소로 듀플렉스 스테인리스 강의 페라이트상 확보에 주된 역할을 할 뿐만 아니라, 내식성 확보를 위한 필수 원소이다. Cr함량이 증가하면 내식성이 향상되나, 오스테나이트 상분율 유지를 위하여 고가의 Ni 함량도 함께 비례하여 첨가되어야 하는 단점이 있다. 이를 고려하여 듀플렉스 스테인리스강의 바람직한 상분율을 유지하면서 적정한 내식성 수준을 확보하기 위해서 본 발명에서 Cr의 함량은 18 내지 24중량%로 제한된다. 상술한 측면에서 Cr의 함량은 바람직하게는 19 내지 23중량%일 수 있으며, 보다 바람직하게는 20 내지 22중량%일 수 있다.
Ni의 함량은 1 내지 4중량%일 수 있다.
Ni은 Mn 및 N와 함께 오스테나이트상 안정화 원소로 듀플렉스 스테인리스강의 오스테나이트 상분율 확보에 주된 역할을 한다. 원가절감을 위하여 가격이 비싼 Ni을 대체하여 다른 오스테나이트상 형성 원소인 Mn과 N의 함량을 증가시킬 수 있다. 그러나, 과도한 Ni 함량 감소는 오스테나이트 상분율 확보를 위해 Mn 및 N를 과다첨가하게 되어 오히려 내식성 및 열간가공성을 저하시킬 우려가 있거나, 페라이트상 안정화 원소인 Cr 및 Mo를 적게 첨가하게 되어 내식성 확보가 곤란하다. 이를 고려하여 본 발명에서 Ni의 함량은 1 내지 4중량%로 제한된다. 원가 절감을 위하여 Ni의 함량은 바람직하게는 1 내지 3중량%일 수 있다.
Mo의 함량은 0.5 내지 1.0중량%일 수 있다.
Mo은 Cr과 같이 페라이트상 안정화 원소인 동시에 강력한 부식저항성 향상 원소로 본 발명에서 0.5중량% 이상으로 첨가된다. 그러나, Mo은 매우 고가의 원소이고, 함량이 과다하면 열처리 시 쉽게 시그마상을 형성하여 충격인성 및 내식성을 저하시키는 단점이 있어 본 발명에서 1.0중량% 이하로 첨가된다. 페라이트상 상분율 확보 및 내식성 확보를 위하여 Mo의 함량은 바람직하게는 0.6중량% 이상일 수 있다. 시그마상 형성 억제, 원가 절감을 위하여 Mo의 함량은 바람직하게는 0.7중량% 이하일 수 있다.
Cu의 함량은 1 내지 3중량%일 수 있다.
Cu는 오스테나이트상 안정화 원소로서, 강재를 냉간변형할 때 마르텐사이트 상으로의 상변태를 억제시키며, 황산 분위기에서의 내식성을 향상시키므로 본 발명에서 Cu는 1중량% 이상으로 첨가된다. 그러나, Cu는 염소 분위기에서 공식저항성을 감소시키고, 과다 첨가 시 열간 가공성을 저하시킬 우려가 있으므로 본 발명에서 Cu 함량은 3중량% 이하로 관리된다.
N의 함량은 0.15 내지 0.25중량%일 수 있다.
듀플렉스 스테인리스강에서 N은 Ni와 함께 오스테나이트상의 안정화에 크게 기여하는 원소 중의 하나이며, N 함량이 너무 적으면 오스테나이트 상분율 확보를 위해 Cr 및 Mo를 적게 첨가하여야 되어 용접부 강도 및 상 안정성 확보가 곤란하다. 또한, N 함량 증가는 부수적으로 강재의 내식성 및 강도를 향상시킬 수 있으므로 본 발명에서 N은 0.15중량% 이상으로 첨가된다. 그러나, N의 함량이 과다하면 열간 가공성을 저하시켜 실수율을 저하시킬 우려가 있으므로 본 발명에서 N은 0.25중량% 이하로 첨가된다. 실수율 향상 측면에서 N은 바람직하게는 0.20중량% 이하로 관리될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강은 선택적으로 Zr이 첨가될 수 있다.
Zr의 함량은 0.1중량% 이하일 수 있다.
Zr은 강의 강도를 향상시킬 수 있는 합금원소이며, 다른 석출물을 형성하지 않고 Cr 질화물의 석출을 억제한다. 본 발명에서 이러한 효과를 위하여 Zr은 선택적으로 첨가될 수 있다. 다만, 첨가되는 Zr의 함량이 0.1중량%를 초과하면 그 효과가 포화되며, 합금비용만을 증가시켜 바람직하지 않다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
상술한 바에 따라 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강은 일 예에 따르면 용접 열영향부의 상온 샤르피 충격값이 120J/cm2 이상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강은 적절한 합금설계를 통하여 충분한 내식성을 확보할 수 있다. 일 예에 따르면 임계공식온도가 25℃ 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 저합금 듀플렉스 스테인리스강은 용접부 충격인성이 우수하고, 충분한 내식성을 가지며, STS304 또는 STS316L 대비 원료비용이 저렴하므로, 담수설비, 식음료 설비, 수문 등의 다양한 산업설비용 소재로 적용 가능하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
{실시예}
하기 표 1에 기재된 화학 조성을 가지는 강을 진공유도용해로에서 용해한 후, 열간압연을 수행한 후, 용체화 열처리를 1100 내지 1200℃ 구간에서 수행하여 두께 15㎜의 열간압연 판재로 제조하였다.
합금조성 (중량%)
C Si Mn Cr Ni Mo Cu N Zr
발명예1 0.022 0.51 1.48 21.0 2.51 0.71 1.51 0.17 -
발명예2 0.020 0.49 1.53 21.0 2.57 0.75 1.00 0.16 -
발명예3 0.018 0.50 1.50 20.9 1.96 0.63 2.98 0.17 -
발명예4 0.030 0.76 1.78 20.5 2.00 0.60 2.00 0.19 0.01
발명예5 0.035 0.50 1.56 19.5 2.05 0.6 1.98 0.17 -
발명예6 0.021 0.48 1.69 20.1 2.13 0.71 2.34 0.18 -
발명예7 0.020 0.56 1.71 22.4 2.51 0.68 2.05 0.17 0.06
비교예1 0.029 0.58 1.82 21.4 2.12 0.59 0.59 0.18 -
비교예2 0.019 0.50 4.90 21.0 1.97 0.81 0.98 0.17 -
비교예3 0.018 0.51 1.44 21.1 1.54 0.60 1.00 0.15 -
비교예4 0.032 0.62 2.56 20.5 2.00 0.58 1.52 0.18 -
비교예5 0.027 0.53 1.22 25.1 4.52 0.62 1.55 0.17 -
비교예6 0.028 0.52 1.54 21.6 2.09 0.71 3.21 0.17 -
비교예7 0.032 0.66 0.85 21.3 2.13 0.62 1.52 0.17 -
비교예8 0.025 0.58 0.92 21.5 2.20 0.64 2.21 0.18 -
비교예9 0.026 0.53 1.57 20.9 2.24 0.12 2.00 0.18 -
비교예10 0.033 0.65 1.84 22.1 2.05 0.32 1.98 0.19 -
비교예11 0.036 0.64 1.89 21.8 0.90 0.63 1.54 0.17 -
비교예12 0.028 0.71 1.81 21.5 2.00 0.61 2.33 0.28 -
용접특성을 평가하기 위하여 용접 열싸이클 모사시험을 수행하였다. 용접 열싸이클 시험은 다음의 방법으로 수행되었다. 시편을 130℃/s의 승온속도로 1350℃까지 가열하여 5초간 유지한 후, 10℃/s의 느린 냉각속도로 500℃까지 냉각하고, 500℃ 이하에서 상온까지는 급냉을 하도록 실험하였다. 여기서, 냉각속도 10℃/s는 용접 입열량이 통상의 조건보다 큰 대입열 용접 조건을 상정하여 실험한 것이다.
하기 표 2에는 제조된 각 발명예, 비교예의 용접으로 용융된 영역의 응고 시 오스테나이트상의 형성속도(Vα→γ), 용접 열영향부에서의 오스테나이트상 면적분율([%γ]), 강재 내 석출물을 잔사추출했을 때 석출물에 포함되는 Cr중량%을 모재 평균 Cr중량%으로 나눈 값(fCr), 석출물 면적율(%), 임계공식온도(℃) 및 용접 열영향부 상온 샤르피 충격값(J)을 나타내었다.
용접으로 용융된 영역의 응고 시 오스테나이트상의 형성속도(Vα→γ)는 열역학 계산 소프트웨어인 Thermo-Calc를 이용하여 계산하였으며, 전술한 바와 같이 오스테나이트상의 형성이 시작되는 온도(T1)과 그때의 오스테나이트상 면적분율(0.0%)에서 1100℃에서의 오스테나이트상 면적분율 간 평균 기울기를 다음과 같이 계산하여 도출하였다.
Vα→γ = [%γ1100℃]/(T1 - 1100℃)
용접 열영향부에서의 오스테나이트상 면적분율([%γ])은 용접 열싸이클 모사시험 후 페라이트 스코프를 이용하여 시편의 단면에 대하여 5회 측정 후 평균값을 취하였다.
fCr값은 용접 열싸이클 모사시험 후 다음의 방법으로 계산하였다. 시편을 잔사추출하여 지름 10㎛ 이상의 석출물을 추출한 뒤, ICP 분석을 통해 석출물에 포함된 Cr의 함량(중량%)을 각각 측정하였다. 측정된 석출물의 Cr중량%을 모재의 평균 Cr중량%으로 나누어 구하였다.
석출물 면적율(%)은 용접 열싸이클 모사시험 후 다음의 방법으로 측정하였다. 압연방향과 평행하고, 강재 표면과 수직인 면을 관찰면으로 시편 단면 가공한 다음, 단면을 투과전자현미경으로 관찰하였다. 관찰면적 200㎛2 내에 종횡비 5 이상의 막대(rod)형 M2X 석출물의 면적률을 이미지 분석 프로그램을 통하여 분석하였다.
임계공식온도(℃)는 용접 열싸이클 모사시험 후 ASTM G150 규격에 의거하여 1M NaCl 용액에 시편의 표면을 노출시킨 다음, 700mV 전압에서 0℃부터 1℃/s로 용액의 온도를 높이면서 전류밀도를 측정하였을 때, 100㎂/㎠ 이상의 전류밀도가 60초 동안 유지되는 온도를 측정하였다.
용접 열영향부 상온 샤르피 충격값(J)은 노치의 방향이 압연방향과 평행하도록 시편을 기계가공한 다음, 25 내지 30℃의 상온에서 샤르피 충격시험을 수행하여 측정하였다.
실시예 Vα→γ
(%/℃)
[%γ]
(%)
fCr 석출물
면적률
(%)
임계
공식
온도
(℃)
용접 열영향부
상온 샤르피 충격값
(J)
발명예1 0.27 46.0 0.00072 0.37 31.2 176
발명예2 0.26 46.7 0.00071 0.42 27.5 179
발명예3 0.28 47.5 0.00091 0.81 25.2 181
발명예4 0.33 50.6 0.00049 0.17 28.3 197
발명예5 0.30 48.4 0.00051 0.23 27.6 191
발명예6 0.32 48.6 0.00056 0.26 28.1 190
발명예7 0.30 47.5 0.00040 0.20 27.9 185
비교예1 0.20 42.4 0.00103 1.64 28.0 61
비교예2 0.24 47.0 0.00048 0.14 23.1 199
비교예3 0.20 30.2 0.00118 2.54 27.0 61
비교예4 0.24 46.1 0.00084 0.82 24.0 145
비교예5 0.28 47.2 0.00089 0.42 33.1 176
비교예6 0.31 48.2 0.00051 0.33 26.1 180
비교예7 0.22 43.2 0.00102 1.53 26.3 115
비교예8 0.23 43.2 0.00109 1.53 27.1 109
비교예9 0.26 46.5 0.00099 0.76 22.4 181
비교예10 0.27 46.3 0.00090 0.71 22.6 184
비교예11 0.21 35.1 0.00149 3.51 23.3 63
비교예12 0.28 45.8 0.00164 2.11 25.1 86
표 1, 2를 참조하면 본 발명이 한정하는 합금조성, 용접으로 용융된 영역의 응고 시 오스테나이트상의 형성속도(Vα→γ), 용접 열영향부에서의 오스테나이트상 면적분율, fCr 값, 석출물 면적율을 만족하는 발명예 1 내지 7은 용접 열영향부의 상온 샤르피 충격값이 120J 이상으로 충격인성이 향상되었다. 또한, 임계공식온도가 25 내지 35℃로 충분한 내식성도 확보하였다.
반면, 비교예 1, 3, 7, 8, 11은 용접으로 용융된 영역의 응고 시 오스테나이트상의 형성속도(Vα→γ)가 0.24%/℃보다 낮아 페라이트 내에 질소가 과포화되었다. 그 결과, Cr 질화물이 과다해졌으며, 석출물 면적률이 1.5%를 초과하였다. 그 결과, 용접 열영향부의 충격인성이 저하되었으며, 용접 열영향부의 상온 샤르피 충격값이 120J 미만이었다.
비교예 2, 4는 오스테나이트상 안정화원소인 Mn의 함량이 2.0중량%를 초과하여 충분한 오스테나이트상의 형성속도(Vα→γ)나 오스테나이트상 면적분율을 확보할 수 있어 충격인성은 양호하였다. 그러나, Mn의 함량이 과다하여 임계공식온도가 25℃ 미만으로 내식성이 저하되는 문제가 있었다.
비교예 7, 8은 Mn의 함량이 1.0중량% 미만으로 지나치게 적게 첨가되어 오스테나이트상 면적분율을 충분히 확보하지 못하였다. 그 결과, 용접 열영향부의 상온 샤르피 충격값이 120J 미만으로 충격인성이 열위하였다.
비교예 9, 10은 Mo의 함량이 0.5중량% 미만으로 지나치게 적게 첨가되어 내식성이 열위해졌다.
비교예 11은 Ni의 함량이 1중량% 미만으로 지나치게 적게 첨가되어 충분한 오스테나이트상의 형성속도 및 오스테나이트상 면적률을 확보할 수 없었다. 그 결과, 용접 열영향부의 상온 샤르피 충격값이 120J 미만으로 충격인성이 열위하였다.
비교예 6은 Cu의 함량이 3중량%를 초과하여 충분한 충격인성은 확보할 수 있었으나, 열간압연 중 에지크랙이 20mm 이상 과도하게 발생하였다.
비교예 12는 N의 함량이 0.25중량%를 초과하여 Cr 질화물이 과도하게 석출되어 fCr 값이 0.001를 초과하였다. 그 결과, 용접 열영향부의 상온 샤르피 충격값이 120J 미만으로 충격인성이 열위하였다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 중량%로, C: 0.05% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 1.0 내지 2.0%, Cr: 18 내지 24%, Ni: 1 내지 4%, Mo: 0.5 내지 1.0%, Cu: 1 내지 3%, N: 0.15 내지 0.25%, Zr: 0.1% 이하 및 나머지는 Fe와 피할 수 없는 불순물을 포함하고,
    압연방향과 평행하고, 강재 표면과 수직인 면을 투과전자현미경으로 관찰했을 때, 관찰면적 200㎛2 내에 종횡비 5 이상의 막대(rod)형 M2X 석출물의 면적률이 1.5% 이하인 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강.
  2. 제1항에 있어서,
    하기 식 (1)로 표현되는 fCr이 0.001 이하인 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강:
    (1) fCr = [%Cr]/%Cr
    (상기 식 (1)에서, [%Cr]은 강재 내 석출물을 잔사추출했을 때 석출물에 포함되는 Cr중량%를 의미하며, %Cr은 모재 평균 Cr중량%를 의미한다).
  3. 제1항에 있어서,
    용접으로 용융된 영역의 응고 시 하기 식 (2)로 표현되는 오스테나이트상의 생성 속도(Vα→γ)가 0.24 이상인 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강:
    (2) Vα→γ = [%γ1100℃]/(T1 - 1100℃)
    (상기 식 (2)에서, [%γ1100℃]는 1100℃에서 오스테나이트상 면적분율을 의미하며, T1은 오스테나이트상의 형성이 시작되는 온도를 의미한다).
  4. 제1항에 있어서,
    하기 식 (3)으로 표현되는 PCIV가 120 이상인 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강:
    (3) PCIV = -30.3 + 3.87*[%γ] + 247*Vα→γ - 68326*fCr
    (상기 식 (3)에서, [%γ]는 용접 열영향부에서의 오스테나이트상 면적분율을 의미한다; Vα→γ은 용접으로 용융된 영역의 응고 시 오스테나이트상의 생성 속도로 다음의 식으로 도출되며, Vα→γ = [%γ1100℃]/(T1 - 1100℃), [%γ1100℃]는 1100℃에서 오스테나이트상 면적분율을 의미하고, T1은 오스테나이트상의 형성이 시작되는 온도를 의미한다; fCr은 강재 내 석출물을 잔사추출했을 때 석출물에 포함되는 Cr중량%을 모재 평균 Cr중량%으로 나눈 값을 의미한다).
  5. 제1항에 있어서,
    용접 열영향부의 오스테나이트상 면적분율이 45 내지 54%인 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강.
  6. 제1항에 있어서,
    용접 열영향부의 상온 샤르피 충격값이 120J 이상인 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강.
  7. 제1항에 있어서,
    임계공식온도가 25 이상인 용접부 충격인성이 개선된 저합금 듀플렉스 스테인리스강.

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