KR20230059193A

KR20230059193A - 강도와 저온 충격인성이 우수한 강재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20230059193A
Application number: KR1020210142860A
Authority: KR
Inventors: 김경태; 강상덕; 조재영; 소태일
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2021-10-25
Filing date: 2021-10-25
Publication date: 2023-05-03

Abstract

본 발명은 인프라 시설 등에 사용되는 강재로서, 강도와 저온 충격인성이 우수한 강재와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

강도와 저온 충격인성이 우수한 강재 및 그 제조방법{STEEL HAVING EXCELLENT STRENGTH AND LOW-TEMPERATURE IMPACT TOUGHNESS, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

교량 등 사회 인프라 시설의 소재로 사용되고 있는 탄소강은 우수한 기계적 특성, 용이한 가공 등 많은 이점을 가지고 있다. 그러나 탄소강은 대기환경에서 쉽게 부식이 발생하는 단점이 있기 때문에, 도료를 이용한 도장처리가 필수적으로 행해진다. 그러나, 상기 도장처리를 하더라도, 장기간 대기환경에 노출이 되면 도료의 열화 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 수분 및 부식인자가 모재로 침투하게 된다. 모재에 침투된 수분과 부식인자는 모재의 부식을 진행시킨다. 부식된 모재의 유지와 보수를 위해서는 모재에 형성된 녹을 제거한 후, 재도장 처리를 행하는데, 이 역시 장시간 대기환경에 노출되면 도료의 열화 현상이 진행되므로, 반복적인 유지 보수가 필요하고, 이에 따른 비용은 계속 증가하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 탄소강 대신 대기 환경에서 내부식성을 갖는 내후성 강재가 제시되었다. 상기 내후성 강재는 기존의 탄소강에 Cr, Cu, Ni, P 등과 같은 내부식성 합금원소를 미량 포함하는 것으로서, 탄소강에 비해 4~8배 대기 부식 저항성을 갖는다고 알려져 있다. 이처럼 내후성 강재가 탄소강에 비해 우수한 대기 부식 저항성을 갖는 이유는 장시간 대기 노출 환경에서 만들어진 안정한 녹을 형성하고 있기 때문이다. 상기 안정한 녹의 형성에는 3~5년이라는 긴 시간이 필요하지만, 모재 위에 형성된 안정한 녹은 미세하고 치밀한 구조를 형성하기 때문에, 외부에서 모재로 침투해 오는 수분 및 부식인자를 효과적으로 차단하여 부식의 진행을 늦추는 역할을 한다.

상기와 같은 내후성 강재는 내부식 특성 문에 유지 보수가 힘든 지역, 인적이 드문 지역의 교량용 등으로 많이 활용되고 있다. 특히 교량용 강재의 경우에는 다양한 대기 환경에서 안정하게 사용되어야 하며, 교통량 및 이동 차량의 무게까지 고려해야 하기 때문에, 내부식 특성뿐만 아니라, 우수한 강도 및 인성이 요구된다.

고강도 및 우수한 저온 충격인성을 확보하기 위해 경화능 증대 원소인 Cr, Mo, Mn 등을 첨가하여 소입성을 향상시켜 강도를 향상시키는 방법이 있다. 이러한 경우에는 냉각처리를 통해 강의 내부에 저온 조직인 베이니틱 페라이트를 다량 생성하여 고강도와 저온 충격인성을 향상시키고자 한다. 이와 같은 기술로 특허문헌 1 및 2를 들 수 있다.

특허문헌 1은 저온 인성이 우수한 고강도 강재를 구현하기 위해서 경화능 증대 원소를 적절히 첨가한 슬라브를 재가열하여 균질화하고, 열간압연, 냉각, 탬퍼링 열처리를 수행하는 방법을 서술하고 있다. 그러나, 상기 특허문헌 1은 대기환경에서의 부식 특성을 고려하지 않은 성분계로서 내후성 측면에서는 열위하며, 합금원소로서 티타늄(Ti)를 사용하여 질소(N)와 결합하여 TiN을 형성함으로써, 고강도를 확보하였으나, TiN의 형성은 저온 충격인성이 열위될 수 있는 문제를 가지고 있다.

한편, 특허문헌 2는 경화능 증대 원소 첨가 및 냉각처리를 통해 강의 내부에 저온 조직을 형성한 건축구조용 고강도 강재에 관한 것이다. 특히, 강력한 경화능을 나타내는 원소인 보론(B)을 첨가하여 인장강도 800MPa급 강재를 얻고자 하였다. 그러나, 질소 함량을 적절히 제어하지 못할 경우, AlN의 형성으로 표면 크랙이 발생되고, BN 형성으로 인해 보론 첨가에 의한 경화능을 나타내지 못할 수 있다. 뿐만 아니라, B 첨가의 경우 강재의 강도 편차를 유발할 수 있기 때문에 조업 관점에서 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 최적의 성분계 및 열처리 조건을 확립하여 저온충격인성과 항복강도가 우수한 교량용 강재에 대한 요구가 높아지고 있는 실정이다.

한국 공개특허공보 제10-2021-0053526호 한국 등록특허공보 제10-1736626호

본 발명의 일측면은 우수한 내후성을 확보하는 동시에, 우수한 강도 및 저온 충격인성을 갖는 강재와 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 과제는 상술한 사항에 한정되지 아니한다. 본 발명의 추가적인 과제는 명세서 전반적인 내용에 기술되어 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 명세서에 기재된 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일태양은, 중량%로, C: 0.05~0.15%, Mn: 1.0~2.0%, Si: 1.0% 이하(0% 제외), P: 0.03% 이하 (0은 제외), S: 0.01% 이하, Cu: 0.5~1.5%, Ni: 0.5~1.5%, Al: 0.07% 이하 (0은 제외), Nb: 0.005~0.05%, V: 0.01~0.2%, Mo: 0.1~1.0%, Cr: 0.01~1.5%, N: 0.002~0.008%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,

미세조직은 면적분율로, 그래뉼라 베이나이트(granular bainite) 75~90%, 베이니틱 페라이트(bainitic ferrite) 10~25%를 포함하고, 도상 마르텐사이트(MA, martensite-austenite constituent)가 2% 이하로 포함하는 강도와 인성이 우수한 강재에 관한 것이다.

본 발명의 다른 일태양은, 중량%로, C: 0.05~0.15%, Mn: 1.0~2.0%, Si: 1.0% 이하(0% 제외), P: 0.03% 이하 (0은 제외), S: 0.01% 이하, Cu: 0.5~1.5%, Ni: 0.5~1.5%, Al: 0.07% 이하 (0은 제외), Nb: 0.005~0.05%, V: 0.01~0.2%, Mo: 0.1~1.0%, Cr: 0.01~1.5%, N: 0.002~0.008%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1000~1220℃로 가열하는 단계;

상기 가열된 강 슬라브를 열간압연하여 열연강판을 제조하고, 상온까지 공냉하는 단계;

상기 열연강판을 870~950℃의 온도범위에서 1.3t+10~60분(t는 강판두께, ㎜)의 시간동안 재가열하는 단계;

상기 재가열된 열연강판을 중심부 온도 300℃ 이하까지 냉각하는 단계; 및

상기 냉각된 강판을 500~700℃의 온도범위로 승온하고, 1.3t+5~20분(t는 강판두께, ㎜)의 시간동안 템퍼링 열처리 하는 단계를 포함하는 강도와 인성이 우수한 강재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 고강도 및 우수한 저온 충격인성을 갖는 동시에, 대기환경에서도 내식성(내후성)이 우수한 강재와 이를 제조하는 방법을 제공할 수 있다. 본 발명의 강재를 이용하면 유지보수가 힘든 지역, 인적이 드문 지역 등에서의 교량용 등으로 사용될 수 있는 유용성이 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않고, 본 발명의 구체적인 실시 태양을 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 발명예 2의 미세조직을 관찰한 광학현미경 사진이다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명을 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 관련 정의가 이와 명백히 반대되는 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 구성을 구체화하고, 다른 구성의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.

달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지도록 해석된다.

통상적으로 교량 등에 사용되는 내후성 강재는 다양한 대기환경에서 사용할 경우, 각 환경에 따른 부식속도 차이뿐만 아니라, 한랭지의 경우에는 저온 충격인성이 급격하게 감소하여 사고 발생시, 인간의 생명 및 안전을 위협할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 강재의 내후성을 확보해야 될 뿐만 아니라, 강재의 기계적 특성까지 고려하여 합금 성분 및 열처리 조건을 확립해야 하는 어려움이 있다.

이에, 본 발명자들은 우수한 강도를 가지면서, 저온 충격인성과 내후성이 우수한 강재를 개발하기 위해 깊이 연구하였다. 그 결과, 합금조성과 제조조건을 최적화하면서, 의도하는 물성확보에 유리한 미세조직을 형성하는 경우, 항복강도 700MPa 이상, -35℃에서의 샤르피 충격흡수에너지가 100J 이상인 강재를 개발하였다. 특히, 본 발명에서는 합금조성을 최적화하여, 내후성 지수(CI)가 7.0 이상으로 대기환경에서 매우 높은 내부식 특성을 확보할 수 있게 되었다. 여기서 내후성 지수는 ASTM G101에 규정된 내후성 관련 평가 지수로써 일반적인 내후성 강의 경우, 6.0 이상의 내후성 지수를 요구한다. 내후성 지수는 합금원소를 바탕으로 산출한 지수로써, 특히 본 발명의 내후성 지수는 Townsend의 데이터를 기반으로 한 예측방법을 통해 산출된 것이다.

이하, 본 발명 강재의 일 구현예에 대해 상세히 설명한다. 먼저, 강재를 구성하는 합금조성에 대해 상세히 설명한다. 하기 설명되는 합금조성의 단위는 중량%(이하, %)이다.

본 발명의 강재는 중량%로, C: 0.05~0.15%, Mn: 1.0~2.0%, Si: 1.0% 이하(0% 제외), P: 0.03% 이하 (0은 제외), S: 0.01% 이하, Cu: 0.5~1.5%, Ni: 0.5~1.5%, 알루미늄(Al): 0.07% 이하 (0은 제외), Nb: 0.005~0.05%, V: 0.01~0.2%, Mo: 0.1~1.0%, Cr: 0.01~1.5%, N: 0.002~0.008%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 추가적으로 Ti: 0.0005~0.1%, B: 0.0005~0.005% 및 Ca: 0.0005~0.004% 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

탄소(C): 0.05~0.15%

상기 C는 강의 강도를 향상시키기 위해 첨가되는 원소로, 상기 C의 함량을 증가시키면 소입성을 향상시켜 강도를 향상시킬 수 있다. 상기 C의 함량이 0.05% 미만이면 강재의 강도가 지나치게 낮아져 본 발명에서 목표로 하는 강도를 확보하기 어려울 수 있다. 그러나, 0.15%를 초과하면 용접성을 해치게 되면, 강도가 지나치게 높아져 저온 충격인성이 저하되는 문제가 발생한다. 이에 상기 C의 함량은 0.05~0.15%인 것이 바람직하다.

망간(Mn): 1.0~2.0%

상기 Mn은 일반적으로 소입성을 효과적으로 상승시켜 강의 강도 및 인성을 향상시키는 원소이다. 본 발명에서 강재의 강도 확보를 위해서는 상기 Mn을 1.0% 이상으로 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 Mn 함량이 2.0%를 초과하는 경우에는 용접성이 저하될 뿐만 아니라, 중심 편석과 같은 문제가 발생하여 중심부 인성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 Mn의 함량을 1.0~2.0% 포함하는 것이 바람직하다.

실리콘(Si): 1.0% 이하 (0% 제외)

상기 Si은 일반적으로 탈산제 효과와 강의 강도를 향상시키는 역할을 하는 합금원소이다. 그러나, 상기 Si의 함량이 1.0%를 초과하게 되면 인성 및 용접성을 저해시키는 문제점이 있으므로, 상기 Si의 함량은 1.0% 를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

구리(Cu): 0.5~1.5%

상기 Cu는 내식성 측면에서 보면 안정한 녹의 미세화 및 치밀화에 영향을 주는 원소로 강의 내후성을 향상시키는데 유효한 성분이다. 상기 Cu 함량이 0.5% 미만인 경우에는 내후성의 특성을 기재하기 어렵다. 상기 Cu 함량이 증가하게 되면 열처리(담금질, 템퍼링 등)에서 고용 및 석출로 인해 강도 상승에 기여한다. 그러나, 상기 Cu 함량이 1.5%를 초과하면 압연을 위한 슬라브 재가열시 융점이 낮은 Cu가 강의 입계에 침투하여 열간가공시 크랙이 발생하는 적열 취성(hot shortness)과 같은 문제점이 발생할 수 있으므로, 상기 Cu 함량이 1.5%를 넘지 않는 것이 바람직하다.

니켈(Ni): 0.5~1.5%

상기 Ni은 일반적으로 강의 강도와 더불어 인성을 향상시키는데 유효한 원소이다. 또한 내식성 향상에 기여하는 중요한 원소 중에 하나이다. 상기 Ni은 앞서 서술한 Cu와 같이 안정한 녹의 미세화 및 치밀화에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 나타내기 위해서는 0.5% 이상 첨가되어야 한다. 또한 Ni은 Cu의 첨가에 따른 적열 취성(hot shortness) 문제점을 개선하기 위해 첨가하는 원소이며, Ni/Cu의 함량비가 0.5 이상이면 상기 효과가 매우 커진다. 다만, 고가의 Ni을 다량으로 첨가하게 되면 제조비용이 상승하는 문제점이 있으므로, 이를 고려하여 Ni 함량을 1.5% 이하인 것이 바람직하다.

알루미늄(Al): 0.07% 이하 (0은 제외)

상기 Al은 탈산제로서 용강 중에 산소 함량을 낮추는데 필수적인 원소이다. 상기 Al의 함량이 0.07%를 초과하게 되면 강의 청정성이 저해되는 문제가 발생하므로 바람직하지 못하다. 이에 본 발명에서 상기 Al의 함량이 0.07% 이하인 것이 바람직하다.

인(P): 0.03% 이하 (0은 제외)

상기 P는 내식성 측면에서 안정한 녹층의 양이온 선택 투과성을 향상시키며, 부식인자 특히, 염소이온이 모재로 침투하는 것을 억제하는 원소로 알려져 있다. 그러나, 상기 P의 함량이 0.03%를 초과하게 되면, 용접성 저하뿐만 아니라 입계편석을 일으켜 인성이 저하시키는 원인이 될 수 있으므로, 그 함량은 0.03% 이하인 것이 바람직하다.

황(S): 0.01% 이하

상기 S은 강 중 Mn과 결합하여 MnS 개재물을 형성하여 강의 인성을 저해하므로, 가급적 포함하지 않는 것이 바람직하나, 강 제조과정에서 포함되는 불순물이다. 상기 S의 함량을 가능한 낮추어서 0.01% 이하로 관리하는 것이 바람직하다.

나이오븀(Nb): 0.005~0.05%

상기 Nb은 강의 소입성을 증가시키며, 압연 및 가열시의 NbC 석출물로 존재하여 오스테나이트 입도를 미세화시키는 역할을 한다. 이와 같은 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.005% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 Nb 함량이 0.05%를 초과하면 석출물이 조대화되어 충격인성 열화의 요인이 될 수 있다. 따라서, 상기 Nb 함량을 0.005~0.05%로 관리하는 것이 바람직하다.

바나듐(V): 0.01~0.2%

상기 V는 강 중 안정한 탄화물 원소로 존재하며, 석출강화에 의하여 강의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 뿐만 아니라, 결정립 성장 억제에 기여할 수 있다. 본 발명에서 강의 강도를 향상시키기 위해서는 0.01% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, 과도하게 첨가되면 경화능을 감소시키므로, 0.2% 이하로 관리하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr): 0.01~1.5%

상기 Cr은 내식성을 향상시키는 합금원소로서, 안정한 녹 형성에 기여한다. 또한 소입성을 증가시켜 강의 강도를 증가시킨다. 상기 Cr 함량이 0.01% 미만이면, 첨가에 따른 내부식성 및 강도 향상의 효과를 얻을 수 없고, 1.5%를 초과하면 용접성이 열위하게 되며 대기환경에 따라 국부부식이 가속화될 염려가 있으므로, 그 함량은 0.01~1.5%인 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo): 0.1~1.0%

상기 Mo은 앞서 설명한 Cr과 유사한 강의 소입성을 증가시켜 강의 강도를 증가시키는 효과가 있다. 이러한 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.1% 이상 포함하는 것이 바람직하나, 상기 Mo는 고가의 원소로서 그 함량이 1.0%를 초과하게 되면 제조원가가 상승할 뿐만 아니라, 용접성이 열위하게 되는 문제가 있다. 따라서, 상기 Mo의 함량은 0.1~1.0%인 것이 바람직하다.

질소(N): 0.002~0.008%

상기 N는 변형시효를 일으키는 주요 원소로서 낮게 유지하는 것이 바람직하며, N의 첨가로 인한 변형시효 충격을 감소시키기 위해 Ti, Al 등을 포함시킬 필요가 있다. 그러나, 상기 N의 함량이 적으면 변형시효 충격 열화 억제를 위해 첨가된 Ti, Al 등의 원소가 고용된 상태로 고용강화를 일으키거나 다른 석출물을 형성시켜 인성을 저하시키므로, 이러한 점을 종합적으로 고려하여, 본 발명에서 상기 N의 함량은 0.002~0.008% 인 것이 바람직하다.

본 발명의 강재는 상술한 합금성분 이외에, 추가적으로 Ti: 0.0005~0.1%, B: 0.0005~0.005% 및 Ca: 0.0005~0.004% 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

티타늄(Ti): 0.0005~0.1%

상기 Ti는 강 중에서 미세한 산화물과 질화물을 형성할 수 있다. 상기 산화물과 질화물은 융점이 높아 재가열 온도 이상에서도 용해되지 않고, 존재함으로써 피닝(pinning) 효과에 의한 오스테나이트 결정립 미세화에 기여하여 충격인성 향상에 영향을 준다. 이를 위해 상기 Ti는 0.0005% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 다만, 상기 Ti의 함량이 0.1%를 초과하게 되면, 조대한 석출물이 형성되어 강의 인성이 저하되는 문제가 있으므로, 0.1% 이하인 것이 바람직하다.

보론(B): 0.0005~0.005%

상기 B은 소량의 첨가로도 강의 소입성을 유효하게 상승시켜 강도를 향상시키는데 유효한 원소이다. 그 함량이 0.0005% 미만에서는 그 효과가 미미하기 때문에, 0.0005% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 한편, 그 함량이 과도하면 오히려 강의 인성 및 용접성을 저해하는 문제가 있으므로, 0.005%를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 상기 B 함량은 0.0005~0.004%인 것이 보다 바람직하고, 0.0005~0.0035%인 것이 보다 더 바람직하며, 0.0005~0.003%인 것이 가장 바람직하다.

칼슘(Ca): 0.0005~0.004%

상기 Ca은 황과의 결합력이 좋아 MnS 둘레에 CaS를 생성하여 MnS의 연신을 억제하여 강의 압연 직각 방향 인성을 향상시키는 효과를 위해서는 0.0005% 이상으로 포함되는 것이 바람직하나, 그 함량이 0.004%를 초과하게 되면 제강 조업시 노즐 막힘 등의 문제를 유발할 수 있으므로, 바람직하지 못하다. 따라서, 본 발명에서 상기 Ca 함량은 0.0005~0.004%인 것이 바람직하다.

나머지는 철(Fe)를 포함하며, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 제조과정에서 통상의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

본 발명의 강재 미세조직은 그래뉼라 베이나이트(granular bainite, GB)와 베이니틱 페라이트(bainitic ferrite, BF)를 기지조직으로 하는 것이 바람직하다. 상기 그래뉼라 베이나이트와 베이니틱 페라이트는 저온 변태조직으로써, 높은 강도를 나타내며, 마르텐사이트와 비교하여 저온에서 우수한 인성을 나타낸다. 상기 그래뉼라 베이나이트(GB)와 베이니틱 페라이트(BF)는 면적분율로, 98% 이상인 것이 바람직하다.

더욱 자세하게는 면적분율로, 상기 그래뉼라 베이나이트(GB)는 75~90%, 베이니틱 페라이트(BF)는 10~25%인 것이 바람직하다. 본 발명 강재의 조직은 항복강도 700MPa를 만족하고, 또한 저온 충격인성을 확보하기 위해서는 그래뉼라 베이나이트를 주체로 하는 조직으로 구성된다. 특히, 그래뉼라 베이나이트는 페라이트에 비해 결정립의 미세화를 도모할 수가 있고, 이러한 결정립 미세화를 통해 항복강도 700MPa을 만족할 수 있다. 따라서, 베이니틱 페라이트(BF)가 35%를 초과하여 주조직으로 된다면, 우수한 항복강도 확보가 곤란하다. 한편, 저온 충격인성을 확보하기 위해서는 베이니틱 페라이트가 10% 이상인 것이 바람직하고, 10% 미만이면, 저온 충격인성이 크게 저하되므로 바람직하지 않다.

상기 그래뉼라 베이나이트(GB)의 결정립 미세화에 따라, 평균 입경은 40㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 그래뉼라 베이나이트의 평균 입경이 40㎛를 초과하는 경우에는 충분한 강도 확보가 어려울 수 있고, 저온 충격인성이 열위될 수 있다. 상기 그래뉼라 베이나이트의 보다 바람직한 평균입경은 30~40㎛이다.

상기 그래뉼라 베이나이트와 베이니틱 페라이트 이외에, 도상 마르텐사이트(martensite-austenite constituent, MA)를 포함할 수 있다. 상기 도상 마르텐사이트는 포함되지 않을 수 있으며, 포함되는 경우에는 면적분율로 2% 이하인 것이 바람직하다. 상기 도상 마르텐사이트(MA)는 강도 증가에 영향을 주는 역할을 하지마, 그 분율이 2%를 초과하는 경우에는 저온 충격인성이 저하될 수 있다.

본 발명에서 의해 제공되는 강재는 항복강도 700MPa를 확보하는 동시에, -35℃의 저온에서 100J 이상의 샤르피 충격흡수에너지를 가지는 효과가 있다. 또한, 본 발명에서 의해 제공하는 강재는 대기환경에서 내부식성을 나타내는 내후성 지수가 7.0 이상으로 대기환경에서 내부식성 특성이 우수한 효과가 있다.

본 발명의 강재는 100㎜ 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 12~100㎜의 두께를 가질 수 있다.

다음으로, 본 발명의 강재를 제조하는 방법의 일구현예에 대해 상세히 설명한다. 먼저 전술한 조성을 만족하는 강 슬라브를 가열하고, 열간압연한 후 냉각하고, 제조된 열간압연을 재가열, 냉각, 템퍼링 열처리한다. 이하, 상세히 설명한다.

강 슬라브 가열

전술한 조성을 만족하는 강 슬라브를 1000~1220℃의 온도범위로 가열한다. 상기 강 슬라브 가열온도가 1000℃ 미만이면 열간압연 온도가 너무 낮아 원하는 두께로의 압연이 어려우며, 가열온도가 1220℃를 초과하게 되면 오스테나이트 결정립이 조대화되어 불균일한 조직이 형성된다. 또한, 가열 중 Si에 이해 형성되는 파얄라이트(fayalite)는 모재와 스케일층의 결합 작용을 하여 스케일의 박리성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서 강 슬라브 가열온도는 1000~1220℃인 것이 바람직하다.

열간압연

상기 가열된 강 슬라브를 열간압연하여 요구되는 두께의 열연강판을 제조하고, 상온까지 공냉한다. 상기 열연강판의 두께는 100㎜ 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 12~100㎜의 두께로 행한다. 상기 열간압연은 본 발명에 특별히 한정하지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상 행하는 방법으로 할 수 있다.

열연강판 재가열

상기 열연강판을 870~950℃의 온도범위에서 1.3t+10~60분(t는 강판두께, ㎜)의 시간동안 재가열한다. 상기 재가열은 페라이트와 펄라이트로 구성된 열연강판을 오스테나이트 단상으로 역변태시키기 위한 것으로, 상기 재가열 온도가 870℃ 미만이면 오스테나이트화가 충분히 이루어지지 못하여, 조대한 연질 페라이트가 혼재하게 되어, 최종 제품의 경도가 저하되는 문제가 있다. 반면, 상기 재가열 온도가 950℃를 초과하게 되면 오스테나이트 결정립이 조대해져 소입성이 증가하는 효과는 있으나, 강의 저온인성이 열위해지는 문제가 있다.

한편, 상기 가열시간이 1.3t+10분(t는 강판두께, ㎜) 미만이면, 오스테나이트화가 충분히 일어나지 못하여 후속하는 급속냉각에 의한 상변태 즉, 베이나이트 조직을 충분히 얻을 수 없게 된다. 반면, 1.3t+60분(t는 강판두께, ㎜)을 초과하게 되면, 오스테나이트 결정립이 조대해져 소입성이 커지는 효과는 있으나, 그 로 인해 저온인성이 열위해지는 문제가 있다.

냉각

상기 재가열된 열연강판을 중심부 온도 300℃ 이하까지 냉각한다. 보다 구체적으로 상기 재가열된 열연강판의 두께가 50㎜ 이하인 경우, 냉각시 냉각속도는 12℃/s 이상의 속도로 중심부 온도 300℃ 이하까지 냉각하는 것이 바람직하다. 이에 비해 재가열된 열연강판의 두께가 50㎜를 초과하는 경우, 바람직하게는 50㎜ 초과 100㎜ 이하의 두께에서, 상기 냉각속도는 4℃/s 이상의 속도로 중심부 온도 300℃ 이하까지 냉각하는 것이 바람직하다. 상기 각 두께에 따라 냉각속도가 미치지 못하거나 냉각종료온도가 300℃를 초과하게 되면 냉각 중 페라이트의 면적분율이 높게 형성될 우려가 있다.

본 발명에서 상기 냉각속도의 상한 및 냉각종료온도의 하한은 특별히 한정하지 아니하며, 통상의 기술자라면 설비 한계를 고려하여 적합하게 설정할 수 있다.

템퍼링 열처리

상기 냉각된 강판을 500~700℃의 온도범위로 승온하고, 1.3t+5~20분(t는 강판두께, ㎜)의 시간동안 템퍼링 열처리를 행한다. 상기 템퍼링 온도가 500℃ 미만인 경우에는 템퍼링 효과가 불충분하여 인성이 열위될 가능성이 있으나, 700℃를 초과하는 경우에는 재가열 및 냉각을 통해 높아진 미세조직 내 전위 밀도가 급격히 감소하여 결과적으로 항복강도의 하락으로 고강도 강재 구현이 어렵다. 한편, 상기 템퍼링 시간이 1.3t+20분(t는 강판두께, ㎜)을 초과하게 되면 미세조직 내의 전위 밀도가 낮아지게 되어 결과적으로 항복강도가 하락하여 고강도 강재를 제작하기 어렵다. 반면, 템퍼링 시간이 1.3t+5분(t는 강판두께, ㎜) 미만인 경우에는 강판의 폭과 길이 방향으로 균일하게 열처리되지 못하여 결과적으로 위치 별 물성 편차를 야기할 수 있다. 상기 열처리 후에는 공냉하는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

하기 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것으로서, 본 발명의 권리범위는 하기 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

(실시예)

하기 표 1의 합금조성을 가지는 강 슬라브를 준비한 후, 상기의 강 슬라브에 대하여 하기 표 2에 나타낸 제조조건에 의해 각각의 공정을 행하여 열연강판을 제조하였다.

한편, 상기 표 1의 합금조성에서 나머지는 Fe와 불가피한 불순물이며, 합금조성의 단위는 중량%(Ca의 경우에는 중량ppm임)이다. 표 1에 표기된 내후성 지수는 ASTM G101에 규정된 내후성 관련 평가 지수로써 합금원소를 바탕으로 산출한 것으로, Townsend의 데이터를 기반으로 한 예측방법을 통해 산출된 것이다.

표 2에서는 각 강종 강 슬라브를 가열하고, 40~80mm 두께로 열간 압연하고, 표 2의 재가열, 냉각 및 템퍼링 열처리를 수행하여 열연강판을 제조하였다.

상기 제조된 열연강판에 대하여 기계적 물성을 측정 한 뒤 하기 표 2에 나타냈었다. 각각의 발명예와 비교예에 대해 폭 방향으로 인장시편을 채취한 후, 상온(대략 25℃) 인장강도를 측정하였고, 또한 샤르피 충격시험 결과는 1/4t 위치에서 시편을 채취한 뒤 -35℃에서 3회 측정한 것의 평균을 값을 사용하여 나타내었다. 미세조직은 광학현미경으로 관찰한 다음, EBSD 장비를 이용하여 그래뉼라 베이나이트(granular bainite, GB), 베이니틱 페라이트(bainitic ferrite, BF), 폴리고날 페라이트(polygonal ferrite, PF)를 측정하였고, 그 값을 표 2에 기재하였다.

[표 1]

[표 2]

상기 표 2에서, GB: 그래뉼라 베이나이트, BF: 베이니틱 페라이트, PF: 폴리고날 페라이트, MA: 도상 마르텐사이트를 표기한 것이다.

도 1은 상기 발명예 2의 두께(t) 기준, 1/4 지점에서 광학현미경으로 관찰한 미세조직이다. 도 1을 보면, 발명예 2 시편에서 MA 조직은 1 면적% 수준으로 거의 발견되지 않음을 확인할 수 있었다. 다만, 도 1은 MA 분율을 측정하기 위한 사진으로, GB 조직은 명확히 확인되나, BF는 명확히 관찰되지 않음을 참고할 필요가 있다.

상기 표 2의 결과를 보면, 본 발명에서 제안하는 합금조성 및 제조조건을 통해 제조되는 충족하는 발명예 1 내지 20의 경우에는 항복강도 700MPa 이상의 강도를 가지며, -35℃ 에서의 샤르피 충격 흡수에너지가 100J 이상으로 저온 충격인성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 발명예 1 내지 20은 두께 1/4 지점에서 면적분율로 98% 이상의 그래뉼라 베이나이트와 베이니틱 페라이트를 가지고, 2% 이하의 도상 마르텐사이트(MA)를 확인할 수 있다.

비교예 15 내지 20은 본 발명의 제조조건을 적용하였으나, 조성범위가 본 발명의 범위를 벗어난 것으로서, 항복강도가 본 발명이 요구하는 범위에 미치지 못하고, 비교예 15, 17, 19 및 20의 경우는 저온 인성도 열위한 것을 확인할 수 있다.

비교예 1 내지 5는 본 발명의 합금조성을 충족하나, 재가열 후 냉각종료온도가 본 발명 조건을 충족하지 못하고, 비교예 3 내지 5는 상기 냉각종료온도뿐만 아니라, 템퍼링 온도가 본 발명 조건을 벗어난 것으로서, 그래뉼라 베이나이트(GB)가 충분히 형성되지 않고, 베이니틱 페라이트(BF)가 과도하게 형성되며, 더하여 폴리고날 페라이트(PF)가 형성되어, 항복강도 및 저온인성이 열위해진 것을 확인할 수 있다.

비교예 6 내지 10은 상기 템퍼링 온도가 본 발명의 조건보다 낮게 하여 템퍼링의 효과가 불충분하고, 그 결과 저온 충격인성의 열위가 나타났다. 반면, 비교예 11 내지 14는 반대로 템퍼링 온도를 높게 하여, 냉각을 통해 높아진 미세조직 내 전위밀도가 급격히 감소하여 항복강도의 하락을 확인할 수 있다.

Claims

중량%로, C: 0.05~0.15%, Mn: 1.0~2.0%, Si: 1.0% 이하(0% 제외), P: 0.03% 이하 (0은 제외), S: 0.01% 이하, Cu: 0.5~1.5%, Ni: 0.5~1.5%, Al: 0.07% 이하 (0은 제외), Nb: 0.005~0.05%, V: 0.01~0.2%, Mo: 0.1~1.0%, Cr: 0.01~1.5%, N: 0.002~0.008%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
미세조직은 면적분율로, 그래뉼라 베이나이트(granular bainite) 75~90%, 베이니틱 페라이트(bainitic ferrite) 10~25%를 포함하고, 도상 마르텐사이트(MA, martensite-austenite constituent)가 2% 이하로 포함하는 강도와 인성이 우수한 강재.
청구항 1에 있어서,
상기 미세조직은 그래뉼라 베이나이트(granular bainite) 및 베이니틱 베이니틱 페라이트(bainitic ferrite)의 합계가 98% 이상인 강도와 인성이 우수한 강재.
청구항 1에 있어서,
상기 강재는 Ti: 0.0005~0.1%, B: 0.0005~0.005% 및 Ca: 0.0005~0.004% 중 1종 이상을 더 포함하는 강도와 인성이 우수한 강재.
청구항 1에 있어서,
상기 Ni과 Cu의 함량비(Ni/Cu)가 0.5 이상인 강도와 인성이 우수한 강재.
청구항 1에 있어서,
상기 그래뉼라 베이나이트의 평균 입경은 40㎛ 이하인 강도와 인성이 우수한 강재.
청구항 1에 있어서,
상기 강재는 항복강도 700MPa 이상, -35℃에서의 샤르피 충격 흡수에너지가 100J 이상이고, 내후성 지수(ASTM G101)가 7.0 이상인 강도와 인성이 우수한 강재.
중량%로, C: 0.05~0.15%, Mn: 1.0~2.0%, Si: 1.0% 이하(0% 제외), P: 0.03% 이하 (0은 제외), S: 0.01% 이하, Cu: 0.5~1.5%, Ni: 0.5~1.5%, Al: 0.07% 이하 (0은 제외), Nb: 0.005~0.05%, V: 0.01~0.2%, Mo: 0.1~1.0%, Cr: 0.01~1.5%, N: 0.002~0.008%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1000~1220℃로 가열하는 단계;
상기 가열된 강 슬라브를 열간압연하여 열연강판을 제조하고, 상온까지 공냉하는 단계;
상기 열연강판을 870~950℃의 온도범위에서 1.3t+10~60분(t는 강판두께, ㎜)의 시간동안 재가열하는 단계;
상기 재가열된 열연강판을 중심부 온도 300℃ 이하까지 냉각하는 단계; 및
상기 냉각된 강판을 500~700℃의 온도범위로 승온하고, 1.3t+5~20분(t는 강판두께, ㎜)의 시간동안 템퍼링 열처리 하는 단계
를 포함하는 강도와 인성이 우수한 강재의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 강 슬라브는 Ti: 0.0005~0.1%, B: 0.0005~0.005% 및 Ca:0.0005~0.004% 중 1종 이상을 더 포함하는 강도와 인성이 우수한 강재의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 Ni과 Cu의 함량비(Ni/Cu)가 0.5 이상인 강도와 인성이 우수한 강재의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 열간압연된 열연강판의 두께는 12~100㎜인 강도와 인성이 우수한 강재의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 강 슬라브를 1000~1220℃의 온도범위로 가열하는 강도와 인성이 우수한 강재의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 냉각은 재가열된 열연강판의 두께가 50㎜ 이하인 경우에는 12℃/s의 냉각속도로 냉각하고, 50㎜ 초과인 경우에는 4℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 강도와 인성이 우수한 강재에 제조방법.