KR20230099405A - 열연 강판 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소(C): 0.04 ~ 0.07중량%, 규소(Si): 0.10 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 1.10 ~ 1.25중량%, 인(P): 0 초과 0.003중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.01 ~ 0.06중량%, 니오븀(Nb): 0.06 ~ 0.07중량%, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.02중량%, 바나듐(V): 0.04 ~ 0.05중량%, 크롬(Cr): 0.15 ~ 0.25중량%, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 항복 강도(YS)가 500 ~ 635MPa이고, 인장강도(TS)가 570 ~ 760MPa이고, 연신율(EL)이 30% 이상이며, 항복비(YR)가 0.93 이하인 것을 특징으로 하는, 열연 강판을 제공한다.
Description
본 발명은 열연 강판 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내부식 특성이 우수한 고강도 열연 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
석유 및 가스 자원 등의 지속적인 사용으로 자원 매장량이 빠르게 고갈되고 있어, 최근에는 기존보다 더 깊은 곳의 자원을 얻기 위해 채굴 깊이가 깊어지고, 자연 환경 또한 가혹한 사용환경(심해저, H2S부식 환경)에서의 원유/가스의 채굴 및 수송작업이 증가하고 있다. 특히 중동 등 지역은 자원 자체에 황화합물이 포함된 농도가 상대적으로 높아, 이에 대응하기 위해 시장에서는 내부식성 특성이 우수한 제품을 요구하고 있다. 이 경우에도 기본적으로 API 제품에 요구되는 저온 인성(0℃ 이하) 또한 동시에 만족해야 하며, 수송 능력 확대를 통한 생산성을 극대화하기 위해 강관의 대구경화 및 후육화가 진행되고 있어, 후물재에 복합 특성을 요구하는 제품 개발이 필요한 상황이다
API(American Petroleum Institute) 규격에서 인성 평가는 0℃를 기준으로 CVN(charpy V-notch)와 DWTT(Drop Weight Tear Test) 방법을 통해 평가하고 있지만, 실제 극한지역에서 사용되는 송유관의 경우에는 0℃ 이하에서 주로 사용되기 때문에 안정성을 고려하여 규격보다 더 가혹한 조건으로 저온 인성 특성을 만족시켜야 한다. 또한, 채굴 환경이 점차 사우어(sour) 분위기화 됨에 따라 API 규격에서 요구하는 HIC(Hydrogen Induced Cracking) 특성도 동시에 만족시켜야 하는 상황이다. 규격 상으로 CLR(Critical Length Ratio): 15% 이하, CTR(Critical Thickness Ratio): 5% 이하, CSR(Crack Sensitivity Ratio): 2% 이하를 요구하지만, 현실에서는 더욱 가혹한 조건을 만족시켜야 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 내부식 특성이 우수한 고강도 열연 강판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 열연 강판은 탄소(C): 0.04 ~ 0.07중량%, 규소(Si): 0.10 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 1.10 ~ 1.25중량%, 인(P): 0 초과 0.003중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.01 ~ 0.06중량%, 니오븀(Nb): 0.06 ~ 0.07중량%, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.02중량%, 바나듐(V): 0.04 ~ 0.05중량%, 크롬(Cr): 0.15 ~ 0.25중량%, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 항복 강도(YS)가 500 ~ 635MPa이고, 인장강도(TS)가 570 ~ 760MPa이고, 연신율(EL)이 30% 이상이며, 항복비(YR)가 0.93 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 열연 강판은, -50℃에서 충격인성(CVN, Charpy V-Notch)이 150J 이상이며, 0℃에서 연성파면율(DWTT, Drop Weight Tear Test)이 90% 이상일 수 있다.
상기 열연 강판은, CLR(Critical Length Ratio): 10% 이하, CTR(Critical Thickness Ratio): 3% 이하 및 CSR(Crack Sensitivity Ratio): 1% 이하일 수 있다.
상기 열연 강판의 최종 미세조직은 페라이트로 이루어질 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 열연 강판의 제조 방법은 (a) 탄소(C): 0.04 ~ 0.07중량%, 규소(Si): 0.10 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 1.10 ~ 1.25중량%, 인(P): 0 초과 0.003중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.01 ~ 0.06중량%, 니오븀(Nb): 0.06 ~ 0.07중량%, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.02중량%, 바나듐(V): 0.04 ~ 0.05중량%, 크롬(Cr): 0.15 ~ 0.25중량%, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 제공하는 단계; (b) 상기 강재를 재가열하는 단계; (c) 상기 재가열된 강재를 열간 압연하는 단계; 및 (d) 상기 열간 압연된 강재를 냉각 후 권취하는 단계;를 포함한다.
상기 열연 강판의 제조 방법에서, 상기 (b) 단계는 상기 강재를 1180 ~ 1250℃에서 재가열하는 단계를 포함하고, 상기 (c) 단계는 조압연 종료 온도가 900 ~ 950℃, 사상 압연 종료 온도가 780 ~ 850℃인 조건으로 열간 압연하는 단계를 포함하고, 상기 (d) 단계는 상기 강재를 30 ~ 50℃/s의 냉각 속도로 냉각 후 480 ~ 550℃에서 권취하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 열연 강판의 제조 방법의 상기 (d) 단계 후 상기 강재는 항복 강도(YS)가 500 ~ 635MPa이고, 인장강도(TS)가 570 ~ 760MPa이고, 연신율(EL)이 30% 이상이며, 항복비(YR)가 0.93 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 내부식 특성이 우수한 고강도 열연 강판 및 그 제조 방법을 구현할 수 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 열연 강판의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실험예들에 따른 열연 강판의 항복강도와 저온 충격 인성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예 중 실시예1에 의한 열연 강판의 미세 조직을 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실험예 중 비교예1에 의한 열연 강판의 미세 조직을 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 실험예들에 따른 열연 강판의 항복강도와 저온 충격 인성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예 중 실시예1에 의한 열연 강판의 미세 조직을 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실험예 중 비교예1에 의한 열연 강판의 미세 조직을 촬영한 사진이다.
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.
앞에서 살펴본 바와 같이, 내부식성 특성이 우수한 제품의 개발이 필요하다. 이 경우에도 기본적으로 API 제품에 요구되는 저온 인성(0℃ 이하) 또한 동시에 만족해야 하며, 수송 능력 확대를 통한 생산성을 극대화 하기 위해 강관의 대구경화 및 후육화가 진행되고 있어, 후물재에 복합 특성을 요구하는 제품 개발이 필요한 상황이다
일반적으로 다각형 페라이트와 펄라이트 조직은 저온 인성 및 내식성에 취약한 것으로 알려져 있기 때문에, 송유관 소재의 저온 인성 및 내식성을 동시에 만족시키기 위해서는 Nb, Ti 등 미세 합금 원소를 첨가하여 결정립을 미세화하고, 펄라이트 생성을 억제하는 게 중요하다. 하지만, 열연 강판이 후육화될수록 동일 조건으로 생산할 경우, 두께 중심부 미세조직의 제어가 어렵기 때문에 강도, 저온 인성 및 내부식성이 저하되는 특성을 가지고 있다.
이하에서는, 후물재(12t 이상)에서의 0℃ 이하의 저온 인성을 확보하면서, HIC 특성도 CLR 10% 이하를 만족할 수 있는 고강도 송유관용 후육 열연 강판 및 그 제조 방법을 제시하고자 한다.
열연 강판
본 발명의 일 실시예에 따르는 열연 강판은 탄소(C): 0.04 ~ 0.07중량%, 규소(Si): 0.10 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 1.10 ~ 1.25중량%, 인(P): 0 초과 0.003중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.01 ~ 0.06중량%, 니오븀(Nb): 0.06 ~ 0.07중량%, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.02중량%, 바나듐(V): 0.04 ~ 0.05중량%, 크롬(Cr): 0.15 ~ 0.25중량%, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진다. 이하에서는, 상기 열연 강판에 포함되는 각 성분의 역할 및 함량에 대하여 설명한다.
탄소(C)
탄소는 함량에 따라 강도 및 미세 조직을 제어할 수 있다. 강도 향상을 위해서는 탄소를 많이 첨가해야 하나, 탄소량이 증가하면 저온인성과 내부식성에 취약한 펄라이트 미세조직이 생성될 수 있으므로, 본 발명에서는 탄소함량을 0.04 ~ 0.07중량%로 조절하여 펄라이트 생성을 억제하고 미세 페라이트를 생성시켜 저온인성 및 내부식성을 확보하고자 하였다. 상기 탄소가 0.04중량% 미만 포함되는 경우 강도 확보가 어려우며, 0.07중량%를 초과하여 포함되는 경우, 강도는 상승하나, 저온인성과 내부식성에 취약한 펄라이트 미세조직이 생성될 수 있다.
규소(Si)
규소(Si)는 페라이트 안정화 원소로서 페라이트 변태시 과냉도를 증가시켜 결정립을 미세하게 하고 탄화물 형성을 억제한다. 그러나 다량 첨가시 강의 용접성을 떨어뜨리고 열연공정시 재가열 공정 및 열간압연 시에 적스케일을 생성시킴으로써 표면 품질에 문제를 줄 수 있으며 용접 후 도금성을 저해할 수 있다. 반면, 강관 제조를 위한 ERW 용접시 Mn/Si 비가 5 ~ 10 범위 내에 들어야 한다. 이는 용접시 발생하는 Mn-Si-O 산화물(Mn2SiO4 또는 MnSiO3)이 그 영역에서 형성되며 이들의 용융온도가 가장 낮기 때문이며 이로 인해 용접시 산화물 배출을 용이하게 한다. 한 구체예에서 상기 규소는 상기 열연 강판 전체 중량에 대하여 0.10 ~ 0.20중량%로 포함된다. 상기 규소가 0.10중량% 미만으로 포함되는 경우, 상기 효과를 충분히 확보하기 어려우며, 상기 규소가 0.20중량% 초과하여 포함 시, 열간 압연 공정 또는 후속 제조 공정에서 강판에 적 스케일이 형성되어, 표면 품질이 저하될 수 있다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 오스테나이트 안정화 원소로써 고용 강화에 매우 효과적이고 강의 경화능 증가에 큰 영향을 미친다. 또한 페라이트, 펄라이트 변태를 지연시킴으로서 페라이트 결정립 미세화에 기여하여 강도를 향상 시킬 수 있다. 그러나 다량 첨가시 MnS 개재물 형성 및 주조시 중심편석을 유발하여 강의 인성 및 내부식성을 떨어뜨리게 된다. 상기 망간이 1.1중량% 미만으로 포함되는 경우, 상술한 효과를 충분히 발휘하기 어렵다. 반면에, 상기 망간이 1.25중량%를 초과하여 포함될 경우, 강판의 강도가 지나치게 증가하며, 연신율이 저하되어 용접성 및 가공성이 저하되며, MnS 개재물 생성 및 중심 편석 발생에 의해 강의 연성이 크게 저하될 수 있다. 따라서 상기 Mn의 함량은 1.10 ~ 1.25중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
인(P)
인(P)은 고용 강화에 의해 강도의 강도를 높이며, 탄화물의 형성을 억제하는 기능을 수행할 수 있다. 다만, 인의 과다 첨가로 용접성이 악화되고 슬라브 중심 편석에 의해 내부식성을 저하시키는 문제가 있다. 또한 오스테나이트 결정립계에 편석하여 인성을 열화시키므로 0.003중량% 이하의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
황(S)
황은 망간과 결합하여 MnS를 형성함으로써, 절삭성 개선에 기여할 수 있다. 다만, 황(S)의 과다 첨가로 강의 인성 및 용접성을 저해하고 MnS 비금속 개재물을 증가시켜 강의 가공 중 크랙을 발생시키므로 그 상한치를 0.002중량%이하로 제한한다.
알루미늄(Al)
알루미늄은 제강 시의 탈산을 위해 첨가한다. 알루미늄은 0.01 ~ 0.06중량% 로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄의 함량이 0.01중량% 미만일 경우 충분한 탈산 효과를 얻을 수 없다. 반대로, 알루미늄의 함량이 0.06중량%를 초과하면, 용접성을 저하시키고, 슬라브 내 알루미늄 질화물(AlN)을 형성하여 열연 크랙을 유발할 수 있다.
니오븀(Nb)
니오븀은 열간 압연시 재결정을 지연시켜 결정립 미세화를 도모할 수 있다. 열간 압연중 고용 니오븀은 재결정의 핵생성 및 성장을 지연시키는 것으로 알려져 있으며, 이러한 재결정 지연은 전위 등의 결함 자리를 소모하지 않기 때문에 상변태시 핵생성을 촉진하여 결정립을 미세하게 한다. 또한 변형 유기 석출된 탄화물은 상변태시 페라이트의 핵생성 자리 역할을 하므로 상변태를 촉진하여 결정립을 미세화 할 수 있다. 이러한 결정립 미세화는 저온 인성을 0℃ 미만에서도 확보 가능케 할 수 있다. 그러나 많은 양의 Nb 첨가는 결정립 미세화로 인한 항복 강도 상승을 야기하므로 저항복비형 재질에는 접합하지 않다. 따라서 본 발명에서는 저항복비 재질 및 저온 인성을 확보하기 위한 적정 니오븀 함량을 0.06 ~ 0.07중량%로 제한하였다. 상기 니오븀이 0.06중량% 미만으로 첨가되는 경우, 상술한 효과를 충분히 확보하기 어렵다. 반면에, 상기 니오븀이 0.07중량%를 초과하여 첨가되는 경우, 과다한 석출로 인하여 결정립 미세화로 인한 항복 강도 상승을 야기하며, 연주성, 압연성 및 연신율이 저하될 수 있다.
티타늄(Ti)
티타늄은 고온 안정성이 높은 Ti(C,N) 석출물을 생성시킴으로써 용접 시 오스테나이트 결정립 성장을 방해하여 용접부 조직을 미세화 시킴으로써 열연 제품의 인성 및 강도를 향상시키는 효과를 가지고 있다. 그러나 다량 첨가 시에는 고온에서 형성된 조대한 TiN 석출물을 생성시킴으로써 강의 내부식성을 저하시킬 수 있으므로 상기 티타늄의 함량은 고용 질소를 충분히 제거 가능한 0.01 ~ 0.02중량% 로 제한한다.
바나듐(V)
바나듐(V)은 니오븀(Nb)과 함께 열간 압연시 재결정을 지연시켜 결정립 미세화를 도모할 수 있다. 또한, 고용 강화 및 복합 석출물 형성을 통해 강도 향상에 기여할 수 있다. 한 구체예에서, 상기 바나듐은 상기 열연 강판 전체 중량에 대해 0.04 ~ 0.05중량% 포함된다. 상기 바나듐이 0.04중량% 미만으로 첨가되는 경우, 상술한 효과를 충분히 확보하기 어렵다. 반면에, 상기 바나듐이 0.05중량%를 초과하여 첨가되는 경우, 용접성을 저하시키고 저온에서의 과다 석출에 의하여 권취시 문제를 발생시킬 수 있다.
크롬(Cr)
크롬(Cr)은 슬라브 제조 시 Mn 확산을 증대시켜 중심편석을 억제시키는 효과를 가지며 열간 압연 후 가속 냉각 시 저온 변태상을 형성하여 우수한 강도 및 내부식성을 갖도록 하는 원소이다. 다량 첨가 시 탄소와 결합하여 탄화물을 형성하여 강도 상승에 기여할 수 있으나, 조대한 탄화물이 생성될 경우 인성을 저하시킬 수 있기 때문에 적절한 양의 첨가가 필요하다. 따라서 강의 상변태 및 고용강화에 영향을 주며 탄화물 생성을 억제하기 위해 본 발명에서는 크롬 함량을 0.15 ~ 0.25 중량%로 제한하였다.
질소(N)
질소는 Nb, Ti, V 등과 결합하여 탄질화물을 형성함으로써 결정립을 미세화하지만 다량 첨가 시 고용 질소가 증가하여 강의 충격특성 및 연신율을 떨어뜨리고 용접부 인성을 크게 저해하기 때문에 그 상한치를 0.006중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은, 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 열연 강판은 항복 강도(YS)가 500 ~ 635MPa이고, 인장강도(TS)가 570 ~ 760MPa이고, 연신율(EL)이 30% 이상이며, 항복비(YR)가 0.93 이하일 수 있다.
상기 열연 강판은 -50℃에서 충격인성(CVN, Charpy V-Notch)이 150J 이상이며, 0℃에서 연성파면율(DWTT, Drop Weight Tear Test)이 90% 이상일 수 있다.
또한, 상기 열연 강판은 CLR(Critical Length Ratio): 10% 이하, CTR(Critical Thickness Ratio): 3% 이하 및 CSR(Crack Sensitivity Ratio): 1% 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열연 강판에서 최종 미세 조직은 페라이트로 이루어진다.
이하에서는 상술한 조성과 미세 조직을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 열연 강판의 제조 방법을 설명한다.
열연 강판의 제조 방법
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 열연 강판의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 열연 강판의 제조 방법은 (a) 탄소(C): 0.04 ~ 0.07중량%, 규소(Si): 0.10 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 1.10 ~ 1.25중량%, 인(P): 0 초과 0.003중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.01 ~ 0.06중량%, 니오븀(Nb): 0.06 ~ 0.07중량%, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.02중량%, 바나듐(V): 0.04 ~ 0.05중량%, 크롬(Cr): 0.15 ~ 0.25중량%, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 제공하는 단계(S100); (b) 상기 강재를 재가열하는 단계(S200); (c) 상기 재가열된 강재를 열간 압연하는 단계(S300); 및 (d) 상기 열간 압연된 강재를 냉각 후 권취하는 단계(S400);를 포함한다.
상기 (b) 단계(S200)는 상기 강재를 1180 ~ 1250℃에서 재가열하는 단계를 포함하고, 상기 (c) 단계(S300)는 조압연 종료 온도가 900 ~ 950℃, 사상 압연 종료 온도가 780 ~ 850℃인 조건으로 열간 압연하는 단계를 포함하고, 상기 (d) 단계(S400)는 상기 강재를 30 ~ 50℃/s의 냉각 속도로 냉각 후 480 ~ 550℃에서 권취하는 단계를 포함할 수 있다.
i) 재가열 과정을 통해 오스테나이징 처리를 해주며 편석 성분 및 석출물을 재고용 시킨다. 예를 들어, 슬라브는 제강 공정을 통해 얻은 용강을 연속 주조하여 반제품 형태로 제조되고, 재가열 공정을 통하여 주조 공정에서 발생한 성분 편석을 균질화하고, 열간 압연할 수 있는 상태로 만든다. 슬라브 재가열 온도(Slab Reheating Temperature, SRT)가 1180℃ 미만이면, 니오븀 탄화물의 고용이 충분하지 않으며, 주조시 편석된 성분들이 충분히 고르게 분포되지 않는 문제점이 있다. 니오븀 탄화물의 충분한 고용을 위해 1200℃ 에서 25분 이상 유지할 수 있다. 재가열 온도가 1250℃를 초과하면 매우 조대한 오스테나이트 결정립이 형성되어 강도 확보가 어렵게 된다. 또한 재가열 온도가 올라갈수록 가열 비용 및 압연 온도를 맞추기 위한 추가 시간 소요 등으로 제조비용 상승 및 생산성 저하를 야기하므로 바람직하지 않다. 따라서 본 발명 성분계의 적정 재가열 온도(SRT)는 1180 ~ 1250℃가 적절하다.
ii) 조압연 온도는 결정립 미세화를 위해 제어가 필요하다. Nb, Ti등 미세 탄화물 형성 원소가 첨가될 경우 압연중 재결정이 지연되어 결정립을 미세화할 수 있다. 재결정이 정지되는 온도 이하에서 압연이 되어야 결정립 미세화 효과가 있게 된다. 오스테나이트 결정립을 미세화하게 되면 페라이트의 핵생성 속도를 증가시켜 최종 미세조직의 미세화를 가져오게 되므로 내식성 및 저온 인성이 향상된다. 그러나 조압연 종료 온도(RDT, Rough mill Delivery Temperature)를 너무 낮게 하면 온도를 낮추기 위한 대기 시간이 발생하여 생산성을 떨어뜨리게 된다. 본 발명의 성분계에서 적정 RDT는 900 ~ 950℃가 적절하다.
iii) 미세 페라이트 및 석출물의 형성을 위해서는 적정한 온도에서 사상 압연을 종료하여야 한다. 사상 압연 종료 온도(FDT; Finishing Delivery Temperature)가 780℃ 미만이면 오스테나이트+ 페라이트 이상 영역에서 압연이 진행되기 때문에 결정립의 불균일성이 증가하여 혼립 조직을 만들게 되어 인성 및 내부식성을 저하시키게 된다. 또한, 후물화에 따라 두께 중심부에서의 제어 압연이 어려우며, 열연 코일의 전장 재질 편차를 야기 할 수 있다. 사상 압연 종료 온도(FDT; Finishing Delivery Temperature)가 850℃를 초과하여 너무 높으면 오스테나이트 결정립이 조대화되게 되어, 우수한 저온 인성 및 내부식성을 얻기에 적절하지 않다.
iv) 내식성 및 저온 인성 확보를 위해서는 미세한 페라이트를 형성하고, 펄라이트 생성을 억제하여야 하므로 냉각 제어가 중요하다. 연속냉각곡선을 통해 다각형 페라이트/펄라이트가 생성될 수 있는 냉각속도는 15℃/s 이하이다. 다각형 페라이트/펄라이트 생성을 억제하고 권취 중 상변태를 집중적으로 발생시켜야 하므로 압연 후 냉각은 가능한 빠를수록 좋다. 그러나 권취온도가 너무 낮은 경우 베이나이트가 다량 생성될 수 있기 때문에 냉각속도는 30 ~ 50℃/s 으로 빠르게 하되 권취온도를 적절하게 조절하여 미세한 페라이트를 기지조직으로 만들 수 있도록 권취 온도는 480 ~ 550℃가 적절하다.
지금까지 본 발명의 기술적 사상에 의한 열연 강판 및 그 제조방법을 설명하였다.
종래의 송유관용 열연 강판의 경우 Nb, V 등 합금 원소를 첨가하여 결정립 미세화와 펄라이트 생성 억제를 통해 저온인성을 확보하고자 하였다. 그러나 상대적으로 낮은 강도를 가지는 페라이트 조직을 통해 고강도를 확보하기 어려움이 있으며, 동시에 0℃ 미만에서의 저온 인성 특성 및 HIC CLR 10% 이하를 확보하기는 어려운 한계가 있다.
본 발명에서는 기존 송유관용 후육 열연 강판의 합금성분 및 열연 조건 변경을 통해 고강도, 저온 인성 및 내부식성을 확보하기 위한 미세조직 확보를 가능하게 하였다. 특히, 내부식성 확보를 위해 P, S 등 합금원소 관리가 중요하며, 미세조직 제어를 위해서는 조압연/사상 압연 온도 및 권취 온도 제어가 중요함을 이해하고 우수한 고강도, 저온인성 및 내부식성 특성을 동시에 갖는 합금성분 및 열간 압연 제조 방법을 제공하였다. 이를 통해 미재결정 영역에서의 압하비를 증가시켜, 후물재의 두께 중심부 조직을 미세화/균일화시키고, 다각형 페라이트 및 펄라이트 생성을 억제시켜 내부식성 및 저온인성에 우수한 미세구조를 구현하였다.
실험예
이하 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 다음의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 다음의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
1. 시편의 조성
본 실험예에서는 표 1의 합금 원소 조성(단위: 중량%)을 가지는 시편들을 제공한다.
| C | Si | Mn | P | S | Al | Nb | V | Ti | N | Fe | |
| 실시예1 | 0.06 | 0.15 | 1.25 | 0.0016 | 0.0015 | 0.03 | 0.067 | 0.048 | 0.018 | 0.004 | Bal. |
| 실시예2 | 0.05 | 0.14 | 1.20 | 0.0017 | 0.0013 | 0.04 | 0.064 | 0.047 | 0.016 | 0.004 | Bal. |
| 비교예1 | 0.054 | 0.17 | 1.16 | 0.0051 | 0.001 | 0.04 | 0.042 | 0.033 | 0.003 | 0.004 | Bal. |
| 비교예2 | 0.054 | 0.17 | 1.16 | 0.0053 | 0.0009 | 0.04 | 0.041 | 0.031 | 0.003 | 0.004 | Bal. |
표 1을 참조하면, 실시예1, 실시예2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열연 강판의 조성 범위인 탄소(C): 0.04 ~ 0.07중량%, 규소(Si): 0.10 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 1.10 ~ 1.25중량%, 인(P): 0 초과 0.003중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.01 ~ 0.06중량%, 니오븀(Nb): 0.06 ~ 0.07중량%, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.02중량%, 바나듐(V): 0.04 ~ 0.05중량%, 크롬(Cr): 0.15 ~ 0.25중량%, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하 및 나머지 철(Fe)인 조성 범위를 만족한다.
한편, 비교예1 및 비교예2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열연 강판의 조성 범위 중 인(P): 0 초과 0.003중량% 이하의 범위를 상회하여 만족하지 못하며, 니오븀(Nb): 0.06 ~ 0.07중량%, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.02중량%, 바나듐(V): 0.04 ~ 0.05중량%의 범위를 하회하여 만족하지 못한다.
2. 공정 조건 및 물성 평가
표 2는 표 1에 개시된 조성 성분계를 가지는 시편들에 대하여 적용한 열연 강판 제조 공정의 조건을 나타낸 것이다. 'RDT' 항목은 조압연 종료 온도를 의미하며, 'FDT' 항목은 사상 압연 종료 온도를 의미하며, 'CT' 항목은 권취 온도를 의미하며, '냉속' 항목은 열간 압연 후 권취 전 냉각 공정의 냉각 속도를 의미한다. 상기 시편들에 대하여 적용한 그 외의 열연 강판 제조 공정의 조건은 도 1을 참조하여 설명한 공정 범위 내에서 동일하게 적용하였다.
| RDT(℃) | FDT(℃) | CT(℃) | 냉속(℃/s) | |
| 실시예1 | 947 | 835 | 509 | 42 |
| 실시예2 | 943 | 828 | 538 | 43 |
| 비교예1 | 996 | 830 | 577 | 22 |
| 비교예2 | 997 | 802 | 583 | 21 |
표 2를 참조하면, 실시예1 및 실시예2는 조압연 종료 온도: 900 ~ 950℃, 사상 압연 종료 온도: 780 ~ 850℃, 냉각 속도: 30 ~ 50℃/s 및 권취 온도: 480 ~ 550℃의 범위를 모두 만족한다.
이에 반하여, 비교예1 및 비교예2는 조압연 종료 온도: 900 ~ 950℃, 권취 온도: 480 ~ 550℃의 범위를 상회하여 만족하지 못하며, 냉각 속도: 30 ~ 50℃/s의 범위를 하회하여 만족하지 못한다.
표 3은 표 1 및 표 2에 개시된 조성 성분계 및 공정 조건을 적용한 열연 강판에 대한 물성을 나타낸 것이다. 'YP' 항목은 항복강도를 의미하고, 'TS' 항목은 인장강도를 의미하고, 'EL' 항목은 연신율을 의미하고, 'YR' 항목은 항복비를 의미하고, 'CVN' 항목은 저온 충격 인성(CVN, Charpy V-Notch)을 의미하고, CLR(Critical Length Ratio), CTR(Critical Thickness Ratio) 및 CSR(Crack Sensitivity Ratio) 항목은 API 규격에서 요구하는 HIC(Hydrogen Induced Cracking) 특성을 의미한다.
| YP(MPa) | TS(MPa) | EL(%) | YR | CVN(J) | HIC | |
| 실시예1 | 546 | 640 | 31 | 0.85 | 250@-50℃ | CLR: 0% CTR: 0% CSR: 0% |
| 실시예2 | 522 | 598 | 30 | 0.87 | 342@-50℃ | CLR: 0% CTR: 0% CSR: 0% |
| 비교예1 | 457 | 563 | 47 | 0.81 | 426@-28℃ | CLR: 0% CTR: 0% CSR: 0% |
| 비교예2 | 470 | 569 | 43 | 0.83 | 428@-28℃ | CLR: 0% CTR: 0% CSR: 0% |
표 3을 참조하면, 실시예1 및 실시예2는 항복 강도(YS)가 500 ~ 635MPa이고, 인장강도(TS)가 570 ~ 760MPa이고, 연신율(EL)이 30% 이상이며, 항복비(YR)가 0.93 이하인 범위를 모두 만족하고, -50℃에서 충격인성(CVN, Charpy V-Notch)이 150J 이상인 범위를 만족하고, CLR(Critical Length Ratio): 10% 이하, CTR(Critical Thickness Ratio): 3% 이하 및 CSR(Crack Sensitivity Ratio): 1% 이하인 범위를 만족한다.
이에 반하여, 비교예1 및 비교예2는 항복 강도(YS): 500 ~ 635MPa, 인장강도(TS): 570 ~ 760MPa의 범위를 하회하여 만족하지 못한다.
도 2는 본 발명의 실험예들에 따른 열연 강판의 항복강도와 저온 충격 인성을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 실시예1 및 실시예2는 저온 충격 인성과 항복 강도의 물성을 모두 동시에 만족함에 반하여, 비교예1 및 비교예2는 저온 충격 인성은 확보할 수 있으나 항복강도를 확보하지 못함을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실험예 중 실시예1에 의한 열연 강판의 미세 조직을 촬영한 사진이고, 도 4는 본 발명의 실험예 중 비교예1에 의한 열연 강판의 미세 조직을 촬영한 사진이다.
도 3을 참조하면, 실시예1에 의한 열연 강판은 미세한 페라이트로 이루어지며, 혼립 조직은 상대적으로 적게 나타남을 확인할 수 있다. 이에 반하여, 비교예1에 의한 열연 강판은 실시예1 대비 조대한 페라이트로 이루어지며, 혼립 조직도 상대적으로 많게 나타남을 확인할 수 있다. 나아가, 실시예1의 페라이트는 대부분 침상형 페라이트임에 반하여, 비교예1의 페라이트는 다각형 페라이트인 것으로 확인되었다. 이러한 미세조직의 차이로 인하여, 실시예는 비교예 대비 강도 및 충격 인성이 모두 우수함을 이해할 수 있다.
앞에서 설명한 실험예에 의하면, 실시예1 및 실시예2는 목표하고자 하는 기계적 성질(항복강도 500 ~ 635 MPa, 인장강도 570 ~ 760 MPa), 충격 인성(CVN @-50℃ 150J 이상), 내부식성 (HIC CLR 10% 이하, CTR 3% 이하, CSR 1% 이하) 특성을 전부 만족함을 확인할 수 있다.
실시예들의 경우, 비교예들보다 니오븀(Nb)을 더 첨가 하여 압연 중 미재결정 영역 확대를 통해 결정립을 미세화하고자 하였고 펄라이트 조직 또한 억제되었다. 또한, 공정 조건 중 권취온도를 낮게 설정하고 냉각속도를 증가시켜 미세하고 균일한 미세조직을 통해 비교예 대비 충격 인성과 HIC 특성 목표를 만족하며 고강도를 확보할 수 있었다. 도 2에서 도시한 강도에 따른 충격인성을 참조할 때, 일반적으로 강도 상승에 따라 충격인성이 감소하지만, 실시예 1 및 실시예2의 결과는 강도가 증가하였음에도 충격인성이 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
한편, HIC 시험(Sol.A 96h 침지) 후 UT 스캔 결과 수소 유기 크랙은 관찰되지 않았으며, CLR/CTR/CSR 값 또한 0%로 매우 우수하였다.
도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 미세조직을 관찰한 결과, 실시예1의 경우 미세 페라이트로 형성되어 있으며, 비교예1의 경우 조대 페라이트와 혼립 조직이 많은 것을 확인할 수 있다. 또한 실시예1은 펄라이트가 거의 관찰되지 않는 반면 비교예1은 펄라이트가 관찰되었다. 이를 통해, Nb/V 첨가 및 상대적으로 권취 온도가 낮았던 실시예의 경우, 초기 오스테나이트의 결정립 크기 미세화 및 압연 시 재결정 지연을 통한 미세화 효과가 중복으로 작용하여, 미세한 페라이트 결정립을 형성했을 뿐만 아니라 다각형 페라이트가 아닌 침상형 페라이트를 균일하게 갖게 된 것으로 판단된다. 침상형 미세 페라이트는 충격 전파 길이를 증가시켜 충격인성을 향상시킬 수 있으며, HIC 시험 시 수소유기크랙 전파 길이 또한 증가시킬 수 있어 충격 인성과 내부식성을 동시에 향상 시킬 수 있다.
따라서, 본 발명을 통해 X70급의 고강도를 가지며 -50℃ 저온충격인성과 내부식성을 동시에 확보 가능한 송유관용 후육 열연 강판 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
Claims (7)
- 탄소(C): 0.04 ~ 0.07중량%, 규소(Si): 0.10 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 1.10 ~ 1.25중량%, 인(P): 0 초과 0.003중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.01 ~ 0.06중량%, 니오븀(Nb): 0.06 ~ 0.07중량%, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.02중량%, 바나듐(V): 0.04 ~ 0.05중량%, 크롬(Cr): 0.15 ~ 0.25중량%, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
항복 강도(YS)가 500 ~ 635MPa이고, 인장강도(TS)가 570 ~ 760MPa이고, 연신율(EL)이 30% 이상이며, 항복비(YR)가 0.93 이하인 것을 특징으로 하는,
열연 강판. - 제 1 항에 있어서,
-50℃에서 충격인성(CVN, Charpy V-Notch)이 150J 이상이며, 0℃에서 연성파면율(DWTT, Drop Weight Tear Test)이 90% 이상인 것을 특징으로 하는,
열연 강판. - 제 1 항에 있어서,
CLR(Critical Length Ratio): 10% 이하, CTR(Critical Thickness Ratio): 3% 이하 및 CSR(Crack Sensitivity Ratio): 1% 이하인 것을 특징으로 하는,
열연 강판. - 제 1 항에 있어서,
최종 미세조직이 페라이트인 것을 특징으로 하는,
열연 강판. - (a) 탄소(C): 0.04 ~ 0.07중량%, 규소(Si): 0.10 ~ 0.20중량%, 망간(Mn): 1.10 ~ 1.25중량%, 인(P): 0 초과 0.003중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 알루미늄(Al): 0.01 ~ 0.06중량%, 니오븀(Nb): 0.06 ~ 0.07중량%, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.02중량%, 바나듐(V): 0.04 ~ 0.05중량%, 크롬(Cr): 0.15 ~ 0.25중량%, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 제공하는 단계;
(b) 상기 강재를 재가열하는 단계;
(c) 상기 재가열된 강재를 열간 압연하는 단계; 및
(d) 상기 열간 압연된 강재를 냉각 후 권취하는 단계;를 포함하는,
열연 강판의 제조 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 (b) 단계는 상기 강재를 1180 ~ 1250℃에서 재가열하는 단계를 포함하고,
상기 (c) 단계는 조압연 종료 온도가 900 ~ 950℃, 사상 압연 종료 온도가 780 ~ 850℃인 조건으로 열간 압연하는 단계를 포함하고,
상기 (d) 단계는 상기 강재를 30 ~ 50℃/s의 냉각 속도로 냉각 후 480 ~ 550℃에서 권취하는 단계를 포함하는,
열연 강판의 제조 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 (d) 단계 후 상기 강재는 항복 강도(YS)가 500 ~ 635MPa이고, 인장강도(TS)가 570 ~ 760MPa이고, 연신율(EL)이 30% 이상이며, 항복비(YR)가 0.93 이하인 것을 특징으로 하는,
열연 강판의 제조 방법.
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