KR920007925B1

KR920007925B1 - 연속주조용 비자성 롤재료의 제조방법

Info

Publication number: KR920007925B1
Application number: KR1019890020177A
Authority: KR
Inventors: 유호천; 한재광; 김숙환
Original assignee: 포항종합제철 주식회사; 정명식; 재단법인 산업과학기술 연구소; 백덕현
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1989-12-29
Publication date: 1992-09-19
Also published as: KR910012278A

Abstract

내용 없음.

Description

연속주조용 비자성 롤재료의 제조방법

제1도는 본 발명 및 비교방법에 따라 제조된 강재에 대한 고온균열시험에 의해 발생되는 균열양상을 나타내는 사진

제2도는 열간압연마무리온도변화에 따른 균열깊이 변화를 나타내는 그래프

본 발명은 연속주조용 비자성 롤재료에 사용되는 강재를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 고온강도, 내산성, 내고온산화성, 내응력 부식균열성 및 용접성이 우수한 연속주조용 비자성 롤재료를 제조하는 방법에 관한 것이다. 연속주조용 롤은 용강의 응고시 전자교반에 의해서 스라브의 중심부편석을 제거하기 위한 것이 목적이기 때문에 비자성이어야 하며 자성을 띠고 있는 페라이트조직을 함유하지 않는 완전한 오스테나이트 조직으로 이루어져 있는 것이 이상적인데, 이 연주롤은 다음과 같은 특성이 요구된다.

첫째, 비자성연주롤은 상온에서 고온까지 온도변화가 심하기 때문에 사용도중 굴곡되어 변형되지 않기 위해서는 높은 고온항복강도와 경도를 유지하는 것이 요구된다.

둘째, 주형도포제(mould powder)에서 나오는 CaF₂, NaF와 같은 유독물질과 냉각수에 의한 습한 분위기중에서 부식성 환경이 조성되어 롤이 부식되기 때문에 우수한 내산성이 요구된다.

셋째, 고온에서 롤을 장기간 사용시 표면산화에 의해서 마모 혹은 균열이 발생하여 수명을 단축시키기 때문에 우수한 내고온산화성이 요구된다.

넷째, 계속하여 습한 내부식성 환경중에 놓인 채 응력을 받기 때문에 우수한 내응력부식균열성이 요구된다.

다섯째, 장기간 사용후 롤의 표면이 마모가 되었을 경우에 수명연장을 위해서 보수육성용접을 실시하기 때문에 용접성이 우수해야 하며 특히 우수한 고온균열 감수성이 요구된다.

여섯째, 이 롤은 소모성 교체품목이기 때문에 롤의 제조가 경제적일 것이 요구된다.

상기와 같은 연속주조용 비자성 롤재료로 종래에는 SUS 304, SUS 316(L), SUS 660와 같은 스테인레스강을 사용하여 왔다.

그러나, Ni, Cr가격의 상승으로 인하여 스테인레스강을 롤 재료로 사용하는 경우 제조원가가 높아 비경제적이다.

따라서, 최근에는 연속주조용 비자성 롤 재료를 경제적으로 제조하기 위한 방법들이 제안되고 있으며, 이 방법들중의 하나로 가와사키제철소(기보, Vol. 13 No. 3(1981) 381-397)에서 제안한 것을 들수 있는데, 이 방법은 0.6C-18Mn-5.5Cr-1Ni로 이루어진 합금강을 1080℃에서 6시간 가열한 후 수냉처리하는 방법이다.

그러나, 가와사키 제철소에서 제안한 방법은 C이 0.6%함유되는 관계로 내응력 부식균열성 및 용접성이 열화되었고, 고온에서 사용도중 탄화물이 결정입계에 석출하여 인성이 저하되어 롤의 표면을 취약하게 만들므로 비자성 연주롤로써 품질특성이 좋지않은 단점이 있다.

또한, 일본특허공보(소)60-58777호에는 C : 0.15%이하, Mn : 17-25%, Cr : 10-15%, Ni, Cu : : 1-3%을 함유한 합금강이 제시되어있고, 일본특허공보(소)60-58781에는 C : 0.1 -0.6%, Mn : 5.0-15%, Cr : 5-15%, Ni : 5-13%을 함유한 합금강이 제시되어 있으나, 값비싼 Cr을 5%이상, Ni을 1%이상 함유하고 있을 뿐만아니라 열간압연후 900-1180℃에서 용체와 열처리를 하기 때문에 생산제조원가가 상승하여 비경제적이다.

이러한 고 Cr강재는 사용도중 고온시효에 의해서 Cr탄화물(예, Cr₂₃C₆)과 Cr질화물(CrN)이 모재에 고용하여 내산성, 내고온산화성, 내응력부식균열성 및 용접성을 저하시키게 된다.

또한, 일본공개특허공보(소)62-1823호에는 피삭성을 향상시키기 위해서 Cu을 2%이하로 한정하고 열간압연후 2℃/sec이상으로 가속냉각한 강이 제안되어 있으나, 이 강은 고온강도, 내산성, 내고온산화성, 내응력부식균열성 및 용접성이 떨어져 연속주조용 비자성 롤 재료로 적합하지 못하다.

따라서, 본 발명은 고온강도, 내산성, 내고온산화성, 내응력부식균열성 및 용접성이 우수한 연속주조용 비자성 롤 재료를 보다 경제적으로 제조하고자 하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 상세히 설명한다.

본 발명은, 중량%로, C : 0.10-0.20%, Si : 1.0%이하, Mn : 20-30%, P : 0.03%이하, S : 0.010%이하, Cu : 2.0-4.0%, Cr : 1-3%, Mo : 1-3%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하는 강괴를 900℃이에서 열간가공하여 연속주조용 비자성 롤재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

이하, 상기성분의 수치한정 이유에 대하여 설명한다.

C은 비자성으로 하기 위한 조직인 오스테나이트를 안정화시키며, 강의 상온 및 고온경도와 강도를 향상시키는 작용을 하므로 최저 0.10중량%(이하, %라칭함)이상 함유하여야 효과가 있으나, 0.20%를 넘으면 내응력부식균열성, 인성 및 용접성을 심하게 열화시키므로, C함유량은 0.10%-0.20%가 바람직하다. Si은 탈산원소로써 첨가하지만 1.0%를 넘으면 소입조직중에서 δ-페라이트를 석출하기 쉽고, 강도 및 경도저하를 동반하기 때문에 1.0%이하로 규제하는 것이 바람직하다. Mn은 합금의 탈산, 탈유원소로써 필요할뿐만 아니라 비자성을 띄기 때문에 오스테나이트조직의 생성과 안정화 원소로써 반드시 필요하며, 오스테나이트 조직을 안정화시키기 위해서는 20%이상 함유되어야하지만, 30%이상 다량 함유하는 경우에는 고온도에서 내부식성과 용접성이 저하하기 때문에 그 함량은 20-30%로 한정하는 것이 바람직하다.

P, S는 열간가공성 및 인성에 악영향을 미치는 원소이고, 오스테나이트 조직을 가진 강에서는 다량 첨가시에는 용접시 고온균열을 일으키고 용접열 영향부의 인성이 저하되므로 P 및 S의 함유량은 각각 0.03%이하 및 0.010%이하로 한정하는 것이 바람직하다. Cu는 고가인 Ni을 대신하여 값싸게 오스테나이트조직을 안정화시킬수 있는 원소이다. 그리고, Cu는 강중에서 석출물을 형성하지 않는 원소이며 강을 고용강화시킴으로써, 고온강도, 내산성, 내고온산화성, 내응력부식균열성을 향상시킬 수 있는 원소이다.

아울러 용접시 고온균열감수성을 높히는 원소인 Mn의 영향을 Cu의 첨가로 인하여 오스테나이트조직을 미세화시키며 고온오스테나이트조직의 결정립계에 불순물편석출물의 편석에 대한 취화현상을 억제시켜주기 때문에 용접부의 고온균열을 억제시킨다. 이러한 고온강도, 내산성, 내고온화산성, 내응력부식균열성 및 용접성을 동시에 향상시킬 수 있는 Cu의 참가량은 최소한 2%이상이 되어야만 효과가 있으며, Mn함유량이 20-30% 범위내에 있는 경우에는 Cu를 2%이상 첨가로 오스테나이트조직을 충분히 안정화시킬 수 있어 롤을 비자성으로 할 수 있다.

그러나, Cu함유량이 4%를 넘으면 강 소재의 열간가공시 균열이 발생하기 쉽고 내응력부식균열성이 악화되기 때문에 4%이하로 규제하는 것이 바람직하다. Cr,Mo은 오스테나이트조직내에 고용경화와 탄화물 석출경화에 의해 경도를 높히고 비자성연주롤의 고온강도 및 내부식성을 향상시키는 원소이기 때문에 필수적인 원소인데, Cr과 Mo은 각각 1%이상 첨가하여야 첨가효과가 있으나, 3%이상 첨가시에는 Cr,Mo의 탄화물과 같은 석출물이 생성되기 쉬워 응력부식균열성을 높히기 때문에 3%이하로 한정하는 것이 바람직하며, 3%이하의 Cr 및 Mo의 함량에는 석출물의 생성량이 적기 때문에 용체화 열처리할 필요성이 없으므로 본 발명에서는 제조원가의 절감이란 측면에서 중요한 의미를 가진다.

열간 가공조건에 대한 한정이유를 설명한다. Mn이 20-30% 함유한 고 Mn강은 저온에서 열간압연하면 스텐레스강이나 일반 저합금강보다 Mn의 영향으로 인하여 강판표면과 양가장자리(edge부)에 열간균열이 쉽게 발생하기 때문에 열간마무리 가공온도가 본 발명에서는 중요한 인자이다. 고 Mn강은 900℃이하에서 오스테나이트 조직이 미세화되어 열간변형저항이 급격히 올라가서 강표면에 균열이 쉽게 발생하기 때문에 본 발명에서는 열간가공 마무리온도를 900℃이상으로 한정한다. 본 발명에 바람직하게 적용될 수 있는 열간가공으로는 열간단조후 열간압연하는 경우 또는 강괴를 직접 열간압연하는 경우등을 들 수 있다.

열간가공으로서 열간압연을 행하는 경우에는 1200-1350℃로 가열하는 것이 바람직한데, 그 이유는 가열온도가 1200℃이하인 경우에는 압연이 계속되는 동안 온도저하에 따른 균열발생이 우려되고 1350℃이상인 경우에는 결정립조 대화현상과 고온가열로 인한 제조원가의 상승을 가져오기 때문이다. 그리고 가열된 고 Mn강괴는 가열로에서 나오는 순간에 1200℃이하로 떨어지기 때문에 생산공정상 1200℃이하에서 열간압연이 가능하며, 열간압연을 900℃이하에서 실시하는 경우에는 오스테나이트조직이 미세화되어 열간변형저항이 급격히 올라가서 강표면에 균열이 쉽게 발생하기 때문에 열간마무리 압연온도는 1200-900℃로 한정하는 것이 바람직하다. 이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

[실시예 1]

하기 표 1과 같은 화학성분을 갖는 강 25kg을 진동유도용해로에서 용해하여 강괴를 제조하고 이 강괴의 주조조직과 내부편식을 제거하기 위하여 열간단조한 다음 1250℃에서 2시간 가열한 후 하기표 2와 같이 열간압연하되 열간압연마무리온도는 930℃로 하였다.

상기 압연판의 압연방향과 평행하게 시편을 채취하였으며, 각각의 시편에 대하여 상온 및 고온에서의 인장시험, 내산성시험, 내고온산화성시험, 내응력부식균열시험 및 용접성시험을 하고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

상기 표 3에 나타난 시험결과의 시험조건에 대하여 설명하면 다음과 같다.

1) 상온 및 고온인장시험

MTCS(metal thermal cycle sumulator)를 이용하여 10℃/sec의 가열 속도로 500℃, 700℃로 가열한 후 각 시험온도에서 30초간 유지한 후 5㎜/min의 cross head speed로 고온인장시험을 실시한 것이다.

2) 내산성시험

비교재와 발명재의 내산성을 비교하기위해서 JISG 0591에 의한 부식실험을 하였으며 부식용액은 5% 황상용액을 사용하였다. 시험편을 5^t×13^w×34ℓ의 크기로 가공하여 최종 500번 사포로 습식연마후 탈지건조한 뒤에 무게를 측정하고, 끓는 5% 황산용액중에서 3시간 또는 6시간 유지한 후 꺼내어 상온의 30% 질산용액에서 수세하고 건조하여 남은 무게를 측정하였다. 부식도는 무게감소량을 표면적과 유지시간으로 나누어 계산하였다.

3) 내고온산화성 시험

시편을 10^t×13^w×29ℓ의 크기로 가공하여 500번 사포로 습식 연마한 후 무게를 측정하였으며, 700℃, 900℃, 1100℃,에서 2시간동안 공기분위기의 열처리로에서 유치한 후 산화스케일을 제거한 무게를 측정하여 무게감소량을 중량%로 표시하였다.

4) 내응력부식균열성시험

시험편을 5^t×13^w×34ℓ의 크기로 가공하여 U자형으로 구부린 상태에서 ASTM D1141에 의한 인공해수중에서 50℃온도에서 720시간 침지하여 그 표면의 균열상태를 조사하였다.

5)용접성시험

용접성을 평가하기 위해서 고온균열감수성시험을 하였으며 시험기는 Varestrain tester를 사용하였고, 230A, 25V, 15cm/min의 용접조건으로 bead on plate용접을 하였다. 용접시에 가하는 변형량은 시험기의 벤딩브록(bending block)을 사용하여 0.2%-3.0%까지 5단계로 나누어 시험하였으며, 균열길이는 저배율 현미경을 사용하여 10배로 확대하여 측정하고, 그 결과를 하기표 4에 나타내었으며, 상기 표 3에 나타난 결과는 하기표 4에 근거하여 평가한 것이다.

[표 4]

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명재는 비교재(a-c)에 비하여 상온 및 고온항복강도가 높으므로 본 발명재로 롤을 제조하는 경우 고온에서의 롤의 굴곡강도가 우수하게 된다. 또한, 상기 시편들에 대한 상온경도측정결과에 의하면, 상온경도에 있어서도 본 발명재는 Hv 207임에 비하여 비교재(a-c)는 Hv 140-160으로서 본 발명재는 비자성연주용 롤에서 요구되는 최소경도이상임을 알 수 있다. 또한 내산성에 있어서, 본 발명재가 Cr이 13% 첨가되어 있는 비교재(a)보다는 무려 33%나 향상되었는데, 이러한 내산성향상은 Cr이 다량 첨가되어 있는 Ni-Cr강은 Cr₂₃C₆, CrN과 같은 탄화물, 질화물이 다량 존재하여 내산성을 크게 열화시키기 때문이다. 특히, Cu-Cr-Mo강인 발명재가 Al-Ni-Cr-Mo강인 비교재(b)나 Cr-Mo강인 비교재(c)보다 평균 11%나 내산성이 향상된 이유는 Cu첨가에 의한 오스테나이트조직의 미세화로 여겨진다. 또한, 내고온산화성에 있어서, 발명재는 비교재(a)와는 비슷하게 나타나 있으나, 비교재(b-c)보다는 약 2배정도의 향상된 내고온산화성을 나타내고 있다. 또한, 내응력부식균열시험에서 본 발명재는 균열이 전혀 발생하지 않는 반면에, 비교재(a-c)는 심하게 균열이 발생됨을 알 수 있다. 또한, 용접성(고온규열감수성)시험결과에서 Cr-Mo강인 비교재(c)가 고온균열 감수성이 가장 높고, 본 발명재가 가장 낮은 값을 나타내었다. 이는 고온균열감수성에 해를 끼치는 Mn의 영향을 Cu의 첨가로 인하여 오스테나이트조직을 미세화시키며 오스테나이트의 결정립계의 불순물 편석에 대한 취화현상을 억제시켜 주기 때문이다. 또한, 발명재와 비교재(c)에 대한 고온균열시험결과 발생되는 균열의 양상을 나타내는 제1도에서 알 수 있는 바오 같이, 본 발명재(제1a도)는 고온균열이 전혀 발생되지 않았으나, 비교재(c)(제1b도)의 경우에는 균열이 발생되었다. 제1도에서 ＂a＂는 모재, ＂b＂는 용접비드, ＂c＂는 균열부분을 나타낸다.

[실시예2]

상기 실시예 1의 표1에 나타난 발명강을 열간압연마무리온도는 제2도와 같이 변화시키면서 표2의 조건으로 열간압연하였다. 상기와 같이 열간압연된 마무리온도에 따른 평균균열깊이를 측정하고 그 결과를 제2도에 나타내었다.

제2도에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 열간압연마무리온도범위를 벗어나는 900℃이하에서는 균열이 발생됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 C를 0.10-0.20%, Cr을 1-3% 함유하므로 제조공정상 900℃이상 가열하여 수냉하는 용체화 열처리를 하지 않아도 품질상(특히, 내응력부식균열성)의 문제점이 없고,사용도중 고온에서 탄화물 석출에 의한 내부식성의 감소에 의한 문제점을 해결하였으며, 2-4%의 Cu와 1-3%의 Mo을 추가로 첨가시켜 고온강도, 내산성, 내고온산화성, 내응력부식균열성 및 용접성을 크게 향상시킨 연속주조용 비사성 롤 재료를 경제적으로 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims

중량%로, C : 0.10-0.20%, Si : 1.0%이하, Mn : 20-30%, P : 0.03%이하, S : 0.010%이하, Cu : 2.0-4.0%, Cr : 1-3% 및 Mo : 1-3%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하는 강괴를 1250-1350°C의 온도 범위로 가열하여 1200-900°C의 온도범위에서 열간압연하는 것을 특징으로 하는 연소주조용 비자성 롤 재료의 제조방법.