KR970005387B1 - 용접열영향부 인성이 우수한 용접용 구조용강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

용접열영향부 인성이 우수한 용접용 구조용강의 제조방법

본 발명은 용접용 구조용강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조용강의 용접영향부(HAZ : Heat Affected Zone)인성이 향상되는 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 구조용강의 용접시 용접열영향부(Heat Affected Zone : 이하, 단지 'HAZ')는 용접열에 의해 오스테나이트 영역가지 가열되 있다가 다시 냉각되는데, 이때 HAZ의 결정립내에 미세, 균질하게 분산되어 있는 모재내의 산화물이 온도변화에 따른 상변태과정중 결정립 내부에서 침상 페라이트(Acicular ferrite)의 핵생성자리를 제공하여 침상 페라이트를 생성시키므로써, HAZ의 인성을 개선시키는 중요한 역할을 한다.

그러나, 모든 산화물이 결정립 내부에 존재하여 상기와 같은 인성이 우수한 침상페라이트 핵생성 자리의 역할을 하는 것이 아니기 때문에 산화물의 종류, 크기, 갯수를 임의로 조절하는 것은 매우 어려운 일이다.

한편, 구조용강중의 잔류산화물들은 불순원소를 제거하고 필요한 원소를 첨가하는 일련의 제강공정에 지배를 받게 되는데, 종래에는 단지 주조시 Al으로 탈산후에 Ti를 첨가하여 모재에 TiN을 형성시켜 용접시 HAZ에서 TiN이 오스테나이트의 성장을 억제하는 페라이트의 핵생성을 용이하게 하여 입도 미세화에 따른 HAZ의 인성을 개선해 왔다.

그러나 이와같이 형성된 TiN은 HAZ중에서는 고온(1400℃)역영에서는 분해되거나 또는 성장하여 의도하는 오스테나이트의 성장을 억제하지 못하여 HAZ 인성이 저하하는 문제점이 있다.

이에, 본 발명자는 용접용 HAZ 인성 개선을 위해서 연구와 실험을 행한 결과, HAZ에 고온에서도 안정한 Ti산화물인 TiO₂, TiO, Ti₂O₃등을 모재내에 미세분산시키는 것이 효과적이라는데 착안하고, 이를 위해서는 모재내에 미세한 개재물의 갯수를 증가시켜야 하고, 제강공정에서 첨가원소의 선택과 첨가순서가 무엇보다도 중요하다는 사실을 확인하였다.

본 발명은 용접용 구조용강의 제조시 Zr첨가와 더불어 Ti, Si, Mn, Zr의 투입량 및 투입순서를 조정하므로서 HAZ 인성이 우수한 용접용 구조용강을 제조할 수 있는 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 용접용 구조용강의 제조방법에 있어서, 중량%로, 탄소 : 0.05-0.2중량%, 인 : 0.04중량% 이하, 황 : 0.05중량% 이하, Al : 0.02중량% 이하, 잔부철 및 기타 불가피한 불순물을 포함한 용강에, 먼저 Ti : 0.01-0.025중량%을 첨가한 다음, 용강중의 Si 및 Mn함량이 각각 0.5중량% 이하, 2중량% 이하가 되도록 Si 및 Mn을 첨가하고, 최종적으로 Zr : 0.001-0.02중량%를 첨가하여 교반함을 포함하여 구성되는 용접열영향부 인성이 우수한 용접용 구조용강의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 HAZ 인성이 우수한 용접용 구조용강은 중량%로, C : 0.05-0.2%, P : 0.04% 이하, S : 0.05% 이하, 및 Al : 0.02% 이하를 포함하여 조성되는 용강에 Ti, Si, Mn, Zr의 순서로 첨가하여 얻어진다.

이때, 용강중에 함유되는 C는 강재의 강도를 향상시키는 필수적인 원소로서, 0.2% 이상으로 함유되면 탄소당량의 증가로 인해 강재의 용접성을 저해시키며 0.05%이하에서는 강도를 향상시키기 위하여 다른 합금 원소를 첨가해야 하므로 제조원가가 상승하고 실제 생산시에도 탈탄비용이 많이 들기 때문에 바람직하지 못한다.

또한, P는 다량으로 존재하면 입계에 편석되어 Fe₃P와 같은 저융점 화합물을 형성하며, 그 결과 용접시 용접부에서 고온 균열을 일으키기 때문에 그 함량은 적을수록 좋으며 0.04%를 초과하면 용접성을 해치게 된다.

또한, S는 내부식성에 매우 해로우며 입계에 편석되어 FeS와 같은 저융점 화합물을 형성하여 P와 마찬가지로 용접시 용접부에서 고온균열을 일으키기 상한치를 0.05%로 한다.

그리고, Al은 강중에서 탈산작용을 하여 Ti보다 먼저 용강중에 산소와 반응을 하기 때문에 그 함량은 적을수록 바람직하다. 그러나 강중 미량(trace) 원소로 존재하는 Al의 양을 감안하여 상한율 0.002%로 한다.

한편, 제강과정에 있어서 산화물은 합금원소와 산소가 반응하여 생성되므로 각 합금원소의 탈산력([0])와의 친화력)을 비교하여 보면 CaZrAlTiSiMnFe의 순으로 탈산이 일어난다.

Al의 경우에는 강중의 산소와 Al이 반응하여 Al₂O₃를 형성하기 때문에 침상 페라이트의 핵생성에 필요한 Ti산화물을 형성되지 않는다. 그러므로 본 발명에서는 Al대신에 Ti를 사용하는 것이며, 이때 Ti첨가는 Si, Mn, Zr보다 먼저 첨가함이 바람직하다.

즉, Ti첨가전에 Si와 Mn을 첨가하여 용강중의 산호와 Si 및 Mn이 먼저 결합하기 때문에 미세한 Ti산화물을 모재에 균일하게 분산시키는 것이 곤란하다. 그러므로 Ti를 먼저 첨가하여 용강중의 산소와 반응시켜 1차적으로 Ti산화물을 형성시켜야 한다.

이때, 첨가되는 Ti의 양은 0.01-0.025% 정도가 바람직하다.

Ti는 Ti탈산에 의해 산소와 결합하여 Ti산화물을 형성하는 필수적인 원소이기 때문에 0.01%이하에서는 침상 페라이트 핵생성에 필요한 Ti산화물이 부상 분리등으로 인하여 그 수가 감소되므로 바람직하지 못하고, Ti이 양이 0.025% 이상으로 첨가되면 Ti산화물끼리 서로 충돌등으로 인하여 Ti산화물의 성장이 일어나 적정 Ti산화물이 크기가 너무 커지기 때문에 효과적이지 못하다.

이어, Si 및 Mn을 첨가하고, 나중에 Zr을 첨가해야 하는데, Si는 내부식성을 향상시키고 강중에서 탈산작용을 하기 때문에 0.5%이상 함유되면 산소와의 결합으로 인하여 Ti산화물의 형성에 필요한 산소를 제거하기 때문에 바람직하지 못하므로 0.5% 이하로 한정한다.

Mn은 강중에서 탈산작용을 하고 용접성, 열간가공성 및 강도를 향상시키는 유효한 원소이지만 2%이상 첨가시에는 Si와 마찬가지로 산소와의 결합으로 인하여 Ti산화물의 형성에 필요한 산소를 감소시키며, 또한 MnS를 형성하여 열간압연시에 길게 압연되어 내부식성 및 인성을 저해하므로 2%이하로 한정한다.

상기 Zr은 반드시 최종적으로 첨가해야만 하는데, Zr은 산소와의 친화력이 매우 크기 때문에 용강중의 남은 산소와 반응하여 Zr산화물을 형성할 수 있기 때문이다. 이러한 Zr산화물은 Ti산화물과 결합하여 Ti-Zr 복합 개재물을 형성하여, 그 결과 Ti산화물의 밀도를 증가시켜 Ti산화물의 부상 분리에 의한 개재물의 감소를 줄일 수 있는데 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

즉, 용강중에서 개재물의 부상 분리는 일반적으로(용강중에서 각성분원소의 용해)→(개재물의 핵생성)→(개재물의 성장)→(개재물끼리의 충돌등에 의한 계속적인 성장과 부상)→(용강표면에서의 슬랙예의 흡수제거(assimilation))의 순서로 진행된다고 알려져 있다.

그러므로 개재물의 종류에 따라 각 단계의 진행속도가 달라지는데, 개재물의 밀도 차이에 의한 부상속도의 차이에 의해서 부상속도가 달라진다. 즉 스토크(stoke)법칙에 따르면 밀도가 큰 개재물일수록 부상이 어렵다. 제강과정중에 형성되는 개재물은 매우 복잡한 개재물로서 개재물의 밀도는 알려져 있지 않아 직접적인 비교는 불가능하나, 단순히 TiO, ZrO₂의 상대적인 밀도를 비교하면 ZrO₂가 매우 크다(TiO : 4.93, Ti₂O₃: 4.6,ZrO₂: 6.10/cm³) 따라서 ZrO₂가 첨가된 개재물은 그렇지 않은 개재물에 비하여 밀도가 커서 부상이 어렵게 되어 강중에 Ti-Zr복합 개재물의 수가 증가한다.

그러나, Ti와 Zr을 동시에 첨가하는 경우에는 Zr이 Ti보다 산소와의 친화력이 크므로 먼저 용강중의 산소와 결합하여 Ti산화물 대신에 Zr산화물을 형성하여 침상 페라이트의 핵생성에 필요한 Ti산화물의 갯수를 크게 감소시킨다.

결국, Ti산화물보다 먼저 형성되는 Zr산화물 단독으로는 HAZ에서 침상 페라이트의 핵생성의 역할을 하지 못하기 때문에 Ti와 Zr을 동시에 첨가하는 방법은 바람직하지 않다.

이처럼, Zr은 Ti산화물의 갯수를 증가시키는 중요한 원소이지만, 그 첨가량이 0.001% 미만일 경우에는 용강중에서 형성되는 Zr 산화물의 갯수가 너무 작기 때문에 Ti-Zr복합산화물의 형성이 부족하고, 0.02%를 초과할 경우에는 Zr의 산소와의 친화력이 Ti산화물보다 크기 때문에 Ti와 결합한 산소를 제거하며, 또한 Zr산화물이 너무 많이 형성되어 개재물의 갯수는 증가하나 오히려 용접시 HAZ의 인성향상에는 효과적이지 못하다

이하, 실시예를 통하여 본 발명은 보다 구체적이고 설명한다.

실시예

먼저, 전해질 및 가탄제를 진공 유도로의 장입, 용해하고, 그후 Ti, Fe-Si, Mn, Zr을 넣어 하기표 1에 나타낸 성분으로된 강종들을 용해시켰다. 이때 각 성분원소의 첨가량과 첨가순서는 하기표 1과 같이 변화시켜 강괴를 주조하였다. 이와 같이 주조된 강괴를 열간압연하여 두께 15mm의 강판을 제조하였다. 이 강판을 절단후 연마하여 용접시 영향부의 인성에 중요한 영향을 미치는 개재물의 개재물의 갯수 및 열 싸이클(cycle) 재현재의 침상 페라이트 갯수를 측정하였고, 열 싸이클 재현시킨 용접열 영향부 인성의 비교를 위해서 충격시험을 하고 그 결과를 하기표 1에 나타내었다.

상기표 1에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명이 각 합금원소 첨가량 및 첨가순서에 따라 용해처리되어 제조된 발명체(a∼d)의 경우, 즉 Ti를 처음에 첨가하고 나중에 Si, Mn 그리고 Zr을 첨가한 경우에 개재물의 갯수가 가장 많았고, 열 싸이클(cycle) 재현시킨 HAZ의 침상 페라이트 갯수가 증가함을 알 수 있다. 또한, 침상 페라이트의 증가로 인한 HAZ 인성도 증가했음을 알 수 있다.

그러나 합금원소의 첨가순서가 Ti첨가후에 Si, Mn을 첨가하고 Zr을 첨가한 경우라도 Zr의 첨가량이 0.02%를 초과한 경우인 비교예(5,6)의 경우에는 개재물의 개수는 증가함에도 불구하고 침상 페라이트의 갯수가 감소하고 HAZ 인성도 감소함을 알 수 있다. Zr의 첨가량이 0.025%인 경우인 비교예(5)의 경우에는 침상 페라이트 개수의 감소에 인하여 HAZ 인성이 저조하여 본 발명의 적정 Zr 첨가량의 범위에서 제외하였다. 그리고 Zr이 첨가되지 않고 Ti, Si 및 Mn의 첨가순서만을 변경한 경우인 비교예(1∼4)의 경우에는 개재물 갯수, 침상 페라이트 갯수, 및 충격인성 및 모두 발명재(a∼d)에 비하여 낮음을 알 수 있다.

그러므로 용접용 구조용강의 제조시 합금원소의 선택 및 첨가순서가 용접용 구조용강의 HAZ 인성을 증가시키는 중요한 역할을 함을 알 수 있다.

상술한 바와같이, 본 발명은 합금원소의 선택 및 첨가순서를 제어하므로서 HAZ 인성이 우수한 용접용 구조용강을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 용접용 구조용강의 제조방법에 있어서, 중량%로, 탄소 : 005-0.2%, 인 : 0.04 이하, 황 : 0.05% 이하, Al : 0.02% 이하, 잔부철 및 기타 불가피한 불순물을 포함한 용강에, 먼저 Ti : 0.01-0.025중량%을 첨가한 다음, 용강중의 Si 및 Mn함량이 각각 0.5중량% 이하, 2중량% 여하가 되도록 Si 및 Mn을 첨가하고, 최종적으로 Zr : 0.001-0.02중량%를 첨가하여 교반함을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 용접열영향부 인성이 우수한 용접용 구조용강의 제조방법.