KR100340547B1 - 강도및저온충격인성이우수한500㎫급고장력후판의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조선, 철골, 구조물 등의 고강도 고인성이 요구되는 중공업부문에 이용되는 고장력 후판의 제조방법에 관한 것이며; 그 목적은 압연생산이 우수하면서도 고강도, 고인성 및 고온강도의 확보가 가능한 500㎫급 고장력 후판의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로 C:0.10-0.16%, Si:0.10-0.50%, Mn:1.00-1.60%, P:0.015%이하, S:0.010%이하, Al:0.015-0.050%, Ti:0.005-0.020%, Nb:0.005-0.015%, V:0.010-0.070%, N:0.0020-0.0060% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브를 후판 가열로에서 1150-1250℃로 재가열한 후 패스당 15-30%의 압하율 및 900-950℃의 압연마무리 온도조건으로 열간압연한 후 공냉하여 이루어지는 강도 및 저온 충격인성이 우수한 500㎫급 고장력 후판의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

강도 및 저온 충격인성이 우수한 500㎫급 고장력 후판의 제조방법{A method of manufacturing 500MPa high strength steel having superior strength and low temperature-impact toughness}

본 발명은 조선, 철골 구조물 등의 고강도, 고인성이 요구되는 중공업 부문에 사용되는 고장력 후판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Ti-Nb-V 등의 미량 합금원소를 이용하여 내부 미세조직의 크기를 제어함으로서 열처리공정의 적용없이 고강도, 고인성을 확보할 수 있는 500㎫급 고장력 후판강재의 제조방법에 관한 것이다.

통상, 강의 강도와 인성은 서로 상반되는 것으로 알려져 있으며, 강도가 증가하면 인성이 열화하고, 인성이 증가하면 강도가 열화하게 되나, 강재의 실제 사용시 요구되는 특성은 이러한 두가지 물성이 동시에 우수해야 한다. 인성이 우수한 고장력 후판강재를 생산하기 위한 종래의 방법은 도 1에 나타난 바와같이, 노말라이징(Normalizing)열처리 기술과 제어압연(Theromo-Mechanical Controlled Process: 이하, 'TMCP'라 함) 기술로 분류할 수 있다.

노말라이징 열처리법은 강재생산시 열간압연후 열처리를 위한 Off-Line 재가열 따라 제조 비용의 증가와 물류비용의 증가 등 비경제적인 요소를 많이 내포하고 있다. 특히, 고강도 확보를 위해 성분설계시 미량 합금원소의 함유량 증가로 원재료 비용의 증가와 더불어 용접성이 저하되기 때문에 점차 대입열화하고 있는 최근의 수요가 요구 특성에 부응하지 못하고 있는 실정이다.

TMCP법은 압연시 고인성 확보를 재결정온도 이하의 저온 제어압연 등의 적용으로 조업시간 증가로 인한 압연 생산성의 저하와 압연 후 가속냉각 공정 적용시 형상 확보를 위한 정밀 온도제어 및 용접성 향상을 위한 저 탄소당량(Ceq) 합금설계로 고온 가공시의 물성저하가 단점이라고 할 수 있다.

따라서, 본 발명은 종래 제조법의 여러 가지 단점을 보완함과 동시에 종래 강재와 동등 이상의 기계적 성질 확보를 위하여 미량 합금원소 및 후판 열간압연 조건을 적절히 제어함으로서 압연 생산성이 우수하면서도 고강도, 고인성 및 고온강도의 확보가 가능한 500㎫급 고장력 후판강재의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 제어압연(TMCP) 및 노말라이징 열처리를 나타내는 모식도이다

도 2는 본 발명에 의한 제어압연 방법을 나타내는 모식도이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로 C:0.10-0.16%, Si:0.10-0.50%, Mn:1.00-1.60%, P:0.015%이하, S:0.010%이하, Al:0.015-0.050%, Ti:0.005-0.020%, Nb:0.005-0.015%, V:0.010-0.070%, N:0.0020-0.0060% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브를 후판 가열로에서 1150-1250℃로 재가열한 후 패스당 15-30%의 압하율 및 900-950℃의 압연마무리 온도조건으로 열간압연후 공냉하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명의 화학성분과 후판제조조건에 대하여 설명한다.

상기 탄소(C)는 경제적인 강도확보 원소로서 강 내에서 제2상(펄라이트) 분율의 증가를 통해 강도향상에 기여하게 되는데, 첨가량이 증가하게 되면 탄화물 집적에 의해 파괴의 기점으로 작용하게 되어 충격인성을 저하시킴과 동시에 용접시 열영향부의 경화조직 형성으로 용접 이음부를 취화시키게 되므로 0.10-0.16%로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 실리콘(Si)은 탄화물을 형성하며, Fe중에 고용되어 탄성한계 인장력을 높이는 원소로서 미량(0.10%이하) 첨가시에는 이러한 효과를 기대하기가 어렵고, 과량(0.50% 이상)에서는 산화피막 형성으로 인한 스케일 발생량 증가 및 페라이트 조직의 약화와 더불어 강 내부에 비금속 개재물을 형성시킴으로 인해 충격인성을 해치게 되므로 약 0.10-0.50%의 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 망간(Mn)은 탄화물 형성 및 페라이트의 강화와 입도 미세화에 기여함으로서 강의 강도 및 인성을 향상시키는 역할을 하는 것으로 알려져 있으나, 1.0% 이하의 소량 첨가시 2상 형성이 어려워져 강도향상에 기여하지 못하게 되며, 1.60% 이상 과량 첨가시 용접이음부의 인성을 저하시키게 되므로 1.00-1.60%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 인(P)은 강판의 저온 충격인성을 해치는 원소로서 내부품질을 열화시키므로 그 함량을 0.015%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 황(S)은 인과 동일한 유해 원소로서 내부품질 및 충격인성의 열화와 더불어 용접성을 해치므로 0.010%이하로 관리하는 것이 바람직하다.

상기 알루미늄(Al)은 실리콘과 같이 복합 첨가되는 탈산원소로서 AlN 등에 의해 입자 미세화에 기여하는 원소로서 이를 위해 0.015%이상 첨가하나, 0.05% 보다 과다하게 첨가시 연주 슬라브의 표면크랙 발생 및 충격인성을 저해하게 되므로 0.015-0.050%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 티타늄(Ti)은 강의 응고과정에서 질소와 결합하여 고온에서 안정한 TiN화합물을 석출시킴으로서 오스테나이트의 결정립 성장을 억제하여 페라이트의 미세화에 기여하게 된다. 그러나, 강중에 함유량이 높아지면 TiN 석출입자의 조대화 및 TiN 대비 조대하게 석출되는 TiC 입자의 석출로 오스테나이트의 결정립 성장을 억제하기가 어렵고 입계에 석출된 TiC로 인해 조직의 취화가 발생하게 되며 소량 첨가시 TiN의 석출이 어렵기 때문에 그 함량을 0.005-0.020%로 관리하는 것이 바람직하다.

상기 니오븀(Nb)은 오스테나이트 미재결정역을 확대시킴으로서 누적압하량 증대에 기여, 상온 페라이트 조직을 미세화함과 동시에 탄질화물의 형성으로 페라이트의 강화에 기여하므로 0.005%이상 첨가한다. 그러나, 0.015% 보다 과량 첨가시 용접 이음부의 품질특성을 저하시키게 되므로 첨가량을 0.005-0.015%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 바나듐(V)은 탄질화물을 형성시켜 페라이트의 입계 및 입내에서 페라이트 강화에 직접적으로 기여하게 되며, 일부는 페라이트의 핵생성 기점으로 작용하여 페라이트의 미세화에 유용하며, 이를 위해 0.010%이상 첨가가 필요하나, 0.07% 보다 과량 첨가시 탄질화물의 조대화로 인해 충격인성이 열화되므로 V은 0.010-0.070%로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 질소(N)는 극저로 관리하는 것이 품질특성에 유리하나 제강조업상 20ppm 이하로 관리시 제조비용이 급증하게 되며, 또한 60ppm 이상으로 관리시 강중 자유질소의 증가로 용접이음부 품질특성을 저해하게 되므로 약 20-60ppm 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기와 같은 조성범위를 갖는 강을 통상의 연속주조를 통하여 슬라브를 얻고, 이 슬라브를 열간압연시 노말라이징 처리온도에서 압연 마무리 후 공냉처리함을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 노말라이징 압연(Normalizing Rolling)법은 도 2에 나타난 것과 같이 통상의 가열온도인 약 1200±50℃로 재가열된 슬라브를 가열로에서 추출하여 매패스당 15-35%의 압하를 가함으로서 오스테나이트의 반복 재결정을 이용, 초기 오스테나이트 입경을 미세하게 제어함과 동시에 노말라이징 처리온도에서 압연을 마무리 함으로서 TiN 등에 의해 오스테나이트의 결정립 성장을 억제함과 동시에 공냉도중 오스테나이트로부터 페라이트로의 변태시 Nb, V 등의 탄질화물 석출에 의해 미세한 페라이트를 형성시킴으로서 고강도, 고인성의 고장력강을 생산하는 것이다.

열간압연시 압하율은 오스테나이트의 결정립 크기에 큰 영향을 미치게 되며 압하율이 15% 이하로 낮아지면 오스테나이트의 반복 재결정이 어렵게 되며, 30%이상의 대 압하는 현실적으로 압연기 능력상 불가하기 때문에 압하율은 15-30% 로 관리하게 된다. 압연 마무리 온도는 압연 생산성을 좌우하는 요소로서 압연 생산성을 향상시키기 위해서는 가능한 고온 압연 마무리가 바람직하나, 지나치게 고온에서 압연 마무리시 오스테나이트의 재결정 및 결정립 성장속도가 빨라지게되어 강압하에 의한 오스테나이트 결정립 미세화 효과는 감소하게 된다. 또한, 압연마무리온도가 낮아질 경우 오스테나이트의 결정립 크기 제어에는 유리하나 압연 생산성의 감소가 불가피하므로 결국 기계적 성질의 확보와 압연생산성 두가지 측면에서 압연 마무리온도는 노말라이징 처리온도인 900-950℃가 바람직하다.

압연이 종료된 후 900℃이하의 저온에서는 결정립 성장 현상이 미미하므로 결정립 크기에 의한 기계적 성질 열화는 일어나지 않게 되며 또한, 미량 합금원소의 미세 탄질화물이 페라이트 핵생성 기점 역할 및 페라이트 입내에서 석출되어 페라이트를 강화시키게 되므로 강도 및 인성의 향상이 가능하게 된다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

하기 표1과 같은 3종류의 강을 주조후 얻은 슬라브를 1200℃에서 가열하고, 두께 13mm로 표 2와 같은 압연 조건에 의해 고온 강압하 압연을 실시 한 후 공냉 처리하여 제조된 각 시편에 대해 기계적 특성을 평가하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

단위 : 중량%
강종	C	Si	Mn	P	S	S.Al	Ti	Nb	V	N(ppm)
A	0.141	0.29	1.20	0.011	0.003	0.043	0.011	0.010	0.033	50
B	0.152	0.31	1.23	0.012	0.003	0.032	0.012	0.010	0.062	42
C	0.151	0.31	1.22	0.011	0.003	0.035	0.011	0.009	0.090	46

실시재	강종	열간압연조건	인장시험	충격시험(joule,-20℃)
		마무리압연온도(℃)	압하율(%)	항복강도(㎫)	인장강도(㎫)	연신율(%)	압연방향	직각방향
비교재1	A	882	18	38.4	53.3	25	25.1	18.9
발명재1		927	24	36.7	51.8	26	23.8	17.1
비교재2		992	29	34.6	50.4	27	21.2	16.6
비교재3	B	875	18	40.5	54.5	25	24.7	20.6
발명재2		922	24	37.3	53.0	25	22.6	18.4
비교재4		984	28	35.2	51.8	27	20.3	17.7
비교재5	C	891	19	42.1	55.3	22	16.3	10.7
비교재6		925	24	39.8	53.6	24	19.1	14.5
비교재7		976	28	35.8	52.2	25	15.8	10.2

상기 표1의 기계적특성 평가결과에 대해서는 조선용 규격인 DH36을 기준으로 합부를 판단하였으며, 기계적 특성이 만족되는 경우에도 후판 열간압연 공정에서의 생산성이 저하되는 저온 압연재는 개발기준에서 제외시켰다.

상기 표 1의 V첨가량을 변화시킨 A,B,C 강종중 C강종을 제외한 A, B강종에서 각 화학성분은 본 발명의 화학조성을 만족하고 있다. 그리고, 열간마무리 압연온도의 변화시 고온 압연재인 비교재(2, 4, 7)은 대부분의 기계적 성질이 규격요구를 만족시키고 있으나, 고온 압연으로 인한 내부 결정입자의 조대화로 항복강도가 규격요구에 만족하지 못함을 알 수 있다.

특히, 바나듐 0.09% 함유된 비교재(5,6,7)는 바나듐 증가로 인한 바나듐 탄질화물의 결정입계 석출량 증가로 충격인성이 급격히 저하되며, 본 발명재의 적용기준인 선급 규격의 제한범위를 초과(Ti+Nb+V ≤ 0.1)하게 되므로 적용불가 판단되었다.

압연마무리 온도가 900-930℃인 발명재(1-2)를 살펴보면, 압연 마무리 온도 저하에 따라 강도 및 저온 충격인성이 향상됨을 볼 수 있으며, 특히 바나듐 첨가량이 증가시 이러한 경향은 증가된다. 900℃이하에서의 저온 압연한 비교재(1, 3, 5)은 압연 생산성이 저하하게 되므로 신 프로세스 개발 측면에서는 바람직하다고 볼 수 없다.

상술한 바와같이, 본 발명은 미량 합금원소의 적정함유 및 후판 열간 압연 공정에서의 압연 마무리온도, 압하율 제어를 통해 고강도, 고인성의 강재를 생산하는 방법으로서 고온 노말라이징 처리온도에서 압연이 종료되기 때문에 기존 생산법에 비해 대폭적인 생산성 향상이 가능하다. 또한, 열처리강 및 TMCP강과 비교시 동등 이상의 기계적성질 확보가 가능하므로 향후 조선, 건설 및 해양구조물 분야에 널리 활용될 수 있는 유용한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 500㎫급 고인성 후판의 제조방법에 있어서,

   중량%로 C: 0.10-0.16%, Si:0.10-0.50%, Mn:1.00-1.60%, P:0.015%이하, S:0.010%이하, Al:0.015-0.050%, Ti:0.005-0.020%, Nb:0.005-0.015%, V:0.010-0.070%, N:0.0020-0.0060% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브를 후판 가열로에서 1150-1250℃로 재가열한 후 패스당 15-30%의 압하율 및 900-950℃의 압연마무리온도조건으로 열간압연한 후 공냉하는 것을 특징으로 하는 강도 및 저온 충격인성이 우수한 500㎫급 고장력 후판의 제조방법.

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