KR100776470B1 - 용접부 인성이 뛰어난 고장력 강 및 해양 구조물 - Google Patents

Abstract

대열용접이 가능하고 저온 인성이 뛰어난 고장력 강을 제공하기 위해서, 질량%로, C : 0.01∼0.10%, Si : 0.5% 이하, Mn : 0.8∼1.8%, P : 0.020% 이하, S : 0.01% 이하, Cu : 0.8∼1.5%, Ni : 0.2∼1.5%, Al : 0.001∼0.05%, N : 0.003∼0.008%, O : 0.0005∼0.0035%를 함유하고, 필요에 따라, Ti : 0.005∼0.03%, Nb : 0.003∼0.03%, Mo : 0.1∼0.8%의 1종 또는 2종을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물이고, 또한 N/Al이 0.3∼3.0이 되도록 구성한다.

Description

용접부 인성이 뛰어난 고장력 강 및 해양 구조물{HIGH TENSILE STEEL EXCELLENT IN TOUGHNESS OF WELDED ZONE AND OFFSHORE STRUCTURE}

본 발명은, 고장력 강(鋼) 및 해양 구조물, 특히 용접부 인성이 뛰어난 용접용 고장력 강 및 해양 구조물에 관한 것이다.

보다 구체적으로는, 본 발명은, 건축물, 토목 구조물, 건설 기계, 선박, 파이프, 탱크, 해양 구조물 등에 있어서 용접 구조물로서 사용되는 용접용 고장력 강, 특히 해양 구조물에 사용되는 용접용 고장력 강 및 해양 구조물에 관한 것이며, 예를 들면 항복 강도 420N/㎟ 이상, 판두께 50mm 이상의 두꺼운 고강도 강판 및 그것을 사용한 해양 구조물에 관한 것이다.

최근, 에너지 수요가 점점 증가하는 경향에 있어, 해저 석유 자원의 탐색이 활발해지고 있다. 이들에 사용되는 해양 구조물은, 예를 들면 플랫폼, 잭업(jack-up) 리그(rig)가 대형화되고 있어, 이에 따라 강판 등의 사용 강재가 두꺼워져, 보다 안전성을 확보하는 것이 중요한 과제가 되고 있다.

통상의 해양 구조물에는, 항복 응력이 300∼360MPa급의 중강도 강재가 사용되는데, 상기와 같은 대형 구조물에서는 460∼700MPa급의 고강도이고, 판두께도 100mm를 넘는 아주 두꺼운 고장력 강재가 사용되는 경우가 있다.

또, 해저 석유 자원의 탐색 지역이 최근 한냉지나 수심이 깊은 지역으로 옮겨가고 있어, 그들 지역 또는 해역에서 가동되는 해양 구조물은 대단히 혹독한 기상·해양 조건에 노출된다.

이 때문에, 이들 해양 구조물에 사용되는 강재에는, 예를 들면 -40℃ 이하라는 대단히 혹독한 저온역에서의 인성(靭性)이 요구됨과 더불어, 용접성도 당연히 요구된다.

또한, 안전성의 면에서도 사용자의 검사 기준은 엄격하여, 모재, 용접부 모두 종래의 샤르피 충격값의 규정에 더해, 최저 사용 온도에서의 CTOD값도 규정하여 인성을 평가하도록 되고 있다. 즉, 10mm×10mm의 크기로 절단 채취하는 미소 시험편에 대한 평가 시험인 샤르피 시험에서 안정된 특성을 얻은 경우에도, 구조물의 실제 두께의 시험편으로 평가하는 CTOD 특성에서는 소요 특성을 만족할 수 없는 경우가 많이 발생하고 있고, 또 오늘날에는 더욱 엄격한 CTOD 특성이 요구되게 되고 있다.

이렇게, 빙해역에 설치되는 해양 구조물에 사용되는 강재에 국한되지 않고, 이것보다도 마일드한 환경 하에서 사용되는 한냉지용의 라인 파이프, 또는 선박이나 LNG 탱크 등의 대형 용접 구조물에 사용되는 강재에 대해서도, 용접열 영향부(이하, HAZ라고 한다)의 저온 인성을 향상시키려는 요망이 강하다.

한편, -40℃ 이하라는 저온역에서 높은 인성을 얻기 위해서는, 용접 효율이 나쁜 저 입열량(入熱量)의 용접 조건으로 용접을 하지 않을 수 없다. 해양 구조물의 건조 비용에서 차지하는 용접 시공 비용은 크다. 용접 시공 비용을 저하시키는 가장 직접적인 방법은, 대 입열 용접이 가능한 고능률 용접법을 채용하여, 용접층 수를 줄이는 것이다.

따라서, 오늘날에는, 저온 인성의 요구가 엄격한 한냉지용의 구조물은, HAZ의 인성을 고려하여 용접 시공 비용이 가급적 낮은 용접을 행하는 것이 중요하다.

종래부터 강재의 HAZ의 인성을 극적으로 향상시키기 위해서는 저 C화가 유효하다는 것이 알려져 있고, 저 C화에 의한 강도 저하를 보충하기 위해서, 여러가지 합금 첨가에 의한 고강도화나, 시효 석출 경화 작용을 이용한 고강도화가 도모되고 있다. 예를 들면, ASTM A710에서는, Cu의 시효 석출 경화 작용을 이용한 강이 개시되어 있고, 이러한 사고방식에 기초를 둔 보고가 몇가지 이루어져 있다.

예를 들면, 일본 특공평 7-81164호 공보, 일본 특개평 5-186820호 공보, 일본 특개평 5-179344호 공보에서는, 용접부의 인성이 뛰어난 Cu 석출형 강이 제안되어 있다.

그러나, 일본 특공평 7-81164호 공보에서는, 판두께 30mm, 용접 입열량 40kJ/cm에서 얻은 용접 이음매의 샤르피 특성을 평가한 것에 지나지 않아, 대 입열 용접에 대응한 재료라고는 생각하기 어렵다.

일본 특개평 5-186820호 공보에서는, Cu를 0.5∼4.0% 첨가한 인장 강도 686 MPa 이상의 고장력 강이 제안되어 있는데, 저온 인성에 대해서는 샤르피 시험의 천이 온도조차도 -30℃이므로, 아주 두꺼운 강판에서의 저온 CTOD 특성을 확보할 수 있다고는 생각하기 어렵다.

일본 특개평 5-179344호 공보에서는, 용접부의 샤르피 인성이 뛰어난 Cu 석 출형 강이 제안되어 있긴 하지만, 용접 입열량 5kJ/mm에서 얻은 용접 이음매의 샤르피 특성을 평가한 것에 지나지 않아, 대 입열 용접시의 구조물의 안전성을 충분히 만족할 수 있는 기술이라고는 생각하기 어렵다.

본 발명의 과제는, 일반적으로는 용접부 저온 인성, 특히 HAZ 저온 인성을 개선한 용접용 고장력 강을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 용접부 인성이 뛰어난 두꺼운 고강도 강판을 개발할 것을 목적으로, 강 성분 및 그 제조 방법에 대해 여러가지 실험을 행한 결과, 이하의 지견을 얻었다.

(ⅰ) Cu 첨가 강을 베이스로 해서, N, Al 함유량의 조정에 추가해, N/Al비를 컨트롤하는 것.

고 Cu 성분재에서, 대 입열 HAZ 인성을 개선하기 위해서는, TiN, Ti(C, N), AlN 등의 탄질화물의 미세 분산이 유효하다. 그래서, 고 Cu-Ti 첨가재를 사용해 검토한 바, N, Al 함유량의 조정에 추가해, N/Al비를 컨트롤하는 것의 유효성을 발견했다. 이것은, N/Al비가 과소인 경우는, 조대(粗大) AlN이 석출하여, 이것 자체가 인성에 악영향을 미치고, 또한 TiN의 미세/다량의 분산이 저해되기 때문이라고 생각된다. 한편, N/A1비가 과대한 경우는, 고용(固溶) N이 증가하고, 또한 AlN, TiN의 분산 밀도가 낮아지기 때문이라고 생각된다.

(ii) 항복 강도의 상승을 위해서는, 미세 Cu 입자를 가능한 한 많이 분산시킬 필요가 있는 것.

(ⅲ) 인성, 특히 저온 CTOD 특성을 확보하기 위해서는, Cu 입자를 어느 정도 조대화시키고, 또한 분산량을 억제할 필요가 있는 것.

(ⅳ) Cu 입자의 분산 상태를 균일화하기 위해서, 시효 처리 전 단계에서의 Cu 입자의 생성을 가능한 한 억제하고, 또한 시효 처리의 조건 제어에 의해 Cu 입자의 분산 상태를 제어하는 것.

(ⅴ) Cu 입자의 분포 상태에 대해, TEM 사진으로부터 구해지는 원상당 직경의 평균값 및 평면 환산 면적율로 정리함으로써, 강도 인성 균형의 제어가 가능한 것.

(ⅵ) Cu 입자는, 강 중의 결정 결함(주로 전위(轉位)) 상에 생성하기 쉬워, 전위 밀도가 높으면 Cu 입자의 석출이 촉진되는 것. 또, 전위 상의 Cu 입자는 전위의 이동을 저해하여, 항복 강도를 상승시키는 것.

(ⅶ) 강 중의 전위 밀도는, 압연 및 수냉 조건으로 제어 가능한 것. 또, 압연 온도의 저하, 총 압하량(壓下量)의 증가, 수냉 개시 온도의 상승, 냉각 속도의 증가, 수냉 정지 온도의 저하, 이들은 모두 전위 밀도를 증가시키는 것.

(ⅷ) 고 Cu 성분을 베이스로 해서, C, Mn, Mo량의 조정에 의한 담금질성 제어에 의해 대 입열 용접 HAZ 인성의 안정화가 가능하다.

즉, 고 Cu 성분재에서는, 용접 균열 감수성 지수 Pcm값을 저감할수록 HAZ 인성 개선이 가능하고, 그를 위해서는 저 C, 저 Mn화가 유효하다는 것을 알았다. 단, 고강도를 확보하기 위해서는, 타 원소에 의한 보충이 필요하여, Mo의 첨가량을 컨트롤함으로써, 강도/인성의 안정화가 가능한 것도 알았다.

본 발명은, 이러한 지견에 기초해 구성한 것으로, 그 요지는 다음과 같다

(1) 질량%로, C : 0.01∼0.10%, Si : 0.5% 이하, Mn : 0.8∼1.8%, P : 0.020% 이하, S : 0.01% 이하, Cu : 0.8∼1.5%, Ni : 0.2∼1.5%, Al : 0.001∼0.05%, N : 0.0030∼0.0080%, O : 0.0005∼0.0035%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물이고, 또한 N/Al이 0.3∼3.0인 것을 특징으로 하는 고장력 강.

(2) 상기 (1)에 있어서, 질량%로, Ti : 0.005∼0.03%를 함유하는 것을 특징으로 하는 고장력 강.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 질량%로, Nb : 0.003∼0.03%를 함유하는 고장력 강.

(4) 상기 (1)∼(3) 중 어느 하나에 있어서, 질량%로, Mo : 0.1∼0.8%를 함유하는 고장력 강.

(5) 상기 (1)∼(4) 중 어느 하나에 있어서, 질량%로, Cr : 0.03∼0.80%, V : 0.001∼0.05%, B : 0.0002∼0.0020%의 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 고장력 강.

(6) 상기 (1)∼(5) 중 어느 하나에 있어서, 질량%로, Ca : 0.0005∼0.005%, Mg : 0.0001∼0.005%, REM : 0.0001∼0.01%의 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 고장력 강.

(7) 상기 (1)∼(6) 중 어느 하나에 있어서, 하기 (I)식으로 나타내는 Pcm이 0.25 이하이고, 강 중에 분산한 장경(長徑)이 1nm 이상인 Cu 입자에 대해, 원상당 직경의 평균값이 4∼25nm이고, 또한 평면율 환산 분포량이 3∼20%인 것을 특징으로 하는 고장력 강.

Pcm=C+(Si/30)+(Mn/20)+(Cu/20)+(Ni/60)+(Cr/20)+(Mo/15)+(V/10)+5B…(I)

(8) 상기 (1)∼(7) 중 어느 하나에 기재된 고장력 강을 사용한 해양 구조물.

(발명의 효과)

본 발명에 의해, 특히 그것 만으로 제한되는 것은 아니지만, 일렉트로 가스 아크 용접 등의 용접 방법에 의해, 용접 입열량 300kJ/cm 이상에서의 용접이 가능하고, 용접성이 뛰어난 항복 응력 420N/㎟ 이상의 고장력 강의 제조가 가능해졌다. 그 결과, 현장 용접 시공 능률이나 안전성이 현저히 향상했다. 또, 해양 구조물과 같은 대단히 혹독한 환경 하에서도 사용할 수 있는 고장력 강의 제공이 가능해졌다.

본 발명에 관해서 상세히 설명한다. 우선, 본 발명을 상기와 같은 강 조성으로 한정한 이유를 설명한다. 또한, 본 명세서에서 강 조성을 나타내는 "%"는 모두 "질량%"로 나타낸다.

C는, 강의 강도 확보를 위해서, 및 Nb, V 등의 첨가시에 조직 미세화의 효과를 발생시키기 위해서 첨가된다. 0.01% 미만에서는 이들 효과가 충분하지 않다. 그러나, C가 너무 많으면 용접부에 섬형상 마르텐사이트(M∼A: martensite-austenite constituent)로 불리는 경화 조직을 생성하여 HAZ 인성을 악화시킴과 더불어 모재의 인성 및 용접성에도 악영향을 미친다. 따라서, C는 0.10% 이하로 한다. 바람직하게는 0.02∼0.08%, 더욱 바람직하게는 0.02∼0.05%이다.

Si는 용강(溶鋼)의 예비 탈산에 유효한 원소이지만, 시멘타이트 중에 고용하지 않으므로, 다량으로 첨가되면 미변태 오스테나이트 입자가 페라이트 입자와 시멘타이트로 분해하는 것을 저해하여, 섬형상 마르텐사이트의 생성을 조장한다. 이들 이유로부터, Si의 첨가는 강 중 함유량 0.5% 이하로 한다. 바람직하게는 0.2% 이하, 더욱 바람직하게는 0.15% 이하이다.

Mn은 강도 확보에 필요한 원소인 동시에, 탈산제로서도 유효한 원소이다. 그 때문에, Mn의 함유량은 0.8% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Mn의 과잉 첨가는, 담금질성을 과잉으로 증가시켜 용접성 및 HAZ 인성을 열화시킨다. 또한, Mn은 중심 편석을 조장하는 원소로서 알려져 있기 때문에, 중심 편석 억제의 관점에서는, 그 함유량은 1.8%을 넘어서는 안된다. 따라서, Mn의 함유량은 0.8∼1.8% 이하로 한다. 바람직하게는 0.9∼1.5%이다.

P는 강에 불가피하게 함유되는 불순물 원소이며, 입계 편석 원소이므로 HAZ 에서의 입계 균열의 원인이 된다. 또한 모재 인성, 용접 금속부와 HAZ의 인성을 향상시켜, 슬래브 중심 편석도 저감시키기 위해서는, P의 함유량은 0.020% 이하로 한다. 바람직하게는 0.015% 이하, 더욱 바람직하게는 0.01% 이하이다.

S는 다량으로 존재하는 경우, 용접 균열 기점이 되는 MnS 단체의 석출물을 생성한다. 그 때문에, S의 함유량은 0.01% 이하로 한다. 바람직하게는 0.008% 이하, 더욱 바람직하게는 0.005%이하이다.

Cu는 강재의 강도 및 인성을 높이는 효과가 있는데, HAZ 인성에 대한 악영향도 적다. 특히, 시효 처리시의 ε-Cu 석출에 의한 강도 상승 효과를 기대하는 데 있어서 0.8% 이상 필요하다. 그러나, Cu 함유량이 높아지면 용접 고온 균열 감수성이 높아져, 예열 등의 용접 시공이 복잡해지므로, Cu의 함유량은 1.5% 이하로 했다. 바람직하게는 0.9∼1.1%이다.

Ni는 강재의 강도 및 인성을 높이고, 또한 HAZ 인성을 높이기 위한 유효한 원소이다. 그러나, 0.2% 이하에서는 그들 효과가 없고, 또한 1.5%를 넘으면 비용 상승에 걸맞는 만큼의 효과를 얻을 수 없기 때문에, Ni의 함유량을 0.2∼1.5%로 했다. 바람직하게는 0.4∼1.2%이다.

Al은 탈산을 위해 필수적인 원소이다. 그러나 함유량이 많아지면, 특히 HAZ에서 인성이 열화하기 쉬워진다. 이것은, 조대한 클러스트형의 알루미나계 개재물 입자가 형성되기 쉬워지기 때문이라고 생각된다. 이 때문에 Al의 함유량을 0.001∼0.05%로 한다. 바람직하게는 0.001∼0.03%이다. 더욱 바람직하게는 0.001∼0.015% 이다.

N은, 질화물을 형성함으로써 조직의 세립화(細粒化)에 기여하는데, 과잉으로 첨가한 경우에는 질화물의 응집을 통해 인성을 열화시킨다. 따라서, N의 함유량을 0.003∼0.008%로 한다. 바람직하게는 0.0035∼0.0065%이다.

N/Al비를 0.3∼3.0으로 컨트롤함으로써, 대 입열 HAZ 인성, 특히 이음매 CTOD 특성의 개선이 가능하다.

이것은, N/Al비가 0.3보다 작은 경우는, 조대 AlN이 석출하여, 이것 자체가 인성에 악영향을 미치는 데다, TiN의 미세/다량의 분산이 저해되기 때문이라고 생각된다. 한편 N/Al비가 3.0을 넘는 경우는, 고용 N이 증대하여, HAZ 인성이 열화하는 데다, AlN, TiN의 분산 밀도가 낮아지기 때문이라고 생각된다. 효과를 보다 발휘시키기 위한 바람직한 범위는 0.4∼2.5이다.

O(산소)는 페라이트 생성 핵이 되는 산화물 생성에 유효하다. 한편, 다량으로 존재하면 청정도의 열화가 현저해지므로, 모재, 용접 금속부 및 HAZ 모두 실용적인 인성 확보가 곤란해진다. 따라서, O의 함유량을 0.0005∼0.0035%로 한다. 바람직하게는 0.0008∼0.0018%이다.

Ti는, 질화물을 생성하여 결정립의 조대화를 억제함과 동시에, 변태 조직을 미세화하는 작용을 갖는다. 그러나, 특정량 미만의 첨가로는 상기 작용을 발휘하지 않고, 또 다량으로 첨가한 경우에는 모재 인성 및 용접부 인성에 악영향을 미친다. 따라서, Ti의 함유량을 0.005∼0.03%로 한다. 바람직하게는 0.007∼0.015%이다.

Mo는 세립화와 탄화물 석출에 의해 모재의 강도 및 인성을 향상시킨다. 한편 과잉으로 첨가하면 모재의 성능 향상 효과가 포화함과 동시에 HAZ의 인성을 현저하게 손상시킨다. 따라서, Nb의 함유량은 0.003∼0.03%로 한다. 바람직하게는 0.003∼0.015%이다.

Mo는 담금질성을 확보하여, HAZ 인성을 향상시키는 효과가 있지만, 과잉으로 첨가하면 HAZ에서의 현저한 경화를 초래하여 인성을 열화시킨다. 따라서, Mo의 함유량은 0.1∼0.8%로 한다. 바람직하게는 0.1∼0.5%이다.

Cr은 강재의 담금질성을 증가시켜 강도 확보에 유효하지만, 미량 첨가로는 향상 효과를 발휘할 수 없고, 과잉으로 첨가한 경우에는 용접 금속부 및 HAZ의 경화 방지 및 용접 저온 균열 감수성을 증대시키는 경향이 있다. 따라서, Cr을 첨가하는 경우는, Cr의 함유량을 0.03∼0.80%로 한다. 바람직하게는 0.05∼0.60%이다.

B는, 담금질성을 향상시켜 강도를 높이는 작용이 있다. 한편 과잉으로 첨가하면, 강도를 높이는 효과가 포화하고, 모재, HAZ 모두 인성 열화의 경향이 현저해진다. 따라서, B를 첨가하는 경우는, B의 함유량을 0.0002∼0.002%로 한다. 바람직하게는 0.003∼0.0015%이다.

V는, 탄질화물을 생성하여 결정립의 조대화를 억제함과 동시에, 변태 조직을 미세화하는 작용을 갖는다. 그러나, 특정량 미만의 첨가로는 상기 작용을 발휘하지 않고, 또 다량으로 첨가한 경우에는 모재 인성 및 용접부 인성에 악영향을 미친다. 따라서, V를 첨가하는 경우는 V의 함유량을 0.001∼0.05%의 함유량으로 한다. 바람직하게는 0.005∼0.04%이다.

Ca, Mg, REM은 입자 내 페라이트의 석출 핵이 되는 산화물, 황화물을 생성하는 원소이다. 또, 황화물의 형태를 제어하여, 저온 인성을 향상시킨다. 이러한 Ca, Mg, REM의 효과를 얻기 위해서는, Ca의 경우 0.0005% 이상, Mg, REM의 경우 0.0001% 이상의 함유가 필요해진다. 한편, Ca의 경우 0.005%를 넘으면, Mg, REM의 경우 0.01%를 넘으면, Ca, Mg계의 대형 개재물이나 클러스터를 생성하여 강의 청정도를 열화시킨다. 따라서, Ca를 첨가하는 경우는, Ca의 함유량을 0.0005∼0.005%, Mg, REM을 첨가하는 경우는, Mg, REM의 함유량을 0.0001∼0.01%로 한다.

또, 본 발명의 강은, 하기 (I)식으로 나타낸 Pcm이 0.25 이하이고, 강 중에 분산한 장경이 1nm 이상인 Cu 입자에 대해, 원상당 직경의 평균값이 4∼25nm이고, 또한 평면율 환산 분포량이 3∼20%인 것이 바람직하다.

Pcm=C+(Si/30)+(Mn/20)+(Cu/20)+(Ni/60)+(Cr/20)+(Mo/15)+(V/10)+5B…(I)

Pcm은 용접 균열 감수성을 나타내는 지수이며, 그 값이 0.25 이하이면, 통상의 용접 시공 조건에서 용접 균열이 발생하지 않는다. 따라서 Pcm은 0.25 이하로 한다. Pcm을 낮게 하면 용접시의 예열을 생략할 수 있다. 바람직하게는 0.22 이하, 더욱 바람직하게는 0.20 이하이다.

다음에, Cu 석출물의 원상당 직경 평균값 및 평면율 환산 분포량에 관해 설명한다. 장경 1nm 이상의 Cu 입자를 대상으로 하는 이유는, 1nm보다 작은 입자는 강도를 높이는 기여가 작기 때문이다. Cu 입자의 장경의 상한에 대해서는, 특별히 정하지 않지만 평균값 4∼25nm의 범위에서는 100nm을 넘는 입자는 출현하지 않는다. 또한, Cu 입자의 석출 형태는 대개 구형상인데, 입체 형상을 계측하는 것은 용이하지 않기 때문에 투영된 형상을 계측한다.

여기서, 원상당 직경이란, 입자의 투영 면적과 같은 면적을 갖는 원의 직경이며, 구체적으로는,

d=√(4a/pai) a : 투영 면적(nm²), d : 원상당 직경(nm), pai : 3.14

에 의해 구한다.

평면율 환산 분포량에 대해서는, 강재를 박막형으로 가공하여, 약 0.2마이크로미터의 두께를 갖는 부분에 대해 TEM 관찰을 실시하여, 박막형 시험편 중에 입체적으로 분포한 Cu 입자를 평면 투영한 경우의 면적율을 배율 100000배의 TEM 사진에 대해 측정함으로써 산출한다.

여기에, 원상당 직경, 평면율 환산 분포량을 상기와 같이 규정한 이유에 대해, 더욱 자세히 설명한다.

해양 구조물에 사용되는 강의 특징으로서는, 폭풍의 파랑에 의한 외력에 견디기 위해서, 최대 판두께 100mm 가까운 대단히 두꺼운 고장력 강이 되는 경우가 많고, 또 금후 혹독한 상황에서 사용되므로 더욱 엄격한 CTOD값을 만족할 것이 요구된다.

Cu 석출로 강도가 너무 높아지면 CTOD값이 낮아지고, Cu 석출이 부족하면 CTOD값은 높더라도 강도가 부족하게 된다.

종래의 Cu 첨가 강에 있어서는, 해양 구조물용에 대한 적용예가 거의 없고, 엄격한 CTOD값 요구가 없었기 때문에, 이러한 Cu 석출 입자의 평균 직경이나 분포량을 엄밀히 제어할 필요가 없었다.

그래서, 본 발명의 바람직한 형태에 있어서는, Cu 석출에 의한 강도 상승과 CTOD값의 저하의 균형을 취하기 위해서 Cu 석출 입자의 평균 직경이나 분포량을 이상과 같이 규정했다.

원상당 직경을 4∼25nm으로 하는 것은 강도와 인성의 균형을 위해서이고, 평면율 환산 분포량을 3∼20%로 하는 것도 강도와 인성의 균형을 위해서이다.

Cu 입경(粒徑), 분포량을 제어하는 인자로서는 다음의 것을 생각할 수 있다.

(1) Cu 첨가량은 많을수록 분포량은 많아진다. 입경에 주는 영향에 대해서는 적정 첨가 범위이면 주로 시효 처리 전의 조직, 시효 처리의 온도 및 시간으로 평균 입경이 결정된다. 적정 첨가량보다 적으면 Cu 입자의 석출이 불충분하여 입경은 작고, 많으면 입경은 커지는 경향이 있다.

(2) 시효 전 조직의 영향은 커서, 시효 전 조직으로서는 페라이트 및 베이나이트 주체의 미세한 조직으로 하는 것이 바람직하다.

전위 또는 결정 입계 등이 Cu 입자의 석출 사이트가 되기 때문에, 이러한 석출 사이트를 많이 포함하는 조직으로 하는 것이, Cu 입경을 미세하게 하여 분포량을 많게 한다. 이를 위해서는 강의 성분을 적절히 제어함과 동시에 압연 조건을 적절히 하여, 그 후의 수냉 조건도 페라이트·베이나이트 주체의 미세 조직이 되도록 선택할 필요가 있다.

(3) 시효 처리 온도, 시간은 중요한 인자이다. Cu의 확산 속도, 입자의 성장 속도를 시효 처리 조건에 따라 엄밀하게 조정함으로써 목적으로 하는 입자 분산 상태로 제어한다.

상술한 3개의 인자를 적절하게 조정하여, 본 발명의 강을 제조하면 되며, 이상의 개시에 기초하면 당업자에게는 본 발명의 실시는 곤란하지 않다.

다음에, 본 발명에 따른 고장력 강의 제조 방법에 관해 설명한다.

상기와 같은 강 성분 조성이라 해도 Cu의 석출 경화를 충분히 발휘시키고, 또한 두께 50mm 이상의 두꺼운 강재의 판두께 방향 각 위치의 강도 및 인성을 균일하게 고 인성화시키고, 또한 항복 강도를 향상시키기 위해서는, 제조 방법이 적절하지 않으면 안된다.

제강 공정까지는 관용의 방법으로 행하면 되고, 본 발명에 있어서 특별히 제한은 없다. 제강 공정에 이어서 강편(鋼片)을 얻는데, 비용 저감의 관점에서, 연속 주조법으로 슬래브(강편)를 제작하는 것이 바람직하다.

여기서, 강편의 가열, 열간 압연, 냉각 및 뜨임 조건에 관해 설명한다. 우선 상기 성분 조성의 강편을 900∼1120℃로 가열하여 열간 압연을 행한다. 본 발명에 있어서는, 고 인성을 얻기 위해서는, 두꺼운 강재의 판두께 중심부에서, 상부 베이나이트 조직이 생성되어도 충분할 정도로 오스테아니트 입자를 세립화할 필요가 있어, 가열 단계에서 강편 두께 내의 오스테나이트 입자의 세립화가 중요하다. 900℃ 미만의 낮은 온도에서는 이 고용화 작용이 충분하지 않아, 뜨임 처리에 있어서 충분한 석출 경화를 기대할 수 없다. 그러나, 1120℃를 넘는 가열 온도에서는, 압연 전의 오스테나이트 입자를 세립 또한 정립(整粒)으로 유지할 수 없게 되어, 그 후의 압연에 있어서도 오스테나이트 입자가 균일 세립화되지 않는다. 따라서, 강편의 가열 온도를 900∼1120℃로 했다. 바람직하게는 900∼1050℃, 더욱 바람직하게는 900∼1000℃이다.

압연에 있어서는, 900℃ 이하에 있어서의 총 압하량을 50% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 열간 압연 후, Ar₁점 이상의 온도로부터 수냉을 시작하여, 600℃ 이하의 온도에서 정지하는 담금질 처리를 행한다. 이것은, 조직 미세화를 도모하고, 시효 처리 전 단계에서의 Cu 입자 석출을 가능한 한 억제하기 위해서이다. Ar₁점 미만의 온도로부터의 수냉에서는, 또는 냉각이 공냉에서는 가공 변형의 소실이 일어나, 강도·인성 저하의 원인이 된다.

압연 다듬질 온도는 700℃ 이상, 냉각 개시 온도는 680℃∼750℃, 냉각 정지 온도까지의 냉각 속도는 1∼50℃/s로 하는 것이 바람직하다. 수냉 정지 온도가 600℃를 넘으면 뜨임 처리에 있어서의 석출 강화 작용이 불충분해진다.

또한, Ar₁점은 미소 시험편의 체적 변화를 측정하는 방법으로 구해진다.

다음에, 열간 압연 후, 수냉된 강은, 그 후 필요에 따라 가열을 행하여, 540℃ 이상 Ac₁점 이하의 온도에서 시효 처리를 행하고, 이어서 냉각한다.

여기서, 시효 온도로까지 가열을 행하는 경우, 시효 온도 -100℃까지의 평균 가열 속도, 및 500℃까지의 평균 냉각 속도에 대해서는 제어를 행한다. 이 시효 처리는 Cu의 석출물을 충분히 석출 경화시키기 위해서이고, 가열/냉각 속도의 제어는, Cu 입자의 분산을 균일화시키기 위해서 실시하기 때문이다. 따라서, 가열 속도는 목표 온도 -100℃까지의 평균 가열 속도 5∼50℃/분, 유지 시간은 1시간 이상, 냉각 속도는 500℃까지의 평균 냉각 속도 5∼60℃/분 이상으로 하는 편이 바람직하다.

여기서, 본 명세서에 있어서의 가열 온도는 로(爐) 내 분위기 온도로 하고, 가열 후 유지 시간은 로 내 분위기 온도에서의 유지 온도로 하고, 압연 종료 온도 및 수냉 개시/정지 온도는 강재의 표층 온도로 하고, 재가열시의 가열/냉각 평균 속도에 대해서는 강재의 두께 1/2t 위치에서의 온도 계산으로부터 산출하는 것으로 한다.

본 발명에 따른 고장력 강으로부터 대형 해양 구조물을 구성하기 위해서는, 판재, 관재, 또한 형재 등의 강재를 용접에 의해 조립하는데, 일반적으로는 강판으로서 사용된다.

본 명세서에서 "용접성"이 뛰어나다고 한 경우, 통상적으로는 용접 입열량 300kJ/cm 이상의 아크 용접이 가능한 것을 의미하는데, 용접법으로서는 그 밖에, 서브머지 아크 용접, 피복 아크 용접 등이어도 된다.

여기에, 해양 구조물로서는, 해저에 부설되는 플랫폼이나, 잭업 리그 뿐만 아니라, 세미서브 리그(반잠수식 석유 굴착 리그) 등도 포함되며, 용접성과 저온 인성이 요구되는 해양 구조물이면, 특별히 제한은 없다. 또한, "대형"이라고 하는 경우, 그것에 사용되는 강재의 두께가 50mm 이상인 것을 의미한다.

본 예에서는, 표 1 및 표 2의 화학 성분을 갖는 300mm 두께의 강편을 연속 주조법으로 제작했다. 여기서 판두께 중심 위치의 개재물 제어의 관점에서, 연속 주조 과정에서는, 용강의 온도를 과도하게 높게 하지 않고, 용강 조성으로부터 정해지는 응고 온도에 대해, 그 차가 50℃ 이내가 되도록 관리하고, 또한 응고 직전의 전자 교반, 응고시의 압하를 행했다.

표 3 및 표 4에 표 1 및 표 2에 나타낸 화학 성분을 갖는 강편의 가공 조건을 나타낸다. 여기서, 표 3, 표 4에 나타낸 가공 조건은, 각각 표 1, 표 2에 나타낸 화학 성분을 갖는 강편의 가공 조건이다.

300mm 두께의 슬래브는 각 가열 온도, 각 가열 시간으로 가열 후, 열간 압연을 행한 후, 수냉 개시 온도부터 수냉 정지 온도까지 평균 냉각 속도를 5℃/s로 냉각하여, 판 두께 77mm의 강판으로 했다.(이들 조건에 대해서는, 표 3 및 표 4에 초기 가열·압연 조건으로 표기)

그 후, 각 시효 온도까지 재가열하여, 각 유지 시간 유지했다. 여기서 가열 속도는, 시효 온도 -100℃까지의 평균 가열 속도를 10℃/분이 되도록 제어하고, 냉각 속도는, 500℃까지의 평균 냉각 속도가 10℃/분이 되도록 제어했다.(이들 조건에 대해서는, 표 3 및 표 4에 시효 처리 조건으로 표기)

이렇게 해서 얻어진 강의 인장 시험은, ASTM 규격에 준거해, 평행부 12.5mm 직경의 인장력 시험편을 압연 방향에 대해 직각 방향의 판두께 중앙으로부터 채취하여, 실시했다.

마찬가지로, 얻어진 강의 CTOD 시험은, BS7448규격에 준거해, 전체 두께의 3점 굽힘 시험편을 압연 방향으로 직각의 방향으로부터 채취하여, -40℃에서 실시했다.

용접 이음매부는, BS7448규격에 준거해, K 그루브 가공한 강판 맞댐부에 10.0kJ/cm의 FCAW 용접(Flux Cored Arc Welding)을 실시하여 얻었다. 이렇게 해서 얻어진 이음매에 대해, CTOD 시험편의 피로 노치가 V형 그루브의 스트레이트부측의 용접선이 되도록 가공을 행하여 얻은 시험편에, -40℃에서 CTOD 시험을 실시했다.

또, 대 입열 용접에 대한 대응성을 확인하기 위해서, 같은 강에 대해, 20°V 그루브 가공한 뒤에 맞대어, 입열량 350kJ/cm의 일렉트로 가스 아크 용접(EGW)에 의해 용접 이음매를 제작했다. 이 때 제작한 용접 이음매에 대해서는, ASTM E1290에 준한 CTOD 시험을 실시했다. CTOD 시험편은 피로 노치가 용접선이 되도록 가공하여, 시험온도 -10℃에서 한계 CTOD값을 측정했다.

또한, Cu 입자의 원상당 직경의 평균값은, 배율 100000배의 투과형 전자 현 미경(TEM) 사진에서 관찰되는, 장경이 1nm 이상인 각 석출물에 대해 원상당 직경을 측정하여, 그 직경에 대해 사진 1시야마다의 평균값을 구함으로써 산출했다. 또한, 측정의 편차를 적게 하기 위해서, 측정은 강재 원래 두께의 1/4의 위치에 대해, TEM 사진의 10시야(1시야는 900×700nm의 장방형)를 관찰하여, 그 평균값을 사용했다.

표 1은, 본 발명에서 규정하는 화학 성분을 만족하는 공시재(供試材)를 나타낸 것이다. 이들 공시강을 표 3에 나타낸 가공 조건으로 제조 처리한 것은, 표 5에 나타낸 바와 같이 모두 Cu 입자의 분산 상태가 규정 범위를 만족하는 것이 되었다. 그 때문에, 어느 공시 강이나 모재 강도, 모재 CTOD 특성, 이음매 CTOD 특성(-40℃ 및 -10℃)이 높은 값이 되었다.

표 2 중, No.40은, 본 발명에서 규정하는 화학 성분을 만족하는 공시재를 나타낸 것이며, No.41∼No.60은, 화학 성분 범위 중 어느 하나가 본 발명에서 규정하는 범위 밖인 공시재를 나타낸 것이다. 이들 공시강을 표 4에 나타낸 가공 조건으로 제조 처리한 것은, 표 6에 나타낸 것 같은 Cu 입자의 분산 상태가 되었다.

No.40에 대해서는, 본 발명에서 규정하는 화학 조성은 만족하지만, Cu 입자의 분산 상태가 규정 범위를 만족하는 것으로는 되지 않았으므로, 모재 강도가 낮은 값이 되었다. 따라서, 대 입열 용접 특성과 모재 강도를 양립시키기 위해서는, 본 발명에서 규정하는 Cu 입자의 분산 상태를 만족하는 것이 바람직하다.

또, No.41∼No.60에 대해서는, 본 발명에서 규정하는 화학 조성을 만족하지 않기 때문에, 모재 강도, 모재 CTOD 특성, 이음매 CTOD 특성(-40℃ 및 -10℃)을 동 시에 만족할 수 없었다.

Claims (9)

1. 질량%로, C : 0.01∼0.10%, Si : 0.5% 이하, Mn : 0.8∼1.8%, P : 0.020% 이하, S : 0.01% 이하, Cu : 0.8∼1.5%, Ni : 0.2∼1.5%, Al : 0.001∼0.05%, N : 0.003∼0.008%, O : 0.0005∼0.0035%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물이고, 또한 N/Al이 0.3∼3.0이고,

   하기 (I)식으로 나타내는 Pcm이 0.25 이하이고, 강 중에 분산한 장경(長徑)이 1nm 이상인 Cu 입자에 대해, 원(圓)상당 직경의 평균값이 4∼25nm이고, 또한 평면율 환산 분포량이 3∼20%인 것을 특징으로 하는 고장력 강(鋼).

   Pcm=C+(Si/30)+(Mn/20)+(Cu/20)+(Ni/60)+(Cr/20)+(Mo/15)+(V/10)+5B …(I)
2. 청구항 1에 있어서,

   질량%로, Ti : 0.005∼0.03%를 함유하는 것을 특징으로 하는 고장력 강.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,

   질량%로, Nb : 0.003∼0.03%를 함유하는 것을 특징으로 하는 고장력 강.
4. 청구항 1 또는 2에 있어서,

   질량%로, Mo : 0.1∼0.8%를 함유하는 것을 특징으로 하는 고장력 강.
5. 청구항 1 또는 2에 있어서,

   질량%로, Cr : 0.03∼0.80%, B : 0.0002∼0.002%의 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 고장력 강.
6. 청구항 1 또는 2에 있어서,

   질량%로, V : 0.001∼0.05%를 함유하는 것을 특징으로 하는 고장력 강.
7. 청구항 1 또는 2에 있어서,

   질량%로, Ca : 0.0005∼0.005%, Mg : 0.0001∼0.005%, REM : 0.0001∼0.01%의 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 고장력 강.
8. 삭제
9. 청구항 1 또는 2에 기재된 고장력 강을 사용한 해양 구조물.