KR101095911B1 - 저온인성이 우수한 용접성 초고강도강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저탄소-저합금계의 강에 친환경 저가원소인 구리(Cu)와 붕소(B)를 첨가하여 제조된 저온인성이 우수한 용접성 초고강도강을 제공한다. 그 초고강도강은 중량 %로, C:0.05-0.1%, Si:0.1-0.5%, Mn:1.5-2.5%, Ni:0.2-0.5%, Cu:0.5-2.0%, Cr:0.1-0.5%, Mo:0.1-0.5%, Nb:0.01-0.05%, V:0.01-0.1%, Ti:0.01-0.03%, Al:0.05% 이하, B:0.0005-0.002% 이고, 나머지는 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, Ceq(탄소당량)가 0.3 내지 0.6이고, Pcm(용접균열 감수성 지수)이 0.3 이하이며, 템퍼링된 마르텐사이트와 템퍼링된 베이나이트의 혼합조직의 부피분율이 90% 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

저온인성이 우수한 용접성 초고강도강{Weldable ultra-high strength steel with excellent low-temperature toughness}

본 발명은 저온인성(low-temperature toughness)이 우수한 용접성 초고강도강(ultra-high strength)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저탄소-저합금계의 강에 친환경 저가원소인 구리(Cu)와 붕소(B)를 첨가하여 항복강도가 1.1GPa 이상이고 저온 충격에너지가 200J 이상인 초고강도강에 관한 것이다.

현재 건축용, 조선용, 해양구조용, 압력용기용, 강관용이나 산업 기계용으로 사용되는 구조용 강재는 경제성과 안정성의 관점에서 우수한 용접성과 인성을 가지면서 초고강도화 되고 있다. 또한 조선용이나 해양구조용, 강관용 강들의 사용 환경이 점차 가혹해짐에 따라 -20^oC 이하의 저온에서도 구조적인 안정성을 확보하기 위하여 우수한 저온인성에 대한 요구가 커지고 있다.

저온에서의 구조용 강으로 널리 사용되는 니켈 함유강(일반적으로 약 3.0중량% Ni 이상)은 저온인성이 우수하지만, 비교적 낮은 인장강도로 인해 큰 하중을 견디기 위해 이중(二重) 어닐링 열처리를 수행하거나 니켈 함유량을 높이거나 두께를 증가시키는 등으로 인해 비용이 크게 상승하는 단점이 있다.

한편 대표적인 고강도 고인성강으로 잘 알려진 HY-80 및 HY-100 강 등은 강도는 높지만, 탄소함량이 0.12-0.20중량%이고, Ceq가 0.8 내지 0.9 범위로 인해 용접성이 매우 열악하다. 이후 다양하게 개발된 고강도 저합금(HSLA, high-strength low-alloy) 강들은 탄소함량의 감소, Nb 첨가에 의한 결정립 미세화, Mn, Ni, Cr, Mo 첨가를 통한 경화능 증가, 구리 석출물에 의한 석출강화 등의 다양한 방법을 통해 용접성이 저하되지 않고 강도가 크게 향상되었다.

그러나 일반 HSLA 강들은 대부분 저온인성이 낮기 때문에 우수한 저온인성과 함께 고강도를 얻기 위해서 Ni, Mo 등의 고가(高價)의 합금원소가 많이 첨가되며, 대부분 강도가 증가함에 따라 용접성과 저온인성은 감소하는 문제점이 있다. 현재 미국등록특허 6,264,760, 미국등록특허 5,876,521 및 미국등록특허 6,159,312 등에 제시된 바와 같이, 하부 베이나이트나 템퍼드 마르텐사이트, 2상 조직 등의 다양한 미세조직학적 접근법을 통해 우수한 저온인성과 용접성을 갖는 최신의 HSLA 강, 즉 강관용 초고강도강이 개발되었으나 아직도 고가의 합금원소 첨가량이 많은 편이며, 최대 항복강도는 830MPa (API 규격 120에 해당) 정도에 그치고 있는 실정이다.

또한 최근 자원 재활용, 지구 온난화와 같은 환경적인 문제와 함께 원자재비 상승, 고유가에 따른 경제적인 측면이 크게 부각되면서 보다 친환경적이고 경제적인 방법으로 초고강도강을 제조하려는 공학적인 요구가 더욱 커지고 있다. 따라서 구리나 붕소 등과 같은 친환경 저가원소를 활용하여 고가의 합금원소를 최소화시킴으로써 보다 친환경적이고 경제적인 방법으로 용접성과 저온인성이 우수한 1.1GPa 이상의 초고강도강을 제조할 필요가 있다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고가의 합금원소를 최소화할 목적으로 친환경 저가원소인 구리와 붕소를 첨가하여 저비용으로 저온인성이 우수한 용접성 초고강도강을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 초고강도강은 중량 %로, C:0.05-0.1%, Si:0.1-0.5%, Mn:1.5-2.5%, Ni:0.2-0.5%, Cu:0.5-2.0%, Cr:0.1-0.5%, Mo:0.1-0.5%, Nb:0.01-0.05%, V:0.01-0.1%, Ti:0.01-0.03%, Al:0.05% 이하, B:0.0005-0.002% 이고, 나머지는 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, Ceq(탄소당량)가 0.3 내지 0.6이고, Pcm(용접균열 감수성 지수)이 0.3 이하이며, 템퍼링된 마르텐사이트와 템퍼링된 베이나이트의 혼합조직의 부피분율이 90% 이상이다.

또한, 상기 초고강도강은 상온과 -20℃에서의 충격에너지가 200J 이상이고, 항복강도가 1.1GPa 이상이며, 중량 %로, ECO 합금지수 (Mn% + 2Ni% + 0.5Cu% + 4Mo%)가 4.5 이하이다.

본 발명의 저온인성이 우수한 용접성 초고강도강에 의하면, 0.5-2.0중량%의 구리와 극미량의 붕소를 첨가하여 템퍼링된 마르텐사이트와 템퍼링된 베이나이트의 혼합조직으로 구성된 초고강도강을 제조함으로써, Ni, Mo 등의 고가의 합금원소를 최소화하는 경제적인 방법으로 1.1GPa (API 규격 150 초과) 이상의 매우 높은 항복강도와 -20^oC에서 200J 이상의 높은 충격에너지를 동시에 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 저온인성이 우수한 용접성 초고강도강의 제조방법을 개략적으로 나타낸 제조 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 용접성 초고강도강의 항복강도와 저온 충격에너지를 템퍼링 온도에 따라 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 450^oC에서 템퍼링된 강 2의 미세조직을 보여주는 투과전자현미경 사진이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

이하 본 발명의 실시예에서는 저온인성이 우수한 용접성 초고강도강과 이를 제조하는 방법으로 구분하여 설명할 것이다. 상기 강과 그 제조방법은 다음과 같은 주요한 특징을 갖는다.

본 발명에 의한 저온인성이 우수한 용접성 초고강도강은 중량 %로 0.5-2.0%의 구리와 극미량의 붕소를 함유하며, 그 외 C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, Nb, V, Ti, 및 Al의 일부 또는 모두를 포함한 Fe로 구성된다. 이때 상기 강은 항복강도가 1.1GPa (API 규격 150 초과) 이상이고, 상온과 -20^oC에서 샤르피 V-노치 충격시험에 의해 측정된 흡수에너지가 200J 이상인 것을 특징으로 한다.

구리는 전기로 조업시 스크랩에 필연적으로 함유되어 제거하기가 매우 어렵지만, 기계적 성질 향상에 유용하게 활용할 경우 재활용성이 우수한 원소이다. 붕소는 0.0005-0.002중량%의 극미량 첨가로도 강의 경화능을 매우 크게 향상시키므로 Ni, Mo 등과 같은 고가의 경화능 원소를 대체하기 위해 초고강도강의 제조에 많이 사용되고 있다. 따라서 본 발명에서는 탄소강을 기준으로 고가의 합금원소인 Mn, Ni, Cu, Mo 함량을 가격에 가중치를 둔 Mn 함량으로 표기한 ECO 합금지수(중량 %로, Mn% + 2Ni% + 0.5Cu% + 4Mo%)를 사용하여 친환경적이고 경제적인 성능을 평가할 때, ECO 합금지수를 4.5 이하로 하고, 산업적으로 용접성을 표현하기 위해 널리 사용되는 Ceq(탄소 당량)와 Pcm(용접균열 감수성 지수) 값을 낮추어 용접성과 저온인성이 우수한 초고강도강을 친환경적이고 저비용의 경제적인 방법으로 제조하고자 하였다.

본 발명에 의한 초고강도강은 0.5-2.0중량%의 구리와 극미량의 붕소를 함유한 슬라브를 재가열한 후 제어압연, 가속냉각, 그리고 템퍼링에 의해 제조되며, 이에 따라 템퍼링된 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합조직의 부피분율이 90% 이상으로 구성된 저온인성이 우수한 용접성 초고강도강을 얻을 수 있다.

<강의 조성>

본 발명의 강재는 다음과 같은 조성을 가지며, 여기서는 각각의 조성에 따른 수치한정 이유를 함께 설명하기로 한다. 이때, %는 중량%를 나타내며, ECO 합금지수, Ceq(탄소 당량)와 Pcm(용접균열 감수성 지수)은 다음과 같이 정의된다.

ECO 합금지수 = Mn% + 2Ni% + 0.5Cu% + 4Mo%

Ceq = C% + Mn%/6 + (Cr% + Mo% + V%)/5 + (Ni% + Cu%)/15

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

ECO 합금지수는 고가의 합금원소인 Mn, Ni, Cu, Mo 함량을 가격에 가중치를 둔 Mn 함량으로 표기하며, 합금지수가 낮을수록 친환경적이고 경제적이다. Ceq와 Pcm은 용접성을 나타내는 지표로 산업체에서 널리 사용되고 있으며, 이 값들이 낮을수록 용접성이 우수한 것으로 평가된다.

(1) 탄소(C) : 0.05-0.1%

C의 함량이 0.05% 보다 작으면, 템퍼링된 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합조직으로 900MPa 이상의 항복강도를 확보하기 어려우며, 0.1%보다 많으면 인성과 용접성이 나빠지는 단점이 있다.

(2) 실리콘(Si) : 0.01-0.5%

탈산 및 강도향상을 위해 첨가하며, 0.01% 보다 작을 때에는 탈산효과가 불충분하고, 0.50%보다 많이 첨가되면 인성과 용접성이 저하된다.

(3) 망간(Mn) : 1.5-2.5%

낮은 C 함량에 의해 감소된 경화능을 보상하여 마르텐사이트와 베이나이트계 조직의 형성을 촉진한다. 높은 강도를 얻기 위하여 1.5% 이상 첨가하며, 인성과 용접성의 저하 및 편석을 방지하기 위해 2.5% 이하로 제한된다.

(4) 니켈(Ni) : 0.2-0.5%

강도와 인성 향상에 효과적인 원소이지만, 많이 첨가되면 비용이 증가하기 때문에 열간압연 중 표면균열에 대한 구리의 유해한 효과를 줄이기 위해 위의 범위로 소량 첨가된다.

(5) 구리(Cu) : 0.5-2.0%

본 발명의 중요한 특징을 갖도록 하는 합금원소로서 강도와 인성을 향상시키기 위해 0.5% 이상이 첨가되지만, 많이 첨가되면 열간 압연 중에 표면 균열이 발생하기 쉽고, 용접성이 저하되므로 그 첨가량은 2.0% 이하로 제한된다.

(6) 크롬(Cr) : 0.1-0.5%

급랭시 충분한 경화능을 확보하기 위해 0.1% 이상 첨가되며, 많이 첨가되면 인성과 용접성이 저하되므로 0.5% 이하로 제한된다.

(7) 몰리브덴(Mo) : 0.1-0.5%

Cr과 같이 경화능을 증가시키는 원소로서 많이 첨가되면 비용이 증가하고 인성과 용접성이 저하되기 때문에 0.5% 이하로 제한된다. 템퍼링시 탄화물 입자를 형성하여 석출강화에 기여한다.

(8) 니오븀(Nb) : 0.01-0.05%

열간압연 중 탄질화물로 석출되어 재결정을 억제시키고, 결정립 성장을 방해하여 오스테나이트 결정립을 미세화시킴으로써 강도와 인성을 모두 향상시킨다. 0.01% 이하에서는 효과가 매우 작으며, 0.05%보다 많이 첨가되면 인성이 저하된다. 또한 냉각이나 템퍼링시 석출물을 형성시켜 추가적으로 강도를 증가시킨다.

(9) 바나듐(V) : 0.01-0.1%

템퍼링시 또는 용접 후 냉각시 탄화물을 형성하여 강도 증가에 기여한다. 0.01%보다 작으면 효과가 작으며, 0.10%보다 많으면 인성과 용접성이 저하된다.

(10) 티타늄(Ti) : 0.01-0.03%

0.01% 이상 첨가되면 석출물을 형성하여 강도 향상에 기여하지만, 0.03%보다 많으면 석출물이 조대화되어 인성이 저하된다.

(11) 알루미늄(Al) : 0.05% 이하

Si와 같이 탈산제로 첨가되며, 0.05%보다 많이 첨가되면 비금속산화물인 Al₂O_3을 형성하여 모재와 용접부의 인성을 저하시킨다.

(12) 붕소(B) : 0.0005-0.002%

구리와 함께 본 발명의 중요한 특징을 갖도록 하는 합금원소로서 0.0005-0.002%의 극미량 첨가는 강의 경화능을 효과적으로 향상시키기 때문에 Ni, Cr, Mo와 같은 경화능 원소를 줄이더라도 20^oC/초 이상의 속도로 가속냉각시 마르텐사이트와 베이나이트 혼합조직을 90% 이상 확보할 수 있다. 그러나 0.002% 보다 많이 첨가되면, Fe₂₃(C,B)₆와 같은 취약한 입자의 형성으로 인해 오히려 경화능이 감소된다.

(13) 기타 불가피하게 첨가되는 불순물인 인(P), 황(S), 질소(N) 등은 최소화되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 저온인성이 우수한 용접성 초고강도강에서 ECO 합금지수는 4.5 이하가 되는 것이 경제적이며, 강도의 확보와 용접성 측면을 동시에 고려할 때 Ceq가 0.3-0.6이고, Pcm이 0.3 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.

<제조방법>

도 1은 본 발명에 의한 저온인성이 우수한 용접성 초고강도강의 제조방법을 개략적으로 나타낸 제조 공정도이다.

도 1을 참조하면, 저온인성이 우수한 용접성 초고강도강의 제조방법은, 중량%로, C:0.05-0.1%, Si:0.1-0.5%, Mn:1.5-2.5%, Ni:0.2-0.5%, Cu:0.5-2.0%, Cr:0.1-0.5%, Mo:0.1-0.5%, Nb:0.01-0.05%, V:0.01-0.1%, Ti:0.01-0.03%, Al:0.05% 이하, B:0.0005-0.002% 이고, 나머지는 Fe와 기타 불가피한 불순물로 구성되는 강의 슬라브를 통상 1,000^oC 이상으로 가열한다. 이는 재가열 단계(S100)에 해당된다. 그후, 오스테나이트가 재결정화되는 온도와 그 이하에서 열간압연한다. 이는 제어압연 단계(S200)에 해당된다. 열간압연된 강재를 20^oC/초 이상의 속도로 300^oC 이하까지 급랭시킨다. 이는 가속냉각 단계(S300)에 해당된다. 이어서 냉각된 강재를 400^oC와 600^oC 사이의 온도에서 10분 이상 템퍼링한다. 이는 템퍼링 단계(S400)에 해당된다.

상기 재가열 단계에서는 강의 슬라브 내에 있는 (V,Nb)(C,N) 등의 모든 탄화물 또는 탄질화물이 완전히 용해되도록 한다.

상기 제어압연 단계에서는 재가열된 강의 슬라브를 오스테나이트가 재결정화되는 온도 이상과 그 이하에서 각각 40% 이상의 압하를 가하여 열간압연한다. 왜냐하면 가속냉각 전에 오스테나이트 결정립을 미세화시키고, 오스테나이트 내부에 전위나 변형띠와 같은 결함들을 생성시켜 오스테나이트에서 페라이트로의 변태를 촉진함으로써 최종적인 미세조직의 결정학적 크기를 감소시켜 강도와 인성을 모두 향상시키기 위함이다. 모든 열간압연은 Ar3 이상의 온도에서 마무리 되며, 이때 오스테나이트의 결정립 크기는 10 ㎛ 이하가 되어야 한다.

가속냉각 단계는 열간압연된 강재를 Ar3 이상의 온도에서 20^oC/초 이상의 속도로 300^oC 이하까지 급랭시키는 과정이다. 상기 과정동안 오스테나이트로부터 마르텐사이트가 주로 형성되며, 급랭되는 마무리 온도가 낮을수록 마르텐사이트의 부피분율은 증가한다. 이후 급랭된 강재를 상온으로 공랭하는 과정 중에 베이나이트가 추가적으로 형성된다.

템퍼링 단계는 가속냉각된 강을 400-600^oC의 온도에서 10분 이상 가열한 후 냉각하는 과정이다. 상기 과정동안 템퍼링된 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합조직으로 구성되며, 이전 단계에 비해 실질적으로 균일한 미세조직과 특성을 제공한다.

상기와 같은 과정에 따라 제조된 강의 미세조직은 템퍼링된 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합조직으로 그 부피분율은 90% 이상인 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따르면 고가의 함금원소 첨가량을 최소화하고, 0.5-2.0중량%의 구리와 극미량의 붕소를 함유한 템퍼링된 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합조직에 의해 저온인성이 우수한 용접성 초고강도강의 제조가 가능하다.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

<실시예>

표 1은 본 발명의 실시예가 적용된 템퍼링재와 상기 템퍼링재와 비교되는 미템퍼링재의 화학조성, ECO 합금지수, 냉각속도 및 냉각종료온도를 나타낸다. 여기서, 미템퍼링재는 템퍼링 공정을 거치지 않은 강을 지칭한다.

표 1에 의하면, 강 1 내지 강 3을 기재된 바와 같이 조성되는 100mm 두께의 강재로 하여 1,150^oC에서 2시간 정도 재가열한 후 오스테나이트가 재결정화되는 온도와 그 이하에서 각각 50-60% 정도의 압하를 가하여 15mm의 두께까지 열간압연하였다. 이어 상기 열간압연된 판재를 Ar₃ 이상의 온도에서 300^oC 이하까지 20^oC/초 이상의 속도로 냉각시켜 미템퍼링재를 제조하거나 상기 미템퍼링재를 450^oC, 550^oC, 650^oC의 온도에서 각각 30분간 템퍼링을 실시하여 3 종류의 템퍼링재를 제조하였다.

한편, 표 1과 같이 제조된 강재에 대한 항복강도, 인장강도, 연신율, 그리고 상온과 -20^oC에서 표준 샤르피 V-노치 충격시편의 흡수에너지를 측정하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다. 표 2는 표 1의 템퍼링재와 미템퍼링재의 기계적 성질을 비교한 것이다.

(*는 -20^oC에서 실시)

도 2는 표 1 및 표 2에 제시된 강재에 대한 용접성 초고강도강의 항복강도와 저온 충격에너지를 템퍼링 온도에 따라 나타낸 그래프이다.

상기 표 2와 도 2에서 알 수 있듯이, 템퍼링되지 않은 강 1 내지 강 3(미템퍼링재)은 항복강도가 1.1GPa 이하, 상온과 저온의 충격에너지가 100J 이하로 항복강도와 저온인성이 모두 열악하였다. 본 발명의 조성범위에 부합하는 템퍼링된 강(템퍼링재) 중에서 450^oC에서 템퍼링된 강 2와 550^oC에서 템퍼링된 강 3은 상온과 저온의 충격에너지가 200J 이상이고, 항복강도가 1.1GPa 이상으로 저온인성이 우수한 초고강도를 나타내고 있다. 그러나 본 발명의 조성범위에는 부합하지만, 450^oC와 650^oC에서 템퍼링된 강 3은 항복강도는 1.1GPa 이상이지만 상온과 저온의 충격에너지가 200J 이하이고, 550^oC와 650^oC에서 템퍼링된 강 2는 상온과 저온의 충격에너지가 200J 이상이지만 항복강도가 1.1GPa 이하로 나타나 저온인성과 항복강도가 동시에 우수하지는 못하였다.

또한 구리의 함량이 0.5중량% 이하로 본 발명의 조성범위를 벗어나지만, 450-650^oC에서 템퍼링된 강 1은 상온과 저온의 충격에너지가 200J 이상으로 높지만, 항복강도는 1.1GPa에 미치지 못하였다.

따라서 본 발명에 의하면 항복강도가 1.1GPa 이상이고, 상온과 저온의 충격에너지가 200J 이상인 우수한 기계적 성질을 확보하기 위해서는 Cu의 함량을 0.5-2.0중량%로 하고, 400^oC와 600^oC 사이의 적절한 템퍼링 온도로 제조하여 템퍼링된 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합조직을 형성할 필요가 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의해 450^oC에서 템퍼링된 강 2의 미세조직을 보여주는 투과전자현미경 사진이다. 사진에서와 같이 전위밀도가 낮아진 템퍼링된 마르텐사이트와 베이나이트의 모습을 볼 수 있었다. 특히, 본 발명의 실시예에 의하면 템퍼링된 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합조직의 부피분율이 90% 이상인 것을 확인하였다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims (3)

1. 중량 %로, C:0.05-0.1%, Si:0.1-0.5%, Mn:1.5-2.5%, Ni:0.2-0.5%, Cu:0.5-2.0%, Cr:0.1-0.5%, Mo:0.1-0.5%, Nb:0.01-0.05%, V:0.01-0.1%, Ti:0.01-0.03%, Al:0.05% 이하, B:0.0005-0.002% 이고, 나머지는 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, Ceq(탄소당량)가 0.3 내지 0.6이고, Pcm(용접균열 감수성 지수)이 0.3 이하이며, 템퍼링된 마르텐사이트와 템퍼링된 베이나이트의 혼합조직의 부피분율이 90% 이상인 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 용접성 초고강도강.
2. 제1항에 있어서, 상기 초고강도강은 상온과 -20℃에서의 충격에너지가 200J 이상이고, 항복강도가 1.1GPa 이상인 저온인성이 우수한 용접성 초고강도강.
3. 제1항에 있어서, 상기 초고강도강은, 중량 %로, ECO 합금지수 (Mn% + 2Ni% + 0.5Cu% + 4Mo%)가 4.5 이하인 것을 특징으로 하는 저온인성이 우수한 용접성 초고강도강.

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