KR101318227B1

KR101318227B1 - 구리를 함유한 복합 베이나이트계 강재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101318227B1
Application number: KR1020080047914A
Authority: KR
Inventors: 황병철; 이창길; 이태호
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2008-05-23
Filing date: 2008-05-23
Publication date: 2013-10-15
Also published as: JP2009280902A; CN101586219A; KR20090121822A

Abstract

고가의 합금원소의 첨가량을 최소화함과 동시에 B의 첨가 없이 저비용으로 용접성이 우수한 고강도 및 고인성 강재 및 그 제조방법을 제시한다. 그 강재 및 방법은 중량 %로, C:0.05-0.1%, Si:0.01-0.5%, Mn:1.5-2.5%, Ni:0.5% 이하, Cu:1.0-2.0%, Cr:0.5% 이하, Mo:0.5% 이하, Nb:0.01-0.05%, V:0.01-0.1%, Ti:0.01-0.03%, Al:0.05% 이하이고, 나머지는 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, Ceq가 0.3 내지 0.6이고, Pcm이 약 0.3 이하이며, 입상 베이나이트, 변질 상부 베이나이트, 하부 베이나이트의 3상으로 구성된 강재를 제조한다.

구리, 복합 베이나이트, 고강도, 고인성, 용접성, 강재

Description

구리를 함유한 복합 베이나이트계 강재 및 그 제조방법{Cu-added complex bainitic steel and manufacturing method thereof}

본 발명은 복합 베이나이트계 강재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구리(Cu)를 함유하면서 고강도(high strength) 및 고인성(high toughness)을 갖는 복합 베이나이트계 강재 및 제어압연과 가속냉각을 이용한 이의 제조방법에 관한 것이다.

현재 건축용, 조선용, 해양구조용, 라인파이프용이나 기계 구조용으로 사용되는 강재의 경우 내구성을 향상시키기 위하여 우수한 용접성과 함께 높은 강도와 인성이 요구되고 있다.

일반적으로 고강도 및 고인성 강재를 제조하는 미세조직학적 접근법으로는 하부 베이나이트(lower bainite), 템퍼드 래스 마르텐사이트(tempered lath martensite), 2상(dual phase) 조직 등을 형성시키는 방법이 대표적이다. 하부 베이나이트 조직은 제어압연과 가속냉각으로 제조되어 전위밀도가 높고, 결정학적 크기가 작아 우수한 강도와 인성의 조합을 가지는 것으로 평가되어 있다. 이때, 가속냉각 조건에 따라 래스 마르텐사이트가 일부 포함될 수 있다. 그런데, 하부 베이나이트 조직을 잘 형성시키기 위해서는 Ni, Cr, Mo 등의 고가의 합금원소를 다량 첨가하고, 냉각속도와 변태온도를 적절하게 제어해야 하는 어려움이 있다.

템퍼드 마르텐사이트 조직은 래스 마르텐사이트를 일정한 온도에서 템퍼링하여 하부 베이나이트와 래스 마르텐사이트의 장점을 결합시킴으로써 우수한 강도와 인성의 조합을 확보할 수 있다. 최근 템퍼링 동안 2차상의 석출을 이용하여 넓은 템퍼링 온도 범위에서 강도의 감소를 최소화하는 방법이 알려져 있다. 하지만, 템퍼드 마르텐사이트 조직은 일반적으로 항복비가 높고, 추가적인 템퍼링 공정으로 인해 비용이 증가하고, 생산성이 크게 떨어지는 단점이 있다.

2상 조직은 페라이트와 오스테나이트 2상 영역 구간에서의 압하와 급랭을 통해 상대적으로 연한 페라이트와 균일하게 분포된 경한 마르텐사이트로 구성된다. 자동차용 강판에서 사용되는 2상 조직과는 달리 위의 2상 조직은 마르텐사이트의 부피분율이 50% 이상이고, 페라이트와 오스테나이트 2상 영역 구간에서의 압하로 인해 페라이트의 전위밀도가 높고, 미세한 석출물이 분산되어 우수한 강도와 인성의 조합을 얻을 수 있다. 하지만, 2상 영역 구간에서의 압하를 위해 마무리 압연온도가 낮아지므로 생산성이 저하되며, 비용이 다소 증가된다.

위의 세 가지 미세조직들을 제조하는 방법 중에서 하부 베이나이트 조직을 형성하기 위한 제어압연과 가속냉각은 다른 제조방법에 비해 제조과정이 비교적 단순하여 생산성이 우수한 경제적인 것으로 알려져 있다. 특히 최근에 다량의 합금원소와 함께 붕소(B)를 첨가하여 하부 베이나이트 조직을 기반으로 하는 고강도 및 고인성 강재가 개발되고 있다. 이들은 높은 인성과 함께 인장강도가 900MPa 이상인 우수한 기계적 특성을 나타내고 있다.

그러나 하부 베이나이트 조직을 기반으로 하는 이들 강재의 경우 Ni, Mo, Cr 등 고가의 합금원소가 많이 첨가되고, 경화능을 높이기 위해 첨가되는 B의 함량을 수 ppm 단위로 조절해야 하는 등의 단점이 있다. 또한 산업적으로 용접성을 표현하기 위해 널리 사용되는 Ceq(탄소 당량)와 Pcm(용접균열 감수성 지수) 값을 낮추어 용접성을 향상시키고 생산원가를 줄이기 위해서는 Ni, Mo, Cr 등의 합금원소의 첨가량을 최소화할 필요가 있다. 즉, 용접성이 우수한 고강도 및 고인성 강재는 고가(高價)의 합금원소의 첨가량이 높고 B의 함량을 정확하게 조절해야하는 어려움이 있다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고가의 합금원소의 첨가량을 최소화함과 동시에 B의 첨가 없이 저비용으로 용접성이 우수한 고강도 및 고인성 강재를 제공하는 데 있다. 또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기를 강재를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 고강도 및 고인성의 강재는 중량 %로, C:0.05-0.1%, Si:0.01-0.5%, Mn:1.5-2.5%, Ni:0.5% 이하, Cu:1.0-2.0%, Cr:0.5% 이하, Mo:0.5% 이하, Nb:0.01-0.05%, V:0.01-0.1%, Ti:0.01-0.03%, Al:0.05% 이하이고, 나머지는 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, Ceq가 0.3 내지 0.6이고, Pcm이 약 0.3 이하이며, 입상 베이나이트, 변질 상부 베이나이트, 하부 베이나이트의 3상으로 구성된다. 이때, 상기 입상 베이나이트의 부피분율은 40-60%일 수 있다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 고강도 및 고인성 강재의 제조방법은 먼저 중량 %로, C:0.05-0.1%, Si:0.01-0.5%, Mn:1.5-2.5%, Ni:0.5% 이하, Cu:1.0-2.0%, Cr:0.5% 이하, Mo:0.5% 이하, Nb:0.01-0.05%, V:0.01-0.1%, Ti:0.01-0.03%, Al:0.05% 이하이고, 나머지는 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, Ceq(탄소당량)가 0.3 내지 0.6이고, Pcm(용접균열 감수성 지수)이 약 0.3 이하인 원소들로 이루어진 슬라브를 1,150^oC 이상으로 재가열한다. 그후, 재가열된 슬라브를 오스테나이트가 재결정화되는 온도와 그 이하에서 열간압연한다. 상기 열간압연된 강재를 20^oC/초 이상의 속도로 400^oC 이하까지 급랭시킨다. 이어서 상기 냉각된 강재를 상온으로 공랭시킨다.

본 발명의 복합 베이나이트계 강재 및 그 제조방법에 의하면, Cu를 1.0-2.0중량%로 함유된 강재를 제어압연하고 가속냉각하여 입상 베이나이트, 변질 상부 베이나이트, 하부 베이나이트의 3상으로 구성된 복합 베이나이트계 고강도 고인성 강재가 제조함으로써, Ni, Cr, Mo 등의 고가의 합금원소를 많이 첨가하지 않고, B의 첨가 없이 추가적인 템퍼링 처리를 생략한 저비용의 경제적인 방법으로 900MPa 이상의 인장강도와 100J 이상의 높은 인성을 확보할 수 있다.

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 고강도 및 고인성을 갖는 복합 베이나이트계 강재와 이를 제조하는 방법으로 구분하여 설명할 것이다. 상기 강재와 제조방법은 다음과 같은 주요한 특징을 갖는다.

본 발명에 의한 복합 베이나이트계 고강도 및 고인성 강재는 중량%로 B의 첨가 없이 1.0-2.0%의 Cu를 함유하며, 그 외 C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, Nb, V, Ti 및 Al 부가물의 일부 또는 모두를 Fe과 함께 포함하여 구성된다. 이때 상기 강재는 인장강도가 900MPa 이상이고, 상온에서 샤르피 V-노치 충격시험에 의해 측정된 인성이 100J 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 복합 베이나이트계 고강도 및 고인성 강재는 B의 첨가 없이 1.0-2.0중량%의 Cu를 함유한 슬라브를 재가열한 후 제어압연과 가속냉각에 의해 제조되며, 이에 따라 입상 베이나이트(granular bainite), 변질 상부 베이나이트(degenerate upper bainite), 하부 베이나이트(lower bainite)의 3상 조직으로 구성된 복합 베이나이트계 고강도 및 고인성 강재를 얻을 수 있다.

<복합 베이나이트계 강재>

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

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%.

(1) 탄소(C) : 0.05-0.1%

C의 함량이 0.1%보다 많으면 용접성이 나빠지며, 0.05% 이하일 때는 50% 부피분율의 입상 베이나이트 조직으로서 900MPa 이상의 인장강도를 확보하기 어렵다.

(2) 실리콘(Si) : 0.01-0.5%

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

(3) 망간(Mn) : 1.5-2.5%

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

(4) 니켈(Ni) : 0.5% 이하

강도와 인성 향상에 효과적인 원소이지만, 많이 첨가되면 비용이 증가하기 때문에 열간압연 중 표면균열에 대한 Cu의 유해한 효과를 줄이기 위해 0.5% 이하로 소량 첨가된다.

(5) 구리(Cu) : 1.0-2.0%

본 발명의 중요한 특징을 갖도록 하는 합금원소로서 강도와 인성을 향상시키는 역할을 한다. 고용강화 및 석출강화 효과를 증가시킬 목적으로 1.0% 이상 첨가되지만, 많이 첨가되면 용접성이 저하되므로 2.0% 이하로 제한된다.

(6) 크롬(Cr) : 0.5% 이하

Mn과 같이 낮은 C 함량에서도 충분한 경화능을 확보하기 위해 첨가되며, 많이 첨가되면 인성과 용접성이 저하되므로 0.5% 이하로 제한된다.

(7) 몰리브덴(Mo) : 0.5% 이하

경화능을 증가시키는 원소로서 많이 첨가되면 인성과 용접성이 저하되기 때문에 0.5% 이하로 제한된다.

(8) 니오븀(Nb) : 0.01-0.05%

열간압연 중 탄화물이나 질화물을 석출시켜 오스테나이트 결정립을 미세화하여 강도와 인성을 향상시킨다. 0.01% 이하에서는 효과가 매우 작으며, 0.05%보다 많이 첨가되면 인성이 저하된다.

(9) 바나듐(V) : 0.01-0.1%

탄화물 또는 질화물을 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

탈산제로 첨가되며, 0.05%보다 많이 첨가되면 강의 청정도와 인성이 떨어진다.

(12) 기타 불가피하게 첨가되는 불순물인 인(P), 황(S), 질소(N) 등은 최소화되는 것이 바람직하다. 이때, 불가피하게 첨가되는 불순물에는 붕소(B)가 포함되지 않는다.

본 발명에 따른 복합 베이나이트계 강재는 B는 본질적으로 포함되어 있지 않으므로 경화능을 조절하기 위하여 B의 함량을 수 ppm 단위로 조절할 필요가 없다. 또한 상기 강재는 Ceq가 0.3-0.6이고, Pcm이 0.3 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.

<복합 베이나이트계 강재의 제조방법>

도 1은 본 발명에 따른 복합 베이나이트계 고강도 및 고인성 강재의 제조하는 공정을 시간과 온도에 따라 설명한 도표이다.

도 1을 참조하면, 복합 베이나이트계 강재의 제조방법은, 중량%로, C:0.05-0.1%, Si:0.01-0.5%, Mn:1.5-2.5%, Ni:0.5% 이하, Cu:1.0-2.0%, Cr:0.5% 이하, Mo:0.5% 이하, Nb:0.01-0.05%, V:0.01-0.1%, Ti:0.01-0.03%, Al:0.05% 이하이고, 나머지는 Fe와 기타 불가피한 불순물로 구성되는 강의 슬라브를 통상 1,150^oC 이상에서 2시간 정도 재가열한다. 그후, 오스테나이트가 재결정화되는 온도와 그 이하에서 열간압연한다. 이는 제어압연 단계에 해당된다. 열간압연된 강재를 20^oC/초 이 상의 속도로 400^oC 이하까지 급랭시킨다. 이는 가속냉각 단계에 해당된다. 이어서 냉각된 강재를 상온으로 공랭시킨다.

상기 제어압연 단계에서는 재가열된 강의 슬라브를 오스테나이트가 재결정화되는 온도와 그 이하에서 각각 50% 이상의 압하를 가하여 열간압연한다. 왜냐하면 가속냉각 전에 오스테나이트 결정립을 미세화시키고, 오스테나이트 내부에 전위나 변형띠와 같은 결함들을 생성시켜 오스테나이트에서 페라이트로의 변태를 촉진함으로써 최종적인 미세조직의 결정학적 크기도 감소시켜 강도와 인성을 향상시키기 위함이다. 이때 모든 열간압연은 Ar₃ 이상의 온도에서 마무리 된다.

가속냉각 단계는 열간압연된 강재를 Ar₃ 이상의 온도에서 20^oC/초 이상의 속도로 400^oC 이하까지 급랭시키는 과정이다. 상기 과정동안 오스테나이트로부터 입상 베이나이트와 변질 상부 베이나이트가 주로 형성되며, 급랭되는 마무리 온도에 따라 하부 베이나이트와 마르텐사이트가 일부 형성된다. 이후 냉각 단계는 급랭된 강재를 상온으로 공랭시키는 단계로 이 과정 중에 주로 하부 베이나이트가 형성된다.

상기와 같은 과정에 따라 제조된 강재의 미세조직은 입상 베이나이트, 변질 상부 베이나이트, 하부 베이나이트의 3상으로 구성된 복합 베이나이트계 조직으로 입상 베이나이트의 부피분율은 40-60% 이다.

상기 입상 베이나이트는 도상 마르텐사이트(MA, martensite-austenite constituent) 상을 포함하며, 등축형태의 베이나이트 결정립으로 구성되어 있다. 한편 나머지 변질 상부 베이나이트와 하부 베이나이트는 입상 베이나이트가 형성된 다음 상기 가속냉각 단계 또는 상온냉각 단계에서 주로 형성된다. 상기 변질 상부 베이나이트는 통상의 상부 베이나이트와 달리 래스 형태의 베이나이트 결정립 사이에 탄소가 농축된 잔류 오스테나이트나 마르텐사이트 또는 MA 상과 같은 금속상들이 존재하는 것으로 알려져 있다. 상기 하부 베이나이트는 통상적으로 알려진 대로 래스 형태의 베이나이트 결정립 내부에 미세하게 분산된 탄화물이 석출되어 있다.

이와 같은 본 발명에 따르면 고가의 함금원소 첨가량을 줄임과 동시에 B의 첨가 없이 1.0-2.0중량%의 구리를 함유하여 입상 베이나이트, 변질 상부 베이나이트, 하부 베이나이트로 구성된 3상의 복합 베이나이트계 고강도 및 고인성 강재의 제조가 가능하다.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

<실시예>

표 1은 본 발명이 적용된 발명재와 상기 발명재와 비교되는 비교재의 화학조성, 냉각속도 및 냉각종료온도를 나타낸다. 표 2는 표 1의 발명재와 비교재의 기계적 성질을 비교한 것이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 복합 베이나이트계 고강도 및 고인성 강재의 미세조직의 하나의 사례를 나타내는 사진이다.

표 1에 의하면, 발명재 1 및 2와 비교재 3 내지 7의 합금을 기재된 바와 같이 조성되는 100mm 두께의 강재로 하여 1,150^oC에서 2시간 정도 재가열한 후 오스테나이트가 재결정화되는 온도와 그 이하에서 각각 60% 정도의 압하를 가하여 15mm의 두께까지 열간압연하였다. 이어 상기 열간압연된 판재를 Ar₃ 이상의 온도에서 20^oC/초 이상의 속도로 500^oC 이하까지 냉각시킨 후 상온으로 공랭하여 시편을 제조하였다.

상기와 같이 제조된 시편을 이용하여 상온에서 강도와 샤르피 V-노치 충격에너지를 측정하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

도 2는 본 발명에 따른 복합 베이나이트계 고강도 고인성 강재를 제조하기 위하여 약 300^oC까지 급랭하여 제조된 발명재 1의 대표적인 미세조직을 도시하였다.

도 2에 따르면, 발명재 1은 입상 베이나이트, 변질 상부 베이나이트, 하부 베이나이트의 3상으로 구성된 복합 베이나이트계 조직으로 이루어져 있으며, 입상 베이나이트의 부피분율이 40-60% 이다.

상기 표 2에서 알 수 있듯이 발명재 1 내지 2는 인장강도 900MPa 이상, 충격에너지 100J 이상으로 강도와 인성의 조합이 우수하다. 그러나 본 발명의 조성범위에는 부합하지만, 냉각종료온도가 400^oC 이상으로 본 발명의 냉각종료온도에서 벗어난 비교재 3은 입상 베이나이트와 변질 상부 베이나이트의 2상으로 구성되어 인장강도가 900MPa 이하, 충격에너지가 100J 이하로 나타나 강도와 인성의 조합이 매우 열악하였다.

또한 Cu의 함량이 1.0중량% 이하로 본 발명의 조성범위를 벗어나지만, 400^oC 이하의 냉각종료온도로 급랭하여 제조된 비교재 4 내지 7은 입상 베이나이트의 부피분율이 70% 이상으로 나타나 충격에너지는 120-140J로 다소 높았지만, 인장강도는 900MPa에 크게 미치지 못하였다.

따라서 본 발명에 의하면 인장강도 900MPa 이상, 충격에너지 100J 이상의 기계적 성질을 확보하기 위해서는 Cu의 함량을 1.0-2.0중량%로 하고, 냉각종료온도를 400^oC 이하로 제조하여 입상 베이나이트, 변질 상부 베이나이트, 하부 베이나이트의 3상으로 구성된 복합 베이나이트계 조직을 형성할 필요가 있다.

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.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 복합 베이나이트계 고강도 및 고인성 강재의 미세조직의 하나의 사례를 나타내는 사진이다.

Claims

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중량 %로, C:0.05-0.1%, Si:0.01-0.5%, Mn:1.5-2.5%, Ni:0%보다 크고 0.5% 이하, Cu:1.0-2.0%, Cr:0%보다 크고 0.5% 이하, Mo:0%보다 크고 0.5% 이하, Nb:0.01-0.05%, V:0.01-0.1%, Ti:0.01-0.03%, Al:0.05% 이하이고, 나머지는 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, Ceq(탄소당량 = C% + Mn%/6 + (Cr% + Mo% + V%)/5 + (Ni% + Cu%)/15)가 0.3 내지 0.6이고, Pcm(용접균열 감수성 지수 = C% + Si%/30 + (Mn% + Cu% + Cr%)/20 + Ni%/60 + Mo%/15 + V%/10 + 5B%)이 0보다 크고 0.3 이하인 원소들로 이루어진 슬라브를 1,150℃ 이상으로 가열하는 재가열 단계;

상기 재가열된 슬라브를 오스테나이트가 재결정화되는 온도와 그 이하에서 열간압연하는 제어압연 단계;

상기 열간압연된 강재를 20℃/초 이상의 속도로 300℃ 이상 400℃ 이하까지 급랭시키는 가속냉각 단계; 및

상기 냉각된 강재를 상온으로 공랭시키는 냉각 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구리를 포함하는 복합 베이나이트계 강재의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 복합 베이나이트에 포함되는 입상 베이나이트의 부피분율은 40-60%인 것을 특징으로 하는 구리를 포함하는 복합 베이나이트계 강재의 제조방법.