KR101681491B1 - 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 고강도 후강판 - Google Patents

취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 고강도 후강판 Download PDF

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Abstract

취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 고강도 후(厚)강판 및 그의 제조 방법을 제공한다.
특정 함유량의 C, Si, Mn, Al, P, S, N 또한, Ceq(＝C＋Mn/6＋(Cu＋Ni)/15＋(V＋Mo＋Cr)/5)가 0.34％ 이상 0.49％ 이하, 필요에 따라서, Nb, Ti, Cu, Ni, Cr, Mo, V, Ca, B, REM 중 1종 또는 2종 이상, 강판 표면에 평행한 면에 있어서의 (211)면 X선 강도비가 1.0 이상이 되는 집합 조직을 갖는 영역이, 판두께 중심부를 포함하여 판두께의 1/3부 이상 존재하고, 판두께의 중앙부에 있어서의 베이나이트 분율이 80％ 이상 존재하고, 또한 판두께 1/4 위치에 있어서의 샤르피 파면 전이 온도가 ―40℃ 이하인 후강판이다. 열간 압연에 있어서의 판두께 중앙부의 온도가 (Ar3점＋60)℃ 이하, Ar3점 이상의 온도역에서 누적 압하율 50％ 이상의 압연을 행한 후, 4.0℃/s 이상의 냉각 속도로 450℃ 이하까지 냉각한다.

Description

취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 고강도 후강판 {HIGH STRENGTH STEEL PLATE HAVING EXCELLENT BRITTLE CRACK ARRESTABILITY}
본 발명은, 선박, 해양 구조물, 저온 저장 탱크, 건축·토목 구조물 등의 대형 구조물에 사용하는, 판두께 50㎜를 초과하는 후(厚)강판으로서 적합한 취성 균열 전파 정지 특성(brittle crack arrestability)이 우수한 고강도 후강판(high strength steel plate) 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
선박, 해양 구조물, 저온 저장 탱크, 건축·토목 구조물 등의 대형 구조물에 있어서는, 취성 파괴(brittle fracture)에 수반하는 사고가 경제나 환경에 미치는 영향이 크기 때문에, 안전성의 향상이 항상 요구되며, 사용되는 강재에 대해서는, 사용 온도에 있어서의 인성(toughness)이나, 취성 균열 전파 정지 특성이 요구되고 있다.
컨테이너선이나 벌크 캐리어 등의 선박은 그 구조상, 선체 외판(outer plate of ship's hull)에 고강도의 후육재(厚肉材)를 사용하지만, 최근에는 선체의 대형화에 수반하여 더 한층의 고강도 후육화가 진전되어, 일반적으로, 강판의 취성 균열 전파 정지 특성은 고강도 혹은 후육재일수록 열화되는 경향이 있기 때문에, 취성 균열 전파 정지 특성으로의 요구도 한층 고도화되고 있다.
강재의 취성 균열 전파 정지 특성을 향상시키는 수단으로서, 종래부터 Ni 함유량을 증가시키는 방법이 알려져 있고, 액화 천연 가스(LNG: Liquefied Natural Gas)의 저조(貯槽) 탱크에 있어서는, 9％ Ni 강(鋼)이 상업 규모로 사용되고 있다.
그러나, Ni량의 증가는 비용의 대폭적인 상승을 부득이하게 시키기 때문에, LNG 저조 탱크 이외의 용도에는 적용이 어렵다.
한편, LNG와 같은 극저온(cryogenic temperature)에까지 이르지 않는, 선박이나 라인 파이프에 사용되는, 판두께가 50㎜ 미만의 비교적 얇은 강재에 대해서는, TMCP법에 의해 세립화(細粒化)를 도모하고, 저온 인성을 향상시켜, 우수한 취성 균열 전파 정지 특성을 부여할 수 있다.
또한, 합금 비용을 상승시키는 일 없이, 취성 균열 전파 정지 특성을 향상시키기 위해 표층부의 조직을 초미세화(ultrafine-grained)한 강재가 특허문헌 1에서 제안되고 있다.
특허문헌 1 기재의 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 강재는, 취성 균열이 전파할 때, 강재 표층부에 발생하는 시어립(소성 변형 영역 shear-lips)이 취성 균열 전파 정지 특성의 향상에 효과가 있는 것에 착안하여, 시어립 부분의 결정립을 미세화시켜, 전파하는 취성 균열이 갖는 전파 에너지를 흡수시키는 것을 특징으로 한다.
제조 방법으로서, 열간 압연 후의 제어 냉각에 의해 표층 부분을 Ar3 변태점(Ar3 temperature) 이하로 냉각하고, 그 후 제어 냉각을 정지하여 표층 부분을 변태점 이상으로 복열시키는 공정을 1회 이상 반복하여 행하고, 그 동안에 강재에 압하를 가함으로써, 반복 변태시키거나 또는 가공 재결정시켜, 표층 부분에 초미세한 페라이트 조직(ferrite structure) 또는 베이나이트 조직(bainite structure)을 생성시키는 것이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2에서는, 페라이트-펄라이트(pearlite)를 주체의 마이크로 조직으로 하는 강재에 있어서 취성 균열 전파 정지 특성을 향상시키기 위해서는, 강재의 양 표면부는 원 상당 입경(粒徑)(average grain diameter equivalent to a circle): 5㎛ 이하, 애스펙트비(比)(aspect ratio of the grains): 2 이상의 페라이트립을 갖는 페라이트 조직을 50％ 이상 갖는 층으로 구성하여, 페라이트 입경의 불균일을 억제하는 것이 중요하고, 불균일을 억제하는 방법으로서 마무리 압연 중의 1패스당의 최대 압하율(rolling reduction ratio)을 12％ 이하로 하여 국소적인 재결정 현상을 억제하는 것이 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 1, 2에 기재된 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 강재는, 강재 표층부만을 일단 냉각한 후에 복열시키고, 또한 복열 중에 가공을 가함으로써, 특정의 조직을 얻는 것으로, 실생산 규모에서는 제어가 용이하지 않고, 특히 판두께가 50㎜를 초과하는 후육재에서는 압연, 냉각 설비로의 부하가 큰 프로세스이다.
한편, 특허문헌 3에는, 페라이트 결정립의 미세화뿐만 아니라 페라이트 결정립 내에 형성되는 서브그레인(subgrain)에 착안하여, 취성 균열 전파 정지 특성을 향상시키는, TMCP의 연장상에 있는 기술이 기재되어 있다.
구체적으로는, 판두께 30∼40㎜에 있어서, 강판 표층의 냉각 및 복열 등의 복잡한 온도 제어를 필요로 하지 않고, (a) 미세한 페라이트 결정립을 확보하는 압연 조건, (b) 강재 판두께의 5％ 이상의 부분에 미세 페라이트 조직을 생성하는 압연 조건, (c) 미세 페라이트에 집합 조직(texture)을 발달시킴과 함께 가공(압연)에 의해 도입한 전위(dislocation)를 열적 에너지에 의해 재배치하여 서브그레인을 형성시키는 압연 조건, (d) 형성한 미세한 페라이트 결정립과 미세한 서브그레인립의 조대화(粗大化)를 억제하는 냉각 조건에 의해 취성 균열 전파 정지 특성을 향상시킨다.
또한, 제어 압연에 있어서, 변태한 페라이트에 압하를 가하여 집합 조직을 발달시킴으로써, 취성 균열 전파 정지 특성을 향상시키는 방법도 알려져 있다. 강재의 파괴면 상에 세퍼레이션을 판면과 평행한 방향으로 발생시켜, 취성 균열 선단의 응력을 완화시킴으로써, 취성 파괴에 대한 저항을 높인다.
예를 들면, 특허문헌 4에는, 제어 압연에 의해 (110)면 X선 강도비(X-ray diffraction intensity according to (110) plane)를 2 이상으로 하고, 또한 원 상당 입경(average grain diameter equivalent to a circle) 20㎛ 이상의 조대립을 10％ 이하로 함으로써, 내(耐)취성 파괴 특성을 향상시키는 것이 기재되어 있다.
특허문헌 5에는 조인트부의 취성 균열 전파 정지 성능이 우수한 용접 구조용 강으로서, 판두께 내부의 압연면에 있어서의 (100)면의 X선 면 강도비가 1.5 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 강판이 개시되고, 당해 집합 조직 발달에 의한 응력 부하 방향과 균열 전파 방향의 각도의 어긋남에 의해 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 것이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 6∼9에는 제어 압연에 있어서의 평균 압하율을 규정함으로써 판두께 방향의 각 부(판두께의 1/4부, 판두께 중앙부 등)에 있어서 집합 조직을 발달시키는 취성 균열 전파 정지 성능이 우수한 용접 구조용 강의 제조 방법이 기재되어 있다.
일본특허공고 평7-100814호 일본공개특허공보 2002-256375호 일본특허공보 제3467767호 일본특허공보 제3548349호 일본특허공보 제2659661호 일본공개특허공보 2008-214652호 일본공개특허공보 2010-047805호 일본공개특허공보 2009-221585호 일본공개특허공보 2010-202931호
이노우에 등: 두꺼운 조선용 강에 있어서의 장대 취성 균열 전파 거동, 일본 선박 해양 공학회 강연 논문집 제3호, 2006, pp359-362.
그런데, 최근의 6,000TEU(Twenty-foot Equivalent Unit)를 초과하는 대형 컨테이너선에서는 판두께 50㎜를 초과하는 후강판이 사용되지만, 이노우에 등: 두꺼운 조선용 강에 있어서의 장대 취성 균열 전파 거동, 일본 선박 해양 공학회 강연회 논문집 제3호, 2006, pp359-362는, 판두께 65㎜의 강판의 취성 균열 전파 정지 성능을 평가하여, 모재의 대형 취성 균열 전파 정지 시험에서 취성 균열이 정지하지 않는 결과를 보고하고 있다.
또한, 공시재의 ESSO 시험(ESSO test compliant with the guideline for brittle crack arrest design(2009, CLASS NK))에서는 사용 온도 ―10℃에 있어서의 Kca의 값이 3000N/㎜3/2에 충족하지 않는 결과가 나타나고, 50㎜를 초과하는 판두께의 강판을 적용한 선체 구조의 경우, 안전성 확보가 과제로 되는 것이 시사되어 있다.
전술한 특허문헌 1∼5에 기재된 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 강판은, 제조 조건이나 개시되어 있는 실험 데이터로부터 판두께 50㎜ 정도가 주된 대상이며, 50㎜를 초과하는 후육재에 적용한 경우, 소정의 특성이 얻어질지 불명하고, 선체 구조에서 필요한 판두께 방향의 균열 전파에 대한 특성에 대해서는 전혀 검증되어 있지 않다.
또한, 특허문헌 6∼9에 있어서는, 판두께 중앙부의 집합 조직을 발달시키기 위해, 압연시에 1패스당의 압하율을 높게 설정할 필요가 있기 때문에, 제조 조건이나 강판 사이즈 등의 면에서 각종 제약이 발생하여, 그 개선이 요구되고 있었다.
그래서 본 발명은, 판두께 50㎜ 초과의 후육 강판에 있어서도, 압연 조건을 최적화하고, 판두께 방향에서의 집합 조직을 제어하는 공업적으로 매우 간이한 프로세스로 안정적으로 제조할 수 있는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 고강도 후강판 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 판두께 50㎜ 초과의 후육 강판에서도 우수한 취성 균열 전파 정지 특성을 갖는 고강도 후강판 및 당해 강판을 안정적으로 얻는 제조 방법에 대해서 예의 연구를 거듭하여, 후강판에 있어서 취성 균열 전파 정지 특성에 미치는 집합 조직의 영향을 상세하게 조사한 결과, 강판 표면에 평행한 면에 있어서의 (211)면 X선 강도비가 1.0 이상이 되는 집합 조직을 갖는 영역이, 판두께 중심부를 포함하여 판두께 전체 두께의 1/3 이상의 영역에 있어서 존재함으로써, 우수한 취성 균열 전파 정지 특성이 얻어진다는 인식을 얻었다. 그리고, 이러한 후강판을 얻기 위해서는, 특정 범위의 화학 성분과, 특정 범위의 제조 조건, 특히, 판두께 중앙부의 압연·냉각 조건을 조합하여 제조하는 것이 바람직한 것도 알 수 있었다.
본 발명은 얻어진 인식에 추가로 검토를 더하여 이루어진 것으로, 즉, 본 발명은,
1. 판두께 중심부를 포함하여 판두께 전체 두께의 1/3 이상의 영역에 있어서, 강판 표면에 평행한 면에 있어서의 (211)면 X선 강도비가 1.0 이상이 되는 집합 조직을 갖고, 판두께의 중앙부에 있어서의 베이나이트 분율이 80％ 이상이고, 또한 판두께의 1/4 위치에 있어서의 샤르피 파면 전이 온도(fracture transition temperature)가 ―40℃ 이하인 것을 특징으로 하는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 고강도 후강판.
2. 강의 화학 성분이, 질량％로, C: 0.03∼0.20％, Si: 0.03∼0.50％, Mn: 0.50∼2.20％, P: 0.030％ 이하, S: 0.010％ 이하, Al: 0.005∼0.08％, N: 0.0045％ 이하, 또한, 하기 (1)식으로 나타나는 탄소 등량(Ceq)이 0.34％ 이상 0.49％ 이하이며, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 1에 기재된 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 고강도 후강판.
Ceq＝C＋Mn/6＋(Cu＋Ni)/15＋(V＋Mo＋Cr)/5　　(1)
단, 각 원소 기호는 각 성분의 함유량(질량％)을 나타낸다. 　
3. 강의 화학 성분이, 또한, 질량％로, Ti: 0.005∼0.030％, Nb: 0.005∼0.050％, Cu: 0.01∼0.50％, Ni: 0.01∼1.00％, Cr: 0.01∼0.50％, Mo: 0.01∼0.50％, V: 0.001∼0.10％, B: 0.0030％ 이하, Ca: 0.0050％ 이하, REM: 0.010％ 이하로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 2에 기재된 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 고강도 후강판.　
4. 2 또는 3에 기재된 화학 성분을 갖는 강 소재를, 900∼1200℃의 온도로 가열하고, 열간 압연에 있어서의 판두께 중앙부의 온도가 (Ar3점＋100)℃ 이상의 온도역에서 누적 압하율 30％ 이상, 판두께 중앙부의 온도가 (Ar3점＋60)℃ 이하, Ar3점 이상의 온도역에 있어서 누적 압하율 50％ 이상, 또한, 1패스당의 압하율의 평균값이 6.0％ 이상, 또한 각 패스의 압하율 범위가 5.0∼20.0％가 되는 압연을 행한 후, 4.0℃/s 이상의 냉각 속도로 450℃ 이하까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 취성 균열 전파 정지 특성이 우수한 고강도 후강판의 제조 방법.
본 발명에 의해 얻어지는 후강판은 판두께 50㎜ 이상이라도, 판두께 방향의 각 위치에 따라서 집합 조직이 적절하게 제어되기 때문에, 취성 균열 전파 정지 특성이 우수하다. 본 발명을, 판두께 50㎜ 이상, 바람직하게는 판두께 50㎜ 초과, 보다 바람직하게는 판두께 55㎜ 이상, 더욱 바람직하게는 판두께 60㎜ 이상의 강판에 적용하는 것이, 종래 기술에 따른 강에 대하여 보다 현저한 우위성을 발휘하기 때문에, 유효하다. 그 중에서도 선박용의 구조 부재로서, 예를 들면, 컨테이너선이나 벌크 캐리어 등의 강력 갑판부 구조에 있어서 해치 사이드 코밍(hatch side coaming)에 접합되는 갑판 부재에 적용함으로써 선박의 안전성 향상에 기여하는 바가 커서, 산업상 매우 유용하다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
본 발명에서는, 1. 강판 내부의 집합 조직, 2. 판두께 중앙부의 마이크로 조직, 3. 모재 인성을 규정한다.
1. 강판 내부의 집합 조직
본 발명에서는, 압연 방향 또는 압연 직각 방향 등 판면에 평행한 방향으로 전파하는 균열에 대하여 균열 전파 정지 특성을 향상시키기 위해, 강판 표면에 평행한 면에, 즉, 압연면에 평행하게 (211)면을 발달시킨다. 판두께 중앙부에서 강판 표면에 평행한 면에 있어서 (211)면을 발달시키면, 균열 진전에 앞서 미시적인 크랙이 발생하여, 균열 진전의 저항이 된다.
균열 진전에 앞선 미시적인 크랙을 발생시키기 위해, 판두께 중심부를 포함하여 판두께 전체 두께의 1/3 이상의 영역에 있어서, 강판 표면에 평행한 면에 있어서의 (211)면 X선 강도비가 1.0 이상이 되는 집합 조직을 갖는 것으로 한다. 전술의, 균열 진전에 앞서 미시적 크랙이 발생하여 균열 진전의 저항이 된다는 작용 효과는 당해 집합 조직을 갖는 영역이 판두께 중심부를 포함하여 판두께 전체 두께의 1/3 이상의 영역이면 얻어지기 때문에, 상한은 특별히 규정하지 않는다. 당해 집합 조직을 갖는 영역이 많아지면, 상기 작용 효과는 더욱 발휘되는 것이지만, 그 영역을 판두께 전체 두께의 3/4을 초과하여 많게 해도, 상기 작용 효과의 증가는 포화되기 때문에, 당해 집합 조직을 갖는 영역을 판두께 전체 두께의 3/4을 초과하여 많게 할 필요는 없다. 단, 판두께 전체 두께가 당해 집합 조직이라도 상기 작용 효과는 발휘되는 것은 말할 필요도 없다.
여기에서, (211)면 X선 강도비란 대상재의 (211) 결정면의 집적도(X-ray diffraction intensity ratio of texture)를 나타내는 수치이고, 대상재의 (211) 반사의 X선 회절 강도(I(211))와, 집합 조직이 없는 랜덤한 표준 시료의 (211) 반사의 X선 회절 강도(I0 (211))와의 비(I(211)/I0 (211))를 가리킨다.
2. 판두께 중앙부의 마이크로 조직
전술의 판두께 중앙부에 있어서의 적합한 집합 조직을 얻기 위해, 압연 방향에 평행한 단면(斷面)의 판두께의 중앙부에 있어서의 베이나이트 분율을 적어도 80％로 한다. 베이나이트 분율은 면적분율로 나타내는 것으로 한다.
강판 표면에 평행한 면에 있어서의 (211)면은, 압연시에 가공된 오스테나이트 조직이 페라이트나 베이나이트 조직으로 변태함으로써 발달하는 것이다. 페라이트-세멘타이트 조직의 경우는, 회복 등의 영향이 있기 때문에, 이 집합 조직이 판두께 방향의 넓은 범위에 있어서 발달하지 않는다. 변태 후의 조직을 베이나이트 조직으로 변태시킴으로써 광범위에 있어서 가장 높은 (211)면 X선 강도비를 유지하는 것이 가능해진다. 본 발명에 있어서 판두께 중앙부의 마이크로 조직이란, 판두께 중심부를 포함하는 적어도 판두께의 1/3 부분의 영역의 마이크로 조직을 의미한다. 본 발명은 판두께 방향의 전체 단면이 당해 마이크로 조직인 강판을 포함한다.
3. 모재 인성
모재 인성이, 양호한 특성을 갖는 것이 취성 균열의 진전을 억제하는 전제가 되기 때문에, 본 발명에 따른 강판에서는 강판의 재질을 대표하는 위치로서 판두께의 1/4 위치로부터 채취한 샤르피 시험편에 의한 샤르피 충격 시험에 있어서의 샤르피 파면 전이 온도를 규정한다.
판두께 50㎜ 이상의 후육재로, 구조 안전성을 확보하는 데에 있어서 목표로 여겨지는 Kca(－10℃)≥7000N/㎜3/2의 취성 균열 전파 정지 성능을 얻기 위해, 판두께의 1/4 위치로부터 채취한 시험편에 의한 샤르피 충격 시험에 있어서의 샤르피 파면 전이 온도를 ―40℃ 이하로 규정한다.
전술한 집합 조직과 모재 인성을 구비한 강판에 적합한 강의 화학 성분과 제조 조건은 이하와 같다. 이하, 화학 성분의 설명에 있어서 ％는 질량％로 한다.
C: 0.03∼0.20％
C는 강의 강도를 향상하는 원소이며, 본 발명에서는, 소망하는 강도를 확보하기 위해서는 0.03％ 이상의 함유를 필요로 하지만, 0.20％를 초과하면, 용접성이 열화될 뿐만 아니라 인성에도 악영향이 있다. 이 때문에, C는, 0.03∼0.20％의 범위로 규정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.05∼0.15％이다.
Si: 0.03∼0.50％
Si는 탈산 원소로서, 또한, 강의 강화 원소로서 유효하지만, 0.03％ 미만의 함유량에서는 그 효과가 없다. 한편, 0.50％를 초과하면 강의 표면 성상을 해칠 뿐만 아니라 인성이 극단적으로 열화된다. 따라서 그 함유량을 0.03％ 이상, 0.50％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 바람직하게는 0.05∼0.45％이다.
Mn: 0.50∼2.20％
Mn은, 강화 원소로서 함유할 수 있다. 0.50％보다 적으면 그 효과가 충분하지 않고, 2.20％를 초과하면 모재의 인성이나 용접성이 열화되어, 강재 비용도 상승하기 때문에, 0.50％ 이상, 2.20％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 0.60∼2.15％이다.
P, S
P, S는, 강 중의 불가피 불순물이지만, P는 0.030％를 초과하고, S는 0.010％를 초과하면 인성이 열화되기 때문에, 각각, 0.030％ 이하, 0.010％ 이하가 바람직하고, 각각, 0.020％ 이하, 0.005％ 이하가 더욱 바람직하다.
Al: 0.005∼0.08％
Al은, 탈산제로서 작용하고, 이를 위해서는 0.005％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나, 0.08％를 초과하여 함유하면, 인성을 저하시킴과 함께, 용접한 경우에, 용접 금속부의 인성을 저하시킨다. 이 때문에, Al은, 0.005∼0.08％의 범위로 규정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는, 0.02∼0.04％이다.
N: 0 초과~0.0045％ 이하
N은, 강 중의 Al과 결합하여, 압연 가공시의 결정립 지름을 조정하고, 강을 강화한다. 그러나, 0.0045％를 초과하면 인성이 열화되기 때문에, 0.0045％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 0 초과~0.0040％ 이하이다.
탄소 당량(carbon equivalent)(Ceq): 0.34％ 이상, 0.49％ 이하
탄소 당량은 조직의 강도, 변태 거동 등을 예측하기 위한 중요한 지표가 된다. 탄소 당량이 0.34％ 미만에서는 판두께 중심부에 있어서, 전술의 베이나이트 분율을 얻기 어렵다. 또한 0.49％ 초과에서는 인성이 열화되어 버리기 때문에, 0.34％ 이상, 0.49％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 0.35∼0.48％이다.
또한, 탄소 당량(Ceq)은, 이하에 나타내는 식으로 얻어지는 것으로 한다.
Ceq＝C＋Mn/6＋(Cu＋Ni)/15＋(V＋Mo＋Cr)/5
각 원소 기호는 함유량(질량％), 함유하지 않는 경우는 0으로 한다.
이상이 본 발명에 있어서의 바람직한 기본 성분 조성으로 잔부 Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물로서, 예를 들면 O는, 0.0050％ 이하이면 허용된다.
추가로 특성을 향상시키기 위해, Ti, Nb, Cu, Ni, Cr, Mo, V, B, Ca, REM으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유시키는 것이 가능하다.
Ti: 0.005∼0.030％,
Ti는 미량의 함유에 의해, 질화물, 탄화물, 혹은 탄질화물을 형성하고, 결정립을 미세화하여 모재 인성을 향상시키는 효과를 갖는다. 그 효과는 0.005％ 이상의 함유에 의해 얻어지지만, 0.030％를 초과하는 함유는, 모재 및 용접 열영향부의 인성을 저하시키기 때문에, Ti를 함유시키는 경우에는, 0.005∼0.030％의 범위로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 0.008∼0.028％이다.
Nb: 0.005∼0.050％
Nb는, NbC로서 페라이트 변태시 혹은 재가열시에 석출하여, 고강도화에 기여한다. 또한, 오스테나이트역의 압연에 있어서 미재결정역을 확대시키는 효과를 갖고, 페라이트의 세립화에 기여하기 때문에, 인성의 개선에도 유효하다. 그 효과는 0.005％ 이하의 함유에 의해 얻어지지만 0.050％를 초과하여 함유하면, 조대한 NbC가 석출되고 반대로, 인성의 저하를 초래하기 때문에, Nb를 함유시키는 경우에는 그 상한은 0.050％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 0.008∼0.040％이다.
Cu, Ni, Cr, Mo
Cu, Ni, Cr, Mo는 모두 강의 퀀칭성을 높이는 원소이다. 압연 후의 강도 향상에 직접 기여함과 함께, 인성, 고온 강도, 혹은 내후성 등의 기능 향상을 위해 함유시킬 수 있지만, 과도한 함유는 인성이나 용접성을 열화시키기 때문에, 함유시키는 경우에는, 각각 상한을 Cu는 0.50％, Ni는 1.00％, Cr은 0.50％, Mo는 0.50％로 하는 것이 바람직하다. 각각 상한을 Cu는 0.45％, Ni는 0.95％, Cr은 0.45％, Mo는 0.45％로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 각 원소의 함유량이 0.01％ 미만이면 그 효과가 나타나지 않기 때문에, 함유시키는 경우에는, 각 원소에 대해서 0.01％ 이상의 함유로 하는 것이 바람직하다.
V: 0.001∼0.10％
V는, V(CN)로서의 석출 강화에 의해, 강의 강도를 향상시키는 원소이며, 이 효과를 발휘시키기 위해 0.001％ 이상 함유해도 좋다. 그러나, 0.10％를 초과하여 함유하면, 인성을 저하시킨다. 이 때문에, V를 함유시키는 경우에는, 0.001∼0.10％의 범위의 함유로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 0.008∼0.095％이다.
B: 0.0030％ 이하
B는 미량으로 강의 퀀칭성을 높이는 원소이며, 그 효과는 0.0006％ 이상의 함유로 발휘된다. 그러나, 0.0030％를 초과하여 함유하면 용접부의 인성을 저하시키기 때문에, B를 함유시키는 경우에는 0.0030％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 0.0028％ 이하이다.
Ca: 0.005％ 이하, REM: 0.01％ 이하
Ca, REM은 용접 열영향부의 조직을 미세화하여 인성을 향상시키고, 함유해도 본 발명의 효과가 손상되는 일은 없기 때문에 필요에 따라서 함유해도 좋다. 그러나, 과도하게 함유하면, 조대한 개재물을 형성하여 모재의 인성을 열화시키기 때문에, 함유시키는 경우에는 그 양의 상한을 각각 0.005％, 0.01％로 하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 있어서의 바람직한 제조 조건에 대해서 설명한다.
제조 조건은 슬래브 가열 조건, 열간 압연 조건 및 열간 압연 후의 냉각 조건을 규정하는 것이 바람직하다.
[슬래브 가열]
상기 조성의 용강(溶鋼)을, 전로(轉爐) 등에서 용제하고, 연속 주조 등으로 강 소재(슬래브)로 하여, 900∼1200℃로 가열 후, 열간 압연을 행하는 것이 바람직하다.
가열 온도가 900℃ 미만에서는, 오스테나이트 재결정 온도역에 있어서의 압연을 행하는 시간을 충분히 확보할 수 없고, 또한, 1200℃ 초과에서는 오스테나이트립이 조대화하여, 인성의 저하를 초래할 뿐만 아니라, 산화 손실이 현저해져, 수율이 저하되기 때문에, 가열 온도는 900∼1200℃로 한다. 인성의 관점에서 바람직한 가열 온도의 범위는 1000∼1150℃이며, 보다 바람직하게는 1000∼1050℃이다.
[열간 압연]
열간 압연에 있어서의 판두께 중앙부의 온도(판두께의 1/2이 되는 위치에서의 온도로, 이하 동일하게 함)가 (Ar3점＋100)℃ 이상에서의 누적 압하율, (Ar3점＋60)℃ 이하, Ar3점 이상의 누적 압하율, (Ar3점＋60)℃ 이하, Ar3점 이상에 있어서의 1패스당의 압하율의 평균값 및, (Ar3점＋60)℃ 이하, Ar3점 이상에 있어서의 1패스당의 압하율의 범위를 규정하는 것이 바람직하다.
열간 압연은 우선, 판두께 중앙부의 온도가 (Ar3점＋100)℃ 이상에서 누적 압하율을 30％ 이상의 압연을 행하고, 오스테나이트를 세립화함으로써 최종의 마이크로 조직의 세립화를 도모하여, 모재 인성을 향상시킨다. 이 온도역에 있어서의 누적 압하율은, 35％ 이상인 것이 더욱 바람직하다. 본 발명에서는 Ar3점(℃)을 하기식으로 구한다.
Ar3점＝910－273C－74Mn－57Ni－16Cr－9Mo－5Cu
식에 있어서 각 원소 기호는 강 중 함유량(질량％)이고, 함유하지 않는 경우는 0으로 한다.
다음으로, 판두께 중앙부의 온도가 (Ar3점＋60)℃ 이하, Ar3점 이상의 온도역에 있어서, 누적 압하율 50％ 이상 또한 1패스당의 압하율의 평균값이 6.0％ 이상의 압연을 행한다. 이 온도역에 있어서의 누적 압하율이 50％ 미만에서는, 강판의 인성이 열화된다. 또한, (211)면 X선 강도비를 1.0 이상으로 하기 위해, 미재결정 오스테나이트역인 (Ar3점＋60)℃ 이하, Ar3점 이상의 온도역에 있어서 누적 압하율 50％ 이상으로 한다. 이 온도역에 있어서의 누적 압하율은, 55％ 이상인 것이 더욱 바람직하다.
후육재의 마무리 압연에서는 통상, 소압하 다패스 압연이 되는 점에서 강판 표면에 평행한 면에 있어서의 (211)면 X선 강도비가 1.0 이상이 되는 영역이 좁아지는 경향이 있다. 그래서, 본 발명에 있어서는, 판두께 중앙부의 온도를 (Ar3점＋60)℃ 이하, Ar3점 이상의 온도역에 있어서의 1패스당의 압하율의 평균값을 6.0％ 이상, 또한 각 패스의 압하율 범위를 5.0∼20.0％로 규정한다. 이에 따라, (211)면 X선 강도비가 1.0 이상이 되는 영역을, 판두께 중심을 포함하여 판두께 전체 두께의 1/3 이상의 영역으로 하는 것이 가능해진다. 1패스당 압하율의 평균값이 6.0％ 미만인 경우, 혹은, 각 패스 압하율의 최소값이 5.0％ 미만인 경우에는, 인성이 저하되고, 또한 (211)면 X선 강도비가 1.0 이상이 되는 영역을 판두께 중심을 포함하여 판두께 전체 두께의 1/3 이상의 영역으로 할 수 없다. 한편, 각 패스 압하율의 최대값이 20.0％를 초과하면, 가공 변형의 영향으로, 오히려 인성이 열화된다. 이 온도역에 있어서의 1패스당의 압하율의 평균값은 6.5％ 이상인 것이 더욱 바람직하고, 또한, 각 패스의 압하율 범위는 5.5∼18.0％인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 열간 압연에서는 규정한 온도역 외에서의 압연을 실시해도 좋다. 상기 규정하는 온도역에서 상기 규정의 누적 압하율을 포함하는 압연이 행해지고 있으면 좋다.
[열간 압연 후의 냉각]
압연이 종료된 강판은 4.0℃/s 이상의 냉각 속도로 450℃ 이하까지 냉각한다. 냉각 속도가 4.0℃/ 미만에서는, 베이나이트로의 변태가 충분히 진행되지 않기 때문에, (211)면 X선 강도비가 1.0 이상이 되는 영역을, 판두께 중심을 포함하여 판두께 전체 두께의 1/3 이상으로 할 수 없고, 또한 소망하는 마이크로 조직, 즉, 판두께의 중앙부에 있어서의 베이나이트 분율이 80％ 이상인 조직도 얻어지지 않는다. 또한, 냉각 정지 온도가 450℃를 초과하면, 베이나이트로의 변태가 충분히 진행되지 않기 때문에, 역시, 소망하는 마이크로 조직이 얻어지지 않는다. 냉각 방식으로서는, 물 냉각, 가스 냉각 등의 방식을 이용할 수 있다.
전술의 제조 조건에 의해, 소망하는 집합 조직이 얻어질 뿐만 아니라, 샤르피 충격 시험에 있어서의 파면 단위(fracture facet size)가 미세화되어, 판두께 1/4 위치에 있어서의 샤르피 파면 전이 온도 ―40℃ 이하가 달성된다.
이상의 설명에 있어서, 판두께 중앙부의 온도는, 방사 온도계로 측정한 판 표면 온도로부터, 전열(傳熱) 계산에 의해 구한다. 열간 압연 후의 냉각에 있어서의 온도 조건도 판두께 중앙부의 온도로 한다.
실시예
표 1에 나타내는 각 조성의 용강(강 기호 A∼T)을, 전로에서 용제하고, 연속 주조법으로 강 소재(슬래브 280㎜ 두께)로 하여, 판두께 50∼75㎜로 열간 압연 후, 냉각을 행하여 No.1∼28의 공시강을 얻었다. 표 2에 열간 압연 조건과 냉각 조건을 나타낸다. Ar3점(℃)은, 다음 식에 의해 계산했다.
Ar3점＝910－273C－74Mn－57Ni－16Cr－9Mo－5Cu
단, 각 원소 기호는 강 중 함유량(질량％)이고, 함유하지 않는 경우는 0으로 한다.
Figure 112016014068549-pat00001
Figure 112016014068549-pat00002
얻어진 후강판에 대해서, 판두께 1/4부로부터 압연 방향에 직교하는 방향을 길이 방향으로 하는 Φ14의 JIS14A호 시험편을 채취하고, 인장 시험을 행하여, 항복 강도(YS), 인장 강도(TS)를 측정했다.
판두께의 1/4부로부터 JIS4호 충격 시험편을 시험편의 긴축의 방향이 압연 방향과 평행이 되도록 채취하고, 샤르피 충격 시험(Charpy impact test)을 행하여, 파면 전이 온도(vTrs)를 구했다. 판두께 1/4부에 있어서의 샤르피 파면 전이 온도가 ―40℃ 이하인 것을 본 발명 범위 내로 했다.
판두께의 중앙부에 있어서의 베이나이트 분율에 대해서는, 판두께의 중앙부의 압연 길이 방향과 평행한 판두께 단면을 경면 연마한 후, 에칭(etching)에 의해 드러나게 한 금속 조직의 광학 현미경 사진을 촬영하여, 화상 해석(imaging analysis)에 의해 측정을 행했다.
또한, 강판의 집합 조직을 평가하기 위해, 강판의 표면으로부터 이면에 걸쳐, 1㎜마다 강판 표면에 평행한 면에 있어서의 (211)면 X선 강도비를 측정하고, (211)면 X선 강도비가 1.0 이상이 되는 영역을 구했다.
다음으로, 취성 균열 전파 정지 특성을 평가하기 위해, 온도 구배형 ESSO 시험을 행하여, Kca(－10℃)(N/㎜3/2)를 구했다.
표 3에 이들의 시험 결과를 나타낸다.
또한, No.1∼28에 대해서는, 모두, 강판 표면에 평행한 면에 있어서의 (211)면 X선 강도비가 판두께 중앙부에 있어서 1.0 이상이었다.
판두께 1/4부에 있어서의 샤르피 충격 시험의 전이 온도, 판두께 중앙부의 베이나이트 분율 및 강판 표면에 평행한 면에 있어서의 (211)면 X선 강도비가 1.0 이상이 되는 영역이 본 발명의 범위 내인 공시 강판(제조 번호(No.) 1∼13)의 경우, Kca(－10℃)가 7000N/㎜3/2 이상의 우수한 취성 균열 전파 정지 성능을 나타냈다.
Figure 112016014068549-pat00003

Claims (2)

  1. 강의 화학 성분이, 질량％로, C: 0.03∼0.09％, Si: 0.03∼0.50％, Mn: 0.50∼2.20％, P: 0.030％ 이하, S: 0.010％ 이하, Al: 0.005∼0.08％, N: 0 초과~0.0045％ 이하, 또한, 하기 (1)식으로 나타나는 탄소 등량(Ceq)이 0.34％ 이상 0.49％ 이하이며, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
    판두께 중심부를 포함하여 판두께 전체 두께에 대한 비율이 41% 이상의 영역에 있어서, 강판 표면에 평행한 면에 있어서의 (211)면 X선 강도비가 1.0 이상이 되는 집합 조직을 갖고, 판두께의 중앙부에 있어서의 베이나이트 분율이 83％ 이상이고, 또한 판두께의 1/4 위치에 있어서의 샤르피 파면 전이 온도가 ―74℃ 이하이고, 취성 균열 전파 정지 성능을 나타내는 Kca(－10℃)가 7600N/㎜3/2이상인 것을 특징으로 하는 고강도 후강판.
    Ceq＝C＋Mn/6＋(Cu＋Ni)/15＋(V＋Mo＋Cr)/5　　(1)
    단, 각 원소 기호는 각 성분의 함유량(질량％)을 나타내고, 함유하지 않는 경우는 0으로 한다.
  2. 제1항에 있어서,
    강의 화학 성분이, 추가로, 질량％로, Ti: 0.005∼0.030％, Nb: 0.005∼0.050％, Cu: 0.01∼0.50％, Ni: 0.01∼1.00％, Cr: 0.01∼0.50％, Mo: 0.01∼0.50％, V: 0.001∼0.10％, B: 0.0030％ 이하, Ca: 0.0050％ 이하, REM: 0.010％ 이하로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 고강도 후강판.
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