KR102200225B1 - 극저온 횡팽창이 우수한 압력용기용 강판 및 그 제조 방법 - Google Patents

극저온 횡팽창이 우수한 압력용기용 강판 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

극저온 횡팽창이 우수한 압력용기용 강판 및 그 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 압력용기용 강판은, 중량%로, C: 0.05 ~ 0.15%, Si: 0.20 ~ 0.40%, Mn: 0.3 ~ 0.6%, P: 0.015% 이하, S: 0.015%이하, Al : 0.02 ~ 0.10%, Ni: 4.5 ~ 5.5%, Mo: 0.2 ~ 0.4%, Pd : 0.001~0.15%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 강 미세조직이 면적분율로 0.5~5.0%의 잔류오스테나이트, 25~85%의 템퍼드 베이나이트, 및 잔부 템퍼드 마르텐사이트를 포함하여 조성된다.

Description

극저온 횡팽창이 우수한 압력용기용 강판 및 그 제조 방법{Steel Plate For Pressure Vessel With Excellent Lateral Expansion And Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 저온용 압력용기, 선박, 저장탱크, 구조용강 등에 사용되는 후강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 극저온 횡팽창 특성이 우수한 인장강도 700MPa급 저온 압력용기용 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
저온용 고강도 후판강 재료는 잔류오스테나이트(retained austenite), 템퍼드 마르텐사이트 (tempered martensite)조직, 템퍼드 베이나이트(tempered bainite) 조직으로 이루어진 3상 혼합조직으로 구성되어지며, 시공 시 그 자체가 극저온용 구조재로 이용될 수 있어야 하므로 우수한 강도 및 극저온 횡팽창 특성이 요구되고 있다.
한편 통상의 NOMALIZING처리을 통하여 제조된 고강도 열연강재는 페라이트와 퍼얼라이트의 혼합조직을 가질 수 있다. 이에 대한 종래기술의 일예로 특허문헌 1에 기재된 발명을 들 수 있다. 상기 특허문헌 1에 기재된 발명은, 중량%로, C: 0.08 ~ 0.15%, Si: 0.2 ~ 0.3%, Mn: 0.5 ~ 1.2%, P: 0.01 ~ 0.02%, S: 0.004 ~ 0.006%, Ti: 0% 초과 내지 0.01% 이하, Mo: 0.05 ~ 0.1%, Ni: 3.0 ~ 5.0% 및 나머지 Fe과 기타 불가피한 불순물로 조성되는 것을 특징으로 하는 500MPa급 LPG용 고강도 강재를 제시하고 있으며, 그 강 조성성분에서 Ni과 Mo를 첨가함을 특징으로 하고 있다.
그런데 상기 공개공보에 기재된 발명은 통상의 NOMALIZING을 통하여 제조된 강재이므로 비록 Ni등을 첨가하여도 강재의 극저온 횡팽창 특성이 충분하지 못한 문제가 있다. 그러므로 저온용 압력용기, 선박, 저장탱크, 구조용강 등에 사용되는 고강도 후강판에 있어서, 극저온 횡팽창 특성이 우수한 고강도 강재의 개발에 대한 요구가 대두되고 있다.
대한민국 특허공개공보 2012-0011289호
따라서 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 냉각 및 열처리공정을 제어함으로써 제조되는 강재의 조직을 잔류오스테나이트(retained austenite), 템퍼드 마르텐사이트 (tempered martensite)조직, 템퍼드 베이나이트(tempered bainite)를 포함하는 3상 혼합조직으로 제어함으로써 인장강도 700MPa급을 확보할 수 있는 저온용 압력용기 강판 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
그러나 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
중량%로, C: 0.05 ~ 0.15%, Si: 0.20 ~ 0.40%, Mn: 0.3 ~ 0.6%, P: 0.015% 이하, S: 0.015%이하, Al: 0.02 ~ 0.10%, Ni: 4.5 ~ 5.5%, Mo: 0.2 ~ 0.4%, Pd: 0.001~0.15%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
강 미세조직이 면적분율로 0.5~5.0%의 잔류오스테나이트, 25~85%의 템퍼드 베이나이트, 및 잔부 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 우수한 강도와 극저온 횡팽창 특성이 우수한 저온용 압력용기 강판에 관한 것이다.
또한 본 발명은,
중량%로, C: 0.05 ~ 0.15%, Si: 0.20 ~ 0.40%, Mn: 0.3 ~ 0.6%, P: 0.015% 이하, S: 0.015%이하, Al: 0.02 ~ 0.10%, Ni: 4.5 ~ 5.5%, Mo: 0.2 ~ 0.4%, Pd: 0.001~0.15%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1050 ~ 1250℃에서 재가열하는 공정;
상기 재가열된 강 슬라브를 패스당 5 ~ 30%의 압하율로 열간 압연하고, 800℃ 이상의 온도에서 압연을 종료함으로써 열연강판을 제조하는 열간압연 공정;
상기 제조된 열연강판을 공냉하고, 이어, 공냉된 강판을 850~920℃의 온도 범위에서 {2.4×t + (10~30)}분 [여기서 t는 강재의 두께(mm)를 의미한다] 동안 가열한 후, 150℃ 이하로 수냉하는 공정;
상기 수냉된 강판을 690 ~ 760℃에서 {2.4×t + (10~30)}분 [여기서 t는 강재의 두께(mm)를 의미한다] 동안 중간 열처리 후, 150℃ 이하로 수냉하는 공정; 및
상기 수냉된 강판을 600~660℃구간에서 {2.4×t + (10~30)}분 [여기서 t는 강재의 두께(mm)를 의미한다] 동안 템퍼링하는 공정;을 포함하는 강도 및 극저온 횡팽창 특성이 우수한 저온용 압력용기 강판의 제조방법에 관한 것이다.
상기 템퍼링 공정으로 얻이진 강 미세조직은 면적분율로 0.5~5.0%의 잔류오스테나이트, 25~85%의 템퍼드 베이나이트, 및 잔부 템퍼드 마르텐사이트를 포함하여 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같은 구성의 본 발명은, 인장 강도 700MPa급을 만족하면서 -150℃ 정도의 저온에서 안정적으로 사용이 가능한 강도 및 횡팽창 특성이 우수한 저온용 압력용기 강판을 효과적으로 제공할 수 있다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 인장강도 및 횡팽창 특성이 우수한 저온용 압력용기 강판을 설명한다.
본 발명의 강판은, 중량%로, C: 0.05 ~ 0.15%, Si: 0.20 ~ 0.40%, Mn: 0.3 ~ 0.6%, P: 0.015% 이하, S: 0.015%이하, Al: 0.02 ~ 0.10%, Ni: 4.5 ~ 5.5%, Mo: 0.2 ~ 0.4%, Pd: 0.001~0.15%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는데, 그 구체적인 강판의 성분 및 그 성분 제한사유는 아래와 같다. 한편 이하에서 "%"는 달리 규정한 바가 없으면 "중량%"를 의미한다.
·C: 0.05 ~ 0.15%
본 발명의 강판은 C를 0.05 ~ 0.15% 범위로 첨가함이 바람직하다. 만일, C의 함량이 0.05% 미만인 경우에는 기지 상의 자체 강도가 저하되고, 0.15%를 초과하는 경우에는 강판의 용접성을 크게 해치기 때문이다.
·Si: 0.20 ~ 0.40%
Si은 탈산 효과, 고용 강화 효과 및 충격 천이 온도 상승 효과를 위하여 첨가되는 성분으로서, 이러한 첨가 효과를 달성하기 위해서는 0.20%이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나 0.40%를 초과하여 첨가되면 용접성이 저하되고 강판 표면에 산화 피막이 심하게 형성되므로 그 첨가량을 0.20 ~ 0.40%로 제한함이 바람직하다.
·Mn: 0.3 ~ 0.6%
Mn은 S와 함께 연신된 비금속 개재물인 MnS를 형성하여 상온 연신율 및 저온인성을 저하시키므로 0.6%이하로 관리하는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명의 성분 특성상 Mn이 0.3%미만이 되면 적절한 강도를 확보하기 어려우므로 Mn의 첨가량은 0.3 ~ 0.6%로 제한함이 바람직하다.
·Al: 0.02 ~ 0.10%
Al은 Si와 더불어 제강 공정에서 강력한 탈산제의 하나이며, 0.02% 미만 첨가에서는 그 첨가에 따른 효과가 미미하고, 0.10를 초과 첨가 시에는 제조원가가 상승하므로 그 함량을 0.02~0.10%로 한정함이 바람직하다.
·P: 0.015% 이하
P는 저온인성을 해치는 원소이나 제강 공정에서 제거하는데 과다한 비용이 소요되므로 0.015%이하의 범위 내에서 관리함이 소망스럽다.
·S: 0.015%이하
S 역시 P와 더불어 저온인성에 악영향을 주는 원소이지만, P와 마찬가지로 제강 공정에서 제거하는데 과다한 비용이 소요될 수 있으므로 0.015% 이하의 범위 내에서 관리함이 적절하다.
·Ni: 4.5 ~ 5.5%,
Ni은 저온 인성의 향상에 가장 효과적인 원소이다. 그러나 그 첨가량이 4.5% 미만이면 저온인성의 저하를 초래하고, 5.5%를 초과하여 첨가하면 제조비용의 상승을 가져오므로 4.5 ~ 5.5%의 범위 내에서 첨가함이 바람직하다.
·Mo: 0.2 ~ 0.4%,
Mo은 소입성 및 강도 향상에 아주 중요한 원소로서, 0.2% 미만으로 첨가되는 그 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없고, 0.4%를 초과하면 Mo은 고가여서 비경제적이므로 0.4% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
·Pd : 0.001~0.15%,
본 발명에서 Pd은 연성과 전성이 좋은 금속으로 횡팽창 특성을 증가시키는 중요한 원소이다. 그러나 그 첨가량이 0.001% 미만이면 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 고가 원소이므로 그 첨가량의 상한은 0.15%를 초과하면 Pd은 고가여서 비경제적이므로 0.15% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
한편 본 발명의 강판은, 면적%로, 0.5~5.0%의 잔류오스테나이트, 25~85%의 템퍼드 베이나이트 및 잔부 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 강 미세조직을 가진다.
만일 템퍼드 베이나이트 분율이 25% 미만이면, 템퍼드 마르텐사이트의 양이 과대해져서 강판의 저온인성이 열화될 수 있다. 반면에 85%를 초과하면 목표로 하는 강판의 강도를 확보할 수가 어려울 수 있다.
잔류오스테나이트 면적분율이 0.5% 이하이면 저온 인성, 즉, 횡팽창 특성을 해칠 수 있으며, 5.0% 이상을 초과하면 강도를 저하시키므로 0.5~5.0%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 강조성성분과 미세조직을 갖는 본 발명의 강판은 인장강도 700MPa급을 효과적으로 유지할 수 있을 뿐만 아니라 극저온에서도 우수한 횡팽창 특성을 가질 수 있다.
다음으로, 본 발명의 강판 제조방법을 설명한다.
본 발명은 강판 제조방법은, 상기 조성의 강 슬라브를 1050 ~ 1250℃에서 재가열하는 공정; 상기 재가열된 강 슬라브를 패스당 5 ~ 30%의 압하율로 열간 압연하고, 800℃ 이상의 온도에서 압연을 종료함으로써 열연강판을 제조하는 열간압연 공정; 상기 제조된 열연강판을 공냉하고, 이어, 공냉된 강판을 850~920℃의 온도 범위에서 가열한 후, 150℃ 이하로 수냉하는 공정; 상기 수냉된 강판을 690 ~ 760℃에서 중간 열처리 후, 150℃ 이하로 수냉하는 공정; 및 상기 수냉된 강판을 600~660℃구간에서 템퍼링하는 공정;을 포함한다. 즉, 본 발명의 압력용기용 강재는 상술한 합금조성을 만족하는 강 슬라브를 [재가열 - 열간압연 및 냉각- 열처리 및 냉각 -템퍼링]공정을 거쳐 제조할 수 있으며, 이하, 상기 각각의 공정 조건에 대하여 상세히 설명한다.
[강 슬라브 재가열]
먼저, 상술한 합금조성을 만족하는 강 슬라브를 1050~1250℃의 온도범위로 재가열하는 것이 바람직하다. 이때, 재가열 온도가 1050℃ 미만이면 용질원자의 고용이 어렵고, 반면 1250℃를 초과하게 되면 오스테나이트 결정립 크기가 너무 조대해져 강의 물성을 해치므로 바람직하지 못하다.
[열간압연 및 냉각]
이어 본 발명에서는 상기 재가열된 강 슬라브를 패스당 5 ~ 30%의 압하율로 열간 압연하고, 800℃ 이상의 온도에서 압연을 종료함으로써 열연강판을 제조하는 열간압연을 실시한다.
상기 열간압연시 패스당 압하율이 5% 미만이면 압연생산성의 저하로 제조비용이 상승하는 문제가 있는 반면에, 30%를 초과하게 되면 압연기에 부하를 발생시켜 설비에 치명적인 악영향을 끼칠 수 있으므로 바람직하지 못하다. 그리고 압연종료는 800℃ 이상의 온도에서 압연을 종료하는 것이 바람직하다. 800℃ 이하의 온도까지 압연을 하게되면 압연기의 부하를 초래할 수 있기 때문이다. 그리고 상기 제조된 열연강판은 공냉된다.
[열처리]
이어, 본 발명에서는 상기 공냉된 열연강판을 850~920℃ 구간의 온도로 {2.4×t + (10~30)}분 [여기서 t는 강재의 두께(mm)를 의미한다] 동안 가열하고 150℃ 이하로 수냉한다.
상기 수냉 전 가열온도가 850℃ 미만에서는 오스테나이트화가 이루어지지 않으며, 920℃를 초과하는 온도로 가열하면 결정립 크기가 너무 조대하여 인성을 저해할 수 있다.
그리고 상술한 바에 따라 압연된 강판을 일정 온도에서 일정 시간 동안 열처리하는 것이 바람직한데, 구체적으로, 상기 공냉된 열연강판을 판재를 850~920℃ 구간의 온도범위에서 {2.4×t + (10~30)}분 [여기서 t는 강재의 두께(mm)를 의미한다] 동안 가열한 후, 150℃ 이하로 수냉한다.
[중간열처리]
그리고 본 발명에서는 상기 수냉된 강판을 690~760℃의 온도범위에서 {(2.4×t)+(10~30)}분(여기서, t는 강판 두께(단위: mm)를 의미함) 동안 유지하는 중간 열처리를 행한 후 150℃ 이하로 수냉한다.
상기 열처리시 온도가 690℃ 미만이면 고용 용질 원소들의 재고용이 어려워 목표로 하는 강도의 확보가 어려우며, 반면 그 온도가 760℃를 초과하게 되면 결정립 성장이 일어나 저온 인성을 해칠 우려가 있다.
또한 상술한 온도범위에서 열처리 시 유지 시간이 {(2.4×t)+10}분 미만이면 조직의 균질화가 어렵고, 반면 {(2.4×t)+30}분을 초과하게 되면 생산성을 저해하므로 바람직하지 못하다.
[템퍼링]
후속하여, 본 발명에서는 상기 냉각된 열연강판을 600~670℃구간에서 {2.4×t + (10~30)}분 [여기서 t는 강재의 두께(mm)를 의미한다] 동안 템퍼링한다. 만일 상기 템퍼링 처리시 온도가 600℃ 미만이면 미세한 석출물의 석출이 어려워 목표로 하는 강도의 확보가 어려우며, 670℃를 초과하게 되면 석출물의 성장이 일어나 강도 및 저온 인성을 저해할 우려가 있다.
그리고 상술한 온도범위에서 템퍼링 처리시 유지 시간이 {(2.4×t)+10}분 미만이면 조직의 균질화가 어렵고, 반면 {(2.4×t)+30}분을 초과하게 되면 생산성을 저해하므로 바람직하지 못하다.
한편 상기 템퍼링 공정을 통하여, 면적%로, 0.5~5.0%의 잔류오스테나이트, 25~85%의 템퍼드 베이나이트 및 잔부 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 강 미세조직을 갖는 본 발명의 인장강도 및 횡팽창 특성이 우수한 저온용 압력용기 강판이 얻어질 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
(실시예)
하기 표 1과 같은 조성성분을 갖는 강슬라브를 각각 마련한 후, 이들 강슬라브를 1050~1250℃의 온도범위에서 재가열하였다. 그리고 상기 재가열된 강판을 패스당 5 ~ 30%의 압하율로 열간 압연하여 열연강판을 각각 제조하였다. 이어, 이렇게 제조된 열연강판을 공냉한 후, 공냉된 열연강판을 표 2에 나타난 바와 같은 조건으로, 열처리, 중간 열처리 및 템퍼링을 실시하여 압력용기 강판을 제조하였다. 이때 열처리시간, 중간열처리시간 및 템퍼링시간은 강종 a는 80분, 강종 b는 105분 그리고 강종 c는 140분으로 일정하게 유지하였다.
상기와 같이 제조된 강판의 미세조직 중 템퍼드 베이나이트와 잔류 오스테나이트 조직의 상분율을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 또한 상기 제조된 강판들에 대하여 항복강도, 인장강도 및 횡팽창 특성을 평가하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 한편 하기 표 2에서 횡팽창 특성은 -150℃에서 V노치를 갖는 시편을 샤르피 충격 시험을 행하여 얻은 횡팽창 값으로 평가한 결과치를 나타낸 것이다. 그리고 인장응력 등은 인장시험 기준인 ASTM A20 및 ASTM E8에 따라 측정한 결과를 나타낸 것이다.
강종 조성성분(중량%) 비고
C Mn Si P S Al Ni Mo Pd
a 0.10 0.51 0.26 0.008 0.0010 0.035 4.95 0.28 0.05 발명강
b 0.09 0.54 0.29 0.007 0.0012 0.030 4.85 0.27 0.07 발명강
c 0.08 0.53 0.27 0.011 0.0011 0.028 4.85 0.29 0.08 발명강
d 0.11 0.52 0.28 0.010 0.0010 0.031 4.60 0.25 - 비교강
강종 두께
(mm)		 압연종료
온도(℃)		 열처리온도(℃) 중간열처리온도(℃) 템퍼링온도(℃) 템퍼드 베이나이트 분율(%) 잔류 오스테나이트 분율(%) YS(MPa) TS(MPa) El(%) -150℃
횡팽창(mm)		 비고
a 20 850 880 740 630 62 3.5 657 721 36 2.31 발명예1
860 900 730 640 60 3.8 655 720 38 2.28 발명예2
b 35 850 880 750 630 63 4.1 653 723 35 2.43 발명예3
860 900 740 640 59 3.9 659 719 36 2.31 발명예4
c 50 850 880 730 630 58 3.8 653 728 38 2.45 발명예5
850 900 740 640 55 4.0 657 724 39 2.15 발명예6
d 25 850 공냉 - - 0 0 555 620 24 0.45 비교예1
850 공냉 - - 0 0 549 619 25 0.48 비교예2
상기 표 1-2에 나타난 바와 같이, 강조성성분 및 제조공정 조건이 본 발명의 범위를 만족하는 발명예 1-6의 경우, 템퍼링처리후 면적분율로 15-80%의 템퍼드 베이나이트와 잔부 템퍼드 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서 항복강도 및 인장강도가 비교재 1-2에 비해 약 100MPa 정도 우수하면서도 연신율도 10% 이상, -150℃ 저온 횡팽창 역시 1.5mm 이상 우수함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (3)

  1. 중량%로, C: 0.05 ~ 0.15%, Si: 0.20 ~ 0.40%, Mn: 0.3 ~ 0.6%, P: 0.015% 이하, S: 0.015%이하, Al: 0.02 ~ 0.10%, Ni: 4.5 ~ 5.5%, Mo: 0.2 ~ 0.4%, Pd: 0.001~0.15%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    강 미세조직이 면적분율로 0.5~5.0%의 잔류오스테나이트, 25~85%의 템퍼드 베이나이트, 및 잔부 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 우수한 강도와 극저온 횡팽창 특성이 우수한 저온용 압력용기 강판.
  2. 중량%로, C: 0.05 ~ 0.15%, Si: 0.20 ~ 0.40%, Mn: 0.3 ~ 0.6%, P: 0.015% 이하, S: 0.015%이하, Al: 0.02 ~ 0.10%, Ni: 4.5 ~ 5.5%, Mo: 0.2 ~ 0.4%, Pd: 0.001~0.15%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1050 ~ 1250℃에서 재가열하는 공정;
    상기 재가열된 강 슬라브를 패스당 5 ~ 30%의 압하율로 열간 압연하고, 800℃ 이상의 온도에서 압연을 종료함으로써 열연강판을 제조하는 열간압연 공정;
    상기 제조된 열연강판을 공냉하고, 이어, 공냉된 강판을 850~920℃의 온도 범위에서 {2.4×t + (10~30)}분 [여기서 t는 강재의 두께(mm)를 의미한다] 동안 가열한 후, 150℃ 이하로 수냉하는 공정;
    상기 수냉된 강판을 690 ~ 760℃에서 {2.4×t + (10~30)}분 [여기서 t는 강재의 두께(mm)를 의미한다] 동안 중간 열처리 후, 150℃ 이하로 수냉하는 공정; 및
    상기 수냉된 강판을 600~660℃구간에서 {2.4×t + (10~30)}분 [여기서 t는 강재의 두께(mm)를 의미한다] 동안 템퍼링하는 공정;을 포함하는 강도 및 극저온 횡팽창 특성이 우수한 저온용 압력용기 강판의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 템퍼링 공정으로 얻이진 강판은 면적분율로 0.5~5.0%의 잔류오스테나이트, 25~85%의 템퍼드 베이나이트, 및 잔부 템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 가지는 것을 특징으로 하는 강도 및 극저온 횡팽창 특성이 우수한 저온용 압력용기 강판의 제조방법.
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