KR102305429B1 - 피로저항성이 우수한 고강도 강재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 용접 강관 - Google Patents

피로저항성이 우수한 고강도 강재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 용접 강관 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파이프용 소재로 적합한 강재로서, 고강도와 더불어 피로저항성이 우수한 강재 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
더불어, 본 발명은 상기 강재를 이용하여 얻은 용접 강관을 제공하고자 한다.

Description

피로저항성이 우수한 고강도 강재, 이의 제조방법 및 이를 이용한 용접 강관 {HIGH-STRENGTH STEEL SHEET HAVING EXCELLENT FATIGUE RESISTANCE, METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF, AND WELDED STEEL PIPE USING THEREOF}
본 발명은 오일이나 가스 채굴 등에 사용되는 파이프용 강재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피로저항성이 우수한 고강도 강재 및 이것을 제조하는 방법과, 상기 강재를 이용하여 얻은 용접 강관에 관한 것이다.
최근, 유정이나 가스정(이하, '유정'이라 총칭함)을 개발하기 위한 환경이 점점 가혹화되고 있으며, 채산성을 향상시키기 위하여 생산원가를 낮추기 위한 노력들이 지속되고 있다.
한편, 코일드 튜빙(coiled tubing)은 외경 20 내지 100 mm 정도의 소구경의 1km가 넘는 길이의 용접 파이프를 릴에 권취한 것으로, 작업 시 릴(reel)에서 풀어서 유정에 삽입하고, 작업 후 다시 권취한다.
이러한 코일드 큐빙은 열연코일을 슬리팅(slitting)한 스켈프(skelp)들을 서로 용접하여 길게 만들고, 그것을 전기저항용접하여 파이프로 제조하여 초대형 릴에 감은 후 물 호스처럼 사용하는 제품으로, 미리 수 km를 만들어 놓으므로 설치시간을 줄일 수 있는 장점이 있다. 이에 점차적으로 그 수요가 증가하고 있는 추세이다.
코일드 튜빙은 릴에서 감았다 풀었다를 반복해야하므로 소재의 우수한 표면 특성과 높은 피로저항성이 요구된다.
또한, 소재의 용접부 제어도 중요하며, 용접부에 결함이 있거나 모재 대비 강도가 열위할 경우, 응력이 집중되어 피로누적으로 인한 파단이 발생하는 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제2014-0104497호
본 발명의 일 측면은, 파이프용 소재로 적합한 강재로서, 고강도와 더불어 피로저항성이 우수한 강재 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
더불어, 본 발명은 상기 강재를 이용하여 얻은 용접 강관을 제공하고자 한다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 과제는 본 명세서의 내용 전반으로부터 이해될 수 있을 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 부가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.10~0.15%, 실리콘(Si): 0.30~0.50%, 망간(Mn): 0.7~1.4%, 인(P): 0.025% 이하, 황(S): 0.005% 이하, 니오븀(Nb): 0.01~0.05%, 크롬(Cr): 0.5~0.7%, 티타늄(Ti): 0.01~0.03%, 구리(Cu): 0.1~0.4%, 니켈(Ni): 0.1~0.3%, 질소(N): 0.008% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
미세조직으로 페라이트와 경질상의 혼합조직을 포함하며, 상기 경질상은 베이나이트 및 마르텐사이트 중 1종 이상, 면적분율 10~40%로 포함하는 피로저항성이 우수한 고강도 강재를 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 합금성분계를 가지는 강 슬라브를 준비하는 단계; 상기 강 슬라브를 1100~1300℃의 온도범위에서 가열하는 단계; 상기 가열된 강 슬라브를 900~1100℃의 온도범위에서 조압연하는 단계; 상기 조압연 후 800~900℃의 온도범위에서 마무리 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 및 상기 열연강판을 450℃ 이상~550℃ 미만의 온도범위로 냉각한 후 권취하는 단계를 포함하는 피로저항성이 우수한 고강도 강재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 일 측면은, 상기 고강도 강재를 성형 및 용접하여 얻은 것이고, 항복강도 750MPa 이상, 인장강도 790MPa 이상, 피로수명이 100 이상인 피로저항성이 우수한 용접 강관을 제공한다.
본 발명에 의하면, 강관으로 성형 및 용접한 후에도 항복강도 750MPa 이상의 고강도를 가질 뿐만 아니라, 피로저항성이 우수한 강재를 제공할 수 있다.
나아가, 본 발명의 강재를 성형 및 용접하여 얻어지는 용접 강관은 코일드 튜빙으로서 적합하게 적용 가능한 효과가 있다.
본 발명자들은 오일이나 가스 채굴 등에 있어서 지속적으로 수요가 증가하고 있는 코일드 튜빙에 적합한 소재의 물성을 향상시키기 위해 깊이 연구하였다. 특히, 용접 강관으로 제조한 후 항복강도 750MPa 이상을 가지면서, 우수한 피로특성을 가지는 파이프용 강재를 제공하고자 하였다.
그 결과, 강재의 합금조성 및 제조조건을 최적화하는 것으로부터, 강재의 피로특성에 영향을 미치는 미세조직의 상(phase) 구성을 최적화하는 것에 의해 의도하는 물성을 갖는 강재를 제공할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 피로저항성이 우수한 고강도 강재는 중량%로, 탄소(C): 0.10~0.15%, 실리콘(Si): 0.30~0.50%, 망간(Mn): 0.7~1.4%, 인(P): 0.025% 이하, 황(S): 0.005% 이하, 니오븀(Nb): 0.01~0.05%, 크롬(Cr): 0.5~0.7%, 티타늄(Ti): 0.01~0.03%, 구리(Cu): 0.1~0.4%, 니켈(Ni): 0.1~0.3%, 질소(N): 0.008% 이하를 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에서 제공하는 강판의 합금조성을 위와 같이 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다.
한편, 본 발명에서 특별히 언급하지 않는 한 각 원소의 함량은 중량을 기준으로 하며, 조직의 비율은 면적을 기준으로 한다.
탄소(C): 0.10~0.15%
탄소(C)는 강재의 경화능을 증가시키는 데에 유리한 원소로서, 그 함량이 0.10% 미만이면 강의 경화능이 불충분하여 목표 수준의 강도를 확보할 수 없게 된다. 반면, 그 함량이 0.15%를 초과하게 되면 항복강도가 지나치게 높아져 가공이 어려워지거나, 피로저항성이 열위할 우려가 있다.
따라서, 상기 C는 0.10~0.15%로 포함할 수 있다.
실리콘(Si): 0.30~0.50%
실리콘(Si)은 페라이트 상 중에서 C의 활동도(C activity)를 증가시키고, 페라이트 안정화를 촉진시키며, 고용강화에 의한 강도확보에 기여하는 원소이다. 또한, 전기저항용접시 Mn2SiO4 등의 저융점 산화물을 형성시켜, 용접시에 산화물이 쉽게 배출되도록 한다.
이러한 Si의 함량이 0.30% 미만인 경우에는 제강 상의 비용 문제가 발생하며, 반면 0.50%를 초과하는 경우에는 Mn2SiO4 이외의 고융점 산화물인 SiO2의 형성량이 많아져 전기저항용접시 용접부의 인성을 저하시킬 수 있다.
따라서, 상기 Si은 0.30~0.50%로 포함할 수 있다.
망간(Mn): 0.7~1.4%
망간(Mn)은 강을 고용강화시키는데 효과적인 원소로서, 그 함량이 0.7% 이상으로 함유되어야 소입성 증가 효과와 더불어 목표 수준의 강도를 확보할 수 있다. 반면, 그 함량이 1.4%를 초과하는 경우에는 제강 공정에서 슬라브 주조시 두께 중심부에서 편석부가 크게 발달되고 최종 제품의 피로저항성을 저해하는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.
따라서, 상기 Mn은 0.7~1.4%로 포함할 수 있다.
인(P): 0.025% 이하
인(P)은 강 중 불가피하게 첨가되는 불순물이며, 강의 인성을 열화시키는 원소이므로, 상기 P의 함량을 가능한 한 낮추는 것이 바람직하다. 다만, 제강 공정에서의 비용을 고려하여 상기 P의 함량을 0.025% 이하로 제한할 수 있다.
황(S): 0.005% 이하
황(S)은 강 중에 조대한 개재물을 형성하기 쉬운 원소이고, 인성의 저하나 크랙 진전을 조장하므로 가능한 그 함량을 낮추는 것이 바람직하다. 다만, 제강단계의 비용을 고려하여 상기 S의 함량을 0.005% 이하로 제한할 수 있으며, 보다 유리하게는 0.002% 이하로 제한할 수 있다.
니오븀(Nb): 0.01~0.05%
니오븀(Nb)은 석출물을 형성하여 강의 강도에 큰 영향을 주는 원소로써, 강 중에 탄·질화물을 석출하거나, Fe 내 고용강화를 통하여 강의 강도를 향상시키는데에 유리하다. 특히, Nb계 석출물들은 슬라브 재가열시 고용된 후 열간압연 중 미세하게 석출하여 강의 강도를 효과적으로 증가시킨다.
이러한 Nb의 함량이 0.01% 미만이면 미세 석출물이 충분히 형성되지 못하여 목표로 하는 수준의 강도를 확보할 수 없다. 반면, 그 함량이 0.05%를 초과할 경우 제조원가가 상승하는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.
따라서, 상기 Nb은 0.01~0.05%로 포함할 수 있다.
크롬(Cr): 0.5~0.7%
크롬(Cr)은 경화능, 부식저항성을 향상시키는 원소이다. 이러한 Cr의 함량이 0.5% 미만일 경우에는 첨가에 따른 부식저항성 향상 효과가 불충분하고, 반면 0.7%를 초과할 경우에는 용접성이 급격히 저하될 수 있으므로 바람직하지 못하다.
따라서, 상기 Cr은 0.5~0.7%로 포함할 수 있다.
티타늄(Ti): 0.01~0.03%
티타늄(Ti)은 질소(N)와 반응하여 TiN을 형성함으로써 슬라브 재가열시 뿐만 아니라, 용접 열영향부(HAZ)의 오스테나이트 결정립 성장을 억제하여 강도를 증대시키는 역할을 한다.
상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는, 상기 Ti을 (3.4×N(중량%)) 첨가량을 초과하여 함유하여야 하므로, 0.01% 이상으로 첨가할 수 있다. 다만, Ti이 지나치게 많을 경우에는 TiN의 조대화 등으로 인성을 저하시킬 수 있으므로, 그 상한을 0.03%로 제한할 수 있다.
따라서, 상기 Ti은 0.01~0.03%로 포함할 수 있다.
구리(Cu): 0.1~0.4%
구리(Cu)는 모재나 용접부의 경화능 및 부식 저항성 향상에 유효하다. 이러한 Cu의 함량이 0.1% 미만이면 부식 저항성 확보에 불리한 반면, 그 함량이 0.4%를 초과하면 제조원가가 상승하여 경제적으로 불리해지는 문제가 있다.
따라서, 상기 Cu는 0.1~0.4%로 포함할 수 있다.
니켈(Ni): 0.1~0.3%
니켈(Ni)은 경화능 및 부식 저항성 향상에 유효한 원소이다. 또한, 상기 Cu와 함께 첨가시 Cu와 반응하여 융점이 낮은 Cu 상의 생성을 저해하므로 열간가공시 크랙이 발생하는 문제점을 억제하는 효과도 있다. 이러한 Ni은 모재의 인성 향상에도 유효한 원소이다.
상술한 효과를 얻기 위해서는 상기 Ni을 0.1% 이상으로 포함할 수 있으나, 고가의 원소이므로 0.3%을 초과하여 첨가하는 것은 경제성 면에서 불리하다.
따라서, 상기 Ni은 0.1~0.3%로 포함할 수 있다.
질소(N): 0.008% 이하
질소(N)는 강 중에서 Ti 등과 결합하여 질화물로 고정시키는 역할을 하지만, 그 함량이 0.008%를 초과하게 되면 Ti 등의 함량을 불가피하게 높여야 하는 문제가 있다.
따라서, 상기 N은 0.008% 이하로 포함할 수 있다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
한 가지 예로서, 본 발명은 상술한 합그조성 이외에 몰리브덴(Mo)을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 Mo은 경화능이 큰 원소로서, 강재 강도 향상에 유리할 뿐만 아니라, 피로저항성 향상에도 효과적인 원소이다. 다만, 이러한 Mo은 고가의 원소로서 다량 첨가시 제조 원가를 크게 상승시키는 문제가 있으므로, 그 함량을 0.3% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
상술한 합금성분계를 가지는 본 발명의 강재는 미세조직으로 페라이트와 경질상(hard phase)의 혼합조직을 포함할 수 있다. 상기 혼합조직은 상기 강재의 전 두께에 걸쳐 동일하게 형성될 수 있으며, 다만 미세조직 측정시 두께방향 1/4t(여기서, t는 강재 두께(mm)를 의미함) 영역에서 측정할 수 있음을 밝혀둔다.
본 발명에 있어서, 상기 경질상은 베이나이트 및 마르텐사이트 중 1종 이상이며, 이들 경질상은 면적분율 10~40%로 포함할 수 있다.
상기 경질상의 분율이 10% 미만이면 목표 수준의 강도를 확보할 수 없으며, 반면 그 분율이 40%를 초과하게 되면 상대적으로 페라이트 상의 분율이 낮아져 피로저항성이 열위하는 문제가 있다.
한편, 본 발명의 강재는 경질상을 함유함에 있어서, 다음의 관계식 1의 값이 0 이상을 만족하는 것이 바람직하다.
[관계식 1]
F = (8 × 베이나이트 분율(%)) - (마르텐사이트 입경(㎛) × 마르텐사이트 분율(%))
(관계식 1에서 각 상의 분율은 면적분율(%)을 의미한다.)
본 발명자들은 본 발명에서 목표로 하는 피로저항성을 향상시키기 위해서는 경질상을 구성하는 베이나이트 상과 마르텐사이트 상의 분율의 제어가 중요함을 확인하였다.
구체적으로, 상기 경질상 중 마르텐사이트 상의 분율 대비 베이나이트 상의 분율이 높을수록, 본 발명에서 제공하는 강재의 피로저항성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 특히 상기 마르텐사이트 상의 입경이 작을수록 그 효과가 더 커짐을 발견하였다.
이에, 본 발명은 강재의 미세조직으로 경질상을 포함함에 있어서, 결정립 크기가 상대적으로 조대한 마르텐사이트 상의 분율을 낮추는 것이 바람직하며, 특별히 베이나이트 상과 마르텐사이트 상의 관계가 상기 [관계식 1]을 만족함으로써, 목표로 하는 피로저항성을 유리하게 확보할 수 있다.
더불어, 본 발명의 강재는 상기 페라이트의 평균 결정립 크기가 10㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 페라이트 상의 평균 결정립 크기가 10㎛를 초과하게 되면 입계로 피로전파가 용이해져 피로저항성 확보에 불리해지는 문제가 있다. 여기서, 상기 결정립 크기의 기준은 원상당 평균 직경을 의미한다.
나아가, 상기 마르텐사이트 상의 평균 결정립 크기는 20㎛ 이하일 수 있다. 상기 마르텐사이트 상의 평균 결정립 크기가 20㎛를 초과하게 되면 강재의 피로저항성이 열위하는 문제가 있다.
이하에서는, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 피로저항성이 우수한 고강도 강재를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 고강도 강재는, 본 발명에서 제안하는 합금성분계를 만족하는 강 슬라브를 준비한 후, 이를 [가열 - 열간압연 - 냉각- 권취]의 공정을 거침으로써 제조할 수 있으며, 이하에서는 상기 각각의 공정 조건에 대해 상세히 설명한다.
[가열 공정]
우선, 상술한 합금성분계를 가지는 강 슬라브를 준비한 후, 이를 가열할 수 있다. 상기 가열 공정은 후속되는 압연 공정을 원활히 수행하고, 목표로 하는 강재의 물성을 충분히 얻기 위한 공정이므로, 목적에 맞게 적절한 온도범위 내에서 수행되어야 한다.
본 발명에서 상기 강 슬라브의 가열 공정은 1100~1300℃의 온도범위에서 행할 수 있다.
상기 가열 온도가 1100℃ 미만이면 Nb 등이 완전히 고용되기 어려워 충분한 강도를 확보하기 어려워지며, 반면 그 온도가 1300℃를 초과하게 되면 초기 결정립이 과도하게 조대해져 입도 미세화가 어려워지는 문제가 있다.
[압연 공정]
상기에 따라 가열된 강 슬라브를 압연하여 열연강판을 제조할 수 있으며, 이때 온도범위에 따라 조압연 및 마무리 열간압연을 행할 수 있다.
상기 조압연 공정은 900~1100℃의 온도범위에서 행할 수 있는데, 그 온도가 900℃ 미만이면 압연기 설비부하의 문제가 발생할 위험성이 높아지게 된다.
상기 조압연 공정에 후속하여 행해지는 마무리 열간압연 공정은 미재결정온도 영역인 800~900℃의 온도범위에서 행할 수 있다. 상기 마무리 열간압연시 온도가 800℃ 미만이면 압연 부하로 인해 오작이 발생할 위험성이 있으며, 반면 그 온도가 900℃를 초과하게 되면 최종 조직이 조대해져 목표 수준의 강도를 확보하기 어려워진다.
[냉각 및 권취 공정]
상기에 따른 압연 공정을 완료하여 얻은 열연강판을 냉각한 후 권취할 수 있다.
상기 냉각은 강의 강도와 인성을 향상시키는데에 중요한 공정으로서, 이때 냉각속도가 빠를수록 강 내부 조직의 결정립이 미세화되어 인성이 향상되며, 더불어 강 내부에 경질조직이 발달하여 강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는 상기 냉각시 20~60℃/s의 냉각속도로 행할 수 있다. 상기 냉각속도가 20℃/s 미만이면 냉각시에 경질상을 충분히 확보하지 못하게 되어 목표 수준의 강도를 확보하는기 어려워진다. 반면, 상기 냉각속도가 60℃/s를 초과하게 되면 마르텐사이트 조직이 과도하게 형성되어 강도가 지나치게 높아지거나, 피로저항성이 열위할 우려가 있다.
상술한 냉각속도로 냉각을 행함에 있어서, 권취 온도까지 냉각을 행할 수 있으며, 구체적으로 450℃ 이상~550℃ 미만의 온도범위로 냉각한 후 권취 공정을 행할 수 있다.
상기 권취 온도가 450℃ 미만이면 천이비등영역의 온도영역대가 되어 불균일 냉각에 의해 강도 편차가 커지고, 이로 인해 강도가 낮은 부위에 응력이 집중되면 피로저항성이 열위하는 문제가 있다. 반면, 그 온도가 550℃ 이상이면 최종 조직으로 경질상을 확보하기 어려워져 목표 수준의 강도를 확보할 수 없게 된다.
상술한 냉각 및 권취 공정까지 완료함으로써 의도하는 미세조직을 가지는 고강도 강재를 얻을 수 있다.
이러한 고강도 강재를 이용하여 성형 및 용접을 행함으로써 용접 강관으로 제조할 수 있으며, 일 예로, 제조된 강재를 산세 처리하여 표면의 스케일을 제거한 후 소정의 폭으로 슬리팅하고, 코일드 튜빙으로 조관할 수 있다.
상기 용접 강관을 제조하는 방법은 특별히 한정되지 않으나, 경제성이 가장 뛰어난 전기저항용접을 이용하여 조관하는 것이 바람직하다. 전기저항용접 시 어떠한 용접 방식도 이용할 수 있으므로 용접 방법에 대해 특별히 한정하지는 아니한다.
본 발명에 의하여 얻어지는 용접 강관은 항복강도 750MPa 이상, 인장강도 790MPa 이상, 피로수명이 100 이상인 특징을 가진다. 여기서, 피로수명은 ±2% Strain 제어 피로시험을 통하여 도출된 값으로 나타낼 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서 제공하는 고강도 강재를 이용하여 얻은 용접 강관은 목표로 하는 물성을 모두 만족하는 바, 코일드 튜빙으로서 적합하게 적용 가능한 효과가 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
하기 표 1에 나타낸 합금성분계를 가지는 강 슬라브를 준비한 후, 이를 1100~1300℃의 온도범위에서 가열한 다음, 900~1100℃의 온도범위에서 조압연을 행하였다. 이후, 800~900℃의 온도범위에서 마무리 열간압연을 행하여 각각의 열연강판을 제조한 후, 40~60℃/s의 냉각속도로 하기 표 2에 나타낸 권취온도까지 냉각한 후 권취하여 최종 강재를 제조하였다. 이때, 발명강 1 내지 3과 비교강 1에 대해서는 40~50℃/s의 냉각속도로 행하였으며, 비교강 2 및 3에 대해서는 50℃/s 초과~60℃/s 이하의 냉각속도로 행하였다.
상기에 따라 제조된 각각의 강재에 대해 미세조직을 관찰하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 이때, 미세조직은 압연 방향의 수직 방향의 단면을 광학현미경으로 관찰한 다음, 이미지 분석기(image analyzer)를 이용하여 각 상의 분율과 결정립 크기(원상당 평균 직경)를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
이후, 상기 각각의 강재에 대해 전기저항용접 조관 후 인장시험기를 이용하여 항복강도(YS) 및 인장강도(TS)를 측정한 후, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 이때, 통용되는 ASTM A370에 준하는 시험으로 실시하였다.
또한, 인장압축시험을 통해 피로수명을 측정하였으며, 파단이 되는 시점을 기준으로 판단하였다. 피로시험은 ±2% Strain 제어 조건으로 실시하였으며, 그 결과에 대해서도 하기 표 2에 나타내었다.
강종 합금성분계 (중량%)
C Si Mn P S Nb Cr Ti Cu Ni Mo N
발명강1 0.137 0.40 1.4 0.011 0.002 0.02 0.57 0.01 0.28 0.19 0.30 0.004
발명강2 0.141 0.38 0.9 0.012 0.002 0.04 0.59 0.01 0.27 0.16 0.25 0.004
발명강3 0.137 0.40 0.8 0.011 0.002 0.03 0.57 0.01 0.28 0.18 0.26 0.005
비교강1 0.143 0.35 0.9 0.011 0.002 0.01 0.58 0.01 0.28 0.19 0.29 0.004
비교강2 0.134 0.41 1.4 0.010 0.002 0.04 0.57 0.02 0.28 0.19 0 0.005
비교강3 0.126 0.41 1.3 0.011 0.002 0.03 0.56 0.01 0.28 0.19 0.25 0.004
강종 권취
온도
(℃)		 강재 용접 강관
미세조직 기계적 물성
F 입경
(㎛)		 M 입경
(㎛)		 M 분율
(%)		 B 분율
(%)		 관계식
1		 YS
(MPa)		 TS
(MPa)		 피로수명
(Nf)
발명강 1 535 3 4 5 17 116 861 913 142
발명강 2 510 7 9 6 9 18 827 897 122
발명강 3 490 4 6 11 22 110 996 1062 156
비교강 1 555 4 7 12 10 -4 894 989 71
비교강 2 420 6 15 16 17 -104 1129 1201 43
비교강 3 435 12 15 19 3 -261 1098 1247 69
(표 2에서 F는 페라이트, M은 마르텐사이트, B는 베이나이트 상을 의미한다. 또한, 상기 M 분율과 B 분율을 제외한 나머지 상은 페라이트(F) 상이다.)
상기 표 1 내지 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 합금성분계 및 제조조건을 모두 만족하는 발명강 1 내지 3은 의도하는 바 대로 미세조직이 형성됨에 따라, 용접 강관으로 제조한 후 고강도를 가지면서, 피로수명이 모두 100 이상으로 우수한 것을 확인할 수 있다.
반면, 제조조건이 본 발명에서 제안하는 바를 만족하는 못하는 비교강 1 내지 3은 조대한 조직이 형성되거나, 본 발명에서 의도하는 대로의 조직이 형성되지 못함에 따라, 용접 강관으로 제조한 후 피로수명이 열위한 것을 확인할 수 있다.

Claims (9)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.10~0.15%, 실리콘(Si): 0.30~0.50%, 망간(Mn): 0.7~1.4%, 인(P): 0.025% 이하, 황(S): 0.005% 이하, 니오븀(Nb): 0.01~0.05%, 크롬(Cr): 0.5~0.7%, 티타늄(Ti): 0.01~0.03%, 구리(Cu): 0.1~0.4%, 니켈(Ni): 0.1~0.3%, 질소(N): 0.008% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직으로 페라이트와 경질상의 혼합조직을 포함하며,
    상기 경질상은 베이나이트 및 마르텐사이트 중 1종 이상, 면적분율 10~40%로 포함하고,
    상기 경질상은 하기 관계식 1의 값(F)이 0 이상인 것을 특징으로 하는 피로저항성이 우수한 고강도 강재.

    [관계식 1]
    F = (8 × 베이나이트 분율(%)) - (마르텐사이트 입경(㎛) × 마르텐사이트 분율(%))
    (관계식 1에서 각 상의 분율은 면적분율(%)을 의미한다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 강재는 몰리브덴(Mo): 0.3% 이하를 더 포함하는 피로저항성이 우수한 고강도 강재.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 페라이트는 평균 결정립 크기가 10㎛ 이하인 피로저항성이 우수한 고강도 강재.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 강재는 성형 및 용접 후 항복강도 750MPa 이상, 인장강도 790MPa 이상, 피로수명이 100 이상인 피로저항성이 우수한 고강도 강재.
  6. 중량%로, 탄소(C): 0.10~0.15%, 실리콘(Si): 0.30~0.50%, 망간(Mn): 0.7~1.4%, 인(P): 0.025% 이하, 황(S): 0.005% 이하, 니오븀(Nb): 0.01~0.05%, 크롬(Cr): 0.5~0.7%, 티타늄(Ti): 0.01~0.03%, 구리(Cu): 0.1~0.4%, 니켈(Ni): 0.1~0.3%, 질소(N): 0.008% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 준비하는 단계;
    상기 강 슬라브를 1100~1300℃의 온도범위에서 가열하는 단계;
    상기 가열된 강 슬라브를 900~1100℃의 온도범위에서 조압연하는 단계;
    상기 조압연 후 800~900℃의 온도범위에서 마무리 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 및
    상기 열연강판을 450℃ 이상~550℃ 미만의 온도범위로 냉각한 후 권취하는 단계를 포함하고,
    미세조직으로 페라이트와 경질상의 혼합조직을 포함하며, 상기 경질상은 베이나이트 및 마르텐사이트 중 1종 이상, 면적분율 10~40%로 포함하고, 상기 경질상은 하기 관계식 1의 값(F)이 0 이상인 피로저항성이 우수한 고강도 강재의 제조방법.

    [관계식 1]
    F = (8 × 베이나이트 분율(%)) - (마르텐사이트 입경(㎛) × 마르텐사이트 분율(%))
    (관계식 1에서 각 상의 분율은 면적분율(%)을 의미한다.)
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 강 슬라브는 몰리브덴(Mo): 0.3% 이하를 더 포함하는 것인 피로저항성이 우수한 고강도 강재의 제조방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 냉각은 20~60℃/s의 냉각속도로 행하는 것인 피로저항성이 우수한 고강도 강재의 제조방법.
  9. 제 1항 내지 제 2항 및 제 4항 내지 제 5항 중 어느 한 항의 강재를 성형 및 용접하여 얻은 것이고,
    항복강도 750MPa 이상, 인장강도 790MPa 이상, 피로수명이 100 이상인 피로저항성이 우수한 용접 강관.
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