KR20010002776A

KR20010002776A - 열간압연-냉각에 의한 다목적 내후성 강재의 제조방법 및 제조강판

Info

Publication number: KR20010002776A
Application number: KR1019990022752A
Authority: KR
Inventors: 유장용; 주웅용; 쉔율린; 보드너리처드엘.
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사; 더블류.엔.바즈론; 베들레헴 스틸 코포레이션
Priority date: 1999-06-17
Filing date: 1999-06-17
Publication date: 2001-01-15
Also published as: KR100435428B1

Abstract

본 발명은 항복강도 50, 65 및 70ksi 수준의 여러 등급의 ASTM 규격을 만족시키는 다목적의 열간압연-냉각의 비열처리형 내후성강재를 제공하며, 아울러 이 강재를 합금성분제어, 제어압연 및 제어냉각을 통하여 열처리없이 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

항복강도 50ksi급: 두께 4인치까지, 항복강도 65ksi급:1.5인치까지, 항복강도 70ksi급:두께 1.25인치까지 각 항복강도에 해당하는 ASTM 규격을 만족시키는 열간압연-냉각에 의한 내후성 강재를 제조하는 방법에 있어서,

중량%로, C:0.05∼0.12%, Mn:0.5∼1.35%, P:0.04%이하, S:0.05%이하, Si:0.15∼0.65%, Cu:0.20∼0.40%, Ni:0.50%이하, Cr:0.40∼0.70%, V:0.01∼0.10%, Nb:0.01∼0.05%, Ti:0.005∼0.02%, N:0.001∼0.015%, Al:0.1%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 가열하여 오스테나이트의 재결정정지온도 이상에서 조압연을 행하고, 재결정정지온도이하∼오스테나이트/페라이트 변태온도(Ar₃)이상의 온도구간에서 최종두께로 사상압연하는 단계;

상기 최종두께로 된 압연판을 Ar₃이상의 온도에서 냉각을 개시하되,

(a) 두께 4인치이하의 항복강도 50ksi급의 강재로 제조하는 경우에는 상기 냉각은 공냉 또는 가속냉각을 하고,

(b) 두께 1.5인치 이하의 항복강도 65ksi급의 강재를 제조하는 경우 또는 1.25인치 이하의 항복강도 70ksi급의 강재를 제조하는 경우에는 상기 냉각은 가속냉각하며, 가속냉각은 물, 공기/물 혼합체 또는 기타의 냉매를 사용하여 Ar₃이하의 온도에서 종료하는 단계;를 포함하여 이루어지는 열간압연-냉각에 의한 다목적 내후성 강재의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

주어진 두께에 있어서 최적 물성의 발현을 위해서는 중량%로, Mn함량이 0.70∼1.00%, 보다 바람직하게는 0.7∼0.9%, Nb함량이 0.02∼0.04%, 보다 바람직하게는 0.03∼0.04%, Ti함량이 0.01∼0.02% 보다 바람직하게는 0.010∼0.015%, V함량이 0.06∼0.09% 보다 바람직하게는 0.06∼0.08%, N함량이 0.006∼0.008%로 화학성분 제어범위가 구체화된다.

가속냉각강에 있어서, 화학성분과 가속냉각조건에 따라 항복현상이 크게 바뀌는 등 물성이 크게 변한다. 규격의 물성만족에 필요에 사항으로 강이 불연속항복에 의해 항복이 일어나 최적의 물성을 갖기 위해서는 앞의 화학성분 제어범위 구체화와 더불어 가속냉각 조건이 다음과 같이 보다 구체화 된다.

0.5-1.5인치 강판의 경우 냉각속도는 2.8-27.8℃/sec(5-50℉/sec), 보다 바람직하게는 세분시는 0.5인치 이하 강판의 경우 5.56-27.8℃/sec(10-50℉/sec), 0.5-1.25인치의 강판의 경우 4.44-19.4℃/sec(8-35℉/sec), 1.25-1.5인치 강판의 경우 2.8∼13.9℃/sec(5-25℉/sec)이며, 1.5-4인치 강판의 경우 0.56-5.56℃/sec(1-10℉/sec)이며, 가속냉각시 냉각개시온도는 732-871℃(1350-1600℉), 보다 바람직하게는 760-843℃(1400-1550℉)로 구체화된다. 냉각종료온도는 482-704℃(900-1300℉)로 하며, 보다 바람직하게는 538-649℃(1000-1200℉)로 한정된다.

본 발명은 언급된 제조방법뿐 아니라, 열간압연-재가열소입-템퍼링 제조법이 아닌 열간압연-공냉 또는 가속냉각법으로 제조된 냉후성강재의 제공도 포함하고 있는데, 대상은 (1) 두께 1.25인치이하의 항복강도 70ksi급 강판, (2)두께 1.50인치 이하의 경우 항복강도 65ksi급 강판, (3)두께 4인치 이하의 항복강도 50ksi급 강판이다. 그와 더불어 강의 화학성분도 넓은 범위와 바람직하게 세분화된 범위에 있어서 발명의 일부를 구성한다.

Description

열간압연-냉각에 의한 다목적 내후성 강재의 제조방법 및 제조강판{Method of making an As-rolled multi-purpose weathering steel plate and product therefrom}

본 발명은 교량, 송전용 철탑, 빌딩 등의 구조물에 사용되는 내후성강재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금성분 제어, 제어압연 및 가속냉각법을 이용하여 여러 등급의 ASTM 규격을 만족시킬 수 있는 압연후 공냉 또는 가속냉각형 내후성강 을 제조하는 방법 및 제조된 강재에 관한 것이다.

내후성강은 보통강에 비해 대기부식 저항성이 월등히 우수하여 교량 및 철탑등의 구조물에 무도장으로 사용될 수 있다. 내후성강의 높은 부식저항성을 갖는 이유는 대기에 노출된 초기기간은 보통강과 유사하게 녹이 발생하지만 기간이 경과함에 따라 그 녹의 일부가 서서히 모재에 밀착된 치밀한 녹을 형성하고 그 녹층이 환경에 대한 보호막으로 작용하여 부식진행을 억제시키기 때문이다. 대기부식 저항성은 미세조직이나 제조공정 보다는 화학조성에 거의 의존하며 화학조성에 따른 부식 저항성(C.I)은 ASTM G101에 하기 식 1과 같이 규정되어 있다.

[관계식]

C.I=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-9.10(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)²

상기 식 1에 의하면 내후성강에 가장 유효한 합금원소는 P, Cu, Ni, Cr, Si의 순서임을 알 수 있다. 일반적으로 C.I지수가 6.0이상이면 대기부식 저항성이 매우 우수하여 무도장으로 적용될 수 있음은 널리 알려져 있다.

고장력 저합금계 내후성강은 교량, 송전용, 철탑, 빌딩 등의 구조물 건설에 널리 적용되고 있는데, 이는 콘크리트나 다른 강구조물에 비해 다음과 같은 3가지의 장점을 지니고 있기 때문이다.

첫째, 내후성강은 강도가 높아 구조물의 전체 하중 및 재료비용을 감소시킬 수 있다는 것이다. 따라서, 이와 같은 고강도 내후성강을 사용하는 설계는 콘크리트나 저강도 재료를 사용하는 설계 보다 훨씬 경쟁력이 있게 된다.

둘째, 내후성강은 대기 부식 저항성이 우수하여 교량, 철탑 등에 무도장으로 적용될 수 있으므로 구조물의 유지보수비가 크게 저감되는 점이다. 특히 도시에서 떨어져 있어 정기적으로 유지보수가 불가능한 지역의 교량 및 철탑 등의 응용에 큰 잇점이 있다.

셋째, 대략 0.1중량%이하의 저탄소 함량 및 저탄소 당량의 강재이므로 용접성 및 인성이 우수하다는 점이다.

고장력 저합금계 내후성강의 사용에 관해서는 여러 가지 강종 규격에 규정되어 있는데, 그중 대표적인 것이 ASTM 규격이다. 아래 표 1-3에는 ASTM 규격에서 정하고 있는 각 등급별 제조방법, 기계적성질 및 화학성분이 나타나 있다.

ASTM규격명	항복강도(ksi)	인장강도(ksi)	연신율(%, 측정부 길이 2인치 시편)	L방향 충격인성
A588-Gr B/A70950W-TYPE B	≥50	≥70	21이상	AASHTO Req¹⁾
A871-Grade 65-TYPE Ⅱ	≥65	≥80	17이상	-30℃(-20℉)에서 20J(15ft-lbs)이상
A709 70W	≥70	90-110	19이상	AASHTO Req^1.2)
A709 HPS 70W	≥70	90-110	19이상	AASHTO Req^1.2)
1)사용온도 영역에 있어서 엄격한 파괴환경(fracture-critical) 또는 완화된 파괴환경(fracture non-critical)응용에 대해 AASHTO에서 요구하고 있는 CVN충격 인성값2)70W강에 대해 가장 엄격한 AASHTO요구치는 영역 3(최저 사용온도가 -35∼-51℃)에 대한 파괴환경 응용에 요구되는 것임.

상기에서 알 수 있듯이, 중간정도의 강도를 가지는 인장강도 50kgf/mm²급으로는 최소항복강도 50ksi이상의 ASTM A588-GradeB 또는 A709-50W 강이 있는데 이들 강재에서는 탄소함량이 최대 0.2%로 보통 약 0.16% 정도이다.

이 보다 강도가 높은 것으로서 널리 사용되는 것은, 교량용으로 A709-Grade 70W와 HPS 70W, 철탑이나 강관용으로 A871-Grade 65 강재가 있다. A709-Grade 70W 및 HPS 70W는 항복강도 70ksi이상 급 강재로, A709-70W 강은 탄소함량이 최대 0.19로 보통 0.12% 수준이며, HPS 70W강은 저탄소강으로 탄소함량이 0.1% 수준으로 최대 두께 3인치까지 생산된다. A871-Grade 65 강재는 항복강도 65ksi 이상으로 두께 0.75인치 이하 강판은 열간압연으로, 0.75인치 이상의 경우는 열간압연-재가열소입-템퍼링의 공정으로 제조된다.

항복강도 70ksi 이상의 고강도강의 제조에는 열간압연-재가열소입-템퍼링 제조법이 적용된다. 이들 70ksi이상의 강재에서는 다른 강재의 경우와는 달리 인장강도의 허용범위가 90-110ksi로 한정되어 있다.

그런데, 이들 ASTM 규격의 고강도 내후성강의 적용에도 많은 단점이 있다.

첫째, 이들 고강도강 제조에 사용되는 열간압연-재가열소입-템퍼링 제조법이 에너지를 다량 소모한다는 점이다.

둘째, 이들 열처리 고강도강 생산시에는 열처리로 길이의 제약 등에 의해 제조되는 강판의 길이가 제약된다는 점이다. 다시 말하면, 열처리로의 사양에 따라 장입될 수 있는 판의 길이에 제약이 있어 예를 들면, 600인치 이하의 열처리로의 경우에 생산 가능한 강판의 크기가 상기 열처리로의 크기에 제약을 받게 된다. 따라서, 교량 등의 제조공정에서 용접부 저감을 통한 제작비용 저감을 위해 장척의 강판 제조가 요구되고 있으나, 이에 효과적으로 대응하지 못하고 있다.

셋째, 항복강도 70ksi급 강재규격은 인장강도의 상한치가 규제되기 때문에 강도 요구치를 만족시키기 어렵다는 점이다. 다시말하면, 항복강도가 너무 높을 때에는 인장강도가 규격을 상회하는 문제가 있으며, 적정의 인장강도 범위에서는 항복강도가 규격에 미달하는 등 이들 조건을 만족시키기 위해 엄격한 제조공정 관리가 필요하다는 것이다.

이와 같은 문제점에 따라, 고강도 내후성 강재 제조법 대비 경제적이며 장척인 강판을 제조할 수 있는 제조방법의 개발이 꾸준히 요구되고 있다. 또한, 상기 표 1-3에서 알 수 있듯이, 강도(등급)별 강성분이 달라 실조업에서 제조공정이 복잡한 문제가 있다. 따라서, 동일한 화학성분계로 여러 가지 등급의 내후성 강재규격을 만족시킬 수 있는 일련의 제조방법이 개발도 꾸준히 요구되고 있다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 요구에 대응하기 위해 연구하던중 제어압연-가속냉각을 적용하면 해결할 수 있음을 밝혀내고 본 발명을 완성하게 이르렀다. 본 발명에서 사용하고 있는 제어압연-가속냉각 제조법은, Bodnar 등에 의해 미국특허 No 5,514,227 등에 의해 공개된 바 있다. 상기 미국특허 No 5,514,227호에는 최소항복강도 50ksi 이상의 ASTM A572-Grade 50을 만족시키기 위한 제조법으로, 1.0-1.25%Mn, 미량의 바나듐이 첨가된 강에 대한 것이다. 이외에도 제어압연-가속냉각 제조법을 채용하는 다양한 기술이 제안되어 있다.

그러나, 상기 미국특허 No 5,514,227호와 마찬가지로 지금까지 제안된 제어압연-가속냉각법은, 내후성강에 대한 것이 아니라 강성분계도 크게 다르고, 더욱이 얻어지는 강도도 50ksi 정도로 본 발명과 비교될 수 없다.

한편, 내후성강의 제조분야에서 제어압연-공냉에 의해 ASTM규격의 항복강도 65 또는 75ksi급 내후성강을 제조하는 기술이 공지되어 있다. 그러나, 이 기술은 두께 0.5인치의 박물재에 제한이 따른다. 더욱이, 이 제조방법에서는 중간압연온도(IT, 사상압연개시온도)가 900℃(1650℉), 압연종료온도(FRT)가 730℃(1350℉), 중간압연온도에서 압연종료온도 사이에서 60%의 압하율을 가하는 매우 엄격한 제어압연을 행하는 관계로 압연 생산성이 크게 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 내후성강에 계속 지적되고 있는 제반문제를 해결하기 위하여 끊임없는 연구와 실험을 행하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 항복강도 50, 65 및 70ksi 수준의 여러등급의 ASTM 규격을 만족시키는 다목적의 열간압연-냉각의 비열처리형 내후성강을 제공하며, 아울러 합금성분이 제어된 강재를 제어압연 및 제어냉각을 통하여 후속 열처리 없이 제조할 수 있는 방법을 제공하는데, 목적이 있다.

본 발명은 특히 재가열소입 및 템퍼링 공정이 생략되기 때문에 기존 제조법 대비 에너지 효율이 좋아 제조원가가 크게 저하되는 장점이 있다.

도 1a는 1인치 두께 강판의 항복강도 및 인장강도에 미치는 Mn 및 항복현상의 영향을 나타내는 그래프.

도 1b는 1.5인치 두께 강판의 항복강도 및 인장강도에 미치는 Mn 및 항복현상의 영향을 나타내는 그래프

도 2a는 1인치 두께의 압연후 공냉 및 가속냉각재에 있어서 Mn함량에 따른 항복비(항복강도/인장강도)의 변화를 나타내는 그래프

도 2b는 1인치 두께 강판의 항복강도 및 인장강도에 미치는 냉각종료온도 및 항복현상의 영향을 나타내는 그래프

도 3은 압연후 가속냉각으로 현장생산된 종래강의 강판두께별 항복강도 및 인장강도를 비교해 주는 막대그래프

도 4는 본 발명에 따라 현장생산된 발명재의 두께별 항복강도 및 인장강도를 보여주는 막대그래프

도 5는 항복강도에 미치는 바나듐 및 압연종료온도의 영향을 보여주는 그래프

도 6은 항복강도에 미치는 니오븀 함량, 냉각속도, 입연종료온도 및 냉각종료온도의 영향을 보여주는 그래프

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열간압연-냉각에 의한 내후성 강재의 제조방법은, 중량%로, C:0.05∼0.12%, Mn:0.5∼1.35%, P:0.04%이하, S:0.05%이하, Si:0.15∼0.65%, Cu:0.20∼0.40%, Ni:0.50%이하, Cr:0.40∼0.70%, V:0.01∼0.10%, Nb:0.01∼0.05%, Ti:0.005∼0.02%, N:0.001∼0.015%, Al:0.1%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 가열하여 오스테나이트의 재결정정지온도 이상에서 조압연을 행하고, 재결정정지온도이하∼오스테나이트/페라이트 변태온도(Ar₃)이상의 온도구간에서 최종두께로 사상압연하는 단계;

상기 최종두께의 압연판을 Ar₃이상의 온도에서 냉각을 개시하되,

(a) 두께 4인치 이하의 항복강도 50ksi급의 강재를 제조하는 경우에는 상기 냉각은 공냉 또는 가속냉각을 하고,

(b) 두께 1.5인치 이하의 항복강도 65ksi급의 강재를 제조하는 경우 또는 1.25인치 이하의 항복강도 70ksi급의 강재를 제조하는 경우에는 상기 냉각은 가속냉각하며, 가속냉각은 물, 공기/물 혼합체 또는 기타의 냉매를 사용하여 Ar₃이하의 온도에서 종료하는 단계;를 포함하여 구성된다.

가속냉각강에 있어서 화학성분과 가속냉각 조건에 따라 항복현상이 크게 바뀌는 등 물성이 크게 변한다. 규격의 물성만족에 필용한 사항으로 강이 불연속항복에 의해 항복이 일어나 최적의 물성을 갖기 위해서는 앞의 화학성분 제어범위 구체화와 더불어 가속냉각 조건이 다음과 같이 보다 구체화 된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

[내후성 강]

본 발명의 내후성강은, 대기부식저항성에 유효한 Cu, Ni, Cr, Si, P가 기본적으로 함유되는 강종에 대하여, 불연속항복에 직접적으로 영향을 미치는 Mn, 그리고, 제어압연-냉각에 의해 페라이트 입도미세화와 석출강화에 의해 고강도를 확보에 유효한 Ti, Nb, V의 영향을 연구와 실험을 통해 규명하고 그 결과에 입각하여 완성된 것이다. 이러한 본 발명의 내후성강은 재가열소입-템퍼링 열처리를 하지 않고, 열간압연후 온라인 가속냉각 공정의 적용에 의해 고강도로 제조될 수 있으며, 종래의 내후성강 대비 주조성, 성형성, 용접성이 우수한 화학성분계로서, 이 강은 압연 및 냉각제어에 의해 여러등급의 ASTM규격의 강재를 동일성분계로 제조하는 것이 가능하다. 이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 Cu, Ni, Cr, Si, P은 대기부식저항성에 기여하는 원소로 이를 고려하여, Cu:0.20∼0.40%, Ni:0.50%이하, Cr:0.40∼0.70%, Si:0.15∼0.65%, P:0.04%이하의 범위로 함유되는데, 이들은 아래의 부식저항성 지수(C.I)가 6.0이상이 되도록 보다 바람직하게는 6.7이상이 되도록 조성된다. 여기서 Ni은 바람직하게는 0.20∼0.40%로 하는 것이 바람직하다.

[관계식 1]

이들 외에 C는 강도를 위해 0.05%이상 함유되며 그 함량이 높을수록 강도가 높아지나 주조성, 용접성 및 가공성을 향상시키기 위하여 응고시 포정점균열민감구역(peritectic cracking senseitive region)을 고려할때 0.12%이하로 함유되는 것이 바람직하다. 이러한 점을 고려하여 탄소는 바람직하게 0.07∼0.10%, 보다 바람직하게는 0.075∼0.085%이며, 목표함량은 0.08%이다.

Mn은 강도를 결정하는 불연속항복현상(후술함)에 직접적인 영향을 미치는 원소로, 그 함량이 0.5%이하가 되면 소입성이 낮아져 강도확보가 어렵고, 1.35%를 초과하면 연속항복현상이 일어나 항복강도는 낮아지고 인장강도가 높아진다. 실시예에서 확인할 수 있듯이, 불연속항복현상을 고려할 때 바람직하게 Mn은 0.6∼1.25%, 보다 바람직하게는 0.70∼0.9%, 가장 바람직하게는 0.75∼0.85%, 목표함량은 0.08%이다.

S은 불순물로서 그 함량이 0.05%를 넘으면 인성이 나빠지므로 제한하여야 한다.

Al은 탈산제로서 강제조시 충분을 탈산을 위해 첨가하는 수준으로 0.1%이하로 제한하며, 보다 바람직하게는 0.02∼0.06%로 한다.

Ti, Nb , V은 질소와 함께 강도확보에 유효한 작용을 하는 원소이다.

이중 Ti은 미세한 TiN으로 석출하여 재가열, 조압연 및 오스테나이트 재결정구역에서 오스테나이트의 입도를 미세화시켜 페라이트 입도 미세화에 기여하는 원소로 이를 위해 0.005-0.02% 첨가한다. 바람직하게는 Ti은 0.01∼0.02%, 보다 바람직하게는 0.01∼0.015%로 한다. 이는 통상 함유되는 질소의 양(50-70ppm)을 고려하여 설정된 것으로, 질소에 비해 Ti의 양이 너무 많아지면 TiN입자가 너무 커져 주조성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 목표함량은 0.012%이다.

또한, Nb은 Nb(C,N)으로 석출하여 압연중에 재결정을 억제하여 페라이트 핵생성 위치를 증대시킴으로써 페라이트 입도를 미세화시키는데, 이를 위해 0.01∼0.05%첨가한다. 바람직하게는 Nb은 0.02∼0.04%, 보다 바람직하게는 0.03∼0.04%로 하며 목표함량은 0.035%이다.

또한, V은 석출강화기구에 의해 최종조직의 강도를 높이는데 이를 위해 0.01%이상으로 하는데, 0.10%보다 많아지면 인성 및 용접성이 열악해진다. 바람직하게는 0.03∼0.10%, 보다 바람직하게는 0.06∼0.09%, 목표함량은 0.07% 또는 0.08%로 한다.

N은 석출물을 형성하기 위해 0.015%이하, 바람직하게는 0.001∼0.015%로 하며, 보다 바람직하게는 0.006∼0.008%로 한다.

본 발명에서는 내후성강의 합금설계시 제어압연후 냉각된 조건에서 강판이 불연속항복(discontinuous yielding) 현상을 보이도록 조성범위를 설계한다는데 주요한 특징이 있다.

불연속항복은 공칭응력-변형률 곡선에서 항복점강하(yield drop) 현상으로 특징지워지는 것으로, 불연속항복을 보이는 강에서는 항복점에 도달할때까지는 탄성 변형이 일어나며, 항복점에 도달한 후에는 응역이 변형률에 따라 불규칙하게 변하며, 그 이후 소성변형에 의해 재료가 변형하게 된다. 반면, 연속항복(continuous yielding)은 뚜렷한 항복점 없이 강이 탄성변형으로부터 소성변형으로 연속적으로 전이함에 따라 변형되어 나타나는 현상이다.

대체로 연속항복 현상은 고강도강인 베이나이트 강이나 마르텐사이트강에 전형적으로 나타나난 현상이다. 페라이트 기지조직의 경우에는 강의 화학조성과 미세조직에 의존하여 불연속항복을 보이는 유사한 강에 비해 낮은 강도에서부터 소성변형이 일어나 항복강도가 크게 낮아지는 일이 많다. 특히 본 발명에서 대상으로 하고 있는 항복강도 50, 65 및 70ksi급 강의 경우에는 연속항복이 일어나면 불연속항복강에 비해 항복강도가 급격히 낮게 되어 규격에서 요구하는 강도에 미달하는 경우가 자주 발생하므로 강이 불연속항복에 의해 변형되도록 합금설계를 제어하는 것이 중요하다.

한편, 불순물로서 몰리브덴(Mo)이나 보론(B)이 제선과정에서 사용되는 원료중에 포함되어 강 슬라브에 존재할 수 있다. 이들 원소는 연속항복현상을 조장하기 때문에 바람직하지 않은 원소로, 강판의 물리적성질 변화에 기여하지 못할정도의 함량으로 관리하는 것이 바람직하다. 특히, 몰리브덴의 경우 0.025%이하 보다 바람직하게는 0.015% 이하로 되는 것이 좋다.

또한, 강은 완전 탈산 또는 부분 탈산으로 제조될 수 있으나, 주조성과 인성향상의 관점에서 완전탈산을 하는 것이 바람직하며, Al과 같은 원소를 사용한 탈산방법은 공지된 기술이므로 본 발명에서는 상세한 설명을 생략한다.

한편, 본 발명에서는 내식성, 강도 및 인성을 고려하여 강의 화학성분을 상기에서 한정한 것 보다 더욱 구체화할 때의 바람직한 강의 조성범위는 다음과 같다. 중량%로, C:0.07∼0.09%, Mn:0.75∼0.85%, Si:0.3∼0.5%, Cu:0.20∼0.40%, Ni:0.2-0.4%, Cr:0.40∼0.60%, V:0.06∼0.08%, Nb:0.03∼0.04%, Ti:0.01∼0.015%, N:0.006∼0.008%를 포함하여 조성된다. 가장 최적의 목표조성은 중량%로, C:0.08%, Mn:0.80%, Si:0.4%, Cu:0.3%, Ni:0.3%, Cr:0.5%, V:0.06∼0.08%, Nb:0.035%, Ti:0.012%, N:0.007%를 포함하여 조성되는 것이다.

[내후성 강재의 제조방법]

본 발명에서는 강의 합금설계뿐만 아니라, 제조조건의 정밀한 제어도 매우 중요하다. 본 발명에서는 제조조건도 강의 항복현상에 큰 영향을 미치므로 제조조건도 가능한 한 강이 불연속항복에 의해 변형되도록 조절하는데 특징이 있다.

본 발명에서는 일단 목표로 하는 강의 항복강도와 두께가 결정되면, 성분설계를 하여 연속주조로 슬라브를 제조한다.

연속주조된 슬라브는 1093-1315℃(2000-2400℉) 보다 바람직하게는 1265℃(2300℉)정도에서 재가열한 후 제어압연을 행한다.

제어압연의 첫단계로 재결정 정지온도(대략 982℃) 보다 높은 온도에서 조압연을 행하는데, 이때에는 연속주조 슬라브에 존재하는 조대한 오스테니이트 결정들이 재결정에 의해 미세화된다. 조압연시 압하량은 최종압연판 두께와 연속주조 슬라브의 두께에 따라 변하는데, 통상 10인치 슬라브의 경우 1.5∼7인치 범위의 다양한 두께까지 조압연하여 중간두께의 판을 제조한다.

조압연된 중간두께 판은 이어서 사상압연되어 최종두께로 된다. 사상압연은 재결정정지온도 이하, 오스테나이트 변태 개시온도(Ar₃온도)이상을 만족하는 압연종료온도까지 제어압연된다. 사상압연 종료온도는 낮을수록 좋으나 생산성을 고려하여 적정온도 영역으로 조절한다. 즉, 최종두께 강판에서 미세한 결정립도를 얻음과 동시에 압연시 생산성 증대의 관점에서 압연종료온도를 Ar₃온도(냉각 공정에서의 오스테나이트/페라이트 개시온도)이상으로 한다. 이러한 관점에서 압연종료온도는 760∼900℃(1400∼1650℉)로 하는 것이 바람직하다.

중간판으로부터 최종두께판으로의 압연시의 압하량은 50-70%로 조절하는 것이 필요한데, 보다 바람직하게는 60-70%로 조절하는 것이 좋다. 이는 미재결정 압연 입도미세화를 위한 것으로, 압하량이 높을수록 좋으나, 압하기의 부하를 고려할 때 압하량이 70%이하로 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 사상압연단계에서 오스테나이트 미세조직이 압연방향으로 연신되며 변형조직을 다량 함유함으로써 페라이트 핵생성 위치 증가로 인해 페라이트 입도가 미세하게 된다.

압연된 강판은 최소 항복강도 및 목표두께에 의존하여 본 발명에 따라 공냉 또는 가속냉각한다.

(a) 먼저, 목표두께가 4인치 이하의 최소 항복강도가 50ksi의 경우 공냉에 의해 제조된다. 물론, 이때의 4인치 두께의 후물재의 경우 여분의 강도가 요구되는 경우 가속냉각도 적용될 수 있다.

(b) 항복강도 65 또는 70ksi 이상의 고강도강은 가속냉각에 의해 제조하는데 65ksi급은 1.5인치, 70ksi급인 1.25인치 두께까지 제조가 가능하다.

이와 같이 본 발명에 따라 성분제어 및 제어압연 공냉 또는 가속냉각 제조방법을 사용함에 의해 여러 가지의 ASTM규격을 만족시키는 다목적 내후성강을 제조할 수 있는 것이다.

본 발명에서 가속냉각공정은 최종 생산 강판의 항복현상에 큰 영향을 미치는 공정으로 적절히 잘 제어되어야 한다. 가속냉각이 부적절하게 이루어져 조직중에 많은 양의 마르텐사이트가 존재하면 연속항복이 일어나 항복강도가 낮아져 규격에 미달하게 된다. 따라서, 가속냉각시 냉각정지온도는 마르텐사이트의 형성을 최소로 할정도로 높게 하여야 한다. 그러한 관점에서 가속냉각시 냉각종료온도는 482∼704℃로 한정되며, 안정된 물성확보를 위해서는 538-649℃(1000-1200℉)로 한정하는 것이 바람직하다.

위에서도 언급한 바와 같이, 열간압연은 Ar₃온도 이상에서 완료되어야 하므로, 냉각 개시온도(공냉, 가속냉각)도 생산성 및 결정립미세화의 관점에서 Ar₃온도와 연관지어 결정해야 한다. 따라서, 개시냉각온도는 732∼871℃(1350-1600℉)로 한정되며, 760∼843℃(1400-1550℉)일 때 물성이 좀더 안정적이다.

가속냉각시 냉각속도도 강의 항복현상에 큰 영향을 미치며 최종 물성에도 영향을 미치게 되는데, 냉각속도가 너무 낮으면 입미세화 효과 감소에 따라 항복강도 및 인장강도가 저하하고, 너무 높으면 저온조직인 마르텐사이트의 과다 형성에 의해 연속항복 현상이 일어나 항복강도가 오히려 감소하여 규격을 만족시킬 수 없게 된다. 대체로0.5∼1.5인치 강판의 경우 2.8∼27.8℃/sec(5-50℉/sec) 범위에 있을 때 항복강도 65 및 70ksi 이상을 요구하는 규격을 만족시킨다.

보다 바람직하게는 0.5인치 이하 강판의 경우 5.56-27.8℃/sec (10-15℉/sec), 0.5∼1.25인치의 경우 4.44∼19.4℃/sec(8-35℉/sec), 1.25∼1.5인치 강판의 경우 2.8-13.9℃/sec(5-25℉/sec), 1.5∼4인치 강판의 경우 0.56∼5.56℃/sec(1-10℉/sec)에서 양호한 물성이 얻어진다.

한편, 가속냉각은 물, 공기/물 혼합체, 또는 기타의 냉매를 사용하여 행할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

실험실 규모의 실험 및 현장생산을 통하여 본 발명을 실시하여 보았다. 다음의 상세 실시예는 실험실적 실험과 현장생산시 제조조건 및 결과를 보여주고 있는데, 행해진 실시예는 본 발명과 관련된 여러 제조조건 및 화학성분인자의 전형적인 본보기이다. 따라서, 행해진 실시예가 본 발명의 청구범위에서 정의되는 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 이하 실시예에서 특별한 언급이 없으면 화학조성에 있어서의 %는 중량%를 나타내며, 실험값의 단위에 있어 1ksi는 6.92MPa로, 1kgf/㎟는 1.43ksi로, ℃는 5/9(℉-32)로, 그리고 1인치는 2.54㎝로 환산된다.

[실시예1-실험실적 시험]

망간함량이 다른 3가지 조성의 강을 진공유도용해로에 의해 실험실적으로 용해하여 8.5인치×8.5인치×20인치 크기를 가지는 225kg(500lb) 중량의 잉고트를 제작하였다. 망간함량 0.75%인 강 2개, 망간함량 1.25%인 강 2개, 망간함량이 1.00%인 강 1개로 총 5개의 잉고트를 제조하였다. 제조된 잉고트의 화학성분을 아래 표 4에 그리고, 각 잉고트의 성질을 표 5에 나타내었다.

강종	화학성분(중량%)
강종		C	Mn	P	S	Si	Cu	Ni	Cr	Mo	V	Nb	Ti	Al	N
A	0.75Mn	0.08	0.76	0.020	0.010	0.42	0.29	0.29	0.51	0.013	0.080	0.034	0.014	0.044	0.0082
B	0.75Mn	0.09	0.74	0.017	0.009	0.43	0.26	0.30	0.52	0.011	0.080	0.035	0.014	0.045	0.0067
C	1.00Mn	0.08	0.98	0.017	0.009	0.43	0.31	0.29	0.52	0.012	0.086	0.034	0.013	0.039	0.0074
D	1.25Mn	0.08	1.26	0.017	0.009	0.42	0.24	0.28	0.52	0.011	0.078	0.034	0.014	0.043	0.0082
E	1.25Mn	0.08	1.26	0.017	0.010	0.42	0.31	0.28	0.52	0.011	0.082	0.032	0.013	0.038	0.0074

강종	Ar₃(℃)¹⁾	CI²⁾	CE³⁾	Pcm⁴⁾
A	800	6.78	0.37	0.186
B	799	6.61	0.37	0.194
C	782	6.84	0.41	0.199
D	762	6.42	0.45	0.208
E	761	6.81	0.45	0.212
1)Ar₃:냉각시 오스테나이트/페라이트 변태시작온도2)CIASTM G101에서 규정하고 있는 부식저항성 지수=26.01Cu+3.88Ni+1.20Cr+1.49Si+17.28P-7.29(Cu)(Ni)-9.1(Ni)(P)-33.39Cu²3)CE:IIW 규정 탄소당량=C+Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/154)Pcm:저온균열감수성 지수=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B

상기 잉고트는 1260℃(2300℉)에서 3시간 균열한 후 열간 형상압연을 행하여 4인치(두께)×5인치(폭) 또는 6인치(두께)×5인치(폭)의 빌레트로 제조하였다. 각 빌레트로부터 4∼5인치 길이의 소형슬라브를 절단 채취하여 1260℃(2300℉)로 재가열한후 제어압연 및 가속냉각하여 0.5, 1 및 1.5인치 두께의 강판을 제조하였다. 가속냉각에 의해 제조된 모든 강판에 대한 압연 및 냉각조건은 아래 표 6에 수록하였다.

상기 가속냉각은, 현재생산 공정에서의 가속냉각공정을 모사할 수 있는 실험실적 냉각장치를 이용하여 행한 것이다. 실험실적 냉각장치는 압축공기에 의한 시편 이송장치가 부착되어 있는 냉각대와 1-4% Aqua 100, polymer 냉매 및 물로 채워져 있는 냉각탱크로 구성된다. 최종압연후에 강판은 냉간대로 이송하여 탱크로 침적하여 냉각을 행하였다. 침적된 강판의 중심부에 열전대를 삽입 연속적으로 강판의 온도를 감시하여 원하는 냉각종료온도에 도달시 강판을 냉각탱크에서 꺼내어 공냉하였다.

압연방향에 직각 방향으로 시편을 채취하여 상온에서 인장시험을 행하였는데, 0.5인치 판의 경우 전두께의 판상인장시편, 1인치 및 1.5인치 판의 경우에는 판두께의 1/4지점에서 0.5인치 직경의 환형인장시편을 채취하였다. 강의 인성은 -23℃(-10℉) 또는 -30℃(-20℉)에서 샤르피충격시험에 의해 측정하였다. 0.5인치 강판에서는 판의 중심부에서, 1 및 1.5인치 강판에서는 두께 방향 1/4지점에서 충격시편을 채취하여 행하였다. 제조된 강판의 미세조직은 4% picral 과 2% nital 용액을 사용하여 관찰하였다.

압연후 가속냉각 실험과 더불어 0.75%Mn 조성의 강판에 대해서는 제어압연후 공냉을 행하여 2인치 두께의 강판을 제조하여, 0.75%Mn 조성의 후물재가 ASTM규격의 A588/A709-50W 규격을 만족시킬 수 있는지를 실험하였다.

판두께	강종(Mn함량)	슬라브가열온도(℃)	중간온도이후의압하량(%)	압연종료온도범위(℃)	냉각개시온도범위(℃)	냉각종료온도범위(℃)	냉각속도범위(℃/sec)
0.5인치	0.75Mn1.00Mn1.25Mn	1260	60	789∼899	732∼843	510∼649	5.56∼27.8
1인치	0.75Mn1.00Mn1.25Mn	1260	70	788∼899	760∼843	454∼688	4.44∼19.4
1.5인치	0.75Mn1.00Mn1.25Mn	1260	60	760∼899	749∼827	482∼693	2.78∼13.9

표 4는 망간함량의 물성 및 조직에 미치는 영향을 조사하기 위한 A-E의 다섯가지 강의 화학성분으로, 표 3의 ASTM 규격과는 성분이 크게 차이가 나고 있음을 잘 보이고 있다. 본 발명의 경우에는 망간함량이 낮은 수준이며, 몰리브덴 함량은 불순물 함량 수준이며, 니오븀이나 티타늄을 효과적으로 이용하는 것이 기존 ASTM규격의 강과 크게 다른 점이다.

또한, 표 4에서 본 발명강의 경우 내후성 발휘원소인 규소, 구리, 니켈 및 크롬함량은 표 3의 ASTM 규격에서 요구하는 수준내에 있는 것으로부터 이들 강재는 내후성강으로써 충분한 내식성을 보유함을 잘 알 수 있다.

한편, 상기한 바와 같이, 0.5인치 박물재의 경우 종래에도 제어압연-공냉에 의해 ASTM규격의 항복강도 65 또는 75ksi급 내후성강 제조가 가능하였지만, 사상압연온도(IT)가 900℃(1650℉), 압연종료온도(FRT)가 730℃(1350℉)로 매우 엄격한 제어압연을 행하는 관계로 압연 생산성이 크게 떨어지는 문제점이 있었다. 이에 반하여, 본 발명에서의 0.5인치 두께의 가속냉각강의 경우에는 압연조건이 그 보다는 훨씬 완화된 조건인 사상압연온도 950℃(1750℉), 압연종료온도 870℃(1600℉), 사상압연구간의 압하율이 60%로 압연생산성이 커지는 잇점이 있다. 여기서, 0.5인치 가속냉각강의 냉각은 냉각개시온도를 815℃(1500℉), 냉각종료온도 593℃(1100℉), 냉각속도 12.8℃/sec로 행하였다.

1과 1.5인치 강판에 대해서도 0.5인치강판과 비슷하게 생산성을 고려한 적절한 조건으로 압연 및 냉각을 행하였다.

1인치 강판에 대해 행한 압연조건은 사상압연온도:980℃(1800℉), 압연종료온도:870℃(1600℉), 사상압연구간에서의 압하율:70%이며, 가속냉각조건은 냉각개시온도:843℃(1550℉), 냉각종료온도:593℃(1100℉), 냉각속도:11.1℃/sec이었다.

1.5인치 강판에 대해 행해진 압연조건은 사상압연온도:927℃(1700℉), 압연종료온도:843℃(1550℉), 사상압연구간에서의 압하율:60%, 가속냉각조건은 냉각개시온도:800℃(1470℉), 냉각종료온도:621℃(1150℉), 냉각속도:5.6℃/sec로 실제 현장 가속냉각기의 냉각능력을 고려하여 냉각속도를 변화시켰다.

이러한 실험에서 가속냉각으로 제조된 강의 미세조직은 망간함량에 따라 크게 변화하는 것으로 분석되었다. 0.75%Mn 조성의 A와 B강은 0.5, 1, 1.5인치 강판 모두 주로 폴리고날 페라이트와 퍼얼라이트로 구성되며, 미량의 베이나이트와 마르텐사이트가 존재하였다. 1.00% Mn 조성의 C강의 경우에도 주로 폴리고날 페라이트로 구성되나, 제2상은 주로 베이나이트와 마르텐사이트로 퍼얼라이트의 양은 미미하였다. 한편, 1.25% Mn 조성의 D 및 E 강에서는 폴리고날 페라이트의 양은 현저히 감소하였으며, 많은 양의 베이나이트와 마르텐사이트로 구성되었다. 이와 더불어 강판의 두께 증가에 따라 조직이 조대해지는 양상을 보였다.

여러 가지 성분의 A∼E 강의 기계적성질을 망간, 함량, 공냉 또는 가속냉각 조건, 항복현상의 관점에서 분석하고 도면에 나타내었다.

먼저, 도 1A와 1B는 압연후 공냉 및 압연후 가속냉각된 강판에 있어서 Mn함량 변화에 따른 항복강도 및 인장강도의 변화를 도시한 것인데 도 1A는 1인치 두께 강판에 대한 것이며, 도 1B는 1.5인치 두께 강판에 대한 것이다. 도 1A와 1B에서 AiR로 표기된 것은 공냉을, AC로 표기된 것은 각속냉각을 의미한다.

도 1A와 도1B로 부터 인장강도는 망간 함량증가에 따라 증가하는데, 항복강도는 그와는 달리, 오히려 감소하는 경향을 보임을 알 수 있다. 망간 함량의 낮으면 불연속항복 현상을 보이게 되어 대체로 65 및 70ksi급 강의 규격을 만족시킬 수 있을 정도로 높은 항복강도를 가지는 반면에, 망간 함량이 높아 연속항복현상을 보이는 강은 상당히 낮은 항복강도를 가지는 것으로 나타났다.

도 1B에서 0.75%Mn 조성의 강의 인장강도는 A709-70W강의 인장강도 규격인 90ksi에 미달하는 것을 알 수 있는데, 이로부터 0.75%Mn 조성의 경우 1.5인치 두께 강판 제조에는 다소 부적합함을 잘 알 수 있다. 그러나, 이강의 경우에도 항복강도 65ksi급인 ASTM A871 인장강도 규격을 만족시킴을 잘 알 수 있다. 즉, 본 발명은 항복강도 65ksi급의 1.5인치 강판 제조에는 잘 사용될 수 있음을 보이는 것이다.

또한, 도 1A와 1B로부터 망간함량이 강의 항복현상에 영향을 크게 영향을 미침을 알 수 있다. 즉, 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 불연속항복은 망간함량이 적은쪽에서 많이 보이며, 연속항복은 망간함량이 많은 쪽에서 많이 보인다. 그것은 망간 함량이 증가함에 따라 강의 소입성이 증가하여 가속냉각된 판에 있어서 마르텐사이트와 베이나이트의 분율이 높아짐에 기인한 것이다. 이와 같은 템퍼링되지 않은 마르텐사이트와 베이나이트 조직에는 높은 밀도의 가동전위(mobile dislocation)가 존재하는데 이에 기인하여 코트렐분위기(탄소원자나 질소원자와 같은 침입형 원소들이 전위를 고착시켜 항복점을 높이는 현상)의 형성이 억제됨으로써 저응력에서 연속항복기구에 의해 변형되고 높은 응력에서 파단이 일어나 항복강도는 낮고 인장강도는 높게 나타나는 것이다.

도 2A는 여러 가지 조건으로 제조된 1인치 두께 강판에 있어서 Mn함량 및 제조조건에 따른 항복비(항복강도와 인장강도의 비)의 변화를 보여주는 것으로, 연속항복을 보이는 강은 낮은 항복강도와 높은 인장강도 즉, 낮은 항복비를 보인다. 이에 반하여, 불연속항복을 보이는 강의 경우에는 압연후 공냉강의 경우 0.85이상, 가속냉각강의 경우 0.73∼0.82 수준으로 상대적으로 높은 항복비를 보이고 있다.

이들 강의 충격인성도 샤르피 충격시험에 의해 평가하였는데, 시험한 모든 강이 ASTM A709-70W에서 규정하고 있는 AASHTO(American Association of State Highway and Transporation Officials) 임계파괴 Zone 3의 요구치인 -23℃(-10℉) 47.5J(35ft-lbs)이상을 만족시키는 것으로 나타났다.

가속냉각재에 있어서 열간압연조건에 따른 강도변화는 뚜렷하지 않았는데 반하여 냉각조건에 따른 강도변화는 크게 나타났다. 도 2B는 1인치 두께 강판의 가속냉각재에 있어서 냉각종료온도가 항복강도 및 인장강도에 미치는 영향으로 이를 잘 보여주고 있다. 도 2B는 냉각종료온도가 너무 낮을 경우에는 너무 많은 양의 마르텐사이트가 형성되어 연속항복현상이 일어나 항복강도가 크게 낮아짐을 잘 보이고 있다.

그리고, 0.5인치 두께 강판의 경우에는 냉각종료온도의 변화에 따른 강도 변화의 경향이 크지 않으나, 판두께가 두꺼워짐에 따라 냉각종료온도에 따른 영향이 크게 나타났다. 그것에 대한 한가지 이유로는 냉각종료온도가 너무 낮을 때에는 냉각도중 re-wetting 현상이 일어나기 때문으로 생각된다. re-wetting 현상은 냉각단계에서 핵비등 영역에 속할시 열유속(heat flux)이 급격히 변화하여 강판이 지나치게 과냉되는 현상으로 이러한 현상이 가속냉각시 일어나게 되면 강판의 표면조도가 나쁘며 심하게 변형되는 문제점이 발생하게 된다. 가속냉각시 강판의 표면흑피(scale)가 두꺼울수록 열유속이 빠를수록 냉각종료온도가 낮을수록 re-wetting현상이 일어나기 쉬워지는 것으로 알려져 있다. 이러한 현상은 압연중 탈스케일(descaling) 강화 및 적절한 냉각 패턴설정에 의해 해결될 수 있으나, 15인치 두께의 후물재에서는 해결이 매우 어려우므로 주의 깊은 냉각이 요구된다.

제어압연후 공냉에 의해 제조된 2인치 두께의 0.75%Mn 조성의 강의 기지조직은 페라이트-퍼얼라이트 조직으로 나타났으며, 항복강도 59ksi 인장강도 75ksi로 ASTM A588 Grade 50W의 규격을 충분히 만족시켰다. 충격인성도 ASTM A588Grade 50W 규격에서 요구하고 있는 -10℃(10℉), 41J(30ft-lbs)을 크게 상회하는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 볼 때, 본 발명 제조법의 하나인 제어압연-공냉법을 사용하면 A588 Grade 50W 규격을 만족시키는 4인치 이하 두께의 강을 제조가능함을 잘 알 수 있다. 이때 필요하면 제어압연후 적절한 냉각공정의 도입도 가능하다.

이와 같은 실험실적 시험결과는 본 발명에서 한정한 성분원소 제어와 압연 및 냉각조건의 제어에 의해 주어진 두께 강판에 대한 여러 가지 ASTM 규격을 만족시킬 수 있는 다목적의 내후성 강판의 제조가 가능함을 보이는 것이다.

[실시예 2-현장실시에 의한 예]

본 발명강 X와 현재의 A709 HPS 70W Q/T(재가열소입-템퍼링)규격을 만족시키는 비교강 Y를 300톤 규모의 전로로 출강하여 연속주조로 10인치 두께의 슬라브를 제조하였다. 이들 강이 제어압연-가속냉각으로 제조시 A709-70W 규격에서 요구하고 있는 기계적성질을 만족시킬 수 있는지를 조사하기 위하여 제조된 연속주조 슬라브를 열간압연한 후 가속냉각하였다. 표 6은 전로 출강된 발명강 X 및 비교강 Y의 화학성분을 보이고 있다.

강종		C	Mn	P	S	Si	Cu	Ni	Cr	Mo	V	Nb	Ti	Al	N
A709 HPS 70W 규격	최소		1.15			0.35	0.28	0.28	0.50	0.04	0.05			0.01
A709 HPS 70W 규격	최대	0.11	1.30	0.020	0.006	0.45	0.38	0.38	0.60	0.08	0.07			0.04	0.015
발명강X		0.09	0.79	0.012	0.006	0.38	0.33	0.27	0.49	0.005	0.066	0.041	0.014	0.03	0.0090
비교강Y		0.09	1.19	0.015	0.006	0.37	0.31	0.30	0.50	0.053	0.055	0.004	0.002	0.032	0.0090

표 6에서 두 강은 내후성 원소인 규소, 구리, 니켈 및 크롬을 거의 동등 수준으로 함유하고 있어 대기부식 저항성은 거의 동등 수준임을 잘 알 수 있다. 그러나, 망간, 티타늄 및 니오븀 함량에 있어서는 차이가 나고 있다. 특히, 망간함량에 있어서 큰 차가 나고 있는데, 발명강의 경우 0.8%수준인데 반하여 비교강의 경우에는 1.2% 수준으로 큰 차이를 보이고 있다. 또한, 주목할 것은 비교강인 Y강의 경우에는 재가열소입-템퍼링 제조법에 맞게 설계된 강이므로 티타늄과 니오븀원소를 함유하지 않고 있으나, 발명강인 X는 티타늄과 니오븀을 함유하고 있는 것이다. 이것은 본 발명 제조법의 경우 재가열 오스테나이트 입미세화 및 미재결정 압연에 의해 페라이트 입미세화와 석출강화에 의한 강도증가가 중요시 되기 때문이다.

발명강 X 및 비교강 Y 조성의 강을 열간압연 및 가속냉각하여 0.75, 1.0, 1.25 및 1.5인치의 4가지 두께 강판을 제조하였는데, 압연 및 냉각조건은 실험실적 시험에서 행한 것과 유사하게 행하였다. 앞에서도 언급한 바와 같이 실험실적 시험에서는 열전대를 삽입하여 판중시부의 온도를 측정하였는데 현장 생산에서는 그와는 달리 강판의 표면온도를 측정하여 압연 및 냉각시 온도를 제어하였다. 현장 생산재의 경우 강판의 표면 흑피(scale)의 존재 및 판두께 방향으로의 온도구배를 고려해 볼 때 현장생산에서 적용된 목표온도는 실험실적 시험에서의 온도 보다 다소 높았을 것으로 사려된다.

대부분의 경우 강판의 선단부 및 후단부의 폭방향 1/4지점에서 압연방향과 수직으로 인장시편을 압연방향으로 충격시편을 채취하여 인장 및 충격시험을 행하여 물성을 조사하였다.

도 3 및 도 4는 현장에서 제어압연-가속냉각으로 생산한 비교강 Y와 발명강 X의 판두께에 따른 항복강도 및 인장강도의 변화를 보여주고 있다. 도 4에서 보듯이, 제조된 발명강 X는 1.25인치 이하의 두께에서는 항복강도 70ksi 급 규격을 1.5인치 두께에서는 항복강도 65ksi급 강의 규격을 만족시켰으며,모든 두께의 강판이 불연속항복 현상을 보이는 것으로 파악되었다.

그러나, 종래 Q/T(재가열소입-템퍼링)강 제조 성분계인 비교강 Y는 도 3에 도시한 바와 같이, 제어압연-가속냉각으로 제조시는 ASTM 규격에서 요구하는 물성을 만족시키지 못하였다. 이는 비교강 Y는 소입성이 지나치게 높아 냉각된 상태에서 많은 양의 마르텐사이트가 형성되어 연속항복현상을 보이기 때문으로 생각된다.

또한, 비교강 Y의 경우에는 다량의 마르텐사이트의 존재에 기인하여 충격인성도 발명강 X에 비하여 현저히 열악하였다.

이들 현장생산 결과로부터, 본 발명의 압연후 가속냉각법으로 70ksi급의 경우 1.25인치 두께까지 제조 가능하면, 65ksi 급의 경우 1.5인치 두께까지 제조가 가능함을 다시 한번 확인할 수 있다.

[실시예 3-부가적인 실험실적 시험결과]

바나듐과 니오븀의 영향을 조사하기 위하여 0.5인치 두께의 가속냉각 강판에 대해 부가적으로 실험실적 시험을 행하였다. C:0.08%, Mn:0.80%, Si:0.4%, Cu:0.35%, Ni:0.2%, Cr:0.49%, Nb:0.035%, Ti:0.011%를 기본조성으로 하여 V 함량을 0.02%, 0.054%, 0.079%로 변화시킨 3가지 조성의 강에 대해 압연종료온도를 변화시켜 열간압연후 가속냉각하여 물성을 조사하였다.

실험에서 가속냉각 개시온도는 754∼915℃(1390-1680℉), 냉각종료온도 550-610℃(1020-1130℉), 냉각속도는 8.3-15℃/sec(15-27℉/sec)의 범위로 제어하였다.

도 5는 세가지 다른 압연종료온도 조건에 있어서 항복강도에 미치는 바나듐 함량의 영향을 보여주고 있다. 도 5에서 항복강도 70ksi 급 강의 규격을 만족시키기 위해서는 0.07% 수준으로 0.054% 이상이어야 하며, 적절한 항복강도를 얻기 위해서는 압연종료온도가 높은 것이 유리함을 잘 알 수 있다. 그러나, 압연종료온도가 높을수록 인성이 다소 저하하는 것으로 나타났다.

따라서, 최적의 압연종료온도는 850℃(1560℉)인 것으로 판단할 수 있었다.

한편, 니오븀의 효과를 조사하기 위하여 C:0.08%, Si:0.42%, Mn:0.82%, Cu:0.36%, Ni:0.21%, Cr:0.49%, V:0.074%, Ti:0.013%를 기본 조성으로 하여 Nb 함량이 0.022%와 0.033%로 다른 2가지 조성의 강에 대해 실험실적으로 용해하여 압연종료온도, 냉각종료온도 및 냉각속도를 변화시켜 제어압연-가속냉각하여 0.5인치 두께의 강판을 제조하였다. 도 6은 Nb의 함량 및 제조조건이 항복강도에 미치는 영향을 도시한 것으로, Nb 함량이 0.022% 수준일때는 항복강도 70ksi급 강의 규격을 만족시키는 것이 매우 어려움을 잘 보이고 있다. 또한, 도 6에서 냉각속도가 너무 낮으면 항복강도가 규격에 미달할 가능성이 있으며, 압연종료온도 및 냉각종료온도가 너무 높은 것도 항복강도 증가에 역효과가 있음을 잘 알 수 있다. 이러한 실험 결과로부터 항복강도 70ksi급 강제조를 위한 최적 제조조건은 압연종료온도 830℃(1530℉), 냉각종료온도 600℃(1110℉), 냉각속도 10℃/sec(18℉/sec)임을 추론할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 A709-70W 규격의 경우에는 1.25인치 까지, A709-65W 규격에 대해서는 1.5인치 두께 까지의 강판을 제어압연-가속냉각에 제조 가능하며, A709-50W 규격에 대해서는 3∼4인치 두께 까지의 강판을 제어압연-공냉 또는 제어압연-가속냉각에 의해 제조하는 방법을 제공하는 것으로, 이러한 본 발명에 의하면 에너지 소모공정인 재가열소입-템퍼링 공정을 생략할 수 있으며, 또한, 장척의 강판을 제조할 수 있음에 따라 용접부 저감을 통한 제작비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims

항복강도 50ksi급: 두께 4인치까지, 항복강도 65ksi급:1.5인치까지, 항복강도 70ksi급: 두께 1.25인치까지 각 항복강도에 해당하는 ASTM규격을 만족시키는 열간압연-냉각에 의한 내후성강재를 제조하는 방법에 있어서,

중량%로, C:0.05∼0.12%, Mn:0.5∼1.35%, P:0.04%이하, S:0.05%이하, Si:0.15∼0.65%, Cu:0.20∼0.40%, Ni:0.50%이하, Cr:0.40∼0.70%, V:0.01∼0.10%, Nb:0.01∼0.05%, Ti:0.005∼0.02%, N:0.001∼0.015%, Al:0.1%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 가열하여 오스테나이트의 재결정정지온도 이상에서 조압연을 행하고, 재결정정지온도이하∼오스테나이트/페라이트 변태온도(Ar₃)이상의 온도구간에서 최종두께로 사상압연하는 단계;

상기 최종두께의 압연판을 Ar₃이상의 온도에서 냉각을 개시하되,

(a) 두께 4인치 이하의 항복강도 50ksi급의 강재를 제조하는 경우에는 상기 냉각은 공냉 또는 가속냉각을 하고,

(b) 두께 1.5인치 이하의 항복강도 65ksi급의 강재를 제조하는 경우 또는 두께 1.25인치 이하의 항복강도 70ksi급의 강재를 제조하는 경우에는 상기 냉각은 가속냉각하며, 가속냉각은 물, 공기/물 혼합체 또는 기타의 냉매를 사용하여 Ar₃이하의 온도에서 종료하는 단계;를 포함하여 이루어지는 열간압연-냉각에 의한 다목적 내후성 강재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 Mn의 함량은 0.70∼1.00%로 함을 특징으로 하는 제조방법
제1항에 있어서, 상기 Mn의 함량은 0.70∼0.90%로 함을 특징으로 하는 제조방법
제1항에 있어서, 상기 Nb의 함량은 0.02∼0.04%로 함을 특징으로 하는 제조방법
제1항에 있어서, 상기 Nb의 함량은 0.03∼0.04%로 함을 특징으로 하는 제조방법
제1항에 있어서, 상기 Ti의 함량은 0.01∼0.02%로 함을 특징으로 하는 제조방법
제1항에 있어서, 상기 Ti의 함량은 0.01∼0.015 함을 특징으로 하는 제조방법
제1항에 있어서, 상기 Mn의 함량은 0.70∼0.90%, Ti의 함량은 0.01∼0.02%, Nb의 함량은 0.02∼0.04%로 함을 특징으로 하는 제조방법
제1항에 있어서, 가속냉각법을 이용하며, 강의 조성과 가속냉각조건이 최종 냉각판이 불연속항복에 의해 변형하도록 조정됨을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 압연판의 최종두께가 0.5∼4인치의 경우에 상기 가속냉각에서 냉각속도는 2.8∼27.8℃/sec로 함을 특징으로 하는 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 가속냉각속도는 압연판의 최종두께가 0.5인치 이하의 경우 5.56∼27.8℃/sec이고, 최종두께가 0.5∼1.25인치의 경우 4.44∼19.4℃/sec이고, 최종두께가 1.25∼1.50인치의 경우 2.8∼13.9℃/sec이고, 최종두께가 1.50∼4.0인치의 경우 0.56∼5.56℃/sec로 함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 가속냉각은 482∼704℃의 온도범위에서 종료함을 특징으로 하는 제조방법.
제12항에 있어서, 상기 가속냉각은 538∼649℃의 온도범위에서 종료함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 가속냉각은 732-871℃의 온도범위에서 개시함을 특징으로 하는 제조방법.
제14항에 있어서, 상기 가속냉각은 760∼843℃의 온도범위에서 개시함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 두께 4인치 이하의 항복강도 50ksi급 강재 제조에 있어서, 공냉 또는 가속냉각중의 한자지 방법을 이용함을 특징으로 하는 제조방법
제1항에 있어서, 두께 1.25인치 이하의 항복강도 70ksi급 강의 제조에 있어서, 가속냉각을 이용함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 두께 1.50인치 이하의 항복강도 65ksi급 강의 제조에 있어서, 가속냉각을 이용함을 특징으로 하는 제조방법
제1항에 있어서, 상기 강슬라브는 ASTM G101에서 규정하고 있는 부식저항성 지수(Corrosion Index)로 6.0이상의 내후성 원소를 함유함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 사상압연은 50-70%의 총압하율로 행함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항의 방법에 의해 제조된 두께 1.25인치 이하의 항복강도 70ksi이상급의 제어압연-냉각형 내후성 강재.
제1항의 방법에 의해 제조된 두께 1.50인치 이하의 항복강도 65ksi이상급의 제어압연-냉각형 내후성 강재
제1항의 방법에 의해 제조된 두께 4인치 이하의 항복강도 50ksi이상 급의 제어압연-냉각형 내후성 강재
제1항의 방법으로 제조되고, ASTM G101에서 규정하고 있는 부식저항성 지수로 6.0이상의 내후성 원소를 함유하고 있는 열간압연-냉각형 내후성 강재.
중량%로, C:0.05∼0.12%, P:0.04%이하, S:0.05%이하, Si:0.15∼0.65%, Mn:0.5∼1.35%, Cu:0.20∼0.40%, Ni:0.50%이하, Cr:0.40∼0.70%, V:0.01∼0.10%, Nb:0.01∼0.05%, Ti:0.005∼0.02%, N:0.001∼0.015%, Al:0.1%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 불순물로 조성되는 내후성 강.
제25항에 있어서, 상기 C는 0.07∼0.09%이고, Mn은 0.70∼0.90%, Ti은 0.01∼0.02%, Nb은 0.03∼0.04%, V은 0.06∼0.09%임을 특징으로 하는 내후성강.