KR20130035433A

KR20130035433A - 저항복비 건축용 강재

Info

Publication number: KR20130035433A
Application number: KR1020110099732A
Authority: KR
Inventors: 김호련
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2013-04-09

Abstract

본 발명은 저항복비 건축용 강재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인장강도에 대한 항복강도의 비율로 표현되는 항복비가 낮음으로써 지진이다 기타 건축물에 가해지는 외력에도 우수한 내구성을 유지할 수 있는 건축물용 강재에 관한 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 중량%로, C: 0.25%이하, Si: 1.5%이하, Mn:0.1~3.5%, P: 0.03%이하, S: 0.02%이하, Al: 0.1%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가지며, 미세조직 중에 페라이트와 베이나이트가 90면적% 이상 포함되며, 페라이트의 비율이 20~70면적%인 저항복비 건축용 강재가 제공된다.

Description

저항복비 건축용 강재{STEEL FOR CONSTRUCTION HAVING LOW YIELD RATIO}

본 발명은 저항복비 건축용 강재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인장강도에 대한 항복강도의 비율로 표현되는 항복비가 낮음으로써 지진이다 기타 건축물에 가해지는 외력에도 우수한 내구성을 유지할 수 있는 건축물용 강재에 관한 것이다.

최근 건축물 제조에 철재가 다량 사용되는 경향이 있다. 철강재는 부피에 비하여 강도가 높고, 특히 전단응력에도 높은 강도를 가지기 때문에 시멘트계 재료가 가지는 단점을 상당히 보완할 수 있다.

그런데, 최근 대지진 등의 경우에서 구조재의 강도가 아무리 강하더라도 지진력과 같은 자연력을 극복할 정도로 높은 강도를 가질 수는 없으며, 그에 따라 재료의 강도를 향상시킨다 하더라도 건축물의 안전성을 담보하기는 어렵다는 사실이 새롭게 밝혀졌다.

따라서, 최근에는 비록 낮은 부하에서 변형이 시작되더라도 파괴에까지는 도달하지 않도록, 항복에서 파괴까지의 간격이 큰 저항복비강이 많이 제안되게 되었다.

이러한 저항복비 강으로서는 대한민국 특허공개공보 2008-7003441호 등에 기재된 것을 들 수 있다. 그러나, 이러한 저항복비 강은 도상 마르텐사이트를 다량 포함시킴으로써 저항복비를 확보하는 것이나, 도상 마르텐사이트는 모재의 충격인성을 약화시키는 문제점이 있다.

본 발명의 일측면에 따르면 모재의 인성에 큰 악영향을 미치지 않으면서도 항복비를 0.8 이하로 확보할 수 있는 저항복비 건축용 강재가 제공될 수 있다.

본 발명의 과제는 상술한 내용으로만 한정되는 것이 아니며, 이하의 상세한 설명을 통해서도 충분히 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 중량%로, C: 0.25%이하, Si: 1.5%이하, Mn:0.1~3.5%, P: 0.03%이하, S: 0.02%이하, Al: 0.1%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가지며, 미세조직 중에 페라이트와 베이나이트가 90면적% 이상 포함되며, 페라이트의 비율이 20~70면적%인 저항복비 건축용 강재가 제공된다.

또한 본 발명의 또한가지 일측면에 따른 저항복비 강재는, 중량%로, Cu: 4% 이하, B: 0.01% 이하, Ni: 6% 이하, Cr: 3% 이하, Mo: 3% 이하, Co: 2.50% 이하 및 W: 4% 이하 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명의 다른 한가지 일측면에 따른 저항복비 강재는, 중량%로, Nb: 0.5%이하, Ti: 0.1% 이하, V: 0.5% 이하, Ca: 0.01% 이하, Zr: 0.1% 이하, Mg: 0.01% 이하, REM: 0.01% 이하, Ta: 0.50% 이하 및 Hf: 0.05% 이하 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 일측면에 따른 저항복비 강재는, 중량%로, N: 0.01% 이하, O: 0.012% 이하를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 저항복비 강재의 한가지 구현례에서는, 미세조직이 5면적% 이하의 잔류 오스테나이트를 포함할 수 있다.

이때, 페라이트 중에 포함되는 잔류 오스테나이트(γ_F)와 베이나이트 중에 존재하는 잔류 오스테나이트(γ_B)의 함량(면적%)의 비율(γ_F/γ_B)이 3 이상일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 저항복비 강은 내부에 도상 마르텐사이트와 같은 인성에 악영향을 미치는 조직을 실질적으로 포함하지 않으므로 높은 항복강도를 가질 수 있다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 발명자들은 항복비가 0.8 이하인 우수한 저항복비를 가지는 신규한 강재를 제공하기 위하여 연구하던 중, 강재의 주된 조직을 페라이트와 베이나이트로 제어하며, 이들 조직 내부에 소량 함유되는 잔류 오스테나이트 조직을 제어할 경우 낮은 항복비를 얻을 수 있다는 사실을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.

즉, 본 발명의 강재는 페라이트와 베이나이트를 주로 함유한다. 본 발명의 발명자들의 연구결과에 따르면, 페라이트와 베이나이트는 항복강도는 감소시키면서 인장강도를 증가시키는 주요한 역할을 수행한다. 페라이트는 비교적 연질의 조직으로서 강재가 낮은 강도에서 항복이 일어나도록 하는 역할을 수행하며, 베이나이트는 강재의 인장강도를 높게 유지하는 역할을 한다.

상술한 효과를 얻기 위한 보다 바람직한 한가지 예로는 페라이트와 베이나이트가 90면적% 이상 포함되는 것을 들 수 있으며, 전체 조직 중 페라이트의 분율이 면적비율로 20~70%인 것이 보다 바람직하다. 페라이트의 분율이 너무 낮은 경우에는 항복강도가 충분하지 않아 저항복비의 구현이 어려울 수 있으며, 반대로 페라이트의 분율이 너무 높은 경우에는 인장강도가 충분하지 않을 수 있기 때문이다.

상술한 페라이트와 베이나이트 이외에 잔류 오스테나이트가 5면적% 이하(0%는 포함하지 않음)의 수준으로 포함되는 것이 보다 바람직하다. 상기 잔류 오스테나이트는 강판의 항복강도를 감소시키며 인장강도는 증가시키는 역할을 하므로 저항복비 구현에 보다 유리하다.

또한, 페라이트 중에 포함되는 잔류 오스테나이트의 함량(면적%)(γ_F)와 베이나이트 중에 존재하는 잔류 오스테나이트의 함량(면적%)(γ_B)의 비율(γ_F/γ_B)이 3 이상인 것이 보다 바람직하다.

즉, 상술한 잔류 오스테나이트는 페라이트 보다는 베이나이트 조직에 많이 분포하는 것이 바람직하다. 본 발명자들의 연구결과에 따르면 잔류 오스테나이트는 페라이트 조직 보다는 베이나이트 조직에 존재하는 것이 보다 바람직하다. 본 발명에서 베이나이트 조직에 존재한다는 말은 베이나이트 조직과 상기 오스테나이트 조직이 혼재된 상태를 말한다. 마찬가지로 페라이트 조직에 존재한다는 것은 페라이트 조직과 상기 오스테나이트 조직이 혼재된 상태를 말한다. 베이나이트 조직에 잔류 오스테나이트가 존재할 경우 상기 베이나이트와 오스테나이트의 혼합조직의 항복강도는 감소시키면서 인장강도는 증가시키는 역할을 수행하는데, 이러한 항복강도의 감소효과는 페라이트 조직내에 존재하는 것 보다 베이나이트 조직에 나타나는 것이 보다 효과적이기 때문이다.

상술한 본 발명의 유리한 저항복비 강재는 통상의 건축용 강재에 적합한 조성을 가질 수 있으나, 한가지 바람직한 조성예를 든다면 아래와 같을 수 있다. 이하에서 각 원소의 함량은 특별히 제한하지 않는 한 중량%를 의미함에 유의할 필요가 있다.

C: 0.25%이하

상기 C는 강재의 강도를 확보하는데 유용한 원소이다. 다만, 강재 강도의 확보를 위한 다른 원소의 역할도 기대할 수 있을 뿐만 아니라, 너무 과다하게 첨가될 경우 용접성을 악화시키고 도상마르텐사이트 등과 같은 인성에 불리한 조직을 생성시킬 수 있으므로 상기 C의 함량은 0.25% 이하인 것이 바람직하다.

Si: 1.5%이하

Si는 탈산제로서 작용할 뿐만 아니라, 강도향상 및 인성향상에 도움이 된다. 다만, 강재 강도의 확보를 위한 다른 원소의 역할도 기대할 수 있을 뿐만 아니라,과다하게 첨가할 경우에는 도상마르텐사이트 등과 같은 인성에 불리한 조직을 형성시킬 수 있으므로 상기 Si의 함량은 1.5% 이하인 것이 바람직하다.

Mn:0.1~3.5%

Mn은 고용강화에 의해 강도를 향상시키는 유용한 원소이므로 0.1% 이상 첨가될 필요가 있다. 그러나, 3.5%를 초과한 첨가는 과도한 경화능의 증가로 인해 용접부의 인성이 크게 저하될 수 있는바, 0.1~3.5%로 한정한다.

P: 0.03%이하

P는 강도향상 및 내식성에 유리한 원소이지만, 충격인성을 크게 저해할 수 있으므로 가능한 낮게 유지하는 것이 유리한 바, 그 상한을 0.03%로 제한한다.

S: 0.02%이하

S는 MnS 등을 형성하여 충격인성을 크게 저해하는 원소이므로 가능한 낮게 유지하는 것이 유리한 바, 그 상한을 0.02%로 제한한다.

Al: 0.1%이하

Al은 용강을 저렴하게 탈산할 수 있는 원소이므로 강의 탈산제로 많이 첨가된다. 다만, Si, Mn 등과 같은 유사한 기능의 탈산원소들이 함께 사용될 수 있을 뿐 아니라, 과다하게 첨가되면 연속주조시 노즐 막힘을 야기할 수 있으므로 그 함량은 0.1% 이하로 제한한다.

따라서, 본 발명의 일측면에 따른 강재는 중량%로, C: 0.25%이하, Si: 1.5%이하, Mn:0.1~3.5%, P: 0.03%이하, S: 0.02%이하, Al: 0.1%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가질 수 있다. 상술한 조성만으로도 본 발명의 목적은 충분히 달성될 수 있으나, 보다 바람직한 몇가지 구현례에 따르면 이하에서 서술하는 바와 같은 성분들 그룹 중 1종 이상을 더 포함할 수도 있다.

Cu: 4% 이하, B: 0.01% 이하, Ni: 6% 이하, Cr: 3% 이하, Mo: 3% 이하, Co: 2.50% 이하 및 W: 4% 이하 중에서 선택된 1종 이상

상기와 같은 성분 이외에, Cu: 4% 이하, B: 0.01% 이하, Ni: 6% 이하, Cr: 3% 이하, Mo: 3% 이하, Co: 2.50% 이하 및 W: 4% 이하 중에서 선택된 1종 이상을 더 첨가할 경우 강재의 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 즉, 이들 원소들은 강재에 고용되어 강재를 경화시키는 원소들로서 이들 원소를 상술한 범위내로 첨가할 경우 강도의 부가적인 향상을 꾀할 수 있다. 다만, 이들 원소들은 필요에 따라 임의적으로 첨가될 수 있으므로 반드시 그 하한을 한정하지는 않는다.

Nb: 0.5%이하, Ti: 0.1% 이하, V: 0.5% 이하, Ca: 0.01% 이하, Zr: 0.1% 이하, Mg: 0.01% 이하, REM: 0.01% 이하, Ta: 0.50% 이하 및 Hf: 0.05% 이하 중에서 선택된 1종 이상

강재 내부에서 석출물을 형성시킴으로써 결정립 성장을 억제하여 모재 및 용접부의 인성을 향상시키기 위해서는 Nb: 0.5%이하, Ti: 0.1% 이하, V: 0.5% 이하, Ca: 0.01% 이하, Zr: 0.1% 이하, Mg: 0.01% 이하, REM: 0.01% 이하, Ta: 0.50% 이하 및 Hf: 0.05% 이하 중에서 선택된 1종 이상을 더 첨가하는 것이 보다 바람직하다. 이들 원소는 고온에서 강재 내부에 고용되었다가 온도가 감소함에 따라 탄소, 질소 또는 산소 등의 원소와 반응하여 석출물을 형성시킴으로써 모재 및 용접부의 인성을 향상시키는 역할을 수행한다.

N: 0.01% 이하 또는 O: 0.012% 이하

상기 N과 O는 강중에 포함되는 통상적인 불순물로서, 위에서 언급한 바와 같이 불가피한 범위까지는 첨가될 수 있으며, 이에 대하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. N은 질화물을 형성함으로써 모재 또는 용접부의 인성을 향상시키는 순기능도 일부 기대할 수 있으나, 과다하게 첨가할 경우 주조시 블로우 홀이나 브레이크 아웃 등의 원인이 될 수 있으며 주편 크랙의 원인이 될 수 있으므로 상기 N은 0.01%이하로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, O는 산화물계 석출물을 형성함으로써 강도를 향상시키고 결정립을 미세화시키는 역할을 할 수 있다. 다만, 과다하게 첨가할 경우에는 노즐 막힘의 원인이 되거나 강의 청정도를 극히 저하시킬 수 있으므로 0.012% 이하로 제한한다.

본 발명의 일측면에 따른 상술한 유리한 강재는 본 발명의 명세서를 참고한다면 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자라면 누구라도 제조가능할 것이다. 따라서, 그 제조방법에 대하여 본 명세서에서 상세히 기재할 필요는 없을 것이나, 한가지 예를 든다면 다음과 같을 수 있다.

즉, 상술한 유리한 조성을 가지는 강 슬라브를 재가열할 필요가 있다. 상기 재가열 온도는 1050~1300℃인 것이 바람직하다. 압연온도를 확보하기 위해서는 충분히 높은 온도로 가열되어야 하나, 너무 높은 온도로 가열할 경우에는 결정립 크기가 조대화되어 인성과 강도확보에 불리하기 때문이다.

이후, 상기 강 슬라브는 오스테나이트 온도구역에서 압연되는 것이 바람직하다. 그 이하의 온도구역에서 압연될 경우 페라이트가 가공경화되어 항복강도가 상승될 우려가 있기 때문이다.

이후, 페라이트와 베이나이트를 적정비율로 형성하기 위하여 냉각되는 과정을 겪게 되는데, 보다 바람직하게는 Bs(최초로 베이나이트가 생성되기 시작하는 온도) 이하 내지 Ms(마르텐사이트가 생성되기 시작하는 온도) 초과의 온도까지 냉각하되 압연종료후 Bs 온도까지의 냉각시간이 5초 내지 30초가 되도록 냉각하는 것이 페라이트와 베이나이트의 분율 제어에 유리하다. 냉각정지온도를 Bs~Ms로 규정하는 이유는 마르텐사이트의 생성은 방지하면서 베이나이트가 생성될 수 있도록 하기 위함이며, 압연종료후 Bs 온도까지의 냉각시간을 규정하는 이유는 페라이트가 적정량 생성되되 아직 미변태된 조직을 잔류시켜 이후 Bs 이하의 온도에서 베이나이트가 생성될 수 있도록 하기 위함이다. 이후, 변태가 모두 완료된 이후에는 상온까지 냉각하여도 좋다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만 하기하는 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다.

(실시예)

하기 표 1의 조성을 가지는 강슬라브를 준비하였다. 표에서 각 성분의 함량은 모두 중량% 기준으로 기재하였다. 각각의 강슬라브를 1150℃으로 가열한 후, 오스테나이트 영역인 870℃에서 압연을 종료한 후 즉시 냉각을 개시하였다. 냉각은 1차로 Bs까지의 소요시간을 조정하는 방식으로 행하였으며, 이후 Bs-20℃의 온도에서 강재를 유지하여 냉각이 완료되도록 한 후 상온까지 추가냉각하였다. 표 2에 각 강재의 Bs온도까지의 냉각시간 및 그에 따른 각 조직의 분율과, γ_F/γ_B을 나타내었다. 또한, 각 경우의 항복비 역시 함께 나타내었다. 표 2에서 각 조직의 분율은 면적%를 기준으로 나타낸 것이며, Bs 온도까지의 냉각시간은 초 단위로 표시하였다. 표에서 각 조직외 소량의 마르텐사이트, 펄라이트 등의 불순조직이 관찰되었으나, 특별히 표시하지는 않았다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Al	기타1	기타2	기타3
발명강1	0.22	0.5	2.0	0.01	0.015	0.065	-	-	-
발명강2	0.18	0.8	2.3	0.015	0.018	0.04	Cu: 2.5, B: 0.003		N: 0.005, O: 0.0015
발명강3	0.17	1.2	1.2	0.008	0.007	0.025		Nb: 0.05, Ti: 0.007	N: 0.0047, O: 0.0012
발명강4	0.21	0.9	1.8	0.02	0.010	0.078	Ni: 1.0, Cr: 0.8, Mo: 0.015, Co: 0.8	V: 0.2, Ca: 0.002	N: 0.0061, O: 0.0010

구분		Bs 온도까지의 냉각시간	페라이트 분율	베이나이트분율	잔류오스테나이트 분율	γ_F/γ_B	항복비
발명강1	비교예1	3	15	80	4	25	0.87
발명강1	발명예1	5	22	76	1.5	20	0.78
발명강1	발명예2	13	45	52	3	20	0.69
발명강1	발명예3	29	65	34	1	15	0.75
발명강1	비교예2	33	75	24	1	2.5	0.92
발명강2	발명예4	25	35	63	2	20	0.75
발명강3	발명예5	12	42	56	2	17	0.72
발명강4	발명예6	8	32	65	2.5	19	0.74

상기 표 2에서 확인할 수 있듯이, 페라이트와 베이나이트가 적당한 비율로 포함되어 있을 경우에는 0.8 이하의 항복비를 얻을 수 있었으나, 비교예1, 2와 같이 페라이트가 부족하거나 반대로 과다한 경우에는 항복강도가 너무 높거나(비교예1) 인장강도가 부족(비교예2)하여 0.8 이하의 저항복비를 얻을 수 없었다. 또한, 비교예2는 페라이트와 베이나이트에 존재하는 잔류오스테나이트의 분율의 비율(γ_F/γ_B)도 본 발명에서 보다 바람직하게 한정하는 범위를 벗어나는 것으로서, 이에 따라 충분하게 낮은 항복비의 구현이 곤란함을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 발명의 유리한 효과를 확인할 수 있었다.

Claims

중량%로, C: 0.25%이하, Si: 1.5%이하, Mn:0.1~3.5%, P: 0.03%이하, S: 0.02%이하, Al: 0.1%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가지며, 미세조직 중에 페라이트와 베이나이트가 90면적% 이상 포함되며, 페라이트의 비율이 20~70면적%인 저항복비 건축용 강재.
제 1 항에 있어서, 중량%로, Cu: 4% 이하, B: 0.01% 이하, Ni: 6% 이하, Cr: 3% 이하, Mo: 3% 이하, Co: 2.50% 이하 및 W: 4% 이하 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는 저항복비 건축용 강재.
제 1 항에 있어서, 중량%로, Nb: 0.5%이하, Ti: 0.1% 이하, V: 0.5% 이하, Ca: 0.01% 이하, Zr: 0.1% 이하, Mg: 0.01% 이하, REM: 0.01% 이하, Ta: 0.50% 이하 및 Hf: 0.05% 이하 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는 저항복비 건축용 강재.
제 1 항에 있어서, 중량%로, N: 0.01% 이하, O: 0.012% 이하를 더 포함하는 저항복비 건축용 강재.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 미세조직이 5면적% 이하의 잔류 오스테나이트를 포함하는 저항복비 건축용 강재.
제 5 항에 있어서, 페라이트 중에 포함되는 잔류 오스테나이트(γ_F)와 베이나이트 중에 존재하는 잔류 오스테나이트(γ_B)의 함량(면적%)의 비율(γ_F/γ_B)이 3 이상인 저항복비 건축용 강재.