KR20130105713A

KR20130105713A - 용접 열영향부의 인성이 우수한 강재 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20130105713A
Application number: KR1020137018728A
Authority: KR
Inventors: 다카시 스기타니; 데츠시 데우라; 요시토미 오카자키; 히데노리 나코; 히로키 오타; 마사키 시마모토
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2011-01-18
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2013-09-25
Also published as: JP2012162797A; KR101512257B1; JP5651090B2; CN103328672A; EP2666880A1; EP2666880A4; WO2012099119A1; CN103328672B

Abstract

본 발명의 강재는, (a) 모든 산화물계 개재물의 조성을 측정하여 단독 산화물로 질량 환산하였을 때, ZrO₂:5∼50％, REM의 산화물:5∼50％, CaO:50％ 이하(0％를 포함하지 않음)를 만족시키고, 또한 (b) 모든 개재물 중, 원 상당 직경이 0.1∼2㎛인 개재물이 120개/㎟ 이상, 3㎛ 초과의 산화물이 5.0개/㎟ 이하, 5㎛ 초과의 산화물이 5.0개/㎟ 이하이고, 모든 개재물의 조성을 측정하였을 때, 모든 개재물의 개수에 대해, (c-1) REM과 Zr의 몰비가 0.6∼1.4를 만족시키는 REM 및 Zr 함유 개재물 I의 개수 비율이 30％ 이상이거나, 및/또는 (c-2) REM과 Zr의 합계 몰수와, Al과 Ca와 Ti의 합계 몰수의 비가 0.5∼1.2를 만족시키는 REM, Zr, Al, Ca, 및 Ti 함유 개재물 II의 개수 비율이 40％ 이상을 만족시킨다. 그것에 의해, 입열량이 50kJ/㎜ 이상인 대입열 용접을 행한 경우라도 HAZ 인성이 우수해진다.

Description

용접 열영향부의 인성이 우수한 강재 및 그 제조 방법 {STEEL MATERIAL HAVING SUPERIOR TOUGHNESS OF WELDED HEAT-AFFECTED ZONE, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은, 교량이나 고층 건조물, 선박 등에 사용되는 강재에 관한 것으로, 특히, 용접하였을 때에 열영향을 받는 부위(이하, 「용접 열영향부」 또는 「HAZ」라고 하는 경우가 있음)의 인성(靭性)이 우수한 강재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

교량이나 고층 건조물, 선박 등에 사용되는 강재에 요구되는 특성은, 최근 점점 엄격해지고 있고, 특히 양호한 인성이 요구되고 있다. 이들 강재는, 일반적으로 용접하여 접합되는 경우가 많지만, 용접 조인트부 중, 특히 HAZ는 용접시에 열영향을 받아 인성이 떨어지기 쉽다고 하는 문제가 있다. 이 인성 열화는 용접시의 입열량이 커질수록 현저하게 나타나고, 그 원인은 용접시의 입열량이 커지면 HAZ의 냉각 속도가 느려져, 켄칭성이 저하되어 조대한 섬 형상 마르텐사이트를 생성하는 것에 있다고 여겨지고 있다. 따라서 HAZ의 인성을 개선하기 위해서는, 용접시의 입열량을 최대한 억제하는 것이 좋다고 생각된다. 그러나 한편, 용접 작업 효율을 높이는 데 있어서는, 예를 들어 일렉트로 가스 용접, 일렉트로 슬래그 용접, 서브머지드 아크 용접 등의 용접 입열량이 50kJ/㎜ 이상인 대입열 용접법의 채용이 요망된다.

따라서 본 출원인은, 대입열 용접법을 채용한 경우의 HAZ 인성 열화를 억제하는 강재를 특허문헌 1∼3에 제안하고 있다. 이들 강재는, 입내 페라이트 변태의 핵으로 되는 산화물로서 REM의 산화물 및/또는 CaO와, ZrO₂를 함유하고 있는 점에 특징이 있다. 상기 산화물은, 용강 중에서는 액상으로 존재하므로 강 중에 미세 분산된다. 또한 상기 산화물은 열적으로 안정되어, 예를 들어 1400℃ 레벨의 고온에 장시간 노출되어도 고용(固溶)되어 소실되지 않으므로, HAZ 인성의 향상에 크게 기여한다.

또한 본 출원인은, 상기 특허문헌 1을 개시한 후에도 한층 더 높은 레벨의 대입열 용접시의 HAZ 인성이 우수한 강재를 제공하기 위한 연구를 거듭하였고, 그 결과, 특허문헌 4에 기재된 발명을 먼저 제안하였다. 특허문헌 4에서는, 강재 중의 모든 산화물계 개재물(입내 페라이트 변태의 핵으로 되는 산화물에 한정되지 않고, 모든 산화물을 대상으로 함)의 크기와 개수가 HAZ 인성의 향상에 깊이 관여하고 있어, 특히 원 상당 직경으로 5.0㎛ 초과의 조대한 산화물을 5개 이하로 저감시키면, 입열량이 약 50kJ/㎜ 정도인 대입열 용접을 행하여도 HAZ 인성이 우수한 강재가 얻어지는 것을 개시하고 있다. 이와 같이 특허문헌 4에 따르면, 조대한 산화물의 개수가 현저하게 억제되어 있으므로, 상기 특허문헌 1의 실시예에 개시된 HAZ 인성 평가 방법보다도 큰 입열량으로 용접을 행하여도 HAZ 인성을 높일 수 있었다. 구체적으로는, 상기 특허문헌 1에서는, 1400℃의 가열 온도로 5초간 유지한 후 800℃로부터 500℃까지의 온도를 300초에 냉각하는 열사이클(입열 조건 : 1400℃×5초, 냉각 시간 Tc＝300초)을 부여하고, -40℃에 있어서의 흡수 에너지(vE_-40)를 측정하였지만, 특허문헌 4에서는, 1400℃의 유지 시간을 30초간으로 길게 한 열사이클(입열 조건 : 1400℃×30초, 냉각 시간 Tc＝300초)을 부여하였을 때의 흡수 에너지를 상기한 바와 마찬가지로 하여 측정하고 있고, 이 경우에서도 양호한 HAZ 인성이 얻어진 것을 확인하고 있다.

한편, 특허문헌 5∼7에는, 상기 특허문헌 1∼4와 같이 REM의 산화물과 ZrO₂를 병용하는 기술은 아니지만, 용존 산소량을 조정한 용강 중에 REM을 첨가하면, 약 300kJ/㎝(약 30kJ/㎜)를 초과하는 대입열 용접을 행하였을 때의 HAZ 인성을 향상시킬 수 있는 것이 개시되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2007-100213호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-247004호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-247005호 공보 일본 특허 출원 공개 제2009-197267호 공보 일본 특허 출원 공개 제2003-221643호 공보 일본 특허 출원 공개 제2003-286540호 공보 일본 특허 출원 공개 제2002-363687호 공보

용접 작업 효율의 가일층의 향상 요구는 불가피하고, 이것에 수반하여 용접 입열량도 증대된다. 지금까지, 그다지 검토되지 않은 50kJ/㎜ 이상의 대입열의 조건에서도 우수한 성능을 발휘하는 강재가 요망되고 있다. 본 발명은 이러한 사정에 착안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 특히 입열량이 50kJ/㎜ 이상인 대입열 용접을 행한 경우라도 HAZ 인성이 우수한 강재 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명에 관한 용접 열영향부의 인성이 우수한 강재는, C:0.02∼0.15％(질량％의 의미. 이하 성분에 대해 동일함.), Si:0.5％ 이하(0％를 포함하지 않음), Mn:2.5％ 이하(0％를 포함하지 않음), P:0.03％ 이하(0％를 포함하지 않음), S:0.02％ 이하(0％를 포함하지 않음), Al:0.050％ 이하(0％를 포함하지 않음), N:0.010％ 이하(0％를 포함하지 않음), Ti:0.005∼0.10％, Zr:0.0005∼0.050％, REM:0.0003∼0.015％, Ca:0.0003∼0.010％ 및 O:0.0005∼0.010％를 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지는 강재이다. 그리고, (a) 상기 강재에 포함되는 모든 산화물계 개재물의 조성을 측정하여 단독 산화물로 질량 환산하였을 때, 평균 조성으로, ZrO₂:5∼50％, REM의 산화물(REM을 M의 기호로 나타내면 M₂O₃):5∼50％, CaO:50％ 이하(0％를 포함하지 않음)를 만족시키고, 또한 (b) 상기 강재에 포함되는 모든 개재물 중, 원 상당 직경으로 0.1∼2㎛의 개재물이 관찰 시야 면적 1㎟당 120개 이상이고, 원 상당 직경으로 3㎛ 초과의 산화물이 관찰 시야 면적 1㎟당 5.0개 이하이고, 원 상당 직경으로 5㎛ 초과의 산화물이 관찰 시야 면적 1㎟당 5.0개 이하이고, (c-1) 상기 강재에 포함되는 모든 개재물의 조성을 측정하였을 때, 모든 개재물의 개수에 대해, REM과 Zr의 몰비(REM/Zr)가 0.6∼1.4를 만족시키는 REM 및 Zr 함유 개재물 I의 개수 비율이 30％ 이상이거나, 및/또는 (c-2) 상기 강재에 포함되는 모든 개재물의 조성을 측정하였을 때, 모든 개재물의 개수에 대해, REM과 Zr의 합계 몰수와, Al과 Ca와 Ti의 합계 몰수의 비[(REM＋Zr)/(Al＋Ca＋Ti)]가 0.5∼1.2를 만족시키는 REM, Zr, Al, Ca 및 Ti 함유 개재물 II의 개수 비율이 40％ 이상인 점에 요지를 갖고 있다.

상기 강재는, 다른 원소로서,

[1] Cu:2％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및/또는 Ni:3.5％ 이하(0％를 포함하지 않음),

[2] Cr:3％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및/또는 Mo:1％ 이하(0％를 포함하지 않음),

[3] Nb:0.25％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및/또는 V:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음),

[4] B:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음)

등의 원소를 더 함유해도 된다.

본 발명의 상기 강재는, 용존 산소량 Q_Of를 0.0003∼0.01질량％의 범위로 조정한 용강에 REM을 첨가하는 데 있어서, 상기 용강의 용존 산소량 Q_Of와 REM의 첨가량 Q_REM이 하기 식 (1)을 만족시키는 양의 REM을 첨가하는 동시에, 상기 범위로 용존 산소량 Q_Of를 조정한 용강에, REM, Zr, Ti, Ca, 및 Al을 첨가하는 데 있어서, REM 및 Zr을 a군 원소, Ti, Ca, 및 Al을 b군 원소로 하였을 때, 각 원소의 첨가 조건이 하기 (2) 및/또는 하기 (3)을 만족시킴으로써 제조할 수 있다.

(2) 상기 a군 원소에 대해, REM과 Zr을 동시에 첨가하거나, 또는 REM과 Zr 중 한쪽의 원소를 첨가하고 나서 5분 이내에 다른 쪽의 원소를 첨가한다.

(3) 상기 a군 원소의 첨가 전 및/또는 첨가 후에 상기 b군 원소를 첨가하는 것으로 하고, 상기 a군 원소의 첨가 전에 상기 b군 원소를 첨가하는 경우에 대해, 상기 b군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점으로부터 상기 a군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점까지의 시간을 t1(분), 상기 a군 원소의 첨가 후에 상기 b군 원소를 첨가하는 경우에 대해, 상기 a군 원소 중 마지막 원소의 첨가 개시 시점으로부터 상기 b군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점까지의 시간을 t2(분)으로 하고, 상기 t1과 상기 t2의 합계를 3분 이상으로 한다(0≤t1, 0≤t2, 단, t1 및 t2는 0이 아님).

본 발명에 따르면, 입내 α 변태(α는 페라이트, 혹은 페라이트 및 베이나이트의 혼합 조직을 의미함. 이하 동일함.)의 핵으로 되는 산화물(Zr, REM 및 Ca를 함유하는 산화물)이 소정량 생성되어 있는 동시에, 강재 중에 존재하는 개재물 및 산화물의 크기와 개수(즉, 입도 분포) 및 모든 개재물의 개수에 대해 소정의 원소를 특정 관계로 함유하는 개재물의 개수 비율이 적절하게 제어되어 있으므로, 대입열 용접시의 HAZ 인성이 우수한 강재를 제공할 수 있다. 특히, 본 발명의 강재에서는, HAZ 인성 향상에 유용한 원 상당 직경이 0.1∼2㎛인 미세한 개재물이 소정량 이상 존재할 뿐만 아니라, HAZ 인성 향상에 악영향을 미치는 것이 명백해진 원 상당 직경이 3㎛ 초과인 조대한 산화물 및 원 상당 직경이 5㎛ 초과인 초조대한 산화물의 양쪽의 개수가 유의하게 억제되어 있고, 또한 모든 개재물의 개수에 대해, REM과 Zr의 몰비가 소정의 관계를 만족시키는 REM 및 Zr 함유 개재물 I의 개수 비율 및/또는 REM과 Zr의 합계 몰수와, Al과 Ca와 Ti의 합계 몰수의 비가 특정한 관계를 만족시키는 REM, Zr, Al, Ca, 및 Ti 함유 개재물 II의 개수 비율을 소정량 이상으로 하고 있으므로, 상기 특허문헌 4의 실시예에 개시된 HAZ 인성 평가 방법보다도 큰 입열량으로 용접을 행하여도 HAZ 인성을 높일 수 있다.

도 1은 a군 원소의 첨가 전후에 있어서 b군 원소를 첨가하였을 때의 원소의 첨가 순서의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에서 규정하는 식 (1)의 좌변의 값(Z값)과 원 상당 직경이 3㎛를 초과하는 산화물의 관찰 시야 면적 1㎟당의 개수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 원 상당 직경이 3㎛를 초과하는 산화물의 관찰 시야 면적 1㎟당의 개수와 -40℃에 있어서의 흡수 에너지(vE_-40)의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 발명은, 상기 특허문헌 1∼4에 개시된 입내 α 변태의 핵으로 되는 산화물을 이용한 기술을 개량하여, 보다 큰 입열량으로 용접을 행하여도 HAZ 인성이 떨어지지 않는 강재를 얻기 위한 기술에 관한 것이다.

즉, 본 발명자들은, 상기 특허문헌 4를 제안한 후에도 한층 더 높은 레벨의 대입열 용접시의 HAZ 인성이 우수한 강재를 제공하기 위해 연구를 진행해 왔다. 그 결과, 특허문헌 4보다도 더욱 대입열량의 조건인「1450℃의 가열 온도에서 5초간 유지한 후 800℃로부터 500℃까지의 온도를 400초에 냉각하는 열사이클」(입열 조건 : 1450℃×5초, 냉각 시간 Tc＝400초)을 부여한 경우라도 HAZ 인성이 우수한 강재를 제공하기 위해서는, 특허문헌 4와 같이 원 상당 직경으로 5.0㎛ 초과의 산화물을 5개 이하로 저감시키는 것만으로는 불충분하고, 특허문헌 4를 포함하여 종래에는 전혀 착안되어 있지 않았던 3.0㎛ 초과의 산화물의 개수를 저감시키는 것, 및 강재에 포함되는 모든 개재물의 조성을 측정하였을 때, 강재에 포함되는 모든 개재물의 개수에 대해, REM과 Zr의 몰비(REM/Zr)가 0.6∼1.4를 만족시키는 REM 및 Zr 함유 개재물 I의 개수 비율이 30％ 이상이거나, REM과 Zr의 합계 몰수와, Al과 Ca와 Ti의 합계 몰수의 비[(REM＋Zr)/(Al＋Ca＋Ti)]가 0.5∼1.2를 만족시키는 REM, Zr, Al, Ca, 및 Ti 함유 개재물 II의 개수 비율이 40％ 이상인 것이 극히 중요한 것을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.

이와 같이, 본 발명의 특징 부분은,

(가) HAZ 인성 향상에 유용한 원 상당 직경 0.1∼2㎛의 미세한 개재물의 개수를 증대시키는(120개/㎟ 이상) 동시에,

(나) HAZ 인성 향상에 악영향을 미치는 원 상당 직경 5㎛ 초과의 산화물의 개수를 저감시키고(5.0개/㎟ 이하), 또한

(다) 본 발명에 있어서 HAZ 인성 향상에 악영향을 미치는 것이 처음으로 명백해진 원 상당 직경 3㎛ 초과의 산화물의 개수도 저감시키고(5.0개/㎟ 이하), 및

(라) 강재에 포함되는 모든 개재물의 조성을 측정하였을 때, 강재에 포함되는 모든 개재물의 개수에 대해, REM과 Zr의 몰비(REM/Zr)가 0.6∼1.4를 만족시키는 REM 및 Zr 함유 개재물 I의 개수 비율이 30％ 이상이거나, 강재에 포함되는 모든 개재물의 개수에 대해, REM과 Zr의 합계 몰수와, Al과 Ca와 Ti의 합계 몰수의 비[(REM＋Zr)/(Al＋Ca＋Ti)]가 0.5∼1.2를 만족시키는 REM, Zr, Al, Ca 및 Ti 함유 개재물 II의 개수 비율이 40％ 이상인 점에 있다.

이러한 특징 부분을 구비함으로써, 상기 특허문헌 4보다도 한층 더 큰 입열량으로 용접을 행하여도 HAZ 인성을 개선할 수 있다. 즉, 상기 특허문헌 4와의 관계로 말하면, 상기 (가) 및 (나)에 더하여, 상기 (다) 및 (라)를 규정한 점에 본 발명의 특징 부분이 존재한다.

또한, 엄밀하게 말하면, 상기 (가)의 규정은 상기 특허문헌 4와는 다르고, 특허문헌 4에서는 산화물을 대상으로 하여 당해 산화물 중의 미세한 개수를 제어하고 있는 데 반해, 본 발명에서는 산화물뿐만 아니라 강재 중에 존재하는 모든 개재물을 대상으로 하여 당해 개재물 중의 미세한 개수를 제어하고 있는 점에서 다르다. 본 발명자들의 검토 결과에 따르면, 양호한 HAZ 인성을 실현하기 위해서는, 특히 원 상당 직경(이하, 단순히 「입경」이라고 약기하는 경우가 있음)이 큰 산화물(본 발명에서는, 3㎛ 초과의 산화물과 5㎛ 초과의 산화물의 양쪽)의 기여도가 매우 큰 것이 명백해졌다. 그리고 이 큰 산화물이 생성되지 않도록 제어하면, 입경 0.1∼2㎛의 작은 개재물에 대해서는, 이것을 산화물에 한정하지 않고, 모든 개재물로 확대해도 원하는 특성을 확보할 수 있는 것이다.

또한, 상기 (다)의 요건을 구비시키기 위해서는, 상기 특허문헌 4나 전술한 특허문헌 5∼7과 같이, REM 첨가 전의 용강 중의 용존 산소량을 제어하는 것만으로는 불충분하고, 당해 용강 중의 용존 산소량 Q_Of에 따라서 REM의 첨가량 Q_REM을 적절하게 제어하는 것이 극히 중요한 것도 판명되었다. 상세하게는, REM 첨가 전의 용강의 용존 산소량 Q_Of에 따라서, 하기 식 (1)을 만족시키는 양의 REM(Q_REM)을 첨가한다. 이에 의해, 원하는 HAZ 인성의 실현에 악영향을 미치는 입경이 큰 REM계 산화물의 생성을 억제할 수 있다. 하기 식 (1)의 기술적 의의 등의 상세는 후술한다.

또한, 상기 (라)의 요건 중, 상기 개재물 I의 개수 비율에 대한 요건을 구비시키기 위해서는, REM과 Zr의 첨가 순서, 및 이들 원소의 첨가 간격 시간에 유의할 필요가 있고, 용존 산소량 Q_Of를 조정한 용강에 REM을 첨가하는 데 있어서, REM과 Zr을 동시에 첨가하거나, 또는 REM과 Zr 중 한쪽의 원소를 첨가하고 나서 다른 쪽의 원소를 첨가할 때까지의 시간을 5분 이내로 제어하는 것이 중요한 것이 명백해졌다.

또한, 상기 (라)의 요건 중, 상기 개재물 II의 개수 비율에 대한 요건을 구비시키기 위해서는, REM, Zr, Ti, Ca, 및 Al의 첨가 조건을 적절하게 제어하는 것이 중요한 것이 명백해졌다. 상세하게는, REM, Zr, Ti, Ca, 및 Al을 a군(REM 및 Zr)과 b군(Ti, Ca, 및 Al)으로 나누었을 때의 각 군의 첨가 순서 및 군끼리의 첨가 간격 시간에 유의할 필요가 있다.

상기 (라)의 요건의 기술적 의의에 대해서도 상세는 후술한다.

본 명세서에서는, 입내 α 변태의 핵으로 되는 산화물, 즉, Zr, REM, 및 Ca를 함유하는 산화물과, 강재 중에 포함되는 모든 산화물을 구별하기 위해, 설명의 편의상, 전자를 특히 「ZrㆍREMㆍCa계 산화물」이라 칭하고, 후자를 특히 「모든 산화물계 개재물」이라 칭하는 경우가 있다. 또한, 산화물에는, 단독 산화물 외에, 산화물 이외의 개재물(예를 들어, 황화물이나 질화물, 탄화물, 혹은 이들의 복합 화합물)이 복합되어 있는 복합 산화물도 포함하는 의미이다. 또한, 상기한 ZrㆍREMㆍCa계 산화물을 구성하는 필수 성분(Zr, REM, 및 Ca)을, 특히 「입내 α 변태 핵 생성 원소」라 칭하는 경우가 있다.

여기서, 입내 α 변태의 기점으로 되는 ZrㆍREMㆍCa계 산화물에 대해 설명한다. 상기 ZrㆍREMㆍCa계 산화물은, Zr의 산화물, REM의 산화물 및 Ca의 산화물을 반드시 포함하고 있는 것을 의미하고 있다. ZrㆍREMㆍCa계 산화물을 구성하는 원소(입내 α 변태 핵 생성 원소)는 Zr, REM 및 Ca이지만, 이들 이외에, 예를 들어 Ti, Mn, Si, Al 등의 산화물 형성 원소나, 그 밖의 강 중 성분을 포함하고 있어도 된다.

상기 ZrㆍREMㆍCa계 산화물의 존재 형태는 특별히 한정되지 않고, 입내 α 변태 핵 생성 원소를 단독으로 함유하는 단독 산화물로서 존재하고 있어도 되고, 입내 α 변태 핵 생성 원소 중 2종 이상을 포함하는 복합 산화물로서 존재하고 있어도 된다. 단독 산화물의 예로서는, Zr에서는 ZrO₂ ; Ca에서는 CaO ; REM에서는, REM을 「M」의 기호로 나타냈을 때, M₂O₃, M₃O₅, MO₂ 등이 예시된다. 또한, 이들 산화물은, 서로 응집되어 존재해도 되고, 상기 산화물에 황화물이나 질화물 등의 다른 화합물이 복합 석출된 형태로 존재해도 된다.

상기 ZrㆍREMㆍCa계 산화물은, Ti의 산화물을 더 함유하고 있는 것이 바람직하다. Ti의 산화물이 더 존재하면 입내 α 변태가 촉진되어, HAZ 인성의 향상이 한층 더 높아지게 된다. Ti의 산화물은, 단독 산화물(예를 들어, Ti₂O₃, Ti₃O₅, TiO₂)로서 존재하고 있어도 되고, ZrㆍREMㆍCa계 산화물 중 적어도 1종과 Ti를 포함하는 복합 산화물의 형태로 존재하고 있어도 된다.

또한, 본 발명의 강재에는, 상기한 산화물 이외에 황화물, 질화물, 탄화물, 혹은 이들의 복합 화합물 등도 포함되지만, 본 명세서에서는, 강재 중에 포함되는 산화물, 황화물, 질화물, 탄화물, 혹은 이들의 복합 화합물 등을 총칭하여 「모든 개재물」이라 한다.

또한, 본 명세서에서는, 강재에 포함되는 모든 산화물계 개재물 중, 원 상당 직경이 0.1∼2㎛인 산화물을 「미세한 산화물」, 원 상당 직경이 3㎛ 초과인 산화물을 「조대한 산화물」, 원 상당 직경이 5㎛ 초과인 산화물을 「초조대한 산화물」이라 각각 칭하고, 이들을 구별하는 경우가 있다. 또한, 상기 특허문헌 4에서는, 원 상당 직경으로 5㎛ 초과의 산화물을 「조대한 산화물」이라 정의하고 있었지만, 본 명세서에서는, 원 상당 직경으로 3㎛ 초과의 산화물을 「조대한 산화물」로 하고 있다.

본 명세서에 있어서 「대입열 용접의 HAZ 인성이 우수한 강재」라 함은, 강재에 대해, 1450℃에서 5초간 유지한 후, 800℃로부터 500℃까지의 온도를 400초에 냉각하는 열사이클(열이력)을 부여하였을 때(입열 조건 : 1450℃×5초, 냉각 시간 Tc＝400초), -40℃에 있어서의 흡수 에너지(vE_-40)가 130J 이상을 만족시키는 것을 의미한다. 이 vE_-40은 클수록 좋고, 바람직하게는 vE_-40이 150J 이상이다. 상기한 열사이클을 특히 「대입열 열이력」이라 칭하는 경우가 있다. 이 열사이클에 의한 입열량은, 상기 특허문헌 1이나 특허문헌 4에 기재된 열사이클에 의한 입열량에 비해 높은 것이며, 그 의미에서, 본 발명의 「대입열 용접」과, 상기 특허문헌 1이나 특허문헌 4에 기재된 「대입열 용접」의 입열 레벨이 다른 것이다.

본 발명에 있어서, 열사이클의 온도를 1450℃로 설정한 것은, HAZ 중 특히 용접 금속에 근접한 부위(본드부라 불리는 경우가 있음)의 열 온도는 1400℃를 초과하여 약 1450℃ 정도로 되는 것을 고려한 것이다.

이하, 본 발명을 구성하는 상기 (a)∼(c)의 요건에 대해, 상세하게 설명한다.

[(a) 산화물의 평균 조성에 대해]

본 발명의 강재는, 강재에 포함되는 모든 산화물계 개재물의 조성을 측정하여 단독 산화물(합계가 100％)로서 질량 환산하였을 때에, 평균 조성으로, ZrO₂:5∼50％, REM의 산화물(REM을 M의 기호로 나타내면 M₂O₃):5∼50％, CaO:50％ 이하(0％를 포함하지 않음)를 만족시키고 있고, 이에 의해 입내 α 변태의 핵으로서 유효하게 작용하게 된다. 각 산화물의 하한값을 하회하면, 용접시에 입내 α 변태의 핵으로 되는 산화물의 양이 부족하여, HAZ 인성의 향상 작용이 발휘되지 않는다. 한편, 각 산화물의 상한값을 초과하면, 산화물이 조대화되어, 입내 α 변태의 핵으로서 유효하게 작용하는 미세한 산화물의 개수가 적어져, HAZ 인성 향상 작용이 유효하게 발휘되지 않는다.

상기 ZrO₂는, 5％ 이상이고, 바람직하게는 8％ 이상, 보다 바람직하게는 10％ 이상이다. 한편, 상한은 50％이고, 바람직한 상한은 45％, 보다 바람직한 상한은 40％이다.

상기 REM의 산화물은, 5％ 이상이고, 바람직하게는 10％ 이상, 보다 바람직하게는 13％ 이상이다. 한편, 상한은 50％이고, 바람직한 상한은 45％, 보다 바람직한 상한은 40％이다. 또한, REM의 산화물은, REM을 기호 M으로 나타내면, 강재 중에 M₂O₃, M₃O₅, MO₂ 등의 형태로 존재하지만, 본 발명에서는, REM의 산화물을 모두 M₂O₃으로 환산하였을 때의 양을 의미한다.

상기 CaO는, 입내 α 변태의 핵으로서 유효하게 작용하지만, 과잉으로 포함되면 오히려 입내 α 변태능이 떨어진다. 또한, CaO가 과잉으로 포함되면 주조시에 사용하는 노즐의 용손을 야기한다. 따라서 상한은 50％로 하고, 바람직하게는 45％ 이하, 보다 바람직하게는 40％ 이하, 특히 바람직하게는 30％ 이하로 한다. 상기 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, CaO는 3％ 이상 함유하고 있는 것이 바람직하다. CaO는, 보다 바람직하게는 5％ 이상, 더욱 바람직하게는 10％ 이상으로 한다.

또한, 모든 산화물계 개재물의 조성의 나머지의 성분은 특별히 한정되지 않고, 본 발명의 강재 중에 포함되는 산화물 형성 원소의 산화물(예를 들어, SiO₂, Al₂O₃, MnO 등)을 들 수 있다.

상기 강재에 포함되는 모든 산화물계 개재물의 조성은, 강재의 표면을 예를 들어 전자선 마이크로 프로브 X선 분석계(Electron Probe X-ray Micro Analyzer ; EPMA)에 의해 관찰하고, 관찰 시야 내에 확인되는 산화물을 정량 분석하여 측정할 수 있다. 측정 조건의 상세는, 후기하는 실시예의 란에서 설명한다.

[(b) 모든 개재물의 입도 분포에 대해]

다음에, 본 발명을 특징짓는 모든 개재물의 개수와 크기에 대해 설명한다. 본 발명의 강재는,

(i) 원 상당 직경으로 0.1∼2㎛의 미세한 개재물이 관찰 시야 면적 1㎟당 120개 이상이고,

(ii) 원 상당 직경으로 3㎛를 초과하는 조대한 산화물이 관찰 시야 면적 1㎟당 5.0개 이하이고, 또한,

(iii) 원 상당 직경으로 5㎛를 초과하는 초조대한 산화물이 관찰 시야 면적 1㎟당 5.0개 이하

의 전부를 만족시키는 것이다. 특히 본 발명에서는, 원 상당 직경(입경)이 큰 산화물에 대해, 상기 (ii) 및 상기 (iii)의 양쪽을 규정한 것에 최대의 특징이 있다.

여기서, 상기 (ii) 및 상기 (iii)의 요건을 모두 만족시킨다고 하는 것은, 곧, 입경이 3㎛ 초과 5㎛ 이하인 산화물의 개수가 5.0개 이하로 적은 것을 의미하고 있다. 즉, 본 발명에 의한 대입열 열이력을 받은 경우라도 vE_-40≥130J로 매우 높은 HAZ 인성을 확보하기 위해서는, 상기 특허문헌 4에서는 전혀 착안하고 있지 않았던 「입경 3㎛ 초과 5㎛ 이하」의 산화물의 저감이 극히 중요하고, 당해 범위의 산화물의 개수를 제어할 수 없는 경우는, 당해 산화물이 취성 파괴의 기점으로 되어 HAZ 인성이 떨어지는 것이, 본 발명자들의 검토 결과에 의해 처음으로 밝혀졌다.

이하, 실시예의 하기 표 5, 표 6을 참조하면서, 상기 (ii) 및 상기 (iii)의 기술적 의의를 상세하게 설명한다.

하기 표 5의 No.1∼32는, 본 발명에서 규정하는 요건을 모두 만족시키는 예이다. 상기 (ii) 및 상기 (iii)에 착안하여 검토하면, No.1∼32 중 5㎛ 초과의 산화물 수가 가장 많은 No.5(1.440개)에서도 3㎛ 초과의 산화물 수는 4.64개로 억제되어 있어, 그 결과, 양호한 HAZ 인성을 확보할 수 있다.

한편, 하기 표 6의 No.35∼38, 49, 53, 54, 61은, 상기 (iii)의 요건을 만족시키지만, 상기 (ii)의 요건을 만족시키지 않는 예이다. 상세하게는, 5㎛ 초과의 산화물은 0.440∼2.250개로, 5.0개 이하로 억제되어 있지만, 3㎛ 초과의 산화물은 5.0개를 초과하여, 5.71∼10.65개로 증가되어 있어, 그 결과, 원하는 HAZ 인성이 얻어지지 않았다.

여기서, 상기 No.35∼38, 49, 53, 54, 61은, 상기 (iii)의 요건을 만족시킨다고 하는 점에 있어서 상기 특허문헌 4의 범위에 포함되는 것이지만, 특허문헌 4의 범위 내에 포함되는 것이라도, 상기 (ii)의 요건을 만족시키지 않는 것은, 본 발명에서 규정하는 원하는 HAZ 인성을 달성할 수 없는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서는, 상기 (iii) 외에 원하는 HAZ 인성을 확보하기 위한 요건으로서, 상기 (ii)를 더 규정한 것이다.

또한, 상기 (ii) 및 상기 (iii)의 요건으로부터, 원하는 HAZ 인성 달성에는, 특히 3㎛ 초과 5㎛ 이하의 산화물의 개수가 깊이 관여하고 있는 것이 파악된다. 즉, 제조 조건에 따라서는 3㎛ 초과 5㎛ 이하의 극히 좁은 범위에 산화물이 5.0개를 초과하여 존재하는 경우가 있지만, 가령, 상기 (i)의 미세 영역의 개수를 다수 증대시켜 상기 (iii)의 초조대 영역의 개수를 저감시켰다고 해도, 3㎛ 초과 5㎛ 이하의 조대 영역에 5.0개 초과의 산화물이 존재하는 것만으로, 원하는 HAZ 인성이 얻어지지 않는 것은, 본 발명자들에게 있어서도 예상 밖의 발견이었다.

상기 (ii) 및 상기 (iii)의 양쪽을 만족시킴으로써, 왜 원하는 HAZ 인성을 확보할 수 있는 것인지에 대해 상세한 메커니즘은 불분명하지만, 1400℃를 초과하여 1450℃로 되면 TiN의 소실이 가속적으로 진행되어 인성이 저하된다. 그러나 3㎛ 초과 5㎛ 이하의 산화물을 저감시킴으로써, 이러한 인성 저하를 억제할 수 있는 것이라 생각된다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 상기 (ii) 및 상기 (iii)의 요건을 동시에 만족시키는 것이 필요하다. 즉, 입경이 3㎛ 초과인 조대한 산화물의 개수는 5.0개 이하로 하고, 또한 입경이 5㎛ 초과인 초조대한 산화물의 개수는 5.0개 이하로 한다. 이들의 개수는 적으면 적을수록 좋고, 모든 경우에, 바람직하게는 3.0개 이하, 보다 바람직하게는 2.0개 이하, 특히 바람직하게는 1.0개 이하, 가장 바람직하게는 0개이다. 상세하게는, 양자의 밸런스도 포함하여 적절하게 제어하는 것이 바람직하고, 본 발명의 범위 내(모두 5.0개 이하)에 있어서, 입경이 3㎛ 초과인 조대한 산화물보다도 입경이 5㎛ 초과인 초조대한 산화물의 개수를 적게 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 초조대한 산화물의 개수는 하한(0개)에 근접할수록 좋고, 약 1.0개 이하가 바람직하고, 한없이 0개에 가까운 쪽이 가장 바람직한 것에 대해, 조대한 산화물의 개수는, 상한(5.0개)에 가까워도 되고, 약 4.0개 이하라도 바람직하게 사용된다.

또한, 원 상당 직경으로 3㎛를 초과하는 산화물의 개수와 5㎛를 초과하는 산화물의 개수는, 강재의 단면을, 예를 들어 EPMA에 의해 관찰하고, 관찰 시야 내에 확인되는 개재물의 성분 조성을 정량 분석하여, 산소 함유량이 5％ 이상인 개재물을 산화물로 하고, 상기 산화물의 원 상당 직경을, 예를 들어 주사형 전자 현미경(SEM)에 의해 관찰하여 측정하여 구하면 된다.

이상, 본 발명을 특징짓는 상기 (ii) 및 상기 (iii)에 대해 상세하게 서술하였다.

본 발명의 강재에 있어서는, 상기 (i)에서 규정하는 바와 같이, 원 상당 직경이 0.1∼2㎛인 미세한 개재물을 관찰 시야 면적 1㎟당 120개 이상으로 할 필요가 있다. 미세한 개재물의 개수는 관찰 시야 면적 1㎟당 120개 이상으로 하고, 바람직하게는 1㎟당 200개 이상, 보다 바람직하게는 1㎟당 500개 이상, 더욱 바람직하게는 1㎟당 700개 이상이다.

또한, 원 상당 직경으로 0.1∼2㎛의 미세한 개재물의 개수는, 강재의 단면을, 예를 들어 SEM에 의해 관찰하여 측정하여 구하면 된다.

본 발명의 강재에서는, 원 상당 직경으로 0.1㎛ 미만의 개재물은, 개재물 분산에 의한 HAZ 인성 향상 작용에 거의 기여하지 않으므로, 상기 개재물의 개수에는 포함하고 있지 않다.

상기 「원 상당 직경」이라 함은, 개재물(산화물을 포함함)의 면적이 동등해지도록 상정한 원의 직경으로, SEM 관찰면 상에서 확인되는 것이다.

[(c) REM/Zr비가 0.6∼1.4를 만족시키는 REM 및 Zr 함유 개재물 I의 개수 비율 및 (REM＋Zr)/(Al＋Ca＋Ti)비가 0.5∼1.2를 만족시키는 REM, Zr, Al, Ca, 및 Ti 함유 개재물 II의 개수 비율에 대해]

본 발명의 강재는, 모든 개재물의 개수와 크기가 적절하게 조정되어 있는 것에 더하여, 강재에 포함되는 모든 개재물의 조성을 측정하였을 때, 모든 개재물의 개수에 대해,

(c-1) REM과 Zr의 몰비(REM/Zr)가 0.6∼1.4를 만족시키는 REM 및 Zr 함유 개재물 I(이하, 단순히, 개재물 I라 하는 경우가 있음)의 개수 비율이 30％ 이상이거나,

(c-2) REM과 Zr의 합계 몰수와, Al과 Ca와 Ti의 합계 몰수의 비[(REM＋Zr)/(Al＋Ca＋Ti)]가 0.5∼1.2를 만족시키는 REM, Zr, Al, Ca 및 Ti 함유 개재물 II(이하, 단순히, 개재물 II라고 하는 경우가 있음)의 개수 비율이 40％ 이상임으로써, HAZ 인성이 한층 더 높아지게 된다.

상기 (c-1) 및 (c-2)의 요건은, 적어도 어느 한쪽을 만족시키고 있으면 되고, 물론 양쪽을 만족시키고 있어도 된다.

상기 (c-1)의 요건은, 입내 α 변태 핵 생성 원소(REM, Zr 및 Ca) 중, REM 및 Zr을 함유하는 개재물에 대해, 원하는 HAZ 인성을 실현하기 위한 REM/Zr의 몰비 및 상기 개재물 I의 개수 비율을 특정한 것이다. 한편, 상기 (c-2)의 요건은, 입내 α 변태 핵 생성 원소(Zr, REM 및 Ca) 및 개재물을 구성하는 다른 원소(Ti 및 Al)를 함유하는 개재물에 대해, 원하는 HAZ 인성을 실현하기 위한 (REM＋Zr)/(Al＋Ca＋Ti)의 몰비 및 상기 개재물 II의 개수 비율을 특정한 것이다.

즉, 후기하는 실시예에서 명백하게 하는 바와 같이, 상기 (a), (b)의 요건이 거의 동일해도 강재의 인성값에 편차가 발생하는 것이 판명되었다. 즉, 상기 (a), (b)에서 규정하는 바와 같이, 산화물의 평균 조성 및 개재물의 크기와 입도 분포를 제어함으로써, 대입열량으로 용접을 행하여도 -40℃에 있어서의 흡수 에너지(vE_-40)는 100J 이상을 달성할 수 있지만, 상기 (a), (b)에 더하여 상기 (c-1)에서 규정하는 개재물 I의 개수 비율 및/또는 상기 (c-2)에서 규정하는 개재물 II의 개수 비율을 제어함으로써, vE_-40은 130J 이상을 달성할 수 있다.

상기 (c-1)에 대해, 예를 들어 하기 표 5에 나타내는 No.2와 하기 표 6에 나타내는 No.33은, 상술한 (b)의 모든 개재물의 입도 분포는 대체로 동일함에도 불구하고, -40℃에 있어서의 흡수 에너지(vE_-40)에는 42J의 차가 발생하고 있었다. 따라서, 본 발명자들이 더욱 검토를 거듭한 결과, 개재물을 구성하는 REM 및 Zr에 대해, Zr에 대한 REM의 몰비(REM/Zr)가 0.6∼1.4를 만족시키는 개재물 I의 모든 개재물에 대한 개수 비율이 30％ 이상으로 제어된 것(상기 No.2)은, 입내 α 변태능이 우수하여, HAZ 인성이 양호하지만, 상기 비를 만족시키는 개재물 I의 개수 비율이 30％ 미만인 것(상기 No.33)에서는 원하는 HAZ 인성을 확보할 수 없는 것을 알 수 있었다. REM과 Zr은, 입내 α 변태의 핵으로 되는 산화물을 생성시키는 원소로, 모든 개재물에 대한 상기 개재물 I의 개수 비율과, HAZ 인성의 관계는, 양호한 상관 관계를 갖고 있는 것이 판명되어, 상기 (c-1)의 요건을 규정하였다. 즉, REM/Zr 비가 0.6을 하회하거나, REM/Zr 비가 1.4를 초과하는 개재물에 비하면, REM/Zr 비가 0.6∼1.4를 만족시키고 있는 개재물 I는, 입내 α 변태능이 우수하므로, HAZ에 있어서의 금속 조직을 한층 더 미세화하여, HAZ 인성을 향상시키는 데 기여하는 것을 알 수 있었다.

그리고, 모든 개재물의 개수에 대한 상기 개재물 I의 개수 비율을 30％ 이상으로 함으로써, 대입열량으로 용접을 행하여도 -40℃에 있어서의 흡수 에너지(vE_-40)는 130J 이상을 달성할 수 있다. 모든 개재물의 개수에 대한 상기 개재물 I의 개수 비율은 많을수록 좋고, 바람직하게는 40％ 이상, 보다 바람직하게는 50％ 이상이다. 상기 개재물 I의 개수 비율은 많을수록 좋고, 가장 바람직하게는 100％이다.

상기 (c-2)에 대해서도 상기 (c-1)와 마찬가지로, 예를 들어 하기 표 5에 나타내는 No.17과 하기 표 6에 나타내는 No.51은, 상술한 (b)의 모든 개재물의 입도 분포는 대체로 동일함에도 불구하고, -40℃에 있어서의 흡수 에너지(vE_-40)에는 36J의 차가 발생하고 있었다. 따라서 본 발명자들이 더욱 검토를 거듭한 결과, 개재물을 구성하는 REM, Zr, Ti, Ca 및 Al에 대해, REM과 Zr의 합계 몰수와, Al과 Ca와 Ti의 합계 몰수의 비[(REM＋Zr)/(Al＋Ca＋Ti)]가 0.5∼1.2를 만족시키는 개재물 II의 모든 개재물에 대한 개수 비율이 40％ 이상으로 제어된 것(상기 No.17)은, 입내 α 변태가 촉진되어, HAZ 인성이 양호해지지만, 상기 비를 만족시키는 개재물 II의 개수 비율이 40％ 미만인 것(상기 No.51)에서는 원하는 HAZ 인성을 확보할 수 없는 것을 알 수 있었다.

(REM＋Zr)/(Al＋Ca＋Ti) 비가 상기 범위를 만족시키고 있는 개재물 II는, 입내 α 변태의 핵으로 되는 원소 중 REM과 Zr이, 개재물을 구성하는 다른 원소(Al, Ca, Ti)와의 관계에서 적절하게 제어되어 있으므로, 입내 α 변태가 촉진되어, HAZ에 있어서의 금속 조직이 한층 더 미세화되므로, HAZ 인성이 향상된다.

즉, 강 중에 분산되어 있는 개재물의 성분 조성과 HAZ 인성의 관계에 대해 검토한 바, HAZ에 있어서 입내 α를 생성시킴으로써 금속 조직을 미세화하기 위해서는, 입내 α 변태의 핵으로 되는 개재물 자체가, α상과 양호한 정합성을 갖고 있어야 한다. α상과의 정합성이 양호한 개재물로서는, REM과 Zr에 더하여 Ti를 함유하는 개재물이 유효한 것이 본 발명자들의 실험에 의해 명백해졌다. 그러나 REM, Zr 및 Ti를 함유하는 개재물을 기점으로 하여 생성된 입내 α가, 그 후의 오스테나이트 상 중에서 성장하기 위해서는, REM, Zr 및 Ti를 함유하는 개재물 자체와 오스테나이트 상의 정합성도 양호한 것이 요망된다. 따라서 본 발명자들은, REM, Zr 및 Ti를 함유하는 개재물과, 오스테나이트 상의 정합성을 개선하기 위해 더욱 검토한 바, 개재물의 융점을 제어하면, 입내 α 변태를 제어할 수 있다는 지식이 얻어졌다. 즉, 용접시에, 개재물이 오스테나이트 상 중에서 일단 용융되면, 용융된 개재물과 오스테나이트 상의 친화성이 양호해져, 냉각 과정에 있어서 개재물은 주위의 오스테나이트 상과 정합성을 유지하면서 결정화된다. 더욱 온도가 저하되면 α상이 생성되기 시작하지만, 그것은 α와의 정합성이 양호한 개재물로부터 우선적으로 생성되고, 개재물로부터 생성된 α는 오스테나이트와도 정합성이 양호하므로, 입내 α 변태가 촉진되어, 결정의 미세화에 의한 HAZ 인성의 향상 효과가 향수된다.

따라서 본 발명자들은, REM, Zr 및 Ti를 함유하는 개재물에 대해, 융점이 낮아지는 성분 조성 영역을 발견하기 위해, 고온 레이저 현미경을 사용하여 개재물의 융점 거동을 조사하였다. 그 결과, REM, Zr 및 Ti를 함유하는 개재물의 융점은, Ca와 Al의 함유량에 영향을 받아, 이들 원소의 몰수 환산에 기초하는 (REM＋Zr)/(Al＋Ca＋Ti) 비가 0.5∼1.2의 범위인 경우에는, 개재물의 융점이 국소적으로 저하되어, 입내 α 변태능이 높아지는 것이 판명되었다.

즉, (REM＋Zr)/(Al＋Ca＋Ti) 비가 0.5를 하회하거나, (REM＋Zr)/(Al＋Ca＋Ti) 비가 1.2를 초과하는 개재물에 비하면, (REM＋Zr)/(Al＋Ca＋Ti)가 0.5∼1.2를 만족시키고 있는 개재물 II는, 입내 α 변태능이 우수하므로, HAZ에 있어서의 금속 조직을 한층 더 미세화하여, HAZ 인성을 향상시키는 데 기여하는 것을 알 수 있었다.

상기 강재에 포함되는 개재물의 조성은, 강재의 단면을, 예를 들어 EPMA에 의해 관찰하여, 관찰 시야 내에 확인되는 개재물의 성분 조성을 정량 분석하여 구하면 되고, 강재에 포함되는 모든 개재물의 조성을 측정한 후, 모든 개재물의 개수에 차지하는 상기 개재물 I의 개수 비율 및 상기 개재물 II의 개수 비율을 구하면 된다. 또한, 본 발명의 강재에서는, 원 상당 직경이 0.1㎛ 이상인 개재물에 대해 그 조성을 정량 분석한다. 원 상당 직경이 0.1㎛ 미만인 개재물은, 지나치게 작아 고정밀도로 정량 분석할 수 없기 때문이다.

다음에, 본 발명의 강재(모재)에 있어서의 성분 조성에 대해 설명한다. 본 발명의 강재는, 기본 성분으로서, C:0.02∼0.15％, Si:0.5％ 이하(0％를 포함하지 않음), Mn:2.5％ 이하(0％를 포함하지 않음), P:0.03％ 이하(0％를 포함하지 않음), S:0.02％ 이하(0％를 포함하지 않음), Al:0.050％ 이하(0％를 포함하지 않음), N:0.010％ 이하(0％를 포함하지 않음), Ti:0.005∼0.10％, Zr:0.0005∼0.050％, REM:0.0003∼0.015％ 및 Ca:0.0003∼0.010％를 함유하고 있다. 이러한 범위를 정한 이유는 이하와 같다.

C는, 강재(모재)의 강도를 확보하기 위해 빠뜨릴 수 없는 원소로, 0.02％ 이상 함유시킬 필요가 있다. C량은, 바람직하게는 0.04％ 이상, 보다 바람직하게는 0.05％ 이상으로 한다. 그러나 C량이 0.15％를 초과하면, 용접시에 HAZ에 섬 형상 마르텐사이트(MA)가 많이 생성되어 HAZ의 인성 열화를 초래할 뿐만 아니라, 용접성에도 악영향을 미친다. 따라서, C량은 0.15％ 이하, 바람직하게는 0.10％ 이하, 보다 바람직하게는 0.08％ 이하로 한다.

Si는, 탈산 작용을 갖는 동시에, 고용 강화에 의해 강재(모재)의 강도 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, Si는, 0.01％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. Si는, 보다 바람직하게는 0.05％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.1％ 이상 함유시키는 것이 좋다. 그러나 Si량이 0.5％를 초과하면, 강재의 용접성이나 인성이 떨어지므로, Si량은 0.5％ 이하로 억제할 필요가 있다. Si량은, 바람직하게는 0.3％ 이하, 보다 바람직하게는 0.25％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.21％ 이하로 한다.

Mn은, 강재(모재)의 강도 향상에 기여하는 원소이다. 그러나 Mn량이 2.5％를 초과하면, 강재(모재)의 용접성을 떨어뜨린다. 따라서, Mn량은, 2.5％ 이하로 억제할 필요가 있다. Mn량은, 바람직하게는 2.30％ 이하, 보다 바람직하게는 2.0％ 이하로 한다. 또한, 상술한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Mn은, 0.2％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. Mn량은, 보다 바람직하게는 0.40％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.60％ 이상, 특히 바람직하게는 0.8％ 이상으로 한다.

P는, 편석되기 쉬운 원소로, 특히 강재 중의 결정립계에 편석되어 HAZ 인성을 떨어뜨린다. 따라서, P량은 0.03％ 이하로 억제할 필요가 있다. P량은, 바람직하게는 0.02％ 이하, 보다 바람직하게는 0.015％ 이하로 한다. 또한, P는, 통상 불가피적으로 0.001％ 정도 함유하고 있다.

S는, Mn과 결합하여 황화물(MnS)을 생성하여, 모재의 인성이나 판 두께 방향의 연성을 떨어뜨리는 유해한 원소이다. 또한, S가 La나 Ce 등의 REM과 결합하여 REM의 황화물(예를 들어, LaS나 CeS 등)을 생성하면, REM의 산화물의 생성이 저해되므로, HAZ 인성이 떨어진다. 따라서, S량은 0.02％ 이하로 억제할 필요가 있다. S량은, 바람직하게는 0.015％ 이하, 보다 바람직하게는 0.010％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.006％ 이하로 한다. 또한, S는, 통상 불가피적으로 0.0005％ 정도 함유하고 있다.

Al은, 탈산제로서 작용하는 원소이다. 그러나 과잉으로 첨가하면 산화물을 환원하여 조대한 Al 산화물을 형성하여, HAZ 인성이 떨어진다. 따라서, Al량은 0.050％ 이하로 억제할 필요가 있다. Al량은, 바람직하게는 0.04％ 이하, 보다 바람직하게는 0.03％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.025％ 이하, 특히 바람직하게는 0.010％ 이하로 한다. 또한, Al은, 통상 불가피적으로 0.0005％ 정도 함유하고 있다.

N은, 질화물(예를 들어, ZrN이나 TiN 등)을 석출하는 원소로, 상기 질화물은, 피닝 효과에 의해, 용접시에 HAZ에 생성되는 오스테나이트 립의 조대화를 방지하여 입내 α 변태를 촉진시켜, HAZ 인성의 향상에 기여한다. N은 많을수록 질화물을 형성하여 오스테나이트 립의 미세화를 촉진시키므로, HAZ의 인성 향상에 유효하게 작용한다. 그러나 N량이 0.010％를 초과하면, 고용 N량이 증대되어 모재 자체의 인성이 떨어지고, HAZ 인성도 저하된다. 따라서, N량은 0.010％ 이하로 억제할 필요가 있다. N량은, 바람직하게는 0.0090％ 이하, 보다 바람직하게는 0.008％ 이하로 한다. 또한, 상술한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, N은 0.003％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. N량은, 보다 바람직하게는 0.004％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.005％ 이상으로 한다.

Ti는, 강재 중에 TiN 등의 질화물이나, Ti를 포함하는 산화물을 생성하여, HAZ 인성의 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Ti는 0.005％ 이상 함유시킬 필요가 있다. Ti량은, 바람직하게는 0.007％ 이상, 보다 바람직하게는 0.010％ 이상이다. 그러나 과잉으로 첨가하면 Ti의 고용 강화에 의해 모재 자체가 경화되어, HAZ 인성의 저하로 이어지므로, Ti는 0.10％ 이하로 억제해야 한다. Ti량은, 바람직하게는 0.07％ 이하, 보다 바람직하게는 0.06％ 이하로 한다.

Zr은, Zr을 포함하는 복합 산화물을 생성하여 HAZ 인성의 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 작용을 발휘시키기 위해서는, 0.0005％ 이상 함유시킬 필요가 있다. Zr량은, 바람직하게는 0.0015％ 이상, 보다 바람직하게는 0.0020％ 이상으로 한다. 그러나 Zr을 과잉으로 첨가하면, 조대한 Zr 산화물(예를 들어, ZrO₂)이 많이 생성되어 HAZ 인성이 떨어진다. 따라서, Zr량은 0.050％ 이하로 억제한다. Zr량은, 바람직하게는 0.04％ 이하, 보다 바람직하게는 0.03％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.01％ 이하로 한다.

REM(희토류 원소)과 Ca는, 각각의 산화물을 생성시키는 데 필요한 원소이다. 이들 산화물을 함유함으로써, 산화물이 미세 분산되기 쉬워지고, 이 미세 분산된 산화물이 입내 α 변태의 핵으로 되므로, HAZ 인성의 향상에 기여한다.

REM은, 0.0003％ 이상 함유시켜야 하고, 바람직하게는 0.001％ 이상, 보다 바람직하게는 0.0020％ 이상으로 한다. 그러나 REM을 과잉으로 첨가하면, 고용 REM이 생성되고, 이것이 편석됨으로써 모재의 인성이 떨어진다. 따라서, REM량은 0.015％ 이하로 억제해야 한다. REM량은, 바람직하게는 0.010％ 이하, 보다 바람직하게는 0.007％ 이하로 한다. 또한, 본 발명에 있어서, REM이라 함은, 란타노이드 원소(La로부터 Lu까지의 15 원소) 및 Sc(스칸듐)과 Y(이트륨)를 포함하는 의미이다. 이들 원소 중에서도, La, Ce 및 Y로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 함유하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 La 및/또는 Ce를 함유하는 것이 좋다.

Ca는, 0.0003％ 이상 함유시켜야 하고, 바람직하게는 0.0005％ 이상, 보다 바람직하게는 0.0008％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.001％ 이상으로 한다. 그러나 Ca를 과잉으로 첨가하면, 조대한 Ca 황화물이 생성되어 모재의 인성이 떨어진다. 또한, Ca를 과잉으로 첨가하면, CaO가 과잉으로 생성되어 고 CaO 농도의 개재물이 생성되어, 최적 개재물 조성 범위로부터 벗어나므로, 개재물의 입내 변태 핵으로서 작용하는 효과가 약해져, HAZ 인성이 오히려 떨어진다. 따라서, Ca량은, 0.010％ 이하로 억제한다. Ca는, 바람직하게는 0.009％ 이하, 보다 바람직하게는 0.008％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.005％ 이하로 한다.

본 발명의 강재는, 상기 원소를 필수 성분으로서 함유하는 것으로, O(산소)량은 0.0005∼0.010％이다. 여기서 산소량은, 총 산소량을 나타내고, 산화물을 형성하고 있는 산소와 강재 중에 고용되어 있는 유리(遊離) 산소의 합계량을 의미하고 있다. 강재의 잔량부 성분은, 철 및 불가피 불순물(예를 들어, Mg, As, Se 등)이면 된다.

본 발명의 강재는, 다른 원소로서,

[4] B:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음),

등의 원소를 더 함유하는 것도 유효하다. 이러한 범위를 정한 이유는 이하와 같다.

《[1] Cu 및/또는 Ni》

Cu와 Ni는, 모두 강재의 강도를 높이는 데 기여하는 원소로, 각각 단독으로, 혹은 복합하여 첨가할 수 있다.

그러나 Cu량이 2％를 초과하면, 모재의 강도를 지나치게 현저하게 높여 모재의 인성을 오히려 떨어뜨리므로, HAZ 인성도 저하된다. 따라서, Cu량은 2％ 이하로 하는 것이 바람직하다. Cu량은, 보다 바람직하게는 1.8％ 이하, 더욱 바람직하게는 1.5％ 이하로 한다. 또한, Cu 첨가에 의한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.05％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. Cu량은, 보다 바람직하게는 0.1％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.20％ 이상으로 한다.

Ni량이 3.5％를 초과하면, 상기 Cu와 마찬가지로, 모재의 강도를 지나치게 현저하게 높여 모재의 인성을 떨어뜨리므로, HAZ 인성도 저하된다. 따라서 Ni량은 3.5％ 이하로 하는 것이 바람직하다. Ni량은, 보다 바람직하게는 3.0％ 이하, 더욱 바람직하게는 2.5％ 이하로 한다. 또한, Ni 첨가에 의한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.05％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. Ni량은, 보다 바람직하게는 0.1％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.2％ 이상으로 한다.

《[2] Cr 및/또는 Mo》

Cr과 Mo는, 모두 강재의 강도를 높이는 데 기여하는 원소로, 각각 단독으로, 혹은 복합하여 첨가할 수 있다.

그러나 Cr이 3％를 초과하면, 모재의 강도를 지나치게 현저하게 높여 모재의 인성을 떨어뜨리므로, HAZ 인성을 저하시킨다. 따라서, Cr량은 3％ 이하가 바람직하다. Cr량은, 보다 바람직하게는 2％ 이하, 더욱 바람직하게는 1.0％ 이하로 한다. 또한, Cr 첨가에 의한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.05％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. Cr량은, 보다 바람직하게는 0.1％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.15％ 이상으로 한다.

Mo도 Cr과 마찬가지로, 1％를 초과하면, 모재의 강도를 지나치게 현저하게 높여 모재의 인성을 떨어뜨리므로, HAZ 인성을 저하시킨다. 따라서, Mo량은 1％ 이하로 하는 것이 바람직하다. Mo량은, 보다 바람직하게는 0.9％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.8％ 이하이다. 또한, Mo 첨가에 의한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.05％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. Mo량은, 보다 바람직하게는 0.1％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.15％ 이상으로 한다.

《[3] Nb 및/또는 V》

Nb와 V는, 모두 탄질화물로서 석출되고, 상기 탄질화물의 피닝 효과에 의해, 용접시에 오스테나이트 립이 조대화되는 것을 방지하여, HAZ 인성을 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. Nb와 V는, 각각 단독으로, 혹은 복합하여 첨가할 수 있다.

그러나 Nb량이 0.25％를 초과하면, 석출되는 탄질화물이 조대화되어, HAZ 인성을 오히려 떨어뜨린다. 따라서, Nb량은 0.25％ 이하로 하는 것이 바람직하다. Nb량은, 보다 바람직하게는 0.2％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.15％ 이하로 한다. 또한, Nb 첨가에 의한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.002％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. Nb량은, 보다 바람직하게는 0.010％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.02％ 이상으로 한다.

V도 Nb와 마찬가지로, 0.1％를 초과하면, 석출되는 탄질화물이 조대화되어, HAZ 인성을 오히려 떨어뜨린다. 따라서, V량은 0.1％ 이하로 하는 것이 바람직하다. V량은, 보다 바람직하게는 0.09％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.08％ 이하로 한다. 또한, V 첨가에 의한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.002％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. V량은, 보다 바람직하게는 0.005％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.01％ 이상으로 한다.

《[4] B(붕소)》

B는, 입계 페라이트의 생성을 억제하여 인성을 향상시키는 원소이다. 그러나 B량이 0.005％를 초과하면, 오스테나이트 입계에 BN으로서 석출되어, 인성의 저하를 초래한다. 따라서, B량은 0.005％ 이하가 바람직하다. B량은, 보다 바람직하게는 0.004％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0030％ 이하로 한다. 또한, B 첨가에 의한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 0.001％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. B량은, 보다 바람직하게는 0.0015％ 이상으로 한다.

다음에, 본 발명의 강재를 제조하는 데 있어서, 적절하게 채용할 수 있는 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 강재를 제조하기 위해서는,

(1) 용존 산소량 Q_Of를 0.0003∼0.01질량％의 범위로 조정한 용강에 REM을 첨가하는 데 있어서, 상기 용강의 용존 산소량 Q_Of와 REM의 첨가량 Q_REM이 하기 식 (1)을 만족시키는 양의 REM을 첨가할 필요가 있다.

또한, 상기 범위로 용존 산소량 Q_Of를 조정한 용강에, REM, Zr, Ti, Ca 및 Al을 첨가하는 데 있어서, REM 및 Zr을 a군 원소, Ti, Ca, 및 Al을 b군 원소로 하였을 때, 각 원소의 첨가 조건이 하기 (2) 및/또는 하기 (3)을 만족시키는 것도 중요하다.

(3) 상기 a군 원소의 첨가 전 및/또는 첨가 후에 상기 b군 원소를 첨가하는 것으로 하고, 상기 a군 원소의 첨가 전에 상기 b군 원소를 첨가하는 경우에 대해, 상기 b군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점으로부터 상기 a군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점까지의 시간을 t1(분), 상기 a군 원소의 첨가 후에 상기 b군 원소를 첨가하는 경우에 대해, 상기 a군 원소 중 마지막 원소의 첨가 개시 시점으로부터 상기 b군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점까지의 시간을 t2(분)로 하고, 상기 t1과 상기 t2의 합계를 3분 이상으로 한다(0≤t1, 0≤t2, 단, t1 및 t2는 0이 아님).

이하, 상세하게 설명한다.

[(1) 용강의 용존 산소량과 REM의 첨가량의 관계에 대해]

상기 식 (1)은, 본 발명에서 규정하는 원하는 HAZ 인성을 확보하기 위해 설정된 것으로, 상기 식 (1)에 기초하여, 용강의 용존 산소량 Q_Of에 따라서 REM의 첨가량 Q_REM을 적절하게 첨가하면 원하는 HAZ 인성을 확보할 수 있다(후기하는 실시예를 참조).

또한, 상기 식 (1)의 좌변의 계수는, 하기 식 (2)로 나타내어지는 용강 중에 있어서의 REM의 산화물의 생성 반응식에 기초하는 값이다.

용강의 용존 산소량 Q_Of와 REM의 첨가량 Q_REM이 상기 식 (1)을 만족시킨다고 하는 것은, REM의 산화물의 생성에 관여하는 REM의 첨가량 Q_REM을 적게 설정한 것을 의미한다. 그 결과, 생성되는 REM의 산화물의 개수도 적어지므로, 결과적으로, 조대ㆍ초조대한 산화물의 개수가 본 발명의 범위 내로 저감되게 되어, 원하는 HAZ 인성이 확보되는 것이라 사료된다.

상기 Z값이 -12.00을 초과하면, 용강의 용존 산소량 Q_Of와 REM의 첨가량 Q_REM의 밸런스가 나빠지고, REM의 첨가량 Q_REM이 많아져 조대한 REM의 산화물이 생성된다. 그 결과, HAZ 인성이 저하된다. 따라서, 상기 Z값을 -12.00 이하로 한다. Z값은, 바람직하게는 -12.25 이하, 보다 바람직하게는 -12.50 이하, 더욱 바람직하게는 -12.75 이하이다. Z값의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 강 중의 REM량 등을 고려하면, 대체로 -15 정도이다.

또한, 상기 특허문헌 4에서는, 상기 식 (1)에 대해 전혀 유의하고 있지 않다. 그로 인해, 식 (1)의 관계를 만족시키지 않고, 식 (1)의 좌변의 값(Z값)이 -12.00을 초과하도록 REM의 첨가량 Q_REM을 많게 하고 있는 경우가 있었다. 또한, 전술한 특허문헌 5∼7에는, 용존 산소량 Q_Of를 조정한 용강에 REM을 첨가하는 것이 기재되어 있지만, REM의 첨가량 Q_REM을 용존 산소량 Q_Of에 따라서 결정하여 첨가하는 점에 대해서는 전혀 고려되어 있지 않다. 또한, 상기 특허문헌 5∼7에서는, REM과, Zr 및 Ca를 병용하는 것에 대해서는 기재되어 있지 않으므로, 본 발명에서 규정하는 바와 같이 HAZ 인성 향상 작용을 갖는 Zr, REM 및 Ca를 함유하는 산화물(ZrㆍREMㆍCa계 산화물)이 애당초 얻어져 있지 않다.

다음에, 상기 식 (1)을 구성하는 REM의 첨가량 Q_REM과 용존 산소량 Q_Of에 대해 설명한다.

우선, 상기 REM의 첨가량 Q_REM은, 상기한 바와 같이, 용존 산소량 Q_Of에 따라서 적절하게 첨가하면 된다. 또한, REM의 첨가량 Q_REM은, 본 발명 강재 중에 포함되는 REM량에 비해 많게 설정하고 있다. 이것은, 주조 전에 첨가한 REM량은, 주조 과정 등에서 휘발되거나, 슬래그 중에 분산되거나 하여, 강재 중에 포함되는 REM량이 적어지기 때문이다.

또한, 용강의 용존 산소량 Q_Of는 0.0003∼0.01질량％의 범위로 한다. 용존 산소라 함은, 산화물을 형성하고 있지 않고, 용강 중에 존재하는 유리 상태의 산소를 의미한다. 즉, 본 발명의 강재를 제조하기 위해서는, 우선 전제 조건으로서, 용강의 용존 산소량 Q_Of를 0.0003∼0.01질량％의 범위로 조정한다. 용강의 용존 산소량 Q_Of가 0.0003질량％ 미만에서는, 용강의 용존 산소량 Q_Of가 부족하므로, 입내 α 변태의 핵으로 되는 ZrㆍREMㆍCa계 산화물을 소정량 확보할 수 없어, HAZ 인성을 개선할 수 없다. 또한, 용존 산소량 Q_Of가 부족하면, 산화물을 형성할 수 없었던 Zr이 탄화물을 형성하거나, REM이나 Ca가 황화물을 형성하기 때문에, 모재 자체의 인성을 떨어뜨리는 원인으로 된다. 따라서, 상기 용존 산소량 Q_Of는, 0.0003질량％ 이상으로 한다. 상기 용존 산소량 Q_Of는, 바람직하게는 0.001질량％ 이상, 보다 바람직하게는 0.0020질량％ 이상이다.

한편, 상기 용존 산소량 Q_Of가 0.01질량％를 초과하면, 용강의 용존 산소량이 지나치게 많기 때문에, 용강 중의 산소와 상기 원소의 반응이 격렬해져 용제 작업상 바람직하지 않을 뿐만 아니라, 조대한 산화물이나 초조대한 산화물을 생성하여 HAZ 인성을 오히려 떨어뜨린다. 따라서, 상기 용존 산소량 Q_Of는 0.01질량％ 이하로 억제해야 한다. 상기 용존 산소량 Q_Of는, 바람직하게는 0.008질량％ 이하, 보다 바람직하게는 0.007질량％ 이하로 한다.

그런데, 전로나 전기로에서 1차 정련된 용강 중의 용존 산소량 Q_Of는, 통상 0.01질량％를 초과하고 있다. 따라서 본 발명의 제조 방법에서는, 용강의 용존 산소량 Q_Of를 무언가의 방법에 의해 상기 범위로 조정할 필요가 있다.

용강의 용존 산소량 Q_Of를 조정하는 방법으로서는, 예를 들어 RH식 탈가스 정련 장치를 사용하여 진공 탈산하는 방법이나, Si, Mn, Ti, Al 등의 탈산성 원소를 첨가하는 방법 등을 들 수 있고, 이들 방법을 적절하게 조합하여 용존 산소량 Q_Of를 조정하면 된다. 또한, RH식 탈가스 정련 장치 대신에, 레이들 가열식 정련 장치나 간이식 용강 처리 설비 등을 사용하여 용존 산소량 Q_Of를 조정해도 된다. 이 경우, 진공 탈산에 의한 용존 산소량 Q_Of의 조정은 할 수 없으므로, 용존 산소량 Q_Of의 조정에는 Si 등의 탈산성 원소를 첨가하는 방법을 채용하면 된다. Si 등의 탈산성 원소를 첨가하는 방법을 채용할 때에는, 전로로부터 레이들로 출강(出鋼)할 때에 탈산성 원소를 첨가해도 상관없다.

[(2, 3) REM, Zr, Ti, Ca, 및 Al의 첨가 순서에 대해]

상기한 바와 같이 용강의 용존 산소량 Q_Of를 상기 범위로 조정한 후에는, 상기 개재물 I의 개수 비율을 전술한 (c-1)에 규정하는 바와 같이 30％ 이상으로 하기 위해서는, REM과 Zr의 첨가 조건이 상기 (2)의 요건을 만족시키는 것이 중요하고, 상기 개재물 II의 개수 비율을 전술한 (c-2)에 규정하는 바와 같이 40％ 이상으로 하기 위해서는, REM, Zr, Ti, Ca, 및 Al의 첨가 조건이 상기 (3)의 요건을 만족시키는 것이 중요하다. 따라서, 첨가 순서는 적어도 어느 한쪽을 만족시키고 있으면 되지만, 상기 개재물 I의 개수 비율을 30％ 이상으로 하고, 상기 개재물 II의 개수 비율을 40％ 이상으로 하기 위해서는, 상기 (2)와 (3)의 요건을 모두 만족시키는 것이 중요하다.

[(2) REM과 Zr의 첨가 순서에 대해]

(2)에서는, a군 원소(REM, Zr)의 첨가 순서만을 규정한 것이며, 이에 의해 개재물 I의 개수 비율을 조정할 수 있다.

모든 개재물의 개수에 대한 상기 개재물 I의 개수 비율을 증가시키기 위해서는, 용존 산소량 Q_Of를 조정한 용강에 대해, REM과 Zr을 동시, 또는 거의 동시(5분간 이내)에 첨가할 필요가 있다.

REM과 Zr을 따로따로 첨가하는 경우는, REM을 첨가하고 나서 Zr을 첨가해도 되고, Zr을 첨가하고 나서 REM을 첨가해도 되고, 어느 경우라도 REM(또는 Zr)을 첨가하고 나서 Zr(또는 REM)을 첨가할 때까지의 간격을 5분간 이내로 하는 것이 필요하다. 이 간격은, 바람직하게는 4분간 이내이고, 보다 바람직하게는 3분간 이내이다.

또한, ZrㆍREMㆍCa계 산화물에 의한 HAZ 인성의 가일층의 향상을 목적으로 하여, b군 원소(Ti, Ca, Al)의 첨가 순서에도 유의하는 것이 바람직하다. 예를 들어, Ca는, REM 및 Zr 후에 첨가하는 것이 권장된다.

또한, Ti 산화물의 미세화에 의한 HAZ 인성의 가일층의 향상을 목적으로 하여, 예를 들어 Ti는 REM을 첨가하기 전에 용강에 첨가하는 것이 바람직하다. Ti 산화물은, ZrㆍREMㆍCa계 산화물에 비해 용강과의 계면 에너지가 작기 때문에, 용강에 Zr, REM, 및 Ca를 첨가하기 전에 Ti를 첨가함으로써, Ti 산화물을 미세화할 수 있어, 결과적으로, HAZ 인성에 기여하는 미세한 산화물을 생성시킬 수 있다. 그리고 Ti를 첨가한 후에, Zr, REM 및 Ca를 상기한 바와 같이 첨가함으로써, 원하는 입내 α 변태의 핵으로 되는 ZrㆍREMㆍCa계 산화물이 얻어진다.

용존 산소량 Q_Of를 조정한 용강에 Ti를 첨가하고 나서 REM을 첨가한 경우라도, 후술하는 바와 같이, 용강의 용존 산소량 Q_Of에 따라서 REM의 첨가량 Q_REM이 상기 식 (1)을 만족시키도록 REM을 첨가하면, 산화물의 크기와 밀도를 적절하게 제어할 수 있다. REM보다 먼저 Ti를 첨가하면 용강의 용존 산소는 Ti와 결합하여 산화물을 형성하므로 감소하지만, Ti는, REM과 비교하면 산소와 결합하기 어렵고, 또한 Ti 산화물은 용강과의 계면 에너지가 작기 때문에, 원 상당 직경이 3㎛를 초과하는 조대한 산화물을 형성하기 어렵기 때문이다. 또한, Ti보다도 REM 및 Zr의 쪽이, 산소와 결합하기 쉽기 때문에, REM 및 Zr보다 Ti를 먼저 첨가해도 상기 개재물을 생성시킬 수 있다.

[(3) a군 원소(REM, Zr)와 b군 원소(Ti, Ca 및 Al)의 첨가 순서에 대해]

(3)은 a군 원소와 b군 원소의 첨가 조건을 규정한 것이며, 이에 의해 개재물 II의 개수 비율을 조정할 수 있다.

모든 개재물의 개수에 대한 상기 개재물 II의 개수 비율을 증가시키기 위해서는, 용존 산소량 Q_Of를 조정한 용강에 대해 첨가하는 REM, Zr, Ti, Ca 및 Al의 첨가 조건을 적절하게 제어할 필요가 있다. 구체적으로는, REM 및 Zr을 a군 원소, Ti, Ca 및 Al을 b군 원소로 하였을 때, a군 원소의 첨가 전 및/또는 첨가 후에 b군 원소를 첨가할 필요가 있다. 즉, a군 원소와 b군 원소는 동시에 첨가하지 않고, 시간차를 두고 첨가할 필요가 있다.

또한, 상기 a군 원소와 상기 b군 원소의 첨가 간격 시간을 적절하게 제어할 필요가 있다. 즉, a군 원소의 첨가 전에 b군 원소를 첨가하는 경우에 대해, b군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점으로부터 a군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점까지의 시간을 t1(분), a군 원소의 첨가 후에 b군 원소를 첨가하는 경우에 대해, a군 원소 중 마지막 원소의 첨가 개시 시점으로부터 b군 원소 중 최초의 원소(a군 원소 첨가 후에 최초에 첨가하는 b군 원소)의 첨가 개시 시점까지의 시간을 t2(분)로 하였을 때, t1과 t2의 합계를 3분 이상으로 할 필요가 있다.

상기 t1을 산출하는 데 있어서, a군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점까지의 시간이라 함은, 제1 a군 원소를 첨가하는 시점까지의 시간을 의미한다. 예를 들어, REM과 Zr을 동시에 첨가하는 경우는, 동시 첨가하는 시점까지의 시간이고, REM을 첨가하고 나서 Zr을 첨가하는 경우는, REM(a군 원소 중 최초에 첨가한 원소)을 첨가하는 시점까지의 시간을 의미한다.

또한, 상기 t2를 산출하는 데 있어서, a군 원소 중 마지막 원소의 첨가 개시 시점까지의 시간이라 함은, 모든 a군 원소를 첨가하는 마지막 시점을 의미한다. 예를 들어, REM과 Zr을 동시에 첨가하는 경우는, 동시 첨가하는 시점이고, REM을 첨가하고 나서 Zr을 첨가하는 경우는, Zr(a군 원소 중 마지막에 첨가한 원소)을 첨가하는 시점까지의 시간을 의미한다.

여기서, 상기 a군 원소와 상기 b군 원소의 첨가 간격 시간과, 상기 a군 원소와 b군 원소의 첨가 순서에 대해, 도면을 사용하여 설명한다. 도 1은, a군 원소의 첨가 전후에 있어서 b군 원소를 첨가하였을 때의 원소의 첨가 순서의 일례를 나타내고 있다. 도 1에 있어서, a₁과 a₂는 a군 원소를 나타내고 있고, ◆는 각각의 원소의 첨가 개시 시점을 나타내고 있다. 또한, b₁∼b₄는 b군 원소를 나타내고 있고, ●은 각각의 원소의 첨가 개시 시점을 나타내고 있다.

도 1에서는, b₁→b₂→a₁→a₂→b₃→b₄의 순으로 원소를 첨가하고 있어, a군 원소 중 최초에 첨가하는 원소가 a₁, a군 원소 중 마지막에 첨가하는 원소가 a₂, b군 원소 중 최초에 첨가하는 원소가 b₁, a군 원소를 첨가하고 나서 최초에 첨가하는 b군 원소가 b₃이다. 상기 t1이라 함은, b군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점으로부터 a군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점까지의 시간이므로, 도 1에서는, b₁의 첨가 개시 시점으로부터 a₁의 첨가 개시 시점까지의 시간이 t1로 된다. 또한, 상기 t2라 함은, a군 원소 중 마지막 원소의 첨가 개시 시점으로부터 b군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점까지의 시간이므로, 도 1에서는, a₂의 첨가 개시 시점으로부터 b₃의 첨가 개시 시점까지의 시간이 t2로 된다.

도 1에 있어서, a군 원소를 동시에 첨가하는 경우는, a₁과 a₂를 동시에 첨가하면 되고, 이 경우는, a군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점과 a군 원소 중 마지막 원소의 첨가 개시 시점이 동일해진다.

상기 a군 원소와 상기 b군 원소의 첨가 간격 시간에 대해, 구체예를 들어 보다 상세하게 설명한다.

우선, 제1 예로서, Al→Ti→REM→Zr→Ca의 순으로 첨가하는 경우에 대해 설명한다. 이 경우는, 상기 t1이라 함은, Al(최초에 첨가하는 b군 원소)의 첨가 개시 시점으로부터 REM(최초에 첨가하는 a군 원소)의 첨가 개시 시점까지의 시간이고, 상기 t2라 함은, Zr(마지막에 첨가한 a군 원소)의 첨가 개시 시점으로부터 Ca(나머지 b군 원소에 대해 최초에 첨가하는 b군 원소)의 첨가 개시 시점까지의 시간을 의미하고 있다.

또한, 제2 예로서, Al→Ti→REM과 Zr을 동시→Ca의 순으로 첨가하는 경우에 대해 설명한다. 이 경우는, 상기 t1이라 함은, Al(최초에 첨가하는 b군 원소)의 첨가 개시 시점으로부터 REM과 Zr의 첨가 개시 시점까지의 시간이고, 상기 t2라 함은, REM과 Zr의 첨가 개시 시점으로부터 Ca(나머지 b군 원소에 대해 최초에 첨가하는 b군 원소)의 첨가 개시 시점까지의 시간을 의미하고 있다.

상기 t1과 t2의 합계는, 3분 이상으로 한다. t1과 t2의 합계를 3분 이상으로 함으로써, REM과 Zr을 포함하여, 적량의 Al, Ca, 및 Ti를 함유하는 개재물을 생성시킬 수 있다. 상기 t1과 t2의 합계는, 5분 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 7분 이상이다. t1과 t2의 합계의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 시간이 지나치게 길면 생산성이 저하되므로, 상한은 약 20분 정도이다.

또한, b군 원소를 첨가하기 전에 a군 원소를 첨가하지 않는 경우나, b군 원소를 첨가한 후에 a군 원소를 첨가하지 않는 경우는, t1 또는 t2를 0분으로 하여 계산하면 된다. 단, t1＝t2＝0은 제외한다.

상기 a군 원소와 b군 원소의 첨가 순서에 대해서는, a군 원소를 첨가하고 나서 b군 원소를 첨가해도 되고, b군 원소를 첨가하고 나서 a군 원소를 첨가해도 된다. 또한, b군 원소를 첨가하고 나서 a군 원소를 첨가하고, 이어서 b군 원소를 첨가해도 된다. a군 원소를 첨가하기 전후의 양쪽에서 b군 원소를 첨가하는 경우는, a군 원소의 첨가 전후에서 모든 b군 원소의 종류 및 함유량이 제어되어 있으면 된다. 예를 들어, b군 원소의 일부를 첨가한 후, a군 원소를 첨가하고, 이어서 b군 원소의 나머지를 첨가해도 되고, a군 원소를 첨가하기 전후에서 동일한 원소를 중복하여 첨가해도 된다.

상기 a군 원소와 상기 b군 원소는, 상기 (b-2)의 요건을 만족시키는 범위 내에 있어서 각각 동시에 첨가해도 되고, 따로따로 첨가해도 된다.

또한, 상기 b군 원소를 첨가하는 데 있어서, REM과 Zr의 첨가 조건이 상기 (b-1)의 요건을 만족시키도록 첨가하면, 상기 개재물 I의 개수 비율을 30％ 이상으로 제어할 수 있어, HAZ 인성을 향상시킬 수 있다.

용강에 첨가하는 REM, Ca, Zr, Al 및 Ti의 형태는 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 REM으로서, 순 La, 순 Ce, 순 Y 등, 혹은 순 Ca, 순 Zr, 순 Al, 순 Ti, 나아가서는 FeSi-La 합금, Fe-Si-Ce 합금, Fe-Si-Ca 합금, Fe-Si-La-Ce 합금, Fe-Ca 합금, Fe-Zr 합금, Fe-Ti 합금, Fe-Al 합금, Ni-Ca 합금 등을 첨가하면 된다. 또한, 용강에 미슈 메탈을 첨가해도 된다. 미슈 메탈이라 함은, 희토류 원소의 혼합물로, 구체적으로는 Ce를 40∼50％ 정도, La를 20∼40％ 정도 함유하고 있다. 단, 미슈 메탈에는 불순물로서 Ca를 포함하는 경우가 많으므로, 미슈 메탈이 Ca를 포함하는 경우는 본 발명에서 규정하는 범위를 만족시킬 필요가 있다.

이와 같이 하여 성분 조정하여 얻어진 용강은, 통상의 방법에 따라서 연속 주조하여 슬래브로 한 후, 통상의 방법에 따라서 열간 압연하면 된다.

본 발명의 강재는, 1450℃로 5초간 유지한 후, 800℃로부터 500℃로의 냉각 시간을 400초로 하여 냉각하는 열이력을 부여한 경우(입열 조건 : 1450℃×5초, 냉각 시간 Tc＝400초)라도, -40℃에 있어서의 흡수 에너지(vE_-40)로 130J 이상을 확보할 수 있다. 그로 인해, 본 발명에 관한 강재는, 예를 들어 교량이나 고층 건조물, 선박 등의 구조물의 재료로서 사용할 수 있고, 소∼중입열 용접은 물론, 입열량이 50kJ/㎜ 이상인 대입열 용접에 있어서도 용접 열영향부의 인성 열화를 방지할 수 있다. 본 발명의 강재는, 판 두께가 약 3.0㎜ 이상인 후강판 등을 대상으로 하고 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니며, 상기ㆍ후기하는 취지에 적합한 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

실시예

진공 용해로(용량 150㎏)를 사용하여, 하기 표 1, 표 2에 나타내는 조건으로, 하기 표 3, 표 4에 나타내는 성분 조성(질량％)의 공시강(잔량부는 철 및 불가피 불순물)을 용제하고, 150kg의 잉곳으로 주조하여 냉각하였다. 그 후, 가열, 압연을 행하여, 후강판을 제조하였다. 또한, 하기 표 3, 표 4에 나타내는 공시강 중, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족시키는 공시강의 총 O량은 0.0005∼0.010％의 범위인 것을 확인하고 있다.

상기 공시강을 진공 용해로에서 용제하는 데 있어서는, Ti, Zr, REM 및 Ca 이외의 원소에 대해 성분 조정하는 동시에, C, Si, Mn 및 Al로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 사용하여 탈산하여 용강의 용존 산소량 Q_Of를 조정하였다. 조정 후의 용존 산소량 Q_Of를 하기 표 1에 나타낸다.

용존 산소량 Q_Of를 조정한 용강에, Ti를 첨가한 후, Zr 및 REM을 첨가하고 나서 Ca 또는 Ca 및 Al을 첨가하였다. Zr 및 REM의 첨가 순서를 하기 표 1, 표 2에 나타낸다. 이때, REM을 첨가하고 나서 Zr을 첨가하거나, Zr을 첨가하고 나서 REM을 첨가한 경우에는, 한쪽의 원소를 첨가하고 나서 다른 쪽의 원소를 첨가할 때까지 필요로 한 시간(첨가 간격 시간)을 하기 표 1, 표 2에 나타낸다. a군 원소(REM 및 Zr)와 b군 원소(Ti, Ca 및 Al)의 첨가 간격 시간의 총합(t1＋t2)을 하기 표 1, 표 2에 나타낸다.

또한, REM의 첨가량을 Q_REM으로 하고, 이 값을 하기 표 1, 표 2에 나타낸다. 또한, 상기 용존 산소량 Q_Of와 REM의 첨가량 Q_REM의 값을 하기 식 (1)'에 대입하여 산출한 Z값을 하기 표 1, 표 2에 아울러 나타낸다.

또한, Ti는 Fe-Ti 합금의 형태로, Zr은 Fe-Zr 합금의 형태로, REM은 La를 약 25％와 Ce를 약 50％ 함유하는 미슈 메탈의 형태로, Ca는 Ni-Ca 합금의 형태로, Al은 순 Al의 형태로 각각 첨가하였다. 단, 하기 표 3의 No.12, 하기 표 4의 No.39, 41은, 미슈 메탈의 형태가 아닌, Ce만을 첨가하였다.

상기 원소를 첨가한 후, 잉곳으로 주조하여 냉각하였다. 얻어진 잉곳을 열간 압연하여, 두께가 30∼80㎜인 후강판을 제조하였다. 얻어진 후강판의 t/4(단, t는 강판의 두께) 위치에 있어서의 횡단면으로부터 샘플을 잘라내고, 상기 샘플에 포함되는 모든 산화물계 개재물의 성분 조성을 측정하고, 단독 산화물로서 질량 환산하여 산화물의 평균 조성을 산출하였다.

모든 산화물계 개재물의 성분 조성은, 다음 순서로 측정하였다. 잘라내어진 샘플 표면을, 니혼 덴시 데이텀제의 전자선 마이크로 프로브 X선 분석계(EPMA ; 「JXA-8500F(장치명)」)를 사용하여 관찰하고, 원 상당 직경이 0.1㎛ 이상인 개재물에 대해 성분 조성을 정량 분석하였다. 관찰 조건은, 가속 전압을 20㎸, 시료 전류를 0.01㎂, 분석 개수를 100개 이상으로 하고, 개재물의 중앙부에서의 성분 조성을 특성 X선의 파장 분산 분광에 의해 정량 분석하였다. 분석 대상 원소는, Si, Mn, S, Al, Ti, Zr, La, Ce, Ca, 및 O(산소)로 하고, 기지 물질을 사용하여 각 원소의 X선 강도와 원소 농도의 관계를 미리 검량선으로서 구해 두고, 분석 대상으로 하는 상기 개재물로부터 얻어진 X선 강도와 상기 검량선으로부터 그 개재물에 포함되는 원소량을 정량하였다.

얻어진 정량 결과 중 산소 함량이 5질량％ 이상인 개재물을 산화물로 하였다. 이때, 하나의 개재물로부터 복수의 원소가 관측된 경우에는, 그들 원소의 존재를 나타내는 X선 강도의 비로부터 각 원소의 단독 산화물로 질량 환산하여 산화물의 조성을 산출하였다. 본 발명에서는, 이와 같이 단독 산화물로서 질량 환산하여 평균한 것을 산화물의 평균 조성으로 하였다. 산화물 중, ZrO₂, REM의 산화물 및 CaO의 평균 조성을 하기 표 5, 표 6에 나타낸다. 또한, REM의 산화물은, 금속 원소를 M으로 나타내면, 강재 중에 M₂O₃, M₃O₅, 또는 MO₂의 형태로 존재하지만, 모든 산화물을 M₂O₃으로 환산하여 조성을 산출하였다. 또한, 하기 표 5, 표 6에 나타낸 「기타」라 함은, ZrO₂, REM의 산화물 및 CaO 이외의 산화물(예를 들어, Al₂O₃, MnO, SiO₂ 등)이다.

다음에, 정량한 개재물에 대해 SEM 관찰에 의해 원 상당 직경을 측정하고, 원 상당 직경(입경)이 0.1∼2.0㎛인 개재물의 개수를 측정하였다. 하기 표 5, 표 6에 측정 결과를 관찰 시야 면적 1㎟당으로 환산한 개수를 나타낸다.

또한, 얻어진 정량 결과 중 산소 함량이 5질량％ 이상인 산화물의 원 상당 직경을 SEM 관찰에 의해 측정하고, 원 상당 직경(입경)이 3㎛를 초과하는 산화물의 개수와, 원 상당 직경(입경)이 5㎛를 초과하는 산화물의 개수를 측정하였다. 하기 표 5, 표 6에 산화물의 개수를 관찰 시야 면적 1㎟당으로 환산한 값을 나타낸다.

도 2에, 상기 Z값과 원 상당 직경이 3㎛를 초과하는 산화물의 관찰 시야 면적 1㎟당의 개수의 관계를 나타낸다. 도 2에는, 하기 표 5, 표 6에 나타내는 No.1∼32의 결과(도 2의 ○)와, No.35∼40, 53, 54, 61의 결과(도 2의 ●) 중, Z값의 임계적 의의를 나타내기 위해, Z값이 -12.50∼-11.50의 범위에 있는 것을 플롯하였다.

도 2로부터 명백한 바와 같이, 용강의 용존 산소량 Q_Of에 따라서 상기 식 (1)을 만족시키도록 REM을 첨가하면, 원 상당 직경이 3㎛를 초과하는 산화물의 생성이 억제되는 것을 알 수 있다.

다음에, 정량한 개재물 중 REM 및 Zr을 함유하는 개재물에 대해, REM과 Zr의 몰비를 산출하고, 모든 개재물의 개수에 대해, REM/Zr비가 0.6∼1.4의 범위를 만족시키는 REM 및 Zr 함유 개재물 I의 개수 비율(개재물 I의 개수 비율)을 산출하여, 결과를 하기 표 5, 표 6에 나타낸다. 정량한 개재물 중 REM, Zr, Ti, Ca 및 Al을 함유하는 개재물에 대해, REM과 Zr의 합계 몰수와, Al과 Ca와 Ti의 합계 몰수의 비[(REM＋Zr)/(Al＋Ca＋Ti)]를 산출하고, 모든 개재물의 개수에 대해, (REM＋Zr)/(Al＋Ca＋Ti) 비가 0.5∼1.2의 범위를 만족시키는 REM, Zr, Al, Ca 및 Ti 함유 개재물 II의 개수 비율(개재물 II의 개수 비율)을 산출하여, 결과를 하기 표 5, 표 6에 나타낸다.

다음에, 용접시에 열영향을 받는 HAZ의 인성을 평가하기 위해, 대입열 용접을 모의하여 하기에 나타내는 용접 재현 시험을 행하였다. 용접 재현 시험은, 후강판의 t/4 위치(단, t는 판 두께)로부터 잘라낸 샘플이 1450℃로 되도록 가열하고, 이 온도로 5초간 유지한 후, 냉각하는 열사이클을 부여하였다. 냉각 속도는, 800℃로부터 500℃로의 냉각 시간이 400초로 되도록 조정하였다(입열 조건 : 1450℃×5초, 냉각 시간 Tc＝400초).

냉각 후의 샘플의 충격 특성은, 상기 열사이클을 부여한 후의 샘플로부터 압연 방향으로 V 노치 샤르피 시험편을 3개 채취하고, JIS Z2242에 따라서 충격 시험을 행하여 평가하였다. 충격 시험에서는, -40℃에 있어서의 흡수 에너지(vE_-40)를 측정하여, 3회의 평균값을 산출하였다. 본 발명에서는, vE_-40의 평균값이 130J 이상인 것을 합격(HAZ 인성 양호)으로 한다. 측정 결과를 하기 표 5, 표 6에 나타낸다.

하기 표 1∼표 6으로부터 다음과 같이 고찰할 수 있다. No.1∼32는, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족시키는 예이며, 강재에 포함되는 모든 산화물계 개재물의 조성을 측정하여 단독 산화물로 질량 환산하였을 때에, ZrO₂, REM의 산화물 및 CaO를 소정량 함유하도록 조정한 후, 원 상당 직경이 3㎛ 초과인 산화물과 원 상당 직경이 5㎛ 초과인 산화물의 생성을 억제하고, 또한 원 상당 직경이 0.1∼2㎛인 개재물을 많이 생성시키고 있고, 또한 모든 개재물의 개수에 대해, 상기 개재물 I의 개수 비율이 30％ 이상으로 되어 있거나, 및/또는 상기 개재물 II의 개수 비율이 40％ 이상으로 되어 있으므로, HAZ 인성이 양호한 강재가 얻어져 있다. 또한, Si 함유량이 높은 쪽이 HAZ 인성은 양호해지는 경향이 파악된다.

한편, No.33∼64는, 본 발명에서 규정하는 어느 하나의 요건을 벗어나는 예이다. 이들 중, No.33, 51, 52, 55∼58, 62, 64는, REM을 첨가하고 나서 Zr을 첨가할 때까지의 시간, No.34, 60은, Zr을 첨가하고 나서 REM을 첨가할 때까지의 시간이 본 발명에서 규정하는 요건을 만족시키고 있지 않으므로, 상기 개재물 I의 개수 비율이 30％를 하회하고 있다. 따라서, HAZ 인성이 떨어져 있다.

No.35∼40, 53, 54, 61은, 용강의 용존 산소량 Q_Of와 REM의 첨가량 Q_REM의 밸런스가 상기 식 (1)을 만족시키고 있지 않으므로, 원 상당 직경이 3㎛를 초과하는 산화물(특히, 원 상당 직경이 3㎛를 초과하고, 5㎛ 이하인 산화물)이 많이 생성되어 있다. 따라서, HAZ 인성이 떨어져 있다. No.41은, 강재에 포함되는 모든 산화물계 개재물의 조성을 측정하여 단독 산화물로 질량 환산하였을 때의 REM의 산화물량이 본 발명에서 규정하는 범위를 하회하고 있으므로, 용접시에 입내 α 변태의 핵으로 되는 산화물량이 부족하여, HAZ 인성이 떨어져 있다.

No.42와 No.59는, 강재에 포함되는 REM량이 많아, 강재에 포함되는 모든 산화물계 개재물의 조성을 측정하여 단독 산화물로 질량 환산하였을 때의 REM의 산화물량이 본 발명에서 규정하는 범위를 상회하고 있으므로, 산화물이 조대화되고, 입내 α 변태의 핵으로서 작용하는 미세한 산화물의 개수가 적어져, HAZ 인성 향상 작용이 발휘되어 있지 않다. No.43은, 강재에 포함되는 Zr량이 지나치게 적으므로, 모든 산화물계 개재물의 조성에 차지하는 ZrO₂량이 적어져, 입내 α 변태의 핵으로 되는 ZrㆍREMㆍCa계 산화물량이 적어졌다고 생각된다. 그로 인해 HAZ 인성이 떨어져 있다. No.44와 No.63은, 강재에 포함되는 Zr량이 지나치게 많으므로, 모든 산화물의 조성에 차지하는 ZrO₂량이 많아졌다. 그로 인해, 용접시에 입내 α 변태의 핵으로 되는 산화물량이 부족하여, 미세 조직이 얻어지지 않아 HAZ 인성이 떨어져 있다.

No.45는, 강재에 포함되는 Ca량이 지나치게 많으므로, 모든 산화물계 개재물의 조성에 차지하는 CaO량이 많게 되어 있다. 그로 인해, 용접시에 입내 α 변태의 핵으로 되는 산화물량이 부족하여, 미세 조직이 얻어지지 않아 HAZ 인성이 떨어져 있다. No.46은, 강재에 포함되는 Ca량이 지나치게 적으므로, CaO량이 생성되어 있지 않다. 그로 인해, 입내 α 변태의 핵으로 되는 ZrㆍREMㆍCa계 산화물량이 적어져, HAZ 인성이 떨어져 있다. No.47은, 강재에 포함되는 Ti량이 지나치게 많기 때문에, Ti의 고용에 의해 모재가 고용 강화되었으므로, 결과적으로 HAZ 인성이 떨어져 있다. No.48은, 강재에 포함되는 Ti량이 지나치게 적으므로, 입내 α 변태의 핵으로 되는 원 상당 직경이 0.1∼2㎛인 개재물의 생성량을 확보할 수 없다. 따라서, HAZ 인성이 떨어져 있다. No.49는, 강재에 포함되는 Al량이 지나치게 많으므로, 원 상당 직경이 3㎛를 초과하는 조대한 산화물을 많이 생성하여, HAZ 인성이 떨어져 있다. No.50은, 강재에 포함되는 N량이 지나치게 많은 예로, 강재에 포함되는 고용 N량이 과잉으로 되어, HAZ 인성이 떨어져 있다고 생각된다.

다음에, 도 3에, 원 상당 직경이 3㎛를 초과하는 산화물의 관찰 시야 면적 1㎟당의 개수와 -40℃에 있어서의 흡수 에너지(vE_-40)의 관계를 나타낸다. 도 3에서는, 하기 표 5, 표 6에 나타내는 No.1∼32의 결과를 ○으로, No.35∼40, 49, 53, 54, 61(비교예 중 5.0개를 초과하는 예)의 결과를 ●으로 나타냈다.

도 3으로부터 명백한 바와 같이, 원 상당 직경이 3㎛를 초과하는 산화물의 관찰 시야 면적 1㎟당의 개수가 5.0개 이하이면, 1450℃로 5초간 가열 유지한 경우라도 양호한 HAZ 인성을 나타내는 것을 알 수 있다.

다음에, 하기 표 5에 나타낸 No.2와 하기 표 6에 나타낸 No.33을 채용하여 고찰한다. 이들 강재는, 모든 개재물의 개수에 대한 상기 개재물 I의 개수 비율이 다른 것 이외에는, 거의 동일한 예이다(모든 개재물의 개수에 대한 상기 개재물 II의 개수 비율은 모두 40％를 하회하고 있음). 상기 개재물 I의 개수 비율이, 모든 개재물의 개수에 대해 30％를 하회하는 경우(No.33)는, vE_-40이 130J 미만으로 되는 것에 반해, 모든 개재물의 개수에 대해 30％ 이상인 경우(No.2)는, vE_-40이 130J 이상으로 되어, HAZ 인성을 개선할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 마찬가지의 결과가, 하기 표 5에 나타낸 No.23과 하기 표 6에 나타낸 No.62에 대해서도 얻어져 있다. 즉, 상기 개재물 I의 개수 비율이, 모든 개재물의 개수에 대해 30％ 이상인 경우(No.23)는, vE_-40이 130J 이상으로 되어, HAZ 인성을 개선할 수 있었다.

다음에, 하기 표 5, 표 6에 나타낸 No.17과 No.51을 채용하여 고찰한다. 이들 강재는, 모든 개재물의 개수에 대한 상기 개재물 II의 개수 비율이 다른 것 이외에는, 거의 동일한 예이다(모든 개재물의 개수에 대한 상기 개재물 I의 개수 비율은 모두 30％를 하회하고 있음). 상기 개재물 II의 개수 비율이, 모든 개재물의 개수에 대해 40％를 하회하는 경우(No.51)는, vE_-40이 130J 미만으로 되는 것에 반해, 모든 개재물의 개수에 대해 40％ 이상인 경우(No.17)는, vE_-40이 130J 이상으로 되어, HAZ 인성을 개선할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 마찬가지의 결과가, 하기 표 5에 나타낸 No.26과 하기 표 6에 나타낸 No.64에 대해서도 얻어져 있다. 즉, 상기 개재물 II의 개수 비율이, 모든 개재물의 개수에 대해 40％ 이상인 경우(No.26)는, vE_-40이 130J 이상으로 되어, HAZ 인성을 개선할 수 있었다.

본 발명을 상세하게, 또한 특정 실시 형태를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하는 일 없이 다양한 변경이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에게 있어서 명백하다.

본 출원은, 2011년 1월 18일에 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2011-008258), 2011년 9월 21일에 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2011-206542)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

본 발명의 강재는 대입열 용접법을 행한 경우라도 HAZ 인성이 우수하여, 교량이나 고층 건조물, 선박 등에 사용할 수 있다.

Claims

C:0.02∼0.15％(질량％의 의미. 이하 성분에 대해 동일함.),
Si:0.5％ 이하(0％를 포함하지 않음),
Mn:2.5％ 이하(0％를 포함하지 않음),
P:0.03％ 이하(0％를 포함하지 않음),
S:0.02％ 이하(0％를 포함하지 않음),
Al:0.050％ 이하(0％를 포함하지 않음),
N:0.010％ 이하(0％를 포함하지 않음),
Ti:0.005∼0.10％,
Zr:0.0005∼0.050％,
REM:0.0003∼0.015％,
Ca:0.0003∼0.010％, 및
O:0.0005∼0.010％를 함유하고,
잔량부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지는 강재이며,
(a) 상기 강재에 포함되는 모든 산화물계 개재물의 조성을 측정하여 단독 산화물로 질량 환산하였을 때, 평균 조성으로,
ZrO₂:5∼50％,
REM의 산화물(REM을 M의 기호로 나타내면 M₂O₃):5∼50％, 및
CaO:50％ 이하(0％를 포함하지 않음)를 만족시키고, 또한,
(b) 상기 강재에 포함되는 모든 개재물 중,
원 상당 직경으로 0.1∼2㎛의 개재물이 관찰 시야 면적 1㎟당 120개 이상이고,
원 상당 직경으로 3㎛ 초과의 산화물이 관찰 시야 면적 1㎟당 5.0개 이하이고,
원 상당 직경으로 5㎛ 초과의 산화물이 관찰 시야 면적 1㎟당 5.0개 이하이고,
(c-1) 상기 강재에 포함되는 모든 개재물의 조성을 측정하였을 때, 모든 개재물의 개수에 대해, REM과 Zr의 몰비(REM/Zr)가 0.6∼1.4를 만족시키는 REM 및 Zr 함유 개재물 I의 개수 비율이 30％ 이상이거나, 및/또는
(c-2) 상기 강재에 포함되는 모든 개재물의 조성을 측정하였을 때, 모든 개재물의 개수에 대해, REM과 Zr의 합계 몰수와, Al과 Ca와 Ti의 합계 몰수의 비[(REM＋Zr)/(Al＋Ca＋Ti)]가 0.5∼1.2를 만족시키는 REM, Zr, Al, Ca, 및 Ti 함유 개재물 II의 개수 비율이 40％ 이상인 것을 특징으로 하는, 용접 열영향부의 인성이 우수한 강재.
제1항에 있어서, 상기 강재가, 다른 원소로서,
Cu:2％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및/또는
Ni:3.5％ 이하(0％를 포함하지 않음)를 더 함유하는, 용접 열영향부의 인성이 우수한 강재.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강재가, 다른 원소로서,
Cr:3％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및/또는
Mo:1％ 이하(0％를 포함하지 않음)를 더 함유하는, 용접 열영향부의 인성이 우수한 강재.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강재가, 다른 원소로서,
Nb:0.25％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및/또는
V:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음)를 더 함유하는, 용접 열영향부의 인성이 우수한 강재.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강재가, 다른 원소로서,
B:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음)를 더 함유하는, 용접 열영향부의 인성이 우수한 강재.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 강재를 제조하는 방법이며,
용존 산소량 Q_Of를 0.0003∼0.01질량％의 범위로 조정한 용강에 REM을 첨가하는 데 있어서, 상기 용강의 용존 산소량 Q_Of와 REM의 첨가량 Q_REM이 하기 식 (1)을 만족시키는 양의 REM을 첨가하는 동시에,
상기 범위로 용존 산소량 Q_Of를 조정한 용강에, REM, Zr, Ti, Ca, 및 Al을 첨가하는 데 있어서, REM 및 Zr을 a군 원소, Ti, Ca, 및 Al을 b군 원소로 하였을 때, 각 원소의 첨가 조건이 하기 (2) 및/또는 하기 (3)을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 용접 열영향부의 인성이 우수한 강재의 제조 방법.

(2) 상기 a군 원소에 대해, REM과 Zr을 동시에 첨가하거나, 또는 REM과 Zr 중 한쪽의 원소를 첨가하고 나서 5분 이내에 다른 쪽의 원소를 첨가함.
(3) 상기 a군 원소의 첨가 전 및/또는 첨가 후에 상기 b군 원소를 첨가하는 것으로 하고, 상기 a군 원소의 첨가 전에 상기 b군 원소를 첨가하는 경우에 대해, 상기 b군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점으로부터 상기 a군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점까지의 시간을 t1(분), 상기 a군 원소의 첨가 후에 상기 b군 원소를 첨가하는 경우에 대해, 상기 a군 원소 중 마지막 원소의 첨가 개시 시점으로부터 상기 b군 원소 중 최초의 원소의 첨가 개시 시점까지의 시간을 t2(분)로 하고, 상기 t1과 상기 t2의 합계를 3분 이상으로 함(0≤t1, 0≤t2, 단, t1 및 t2는 0이 아님).