KR20130106139A

KR20130106139A - 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20130106139A
Application number: KR1020120027807A
Authority: KR
Inventors: 노경민; 박광균; 배진호; 김기수; 김덕규
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2013-09-27
Also published as: KR101382675B1

Abstract

본 발명은 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.5~2.0%, Si: 0.05~0.5%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 펄라이트와 결정립 평균 크기가 5㎛이하인 페라이트를 포함하는 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 고가의 합금원소를 사용하지 않고도 합금성분과 제조조건의 제어를 통해 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판을 제공할 수 있다.

Description

내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판 및 그 제조방법{LOW ALLOY HOT-ROLLED STEEL SHEET HAVING EXCELLENT WEAR-RESISTANT AND WORKABILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

쓰레기 집하시설이나 상수도 시설 등에 이용되는 내마모강은 주로 파이프 형태로 용접되어 이용된다. 이러한 파이프용 강은 가공성 향상을 위하여 저항복비를 가질 필요가 있고, 동시에 내마모성 또한 확보되어야 하므로 주로 고가의 합금 성분을 첨가하여 제조되고 있다.

현재 탄소의 함량이 0.3%미만이고 고가의 합금원소가 첨가된 강재가 내마모강으로서 사용되고 있으나, 비용을 절감하기 위하여 곡관용으로만 사용하고, 직관용으로는 일반 탄소강을 코팅하여 사용하고 있는 실정이다. 또한, 땅 속에 묻어야하는 기반시설의 경우에는 파손시 발생할 천문학적인 비용문제 때문에 비용이 많이 소요되더라도 고합금강을 사용하고 있는 실정이다.

본 발명은 고가의 합금원소를 다량 사용하지 않고도 우수한 내마모성과 가공성을 갖는 저합금 열연 강판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.5~2.0%, Si: 0.05~0.5%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 펄라이트와 결정립 평균 크기가 5㎛이하인 페라이트를 포함하는 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판을 제공한다.

본 발명의 다른 실시형태는 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.5~2.0%, Si: 0.05~0.5%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 1000~1250℃로 재가열하는 단계; 재가열된 상기 슬라브를 Ar₃~Ar₃+100℃에서 총 압하율이 50%이상이 되도록 열간압연하여 열연강판을 얻는 단계; 상기 열연강판을 20~40℃/sec의 속도로 600~750℃까지 1차 냉각하는 단계; 1차 냉각된 상기 열연강판을 10~20℃/sec의 속도로 580~630℃까지 2차 냉각하는 단계; 및 2차 냉각된 상기 열연강판을 권취하는 단계를 포함하는 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 고가의 합금원소를 사용하지 않고도 합금성분과 제조조건의 제어를 통해 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판을 제공할 수 있다.

도 1은 마모속도를 정량적으로 측정하기 위한 장치의 일례이다.

본 발명자들은 제조 비용 절감을 위하여 고가의 합금원소를 사용하지 않고도 우수한 내마모성과 가공성을 갖는 열연 강판을 제조하기 위한 연구를 행하던 중, 최적의 합금성분과 제조조건의 도출을 통해 미세조직을 제어함으로써 상기 목표를 달성할 수 있다는 점을 인지하고 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 일 실시형태로서,중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.5~2.0%, Si: 0.05~0.5%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 펄라이트와 결정립 평균 크기가 5㎛이하인 페라이트를 포함하는 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판을 제공한다. 이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열연 강판의 성분계에 대하여 설명한다.

탄소(C): 0.3~0.5중량%

C는 강재의 경화능을 증가시키는 원소로서 열간 마무리 압연 후 냉각시 페라이트의 변태를 지연시켜 펄라이트 분율을 증가시킴으로써 항복강도 뿐만 아니라 인장강도를 증사시킨다. 상기 C의 함량이 0.3중량%미만인 경우에는 펄라이트 형성이 부족하여 본 발명에서 목표로 하는 강도를 화보할 수 없다. 한편, 0.5중량%를 초과하는 경우에는 인성의 저하 및 전기저항 용접시 용접성의 저하를 초래하므로, 상기 C의 함량은 0.3~0.5중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 0.4~0.5%의 범위를 갖는 것이다.

망간(Mn): 0.5~2.0중량%

Mn은 강을 고용강화시키는데 효과적인 원소로서 0.5중량%이상 첨가되어야 소입성 증가효과와 더불어 고강도를 발휘할 수 있다. 그러나, 2.0중량%를 초과하여 첨가되는 경우에는 제강공정에서 슬라브 주조시 두께 중심부에서 편석부가 크게 발달되고 최종제품의 용접성을 해치기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 상기 Mn의 함량은 0.5~2.0중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

실리콘(Si): 0.05~0.5중량%

Si는 페라이트 상중의 C 활동도를 증가시키고, 페라이트 안정화를 촉진하는 작용을 하며, 고용강화에 의한 강도확보에 기여한다. 또한, Si는 ERW 용접시 Mn₂SiO₄ 등의 저융점 산화물을 형성시키고 용접시에 산화물이 쉽게 배출되도록 한다. 상기 Si의 함량이 0.05중량% 미만인 경우 제강상의 비용 문제가 발생하는 반면, 0.5중량%를 초과하는 경우에는 Mn₂SiO₄ 이외에 고융점의 SiO2 산화물의 형성량이 많아지고 전기저항 용접시 용접부의 인성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 상기 si의 함량은 0.05~0.5중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

인(P): 0.02중량%이하

P는 통상 불순물로서 존재하나, 고용강화 원소로서 오스테나이트/페라이트 변태 개시 온도를 대폭적으로 상승시키는 작용을 하고, 조대한 페라이트 입자를 형성하는데 유용하게 작용하기도 한다. 다만, 그 함량이 0.02중량%를 초과하는 경우 상기 효과를 확보하기 어려우므로, 상기 P의 함량은 0.02중량%이하인 것이 바람직하다.

황(S): 0.01중량%이하

S는 조대한 개재물을 형성하기 쉬운 원소이고, 인성 저하나 크랙 진전을 조장하므로 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하므로, 상기 S의 함량은 0.01중량%이하로 제어하는 것이 바람직하다. 상기 S의 함량은 0.005중량%이하의 범위를 갖는 것이 보다 바람직하다.

본 발명이 제안하는 열연 강판은 상기와 같이 합금 성분과 그 조성을 최적으로 제어함으로써 우수한 내마모성과 가공성을 확보할 수 있으며, 나아가 고가의 합금원소의 첨가를 가능한 배제할 수 있다. 다만, 보다 바람직한 효과를 위하여 V: 0.2%이하(0은 제외), Nb: 0.2%이하(0은 제외), Ti: 0.2%이하(0은 제외) 및 Cr: 0.2%이하(0은 제외)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다. 상기 원소들은 석출강화 및 결정립 미세화에 아주 유용하게 작용하나, 각 원소들의 첨가량이 0.2%를 초과하는 경우에는 오히려 기계적 물성이 저하될 수 있으므로, 그 함량은 0.2%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 한편, 상기 원소들은 고가의 원소이고, 본 발명에서는 합금원소를 가능한 적게 첨가시키는 것이 유리하므로, 그 첨가량이 낮을수록 바람직하다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열연강판의 제조방법의 일례에 대하여 설명한다.

상기 제안된 합금성분을 만족하는 강 슬라브를 준비한 뒤, 이 슬라브를 1000~1250℃로 재가열하는 것이 바람직하다. 상기 재가열 공정을 통해 오스테나이트 조직의 결정립 크기를 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 최종적으로 얻어지는 미세조직의 결정립 미세화를 용이하게 달성할 수 있다. 이를 위해서는 상기 재가열 온도가 1000℃이상일 필요가 있으나, 1250℃를 초과하는 경우에는 오스테나이트의 결정립 크기가 과도하게 커질 수 있다. 한편, 목표로 하는 최종조직의 결정립 크기를 용이하게 달성하기 위해서는 상기 재가열 공정 후 오스테나이트의 결정립 평균크기가 50㎛이하의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 이를 위해서는 상기 재가열 공정은 300분이하로 실시하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 재가열된 슬라브는 조직의 균일화를 위해 Ar₃~Ar₃+100℃에서 총 압하율이 50%이상이 되도록 열간압연하는 것이 바람직하다. 상기 열간압연온도가 Ar₃℃미만일 경우에는 조직의 균일화 또는 페라이트 분율의 확보가 용이하지 않을 수 있으며, 압연부하에 의해 공정상 문제가 발생할 수 있다. Ar₃+100℃를 초과하는 경우에는 페라이트 조직의 결정립 사이즈가 조대해질 수 있어 목표로 하는 기계적 물성 확보가 용이하지 않을 수 있다. 상기 열간압연시 압하 성능을 최대로 하기 위해서는 상기 압하율이 50%이상인 것이 바람직하며, 목표로 하는 강판의 두께에 따라 압하율을 달리 할 수 있으므로, 상기 압하율의 상한에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.

상기와 같은 열간압연공정을 통해 얻어진 열연강판은 20~40℃/sec의 속도로 600~750℃까지 1차 냉각하는 것이 바람직하다. 상기 냉각공정은 열간압연 후 런아웃테이블(Run-Out Table, ROT) 구간에서 행하여질 수 있으며, 상기 냉각공정을 통해 강판의 재질편차를 감소시킬 수 있다. 또한, 펄라이트와 페라이트로 이루어지는 최종조직을 얻을 수 있어 이를 통해 목표로 하는 기계적 물성을 확보할 수 있다. 상기 냉각속도가 40℃/sec를 초과하거나 냉각정지온도가 600℃미만인 경우에는 마르텐사이트 혹은 베이나이트와 같은 저온변태조직의 형성으로 인해 가공성 확보가 용이하지 않을 수 있다. 반대로 냉각속도가 20℃/sec 미만이거나 냉각정지온도가 750℃를 초과하는 경우에는 펄라이트에 비하여 페라이트 분율이 높아져 물성 확보가 어려워질 수 있다.

상기 1차 냉각된 열연강판을 580~630℃까지 2차 냉각하는 것이 바람직하며, 이때 상기 2차 냉각은 10~20℃/sec의 속도로 이루어지는 것이 바람직하다. 2차 냉각정지온도가 580℃ 미만이거나 630℃를 초과하는 경우에는 압연길이에 따른 재질편차가 발생할 수 있다.

이후, 2차 냉각된 상기 열연강판을 권취하여 공냉함으로써, 하기와 같은 미세조직 및 기계적 물성을 갖는 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판을 제조할 수 있다.

본 발명이 제안하는 열연강판은 펄라이트와 페라이트를 포함하는 미세조직을 갖는 것이 바람직하며, 특히 상기 페라이트 결정립의 평균 크기는 5㎛이하인 것이 바람직하다. 상기 언급한 바와 같이 합금조성 및 제조조건의 제어를 통해 본 발명의 열연강판은 통상의 강재 조직에 비해 2~3배 더 미세한 조직을 얻을 수 있으며, 이를 통해 가공성을 향상시킬 수 있다. 한편, 주상으로서 펄라이트 조직을 확보함으로써 내마모성 또한 확보할 수 있게 된다. 즉, 펄라이트와 페라이트로 이루어지는 미세조직을 확보함으로써 내마모성과 가공성을 모두 우수한 수준으로 향상시킬 수 있으며, 나아가 상기 물성외의 기계적 물성 또한 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 펄라이트 및 페라이트는 각각 펄라이트: 70~90면적%, 페라이트: 10~30면적%의 분율을 갖는 것이 바람직하다. 상기 펄라이트가 70면적% 미만일 경우에는 내마모성 또는 강도 확보가 용이하지 않을 수 있으며, 90면적%를 초과할 경우에는 가공성이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 펄라이트 분율은 70~90면적%의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 80~90면적%를 갖는 것이다. 한편, 상기 페라이트가 10면적% 미만일 경우에는 우수한 가공성을 확보하는 것이 용이하지 않을 수 있으며, 30면적%를 초과하는 경우에는 내마모성 등의 기계적 특성이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 페라이트 분율은 10~30면적%의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 10~20면적%를 갖는 것이다.

본 발명이 제안하는 열연강판은 비커스 경도: 200Hv이상, 마모속도: 150×10^-13m³/min이하, 항복강도: 350~600MPa, 인장강도: 600MPa이상의 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있으며, 상수도관이나 유종관 등과 같은 제품에 바람직하게 적용될 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세하게 설명하시 위한 예시일 뿐 본 발명의 권리범위를 한정하지 않는다.

(실시예)

하기 표 1의 합금조성을 갖는 슬라브를 제조한 후, 하기 표 2에 기재된 공정 조건으로 열연강판을 제조하였다. 이렇게 제조된 강판에 대하여 미세조직을 관찰하고, 기계적 물성을 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 이때, 마모속도는 도 1에 나타난 장치를 이용하여 측정하였는데, 도 1과 같은 장치에 시편(10)을 상대재(pin)(20)위에 장착시킨 뒤, DC 모터(30)에 의해 전달되는 구동력을 이용하여 상기 시편(10)을 회전시킴으로써 마모속도를 측정하였다. 마모속도 측정시 이용한 시편의 사이즈(size)는 30×30mm, 두께(thickness)는 8mm였으며, 상대재(pin)로는 AISI 52100 베어링 볼(bearing ball)(Hv: 845kgf/mm²)을 사용하였다. 적용된 하중(applied load)은 100N, 마모된 시편의 마모 자취의 반경(wear track radius)은 9mm, 회전속도(sliding speed)는 10cm/s(106rpm), 회전 수(sliding distance)는 300m(5308cycles), 테스트 온도(test temperature)는 23±2℃, 테스트 습도(test humidity)는 40±5%였다.

구분	화학조성(중량%)
구분	C	Mn	Si	P	S	Ti	Cr
비교예1	0.25	2	0.3	0.009	0.002	0.02	-
비교예2	0.25	1	0.3	0.008	0.005	0.02	0.3
발명예1	0.36	1.5	0.2	0.008	0.002	-	0.1
발명예2	0.41	1.5	0.2	0.007	0.002	-	0.1

구분	재가열 온도(℃)	열간압연 온도(℃)	압하율 (%)	1차 냉각속도 (℃/sec)	1차 냉각 정지온도(℃)	2차 냉각속도 (℃/sec)	2차 냉각 정지온도(℃)
비교예1	1180	750	60	30	620	10	610
비교예2	1200	760	60	30	635	10	620
발명예1	1200	765	60	30	640	10	630
발명예2	1190	750	60	30	630	10	620

구분	미세조직			기계적 물성
구분	펄라이트 분율 (면적%)	페라이트 분율 (면적%)	페라이트 결정립 평균크기 (㎛)	비커스 경도 (Hv)	마모속도 (×10^-13mm³/min)	인장 강도 (TS) (MPa)	항복 강도 (YS) (MPa)
비교예1	40	60	10	185	340	660	530
비교예2	35	65	10	200	430	650	480
발명예1	75	25	5	245	135	730	410
발명예2	85	15	3	240	60	740	420

상기 표 1 내지 3에 나타난 바와 같이, 본 발명이 제안하는 합금조성 및 제조방법을 만족하는 발명예 1 및 2의 경우, 75~85면적%의 펄라이트, 15~25면적%의 페라이트, 3~5㎛의 페라이트의 결정립 평균 크기를 확보하고 있으며, 이를 통해, 240~240Hv의 비커스 경도를 확보함과 동시에 마모속도 또한 60~135×10^-13mm³/min 수준으로 아주 우수한 내마모성을 가지고 있음을 알 수 있다. 또한, 인장강도가 730~740MPa이고, 항복강도는 410~420MPa로서, 강도가 우수할 뿐만 아니라 높은 가공성을 확보하고 있음을 알 수 있다.

반면에, 본 발명이 제안하는 합금성분을 만족하지 않는 비교예 1 및 2는 적절한 미세조직 분율 또는 결정립 크기를 확보하지 못하고 있고, 이로 인해 내마모성과 가공성뿐만 아니라 강도 또한 낮은 수준임을 알 수 있다.

10: 시편
20: 상대재
30: DC 모터

Claims

중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.5~2.0%, Si: 0.05~0.5%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
미세조직은 펄라이트와 결정립 평균 크기가 5㎛이하인 페라이트를 포함하는 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판.
청구항 1에 있어서,
상기 강판은 V: 0.2%이하(0은 제외), Nb: 0.2%이하(0은 제외), Ti: 0.2%이하(0은 제외) 및 Cr: 0.2%이하(0은 제외)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 추가로 포함하는 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판.
청구항 1에 있어서,
상기 펄라이트의 분율은 70~90면적%이고, 상기 페라이트의 분율은 10~30%인 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판.
청구항 1에 있어서,
상기 강판은 비커스 경도가 200Hv이상, 마모속도가 150×10^-13m³/min이하, 항복강도: 350~600MPa, 인장강도: 600MPa이상인 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판.
중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.5~2.0%, Si: 0.05~0.5%, P: 0.02%이하, S: 0.01%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 1000~1250℃로 재가열하는 단계;
재가열된 상기 슬라브를 Ar₃~Ar₃+100℃에서 총 압하율이 50%이상이 되도록 열간압연하여 열연강판을 얻는 단계;
상기 열연강판을 20~40℃/sec의 속도로 600~750℃까지 1차 냉각하는 단계;
1차 냉각된 상기 열연강판을 10~20℃/sec의 속도로 580~630℃까지 2차 냉각하는 단계; 및
2차 냉각된 상기 열연강판을 권취하는 단계
를 포함하는 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판의 제조방법.
청구항 5에 있어서,
상기 슬라브는 V: 0.2%이하(0은 제외), Nb: 0.2%이하(0은 제외), Ti: 0.2%이하(0은 제외) 및 Cr: 0.2%이하(0은 제외)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 추가로 포함하는 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판의 제조방법.
청구항 5에 있어서,
상기 재가열하는 단계는 오스테나이트 결정립의 평균 크기가 50㎛이하가 되도록 300분이하로 행하여지는 내마모성과 가공성이 우수한 저합금 열연 강판의 제조방법.