KR20130133036A - 내응력 부식 균열성이 우수한 내마모 강판 및 그 제조 방법 - Google Patents

내응력 부식 균열성이 우수한 내마모 강판 및 그 제조 방법 Download PDF

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게이지 우에다
야스히로 무로타
노부유키 이시카와
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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Abstract

건설 기계, 산업 기계 등에 제공하기에 바람직한 내응력 부식 균열성이 우수한 내마모 강판 및 그 제조 방법을 제공한다. 구체적으로는, 질량％ 로, C : 0.20 ∼ 0.27 ％, Si : 0.05 ∼ 1.0 ％, Mn : 0.30 ∼ 0.90 ％, P, S, Nb：0.005 ∼ 0.025 ％, Ti：0.008 ∼ 0.020 ％, Al : 0.1 ％ 이하, N : 0.0010 ∼ 0.0060 ％, 추가로, Cr, Mo, W, B 의 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고, 필요에 따라 Cu, Ni, V, REM, Ca, Mg 의 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고, DI* 가 45 이상이고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖고, 마이크로 조직이 템퍼드 마텐자이트를 기지상으로 하고, 입경이 원상당 직경으로 0.01 ∼ 0.5 ㎛ 이하인 Nb, Ti 계 석출물이 2 × 102 개/㎟ 이상 존재하는 강판. 또, 상기 기재한 강 조성을 갖는 강편을 가열 후, 열간 압연을 실시하고, 재가열 ?칭 또는 직접 ?칭을 실시한다.

Description

내응력 부식 균열성이 우수한 내마모 강판 및 그 제조 방법 {ABRASION-RESISTANT STEEL SHEET EXHIBITING EXCELLENT RESISTANCE TO STRESS CORROSION CRACKING, AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은, 건설 기계 (construction machine), 산업 기계 (industrial machine), 조선 (shipbuilding), 강관 (steel pipe), 토목 (civil engineering), 건축 등에 제공하기에 바람직한 판두께 4 ㎜ 이상의 내마모 강판 (abrasion resistant steel plate or steel sheet) 에 관한 것으로, 특히, 내응력 부식 균열성 (resistance of stress corrosion crack) 이 우수한 것에 관한 것이다.
건설 기계, 산업 기계, 조선, 강관, 토목, 건축 등의 철강 구조물이나 기계, 장치 등에 열간 압연 강판이 사용될 때에는, 강판의 마모 특성 (abrasion resistant property) 이 요구되는 경우가 있다. 마모는 기계, 장치 등, 가동하는 부위에 있어서, 강재끼리 혹은 토사, 암석 등 이종 재료와의 계속적인 접촉에 의해 발생하여 강재의 표층부가 깎이는 현상이다.
강재의 내마모 특성이 열등하면, 기계, 장치의 고장 원인이 될 뿐만 아니라, 구조물로서의 강도를 유지할 수 없게 될 위험성이 있기 때문에, 고빈도에서의 마모 부위의 보수, 교환이 불가피하다. 이 때문에, 마모되는 부위에 적용되는 강재에 대한 내마모 특성의 향상에 대한 요구는 강하다.
종래, 강재로서 우수한 내마모성을 보유하기 위해서는, 경도를 높이는 것이 일반적이고, 마텐자이트 단상 조직 (martensite single phase microstructure) 으로 함으로써 비약적으로 높일 수 있다. 또, 마텐자이트 조직 자체의 경도를 상승시키기 위해서, 고용 C 량 (amount of solid solution carbon) 을 증가시키는 것이 유효하여, 각종 내마모 강판이 개발되어 왔다 (예를 들어, 특허문헌 1 ∼ 5).
한편, 강판에 대하여 마모 특성이 요구되는 부위는, 지철 표면이 노출되는 경우가 많고, 강재 표면이 부식성의 물질을 함유하는 수증기 (moisture vapor) 나, 수분 (moisture) 이나 유분 (oil) 등과 접촉되어 강재의 부식이 발생된다.
예를 들어, 광석 운반용의 컨베이어 (ore conveyer) 등 광산 기계 (mining machinery) 에 내마모 강이 사용되는 경우에는, 토양 중의 수분 (moisture in soil) 과 함께 황화수소 (hydrogen sulfide) 등의 부식성 물질 (corrosive material) 이 존재하고, 또 건설 기계 등에 내마모 강이 사용되는 경우에는, 디젤 엔진 (diesel engine) 중에 함유되는 수분 및 산화 황 (sulfuric oxide) 등이 존재하여, 어느 쪽이나 매우 엄격한 부식 환경 (corrosion environment) 이 되는 경우가 있다. 이 때, 강재 표면에서의 부식 반응 (corrosion reaction) 에 있어서는, 철이 애노드 반응 (anode reaction) 에 의해 산화물 (녹) 을 생성하는 반면, 수분의 캐소드 반응 (cathode reaction) 에 의해 수소가 발생한다.
내마모 강과 같은 고경도의 마텐자이트 조직의 강재 중에, 부식 반응에서 생성된 수소가 침입한 경우에는, 강재가 극단적으로 취화되어, 굽힘 가공 (bending work) 이나 용접 등에서의 잔류 응력 (welding residual stress) 이나, 사용 환경 (environment of usage) 에서의 부하 응력 (applied stress) 의 존재하에서 균열 (crack) 이 발생한다. 이것이 응력 부식 균열 (stress corrosion crack) 이고, 기계, 장치 등에 사용되는 강재에는, 가동하는 안전성 관점에서 내마모성은 물론, 내응력 부식 균열성이 우수한 것이 중요하다.
일본 공개특허공보 평5-51691호 일본 공개특허공보 평8-295990호 일본 공개특허공보 2002-115024호 일본 공개특허공보 2002-80930호 일본 공개특허공보 2004-162120호
일본 학술 진흥회 제 129 위원회 (일본 재료 강도 학회, 1985) 기준의 응력 부식 균열 표준 시험법
그러나, 특허문헌 1 ∼ 5 등에서 제안된 내마모 강은, 모재 인성, 내지연 파괴 특성 (이상, 특허문헌 1, 3, 4), 용접성, 용접부의 내마모성, 결로 부식 환경에 있어서의 내식성 (이상, 특허문헌 5) 을 구비하는 것을 목적으로 하는 것으로, 비특허문헌 1 에 기재된 응력 부식 균열 표준 시험법으로 우수한 내응력 부식 균열성과 내마모성을 양립시키기에는 이르지 못했다.
그래서, 본 발명에서는, 생산성 (productivity) 의 저하 및 제조 비용 (production cost) 의 증대를 야기시키지 않아, 경제성 (economic efficiency) 이 우수하고, 내응력 부식 균열성이 우수한 내마모 강판 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 달성하기 위해서, 내마모 강판을 대상으로 우수한 내응력 부식 균열 성능을 확보하기 위해, 강판의 화학 성분, 제조 방법 및 마이크로 조직 (microstructure) 을 결정하는 각종 요인에 관해서 예의 연구를 하여, 이하의 지견을 얻었다.
1. 우수한 내마모 특성을 확보하기 위해서는, 고경도 (high hardness) 를 확보하는 것이 필수이지만, 과도한 고경도화는 내응력 부식 균열성을 현저히 저하시키기 때문에, 경도 범위를 엄격히 관리하는 것이 중요하다. 또한, 내응력 부식 균열성을 향상시키기 위해서는, 강판 중에 확산성 수소 (diffusible hydrogen) 의 트랩 사이트 (trap site) 로서 시멘타이트 (cementite) 를 분산시키는 것이 유효하다. 이를 위해서는, C 를 비롯한 강판의 화학 조성을 엄격히 관리하여, 강판의 기지 조직을 템퍼드 마텐자이트로 하는 것이 중요하다.
템퍼드 마텐자이트 조직 중의 Nb, Ti 의 탄화물, 질화물 및 복합 탄질화물 (complex carbonitride) 은 그 분산 상태 (dispersion state) 를 적정히 관리함으로써, 강재의 부식 반응에 의해 생성된 확산성 수소의 트랩 사이트로서 작용하여, 수소 취화 균열 (hydrogen embrittlement cracking) 을 억제하는 효과를 갖는다.
템퍼드 마텐자이트 조직 중의 Nb, Ti 의 탄화물, 질화물 및 복합 탄질화물의 분산 상태에는, 압연, 열처리 및 냉각 조건 등이 영향을 미쳐, 이들 제조 조건을 관리하는 것이 중요하다. 이로써, 부식 환경하에 있어서의 결정 입계 파괴를 억제하여, 응력 부식 균열을 효과적으로 방지할 수 있다.
2. 또한, 템퍼드 마텐자이트 조직 (tempered martensite microstructure) 의 결정 입계 파괴 (grain boundary fracture) 를 효과적으로 억제하기 위해서는, 결정 입계 강도 (grain boundary strength) 를 높이는 대책이 유효하고, P 등 불순물 원소의 저감과 함께 Mn 의 성분 범위를 관리할 필요가 있다. Mn 은, ?칭성 (hardenability) 을 향상시키는 효과를 가져 내마모성 향상에 기여하는 한편, 강편의 응고 과정 (solidification process) 에 있어서, P 와 함께 공편석 (co-segregation) 되기 쉬운 원소이고, 마이크로 편석부에 있어서의 결정 입계 강도를 저하시킨다.
또, 결정 입계 파괴를 효과적으로 억제하기 위해서는, 결정립을 미세화하는 것이 유효하고, 결정립의 성장을 억제하는 피닝 효과 (pinning effect) 를 갖는 미세한 개재물 (inclusion) 의 분산이 효과적이다. 이를 위해서는, Nb 및 Ti 를 첨가하고, 강 중에 탄질화물을 분산시키는 것이 유효하다.
본 발명은, 얻어진 지견에, 추가로 검토를 더하여 이루어진 것으로, 즉,
1. 질량％ 로,
C : 0.20 ∼ 0.27 ％,
Si : 0.05 ∼ 1.0 ％,
Mn : 0.30 ∼ 0.90 ％,
P : 0.010 ％ 이하,
S : 0.005 ％ 이하,
Nb：0.005 ∼ 0.025 ％,
Ti：0.008 ∼ 0.020 ％,
Al : 0.1 ％ 이하,
N : 0.0010 ∼ 0.0060 ％,
추가로,
Cr : 0.05 ∼ 1.5 ％,
Mo : 0.05 ∼ 1.0 ％,
W : 0.05 ∼ 1.0 ％,
B : 0.0003 ∼ 0.0030 ％,
의 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고, (1) 식으로 나타내는 ?칭성 지수 (hardenability index) DI* 가 45 이상이고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖고, 마이크로 조직이 템퍼드 마텐자이트를 기지상으로 하고, 입경이 원상당 직경으로 0.01 ∼ 0.5 ㎛ 인 Nb 및 Ti 의 1 종 또는 2 종을 함유하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물이 2 × 102 개/㎟ 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 내응력 부식 균열성이 우수한 내마모 강판.
DI* = 33.85 × (0.1 × C)0.5 × (0.7 × Si ＋ 1) × (3.33 × Mn ＋ 1) × (0.35 × Cu ＋ 1) × (0.36 × Ni ＋ 1) × (2.16 × Cr ＋ 1) × (3 × Mo ＋ 1) × (1.75 × V ＋ 1) × (1.5 × W ＋ 1) …… (1)
단, 각 합금 원소는 함유량 (질량％) 을 나타내고, 함유하지 않은 경우에는 0 으로 한다.
2. 강 조성에, 질량％ 로 추가로,
Cu : 1.5 ％ 이하,
Ni : 2.0 ％ 이하,
V : 0.1 ％ 이하,
의 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 1 에 기재된 내응력 부식 균열성이 우수한 내마모 강판.
3. 강 조성에, 질량％ 로 추가로,
REM : 0.008 ％ 이하,
Ca : 0.005 ％ 이하,
Mg : 0.005 ％ 이하,
의 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 1 또는 2 에 기재된 내응력 부식 균열성이 우수한 내마모 강판.
4. 추가로, 템퍼드 마텐자이트의 평균 결정 입경이 원상당 직경으로 15 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 내응력 부식 균열성이 우수한 내마모 강판.
5. 추가로, 표면 경도가 브리넬 경도로 400 ∼ 520 HBW 10/3000 인 것을 특징으로 하는 1 내지 4 중 어느 하나에 기재된 내응력 부식 균열성이 우수한 내마모 강판.
6. 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 강 조성을 갖는 강편을 1000 ℃ ∼ 1200 ℃ 로 가열 후, 열간 압연을 실시하고, 냉각 후, Ac3 ∼ 950 ℃ 로 재가열하고 ?칭을 실시하는 것을 특징으로 하는 내응력 부식 균열성이 우수한 내마모 강판의 제조 방법.
7. 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 강 조성을 갖는 강편을 1000 ℃ ∼ 1200 ℃ 로 가열 후, 850 ℃ 이상의 온도역에서 열간 압연을 실시하고, 열간 압연 종료 후, 즉시 Ar3 ∼ 950 ℃ 의 온도에서부터 ?칭을 실시하는 내응력 부식 균열성이 우수한 내마모 강판.
또한, 본 발명에서는, 템퍼드 마텐자이트의 평균 결정 입경은, 템퍼드 마텐자이트가 구 (舊) 오스테나이트 입자인 것으로 하고, 구오스테나이트 입경의 원상당 직경으로 평균 결정 입경을 구하였다.
본 발명에 의하면, 생산성의 저하 및 제조 비용의 증대를 야기시키지 않고, 우수한 내응력 부식 균열성을 갖는 내마모 강판이 얻어지고, 강 구조물의 안전성이나 수명의 향상에 크게 기여하여 산업상 각별한 효과를 나타낸다.
도 1 은 P 함유량이 0.007 ∼ 0.009 ％ 인 내마모 강 (브리넬 경도로 450 ∼ 500 HBW 10/3000 의 것) 에서의 내응력 부식 균열 특성 (KISCC) 과 Mn 량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2 는 Mn 함유량이 0.5 ∼ 0.7 ％ 인 내마모 강 (브리넬 경도로 450 ∼ 500 HBW 10/3000 의 것) 에서의 내응력 부식 균열 특성 (KISCC) 과 P 량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3 은, 응력 부식 균열 표준 시험에 사용하는 시험편 형상을 나타내는 도면이다.
도 4 는, 도 3 에 나타내는 시험편을 사용하는 시험기의 구성을 나타내는 도면이다.
[마이크로 조직]
본 발명에서는, 강판의 마이크로 조직의 기지상을 템퍼드 마텐자이트로 하고, 또한 마이크로 조직 중의 Nb 및 Ti 의 1 종 또는 2 종을 함유하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물 (이하, Nb, Ti 계 석출물) 의 존재 상태를 규정한다.
Nb, Ti 계 석출물의 입경은 원상당 직경으로 0.01 ∼ 0.5 ㎛ 로 한다. 0.01 ㎛ 미만에서는, 확산성 수소의 트랩 사이트로서 수소 취화 균열을 억제하는 효과가 포화될 뿐만 아니라, 실제 제조에서 0.01 ㎛ 미만으로 관리하려면, 제조 부하가 극도로 증대되어 제조 비용이 상승된다. 한편, 0.5 ㎛ 를 초과하면 열간 압연 및 열처리시의 결정립의 조대화를 억제하는 효과 및 확산성 수소의 트랩 사이트로서 수소 취화 균열을 억제하는 효과가 얻어지지 않는다.
상기 입경의 Nb, Ti 계 석출물가 마이크로 조직 중에서 2 × 102 개/㎟ 미만이면, 열간 압연 및 열처리시의 결정립의 조대화를 억제하는 효과 및 확산성 수소의 트랩 사이트로서 수소 취화 균열을 억제하는 효과가 얻어지지 않기 때문에 2 × 102 개/㎟ 이상으로 한다.
본 발명에서는, 추가로 내응력 부식 균열성을 향상시키는 경우, 상기에 더하여, 강판의 마이크로 조직의 기지상 (base phase or main phase) 을 평균 결정 입경이 원상당 직경으로 15 ㎛ 이하인 템퍼드 마텐자이트로 한다. 강판의 내마모 특성을 갖기 위해서는, 템퍼드 마텐자이트 조직으로 하는 것이 필요하다. 단, 템퍼드 마텐자이트의 평균 결정 입경이 원상당 직경으로 15 ㎛ 를 초과하면 내응력 부식 균열성이 열화된다. 그래서, 템퍼드 마텐자이트의 평균 결정 입경은 15 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 모상 중에 템퍼드 마텐자이트 이외에, 베이나이트 (bainite), 펄라이트 (pearlite) 및 페라이트 (ferrite) 등의 조직이 혼재하면, 경도가 저하되어 내마모성이 저하되기 때문에, 이들 조직의 면적 분율 (area ratio) 은 적은 편이 좋고, 혼재하는 경우에는 면적 분율로 5 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.
한편, 마텐자이트가 혼재하면, 내응력 부식 균열성이 저하되기 때문에 적은 편이 좋고, 면적 분율로 10 ％ 이하인 경우에는 영향을 무시할 수 있어 함유해도 된다.
또, 표면 경도가 브리넬 경도 (Brinell hardness) 로 400 HBW 10/3000 미만인 경우에는, 내마모 강으로서의 수명이 짧아지고, 한편 520 HBW 10/3000 을 초과하면 내응력 부식 균열성이 현저히 열화되도록 되기 때문에, 표면 경도를 브리넬 경도로 400 ∼ 520 HBW 10/3000 의 범위로 하는 것이 바람직하다.
[성분 조성]
본 발명에서는, 우수한 내응력 부식 균열성을 확보하기 위해서, 강판의 성분 조성을 규정한다. 또한, 설명에 있어서 ％ 는 질량％ 로 한다.
C : 0.20 ∼ 0.27 ％
C 는, 마텐자이트의 경도를 높이고, 우수한 내마모성을 확보하기 위해서 중요한 원소이고, 그 효과를 얻기 위해 0.20 ％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 0.27 ％ 를 초과하여 함유하면, 마텐자이트의 경도가 과도하게 상승되어 내응력 부식 균열성이 저하된다. 그래서, 0.20 ∼ 0.27 ％ 의 범위로 한정한다. 바람직하게는 0.21 ∼ 0.26 ％ 이다.
Si : 0.05 ∼ 1.0 ％
Si 는, 탈산재 (deoxidizing agent) 로서 작용하고, 제강 상, 필요할 뿐만 아니라, 강에 고용되어 고용 강화 (solid solution strengthening) 에 의해 강판을 고경도화시키는 효과를 갖는다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.05 ％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 1.0 ％ 를 초과하여 함유하면, 용접성 (weldability) 이 열화되기 때문에 0.05 ∼ 1.0 ％ 의 범위로 한정한다. 바람직하게는 0.07 ∼ 0.5 ％ 이다.
Mn : 0.30 ∼ 0.90 ％
Mn 은, 강의 ?칭성 (hardenability) 을 증가시키는 효과를 가져, 모재의 경도를 확보하기 위해서 0.30 ％ 이상은 필요하다. 한편, 0.90 ％ 를 초과하여 함유하면, 모재의 인성 (toughness), 연성 (ductility) 및 용접성이 열화될 뿐만 아니라, P 의 입계 편석 (intergranular segregation) 을 조장하고, 내응력 부식 균열의 발생을 조장한다. 도 1 은 P 함유량이 0.007 ∼ 0.009 ％ 인 내마모 강 (브리넬 경도로 450 ∼ 500 HBW 10/3000 의 것) 에서의 내응력 부식 균열 특성 (KISCC) 과 Mn 량의 관계이다. 실험 방법은 후술하는 실시예와 동일하지만, Mn 량이 증가할수록 KISCC 값이 저하, 즉 내응력 부식 균열 특성이 저하된다. 그래서, Mn 함유량은 0.30 ∼ 0.90 ％ 의 범위로 한정한다. 바람직하게는 0.35 ∼ 0.85 ％ 이다.
P : 0.010 ％ 이하
P 가 0.010 ％ 를 초과하여 함유하면, 입계에 편석되어, 내응력 부식 균열의 발생 기점이 된다. 도 2 는 Mn 함유량이 0.5 ∼ 0.7 ％ 인 내마모 강 (브리넬 경도로 450 ∼ 500 HBW 10/3000 의 것) 에서의 내응력 부식 균열 특성 (KISCC) 과 P 량의 관계이다. P 량이 증가할수록 KISCC 값이 저하되는 것이 명백하다. 그래서, P 함유량은 0.010 ％ 를 상한으로 하고, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하다. 바람직하게는 0.085 ％ 이하로 한다.
S : 0.005 ％ 이하
S 는 모재의 저온 인성이나 연성을 열화시키기 때문에 0.005 ％ 를 상한으로 하여 저감시키는 것이 바람직하다. 바람직하게는 0.003 ％ 이하, 보다 바람직하게는 0.002 ％ 이하로 한다.
Nb：0.005 ∼ 0.025 ％
Nb 는, 탄질화물로서 석출되고, 모재 및 용접 열영향부 (weld heat-affected zone) 의 마이크로 조직을 미세화시킴과 함께, 고용 N (solute N) 을 고정시켜 인성을 개선할 뿐만 아니라, 생성된 탄질화물이 확산성 수소의 트랩 사이트에 유효하여, 응력 부식 균열 억제의 효과를 겸비하는 중요한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.005 ％ 이상의 함유가 필요하다. 한편, 0.025 ％ 를 초과하여 함유하면 조대한 탄질화물이 석출되고, 파괴 기점 (origin of the fracture) 이 되는 경우가 있다. 그래서, 0.005 ∼ 0.025 ％ 의 범위로 한정한다.
Ti：0.008 ∼ 0.020 ％
Ti 는, 질화물 혹은 Nb 와 함께 탄질화물을 형성하고, 결정립의 조대화를 억제하는 효과를 가짐과 함께, 고용 N 의 저감에 의한 인성의 열화를 억제하는 효과를 갖는다. 또한, 생성된 탄질화물이 확산성 수소의 트랩 사이트에 유효하여, 응력 부식 균열 억제의 효과를 겸비하는 중요한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.008 ％ 이상의 함유가 필요하다. 한편, 0.020 ％ 를 초과하여 함유하면, 석출물이 조대화되어 모재의 인성을 열화시킨다. 그래서, 0.005 ∼ 0.020 ％ 의 범위로 한정한다.
Al : 0.1 ％ 이하
Al 은, 탈산제로서 작용하여, 강판의 용강의 탈산 프로세스 (deoxidizing process) 에 있어서 가장 범용적으로 사용된다. 또, 강중의 고용 N 을 고정시켜 AlN 을 형성함으로써, 결정립의 조대화를 억제하는 효과를 가짐과 함께, 고용 N 의 저감에 의한 인성의 열화를 억제하는 효과를 갖는다. 한편, 0.1 ％ 를 초과하여 함유하면, 용접시에 용접 금속부 (weld metal) 에 혼입되어 용접 금속의 인성을 열화시키기 때문에 0.1 ％ 이하로 한정한다. 바람직하게는 0.08 ％ 이하로 한다.
N : 0.0010 ∼ 0.0060 ％
N 은 Ti 및 Nb 와 결합하여 질화물 혹은 탄질화물로서 석출되고, 열간 압연 및 열처리시의 결정립의 조대화를 억제하는 효과 및 확산성 수소의 트랩 사이트로서 수소 취화 균열을 억제하는 효과를 갖는다. 이러한 효과를 갖기 위해서, 0.0010 ％ 이상의 N 을 함유할 필요가 있다. 한편, 0.0060 ％ 를 초과하여 함유하면, 고용 N 량이 증가하여 인성이 현저히 저하된다. 그래서, N 은 0.0010 ∼ 0.0060 ％ 로 한정한다.
Cr, Mo, W 및 B 의 1 종 또는 2 종 이상
Cr : 0.05 ∼ 1.5 ％
Cr 은, 강의 ?칭성을 증가시켜, 모재의 고경도화에 유효한 원소이다. 이러한 효과를 갖기 위해서는, 0.05 ％ 이상의 첨가가 필요하다. 한편, 1.5 ％ 를 초과하여 함유하면, 모재 인성 및 내용접 균열성 (weld crack resistance) 이 저하된다. 그래서, 0.05 ∼ 1.5 ％ 의 범위로 한정한다.
Mo : 0.05 ∼ 1.0 ％
Mo 는, ?칭성을 현저히 증가시켜, 모재의 고경도화에 유효한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.05 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하지만, 1.0 ％ 를 초과하면, 모재 인성, 연성 및 내용접 균열성에 악영향을 미치기 때문에 1.0 ％ 이하로 한다.
W : 0.05 ∼ 1.0 ％
W 는, ?칭성을 현저히 증가시켜, 모재의 고경도화에 유효한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.05 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하지만, 1.0 ％ 를 초과하면, 모재 인성, 연성 및 내용접 균열성에 악영향을 미치기 때문에 1.0 ％ 이하로 한다.
B : 0.0003 ∼ 0.0030 ％
B 는, 미량의 첨가로 ?칭성을 현저히 증가시켜, 모재의 고경도화에 유효한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.0003 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하지만, 0.0030 ％ 를 초과하면, 모재 인성, 연성 및 내용접 균열성에 악영향을 미치기 때문에 0.0030 ％ 이하로 한다.
DI* = 33.85 × (0.1 × C)0.5 × (0.7 × Si ＋ 1) × (3.33 × Mn ＋ 1) × (0.35 × Cu ＋ 1) × (0.36 × Ni ＋ 1) × (2.16 × Cr ＋ 1) × (3 × Mo ＋ 1) × (1.75 × V ＋ 1) × (1.5 × W ＋ 1)
단, 각 합금 원소는 함유량 (질량％) 을 나타내고, 함유하지 않은 경우에는 0 으로 한다. 모재의 기지 조직을 템퍼드 마텐자이트로 하여, 내마모성을 향상시키기 위해서는, 상기 식에서 규정되는 DI* 가 45 이상을 만족시키는 것이 중요하다. DI* 가 45 미만인 경우, 판두께 표층으로부터의 ?칭 깊이가 10 ㎜ 를 하회하고, 내마모 강으로서의 수명이 짧아지기 때문에 45 이상으로 한다.
이상이 본 발명의 기본 성분 조성에서 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물로 하지만, 본 발명에서는, 추가로, 강도 특성을 향상시키는 경우, Cu, Nb, V 의 1 종 또는 2 종 이상을 함유할 수 있다. Cu, Ni, V 는, 모두 강의 강도 향상에 기여하는 원소이며, 원하는 강도에 따라 적절히 함유한다.
Cu 를 함유하는 경우에는, 1.5 ％ 를 초과하면 열간 취성 (hot brittleness) 을 발생시켜 강판의 표면 성상 (surface property) 을 열화시키기 때문에 1.5 ％ 이하로 한다.
Ni 를 함유하는 경우에는, 2.0 ％ 를 초과하면 효과가 포화되어, 경제적으로 불리해지기 때문에 2.0 ％ 이하로 한다. V 를 함유하는 경우에는, 0.1 ％ 를 초과하면, 모재 인성 및 연성을 열화시키기 때문에 0.1 ％ 이하로 한다.
본 발명에서는, 추가로, 인성을 향상시키는 경우, REM, Ca, Mg 의 1 종 또는 2 종 이상을 함유할 수 있다. REM, Ca 및 Mg 는, 모두 인성 향상에 기여하고,원하는 특성에 따라 선택하여 함유시킨다.
REM 을 함유하는 경우에는, 0.002 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하지만, 0.008 ％ 를 초과해도 효과가 포화되기 때문에 0.008 ％ 를 상한으로 한다. Ca 를 함유하는 경우에는, 0.0005 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하지만, 0.005 ％ 를 초과해도 효과가 포화되기 때문에 0.005 ％ 를 상한으로 한다. Mg 를 함유하는 경우에는, 0.001 ％ 이상으로 하는 것이 바람직하지만, 0.005 ％ 를 초과해도 효과가 포화되기 때문에 0.005 ％ 를 상한으로 한다.
[제조 조건]
설명에 있어서, 온도에 관한 「℃」 표시는, 판두께의 1/2 위치에 있어서의 온도를 의미하는 것으로 한다.
본 발명에 관련된 내마모 강판은, 상기한 조성의 용강 (molten steel) 을, 공지된 용제 방법 (steelmaiking process) 으로 용제하고, 연속 주조법 (continuous casting) 혹은 조괴 (ingot casting) - 분괴 압연법 (blooming method) 에 의해 소정 치수의 슬래브 (slab) 등의 강 소재로 하는 것이 바람직하다.
이어서, 얻어진 강 소재를 1000 ∼ 1200 ℃ 로 재가열 후, 열간 압연하여 원하는 판두께의 강판으로 한다. 재가열 온도가 1000 ℃ 미만에서는, 열간 압연에서의 변형 저항 (deformation resistance) 이 높아져, 1 패스 당의 압하율량 (rolling reduction) 이 크게 잡히지 않게 되기 때문에, 압연 패스수가 증가하고, 압연 능률 (rolling efficiency) 의 저하를 초래함과 함께, 강 소재 (슬래브) 중의 주조 결함 (cast defect) 을 압착할 수 없는 경우가 있다.
한편, 재가열 온도가 1200 ℃ 를 초과하면, 가열시의 스케일 (scale) 에 의해 표면 흠 (surface scratch) 이 잘 발생되어, 압연 후의 손질 (repair) 의 부하가 증대된다. 그래서, 강 소재의 재가열 온도는 1000 ∼ 1200 ℃ 의 범위로 한다. 직송 압연하는 경우에는, 강 소재가 1000 ∼ 1200 ℃ 에서 열간 압연을 개시한다. 열간 압연에 있어서의 압연 조건은 특별히 규정되지 않는다.
열간 압연 후에 강판 내의 온도 균일화를 도모하고, 특성의 편차 (characteristic variation) 를 억제하기 위해서 재가열 처리를 열간 압연 후, 공랭한 후에 실시한다. 재가열 처리 전에 강판은 페라이트, 베이나이트, 또는 마텐자이트로의 변태를 완료할 필요가 있고, 재가열 열처리 전에, 강판 온도가 300 ℃ 이하, 바람직하게는 200 ℃ 이하, 보다 바람직하게는 100 ℃ 이하까지 냉각시킨다. 냉각 후에 재가열 처리를 실시하지만, 재가열 온도가 Ac3 이하에서는 조직 중에 페라이트가 혼재하여 경도가 저하된다. 한편, 950 ℃ 를 초과하면, 결정립이 조대화되어, 인성 및 내응력 부식 균열성이 저하되기 때문에 Ac3 ∼ 950 ℃ 로 한다. Ac3 (℃) 은, 예를 들어 다음 식으로 구할 수 있다.
Ac3 = 854 - 180 C ＋ 44 Si - 14 Mn - 17.8 Ni - 1.7 Cr
(단, C, Si, Mn, Ni, Cr : 각 합금 원소의 함유량 (mass％))
재가열 유지 시간 (holding time) 은 강판 내의 온도가 균일해지면 단시간이어도 된다. 한편 장시간이 되면, 결정립이 조대화되어, 인성 및 내응력 부식 균열성이 저하되므로, 1 hr 이내가 바람직하다. 또한, 열간 압연 후에 재가열하는 경우에는 열간 압연의 종료 온도는 특별히 규정되지 않는다.
재가열 후 ?칭 (RQ) 을 실시한다. ?칭 후, 강판 내의 특성을 보다 균일화함과 함께, 내응력 부식 균열성을 향상시키는 경우, 100 ∼ 300 ℃ 로 재가열하여 템퍼링 (tempering) 을 해도 된다. 템퍼링 온도 (tempering temperature) 가 300 ℃ 를 초과하면, 경도의 저하가 커져 내마모성이 저하됨과 함께, 생성되는 시멘타이트가 조대화되어, 확산성 수소의 트랩 사이트로서의 효과가 얻어지지 않게 된다.
한편, 템퍼링 온도가 100 ℃ 미만에서는, 상기한 효과가 얻어지지 않는다. 유지 시간은 강판 내의 온도가 균일해지면 단시간이어도 된다. 한편, 유지 시간이 장시간이 되면, 생성되는 시멘타이트가 조대화되어, 확산성 수소의 트랩 사이트로서의 효과가 저하되므로, 1 hr 이내가 바람직하다.
열간 압연 후, 재가열 처리를 실시하지 않은 경우에는, 압연 종료 온도를 Ar3 ∼ 950 ℃ 로 하고, 압연 종료 후, 즉시 ?칭 (DQ) 을 실시해도 된다. ?칭의 개시 온도 (압연 종료 온도와 거의 동일) 는, Ar3 미만에서는, 조직 중에 페라이트가 혼입되어 경도가 저하되고, 한편, 950 ℃ 이상이 되면, 결정립이 조대화되어 인성 및 내응력 부식 균열성이 저하되기 때문에 Ar3 ∼ 950 ℃ 로 한다. 또한, Ar3 점은 예를 들어, 다음 식으로 구할 수 있다.
Ar3 = 868 - 396 C ＋ 25 Si - 68 Mn - 21 Cu - 36 Ni - 25 Cr - 30 Mo (단, C, Si, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo : 각 합금 원소의 함유량 (질량％)) ?칭 후 템퍼링 처리를 실시하는 경우에는, 열간 압연 후, 재가열하는 경우와 동일하게 한다.
실시예
전로 (steel converter) - 레이들 정련 (ladle refining) - 연속 주조법으로 표 1-1 ∼ 표 1-2 에 나타내는 각종 성분 조성으로 조제한 강 슬래브 (steel slab) 를, 950 ∼ 1250 ℃ 로 가열한 후, 열간 압연을 실시하고, 일부 강판에는 압연 직후에 ?칭 (DQ) 을 하고, 그 이외의 강판에 대해서는 압연 후 공랭하고, 재가열 후 ?칭 (RQ) 을 실시하였다.
얻어진 강판에 대하여, 마이크로 조직 조사, 표면 경도 측정, 모재 인성, 응력 부식 균열성 시험을 하기의 요령으로 실시하였다.
마이크로 조직의 조사는, 얻어진 각 강판의 판두께 1/4 t 부에 있어서의 압연 방향에 평행한 단면에 대하여, 마이크로 조직 관찰용 샘플을 채취하고, 나이탈 부식 (nital corrosion treatment) 후, 500 배의 광학 현미경 (optical microscope) 으로 조직을 촬영하여 평가하였다.
또, 템퍼드 마텐자이트의 평균 결정 입경의 평가는, 각 강판의 판두께 1/4 t 부에 있어서의 압연 방향에 평행한 단면에 대하여, 피크르산 부식 (picric acid corrosion treatment) 후, 광학 현미경으로 500 배로 5 시야 촬영한 후, 화상 해석 장치 (image analyzation equipment) 를 사용하였다. 또한, 템퍼드 마텐자이트의 평균 결정 입경은, 템퍼드 마텐자이트 결정 입경이 구오스테나이트 입경과 동일한 것으로 하고, 구오스테나이트 입경의 원상당 직경으로 평균 결정 입경을 구하였다.
또한, 템퍼드 마텐자이트 조직 중의 Nb, Ti 계 석출물의 개수 밀도의 조사는, 각 강판의 판두께 1/4 t 부에 있어서의 압연 방향에 평행한 단면에 대하여, 투과형 전자 현미경 (transmission electron microscope) 으로 50000 배의 촬영을 10 시야 실시하고, Nb, Ti 계 석출물의 개수를 조사하였다.
표면 경도의 측정은 JIS Z 2243 (1998) 에 준거하여, 표층 하의 표면 경도 (표층의 스케일을 제거한 후에 측정한 표면의 경도) 를 측정하였다. 측정은 10 ㎜ 의 텅스텐 경구 (tungsten hard ball) 를 사용하고, 하중은 3000 kgf 로 하였다.
각 강판의 판두께 1/4 위치의 압연 방향과 수직인 방향으로부터, JIS Z 2202 (1998년) 의 규정에 준거하여 샤르피 V 노치 시험편 (V notch test specimen) 을 채취하고, JIS Z 2242 (1998년) 의 규정에 준거하여 각 강판에 대하여 3 개의 샤르피 충격 시험 (Charpy impact test) 을 실시하고, -20 ℃ 에서의 흡수 에너지를 구하여, 모재 인성을 평가하였다. 3 개의 흡수 에너지 (vE-20) 의 평균값이 30 J 이상을 모재 인성이 우수한 것 (본 발명 범위 내) 으로 하였다.
응력 부식 균열성 시험은, 일본 학술 진흥회 제 129 위원회 (일본 재료 강도 학회, 1985) 기준의 응력 부식 균열 표준 시험법에 준거하여 실시하였다. 시험편 형상을 도 3, 시험기 형상을 도 4 에 나타낸다. 시험 조건은, 시험 용액 : 3.5 ％ NaCl, pH : 6.7 ∼ 7.0, 시험 온도 : 30 ℃, 최대 시험 시간 : 500 시간으로 하고, 응력 부식 균열성의 하한계 응력 확대 계수 (threshold stress intensity factor) KISCC 를 구하였다. 표면 경도가 400 ∼ 520 HBW 10/3000, 모재 인성이 30 J 이상, 또한 KISCC 가 100 kgf/㎜- 3/2 이상을 본 발명의 목표 성능으로 하였다.
표 2-1 ∼ 표 2-4 에 공시 강판의 제조 조건 및 상기 시험 결과를 나타낸다. 본 발명예 (No. 1, 4 ∼ 12) 는, 상기 목표 성능을 만족시키는 것이 확인되었지만, 비교예 (No. 1, 2, 13 ∼ 28) 는, 표면 경도, 모재 인성 및 내응력 부식 균열성 중 어느 것, 혹은 그들 중 복수가 목표 성능을 만족시킬 수 없다.
[표 1-1]
Figure pct00001
[표 1-2]
Figure pct00002
[표 2-1]
Figure pct00003
[표 2-2]
Figure pct00004
[표 2-3]
Figure pct00005
[표 2-4]
Figure pct00006

Claims (7)

  1. 질량％ 로,
    C : 0.20 ∼ 0.27 ％,
    Si : 0.05 ∼ 1.0 ％,
    Mn : 0.30 ∼ 0.90 ％,
    P : 0.010 ％ 이하,
    S : 0.005 ％ 이하,
    Nb：0.005 ∼ 0.025 ％,
    Ti：0.008 ∼ 0.020 ％,
    Al : 0.1 ％ 이하,
    N : 0.0010 ∼ 0.0060 ％,
    추가로,
    Cr : 0.05 ∼ 1.5 ％,
    Mo : 0.05 ∼ 1.0 ％,
    W : 0.05 ∼ 1.0 ％,
    B : 0.0003 ∼ 0.0030 ％,
    의 1 종 또는 2 종 이상을 함유하고, (1) 식으로 나타내는 DI* 가 45 이상이고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖고, 마이크로 조직이 템퍼드 마텐자이트를 기지상으로 하고, 입경이 원상당 직경으로 0.01 ∼ 0.5 ㎛ 인 Nb 및 Ti 의 1 종 또는 2 종을 함유하는 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물이 2 × 102 개/㎟ 이상 존재하는 내마모 강판.
    DI* = 33.85 × (0.1 × C)0.5 × (0.7 × Si ＋ 1) × (3.33 × Mn ＋ 1) × (0.35 × Cu ＋ 1) × (0.36 × Ni ＋ 1) × (2.16 × Cr ＋ 1) × (3 × Mo ＋ 1) × (1.75 × V ＋ 1) × (1.5 × W ＋ 1) …… (1)
    단, 각 합금 원소는 함유량 (질량％) 을 나타내고, 함유하지 않은 경우에는 0 으로 한다.
  2. 제 1 항에 있어서,
    강 조성에, 질량％ 로 추가로,
    Cu : 1.5 ％ 이하,
    Ni : 2.0 ％ 이하,
    V : 0.1 ％ 이하,
    의 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 내마모 강판.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    강 조성에, 질량％ 로 추가로,
    REM : 0.008 ％ 이하,
    Ca : 0.005 ％ 이하,
    Mg : 0.005 ％ 이하,
    의 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 내마모 강판.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가로, 템퍼드 마텐자이트의 평균 결정 입경이 원상당 직경으로 15 ㎛ 이하인 내마모 강판.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가로, 표면 경도가 브리넬 경도로 400 ∼ 520 HBW 10/3000 인 내마모 강판.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 강 조성을 갖는 강편을 1000 ℃ ∼ 1200 ℃ 로 가열 후, 열간 압연을 실시하고, 냉각 후, Ac3 ∼ 950 ℃ 로 재가열하고 ?칭을 실시하는 내마모 강판의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 강 조성을 갖는 강편을 1000 ℃ ∼ 1200 ℃ 로 가열 후, 850 ℃ 이상의 온도역에서 열간 압연을 실시하고, 열간 압연 종료 후, 즉시 Ar3 ∼ 950 ℃ 의 온도에서부터 ?칭을 실시하는 내마모 강판의 제조 방법.
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