KR20140119216A - 고망간강 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

중량%로, Mn:15~20%, C:0.2~0.8%, Si:0.1~0.5%, Ti:0.1~0.6%, 잔부 Fe및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 고인성 고망간강 및 그 제조방법을 기술적 요지로 한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기존의 방진합금의 특성을 살리며 소성영역에서 안정적인 인성을 보이는 고망간강을 제조 가능하다. 즉, 작은 하중(즉, 낮은 항복강도)에도 소성변형이 일어나 지진에너지를 흡수하는 성능을 갖춘 고망간강을 제조할 수 있다.

Description

고망간강 및 그 제조방법{HIGH MANGANESE ALLOY AND THE MANUFACTURING METHOD FOR HIGH MANGANESE ALLOY}

본 발명은 고인성 고망간강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고인성 즉, 단순히 파괴에 요하는 응력이 클 뿐이 아니라 파괴에 이르는 변형량이 크고, 흡수에너지가 큰 특성을 지닌 고망간강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 인도네시아를 비롯하여 전세계적으로 지진발생 횟수가 증가하고 피해규모도 대형화되는 추세이며, 일본에서 발생한 지진(후쿠시마지진, 2011)과 같이 인접국에서 발생한 지진이 국내에도 피해를 유발하는 사례가 발생하였다. 국내에서도 내진설계기준이 크게 강화되었다.

내진 설계시 반영될 수 있는 한 방법이 댐퍼를 이용하는 것이다. 그 중 이력형 댐퍼는 지진 등에 대응하는 소성설계시에 유효한데, 가장 일반적인 것이 강재댐퍼이다. 한편, 풍하중에 유효한 탄성설계시에는 오일댐퍼등이 가장 많이 사용되고 있다. 이는 강재로는 탄성영역하에서는 큰 댐퍼의 역할을 할 수 있는 소재개발이 거의 전무하기 때문이다.

이에 ㈜우진에서 개발된Fe-Mn계 방진합금(대한민국특허 10-0107044)은 탄성영역하에서 매우 우수한 진동에너지흡수능력을 갖기 때문에, 탄성영역하에서 오일댐퍼를 대체할 수 있다. 하지만 상기 Fe-Mn 계 방진합금은 소성영역에서 반복하중이 작용하면 ε 마르텐사이트가 응력유기 α’ 마르텐사이트로 변태하게 된다. 이에 따라 취약한 α’ 마트텐사이트가 다수 형성되어 파단현상이 나타난다. 즉, 반복하중에 의한 파괴가 발생하기 때문에 소성영역하인 지진에는 부적합한 면이 존재하였다.

또한 기존의 강재댐퍼로 사용되던 SS400 강종은 도1의 히스테리시스 루프(hysteresis loop)에서와 같이 인성이 매우 작기 때문에 지진에너지를 흡수하기에는 매우 미흡하였다.

다른 문제로서, 댐퍼는 작은 하중(즉, 낮은 항복강도)에도 소성변형이 일어나 지진에너지를 흡수하는 성능을 갖춰야 한다. 그러나, 기존의 Al이 첨가된 합금강은 항복강도가 600MPa 이상으로 너무 높아 댐퍼로 사용이 어렵다.

재료의 파괴에 대한 질긴 정도를 인성(toughness)이라고 하는데, 파괴까지에 가해진 단위 체적당의 에너지로 표시된다. 이는 단순히 파괴에 요하는 응력이 클 뿐이 아니라 파괴에 이르는 변형량이 크고, 흡수에너지가 큰 것을 말하는 것으로, 인성이 강한 재료일수록 지진에 적합하다. 상기한 바와 같이, 종래의 합금강은 인성이 작아 지진에너지를 흡수하는 성능이 미약한 문제점이 있다. 따라서, 고인성 강재료의 기술 개발이 시급한 실정이다.

한국등록특허공보 10-0107044호 1996.5.16.

본 발명은 기존의 방진합금의 특성을 살리며 소성영역에서 안정적인 인성을 보이는 고망간강(Fe-Mn 합금강) 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 고망간강이 오스테나이트조직으로 이루어져 작은 하중(즉, 낮은 항복강도)에도 소성변형이 일어나 지진에너지를 흡수하는 성능을 갖춘 고망간강 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적이 달성되기 위한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 중량%로, Mn:15~20%, C:0.2~0.8%, Si:0.1~0.5%, Ti:0.1~0.6%, 잔부 Fe및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 고인성 고망간강을 제공한다.

이때, 상기 고망간강은 오스테나이트 조직으로 이루어질 수 있다.

게다가, 상기 고인성 고망간강은 항복강도가 250~350MPa인 특성을 가질 수 있다.

또한, 본발명에서는 고인성 고망간강을 제조하기 위해서는 고망간강 용탕을 주조하고, 이를 서냉하여 잉곳을 만든 다음 균질화 열처리한 후 열간압연하는 고인성 고망간강의 제조방법을 제공한다.

이때, 고망간강 용탕은 중량%로, Mn:15~20%, C:0.2~0.8%, Si:0.1~0.5%, Ti:0.1~0.6%, 잔부 Fe및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

뿐만 아니라, 주조는 1,450~1,650℃에서 이루어질 수 있다.

그리고, 균질화 열처리는 900~1,200℃ 온도에서 2~4시간 행하여 질 수 있다.

또한, 열간압연은 900~1,100℃ 온도에서 이루어질 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 기존의 방진합금의 특성을 살리며 소성영역에서 안정적인 인성을 보이는 고망간강을 제조 가능하다. 즉, 작은 하중(즉, 낮은 항복강도)에도 소성변형이 일어나 지진에너지를 흡수하는 성능을 갖춘 고망간강을 제조할 수 있다.

도1은 SS400 강종, 방진합금과 출원발명인 고망간강(Fe-Mn-C 합금강)을 상대적인 값을 비교한 히스테리시스 루프(hysteresis loop) 이다.
도2는 탄소(C)의 함량에 따른 오스테나이트량을 나타내는 그래프이다.
도3는 강재의 흡수에너지를 비교하기 위해 종래강1과 발명강1(0.5wt% C첨가)의 골격곡선시험 결과를 분석한 결과이다.
도4은 강재의 흡수에너지를 비교하기 위해 종래강2와 발명강2(0.6wt% C첨가)의 골격곡선시험 결과를 분석한 결과이다.

이하, 본 발명의 실시예들은 첨부된 도1 내지 도4를 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 발명은 인성이 우수한 고망간강(Fe-Mn-C 합금강)에 관한 것으로, 인장강도가 800MPa 이상, 항복강도 300MPa 이하, 연신율이 60% 이상으로 우수하여 지진에 대비한 강재댐퍼 소재로 적합한 합금강 및 그 제조에 관한 것이다. 따라서 본 발명에서는 기존의 방진합금의 특성을 살리며 소성영역에서 안정적인 인성을 보이는 고망간강 및 그 제조방법에 그 특징이 있다.

먼저, 본 발명의 성분 한정 이유에 대하여 설명한다. (이하, 중량%는 간단히 %로 표기한다)

탄소(C)는 강도 향상을 위해 첨가되는 원소이다. C의 함량이 0.2% 미만이면 오스테나이트의 안정도가 감소하고 강도가 감소하는 문제점이 있고, 0.8%를 초과하면 용접성이 저하하고 제2상이 급격하게 증가하여 가공성이 악화되는 문제점이 있다. 따라서 C의 함량은 0.2~0.8%로 한정한다.

망간(Mn)은 경화능을 크게하여 강도를 증가시키는 원소로 오스테나이트 안정화 원소이다. 본 발명에서는 안정적인 오스테나이트 조직을 얻기 위하여 15% 이상의 망간이 함유되어야 하나, 20%를 초과하면 용접성이 저하되고 개재물이 형성되는 등의 문제가 발생하는 문제점이 있다. 따라서 Mn의 함량은 15~20%로 한정한다.

규소(Si)는 함량이 0.1% 미만이면 합금강 용해시 유동성이 떨어지고, 0.5% 이상이면 합금강이 취약해지는 문제점이 있어, Si의 함량은 0.1~0.5%로 한정한다.

티타늄(Ti)이 첨가되면 Ti 산화막 형성으로 내후성을 향상시키기 위하여 첨가된다. 그러나 0.6% 이상이면 TiC 탄화물이 과다형성되어 오스테나이트 안정화를 저하시키는 문제점이 있어, Ti의 함량은 0.1~0.6%로 한정한다.

본 발명의 일 실시예로서 고망간강은 상기 성분을 포함하면서 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진다. 그리고 필요에 따라 본 고망간강의 특성 향상을 위해 합금원소가 더 첨가될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서 밝히지 않은 합금원소가 첨가되었다 하여 본 발명의 범위에서 제외되는 것으로 해석되지 않는다.

한편, 본 발명의 일 실시예로서 고망간강은 오스테나이트 조직으로 이루어진 것을 특징으로 하는데 탄소를 고용하고 있는 γ고용체를 오스테나이트 조직이라 한다. 오스테나이트 조직은 일반적으로는 경도는 마르텐사이트보다 적지만 인장강도와 비교하면 연신이 크다. 본 발명은 오스테나이트계 고망간강으로서 인성이 우수하다.

이하, 본 발명의 일 실시예로서 고인성 고망간강의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

용해로에 철을 장입하여 용해하여 상기 용탕에 탄소와 망간을 투입하고 상기 조성의 원소를 투입하여 용탕을 제조한다.

상기 용탕을 1,450~1,650℃에서 주조하여 서냉한 후 잉곳을 만든다. 상기 잉곳을 900~1,200℃ 온도에서 2~4시간 균질화 열처리를 행한 후에 900~1,100℃ 온도에서 열간압연하면 고인성 고망간강이 된다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 조건으로 한정한 이유는 다음과 같다.

균질화 조건을 900~1,200℃ 온도에서 2~4시간으로 한정한 이유는 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예로서 합금의 주원소인 Mn을 주조시 편석을 일으키므로 주조된 잉곳은 고온에서 가열하여 고농도의 망간을 저농도 구역으로 확산시켜 망간조성을 균일하게 하지 않으면 안된다.

이를 위하여 900~1,200℃에서 잉곳을 가열하는데 900℃보다 온도가 낮으면 확산 속도가 느려서 균질화되는데 장시간이 소요되어 생산 가격의 상승 요인이 되고, 1200℃이상으로 온도를 높이면 균질화시간이 단축될 수 있으나 주조시 Mn이 편석된 결정립계의 국부적 용융 현상이 일어날 위험성이 존재한다. 따라서 900~1,200℃ 온도에서 2~4시간 균질화 처리하는 것이 가장 적절하다.

본 발명강은 소성영역하 즉 지진이 발생하는 경우 고인성에 의한 지진에너지 흡수로 건물의 붕괴를 막을 수 있는 획기적인 소재로 작용할 것이다.

이하에서는 상세한 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

<실시예>

아래의 표1과 같은 조성으로 용탕을 제조하여 1,450~1,650℃에서 주조하고, 이를 서냉한 후 잉곳을 만들어 900~1,200℃ 온도에서 2~4시간 균질화 열처리를 행한 후에 900~1,100℃ 온도에서 열간압연하여 발명강을 제조하였다.

상기 제조된 발명강에 대하여 인장강도, 연신율을 기존 강인SS400 및 Fe-17%Mn 와 비교하여 표2에 나타내었다.

강 종	함유성분(중량%)
	Mn	C	Si	Ti
발명강	17	0.6	0.3	0.3

강 종	인장강도(MPa)	연신율(%)	항복강도(MPa)	비고
SS400	400	20	-	종래강
Fe-17%Mn	650	38	-	비교강
Fe-17%Mn-0.6%C-0.3%Ti	800	75	300	발명강

표2의 SS400강재는 인장강도가 400MPa이상인 강으로서 C와 Mn이 포함되고 P가 0.05% 이하, S가 0.05% 이하인 조성을 가진 강이다.

인장성질을 비교하면 표1과 같이 발명강이 종래강이나 비교강에 비해 인장강도와 연신율이 매우 큰 것을 알 수 있다. 즉, 인성이 매우 커서 지진에 대비한 댐퍼로서의 역할에 적합하다고 볼 수 있다.

도1은 SS400 강종, 방진합금과 출원발명인 고망간강(Fe-Mn-C 합금강)을 상대적인 값을 비교한 히스테리시스 루프(hysteresis loop) 이다. 도1에 나타나있듯 기존의 강재댐퍼로 사용되던 SS400 강종은 인성이 매우 작은 것을 볼 수 있다. 그러나 발명강의 경우 기존강에 대비하여 상대적으로 큰 인성을 가진 것을 확인할 수 있다.

도3과 도4는 각각 강재의 흡수에너지를 비교하기 위해 종래강1과 발명강1(0.5wt% C첨가), 종래강2과 발명강2(0.6wt% C첨가)의 골격곡선시험 결과를 분석한 결과이다.

골격곡선의 면적이 골격부에서 흡수한 에너지를 의미하는데, 이를 통해 강재의 흡수에너지를 계산하면 종래강에 비해 발명강이 약 1.8~2.5배 우수한 결과를 보였다.

또한 발명강의 경우 항복강도는 300MPa정도로 기존 방진합금과 비슷하다. 일반적으로 인장강도가 발명강과 비슷한 800~900MPa인 경우 항복강도는 약70%선인 600~700MPa 값을 갖는다. 이에 반하여 발명강의 경우 인장강도는 높으나 항복강도는 낮은 특성을 지녀 지진에너지 흡수에 적합한 재료에 해당된다.

본 발명을 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 실시예들에 한정되지 않는다.

Claims (7)

1. 중량%로, Mn:15~20%, C:0.2~0.8%, Si:0.1~0.5%, Ti:0.1~0.6%, 잔부 Fe및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 고망간강.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 고망간강은 오스테나이트 조직으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고망간강.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 고망간강은 항복강도가 250~350MPa인 것을 특징으로 하는 고망간강.
4. 중량%로, Mn:15~20%, C:0.2~0.8%, Si:0.1~0.5%, Ti:0.1~0.6%, 잔부 Fe및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용탕을 주조하는 단계;
   상기 주조된 고망간강을 서냉하여 잉곳을 만드는 단계;
   상기 잉곳을 균질화 열처리하는 단계; 및
   상기 균질화 열처리된 잉곳을 열간압연하는 단계를 포함하는 고망간강.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 주조는 1,450~1,650℃에서 이루어지는 고망간강 제조방법.
6. 제 4항에 있어서,
   상기 균질화 열처리는 900~1,200℃ 온도에서 2~4시간 행해지는 고망간강 제조방법.
7. 제 4항에 있어서,
   상기 열간압연은 900~1,100℃ 온도에서 이루어지는 고망간강 제조방법.

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