KR20140127870A

KR20140127870A - 대입열 용접용 강재

Info

Publication number: KR20140127870A
Application number: KR20147025345A
Authority: KR
Inventors: 도모유키 요코타; 세이지 나베시마; 기미히로 니시무라; 신지 미타오
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2012-03-01
Filing date: 2012-03-01
Publication date: 2014-11-04
Also published as: CN104145038A; DK2801638T3; EP2801638A4; WO2013128650A1; EP2801638B1; EP2801638A1; CN104145038B

Abstract

용접 입열량이 300 kJ/㎝ 를 초과하는 대입열 용접에 적합하고, 조선, 건축, 토목 등의 각종 구조물에 적합한 강재를 제공한다. 구체적으로는, mass％ 로, C : 0.03 ∼ 0.08 ％, Si : 0.01 ∼ 0.15 ％, Mn : 1.8 ∼ 2.6 ％, P : 0.008 ％ 이하, S : 0.0005 ∼ 0.0040 ％, Al : 0.005 ％ 이하, Nb : 0.003 ∼ 0.03 ％, Ti : 0.005 ∼ 0.030 ％, N : 0.0050 ∼ 0.0080 ％, B : 0.0003 ∼ 0.0025 ％, 필요에 따라 V, Cu, Ni, Cr, Mo, Ca, Mg, Zr, REM 중 1 종 또는 2 종 이상, Ceq (IIW) 가 0.33 ∼ 0.45, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 화학 성분을 갖고, 용접 입열량이 300 kJ/㎝ 를 초과하는 대입열 용접을 실시하였을 때의 본드 근방의 열 영향부 조직에 있어서, 구오스테나이트 입경이 200 ㎛ 이하, 도상 마텐자이트 면적 분율이 1.0 ％ 이하인 강재이다.

Description

대입열 용접용 강재{STEEL MATERIAL FOR HIGH-HEAT-INPUT WELDING}

본 발명은, 조선 (ship), 건축, 토목 (civil engineering) 등의 각종 강 구조물 (various steel structures) 에서 사용되는 강재 (structural steel plate), 특히 용접 입열량이 300 kJ/㎝ 를 초과하는 대입열 용접 (high heat input welding) 에 적합한 강재에 관한 것이다.

조선, 건축, 토목 등의 분야에서 사용되는 강재는, 일반적으로 용접 접합에 의해 원하는 형상의 강 구조물로 마무리된다. 이들 강 구조물에 있어서는, 안전성의 관점에서 사용되는 강재의 모재 인성 (base plate toughness) 은 물론, 용접부의 인성 (weld toughness) 이 우수할 것이 요청되고 있다.

한편으로, 이들 강 구조물이나 선박은 더욱 더 대형화되고, 사용되는 강재의 고강도화·후육화에 수반하여, 용접 시공에는 서브머지 아크 용접 (submerged arc welding), 일렉트로 가스 용접 (electrogas arc welding) 및 일렉트로 슬러그 용접 (electroslag welding) 등의 고능률의 대입열 용접 (high-efficiency high heat input welding) 이 적용되고 있다. 이 때문에, 대입열 용접에 의해 용접 시공하였을 때, 용접부의 인성 (weld toughness) 이 우수한 강재가 필요로 되고 있다.

그러나, 일반적으로 용접 입열량이 커지면, 용접 열 영향부 (열 영향부 (Heat Affected Zone), HAZ 라고 하는 경우도 있다) 의 조직 (microstructure) 이 조대화되기 때문에, 용접 열 영향부의 인성 (HAZ 인성이라고 하는 경우도 있다) 은 저하되는 것이 알려져 있다. 이와 같은 대입열 용접에 의한 인성의 저하에 대해, 지금까지도 많은 대책이 제안되어 왔다. 예를 들어, TiN 의 미세 분산에 의한 오스테나이트립 (austenite grain) 의 조대화 억제나 페라이트 변태핵 (ferrite nucleation site) 으로서의 작용을 이용하는 기술은 이미 실용화되어 있다. 또, Ti 의 산화물을 분산시키는 기술 (특허문헌 1) 도 개발되어 있다.

그러나, TiN 을 주체로 이용하는 기술에서는, TiN 이 용해되는 온도역 (TiN dissolution temperature) 으로 가열되는 용접 열 영향부에 있어서는 Ti 가 갖는 상기의 오스테나이트립의 조대화 억제 효과가 없어지고, 나아가서는 바탕의 조직이 고용 Ti (solute Ti) 및 고용 N (solute N) 에 의해 취화되어 인성이 현저하게 저하된다는 문제가 있었다.

또, Ti 산화물을 이용하는 기술에서는, 산화물을 균일 미세하게 분산시키는 것이 곤란하다는 문제가 있었다.

그런데, TiN 을 주체로 이용하는 기술에 있어서, 본드 근방 (adjacent to fusion line) 에서 취화의 원인이 되는, TiN 용해 (dissolution of TiN) 에 수반하는 고용 N 을, 용접 재료와 강판에 첨가한 B 로 고정시키는 기술로서 특허문헌 2 가 알려져 있다.

특허문헌 2 에서는, 강판 중에는 인성에 악영향을 주지 않을 정도로 B 첨가를 실시하고, 용접 금속부에는 오스테나이트 입계 (austenite grain boundary) 로부터 생성되는 페라이트 사이드 플레이트 (ferrite side plate) 의 석출을 억제할 수 있을 만큼의 충분한 B 첨가를 용접 재료 (와이어 (wire) 나 플럭스 (flux)) 로부터 실시하고, 용접 열 영향부에는 TiN 의 용해에 의해 생성되는 고용 N 을 고정시키는 데에 필요 최소한의 B 량을 용접 금속부 (weld metal) 로부터의 B 의 확산에 의해 공급함으로써, 대입열 용접부의 용접 금속, 용접 열 영향부 및 본드부 (fusion line) 전부를 고인성으로 할 수 있다고 하고 있다.

한편, 항복 강도 (yield strength) 가 460 N/㎟ 이상이고, 비교적 C 량이나 합금 첨가량이 많이 첨가된 강 성분에 있어서는, 용접 입열량이 300 kJ/㎝ 를 초과하는 대입열 용접을 실시하였을 때의 본드부 조직에 도상 (島狀) 마텐자이트 (Martensite-Austenite constituent) (MA 라고 하는 경우도 있다) 로 불리는 경질의 취화 조직 (brittle microstructure) 이 수 vol％ 형성되고, 이것이 인성의 가일층의 향상을 저해하고 있는 것이 문제가 되고 있다.

따라서, 특히 고강도 클래스의 대입열 HAZ 인성 개선을 위해서는, 새로운 오스테나이트립의 조대화의 억제와, 도상 마텐자이트의 저감이 필요하다. 대입열 HAZ 의 도상 마텐자이트량을 저감시키는 기술로서 특허문헌 3 이나 특허문헌 4, 특허문헌 5 가 개시되어 있다.

특허문헌 3 에서는, C 량을 줄임과 동시에 Mn 량을 늘려 변태 개시 온도 (transformation start temperature) 를 저하시킴으로써 C 의 미변태 오스테나이트 (untransformed austenite) 에 대한 분배를 저감시켜, 도상 마텐자이트의 생성을 억제할 수 있다고 하고 있다.

한편, 특허문헌 4 에서는, C 량, Si 량 외에 P 량의 저감이 대입열 용접 HAZ 부의 도상 마텐자이트량 저감에 대해 중요하다라고 하고 있다. 특허문헌 5 에서는, Cr, Mo, V 등을 적극 첨가함으로써, 냉각 속도가 느려도 저온 변태 베이나이트 (bainite transformed at lower temperature) 를 생성할 수 있도록 제어하고, 괴상이 아니라 필름상의 도상 마텐자이트 조직이 되는 연구를 함과 동시에, 극저 C 로서 생성되는 도상 마텐자이트 조직을 미세하게 한다고 하고 있다.

또, 특허문헌 6 에서는 용접 입열이 130 kJ/㎝ 이하인 용접에 의한 용접 열 영향부의 도상 마텐자이트 분율의 상한을 규정하고 있다.

또한, 대입열 HAZ 인성의 개선을 도상 마텐자이트의 제어에 의존하지 않고, HAZ 조직의 결정 입경의 미세화의 관점에서 실시하는 것으로서, 특허문헌 7 에는, TiO 를 이용한 강에 있어서, B 의 미량 첨가에 의해 입계로부터의 변태를 억제함과 함께, Mn 첨가량의 증대에 의해 페라이트 변태 구동력을 크게 하고, TiO-MnS 복합 석출물의 입내 변태핵으로서의 효과를 증대시키고, 결정립을 미세화하여 HAZ 인성을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.

한편으로 상기 서술한 바와 같이, Ti 산화물의 안정적인 분산 생성은 실제 조업상 곤란하다는 시점을 근거로 하여, Al 을 비교적 높게 설정하여 Al 탈산을 실시하여 일부러 TiO 생성을 억제하고, 대체로서 TiN 의 피닝 효과 (pinning effect) 를 최대한 활용하여 HAZ 결정립의 미세화를 달성시키는 기술이 특허문헌 8 에 개시되어 있다.

일본 공개특허공보 소57-51243호 일본 특허공보 3722044호 일본 공개특허공보 2007-84912호 일본 공개특허공보 2008-163446호 일본 특허공보 3602471호 일본 특허공보 2135056호 일본 공개특허공보 2007-277681호 일본 공개특허공보 2011-6772호

특허문헌 2 의 기술은, TiN 의 용해에 의해 본드부 근방에서 인성에 악영향을 미치는 고용 N 을 용접 금속부로부터의 B 의 확산에 의해 고정시키는 획기적인 기술이지만, TiN 의 고용에 의한 오스테나이트립의 조대화의 억제 효과의 저감은 피할 수 없다. 또, Ti 산화물을 이용하는 기술에서는, Ti 산화물을 균일 미세하게 분산시키는 것이 곤란하다는 문제는 해결되지 않았다.

한편, 도상 마텐자이트의 저감에 관한 선행 문헌에 있어서, 특허문헌 3 은, C 함유량 저감 대신에 강도 보상을 위해 Nb 를 0.03 mass％ 이상 필요로 하지만, 이에 따른 도상 마텐자이트 생성이 염려된다.

특허문헌 4 에 있어서는, 도상 마텐자이트의 저감이 가능하고, 또한 Ca 의 적정 첨가에 의해 변태 생성핵을 미세하게 분산시키는 것이 가능하지만, Ni 첨가가 필수이고, 합금 비용이 비싸다는 과제가 있다.

또, 특허문헌 5 에서는, 도상 마텐자이트의 분율 (MA volume fraction) 을 줄이는 것보다, 그 형태의 제어를 주목적으로 하고 있어, 대입열 HAZ 인성의 발본적인 개선이 곤란하다. 특허문헌 6 은 용접 입열이 130 kJ/㎝ 이하에서의 용접이 대상이고, 도상 마텐자이트가 보다 생성되기 쉬운 300 kJ/㎝ 를 초과하는 대입열 용접의 인성 개선이기 때문에 참고로 할 수 없다. 특허문헌 7 의 기술에 있어서는, 오스테나이트 형성 원소인 Mn 량 증대에 의한 도상 마텐자이트의 악영향이 염려된다. 또, 특허문헌 8 의 기술에 있어서는, TiN 만을 사용한 결정립 미세화에는 역시 한계가 있어, 본 발명에서 달성하고자 하는 저온 인성을 달성하는 것에는 곤란이 수반된다.

본 발명은, 합금 비용을 가능한 한 들이지 않고, 오스테나이트립의 조대화 억제와 도상 마텐자이트의 저감을 통하여 대입열 HAZ 인성 향상을 도모하기 위해 이루어진 것으로서, 용접 입열량이 300 kJ/㎝ 를 초과하는 대입열 용접으로 우수한 HAZ 인성을 구비하는 대입열 용접용 강재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 항복 강도가 460 N/㎟ 이상인 고강도 강에 대해, 용접 입열량이 300 kJ/㎝ 를 초과하는 대입열 용접을 실시하였을 때의, 본드부 근방의 HAZ 인성을 향상시키기 위해 예의 검토하였다. 그 결과, 1. 오스테나이트립의 조대화 억제에는, Ti 산화물과 TiN 의 피닝의 병용이 효과적이고, 2. 도상 마텐자이트 저감에는, 이것을 최대한 생성시키지 않고 강도를 효과적으로 높이는 원소로서 Mn 을 적극적으로 첨가함과 동시에, 불순물 원소로서의 P 량을 0.008 mass％ 이하로까지 저감시키는 것이 유효하고, 도상 마텐자이트 생성을 거의 억제할 수 있는 것을 지견하였다.

Ti 산화물과 TiN 의 피닝 병용에 관해서는, 제강 단계에 있어서의 초기 탈산 공정에 있어서, 강탈산 원소인 Al 의 첨가량을 필요 최소한으로 억제하여 용강 중의 용존 산소를 확보한 상태에서 Ti 를 첨가하고, Ti 산화물을 창출시킨 후 신속하게 주조 공정으로 옮긴다는 일련의 처리 공정의 최적화를 실시함으로써, 강 슬래브 내에 균일하게 분산, 또한 조대화되기 어려운 Ti 산화물의 확보를 달성할 수 있는 것을 지견하였다.

한편으로, 도상 마텐자이트량의 저감에 관해서는, Mn 의 증가, P 의 저감에 의해 대입열 용접 후의 냉각 중에 생성되는 C 농도가 높은 미변태 오스테나이트가 세멘타이트로 분해되기 쉬워지고, 열 영향부 조직 중의 도상 마텐자이트량을 저감시키는 것이 가능한 것을 지견하였다.

본 발명은, 상기 서술한 얻어진 지견을 기초로 더욱 검토를 가하여 완성된 것으로서, 즉 본 발명은,

1. C : 0.03 ∼ 0.08 mass％, Si : 0.01 ∼ 0.15 mass％, Mn : 1.8 ∼ 2.6 mass％, P : 0.008 mass％ 이하, S : 0.0005 ∼ 0.0040 mass％, Al : 0.005 mass％ 이하, Nb : 0.003 ∼ 0.03 mass％, Ti : 0.005 ∼ 0.030 mass％, N : 0.0050 ∼ 0.0080 mass％, B : 0.0003 ∼ 0.0025 mass％, Ceq (IIW) 가 0.33 ∼ 0.45, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 화학 성분을 갖고, 용접 입열량이 300 kJ/㎝ 를 초과하는 대입열 용접을 실시하였을 때의 본드 근방의 열 영향부 조직에 있어서, 구오스테나이트 입경 (prior austenite grain diameter) 이 200 ㎛ 이하, 도상 마텐자이트 면적 분율이 1.0 ％ 이하인 것을 특징으로 하는 대입열 용접용 강재.

단, Ceq (IIW) ＝ C ＋ Mn/6 ＋ (Cr ＋ Mo ＋ V)/5 ＋ (Cu ＋ Ni)/15 이고, 각 원소 기호는 각 원소의 함유량 (mass％) 을 나타낸다.

2. 화학 성분에 추가로 V : 0.2 mass％ 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 1 에 기재된 대입열 용접용 강재.

3. 화학 성분에 추가로 Cu : 1.0 mass％ 이하, Ni : 1.0 mass％ 이하, Cr : 0.4 mass％ 이하 및 Mo : 0.4 mass％ 이하 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 1 또는 2 에 기재된 대입열 용접용 강재.

4. 화학 성분에 추가로 Ca : 0.0005 ∼ 0.0050 mass％, Mg : 0.0005 ∼ 0.0050 mass％, Zr : 0.001 ∼ 0.02 mass％, REM : 0.001 ∼ 0.02 mass％ 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 대입열 용접용 강재.

본 발명에 의하면, 300 kJ/㎝ 를 초과하는 대입열 용접을 실시해도 우수한 용접 열 영향부 인성을 갖는 강재가 얻어지므로, 서브머지 아크 용접, 일렉트로 가스 용접, 일렉트로 슬러그 용접 등의 대입열 용접에 의해 시공되는 대형의 구조물의 품질 향상에 기여하는 바가 크다.

도 1 에 구오스테나이트 입경, 도상 마텐자이트의 면적 분율과, 재현 용접 열 영향부의 인성을 나타낸다.

본 발명에서는 성분 조성과 300 kJ/㎝ 를 초과하는 대입열 용접에 의해 형성되는 용접 열 영향부의 조직을 규정한다.

[성분 조성]

C : 0.03 ∼ 0.08 mass％

C 는 구조용 강으로서 필요한 강도를 얻기 위해 하한을 0.03 mass％ 로 하고, 도상 마텐자이트의 생성량을 억제하기 위해 상한을 0.08 mass％ 로 한다. 더욱 바람직하게는 0.035 ∼ 0.068 mass％ 이다.

Si : 0.01 ∼ 0.15 mass％

Si 는 제강 공정에 있어서 탈산재 (deoxidizing agent) 로서 0.01 mass％ 이상이 필요하지만, 0.15 mass％ 를 초과하면, 모재의 인성을 열화시키는 것 외에 대입열 용접 열 영향부에 도상 마텐자이트를 생성하여 인성을 열화시키기 때문에, 0.01 ∼ 0.15 mass％ 로 한다. 더욱 바람직하게는 0.01 ∼ 0.10 mass％ 이다.

Mn : 1.8 ∼ 2.6 mass％

Mn 은 본 발명에 있어서 중요한 원소이며, 다른 합금 원소에 의존하지 않고 모재의 강도를 확보하기 위해 1.8 mass％ 이상 함유하는 것이 필요하다. Ni 등 다른 합금 원소를 첨가하는 경우와 비교하여, 대입열 용접 후의 냉각 중에 생성되는 C 농도가 높은 미변태 오스테나이트를 세멘타이트로 분해시키기 쉽고, 도상 마텐자이트의 생성을 억제하여 열 영향부의 인성을 확보하는 효과가 있다. 2.6 mass％ 를 초과하면 용접부의 인성을 열화시키게 되기 때문에, 1.8 ∼ 2.6 mass％ 로 한다. 바람직하게는 1.8 ∼ 2.2 mass％ 로 한다. 더욱 바람직하게는 2.0 ％ 초과 ∼ 2.2 mass％ 이다.

P : 0.008 mass％ 이하

P 도 본 발명에 있어서 중요한 원소이며, 0.008 mass％ 를 초과하면, 대입열 용접 후의 냉각 중에 생성되는 C 농도가 높은 미변태 오스테나이트가 세멘타이트로 분해되기 어려워지고, 이것이 MA 가 되어 인성을 열화시키기 때문에, 0.008 mass％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.006 mass％ 이하로 한다.

S : 0.0005 ∼ 0.0040 mass％

S 는 입내 변태를 촉진시켜 인성 향상을 도모하는 데에 유효한 MnS 혹은 CaS 를 생성하기 위해 0.0005 mass％ 이상 필요하고, 0.0040 mass％ 를 초과하면 모재의 인성을 열화시키기 때문에, 0.0005 ∼ 0.0040 mass％ 로 한다. 더욱 바람직하게는 0.0015 ∼ 0.0030 mass％ 이다.

Al : 0.005 mass％ 이하

Al 함유량이 많으면 Ti 산화물이 생성되지 않고, 대입열 용접 본드부 근방의 오스테나이트립가 조대화되어 인성이 저하된다. 따라서, 본 발명에 있어서는, Ti 산화물을 생성시키기 위해 Al 은 최대한 함유하지 않도록 하지만, 0.005 mass％ 까지라면 함유해도 된다. 바람직하게는 0.004 ％ 이하이다.

Nb : 0.003 ∼ 0.03 mass％

Nb 는 모재의 강도·인성 및 이음새의 강도를 확보하는 데에 유효한 원소이지만, 0.003 ％ 미만에서는 그 효과가 작다. 0.03 mass％ 를 초과하여 함유하면 용접 열 영향부에 도상 마텐자이트를 형성함으로써 인성이 열화되기 때문에, 0.003 ∼ 0.03 mass％ 로 한다. 더욱 바람직하게는 0.005 ∼ 0.02 mass％ 이다.

Ti : 0.005 ∼ 0.030 mass％

Ti 는 응고시에 2 차 탈산 생성물인 Ti 산화물이 되어 분산되고, 그 잉여분은 다시 TiN 이 되어 석출되고, 용접 열 영향부에서의 오스테나이트의 조대화 억제나 페라이트 변태핵이 되어 고인성화에 기여한다. 피닝에 기여하는 Ti 산화물은, 그 치수가 작을수록 효과가 큰 것이 알려져 있고, 본 발명에서는 1.0 ㎛ 이하의 Ti 산화물의 확보를 목적으로 하고 있다. 이 때문에 Ti 의 첨가량이 0.005 mass％ 에 미치지 못하면 피닝에 충분히 기여시키는 Ti 산화물량을 확보할 수 없고, 한편 Ti 가 과잉인 경우, 산화물로서 다 창출되지 못한 Ti 가 TiN 으로서 석출되게 되지만, 0.030 mass％ 를 초과하면 이 TiN 입자가 조대화되어 오스테나이트 조대화를 억제하는 효과가 얻어지지 않게 되기 때문에, 0.005 ∼ 0.030 mass％ 로 한다. 더욱 바람직하게는 0.005 ∼ 0.02 mass％ 이다.

N : 0.0050 ∼ 0.0080 mass％

N 은 TiN 의 필요량을 확보하는 데에 필요한 원소이고, 0.0050 mass％ 미만에서는 충분한 TiN 량이 얻어지지 않고, 0.0080 mass％ 를 초과하면 TiN 이 용해되는 영역에서의 고용 N 량의 증가에 의해 용접 열 영향부의 인성이 저하되고, 또 용접 금속의 인성도 저하되기 때문에, 0.0050 ∼ 0.0080 mass％ 로 한다. 바람직하게는 0.0052 ％ ∼ 0.0080 mass％, 보다 바람직하게는 0.0055 ％ ∼ 0.0080 mass％ 이다.

또한, Ti 산화물 및 TiN 의 피닝 효과를 충분히 활용하고, 또한 고용 N 이 잉여가 된 경우의 인성 저하를 억제하기 위해, Ti 량 및 N 량을 각각 상기 서술한 범위로 제어함과 함께, Ti/N 의 비를 1.3 ∼ 2.5 의 범위로 제어하는 것이 보다 바람직하다.

B : 0.0003 ∼ 0.0025 mass％

B 는 용접 열 영향부에서 BN 을 생성하여, 고용 N 을 저감시킴과 함께 페라이트 변태핵으로서 작용하는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻으려면 0.0003 mass％ 이상 필요하지만, 0.0025 mass％ 를 초과하여 첨가하면 퀀칭 (quneching) 성이 과잉이 되어 인성이 열화되기 때문에, 0.0003 ∼ 0.0025 mass％ 로 한다. 더욱 바람직하게는 0.0005 ∼ 0.0020 mass％ 이다.

Ceq (IIW) : 0.33 ∼ 0.45

Ceq (IIW) (＝ C ＋ Mn/6 ＋ (Cr ＋ Mo ＋ V)/5 ＋ (Cu ＋ Ni)/15 이고, 각 원소 기호는 각 원소의 함유량 (mass％) 을 나타낸다) 이 0.33 미만이면 필요한 모재 강도가 얻어지지 않는다. 한편, Ceq 가 0.45 를 초과하면, 대입열 용접에 의해 본드부 근방의 열 영향부에 생성되는 도상 마텐자이트의 면적 분율이 1.0 ％ 를 초과하고, 열 영향부의 인성이 열화되기 때문에 0.33 ∼ 0.45 로 제한하고, 바람직하게는 0.37 ∼ 0.42 로 한다. 더욱 바람직하게는 C_eq 는 0.39 ∼ 0.42 의 범위이다.

본 발명에서는, 추가로 페라이트 생성핵으로서의 기능을 갖는 V, 및/또는 강도 향상 등의 기능을 갖는 Cu, Ni, Cr, Mo 에서 선택되는 적어도 1 종 또는 2 종 이상을 함유시킬 수 있다.

V : 0.2 mass％ 이하

V 는 모재의 강도·인성의 향상에 기여하고, 또 VN 으로서 페라이트 생성핵으로서 작용한다. 이 효과를 얻기 위해서는 0.03 mass％ 이상을 함유하는 것이 바람직하지만, 0.2 mass％ 를 초과하면 오히려 인성의 저하를 초래하기 때문에, 함유하는 경우에는 0.2 mass％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.1 mass％ 이하이다.

Cu : 1.0 mass％ 이하

Cu 는 모재의 고강도화에 유효한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는 0.2 mass％ 이상을 함유하는 것이 바람직하지만, 과잉으로 함유하면 인성에 악영향을 주기 때문에, 함유하는 경우에는 상한을 1.0 mass％ 로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.4 mass％ 이하이다.

Ni : 1.0 mass％ 이하

Ni 은 모재의 고강도화에 유효한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는 0.2 mass％ 이상을 함유하는 것이 바람직하지만, 과잉으로 함유하면 인성에 악영향을 주기 때문에, 함유하는 경우에는 상한을 1.0 mass％ 로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.4 mass％ 이하이다.

Cr : 0.4 mass％ 이하

Cr 은 모재의 고강도화에 유효한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는 0.1 mass％ 이상을 함유하는 것이 바람직하지만, 과잉으로 함유하면 인성에 악영향을 주기 때문에, 함유하는 경우에는 상한을 0.4 mass％ 로 하는 것이 바람직하다.

Mo : 0.4 mass％ 이하

Mo 는 모재의 고강도화에 유효한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는 0.1 mass％ 이상을 함유하는 것이 바람직하지만, 과잉으로 함유하면 인성에 악영향을 주기 때문에, 함유하는 경우에는 상한을 0.4 mass％ 로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는, 추가로 Ca, Mg, Zr, REM 에서 선택되는 적어도 1 종 또는 2 종 이상을 함유시킬 수 있다.

Ca : 0.0005 ∼ 0.0050 mass％

Ca 는 S 의 고정, 산황화물의 분산에 의한 인성 개선 효과를 갖는 원소이다. 이와 같은 효과를 발휘시키려면 적어도 0.0005 mass％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.0050 mass％ 를 초과하여 함유해도 효과가 포화되기 때문에, 함유하는 경우에는 0.0005 ∼ 0.0050 mass％ 로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.0010 ∼ 0.0030 mass％ 이다.

Mg : 0.0005 ∼ 0.0050 mass％

Mg 는 산화물의 분산에 의한 인성 개선 효과를 갖는 원소이다. 이와 같은 효과를 발휘시키려면 적어도 0.0005 mass％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.0050 mass％ 를 초과하여 함유해도 효과가 포화되기 때문에, 함유하는 경우에는 0.0005 ∼ 0.0050 mass％ 로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.0010 ∼ 0.0030 mass％ 이다.

Zr : 0.001 ∼ 0.02 mass％

Zr 은 산화물의 분산에 의한 인성 개선 효과를 갖는 원소이다. 이와 같은 효과를 발휘시키려면 적어도 0.001 mass％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.02 mass％ 를 초과하여 함유해도 효과가 포화되기 때문에, 함유하는 경우에는 0.001 ∼ 0.02 mass％ 로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.005 ∼ 0.0015 mass％ 이다.

REM : 0.001 ∼ 0.02 mass％

REM 은 산화물의 분산에 의한 인성 개선 효과를 갖는 원소이다. 이와 같은 효과를 발휘시키려면 적어도 0.001 mass％ 이상 함유하는 것이 바람직하지만, 0.02 mass％ 를 초과하여 함유해도 효과가 포화되기 때문에, 함유하는 경우에는 0.001 ∼ 0.02 mass％ 로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.005 ∼ 0.0015 mass％ 이다.

본 발명에 있어서, O 는 Ti 산화물을 형성시키기 위해 0.0010 ％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, 0.0040 ％ 이상 함유하면 조대한 TiO 를 생성하고, 인성 저하의 가능성이 있기 때문에, 0.0040 ％ 이하가 바람직하다.

[용접 열 영향부의 조직]

용접 열 영향부의 조직으로서 본드 근방의 조직을「구오스테나이트 입경 : 200 ㎛ 이하, 도상 마텐자이트의 면적 분율 1.0 ％ 이하」로 규정한다.

도 1 은, 실시예의 표 2 에 기재된 HAZ 의 MA 분율 (vol％) 과 HAZ 의 vTrs (℃) 의 관계를 나타내는 도면이다. 구오스테나이트 입경이 200 ㎛ 이하이고, 또한 HAZ 의 MA 분율을 1 vol％ 이하로 함으로써, vTrs 가 -55 ℃ 이하로 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명에서 요구되는 HAZ 의 인성 레벨은 vTrs 로-55 ℃ 이하이다.

전술한 바와 같이, 본 발명은, 용접 열 영향부 (HAZ) 중에서도 가장 고온에 노출되고, 오스테나이트 (austenite) 가 조대화되는 본드부 근방에 있어서의 오스테나이트 입성장과, 도상 마텐자이트 생성을 억제함으로써, 대입열 용접부에 있어서의 인성의 향상을 도모하는 기술이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 상기 본드부 근방의 열 영향부에 있어서의 구오스테나이트 입경을 200 ㎛ 이하, 도상 마텐자이트의 면적 분율을 1.0 ％ 이하로 억제할 필요가 있다.

여기서, 본드 근방의 열 영향부란, 본드부로부터 500 ㎛ 이내의 범위의 열 영향부를 가리킨다. 본드 근방의 열 영향부의 구오스테나이트 입경은, 용접부의 단면을 연마·에칭하고, 광학 현미경으로 관찰함으로써 확인할 수 있다.

본드 근방의 열 영향부의 도상 마텐자이트는, 마차간지로 용접부의 단면을 연마·에칭 (etching) 하고, SEM (scanning electron microscope) 으로 관찰함으로써 확인할 수 있다. 또한, 본드부 근방의 열 영향부의 조직은, 상기 도상 마텐자이트 외에는, 아시큘러-페라이트 (acicularferrite) 나 베이나이트를 주로 하고, 페라이트 (ferrite) 나 펄라이트 (perlite) 등을 함유하는 조직이다.

본 발명에 관련된 강재는, 예를 들어, 이하와 같이 하여 제조된다. 먼저 용선 (hot metal) 을 전로 (converter) 로 정련하여 강으로 한 후, RH 탈가스 (RH degasifying) 를 실시하고, 연속 주조 (continuous cast) 또는 조괴 (ingot casting)-분괴 (blooming) 공정을 거쳐 강편으로 한다. 얻어진 강편을 재가열하고, 열간 압연을 실시한다. 원하는 강도, 인성에 따라 열간 압연 후, 방랭시키거나, 혹은 상기 열간 압연 후에 가속 냉각 (accelerated cooling), 직접 퀀칭 (direct quenching)-템퍼링 (tempering) 하고, 재가열 퀀칭 (reheating and quenching)-템퍼링하고, 재가열 노멀라이징 (reheating and normalizing)-템퍼링 등 중 어느 열처리를 실시한다. 이하에 본 발명의 작용 효과를 실시예에 기초하여 구체적으로 설명한다.

실시예

150 ㎏ 의 고주파 용해로 (high-frequency melting furnace) 로 표 1-1 및 표 1-2 에 나타내는 조성의 강을 용제한 후, 열간 압연에 의해 두께 70 ㎜ 의 슬래브 (slab) 로 하고, 1150 ℃ 로 2 시간 가열 후, 다시 열간 압연을 실시하고, 판 두께 중심 온도로 850 ℃ 에 있어서 30 ㎜ 로 마무리한 후, 8 ℃/s 의 냉각 속도로 가속 냉각시켰다. 냉각 속도는, 60 ㎜ 의 판 두께의 1/4 위치의 냉각 속도를 30 ㎜ 의 판두께 중심에서 시뮬레이트 (simulate) 한 것이다.

압연한 30 ㎜ 의 판을 500 ℃ 에서 10 분 템퍼링한 후, 평행부 14 φ × 85 ㎜, 표점간 거리 (gauge length) 70 ㎜ 의 환봉 인장 시험편과 2 ㎜V 노치 샤르피 시험편을 채취하고, 모재의 강도 (항복 응력 YS, 인장력 TS) 와 인성을 평가하였다. 또한, 2 ㎜V 노치 샤르피 시험편은, -100 ∼ 40 ℃ 의 범위에서 적절히 샤르피 충격 시험 (Charpy impact test) 을 실시하고, 연성 파면율 (ductile fracture ratio) 50 ％ 가 되는 파면 천이 온도 (fracture transition temperature) vTrs 를 구하고, 인성을 평가하였다.

또한, 이들 강판으로부터 용접열 사이클 후의 특성을 측정하기 위해, 폭 80 ㎜ × 길이 80 ㎜ × 두께 15 ㎜ 의 시험편을 채취하고, 1450 ℃ 로 가열 후 800 ∼ 500 ℃ 를 270 s 로 냉각 (일렉트로 가스 용접에서의 입열량 400 kJ/㎝ 의 용접 열 영향부에 상당) 시키는 재현 용접 열 사이클 (Simulated Weld Thermal Cycle) 을 부여하고, 재현 용접 열 영향부 (Simulated HAZ) 의 인성을 2 ㎜V 노치 샤르피 시험 (V notch charpy impact specimen) 으로 평가하였다.

재현 용접 열 영향부에 있어서의 구오스테나이트 입경은, 나이탈 에칭 (naital etching) 에 의해 미크로 조직을 나타낸 후, 광학 현미경의 100 배 사진 5 장을 트레이스한 후, 각각 화상 해석 (imaging analysis) 을 실시하고, 그 원상당 직경의 평균값을 산출하였다. 재현 용접 열 영향부에 있어서의 도상 마텐자이트의 면적 분율은, 2 단 에칭법 (two-step etching method) 에 의해 도상 마텐자이트를 나타낸 후, SEM 의 2000 배의 사진 5 장을 트레이스 (trace) 한 후, 각각 화상 해석을 실시하고, 그 평균값을 산출하였다.

표 2 및 도 1 에 구오스테나이트 입경, 도상 마텐자이트의 면적 분율과 재현 용접 열 영향부의 인성을 모재의 기계적 성질과 함께 나타낸다. 표 2 및 도 1 로부터, 발명예에서는 모두 구오스테나이트 입경이 200 ㎛ 이하, 도상 마텐자이트 면적 분율이 1.0 ％ 이하로 되어 있고, 양호한 재현 용접 열 영향부 인성이 얻어졌다.

이에 반해, 비교예에서는 구오스테나이트 입경이 200 ㎛ 를 초과하거나, 혹은 도상 마텐자이트의 면적 분율이 1.0 ％ 를 초과함으로써 재현 용접 열 영향부의 인성이 떨어졌다. 이들 비교예는, C, Si, Mn, P, Al, Nb, Ti, B, N, Ceq (IIW), 선택 원소 중 하나인 Cr 등의 값이 본 발명 범위를 벗어나는 것이었다.

또한, 참고로, 본 발명예에 있어서 열 영향부의 -10 ℃ 및 -40 ℃ 에 있어서의 흡수 에너지 (각각, vE_-10, vE_-40 으로도 표기한다) 에 대해서도 측정하였다. -10 ℃ 에 있어서의 열 영향부의 흡수 에너지 vE_-10 은 257 ∼ 297 J 이고, -40 ℃ 에 있어서의 열 영향부의 흡수 에너지 vE_-40 은 217 ∼ 242 J 였다. 이들 흡수 에너지는 모두 특허문헌 2, 3, 4, 5 및 7 의 실시예에 개시된 발명강의 본드부 근방의 열 영향부의 흡수 에너지보다 높고, 본 발명예에 있어서 우수한 용접부 인성이 얻어진 것을 확인할 수 있었다.

[표 1-1]

[표 1-2]

[표 2]

Claims

C : 0.03 ∼ 0.08 mass％, Si : 0.01 ∼ 0.15 mass％, Mn : 1.8 ∼ 2.6 mass％, P : 0.008 mass％ 이하, S : 0.0005 ∼ 0.0040 mass％, Al : 0.005 mass％ 이하, Nb : 0.003 ∼ 0.03 mass％, Ti : 0.005 ∼ 0.030 mass％, N : 0.0050 ∼ 0.0080 mass％, B : 0.0003 ∼ 0.0025 mass％, Ceq (IIW) 가 0.33 ∼ 0.45, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 화학 성분을 갖고, 용접 입열량이 300 kJ/㎝ 를 초과하는 대입열 용접을 실시하였을 때의 본드 근방의 열 영향부 조직에 있어서, 구오스테나이트 입경이 200 ㎛ 이하, 도상 마텐자이트 면적 분율이 1.0 ％ 이하인 대입열 용접용 강재.
단, Ceq (IIW) ＝ C ＋ Mn/6 ＋ (Cr ＋ Mo ＋ V)/5 ＋ (Cu ＋ Ni)/15 이고, 각 원소 기호는 각 원소의 함유량 (mass％) 을 나타낸다.
제 1 항에 있어서,
화학 성분에 추가로 V : 0.2 mass％ 이하를 함유하는 대입열 용접용 강재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
화학 성분에 추가로 Cu : 1.0 mass％ 이하, Ni : 1.0 mass％ 이하, Cr : 0.4 mass％ 이하 및 Mo : 0.4 mass％ 이하 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 대입열 용접용 강재.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
화학 성분에 추가로 Ca : 0.0005 ∼ 0.0050 mass％, Mg : 0.0005 ∼ 0.0050 mass％, Zr : 0.001 ∼ 0.02 mass％, REM : 0.001 ∼ 0.02 mass％ 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 대입열 용접용 강재.