KR20180073207A - 저온인성과 암모니아 응력부식균열(scc) 저항성이 우수한 고강도 저항복비 강재 및 그 제조방법 - Google Patents

저온인성과 암모니아 응력부식균열(scc) 저항성이 우수한 고강도 저항복비 강재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

대입열 용접 특성이 우수한 고강도 저항복비 강재 및 그 제조방법이 제공된다.
본 발명의 강재는, 중량%로, 탄소(C): 0.02~0.10%, 망간(Mn): 0.5~2.0%, 실리콘(Si): 0.05~0.5%, 니켈(Ni): 0.05~1.0%, 타타늄(Ti): 0.005~0.1%, 알루미늄(Al): 0.005~0.5%, 나이오븀(Nb): 0.003%이하, 인(P): 0.015% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고; 그 미세조직이 Acicular Ferrite를 60% 이상과, Bainite, Polygonal Ferrite 및 MA(마르텐사이트/오스테나이트) 중 선택된 1종 이상을 40% 이하로 포함하며, 상기 MA(마르텐사이트/오스테나이트)상의 분율이 10%이하이고 그 원상당 직경이 5㎛ 이하이다.

Description

저온인성과 암모니아 응력부식균열(SCC) 저항성이 우수한 고강도 저항복비 강재 및 그 제조방법{High strength steel sheet havig good low temperature toughness and resistance of stress corrosion cracking, and manufacturing method thereof}
본 발명은 저온인성과 암모니아 응력부식균열(SCC) 저항성이 우수한 고강도 저항복비 저온용 강재의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 대입열 용접과 저항복비 특성을 가지며 저온인성과 암모니아 응력부식균열 (SCC:Stress Corrosion Cracking) 저항성이 우수한 고강도 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
액화 가스 저장용 탱크에 사용되는 강재는, 액화 가스의 종류에 따라 다르지만, 가스의 액화 온도는 일반적으로 상압에서는 저온(LPG의 경우, -52℃)이기 때문에 모재는 물론 용접부도 우수한 저온인성이 요구되어 왔다.
또한 액체 암모니아(LAG)는 강재의 응력 부식 균열(SCC)을 일으키는 것이 알려져 IGC CODE(International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk)에서는 산소 분압, 온도 등의 저조 시의 조업 조건을 규제하는 동시에, 강재의 Ni 함유량을 5% 이하로 제한하고, 실제 항복강도를 440MPa 이하로 제한하는 것을 규정하고 있다.
또한 가스 탱크(Gas Tank)용 강재를 용접하여 가스 탱크(Gas Tank)를 제조할 경우, 용접부의 응력제거가 중요한 부분을 차지한다. 이에, 용접부 응력을 제거하는 방법으로, 열처리에 의한 PWHT(Post Welding Heat Treatment) 방법이 있으며, 용접부에 정수압을 부가하는 등을 통해 응력을 제거하는 기계적 응력제거(MSR: Mechanical Stress Relief) 방법이 있다. 이 중, 기계적 응력제거(MSR) 방법을 이용하여 용접부 응력을 제거하는 경우에는 모재부에도 수압에 의한 변형이 가해지기 때문에, 모재의 항복비를 0.8 이하로 제한하고 있다. 이는, MSR을 이용하여 응력을 제거함에 있어서 고압의 수분사로 인해 모재부에 항복강도 이상의 변형이 가해질 경우, 항복강도와 인장강도 비가 높으면 항복발생 즉, 인장강도에 도달하여 파괴가 발생할 가능성이 있기 때문에, 항복강도와 인장강도의 차이가 크게 나도록 제한하는 것이다.
특히, 가스 탱크(Gas Tank)의 경우 기본적으로 대형화가 이루어져야 하므로 PWHT 방법에 의한 응력제거가 어려우며, 이에 따라 대부분의 조선사에서는 기계적 응력제거(MSR) 방법을 선호하고 있어 가스 탱크(Gas Tank)를 제조하기 위한 강재는 저항복비 특성이 요구된다.
이와 같이, 상기 LPG와 LAG를 혼재하는 탱크에서는 저온인성과 액체 암모니아로부터의 항복강도의 상한 규제에 수반하는 저항복비화의 동시 달성이 큰 과제가 되고 있다
한편 우수한 저온인성을 구현하기 위하여 6.5~12.0%의 Ni를 첨가하는 기술을 제안된바 있으며, 또한 특정 조성의 강을 담금질 뜨임 처리를 실시하여 템퍼드(Tempered) 마르텐사이트와 베이나이트를 혼용하는 기술이 제안된바 있다. 그러나 일반적으로 다량의 Ni을 첨가하게 되면 원자간 간격이 좁아 쉽게 변형이 되는 FCC 격자구조를 갖는 오스테나이트상이 많이 만들어지고 이렇게 쉽게 변형이 되는 FCC 격자구조에 반복적인 응력과 부식환경이 가해지면 쉽게 부식이 발생하여 균열이 발생하게 된다. 따라서 상기 발명은 높은 고가의 Ni 함량으로 경제성이 떨어지는 문제가 있고, 응력 부식 균열(SCC) 저항성의 저하를 유발할 수 있는 문제점을 지니고 있다.
또한 저항복비화를 구현하기 위하여 강판의 표층만 연화 처리하는 기술이 제안된 바가 있다. 그러나 이 기술은 저온인성과 저항복비화를 각각 달성할 수는 있으나, 저온인성과 저항복비화의 동시 달성이 어려운 문제점이 있다
한편, 강재에 요구되는 또 하나의 특성인 강재의 강도를 향상시키는 방법으로는 석출강화, 고용강화, 마르텐사이트(Martensite) 강화 등이 있으나, 이러한 방법들은 강도를 향상시키는 반면에 인성과 연신율을 열화시키는 문제점이 있다.
또한 다양한 제조조건의 적용으로 결정립을 미세화시켜 강도를 강화시키는 경우에는 고강도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 충격인성 천이온도의 감소로 인하여 인성 열화를 방지할 수 있으나 결정립 미세화에 의한 항복강도의 상승으로 암모니아 응력부식(SCC) 발생이 되는 항복강도 상한 440MPa을 초과하게 되고, 저항복비 확보가 어려운 문제점이 있다.
한국 특허공개 2009-0049030(2009.05.15 공개)
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 한계를 극복하기 위한 것으로, 저항복비 특성을 지니고 저온인성이 우수하며 암모니아 응력부식균열 (SCC:Stress Corrosion Cracking) 저항성이 우수한 고강도 강재 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
중량%로, 탄소(C): 0.02~0.10%, 망간(Mn): 0.5~2.0%, 실리콘(Si): 0.05~0.5%, 니켈(Ni): 0.05~1.0%, 타타늄(Ti): 0.005~0.1%, 알루미늄(Al): 0.005~0.5%, 나이오븀(Nb): 0.003%이하, 인(P): 0.015% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고;
그 미세조직이 Acicular Ferrite를 60% 이상과, Bainite, Polygonal Ferrite 및 MA(마르텐사이트/오스테나이트) 중 선택된 1종 이상을 40% 이하로 포함하며, 상기 MA(마르텐사이트/오스테나이트)상의 분율이 10%이하이고 그 원상당 직경이 5㎛ 이하인 저온인성과 암모니아 응력부식균열 (SCC:Stress Corrosion Cracking) 저항성이 우수한 고강도 저항복비 강재에 관한 것이다.
상기의 강재는 항복비(YP/TS)가 0.85 이하, 바람직하게는 0.8 이하일 수 있다.
또한 상기의 강재는 강재의 두께 방향으로 강재두께 1/4t부에 있어서 샤르피 천이온도가 -60℃ 이하인 것이 바람직하다.
또한 본 발명은,
중량%로, 탄소(C): 0.02~0.10%, 망간(Mn): 0.5~2.0%, 실리콘(Si): 0.05~0.5%, 니켈(Ni): 0.05~1.0%, 타타늄(Ti): 0.005~0.1%, 알루미늄(Al): 0.005~0.5%, 나이오븀(Nb): 0.003%이하, 인(P): 0.015% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1000~1200℃로 재가열하는 공정;
상기 재가열한 슬라브를 1100~900℃의 온도에서 조압연하는 공정;
상기 조압연된 바(bar)를 중심부 온도를 기준으로 Ar3 + 100℃ ~ Ar3 + 30℃ 사이의 온도에서 마무리 압연하는 공정;
상기 압연 후 강판을 Ar3 + 30℃ ~ Ar3 온도 정도에서 냉각을 시작하여 하기 관계식 1에 의해 정의되는 Bs온도까지 강판의 중심부 냉각속도가 15℃/s 이상이 되도록 1차 냉각하는 공정;
상기 1차 냉각된 강재를 하기 관계식 1에 의해 정의되는 Bs온도에서 냉각을 시작하여 300℃ 이하의 온도까지 강판의 중심부 냉각속도가 10℃/s ~ 50℃/s가 되도록 2차 냉각하는 공정;을 포함하는 저온인성과 암모니아 응력부식균열 (SCC:Stress Corrosion Cracking) 저항성이 우수한 고강도 저항복비 강재 제조방법에 관한 것이다.
[관계식 1]
Bs=830℃-(270×C)-(90×Mn)-(37×Ni)
본 발명에서 상기 2차 냉각공정으로 얻어지는 강재의 미세조직은, Acicular Ferrite를 60% 이상, 그리고 Bainite, Polygonal Ferrite 및 MA(마르텐사이트/오스테나이트) 중 선택된 1 종 이상으로 이루어진 미세조직이 40% 이하를 포함하며, 상기 MA(마르텐사이트/오스테나이트)상의 분율이 10%이하이고 그 원상당 직경이 5㎛ 이하일 수 있다.
상술한 구성의 본 발명에 따르면, 저온인성이 우수하며 암모니아 응력부식균열 (SCC:Stress Corrosion Cracking) 저항성이 우수한 고강도 저항복비 강재를 효과적으로 얻을 수 있다.
도 1은 냉각속도에 따른 강판의 1/4t부를 광학현미경으로 관찰한 사진을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 암모니아 응력부식균열(SCC) 특성을 평가하기 위한 Proof Ring 시험편을 보이는 그림이다.
이하, 본 발명을 설명한다.
본 발명자들은 저항복비 특성을 지니고 저온인성이 우수하며 암모니아 응력부식균열 (SCC:Stress Corrosion Cracking) 저항성이 우수한 고강도 강재를 개발하기 위하여 연구를 거듭하였으며, 그 결과, 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 나이오븀(Nb), 알루미늄(Al), 인(P), 황(S), 철(Fe)을 특별한 성분비로 포함하며, Acicular Ferrite 및 Bainite, Polygonal Ferrite, MA(마르텐사이트/오스테나이트)를 포함하는 특별한 복합조직을 가지는 강판의 경우, 암모니아 응력부식균열(SCC) 저항성이 우수하고, 나아가 저온인성과 동시에 저항복비를 가질 수 있는 강재를 제조할 수 있음을 본 발명을 제시하는 것이다.
구제적으로, 본 발명의 강재는, 중량%로, 탄소(C): 0.02~0.10%, 망간(Mn): 0.5~2.0%, 실리콘(Si): 0.05~0.5%, 니켈(Ni): 0.05~1.0%, 타타늄(Ti): 0.005~0.1%, 알루미늄(Al): 0.005~0.5%, 나이오븀(Nb): 0.003%이하, 인(P): 0.015% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하여 조성된다.
그리고 상기 강재는 그 미세조직이 Acicular Ferrite를 60% 이상과, Bainite, Polygonal Ferrite 및 MA(마르텐사이트/오스테나이트) 중 선택된 1 종 이상을 40% 이하로 포함하며, 상기 MA(마르텐사이트/오스테나이트)상의 분율이 10%이하이고 그 원상당직경이 5㎛ 이하이다.
먼저, 본 발명의 강 조성성분 및 그 함량 제한사유를 설명한다.
C(탄소): 0.02~0.10%(이하, 각 성분의 함량은 중량%를 의미함)
C는 기본적인 강도를 확보하는데 가장 중요한 원소이므로 적절한 범위 내에서 강 중에 함유될 필요가 있으며, 이러한 첨가효과를 얻기 위해서는 C은 0.02%이상 첨가하는 것이 바람직하다.
C 함량이 0.02% 미만일 경우 강도의 하락과 함께 항복비의 저하를 초래하므로 바람직하지 못하다. 반면 C 함량이 0.10%를 초과하게 되면, Bainite 등과 같은 저온 변태상의 다량 생성 등으로 암모니아 응력부식균열(SCC)을 유발시킬 수 있는 항복강도 상한을 초과할 수 있다.
이를 고려하여, 본 발명에서는 상기 C의 함량은 0.02~0.10%로 제한하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.05 ~ 0.08% 범위로 제한하는 것이다.
Si: 0.05~0.5%
실리콘은 고용강화 효과로 강도를 강화시키는 효과가 있으며, 제강공정에서는 탈산제로도 유용하게 사용되는 원소이다. 이러한 실리콘의 함량이 0.5%를 초과되면 저온인성을 저하시키며 동시에 용접성도 악화시키므로 그 함량을 0.5% 이하로 제한할 필요가 있다. 다만 그 함량이 0.05% 미만으로 되면 탈산 효과가 불충분하며 강도 향상효과도 얻을 수 없으므로 바람직하지 못하다.
따라서 본 발명에서는 상기 실리콘의 함량은 0.05 ~ 0.5%로 제한하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.05 ~0.3% 범위로 제한하는 것이다.
Mn(망간): 0.5~2.0%
망간은 페라이트 세립화에 기여하며, 고용강화에 의해 강도를 향상시키는데 유용한 원소이다. 따라서 이러한 망간의 효과를 얻기 위해서는 0.5% 이상으로 첨가될 필요가 있다. 다만 그 함량이 2.0%를 초과할 경우에는 경화능이 과도하게 증가하여 상부 베이나이트(Upper bainite) 및 마르텐사이트 생성을 촉진하여 충격인성 및 암모니아 응력부식균열(SCC) 저항성을 크게 저하시키며 용접 열영향부의 인성 또한 저하시킨다. 따라서 본 발명에서는 상기 Mn 함량은 0.5~2.0%로 한정하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1.0 ~ 1.5%로 제한하는 것이다.
Ni(니켈): 0.05~1.0%
Ni은 저온에서 전위의 교차슬립(Cross slip)을 용이하게 만들어 충격 인성을 향상시키고 경화능을 향상시켜 강도를 향상시키는데 중요한 원소로서, 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.05% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 그러나 상기 Ni을 다량 첨가할 경우 암모니아 응력부식균열(SCC)를 초래할 수 있고, 타 경화능 원소 대비 Ni의 비싼 원가로 인해　제조원가도 상승시킬 수 있으므로 상기 Ni 함량의 상한은 1.0%로 한정하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.2 ~ 0.5%로 그 함량을 제한하는 것이다.
Nb(니오븀): 0.003% 이하
Nb는 고온으로 재가열시에 고용된 Nb는 NbC의 형태로 매우 미세하게 석출되어 오스테나이트의 재결정을 억제하여 조직을 미세화시키는 효과가 있다. 그러나 항복강도를 지나치게 올릴 수 있어 암모니아 응력부식균열(SCC)을 유발시킬 수 있는 항복강도 상한을 초과할 수 있으므로 Nb는 0.003% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다
Ti(티타늄): 0.005~0.1%
티타늄은 강 중 산화물 및 질화물을 형성시켜 재가열시 결정립의 성장을 억제하여 저온인성을 크게 향상시킬 수 있으며, 또한 용접부 미세조직 미세화에 효과적이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 티타늄을 0.005% 이상으로 첨가될 필요가 있다. 다만 그 함량이 0.1%를 초과하는 경우에는 연주 노즐의 막힘이나 중심부 정출에 의해 저온인성이 감소하는 문제가 있다. 따라서 본 발명에서는 상기 티타늄의 함량을 0.005 ~ 0.1%로 제한하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.01~0.03% 로 제한하는 것이다.
Al(알루미늄): 0.005~0.5%
알루미늄은 용강을 탈산함에 유용한 원소로서, 이를 위해서는 0.005% 이상으로 첨가될 필요가 있다. 다만 그 함량이 0.5%를 초과하는 경우에는 연속주조시 노즐 막힘을 야기하므로 바람직하지 못하다. 따라서 본 발명에서는 상기 알루미늄의 함량을 0.005 ~ 0.5%로 제한하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.005 ~ 0.05%로 제한하는 것이다.
P(인): 0.015% 이하
인은 모재와 용접부에서 입계 편석을 일으키는 원소로서, 강을 취화시키는 문제를 발생시키므로 적극적으로 저감할 필요가 있다. 다만 이러한 인을 극한까지 저감시키기 위해서는 제강공정의 부하가 심화되고, 인의 함량이 0.015% 이하에서는 상술한 문제점이 크게 발생하지는 않으므로 그 상한을 0.015%, 보다 바람직하게는 0.010 중량%로 제한한다.
S(황): 0.015% 이하
황(S)은 적열취성을 일으키는 원소로서 MnS 등을 형성하여 충격 인성을 크게 저해하는 원소이므로 가능한 낮게 제어함이 바람직하다. 본 발명에서는 황의 함량을 0.015% 이하, 보다 바람직하게는 0.005중량% 이하로 제한하는 것이다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
다음으로, 본 발명 강재의 미세조직에 관하여 설명한다.
본 발명의 강재 미세조직은 도 1-(2) 나타난 바와 같이, Acicular Ferrite 와, Bainite, Polygonal Ferrite 및 MA(마르텐사이트/오스테나이트)를 포함하는 복합조직이다. 구체적으로는, 면적 분율로 Acicular Ferrite 60% 이상과, Bainite, Polygonal Ferrite 및 MA(마르텐사이트/오스테나이트) 중 선택된 1 종 이상을 40% 이하로 포함된 복합조직이다.
본 발명에서 상기 Acicular Ferrite는 결정 입경이 30㎛ 이하가 바람직하다.
상기 Bainite는 granular bainite와 upper bainite가 바람직하다.
상기 Bainite 분율은 30% 이하인 것이 바람직하다. Bainite 분율이 30%를 초과할 경우 암모니아 응력부식균열(SCC) 유발시킬 수 있는 항복강도 상한(440MPa)을 초과하므로 Bainite 분율을 제한할 필요가 있다.
그리고 본 발명의 강판은 Bainite, Polygonal Ferrite 및 MA(마르텐사이트/오스테나이트) 중 선택된 1 종 이상을 40% 이하로 포함하는 조직을 가진다.
한편 본 발명에서는 상기 MA(마르텐사이트/오스테나이트)의 분율이 10% 이하인 것이 바람직하다. 그리고 상기 MA의 원상당 직경이 5㎛이하인 것이 바람직하다. 만일 MA(마르텐사이트/오스테나이트)상의 분율이 10%를 초과하거나, 원상당 직경이 5㎛를 초과하게 되면 모재 및 용접부 인성이 크게 저하되는 경향이 있으므로 MA상의 분율 및 크기를 제한할 필요가 있다.
한편 상기와 같은 강조성성분과 미세조직을 갖는 본 발명의 강재는 항복비(YP/TS)가 0.85 이하, 바람직하게는 0.8 이하일 수 있다.
그리고 상기 강재는 인장강도가 490MPa 이상, 예컨대 510~610MPa 정도로 인장강도가 우수하다.
또한 상기 강재 항복강도의 상한은 440MPa 이하로서 암모니아 응력부식균열(SCC)를 발생시키는 항복강도의 상한을 초과하지 않으므로 암모니아 응력부식균열(SCC) 저항성이 우수하다.
또한 상기의 강재는 강재의 두께 방향으로 강재두께 1/4t부에 있어서 샤르피 천이온도가 -60℃ 이하로 저온인성이 우수하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 강재는 고강도, 저온인성과 저항복비, 암모니아 응력부식균열(SCC) 저항성을 모두 확보할 수 있다.
이하, 본 발명의 저온인성이 우수하며 암모니아 응력부식균열 (SCC:Stress Corrosion Cracking) 저항성이 우수한 고강도 저항복비 강재의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 강재 제조방법은, 중량%로, 탄소(C): 0.02~0.10%, 망간(Mn): 0.5~2.0%, 실리콘(Si): 0.05~0.5%, 니켈(Ni): 0.05~1.0%, 타타늄(Ti): 0.005~0.1%, 알루미늄(Al): 0.005~0.5%, 나이오븀(Nb): 0.003%이하, 인(P): 0.015% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1000~1200℃로 재가열하는 공정; 상기 재가열한 슬라브를 1100~900℃의 온도에서 조압연하는 공정; 상기 조압연된 바(bar)를 중심부 온도를 기준으로 Ar3 + 100℃ ~ Ar3 + 30℃ 사이의 온도에서 마무리 압연하는 공정; 상기 압연 후 강판을 Ar3 + 30℃ ~ Ar3 온도 정도에서 냉각을 시작하여 하기 관계식 1에 의해 정의되는 Bs온도까지 강판의 중심부 냉각속도가 15℃/s 이상이 되도록 1차 냉각하는 공정; 및 상기 1차 냉각된 강재를 하기 관계식 1에 의해 정의되는 Bs온도에서 냉각을 시작하여 300℃ 이하의 온도까지 강판의 중심부 냉각속도가 10℃/s ~ 50℃/s가 되도록 2차 냉각하는 공정;을 포함한다.
[슬라브 재가열]
본 발명에서는 먼저 상술한 바와 같은 조성성분을 갖는 강 슬라브를 마련한 후, 이를 재가열한다.
상기 슬라브 재가열온도는 1000℃ 이상으로 하는 것이 바람직한데, 이는 주조중에 형성된 Ti 탄질화물을 고용시키기 위함이다. 또한 슬라브 가열온도가 너무 낮으면 압연시 변형저항이 너무 높아 후속되는 압연공정에서 패스당 압하율을 크게 가할 수 없기 때문에 그 하한을 1000℃로 제한하는 것이 바람직하다. 다만 과다하게 높은 온도로 재가열할 경우에는 오스테나이트가 조대화되어 인성을 저하시킬 우려가 있으므로, 상기 재가열온도의 상한은 1200℃인 것이 바람직하다.
[조압연]
상기 재가열된 슬라브를 조압연된다.
조압연 온도는 오스테나이트의 재결정이 멈추는 온도(Tnr) 이상으로 하는 것이 바람직하다. 압연에 의해 주조중에 형성된 덴드라이트 등 주조조직이 파괴되고 오스테나이트의 크기를 작게 하는 효과도 얻을 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 조압연 온도를 1100~900℃로 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 조 압연시 중심부까지 충분히 변형을 주기 위해, 조압연 시 마지막 3 패스에 대해서는 패스 당 압하율을 10% 이상, 총 누적 압하율이 30% 이상이 되도록 함이 바람직하다.
조압연 시 초기 압연으로 인해　재결정된 조직은 높은 온도로 인해　결정립 성장이 일어나게 되지만, 마지막 3패스를 실시할 때에는 압연 대기 중 바가 공냉됨에 따라　결정립 성장　속도가　느려지게 되며, 이로 인해 조압연 시 마지막 3 패스의 압하율이 최종 미세조직의 입도에 가장 크게 미치게 된다.
또한 조압연의 패스당 압하율이 낮아지게 될 경우 중심부에 충분한 변형이 전달되지 않아 중심부 조대화로 인한 인성 저하가 발생할 수 있다. 따라서 마지막 3 패스의 패스당 압하율을 10% 이상으로 제한하는 것이 바람직하다.
한편, 중심부의 조직의 미세화를 위하여 조압연 시 총 누적 압하율은 30% 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.
[마무리 압연]
상기 조압연된 바를 Ar3(페라이트 변태 개시 온도)+ 100℃ ~ Ar3 + 30℃ 에서 마무리 열간 압연하여 열연 강재를 얻는다.
이는 보다 미세화된 미세조직을 얻기 위해서이며, Ar3+ 30℃ 온도에서 압연을 실시할 경우 오스테나이트 내부에 변형띠를 다량 생성시켜 페라이트 핵생성처를 다량 확보함으로써 강재의 중심부까지 미세한 조직이 확보되는 효과를 얻을 수 있다.
또한 오스테나이트 내부에 변형띠를 효과적으로 다량 생성시키기 위하여 마무리 압연 시 누적 압하율을 60% 이상으로 유지하고, 최종 형상 고르기 압연을 제외한 패스당 압하율을 10% 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.
상기 마무리 압연온도를 Ar3 +30℃ 미만으로 낮출 경우 페라이트 결정립도가 지나치게 미세해져 암모니아 응력부식균열(SCC) 발생시키는 항복강도 상한(440MPa)을 초과하게 되며, Ar3 +100℃ 초과에서 마무리 압연 될 경우 입도 미세화에 효과적이지 못하므로, 마무리 압연 온도를 Ar3 +100℃ ~ Ar3 +30℃ 사이에서 실시하는 것이 바람직하며, 이러한 조건의 마무리 압연을 수행해야 제조되는 강판의 미세조직이 상술한 복합조직을 얻을 수 있다.
[다단 냉각]
상기 마무리 열간 압연 후 냉각을 실시한다.
본 발명의 구현을 위해서 냉각공정이 가장 중요한 공정이며, 아래와 같은 다단 냉각공정을 이용함을 특징으로 한다.
구체적으로 본 발명에서는, 상기 마무리 압연 후 강판을 Ar3 + 30℃ ~ Ar3 온도 정도에서 냉각을 시작하여 하기 관계식 1에 의해 정의되는 Bs온도까지 강판의 중심부 냉각속도가 15℃/s 이상이 되도록 1차 냉각한다.
[관계식 1]
Bs=830℃-(270×C)-(90×Mn)-(37×Ni)
상기 1차 냉각공정에서 Ar3 + 30℃ ~ Ar3 온도에서 Bs 온도까지 상기 강판의 중심부 냉각속도가 15℃/s 보다 낮을 경우 조대한 Polygonal Ferrite를 형성시켜 인장강도 및 충격인성을 저하시킬 가능성이 있다.
이어, 본 발명에서는 상기 1차 냉각된 강판을 상기 관계식 1에 의해 정의되는 Bsd 온도에서 냉각을 시작하여 300℃(FCT, Finish Cooling Temperature) 이하까지 상기 강판의 중심부 냉각속도가 10℃/s ~ 50℃/s가 되도록 2차 냉각한다.
상기 2차 냉각공정에서 상기 강판의 냉각속도가 50℃/s를 초과할 경우, 도 1-(1)의 미세조직과 같이 Bainite 분율이 30% 이상 형성되어 암모니아 응력부식균열(SCC)을 발생시키는 항복강도 상한(440MPa)을 초과하게 되며, 지나친 강도의 상승으로 연신율 및 충격인성을 저하시킬 가능성이 있다.
반면 상기 2차 냉각공정에서 상기 강판의 냉각속도가 10℃/s 미만일 경우, 도면 1-(3)의 미세조직과 같이 미세한 Acicular Ferrite가 아닌 조대한 Polygonal Ferrite와 Pearlite가 형성되어 인장강도가 490MPa 이하 및 샤르피 천이온도가 -60℃ 이상으로 될 가능성이 있다.
한편 본 발명에서는 상기와 같이 냉각종료온도(FCT, Finish Cooling Temperature)를 300℃ 이하, 예컨대 100~300℃ 범위로 냉각하는 것이 바람직하다. 만일 냉각종료온도가 300℃를 초과하면 Tempering 효과에 의해서 미세한 MA상이 분해되어 저항복비를 구현하기 어려울 가능성이 있기 때문이다.
상술한 바와 같은 다단 냉각공정을 거친 본 발명의 강재는, 그 미세조직이 Acicular Ferrite를 60% 이상과, Bainite, Polygonal Ferrite 및 MA(마르텐사이트/오스테나이트) 중 선택된 1 종 이상을 40% 이하로 포함하며, 상기 MA(마르텐사이트/오스테나이트)상의 분율이 10%이하이고 그 원상당 직경이 5㎛ 이하인 저온인성과 암모니아 응력부식균열 (SCC:Stress Corrosion Cracking) 저항성이 우수한 고강도 저항복비 강재를 제공할 수 있다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
(실시예)
하기 표 1의 조성을 갖는 300mm 강 슬라브를 1100℃의 온도로 재가열한 후, 1050℃의 온도에서 조압연을 실시하여 바를 제조하였다. 조압연 시 누적 압하율은 30%로 동일하게 적용하였다.
상기 조압연 후, 표 2에 나타난 바와 같은 온도에서 마무리 압연을 행하여 하기 표 2의 두께를 갖는 강판을 얻은 다음, 다단 냉각을 통하여 다양한 냉각속도로 냉각을 수행하였다.
상기와 같이 제조된 강판에 대하여 미세조직, 항복강도, 인장 강도, 항복비, 샤르피 충격 천이온도 및 암모니아 응력부식균열(SCC) 시험을 수행하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.
먼저, 강 미세조직은 강판의 1/4t 부위로부터 시편을 채취한 후 경면 연마하고, 이것을 Nital 부식액을 이용하여 부식시킨 후 광학현미경을 이용하여 관찰 후 화상해석을 통하여 상분율을 구하였다.
또한 MA상의 분율은 1/4t 부위로부터 시편을 채취한 후 경면연마하고, 이것을 LePera 부식액을 이용하여 부식시킨 후 광학현미경을 이용하여 관찰 후 화상해석을 통하여 상분율을 구하였다.
또한 인장시험는 강판의 1/4t 부위로부터 압연방향에 수직한 방향으로 JIS4호 시편을 채취하여 상온에서 인장시험을 실시함으로써 항복강도, 인장강도, 항복비를 측정하였다.
또한 저온 충격 인성은 강판의 1/4t 부위로부터 압연방향에 수직한 방향으로 시편을 채취하여 V-노치 시험편을 제작한 후, -20~-100℃에서 샤르피 충격시험을 각 온도당 3회 시험하여 100J 이 되는 온도를 천이온도로 구하였다.
그리고 암모니아 응력부식균열(SCC) 시험은 도 2와 같은 시험편을 이용하여 하기 표 4와 같은 시험용액, 시험조건으로 수행하였으며, 이때 가해준 응력은 실재 항복응력의 80%를 가했으며, 720시간 동안 파단이 일어나지 않으면 통과, 그 전에 파단이 일어나면 불합격으로 평가하였다.
강종 강 조성성분(중량%)
C Si Mn Ni Ti Al Nb P(ppm) S(ppm)
발명강A 0.08 0.3 1.5 0.2 0.01 0.03 0.003 59 25
발명강B 0.072 0.27 1.32 0.34 0.012 0.024 0.001 46 31
비교강C 0.12 0.16 1.25 0.63 0.018 0.013 0.001 49 9
비교강D 0.062 0.32 2.11 0.65 0.011 0.026 0.002 55 17
비교강E 0.07 0.21 1.32 1.62 0.013 0.032 0.001 79 24
비교강F 0.069 0.23 1.41 0.52 0.021 0.033 0.035 81 33
구분 강
종		 마무리 압연온도(℃)
- Ar3 온도(℃)		 제품두께
(mm)		 1차 냉각
속도(℃/s)		 2차 냉각
속도(℃/s)		 냉각종료온도(℃)
발명예1 A 15 20 40 45 250
비교예1 A 150 20 38 25 280
비교예2 A -30 20 35 30 150
비교예3 A 30 30 8 15 240
비교예4 A 18 15 50 75 150
비교예5 A 50 35 15 7 300
비교예6 A 50 35 15 25 450
발명예2 B 10 9 52 30 210
바교예7 B 200 50 15 10 150
비교예8 B -55 9 50 45 150
비교예9 B 30 50 5 15 140
비교예10 B 18 10 55 80 210
비교예11 B 90 50 16 5 230
비교예12 B 45 12 54 44 420
비교예13 C 10 9 55 41 200
비교예14 D 15 12 52 35 150
비교예15 E 18 9 60 45 150
비교예16 F 10 8 65 48 150
구분
 강
종
 강 미세조직(면적%) 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 항복비
 충격 천이온도(℃)
 암모니아 응력부식 균열(SCC) 평가
AF B PF MA
발명예1 A 75 20 0 5 412 556 0.74 -78 합격
비교예1 A 32 5 55 8 355 446 0.80 -54 합격
비교예2 A 51 0 45 4 468 542 0.86 -72 불합격
비교예3 A 30 3 62 5 367 471 0.78 -48 합격
비교예4 A 36 60 0 4 510 632 0.81 -31 불합격
비교예5 A 23 0 75 2 322 451 0.71 -46 합격
비교예6 A 55 15 30 0 465 518 0.90 -51 합격
발명예2 B 80 12 0 8 424 563 0.75 -90 합격
비교예7 B 34 12 50 4 326 451 0.72 -44 합격
비교예8 B 68 0 30 2 543 612 0.89 -95 불합격
비교예9 B 35 5 58 2 325 425 0.76 -32 합격
비교예10 B 20 77 0 3 583 642 0.91 -65 불합격
비교예11 B 25 0 70 5 333 423 0.79 -62 합격
비교예12 B 60 28 12 0 486 521 0.93 -65 불합격
비교예13 C 42 56 0 2 512 680 0.75 -23 불합격
비교예14 D 30 68 0 2 543 625 0.87 -36 불합격
비교예15 E 70 15 0 15 435 552 0.79 -80 불합격
비교예16 F 78 2 15 5 556 612 0.91 -90 불합격
* 표 3에서 AF는 Acicular Ferrite, B는 Bainite, PF는 Polygonal ferrite, MA는 Martensite/Austenite를 나타낸다.
시험편 Proof Ring 시험편(도 2참조)
시험용액 액화암모니아
5중량% 칼바민산 암모니아 첨가
0.1% O2 첨가
시험온도 25℃
시험시간 720시간
상기 표 1-3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 강 성분조성 및 제조 조건을 만족하는 발명예 1-2의 경우, 고강도 및 고인성의 특성을 가질 뿐만 아니라 암모니아 응력부식균열 (SCC:Stress Corrosion Cracking) 저항성이 우수하며, 항복비가 0.8 이하로 저항복비 특성을 갖는 강재인 것을 확인할 수 있다. 특히, 발명예 1-2의 강재에 대해 현미경으로 각각 미세조직을 관찰하여 본 결과, 도 1-(2)에 나타낸 바와 같이, Acicular Ferrite 분율 60% 이상과, Bainite, Polygonal Ferrite 및 MA(마르텐사이트/오스테나이트) 중 선택된 1 이상을 40% 이하로 포함하고 있는 혼합조직임을 확인할 수 있었다.
이와 반하여, 강 성분조성은 본 발명을 만족하지만, 제조조건이 본 발명을 만족하지 않는 비교예 1, 3, 5, 7, 9 및 비교예 11의 강재들은 모두 Polygonal Ferrite 분율이 너무 높거나, Ferrite 결정립 사이즈가 너무 조대하여 인장 강도 및 저온인성의 확보가 불가능하였다.
또한 비교예 2, 4, 6, 8, 10 및 비교예 12의 강재들도 Bainite 분율이 너무 높게 생성되거나, MA 상이 전혀 생산되지 못함에 따라 암모니아 응력부식균열(SCC) 발생 가능한 항복강도 상한 440MPa를 초과함으로써 암모니아 응력부식균열을 발생시키며, 저항복비 및 저온인성 확보가 불가능하였다.
한편 강재 제조 조건은 본 발명 범위를 만족하지만, 강 성분조성이 본 발명을 만족하지 않는 비교예 13-16의 경우에도 Bainite 분율이 너무 높게 생성되거나, Acicular Ferrite 결정립 사이즈가 너무 작거나, MA상의 분율이 너무 높아짐에 따라 암모니아 응력부식균열(SCC) 발생 가능한 항복강도 상한 440MPa를 초과함으로써 암모니아 응력부식균열을 발생시키며, 저항복비 및 저온인성 확보가 불가능하였다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (5)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.02~0.10%, 망간(Mn): 0.5~2.0%, 실리콘(Si): 0.05~0.5%, 니켈(Ni): 0.05~1.0%, 타타늄(Ti): 0.005~0.1%, 알루미늄(Al): 0.005~0.5%, 나이오븀(Nb): 0.003%이하, 인(P): 0.015% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고;
    그 미세조직이 Acicular Ferrite를 60% 이상과, Bainite, Polygonal Ferrite 및 MA(마르텐사이트/오스테나이트) 중 선택된 1종 이상을 40% 이하로 포함하며, 상기 MA(마르텐사이트/오스테나이트)상의 분율이 10%이하이고 그 원상당 직경이 5㎛ 이하인 저온인성과 암모니아 응력부식균열(SCC) 저항성이 우수한 고강도 저항복비 강재.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 강재는 항복비(YP/TS)가 0.85 이하인 것을 특징으로 하는 저온인성과 암모니아 응력부식균열(SCC) 저항성이 우수한 고강도 저항복비 강재.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 강재는 강재의 두께 방향으로 강재두께 1/4t부에 있어서 샤르피 천이온도가 -60℃ 이하인 것을 특징으로 하는 저온인성과 암모니아 응력부식균열(SCC) 저항성이 우수한 고강도 저항복비 강재.
  4. 중량%로, 탄소(C): 0.02~0.10%, 망간(Mn): 0.5~2.0%, 실리콘(Si): 0.05~0.5%, 니켈(Ni): 0.05~1.0%, 타타늄(Ti): 0.005~0.1%, 알루미늄(Al): 0.005~0.5%, 나이오븀(Nb): 0.003%이하, 인(P): 0.015% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1000~1200℃로 재가열하는 공정;
    상기 재가열한 슬라브를 1100~900℃의 온도에서 조압연하는 공정;
    상기 조압연된 바(bar)를 중심부 온도를 기준으로 Ar3 + 100℃ ~ Ar3 + 30℃ 사이의 온도에서 마무리 압연하는 공정;
    상기 압연 후 강판을 Ar3 + 30℃ ~ Ar3 온도 정도에서 냉각을 시작하여 하기 관계식 1에 의해 정의되는 Bs온도까지 강판의 중심부 냉각속도가 15℃/s 이상이 되도록 1차 냉각하는 공정; 및
    상기 1차 냉각된 강재를 하기 관계식 1에 의해 정의되는 Bs온도에서 냉각을 시작하여 300℃ 이하의 온도까지 강판의 중심부 냉각속도가 10℃/s ~ 50℃/s가 되도록 2차 냉각하는 공정;을 포함하는 저온인성과 암모니아 응력부식균열 (SCC) 저항성이 우수한 고강도 저항복비 강재 제조방법.
    [관계식 1]
    Bs=830℃-(270×C)-(90×Mn)-(37×Ni)
  5. 제 4항에 있어서, 상기 2차 냉각공정으로 얻어지는 강재의 미세조직은, Acicular Ferrite를 60% 이상, 그리고 Bainite, Polygonal Ferrite 및 MA(마르텐사이트/오스테나이트) 중 선택된 1 종 이상으로 이루어진 미세조직이 40% 이하를 포함하며, 상기 MA(마르텐사이트/오스테나이트)상의 분율이 10%이하이고 그 원상당 직경이 5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 저온인성과 암모니아 응력부식균열 (SCC) 저항성이 우수한 고강도 저항복비 강재 제조방법.
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