KR20200047319A - 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재 및 그 제조방법 - Google Patents

항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재는, 중량%로, C: 0.2~0.5%, Mn: 20~28%, Si: 0.05~0.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.005% 이하, Al: 0.005~0.05%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 95면적% 이상의 오스테나이트를 미세조직으로 포함하되, 상기 미세조직의 결정립내 입계 분율이 7면적% 이상일 수 있다.

Description

항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재 및 그 제조방법 {High manganese austenitic steel having high yield strength and manufacturing method for the same}
본 발명은 오스테나이트계 고망간 강재 및 그 제조방법에 관한 것이며, 상세하게는 우수한 연성을 가지면서도 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
오스테나이트계 고망간 강재는 오스테나이트의 안정성을 높여주는 원소인 망간(Mn)과 탄소(C)의 함량을 조율하여 상온 또는 극저온의 환경에서도 오스테나이트가 안정하여 높은 인성을 가지는 특징이 있다.
그러나, 오스테나이트를 주 조직으로 가지는 고망간 강재의 경우, 저온에서도 연성 파괴의 특성으로 인해 저온 인성이 우수하다는 장점이 있으나, 고유의 결정구조인 면심입방구조로 인하여 강도, 특히 항복강도가 낮아 구조물의 설계 시 소재의 설계 두께를 낮추어 원가를 절감하는 데에는 기술적 한계가 있다.
따라서, 오스테나이트계 고 망간 강재의 강도를 증가시키기 위해 합금 원소의 첨가를 통한 고용강화, 석출물 형성 원소의 첨가를 통한 석출경화, 마무리 압연 온도 제어를 통한 팬케이킹(pancaking) 압연 등의 기술이 제안되었다. 하지만, 합금원소 첨가에 따른 경제적 비용 증가, 오스테나이트 내에서 석출물의 높은 고용한계 등으로 인한 석출물 생성에서의 한계, 마무리 압연 온도 제어를 통한 팬케이킹 압연 시 강도 증가에 따른 충격인성 하락 등의 문제점이 존재하므로, 고망간 강재의 강도 증가에 상당한 기술적 불이익이 뒤따르게 된다. 따라서, 경제적이면서도 효과적인 방법을 통해 일정 수준 이상의 연신율을 유지하면서도 고강도를 가지는 오스테나이트계 고망간 강재의 개발이 요구되는 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0075324호 (2015.07.03. 공개)
본 발명의 일 측면에 따르면 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재 및 그 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 않는다. 통상의 기술자라면 본 명세서의 전반적인 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재는, 중량%로, C: 0.2~0.5%, Mn: 20~28%, Si: 0.05~0.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.005% 이하, Al: 0.005~0.05%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 95면적% 이상의 오스테나이트를 미세조직으로 포함하되, 상기 미세조직의 결정립내 입계 분율이 7면적% 이상일 수 있다.
상기 강재는, 중량%로, 0.0005~0.01%의 B을 더 포함할 수 있다.
상기 강재는, 중량%로, 1.0% 이하의 Cu 및 5.0% 이하의 Cr 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 강재는 하기 관계식 1로 표현되는 적층결함에너지(SFE)가 10~19mJ/m2의 범위를 만족할 수 있다.
[관계식 1]
적층결함에너지(SFE) = -24.9 + 0.814*Mn + 44.3*C - 0.62*Si + 1.06*Cu + 7.9*Al - 0.555*Cr
(상기 관계식 1에서 Mn, C, Si, Cu, Al, Cr은 각 합금조성의 중량%를 의미함)
상기 오스테나이트의 결정립도는 5~150㎛일 수 있다.
상기 미세조직의 결정립내 입계 분율은 80면적% 이하일 수 있다.
상기 강재의 항복강도는 400MPa 이상, 인장강도는 800MPa 이상, 연신율은 30% 이상, -196℃에서의 샤르피 충격인성은 30J 이상(5mm 두께 기준)일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재ㅇ의 제조방법은, 중량%로, C: 0.2~0.5%, Mn: 20~28%, Si: 0.05~0.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.005% 이하, Al: 0.005~0.05%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 1050~1300℃의 온도범위에서 재가열하는 재가열 단계; 상기 재가열된 슬라브를 800~1050℃의 마무리 압연 온도로 열간압연하여 열연재를 제공하는 열간압연 단계; 상기 열연재를 10~100℃/s의 냉각속도로 600℃ 이하의 온도범위까지 가속냉각하는 냉각 단계; 및 25~400℃의 온도범위에서 0.1~10%의 압하율로 상기 가속냉각된 열연재를 약압하하는 약압하 단계를 포함할 수 있다.
상기 슬라브는, 중량%로, 0.0005~0.01%의 B을 더 포함할 수 있다.
상기 슬라브는, 중량%로, 1.0% 이하의 Cu 및 5.0% 이하의 Cr 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 슬라브는 하기 관계식 1로 표현되는 적층결함에너지(SFE)가 10~19mJ/m2의 범위를 만족할 수 있다.
[관계식 1]
적층결함에너지(SFE) = -24.9 + 0.814*Mn + 44.3*C - 0.62*Si + 1.06*Cu + 7.9*Al - 0.555*Cr
(상기 관계식 1에서 Mn, C, Si, Cu, Al, Cr은 각 성분함량의 중량%를 의미함)
상기 약압하 단계의 압하율은 1~5%일 수 있다.
상기 과제의 해결 수단은 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니며, 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 바람직한 일 측면에 따르면, 우수한 연성을 가지면서도 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 시편 1의 미세조직을 관찰한 결과이다.
도 2는 시편 10의 미세조직을 관찰한 결과이다.
본 발명은 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 이하에서는 본 발명의 바람직한 구현예들을 설명하고자 한다. 본 발명의 구현예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 구현예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 구현예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 본 발명을 더욱 상세하기 위하여 제공되는 것이다.
이하, 본 발명의 강 조성에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하, 특별히 달리 표시하지 않는 한 각 원소의 함량을 나타내는 %는 중량을 기준으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재는, 중량%로, C: 0.2~0.5%, Mn: 20~28%, Si: 0.05~0.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.005% 이하, Al: 0.005~0.05%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
탄소(C): 0.2~0.5%
탄소(C)는 강재의 오스테나이트를 안정화시키고, 고용강화에 의해 강도를 확보하는데 효과적인 원소이다. 따라서, 본 발명은 저온인성 및 강도 확보를 위하여 탄소(C) 함량의 하한을 0.2%로 제한할 수 있다. 즉, 탄소(C) 함량이 0.2% 미만인 경우, 오스테나이트의 안정도가 부족하여 극저온에서 안정한 오스테나이트를 얻을 수 없으며, 외부 응력에 의해 쉽게 ε-마르텐사이트 및 α'-마르텐사이트로 가공유기변태를 일으켜 강재의 인성 및 강도를 감소시킬 수 있기 때문이다. 보다 바람직한 탄소(C) 함량의 하한은 0.3%일 수 있다. 반면, 탄소(C) 함량이 일정 범위를 초과하는 경우, 탄화물 석출로 인하여 강재의 인성이 급격히 열화될 수 있으며, 강재의 강도가 지나치게 높아져 강재의 가공성이 현저히 저하될 수 있는바, 본 발명은 탄소(C) 함량의 상한을 0.5%로 제한할 수 있다. 보다 바람직한 탄소(C) 함량의 상한은 0.45%일 수 있다.
망간(Mn): 20~28%
망간(Mn)은 오스테나이트를 안정화시키는 역할을 하는 중요한 원소이므로, 본 발명은 이와 같은 효과 달성을 위해 망간(Mn) 함량의 하한을 20%로 제한할 수 있다. 즉, 본 발명은 20% 이상의 망간(Mn)을 포함하므로 오스테나이트 안정도를 효과적으로 증가시킬 수 있으며, 그에 따라 페라이트, ε-마르텐사이트 및 α'-마르텐사이트의 형성을 억제하여 강재의 저온인성을 효과적으로 확보할 수 있다. 바람직한 망간(Mn) 함량의 하한은 22%일 수 있으며, 보다 바람직한 망간(Mn) 함량의 하한은 23%일 수 있다. 반면, 망간(Mn) 함량이 일정 수준 범위를 초과하는 경우, 오스테나이트의 안정도 증가 효과는 포화되는 반면 제조원가가 크게 증가하고, 열간압연 중 내부산화가 과도하게 발생하여 표면품질이 열위해질 수 있는바, 본 발명은 망간(Mn) 함량의 상한을 28%로 제한할 수 있다. 바람직한 망간(Mn) 함량의 상한은 26%일 수 있으며, 보다 바람직한 망간(Mn) 함량의 상한은 25%일 수 있다.
규소(Si): 0.05~0.50%
규소(Si)는 알루미늄(Al)과 같이 탈산제로서 필수불가결하게 미량 첨가되는 원소이다. 다만, 규소(Si)가 과도하게 첨가되는 경우 입계에 산화물을 형성하여 고온연성을 감소시키고, 크랙 등을 유발하여 표면품질을 저하시킬 우려가 있는바, 본 발명은 규소(Si) 함량의 상한을 0.50%로 제한할 수 있다. 반면, 강 중에서 규소(Si) 함량을 줄이기 위해서는 과도한 비용이 소요되는바, 본 발명은 규소(Si) 함량의 하한을 0.05%로 제한할 수 있다. 따라서, 본 발명의 규소(Si) 함량은 0.05~0.50%일 수 있다.
인(P): 0.03% 이하
인(P)은 쉽게 편석되는 원소로서 주조 시 균열발생을 유발하거나, 용접성을 저하시키는 원소이다. 따라서, 본 발명은 주조성 악화 및 용접성 저하를 방지하기 위하여 인(P) 함량의 상한을 0.03%로 제한할 수 있다. 또한, 본 발명은 인(P) 함량의 하한을 특별히 제한하지는 않으나, 제강 부담을 고려하여 그 하한을 0.001%로 제한할 수도 있다.
황(S): 0.005% 이하
황(S)은 개재물 형성에 의해 열간취성 결함을 유발하는 원소이다. 따라서, 본 발명은 열간취성 발생을 억제하기 위하여 황(S) 함량의 상한을 0.005%로 제한할 수 있다. 또한, 본 발명은 황(S) 함량의 하한을 특별히 제한하지는 않으나, 제강 부담을 고려하여 그 하한을 0.0005%로 제한할 수도 있다.
알루미늄(Al): 0.05% 이하
알루미늄(Al)은 탈산제로 첨가되는 대표적인 원소이다. 따라서, 본 발명은 이와 같은 효과 달성을 위해 알루미늄(Al) 함량의 하한을 0.001%로 제한할 수 있으며, 보다 바람직하게는 알루미늄(Al) 함량의 하한을 0.005%로 제한할 수 있다. 다만, 알루미늄(Al)은 탄소(C) 및 질소(N)와 반응하여 석출물을 형성할 수 있으며, 이들 석출물에 의해 열간 가공성이 저하될 수 있는바, 본 발명은 알루미늄(Al) 함량의 상한을 0.05%로 제한할 수 있다. 보다 바람직한 알루미늄(Al)의 함량의 상한은 0.045%일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고 망간 강재는, 중량%로, 0.0005~0.01%의 B을 더 포함할 수 있으며, 또한, 1.0% 이하의 Cu 및 5.0% 이하의 Cr 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수도 있다.
구리(Cu): 1% 이하
구리(Cu)는 망간(Mn) 및 탄소(C)와 더불어 오스테나이트를 안정화시키는 원소로서, 강재의 저온인성 향상에 기여하는 원소이다. 또한, 구리(Cu)는 탄화물 내 고용도가 매우 낮고 오스테나이트 내에서의 확산이 느린 원소이므로, 오스테나이트와 탄화물의 계면에 농축되어 미세한 탄화물의 핵 주위를 둘러싸게 됨으로써 탄소(C)의 추가적인 확산에 따른 탄화물의 생성 및 성장을 효과적으로 억제하는 원소이다. 따라서, 저온인성 확보를 위해 구리(Cu)가 첨가될 수 있으며, 0%를 초과하여 구리(Cr)가 첨가될 수도 있다. 바람직한 구리(Cu) 함량의 하한은 0.3%일 수 있으며, 보다 바람직한 구리(Cu) 함량의 하한은 0.4%일 수 있다. 반면, 구리(Cu)의 함량이 1%를 초과하는 경우 강재의 열간가공성이 저하될 수 있는바, 본 발명은 구리(Cu) 함량의 상한을 1%로 제한할 수 있다. 바람직한 구리(Cu) 함량의 상한은 0.9%일 수 있으며, 보다 바람직한 구리(Cu) 함량의 상한은 0.7%일 수 있다.
크롬(Cr): 5.0% 이하
크롬(Cr)은 적정 첨가량의 범위까지는 오스테나이트를 안정화시켜 저온에서의 충격 인성 향상에 기여하며, 오스테나이트 내에 고용되어 강재의 강도를 증가시키는 윈소이다. 또한, 크롬은 강재의 내식성을 향상시키는 원소이기도 하다. 따라서, 이와 같은 효과를 달성하기 위하여 크롬(Cr)이 첨가될 수 있으며, 0%를 초과하여 크롬(Cr)이 첨가될 수도 있다. 바람직한 크롬(Cr) 함량의 하한은 1.2%일 수 있으며, 보다 바람직한 크롬(Cr) 함량의 하한은 2.5%일 수 있다. 다만, 크롬(Cr)은 탄화물 형성 원소로서, 오스테나이트 입계에 탄화물을 형성하여 저온 충격을 감소시키는 원소이기도 하므로, 본 발명은 탄소(C) 및 기타 함께 첨가되는 원소들과의 함량 관계를 고려하여 크롬(Cr) 함량의 상한을 5.0%로 제한할 수 있다. 바람직한 크롬(Cr) 함량의 상한은 4.5%일 수 있으며, 보다 바람직한 크롬(Cr) 함량의 상한은 4.0%일 수 있다.
붕소(B): 0.0005~0.01%
붕소(B)은 오스테나이트 입계를 강화하는 입계 강화 원소로서, 소량 첨가에 의하더라도 오스테나이트 입계를 강화하여 강재의 고온 균열 민감도를 효과적으로 낮출 수 있는 원소이다. 따라서, 이와 같은 효과를 달성하기 위하여, 본 발명은 0.0005% 이상의 붕소(B)를 첨가할 수 있다. 바람직한 붕소(B) 함량의 하한은 0.001%일 수 있으며, 보다 바람직한 붕소(B) 함량의 하한은 0.002%일 수 있다. 반면, 붕소(B)의 함량이 일정 범위를 초과하는 경우, 오스테나이트 입계에 편석을 유발하여 강재의 고온 균열 민감도를 증가시키므로, 강재의 표면 품질이 저하될 수 있는바, 본 발명은 붕소(B) 함량의 상한을 0.01%로 제한할 수 있다. 바람직한 붕소(B) 함량의 상한은 0.008%일 수 있으며, 보다 바람직한 붕소(B) 함량의 상한은 0.006%일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강은 상기한 성분 이외에 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 전면적으로 배제할 수는 없다. 이들 불순물은 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다. 더불어, 상기 조성 이외에 유효한 성분의 첨가가 배제되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면에 따른 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재는 95면적% 이상의 오스테나이트를 미세조직으로 포함할 수 있으며, 그에 따라 강재의 극저온인성을 효과적으로 확보할 수 있다. 오스테나이트의 평균 결정립도는 5~150㎛일 수 있다. 제조 공정상 구현 가능한 오스테나이트의 평균 결정립도는 5㎛ 이상이며, 평균 결정립도가 크게 증가하는 경우 강재의 강도 저하가 우려되는바, 오스테나이트의 결정립도는 150㎛ 이하로 제한될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재의 결정립내 입계 분율은 7면적% 이상일 수 있으며, 바람직한 결정립내 입계 분율은 10% 이상일 수 있다. 본 발명의 결정립내 입계는 후술하는 약압하 공정에서 새롭게 형성된 입계를 포함하는 의미로 해석될 수 있다. 즉, 슬라브 가열, 열간압연 및 냉각하는 일련의 공정에 의해 강재 내에 일정 결정립을 가지는 미세조직이 형성될 수 있으며, 경우에 따라 하나의 결정립 내에는 변형 조직이 극소량 형성될 수 있다. 본 발명의 경우, 냉각 이후에 약압하를 실시하므로, 결정립 내에 새로운 변형 조직이 다량 형성될 수 있으며, 본 발명의 결정립내 입계는 이와 같이 약압하 공정을 통해 결정립 내에 새롭게 도입된 입계를 포함하는 개념으로 해석될 수 있다. 또한, 본 발명의 결정립내 입계는 고경각입계 및 소경각입계를 모두 포함하는 개념으로 해석될 수도 있다. 본 발명의 오스테나이트계 고 망간 강재는 약압하 공정을 도입하여 제조되므로, 7면적% 이상의 결정립내 입계, 바람직하게는 10% 이상의 결정립내 입계가 형성며, 그에 따라 강재의 항복강도를 효과적으로 확보할 수 있다.
반면, 결정립내 입계가 과도하게 형성되는 경우, 강재의 항복강도는 증가하는 반면 강재의 연신율은 급격히 열위해지는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 본 발명은 강재의 항복강도 및 연신율의 양립을 위해 결정립내 입계 분율의 상한을 80면적%로 제한할 수 있다. 보다 바람직한 결정립내 입계 분율의 상한은 60면적%일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고 망간 강재는 오스테나이트 이외에 존재 가능한 조직으로서 탄화물 및/또는 ε-마르텐사이트를 포함할 수 있다. 탄화물 및/또는 ε-마르텐사이트의 분율이 일정 수준을 초과하는 경우, 강재의 인성 및 연성이 급격히 저하될 수 있는바, 본 발명은 탄화물 및/또는 ε-마르텐사이트의 분율을 5면적% 이하로 제한할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고 망간 강재는 하기 관계식 1로 표현되는 적층결함에너지(SFE)가 10~19mJ/m2의 범위를 만족하도록 합금 성분의 함량 범위를 제한할 수 있다.
[관계식 1]
적층결함에너지(SFE) = -24.9 + 0.814*Mn + 44.3*C - 0.62*Si + 1.06*Cu + 7.9*Al - 0.555*Cr
(상기 관계식 1에서 Mn, C, Si, Cu, Al, Cr은 각 성분함량의 중량%를 의미함)
관계식 1로 표현되는 적층결함에너지(SFE)가 10mJ/m2 미만인 경우, ε-마르텐사이트 및 α'-마르텐사이트가 형성될 수 있으며, 특히 α'-마르텐사이트가 발생하는 경우 저온 인성이 급격히 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 보다 바람직한 적층결함에너지(SFE)는 11mJ/m2 이상일 수 있다. 더불어, 관계식 1로 표현되는 적층결함에너지(SFE)가 증가할수록 오스테나이트의 안정도는 증가하나, 그 값이 19mJ/m2를 초과하는 경우, 합금 원소 첨가의 효율성에 비추어 볼 때 바람직하지 않다. 보다 바람직한 적층결함에너지(SFE)의 상한은 16mJ/m2일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고 망간 강재는 400MPa 이상의 항복강도, 800MPa 이상의 인장강도, 30% 이상의 연신율 및 -196℃ 기준 30J 이상(5mm 두께 기준)의 샤르피 충격인성을 구비하는바, 극저온 환경에 특히 적합한 구조용 강재를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 제조방법에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고 망간 강재의 제조방법은, 1050~1300℃의 온도범위에서 슬라브를 재가열하는 재가열 단계; 상기 재가열된 슬라브를 800~1050℃의 마무리 압연 온도로 열간압연하여 열연재를 제공하는 열간압연 단계; 상기 열연재를 1~100℃의 냉각속도로 600℃ 이하의 온도범위까지 냉각하는 냉각 단계; 및 25~400℃의 온도범위에서 0.1~10%의 압하율로 상기 냉각된 열연재를 약압하하는 약압하 단계를 포함할 수 있다.
슬라브 재가열
본 발명의 제조방법에 제공되는 슬라브는, 전술한 오스테나이트계 고망간 강재의 강 조성과 대응하므로, 슬라브의 강 조성 및 적층결함에너지(SFE)에 대한 설명은 전술한 오스테나이트계 고망간 강재의 강 조성 및 적층결함에너지(SFE)에 대한 설명으로 대신한다.
전술한 강 조성으로 제공되는 슬라브를 1050~1300℃의 온도범위에서 재가열 할 수 있다. 재가열 온도가 일정 범위 미만인 경우, 열간압연 중에 과도한 압연부하가 걸리는 문제가 발생하거나, 합금성분이 충분히 고용되지 않는 문제가 발생할 수 있는바, 본 발명은 슬라브 재가열 온도범위의 하한을 1050℃로 제한할 수 있다. 반면, 재가열 온도가 일정 범위를 초과하는 경우, 결정립이 과도하게 성장하여 강도가 저하되거나, 강재의 고상선 온도를 초과하여 재가열 됨으로써 강재의 열간압연성이 열위해질 우려가 있는바, 본 발명은 슬라브 재가열 온도범위의 상한을 1300℃로 제한할 수 있다.
열간압연
열간압연 공정은 조압연 공정 및 마무리 압연 공정을 포함하며, 재가열된 슬라브는 열간압연되어 열연재로 제공될 수 있다. 이때 열간 마무리 압연은 800~1050℃의 온도범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 열간 마무리 압연 온도가 일정 범위 미만인 경우 압연 하중 증가에 따른 과도한 압연부하가 문제될 수 있으며, 열간 마무리 압연 온도가 일정 범위를 초과하는 경우 결정립이 조대하게 성장하여 목표하는 강도를 얻을 수 없기 때문이다. 열간압연 시 압하율은 목적하는 강재의 두께에 따라 소정의 범위로 조절될 수 있다.
가속냉각
열간압연된 열연재는 1~100℃/s의 냉각속도로 600℃ 이하의 냉각정지 온도까지 냉각될 수 있다. 냉각속도가 일정 범위 미만인 경우 냉각 도중 입계에 석출된 탄화물에 의해 강재의 연성 감소 및 이로 인한 내마모성의 열화가 문제될 수 있으므로, 본 발명은 열연재의 냉각속도를 1℃/s 이상으로 제한할 수 있다. 바람직한 냉각속도 하한은 10℃/s일 수 있으며, 냉각방식은 가속냉각일 수 있다. 다만, 냉각속도가 빠를수록 탄화물 석출 억제 효과에는 유리하나, 통상의 냉각에 있어서 100℃/s를 초과하는 냉각속도는 설비 특성상 구현하기 어려운 사정을 고려하여, 본 발명은 냉각속도의 상한을 100℃/s로 제한할 수 있다.
또한, 10℃/s 이상의 냉각속도를 적용하여 열연재를 냉각하더라도, 높은 온도에서 냉각이 정지되는 경우 탄화물이 생성 및 성장될 가능성이 높으므로, 본 발명은 냉각 정지 온도를 600℃ 이하로 제한할 수 있다.
약압하
냉각 중인 열연재 또는 냉각이 종료된 열연재에 대해 25~400℃의 온도범위에서 0.1~10%의 압하율로 약압연하는 공정이 수반될 수 있다. 약압하 온도가 과도하게 낮은 경우, 약압하 중 ε- 마르텐사이트 또는 α'- 마르텐사이트로의 상변태 가능성이 존재하므로, 본 발명은 약압하 공정의 온도범위 하한을 25℃로 제한할 수 있으며, 압연 부하 저감 측면에서 보다 바람직한 약압하 공정의 온도범위 하한은 100℃일 수 있다. 약압하 온도가 과도하게 높은 경우, 목적하는 강도 향상 효과를 달성할 수 없으므로, 본 발명은 약압하 공정의 온도범위 상한을 400℃로 제한할 수 있다.
본 발명은 목적하는 강도 향상 효과를 달성하기 위하여 약압하의 압하율을 0.1% 이상으로 제한할 수 있다. 바람직한 약압하 압하율의 하한은 0.5%일 수 있으며, 보다 바람직한 약압하 압하율의 하한은 1.0%일 수 있다. 또한, 본 발명은 강재의 연신율 저하를 방지하기 위하여 약압하의 압하율을 10% 이하로 제한할 수 있다. 바람직한 약압하 압하율의 상한은 8%일 수 있으며, 보다 바람직한 약압하 압하율의 상한은 5%일 수 있다.
상기와 같이 제조된 오스테나이트계 고 망간 강재는 95면적% 이상의 오스테나이트를 미세조직으로 포함하고, 결정립내의 입계 분율이 7면적% 이상일 수 있으며, 400MPa 이상의 항복강도, 800MPa 이상의 인장강도, 30% 이상의 연신율 및 -196℃ 기준 30J 이상(5mm 두께 기준)의 샤르피 충격인성을 구비할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 후술하는 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것은 아니라는 점에 유의할 필요가 있다.
(실시예)
하기 표 1의 합금조성으로 구비되는 슬라브를 준비하였으며, 표 2의 제조공정을 적용하여 각 시편을 제작하였다. 표 1의 SFE는 관계식 1을 통해 산출된 적층결함에너지(mJ/m2)를 의미하며, 표 2의 시편 1, 6 및 11은 약압하를 적용하지 않은 경우의 시편을 의미한다.
구분 합금조성(중량%) SFE
(mJ/m2)
Mn C Si Cu Al Cr P S
강종1 23.57 0.41 0.300 0.418 0.0184 3.08 0.012 0.0015 11.1
강종2 24.36 0.44 0.265 0.505 0.0315 3.39 0.011 0.0016 13.16
강종3 22.1 0.385 0.22 0.2 0.026 1.95 0.012 0.0015 9.34
구분 슬라브 가열 열간압연 냉각 약압하
시편
No.		 강종 가열로 온도
(℃)		 추출
온도
(℃)		 마무리
압연
온도(℃)		 최종
두께
(mm)		 냉각
속도
(℃/s)		 냉각
정지
온도
(℃)		 판 온도
(℃)		 압하율
(%)
1 강종1 1186 1178 902 6 10 300 - -
2 강종1 1186 1178 902 6 10 300 25 1
3 강종1 1186 1178 902 6 10 300 25 3
4 강종1 1186 1178 902 6 10 300 25 5
5 강종1 1186 1178 902 6 10 300 25 10
6 강종2 1190 1182 895 8 12 310 - -
7 강종2 1190 1182 895 8 12 310 400 1
8 강종2 1190 1182 895 8 12 310 400 3
9 강종2 1190 1182 895 8 12 310 400 5
10 강종2 1190 1182 895 8 12 310 400 10
11 강종3 1216 1191 929 9 15 290 - -
각 시편의 미세조직, 인장특성 및 충격인성을 평가하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다. 각 시편의 미세조직은 SEM 및 EBSD를 이용하여 관찰하였으며, 입내 결정립도 분율은 EBSD의 Image Quality Map을 활용하여 측정하였다.
인장특성은 ASTM A370에 따라서 상온에서 시험을 진행하였으며, 충격인성도 동일 규격의 조건에 따라 5mm 두께의 충격시편으로 가공하여 -196℃에서 측정하였다.
구분 미세조직 인장특성 C 방향
충격인성
(J, @-196℃)
시편 No 강종 결정립내
입계분율
(면적%)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)
1 강종1 6.6 529 877 54 44
2 강종1 30.8 572 922 54 40
3 강종1 54.0 623 952 48 35
4 강종1 59.1 686 988 43 32
5 강종1 68.3 757 1063 34 25
6 강종2 3.5 468 871 61 46
7 강종2 15.9 503 891 60 45
8 강종2 39.2 550 901 58 43
9 강종2 50.5 612 913 54 40
10 강종2 56.7 722 981 48 33
11 강종3 3.1 417 917 53 18
표 1 내지 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 합금조성 및 공정 조건을 만족하는 시편 2 내지 5 및 시편 7 내지 10의 경우, 약압하를 실시하지 않는 시편 1 및 시편 6 대비 약 10% 이상의 수준으로 항복강도가 증가한 것을 확인할 수 있다.
도 1은 EBSD를 이용하여 시편 1의 미세조직을 관찰한 결과이다. 도 1의 (a)는 IPF map으로, 경계 내에서 동일한 명도(또는 채도)를 나타내는 것은 하나의 결정립을 의미하며, 상이한 명도(또는 채도)를 나타내는 것은 결정 방위가 상이한 것, 즉 상이한 결정립을 의미한다. 도 1의 (b)는 도 1의 (a)와 동일한 조직에 대한 IQ map으로, 결정립내에 다른 변형 조직이 거의 존재하지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 2는 EBSD를 이용하여 시편 10의 미세조직을 관찰한 결과이다. 도 2의 (a) 역시 IPF map으로, 경계 내에서 동일한 명도(또는 채도)를 나타내는 것은 하나의 결정립을 의미하며, 상이한 명도(또는 채도)를 나타내는 것은 결정 방위가 상이한 것, 즉 상이한 결정립을 의미한다. 도 2의 (b) 역시 도 2의 (a)와 동일한 조직에 대한 IQ map으로, 결정립 내에 변형 조직이 발생한 것을 확인할 수 있다. 도 2의 (c)는 도 2의 (b)의 화살표 길이에 따른 입계 각도를 나타내며, 선 A, B, C로부터 결정립 내부에 소각 및 고각 특성을 가지는 새로운 입계들이 발생한 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 2의 (a) 내지 (c)에 의해, 시편 10은 시편 1과 달리, 약압하 공정을 통해 결정립계에 새로운 입계가 다량 형성된 것을 확인할 수 있다.
이상에서 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 실시예들에 한정되지 않는다.

Claims (12)

  1. 중량%로, C: 0.2~0.5%, Mn: 20~28%, Si: 0.05~0.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.005% 이하, Al: 0.005~0.05%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    95면적% 이상의 오스테나이트를 미세조직으로 포함하되,
    상기 미세조직의 결정립내 입계 분율이 7면적% 이상인, 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강재는, 중량%로, 0.0005~0.01%의 B을 더 포함하는, 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강재는, 중량%로, 1.0% 이하의 Cu 및 5.0% 이하의 Cr 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는, 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 강재는 하기 관계식 1로 표현되는 적층결함에너지(SFE)가 10~19mJ/m2의 범위를 만족하는, 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재.
    [관계식 1]
    적층결함에너지(SFE) = -24.9 + 0.814*Mn + 44.3*C - 0.62*Si + 1.06*Cu + 7.9*Al - 0.555*Cr
    (상기 관계식 1에서 Mn, C, Si, Cu, Al, Cr은 각 합금조성의 중량%를 의미함)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오스테나이트의 결정립도는 5~150㎛인, 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미세조직의 결정립내 입계 분율은 80면적% 이하인, 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재
  7. 제1항에 있어서,
    상기 강재의 항복강도는 400MPa 이상, 인장강도는 800MPa 이상, 연신율은 30% 이상, -196℃에서의 샤르피 충격인성은 30J 이상(5mm 두께 기준)인, 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재.
  8. 중량%로, C: 0.2~0.5%, Mn: 20~28%, Si: 0.05~0.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.005% 이하, Al: 0.005~0.05%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 1050~1300℃의 온도범위에서 재가열하는 재가열 단계;
    상기 재가열된 슬라브를 800~1050℃의 마무리 압연 온도로 열간압연하여 열연재를 제공하는 열간압연 단계;
    상기 열연재를 10~100℃/s의 냉각속도로 600℃ 이하의 온도범위까지 가속냉각하는 냉각 단계; 및
    25~400℃의 온도범위에서 0.1~10%의 압하율로 상기 가속냉각된 열연재를 약압하하는 약압하 단계를 포함하는, 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 슬라브는, 중량%로, 0.0005~0.01%의 B을 더 포함하는, 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 슬라브는, 중량%로, 1.0% 이하의 Cu 및 5.0% 이하의 Cr 중에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는, 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 슬라브는 하기 관계식 1로 표현되는 적층결함에너지(SFE)가 10~19mJ/m2의 범위를 만족하는, 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재의 제조방법.
    [관계식 1]
    적층결함에너지(SFE) = -24.9 + 0.814*Mn + 44.3*C - 0.62*Si + 1.06*Cu + 7.9*Al - 0.555*Cr
    (상기 관계식 1에서 Mn, C, Si, Cu, Al, Cr은 각 성분함량의 중량%를 의미함)
  12. 제8항에 있어서,
    상기 약압하 단계의 압하율은 1~5%인, 항복강도가 우수한 오스테나이트계 고망간 강재의 제조방법.
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