KR20210099627A - 고강도 강 제품 및 그 제조 방법 - Google Patents

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톰미 리마타이넨
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Abstract

고강도 강 제품은, 중량%로, 0.02% 내지 0.05% C, 0.1% 내지 0.6% Si, 1.1% 내지 2.0% Mn, 0.01% 내지 0.15% Al, 0.01% 내지 0.08% Nb, 0.5% 이하의 Cu, 0.5% 이하의 Cr, 0.7% 이하의 Ni, 0.03% 이하의 Ti, 0.1% 이하의 Mo, 0.1% 이하의 V, 0.0005% 이하의 B, 0.015% 이하의 P, 0.005% 이하의 S로 이루어진 조성을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물이고, 강 제품은, 부피%로, 40% 내지 80% 준-다각형 페라이트, 20% 내지 40% 다각형 페라이트, 20% 이하의 베이나이트, 및 20% 이하의 펄라이트 및 마르텐사이트인 나머지로 이루어진 매트릭스를 포함하는 미세조직을 갖는다. 강 제품은 적어도 400 MPa의 항복 강도, 적어도 500 MPa의 최대 인장 강도, -50 ℃ 내지 -100 ℃ 범위의 온도에서 적어도 34 J/cm2의 Charpy-V 충격 인성을 갖는다.

Description

고강도 강 제품 및 그 제조 방법
본 발명은, 압력 용기, 가스 전송 파이프라인, 및 건축 재료를 제조하기 위해서 이용될 수 있는 고강도 초저탄소강 제품에 관한 것이다. 본 발명은 또한 고강도 초저탄소강 제품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
강 개발에서의 일반적인 경향은 양호한 용접성과 조합된 고강도 및 저온 충격 인성을 향한다. 통상적인 그리고 표준의 헤비 플레이트 압력 용기 강(heavy plate pressure vessel steel), 예를 들어 ASTM A537 CL2가 0.1 내지 0.2 중량%(wt.%)의 탄소 레벨로 생산되어 충분한 강도 레벨을 획득하였다. 높은 탄소 함량으로 인해서, 이러한 강은 양호하지 못한 용접성, 양호하지 못한 인성, 및 수소 유기 균열(HIC)에 대한 작은 내성을 갖는다. 그에 따라, 양호한 성형성, 낮은 탄소 당량(CE), 낮은 충격 전이 온도, 양호한 균열 선단 개방 변위(CTOD) 특성, 및 용접 후 열처리에 대한 큰 내성(PWHT)을 위해서 많은 강의 탄소 함량을 줄이는 것이 필요하다.
저탄소(C) 강이 개발되었고, 여기에서 C는 강도의 주요 공급원이 아닌데, 이는 높은 C 농도가 열등한 용접성 및 용접 인성을 초래할 수 있기 때문이다. 또한, 높은 C 농도는 강의 충격 인성을 손상시킬 수 있다. 매우 저탄소인 강에 관한 최초 연구 중 하나는 1967년에 Ford Motor Company의 McEvily 등에 의한 것이었다. 이들은, 0.04C-3.0Ni-3.0Mo-0.05Nb가 약 -75 ℃의 전이 온도와 함께 약 700 MPa의 항복 강도를 제공할 수 있다는 것으로 보여주었다. 그러나, 이러한 조성은 매우 합금화된 것이었고, 동일한 특성을 제공하는 더 경제적인 합금화 원소를 추구하였다.
낮은 C 함량으로 인한 강도 손실을 보상하기 위해서, 합금 설계 이론은, 오스테나이트 경화능을 개선하기 위한 망간(Mn), 규소(Si), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 구리(Cu)와 같은 중간 레벨의 다른 합금화 원소와 함께, 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 및 붕소(B)와 같은, 비용 효과적인 미량합금화(microalloying) 원소의 발전된 이용을 기초로 하였다. 낮은 C 함량과 함께 전술한 (미량)합금화 원소의 조합의 정교한 이용은 500 MPa 내지 900 MPa 범위의 항복 강도를 갖는 강을 초래할 수 있다. 이러한 (미량)합금화 원소는 미세조직 개선을 통한 강도 증가, 석출 경화 및 고용체 강화뿐만 아니라 미세조직 미세화(refinement)를 통한 강화에 기여한다.
일반적으로, 저탄소 미량합금화 강은, 전통적으로 3개의 스테이지로 구성되는 열기계적 제어 프로세싱(TMCP)을 통해서 진행된다. 제1 조질 압연 스테이지 중에, 재결정화 프로세스의 반복된 사이클로 인해서, 오스테나이트 입자 크기가 미세화된다. 제2 제어 압연 스테이지에서, 오스테나이트는 비-재결정화 온도 체계에서 변형되고, 이는 최종 페라이트 미세조직으로의 상당한 미세화를 가져온다. 마지막 스테이지에서, 가속 냉각을 적용하여, 다각형 페라이트의 형성을 억제하고 상이한 유형의 베이나이트와 같은 저온 변태 생성물의 형성을 촉진하면서, 결과적인 페라이트 입자 크기를 더 미세화할 수 있다. 따라서, 고강도의 이러한 저탄소의 미량합금화된 강은 종종 저탄소 베이나이트(LCB) 강으로 지칭된다. 저탄소 및 초미세 페라이트 입자 크기의 조합은 강도 및 인성의 양호한 조합뿐만 아니라, 양호한 용접성을 제공하는데, 이는 저탄소 및 저합금 함량 때문이다.
TMCP 및 (미량)합금화 적용의 조합은, 기계적 특성과 관련되는 미세조직 발전에 영향을 미친다. 연속적으로 냉각된 저탄소 미세합금화 강에서, 주 오스테나이트 분해 생성물은 페라이트이다. 그러나, 모(parent) 오스테나이트의 일부가 변태되지 않을 수 있고, 상온에서 유지될 수 있거나 부분적으로 변태되어 마르텐사이트-오스테나이트(MA) 미세성분을 생성할 수 있다. 매우 빠른 냉각 속도에서, 충분한 경화능을 갖는 매우 저탄소의 강도 마르텐사이트로 변태될 수 있다.
LCB 강의 미세조직은 종종 복잡하고, 다각형 페라이트로부터 래쓰-유사(lath-like) 마르텐사이트까지의 범위의 상이한 페라이트 형태들의 혼합물로 구성된다. Iron and Steel Institute of Japan(ISIJ)의 Bainite Committee에 의해서 제안된 분류 시스템 및 용어가 저 C 강에서 형성되는 모든 가능한 페라이트 형태를 특성화하는데 있어서 유용하다. 모두 6개의 페라이트 형태에 관한 간단한 설명은 다음과 같다.
1. 다각형 페라이트(PF)는 매끄러운 경계를 갖는 대략적으로 등축적인 입자를 나타낸다.
2. 준-다각형 페라이트(QF)는, 준위 하위-조직 및 종종 MA 미세성분을 포함하는 이전 오스테나이트 경계를 가로지를 수 있는, 파상형 경계를 갖는 입자를 나타낸다. 이는 또한 대규모 페라이트로 지칭된다.
3. 비트만슈테텐 페라이트(Widmanstaetten ferrite)(WF)는 최소 전위 하위조직을 갖는 페라이트의 세장형 결정을 나타낸다.
4. 입상 베이나이트(GB)는, MA 성분의 대략적으로 등축적인 아일랜드(island)를 포함하는, 낮은 디스오리엔테이션(disorientation) 및 높은 전위 밀도를 갖는 세장형의 페라이트 결정(입상 또는 등축적 형상)의 다발을 나타낸다.
5. 침상형 페라이트(AF)로도 알려진, 베이나이트 페라이트(BF)는, 작은-각도 경계에 의해서 분리되고 매우 높은 전위 밀도를 갖는 평행 페라이트 래쓰들 또는 판들의 패킷을 나타낸다. 페라이트 결정들 사이에서 유지되는 MA 성분은 침상 형태를 갖는다.
6. 전위된 입방 마르텐사이트는 고도로 전위된 래쓰 유사 형태를 나타내고, 이전의 오스테나이트 경계를 보전한다.
EP 2484792 A1은, 면적 비율로, 5 % 내지 70 % 베이나이트, 3 % 내지 20 % MA 성분, 및 나머지 준-다각형 페라이트로 이루어진 3-상 미세조직을 갖는 저탄소 강에 관한 것이다. 강도 보장을 위해서, 준-다각형 페라이트의 면적 비율은 바람직하게 10% 또는 그 초과이다. 5 % 내지 70 % 베이나이트는 기본 재료의 인성을 보장한다. 3 % 내지 20 % MA 성분은 기본 재료의 인성뿐만 아니라 낮은 항복률(yield ratio)을 보장한다. 3-상 미세조직은 다각형 페라이트 또는 다른 미세조직의 존재를 배제한다. 저탄소 강은 낮은 항복률, 큰 강도, 큰 인성 및 우수한 변형 시효 내성을 갖는다. 저탄소 강은, 1000 ℃ 내지 1300 ℃ 범위의 온도로 가열하는 단계; Ar3 변태 온도 이상의 최종 압연 온도로 열간 압연하는 단계로서, 오스테나이트 비-재결정화 온도 범위 내의 누적 압연 감소가 50% 이상인, 단계; 500 ℃ 내지 680 ℃의 정지 온도까지 가속 냉각하는 단계; 및 550 ℃ 내지 750 ℃의 온도로 재가열하는 단계를 포함하는 방법에 의해서 생산된다.
EP 2380997 A1은, 우수한 고온 강도 및 저온 인성 및 억제된 용접 균열 매개변수를 갖는 용접 구조용 저탄소 강을 설명한다. 고온 강도는, 변태 강화 및 석출 강화에 기여하는 Cr 및 Nb를 함께-첨가하는 것에 의해서 보장된다. 베이나이트 조직을 포함하는 저탄소 강은, 1000 ℃ 내지 1300 ℃, 바람직하게 1050 ℃ 내지 1250 ℃ 범위의 온도로 가열하는 단계; 800 ℃ 이상, 바람직하게 800 ℃ 이상의 최종 압연 온도로 열간 압연하는 단계; 및 550 ℃ 이하, 바람직하게 520 ℃ 내지 300 ℃의 정지 온도까지 가속 냉각하는 단계를 포함하는 방법에 의해서 생산된다.
JP 2007119861 (A) 또는 JP 2007277679 (A)는 또한, 우수한 고온 강도 및 저온 인성, 그리고 억제된 용접 균열 매개변수를 갖는 용접 구조물 저탄소 강에 관한 것이다. 마르텐사이트-오스테나이트 혼합 상(즉, MA 성분)을 포함하는 저탄소 강은, 1000 ℃ 내지 1300 ℃ 범위의 온도로 가열하는 단계; 750 ℃ 이상의 최종 압연 온도로 열간 압연하는 단계로서, 오스테나이트 비-재결정화 온도 범위 내의 누적적 압연 감소가 30% 이상인, 단계; 및 350 ℃ 이하의 정지 온도까지 가속 냉각하는 단계를 포함하는 방법에 의해서 생산된다. 설명에서, 가속 냉각이 230 ℃의 온도에서 정지되었을 때, 두께가 50 mm인 강 판의 표면과 중심 사이의 경도차가 극도로 커지고, 그에 따라 굽힘성 및 홀 확장성이 악영향을 받을 수 있다는 것이 기재되어 있다.
KR 20030054424 (A)는 뛰어난 용접성, 큰 인성 및 600 MPa 초과의 큰 인장 강도를 갖는 비-열처리 저탄소 강에 관한 것이다. 강도 보장을 위해서, 오스테나이트 결정립계 내의 다각형 페라이트의 형성을 방지할 필요가 있다는 것이 발견되었다. 우수한 인성을 달성하기 위해서, 오스테나이트 비-재결정화 온도 구역에서 누적적 압연 감소를 30% 내지 60% 범위 내에서 조절할 필요가 있다. 오스테나이트 비-재결정화 온도 범위 내의 누적적 압연 감소가 30% 미만인 경우에, 이는 저온 인성 증가에 효과적이지 않다. 오스테나이트 비-재결정화 온도 범위 내의 누적적 압연 감소가 과다하게 증가되고 60%를 초과하는 경우에, 전이 온도 감소 효과가 포화되는 반면, 이방성이 증가되어 사용 중에 판 변형 문제가 발생될 수 있다.
본 발명의 목적은, 기계적 특성 및 경제적인 장점을 손상하지 않고 새로운 강 제품이 얻어질 수 있도록, 고강도 저탄소 강 및 그 제조 방법을 더 개발하는 것이다.
현재 기술의 관점에서, 본 발명의 목적은, 예를 들어 융합 용접된 압력 용기 및 구조물의 적용예에서 요구되는 저온 충격 인성, 굽힘성/성형성 및 용접성이 우수한 고강도 저탄소 강을 제공하는 것과 관련된 문제를 해결하는 것이다. 그러한 문제는, 주로 준-다각형 페라이트를 포함하는 야금학적 미세조직을 생성하는, 비용-효과적인 (미량)합금 설계와 비용-효과적인 TMCP 절차의 조합에 의해서 해결된다.
제1 양태에서, 본 발명은, 중량%(wt.%)로 이하를 포함하는 조성을 갖는 고강도 강 제품을 제공한다:
C 0.02 - 0.05, 바람직하게 0.03 - 0.045
Si 0.1 - 0.6, 바람직하게 0.2 - 0.6, 더 바람직하게 0.3 - 0.5
Mn 1.1 - 2.0, 바람직하게 1.35 - 1.8
Al 0.01 - 0.15, 바람직하게 0.02 - 0.06
Nb 0.01 - 0.08, 바람직하게 0.025 - 0.05
Cu ≤ 0.5, 바람직하게 0.15 - 0.35
Cr ≤ 0.5, 바람직하게 0.1 - 0.25
Ni ≤ 0.7, 바람직하게 0.1 - 0.25
Ti ≤ 0.03, 바람직하게 0.005 - 0.03
Mo ≤ 0.1
V ≤ 0.1, 바람직하게 ≤ 0.05
B ≤ 0.0005
P ≤ 0.015, 바람직하게 ≤ 0.012
S ≤ 0.005
나머지 Fe 및 불가피한 불순물.
강 제품은 C, Si, Mn, Al 및 Nb와 같은 비용-효과적인 합금화 원소로 저-합금화된다. Cu, Cr, Ni, Ti, Mo, V 및 B와 같은 다른 원소는, 의도적으로 첨가되지 않은 잔류 함량으로 존재할 수 있다. 잔류 함량 및 불가피한 불순물 사이의 차이는, 잔류 함량이 불순물로 간주되지 않는 제어된 양의 합금화 원소라는 것이다. 잔류 함량은, 일반적으로 산업적 프로세스에 의해서 제어됨에 따라, 합금에 본질적으로 영향을 미치지 않는다.
바람직하게, 강 제품은 직경이 1 ㎛ 내지 4 ㎛ 범위인 평균 개재물 크기를 갖는 비-금속 개재물을 포함하고, 개재물의 95%는 직경이 4 ㎛ 미만이다.
제2 양태에서, 본 발명은 이하의 단계를 포함하는 고강도 강 제품을 제조하기 위한 방법을 제공한다:
- 제1항에 따른 조성물을 갖는 강 슬래브를 950 ℃ 내지 1350 ℃ 범위의 온도로 가열하는 단계;
- 가열된 강 슬래브를 복수의 열간 압연 패스로 열간 압연하는 단계로서,
i. 강 슬래브는 오스테나이트 비-재결정화 온도 초과의 온도에서 제1의 복수의 압연 패스로 처리되고,
ii. 단계(i)로부터의 강 슬래브가 오스테나이트 비-재결정화 온도 미만의 온도로 냉각되고,
iii. 단계(ii)로부터의 강 슬래브가 오스테나이트 비-재결정화 온도 미만의 온도에서 제2의 복수의 제어 압연 패스로 처리되고, 제어 압연 패스의 감소비가 적어도 1.5, 바람직하게 2.0, 더 바람직하게 2.5이고, 최종 압연 온도가 800 ℃ 내지 880 ℃ 범위인, 단계;
- 적어도 5 ℃/s의 냉각 속도로 230 ℃ 미만의 온도까지 가속 연속 냉각하는 단계.
오스테나이트 비-재결정화 온도(Tnr) 미만의 온도에서의 제어 압연 패스는 오스테나이트 변형의 누적을 유발하고, 이는 세장형 입자 및 변형 밴드의 형성을 초래한다. 결정립계 및 변형 밴드는 오스테나이트로부터 페라이트로의(γ-α) 변태를 위한 핵생성 장소로서 작용할 수 있다. 오스테나이트 입자가 연신됨에 따라, 결정립계들이 또한 서로 근접하고, 그에 의해서 핵생성 밀도를 높인다. 가속 연속 냉각에 의해서 유발되는 큰 핵생성률과 조합되어, 프로세스는 최종적으로 초미세 페라이트 입자 크기에 도달한다.
가속 연속 냉각 후에, 0.5 시간 내지 1 시간 동안 580 ℃ 내지 650 ℃ 범위 내의 온도에서 템퍼링하는 추가 단계를 선택적으로 실시한다. 추가적인 템퍼링 단계는 선택적으로, 전형적으로 580 ℃ 내지 700 ℃ 범위의 온도에서 1분 내지 60분 동안의 유도 템퍼링일 수 있다.
바람직하게, 열간 압연의 누적적 감소비는 4.0 내지 35의 범위이다.
기계적 특성 그리고 특히 인성의 개선을 위해서, 프로세싱 매개변수는 엄격하게 제어되어야 하고, 관련되는 주 매개변수는 가열 온도, 오스테나이트 비-재결정화 온도 미만의 제어 압연 패스의 누적적 감소비, 최종 압연 온도, 및 가속 연속 냉각 정지 온도이다.
강 제품은 두께가 6 내지 65 mm, 바람직하게 10 내지 45 mm인 스트립 또는 판이다.
획득된 강 제품은, 부피%(vol.%)로, 이하로 이루어진 매트릭스를 포함하는 미세조직을 갖는다:
준-다각형 페라이트 40 내지 80
다각형 페라이트 및 베이나이트 20 내지 60
펄라이트 및 마르텐사이트 ≤ 20, 바람직하게 ≤ 5, 더 바람직하게 ≤ 2.
바람직하게, 미세조직은 다각형 페라이트를 20 부피% 내지 40 부피%의 양으로 포함한다.
바람직하게, 미세조직은 베이나이트를 20 부피% 이하의 양으로 포함한다.
강도 및 인성의 양호한 조합은 준-다각형 페라이트 기반의 미세조직과 연관되었다. 강 제품은 이하의 기계적 특성을 갖는다:
적어도 400 MPa, 바람직하게 적어도 415 MPa, 더 바람직하게 415 MPa 내지 650 MPa의 범위의 항복 강도;
적어도 500 MPa, 바람직하게 500 MPa 내지 690 MPa의 범위, 더 바람직하게 550 MPa 내지 690 MPa의 범위의 최대 인장 강도;
-50 ℃ 내지 -100 ℃ 범위의 온도에서 적어도 34 J/cm2, 바람직하게 적어도 150 J/cm2, 더 바람직하게 적어도 300 J/cm2의 Charpy-V 충격 인성.
강 제품은 우수한 굽힘성 및 성형성을 나타낸다. 강 제품은 길이방향 또는 횡방향으로 5.0 t 이하, 바람직하게 3.0 t 이하, 더 바람직하게 0.5 t의 최소 굽힘 반경을 가지고, t는 강 스트립 또는 판의 두께이다.
결과적으로, 저온 충격 인성, 굽힘성/성형성 및 용접성과 같은 특성의 개선뿐만 아니라 HIC- 및 PWHT-내성이 달성될 수 있다. 500 ℃ 내지 680 ℃ 범위의 온도에서의 1 시간 내지 8시간의, 또는 600 ℃ 내지 640 ℃ 범위의 온도에서의 4 시간 내지 8시간의 용접후 열처리는 강 제품에 부정적인 영향을 미치지 않거나 거의 미치지 않는다.
도 1은 생산된 2000 톤의 판의 배치(batch)의 항복 강도(YS)를 보여주는 그래프이다.
도 2는 생산된 2000 톤의 판의 배치의 최대 인장 강도(UTS)를 보여주는 그래프이다.
도 3은 생산된 2000 톤의 판의 배치의 총 연신율(TEL)를 보여주는 그래프이다.
도 4는 생산된 2000 톤의 판의 배치의 -45 ℃에서의 충격 인성 값(KV)을 보여주는 그래프이다.
도 5는 상이한 두께들을 갖는 판의 Charpy-V 충격 인성을 보여주는 그래프이다.
도 6은 상이한 두께들을 갖는 판의 NACE TM 0284 HIC-테스팅 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 전달 또는 PWHT 조건에서 상이한 두께들을 갖는 판의 기계적 특성(YS, UTS, TEL)을 보여주는 그래프이다.
도 8은 12 mm, 25 mm 및 41 mm의 두께를 갖는 판의 두께-관통 인장 테스트 결과를 보여주는 그래프이다.
도 9는 상이한 두께들을 갖는 판들의 충격 인성 레벨을 보여주는 그래프이다.
도 10은 25 mm의 두께를 갖는 판에서의 길이방향 Charpy-V 충격 인성에 미치는 압연 매개변수의 영향을 보여주는 그래프이다.
도 11은 41 mm의 두께를 갖는 판에서의 길이방향 Charpy-V 충격 인성에 미치는 압연 매개변수의 영향을 보여주는 그래프이다.
도 12는 테스트된 샘플의 미세조직을 도시한다.
"강"이라는 용어는 탄소(C)를 포함하는 철 합금으로 정의된다.
"(미량)합금화 원소"라는 용어는
- 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 및 붕소(B)와 같은, 미량합금화 원소(MAE); 및/또는
- 망간(Mn), 규소(Si), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 구리(Cu)와 같은, 중간 레벨의 합금화 원소를 지칭하기 위해서 사용된다.
"비-금속 개재물"이라는 용어는 제조 프로세스 중에 발생되는 화학 반응, 물리적 영향, 및 오염의 생성물을 지칭한다. 비-금속 개재물은 산화물, 황화물, 질화물, 규산염, 및 인화물을 포함한다.
"오스테나이트 비-재결정화 온도"(Tnr)라는 용어는, 해당 온도 미만에서는 압연 패스들 사이에서 오스테나이트의 완전한 정적 재결정이 발생되지 않는 온도로서 정의된다.
"제어 압연(CR)"이라는 용어는 오스테나이트 비-재결정화 온도(Tnr) 미만에서의 열간 압연을 지칭한다.
"감소비"라는 용어는 압연 프로세스에 의해서 얻어지는 두께 감소의 비율을 지칭한다. 감소비는 압연 프로세스 전의 두께를 압연 프로세스 후의 두께로 나누는 것에 의해서 계산된다. 2.5의 감소비는 두께의 60%의 감소에 상응한다.
"제어 압연비"라는 용어는 Tnr 미만의 온도에서의 제어 압연에 의해서 얻어진 감소비를 지칭한다.
"누적적 감소비"라는 용어는 Tnr 초과 및 미만의 온도들에서의 열간 압연에 의해서 얻어진 총 감소비를 지칭한다.
"가속 연속 냉각(ACC)"이라는 용어는 중단 없이 소정 온도까지 소정 냉각 속도로 가속 냉각하는 프로세스를 지칭한다.
"중단 가속 냉각(IAC)"이라는 용어는 소정 온도 범위 내에서 소정 냉각 속도로 가속 냉각하고 이어서 그러한 온도 범위 미만의 온도까지 공기 냉각하는 프로세스를 지칭한다.
"연성-취성 전이 온도(DBTT)"라는 용어는, 강이 파단되지 않고 특정 양의 에너지를 흡수할 수 있는 능력을 가지는 최소 온도로서 정의된다. DBTT 초과의 온도에서, 강은 충격 시에 플라스틱과 같이 굽혀지거나 변형될 수 있는 반면; DBTT 미만의 온도에서 강은 충격시에 훨씬 더 큰 파단 또는 분쇄 경향을 갖는다.
"최대 인장 강도(UTS, Rm)"라는 용어는, 강이 인장 하에서 파단되는 한계, 그에 따라 최대 인장 응력을 지칭한다.
"항복 강도(YS, Rp0.2)"라는 용어는, 0.2 %의 소성 변형을 초래할 응력의 양으로서 정의되는 0.2% 오프셋 항복 강도를 지칭한다.
"총 연신율(TEL)"이라는 용어는 재료가 파단될 때까지 연신될 수 있는 백분율; 측정 신장계의 고정된 게이지 길이에 걸친 백분율로서 일반적으로 표현되는, 성형성의 대략적인 지표를 지칭한다. 2개의 공통 게이지 길이는 50 mm (A50) 및 80 mm (A80)이다.
"최소 굽힘 반경(Ri)"이라는 용어는, 균열의 발생이 없이 테스트 시트에 인가될 수 있는 최소 굽힘 반경을 지칭하기 위해서 사용된다.
"굽힘성"이라는 용어는 Ri 및 시트 두께(t)의 비율을 지칭한다.
"KV"의 심볼은, 진자 충격 테스팅 기계로 테스트할 때, 규정된 형상 및 치수의 V-노치형 테스트 시편의 파괴에 필요한 흡수된 에너지를 지칭한다.
프로세싱 매개변수와 함께 강의 합금화 함량은 미세조직을 결정하고, 이는 다시 강의 기계적 특성을 결정한다.
합금 설계는, 목표로 하는 기계적 특성을 갖는 강 제품을 개발할 때 첫 번째로 고려되는 문제 중 하나이다. 일반적으로, C 함량이 적을수록 그리고 목표 강도 레벨이 높을수록, 동등한 강도 레벨을 획득하기 위해서, 더 많은 양의 치환 (미량)합금화 원소가 필요하다고 할 수 있다.
다음에, 화학적 조성을 더 구체적으로 설명하고, 각각의 성분의 %는 중량%를 지칭한다.
탄소(C)는 0.02 % 내지 0.05 %의 범위로 사용된다.
C 합금화는 고용체 강화에 의해서 강의 강도를 증가시키고, 그에 따라 C 함량은 강도 레벨을 결정한다. 0.02% 미만의 C 함량은 불충분한 강도를 초래할 수 있다. 그러나, C는 강의 용접성, 용접 인성 및 충격 인성에 바람직하지 못한 영향을 미친다. C는 또한 DBTT를 상승시킨다. 그에 따라, C 함량은 0.05 % 이하로 설정된다.
바람직하게, C는 0.03 % 내지 0.045 %의 범위로 사용된다.
규소(Si)는 0.1 % 내지 0.6 %의 범위로 사용된다.
Si는, 제강 프로세스 중에 용융체로부터 산소를 제거할 수 있는 탈산제 또는 킬링제(killing agent)로서 효과적이다. Si 합금화는 고용체 강화에 의해서 강도를 높이고, 오스테나이트 경화능의 증가에 의해서 경도를 높인다. 또한, Si의 존재는 잔류 오스테나이트를 안정화시킬 수 있다. 그러나, 0.6 % 초과의 규소 함량은 탄소 당량(CE) 값을 불필요하게 증가시킬 수 있고, 그에 의해서 용접성을 저하시킬 수 있다. 또한, Si가 과다하게 존재하는 경우에, 표면 품질이 저하될 수 있다.
바람직하게, Si는 0.2 % 내지 0.6 %, 그리고 더 바람직하게 0.3 % 내지 0.5 %의 범위로 사용된다.
망간(Mn)은 1.1 % 내지 2.0 %의 범위로 사용된다.
Mn은 강도와 저온 인성 사이의 균형을 개선하는 필수 원소이다. 많은 Mn 함량과 높은 강도 레벨 사이에는 대략적인 관계가 있는 것으로 보인다. Mn 합금화는 고용체 강화에 의해서 강도를 높이고, 오스테나이트 경화능의 증가에 의해서 경도를 높인다. 그러나, 2.0% 초과의 Mn으로 합금화하는 것은 CE 값을 불필요하게 증가시키고 그에 의해서 용접성을 저하시킨다. Mn 함량이 너무 많은 경우에, 강의 경화능이 증가되어 열-영향 구역(HAZ) 인성이 저하될 뿐만 아니라, 강 판의 중심선 편석이 촉진되고 결과적으로 강 판의 중심의 저온 인성이 손상된다.
바람직하게, Mn은 1.35 % 내지 1.8 %의 범위로 사용된다.
알루미늄(Al)은 0.01 % 내지 0.15 %의 범위로 사용된다.
Al은, 제강 프로세스 중에 용융체로부터 산소를 제거할 수 있는 탈산제 또는 킬링제로서 효과적이다. Al은 또한 안정적인 AlN 입자를 형성하는 것에 의해서 N을 제거하고 입자를 미세화하고, 그 효과는, 특히 저온에서, 큰 인성을 촉진한다. 또한, Al은 잔류 오스테나이트를 안정화시킨다. 그러나, 과다 Al은 비-금속 개재물을 증가시킬 수 있고, 그에 의해서 청정도(cleanliness)를 저하시킬 수 있다.
바람직하게, Al은 0.02 % 내지 0.06 %의 범위로 사용된다.
니오븀(Nb)은 0.01 % 내지 0.08 %의 범위로 사용된다.
Nb는 NbC 탄화물 및 Nb(C, N) 탄질화물을 형성한다. Nb는 주요 입자 미세화 원소인 것으로 간주된다. Nb는 이하의 4가지 방식으로 강의 강화 및 인성화에 기여한다:
i. 미세 Nb(C, N) 석출물을 도입하는 것에 의한, 고온에서의 재가열 및 소킹 스테이지(reheating and soaking stage) 중의 Nb(C, N)의 피닝 효과(pinning effect)로 인한 오스테나이트 입자 조직의 미세화;
ii. 고온(1000 ℃ 초과)에서의 Nb 용질 항력 효과(drag effect)로 인한 재결정화 반응속도의 지연 및 저온에서의 응력 유도 석출로 인한 재결정화의 발생 방지, 그리고 그에 의한 미세조직의 미세화에 대한 기여;
iii. γ-α 변태 중의 및/또는 이후의(또는 열처리 후의) 석출 강화; 및
iv. 변태 경화 및 인성화를 발생시키는, 저온으로의 상 변태 지연.
Nb는 이러한 강에서 바람직한 합금화 원소인데, 이는 Nb가 다각형 페라이트 형성 대신 준-다각형 페라이트/입상 베이나이트 미세조직의 형성을 촉진하기 때문이다. 또한, Nb 첨가는 0.08 %로 제한되어야 하는데, 이는 Nb 함량의 추가적인 증가가 강도 및 인성의 추가적인 증가에 현저한 영향을 미치지 않기 때문이다. Nb는 HAZ 인성에 유해할 수 있는데, 이는 Nb가, 비교적 불안정한 TiNbN 또는 TiNb(C, N) 석출물의 형성으로 인해서 조대한 상부 베이나이트 조직의 형성을 촉진할 수 있기 때문이다.
바람직하게, Nb는 0.025 % 내지 0.05 %의 범위로 사용된다.
구리(Cu)는 0.5 % 이하의 범위로 사용된다.
Cu는 저탄소 베이나이트 조직을 촉진하고, 고용체 강화를 유발하고 석출 강화에 기여한다. Cu는 HIC 및 황화물 응력 부식 균열(SSCC)에 대한 유리한 효과를 갖는다. 과다량으로 첨가될 때, Cu는 필드 용접성 및 HAZ 인성을 저하시킨다. 그에 따라, 그 상한선은 0.5%로 설정된다.
바람직하게, Cu는 0.15 % 내지 0.35 %의 범위로 사용된다.
크롬(Cr)은 0.5 % 이하의 범위로 사용된다.
중간-강도 탄화물 형성 원소 Cr은, 충격 인성 한계를 희생하면서, 기본 강 및 용접부 모두의 강도를 증가시킨다. Cr 합금화는 오스테나이트 경화능을 증가시키는 것에 의해서 강도 및 경도를 향상시킨다. 그러나, Cr이 0.5%의 함량을 초과하는 함량으로 사용되는 경우에, HAZ 인성뿐만 아니라 필드 용접성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
바람직하게, Cr은 0.1 % 내지 0.25 %의 범위로 사용된다.
니켈(Ni)은 0.7 % 이하의 범위로 사용된다.
Ni는, 인성 및/또는 HAZ 인성의 어떠한 손실도 없이, 오스테나이트 경화능을 개선하고 그에 의해서 강도를 증가시키는 합금화 원소이다. 그러나, 0.7% 초과의 니켈 함량은 상당한 기술적 개선이 없이 합금화 비용을 너무 상승시킨다. 과다 Ni는 고점도 철 산화물 스케일을 생성할 수 있고, 이는 강 제품의 표면 품질을 저하시킨다. 많은 Ni 함량은 또한, 증가된 CE 값 및 균열 민감도 계수로 인해서, 용접성에 부정적인 영향을 미친다.
바람직하게, Ni는 0.1 % 내지 0.25 %의 범위로 사용된다.
티타늄(Ti)은 0.03 % 이하의 범위로 사용된다.
Ti는, NbC와 함께 안정적인 TiN을 형성하는 것에 의해서 인성에 유해한 자유 N을 속박하기 위해서 첨가되고, 이는 고온에서의 재가열 스테이지에서 오스테나이트 입자의 성장을 효과적으로 방지할 수 있다. TiN 석출물은 용접 중에 HAZ 내의 입자 조대화를 추가적으로 방지할 수 있고, 그에 의해서 인성을 개선할 수 있다. TiN 형성은 Fe23C6의 형성을 억제하고, 그에 의해서 다각형 페라이트의 핵생성을 자극한다. TiN 형성은 또한 BN 석출을 억제하고, 그에 의해서 B를 자유롭게 남겨 경화능에 기여하게 한다. 이를 위해서, Ti/N의 비율은 적어도 3.4이다. 그러나, Ti 함량이 너무 많은 경우에, TiC로 인한 TiN의 조대화 및 석출 경화가 발생되고, 저온 인성이 저하될 수 있다. 그에 따라, 0.03% 미만, 바람직하게 0.02% 미만이 되도록 티타늄을 제한할 필요가 있다.
바람직하게, Ti는 0.005 % 내지 0.03 %의 범위로 사용된다.
몰리브덴(Mo)은 0.1 % 이하의 함량으로 사용된다.
Mo는, 다각형 페라이트 형성을 억제하면서 저탄소 베이나이트 조직을 촉진하는 효과를 갖는다. Mo 합금화는 저온 인성 및 템퍼링 내성을 개선한다. Mo의 존재는 또한 오스테나이트 경화능을 증가시키는 것에 의해서 강도 및 경도를 향상시킨다. B 합금화의 경우에, Mo는 일반적으로 B의 효과를 보장하기 위해서 필요하다. 그러나, Mo는 경제적으로 수용 가능한 합금화 원소가 아니다. Mo가 0.1% 초과의 함량으로 이용되는 경우에, 인성이 저하될 수 있고, 그에 의해서 취성 위험이 증가될 수 있다. 과다량의 Mo는 또한 B의 효과를 감소시킬 수 있다.
바나듐(V)은 0.1 % 이하의 함량으로 사용된다.
V는 Nb와 실질적으로 동일하나 그보다 작은 효과를 갖는다. V는 강력한 탄화물 및 질화물 형성제이나, V(C, N)이 또한 형성될 수 있고, 오스테나이트 내의 그 용해도는 Nb 또는 Ti의 용해도보다 크다. 따라서, V 합금화는 분산 및 석출 강화 가능성을 가지는데, 이는 많은 양의 V가 페라이트 내에서 용해되고 페라이트 석출을 위해서 이용될 수 있기 때문이다. 그러나, 0.1% 초과의 V의 첨가는, 베이나이트 대신 다각형 페라이트를 형성하는 것으로 인해서, 용접성 및 경화능에 부정적인 영향을 미친다.
바람직하게, V는 0.05 % 이하의 함량으로 사용된다.
붕소(B)는 0.0005 % 이하의 함량으로 사용된다.
B는, 다각형 페라이트와 같은 확산 변태 생성물의 형성을 억제하기 위한, 그에 의해서 저탄소 베이나이트 조직의 형성을 촉진하기 위한, 잘-확립된 미량합금화 원소이다. 효과적인 B 합금화는 BN의 형성을 방지하기 위해서 Ti의 존재를 필요로 할 수 있다. B의 존재에서, Ti 함량은 0.02% 미만이 되도록 감소될 수 있고, 이는 저온 인성을 위해서 매우 유리하다. 그러나, B 함량이 0.0005%를 초과할 때, 저온 인성 및 HAZ 인성은 급격히 저하된다.
불가피한 불순물은 0.015% 이하, 바람직하게 0.012% 이하의 함량의 인(P); 및 0.005% 이하의 함량의 황(S)일 수 있다. 다른 불가피한 불순물이 질소(N), 수소(H), 산소(O) 및 희토류 금속(REM) 또는 기타일 수 있다. 그 함량은, 충격 인성과 같은 우수한 기계적 특성을 보장하기 위해서 제한된다.
비-금속 개재물로서 나타날 수 있는 불가피한 불순물을 최소화하도록, 청정 강 제조 실무가 적용된다. 비-금속 개재물은 조직의 균질성을 방해하고, 그에 따라 기계적 및 다른 특성에 미치는 그 영향이 상당할 수 있다. 편평화, 단조 및/또는 스탬핑에 의해서 유발되는 변형 중에, 비-금속 개재물은 강 내에서 균열 및 피로 파괴를 유발할 수 있다. 따라서, 평균 개재물 크기는 전형적으로 1 ㎛ 내지 4 ㎛으로 제한되고, 여기에서 95%의 개재물은 직경이 4 ㎛ 미만이다.
고강도 강 제품은 전형적으로 두께가 6 내지 65 mm, 바람직하게 10 내지 45 mm인 스트립 또는 판일 수 있다.
TMCP의 매개변수는 화학적 조성과 함께 최적의 미세조직을 달성하도록 조절된다.
가열 스테이지에서, 슬래브는 950 ℃ 내지 1350 ℃의 범위, 전형적으로 1140 ℃의 방출 온도까지 가열되고, 이는 오스테나이트 입자 성장을 제어하는데 있어서 중요하다. 가열 온도의 증가는 미량합금 석출물의 용해 및 조대화를 유발할 수 있고, 이는 비정상적인 입자 성장을 초래할 수 있다.
열간 압연 스테이지에서, 슬래브는, 슬래브의 두께 및 최종 제품에 따라서, 16 내지 18 열간 압연 패스의 전형적인 패스 스케줄로 열간 압연된다. 바람직하게, 누적적 감소비는 열간 압연 스테이지의 종료에서 4.0 내지 35의 범위이다.
제1 열간 압연 프로세스는 오스테나이트 비-재결정화 온도(Tnr) 초과에서 실행되고, 이어서 슬래브는, 제어 압연 패스가 Tnr 미만에서 실행되기 전에, Tnr 미만으로 냉각된다.
오스테나이트 비-재결정화 온도 미만의 온도에서의 제어 압연은 오스테나이트 입자가 세장화되게 하고 페라이트 입자를 위한 개시 장소를 생성한다. 팬케이크형(pancaked) 오스테나이트 입자가 형성되고, 그에 의해서 오스테나이트로부터 페라이트로의 변태를 위한 핵생성 장소로서 작용하는 것에 의해서 페라이트 입자 미세화를 촉진할 수 있는 변형(즉, 전위)을 오스테나이트 입자 내에 축적한다. 적어도 1.5, 바람직하게 2.0, 그리고 더 바람직하게 2.5의 제어 압연비는 오스테나이트 입자가 충분히 변형되게 보장한다. 2.5의 제어 압연 감소는 4번 내지 10번의 압연 패스로 달성되고, 패스마다의 감소는 약 10.25%이다. 오스테나이트 비-재결정화 영역 내의 변형의 가장 현저한 결과는 인성 특성의 개선이다. 놀랍게도, 본 발명자는, 제어 압연 감소비를 1.8로부터 2.5 이상으로 높이는 것이 전이 온도를 상당히 낮출 수 있고, 그에 의해서 저온 충격 인성을 증가시킬 수 있다는 것을 발견하였다.
최종 압연 온도는 전형적으로 800 ℃ 내지 880 ℃의 범위이고, 이는 미세조직의 미세화에 기여한다.
열간 압연된 제품은, 적어도 5 ℃/s의 냉각 속도로, 230 ℃ 미만의 온도, 바람직하게 상온으로 가속 냉각된다. 페라이트 입자 미세화는, Ar3 초과의 온도로부터 냉각 정지 온도까지 빠르게 가속 냉각되는 동안, 촉진된다. 베이나이트와 같은 저온 변태 미세조직이 또한 가속 냉각 단계 중에 형성된다.
선택적으로, 템퍼링 또는 어닐링과 같은 후속 열처리 단계가 미세조직의 미세한 조절을 위해서 실시된다. 바람직하게, 템퍼링은 580 ℃ 내지 650 ℃ 범위의 온도에서 0.5 시간 내지 1 시간 동안 실시된다. 추가적인 템퍼링 단계는 선택적으로, 전형적으로 580 ℃ 내지 700 ℃ 범위의 온도에서 1분 내지 60분 동안의 유도 템퍼링일 수 있다.
가속 연속 냉각 중에, 다각형 페라이트 변태가 먼저 발생되고, 이어서 감소되는 온도에서, 준-다각형 페라이트 변태, 베이나이트 변태, 및 마르텐사이트 변태가 연속적으로 발생된다. 최종 강 제품은 준-다각형 페라이트를 기초로 하는 혼합된 미세조직을 갖는다. 미세조직은, 부피%로, 40% 내지 80%의 준-다각형 페라이트; 20% 내지 60%의 다각형 페라이트 및 베이나이트; 그리고 나머지 20% 이하, 바람직하게 5% 이하, 더 바람직하게 2% 이하의 펄라이트 및 마르텐사이트를 포함한다. 선택적으로, 미세조직은, 부피%로, 20% 내지 40%의 다각형 페라이트를 포함한다. 선택적으로, 미세조직은, 부피%로, 20% 이하의 베이나이트를 포함한다. 선택적으로, MA 성분의 아일랜드가 미세조직에서 검출될 수 있다.
강의 양호한 인성 그리고 특히 낮은 DBTT는 종종, 일반적으로 미세조직 내에 존재하고 경계가 벽개 균열(cleavage crack) 전파에 대한 장애물로 작용하는 것으로 인해서 유리한, 높은 밀도의 큰 각도 경계들과 연관된다. 준-다각형 페라이트 우세 미세조직은, 준-다각형 페라이트와 입상 베이나이트 페라이트의 계면들 사이의 큰 각도 경계의 형성에 유리한 반면, 준-다각형 페라이트의 형성은 미세조직 내에서 이전의 오스테나이트 결정립계를 제거한다.
준-다각형 페라이트 우세 미세조직은 또한, 취성 파괴를 위한 선호되는 핵생성 장소로 간주되는, MA 미세성분의 크기 및 비율을 줄인다. MA 성분의 분포는 미세조직의 입상 베이나이트 페라이트 부분으로 제한된다.
벽개 미세균열이 MA 미세성분의 근접부 내에서 개시되는 경우에, 이러한 미세균열의 전파는, 인접한 큰 각도 경계로 인해서, 용이하게 둔화되고 일시적으로 중단된다. 초과될 때 미세균열이 불안정한 방식으로 전파될 수 있게 하는 임계 길이에 미세균열이 도달하기 위해서는, 예를 들어 전단 모드에서의 짧은 미세균열들의 회전에 의해서 이웃하는 미세균열들을 연결하고 연계시키기 위한 더 많은 에너지가 요구된다. 그에 다라, 준-다각형 페라이트 우세 미세조직을 갖는 강은 개선된 충격 인성 그리고 특히 낮은 DBTT를 나타낸다.
강 제품은 적어도 400 MPa, 바람직하게 적어도 415 MPa, 더 바람직하게 415 MPa 내지 650 MPa 범위의 항복 강도; 및 적어도 500 MPa, 바람직하게 500 MPa 내지 690 MPa의 범위, 더 바람직하게 550 MPa 내지 690 MPa의 범위의 최대 인장 강도를 갖는다. 강 제품은 -50 ℃ 내지 -100 ℃ 범위의 온도에서 적어도 34 J/cm2, 바람직하게 적어도 150 J/cm2, 더 바람직하게 적어도 300 J/cm2의 Charpy-V 충격 인성을 갖는다. 강 제품은 길이방향 또는 횡방향으로 5.0 t 이하, 바람직하게 3.0 t 이하, 더 바람직하게 0.5 t의 최소 굽힘 반경을 가지고, t는 강 스트립 또는 판의 두께이다.
개선된 기계적 특성은, 심지어 강 제품에 대해서 500 ℃ 내지 680 ℃ 범위의 온도에서의 1 시간 내지 8시간의, 바람직하게 600 ℃ 내지 640 ℃ 범위의 온도에서의 4 시간 내지 8시간의 용접후 열처리를 실시한 후에도, 유지될 수 있다.
이하의 실시예는 본 발명의 범위 내의 실시예를 더 설명하고 보여준다. 실시예는 단지 설명을 위해서 제공된 것이고, 본 발명의 제한으로 간주되지 않으며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 그 많은 변경이 이루어질 수 있다.
실시예 1
테스트되는 판을 생성하기 위해서 이용된 화학적 조성이 표 1에 기재되어 있다.
[표 1]
실시예 1의 화학적 조성(중량%)
Figure pct00001
테스트되는 판은 이하의 단계를 포함하는 프로세스에 의해서 준비된다
- 1140 ℃의 온도로 가열하는 단계;
- 열간 압연하는 단계로서, 제어 압연 감소비가 2.5이고, 최종 압연 온도는 840 ℃ 내지 880 ℃의 범위인, 단계;
- 약 100 ℃까지의 가속 연속 냉각 단계; 및
- 약 640 ℃에서 템퍼링하는 단계.
미세조직
미세조직은 SEM 현미경사진으로부터 특성화될 수 있고, 부피 비율은 점 카운팅 또는 이미지 분석 방법을 이용하여 결정될 수 있다. 테스트되는 판의 미세조직은 40% 내지 80%의 준-다각형 페라이트, 20% 내지 40%의 다각형 페라이트, 20% 이하의 베이나이트, 및 나머지 펄라이트 및 마르텐사이트를 포함한다.
항복 강도
항복 강도는, 생산된 2000 톤의 판의 배치의 횡방향 시편을 이용하여 ASTM E8 표준에 따라 결정되었다. 횡방향을 따른 항복 강도(Rp0.2)의 대표값(mean value)은 508±12 MPa이다(도 1).
인장 강도
인장 강도는, 생산된 2000 톤의 판의 배치의 횡방향 시편을 이용하여 ASTM E8 표준에 따라 결정되었다. 횡방향을 따른 최대 인장 강도(Rm)의 대표값은 590±1 MPa이다(도 2).
연신율
연신율은, 생산된 2000 톤의 판의 배치의 횡방향 시편을 이용하여 ASTM E8 표준에 따라 결정되었다. 횡방향을 따른 총 연신율(A50)의 대표값은 30±1.4%이다(도 3).
굽힘성
굽힘 테스트는, 하중 제거 후에 90°의 특정된 굽힘 각도에 도달할 때까지, 단일 행정의, 3-점 굽힘에 의해서 테스트 단편에 소성 변형을 가하는 것으로 구성된다. 굽힘부의 검사 및 평가는 전체 테스트 시리즈들 중의 연속적인 프로세스이다. 이는, 펀치 반경(R)이 증가, 유지 또는 감소되어야 하는지를 결정할 수 있게 하기 위한 것이다. 최소 3 m의 굽힘 길이가, 어떠한 결함도 없이, 동일 펀치 반경(R)으로 길이방향 및 횡방향 모두에서 만족되는 경우에, 재료에 대한 굽힘성(R/t)의 한계가 테스트 시리즈에서 식별될 수 있다. 균열, 표면 넥킹 마크(surface necking mark) 및 편평한 굽힘부(상당한 넥킹)가 결함으로 등록된다.
굽힘 테스트에 따라, 판은 길이방향 및 횡방향 모두에서 0.5 곱하기 판 두께(t)의 최소 굽힘 반경(Ri), 즉 Ri = 0.5 t를 갖는다.
PWHT-내성
적어도 415 MPa의 항복 강도 및 적어도 550 MPa의 최대 인장 강도와 같은 우수한 인장 특성은 620 ℃에서 8시간 동안의 가혹한 PWHT-처리 후에도 유지된다.
Charpy-V 충격 인성
-45 ℃에서의 충격 인성 값이, ASME(American Society of Mechanical Engineers) 표준에 따른 Charpy V-노치 테스트에 의해서 획득되었다.
도 4는, 대표 충격 인성 값이, 생산된 2000 톤의 판의 배치의 6.7 mm x 10 mm 횡방향 시편을 이용하여 측정된 274 J라는 것을 보여준다.
도 5는, 길이방향 및 횡방향을 따른 상이한 두께들의 판들의 Charpy-V 충격 인성 결과를 도시한다. 횡방향을 따른 상이한 두께들의 판들의 Charpy-V 충격 인성 결과가 표 1-1에 요약되어 있다.
[표 1-1]
상이한 두께들을 갖는 판들의 Charpy-V 충격 인성
Figure pct00002
횡방향으로, 두께가 10 mm인 테스트 판은 -100 ℃의 온도에서 338 J/cm2의 충격 인성을 가지고; 두께가 20 mm인 테스트 판은 -80 ℃의 온도에서 587 J/cm2의 충격 인성을 가지고; 두께가 30 mm인 테스트 판은 -60 ℃의 온도에서 583 J/cm2의 충격 인성을 가지고; 두께가 41 mm인 테스트 판은 -60 ℃의 온도에서 573 J/cm2의 충격 인성을 갖는다.
용접성
용접성 테스팅을 41 mm-두께 판에서 실시하였다. 용접성 테스팅은 41 mm x 200 mm x 1000 mm 크기의 테스트 단편을 이용하여 3개의 맞대기 조인트를 용접하는 것에 의해서 실시되었다. 테스트 단편은, 1000 mm 길이의 맞대기 용접부가 압연 방향에 평행하도록, 주 압연 방향을 따라서 판으로부터 컷팅되었다. 조인트들은 0.8 kJ/mm의 열 입력을 이용하는 플럭스 코어형 아크 용접 FCAW 프로세스 번호 136, 및 3.5 kJ/mm의 열 입력을 이용하는 단일 와이어 서브머지드 아크 용접 프로세스(single wire submerged arc welding process) 번호 121로 용접되었다. 판의 용접 전의 예열 온도는 125 ℃ 내지 130 ℃의 범위였고, 패스간(interpass) 온도는 125 ℃ 내지 200 ℃의 범위였다. 맞대기 조인트들은 25° 홈 각도를 갖는 절반 V-홈 준비를 이용하여 용접되었다. FCAW 프로세스를 위한 선택된 용접 소모품은 EN/AWS 분류 T50-6-1Ni-P-M21-1-H5/E81T1-M21A8-Ni1-H4를 갖는 Esab Filarc PZ6138였다. SAW 프로세스를 위한 선택된 용접 소모품은 EN/AWS 분류 S-46-7-FB-S2Ni2/F7A10-ENi2-Ni2를 갖는 Esab OK Flux 10.62와 함께 Esab OK Autrod 13.27 와이어였다. 3.5 kJ/mm의 열 입력에 의해서 용접된 용접부를 용접된 그대로의 조건 및 PWHT 조건 모두에서 테스트하였다. 적용된 PWHT는 4시간의 유지 시간 내에 600 ℃의 온도에서 실시되었다.
표 1-2는 용접된 조인들의 후속 기계적 테스팅의 요약을 나타낸다:
- 직사각형 시편을 이용한 2개의 횡방향 인장 테스트;
- 위치; 융합 라인 +1 mm(FL+1) 및 융합 라인+5 mm(FL+5)로부터의 3개의 10 mm x 10 mm 시편의 -40 ℃ 및 -50 ℃에서의 사면형 측면의 Charpy-V 테스팅; 및
- Vickers 경도 HV10 용접부 횡단 경도 프로파일.
기계적 테스팅 결과는, 강 샘플이 우수한 용접성 및 저온에서의 우수한 HAZ 인성을 갖는다는 것을 보여준다.
HIC-내성
HIC 테스트는 NACE(National Association of Corrosion Engineers) TM 0284에 따라 실시되었다. 도 6은 상이한 두께들을 갖는 판의 NACE TM 0284 HIC-테스팅 결과를 도시한다. 테스트된 판들 모두는 15% 미만의 평균(avg.) 균열 길이비(CLR)를 나타냈고, 이는 사워 가스(sour gas) 환경에서의 강의 우수한 성능을 나타낸다. 심볼 "CSR"은 균열 민감도 비율을 지칭한다. 심볼 "CTR"은 균열 두께 비율을 지칭한다.
실시예 2
테스트되는 판을 생성하기 위해서 이용된 화학적 조성이 표 2에 기재되어 있다. 슬래브 번호 C002는 비교예이다.
테스트되는 판은 실시예 1에서 설명된 프로세스에 의해서 준비된다.
오스테나이트 비-재결정화 온도 미만의 제어 압연(CR) 패스의 최종 압연 온도(FRT) 및 누적적 감소비는 미세조직 및 기계적 특성을 결정하는 주요 매개변수이다. 테스트되는 판의 두께, FRT 및 CR 감소비에 관한 요약이 표 2-1에 제공되어 있다. 슬래브 번호 C002-1 및 C002-2는 비교예이다.
[표 1-2]
41 mm-두께 판의 용접성 결과
Figure pct00003
[표 2]
테스트되는 판의 화학적 조성(중량%)
Figure pct00004
[표 2-1]
테스트되는 판의 두께, FRT, 및 CR 감소비에 관한 요약
Figure pct00005
인장 특성
인장 특성은, 횡방향 40 mm-폭 및 직사각형 형상의 시편을 이용하여, ASTM E8에 따라 결정되었다. 도 7은, 두께가 10 mm 내지 41 mm인 모든 테스트되는 판이 전달 조건(del. cond.)에서 약 480 MPa의 항복 강도 및 약 550 MPa의 최대 인장 강도를 갖는다는 것을 보여준다. 전달 조건은, 실시예 2의 테스트 판을 생산하기 위한 열기계적으로 제어되는 프로세싱(TMCP)에서의 가속 연속 냉각(ACC) 및 템퍼링(T)의 단계 후에 추가적인 처리가 없는 TMCP-ACC-T 조건으로 정의된다. 600 ℃에서 4시간 동안의 용접 후 열처리(PWHT)는 인장 특성에 거의 영향을 미치지 않는다(도 7).
두께-관통 인장 테스팅이 12 mm, 25 mm 또는 41 mm의 두께를 갖는 판들에서 실시되었다. 파단 전의 횡단면의 큰 백분율 감소는 Z 방향을 따른 강의 큰 연성을 반영한다. 도 8은 횡단면 면적의 백분율 감소가 77.6 % 내지 81.8 %라는 것을 보여주고, 이는 표준 등급 ASTM A537 CL2에서 요구되는 바와 같은 35%보다 상당히 더 크다.
Charpy-V 충격 인성
충격 인성은, 두께가 10 mm인 7.5 mm x 10 mm의 길이방향 판, 및 두께가 15 mm, 20 mm, 25 mm 또는 41 mm인 10 mm x 10 mm의 길이방향 판을 이용하여 ASTM E23에 따라 결정되었다. Charpy-V 충격 인성들은 도 9에 도시된 바와 같이 상이한 두께들의 판들에서 다르다. 길이방향을 따른 상이한 두께들의 판들의 Charpy-V 충격 인성 결과가 표 2-2에 요약되어 있다.
[표 2-2]
상이한 두께들을 갖는 판들의 Charpy-V 충격 인성
Figure pct00006
10 mm- 및 15 mm-두께 판의 충격 인성 레벨은 -68 ℃에서 300 J/cm2 초과의 상부 선반(shelf)에 위치되고, 에너지는 전달 조건에서 15 mm-두께 판에 대해서 375 J/cm2이다. 전달 또는 PWHT 조건에서 20 mm- 및 25 mm-두께 판의 충격 인성 레벨은 -60 ℃에서 각각 300 J/cm2 및 375 J/cm2이다. 41 mm의 충격 인성 레벨은 -52 ℃에서 320 J이다.
25 mm- 및 41 mm-두께 판(표 2-1)에서의 충격 인성에 미치는 제어 압연 감소의 영향이 도 10 및 도 11에 각각 도시되어 있다. 도 10은 25 mm-두께 판 내에서 제어 압연 감소비를 1.8로부터 3으로 상승시키는 것이 전이 온도를 -52 ℃로부터 -60 ℃로 낮추는 것을 도시한다. 41 mm-두께 판 내에서, 제어 압연 감소비를 1.8로부터 2.5으로 상승시키는 것은 전이 온도를 -40 ℃로부터 -60 ℃로 낮춘다(도 11). 제어 압연 감소비가 3.0일 때 최적의 결과가 달성될 수 있다(도 10 및 도 11).
PWHT-내성
600 ℃에서 4시간 동안의 용접 후 열처리(PWHT)는 항복 강도, 최대 인장 강도 및 연신율(도 7)과 같은 인장 특성 또는 Charpy-V 충격 인성 결과(도 9 내지 도 11)에 거의 영향을 미치지 않는다.
굽힘성
굽힘성은 실시예 1에 설명된 바와 같은 방법을 이용하여 측정되었다. 41 mm-두께 판은 길이방향 및 횡방향 모두에서 0.49 곱하기 판 두께의 최소 굽힘 반경(Ri = 0.49 t)를 갖는다.
미세조직
미세조직은 실시예 1에 설명된 바와 같은 방법을 이용하여 특성화되었다. 41 mm의 두께를 갖는 강(표 2-1)의 미세조직은 도 12에서 확인되는 바와 같이 준-다각형 페라이트, 다각형 페라이트, 및 베이나이트를 포함한다.
제어 압연(CR) 감소의 레벨 및 최종 압연 온도(FRT)는 입자 크기에 영향을 미친다. 도 9(a)에 도시된 바와 같은 E002-1의 희망 미세조직은 3.0의 제어 압연 감소비 및 838 ℃의 최종 압연 온도의 조합에 의해서 얻어진다. 큰 제어 압연 감소비는 페라이트 입자를 위한 더 많은 개시 장소를 생성하고, 그에 의해서 입자 크기를 감소시킨다. 적용되는 최종 압연 온도가 800 ℃ 미만, 예를 들어 C002-1의 경우에 798 ℃[도 9(b)] 또는 C002-2의 경우에 777 ℃[도 9(c)]일 때, 입자 크기는, 적용된 최종 압연 온도가 800 ℃를 초과할 때[도 9(a)]보다 크다.
실시예 3
테스트되는 판을 생성하기 위해서 이용된 화학적 조성이 표 3에 기재되어 있다. 슬래브 번호 C003은 비교예이다.
테스트되는 판은 실시예 1에서 설명된 프로세스에 의해서 준비된다.
테스트되는 판의 냉각 매개변수에 관한 요약이 표 3-1에 제공되어 있다. 가속 연속 냉각 정지 온도는 기계적 특성에 거의 양향을 미치지 않거나 영향을 미치지 않는다(표 3-2). 그러나, 가속 연속 냉각 정지 온도는 저온 인성을 결정하는 중요한 매개변수이다(표 3-3).
중단되는 가속 냉각을 이용한 압연 실험을 41 mm-두께 판에서 실시하였고, 이는 230 ℃ 미만의 온도까지의 가속 연속 냉각이 저온 인성에서 중요하다는 것을 보여준다. 가속 냉각이 250 ℃ 내지 290 ℃ 범위의 온도에서 중단되었을 때(표 3-1), Charpy-V 충격 인성은 -60 ℃의 온도에서 크게 저하되었다(표 3-3).
[표 3]
테스트되는 판의 화학적 조성(중량%)
Figure pct00007
[표 3-1]
테스트되는 판의 냉각 매개변수
Figure pct00008
[표 3-2]
테스트되는 판의 기계적 특성
Figure pct00009
[표 3-3]
테스트되는 판의 충격 인성 특성
Figure pct00010

Claims (9)

  1. 중량%(wt.%)로:
    C 0.02 - 0.05, 바람직하게 0.03 - 0.045
    Si 0.1 - 0.6, 바람직하게 0.2 - 0.6, 더 바람직하게 0.3 - 0.5
    Mn 1.1 - 2.0, 바람직하게 1.35 - 1.8
    Al 0.01 - 0.15, 바람직하게 0.02 - 0.06
    Nb 0.01 - 0.08, 바람직하게 0.025 - 0.05
    Cu ≤ 0.5, 바람직하게 0.15 - 0.35
    Cr ≤ 0.5, 바람직하게 0.1 - 0.25
    Ni ≤ 0.7, 바람직하게 0.1 - 0.25
    Ti ≤ 0.03, 바람직하게 0.005 - 0.03
    Mo ≤ 0.1
    V ≤ 0.1, 바람직하게 ≤ 0.05
    B ≤ 0.0005
    P ≤ 0.015, 바람직하게 ≤ 0.012
    S ≤ 0.005
    나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 조성을 포함하는 고강도 강 제품이며, 강 제품은
    부피%(vol.%)로:
    준-다각형 페라이트 40 내지 80
    다각형 페라이트 20 내지 40
    베이나이트 ≤ 20
    펄라이트 및 마르텐사이트 ≤ 20, 바람직하게 ≤ 5, 더 바람직하게 ≤ 2로 이루어진 매트릭스를 포함하는 미세조직, 및
    적어도 400 MPa의 항복 강도, 적어도 500 MPa의 최대 인장 강도, -50 ℃ 내지 -100 ℃ 범위의 온도에서 적어도 34 J/cm2, 바람직하게 적어도 150 J/cm2, 더 바람직하게 적어도 300 J/cm2의 Charpy-V 충격 인성의 기계적 특성을 가지는, 강 제품.
  2. 제1항에 있어서,
    강 제품은 직경이 1 ㎛ 내지 4 ㎛ 범위인 평균 개재물 크기를 갖는 비-금속 개재물을 포함하고, 개재물의 95%는 직경이 4 ㎛ 미만인, 강 제품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    강 제품이 6 mm 내지 65 mm, 바람직하게 10 mm 내지 45 mm 범위의 두께를 가지는 스트립 또는 판인, 강 제품.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    강 제품이 적어도 415 MPa의 항복 강도, 바람직하게 415 MPa 내지 650 MPa 범위의 항복 강도를 가지는, 강 제품.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    강 제품이 500 MPa 내지 690 MPa, 바람직하게 550 MPa 내지 690MPa의 범위의 최대 인장 강도를 가지는, 강 제품.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    강 제품이 길이방향 또는 횡방향으로 5.0 t 이하, 바람직하게 3.0 t 이하, 더 바람직하게 0.5 t의 최소 굽힘 반경을 가지고, t는 강 스트립 또는 판의 두께인, 강 제품.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    강 제품에 1 시간 내지 8시간 동안 500 ℃ 내지 680 ℃ 범위의 온도에서, 바람직하게 4 시간 내지 8시간 동안 600 ℃ 내지 640 ℃ 범위의 온도에서 용접후 열처리가 실시되는, 강 제품.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 고강도 강 제품을 제조하기 위한 방법이며:
    - 제1항에 따른 조성물을 갖는 강 슬래브를 950 ℃ 내지 1350 ℃ 범위의 온도로 가열하는 단계;
    - 가열된 강 슬래브를 복수의 열간 압연 패스로 열간 압연하는 단계로서,
    i. 강 슬래브는 오스테나이트 비-재결정화 온도 초과의 온도에서 제1의 복수의 압연 패스로 처리되고,
    ii. 단계(i)로부터의 강 슬래브가 오스테나이트 비-재결정화 온도 미만의 온도로 냉각되고,
    iii. 단계(ii)로부터의 강 슬래브가 오스테나이트 비-재결정화 온도 미만의 온도에서 제2의 복수의 제어 압연 패스로 처리되고, 제어 압연 패스의 감소율이 적어도 1.5, 바람직하게 2.0, 더 바람직하게 2.5이고, 최종 압연 온도가 800 ℃ 내지 880 ℃ 범위인, 단계;
    - 적어도 5 ℃/s의 냉각 속도로 230 ℃ 미만의 온도까지 가속 연속 냉각하는 단계; 및
    - 선택적으로, 0.5 시간 내지 1 시간 동안 580 ℃ 내지 650 ℃ 범위의 온도에서 템퍼링하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    열간 압연의 누적적 감소비가 4.0 내지 35의 범위인, 방법.
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