KR20110022308A

KR20110022308A - 고강도 강재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20110022308A
Application number: KR1020090079845A
Authority: KR
Inventors: 황병일; 박규협; 하경태
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2011-03-07

Abstract

본 발명은 고강도 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 C: 0.07~0.10wt%, Si: 0.20~0.25wt%, Mn: 1.20~1.30wt%, P: 0 초과 0.015wt% 이하, S: 0 초과 0.015wt% 이하, Ni: 0 초과 0.35wt% 이하, Cr: 0 초과 0.1wt% 이하, Cu: 0.1~0.15wt%, V: 0.02~0.03wt%, Nb: 0.04~0.06wt%, N: 0 초과 0.012wt% 이하, Zr: 0.08~0.12wt% 및 잔부 Fe과 기타 불가피한 불순물로 조성된다. 본 발명은 MnS 개재물을 구상화하는 합금설계로 부위별 충격치 편차가 저감된 강재의 제조가 가능한 이점이 있다.

MnS 개재물, 구상화

Description

고강도 강재 및 그 제조방법{High strength steel, and method for producing the same}

본 발명은 고강도 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부위별 충격치 편차를 저감할 수 있는 고강도 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 혹한지나 극지 등과 같은 지역에서 사용되는 강재의 경우에는 무엇보다 저온 충격인성이 높은 재질이 요구된다. 특히, 선박, 해양 구조물, 복공판, 교량의 상부구조물 등에 사용되는 형강제품인 'H'형강의 경우, 저온 충격 인성에 대한 요구가 더욱 높아지고 있는 실정이다.

따라서, 해외로 수출되는 'H'형강의 경우 충격치 검사를 통해 충격치 기준에 합격된 제품만을 수출하고 있다.

예컨데, SM570급 'H'형강의 경우에는 570MPa 이상의 인장강도와 450MPa 이상의 항복강도 및 -5℃에서 47J 이상의 충격치 기준을 요구한다.

그러나, 기존 강재의 경우 강 중에 포함된 S가 강 중의 Mn과 결합하여 응고시 MnS 개재물을 형성하고, 이 MnS 개재물이 압연시 길게 연신되므로 연신된 MnS 개재물을 다량 보유하게 된다.

그리고, 연신된 MnS 개재물의 강 내부 불균일한 분포는 부위별 충격치 편차를 발생시킨다.

따라서, 국내에서 충격치 기준을 합격한 제품일지라도 해외에서 시험할 경우 불균일 개재물로 인해 낮은 충격치를 지닐 확률이 높다. 이는 국내에서 충격치 검사하는 부분과 해외에서 충격치 검사하는 부분의 부위가 다를 수 있기 때문이다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 충격치 기준을 만족하는 것은 물론, 부위별 충격치 편차가 최소화되는 고강도 강재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 C: 0.07~0.10wt%, Si: 0.20~0.25wt%, Mn: 1.20~1.30wt%, P: 0 초과 0.015wt% 이하, S: 0 초과 0.015wt% 이하, Ni: 0 초과 0.35wt% 이하, Cr: 0 초과 0.1wt% 이하, Cu: 0.1~0.15wt%, V: 0.02~0.03wt%, Nb: 0.04~0.06wt%, N: 0 초과 0.012wt% 이하, Zr: 0.08~0.12wt% 및 잔부 Fe과 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강재이다.

상기 강재의 충격시험시, 압연방향의 부위별 충격치 최대값과 충격치 최소값 의 편차가 20J 이하이다.

상기 Zr의 함량은 식 {50C+72Mn+LOG(Si)-1022S}/1000<Zr의 조건범위를 만족한다.

상기 강재는 'H'형강인 것을 특징으로 하는 고강도 강재.

C: 0.07~0.10wt%, Si: 0.20~0.25wt%, Mn: 1.20~1.30wt%, P: 0 초과 0.015wt% 이하, S: 0 초과 0.015wt% 이하, Ni: 0 초과 0.35wt% 이하, Cr: 0 초과 0.1wt% 이하, Cu: 0.1~0.15wt%, V: 0.02~0.03wt%, Nb: 0.04~0.06wt%, N: 0 초과 0.012wt% 이하, Zr: 0.08~0.12wt% 및

잔부 Fe과 기타 불가피한 불순물로 조성되는 주편을 1100~1200℃로 가열한 후, 미재결정 영역에서 누적 압하율이 40~80% 범위가 되도록 열간 압연하고, 최종 압연온도에서 5~15℃/sec의 냉각 속도로 625~675℃까지 냉각한 후 공냉한다.

상기 최종 압연온도는 750~850℃이다.

본 발명은 MnS 개재물을 구상화하는 합금설계로 부위별 충격치 편차가 저감된 강재의 제조가 가능하다.

이러한 강재는 570MPa 이상의 인장강도와 450MPa 이상의 항복강도 및 충격치 최대값과 최소값의 편차가 20J 이하를 만족한다. 또한, 본 발명은 V, Nb 첨가 및 압연제어로 미세한 조직이 확보된다.

따라서, 본 발명의 강재를 해외 수출시 충격치 편차 감소로 인해 불량률이 감소되는 유용한 효과를 가진다.

이하, 본 발명에 의한 고강도 강재 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 고강도 강재로 SM570급 H형강을 예로 들어 설명한다.

합금조성은 C: 0.07~0.10wt%, Si: 0.20~0.25wt%, Mn: 1.20~1.30wt%, P: 0 초과 0.015wt% 이하, S: 0 초과 0.015wt% 이하, Ni: 0 초과 0.35wt% 이하, Cr: 0 초과 0.1wt% 이하, Cu: 0.1~0.15wt%, V: 0.02~0.03wt%, Nb: 0.04~0.06wt%, N: 0 초과 0.012wt% 이하, Zr: 0.08~0.12wt% 및 잔부 Fe과 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

-5℃에서의 압연방향의 부위별 충격치 최대값과 최소값의 편차가 20J 이하이다.

구체적으로 본 발명은 합금성분내 Zr을 첨가하여 MnS 개재물의 형태를 구상화하여 'H'형강의 부위별 충격치 편차를 저감한다.

Zr을 첨가하면 MnS 주위에 Zr산화물이 형성되고, 생성된 Zr산화물이 MnS를 구 형상의 개재물로 유지시킨다. 따라서 압연시 MnS 개재물의 연신이 방지된다.

SM570급의 인장강도와 항복강도를 만족하기 위해 Nb 및 V가 첨가된다.

이하, 본 발명의 합금원소들의 기능 및 함량의 한정 이유에 대해 설명한다.

C: 0.07~0.10wt%

C는 강재의 강도 확보를 위해 첨가된다.

C는 0.07wt% 미만으로 첨가되면 강도확보가 어렵고, 0.10wt%를 초과하면 강도는 증가하나 취성적인 성질 및 열에 약한 특성을 가지게 되어 충격인성 및 용접성이 저하된다. 따라서, C는 충격인성 및 용접성을 고려하여 0.07~0.10wt%의 범위로 설정한다.

Si: 0.20~0.25wt%

Si는 제강공정에서 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가되며, 고용강화 효과도 가진다.

Si는 함량이 0.20wt% 미만이면 그 효과가 미흡하고, 0.25wt%를 초과하면 용접성과 인성을 열화시킨다. 따라서, Si의 함량은 탈산효과와 고용강화 효과를 도모하기 위해 0.20~0.25wt%의 범위로 설정한다.

Mn: 1.20~1.30wt%

Mn은 오스테나이트 안정화 원소로서 Ar3온도를 낮추어 제어압연 영역을 확대시킴으로써 압연에 의한 결정립을 미세화시켜 강도 및 인성을 향상시킨다.

Mn은 함량이 1.20wt% 미만이면 강도 향상에 기여하지 못해 추가의 소입성 원소를 첨가해야 하고, 1.30wt%를 초과하면 제조원가의 상승 및 용접성 열화의 문제를 유발한다. 따라서 Mn 함량을 1.20~1.30wt%의 범위로 설정한다.

Cu: 0.1~0.15wt%

Cu는 고용강화 효과에 의해 강도를 증가시킨다.

Cu는 함량이 0.1wt% 미만이면 효과가 미비하고, 0.15wt%를 초과하면 인성의 현저한 저하와 열간가공성의 열화를 초래한다. 따라서 Cu 함량을 0.1~0.15wt%로 설정한다.

V: 0.02~0.03wt%

V은 냉각 중 C와 결합하여 VC탄화물을 형성하여 내마모성을 향상시킨다.

V은 함량이 0.02wt% 미만이면 효과가 미비하고, 0.03wt%를 초과하면 용접성과 인성을 저하시키게 된다. 따라서 함량을 0.02~0.03wt%로 설정한다.

Nb: 0.04~0.06wt%

Nb는 C, N과 결합하여 탄질화물을 형성한다. 이는 압연시 결정립 성장을 억제하여 결정립을 미세화시키므로 강도와 인성을 향상시킨다.

Nb는 0.04wt% 미만이면 효과가 미비하고, 0.06wt%를 초과하면 충격인성을 저하시킬 우려가 있다. 따라서 Nb 함량을 0.04~0.06wt%로 설정한다.

Zr: 0.08~0.12wt%

Zr은 강 중의 S와 결합하여 탄유화물을 형성한다. Zr은 강의 응고시 MnS 개 재물내 Mn과 치환하여 ZrS를 형성하거나, Zr은 MnS 주위에 Zr산화물을 형성하여 MnS 개재물의 연신을 억제한다.

구체적으로 Zr은 ZrS를 형성하거나, MnS 주위에 Zr산화물을 형성하여 MnS 개재물을 구상으로 만들어 강의 충격치를 향상시킨다.

또한, Zr은 강력한 질화물 원소로 N과 결합력이 매우 크고, 고온 결정립 미세화 효과가 탁월하여 강도 향상에 기여한다. 그러나 조대하게 석출된 ZrN은 피로크랙의 발생기점이 되기도 한다.

Zr은 0.08wt% 미만으로 첨가되면 효과가 미비하고, 0.12wt%를 초과하면 상술한 문제점 외에 제조비용의 상승을 초래한다.

따라서, Zr의 함량을 0.08~0.12wt%로 제한한다.

또한, Zr의 함량은 식 {50C+72Mn+LOG(Si)-1022S}/1000<Zr의 조건범위를 만족한다.

이는 압연방향의 부위별 충격치 최대값과 최소값의 편차가 20J 이하를 만족하기 위한 조건이다.

Zr을 0.08~0.12wt% 범위로 함유할 경우 충격치 편차가 감소되기는 하나, 식 {50C+72Mn+LOG(Si)-1022S}/1000에 의해 계산된 값보다 Zr의 함량이 적을 경우에는 개재물의 구상화 효과가 낮아 충격치 편차 저감 효과가 낮다.

상술한 식은 C, Mn, Si, S 및 Zn과의 관계가 MnS 개재물의 구상화에 미치는 결과를 알아보기 위해 복수회 실험하여 도출한 식이다.

P: 0 초과 0.015wt% 이하

P는 충격인성을 저하시키는 대표적인 원소로서 그 함량이 낮으면 낮을수록 좋다. 하지만 제강과정에서 피할 수 없는 불순물이므로 그 함량을 0.015wt% 이하로 제한한다.

S: 0 초과 0.015wt% 이하

S는 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소이며 유화물계 개재물(MnS)을 형성하여 충격인성을 저하시키므로 0.015wt% 이하로 제한한다.

Ni: 0 초과 0.35wt% 이하

Ni은 불순물 원소로 함유될 수 있다. Ni은 강재의 경화능을 증대시키고 인성을 향상시키는 효과를 가진다. 하지만 Ni은 고가인 점, 함량이 과다 첨가되면 적열취성을 유발하는 점을 고려하여 0.35wt% 이하로 제한한다.

Cr: 0 초과 0.1wt% 이하

Cr은 첨가하면 강도를 높이는 작용을 하나, 미세한 개재물 CrS를 형성하므로 첨가하지 않아도 좋다. 하지만 첨가할 경우 Cr은 0.01wt%를 초과하면 페라이트의 비율이 크게 저하되므로 0.01wt% 이하로 제한한다.

N: 0 초과 0.012wt% 이하

N은 강 중에 개재물을 발생시켜 강의 내부품질을 저하시키므로 극저로 관리하는 것이 유리하다. 하지만 제조비용이 증가하고 관리의 어려움이 있으므로 0.012wt% 이하로 제한한다.

본 발명은 상기 합금강의 성분들을 포함하고, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 원소들이며, 원료, 자재, 제조설비 등의 상황에 따라 함유되는 원소로서 불가피한 불순물의 미세한 혼입도 허용될 수 있다.

상기와 같은 조성을 갖는 강재의 주편은 제강공정을 통해 용강을 얻은 다음 연속주조공정을 통해 제조되며, 압연과정을 거쳐 예컨데 'H'형강으로 제조된다.

압연과정은 제어압연 및 압연 후 냉각조건의 최적화를 통해 결정립을 미세화할 수 있다.

[재가열]

본 발명에서는, 상기한 조성을 갖는 강재의 주편을 주조시 편석된 성분을 재고용하기 위해 1100~1200℃에서 소정시간, 예를 들어, 1~3시간 동안 재가열 한다.

재가열 온도는 1100℃보다 낮으면 주편의 온도가 낮아 압연 부하가 커지는 문제점이 있고 1200℃를 초과하면 오스테나이트 결정립이 조대화되어 강도확보가 어려운 문제점이 있다.

[제어압연]

1100~1200℃로 가열한 후에는 미재결정 영역에서 압하량을 증가시켜 결정립 미세화를 유도한다.

미재결정 영역에서 누적 압하량은 40~80%범위인 것이 바람직하다. 이는 재결정을 일으키지 않고 결정립내에서 페라이트 핵을 다량 발생시켜 열간압연 종료후 미세한 조직이 확보되도록 한다.

최종 압연온도 즉, 압연이 종료되는 온도는 770~870℃인 것이 바람직하다. 이는 열간압연을 종료하는 온도가 770℃ 미만이면 초석 페라이트가 일부 석출하여 재질의 이방성을 야기시키는 문제점이 있고, 870℃를 초과하면 항복강도 저하가 발생하기 때문이다.

열간압연 후에는 5~15℃/sec의 냉각속도로 625~675℃까지 수냉한 다음, 상온까지 공냉하는 냉각단계를 거친다.

가속냉각속도는 가능한 한 빠른 냉각속도가 유리하나, 5℃/sec 미만이면 결정립 성장이 촉진되어 강도확보가 어렵고, 15℃/sec를 초과하면 충격인성이 저하되는 문제점이 발생한다.

따라서, 상기 문제점 및 실생산 가능성을 고려하여 5~15℃/sec 범위의 냉각속도로 가속냉각하는 것이 바람직하고, 냉각정지온도는 마르텐사이트가 생성되지 않는 정도의 온도인 625~675℃로 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 제조된 강재인 'H'형강은 570MPa 이상의 인장강도와 450MPa 이상의 항복강도 및 -5℃에서의 충격치 편차가 20J 이하를 만족한다.

아래의 표 1은 각각의 성분 요소가 다른 본 발명의 발명예와 비교예를 나타 낸 것이다.

(잔부 Fe, 단위:wt%)

구분	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Cu	V	Nb	N	Zr
발명예	0.092	0.203	1.228	0.0155	0.0094	0.024	0.047	0.1	0.0216	0.0511	0.01	0.1005
비교예1	0.07	0.202	1.271	0.0146	0.01	0.35	0.055	0.0142	0.0232	0.0484	0.01	0.0835
비교예2	0.071	0.201	1.223	0.0143	0.0061	0.346	0.054	0.0922	0.0203	0.049	0.01	0

아래의 표 2는 표 1의 성분 요소가 식 {50C+72Mn+LOG(Si)-1022S}/1000<Zr의 조건범위를 만족하는지를 나타낸 것이다.

구분	수식	값
발명예	{50C+72Mn+LOG(Si)-1022S}/1000	0.081617	{50C+72Mn+LOG(Si)-1022S}/1000<Zr
비교예1		0.084097	{50C+72Mn+LOG(Si)-1022S}/1000>Zr
비교예2		-	-

아래의 표 3은 표 1의 성분을 갖는 주편(빔 브랑크)를 1200℃에서 2시간 가열하여 800℃에서 열간 마무리 압연한 다음, 630℃로 급냉하고 상온까지 공냉하여 제조한 'H'형강의 기계적 성질을 측정한 것이다.

구분	YS(MPa)	TS(MPa)	El(%)	충격치(J)
구분	YS(MPa)	TS(MPa)	El(%)	1point	2point	3point	Max.-Min.
발명예	500	571	20.0	108.7	120.9	124.5	15.8
비교예1	508	573	20.2	108.2	146.5	152.2	44.0
비교예2	515	574	21.9	157.0	236.9	174.1	79.9

[TS:인장강도, YS:항복강도, EL:연신율]

참고로, 1point, 2point, 3point는 'H'형강의 플랜지부의 압연방향을 따라 무작위로 채취한 시험편이다. (충격치는 -5℃에서 충격치를 실험한 결과이다.)

표 1 내지 표 3을 살펴보면, Zr이 첨가되되 식{50C+72Mn+LOG(Si)-1022S}/1000<Zr의 조건범위를 만족하는 경우 충격치 편차가 20J 이하를 만족함을 알 수 있다.

이는 도 2의 조직사진에서도 확인되는 바와 같이, Zr이 MnS를 구 형상의 개재물로 유지킴에 의해 압연시 MnS 개재물의 연신이 방지된 것이다.

도 2에서 A는 발명예의 SEM조직사진을 보인 것이고, A1 내지 A4는 A를 이루는 성분을 분리하여 보여준 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, MnS 개재물을 구상화하는 것은 Zr산화물 및 Mn과 치환되는 Zr에 의한 것임을 알 수 있다.

그리고, 도 1의 조직사진에서도 확인되는 바와 같이, Zr이 첨가되지 않은 경우 연신된 MnS 개재물이 불균일하게 분포함을 알 수 있다. 도 1은 비교예 2를 SEM조직사진을 보인 것이다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

도 1은 MnS 개재물이 연신된 모습을 보인 SEM조직사진(표1의 비교예2).

도 2는 본 발명의 고강도 강재의 조직을 보인 SEM조직사진(표 1의 발명예).

Claims

C: 0.07~0.10wt%, Si: 0.20~0.25wt%, Mn: 1.20~1.30wt%, P: 0 초과 0.015wt% 이하, S: 0 초과 0.015wt% 이하, Ni: 0 초과 0.35wt% 이하, Cr: 0 초과 0.1wt% 이하, Cu: 0.1~0.15wt%, V: 0.02~0.03wt%, Nb: 0.04~0.06wt%, N: 0 초과 0.012wt% 이하, Zr: 0.08~0.12wt% 및

잔부 Fe과 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강재인 것을 특징으로 하는 고강도 강재.
청구항 1에 있어서,

상기 강재의 충격시험시,

압연방향의 부위별 충격치 최대값과 충격치 최소값의 편차가 20J 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 강재.
청구항 2에 있어서,

상기 Zr의 함량은 식 {50C+72Mn+LOG(Si)-1022S}/1000<Zr의 조건범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 고강도 강재.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 강재는 'H'형강인 것을 특징으로 하는 고강도 강재.
C: 0.07~0.10wt%, Si: 0.20~0.25wt%, Mn: 1.20~1.30wt%, P: 0 초과 0.015wt% 이하, S: 0 초과 0.015wt% 이하, Ni: 0 초과 0.35wt% 이하, Cr: 0 초과 0.1wt% 이하, Cu: 0.1~0.15wt%, V: 0.02~0.03wt%, Nb: 0.04~0.06wt%, N: 0 초과 0.012wt% 이하, Zr: 0.08~0.12wt% 및

잔부 Fe과 기타 불가피한 불순물로 조성되는 주편을

1100~1200℃로 가열한 후, 미재결정 영역에서 누적 압하율이 40~80% 범위가 되도록 열간 압연하고,

최종 압연온도에서 5~15℃/sec의 냉각 속도로 625~675℃까지 냉각한 후 공냉하는 것을 특징으로 하는 고강도 강재의 제조방법.
청구항 5에 있어서,

상기 최종 압연온도는 750~850℃인 것을 특징으로 하는 고강도 강재의 제조방법.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,

상기 Zr의 함량은 식 {50C+72Mn+LOG(Si)-1022S}/1000<Zr의 조건범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 고강도 강재의 제조방법.