KR100422408B1

KR100422408B1 - Ｃｕ석출 강화강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100422408B1
Application number: KR10-2001-0031957A
Authority: KR
Inventors: 나카무라히로후미; 후루카와준
Original assignee: 스미토모 긴조쿠 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2000-06-12
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2004-03-12
Anticipated expiration: 2021-06-08
Also published as: KR20010111625A; EP1164204A1; US20020026970A1; US6558483B2

Abstract

본 발명의 Cu 석출 강화강은, 질량%로, C : 0.02 - 0.10% , Mn : 0.3 - 2.5%, Cu : 0.50 - 2.0%, Ni : 0.3 - 4.0% 및 Ti : 0.004 - 0.03%를 함유하고, 또한 Si :0.01 - 0.4% 및/ 또는 Al : 0.001 - 0.1%를 함유하고, 불가피한 불순물의 함유량이, P : 0.025% 이하, S : 0.01% 이하, N : 0.006% 이하, Se : 0.005% 이하이며, 동시에, 하기 (1)식으로 규정되는 Pcm이 0.28 이하이다. 이 Cu 석출 강화강에 의한 강재는 양호하며 안정된 CTOD 특성을 구비하므로, 대형 산업기계, 선박, 해양구조물, 라인 파이프, 탱크, 교량 등의 용접 구조물의 소재로 사용되는 강재로서 알맞다.

(1)

여기서, C, Si, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, V, B는 각 원소의 함유량(단위: 질량 %)이다.

Description

Ｃｕ 석출 강화강 및 그 제조방법{Cu PRECIPITATION STRENGTHENED STEEL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은, 대형 산업기계, 선박, 해양구조물, 라인 파이프, 탱크, 교량 등의 용접 구조물의 소재로 사용되는 강재로서 알맞은 Cu 석출 강화강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근, 경제성 및 안정성 등의 관점에서, 대형 산업기계, 선박, 해양구조물, 라인 파이프, 탱크, 교량 등의 용접 구조물의 고 강도화가 진행되고 있다. 그리고, 이에 따라, 이들 용접 구조물의 소재로서 사용되는 강재(鋼材)에 요구되는 특성은은 높아가기만 한다. 이들의 강재에 요구되는 특성의 하나로서, BS7448 이나 ASTM E1290에서 규정되는 파괴 인성(靭性)시험으로부터 요구되는 CTOD 특성이 있다. CTOD 특성의 향상과 안정화는 용접 구조물의 안전성 향상에 크게 기여하는 것이다.

여기서, 「CTOD 특성」이란, CTOD(Crack Tip Opening Displacement)에 대한 저항성을 나타내는 지표이다. 구체적으로는, 피로 균열을 부여한 시험편에 지정온도하에서 3점 굽힘을 하고, 균열 선단의 개구 변위를 클립 게이지 등으로 측정하고, 파괴 발생시에 있어서 균열 선단의 개구 변위의 한계값(이하, 「한계 CTOD 값」이라 한다) 에 의해 CTOD 특성이 평가된다.

종래부터, 강재의 CTOD 특성을 향상시키는데는, 강 중의 C 함유량을 저하시키는 것이 유효하다고 알려져 있다. 그리고, 강 중의 C 함유량을 저하시킴에 따라 발생하는 강도저하를 보충하기 위하여, 여러가지 합금원소의 첨가나 제조공정의 연구에 의한 고 강도화가 도모되고 있다. 예를 들면, ASTM A710이나 미국 특허 제 3,692,514 호에는, Cu의 석출강화를 이용한 강재가 개시되어 있다.이들 강재는 용접성이 우수하다는 것이 특징이나, 저온 환경하에 있어서 인성의 향상이 요망되고 있다.

또한, CTOD 특성은, 하나의 강재로부터 채취한 복수의 시험편을 사용하여, 동일 조건하에서 복수 횟수의 시험을 하는 것에 의해 평가되나, 동일 조건하에서 시험된 시험편이라도, 어느 시험편의 한계 CTOD 값이 그 외의 시험편의 한계 CTOD 값에 비하여 현저히 낮은 값을 나타내는 경우가 있다. 강재에 요구되는 CTOD 특성은, 동일 조건하에서 시험된 시험편의 한계 CTOD 값 중에서 가장 낮은 한계 CTOD 값(이하,「저 한계 CTOD 값 」이라 한다.)으로 평가되므로, 강재의 저 한계 CTOD 값이 소정의 값을 갖도록 할 필요가 있다. 이를 위하여, 상기한 현상이 발생한 경우를 상정하여 강중의 C 함유량을 필요 이상으로 저하시키거나 고가인 합금원소를 대량으로 첨가하거나 하여, CTOD 특성을 과잉되게 향상시키는 것이 행하여지고 있다. 이 때문에, Cu 석출 강화강의 제조 코스트를 저감하는 것은 곤란하였다.

본 발명은, 양호하고 안정된 CTOD 특성을 구비한 Cu 석출 강화강 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

도 1 (a)는, 압연된 상태의 Cu 함유강에 응력제거(Stress relieve) 열처리를 실시하는 경우를 상정(想定)한 열 패턴의 예를 나타내는 그래프이다.

도 1 (b)는, 도 1 (a)의 열 패턴을 실시한 경우의 Cu 함유강의 상온에서의 인장강도의 변화를 예측 계산한 예를 나타내는 그래프이다.

도 2 (a)는, Cu 함유강에 500℃, 1 시간의 탬퍼링과 응력제거 열처리를 실시한 경우를 상정한 열 패턴의 예를 나타내는 그래프이다.

도 2 (b)는, 도 2 (a)의 열 패턴을 실시한 경우의 Cu 함유강의 상온에서의 인장강도의 변화를 예측 계산한 예를 나타내는 그래프이다.

도 3 (a)는, Cu 함유강에 550℃, 1 시간의 탬퍼링과 응력제거 열처리를 실시하는 경우를 상정한 열 패턴의 예를 나타내는 그래프이다.

도 3 (b)는, 도 3 (a)의 열 패턴을 실시한 경우의 Cu 함유강의 상온에서의 인장강도의 변화를 예측 계산한 예를 나타내는 그래프이다.

도 4 (a)는, Cu 함유강에 600℃, 1 시간의 탬퍼링과 응력제거 열처리를 실시하는 경우를 상정한 열 패턴의 예를 나타내는 그래프이다.

도 4 (b)는, 도 4 (a)의 열 패턴을 실시한 경우의 Cu 함유강의 상온에서의인장강도 변화를 예측 계산한 예를 나타내는 그래프이다.

도 5 (a) 는, Cu 함유강에 650℃, 1 시간의 탬퍼링과 응력제거 열처리를 실시하는 경우를 상정한 열 패턴의 예를 나타내는 그래프이다.

도 5 (b)는, 도 5 (a)의 열 패턴을 실시한 경우의 Cu 함유강의 상온에서의 인장강도의 변화를 예측 계산한 예를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 Cu 석출 강화강은, 질량%로, C : 0.02 - 0.10%, Mn : 0.3 - 2.5%, Cu : 0.50 - 2.0%, Ni : 0.3 - 4.0% 및 Ti : 0.004 - 0.03%를 함유하고, 또한 Si : 0.01 - 0.4% 및/ 또는 Al : 0.001 - 0.1%를 함유하며, 불가피한 불순물의 함유량이, P : 0.025% 이하, S : 0.01% 이하, N : 0.006% 이하, Se : 0.005% 이하이고, 또한, 하기 (1)식으로 규정되는 Pcm이 0.28 이하이다 .

(1)

여기서, C, Si, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, V, B는 각 원소의 함유량(단위 : 질량% )이다.

더욱이, 질량%로 Cr : 0.05 - 1.0%, Mo : 0.05 - 1.0%, Nb : 0.005 - 0.04 %, V : 0.01 - 0.10%, 및 B : 0.0005 - 0.003%로 되는 그룹 중의 1종 이상을 함유시키는 것에 의해, 강도를 향상시킬 수 있다.

더욱이, 질량%로 Ca : 0.0005 - 0.05%, Zr : 0.0005 - 0.05%, 및 REM : 0.0005 - 0.05%로 되는 그룹중의 1종 이상을 함유시키는 것에 따라. 인성(靭性)을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 강은, 제조방법의 일 형태로서, 이하의 (a) ∼ (e)의 공정을 포함하는 제조방법에 의해 제조할 수 있다.

공정(a) : 전술한 화학조성을 가지는 강재를 950℃ 이상 1250℃ 이하로 가열한다.

공정(b) : 가열 후의 상기 강재를 열간압연한다.

공정(c) : 열간압연 후의 상기 강재를 방냉(放冷)또는 가속냉각한다.

공정(d) : 방냉 또는 가속 냉각 후의 상기 강재를 450℃ 이상 680℃로 재가열한다.

공정(e) : 재가열 후의 상기 강재를 공냉한다.

또한, 본 발명의 강재를 용접 구조물용의 소재로서 적용한 경우에 있어서, 용접 구조물의 안정성을 향상시키는 것을 목적으로 한 경우에는, 이하의 (A) ∼ (C) 공정을 포함하는 다른 형태의 제조방법에 의해 제조할 수도 있다.

공정(A) : 전술한 화학조성을 가지는 강재에 대하여, 각종 조건으로 탬퍼링한 후에 응력제거 열처리를 실시하는 경우를 상정하고, 응력제거 열처리 과정에 있어서 인장강도의 변화량을 예측한다.

공정(B) : 공정(A)에 있어서 예측한 인장강도의 변화량에 기초하여 탬퍼링 조건을 결정한다.

공정(C) : 공정(B)에서 결정한 탬퍼링 조건으로 상기 강재에 탬퍼링을 행한다.

본 발명의 강은, CTOD 시험에 있어서 현저히 낮은 한계 CTOD 값을 나타내는 현상에 대하여 조사를 하고, 이 현상의 원인이 불가피한 불순물인 Se의 개재물이라고 하는 새로운 사실에 기초하여, 불가피한 불순물인 Se 함유량을 0.005% 이하 로하여 Se의 개재물의 생성을 억제하는 것에 의해 CTOD 특성을 안정화시킨 Cu 석출 강화강이다.

이하에, 본 발명의 Cu 석출 강화강 및 그 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 화학성분의 함유량%표시는 질량%를 의미한다.

강의 화학조성:

C : 0.02 ∼ 0.10%

C는 강도 상승에 기여하는 원소이나, 0.02% 미만에서는 강도를 확보하는 것은 곤란하며, 한편, 0.10%를 초과하여 다량으로 함유하면, 목적으로 하는 제품의 용접성 및 인성을 열화시킨다. 따라서, C 함유량은 0.02% 이상 0.10% 이하로 한다. 경제성이나 보다 높은 성능을 구하는 의미에서, 바람직한 C 함유량은 0.03% 이상 0.08% 이하이다.

Mn : 0.3 ∼ 2.5%

Mn은, 강의 강도 및 인성을 확보하기 위하여 필요한 원소이나, 0.3% 미만에서는 이와 같은 효과는 적고, 한편, 2.5%를 초과하여 다량으로 첨가하면 용접성을 열화시킨다. 따라서, Mn 함유량은, 0.3 이상 2.5% 이하로 한다. 경제성이나 보다 높은 성능을 구하는 의미에서, 바람직한 Mn 함유량은 0.6% 이상 1.8% 이하이다.

Cu : 0.5 ∼ 2.0%

Cu는 본 발명이 특징으로 하는 원소로서, Cu의 석출 강화를 활용하는 것에 의해, C 함유량을 저하시킬 수 있고, 이에 따라 강의 용접성과 인성을 향상시킬 수 있다. Cu의 석출 강화를 유효하게 얻기 위하여 Cu 함유량을 0.5% 이상으로 한다.한편, Cu 함유량이 과잉으로 되면, 역으로 강의 인성 저하를 초래함과 동시에 강의 열간 가공성을 저해한다. 이 때문에, Cu 함유량을 2.0% 이하로 한다. 경제성이나 보다 높은 성능을 구하는 의미에서, 바람직한 Cu 함유량은 0.7% 이상 1.8% 이하이다.

Ni : 0.3 ∼ 4.0%

Ni은, Cu 함유강 특유의 현상인 열간가공 시의 균열 발생을 억제하여, 열간가공성을 향상시키는 작용이 있다. 또한, 강의 강도를 향상시키는 작용도 있다. 이들 효과를 유효하게 얻기 위하여 Ni 함유량을 0.3% 이상으로 한다. 상기 열간가공시의 균열을 억제하기 위하여, Cu 함유량의 1/2 이상의 Ni을 함유시키는 것이 바람직하다. 한편, Ni 함유량이 과잉으로 되면, 스케일(scale) 결함이 발생하기 쉽게 된다. 이것을 피하기 위해 Ni 함유량은 4.0% 이하로 한다. 또한, Ni은 고가인 원소이므로, 경제성을 구하는 의미에서 바람직한 Ni 함유량은 2.0% 이하이다.

Ti : 0.004 ∼ 0.03%

Ti는, 강의 인성을 손상시키는 고용 N 을 고정하여 무해화 함과 동시에, 오스테나이트 입자의 조대화(粗大化)를 억제하는 작용을 가지며, 강의 인성을 향상시키는데 유효한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서, Ti 함유량을 0.004% 이상으로 한다. 한편, Ti 함유량이 과잉되면, 역으로 강의 인성저하를 초래한다. 후술하는 바와 같이 본 발명에서는 N 함유량을 0.006% 이하로 하고 있으므로, Ti 함유량은 N 함유량에 대응하여 0.03% 이하로 한다. 보다 높은 성능을 구하는 의미에서 바람직한 Ti 함유량은 0.005% 이상 0.015% 이하이다.

Si : 0.01 ∼ 0.4%, Al : 0.001 ∼ 0.1%

Si와 Al은, 모두 강을 탈산시켜 강을 건전하게 하는 작용을 가진다. 그러나 과잉되게 함유시키면 강의 인성과 용접성이 손상된다. 따라서, Si 함유량의 범위를 0.01% 이상 0.4% 이하로, Al 함유량의 범위를 0.001% 이상 0.1% 이하로, 어느 1종 또는 모두를 함유시킨다. 경제성이나 보다 높은 성능을 구하는 의미에서 바람직한 Si함유량의 범위는 0.01%이상 0.2%이하이며, 바람직한 Al 함유량의 범위는 0.001% 이상 0.04% 이하이다. Si에는, 강의 강도를 높이는 작용도 있으므로, 상기 범위 내에서 함유시키는 것에 의해, 이 효과를 얻을 수 있다.

P : 0.025% 이하, S : 0.01% 이하, N : 0.006% 이하

불가피한 불순물인 P, S 및 N는, 강의 인성을 현저하게 저하시킨다. 이 때문에, P, S 및 N 의 함유량을 최대한 저감시키는 것이 바람직하나, 이들 원소의 함유량을 현저하게 저감시키는데는 상응한 처리 코스트를 요한다. 그래서, 본 발명에서는, P 함유량을 0.025% 이하, S 함유량을 0.01% 이하, N 함유량을 0.006% 이하로 한다.

Se : 0.005% 이하

불가피한 불순물인 Se는, 강 중에 있어서 딱딱해서 부서지기 쉬운 개재물을 형성하고, 강의 CTOD 특성을 현저하게 저하시킨다. 그 때문에 Se 함유량을 0.005% 이하로 한다. 보다 높은 성능을 구하는 의미에서 바람직한 Se 함유량은 0.001% 이하이다.

Cr : 0.05 ∼ 1.0% , Mo : 0.05 ∼ 1.0% , Nb : 0.005 ∼ 0.04% 이하, V :0.01 ∼0.10%, B : 0.0005 ∼0.003%

Cr, Mo, Nb, V, 및 B는 모두 강의 강도를 높이는 작용을 가지므로 이 효과를 얻기 위해서 함유시킬 수 있다. 그러나, 과잉되게 함유시키면 인성과 용접성이 손상되므로, 함유시키는 경우에는, Cr 함유량의 범위가 0.05% 이상 1.0% 이하, Mo 함유량의 범위가 0.05% 이상 1.0% 이하, Nb 함유량의 범위가 0.005% 이상 0.04% 이하, V 함유량의 범위가 0.01% 이상 0.10% 이하, B 함유량의 범위가 0.0005% 이상 0.003% 이하로, 이들 그룹 중의 1종 이상을 함유시키는 것이 바람직하다. 보다 높은 성능을 구하는 의미에서 각 원소의 함유량의 바람직한 범위는, Cr 함유량의 범위가 0.1% 이상 0.3% 이하, Mo 함유량의 범위가 0.1% 이상 0.3% 이하, Nb 함유량의 범위가 0.005% 이상 0.02% 이하, V 함유량의 범위가 0.01% 이상 0.05% 이하, B 함유량의 범위가 0.0005% 이상 0.002% 이하이다.

Ca : 0.0005 ∼ 0.05%, Zr : 0.0005 ∼ 0.05%, REM : 0.0005 ∼ 0.05%

Ca, Zr 및 REM 은, 강 중의 개재물의 생성량과 형태를 제어하고, 인성을 향상 시키는 작용을 가지므로, 이 효과를 얻기 위해서 함유시킬 수 있다. 그러나, 과잉되게 함유시키면 오히려 인성을 손상시키는 경우가 있으므로, 함유시키는 경우에는, Ca 함유량의 범위가 0.0005% 이상 0.05% 이하, Zr 함유량의 범위가 0.0005% 이상 0.05% 이하, REM 함유량의 범위가 0.0005% 이상 0.05% 이하로, 이들 그룹 중의 1종 이상을 함유시키는 것이 바람직하다.

기타의 원소

상기 원소 이외에 강의 제조에 있어서 일반적으로 첨가되는 원소에대해서는, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서 첨가하는 것은 제한되지 않는다.

Pcm : 0.28 이하

Pcm은, 용접 균열 감수성을 나타내는 지수이며, 전술한 (1)식으로 규정되는 Pcm의 값이 0.28 이하이면, 통상의 용접 시공조건에서 용접균열이 발생하지 않는다. 따라서, Pcm은 0.28 이하로 한다. Pcm을 낮게 하면 용접시의 예열을 생략할 수 있으므로, Pcm은 보다 작게 하는 것이 바람직하다.

강이 B를 함유하는 경우에는 강의 열처리성이 높아지므로, Pcm을 B 함유량에 따라 제한하는 것이 바람직하다. 예를 들면, B 함유량이 0.0003% 미만인 경우에는 Pcm을 0.21 이하, B 함유량이 0.0003% 이상의 경우에는 Pcm을 0.19 이하로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 Pcm을 제한하는 것에 의해, 25℃의 환경조건하에서 예열하는 일 없이 통상조건으로 용접을 해도 양호한 용접결과를 얻을 수 있다.

강의 제조방법 1 :

공정(a) : 전술한 화학조성을 가지는 강재를 950℃ 이상 1250℃이하로 가열한다.

공정(b) : 가열 후의 상기 강재를 열간압연 한다.

공정(c) : 열간압연 후의 상기 강재를 방냉 또는 가속냉각한다.

공정(d) : 방냉 또는 가속냉각 후의 상기 강재를 450℃ 이상 680℃로 재 가열한다.

공정(e) : 재 가열 후의 상기 강재를 공냉한다.

이하, 상기 (a) ∼ (e)의 각 공정에 대하여 상세히 설명한다.

공정(a)

전술한 화학조성을 가지는 강재를 950℃ 이상 1250℃ 이하로 가열한다. 가열온도가 950℃ 미만인 경우에는, 다음 공정(b)의 열간압연에 있어서 사상온도를 확보하는 것이 곤란하게 되는 경우가 있다. 한편, 가열온도가 1250℃를 초과하면 오스테나이트 결정입자가 조대화(粗大化)하여 제품의 인성이 저하한다.

그래서, 본발명의 상기 형태에서는 열간압연 전에 행하는 강재의 가열온도를 950℃ 이상 1250℃ 이하로 한다.

공정(b)

열간압연의 조건은, 통상의 강재를 제조하는 조건으로 좋다.

공정(c)

열간압연을 종료한 후의 강재를 방냉 또는 가속냉각한다.

여기서, 방냉 또는 가속냉각에 있어서 냉각속도를 1℃/sec 이상으로 하는 것에 의해, 조대한 탄화물을 동반하는 베이나이트 조직의 생성 등을 억제하여, 강재 중심부에 대해서도 강도를 충분히 높일 수 있다. 따라서, 본 발명의 상기 형태에 있어서, 목표로 하는 강재의 강도가 높은 경우에는, 방냉 또는 가속냉각에 있어서 냉각속도를 1℃/sec 이상으로 하는 것이 바람직하다.

한편, 방냉 또는 가속냉각에 있어서 냉각속도가 50℃/sec 초과의 경우에는,강재의 표층부 근방에서 열처리되기 쉽게 되기 때문에 강재의 표층부의 인성이 저하하는 경우가 있다. 이 때문에, 본 발명의 상기 형태에 있어서, 방냉 또는 가속냉각에 있어서 냉각속도는 50℃/sec 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 냉각 종료온도가 580℃를 초과하면, 강재의 중심부 뿐만 아니라 표층부에 있어서도, 마르텐사이트 또는 하부 베이나이트 등의 생성이 불충분하게 되어 강도를 확보하는 것이 곤란하게 되는 경우가 있다. 그래서, 본 발명의 상기 형태에 있어서, 목표로하는 강재의 강도가 높은 경우에는, 방냉 또는 가속냉각에 의한 냉각 종료온도를 580℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.

공정(d) 및 공정(e)

공정(c)에 있어서 냉각 후의 강재를, 450℃ 이상 680℃ 이하로 재가열하고, 그 후 공냉한다. 이것은, Cu에 의한 석출강화를 효율적이고 안정적으로 발휘시키기 위함으로서, 목적으로 하는 강도나 인성에 따라서 재가열 온도를 450℃ 이상 680℃ 이하의 온도범위로 설정한다.

여기서, 재가열 온도를 450℃ 미만으로 한 경우에는 , Cu의 석출이 충분하게 완료하지 않으므로, 목표로 하는 강재의 강도가 높은 경우에는 강재의 강도를 충분히 확보할 수 없게 되는 것이 걱정된다. 또한, 재가열 온도를 680℃ 초과로 한 경우에는, 과시효에 의해 강재의 강도를 충분히 확보할 수 없게 된다.

따라서, 본 발명의 상기 형태에 있어서는, 재가열 온도를 450℃ 이상 680℃ 미만으로 한다.

강의 제조방법 2 :

더욱이, 본 발명의 강은, 제조방법의 다른 형태로서, 이하의 (A) ∼ (C)의 공정을 포함하는 제조방법에 의해 제조할 수 있다.

공정(B) : 공정(A)에 있어서 예측한 인장강도의 변화량에 기초하여 탬퍼링조건을 결정한다.

공정(C) : 공정(B)에서 결정한 탬퍼링조건으로 상기 강재에 탬퍼링을 행한다.

이하, 상기(A) ∼ (C)의 각 공정에 대해서 상세히 설명한다.

공정(A)

전술한 화학조성을 가지는 강재에 대해서, 각종 조건으로 탬퍼링한 후에 응력제거 열처리를 실시하는 경우를 상정하고, 응력제거 열처리 과정에 있어서 인장강도의 변화량을 예측한다.

Cu 석출 강화강의 응력제거 열처리 과정에 있어서 인장강도는, 주로 응력제거 열처리에 의한 Cu 의 석출상태의 변화와 강 모재(母材)의 변화에 의해 변동하므로, 응력제거 열처리의 온도와 시간의 함수에 의해 계산할 수 있다.

따라서, 응력제거 열처리 과정에 있어서 인장강도의 변화량 예측은, 응력제거 열처리 과정에 있어서 Cu 석출강화, Cu 과시효 연화 및 강 모재의 탬퍼링 연화의 예측에 기초하여 행하는 것이 바람직하다. 이 경우, 응력제거 열처리 과정에 있어서 인장강도의 변화량의 예측에는, 응력제거 열처리 과정에 있어서 Cu 석출강화, Cu 과시효 연화 및 강 모재의 탬퍼링 연화에 대응하는 항을 포함하는 예측식을 이용하는 것이 바람직하다. 상기 예측식으로서는, 예를 들면 하기 (2)식 및 (3)식을 이용할 수 있다.

(2)

(3)

m = 1,2,3

여기서,는 인장강도(MPa), R 은 기체 정수,는 열처리의 미소시간.는 그 미소시간에서의 강의 온도(K)이다.

또한,및는, 강재의 화학조성이나 제조조건에 의해 정해지는 정수(단위 : MPa)로서, Cu 함유강에 대하여 실제로 여러가지 조건으로 열처리를 실시하고, 인장강도를 측정하는 것에 의해, 경험적으로 구할 수 있다.

(2)식 및 (3)식에 의한 인장강도의 예측방법에 있어서, 응력제거 열처리 과정에 있어서 온도변화를 단계상의 함수로 근사(近似)시켜, 열처리 시간을, 강재 온도변화가 10℃ 이하가 되도록 미소시간(예를 들면 1 초간)으로 설정하고, 그 i번째의 미소시간을로 한다. 그리고, i번째의 시간에 있어서 강의 온도(절대온도)를 T_i(K), 기체 정수를 R, 활성화 에너지를, 진동인자항을으로 한 경우에, 반응속도 계수는로 나타난다.

여기서,은 Cu 석출의 활성화 에너지,는 Cu 석출에 의한 시효강화의 진행도,는 Cu 석출에 의한 인장강도에의 기여도를 나타내는 항이다.

또한,는 Cu 석출입자의 조대화의 활성화 에너지,는 Cu 입자의 조대화에 의한 과시효 연화의 진행도,는 Cu 석출입자의 조대화에 의한 인장강도의 연화를 나타내는 항이다.

또한,는 강 모재의 탬퍼링 연화에 관한 활성화 에너지,는 강 모재의 탬퍼링에 의한 연화의 진행도,는 강 모재의 탬퍼링 연화를 나타내는 항이다.

(2)식 및 (3)식의 정수는, 강의 화학조성이나 열간압연 또는 그 후의 냉각조건 등에 따라 다르나, 예를 들면, Cu 함유량이 약 1% 정도, 인장강도가 480 ∼ 650 MPa 정도인 강의 경우에는,= 140kJ/mol,= 244kJ/mol,=285kJ/mol, A₁= 5 ×10⁵, A₂= 1 ×10¹¹, A₃= 5 ×10¹¹, M = 82.5MPa, B = 5.65, C = 1 의 값을 이용할 수 있다.

상정하는 응력제거 열처리로서는, 용접 시공후에 사용되는 전형적인 열처리를 상정할 수 있고, 예를 들면 이하의 (Ⅰ) ∼ (Ⅳ)의 공정으로 되는 응력제거 열처리의 조건을 상정할 수 있다.

공정(Ⅰ) : 강재를 상온에서 580℃까지 55℃/시의 가열속도로 가열한다;

공정(Ⅱ) : 상기 강재를 580℃로 4시간 유지한다;

공정(Ⅲ) : 상기 강재를 580℃에서 400℃까지 55℃/시의 냉각속도로 냉각한다;그리고,

공정(Ⅳ) : 상기 강재를 임의의 냉각속도로 실온까지 냉각한다.

(2)식 및 (3)식에 의한 응력제거 열처리 과정에 있어서 인장강도의 변화량의 예측은 다음의 방법으로 행하면 좋다. 우선, (2)식 및 (3)식을 계산기에 기억시켜 둔다. 그리고, 여러가지 탬퍼링과 응력제거 열처리 조건을 계산기에 입력한다. 이어서, 각 탬퍼링과 응력제거 열처리의 조건을 적용한 경우에 대하여, 탬퍼링 개시부터 응력제거 열처리 종료에 이르기까지의 사이의 각 시점에 있어서 상온에서의 인장강도의 변화량을 계산기로 계산하여 구한다.

도1(a)는, 압연된 상태의 Cu 함유강에 응력제거 열처리를 실시하는 경우를 상정한 열 패턴의 예를 나타내는 그래프이다. 또한, 도1(b)는, 도1(a)의 열 패턴을 실시한 경우의 Cu 함유강의 상온에서의 인장강도의 변화를 예측 계산한 예를 나타내는 그래프이다.

도1(b)의 그래프에서 나타나는 바와 같이, 압연된 상태의 재료의 인장강도는 549MPa 이다. 그리고, 상기 응력제거 열처리의 가열 개시후 10시간 전후에서 인장강도가 622MPa로 상승하고, 과시효에 의해 연화하여, 상기 응력제거 열처리의 종료시에는, 558MPa로 된다. 그 결과, 549 ∼ 622MPa 범위의 인장강도 변동이 상기 응력제거 열처리를 실시하는 부위의 근방에서 발생한다.

도2(a)는, Cu 함유강에 500℃, 1시간의 탬퍼링과 응력제거 열처리를 실시하는 경우를 상정한 열 패턴의 예를 나타내는 그래프이다. 또한, 도2(b)는, 도2(a)의열 패턴을 실시한 경우의 Cu 함유강의 상온에서의 인장강도의 변화를 예측 계산한 예를 나타내는 그래프이다.

도2(b)의 그래프에서 나타나는 바와 같이, 탬퍼링에 의해 인장강도가 581MPa로 상승하고, 상기 응력제거 열처리의 개시후 10시간 전후에서 인장강도가 624MPa로 상승한 후, 과시효에 의해 연화하여, 상기 응력제거 열처리의 종료시에는 558 MPa로 된다. 그 결과, 558 ∼ 624MPa 범위의 인장강도 변동이 상기 응력제거 열처리를 실시하는 부위의 근방에서 발생한다.

도3(a)는, Cu 함유강에 550℃, 1시간의 탬퍼링과 응력제거 열처리를 실시하는 경우를 상정한 열 패턴의 예를 나타내는 그래프이다. 또한, 도3(b)는, 도3(a)의 열 패턴을 실시한 경우의 Cu 함유강의 상온에서의 인장강도의 변화를 예측 계산한 예를 나타내는 그래프이다.

도3(b)의 그래프에서 나타나는 바와 같이, 인장강도는 탬퍼링 종료시에 620MPa로 되고, 상기 응력제거 열처리의 종료시에는 556MPa로 된다. 그 결과, 556 ∼ 620MPa 범위의 인장강도 변동이 상기 응력제거 열처리를 실시하는 부위의 근방에서 발생한다.

도4(a)는, Cu 함유강에 600℃, 1시간의 탬퍼링과 응력제거 열처리를 실시하는 경우를 상정한 열 패턴의 예를 나타내는 그래프이다. 또한, 도4(b)는, 도4(a)의 열 패턴을 실시한 경우의 Cu 함유강의 상온에서의 인장강도의 변화를 예측 계산한 예를 나타내는 그래프이다.

도4(b)의 그래프에서 나타나는 바와 같이, 인장강도는 탬퍼링 종료시에는581MPa로 되고, 상기 응력제거 열처리의 종료시에는 550MPa 로 된다. 그 결과, 550 ∼ 581MPa 범위의 인장강도 변동이 상기 응력제거 열처리를 실시하는 부위의 근방에서 발생한다.

도5(a)는, Cu 함유강에 650℃, 1시간의 탬퍼링과 응력제거 열처리를 실시하는 경우를 상정한 열 패턴의 예를 나타내는 그래프이다. 또한, 도5(b)는, 도5(a)의 열 패턴을 실시한 경우의 Cu 함유강의 상온에서의 인장강도의 변화를 예측 계산한 예를 나타내는 그래프이다.

도5(b)의 그래프에서 나타나는 바와 같이, 536 ∼ 539MPa 범위의 인장강도 변동이 상기 응력제거 열처리를 실시하는 부위의 근방에서 발생한다.

공정(B) 및 공정(C)

공정(A)에 있어서 예측한 응력제거 열처리 과정에 있어서 인장강도의 변화량에 기초하여 탬퍼링 조건을 결정하고, 결정한 탬퍼링 조건으로 강재에 탬퍼링을 한다

본 발명의 상기 실시형태에 있어서는, 본 발명의 강재가 용접 구조물의 소재로서 사용된 경우에, 용접 시공후의 응력제거 열처리에 기인하는 강재 강도의 변화량을 작게 하는 것에 의해, 용접 구조물의 안정성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

따라서, 공정(A)에 있어서 예측한 인장강도의 변화량이 50MPa 이하로 되도록, 탬퍼링 조건을 결정하는 것이 바람직하다. 여기서, 응력제거 열처리 전후의 인장강도의 변화량이 아니고, 응력제거 열처리 과정에 있어서 인장강도의 변화량에 기초하여 탬퍼링 조건을 결정한다고 한 것은 다음 이유에 의한다.

용접 구조물의 안정성이라고 하는 관점에서는, 응력제거 열처리부 뿐만 아니라 응력제거 열처리부에서 떨어진 부위에 있어서 인장강도의 변화도 고려할 필요가 있다. 여기서, 응력제거 열처리부에서 떨어진 부위는, 응력제거 열처리부 보다도 저온인 동시에 단시간의 열처리가 행하여지므로, 해당 부위의 기계적 특성은 응력제거 열처리부의 열처리 도중단계에 있어서 기계적 특성에 상당한다. 따라서, 응력제거 열처리 전후의 인장강도의 변화량만이 아니라, 응력제거 열처리 과정에 있어서 인장강도의 변화량에 기초하여 탬퍼링 조건을 결정할 필요가 있다.

여기서, 탬퍼링 조건은, 목적으로 하는 강도를 확보할 수 있는 범위에 있어서는 임의의 조건으로 좋다. 통상은, 가열속도는 400 ∼ 2000℃/시, 가열온도는 400 ∼ 700℃, 냉각속도는 100 ∼ 10000℃/시 등의 범위에서 행하여 진다.

실시예

실시예 1 :

표 1에 나타내는 화학조성과 제조조건에 의해 Cu 석출 강화강의 강판을 제조하고, 그 강판으로부터 시험편을 잘라내어, YS, TS, 한계 CTOD 값을 측정했다. CTOD 시험의 방법은 BS7448에 따라 행하고, 시험온도는 -40℃로 했다. 결과를 표 1에 종합하여 나타낸다.

시험번호 32는, Se가 본 발명에서 규정하는 상한을 초과하고 있으므로, 다른 시험재에 비하여 저한계 CTOD 값이 현저하게 낮았다.

시험번호 24 ∼ 31은, Se에 대해서는 본 발명에서 규정하는 범위 내에 있기는 하지만, Se 이외의 원소가 본 발명에서 규정하는 범위 외에 있으므로, CTOD 특성 또는 강도가 떨어지고 있다.

시험번호 19 ∼ 23은, 화학조성에 대해서는 본 발명에서 규정하는 범위 내에 있기는 하지만, 제조조건이 알맞은 범위가 아니므로, CTOD 특성 또는 강도가 약간 떨어지고 있다.

시험번호 1 ∼ 18은, 화학조성 및 Pcm이 본 발명의 규정을 충족하고, 동시에 제조조건이 알맞은 범위에 있으므로, 높은 강도와 양호한 CTOD 특성을 나타냈다.

실시예 2 :

표 2에 나타내는 화학조성을 가지는 강을 전로(轉爐)에서 용제하고, 연속주조하여 두께가 300mm인 슬라브를 제조했다.

이 슬라브를 1150℃로 가열하고, 900℃ 이하에서의 압하비(壓下比)가 2 이상으로, 표 3에 나타내는 여러가지 조건에서 열간압연하고, 냉각하여, 폭이 2000mm인 여러가지 두께를 가지는 강판을 제조했다.

압연상태의 강의 인장강도를 측정했다. 또한 상기 (2)식 및 (3)식에 의해, 여러가지 탬퍼링과 상기 (Ⅰ) ∼ (Ⅳ)의 공정으로 되는 응력제거 열처리를 행한 때의 강의 상온 인장강도를 예측 계산하고, 상기 응력제거 열처리 과정에 있어서 인장강도 변화량의 절대값(예측치)을 계산했다.

(2)식 및 (3)식의 정수는,= 140kJ/mol,= 244kJ/mol,= 285 kJ/mol, M = 82.5 MPa, A₁= 5 ×10⁵, A₂= 1 ×10¹¹, A₃= 5 ×10¹¹, B = 5.65, C =1 로 했다.

상기 압연상태의 강판은 승온시간 1시간으로 500℃ 이상, 650℃ 이하의 범위에서 50℃ 간격의 온도로 가열하고, 1시간 유지한 후, 강온(降溫)시간 1시간으로 상온까지 냉각하는 탬퍼링을 행하고, 제품강판을 얻었다.

제품강판에서, 폭 : 300mm, 길이 : 300mm의 단판(單板)을 다수 잘라내고, 55℃/시의 속도로 상온에서 580℃로 가열하고, 그 온도로 15분간 이상, 4시간 이내의 범위로 15분간씩의 각종 시간으로 유지한 후, 실온까지 급냉하는 열처리를 시행하였다.

또한, 55℃/시의 속도로 상온에서 580℃ 까지 승온하고, 580℃ 에서 4시간 유지한 후, 55℃/시의 속도로 580℃ 에서 400℃ 까지 강온하고, 그 후 실온까지 급냉한다고 하는 상기 응력제거 열처리를 실시한 단판 강판도 제작했다.

상기 열처리 후의 단판 강판에서, 판 폭방향을 길이방향으로 하는 JIS - Z2201에서 규정되는 4호 인장시험편을 판 두께 중앙부에서 채취하고, 상온에서의 인장강도를 측정하고, 상기 응력제거 열처리 과정에 있어서 인장강도 변화량의 절대값(실측치)을 조사했다.

또한, 열간가공성을, 탬퍼링한 제품강판의 표면을 눈으로 관찰하여 표면 균열의 유무에 의해 판정했다.

또한, 판 두께 중앙부에서 판 폭방향을 길이방향으로 하는 JIS - Z2201에서 규정되는 4호 인장시험편과, JIS - Z2202에서 규정되는 4호 샤르피(charpy) 시험편을 채취하여, 각 강판의 인장시험 특성과 충격시험 특성을 조사하였다.

더욱이, JIS - Z3158의 규정에 따른 경사 y형 용접 균열시험을 실시하여 각 강판의 용접균열 감수성을 평가하였다. 또한, 용접 균열시험은 모두, 온도 25℃, 습도 60%의 분위기에서, 시험편 초기온도 25℃의 조건으로 실시하였다.

표 3 에, 각종 시험결과를 함께 나타낸다.

표 3에서 나타나는 바와 같이, 시험번호 51∼59의 강판은 표면균열이 없고, 480MPa 이상의 인장강도와, -40℃에서 50J 이상의 샤르피 흡수 에너지를 가지며, 용접 y 균열시험에서 균열이 발생하지 않는다고 하는 양호한 특성을 나타냈다. 또한, 상기 응력제거 열처리 중에 발생한 인장강도 변화량(실측치)이 절대값으로 50MPa 이하로서, 용접 시공후의 재료특성이 안정되어 있다고 하는 양호한 특성을 나타냈다. 또한, 상기 응력제거 열처리 과정에 있어서 인장강도 변화량의 예측치와 실측치와는 잘 일치하고 있고, (2)식 및 (3)식에 의한 인장강도 예측 정밀도가 양호하였다.

이에 대해, 강의 Cu 함유량이 적었던 강 I를 사용한 시험번호 60에서는 강의 강도가 부족하고, Cu 함유량이 과잉이었던 강 J를 사용한 시험번호 61에서는 열간압연시에 표면균열이 발생하고, Mo 함유량이 과잉이었던 강 K를 사용한 시험번호 62에서는 제품강판의 인성이 부족하고, 강의 Pcm이 너무 높은 강 L을 사용한 시험번호 63에서는 용접 y 균열시험에서 균열이 발생하고, 불가피한 불순물인 Se가 많았던 강 M을 사용한 시험번호 64는 제품강판의 인성이 좋지 않았다.

강 A에서, 탬퍼링 온도가 600℃이었던 시험번호 51 및 650℃이었던 시험번호 52에서는 상기 응력제거 열처리 과정에 있어서 제품강판의 인장강도의 변화량이 50MPa 이하로서, 용접후의 열처리에 대한 재료특성의 안정성이 우수였으나, 탬퍼링을 실시하지 않은 시험번호 65, 탬퍼링 온도가 500℃이였던 시험번호 66, 및 550℃이었던 시험번호 67에서는, 모두 상기 응력제거 열처리 과정에 있어서 인장강도가 50MPa를 초과하고 있으며, 안정성이 좋지 않았다.

상기한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 본 발명은 양호하고 안정된 CTOD특성을 구비한 Cu 석출 강화강 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

Claims

질량%로, C : 0.02 - 0.10%, Mn : 0.3 - 2.5%, Cu : 0.5 - 2.0%, Ni : 0.3 - 4.0% 및 Ti : 0.004 - 0.03%를 함유하고, 또한 Si : 0.01 - 0.4% 및/ 또는 Al : 0.001 - 0.1%를 함유하고, 불가피한 불순물의 함유량이, P : 0.025% 이하, S : 0.01% 이하, N : 0.006% 이하, Se : 0.005% 이하이며, 동시에, 하기 (1)식으로 규정되는 Pcm이 0.28 이하인 Cu 석출 강화강.

(1)

여기서, C, Si, Mn, Cu, Ni, Cr, Mo, V, B는 각 원소의 함유량(단위 : 질량%)이다.
제 1 항에 있어서,

또한 질량%로, Cr : 0.05 - 1.0%, Mo : 0.05 - 1.0%, Nb : 0.005 - 0.04%, V : 0.01 - 0.10% 및 B :0.0005 -0.003%로 되는 그룹 중의 1종 이상을 함유하는 Cu 석출 강화강.
제 1 항에 있어서,

또한 질량%로, Ca : 0.0005 - 0.05%, Zr : 0.0005 - 0.05%, 및 REM : 0.0005 - 0.05%로 되는 그룹 중의 1종 이상을 함유하는 Cu석출 강화강.
제 2 항에 있어서,

또한 질량%로, Ca : 0.0005 - 0.05%, Zr : 0.0005 - 0.05%, 및 REM : 0.0005 - 0.05%로 되는 그룹 중의 1종 이상을 함유하는 Cu 석출 강화강.
제 1 항에 있어서,

Se의 함유량이 0.001% 이하인 Cu 석출 강화강.
제 5 항에 있어서,

또한 질량%로, Cr : 0.05 - 1.0%, Mo : 0.05 - 1.0%, Nb : 0.005 - 0.04%, V : 0.01 - 0.10%, 및 B : 0.0005 - 0.003%로 되는 그룹 중의 1종 이상을 함유하는 Cu 석출 강화강.
제 5 항에 있어서,

또한 질량%로, Ca : 0.0005 - 0.05%, Zr : 0.0005 - 0.05% 및 REM : 0.0005 - 0.05%로 되는 그룹 중의 1종 이상을 함유하는 Cu 석출 강화강.
제 6 항에 있어서,

또한 질량%로 Ca : 0.0005 - 0.05% , Zr : 0.0005 - 0.05%, 및 REM : 0.0005 - 0.05 % 로 되는 그룹 중의 1종 이상을 함유하는 Cu 석출 강화강.
하기 공정을 포함하는 Cu 석출 강화강의 제조방법:

공정(a): 질량%로, C : 0.02 - 0.10%, Mn : 0.3 - 2.5%, Cu : 0.5 - 2.0%, Ni : 0.3 - 4.0% 및 Ti : 0.004 - 0.03%를 함유하고, 또한 Si : 0.01 - 0.4% 및/ 또는 Al : 0.001 - 0.1%를 함유하고, 불가피한 불순물의 함유량이, P : 0.025% 이하, S : 0.01% 이하, N : 0.006% 이하, Se : 0.005% 이하이며, 동시에, 하기 (1)식으로 규정되는 Pcm이 0.28 이하인 강재를 950 - 1250℃로 가열한다;

공정(b) : 가열 후의 상기 강재를 열간압연 한다;

공정(c) : 열간압연 후의 상기 강재를 1~50℃/s의 속도로 냉각하여 580℃ 이하에서 냉각을 종료한다;

공정(d) : 상기 냉각이 종료된 후의 상기 강재를 450 - 680℃로 재가열한다;그리고,

공정(e) : 재가열 후의 상기 강재를 공냉한다.

(1)
삭제
제 9 항에 있어서,

공정(a)에 있어서 강재가, 또한 질량%로, Cr : 0.05 - 1.0% ,Mo : 0.05 - 1.0%, Nb : 0.005 - 0.04%, V : 0.01 - 0.10%, 및 B : 0.0005 - 0.003%로 되는 그룹 중의 1종 이상을 함유하는 Cu 석출 강화강의 제조방법.
제 9 항에 있어서,

공정(a)에 있어서 강재가, 또한 질량%로, Ca : 0.0005 - 0.05%, Zr : 0.0005 - 0.05%, 및 REM : 0.0005 - 0.05%로 되는 그룹 중의 1종 이상을 함유하는 Cu 석출 강화강의 제조방법.
제 11 항에 있어서,

공정(a)에 있어서 강재가, 또한 질량%로, Ca : 0.0005 - 0.05%, Zr : 0.0005 - 0.05%, 및 REM : 0.0005 - 0.05%로 되는 그룹 중의 1종 이상을 함유하는 Cu 석출 강화강의 제조방법.
하기의 공정을 포함하는 Cu 석출 강화강의 제조방법:

공정(A): 질량%로, C : 0.02 - 0.10%, Mn : 0.3 - 2.5%, Cu : 0.5 - 2.0%, Ni : 0.3 - 4.0% 및 Ti : 0.004 - 0.03%를 함유하고, 또한 Si : 0.01 - 0.4% 및/또는 Al : 0.001 - 0.1 % 를 함유하고, 불가피한 불순물의 함유량이, P :0.025% 이하, S : 0.01% 이하, N : 0.006% 이하, Se : 0.005% 이하이며, 또한, 하기 (1)식으로 규정되는 Pcm이 0.28 이하인 강재에, 각종 조건으로 탬퍼링한 후에 응력제거 열처리를 실시하는 경우를 상정하고, 응력제거 열처리 과정에 있어서 인장강도의 변화량을 예측한다;

공정(B) : 공정(A)에 있어서 예측한 인장강도의 변화량에 기초하여 탬퍼링 조건을 결정한다; 그리고,

공정(c) : 공정(B)에서 결정한 탬퍼링 조건으로 상기 강재에 탬퍼링을 한다.

(1)
제 14 항에 있어서,

공정(B)에 있어서, 예측한 인장강도의 변화량이 50MPa 이하가 되도록 탬퍼링 조건을 결정하는 Cu 석출 강화강의 제조방법.
제 14 항에 있어서,

공정(A)에 있어서의 예측이, 응력제거 열처리 과정에 있어서 Cu 석출강화, Cu과 시효 연화 및 강 모재의 탬퍼링 연화의 예측에 기초한 것인 Cu석출 강화강의 제조방법.
제 16 항에 있어서,

공정(A)에 있어서, 상기 Cu 석출강화, Cu 과시효 연화 및 강 모재 탬퍼링 연화의 예측을, 하기 (2)식 및 (3)식을 사용하여 행하는 Cu 석출 강화강의 제조방법.

(2)

(3)

m = 1,2 3
제 14 항에 있어서,

공정(A)의 강재가, 또한 질량%로, Cr : 0.05 - 1.0%, Mo : 0.05 - 1.0%, Nb : 0.005 - 0.04%, V : 0.01 - 0.10%, 및 B : 0.0005 - 0.003% 로 되는 그룹 중의 1종 이상을 함유하는 Cu 석출 강화강의 제조방법.
제 14 항에 있어서,

공정(A)의 강재가, 또한 질량%로, Ca : 0.0005 - 0.05%, Zr : 0.0005 - 0.05 %, 및 REM : 0.0005 - 0.05%로 되는 그룹 중의 1종 이상을 함유하는 Cu 석출 강화강의 제조방법.
제 18 항에 있어서,

공정(A)의 강재가, 또한 질량%로, Ca : 0.0005 - 0.05%, Zr: 0.0005 - 0.05% 및 REM : 0.0005 - 0.05% 로 되는 그룹 중의 1종 이상을 함유하는 Cu 석출 강화강의 제조방법.