KR100470052B1 - High strength steel plate having superior toughness in weld heat-affected zone and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 베이나이트+페라이트의 미세조직에 TiN+CuS 복합석출물을 균일하게 분포시킴으로써 모재의 강도를 개선함은 물론 용접열영향부의 인성과 강도를 동시에 개선할 수 있는 용접구조용 강재 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention improves the strength of the base material by uniformly distributing the TiN + CuS composite precipitate in the microstructure of bainite + ferrite, as well as the weld structural steels and the method of manufacturing the same, which can simultaneously improve the toughness and strength of the weld heat affected zone. The purpose is to provide.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로 C:0.03-0.17%, Si:0.01-0.5%, Mn:0.4-2.0%, Ti:0.005-0.2%, Al: 0.0005-0.1%, N:0.008-0.030%, B:0.0003-0.01%, W:0.001-0.2%, Cu:0.1-1.5%, P:0.03%이하, S:0.003-0.05%, O:0.005%이하, 1.2≤Ti/N≤2.5, 10≤N/B≤40, 2.5≤Al/N≤7, 6.5≤(Ti+2Al+4B)/N≤14, 10≤Cu/S≤90를 만족하고, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되고, 미세조직이 30-80%의 베이나이트와 나머지 20㎛이하의 페라이트의 복합조직으로 이루어지는 용접열영향부 인성이 우수한 고강도 용접구조용 강재 그리고, 상기와 같이 조성되는 강슬라브를 1000-1250℃범위에서 60-180분간 가열한 후에 오스테나이트 재결정역에서 40%이상의 압연비로 열간압연한 다음, 베이나이트 변태 종료온도±10℃까지는 5-20℃/sec의 속도로 냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 고강도 용접구조용강재의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.The present invention for achieving the above object, in the weight% C: 0.03-0.17%, Si: 0.01-0.5%, Mn: 0.4-2.0%, Ti: 0.005-0.2%, Al: 0.0005-0.1%, N: 0.008-0.030%, B: 0.0003-0.01%, W: 0.001-0.2%, Cu: 0.1-1.5%, P: 0.03% or less, S: 0.003-0.05%, O: 0.005% or less, 1.2≤Ti / N ≤2.5, 10≤N / B≤40, 2.5≤Al / N≤7, 6.5≤ (Ti + 2Al + 4B) / N≤14, 10≤Cu / S≤90, with remaining Fe and other impurities A high strength welded structural steel having excellent weld heat affected zone toughness, which is composed of a composite structure of 30-80% bainite and the remaining 20 µm or less of ferrite, and a steel slab prepared as described above at 1000-1250 ° C. High-strength welding, including heating in the range 60-180 minutes, followed by hot rolling at an austenitic recrystallization zone with a rolling ratio of at least 40%, and then cooling to a bainite transformation end temperature of ± 10 ° C at a rate of 5-20 ° C / sec. It is technical about the manufacturing method of structural steel It shall be.
Description
본 발명은 건축, 교량, 조선, 해양구조물, 강관, 라인파이프 등의 용접구조물에 사용되는 구조용 강재에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 모재는 베이나이트+페라이트로 하여 고강도를 확보하면서 미세한 TiN+CuS 복합석출물을 이용하여 용접열영향부의 인성과 강도를 동시에 개선할 수 있는 용접구조용 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to structural steel used in welded structures, such as construction, bridges, shipbuilding, offshore structures, steel pipes, line pipes. More specifically, the base material is a bainite + ferrite, while using a fine TiN + CuS composite precipitate while securing a high strength, the present invention relates to a welded structural steel and a method for manufacturing the same, which can improve the toughness and strength of the weld heat affected zone.
최근, 건축물, 구조물의 고층화 추세에 따라 사용되는 강재가 대형화되면서 후물재로 대체되고 있다. 이러한 후물재를 용접하기 위해서는 고능률 용접이 불가피한데, 후육화된 강재를 용접하는 기술로는, 1패스 용접이 가능한 대입열 서어브머지드 용접법 및 일렉트로 용접법이 광범위하게 사용되고 있는 실정이다. 또한, 조선 및 교량 분야에 있어서 판두께 25mm이상의 강판을 용접하는 경우에도 상기와 같은 1패스 용접이 가능한 대입열 용접법을 적용하고 있다.Recently, steel materials used in accordance with the trend of high-rise buildings, structures are being replaced by thick materials. In order to weld such thick materials, high-efficiency welding is inevitable. As a technique for welding thickened steel materials, a high-pass heat submerged welding method and an electro-welding method capable of 1-pass welding are widely used. In addition, in the field of shipbuilding and bridges, even when welding a steel plate having a plate thickness of 25 mm or more, the above-described high heat input welding method capable of one-pass welding is applied.
일반적으로 용접에서는 입열량이 클수록 용착량이 커서 용접패스수가 감소하기 때문에, 용접생산성을 고려하면 대입열 용접이 가능하도록 하는 것이 유리하다. 즉, 용접에서 입열량을 증가시키면 그 사용범위를 넓힐 수 있게 되는 것이다. 현재 사용되고 있는 대입열의 범위는 대략 100-200kJ/cm에 해당되는데 좀더 후육화된 강재 즉, 판두께 50mm이상의 강재를 용접하기 위해서는 200-500kJ/cm의 초대입열 범위가 되어야 가능하다.In general, in welding, the larger the amount of heat input, the larger the amount of welding, so that the number of welding passes decreases. Therefore, it is advantageous to enable high heat input welding in consideration of welding productivity. In other words, increasing the amount of heat input in the welding will be able to widen the range of use. The range of high heat input currently used corresponds to approximately 100-200 kJ / cm, but in order to weld more thickened steel, that is, steel with a plate thickness of 50 mm or more, it is possible to have a super heat input range of 200-500 kJ / cm.
강재에 대입열이 적용되면, 용접시 형성되는 용접열영향부(Heat Affected Zone) 특히 용융선(fusion boundary) 근처의 용접열영향부는 용접입열량에 의해 융점에 가까운 온도까지 가열된다. 이에 따라, 용접열영향부의 결정립이 성장하여 조대화되고 냉각과정에서 상부 펄라이트 및 마르텐사이트 등 인성에 취약한 미세조직이 형성되기 때문에, 용접열영향부가 용접부중 인성이 가장 열화되는 부위이다.When the heat input is applied to the steel, the heat affected zone formed during welding, particularly the heat affected zone near the fusion boundary, is heated to a temperature close to the melting point by the amount of heat input. Accordingly, since the grains of the weld heat affected zone grow and coarse, and microstructures that are vulnerable to toughness such as upper pearlite and martensite are formed during the cooling process, the weld heat affected zone is the site where the toughness of the weld deteriorates most.
따라서, 용접구조물의 안정성을 확보하기 위해서는, 용접열영향부의 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하여 미세하게 유지시킬 필요가 있다. 이를 해결하는 수단으로는, 고온에서 안정한 산화물 또는 Ti계 탄질화물 등을 강재에 적절히 분포시켜 용접시 용접열영향부의 결정립 성장을 지연시키고자 하는 기술 등이 개시되어 있다. 예를 들어, 일본 특허공개공보 (평)11-140582, (평)10-298708, (평)10-298706, (평)9-194990, (평)9-324238, (평)8-60292, (소)60-245768, (평)5-186848호, (소)58-31065호, (소)61-79745호, 일본용접학회지 제 52권 2호, 49페이지 및일본특허공개공보 (소)64-15320호 등이 있다.Therefore, in order to secure the stability of the welded structure, it is necessary to suppress the growth of the austenite grains in the weld heat affected zone and to keep it fine. As a means to solve this problem, there is disclosed a technique for delaying grain growth of the weld heat affected zone during welding by appropriately distributing an oxide or Ti-based carbonitride, which is stable at a high temperature, to steel materials. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-140582, No. 10-298708, No. 10-298706, No. 9-194990, No. 9-324238, No. 8-60292, (S) 60-245768, (Pyeong) 5-186848, (S) 58-31065, (S) 61-79745, Journal of the Japan Welding Society, Vol. 52, No. 2, 49 and Japanese Patent Laid-Open And 64-15320.
이중에서 일본 특허공개공보 (평)11-140582호는, TiN의 석출물을 이용하는 대표적인 기술로, 100J/cm의 입열량(최고가열온도 1400℃)이 적용될 때에 0℃에서 충격인성이 200J정도(모재는 300J 정도)인 구조용강재가 개시되어 있다. 이 선행기술에서는 Ti/N을 실질적으로 4-12로 관리하여 0.05㎛이하인 TiN 석출물은 5.8×103개/㎟∼8.1×104개/㎟, 이와 함께 0.03∼0.2㎛인 TiN석출물은 3.9×103개/㎟∼6.2×104개/㎟로 석출시켜서 페라이트를 미세화하여 용접부의 인성을 확보하고 있다. 이 강재는 미세조직이 페라이트와 펄라이트의 복합조직으로 인장강도가 최고 581MPa, 항복강도가 405MPa의 기계적성질을 갖고 있다.Japanese Patent Laid-Open No. 11-140582 is a representative technique using TiN precipitates, and has a toughness of about 200J at 0 ° C when 100 J / cm of heat input (maximum heating temperature of 1400 ° C) is applied. Is about 300J). In this prior art, Ti / N is substantially managed at 4-12 so that TiN precipitates of 0.05 µm or less are 5.8 × 10 3 pieces / mm 2 to 8.1 × 10 4 pieces / mm 2, and TiN precipitates of 0.03 to 0.2 μm are 3.9 ×. The toughness of the welded portion is secured by making the ferrite fine by depositing 10 3 pieces / mm 2 to 6.2 × 10 4 pieces / mm 2. This steel has a microstructure of ferrite and pearlite, which has mechanical properties of up to 581 MPa in tensile strength and 405 MPa in yield strength.
그러나, 이 선행기술에 의하면 100kJ/cm의 대입열용접이 적용될 때, 모재와 열영향부의 인성이 대체적으로 낮고(0℃의 충격인성의 최고치로 모재:320J, 열영향부:220J) 또한, 모재와 열영향부의 인성차가 100J 정도로 클뿐 아니라 모재강도가 좋은 편이 아니어서 후육화 강재의 초대입열 용접에 따른 강구조물의 신뢰성확보에 한계가 있다. 뿐만 아니라, 원하는 TiN의 석출물을 확보하기 위한 방법으로, 슬라브를 1050℃이상의 온도에서 가열하여 급냉한 다음에, 열간압연을 위해 재가열하는 공정을 채택하기 때문에 2회의 열처리로 인한 제조비용의 상승이 문제가 된다.However, according to this prior art, when the 100 kJ / cm high heat input welding is applied, the toughness of the base material and the heat affected zone is generally low (the base material: 320J, the heat affected zone: 220J at the highest impact toughness of 0 ° C), and also the base material. The toughness difference between the heat affected zone and the heat affected zone is as large as about 100J, and the strength of the base metal is not good. Therefore, there is a limit in securing the reliability of the steel structure due to superheat welding of the thickened steel. In addition, as a method for securing the desired TiN precipitate, the slab is heated at a temperature above 1050 ° C. and rapidly cooled and then reheated for hot rolling. Becomes
현재까지 대입열 용접시 용접열영향부의 인성을 개선한 기술은 많이 알려저 있지만, 1350℃이상에서 장시간 유지되는 초대입열 용접시 용접열영향부의 인성과 강도를 개선하면서 모재의 고강도화를 달성한 사례는 아직 발표된 바 없다. 특히, 용접열영향부의 인성이 모재대비 동등한 수준을 보인 기술은 거의 없는 실정이다.To date, many techniques for improving the toughness of the weld heat affected zone during high heat input welding have been known. It has not been announced yet. In particular, there are few technologies in which the toughness of the weld heat affected zone shows the same level as that of the base metal.
본 발명은, 강재(모재)의 고강도화 함께 용접 열영향부의 인성이 우수한 용접구조용 강재 및 그 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a welded structural steel material excellent in toughness of a welded heat affected zone as well as a high strength of a steel material (base metal), and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 용접 구조용 강재는, 중량%로 C:0.03-0.17%, Si:0.01-0.5%, Mn:0.4-2.0%, Ti:0.005-0.2%, Al: 0.0005-0.1%, N:0.008-0.030%, B:0.0003-0.01%, W:0.001-0.2%, Cu:0.1-1.5%, P:0.03%이하, S:0.003-0.05%, O:0.005%이하, 1.2≤Ti/N≤2.5, 10≤N/B≤40, 2.5≤Al/N≤7, 6.5≤(Ti+2Al+4B)/N≤14, 10≤Cu/S≤90를 만족하고, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되고, 미세조직이 30-80%의 베이나이트와 나머지 20㎛이하의 페라이트의 복합조직으로 구성된다.Welded structural steel materials of the present invention for achieving the above object, by weight% C: 0.03-0.17%, Si: 0.01-0.5%, Mn: 0.4-2.0%, Ti: 0.005-0.2%, Al: 0.0005-0.1 %, N: 0.008-0.030%, B: 0.0003-0.01%, W: 0.001-0.2%, Cu: 0.1-1.5%, P: 0.03% or less, S: 0.003-0.05%, O: 0.005% or less, 1.2 ≤Ti / N≤2.5, 10≤N / B≤40, 2.5≤Al / N≤7, 6.5≤ (Ti + 2Al + 4B) / N≤14, 10≤Cu / S≤90, and the remaining Fe And other impurities, the microstructure is composed of a composite structure of 30-80% bainite and the remaining 20 micrometers or less of ferrite.
또한, 본 발명의 용접구조용 강재의 제조방법은, 중량%로 C:0.03-0.17%, Si:0.01-0.5%, Mn:0.4-2.0%, Ti:0.005-0.2%, Al: 0.0005-0.1%, N:0.008-0.030%,B:0.0003-0.01%, W:0.001-0.2%, Cu:0.1-1.5%, P:0.03%이하, S:0.003-0.05%, O:0.005%이하, 1.2≤Ti/N≤2.5, 10≤N/B≤40, 2.5≤Al/N≤7, 6.5≤(Ti+2Al+4B)/N≤14, 10≤Cu/S≤90를 만족하고, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되는 강슬라브를 1000-1250℃범위에서 60-180분간 가열한 후에 오스테나이트 재결정역에서 40%이상의 압연비로 열간압연한 다음, 베이나이트 변태 종료온도±10℃까지는 5-20℃/sec의 속도로 냉각하는 것을 포함하여 구성된다.In addition, the manufacturing method of the welded structural steel material of this invention is C: 0.03-0.17%, Si: 0.01-0.5%, Mn: 0.4-2.0%, Ti: 0.005-0.2%, Al: 0.0005-0.1% by weight. , N: 0.008-0.030%, B: 0.0003-0.01%, W: 0.001-0.2%, Cu: 0.1-1.5%, P: 0.03% or less, S: 0.003-0.05%, O: 0.005% or less, 1.2≤ Ti / N≤2.5, 10≤N / B≤40, 2.5≤Al / N≤7, 6.5≤ (Ti + 2Al + 4B) / N≤14, 10≤Cu / S≤90, and the remaining Fe and After heating the steel slab composed of other impurities in the range of 1000-1250 ° C for 60-180 minutes, hot rolling is performed in the austenitic recrystallization zone with a rolling ratio of 40% or more, and then 5-20 ° C / up to the bainite transformation end temperature ± 10 ° C. and cooling at a rate of sec.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명에서 "구오스테나이트(prior austenite)"란 용어는 강재(모재)에 대입열용접이 적용될 때 용접 열영향부에 형성되는 오스테나이트를 칭하는 것으로, 강재의 제조과정(열간압연공정)에서 형성되는 오스테나이트와 구별하기 위해 편의상 사용한다.In the present invention, the term " prior austenite " refers to austenite formed in a weld heat affected zone when high heat input welding is applied to steel materials (base materials), and is formed in a steel manufacturing process (hot rolling process). It is used for convenience to distinguish it from being austenite.
본 발명자들은 강재(모재)의 고강도화와 함께 용접열영향부의 고인성을 동시에 확보할 수 있는 방안을 연구한 결과, 모재의 미세조직을 베이나이트와 페라이트의 복합조직으로 할 경우 모재강도 개선에 매우 효과적이라는 사실과 이러한 미세조직을 갖는 모재에 TiN+CuS의 복합석출물을 미세하고 균일하게 형성해주면 용접열영향부의 구오스테나이트의 입도가 미세해져서 용접열영향부의 인성이 문제가 되지 않는다는 사실을 알게 되었다.The present inventors studied a method to secure high strength of the steel (base material) and high toughness of the weld heat affected zone at the same time, and when the microstructure of the base material is a composite structure of bainite and ferrite, it is very effective in improving the base material strength. In addition, when TiN + CuS composite precipitates are finely and uniformly formed on the base material having such a microstructure, the particle size of the austenite of the weld heat affected zone becomes fine and the toughness of the weld heat affected zone does not become a problem.
이러한 연구에 기초하여, 본 발명에서는,Based on these studies, in the present invention,
[1] TiN+CuS의 복합석출물을 이용하는 것과 함께,[1] with the use of composite precipitates of TiN + CuS,
[2] 강재의 초기 페라이트 결정립 크기를 임계수준 이하로 미세화함으로써 용접열영향부의 구오스테나이트를 약 80㎛이하로 관리하는 것이다. 또한,[2] By controlling the initial ferrite grain size of the steel to less than the critical level, the former austenite of the weld heat affected zone is controlled to about 80 μm or less. Also,
[3] Ti/N의 비율을 낮추어 BN, AlN 석출물을 효과적으로 석출함으로써 용접열영향부에 페라이트의 생성분율을 높이며, 특히 페라이트 형상을 인성개선에 효과적인 침상형이나 다각형(polygonal)으로 유도하여 용접열영향부의 인성을 개선한다.[3] By reducing the Ti / N ratio, BN and AlN precipitates are effectively precipitated to increase ferrite production in weld heat affected zones. In particular, the ferrite shape is guided or polygonal to improve toughness. Improve the toughness of the affected area.
[4] 또한, 본 발명에서는 압연공정에서 가속냉각속도를 제어하여 모재에 적정분율의 베이나이트와 페라이트의 복합조직을 확보하여 모재강도를 개선한다. 이들 [1][2][3][4]를 보다 구체적으로 설명한다.In addition, in the present invention, by controlling the accelerated cooling rate in the rolling process to secure the composite structure of the bainite and ferrite in an appropriate fraction in the base material to improve the base material strength. These [1] [2] [3] [4] are demonstrated in more detail.
[1] TiN+CuS 석출물[1] TiN + CuS precipitates
본 발명자들은 구오스테나이트 결정립의 성장억제는 용융선 부근의 용접열영향부에 분포하는 TiN석출물들의 재용해 방지와 매우 밀접한 관계가 있다는 점에 착안하여, TiN석출물이 기지(matrix)로 재고용되는 시간을 지연할 수 있는 방안을 연구하였다. 이러한 연구성과로서, 본 발명자들은 TiN석출물 주변에 CuS가 적절히 감싸고 있는 형태의 TiN+CuS복합석출물로 TiN을 분포시킬 경우 1350℃이상의 고온으로 가열되더라도 용접열영향부내에 분포하는 TiN석출물은 기지(matrix)로의 재고용시간이 상당히 지연된다는 사실을 발견하게 되었다. 즉, 우선적으로 재고용되는CuS가 TiN주변에 농화되어 TiN분해와 모재로의 재고용속도에 영향을 미쳐 TiN이 구오스테나이트 결정립성장억제에 효과적으로 기여하며, 이로 인해 용접열영향부 인성을 획기적으로 개선할 수 있는 것이다. 또한, CuS석출물의 분포정도는 용접열영향부의 강도(또는 경도)에 영향을 미친다.The inventors note that the growth inhibition of the austenite grains is closely related to the prevention of re-dissolution of TiN precipitates distributed in the weld heat affected zone near the melting line. We have studied how to delay the problem. As a result of this research, the present inventors found that when TiN is distributed as a TiN + CuS composite precipitate in which CuS is properly wrapped around the TiN precipitate, the TiN precipitate distributed in the weld heat affected zone is known even when heated to a high temperature of 1350 ° C. or higher. We noticed a significant delay in restocking time. That is, preferentially reusable CuS is concentrated around TiN, affecting TiN decomposition and reusing rate to the base metal, and TiN effectively contributes to the suppression of old austenite grain growth, thereby significantly improving the toughness of the weld heat affected zone. It can be. The degree of distribution of the CuS precipitates also affects the strength (or hardness) of the weld heat affected zone.
이를 위해서는 TiN+CuS복합석출물을 미세하고 균일하게 분포시키면서 고온에서 TiN석출물의 안정성을 나타내는 용해도적(Solubility Product)을 작게 하는 것이 중요하다. 본 발명자들은, Ti와 N의 비(Ti/N) 그리고, Cu/S의 비에 따른 TiN+CuS 복합석출물의 크기와 양 그리고, 분포를 조사한 결과, Ti/N이 1.2∼2.5이고 Cu/S의 비가 10-90일 때 0.01-0.1㎛ 크기의 TiN+CuS 복합석출물이 1.0x107개/㎟ 이상으로 석출되는데 그 석출물의 간격이 0.5㎛이하로 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.For this purpose, it is important to reduce the solubility product showing the stability of the TiN precipitate at high temperature while finely and uniformly distributing the TiN + CuS composite precipitate. The inventors have investigated the size and amount of TiN + CuS composite precipitates and their distribution according to the ratio of Ti and N (Ti / N) and the ratio of Cu / S, and found that Ti / N is 1.2 to 2.5 and Cu / S. When the ratio is 10-90, TiN + CuS composite precipitates having a size of 0.01-0.1 μm were precipitated at 1.0 × 10 7 / mm 2 or more, and the intervals of the precipitates were confirmed to be 0.5 μm or less.
이와 같이, Ti/N의 비를 2.5이하(N의 함량을 높임)로 관리하면 TiN의 고온안정성을 나타내는 용해도적도 낮아진다. 동일 Ti함량에서 질소함량을 증가시키면 연주과정중 냉각과정에서 모든 고용되어 있는 모든 Ti원자가 질소원자와 결합하여 미세한 TiN석출량이 증가하면서 용접열영향부와 같은 고온에서 석출물의 안정성을 나타내는 용해도적(Solubility Product)이 작아지는 것이다. 따라서, 고질소 환경에서 TiN과 같은 석출물은 고용 Ti양이 감소하기 때문에 질소함량이 낮은 경우에서 보다 TiN석출물이 안정하다. 이때 중요한 것은, 고질소로 인한 고용N의 존재로 시효성을 조장할 수 있으므로, N/B, Al/N, V/N의 비 그리고, 이들을 총체적으로 관리하여 N를 BN, AlN, VN으로 석출시키는 것이다.In this way, when the ratio of Ti / N is controlled to 2.5 or less (increasing the content of N), the solubility region showing the high temperature stability of TiN is also lowered. Increasing nitrogen content at the same Ti content causes all Ti atoms to be combined with nitrogen atoms during the cooling process to increase the amount of fine TiN precipitates, resulting in the stability of precipitates at high temperatures, such as heat affected zones. Product becomes smaller. Therefore, in a high nitrogen environment, TiN precipitates are more stable than nitrogen-containing precipitates because the amount of solid solution Ti decreases. At this time, it is important to promote aging due to the presence of solid N due to high nitrogen, so that the ratio of N / B, Al / N, V / N, and overall management of these to precipitate N as BN, AlN, VN It is to let.
[2] 강재(모재)의 페라이트입도 관리[2] ferrite grain size management
본 발명의 연구에 따르면, 구오스테나이트의 크기를 80㎛로 하기 위해 모재의 미세조직을 페라이트 + 베이나이트의 복합조직으로 하면서 페라이트의 크기를 20㎛이하로 하는 것이 중요하다는 것이다. 이때, 페라이트의 미세화는 열간압연시 강가공에 의한 오스테나이트 결정립미세화 뿐만 아니라, 열간압연후 냉각과정에서 발생하는 페라이트 결정립의 성장 제어에 의해 얻어질 수 있다. 이를 위해서는 페라이트 결정립성장에 유효한 탄화물(VC, WC)을 적절히 석출 분포시키는 것이 매우 효과적이라는 사실을 확인하였다.According to the study of the present invention, it is important to make the size of the ferrite to 20 μm or less while the microstructure of the base material is a composite structure of ferrite + bainite in order to make the size of the old austenite to 80 μm. At this time, the refinement of the ferrite may be obtained by controlling the growth of the ferrite grains generated in the cooling process after hot rolling as well as the austenite grain refinement by the steel working during hot rolling. For this purpose, it was confirmed that it is very effective to properly deposit and distribute carbides (VC, WC) effective for ferrite grain growth.
[3]용접 열영향부의 미세조직[3] microstructure, welded heat affected zones
본 발명의 연구로부터 밝혀진 사실은, 용접열영향부의 인성은 모재가 1400℃이상으로 가열될 때 구오스테나이트 결정립의 크기뿐만 아니라, 구오스테나이트 결정입계에서 석출하는 페라이트의 양과 크기 및 형상도 영향을 미친다는 것이다. 특히, 오스테나이트 입내에서의 다각형(polygonal) 페라이트와 침상형 페라이트의 변태를 유도하는 것이 중요하다. 본 발명에서는 이를 위해 AlN, BN 석출물들을 이용한다.The facts of the present invention revealed that the toughness of the weld heat affected zone affected not only the size of the former austenite grains when the base material was heated above 1400 ° C, but also the amount, size and shape of the ferrite deposited at the old austenite grain boundaries. It's crazy. In particular, it is important to induce the transformation of polygonal ferrite and acicular ferrite in the austenite mouth. In the present invention, AlN and BN precipitates are used for this purpose.
[4] 베이나이트 조직분율 제어[4] bainite tissue fraction control
본 발명자들은 열간압연공정에서 가속냉각속도를 제어(5∼20℃/sec)할 경우에 모재의 강도를 개선할 수 있는 베이나이트 조직분율을 손쉽게 제어할 수 있다는 것과 모재의 미세조직을 베이나이트+페라이트로 하더라도 용접열영향부의 물성에는 불리하게 작용하지 않는다는 사실을 확인하였다.The present inventors can easily control the bainite structure fraction which can improve the strength of the base material when the accelerated cooling rate is controlled (5-20 ° C./sec) in the hot rolling process. It was confirmed that the ferrite did not adversely affect the physical properties of the weld heat affected zone.
이하, 본 발명을 강재의 성분과 그 제조방법으로 구분하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by dividing the steel component and its manufacturing method.
[용접 구조용 강재][Welding Structural Steels]
·탄소(C)의 함량은 0.03∼0.17%로 하는 것이 바람직하다.It is preferable to make content of carbon (C) into 0.03 to 0.17%.
탄소(C)의 함량이 0.03% 미만인 경우에는 구조용강으로서의 강도확보가 불충분하다. 또한, C가 0.17%를 초과하는 경우에는 냉각중 상부 펄라이트, 마르텐사이트 및 퇴화 퍼얼라이트(degenerate pearlite)등의 인성에 취약한 미세조직이 변태되어 구조용 강재의 저온충격인성 저하시키고, 또한 용접부의 경도 또는 강도를 증가시켜 인성의 열화 및 용접균열의 생성을 초래한다.When the content of carbon (C) is less than 0.03%, securing strength as a structural steel is insufficient. In addition, when C exceeds 0.17%, microstructures susceptible to toughness, such as upper pearlite, martensite and degenerate pearlite, are transformed during cooling to lower the low temperature impact toughness of structural steel, and also reduce the hardness of the welded steel or Increasing strength results in deterioration of toughness and generation of weld cracks.
·실리콘(Si)의 함량은 0.01-0.5%로 제한하는 것이 바람직하다.The content of silicon (Si) is preferably limited to 0.01-0.5%.
실리콘의 함량이 0.01% 미만인 경우에 제강과정에서 용강의 탈산효과가 불충분하고 강재의 내부식성을 저하시키며, 0.5%를 초과하는 경우에는 그 효과가 포화되고, 압연후 냉각시 소입성 증가에 따른 도상 마르텐사이트의 변태를 촉진시켜 저온충격인성을 저하시킨다.If the content of silicon is less than 0.01%, the deoxidation effect of molten steel is insufficient during steelmaking and the corrosion resistance of steel is reduced. If the content is more than 0.5%, the effect is saturated, It promotes the transformation of martensite and lowers the low temperature impact toughness.
·망간(Mn)의 함량은 0.4-2.0%로 제한하는 것이 바람직하다.The content of manganese (Mn) is preferably limited to 0.4-2.0%.
Mn은 강중에서 탈산작용, 용접성, 열간가공성 및 강도를 향상시키는 유효한 작용과 함께, Ti계 산화물 주위에 MnS형태로 석출하여 용접열영향부 인성개선에 유효한 침상형 및 다각형 형상의 페라이트 생성에 영향을 미친다. 이러한 Mn은 기지조직내에 치환형 고용체를 형성하여 기지를 고용 강화시켜 강도 및 인성을 확보하는데, 이를 위해서는 0.4%이상 함유되는 것이 바람직하다. 그러나, 2.0%을 초과할 경우 고용강화 효과보다는 Mn편석에 의한 조직불균질이 용접열영향부 인성에 유해한 영향을 미칠 뿐 아니라, 강의 응고시 편석기구에 따라 거시편석 및 미시편석이 일어나 압연시 중심부에 중심편석대의 형성을 조장하여 모재의 중심부 저온변태 조직을 생성시키는 원인으로 작용한다.Mn is effective in improving deoxidation, weldability, hot workability and strength in steel, and precipitates in the form of MnS around Ti-based oxides, which affects the formation of needle-shaped and polygonal ferrites, which is effective for improving the toughness of weld heat affected zones. Crazy Such Mn forms a solid solution to form a solid solution in the matrix structure to enhance the solid solution to secure the strength and toughness, for this purpose it is preferably contained 0.4% or more. However, in case of exceeding 2.0%, tissue heterogeneity caused by Mn segregation not only has a detrimental effect on the toughness of weld heat affected zone, but also causes macro segregation and micro segregation depending on the segregation mechanism during steel solidification. It promotes the formation of central segregation zone, which acts as a cause of creating low temperature transformation tissue in the center of the base material.
·알루미늄(Al)의 함량은 0.0005-0.1%로 제한하는 것이 바람직하다.The content of aluminum (Al) is preferably limited to 0.0005-0.1%.
Al은 탈산제로서 필요한 원소뿐만 아니라 강중에 미세한 AlN석출물을 형성시키고 또한, 산소와 Al산화물을 형성하여 Ti가 산소와 반응하는 것을 방지함으로써 Ti가 미세 TiN석출물을 형성하는데 도움을 주는 원소이다. 이를 위해 Al은 0.0005%이상의 첨가가 바람직하나, 0.1%를 초과하면 AlN을 석출시키고 남은 고용Al이 용접열영향부 냉각과정에서 인성에 취약한 위드만스테튼 페라이트(Widmanstatten ferrite) 및 도상 마르텐사이트의 생성을 조장하여 대입열 용접열영향부의 인성을 저하시킨다.Al is an element that helps Ti form fine TiN precipitates by forming fine AlN precipitates in steel as well as an element necessary as a deoxidizer, and forming oxygen and Al oxides to prevent Ti from reacting with oxygen. For this purpose, it is preferable to add more than 0.0005% of Al, but if it exceeds 0.1%, AlN is precipitated and the formation of Weidmanstatten ferrite and phase martensite, in which the remaining solid solution Al is vulnerable to toughness during cooling of the weld heat affected zone. To reduce the toughness of the high heat input welding heat affected zone.
·티타늄(Ti)의 함량은 0.005-0.2%로 제한하는 것이 바람직하다.The content of titanium (Ti) is preferably limited to 0.005-0.2%.
Ti는 N과 결합하여 고온에서 안정한 미세 TiN석출물을 형성시키기 때문에 본 발명에서는 필수불가결한 원소이다. 이러한 미세한 TiN 석출효과를 얻기 위해서는 Ti을 0.005%이상 첨가하는 것이 바람직하나, 0.2%를 초과하면 용강중에서 조대한 TiN석출물 및 Ti산화물이 형성되어 용접열영향부 구오스테나이트 결정립성장을 억제하지 못하기 때문에 바람직하지 못하다.Ti is indispensable in the present invention because it combines with N to form fine TiN precipitates that are stable at high temperatures. It is preferable to add more than 0.005% of Ti in order to obtain such a fine TiN precipitation effect, but when it exceeds 0.2%, coarse TiN precipitates and Ti oxides are formed in molten steel, and thus it is impossible to suppress the growth of the austenite grains of the weld heat affected zone. Because it is not desirable.
·붕소(보론, B)의 함량은 0.0003-0.01%로 제한하는 것이 바람직하다.The content of boron (boron, B) is preferably limited to 0.0003-0.01%.
B은 결정립내에서 인성이 우수한 침상 페라이트(acicular ferrite) 뿐만 아니라 입계에서 다각형상의 페라이트를 생성시키는데 매우 유효한 원소이다. B은 BN석출물을 형성하여 구오스테나이트 결정립의 성장을 방해하고 결정입계 및 입내에서 Fe탄붕화물을 형성하여 인성이 우수한 침상형 및 다각형의 페라이트 변태를 촉진한다. B의 함유량이 0.0003%미만인 경우에는 이러한 효과를 기대할 수 없으며 0.01%를 초과하면 소입성이 증가하여 용접열영향부의 경화 및 저온균열이 발생할 가능성이 있기 때문에 바람직하지 못하다.B is a very effective element for producing polygonal ferrite at grain boundaries as well as acicular ferrite having excellent toughness in grains. B forms a BN precipitate, which hinders the growth of the old austenite grains and forms Fe carbide in the grain boundary and in the mouth to promote ferrite transformation of acicular and polygons having excellent toughness. If the content of B is less than 0.0003%, such an effect cannot be expected. If the content of B is greater than 0.01%, the hardenability increases, which may cause hardening of the weld heat affected zone and low temperature cracking.
·질소(N)의 함량은 0.008-0.03%로 제한하는 것이 바람직하다.The content of nitrogen (N) is preferably limited to 0.008-0.03%.
N은 TiN, AlN, BN, VN, NbN등을 형성시키는데 필수불가결한 원소로, 대입열 용접시 용접열영향부의 구오스테나이트 결정립 성장을 최대로 억제시키고 TiN, AlN, BN, VN, NbN 등의 석출물양을 증가시킨다. 특히 TiN 및 AlN석출물의 크기 및석출물 간격, 석출물 분포, 산화물과의 복합석출 빈도수, 석출물 자체의 고온 안정성등에 현저한 영향을 미치기 때문에, 그 함량은 0.008%이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 하지만, 질소함량이 0.03%를 초과하면 그 효과가 포화되며, 용접열영향부내의 분포하는 고용질소량의 증가로 인해 인성을 저하시키고 용접시 희석에 따른 용접금속중에 혼입되어 용접금속의 인성저하를 초래할 수 있다.N is an indispensable element for forming TiN, AlN, BN, VN, NbN, etc., and it is possible to minimize the growth of the old austenite grains in the weld heat affected zone during the high heat input welding and to increase TiN, AlN, BN, VN, NbN, etc. Increase the amount of precipitates. In particular, since the TiN and AlN precipitates have a significant effect on the size and precipitate interval, precipitate distribution, complex precipitation frequency with oxide, and high temperature stability of the precipitate itself, the content is preferably set at 0.008% or more. However, when the nitrogen content exceeds 0.03%, the effect is saturated, and toughness decreases due to an increase in the amount of solid solution nitrogen distributed in the weld heat affected zone, and it may be incorporated into the weld metal due to dilution during welding, resulting in a decrease in the toughness of the weld metal. Can be.
·텅스텐(W)의 함량은 0.001-0.2%로 제한하는 것이 바람직하다.The content of tungsten (W) is preferably limited to 0.001-0.2%.
텅스텐은 열간압연 이후 텅스텐 탄화물(WC)로 모재에 균일하게 석출되어 페라이트 변태후 페라이트 결정립 성장을 효과적으로 억제하고, 또한 용접열영향부의 가열 초기 구오스테나이트 결정립의 성장을 억제하는 원소이다. 그 함량이 0.001%미만인 경우에는 열간압연후 냉각시 페라이트 결정립성장 억제를 위한 텅스텐 탄화물이 적게 분포하게 되고, 0.2% 보다 많이 첨가되는 경우 그 효과가 포화된다.Tungsten is an element that uniformly precipitates in the base material as tungsten carbide (WC) after hot rolling, effectively inhibiting ferrite grain growth after ferrite transformation, and also suppressing the growth of the initial austenite grains in the heating zone of the weld heat affected zone. If the content is less than 0.001%, there is less distribution of tungsten carbide for suppressing ferrite grain growth upon cooling after hot rolling, and the effect is saturated when more than 0.2% is added.
·구리(Cu)의 함량은 0.1-1.5%로 제한하는 것이 바람직하다.The content of copper (Cu) is preferably limited to 0.1-1.5%.
Cu는 용접열영향부의 강도를 개선하는 원소로 0.1%미만에서는 강도개선 효과를 보이기 위한 CuS 석출물과 고용강화효과가 충분치 않으며, 1.5% 초과의 경우에는 그 효과가 포화되고 오히려 용접열영향부의 소입성을 증가시켜 인성을 저하시키며 또한 용접시 용접금속에 희석되어 용접금속의 인성을 저하시키기 때문에 바람직하지 못하다.Cu is an element that improves the strength of the weld heat affected zone. CuS precipitates and solid solution strengthening effects are not sufficient at less than 0.1%, and when it exceeds 1.5%, the effect is saturated and rather hardenability of the weld heat affected zone. It is not preferable because it increases the toughness and decreases the toughness and dilutes the weld metal during welding, thereby decreasing the toughness of the weld metal.
·인(P)의 함량은 0.030%이하로 제한하는 것이 바람직하다.The content of phosphorus (P) is preferably limited to 0.030% or less.
P는 압연시 중심편석 및 용접시 고온균열을 조장하는 불순원소이기 때문에 가능한 한 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 모재 인성, 용접열영향부 인성 향상 및 중심편석 저감을 위해서는 0.03%이하로 관리하는 것이 좋다.P is preferably as low as possible because it is an impurity element that promotes central segregation during rolling and hot cracking during welding. In order to improve the toughness of the base metal, the toughness of the weld heat affected zone, and to reduce the center segregation, it is recommended to manage it to 0.03% or less.
·황(S)의 함량은 0.003-0.05%로 하는 것이 바람직하다.The content of sulfur (S) is preferably 0.003-0.05%.
S은 용접열영향부의 강도를 개선하는 원소로 Cu원소와 반응하여 CuS를 형성시켜 강도(또는 경도)를 향상시키고 TiN석출물에 복합 석출하여 TiN석출물의 고온 안정성을 향상시키는 역할을 한다. 이를 위해서 S는 0.003%이상 함유시키는 것이 좋으나, 0.05% 초과의 경우에는 그 효과가 포화되고 연주시 스라브에서 스라브 표층하 균열 등을 조장할 우려가 있고 또한 용접시 FeS 등의 저융점화합물을 형성시켜 용접 고온균열을 조장할 우려가 있기 때문에 바람직하지 못하다.S is an element that improves the strength of the weld heat affected zone, and reacts with Cu to form CuS to improve strength (or hardness), and complex precipitation on TiN precipitate to improve high temperature stability of TiN precipitate. For this purpose, S should be contained 0.003% or more, but if it is more than 0.05%, the effect is saturated, and there is a fear that the slab may be cracked under the surface of the slab at the time of playing, and a low melting point compound such as FeS may be formed during welding. It is not preferable because it may promote welding hot cracking.
·산소(O)의 함량은 0.005%이하로 제한하는 것이 바람직하다.The content of oxygen (O) is preferably limited to 0.005% or less.
산소가 0.005% 초과하는 경우에는 Ti원소가 용강중에서 Ti산화물로 형성되어 TiN석출물을 형성하지 못하기 때문에 바람직하지 못하며 또한 조대한 Fe산화물 및 Al산화물 등과 같은 개재물이 형성되어 모재의 인성에 나쁜 영향을 미치기 때문에 바람직하지 못하다.If the oxygen content exceeds 0.005%, the Ti element is not preferable because the Ti element is formed of Ti oxide in molten steel and thus does not form a TiN precipitate. Also, inclusions such as coarse Fe oxide and Al oxide are formed, which adversely affects the toughness of the base metal. It is not desirable because it is crazy.
·Ti/N의 비는 1.2∼2.5로 하는 것이 바람직하다.The ratio of Ti / N is preferably 1.2 to 2.5.
본 발명에서 Ti/N비를 2.5이하로 낮추는데, 이는 2가지 장점이 있다. 첫째는, TiN양 즉, TiN석출물의 개수를 증가시킬 수 있다는 점이다. 즉, 동일 Ti함량에서 질소함량을 증가시키면 연주과정중 냉각과정에서 모든 고용되어 있는 모든 Ti원자가 질소원자와 결합하여 미세한 TiN석출량이 증가하게 된다. 둘째는, 고온에서 TiN이 안정하다는 점이다. 즉, 용접열영향부와 같은 고온에서 석출물의 안정성을 나타내는 용해도적(Solubility Product)이 작아지기 때문에 고질소 TiN과 같은 석출물의 경우 질소함량이 낮은 경우에서 보다 TiN석출물이 안정하다. 반면에 Ti/N비가 2.5보다 높은 경우는 제강과정인 용강중에서 조대한 TiN이 정출되어 TiN의 균일한 분포가 얻어지지 않으며, 또한 TiN으로 석출하지 않고 남은 잉여의 Ti는 고용상태로 존재하여 용접열영향부 인성에 나쁜 영향을 미친다. Ti/N비가 1.2미만에서는 모재의 고용질소량이 증가하여 용접열향부의 인성에 유해하기 때문이다.In the present invention, the Ti / N ratio is lowered to 2.5 or less, which has two advantages. First, it is possible to increase the amount of TiN, that is, the number of TiN precipitates. In other words, if the nitrogen content is increased at the same Ti content, all the Ti atoms dissolved in the cooling process during the playing process combine with the nitrogen atom, thereby increasing the fine TiN precipitation. Second, TiN is stable at high temperatures. That is, since the solubility product which shows the stability of the precipitate at high temperature such as the weld heat affected zone becomes smaller, the precipitate such as high nitrogen TiN is more stable than the case where the nitrogen content is low. On the other hand, if the Ti / N ratio is higher than 2.5, coarse TiN is crystallized in molten steel, which is a steelmaking process, and a uniform distribution of TiN is not obtained. Also, excess Ti remaining without precipitation as TiN remains in a solid solution to weld heat. Affects bad toughness. If the Ti / N ratio is less than 1.2, the amount of solid solution nitrogen in the base metal increases, which is detrimental to the toughness of the weld heat-oriented part.
·N/B의 비는 10∼40으로 하는 것이 바람직하다.It is preferable to make ratio of N / B into 10-40.
본 발명에서 N/B비가 10미만이면 용접후 냉각과정중에 구오스테나이트 결정입계에서 다각형의 페라이트 변태를 촉진하는 BN의 석출량이 불충분하며, N/B비가 40초과의 경우에는 그 효과가 포화되며 고용질소량이 증가하여 용접열영향부의 인성을 저하시키기 때문이다.In the present invention, if the N / B ratio is less than 10, the precipitation amount of BN that promotes the ferrite transformation of polygons at the old austenite grain boundary during the post-weld cooling process is insufficient, and when the N / B ratio is over 40, the effect is saturated and dissolved. This is because the amount of nitrogen is increased to lower the toughness of the weld heat affected zone.
·Al/N의 비는 2.5∼7로 하는 것이 바람직하다.It is preferable to make Al / N ratio into 2.5-7.
본 발명에서 Al/N비가 2.5미만인 경우에는 침상형 페라이트 변태를 유도하기위한 AlN석출물의 분포가 불충분하고, 용접열영향부의 고용질소량이 증가하여 용접균열이 발생할 가능성이 있으며, Al/N비가 7초과의 경우에는 그 효과가 포화된다.In the present invention, when the Al / N ratio is less than 2.5, AlN precipitates are insufficient to induce needle-like ferrite transformation, and the amount of solid solution nitrogen in the weld heat affected zone may increase, resulting in a weld crack and an Al / N ratio of more than 7 In the case the effect is saturated.
·(Ti+2Al+4B)/N의 비는 6.5∼14로 하는 것이 바람직하다.It is preferable that ratio of (Ti + 2Al + 4B) / N is 6.5-14.
본 발명에서 (Ti+2Al+4B)/N의 비가 6.5미만의 경우 용접열영향부의 구오스테나이트 결정립 성장억제, 결정입계에서의 미세한 다각형 페라이트 생성, 고용질소량, 결정입내에서의 침상형 및 다각형의 페라이트 생성 및 조직분율의 제어를 위한 TiN, AlN, BN, VN 석출물의 크기 및 분포개수가 불충분하며, (Ti+2Al+4B)/N이 14초과의 경우에는 그 효과가 포화된다. 만일, V이 첨가되는 경우에는 (Ti+2Al+4B+V)/N의 비를 7-17로 하는 것이 바람직하다.In the present invention, when the ratio of (Ti + 2Al + 4B) / N is less than 6.5, the growth inhibition of the austenite grain growth of the weld heat affected zone, the generation of fine polygonal ferrite at the grain boundary, the amount of solid solution nitrogen, the needle shape and the polygonal shape in the grain boundary Insufficient size and number of distribution of TiN, AlN, BN, and VN precipitates for ferrite formation and control of tissue fraction, and the effect is saturated when (Ti + 2Al + 4B) / N is more than 14 seconds. If V is added, the ratio of (Ti + 2Al + 4B + V) / N is preferably 7-17.
· Cu/S비는 10≤Cu/S≤90으로 한정하는 것이 바람직하다.Cu / S ratio is preferably limited to 10 ≦ Cu / S ≦ 90.
본 발명에서 CuS 단독석출물 및 TiN+CuS 복합석출물은 TiN석출물과 모재 계면사이에 석출되어 고온 가열시 우선적으로 모재로 재고용되면서 단독으로 분포하는 TiN석출물 대비 재고용 온도를 높이거나 재고용에 필요한 시간을 지연시킨다. 이와 같이, 용접열영향부에서의 오스테나이트 결정립 성장제어를 위한 적정 CuS 및 TiN+CuS 복합석출물 개수 및 크기 그리고, TiN석출물 주위를 감싸기 위한 CuS의 석출량을 확보하기 위해서는 Cu/S비가 10이상 되어야 하나, Cu/S비가 90 초과의 경우에는 TiN을 감싸는 CuS석출물의 크기가 조대화되어 그 효과가 포화된다. 또한 용접열영향부의 소입성을 증가시켜 인성의 저하, 용접열영향부 및 용접금속에서 고온균열을 조장시킨다.In the present invention, the CuS single precipitate and the TiN + CuS composite precipitate are precipitated between the TiN precipitate and the base metal interface, and are re-used as the base metal during high temperature heating, thereby increasing the stocking temperature or delaying the time required for restocking compared to the TiN precipitate distributed alone. . As such, the Cu / S ratio should be 10 or more in order to secure the appropriate number and size of CuS and TiN + CuS composite precipitates for controlling austenite grain growth in the weld heat affected zone, and the amount of CuS to be wrapped around the TiN precipitates. However, when the Cu / S ratio is greater than 90, the size of the CuS precipitates surrounding TiN is coarsened and the effect is saturated. In addition, the hardenability of the weld heat affected zone is increased to promote the reduction of toughness, hot cracking in the weld heat affected zone and the weld metal.
상기와 같이 조성되는 강재(모재)와 열영영향부의 인성을 보다 개선시키기 위해 V을 추가로 첨가한다.In order to further improve the toughness of the steel material (base material) and the heat-affected portion formed as described above, V is further added.
·바나듐(V)의 함량은 0.01-0.2%로 제한하는 것이 바람직하다.The content of vanadium (V) is preferably limited to 0.01-0.2%.
V은 N와 결합해 VN을 형성하여 용접열영향부에서 페라이트 형성을 촉진시키는 원소이며, VN는 단독으로 석출하거나 TIN석출물에 석출하여 페라이트 변태를 촉진시킨다. 또한 V은 C과 결합하여 VC를 형성하는데, 이러한 VC탄화물은 페라이트 변태후 페라이트 결정립 성장을 억제하는 역할을 한다. V함유량이 0.01%미만에서는 VN석출량이 작기 때문에 용접열영향부에서 페라이트 변태촉진 효과를 얻기가 힘들다. 한편 0.2%를 초과하면 모재 및 용접열영향부(HAZ)의 인성열화를 초래하고 용접경화성을 향상시켜 용접저온균열 발생위험이 있기 때문에 바람직하지 않다.V is an element that combines with N to form VN to promote ferrite formation in the weld heat affected zone, and VN precipitates alone or precipitates in TIN precipitates to promote ferrite transformation. In addition, V combines with C to form VC, which acts to inhibit ferrite grain growth after ferrite transformation. When the V content is less than 0.01%, it is difficult to obtain the ferrite transformation promoting effect in the weld heat affected zone because the VN deposition amount is small. On the other hand, exceeding 0.2% is not preferable because it causes toughness of the base metal and the weld heat affected zone (HAZ) and improves the weld hardenability, which may cause the low temperature crack of the weld.
또한, V/N의 비는 0.3∼9로 하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 V/N비가 0.3미만인 경우에는 용접열영향부 인성개선을 위한 TiN+CuS석출물 경계에 석출하여 분포하는 적정 VN석출물 개수 및 크기를 확보하기 어렵다. V/N비가 9를 초과하는 경우에는 TiN+CuS석출물 경계에 석출하는 VN석출물의 크기가 조대화되어 오히려 TiN+CuS복합석출물 경계에 석출되는 VN석출빈도수가 감소하기 때문에 용접열영향부의 인성에 유효한 페라이트 상분율을 감소시킨다.Moreover, it is preferable to make ratio of V / N into 0.3-9. In the present invention, when the V / N ratio is less than 0.3, it is difficult to secure an appropriate number and size of VN precipitates deposited and distributed at the TiN + CuS precipitate boundary for improving the toughness of the weld heat affected zone. When the V / N ratio exceeds 9, the size of the VN precipitates deposited on the TiN + CuS precipitate boundary is coarsened, and thus the VN precipitation frequency deposited on the TiN + CuS composite precipitate boundary is reduced, which is effective for the toughness of the weld heat affected zone. Reduce ferrite phase percentage.
상기와 같이 조성되는 강에 본 발명에서는 기계적성질을 보다 향상시키기 위해, Ni, Nb, Mo, Cr의 그룹에서 선택된 1종 또는 2종이상을 추가로 첨가한다.In the present invention, in order to further improve the mechanical properties in the steel composition as described above, one or more selected from the group of Ni, Nb, Mo, Cr is further added.
·니켈(Ni)의 함량은 0.1-3.0%로 제한하는 것이 바람직하다.The content of nickel (Ni) is preferably limited to 0.1-3.0%.
Ni은 고용강화에 의해 모재의 강도와 인성을 향상시키는 유효한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 Ni함유량이 0.1%이상 함유되는 것이 바람직하지만, 3.0%를 초과하는 경우에는 소입성을 증가시켜 용접열영향부의 인성을 저하시키고 용접열영향부 및 용접금속에서 고온균열의 발생 가능성이 있기 때문에 바람직하지 못하다.Ni is an effective element which improves the strength and toughness of the base material by solid solution strengthening. In order to achieve this effect, the Ni content is preferably 0.1% or more, but when the content exceeds 3.0%, the hardenability is increased to reduce the toughness of the weld heat affected zone and the possibility of high temperature cracking in the weld heat affected zone and the weld metal. This is not desirable because there is.
·니요븀(Nb)의 함량은 0.01-0.10%로 제한하는 것이 바람직하다.The content of niobium (Nb) is preferably limited to 0.01-0.10%.
Nb는 모재 강도확보의 관점에서 유효한 원소로, 이를 위해 0.01%이상 첨가하나, 0.1%를 초과하는 경우에는 조대한 NbC의 단독석출을 초래하여 모재의 인성에 유해하게 되므로 바람직하지 못하다.Nb is an effective element from the viewpoint of securing the strength of the base material. For this purpose, Nb is added in an amount of 0.01% or more. However, Nb is undesirable because it causes coarse precipitation of coarse NbC, which is detrimental to the toughness of the base material.
·크롬(Cr)은 0.05∼1.0%로 하는 것이 바람직하다.Chromium (Cr) is preferably made 0.05 to 1.0%.
Cr은 소입성을 증가시키고 또한 강도를 향상시키는데, 그 함유량이 0.05%미만에는 강도를 얻을 수 없고 1.0%를 초과하는 경우 모재 및 HAZ인성열화를 초래한다.Cr increases the hardenability and also improves the strength. If the content is less than 0.05%, the strength cannot be obtained and when the content exceeds 1.0%, the base metal and the HAZ toughness deteriorate.
·몰리브덴(Mo)은 0.05-1.0%로 하는 것이 바람직하다.Molybdenum (Mo) is preferably 0.05-1.0%.
Mo도 소입성을 증가시키고 또한 강도를 향상시키는 원소로, 그 함유량이 강도확보를 위하여 0.05%이상으로 하지만, HAZ경화 및 용접저온균열을 억제하기 위해서는 Cr과 마찬가지로 상한을 1.0%로 한다.Mo is also an element that increases the hardenability and improves the strength. The content thereof is 0.05% or more for securing the strength, but the upper limit is set to 1.0% like Cr for suppressing the HAZ hardening and the welding low temperature crack.
또한, 본 발명에서는 가열시에 구오스테나이트의 입성장억제를 위해 Ca, REM의 1종 또는 2종을 추가로 첨가한다.In addition, in the present invention, one or two kinds of Ca and REM are further added to suppress the grain growth of the austenite at the time of heating.
Ca 및 REM은 고온안정성이 우수한 산화물을 형성시켜 모재내에서 가열시 구오스테나이트 결정립 성장을 억제하고 용접열영향부의 인성을 향상시킨다. 또한, Ca은 제강시 조대한 MnS형상을 제어하는 효과가 있다. 이를 위해, 칼슘(Ca)은 0.0005%이상, REM은 0.005%이상 첨가하는 것이 좋으나, Ca이 0.005% REM이 0.05%를 초과하는 경우 대형개재물 및 클러스터(cluster)를 생성시켜 강의 청정도를 해치게 된다. REM으로서는 Ce, La, Y 및 Hf등의 1종 또는 2종이상을 사용하여도 무방하고 어느 것도 상기 효과를 얻을 수 있다.Ca and REM form an oxide having excellent high temperature stability, thereby suppressing the growth of the austenite grains when heated in the base metal and improving the toughness of the weld heat affected zone. In addition, Ca has the effect of controlling the coarse MnS shape during steelmaking. To this end, it is preferable to add more than 0.0005% of calcium (Ca) and more than 0.005% of REM, but if Ca exceeds 0.005% of REM of more than 0.05%, large inclusions and clusters are generated to harm the cleanliness of the steel. As REM, 1 type, or 2 or more types, such as Ce, La, Y, and Hf, may be used, and any of the above effects can be obtained.
·강재의 미세조직· Microstructure of steel
본 발명의 강재(모재)는 페라이트+베이나이트의 복합조직으로, 베이나이트의 조직분율은 30-80%의 범위로 하는 것이 바람직하다. 베이나이트의 분율이 30%미만의 경우에는 적정 모재강도를 확보하기 어려우며, 80% 초과의 경우에는 모재인성을확보하기 어렵기 때문이다.The steel material (base material) of the present invention is a composite structure of ferrite + bainite, and the structure fraction of bainite is preferably in the range of 30-80%. If the fraction of bainite is less than 30%, it is difficult to secure the appropriate base material strength, and if it is more than 80%, it is difficult to secure the base material toughness.
또한, 페라이트+베이나이트의 복합조직에서 페라이트 결정립크기는 20㎛이하로 하는 것이 바람직하다. 이는 페라이트의 결정립크기가 20㎛ 보다 클 경우 대입열 용접시 용접열영향부의 오스테나이트 결정립 크기가 80㎛이상이 되어 용접열영향부 인성에 유해하기 때문이다.In addition, the ferrite grain size in the composite structure of ferrite + bainite is preferably 20 µm or less. This is because when the grain size of the ferrite is larger than 20 μm, the austenite grain size of the weld heat affected zone becomes 80 μm or more during high heat input welding, which is detrimental to the weld heat affected zone toughness.
·석출물의 분포(TiN+CuS 복합석출물)Distribution of precipitates (TiN + CuS composite precipitates)
본 발명의 모재에는 TiN+CuS 복합석출물이 0.01-0.1㎛의 크기로 1mm2당 1.0x107개 이상 분포하는 것이 바람하다. 석출물의 크기가 0.01㎛미만에서는 대입열 용접시 대부분 모재에 쉽게 재고용되어 오스테나이트 결정립 성장억제 효과가 미흡하며, 0.1㎛ 초과의 경우에는 오스테나이트 결정립에 대한 피닝(pinning, 결정립 성장억제)효과가 적어지고 조대한 비금속개재물과 같은 거동을 하여 기계적 성질에 유해한 영향을 미친다. 이 미세한 석출물의 개수가 1mm2당 1.0x107개 미만의 경우에는 대입열이상의 용접시 용접열영향부의 임계 오스테나이트 결정립 크기인 80㎛이하로 제어하기가 어렵다. 이들 석출물들은 균일하게 분포되는 경우에 석출물이 조대해지는 오스왈드 라이프닝(Ostwald ripening)현상을 억제하는데 보다 유리하므로 TiN석출물의 간격을 0.5㎛이하로 제어하는 것이 바람직하다.The base material of the present invention is to wind the TiN + CuS composite precipitate distribution per 1mm 2 1.0x10 seven or more in size 0.01-0.1㎛. If the precipitate size is less than 0.01㎛, it is easily re-used in the base metal during the high heat input welding, so that the effect of inhibiting austenite grain growth is insufficient, and if it exceeds 0.1㎛, the pinning (grain growth inhibition) effect on the austenite grain is small. It behaves like highly coarse nonmetallic inclusions and has a detrimental effect on mechanical properties. If the number of these fine precipitates is less than 1.0 × 10 7 per 1 mm 2 , it is difficult to control less than 80 μm, which is the critical austenite grain size of the weld heat-affected zone when welding more than a large heat input. Since these precipitates are more advantageous in suppressing the Ostwald ripening phenomenon in which the precipitates are coarse when uniformly distributed, it is preferable to control the interval of the TiN precipitates to 0.5 μm or less.
[용접 구조용 강재의 제조방법][Method of manufacturing welded structural steel]
·정련(탈산, 탈가스)공정Refining (Deoxidation, Degassing) Process
일반적으로 강의 정련공정은 전로에서 1차정련한 다음, 전로의 용강을 래들로 출강하여 2차정련하는 노외정련으로 구성되는데, 용접구조용 강재와 같이 후물재에서는 노외정련 다음에 탈가스처리(RH공정)를 행한다. 보통 탈산은 1차 정련과 2차정련 사이에서 이루어진다.In general, the steel refining process consists of an out-of-furnace refining process after the first refining of the converter and the second refining of the molten steel of the converter by ladle. ). Usually deoxidation takes place between primary and secondary refining.
본 발명의 특징은, 이러한 탈산공정에서 용존산소를 적정수준 이하로 조절한 다음 Ti를 첨가함으로써, Ti를 산화물로 형성하지 않고 용강중에 대부분 고용되도록 한다는 점에 있다. 이를 위해서는 Ti보다 탈산력이 큰 원소를 Ti투입전에 투입하여 탈산하는 것이 바람직하다. 탈산제의 탈산력은 아래와 같다.A feature of the present invention is that in such a deoxidation process, the dissolved oxygen is adjusted to an appropriate level or lower, and then Ti is added, so that Ti is mostly dissolved in molten steel without forming Ti as an oxide. For this purpose, it is preferable to inject and deoxidize an element having a greater deoxidizing power than Ti before adding Ti. The deoxidizing power of the deoxidizer is as follows.
Cr < Mn < Si < Ti < Al < REM < Zr < Ca ≒ MgCr <Mn <Si <Ti <Al <REM <Zr <Ca ≒ Mg
용존산소량은 산화물의 생성거동에 따라 크게 영향을 받는데, 산소와의 친화력이 큰 탈산제 일수록 용강중 산소와 결합하는 속도가 매우 빠르다. 따라서, Ti을 첨가하기 전에 이 보다 탈산력이 큰 원소를 이용하여 탈산을 행하면, Ti이 산화물을 형성하는 것을 최대한 방지할 수 있는 것이다. 물론, Ti보다 탈산력이 큰 원소(Al)를 투입하기 전에, 강의 5대원소인 Mn, Si 등을 투입하여 탈산하고, 이어서 Al을 투입하여 탈산하면, 탈산제의 투입량을 줄일 수 있어 바람직하다.The amount of dissolved oxygen is greatly influenced by the formation behavior of the oxide, and the deoxidizer having a high affinity with oxygen has a very high rate of bonding with oxygen in the molten steel. Therefore, if deoxidation is performed using an element having a greater deoxidizing power before adding Ti, it is possible to prevent Ti from forming an oxide as much as possible. Of course, before the addition of the element (Al), which has a greater deoxidizing power than Ti, by adding and deoxidizing Mn, Si and the like, which are the five major elements of steel, and then deoxidizing by adding Al, the amount of deoxidizer added is preferable.
한편, 용강중에서 개재물의 부상분리는 일반적으로 다음과 같은 순서로 진행된다고 알려져 있다. (용강중에서 탈산원소의 용해)→(개재물이 핵생성)→(개재물의 성장)→(개재물간의 충돌 등에 의한 계속적인 성장과 부상)→(용강표면에서의 슬래그로의 흡수제거) 즉, 개재물의 종류에 따라 각 단계의 진행속도가 달라지기 때문에, 강탈산원소를 이용하여 탈산하면 보다 쉽게 용존산소량 낮출 수 있다.On the other hand, floating separation of inclusions in molten steel is generally known to proceed in the following order. (Dissolution of deoxygenation element in molten steel) → (Involvement of nucleation) → (Growth of inclusions) → (Continuous growth and injury due to collisions between inclusions) → (Removal of slag from slag on molten steel surface) Since the speed of each step varies depending on the type, deoxidation using a strong deoxidation element can lower the dissolved oxygen amount more easily.
본 발명에서는 Ti의 투입전에 강탈산원소를 투입하여 용존산소량을 가능한 낮게 하는데, 용강중에 고용되어 있는 Ti량을 극대화시키기 위해서는 적어도 30ppm이하로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 용존산소량이 30ppm를 초과하면 Ti첨가시 용강중의 산소와 Ti이 결합하여 Ti산화물이 형성되기 쉬워 고용Ti량이 감소하기 때문이다.In the present invention, the amount of dissolved oxygen is added as low as possible by injecting a strong deoxidation element before the introduction of Ti, and in order to maximize the amount of Ti dissolved in molten steel, it is preferable to set it as at least 30 ppm or less. The reason for this is that when the dissolved oxygen amount exceeds 30 ppm, the oxygen in the molten steel and Ti are combined to form Ti oxide easily when Ti is added, and the amount of solid solution Ti decreases.
한편, 제강에서 널리 쓰이는 '스토크(stoke)법칙'에 따르면, 개재물의 밀도가 클수록 개재물 부상은 어려워지는데, 제강과정의 탈산과정중 형성되는 개재물은 매우 복잡한 구상형태를 띠고 있어 개재물에 비해 밀도가 크고 부상이 어렵다. 이에 따라 강중에 개재물이 증가하게 되므로, 밀도가 큰 개재물을 형성하는 탈산원소를 투입하는 것이 산화물 분포에 따른 부가적 잇점로 활용할 수 있으나, 본 발명에 있어서 개재물의 밀도차이에 의한 영향은, 본 발명의 효과에 아무런 영향을 미치지 않는다.On the other hand, according to the 'Stoke Law' widely used in steelmaking, the higher the density of inclusions, the more difficult the inclusions are. Injuries are difficult As the inclusions increase in the steel, the addition of a deoxidation element forming a high density inclusion may be used as an additional advantage according to the distribution of oxides. Has no effect on the effect.
본 발명에 따라 용존산소량을 조정한 다음, Ti을 10분이내에 첨가하여 그 함량이 0.005-0.2%가 되도록 하는 것이 바람직하다. 만일, 탈산후 용강중에 Ti이 0.005%미만 함유되어 있으면, 주조과정에서 미세한 TiN을 다량 형성시키기 어렵고, 0.2%보다 많이 함유되어 있으면 그 효과가 포화되고 TiN이 조대화되어 오스테나이트 결정립 억제효과를 기대하기 어렵다. 또한 Ti의 첨가를 10분이내로 하는 이유는, Ti투입후 시간이 경과할수록 Ti산화물이 생성되어 고용 Ti량이 감소하기 때문이다. 정련공정에서 진공탈가스처리('RH')가 행해지는 경우에는, Ti의 첨가을 진공탈가스 처리 전 또는 그 후의 어디에서도 가능하다.After adjusting the amount of dissolved oxygen according to the present invention, it is preferable to add Ti within 10 minutes so that the content is 0.005-0.2%. If less than 0.005% of Ti is contained in the molten steel after deoxidation, it is difficult to form a large amount of fine TiN in the casting process, and if it contains more than 0.2%, the effect is saturated and the TiN is coarsened to expect the austenite grain suppression effect. Difficult to do The reason for adding Ti within 10 minutes is that Ti oxide is generated and the amount of solid solution Ti decreases as the time after Ti is added. In the case where the vacuum degassing treatment ('RH') is performed in the refining process, the addition of Ti can be performed either before or after the vacuum degassing treatment.
·주조공정Casting process
본 발명에서 상기 화학성분계로 구성된 용강을 통상의 정련과정을 거쳐 연속주조하여 슬라브로 만든다. 연속주조는 고질소강에서 주편표면크랙의 발생 가능성이 높다는 점을 고려하여 저속으로 주조하고 2차냉각대에서 약냉조건을 부여하는 것이 생산성 향상측면에서 바람직하다. 2차냉각대에서 냉각조건은 TiN석출물의 미세화와 균일한 분포에도 영향을 미치는 중요한 인자이다.In the present invention, the molten steel composed of the chemical component system is continuously cast through a conventional refining process to make a slab. Continuous casting is preferable from the viewpoint of productivity improvement by casting at low speed and giving a weak cooling condition in the secondary cooling zone in consideration of the high possibility of occurrence of cast surface cracks in high nitrogen steel. Cooling conditions in the secondary cooling zone are important factors affecting the refinement and uniform distribution of TiN precipitates.
본 발명의 연구에 따르면, 연속주조속도는 통상적인 주조속도인 약 1.3m/min 보다 저속인 1.2m/min이하 보다 바람직하게는 약 0.9∼1.2m/min으로 하는 것이다. 그 이유는 주조속도가 0.9m/min미만의 경우에 주편표면크랙에는 유리하나 생산성이 떨어지며, 1.2m/min 보다 빠르면 주편표면크랙 발생가능성이 높다.According to the study of the present invention, the continuous casting speed is more preferably 1.2 m / min or less, more preferably about 0.9 to 1.2 m / min, which is lower than about 1.3 m / min, which is a typical casting speed. The reason is that when the casting speed is less than 0.9m / min, it is advantageous for cast surface cracks, but productivity is lowered. When it is faster than 1.2m / min, cast surface cracks are more likely to occur.
또한, 2차냉각대에서 비수량은 가능한 약냉 즉, 0.3∼0.35ℓ/kg으로 하는 것이 좋다. 비수량이 0.3ℓ/kg 미만의 경우 TiN석출물의 조대화로 본 발명의 효과를 보이기 위한 TiN의 적정 크기 및 갯수를 제어하기 어렵다. 또한, 비수량이 0.35ℓ/kg를 초과할 경우 TiN 석출물의 석출빈도수가 적어 본 발명의 효과를 보이기 위한 TiN석출물 개수, 크기 등을 제어하기 어렵다.In the secondary cooling zone, the specific water amount is preferably as low as possible, that is, 0.3 to 0.35 l / kg. When the specific amount is less than 0.3 L / kg, it is difficult to control the proper size and number of TiN to show the effect of the present invention due to coarsening of TiN precipitates. In addition, when the specific water content exceeds 0.35L / kg, the precipitation frequency of the TiN precipitates is small, and it is difficult to control the number, size, and the like of TiN precipitates for showing the effects of the present invention.
·열간압연공정Hot rolling process
본 발명에서 상기 슬라브를 1000-1250℃에서 60-180분간 가열하는 것이 바람직하다. 슬라브 가열온도가 1000℃ 미만의 경우에는 본 발명의 효과를 보이기 위한 적정 CuS석출물 및 TiN+CuS복합석출물의 크기 및 개수를 확보하기 어려우며, 가열온도가 1250℃ 초과의 경우에는 적정 TiN+CuS복합석출물의 크기 및 개수가 포화되며 오스테나이트 결정립이 가열중에 성장하기 때문에 압연과정중 재결정에 영향을 미치고, 오스테나이트입자가 너무 조대화되어 후공정에서의 페라이트 미세화 효과가 적어서 강재의 기계적 물성을 열화시킨다. 그리고, 슬라브 가열시간이 60분 미만의 경우에는 응고편석을 감소시키며 또한 TiN+CuS복합석출물을 분포시키는데 요구되는 시간이 부족하며, 가열시간이 180분 초과의 경우에는 그 효과가 포화되어 실조업상의 비용이 증가할 뿐만 아니라 슬라브내의 오스테나이트 결정립 성장이 일어나 후속 압연공정에 영향을 미치기 때문에 바람직하지 못하다. 재가열온도가 1000-1100℃의 구간에서는 가열시간을 120-180분간으로 하는 것이 좋다.In the present invention, it is preferable to heat the slab at 1000-1250 ° C. for 60-180 minutes. If the slab heating temperature is less than 1000 ℃ it is difficult to secure the size and number of the appropriate CuS precipitates and TiN + CuS composite precipitates for showing the effect of the present invention, when the heating temperature is more than 1250 ℃ appropriate TiN + CuS composite precipitates As the size and number of saturates and the austenite grains grow during heating, it affects the recrystallization during the rolling process, and the austenitic particles are too coarse, so that the ferrite refining effect in the post process is low, thereby deteriorating the mechanical properties of the steel. If the slab heating time is less than 60 minutes, the solidification segregation is reduced, and the time required for distributing TiN + CuS composite precipitates is insufficient. If the heating time is more than 180 minutes, the effect is saturated, and It is undesirable because not only the cost increases but also austenite grain growth in the slab affects the subsequent rolling process. In the section where the reheating temperature is 1000-1100 ℃, the heating time should be 120-180 minutes.
상기와 같이 가열한 다음, 오스테나이트 재결정역 온도에서 40% 이상의 압연비로 열간압연하는 것이 바람직하다. 오스테나이트 재결정역온도는 강조성과 그 이전의 압하량 등에 영향을 받는데, 본 발명의 강조성에 통상의 압하량을 고려할 때 오스테나이트 재결정역 온도는 약 1050∼850℃구간이다. 이 구간에서 적어도 40%이상의 압연비를 부여하여야 하는데, 만일 압연비가 40%미만인 경우에는 오스테나이트 입내의 페라이트 핵생성 자리가 부족하여 오스테나이트 재결정에 의한 페라이트 결정립 미세화 효과가 미흡하고, 용접시 용접열영향부의 인성에 유효한 영향을 미치는 석출물 거동에 영향을 미치게 된다.After heating as above, it is preferable to hot-roll at a rolling ratio of 40% or more at the austenite recrystallization zone temperature. The austenite recrystallization zone temperature is affected by the emphasis and the previous reduction amount, and the austenite recrystallization zone temperature is in the range of about 1050 to 850 ° C. in consideration of the usual reduction amount in the emphasis of the present invention. In this section, a rolling ratio of at least 40% should be given. If the rolling ratio is less than 40%, the ferrite nucleation site in the austenite grain is insufficient and the effect of refining the ferrite grains due to austenite recrystallization is insufficient. It affects the precipitate behavior which effectively affects the toughness of the affected zone.
열간압연시 오스테나이트 결정립의 크기는 재가열로에서의 온도와 시간 그리고, 압연량 등에 영향을 받는데, 이 오스테나이트의 결정립 크기는 소입성에 영향을 미치므로 이를 제어하면 원하는 베이나이트의 분율을 손쉽게 얻을 수 있다. 베이나이트의 분율을 높이고자 하는 경우에는 오스테나이트의 결정립크기를 10㎛이상으로 하는 것이 권장되나, 오스테나이트의 결정립 크기가 50㎛보다 커지게 되면 변태시 소입성이 너무 커져서 마르텐사이트 변태가 일어날 가능성이 높다.The size of austenite grains during hot rolling is affected by temperature, time in the reheating furnace, and rolling amount.The grain size of austenite affects the quenchability, so if you control it, you can easily obtain the desired fraction of bainite. Can be. In order to increase the fraction of bainite, it is recommended to set the grain size of austenite to 10 µm or more.However, if the grain size of the austenite becomes larger than 50 µm, the quenchability during transformation may become too large to cause martensite transformation. This is high.
본 발명에서 열간압연후에는 베이나이트 변태 종료온도±10℃까지 5-20℃/sec의 범위로 냉각속도를 제어한다. 본 발명강의 상 변태는 베이나이트 변태 종료온도±10℃ 이내 구간에서 발생하기 때문에 이 구간까지는 냉각속도를 제어해야 한다. 가속냉각속도가 5℃/sec미만의 경우에는 본 발명의 효과를 보이기 위한베이나이트 상분율 확보가 어려우며, 20℃/sec초과의 경우에는 마르텐사이트 상분율이 증가하여 모재 인성에 유해하다.After the hot rolling in the present invention, the cooling rate is controlled in the range of 5-20 ° C / sec to the bainite transformation end temperature ± 10 ° C. The phase transformation of the present invention steel occurs in a section within the bainite transformation end temperature ± 10 ℃, the cooling rate must be controlled up to this section. If the accelerated cooling rate is less than 5 ℃ / sec it is difficult to secure the bainite phase fraction for showing the effect of the present invention, when the excess of 20 ℃ / sec martensite phase ratio is increased and harmful to the base material toughness.
본 발명에서 강의 주조는 연속주조 또는 금형주조에 의해 스라브를 제조할 수 있다. 이때 냉각속도가 빠르면 석출물을 미세분산시키기 유리하므로 냉각속도가 빠른 연속주조가 바람직하다. 또한 같은 이유로 스라브는 두께가 얇은편이 유리하다. 그리고, 이 슬라브의 열간압연공정에서 사용자 용도에 따라 핫챠지(hot charge)압연 및 직접(direct)압연을 적용할 수도 있고, 공지된 제어압연, 제어냉각등 각종 기술을 적용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 열간압연판의 기계적 성질을 개선하기 위해 열처리를 적용할 수도 있다. 그러나, 이와 같이 공지의 기술들을 본 발명에 적용하더라도 이는 본 발명의 단순한 변경으로서 실질적으로 본 발명의 기술사상의 범위내라고 해석하는 것은 당연하다.Casting of the steel in the present invention can be produced by slab by continuous casting or mold casting. In this case, if the cooling rate is fast, it is advantageous to finely disperse the precipitates, and thus, continuous casting having a high cooling rate is preferable. For the same reason, the slab is advantageously thinner. In the hot rolling process of the slab, hot charge rolling and direct rolling may be applied according to a user's use, and various known techniques such as control rolling and control cooling may be applied. In addition, heat treatment may be applied to improve the mechanical properties of the hot rolled sheet produced according to the present invention. However, even if the well-known techniques are applied to the present invention, it is natural that they are interpreted to be substantially within the technical scope of the present invention as a simple change of the present invention.
이하, 본발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.
[실시예]EXAMPLE
표 1과 같은 성분 조성을 갖는 강종들을 시료로 하여 전로에서 용해하여 연속주조법에 의해 슬라브로 제조한 다음, 이를 표 2의 조건으로 열간압연 판재을 제조하였다.Steel grades having the composition as shown in Table 1 were prepared as slabs by a continuous casting method by melting them in a converter, and then hot-rolled sheets were prepared under the conditions of Table 2.
상기와 같이 열간압연된 판재들로부터 모재의 기계적 성질을 평가하기 위한시험편들은 압연재의 판두께 중앙부에서 채취하였으며 인장시험편은 압연방향, 그리고 샤피(Charpy)충격시편은 압연방향과 수직한 방향에서 채취하였다.The test pieces for evaluating the mechanical properties of the base metal from the hot rolled plates as described above were taken at the center of the plate thickness of the rolled material, the tensile test piece was taken in the rolling direction, and the Charpy impact specimen was taken in the direction perpendicular to the rolling direction. It was.
인장시험편은 KS규격(KS B 0801) 4호 시험편을 이용하였으며 인장시험은 크로스 헤드 스피드(cross head speed) 5mm/mim에서 시험하였다. 충격시험편은 KS(KS B 0809) 3호 시험편에 준하여 제조하였으며 이때 노치방향은 모재의 경우 압연방향의 측면 (L-T)에서 가공하였으며 용접재의 경우 용접선 방향으로 가공하였다. 또한 용접열영향부의 최고가열온도에 따른 오스테나이트 결정립 크기를 조사하기 위하여 재현용접 모사시험장치(simulator)를 사용하여 최고가열온도(1200∼1400℃)까지 140℃/sec조건으로 가열시킨후 1초간 유지한 다음, He 가스를 이용하여 급냉시켰다. 급냉시킨 시험편을 연마하고 부식하여 최고가열온도조건에서의 오스테나이트 결정입도를 KS구격 (KS D 0205)에 의해 측정하였다.Tensile test piece was used KS standard (KS B 0801) No. 4 test piece and the tensile test was tested at the cross head speed (5mm / mim). The impact test piece was manufactured according to KS (KS B 0809) No. 3 test piece, and the notch direction was processed on the side of the rolling direction (L-T) in the case of the base material and in the welding line direction on the welding material. In addition, in order to investigate the austenite grain size according to the maximum heating temperature of the welding heat affected zone, it is heated to 140 ℃ / sec condition for 1 second after the heating up to the maximum heating temperature (1200 ~ 1400 ℃) by using the simulation welding simulator (simulator). After holding, it was quenched with He gas. The quenched specimens were ground and corroded to determine the austenite grain size at the highest heating temperature condition by KS (KS D 0205).
냉각후 미세조직의 분석 및 용접영향부의 인성에 중요한 영향을 미치는 석출물과 산화물의 크기와 갯수 그리고 간격은 화상분석기(image analyzer)와 전자현미경을 이용한 포인트 카운팅(point counting)법으로 측정하였다. 이때, 피검면은 100mm2을 기준으로 하여 평가하였다.The size, number, and spacing of precipitates and oxides, which have a significant effect on the microstructure analysis and the toughness of the weld affected zone after cooling, were measured by the point counting method using an image analyzer and an electron microscope. At this time, the test surface was evaluated based on 100 mm 2 .
용접열영향부의 충격인성 평가는 실제 용접입열량에 상당하는 약 80kJ/cm, 150kJ/cm, 250kJ/cm에 상당하는 용접조건, 즉 최고가열온도를 1400℃로 가열한후800-500℃의 냉각시간이 각각 60초, 120초, 180초인 용접 열사이클을 부여한 다음, 시험편 표면을 연마하고 충격시험편으로 가공하여 -40℃에서 샤피충격시험을 통하여 평가하였다.Impact toughness evaluation of the weld heat affected zone is 800-500 ℃ cooling after heating the welding conditions equivalent to about 80 kJ / cm, 150 kJ / cm, 250 kJ / cm, that is, the maximum heating temperature to 1400 ℃ After the welding heat cycles of 60 seconds, 120 seconds, and 180 seconds were applied, the surface of the test piece was polished, processed into an impact test piece, and evaluated through a Charpy impact test at -40 ° C.
표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 열간압연재의 석출물(Ti+CuS 복합석출 물)의 개수는 1.0X108개/mm2이상의 범위를 가지고 있는데 반해, 종래재의 석출물은 4.07X105개/mm2이하의 범위를 보이고 있었다. 발명재가 상당히 미세한 석출물 크기를 갖으면서 그 개수 또한 현저히 증가되고 있음을 알 수 있다. 또한 모재조직구성에 있어서 본 발명강의 경우 베이나이트의 상분율이 30%이상으로 구성되어 있어 모재의 기계적성질이 우수함을 알 수 있었다.As shown in Table 4, the number of precipitates (Ti + CuS composite precipitates) of the hot rolled material produced by the present invention has a range of 1.0 × 10 8 / mm 2 or more, whereas the precipitates of the prior art are 4.07X10 5 The range of dog / mm <2> was shown. It can be seen that while the invention material has a very fine precipitate size, the number thereof is also significantly increased. In addition, in the base metal structure, the present invention steel was composed of the bainite phase percentage of 30% or more, it was found that the mechanical properties of the base material is excellent.
표 5에 나타난 바와 같이, 용접열영향부와 같은 최고가열온도 1400℃조건에서의 오스테나이트 결정립 크기를 보면 본 발명의 경우 52-65㎛의 범위를 갖는 반면, 종래재의 경우 약 180㎛이상의 매우 조대한 범위를 가자는 것을 알 수 있다.따라서 본 발명강에서는 용접시 용접열영향부의 오스테나이트 결정립 억제 효과가 매우 우수한 것임을 잘 알 수 있다. 또한 100kJ/cm의 용접입열량에서 본 발명강의 페라이트 상분율은 약 70%이상으로 구성되어 있었다.As shown in Table 5, the austenitic grain size under the maximum heating temperature of 1400 ° C., such as the welding heat affected zone, ranges from 52 to 65 μm in the case of the present invention. Therefore, it can be seen that the steel of the present invention has a very good effect of suppressing austenite grains in the weld heat affected zone during welding. In addition, the ferrite phase fraction of the steel of the present invention was composed of about 70% or more at a welding heat input amount of 100 kJ / cm.
한편 대입열 용접시 용접열영향부 충격인성을 비교해 보면, 용접 입열량이 250kJ/cm(800-500℃의 냉각시간이 180초)인 대입열 용접입열량 조건에서 본 발명재의 경우 -40℃ 용접열영향부의 충격인성은 약 280J이상의 우수한 인성값을 보이고 있으며, 천이온도의 경우도 약 -60℃ 이하의 값을 나타내어 우수한 대입열 용접열영향부 충격인성을 나타내고 있음을 알 수 있다. 반면에 동일 대입열 용접입열량 조건에서 종래강은 0℃ 용접열영향부 충격인성이 약 200J 정도의 충격인성값을 보이고 있으며, 천이온도도 약 -60℃ 정도의 수준을 보였다.On the other hand, when comparing the impact toughness of the weld heat affected zone during high heat input welding, -40 ° C. welding in the case of the present invention under high heat input welding heat input condition in which the welding heat input amount is 250 kJ / cm (the cooling time of 800-500 ° C is 180 seconds). The impact toughness of the heat affected zone shows an excellent toughness value of about 280 J or more, and the transition temperature indicates a value of about -60 ° C. or less, indicating that the impact resistance of the high heat input welding heat affected zone is excellent. On the other hand, in the same high heat input heat input condition, conventional steel shows impact toughness value of about 200J at 0 ° C heat affected zone, and transition temperature is about -60 ° C.
상술한 바와 같이, 본 발명은 베이나이트+페라이트의 미세조직에 TiN+CuS 복합석출물을 미세하게 분포시켜 용접열영향부의 인성과 강도가 동시에 개선되는 용접용 구조용강을 제공할 수 있는 유용한 효과가 있는 것이다.As described above, the present invention has a useful effect of finely distributing TiN + CuS composite precipitate in the microstructure of bainite + ferrite to provide structural steel for welding in which the toughness and strength of the weld heat affected zone are simultaneously improved. will be.
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