KR101304852B1

KR101304852B1 - 용접성, 두께방향 재질 편차특성 및 저온인성이 우수한 강판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101304852B1
Application number: KR1020090132108A
Authority: KR
Inventors: 장성호; 홍순택; 박재현; 노윤조
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2009-12-28
Filing date: 2009-12-28
Publication date: 2013-09-05
Also published as: KR20110075613A

Abstract

본 발명은 우수한 용접성을 가지는 동시에 전 두께 경도값이 우수하고, 두께방향의 경도차가 적으며, 우수한 저온인성을 갖는 강판을 제공하고자 하는 것으로서, 중량%로 C: 0.05~0.18%, Si: 0.15~0.3%, Mn: 0.5~1.5%, Cr: 0.1~1.5%, Mo: 0.1~0.5%, Ni: 0.1~0.5%, B: 0.0005~0.0050%, Ti: 0.01~0.03%, Nb: 0.01~0.05%, Al: 0.005~0.1%, P: 0.015%이하, S: 0.010%이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 1에 의한 Ceq 값이 0.50 이하인 용접성, 두께방향 재질 편차특성 및 저온인성이 우수한 강판 및 그 제조방법을 제공한다.

식 1. Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15

용접성(weldability), 경도(hardness), 저온인성(low temperature toughness), 탄소당량(Ceq)

Description

용접성, 두께방향 재질 편차특성 및 저온인성이 우수한 강판 및 그 제조방법{STEEL SHEET HAVING EXCELLENT WELDABILITY, HARDNESS UNIFORMITY IN THE THICKNESS DIRECTION AND LOW TEMPERATURE TOUGHNESS, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 포크레인, 불도져, 굴삭기 등에 이용되는 내마모용 강판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 용접성을 갖는 동시에 두께방향의 재질 편차 특성 및 저온인성이 우수한 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

건설, 토목, 광산업, 시멘트 산업 등 많은 산업분야에 사용되는 중장비들의 경우 작업 시 마찰에 의한 마모가 심하게 발생됨에 따라 내마모의 특성을 나타내는 소재의 적용이 필요하다. 내마모강은 그 용도상 강도, 경도, 인성 및 내마모성 등 많은 특성을 필요로 한다. 특히 상기 중장비들은 용접을 통하여 제작됨에 따라 적용되는 소재의 경우 우수한 용접성이 요구된다.

또한, 일반적으로 내마모성은 경도가 높아질수록 향상되므로 포크레인, 불도져, 굴삭기 및 착암기에 적용되는 소재의 경우 브리넬 경도 기준으로 360HB 이상의 경도값이 요구된다. 이러한 고경도를 얻기 위해서 압연 후 Ac3 이상의 온도로 재가열후 소입하는 방법이 일반적으로 널리 사용되고 있다.

이와 관련한 종래의 기술로는 일본 특개평 2-179842호, 특개평 8-41535호 및 특개소 61-166954호 등이 있다. 상기 특허들에서는 높은 C함량과 Cr, Mo등의 경화능 향상원소를 다량 첨가함으로써 표면경도를 증가시키는 방법이 제시되어 있다. 그러나 상기의 경우 경도확보를 위하여 C와 경화능 합금을 다량으로 첨가함에 따라 제조비용이 상승하고 용접성 및 인성이 저하되는 문제점이 있다.

한편, 일본 공개특허공보 특개 2002-20837호, 특개 2004-10996호 및 특개 2006-328512호와 대한민국 공개특허공보 특2000-0038156호, 특2001-0060644호 등에는 재가열 소입법을 이용하지 않고 압연 후 직접 소입 및 소려하는 방법을 이용하여 마르텐사이트 조직을 확보함으로써 경도를 증가시키는 방법이 제시되어 있다.

상기 특허들에 의한 방법은 직접 소입법의 우수한 경화능을 이용함으로써, 합금원소의 절감과 이에 따른 용접성의 향상을 얻을 수 있으나, 재가열 소입법과 비교하여 오스테나이트 결정립의 조대화가 발생되어 인성의 감소가 발생되며, 제조조건이 까다로워 생산성의 제약이 발생하며 고온에서부터의 급냉으로 인하여 강판의 형상제어가 힘들다는 문제점이 있다.

또한, 상기 특허들의 경우는 강판의 표면경도 향상에 국한하여 내마모성의 확보를 이루고 있어, 사용 중 고경도 표면영역의 마모시 강판의 내마모성이 현저하게 저하되어 설비수명을 급격하게 감소시키는 문제점이 있다.

본 발명의 일측면은 우수한 용접성을 가지는 동시에 전 두께 경도값이 우수하고, 두께방향의 경도차가 적으며, 우수한 저온인성을 갖는 강판을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 중량%로 C: 0.05~0.18%, Si: 0.15~0.3%, Mn: 0.5~1.5%, Cr: 0.1~1.5%, Mo: 0.1~0.5%, Ni: 0.1~0.5%, B: 0.0005~0.0050%, Ti: 0.01~0.03%, Nb: 0.01~0.05%, Al: 0.005~0.1%, P: 0.015%이하, S: 0.010%이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 1에 의한 Ceq 값이 0.50 이하인 용접성, 두께방향 재질 편차특성 및 저온인성이 우수한 강판을 제공한다.

식 1. Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15

또한, 본 발명은 상기 조성 및 상기 식 1에 의한 Ceq 값이 0.50 이하를 만족하는 강 슬라브를 1100℃~1250℃로 재가열하는 단계;

재결정온도 이상 영역에서 패스당 10% 이상의 압하율로 누적 압하율 70%이상 강압하 압연을 실시하고 Ar3 온도 이상에서 마무리 열간압연을 종료하는 단계; 및

850℃ ~ 950℃ 온도로 1.6t +(10~30분)(단, t는 강재의 두께)동안 재가열 후 하기 식 2의 H 값이 2.0 이상을 만족하는 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 용접성, 두께방향 재질 편차특성 및 저온인성이 우수한 강판의 제조방법을 제공한다.

식 2. H = Ceq ×(QCR)^1/2 (단, QCR 은 소입 냉각 속도(Quenching Cooling Rate))

본 발명의 강판은 합금원소를 최소화하여 우수한 용접성을 가지는 동시에, 압연 후 재가열 소입시 냉각속도의 최적화를 통하여 전 두께의 경도값이 360HB이상이고, 두께 방향의 경도차가 50HB 이하이여, 저온인성이 우수한 효과를 가진다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

이하, 본 발명의 조성범위에 대하여 상세히 설명한다(이하, 중량%)

C: 0.05%~0.18%

상기 C는 마르텐사이트 조직을 갖는 강에서 강도와 경도를 증가시키는데 효과적인 원소이나, 그 함량이 높을 경우 용접성 및 인성을 저하시키므로, 본 발명에서 요구하는 경도를 확보하기 위해서는 0.05%~0.18%로 제한하는 것이 바람직하다.

Si: 0.15%~0.3%

상기 Si는 탈산과 고용강화에 따른 강도증가를 나타내는 원소이나, 그 함량이 높을 경우 용접성 감소 및 용접부 인성저하는 물론 모재의 인성을 저하시키므로 0.15%~0.3%로 제한하는 것이 바람직하다.

Al: 0.005%~0.1%

상기 Al은 강한 탈산제로 용강중에 산소함량을 낮추어 청정강 제조에 효과적인 원소이나 0.1% 초과하여 첨가 시 제조원가가 상승함으로서, 그 함량을 0.005%~0.1%로 한정하는 것이 바람직하다.

Mn: 0.5%~1.5%

상기 Mn은 페라이트 생성을 억제하고 Ar3온도를 낮춤으로써 소입성을 효과적으로 상승시켜 재료의 강도를 증가시키는 원소이나, 탄소당량을 높여 재료의 용접성을 저하시키므로 0.5%~1.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

Cr: 0.1%~1.5%

상기 Cr은 소입성을 증가시켜 재료의 강도를 증가시키는 원소이나, 과다하게 첨가되는 경우에는 용접성을 저하시키므로 0.1%~1.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

Mo: 0.1%~0.5%

상기 Mo는 Cr과 같이 재료의 소입성을 증가시켜 강도를 증가시키는데 매우 효과적인 원소이나, 고가의 원소로 다량 첨가시 제조비용이 상승하고 용접성을 저하시키므로 0.1%~0.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

Ni: 0.1%~0.5%

상기 Ni은 저온인성 향상과 강도를 증가시키는데 매우 효과적인 원소이나, 고가의 원소이므로 다량 첨가시 제조비용이 상승하고 용접성을 저하시키므로 0.1%~0.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

B: 0.0005%~0.0050%

상기 B은 소량의 첨가로도 재료의 소입성을 효과적으로 상승시켜 강도를 증가시키며, Mo, V, Ti과의 복합첨가에서 그 효과가 매우 큰 원소이나, 과도한 첨가시 인성 및 용접성을 저하시키므로 0.0005%~0.0050%로 제한하는 것이 바람직하다.

Ti: 0.01%~0.03%

상기 Ti은 소입성 향상에 중요한 원소인 B의 효과를 극대화 하는 원소로 Ti은 TiN의 형성에 의하여 BN 형성을 억제하므로서 고용 B를 증가시켜 B에 의한 소입성 향상을 극대화시키며, 석출된 TiN은 오스테나이트 결정립에 피닝(Pining)됨에 의하여 결정립의 조대화를 억제시키는 효과를 나타내나, 과도한 첨가시 Ti 석출물의 조대화에 의하여 인성의 저하와 제강시 편석 및 산화물 형성의 문제가 있어, 그 함량을 0.01%~0.03%로 제한하는 것이 바람직하다.

Nb: 0.01%~0.05%,

상기 Nb은 오스테나이트에 고용되어 오스테나이트의 경화능을 증대시키고, Nb(C,N)등의 탄질화물을 석출시킴으로써 강도를 증가시키는 중요한 원소이나, 다량으로 첨가할 경우 조대한 석출상의 형성으로 취성파괴의 기점이 되어 인성을 감소시키므로 0.01%~0.05%로 제한하는 것이 바람직하다.

P: 0.015% 이하

상기 P는 저온인성을 저하시키는 원소로 그 함량을 낮게 제어해야 하나 제거를 위한 공정이 까다로워 과다한 비용이 소요되므로 0.015% 이하의 범위로 관리한다.

S: 0.01% 이하

상기 S는 P와 같이 저온인성을 감소시키는 원소로 강중 MnS 개재물을 형성하여 강의 물성을 저하시키므로 낮게 관리해야 하나 제거공정이 까다로워 과다한 비용이 소요되므로 0.01% 이하로 관리한다.

나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

본 발명에서는 상기 조성범위가 하기 식 1의 Ceq 값이 0.5이하인 것이 바람직하다. 상기 Ceq는 탄소당량을 의미하는 것으로서, 그 값이 0.5를 초과하는 경우에는 용접성이 저하되어 용접시 작업조건이 까다로워 생산성이 저하되는 문제가 있다.

식 1. Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15

본 발명에서는 상기 Ceq와 소입 냉각 속도(QCR, Quenching Cooling Rate)의 관계에 대한 하기 식 2로 정의된 H값이 2.0 이상인 것이 바람직하다. 상기 H 값이 2.0 미만인 경우에는 소입 처리 후 강판의 전두께에서 90% 이상의 마르텐사이트 조직을 가질 수 없으므로, 강판 두께 방향으로 균일한 경도를 갖기 위해서는 상기 H 값이 2.0 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 강판은 미세조직은 전 두께에서 마르텐사이트상이 부피분율로 90% 이상을 만족하고, 나머지는 베이나이트상 또는 페라이트상으로 이루어진다. 용접성의 향상을 위해서 낮은 Ceq를 갖는 합금설계를 할 경우나 소입냉각속도가 낮을 경우, 강판의 두께방향으로 소입성의 차이가 발생하며, 강판의 중심부로 갈수록 마르텐사이트상의 부피분율이 90%이하로 형성하게 된다. 이와 같이, 중심부의 마르텐사이트상의 분율이 적어지고, 베이나이트상 또는 페라이트상과 같은 연질상이 많아지게 되면, 두께방향으로의 경도값이 크게 감소하여 두께방향으로의 재질차이가 커지게 되어, 이에 따라 설비수명이 단축되는 문제가 있다. 특히 잔부조직이 베이나이트상이 많아지는 경우 베이나이트상내 조대한 탄화물의 형성으로 인하여 저온인성 이 감소되는 문제가 있기 때문에 마르텐사이트상의 부피분율이 90% 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 강판은 전 두께의 경도값이 브리넬 경도계로 측정할 경우에 360HB 이상이 되고, 두께 방향으로의 표층부와 중심부의 경도차가 50HB 이하를 갖게된다.

상기 조직 및 경도값을 갖기 위해서는 적절한 압연 및 열처리 공정을 거쳐야 하므로 이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

이 경우, 상기의 조성과 식 1의 Ceq 값이 0.5 이하를 만족하는 강 슬라브를 1100~1250℃로 재가열한다. 재가열 온도가 1100℃ 미만에서는 Nb 등 용질원자의 고용이 어렵고, 1250℃를 초과하는 경우에서는 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제하기 어렵기 때문이다.

상기 재가열 후 열간압연을 행한다. 열간압연은 재결정온도 이상 영역에서 패스당 10% 이상의 압하율로 누적 압하율 70%이상 강압하 압연을 실시하고 Ar3 온도 이상에서 마무리 압연을 종료한 후 냉각한다.

재결정온도 이상의 온도에서 누적 압하율이 70% 미만일 경우, 후물재 강판의 중심부까지 균일한 압연조직을 얻을 수 없으며, 이는 두께 방향으로 재질편차가 적은 후강판을 제작 할 수 없기 때문이다. 또한 마무리 압연온도가 Ar3 미만일 경우 에는 페라이트가 형성되어 목표하는 마르텐사이트 조직을 얻을 수 없기 때문이다.

상기 열간 압연되고 냉각된 강판을 850~950℃ 온도로 1.6t + (10~30분), (단, t는 강재의 두께)동안 재가열 후 상기 식 2의 H 값이 2.0 이상을 만족하는 냉각속도로 소입(Quenching) 처리를 수행한다. 재가열 온도가 850℃ 미만일 경우 고용원소들의 재고용이 어려워 강도확보가 어려워지고, 950℃를 초과하는 경우 결정립 성장이 발생되어 인성의 저하를 유발하게 된다.

또한 열처리 시간에 제한을 두는 이유는 1.6t + 10분보다 적어지게 되면 조직의 균질화가 어렵고, 1.6t + 30분을 초과하게 되면 생산성을 저해하기 때문이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

(실시예)

하기 표 1의 조성범위 및 Ceq를 만족하는 강 슬라브를 1100℃~1250℃의 온도범위에서 가열하고, 재결정 온도 이상 영역에서 패스당 10% 이상의 압하율로 누적 압하율 70%이상 강압하 압연을 실시한 후, Ar3 온도 이상에서 마무리 압연을 종료하여 냉각한 후 850℃ ~ 950℃ 온도로 1.6t +(10~30분) (단, t는 강재의 두께)동안 재가열하고, 표 2의 다양한 냉각속도로 소입(Quenching)처리를 실시하여 표면경도 와 중심부의 경도를 측정하였고 그 결과를 표 2에 나타내었다.

강종	C	Mn	Si	Cr	P	S	Al	Ti	Nb	Mo	Ni	B	Ceq
A	0.08	1.0	0.30	0.30	0.012	0.010	0.035	0.015	0	0.2	0	0.0015	0.35
B	0.10	1.2	0.30	0.30	0.010	0.010	0.030	0.015	0.010	0.2	0.30	0.0010	0.42
C	0.14	1.2	0.25	0.40	0.010	0.005	0.030	0.015	0.015	0.2	0.30	0.0010	0.48
D	0.18	1.1	0.30	0.50	0.012	0.006	0.025	0.015	0	0.4	0.35	0.0020	0.57

상기 경도 측정은 ISO-6506 규격에 준하여 브리넬 경도계로 측정하고, 표층부는 강판표면에서 2mm제거 후 측정하였으며, 중심부는 강판 두께의 1/2t 지점을 절단하여 연마 후 측정하였다. 측정은 랜덤하게 5회를 측정하여 평균치를 가지고 평가하였다.

한편, 저온인성을 특정하기 위해서, JIS Z 2242에 따라 각 강판의 1/4t 지점에서 10개의 V-notch 시편을 채취하여 샤르피 충격시험을 실시하였으며, 그 평균값을 CVN[-40℃] 저온인성값으로 구하였다. 이 시험에서는 CVN[-40℃]가 50J 이상이면 합격으로 하였다.

또한, 용접성을 평가하기 위하여, GMAW(CO² gas) 수동용접법을 이용하여 전류 280~320A, 용접속도 22~30cm/min의 속도로 용접을 실시하였으며, 용접후 용접부 초음파 탐상을 실시하여 결함을 분석하고 크랙(Crack)의 발생여부를 확인하였으며, HAZ부에서 각각 3개의 샤르피 충격시험 시편을 채취하여 CVN[-20℃] 저온인성값을 측정하고 그 평균값을 HAZ부 저온인성값으로 하였다. 초음파 탐상에서 결함 및 Crack의 발생이 없고 HAZ부 CVN[-20℃]값이 50J 이상인 경우 용접성이 양호한 것으로 판단하였다.

강종	두께 (t)	QCR (℃/s)	H	표층부 경도 (HB)	중심부 경도 (HB)	경도차 (HB)	CVN[-40℃] (1/4t, J)	용접성			비고
강종	두께 (t)	QCR (℃/s)	H	표층부 경도 (HB)	중심부 경도 (HB)	경도차 (HB)	CVN[-40℃] (1/4t, J)	초음파 검사	HAZ vE[-20℃]	판단	비고
A	13	30	1.899	395	346	49	32	무	55	양호	비교예
	25	30	1.899	389	321	68	24	무	53	양호	비교예
	50	20	1.550	384	250	134	44	무	62	양호	비교예
	50	15	1.343	382	211	171	34	무	67	양호	비교예
	50	10	1.096	376	195	181	32	무	54	양호	비교예
	50	5	0.775	371	180	191	25	무	52	양호	비교예
B	13	30	2.300	405	398	7	65	무	74	양호	발명예
	25	30	2.300	408	386	22	64	무	62	양호	발명예
	50	20	1.878	397	241	156	37	무	55	양호	비교예
	50	15	1.627	395	228	167	34	무	58	양호	비교예
	50	10	1.328	395	212	183	35	무	66	양호	비교예
	50	5	0.939	392	196	196	24	무	78	양호	비교예
C	13	30	2.629	420	415	5	54	무	62	양호	발명예
	25	30	2.629	422	412	10	56	무	67	양호	발명예
	50	20	2.147	418	385	33	64	무	73	양호	발명예
	50	15	1.859	410	341	69	42	무	64	양호	비교예
	50	10	1.518	406	323	83	32	무	66	양호	비교예
	50	5	1.073	405	259	146	27	무	52	양호	비교예
D	13	30	3.104	438	435	3	34	발생	15	불량	비교예
	25	30	3.104	435	431	4	32	발생	14	불량	비교예
	50	20	2.534	433	425	8	37	발생	21	불량	비교예

상기 표 2에서 본 발명의 조성 및 조건을 만족하는 발명예의 경우에는 표층부와 중심부의 경도값이 360HB 이상이고, 경도값의 차이가 50HB 이하이며, 우수한 용접성을 갖는 것을 알 수 있다.

그러나, A,B,C 강종 중 비교예의 경우는 H값이 2.0 이하로 전 두께에서 360HB 이상의 경도값을 확보 할 수 없으며 표면과 중심부의 경도값이 큰 차이를 보여 균일한 재질값의 확보를 기대할 수 없다.

한편, 상기 표 2에서의 H값과 경도값 차이의 관계를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타난 바와 같이, 표면부와 중심부의 경도값의 차이는 H의 값이 2.0 미만인 경우에 50HB 이상이 되어 두께 방향의 재질 편차가 심한 것을 확인할 수 있다.

용접성을 관찰한 결과, A, B, C 강종은 H 값과는 무관하게 양호한 용접성을 가지는 것을 알 수 있으나, D 강종은 H값이 2.0 이상을 나타내지만, 표 1에 나타난 바와 같이, 탄소당량(Ceq)이 0.5 이상으로 경도값이 지나치게 높아 용접성이 저하되는 것을 알 수 있다.

도 1은 H 값에 따른 강판 중심부와 표층부의 경도차를 나타낸 것이다.

Claims

중량%로 C: 0.05~0.18%, Si: 0.15~0.3%, Mn: 0.5~1.5%, Cr: 0.1~1.5%, Mo: 0.1~0.5%, Ni: 0.1~0.5%, B: 0.0005~0.0050%, Ti: 0.01~0.03%, Nb: 0.01~0.05%, Al: 0.005~0.1%, P: 0.015%이하, S: 0.010%이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 1에 의한 Ceq 값이 0.50 이하이며, 전 두께 경도값이 360HB 이상이며, 표층부와 중심부의 경도차가 50HB 이하인 용접성, 두께방향 재질 편차특성 및 저온인성이 우수한 강판.

식 1. Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 (단, 상기 C, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu는 강판의 합금원소이며, 단위는 중량%임)
삭제
청구항 1에 있어서,

상기 강판의 미세조직은 전 두께에서 마르텐사이트상이 부피분율로 90%이상인 용접성, 두께방향 재질 편차특성 및 저온인성이 우수한 강판.
중량%로 C: 0.05~0.18%, Si: 0.15~0.3%, Mn: 0.5~1.5%, Cr: 0.1~1.5%, Mo: 0.1~0.5%, Ni: 0.1~0.5%, B: 0.0005~0.0050%, Ti: 0.01~0.03%, Nb: 0.01~0.05%, Al: 0.005~0.1%, P: 0.015%이하, S: 0.010%이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 1에 의한 Ceq 값이 0.50 이하를 만족하는 강 슬라브를 1100℃~1250℃로 재가열하는 단계;

재결정온도 이상 영역에서 패스당 10% 이상의 압하율로 누적 압하율 70%이상 강압하 압연을 실시하고 Ar3 온도 이상에서 마무리 열간압연을 종료하는 단계; 및

상기 열간압연된 열연강판을 850℃ ~ 950℃ 온도로 1.6t + (10~30분)(단, t는 강재의 두께)동안 재가열한 후, 하기 식 2의 H 값이 2.0 이상을 만족하는 냉각속도로 냉각하는 단계

를 포함하는 용접성, 두께방향 재질 편차특성 및 저온인성이 우수한 강판의 제조방법.

식 1. Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15 (단, 상기 C, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu는 강판의 합금원소이며, 단위는 중량%임)

식 2. H = Ceq ×(QCR)^1/2 (단, QCR 은 소입 냉각 속도(Quenching Cooling Rate))