KR101543898B1 - 용접성 및 용접부 충격인성이 우수한 강재 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 합금조성 및 미세조직을 제어함으로써, 용접부의 물성 및 충격인성을 향상시키고자 한다.

Description

용접성 및 용접부 충격인성이 우수한 강재{STEEL HAVING EXCELLENT IMPACT TOUGHNESS OF WELDING ZONE AND WELDING PROPERTY}

본 발명은 용접성 및 용접부 충격인성이 우수한 강재에 관한 것이다.

최근, 국내외 선박, 해양, 건축, 토목 분야에서 사용되는 구조물을 설계하는 데에 있어서, 고강도 특성을 갖는 극후물 강의 개발이 요구되고 있다. 구조물을 설계할 시 고강도 강을 사용할 경우, 구조물의 형태를 경량화할 수 있어 경제적인 이득을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 강판의 두께를 얇게 할 수 있기 때문에 가공 및 용접 작업의 용이성을 동시에 확보 가능하다.

그러나, 초고강도 강의 경우에는 용접시 용접 열영향부(Heat Affected Zone;HAZ)의 미세조직이 강도가 높은 저온변태상들로 이루어짐에 따라 용접 열영향부(HAZ)의 물성, 특히 인성이 매우 취약해지는 단점이 있다. 이러한 이유로, 구조재의 특성상 용접부 인성을 확보하는 것이 매우 중요하지만, 인장강도 800MPa급 이상의 초고강도 강에 있어서는 모재의 물성과 용접부의 물성을 동시에 확보하는 것이 기술적으로 매우 어려운 상황이다.

한편, 종래 600MPa 이상의 고강도 강의 경우에는 용접부 물성을 확보하기 위해 TiN 석출물을 이용한 용접 열영향부(HAZ)의 미세조직을 미세화시키거나(특허문헌 1) 또는 Oxide Metallurgy 기술을 이용하여 용접 열영향부(HAZ)에 상부 베이나이트 생성을 억제하는 입내 페라이트 생성을 촉진시켜 용접 열영향부(HAZ)의 인성을 개선하고자 하였다(특허문헌 2).

그러나, 인장강도 800MPa급 이상의 초고강도 강을 용접할 시 용접 열영향부(HAZ)는 일반적으로 침상형 페라이트나 베이나이트 조직이 아닌 인성이 매우 낮은 마르텐사이트와 같은 조직으로 이루어져 있고, 이러한 마르텐사이트 조직이 형성되는 경우 TiN 석출물 형성에 따른 결정립 미세화 효과만으로는 용접 열영향부(HAZ)의 인성을 확보하는데 어려움이 있으며, Oxide Metallurgy 기술의 경우에는 그 효용성에 대한 의문이 제기되어 있는 실정이어서 적용 가능성이 낮다고 볼 수 있다.

한국 공개특허 제2009-0069818호 한국 공개특허 제2002-0091844호

본 발명에 따르면, 합금조성 및 미세조직을 제어함으로써, 용접성 및 용접부의 물성 및 충격인성을 향상시키고자 한다.

본 발명은 중량%로, C: 0.1~0.3%, Mn: 11~13%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 정편석대와 부편석대가 층상으로 존재하며,

상기 정편석대는 오스테나이트와 입실론 마르텐사이트를 포함하고, 부편석대는 면적분율로, 5% 미만의 입실론 마르텐사이트와 알파 마르텐사이트를 포함하는 용접성 및 용접부 충격인성이 우수한 강재를 제공한다.

덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면은 강재의 합금성분의 제어 및 미세조직을 제어함으로써, 용접부 균열발생을 방지하고, 충격인성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 극후물에도 적용가능한 효과가 있다.

도 1은 발명예 1번의 부편석대 EBSD 사진이다.
도 2는 발명예 3번의 정편석대 EBSD 사진이다.

본 발명의 발명자들은 종래 문제점을 해결함과 동시에, 종래 대비 우수한 충격인성을 확보하기 위하여 연구를 행한 결과, 합금설계 및 미세조직의 분율을 제어함으로써, 충격인성 및 용접성을 향상시키는 방안을 고안하였다. 보다 구체적으로, 본원발명의 발명자들은 종래 충격인성이 우수한 알파 마르텐사이트 및 입실론 마르텐사이트 조직(도 1에 개시된 바와 같은 조직)을 갖는 고망간강을 실제 생산에 사용하게 되는 경우, 불균일한 분포를 갖는 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명을 고안하게 되었다.

종래 Fe-12Mn 이종(binary)합금의 경우 격자 형상의 미세조직을 가지면서 매우 우수한 강도 및 충격인성을 확보할 수 있었으나, Mn 다량 첨가에 의한 정편석, 부편석대의 발달과 함께 실제 생산에서 C를 배제할 수 없는 문제가 있었다. 더욱이, 이와 같은 이종합금을 생산하는 경우, Mn 편석이 매우 심하며, 정편석에서의 입실론 마르텐사이트 다량 생성 및 C 소량 첨가에 의한 충격인성 저하로 인해 Fe-12Mn 이종 성분계로는 상용화가 불가능하였다.

이에, 본 발명의 발명자들은 실제 생산에서와 같이 탄소를 완전히 배제할 수 없는 상황과 편석대의 존재로 인한 불균일 알파 마르텐사이트 및 입실론 마르텐사이트 조직이 형성되는 문제를 해결하기 위하여, 연구를 행하여 본 발명을 고안하게 되었다.

즉, 탄소를 다량 첨가시킴으로써, 부편석대에 미세한 입실론 마르텐사이트와 알파 마르텐사이트 조직을 확보함과 동시에, 정편석부에 C, Mn이 농축되어 오스테나이트와 일부 입실론 마르텐사이트 조직을 생성하여, 3상을 갖는 조직을 갖는 구조를 확보함으로써, 용접열영향부에서도 모재와 동일한 조직을 형성하여 용접부 물성이 우수한 강재를 제공할 수 있음에 따라 본 발명을 고안해 낸 것이다.

이하, 본 발명의 일측면인 용접성 및 용접부 충격인성이 우수한 강재에 대해서 상세히 설명한다.

본 발명의 일측면인 용접성 및 용접부 충격인성이 우수한 강재는 중량%로, C: 0.1~0.3%, Mn: 11~13%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 정편석대와 부편석대가 층상으로 존재하며, 면적분율%로, 상기 정편석대는 면적분율%로, 50% 이상의 오스테나이트와 잔부 입실론 마르텐사이트를 포함하며, 부편석대는 면적분율%로, 최대상을 알파 마르텐사이트, 5% 미만(0% 제외)을 입실론 마르텐사이트를 포함한다.

탄소(C): 0.1~0.3중량%

상기 탄소는 정편석대에서의 오스테나이트 안정도를 향상시키는 유효성분이다. 상기 탄소가 다량 포함되는 경우에는 부편석대에서 입실론 마르텐사이트 및 알파 마르텐사이트 생성을 저해시키는 문제가 있으므로, 그 상한을 0.3중량%로 제한한다. 반면에, 상기 탄소가 너무 적게 포함되는 경우에는 정편석대에서 다량의 입실론 마르텐사이트가 생성됨에 따라서 충격인성이 저하되는 문제가 있으므로, 그 하한을 0.1중량%로 제한한다.

망간(Mn): 11~13중량%

본 발명에서 가장 중요한 구성원소이다. 본 발명에서 의도하고자 하는 미세조직을 형성하기 위해서는 11중량% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 반면, 망간의 함량이 너무 많은 경우에는 부편석대에서 입실론 마르텐사이트가 다량 형성되어 부편석대의 조직을 조대하게 만들며, 입실론에 의해 충격인성이 저하되는 문제가 있으므로, 그 상한을 13중량%로 제한한다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

상기와 같은 합금조성을 통해서 형성되는 조직은 정편석대와 부편석대가 층상으로 존재하여 부편석대에서 입실론 마르텐사이트와 알파 마르텐사이트가 격자 형상을 갖는 조직이 형성된다.

상기 부편석대는 면적분율로, 최대상을 알파 마르텐사이트, 5% 미만을 입실론 마르텐사이트를 갖는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 조직은 냉각 중 먼저 입실론 마르텐사이트가 5% 미만(0%는 제외)으로 생성되며 미세조직을 미세하게 절단하게 되며, 입실론 마르텐사이트 변태가 되지 않은 잔류 오스테나이트에서 알파 마르텐사이트가 생성됨에 따라 강도 및 충격이 우수한 미세조직을 확보하게 된다.

상기 알파 마르텐사이트를 최대상으로 확보함으로써, 높은 강도를 확보할 수 있다. 또한, 5% 미만으로 입실론 마르텐사이트를 확보함으로써, 조대한 알파 마르텐사이트가 생성되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 입실론 마르텐사이트 다량 생성되는 경우 연성이 낮은 입실론 마르텐사이트가 변형을 받아 알파 마르텐사이트로 빠르게 변태하여 응력을 발생시키고 이로 인해 크랙이 쉽게 유발되는 문제가 있어, 상기 입실론 마르텐사이트의 면적분율은 5% 미만으로 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 입실론 마르텐사이트가 생성되지 않을 경우 입실론 마르텐사이트에 의한 구 오스테나이트 조직의 분할이 되지 않아 알파 마르텐사이트의 조직이 조대해져 충격인성이 저하되는 문제가 있어, 입실론 마르텐사이틀 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 알파 마르텐사이트는 3㎛ 이하의 크기를 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 알파 마르텐사이트의 유효 결정립 크기가 3㎛를 초과하는 경우에는 충격인성이 저하되는 문제가 있다.

또한, 상기 정편석대는 면적분율로, 50% 이상의 오스테나이트와 잔부 입실론 마르텐사이트 갖는 것을 특징으로 한다. 상기 입실론 마르텐사이트가 50%를 초과하는 경우에는 입실론 마르텐사이트가 외부 응력 집중 시 쉽게 알파 마르텐사이트로 변태함으로써 연신율 및 충격인성이 저하되는 문제가 있으므로, 상기 입실론 마르텐사이트의 분율은 50% 미만로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 강재의 용접부 충격인성은 -60℃에서 64J 이상인 것이 바람직하다. 상기 용접부 충격인성이 -60℃에서 64J 이상 확보할 수 있는 이유는 탄소강의 경우 용접 열영향부의 빠른 냉각속도에 의해 저온변태상이 다량 생성되어 충격인성이 저하되는 것에 반하여, 본 강재의 경우 미세조직적 특성상 냉각속도에 영향을 받지 않고 용접 열영향부에서 모재와 동일한 미세조직을 확보하는 것이 가능하기 때문이다.

또한, 본 발명에서 제안한 강재는 정편석부에 강도 등의 물리적 특성이 우수한 오스테나이트를 최대상으로 포함하는 조직과 부편석부에 강도와 충격인성이 우수한 알파 마르텐사이트 및 입실론 마르텐사이트 조직이 미세하게 생성된 복합조직을 확보함에 따라, 고강도이면서 동시에 고인성을 확보할 수 있으며, 강재의 미세조직 특성상 매우 느린 냉각속도부터 빠른 냉각속도까지 미세조직이 동일하게 생성되는 강재이므로 극후물 강재 생산에 적용 가능하다.

또한, 본 발명이 제안하는 강재는 압연조건에 관계없이 0.1~100℃/초의 냉각속도에서 항상 동일한 조직을 가지며, 용접열영향부의 미세조직 또한 열영향에 관계 없이 항상 동일한 조직을 갖기 때문에 용접 열영향부 물성이 우수하다. 더불어, 일반적으로 마르텐사이트 조직을 포함하는 탄소강의 경우 용접 후 응력에 의해 용접열영향부에 저온 크랙이 다량 발생하는 경우가 많으나, 본 발명이 제안하는 강재의 경우 정편석대에 다량의 오스테나이트가 존재하며, 연성이 우수한 오스테나이트가 저온에서 마르텐사이트 변태에 의한 응력을 흡수해주기 때문에 용접성 및 저온 크랙에 대한 저항성이 우수하다.

본 발명의 강재를 제조하는 방법은 특별히 한정하는 것은 아니며, 통상의 방법에 의한다. 일예로, 상기 조성을 만족하는 용강을 제조하여, 이를 주조하여 슬라브 형태로 만들고, 상기 슬라브 1100~1300℃로 재가열 한 뒤, 열간압연 및 냉각하는 과정을 통해 제조한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

하기 표 1의 조성을 갖는 슬라브를 1150℃로 2시간 동안 가열한 뒤, 이를 1000℃에서 마무리 열간압연하고, 1, 15, 70℃/초의 냉각속도로 냉각을 실시하여 강재를 제조하였다. 이후, 각 강재의 미세조직을 EBSD 및 SEM을 통해 관찰하여 이미지 분석(imaage analysis)을 이용하여 상 분율을 측정하였으며 그 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 용접을 실시한 후 용접부의 충격인성과 균열여부를 관찰하여 표 1에 나타내었다.

구분	C (wt%)	Mn (wt%)	부편석대			정편석대		용접부
			미세조직 (면적%)		결정립 크기 (㎛)	미세조직 (면적%)		-60℃ 충격인성(J)	균열발생여부
			알파 마르텐사이트	입실론 마르텐사이트		입실론 마르텐사이트	오스테나이트
발명예1	0.15	12.2	95.3	3.5	2.2	41	59	105	무
발명예2	0.21	11.7	96.2	4.1	2.1	36	64	98	무
발명예3	0.26	12.5	96.9	4.9	2.4	28	72	86	무
비교예1	0.08	10.7	100	0	23.5	67	33	12	유
비교예2	0.35	12.3	88	12	11.5	25	75	18	무
비교예3	0.22	13.8	92	15	13.5	12	88	23	무

본 발명이 제안한 범위를 모두 만족하는 발명예 1 내지 3은 본 발명에서 제안한 미세조직을 확보함에 따라, 우수한 인성 및 충격인성을 확보하는 것이 가능하다. 도 1에 나타난 바와 같이, 발명예 1의 부편석대를 EBSD 촬영 결과, 알파 마르텐사이트가 격자 형상의 조직을 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, 입실론 마르텐사이트는 도 1에 나타나 있지 않으나, 얇은 판상의 형태로 알파 마르텐사이트 조직의 결정립계에 존재하고 있으며, 이는 알파 마르텐사이트 생성 전에 구 오스테나이트 결정립 내부를 격자형태로 분할하면서 미리 생성된 것이다.

도 2는 발명예 3의 정편석대를 촬영한 것으로, 도 2에 나타난 바와 같이, 밝은 영역의 오스테나이트의 내부에, 어두운 영역의 입실론 마르텐사이트가 판상형태로 생성되어 있음을 확인 할 수 있다.

반면에, 비교예 1의 경우 본 발명에서 제안한 C, Mn의 성분범위보다 낮은 경우로써, C, Mn 성분으로 인해 부편석대에 입실론 마르텐사이트가 생성되지 않고 모두 알파 마르텐사이트로 변태하여 조직이 매우 조대해졌으며, 정편석대의 경우 다량의 입실론 마르텐사이트가 생성됨에 따라 용접 열영향부의 충격인성이 매우 낮으며, 부편석대의 조대 마르텐사이트 다량 생성으로 인해 용접 시 저온 균열이 발생한 것을 확인할 수 있다.

또한, 비교예 2 및 3의 경우, C 또는 Mn의 성분이 본 발명이 제안한 C, Mn의 성분범위 보다 높은 경우로써, 부편석대에서 다량의 입실론 마르텐사이트가 생성되어 조직이 조대해지고, 충격인성을 저하시키며, 이로 인해 정편석대에 다량의 오스테나이트가 생성되었음에도 불구하고 용접 열영향부의 충격 인성이 저하된 것을 확인할 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 중량%로, C: 0.1~0.3%, Mn: 11~13%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 정편석대와 부편석대가 층상으로 존재하며,
   상기 정편석대는 50% 이상의 오스테나이트와 잔부 입실론 마르텐사이트를 포함하고, 상기 부편석대는 면적분율로, 5% 미만(0% 제외)의 입실론 마르텐사이트와 알파 마르텐사이트를 포함하는 용접성 및 용접부 충격인성이 우수한 강재.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 부편석대에서 상기 입실론 마르텐사이트와 상기 알파 마르텐사이트는 격자형상을 갖는 용접성 및 용접부 충격인성이 우수한 강재.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 알파 마르텐사이트의 유효 결정립 크기(원상당 직경)는 3㎛이하인 것을 특징으로 하는 용접성 및 용접부 충격인성이 우수한 강재.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 강재의 용접부 충격인성은 -60℃에서 64J 이상인 용접성 및 용접부 충격인성이 우수한 강재.

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