KR101568526B1 - 용접 열영향부 인성이 우수한 오스테나이트 강재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오스테나이트계 구조용 강재에 관한 것으로서, 용접 열영향부 인성이 우수한 오스테나이트 강재를 제공한다.

Description

용접 열영향부 인성이 우수한 오스테나이트 강재{AUSTENITIC STEEL HAVING EXCELLENT TOUGHNESS IN HEAT AFFECTED ZONE}

본 발명은 선박, 건축, 교량, 해양구조물, 강관, 라인파이프 등의 용접구조물에 사용되는 구조용 강재에 관한 것으로서, 용접 열영향부의 인성이 우수한 오스테나이트 강재에 관한 것이다.

최근 건축물 및 구조물 등이 고층화 및 대형화됨에 따라, 여기에 사용되는 강재도 대형화되고 있으며, 그 두께도 두꺼워지고 있다. 특히, 80㎜(80t) 이상의 두꺼운 후물 강재를 용접하기 위하여 고능률의 용접이 필요하고, 시공비용절감 및 용접시공효율의 측면에서 유리한 대입열 용접이 일반적으로 사용되고 있다.

상기 대입열 용접으로는 1패스 용접이 가능한 일렉트로 가스 용접법 및 일렉트로 슬래그 용접법 등이 있으며, 현재 사용되고 있는 대입열의 범위는 대략 100~200kJ/cm에 해당되며 좀더 후육화된 판두께 50mm~100mm의 강재를 용접하기 위해서는 약 300~600kJ/cm의 대입열 범위가 되어야 가능하다.

상기 구조용 강재에 용접을 실시하게 되면, 용접 모재(피용접재로서의 강판)의 열을 받는 용접열영향부(Heat affected zone, 용접 금속과 모재와의 계면보다도 모재측 수 ㎜ 위치)에서는 인성이 문제가 된다. 특히 용융선(fusion boundary) 근처의 용접열영향부(Coarse grain HAZ)는 용접입열량에 의해 융점에 가까운 온도까지 가열되기 때문에 결정립이 성장하고, 용접 입열의 증대에 의해 냉각속도도 느려지므로 조대한 조직이 형성되기 쉬우며 냉각과정에서 베이나이트 및 도상 마르텐사이트 등 인성에 취약한 미세조직이 형성되기 때문에, 용접부 중 용접열영향부의 인성이 열화되기 쉽다.

건축물 및 구조물에 사용되는 강재에는 안정성 확보라는 측면에서 모재의 강도 뿐만 아니라, 용접부의 인성도 중요하다. 따라서, 용접구조물의 안정성을 확보하기 위해서, 종래에는 용접열영향부의 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하여 미세하게 함으로서, 인성을 확보하는 기술이 개발되었다. 이와 관련된 기술로서, 특허문헌 1이 있다. 특허문헌 1에서는 고온에서 안정한 산화물 또는 탄질화물을 강재에 적절히 분포시켜 용접시 용접열영향부의 결정립 성장을 지연시키고자 하였다.

그러나, 오스테나이트계의 경우 상변태가 없기 때문에 결정립 조대화 혹은 저온변태성 생성에 따른 인성저하는 크지 않으며, 탄화물 석출에 의한 인성저하가 가장 큰 문제점인 상황이다. 오스테나이트계에서 강도확보에 가장 유용한 원소는 C이며, 강도를 확보하기 위해 다량의 C을 포함하는 오스테나이트계 강재의 경우에는 용접열영향부의 템퍼링(tempering)이 발생하는 구간에서 다량의 탄화물이 석출되어 인성이 저하되는 문제가 여전히 발생하고 있으며, 강재의 후물화에 따라 다층용접이 적용됨에 따라 탄화물 석출에 의한 인성저하는 더욱 심각해질 수 있다. 강도확보를 위해 다량의 C을 함유하는 오스테나이트계 강재의 경우, 용접 열영향부 인성을 개선할 수 있는 기술이 절실히 요구되고 있다.

일본 공개특허 평11-140582호

본 발명의 일측면은 오스테나이트계 구조용 강재에 관한 것으로서, 용접 열영향부 인성이 우수한 오스테나이트 강재를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일측면은 중량%로, C: 0.4~0.8%, Mn: 14~20%, Mo: 0.1~1%, B: 50ppm 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,

용접 열영향부는 면적분율로, 5% 이하의 탄화물을 포함하는 용접 열영향부 인성이 우수한 오스테나이트 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 발명에 의하면, 강재의 합금성분을 제어함으로써, 강재의 용접 열영향부에서의 탄화물 발생을 저감시켜, 용접부의 인성을 향상시킬 수 있으며, 특히 대입열 용접이 적용되는 극후물 강재에 적용가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명 실시예의 발명예 1에서 용접 열영향부의 미세조직을 관찰한 사진이다.

본 발명자들은 다량의 C이 첨가된 오스테나이트계 강재가 갖는 문제를 해결하기 위한 연구를 진행하였고, Mo와 B의 첨가를 통해, 이들 원소가 결정립계에 우선 편석되도록 하고, SCHAZ(Sub Critical HAZ)부의 결정립내에 카바이트 석출물이 형성되는 것을 효과적으로 억제함으로써, 용접부에 우수한 충격인성을 부여할 수 있음을 인지하고 본 발명을 완성하게 되었다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 먼저, 본 발명 강재의 조성에 대해 상세히 설명한다(이하, 중량%). 본 발명의 강재는 중량%로, C: 0.4~0.8%, Mn: 14~20%, Mo: 0.1~1%, B: 50ppm 이하(0은 제외)를 포함한다.

탄소(C): 0.4~0.8중량%

상기 탄소는 오스테나이트 안정화 원소로서 균일 연신율을 향상시키는 역할을 할 뿐만 아니라 강도를 향상시키고, 가공경화율을 높이는데 유리한 원소이다. 상기 탄소의 함량이 0.4% 미만인 경우에는 강도 및 가공경화율 향상 효과가 저감될 수 있을 뿐만 아니라, 오스테나이트 안정화도가 저감되어 피로 하중이 가해지기 전 마르텐사이트 조직이 형성되어 피로 균열 전파 속도를 상승시키는 문제점이 있으며, 낮은 오스테나이트 안정도로 인해 오스테나이트 단상 조직을 확보하기 곤란한 단점이 있다. 반면, 0.8%를 초과하는 경우에는 탄화물이 석출되어 균일 연신율을 저감시킬 수 있으며, 특히 용접 열영향부의 인성을 저해하는 탄화물을 형성시키므로, 그 함량은 0.8%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

망간(Mn): 14~20중량%

Mn은 본 발명과 같은 고망간강에 첨가되는 중요한 원소로서, 오스테나이트를 안정화시키는 역할을 하는 원소이다. 본 발명에서는 오스테나이트상을 안정화 시키기 위해서 14% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 즉, Mn의 함량이 14% 미만인 경우에는 탄소 함량이 작은 경우, 준안정상인 입실런 마르텐사이트가 형성되어 극저온에서의 가공유기변태에 의해 쉽게 알파 마르텐사이트로 변태하므로 인성을 확보할 수 없으며, 이를 방지하기 위해 탄소함량을 증가시켜 오스테나이트의 안정화를 도모할 경우에는 오히려 탄화물 석출로 인해 물성이 급격히 열화되므로 바람직하지 못하다. 반면, 20%를 초과하는 경우에는 Mn 합금철 다량 투입에 따른 강재의 생산비용 증가 및 가공경화율이 낮아짐에 따라 인장강도가 감소하는 문제점이 있다.

몰리브덴(Mo): 0.1~1%

Mo는 오스테나이트 결정립계에 편석되어 결정립계의 낮은 안정도를 높여주는 원소로써, 일반적으로 낮은 결정립계 안정도로 인해 탄화물이 오스테나이트 결정립계에서 다량 석출되는 현상을 억제하는 역할을 한다. 특히, Mo는 고용강화 모재의 강도를 상승시키며, 용접부에서 미세 탄화물이 석출되어 용접부 강도를 상승시키는 효과가 있다. 그러나, 그 함량이 0.1% 미만이면, 결정립계 안정도가 충분히 높아지지 못해 탄화물 석출 제어에 큰 영향을 미치지 못하게 되며, 1%를 초과하는 경우에는 제조원가 상승 및 몰리브덴 관련 탄화물이 다량 석출하여 고강도화에 따른 인성 저하가 발생할 수 있으므로, 그 상한은 1%로 하는 것이 바람직하다.

보론(B): 50ppm 이하

B는 상기 Mo와 마찬가지로, 탄화물이 오스테나이트 결정립계에서 다량 석출되는 현상을 억제하는 역할을 한다. 다만, 그 함량이 0.005%를 초과하는 경우에는 고강도화에 따른 인성 저하 및 BN 석출에 의한 취성이 발생할 수 있으므로, 그 함량은 50ppm 을 넘지 않는 것이 바람직하다.

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

본 발명이 제안하는 강재는 오스테나이트 단상 조직을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명 강재의 용접 열영향부는 면적분율로, 97% 이상의 오스테나이트를 포함하는 것이 바람직하며, 탄화물은 3% 이하인 것이 바람직하다. 본 발명의 강재는 용접되어 구조물로 사용되는 것이며, 이때 용접이 적용되게 되면 용접 열영향부가 발생하게 된다.

상기 용접 열영향부의 미세조직은 상변태가 일어나지 않으며, 온도에 따라 조직 조대화가 일어나는 부분(CGHAZ) 및 템퍼링(Tempering)만 발생하는 부분(SCHAZ)로 구분할 수 있다. CGHAZ의 경우 열영향부가 매우 높은 온도까지 가열되는 동안 고온에서 일부 탄화물 석출 재고용되는 효과가 있기 때문에 탄화물 석출량이 적으나, SCHAZ의 경우 탄화물이 급속히 석출되는 영역 주변으로 가열되는 구간이 존재하며, 이 경우 다량의 탄화물이 석출하게 된다. 그러므로 본 발명에서 탄화물의 양을 분석하는 구간은 SCHAZ부에서 탄화물이 다량 석출한 구간을 기준으로 그 석출물이 3% 이상 포함되면, 용접부의 인성이 저하된다.

본 발명 강재의 용접 열영향부는 -60℃에서 64J 이상의 충격인성값을 가지며, 강재의 항복강도는 400MPa 이상인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 본 강재의 제조방법은 특별히 한정하지 않으며 통상의 방법에 의한다. 일예로, 상기 조성을 만족하는 용강을 제조하여, 이를 주조하여 슬라브 형태로 만들고, 상기 슬라브를 1100~1300℃ 사이로 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 조성(중량%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물임)을 만족하는 강 슬라브를 1150℃로 재가열한 후, 950℃ 이상에서 마무리 열간압연을 행하고, 5℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하여 강재를 제조하였다. 이렇게 제조된 강재에 대해 100KJ/㎝의 입열량으로 80㎜t의 후물재를 다층용접한 후, 용접 열영향부의 강도와 인성을 측정하였다.

한편, 용접에 의해 형성된 용접 열영향부에서의 미세조직을 관찰하여, 그 결과를 표 1에 함께 나타내었다.

구분	C	Mn	Mo	B	HAZ 탄화물 분율(%)	용접부 충격인성 (J, -60℃)	용접부 항복강도(MPa)
발명예 1	0.54	16.5	0.31	15	1.7	103	425
발명예 2	0.72	19.2	0.82	42	2.4	89	460
발명예 3	0.42	15.1	0.54	33	1.6	92	418
비교예 1	0.65	16.8	0.03	25	4.2	25	435
비교예 2	0.72	18.9	1.34	30	0.6	51	515
비교예 3	0.51	17.2	-	-	5.3	12	421

상기 표 1의 결과에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 조건을 만족하는 발명예에서는 용접부, 특히 용접열영향부에서의 탄화물이 3% 미만으로 제어되었으며, 400MPa 이상의 항복강도와 -60℃에서의 충격인성이 64J 이상을 확보하여, 우수한 인성을 확보하는 것을 확인할 수 있었다.

그러나, 비교예 1의 경우 Mo이 본 발명에서 제시한 범위보다 낮은 양이 첨가되어,용접 열영향부에 다량의 탄화물이 석출되어 높은 항복강도에도 불구하고 낮은 충격인성을 나타냄을 알 수 있다.

비교예 2의 경우에는 본 발명이 제안하는 Mo의 상한 범위보다 다량이 첨가되어 탄화물 제어가 우수하고 높은 항복강도를 보이지만, 강도가 너무 상승하게 되어 충격인성이 본 발명에서 의도한 값보다 낮은 것을 알 수 있다.

비교예 3의 경우 본 발명에서 제시한 Mo, B 두 종 모두 첨가되지 않은 경우로써, 모재의 낮은 C 함량에도 불구하고 용접 열영향부에 다량의 탄화물이 석출되어 매우 낮은 충격인성을 나타냄을 알 수 있다.

한편, 도 1은 상기 발명예 1의 용접 열영향부를 관찰한 사진으로서, 용접에 의한 온도 상승에도 불구하고, 탄화물이 결정립계에만 소량 석출되어 있는 것을 확인할 수 있다.

Claims (4)

1. 중량%로, C: 0.4~0.8%, Mn: 14~20%, Mo: 0.1~1%, B: 50ppm 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
   용접 열영향부는 면적분율로, 3% 이하의 탄화물을 포함하고, 두께는 50~100mm인 용접 열영향부 인성이 우수한 오스테나이트 후물 강재.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 강재의 용접열영향부는 면적분율로, 97% 이상의 오스테나이트를 포함하는 용접 열영향부 인성이 우수한 오스테나이트 후물 강재.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 강재의 용접 열영향부는 -60℃에서 64J 이상의 충격인성값을 갖는 용접 열영향부 인성이 우수한 오스테나이트 후물 강재.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 강재는 400MPa 이상의 항복강도를 갖는 용접 열영향부 인성이 우수한 오스테나이트 후물 강재.
   

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