KR20240128035A - 용접 열영향부 초저온 인성이 우수한 오스테나이트계 강재 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따르면, 용접 열영향부의 초저온 인성이 우수한 오스테나이트계 고망간 강재 및 그 제조방법이 제공될 수 있다.
Description
본 발명은 오스테나이트계 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 용접 열영향부의 초저온 인성이 우수한 오스테나이트계 고망간 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
액화수소(Liquefied hydrogen, 비등점: -253℃), 액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas, 비등점: -164℃), 액체산소(Liquefied Oxygen, 비등점: -183℃) 및 액체질소 (Liquefied Nitrogen, 비등점: -196℃) 등과 같은 액화가스는 초저온 저장을 필요로 한다. 그러므로 이들 가스를 저장하기 위해서는 초저온에서 충분한 인성과 강도를 가지는 재료로 이루어지는 압력용기 등의 구조물이 필요하다.
액화가스 분위기의 저온에서 사용 가능한 재료로서 AISI 304등의 Cr-Ni계 스테인레스 합금이나 9% Ni강 또는 5000계열의 알루미늄 합금 등이 사용되어 왔다. 그러나 알루미늄 합금의 경우 합금 비용이 높고 낮은 강도로 인해 구조물의 설계 두께가 증가하게 되며 용접 시공성도 좋지 않아 사용이 제한적이다. Cr-Ni계 스테인레스와 9% 니켈(Ni)강 등은 알루미늄의 물성상의 문제점은 많이 개선하였으나, 고가인 니켈(Ni)을 다량 함유하여 경제성 측면에서 바람직하지 않다.
본 발명의 일 측면에 따르면 용접 열영향부의 초저온 인성이 우수하여 액화가스의 저장탱크 및 액화가스의 수송설비 등의 초저온 환경의 구조용 소재로 사용 가능한 오스테나이트계 강재 및 그 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 않는다. 통상의 기술자라면 본 명세서의 전반적인 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재는, 중량%로, 망간(Mn): 10~45%, 탄소(C): 24*[C]+[Mn]≥25 및 33.5*[C]-[Mn]≤18을 만족하는 범위, 크롬(Cr): 10% 이하(0% 제외), 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고, 오스테나이트를 기지조직으로 구비하며, 용접 열영향부에 대해 -253℃ 기준 샤르피 충격 시험을 실시하는 경우 상기 용접 열영향부에서의 횡팽창은 0.32mm 이상일 수 있다. 상기 수식의 [C] 및 [Mn]은 상기 강재에 포함되는 탄소(C) 및 망간(Mn)의 함량(중량%)을 의미한다.
상기 강재의 상온 항복강도는 245MPa 이상 400MPa 미만일 수 있다.
상기 용접 열영향부는 미세조직으로 95면적% 이상(100면적% 포함)의 오스테나이트 및 5면적% 이하(0면적% 포함)의 입계 탄화물을 포함할 수 있다.
상기 용접 열영향부의 평균 결정립 크기는 5~200㎛일 수 있다.
상기 용접 열영향부의 평균 결정립 종횡비(aspect ratio)는 1.0~5.0일 수 있다.
상기 강재의 전위밀도는 2.3*1015 내지 3.3*1015/mm2일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 다른 오스테나이트계 강재의 제조방법은, 중량%로, 망간(Mn): 10~45%, 탄소(C): 24*[C]+[Mn]≥25 및 33.5*[C]-[Mn]≤18을 만족하는 범위, 크롬(Cr): 10% 이하(0% 제외), 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 준비하는 단계; 및 상기 슬라브를 가열한 후 800℃ 이상의 압연 마무리 온도로 열간압연하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 수식의 [C] 및 [Mn]은 상기 슬라브에 포함되는 탄소(C) 및 망간(Mn)의 함량(중량%)을 의미한다.
상기 과제의 해결 수단은 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니며, 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 구현예 및 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면 용접 열영향부의 초저온 인성이 우수하여 액화가스의 저장탱크 및 액화가스의 수송설비와 같은 초저온 환경의 구조용 소재로 특히 적합한 오스테나이트계 강재 및 그 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 효과는 전술한 사항에 국한되는 것은 아니며, 본 명세서에 기재된 사항으로부터 합리적으로 유추 가능한 효과를 포함하는 개념으로 해석될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재의 탄소 함량 및 망강 함량의 상관 관계를 도시한 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재의 용접 열영향부에서의 횡팽창 값을 측정하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재의 용접 열영향부에서의 횡팽창 값을 측정하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
발명의 실시를 위한 최선의 형태
본 발명은 오스테나이트계 강재 및 그 제조방법 에 관한 것으로, 이하에서는 본 발명의 바람직한 구현예들을 설명하고자 한다. 본 발명의 구현예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 구현예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 구현예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재는, 중량%로, 망간(Mn): 10~45%, 탄소(C): 24*[C]+[Mn]≥25 및 33.5*[C]-[Mn]≤18을 만족하는 범위, 크롬(Cr): 10% 이하(0% 제외), 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하며, 용접 열영향부에 대해 -253℃ 기준 샤르피 충격 시험을 실시하는 경우 상기 용접 열영향부에서의 횡팽창은 0.32mm 이상을 만족할 수 있다.
이하 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재에 포함되는 강 조성에 대해 보다 상세히 설명한다. 이하, 특별히 달리 표시하지 않는 한 각 원소의 함량을 나타내는 %는 중량을 기준으로 한다.
망간(Mn): 10~45%
망간은 오스테나이트를 안정화시키는데 중요한 역할을 하는 원소이다. 초저온에서의 오스테나이트를 안정화 시키기 위해 10% 이상의 망간(Mn)이 포함되는 것이 바람직하다. 망간(Mn) 함량이 이에 미치지 못하는 경우, 준안정상인 입실런 마르텐사이트가 형성되어 초저온에서의 가공유기변태에 의해 쉽게 알파 마르텐사이트로 변태하므로 인성을 확보할 수 없다. 입실런 마르텐사이트의 형성을 억제하기 위하여 탄소(C) 함량을 증가시켜 오스테나이트의 안정화를 도모하는 방안이 있으나, 이 경우 오히려 다량의 탄화물이 석출되어 물성이 급격히 열화될 수 있다. 따라서, 망간(Mn)의 함량은 10% 이상이 바람직하다. 바람직한 망간(Mn) 함량은 15% 이상일 수 있으며, 보다 바람직한 망간(Mn) 함량은 18% 이상일 수 있다. 망간(Mn) 함량이 과다한 경우, 강재의 부식속도를 저하시킬 수 있을 뿐만 아니라 경제성 측면에서 바람직하지 않다. 따라서, 망간(Mn) 함량은 45% 이하가 바람직하다. 바람직한 망간(Mn) 함량은 40% 이하일 수 있으며, 보다 바람직한 망간(Mn) 함량은 35% 이하일 수 있다.
탄소(C): 24*[C]+[Mn]≥25 및 33.5*[C]-[Mn]≤18을 만족하는 범위
탄소(C)는 오스테나이트를 안정화시키고 강도를 증가시키는 원소이다. 특히 탄소(C)는 냉각과정 또는 가공 등의 과정에서 오스테나이트로부터 입실런 혹은 알파 마르텐사이트로의 변태점인 Ms 또는 Md를 낮추는 역할을 한다. 따라서, 탄소(C)는 오스테나이트의 안정화에 효과적으로 기여하는 성분으로, 탄소(C) 함량이 불충분한 경우 오스테나이트의 안정도가 부족하여 초저온에서 안정한 오스테나이트를 얻을 수 없으며, 외부 응력에 의해 쉽게 입실런 혹은 알파 마르텐사이트로 가공유기변태를 일으켜 강재의 인성을 감소시거나, 강재의 강도가 저하될 수 있다. 반면, 탄소(C)의 함량이 과다할 경우, 탄화물 석출로 인해 강재의 인성이 급격히 열화될 수 있으며, 강재의 강도가 지나치게 증가하여 가공성이 저하될 수 있다.
본 발명의 발명자는 탄화물 형성과 관련하여 탄소(C)와 망간(Mn) 함량 사이의 상대적인 거동에 대해 심도 있는 연구를 수행하였으며, 그 결과 도 1에 도시된 바와 같이 탄소(C) 및 망간(Mn)의 상대적인 함량 관계를 결정하는 것이 오스테나이트의 안정화를 효과적으로 도모하면서도 탄화물 석출량을 효과적으로 제어할 수 있다는 결론에 도달하게 되었다. 탄화물은 탄소(C)에 의해 형성되는 것이지만, 탄소(C)가 독립적으로 탄화물의 형성에 영향 미치는 것이 아니며, 망간(Mn)과 복합적으로 작용하여 탄화물의 형성에 영향을 미친다.
오스테나이트의 안정화를 도모하기 위해서는 다른 성분이 본 발명에서 규정하는 범위를 충족한다는 전제하에 24*[C]+[Mn] (여기서, [C] 및 [Mn]은 각 성분의 함량을 중량% 단위로 나타낸 것을 의미함)의 값을 25이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 해당 경계는 도 1에 도시된 평행사변형 영역의 경사진 왼쪽 경계를 의미한다. 24*[C]+[Mn]이 25 미만일 경우, 오스테나이트의 안정도가 감소하여 초저온에서의 충격에 의해 가공유기변태를 일으키며, 그에 따라 강재의 충격인성이 저하될 수 있다. 반면, 탄화물의 형성을 억제하기 위해서는 다른 성분이 본 발명에서 규정하는 범위를 충족한다는 전제 하에 33.5*[C]-[Mn] (여기서, [C] 및 [Mn]은 각 성분의 함량을 중량% 단위로 나타낸 것을 의미함)의 값을 18 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 33.5*[C]-[Mn]이 18를 초과하는 경우, 과다한 탄소(C)의 첨가로 인해 탄화물이 석출하여 강재의 저온 충격인성이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 탄소(C)는 24*[C]+[Mn] ≥ 25 및 33.5*[C]-[Mn]≤18을 만족하도록 첨가되는 것이 바람직하다. 도 1에서 알 수 있듯이, 전술한 수식을 충족시키는 범위 내에서 탄소(C) 함량의 최하한은 0% 이다.
크롬(Cr): 10% 이하(0% 제외)
크롬(Cr) 역시 오스테나이트 안정화 원소로, 적정한 첨가량의 범위까지는 오스테나이트를 안정화시켜 강재의 저온 충격인성을 향상시키고, 오스테나이트 내에 고용되어 강재의 강도를 증가시키는 역할을 한다. 또한, 크롬(Cr)은 강재의 내식성 향상에 효과적으로 기여하는 성분이기도 한다. 따라서, 본 발명은 크롬(Cr)을 필수 성분으로 첨가한다. 바람직한 크롬(Cr) 함량의 하한은 1%일 수 있으며, 보다 바람직한 크롬(Cr) 함량의 하한은 2%일 수 있다. 다만, 크롬(Cr)은 탄화물 형성 원소이며, 특히 오스테나이트 입계에 탄화물을 형성하여 강재의 저온 충격인성을 감소시킬 수 있다. 또한, 크롬(Cr)의 첨가량이 일정 수준을 초과하는 경우 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서 과도한 탄화물이 석출되어 초저온 인성이 열위해질 수 있다. 따라서, 본 발명은 크롬(Cr)의 상한은 10%로 제한할 수 있다. 바람직한 크롬(Cr) 함량의 상한은 8%일 수 있으며, 보다 바람직한 크롬(Cr) 함량의 상한은 7%일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재는 전술한 성분 이외에 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 전면적으로 배제할 수는 없다. 이들 불순물은 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다. 더불어, 전술한 성분 이외에 유효한 성분의 추가적인 첨가가 전면적으로 배제되는 것은 아니다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재는 목적하는 물성 확보 측면에서 95면적% 이상의 오스테나이트를 미세조직으로 포함할 수 있다. 바람직한 오스테나이트 분율은 97면적% 이상일 수 있으며, 오스테나이트의 분율이 100면적%인 경우를 포함할 수 있다. 한편, 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재는 초저온 충격인성의 저하를 방지하기 위해 탄화물의 분율을 5면적% 이하로 적극 억제할 수 있다. 바람직한 탄화물 분율은 3면적% 이하일 수 있으며, 탄화물의 분율이 0면적%인 경우를 포함할 수 있다. 본 발명에서 오스테나이트의 분율 및 탄화물의 분율 측정 방법은 특별히 국한되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자가 미세조직 및 탄화물 측정을 위해 통상적으로 이용하는 측정방법을 통해 쉽게 확인될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재의 전위밀도는 2.3*1015 내지 3.3*1015/mm2의 범위를 만족할 수 있다. 강재의 전위밀도는 X선 회절(X-ray diffraction)을 이용하여 강재의 특정면에 따른 강도를 측정한 뒤 윌리엄슨-홀(Williamson-Hall) 방법 등을 이용하여 측정될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통사의 기술자는 특별한 기술적 어려움 없이 강재의 전위밀도를 측정할 수 있다. 강재의 전위밀도가 일정 수준에 미치지 못하는 경우, 구조물의 소재로서 적합한 강도를 확보할 수 없다. 따라서, 본 발명은 강재의 전위밀도 하한을 2.3*1015/mm2으로 제한할 수 있다. 반면, 전위밀도가 과도하게 높은 경우, 강재의 강도 확보측면에서는 유리하지만 초저온 저온 인성 확보 측면에서는 바람직하지 않으므로, 본 발명은 강재의 진위밀도 상한을 3.3*1015/mm2로 제한할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재의 상온 항복강도는 245MPa 이상 400MPa 미만을 만족할 수 있다. 강재의 강도가 높아지는 경우 저온 충격인성이 감소하며, 특히 본 발명과 같은 -253℃의 초저온 용도의 강재는 항복강도가 과도하게 높은 경우 목적하는 충격인성을 확보지 못할 가능성이 높아진다. 또한, 통상적으로 상용되는 오스테나이트계 용접재료가 모재의 강도를 초과하기는 어려우므로, 모재의 강도를 높게 유지하는 경우 용접부와 모재 사이의 강도 차이가 발생하여 구조적 안정성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재의 상온 항복강도는 400MPa 미만의 수준인 것이 바람직하다. 한편, 강재의 상온 항복강도가 과도하게 낮은 경우 구조물의 안정성 확보를 위해 모재의 두께가 과도가 증가하고, 그에 따라 구조물의 중량이 과도하게 증가할 수 있으므로, 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재는 상온 항복강도의 하한을 245MPa로 제한할 수 있다.
구조물은 강재를 가공 및 용접하여 제공되는 것이 일반적이므로, 모재 자체의 초저온 충격인성을 확보하더라도 용접부에서의 초저온 충격인성이 확보되지 않는 경우 구조물 자체의 안전성이 크게 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재는 모재 자체의 초저온 충격인성뿐만 아니라, 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)의 초저온 충격인성을 확보하고자 한다. 따라서, 본 발명은 모재의 미세조직뿐만 아니라 용접 열영향부의 미세조직 분율 및 형상을 특정 범위로 제어한다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재를 모재로 하여 피목 아크 용접봉, 플럭스 코어드 아크 용접 와이어, 티그 용접봉 및 와이어, 서브머지드 아크 용접 와이어 및 플럭스 등을 사용하여 초저온용 구조물의 용접에 실시되는 통상의 용접 조건으로 용접을 실시하였을 때, 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)은 95면적% 이상의 오스테나이트 및 5면적% 이하의 탄화물을 포함할 수 있다. 앞서 모재의 미세조직과 관련하여 설명한 바와 같이, 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에 포함되는 오스테나이트의 분율은 97면적% 이상일 수 있으며, 오스테나이트의 분율이 100면적%인 경우를 포함할 수 있다. 또한, 용접부에서 초저온 충격인성이 저하되는 것을 방지하기 위해, 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에 포함되는 탄화물의 분율을 3면적% 이하로 제한할 수 있으며, 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서의 탄화물 분율이 0면적%인 경우를 포함할 수 있다.
용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서의 오스테나이트의 평균 결정립 크기는 5~200㎛의 범위를 만족할 수 있다. 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서의 오스테나이트 평균 결정립 크기가 과도하게 작은 경우, 용접부의 강도는 향상되지만, 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서 국부적인 초저온 충격인성 저하가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재는 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서의 평균 오스테나이트 결정립 크기를 5㎛ 이상으로 제한할 수 있다. 한편, 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서의 평균 오스테나이트 결정립 크기가 커질수록 용접부의 초저온 충격인성 확보에는 유리하지만, 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서 국부적인 강도 저하가 발생할 수 있는바, 본원발명은 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서의 평균 오스테나이트 결정립 크기를 200㎛ 이하로 제한할 수 있다.
용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서의 물성 확보 측면에서, 오스테나이트 분율 및 평균 결정립 크기뿐만 아니라, 오스테나이트 결정립의 평균 종횡비(aspect ratio)가 영향을 요소이다. 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에 존재하는 오스테나이트의 평균 결정립 종횡비가 과도하게 작은 경우 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)의 초저온 충격인성 확보 측면에서는 유리하지만 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)의 강도 확보 측면에서는 불리하므로, 본 발명은 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에 존재하는 오스테나이트의 평균 결정립 종횡비를 1.0 이상의 수준으로 제한할 수 있다. 반면, 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에 존재하는 오스테나이트의 평균 결정립 종횡비가 과도하게 큰 경우 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)의 강도 확보 측면에서는 유리하지만 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)의 초저온 충격인성 확보 측면에서는 불리하므로, 본 발명은 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에 존재하는 오스테나이트의 평균 결정립 종횡비를 5.0 이하의 수준으로 제한할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재를 모재로 하여 초저온용 구조물의 용접에 실시되는 통상의 용접 조건으로 용접을 실시하였을 때, -253℃ 기준 샤르피 충격 시험을 실시한 시편의 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서의 횡팽창 값은 0.32mm 이상일 수 있다.
본 발명의 발명자는 초저온 환경에 적용되는 강재의 경우 안전성 확보 측면에서 소성 변형특성이 주요한 요소임을 파악하였다. 즉. 본 발명의 발명자는 심도 있는 연구 끝에 본 발명이 제시하는 성분계를 만족하는 강재의 경우, 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서의 횡팽창 값(mm)이 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)의 샤르피 충격 에너지 값(J) 보다 용접부의 안전성 확보 측면에서 보다 주요한 요소임을 확인할 수 있었다.
용접 열영향부(HAZ)에서의 횡팽창 값은 -253℃ 기준 샤르피 충격 시험을 실시한 시편의 횡방향 소성 변형량의 평균값을 의미한다. 도 2에는 -253℃ 기준 샤르피 충격 시험을 실시한 시편의 사진이 도시되어 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 파면 인근에서의 횡방향 길이 증가량(△X1+△X2)을 계산하여 횡행창 값을 산출할 수 있다. 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서의 횡팽창 값이 0.32mm 이상인 경우, 초저온용 구조물에 요구되는 최소한의 저온 안전성을 구비하는 것으로 판단할 수 있다.
본 발명자의 연구 결과에 따르면, -253℃ 기준 샤르피 충격에너지(J)와 해당 시편의 횡팽창 값(mm)은 대체적으로 아래의 관계식 1과 유사한 경향성을 나타내는 것으로 확인되었고, 횡팽창 값은 0.32mm 이상인 것이 확인되었다. 상기 횡팽창 값(mm)이 클수록 우수한 저온 충격인성을 가짐을 알 수 있고, 횡팽창 값이0.72~1.4mm인 것이 보다 효과적하다.
[관계식 1]
횡팽창 값(mm) = 0.0088 * 샤르피 충격에너지 값(J) + 0.0893
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재는 해당 강재를 모재로 하여 초저온용 구조물의 용접에 실시되는 통상의 용접 조건으로 용접을 실시하였을 때, -253℃ 기준 샤르피 충격 시험을 실시한 시편의 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서의 횡팽창 값이 0.32mm 이상의 수준이므로, 해당 강재를 이용하여 초저온용 구조물을 제작하였을 때 우수한 구조적 안전성을 확보할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재의 제조방법에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재의 제조방법은, 중량%로, 망간(Mn): 10~45%, 탄소(C): 24*[C]+[Mn]≥25 및 33.5*[C]-[Mn]≤18을 만족하는 범위, 크롬(Cr): 10% 이하(0% 제외), 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 준비하는 단계; 및 상기 슬라브를 가열한 후 850℃ 이상의 압연 마무리 온도로 열간압연하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수식의 [C] 및 [Mn]은 상기 슬라브에 포함되는 탄소(C) 및 망간(Mn)의 함량(중량%)을 의미한다.
슬라브 준비
소정의 합금조성을 가지는 강 슬라브를 준비한다. 본 발명의 강 슬라브는 전술한 오스테나이트계 강재와 대응하는 강 조성을 구비하므로, 강 슬라브의 합금조성에 대한 설명은 전술한 오스테나이트계 강재의 강 조성에 대한 설명으로 대신한다. 강 슬라브의 두께 역시 특별히 제한되는 것은 아니며, 저온용 또는 초저온용 구조용 소재의 제작에 적합한 두께를 가지는 강 슬라브가 이용될 수 있다.
슬라브 가열 및 열간압연
준비된 강 슬라브를 가열한 후 목적하는 두께를 가지는 강재로 열간압연할 수 있다. 강 슬라브의 가열온도가 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직한 강 슬라브의 가열온도는 1000~1300℃일 수 있다.
열간압연의 압연 마무리 온도가 과도하게 낮은 경우 최종 강재에 내부 변형에너지가 과다하게 잔존하여 초저온 충격인성이 저하될 수 있으므로, 본 발명은 열간압연의 압연 마무리 온도의 하한을 800℃로 제한할 수 있다. 한편, 열간압연의 압연 마무리 온도의 상한이 과도하게 높은 경우, 최종 강재의 미세조직이 과도하게 성장하여 열위한 강도 특성이 구현될 수 있으므로, 본 발명은 열간압연의 압연 마무리 온도의 상한을 1050℃로 제한할 수 있다.
발명의 실시를 위한 형태
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 일 측면에 따른 오스테나이트계 강재 및 그 제조방법에 대해 보다 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 특정하기 위한 것이 아님을 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정될 수 있다.
(실시예)
아래의 표 1의 합금조성으로 구비되는 두께 250mm의 강 슬라브를 준비한 후, 아래의 표 2에 기재된 공정조건을 적용하여 각각의 시편을 제작하였다. 각각의 강 슬라브는 표 1에 기재된 합금성분 이외에 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
| 강종 | 합금성분(wt%) | |||
| Mn | 24*[C]+[Mn] | 33.5*[C]-[Mn] | Cr | |
| A | 24.20 | 33.32 | -11.47 | 3.14 |
| B | 22.50 | 30.90 | -10.78 | 2.85 |
| C | 29.80 | 36.04 | -21.09 | 1.11 |
| D | 38.00 | 44.96 | -28.29 | 2.25 |
| E | 20.50 | 26.26 | -12.46 | 0.85 |
| F | 31.50 | 37.98 | -22.46 | 1.17 |
| G | 33.60 | 39.60 | -25.23 | 11.70 |
| H | 17.20 | 23.44 | -8.49 | 0.80 |
| I | 15.30 | 44.34 | 25.24 | 1.12 |
| 구분 | 강종 | 슬라브 가열온도 (℃) |
FDT (℃) |
강재 두께 (mm) |
| 실시예 1 | A | 1180 | 950 | 12 |
| 실시예 2 | B | 1180 | 890 | 20 |
| 실시예 3 | C | 1205 | 940 | 25 |
| 실시예 4 | D | 1195 | 905 | 30 |
| 실시예 5 | E | 1205 | 960 | 35 |
| 비교예 1 | F | 1195 | 790 | 25 |
| 비교예 2 | G | 1193 | 925 | 35 |
| 비교예 3 | H | 1200 | 915 | 18 |
| 비교예 4 | I | 1205 | 916 | 25 |
광학현미경을 이용하여 표 2에 기재된 각 실시예 및 비교예의 미세조직을 관찰하였으며, 그 결과를 아래의 표 3에 기재하였다. 또한, X선 회절분석을 이용하여 각 실시예 및 비교예의 전위밀도를 측정하고, 인장시험기를 이용하여 상온 항복강도를 측정하여, 그 결과를 표 3에 함께 기재하였다. 이후, 초저온용 구조물의 용접에 실시되는 통상의 용접 조건을 이용하여 각 실시예 및 비교예에 대한 용접을 실시하였으며, 그 결과를 표 3에 함께 기재하였다. 이때, 용접 열영향부의 미세조직 관찰 시 광학현미경을 이용하였으며, 용접 열영향부에 대한 충격에너지는 -235℃에서 샤르피 충격시험기를 이용하여 측정하였다. 또한, 각 시편의 충격시험 파면에서 횡팽창 값을 측정하였으며, 그 결과를 표 3에 함께 기재하였다.
| 구분 | 강종 | 모재 | 용접 열영향부 | ||||||
| 미세 조직 (면적%) |
상온 항복 강도 (MPa) |
전위 밀도 (*1015/ mm2) |
γ 분율 (면적%) |
γ 평균 결정립 크기 (㎛) |
γ 평균 종횡비 |
샤르피 충격 에너지 (J) |
횡팽창 (mm) |
||
| 실시예 1 | A | 오스테나이트 100% | 340 | 2.65 | 오스테나이트 100% | 47 | 1.21 | 127 | 0.91 |
| 실시예 2 | B | 오스테나이트 100% | 375 | 2.78 | 오스테나이트 100% | 42 | 1.45 | 110 | 0.77 |
| 실시예 3 | C | 오스테나이트 99%, 탄화물 1% | 356 | 2.75 | 오스테나이트 100%, 탄화물 2% | 35 | 1.39 | 121 | 0.85 |
| 실시예 4 | D | 오스테나이트 100% | 380 | 2.87 | 오스테나이트 100% | 46 | 1.41 | 110 | 0.75 |
| 실시예 5 | E | 오스테나이트 100% | 310 | 2.34 | 오스테나이트 100% | 40 | 1.05 | 141 | 1.02 |
| 비교예 1 | F | 오스테나이트 100% | 542 | 3.85 | 오스테나이트 100% | 37 | 6.2 | 40 | 0.13 |
| 비교예 2 | G | 오스테나이트 93%, 탄화물 7% | 584 | 2.95 | 오스테나이트 92%, 탄화물 8% | 33 | 1.12 | 25 | 0.01 |
| 비교예 3 | H | 오스테나이트 78%, 입실런 마르텐사이트 22% | 345 | 3.05 | 오스테나이트 80%, 입실런 마르텐사이트 20% | 50 | 1.15 | 5 | 0.00 |
| 비교예 4 | I | 오스테나이트 94%, 탄화물 6% | 430 | 2.86 | 오스테나이트 92%, 탄화물 8% | 42 | 1.08 | 31 | 0.05 |
표 1 내지 표3에 기재된 바와 같이, 본원발명이 제한하는 합금성분 및 공정조건을 만족하는 실시예들은 목적하는 상온 항복강도 및 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서의 횡팽창 값을 만족하는 반면, 본원발명이 제한하는 합금성분 또는 공정조건 중 어느 하나 이상을 만족하지 않는 비교예들은 목적하는 상온 항복강도 또는 용접 열영향부(HAZ, heat-affected zone)에서의 횡팽창 값 중 어느 하나 이상을 만족하지 않는 것을 알 수 있다.
이상에서 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 실시예들에 한정되지 않는다.
Claims (7)
- 중량%로, 망간(Mn): 10~45%, 탄소(C): 24*[C]+[Mn]≥25 및 33.5*[C]-[Mn]≤18을 만족하는 범위, 크롬(Cr): 10% 이하(0% 제외), 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고,
오스테나이트를 기지조직으로 구비하며,
용접 열영향부에 대해 -253℃ 기준 샤르피 충격 시험을 실시하는 경우 상기 용접 열영향부에서의 횡팽창은 0.32mm 이상인, 오스테나이트계 강재.
상기 수식의 [C] 및 [Mn]은 상기 강재에 포함되는 탄소(C) 및 망간(Mn)의 함량(중량%)을 의미한다. - 제1항에 있어서,
상기 강재의 상온 항복강도는 245MPa 이상 400MPa 미만인, 오스테나이트계 강재. - 제1항에 있어서,
상기 용접 열영향부는 미세조직으로 95면적% 이상(100면적% 포함)의 오스테나이트 및 5면적% 이하(0면적% 포함)의 입계 탄화물을 포함하는, 오스테나이트계 강재. - 제1항에 있어서,
상기 용접 열영향부의 평균 결정립 크기는 5~200㎛인, 오스테나이트계 강재. - 제1항에 있어서,
상기 용접 열영향부의 평균 결정립 종횡비(aspect ratio)는 1.0~5.0인, 오스테나이트계 강재. - 제1항에 있어서,
상기 강재의 전위밀도는 2.3*1015 내지 3.3*1015/mm2인, 오스테나이트계 강재. - 중량%로, 망간(Mn): 10~45%, 탄소(C): 24*[C]+[Mn]≥25 및 33.5*[C]-[Mn]≤18을 만족하는 범위, 크롬(Cr): 10% 이하(0% 제외), 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 준비하는 단계; 및
상기 슬라브를 가열한 후 800℃ 이상의 압연 마무리 온도로 열간압연하는 단계를 포함하는, 오스테나이트계 강재의 제조방법.
상기 수식의 [C] 및 [Mn]은 상기 슬라브에 포함되는 탄소(C) 및 망간(Mn)의 함량(중량%)을 의미한다.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Legal Events
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| PA0105 | International application |
Patent event date: 20240719 Patent event code: PA01051R01D Comment text: International Patent Application |
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