KR101271781B1

KR101271781B1 - 내마모성, 내식성 및 저온인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101271781B1
Application number: KR1020100133232A
Authority: KR
Inventors: 고성웅; 정환교
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2013-06-07
Also published as: EP2657361B1; US20130284324A1; JP2014506295A; EP2657361A2; JP5728593B2; US9238849B2; KR20120071617A; WO2012087028A3; WO2012087028A2; CA2822863C; EP2657361A4; CA2822863A1

Abstract

본 발명의 일측면은 중량%로, C: 0.2~0.35%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~1.8%, Ni: 0.1~0.6%, Nb: 0.005~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.05% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 내마모성, 내식성 및 저온인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판을 제공함으로써,
강 성분계와 미세조직을 제어하여 파이프로서 조관이 가능하면서도 오일샌드 슬러리 파이프의 가혹한 마모환경에서도 우수한 내마모성을 가질 수 있고, 내식성도 향상시킬 수 있으며, 저온에서의 충격인성도 우수하게 확보할 수 있고, 또한 경제성 및 생산효율도 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판을 얻을 수 있다.

Description

내마모성, 내식성 및 저온인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판 및 그 제조방법{STEEL SHEET FOR OIL SANDS SLURRY TRANSPORTATION SYSTEM HAVING EXCELLENT WEAR RESISTANCE, CORROSION RESISTANCE AND LOW TEMPERATURE TOUGHNESS, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 내마모성, 내식성 및 저온인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오일샌드의 후처리를 위하여 물과 혼합된 오일샌드 슬러리를 이동시킬 때 파이프 내벽 하부에서 발생하는 마모와 부식에 대한 저항성이 우수하고, 저온에서의 충격인성도 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

오일샌드 산업에 사용되고 있는 강재 중에서, 특히 오일샌드 슬러리 수송에 사용되고 있는 파이프용 강재는 200~300㎛의 모래 입자에 의해 마모가 발생하고 있으며, 그 교체 수명은 1년 내외로 소재의 구입과 교체에 많은 비용과 시간이 소모된다.

오일샌드 채굴법은 크게 노천채굴법과 지하회수법으로 나뉘는데, 노천채굴법에서는 채굴광의 후처리를 위해 슬러리 파이프 시스템의 적용이 필수적이다. 물과 혼합된 분쇄 채굴광은 슬러리의 형태를 가지며, 35중량% 정도의 모래, 500ppm 내외의 염분이 포함되어 있고 3.5~5.5m/sec의 속도로 수송되고 있다. 슬러리의 수송 시, 모래 입자는 파이프의 내측 하단부를 따라 이동되어 소재를 침식시키기 때문에 재료의 사용 수명을 늘리기 위해 연간 3회 정도 파이프를 회전하여 사용하고 있다.

또한, 상기 슬러리 파이프의 내부는 이동하는 모래에 의한 마모 뿐만 아니라 염분으로 인한 부식도 함께 발생하고, 더욱 문제가 되는 것은 부식의 결로 생성된 부식 생성물이 안정적으로 소재의 부식속도를 저하시키는 것이 아니라 이동하는 모래에 의해 즉시 제거된다는 것이다. 특히, 이러한 소재의 침식은 부식과 마모가 각각 따로 존재하는 환경보다 상기 오일샌드 슬러리 파이프의 사용환경과 같이 부식과 마모와 함께 발생하는 환경에서 훨씬 빨리 일어나게 된다.

이러한 침식현상을 지연시켜 파이프의 수명을 늘리기 위해 내부에 탄화물 코팅처리나 표면 열처리를 적용하는 경우도 있지만, 이러한 재처리 공정의 비용이 소재의 교체비용을 초과하기 때문에 상기의 재처리 공정없이도 슬러리에 의한 침식에 대한 저항성이 우수한 소재의 개발이 요구되고 있다.

일반적으로, 소재의 내마모성은 경도의 증가에 따라 증가하는 것으로 알려져 있지만, 재료의 경도 증가는 파이프 소재의 특성상, 조관이 가능한 강도와 연성을 가져야 하기 때문에 고경도의 마르텐사이트를 적용시키는 것은 불가능하다. 현재 사용되고 있는 오일샌드 슬러리 파이프용 강재는 API 등급의 라인파이프 강재로서, 재료의 내마모성을 증가시키기 위해 상용 조관이 가능한 수준에서 강도를 상승시킨 페라이트계 TMCP강재가 사용되고 있고, 이하에서는 현재 사용되고 있는 내마모성이 우수한 파이프 강재 기술에 대해 살펴본다.

먼저, 한국특허공개공보 1987-0010217호는 강 파이프 내부에 세라믹 플레이트를 설치하여 내마모성을 확보하는 방법을 제안하고 있으며, 한국특허공개공보 2000-0046429호에서는 파이프 내면에 텅스텐 카바이드 또는 고크롬 분말을 이용하여 경화 육성용접 층을 형성하여 내마모 파이프를 제조하는 방법을 제안하고 있다.

그러나, 양자 모두 기존의 파이프의 표면에 내마모성 확보를 확보하기 위해 고경도의 물질을 이용하여 재처리를 하고 있는 기술의 일종으로서, 재처리로 인한 비용이 많이 들고, 충격이나 결함으로 인해 상기 재처리층이 탈락할 수 있어 장기적인 내마모성을 보증하지 못하는 단점이 있었다.

다음으로, 한국특허공개공보 2001-0066189호에서는 저탄소강의 표면에 침탄 처리를 수행하여 내마모성과 충격인성을 확보하는 방법을 제안하고 있지만, 침탄 처리로 표면 경화된 파이프는 용접부의 문제가 발생할 뿐만 아니라, 표면 경화층의 마모 후에는 기지조직의 급격한 마모가 발생하는 문제점이 있었다.

또한, 한국특허공개공보 2007-0017409호에서는 고 기계적 강도 및 내마모성을 갖는 강재의 제조방법을 제공하고 있으며, 상기 공보에서 제공하는 강재는 조성이 중량%로 0.30% ≤ C ≤ 1.42%; 0.05% ≤ Si ≤ 1.5%; Mn ≤ 1.95%; Ni ≤ 2.9%; 1.1% ≤ Cr ≤ 7.9%; 0.61% ≤ Mo ≤ 4.4%; 선택적으로 V ≤ 1.45%, Nb ≤ 1.45%, Ta ≤ 1.45% 및 V + Nb/2 + Ta/4 ≤ 1.45%; 0.1% 미만의 붕소, 0.19%의 (S + Se/2 + Te/4), 0.01%의 칼슘, 0.5%의 희토류, 1%의 알루미늄, 1%의 구리; 잔부로서 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재의 제조방법에 관한 것이다.

그러나, 상기 발명은 중탄소강 이상의 탄소를 함유하고 있고, 합금원소로서 Ni, Cr, Mo, Nb, V 등을 다량 활용하기 때문에 강재의 제조 비용이 매우 증가할 뿐만 아니라 기계적 강도가 높아 파이프 소재로는 활용하기 어려운 단점이 있다.

또다른 종래기술로, 한국특허공개공보 2000-0041284호를 들 수 있는데, 상기 발명은 분무 성형에 의해 공구강을 제조하는 방법을 제공하고 있으며, Mo을 활용하여 탄화물 크기를 미세화함으로써 인성을 증가시키는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 발명 역시 한국특허공개공보 2007-0017409호와 마찬가지로 제조 원가와 강도가 높아서 파이프 소재로 적용하기에는 한계가 있을 수밖에 없었다.

또한, 한국특허공개공보 2004-0059177호에서는 원유탱크의 저장유관, 선체내 배광용 등으로 이용되는 내마모성이 우수한 강재의 제조방법을 제공하고 있으며, 상기 공보에서 제공하는 강재는 중량%로, C: 0.03∼0.1%, Si: 0.1∼0.3%, Mn: 0.05∼1.2%, P: 0.05% 이하, S: 0.035% 이하, Al: 0.03% 이하, Cr: 0.8~1.1%, Cu: 0.1∼0.3%, Ni: 0.1∼0.3%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 용강에, 와이어 형태의 Ca-Si을 투입하고 탈가스 처리하여 Ca 함량이 0.001~0.004중량%가 되도록 제어한 강을 1000~1200℃로 재가열한 후, Ar₃ 이상의 온도에서에서 열간압연하는 것을 포함하는 것으로 이루어진다.

그러나, 상기 발명은 Cr, Cu, Ni, Ca 등을 활용하여 녹층의 치밀도를 개선함으로써 내마모성 및 내식성을 향상시키고 있지만, 오일샌드 슬러리 파이프와 같은 가혹한 마모환경에서는 녹층을 활용하는 것으로는 내마모성 및 내식성 확보가 불가능하다는 문제점이 있었다.

따라서, 오일샌드 슬러리 파이프의 사용환경과 같은 가혹한 마모 및 부식환경에서도 우수한 내마모성 및 내식성을 가지고, 경제성 및 생산효율도 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판에 대한 요구가 매우 급증하고 있다.

본 발명의 일측면은 파이프로서 조관이 가능하면서도 오일샌드 슬러리 파이프의 가혹한 마모환경에서도 우수한 내마모성을 가지고, 동시에 내식성도 향상되며, 저온에서의 충격인성도 우수하고, 경제성 및 생산효율도 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일측면은 중량%로, C: 0.2~0.35%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~1.8%, Ni: 0.1~0.6%, Nb: 0.005~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.05% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 내마모성, 내식성 및 저온인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판을 제공한다.

이때, 상기 강판은 Cr: 0.1~1.0% 이하(0%는 제외)를 더 포함하고, Mn과 Cr의 합이 2% 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 강판은 Mn, Cr 및 Ni의 합이 2.5% 이하인 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 강판의 미세조직은 50~80면적%의 펄라이트와 잔부 페라이트로 이루어지는 것이 바람직하다.

이때, 상기 펄라이트 결정립 간의 간격은 200㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 강판의 비커스 경도 값이 180~220Hv인 것이 보다 바람직하다.

한편, 본 발명의 또다른 일측면은 중량%로, C: 0.2~0.35%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~1.8%, Ni: 0.1~0.6%, Nb: 0.005~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.05% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강슬라브에 대하여, Ar3~Ar3+200℃의 온도범위에서 50% 이상의 잔압하율로 마무리 열간압연한 후 0.2~4℃/sec의 냉각속도로 냉각하는 내마모성, 내식성 및 저온인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판의 제조방법을 제공한다.

이때, 상기 강슬라브는 Cr: 0.1~1.0% 이하(0%는 제외)를 더 포함하고, Mn과 Cr의 합이 2% 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 강슬라브는 Mn, Cr 및 Ni의 합이 2.5% 이하인 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 냉각은 Ar3~Ar3+200℃의 온도범위에서 냉각을 개시하여 500℃ 이하에서 냉각을 종료하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일측면에 따르면, 강 성분계와 미세조직을 제어하여 파이프로서 조관이 가능하면서도 오일샌드 슬러리 파이프의 가혹한 마모환경에서도 우수한 내마모성을 가질 수 있고, 내식성도 향상시킬 수 있으며, 저온에서의 충격인성도 우수하게 확보할 수 있고, 또한 경제성 및 생산효율도 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판을 얻을 수 있다.

도 1은 펄라이트 분율에 따른 마모율의 변화를 나타낸 개략도이다.
도 2는 비커스 경도에 따른 마모율의 변화를 나타낸 개략도이다.

일반적으로, 저탄소 페라이트계 강재는 가공이 쉽고 TMCP 공정으로 강도를 제어하기 용이하지만, 페라이트 조직이 가지는 낮은 경도 값으로 인해 마모에 대한 저항성이 떨어진다. 특히, 오일샌드 슬러리 파이프의 사용환경과 같은 가혹한 마모환경에서는 연간 20mm 이상의 침식량을 나타내고 있기 때문에, 마모에 대한 충분한 저항을 가지기 어려운 것이 보통이다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로, 종래에는 파이프 내벽에 표면처리를 적용하거나 소재 자체의 경도를 높이는 것이 일반적인 방법으로 알려져왔다.

그러나, 본 발명자들은 오랜 연구 끝에 철강재료의 마모는 표면변형과 변형층의 탈락에 의해 발생한다는 것을 인지하게 되었고, 재료의 내마모성 향상은 충돌된 마모입자를 튕겨내면서도 파괴되지 않는 수준의 경도와 인성을 가지게 하는 것과 동시에, 변형 수용능력을 향상시킬 수 있는 미세조직을 구상하는 것이 내마모성 향상에 대한 해결책임을 발견하게 되었다.

이에 따라, 본 발명은 베이나이트나 마르텐사이트와 같은 높은 경도의 소재를 사용하지 않고, 소재 자체의 전체적인 경도는 낮지만 세멘타이트의 경도가 높다는 점을 착안하여, 마모입자의 반사를 고려해 펄라이트를 활용함으로써, 내마모성 측면에서 더욱 향상시키고 있다.

또한, 이러한 오일샌드 슬러리 파이프의 사용환경을 고려할 때, 파이프 내부의 표층은 지속적인 마모가 발생 뿐만 아니라 염분과 고온에 의한 부식도 계속적으로 발생하고, 이러한 마모와 부식이 동시에 발생하는 환경에서는 부식이 훨씬 빠르게 진행될 수 있다. 따라서, 내마모성과 함께 내식성을 확보하는 것도 매우 중요한데, 상기 마모환경으로 인해 표면 산화물 형성에 의해 내식성을 향상시키는 것에는 한계가 있으므로, 소재 자체의 내식성을 향상시키는 것에 중점을 두게 되어 Ni을 부가하기에 이른 것이다.

여기에 더하여, 본 발명의 미세조직은 마모입자의 반사를 고려해 일정비율을 펄라이트로, 변형 수용능력 향상을 위해 나머지는 페라이트로 구성되는 펄라이트/페라이트 혼합조직을 기본적인 구조로 하는데, 문제되는 이러한 혼합조직은 페라이트 조직에 비해 저온에서의 충격인성이 열위하다는 단점이 있다. 따라서, 오스테나이트 결정립을 미세화하여 저온인성도 동시에 향상시키기에 이른 것이다.

이하, 본 발명의 강판에 대해 설명한다.

이하, 상기 성분계 및 조성범위에 대해 설명한다.(중량%)

탄소(C): 0.2~0.35중량%

C는 펄라이트를 페라이트의 기지조직에 형성하여 페라이트/펄라이트 복합조직을 만들기 위해 첨가되는 원소로서, 그 함량이 0.2% 미만이 되면 펄라이트 양이 부족하여 내마모성이 확보가 어렵고, 0.35%를 초과하게 되면 펄라이트의 양이 증가하는 반면, 페라이트 양이 너무 감소하여 마모에 대한 변형 수용능력이 떨어지게 되므로, 그 첨가량을 0.2~0.35%로 제어하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 내마모성의 관점에서 C을 0.25% 이상으로 제어할 경우 더욱 우수한 마모에 대한 저항성을 얻을 수 있다.

실리콘(Si): 0.1~0.5%

Si는 제강 공정의 탈산제로 작용할 뿐만 아니라 강재의 강도를 높이는 역할을 하는 원소로서, 그 함량이 0.1% 미만이면 상기 효과를 충분히 얻을 수 없고, 그 함량이 0.5%를 초과하게 되면 소재의 충격인성이 나빠지고 용접성이 저하되며, 압연시 스케일 박리성을 유발하는 문제점이 생길 수 있으므로, Si의 함량은 0.1~0.5로 제한하는 것이 바람직하다.

망간(Mn): 0.5~1.8%

Mn은 충격인성을 저해하지 않으면서도 펄라이트 양을 증가시키는 원소로서, 그 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.5% 이상 첨가되는 것이 바람직하고, 다만 그 양이 너무 많으면 펄라이트가 아닌 베이나이트나 마르텐사이트 조직이 형성되고, 용접성이 저하되는 문제점이 있으므로, 그 함량을 0.5~1.8%로 제한하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni): 0.1~0.6%

Ni는 소재 자체의 내식성을 확보하기 위해 첨가되는 원소로서, 강도 및 충격인성 향상에도 도움을 준다. Ni 첨가를 통해 내식성을 충분히 발휘하기 위해서는 0.1% 이상 첨가되는 것이 바람직하고, 다만 그 양이 너무 많으면 베이나이트나 마르텐사이트와 같은 조직이 형성될 수 있으므로, 상한은 0.6%로 제한하는 것이 바람직하다.

니오븀(Nb): 0.005~0.05%

Nb는 슬라브 재가열시 고용되어 있다가 열간압연 중에 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하고, 이후 석출되어 강의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 따라서, 결정립 미세화를 통한 저온인성 향상을 위한 핵심적인 원소로서, 상기 효과를 발생시키기 위해서는 0.005% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 다만, 그 양이 너무 많으면 오히려 저온에서의 충격인성이 열화되기 때문에, 상한을 0.05%로 제한하는 것이 바람직하다.

티타늄(Ti): 0.005~0.02%

Ti는 슬라브 재가열시 N과 결합하여 TiN 질화물을 형성함으로써 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하는 원소로서, 상기 Nb와 마찬가지로 결정립 미세화를 통한 저온인성 향상을 위한 핵심적인 역할을 한다. 따라서, 상기 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.005% 이상 첨가되는 것이 바람직하고, 다만, 그 양이 너무 많으면 오히려 저온에서의 충격인성이 열화되기 때문에, 그 상한을 0.02%로 한정하는 것이 바람직하다.

인(P): 0.03% 이하

P는 용접성을 저하시키고 인성을 열화시키는 원소이므로, 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하고, 최소한 그 함량이 0.03%를 초과하지 않도록 제어하여야 용접성, 인성 및 내마모성의 저하 문제를 최소화시킬 수 있다.

황(S): 0.03% 이하

S는 강의 연성, 충격인성 및 용접성을 열화시키는 원소로서, 특히 Mn과 결합하여 MnS 개재물을 형성하여 강의 내마모성을 저하시키기 때문에, 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하고, 최소한 그 함량이 0.03%를 초과하지 않도록 제어한다.

알루미늄(Al): 0.05% 이하(0%는 제외)

Al은 용강중에 존재하는 산소와 반응하여 산소를 제거하는 탈산제로서의 역할을 수행하는 원소이나, 그 양이 너무 많으면 첨가되면 산화물계 개재물이 다량 형성되어 소재의 충격인성을 저해하게 되므로, 그 상한을 0.05%로 제한하는 것이 바람직하다.

질소(N): 0.01% 이하(0%는 제외)

N은 Al, Ti, Nb, V 등과 결합하여 질화물을 형성함으로써 오스테나이트 결정립의 성장을 방해하고, 이에 따라 강의 인성 및 강도 향상에 도움을 주지만, 그 함량이 너무 많으면 고용상태의 N이 존재하고, 이는 오히려 강의 인성에 악영향을 미치므로, 그 함량이 0.01%를 넘지 않도록 제한하는 것이 바람직하다.

즉, 본 발명의 일측면은 오일샌드 슬러리 파이프가 사용되는 특수한 환경을 고려하여 상기와 같은 성분계 및 조성범위를 제안함으로써, 오일샌드 슬러리 파이프용 강판의 내마모성, 내식성 및 저온인성 향상에 크게 기여할 수 있게 되었다.

이때, 상기 강판은 Cr: 0.1~1.0% 이하를 더 포함하고, Mn과 Cr의 합이 2% 이하인 것이 바람직하다. Cr은 강재의 변태온도를 낮추고 펄라이트의 양을 증가시키는 역할을 하고, 특히 세멘타이트를 Fe₃C에서 경질의 (Fe, Cr)₃C로 변화시켜 소재의 내마모성을 증가시키게 되므로, 이러한 Cr을 추가로 포함할 경우 상기 내마모성을 더욱 향상시킬 수 있게 된다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 Cr이 0.1% 이상 첨가되는 것이 바람직하다.

다만, 그 양이 너무 많으면 베이나이트나 마르텐사이트 같은 저온변태 조직을 형성하게 되고, 이는 충격인성을 저해하기 원인으로 작용하기 때문에, 그 함량을 1.5% 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 이와 동시에, 상기 저온변태 조직 형성에 의한 충격인성 저하는 Cr 뿐만 아니라 Mn도 같은 작용을 하기 때문에, Mn과 Cr의 합계 함량이 2.0%를 넘지 않도록 제어할 필요도 있다.

또한, 상기 강판은 Mn, Cr 및 Ni의 합이 2.5% 이하인 것이 보다 바람직하다. Ni은 소재 자체의 내식성 확보를 위한 핵심적인 성분이지만, 소재의 소입성을 향상시켜 저온변태 조직을 형성에 의한 충격인성 저하에 영향을 미치기 때문에, Mn, Cr 및 Ni의 합계 함량이 2.5%를 초과하지 않도록 제어하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 강판의 미세조직은 50~80면적%의 펄라이트와 잔부 페라이트로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 발명자들은 오일샌드 슬러리 파이프의 사용환경과 같은 심한 마모 환경에서는 베이나이트나 마르텐사이트와 같이 높은 경도를 갖는 조직을 형성시키는 것보다 마모는 표면의 변형과 변형층의 탈락에 의해 주로 발생하기 때문에, 강의 경도는 마모입자를 튕겨내면서도 파괴되지 않는 수준을 유지하면 충분하고, 더욱 중요한 것은 변형 수용력의 향상이다.

따라서, 펄라이트는 소재 전체의 경도는 높지 않더라도 세멘타이트의 높은 경도로 인해 펄라이트를 50면적% 이상으로 포함시키면 마모입자를 튕겨내면서도 파괴되지 않는 수준의 경도를 얻을 수 있고, 이와 동시에 펄라이트의 면적분율을 80% 이하로 제한하고, 잔부는 페라이트로 구성시킴으로써 페라이트의 우수한 변형 수용력을 얻을 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 미세조직은 펄라이트와 페라이트의 혼합조직으로 이루어지고, 그 분율을 상기와 같이 제어함으로써, 마모입자를 튕겨내면서도 파괴되지 않고, 또한 변형 수용능력도 우수하기 때문에, 오일샌드 슬러리 파이프의 사용환경과 같은 심한 마모 환경에서 가장 우수한 내마모성을 갖는 강판을 얻을 수 있게 되었다.

또한, 보통 오일샌드 슬러리 파이프에서 마모가 발생할 경우 200~300㎛ 크기의 마모입자가 충돌하기 때문에, 마모입자가 페라이트를 직접 변형시키지 않고 반사되기 위해서는 펄라이트 결정립의 입자간 간격이 상기 마모입자의 크기보다 작은 것이 보다 효과적이다. 따라서, 마모입자가 연질의 페라이트와 직접적인 충돌을 하는 것을 방지하기 위해 펄라이트 결정립의 입자간 간격을 상기 마모입자보다 작도록 200㎛ 이하로 제어하는 것이 보다 바람직하다.

상기와 같은 성분계 및 미세조직을 가질 경우 비커스 경도 값이 180~220Hv인 강판을 얻을 수 있다. 오일샌드 슬러리 파이프용 강판에서 상기 비커스 경도 값을 유지하는 것이 매우 중요한데, 만약 기지조직의 경도 값이 180Hv 미만이면 경도가 너무 약하여 마모입자에 의한 변형이 심하게 발생하여 내마모성이 좋지 못하고, 반대로 기지조직의 경도 값이 220Hv를 초과하면 경도는 우수한 대신, 변형에 대한 수용능력이 감소하게 되므로, 오히려 내마모성을 저하시키는 결과를 초래할 수 있다. 따라서, 상기 비커스 경도 값을 180~220Hv로 제어하는 것이 보다 바람직하다.

이하, 본 발명의 강판의 제조방법에 대해 설명한다.

본 발명의 또다른 일측면은 중량%로, C: 0.2~0.35%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~1.8%, Ni: 0.1~0.6%, Nb: 0.005~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.05% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강슬라브에 대하여, Ar3~Ar3+200℃의 온도범위에서 50% 이상의 잔압하율로 마무리 열간압연한 후 0.2~4℃/sec의 냉각속도로 냉각하는 내마모성, 내식성 및 저온인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판의 제조방법을 제공한다. 이때, 상기 강슬라브는 Cr: 0.1~1.0% 이하(0%는 제외)를 더 포함하고, Mn과 Cr의 합이 2% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 상기 강슬라브는 Mn, Cr 및 Ni의 합이 2.5% 이하인 것이 보다 바람직하다.

먼저, 상기와 같은 조성을 갖는 강슬라브에 대하여, Ar3~Ar3+200℃의 온도범위에서 50% 이상의 잔압하율로 마무리 열간압연한다. 마무리 압연온도가 Ar3점 미만이면 오스테나이트로의 상변태가 충분히 이루어지지 않게 되고, 반대로 Ar3+200℃를 초과하면 오스테나이트 결정립이 조대화될 수 있다.

또한, 본 발명에 적용되는 강슬라브는 C, Mn이나 Cr 등의 소입성 원소가 다량 첨가되기 때문에, 냉각조건을 제어하지 않으면 베이나이트나 마르텐사이트 조직이 형성되어 페라이트와 펄라이트의 혼합 조직을 얻지 못할 수 있다. 따라서, 냉각조건을 제어하여 본 발명의 혼합 조직을 얻음으로써 오일샌드 슬러리 파이프의 사용환경에 적합한 내마모성을 확보하는 것이 매우 중요하다.

상기 냉각은 Ar3~Ar3+200℃의 온도범위에서 냉각을 개시하여 500℃ 이하에서 냉각을 종료하는 것이 보다 바람직하다. 냉각개시온도가 Ar3점 미만이면 오스테나이트로의 상변태가 충분히 이루어지지 않은 상태에서 냉각을 시작하므로, 본 발명에서 얻고자 하는 조직을 확보할 수 없게 되고, 반대로 냉각개시온도가 Ar3+200℃를 초과하면 압연이 Ar3+200℃를 초과하여 이루어졌음을 의미하므로 결정립이 매우 조대화될 가능성이 큰 문제점이 있으므로, 냉각개시온도를 Ar3~Ar3+200℃의 온도범위로 제한하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 조성을 갖는 강슬라브에 대해 열간압연을 실시한 후 0.2~4℃/sec의 냉각속도로 냉각하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 냉각속도가 4℃/sec를 초과하면 베이나이트나 마르텐사이트와 같은 저온변태 조직이 생성될 수 있어 페라이트 및 펄라이트의 혼합조직을 얻기 어렵게 되므로, 상한을 4℃/sec로 제한하는 것이 바람직하다.

다만, 냉각속도가 0.2℃/sec 미만으로 너무 낮으면 펄라이트가 형성되는 것이 아니라 탄화물이 구상화되어 페라이트에 구상화 탄화물이 같이 존재하는 조직을 형성하게 된다. 이 경우 충분한 경도를 확보할 수 없고, 마모입자가 페라이트에 직접 충돌하게 될 수 있다. 따라서, 냉각속도가 0.2℃/sec 이상이 되도록 제어하는 것이 바람직하고, 상기 범위에만 속한다면 공냉을 하여도 무방하다.

또한, 상기 냉각은 Ar3~Ar3+200℃의 온도범위에서 냉각을 개시하여 500℃ 이하에서 냉각을 종료하는 것이 보다 바람직하다. 냉각개시온도가 Ar3점 미만이면 오스테나이트로의 상변태가 충분히 이루어지지 않은 상태에서 냉각을 시작하므로, 본 발명에서 얻고자 하는 조직을 확보할 수 없게 되고, 반대로 냉각개시온도가 Ar3+200℃를 초과하면 압연이 Ar3+200℃를 초과하여 이루어졌음을 의미하므로 결정립이 매우 조대화될 가능성이 큰 문제점이 있으므로, 냉각개시온도를 Ar3~Ar3+200℃의 온도범위로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 냉각종료온도는 500℃ 이하로 제한하는 것이 바람직한데, 냉각종료온도가 500℃를 초과하면 모든 조직이 오스테나이트에서 펄라이트/페라이트 혼합조직으로 변태하는 것이 아니라 변태하지 않고 오스테나이트로 잔류하는 조직이 나타나기 때문에, 펄라이트 분율을 충분히 확보할 수 없는 문제점이 생길 수 있다. 따라서, 냉각종료온도를 500℃ 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하지만, 이는 본 발명의 보다 완전한 설명을 위한 것이고, 하기 개별실시예에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.

( 실시예 )

먼저, 표 1에 나타난 조성을 갖는 용강을 준비한 후 연속주조를 통하여 강슬라브를 제조하였다. 주조된 슬라브는 모두 통상의 조건으로 열간압연한 후 표 2에 나타난 조건으로 냉각을 수행하여 강판을 제조하였다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Al	N	Ni	Nb	Ti	Cr
발명강1	0.245	0.25	1.76	0.008	0.003	0.035	0.005	0.21	0.019	0.009	-
발명강2	0.253	0.18	1.55	0.009	0.007	0.037	0.008	0.23	0.018	0.008	0.11
발명강3	0.256	0.32	1.74	0.008	0.004	0.029	0.007	0.22	0.021	0.013	0.21
발명강4	0.297	0.44	1.49	0.008	0.006	0.041	0.005	0.21	0.022	0.012	-
발명강5	0.307	0.22	1.57	0.007	0.004	0.033	0.009	0.55	0.017	0.011	0.19
발명강6	0.312	0.23	0.92	0.007	0.002	0.035	0.003	0.34	0.033	0.010	0.78
발명강7	0.347	0.21	1.43	0.006	0.003	0.030	0.006	0.41	0.035	0.008	-
비교강1	0.041	0.23	1.21	0.006	0.0006	0.037	0.005	0.09	0.01	0.01	0.1
비교강2	0.066	0.16	1.56	0.009	0.0018	0.022	0.004	0.23	0.01	0.015	0.03
비교강3	0.055	0.15	2	0.007	0.0016	0.027	0.003	0.35	0.02	0.009	0.31
비교강4	0.25	0.29	1.29	0.006	0.0019	0.031	0.005	0.33	0.025	0.008	0.44
비교강5	0.384	0.22	1.57	0.007	0.004	0.033	0.009	0.43	0.023	0.01	0.21
비교강6	0.392	0.31	1.38	0.008	0.003	0.029	0.006	0.28	0.011	0.011	0.2
비교강7	0.259	0.32	1.92	0.006	0.004	0.029	0.007	0.15	0.009	0.015	0.19
비교강8	0.28	0.24	0.95	0.007	0.006	0.037	0.005	0.05	0.04	0.007	1.32
비교강9	0.291	0.23	1.50	0.008	0.003	0.036	0.005	0.13	0.004	0.012	0.23
비교강10	0.265	0.23	1.75	0.009	0.004	0.036	0.006	0.34	0.06	0.013	0.22
비교강11	0.254	0.27	1.54	0.007	0.003	0.029	0.007	0.46	0.019	0.003	0.19
비교강12	0.277	0.43	1.23	0.006	0.005	0.034	0.009	0.50	0.023	0.03	0.20

구분	적용 강종	잔압하율 (%)	Ar3 (℃)	냉각개시온도 (℃)	냉각속도 (℃/s)	냉각종료온도 (℃)
발명예1	발명강1	55	697	750	0.4	300
발명예2	발명강2	55	710	750	0.4	300
발명예3	발명강3	55	692	750	1.0	250
발명예4	발명강4	65	702	800	1.0	250
발명예5	발명강5	65	690	800	3.5	400
발명예6	발명강6	65	731	800	3.5	400
발명예7	발명강7	75	692	790	2.0	200
비교예1	발명강1	55	716	770	6.0	100
비교예2	발명강2	45	715	780	5.4	300
비교예3	발명강3	55	715	770	0.1	200
비교예4	발명강4	65	743	800	4.7	350
비교예5	발명강5	65	743	800	1.0	600
비교예6	비교강1	55	803	750	0.4	200
비교예7	비교강2	55	768	750	0.4	250
비교예8	비교강3	65	732	750	0.4	300
비교예9	비교강4	65	773	800	16.1	300
비교예10	비교강5	75	666	800	2.5	300
비교예11	비교강6	75	679	850	2.5	350
비교예12	비교강7	55	672	750	0.3	200
비교예13	비교강8	55	687	750	1.2	150
비교예14	비교강9	65	687	780	1.2	150
비교예15	비교강10	65	688	780	3.5	350
비교예16	비교강11	70	684	810	3.5	350
비교예17	비교강12	70	656	810	3.5	300

상기와 같은 조건으로 제조된 강판에 대해 미세조직의 구성을 분석하고, 펄라이트 분율 및 경도를 측정하여 아래 표 3에 나타내고, 내마모성 및 내식성을 평가하기 위해 마모량 및 분극저항값은 측정 후 비교예 1 또는 6에 대한 비율로 표현하였다. 또한, 저온인성을 평가하기 위해 -45℃에서 샤르피 충격 흡수 에너지를 측정하여 그 결과도 아래 표 3에 나타내었다.

구분	미세조직	펄라이트 분율 (면적%)	경도 (Hv)	비교예1 대비 마모율(%)	비교예6 대비 분극저항율(%)	샤르피 충격에너지 (J)
발명예1	펄라이트/페라이트	60	200	40	141	83
발명예2	펄라이트/페라이트	70	210	35	136	87
발명예3	펄라이트/페라이트	55	185	57	130	88
발명예4	펄라이트/페라이트	65	205	42	148	93
발명예5	펄라이트/페라이트	60	200	38	143	88
발명예6	펄라이트/페라이트	75	215	35	155	91
발명예7	펄라이트/페라이트	70	210	37	144	101
비교예1	마르텐사이트	-	350	100	135	19
비교예2	베이나이트	-	320	120	133	12
비교예3	페라이트(구상탄화물)	-	135	150	134	110
비교예4	베이나이트	-	300	95	135	25
비교예5	오스테나이트/페라이트	-	120	140	140	115
비교예6	페라이트	-	130	135	100	98
비교예7	페라이트	-	130	125	135	89
비교예8	베이나이트	-	290	90	138	28
비교예9	마르텐사이트	-	340	105	136	18
비교예10	펄라이트/페라이트	90	240	70	135	80
비교예11	펄라이트/페라이트	92	250	80	138	82
비교예12	베이나이트	-	290	98	129	30
비교예13	펄라이트/페라이트	55	183	58	90	80
비교예14	펄라이트/페라이트	60	200	45	140	35
비교예15	펄라이트/페라이트	53	183	54	132	40
비교예16	펄라이트/페라이트	57	187	53	130	36
비교예17	펄라이트/페라이트	55	185	57	135	42

발명예 1 내지 7은 발명강을 사용하였고, 열간압연 후 냉각조건도 본 발명의 범위에 모두 속하였는 바, 펄라이트 분율이 55~75% 및 잔부 페라이트의 혼합조직으로 나타났고, 경도도 185~215Hv로 나타났다. 즉, 마모에 대해 저항할 수 있는 충분한 경도값을 가지면서 페라이트 조직도 25~45면적%로 포함하고 있어 변형 수용력도 우수한 바, 비교예 1 대비 마모량이 35~57%로 매우 낮게 나타나 내마모성이 우수함을 확인할 수 있다. 또한, Ni도 본 발명의 범위로 포함하고 있어 비교예 6 대비 분극저항률이 130~155%로 매우 높아 우수한 내식성을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 또한, Nb, Ti 함량 및 잔압하율도 본 발명의 범위에 해당되어 샤르피 충격 흡수 에너지가 80J 이상으로 저온인성이 우수함을 알 수 있다.

비교예 1, 2, 4 및 9는 냉각속도가 너무 빨라 베이나이트 또는 마르텐사이트의 저온변태 조직이 나타나 경도가 매우 큰 값을 나타내고, 반대로 변형 수용능력이 좋지 못하기 때문에 실제 비교예 1 대비 마모량은 95~120%로 매우 높게 나타나 내마모성이 좋지 못했음을 알 수 있다. 또한, 저온변태 조직이 나타남에 따라 충격 흡수 에너지 값도 낮게 나타났으며, 특히 비교예 2는 잔압하율이 50%에 미달하여 특히 저온인성이 좋지 못하였음을 확인할 수 있다.

비교예 3은 반대로 냉각속도가 너무 느려 탄화물이 펄라이트를 형성하지 못하고 구상화되어 페라이트와 구상탄화물이 함께 존재하는 조직이 형성되었다. 이에 따라 경도값이 135Hv로 낮았고, 비교예 1 대비 마모량도 150%로 내마모성이 매우 나빴음을 확인할 수 있다.

비교예 5는 냉각종료온도가 600℃로서, 500℃를 초과했기 때문에 오스테나이트가 모두 변태하지 않고 남아있어 경도값이 120Hv로 낮고, 이에 따라 비교예 1 대비 마모량도 140%로 매우 높게 나타났다.

비교예 6 및 7은 탄소의 함량이 현저히 적어 펄라이트 조직이 거의 없이 페라이트 단독 조직으로 나타났고, 이에 따라 경도가 130Hv로 낮았고, 이에 따라 비교예 1 대비 마모량도 125~135%로 매우 높게 나타났다. 특히, 비교예 6은 Ni의 함량이 너무 적어 분극저항값이 낮게 나타난 바, 내식성이 좋지 못하였다.

비교예 8 및 12는 망간의 함량이 너무 높아 베이나이트와 같은 저온변태 조직이 나타났고, 이에 따라 경도가 290Hv로 높았으나, 변형 수용능력이 떨어져 비교예 1 대비 마모량이 90~98%로 내마모성이 좋지 못함을 확인할 수 있다.

비교예 10 및 11은 탄소의 함량이 너무 높아 펄라이트의 양은 크게 증가함에 따라 240~250Hv로 경도가 증가하였으나, 페라이트가 8~10 면적%로 작게 나타나 변형 수용능력이 저하됨에 따라 결국 비교예 1 대비 마모량이 70~80%로 발명예에 비해 내마모성이 좋지 못함을 확인할 수 있었다.

비교예 13 내지 15은 결정립의 미세화에 중요한 영향을 미치는 Nb, Ti의 조성범위가 본 발명의 범위에서 벗어나 결정립이 조대화되었을 것으로 예상할 수 있고, 이에 따라 샤르피 충격 흡수 에너지 값이 매우 낮게 나타나 저온인성이 좋지 못함을 확인할 수 있다.

또한, 본 발명자들은 펄라이트 분율 및 비커스 경도와 마모성과의 관계를 보다 명확히 파악하기 위해 강 조성을 변화시켜 펄라이트 면적분율 및 비커스 경도를 변화시킴에 따라 비교예 1 대비 마모량을 확인하는 실험을 행하였다. 그 결과, 펄라이트 분율이 50~80면적%이고, 비커스 경도가 180~220Hv일 때 비교예 1 대비 마모율이 가장 낮게 나타나, 내마모성이 가장 우수함을 확인할 수 있었다.

Claims

중량%로, C: 0.2~0.35%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~1.8%, Ni: 0.1~0.6%, Nb: 0.005~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.05% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 내마모성, 내식성 및 저온인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판.
청구항 1에 있어서,
상기 강판은 Cr: 0.1~1.0%를 더 포함하고, Mn과 Cr의 합이 2% 이하인 내마모성, 내식성 및 저온인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판.
청구항 2에 있어서,
상기 강판은 Mn, Cr 및 Ni의 합이 2.5% 이하인 내마모성, 내식성 및 저온인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판.
청구항 1 내지 3중 어느 한 항에 있어서,
상기 강판의 미세조직은 50~80면적%의 펄라이트와 잔부 페라이트로 이루어지는 내마모성, 내식성 및 저온인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판.
청구항 4에 있어서,
상기 펄라이트 결정립 간의 간격은 200㎛ 이하인 내마모성 및 내식성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판.
청구항 5에 있어서,
상기 강판의 비커스 경도 값이 180~220Hv인 내마모성, 내식성 및 저온인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판.
중량%로, C: 0.2~0.35%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~1.8%, Ni: 0.1~0.6%, Nb: 0.005~0.05%, Ti: 0.005~0.02%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.05% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강슬라브에 대하여,
Ar3~Ar3+200℃의 온도범위에서 50% 이상의 잔압하율로 마무리 열간압연한 후 0.2~4℃/sec의 냉각속도로 냉각하는 내마모성, 내식성 및 저온인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 강슬라브는 Cr: 0.1~1.0%를 더 포함하고, Mn과 Cr의 합이 2% 이하인 내마모성, 내식성 및 저온인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판의 제조방법.
청구항 8에 있어서,
상기 강슬라브는 Mn, Cr 및 Ni의 합이 2.5% 이하인 내마모성, 내식성 및 저온인성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판의 제조방법.
청구항 7 내지 9중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각은 Ar3~Ar3+200℃의 온도범위에서 냉각을 개시하여 500℃ 이하에서 냉각을 종료하는 내마모성 및 내식성이 우수한 오일샌드 슬러리 파이프용 강판의 제조방법.