구조용 강재 및 이의 제조방법 document_id A220623110949

최근, 빌딩이나 교량 등의 건설 구조물이 고층화 및 대형화되면서 이들 구조물에 사용되는 구조용 강재는 고하중을 견딜 수 있도록 높은 강도 등이 요구되는 동시에 대형화되면서 후물 강재의 사용 비중이 증가하고 있다. 이러한 후물 강재를 용접하는 경우에는 고 능률의 용접법이 필수적으로 요구되며, 일렉트로 가스 및 일렉트로 슬래그 용접법이 광범위하게 사용되고 있다. 특히, 후물 강재의 사용 비중이 큰 건설 구조물에서는 1 패스 용접이 가능한 대입열 용접(High heat input welding)방식이 적용된다. 대입열 용접방식은 입열량이 증가할수록 용착량이 커져 용접 패스 수를 감소시킬 수 있기 때문에 용접 생산성의 측면에서 소입열 용접방식보다 유리하다. 그런데, 건설 구조물을 이루는 후물 강재를 대입열 용접방식으로 용접하는 경우에 강재의 용접열영향부(Heat Affected Zone; HAZ)는 1400℃ 이상의 고온의 환경에서 장시간 영향을 받기 때문에 저온 인성(low temperature toughness)이 저하되는 문제가 발생하였다. 즉, 용융선(fusion boundary) 근처의 용접열영향부는 입열량이 증가함에 따라서 오스테나이트(austenite) 결정립이 조대화되고, 이후 냉각과정에서 인성에 취약한 상부 베이나이트(upper bainite) 및 도상 마르텐사이트(martensite austenite constituent; MA)의 미세조직이 형성된다. 따라서, 건설 구조물의 신뢰성을 확보하는데 어려움이 있었다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 용접열영향부의 인성을 향상시키는 종래의 기술들을 살펴보면 다음과 같다. 우선, Ti계 탄질화물 등을 강재에 적절히 분포시켜 용접열영향부의 결정립 성장을 지연시키는 방식으로서, TiN 석출물을 통해 페라이트(ferrite)를 미세화하여 인성을 확보하였다. 이때의 질화물은 용접시 용해되지 않고 피닝의 효과를 통해 오스테나이트 결정립의 미세화에 기여한다. 그런데, 이러한 방식의 종래 기술은 용접열영향부를 1400℃ 이상의 고온의 환경에 장시간 노출시키는 대입열 용접과정에서 질화물이 모재에 용이하게 용해되어 소멸되는 문제점이 있었다. 또한, 통상의 구조용 강재는 B를 첨가하여 강도를 향상시키지만, 종래 기술에서는 N의 함량 범위 내에 고용B의 확보가 불가능하고, 첨가한 B가 BN으로 석출되어 강재의 강도를 저하시키는 단점이 발생하였다. 다른 종래의 기술로서 용접시 오스테나이트 결정립의 내에서 상변태(phase transformation)를 유도하여 오스테나이트 결정립을 미세하게 유지시키는 방식으로서, 고온에서 안정한 산화물, 황화물 또는 질화물로 이루어진 개재물의 형태, 조성 성분 및 개수를 적절하게 조절하여 강재에 분포시켰다. 그런데 개재물 입자의 형태, 조성 성분 등이 구체적으로 제시되지 않거나 또는 단순히 개재물의 개수만을 일정범위로 제시하여 구조용 강재에 실질적으로 구현하는데 어려움이 있었다. 또한, 상변태를 유도하는 종래의 방식을 그대로 구조용 강재에 적용하는 경우에 합금원소의 첨가량이 증가하면 저온 변태조직인 입내 침상페라이트(acicular ferrite)보다 그래뉼라 베이나이트(granular bainite) 및 베이니틱 페라이트(bainitic ferrite)의 혼합 미세조직이 먼저 생성된다. 즉, 입내 침상페라이트를 균질하게 생성시키기 위하여 오스테나이트 결정립 내에 분포시킨 산화물, 황화물 또는 질화물이 입내 침상페라이트의 핵 생성 촉진제로서 제대로 작용하지 못하는 문제점이 있었다. 또 다른 종래의 기술로서, 용접시 용접열영향부의 조직을 미세화하기 위하여 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하는 동시에 오스테나이트 결정립 내의 개재물을 통해 침상페라이트의 상변태를 유도하여 오스테나이트의 유효 결정립을 미세화시키는 방식이다. 구체적으로, 고온에서 안정한 나노(nano) 크기의 Mg 및 Ti계 복합 산화물을 이용하여 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하는 동시에 수 ㎛ 크기의 Mg 및 Ti계 복합 산화물을 입내 침상페라이트의 변태핵으로 작용시켜 용접시 용접열영향부의 결정립을 미세화시키는 방식이다. 일반적으로 용강 중에서 산화물의 생성 및 성장은 용강 중에 존재하는 용존산소와 탈산 원소의 반응에 의한 핵 생성 단계와, 용존산소의 확산에 의한 핵 성장 단계 및 용강의 젖음성(wettability)에 의한 합체 성장의 단계를 통해 이루어진다. 그런데 종래의 기술에서는 산화물이 나노 크기로 이루어지기 때문에 정련단계에서 연속주조단계까지 장시간 소요되는 강재의 제조과정에서 산화물이 성장 및 합체 성장되는 것을 억제하여 미세한 상태로 유지하기가 어려운 점이 있었다. 또한, 나노 크기의 산화물은 응고가 진행되면 덴드라이트(dendrite)에 포집되지 않고, 액상 영역에 잔존하게 되어 강재에 불균일한 분포를 나타내는 문제점이 있었다. 또한, 용접열영향부의 오스테나이트의 유효 결정립을 미세화하면 오스테나이트 결정립 내에서 개재물의 분포 분율과 경합관계에 있는 유효 결정립의 분율이 증가한다. 따라서, 결정립계 페라이트(gain boundary ferrite), 페라이트 사이드 플레이트(ferrite side plate) 또는 조대한 상부 베이나이트(upper bainite)가 우선적으로 상변태되기 쉬운 상태에 놓이게 된다. 그 결과 오스테나이트 결정립 내의 개재물을 기점으로 하는 침상페라이트의 상변태를 발생시켜, 입내 침상페라이트를 통한 결정립 내의 미세화가 어려운 점이 발생하였다. 이처럼 종래의 기술들은 1400℃ 이상의 고온의 환경에서 장시간 유지되는 대입열 용접방식이 적용되는 강재에 있어서, 강재의 인성을 개선 또는 향상시키는데 곤란하였다.