KR0165152B1 - 벨로우즈 성형용 페라이트계 스텐레스강 - Google Patents

Abstract

높은 스트레스 부식성 크랙발생에 대한 저항성을 가지는 벨로우즈로의 성형영 페라이트계스텐레스강은 중량%로 0.02% 이하의 C, 0.1 ∼ 1.5 %, Si, 1.0% 이하의 Mn, 11.0 ∼ 22.0 % Cr, 0.01 ∼ 0.08% A1, 0.015% 이하의 N, 또한 0.6% 이하의 Ti, 1.0% 이하의 Nb, 중 하나이상의 원소, 그리고 2% 이하의 Mn, 1.5% 이하의 Cu, 1.5% 이하의 Ni 중 하나이상의 원소를 함유하고, 압연방향에 대하여 직각방향으로의 단면에서 측정되는 단면에서 측정되는 결절립크기가 결정립도 평균 5.0 이상이 되도록 한 벨로우즈성형용 페라이트계스텐레스강.

Description

벨로우즈(Bellows) 성형용 페라이트계 스텐레스강

본 발명은 벨로우즈(Bellows)로의 성형을 위한 페라이트계 스텐레스강(ferrite stainless steel) 에 관한 것이다.

오스테나이트계 스텐레스강의 벨로우즈와 비교하면, 페라이트계 스텐레스강으로 만든 벨로우즈는 스트레스저항성과 부식성 크랙에 대한 저항성(corrosion crack resistance)이 극히 우수하다는 특성을 갖고 있다. 그러나, 벨로우즈로의 성형은 극히 어렵고, 성형중에 자주 파단이 발생한다. 본 발명은 벨로우즈로의 성형을 위한 페라이트계 스텐레스강에 관한 것으로, 성형중 발생되기 쉬운 파단의 량을 감소시킬 수 있는 발명에 관한 것이다.

가스, 용액 및 분말을 취급하는 여러가지 재료 및 장치의 재료는 대부분 금속관을 통해 이송된다. 이러한 금속관에서 중간부로 벨로우즈가 사용되는데, 이 벨로우즈는 열팽창과 진동을 초래하는 스트레인(strain)을 흡수해서 스트레인과 진동이 전달되는 것을 막아준다.

종래에는 동, 오스테나이트계 스텐레스강등을 벨로우즈 재료로 사용하였다. 그 이유는 다른 재료는 벨로우즈 조직으로 성형하는 것이 매우 어려웠기 때문이었다. 다시 말하면, 동과 오스테나이트계 스텐레스강은 냉간 가공시 큰 연신율을 가지고 있어 연신하여 벌즈가공(bulge processing)을 해야 하는 벨로우즈용으로는 가장 적합하다. 탄소강과 같은 BCC 결정들로 구성되는 금속은 벌징(bulging), 즉, 부풀음가공을 할 수 없는데 그 이유는 금속의 연성, 특히 용접부의 연성이 충분하지 못하기 때문이다.

그 반면, 오스테나이트계 스텐레스강제 벨로우즈가 용이하게 제조되긴 하지만 벨로우즈를 통해 통과되는 부식성용액 때문에 스트레스 부식성 크랙(stress corrosion cracks)이 발생되기 쉬운 문제가 있다. 이 벨로우즈는 구부림으로 침투선단부에서 스트레스와 진동을 흡수하고, 이러한 이유로 스트레스는 침투부와 리세스부(recessed portion)에서 항상 적용한다. 환언하면, 오스테나이트 스텐레스강이 높은 스트레스 부식성 크랙발생 감도(stree corrosion cracking susceptibility)를 가진 합금에도 불구하고, 벨로우즈는 스트레스가 결코 제거될 수 없는 성분이나 조직을 가진다. 벨로우즈는 오스테나이트계 스텐레스강으로 만들기 때문에 스트레스 부식성 크랙이 매우 생기기 쉬운 문제를 갖고 있다.

이러한 스트레스 부식성 크랙발생을 피하기 위해서는, 두 가지 방법이 있는데, 하나는 낮은 스트레스 부식성 크랙발생 감도를 가진 재료를 사용하는 방법이고 또 하나는 스트레스 부식성 크랙이 쉽게 일어나지 않는 조직, 즉 스트레스 부하를 허용하지 않은 조직을 사용하는 방법이다. 오스테나이트계 스텐레스강의 스트레스 부식성 크랙 발생감도를 줄이기 위한 선행 기술이 일본 특허공개공보 49-107915호에 개시되어 있다. 예를 들면, Cr, N, Mo 및 P 함유량을 줄이기 위해 Ni 함유량을 증가시키는 방법을 생각할 수 있다. 그러나 이러한 경우에도 스트레스 부식성 크랙발생(stress corrosion cracking)이 어느 정도 연장될 지는 몰라도 근본적으로 스트레스 부식성 크랙이 생기는 것을 막을 수는 없다.

한편으로는, 리세스 부위 또는 침투 부위에서 오목-볼록도를 증가시킨다거나 또는 리세스 된 부위의 굴곡각도를 줄인다거나, 또는 침투부위를 줄인다거나 하여 스트레스를 분산시켜서 이들 부위에 착용하는 스트레스의 역할을 감소케 하는 방법도 생각해 볼수 있다. 이 방법에 따르면, 그러나, 벨로우즈가 늘어지거나 또는 커지게 되어 관련장치 크기가 커지지 않으면 안되고 따라서 제조비용이 증가된다. 그러면서도, 스트레스 부식성 크랙발생 감도가 줄어들지 않게 되고 문제가 풀리지 않고 남게 되어 주위 환경조건에 따라 의존하게 되어 버린다.

이에 대해, 본 발명자들은 페라이트계 스텐레스강의 연신율을 제한하므로써 스트레스 부식성 크랙발생감도를 소멸시키는 현실적인 방법을 택하여 벨로우즈를 제조하는데 성공하였다.

그러나, 본 발명자들이 페라이트계 스텐레스강을 벨로우즈로 가공·제조함에 성공하였음에도 불구하고, 재료의 불충분한 연신으로 벨로우즈의 선단부 또는 성형 단부 등에서 특히 파단현상(breakage)이 성형중 자주 발생하였으므로, 오스테나이트계 스텐레스강을 가공하는 것보다 회수율이 매우 저조하였다. 따라서, 본 발명자들은 C 및 N 함유량을 종래 알려진 바에 따라 최소 함유량으로 줄여서 연신율을 향상시키기 위한 실험을 자주 실시하였다. 그 결과 인장시험결과 재료의 연신율이 매우 향상되었음을 확인하긴 하였으나 역시 벨로우즈의 선단부와 성형단부에서의 파단현상 발생은 기대치만큼 줄어들지 못했다.

따라서, 그 시편을 검사한 바, Al 및 O가 시편의 일부에서 검출되었으며 이 알미늄 산화물이 바로 파단에 관련이 있음을 발견하게 되었다. 즉, 파단현상은 게재물로부터 시작되고, 연신 파단(ductile breakage)으로 발전한다는 사실을 알게 된 것이다. 과거에는 피가공물을 구부리면, 특히 압연방향과 평형하게 구부리면, 유황게재물이 압연방향에 따라 구부릴 때 파단의 개시점으로부터 뻗어있음을 알 수 있고, 그 반면 구상의 알루미늄계의 게재물은 특히 조대하지 않는 한 해롭지 않은 것으로 믿어져 왔다. 그런데, 인장시험을 해본 결과 또한 알루미늄계 게재물이 특히 조대(coarse)해지지 않는 한 연신은 낮아지지 않음을 알게 되었다. 만일 알루미늄계 게재물이 파단의 원인이 된다면, 그에 대한 대책을 세워 알루미늄함량을 줄일 수 있다. 따라서 산가용성 알루미늄(acid-soluble aluminum)으로 하여, Al 첨가량을 0.005 중량%이하로 첨가하면 탈산이 불완전하게 되고 Al형 게재물이 없어지더라도 많은 량의 실리콘계 게재물이 없어지더라도 많은 량의 실리콘계 게재물이 발생되는데, 이 재료를 벨로우즈로 성형하지 않아도, 이는 과거 경험에 비추어 피할 수 없는 현상이어서, 이렇게 하여 가공성 크랙이 진전된다. 다시 말해, Al을 첨가하면, 알루미나계 게재물이 생기고, 반대로 Al함량을 줄이면, 탈산이 불완전해져서 Si형 게재물이 다량 생기게 된다는 뜻이다. 어느 경우든, 게재물로 인한 크랙발생은 방지될 수 없다.

이와같이, 본 발명자들은 종래의 벨로우즈 가공에 대한 장애물과는 다른 현상에 직면하게 되었고, 종래의 개념으로는 이러한 문제를 풀 수 없는 지경에 이르게 되었다.

따라서, 본 발명자들은 종래의 개념과는 다른 게재물로 인해 가공 크랙발생을 방지하므로써 페라이트계 스텐레스강을 벨로우즈 재료로 할 때의 회수율과 생산성을 향상시키기 위한 연구에 들어가게 된 것이다.

이렇게 하여 본 발명자들은 페라이트계 스텐레스강을 벨로우즈로 성형할 때 발생되는 파단의 조건을 여러가지로 분석하여 보았다. 그리고 크랙발생빈도는 최종 아닐링온도가 높아서 만들어지는 비교적 연한 재료에서 많다는 뜻밖의 사실을 발견하게 되었다. 이것은 이 경우 그 연신율이 향상될 수 있음에도 불구하고 또한 최종아닐링온도가 높을 경우, 그리고 최종아닐링 온도가 성형시 크랙발생을 줄이는 질적 이점이 있음에도 불구하고 재료의 강도 자체가 너무 낮아져서 발생되는 것이 아닌가 생각되었다. 그런데, 재료의 기계적 특성을 인장시험으로 규명해본 결과, 강도의 감소수준과 연성의 향상수준은 항상 일치하지 않는다.

한편, 페라이트계 스텐레스강을 벨로우즈로 성형할 때에 발생되는 파단부위를 자세히 살펴본 바, 알루미나계 게재물이 결정입계에 존재하면, 이들 게재물이 바로 파단의 개시점이 되는 확율이 극히 높음을 알게 되었다. 이 사실을 전술한 사실과 같이 결부하여 생각해 본 결과, 크랙발생은 재료의 최종아닐링온도가 높아지면 줄어들 수 있을 것이므로, 최종아닐링 온도는 높이고, 결정립은 더욱 크게 하면, 결정립계에 존재하는 알루미나계 게재물(alumina type inclusions)은 그 량이 줄어들게 되어 벨로우즈로 성형할 때 생기는 파단발생율은 따라서 줄어들게 된다는 결론에 도달하였다.

결정립계에 존재하는 위 게재물이 어떻게 하여 벨로우즈의 성형시 파단발생에 지대한 영향을 미치는 가에 대해서는 아직 명확히 규명되지 못하고 있다. 그러나, 벨로우즈로 성형하는 것은 인장시험이나 굴곡시험과 같이 한 방향(一方向)으로의 변형이 아니고, 2차원 가공프로세스(two-dimensional process)이므로, 이 역시 평면상의 방향에서의 변형을 포함하기 때문에 이러한 변형모드(deformation mode)상의 차이가 영향을 미치는 것으로 추정된다.

상술한 결과에 따라, 알루미나계 게재물외의 다른 게재물들도 결정립계에 존재하게 될 때, 벨로우즈로의 성형시 파단을 더욱 쉽게 일어날 수 있음 추론하였다. 따라서, 이러한 파단발생을 줄이기 위해서, 가능하다면, 게재물을 한꺼번에 결정립계에서 줄일 수 있는데 까지 줄이는 것이 매우 중요하다.

종래의 개념으로는, 압연방향으로 뻗는 게재물은 게재물에 대한 정각(right angles)으로의 방향에서 연신(굴곡)에 해가 되는 것으로 생각되어 왔다. 강의 산소가 충분하지 못하면, Si 형의 뻗쳐진 게재물(Si-type stretched inclusions)이 발생되므로, 탈산을 행함이 중요하게 되어 이 목적으로 Al을 첨가하는 것은 불가피한 것이다.

본 발명의 기술적 개념은 전술한 바와같은 개념에 따라 결정립의 크기를 크게하여 게재물의 존재가능성을 줄이므로써 벨로우즈로 성형할 때 발생되는 크랙방지에 있다. 벨로우즈로의 성형에 사용되는 벌징은 원재료에 2차원 변형을 부여해준다. 그리고, 벨로우즈로 강관을 성형할 때에, 압연방향에 대해 직각방향으로 변형케 할 때 더욱 크다. 한편, 페라이트계 스텐레스강은 통상 압연방향으로 뻗친 결정립계를 가지고 있으므로, 결정립계에서 특히 큰 것으로 믿어지고 있다. 따라서, 본 발명은 결정립 크기를 크게 키워서 결정립계에 있는 게재물의 존재확율을 단순히 줄이는 것 뿐 아니라 압연방향에 평행하게 있는 결정립을 줄이는 데에도 초점을 두고 있다.

상술한 기술적 개념에 입각하여 여러 가지 실험을 행해본 결과, 벨로우즈의 성형시 크랙발생은 결정립크기를 제한하면 크랙발생이 엄청날 정도로 줄어들 수 있음을 알게되었고, 압연방향에 직각인 방향으로 단면을 측정해 본 결과 이는 결정립 크기 번호로 8.5이하, 가급적 8.0이하, 특히 7.5이하로 하였을 때 그러함을 알게 되었다. 이 결정립 크기번호, 즉 입도는 미국 ASTM표준 규격에 따른 것이다.

압연방향에 대해 직각단면에서 측정되는 결정립크기를 제어하는 방법과 압연방향에 대해 평행한 단면에서 측정되는 결정립크기를 제어하는 방법은 종래의 개념을 확대 내지 결합하여 행하는 것이다.

냉간압연재의 재결정은 냉간압연전 결정립이 냉간압연으로 압연방향으로 뻗고, 또한 뻗어있는 결정립이 이어지는 아닐링으로 절단되는 방법으로, 그리고 분할된 재결정으로 진행되는 식의 방법으로 일어난다. 만일 냉간압연전의 결정립이 크거나, 감면율이 작으면, 이 경우, 압연방향에 직각인 단면에서 측정되는 결정립크기 재결정의 개시점 또는 시작점이 아닐링온도를 낮추므로써 낮아지면, 압연방향에 평행한 단면에서 측정되는 결정립 크기는 커지게 된다. 아닐링온도가 더욱 낮아지면, 결정립은 더이상 재결정으로 진행되지 않고 연화(軟化)만 이루어지게 된다. 이 경우, 결정립은 압연방향으로 압연 및 냉간압연되는 결정립과 다르지 않게 된다.

따라서, 냉간압연전에 결정립 크기에 따라 적절한 감면율을 선택하여 압연방향에 직각인 단면에서 측정되는 결정립크기를 조절하는 것과, 또한 적절한 온도로 아닐링온도를 설정하여 압연방향에 평행한 단면에서 측정되는 결정립의 크기를 조절할 수가 있게 된다.

다시 말하면, 압연방향에 대해 직각인 면과, 압연방향에 대해 평행인 면에서 측정되는 결정립크기는 냉간압연전에 결정립크기를 적절히 선택하고, 또한 냉간압연의 감면율과 아닐링온도를 적절히 선택하면 결정립크기를 적절히 제어할 수 있게 되는 것이다.

본 발명은 상술한 기술적 개념을 기초로 하여 완성한 것으로, 이를 구체적으로 설명한다. 먼저 본 발명은 페라이트계 스텐레스강을 벨로우즈로 성형함에 있어(이하 모두 중량%(wt.%)임)

로 구성되는 강을 사용한다. 여기에서 압연방향에 대하여 직각방향에서의 단면으로 측정되는 결정립크기는 결정립도 8.5를 넘지 않으며, 압연방향에 평행한 면에 직각인 면에서 측정되는 결정립크기는 결정립도 평균 5.0보다 작지 않다.

벨로우즈의 사용온도가 600~900℃로 되면, 원재료에 석출되어 있는 Cr의 탄질화물(carbonitrides)은 정상온도에서, 다시 결정립계에서 석출하기 위해, 다시 고용체로 되어 더욱 조대해져서 원재료의 강도를 낮추고, 피로개시점에서 작용하게 되어 부식피로를 가져온다. 이 재석출은 제조중 원재료 단계에서, 이 온도범위내에서 고용체를 진행시키지 않는 탄화물 또는 질화물의 그것에 대하여 Cr탄질화물을 고정시키면 이 재석출이 없어질 수 있다. 따라서, 본 발명자들은 C, N을 Ti과 Nb을 첨가하여 각각 이들 Ti과 Nb의 각각 전화시켜 높은 온도에서도 안정되도록 하였다.

이와같이 온도가 높은 범위내에 있게 되면, 여러가지 염이 주위에 존재하게 되는데, 자동차 배기시스템에서와 같은 높은 온도를 가진 곳에서 이들 염이 달라붙어 통상 용융염 부식(molten salt corrosion)으로 녹아난다. 이 경우, 소위 용융염부식저항이 산화저항외에 또한 필요하다. 그런데, 적절한 향의 실리콘(Si)을 첨가하면 안정된 실리콘 산화막(Si-oxide film)을 만들게 되어 이러한 용융염부식방지에 효과적이다.

다음, 본 발명자들은 자동차배기시스템에서와 같이 600~900℃의 환경을 가진 곳에 사용되도록 하는 한가지 예로서 제2 개념을 완성하였다. 즉, 본 발명은 벨로우즈로 성형하기 위한 페라이트계 스텐레스강의 구성성분(이하 중량%로 나타낸다)으로 되고,

로 되고, 또한, 다음 중에 적어도 하나 이상의 성분으로 구성되며, 즉,

그 외에 불가피 함유 불순물 및 Fe로 구성된다. 여기에서 압연방향에 대하여 직각 방향으로의 단면에서 측정되는 결정립크기는 결정립도 8.5 이하이고, 압연방향에 대하여 평행한 단면에서 측정되는 결정립크기는 결정립도가 평균 5.0 이상이다.

셋째, 벨로우즈는 장치취급용 화학제 구성품으로서 사용되기도 한다. 이 경우, 지금까지 알려진 화학적 저항성은 원소의 참가성을 향상시켜서 부식저항성에 대한 요구를 만족시켜준다.

세 번째 및 네 번째 발명은 전술한 개념에 따른 라인에서 높은 부식저항성이 요구되는 용도에 일실시예로서 완성된 것으로 본 발명을 또한,

벨로우즈로 성형하기 위한 페라이트계 스텐레스강은 다음 성분(중량%)

여기에서 압연방향에 대해 직각방향으로의 단면에서 측정되는 결정립크기는 결정립도로 8.5 이하, 압연방향에 직각으로 되는 단면에 평행한 단면에 대하여 직각인 단면에서 측정되는 결정립크기는 결정립도가 평균 5.0 이상으로 된다.

네 번째, 본 발명은 다음의 페라이트계 스텐레스강을 부여한다. 즉,

그외에 기타 불가피 함유불순물 및 Fe로 구성된다. 여기에서 결정립크기는 압연방향에 대해 직각 방향으로의 단면에서 측정되는 결정립의 크기는 결정립도 8.5 이하, 압연방향에 대해 평행한 단면에 측정되는 경우 결정립도가 평균 5.0 이상이다.

다음, 본 발명상의 제한조건을 아래에 설명한다.

페라이트계 스텐레스강을 벨로우즈로 성형할 때 이 스텐레스강은 탄소(C)로 0.02 중량 % 이하, 질소(N)를 0.015 중량% 이하로 제한한다.

페라이트계 스텐레스강은 오스테나이트계 스텐레스강보다 아주 높은 스트레스 부식성 크랙에 대한 저항성을 가지는데, 이 크랙에 대한 저항성은 벨로우즈에서의 크롬(Cr) 함량에 관계없다. 그러나, 만일 Cr 함량이 11 중량% 미만으로 낮으면, 부식저항성이 극히 낮아지고, 반대로 22중량% 이상 과도하게 첨가하면, 기계가 공성이 악화된다.

따라서, 그 상한치를 22.0 중량%로 설정한다.

원재료에서의 C함량이 0.02 중량%를 초과하면, 벨로우즈로 강을 성형하는 것이 매우 어려워지고, 설사 성형이 되더라도 원재료에 석출하는 Cr 탄화물(carbines)로 인해서 피로특성이 악화된다. 이러한 이유로, 그 상한치는 0.02 중량%로 설정한다.

만일 원료에서의 N 함량이 0.015 중량%를 초과하면, 벨로우즈로의 성형은 C의 경우와 같이 어려워지고, 성형이 되더라도 역시 원재료에 석출하는 Cr질화물(nitrides)로 인해 피로특성이 악화된다. 따라서, 그 상한치는 0.015 중량%로 설정한다.

알루미늄(Al)은 탈산에 필요한 원소이나, 그 영향범위는 하한치를 0.01중량%로 제한한다. 만일 Al 첨가량이 상한 설정치 이상 많아지면, 용액의 점도가 높아져서 탈산제로서의 알루미나계 게재물의 유동도를 제한하고, 그와 같은 게재물을 잔류시키기 쉽게한다. 더욱이, 원재료의 연성이 낮아진다. 따라서, 그 상한치를 0.08 중량%로 설정한다. 결정립계를 줄이기 위해 특히 압연방향에 거의 평행한 결정립 내면을 줄이기 위해, 압연방향에 직각방향에서의 단면에서 측정되는 결정립크기를 입도 8.5 이하로 제한한다. 이 입도는 가급적 8.0 이하, 보다 바람직하게는 7.5 이하로 제한한다. 이렇게 하면, 벨로우즈의 성형시 스텐레스강에서 일어나는 크랙발생이 대폭 줄어든다. 만일, 결정립크기가 너무 크면, 가공중 일어나는 오목볼록등 요철이 커져서 사용중 피로특성이 악화된다. 따라서, 그 하한치를 평균입도 5.0 이하가 되지 않도록 설정하는데, 이 경우 압연방향에 대하여 평행한 단면(seks면)에 직각되는 단면(C단면)에서 측정된다.

제2 발명에서는, 자동차 배기시스템과 같이 600~900℃의 주위환경에 사용할 수 있는 실시예로서 Si를 첨가하는 것이 특징이다.

용융염 부식저항성을 확보하기 위해, 600~900℃의 온도범위에서 안정된 Si산화막을 형성하지 않으면 안되고, 이 목적으로 적어도 Si 0.1 중량% 이상 첨가하지 않으면 안된다. 그러나, Si를 상한치 이상으로 과도히 첨가하면, 벨로우즈 강을 성형하는 것이 극히 어려워지고, 설사 성형이 되더라도, 침투 부위와 리세스부위사이의 차이가 작아져서 벨로우즈 기능확보를 위해 극히 조직이 길게 늘어지지 않으면 안되므로, 그 상한치를 1.5 중량%로 설정한다.

원재료를 벨로우즈로 성형할 때 기계가공성을 확보하는데 Mn이 필요하더라도, Mn은 그 상한치를 1.0 중량%로 설정한다. 그 이유는 Si을 용융염부식에 대한 저항성을 확보하기 위해 첨가하기 때문이다.

제3 발명은, 일실시예로서 용접방법상 그리고 피로특성의 열화의 배제라는 측면에서 또한 사용중 석출에 의한 조대화로 부식피로특성상 심한 제한이 요구되지 않는 것으로 티타늄(Ti) alc 니오븀(Nb)이 첨가되는 것을 특징으로 한다.

용접시 Ti이 고용체로 진행하면, C와 N 함유량 합계의 4배이상으로 균형을 잡아주게 된다. 따라서, 이 값은 하한치로 설정된다. 티타늄(Ti)이 다량 첨가되면, 그러나, N을 흡수하게 되고, 또한 용접시 질화물을 발생케 하므로, 용접방법상의 제한이 다시 필요해진다. 따라서, 상한치를 0.6%로 설정한다.

Nb이 용접시 고용체로 진행하면, 이것을 C와 N의 주요부를 고정해주고, 그 증가가 적어도 C와 N함유량 합계의 8배 이상으로 균형을 잡아주게 된다. 따라서, 이 값을 하한치로 잡는다. Nb이 다량 첨가되면, 그러나 N을 흡수하게 되고, 또한 용접시 질화물을 발생케 하므로 용접방법상의 제한이 다시 필요해진다. 따라서, 그 상한치를 1.0%로 한다

네번째 발명은 높은 부식저항성을 필요로 하는 용도에 대한 것으로, Mo, Cu 및 Ni 중 하나 이상의 원소가 첨가되는 것을 특징으로 한다.

Mo은 특히 염소이온(chlorine ion)에 효과적이지만 2% 이상 첨가하면 기계가공성이 떨어지고 벨로우즈로 기계가공하는 것이 어려워진다.

Cu는 부식저항성을 향상 시키고 황산을 함유하는 낮은 PH환경에서 더욱 그러하나, 1.5%를 초과할 정도로 첨가하면, Cu는 고용체로 전환되지 못하고 용접부의 결정립계에 석출되어 벨로우즈로 성형하기 어렵도록 하므로, 이 값을 상한치로 설정한다.

Ni도 낮은 PH환경하에서 부식저항성, 즉 내식성을 향상 시키나, 1.5%를 초과할 정도로 첨가하면, 용접부 마르텐사이트상(martensite phase)이 발생되어 벨로우즈로 성형하기 어렵게 하므로, 이 값을 상한치로 설정한다.

페라이트계 스텐레스강은 기본 금속으로서 벨로우즈의 침투부위와 리세스부위 사이에서의 직경차이를 충분히 확보할 수 있다. 이는 C와 N 함유량을 낮은 수준으로 제한하므로써 이루어질 수 있다.

게재물을 줄이기 위해 Al를 제한하면 탈산이 확실히 이루어지는데, 동시에 결정립계에 존재하는 이 게재물들은 페라이트계 스텐레스강판을 벨로우즈로 성형하는 동안 파단이 일어나게 하므로 특히 해로워 압연방향에 평행한 결정립계 역을 제한하면 줄어들게 된다. 이렇게 하면, 2차원 변형으로 인해 그리고 낮은 강도를 갖는 결정립계는 줄어들게 결국 벨로우즈로의 성형시의 파단발생이 줄어들게 된다.

적절한 량의 Ti을 기본 금속인 모재에 첨가하기 때문에, 용접부 및 열영향부(heat affected portions)에서의 Cr 탄화물(carbides)의 석출이 없어지게 되고, 입계 부식발생이 없어지고, 전면에 걸친 내부식성 악화 또한 없어지게 된다. 따라서, 녹아난 부위와 열영향부를 최소화하기 위한 수단은 용접방법상의 심한 제한이 필요없게 된다.

또한, 적절한 량의 Ti을 첨가하므로, 원재료에서 600~900℃의 환경하에서 석출되는 Cr 탄화물은 다시 고용체로 진행하고 결국, 원재료의 강도저하, Cr 탄화물의 결정립계에서의 재석출로 인한 피로특성의 악화등은 없어지게 된다. 적절한 량의 Si을 첨가하고 Cr 함량을 제한하면, 안정된 Si산화막이 기본적으로 Cr을 구성하는 산화막에 덧붙여 형성된다. 따라서, 산화저항성이 향상되고 주위 환경에 존재하는 여러가지 염의 고착 및 용융으로 인해 발생되는 용융염 부식에 대한 소위 용융염 부식저항성이 향상된다. 그 결과, 벨로우즈로의 페라이트계 스텐레스강은 자동차 배기시스템에서와 같은 600~900℃의 높은 온도환경에서도 우수한 성형성을 갖게 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 값비싼 Ni을 함유하지 않고도 스트레스 부식성 크랙발생에 대한 우수한 저항성을 갖는 경제적인 페라이트계 스텐레스강으로 부터 벨로우즈를 극히 높은 회수율로 가공할 수 있게 한 것이다. 종래, 페라이트계 스텐레스강이 벨로우즈로 성형 가능하게 되는 경우가 있더라도, 파단발생에 있어 오스테나이트계 스텐레스강보다 파단발생이 심하여 회수율이 저하되고 매우 높았다. 그러나 본 발명으로 그 제조회수율은 매우 향상 되었을 뿐아니라 닉켈을 거의 함유하지 않아 제조 코스트가 매우 내려가는 잇점을 가져다 주었다.

본 발명에 의한 강은 높은 온도피로와 용융염부식의 두가지 환경하에서도 만족스럽게 벨로우즈를 제조할 수 있게 하였고, 또한 자동차배기시스템에서와 같은 600~900℃의 높은 온도로 사용되는 환경하에서도 스트레스 부식성 크랙발생을 크게 줄여주었다.

그 결과, 벨로우즈를 사용하는 장치의 정비를 극히 단순화하게 만들어 주었고, 장치의 내구성을 전체적으로 연장시켜 주었다. 정비가 단순화 되므로 생한성이 향상되어 산업상 이용가능성을 크게 높여 주었다.

[실시예]

[실시예 1]

외경 55㎜^ø를 가진 전기용접강판을 0.7㎜ 두께의 냉연강판(아닐링한 재료)을 이용하여 조관한 바 그 결과를 표 1에 실었다. 이 경우, 각 냉연 및 아닐링 된 재료의 결정립은 냉간압연감면을 및 냉간압연후의 아닐링온도로 조정하였다. 최고 피크 핏치 15㎜를 가진 벨로우트를 제조하여 테스트 한 바, 세 가지 피크의 높이는 각각 10,11,12㎜로 하고, 피크의 총수는 18, 전장은 약 250㎜의 길이로 하여 각 용접관으로 부터 수압 벌징(hydraulic bulging)을 행하였다. 표2는 원재료의 각 결정립 크기와 그 결과사이에 관계를 보여준다.

제1번 ∼ 9번의 본 발명강에서는 피크높이(peak height) 10㎜를 가진 벨로우즈로 가공했을 때 크랙이 전혀 발생되지 않았다. 그러나 피크높이 11㎜였을때, 제2번강에서 크랙이 발생하였는데, 이 강에서는 압연방향에 직각되는 단면에서 결정립 크기를 측정한 것이다. 제7번강은 산높이가 12㎜였다. 그 반면, 크랙은 제10번강, 11번강에서 발생하였는데, 여기에서는 압연방향에 대하여 직각방향으로의 단면(C단면)에서 측정된 결정립크기가 매우 컸다. (결정크기는 작았다) Al산화물로 추정되는 산화물은 시편을 눈으로 검측결과 개시점으로 추정되는 부위 근처에서 검출되었다.

제12번강(G강)은 Al을 다량첨가한 것으로 이 강에서 크랙 또한, 벨로우즈 성형시 발생되었다. 매우 조대한 Al형 게재물 또한 시편의 개시점으로 추정되는 부위에서 검출되었다. 제13번강(H강)은 높은 N 함유량을 갖고 있고, 높은 강도, 낮은 연신율을 가진 강이어서 크랙이 발생되었다. 벨로우즈로 성형시 Al 첨가량이 적은 제14번강이(l 강)에서도 크랙이 발생되었다. Si형 게재물을 다량 나타낸 시편을 검측한 바, 개시점과 같이 이들 게재물로 파단이 발생한 것으로 추정되었다.

위 표1을 보면, 본 발명강(본 발명상의 성분조성범위내에 드는 강)과 본 발명상의 성분조성범위를 벗어나는 비교강 즉, 강 G인 경우 : 0.035%로서 상한 0.02% 초과, Al도 0.108%로서 상한치인 0.08%초과, 측 Al 과다함유강, 그리고 강 H인 경우 N : 0.0181%로서 하한치인 0.015% 초과, 강 I인 경우, Al : 0.001%로서 하한치 0.01%보다 훨씬 적은 함량으로 과부족임을 나타내고, 이들 비교강은 모두 표2로 연결. 대비하여 보면, 비교강 G,H,I는 모두 기계가공시 산(피크)의 높이가 12㎜는 물론 11㎜, 10㎜의 경우에도 모두 크랙이 발생하였다.

또한, 본 발명강이라 하더라도, 평균 결정립크기 상한치 8.5 이상인 2번강,(7번강은 예외) 10번, 11번강은 모두 크랙 발생되었으며, 평균결정립크기가 8.0이하, 특히 7.5보다 적은 경우에는 표2에서 보는 바와 같이 모두 크랙 발생이 없었다.

이로 미루어보아, 특히 조직의 결정립도가 큰 영향을 미치는 것을 알게 되었다.

Claims (6)

1. 페라이트계 스텐레스강(ferritic stainless steel)을 벨로우즈(bellows)로 성형함에 있어, 중량%로,

   나머지는 Fe 및 불가피함유 불순물로 구성되는 것으로서, 압연방향에 대해 직각방향에서의 단면으로 측정되는 결정립의 크기는 결정립도 8.5 이하이고, 압연방향에 평행한 면에 직각인 면에서 측정되는 결정립의 크기는 결정립도 평균 5.0 이상인 것으로 이루어지는 벨로우즈 성형용 페라이트계 스텐레스강.
2. 페라이트계 스텐레스강을 벨로우즈로 성형함에 있어, 중량%로

   그 외에 불가피함유 불순물 및 Fe로 구성되는 것으로서, 결정립크기는 압연방향에 대해 직각방향으로의 단면에서 측정되는 결정립크기가 결정립도 8.5 이하이고, 압연방향에 평행한 단면에서 측정되는 결정립크기가 입도번호 평균 5.0 이상으로 되는 것으로 이루어지는 벨로우즈 성형용 페라이트계 스텐레스강.
3. 페라이트계 스텐레스강을 벨로우즈로 성형함에 있어, 중량%로

   중 적어도 하나 이상의 성분으로 구성되며, 그 외에 Fe 및 불가피함유불순물로 구성되는 것으로서, 결정립크기로 압연방향에 대해 직각방향으로의 단면에서 측정되는 결정립크기가 결정립도 8.5 이하이고, 압연방향에 직각으로 되는 단면에 평행한 단면에 대하여 직각인 단면에서 측정되는 결정립크기가 결정립도 평균 5.0 이상으로 되는 것으로 이루어지는 벨로우즈 성형계 페라이트계 스텐레스강.
4. 페라이트계 스텐레스강을 벨로우즈로 성형함에 있어, 중량%로

   : C 및 N 함유량의 합계의 적어도 8배이상으로서 1.0% 이하 중 적어도 하나 이상의 성분으로 구성되며, 또한,

   중 적어도 하나 이상의 성분으로 구성되며, 그 외 불가피함유불순물 및 Fe로 구성되는 것으로서, 압연방향에 대하여 직각방향으로의 단면에서 측정되는 결정립크기가 결정립도 8.5 이하이고, 압연방향에 대하여 평행한 단면에 직각인 단면에서 측정되는 결정립크기는 결정립도 평균 5.0 이상으로 되는 것으로 이루어지는 벨로우즈성형용 페라이트계스텐레스강.
5. 제1항내지 제4항 중 어느하나의 항에 있어서, 상기 압연방향에 대해 직각인 방향에서의 단면에서 측정되는 결정립크기는 결정립도 8.0 이하이고, 또한 압연방향에 대해 평행한 단면에 직각인 단면에서 측정되는 결정립크기는 결정립도 평균 5.0 이상으로 되는 것으로 이루어지는 벨로우즈성형용 페라이트계 스텐레스강.
6. 제1항내지 제4항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 압연방향에 대해 직각인 방향에서의 단면에서 측정되는 결정립크기는 결정립도 7.5 이하이고, 또한 압연방향에 대해 평행한 단면에 직각인 단면에서 측정되는 결정립크기는 결정립도 평균 5.0 이상으로 되는 것으로 이루어지는 벨로우즈성형용 페라이트계 스텐레스강.