KR100196984B1 - 우수한 내고온산화특성과 인성을 갖는 al함유 페라이트계 스테인레스 강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 0.03% 이하의 C, 0.25% 미만의 Si, 0.25% 미만의 Mn. 0.03%, 이하의 P, 0.001% 미만의 S, 0.03% 이하의 N, 15 내지 25% 의 Cr, 3 내지 6% 의 Al, 0.01 내지 0.2% 의 1 종 이상의 REM, Y 및 알칼리 토류와, 잔부 Fe 및 불가피적인 불순물로 이루어진 페라이트계 스테인레스 강을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 강은 우수한 내 고온 산화특성을 갖고 특히 이상 산화에 대한 저항성과 높은 인성을 가지므로, 자동차 배기가스 처리용 금속촉매변환기를 위한 박막 기판제조에 적절하다.

Description

우수한 내 고온 산화특성과 인성을 갖는 Al 함유 페라이트계 스테인레스 강

제1도는 실온에서, 20Cr-5Al-0.1Ti-0.1La 강의 충격강도에 미치는 Mn 과 Si 의 영향을 도시하는 그래프.

본 발명은 자동차 배기 가스처리 장치, 난방장치등에 사용되는 Al 함유 페라이트계 스테인레스 강에 관한 것이다.

Al 함유 페라이트계 스테인레스 강은 우수한 내 고온 산화특성을 가지므로 난로 굴뚝, 전기 난방수단등과 같은 난방장치의 부품에 널리 사용된다.

최근에, 이러한 스테인레스강이 상기 난방장치에 사용된 세라믹 재료 대신에 촉매 변환기의 기판으로서 사용되어 오고 있다. 종래, 세라믹은 열 충격에 약하고 열용량이 크므로, 촉매반응을 위한 온도까지의 승온시간이 길어지는 문제를 갖고 있었다. 그러므로, 세라믹 촉매 변환기의 결함을 개선한 금속 촉매 변환기가 본 기술분야의 기술자에게 주목되고 있다. 금속 촉매 변환기의 기판은 약 50 마이크론 정도의 두께를 갖는 금속 박막으로 형성된다.

상기 기판은 촉매 반응이 일어나는 배기가스 분위기에서 사용되므로 우수한 내 고온 산화특성을 갖어야 한다. 이러한 점에서, 상기 목적을 위해, 필수적으로 20Cr-5Al 을 함유하고, 회토류(REM), 이트륨(Y)등을 함유하는 고 Al 함유 페라이트계 스테인레스 강이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 강에서도 충분한 내 고온 산화특성이 얻어지지 않고, 장기간 고온 산화되면 이상 산화가 발생된다. 고온 배기 가스를 방출하는 고동력 엔진이 사용되고 있고, 엔진에 보다 인접하게 위치된 매니폴드 변환기를 사용해야 하므로 변환기는 필연적으로 고온의 배기 가스를 처리 해야 한다.

금속 변환기에 사용된 종래의 강 재료는 상기 조건에 부적절했으므로, 보다 우수한 내 고온 산화 특성을 갖는 Al 함유 페라이트계 스테인레스 강이 요구되어 왔다.

이러한 종류의 강은 1988년 일본국 특허 공개 공보 제76850 호 및 제45351 호등에 기술되어 있다. 상기 강은 1150℃ 에서 200 시간 이내의 산화를 견뎌냈다. 그러나 상기 레벨의 내산화성은 내산화성의 충분한 레벨이 되지 못했다.

Al 함유 페라이트계 스테인레스 강은 슬래브 및 열연판의 인성에 영향을 주고 특히, 고레벨의 Cr 과 Al 을 함유하는 금속 촉매 변환기용 강은 인성이 약해서 대량생산 라인에서 제조할때 많은 문제를 야기시킨다는 점은 공지된 사실이다.

Cr, Al, REM. Y 등의 용량의 증가는 고 Al 페라이트계 스테인레스 강의 내 고온 산화특성을 향상시키는데 효과적이다. 그러나, 내 고온 산화특성의 관점으로 부터, Cr, Al. REM 및 Y 을 많이 함유하면, 슬래브 및 열연판의 인성이 저하되어 제조성을 악화시켜 제조불가능하게 한다. 또한, REM 및 Y 는 매우 비싼 재료이므로 제조단가를 상승시킨다. 그러므로, Cr, Al. REM 및 Y 의 용량은 얼마 만큼 이상 상승될 수 없다.

이러한 환경하에서, 종래의 금속 변환기의 스테인레스 강과 같은 레벨의 Cr, Al, REM 및 Y 를 함유하면서, 금속 촉매 변환기 재료를 위해 적절한 우수한 내 고온 산화특성, 양호한 인성 및 우수한 제조성을 갖는 신규한 페라이트계 스테인레스 강이 요구되고 있다.

본 발명은 박막재료의 표면에 형성된 Al₂O₃가 이상 산화를 일으키지 않고 충분한 내 고온 산화특성, 우수한 인성 및 양호한 제조성을 갖는 금속 촉매 변환기용 Fe-Cr-Al-REM, Y 페라이트계 스테인레스 강을 제공하기 위한 것이다. 본 발명자들은 망간(Mn)계 산화물이 이상산화 발생 직전에 강의 표면에 형성된 A1₂O₃로 침입되는 것을 발견하였다. 그래서, A1₂O₃층으로의 침입과 망간계 산화물의 형성을 억제하는 것을 생각하고서, Mn 과 Si 양을 각각 0.25% 미만으로 한정하고 종래의 Al 함유 페라이트계 스테인레스 강에 V, Ti 및 Nb 를 임의 첨가 함으로써, 초박막 상태하에서 우수한 내 고온 산화특성, 부가의 우수한 인성 뿐만아니라 양호한 제조성을 갖는 페라이트계 스테인레스 강이 얻어질 수 있었다.

본 발명은 0.03% 이하의 C, 0.25% 미만의 Si, 0.25% 미만의 Mn, 0.03% 이하의 P, 0.001% 미만의 S, 0.03% 이하의 N, 15 내지 25% 의 Cr, 3 내지 6% 의 Al, 0.01 내지 0.2% 의 하나이상의 REM, Y 및 알칼리 토류와, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하는 페라이트계 스테인레스 강과,

상술된 조성물과 0.05 내지 1% 의 적어도 하나의 Nb, V 및 Ti 를 부가로 포함하는 페라이트계 스테인레스 강을 제공한다.

본 발명에서. Mn 함유량은 양호하게는 0.21% 이하, 보다 양호하게는 0.13%이하이다. Si 함유량은 양호하게는 0.22% 이하, 보다 양호하게는 0.17% 이하이다.

상술한 바와같이 본 발명의 강의 조성물을 한정하는 이유를 하기에 후술한다.

C : 내 산화특성에 대한 관점에서, C 량이 증가하면 이상 산화를 발생하기 쉽게된다. 고 Al 함유 페라이트계 스테인레스 강에서 C 량이 증가되면, 슬래브와 핫코일의 인성이 악화된다. 이러한 사실로 C 량은 0.03% 이하로 제한했다.

Si : Si 량은 본 발명의 강에서 가장 중요한 원소이다. 일반적으로 Si 는 내 고온 산화특성에 효과적이다. 그러나, 고 Al 함유 페라이트 강의 경우에서, 내 고온 산화성은 Si 량을 저감시킴으로써 현저하게 향상된다. 본 발명자들은 고 Al 함유 페라이트계 스테인레스 강의 내 고온 산화특성은 Si 량과 Mn 량을 동시에 저감시킴으로써 현저하게 향상된다는 사실을 발견하였다. 또한, 고 Al 함유 페라이트계 스테인레스 강의 인성이 Si 량을 저감시킴으로써 현저하게 향상될 수 있다. Si 량을 0.25 미만으로 저감시키면 상술된 효과가 얻어 진다는 사실을 발견하였다.

Mn : 본 발명에서, Mn 도 중요한 원소이다. 일반적으로 Mn 은 열간 가공성을 향상시키는 효과를 제공한다. 그러나, 본 발명에서, Mn 은 내 고온 산화성에 악영향을 준다. 고 Al 함유 페라이트계 스테인레스 강의 내 고온 산화성은 Mn 량을 감소시키고 더나아가 Cr, Al, REM, Y 등의 첨가를 증가시킴으로써, 현저히 향상되었다. 또한 본 발명의 강의 인성은 Mn 량의 저감에 의해 현저히 향상되고, 그 효과는 Mn 량을 0.25% 미만으로 저감시킴으로써 얻어졌다. 즉, Mn 량은 적은 쪽이 좋으므로 0.25% 미만으로 제한했다.

P : P 는 내 고온 산화성 및 강의 인성에 악영향을 주는 원소이므로, 일반적으로 P 량을 저감시키면 강의 특질이 향상된다. 본 발명의 경우, P 량은 0.03% 이하로 했다.

S : S 는 비금속 함유물로서 표면성윽 악화시키는 REM, Y 등과 함께 조성물을 형성한다. 또한, S 는 내 고온 산화성에 효과적인 금속 REM, Y 등을 감소시킨다.

이러한 역효과는 함유량이 0.001% 이상일때 증가된다. 즉, 내 고온 산화성은 S 량이 0.001% 미만으로 저감됨으로써 향상된다. 본 발명에서는 S 량을 0.001% 미만으로 제한했다.

N : N 은 본 발명에서 언급한 종류의 강의 인성을 감소시킨다. 또한, N 은 AIN 을 형성하여 내 고온 산화성을 부여하는데 유효한 Al 량을 저감시켜 이상산화 발생을 촉진시킨다. 따라서 N량의 감소는 내산화성을 향상시킨다. 본 발명에서는 N 량을 0.03% 이하로 제한한다.

Cr : Cr은 내 고온 산화특성의 기본원소이다. 이 효과를 유지하기 위해서는 15% 이상 첨가해야 한다. 한편, 25% 를 초과하여, 첨가하면 슬래브 및 핫코일의 인성을 악화시켜 제조에 어려움이 따르므로, Cr 량은 15% 내지 25% 로 제한했다.

Al : Al 도 Cr 과 마찬가지로 본 발명의 내 고온 산화특성을 유지하는데 필수적인 원소이다. 본 발명의 박막 재료에서는 이상 산화가 발생되기 쉽다. 따라서 3% 이상의 Al 의 첨가를 필요로 한다. 그러나 본 발명에서, Al 량은 과도하게 높을 필요는 없다. 오히려, 6% 이상의 Al 은 슬래브와 핫코일의 인성에 악영향을 준다. 그러므로, Al 량은 3% 내지 6% 로 제한했다.

REM, Y 및 알칼리 토류 원소 : 이들은 Fe-Cr-Al 합금의 내 고온 산화특성을 향상시키는 중요한 원소이다. 본 발명의 강에 형성된 산화박막의 보호성을 크게 향상시키고 박막 재료에서 발생되기 쉬운 이상산화를 제어하고 기판에 대해 발생된 산화박막의 밀착성을 향상시킨다 0.01% 미만의 함유량은 아무런 효과가 없다.

대비하여, 0.2% 를 초과하여 첨가하면, 열간 가공성을 악화시키고 제조성을 어렵게 하며, 비금속 함유량을 형성하여 표면성에 악영향을 주게 된다. 그래서, 이들 원소의 량은 0.01% 내지 0.2% 로 제한했다.

Nb, V 및 Ti : 적절한 양을 첨가하면 이들원소는 강에서 C 와 N 과 결합하여 강의 인성을 향상시킨다. 본 발명의 강은 고온 환경에서 사용되므로 우수한 고온 강도를 가져야 한다. 이들 원소의 첨가는 이러한 목적을 위해 매우 유효하다. 0.05% 이상의 첨가가 요구된다. 최대량은 초과량 첨가시 강에 해로우므로 1% 로 제한했다.

본 발명은 실온상태에서 20Cr-5Al-0.1Ti-0.1La 의 충격 강도에 의한 Mn 과 Si 의 영향을 나타내는 그래프인 제1도를 참조로 보다 상세히 후술된다.

고 Al 함유 페라이트계 스테인레스 강의 내 고온 산화특성은 표면에 형성된 A1₂O₃에 의해 제공된다. 그러므로, 내 고온 산화특성이 Al 량을 증가시키면 향상된다는 것을 고려하였다. 각각 50 마이크론의 두께를 갖는 표 1 에 표시된 성분의 시험견본이 1150° 에서 산화시험을 받고 이상 산화가 발생되는 시간치 측정된다. 또한 그 결과가 표 1 에 표시되어 있다. 이 결과로, Cr 및 Al 의 함유량을 증가하고 REM 을 첨가하면 내 고온 산화특성이 향상되고 강이 이상산화를 적게 받게된다.

부가로 REM 이 함유된 표 2 에 나타낸 바와같은 성분의 강을 실험하였다.

각 강의 30kg 이 진공용해 되어 주조되었고 강괴가 단조되었다. 모든 강 견본은 단조중에 균열이 발생되고 부가적인 가공이 불가능해진다. Cr, Al 및 REM 의 증가는 제조 관점에서 불가능한 것으로 판명되었다. 그래서, 본 발명자들은 Cr, Al 및 REM 의 함유량의 증가없이, 우수한 고온 산화를 갖는 강을 개발하기 위한 광범위한 연구를 하였다. 그 결과, Mn 계 산화물이 이상산화 발생 직전에 형성된 A1₂O₃표면막에 침입되는 것을 알게 되었다. 그래서, 상기 Mn 계 산화물이 강의 내 고온 산화특성에 나쁜 영향을 미친다고 생각하고, Mn 계 산화물 형성의 억제에 대한 연구를 행하였다. 그래서, Mn 계 산화물의 형성이 Mn 과 Si 의 함유량을 감소시킴으로써 억제된다는 것을 알게 되었다.

표 3 에 도시된 성분의 강이 제공되고, 각각 50 마이크론 두께의 시험견본을 사용하여 1150℃ 에서 산화시험을 행했다. 이상산화 발생까지의 시간을 측정하고, Mn 과 Si 의 함유량의 효과를 검토하였다. 그 결과를 표 3 에 나타내었다.

표 3 은 내 고온 산화특성을 향상시키는데 매우 효과적이고 이상산화발생 시간을 연장시키는 Mn 및 Si 함유량이 감소되는 것을 나타내고 있다. 특히, Mn 과 Si 의 함유량을 각각 0.25% 이하로 감소시킴으로써 현저한 효과가 얻어졌다. 즉, 매우 향상된 내 고온 산화특성을 갖는 페라이트계 스테인레스 강은 금속촉매 변환기에 사용되는 종래의 강에 Cr, Al 및 REM 의 함유량을 증가시키지 않고 Mn 과 Si 의 함유량을 감소시킴으로써 얻어졌다.

더나아가, 열연강판의 인성을 향상시키기 위해 Mn 과 Si 의 효과를 시험하였다. 20Cr-5Al-0.1 Ti-0.1La 를 기본 성분으로하여 Mn 및 Si 량을 변경시킨 강에 100kg 진공용해 하고 주조하여 강괴를 단조하고 열간 압연하였다. 열간압연된 견본에 대해 샬피 충격 시험(charpy impact test)을 행했다. 그 결과를 제1도에 도시하였다. Mn 량을 감소시키면 충격 시험치는 상승되고, Si 함유량을 감소시켜도 충격시험치가 증가되었다.

상술된 바와같이, 다양한 시험의 시행으로부터, 고 Al 함유 페라이트계 스테인레스 강의 Mn 및 Si 량의 저감은 종래의 성분에 Cr, Al 및 REM 의 량을 증가시키지 않고 우수한 내 고온 산화특성을 가져온다는 사실을 알게되었다. 지금부터, 본 발명을 실시예를 참조로 설명한다.

표 4 에 도시된 강의 성분을 30kg 진공 용해하여 주조하고, 강괴를 단조, 가공, 열연을 행한후, 어닐링 및 냉간 압연을 반복함으로써 30 마이크론 두께를 갖는 판을 제조하였다. 이들 견본은 1150℃ 에서 산화시험을 행하고 이상산화가 발생된 시간을 측정하여 그 결과를 표 4 에 표시하였다. 그결과, 본 발명의 강은 비교강에 비해서 이상산화가 발생되는데 요구되는 시간이 현저하게 연장되었고, 즉, 본 발명의 강의 내산화성이 크게 향상되었다.

또한, 열연된 견본의 충격 인상을 시험한 결과를 표 4에 나타냈다. 이 결과로부터 본 발명의 강에서 인성이 현저히 향상된 점을 볼수 있다.

상술된 바와같이, 본 발명은 Cr, Al, REM 및 Y 의 양을 불필요하게 많이 첨가하지 않고도 내 고온 산화특성과 인성이 우수하고 저렴한 강재료를 제공하는 것이다.

Claims (2)

1. C : 0_03% 이하, Si : 0.22% 이하, Mn : 0.25% 미만, P : 0.03% 이하, S : 0.001% 미만, N : 0.03% 이하, Cr : 15내지 25%, Al : 3내지 6% 1 종 이상의 REM, Y 및 알칼리 토류원소 : 0.01 내지 0.2% 를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적인 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인레스 강.
2. C : 0.03% 이하, Si : 0.22% 이하, Mn'0.25%, 미만, P : 0.03% 이하, S : 0.001% 미만, N : 0.039 이하, Cr : 15내지 25%, Al : 3 내지 6% 1종 이상의 REM, Y 및 알칼리 토류원소 : 0.01 내지 0.2% 1종 이상의 Nb. V 및 Ti : 0.05 내지 1% 를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적인 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인레스 강.