KR100330332B1

KR100330332B1 - 기계가공성 및 내식성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강

Info

Publication number: KR100330332B1
Application number: KR1019990032460A
Authority: KR
Inventors: 박용수; 김순태; 박희상
Original assignee: 박용수; 김순태; 박희상
Priority date: 1999-08-07
Filing date: 1999-08-07
Publication date: 2002-04-01
Also published as: KR20010017111A

Abstract

본 발명은 고농도의 SO₄ ^-2이온 (황산 등)과 Cl^-이온 (염산 등)을 함유한 혹독한 부식 환경에서 전면부식 및 공식 저항성이 매우 우수하며, 기계가공성을 동시에 개선시킨 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하기 위하여, 중량%로, 크롬 : 15 - 25%, 니켈 : 14 - 26%, 몰리브덴 : 2.0 - 6.5%, 텡스텐: 3% 이하, 구리 : 1.5 - 4.0%, 망간 : 1.0 - 4.0%, 황 : 0.2% 이하, 실리콘 : 2% 이하, 인 : 0.03% 이하, 탄소 : 0.1% 이하, 질소 : 0.1 - 0.4% 및 나머지 철로 이루어지는 오스테나이트계 스테인리스강을 제공한다. 또한, 상기 조성에 0.2% 이하의 셀레늄이 황과 복합 첨가될 수도 있고, 희토류 금속 (REM : Rare Earth Metal): 0.1% 이하, 칼슘 : 0.001 - 0.1%, 붕소 : 0.001 - 0.1%, 알루미늄 : 0.001 - 0.2% 및 티타늄: 0.5 - 1.5%로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소가 추가적으로 함유될 수도 있다.

Description

기계가공성 및 내식성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강{AUSTENITIC STAINLESS STEEL HAVING EXCELLENT MACHINABILITY AND CORROSION RESISTANCE}

본 발명은 석유화학공업, 정유공업, 비철금속제련공업, 화력ㆍ원자력발전소 및 식품공업 등의 혹독한 부식환경인 고농도의 SO₄ ^-2이온에 의한 전면부식 (황산 등)과 Cl^-이온에 의한 공식 (염산 등) 저항성 및 기계가공성을 동시에 향상시킨 오스테나이트 계열의 스테인리스강에 관한 것이다.

범용 304L형 및 316L형 오스테나이트 계열의 스테인리스강은 일반 탄소강에 비해 가공경화속도 및 인성이 높고 열전도율이 낮기 때문에 절삭 가공이 어려운 난삭재로 분류되고 있다. 이로 인해 생산성 저하와 총 제조 비용 상승을 야기한다. 일례로서, 펌프 핵심 부품인 316L형 오스테나이트계 스테인리스강 임펠러의 총 제작 비용 구성비를 살펴보면, 30 - 40%의 용해ㆍ주조 비용과 20%의 설계 및 관리 비용을 제외한 나머지 40 - 50%가 기계가공 비용이므로, 생산성 증가는 물론 총 제조 비용을 낮추기 위해 내식성을 저하시키지 않고 기계가공성을 향상시킨 소재를 개발하거나, 기계가공성 및 내식성을 동시에 대폭 개선시킨 경제적인 합금을 개발하는 것이 필요하다.

현재 미국 표준 재료 규격 (ASTM A528) 및 일본 공업 규격 (JIS)에 등재된 쾌삭성 오스테나이트계 스테인리스강은 303형 (18%Cr-9Ni-<0.15%S) 및 303 Se형 (18%Cr-9Ni-0.06S-<0.15%Se) 강들이 주종을 이루고 있으나 내식성이 매우 열악한 단점을 갖고 있다. 한편 유럽공개특허공보 0 260 792 A2는 316L 스테인리스강에 황을 0.03% 첨가시켜 내식성을 저하시키지 않고 기계가공성을 개선시킨 강종을 개시하고 있다. 이 강종은 ASTM A511에 MT316L형 오스테나이트계 스테인리스강으로등재되어 있다.

한편 국내특허공보 제95-7791호는 304형 스테인리스강에 보론, 칼슘 및 비스무스를 첨가시켜 기계가공성을 개선시킨 강을 개시하고 있으나, 비스무스 첨가강은 내식성을 저하시키는 단점을 갖고 있다.

상술한 범용 스테인리스강들은 저농도의 SO₄ ^-2(황산 등)과 Cl^-이온 (염산 등)을 함유한 부식 환경에서 사용될 수 있을 뿐이며, 고농도의 혹독한 환경에서는 전면부식 및 공식 저항성이 매우 열악하여 사용할 수 없다.

상기 고농도의 부식환경에서는 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 일종인 654SMO (UNS S32654), UR B66, AL-6XN (UNS N08367)과 Ni-base 합금의 일종인 Alloy C-276, Alloy 625 등이 사용되고 있으나, 범용 스테인리스강에 비해 기계가공성이 매우 열악하여 기계 가공비용 상승은 물론 소재 공급 가격이 매우 비싸서 비경제적이다.

본 발명은 고농도의 SO₄ ^-2이온 (황산 등)과 Cl^-이온 (염산 등)을 함유한 혹독한 부식 환경에서 전면부식 및 공식 저항성이 매우 우수하며, 기계가공성을 동시에 개선시키고 제조가 용이한 경제적인 오스테나이트계 스테인리스강의 화학조성 범위 및 그 제조 방법을 제공하고는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 합금들과 비교재의 80, 90,100℃의 탈기된 18.4N 황산 용액 중에서의 부식전류밀도를 나타낸 그래프이다.

도 2는 본 발명에 따른 합금들과 비교재의 80, 90,100℃의 탈기된 18.4N 황산 용액 중에서의 임계전류밀도를 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명에 따른 합금들과 비교재의 80, 90,100℃의 탈기된 18.4N 황산 용액 중에서의 부동태화전류밀도를 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따른 합금들과 비교재의 80, 90,100℃의 탈기된 18.4N 황산 용액 중에서의 수소방출전류밀도를 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명에 따른 합금들과 비교재의 칩두께를나타낸 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따른 합금들과 비교재의 전단각을나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명에 따른 합금들과 비교재의 전단변형속도를 나타낸 그래프이다.

이에 본 발명은 중량%로, 크롬 : 15 - 25%, 니켈 : 14 - 26%, 몰리브덴 : 2.0 - 6.5%, 텡스텐: 3% 이하, 구리 : 1.5 - 4.0%, 망간 : 1.0 - 4.0%, 황 : 0.2% 이하, 실리콘 : 2% 이하, 인 : 0.03% 이하, 탄소 : 0.1% 이하, 질소 : 0.1 - 0.4% 및 나머지 철로 이루어지는 내식성 및 기계가공성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 제공한다.

또한, 개재물 자체의 내식성을 높이며, 개재물의 융점을 낮추어 기계가공성을 향상시키기 위하여 상기 조성에 0.2% 이하의 셀레늄을 황과 복합 첨가할 수도 있다.

또한, 기계가공성을 향상시키기 위하여, 희토류 금속 (REM : Rare Earth Metal): 0.1% 이하, 칼슘 : 0.001 - 0.1%, 붕소 : 0.001 - 0.1%, 알루미늄 : 0.001 - 0.2% 및 티타늄: 0.5 - 1.5%로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소를 추가적으로 함유할 수도 있다.

기계가공성 및 내식성을 동시에 개선시키기 위한 본 발명의 목적으로 달성하기 위한 연구 끝에 본 발명자들은 다음과 같은 사실을 밝혀냈다.

아래 (1)식의 염산저항당량지수 (HREN: Hydrochloric-acid Resistance Equivalent Number)에서 알 수 있듯이 크롬은 염산환경에서 내식성에 악영향을 미치므로 크롬을 적정량으로 하향 조정한다. 경제성 및 제조성을 고려하여 몰리브덴 및 텅스텐을 적정량으로 하향 조정한다. 하향 조정된 이들 3개 원소로 인해 염소 이온 환경에서의 내식성 저하를 보완하기 위해 구리 함유량을 적정량으로 상향 조정하여 염산과 같은 Cl^-이온 환경에서의 내식성을 개선함과 동시에 적층 결함 에너지 (SFE : Stacking Fault Energy)를 높여 전위들의 교차 슬립 (Cross Slip)을 용이하게 하여 전단변형속도를 증가시킴으로써, 결국 가공경화속도를 감소시켜 기계가공성 및 냉간가공성을 향상시킨다(여기서, 각 합금 원소 앞에 '%'를 붙인 것(%Ni, %Cr등)은 합금재의 화학조성을 중량%로 표시한 것이다. 이하 같음).

HREN = %Ni + 8(%Mo+%W) + 54.3%Cu - 2%Cr ------- (1)

한편 아래 (2)식의 황산저항당량지수 (SREN: Sulfuric-acid Resistance Equivalent Number)를 고려하여 고농도의 SO₄ ^-2이온 환경에서의 내식성을 향상시키는데 효과적인 크롬, 니켈, 구리, 몰리브덴 및 질소를 적정량으로 조합하여 상기 Cl^-염소 이온 환경에서의 내공식 저항성 및 SO₄ ^-2이온 환경에서의 전면부식 저항성을 동시에 향상시킨다.

SREN = %Cr + 1.5%Ni + 23.3%Cu + 2%Mo + 2%W + 20%N -------- (2)

위에서 언급한 내식성 향상은 물론 기계가공성을 개선시키기 위해 전단 변형속도를 높혀 주는 구리첨가강에 황 단독 또는 개재물 자체의 내식성을 높이는 황 및 셀레늄을 적정량 복합 첨가하는 경우 개재물의 융점을 낮추어 기계가공성을 향상시킬 수 있게 되고, 추가적으로 희토류 금속 (REM : Rare Earth Metal), 칼슘, 붕소, 알루미늄, 티타늄 원소를 하나 이상 추가로 첨가하는 경우 절삭성을 개선시킬 수 있다.

본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강에 첨가하는 제반 합금 원소들의 역할과 화학 조성 범위의 제한 이유는 다음과 같다.

크롬

크롬은 페라이트 안정화원소로서 내식성의 측면에서 유용한 원소로 작용한다. 탄소, 질소, 니켈, 몰리브덴, 텡스텐, 규소, 망간 및 구리의 균형에 따른 오스테나이트 단상을 제조하기 위해 상한값을 25%로 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 페라이트 안정화원소로서 크롬이 내식성 측면에서 유용한 원소로 작용하기 위해서는 최소 15%이상 첨가 되어야 한다.

니켈

니켈은 오스테나이트 안정화 원소로서 전면부식 저항성 및 공식 저항성을 증가시키며, 동시에 적층결함에너지를 높여 전단변형속도를 빠르게 하여 가공경화속도를 늦춘다. 이로 인해 기계가공성을 용이하게 하는 유용한 원소이나, 고가이기 때문에 경제적으로 첨가하는 것이 필요하다. 최소 14% 이상 유지 함유되는 것이 바람직하며, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 규소, 망간, 규소, 구리 탄소 및 질소와의 균형에 따른 오스테나이트 단상을 제조하기 위해 상한값을 26%로 유지하는 것이 적정하다.

몰리브덴

몰리브덴은 페라이트 안정화원소로서 내식성의 측면에서 유용한 원소로 작용한다. 특히 구리와 복합 첨가할 경우 고농도의 SO₄ ^-2및 Cl^-환경에서 내식성이 크게 향상된다. 페라이트 안정화원소로서 몰리브덴이 내식성 측면에서 유용한 원소로 작용하기 위해서는 최소 2.0% 이상 첨가해야 한다. 특히, 고농도의 SO₄ ^-2및 Cl^-환경에서 내식성을 크게 향상시키기 위해 2.0% 이상의 몰리브덴과 1.5% 이상의 구리를 복합첨가하는 것이 필수적이다. 상한값을 6.5%로 제한하는 것이 바람직하며, 보다 바람직한 첨가 범위는 2.5 - 5.0%이다.

텅스텐

텅스텐은 몰리브덴과 화학적 특성이 유사한 동족 합금 원소로서 고농도의 SO₄ ^-2및 Cl^-이온 환경에서 내식성을 향상시켜 주며, 예민화 열처리 또는 용접 후에 취약한 시그마상 및 카이상의 석출 속도를 지연시켜 내식성 및 기계적 성질을 개선시키는 유용한 원소이다. 텅스텐은 고가의 합금원소이면서 다량 첨가하면 제조가 어려워서 제조 비용의 상승을 초래한다. 따라서, 텅스텐 함량을 3% 이하로 제한한다.

구리

구리는 오스테나이트 안정화원소로서 내식성 측면에서 유용한 원소로서 작용한다. 특히, 몰리브덴과 복합 첨가할 경우 고농도의 SO₄ ^-2및 Cl^-환경에서 부식전류밀도, 부동태화 전류밀도, 임계전류밀도 및 수소방출전류밀도를 낮추며, 수소방출과전압을 증가시켜 내식성이 향상된다. 아울러 구리는 치환형 고용체 강화 효과를 유발하여 인장강도 및 항복강도를 높이며, 적층결함에너지를 증가시켜 전위들의 교차슬립을 용이하게 하여 전단변형속도를 증가시키므로, 결국 가공경화속도를 느리게 하므로 기계가공성을 향상시키는 중요한 원소이다. 오스테나이트 안정화원소로서 구리가 내식성 측면에서 유용한 원소로서 작용하기 위해서는 최소 1.5% 이상 첨가해야 한다. 특히 2.0% 이상의 몰리브덴과 복합 첨가할 경우 고농도의 SO₄ ^-2및 Cl^-환경에서 부식전류밀도, 부동태화전류밀도, 임계전류밀도 및 수소방출 교환전류밀도를 낮추며, 수소방출과 전압을 증가시켜 내식성이 향상된다. 아울러 1.5% 이상의 구리 첨가는 치환형고용체 강화 효과를 유발하여 인장강도 및 항복강도를 높이며, 적층결함에너지를 증가시켜 전위들의 교차슬립을 용이하게 하여 전단변형속도를 증가시키므로, 결국, 가공경화속도를 느리게 하여 기계가공성을 향상시킨다. 상한값을 4.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하며, 보다 바람직한 첨가범위는 2.0 - 3.0%이다.

질소

질소는 강력한 오스테나이트 안정화원소로서 몰리브덴과 함께 존재하면 부동태 피막의 특성을 개선시키는 작용을 하여 내식성을 대폭 증가시키며, 연신율의 감소없이 인장강도 및 항복강도를 높인다. 오스테나이트 단상을 얻기 위해서는 최대 0.4% 이하로 첨가하여야 하며, 내식성 측면에서 0.1% 이상의 첨가가 바람직하다.

황

황은 망간, 셀레늄, 크롬, 질소 및 티타늄 등과 결합하여 황화물을 형성하거나, 세륨, 란탄니움, 네오디움등의 희토류 금속 원소 및 산소와 결합하여 희토류 산화 황화물 (Rare-earth oxysulfide)을 형성시켜 기계가공성을 향상시키는 원소이다. 구리와 함께 복합 첨가할 경우 부식 초기 단계에서 망간-황-크롬계 황화물은 고농도의 SO₄ ^-2및 Cl^-환경에서 부식되어 구멍(Pit)이 생기나 구멍 내벽 및 주위 인접 기지금속이 구리 단독 첨가강에 비해 구리가 다량 농축되어 내식성을 유지하며, 또한 절삭 가공시 망간-황-크롬계 황화물이 공구면에 윤활 피막을 형성하여 공구 수명을 향상시켜 주는 효과적인 합금원소이다. 기계가공성과 내식성을 동시에 개선시키기 위해서는 구리첨가강에 상술한 황, 셀레늄 및 희토류 금속 원소 등을 단독 또는 복합 첨가하는 것이 필요하다. 다량 첨가할 경우 고온 변형 저항성을 높이므로 황의 최대 첨가량은 0.2% 이하로 제한한다.

셀레늄

셀레늄은 황과 비슷하게 세레나이드계 개재물을 형성하여 기계가공성을 향상시킨다. 다량 첨가할 경우 고온 변형 저항성을 높이므로 셀레늄의 최대 첨가량은 0.2% 이하로 제한한다.

탄소

탄소는 강력한 오스테나이트 안정화원소로서 조직 안정성을 위해 중요한 원소이나, 내식성을 저하시키므로, 최대 함유량을 0.1% 이하로 제한하며, 내식성 측면에서 0.03% 이하이면 특히 좋다.

망간

망간은 값비싼 니켈을 대체할 수 있는 오스테나이트 안정화 원소이며, 질소의 고용도를 증가시키며, 고온 변형 저항성을 낮추는 이로운 원소이다. 황 및 셀레늄과 결합하여 기계가공성을 향상시키며, 열간 취성을 효과적으로 방지하나, 과량 첨가하면 내식성이 저하하게 되므로, 4% 이하로 제한한다. 값비싼 니켈을 대체할 수 있는 오스테나이트 안정화 원소로서의 망간은 최소 1.0% 이상 첨가할 경우 내식성 및 기계적성질을 향상시키는 질소의 고용도를 증가시키며, 고온 변형 저항성을 낮추는 이로운 원소이다. 특히 1.0% 이상의 망간 첨가는 황 및 셀레늄과 결합하여 기계가공성을 향상시키며, 열간취성을 효과적으로 방지하나, 과량 첨가하면 내식성이 저하하게 되므로, 4% 이하로 제한한다.

규소

규소는 페라이트 안정화원소로서 용해 정련시에 탈산효과를 발휘하고, 내산성 및 내공식성을 증가시키는 원소이나, 과량 첨가하면 인성, 연성 및 고온 변형 저항성을 저하시킨다. 내식성 측면에서 2.0% 이하가 바람직하다.

인

인은 내식성 및 기계적 성질을 저하시키나 어느 정도 존재하면 고온 변형 저항성을 낮추므로 최대 0.03%로 제한한다.

희토류 금속

세륨, 란탄니움 등의 희토류 금속 원소는 황화물을 구상화하거나 황 및 산소와 결합하여 희토류 산화 황화물 (Rare-earth oxysulfide)을 형성시켜 기계가공성을 향상시키는 중요한 원소이다. 용접시에 황을 응고의 초기 과정에서 고융점 화합물로서 고정하여 용접 균열 감수성의 개량에 효과가 있으며, 가열 - 냉각의 온도싸이클을 받는 경우 산화 스케일의 박리 저항성을 높이며, 고온 변형 저항성을 감소시키는 효과가 있다. 이들의 효과를 얻기 위해서는 희토류 금속의 합계량이 최소 0.001% 이상 필요하며, 역으로 다량 첨가하면 입계에 희토류 산화물이 다량으로 석출하여, 고온에서의 입계강도를 저하시켜, 고온 균열 감수성의 개량 효과를 상쇄하므로 상한값을 0.1%로 제한한다.

알루미늄

알루미늄은 내산화성을 향상시켜 주는 유효한 원소이다. 또한 강에 첨가시에 탈산 효과가 있기 때문에 강의 청정도를 높이며, 고온 변형 저항성을 감소시키는 유효한 원소이기 때문에 첨가 범위를 0.001 - 0.2%로 하는 것이 바람직하다.

칼슘

칼슘은 탈산 원소이고, 고온 변형 저항성을 감소시키며, 절삭 저항시에 절삭 저항을 감소시키는 유용한 원소이다. 과량 첨가시에 강의 청정도를 감소시키고 내식성을 저하시키므로 그 함량 범위를 0.001 - 0.1%로 하는 것이 바람직하다.

붕소

붕소는 고온 변형 저항성을 감소시키는 효과가 있으며, 용접시에 용접 고온 균열을 억제시켜 준다. 질소와 복합 첨가될 경우 저융점의 붕소 질화물이 형성되어 기계가공성을 향상시킨다. 함량 범위를 0.001 - 0.1%로 하는 것이 바람직하다.

티타늄

티타늄은 용해 정련시 탈산 효과가 있으며, 티타늄 황화물을 형성시켜 기계가공성을 향상시킨다. 입계부식 저항성을 개선시키기 위해 탄소량과의 관계를 고려하여 첨가할 수 있다. 예민화 열처리후의 염소 이온이 포함된 환경에서의 내식성을 향상시키기 위해 0.5 - 1.5% 첨가할 수 있다.

바람직한 실시예의 설명

본 발명에 따른 최적의 합금 설계 방안 및 그 제조 방법은 다음과 같다.

니켈 당량 (Ni_eq)과 크롬 당량 (Cr_eq)을 계산하여 의도하는 오스테나이트 단상 조직을 예측한 뒤, 순수한 상업용 품위를 갖는 순철, 규소, 망간, 니켈, 훼로-몰리브덴, 훼로-텡스텐, 훼로-크롬, 순동, 훼로-황 순서로 고주파유도로를 이용하여 용해 후 0.1% 칼슘-규소로 탈산 후 훼로-크롬-질소 모합금을 최종 용해하고 난 다음 개재물의 구상화를 위해 미쉬메탈 (53%Ce- 26%La- 17%Nd -4%Pr)를 최종 투입하고 난 후 질소분위기 하에서 주입한다. 주형은 도형제가 도포된 주강 또는 사형 주형에 주입하여 환봉 또는 판재 주조재를 제작한다. 그 후 산소를 포함한 제반 성분들을 분석한다.

사용한 니켈 당량 및 크롬 당량은 다음의 (3), (4)식을 이용하여 계산한다.

Ni_eq= %Ni + 0.5%Co + 0.5%Mn + 0.5%Cu + 30%N + 30%C ------ (3)

Cr_eq= %Cr + 1.5%Si + %Mo + %W + 0.5%Nb + 2%Ti ------ (4)

본 발명에 따라 제작된 시편들이 환봉 또는 판재 주조재인 경우 내식성 및 기계적성질을 저하시키는 크롬 및 몰리브덴이 미시편석된 수지상정간 주조조직을 제거하기 위해 두께 1mm 당 최소 3분 이상 1,150℃에서 균질화 열처리를 한 후 수냉하여 시험 시편으로 사용한다.

한편 열간단조, 열간압연 등의 고온 가공을 행하는 경우에는 환봉 또는 판재 형상의 잉고트를 제조한 후 표면 밀링을 행하여 스케일 등의 표면 결함을 제거하여 준다. 그 다음 1,250℃에서 두께 1인치 당 1시간 소킹 (Soaking)한 후 고온 가공을 행하며, 마무리온도는 950℃로 한다. 고온 가공을 행하는 동안 석출된 크롬 탄화물 및 시그마상등을 제거하기 위해 두께 1mm 당 최소 3분 이상 1,150℃에서 고용화열처리를 행한 후 수냉한다. 고온 가공시 표면에 생성된 산화 스케일을 없애기 위해 70℃의 5%불산 + 20%질산 용액에서 산세처리를 하며, 필요시에 두께 1 - 2mm까지 냉간가공후 1,050 - 1,120℃에서 결정립을 미세하게 할 목적으로 5 - 10분 동안 소둔 열처리를 행한다.

전면부식 및 공식에 대한 내식성은 무게감량시험과 양극 및 음극 분극 시험으로 검증하였다.

무게감량 시험은 첫째, 전면부식저항성이 열악한 시편들은 80℃의 18.4N 황산 용액중에서의 24시간 침지후 무게감량으로 부식속도 (단위: mpy)를 측정하며, 내식성이 우수한 시편들은 80℃에서 120℃ 까지 10℃ 간격으로 18.4N 황산 용액중에서 24시간 주기로 침지후의 부식속도를 측정하여 전면부식 저항성의 우위를 평가하며, 부식속도가 작을수록 내식성이 우수하다고 판단한다. 둘째, 공식저항성은 40℃의 3N 염산 용액중에서 24시간 침지후의 부식속도를 측정하여 내식성의 우위를 평가하며, 역시 부식속도가 작을수록 내식성이 우수하다고 판단한다. 부식속도는 아래 (5)식에 의해 mpy (milli-inch/year)로 나타낸다.

mpy = 534 ×Δw /Aρt --- (5)

여기서, Δw는 무게감량 (mg)을, A는 표면적 (in²)을, ρ는 밀도 (g/㎤)를, t 는 침지시간 (hour)을 나타낸다.

한편, 분극시험은 80, 90, 100℃의 탈기된 18.4N 황산 용액에서 포텐시오스타트를 이용하여 전위를 부식전위로부터 양극 방향으로 60mV/min 속도로 주사하면서 전위-전류 곡선을 측정한 후, 이것으로부터 임계전류밀도 및 부동태전류밀도를 구한다. 한편, 부식전위로부터 음극 방향으로 주사하면서 측정된 분극곡선으로부터 부식전류밀도 및 수소발생전류밀도를 구한다. 평가 기준은 이들 네 가지의 전류밀도 값이 작을수록 전면부식저항성이 우수하다고 판단한다.

한편, 공구 선정과 프랭크 (Flank) 마모폭 측정 방법 등에 대한 기계가공성 평가 기준은 ISO Standard 3685-1977의 'Tool-Life With Single Point Turning Test'에 따라 행하였다. 절삭조건은 절삭깊이를 1mm, 공구이송속도를 0.3mm/rev.로 고정하고, 절삭속도를 100, 130, 160m/min로 변화시키면서 터닝시험을 수행하여 프랭크 마모폭이 0.2mm에 도달할때까지의 걸린 시간을 측정하여 기계가공성의 우위를 평가하였다. 프랭크 평균 마모폭이 0.2mm에 도달할 때까지의 시간을 공구 수명으로 하며, 이 측정된 시간이 길수록 기계가공성이 우수하다고 판단한다. 절삭공구는 현장에서 폭넓게 이용하는 텅스텐 카바이드 + 코발트 기지금속에 티타늄 카바이드 등이 다중 피복된 공구 (CNMG 160612)를, 홀더는 PCLNR 2525M16 (rake angle: -6。, inclination angle: -6。, entering angle: 95。)을 사용하였다.

칩두께를 측정한 후 아래 (6)식에 의해 전단각을 구한다.

--- (6)

(: 전단각, α : rake angle, t : 절삭깊이, T : 칩두께)

전단 변형 속도는 아래 (7)식에 의해 구한다.

---- (7)

(V : 절삭속도, α : rake angle, d : 가공 경화된 영역의 폭,: 전단각,)

상기 (6), (7)식에 구한 전단각 및 전단변형속도가 클수록 기계가공성이 우수하다고 판단한다.

실시예 1: 시편의 제조

순수한 상업용 품위를 갖는 순철, 규소, 망간, 니켈, 훼로-몰리브덴, 훼로-텡스텐, 훼로-크롬, 순동, 훼로-황을 고주파유도로를 이용하여 용해 후 0.1% 칼슘-규소로 탈산 후 훼로-크롬-질소 모합금을 최종 용해하고 난 다음 필요시에 개재물의 구상화를 위해 미쉬메탈 (53%Ce - 26%La - 17%Nd - 4%Pr)를 최종 투입하여 적정 산소량을 측정하고 난후 질소분위기 하에서 주입하여 위에서 언급한 제조 조건에 의해 환봉 또는 판상의 주조재 또는 가공재를 제작한다. 이렇게 제작된 본 발명에 따른 강 및 비교재의 화학조성을 표 1에 나타내었다. 기계가공성 평가용 시편들은 단중 32kg, 직경 80mm, 길이 320mm의 환봉을 사용하였다. 기포가 있는 부분은 라디오그라피로 확인후 제거하여 주었다.

실시예 2: 공식 침지 실험

공식저항성의 우위를 판별하기 위한 무게감량 실험은 실시예 1에서 제조된 본 발명 합금들에 대해 수행하였다. 실험 시편들은 40℃의 3N 염산 용액중에서 24시간 동안 침지후의 무게감량으로부터 부식속도를 측정하였다. 비교재는 실험실적으로 제조된 A, B, C의 스테인리스강 및 종래 합금은 AISI 316L, 654SMO, UR B66의 오스테나이트 스테인리스강과 CW12MW의 Ni-base 합금을 사용하였다.

표 2의 실험 결과에 따라 본 발명강, 비교재 및 종래 합금과의 공식저항성을 비교하면, 전 화학조성 범위의 본 개발강은 비교재 A, B, C 및 AISI 316L 보다 우수하고, 0.16%의 황 및 황 + 셀레늄이 첨가된 9, 10, 13합금들 제외한 모든 합금들은 값비싼 654SMO 및 UR B66보다 동등 이상의 공식 저항성을 나타내고 있으며, 0.04% 이하의 황 단독 첨가강과 황 및 황 및 셀레늄이 첨가된 2, 4, 11, 14, 18 합금들은 고가의 Ni-base 합금인 CW12MW와 공식저항성이 비슷함을 알 수 있다.

실시예 3: 전면부식 침지 실험

전면부식저항성의 우위를 판별하기 위한 무게감량 실험은 실시예 1에서 제조된 본 발명 합금들에 대해 수행하였다. 실험 시편들은 첫째, 내식성이 열악한 시편들은 80℃의 18.4N 황산 용액 중에서의 24시간 침지후 무게감량으로 부식속도 (단위 : mpy)를 측정하며, 내식성이 우수한 시편들은 80℃에서 120℃ 까지 10℃ 간격으로 18.4N 황산 용액 중에서 24시간 주기로 침지 후의 부식속도를 측정하였다. 비교재 및 종래합금들은 실시예 2와 동일하다.

표 2의 실험 결과에 따라 본 발명강, 비교재 및 종래 합금과의 전면부식저항성을 비교하면, 전 화학조성 범위의 본 개발강은 비교재 A, B, C 및 종래 합금AISI 316L, 값비싼 654SMO 및 UR B66 보다 우수하며, 특히 0.09%의 이하의 황 및 황 + 셀레늄이 첨가된 모든 합금들에서 고가의 Ni-base 합금인 CW12MW와 동등이상의 내식성을 나타내고 있음을 알 수 있다.

실시예 4: 양극 및 음극 분극 시험

실시예 1에서 제조된 본 발명강에 대해 전기화학적인 실험 방법인 양극 및 음극 분극시험을 통해 부식전류밀도, 임계전류밀도, 부동태화전류밀도 및 수소방출전류밀도를 측정하여 전면부식저항성을 검증하였다. 비교재 A와 종래합금인 CW12MW을 사용하여 내식성을 비교 평가하였다.

표 3의 실험결과에 따라 전 화학조성 범위의 본 발명강은 비교재 A에 비해 위에서 언급한 네가지 전류밀도값이 낮아 내식성이 우수함을 알 수 있다.

도 1, 2, 3 및 4는 본 발명에 따른 강인 2, 4, 7과 비교재와의 부식전류밀도, 임계전류밀도, 부동태화전류밀도 및 수소방출전류밀도를 나타낸 그래프이다. 비교재 A에 비해 본 발명합금들은 상기 4가지의 전류밀도 값이 낮아서 전면부식저항성이 우수함을 알 수 있다.

실시예 5: 기계가공 시험에 의한 프랭크 마모폭 측정

실시예 1에서 제조된 본 발명에 따른 강에 대해 절삭깊이를 1mm, 공구이송속도를 0.3mm/rev.로 고정하고, 절삭속도를 100, 130, 160m/min로 변화시키면서 터닝시험을 수행하여 플랭크 마모폭이 0.2mm에 도달할 때까지의 걸린 시간을 측정하여 기계가공성의 우위를 평가하였다.

표 4의 실험 결과에 따라 전 화학조성의 본 발명에 따른 강들의 기계가공성은 비교재 A에 비해 우수하며, 종래 합금인 CW12MW보다 탁월함을 알 수 있다.

실시예 6: 기계가공 시험에 의한 칩 두께 및 전단각 측정

실시예 1에서 제조된 본 발명에 따른 강에 대해 절삭깊이를 1mm, 공구이송속도를 0.3mm/rev.로 고정하고, 절삭속도를 100, 130, 160m/min로 변화시키면서 터닝시험을 수행하여 칩두께와 전단각을 측정하여 기계가공성의 우위를 평가하였다.

도 5 및 6은 각각 본 발명에 따른 강 2, 4, 7과 비교재 A와의 칩 두께와 전단각을 나타낸 것이다. 비교재 A에 비해 본 발명에 따른 강들은 절삭 가공시에 칩 두께는 감소하고 있으며, 전단각은 증가하고 있으므로 기계가공성이 우수함을 알 수 있다.

실시예 7: 기계가공 시험에 의한 전단 변형 속도 측정

실시예 1에서 제조된 본 발명에 따른 강에 대해 절삭깊이를 1mm, 공구이송속도를 0.3mm/rev.로, 절삭속도를 100m/min로 고정하여 터닝시험을 수행한 후, 전단 변형 속도를 측정하여 기계가공성의 우위를 평가하였다.

도 7은 본 발명에 따른 강 2, 4, 7과 비교재 A와의 전단변형속도를 나타낸 것이다. 비교재 A에 비해 본 발명강들은 절삭 가공시에 전단변형속도가 증가하고 있으므로 기계가공성이 우수함을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 고농도의 SO₄ ^-2이온 (황산 등)과 Cl^-이온 (염산 등)을 함유한 혹독한 부식 환경에서 전면부식 및 공식 저항성이 매우 우수하며, 동시에 기계가공성도 우수한 경제적인 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.

Claims

중량%로,

크롬 : 15 - 25%,

니켈 : 14 - 26%,

몰리브덴 : 2.0 - 6.5%,

텡스텐: 3% 이하,

구리 : 1.5 - 4.0%,

망간 : 1.0 - 4.0%,

황 : 0.2% 이하,

실리콘 : 2% 이하,

인 : 0.03% 이하,

탄소 : 0.1% 이하,

질소 : 0.1 - 0.4% 및

나머지 철로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내식성 및 기계가공성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
제 1 항에 있어서, 0.2% 이하의 셀레늄이 상기 황과 복합첨가된 것을 특징으로 하는 내식성 및 기계가공성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 희토류 금속 (REM : Rare Earth Metal): 0.1% 이하, 칼슘 : 0.001 - 0.1%, 붕소 : 0.001 - 0.1%, 알루미늄 : 0.001 - 0.2% 및 티타늄: 0.5 - 1.5%로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소가 추가적으로 함유되는 것을 특징으로 하는 내식성 및 기계가공성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.