KR100356491B1 - 양호한 주조 용접성을 갖는 오스테나이트 스테인레스강 스트립 - Google Patents
양호한 주조 용접성을 갖는 오스테나이트 스테인레스강 스트립Info
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Abstract
본 발명은 양호한 주조 용접성을 가진 오스테나이트 스테인레스강 스트립을 제조하기 위한 공정으로서, 델타-페라이트 부피%는 델타-페라이트=(Creq/Nieq-0.728)×500/3의 공식에 따라 계산된 4 내지 10%이고, 상기 Creq/Nieq=[Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb+0.25Ta+2.5(Al+Ti)+18]/[Ni+30(C+N)+0.5Mn+36]이며, 1 내지 5㎜사이의 두께를 갖고, 중량%로 Cr 17-20; Ni 6-11; C＜0.04; N＜0.04; S＜0.01; Mn＜1.5; Si＜1.0; Mo 0-3; Al＜0.03;이며, Ti＞6S인 조건하에 Ti+0.5(Nb+Ta)＞6C-3S 이거나, Ti＜6S인 조건하에 Nb+Ta＞12C이고, 모든 경우에 있어서, Nb+Ti+Ta＜1.0%이며, 나머지는 대체로 Fe인 조성을 갖는 스트립을 트윈 역회전 롤이 구비된 연속 주조장치의 몰드에서 경화시키는 단계와, 선택적으로, 상기 스트립을 900 내지 1200℃의 온도에서 5분 이하로 가열하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명은 상기 공정으로 제조가능한 스테인레스강 스트립과, 용접품 즉, 용접관을 제조하기 위한 상기 스트립의 사용을 특징으로 한다.
Description
오스테나이트 스테인레스강은 양호한 기계적 특성과 함께 우수한 부식 및 산화 강도를 제공하는 것으로 알려져 있다. 사실, 이러한 종류의 강은 열간압연 후 선택적 냉간 압연 공정으로 얻어진 판재를 이용한 관의 제조에 흔히 사용된다.
일반적으로, 박형 스테인레스강 스트립은 슬래브를 연속주조하는 단계; 선택적으로 연삭작업하는 단계; 1000 내지 1200℃까지 슬래브를 가열하는 단계; 열간압연하는 단계; 담금질하는 단계; 선택적으로 냉간압연하는 단계; 최종 담금질 및 산세척하는 단계를 포함하는 종래의 공정으로 얻어진다.
이러한 공정은 슬래브를 가열하고 물질을 처리하는데 다량의 에너지 소모가 필요하다.
반면에, 상기 연속 스트립 주조공정은 최근 개발중인 기술로서, 예를 들면1994년 6월 20∼22일간 두셀도르프에서 개최된 94 METEC 회의에서, 알. 토넬리, 엘.사르티니, 알.카포토스티, 에이.콘타레티 등의 "AST 테르니 제강소의 트윈롤 스트립 주조공정의 최신 개발"에 개시되어 있으며, 박형 스트립을 주물품으로 직접 제조할 수 있기 때문에 열간압연 작업을 생략할 수 있다.
주조에 사용하기 적당한 오스테나이트 스테인레스강 스트립을 얻기 위하여, 예비경화절차가 필요하다. 사실, 상기 예비경화절차는 강의 화학조성과 경화과정에서의 냉각속도에 따라 오스테나이트를 페라이트(델타-페라이트)로 변화시키기 위해 필요하다.
상기 경화과정에서 적당량의 델타-페라이트 형성은 주조 스트립에 형성되는 균열을 방지하는데 있어서 중요하다. 또한, 델타 페라이트의 존재는 스트립의 연속적 용접성이 가열로 인한 균열을 방지하는데 유용하다. 반면에, 용접 조인트에서의 과다한 델타 페라이트는 부식도와 연성에 관련된 위험을 수반한다.
오스테나이트 스테인레스강 스트립을 연속 주조하기 위한 다양한 제어공정이 당업계에 알려져 있다. 예를 들어, EP 제 0378705 B1호는 고온 및 저온에서 냉각속도를 다르게 조절하고 최종 주물품에서의 델타-페라이트 부피%를 조절함으로써 양호한 표면품질을 얻기 위한 스테인레스강 박형 스트립의 제조공정을 개시하고 있다.
반면에, EP 제 043182 B1호는 얻어진 스트립을 일정한 주기의 시간에서 특정 온도로 유지함으로써, 우수한 표면 품질을 갖는 스테인레스강 스트립의 제조공정을 개시하고 있다.
그러나, 전술한 공정은 최종 제품의 표면 품질을 향상하는 것을 목적으로 하며, 우수한 용접성을 가진 제품을 얻는 방법에 대해서는 언급하고 있지 않다.
본 발명은 연속 주조장치의 역회전 롤이 구비된 주형에서 경화시킴으로써 양호한 주조 용접성을 갖는 오스테나이트 스테인레스강 스트립을 제조하기 위한 공정에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 공정으로 제조되고 용접관 제조에 적합한 오스테나이트 스테인레스강 스트립에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 트윈 역회전 롤이 구비된 박형 스트립 연속 주조장치의 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따라 얻어진 스테인레스강 스트립의 미세구조로서, 광학현미경사진이며,
도 3은 본 발명에 따른 공정으로 얻어진 오스테나이트 스테인레스강 스트립의 경화구조의 조직학적이면서 전형적인 결정립 크기를 나타낸 투사전자현미경사진이고,
도 4는 본 발명에 따른 오스테나이트 스테인레스강 스트립상에서 완성된 미세구조로서, "TIG"공정으로 용접된 조인트의 미세구조를 나타낸 광학현미경사진이다.
따라서, 본 발명은 역회전 롤이 구비된 주형에서 연속 주조기술을 통하여 오스테나이트 스테인레스강 스트립을 제조하기 위한 공정을 제공하며, 이는 주조 스트립에 우수한 용접 특성을 제공하는 것을 목적으로 한다.본 발명의 다른 목적은 주조로서 우수한 용접성을 갖고, 용접관의 제조에 사용하기 적당하며, 전술한 공정으로 얻어진 오스테나이트 스테인레스강 스트립을 제공하는 것이다.따라서, 본 발명은 양호한 주조 용접성을 가진 오스테나이트 스테인레스강 스트립을 제조하기 위한 공정에 있어서,1 내지 5㎜ 사이의 두께를 갖고,중량%로 Cr 17-20; Ni 6-11; C＜0.04; N＜0.04; S＜0.01; Mn＜1.5; Si＜1.0; Mo＜3; Al＜0.03; 및Ti＞6S인 조건하에서 Ti+0.5(Nb+Ta)＞6C-3S 이거나, 또는 Ti＜6S인 조건하에서 Nb+Ta＞12C이며, 모든 경우에 있어서, Nb+Ti+Ta＜1.0% 이도록 Ti, Nb, Ta가 포함되고, 나머지 부분은 Fe와 불순물인 조성을 가지며,스트립 표면에 평행한 단면에서 측정된 평균 결정립 크기가 30 내지 80㎛ 범위인 수지상 경화 미세구조를 갖고, 델타-페라이트 부피%는 델타-페라이트=(Creq/Nieq-0.728)×500/3의 식에 따라 계산된 4 내지 10%이고, 상기 Creq/Nieq=[Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb+0.25Ta+2.5 (Al+Ti)+18]/[Ni+30(C+N)+0.5Mn+36]인 스트립을 연속 주조장치의 트윈 역회전 롤이 구비된 주형에서 주조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.또한, 본 발명에 따르면, 상기 공정은 스트립을 5분 이하의 시간 주기동안 900 내지 1200℃ 범위의 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다.또한, 본 발명은 상술한 공정으로 얻어질 수 있고 용접관의 제조에 사용하기 적당한 오스테나이트 스테인레스강 스트립을 제공하는 것을 특징으로 한다.본 발명에 따르면, 상기 오스테나이트 스테인레스강 스트립은 최종 두께가 1 내지 5㎜이다. 수지상 경화구조는 평균 결정립 크기가 30 내지 80㎛ 범위로서, 매우 미세하며 원주상 결정립과 등축 중앙구역을 나타낸다.또한, C, Cr, Ni과 같은 성분의 중앙 편석의 부재는 주조와 용접 작업 모두에서 매우 중요한 적당한 결정립 크기와 함께 물질의 균질성을 제공한다.상기 주조 스트립은 종래의 공정에 따라 열간압연된 스트립과 비교하여 더 낮은 잔류변형률-경화비를 나타내기 때문에, 주조 작업에 사용되기 전에 어떠한 응력제거 열처리도 필요하지 않다.또한, 본 발명은 상기 최종 스트립이 마무리 열처리가 필요하지 않은 용접관을 제조하는데 적당한 피용접물을 제공하는 잇점을 갖는다.본 발명의 다른 장점은 상기 최종 오스테나이트 스테인레스강 스트립이 Ta, Ti, Nb와 같은 성분을 선택적으로 함유할 때 크롬 카바이드 침전물로 인한 결정립 엣지 탈크롬 효과(dechromizing effect)를 나타내지 않기 때문에, 향상된 용접부의 부식도 및 연성을 제공한다.본 발명은 첨부된 도면과 함께 하기된 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연속주조기는 하류로부터 박형 스트립(2)이 유출되는 트윈 역회전 롤(1)을 가지며, 이는 본 발명에 따른 공정을 수행하는데 필요하다. 또한, 제어된 냉각 스테이션(3)과 권취릴(4)이 연속적으로 제공된다.
본 발명에 따른 공정을 이용하여, 2.0 내지 2.5㎜ 범위의 두께를 가진 박형 스트립의 일련의 실험적 주조가 실시된다.
이렇게 얻어진 모든 실험 스트립은 양호한 기계적 성질과 미세구조적 성질을나타낸다. 상기 실험 스트립의 화학적 조성은 다음과 같이 한정된다.
즉, Cr=17-20%; Ni=6-11%; Al＜0.03%; C＜0.04%; N＜0.04%; N＜0.04%; S＜0.01%; Mn＜1.5%; Si＜1.0%; Mo＜3%이다. 계산된 델타-페라이트 부피 분율은 3-11% 범위이다.
본 발명의 공정으로 얻어진 주조 스트립의 기계적 성질은 Rp0.2%=230 ㎫(단일 항복점), Rm=520 ㎫(단일 파괴응력), A=50% (파괴응력에서의 연신율)이다.
상기 용접성은 일련의 용접성 공정과 실험을 실시하여, 이를 화학 조성 및 델타-페라이트 함량과 비교함으로써 계측된다. 4%이하의 델타-페라이트 부피비를 가진 스트립은 가열 균열을 나타내는 경향이 있고, 용접된 조인트가 굽힘실험을 견디지 못한다. 반면에, 10% 이상의 델타-페라이트 함량은 미약한 국부적 부식, 특히 점부식을 야기하기에 충분한 것으로 밝혀졌다.
이러한 효과는 페라이트와 오스테나이트간의 서로 다른 크롬 함량 때문이며, γ상에서 크롬의 감소를 야기한다. 이러한 이유로, 이러한 종류의 강에서 화학적 조성은 엄격히 점검되어야 한다.
또한, 상기 주조 스트립에서 실시되는 담금질 처리는 델타-페라이트 함량이 화학적 조성 조절부족으로 인해 바람직한 최대값 이상일 때, 바람직한 범위 이내로 만드는데 유용한 것으로 밝혀졌다. 사실, 델타-페라이트 함량은 담금질 온도와 시간이 증가할수록 감소하는 것으로 밝혀졌다.
또한, 고안정성 카바이드를 형성하는 티타늄, 니오븀 및 탄탈과 같은 성분의 첨가는 입자간 크롬 카바이드 형성을 억제하여 용접된 조인트의 열변형부에서 크롬 소멸(impoverishment)를 방지하는데 매우 유용한 것으로 밝혀졌다. 그 결과, 입자간 부식도가 향상되었다.
또한, 카바이드 형성과정에서 티타늄, 니오븀, 탄탈과 같은 성분의 첨가는 결정립 크기의 성장을 억제하여 용접된 조인트의 열변형부에서 더 높은 연성을 나타낸다.
이하, 본 발명의 공정으로 제조된 스트립과 종래의 공정으로 제조된 스트립을 이용하여 실시된 실험의 비교예와 실시예가 도 2, 도 3 및 도 4와, 첨부된 표를 참조하여 비한정적으로 설명되어 있다.
실시예 1
본 발명의 공정을 따라 표 1에 기재된 조성(a)을 갖는 스트립을 제조하였다.
트윈 역회전 롤이 구비된 주형을 가진 수직 연속 주조기에서 액체 강을 주조하여 2㎜ 두께의 주조 스트립을 형성하였다. 상기 스트립을 출구에서 25℃/s의 속도로 급냉시킨 다음, 950℃의 온도에서 권취릴에 권취하였다. 계산된 델타-페라이트 부피 분율은 약 6.4%였다.
그 후, 상기 스트립을 산세척, 성형 및 "TIG"용접으로 용착시켜 직경 100㎜, 30×30㎜ 사각부를 가진 원형관을 형성하였다. 상기 용접공정은 하기된 공정변수를 이용하여 실시되었다.
용접 전류 130A;
토치 진행속도 28 및 34 ㎝/min;
보호가스 아르곤(유동 7 ℓ/min).
용접된 조인트의 미세구조가 도 4에 도시되어 있다. 상기 용접된 조인트에서 델타-페라이트 부피비는 6.0%로 측정되었다. 용접선 파괴강도는 장력 및 굽힘 실험으로 결정되었으며, 상기 용접 완성도는 초음파 분석으로 결정되었다. 화학 조성(a)로 이루어진 스트립으로부터 얻은 용접 조인트에서 실시된 장력실험의 결과가 표 2에 나타나 있다.
실험 결과, 상기 용접부에서 결함이나 균열이 발견되지 않았다. 각각 48시간동안 고온 HNO3에 5회 노출시키는 것을 포함하는 규격 ASTM A262 조건 C에 따라, 입자간 부식 실험을 실시하였다. 동일한 스트립으로 된 동일한 샘플의 부식속도가 표 3에 개시되어 있으며, 그 값(약 0.35㎜/year)은 예측된 응용과 일치하며 종래의 기술로 얻은 제품과 대등하였다.
실시예 2
본 발명의 공정으로 다른 스트립을 제조하되, 화학적 조성(표 1에서 "b")은 다르게 하였다. 계산된 델타-페라이트 함량은 2.9%였다.
이 스트립으로 30×30㎜ 용접된 사각관을 형성하였다.
용접관 초음파 분석으로 용접된 조인트에서 균열의 증거를 찾았으며, 굽힘 실험후 흠이 나타났다.
실시예 3
본 발명의 공정을 따라 표 1에 기재된 조성 "c"를 갖는 스트립을 제조하였다. 계산된 델타-페라이트 함량은 약 11.1%였다. 따라서, 상기 스트립은 본 발명에따라 요구되는 성능에 적합하지 않은 것으로 여겨졌다.
그 후, 상기 스트립을 1100℃에서 5분동안 담금질하였다. 그 후, 상기 스트립에서의 델타-페라이트 함량이 7%로 측정되었으며, 그 후, 상기 스트립을 산세척, 성형 및 "TIG"용접으로 용착시켜 직경 100㎜, 30×30㎜ 사각부를 가진 원형관을 형성하였다.
상기 용접공정은 하기된 공정변수를 이용하여 실시되었다.
용접 전류 132A;
토치 진행속도 28 및 34 ㎝/min;
보호가스 아르곤(유동 7 ℓ/min).
이어서, 상기 스트립으로 얻어진 용접된 조인트에서 장력 및 굽힘 실험을 실시하였으며, 상기 용접 완성도는 초음파 분석으로 결정되었다. 조성(c)로 이루어진 강으로부터 얻은 용접 조인트의 기계적 특성이 표 2에 나타나 있다.
상기 용접부에서 결함이나 균열이 발견되지 않았다. 실시예 1에서와 동일한 조건으로 입자간 부식 실험을 실시하였으며, 0.4㎜/year의 평균부식속도를 나타내고(표 3 참조), 이는 "a" 강 조성물과 대등하였다.
| 강 | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | N | Al | Ti | Nb | 델타-페라이트 |
| a | 0.040 | 0.36 | 1.47 | 0.027 | 0.001 | 8.06 | 18.04 | 0.28 | 0.050 | 0.003 | 0.005 | 0.005 | 6.4 |
| b | 0.041 | 0.44 | 1.73 | 0.026 | 0.001 | 9.40 | 17.80 | 0.18 | 0.035 | 0.005 | 0.005 | 0.005 | 2.9 |
| c | 0.038 | 0.36 | 1.54 | 0.038 | 0.001 | 7.4 | 18.60 | 0.15 | 0.036 | 0.005 | 0.005 | 0.005 | 11.09 |
| 강 | 열전달(kJ/mm) | Rp0,2(Mpa) | Rm(Mpa) | A60(%) | 파괴위치측정 |
| a | 0.300.25 | 255280 | 534580 | 35.634.4 | 모재 물질모재 물질 |
| c | 0.310.27 | 307.1306.3 | 666.5699.4 | 31.135.2 | 모재 물질모재 물질 |
| 강 | 부식속도(mm/year) |
| a | 0.34-0.36 |
| c | 0.43-0.40 |
| 종래의 물질 | 0.40-0.60 |
Claims (7)
1 내지 5㎜ 사이의 두께를 갖고,
중량%로 Cr 17-20; Ni 6-11; C＜0.04; N＜0.04; S＜0.01; Mn＜1.5; Si＜1.0; Mo＜3; Al＜0.03; 및
Ti＞6S인 조건하에서 Ti+0.5(Nb+Ta)＞6C-3S 이거나, 또는 Ti＜6S인 조건하에서 Nb+Ta＞12C이며, 모든 경우에 있어서, Nb+Ti+Ta＜1.0% 이도록 Ti, Nb, Ta가 포함되고, 나머지 부분은 Fe와 불순물인 조성을 가지며,
스트립 표면에 평행한 단면에서 측정된 평균 결정립 크기가 30 내지 80㎛ 범위인 수지상 경화 미세구조를 갖고, 델타-페라이트 부피%는 델타-페라이트=(Creq/Nieq-0.728)×500/3의 식에 따라 계산된 4 내지 10%이고, 상기 Creq/Nieq=[Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb+0.25Ta+2.5 (Al+Ti)+18]/[Ni+30(C+N)+0.5Mn+36]인 스트립을 연속 주조장치의 트윈 역회전 롤이 구비된 주형에서 주조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트 스테인레스강 스트립의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 주조단계에 후속되어 20 내지 50℃/s의 냉각속도로 제어된 스트립 냉각 단계가 제공되는 것을 특징으로 하는 오스테나이트 스테인레스강 스트립의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주조단계에 후속되어 상기 스트립은 1000 내지 1200℃의 온도에서 5분 이하 동안 가열되는 것을 특징으로 하는 오스테나이트 스테인레스강 스트립의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 따른 제조방법으로 제조되는 오스테나이트 스테인레스강 스트립.
제3항에 따른 제조방법으로 제조되는 오스테나이트 스테인레스강 스트립.
제4항에 따른 강 스트립으로 제조되는 용접품.
제5항에 따른 강 스트립으로 제조되는 용접품.
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