KR100766251B1 - 고온특성이 우수한 니켈 저감형 오스테나이트계 내열스테인레스강. - Google Patents

Abstract

본 발명은 가열로 지지대, 소둔로 Inner Cover 등 가열로 구조재 용도에 사용되며 고온 내산화성과 고온 크립강도를 개선하기 위하여 Si, N, W을 함유한 고온특성이 우수한 니켈 저감형 오스테나이트계 내열 스테인레스강에 관한 것으로서, 질량 %로 C; 0.1% 이하, Si: 1.6~2.0%, Mn: 1.0~1.2%, Cr: 21~24%, Ni: 12~14%, N:0.18~0.22%, W: 0.5~1.0%, Al:0.01~0.06%, S: 0.002% 이하, Ce: 0.02~0.06%를 만족하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하여, 저가의 실리콘(Si)과 질소(N)와 텅스텐(W)를 사용하여 고가의 니켈(Ni)과 Mo을 각각 대체할 수 있는 스테인리스 강재로서 고온 크립강도와 내산화성이 우수하며, 고가인 310S 강을 대체할 수 있는 저가의 내열 오스테나이트 스테인레스강으로 제조 원료가격을 저감할 수 있어 경제적 효과가 크다.

310S강, 오스테나이트계 스테인레스강, 고온특성, 니켈 저감

Description

고온특성이 우수한 니켈 저감형 오스테나이트계 내열 스테인레스강.{Ni Saving Heat Resistant Austenitic Stainless Steel with Excellent High Temperature Properties}

본 발명은 고온특성이 우수한 니켈 저감형 오스테나이트계 내열 스테인레스강에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가열로 지지대, 소둔로 Inner Cover 등 가열로 구조재 용도에 사용되며 고온 내산화성과 고온 크립강도를 개선하기 위하여 Si, N, W을 함유한 고온특성이 우수한 니켈 저감형 오스테나이트계 내열 스테인레스강에 관한 것이다.

일반적으로, 310S강은 오스테나이트계 스테인레스강으로서 내열내식성, 내농초산성이 우수하고, 성형성, 용접성도 양호하며, 화학 프랜트, 산업기계, 로재등에 이용되며, 열처리로 내치구 및 구조물, 침탄용기, 고온로 부품 등으로 이용되며, Ni-Cr을 다량 함유하고 있어 고온산화에 저항력이 우수하며 고온강도가 좋다는 장점이 있다.

이러한 310S 강재는 합금의 주성분이 25%Cr-20% Ni 으로서 고가인 Ni함량의 높아서 제조원가가 상승되는 문제가 되고, 품질특성, 특히 고온에서의 내열특성이 열위하다는 단점이 있어, 고온 구조재로서 품질과 가격 경쟁력의 향상이 요구되어 왔다.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 기존 310S(25Cr-20Ni)강에 합금 원소를 첨가하여 새로운 합금 성분계를 도출하기 위한 것으로서, 고가인 Ni원소를 질소와 실리콘으로 대체하고 Mo원소를 W원소로 대체하므로서 고온 크립강도와 내열성을 개선한 저가의 23%Cr-13%Ni-1.8%Si-0.04%Ce-0.2%N 합금성분계의 강재로서 W원소를 미량 첨가하여 고온 SAG 저항성 및 고온 내산화성을 개선한 Ni 저감형의 내열 오스테나이트 스테인레스강을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고온특성이 우수한 니켈 저감형 오스테나이트계 내열 스테인레스강은, 질량 %로 C; 0.1% 이하, Si: 1.6~2.0%, Mn: 1.0~1.2%, Cr: 21~24%, Ni: 12~14%, N:0.18~0.22%, W: 0.5~1.0%, Al:0.01~0.06%, S: 0.002% 이하, Ce: 0.02~0.06%를 만족하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 오스테나이트계 스테인레스강은, B:0.0005%이하를 만족하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 기존 310S 오스테나이트계 스테인레스강의 조성에서 고온 크 립강도를 향상시키기 위하여 N첨가와 고가인 Mo 대신 W을 첨가하였고 내산화성을 향상시키기 위하여 희토류 금속인 Ce와 Si을 첨가한 오스테나이트강을 제공한다.

본 발명자는 23Cr-13Ni-1.8Si-0.04Ce-0.20N의 기본조성을 갖는 오스테나이트 스테인레스강의 합금조성으로서 고온 크립강도와 내산화성을 개선하기 위한 연구를 행한 결과 오스테나이트상의 안정도를 조절하기 위해서 고가인 Ni, Mo 원소 대신 각각 N과 W 원소로 적정량으로 대체하여 고온 크립강도를 향상시킴과 동시에 Si, Ce을 첨가하여 고온 내산화성을 향상시키고 열간 가공성을 개선할 수 있음을 밝혀냈다.

따라서 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 중량 %로 C; 0.1% 이하, Si: 1.6~2.0%, Mn: 1.2%이하, Cr: 21~24%, Ni: 12~14%, Ce: 0.02~0.06%, N:0.18~0.22%, W: 0.5~1.0%, Al:0.01~0.06%, S: 0.002% 이하 함유하고 기타 Fe 및 불가피한 원소로 이루어진 오스테나이트 스테인레스강을 제안한다.

이하, 본 발명의 특징을 작용과 함께 설명하기로 하며, 먼저 본 발명의 조성범위와 한정이유를 설명한다.

C: 오스테나이트 형성원소이며 첨가시 고온강도를 향상시키지만 과다 첨가시 Cr과 반응하여 크롬탄화물을 생성시켜 내식성이 저하됨과 동시에 연신율이 저하되므로 가능한 낮은 함량인 0.10% 이하가 바람직하다.

N: 오스테나이트상을 안정화시키는 원소로서 Ni원소를 대체하는 원소이며, 고온강도와 내식성을 향상시키는 이점이 있으나 열간가공성은 저하되는 단점이 있다. 따라서 본 발명강에서는 0.25%이하로 제한한다.

Mn: 질소와 마찬가지로 오스테나이트상 안정화 원소로서 Ni를 대체하는 원소로서 오스테나이트상을 준안정화시키지만 과다첨가되는 경우 내열성을 악화시키므로 1.5% 이하로 제한한다.

Cr: 스테인레스강의 산화 피막형성을 촉진하는 원소로서 내열성을 확보하기 위하여 21%이상의 첨가가 필요하고, 과다첨가되는 경우 페라이트상 생성원소이므로 과다 δ-ferrite상이 잔존하여 열간가공성을 저하하게 된다. 그러므로 24%을 상한으로 한다.

Ni: C, N와 같이 오스테나이트상을 안정화시키는 원소이고 내산화성을 향상시키는 원소이나 고가이므로 경제성을 고려하여 14% 범위 이하로 제한한다.

Si: 고온 내산화성을 향상시키는 원소로서 과다 첨가시 용접성과 열간 가공성를 저하시키는 원소이므로 범위는 1.6%이상 최대 2% 이하로 제한한다.

Ce: 희토류 금속원소로서 가열시 내산화성을 크게 향상시키는 원소이지만 과다 첨가시 산화물 생성으로 연주시 노즐막힘 문제가 발생되므로 0.02~0.06% 범위로 제한한다.

S: 미량의 불순물원소로서 결정입계에 편석되어 열간압연시 가공크랙을 일으키는 주원소이기 때문에 가능한 낮은 함량인 0.002%이하로 제한한다.

Mo: 고온강도와 내식성을 향상시키는 고가의 원소이지만 다량 첨가하면 고온 내산화성과 열간가공성을 저하시키는 원소이므로 대체원소를 사용하거나 최소량으로 제한한다.

Al : 결정입도 제어 및 탈산제 원소이며 과다 첨가시 노즐 막힘 가능성이 있어 최대 0.06%이하로 제한한다.

W: 고온 크립강도를 향상시키는 원소이며 고가의 Mo을 대체할 수 있는 원소이며 과다 첨가시 내산화성이 저하되므로 0.6%~1.0% 범위로 제한한다.

[실시예]

다음은 하기의 조성으로 이루어진 본 발명에 관한 강재로서 23Cr-13Ni-1.8%Si-0.2N-0.04Ce의 기본 성분계에 W, Mo, Nb 원소를 변화시키어 기존 310S 강에 비교하여 Ni를 크게 저감한 Ni 저감형 오스테나이트 스테인레스강으로서 각각의 성분을 미량 변화시킨 강종을 표를 표 1에 나타내었다.

[표 1] 발명재와 비교재의 합금성분표(wt %)

강종	C	Si	Mn	Cr	Ni	N	Ce	W	Mo	Nb
종래예1	0.08	2.1	1.0	22.0	13.0	0.20	0.031	0.62	-	0.48
종래예2	0.08	2.0	1.0	22.0	13.0	0.21	0.024	0.961	0.59	0.10
종래예3	0.08	1.84	1.0	22.0	13.1	0.20	0.015	1.32	0.27	0.29
종래예4	0.08	2.0	1.0	24.5	13.0	0.25	-	-	0.78	-
310S강	0.04	0.5	1.2	24.8	19.5	0.04	-	-	-	-
발명예	0.08	1.80	1.0	22.0	13.0	0.20	0.04	0.60	-	-

표 1과 같이, 강종은 23%Cr-13%Ni-1.8%Si-0.08%C-0.2%N-0.04%Ce을 기본조성으로 하고 W과 Mo 그리고 Nb성분을 각각 변화시켜 용해 잉코트(Ingot)로 주조하여 열간 및 냉간압연, 소둔산세를 행하여 2.0 ㎜ 두께의 냉연판으로 만들어 1100℃에서 인장시험, SAG 시험과 내산화성 등을 평가하여 표 2에 표기하였다.

[표 2] 발명재와 비교재의 물성치

강종	고온인장강도(㎏f/㎟) @ 1100℃	고온 SAG값(㎜) @ 1100℃ for 100 hr	등온 산화증량(g/㎡) @ 1100℃ for 200 hr
종래예1	214	46	36
종래예2	210	22	47
종래예3	226	43	82
종래예4	208	20	84
310S강	161	21	66
발명예	208	20	40

표 2 결과를 보면 0.08%C-22%Cr-13%Ni-1.8%Si-0.04%Ce-0.20%N 을 기본 조성으로 하고 고가인 Mo, Ni 원소를 대체 하기 위한 텅스텐(W)과 나이오비움(Nb) 원소를 변화 시키어 측정된 고온 인장강도와 고온 내산화성을 나타내는 고온 SAG 값과 산화 증가량값을 보면 Nb과 Mo을 첨가하지 않고 W과 Si를 적정량 첨가한 발명예의 경우 SAG 값과 내산화성이 향상됨을 보여주었다. 여기서 고Si 오스테나이트강에 Nb 단독 또는 Nb+Mo을 복합 첨가한 종래예1 및 종래예3의 경우 표 2에 명기된 바와 같이 SAG 값과 고온 산화량이 증가되어 품질이 열화되는 문제점이 있기 때문에 이러한 문제점을 해결하기 위하여 W를 단독 첨가강에 Si, N을 첨가한 발명예를 제조하여 평가한 결과 우수한 고온 크립강도와 내산화성이 우수한 품질특성을 갖는 내열 오스테나이트 스테인리스강을 개발하였다.

표 3에 나타낸 것과 같이 보론(B) 첨가시 일반적으로 열간가공성은 향상하나 발명예의 경우는 Ce 함유로 보론이 낮은 경우에도 열간가공성이 우수하다. 또한, 비교예와 같이 20 ppm의 보론 첨가시 1100℃ 이상의 고온산화 특성이 저하되고, 발명예와 같이 0.0005%이하 함유하는 경우 우수한 특성을 보인다.

[표 3] 보론 첨가시 고온특성 결과

보론첨가량	열간가공성	등온 산화증량(g/㎡) @ 1000℃ for 200 hr	등온 산화증량(g/㎡) @ 1100℃ for 200 hr
비교예 (20 ppm)	양호	14	63
발명예 (B; ~0.0005%)	양호	14.5	40

상기 내용은 본 발명의 바람직한 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명이 속하는 분야의 당업자는 첨부된 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 요지로부터 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고온특성이 우수한 니켈 저감형 오스테나이트계 내열 스테인레스강에 의하여, 저가의 실리콘(Si)과 질소(N)와 텅스텐(W)를 사용하여 고가의 니켈(Ni)과 Mo을 각각 대체할 수 있는 스테인리스 강재로서 고온 크립강도와 내산화성이 우수하며, 고가인 310S 강을 대체할 수 있는 저가의 내열 오스테나이트 스테인레스강으로 제조 원료가격을 저감할 수 있어 경제적 효과가 크다.

Claims (2)

1. 질량 %로 C; 0.1% 이하, Si: 1.6~2.0%, Mn: 1.0~1.2%, Cr: 21~24%, Ni: 12~14%, N:0.18~0.22%, W: 0.5~1.0%, Al:0.01~0.06%, S: 0.002% 이하, Ce: 0.02~0.06%를 만족하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온특성이 우수한 니켈 저감형 오스테나이트계 내열 스테인레스강.
2. 제1항에 있어서,

   상기 오스테나이트계 스테인레스강은, B:0.0005%이하를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온특성이 우수한 니켈 저감형 오스테나이트계 내열 스테인레스강.