KR100832487B1 - A stainless steel having high yield strength and excellent strain properties at cryogenic environment - Google Patents

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류철성
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Abstract

A high strength stainless steel having high yield strength and excellent elongation in a cryogenic environment is provided to manufacture a structure of the combustor head part easily and reduce weight of the structure by manufacturing a combustor head part of a liquid rocket engine from high strength stainless steel, and reduce size and weight of the structures by manufacturing structures such as low temperature tanks or valves from the high strength stainless steel. A high strength stainless steel having high yield strength and excellent elongation at cryogenic temperatures comprises 9.0 to 10.5 wt.% of nickel(Ni), 11.5 to 12.5 wt.% of chromium(Cr), 0.10 to 0.25 wt.% of titanium(Ti), 0.5 to 0.8 wt.% of molybdenum(Mo), and the balance of iron(Fe), and further comprises 0.01 to 0.03 wt.% of carbon(C), 0.001 to 0.01 wt.% of sulfur(S), 0.1 to 0.3 wt.% of manganese(Mn), 0.1 to 0.3 wt.% of silicon(Si), 0.001 to 0.01 wt.% of phosphorous(P), 0.1 to 0.2 wt.% of aluminum(Al), 0.01 to 0.1 wt.% of zirconium(Zr), 0.001 to 0.005 wt.% of boron(B), and 0.01 to 0.05 wt.% of calcium(Ca).

Description

초저온에서 높은 항복강도 및 우수한 연신율을 갖는 고강도 스테인리스 스틸{a stainless steel having high yield strength and excellent strain properties at cryogenic environment}Stainless steel having high yield strength and excellent strain properties at cryogenic environment

도 1은 종래의 스테인리스 스틸의 인장시험 후의 시편을 도시한 도면이다.1 is a view showing a specimen after a tensile test of a conventional stainless steel.

도 2는 본 발명에 따른 고강도 스테인리스 스틸의 인장시험 후의 시편을 도시한 도면이다.2 is a view showing a specimen after the tensile test of the high strength stainless steel according to the present invention.

도 3은 종래의 스테인리스 스틸과 본 발명의 스테인리스 스틸의 초저온 상태에서 인장시험한 결과를 도시한 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the results of the tensile test of the conventional stainless steel and the stainless steel of the present invention in the cryogenic state.

본 발명은 고강도 스테인리스 스틸에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 초저온 환경에서 항복강도가 우수하고 연신율 또한 우수한 고강도 스테인리스 스틸에 관한 것이다.The present invention relates to high strength stainless steel, and more particularly, to high strength stainless steel having excellent yield strength and excellent elongation in an ultra low temperature environment.

일반적으로, 국내에서 개발하는 액체로켓 연소기는 추진제로 액체산소(LOX)와 등유(Kerosene)를 사용한다.Generally, liquid rocket combustors developed in Korea use liquid oxygen (LO X ) and kerosene (Kerosene) as propellants.

이러한 연소기 헤드부는 추진제인 액체산소와 등유를 인젝터(Injector)를 통해 연소실에 공급하여 산소와 등유가 혼합된 추진제가 연소할 수 있도록 하는 매니폴드 역할을 한다.The combustor head portion serves as a manifold for supplying the oxygen and kerosene as a propellant to the combustion chamber through an injector so that the propellant mixed with oxygen and kerosene can combust.

따라서, 이러한 연소기 헤드부는 이와 같은 작동 특성 때문에 작동 환경이 액체산소로 의해 초저온의 상태와 매우 큰 고압을 받는 상태에서 작동한다.Therefore, such a combustor head part operates in a state where the operating environment is subjected to a very low temperature and a very large high pressure by liquid oxygen because of this operating characteristic.

이와 같은 작동조건을 고려할 때, 연소기 헤드부에 사용되는 재료는 초저온에서 저온 취성이 없으면서 재료 강도가 큰 재료를 사용함으로써 연소기 무게를 절감할 수 있으며 연소기 헤드부의 구조적인 안정성을 높일 수 있다.In consideration of such operating conditions, the material used for the combustor head portion can reduce the combustor weight and increase the structural stability of the combustor head portion by using a material having a high material strength without cryogenic brittleness at an extremely low temperature.

현재 국내에서 사용하는 연소기 헤드부의 제작 재료는 STS316L이다. 일반적인 금속 재료는 초저온의 상태에서 저온 취성이 나타나기 때문에 초저온의 환경에서 사용하는 구조물의 제작 재료를 선택하는데 많은 주의를 요한다. 그러나, STS316L 재료는 저온에서 취성이 없고 내산화성이 좋기 때문에 연소기 헤드부의 재료로서 적합하다.At present, the production material of the combustor head part used in Korea is STS316L. Since general metal materials exhibit low temperature embrittlement in an ultra low temperature state, much care is required in selecting a material for fabricating a structure used in an ultra low temperature environment. However, the STS316L material is suitable as a material of the combustor head because of its low brittleness and good oxidation resistance at low temperatures.

그리고, 외국의 경우 SSME(Space Shuttle Main Engine)와 ARIANE 5 발사체에 사용하는 Vulcain 엔진 연소기의 헤드부는 Inconel 718을 사용한다. 이 재료는 재료의 강도가 스테인리스 스틸에 비하여 매우 크기 때문에 연소기의 구조적인 안정 성을 향상시켜 동일한 작동조건에서 연소기 헤드부의 무게를 감소시켜 발사체의 구조비를 작게 할 수 있으므로 발사체의 효율을 높일 수 있다.In foreign countries, the head of the Vulcain engine combustor used for Space Shuttle Main Engine (SSME) and ARIANE 5 projectiles uses Inconel 718. Since the material is much stronger than stainless steel, the structural stability of the combustor can be improved, and the weight of the combustor can be reduced by reducing the weight of the combustor head under the same operating conditions, thereby increasing the projectile efficiency. .

그러나, 현재 국내에서 사용하는 STS316L 재료는 Inconel 718에 비하여 재료의 강도가 현저하게 떨어지기 때문에 동일한 작동조건 및 형상에서 구조적인 안정성이 크게 떨어진다.However, STS316L material currently used in Korea is significantly lower in structural stability under the same operating conditions and shape because the strength of the material is significantly lower than that of Inconel 718.

따라서, 동일한 작동조건을 갖는 연소기 헤드부 구조물의 무게 증가가 요구되고, 이에 따라서 연소기 및 발사체의 효율이 저하된다.Thus, an increase in the weight of the combustor head structure having the same operating conditions is required, thereby lowering the efficiency of the combustor and the projectile.

그리고, 재료의 수급 및 가공성 측면에서 볼 때, STS316L 재료는 수급이 용이하고 가공성 또한 좋은 반면에, Inconel 718 재료는 매우 고가이며 재료의 수급이 어렵고 재료가 매우 단단하기(stiff) 때문에 가공성이 매우 좋지 않다.In terms of supply and process of materials, STS316L material is easy to supply and processable, while Inconel 718 material is very expensive, difficult to supply and very stiff. not.

이러한 이유 때문에, Inconel 718 재료를 이용하여 제작하는 구조물은 재료를 주조하여 제작하고자 하는 구조물의 형상을 만들어 주조로 제작한 구조물에 약간의 후가공을 병행한다.For this reason, a structure manufactured using Inconel 718 material is cast in the shape of the structure to be produced by casting the material, and some post-processing is performed in parallel with the structure produced by casting.

따라서, 이와 같은 사용 재료의 장단점을 고려하면, 향후 국내에서 고압의 고성능의 연소기를 개발 및 제작하기 위해서는 재료의 수급이 용이하고(국내 자체 생산), 저온 취성이 없으며, Inconel 718과 유사한 재료 강도를 갖는 재료가 절실히 요구된다.Therefore, in consideration of the advantages and disadvantages of such materials, in order to develop and manufacture high-pressure, high-performance combustors in the future, the supply and demand of materials is easy (domestic production), low temperature brittleness, and material strength similar to that of Inconel 718. There is an urgent need for materials to have.

이에, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 요구에 부합하기 위해 안출된 것으로, 초저온 환경에서 항복강도가 우수하고 연신율 또한 우수한 고강도 스테인리스 스틸을 개발하여, 재료의 수급을 용이케 한 고강도 스테인리스 스틸을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention was devised to meet the conventional requirements as described above, to develop a high-strength stainless steel with excellent yield strength and excellent elongation in the cryogenic environment, to provide a high-strength stainless steel that facilitates supply of materials Its purpose is to.

상술한 바와 같은 목적은 본 발명의 초저온에서 높은 항복강도 및 우수한 연신율을 갖는 고강도 스테인리스 스틸에 의해 달성되고, 본 발명에 따른 고강도 스테인리스 스틸을 하기에서 상세히 설명한다.The object as described above is achieved by high strength stainless steel having high yield strength and excellent elongation at very low temperatures of the present invention, the high strength stainless steel according to the present invention will be described in detail below.

본 발명의 스테인리스 스틸은, 초저온에서 높은 항복강도와 우수한 연신율을 갖도록 형성되고, 이의 조성은 니켈(Ni) 9.0∼10.5중량%, 크롬(Cr) 11.5∼12.5중량%, 티타늄(Ti) 0.10∼0.25중량%, 몰리브덴(Mo) 0.5∼0.8중량% 및 잔부의 철(Fe)을 포함하여 구성된다.The stainless steel of the present invention is formed to have high yield strength and excellent elongation at ultra low temperature, and its composition is 9.0 to 10.5 wt% of nickel (Ni), 11.5 to 12.5 wt% of chromium (Cr), and 0.10 to 0.25 of titanium (Ti). It is comprised by weight%, molybdenum (Mo) 0.5-0.8 weight%, and remainder iron (Fe).

여기서, 선택된 원소와 함유량은 아래의 이유에 근거한다.Here, the selected element and content are based on the following reasons.

니켈(Ni)은, 다량의 합금에서 오스테나이트 조직을 안정화시키며, 저온 취성을 방지하고, 내식성 및 고온에서 내산화성을 향상시키며, 조질강을 강인화 하는데 사용된다.Nickel (Ni) is used to stabilize austenite structures in large amounts of alloys, prevent low temperature brittleness, improve corrosion resistance and oxidation resistance at high temperatures, and toughen tempered steels.

따라서, 니켈의 함량이 9.0중량% 보다 적은 경우에는 스틸의 금속조직학적 상의 구조 즉 오스테나이트 조직이 불안정해지고, 함량이 10.5중량% 보다 많을 경우에는 질소 및 수소의 분리를 촉진하여 스틸에 버블(Bubble)을 형성하여 루 즈(Loose)하게 되므로, 니켈의 함량은 9.0∼10.5중량% 가 바람직하다.Therefore, when the nickel content is less than 9.0% by weight, the structure of the metallographic structure of the steel, that is, the austenite structure, becomes unstable, and when the content is more than 10.5% by weight, it promotes separation of nitrogen and hydrogen to bubble the steel. ) To form a loose (Loose), the nickel content is preferably 9.0 to 10.5% by weight.

그리고, 크롬(Cr)은, 소입성을 증대시키고, 항복응력, 경도를 증가시키나 연성을 저하시키며, 내식성을 향상시키고 마르텐사이트를 안정화시킨다.In addition, chromium (Cr) increases hardenability, increases yield stress and hardness, but decreases ductility, improves corrosion resistance and stabilizes martensite.

이러한 크롬의 함량이 11.5중량% 보다 적은 경우에는 경도가 약해지는 단점이 있고, 12.5중량% 보다 많은 경우에는 내산화성 측면에서는 좋을 수 있지만, 스틸재가 취화하고 경도의 상승에 의해서 가공성이 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 크롬의 함량은 11.5∼12.5중량% 가 바람직하다.If the content of chromium is less than 11.5% by weight, the hardness is weak. If the content is more than 12.5% by weight, it may be good in terms of oxidation resistance. However, the steel material is embrittled and the workability is poor due to the increase in hardness. . Therefore, the content of chromium is preferably 11.5 to 12.5% by weight.

그리고, 티타늄(Ti)은, 스테인리스 스틸의 입간부식을 방지하고 석출경화에 유효하다.In addition, titanium (Ti) is effective in preventing precipitation among stainless steels and hardening precipitation.

이러한 티타늄의 함량이 0.10중량% 보다 적은 경우에는 좋은 물리적 특성 즉 부식 방지의 효과가 떨어지고, 0.25중량% 보다 많은 경우에는 스틸의 물리적 특성 즉 석출경화가 떨어져 스틸의 강도가 저하되는 단점이 있으므로, 티타늄의 함량은 0.10∼0.25중량% 가 바람직하다.When the content of titanium is less than 0.10% by weight, good physical properties, that is, the effect of preventing corrosion, are inferior, and when the content of more than 0.25% by weight, the physical property of the steel, that is, precipitation hardening, is degraded and thus the strength of the steel is deteriorated. The content of is preferably 0.10 to 0.25% by weight.

그리고, 몰리브덴(Mo)은, 담금질성, 크리프 특성, 그리고 뜨임과 연화저항성을 향상시키고, 고온강도, 충격인성과 내마모성을 증대시킨다.Molybdenum (Mo) improves hardenability, creep characteristics, and tempering and softening resistance, and increases high temperature strength, impact toughness and wear resistance.

이러한 몰리브덴의 함량이 0.5중량% 보다 적은 경우에는 내마모성이 저하되고, 0.8중량% 보다 많은 경우에는 내마모성은 향상되나 스테인리스 스틸의 인성은 저하되므로, 몰리브덴의 함량은 0.5∼0.8중량% 가 바람직하다.If the content of molybdenum is less than 0.5% by weight, the wear resistance is lowered. If the content of molybdenum is more than 0.8%, the wear resistance is improved, but the toughness of the stainless steel is lowered, so the content of molybdenum is preferably 0.5 to 0.8% by weight.

그리고, 철(Fe)은, 고강도 스테인리스 스틸의 주성분으로서, 전술한 원소의 조성을 제외한 나머지 조성으로 구성될 수 있다.And, iron (Fe), as a main component of high strength stainless steel, may be composed of the remaining composition except the composition of the above-described element.

한편, 상기와 같이 구성된 본 발명의 스테인리스 스틸에는, 스테인리스 스틸의 강도와 담금질성을 향상시키기 위한, 탄소(C)를 0.01∼0.03중량%의 함량으로 더 포함시켜 구성한다.On the other hand, the stainless steel of the present invention configured as described above is configured to further contain carbon (C) in an amount of 0.01 to 0.03% by weight for improving the strength and hardenability of the stainless steel.

이러한 재료의 성질을 갖는 탄소(C)의 함량이 0.01중량% 보다 적은 경우에는 스틸의 강도는 감소하고 내부식성은 증가되는 단점이 있고, 0.03중량% 보다 많은 경우에는 스틸의 강도는 증가될 것이나 스틸의 인성 및 내부식성이 감소되어 그 물리적 특성이 나빠지는 단점이 있다.If the content of carbon (C) having the properties of these materials is less than 0.01% by weight, the strength of the steel is reduced and the corrosion resistance is increased. If the content of more than 0.03% by weight, the strength of the steel will be increased. Its disadvantage is that its toughness and corrosion resistance are reduced and its physical properties deteriorate.

따라서, 탄소의 함량은 0.01∼0.03중량% 가 바람직하다.Therefore, the content of carbon is preferably 0.01 to 0.03% by weight.

또한, 본 발명의 스테인리스 스틸에는, 스테인리스 스틸의 가공성을 향상시키기 위한, 황(S)을 0.001∼0.01중량%의 함량으로 더 포함시켜 구성한다.Moreover, the stainless steel of this invention is further comprised including sulfur (S) in content of 0.001 to 0.01 weight% in order to improve the workability of stainless steel.

이러한 황(S)의 함량이 0.001중량% 보다 적은 경우에는 스틸의 가공성이 떨어지고, 0.01중량% 보다 많은 경우에는 스틸의 가공성은 향상되나 내식성이 떨어지는 단점이 있으므로, 황의 함량은 0.001∼0.01중량% 가 바람직하다.When the content of sulfur (S) is less than 0.001% by weight, the workability of the steel is inferior, and when the content of the sulfur (S) is more than 0.01% by weight, the workability of the steel is improved, but the corrosion resistance is poor. Therefore, the content of sulfur is 0.001 to 0.01% by weight. desirable.

그리고, 본 발명의 스테인리스 스틸에는, 스테인리스 스틸의 담금질성과 점성강도를 향상시키고, 황(S)에 의한 취성을 방지하기 위한, 망간(Mn)을 0.1∼0.3중량%의 함량으로 더 포함시켜 구성한다.The stainless steel of the present invention further comprises manganese (Mn) in an amount of 0.1 to 0.3% by weight to improve the hardenability and viscosity of the stainless steel and to prevent brittleness due to sulfur (S). .

이러한 망간(Mn)의 함량이 0.1중량% 보다 적은 경우에는 담금질과 점성의 강도가 떨어지고, 0.3중량% 보다 많은 경우에는 오스테나이트 조직의 점도가 너무 높아지는 단점이 있으므로, 망간의 함량은 0.1∼0.3중량% 가 바람직하다.When the content of manganese (Mn) is less than 0.1% by weight, the strength of quenching and viscosity is lowered, and when the content of manganese (Mn) is more than 0.3% by weight, the viscosity of the austenite structure is too high. Therefore, the content of manganese is 0.1 to 0.3% by weight. % Is preferable.

그리고, 본 발명의 스테인리스 스틸에는, 마르텐사이트의 뜨임 저항을 증대시키고, 스틸의 부식을 촉진시키는 산성화를 방지하며, 고농도의 질산에서 스틸의 내식성을 향상시키기 위한 위한, 규소(Si)를 0.1∼0.3중량%의 함량으로 더 포함시켜 구성한다.And, in the stainless steel of the present invention, silicon (Si) of 0.1 to 0.3 for increasing the temper resistance of martensite, preventing acidification to promote corrosion of the steel, and improving the corrosion resistance of the steel at high concentrations of nitric acid. It is comprised by containing in the content of the weight% further.

이러한 규소(Si)의 함량이 0.1중량% 보다 적은 경우에는 내식성이 약해지고, 0.3중량% 보다 많은 경우에는 내식성이 너무 높아져 스틸을 변형시키기가 어려워지는 단점이 있으므로, 규소의 함량은 0.1∼0.3중량% 가 바람직하다.When the content of silicon (Si) is less than 0.1% by weight, the corrosion resistance is weak. When the content of silicon (Si) is more than 0.3% by weight, the corrosion resistance is too high and it is difficult to deform the steel, so the content of silicon is 0.1 to 0.3% by weight. Is preferred.

그리고, 본 발명의 스테인리스 스틸에는, 스테인리스 스틸의 강도를 향상시키기 위해, 인(P)을 0.001∼0.01중량%의 함량으로 더 포함시켜 구성한다.And in order to improve the strength of stainless steel, the stainless steel of this invention is comprised by including phosphorus (P) further in the content of 0.001 to 0.01 weight%.

이러한 인(P)의 함량이 0.001중량% 보다 적은 경우에는 스틸의 강도가 취약해지고, 0.01중량% 보다 많은 경우에는 저온 취성이 나타나므로, 인의 함량은 0.001∼0.01중량% 가 바람직하다.When the content of phosphorus (P) is less than 0.001% by weight, the strength of the steel becomes weak, and when the content of phosphorus (P) is more than 0.01% by weight, low temperature brittleness appears, so that the content of phosphorus is preferably 0.001 to 0.01% by weight.

그리고, 본 발명의 스테인리스 스틸에는, 티타늄 또는 니켈과 합금해서 석출경화되어 결정립 성장을 억제하고, 스틸의 내식성을 향상시킴과 아울러 저온에서 스틸의 인성과 내산화성을 향상시키기 위한, 알루미늄(Al)을 0.1∼0.2중량%의 함 량으로 더 포함시켜 구성한다.In the stainless steel of the present invention, aluminum (Al), which is alloyed with titanium or nickel and precipitated and hardened, suppresses grain growth, improves corrosion resistance of the steel, and improves toughness and oxidation resistance of the steel at low temperatures. It is comprised by containing in content of 0.1 to 0.2 weight% further.

알루미늄(Al)의 함량이 0.1중량% 보다 적은 경우에는 스틸의 내식성이 불충분해지고, 0.2중량% 보다 많은 경우에는 스틸의 내식성을 향상되지만 스틸의 가공 즉 열처리 등에 불량한 성질을 나타내므로, 알루미늄의 함량은 0.1∼0.2중량% 가 바람직하다.If the content of aluminum (Al) is less than 0.1% by weight, the corrosion resistance of the steel is insufficient. If the content of aluminum (Al) is more than 0.2% by weight, the corrosion resistance of the steel is improved. 0.1-0.2 weight% is preferable.

그리고, 본 발명의 스테인리스 스틸에는, 결정간 부식에 대한 저항성을 향상시키는 지르코늄(Zr)을 0.01∼0.1중량%의 함량으로 더 포함시켜 구성한다.In addition, the stainless steel of the present invention is configured to further contain zirconium (Zr) in an amount of 0.01 to 0.1% by weight, which improves resistance to intercrystallization corrosion.

이러한 지르코늄(Zr)의 함량이 0.01중량% 보다 적으면 내부식성이 떨어지고, 0.1중량% 보다 많으면 스틸의 물리적 특성이 떨어지는 단점이 있으므로, 지르코늄의 함량은 0.01∼0.1중량% 가 바람직하다.If the content of zirconium (Zr) is less than 0.01% by weight, the corrosion resistance is inferior, and if more than 0.1% by weight, there is a disadvantage that the physical properties of the steel is poor, the content of zirconium is preferably 0.01 to 0.1% by weight.

그리고, 본 발명의 스테인리스 스틸에는, 스테인리스 스틸의 가공성을 향상시키고, 다단 성형시의 균열을 억제하는 원소로서, 붕소(B)를 0.001∼0.005중량%의 함량으로 더 포함시켜 구성한다.The stainless steel of the present invention further comprises boron (B) in an amount of 0.001 to 0.005% by weight as an element that improves the workability of stainless steel and suppresses cracking during multistage molding.

이러한 붕소(B)의 함량이 0.001중량% 보다 적으면 가공성이 떨어지고 다단 성형시 균열이 발생되며, 0.005중량% 보다 많으면 스틸의 제조성이나 용접성 및 인성, 지연 파괴성이 떨어지는 단점이 있어, 붕소의 함량은 0.001∼0.005중량% 가 바람직하다.If the content of boron (B) is less than 0.001% by weight, the workability is poor and cracks are generated during multi-stage molding. If the content of boron (B) is more than 0.005% by weight, there is a disadvantage in that steel is poor in manufacturability, weldability, toughness and delayed fracture. As for silver, 0.001-0.005 weight% is preferable.

그리고, 본 발명의 스테인리스 스틸에는, 성형시 균열을 억제시키고 코팅성을 좋게 하는 칼슘(Ca)을 0.01∼0.05중량%의 함량으로 더 포함시켜 구성하고, 칼슘(Ca)의 함량이 0.01중량% 보다 적으면 균열 억제와 코팅성이 저하되고, 0.05중량% 보다 많으면 가공성이 떨어지는 단점이 있어, 칼슘의 함량은 0.01∼0.05중량% 가 바람직하다.In addition, the stainless steel of the present invention further comprises calcium (Ca) in an amount of 0.01 to 0.05% by weight, which suppresses cracking during molding and improves coating property, and the content of calcium (Ca) is greater than 0.01% by weight. If there is little, there exists a disadvantage that crack suppression and coating property fall, and when it is more than 0.05 weight%, workability is inferior, and content of calcium is preferably 0.01 to 0.05 weight%.

[실시예]EXAMPLE

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

먼저, 본 발명에 따른 조성을 갖는 스테인리스 스틸의 물리적 특성 중 인장강도와 연신율을 시험하기 위해 시편을 제작하였다.First, a specimen was manufactured to test tensile strength and elongation among physical properties of a stainless steel having a composition according to the present invention.

한편, 상기 시편은 철(Fe) 76.527중량%, 니켈(Ni) 10중량%, 크롬(Cr) 12중량%, 티타늄(Ti) 0.2중량%, 몰리브덴(Mo) 0.6중량%, 탄소(C) 0.02중량%, 황(S) 0.01중량%, 망간(Mn) 0.15중량%, 규소(Si) 0.15중량%, 인(P) 0.01중량%, 알루미늄(Al) 0.2중량%, 지르코늄(Zr) 0.1중량%, 붕소(B) 0.003중량%, 칼슘(Ca) 0.03중량% 의 조성비를 갖도록 제작되었다.On the other hand, the specimen is iron (Fe) 76.527% by weight, nickel (Ni) 10% by weight, chromium (Cr) 12% by weight, titanium (Ti) 0.2% by weight, molybdenum (Mo) 0.6% by weight, carbon (C) 0.02 % By weight, 0.01% by weight sulfur (S), 0.15% by weight manganese (Mn), 0.15% by weight silicon (Si), 0.01% by weight phosphorus (P), 0.2% by weight aluminum (Al), 0.1% by weight zirconium (Zr) It was produced to have a composition ratio of 0.003% by weight of boron (B) and 0.03% by weight of calcium (Ca).

그리고, 본 인장시험에 사용된 종래의 스테인리스 스틸은, 400계(Fe-Cr계)와 300계(Fe-Cr-Ni계) 두 개의 분류로 나눌 수 있다.In addition, the conventional stainless steel used in this tensile test can be divided into two types, 400 series (Fe-Cr-based) and 300 series (Fe-Cr-Ni-based).

Fe-Cr계는 페라이트(ferrite)계, 마르텐사이트(martensite)계가 있으며, Fe-Cr-Ni계는 오스테나이트(austenite)계, 이상(duplex)계, 그리고 석출경화(precipitation hardening)계가 있다.Fe-Cr type has a ferrite (marite), martensite (martensite) system, Fe-Cr-Ni is austenite (austenite), an ideal (duplex), and precipitation hardening (precipitation hardening) system.

재료의 저온 인성을 증가시키는 Ni이 포함되지 않은 페이라트계와 마르텐사이트계는 저온에서 취성파괴가 발생하기 때문에 초저온 또는 극저온의 환경에서 작동하는 구조물에 사용하지 않는다.Nitrile-free payratt and martensite series, which increase the low temperature toughness of the material, are not used in structures operating in cryogenic or cryogenic environments because brittle fracture occurs at low temperatures.

초저온 또는 극저온에서 사용할 수 있는 스테인리스 스틸 재료는 오스테나이트계 스테인리스 스틸인 STS316L과 STS304 그리고 STS310이 대표적인 금속들이고, 이들 금속을 본 인장시험의 종래 스테인리스 스틸의 시편으로 선택하여 시험하였으며, 이 시험결과는 첨부도면 도 1 내지 도 3에 나타내었다.The stainless steel materials that can be used at cryogenic or cryogenic temperatures are austenitic stainless steels, STS316L, STS304 and STS310, and these metals were selected and tested as specimens of conventional stainless steel in this tensile test. Figures 1 to 3 are shown.

시험결과, 종래의 시편 즉 금속들은 초저온(-196℃)에서 저온 취성이 없으며 다른 금속들에 비하여 연신율이 크기 때문에 저온의 환경에서 작동하는 구조물의 설계 및 제작에 사용한다. 그러나, 이들 종래 시편의 0.2% 옵셋 항복강도(0.2% offset yield strength)는 관련 문헌 및 초저온 인장시험을 통하여 약 330㎫∼630㎫ 로 나타났다. 3%∼5% 의 니켈(Ni)을 포함하고 있는 석출경화계인 STS630은 항복강도가 1461㎫ 로 매우 높게 나타났지만, 최대인장강도(Ultimate tensile strength)가 1475㎫ 로 재료의 가공경화가 매우 작으며, 연신율이 약 18.0% 로 작게 나타났다.As a result of the test, the conventional specimens, or metals, are not vulnerable at low temperatures (-196 ° C.) and have a high elongation compared to other metals, so they are used for the design and fabrication of structures that operate in low temperature environments. However, the 0.2% offset yield strength of these conventional specimens was about 330 MPa to 630 MPa through the literature and the cryogenic tensile test. STS630, a precipitation hardening system containing 3% to 5% of nickel (Ni), showed a very high yield strength of 1461 MPa, but the ultimate tensile strength of 1475 MPa was very small. , The elongation was small at about 18.0%.

초저온, 고압에서 작동하는 액체로켓 연소기 헤드부의 설계에서 재료강도 값이 크고 저온 취성이 없는 연신율이 좋은 재료를 사용하면, 연소기의 구조적인 안정성 확보 및 무게를 절감할 수 있으며, 이러한 무게의 절감은 발사체의 유효탑재량(payload) 무게를 증가시킬 수 있으므로 경제적으로도 매우 큰 효과를 갖는다.In the design of the liquid rocket combustor head that operates at cryogenic and high pressure, using material with high material strength value and good elongation without low temperature brittleness, it is possible to secure the structural stability of the combustor and reduce the weight. It can increase the payload weight of the economically very effective.

현재 외국 발사체의 연소기 헤드부에 사용하는 Inconel 718 재료의 초저온 환경에서 항복강도는 하기의 표 1에 나타난 바와 같이, 약 1282㎫ 이며 최대인장강도는 약 1675㎫ 이다. 이 재료의 연신율은 26% 이다.In the cryogenic environment of the Inconel 718 material currently used in the combustor head of a foreign projectile, the yield strength is about 1282 MPa and the maximum tensile strength is about 1675 MPa, as shown in Table 1 below. The elongation of this material is 26%.

Inconel 718 기계적 물성 값Inconel 718 Mechanical Property Values 금속 (Material)Metal 측정 온도 (℃)Measuring temperature (℃) 0.2% 옵셋 항복강도 (0.2% Yield Strength(㎫))0.2% Offset Yield Strength (0.2% Yield Strength (MPa)) 최대인장강도 (Ultimate tensile strength(㎫))Ultimate tensile strength (MPa) 연신율 (Elongation(%))Elongation (%) Inconel 718Inconel 718 -196℃-196 ℃ 12821282 16751675 2626

이러한 기계적인 물성 값들은 기존 재료들, STS316L, STS304, 그리고 STS310과 비교하여 약 2.0∼3.9배의 항복강도 값을 갖는다.These mechanical properties have yield strength values of about 2.0 to 3.9 times that of conventional materials, STS316L, STS304, and STS310.

그러나, 이 Inconel 718 재료는 앞에서 언급하였듯이 재료의 수급이 용이하지 않고 가공성이 매우 좋지 않기 때문에, 실 구조물의 제작에 많은 어려움이 수반된다.However, this Inconel 718 material, as mentioned above, is not easy to supply and very poor in workability, and thus, a lot of difficulties are involved in the fabrication of the seal structure.

따라서, 본 발명에 따른 고강도 스테인리스 스틸은 이러한 단점을 보완하여 Inconel 718에 비하여 스테인리스 스틸처럼 가공성이 매우 좋으며, 항복강도는 STS304, STS316L, 그리고 STS310보다 약 1.5∼3배 큰 강도를 갖고, 연신율은 현재 액체로켓 연소기 헤드부로 사용하고 있는 Inconel 718보다 우수한 재료이다.Therefore, the high-strength stainless steel according to the present invention has a very good workability as stainless steel compared to Inconel 718 to compensate for this disadvantage, yield strength is about 1.5 to 3 times greater than STS304, STS316L, and STS310, the elongation is currently This material is superior to Inconel 718, which is used as the liquid rocket combustor head.

하기의 표 2는 본 발명에 따른 고강도 스테인리스 스틸과 종래 금속들을 ASTM E 8M 규격에 따라 인장시편을 제작하고 시험한 결과이다.Table 2 below shows the results of fabricating and testing tensile specimens according to the ASTM E 8M standard for high strength stainless steel and conventional metals according to the present invention.

본 발명의 시편과 종래 시편과의 비교Comparison between Specimen of the Invention and Conventional Specimen 금속 (Material)Metal 측정온도 (℃)Measurement temperature (℃) 0.2% 옵셋 항복강도(0.2% Yield Strength(㎫))0.2% Offset Yield Strength (0.2% Yield Strength (MPa)) 최대인장강도 (Ultimate tensile strength(㎫)) Ultimate tensile strength (MPa) 연신율(%) (Elongation)Elongation (%) (Elongation) 본 발명의 고강도 스테인리스 스틸 High strength stainless steel of the present invention -196-196 975.1975.1 16311631 31.131.1 -196-196 880.1880.1 16601660 29.129.1 -196-196 913.8913.8 16311631 28.728.7 averageaverage 923.00923.00 1640.671640.67 29.629.6 STS304  STS304 -196-196 425.6425.6 15251525 39.839.8 -196-196 563.7563.7 15621562 41.441.4 -196-196 398.7398.7 15181518 40.840.8 -196-196 555.2555.2 15641564 38.838.8 averageaverage 485.80485.80 1542.251542.25 40.240.2 STS310  STS310 -196-196 622.5622.5 916916 59.259.2 -196-196 621.3621.3 11111111 68.068.0 -196-196 619.3619.3 11131113 64.464.4 -196-196 627.6627.6 11141114 66.066.0 averageaverage 622.67622.67 1063.501063.50 64.464.4 STS316L  STS316L -196-196 278.8278.8 602602 75.2 75.2 -196-196 301.3301.3 602602 78.1 78.1 -196-196 281.6281.6 601601 77.4 77.4 averageaverage 287.2287.2 601601 76.976.9 STS630  STS630 -196-196 14611461 14791479 19.019.0 -196-196 14581458 14701470 -- -196-196 14641464 14761476 17.817.8 -196-196 14621462 14761476 17.217.2 averageaverage 1461.251461.25 1475.251475.25 18.018.0

본 발명으로 개발한 고강도 스테인리스 스틸은 탄소(C) 함유량이 0.03% 이내의 저탄소강으로 니켈(Ni)과 크롬(Cr)의 함유량이 종래에 개발된 스테인리스 스틸인 페라이트계, 마르텐사이트계, 오스테나이트계 또는 이상계에 포함되지 않는 새로운 조성의 재료이다.The high-strength stainless steel developed by the present invention is a low carbon steel having a carbon (C) content of less than 0.03%. The ferritic, martensitic and austenite contents of nickel (Ni) and chromium (Cr) are conventionally developed stainless steels. It is a material of a new composition which is not included in a system or an ideal system.

이러한 본 발명에 따른 고강도 스테인리스 스틸은 상기의 표 1과 표 2를 통해서 알 수 있듯이, 미국이나 유럽에서 로켓엔진의 연소기 헤드부 재료로 흔히 사용되는 고강도 특수강인 Inconel 718에 비하여 초저온(-196℃)에서 항복강도는 72% 수준이고, 극한강도는 98% 수준을 유지하면서 재료 활용 면에서 중요한 재료 가공성은 Inconel 718보다 월등히 우수하며, 초저온에서의 연신율은 Inconel 718에 비하여 14% 향상된 성능을 갖는 스테인리스 스틸인 것이다.High strength stainless steel according to the present invention can be seen through Table 1 and Table 2, ultra-low temperature (-196 ℃) compared to Inconel 718, a high-strength special steel commonly used as a combustor head of the rocket engine in the United States or Europe The yield strength is 72%, the ultimate strength is 98%, while the material workability, which is important in terms of material utilization, is much better than Inconel 718, and the elongation at cryogenic is 14% higher than that of Inconel 718. It is

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 고강도 스테인리스 스틸에 따르면, 초저온 환경에서 항복강도가 우수하고 연신율 또한 우수한 고강도 스테인리스 스틸을 개발함으로써 재료의 수급이 용이한 장점이 있다.As described above, according to the high-strength stainless steel of the present invention, by providing a high-strength stainless steel excellent in yield strength and excellent elongation in the cryogenic environment, there is an advantage that the supply of the material is easy.

그리고, 이와 같은 본 발명의 고강도 스테인리스 스틸을 액체로켓엔진의 연소기 헤드부로 제작 사용함으로써 고압/초저온의 극한 환경에서 작동하는 연소기 헤드부 구조물의 제작을 용이하게 할 수 있으며, 동일한 구조적인 안정성을 확보하는 경우에, 사용가능한 기존의 스테인리스 스틸을 이용하여 제작된 구조물보다 무게를 경량화 할 수 있는 장점이 있다.In addition, by using the high-strength stainless steel of the present invention as a combustor head of the liquid rocket engine, the combustor head structure that operates in an extreme environment of high pressure / cryogenic temperature can be easily manufactured, and the same structural stability can be ensured. In this case, there is an advantage that the weight can be lighter than the structure manufactured by using the existing stainless steel available.

그리고, 본 발명의 고강도 스테인리스 스틸은 산업계에서 초저온의 환경에서 작동하는 구조물 즉, 저온 탱크나 저온 밸브 등의 제작에도 사용될 수 있으므로 제작된 구조물 크기의 축소 및 무게를 경량화할 수 있는 장점이 있다.In addition, the high-strength stainless steel of the present invention can be used in the production of structures that operate in an ultra low temperature environment, that is, a low temperature tank or a low temperature valve in the industry, and thus, there is an advantage of reducing the size and weight of the manufactured structure.

Claims (10)

9.0∼10.5중량%의 니켈(Ni), 11.5∼12.5중량%의 크롬(Cr), 0.10∼0.25중량%의 티타늄(Ti), 0.5∼0.8중량%의 몰리브덴(Mo) 및 잔부의 철(Fe)을 포함하고, 0.01∼0.03중량%의 탄소(C), 0.001∼0.01중량%의 황(S), 0.1∼0.3중량%의 망간(Mn), 0.1∼0.3중량%의 규소(Si), 0.001∼0.01중량%의 인(P), 0.1∼0.2중량%의 알루미늄(Al), 0.01∼0.1중량%의 지르코늄(Zr), 0.001∼0.005중량%의 붕소(B), 0.01∼0.05중량%의 칼슘(Ca)을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 초저온에서 높은 항복강도 및 우수한 연신율을 갖는 고강도 스테인리스 스틸.9.0 to 10.5 weight percent nickel (Ni), 11.5 to 12.5 weight percent chromium (Cr), 0.10 to 0.25 weight percent titanium (Ti), 0.5 to 0.8 weight percent molybdenum (Mo) and the balance of iron (Fe) 0.01 to 0.03 wt% carbon (C), 0.001 to 0.01 wt% sulfur (S), 0.1 to 0.3 wt% manganese (Mn), 0.1 to 0.3 wt% silicon (Si), 0.001 to 0.01 wt% phosphorus (P), 0.1-0.2 wt% aluminum (Al), 0.01-0.1 wt% zirconium (Zr), 0.001-0.005 wt% boron (B), 0.01-0.05 wt% calcium ( High strength stainless steel having high yield strength and excellent elongation at ultra low temperature, characterized in that it further comprises Ca). 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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