KR100847658B1 - 내고온 변색성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고가인 Ni을 다량 함유한 오스테나이트계 304강과 비교하여 내 고온 변색성이 동등수준 이상의 특성을 갖는 페라이트계 스테인리스강에 관한 것으로, 질량 %로 C; 0.02%이하, N: 0.02%이하, S: 0.01%이하, Si: 0.7%이하, Cr: 19~25%, Ni: 0.8% 이하, Cu: 0.8% 이하, C 와 N을 안정화 시키기 위해 첨가되는 Ti 및 Nb 가 (Ti+Nb)/C+N 비가 10 이상이며 Ti+Nb 함량이 0.5% 이하이고 남은 성분이 Fe 및 필수 불가피적으로 첨가되는 소량의 불순물 Mn, S, Al, P 등으로 이루어지는 강으로 제조회사에서 생산되는 표면 상태, 연마 또는 연삭 등 표면마무리 형태에 상관없이 ASTM D2244를 만족하는 색차계를 이용하여 색상을 측정함에 있어 500℃에서 90분 가열 후 a^* 값이 11 보다 작으며, b^* 값이 11 보다 큰 영역 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 고온 내변색성이 우수한 페라이트계 스테인리스강을 제공하는 것을 요지로 한다.

페라이트계 스테인리스강, 내고온 변색성, 표면 마무리

Description

내고온 변색성이 우수한 페라이트계 스테인리스강{Ferritic Stainless Steel with Excellent discoloration Resistance Properties}

본 발명은 내고온 변색성이 우수한 페라이트계 스테인리스강에 관한 것으로, 내고온 변색성이 비교적 우수한 오스테나이트계 304강과 비교하여 고가인 Ni을 1% 이하 함유하면서도 고온 내변색성이 동등수준 이상의 특성을 보유하여 304강을 대체할 수 있는 페라이트계 스테인리스강에 관한 것이다.

한편 열처리하여 변색된 강의 표면의 측정은 ASTM D2244를 만족하는 색차계를 이용하여 측정하며, 합금성분 조성에 따라 변색정도는 서로 다르며 L^*, a^* 및 b^* 값으로 대변된다. 강 표면의 밝기를 결정하는 L^* 값은 색상의 밝고 어두움을 보일 뿐 근본적인 색상 차이를 대변하지는 못한다. 강의 고유한 색상은 녹색(-)에서 적색(+)의 변화정도를 나타내는 a^* 값 및 청색(-)에서 노랑색(+)의 변화정도를 나타내는 b^* 값의 크기에 따라 결정된다.

합금 주성분이 18% Cr-8% Ni 으로 범용 오스테나이트계 스테인리스강인 304 강재는 바비큐 그릴 등 열조리 기구에 보편적으로 사용되고 있다. 하지만 304강은 고가인 Ni 함량이 높아 소재가격이 비싸기 때문에 Ni 을 전혀 함유하지 않은 16% Cr 함유 범용 페라이트계 스테인리스강인 430강을 대체 용도로 많이 사용하고 있다. 하지만 이 강은 304강에 비하여 내식성이 열악해 내구성이 떨어지며 동시에 고온에서 장시간 사용 시 a^* 값 증가량 대비 b^* 값을 급격히 저하시켜 붉은색으로 변하게 되어 외관이 열위하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 고온에서 장시간 노출 시 b^* 값의 저하를 억제하거나 b^* 값의 변화를 억제하는데 효과있는 Cr, Ni 및 Si 함량을 적절히 조절하고, 강의 내식성 향상에 도움을 주지만 b^* 값의 급격한 감소를 조장하는 Cu 함량 및 Nb 첨가를 최소화하여 304 강과 유사한 고온 내변색특성을 보이는 페라이트계 스테인리스강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 질량%로 C;0.01%이하, N;0.01%이하 Si:0.7%이하, Mn:0.3%이하, Cr:20~23%, Ni:0.2~0.4%, Ti: 0.20~0.40%, Nb: 0.1%, Cu:0.30~0.50%, Zr:0.02~0.06%, Al:0.02~0.06%, S: 0.001% 이하인 것을 만족하고 남은 성분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 고온 내변색 특성이 304 강과 유사한 고크롬 페라이트계 스테인리스강을 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명자는 고온에서 가열 시 강의 변색 정도는 가열 온도와 시간에 따라 결정되며 약 90분 정도 가열하면 강 고유의 안정된 변색정도를 나타내며, 화염을 보이는 열기구의 최대 도달온도가 약 500℃ 임을 인지하고, 시험 강들을 500℃ 에서 90분 가열한 후에 측정한 a^* 및 b^* 값으로 비교하였다. 스테인리스 강은 크롬을 많이 함유하고 있기 때문에 가열온도가 낮으면 표면에 얇은 크롬 산화물이 형성되며, 이때의 L^* 값 및 a^* 값 변화는 크지 않아 밝기가 크게 변화지 않고 붉은색 쪽으로의 색상 변화는 크지 않으나 상대적으로 b^* 값의 변화는 매우 커 밝고 옅은 노란색을 띈다. 가열 온도가 높아지면 a^* 값 은 계속 커지나 b^* 값은 최대점을 통과한 후 감소하게 된다. 이때 변색의 정도는 강종의 합금성분의 차이에 따라 차이를 보인다.

Ni 을 다량 함유한 304 스테인리스강은 500℃ 에서 90분간 유지하여도 a^* 및 b^* 값은 모두 (+) 쪽에 머물고 있으며, a^* 보다 b^* 가 커 노란색을 띄게 되어, 외관상 양호한 상태를 유지한다. 이는 Ni 이 고온 내변색 특성에 양호한 작용을 하기 때문이다. 고가의 Ni 함량을 줄인 페라이트계 스테인리스강에서는 Cr 함량을 증가시키면 내변색성을 개선할 수 있으며, 고 Cr강의 장점인 내식성을 극대화 하기 위해서는 내식성에 유효한 원소인 Cu, Si, Ti 및 Nb 들의 고온 내변색 특성에 미치는 영향을 밝히고, 그 함량을 경제적인 수준에서 적절히 조절함으로써 우수한 고온 내 변색특성을 보유한 고 Cr 페라이트계 스테인리스강의 성분계를 설정할 수 있다.

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

C 및 N: 오스테나이트 형성 원소로 고온 내변색성에 특별한 영향을 미치지는 않는다. C 은 과다 첨가시 Cr과 반응하여 크롬탄화물을 생성시키어 내식성을 저하시킴과 동시에 페라이트계 강에서 연신율과 용접성을 저하시키고, N 은 첨가는 강도와 내공식성을 향상시키는 이점은 있으나 첨가량이 과다하면 연신율 등 가공성이 저하되는 단점이 있으므로 본 발명강에서는 각각 0.02%이하로 제한한다.

Ti 및 Nb: C, N 원소를 (Ti, Nb)(C, N) 석출물로 안정화시켜 고온에서 Cr 탄화물 석출을 억제하여 내식성이 향상되며 소둔 열처리 시 결정립 미세화로 재결정 집합조직을 제어하여 가공성을 향상 시키고 오렌지 필(Orange Peel) 발생을 방지하는 효과가 있으나, 과다 첨가 시 가공성 저하와 리징이라는 표면결함이 발생되는 문제가 있으므로 (Ti+Nb)/C+N = 10 이상이며 Ti + Nb 총 합이 0.5% 이하로 제한한다. 특히 Ti와는 달리 Nb의 과다한 첨가는 고온에서 장시간 유지하면 a^* 값을 급격히 증가시킨 후 감소시키는 경향을 보이며, b^* 값은 급격한 감소를 조장하여 현격한 색상차를 유발하므로 Cr 함량이 낮은 경우는 Nb 첨가량을 낮게 하여야 한다.

Ni: 고온에서 a^* 값 및 b^* 값의 변화를 억제하여 내변색성에 양호한 영향을 미치고 부식속도를 늦추어 내식성을 향상시키는 원소이다. 페라이트계 스테인리스 강에서 동일한 영항을 보이나, 오스테나이트 안정화 원소인 Ni 첨가량이 과다하면 페라이트 상안정에 나쁜 영향을 미쳐 가공성이 저하되므로 함량을 0.8% 이하로 제한한다.

Cr: 스테인리스강의 안정된 산화 피막형성을 촉진하는 원소로서 b^* 값의 감소를 억제하므로 내고온변색성에 가장 유효한 원소이다. 과다하게 첨가하는 경우 열간압연 시 치밀한 산화 스케일 생성으로 스티킹(Sticking) 결함이 증가되는 문제가 있으므로 그 함량을 19~25%로 제한한다.

Si: 스테인리스강에서 부동태 피막을 강화하여 내식성을 향상시키며 고온 내산화성이 우수하여 고온에서 a^*, b^* 값 변화를 억제하는 효과가 있는 매우 유용한 원소이지만 과다 첨가시 연신율을 저하시키므로 그함량을 0.7% 이하로 제한한다.

Cu: 페라이트 강의 열간가공성을 저하시키지만 부식 전파속도를 저하시켜어 내식성을 향상시키는 원소이다. 고온 내산화성이 나쁘기 때문에 첨가량이 과다하면 고온에서 b^* 값을 감소시키므로 0.8% 이하로 제한한다.

(실시예)

이하 본 발명의 실시예를 설명한다.

표 1은 본 발명을 위한 실험에 사용된 400계 강재들의 화학 조성 및 500℃에서 90분간 가열 후의 a^* 및 b^* 값을 보이고 있다. 이 강들은 주 합금 성분인 Cr 함량은 14~21% 범위에 있으며, 기타 변색에 영향을 주는 Cu, Si, Ni, Nb 함량을 변화시킨 것으로 진공 유도 용해로를 이용하여 잉코트(Ingot)로 주조하고, 열간 및 냉 간압연, 소둔산세를 행하여 1.0mm 두께의 냉연판으로 만들어 변색 실험을 행하였다.

발명재와 비교 시험재의 변색 정도

강종	Cr	Si	Cu	Ni	C + N	Ti	Nb	500℃, 90분		판정
								a *	b *
비교강 1	18.3	0.49	0.2	8.1	0.092	-	-	9.27	13.55	O
비교강 2	16.2	0.30	-	-	0.08	-		12.50	8.65	X
비교강 3	16.9	0.60	2.1	7.6	0.051	0.014	-	5.04	-3.21	X
비교강 4	18.4	0.40	-	-	0.020	0.25	-	11.04	10.92	X
비교강 5	14.0	1.10	0.5	-	0.013	0.15	0.35	-1.48	-2.0	X
비교강 6	18.4	0.45	-	-	0.025		0.45	14.17	5.38	X
비교강 7	19.3	0.40	0.5	-	0.025	-	0.40	14.62	10.68	X
비교강 8	21.0	0.15	0.4	0.3	0.012	-	0.34	11.88	10.95	O
발명강 1	20.0	0.15	-	-	0.020	0.40	-	9.44	12.03	O
발명강 2	21.0	0.15	0.4	0.3	0.012	0.30	-	8.12	11.13	O
발명강 3	21.0	0.45	0.4	0.3	0.012	0.27	0.06	8.78	11.52	O

비교강 1은 304 오스테나이트 스테인리스 강으로 Cr 함량이 약 18% 수준이지만 Ni 을 약 8% 함유하고 있어, 500℃에서 90분간 유지하여도 a^* 값이 11 이하이면서 b^* 값이 11 이상으로 노란색 쪽으로 가까운 색을 보이고 있다. 반면 비교강 2는 430 페라이트 스테인리스 강은 Ni을 함유하고 있지 않으며 Cr 함량이 16% 수준으로 비교강 1 대비 고온산화량이 많아 a^* 보다 b^* 가 작은 붉은색 쪽으로 가까운 색을 보이고 있다.

비교강 3은 16Cr 에 Ni을 첨가하여도 Cu를 2% 수준을 함유하고 있으면, a^* 이 최고점을 지나 다시 감소하며 b^* 가 급격히 감소하여 붉은색을 지나 자주색 쪽으로 변한다. 따라서, 성형성이나 내식성 향상을 위하여 Cu를 첨가하는 경우 그 첨가량을 최소화 하여야 함을 알 수 있다.

Cr을 제외한 다른 성분의 함량이 유사한 비교강 2 와 비교강 4를 비교하면, 페라이트계 스테인리스 강에서 Cr 함량을 올리면, a^* 의 증가 정도 및 b^* 의 감소 정도가 줄어 듬을 알 수 있다. 18Cr 수준의 페라이트 스테인리스 강은 아직 a^* 보다 b^* 가 작아 비교강 1과 같은 304강 수준에는 미흡함을 알 수 있다. Cr 함량을 20% 수준으로 증가시킨 발명강 1은 a^* 및 b^* 값의 현저한 개선으로 거의 304 스테인리스 강과 유사한 고온 내변색 특성을 보임을 알 수 있다.

페라이트계 스테인리스 강에서 내식성 향상에 효과가 있는 Nb 첨가의 내변색성에 대한 영향은 비교강 5, 비교강 6, 비교강 7 및 비교강 8을 비교하면 분명해 진다. Nb 를 첨가하면 a^* 은 약간 증가하지만 b^* 값이 현저히 감소하여 a^* 값이 b^* 값보다 크면서 각 값간의 차이가 커 전반적으로 붉은색을 띄게된다. Cr 함량을 증가시키면 a^* 의 증가 및 b^* 의 감소 정도를 줄일 수 있다. 비교강 8에 보이는 바와 같이 Cr 함량을 21%까지 증가시키면 a^* 값과 b^* 값 차이가 줄어들어 붉은색이 완화된다. 하지만 여전히 a^* 값이 b^* 값 보다 크기 때문에 더 많은 Cr 함량이 요구되므로 Nb 첨가강은 색상 개선에 한계가 있다고 볼 수 있기 때문에 Nb 첨가량을 가능한 최소화 하여야 한다.

발명강 2 는 고온 내변색성에 유효한 Cr을 21% 및 Ni을 0.3% 함유하고, 고온 내변색성에 불리하지만 내식성 향상에 도움을 주는 Cu 를 0.4% 함유하고 가공성을 극대화하기 위해 Si 함량을 0.15%로 최소화 한 강으로, 고온에서 유지 후에도 a^* 값이 11 이하이고 b^* 값이 11 이상을 유지하여 304강과 유사한 변색특성을 갖는다고 할 수 있다. 발명강 3은 내식성을 더욱 향상시키기 위하여 발명강 2와 비교 시 Si 함량을 0.45% 수준으로 올리고 고온 내변색 특성에 불리한 Nb를 0.06% 첨가한 강으로, 고온 내변색 특성은 발명강 2와 유사한 수준을 유지할 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 오스트나이트계 강인 304강에서 고가인 Ni을 대체하기 위하여 상대적으로 저가인 Cr, Cu, Ti 또는 Nb, 및 Si 를 사용하여 304 동등 수준의 고온 내변색특성을 갖는 페라이트계 스테인리스강에 관한 것으로서 304강을 대체 할 수 있는 저가의 페라이트계 스테인리스강 개발로 제조 원료가격을 저감할 수 있어 경제적 효과가 크다.

Claims (2)

1. 질량 %으로 C: 0.02% 이하, N: 0.02%이하, S: 0.01% 이하, Si: 0.7% 이하, Cr: 19~25%, Ni: 0.8% 이하, Cu: 0.8% 이하, C와 N을 안정화 시키기 위해 첨가되는 Ti+Nb 함량이 0.5% 이하, C+N 함량이 0.05% 이하이고, 남은 성분이 Fe 및 불가피적으로 첨가되는 불순물로 이루어지며,

   페라이트계 스테인리스강의 색상이 ASTM D2244를 만족하는 색차계로, 500℃에서 90분 가열 시 a* 값이 11 보다 작으며, b* 값이 11 보다 큰 영역 내에 존재하는 고온 내변색성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.
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