KR100963000B1 - 열간 압연 시 스티킹 표면결함을 저감시킨 고크롬페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고크롬 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법으로, 열연강판을 압연하는 경우 압연 소재와 압연 롤이 들러붙는 표면결함(스티킹 현상)을 저감시키기 위한 고크롬 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 열간 압연 시 스티킹 표면결함을 저감시킨 고크롬 페라이트계 스테인리스강은 중량 %로, Cr: 17~23%, C; 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, Ti: 0.2~0.4%, Mn: 0.3% 이하, Cu: 0.2~0.5%, Al: 0.03~0.10%, S: 0.002% 이하, Si: 0.15% 이하, Nb: 0.06~0.45%인 것을 만족하고 남은 성분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 또한, 본 발명의 고크롬 페라이트계 스테인리스강의 제조방법은 상기의 조성으로 이루어진 열연강판의 열간 압연 시 가열로 온도는 1160~1280℃로 하여 가열하는 단계와, 가열된 열연강판의 마무리 압연은 등속압연을 실시함과 동시에 바 가열기(Bar Heater)를 이용하여 압연 판의 길이 방향에 따라 경사 가열하는 단계를 포함한다.

고크롬, 페라이트계 스테인리스강, 표면결함, 스티킹(Sticking), 열간 압연

Description

열간 압연 시 스티킹 표면결함을 저감시킨 고크롬 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법{High Cr ferritic stainless steel for lowering surface defects as sticking of hot rolled steel and method of manufacturing the same}

본 발명은 고크롬 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 상기 스테인리스강판을 열간 압연 시 스티킹과 같은 표면결함의 발생을 저감시키기 위한 고크롬 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 특히 17%~23% 범위의 Cr을 함유한 고크롬 페라이트계 스테인리스강에서 열연 압연 시 발생하는 스티킹(sticking) 표면결함을 저감 하기 위한 것이다. 기존에 생산되고 있는 고크롬 페라이트계 스테인리스강은 Cr과 Si 함량이 높아 가열시 스케일이 생성되지 않는다. 이에 따라 열간 압연을 실시할 경우 소재와 압연롤이 들러붙는 스티킹 표면결함이 발생되어 왔다.

이와 같은 표면결함은 최종 제품의 표면품질을 개선시키기 위한 추가의 공정, 즉 코일 그라인딩(Coil grinding)과 같은 설비를 사용하게 되어 제조원가가 상승되고 표면품질이 열위하다는 문제점이 있다. 따라서, 열간 압연 시 스티킹이라는 표면결함 발생을 저감시키기 위한 성분 및 조업조건을 조절하여 스티킹 표면결함 및 상기와 같은 문제점을 해결할 필요성이 있다.

본 발명의 목적은 기존 고크롬 페라이트계 스테인리스강의 가열 시 스케일 생성에 크게 영향을 미치는 합금원소 Si의 함량을 0.15% 이하로 제한하고 고온강도를 향상시키기 위하여 Nb 성분을 0.06~0.45% 범위로 첨가하여 열연 압연 시 스티킹 표면결함의 발생을 저감시키는 고크롬 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또다른 목적은 고크롬 페라이트계 스테인리스강을 열간 압연하는 경우 가열로 조업조건으로서 압연 온도를 11160~1280℃ 범위로 제한하고, 마무리 압연 시 등속압연을 실시함에 따른 판의 테일(Tail) 부위를 온도 보상하기 위하여 바 가열기(Bar heater)를 이용하여 경사 가열함에 따라, 고온에서 스케일 생성이 촉진되어 스티킹 표면결함의 발생을 저감시키는 고크롬 페라이트계 스테인리스강 제조기술을 제공하는데 있다.

본 발명의 열간 압연 시 스티킹 표면결함을 저감시킨 고크롬 페라이트계 스테인리스강은 중량 %로, Cr: 17~23%, C; 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, Ti: 0.2~0.4%, Mn: 0.3% 이하, Cu: 0.2~0.5%, Al: 0.03~0.10%, S: 0.002% 이하, Si: 0.15% 이하, Nb: 0.06~0.45%인 것을 만족하고 남은 성분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다.

또한, 본 발명의 열간 압연 시 스티킹 표면결함을 저감시킨 고크롬 페라이트계 스테인리스강의 제조방법은 상기의 조성으로 이루어진 열연강판의 열간 압연 시 가열로 온도는 1160~1280℃로 하여 가열하는 단계와, 가열된 열연강판의 마무리 압연은 등속압연을 실시함과 동시에 바 가열기(Bar Heater)를 이용하여 압연 판의 길이 방향에 따라 경사 가열하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 고크롬 페라이트계 스테인리스강은 열간 압연 시 소재와 압연 롤이 서로 들러붙는 스티킹 표면결함을 획기적으로 저감시킬 수 있음으로써, 제조원가의 저감 및 표면품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명을 설명한다.

본 발명에 따른 실험에서는, 17~23% 범위의 Cr을 갖는 고크롬 페라이트계 스테인리스강에 있어서, 가열로 온도 1260℃에서 일정시간 가열하였을 때 Si 함량 변화에 따른 스케일 생성 변화를 알아보았다. 그 결과 0.5%의 Si을 함유하는 비교강 4의 경우 산화 스케일량이 매우 작게 생성되어 스티킹 표면결함 발생에 유리한 조건이 되어 스티킹 표면결함 발생이 증가됨을 표 1에서 알 수 있다. 이러한 경우를 방지하기 위하여, 열연 제조조업 조건으로 통상적인 가열로 온도범위(1160~1280℃)로 가열한 후 등속압연과 바 가열기의 경사가열을 적용 실시하는 경우 스티킹이 라는 표면결함 발생이 적게 되어 미려한 열연강판 표면을 만들어 표면품질을 개선할 수 있다.

따라서 본 발명은 열간 압연 시 발생하는 스티킹 표면결함을 저감시키기 위하여 17~23% 범위의 Cr강을 기본조성으로 하는 페라이트계 스테인리스강으로서 중량 %로 Si이 함량이 0.15% 이하, Nb 함량이 0.06 ~0.45%로 이루어진 고크롬 페라이트계 스테인리스강의 성분계에서 열간 압연을 등속압연과 바 가열기의 경사 가열을 적용 실시하는 제조조건으로 열간 압연을 실시하여 스티킹 표면결함 발생을 저감시키는 열연 제조방법이다.

이하, 본 발명의 조성범위와 그 한정이유를 설명한다.

Cr: 스테인리스강의 산화 피막형성을 촉진하는 원소로서 내식성을 증가시키기 위하여 17% 이상의 Cr첨가가 필요하며, 23%를 초과하여 과다하게 첨가하는 경우 열연 시 치밀한 산화 스케일 생성으로 스티킹 표면결함이 증가되는 문제가 있으므로 23%을 상한 함량으로 한다.

C : 인성의 감소를 최소화하기 위하여 최대치는 0.02%이다. 그러나 C의 함량이 작으면 작을수록 재료의 성질을 향상시키므로 최소한은 정하여지지 않았다.

N : C와 마찬가지로, 인성의 감소를 최소화하기 위하여 최대치는 0.02%이다. 그러나 N의 함량이 작으면 작을수록 재료의 성질을 향상시키므로 최소한은 정 하여지지 않았다.

Ti : 예민화를 방지하기 위해 첨가되는 원소로, 0.2% 이상의 Ti가 첨가되고, 과다하면 인성의 열하를 가져오므로 내식성을 고려하여 0.4% 이하를 첨가하는 것이 바람직하다.

Mn: 질소와 마찬가지로 오스테나이트상 안정화 원소로서 Ni를 대체하는 원소이다. 오스테나이트상을 준안정화 시키어 페라이트강에 첨가시키는 경우 강도가 증가되지만, 0.3%를 초과하게 되면 가공성이 저하되므로 0.3% 이하로 제한한다.

Cu : 환원성 분위기에서 내식성을 증가시키므로 0.2% 이상 첨가하고, 0.5%를 초과하여 첨가시 내공식성, 응력부식저항성 및 열간 가공성을 감소시키므로 첨가량을 0.5% 이하로 제한시킨다.

Al : 탈산을 위해 첨가시키는 원소이다. Al의 첨가는 인성을 증가시키며, 0.03% 이하일 경우 내식성 향상 효과가 향상되지 않으므로 0.03% 이상을 첨가하고, 다량 첨가시 Al-oxide 가 형성되므로, Al은 0.10% 이내로 제한되어야 한다.

S : 내식성을 감소시키므로 S 함량을 0.002% 이내로 제한시킨다.

Si: 소재의 부동태 피막을 강화하여 내식성을 향상시키고 고온 내산화성을 향상 시킨다. 하지만 고크롬 스테인리스강에서 0.2% 이상 함유하는 경우 산화피막이 치밀하여지고 특히 크롬 산화물로 주로 구성된 스케일 하부층에 SiO₂가 생성되어 열간 압연 시 스티킹 표면결함 발생을 촉진시킨다. 또한, 과다 첨가시 연신율도 저하시키므로 0.2% 미만으로 제한한다. 바람직하기로는 0.15% 이하이다.

Nb: Nb 첨가강은 고온 열처리 시 용해되어 있는 Nb 용질원소는 0.06%이상 첨가 시, Nb 미첨가강과 비교하여 결정립이 미세화되어 고온강도가 향상된다. 또한, 열간 압연 시 스티킹 표면결함을 억제시키는 효과가 있으며 또한 C, N 원소를 Nb(C, N) 석출물로 안정화시킴으로써, 고온에서 크롬 탄화물 석출을 억제하여 내식성이 향상된다. 그러나, 0.45%를 초과하여 과다 첨가 시 가공성 저하와 리징이라는 표면결함이 발생되는 문제가 있으므로 0.06~0.45%로 제한한다.

(실시예)

다음은 하기의 조성으로 이루어진 본 발명에 따른 강재로서 21%Cr-0.25%Ti-0.08%Nb-ULCN(0.006%C-0.008%N)의 기본 성분계에 Si 함량을 0.1% ~ 0.5% 범위와 Nb 함량을 0.08%로 변화시킨다. 그리고, 열연 가열로 조업조건을 1260℃, 분위기 과잉 산소 3% 조업조건에서 240분동안 유지하여 생성된 산화 스케일 량과 성상을 표 1과 도 1에 나타내었으며, 이것을 참조로 하여 설명한다.

표 1은 발명재와 비교 시험재의 물성에 따른 산화스케일 생성량 및 코일 그아인딩률을 나타내었다. 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 강종은 21%Cr-0.25%Ti- 0.08%Nb-0.006%C-0.006%N을 기본조성으로 하고 Si 함량을 변화시키어 발명재와 비교 시험재 4강종의 성분계를 용해하여 잉고트(Ingot)로 주조한다. 그리고, 열간 및 냉간압연, 소둔산세를 행하여 1.0mm 두께의 냉연판으로 만들어 열연 산화 스케일 생성량과 스티킹 재현시험 결과를 조사하여 표 1에 나타내었다.

강종	Cr	Si	Mn	C	N	Ti	Nb	산화 스케일 생성량 (1260℃,4Hrs)	Coil Grinding률 (2 pass 기준)
비교강1	21.0	0.20	0.2	0.007	0.008	0.30	0.08	63 mg/㎠
비교강2	21.0	0.30	0.2	0.007	0.008	0.30	0.08	52 mg/㎠
비교강3	21.0	0.40	0.2	0.007	0.008	0.30	0.08	43 mg/㎠
비교강4	21.0	0.50	0.2	0.006	0.008	0.30	0.08	36 mg/㎠	29%
발명강	21.0	0.10	0.21	0.006	0.008	0.27	0.08	82 mg/㎠	5%

21% Cr을 함유한 페라이트계 스테인리스강에서 Si 함량 변화에 따라 1260℃에서 가열하였을 때 생성된 산화 스케일량은 강종에 따라 큰 차이를 보인다. 이것은 도 1과 같이 0.5% 정도의 과다한 Si을 함유한 강은 스케일과 모재 사이에 SiO₂ 형태로 농축되어 산화 스케일량이 적게 생성된다. 이것은 산화 스케일에 의한 윤활 작용이 감소되어 열간 압연 시 스티킹 표면결함이 크게 증가되는 이유이다.

냉연강판의 양호한 표면품질을 얻기 위하여 냉간압연 전 스티킹 표면결함을 제거하기 위한 코일 그라인딩을 실시하여야 하는데 Si 함량별 강종의 코일 그라인딩 적용률(2 pass 기준)을 표 1에 표시하였는데 이 결과에 의하면 Si을 0.1% 함유한 강은 스티킹 표면결함에 의한 코일 그라인딩 적용률이 약 5% 수준으로서 0.5% Si 함유강의 경우 코일 그라인딩 적용률인 29%보다 적게 발생되었다.

이는 Si 함량이 적어서 고온 가열로에서 실리콘 산화물로 치밀하게 존재하지 않고 일반 철 크롬 산화 스케일의 다공성 스케일으로 다량 형성하게 됨으로써, 압연 시 스케일에 의한 윤활 작용으로 스티킹 표면결함을 감소시키기 때문이다.

표 2는 열간 압연 시 압하율 변화에 따른 21% Cr 함유 페라이트계 강판에서 Si 함량 및 압하율(압연온도: 1050℃) 변화별로 스티킹이 발생되는 부위와 발생되지 않은 부위의 평균 표면조도 값을 표시한 것이다.

즉, 0.5% Si 함유강인 경우 스티킹 표면결함이 발생되어 표면조도가 증가되는 경향을 보인다. 또한 열간 압연 시 압하율이 증가할수록 표면조도가 나빠지게 되어 스티킹 표면결함이 발생되기 쉽다는 결과를 보인다. 따라서 열간 압연 시 스티킹 결함을 방지하기 위해서는 압하율을 낮게 적용 실시하여야 한다.

압하율	표면조도	No Sticking 부위		Sticking 발생 부위
		0.5% Si 강	0.1% Si 강	0.5% Si 강	0.1% Si 강
50%	Ra (㎛)	5.3	3.7	7.9	9.1
60%	Ra (㎛)	2.9	3.9	7.6	10.4
70%	Ra (㎛)	5.4	4.0	10.0	6.8

표 3은 21% Cr강에서 Ti, Nb 첨가에 따른 소둔 결정입도와 고온강도 변화를 나타내었다. Ti과 Nb의 복합첨가에 따라 열간 압연 시 스티킹 결함 발생 저감효과는 표 3과 같이 Nb를 첨가함으로써, 소재의 결정입도 미세화와, 용질원소 Nb에 의한 소재의 고온강도 증가 효과를 보인다. 이에 의해 압연 롤에 압연 소재가 들러붙는 스티킹 표면결함이 저감되므로, 표면결함 발생이 줄어들게 된다.

구 분	비교강(21Cr-0.3Ti)	발명강(21Cr-0.3Ti-0.08Nb)
결정입도(소둔:930℃,3분) (ASTM No.)	평균입도:No.7.2	평균입도:No.8.2
고온 항복강도(950℃), (Mpa)	약 10 Mpa	약 14 Mpa

열간 압연 시 조업조건으로 등속압연을 적용하면서 압연을 실시하는 시간의 차이에 따른 판의 상부로부터 길이 방향을 따라 테일부의 온도 저하가 발생되어 판 테일부에 스티킹 결함 발생이 증가하게 된다. 이러한 현상을 줄이기 위하여 바 가열기 설비를 이용하여 판의 길이 방향의 상부로부터 경사 가열을 실시하여 테일부의 온도를 보상(약 30℃)함으로써, 테일부의 스티킹 결함을 줄일 수 있다.

표 4는 열간 압연의 등속압연과 바 가열기 적용 시 스티킹 표면결함 제거 코일 그라인딩 적용률을 나타낸다. 표 4에 따르면, 등속압연의 실시와 바 가열기의 경사 가열 적용으로 스티킹 표면결함이 크게 감소됨을 알 수 있다.

열연 조업조건 (0.5% Si 강)	FM 등속압연+Bar Heater 경사가열 적용	FM 가속압연+Bar Heater 경사가열 미적용
Coil Grinding 적용율(%) (2pass 기준)	2.5 %	35.5 %

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 열간 압연 시 소재와 압연 롤이 서로 들러붙는 스티킹 표면결함을 획기적으로 저감시킬 수 있음으로써, 제조원가의 저감 및 표면품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1은 21%Cr 페라이트계 STS강에서 Si 함량 변화에 따른 스케일 성상을 도시한 도면이다.

Claims (2)

1. 중량 %로, Cr: 17~23%, C; 0초과~0.02% 이하, N: 0초과~0.02% 이하, Ti: 0.2~0.4%, Mn: 0초과~0.3% 이하, Cu: 0.2~0.5%, Al: 0.03~0.10%, S: 0초과~0.002% 이하, Si: 0초과~0.15% 이하, Nb: 0.06~0.45%인 것을 만족하고 남은 성분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고크롬 페라이트계 스테인리스강의 제조방법에 있어서,

   상기 열연강판의 열간압연 시 가열로 온도는 1160~1280℃로 하여 가열한 후, 가열된 열연강판에 마무리압연을 실시하되,

   상기 마무리압연은 등속압연을 실시함과 동시에 바 가열기(Bar Heater)를 이용하여 압연판의 길이 방향에 따라 경사 가열을 실시하는 것을 특징으로 하는 열간압연 시 스티킹 표면결함을 저감시킨 고크롬 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
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