KR101092157B1 - 새그 저항성, 상안정성 및 고온 산화 물성이 우수한페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 - Google Patents

새그 저항성, 상안정성 및 고온 산화 물성이 우수한페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 새그 저항성(Sag resistance), 상안정성(grain growth 저항성) 및 고온 산화 특성이 우수한 페라이트계 스테인레스강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 중량%로, Cr:17.0~20.5%, Mo:1.3~1.7%, Nb:0.45~0.65%, Ti:0.15~0.25%, C 0.01% 이하, Si:0.25~0.50%, N:0.01%이하, Ca:0.0005%이하, B:0.0005% 이하를 함유하고 기타 Fe 및 불가피한 원소로 이루어진 페라이트계 스테인레스강 슬라브를 통상의 압연 과정에서 행하는 압하율로 압연을 실시한 후 열간압연후의 결정입도가 6.0 이하를 만족하도록 하는 열간압연 및 열간압연 열처리 단계와, 냉간압연 및 냉간압연 열처리시의 결정입도를 5.0이하로 억제하는 냉간압연 열처리 단계로 이루어진 새그 저항성, 상안정성 및 고온 산화 물성이 우수한 페라이트계 스테인레스강 및 그 제조방법을 제공한다.
새그 저항성, 배기계, 스테인레스, 연신율, 상안정성

Description

새그 저항성, 상안정성 및 고온 산화 물성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법{Stainless steel having excellent sag resistance, phase stability and oxidation property at high temperature and the method for manufacturing thereof}
도 1은 본 발명과 비교재의 새그 저항성 실험결과를 비교 도시한 그림이다.
도 2a, b는 본 발명과 비교재의 상안정성 실험결과를 비교 도시한 조직사진도이다.
도 3은 본 벌명과 비교재의 내산화성 실험결과를 도시한 그래프도이다.
도 4a, b는 본 발명에서 새그 저항성 실험을 위한 열처리로 사진도와 새그 시험 지그 및 시험편을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 자동차 배기계용등에 사용하는 페라이트계 스테인레스강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 1,000℃이상의 고온조건에서 새그 저항성, 상안정성 및 고온 산화 물성이 현저히 개선된 자동차 배기계용, 특히 매니폴드에 주로 사용되는 페라이트계 스테인레스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래 자동차 배기계용, 특히 자동차의 매니폴드에 사용되는 강종은, SUS429EM, SUS441 또는 SUS309S과 같이 고온 물성이 비교적 우수한 스테인리스강종이 이용되고 있다. 그러나, 상기 SUS429EM의 경우 14Cr-Si-Ti-Nb을 주성분으로 하여 가공성이 양호하고 저원가라는 장점을 가지고 있으나, 최근 자동차 기술의 발전과 더불어 매니폴드의 온도가 1,000℃까지 이르고 있어 900℃가 사용한계인 상기 강종으로서는 그 이용에 한계가 있는 실정이며, 또한, SUS441강의 경우 18Cr-Ti-Nb을 주성분으로 하나 본 강종 역시 900℃까지 사용온도로서 그 이상의 온도까지 요구하는 최근의 자동차 매니폴드에서는 문제점이 있으며 또한, 본 강종은 가공성이 미흡하다는 문제점도 갖고 있다. 또한, SUS309S강의 경우 23Cr-13Ni강으로서 본 강종은 1,000℃까지도 사용할 수 있는 강종으로서 최근의 매니폴드에 사용하기 적합하나, 본 강종은 Ni의 과다 한 첨가로 인하여, 그 비용에 있어서 고가이므로 경제성에 문제가 있다.
이에 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 약 1,000℃이상의 고온에서도 사용가능하면서, 고온물성이 우수하고, 또한 경제성을 갖춘 자동차 배기계용의 페라이트 스테인레스강 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 먼저, 중량%로, Cr:17.0~20.5%, Mo:1.3~1.7%, Nb:0.45~0.65%, Ti:0.15~0.25%, C : 0.01% 이하, Si:0.25~0.50%, N:0.01%이하, Ca:0.0005%이하, B:0.0005%이하를 함유하고 기타 Fe 및 불가피한 원소로 이루어진 새그 저항성, 상안정성 및 고온 산화 물성이 우수한 페라이트계 스테인레스강을 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 페라인트 스페인레스강의 최종 결정입도가 5.0 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 페라이트계 스테인레스강 슬라브를 열간압연후 냉간압연하여 냉연판을 제조하는 페라이트계 스테인레스강의 제조방법에 있어서, 중량%로, Cr:17.0~20.5%, Mo:1.3~1.7%, Nb:0.45~0.65%, Ti:0.15~0.25%, C : 0.01% 이하, Si:0.25~0.50%, N:0.01%이하, Ca:0.0005%이하, B:0.0005%이하를 함유하고 기타 Fe 및 불가피한 원소로 이루어진 페라이트계 스테인레스강 슬라브를 통상의 압연방법에 의해서 열간압연후 열연소둔열처리에 의해서 결정입도가 6.0 이하를 만족하는 열간압연 열처리 단계와, 냉간압연시의 결정입도를 5.0이하로 억제하는 냉간압연 열처리 단계로 이루어진 새그 저항성, 상안정성 및 고온 산화 물성이 우수한 페라이트계 스테인레스강의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서 상기 열간압연 단계에서 조압연 종료 온도는 1,100℃ 이상에서 수행하며, 열연소둔 열처리 온도는 1,040~1,090℃로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 냉간압연후 1,070℃ 이상의 온도에서 소둔을 실시하는 것 이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 페라이트계 스테인레스강 및 그 제조방법에 있어서의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 본 발명은 중량%로, Cr:17.0~20.5%, Mo:1.3~1.7%, Nb:0.45~0.65%, Ti:0.15~0.25%, C : 0.01% 이하, Si:0.25~0.50%, N:0.01%이하, Ca:0.0005%이하, B:0.0005%이하를 함유하고 기타 Fe 및 불가피한 원소로 이루어진 페라이트계 스테인레스강을 제공한다. 이하에서는 먼저 본 발명에 따른 상기 조성범위의 한정이유에 대하여 설명하기로 한다.
Cr은 내식성 강화에 중요한 원소로서, 고온산화특성을 향상시키나, 다량 첨가될 경우 고온강도를 감소시키는 문제가 있다. 또한 고온에서 열간가공성을 손상하는 문제가 있으며, 연신율을 저하시킬 수 있다. 본 발명에서는 17.0~20.5%까지이며, 이는 통상의 페라이트계 스테인레스강의 Cr 성분의 범위에 크게 벗어나지 않는 것이다.

C 및 N은 오스테나이트 형성원소이며 감소할수록 상안정성을 향상시키는 역할을 한다. 또한 과다 첨가시 연신율을 저하시키므로 0.01% 이하로 억제한다.
Si은 고온 산화 특성을 개선하는데는 매우 유효한 원소이며 또한 고온강도 및 상안정성에 매우 요한 원소이다. 그러나 다량 첨가될 경우 연신율을 현저하게 감소시킨다. 본 발명에서는 최소한 0.25%를 첨가하여 새그 저항성, 상안정성, 고온내산화성 및 연신율의 향상을 도모하고, 연신율의 급격한 감소를 억제하기 위해서 최대 0.50%를 한계로 한다.
Mo는 새그 저항성, 고온내산화성 및 상안정성측면에서 유리하나 연신율을 저하시키는 원소이다. 본 발명에서 최소 1.3%를 첨가하여 새그 저항성, 고온내산화성 및 상안정성 향상을 도모하며, 연신율의 저하를 방지하기 위하여 최대 1.7%까지 첨가한다.
Ti는 탄화물 형성원소로 상안정화 및 고온산화에 유리하나 개재물 제어에 어려움이 있다. 본 발명에서는 0.15% 이상 첨가하여 상안정화 및 고온산화를 도모하고, 최대는 0.25%까지로 하여 개재물 제어가 원할하게 한다.
Nb은 고온강도를 현저하게 증가시키는 원소이며 동시에 탄화물 형성원소로 상안정 화 및 고온산화에 유리하며 개재물 제어에도 어려움이 없다. 그러나 용접부의 주상정 조직(columnar structure)을 형성하므로 충격인성의 저하를 가져온다. 또한 다량 첨가시 슬라브의 표면 크랙을 유발하기도 한다. 따라서 본 발명에서는 0.45% 이상 첨가하여 상안정화 및 고온산화를 도모하고, 최대는 0.65%까지로 한다.
Ca을 0.0005이하로 제어하는 것은 결정립을 약화시키기 때문이며 첨가하는 원소가 아니라 불순물로 존재시 최저로 제어한다.
B을 0.0005이하로 제어하는 것은 결정립을 약화시키기 때문이며 첨가하는 원소가 아니라 불순물로 존재시 최저로 제어한다.
다음은 상기의 조성으로 이루어진 본 발명에 관한 페라이트계 스테인레스강의 제조방법에 관하여 설명한다.
본 발명에 관한 페라이트계 스테인레스강은 슬라브를 열간압연과 냉간압연을 거쳐 최종 소둔을 실시하는 과정을 통과한다. 상기 페라이트계 스테인레스강의 슬라브의 조성은 중량%로, Cr:17.0~20.5%, Mo:1.3~1.7%, Nb:0.45~0.65%, Ti:0.15~0.25%, C : 0.01% 이하, Si:0.25~0.50%, N:0.01%이하, Ca:0.0005%이하, B:0.0005이하를 함유하고 기타 Fe 및 불가피한 원소로 이루어지고, 상기의 조성으로 이루어진 페라이트계 스테일레스강 슬라브를 통상의 방법으로 주조한다. 이후 주조된 상기 스테인레스강 슬라브는 열간압연단계를 통과한다.
열간압연단계에서는 통상의 압연방법으로 압연을 실시하며 열간압연후 소둔열처리에 의해서 결정입도가 6.0 이하를 만족하도록 한다.
그리고 본 발명에서 상기 결정입도는 하기의 식에 의하여 결정되도록 한다.
(열간압연단계에서의 결정입도의 조건식)
결정립도(ASTM) = -54.4225+1.10971 X 열간압연압하율(%)+0.0535 X 소둔열처리 온도(℃)+12.555 X 소둔열처리 시간(분)-0.000941667 X 열간압연 압하율(%) X 열처리온도(℃)-0.03325 X 압하율 X 시간-0.01075 X 온도(℃ ) X 시간 (분)
이때 상기 조건식에 의하여 결정입도를 6.0이하로 제어하는 것은 완전한 재결정 조직을 얻기 위해서, 6.0 이상이 될 경우에는 이후 냉연소둔열처리 공정에서 소둔열처리 온도를 고온으로 올려야 하는 문제점이 있다. 고온으로 열처리 온도를 올릴경우 열처리 과정에서 폭수축등과 같은 문제점이 발생하므로, 본 발명에서는 6,0이하로 억제한다.
또한, 상기 열간압연단계에서 조압연 종료 온도는 1,100℃ 이상에서 수행하며, 열연소둔온도는 1,040~1,090℃ 로 유지한다.
조압연 종료온도를 1,100℃ 이상에서 수행하는 것은 동적 재결정 조직을 확보하기 위한 것이며, 열연소둔온도를 1,040℃ 이하에서 유지할 경우 재결정 조직을 확보할 수 없는 문제가 있고, 1,090℃ 이상에서는 폭수축의 우려가 있으므로 본 발명에서는 상기 온도범위를 맞추도록 한다.
본 발명은 이후 상기 열강압연된 스테인레스강판을 통상의 냉간압연과정을 통과하도록 하고, 냉간압연의 종료후의 결정입도를 하기의 식에 의하여 5.0이하로 억제한다.
(냉간압연단계에서의 결정입도의 조건식)
결정립도(ASTM) = 33.4490-0.0246042 X 냉연소둔 열처리온도(℃)- 0.469583 X 열처리시간(분)
상기 조건식에 의하여 결정입도를 5.0이하로 억제하는 것은 고온변형에 대한 저항성을 높이기 위함이다. 이어 상기 냉간압연된 스테인레스강판은 소둔 열처리 조건에서 냉간압연 소둔 열처리 온도를 1,070℃ 이상에서 행한다. 보통 1,070℃ 이상에서 행하는 것은 완전한 재결정조직을 확보하기 위함이다.
다음은 본 발명에 관하여 비교재와 비교한 실험예를 통하여 본 발명의 물성개선을 설명하기로 한다. 하기의 표 1은 상기의 조성을 중심으로 한 발명재와 이와 비교되는 비교예의 조성을 나타낸 것으로, 본 실시예에서는 하기의 표 1의 실험예로 본 발명의 조성을 가지는 성분에 대한 다양한 실험을 행하였으며, 그에 따른 실험결과는 표 2에 나타내었다.
하기의 표 1 및 표 2에 나타난 구체적인 실험조건을 살펴보면, 다양한 성분을 함유한 시편을 가지고 결정입도, 새그 저항성, 고온 산화 특성, 상안정성, 연신율을 실험하였다. 여기서 결정입도는 ASTM를 이용하여 나타내었으며, 도 4에 도시된 바와같이, 새그 저항성은 시편 크기를 압연방향으로 305mm, 폭 30mm로 만들고 길이 방향의 한쪽 끝을 10mm 접는다. L X 30W 한쪽 끝을 10mm 접는다. 시편 Jig는 310S 판재를 90도 벤딩(bending) 하여 제작한다. Jig를 열처리로 안에 넣고 열처리로 내부의 온도가 1000℃ 로 가열된 상태에서 시험편을 Jig위에 올려놓는다. 이후 100시간을 유지한 후 시험편을 꺼내 새그(sag) 값을 측정한다. 측정 방법은 먼저 초기처짐: x = [Hi(a)+Hi(b)-2Hi(c)]/2을 측정하고, 가열후 처짐: y = [Hf(a)+Hf(b)-2Hf(c)]/2을 측정한다. 최종적으로 처짐량 (Creepage): F = x-y를 구한다.
또한 고온산화 특성을 나타내는 고온 산화 증량은 시편 크기가 가로 20mm, 세로 30mm의 시험편을 제작한다. 제작된 시험편의 표면을 에머리 페이퍼(emery paper) #400으로 연마한다. 시험전의 무게를 소수점 4자리까지 측정한다. 시험편을 알루미나도가니에 넣어서 1000℃ 로 가열된 열처리로에 넣고 100시간 유지한다. 100시간 경과 후 꺼내 소수 4자리까지 무게 증가량을 측정한다. 시험 전 후의 무게 증량을 측정한다.
상안정성은 새그시험 후의 중심부의 조직을 관찰하였다 여기서 상안정성은 1.0으 로 나타난 것은 조직에서 결정입도의 합체가 전혀 일어나지 않은 상태이며, 0으로 나타난 것은 결정입도가 전부 합체한 상태를 수치적으로 나타낸 개념이다. 또한 본 발명의 연신율은 종래에 알려진바와 같이 JIS 13B 시험편을 사용하였으며, 인장속도는 분당 10mm의 속도로 측정하였다.













Figure 112011036163375-pat00009
Figure 112011036163375-pat00010
[표 3]
강종 12 결정립도(ASTM) 고온처짐(mm)
강종 12 9.5 33.8
강종 12 9.0 32.5
강종 12 8.7 30.5
강종 12 8.0 26.8
강종 12 7.5 24.5
강종 12 7.0 22.5
강종 12 6.5 20.5
강종 12 6.0 18.5
강종 12 5.5 18.2
강종 12 5.0 13.5
강종 12 4.7 13.5
강종 12 4.5 12.5
강종 12 3.9 11.9

상기의 표 1 및 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조성으로 이루어진 발명예는 비교예에 비하여 고온산화특성, 새그 저항성, 연신율, 상안정성등에서 현저히 우수한 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
상기의 표에서 발명예는 비교예와 비교하여 볼 때 1,000℃의 온도에서 100시간 가열시 고온산화증량이 3㎎/㎠ 이하, 새그 저항성은 18mm이하, 상안정성은 0.95이상 바람직하게는 1.0, 연신율 28% 이상인 특성으로 나타나고 있어, 비교예와 대조하여 현저히 우수한 성질을 가지고 있다.
도 1은 상기의 실험예에서의 새그값을 평가한 도면으로, 비교예의 경우 처짐이 40mm 정도를 나타내고 있으며 Si 함량이 0.35% 이상이고 Nb함량이 0.5% 이상인 본발명예의 경우 13mm 정도를 나타내고 있다.
도 2는 상기의 실험예에서의 상안정성을 평가한 도면으로, 도 2(a)는 1000℃ 에서 비교예의 상안정성을 평가한 결과이다. 도면을 보면 알 수 있는 바와 같이, 본 조건에서는 결정립이 완전히 합체되어 있는 것을 알 수 있다. 도 2(b)는 본 발명에 관한 Si함량이 0.35% 이상이고 Nb함량이 0.5% 이상일때의 조직사진으로으로서 여기서는 상안정성이 100% 유지됨을 알 수 있다.
도 3은 종래의 강종과 비교한 발명예와 비교예의 내산화성 실험결과를 나타내는 그래프도로서, 발명예는 고온산화증량이 3mg/cm2 이하로서 종래의 강종과 비교시 현저히 우수한 내산화성을 갖고 있음을 알 수 있다.
표 2에서 비교강과 발명강의 평가결과를 정리하였다. 강종1,2는 Si함량이 0.2% 첨가된 강종으로 고온산화증량이 3mg/cm2를 넘고 있다. Si 함량이 0.2% 존재하는 경우 Mo 함량이 1% 첨가하더라도 고온산화성에 대한 저항성이 부족한 것을 알 수 있다.
강종 4,6은 Si함량을 0.5% 첨가한 것으로 0.2% Si을 첨가한 강종에 비해서 고온산화에 대한 저항성은 우수한 것을 알 수 있다. 그러나 Mo을 1% 및 첨가하지 않은 강종 4,6에서는 상안정성이 떨어지는 것을 알 수 있다.
강종 10,11,12는 Si을 0.2% 첨가한 강으로 연신율은 30% 이상을 나타내었으나 고온산화증량이 3mg/cm2이상 측정되었다. 또한 상안정성도 저하되었다.
강종 13은 Si함량이 0.5% 첨가된 강으로 Mo이 첨가되지 않은 것으로, 연신율은 30% 이상이었으나 상안정성이 감소하였다.
강종 16,17,19는 Si함량이 0.8% 첨가된 강으로 고온특성은 우수하였으나 연신율이 28% 이하였다. Nb함량이 0.33% 첨가된 강 19는 상안정성이 매우 감소하였다.
강종 20,21은 Si 함량이 0.2% 첨가된 강으로 Mo이 첨가되지 않은 강종 20은 고온산화증량이 매우 높고 Mo이 2% 첨가된 연신율이 28% 이하로 나타났다.
강 22는 Si함량이 0.35%로 매우 우수한 고온특성을 나타내었다.
강 23은 Si함량이 0.12%로 고온산화증량도 3mg/cm2이상을 나타내고 있으며, 상안정성도 저하하였다.
강 24는 고온처짐이 기준이상으로 큰 값을 나타내었다. 결정립도가 5이상 인 것을 알 수 있다.
강 25는 Si 함량이 0.27%이고 Mo함량이 0.78% 존재하는 강으로 고온특성이 발명강 대비 현저하게 부족하다.
강 27은 Si이 0.48% 첨가되었으며 Mo함량은 각각 2,1% 첨가되었다. Mo함량이 1% 첨가된 27강은 고온특성이 발명강대비 부족하다.
강 28은 Si함량이 0.12%로 고온특성이 발명강대비 부족하다.
강 30은 Si 함량이 0.1% 첨가되고 Mo 함량이 1.5% 첨가된 것으로 상안정성이 발명강 대비 부족하다.
강 31, 32은 Si 함량이 각각 0.28, 0.26% 이고 Mo 함량이 1.5% 첨가된 강이다. 또한 강 31은 B이 20ppm첨가되어있으며, 강 32는 Ca이 5ppm 첨가되어있다. B과 Ca이 첨가됨에 따라서 고온처짐값이 매우 크게 측정되었다.
강 33은 Si 함량이 0.26%, Mo 함량이 0.03%로 고온처짐이 매우 심하다.
강 34는 Si 함량이 0.09%, Mo 함량이 1.49% 존재한 강으로서 상안정성이 크게 저하하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 자동차 배기계용 페라이트계 스테인레스강으로서 성능면에서는 Ni을 많이 함유하여 고가인 309S를 대체할 수 있으며, 또한, 물성면에서의 기존에 배기계용으로 이용되는 강종에 비하여 우수한 고온물성을 나타내고 있으므로, 향후 저가,고성능의 자동차 배기계용, 특히 자동차의 매니폴더용의 페라이 트 스테인레스강으로 사용될 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 그로부터 다양한 변형 및, 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본원 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 페라이트계 스테인레스강 슬라브를 열간압연후 냉간압연하여 냉연판을 제조하는 페라이트계 스테인레스강의 제조방법에 있어서, 중량%로, Cr:17.0~20.5%, Mo:1.3~1.7%, Nb:0.45~0.65%, Ti:0.15~0.25%, C:0%초과~0.01%이하, Si:0.25~0.50%, N:0.01%이하, Ca:0.0005%이하, B:0.0005%이하를 함유하고 기타 Fe 및 불가피한 원소로 이루어진 페라이트계 스테인레스강 슬라브를 통상의 압연방법으로 압연후 열간압연후의 소둔열처리에 의해서 결정입도가 6.0 이하를 만족하도록 하는 열간압연 단계와, 냉간압연시의 결정입도를 5.0이하로 억제하는 냉간압연 단계로 이루어지고,
    상기 열간압연단계에서 조압연 종료 온도는 1,100℃ 이상에서 수행하며, 열연소둔온도는 1,040~1,090℃ 로 유지하는 새그 저항성, 상안정성 및 고온 산화 물성이 우수한 페라이트계 스테인레스강의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉간압연후 1,070℃ 이상의 온도에서 소둔을 실시하는 새그 저항성, 상안정성 및 고온 산화 물성이 우수한 페라이트계 스테인레스강의 제조방법.
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