KR101203539B1 - 고강도 및 고내공식성을 가지는 고질소 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법 - Google Patents

고강도 및 고내공식성을 가지는 고질소 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고강도 및 고내공식성을 가지는 고질소 오스테나이트계 스테인리스강, 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 22.0~24.0 중량%의 크롬(Cr)과, 12.0~21.0 중량%의 망간(Mn)과, 5.0 중량%이하의 니켈(Ni)과, 2.5~3.5 중량%의 몰리브덴(Mo)과, 1.0~1.3 중량%의 질소(N)와, 잔부인 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로서 0.03 중량% 이하의 탄소(C), 0.25 중량% 이하의 실리콘(Si)을 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강은 상용 AISI 300 계열 오스테나이트 스테인리스강의 가격불안정을 가져오는 니켈(Ni) 함량을 5.0 중량% 이하로 낮춤으로써 최종재의 가격 안정을 도모하는 효과가 있으며, 또한 가압공정을 통해 모재에 1.0 중량% 이상의 질소(N)를 고용시킴으로써, 고용된 질소(N)에 의하여 우수한 인장강도 및 항복강도 나아가 높은 연성을 확보할 수 있으며, 내공식성을 수퍼 오스테나이트계 스테인리스강과 상용 고질소 스테인리스강보다도 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

고강도 및 고내공식성을 가지는 고질소 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법{High nitrogen austenitic stainless steels with high mechanical properties and excellent resistance to pitting corrosion and fabrication methods thereof}
본 발명은 고강도 및 고내공식성을 가지는 고질소 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
강도, 연성, 내식성 등 스테인리스강의 주요 기계적 특성은 주로 첨가된 합금원소의 종류와 그 함량에 의해 결정된다. 따라서 새로운 스테인리스강을 개발할 때, 사용 환경에 요구되는 물성을 구현하기 위해서는 첨가되는 원소의 종류와 조성을 적절히 설계하는 것이 중요하다. 이때, 합금원소의 경제성을 고려하여 고가의 합금원소를 기능이 유사하면서도 경제적인 원소로 대체하여 기존 강종의 물성을 개선하도록 합금을 설계하는 것이 스테인리스강 개발에 있어서 핵심적인 기술적 과제이다.
기존의 연구와 발명으로 규정된 오스테나이트계 스테인리스강은 일반적으로 (중량%로) 철(Fe) 기지에 16~22 % 크롬(Cr), 6~14 % 니켈(Ni), 0~3 % 몰리브덴(Mo), 그리고 0.03~0.15 % 탄소(C)를 포함하며, 인장강도 500~600 MPa, 연신율 40~55 % 수준의 기계적 특성을 나타낸다.
상기 합금원소 중 니켈(Ni)은 효과적인 오스테나이트 안정화 원소이며 강재의 가공성 향상에 기여하는 장점이 있다. 그러나 상용 오스테나이트 스테인리스강 무게의 10 %에 불과한 니켈(Ni)은 스테인리스강 가격의 60 %를 차지할 정도로 매우 고가의 합금원소이다. 더욱이 니켈(Ni) 원소재의 수급이 전략화 됨에 따라 최근 10년간 니켈(Ni) 가격이 급변하였고, 니켈(Ni) 가격의 불안정은 스테인리스강 원가의 불안정을 가져오는 요인으로 작용하게 되었다. 상기의 경제적인 측면 외에도 니켈(Ni)은 인체에 과민반응(allergy)를 유발하거나 합금의 재활용을 어렵게 하는 등 인체 및 환경친화성이 낮은 문제점을 가지고 있다. 이에 따라 니켈(Ni)을 6~14 중량% 포함하는 기존의 상용 오스테나이트계 스테인리스강에서 니켈(Ni) 함량을 낮출 필요성이 제기되었고, 이러한 요구에 부응하는 강종으로는 철(Fe)-크롬(Cr)-망간(Mn)으로 이루어진 200 계 스테인리스강과, 질소(N)와 망간(Mn)으로 니켈(Ni)을 대체한 고질소 스테인리스강(철(Fe)-크롬(Cr)-망간(Mn)-질소(N) 계)이 대표적이다. 그러나 상기 200 계 스테인리스강은 니켈(Ni)을 10 중량% 정도 포함한 기존 오스테나이트계 스테인리스강에 비하여 내식성 및 내공식성이 떨어지는 단점이 있어서 강재의 적용이 제한적이다.
현재, 상용 오스테나이트계 스테인리스강을 대체할 수 있는 가장 유력한 스테인리스 강종은 질소(N)를 용해한도 이상 포함한 고질소 스테인리스강(철(Fe)-크롬(Cr)-망간(Mn)-질소(N) 계)이다. 질소(N)는 경제적이고 강력한 오스테나이트 안정화 원소이므로 니켈(Ni)을 효과적으로 대체할 수 있으며, 고용강화를 통해 스테인리스강의 강도를 증가시키면서도 연성을 높은 수준으로 유지시키고, 공식저항성을 포함한 국부부식저항성을 현저히 향상시키는 장점을 가진다. 따라서 질소(N)를 과량 포함한 고질소 스테인리스강의 개발이 활발하며, 고용한이 낮은 질소(N)를 철강재료 내에 안정적으로 확보하기 위한 방법이 다수 개발되었다. 최근에는 가압유도용해, PESR (pressurized electroslag remelting), 분말야금법, 고상질화법 등 다양한 제조기술을 통해 고질소 오스테나이트계 스테인리스강을 제조하고 있다.
이에 본 발명자들은 강재 내 질소(N)의 높은 고용량을 확보하고, 질소(N)와 망간(Mn)을 사용하여 고가이며 환경 및 인체에 유해한 합금원소인 니켈(Ni) 함량을 최소화하고, 니켈(Ni)과 망간(Mn)의 함량제어를 통해 고강도 및 고내공식성을 갖는 본 발명의 고질소 오스테나이트계 스테인리스강을 완성하였다.
본 발명의 목적은 고강도 및 고내공식성을 가지는 고질소 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 22.0~24.0 중량%의 크롬(Cr)과, 12.0~21.0 중량%의 망간(Mn)과, 5.0 중량%이하의 니켈(Ni)과, 2.5~3.5 중량%의 몰리브덴(Mo)과, 1.0~1.3 중량%의 질소(N)와, 잔부인 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로서 0.03 중량% 이하의 탄소(C), 0.25 중량% 이하의 실리콘(Si)을 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스강 및 모합금을 진공용해로에 장입하는 모합금장입단계(단계 1); 상기 단계 1에서 모합금이 장입된 진공용해로를 진공 상태로 유지하는 진공유지단계(단계 2); 상기 단계 2의 진공용해로를 가열하여 모합금을 용융하는 모합금용융단계(단계 3); 상기 단계 3의 진공용해로 내부에 질소가스를 주입하는 질소함량조정단계(단계 4); 상기 단계 3에서 용융된 모합금을 교반하는 용융합금교반단계(단계 5); 상기 단계 5에서 진공용해로 내부에서 교반된 용융합금을 출탕하여 주괴를 형성하는 주괴형성단계(단계 6); 상기 단계 6에서 형성된 주괴를 열간 압연하는 단계(단계 7); 및 상기 단계 7에서 열간 압연된 스테인리스강을 균질화 열처리 후 수냉하는 단계(단계 8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스강 제조방법을 제공한다.
본 발명의 고강도 및 고내공식성을 가지는 고질소 오스테나이트계 스테인리스강은 상용 AISI 300 계열 오스테나이트 스테인리스강의 가격불안정을 가져오는 니켈(Ni) 함량을 5.0 중량% 이하로 낮춤으로써 최종재의 가격 안정을 도모하는 효과가 있으며, 또한 가압공정을 통해 모재에 1.0 중량% 이상의 질소(N)를 고용시킴으로써, 고용된 질소(N)에 의하여 우수한 인장강도 및 항복강도 나아가 높은 연성을 확보할 수 있고, 내공식성을 기존의 상용 수퍼 오스테나이트계 스테인리스강과 상용 고질소 스테인리스강보다도 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강은 우수한 기계적 특성 및 뛰어난 내공식성에 기초하여 기존의 오스테나이트계 스테인리스강 대체용 소재로 사용이 가능하며, 상용 오스테나이트계 스테인리스강의 적용분야에 더하여 고강도/고내공식성이 요구되는 해양구조물, 담수화설비, 운송기관용 소재 등에 적용할 수 있고 다양한 기능성 부품의 제조에 유용하게 사용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 오스테나이트 스테인리스강을 제조하는 공정을 나타낸 개략도이고;
도 2는 본 발명의 제조방법 중 질소함량조정단계를 더욱 세분화하여 나타낸 공정도이고;
도 3은 본 발명의 오스테나이트 스테인리스강의 내공식성을 측정한 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 22.0~24.0 중량%의 크롬(Cr)과, 12.0~21.0 중량%의 망간(Mn)과, 5.0 중량%이하의 니켈(Ni)과, 2.5~3.5 중량%의 몰리브덴(Mo)과, 1.0~1.3 중량%의 질소(N)와, 잔부인 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로서 0.03 중량% 이하의 탄소(C), 0.25 중량% 이하의 실리콘(Si)을 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스강을 제공한다.
본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강은 망간(Mn)의 함량(12.0~21.0 중량%)이 기존의 고질소 오스테나이트계 스테인리스강에 비하여 높아서 크롬(Cr) 함량을 더욱 상승시키지 않고서도 1.0~1.3 중량%의 질소를 고용시키는 데 용이한 효과가 있다.
이때, 상기 오스테나이트계 스테인리스강은 니켈(Ni)과 망간(Mn)의 총함량(니켈(Ni)+망간(Mn))이 17.0~21.0 중량%를 만족하는 것이 바람직하다.
니켈(Ni)과 망간(Mn)의 총 합(니켈(Ni)+망간(Mn))을 17.0 중량% 이상으로 유지함으로써 질소(N)의 고용을 더욱 용이하게 하는 효과가 있으며, 동시에 니켈(Ni)과 망간(Mn)의 총 합(니켈(Ni)+망간(Mn))을 21.0 중량% 이하로 설계함으로써 고가의 니켈(Ni) 사용량을 제한하고, 망간(Mn) 함량의 과다로 인한 내식성 저하를 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강은 하기 수학식 1을 만족하는 것이 바람직하다.
<수학식 1>
6.0 ≤ 니켈(Ni)+0.5×망간(Mn) ≤16.0
니켈(Ni)+0.5×망간(Mn)의 값을 6.0~16.0 으로 조절함으로써, 합금원소의 페라이트 형성능을 정량화한 크롬 (Cr) 당량 (Cr-equivalent, Creq.=Cr+2Si+1.5Mo+5V+5.5Al+1.75Nb+1.5Ti+0.75W)값이 본 발명에 따른 오스테나이트 스테인리스강의 경우 약 26~28일 때, 오스테나이트 형성능인 니켈 (Ni) 당량 (Ni-equivalent, Nieq.=Ni+Co+0.5Mn+0.3Cu+(25~30)N+30C)값을 30.0 이상으로 안정적으로 유지하여 안정한 오스테나이트 단상을 얻을 수 있다.
또한 상기 오스테나이트계 스테인리스강은 니켈(Ni)+0.5×망간(Mn)의 값을 6.0~16.0 으로 조절함으로써, 오스테나이트 단상을 얻을 수 있는 후속 열처리 공정의 온도 범위가 넓어져 열간성형 프로세싱 윈도우(processing window)가 확대되므로 조업이 용이한 장점이 있다.
나아가, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강은 니켈(Ni)과 망간(Mn)의의 총함량(니켈(Ni) + 망간(Mn))이 17.0~21.0 중량%이며, 상기 수학식 1을 동시에 만족하는 것이 더욱 바람직하나, 이에 제한을 두지 않는다.
이하에는 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 내의 합금원소에 대하여 자세히 설명한다.
(1)크롬(Cr)
크롬(Cr)은 페라이트상을 안정화하며 스테인리스강의 내식성 확보를 위한 필수적인 원소이다. 본 제조합금에는 합금의 고내식성을 확보하고 질소(N)의 용해도를 향상시키기 위해 크롬(Cr)을 22.0 중량% 이상 첨가하였다. 그러나 크롬(Cr)이 과잉 첨가될 경우, 응고 후 과다한 델타 페라이트가 잔존하거나 열처리 도중에 여러 종류의 유해한 제 2 석출상의 생성을 촉진시켜 스테인리스강의 내식성과 가공성을 오히려 저하시키므로 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강에서는 크롬(Cr)의 함량을 22.0~24.0 중량%로 제한하였다.
(2)망간(Mn)
망간(Mn)은 경제적인 오스테나이트 안정화 원소로 고가의 니켈(Ni)을 대체하는 데 효과적이며, 스테인리스강에 첨가되어 질소(N) 고용도를 증가시킴으로써 재료의 강도를 향상시키는 기능을 한다. 그러나 망간(Mn)이 과잉 첨가될 경우, 불순물 원소인 황(S)이나 산소(O)와 결합하여 망간황화물(MnS)이나 망간산화물(MnO) 등의 비금속 개재물을 형성하고, 이러한 비금속 개재물은 주요한 공식발생처로 작용하여 스테인리스강의 공식저항성을 저하시키기 때문에 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강에서는 그 함량을 12.0~21.0 중량% 범위로 제한하였다.
(3)니켈(Ni)
니켈(Ni)은 대표적인 오스테나이트 안정화 원소이나 상기한 바와 같이 가격변동성이 크고 환경 및 인체에 유해한 원소이므로 가능한 한 첨가량을 제한하는 것이 바람직하다. 그러나 니켈(Ni)은 제조 합금의 열간 및 냉간가공성을 향상시키고, 높은 응력부식균열(stress corrosion cracking, SCC) 저항성과 산성용액에서의 우수한 내식성을 부여하며, 모재의 응고 과정 중에 델타 페라이트 형성을 억제하는 장점이 있으므로 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강에서는 니켈(Ni)의 첨가량은 5.0 중량% 이하로 규정한다.
또한 상기한 바와 같이 니켈(Ni)과 망간(Mn)의 총 함량(니켈(Ni)+망간(Mn))을 17.0~21.0 중량%로 유지하고, 또한 니켈(Ni)+0.5×망간(Mn)의 값을 6.0~16.0으로 제한함으로써 , 안정한 오스테나이트 단상을 얻고, 조업가능 온도 영역을 확대하여 열간성형 공정을 용이하게 하며, 질소(N)의 고용을 용이하게 하여 망간(Mn) 첨가에 의한 내공식성 저하를 방지하고, 합금의 경제성을 확보한다.
(4)몰리브덴(Mo)
몰리브덴(Mo)은 페라이트 안정화원소이고 염화물(Cl-) 용액 분위기에서 국부부식저항성을 현저히 높이는 장점을 가진다. 또한 합금에 질소(N)와 함께 첨가될 경우 공식저항성 향상효과를 강화하는 상승효과(synergy)가 있다. 이에 따라 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강에서는 몰리브덴(Mo)을 2.5 중량% 이상 첨가하여 합금의 내공식성을 향상시킨다. 그러나 과잉 첨가될 경우 응고 후 잔존하는 델타 페라이트 분율을 증가시키며, 크롬(Cr)과 마찬가지로 유해한 제 2상을 형성하여 물성 저하를 가져올 위험이 있다. 또한 몰리브덴(Mo)은 매우 고가의 합금원소이므로 발명재의 경제성 확보를 위해 그 함량을 3.5 % 를 넘지 않도록 제한하였다.
(5)질소(N)
질소(N)는 효과적인 오스테나이트 안정화 원소로서 망간(Mn)과 함께 니켈(Ni)을 대체할 목적으로 첨가된다. 질소(N)는 합금의 강도를 개선시키면서도 연성을 감소시키지 않으며, 내공식성을 크게 향상시키는 특징이 있다. 이에 따라 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강에서는 매우 높은 수준의 내공식성을 부여하기 위하여 질소를 1.0 중량% 이상 첨가하며, 합금 모재 조성, 가압조건 및 열처리 공정을 고려하여 과잉 첨가된 질소(N)가 질화물을 형성하는 것을 방지하고 합금의 취화를 피하기 위해 질소(N)의 상한을 1.3 중량%로 제한하였다.
(6) 탄소(C) 및 실리콘(Si)
탄소(C)는 질소(N)와 원자 크기가 비슷한 침입형 원소로 오스테나이트 안정화 기능을 하며, 철강재의 강도를 향상시키는 장점이 있다. 그러나 탄소(C)는 스테인리스강의 주요 합금원소인 크롬(Cr)과 쉽게 결합하여 안정한 크롬-탄화물(Cr23C6 등)을 형성한다. 상기 크롬-탄화물은 인접부 기지의 크롬(Cr)을 소모하면서 결정립계에서 주로 석출하며, 형성된 탄화물 주위의 크롬-고갈영역 (Cr-depletion zone)은 공식부식의 발생처로 작용하는 문제점이 있다. 따라서 탄소(C)의 함량은 0.03 중량% 를 넘지 않도록 제한하였다.
한편, 실리콘(Si)은 페라이트 형성원소이며 모재 중의 산소(O)와 쉽게 결합하는 특성을 가지므로 탈산제로 주로 사용된다. 그러나 과잉 첨가되면 인성과 관련된 기계적 특성을 크게 감소시키고, 금속간 화합물을 형성할 위험이 있다. 따라서 그 함량을 0.25 중량% 이하로 제한하였다.
또한, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강은 1150 MPa 이상의 인장강도, 700 MPa 이상의 항복강도 및 54 %이상의 균일연신율 값을 나타내며, 또한 염화물(Cl-)용액에서 뛰어난 내공식성을 나타내는 특징이 있다.
이는 기존의 상용 오스테나이트계 스테인리스강의 인장강도, 항복강도, 및 연신율의 값을 뛰어넘는 수치이며, 내공식성 또한 상용 수퍼 오스테나이트 스테인리스강보다 월등하므로, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강의 우수성을 입증한다.
한편, 본 발명은 모합금을 진공용해로에 장입하는 모합금장입단계(단계 1);
상기 단계 1에서 모합금이 장입된 진공용해로를 진공 상태로 유지하는 진공유지단계(단계 2);
상기 단계 2의 진공용해로를 가열하여 모합금을 용융하는 모합금용융단계(단계 3);
상기 단계 3의 진공용해로 내부에 질소가스를 주입하는 질소함량조정단계(단계 4);
상기 단계 3에서 용융된 모합금을 교반하는 용융합금교반단계(단계 5);
상기 단계 5에서 진공용해로 내부에서 교반된 용융합금을 출탕하여 주괴를 형성하는 주괴형성단계(단계 6);
상기 단계 6에서 형성된 주괴를 열간 압연하는 단계(단계 7); 및
상기 단계 7에서 열간 압연된 스테인리스강을 균질화 열처리 후 수냉하는 단계(단계 8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 상기 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은, 전해철(Fe), Fe-50%Mn, Fe-60%Cr, Fe-58.8%Cr-6.6%N, 그리고 몰리브덴(Mo)의 모합금을 진공용해로에 장입하는 모합금장입단계(단계 1)와, 상기 모합금이 장입된 진공용해로를 진공 상태로 유지하는 진공유지단계(단계 2)와, 상기 진공용해로를 가열하여 모합금을 용융하는 모합금용융단계(단계 3)와, 상기 진공용해로 내부에 질소가스를 주입하는 질소함량조정단계(단계 4)와, 용융된 모합금을 교반하는 용융합금교반단계(단계 5)와, 상기 진공용해로 내부에서 교반된 용융합금을 출탕하여 주괴를 형성하는 주괴형성단계(단계 6)와, 형성된 주괴를 열간 압연하는 단계(단계 7)와, 열간 압연된 합금을 기계적 특성 및 내식성에 유해한 질화물의 석출을 억제하기 위하여 균질화열처리 후 수냉처리 하는 단계(단계 8)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 단계 2의 진공유지단계는, 진공용해로 내부가 10-3 torr 이하의 진공도를 갖도록 하는 과정임을 특징으로 한다.
또한 상기 단계 4의 질소함량조정단계는, 상기 진공용해로 내부로 질소 가스를 주입하는 질소주입과정과, 상기 진공용해로 내부의 질소분압을 3~5 기압으로 조정하는 압력조정과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제조방법에 따라 인장강도 1150 MPa 이상, 항복강도 700 MPa 이상, 연신율 54 % 이상을 나타내는 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강을 제조할 수 있으며, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강은 기존의 수퍼 오스테나이트 스테인리스강, 또는 상용 고질소 오스테나이트 스테인리스 이상의 공식저항성을 나타내는 특징이 있다.
이하, 실시예 및 실험예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
단, 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조에 있어서, 융점이 높아 용해가 어려운 크롬(Cr)은 Fe-60%Cr 모합금을 이용하고, 증기압이 낮아 용해 시 연무(fume) 생성 및 편석의 우려가 있는 망간(Mn)은 Fe-50%Mn 모합금을 사용하였다.
단계 1: 하기 표 1에서 실시예 1에 해당하는 성분비에 따라 상기 Fe-50%Mn, Fe-60%Cr, 전해철(Fe), 질소(N) 함량 제어를 위한 Fe-58.8%Cr-6.6%N 모합금 및 몰리브덴(Mo) 모합금을 진공용해로 내부에 장입하였다.
단계 2: 상기 단계 1의 진공용해로 내부가 10-3 torr 이하의 진공도에 도달할 때까지 탈기한 후, 진공을 유지시켰다.
단계 3: 상기 단계 2의 진공용해로를 1600 ℃ 이상의 온도로 가열하여 진공용해로에 장입된 모합금 및 전해철을 용융시켰다.
단계 4: 상기 단계 3에서 모합금 및 전해철이 용융된 진공용해로 내부에 질소가스를 주입하였다. 그리고 진공용해로 내부 질소분압이 5기압이 되도록 압력을 조정하여 모재의 질소함량을 조정하였다.
단계 5 : 상기 단계 4의 질소함량 조절 후, 전자기 유도 교반을 통해 합금원소 편석을 제거하기 위하여 상기 단계 4에서 질소함량이 조정된 용융합금을 교반하였다.
단계 6 : 상기 단계 5의 교반을 통해 형성된 용탕의 온도가 1,450 ℃가 되면 진공용해로 내부에서 출탕하여 주괴를 형성하였다.
단계 7 : 상기 단계 6에서 형성된 주괴를 열간 압연을 통하여 판재나 관, 봉, 세선 등으로 제조하였다.
단계 8 : 기계적 특성, 내공식성에 유해한 질화물의 석출을 억제하기 위하여 상기 단계 7에서 제조된 판재나 관, 봉, 세선 등을 균질화 열처리 후 수냉하여 오스테나이트계 스테인리스강을 제조하였다.
<실시예 2~3>
상기 실시예 1의 단계 1에 있어 하기 표 1의 실시예 2 및 실시예 3에 해당하는 성분비에 따라 모합금의 조성을 조절한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 제조 과정을 거쳐 실시예 2 및 실시예 3의 오스테나이트 스테인리스강을 제조하였다.
<비교예 1~3>
상용 오스테나이트계 스테인리스강인 AISI 304 (UNS S30400), 상용 수퍼 오스테나이트계 스테인리스강인 AISI 904L (UNS N08904) 및 상용 고질소 오스테나이트계 스테인리스강인 P900NMo를 각각 비교예 1, 2 및 비교예 3으로 사용하였다.
탄소(C)
(중량%)		 실리콘(Si)
(중량%)		 망간(Mn)
(중량%)		 크롬(Cr)
(중량%)		 니켈(Ni)
(중량%)		 몰리브덴(Mo)
(중량%)		 질소(N)
(중량%)
실시예 1 0.02 0.19 17.6 22.41 0.08 2.98 1.22
실시예 2 0.02 0.23 16.2 22.93 1.58 3.07 1.26
실시예 3 0.02 0.23 12.6 22.55 4.86 3.17 1.19
비교예 1 0.08
max.		 0.75
max.		 2.00 max. 18-20 8-12 - 0.10
max.
비교예 2 0.020
max.		 1.00
max.		 2.00 max. 19-23 23-28 4-5 -
비교예 3 0.04 0 18.6 17.94 0 2.09 0.89
<실험예 1> 기계적 특성 측정
본 발명의 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 오스테나이트계 스테인리스강 및 비교예 1 내지 3의 상용화된 제품의 기계적 특성을 인장시험기(model: Instron 5882)를 이용하여 측정하였고, 그 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
하기 표 2에 나타낸 바와 같이, 상용 오스테나이트계 스테인리스강인 비교예 1 내지 3의 경우 인장강도 605~1021 MPa, 항복강도 272~594 MPa를 나타내는 반면, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 오스테나이트계 스테인리스강의 경우 인장강도 1178~1241 MPa, 항복강도 700~768 MPa를 나타내어 상용 스테인리스강보다 월등히 우수한 강도를 나타내었다. 또한 본 발명의 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 오스테나이트계 스테인리스강의 연신율은 54.6~60.8 %로 상용 오스테나이트 강재의 연신율인 50.5~60.4 %에 비교하여 대등하거나 우수한 것으로 나타났다. 이에 따라 본 발명의 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 오스테나이트계 스테인리스강은 비교예 1 내지 3의 상용 오스테나이트계 스테인리스강보다 니켈(Ni)의 함량은 저감하였음에도 불구하고 우수한 기계적 특성을 나타내는 것을 확인하였다.
인장강도 (MPa) 항복강도 (MPa) 연신율 (%)
실시예 1 1178 768 60.8
실시예 2 1188 700 59.7
실시예 3 1241 756 54.6
비교예 1 620 290 55.0
비교예 2 605 272 50.5
비교예 3 1021 594 60.4
<실험예 2>내공식성 측정
본 발명의 실시예 1 내지 3에 의해 제조되는 오스테나이트계 스테인리스강 및 비교예 1 내지 3의 상용화된 합금의 내공식성을 측정하기 위하여 실시예와 비교예의 합금 시편을 30 oC의 4 M NaCl + 0.01 M HCl 용액에 침지하고 전위주사속도 (dV/dt) 2 mV/s로 전위를 증가시키면서 양극분극거동을 관찰하였고 분극시험 결과를 도 3에 나타내었다. 또한 분극시험 중 각 합금의 공식이 발생한 전위(pitting potential, Epit)을 표 3 에 나타내었다.
하기 도 3 및 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 오스테나이트계 스테인리스강은 상기 실험조건에서 공식이 발생하지 않았다. 이에 비해 비교예 1로 사용된 상용 스테인리스강의 공식은 -0.121 VSCE에서, 비교예 2의 수퍼 오스테나이트계 스테인리스강은 0.363 VSCE에서, 또한 비교예 3의 P900NMo는 0.376 VSCE에서 공식이 발생하였다. 상기 결과와 같이 본 발명의 실시예 1 내지 3에 의해 제조된 오스테나이트계 스테인리스강의 공식저항성은 상용화된 제품인 비교예의 공식저항성보다 우수한 것을 알 수 있으며, 이에 따라 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강이 우수한 내공식성을 가지는 것을 확인하였다.
공식전위 (Epit, VSCE)
실시예 1 공식이 일어나지 않음
실시예 2 공식이 일어나지 않음
실시예 3 공식이 일어나지 않음
비교예 1 -0.121
비교예 2 0.363
비교예 3 0.376

Claims (8)

  1. 22.0~24.0 중량%의 크롬(Cr)과, 12.0~21.0 중량%의 망간(Mn)과, 0.08~5.0 중량%의 니켈(Ni)과, 2.5~3.5 중량%의 몰리브덴(Mo)과, 1.0~1.3 중량%의 질소(N)와, 잔부인 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로서 0.03 중량% 이하의 탄소(C), 0.25 중량% 이하의 실리콘(Si)을 포함하며, 1150 MPa 이상의 인장강도, 700 MPa 이상의 항복강도 및 54 %이상의 균일연신율을 나타내는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스강.
  2. 제1항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인리스강은 니켈(Ni)과 망간(Mn)의 총함량(니켈(Ni) + 망간(Mn))이 17.0~21.0 중량%를 만족하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스강.
  3. 제1항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인리스강은 니켈(Ni)과 망간(Mn)의 함량이 하기 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스강.

    <수학식 1>
    6.0 ≤ 니켈(Ni)+0.5×망간(Mn) ≤16.0
  4. 제1항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인리스강은 니켈(Ni)과 망간(Mn)의 총함량(니켈(Ni) + 망간(Mn))이 17.0~21.0 중량%이며, 하기 수학식 1을 동시에 만족하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스강.

    <수학식 1>
    6.0 ≤ 니켈(Ni)+0.5×망간(Mn) ≤16.0
  5. 삭제
  6. 모합금을 진공용해로에 장입하는 모합금장입단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 모합금이 장입된 진공용해로를 진공 상태로 유지하는 진공유지단계(단계 2);
    상기 단계 2의 진공용해로를 가열하여 모합금을 용융하는 모합금용융단계(단계 3);
    상기 단계 3의 진공용해로 내부에 질소가스를 주입하는 질소함량조정단계(단계 4);
    상기 단계 3에서 용융된 모합금을 교반하는 용융합금교반단계(단계 5);
    상기 단계 5에서 진공용해로 내부에서 교반된 용융합금을 출탕하여 주괴를 형성하는 주괴형성단계(단계 6);
    상기 단계 6에서 형성된 주괴를 열간 압연하는 단계(단계 7); 및
    상기 단계 7에서 열간 압연된 스테인리스강을 균질화 열처리 후 수냉하는 단계(단계 8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1항의 오스테나이트계 스테인리스강 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 단계 2의 진공유지는 진공용해로 내부가 10-3 torr 이하의 진공도를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 단계 4의 질소함량조정은,
    상기 진공용해로 내부로 질소 가스를 주입하는 질소주입과정과,
    상기 진공용해로 내부의 질소분압을 3~5 기압으로 조정하는 압력조정과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
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