KR101312783B1 - 충격인성 및 코일 형상이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 연속소둔방법 - Google Patents

충격인성 및 코일 형상이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 연속소둔방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중량%로, C : 0초과 0.030이하, Si : 0초과 0.8이하, Mn : 0초과 1.2이하, P : 0초과 0.035이하, S : 0초과 0.020이하, Cr : 24-26%. Ni : 6.0-8.0%, Mo : 3.5-5.0%, N : 0.24-0.32%, 을 포함하고 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 열연코일 소둔시 인장응력을 0.3~0.5kgf/mm2 범위로 인가하는 충격인성 및 코일 형상이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 연속소둔방법에 관한 것으로, 연속소둔 열처리를 실시하는 경우 시그마상 석출을 방지하면서 소재의 폭 방향 변형을 억제하여 충격인성 및 코일 형상이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강을 제조할 수 있다.

Description

충격인성 및 코일 형상이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 연속소둔방법{Method for the continuous annealing of super duplex stainless steel with excellent impact toughness and coil shape}
본 발명은 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중량%로, 크롬(Cr)을 24-26%. 니켈(Ni)을 6.0-8.0%, 몰리브덴(Mo)을 3.5-5.0%%, 질소(N)를 0.24-0.32% 함유하고, 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 오스테나이트 및 페라이트 상으로 구성된 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 연속소둔방법에 관한 것이다.
일반적으로, 크롬(Cr)을 24-26%. 니켈(Ni)을 6.0-8.0%, 몰리브덴(Mo)을 3.5-5.0%, 질소(N)를 0.24-0.32% 함유한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(S32750강)은 오스테나이트 및 페라이트 상을 각각 50% 함유하여 기계적 특성 및 내식성이 매우 우수하기 때문에 탈황설비 및 해수 파이프 등의 소재로 사용되고 있다. 이와 같이 내식성이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은 크롬 및 몰리브덴 함유량이 높아 650℃~850℃ 구간에서 유지시 시그마(s)상이 쉽게 생성되어 취성을 나타내며, 또한 고온에서 연속 소둔시 2상 스테인리스강의 특성에 의하여 자체 하중에 의한 고온 처짐현상이 나타난다.
따라서 시그마상 생성과 고온 처짐현상의 억제를 위한 제어조건이 필요한다. 먼저 시그마상 생성을 억제하기 위해서는 목표 소둔온도로 가열시 승온 속도를 제어하여 시그마 생성이 용이한 온도구간에서 정체되는 것을 피하여야 한다. 또한, 고온 처짐현상을 방지하기 위하여 소재의 선단부와 후단부에 당기는 힘인 인장응력(line tension)을 가하여야 한다. 그러나, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은 연속소둔의 고온상태에서 페라이트 상의 함량이 증가하게 되므로, 고온강도가 저하되어 소둔로 내부에서 소재의 폭방향이 수축되는 현상이 발생되어 연속소둔 작업이 어려운 강종이다. 2상 스테인리스강의 시그마상 생성은 [H. Sieurin외 1명 공저: Material Science and Engineering A (2007) 271, J.Dobranszky외 4명 공저 : Spectrochemica Acta Part B (2004) 1781] 참고문헌에 나타나 있는 바와 같이 특정 온도 구간(750℃~850℃)에서 매우 빨리 생성되어 소둔 열처리시 주의가 요구되고 있다. 또한, [H.Miyamoto외 2명 공저: Material Science and Engineering A(2001) 779, D.P.Sagradi외 3명 공저 Acta Mater. Vol.45 (1997) 4663]의 참고문헌에 나타나 있는 바와 같이 2상 스테인레스강은 고온에서 초소성 거동이 나타나기 때문에, 판파단이 발생되지 않아도 폭방향 변형이 진행되어 양호한 코일 형상을 얻기 어렵다.
따라서, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 소둔 조건은 단지 온도를 950℃~1100℃ 구간에서 열처리 후 급냉하는 것이 바람직하다는 것이 알려져 있지만[JIS G 4304 참조], 아직까지 정확한 소둔방법 및 소둔조건이 없는 실정이다.
일반적으로, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은 크롬 및 몰리브덴 함량이 높아 시그마상이 생성이 용이하여 시그마상이 1% 정도만 생성되어도 충격인성이 급격히 감소하여 주의가 필요한 실정이다. 또한, 고온에서 강도가 낮아 열연코일을 고온에서 연속 소둔시 소재의 자체 하중에 의한 고온 처짐현상을 방지하면서 소재의 평탄도를 유지하기 위하여, 소재 선단부와 후단부에 당기는 힘인 인장응력(line tension)을 가하게 된다. 이때, 소둔로 내부에서 소재의 폭방향이 수축되는 현상이 발생하여 양호한 코일 형상을 유지 하기 위한 연속소둔 작업이 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 열연코일을 고온에서 연속소둔 열처리를 실시하는 경우 승온속도, 소둔온도 및 인장응력을 적절히 제어하여 소재의 폭방향 수축변형을 방지하고 동시에 시그마상을 억제하여 우수한 충격인성을 확보할 수 있는 슈퍼 듀플레스 스테인리스강의 연속소둔방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면 중량%로, C : 0초과 0.030이하, Si : 0초과 0.8이하, Mn : 0초과 1.2이하, P : 0초과 0.035이하, S : 0초과 0.020이하, Cr : 24~26%. Ni : 6.0~8.0%, Mo : 3.5~5.0%, N : 0.24~0.32%, 을 포함하고 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 열연코일 소둔시 인장응력을 0.3~0.5kgf/mm2 범위로 인가하는 충격인성 및 코일 형상이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 연속소둔방법을 제공한다.
본 발명에서 상기 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트상과 페라이트상의 2상 조직으로 이루어져 있다.
또한, 본 발명에서 상기 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 열연코일은 소둔온도 1060℃~1080℃에서 인장응력을 인가한다.
또한, 본 발명에서 상기 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은 600℃ 부터 상기 소둔온도 1060℃~1080℃까지의 승온 속도는 적어도 10℃/초 이상으로 승온하되 상기 승온 속도는 20℃/초 이하로 제어한다.
또한, 본 발명에서 상기 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은 상기 소둔온도 1060℃~1080℃에서 적어도 90초 이상 유지하되, 100초를 초과하지 않도록 한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 열연코일을 연속소둔 열처리를 실시하여도 시그마상 생성이 방지되어 우수한 충격인성을 확보하고, 또한 폭방향 수축 변형이 방지되어 양호한 코일형상을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 관한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(S32750강)의 온도 및 시간에 따른 시그마상 생성 및 충격인성 거동을 도시한 그래프도.
도 2a, 2b는 본 발명의 실시예에 관한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 승온속도 변화에 따른 시그마상 석출 및 미세조직을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에서 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강인 S32750강에 관한고온인장특성을 도시한 그래프도.
도 4는 본 발명의 실시예에서 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강인 S32750강의 소둔온도에 따른 열연코일의 인장응력 제어 가능범위 및 폭방향 변형 가능성, 시그마상 분해 여부를 도시한 그래프도.
이하 첨부한 도면을 참고 하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다.
본 발명의 강종은 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강으로서 중량%로, C : 0초과 0.030이하, Si : 0초과 0.8이하, Mn : 0초과 1.2이하, P : 0초과 0.035이하, S : 0초과 0.020이하, Cr : 24~26%. Ni : 6.0~8.0%, Mo : 3.5~5.0%, N : 0.24~0.32%, 을 포함하고 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강종을 대상으로 한다. 상기 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강종은 듀플렉스 스테인리스강의 ASTM 규격성분에 관한 것으로 일반적으로 S32750강종으로 알려져 있다. 상기 조성범위와 그 조성범위 한정이유는 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있으므로 상세 내용은 본 발명은 상기 대상강종의 열처리 방법중에서 특히 연속소둔방법의 제어에 관한 것이다. 먼저 도 1은 본 발명의 실시예에 관한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(S32750강)의 온도 및 시간에 따른 시그마상 생성 및 충격인성 거동을 도시한 그래프도이고, 도 2a, 2b는 본 발명의 실시예에 관한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(S32750강)의 승온속도 변화에 따른 시그마상 석출 및 미세조직을 도시한 도면이다.
도 1을 보면 특정 온도범위에서 시그마상의 석출거동에 따라 충력인성이 현저히 감소되는 것을 보여주고 있다. 그러나 이를 승온속도의 조절을 통하여 시그마상의 생성을 억제가 가능하다는 것을 알 수 있다. 도 1에서는 승온속도가 5℃/초 보다는 10℃/초로 할 경우에 시그마상의 생성 위험을 줄일 수 있다는 것을 보여주고 있다. 도 2a는 승온속도가 5℃/초 이하일 경우도 시그마상이 생성된 상태의 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 미세 조직사진도를 나타낸다. 그러나 도 2b를 보면 승온속도가 5℃/초를 초과할 경우에 시그마상이 석출되지 않은 것을 알 수 있다.
다음은 본 발명의 실시예를 도면과 함께 설명하기로 한다.
(실시예)
도 3은 본 발명의 실시예에 관한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강인 S32750강의 1025℃, 1050℃, 1075℃ 및 1100℃에서의 고온 인장특성을 나타낸 그래프이고, 도 4는 S32750강의 소둔온도에 따른 열연코일의 인장응력 제어가능 범위 및 폭 방향 변형 가능성, 시그마 상 분해 여부를 나타낸 그래프이다. 본 발명에서 모든 온도는 열연코일의 소재온도를 기준으로 한다.
하기 표 1은 본 발명의 실시 예에 따른 연속소둔방법에 의해 슈퍼 듀플렉스 S32750강의 열연코일을 연속 소둔한 경우의 특성 및 종래 실시 예에 따른 방법으로 열연코일을 소둔 열처리한 경우 특성을 나타내고 있다.
[표 1]
Figure 112011075793625-pat00001
상술된 바와 같이, 종래에는 S32750강을 연속 소둔할 때 승온속도 및 소재에 걸리는 인장응력을 정확히 제어하지 못하고 임의로 작업을 실시하였다. 1070℃~1100℃의 온도에서 90초 이내 시간 동안 소둔 열처리된 종래예 1의 경우 5oC/초 이하의 승온속도에 의해 생성된 시그마상이 소둔온도에서 유지시 일부 분해되지만 잔존하고 있으며 고온에서 인장응력 제어가 미흡하여 폭 방향 수축변형 발생이 증가하여 양호한 코일 형상을 얻을 수 없다.
한편 1040℃~1070℃의 온도에서 90초 이내의 시간 동안 소둔 열처리된 종래 예 2의 경우, 5oC/초 이하의 승온속도와 임의의 조건인 인장응력으로 연속 소둔한 작업 결과 온도가 낮아 폭방향 수축변형은 저감되어 코일 형상은 확보할 수 있으나 시그마상이 잔류하여 충격인성이 저하되는 문제점이 발생하고 있다. 소둔시간 90초는 2상 스테인리스강의 재결정 미세조직 및 산세성을 확보하기 위한 시간을 의미한다.
다음은 본 발명예를 설명하기 앞서서 비교예를 살펴보기로 한다.
비교 예 1에서는, 1060℃~1080℃의 온도에서 90초 이내의 시간 동안 열처리하는 경우 승온속도가 10℃/초로 빨리 진행되므로 시그마 상이 생성되지 않아 높은 충격인성을 나타낼 수 있다. 그러나 코일의 처짐을 방지하는 인장응력(line tension) 값이 0.2kgf/mm2로 낮아 폭수축 변형은 발생하지 않지만 코일 자중을 지탱하지 못하여 코일 처짐이 발생하여 소둔로내의 롤러와 코일표면이 접촉하여 코일 표면 스크래치 결함이 발생한다. 또한, 비교 예 2에서는, 1060℃~1080℃의 온도에서 90초 이내의 시간 동안 열처리하는 경우 승온속도가 10oC/초로 빨라 시그마 상이 생성되지 않아 높은 충격인성을 나타내지만 코일의 처짐을 방지하는 인장응력(line tension) 값이 0.55kgf/mm2으로 높아 폭수축 변형이 발생하여 양호한 코일 형상을 얻지 못한다. 또한, 비교 예 3의 경우, 1060℃~1080℃의 온도에서 90초 이내의 시간 동안 열처리하는 경우 코일 처짐을 방지하는 인장응력이 0.35kgf/mm2로 적정하여 코일 폭수축 변형이 발생하지 않지만 승온 속도가 상대적으로 느린 5oC/초로 진행되어 시그마상이 생성되어 충격인성이 저하되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상술한 바와 같이 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강인 S32750강 열연코일의 연속소둔방법에 특징이 있는 것으로 온도 600℃부터 목표 소둔온도까지 승온속도 및 소둔온도, 소재에 걸리는 인장응력(line tension)을 제어하는 것이다.
즉, 중량%로 C : 0초과 0.030이하, Si : 0초과 0.8이하, Mn : 0초과 1.2이하, P : 0초과 0.035이하, S : 0초과 0.020이하, Cr : 24-26%. Ni : 6.0-8.0%, Mo : 3.5-5.0%, N : 0.24-0.32%, 을 포함하고 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 오스테나이트상 및 페라이트상의 미세조직을 갖는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강인 S32750강을 소둔 열처리하는 발명예 1은 온도 600℃부터 소둔온도까지 승온 속도를 10℃/초 이상으로 하여 목표 소둔온도 1060℃~1080℃에서 적어도 90초 이상 유지하고, 이때 소재에 가하는 인장응력(line tension)을 0.35kgf/mm2로 제어하는 경우 시그마상 생성을 방지하여 우수한 충격인성을 확보하고 폭방향 수축변형이 없어 양호한 열연 코일의 형상을 확보할 수 있다. 또한 발명예 2의 경우 다른 조건은 같으나 소재에 가하는 인장응력을 0.4kgf/mm2 로 제어하는 경우를 나타낸다. 이 경우 역시 코일 폭방향 변형이 나타나지 않고 시그마상의 생성을 방지하여 양호한 코일형상과 충격인성을 얻을 수 있다. 또한, 발명예 3의 경우 인장응력을 인장응력을 0.5gf/mm2 로 제어할 경우 역시 코일 폭방향 변형이 나타나지 않고 시그마상의 생성이 억제된다. 따라서 본 발명에서 소재에 가하는 인장응력의 범위는 0.3~0.5kgf/mm2 가 적절하며 본 범위를 벗어나는 경우에는 본 발명의 범위를 벗어나는 것이다. 본 발명에서 승온속도의 경우 적어도 10℃/초가 바람직하나 도 1을 보면 그 이상의 승온속도를 주는 것도 가능할 것이다. 다만, 승온속도를 많이 높이는 것은 경제성이 저하되므로 본 발명에서는 적어도 10℃/초의 하한값이 의미가 있는 것으로 한다. 경제성까지 고려할 경우에 상한값은 20℃/초로 한다. 본 발명에서는 열연코일을 목표 소둔온도인 1060℃~1080℃에서 적어도 90초 이상 유지하였으나, 상기 90초 이상 유지하는 것도 가능하다. 다만 이는 경제성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서 적어도 90초 이상 유지하고 상한값은 100초로 하여 경제성을 도모한다.
한편, 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강인 S32750강의 소둔온도 범위에서 고온인장 특성을 나타낸 도 3을 참조하면, 온도가 증가할수록 강도가 감소하는 결과를 나타내고 있으며 동일 온도에서 S32750강의 강도가 높아 고온 크립특성이 우수할 것으로 판단된다. 그러나, 2상 스테인리스강은 연속 소둔구간에서 초소성 거동이 나타나기 때문에 판파단 가능성은 상대적으로 적은 특징이 있다.
도 4 나타낸 소둔온도 및 인장응력(line tension)에 따른 변형량을 보면 온도가 증가하거나 인장응력이 증가할수록 변형량이 증가하여 폭수축 발생이 용이함을 알 수 있다. 폭수축 가능성은 항복강도를 측정하는 기준인 0.2% 변형을 적용하였으며, 충격인성은 1060℃ 이상에서 소둔하는 경우 양호한 특성을 보여주고 있다. 인장응력이 0.3kgf/mm2 이하인 경우 코일 자체 무게인 자중에 의한 처짐 현상을 억제하기 못하기 때문에 코일 선단부와 후단부에 걸리는 최소 인장응력은 0.3kgf/mm2 이상이 필요하다. 그러나 0.5kgf/mm2 이상 걸리면 폭수축 변형이 나타나서 양호한 코일 형상을 얻기 힘들다.
따라서, 본 발명의 실시 예에 의하여 온도 600℃부터 소둔온도까지 승온 속도를 10℃/초 이상으로 하여 목표 소둔온도 1060℃~080℃에서 90초 이상 유지하고, 이때 소재에 가하는 인장응력(line tension)을 0.3~0.5kgf/mm2로 제어하여 슈퍼 듀플렉스 S32750강을 소둔하는 경우 상기 표 1과 도 4부터 알 수 있는 바와 같이 시그마상 생성을 방지하여 우수한 충격인성을 확보하고 폭방향 수축변형이 없어 양호한 열연 코일을 제조할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 중량%로, C : 0초과 0.030이하, Si : 0초과 0.8이하, Mn : 0초과 1.2이하, P : 0초과 0.035이하, S : 0초과 0.020이하, Cr : 24~26%. Ni : 6.0~8.0%, Mo : 3.5~5.0%, N : 0.24~0.32%, 을 포함하고 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 열연코일 소둔시 인장응력을 0.3~0.5kgf/mm2 범위로 인가하는 충격인성 및 코일 형상이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 연속소둔방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트상과 페라이트상의 2상 조직으로 이루어진 충격인성 및 코일 형상이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 연속소둔방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 열연코일은 소둔온도 1060℃~1080℃에서 인장응력을 인가하는 충격인성 및 코일 형상이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 연속소둔방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은 600℃ 부터 상기 소둔온도 1060℃~1080℃까지의 승온 속도는 10℃/초 이상으로 제어하는 충격인성 및 코일 형상이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 연속소둔방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 승온 속도는 20℃/초 이하로 제어하는 충격인성 및 코일 형상이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 연속소둔방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은 상기 소둔온도 1060℃~1080℃에서 적어도 90초 이상 유지하는 충격인성 및 코일 형상이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 연속소둔방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 상기 소둔온도 1060℃~1080℃에서 100초 이하로 유지하는 충격인성 및 코일 형상이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 연속소둔방법.
KR1020110098321A 2011-09-28 2011-09-28 충격인성 및 코일 형상이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 연속소둔방법 KR101312783B1 (ko)

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