KR101467616B1 - 내부식성 린 오스테나이트계 스테인리스 강 - Google Patents

내부식성 린 오스테나이트계 스테인리스 강 Download PDF

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데이비드 에스. 베르그스트롬
제임스 엠. 라코위스키
찰스 피. 스틴너
존 제이. 던
존 에프. 그루브
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에이티아이 프로퍼티즈, 인코퍼레이티드
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Abstract

저 함량의 니켈 및 몰리브덴을 포함하며 높은 내부식성 및 우수한 성형성을 나타내는 오스테나이트계 스테인리스 강 조성물. 상기 오스테나이트계 스테인리스 강은 중량% 단위로, 최대 0.20 C, 2.0-6.0 Mn, 최대 2.0 Si, 16.0-23.0 Cr, 5.0-7.0 Ni, 최대 3.0 Mo, 최대 3.0 Cu, 0.1-0.35 N, 최대 4.0 W, 최대 0.01 B, 최대 1.0 Co, 철 및 불순물을 포함한다. 상기 오스테나이트계 스테인리스 강은 11 미만의 페라이트 수 및 -10℃ 미만의 MD30 값을 가진다.

Description

내부식성 린 오스테나이트계 스테인리스 강{CORROSION RESISTANT LEAN AUSTENITIC STAINLESS STEEL}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 동시 계속중인 미국 가특허 출원 61/015,338 (2007.12.20. 출원)에 대하여 35 U.S.C. § 119(e)에 의한 우선권을 주장한다.
발명의 배경
기술 분야
본 명세서는 오스테나이트계 스테인리스 강에 관한 것이다. 특히, 본 명세서는 저 함량의 니켈 및 저 함량의 몰리브덴을 가지면서도, 고 함량의 니켈 및 몰리브덴을 함유하는 일부 합금과 비교하여 개선된 내부식성 및 상응하는 성형성 물성을 갖는 비용-효과적인 오스테나이트계 스테인리스 강 조성물에 관한 것이다.
기술 배경에 대한 설명
오스테나이트계 스테인리스 강은 광범위한 산업 응용분야에서 유용하도록 하는 고도로 바람직한 물성들의 조합을 나타낸다. 이러한 강(steel)은 철이라는 기초 조성을 가지며, 이러한 기초 조성은 실온에서 오스테나이트 구조를 유지하면서 내부식성을 증강시키는 크롬 및 몰리브덴과 같은 페라이트-촉진 원소(ferrite-promoting element)의 첨가를 가능하게 하기 위하여, 니켈, 망간, 및 질소와 같은 오스테나이트-촉진 및 안정화 원소의 첨가에 의해 균형이 맞추어진다. 오스테나이트 구조는 강(steel)에 고도로 바람직한 기계적 물성, 특히 인성(toughness), 연성(ductility), 및 성형성을 제공한다.
오스테나이트계 스테인리스 강의 한 예는 EN 1.4432 스테인리스 강(stainless steel )인데, 이것은 16.5-18.5% 크롬, 10.5-13% 니켈, 및 2.5-3.0% 몰리브덴-함유 합금이다. 이러한 합금 내 합금 성분의 범위는 안정한 오스테나이트 구조를 유지하기 위하여 특정 범위 내에서 유지된다. 해당 업계의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같이, 니켈, 망간, 구리, 및 질소 함량은 예를 들면 오스테나이트 구조의 안정성에 기여한다. 그렇지만, 니켈 및 몰리브덴의 증가하는 가격으로 인하여 EN 1.4432를 대체하며 여전히 높은 내부식성 및 우수한 성형성을 나타내는 비용-효과적인 대체물에 대한 필요성이 대두되었다. 최근에, UNS S32003 (AL 2003™ alloy)와 같은 린 듀플렉스 합금(lean duplex alloys)이 EN 1.4432에 대한 저-비용의 대체물로서 사용되어왔으나, 이러한 합금이 우수한 내부식성을 갖는 반면, 이들은 약 50%의 페라이트를 함유하여서 EN 1.4432보다 더 높은 강도 및 더 낮은 연성을 갖게 하여 그 결과 이들은 그만큼 성형성이지 못하다. 듀플렉스 스테인리스 강은 또한 EN 1.4432에 비하여 높은 온도 및 낮은 온도 양쪽 모두에서 사용이 더욱 제한된다.
또 다른 오스테나이트 합금은 그레이드 317(Grade 317, UNS S31700)이다. S31700은 18.0-20.0% 크롬, 11.0-15.0% 니켈, 및 3.0-4.0% 몰리브덴을 함유한다. 높은 Ni 및 Mo 함량 때문에, S31700은 EN 1.4432 및 또 다른 통상 사용되는 오스테나이트 등급, 타입316(Type 316, UNS S31600)에 대하여 더욱 고비용의 대체물이며, 여기서 상기 타입316(Type 316, UNS S31600)은 16.0-18.0 크롬, 10.0-14.0% 니켈, 및 2.0-3.0% 몰리브덴을 함유한다. S31700의 내부식성이 EN 1.4432 및 S31600의 내부식성보다 우수한 반면, 고가의 원료물질이 많은 응용분야에 대한 S31700의 사용을 매우 고비용으로 만든다.
또 다른 합금 대체물은 그레이드 216(Grade 216, UNS S21600)인데, 이것은 미국 특허 제3,171,738호에 개시되어 있다. S21600은 17.5-22% 크롬, 5-7% 니켈, 7.5-9% 망간, 2-3% 몰리브덴, 및 0.25-0.50 질소를 함유한다. S21600은 매우 높은 질소 함량을 함유하는 S31600에 대하여 낮은 니켈 함량 및 높은 망간 함량을 갖는 변형이며, 이는 더 높은 강도를 부여하고 내부식성을 개선한다. 그렇지만, S21600의 성형성은 S31600 또는 EN 1.4432의 성형성만큼 좋지 않으며, S21600의 매우 낮은 페라이트 수(-6.2)로 인하여 주조(casting) 및 용접(welding)이 더욱 어렵게 된다. 또한, S21600이 EN 1.4432가 함유하는 것과 비슷한 양의 몰리브덴을 함유하기 때문에, S21600로 바꾸는 것은 몰리브덴에 대한 비용 절감을 제공하지 않는다.
오스테나이트계 스테인리스 강의 또 다른 예는 오스테나이트 구조를 유지하기 위하여 니켈이 망간에 의해 대체되는 다양한 합금을 포함하며, 이는 타입 201 강(Type 201 steel, UNS S20100) 및 유사한 등급으로 실시된다. 그렇지만, 타입 201 강이 우수한 내부식성을 갖는 저-니켈 함량 합금임에도 불구하고, 타입 201 강은 나쁜 성형성 물성을 갖는다. 저 함량의 니켈 및 몰리브덴을 함유하여 비용-효과적이면서, EN 1.4432와 유사한 또는 더욱 우수한 내부식성 및 성형성을 갖는 합금을 제조할 수 있는 필요성이 대두된다. 더욱이, 듀플렉스 합금과는 달리, 이러한 합금이 표준 오스테나이트계 스테인리스 강의 온도 적용 범위와 상응하는 온도 적용 범위, 예를 들면 극저온(cryogenic temperatures) 내지 1000℉의 온도 적용 범위를 갖도록 하는 것이 필요하다.
따라서, 본 발명은 현재는 시중에서 입수할 수 없는 해결책을 제공하는데, 이는 EN 1.4432의 것만큼 우수하거나 또는 더욱 우수한 내부식성 물성을 가지면서 원료물질의 비용 절감을 제공하는, 성형가능한 오스테나이트계 스테인리스 강 합금 조성물이다. 따라서, 본 발명은 상당히 낮은 원료 물질 비용으로, 높은 니켈 및 몰리브덴 함량 합금에 대하여 이에 상응하거나 또는 더욱 우수한 내부식성, 성형성 및 그 밖의 다른 물성을 갖는 합금을 제조하기 위한 방식으로, Ni 및 Mo를 대체하기 위하여 원소 Mn, Cu, 및 N의 조합을 사용하는 오스테나이트계 합금이다. 선택적으로, 각각 원소 Mo 및 Ni를 대체하기 위하여 원소 W 및 Co가 독립적으로 또는 서로 조합되어 사용될 수도 있다.
발명의 개요
본 발명은 더욱 고가의 원소인 니켈 및 몰리브덴에 대한 대체물로서, 망간, 구리, 및 질소와 같은 덜 고가인 원소를 사용하는 오스테나이트계 스테인리스 강이다. 결과는 EN 1.4432만큼 우수하거나 또는 더욱 우수한 내부식성 및 성형성을 갖고, 잠재적으로 UNS S31700만큼 우수한 내부식성 및 성형성을 갖는 저 비용의 합금이다.
본 명세서에 따르는 오스테나이트계 스테인리스 강의 구체 예는, 중량% 단위로, 최대 0.20 C, 2.0-6.0 Mn, 최대 2.0 Si, 16.0-23.0 Cr, 5.0-7.0 Ni, 최대 3.0 Mo, 최대 3.0 Cu, 0.1-0.35 N, 최대 4.0 W, 최대 0.01 B, 최대 1.0 Co, 철 및 불순물을 포함하며, 약 11 미만의 페라이트 수(ferrite number) 및 약 -10℃ 미만의 MD30 값을 갖는다.
본 명세서에 따르는 오스테나이트계 스테인리스 강의 또 다른 구체 예는, 중량% 단위로, 최대 0.20 C, 2.0-6.0 Mn, 최대 2.0 Si, 16.0-23.0 Cr, 5.0-7.0 Ni, 최대 3.0 Mo, 최대 3.0 Cu, 0.1-0.35 N, 최대 4.0 W, 최대 0.01 B, 최대 1.0 Co, 철 및 불순물을 포함하며, 여기서 0.5 ≤ (Mo + W/2) ≤ 5.0 및/또는 5.0 ≤ (Ni + Co) ≤ 8.0 이다. 상기 강은 약 11 미만의 페라이트 수 및 약 -10℃ 미만의 MD30 값을 갖는다.
본 명세서에 따르는 오스테나이트계 스테인리스 강의 또 다른 구체 예는, 중량% 단위로, 최대 0.08 C, 3.0-6.0 Mn, 최대 2.0 Si, 17.0-23.0 Cr, 5.0-7.0 Ni, 0.5-3.0 Mo, 최대 1.0 Cu, 0.14-0.35 N, 최대 4.0 W, 최대 0.008 B, 최대 1.0 Co, 철 및 불순물을 포함하고, 약 11 미만의 페라이트 수 및 약 -10℃ 미만의 MD30 값을 갖는다. 상기 강의 일부 구체 예에서, 0.5 ≤ (Mo + W/2) ≤ 5.0 및/또는 5.0 ≤ (Ni + Co) ≤ 8.0 이다.
본 명세서에 따르는 오스테나이트계 스테인리스 강의 또 다른 구체 예는, 최대 0.20 C, 2.0-6.0 Mn, 최대 2.0 Si, 16.0-23.0 Cr, 5.0-7.0 Ni, 최대 3.0 Mo, 최대 3.0 Cu, 0.1-0.35 N, 최대 4.0 W, 최대 0.01 B, 최대 1.0 Co, 나머지 철 및 불순물로 구성되며, 11 미만의 페라이트 수 및 -10℃ 미만의 MD30 값을 갖는다.
본 명세서에 개시된 오스테나이트계 스테인리스 강은 약 26 이상의 PREW 값을 가질 수도 있다.
한 구체 예에서, 본 명세서에 따르는 오스테나이트계 스테인리스 강의 제조 방법은 전기 아크 로(electric arc furnace) 내에서의 용융 단계, AOD 내에서의 정련(refining) 단계, 잉곳(ingot) 또는 연속 주조 슬라브 내로의 주조 단계, 상기 잉곳 또는 슬라브를 재가열하는 단계 및 플레이트 또는 코일 제조를 위한 고온 롤링 단계, 특정 두께로의 저온 롤링 단계, 및 재료를 어닐링 및 산처리(pickling)하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르는 또 다른 방법은 예를 들면 진공 또는 특정 대기압(special atmosphere) 하에서의 용융 및/또는 재-용융 단계, 성형품으로의 주조 단계, 또는 슬라브 또는 성형품으로 뭉쳐지는 분말 제조 단계 등을 포함할 수도 있다.
본 명세서에 따르는 합금은 다양한 응용분야에 사용될 수 있다. 한 실시예에 따르면, 본 명세서의 합금은 저온 또는 극저온(cryogenic) 환경에서의 사용에 적합한 제조 물품에 포함될 수 있다. 본 발명의 합금으로부터 제조되거나 또는 본 발명의 합금을 포함하는 제조 물품의 또 다른 비-제한적 실시예는 내부식성 물품, 내부식성 건축용 패널(panel), 가요성 컨넥터(flexible connector), 벨로우(bellow), 튜브, 파이프, 굴뚝 라이너(chimney liner), 송관 라이너(flue liner), 플레이트 프레임 열 교환 부품(plate frame heat exchanger parts), 콘덴서 부품(condenser parts), 제약 공정 장비용 부품(parts for pharmaceutical processing equipment), 위생 응용분야에서 사용되는 부품(part used in sanitary application), 및 에탄올 생산 또는 처리 장비용 부품이다.
발명의 상세한 설명
본 명세서의 상세한 설명 및 청구범위에서, 작업 실시예 또는 다르게 나타내는 것 이외에는, 구성성분 및 생성물의 양 또는 특성, 공정 조건, 및 이와 유사한 것을 나타내는 모든 숫자는 모든 경우에 있어서 용어 "약"에 의해 변경될 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 반대로 나타내지 않는 한, 다음의 상세한 설명 및 첨부된 청구범위에 제시된 모든 숫자 파라미터는 대략적인데 이는 본 명세서에 따르는 생성물 및 방법에서 얻기 위해 추구하는 바람직한 특성에 의존하여 변할 수 있다. 최소한 그리고 청구범위에 대한 균등 범위에 명세서를 제한하고자 하는 의도가 아닌 한, 각각의 숫자 파라미터는 최소한 보고된 유효숫자에 수에 관하여 해석되고 통상적인 근사치 방법을 적용하여 해석되어야 한다. 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강이 지금부터 상세하게 설명될 것이다. 이하의 설명에 있어서, 다른 제시가 없는 한 "%"는 "중량%"를 나타낸다.
본 발명은 오스테나이트계 스테인리스 강에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 EN 1.4432만큼 우수하거나 또는 더욱 우수한 내부식성 및 성형성을 갖고, 잠재적으로 S31700만큼 우수한 내부식성 및 성형성을 갖는 오스테나이트계 스테인리스 강 조성물에 관한 것이다. 상기 오스테나이트계 스테인리스 강은, 중량% 단위로, 최대 0.20 C, 2.0-6.0 Mn, 최대 2.0 Si, 16.0- 23.0 Cr, 5.0-7.0 Ni, 최대 3.0 Mo, 최대 3.0 Cu, 0.1-0.35 N, 최대 4.0 W, 최대 0.01 B, 최대 1.0 Co, 철 및 불순물을 포함하며, 약 11 미만의 페라이트 수 및 약 -10℃ 미만의 MD30 값을 갖는다.
본 명세서에 따르는 오스테나이트계 스테인리스 강의 구체 예는, 중량% 단위로, 최대 0.20 C, 2.0-6.0 Mn, 최대 2.0 Si, 16.0-23.0 Cr, 5.0-7.0 Ni, 최대 3.0 Mo, 최대 3.0 Cu, 0.1-0.35 N, 최대 4.0 W, 최대 0.01 B, 최대 1.0 Co, 철 및 불순물을 포함하며, 여기서 0.5 ≤ (Mo + W/2) ≤ 5.0 및/또는 5.0 ≤ (Ni + Co) ≤ 8.0 이다. 상기 강은 약 11 미만의 페라이트 수 및 약 -10℃ 미만의 MD30 값을 갖는다.
본 명세서에 따르는 오스테나이트계 스테인리스 강의 또 다른 구체 예는, 중량% 단위로, 최대 0.08 C, 3.0-6.0 Mn, 최대 2.0 Si, 17.0-23.0 Cr, 5.0-7.0 Ni, 0.5-3.0 Mo, 최대 1.0 Cu, 0.14-0.35 N, 최대 4.0 W, 최대 0.008 B, 최대 1.0 Co, 철 및 불순물을 포함하며, 약 11 미만의 페라이트 수 및 약 -10℃ 미만의 MD30 값을 갖는다. 상기 강의 일부 구체 예에서, 0.5 ≤ (Mo + W/2) ≤ 5.0 및/또는 5.0 ≤ (Ni + Co) ≤ 8.0 이다.
본 명세서에 따르는 오스테나이트계 스테인리스 강의 또 다른 구체 예는 최대 0.20 C, 2.0-6.0 Mn, 최대 2.0 Si, 16.0-23.0 Cr, 5.0-7.0 Ni, 최대 3.0 Mo, 최대 3.0 Cu, 0.1-0.35 N, 최대 4.0 W, 최대 0.01 B, 최대 1.0 Co, 나머지 철 및 불순물로 구성되며, 11 미만의 페라이트 수 및 -10℃ 미만의 MD30 값을 갖는다.
C: 최대 0.20%
C는 오스테나이트 상(phase)을 안정화시키기 위해 작용하며 변형에 의해 유도된(deformation-induced) 마르텐사이트 변태(martensitic transformation)를 억제한다. 그렇지만, 또한 C는 특히 용접 동안 크롬 카바이드를 형성할 가능성을 증가시키며, 이는 내부식성 및 인성을 감소시킨다. 따라서, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강은 최대 0.20% C를 갖는다. 본 발명의 한 구체 예에서, C의 함량은 0.08% 또는 그 미만일 수 있다.
Si : 최대 2.0%
2% 초과의 Si를 가지면 시그마와 같은 엠브리틀링 상(embrittling phase)의 형성이 촉진되고, 합금 내에서 질소의 용해도가 감소한다. 또한 Si는 페라이트 상(ferritic phase)을 안정시키며, 2% 초과의 Si는 오스테나이트 상을 유지시키기 위한 추가적인 오스테나이트 안정화제의 첨가를 요구한다. 따라서, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강은 최대 2.0% Si를 갖는다. 본 명세서에 따르는 한 구체 예에서, Si 함량은 1.0% 또는 그 미만일 수 있다. 본 발명의 또 다른 구체 예에서, Si 첨가 효과는 Si 함량을 0.5-1.0%로 조절함으로써 균형 맞춰질 수 있다.
Mn : 2.0-6.0%
Mn은 오스테나이트 상을 안정화시키며 유익한 합금 원소인 질소의 용해도를 일반적으로 증가시킨다. 이러한 효과를 충분히 발휘하기 위해서는, 2.0% 이상의 Mn 함량이 요구된다. Mn 및 N 둘 모두는 더욱 고가의 원소인 Ni에 대한 효과적인 치환체이다. 그렇지만, 6.0% 초과의 Mn을 가지면 특정 환경에서의 재료의 작업성 및 내부식성이 감퇴한다. 또한 본 발명의 합금이 적어도 5% Ni을 함유하기 때문에, 오스테나이트 상을 충분하게 안정화시키기 위하여 6.0% 초과의 Mn이 요구되지 않아야 한다. 따라서, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강은 2.0-6.0% Mn을 갖는다. 한 구체 예에서, Mn의 함량은 3.0-6.0%일 수 있다.
Ni : 5.0-7.0%
Ni는 인성 및 성형성을 증강시킬 뿐만 아니라 오스테나이트 상을 안정화시키기 위하여 작용한다. 그렇지만, 니켈의 비싼 가격 때문에, 니켈의 함량을 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 본 발명의 발명자들이 밝혀낸 바에 따르면, 낮은 비용으로 유사한 인성 및 성형성을 유지하면서 EN 1.4432와 유사하거나 또는 더 우수한 부식 성능(corrosion performance)을 갖는 물질을 제공하기 위하여, 5.0-7.0% 범위의 니켈은 오스테나이트 상이 유지되도록 하고 Cr 및 Mo와 같은 페라이트 촉진 원소의 충분한 양이 첨가되도록 한다. 따라서, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강은 5.0-7.0 % Ni을 포함한다.
Cr : 16.0-23.0%
스테인리스 강에 내부식성을 부여하기 위하여 Cr이 첨가되며, 또한 Cr은 마르텐사이트 변태와 관련하여 오스테나이트 상을 안정화시키는 작용을 한다. 적절한 내부식성을 제공하기 위하여 최소한 16% Cr이 요구된다. 다른 한편으로는, Cr이 강력한 페라이트 안정화제이기 때문에, 23%를 초과하는 Cr 함량은 페라이트 함량을 수용가능한 정도로 낮게 유지시키기 위해 니켈 또는 코발트와 같은 더욱 고가의 합금 원소의 첨가를 필요로 한다. 또한 23% 초과의 Cr을 가지면 시그마와 같은 바람직하지 않은 상을 더욱 용이하게 형성한다. 따라서, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강은 16.0-23.0% Cr을 갖는다. 한 구체 예에서, Cr 함량은 17.0-23.0%일 수 있다.
N: 0.1-0.35%
오스테나이트 안정화 원소 Ni 및 부식성 증강 원소 Mo에 대한 부분적인 대체물로서 N이 합금 내에 포함된다. 강도 및 내부식성을 위하여 그리고 오스테나이트 상을 안정화시키기 위하여 최소 0.10% N이 요구된다. 0.35% 초과 N의 첨가는 용융 및 용접 동안 N의 용해도를 초과할 것이며, 이는 질소 기체 포말로 인한 공극(porosity)을 산출시킬 것이다. 용해도 한도를 초과하지 않더라고, 0.35% 초과의 N 함량은 내부식성 및 인성을 감퇴시키는 질화물(nitride) 입자의 침전 경향을 증가시킨다. 따라서, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강은 0.1-0.35% N을 갖는다. 한 구체 예에서, N 함량은 0.14-0.35%일 수 있다.
Mo : 최대 3.0%
본 발명의 발명자들은 수용가능한 물성을 유지하는 동안 합금의 Mo 함량을 제한하는 것을 추구하였다. Mo는, 스테인리스 강의 표면 상부에 형성되며 염화물의 작용에 의한 공식(pitting corrosion)을 방어하는 부동태 산화물 필름(passive oxide film)을 안정화시키는데 효과적이다. 이러한 효과를 얻기 위하여, 본 발명에서 Mo는 최대 3.0% 수준으로 첨가될 수 있다. 3.0%를 초과하는 Mo 함량은 응고(델타) 페라이트의 분율을 잠재적으로 불리한 수준으로 증가시킴으로써 고온 작업성의 악화를 초래한다. 고 Mo 함량은 또한 시그마 상(sigma phase)과 같은 유해한 금속간 상(intermetallic phases)이 형성되는 경향을 증가시킨다. 따라서, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강 조성물은 최대 3.0% Mo를 포함한다. 한 구체 예에서, Mo 함량은 0.5-3.0%일 수 있다.
Co : 최대 1.0%
Co는 오스테나이트 상을 안정화시키기 위해 니켈 대체물로서 작용한다. 코발트의 첨가는 또한 재료의 강도를 증가시키는 작용을 한다. 코발트의 상한은 바람직하게는 1.0% 이다.
B: 최대 0.01%
0.0005%만큼의 저 함량 B가 스테인리스 강의 고온 작업성과 표면 품질을 개선하기 위하여 첨가될 수 있다. 그렇지만 0.01% 초과의 첨가는 합금의 내부식성 및 작업성을 감퇴시킨다. 따라서, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강 조성물은 최대 0.01% B를 갖는다. 한 구체 예에서, B 함량은 최대 0.008%일 수 있거나, 또는 최대 0.005%일 수 있다.
Cu : 최대 3.0%
Cu는 오스테나이트 안정화제이며 본 합금 내 니켈의 일부를 대체하기 위하여 사용될 수도 있다. Cu는 또한 환원 환경에서 내부식성을 개선하며 적층 결함 에너지(stacking fault energy)를 감소시켜 성형성을 개선한다. 그렇지만, 3% 초과의 Cu 첨가는 오스테나이트계 스테인리스 강의 고온 작업성을 감소시키는 것으로 여겨져 왔다. 따라서, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강 조성물은 최대 3.0% Cu를 갖는다. 한 구체 예에서, Cu 함량은 최대 1.0%일 수 있다.
W: 최대 4.0%
W는 염화물 공식(pitting corrosion) 및 틈새 부식(crevice corrosion)에 대한 저항성을 개선하는데 있어서 몰리브덴과 유사한 효과를 제공한다. W는 또한 몰리브덴을 대체하는 경우 시그마 상 형성의 경향성을 감소시킬 수도 있다. 그렇지만, 4% 초과의 첨가는 합금의 고온 작업성을 감소시킬수도 있다. 따라서, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강 조성물은 최대 4.0% W를 갖는다.
0.5 ≤ ( Mo + W/2) ≤ 5.0
몰리브덴 및 텅스텐 둘 모두는, 스테인리스 강의 표면 상부에 형성되며 염화물의 작용에 의한 공식(pitting corrosion)을 방어하는 부동태 산화물 필름(passive oxide film)을 안정화시키는데 효과적이다. 내부식성을 증가시키는데 있어서 Mo에 비하여 W가 대략 절반의 효과(중량으로)이기 때문에, 필요한 내부식성을 제공하기 위하여 (Mo+W/2) > 0.5%의 조합이 요구된다. 그렇지만, 너무 많이 Mo을 갖는 것은 금속간 상(intermetallic phases)을 형성하는 경향을 증가시키며 너무 많은 W는 재료의 고온 작업성을 감소시킨다. 그러므로, (Mo+W/2)의 조합은 5.0% 미만이어야 한다. 따라서, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강 조성물은 0.5 ≤ (Mo + W/2) ≤ 5.0를 갖는다.
5.0 ≤ ( Ni + Co ) ≤ 8.0
니켈 및 코발트 둘 모두는 페라이트 형성과 관련하여 오스테나이트 상을 안정화시키는 작용을 한다. 우수한 내부식성을 확보하기 위하여 첨가되어야만 하는 Cr 및 Mo와 같은 페라이트 안정화 원소의 증가된 수준의 존재 하에서 오스테나이트 상을 안정화시키기 위하여 최소 5.0% (Ni + Co)가 요구된다. 그렇지만, Ni 및 Co 둘 모두는 고가의 원소이므로, (Ni + Co) 함량을 8.0% 미만으로 유지시키는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강 조성물은 5.0 ≤ (Ni + Co) ≤ 8.0을 갖는다.
본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강의 나머지는 철과 불가피한 불순물, 예를 들면 인 및 황을 포함한다. 상기 불가피한 불순물은 해당 업계의 통상의 기술자에게 의해 이해될 수 있는 바람직하게는 현실적으로 가장 낮은 수준으로 유지된다.
본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강은 또한 예를 들면 내공식지수(pitting resistance equivalence number), 페라이트 수, MD30 온도를 포함하여, 상기 강들이 나타내는 물성을 정량화하는 수식으로 정의될 수 있다.
내공식지수(pitting resistance equivalence number, PREN)는 염화물-함유 환경에서 공식(pitting corrosion)에 대하여 합금의 예상되는 저항성의 상대적 등급을 제공한다. PREN이 클수록, 합금의 예상되는 내부식성이 우수하다. PREN 은 다음 수식에 의해 계산될 수 있다:
PREN = %Cr + 3.3(%Mo) + 16(%N)
대신에, 합금 내 텅스텐의 존재를 고려하기 위하여 1.65(%W)라는 인자가 상기 수식에 첨가될 수 있다. 텅스텐은 스테인리스 강의 내공식성(pitting resistance)을 개선하며, 중량으로, 몰리브덴의 효과의 대략 절반의 효과이다. 텅스텐이 계산에 포함되는 경우, PREW로 나타내지는 내공식지수는 다음 수식에 의해 계산된다:
PREw = %Cr + 3.3(%Mo) + 1.65(%W) + 16(%N)
본 발명의 합금에서 텅스텐은 몰리브덴과 유사한 목적으로 작용한다. 이런 식으로, 텅스텐은 증가된 내공식성을 제공하기 위하여 몰리브덴에 대한 치환체로서 첨가될수 있다. 상기 수식에 따르면, 동일한 내공식성을 유지하기 위하여, 제거되는 몰리브덴의 %에 대하여 두 배의 텅스텐 중량%가 첨가되어야 한다. 본 발명의 합금의 일부 구체 예는 26 초과의 PREW 값을 가지며, 바람직하게는 30만큼 크다.
본 발명의 합금은 또한 그 페라이트 수로서 정의될 수도 있다. 양(positive)의 페라이트 수는 일반적으로 페라이트의 존재와 관련 있는데, 페라이트는 합금의 응고 특성(solidification properties)을 개선하고 고온 작업 및 용접 작업 동안의 합금의 고온 균열(hot cracking)을 억제하는데 도움을 준다. 따라서 우수한 주조성(castability)을 위하여 그리고 용접 동안의 고온-균열을 방지하기 위하여 초기 응고된 마이크로구조 내에 소량의 페라이트가 바람직하다. 다른 한편으로, 너무 많은 페라이트는, 사용되는 동안, 마이크로구조의 불안정성, 제한된 연성, 및 악화된 고온 기계적 물성을 포함하는 문제점(여기에 제한되는 것은 아님)을 야기할 수 있다. 페라이트 수는 다음 수식을 사용하여 계산될 수 있다:
FN=3.34(Cr+1.5Si+Mo+2Ti+0.5Cb)-2.46(Ni+30N+30C+0.5Mn+0.5Cu)-28.6
본 발명의 합금은 최대 11, 바람직하게는 양의 수, 더욱 바람직하게는 약 3 내지 7의 계산된 페라이트 수를 갖는다. 상대적으로 낮은 니켈 및 몰리브덴 함량을 포함하는 일부 공지된 스테인리스 강 합금은 본 명세서에 따른 합금에 비하여 훨씬 작은 페라이트 수를 갖는다는 것이 이하에서의 설명으로부터 명백해질 것이다.
합금의 MD30 온도는 30%의 저온 변형(cold deformation)이 오스테나이트의 50%가 마르텐사이트로 변태되는 것을 초래하는 온도로서 정의된다. MD30 온도가 낮을수록, 마르텐사이트 변태에 대한 재료의 저항성이 커진다. 마르텐사이트 형성에 대한 저항성은 낮은 가공 경화 속도를 초래하고, 이는 특히 연신 응용분야(drawing application)에서 우수한 성형성을 초래한다. MD30는 다음 수식에 의해 계산된다:
Figure 112010045591683-pct00001
본 발명의 합금은 -10℃ 미만, 바람직하게는 약 -30℃ 미만의 MD30 온도를 갖는다. 많은 공지된 저-니켈 스테인리스 강 합금은 본 명세서에 따른 합금에 비하여 훨씬 더 큰 MD30 값을 갖는다.
실시예
표 1은 본 발명의 합금 1-3 및 대조 합금, CA1, EN 1.4432, S31600, S21600, S31700 및S20100에 대한 조성 및 계산된 파라미터 값을 포함한다.
본 발명의 합금 1-3과 대조 합금 CA1은 실험실-규모의 진공 로(vacuum furnace)에서 용융되었고 50-lb 잉곳에 부어졌다. 이러한 잉곳은 재가열되었고 고온 롤링(hot rolled)되어 약 0.250" 두께의 물품을 형성하였다. 상기 물품은 어닐링, 블라스팅(blasting), 및 산처리(pickled) 되었다. 상기 물품 중 일부는 0.100"-두께로 저온 롤링되었고, 나머지는 0.050 또는 0.040"-두께로 저온 롤링되었다. 저온 롤링된 물품은 어닐링되었고 산처리 되었다. 대조 합금 EN1.4432, S31600, S21600, S31700 및 S20100은 상업적으로 구입가능하며 이들 합금에 대하여 제시된 데이터는 공개된 문헌으로부터 취득하였거나 상업적 판매용으로 최근 제조된 물품을 테스트하여 측정되었다.
각각의 합금에 대하여 계산된 PREW 값이 표 1에 제시된다. 전술한 수식을 사용하여, 26.0 초과의 PREW 값을 갖는 합금이 염화물 공식(pitting)에 대하여 EN 1.4432 재료보다 우수한 저항성을 갖는 것으로 예상된다. 29.0 초과의 PREW 값은 염화물 공식(pitting)에 대하여 적어도 S31700과 동등한 저항성을 갖는 것으로 예상된다.
표 1에 각각의 합금에 대한 페라이트 수가 또한 계산되었다. 본 발명의 합금 1-3의 페라이트 수는 5.0 내지 7.5이다. 이는 우수한 용접성 및 주조성을 증진시키는 바람직한 범위 이내이다.
표 1에서 합금에 대한 MD30 값이 또한 계산되었다. 계산에 따르면, 본 발명의 모든 합금은 마르텐사이트 형성에 대하여 S31600보다 더 큰 저항성을 나타낸다.
Figure 112010045591683-pct00002
표 1은 원료 비용 지수(raw material cost index, RMCI)를 나타내는데, 이는 각 합금에 대한 재료 비용을 S31600의 재료 비용과 비교한다. RMCI는 원료 Fe, Cr, Mn, Ni, Mo, W, 및 Co에 대한 2007년 10월의 평균 단가에 합금에 포함된 각 원소의 백분율을 곱하고, S31600 내의 원료의 비용으로 나누어서 계산되었다. 계산된 값이 나타내는 바와 같이, 본 발명의 모든 합금은 0.64 내지 0.71의 RMCI 값을 갖는데, 이는 본 발명의 합금에 포함된 원료의 비용이 S31600 내 원료의 비용의 64% 내지 71%임을 의미한다. 이와 대조적으로, EN 1.4432에 대한 RMCI는 1.09이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명 합금 각각에 대한 페라이트 수는 EN 1.4432에 대하여 제시된 것과 상응하며, 본 발명 합금들에 대한 MD30 값은 EN 1.4432에 대한 것보다 실질적으로 더 작다. 상당히 낮은 원료 비용으로 EN 1.4432와 적어도 상응하는 성형성 및 내부식성을 갖는 물품이 제조될 수 있다는 것은 놀라운 것이며 종래 기술로부터 예상되지 않았던 것이다.
본 발명 합금 1-3의 기계적 물성이 측정되었고 대조 합금 CA1 및 상업적으로 구입 가능한 EN 1.4432, S31600, S21600, S31700, 및 S20100의 물성과 비교되었다. 측정된 항복 강도(yield strength), 인장 강도(tensile strength), 2-인치 게이지 길이에 걸친 백분위 신장률(percent elongation), 1/2-크기 샤르피 V-홈 충격 에너지(1/2-size Charpy V-notch impact energy), 및 올슨 컵 높이(Olsen cup height)가 이러한 합금에 대하여 표 1에 제시된다. 인장 시험은 0.100" 게이지 재료 상에서 수행되었으며, 샤르피 시험은 0.197" 두께의 샘플 상에서 수행되었으며, 올슨 컵 시험은 0.040-인치 내지 0.050-인치 두께의 재료상에서 수행되었다. 모든 시험은 실온에서 수행되었다. 표 1의 데이터에 대한 단위는 다음과 같다: 항복 강도 및 인장 강도, ksi; 신장률, 백분율(percent); 올슨 컵 높이, 인치; 샤르피 충격 에너지, ft-lbs. 데이터로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 합금은 EN 1.4432에 대하여 보고된 것들보다 조금 더 큰 강도 및 낮은 백분위 신장률을 나타냈으며, 따라서 EN 1.4432에 대한 것들과 적어도 상응하는 성형성 물성을 제공한다.
전기화학적 임계 공식 온도 측정(electrochemical critical pitting temperature test)이 본 발명의 합금 1-3 및 대조 합금 CA1, EN 1.4432, S31600, S31700, 및 S20100의 샘플에 대하여 ASTM Standard G 150에 따라 수행되었다. 표 1의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 합금 2는 EN 1.4432의 것과 유사한 임계 공식 온도(critical pitting temperature)을 갖는 반면, 본 발명의 합금 1과 3은 EN 1.4432의 것보다는 상당히 더 높고 심지어 S31600의 것보다 두 배 더 높은 임계 공식 온도(critical pitting temperature)를 갖는다. S31600의 원료 비용보다 29% 내지 36% 더 낮은 원료 비용을 갖는 합금이 약 16℃ 더 높은 임계 공식 온도(critical pitting temperature)를 가질 수 있으면서도 여전히 상응하는 인성 및 성형성을 갖는다는 것은 발명자들에게 놀라운 것이다.
이러한 신규한 합금의 잠재적인 용도는 다양하다. 앞서 설명하고 증명된 바와 같이, 본 명세서에 기술된 오스테나이트계 스테인리스 강 조성물은 S31600의 성형성 및 인성이 요구되며 더 큰 내부식성이 필요한 많은 응용분야에서 사용될 수 있다. 또한, 니켈 및 몰리브덴의 높은 가격 때문에, S31600 또는 EN 1.4432를 본 발명의 합금으로 대체함으로써 상당한 비용 절감이 고려될 수 있다. 또 다른 이점은, 본 발명의 합금들이 충분히 오스테나이트계이기 때문에, 본 발명의 합금들은 영하의 온도에서의 예리한 연성-취성 천이(ductile-to-brittle transition, DBT) 또는 885℉ 취성(embrittlement)에 대하여 민감하지 않을 것이다. 따라서, 듀플렉스 합금과는 달리, 본 발명의 합금들은 650℉ 이상의 온도에서도 사용가능하며 저온 및 극저온의 응용분야에 대하여도 주요한 후보물질이다. 본 명세서에 기술된 합금의 성형성 및 가공성(processability)이 표준 오스테나이트계 스테인리스 강의 그것들과 매우 유사할 것이라고 예상된다. 본 명세서에 따르는 합금이 특히 유리할 수 있는 특정 제조 물품의 비-제한적 실시예에는 예를 들면 자동차 배기구 및 그 밖의 다른 응용분야용의 가요성 컨넥터(flexible connector), 벨로우(bellow), 가요성 파이프(flexible pipe), 및 굴뚝/송관 라이너(chimney/flue liner)를 포함한다. 해당 업계의 통상의 기술자들은 종래의 제조 기술을 사용하여 본 발명에 따르는 합금으로부터 이러한 물품 및 그 밖의 다른 제조 물품을 용이하게 제조할 수 있을 것이다.
비록 전술한 설명이 필연적으로 제한된 수의 구체 예들을 제시하고 있으나, 관련 기술분야의 통상의 기술자들은 본 명세서에서 설명되고 예시된 실시예의 장치 및 방법 그리고 또 다른 상세한 부분들에서의 다양한 변화가 해당 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이루어질 수 있고, 수정사항들이 본 명세서 및 청구범위에서 제시된 기술내용의 범위 및 원칙 내에 포함될 것이라고 이해할 것이다. 그러므로, 본 발명이 본 명세서에서 기술되고 수록된 특정 구체 예에 제한되지 않고 청구범위에서 정의된 바에 따라 본 발명의 원칙 및 범위 내에서의 변화들을 포함한다고 이해될 것이다. 따라서 본 발명의 광범위한 사상을 벗어나지 않으면서 구체 예에 대한 변화가 존재할 수 있을 것이라고 해당 기술분야의 통상의 기술자들은 이해할 것이다.

Claims (31)

  1. 중량% 단위로, 0 초과이면서 최대 0.20 C, 2.0-6.0 Mn, 0 초과이면서 최대 2.0 Si, 16.0-23.0 Cr, 5.0-7.0 Ni, 0 초과이면서 최대 3.0 Mo, 0 초과이면서 최대 3.0 Cu, 0.1-0.35 N, 최대 4.0 W, 0 초과이면서 최대 0.01 B, 0 초과이면서 최대 1.0 Co, 철 및 불순물을 포함하고, 11 미만의 페라이트 수, -10℃ 미만의 MD30 값 및 26 초과 및 최대 30의 PREw 값을 갖는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  2. 청구항 1에 있어서,
    0.5 ≤ (Mo + W/2) ≤ 5.0
    임을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  3. 청구항 1에 있어서,
    5.0 ≤ (Ni + Co) ≤ 8.0.
    임을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서, 0 초과 11 미만의 페라이트 수를 가짐을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  6. 청구항 1에 있어서, 3 내지 최대 5의 페라이트 수를 가짐을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  7. 청구항 1에 있어서, -30℃ 미만의 MD30 값을 가짐을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  8. 청구항 1에 있어서, 최대 0.08 C를 포함함을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  9. 청구항 1에 있어서, 최대 1.0 Si를 포함함을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  10. 청구항 1에 있어서, 3.0-6.0 Mn을 포함함을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  11. 청구항 1에 있어서, 17.0-23.0 Cr을 포함함을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  12. 청구항 1에 있어서, 0.14-0.35 N을 포함함을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  13. 청구항 1에 있어서, 0.5-3.0 Mo를 포함함을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  14. 청구항 1에 있어서, 최대 0.008 B를 포함함을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  15. 청구항 1에 있어서, 최대 1.0 Cu를 포함함을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  16. 청구항 1에 있어서, 0.5-3.0 Mo를 포함하고, 여기서 5.0 ≤ (Ni + Co) ≤ 8.0임을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  17. 청구항 16에 있어서, -30℃ 미만의 MD30 값을 가짐을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  18. 청구항 1에 있어서, 0.5-3.0 Mo를 포함하고, 여기서 0.5 ≤ (Mo + W/2) ≤ 5.0 및 5.0 ≤ (Ni + Co) ≤ 8.0임을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  19. 청구항 1에 있어서, 0.5-3.0 Mo를 포함하고, -30℃ 미만의 MD30 값을 가짐을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  20. 청구항 1에 있어서, 중량% 단위로, 0 초과이면서 최대 0.08 C, 0 초과이면서 3.0-6.0 Mn, 0 초과이면서 최대 2.0 Si, 17.0-23.0 Cr, 5.0-7.0 Ni, 0.5-3.0 Mo, 0 초과이면서 최대 1.0 Cu, 0.14-0.35 N, 최대 4.0 W, 0 초과이면서 최대 0.008 B, 0 초과이면서 최대 1.0 Co, 철 및 불순물을 포함하고, 11 미만의 페라이트 수 및 -10℃ 미만의 MD30 값을 갖는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  21. 청구항 20에 있어서,
    5.0 ≤ (Ni + Co) ≤ 8.0
    임을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  22. 청구항 1에 있어서, 최대 0.20 C, 2.0-6.0 Mn, 최대 2.0 Si, 16.0-23.0 Cr, 5.0-7.0 Ni, 최대 3.0 Mo, 최대 3.0 Cu, 0.1-0.35 N, 최대 4.0 W, 최대 0.01 B, 최대 1.0 Co, 나머지 철 및 불순물로 구성되고, 11 미만의 페라이트 수 및 -10℃ 미만의 MD30 값을 갖는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  23. 청구항 22에 있어서, -30℃ 미만의 MD30 값을 가짐을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  24. 청구항 23에 있어서, 0.5-3.0 Mo를 포함함을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  25. 청구항 24에 있어서,
    5.0 ≤ (Ni + Co) ≤ 8.0
    임을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  26. 중량% 단위로, 0 초과이면서 최대 0.20 C, 2.0-6.0 Mn, 0 초과이면서 최대 2.0 Si, 16.0-23.0 Cr, 5.0-7.0 Ni, 0 초과이면서 최대 3.0 Mo, 0 초과이면서 최대 3.0 Cu, 0.1-0.35 N, 최대 4.0 W, 0 초과이면서 최대 0.01 B, 0 초과이면서 최대 1.0 Co, 철 및 불순물을 포함하고 11 미만의 페라이트 수, -10℃ 미만의 MD30 값 및 26 초과 및 최대 30의 PREw 값을 갖는, 오스테나이트계 스테인리스 강을 포함하는 제조 물품.
  27. 청구항 26에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인리스 강은 -30℃ 미만의 MD30 값을 가짐을 특징으로 하는, 제조 물품.
  28. 청구항 26에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인리스 강은 0.5-3.0 Mo를 포함함을 특징으로 하는, 제조 물품.
  29. 청구항 26에 있어서, 상기 오스테나이트계 스테인리스 강에서 5.0 ≤ (Ni + Co) ≤ 8.0임을 특징으로 하는, 제조 물품.
  30. 청구항 26에 있어서, 상기 제조 물품은 저온 및 극저온 환경 중 적어도 어느 하나에서의 사용에 적합함을 특징으로 하는, 제조 물품.
  31. 청구항 26에 있어서, 상기 제조 물품은 내부식성 물품, 내부식성 건축용 패널(panel), 가요성 컨넥터(flexible connector), 벨로우(bellow), 튜브, 파이프, 굴뚝 라이너(chimney liner), 송관 라이너(flue liner), 플레이트 프레임 열 교환 부품(plate frame heat exchanger parts), 콘덴서 부품(condenser parts), 제약 공정 장비용 부품(parts for pharmaceutical processing equipment), 위생 응용분야 부품(sanitary part), 에탄올 생산 장비용 부품, 및 에탄올 처리 장비용 부품으로 구성된 군으로부터 선택됨을 특징으로 하는, 제조 물품.
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