KR101504401B1 - 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조방법이 소개된다.
본 발명의 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 제조방법은, 한 쌍의 주조롤 사이로 용강을 통과시켜 박판을 제조하는 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 제조방법에 있어서, 상기 용강 중에 포함된 질소 고용 한도 이상의 질소는 응고시 상기 주조롤을 통하여 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다.

Description

고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조방법 {SUPER DUCTILE LEAN DUPLEX STAINLESS STEEL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 스트립 캐스팅 공정에서 용강 응고시 고용 한도 이상의 질소를 제거하고, 소둔 열처리 조건을 개선한 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 가공성과 내식성이 양호한 오스테나이트계 스테인리스강은 철(Fe)을 소지금속으로 하여, 크롬(Cr), 니켈(Ni)을 주요한 원료로 함유하고 있으며, 몰리브덴(Mo) 및 구리(Cu) 등의 기타 원소들을 첨가하여 각종 용도에 맞도록 다양한 강종으로 개발되고 있다.

내식성 및 가공성이 우수한 304계, 316계 스테인리스강은 고가의 원료인 Ni, Mo 등을 포함하고 있는바, 이에 대한 대체 방안으로 200계 및 400계 스테인리스강이 논의되기도 하였으나, 200계 및 400계 스테인리스강은 각각 성형성 및 내식성이 300계 스테인리스강에 미치지 못한다는 단점이 있다.

한편, 오스테이나트상과 페라이트상이 혼합된 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트계 및 페라이트계가 가지는 모든 장점을 가지고 있는바, 현재까지 다양한 종류의 듀플렉스 스테인리스강이 개발되어 있다.

미국등록특허 제5624504호(1997.4.29.)에는 "고강도, 고연성 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조방법"이 개시되어 있다.

이는, 그 입자 평균 직경이 10㎛인 마르텐사이트계 조직의 부피 분율이 20 ~ 95%를 차지하며, 나머지는 페라이트계 조직으로 이루어진 듀플렉스 스테인리스강에 관한 것으로, 중량 %로, C : 0.10% 이하, Si : 2.0% 이하, Mn : 4.0% 이하, P : 0.040% 이하, S : 0.010% 이하, Ni : 4.0% 이하, Cr : 10.0 ~ 20.0%, N : 0.12% 이하, B : 0.0050 ~ 0.0300%, O : 0.02% 이하, Cu : 4.0% 이하를 필수적으로 포함하고, 추가적으로 Al : 0.20% 이하, Mo 3.0% 이하, REM 0.20% 이하, Y : 0.20% 이하, Ca : 0.10% 이하, Mg : 0.10% 이하 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

이러한 듀플렉스 스테인리스강의 경우, 다양한 부식 환경에서 우수한 내부식성을 갖으며, AISI의 304, 316 등의 오스테나이트계 스테인리스강보다 우수한 내부식성을 나타낸다.

그러나, 이러한 듀플렉스 스테인리스강은 Ni, Mo 등의 고가 원소를 포함하고 있기 때문에, 제조 비용이 상승되어 타 강종과 가격 경쟁력 면에서 단점을 가지고 있다.

최근에는 이러한 가격 경쟁력 단점을 보완하기 위하여, 듀플렉스 스테인리스강에 포함되어 있는 Ni 및 Mo 등의 고가 합금 원소를 배제하고, 저원가의 합금원소를 첨가, 비용상의 장점을 더욱 부각시킨 린 듀플렉스(lean duplex) 스테인리스강에 대한 관심이 증대되고 있다.

그러나, 이러한 린 듀플렉스 스테인리스강은 페라이트계와 오스테나이트계 상간의 강도 차이에 따라 열간 가공성이 취약하여 표면 균열 및 에지 균열이 다량 발생하는 단점이 있다.

한편, 상술한 듀플렉스 스테인리스강 및 린 듀플렉스 스테인리스강의 열간 가공성 향상을 위하여 다양한 연구 및 개발이 진행되고 있는바, 이하에서는 이와 관련된 선행기술들을 소개한다.

일본공개특허 제2005-271307호(2007.4.5.)에는 "열간 가공성이 우수한 2상 스테인리스강"이 개시되어 있다.

이는 N 함량이 많음에도 불구하고, 우수한 열간 가공성을 가지는 고내식성 2상 스테인리스강에 관한 것으로, 중량 %로, C : 0.03% 이하, Si : 0.1 ~ 2.0%, Mn : 0.1 ~ 2.0%, P : 0.05% 이하, S : 0.03% 이하, Cr : 20.0 ~ 30.0%, Ni : 1 ~ 11%, Cu : 0.05 ~ 3.0%, Nd : 0.005 ~0.5%, sol.Al : 0.001 ~ 0.1%, N : 0.1 ~ 0.5%, Mo : 0.5 ~ 6% 및 W : 1 ~ 10% 중 어느 하나 이상을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불순물로 구성되며, 불순물 중 P는 0.05%이하, S는 0.03% 이하인 열간 가공성이 우수한 2상 스테인리스강에 관한 것인바, P를 미량으로 제어하고 Nd을 첨가함으로써 열간 가공성을 향상시킨 것이다.

중국등록특허 제101613839호(2009.12.30.)에는 "고질소 저니켈 듀플렉스강 및 그 제조방법"이 개시되어 있다.

이는 중량 %로, C : 0.01 ~ 0.10%, Si : 0.2 ~ 1.0%, Mn : 4 ~ 12%, Cr : 18 ~ 23%, P : 0.05% 이하, S : 0.03% 이하, Ni : 0.2 ~ 1.0%, N : 0.2 ~ 0.4, Mo, W, Cu 중 어느 하나를 1.0% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 고질소 저니켈 듀플렉스강에 관한 것인바, 질소의 함량을 증가시키되 어닐링 온도를 저하시킴으로써 경제성을 향상시킨 것이다.

미국공개특허 2003-398128호(2004.3.18.)는 "열간 가공성이 향상된 고망간 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조방법"에 관한 것으로, 중량 %로, C : 0.1% 이하, Si : 0.05 ~ 2.2%, Mn : 2.1 ~ 7.8%, Cr : 20 ~ 29%, Ni : 3.0 ~ 9.5%, N : 0.08 ~ 0.5, Mo : 5.0% 이하, W : 1.2 ~ 8%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, Cu 성분을 제한하고, Mn 함량을 증가시킨 것이다.

일본공개특허 제1998-257018호(1998.9.10.)에는 "22% Cr 2상 스테인리스 열연 강대의 제조방법"이 개시되어 있다.

이는 중량 %로 Cr을 21 ∼ 23％를 포함한 Cr 2상 스테인리스 열연 강판을 제조할때, 슬라브를 1050 ∼ 1150℃에서 가열하여 조압연하고, 900℃이상으로 마무리압연하는 것을 특징으로 한다.

그러나, 상술한 선행기술들은 고가의 Ni, Mo 등을 여전히 다량 함유하고 있어 제품 원가가 증가하는 문제점이 존재한다.

또한, 열간 가공성과 관련하여, 합금 원소들을 종래 일반적인 연속 주조법에 따라 가공하게 되면, 액상에서 고상으로 응고될 때 질소 고용도 차이에 따른 슬라브 내부 기공(porosity)이 발생(도 1참조)하게 되는바, 후속 공정인 재가열 및 열간 압연 과정에서 제품 표면에 다량의 결함이 발생되는 것은 물론, 다량의 결함 제거를 위해 별도의 그라인딩 과정이 필수적으로 진행되어야 하므로, 전체 공정에 불필요한 부하가 걸린다는 단점이 존재한다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 띠상 페라이트 조직이 횡방향으로 형성되어 소성 이방성이 증가하는 문제점이 존재하는바, 압연 방향별 연신율이 기준치를 만족하지 못한다는 단점이 존재한다.

상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

미국등록특허 제5624504호(1997.4.29.) 일본공개특허 제2005-271307호(2007.4.5.) 중국등록특허 제101613839호(2009.12.30.) 미국공개특허 2003-398128호(2004.3.18.) 일본공개특허 제1998-257018호(1998.9.10.)

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 N, Ni, Si, Cu의 함량을 조절하여 원가를 절감하면서도, 오스테나이트계 스테인리스강 대비 동등 이상의 내식성 및 연성을 확보할 수 있는 것은 물론, N에 의해 발생되는 강의 내부 기공 및 표면 기공에 의한 제품 결함 문제를 해결한 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 제조방법은, 한 쌍의 주조롤 사이로 용강을 통과시켜 박판을 제조하는 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 제조방법에 있어서, 상기 용강 중에 포함된 질소 고용 한도 이상의 질소는 응고시 상기 주조롤을 통하여 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다.

상기 한 쌍의 주조롤 중 적어도 어느 하나에는 원주 방향으로 질소 배출 채널이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 용강은 중량%로, C : 0.08% 이하(0% 제외), Si : 0.2 ~ 3.0%, Mn : 2.0 4.0%, Cr : 19.0 ~ 23.0%, Ni : 0.3 ~ 2.5%, N : 0.2 ~ 0.3%, Cu : 0.5 ~ 2.5%, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물인 것을 특징으로 한다.

상기 한 쌍의 주조롤을 통과하여 제조된 박판을 상기 한 쌍의 주조롤과 연속적으로 배치된 인라인 롤러를 이용하여 압연하고, 연속적으로 열연 소둔, 냉간압연 및 냉연 소둔 처리하며, 상기 냉연 소둔 온도는 1000 ~ 1100℃ 범위에서 진행하되, 1000 ~ 1050℃ 범위에서는 60초 이상, 1050 ~ 1100℃ 범위에서는 30초 이상 진행되는 것을 특징으로 한다.

상기 주조롤 표면에는 15 ~ 25㎛이 요철이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 질소 배출 채널은 폭 50 ~ 500㎛, 깊이 50 ~ 300㎛로 복수 개가 형성되며, 서로 이웃하는 상기 질소 배출 채널 사이의 간격은 100 ~ 1000㎛인 것을 특징으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강은, 중량%로, C : 0.08% 이하(0% 제외), Si : 0.2 ~ 3.0%, Mn : 2.0 ~ 4.0%, Cr : 19.0 ~ 23.0%, Ni : 0.3 ~ 2.5%, N : 0.2 ~ 0.3%, Cu : 0.5 ~ 2.5%, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 한 쌍의 주조롤 사이를 통과시켜 급속 주조하되, 상기 용강 응고시 상기 용강 중에 포함된 질소 고용 한도 이상의 질소는 상기 주조롤을 통하여 배출하여 제조된 것을 특징으로 한다.

소성 이방성이 최소화될 수 있도록 부피 분율로 40 ~ 75%의 오스테나이트상과, 25 ~ 60%의 페라이트상 조직은 무방향성을 가지고 형성된 것을 특징으로 한다.

모든 방향에 대하여 55% 이상의 연신율을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기한 기술적 구성으로 아래와 같은 효과를 구현할 수 있다.

첫째, 고가 원소인 Ni, Si, Cu, Mo의 합금 성분 함량 및 N 성분을 조절함으로써, 자원을 절약할 수 있는 것은 물론, 제조 원가를 최소화할 수 있는 이점이 있다.

둘째, 스트립 캐스팅 공정을 활용함으로써 별도의 열간 압연 공정을 생략할 수 있으므로, 열간 압연시 발생되는 에지 균열 및 표면 균열 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다.

셋째, 주조 과정에서 응고시 질소 고용 한도 이상의 질소를 배출함으로써 박판의 내부 기공 및 표면 기공 문제를 해결할 수 있으므로, 질소 고용 한도 이상의 질소에 의한 에지 균열 및 표면 균열 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다.

넷째, 소재의 실수율이 향상되고 열간 압연시 필수적으로 진행되는 표면 그라인딩 공정을 생략할 수 있는 이점이 있다.

다섯째, 소둔 열처리 조건을 최적화함으로써 304강 대비 동등 수준 이상의 내식성 및 55% 이상의 연신율을 확보할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래 연속 주조법 및 일반적인 스트립 캐스팅 공정을 이용하여 제조된 박판에서 발생된 내부 기공을 나타낸 도면,
도 2는 종래 연속 주조법 및 열간 압연 공정을 진행하여 제조된 박판의 내부 미세 조직을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 스트립 캐스팅 공정을 개략적으로 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 주조롤에 형성된 질소 배출 채널의 모식도,
도 5a는 다량의 기공에 의해 박판에 형성된 덴트 결함을 나타낸 도면,
도 5b는 본 발명의 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강의 표면 결함 상태를 나타낸 도면,
도 6은 듀플렉스강 및 린 듀플렉스강의 열간 가공성을 비교한 도면,
도 7은 린 듀플렉스강을 열간 압연한 상태를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 의해 제조돈 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강의 표면을 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 냉연 소둔 온도에 따른 연신율 변화를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명의 냉연 소둔 온도에 따른 오스테나이트 상분율 변화를 나타낸 도면,
도 11은 본 발명의 오스테나이트 상분율 변화에 따른 연신율 변화를 나타낸 도면,
도 12는 본 발명의 소둔 온도 및 시간의 변화에 따른 연신율 변화를 나타낸 도면,
도 13a는 본 발명에 의해 제조된 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강의 내부조직을 나타낸 도면,
도 13b는 방향별 연신율은 비교한 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조방법을 설명한다.

본 발명의 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강은, 오스테나이트상과 페라이트상의 2상 조직을 갖는 스테인리스강으로, 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 규소(Si) 및 구리(Cu) 등 고가 합금 원소의 함량을 낮추면서도 질소 함량을 더 증가시켜 오스테나이트계 스테인리스강 304강 대비 동등 수준 이상의 내식성을 유지하는 것은 물론, 스트립 캐스팅 공정을 적용하여 특정 기준 이상의 연성을 확보한 것이다.

본 발명의 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 제조방법에서는, 스트립 캐스팅 공정을 적용하여 빠른 냉각 속도를 부여함으로써, 액상 용강을 2 ~ 5mm 두께의 판재로 직접 제조하는바, 일반 주조시 발생될 수 있는 편석을 제거하는 것은 물론, 통상의 연속 주조법이나 스트립 캐스팅 공정과는 다르게 주조 과정에서 용강 응고시 용강 중의 질소 고용 한도 이상의 질소를 배출함으로써 질소 고용 한도 차이에 따라 발생되는 내부 기공, 표면 기공 문제를 해결한 것을 기술적 특징으로 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 고연성 린 듀플렉스강은 일반적인 연속 주조법이 아닌 스트립 캐스팅 공정을 이용하여 제조한다.

래들(1)에서 턴디쉬(2)로 공급된 용강은 주입노즐(3)을 통하여 한 쌍의 주조롤(6) 사이를 통과하는바, 용강이 주조롤(6)을 통과하면서 급속히 냉각, 응고되면서 박판(8)이 제조된다. 이러한 박판(8)은 주조롤(6)과 연속적으로 배치되는 인라인 롤러(IRM)(9)에서 압연되어 코일 권취 설비(10)에 권취된다.

한편, 주조롤(6) 상부에는 용탕 표면이 공기와 접촉되어 산화되는 것을 것을 방지할 수 있도록 매니커스 쉴드(4)가 장착되며, 이러한 매니커스 쉴드(4) 내부는 적절한 가스가 주입되어 적절하게 산화 방지 분위기가 형성된다.

이와 같이, 용강은 한 쌍의 주조롤(6)이 만나는 롤닙(7)을 빠져나오면서 인라인 롤러(9)를 거쳐 압연된 후, 열처리 과정 및 냉간 압연 등의 공정을 거쳐 박판10mm 이하의 박판으로 제조되는 것이다.

상술한 10mm 이하의 박판을 직접 제조하는 쌍롤식 스트립 캐스터에서 가장 중요한 기술적 요소 중 하나는, 주입노즐(3)을 통해 빠른 속도로 서로 반대 방향으로 회전하는 내부 수냉식 주조롤(twin-drum rolls)(6)과 측면댐(5)(side dam) 사이로 용강을 공급하되, 수냉되는 주조롤(6) 표면을 통해 많은 열량을 방출하여 용강을 급속 냉각, 원하는 두께의 박판을 균열없이 실수율이 향상되도록 제조하는 것이다.

본 발명의 고연성 린 듀플렉스강 제조방법에서는 에지 균열 및 표면 균열의 원인인 용강 중에 포함된 고용 한도 이상의 질소 문제 및 질소 함유에 의한 열간 가공성 저하 문제를 해결하였다.

즉, 주조롤(6)을 통하여 용강 응고시 고용 한도 이상의 질소를 배출하면서 급속 주조를 완료하고, 주조 후 연속적으로 진행되는 인라인 롤러(9)를 이용하여 급속주조를 완료함으로써, 약 2 ~ 5mm의 얇은 박판을 제조함으로써 상술한 문제점을 해결한 것이다.

본 발명의 고연성 린 듀플렉스 스텐인리스강은 중량%로, C : 0.08% 이하(0% 제외), Si : 0.2 ~ 3.0%, Mn : 2.0 ~ 4.0%, Cr : 19.0 ~ 23.0%, Ni : 0.3 ~ 2.5%, N : 0.2 ~ 0.3%, Cu : 0.5 ~ 2.5%, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다. 이하 상술한 수치 한정 이유를 설명한다.

C는 오스테나이트상 형성 원소로 고용 강화에 의한 재료 강도 증가에 유효한 원소이다.

그러나, 과다 첨가시 페라이트-오스테나이트 상 경계에서 내식성에 유효한 Cr과 같은 탄화물 형성 원소와 쉽게 결합하여 결정립계 주위의 Cr 함량을 낮추어 내부식성을 감소시키기 때문에, 내식성을 극대화하기 위해서는 0.08% 이하의 범위내에서 첨가하는 것이 바람직하다.

Si는 탈산효과를 위하여 일부 첨가되며, 페라이트상 형성 원소로 소둔 열처리시 페라이트에 농화되는 원소이다.

따라서, 적정한 페라이트 상분율 확보를 위하여 0.2% 이상 첨가하여 한다.

그러나, 3.0% 이상을 첨가하는 경우, 페라이트상의 경도를 급격히 증가시켜서 연신율을 저하시키게 되는바, 연신율 확보에 영향을 미치는 오스테나이트상 확보를 어렵게 한다.

또한, 과다 첨가시에는 제강 공정에서 슬래그 유동성을 저하시키고, 산소와 결합하여 개재물을 형성, 내식성을 저하시키게 된다.

따라서, Si 함량은 0.2 ~ 3.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

N는 듀플렉스 스테인리스강에서 Ni와 함께 오스테나이트 상의 안정화에 크게 기여하는 원소로, 소둔 열처리시 오스테나이트상에 농화되는 원소 중의 하나이다.

따라서, N 함량을 증가시킴으로써 부수적으로 내식성 향상 및 강도 향상을 꾀할 수 있으나, 첨가된 Mn의 함량에 따라 N의 고용도가 변화될 수 있으므로, 그 함량 조절이 필요하다.

본 발명의 Mn 범위에서 N 함량이 0.3% 이상을 초과하면, 질소 고용도 초과에 의해 주조시 블로우홀(blow hole) 및 핀홀(pin hole) 등의 발생하여, 제품의 표면 결함이 유발되는 문제점이 있다.

304강 수준의 내식성 확보를 위해서는 N를 0.2% 이상을 첨가해야만 하는바, N 함량이 너무 낮으면 적절한 상분율 확보가 곤란해진다.

따라서, N 함량은 0.20 ~ 0.30%로 제한하는 것이 바람직하다.

Mn은 탈산제 및 질소 고용도를 증가시키는 원소이며, 오스테나이트 형성 원소로 고가의 Ni을 대체하여 첨가된다.

Mn 함량이 4%를 초과하여 첨가되면 304강 수준의 내식성 확보가 어려워지는바, Mn이 그 이상 첨가되는 경우, 질소 고용도를 개선하는 효과가 있으나 강 중의 S와 결합하여 MnS를 형성하고 내식성을 저하시키는 단점이 있다.

또한, Mn의 함량이 2% 미만인 경우, 오스테나이트 형성 원소인 Ni, Cu, N등을 조절하여도 적정한 오스테나이트 상분율의 확보가 어렵고, 첨가되는 N의 고용도가 낮아서 상압에서 질소의 충분한 고용을 얻을 수 없다.

따라서, Mn의 함량을 2% ~ 4%로 제한 하는 것이 바람직하다.

Cr은 Si와 함께 페라이트 안정화 원소로 2상 스테인리스강의 페라이트상 확보에 주된 역할을 할 뿐만 아니라, 내식성 확보를 위한 필수 원소이다.

Cr의 함량을 증가시키면 내식성이 증가하지만, 상분율 유지를 위하여 고가의 Ni이나 기타 오스테나이트 형성 원소 함량을 증가시켜야 하는 단점이 있다.

따라서, 2상 스테인리스강의 상분율을 유지하면서 304강 이상의 내식성을 확보하기 위해서 Cr의 함량을 19 ~ 23%로 제한한다.

Ni은 Mn, Cu 및 N와 함께 오스테나이트 안정화 원소로, 듀플렉스 스테인리스강의 오스테나이트상의 확보에 주된 역할을 한다.

원가 절감을 위하여 가격이 비싼 Ni 함량을 최대한 감소시키는 대신에 다른 오스테나이트상 형성 원소인 Mn과 N을 증가시켜서 Ni의 저감에 의한 상분율 균형을 충분히 유지할 수 있다.

그러나, Ni은 냉간 가공시 발생하는 소성 유기 마르텐사이트 또는 기계적 쌍정을 활용하여 가공이나 성형시 연신율을 확보하는 주요한 원소 중의 하나로, 소성 유기 마르텐사이트가 과다하면 냉간 가공이나 성형 초기에 급격한 가공 경화로 가공성 확보가 어려운바, 소성 유기 마르텐사이트의 과다 형성을 억제할 정도의 오스테나이트상의 안정도 확보를 위하여 0.3% 이상 첨가하여야 한다.

Ni을 많이 첨가하면 오스테나이트상 분율이 증가하여 적절한 오스테나이트 분율 확보가 어려운 것은 물론, 오스테나이트상이 너무 안정화되어 냉간 가공시 소성 유기 마르텐사이트 발생이 억제되어 충분한 가공 경화성 확보가 어려우며, 특히 고가인 Ni로 인한 제품의 제조 비용 증가로 304강 대비 경쟁력 확보가 어렵다.

따라서, Ni의 함량을 0.3% ~ 2.5%로 제한함이 바람직하다.

원가 절감을 위하여 Ni과 동일한 역할을 하는 Cu 함량은 최소한으로 낮추는 것이 바람직한바, 냉간 가공시 발생하는 과다한 소성 유기 마르텐사이트 형성을 억제 가능한 충분한 오스테나이트상의 안정도 확보를 위하여 0.5% 이상 첨가되어야 한다.

반면 Cu 함량이 2.5% 이상이면 열간 취성에 의해 제품 가공이 어려워지는바, Cu 함량은 0.5 ~ 2.5%로 조절하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명자는 용강 중에 고용 한도 이상의 질소가 박판에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 하기의 표 1의 조성을 갖는 용강으로 린 듀플렉스강을 제조하였다.

비교예 1은 특정 조성을 갖는 용강을 일반적인 연속 주조법을 이용하여 주조한 것이고, 비교예 2는 특정 조성을 갖는 용강을 일반적인 스트립 캐스팅(급속주조)법을 이용하여 주조한 것이며, 실시예 1 내지 실시예 5는 용강 중의 고용 한도 이상의 질소를 배출하면서 스트립 캐스팅 공정으로 주조한 것이다.

구분	C	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	N	주조법	질소배출	내부기공
비교예1	0.05	1.35	2.8	20.3	1.06	1.0	0.23	연속주조	X	○
비교예2	0.05	1.35	2.8	20.3	1.06	1.0	0.23	급속주조	X	○
실시예1	0.045	1.08	3.02	19.63	0.98	0.98	0.272	급속주조	○	X
실시예2	0.071	1.3	3.81	19.69	1.14	0.5	0.24	급속주조	○	X
실시예3	0.051	1.28	3.07	20.02	1.0	0.503	0.24	급속주조	○	X
실시예4	0.051	1.27	3.09	20.41	1.03	0.5	0.25	급속주조	○	X
실시예5	0.02	1.21	2.63	20.53	0.85	0.793	0.22	급속주조	○	X

도 5a에 도시된 바와 같이, 비교예 1 및 비교예 2의 경우, 박판 내부의 다량의 기공이 형성되어 덴트 결함 등이 존재함을 확인할 수 있었다.

이는 용강이 주조롤을 통과, 응고되면서 발생되는 질소 용해도 차이에 기인한 것이다.

본 발명의 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강의 질소 조성은 2000 ~ 3000ppm 범위이다.

용강이 액상에서 고상으로 응고되는 과정은 액상 --> 액상 + 델타 --> 델타 --> 델타 + 오스테나이트 순으로 진행되는데, 액상이 델타상으로 변할때, 질소 고용도는 약 1164ppm으로 약 836 ~ 1836ppm 정도의 고용도 차이가 발생한다.

액상에 과포화된 질소 중 일부가 응고시 가스(gas)화되어 응고된 소재의 내부에 다양한 기공을 형성하는 것은 물론, 소재 표면에 형성된 응고셀에도 다수의 기공을 형성하는 것이다.

이와 같이, 실제 응고된 소재의 내부에는 많은 기공이 존재하고, 이들 기공의 일부는 열간 압연시 압착되기도 하지만, 미압착된 기공은 내부 결함으로 진행되며, 가열로 가열시 외부로 노출되는 경우에는 다양한 표면 결함 형태로 발전한다.

반면, 도 5b에 도시된 바와 같이, 실시예 1 내지 실시예 5에 따라 주조된 박판에는 질소 고용도 차이에 따른 내부 기공이 존재하지 않음을 확인할 수 있었다.

스트립 캐스팅 과정에서 용강 중에 포함된 고용 한도 이상의 질소를 제거하기 위하여 다양한 수단이 제시될 수 있는바, 본 발명에 따른 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 제조방법에서는 그 일 예로 주조롤 표면에 질소 배출 채널을 형성하으로써 용강 응고시 고용 한도 이상의 질소를 배출하였다.

도 4에 도시된 바와 같이, 질소에 의한 내부 기공 문제는 대부분 한 쌍의 주조롤을 용강이 통과, 급속하게 냉각되는 과정에서 발생된다.

따라서, 용강 중의 고용 한도 이상의 질소는 용강이 주조롤을 통과함과 동시에 진행되어야 한다. 이를 위하여, 주조 중 질소 배출 가능하도록 주조롤의 표면에는 질소 배출 채널(6a)이 형성되는 것이 바람직한 것이다.

질소 배출 채널(6a)은 용강은 통과하지 못하면서 질소 가스만이 배출될 수 있는 정도의 미세한 채널이다. 이러한 질소 배출 채널(6a)은 주조롤에 다양한 방식으로 형성될 수 있으며, 주조롤 표면에 원주 방향으로 형성되어 주조롤의 회전에 따라 주조롤의 외측 방향으로 질소 가스를 가이드, 배출할 수 있다.

질소 배출 채널(6a)은 그 폭이 50 ~ 500㎛, 그 깊이가 50 ~ 300㎛의 미세한 채널에 해당하며, 주조롤의 원주 방향으로 복수 개가 형성되되, 서로 이웃하는 질소 배출 채널(6a) 사이의 간격은 100 ~ 1000㎛ 정도로 형성하는 것이 바람직하다.

질소 배출 채널(6a)의 형상, 구조 및 적용 위치는 그 기능을 다할 수 있는 것이라면 다양하게 변형될 수 있을 것이다.

한편, 이러한 질소 배출 채널(6a)이 복수 개 형성되는 경우, 주조롤과 이 주조롤을 통과하는 용강 사이에 접촉 면적이 감소할 수 있는바, 이를 방지하기 위해 주조롤 표면에는 요철이 돌출 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 요철은 평균 15 ~ 25㎛ 크기를 갖는다.

한편, 본 발명자는 표 2의 조성을 갖는 통상의 듀플렉스강과 린 듀플렉스강의 열간 가공성을 글리블을 이용하여 평가하였다.

구분	C	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	N	비고
비교예 3	0.02	0.43	1.52	21.5	2.07	0.81	0.17	열간압연
비교예 4	0.03	0.57	5	21.2	1.45	0.3	0.21	열간압연
비교예 5	0.05	1.5	3.0	20.09	1.04	1.0	0.246	연간압연
비교예 6	0.051	0.84	2.98	19.94	1.02	1.0	0.242	열간압연
실시예 6	0.05	1.5	3.0	20.09	1.04	1.0	0.246	스트립 캐스팅

비교예 3은 통상의 듀플렉스 강(329LA)을 열간 압연한 것이고, 비교예 4는 200계 스테인리스강(2101)을 열간 압연한 것이며, 비교예 5 및 비교예 6은 린 듀플렉스강을 열간 압연한 것이다.

도 6에 도시된 비와 같이, 비교예 3의 경우 열간 가공성이 매우 우수한 것으로 나타났으며, 비교예 4도 비교예 3에 비하여는 열간 가공성이 낮지만 열간 압연을 위한 최소한의 수치인 50%는 상회하는 것으로 확인되었다.

반면, 린 듀플렉스강인 비교예 5 및 비교예 6의 경우, 고온에서 급격한 열간 가공성 저하가 나타남을 확인할 수 있었는바, 특히 1000℃ 부근에서는 약 40%로 최저를 나타내었다.

이는 비교강 4보다 약 20% 정도 저하된 것으로, 통상의 방법으로 슬라브를 제조한 이후에 재가열, 열간 압연 공정을 하게 되는 경우에는 열간 가공성 부족에 따른 에지 균열 및 표면 균열이 다량 발생할 가능성이 있다는 것을 보여준다.

도 7에 도시된 바와 같이, 비교예 5 및 비교예 6을 통상의 열간 압연하는 경우, 에지 균열 및 표면 균열이 발생됨을 확인하였다.

반면, 도 8에 도시된 바와 같이, 스트립 캐스팅 공정에 의하여 제조된 본 발명의 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강은 열간 압연 공정이 생략됨에 따라 열간 압연시 발생하는 표면 균열 및 에지 균열이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.

이와 같이, 통상의 방법으로 제조된 린 듀플렉스강은 주조시 발생하는 고질소에 의한 내부 기공, 열간 가공성 열위에 의한 다량의 균열 발생 등 다양한 문제점을 가지고 있는바, 열간 압연 공정 생략이 가능한 스트립 캐스팅 공정을 이용하면, 연속적으로 이어지는 인 라인 롤링(in-line-rolling)을 통해 표면 균열 및 에지 균열 없는 1 ~ 5mm의 얇은 박판을 제조할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 제조방법에 따르면, 주조롤 및 이러한 주조롤과 연속적으로 배치된 인라인 롤러를 이용하여 박판을 제조하고, 이 박판을 열연 소둔, 냉간압연 및 냉연 소둔 처리하되, 냉연 소둔은 1000℃ 이상에서 진행함으로써, 55% 이상의 연신율이 확보된 박판을 제조할 수 있다.

본 발명자는 표 1의 실시예 1 내지 실시예 5를 대상으로, 스트립 캐스팅 공정을 이용하여 제조된 열연 박판을 냉간 압연한 후, 약 5분 간 냉연 소둔하되, 냉연 소둔 온도에 따른 연신율 변화를 측정하였다.

도 9에 도시된 바와 같이, 냉연 소둔 온도가 1000℃ 이상이면 원하는 연신율 55% 이상을 확보할 수 있었다.

또한, 본 발명자는 스트립 캐스팅 공정에 의해 제조된 실시예 1 내지 실시예 5를 대상으로, 냉연 소둔 온도에 따른 오스테이나트상 분율을 측정하였는바, 이를 도 10에 나타내었다.

도 10에 도시된 바와 같이, 소둔 온도가 1100℃에서 최대의 오스테나이트상 분율을 확인할 수 있었으며, 소둔 온도가 1100℃ 이상 또는 그 이하로 재가열하는 경우에는 오스테나이트상 분율이 감소함으로 알 수 있었으며, 냉연 소둔한 후 약 55% 이상의 연신율을 확보하기 위한 오스테나이트상 분율은 약 40 ~ 75%임을 알 수 있었다.

도 11에 도시된 바와 같이, 스트립 캐스팅 공정에 의하여 제조된 냉연판의 오스테나이트상 분율에 따른 연신율을 살펴보면, 소둔 온도가 900℃인 경우만을 제외하고, 오스테나이트상 분율이 40 ~ 75% 범위에 있으면 스트립 캐스팅 공정으로 제조한 린 듀플렉스강의 연신율은 약 55% 이상이 확보된다.

또한, 도 12에 도시된 바와 같이, 스트립 캐스팅 공정으로 제작된 열연판을 냉간 압연한 후에, 1000℃ 및 1050℃에서 소둔 시간에 따른 연신율 변화를 측정하였다.

소둔 온도 1000℃에서 약 30초 간 소둔하는 경우 약 50%의 연신율을 얻을 수 있어서 목표치인 55%에 미치지 못했으나, 동일 소둔 온도에서 소둔 시간이 60초로 증가한 경우에는 55% 연신율 확보가 가능함으로 알 수 있었다.

또한 소둔 온도 1050℃에서 약 30초 간 소둔하는 경우 연신율이 55% 이상 확보 가능한바, 소둔 시간이 짧아지는 효과를 얻을 수 있다.

따라서, 소둔 온도 1000℃에서는 60초 이상, 1050℃에서는 30초 이상의 소둔 시간을 확보함으로써 원하는 55%의 면 연신율이 확보된 강을 얻을 수 있는 것이다.

도 13a는 상술한 스트립 캐스팅 공정으로 제조한 열연판을 냉간 압연한 후에 1000℃ 또는 1050℃에서 일정 소둔 시간 하에 소둔을 실시한 경우, 박판의 미세 조직을 관찰한 도면이다.

종래 띠상 페라이트(도 2참조)는 사라지고, 미세 조직이 무방향성을 가지고 랜덤하게 자리잡고 있는바, 이러한 미세 조직에 의해 소성 이방성이 최소화됨을 확인할 수 있었다.

도 13b은 압연 방향으로의 연신율(0°), 압연 방향으로부터 45°방향으로의 연신율 및 압연 방향으로부터 90°방향 연신율을 나타낸 도표이다.

종래 연속 주조법, 열간 압연 등을 통하여 제조된 박판 1 및 박판 2의 경우 압연 방향으로부터 90°방향 연신율이 50%에 미치지 못하는 결과를 보여주고 있으나, 스트립 캐스팅 공정을 적용하여 생산된 박판 3 및 박판 4의 경우 모든 방향에서의 연신율이 55% 이상임을 확인할 수 있었다.

본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

1 : 래들 2 : 턴디쉬
3 : 주입노즐 4 : 매니커스 쉴드
5 : 측면댐 6 : 주조롤
6a : 질소 배출 채널
7 : 롤닙 8 : 박판
9 : 인라인 롤러 10 : 코일 권취 설비

Claims (9)

1. 한 쌍의 주조롤 사이로 용강을 통과시켜 박판을 제조하는 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 제조방법에 있어서,
   상기 용강은 중량%로, C : 0.08% 이하(0% 제외), Si : 0.2 ~ 3.0%, Mn : 2.0 ~ 4.0%, Cr : 19.0 ~ 23.0%, Ni : 0.3 ~ 2.5%, N : 0.2 ~ 0.3%, Cu : 0.5 ~ 2.5%, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고
   상기 용강 중에 포함된 질소 고용 한도 이상의 질소는 응고시 상기 주조롤을 통하여 외부로 배출되며,
   제조된 박판은 소성 이방성이 최소화될 수 있도록 부피 분율로 40 ~ 75%의 오스테나이트상과, 25 ~ 60%의 페라이트상 조직은 무방향성을 가지고 형성되고, 모든 방향에 대하여 55% 이상의 연신율을 갖는 것을 특징으로 하는 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 한 쌍의 주조롤 중 적어도 어느 하나에는 원주 방향으로 질소 배출 채널이 형성된 것을 특징으로 하는, 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 제조방법.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 한 쌍의 주조롤을 통과하여 제조된 박판을 상기 한 쌍의 주조롤과 연속적으로 배치된 인라인 롤러를 이용하여 압연하고, 연속적으로 열연 소둔, 냉간압연 및 냉연 소둔 처리하며, 상기 냉연 소둔 온도는 1000 ~ 1100℃ 범위에서 진행하되, 1000 ~ 1050℃ 범위에서는 60초 이상, 1050 ~ 1100℃ 범위에서는 30초 이상 진행되는 것을 특징으로 하는, 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 제조방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 주조롤 표면에는 15 ~ 25㎛이 요철이 형성된 것을 특징으로 하는, 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 제조방법.
   
6. 청구항 2에 있어서,
   상기 질소 배출 채널은 폭 50 ~ 500㎛, 깊이 50 ~ 300㎛로 복수 개가 형성되며, 서로 이웃하는 상기 질소 배출 채널 사이의 간격은 100 ~ 1000㎛인 것을 특징으로 하는, 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강 제조방법.
   
7. 중량%로, C : 0.08% 이하(0% 제외), Si : 0.2 ~ 3.0%, Mn : 2.0 ~ 4.0%, Cr : 19.0 ~ 23.0%, Ni : 0.3 ~ 2.5%, N : 0.2 ~ 0.3%, Cu : 0.5 ~ 2.5%, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 한 쌍의 주조롤 사이를 통과시켜 급속 주조하되,
   상기 용강 응고시 상기 용강 중에 포함된 질소 고용 한도 이상의 질소는 상기 주조롤을 통하여 배출하여 제조된 것이며,
   소성 이방성이 최소화될 수 있도록 부피 분율로 40 ~ 75%의 오스테나이트상과, 25 ~ 60%의 페라이트상 조직은 무방향성을 가지고 형성되고,
   모든 방향에 대하여 55% 이상의 연신율을 갖는 것을 특징으로 하는 고연성 린 듀플렉스 스테인리스강.
   
8. 삭제
9. 삭제

Images