KR101519159B1 - 열―기계적 피로특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법 - Google Patents

열―기계적 피로특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법 Download PDF

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Abstract

탄소(C) : 0.03중량％이하 (0중량% 제외), 실리콘(Si) : 1.0중량％이하 (0중량% 제외), 망간(Mn) : 1.0중량％이하 (0중량% 제외), 인(P) : 0.04중량％이하 (0중량% 제외), 황(S)0.03중량％이하 (0중량% 제외), 크롬(Cr) : 21중량% 초과, 23중량％ 이하, 니켈(Ni) : 2.5~3.5중량％, 티타늄(Ti) : 0.6~0.8중량％, 코발트(Co) : 0.7~1.0중량％, 질소(N) : 0.01중량％이하 (0중량% 제외), 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강판을 제조하는 단계, 상기 강판을 열간 압연시킨 이후 결정입도가 6.0이하가 되도록 열연 소둔 열처리를 시행하는 단계 및 열연 소둔 열처리를 거친 상기 강판을 냉간 압연시킨 이후 결정입도가 7.0이상이 되도록 냉연 소둔 열처리를 시행하는 단계를 포함하는 열―기계적 피로특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법이 소개된다.
이러한 조성을 갖는 열―기계적 피로특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법은 고온 상태에서의 열―기계적 피로 특성, 항복강도 및 인장강도가 향상되어 적용된 부품의 내구성이 향상될 수 있고, r-value가 상승하여 성형성이 향상될 수 있으며, 고가의 희귀금속을 포함하지 않아 소재 원가의 절감을 이룰 수 있게 된다.
스테인리스강, 페라이트계, 배기매니폴드, 열―기계적 피로

Description

열―기계적 피로특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법{PRODUCT METHOD OF FERRITIC STAINLESS STEEL EXCELLENT IN THERMO-MECHANICAL FATIGUE PROPERTY}
본 발명은 열―기계적 피로특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온 상태에서의 열―기계적 피로특성이 우수하여 차량의 배기매니폴드 등의 소재로 유효 적절하게 사용될 수 있는 열―기계적 피로특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 범용으로 사용되는 스테인리스강의 종류에는 오스테나이트계 (Fe-Cr-Ni, 3원계)와 페라이트계(Fe-Cr, 2원계)가 있다. 페라이트계 스테인리스강은 오스테나이트계 스테인리스강에 대비하여 고온에서의 열-기계적 피로 특성이 취약하다는 단점이 있다. 하지만, 오스테나이트계 스테인리스강을 구성하는 원소 중 니켈(Ni)의 가격이 지속적인 상승 또는 불안정하여 제조업체의 원가 상승에 대한 부담이 커지고 있으며, 이에 따라 페라이트계로의 대체 개발이 활발하게 이루어져 왔다. 예컨대, 차량의 배기매니폴드용 소재로 사용되는 페라이트계 스테인리스강으로서, 니켈(Ni)을 포함하지 않는 SUS429강종, SUS444강종 등이 개발되었다.
상기 SUS429강종에는 SUS429LM강종과 SUS429LM2강종이 있으며, SUS429LM강종 은 14Cr-Si-Ti-Nb을 주성분으로 하는 스테인리스 범용 강종으로서, 가공성이 양호하고 소재 원가가 저렴하다는 장점을 가지나 고온 내열성이 떨어지는 단점이 있고, SUS429LM2강종은 SUS429LM강종의 고온 내열성 부문을 개선하기 위하여 몰리브덴(Mo)원소를 첨가하여 특성을 향상시킨 것이나, 고가의 희귀금속인 몰리브덴(Mo)원소를 포함하고 있어 소재 원가 상승에 대한 부담이 크다.
상기 SUS444강종은 18Cr-2Mo-Nb을 주성분으로 하고 있으며, 저항성 및 고온 산화 물성이 우수하다. 그러나, SUS444강종은 고온 물성은 상대적으로 우수하나, r-value(rankford value)가 낮게 형성되어 성형성이 좋지 못하기에 복잡한 형상이 요구되는 특정 엔진 등에는 적용성이 떨어지는 한계가 있으며, 고가의 희귀금속인 몰리브덴(Mo)원소를 포함하고 있어 소재 원가 상승에 대한 부담이 크다.
한편, 가솔린 엔진에 있어서 이론적 공연비의 영역(λ영역) 확장을 목표로 배기가스 온도를 올리고자 하는 시도가 이루어지고 있는데, 이에 따라 기존 SUS429강종 또는 SUS444강종 등을 대체할 수 있는 다양한 강종에 대한 개발이 요구되고 있다.
한편, 차량의 배기매니폴드는 엔진 시동 ON/OFF 및 주행 중에 발생 되는 고온 배기가스의 유지 상태 또는 온도 차이, 일정 고속주행 또는 급가속/감속 시에 야기되는 열―기계적 피로 현상이 반복될 경우 취약 부위에서 균열이 생성되어 파손에 이르게 될 수 있고, 나아가 배기매니폴드의 형상이 기술의 진화와 더불어 복잡해지고 있기에 취약 부위가 더욱더 다양해져 균열 발생까지의 예측도 어려워지고 있다. 따라서, 배기매니폴드의 내구성을 향상하기 위해 고온 상태에서의 열―기계 적 피로 특성이 우수한 강종 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고 필요성을 충족하기 위하여 제안된 것으로, 고온 상태에서의 열―기계적 피로 특성, 항복강도 및 인장강도가 향상되어 적용된 부품의 내구성이 향상될 수 있고, r-value가 상승하여 성형성이 향상될 수 있으며, 고가의 희귀금속을 포함하지 않아 소재 원가의 절감을 이룰 수 있는 열-기계적 피로 특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 열-기계적 피로 특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법은, 탄소(C) : 0.03중량％이하 (0중량% 제외), 실리콘(Si) : 1.0중량％이하 (0중량% 제외), 망간(Mn) : 1.0중량％이하 (0중량% 제외), 인(P) : 0.04중량％이하 (0중량% 제외), 황(S)0.03중량％이하 (0중량% 제외), 크롬(Cr) : 21중량% 초과, 23중량％ 이하, 니켈(Ni) : 2.5~3.5중량％, 티타늄(Ti) : 0.6~0.8중량％, 코발트(Co) : 0.7~1.0중량％, 질소(N) : 0.01중량％이하 (0중량% 제외), 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강판을 제조하는 단계, 상기 강판을 열간 압연시킨 이후 결정입도가 6.0이하가 되도록 열연 소둔 열처리를 시행하는 단계 및 열연 소둔 열처리를 거친 상기 강판을 냉간 압연시킨 이후 결정입도가 7.0이상이 되도록 냉연 소둔 열처리를 시행하는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같은 열-기계적 피로 특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법에 따르면, 고온 상태에서의 열―기계적 피로 특성, 항복강도 및 인장강도가 향상되어 적용된 부품의 내구성이 향상될 수 있고, r-value가 상승하여 성형성이 향상될 수 있으며, 고가의 희귀금속을 포함하지 않아 소재 원가의 절감을 이룰 수 있게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 열―기계적 피로특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법에 대하여 살펴본다.
본 발명에 따른 열―기계적 피로특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법은 탄소(C) : 0.03중량％이하, 실리콘(Si) : 1.0중량％이하, 망간(Mn) : 1.0중량％이하, 인(P) : 0.04중량％이하, 황(S) : 0.03중량％이하, 크롬(Cr) : 21~23중량％, 니켈(Ni) : 2.5~3.5중량％, 티타늄(Ti) : 0.6~0.8중량％, 코발트(Co) : 0.7~1.0중량％, 질소(N) : 0.01중량％이하, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는 슬라브를 통상의 압연 방법에 의해서 열간 압연을 시행하고, 이후 결정입도가 6.0이하가 되도록 1000℃전후의 온도에서 열연 소둔 열처리를 시행하며, 이후 통상의 압연 방법에 의해서 냉간 압연을 시행하고, 이후 결정입도가 7.0이상이 되도록 1050℃이상의 온도에서 냉연 소둔 열처리를 시행하여 제조된다.
본 발명에 따른 열―기계적 피로특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법의 각 성분의 한정 이유를 상세히 설명하면 다음과 같다.
탄소(C) 및 질소(N)는 오스테나이트 형성원소이며 이들은 강의 제조에 있어서 불필요한 원소들이다. 또한 C와 N의 함량이 높을 경우 600℃ 이상의 고온에서 Cr탄화물이 형성되어, 고온에서 사용되는 부품에 적용 시 재료의 조직 경계면인 Grain Boundary(입계)에 탄화물이 형성되어 내열성 및 열-피로 특성이 떨어지는 단점이 있다. 아울러, 탄소(C) 및 질소(N)는 강도 향상에 기여하는 역할이 있으나, 연신율이 급격하게 떨어지는 단점이 있어 저 원소 함량으로 관리하는 것이 통상적이다.
실리콘(Si)은 페라이트 안정화 원소로서, 탈산제로 작용한다. 첨가량이 일정부분 증가할수록 고온 산화 특성을 개선하는데 매우 유용한 원소이며 산소와의 결합으로 결함을 조기 제어하고 고온산화 및 입계 부식 균열을 방지하는 원소로 역할을 하며, 통상적으로 1.0중량%이하로 제어된다.
망간(Mn)은 오스테나이트 안정화 원소로서, 첨가량이 증가할 경우 연주 공정에서 문제가 발생하므로 통상적으로 1.0중량%이하로 제어된다.
인(P) 및 황(S)은 용접성을 저하하는 원소로서, 필요 시 최소함량으로 관리된다.
크롬(Cr)은 스테인리스강의 내식성 개선에 필요한 원소로서, 원소 첨가량이 많을수록 내식성이 향상되는 특징이 있으나, 성형성이 떨어지는 단점이 있다. 따라서, 크롬(Cr)의 함량은 21~23중량%로 관리하되, 연성이 우수하고 신율 향상에 유리한 니켈(Ni)을 2.5~3.5중량% 첨가함으로써, 성형성이 불리한 성분계를 보강한다.
니켈(Ni)은 대표적인 오스테나이트계 안정화 원소로서, 300계열의 스테인리스강 제조시 필수적인 원소이나 400계열의 스테인리스강에는 포함되지 않는 원소이다. 본 발명에 따른 열―기계적 피로특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강을 제조함에 있어서, 니켈(Ni)함량을 추가하여 r-value가 낮게 형성되는 페라이트계 스테인리스강의 약점이 개선되도록 한 것이다. 여기서, r-value는 성형성을 판단하는 주요 인자이며, r-value를 높이기 위한 니켈(Ni)의 추가는 배기매니폴드와 같이 복 잡한 형상으로 이루어진 차량용 부품의 제작시 기존 400계열의 스테인리스강의 한계를 극복하기 위한 방안으로 도입된 것이다. 또한, 니켈(Ni)함량을 2.5~3.5중량%로 관리함으로써, 페라이트 기지조직이 변태 없이 안정적으로 유지되면서 연성 및 성형성이 개선될 수 있게 된다.
티타늄(Ti)은 니오븀(Nb) 처럼 결정립 미세화 원소이며, 탄화물을 우선 형성시켜 크롬(Cr)탄화물 형성에 의한 입계 예민화 현상을 사전 방지하는 효과가 있다. 한편, 니오븀(Nb)의 경우 첨가량이 증가할수록 고온강도를 증가시키고, 개재물 제어에도 어려움이 없는 원소로 알려져 있지만, 과량으로 첨가되는 경우 성형성을 저해하는 단점이 있고, 배기매니폴드의 제조 특성상 용접공정이 포함되는데, 니오븀(Nb)의 함량이 0.5중량%이상일 경우 용접 직후 응고균열(hot crack)이 일어나거나, 충격치의 저하가 유발되어 용접부의 조직이 주상정을 형성하므로 제한적으로 사용되어야 한다. 따라서, 이러한 니오븀(Nb)의 부작용을 고려하여 니오븀(Nb)을 대체할 수 있는 티타늄(Ti)을 첨가하여 석출 경화 효과를 강화함으로써, 고온강도가 증가될 수 있도록 한다.
또한, 통상적으로 티타늄(Ti)은 니오븀(Nb)과 대비할 때 탄소(C)와의 친화력이 낮기(약 70%수준) 때문에 기존 강종의 니오븀(Nb) 첨가량보다 다소 높은 0.6~0.8중량%로 관리된다. 또한, 티타늄(Ti)함량은 강 내부에 함유된 탄소(C)+질소(N)의 함량에 따라 첨가될 수 있는데, 최근 스테인리스강의 제조시 탄소(C)와 질소(N)의 함량이 낮게 관리되기에 티타늄(Ti)의 함량 상한은 0.8중량%가 바람직하다.
코발트(Co)는 내공식성 개선원소로서, 기존의 SUS429LM강종 및 SUS444강종의 몰리브덴(Mo)을 대체하며, 열처리에 의한 경화능 증대 역할을 한다. 또한, 고온 내산화성 및 상안정성 측면에서 유리하지만 과량으로 첨가할 경우 연신율을 저하시켜 성형성을 떨어뜨리는 단점이 있다. 또한, 코발트(Co)는 매트릭스(모재) 내의 철(Fe)원소를 치환형 원소로 대체하는 역할을 하여 기지 내의 결합력을 강하게 함으로써, 고온에서의 단위 격자의 변형에 대한 저항성이 높아질 수 있도록 하여 고온에서의 열-기계적 피로 특성이 향상되도록 한다. 이러한 코발트(Co)를 0.7~1.0중량%로 관리함으로써, 적정 온도에서의 재료 특성이 유지될 수 있게 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 효과를 비교예와 더불어 보다 상세히 설명한다.
실시예 및 비교예
본 발명에 따른 열-기계적 피로 특성이 우수한 페아리트계 스테인리스강의 기계적 성질 및 열-기계적 피로 특성을 확인하기 위한 실시예로서, 탄소(C) : 0.007중량％, 실리콘(Si) : 0.23중량％, 망간(Mn) : 0.18중량％, 인(P) : 0.023중량％, 황(S) : 0.003중량％, 크롬(Cr) : 21.5중량％, 니켈(Ni) : 3.1중량％, 티타늄(Ti) : 0.76중량％, 코발트(Co) : 0.82중량％, 질소(N) : 0.006중량％, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는 페라이트계 스테인리스강(이하, SUS A라함)을 이용하였다.
또한, 비교예로서 탄소(C) : 0.008중량％, 실리콘(Si) : 0.21중량％, 망 간(Mn) : 0.15중량％, 인(P) : 0.026중량％, 황(S) : 0.002중량％, 크롬(Cr) : 18.6중량％, 몰리브덴(Mo) : 1.86중량％, 니오븀(Nb) : 0.52중량％, 질소(N) : 0.009중량％, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는 페라이트계 스테인리스강(이하, SUS444라함)을 이용하였다.
시험예
시험예로서, 상기 실시예 및 비교예의 기계적 성질(탄성계수, 항복강도, 인장강도, 균일 신율, 총 연신율, r-value, 가공경화지수)을 통상의 측정장비를 이용하여 측정하였고, 결과는 아래의 표 1 및 도 1에 나타낸 바와 같다.
구분 탄성계수
(N/㎟)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 균일 신율
(%)		 총 연신율
(%)		 r-value 가공경화지수
실시예(SUS A) 219887.7 349.19 484.17 16.37 34.13 1.33 0.17
비교예(SUS444) 214276.4 324.97 460.65 17.53 33.88 0.82 0.18
표 1 및 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예는 비교예 대비 항복강도가 7%, 인장강도가 5% 향상됨을 확인할 수 있고, r-value가 비교예 대비 높아진 것을 확인할 수 있다. 이러한 r-value 상승은 성형성의 향상을 의미한다.
한편, 본 발명에 따른 실시예의 균일 신율은 비교예 대비 다소 낮아졌으나 가공성에 영향을 주는 인자인 총 연신율의 경우 비교예 대비 동등 수준 이상임을 확인할 수 있다. 한편, 가공경화지수는 비교예 대비 다소 낮아진 것을 확인할 수 있다.
다른 시험예로서, 상기 실시예 및 비교예의 열-기계적 피로 특성을 측정하기 위하여 실시예 및 비교예 각각을 적용한 배기매니폴드에 대하여 포면온도가 고려된 소성변형량을 측정하였고, 도 2의 하단에 나타낸 그래프 적용 공식(공식 내의 기호에 대한 의미는 도 2의 우측에 나타낸 바와 같다) 즉, 표면온도가 고려된 수명 예측식을 이용하여 도 2에 도시된 바와 같은 수명 예측 그래프를 얻었다.
또한, 표면온도가 고려된 소성변형량 및 도 2에 도시된 수명 예측 그래프로부터 얻어진 열-피로 수명은 표2에 나타낸 바와 같다. 수명 예측 그래프로부터의 열-피로 수명에 대한 결과치는 하기 표 2에 나타낸 포면온도가 고려된 소성변형량(10600)에 해당하는 Y축 값에 대응하는 X축 값으로부터 얻을 수 있다.
구분 소성변형량(표면온도고려,790℃) 열-피로 수명
실시예(SUS A) 10600 315 cycles
비교예(SUS444) 10600 230 cycles
표 2 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예의 경우 비교예 대비 전 영역(최대 100~800℃)에서의 열-피로 수명이 향상되었음을 확인할 수 있으며, 특히 소성변형량이 낮은 곳에서의 차이가 많음을 확인할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 실시예의 열-피로 수명(수명 예측 그래프의 X축 값, Nf)은 315cycles로서 비교예의 열-피로 수명인 230cycles 대비 35% 향상되었음을 확인할 수 있다. 이는 열-기계적 피로 특성의 향상을 의미한다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 응력변형 선도를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 열-기계적 피로 특성을 비교하여 나타낸 그래프.

Claims (1)

  1. 탄소(C) : 0.03중량％이하 (0중량% 제외), 실리콘(Si) : 1.0중량％이하 (0중량% 제외), 망간(Mn) : 1.0중량％이하 (0중량% 제외), 인(P) : 0.04중량％이하 (0중량% 제외), 황(S)0.03중량％이하 (0중량% 제외), 크롬(Cr) : 21중량% 초과, 23중량％ 이하, 니켈(Ni) : 2.5~3.5중량％, 티타늄(Ti) : 0.6~0.8중량％, 코발트(Co) : 0.7~1.0중량％, 질소(N) : 0.01중량％이하 (0중량% 제외), 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강판을 제조하는 단계;
    상기 강판을 열간 압연시킨 이후 결정입도가 6.0이하가 되도록 열연 소둔 열처리를 시행하는 단계; 및
    열연 소둔 열처리를 거친 상기 강판을 냉간 압연시킨 이후 결정입도가 7.0이상이 되도록 냉연 소둔 열처리를 시행하는 단계;를 포함하는 열-기계적 피로 특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조 방법.
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