KR101614623B1 - 고내식 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조 방법 - Google Patents

고내식 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 고내식 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조 방법은, 중량%로, C: 0.03% 이하(0 제외), Cr: 24.5~31.05%, Ni: 6.0~10.0%, Mo: 4.0~6.0%, Cu: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 2.0% 이하(0 제외), N: 0.25~0.45%, Si: 1.0% 이하(0 제외), Al: 0.03% 이하(0 제외), B: 0.001~0.005%, 잔부 Fe및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기의 식 1에 따른 내틈새부식성 지수(K)가 39~50인 것을 특징으로 하는, 고내식 듀플렉스 스테인리스강.
(식 1) K = 3.2Cr + 7.6Mo + 10.5N - 81
상기 식 1의 Cr, Mo, W, N은 각 원소의 중량% 함량.

Description

고내식 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조 방법{CORROSION RESISTANCE DUPLEX STAINLESS STEEL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 고내식 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고농도의 염소 분위기 환경하에서도 내식성을 유지할 수 있는 오스테나이트와 페라이트의 이상을 갖는 고내식 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
오스테나이트상과 페라이트상의 2상을 갖는 듀플렉스 스테인리스강은 우수한 강도와 내식성을 보유한 강으로 페라이트상의 부피 분율이 40~60%가 되도록 미세하게 결합된 강으로, 오스테나이트계 스테인리스강 보다 항복강도가 약 2배 이상 높을 뿐 아니라 염소 분위기에서의 공식, 틈새부식 및 응력부식 균열 저항성이 매우 우수하여 해수와 연관된 산업설비 소재로 그 사용량이 꾸준히 증가하고 있는 추세이다.
듀플렉스 스테인리스강은 여러 종류가 있으며 내식성 수준에 따라 다음과 같이 구분된다. 중량%로 22% Cr을 바탕으로 한 일반 듀플렉스(Standard Duplex) 강은 UNS32205(22Cr-5Ni-3Mo-0.18N)으로 대표될 수 있고, 내식성은 317L 오스테나이트 스테인리스강과 유사한 수준이다. 304 오스테나이트 스테인리스강과 유사한 내식성을 보유한 저급 듀플렉스 강은 Mo 함량이 작아 린 듀플렉스(Lean Duplex) 라 한다. 중량%로 25% Cr을 바탕으로, 일반 듀플렉스강에 비해 내식성을 강화한 슈퍼 듀플렉스(Super Duplex) 강은, UNS32750(25Cr-7Ni-3.5Mo-0.28N)으로 대표된다. 듀플렉스 스테인리스강의 내식성은 Cr, Mo, W 및 N 함량에 따라 결정되기 때문에 이들 원소들의 함량이 높을수록 높은 내식성을 보유하게 된다. 현재 판재 형태로 생산 가능한 듀플렉스 강 중 가장 높은 내식성을 보유한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 경우 해수 분위기에 적용할 수 있는 한계치에 해당하는 경계상의 강이다.
그러나, 해수 분위기에서 사용시 설비의 위치에 따라 해수의 농도가 농축되어 매우 가혹한 환경이 조성되는 경우가 있다. 이러한 환경에서는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강조차도 안정된 물성을 나타내기 어렵다. 따라서, 이러한 환경에서 내구성을 유지할 수 있는 설비를 제조하기 위해서는 Cr, Mo, W 및 N 등의 내식성에 기여하는 합금원소의 함량을 더욱 높여 내식성이 강화된 신개념의 고내식 듀플렉스 스테인리스강 판재가 필요하다.
금속간상의 형성이 억제된 내식성, 내취화성, 주조성 및 열간가공성이 우수한 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(대한민국 등록특허 10-0460346 (2004.11.27))은, 중량%로 Cr 21.0~38.0%, Mo 1.5~6.5%, W 0~6.5% 및 N 0.2~0.7% 함유하는 강이다. 이 특허에서는 많은 양의 내식성 향상원소가 포함되어 석출물 석출 관리가 필수적이라 할 수 있는데, Cr, Mo, W 등 각각의 내식성 향상원소의 첨가량에 대한 범위 제한만이 있을 뿐 석출물 석출 관리에 필수적인 총량에 대한 규제는 없으며, 대신 Ba 첨가를 필수로 하고, Y, Ce, La, Nd 및 Pr 등을 소량 첨가함으로써 석출물 석출을 제어할 수 있다고 주장하고 있다. 그러나 Ba, Y, Ce, La, Nd 및 Pr 등의 소량 첨가는 주물품을 제조하는 경우 비교적 용이하게 적용할 수 있으나, 상기 원소들은 비교적 쉽게 산화물을 형성하는 원소들이기 때문에 슬래그화되어 용출되기 쉽고, 이에 따라 상업적 판재 생산에 적용하는 대량 생산 제강 설비에 적용하기에는 투입량 대비 효율을 높이기가 매우 어렵다.
또한 상기 발명에서 내식성에 대한 지표로서 임계 공식 온도(CPT) 및 임계 틈부식 온도(CCT)에 대한 결과를 나타내었으나, 실험 특성상 CPT의 전위차가 1V를 초과할 경우 물이 전기분해되면서 발생하는 오차 때문에 데이터의 신뢰성이 감소되며, CCT에 대해서는 실험 방법에 대한 정의가 명확하게 나타나 있지 않기 때문에 의미 있는 데이터로 볼 수 없다.
Duplex stainless steel alloy for use in seawater applications(미국 공개특허20070089810(2007.08.09))에 공지된 해수 내 사용 장치용 듀플렉스 스테인리스강은 중량%로 Cr 24.0~30.0%, Mo 3.0~5.0%, W 0~3.0% 및 N 0.28~0.5% 함유하는 강으로, 일반적인 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 이상으로 내식성 향상 원소들을 포함하고 있다. 상기 발명에서는 Co 0~3.5%의 첨가를 통해 오스테나이트상을 안정시킴으로써, 내식성 향상 원소들의 증가에 따른 열간 가공성 열화를 극복한다고 주장하고 있다. 그러나 내식성 향상 원소들이 다량 포함된 고합금 영역에서의 석출물 제어에 대한 고찰은 없다. 또한 내식성 역시 CPT 에 대한 실험방법은 자세히 제시되어 있으나 CCT에 대한 실험 방법에 대한 언급이 없이 60℃ 이상으로 한정하고 있는 한계가 있다.
대한민국 등록특허 10-0460346 (2004.11.27) 미국 공개특허 20070089810 (2007.08.09)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 해수 환경에서 사용하기 위해 많은 내식성 향상 원소를 사용하면서 금속간 화합물의 석출물을 효과적으로 재고용시킬 수 있는 고내식 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고내식 듀플렉스 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.03% 이하(0 제외), Cr: 24.5~31.05%, Ni: 6.0~10.0%, Mo: 4.0~6.0%, Cu: 0~2.0%, Mn: 0~2.0%, N: 0.25~0.45%, Si: 0~1.0%, Al: 0~0.03%, B: 0.001~0.005, 잔부 Fe및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기의 식 1에 따른 내틈새부식성 지수(K)가 39~50인 것을 특징으로 한다.
(식 1) K = 3.2Cr + 7.6Mo + 10.5N - 81
상기 식 1의 Cr, Mo, W, N은 각 원소의 중량% 함량.
상기 고내식 듀플렉스 스테인리스강은, 하기의 식 2에 따른 내공식당량 지수(PREN)가 50 이상인 것을 특징으로 한다.
(식 2) PREN = Cr + 3.3(Mo + 0.5W) + 30N
상기 식 2의 Cr, Mo, W, N은 각 원소의 중량% 함량.
상기 고내식 듀플렉스 스테인리스강은, 하기의 식 3에 따른 금속간 화합물 형성 지수(SFI)가 41 ~ 45인 것을 특징으로 한다.
(식 3) SFI = Cr + 3.3Mo + 3Si
상기 식 3의 Cr, Mo, Si은 각 원소의 중량% 함량.
상기 고내식 듀플렉스 스테인리스강은, 페라이트상의 부피 분율이 40~60%인 것을 특징으로 한다.
상기 고내식 듀플렉스 스테인리스강은, 임계 틈부식 온도(CCT)가 45℃ 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고내식 듀플렉스 스테인리스강 제조 방법은, 중량%로, C: 0.03% 이하(0 제외), Cr: 24.5~31.05%, Ni: 6.0~10.0%, Mo: 4.0~6.0%, Cu: 0~2.0%, Mn: 0~2.0%, N: 0.25~0.45%, Si: 0~1.0%, Al: 0~0.03%, B: 0.001~0.005, 잔부 Fe및 불가피한 불순물을 포함하고 하기의 식 1에 따른 내틈새부식성 지수(K)가 39~50인 열연 강판을, 1100~1220℃에서 열연소둔하는 단계를 포함한다.
(식 1) K = 3.2Cr + 7.6Mo + 10.5N - 81
상기 식 1의 Cr, Mo, W, N은 각 원소의 중량% 함량.
본 발명에 의한 고내식 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 해수 등의 가혹한 부식환경 하에서 사용할 수 있다.
둘째, 금속간 화합물의 석출물을 재고용시켜 내식성의 저하를 방지할 수 있다.
셋째, 고가의 내식성 원소를 절감하면서 저가의 원소로 이를 대체하여 원가 절감에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예와 비교예의 CCT값을 비교한 그래프,
도 2는 열연소둔 온도에 따른 금속간 화합물의 잔존 상태를 비교한 사진이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 고내식 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
(식 1)
K = 3.2Cr + 7.6Mo + 10.5N - 81
식 1에서 Cr, Mo, N은 각 원소의 함량을 의미한다.
고내식 듀플렉스 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.03% 이하(0 제외), Cr: 24.5~31.05%, Ni: 6.0~10.0%, Mo: 4.0~6.0%, Cu: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 2.0% 이하(0 제외), N: 0.25~0.45%, Si: 1.0% 이하(0 제외), Al: 0.03% 이하(0 제외), B: 0.001~0.005%, 잔부 Fe및 불가피한 불순물을 포함하고, 내틈새부식성 지수(K)가 39~50인 것을 특징으로 한다.
상술한 K값은 ASTM G48에 공지되어 있는 틈새부식 발생에 대한 저항도를 도출하기 위한 지수로서, 스테인리스강의 임계틈새 부식온도 예측을 위한 합금성분 식이다. K값이 높아질수록 틈새부식에 대한 저항성이 높은 것으로 이해할 수 있다.
현재 판재 형태로 생산 가능한 듀플렉스 강 중 가장 높은 내식성을 보유한 25Cr-base 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강은, 해수 분위기에 적용될 수 있는 한계 수준에 위치해 있는 강으로서, K값은 30 전후이다. 따라서 해수 분위기에서 장시간 안정적으로 사용할 수 있는 내식성 수준을 확보하기 위해서는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강보다 높은 K값의 확보가 요구된다. 본 발명에서는, 판재로 제조가 가능하고 해수 분위기에서 장시간 안정적으로 사용할 수 있는 초내식 듀플렉스 스테인리스강으로서 요구되는 내식성을 나타낼 수 있도록 K값의 하한을 39 이상으로 한정한다. 반면 지나치게 많은 내식성 향상 원소들이 첨가되면, 재고용 가능한 범위를 초과하는 금속간 화합물의 석출이 발생하고 표층부에 균열이 발생하는 등의 품질 문제가 발생할 수 있기 때문에 K값의 상한을 50 이하로 한정한다. 식 1에 포함된 원소들은 페라이트 안정화 원소이기 때문에, 듀플렉스 스테인리스강을 제조하기 위해 오스테나이트 안정화 원소인 Ni, Mn, Cu 등의 함량의 증가 또한 요구된다. 따라서 페라이트상과 오스테나이트상의 분율과 내식성 모두가 기준을 충족해야 한다. 이에 대한 상세한 기준은 후술한다.
이하 각 성분을 수치한정하는 이유에 대해 서술한다.
C: C는 고용강화에 의한 재료 강도 증가에 유효한 원소이나, 과다 첨가시 페라이트-오스테나이트상 경계에서 내식성에 유효한 Cr과 결합하여 결정립계의 Cr 함량을 감소시켜 내부식성을 저하시킨다. 따라서, C의 함량은 0.05% 이하, 보다 바람직하게는 0.03% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Cr: Cr은 페라이트상 안정화 원소로서, 듀플렉스 스테인리스강의 페라이트상 확보와 고 내식성 확보를 위한 필수 기본 원소이다. 함량을 증가시키면 내식성이 증가하지만, 함량이 증가할수록 듀플렉스 스테인리스강의 상분율을 유지시키기 위해 오스테나이트상 안정화 원소들의 함량 또한 증가해야 하기 때문에 원가가 상승하고 열간 가공성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 Cr의 함량은 부식 저항성 확보와 판재의 생산성 유지를 위해 석출물을 제어할 수 있는 범위인 24.5~32.5%로 제한하는 것이 바람직하다.
Mo: Mo는 Cr보다 더욱 강력한 내식성 향상 원소이다. 해수 분위기에서 사용할 수 있도록 높은 내식성을 확보하고 후술할 CCT 45℃ 이상을 확보하기 위해서는 4% 이상의 Mo 첨가량이 요구된다. 그러나 Mo가 6% 이상 첨가될 경우 높은 열처리 온도에서도 금속간 화합물이 재고용되지 않기 때문에 건전한 미세조직 확보가 어렵다. 따라서 K값의 범위를 고려하여 함량을 4.0~6.0%로 제한하는 것이 바람직하다.
Ni: Ni은 강력한 오스테나이트상 안정화 원소 중 하나로서, 듀플렉스 스테인리스강에서 오스테나이트의 상분율을 유지시키고, 내식성을 향상시키기 위해 첨가된다. Ni은 고가의 원소이기 때문에, 함량의 증가는 원가의 상승에 직결되므로 함량을 최소화할 필요가 있다. 따라서 K값의 범위와 Cu, Mn 및 N 함량을 고려하여 함량을 6.0~10.0%로 한정하는 것이 바람직하다.
Cu: Cu는 오스테나이트상 안정화 원소 중 하나로서, 황산 분위기에서의 내식성을 향상시킬 수 있다. 그러나 염소 분위기에서는 공식저항성을 감소시키고 또한 열간가공성이 저하되기 때문에 함량을 2.0% 이하로 제한한다.
Mn: Mn은 용탕의 유동성을 향상시키기 위해 첨가한다. 또한 듀플렉스 스테인리스강에서 값비싼 Ni을 대체할 수 있는 오스테나이트상 안정화 원소로 활용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 함량의 증가에 따라 MnS 등의 개재물을 형성하여 내식성을 저하시키므로 함량을 2.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
N: N은 일정 이상 첨가될 경우 염소 분위기에서의 내식성을 향상시키고, 듀플렉스 스테인리스강의 강도를 높일 수 있는 원소이다. 그러나 N 함량이 과다하면 열간 가공성을 감소시켜 수율을 저하시키고, 기포 발생에 의한 표면 불량을 야기할 수 있다. 따라서 N의 함량은 0.25~0.45%로 제한하는 것이 바람직하다.
Si: 기본적으로 듀플렉스 스테인리스 강의 제조 시 탈산제로 사용되고, 페라이트상을 안정화시키는 역할도 수행한다. 그러나 과다하게 첨가될 경우 금속간 화합물의 석출이 유도되어 충격인성을 저하시키므로 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Al: Al은 탈산제로도 사용되지만, N와의 친화력 또한 크기 때문에 AlN을 형성하여 모재의 인성 및 내식성을 저해하므로 함량을 0.03% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Ca: Ca은 탈산제로 사용되고, CaS를 형성하여 S의 입계 편석을 억제함으로써 열간 가공성을 향상시키는데 유용한 원소이다. 그러나 과잉 첨가될 경우 용접성을 저하될 수 있으므로 0.01% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
P, S 및 O는 제조상의 공정 또는 원재료에 의해 극소량 첨가되고 오스테나이트-페라이트상 계면에 편석되는 대표적인 원소들로 내식성 및 열간가공성을 저하시키므로 가능한 한 함량을 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 이들 원소의 편석에 의한 열간가공성 열화 방지를 위해 B을 소량 첨가할 수도 있다. 각 원소들은 다음과 같이 함량 범위를 한정한다.
P: P의 상한을 지나치게 낮게 설정할 경우 정련 비용이 상승하므로, 물성과 비용의 균형을 위해 0.03% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
S: S은 열간 가공성을 열화시키는 주요한 원소로서, 0.002% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
O: O는 대표적인 비금속 개재물인 각종 금속 산화물을 구성하는 유해한 원소로서, 조대한 클러스터 형상의 산화물이 생성되면 표면 결함의 원인이 될 수 있고, 과잉 함유될 경우 입계에 편석되어 소재의 열간 가공성을 저해시키므로 0.01% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
B: B은 입계에 편석되어 입계를 강화시키는 원소로 알려져 있으며, 열간 가공성을 향상시키기 위해 0.001~0.005%를 함유하는 것이 바람직하다.
(식 2)
PREN = Cr + 3.3(Mo + 0.5W) + 30N
상기 식 2에서 Cr, Mo, W, N은 각 원소의 함량을 의미한다.
해수의 가혹한 환경 하에서 장기간 사용되는 구조재의 경우, 식 2에 따른 내공식당량지수(Pitting Resistance Equivalent Number, PREN)가 50 이상인 것이 바람직하다. PREN값이 높아질수록 내식성이 향상되는 것을 의미하며, 바다에 세워지는 구조물의 구조재는 높은 내식성을 가지고 있어야 부식을 방지할 수 있다. 따라서 부식 발생을 억제하기 위해 최소한 50 이상의 PREN 값이 필요한 것이다.
(식 3)
SFI = Cr + 3.3Mo + 3Si
상기 식 3에서 Cr, Mo, Si은 각 원소의 함량을 의미한다.
식 3에 따른 금속간 화합물의 형성 지수 (Sigma Formation Index, SFI)가 41 ~ 45 범위 내에 있는 것 바람직하다.
잔존된 금속간 화합물(1)이 도 2에 도시되어 있다.
Cr, Mo 성분이 다량 함유된 고합금 스테인리스강에는 필연적으로 미세조직 내에 금속간 화합물이 석출된다. 상술한 식 3에 의해 이러한 금속간 화합물의 석출 경향이 어떠할 것인지 예측할 수 있다. SFI가 일정 이상 높아지면, 석출물이 지나치게 많이 형성되기 때문에 열처리를 거친 후에도 석출물이 기지 조직 내로 재고용되지 않고 잔류하게 된다. 이렇게 잔류된 석출물은 내식성과 가공성을 저하시키는 원인이 된다. 반면, SFI를 낮추기 위해서는 Cr과 Mo의 함량을 감소시킬 필요가 있는데, 내식성 원소인 Cr과 Mo를 감소시키면 내식성이 감소되는 문제가 발생한다. 따라서 일정 이상의 내식성을 유지하면서 과도한 석출물이 형성되지 않도록 SFI의 범위를 41~45로 제한하는 것이 바람직하다.
이러한 조성과 수식에 의해 한정되어 제조된 본 발명의 듀플렉스 스테인리스강에 포함된 페라이트상의 부피 분율은 40~60%로 형성되는 것이 바람직하다.
조직 내에 페라이트의 상분율이 60%를 초과할 경우, 모재의 충격 인성, 특히 용접부의 충격인성이 급격하게 감소되어 사용할 수 있는 용도가 제한된다. 반면 페라이트의 상분율이 40% 미만일 경우에는 내식성이 감소하여 해수 등의 가혹한 환경에서 사용하기 어렵다. 따라서 페라이트의 상분율을 40~60% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
임계 틈부식 온도(CCT)가 45℃ 이상인 높은 내부식성을 나타내는 것이 바람직하다. CCT의 측정 방법은 후술한다.
구분 합금성분 (질량%)
C Si Mn Cr Ni Cu Mo W N
실시예 1 0.02 0.34 1.01 27 7.1 0.5 4 - 0.369
2 0.02 0.32 0.91 27.5 7 0.6 4.6 - 0.364
3 0.02 0.3 0.99 28 7.6 0.5 4 - 0.333
4 0.02 0.31 0.98 28 7.6 0.5 4.6 - 0.357
5 0.02 0.3 1.02 27.8 7.5 0.5 4.4 - 0.369
6 0.02 0.31 0.97 28.9 8 0.5 4.1 - 0.367
7 0.02 0.32 1 28.9 8.1 1.4 4.1 - 0.376
8 0.03 0.2 1.5 29.8 9.2 0.5 4.2 - 0.359
9 0.03 0.35 1.05 26.3 7 0.9 4.2 - 0.372
비교예 A 0.02 0.3 1 24.3 7.5 1.4 4.5 - 0.389
B 0.03 0.4 0.98 33 7.2 1.3 4.3 - 0.379
C 0.03 1.1 1.2 28.5 7 1.5 4.2 - 0.38
D 0.02 0.32 0.98 28.8 5.8 1.5 4.1 - 0.348
E 0.02 0.42 0.97 27.5 10.3 1.2 4 - 0.368
F 0.02 0.3 0.91 26.9 7.2 0.5 3.7 - 0.354
G 0.02 0.5 2 27.8 7.1 1 5.2 - 0.382
H 0.02 0.3 0.91 26.9 7.2 0.5 3.7 2.03 0.354
종래강 S32050 0.02 0.3 1 22 23 - 6.1 - 0.28
S32750 0.02 0.5 1 25 7 - 3.8 - 0.28
S31254 0.02 0.3 1 18 21 - 6.1 - 0.2
구분 K PREN SFI CCT (℃) 페라이트 분율(%)
실시예 1 39.7 51.3 41.3 45 44.5
2 45.8 53.6 43.6 45 44.5
3 42.5 51.2 42.1 45 46.9
4 47.3 53.9 44.1 45 46.7
5 45.3 53.4 43.2 45 45.6
6 46.5 53.3 43.3 45 48.7
7 46.6 53.7 43.3 45 47.9
8 50 54.4 44.3 50 51.2
9 39 51.3 41.2 45 43.6
비교예 A 35 50.8 40.1 40 39.4
B 61.3 58.6 48.4 45 58.2
C 46.1 53.8 45.7 45 45.9
D 46 52.6 43.1 40 60.6
E 41.3 51.7 42 40 40.1
F 36.9 49.7 40 35 42.1
G 51.5 56.4 46.5 50 48.2
H 36.9 53.1 40.0 40 52.7
종래강 S32050 38.7 50.5 43 40 0
S32750 30.8 45.9 39 35 48.5
S31254 25.1 44.1 39 35 0
표 1 및 표 2에 본 발명의 실시예와 비교예들의 조성 및 물성이 나타나 있다. 종래강은 현재 상용으로 사용되고 있는 강종을 의미한다. 표 1 및 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명은 합금성분의 조성과 K, PREN, SFI의 식을 각각 만족하여야만 부식 환경에서의 내식성 등 목적하는 물성을 달성할 수 있다. K(39~45), PREN(50 이상), CCT(45℃ 이상)가 각각 기준을 만족하는 것으로부터 내식성이 양호한 것을 알 수 있으며, SFI(41~45)가 기준을 만족하는 것으로부터 내식성과 가공성이 양호한 것을 알 수 있다. 또한 페라이트의 분율(40~60%)이 기준을 만족하여야 듀플렉스 스테인리스강으로서 내식성과 가공성, 강도 등의 복합적인 물성 목표를 만족시킬 수 있다.
구분 소둔온도(℃)/ Pit 깊이 (um)
유지시간(분) 35℃ 40℃ 45℃
실시예 1 1100/30 - - 39.7
2 1100/30 - - 28.9
3 1100/30 - - 66.8
4 1100/30 - - 44.4
5 1100/30 - - 25.3
6 1100/30 - - 35
7 1100/30 - - 33
8 1100/30 - - 20.5
9 1100/30 - - 38.8
비교예 A 1100/30 - 31.2 -
B 1100/30 - - 39
C 1100/30 - - 46.5
D 1100/30 - 26.6 -
E 1100/30 - 26.9 -
F 1100/30 28.7 - -
G 1100/30 - - 18.7
H 1100/30 - 32.6 -
종래강 S32050 1100/30 - 30.1 -
S32750 1100/30 32.4 - -
S31254 1100/30 31.1 - -
강종 열처리 온도
(℃)		 CCT
(℃)		 페라이트 분율(%)
실시예 8 1060 25 38.4
1080 40 42.5
1100 45 46.2
1120 45 49.3
1140 45 49.8
1160 45 47.6
1180 45 48
1200 45 51.2
1220 45 55.4
1240 40 54.5
표 3 에 실시예와 비교예의 CCT의 틈새부식 발생 온도와 해당 온도에서의 틈 깊이가 나타나 있고, 표 4에 실시예 8의 열처리 온도에 따른 CCT 온도와 페라이트 분율이 나타나 있다.
이하 각 실시예와 비교예의 제조 방법과, CCT 및 페라이트 분율의 측정 방법에 대해 서술한다.
각각의 실시예와 비교예의 조성대로 제작된 열연강판을 1100℃의 온도에서 30분간 소둔하여 금속간 화합물의 석출물을 재고용시킨 후 ASTM G48 F 방법에 의거하여 동일 조건에서 3회 반복하여 CCT를 평가하였다. CCT 평가 후 생성된 틈새의 깊이는 공초점 현미경(Confocal microscope)를 이용하여 정량적으로 측정하였으며, 각 CCT 평가 시편에서 측정된 값의 평균값을 취하였고, 그 결과를 표 3 및 도1에 나타내었다. ASTM G48 F 방법에 의거하여 측정된 틈새의 깊이가 25 um 이상일 경우 틈부식이 발생한 것으로 판단하였고, 25 um 이상의 틈새가 발생하기 시작하는 온도를 임계 틈부식 온도로 판정하였다. 표 3에 나타난 틈새 깊이는, 해당 온도에서 발생한 틈의 깊이를 의미한다.
실시예는 모두 CCT가 45℃ 이상으로 나타나 종래강에 비해 우수한 내식성을 가지는 것으로 나타났다. 비교예 중 B, C, G 강도 45℃ 이상의 CCT를 나타내어 내식성이 높게 나타났으나, 이 비교예 B, C, G들은 금속간 화합물의 석출 성향을 나타내는 SFI가 45를 초과하여 열처리 후에도 재고용되지 못한 금속간 화합물이 잔류하는 경향을 보였다. 비교예 B, G의 경우에는 SFI 값이 46 이상으로 금속간 화합물의 석출 경향이 크고, 비교예 C의 경우에는 금속간 화합물의 형성을 조장하는 Si의 함량이 1% 이상이므로, 실시예 및 타 비교예 대비 금속간 화합물의 석출 경향이 큰 것을 알 수 있다. 이러한 금속간 화합물의 석출물로 인해 강도가 저하되어 가공이나 사용 중 파손될 위험이 높아지게 되었다.
미세조직 내에 존재하는 페라이트의 분율은 페라이트스코프를 이용하여 단면 두께방향 중심부에서 10회 측정하여 평균한 값을 사용하였다. 실시예는 페라이트 분율이 43~52%의 범위로 나타났지만, 비교예들은 합금의 조성에 따라 40% 미만, 60% 초과의 범위에 속하는 페라이트 분율을 가지는 경우가 나타났다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고내식 듀플렉스 스테인리스강 제조 방법은, 중량%로, Cr: 24.5~31.05%, Ni: 6.0~10.0%, Mo: 4.0~6.0%, Cu: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 2.0% 이하(0 제외), N: 0.25~0.45%, Si: 1.0% 이하(0 제외), Al: 0.03% 이하(0 제외), B: 0.001~0.005%, 잔부 Fe및 불가피한 불순물을 포함하는 열연 강판을, 1100~1220℃에서 열연소둔하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
1100~1220℃에서 열처리를 수행함으로써, 상술한 시그마상, 즉 금속간 화합물이 기지 조직 내로 재고용되어 물성이 향상될 수 있는 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 금속간 화합물 석출물

Claims (6)

  1. 중량%로, C: 0.03% 이하(0 제외), Cr: 24.5~31.05%, Ni: 6.0~10.0%, Mo: 4.0~6.0%, Cu: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 2.0% 이하(0 제외), N: 0.25~0.45%, Si: 1.0% 이하(0 제외), Al: 0.03% 이하(0 제외), B: 0.001~0.005%, 잔부 Fe및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기의 식 1에 따른 내틈새부식성 지수(K)가 39~50인 것을 특징으로 하는, 고내식 듀플렉스 스테인리스강.
    (식 1) K = 3.2Cr + 7.6Mo + 10.5N - 81
    상기 식 1의 Cr, Mo, W, N은 각 원소의 중량% 함량.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 고내식 듀플렉스 스테인리스강은, 하기의 식 2에 따른 내공식당량 지수(PREN)가 50 이상인 것을 특징으로 하는, 고내식 듀플렉스 스테인리스강.
    (식 2) PREN = Cr + 3.3(Mo + 0.5W) + 30N
    상기 식 2의 Cr, Mo, W, N은 각 원소의 중량% 함량.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 고내식 듀플렉스 스테인리스강은, 하기의 식 3에 따른 금속간 화합물 형성 지수(SFI)가 41 ~ 45인 것을 특징으로 하는, 고내식 듀플렉스 스테인리스강.
    (식 3) SFI = Cr + 3.3Mo + 3Si
    상기 식 3의 Cr, Mo, Si은 각 원소의 중량% 함량.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테인리스강은, 페라이트상의 부피 분율이 40~60%인 것을 특징으로 하는, 고내식 듀플렉스 스테인리스강.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테인리스강은, 임계 틈부식 온도(CCT)가 45℃ 이상인 것을 특징으로 하는, 고내식 듀플렉스 스테인리스강.
  6. 중량%로, Cr: 24.5~31.05%, Ni: 6.0~10.0%, Mo: 4.0~6.0%, Cu: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 2.0% 이하(0 제외), N: 0.25~0.45%, Si: 1.0% 이하(0 제외), Al: 0.03% 이하(0 제외), B: 0.001~0.005%, 잔부 Fe및 불가피한 불순물을 포함하고 하기의 식 1에 따른 내틈새부식성 지수(K)가 39~50인 열연 강판을, 1100~1220℃에서 열연소둔하는 단계를 포함하는, 고내식 듀플렉스 스테인리스강 제조 방법.
    (식 1) K = 3.2Cr + 7.6Mo + 10.5N - 81
    상기 식 1의 Cr, Mo, W, N은 각 원소의 중량% 함량.
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