KR101620711B1 - 표면품질이 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법 - Google Patents

표면품질이 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 페라이트계 스테인리스강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 페라이트계 스테인리스 강의 표면품질을 향상시킬 수 있는 방법 및 이로부터 제조된 페라이트계 스테인리스강에 관한 것이다.

Description

표면품질이 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법 {THE FERRITIC STAINLESS HAVING EXCELLENT SURFACE PROPERTY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 페라이트계 스테인리스강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표면품질이 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
통상, 스테인리스강 열연판(HR coil)은 도 1에 나타낸 공정을 거쳐 생산되며, 그 공정에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 압연공정을 원활히 수행하기 위하여 두께 약 200mmt로 제작된 스테인리스 슬라브를 1200~1300℃의 가열로(1)에서 약 3시간 정도 유지한 다음, 조압연기(2) 및 사상압연기(3)를 통해 약 3~5mmt 정도의 두께로 압연하여, 열연강판을 제조한다. 상기 조압연기 및 사상압연기는 전진과 후진을 반복할 수 있는 리버스롤로써, 강종에 따라 압연 패스수를 달리 설정할 수 있다. 이렇게 생산된 열연코일은 소둔 및 산세 공정을 거쳐 열연 스케일이 제거된 백색코일로 제조된다.
한편, 스테인리스 430강과 같이 고 크롬계 스테인리스강은 압연 및 냉각과정에서 마르텐사이트 조직으로 상변태되므로, 후속하는 냉연공정에서 냉간압연을 원활히 수행하기 위해서는, 고온에서 장시간 열처리가 필요하다.
상기 열처리는 상소둔로(Batch Annealing Furnace, BAF)(4)에서 행해지는데, 이미 압연공정을 거친 강판이 코일상태로 상기 소둔로에 장입되어 열처리된다. 이때, 고온에서 장시간 열처리에 따른 강판의 메탈산화로 인한 손실을 줄이기 위해 분위기 가스로 수소 또는 질소를 사용한다.
상기 분위기 가스로 질소를 사용하는 경우, 표면 불균일로 인한 광택얼룩과 같은 결함은 발생하지 않으나 열처리 시간이 수소에 비해 2배 정도 더 길어지는 단점이 있어, 대부분 질소 대신 수소를 분위기 가스로 사용하며 상기 수소는 열전도성이 뛰어나 열처리 시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 수소는 환원성 기체로 열처리시 열간압연 과정에서 형성된 강 표면의 스케일을 환원시키는데, 이때 코일형태로 장입된 강판의 가장자리(에지부, edge)와 중앙부위(중심부, middle)의 통기성 차이에 의해 스케일이 균일하게 환원되지 못하는 문제가 있다. 즉, 감겨져 있는 코일의 에지부는 통기성이 좋아 수소 가스에 의한 환원작용으로 금속 산화물이 환원되어 스케일이 얇아지나, 중심부는 상대적으로 통기성이 미비하여 환원이 원활하게 일어나지 못하게 되어 스케일의 두께가 열간압연 직후의 두께와 큰 차이가 없다 (도 2 참조).
또한, 소둔로 초기는 100% 수소 분위기로 환원성 분위기나, 열처리가 지속 될수록 강 표면의 스케일과 수소가 반응하여 H2O가 형성되면 국부적으로 산화성 분위기가 조성되며, 이때의 열처리 온도도 800℃ 이상의 고온이기 때문에 이와 같은 산화성 분위기에 노출된 강 표면은 재산화가 일어나 스케일/모재 계면에서 Cr 고갈층(여기서, Cr 고갈층은 모재의 Cr 농도 보다 상대적으로 낮은 수십㎛의 저Cr 분포층을 의미한다.)이 형성된다.
강 표면에 Cr 고갈층이 불균일하게 형성될 경우, 산세조에서 불균일한 반응이 일어나 표면에 굴곡이 형성되는 결함이 발생하게 된다. 즉, 상대적으로 Cr 함량이 낮은 Cr고갈층이 두껍게 형성된 부위는 산세가 많이 일어나고, Cr 고갈층이 적게 형성된 표면은 산세가 적게 일어나 표면에 굴곡이 나타나며, 이러한 표면조도 차이가 빛의 난반사에 의해 광택얼룩으로 나타나게 되는 것이다.
이와 같이, 상소둔로에서 코일형태로 적치하여 장시간 열처리를 행하는 고 크롬계 스테인리스강은 스케일의 불균일 환원 및 H2O의 형성으로 인한 표면 불균일 재산화가 필연적으로 일어나기 때문에, 균일한 표면품질을 갖는 강의 제조가 거의 불가능한 상태이다.
이는, 결국 실수율 감소의 원인으로 작용하기 때문에, 이를 해결하기 위한 방안으로서 생산성이 상대적으로 낮지만 표면결함이 없는 질소 BAF 공정(질소 분위기에서 열처리하는 공정)을 이용하거나, 후속 산세 공정이 요구되지 않는 광휘소둔(bright annealing, BA) 공정을 이용하여 왔다. 하지만, BAF 공정의 경우 소둔 시간이 길어 생산성이 떨어지는 문제가 있으며, BA 공정의 경우 수소 가스를 연속적으로 흘려줌에 따라 제조비용이 증가하는 문제가 있다.
본 발명의 일 측면은, 스테인리스 430강의 표면품질을 개선하기 위해 강의 합금 성분조성을 최적화함으로써, 산세 후에 우수한 표면품질을 갖는 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.025~0.045%, 실리콘(Si): 0.15~0.40%, 망간(Mn): 0.45~0.65%, 알루미늄(Al): 0.05~0.15%, 크롬(Cr): 16.0~16.6%, 니켈(Ni): 0.4 이하%(0%는 제외), 몰리브덴(Mo): 0.5% 이하(0%는 제외), 구리(Cu): 0.5% 이하(0%는 제외), 니오븀(Nb): 0.5% 이하(0%는 제외), 질소(N): 0.035~0.055%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 열연강판을 상소둔, 냉각 및 산세 공정을 거쳐 제조되는 스테인리스강에 있어서,
100% 수소 분위기에서 상소둔 후 모재와 스케일 계면에 1~2㎛ 두께의 Al 산화물층이 존재하는 표면품질이 우수한 페라이트계 스테인리스강을 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 성분조성을 만족하는 열간압연된 코일형태의 페라이트계 스테인리스강을 준비하는 단계; 상기 코일형태의 스테인리스강을 100% 수소 분위기에서 상소둔하는 단계; 상기 상소둔된 스테인리스강을 냉각하는 단계; 및 상기 냉각된 스테인리스강을 산세처리하는 단계를 포함하고, 상기 상소둔 후 상기 스테인리스강의 모재와 스케일 계면에 1~2㎛ 두께의 Al 산화물층이 존재하는 것인, 표면품질이 우수한 페라이트계 스테인리스강의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 100% 수소 분위기의 소둔 공정에도 표면품질이 우수한 페라이트계 스테인리스강을 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존 질소 분위기의 소둔 공정에 비해 경제적으로 유리하면서, 품질이 더 우수한 스테인리스강을 제공할 수 있는 유리한 효과가 있다.
도 1은 스테인리스강 열연판(HR coil)을 제조하는 공정의 일 예를 모식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 통상의 페라이트계 스테인리스강의 스케일을 XRD로 측정한 결과로서, (a)는 상소둔 전 스케일 측정결과를 나타낸 것이고, (b)는 상소둔 후 중심부 및 에지부의 스케일 측정결과를 나타낸 것이다.
도 3a 및 3b는 표 1의 비교예 3의 에칭전(3a)·후(3b)의 표면을 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 표 1의 종래예의 상소둔시 열처리 시간에 따른 스케일 변화과정을 관찰하여 나타낸 것이다.
도 5는 표 1의 발명예 2의 상소둔시 열처리 시간에 따른 스케일 변화과정을 관찰하여 나타낸 것이다.
페라이트계 스테인리스강은 상소둔시 코일형태로 행해지는데, 이때 100% 수소 분위기에서 수행하게 되면 코일의 에지(edge)부와 중심(middle)부의 통기성 차이로 인해 열연과정에서 생성된 스케일의 환원이 균일하게 이루어지지 못하게 되어, 최종 제품에서 광택얼룩 등의 표면결함이 나타나는 문제가 있다. 이와 같이 표면결함이 발생된 제품은 품질이 저하된 것으로 고객사의 요구에 부응하지 못하는 문제가 있다.
이를 예방하고자 종래에는 상기 상소둔을 질소 분위기에서 수행하는 방안이 제시되었으나, 이는 표면 불균일로 인한 광택얼룩 등의 결함은 발생하지 않으나 열처리 시간이 수소 분위기에 비해 2배 이상으로 생산성 및 경제적 측면에서 매우 불리한 단점이 있다.
이에, 본 발명자들은 페라이트계 스테인리스강의 상소둔시 100% 수소 분위기에서 수행하더라도 표면결함이 없는 강을 제조할 수 있는 방안에 대하여 깊이 연구한 결과, 강의 합금조성 중 고온에서 내산화성이 우수한 원소를 일정함량으로 포함하고, 상기 원소가 소둔시 강 표면에 보호피막을 형성하여 Fe, Cr 산화물의 형성을 억제함과 아울러, 균일한 스케일을 형성하는 것으로부터 최종 제품에서 표면품질이 우수한 스테인리스강을 제공할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 일 측면에 따른 표면품질이 우수한 페라이트계 스테인리스강은 그 성분조성이 다량의 크롬(Cr)을 함유하는 강재로서, 바람직하게는 중량%로, 탄소(C): 0.025~0.045%, 실리콘(Si): 0.15~0.40%, 망간(Mn): 0.45~0.65%, 알루미늄(Al): 0.05~0.15%, 크롬(Cr): 16.0~16.6%, 니켈(Ni): 0.4 이하%(0%는 제외), 몰리브덴(Mo): 0.5% 이하(0%는 제외), 구리(Cu): 0.5% 이하(0%는 제외), 니오븀(Nb): 0.5% 이하(0%는 제외), 질소(N): 0.035~0.055%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 성분조성을 갖는 것이 바람직하다.
상술한 성분조성으로 이루어지는 본 발명의 페라이트계 스테인리스강은 100% 수소 분위기로 상소둔 후 모재와 스케일 계면에 1~2㎛ 두께의 Al 산화물층이 존재하는 것이 바람직하며, 상기 Al 산화물층은 주로 Al2O3로 이루어져 있다.
본 발명에서 상기 Al 산화물층은 강 중 함유되어 있는 Al로부터 형성된 것으로서, 상기 Al은 페라이트계 스테인리스강 표면에 형성된 스케일의 주성분인 Fe, Cr 보다 산소 친화력이 높아 이들 원소들에 비해 우선적으로 산화물을 형성하며, 상기 Al 산화물은 고온에서 안정한 특성을 갖는다. 특히, 본 발명의 경우 100% 수소 분위기의 상소둔시 상기 Al이 소둔 중 모재와 스케일 계면에 연속적으로 층으로 형성되어 보호피막으로 작용함으로써 100% 수소 분위기의 상소둔 공정에도 Fe, Cr의 재산화를 억제할 수 있으며, 이로 인해 최종 제품에서 표면결함이 없는 우수한 표면품질을 갖는 강을 제공할 수 있다.
상기 모재와 스케일 계면에 연속적으로 형성되는 Al 산화물층의 두께는 강 중 함유되어 있는 Al의 함량으로부터 제어되며, 이때 1㎛ 이상의 두께로 Al 산화물층을 얻기 위해서는 0.05% 이상으로 Al을 포함하는 것이 바람직하다. 만일, 강 중 Al의 함량이 0.05% 미만이면 보호피막으로 작용하기 위한 충분한 두께의 Al 산화물층이 형성되지 못하는 문제가 있다. 보다 구체적으로, 이러할 경우 소둔 분위기의 수소와 강 표면의 스케일이 반응하여 수분(H2O)이 형성되고, 이는 산화성 분위기로 작용하여 스케일의 주성분인 Fe, Cr을 재산화시킴으로써 Cr 고갈층 등이 형성되어 표면결함을 일으키는 문제가 있다.
반면, 강 중 Al의 함량이 너무 과다하면 소둔시 오히려 강 내부에 Al 개재물이 다량 석출되어 냉연공정 후 압연방향으로 띠 형태의 개재물이 잔존하게 되는 문제가 있다. 이를 방지하기 위해서는 Al의 상한을 0.15% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
상기와 같이, 강 중 Al의 함량을 0.05~0.15%로 제어, 보다 바람직하게는 0.08~0.12%로 제어할 경우, 100% 수소 분위기에서 상소둔시 1~2㎛ 두께의 Al 산화물층을 연속적으로 얻을 수 있으며, 이로 인해 최종 제품에서 표면결함이 없는 우수한 품질의 페라이트계 스테인리스강을 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강의 성분조성 중 Al을 제외한 나머지 성분들은 페라이트계 스테인리스강에 통상적으로 포함되는 성분들로서, 이들에 대해서는 특별히 언급하지 아니한다.
이하에서는, 본 발명의 일 측면인 표면품질이 우수한 페라이트계 스테인리스강을 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 페라이트계 스테인리스강은, 열간압연된 코일형태의 페라이트계 스테인리스강을 준비하는 단계; 상기 코일형태의 스테인리스강을 100% 수소 분위기에서 상소둔하는 단계; 상기 상소둔된 스테인리스강을 냉각하는 단계; 및 상기 냉각된 스테인리스강을 산세처리하는 단계를 포함하여 제조하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 열간압연된 코일형태의 페라이트계 스테인리스강은 상술한 성분조성 특히 Al을 0.05~0.15중량%로 함유하는 강종인 것으로서, 통상의 스테인리스강을 제조하는 연속압연공정으로 슬라브 재가열 및 열간압연의 공정을 거쳐 제조할 수 있다. 상기한 바에 따라 제조된 열연강판은 표면에 스케일이 형성된 상태로서, 상기 스케일은 주로 Fe와 Cr로 이루어져 있다.
상기 스케일이 형성된 열연강판을 코일형태로 권취하여, 상소둔로에서 상소둔을 실시함이 바람직하다.
이때, 상소둔은 100% 수소 분위기로 유지되는 상소둔로(BAF)에서 830~550℃로 12~15시간 실시하는 것이 바람직하다. 상기 상소둔로에서의 소둔시 100% 수소 분위기를 이용함으로써, 스테인리스강의 생산성을 향상시킬 수 있으며, 기존 질소 분위기에서의 상소둔에 비해 소둔 시간이 짧아 경제적으로 유리한 장점이 있다.
특히, 본 발명은 상술한 조건으로 상소둔시 모재와 스케일 계면에 1~2㎛ 두께의 Al 산화물층이 형성되는데, 이 Al 산화물층은 수소 분위기에서의 소둔시 스케일의 주성분인 Fe와 Cr의 재산화를 방지하는 역할을 하며, 이로 인해 상소둔 후 스케일이 균일하게 형성됨으로써 스케일 직하의 크롬(Cr) 고갈층도 코일 에지부와 중심부에 두께차이가 거의 없어 후속되는 산세 처리시 잔존하는 스케일을 용이하게 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 균일한 표면 형상을 제공할 수 있다. 따라서, 최종 표면품질이 우수한 스테인리스강을 얻을 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
표 1에 나타낸 성분조성을 갖는 슬라브를 통상의 스테인리스강을 제조하는 연속압연공정으로 슬라브 재가열 및 열간압연의 공정을 거쳐 3mmt 두께의 열연코일을 생산하였다. 이후, 각각의 열연코일의 일부분을 절단하여 100mm(L)×100mm(W)의 시편으로 가공한 다음, 이들 시편을 100% 수소 분위기의 BAF 온도 830~850℃에서 15시간 동안 상소둔 처리하였다. 상기 상소둔된 시편을 통상의 열연산세, 냉간압연 및 냉연소둔산세 공정을 거쳐 최종 제품으로 제작한 후, 이들의 표면품질(결함 유무) 및 가공시 크랙(crack) 발생 유무를 관찰하고, 그 결과를 하기 표 1에 함께 나타내었다.
구분 성분조성 (중량%) 물성
C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu N
(ppm)		 Al Nb 표면결함 크랙
유무
종래예 0.04 0.30 0.486 0.026 0.0004 16.13 0.14 0.22 0.056 402 0.01 0.004 ○ ×
비교예1 0.04 0.45 0.486 0.026 0.0004 16.13 0.14 0.22 0.056 402 0.01 0.004 ○ ×
비교예2 0.04 0.30 0.486 0.026 0.0004 16.13 0.14 0.22 0.056 402 0.03 0.004 ○ ×
발명예1 0.04 0.30 0.486 0.026 0.0004 16.13 0.14 0.22 0.056 402 0.05 0.004 × ×
발명예2 0.04 0.30 0.486 0.026 0.0004 16.13 0.14 0.22 0.056 402 0.08 0.004 × ×
발명예3 0.04 0.30 0.486 0.026 0.0004 16.13 0.14 0.22 0.056 402 0.10 0.004 × ×
발명예4 0.04 0.30 0.486 0.026 0.0004 16.13 0.14 0.22 0.056 402 0.12 0.004 × ×
발명예5 0.04 0.30 0.486 0.026 0.0004 16.13 0.14 0.22 0.056 402 0.15 0.004 × ×
비교예3 0.04 0.30 0.486 0.026 0.0004 16.13 0.14 0.22 0.056 402 0.18 0.004 × ○
(상기 표 1에서 표면결함은 광택얼룩이 발생한 경우 '○', 광택얼룩이 발생하지 않은 경우 '×'로 표기하였으며, 상기 크랙 유무의 관찰은 180°굽힘 테스트 후 크랙이 발생한 경우 '○', 크랙이 발생하지 않은 경우 '×'로 표기하였다.)
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 페라이트계 스테인리스강 성분조성 중 Al을 0.05~0.15%로 포함하는 발명예 1 내지 5는 최종 제품에서 광택얼룩과 같은 결함이 발생하지 않아 표면품질이 우수하였으며, 가공 후에도 크랙이 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
이는, 본 발명에 따라 강 성분으로서 일정함량의 Al을 포함하는 것에 의해, 100% 수소 분위기에서의 상소둔 모재와 스케일 계면에 고온에서 안정한 산화피막이 형성되었기 때문이다. 즉, 상기 산화피막에 의해 스케일을 구성하는 Fe, Cr의 재산화가 방지되고, 스케일이 균일하게 환원됨에 따라 표면품질이 우수한 페라이트계 스테인리스강을 얻을 수 있게 된 것이다.
반면, 강 중 Al의 함량이 0.03% 이하인 비교예 1 및 2의 경우 소둔시 산화피막이 충분히 형성되지 못하게 되어, 수소와 스케일이 반응하여 수분(H2O)이 생성된 산화성 분위기에서 Fe 또는 Cr의 재산화가 일어나 최종 제품에서 광택얼룩이 발생한 것을 확인할 수 있다.
또한, 강 중 Al의 함량이 0.18%인 비교예 3의 경우 소둔시 충분한 산화피막이 형성되나, 과량의 Al로 인해 강 내부에서도 Al 개재물이 형성되어 강의 기계적 성질이 저하된 것을 확인할 수 있다. 즉, 비교예 3의 경우 180°굽힘 시험시 크랙이 발생된 것을 확인할 수 있다.
상기 비교예 3의 스테인리스강 표면을 SEM(Scanning Electron Microscope)으로 관찰해본 결과, 도 3a 및 3b에 나타낸 것과 같이 표면 에칭전 압연 방향으로 늘어난 크랙을 관찰할 수 있으며, 그 내부에는 Al 개재물이 다량 존재함을 확인할 수 있다. 또한, 표면을 에칭해본 결과 크랙 내부에서 Al 개재물이 다량 존재하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 강 중 Al 원소가 소둔 과정에서 스케일 형성거동과 산화물층의 형성거동을 관찰하기 위하여 통상의 페라이트계 스테인리스강에 속하는 종래예와 Al을 0.08%로 함유하는 발명예 2에 대해 상소둔 시간을 3h, 6h, 9h, 12h, 15h로 설정하여 실시한 후, 시간에 따른 스케일 변화과정을 관찰하였다.
먼저, 도 4는 종래예에 대한 결과로서, 소둔 시간이 경과하더라도 모재와 스케일 계면에 Al 산화물층이 형성되지 않는 것을 확인할 수 있으며, 이후 소둔 시간이 15h 경과한 후에는 표면에서 Cr 고갈층이 형성되어 불균일한 표면이 형성된 것을 확인할 수 있다. 이는, 냉연산세 후에 강 표면에 광택얼룩을 발생시키는 것으로 보여진다.
그리고, 도 5는 발명예 2에 대한 결과로서, 상소둔 이전에는 Al 산화물층이 거의 형성되지 않다가 소둔 시간이 지속될수록 그 두께가 증가하여 연속적으로 치밀한 층으로 형성되는 것을 확인할 수 있다. 상기 연속적으로 형성된 Al 산화물층은 보호피막으로 작용함으로써, 지속된 소둔 처리로 국부적인 산화성 분위기가 형성되더라도 스케일의 재산화가 일어나지 않아 균일한 표면형상을 유지하게 되는 것이다. 이는, 냉연산세 후에도 균일한 표면형상을 유지함에 따라 광택얼룩이 발생하지 않은 것으로 보여진다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 중량%로, 탄소(C): 0.025~0.045%, 실리콘(Si): 0.15~0.40%, 망간(Mn): 0.45~0.65%, 알루미늄(Al): 0.05~0.15%, 크롬(Cr): 16.0~16.6%, 니켈(Ni): 0.4 이하%(0%는 제외), 몰리브덴(Mo): 0.5% 이하(0%는 제외), 구리(Cu): 0.5% 이하(0%는 제외), 니오븀(Nb): 0.5% 이하(0%는 제외), 질소(N): 0.035~0.055%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 열간압연된 코일형태의 페라이트계 스테인리스강을 준비하는 단계;
    상기 코일형태의 스테인리스강을 100% 수소 분위기, 830~850℃로 유지되는 상소둔로(BAF)에서 12~15시간 실시하는 상소둔하는 단계;
    상기 상소둔된 스테인리스강을 냉각하는 단계; 및
    상기 냉각된 스테인리스강을 산세처리하는 단계를 포함하고,
    상기 상소둔 후 상기 스테인리스강의 모재와 스케일 계면에 1~2㎛ 두께의 Al 산화물층이 존재하는 것인, 표면품질이 우수한 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
  4. 삭제
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