KR101659185B1 - 페라이트계 스테인리스강 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 페라이트계 스테인리스강은, 연료전지용 분리판에 적용되는 페라이트계 스테인리스강으로서, 중량%로, C: 0.003~0.012%, N: 0.003~0.015%, Si: 0.05~0.15%, Mn: 0.3~0.8%, Cr: 20~24%, Mo; 0.1~0.4%, Nb: 0.1~0.7%, Ti: 0.03~0.1%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 모재를 포함하고, 상기 모재의 표면에 크롬 산화물을 포함하는 제1스케일층이 형성되고, 상기 제1스케일층의 표면에 크롬 산화물과 망간 산화물을 포함하는 제2스케일층이 형성되며, 상기 제1스케일층 및 상기 제2스케일층에 포함된 실리콘 함량은 각각 0.2중량% 이하이고, 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
식: Nb + Mn ≥ 8Si (Nb, Mn, Si는 각각 해당 성분의 중량% 함량)

Description

페라이트계 스테인리스강{FERRITIC STAINLESS STEEL}

본 발명은 페라이트계 스테인리스강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온 산화 환경에서 높은 전도도를 유지 가능한 페라이트계 스테인리스강에 관한 것이다.

스테인리스강은 우수한 내식성과 내산화성을 가지기 때문에 상온에서 고온까지 다양한 분야에 적용되고 있다. 이 중 고온 환경에서 작동되는 연료전지의 분리판 등의 부품을 스테인리스강으로 제작하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.

고온 연료전지에 스테인리스강을 적용하기 위해서는, 고온의 산화 환경에서 스테인리스강의 표면에 형성되는 스케일의 두께가 지나치게 두꺼워지거나 전기 전도도가 저하되지 않아야 한다. 스케일의 두께가 일정 이상 두꺼워질 경우 스케일이 박리되어 소재를 손상시킬 수 있고, 전기 전도도가 낮을 경우 연료전지의 효율을 떨어뜨릴 수 있다.

따라서 스테인리스강을 연료전지 부품으로 적용하기 위해서는 이러한 특성들을 갖추어야 한다.

스테인리스강이 산화되면 크롬 산화물(Cr₂O)이 표면에 형성되며, 이러한 크롬 산화물로 구성된 산화 스케일로 인해 내식성을 가지게 된다. 그러나 이때 형성되는 스케일은 내식성이 우수한 반면 전기 전도도가 낮은 특성을 가지고 있다. 또한 일반적인 스테인리스강에는 실리콘이 일정량 포함되어 있는데, 이로 인해 스테인리스강과 스케일의 계면에 실리콘 산화물이 형성되어 절연 효과를 나타내는 문제가 있다. 이렇게 크롬 산화물로 구성된 스케일의 모습이 도 3에, 실리콘 산화물이 형성된 모습이 도 4에, 실리콘 산화물이 모여있는 층의 성분 분석 결과가 도 5에 각각 도시되어 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 희토류를 첨가하거나 스테인리스강 중의 실리콘 농도를 매우 낮게 제어하는 기술이 개발되고 있지만, 이러한 기술은 통상의 대량생산형 금속제조공정에 적용이 어렵기 때문에 제조비용이 과도하게 증가하게 된다.

따라서 실리콘 산화물의 형성을 방지하고, 고온에서도 높은 전기 전도도를 갖는 스테인리스강의 개발이 요구되는 실정이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 고온 산화 환경에서도 높은 전기 전도도를 유지할 수 있는 페라이트계 스테인리스강을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은, 연료전지용 분리판에 적용되는 페라이트계 스테인리스강으로서, 중량%로, C: 0.003~0.012%, N: 0.003~0.015%, Si: 0.05~0.15%, Mn: 0.3~0.8%, Cr: 20~24%, Mo; 0.1~0.4%, Nb: 0.1~0.7%, Ti: 0.03~0.1%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 모재를 포함하고, 300~900℃의 산화 환경에 노출되면, 상기 모재의 표면에 크롬 산화물을 포함하는 제1스케일층이 형성되고, 상기 제1스케일층의 표면에 크롬 산화물과 망간 산화물을 포함하는 제2스케일층이 형성되며, 상기 제1스케일층 및 상기 제2스케일층에 포함된 실리콘 함량은 각각 0.2중량% 이하이고, 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

식: Nb + Mn ≥ 8Si (Nb, Mn, Si는 각각 해당 성분의 중량% 함량)

상기 제2스케일층의 두께는, 전체 스케일층 두께의 2/3 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 모재와 상기 제1스케일층 사이에는, 니오븀 산화물을 포함하는 제3스케일층이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 페라이트계 스테인리스강에 따르면, 고온 산화 환경의 연료전지의 분리판 등에 적용하여도 장시간에 걸쳐 높은 전기 전도도를 유지할 수 있는 부품을 제작할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 단면 TEM 사진,
도 2는 크롬산화물로 구성된 제1스케일층과 크롬/망간 산화물로 구성된 제2스케일층의 성분을 나타낸 EDS 그래프,
도 3은 크롬 산화물층만이 형성된 비교예의 단면 TEM 사진,
도 4는 모재와 스케일 사이에 실리콘 산화물층이 형성된 비교예의 단면 TEM 사진,
도 5는 모재와 스케일 사이에 형성된 실리콘 산화물층의 성분을 나타낸 EDS 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예와 비교예의 깊이에 따른 실리콘의 분율을 나타내 비교한 그래프,
도 7은 본 발명의 실시예의 깊이에 따른 니오븀의 분율을 나타낸 그래프이다.

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 페라이트계 스테인리스강에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명은, 철을 기지 조직으로 하여, C: 0.003~0.012%, N: 0.003~0.015%, Si: 0.05~0.15%이하, Mn: 0.3~0.8%, Cr: 20~24%, Mo; 0.1~0.4% Nb: 0.1~0.7% Ti: 0.03~0.1%(이상 중량%)를 포함하는 페라이트계 스테인리스강으로서, 하기의 식을 만족하는 조성의 강이다.

식: Nb + Mn ≥ 8Si

Nb, Mn, Si는 각각 해당 성분의 중량% 함량을 의미한다.

상기 식은 망간과 니오븀의 함량이 실리콘에 비해 일정 이상 많도록 제한하는 것으로서, 실리콘 산화물의 형성을 방지하기 위해 필요한 조성을 나타내는 것이다. 망간과 니오븀은 산화 속도와 확산 속도가 빠르기 때문에 스케일의 외부 표면층이나 모재와 스케일 사이의 계면에 산화물로서 형성되고, 이로 인해 실리콘이 산화되어 산화물을 생성하는 것을 방지할 수 있다. 망간과 니오븀이 실리콘에 비해 일정 이하의 함량을 가질 경우 이러한 효과를 기대할 수 없기 때문에 상술한 식의 범위를 만족하는 것이 중요하다.

이하 각 성분의 범위를 한정하는 이유에 관해 서술한다. 아울러, 이하에서 설명되는 %는 모두 중량%를 의미한다.

탄소(C)는 스테인리스 제조과정에 필수로 함유되는 원소이다. 탄소의 함량이 과도하게 증가할 경우 크롬 탄화물 등의 석출물이 형성되어 모재의 조성 및 산화 특성에 악영향을 줄 수 있기 때문에 상한을 0.013%로 제한한다. 다만, 탄소의 함량을 극저로 제어하는 것은 과도한 비용상승을 초래하므로 하한을 0.003%로 제한하는 것이 바람직하다.

질소(N)는 함량이 과도하게 증가할 경우 각종 질화물이 석출되거나 기공의 발생에 의해 품질에 악영향을 끼치기 때문에 상한을 0.015%로 제한한다. 다만, 질소의 함량을 극저로 제어하는 것은 과도한 비용상승을 초래하므로 하한을 0.008% 이상으로 제한하는 것이 바람직하다.

실리콘(Si)은 소재가 고온에 노출되면 스케일과 모재 사이의 계면에서 필름 형태의 석출물을 형성하여 절연막을 형성하므로 엄격히 제한되어야 하는 성분이므로 그 상한을 0.15%로 제한한다. 그러나 실리콘 함량을 0.05%이하로 감소시키기 위해서는 진공용해 등의 고비용 공정을 거쳐야 하므로 본 발명에서는 하한을 0.05%로 제한하였다.

망간(Mn)은 스테인리스강이 고온에서 산화될 때 빠르게 확산되어 스케일 외층에서 치밀한 망간/크롬 산화물을 형성하므로 0.3%이상 첨가하여야 한다. 그러나 망간의 과도한 첨가는 스케일의 성장을 과도하게 촉진하여 스케일의 박리가 발생할 우려가 있으므로 상한을 0.8%로 제한한다.

크롬(Cr)은 스테인리스강의 내식성을 확보하기 위해 필수적인 원소이다. 고온 산화 환경에서 장시간에 걸친 산화에 따른 크롬 고갈을 방지하기 위해 최소한 20% 이상을 첨가해야 한다. 다만, 제조비용의 상승과 크롬 탄화물, 금속간 화합물 등의 석출을 방지하기 위하여 상한을 24%로 제한하는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo)은 고온 환경에서 소재의 강도를 증가시킬 수 있는 원소이다. 따라서 최소한 0.1% 이상을 첨가할 필요가 있지만, 고가의 원소이므로 제조비용 상승을 억제하기 위해 상한을 0.4%로 제한하는 것이 바람직하다.

니오븀(Nb)은 우수한 산화특성으로 인해 스케일/모재 계면에서 산화되어 산화물을 형성하며, 이를 통해 절연성인 실리콘 산화물의 형성을 억제하므로 0.1% 이상을 첨가한다. 반면 과도하게 첨가하면 열간 가공성을 저해시키며 제조비용의 상승을 가져오므로 상한을 0.7%로 제한하는 것이 바람직하다.

티타늄(Ti)은 고온에서 모재와 스케일 사이의 계면 바로 아래, 즉 모재의 표면 근처에 내부 산화물을 형성하여 소재의 강도를 증가시키므로 0.03% 이상의 함량이 필요하다. 다만 과도한 첨가시 제조비용 상승을 초래하며 스케일 외부에 티타늄 산화물을 형성하므로 상한을 0.1%로 제한하는 것이 바람직하다.

이러한 페라이트계 스테인리스강이 300~900℃의 산화 환경에 노출되면, 페라이트계 스테인리스강의 표면에 크롬 산화물을 포함하는 제1스케일층이 형성되고, 제1스케일층의 표면에 크롬 산화물과 망간 산화물을 포함하는 제2스케일층이 형성되며, 제2스케일층의 두께는, 전체 스케일층 두께의 2/3 이상인 것을 특징으로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 크롬 산화물을 포함하는 제1스케일층과, 크롬 산화물과 망간 산화물을 포함하는 제 2스케일층에는 두께의 차이가 존재한다. 크롬 산화물은 전기 전도도가 낮기 때문에 연료전지의 부품으로 사용하기에 부적합하지만, 망간 산화물은 비교적 전기 전도도가 높기 때문에 연료전지의 부품으로 사용이 가능해지게 된다. 필요한 전기 전도도를 가지기 위해서는, 제1스케일층의 두께보다 제2스케일층의 두께가 더 두꺼워야 하고, 최소한 제1스케일층보다 제2스케일층의 두께가 두 배 이상 두꺼워야 한다. 따라서 제2스케일층은 전체 스케일층 중에서 2/3 이상의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이, 제2스케일층에는 망간과 크롬 등이 포함된 것을 알 수 있고, 제1스케일층에는 크롬 등이 포함된 것을 알 수 있다.

페라이트계 스테인리스강과 제1스케일층 사이에는, 니오븀 산화물을 포함하는 제3스케일층이 형성되는 것이 바람직하다.

통상적으로 모재, 즉 스테인리스강과 그 표면에 형성되는 스케일층의 사이에는 산화되기 쉬운 실리콘이 산화물층을 이루게 된다. 이렇게 실리콘 산화물층이 형성된 모습이 도 4에 나타나 있다. 실리콘 산화물은 전기 전도도가 극도로 낮기 때문에 연료전지용 부품으로 사용할 수 없게 된다. 따라서 실리콘 대신 실리콘보다 빠르게 산화되면서 전기 전도도가 높은 산화물을 형성시켜 실리콘 산화물의 생성을 억제하는 것이 필요하다. 이를 위해 본 발명에서는 니오븀을 첨가하여 모재와 스케일층 사이에 니오븀 산화물을 형성시켜 실리콘 산화물의 형성을 억제할 수 있다. 더 바람직하게는 실리콘 산화물의 생성을 완전히 방지하여야 하지만, 실리콘 산화물의 생성을 완전히 억제하는 것은 매우 어렵다. 하지만 니오븀 산화물을 생성시키면 그만큼 실리콘이 산화될 수 있는 기회를 감소시키므로, 실리콘 산화물의 총 생성량을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 전기 전도도의 저하를 방지할 수 있는 것이다.

도 6에 본 발명의 실시예와 실리콘 산화물층이 형성되는 비교예의 깊이에 따른 실리콘 분율을 비교한 그래프가 도시되어 있다. 도 6에 따르면, 비교예의 경우 1~5㎛ 깊이에 실리콘의 분율이 높게 나타나지만, 본 발명의 실시예는 같은 범위에서 실리콘의 분율이 높아지지 않는 것을 알 수 있다.

반면 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 니오븀의 함량이 2~5㎛ 깊이에서 높게 나타나는 것을 알 수 있다.

이하 본 발명의 실시예와 비교예들의 조성, 식의 만족 여부 및 실리콘 산화물의 생성 여부를 표 1에 비교하였다.

강종	C	N	Si	Mn	Cr	Mo	Nb	Ti	식	실리콘산화물
실시예1	0.005	0.007	0.11	0.5	21.3	0.15	0.43	0.05	만족	미생성
실시예2	0.009	0.004	0.14	0.6	22.6	0.22	0.72	0.08	만족	미생성
실시예3	0.007	0.013	0.06	0.4	23.5	0.33	0.65	0.04	만족	미생성
실시예4	0.011	0.006	0.08	0.7	23.3	0.11	0.25	0.04	만족	미생성
실시예5	0.007	0.009	0.09	0.5	20.5	0.25	0.53	0.07	만족	미생성
비교예1	0.001	0.008	0.12	0.4	22.3	0.2	0.15	0.08	불만족	생성
비교예2	0.008	0.007	0.12	0.1	22.6	0.23	0.7	0.05	불만족	생성

표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 조성이나 식을 불만족하면 실리콘 산화물이 형성되어 전기 전도도를 크게 저하시키는 것을 알 수 있다.

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.

Claims (3)

1. 연료전지용 분리판에 적용되는 페라이트계 스테인리스강으로서,
   중량%로, C: 0.003~0.012%, N: 0.003~0.015%, Si: 0.05~0.15%, Mn: 0.3~0.8%, Cr: 20~24%, Mo; 0.1~0.4%, Nb: 0.1~0.7%, Ti: 0.03~0.1%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 모재를 포함하고,
   상기 모재의 표면에 크롬 산화물을 포함하는 제1스케일층이 형성되고, 상기 제1스케일층의 표면에 크롬 산화물과 망간 산화물을 포함하는 제2스케일층이 형성되며,
   상기 제1스케일층 및 상기 제2스케일층에 포함된 실리콘 함량은 각각 0.2중량% 이하이고,
   하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는, 페라이트계 스테인리스강.
   식: Nb + Mn ≥ 8Si (Nb, Mn, Si는 각각 해당 성분의 중량% 함량)
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2스케일층의 두께는, 전체 스케일층 두께의 2/3 이상인 것을 특징으로 하는, 페라이트계 스테인리스강.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 모재와 상기 제1스케일층 사이에는, 니오븀 산화물을 포함하는 제3스케일층이 형성되는 것을 특징으로 하는, 페라이트계 스테인리스강.
   

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