KR101668535B1 - 페라이트계 스테인리스강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테인리스강을 제조하기 위한 용강을 이루는 성분 중 Cr 및 Mo의 함량을 최적화 하여, 연신율 및 고온(30 ~ 80℃)에서 내식성이 향상된 페라이트계 스테인리스강에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 C: 0.001 ~ 0.005 wt%, N: 0.005 ~ 0.02 wt%, Si: 0.05 ~ 0.30 wt%, Mn: 0.01 ~ 0.20 wt%, P: 0.01 ~ 0.03 wt%, Cr: 15 ~ 18.5 wt%, Al: 0.01 ~ 0.10 wt%, Ti:0.10 ~ 0.30 wt%, Nb: 0.01 ~ 0.10 wt%, Mo: 0.5 ~ 1.0 wt%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

페라이트계 스테인리스강{FERRITIC STAINLESS STEEL}

본 발명은 페라이트계 스테인리스강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스테인리스강을 제조하기 위한 용강을 이루는 성분 중 Cr 및 Mo의 함량을 최적화 하여, 연신율 및 고온(30 ~ 80℃)에서 내식성이 향상된 페라이트계 스테인리스강에 관한 것이다.

일반적으로 스테인리스강은 화학성분이나 금속조직에 따라 분류된다. 금속조직에 따를 경우, 스테인리스강은 오스테나이트계(300계), 페라이트계(400계), 마르텐사이트계, 이상계로 분류된다.

이러한, 스테인리스강 중 페라이트계 스테인리스강(400계)은 열팽창율, 열피로 등의 고온 특성이 우수하고, 응력부식균열에 강하며 고온 강도 또한 우수하다. 이와 같은 특성을 바탕으로 자동차 배기계, 가정용 기구, 구조물, 가전 제품, 엘리베이터 등에 적용되고 있다.

하지만, 주방 기구, 가스레인지, 식기세척기 등과 같이 높은 내식성을 요구하는 용도로 페라이트계 스테인레스 강판을 활용하기 위해서는 내식성과 가공성을 동시에 만족하여야 하는데 종래의 고내식 페라이트계 스테인리스강들은 연신율이 낮아 가공성이 취약한 문제점이 있었다.

또한 고내식 페라이트계 스테인리스강들은 Cr의 함량이 높아 열연 스티킹(sticking) 결함 발생이 많아 Cr의 함량을 적절히 조절하면서 내식성 향상에 기여하는 원소를 첨가하여 원하는 수준의 내식성을 확보해야한다.

한편, 그동안 많은 연구가들에 의해 페라이트계 스테인리스강의 가공성을 개선시키는 다양한 제조방법이 제안되어 왔다.

예를 들어, 제조공정 중 공정변수 조절을 통한 가공성을 개선하는 방법 등이 있으며, 그 중 냉간 압연 및 열처리를 통해 R값을 제어하는 방법에 대해서는 "가공성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법(공개특허 10-2012-0073644; 특허문헌 1)" 등에서 구체적으로 공지되어 있다.

하지만, 특허문헌 1과 같은 기술은 제조공정의 개선을 통하여 가공성을 개선한 것으로서, 본 출원인은 제조공정의 개선 없이도 용강을 형성하는 합금성분의 함량을 조절하여 가공성 및 내식성을 개선하는 방법을 도출하였다.

특히, 스티킹(sticking) 결함 발생을 억제하면서도 높은 내식성을 나타내며 가공성도 우수한 페라이트계 스테인리스강에 대한 연구는 여러 연구자들에 의해 다양한 방법으로 실시되어 왔지만 현장 적용이 어렵거나 비용이 많이 드는 문제가 있었다.

공개특허 10-1997-0015775 (1997. 04. 28.)

본 발명은 제조시 연신율 감소에 영향을 미치는 합금 성분 및 내식성 향상에 영향을 미치는 합금성분의 함량을 최적화하여 최종 생산되는 제품의 내식성 및 연신율이 우수한 페라이트계 스테인리스강을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른, 페라이트계 스테인리스강은 C: 0.001 ~ 0.005 wt%, N: 0.005 ~ 0.02 wt%, Si: 0.05 ~ 0.30 wt%, Mn: 0.01 ~ 0.20 wt%, P: 0.01 ~ 0.03 wt%, Cr: 15 ~ 18.5 wt%, Al: 0.01 ~ 0.10 wt%, Ti:0.10 ~ 0.30 wt%, Nb: 0.01 ~ 0.10 wt%, Mo: 0.5 ~ 1.0 wt%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른, 페라이트계 스테인리스강은 하기의 식(1)을 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.

0.1 < 400C + 85.7N + 55.6P + 7.7Si + 7.3Nb < 4.4 ----------- (1)

상기 식 (1)에서 C, N, P, Si 및 Nb은 각 성분의 함량(wt%)을 의미함.

또한, 연신율이 35% 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른, 페라이트계 스테인리스강은 하기의 식 (2)를 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.

24 < (10Cr + 28.3Mo) × (10 / T(℃)) < 75 ------------------ (2)

상기 식 (2)에서 T는 부식 용액(35 w/v% NaCl 용액)의 온도이며, 30(℃) ≤ T ≤ 80(℃)을 만족하고, Cr 및 Mo는 각 성분의 함량(wt%)을 의미함.

또한, 30 ~ 80℃의 온도 범위에서 공식전위가 115mV 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 페라이트계 스테인리스강을 이루는 성분 중 연신율 감소에 영향을 미치는 합금성분의 함량을 최적화함에 따라, 연신율을 35% 이상으로 유지할 수 있어 가공성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 페라이트계 스테인리스강을 이루는 성분 중 내식성 향상에 영향을 미치는 합금성분의 함량을 최적화함에 따라, 30 ~ 80℃의 온도범위에서 공식전위 값을 115mV 이상으로 유지할 수 있어, 30 ~ 80℃의 온도범위에서 내식성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 연신율 감소에 영향을 미치는 합금성분들의 관계식과 연실율 사이의 관계를 나타낸 그래프이고,
도 2는 내식성 향상에 영향을 미치는 합금성분들 및 부식용액의 온도의 관계식과 공식전위 값 사이의 관계를 도시한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른, 페라이트계 스테인리스강은 : 0.001 ~ 0.005 wt%, N: 0.005 ~ 0.02 wt%, Si: 0.05 ~ 0.30 wt%, Mn: 0.01 ~ 0.20 wt%, P: 0.01 ~ 0.03 wt%, Cr: 15 ~ 18.5 wt%, Al: 0.01 ~ 0.10 wt%, Ti:0.10 ~ 0.30 wt%, Nb: 0.01 ~ 0.10 wt%, Mo: 0.5 ~ 1.0 wt%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예에서의 성분 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명하기로 한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.

탄소(C)의 양은 0.001wt% 이상 0.005wt% 이하인 것이 바람직하다.

탄소(C)의 양이 많으면 강도가 향상되지만 가공성이 낮아진다.

충분한 강도를 얻기 위해서는 0.001wt% 이상의 탄소(C)를 함유해야 하지만 0.005wt% 를 초과하면 가공성이 현저하게 감소하는 문제가 있다.

질소(N)의 양은 0.005wt% 이상 0.02wt% 이하인 것이 바람직하다.

질소(N)는 탄소(C)와 같이 재료의 강도를 상승시키는 효과가 있다.

질소(N)의 양이 0.005wt% 미만이면 TiN 정출이 낮아져 슬라브의 등축정율이 낮아지고, 0.02wt%를 초과하면 소재의 불순물이 증가하여 연신율이 떨어지는 문제가 있다.

실리콘(Si)의 양은 0.05wt% 이상 0.30wt% 이하인 것이 바람직하다.

실리콘(Si)은 탈산에 유용한 원소이며, 그 효과는 0.03%이상 함유했을 경우에 나타나는 반면, 0.30wt% 를 초과하면 소재의 불순물이 증가하여 연신율이 떨어지는 문제가 있다.

망간(Mn)의 양은 0.01wt% 이상 0.20wt% 이하인 것이 바람직하다.

망간(Mn)은 강의 강도를 높이는 효과가 있으며, 그 효과는 0.01wt% 이상의 함유로 얻을 수 있지만, 과잉 함유시 부식의 원인이 되는 MnS를 석출시켜 내식성을 저하시키므로 0.20wt% 이하로 함유한다.

인(P)의 함량은 0.01wt% 이상 0.03wt% 이하인 것이 바람직하다.

인(P)은 강에 불가피하게 포함되는 원소이므로 그 양이 0.01wt% 미만으로 정련하는 경우 정련비용이 증가되는 문제점이 있으며, 과잉 함유시 용접성을 저하시키고 입계 부식을 일으키기 쉬기 때문에 0.03wt% 이하로 제한한다.

크롬(Cr)의 양은 15wt% 이상 18.5wt% 이하인 것이 바람직하다.

크롬(Cr)은 스테인레스 강의 내식성을 확보하기 위하여 가장 중요하게 첨가되는 원소이다.

본 발명에서는 높은 내식성을 위해 15wt% 이상의 크롬(Cr)을 첨가하였다. 크롬(Cr)이 18.5wt%를 초과하게 되면 열연 스티킹(sticking) 결함 발생의 원인이 되므로 18.5wt% 이하로 함유한다.

알루미늄(Al)의 양은 0.01wt% 이상 0.10wt% 이하인 것이 바람직하다.

알루미늄(Al)의 양이 0.01wt% 미만이면 정련 가격이 비싸지는 문제가 있고, 0.10wt%를 초과하면 소재의 불순물이 증가하여 연신율이 떨어지는 문제가 있다.

티타늄(Ti)의 양은 0.10wt% 이상 0.30wt% 이하인 것이 바람직하다.

티타늄(Ti)의 양이 0.10wt% 미만이면 TiN 정출양이 줄어 슬라브의 등축정율이 낮아지고, 고용된 C, N 원소들이 많아져 연신율이 떨어지는 문제가 있고, 0.30wt%를 초과하면 Ti계 산화물의 증가로 가공성이 저하되는 문제가 있다.

니오븀(Nb)의 양은 0.01wt% 이상 0.10wt% 이하인 것이 바람직하다.

니오븀(Nb)은 탄소(C), 질소(N)와 우선적으로 결합해 내식성의 저하를 억제하는 석출물을 형성하지만, 과잉 첨가시에는 개재물에 의한 외관 불량 및 인성저하를 초래하고 원료비가 상승되기 때문에 그 함량을 0.01wt% 이상 0.10wt% 이하로 제한한다.

몰리브덴(Mo)의 양은 0.5wt% 이상 1.0wt% 이하인 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo)은 부동태피막의 재부동태화를 촉진해, 스테인레스 강의 내식성을 향상시키는 원소로서, 크롬(Cr)과 함께 첨가하여 그 효과는 배가된다.

이때, 몰리브덴(Mo)에 의한 내식성 향상 효과는 0.5wt% 이상에서 두드러지지만 몰리브데늄(Mo)이 1.0wt% 를 초과하면 가격이 비싸지는 문제가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은, 상기의 조성을 갖는 용강을 연주하여 슬라브를 생산한 다음 이를 재 가열하여 열간 압연, 열간소둔 냉간 압연 및 최종 소둔을 실시하여 제조된다.

상기와 같이, 생산되는 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 최종 연신율이 35% 이상을 만족하기 위해서 연신율 감소에 영향을 미치는 원소인 C, N, P, Si 및 Nb의 양을 보다 한정적으로 제한하는 것이 바람직하다.

예를 들어 하기의 식 (1)을 만족하는 것이 바람직하다.

0.1 < 400C + 85.7N + 55.6P + 7.7Si + 7.3Nb < 4.4 ----------- (1)

이하, 상기 식 (1)에서 400C + 85.7N + 55.6P + 7.7Si + 7.3Nb는 설명의 편의를 위해 "A"라 정의하며, 이때, 각각의 C, N, P, Si 및 Nb은 각 성분의 함량(wt%)을 의미한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스 강의 30 ~ 80℃의 온도범위에서 공식전위가 115mV 이상으로 유지시켜 내식성을 향상시키기 위해서, 내식성 향상에 영향을 미치는 원소인 Cr 및 Mo의 함량을 보다 한정적으로 제한할 수 있다.

예를 들어, 하기의 식 (2)를 만족시키는 것이 바람직하다.

24 < (10Cr + 28.3Mo) × (10 / T(℃)) < 75 ------------------ (2)

이하, 상기 식 (2)에서 (10Cr + 28.3Mo) × (10 / T(℃)는 설명의 편의를 위해 "B"로 정의하며, 이때, T는 부식 용액(35 w/v% NaCl 용액)의 온도를 의미하며 30(℃) ≤ T ≤ 80(℃)을 만족하고, Cr 및 Mo는 각 성분의 함량(wt%)을 의미한다.

이하, 실시예를 이용하여 본 발명을 설명한다.

No.	C	Mn	Mo	Ti	Nb	P	N	Si	Cr	Al	비고
1	0.004	0.15	0.90	0.213	0.010	0.016	0.0110	0.138	19.00	0.05	비교예
2	0.003	0.08	0.00	0.180	0.055	0.016	0.0050	0.108	18.16	0.01
3	0.003	0.20	0.09	0.050	0.075	0.016	0.0080	0.094	18.16	0.05
4	0.003	0.08	0.50	0.050	0.033	0.017	0.0050	0.132	17.00	0.05
5	0.003	0.14	0.17	0.030	0.010	0.018	0.0150	0.125	16.00	0.01
6	0.003	0.07	0.05	0.152	0.015	0.015	0.0050	0.050	16.00	0.02
7	0.003	0.10	0.00	0.258	0.050	0.016	0.0110	0.150	19.00	0.05
8	0.005	0.06	0.77	0.211	0.070	0.017	0.0080	0.070	19.50	0.10
9	0.003	0.08	0.50	0.235	0.055	0.018	0.0110	0.200	18.16	0.05
10	0.003	0.01	0.30	0.213	0.015	0.016	0.0080	0.055	18.00	0.09	실시예
11	0.003	0.12	0.51	0.208	0.051	0.016	0.0110	0.125	18.16	0.05
12	0.003	0.08	0.71	0.217	0.052	0.016	0.0110	0.108	18.08	0.05
13	0.003	0.08	0.72	0.227	0.050	0.015	0.0094	0.094	18.21	0.05
14	0.003	0.08	0.90	0.213	0.051	0.016	0.0110	0.097	18.16	0.06

표 1은 본 발명의 다양한 실시예 및 비교예의 각 성분별 조성 범위를 나타내었다.

본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 상기 표 1과 같은 조성을 갖는 용강을 통상의 방법으로 연주하여 슬라브를 제조한 후, 이를 1200 ~ 1300℃의 온도로 재가열하여 열간 압연을 실시하고, 연속 소둔로에서 900 ~ 1000℃의 온도로 약 30초간 유지하여 소둔시킨 후, 냉간 압연 및 최종 소둔을 실시하여 제조된다.

상기와 같이 제조된 제품에 대하여 연신율 및 내식성을 평가하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

이때, 연신율은 JIS13B 시편으로 가공 후 압연방향으로 인장하여 파단 연신율을 측정하여 평가하였고, 공식전위 부식실험은 시편을 20㎜ x× 20㎜ 크기로 절단한 뒤 실험면을 #600 연삭 가공하여 KS D 0238 규격에 따라 온도 30℃의 3.5% NaCl 용액에서 실시하였으며, 고온 부식실험은 3.5% NaCl 용액의 온도를 50℃, 80℃로 각각 가열하여 실험하였다.

No.	El(%)	A	B			공식전위(mV)			비고
			T=30	T=50	T=80	T=30	T=50	T=80
1	32.90	4.57	71.82	43.09	26.93	314	257	153	비교예
2	39.02	3.75	60.53	36.32	22.70	292	244	102
3	37.02	4.05	61.38	36.83	23.02	293	245	95
4	38.03	3.83	61.38	36.83	23.02	293	245	95
5	32.80	4.52	54.94	32.96	20.60	280	237	91
6	39.80	2.96	53.81	32.28	20.18	278	236	87
7	31.00	4.55	63.33	38.00	23.75	297	247	112
8	28.00	4.68	72.26	43.36	27.10	315	258	155
9	24.32	5.09	65.25	39.15	24.47	301	249	129
10	39.30	3.31	62.83	37.70	23.56	296	246	111	실시예
11	35.10	4.37	65.34	39.21	24.50	308	232	117
12	35.70	4.24	66.96	40.18	25.11	307	212	151
13	38.10	3.93	67.49	40.50	25.31	285	236	146
14	36.10	4.15	69.02	41.41	25.88	319	228	131

도 1은 연신율 감소에 영향을 미치는 합금성분들의 관계식과 연실율 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.

표 1, 표 2 및 도 1에 나타난 바와 같이, 각 성분의 함량을 전술된 바람직한 범위 내로 제어하더라도, A 값이 식 (1)의 조건을 만족하지 못하는 경우, No.1, No.5, No.7, No.8 및 No.9와 같이 연신율은 모두 35% 미만으로 나타나 성형성이 저하되는 반면, A 값이 식 (1)의 조건을 만족하는 경우 연신율이 35% 이상으로 나타나 성형성이 향상됨을 알 수 있다.

따라서, 요구되는 연신율 35% 이상을 만족시켜 성형성을 향상시키기 위해서는 A 값이 식 (1)을 만족하도록 C, N, P, Si 및 Nb의 함량을 제어하는 것이 바람직하다.

도 2는 내식성 향상에 영향을 미치는 합금성분들 및 부식용액의 온도의 관계식과 공식전위 값 사이의 관계를 도시한 그래프이다.

표 1, 표 2 및 도 2에 나타난 바와 같이, 각 성분의 함량을 전술된 바람직한 범위 내로 제어하더라도, B 값이 식 (2)를 만족하지 못하는 경우, No.2 내지 No.7 및 No.10과 같이, 30 ~ 80℃의 고온에서 공식전위가 115mV 미만으로 나타나 내식성이 저하됨을 알 수 있다.

반면에, B 값이 식 (2)를 만족하는 경우 30 ~ 80℃의 온도범위에서도 공식전위 값이 115mV 이상으로 나타나 고온(30 ~ 80℃)에서 내식성이 향상됨을 알 수 있다.

따라서, 공식 전위값을 115mV 이상으로 유지하기 위해서는 B 값이 24보다 크고 75 미만으로 관리되도록 Cr 및 Mo의 함량을 제어하는 것이 바람직하다.

한편, No.11 내지 No.14는 본발명의 바람직한 실시예로서 각 조성이 전술된 바람직한 범위 내에 포함되며, A 값 및 B 값이 각각 식 (1) 및 식 (2)의 범위를 만족한다.

이에, 연신율은 35% 이상이면서, 고온(30 ~ 80℃)에서 공식 전위가 115mV로 나타나, 성형성 및 내식성이 동시에 향상되었음을 알 수 있다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims (4)

1. C: 0.001 ~ 0.005 wt%, N: 0.005 ~ 0.02 wt%, Si: 0.05 ~ 0.30 wt%, Mn: 0.01 ~ 0.20 wt%, P: 0.01 ~ 0.03 wt%, Cr: 15 ~ 18.5 wt%, Al: 0.01 ~ 0.10 wt%, Ti:0.10 ~ 0.30 wt%, Nb: 0.01 ~ 0.10 wt%, Mo: 0.5 ~ 1.0 wt%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
   하기의 식(1), (2)를 만족하고, 30 ~ 80℃의 온도 범위에서 공식전위가 115mV 이상인 것을 특징으로 하는, 페라이트계 스테인리스강.
   0.1 < 400C + 85.7N + 55.6P + 7.7Si + 7.3Nb < 4.4 ----------- (1)
   24 < (10Cr + 28.3Mo) × (10 / T(℃)) < 75 ------------------ (2)
   상기 식 (1), (2)에서 T는 부식 용액(35 w/v% NaCl 용액)의 온도이며, 30(℃) ≤ T ≤ 80(℃)을 만족하고, C, N, P, Si, Nb, Cr 및 Mo는 각 성분의 함량(wt%)을 의미함.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   연신율이 35% 이상인 것을 특징으로 하는, 페라이트계 스테인리스강.
   
3. 삭제
4. 삭제

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