KR101697093B1 - 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강에 따르면, 중량%로, 탄소(C) 0.02%이하, 질소(N) 0.02% 이하, 실리콘(Si) 1.0% 이하, 망간(Mn) 1.20% 이하, 인(P) 0.05% 이하, 크롬(Cr) 10.0 내지 25.0%, 몰리브데늄(Mo) 0.5 내지 2.0%, 타이타늄(Ti) 0.01 내지 0.30%, 나이오븀(Nb) 0.30 내지 0.70%로 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 상기 페라이트계 스테인리스강은 나이오븀(Nb) 라베스상(laves phase) 석출물, 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)을 포함하는 석출물을 포함하며, 상기 석출물들은 결정립계로부터 1㎛이내의 영역에 30 내지 70% 분포하며, 상기 석출물들의 평균 입자 크기가 0.5㎛이하이다. 따라서, 스테인리스강 조성, 스테인리스강 내 석출물의 크기 및 분포 등을 조절하여 미세 석출물들이 고온에서 결정립계를 고정하여 결정립계 미끄러짐 및 전위의 빠른 이동을 억제하여 고온 강도 및 열피로 특성 등의 고온 특성을 개선시킬 수 있다.

Description

페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법{FERRITIC STAINLESS STEEL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금 성분 및 제조 방법의 제어에 의하여 스테인리스강 내의 석출물의 분포 및 성분의 조절을 통하여 고온 강도 및 열피로 특성 등의 고온 특성이 개선된 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
스테인리스강 중 특히 페라이트계 스테인리스강은 자동차 배기계 부품, 건축 자재, 주방 용기, 가전 제품 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 자동차 배기계 부품 중 배기 매니폴드(exhaust manifold)는 700℃ 이상의 고온의 배기가스에 직접 노출되는 환경으로 장시간의 가동환경에서 매우 높은 안전성이 요구된다. 따라서, 종래에는 고온 특성을 개선하는 합금 성분 및 제조 방법에 대한 많은 연구들이 행해져 왔다.
그 동안 고온 특성을 향상시키는 원소인 Mo, Nb, W 등의 합금의 영향에 대한 연구는 많이 진행되었지만 실질적으로 고온에서 페라이트계 스테인리스강 내부에 발생하는 결정립과 석출물들이 고온 물성에 미치는 영향에 대한 파악은 미진한 상태이다.
점차 고성능화 되어 가는 배기 매니폴드(Exhaust Manifold)용 소재로 적용을 위하여 상기 페라이트계 스테인리스강 내부에 발생하는 결정립과 석출물들에 대한 합금성분 및 제조 조건의 최적화가 요구된다.
한국 공개특허문헌 제10-2006-0007441호
본 발명의 실시예들은 페라이트계 스테인리스강의 합금 성분의 제어, 그리고 페라이트계 스테인리스강 내의 석출물의 분포 및 성분의 조절을 통하여 고온 강도 및 열피로 특성 등의 고온 특성이 개선된 페라이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 스테인리스강의 재가열, 조압연 및 사상압연 공정의 제어를 통한 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은, 중량%로, 탄소(C) 0.0005 내지 0.02%, 질소(N) 0.005 내지 0.02%, 실리콘(Si) 0.01 내지 1.0%, 망간(Mn) 0.01 내지 1.20%, 인(P) 0.001 내지 0.05%, 크롬(Cr) 10.0 내지 25.0%, 몰리브데늄(Mo) 0.5 내지 2.0%, 타이타늄(Ti) 0.01 내지 0.30%, 나이오븀(Nb) 0.30 내지 0.70%로 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다. 상기 페라이트계 스테인리스강은 나이오븀(Nb) 라베스상(laves phase) 석출물, 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)을 포함하는 석출물을 포함하며, 상기 석출물들은 결정립계로부터 1㎛이내의 영역에 30 내지 70% 분포하며, 상기 석출물들의 평균 입자 크기가 0.5㎛이하이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 나이오븀(Nb)/타이타늄(Ti)의 중량비는 2 내지 10 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나이오븀(Nb) 라베스상 석출물은 Fe2Nb, FeCrNb, Cr2Nb로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나이오븀(Nb) 라베스상 석출물은 Fe2Nb, FeCrNb, Cr2Nb로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 석출물들의 평균 입자 크기가 0.35㎛이하 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)를 포함하는 석출물 전체 질량에 대하여, 상기 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)를 포함하는 석출물 내의 나이오븀(Nb)의 질량은 30% 미만 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 페라이트계 스테인리스강은, 900℃에서 인장강도가 30MPa 이상 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 페라이트계 스테인리스강은, 50% 구속율에서 200 내지 900℃ 온도 구간에서 열피로 싸이클이 500회 이상 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법은, 중량%로, 탄소(C) 0.0005 내지 0.02%, 질소(N) 0.005 내지 0.02%, 실리콘(Si) 0.01 내지 1.0%, 망간(Mn) 0.01 내지 1.20%, 인(P) 0.001 내지 0.05%, 크롬(Cr) 10.0 내지 25.0%, 몰리브데늄(Mo) 0.5 내지 2.0%, 타이타늄(Ti) 0.01 내지 0.30%, 나이오븀(Nb) 0.30 내지 0.70%로 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강을 1,100 내지 1,300℃로 재가열하는 단계, 상기 스테인리스강을 복수 회의 조압연하는 단계 및 상기 스테인리스강을 사상압연하는 단계를 포함한다.
상기 조압연하는 단계에서, 최종 2회의 조압연은 총압하율 50% 이상으로 수행하며, 상기 조압연 후 상기 사상압연 전, 하기 식(1)의 시간 동안 유지된다.
8,000/(재가열 온도-1,000)＜시간(초)＜120 --------------- 식(1)
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 나이오븀(Nb)/타이타늄(Ti)의 중량비는 2 내지 10 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 사상압연하는 단계 이후, 권취하는 단계를 더 포함하며, 권취 온도는 500 내지 700℃ 일 수 있다.
본 발명의 실시예들은 페라이트계 스테인리스강은 스테인리스강 조성, 스테인리스강 내 석출물의 크기 및 분포 등을 조절하여 미세 석출물들이 고온에서 결정립계를 고정하여 결정립계 미끄러짐 및 전위의 빠른 이동을 억제하여 고온 강도 및 열피로 특성 등의 고온 특성을 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 페라이트계 스테인리스강을 제조하는 공정에 있어서, 재가열, 조압연 및 사상압연 공정을 제어함으로써, 결정립의 조대화를 방지하고, 이에 따라 결정립에 인접한 영역에 미세 석출물들이 분포되도록 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스테인리스강을 투과전자현미경(TEM)을 통하여 촬영한 사진이다.
도 2는 비교예에 따른 스테인리스강을 투과전자현미경(TEM)을 통하여 촬영한 사진이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
페라이트계 스테인리스강
본 발명의 일 실시예에 따르면, 페라이트계 스테인리스강은, 중량%로, 탄소(C) 0.02%이하, 질소(N) 0.02% 이하, 실리콘(Si) 1.0% 이하, 망간(Mn) 1.20% 이하, 인(P) 0.05% 이하, 크롬(Cr) 10.0 내지 25.0%, 몰리브데늄(Mo) 0.5 내지 2.0%, 타이타늄(Ti) 0.02 내지 0.30%, 나이오븀(Nb) 0.30 내지 0.70%로 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
탄소(C)의 양은 0.02% 이하이다. 보다 바람직하게는, 탄소의 양은 0.0005% 내지 0.02%이다. 탄소(C)의 양이 0.0005% 미만이면 고순도 제품을 만들기 위한 정련 가격이 비싸지고, 탄소(C)의 양이 0.02%를 초과하면 소재의 불순물이 늘어 연신율과 가공경화지수(n값)가 떨어지고 연성취성 천이온도(DBTT)가 올라가 충격특성이 나빠진다.
질소(N)의 양은 0.02% 이하이다. 보다 바람직하게는, 질소(N)의 양은 0.005% 내지 0.02%이다. 질소(N)의 양이 0.005% 미만이면 TiN 정출이 낮아져 슬라브의 등축정율이 낮아지고, 질소(N)의 양이 0.02 %를 초과하면 소재의 불순물이 증가하여 연신율이 떨어지고 연성취성 천이온도(DBTT)가 올라가 충격특성이 나빠진다.
실리콘(Si)의 양은 1.0% 이하이다. 보다 바람직하게는, 실리콘(Si)의 양은 0.01% 내지 1.0%이다. 실리콘(Si)의 양이 0.01% 미만이면 정련 가격이 비싸지는 문제가 있고, 실리콘(Si)의 양이 1.0%를 초과하면 소재의 불순물이 증가하여 연신율과 가공경화지수(n값)가 떨어지고 Si계 개재물이 증가하여 가공성이 나빠진다.
망간(Mn)의 양은 1.20% 이하이다. 보다 바람직하게는, 망간(Mn)의 양은 0.01% 내지 1.20% 이하이다. 망간(Mn)의 양이 0.01% 미만이면 정련 가격이 비싸지는 문제가 있고, 망간(Mn)의 양이 1.2%를 초과하면 소재의 불순물이 증가하여 연신율이 떨어지는 문제가 있다.
인(P)의 양은 0.05% 이하이다. 보다 바람직하게는, 인(P)의 양은 0.001% 내지 0.05%이다. 인(P)의 양이 0.001% 미만이면 정련 가격이 비싸지는 문제가 있고, 인(P)의 양이 0.05%를 초과하면 소재의 불순물이 증가하여 연신율과 가공경화지수(n값)가 떨어지는 문제가 있다.
황(S)의 양은 0.005% 이하이다. 보다 바람직하게는, 황(S)의 양은 0.0001% 내지 0.005%이다. 황(S)의 양이 0.0001% 미만이면 정련 가격이 비싸지는 문제가 있고, 황(S)의 양이 0.005%를 초과하면 내식성이 나빠지는 문제가 있다.
크롬(Cr)의 양은 10.0 내지 25.0%이다. 크롬(Cr)의 양이 10.0% 미만이면 내식성 및 내산화성이 나빠지는 문제가 있고, 크롬(Cr)의 양이 25.0%를 초과하면 연신율이 떨어지고 열연 스티킹(sticking) 결함이 발생하는 문제가 있다.
니켈(Ni)의 양은 0.01 내지 0.50%이다. 니켈(Ni)의 양이 0.01% 미만이면 정련 가격이 비싸지는 문제가 있고, 니켈(Ni)의 양이 0.50% 초과이면 소재의 불순물이 증가하여 연신율이 떨어지는 문제가 있다.
몰리브데늄(Mo)의 양은 0.5 내지 2.0%이다. 몰리브데늄(Mo)의 양이 0.5% 미만이면 소재 내에 고용되는 몰리브데늄(Mo)의 양이 너무 적어 소재의 고온 강도 및 열피로 특성 열화와 이상 산화 발생 확률이 높아지며, 몰리브데늄(Mo)의 양이 2.0%를 초과하면 충격 특성이 떨어져 가공시 파단 발생 위험이 커지며 소재의 원가가 올라가는 부담이 있다.
타이타늄(Ti)의 양은 0.01 내지 0.30%이다. 타이타늄(Ti)의 양이 0.01% 미만이면 불순물 극저 정련을 위한 비용이 많이 들고, 타이타늄(Ti)의 양이 0.3%를 초과하면 Ti계 산화물의 증가로 연주 슬라브 제조시 노즐이 막히는 문제가 있다.
나이오븀(Nb)의 양은 0.30 내지 0.70%이다. 나이오븀(Nb)의 양이 0.30% 미만이면 소재 내에 고용되는 Nb가 적어 소재의 고온 강도가 떨어지는 문제가 있고, 나이오븀(Nb)의 양이 0.70%를 초과하면 Nb계 석출물과 고용량이 과도하게 늘어나 연신율과 충격특성이 나빠지는 문제가 있다.
예를 들어, 나이오븀(Nb)/타이타늄(Ti)의 중량비는 2 내지 10이다.
특히, 타이타늄(Ti)과 나이오븀(Nb)은 소재의 고온 물성을 확보하는데 있어 중요한 원소로서 두 원소의 첨가비율에 따라 내부 석출물의 양 및 분포 등에 영향을 미쳐 최종적으로 소재의 고온 인장 강도 및 열피로 특성에 영향을 미치게 된다.
나이오븀(Nb)/타이타늄(Ti)의 중량비가 2 미만인 경우에는 타이타늄(Ti)의 양이 상대적으로 너무 많아 조대한 타이타늄(Ti)을 포함하는 석출물들이 석출되고, 그 주변으로 대부분의 나이오븀(Nb)이 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)를 포함하는 석출물로 석출되어 상기 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)를 포함하는 석출물 내의 나이오븀(Nb) 질량이 30% 이상인 경우, 미세한 크기를 가지는 나이오븀(Nb) 라베스상(laves phase) 석출물의 양이 감소하며, 이에 따라서, 고온 강도 및 열피로 특성이 하락하게 된다.
나이오븀(Nb)/타이타늄(Ti)의 중량비가 10 초과인 경우, 타이타늄(Ti)의 양이 상대적으로 너무 적고 나이오븀(Nb)의 양이 상대적으로 너무 많아 대부분의 나이오븀(Nb)이 상기 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)를 포함하는 석출물로 석출되어, 미세한 크기를 가지는 상기 나이오븀(Nb) 라베스상(laves phase) 석출물의 양이 감소하여, 고온 강도 및 열피로 특성이 하락하게 된다.
예를 들어, 상기 페라이트계 스테인리스강은 상기 나이오븀(Nb) 라베스상(laves phase) 석출물, 상기 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)을 포함하는 석출물, 상기 타이타늄(Ti)을 포함하는 석출물을 포함한다.
예를 들어, 상기 나이오븀(Nb) 라베스상 석출물은 Fe2Nb, FeCrNb, Cr2Nb로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 라베스상(laves phase)의 조성은 A2B형으로 조밀 충전 구조를 갖는 금속간 화합물이다. 상기 나이오븀(Nb) 라베스상 석출물의 입자 크기는 0.2㎛ 미만으로 상대적으로 미세한 크기를 가진다.
예를 들어, 상기 탄소(C) 또는 질소(N)을 포함하는 석출물은 나이오븀 나이트라이드(niobium nitride, NbN), 나이오븀 카바이드(niobium carbide, NbC), 나이오븀 카보나이트라이드(niobium carbonitride, NbCN)로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 탄소(C) 또는 질소(N)을 포함하는 석출물의 입자 크기는 0.5㎛ 내외의 크기를 가진다.
예를 들어, 상기 타이타늄(Ti)을 포함하는 석출물은 타이타늄 나이트라이드(titanium nitride, TiN), 타이타늄 카바이드(titanium carbide, TiC), 타이타늄 카보나이트라이드(titanium carbonitride, TiCN), 나이오븀 타이타늄(niobium titanium, NbTi)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 타이타늄(Ti)을 포함하는 석출물의 입자 크기는 1 내지 2㎛ 내외의 상대적으로 조대한 크기를 가진다.
따라서, 나이오븀(Nb)/타이타늄(Ti)이 2 내지 10의 중량비로 첨가 되었을 때, 소재 내부의 상기 석출물의 평균 입자 크기가 0.5㎛ 이하가 되어 조대한 석출물들의 생성을 억제할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 석출물들의 평균 입자 크기가 0.35㎛ 이하일 수 있다.
또한, 상기 석출물들은 결정립계(grain boundary)로부터 1㎛이내의 영역에 30 내지 70% 분포한다. 이와 같이, 상기 석출물들이 결정립계로부터 1㎛이내의 영역에 분포하여, 고온에서 결정립계를 고정(pinning)하는 역할을 할 수 있으며, 고온에서 발생하는 결정립계 미끄러짐(grain boundary sliding, GBS) 및 전위의 빠른 이동을 억제하여 고온 강도 및 열피로 특성을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)를 포함하는 석출물 전체 질량에 대하여, 상기 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)를 포함하는 석출물 내의 나이오븀(Nb)의 질량은 30% 미만일 수 있다. 상기 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)를 포함하는 석출물 내의 나이오븀(Nb) 질량이 30% 이상인 경우, 미세한 크기를 가지는 나이오븀(Nb) 라베스상(laves phase) 석출물의 양이 감소하며, 이에 따라서, 고온 강도 및 열피로 특성이 하락하게 된다.
예를 들어, 타이타늄(Ti)의 양이 상대적으로 너무 많거나, 나이오븀(Nb)의 양이 상대적으로 너무 많은 경우, 대부분의 나이오븀(Nb)이 상기 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)를 포함하는 석출물로 석출되어, 상기 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)를 포함하는 석출물 내의 나이오븀(Nb) 질량이 30% 이상이 되어, 미세한 크기를 가지는 상기 나이오븀(Nb) 라베스상(laves phase) 석출물의 양이 감소하며, 따라서, 고온 강도 및 열피로 특성이 하락하게 된다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은, 900℃에서 인장강도가 30MPa 이상 일 수 있다.
또한, 상기 페라이트계 스테인리스강은, 50% 구속율에서 200 내지 900℃ 온도 구간에서 열피로 싸이클이 500회 이상 일 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 스테인리스강을 발명예들을 통하여 상세하게 설명하고자 한다.
발명강 및 비교강의 조성을 하기 표 1에 나타내었다.
C N Si Mn P Cr Mo Ti Nb Nb/Ti
발명강1 0.0092 0.0090 0.4 0.4 0.02 18.3 1.15 0.15 0.53 3.5
발명강2 0.0096 0.00110 0.4 0.4 0.02 21.2 1.54 0.12 0.56 4.7
발명강3 0.00134 0.0097 0.5 0.5 0.02 16.1 1.81 0.13 0.55 3.5
비교강1 0.0088 0.00114 0.3 0.4 0.02 18.2 0.20 0.11 0.52 4.7
비교강2 0.00104 0.0083 0.2 0.5 0.03 18.3 1.21 0.03 0.65 21.7
비교강3 0.0089 0.0091 0.3 0.4 0.02 19.2 1.55 0.08 0.21 2.6
비교강4 0.00123 0.00102 0.4 0.3 0.03 22.3 1.37 0.25 0.33 1.3
상기 표 1를 참조하면, 발명강1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 조성을 만족한다. 이에 대하여, 비교강1은 몰리브데늄(Mo)의 함량이 벗어나며, 비교강2는 나이오븀(Nb)/타이타늄(Ti)의 중량비가 벗어나며, 비교강3은 나이오븀(Nb)의 함량이 벗어나고, 비교강 4는 나이오븀(Nb)/타이타늄(Ti)의 중량비가 벗어난다.
이에 따른 발명강 내지 비교강의 조성을 가지는 스테인리스강을 후술할 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법에 따라 동일한 조건 하에서 수행하였으며, 이에 따른 페라이트계 스테인리스강의 물성 등을 하기 표 2에 나타내었다.
석출물의 크기
(㎛)		 결정립계로부터 1㎛이내의 영역에 분포하는 석출물의 비율(%) Nb와 C, N을 포함하는 석출물 내 Nb의 질량비(%) 900℃ 인장 강도
(Mpa)		 열피로 싸이클
(회)
발명강1 0.28 58 11 34 564
발명강2 0.22 49 13 36 588
발명강3 0.34 38 21 37 612
비교강1 0.37 48 19 28 455
비교강2 1.21 12 78 27 472
비교강3 0.13 9 33 31 467
비교강4 0.89 24 42 25 437
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스테인리스강을 투과전자현미경(TEM)을 통하여 촬영한 사진이다. 도 2는 비교예에 따른 스테인리스강을 투과전자현미경(TEM)을 통하여 촬영한 사진이다.
도 1 및 도 2와 상기 표 1 및 표 2를 참조하면, 도 1은 본 발명의 발명강1을 투과전자현미경(TEM)을 통하여 촬영한 사진이다. 도 2는 비교강2를 투과전자현미경(TEM)을 통하여 촬영한 사진이다.
도 1에는 결정립계에 인접하여 미세한 사이즈의 미세 석출물(10)이 분포하고 있으며, 이러한 미세 석출물(10)의 평균 입자 크기는 0.5㎛ 이하이다. 도 2에는 결정립계와 무관하게 조대 석출물(20)이 분포하고 있으며, 이러한 조대 석출물(20)의 평균 입자 크기는 1㎛ 내외이다.
결론적으로, 상기 페라이트계 스테인리스강의 조성이 본 발명의 일 실시예에 따른 조성을 만족하고, 상기 석출물의 평균 입자 크기가 0.5㎛이하이며, 상기 석출물들이 결정립계로부터 1㎛이내의 영역에 30 내지 70% 분포하는 경우, 900℃에서 인장강도가 30MPa 이상이고 50% 구속율에서 200 내지 900℃ 온도 구간에서 열피로 싸이클이 500회 이상이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 고온 강도 및 열피로 특성 등의 고온 특성이 개선된다.
페라이트계 스테인리스강의 제조 방법
본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법에 따르면, 나이오븀(Nb) 라베스상(laves phase) 석출물, 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)을 포함하는 석출물을 포함하며, 상기 석출물들은 결정립계로부터 1㎛이내의 영역에 30 내지 70% 분포하며, 상기 석출물들의 평균 입자 크기가 0.5㎛이하인 페라이트계 스테인리스강을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 고온 강도 및 열피로 특성을 확보하기 위해서는 미세한 석출물들의 크기 및 분포를 제어해야 하는데 이는 성분 제어뿐 만 아니라 열연 공정의 제어를 필요로 한다.
상기 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법에 따르면, 중량%로, 탄소(C) 0.02%이하, 질소(N) 0.02% 이하, 실리콘(Si) 1.0% 이하, 망간(Mn) 1.20% 이하, 인(P) 0.05% 이하, 크롬(Cr) 10.0 내지 25.0%, 몰리브데늄(Mo) 0.5 내지 2.0%, 타이타늄(Ti) 0.01 내지 0.30%, 나이오븀(Nb) 0.30 내지 0.70%로 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 이용하여 슬라브(slab)를 제조한다. 상기 슬라브를 하기의 조건들에 따라, 재가열하고, 열간 조압연, 열간 사상압연, 권취한다.
상기 슬라브는 가열로에서 1,100 내지 1,300℃의 온도에서 재가열된다. 상기 스테인리스강은 슬라브(slab)의 형태로 제공되며, 상기 슬라브는 상기 슬라브의 주조 중에 생성된 조대한 석출들을 재분해하기 위해 슬라브의 열연 재가열 온도를 1,100℃ 이상으로 하며, 내부 결정립의 조대화를 방지하기 위해서는 재가열 온도를 1,300℃ 이하로 한다.
이후, 상기 스테인리스강을 복수 회의 열간 조압연을 진행한다.
여기서, 상기 조압연하는 단계에서, 최종 2회의 조압연은 총압하율 50% 이상으로 수행하며, 상기 스테인리스강을 조압연 한 후 사상압연 하기 전, 하기 식(1)의 시간 동안 유지된다.
8,000/(재가열 온도-1,000)＜시간(초)＜120 --------------- 식(1)
이때, 최종 2회의 조압연은 총압하율 50% 이상으로 수행하여 결정립계 내에 미세한 석출물들을 석출시킬 수 있다.
이후, 상기 스테인리스강을 조압연 한 후 사상압연을 하기 전까지 유지되는 시간을, 8000/(재가열 온도-1,000)초 이상으로 하여 충분한 재결정 시간을 부여하고, 상기 스테인리스강을 조압연 한 후 사상압연을 하기 전까지 유지되는 시간을 120초 이하로 제어하여 결정립의 조대화를 방지할 수 있다.
상기와 같은 결정립의 제어를 통하여 결정립계에 미세한 석출물이 생성될 수 있는 사이트(site)를 제공할 수 있으며, 결정립계로부터 1㎛이내의 영역에 미세한 나이오븀(Nb) 라베스상 석출물을 생성 시킬 수 있다. 이렇게 결정립계 주변에 생성된 미세한 석출물들은 고온에서 결정립계를 고정(pinning)하는 역할을 하여 고온에서 발생하는 결정립계 미끄러짐(grain boundary sliding, GBS) 및 전위의 빠른 이동을 억제하여 고온 강도 및 열피로 특성을 향상시키는 역할을 한다.
이후, 상기 스테인리스강을 사상압연한다.
상기 사상압연한 상기 스테인리스강을 권취할 수 있다. 예를 들어, 이때의, 상기 권취 온도는 500 내지 700℃ 일 수 있다. 상기에 따른 열연 공정 중에 석출된 석출물들이 조대화 되지 않도록 권취온도를 700℃ 이하로 제어하고, 판형상 및 표면품질을 위해 500℃ 이상으로 권취 온도를 제어한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 스테인리스강의 제조 방법을 실시예들을 통하여 상세하게 설명하고자 한다.
실시예1 내지 실시예3
상기 발명강1 내지 발명강3의 조성에 따라 슬라브를 각각 제조한 후, 가열로에서 1,200℃의 온도에서 재가열하였다. 이후, 열간 조압연을 수행하였으며, 최종 2회의 조압연을 총압하율 70%로 수행하였다. 조압연 이후, 사상압연 전까지 상기 발명강들을 60초 동안 유지하였다. 상기 발명강들을 사상압연 후, 냉각 및 권취하였으며, 이때 권취 온도는 550℃로 유지하였다.
비교예1 내지 비교예3
상기 발명강1 내지 발명강3의 조성에 따라 슬라브를 각각 제조한 후, 가열로에서 1,000℃의 온도에서 재가열하였다. 이후, 열간 조압연을 수행하였으며, 최종 2회의 조압연을 총압하율 40%로 수행하였다. 조압연 이후, 연속적으로 사상압연, 냉각 및 권취하였으며, 이때 권취 온도는 550℃로 유지하였다.
석출물의 크기
(㎛)		 결정립계로부터 1㎛이내의 영역에 분포하는 석출물의 비율(%) Nb와 C, N을 포함하는 석출물 내 Nb의 질량비(%) 900℃ 인장 강도
(Mpa)		 열피로 싸이클
(회)
실시예1 0.28 58 11 34 564
실시예2 0.22 49 13 36 588
실시예3 0.34 38 21 37 612
비교예1 0.72 35 39 30 473
비교예2 0.39 15 19 33 491
비교예3 1.34 24 49 31 479
상기 표 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 페라이트계 스테인리스강은, 석출물들은 결정립계로부터 1㎛이내의 영역에 30 내지 70% 분포하며, 상기 석출물들의 평균 입자 크기가 0.5㎛이하이며, 이에 따라, 고온에서 결정립계를 고정하여 결정립계 미끄러짐 및 전위의 빠른 이동을 억제하여 고온 강도 및 열피로 특성 등의 고온 특성이 개선됨을 알 수 있다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
10: 미세 석출물 20: 조대 석출물

Claims (11)

  1. 중량%로, 탄소(C) 0.0005 내지 0.02%, 질소(N) 0.005 내지 0.02%, 실리콘(Si) 0.01 내지 1.0%, 망간(Mn) 0.01 내지 1.20%, 인(P) 0.001 내지 0.05%, 크롬(Cr) 10.0 내지 25.0%, 몰리브데늄(Mo) 0.5 내지 2.0%, 타이타늄(Ti) 0.01 내지 0.30%, 나이오븀(Nb) 0.30 내지 0.70%로 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 페라이트계 스테인리스강에 있어서,
    상기 페라이트계 스테인리스강은 나이오븀(Nb) 라베스상(laves phase) 석출물, 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)을 포함하는 석출물을 포함하며, 상기 석출물들은 결정립계로부터 1㎛이내의 영역에 30 내지 70% 분포하며, 상기 석출물들의 평균 입자 크기가 0.5㎛이하인 페라이트계 스테인리스강.
  2. 제1항에 있어서, 나이오븀(Nb)/타이타늄(Ti)의 중량비는 2 내지 10인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강.
  3. 제1항에 있어서, 상기 나이오븀(Nb) 라베스상 석출물은 Fe2Nb, FeCrNb, Cr2Nb로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강.
  4. 제1항에 있어서, 상기 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)을 포함하는 석출물은 나이오븀 나이트라이드(niobium nitride, NbN), 나이오븀 카바이드(niobium carbide, NbC), 나이오븀 카보나이트라이드(niobium carbonitride, NbCN)로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강.
  5. 제1항에 있어서, 상기 석출물들의 평균 입자 크기가 0.35㎛이하인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강.
  6. 제1항에 있어서, 상기 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)를 포함하는 석출물 전체 질량에 대하여, 상기 나이오븀(Nb)과 탄소(C) 또는 질소(N)를 포함하는 석출물 내의 나이오븀(Nb)의 질량은 30% 미만인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강.
  7. 제1항에 있어서, 상기 페라이트계 스테인리스강은, 900℃에서 인장강도가 30MPa 이상인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강.
  8. 제1항에 있어서, 상기 페라이트계 스테인리스강은, 50% 구속율에서 200 내지 900℃ 온도 구간에서 열피로 싸이클이 500회 이상인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강.
  9. 중량%로, 탄소(C) 0.0005 내지 0.02%, 질소(N) 0.005 내지 0.02%, 실리콘(Si) 0.01 내지 1.0%, 망간(Mn) 0.01 내지 1.20%, 인(P) 0.001 내지 0.05%, 크롬(Cr) 10.0 내지 25.0%, 몰리브데늄(Mo) 0.5 내지 2.0%, 타이타늄(Ti) 0.01 내지 0.30%, 나이오븀(Nb) 0.30 내지 0.70%로 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강을 1,100 내지 1,300℃로 재가열하는 단계;
    상기 스테인리스강을 복수 회의 조압연하는 단계; 및
    상기 스테인리스강을 사상압연하는 단계를 포함하는 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법에 있어서,
    상기 조압연하는 단계에서, 최종 2회의 조압연은 총압하율 50% 이상으로 수행하며,
    상기 조압연 후 상기 사상압연 전, 하기 식(1)의 시간 동안 유지되는 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법.
    8,000/(재가열 온도-1,000)＜시간(초)＜120 --------------- 식(1)
  10. 제9항에 있어서, 나이오븀(Nb)/타이타늄(Ti)의 중량비는 2 내지 10인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 사상압연하는 단계 이후, 권취하는 단계를 더 포함하며, 권취 온도는 500 내지 700℃인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법.


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