KR101735007B1 - 주름 저항성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강관 - Google Patents

주름 저항성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강관 Download PDF

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Abstract

주름 저항성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강관이 개시된다. 개시된 오스테나이트계 스테인리스 강관은, 중량%로, 실리콘(Si): 0.1 내지 0.65%, 망간(Mn): 0.2 내지 3.0%, 니켈(Ni): 6.5 내지 12.0%, 크롬(Cr): 14.5 내지 20.5%, 구리(Cu): 6.0%이하(0은 제외), 탄소(C)+질소(N): 0.13% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 강관의 외경(D) 및 강관의 두께(t)에 관한 하기 식 (1)을 만족하며, 항복강도가 195MPa 이하이다.
D/t≥20 …… 식 (1)

Description

주름 저항성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강관{AUSTENITIC STAINLESS STEEL PIPE HAVING EXCEELENT WRINKLE RESISTANCE}
본 발명은 주름 저항성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강관에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 강관을 인력으로 쉽게 굽혀서 사용 가능할 뿐만 아니라 강관의 굽힘 가공시 굽혀진 부분에 주름이 발생하지 않는 오스테나이트계 스테인리스 강관에 관한 것이다.
종래 가정용 및 자동차용 에어컨 냉매 배관으로 스테인리스강을 적용하고자 하는 시도가 있었다. 스테인리스강은 타 소재 대비 내식성이 우수할 뿐만 아니라 비교적 소재 비용이 저렴하기 때문이다.
그러나, 에어컨 냉매 배관 시공 시 설치 공간에 제약을 받기 때문에, 많은 경우 배관을 시공함에 있어 인력으로 배관을 구부리는 등의 작업이 필수적으로 수반되는데, 종래의 동관 또는 알루미늄관은 그 재질이 충분이 연하여 문제가 없으나, 일반적인 스테인리스강은 배관 시공 시 필수적으로 구비되어야 하는 가요성을 구비하지 못한다는 문제점이 존재한다.
금속재료는 인장 또는 압축 등 변형을 받으면 가공경화가 발생하여 변형을 받을수록 더욱 강해지는 특성이 있다. 배관을 구부리는 것은 인장과 압축의 복합적인 작용으로 구부리는 정도가 심해짐에 따라 소재는 더욱 경질화된다. 특히, 오스테나이트계 스테인리스강으로서 가장 널리 사용되는 304강은 가공경화의 정도가 심해 에어컨 배관 시공을 해야 하는 공간 내에서 인력으로 배관을 구부리는 것은 매우 곤란하다.
뿐만 아니라, 오스테나이계 스테인리스강은 배관의 굽힘 가공 시에 주름과 같은 형상 변화가 발생하는 문제를 갖고 있다. 이러한, 주름은 미관상 좋지 않아 제거 대상이며, 이를 연마를 통한 제거하게 되면 추가적인 비용 및 시간이 소모되는 문제점이 있다.
일본 공개특허문헌 제10-2003-268503호
본 발명의 실시예들은 인력으로 쉽게 굽혀서 사용 가능할 뿐만 아니라 강관의 굽힘 가공시 굽혀진 부분에 주름이 발생하지 않는 오스테나이트계 스테인리스 강관을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 주름 저항성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강관은, 중량%로, 실리콘(Si): 0.1 내지 0.65%, 망간(Mn): 0.2 내지 3.0%, 니켈(Ni): 6.5 내지 12.0%, 크롬(Cr): 14.5 내지 20.5%, 구리(Cu): 6.0%이하(0은 제외), 탄소(C)+질소(N): 0.13% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 강관의 외경(D) 및 강관의 두께(t)에 관한 하기 식 (1)을 만족하며, 항복강도가 195MPa 이하이다.
D/t≥20 …… 식 (1)
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, ASTM 결정입도 번호가 8 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 강관은 페라이트 상분율 또는 마르텐사이트 상분율이 1% 미만일 수 있다.
본 발명의 실시예들은 오스테나이트계 스테인리스강을 이용하여 제조된 강관을 사용하여, 종래 가정용 및 자동차용 에어컨 냉매 배관 용도로 사용되던 동관 또는 알루미늄관을 스테인리스관으로 대체할 수 있으며, 기존 배관에 비하여 내식성 뿐만 아니라 소재의 비용을 절감할 수 있고, 배관의 굽힘 가공에도 주름 등의 형상적인 문제가 발생하지 않아 큰 어려움 없이 인력에 의하여 용이하게 배관의 굽힘 가공이 가능하다.
도 1은 종래의 오스테나이트계 스테인리스 강관을 90° 굽힌 모습을 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강관을 90° 굽힌 모습을 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강관의 외경(D) 및 두께(t)의 비율과 항복강도와의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강관의 항복강도와 입도와의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
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.
본 발명의 일 실시예에 따른 주름 저항성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강관은, 중량%로, 실리콘(Si): 0.1 내지 0.65%, 망간(Mn): 0.2 내지 3.0%, 니켈(Ni): 6.5 내지 12.0%, 크롬(Cr): 14.5 내지 20.5%, 구리(Cu): 6.0%이하(0은 제외), 탄소(C)+질소(N): 0.13% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하에서는 본 발명의 주름 저항성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강관을 구성하는 성분들의 수치한정 이유에 대하여 설명한다.
실리콘(Si)은 0.1 내지 0.65 중량% 범위 내에서 조절하여 첨가한다.
실리콘(Si)은 탈산을 위해 필수적으로 첨가되는 원소이며, 그 함량을 너무 낮은 양으로 제어하려면 제강 공정에 있어서 비용이 많이 소요되므로 이므로, 0.1% 이상으로 한정한다.
그러나 과도하게 높은 함량의 Si를 첨가하는 경우 Si은 고용 강화 원소로서 강도가 높아져 소재가 경질화되는 바, 본 발명에서 제시하는 항복강도 195 MPa 이하를 달성하기 쉽지 않다. 뿐만 아니라, 산소와 결합하여 개재물을 형성함으로써 내식성이 저하되므로 그 상한을 0.65%로 제한한다.
망간(Mn)은 0.2 내지 3.0 중량%의 범위 내에서 조절하여 첨가한다.
망간(Mn)은 탈산을 위해 필수적으로 첨가 될 뿐만 아니라 오스테나이트상의 안정화도를 증가시키며 강관의 페라이트 혹은 마르텐사이트 생성량을 줄여 주는 원소로서, 오스테나이트 밸런스 유지를 위해서는 1.0% 이상을 첨가한다.
그러나, Mn은 고용 강화 원소로서, 과도하게 높은 함량의 Mn 첨가는 강관의 강도 증가의 우려가 있어 본 발명에서 제시하는 항복강도 195 MPa 이하를 달성하기 쉽지 않다. 뿐만 아니라, 소재의 내식성을 저하시키므로 그 상한은 3.0%로 제한한다.
니켈(Ni)은 6.5 내지 12.0 중량%의 범위 내에서 조절하여 첨가한다.
니켈(Ni)은 크롬(Cr)과 복합 첨가함으로써 내공식성과 같은 내식성의 개선에 효과적일 뿐만 아니라, 그 함유량이 증가하면 오스테나이트강의 연질화를 도모할 수 있다. 또한, 니켈(Ni)은 오스테나이트상의 안정화도를 증가시키며 강관의 페라이트 혹은 마르텐사이트 생성량을 줄여 주는 원소로서, 오스테나이트 밸런스 유지를 위하여 6.5% 이상을 첨가한다.
그러나, 과도하게 높은 함량의 니켈(Ni) 첨가는 강 비용의 상승을 초래하므로 상한을 12.0%로 제한한다.
크롬(Cr)은 14.5 내지 20.5 중량% 범위 내에서 조절하여 첨가한다.
크롬(Cr)은 스테인리스강의 내식성을 향상시키는 필수적인 원소로서 범용으로 사용되기 위해서는 14.5% 이상이 첨가되어야 한다.
그러나, Cr은 고용 강화 원소로서, 과도하게 높은 함량의 Cr 첨가는 강관의 강도 증가의 우려가 있어 본 발명에서 제시하는 항복강도 195 MPa 이하를 달성하기 쉽지 않다. 뿐만 아니라, 비용의 상승을 초래하므로 상한을 20.5%로 제한한다.
구리(Cu)는 6.0 중량% 이하(0은 제외) 범위 내에서 조절하여 첨가한다.
구리(Cu)는 오스테나이트강의 연질화를 야기할 수 있으며, 강관의 페라이트 혹은 마르텐사이트 생성량을 줄여 주는 원소로서, 이를 첨가하는 것이 바람직하다.
그러나 과도하게 높은 함량의 구리(Cu) 첨가는 열간 가공성을 저하시키고, 오히려 오스테나이트상을 경질화시킬 수 있으며, 비용의 상승 및 제조 난이도를 상승 시키므로 그 상한을 6.0%로 제한한다.
탄소(C)+질소(N)는 0.13 중량% 이하(0은 제외)로 첨가되어야 한다.
탄소(C)와 질소(N)는 침입형 고용강화 원소로서 오스테나이트계 스테인리스강을 경질화 시킬 뿐만 아니라, 그 함량이 높으면 가공 시 발생하는 변형유기 마르텐사이트를 경질화하여 소재의 가공 경화도가 증가하게 된다.
따라서, 탄소(C) 및 질소(N)의 함량을 제한할 필요성이 있으며, 본 발명에서는 C+N의 함량을 0.13% 이하로 제한한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 주름 저항성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강관은, 강관의 외경(D) 및 강관의 두께(t)에 관한 하기 식 (1)을 만족한다.
D/t≥20 …… 식 (1)
강관의 외경(D) 및 강관의 두께(t)의 비인 D/t 비율이 20 미만인 영역에서는, 누구나 용이하게 주름을 발생시키지 않고 강관의 굽힘 가공이 가능하다.
그러나 강관의 외경(D) 및 강관의 두께(t)의 비인 D/t 비율이 20 이상인 영역에서는, 강관의 굽힘 가공시 주름이 발생하여 가공이 쉽지 않다.
다만, 본 발명에서 제시하는 바와 같이 강관의 외경(D) 및 강관의 두께(t)의 비인 D/t 비율이 20 이상인 것, 그리고 강관의 항복강도가 195MPa 이하인 것의 조합으로 주름 없이 용이하게 굽힘 가공이 가능하다.
상기 스테인리스 강관의 항복강도가 195MPa 이하이다.
강관의 외경(D) 및 강관의 두께(t)의 비인 D/t 비율이 20 미만인 영역에서는, 상기 스테인리스 강관의 항복강도와 무관하게 누구나 용이하게 주름을 발생시키지 않고 강관의 굽힘 가공이 가능하다.
강관의 외경(D) 및 강관의 두께(t)의 비인 D/t 비율이 20 이상인 영역에서, 상기 스테인리스 강관의 항복강도가 195MPa 초과인 경우, 강관의 강도가 과도하여, 인력으로 굽힘 가공을 수행하기 어려울 뿐만 아니라, 굽힘 가공시 주름이 발생하는 문제점이 있다.
도 1은 종래의 오스테나이트계 스테인리스 강관을 90° 굽힌 모습을 나타내는 사진이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강관을 90° 굽힌 모습을 나타내는 사진이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강관의 외경(D) 및 두께(t)의 비율과 항복강도와의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2의 오스테나이트계 스테인리스강은 본 발명의 강관의 외경(D) 및 두께(t)의 비율과 항복강도를 만족하는 것으로서, 굽힘 가공시 주름이 발생하지 않음을 알 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명에서 제시하는 성분을 갖는 강관을 사용하여 강관의 외경(D) 및 두께(t)의 비율(D/t)와 강관의 항복강도에 따라, 배관을 굽힘 가공 시에 주름이 발생하는지 여부를 나타낸 것이다. 검은색 원은 본 발명에 따른 실시예들로서, 강관의 굽힘 가공 시 주름이 발생하지 않은 경우이며, 흰색 원은 본 발명의 실시예를 벗어난 경우로서, 강관의 굽힘 가공 시 주름이 발생한 경우이다.
강관의 외경(D) 및 두께(t)의 비율(D/t)이 20 미만인 영역에서는 강관의 항복강도에 구애 받지 않고 주름이 발생하지 않는 것을 알 수 있다.
반면 강관의 외경(D) 및 두께(t)의 비율(D/t)이 20 이상인 영역에서는 본 발명에서 제시하는 바와 같이 반드시 항복강도 195MPa 이하로 강관을 제조하여야 주름이 발생하지 않는 강관을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 배관의 항복강도는 ASTM_A370법을 따라 측정하였으나 다른 방법으로 해도 무방하다.
예를 들어, 상기 스테인리스 강관의 ASTM 결정입도 번호가 8 이하일 수 있다. 상기 결정입도는 상기 스테인리스 강관의 길이방향 단면에서 측정한 결정입도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강관의 항복강도와 입도와의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명에서 제시하는 결정입도 범위로 항복강도 195MPa 이하가 되도록 양호하게 제조할 수 있을 보여준다. 도 4를 참조하면, 결정입도가 감소할수록 강관의 항복강도가 감소하는 경향이 있음을 알 수 있다.
따라서, 본원 발명의 항복강도 195MPa 이하를 만족하기 위하여는, 결정입도를 8 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 강관은 페라이트 상분율이 1% 미만일 수 있으며, 상기 강관은 마르텐사이트 상분율이 1% 미만일 수 있다.
상기 강관은 자화 방식으로 측정한 페라이트 또는 마르텐사이트 분율이 1% 미만이다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예
하기 표 1의 발명예1 내지 발명예19, 그리고 비교예1 내지 비교예11의 성분을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강 슬라브를 연속 주조하여 제조하였다. 이후, 열간 압연 및, 50% 총압하율로 냉간 압연을 거쳐, 냉연 강판을 제조하였다. 냉연 강판을 이용하여 강관을 제조하였다.
이후, 강관의 입도, 항복강도 등의 물성을 측정하였으며, 강관을 90° 굽힌 후 주름의 발생여부를 육안으로 확인하였다.
성분
C Si Mn Ni Cr Cu N
발명예1 0.012 0.3 0.7 7.8 16.9 3.01 0.008
발명예2 0.010 0.3 1.2 9.6 16.8 0.00 0.010
발명예3 0.010 0.3 1.2 8.7 16.9 3.00 0.010
발명예4 0.010 0.3 1.2 9.6 16.9 2.98 0.010
발명예5 0.009 0.6 1.2 7.5 17.0 2.98 0.010
발명예6 0.010 0.3 1.8 7.6 16.8 3.00 0.010
발명예7 0.010 0.3 1.1 7.6 17.2 3.03 0.010
발명예8 0.010 0.3 2.2 7.6 16.9 3.00 0.010
발명예9 0.012 0.3 0.7 7.8 16.9 3.01 0.008
발명예10 0.010 0.3 1.2 9.6 16.8 0.00 0.010
발명예11 0.010 0.3 1.2 9.6 16.9 2.98 0.010
발명예12 0.009 0.6 1.2 7.5 17.0 2.98 0.010
발명예13 0.010 0.3 1.2 8.7 16.9 3.00 0.010
발명예14 0.010 0.3 1.2 9.6 19.0 0.00 0.010
발명예15 0.010 0.3 2.2 7.6 16.9 3.00 0.010
발명예16 0.010 0.3 1.8 7.6 16.8 3.00 0.010
발명예17 0.010 0.3 1.1 7.6 17.2 3.03 0.010
발명예18 0.010 0.3 1.2 9.6 19.0 2.90 0.010
발명예19 0.010 0.3 1.2 9.6 16.8 0.00 0.010
비교예1 0.012 0.3 0.7 7.8 16.9 3.01 0.008
비교예2 0.010 0.3 1.2 9.6 19.0 0.00 0.010
비교예3 0.010 0.3 1.2 9.6 16.9 2.98 0.010
비교예4 0.010 0.3 1.2 8.7 16.9 3.00 0.010
비교예5 0.010 0.3 1.8 7.6 16.8 3.00 0.010
비교예6 0.009 0.6 1.2 7.5 17.0 2.98 0.010
비교예7 0.010 0.3 1.2 9.6 19.0 2.90 0.010
비교예8 0.010 0.3 2.2 7.6 16.9 3.00 0.010
비교예9 0.010 0.3 1.1 7.6 17.2 3.03 0.010
비교예10 0.010 0.3 1.2 9.6 19.0 0.00 0.010
비교예11 0.010 0.3 1.2 9.6 19.0 2.90 0.010
입도 (ASTM) 항복강도 (MPa)
발명예1 5.8 169
발명예2 5.7 171
발명예3 6.0 172
발명예4 6.0 172
발명예5 6.5 176
발명예6 6.2 177
발명예7 6.1 178
발명예8 6.4 180
발명예9 6.6 181
발명예10 6.5 182
발명예11 6.8 182
발명예12 7.4 183
발명예13 6.8 185
발명예14 7.4 187
발명예15 7.0 188
발명예16 6.8 188
발명예17 6.9 189
발명예18 7.9 192
발명예19 7.5 195
비교예1 8.0 196
비교예2 7.9 201
비교예3 7.9 202
비교예4 8.3 202
비교예5 8.3 203
비교예6 8.7 205
비교예7 8.5 206
비교예8 8.2 207
비교예9 8.5 208
비교예10 8.8 220
비교예11 9.4 227
상기 표 1 및 표 2, 그리고 도 3 및 도 4를 참조하면, 표 1은 본 발명에서 제시하는 성분 및 입도의 역할을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 조성을 만족하더라도, 결정입도 및 항복강도가 본 발명의 범위를 만족하지 못하는 경우, 강관의 굽힘 가공시 주름이 발생할 수 있다.
도 4는 본 발명에서 제시하는 결정입도 범위로 항복강도 195MPa 이하가 되도록 양호하게 제조할 수 있을 보여준다. 도 4를 참조하면, 결정입도가 감소할수록 강관의 항복강도가 감소하는 경향이 있음을 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.

Claims (3)

  1. 중량%로, 실리콘(Si): 0.1 내지 0.65%, 망간(Mn): 0.2 내지 3.0%, 니켈(Ni): 6.5 내지 12.0%, 크롬(Cr): 14.5 내지 20.5%, 구리(Cu): 6.0%이하(0은 제외), 탄소(C)+질소(N): 0.13% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    강관의 외경(D) 및 강관의 두께(t)에 관한 하기 식 (1)을 만족하며,
    ASTM 결정입도 번호가 8 이하를 만족하여 항복강도가 195MPa 이하인 주름 저항성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강관.
    D/t≥20 …… 식 (1)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강관은 페라이트 상분율 또는 마르텐사이트 상분율이 1% 미만인 주름 저항성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강관.

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