KR101821170B1 - 비용-효과적인 페라이트계 스테인리스강 - Google Patents

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Abstract

비용-효과적인 페라이트계 스테인리스강은, 타입 304L 강에서 관찰된 것에 필적하는 개선된 내식성을 나타낸다. 상기 페라이트계 스테인리스강은, 실질적으로 니켈-비함유이고, 티탄과 콜럼븀으로 이중 안정화되며, 크롬, 구리 및 몰리브덴을 함유한다.

Description

비용-효과적인 페라이트계 스테인리스강 {COST-EFFECTIVE FERRITIC STAINLESS STEEL}
본 출원은 발명의 명칭 "21% Cr 페라이트계 스테인리스강(21% Cr Ferritic Stainless Steel)"으로 2012년 4월 2일에 출원된 미국 가출원 제61/619,048호에 대해 우선권을 주장하는 정규특허출원이다. 상기 가출원 제61/619,048호의 기재 내용은 본원 명세서에 인용되어 포함된다.
ASTM 타입 304 스테인리스강에 필적하는 내식성을 갖지만, 실질적으로 니켈-비함유이고, 티탄과 콜럼븀(columbium)으로 이중 안정화되어 입계 부식(intergranular corrosion)으로부터의 보호를 제공하며, 크롬, 구리 및 몰리브덴을 함유하여 응력 부식 균열 내성의 희생 없이 공식 내성(pitting resistance)을 제공하는 페라이트계 스테인리스강을 제조하는 것이 바람직하다. 이러한 강은, 상업적 주방 기구, 건축적 구성요소(architectural components), 및 상용 및 승용 차량 배기 및 선택적 촉매 환원(SCR: selective catalytic reduction) 부품을 포함하지만 이에 한정되지 않는 자동차 부품에서 통상적으로 발견되는 범용 강 시트에 특히 유용하다.
도면의 설명은 명세서 내에 포함되어 있다.
페라이트계 스테인리스강에서, 티탄, 콜럼븀, 탄소 및 질소의 상관성(inter-relationship) 및 양을 조절하여, 평형미만(subequilibrium) 표면 품질, 실질적으로 등축인 주조 결정립 구조(substantially equiaxed cast grain structure), 및 입계 부식에 대한 실질적으로 완전한 안정화를 달성한다. 또한, 크롬, 구리 및 몰리브덴의 상관성을 조절하여 내식성을 최적화한다.
평형미만 용융물(subequilibrium melt)은 통상적으로는, 티탄과 질소를 충분히 낮은 수준으로 가져 합금 용융물 내에서 질화티탄을 형성하지 않는 조성물로서 정의된다. 이러한 침전물은, 열간 압연 또는 냉간 압연 동안에, 표면 스트링어 결함(surface stringer defect) 또는 라미네이션(lamination)과 같은 결함을 형성할 수 있다. 이러한 결함은 성형성, 내식성 및 외관을 약화시킬 수 있다. 도 1은, 페라이트계 스테인리스강의 양태에 대해 액체화 온도에서 티탄 및 질소 원소에 대한 열역학적 모델링을 사용하여 제작된 예시적 상 다이어그램(phase diagram)으로부터 유래되었다. 질화티탄을 실질적으로 갖지 않기 위해 그리고 평형미만으로서 간주되기 위해서는, 페라이트계 스테인리스강 내의 티탄 및 질소 수준이 도 1에 도시된 용해도 곡선의 좌측 또는 하부 부분에 속해야 한다. 도 1에 도시된 바와 같은 질화티탄 용해도 곡선은 다음과 같이 수학적으로 나타낼 수 있다:
수학식 1: Timax = 0.0044(N-1.027)
상기 수학식 1에서, Timax는 중량%로 나타내는 티탄의 최대 농도이고, N은 중량%로 나타내는 질소의 농도이다. 별도로 명확하게 언급되지 않는 한, 본원 명세서에서 모든 농도는 중량%로 기록될 것이다.
상기 수학식 1을 사용하면, 하나의 양태에서 질소 수준이 0.020% 이하로 유지되는 경우, 상기 양태에 대한 티탄 농도는 0.25% 이하로 유지되어야 한다. 티탄 농도가 0.25%를 초과하게 되면, 상기 용융된 합금 내에서 질화티탄 침전물의 형성이 초래될 수 있다. 그러나, 도 1은 또한, 질소 수준이 0.02% 미만인 경우 0.25% 초과의 티탄 수준이 허용될 수 있다는 것을 나타낸다.
페라이트계 스테인리스강의 양태들은, 슬래브(slab)들 내의 거대한 주상 결정립(columnar grain)들 또는 압연된 시트 내의 띠 결정립(banded grain)들을 갖지 않는, 등축 주조(equiaxed cast) 및 압연 및 어닐링된 결정립 구조를 나타낸다. 이러한 정련된 결정립 구조는 성형성 및 강인성(toughness)을 개선시킬 수 있다. 이러한 결정립 구조를 달성하기 위해서는, 응고 슬래브들을 시딩(seeding)하기 위해 그리고 등축 결정립이 개시되는 자리를 제공하기 위해 충분한 티탄, 질소 및 산소 수준이 존재해야 한다. 이러한 양태들에서, 최소한의 티탄 및 질소 수준이 도 1에 도시되며, 이는 하기 수학식으로 표시된다:
수학식 2: Timin = 0.0025/N
상기 수학식 2에서, Timin은 중량%로 나타내는 티탄의 최소 농도이고, N은 중량%로 나타내는 질소의 농도이다.
상기 수학식 2를 사용하면, 하나의 양태에서 질소 수준이 0.02% 이하로 유지되는 경우, 최소 티탄 농도는 0.125%이다. 도 1에 도시된 포물 곡선은, 전체 티탄 농도가 감소하는 경우에 0.02% 초과의 질소 수준에서 등축 결정립 구조가 달성될 수 있음을 입증한다. 등축 결정립 구조는 플로팅된 수학식 2의 우측 또는 상부의 티탄 및 질소 수준에서 예상된다. 평형미만과 등축 결정립 구조를 생성하는 티탄 및 질소 수준 사이의 이러한 상관관계(relationship)가 도 1에 도시되어 있으며, 여기서, 최소 티탄 수학식(수학식 2)이 도 1의 액체화 상 다이어그램에 플로팅되어 있다. 2개의 포물선 사이의 면적이 상기 양태들에서의 티탄 및 질소 수준의 범위이다.
상기 페라이트계 스테인리스강의 완전히 안정화된 용융물은, 상기 강 내에 존재하는 가용성 탄소 및 질소와 배합되기에 충분한 티탄 및 콜럼븀을 가져야 한다. 이는, 탄화크롬 및 질화크롬이 형성되어 입계 부식 내성을 저하시키는 것을 방지하는 데 도움을 준다. 완전한 안정화를 유도하기 위해 필요한 최소 티탄 및 탄소는 하기 수학식에 의해 가장 잘 나타내어진다:
수학식 3: Ti + Cbmin = 0.2% + 4(C + N)
상기 수학식 3에서, Ti는 중량%로 나타내는 티탄의 양이고, Cbmin은 중량%로 나타내는 콜럼븀의 최소량이며, C는 중량%로 나타내는 탄소의 양이고, N은 중량%로 나타내는 질소의 양이다.
위에 기술된 양태들에서, 등축 결정립 구조 및 평형미만 상태에 필요한 티탄 수준은 최대 질소 수준이 0.02%일 때 측정되었다. 위에 설명된 바와 같이, 수학식 1 및 2는 각각 0.125% 최소 티탄 및 0.25% 최대 티탄을 제공하였다. 이러한 양태들에서, 최대 0.025% 탄소를 사용하여 수학식 3을 적용하면, 최소 및 최대 티탄 수준에 대해 각각 0.25% 및 0.13%의 최소 콜럼븀 함량이 요구될 것이다. 몇몇 이러한 양태들에서, 콜럼븀의 농도에 대한 목표는 0.25%일 것이다.
특정 양태들에서, 약 21% Cr 및 0.25% Mo으로 이루어진 매트릭스 내에서 구리 수준을 0.40 내지 0.80%로 유지하면, 개선되지 않는 경우, 시판되는 타입 304L에서 발견되는 것에 필적하는 전체 내식성을 달성할 수 있다. 하나의 예외 사항은, 염산과 같은 강산성의 환원성 염화물의 존재에 있을 수 있다. 상기 구리-첨가된 합금은 황산 중에서 개선된 성능을 나타낸다. 구리 수준이 0.4 내지 0.8%로 유지되는 경우, 중성 염화물 환경에서 애노드 용해 속도는 감소하고 전기화학적 파괴 전위는 최대화된다. 몇몇 양태들에서, 최적의 Cr, Mo 및 Cu 수준은 중량% 단위에서 하기 2개의 수학식을 만족시킨다:
수학식 4: 20.5 ≤ Cr + 3.3Mo
수학식 5: Cumax < 0.80일 때, 0.6 ≤ Cu + Mo ≤ 1.4
상기 페라이트계 스테인리스강의 양태들은 탄소를 약 0.020중량% 이하의 양으로 함유할 수 있다.
상기 페라이트계 스테인리스강의 양태들은 망간을 약 0.40중량% 이하의 양으로 함유할 수 있다.
상기 페라이트계 스테인리스강의 양태들은 인을 약 0.030중량% 이하의 양으로 함유할 수 있다.
상기 페라이트계 스테인리스강의 양태들은 황을 약 0.010중량% 이하의 양으로 함유할 수 있다.
상기 페라이트계 스테인리스강의 양태들은 규소를 약 0.30 내지 0.50중량%의 양으로 함유할 수 있다. 몇몇 양태들은 약 0.40%의 규소를 함유할 수 있다.
상기 페라이트계 스테인리스강의 양태들은 크롬을 약 20.0 내지 23.0중량%의 양으로 함유할 수 있다. 몇몇 양태들은 약 21.5 내지 22중량%의 크롬을 함유할 수 있고, 몇몇 양태들은 약 21.75%의 크롬을 함유할 수 있다.
상기 페라이트계 스테인리스강의 양태들은 니켈을 약 0.40중량% 이하의 양으로 함유할 수 있다.
상기 페라이트계 스테인리스강의 양태들은 질소를 약 0.020중량% 이하의 양으로 함유할 수 있다.
상기 페라이트계 스테인리스강의 양태들은 구리를 약 0.40 내지 0.80중량%의 양으로 함유할 수 있다. 몇몇 양태들은 약 0.45 내지 0.75중량%의 구리를 함유할 수 있고, 몇몇 양태들은 약 0.60%의 구리를 함유할 수 있다.
상기 페라이트계 스테인리스강의 양태들은 몰리브덴을 약 0.20 내지 0.60중량%의 양으로 함유할 수 있다. 몇몇 양태들은 약 0.30 내지 0.5중량%의 몰리브덴을 함유할 수 있고, 몇몇 양태들은 약 0.40%의 몰리브덴을 함유할 수 있다.
상기 페라이트계 스테인리스강의 양태들은 티탄을 약 0.10 내지 0.25중량%의 양으로 함유할 수 있다. 몇몇 양태들은 약 0.17 내지 0.25중량%의 티탄을 함유할 수 있고, 몇몇 양태들은 약 0.21%의 티탄을 함유할 수 있다.
상기 페라이트계 스테인리스강의 양태들은 콜럼븀을 약 0.20 내지 0.30중량%의 양으로 함유할 수 있다. 몇몇 양태들은 약 0.25%의 콜럼븀을 함유할 수 있다.
상기 페라이트계 스테인리스강의 양태들은 알루미늄을 약 0.010중량% 이하의 양으로 함유할 수 있다.
상기 페라이트계 스테인리스강은, 미국 특허 제6,855,213호 및 제5,868,875호에 기술된 공정들과 같이, 페라이트계 스테인리스강의 제작에 사용하기 위한 당해 기술분야에 공지된 공정 조건들을 사용하여 제조된다.
몇몇 양태들에서, 상기 페라이트계 스테인리스강은 또한, 의도적인 첨가물들로서 구성될 수 있거나 제강 공정으로부터의 잔류 원소들, 즉 불순물들로서 존재할 수 있는, 제강 기술에 공지되어 있는 기타 원소들을 포함할 수 있다.
상기 페라이트계 스테인리스강을 위한 제1철 용융물(ferrous melt)은 전기 아크로와 같은 용융로에서 제공된다. 이러한 제1철 용융물은 상기 용융로에서 고형 철 베어링 스크랩(scrap), 탄소강 스크랩, 스테인리스강 스크랩, 산화철, 탄화철, 직접 환원된 철, 고온 브리켓 철(hot briquetted iron)을 포함하는 고형 철(iron) 함유 물질들로부터 형성될 수 있거나, 상기 용융물은, 상기 용융로의 업스트림에서, 제1철 용융물을 제공할 수 있는 용광로 또는 임의의 기타 철(iron) 제련 유닛에서 생성될 수 있다. 상기 제1철 용융물은 이후에 상기 용융로에서 정련되거나, 아르곤-산소-탈탄화 용기 또는 진공-산소-탈탄화 용기와 같은 정련 용기로 옮겨지고, 이어서, 래들 메탈러지 로(ladle metallurgy furnace) 또는 와이어 피드 스테이션(wire feed station)과 같은 트림 스테이션(trim station)으로 옮겨질 것이다.
몇몇 양태들에서, 상기 강은, 주조된(as-cast) 등축 결정립 구조를 형성하는 데 필요한 핵을 제공하기 위한 소형 산화티탄 내포물(inclusion)들을 형성하기에 충분한 양의 티탄 및 질소 그러나 조절된 양의 알루미늄을 함유하는 용융물로부터 주조되어, 이러한 강으로부터 제조된 어닐링된 시트는 또한 향상된 리징(ridging) 특성들을 갖는다.
몇몇 양태들에서, 주조 전에 탈산화를 위해 상기 용융물에 티탄이 첨가된다. 티탄에 의한 상기 용융물의 탈산화는 핵을 제공하는 소형 산화티탄 내포물들을 형성하여, 주조된 등축 미세 결정립 구조를 초래한다. 알루미나 내포물들, 즉 산화알루미늄 Al203의 형성을 최소화하기 위해, 상기 정련된 용융물에, 탈산화제로서의 알루미늄을 첨가하지 않을 수 있다. 몇몇 양태들에서, 티탄 및 질소는, 주조 전에 티탄 및 질소의 생성물을 잔류 알루미늄으로 나눈 비가 적어도 약 0.14가 되도록 상기 용융물 내에 존재할 수 있다.
상기 강을 안정시키고자 하는 경우, 탈산화에 요구되는 양을 초과하는 충분한 양, 그러나 바람직하게는 질소 포화에 요구되는 양 미만의 양, 즉 평형미만의 양의 티탄을 첨가하여 상기 용융물 내의 탄소 및 질소와 배합하고, 이에 의해 응고 전에 거대한 질화티탄 내포물들의 침강을 피하거나 적어도 최소화시킬 수 있다.
상기 주조 강은 시트로 고온 가공된다. 본원 기재 내용에 있어서, 용어 "시트(sheet)"는 연속 스트립 또는 연속 스트립으로부터 형성된 절단 길이들을 포함하는 것을 의미하며, 용어 "고온 가공된(hot processed)"은, 상기 주조된 강을, 필요한 경우, 재가열한 다음, 예를 들면 열간 압연에 의해 소정의 두께로 압하시키는 것을 의미한다. 열간 압연되는 경우, 강 슬래브(steel slab)는 2000℉ 내지 2350℉(1093℃ 내지 1288℃)로 재가열되고, 1500℉ 내지 1800℉(816℃ 내지 982℃)의 피니싱 온도를 사용하여 열간 압연되고, 1000℉ 내지 1400℉(538℃ 내지 760℃)의 온도에서 코일링된다. 상기 열간 압연된 시트는 "고온 밴드(hot band)"로도 공지되어 있다. 몇몇 양태들에서, 상기 고온 밴드는 1700℉ 내지 2100℉(926℃ 내지 1149℃)의 금속 피크 온도에서 어닐링될 수 있다. 몇몇 양태들에서, 상기 고온 밴드는 목적하는 최종 시트 두께로 적어도 40% 디스케일링(descaling)되고 냉간 압하될 수 있다. 다른 양태들에서, 상기 고온 밴드는 목적하는 최종 시트 두께로 적어도 50% 디스케일링되고 냉간 압하될 수 있다. 이후에, 상기 냉간 압하된 시트는 1700℉ 내지 2100℉(927 내지 1149℃)의 최대 금속 온도에서 최종 어닐링될 수 있다.
상기 페라이트계 스테인리스강은 다수의 방법들에 의해 제조된 고온 가공된 시트로부터 생산될 수 있다. 상기 시트는, 잉곳들로부터 형성된 슬래브들 또는 50 내지 200㎜ 두께의 연속 주조 슬래브들(상기 슬래브들은, 2000℉ 내지 2350℉(1093℃ 내지 1288℃)로 재가열된 후 열간 압연되어 1 내지 7㎜ 두께의 출발 고온 가공된 시트를 제공한다)로부터 생산될 수 있거나, 상기 시트는 2 내지 26㎜의 두께로 연속으로 주조되는 스트립으로부터 고온 가공될 수 있다. 본 발명의 공정은, 연속 주조 슬래브들을 또는 잉곳으로부터 제조된 슬래브들을 현저하게 재가열하거나 재가열하지 않으면서 열간 압연 밀에 직접 공급하는 방법들에 의해, 또는 추가로 재가열하거나 재가열하지 않으면서 잉곳들을, 시트로 되도록 열간 압연되기에 충분한 온도의 슬래브들로 되도록 열간 압하하는 방법들에 의해 제조된 시트에 적용될 수 있다.
실시예 1
타입 304L 오스테나이트계 스테인리스강에 필적하는 전체 내식성(overall corrosion resistance)을 제공하는 페라이트계 스테인리스강 조성물들을 제조하기 위해, 일련의 실험실 히트(laboratory heat)들을 용융시키고 국부적 부식에 대한 내성에 대해 분석하였다.
제1 세트의 히트들을 에어 용융능(air melt capability)을 사용하여 실험실 용융시켰다. 이러한 일련의 에어 용융의 목적은, 페라이트계 매트릭스 중에서의 크롬, 몰리브덴 및 구리의 역할을 더 잘 이해하고, 어떻게 상기 조성 변화들이 타입 304L 강의 부식 거동에 필적하게 되는지를 이해하는 것이었다. 이러한 연구를 위해, 조사된(investigated) 에어 용융물들에 사용된 양태들의 조성물들이 아래와 같이 표 1에 기재되어 있다:
Figure 112017047368640-pat00001
상기 표 1에 언급된 모든 화학조성들에 대해 염화제2철 액침 및 전기화학적 평가를 둘 다 수행하여, 이들을 타입 304L 강의 성능과 비교하였다.
ASTM G48 염화제2철 공식 시험 방법 A에 기술된 방법들에 따라, 표본들을 50℃에서 6% 염화제2철 용액에 24시간 동안 노출시킨 후 질량 손실에 대해 평가하였다. 당해 시험 노출은, 산성, 강한 산화성, 염화물 환경에 노출되는 동안의 공식 부식에 대한 기본 내성을 평가한다.
상기 스크리닝 시험은, 소량의 구리 첨가물을 갖는 더 높은 크롬 함량의 페라이트계 합금은 상기 시리즈 내에서 가장 높은 내식성의 조성물을 제공할 것임을 시사하였다. 1%의 가장 높은 구리 함량을 갖는 조성물은 다른 화학조성들처럼 잘 기능하지 않았다. 그러나, 이러한 거동은, 상기 용융 공정으로 인한 결코 이상적이지 않은 표면 품질의 결과일 수 있다.
탈기된, 묽은, 중성 염화물 환경에서 부식 거동 다이어그램(CBD: corrosion behavior diagram) 및 순환 분극화(cycle polarization)를 둘 다 포함하는 전기화학 기술들을 사용하여, 부동태 막 강도(passive film strength) 및 재부동태화 거동(repassivation behavior)의 더욱 면밀한 조사를 연구하였다. 상기 세트의 에어 멜트에 대해 관찰된 전기화학적 거동은, 대략 0.5% Cu 및 소량의 Mo 첨가물의 존재하에 대략 21% Cr의 배합은 타입 304L 강에 비해 3가지의 주요 개선 사항들을 달성하였음을 나타냈다. 첫 번째로, 상기 구리 첨가물은 표면에서의 초기 애노드 용해 속도를 늦추는 것으로 나타났고; 두 번째로, 21% Cr 화학조성 중의 구리 및 소량의 몰리브덴의 존재는 강력한 부동태 막 형성에 도움을 주었고; 세 번째로, 몰리브덴 및 높은 크롬 함량은 개선된 재부동태화 거동에 도움을 주었다. 1% Cu 첨가는 수익 체감(diminished return)을 초래한다는 점에서, 상기 21 Cr + 잔여 Mo 용융물 화학조성 중의 구리의 수준이 "최적" 수준을 갖는 것으로 나타났다. 이는 상기 염화제2철 공식 시험에서 관찰된 거동을 확증한다. 더 깨끗한 강 표본들을 제조하기 위해, 그리고 최상의 전체 내식성을 달성하기 위한 최적 구리 첨가를 결정하기 위해, 추가의 용융물 화학조성들을 진공 용융에 적용하였다.
실시예 2
표 2에 기재된 제2 세트의 용융물 화학조성들을 진공 용융 공정에 적용하였다. 본 연구에서의 조성물들은 아래에 나타낸다:
Figure 112017047368640-pat00002
상기 언급된 히트(heat)들은 주로 구리 함량을 변화시켰다. 또한 표 3에 기재된 조성물들의 추가 진공 히트들을 비교 목적을 위해 용융시켰다. 비교를 위해 사용된 타입 304L 강은 시판되는 시트였다.
Figure 112017047368640-pat00003
표 3의 화학조성들의 조성물들을 진공 용융시켜 잉곳들을 생성시키고, 2250℉(1232℃)에서 열간 압연하고, 60% 디스케일링 및 냉간 압하하였다. 상기 냉간 압하된 물질은 1825℉(996℃)에서 최종 어닐링된 후 최종 디스케일링되었다.
실시예 3
실시예 2의 상기 언급된 진공 용융물들(이들의 ID 번호에 의해 식별됨)에 대해 수행된 비교 연구는 염산, 황산, 차아염소산나트륨 및 아세트산 중에서 시험된 화학적 액침(chemical immersion)이었다.
1% 염산. 도 2에 도시된 바와 같이, 화학적 액침 평가는 염산과 같은 환원성의 산성 염화물 환경에서의 니켈의 유익한 효과들을 나타냈다. 타입 304L 강은 이러한 환경에서 연구된 모든 화학조성들을 능가하였다. 크롬의 첨가는 더 낮은 전체 부식 속도를 초래하였고, 구리 및 몰리브덴의 존재는 부식 속도의 추가 감소를 나타냈지만, 구리 단독의 효과는, 도 2의 Fe21CrXCu0.25Mo로서 표시된 선 그래프에 의해 나타난 바와 같이 최소였다. 이러한 거동은, 아래에 기술된 것과 같은 서비스 조건을 위한 니켈 첨가의 이익을 뒷받침한다.
5% 황산. 도 3에 도시된 바와 같이, 황산염이 풍부한 환원성 산(reducing acid)으로 이루어진 액침 시험에서, 18 내지 21%의 크롬 수준을 갖는 합금들은 유사하게 거동하였다. 몰리브덴 및 구리의 첨가는 전체 부식 속도를 현저하게 감소시켰다. (도 3의 Fe21CrXCu0.25Mo로서 표시된 선 그래프에 의해 나타난 바와 같이) 부식 속도에 대한 구리 단독의 효과를 평가했을 때, 구리 함량이 높을 수록 부식 속도가 낮아지는 직접적인 상관관계가 존재하는 것으로 나타났다. 0.75% 구리 수준에서 전체 부식 속도는 수평을 유지하기 시작했으며 304L 강의 2㎜/yr 이내였다. 0.25% 수준의 몰리브덴은 황산 중의 부식 속도에서 큰 역할을 하는 경향이 있다. 그러나, 급격한 속도 감소는 또한 구리의 존재에도 기인하였다. 실시예 2의 합금들은 타입 304L 강보다 낮은 부식 속도를 갖지는 않았으나, 이들은 환원성 황산 조건하에서 개선되고 필적할 만한 내식성을 나타냈다.
아세트산 및 차아염소산나트륨 . 아세트산 및 5% 차아염소산나트륨으로 이루어진 산 액침에서, 부식 거동은 타입 304L 강의 것에 필적하였다. 부식 속도는 매우 낮았으며, 구리 첨가에 있어서의 실제적 경향이 부식 거동에서 관찰되지 않았다. 20%를 초과하는 크롬 수준을 갖는 실시예 2의 모든 조사된 화학조성들은 타입 304L 강의 1㎜/yr 이내였다.
실시예 4
부식 거동 다이어그램(CBD) 및 순환 분극화 연구를 포함하는 전기화학 평가를 수행하고 타입 304L 강의 거동에 비교하였다.
애노드 용해 거동에 대한 구리의 효과를 조사하기 위해 3.5% 염화나트륨 중에서 실시예 2의 진공 히트 화학조성들 및 시판되는 타입 304L에 대한 부식 거동 다이어그램을 수집하였다. 애노드 노즈(anodic nose)는, 부동태 상태에 도달하기 전에 물질 표면에서 발생하는 전기화학적 용해를 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 적어도 0.25%의 몰리브덴 및 최소한 대략 0.40%의 구리의 첨가는, 애노드 용해 동안에 전류 밀도를 타입 304L 강에 대해 측정된 값 미만으로 감소시킨다. 또한 도 4의 Fe21CrXCu.25Mo로서 표시된 선 그래프에 의해 나타난 바와 같이, 애노드 전류 밀도를 타입 304L 강에 대해 측정된 값 미만으로 유지시키는 최대 구리 첨가는 대략 0.85%에 속한다는 것을 알 수 있다. 이는, 21% Cr 및 0.25% 몰리브덴의 존재하에 소량의 조절된 구리 첨가는 묽은 염화물 중에서 애노드 용해 속도를 늦추지만, 타입 304L 강에 대해 나타난 값보다 더 느린 속도를 유지하기 위한 최적의 양이 존재한다는 것을 나타낸다.
순환 분극 스캔은 3.5% 염화나트륨 용액 중에서 실시예 2의 실험적 화학조성들 및 시판되는 타입 304L 강에 대해 수집하였다. 이러한 분극 스캔은 활성 애노드 용해 전반에 걸친 페라이트계 스테인리스강의 애노드 거동, 부동태 영역, 부동태통과(transpassive) 거동 영역, 및 부동태의 파괴를 나타낸다. 추가로 이들 분극 스캔의 역전은 재부동태화 전위를 확인시킨다.
상기 언급된 순환 분극 스캔에서 나타난 파괴 전위는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 기록되었고, 존재하는 경우, 구리 첨가의 효과를 측정하기 위해 평가하였다. 상기 파괴 전위는, 파괴된 부동태 층을 통해 전류가 지속적으로 흐르기 시작하고 활성 공식 모방(active pit imitation)이 발생할 때의 전위로서 측정되었다.
애노드 용해 속도와 매우 유사하게, 도 5 및 도 6의 Fe21CrXCu.25Mo로서 표시된 선 그래프에 의해 나타난 바와 같이, 구리의 첨가는 부동태 층을 강화시키는 것으로 나타나며, 공식 개시와 관련한 구리의 이익을 최대화시키기 위해 필요한 최적의 양이 존재한다는 것을 나타낸다. 최대 부동태 층 강도의 범위는 0.25% 몰리브덴 및 21% Cr의 존재하에 0.5 내지 0.75% 구리인 것으로 밝혀졌다. 거동에 있어서의 이러한 경향은, 스캔 속도 차이로 인해 값들이 더 낮게 이동하긴 하였지만, 상기 논의된 애노드 용해 연구 동안에 수집된 CBD로부터 확증되었다.
실시예 2의 진공 용융된 화학조성들의 조성물들의 재부동태화 거동을 평가했을 때, 21%의 크롬 수준 및 소량의 몰리브덴 첨가가 부동태화 반응을 최대화시킬 수 있는 것으로 나타났다. 도 7 및 도 8의 Fe21CrXCu.25Mo로서 표시된 선 그래프에 의해 나타난 바와 같이, 구리와 재부동태화 전위의 상관관계는 구리 수준이 증가함에 따라 불리해지는 것으로 나타났다. 도 7 및 도 8에 의해 나타난 바와 같이, 크롬 수준이 대략 21%이고 소량의 몰리브덴이 존재하는 한, 실시예 2의 조사된 화학조성들은 타입 304L 강보다 더 높은 재부동태화 전위를 달성할 수 있었다.
실시예 5
아래의 표 4에 기재된 조성의 페라이트계 스테인리스강(ID 92, 실시예 2)을 표 4에 기재된 조성을 갖는 타입 304L 강과 비교하였다:
Figure 112017047368640-pat00004
상기 2개의 물질들은 ASTM 표준 시험에 따라 시험시 아래의 표 5에 기재된 기계적 특성들을 나타냈다:
Figure 112017047368640-pat00005
도 9 및 도 10에서 나타난 바와 같이, 실시예 2의 물질인 ID 92는 비교 타입 304L 강에 비해 더 높은 전기화학적 내성, 더 높은 파괴 전위 및 더 높은 재부동태화 전위를 나타낸다.
본 발명의 취지 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 본 발명에 대한 다양한 변형들이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위로부터 결정되어야 한다.

Claims (3)

  1. 0.020중량% 이하의 탄소;
    20.0 내지 23.0중량%의 크롬;
    0.020중량% 이하의 질소;
    0.40 내지 0.80중량%의 구리;
    0.20 내지 0.40중량%의 몰리브덴;
    0.125 내지 0.25중량%의 티탄;
    0.20 내지 0.30중량%의 콜럼븀(columbium);
    0 내지 0.50중량%의 망간;
    0 내지 0.030중량%의 인;
    0.30 내지 0.50중량%의 규소;
    0 내지 0.40중량%의 니켈;
    0 내지 0.010중량%의 황; 및
    철 및 불가피한 불순물들로 이루어지는 밸런스(balance)로 이루어지고,
    상기 탄소는 0중량%를 초과하는 양으로 존재하고,
    상기 질소는 0중량%를 초과하는 양으로 존재하고,
    상기 크롬, 구리 및 몰리브덴의 농도는 하기 수학식 4 및 5를 만족시키는, 페라이트계 스테인리스강:
    수학식 4: 20.5 ≤ Cr + 3.3Mo
    수학식 5: Cumax < 0.80일 때, 0.6 ≤ Cu + Mo ≤ 1.4
    상기, 수학식 4 및 5에서, Cr은 중량%로 나타내는 크롬의 농도이고, Mo는 중량%로 나타내는 몰리브덴의 농도이며, Cu는 중량%로 나타내는 구리의 농도이고, Cumax은 중량%로 나타내는 구리의 최대 농도이다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구리가 0.45 내지 0.75중량%의 양으로 존재하는, 페라이트계 스테인리스강.
  3. 제1항에 있어서, 상기 티탄이 0.17 내지 0.25중량%의 양으로 존재하는, 페라이트계 스테인리스강.
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