KR101827748B1

KR101827748B1 - 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101827748B1
Application number: KR1020167014175A
Authority: KR
Inventors: 토모히로 이시이; 히로키 오타; 치카라 가미; 사이이치 무라타; 미츠유키 후지사와; 겐이치 이시바시
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2018-02-09
Also published as: KR20160078452A; RU2016121360A; ES2750950T3; EP3029170A1; CN105658833A; JPWO2015064077A1; EP3029170B1; JP5773098B1; CN105658833B; TWI507547B; TW201516163A; US10745774B2; US20160289786A1; TWI530572B; EP3029170A4; WO2015064128A1; TW201522666A; RU2650470C2

Abstract

화차의 보디 용도 재료에 요구되는 내식성이나 가공성을 갖고, 또한, 저온 인성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강 및 그 제조 방법을 제공한다. 특정한 성분 조성을 갖고, 하기 부등식 (Ⅰ) 및 (Ⅱ)를 충족시키고, 페라이트상과 마르텐사이트상의 2상으로 이루어지는 강 조직을 갖고, 상기 마르텐사이트상의 함유량이 체적%로 5∼95%인 것을 특징으로 하는 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강으로 한다.
10.5≤Cr+1.5×Si≤13.5 (Ⅰ)
1.5≤30×(C+N)+Ni+0.5×Mn≤6.0 (Ⅱ)
여기에서, 상기 부등식 (Ⅰ) 중의 Cr 및 Si, 그리고 상기 부등식 (Ⅱ) 중의 C, N, Ni 및 Mn은, 각각의 원소의 함유량(질량%)을 의미한다.

Description

페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강 및 그 제조 방법{FERRITE-MARTENSITE DUAL-PHASE STAINLESS STEEL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은, 한랭지에 있어서 석탄이나 유류(oil) 등을 운반하는 화차(freight car)의 보디 용도 재료로서 적합한 저온 인성(low-temperature toughness)이 우수한 페라이트-마르텐사이트 2상(dual-phase) 스테인리스강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

또한, 청구항 4에 기재된 특징을 갖는 본 발명은, 용접에 의해 조립되는 구조체의 구조재로서 적합한, 용접 열 영향부의 저온 인성이 우수한 용접 구조재용의 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강에 관한 것이다.

철도에 의한 화물 수송의 수송량은, 세계적인 철도의 부설 거리의 증가에 수반하여, 해마다 증가하고 있다. 이 철도 화물 수송에는 레일 웨건(railway wagon)이나 컨테이너와 같은 화차가 사용되고 있고, 그 재료로서 근래에는 페라이트계의 스테인리스강이 사용되도록 되고 있다.

그러나, 유라시아 대륙의 내륙부 등과 같이 겨울에는 -30° 이하나 되는 바와 같은 한랭지에 있어서는, 페라이트계 스테인리스강은 저온 인성이 불충분하기 때문에 사용에 적합하지 않다는 문제가 있다. 특히 유류 등의 액체를 운반하는 화차의 보디 용도 재료에는, 우수한 저온 인성이 요구된다.

또한, 페라이트계 스테인리스강은, 용접 열 영향부에 있어서 결정립이 조대화(coarsening)되어, 인성이 한층 더 저하된다는 문제가 있다. 그 때문에, 한랭지에 있어서, 용접에 의해 구조체가 형성되는 용도로의 페라이트계 스테인리스강의 적용은 곤란하다.

레일 웨건용의 스테인리스강으로서, 예를 들면, 용접 열 영향부에 마르텐사이트상(相)을 형성하여 용접부의 내식성을 향상시키고, 또한, FFV값을 규정하여 표면 결함의 발생을 억제한 스테인리스강이 특허문헌 1에 개시되어 있다. 그러나, 이 스테인리스강에서는, 저온 인성이 불충분하다.

우수한 인성을 갖는 스테인리스 강판으로서, 예를 들면, 굽힘성이 우수한 고강도 고(高)인성 스테인리스 강판이 특허문헌 2에 개시되어 있다. 이 고강도 고인성 스테인리스 강판에서는, MnS계 개재물 입자의 압연 방향의 길이를 3㎛ 이하, 또한 상기 MnS계 개재물 입자의 압연 방향의 길이와 그 직각 방향의 길이의 비를 3.0 이하로 함으로써 굽힘성을 개선하고 있다. 그러나, 특허문헌 2에 기재된 발명에서는, 화차의 보디 용도 재료로서 필요로 되는 내식성, 특히 용접부의 내식성이 부족하고, 또한, 저온에서의 인성도 충분하지 않은 경우가 있다.

특허문헌 3에는, δ 페라이트의 생성을 억제한, 인성이 우수한 두꺼운 마르텐사이트계 스테인리스강이 개시되어 있다. 그러나, 이 스테인리스강은 강도가 너무 높기 때문에, 철도 화물용의 레일 웨건이나 컨테이너에 적용하기 위한 프레스 가공이 곤란하다. 또한, 특허문헌 3에 기재된 스테인리스강은 저온 인성도 부족한 경우가 있다.

또한, 용접 열 영향부의 저온 인성을 향상시킨 페라이트계 스테인리스강으로서, 특허문헌 4에는, 용접 이음매의 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강이 개시되어 있다. 이 발명에서는, 미세한 Mg계 산화물을 강 중에 분산하여 석출시킴으로써 용접 열 영향부의 결정립의 조대화를 억제하고 있다.

특허문헌 5에는, 용접 열 영향부의 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강이 개시되어 있다. 이 발명에서는, Co를 첨가함으로써 용접부의 인성을 향상시키고 있다.

그러나, 특허문헌 4 및 5에 기재된 발명에서는 -30° 이하나 되는 바와 같은 한랭지에 있어서의 용접 열 영향부의 인성을 사용에 견디게 하는 것으로 하기에는 불충분했다.

일본공개특허공보 2012-12702호 일본공개특허공보 평11-302791호 일본공개특허공보 소61-136661호 일본공개특허공보 2003-3242호 일본공개특허공보 평4-224657호

상기와 같이, 이들 특허문헌에 개시된 스테인리스강은, 저온 인성이 충분하지 않기 때문에, 한랭지에 있어서 유류 등의 액체를 운반하는 화차의 재료로서 적합하지 않다. 또한, 상기 특허문헌에 개시된 스테인리스강은, 화차의 보디 용도 재료에 요구되는 내식성이나 가공성을 갖지 않는 경우가 있다.

또한, 용접 열 영향부에 있어서는 저온 인성이 한층 더 저하되기 때문에, 용접에 의해 구조체가 형성되는 용도로의 사용에는 적합하지 않다.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 화차의 보디 용도 재료에 요구되는 내식성이나 가공성을 갖고, 또한, 저온 인성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 청구항 4에 기재된 특징을 갖는 본 발명은, 상기 특성을 가지면서, 용접 열 영향부의 저온 인성도 우수한 용접 구조재용의 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강 및 그 제조 방법을 제공하는 것도 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 저온 인성에 미치는 조직이나 성분 등의 영향에 대해서 예의 연구를 행하였다.

저온 인성에 미치는 조직의 영향을 평가하는 방법으로서, 결정 입경과 저온 인성의 상관을 나타낸 Hall-Petch 법칙을 이용하는 방법이 알려져 있다. 이 법칙에 의하면, 결정 입경의 -1/2승에 비례하여 연성 취성(ductile-brittle) 전이 온도(transition temperature)가 저하된다. 즉, 결정 입경이 미세할수록, 저온 인성이 향상된다고 되어 있다. 본 발명자들은, 이 인식에 기초하여, 스테인리스강의 결정 입경을 미세하게 하기 위해, 성분 및 제조 방법에 대해서 검토를 행하였다. 도 1에 본 발명의 성분 범위에서의 스테인리스강의 마르텐사이트 상분율(martensite phase fraction)(체적%로 나타내는 마르텐사이트상의 함유량)과 평균 결정 입경의 상관을 나타낸다. 마르텐사이트 상분율이 5%∼95%에서 평균 결정립 입경이 작아지는 것이 발견되었다. 이에 따라, 평균 결정 입경을 최소화하는 것을 통하여, 저온 인성을 향상시키는 것이 가능해졌다. 또한, 평균 결정 입경의 측정 방법은 실시예에 기재한 바와 같다.

마르텐사이트 상분율은 Cr 당량(equivalent)(Cr+1.5×Si)과 Ni 당량(30×(C+N)+Ni+0.5×Mn)의 조정 및 어닐링 온도의 조정에 의해 제어할 수 있다. 이들의 파라미터의 조정에 의해, 평균 결정 입경이 미세한 저온 인성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강이 얻어진다.

또한, 본 발명자들은, 용접 열 영향부의 저온 인성에 미치는 조직이나 성분의 영향에 대해서 예의 연구를 행하였다.

용접 열 영향부의 저온 인성이 뒤떨어지는 스테인리스강에 대해서, 용접 열 영향부의 조직을 상세하게 관찰한 바, 대략 1300℃ 이상이 되는 온도 영역에서 생성되고, 결정 입경이 50㎛ 이상이 되는 δ 페라이트라고 불리는 조대한 결정립이 확인되었다. 한편, 용접 열 영향부의 저온 인성이 우수한 스테인리스강에서는, 조대한 δ 페라이트는 확인되지 않고, 마르텐사이트가 분산된 미세한 조직으로 되어 있었다. 즉, 조대한 δ 페라이트의 생성을 억제하는 것이 용접 열 영향부의 저온 인성 향상에는 유효하다고 생각되었다.

그래서, 발명자들은, 스테인리스강의 첨가 원소가 δ 페라이트의 생성 온도에 미치는 영향을 정밀하게 조사하고, (Ⅲ)식 좌변에서 δ 페라이트 생성 온도가 나타나는 것을 분명하게 했다. Ti의 함유량을 0.01%로 하고, 그 외의 성분을 본 발명의 성분 범위 내에서 조정한 공시재(samples)에 대해서, 이 δ 페라이트 생성 온도를 횡축으로 하여 용접 열 영향부의 샤르피(Charpy) 충격 시험의 흡수 에너지를 정리했다(시험 온도: -50℃, 시험편 두께: 5㎜). 결과를 도 2에 나타낸다. 용접 열 영향부의 흡수 에너지는 시험마다 그 값이 크게 편차가 생기지만, δ 페라이트 생성 온도의 상승에 수반하여 용접 열 영향부의 흡수 에너지의 최소값이 상승했다. δ 페라이트 생성 온도가 1270℃ 이상에서, 흡수 에너지의 최소값은 10J 이상이 되어, 용접 열 영향부의 저온 인성이 양호해졌다.

2600C+1700N-20Si+20Mn-40Cr+50Ni+1660≥1270 (Ⅲ)

또한, 식 (Ⅲ) 중의 원소 기호는 각각의 원소의 함유량(질량%)을 의미한다.

또한, 본 발명에서는, 저온에 있어서의 파괴 기점이 되는 인자에 대해서 검토를 행하고, TiN 등의 조대한 개재물이 파괴의 기점이 되어 있는 것을 분명하게 했다. 도 3에 TiN을 파괴 기점으로 한 파면(fracture surface)의 예를 나타낸다. TiN을 중심으로 리버(river) 패턴이 형성되어 있고, TiN을 파괴 기점으로 한 취성 파괴가 일어났던 것을 확인할 수 있다. TiN의 생성량 및 그 크기는, 본 발명의 성분 조성 등의 조건을 충족시키는 범위에 있어서는, Ti의 함유량을 제어함으로써 조정할 수 있다. 도 4에 본 발명의 성분 범위 및 마르텐사이트 상분율의 범위에서의 저온 인성에 미치는 Ti 함유량의 영향을 나타낸다. 도 4의 흡수 에너지의 값은 3회의 샤르피 시험의 평균을 냈다. Ti의 함유량이 적을수록, 저온 인성이 향상되는 것을 확인할 수 있다. Ti 함유량의 감소에 수반하여 TiN의 생성량이 감소되어 파괴 기점이 적어지기 때문에, 저온 인성이 향상되었다고 생각된다.

또한, 발명자들은, 용접 열 영향부에 있어서의 샤르피 충격 시험(시험 온도: -50℃, 시험편 두께: 5㎜)을 행하고, Ti 함유량을 0.02% 이하로 엄격하게 억제함으로써, 용접 열 영향부에 있어서의 파괴 기점이 감소되고, 용접 열 영향부의 저온 인성이 향상되는 것을 분명하게 했다. 도 5에, 용접 열 영향부의 흡수 에너지에 미치는 Ti 함유량의 영향을 나타낸다. 여기에서 이용한 공시재의 δ 페라이트 생성 온도는 1270℃ 내지 1290℃의 범위로 조정했다. Ti 함유량이 0.02 질량% 이하에서 용접 열 영향부의 흡수 에너지의 최소값이 10J 이상이 되어, 용접 열 영향부의 저온 인성이 양호해졌다. 열연 어닐링판의 경우와 비교하여 용접 열 영향부에서는 조대한 TiN이 흡수 에너지에 대하여 보다 강한 영향을 미쳤다. 이것은, 용접 열 영향부에서는 열연 어닐링판보다 결정립이 조대화되기 때문에, 근소한 파괴 기점이, 흡수 에너지의 저하에 대하여 보다 강하게 영향을 미치기 때문이라고 생각된다.

이상의 인식에 의해 본 발명은 완성되었다. 즉, 본 발명은 하기의 구성을 요지로 하는 것이다.

(1) 질량%로, C: 0.005∼0.030%, N: 0.005∼0.030%, Si: 0.05∼1.00%, Mn: 0.05∼2.5%, P: 0.04% 이하, S: 0.02% 이하, Al: 0.01∼0.15%, Cr: 10.0∼13.0%, Ni: 0.3∼5.0%, V: 0.005∼0.10%, Nb: 0.05∼0.4%, Ti: 0.1% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 부등식 (Ⅰ) 및 (Ⅱ)를 충족시키고, 페라이트상과 마르텐사이트상의 2상으로 이루어지는 강(鋼) 조직을 갖고, 상기 마르텐사이트상의 함유량이 체적%로 5∼95%인 것을 특징으로 하는 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강.

10.5≤Cr+1.5×Si≤13.5 (Ⅰ)

1.5≤30×(C+N)+Ni+0.5×Mn≤6.0 (Ⅱ)

여기에서, 상기 부등식 (Ⅰ) 중의 Cr 및 Si, 그리고 상기 부등식 (Ⅱ) 중의 C, N, Ni 및 Mn은, 각각의 원소의 함유량(질량%)을 의미한다.

(2) 질량%로, Cu: 1.0% 이하, Mo: 1.0% 이하, W: 1.0% 이하 및 Co: 0.5% 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강.

(3) 질량%로, Ca: 0.01% 이하, B: 0.01% 이하, Mg: 0.01% 이하 및 REM: 0.05% 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강.

(4) 질량%로, 상기 N 함유량이 0.005∼0.015%이고, 상기 Si 함유량이 0.05∼0.50%이고, 상기 Mn 함유량이 1.0 초과∼2.5%이고, 상기 Ni 함유량이 0.3% 이상 1.0% 미만이고, 상기 Nb 함유량이 0.05∼0.25%이고, 상기 Ti 함유량이 0.02% 이하이고, 추가로, 하기 식 (Ⅲ)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강.

2600C+1700N-20Si+20Mn-40Cr+50Ni+1660≥1270 (Ⅲ)

또한, 식 (Ⅲ) 중의 C, N, Si, Mn, Cr 및 Ni는, 각각의 원소의 함유량(질량%)을 의미한다.

(5) 질량%로, 상기 P 함유량이 P: 0.02% 미만인 것을 특징으로 하는 (4)에 기재된 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강.

(6) 질량%로, Cu: 1.0% 이하, Mo: 0.5% 미만, W: 1.0% 이하, Co: 0.5% 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 (4) 또는 (5)에 기재된 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강.

(7) 질량%로, Ca: 0.01% 이하, B: 0.01% 이하, Mg: 0.01% 이하, REM: 0.05% 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 (4) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강.

(8) (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강의 제조 방법으로서, 강 슬래브를 1100∼1300℃의 온도로 가열한 후, 900℃ 초과의 온도 영역에서, 압하율이 30% 이상인 압연을 적어도 1패스 이상 행하는 열간 조압연(hot rough rolling)을 포함하는 열간 압연을 행하고, 700∼900℃의 온도에서 1시간 이상의 어닐링을 행하는 것을 특징으로 하는 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 한랭지에 있어서 석탄이나 유류 등을 운반하는 화차의 보디 용도 재료에 요구되는 내식성이나 가공성을 갖고, 또한, 저온 인성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강 및 그 제조 방법을 얻을 수 있다.

또한, 청구항 4에 기재된 특징을 갖는 본 발명은, 상기 특성을 가지면서, 용접 열 영향부의 저온 인성도 우수하고, 용접 구조재용으로도 적합한 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 우수한 성질을 갖는 상기 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강을, 저렴하면서 또한 고효율로 제조하는 것이 가능하다.

도 1은, 평균 결정 입경에 미치는 마르텐사이트 상분율의 영향을 나타내는 도면이다.
도 2는, 용접 열 영향부의 흡수 에너지에 미치는 δ 페라이트 생성 온도의 영향을 나타내는 도면이다.
도 3은, TiN을 파괴 기점으로 한 파면을 나타내는 도면이다.
도 4는, 저온 인성에 미치는 Ti 함유량의 영향을 나타내는 도면이다.
도 5는, 용접 열 영향부의 흡수 에너지에 미치는 Ti 함유량의 영향을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명 강의 상태도의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은, EPMA(electron probe microanalyzer)에 의한 열연 강판의 원소 분포의 측정예를 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하에 본 발명의 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시 형태에 한정되지 않는다.

우선, 본 발명의 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강(본 명세서에 있어서, 「스테인리스강」이라고 하는 경우가 있음)의 성분 조성에 대해서 설명한다. 이하의 각 성분의 설명에 있어서, 각 원소의 함유량을 나타내는 %는 특별히 기재하지 않는 한 질량%로 한다.

C: 0.005∼0.030%, N: 0.005∼0.030%

C 및 N은, 오스테나이트 안정화 원소이다. C 및 N의 함유량이 증가하면, 본 발명의 스테인리스강 중의 마르텐사이트 상분율이 증가하는 경향이 있다. 이와 같이, C 및 N은, 마르텐사이트 상분율의 조정에 유용한 원소이다. 그 효과는, C 함유량 및 N 함유량을 모두 0.005% 이상으로 함으로써 얻을 수 있다. 그러나, C 및 N은 마르텐사이트상의 인성을 저하시키는 원소이기도 하다. 이 때문에, C 함유량 및 N 함유량을 모두 0.030% 이하로 하는 것이 적절하다. 따라서, C 및 N의 함유량은, 어느 것도 0.005∼0.030%의 범위로 한다. 보다 바람직하게는, 어느 것도 0.008∼0.020%의 범위이다.

C 및 N은 용접 열 영향부에 있어서도, 마르텐사이트를 생성하고, 결정립의 조대화를 억제하는 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 용접 열 영향부에 있어서는, 저온 인성을 양호하게 하기 위해, 보다 엄격하게 TiN의 생성을 억제하지 않으면 안 된다. 0.015%를 초과하는 N의 함유는 TiN의 생성을 촉진한다. 따라서, 양호한 용접 열 영향부의 저온 인성을 얻기 위해서는, N 함유량은 0.005∼0.015%로 하는 것이 필요하다. 보다 바람직하게는 0.008∼0.012%이다.

Si: 0.05∼1.00%

Si는, 탈산제로서 이용되는 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는 Si의 함유량을 0.05% 이상으로 하는 것이 필요하다. 또한, Si는 페라이트 안정화 원소이기 때문에, Si 함유량이 증가함에 따라, 마르텐사이트 상분율이 감소하는 경향이 있다. 따라서, Si는 마르텐사이트 상분율의 조정에 유용한 원소이다. 한편, 그 함유량이 1.00%를 초과하면 페라이트상이 약해져서 인성이 저하된다. 이 때문에, Si의 함유량은 0.05∼1.00%의 범위로 한다. 보다 바람직하게는, 0.11∼0.40%이다.

또한, Si는, 용접 열 영향부에 있어서는, δ 페라이트 생성 온도를 감소시키고, 용접 열 영향부의 저온 인성을 저하시키는 원소이다. 이 때문에, 용접 열 영향부의 저온 인성을 양호하게 하기 위해서는, Si 함유량의 보다 엄격한 관리가 필요해진다. 그 함유량이 0.50%를 초과하면 용접 열 영향부의 δ 페라이트의 생성을 억제하는 것이 곤란해진다. 이 때문에, 양호한 용접 열 영향부의 저온 인성을 얻기 위해서는, Si의 함유량은 0.05∼0.50%의 범위로 한다. 보다 바람직하게는, 0.11∼0.40%이다.

Mn: 0.05∼2.5%

Mn은, 오스테나이트 안정화 원소로서, 그 함유량이 증가하면, 스테인리스강 중의 마르텐사이트 상분율이 증가한다. 그 효과는 Mn의 함유량을 0.05% 이상으로 함으로써 얻을 수 있다. 그러나, 본 발명의 스테인리스강이, 2.5%를 초과하는 양의 Mn을 함유해도, 그 Mn을 포함함으로써 얻을 수 있는 상기 효과가 포화될 뿐만 아니라, 인성이 저하되고, 또한, 제조 공정에서의 탈스케일성(descaling)이 저하되어 표면 성상(surface quality)에 악영향을 미친다. 또한, 2.5%를 초과하는 양의 Mn의 함유는, 부식의 발생 기점이 되는 MnS의 생성을 촉진하여 내식성을 저하시킨다. 따라서, Mn의 함유량은 0.05∼2.5%의 범위로 한다. 보다 바람직하게는, 0.11∼2.0%의 범위이다.

또한, Mn은, 용접 열 영향부에 있어서는, δ 페라이트 생성 온도를 상승시키고, 용접 열 영향부의 조직을 미세화하는 원소이다. 이 때문에, 용접 열 영향부의 저온 인성을 양호하게 하기 위해서는, Mn 함유량의 보다 엄격한 관리가 필요해진다. 그 함유량이 1.0% 이하에서는 용접 열 영향부의 δ 페라이트의 생성을 억제하는 것이 곤란해진다. 따라서, 양호한 용접 열 영향부의 저온 인성을 얻기 위해서는, Mn 함유량은 1.0 초과∼2.5%의 범위로 한다. 보다 바람직하게는, 1.2∼2.0%이다.

P: 0.04% 이하

P는, 열간 가공성의 점에서 적은 편이 바람직하다. 본 발명에 있어서, P의 함유량의 허용되는 상한값은 0.04%이다. 보다 바람직한 상한값은, 0.035%이다.

또한, 본 발명에서는, P 함유량의 저감이 용접 열 영향부의 저온 인성을 현저하게 향상시킨다. 이것은, 불순물의 감소에 의해 균열의 전파가 억제되기 때문으로 생각된다. 그 효과는 P 함유량이 0.02% 미만으로 저감됨으로써 얻을 수 있다. 따라서, 더욱 바람직하게는, P의 함유량의 상한값은 0.02% 미만이다.

S: 0.02% 이하

S는, 열간 가공성 및 내식성의 점에서 적은 편이 바람직하다. 본 발명에 있어서, S의 함유량의 허용되는 상한값은 0.02%이다. 보다 바람직한 상한값은 0.005%이다.

Al: 0.01∼0.15%

Al은, 일반적으로는 탈산을 위해 유용한 원소이다. 그 효과는 Al의 함유량을 0.01% 이상으로 함으로써 얻을 수 있다. 한편, 그 함유량이 0.15%를 초과하면, 대형의 Al계 개재물이 생성되어 표면 결함의 원인이 된다. 따라서, Al의 함유량은 0.01∼0.15%의 범위로 한다. 보다 바람직하게는, 0.03∼0.14%의 범위이다.

Cr: 10.0∼13.0%

Cr은, 부동태 피막을 형성하기 때문에, 내식성을 확보하는데에 있어서 필수의 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는 Cr을 10.0% 이상 함유하는 것이 필요하다. 또한, Cr은 페라이트 안정화 원소이고, 마르텐사이트 상분율을 조정하기 위해 유용한 원소이다. 그러나, Cr의 함유량이 13.0%를 초과하면, 스테인리스강의 제조 비용이 상승할 뿐만 아니라, 충분한 마르텐사이트 상분율을 얻는 것이 곤란해진다. 따라서, Cr 함유량은, 10.0∼13.0%의 범위로 한다. 보다 바람직하게는, 10.5∼12.5%이다.

Ni: 0.3∼5.0%

Ni는, Mn과 마찬가지로, 오스테나이트 안정화 원소로서, 마르텐사이트 상분율의 조정에 유용한 원소이다. 그 효과는 Ni의 함유량을 0.3% 이상으로 함으로써 얻을 수 있다. 그러나, Ni의 함유량이 5.0%를 초과하면, 마르텐사이트 상분율의 제어가 곤란해져, 인성 및 가공성이 저하된다. 따라서, Ni의 함유량은 0.3∼5.0%의 범위로 한다.

Ni는, 용접 열 영향부에 있어서, δ 페라이트 생성 온도를 상승시키고, 조직을 미세화하는 원소이다. 그 효과는 Ni 함유량을 0.3% 이상으로 함으로써 얻을 수 있다. 그러나, Ni 함유량이 1.0% 이상이 되면, 용접 열 영향부가 경질화되고, 역으로 용접 열 영향부의 저온 인성이 저하된다. 따라서, Ni의 함유량은 0.3∼1.0% 미만의 범위로 한다. 보다 바람직하게는, 0.4∼0.9%의 범위이다.

V: 0.005∼0.10%

V는, 질화물을 생성하고, 마르텐사이트상의 인성의 저하를 억제하는 원소이다. 그 효과는 V 함유량을 0.005% 이상으로 함으로써 얻을 수 있다. 그러나, V 함유량이 0.10%를 초과하면, 용접부의 템퍼 칼라(temper color)의 바로 아래에 V가 농축되고 내식성이 저하된다. 따라서, V 함유량은 0.005∼0.10%로 한다. 보다 바람직하게는, 0.01∼0.06%이다.

Nb: 0.05∼0.4%

Nb는, 강 중의 C 및 N을 Nb의 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물로서 석출시킴으로써 고정하여, Cr의 탄질화물 등의 생성을 억제하는 효과를 갖는다. Nb는, 내식성, 특히 용접부의 내식성을 향상시키는 원소이다. 그들의 효과는, Nb의 함유량을 0.05% 이상으로 함으로써 얻을 수 있다. 한편, Nb의 함유량이 0.4%를 초과하면, 열간 가공성이 저하되고, 열간 압연의 부하가 증대되고, 또한, 열연 강판의 재결정 온도가 올라가, 적절한 오스테나이트 상분율이 되는 온도에서의 어닐링이 곤란해진다. 따라서, Nb의 함유량은 0.05∼0.4%로 한다. 보다 바람직하게는, 0.10∼0.30%이다.

Nb 함유량이 0.25%를 초과하면, 용접 열 영향부에 있어서, C, N을 탄질화물 등에 과잉으로 고정하여, 용접 열 영향부로의 마르텐사이트의 생성이 저해되고, δ 페라이트의 조대화를 촉진하여, 저온 인성이 저하된다. 따라서, Nb 함유량은 0.05∼0.25%로 한다. 보다 바람직하게는, 0.10∼0.20%이다.

Ti: 0.1% 이하

Ti는, Nb와 마찬가지로, 강 중의 C 및 N을 Ti의 탄화물, 질화물 혹은 탄질화물로서 석출시킴으로써 고정하여, Cr의 탄질화물 등의 생성을 억제하는 효과를 갖는다. 본 발명자들은, 이 중 조대한 TiN이 파괴 기점이 됨으로써 저온 인성을 저하시키는 것을 분명하게 했다. 이 조대한 TiN을 감소시키고, 파괴 기점을 적게 하는 것이, 본 발명의 중요한 특징의 하나이다. 이에 따라, 평균 결정 입경이 동일한 페라이트-마르텐사이트 조직이라도 보다 저온 인성이 우수한 스테인리스강을 얻을 수 있다. 특히, Ti의 함유량이 0.1%를 초과하면 TiN에 의한 인성 저하가 현저해진다. Ti의 함유량이 0.1%를 초과하면, 한 변이 1㎛ 이상인 TiN의 밀도는 70개/㎟ 초과가 되고, 이 TiN에 의해 인성이 저하된다고 생각된다. 따라서, Ti 함유량은 0.1% 이하로 했다. 보다 바람직하게는 0.04% 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.02% 이하이다. 본 발명에 있어서 Ti는 적을수록 바람직하기 때문에 하한은 0%이다. 또한, 한 변이 1㎛ 이상인 TiN의 밀도는 70개/㎟ 이하가 적당하고, 보다 바람직하게는 40개/㎟ 이하이다.

용접 열 영향부에 있어서는, 열연 어닐링판과 비교하여 결정립이 조대화되어 있기 때문에, 근소한 파괴 기점의 존재에 의해 대폭으로 저온 인성이 저하되는 경우가 있다. 조대한 TiN의 생성을 억제하여, 용접 열 영향부에 있어서 충분한 저온 인성을 달성하기 위해서는, Ti 함유량을 0.02% 이하로 엄격하게 억제할 필요가 있다. 따라서, Ti 함유량은 0.02% 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.015% 이하이다.

본 발명의 스테인리스강은, 이상의 성분을 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물의 구체예로서는, Zn: 0.03% 이하, Sn: 0.3% 이하를 들 수 있다.

또한, 본 발명의 스테인리스강은, 상기 성분에 더하여, 추가로, 질량%로 Cu: 1.0% 이하, Mo: 1.0% 이하, W: 1.0% 이하, Co: 0.5% 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.

Cu: 1.0% 이하

Cu는, 내식성을 향상시키는 원소이고, 특히 간극 부식(crevice corrosion)을 저감시키는 원소이다. 이 때문에, 본 발명의 스테인리스강을 높은 내식성이 요구되는 용도에 적용하는 경우에는, Cu를 포함하는 것이 바람직하다. 그러나, Cu의 함유량이 1.0%를 초과하면, 열간 가공성이 저하된다. 또한, Cu의 함유량이 1.0%를 초과하면, 고온에서의 오스테나이트상이 증가되어, 마르텐사이트 상분율의 제어가 곤란해지기 때문에, 우수한 저온 인성을 얻는 것이 곤란해진다. 따라서, 본 발명의 스테인리스강에 Cu를 함유시키는 경우에는, 그 상한을 1.0%로 한다. 또한, 내식성의 향상의 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, Cu의 함유량이 0.3% 이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직한 Cu 함유량의 범위는, 0.3∼0.5%이다.

Mo: 1.0% 이하

Mo는, 내식성을 향상시키는 원소이다. 이 때문에, 높은 내식성이 요구되는 용도에 본 발명의 스테인리스강을 적용하는 경우에, 스테인리스강은 Mo를 포함하는 것이 바람직하다. 그러나, Mo 함유량이 1.0%를 초과하면, 냉간 압연에서의 가공성이 저하되는데다가, 열간 압연에서의 표면 거칠어짐이 일어나, 표면 품질이 극단적으로 저하된다. 따라서, 본 발명의 스테인리스강에 Mo를 함유시키는 경우에는, 그 함유량의 상한을 1.0%로 하는 것이 바람직하다. 또한, 내식성의 향상의 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, Mo를 0.03% 이상 함유시키는 것이 유효하다. 보다 바람직한 Mo 함유량의 범위는, 0.10∼0.80%이다.

용접 열 영향부에 있어서는, Mo의 함유가 조대한 δ 페라이트의 생성을 촉진한다. 용접 열 영향부의 저온 인성을 양호하게 하기 위해서는, Mo 함유량을 0.5% 미만으로 하는 것이 바람직하다.

W: 1.0% 이하

W는, 내식성을 향상시키는 원소이다. 이 때문에, 높은 내식성이 요구되는 용도에 본 발명의 스테인리스강을 적용하는 경우, 스테인리스강은 W를 포함하는 것이 바람직하다. 그 효과는 W의 함유량을 0.01% 이상으로 함으로써 얻을 수 있다. 그러나, W의 함유량이 과잉이 되면, 강도가 상승하여, 제조성이 저하된다. 따라서, W의 함유량은 1.0% 이하로 했다.

Co: 0.5% 이하

Co는, 인성을 향상시키는 원소이다. 이 때문에, 특히 높은 인성이 요구되는 용도에 본 발명의 스테인리스강을 적용하는 경우에, 스테인리스강은 Co를 포함하는 것이 바람직하다. 그 효과는 Co의 함유량을 0.01% 이상으로 함으로써 얻을 수 있다. 그러나, Co의 함유량이 과잉이 되면 제조성이 저하된다. 따라서, Co의 함유량은 0.5% 이하로 했다.

또한, 본 발명의 스테인리스강은, 상기 성분에 더하여, 추가로, 질량%로 Ca: 0.01% 이하, B: 0.01% 이하, Mg: 0.01% 이하 및 REM: 0.05% 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.

Ca: 0.01% 이하

Ca는, 연속 주조시에 발생하기 쉬운 Ti계 개재물 석출에 의한 노즐의 폐색을 억제하는 원소이다. 그 효과는 Ca의 함유량을 0.0001% 이상으로 함으로써 얻을 수 있다. 그러나, Ca를 과잉으로 함유하면, 수용성 개재물인 CaS가 생성되고, 내식성이 저하된다. 따라서, Ca의 함유량은 0.01% 이하가 바람직하다.

B: 0.01% 이하

B는 2차 가공 취성을 개선하는 원소로서, 그 효과를 얻기 위해서는 B의 함유량을 0.0001% 이상으로 한다. 그러나, B를 과잉으로 함유하면, 고용(solid solution) 강화에 의한 연성 저하를 일으킨다. 따라서 B의 함유량은 0.01% 이하로 했다.

Mg: 0.01% 이하

Mg는 슬래브(slab)의 등축정률(equiaxial crystal ratio)을 향상시켜, 가공성의 향상에 기여하는 원소이다. 그 효과는, Mg의 함유량을 0.0001% 이상으로 함으로써 얻을 수 있다. 그러나, Mg를 과잉으로 함유하면, 강의 표면 성상이 악화된다. 따라서, Mg의 함유량은 0.01% 이하로 했다.

REM: 0.05% 이하

REM은 내산화성(oxidation resistance)을 향상시켜, 산화 스케일의 형성을 억제하는 원소이다. 산화 스케일의 형성을 억제하는 관점에서는, REM 중에서도, 특히 La 및 Ce의 사용이 유효하다. 그 효과는 REM의 함유량을 0.0001% 이상으로 함으로써 얻을 수 있다. 그러나, REM을 과잉으로 함유하면, 산세성(pickling performance) 등의 제조성이 저하되는데다가 제조 비용의 증대를 초래한다. 따라서 REM의 함유량은 0.05% 이하로 했다.

이어서, 본 발명의 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강의 강 조직에 대해서 설명한다. 또한, 강 조직 중의 각 상의 함유량을 나타내는 %는 체적%로 한다.

마르텐사이트상의 함유량이 체적률로 5∼95%

본 발명의 스테인리스강에서는, 마르텐사이트상을 포함함으로써 결정립이 미세화되고, 저온 인성이 향상된다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 마르텐사이트상의 함유량이 체적률로 5% 미만 또는 95% 초과에서는 평균 결정 입경이 10.0㎛를 초과하여, 결정립의 미세화에 의한 인성의 향상을 기대할 수 없다. 따라서, 마르텐사이트상의 함유량은 체적률로 5∼95%로 했다. 보다 바람직하게는, 15∼90%이고, 가장 바람직하게는 30∼80%이다. 마르텐사이트상의 함유량이 30∼80%이면, 도 1에 나타내는 바와 같이, 평균 결정 입경이 매우 작아져, 저온 인성의 대폭적인 향상을 실현할 수 있다.

마르텐사이트상의 함유량의 제어는, 어닐링 온도와 그 온도에 있어서의 오스테나이트 상분율(체적%로 나타내는 오스테나이트상의 함유량)의 제어에 의해 달성된다. 본 발명에서는, 열간 압연 후에 페라이트상과 마르텐사이트상이었던 조직에 대하여, 적절한 온도 조건으로 어닐링을 행함으로써, 마르텐사이트상의 일부를 오스테나이트상으로 역(逆)변태시켜, 결정립을 미세화하고, 또한, 어닐링 후의 냉각 과정에서 오스테나이트상이 재차 마르텐사이트상으로 변태되어, 보다 미세한 결정립을 생성한다. 어닐링 온도에 있어서의 오스테나이트상은 그 후의 냉각에 의해 모두 마르텐사이트로 변태된다. 어닐링 온도에 있어서의 적당한 오스테나이트 상분율은 5∼95%이다. 어닐링 온도에서의 오스테나이트 상분율이 너무 작으면, 역변태가 일어나는 양이 적어, 결정립의 미세화 효과는 불충분해진다. 어닐링 온도에서의 오스테나이트 상분율이 너무 크면, 역변태된 후에 오스테나이트상이 입(grain)성장해 버려, 미세한 결정립은 얻을 수 없다.

10.5≤Cr+1.5×Si≤13.5 (Ⅰ), 1.5≤30×(C+N)+Ni+0.5×Mn≤6.0 (Ⅱ)

마르텐사이트 상분율(마르텐사이트상의 함유량)은 소위 Cr 당량(Cr+1.5×Si) 및 Ni 당량(30×(C+N)+Ni+0.5×Mn)에 의해 조정이 가능하다. 본 발명에서는 Cr 당량을 이용한 (Ⅰ)식과, Ni 당량을 이용한 (Ⅱ)식을 정하여, 각각의 범위를 규정하고 있다. 여기에서, Cr 당량이 10.5 미만에서는, Cr 당량이 너무 적기 때문에, 마르텐사이트 상분율을 적절한 범위로 하기 위한 Ni 당량의 조정이 어려워진다. 한편, (Ⅰ)식의 Cr 당량이 13.5% 초과에서는, Cr 당량이 너무 많아, Ni 당량을 증가시켜도, 적절한 마르텐사이트 상분율을 얻는 것이 곤란해진다. 따라서, (Ⅰ)식의 Cr 당량은 10.5 이상, 13.5 이하로 했다. 보다 바람직하게는 11.0 이상, 12.5 이하이다. Ni 당량도 마찬가지로, 1.5 미만 및, 6.0 초과에서는, 적절한 마르텐사이트 상분율을 얻는 것이 곤란해진다. 따라서, (Ⅱ)식의 Ni 당량은 1.5 이상, 6.0 이하로 했다. 보다 바람직하게는 2.0 이상, 5.0 이하이다.

상기와 같이, 본 발명의 스테인리스강의 강 조직은, 페라이트 및 마르텐사이트의 2상으로 이루어지지만, 본 발명의 효과를 해치지 않는 범위이면 다른 상을 포함해도 된다. 다른 상으로서는, 오스테나이트상 및 α상 등을 들 수 있다. 그 외의 상의 함유량의 합계가, 체적율로 10% 이하이면 본 발명의 효과를 해치지 않는다고 생각된다. 바람직하게는, 체적율로 7% 이하이다.

2600C+1700N-20Si+20Mn-40Cr+50Ni+1660≥1270 (Ⅲ)

본 발명에 있어서, 용접 열 영향부에 있어서의 조대한 δ 페라이트의 생성은, (Ⅲ)식 좌변으로 나타나는 δ 페라이트 생성 온도를 조정함으로써 제어한다. 이것은, 소위 Cr 당량, Ni 당량에서는, δ 페라이트 생성 온도를 정확하게 제어하는 것은 곤란하기 때문이다.

도 6에 본 발명 강(C: 0.01%, Si: 0.2%, Mn: 2.0%, Cr: 12%, Nb: 0.2%, N: 0.01%)의 상태도의 일례를 나타낸다(Thermo-Calc Sotware AB사제 계산 소프트 Thermo-Calc를 이용하여 계산). 본 발명에 있어서는, δ 페라이트 생성 온도는 대략 1300℃ 부근에 존재한다. 용접 열 영향부가 이 온도 이상으로 장시간 유지되면 용접 열 영향부에 있어서 δ 페라이트가 조대화된다. 통상의 Cr 당량, Ni 당량은, 어닐링 온도 부근에서의 각 원소의 영향을 정식화(establish)한 것이고, 용접 열 영향부와 같은 고온에서의 δ 페라이트의 생성의 용이함을 평가할 수 없다. 그래서, 본 발명에서는, δ 페라이트 생성 온도에 미치는 각 함유 원소의 기여를 각각의 상태도로부터 구하여, (Ⅲ)식 좌변과 같이 정식화했다. 도 2에 나타낸 바와 같이, δ 페라이트 생성 온도가 1270℃를 초과하면, 용접 열 영향부의 흡수 에너지의 최소값이 10J 이상이 되어, 저온 인성이 양호해졌다. 저온 인성이 양호해진 용접 열 영향부에 생성된 δ 페라이트의 결정 입경은, 최대라도 50㎛ 이하였다. 따라서, (Ⅲ)식의 우변을 1270으로 하여 (Ⅲ)의 부등식을 정했다.

다음으로, 본 발명에 따른 스테인리스강의 제조 방법에 대해서 설명한다.

본 발명의 스테인리스강을 고효율로 제조할 수 있는 방법으로서, 상기 성분 조성에 용제한 강철을 연속 주조 등에 의해 슬래브로 한 후, 이 슬래브를 열연 코일로 하고, 이것을 어닐링한 후, 디스케일링(descaling)(쇼트 블라스트(shot blasting) 및, 산세 등)을 행하여, 스테인리스강으로 하는 방법이 추장(推奬)된다. 구체적으로는 이하에 설명한다.

우선, 본 발명의 성분 조성으로 조정한 용강을, 전로(converter) 또는 전기로(electric furnace) 등의 통상 이용되는 공지의 용제로(melting furance)로 용제하고, 그 다음으로, 진공 탈가스(RH(Ruhrstahl-Heraeus)법), VOD(Vacuum Oxygen Decarburization)법, AOD(Argon Oxygen Decarburization)법 등의 공지의 정련 방법으로 정련하고, 그 다음으로, 연속 주조법 혹은 조괴-분괴법(ingot casting-slabbing method)에 의해 강 슬래브(강 소재)로 한다. 주조법은, 생산성 및 품질의 관점에서 연속 주조가 바람직하다. 또한, 슬래브 두께는, 후술하는 열간 조압연에서의 압하율을 확보하기 위해, 100㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는 200㎜ 이상이다.

여기에서, 용접 열 영향부의 저온 인성을 양호하게 하기 위해서는, 상기와 같이, Ti의 함유량을 0.02% 이하로 억제하는 것이 필수 요건이다. 통상의 용제 방법에서는 불가피적 불순물로서 혼입하는 Ti의 함유량이 0.02%를 초과하는 경우가 있기 때문에, Ti의 혼입을 엄격하게 제한하는 용제 방법을 취하지 않으면 안 된다. 구체적으로는 스크랩을 사용하지 않거나, 스크랩을 사용하는 경우는, 스크랩의 Ti 함유량을 분석하여 스크랩의 Ti 총량을 제어하여 사용한다. 또한, Ti를 포함한 강종(steel grade)을 용제한 직후에는 용강을 용제하지 않음 등의 방법을 채용할 필요가 있다.

그 다음으로, 강 슬래브를 1100∼1300℃의 온도로 가열한 후, 열간 압연하여 열연 강판으로 한다. 슬래브 가열 온도는, 열연 강판의 표면 거칠어짐 방지를 위해서는 높은 편이 바람직하다. 그러나, 슬래브 가열 온도가 1300℃를 초과하면 크리프 변형(creep deformation)에 의한 슬래브의 형상 변화가 현저해져서 제조가 곤란해지는 것에 추가하여, 결정립이 조대화되어 열연 강판의 인성이 저하된다. 한편, 슬래브 가열 온도가 1100℃ 미만에서는, 열간 압연에서의 부하가 높아져, 열간 압연에서의 표면 거칠어짐이 현저해지는데다가, 열간 압연 중의 재결정이 불충분해져, 열연 강판의 인성이 저하된다.

열간 압연에 있어서의 열간 조압연의 공정은, 900℃ 초과의 온도 영역에서, 압하율이 30% 이상인 압연을 적어도 1패스 이상 행한다. 바람직하게는, 920℃ 초과의 온도 영역에서, 압하율이 32% 이상이다.

이 강압하 압연에 의해, 강판의 결정립이 미세화되고, 인성이 향상된다. 열간 조압연 후, 통상의 방법에 따라, 마무리 압연을 행한다.

열간 압연에 의해 제조한 판 두께 2.0∼8.0㎜ 정도의 열연 강판을, 700∼900℃의 온도에서 어닐링한다. 그 후, 산세(pickling)를 실시해도 좋다. 열연 강판의 어닐링 온도가 700℃ 미만에서는, 재결정이 불충분해지는데다가, 마르텐사이트상으로부터 오스테나이트상으로의 역변태가 일어나기 어렵고, 그 양도 적어지기 때문에, 충분한 저온 인성을 얻을 수 없다. 한편, 열연 강판의 어닐링 온도가 900℃를 초과하면 어닐링 후에 오스테나이트 단상(單相)이 되어, 결정립의 조대화가 현저하고, 인성이 저하된다. 열연 강판의 어닐링은, 소위 상어닐링(box annealing)에 의해 1시간 이상 유지하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 710∼850℃, 5∼10시간이다.

본 발명에 따른 스테인리스강의 용접에는, TIG 용접, MIG 용접을 비롯한 아크 용접(arc welding), 심 용접(seam welding), 스폿 용접(spot welding) 등의 저항 용접, 레이저 용접 등 통상의 용접 방법은 모두 적용 가능하다.

실시예 1

표 1에 나타내는 성분 조성을 갖는 스테인리스강을, 실험실에서 진공 용제했다. 용제한 강괴(steel ingots)를 1200℃로 가열하고, 900℃ 초과의 온도 영역에서, 압하율이 30% 이상인 압연을 적어도 1패스 이상 행하는 조압연을 포함하는 열간 압연에 의해 두께가 5㎜인 열연 강판으로 했다. 얻어진 열연 강판에, 780℃로 10시간의 어닐링을 행한 후, 쇼트 블라스트 및 산세를 행하여 스케일을 제거했다. 이 어닐링 조건은, 본 발명예의 마르텐사이트 상분율이 5∼95%의 범위가 되도록 선택했다.

스케일을 제거한 상기 열연 강판으로부터, 20㎜×10㎜의 형상으로 L단면(압연 방향에 평행한 수직 단면)을 채취하고, 왕수(王水)에 의해 조직을 현출시켜 관찰했다. 관찰한 조직으로부터, 절단법에 의해 각각의 공시재의 평균 결정 입경을 측정했다. 평균 결정 입경의 측정 방법은 구체적으로는 이하와 같다. 광학 현미경을 이용하여, 100배의 배율로 조직을 현출시킨 단면을 5시야 촬영했다. 촬영한 사진에, 종횡 5개씩의 선분을 기입하고, 선분의 합계의 길이를 그 선분이 결정립계와 교차한 수로 나누어 평균 결정 입경으로 했다. 결정 입경의 측정에 있어서는, 페라이트 결정립, 마르텐사이트 결정립은 특별히 구별하지 않았다. 각각의 공시재의 평균 결정 입경을 표 2에 나타낸다.

또한, EPMA(electron probe microanalyzer)를 이용하여 L단면의 Ni 및 Cr의 원소 분포를 측정했다. 측정예를 도 7에 나타낸다. Ni가 농화(사진에서는 희게 보임)되고, Cr이 감소된(사진에서는 거뭇하게 보임) 개소를 마르텐사이트상이라고 판단했다. 열연 전의 가열 온도 및 어닐링 온도에 있어서 오스테나이트상인 영역에는, 오스테나이트상을 안정화시키는 원소(예를 들면, Ni, Mn 등)가 농화되고, 페라이트상을 안정화시키는 원소(예를 들면, Cr 등)가 감소되므로, 오스테나이트상과 페라이트상에서 몇 개의 원소의 농도에 차이가 발생한다. 어닐링 온도에서 오스테나이트상인 영역은 그 후의 냉각에 의해 마르텐사이트상으로 변태되므로, 마르텐사이트상에서는 Ni가 농화되고, Cr이 감소된다. 그 때문에, EPMA에 의해, Ni의 농화와 Cr의 감소가 확인된 영역을 마르텐사이트상이라고 판단했다. EPMA로 측정한 Ni의 농도 분포를 이용하여, 화상 처리에 의해 흰 영역의 면적을 측정하고, 마르텐사이트 상분율을 구했다. 결과를 표 1에 나타낸다. (Ⅱ)식 중의 30×(C+N)+Ni+0.5×Mn이 큰 것일수록, 마르텐사이트 상분율이 커지는 경향이 인정되었다.

또한, 광학 현미경을 이용하여 400㎛ 사방에서 10시야의 조직을 관찰했다. 관찰한 조직으로부터, 한 변의 길이가 1㎛ 이상인 입방체 형상의 개재물을 TiN이라고 판단하여, 그 개수를 세어, 1㎟ 근처의 TiN의 개수를 계산했다. 결과를 표 2에 나타낸다. 본 발명예에서는, 한 변이 1㎛ 이상인 TiN의 밀도는 70개/㎟ 이하였다. 보다 바람직하게는 40개/㎟ 이하이다.

스케일을 제거한 열연 강판으로부터, C방향(압연 방향과 수직 방향)의 샤르피 시험편을 각각 3개 제조하고, -50℃에 있어서 샤르피 시험을 행하였다. 샤르피 시험편은 5㎜(두께)×55㎜(폭)×10㎜(길이)의 서브 사이즈 시험편으로 했다. 공시재마다 3회의 시험을 행하여, 평균의 흡수 에너지를 구했다. 구한 흡수 에너지를 표 2에 나타낸다. 본 발명예에서는, 모두 25J 이상의 흡수 에너지가 얻어지고 있고, 저온 인성이 양호한 것을 알았다. 이에 대하여, 비교예의 No. 27은 Ti, No. 28은 Mn, No. 29는 Cr, No. 30은 Ni, No. 31은 C와 N, No. 36은 Nb와 V가 각각 본 발명의 범위로부터 벗어나 있기 때문에, 저온 인성이 25J보다 낮았다. 또한, 비교예의 No. 32∼No. 35, No. S1은, 식 (Ⅰ), 또는, 식 (Ⅱ)가 본 발명의 범위로부터 벗어나 있기 때문에, 저온 인성이 25J보다 낮았다.

스케일을 제거한 열연 강판으로부터, 60㎜×80㎜의 시험편을 채취하고, 이면 및 단부(端部) 5㎜를 내수 테이프(water resistant tape)로 피복하고, 염수 분무 시험을 행하였다. 염수 농도는 5%NaCl, 시험 온도는 35℃, 시험 시간은 24h로 했다. 염수 분무 시험을 행한 후, 시험면을 촬영하고, 촬영한 사진상에서 녹(rust)이 발생한 부분을 검은색, 녹이 발생하지 않았던 부분을 흰색으로 변환하여, 화상 처리에 의해 부식 면적률을 측정했다. 구한 부식 면적률을 표 2에 나타낸다. 부식 면적률이 15% 이하인 것을 양호한 내식성을 갖는다고 평가했다. 본 발명예인 No. 1∼No. 26은 모두 내식성이 양호했다. 비교예 중, Mn이 본 발명의 범위로부터 벗어나는 No. 28, C와 N이 본 발명의 범위로부터 벗어나는 No. 31, Nb와 V가 본 발명의 범위로부터 벗어나는 No. 36, Cr이 본 발명의 범위로부터 벗어나는 No. S1, V가 본 발명의 범위로부터 벗어나는 No. S2가, 내식성이 불량이었다.

스케일을 제거한 열연 강판으로부터, 압연 방향과 평행하게 JIS5호의 인장 시험편을 채취하고, 인장 시험(tensile test)을 행하여, 가공성을 평가했다. 얻어진 신장(elongation)의 값을 표 2에 나타낸다. 신장이 15.0% 이상인 것을 양호한 가공성을 갖는다고 평가했다. 본 발명예인 No. 1∼No. 26은 모두 가공성이 양호했다. 비교예 중, Ni가 본 발명의 범위로부터 벗어나는 No. 30, C와 N이 본 발명의 범위로부터 벗어나는 No. 31, 식 (Ⅱ)가 본 발명의 범위로부터 벗어나는 No. 35, Nb와 V가 본 발명의 범위로부터 벗어나는 No. 36, Nb가 본 발명의 범위로부터 벗어나는 No. S3이, 가공성이 불량이었다.

이상의 결과로부터, 본 발명에 의하면, 저온 인성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강이 얻어지는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 2

표 3에 나타내는 성분 조성의 두께 250㎜의 강 슬래브를 진공 용제했다. 제조한 강 슬래브를 1200℃로 가열한 후, 9패스의 열간 압연에 의해 두께가 5㎜인 열연 강판으로 했다. 조압연을 포함한 열연 조건을 표 4에 나타낸다. 얻어진 열연 강판에, 표 4에 나타내는 조건으로 어닐링을 행한 후, 쇼트 블라스트 및 산세를 행하여 스케일을 제거했다.

스케일을 제거한 상기 열연 강판으로부터, 20㎜×10㎜의 형상으로 L단면을 채취하고, 왕수에 의해 조직을 현출시켜 관찰했다. 관찰한 조직으로부터, 절단법에 의해 각각의 공시재의 평균 결정 입경을 측정했다. 각각의 평균 결정 입경을 표 4에 나타낸다.

또한, EPMA를 이용하여 L단면(압연 방향에 평행한 수직 단면)의 Ni의 원소 분포를 측정했다. Ni가 농화된 개소를 마르텐사이트라고 판단하여, 마르텐사이트 상분율을 화상 처리에 의해 구했다. 결과를 표 4에 나타낸다.

또한, 광학 현미경을 이용하여 400㎛ 사방에서 10시야의 조직을 관찰했다. 관찰한 조직으로부터, 한 변의 길이가 1㎛ 이상인 입방체 형상의 개재물을 TiN이라고 판단하여, 그 개수를 세어, 1㎟ 당의 TiN의 개수를 계산했다. 결과를 표 4에 나타낸다.

스케일을 제거한 열연 강판으로부터, C방향(압연 방향과 수직 방향)의 샤르피 시험편을 각각 3개 제조하고, -50℃에 있어서 샤르피 시험을 행하였다. 샤르피 시험편은 5㎜(두께)×55㎜(폭)×10㎜(길이)의 서브 사이즈 시험편으로 했다. 공시재마다 3회의 시험을 행하여, 평균의 흡수 에너지를 구했다. 구한 흡수 에너지를 표 4에 나타낸다. 본 발명예에서는, 모두 25J 이상의 흡수 에너지가 얻어지고 있고, 저온 인성이 양호한 것을 알았다. 비교예인 No. D, No. E에서는, 900℃ 초과의 최대 압하율이 30% 이하이기 때문에, 900℃ 이하의 최대 압하율이 30% 이상이라도, 평균 결정 입경이 커서, -50℃의 흡수 에너지가 25J 이하가 되었다. 비교예인 No. F는 어닐링 온도가 낮기 때문에, 마르텐사이트 상분율이 5% 미만이 되고, -50℃의 흡수 에너지가 25J 이하가 되었다. 비교예인 No. J는 어닐링 온도가 높기 때문에, 마르텐사이트 상분율이 95% 초과가 되고, -50℃의 흡수 에너지가 25J 이하가 되었다. 비교예인 No. K는 어닐링 시간이 1시간 미만으로, 어닐링에 의한 변태·재결정이 불충분했다. 그 때문에, 마르텐사이트 상분율 및, 평균 결정 입경의 측정이 불가능했다. 그 결과, No. K의 -50℃의 흡수 에너지는 25J 이하였다.

스케일을 제거한 열연 강판으로부터, 60㎜×80㎜의 시험편을 채취하고, 이면 및 단부 5㎜를 내수 테이프로 피복하고, 염수 분무 시험을 행하였다. 염수 농도는 5%NaCl, 시험 온도는 35℃, 시험 시간은 24h로 했다. 염수 분무 시험을 행한 후, 시험면을 촬영하고, 촬영한 사진상에서 녹이 발생한 부분을 검은색, 녹이 발생하지 않았던 부분을 흰색으로 변환하여, 화상 처리에 의해 부식 면적률을 측정했다. 구한 부식 면적률을 표 4에 나타낸다. 부식 면적률이 15% 이하인 것을 양호한 내식성을 갖는다고 평가했다. 본 발명예에서는 모두 내식성이 양호했다. 비교예 중, 어닐링 온도가 높은 No. J와, 어닐링이 불충분했던 No. K의 내식성이 불량이었다.

스케일을 제거한 열연 강판으로부터, 압연 방향과 평행하게 JIS5호의 인장 시험편을 채취하고, 인장 시험을 행하여, 가공성을 평가했다. 얻어진 신장의 값을 표 4에 나타낸다. 신장이 15.0% 이상인 것을 양호한 가공성을 갖는다고 평가했다. 본 발명예에서는 모두 가공성이 양호했다. 비교예 중, 마르텐사이트 상분율이 높은 No. J와, 어닐링이 불충분했던 No. K의 가공성이 불량이었다.

실시예 3

표 5에 나타내는 성분 조성을 갖는 스테인리스강을, 실험실에서 진공 용제했다. 용제한 강괴를 1200℃로 가열하고, 900℃ 초과의 온도 영역에서, 압하율이 30% 이상인 압연을 적어도 1패스 이상 행하는 조압연을 포함하는 열간 압연에 의해 두께 5㎜의 열연 강판으로 했다. 얻어진 열연 강판에, 780℃에서 10시간의 어닐링을 행한 후, 쇼트 블라스트 및 산세를 행하여 스케일을 제거했다.

이들의 스케일을 제거한 열연 어닐링판으로부터, 20㎜×10㎜의 형상으로 L단면(압연 방향에 평행한 수직 단면)을 채취하고, 왕수에 의해 조직을 현출시켜 관찰했다. 관찰한 조직으로부터, 절단법에 의해 각각의 공시재의 평균 결정 입경을 측정했다. 각각의 평균 결정 입경을 표 6에 나타낸다.

또한, EPMA를 이용하여 L단면(압연 방향에 평행한 수직 단면)의 Ni의 원소 분포를 측정했다. Ni가 농화된 개소를 마르텐사이트라고 판단하여, 마르텐사이트 상분율을 화상 처리에 의해 구했다. 결과를 표 5에 나타낸다.

또한, 광학 현미경을 이용하여 400㎛ 사방에서 10시야의 조직을 관찰했다. 관찰한 조직으로부터, 한 변의 길이가 1㎛ 이상인 입방체 형상의 개재물을 TiN이라고 판단하여, 그 개수를 세어, 1㎟ 당의 TiN의 개수를 계산했다. 결과를 표 6에 나타낸다.

스케일을 제거한 열연 강판으로부터, C방향(압연 방향과 수직 방향)의 샤르피 시험편을 각각 3개 제조하고, -50℃에 있어서 샤르피 시험을 행하였다. 샤르피 시험편은 5㎜(두께)×55㎜(폭)×10㎜(길이)의 서브 사이즈 시험편으로 했다. 공시재마다 3회의 시험을 행하여, 평균의 흡수 에너지를 구했다. 구한 흡수 에너지를 표 6에 나타낸다. 표 6의 No. 38∼No. 56은, 모두 25J 이상의 흡수 에너지가 얻어지고 있어, 저온 인성이 양호한 것을 알았다.

스케일을 제거한 열연 강판으로부터, 60㎜×80㎜의 시험편을 채취하고, 이면 및 단부 5㎜를 내수 테이프로 피복하고, 염수 분무 시험을 행하였다. 염수 농도는 5%NaCl, 시험 온도는 35℃, 시험 시간은 24h로 했다. 염수 분무 시험을 행한 후, 시험면을 촬영하고, 촬영한 사진상에서 녹이 발생한 부분을 검은색, 녹이 발생하지 않았던 부분을 흰색으로 변환하여, 화상 처리에 의해 부식 면적률을 측정했다. 구한 부식 면적률을 표 6에 나타낸다. 표 6의 No. 38∼No. 56은 모두 부식 면적률이 15% 이하이고, 내식성이 양호했다.

스케일을 제거한 열연 강판으로부터, 압연 방향과 평행하게 JIS5호의 인장 시험편을 채취하고, 인장 시험을 행하여, 가공성을 평가했다. 얻어진 신장의 값을 표 6에 나타낸다. 표 6의 No. 38∼No. 56은 모두 신장이 15.0% 이상이고, 가공성이 양호했다.

스케일을 제거한 열연 강판으로부터, 300㎜×100㎜의 시험편을 채취하고, 맞대었을 때에 60℃의 V자 개선(groove)이 되도록 300㎜ 가장자치의 단면을 30° 연삭했다. 가공한 단면을 맞대어, 입열(heat input) 0.7kJ/㎜, 용접 속도 60㎝/min으로 하고 MIG 용접을 행하였다. 쉴드 가스(shielding gas)는 100% Ar로 했다. 용접 와이어(welding wire)는 1.2㎜φ Y309L(JIS Z 3321)을 이용했다. 용접 방향은 L방향으로 했다.

용접 비드(weld bead)를 포함하는 두께 5㎜×폭 55㎜×길이 10㎜의 서브 사이즈의 샤르피 시험편을 제조했다. 노치 위치는 판 두께에 대하여 용융부가 50%가 되는 위치로 했다. 노치 형상은 2㎜의 V노치로 했다. 샤르피 충격 시험은, -50℃에 있어서 9회 실시했다.

표 6에 9회의 샤르피 충격 시험의 흡수 에너지의 최소값을 나타낸다. 표 6의 No. 38∼No. 50은, 모두 용접 열 영향부의 흡수 에너지가 10J 이상으로 되어 있고, 청구항 4 내지 청구항 8에 따르면, 용접 열 영향부의 저온 인성이 양호해지는 것을 알았다. 특히, P가 0.02% 미만인 No. 50은, 용접 열 영향부의 흡수 에너지가 50J 이상으로서, 매우 우수한 용접 열 영향부의 저온 인성을 나타냈다. No. 51은 Ti, No. 52는 Mn, No. 53은 N, No. 54는 Ni, No. 55는 Nb, No. 56은 (Ⅲ)식이 각각 청구항 4의 범위로부터 벗어나 있기 때문에, 용접 열 영향부의 흡수 에너지가 10J보다 낮아, 용접 열 영향부의 저온 인성이 불충분해졌다.

이상의 결과로부터, 본 발명에 의하면, 용접 열 영향부의 저온 인성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강도 얻을 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명에 의하면, 저렴하고 또한 고효율로 생산할 수 있고, 한랭지에 있어서 석탄이나 유류 등을 운반하는 화차의 보디 용도 재료로서 적합한 저온 인성이 우수한 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강 및 그 제조 방법을 얻을 수 있다.

또한, 청구항 4에 기재된 특징을 갖는 본 발명은, 용접 열 영향부의 저온 인성도 우수한 용접 구조재용 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강을 얻을 수 있다.

Claims

질량%로,
C: 0.005∼0.030%,
N: 0.005∼0.030%,
Si: 0.05∼1.00%,
Mn: 0.05∼2.5%,
P: 0.04% 이하,
S: 0.02% 이하,
Al: 0.01∼0.15%,
Cr: 10.0∼13.0%,
Ni: 0.3∼5.0%,
V: 0.005∼0.10%,
Nb: 0.05∼0.4%,
Ti: 0.1% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
하기 부등식 (Ⅰ) 및 (Ⅱ)를 충족시키고,
어닐링 후의 강 조직으로서 페라이트상과 마르텐사이트상의 2상으로 이루어지는 강 조직을 갖고,
상기 마르텐사이트상의 함유량이 체적%로 5∼95%인 것을 특징으로 하는 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강.
10.5≤Cr+1.5×Si≤13.5 (Ⅰ)
1.5≤30×(C+N)+Ni+0.5×Mn≤6.0 (Ⅱ)
여기에서, 상기 부등식 (Ⅰ) 중의 Cr 및 Si, 그리고 상기 부등식 (Ⅱ) 중의 C, N, Ni 및 Mn은, 각각의 원소의 함유량(질량%)을 의미한다.
제1항에 있어서,
추가로, 질량%로, 이하의 A군 및 B군 중 적어도 하나를 함유하는 것을 특징으로 하는 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강.
A군: Cu: 0.5% 이하, Mo: 1.0% 이하, W: 1.0% 이하 및 Co: 0.5% 이하 중 1종 또는 2종 이상
B군: Ca: 0.01% 이하, B: 0.01% 이하, Mg: 0.01% 이하 및 REM: 0.05% 이하 중 1종 또는 2종 이상
삭제
제1항에 있어서,
질량%로,
상기 N 함유량이 0.005∼0.015%이고,
상기 Si 함유량이 0.05∼0.50%이고,
상기 Mn 함유량이 1.0 초과∼2.5%이고,
상기 Ni 함유량이 0.3% 이상 1.0% 미만이고,
상기 Nb 함유량이 0.05∼0.25%이고,
상기 Ti 함유량이 0.02% 이하이고,
추가로, 하기 식 (Ⅲ)을 충족시키는 것을 특징으로 하는 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강.
2600C+1700N-20Si+20Mn-40Cr+50Ni+1660≥1270 (Ⅲ)
또한, 식 (Ⅲ) 중의 C, N, Si, Mn, Cr 및 Ni는, 각각의 원소의 함유량(질량%)을 의미한다.
제4항에 있어서,
질량%로, 상기 P 함유량이 P: 0.02% 미만인 것을 특징으로 하는 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강.
제4항에 있어서,
추가로, 질량%로, 이하의 A군 및 B군 중 적어도 하나를 함유하는 것을 특징으로 하는 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강.
A군: Cu: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 미만, W: 1.0% 이하, Co: 0.5% 이하 중 1종 또는 2종 이상
B군: Ca: 0.01% 이하, B: 0.01% 이하, Mg: 0.01% 이하, REM: 0.05% 이하 중 1종 또는 2종 이상
제5항에 있어서,
추가로, 질량%로, 이하의 A군 및 B군 중 적어도 하나를 함유하는 것을 특징으로 하는 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강.
A군: Cu: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 미만, W: 1.0% 이하, Co: 0.5% 이하 중 1종 또는 2종 이상
B군: Ca: 0.01% 이하, B: 0.01% 이하, Mg: 0.01% 이하, REM: 0.05% 이하 중 1종 또는 2종 이상
제1항, 제2항, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강의 제조 방법으로서, 강 슬래브를 1100∼1300℃의 온도로 가열한 후, 900℃ 초과의 온도 영역에서, 압하율이 30% 이상인 압연을 적어도 1패스 이상 행하는 열간 조압연을 포함하는 열간 압연을 행하고, 700∼900℃의 온도에서 1시간 이상의 어닐링을 행하는 것을 특징으로 하는 페라이트-마르텐사이트 2상 스테인리스강의 제조 방법.