KR102020513B1 - 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 - Google Patents

고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

유효 산화 스케일(Oxide Scale) 생성을 통해 고온 산화를 억제할 수 있는 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강은, 중량%로, Cr: 10 내지 30%, Si: 0.2 내지 1.0%, Mn: 0.1 내지 2.0%, W: 0.3 내지 2.5%, Ti: 0.001 내지 0.15%, Al: 0.001 내지 0.1%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)을 만족한다.
(1) W/(Ti+Al) ≥ 10

Description

고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 {FERRITIC STAINLESS STEEL EXCELLENT IN OXIDATION RESISTANCE AT HIGH TEMPERATURE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 고온 산화 방지를 위한 페라이트계 스테인리스강의 최적 설계 방안에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유효 산화 스케일(Oxide Scale) 생성을 통해 고온 산화를 억제할 수 있는 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
페라이트계 스테인리스강은 고가의 합금원소가 적게 첨가되면서도 내식성이 뛰어나서, 오스테나이트계 스테인리스강에 비하여 가격 경쟁력이 높은 강재이다. 페라이트계 스테인리스강은 배가스 온도 800℃ 이상의 배기계 부품 등(exhaust-manifold, collector cone)에 사용되나, 고온 환경에서 오래 노출되면 고온 산화가 발생하여서 부품 내구성이 떨어지게 된다.
기존에는 단순히 고온강도 증대를 위해 합금성분 및 제조방법 관점에서 제품 개발이 이루어져 왔으나, 고온강도 증대 이외에 고온 환경에 장시간 노출 시 고온 산화를 억제하기 위한 스테인리스강 표층의 산화 스케일에 대한 연구는 미진한 실정이다.
본 발명의 실시예들은, 고온강도 증대뿐 아니라 고온 환경에의 장시간 노출 시 고온 산화를 억제하여 부품 내구도를 증대시킬 수 있는 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강은, 중량%로, Cr: 10 내지 30%, Si: 0.2 내지 1.0%, Mn: 0.1 내지 2.0%, W: 0.3 내지 2.5%, Ti: 0.001 내지 0.15%, Al: 0.001 내지 0.1%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)을 만족한다.
(1) W/(Ti+Al) ≥ 10
여기서, W, Ti, Al는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 900℃ 이상에서 200시간 이상 노출 시 표층에 W, Si 산화막([W,Si]-Oxide)이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 W, Si 산화막의 두께는 5㎛ 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 W 라베스상(Laves Phase) 석출물을 0.01 내지 1.0중량% 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 C: 0.001 내지 0.01%, N: 0.001 내지 0.01%, Nb: 0.3 내지 0.6%, Mo: 0.3 내지 2.5% 및 Cu: 0.2% 이하를 더 포함하고, C+N: 0.018% 이하를 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 W 라베스상(Laves Phase) 석출물, Nb 라베스상 석출물 및 Mo 라베스상 석출물 중 1종 이상을 0.01 내지 1.0중량% 포함하고, 상기 라베스상 석출물 100중량%를 기준으로 W를 5중량% 이상 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 W 라베스상 석출물은 Fe2W, FeCrW, Cr2W로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 Nb 라베스상 석출물은 Fe2Nb, FeCrNb, Cr2Nb로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 Mo 라베스상 석출물은 Fe2Mo, FeCrMo, Cr2Mo로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 불가피한 불순물은 P: 0.05% 이하, S: 0.005% 이하, Mg: 0.0002 내지 0.001% 및 Ca: 0.0004 내지 0.002% 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법은, 중량%로, Cr: 10 내지 30%, Si: 0.2 내지 1.0%, Mn: 0.1 내지 2.0%, W: 0.3 내지 2.5%, Ti: 0.001 내지 0.15%, Al: 0.001 내지 0.1%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고 하기 식 (1)을 만족하는 냉연 소둔재를, 시효처리(Aging)하는 단계를 포함한다.
(1) W/(Ti+Al) ≥ 10
여기서, W, Ti, Al는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 시효처리는 400 내지 600℃에서 30 내지 90분 실시할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉연 소둔재는 C: 0.001 내지 0.01%, N: 0.001 내지 0.01%, Nb: 0.3 내지 0.6%, Mo: 0.3 내지 2.5% 및 Cu: 0.2% 이하를 더 포함하고, C+N: 0.018% 이하를 만족할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 900℃ 이상에서 200시간 이상 노출 후 W, Si 산화막이 균일하게 형성되어, 기존 대비 고온 산화량을 20% 이상 감소시킬 수 있으며, 따라서 고온 배기계 부품의 내구도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 W/(Ti+Al) 값이 10 미만인 경우의 장시간 고온 노출 시 산화 스케일(Oxide Scale) 형성 거동 모식도이다.
도 2는 W/(Ti+Al) 값이 10 이상인 경우의 장시간 고온 노출 시 산화 스케일(Oxide Scale) 형성 거동 모식도이다.
도 3은 W/(Ti+Al) 값에 따른 900℃ 200시간 노출 후 [W,Si]-Oxide 두께 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 900℃ 200시간 노출 후 발명강의 단면부의 산화 스케일 조성을 나타내는 Fe-SEM 사진이다.
도 5는 900℃ 200시간 노출 후 형성된 [W,Si]-Oxide 두께와 산화에 의한 무게증가량의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명은 자동차 배기계용 부품의 고온 산화 방지를 위한 페라이트계 스테인리스강 최적 설계 방안에 대하여, 고온 산화 억제를 위한 유효 산화 스케일(Oxide scale) 구성을 정의하며 목표 산화 스케일 생성을 위한 성분계 및 파라미터를 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강은, 중량%로, Cr: 10 내지 30%, Si: 0.2 내지 1.0%, Mn: 0.1 내지 2.0%, W: 0.3 내지 2.5%, Ti: 0.001 내지 0.15%, Al: 0.001 내지 0.1%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)을 만족한다.
(1) W/(Ti+Al) ≥ 10
이하, 본 발명의 실시예에서의 합금성분 원소 함량의 수치한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
Cr의 함량은 10 내지 30%이다.
Cr은 강의 내식성 향상에 효과적인 원소로, 본 발명에서는 10% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 제조 비용이 급증할 뿐만 아니라, 입계 부식이 일어나는 문제가 있는 바 30% 이하로 제한한다.
Si의 함량은 0.2 내지 1.0%이다.
Si은 제강 시 용강의 탈산과 페라이트 안정화를 위해 첨가되는 원소로, 본 발명에서는 0.2% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 재질의 경화를 일으켜 강의 연성이 저하되는 바 1.0% 이하로 제한한다.
Mn의 함량은 0.1 내지 2.0%이다.
Mn은 내식성 개선에 유효한 원소로, 본 발명에서는 0.1% 이상 첨가하고, 보다 바람직하게는 0.5% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 용접시 Mn계 퓸 발생이 급증하여 용접성이 저하되며, 과도한 MnS 석출물 형성으로 인해 강의 연성이 저하되는 바 2.0% 이하로 제한하며, 보다 바람직하게는 1.5% 이하로 제한한다.
W의 함량은 0.3 내지 2.5%이다.
W는 페라이트계 스테인리스강의 내식성을 증대함과 동시에 고온 강도를 향상시키며, 고온 흡음성을 증대시키는 역할을 한다. 따라서 0.3% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 금속간화합물(Intermetallic) 석출물 생성에 의해 취성이 발생하게 된다. 따라서 2.5% 이하로 함량을 제한하는 것이 바람직하다.
Ti의 함량은 0.001 내지 0.15%이다.
Ti는 C 및 N을 고정하여 강 중 고용 C 및 고용 N의 양을 저감하고 강의 내식성 향상에 효과적이지만, 800℃ 이상의 고온에서 고용된 W, Mo의 근거리 확산(Short range diffusion) 방해로 고온 흡음성을 감소시키기 때문에 그 양을 제한하여야 한다. 다만 Ti 함량을 극저로 낮추기 위해서는 추가 제강비용이 증가하기 때문에 0.001 내지 0.15% 수준으로 범위를 제한한다.
Al의 함량은 0.001 내지 0.1%이다.
Al은 강력한 탈산제로써, 용강 중 산소의 함량을 낮추는 역할을 하며, 본 발명에서는 0.001% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 비금속 개재물 증가로 인해 냉연 스트립의 슬리브 결함이 발생함과 동시에 용접성을 열화시키는 바, 0.1% 이하로 제한한다.
상기 식 (1)을 만족하는 경우, W, Si의 표층부 확산이 활성화되어 900℃ 이상에서 200시간 이상 노출 시 스테인리스강 표층에 W, Si 산화막([W,Si]-Oxide)이 형성될 수 있다. 상기 W, Si 산화막은 5㎛ 이상의 두께로 균일하게 형성될 수 있다. [W,Si]-Oxide 산화막은 모재 내의 Fe, Cr, Mn의 확산을 방지하는 배리어(barrier) 역할을 하여 추가적인 고온 산화를 억제시킨다.
도 1은 W/(Ti+Al) 값이 10 미만인 경우의 장시간 고온 노출 시 산화 스케일(Oxide Scale) 형성 거동 모식도이다. 도 2는 W/(Ti+Al) 값이 10 이상인 경우의 장시간 고온 노출 시 산화 스케일(Oxide Scale) 형성 거동 모식도이다.
일반적으로, 페라이트계 스테인리스강의 표층부에는 최외곽 층에 Mn 산화막(Mn Oxide)이 형성되고, 모재와 Mn 산화막 사이에 Fe, Cr 산화막([Fe,Cr]-Oxide)이 형성된다.
W/(Ti+Al) 값이 10 미만인 경우, 본 발명의 성분계에 따른 Ti, Al 함량에서는 도 1에 나타난 바와 같이 불균일한 형태의 TiO2, Al2O3 산화막이 형성되며, 이는 Fe, Cr, Mn, O의 확산을 억제하지 못하기 때문에 장시간 고온 노출 시 고온 산화량이 증가하게 된다. 반면, W/(Ti+Al) 값이 10 이상인 경우, 도 2에 나타난 바와 같이 5㎛ 이상의 균일한 W, Si 산화막([W,Si]-Oxide)이 형성되어, Fe, Cr, Mn, O의 확산을 방지함으로써 추가적인 고온 산화를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 C: 0.001 내지 0.01%, N: 0.001 내지 0.01%, Nb: 0.3 내지 0.6%, Mo: 0.3 내지 2.5% 및 Cu: 0.2% 이하를 더 포함할 수 있다. 그리고, C+N은 0.018% 이하를 만족할 수 있다.
C의 함량은 0.001 내지 0.01%이다.
C는 강재의 강도에 크게 영향을 미치는 원소로써, 그 함량이 과다할 경우 강도가 지나치게 상승하여 연성이 저하되는 바, 0.01% 이하로 제한한다. 다만, 그 함량이 낮을 경우 강도가 지나치게 저하되는 바, 그 하한을 0.001% 이상으로 한정할 수 있다.
N의 함량은 0.001 내지 0.01%이다.
N은 열간압연 시 오스테나이트를 석출시켜 재결정을 촉진시키는 역할을 하는 원소로, 본 발명에서는 0.001% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 강의 연성을 저하시키는 바, 0.01% 이하로 한정한다.
C+N은 0.018% 이하이다.
C+N이 지나치게 높을 경우에는 안정화비 부족에 의한 입계 탄질화물 형성으로 입계 부식이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해서 C+N을 0.018% 이하로 관리하는 것이 바람직하다.
Nb의 함량은 0.3 내지 0.6%이다.
Nb는 고용 C와 결합하여 NbC를 석출하여 고용 C 함량을 낮추어 내식성을 증가시키며, 고온강도가 증가되는 효과가 있다. 따라서 본 발명에서는 0.3% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 재결정을 억제하여 성형성을 열위하게 하기 때문에 0.6% 이하로 함량을 제한하는 것이 바람직하다.
Mo의 함량은 0.3 내지 2.5%이다.
Mo는 페라이트계 스테인리스강의 내식성을 증가시킴과 동시에 고온 강도를 향상시키며, 고온 흡음성을 증대시키는 역할을 한다. 따라서 0.3% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 금속간화합물(Intermetallic) 석출물 생성에 의해 취성이 발생하게 된다. 따라서 2.5% 이하로 함량을 제한하는 것이 바람직하다.
Cu의 함량은 0.2% 이하이다.
Cu는 배기계 응축수 환경에서 내식성을 증대시키는 효과가 있다. 따라서 첨가 시에는 0.01% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 연성을 저하시켜 성형 품질을 열위하게 한다. 따라서, 0.2% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 불가피한 불순물로 P: 0.05% 이하, S: 0.005% 이하, Mg: 0.0002 내지 0.001% 및 Ca: 0.0004 내지 0.002% 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
P의 함량은 0.05% 이하이다.
P는 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로써, 산세시 입계 부식을 일으키거나 열간가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 P 함량의 상한을 0.05%로 관리한다.
S의 함량은 0.005% 이하이다.
S는 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로써, 결정립계에 편석되어 열간가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 S 함량의 상한을 0.005%로 관리한다.
Mg의 함량은 0.0002 내지 0.001%이다.
Mg는 제강 공정에서 탈산을 위하여 투입되는 원소로 탈산 공정 후에 불순물로서 남아있게 된다. 다만 그 함량이 과다할 경우 성형성을 열위하게 하므로 0.001% 이하로 함량을 제한하며, 완전히 제거하기는 불가능하므로 0.0002% 이상으로 관리하는 것이 바람직하다.
Ca의 함량은 0.0004 내지 0.002%이다.
Ca는 제강 공정에서 탈산을 위하여 투입되는 원소로 탈산 공정 후에 불순물로서 남아있게 된다. 다만 그 함량이 과다할 경우 내식성을 열위하게 하므로 0.002% 이하로 제한하며, 완전히 제거하기는 불가능하므로 0.0004% 이상으로 관리하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강은 통상의 제조공정을 거쳐 냉연 소둔재를 제조할 수 있으며, 냉연 소둔재를 400 내지 600℃에서 30 내지 90분 시효처리(Aging)하는 단계를 포함한다.
예를 들어, Cr: 10 내지 30%, Si: 0.2 내지 1.0%, Mn: 0.1 내지 2.0%, W: 0.3 내지 2.5%, Ti: 0.001 내지 0.15%, Al: 0.001 내지 0.1%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고 W/(Ti+Al) 값이 10 이상을 만족하는 슬라브를 열간 압연, 열연 소둔, 냉간 압연 및 냉연 소둔하여 냉연 소둔재로 제조할 수 있다.
또한, 상술한 범위의 C, N, Nb, Mo, Cu를 더 포함할 수 있으며, 불순물로 P, S, Mg, Ca를 포함할 수 있다.
상기 식 (1)을 만족하고, Nb, Mo를 함유하는 냉연 소둔재를 시효처리함으로써, 스테인리스강 조직 내에 라베스상(Laves Phase) 석출물을 석출시킬 수 있다. [Fe,Cr]2[W,Nb,Mo]로 표현될 수 있는 라베스상 석출물은 시효처리에 의해 스테인리스강 조직 내에 0.01 내지 1.0중량% 석출될 수 있다. 상기 범위의 석출량을 석출시키기 위해 시효처리 온도 및 시간의 관계를 조정할 수 있으며, 바람직하게는 400 내지 600℃에서 30 내지 90분 실시할 수 있다.
W를 포함하는 라베스상 석출물이 1.0중량% 이상 과다하게 석출되는 경우에는, 고용 W, Nb, Mo 감소로 고온강도가 저하되고 취성 파괴 위험이 증가하게 되므로 W를 포함하는 라베스상 석출물의 석출량은 1.0중량% 이하로 제한하여야 한다.
W 라베스상 석출물은 Fe2W, FeCrW, Cr2W로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있고, Nb 라베스상 석출물은 Fe2Nb, FeCrNb, Cr2Nb로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, Mo 라베스상 석출물은 Fe2Mo, FeCrMo, Cr2Mo로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 석출된 라베스상 석출물([Fe,Cr]2[W,Nb,Mo]) 100중량%를 기준으로 W는 5중량% 이상 포함되어야 한다. W가 함유된 라베스상 석출물이 스테인리스강 표층부에 존재할 경우, 900℃ 이상에서 200시간 이상 노출 시 W, Si 산화막([W,Si]-Oxide) 생성의 시드(Seed) 역할을 하기 때문이다. 900℃ 이상에서 200시간 이상 노출 후 W, Si 산화막이 균일하게 형성되어, 기존 대비 고온 산화량을 20% 이상 감소시킬 수 있으며, 900℃ 고온강도(TS) 값이 40MPa 이상을 나타낼 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
실시예
스테인리스강 lab scale 용해 및 Ingot 생산 설비를 활용하여 아래 표 1에 기재된 합금 성분계로 20mm 바 샘플을 제조하였다. 이후 1,200℃에서 재가열하여 6mm로 열간 압연 후, 1,100℃에서 열연 소둔을 실시하였으며, 2.0mm로 냉간 압연 후 1,100℃에서 소둔 처리하였다. 또한, 냉연 소둔판을 500℃에서 1시간 시효처리하여 최종 제품을 생산하였다.
구분 C Si Mn Cr Mo Nb W Ti Al Cu N C+N
발명강1 0.007 0.3 0.6 19.3 0.5 0.5 1.1 0.01 0.01 0.1 0.006 0.013
발명강2 0.005 0.4 0.6 18.7 0.5 0.5 0.8 0.01 0.01 0.1 0.007 0.012
발명강3 0.006 0.3 0.7 19.1 0.6 0.4 1.0 0.04 0.03 0.1 0.006 0.012
발명강4 0.006 0.3 0.7 19.5 0.5 0.5 0.6 0.02 0.01 0.1 0.006 0.012
비교강1 0.005 0.3 0.6 18.8 0.5 0.5 1.2 0.1 0.06 0.1 0.007 0.012
비교강2 0.008 0.4 0.6 19.5 0.6 0.5 1.3 0.2 0.1 0.1 0.006 0.014
비교강3 0.006 0.4 0.7 18.9 0.6 0.4 1.4 0.1 0.3 0.1 0.006 0.012
비교강4 0.006 0.4 0.9 19.1 0.5 0.5 2.7 0.1 0.07 0.1 0.007 0.013
최종 제품을 100mm×100mm 크기로 절단하여 Box Furnace에서 900℃로 200시간 열처리하였다. 열처리 전후 무게를 측정하여 산화막의 무게 증감을 평가하였다. 열처리 후 시편의 단변부를 Fe-SEM으로 관찰하여 산화스케일의 조성, 구조, 두께 등을 평가하고 도 4에 나타내었다. 고온강도는 JIS-13B 인장샘플 가공 후 인장기계에서 900℃로 승온 후 평가하였다.
구분 W/(Ti+Al) 900℃ 200시간 등온 산화 900℃
고온강도
(MPa)
균일
[W,Si]-Oxide 두께(㎛)		 불균일
[Ti,Al]-Oxide
생성		 무게증가량
(mg/cm2)
발명강1 55.0 15 × 2.9 45
발명강2 40.0 12 × 3.0 43
발명강3 14.3 6 × 3.2 47
발명강4 20.0 7 × 3.1 41
비교강1 7.5 0 ○ 4.0 46
비교강2 4.3 0 ○ 4.1 47
비교강3 3.5 0 ○ 4.3 45
비교강4 15.9 - - - -
도 3은 W/(Ti+Al) 값에 따른 900℃ 200시간 노출 후 [W,Si]-Oxide 두께 상관관계를 나타내는 그래프이다.
표 1 및 표 2와 함께 도 3을 참조하면, 발명강 1 내지 4는 본 발명의 성분계 범위를 만족하고 W/(Ti+Al) 값이 10 이상을 나타내어 균일 W, Si 산화막([W,Si]-Oxide)이 6㎛ 두께 이상 생성된 것을 알 수 있었다. 또한, 불균일 Ti, Al 산화막(TiO2, Al2O3)은 생성되지 않았다. 이에 비하여 비교예 1 내지 3은 모두 W이 충분히 첨가되었음에도 불구하고 Ti 및/또는 Al의 함량이 높아 W/(Ti+Al) 값이 10 미만을 나타내었고, 그 결과 균일 W, Si 산화막([W,Si]-Oxide)이 생성되지 않았다.
한편, 비교강 4는 W: 2.7%, Ti: 0.1%, Al: 0.07%로 본 발명에 따른 식 (1)을 만족하지만, W의 함량이 2.5%를 초과하여 제조시 판 파단이 발생하였다. 이는 앞서 설명한 바와 같이, W가 과다 함유되어 금속간화합물 석출물 생성에 의한 취성 문제로 확인되었다. 따라서, W 함량의 상한은 2.5% 이하로 제한해야 함을 알 수 있었다.
도 4는 900℃ 200시간 노출 후 발명강의 단면부의 산화 스케일 조성을 나타내는 Fe-SEM 사진이다. 도 4를 참조하면, 기지조직(Matrix) 상에 산화막이 형성되어 있으며, O, W, Si의 분포를 통해 W, Si 산화막([W,Si]-Oxide)이 기지조직 상에 형성되었음을 확인할 수 있었다.
도 5는 900℃ 200시간 노출 후 형성된 [W,Si]-Oxide 두께와 산화에 의한 무게증가량의 상관관계를 나타내는 그래프이다. 표 1 및 표 2와 함께 도 5를 참조하면, 무게증가량을 통해 5㎛ 이상의 균일한 W, Si 산화막이 형성되면 Fe, Cr, Mn, O의 확산을 방해하여 추가적인 고온 산화를 억제시키는 것을 알 수 있었다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 중량%로, Cr: 10 내지 30%, Si: 0.2 내지 1.0%, Mn: 0.1 내지 2.0%, W: 0.3 내지 2.5%, Ti: 0.001 내지 0.15%, Al: 0.001 내지 0.1%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 식 (1)을 만족하며,
    900℃ 이상에서 200시간 이상 노출 시 표층에 W, Si 산화막([W,Si]-Oxide)이 형성되는 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.
    (1) W/(Ti+Al) ≥ 10
    (여기서, W, Ti, Al는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 W, Si 산화막의 두께는 5㎛ 이상인 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스테인리스강은, W 라베스상(Laves Phase) 석출물을 0.01 내지 1.0중량% 포함하는 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스테인리스강은, C: 0.001 내지 0.01%, N: 0.001 내지 0.01%, Nb: 0.3 내지 0.6%, Mo: 0.3 내지 2.5% 및 Cu: 0.2% 이하를 더 포함하고,
    C+N: 0.018% 이하를 만족하는 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스테인리스강은,
    W 라베스상(Laves Phase) 석출물, Nb 라베스상 석출물 및 Mo 라베스상 석출물 중 1종 이상을 0.01 내지 1.0중량% 포함하고,
    상기 라베스상 석출물 100중량%를 기준으로 W를 5중량% 이상 포함하는 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.
  7. 제4항 또는 제6항에 있어서,
    상기 W 라베스상 석출물은 Fe2W, FeCrW, Cr2W로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 Nb 라베스상 석출물은 Fe2Nb, FeCrNb, Cr2Nb로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 Mo 라베스상 석출물은 Fe2Mo, FeCrMo, Cr2Mo로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 불가피한 불순물은, P: 0.05% 이하, S: 0.005% 이하, Mg: 0.0002 내지 0.001% 및 Ca: 0.0004 내지 0.002% 중 어느 하나 이상을 포함하는 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.
  11. 중량%로, Cr: 10 내지 30%, Si: 0.2 내지 1.0%, Mn: 0.1 내지 2.0%, W: 0.3 내지 2.5%, Ti: 0.001 내지 0.15%, Al: 0.001 내지 0.1%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고 하기 식 (1)을 만족하는 냉연 소둔재를,
    400 내지 600℃에서 30 내지 90분동안 시효처리(Aging)하는 단계를 포함하는 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법.
    (1) W/(Ti+Al) ≥ 10
    (여기서, W, Ti, Al는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다)
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 냉연 소둔재는 C: 0.001 내지 0.01%, N: 0.001 내지 0.01%, Nb: 0.3 내지 0.6%, Mo: 0.3 내지 2.5% 및 Cu: 0.2% 이하를 더 포함하고,
    C+N: 0.018% 이하를 만족하는 고온 내산화성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법.
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