KR102031457B1

KR102031457B1 - 내식성과 가공성이 우수한 배기계용 냉연강판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102031457B1
Application number: KR1020170179410A
Authority: KR
Inventors: 조민호; 홍영광; 이병호; 한은수
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2019-10-11
Also published as: KR20190077874A

Abstract

본 발명은 내식성과 가공성이 우수한 배기계용 냉연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 한가지 측면에 따른 냉연강판은 중량%로, 탄소(C): 0.01% 이하, 규소(Si): 0.5% 이하, 망간(Mn): 0.05~0.5%, 알루미늄(Al): 0.1% 이하, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 질소(N): 0.005% 이하, 크롬(Cr): 2.0~4.0%, 니오븀(Nb): 0.02~0.5%, 텅스텐(W): 0.5% 이하를 포함하고 잔부가 불가피한 불순물로 이루어지고, 하기 관계식 1로 표시되는 내식지수가 0.08 이상이 되는 조성을 가질 수 있다.
[관계식 1]
내식지수 = Nb + W - (N/14 + C/12)×50

Description

내식성과 가공성이 우수한 배기계용 냉연강판 및 그 제조방법{COLD-ROLLED STEEL SHEET FOR EXHAUST SYSTEM HAVING EXCELLENT CORROSION RESISTANCE AND FORMABILITY AD MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 내식성과 가공성이 우수한 배기계용 냉연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자동차 등의 운행시 엔진에서 화석연료가 연소하여 황산가스, 질산가스 등의 유독성 배기가스와 함께 수증기가 발생하고 배기계로 배출되며 운행 상태에 따라 배기계 내부 온도는 고온과 저온으로 반복하여 변화한다. 고온에서 이슬점 이하의 저온으로 냉각되는 과정에서 배기계 내부에는 응축수가 생성되는데 이와 같이 생성된 응축수는 SO₃ ^2-, SO₄ ^2-, NO₂ ^-, NO₃ ^-, Cl^-, NH₄ ⁺ 등의 배기가스로부터 용해된 이온들을 포함한다.

이러한 이온이 포함된 응축수는 생성후 건조되는 정도에 따라 1~8 정도의 넓은 pH 범위를 가지게 된다. 따라서, 응축수는 그와 접하는 배기계에 대하여 강산과 약산에 의한 복합 부식이 활발히 진행되는 환경을 조성할 수 있으며, 그 결과 배기계 내부에서 강판의 관통 부식을 일으켜 배기계의 기능 상실을 유발한다. 따라서, 배기계에 사용되는 강판은 수명 연장을 위해 이러한 복합 부식환경에 대한 내식성이 우수해야 한다.

또한, 그와는 별도로 원하는 형태의 배기계 제조를 위해서는 일정량 이상의 기계적 성형이 필요하므로 배기계용 강판은 충분한 기계적 가공성을 가지고 있어야 한다.

통상적으로 배기계의 재료로 사용되는 강판으로는 알루미늄 도금 강판과 스테인리스 강판이 있다.

특허문헌 1에서는 냉연강판의 내식성을 보완하기 위해 강판에 Al 용융도금하여 내식성을 개선하는 방법을 기술하였다. 알루미늄 도금 강판은 탄소강 표면에 알루미늄이 도금된 것으로서, 알루미늄 도금층에서 유래한 Al₂O₃ 부동태막에 의한 강한 내식성을 가진다. 특히 배기계 외면에서 발생할 수 있는 염에 의한 부식에 대한 내식성에 대하여 아주 강한 장점이 있으며, 배기계 내면에서도 일정 범위의 pH 범위에서 내식성을 발휘한다. 하지만 낮은 pH에서는 부동태 막을 포함하는 알루미늄 도금층이 용출되어 제거되고 한 번 제거될 경우 더 이상 내식성을 발휘할 수 없는 한계가 있다.

이와 같은 문제를 극복하기 위해 특허문헌 2와 특허문헌 3에서는 강판에 Cu를 첨가하여 pH가 낮은 환경에서의 부식을 억제하는 방법을 기술하였다. 하지만 Cu의 첨가는 높은 pH 영역에서 오히려 부식을 촉진시키는 단점이 있어 한계가 있다.

강판의 내식성을 크게 향상시키는 방법으로서 특허문헌 4에서는 Cr을 포함한 여러 합금원소가 다량 첨가된 배기계용 스테인리스 강판을 기술하였다. 스테인리스 강판 역시 배기계 내면에서의 부식에 대해 일정 범위의 pH에서 Cr₂O₃ 부동태막에 의한 내식성을 가진다. pH가 낮을 경우 부동태막은 활성화되어 내식성을 잃지만 pH가 상승하면 강판 내에 고용되어 있는 Cr이 다시 산화되어 부동태화하여 내식성을 회복하는 장점이 있다. 하지만 알루미늄 도금을 할 경우에 비해 배기계 외면부에서 염에 의해 쉽게 녹이 발생하는 단점이 있다. 뿐만 아니라 고가의 합금원소가 다량 첨가되어 경제성이 떨어진다.

이러한 배기계 외면 발청을 저감하기 위해 특허문헌 5에서는 Al 도금 스테인리스 강판을 제조하는 기술을 기술하고 있으나 이 역시 고가의 스테인리스 강판을 이용하는 기술이기 때문에 경제성이 떨어지는 한계가 있다.

그 뿐만 아니라, 충분한 내식성을 확보하더라도, 열간압연성이 열악하여 정상적인 강판의 제조가 어려운 경우가 발생할 수 있다.

특허문헌 1: 한국 등록특허공보 제0833050호 특허문헌 2: 한국 등록특허공보 제0694697호 특허문헌 3: 한국 등록특허공보 제1197955호 특허문헌 4: 한국 공개특허공보 제2015-0140423호 특허문헌 5: 한국 등록특허공보 제1485643호

본 발명의 한가지 측면에 따르면, 경제적이면서도 내식성과 가공성이 우수하여 자동차 등의 배기계용 소재로 사용하기에 적합한 냉연강판 및 이러한 냉연강판의 제조방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 한가지 측면에 따르면, 상술한 열간압연성을 떨어뜨리지 않고도, 경제적이면서도 내식성과 가공성이 우수하여 자동차 등의 배기계용 소재로 사용하기에 적합한 냉연강판 및 이러한 냉연강판의 제조방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면, 본 발명의 명세서에 기재된 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 파악하는데 아무런 문제점이 없을 것이다.

본 발명의 한가지 측면에 따른 냉연강판은 중량%로, 탄소(C): 0.01% 이하, 규소(Si): 0.5% 이하, 망간(Mn): 0.05~0.5%, 알루미늄(Al): 0.01~0.1%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 질소(N): 0.005% 이하, 크롬(Cr): 2.0~4.0%, 니오븀(Nb): 0.015~0.5%, 텅스텐(W): 0.5% 이하를 포함하고 잔부가 불가피한 불순물로 이루어지고, 하기 관계식 1로 표시되는 내식지수가 0.08 이상이 되는 조성을 가질 수 있다.

[관계식 1]

내식지수 = Nb + W - (N/14 + C/12)×50

(단, 수식의 Nb, W, N 및 C는 각각 해당 원소의 중량% 단위의 함량임)

이때, 상기 냉연강판은 표면에 Al계 도금층을 추가로 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 한가지 구현례에 따르면 냉연강판은 하기 관계식 2로 표시되는 소성 이방성 계수(Lankford value)의 평균값(r_m)이 1.5 이상일 수 있다.

[관계식 2]

r_m = (r₀ + 2r₄₅ + r₉₀)/4

(단, r₀, r₄₅, r₉₀은 각각 압연방향과 0˚, 45˚, 90˚의 소성 이방성 계수)

본 발명의 또한가지 측면에 따른 냉연강판의 제조방법은, 중량%로, 탄소(C): 0.01% 이하, 규소(Si): 0.5% 이하, 망간(Mn): 0.05~0.5%, 알루미늄(Al): 0.01~0.1%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 질소(N): 0.005% 이하, 크롬(Cr): 2.0~4.0%, 니오븀(Nb): 0.015~0.5%, 텅스텐(W): 0.5% 이하를 포함하고 잔부가 불가피한 불순물로 이루어지고, 하기 관계식 1로 표시되는 내식지수가 0.08 이상이 되는 조성을 가지는 강 슬라브를 1200℃ 이상에서 재가열하는 단계; 재가열된 강 슬라브를 Ar₃ 이상에서 열간 마무리 압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 상기 열연강판을 550~750℃에서 권취하는 단계; 상기 권취된 열연강판을 50~95% 압하율로 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계; 및 상기 냉연강판을 소둔하는 단계를 포함할 수 있다.

[관계식 1]

내식지수 = Nb + W - (N/14 + C/12)×50

이때, 상기 소둔하는 단계는 600~900℃의 온도에서 연속소둔하는 것이거나, 600~800℃의 온도에서 상자소둔하는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 냉연강판의 제조방법은 Al 도금하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 한가지 측면에 따른 냉연강판은 고가의 합금성분을 포함하지 않는 조성을 가지기 때문에, 경제성을 가지면서도 내식성과 가공성이 우수한 냉연강판을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 한가지 측면에 따르면 냉연강판은 도금되어 사용되어 우수한 내식성을 가질 수 있는데, 사용 중 알루미늄 도금층이 제거되더라도 배기계 내면 부식환경에서 우수한 내식성을 여전히 가질 수 있어서, 종래의 알루미늄 도금 강판의 단점을 효과적으로 극복할 수 있다.

이하, 본 발명의 구체적으로 설명한다.

배기계용 냉연강판은 긴 수명을 가질 수 있도록 우수한 내식성을 가질 필요가 있으며, 또한 성형이 용이하도록 가공성우 우수할 필요가 있다. 내식성을 향상시키기 위하여 합금원소를 다량 첨가하는 경우가 있는데, 이러할 경우에는 고가의 합금원소로 인하여 소재의 원가가 증가하기 때문에 경제성이 떨어질 분만 아니라, 강판의 가공성이 떨어지는 문제도 함께 발생할 수 있다. 따라서 합금원소를 다량 첨가하지 않고 내식성 및 가공성을 동시에 확보할 수 있는 방법을 발명할 필요가 있다.

본 발명자들은 상기의 목적을 달성하기 위해 합금원소의 종류 및 그 함량의 최적화를 통해 상기의 목표 물성을 갖는 냉연강판이 제조될 수 있음을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.

이하, 먼저 본 발명에서 제공하는 냉연강판의 성분조성에 대하여 상세히 설명한다. 특별한 기재가 없는 한 각 성분의 함량은 중량%를 의미한다.

탄소(C): 0.01% 이하

C가 0.01% 이상인 경우 탄소함량이 높아 연성이 저하되며 가공성이 크게 저하될 뿐만 아니라 배기계 내면에서의 부식에 대한 저항성도 떨어뜨리기 때문에 0.01% 이하로 제한한다.

규소(Si): 0.5% 이하

Si은 탈산제로 사용되는 원소이며 고용강화에 의한 강도의 향상에 기여한다. 그리고 표면에 생성되는 SiO₂ 산화물은 응축수 부식을 지연하는 역할도 할 수 있다. 하지만 과다할 경우 소둔시 표면에 Si계 산화물이 생성되어 도금시 결함을 유발하여 도금성을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서 상기 Si은 0.5% 이하로 포함되는 것이 바람직하다. 다만, Si를 전혀 첨가하지 않더라도 다른 원소에 의하여 탈산 효과나 강도 향상 효과 또는 내식성 향상 효과를 얻을 수 있기 때문에, Si 함량의 하한은 특별히 제한하지 않는다.

망간(Mn): 0.05~0.5%

Mn은 강중 고용 S와 결합하여 MnS로 석출됨으로써 고용 S에 의한 적열취성(Hot shortness)을 방지하는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위하여 Mn을 0.05% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 하지만 Mn 함량이 0.5%를 초과하는 경우에는 재질이 경화되어 연성을 현저히 떨어뜨리므로, 함량의 상한을 0.5%로 정할 수 있다.

알루미늄(Al): 0.01~0.1%

Al은 탈산 효과가 매우 큰 원소이며 강중의 N와 반응하여 AlN를 석출시킴으로써 고용 N에 의하여 성형성이 저하되는 것을 방지한다. 따라서, 0.01% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 하지만 다량 첨가될 경우 연성이 급격히 저하되기 때문에 함량을 0.1% 이하로 제한한다.

인(P): 0.01% 이하

P는 불순물로서 그 함량이 0.01%를 초과하면 결정립계에 편석하여 강을 경화시키기 때문에 0.01% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S): 0.01% 이하

S는 고용시 적열취성을 유발하는 원소이므로, 원소 상태로 존재하는 것은 바람직하지 못하다. 고용된 S에 의한 문제를 완화시키기 위하여 Mn을 첨가하여 S를 MnS로 석출시키는 방법이 사용될 수 있으나, MnS 역시 과다할 경우에는 강을 경화시키는 등 바람직하지 않은 문제를 유발하기 때문에 S 함량 자체를 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 한가지 구현례에서는 상기 S의 상한을 0.01%로 정할 수 있다.

질소(N): 0.005% 이하

N은 강 중에 불가피한 원소로서 함유되는 경우가 많은데, 석출되지 못하고 고용된 상태로 존재하는 N은 연성을 떨어뜨리고 내시효성을 악화시킬 뿐만 아니라 가공성을 떨어뜨린다. 또한 Ti, Nb 등의 원소와 결합하여 석출물을 형성할 경우 내식성을 악화시키기 때문에 상한을 0.005%로 제한한다.

크롬(Cr): 2.0~4.0%

Cr은 강중에 고용되어 Cr₂O₃ 부동태 피막을 쉽게 형성하여 내식성을 향상시킬 뿐만 아니라 4%까지는 다량 첨가되더라도 강판의 가공성을 크게 떨어뜨리지는 않기 때문에 대표적인 내식성 향상 원소로 이용된다. 일반적으로 Cr은 pH 5 이하의 강산 환경에서는 부동태화하지 못하여 내식성 효과가 제한적이지만 본 발명자들은 강산 환경에서도 부동태화가 가능한 Nb 또는 W를 복합첨가시 소량의 Cr 첨가만으로도 큰 내식성 향상 효과를 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. Nb 및 W과 상호작용하여 가시적인 내식성 향상 효과를 얻기 위해서는 2.0% 이상 첨가되어야 하며, 다량 첨가시에는 첨가량 대비 내식성 향상 효과가 크지 않고 비용이 증가하므로 상한은 4.0%로 제한한다. 본 발명이 한가지 구현례에서는 상기 Cr의 함량을 2.5~3.5% 또는 2.7~3.3%로 제한할 수도 있다.

니오븀(Nb): 0.015~0.5%

Nb는 고온에서 N과 결합하여 NbN으로 쉽게 석출되는 원소로서 고용 N 함량의 저감에 효과적인 원소이며, 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.015% 이상 첨가될 필요가 있다. 또한 N과 결합후 남은 고용 Nb는 표면에서 Nb₂O₅ 산화막을 형성하여 부식 환경에서 내식성을 크게 향상시키는 효과가 있다. 하지만 그 함량이 0.5%를 초과할 경우 첨가량 대비 내식성 향상 효과가 미미할 뿐만 아니라, 열간압연성을 떨어뜨리기 때문에 그 함량을 0.015~0.5%로 제한한다. 본 발명의 한가지 구현례에 따르면 상기 Nb는 그 함량을 0.02~0.4%로 제한할 수도 있다.

텅스텐(W): 0.5% 이하

W는 공기중에서 산화하여 내식성이 우수한 산화물을 형성하는 원소로서 소량 첨가시 효과가 있지만 다량 첨가시 첨가량 대비 내식성 향상 효과가 작고 가공성이 감소하므로 함량을 0.5%로 제한한다. 다만, W는 임의 원소로서 W를 첨가하지 않아도 본 발명의 목적 달성이 가능하므로 W의 함량의 하한을 특별히 정하지는 아니하나, 본 발명의 한가지 구현례에서는 상기 W의 효과를 향유하기 위하여 W를 0.05% 이상 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 또다른 한가지 구현례에서는 상기 W의 함량의 상한을 0.4%로 제한할 수도 있다.

내식지수가 0.08 이상

본 발명자들은 부식방지에 효과가 있는 Cr을 다량 첨가하더라도 낮은 pH 범위에서는 효과적인 부식방지가 어렵다는 것에 착안하여, 넓은 pH 범위에서 효과적으로 작용할 수 있도록 Nb와 W을 강중에 첨가하는 방안을 채택하였다. 다만, 이들 원소는 단순히 그 함량만 제어한다고 하여 배기계 환경에서 효과적인 내식성을 얻을 수 있는 것이 아니라, 하기 관계식 1로 표시되는 내식지수가 0.08 이상이 되도록 그 성분이 복합적으로 제어되어야 할 필요가 있다.

[관계식 1]

내식지수 = Nb + W - (N/14 + C/12)×50

즉, Nb와 W는 낮은 pH 범위에서 효과가 있는 원소이나, 이들 원소가 질화물 또는 탄화물의 형태로 존재할 경우에는 부동태 피막을 형성하기 어려워 내식성의 효과를 기대하기 어렵다. 따라서, 이러한 문제를 고려하여 가급적 탄화물이나 질화물을 형성하지 않는 Nb와 W의 함량을 다량 확보할 필요가 있으며, 그 정도를 상기 내식지수로 표현할 수 있다. 본 발명자들의 연구결과에 따르면 상기 내식지수는 0.08 이상이 되어야 배기계 환경에서 우수한 내식 효과를 거둘 수 있다.

상기 조성 이외에 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

본 발명의 냉연강판은 그대로 사용(일면 또는 양면에 수지 코팅을 하는 경우 포함)할 수도 있지만, 표면에 Al계 도금층을 가질 수 있다. 표면에 Al계 도금층을 가질 경우 강판의 내식성을 더욱 향상시킬 수 있어 유리한 효과를 가질 수 있다. 본 발명에서 사용되는 Al계 도금은 Al을 주성분으로 하는 도금을 의미하며, 순수한 Al계 도금층이든 합금계 도금층이든 특별히 제한하지 않는다. 한가지 예로서 Si를 5~15% 또는 5~10% 포함하는 소위 Type I의 도금 용액을 사용하여 도금한 것일 수 있으며, Type II의 도금 용액을 사용하여 도금할 것일 수도 있다. 특히, Al이 주성분이라면 추가적인 성분에는 특별한 제한이 없다.

본 발명의 한가지 구현례에 따른 강판은 우수한 내식성을 가지면서도 가공성이 우수하다. 특히, 본 발명의 강판은 가공성의 척도로서 하기 관계식 2로 표시되는 소성 이방성 계수(Lankford value)의 평균값(r_m)이 1.5 이상으로서 자동차 등의 배기계로 성형하는데 적합하다.

[관계식 2]

r_m = (r₀ + 2r₄₅ + r₉₀)/4

상술한 본 발명의 강판은 냉연강판 또는 냉연강판의 표면에 Al 도금을 실시한 Al 도금강판의 형태로 사용될 수 있다. 본 발명의 냉연강판 또는 도금강판을 제조하는 방법은 본 발명의 강판의 특징적인 조건을 충족시킬 수 있다면 특별히 제한되지 않으며, 다만 본 발명자들이 제시하는 한가지 방법을 예시하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 냉연강판의 제조방법은 반드시 이로 제한하는 것은 아니지만, 상술한 성분조성을 만족하는 강 슬라브를 1200℃ 이상에서 재가열하는 단계; 상기 재가열된 강 슬라브를 Ar₃ 이상에서 열간 마무리 압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 상기 열연강판을 550~750℃에서 권취하는 단계; 상기 권취된 열연강판을 50~95% 압하율로 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계; 및 상기 냉연강판을 소둔하는 단계를 포함할 수 있다. 이하, 각 단계별로 상세히 설명한다.

(슬라브 재가열)

먼저, 본 발명에서는 상술한 조성을 가지는 강 슬라브를 1200℃ 이상의 온도로 재가열한다. 강중에 존재하는 석출물을 대부분 재고용시켜야 하기 때문에 1200℃ 이상의 온도가 필요하며 더욱 바람직하게는 석출물을 잘 고용시키기 위하여 1250℃ 이상으로 가열한다. 석출물 용해의 측면에서 가열 온도는 높을수록 유리하기 때문에 가열 온도의 상한을 특별히 제한할 필요는 없다. 다만, 온도가 과다하게 높을 경우에는 설비에 무리가 있을 수도 있으므로, 본 발명의 한가지 구현례에서는 상기 가열 온도의 상한을 1400℃로 정할 수도 있다.

(열간압연)

상기 재가열된 슬라브를 Ar₃ 이상에서 열간 마무리 압연하여 열연강판을 제조한다. 열간압연 마무리 온도를 Ar₃ 이상으로 한정하는 이유는 오스테나이트 단상영역에서 압연을 하기 위함이다.

(열연강판 권취)

상기 열연강판을 550~750℃에서 권취한다. 550℃ 이상에서 권취함으로써 고용된 상태로 아직 남아있는 N을 AlN으로 추가적으로 석출시킬 수 있기 때문에 우수한 내시효성을 확보할 수 있다. 550℃ 미만에서 권취할 경우에는 AlN으로 석출되지 않고 남아있는 고용 N에 의해 가공성이 떨어질 위험이 있다. 결정립 조대화를 방지하여 냉간압연성을 확보하기 위해서 750℃ 이상에서 권취할 수 있다.

(냉간압연)

상기 권취된 열연강판을 50~95% 압하율로 냉간압연하여 냉연강판을 제조한다. 상기 압하율은 냉연강판의 최종 두께를 결정하는 것으로서 최종 목표 두께를 확보하기 위해서 압하율 50% 이상으로 할 수 있으며, 압연 부하가 너무 커지는 것을 방지하기 위해 95% 이하의 압하율로 냉간압연 할 수 있다.

(소둔)

상기 냉연강판을 소둔하는 단계가 수행될 수 있다. 소둔을 통하여 냉간압연시 연신될 결정립이 재결정될 수 있다. 소둔방식으로는 연속소둔과 상자소둔 모두가 사용될 수 있다. 연속소둔의 경우 충분한 재결정을 통하여 냉간압연시 생긴 전위들을 없애기 위해서는 상기 연속소둔온도를 600℃ 이상으로 정할 수 있다. 또한, 결정립의 조대화를 방지하여 강도와 가공성을 확보하기 위해서는 상기 연속소둔온도는 900℃ 이하로 정할 수 있다. 또한, 본 발명의 한가지 측면에 따르면 상기 연속소둔을 통한 재결정은 600~800℃ 정도의 상자소둔을 통해서도 가능하다.

(Al 도금 - 선택적인 공정)

만일, 강판이 도금하여 사용되는 용도의 것이라면 강판 표면을 도금하는 공정이 이용될 수 있다. 도금하는 구체적인 방식에는 특별한 제한이 없으며, 통상적인 도금방법이 모두 적용될 수 있다

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 상세히 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의해야 한다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

하기 표 1의 조성을 가지는 두께 250mm의 강슬라브를 1250℃로 재가열 한 후, 열간압연하였다. 열간압연시 모든 강재의 Ar3 보다 높은 890℃의 온도에서 열간 마무리 압연을 종료하고, 620℃의 온도에서 권취하여 4mm의 두께를 가지는 열연강판을 얻었다.

얻어진 열연강판을 70%의 압하율로 냉간압연 하였으며, 이후 830℃의 온도에서 연속소둔하여 최종적으로 두께 1.2mm의 냉연강판을 얻었다.

각 제조된 냉연강판에 대하여 자동차 배기계의 환경을 모사하는 모사시험(JASO M 611-92의 B 방법에 따름)을 실시하였으며, 또한 가공성을 평가하는 지수인 소성 이방성 계수(Lankford value)의 평균값 r_m을 측정하기 위해 상온 인장시험을 실시하였다.

또한, 시효 특성을 평가하기 위해서 100℃에서 1시간 유지 후 상온 인장시험을 하여 항복점 연신 현상의 발생 여부로 시효 발생 여부를 판단하였다. 또, 열간압연 과정에서 강판 형상에 따라 열간압연성을 판단하였는데, 강판의 형상에 문제가 없을 경우 '좋음', 전체적인 형상에 문제가 없으나 간혹 강판의 일부분에서 불균일한 형상이 관찰될 경우 '보통', 전체적인 형상이 불균일하여 사용하기 어려울 경우 '나쁨'으로 판단하였다.

구분	성분 (중량%)
구분	C	Si	Mn	Al	P	S	N	Cr	Nb	W
비교강1	0.003	0.08	0.19	0.04	0.008	0.009	0.003	-	-	-
비교강2	0.003	0.07	0.21	0.04	0.008	0.009	0.003	-	0.020	-
비교강3	0.003	0.06	0.21	0.03	0.008	0.009	0.003	0.98	0.021	-
비교강4	0.003	0.08	0.20	0.04	0.008	0.009	0.003	2.02	0.020	-
비교강5	0.003	0.04	0.19	0.03	0.009	0.008	0.003	3.08	0.021	-
비교강6	0.003	0.05	0.20	0.03	0.008	0.008	0.003	3.95	0.021	-
비교강7	0.003	0.05	0.21	0.04	0.008	0.008	0.003	5.01	0.021	-
비교강8	0.003	0.04	0.19	0.04	0.009	0.009	0.003	-	0.110	-
비교강9	0.003	0.06	0.19	0.03	0.009	0.009	0.003	-	0.201	-
비교강10	0.003	0.04	0.21	0.03	0.008	0.008	0.003	-	0.300	-
비교강11	0.003	0.04	0.20	0.03	0.009	0.008	0.003	-	0.021	0.10
비교강12	0.003	0.06	0.19	0.03	0.009	0.008	0.003	-	0.021	0.21
비교강13	0.003	0.06	0.20	0.03	0.009	0.008	0.003	-	0.020	0.29
비교강14	0.003	0.08	0.19	0.04	0.008	0.008	0.003	1.01	0.100	-
비교강15	0.003	0.07	0.21	0.04	0.008	0.008	0.003	1.00	0.201	-
비교강16	0.003	0.08	0.19	0.03	0.008	0.009	0.003	0.98	0.310	-
비교강17	0.003	0.04	0.20	0.04	0.009	0.009	0.003	1.02	0.021	0.09
비교강18	0.003	0.05	0.19	0.04	0.009	0.008	0.003	1.03	0.021	0.20
비교강19	0.003	0.06	0.19	0.03	0.009	0.009	0.003	0.98	0.020	0.30
발명강1	0.003	0.08	0.20	0.04	0.008	0.009	0.003	2.00	0.101	-
발명강2	0.003	0.07	0.20	0.03	0.009	0.009	0.003	2.03	0.201	-
발명강3	0.003	0.04	0.20	0.04	0.009	0.008	0.003	2.00	0.499	-
발명강4	0.003	0.06	0.20	0.04	0.009	0.009	0.003	2.01	0.020	0.10
발명강5	0.003	0.07	0.21	0.04	0.008	0.008	0.003	2.00	0.020	0.20
발명강6	0.003	0.05	0.21	0.03	0.009	0.009	0.003	2.00	0.021	0.50
발명강7	0.003	0.08	0.21	0.03	0.009	0.008	0.003	2.02	0.101	0.10
발명강8	0.003	0.04	0.19	0.03	0.008	0.009	0.003	2.00	0.201	0.20
발명강9	0.003	0.07	0.20	0.03	0.008	0.008	0.003	2.00	0.300	0.30
발명강10	0.003	0.03	0.20	0.04	0.009	0.009	0.003	2.97	0.100	-
발명강11	0.003	0.07	0.19	0.03	0.009	0.008	0.003	3.04	0.211	-
발명강12	0.003	0.04	0.21	0.03	0.008	0.009	0.003	3.00	0.498	-
발명강13	0.003	0.07	0.20	0.04	0.009	0.009	0.003	3.03	0.020	0.10
발명강14	0.003	0.04	0.19	0.03	0.009	0.008	0.003	3.00	0.020	0.20
발명강15	0.003	0.04	0.20	0.03	0.009	0.008	0.003	3.04	0.020	0.48
발명강16	0.003	0.06	0.19	0.04	0.008	0.008	0.003	3.03	0.100	0.10
발명강17	0.003	0.08	0.19	0.03	0.008	0.009	0.003	3.02	0.221	0.20
발명강18	0.003	0.07	0.20	0.04	0.008	0.008	0.003	3.03	0.301	0.31
발명강19	0.003	0.05	0.20	0.04	0.009	0.008	0.003	4.00	0.111	-
발명강20	0.003	0.07	0.19	0.04	0.009	0.008	0.003	4.00	0.200	-
발명강21	0.003	0.08	0.20	0.04	0.009	0.009	0.003	3.97	0.491	-
발명강22	0.003	0.04	0.21	0.04	0.009	0.009	0.003	4.00	0.021	0.10
발명강23	0.003	0.08	0.20	0.04	0.009	0.008	0.003	3.96	0.020	0.20
발명강24	0.003	0.06	0.20	0.04	0.009	0.008	0.003	4.00	0.021	0.50
발명강25	0.003	0.04	0.21	0.04	0.009	0.009	0.003	3.97	0.101	0.09
발명강26	0.003	0.03	0.20	0.04	0.008	0.008	0.003	4.00	0.210	0.20
발명강27	0.003	0.04	0.20	0.03	0.008	0.009	0.003	3.99	0.300	0.29
비교강20	0.003	0.03	0.19	0.03	0.009	0.008	0.003	5.02	0.101	-
비교강21	0.003	0.05	0.19	0.04	0.008	0.009	0.003	5.00	0.201	-
비교강22	0.003	0.03	0.20	0.03	0.009	0.008	0.003	5.03	0.491	-
비교강23	0.003	0.07	0.20	0.04	0.009	0.008	0.003	5.02	0.021	0.10
비교강24	0.003	0.04	0.20	0.04	0.008	0.008	0.003	4.95	0.020	0.20
비교강25	0.003	0.03	0.19	0.04	0.008	0.009	0.003	4.97	0.020	0.50
비교강26	0.003	0.08	0.21	0.04	0.008	0.008	0.003	5.03	0.101	0.09
비교강27	0.003	0.05	0.20	0.04	0.008	0.008	0.003	5.04	0.211	0.20
비교강28	0.003	0.06	0.20	0.04	0.008	0.009	0.003	5.01	0.301	0.30
비교강29	0.003	0.07	0.19	0.04	0.009	0.008	0.003	2.15	0.030	0.05
비교강30	0.003	0.04	0.20	0.04	0.009	0.009	0.003	2.35	0.030	0.06
비교강31	0.003	0.04	0.21	0.04	0.008	0.008	0.003	2.56	0.020	0.06
비교강32	0.003	0.04	0.21	0.03	0.009	0.008	0.003	2.75	0.021	0.01
비교강33	0.003	0.07	0.19	0.04	0.008	0.009	0.003	3.22	0.081	0.01
비교강34	0.003	0.05	0.19	0.04	0.009	0.008	0.003	3.52	0.050	0.00
비교강35	0.003	0.07	0.21	0.03	0.008	0.009	0.003	3.62	0.041	0.03
비교강36	0.003	0.06	0.19	0.00	0.008	0.009	0.003	3.70	0.021	0.06
비교강37	0.003	0.05	0.20	0.04	0.009	0.009	0.003	3.88	0.071	0.02
비교강38	0.003	0.06	0.20	0.04	0.008	0.009	0.003	3.95	0.020	0.03
비교강39	0.003	0.03	0.20	0.03	0.008	0.008	0.003	3.00	0.013	0.10
발명강28	0.003	0.05	0.20	0.04	0.008	0.008	0.003	3.00	0.015	0.10
비교강40	0.003	0.04	0.20	0.04	0.009	0.009	0.003	2.01	0.550	0.10
비교강41	0.003	0.04	0.20	0.04	0.009	0.009	0.003	3.02	0.612	0.10
비교강42	0.003	0.04	0.20	0.04	0.009	0.009	0.003	3.95	0.572	0.10

구분	내식성		가공성				열간압연성 ◎: 좋음 ○: 보통 ●: 나쁨
구분	내식지수	최대 부식깊이 (mm)	비고	r_m	시효특성	비고	열간압연성 ◎: 좋음 ○: 보통 ●: 나쁨
비교강1	-0.02	0.78	불합격	1.45	발생	불합격	◎
비교강2	0.00	0.82	불합격	1.81	미발생	합격	◎
비교강3	0.00	0.75	불합격	1.78	미발생	불합격	◎
비교강4	0.00	0.72	불합격	1.74	미발생	불합격	◎
비교강5	0.00	0.69	불합격	1.70	미발생	불합격	◎
비교강6	0.00	0.65	불합격	1.65	미발생	불합격	◎
비교강7	0.00	0.61	불합격	1.51	미발생	불합격	◎
비교강8	0.09	0.72	불합격	2.12	미발생	합격	○
비교강9	0.18	0.70	불합격	2.28	미발생	합격	○
비교강10	0.28	0.66	불합격	2.31	미발생	합격	○
비교강11	0.10	0.75	불합격	2.02	미발생	합격	◎
비교강12	0.21	0.71	불합격	2.11	미발생	합격	◎
비교강13	0.29	0.65	불합격	2.15	미발생	합격	◎
비교강14	0.08	0.65	불합격	2.06	미발생	합격	○
비교강15	0.18	0.58	불합격	2.21	미발생	합격	○
비교강16	0.29	0.53	불합격	2.24	미발생	합격	○
비교강17	0.09	0.68	불합격	1.96	미발생	합격	◎
비교강18	0.20	0.55	불합격	2.05	미발생	합격	◎
비교강19	0.30	0.51	불합격	2.09	미발생	합격	◎
발명강1	0.08	0.39	합격	1.99	미발생	합격	○
발명강2	0.18	0.37	합격	2.15	미발생	합격	○
발명강3	0.48	0.37	합격	2.17	미발생	합격	○
발명강4	0.10	0.38	합격	1.90	미발생	합격	◎
발명강5	0.20	0.37	합격	1.99	미발생	합격	◎
발명강6	0.50	0.37	합격	2.02	미발생	합격	◎
발명강7	0.18	0.37	합격	2.05	미발생	합격	○
발명강8	0.38	0.37	합격	2.15	미발생	합격	○
발명강9	0.58	0.37	합격	2.28	미발생	합격	○
발명강10	0.08	0.35	합격	1.93	미발생	합격	○
발명강11	0.19	0.33	합격	2.08	미발생	합격	○
발명강12	0.48	0.33	합격	2.11	미발생	합격	○
발명강13	0.10	0.34	합격	1.84	미발생	합격	◎
발명강14	0.20	0.33	합격	1.93	미발생	합격	◎
발명강15	0.48	0.33	합격	1.96	미발생	합격	◎
발명강16	0.18	0.33	합격	1.95	미발생	합격	○
발명강17	0.40	0.33	합격	2.12	미발생	합격	○
발명강18	0.59	0.33	합격	2.25	미발생	합격	○
발명강19	0.09	0.32	합격	1.88	미발생	합격	○
발명강20	0.18	0.31	합격	2.02	미발생	합격	○
발명강21	0.47	0.31	합격	2.05	미발생	합격	○
발명강22	0.10	0.32	합격	1.81	미발생	합격	◎
발명강23	0.20	0.31	합격	1.87	미발생	합격	◎
발명강24	0.50	0.31	합격	1.90	미발생	합격	◎
발명강25	0.17	0.31	합격	1.92	미발생	합격	○
발명강26	0.39	0.31	합격	2.08	미발생	합격	○
발명강27	0.57	0.31	합격	2.04	미발생	합격	○
비교강20	0.08	0.32	합격	1.69	미발생	불합격	○
비교강21	0.18	0.30	합격	1.73	미발생	불합격	○
비교강22	0.47	0.30	합격	1.79	미발생	불합격	○
비교강23	0.10	0.31	합격	1.63	미발생	불합격	◎
비교강24	0.20	0.30	합격	1.65	미발생	불합격	◎
비교강25	0.50	0.30	합격	1.66	미발생	불합격	◎
비교강26	0.17	0.30	합격	1.68	미발생	불합격	○
비교강27	0.39	0.30	합격	1.72	미발생	불합격	○
비교강28	0.58	0.30	합격	1.75	미발생	불합격	○
비교강29	0.06	0.52	불합격	2.15	미발생	합격	◎
비교강30	0.07	0.43	불합격	2.05	미발생	합격	◎
비교강31	0.06	0.48	불합격	2.03	미발생	합격	◎
비교강32	0.01	0.59	불합격	1.95	미발생	합격	◎
비교강33	0.07	0.47	불합격	2.11	미발생	합격	○
비교강34	0.03	0.55	불합격	2.05	미발생	합격	◎
비교강35	0.05	0.51	불합격	2.01	미발생	합격	◎
비교강36	0.06	0.45	불합격	1.95	미발생	합격	◎
비교강37	0.07	0.42	불합격	1.90	미발생	합격	○
비교강38	0.03	0.45	불합격	1.81	미발생	합격	◎
비교강39	0.09	0.35	합격	1.80	발생	불합격	◎
발명강28	0.09	0.35	합격	1.81	미발생	합격	◎
비교강40	0.63	0.37	합격	2.00	미발생	합격	●
비교강41	0.69	0.33	합격	2.11	미발생	합격	●
비교강42	0.65	0.31	합격	1.95	미발생	합격	●

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 조성을 만족하는 발명강 1~28은 모두 최대 부식깊이가 0.4mm 이하로서 상용 스테인리스강과 유사한 수준이며, r_m이 1.8 이상으로 가공성 또한 우수하다. 전반적으로 Cr, Nb, W의 함량이 높을수록 내식성이 우수하지만 첨가량이 증가함에 따라 첨가량 대비 내식성 향상 효과가 감소하는 경향이 있다. 가공성의 측면에서는 Cr의 첨가시 가공성이 약간씩 감소하며, Nb 및 W 첨가시에는 가공성이 증가하는 경향이 확인된다.

비교강 1은 Cr, Nb, W이 첨가되지 않가되지 않은 강으로서 Nb가 첨가되지 않아 고용 N이 다량 존재함으로 인해 시효 현상이 발생할 뿐만 아니라 r_m값이 매우 낮아 가공성이 매우 열위하다. 비교강 2~7를 통해 공통적으로 0.02%의 Nb가 첨가됨에 따라 시효 현상의 발생이 방지되고 가공성이 다소 향상되고 Cr 함량이 증가함에 따라 내식성이 점차 증가하는 것이 확인된다. 하지만 Cr이 최대 5.01%(비교강 7)까지 첨가되더라도 내식성 향상 효과가 크지 않아 최대 부식두께가 0.6mm 이상으로 높은 편이다. 내식성의 추가적인 향상을 위해 Cr 함량을 높이는 방안을 고려해 볼 수 있지만 비교강 2~7에서 확인할 수 있듯이 Cr의 함량이 증가할수록 가공성이 저하되어 바람직하지 못하다. 특히 Cr 함량이 4% 이상 첨가시 가공성이 급격히 감소하는 측면이 확인되어 Cr의 상한은 4%로 제한하는 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있다.

비교강 8~13는 Cr을 함유하고 있지 않으며 Nb 및 W이 첨가된 것으로서, 2 이상의 r_m 값을 가져 가공성이 매우 우수하다. 반면에 내식성은 여전히 부족하여 내식성 향상을 위해 적당량의 Cr의 첨가가 필수적이다. Nb 및 W과 더불어 1% 정도의 Cr이 함유될 경우에는 비교강 14~19에서 확인할 수 있듯이 내식성이 가시적으로 상승하고 1% 함량의 Cr에 의한 가공성의 변화는 미미하다. 하지만 최대 부식두께가 0.5mm 이상으로 여전히 부족한 측면이 있어 추가적인 Cr의 첨가가 필요하다는 것을 알 수 있었다.

상기한 맥락에서, Nb 및 W의 첨가와 더불어 Cr 함량을 2~4%로 향상시킬 경우 발명강 1~27과 같이 부식 두께 0.4mm 이하로 내식성이 우수하고 1.8 이상의 r_m 값을 가지는 범위가 형성된다. 이와 같이 Cr이 첨가된 경우 Nb 및 W의 함량이 증가할수록 내식성이 더욱 증가한다. 하지만 Nb 및 W의 함량이 증가할수록 첨가량 대비 내식성 향상 효과가 감소하여, Nb 및 W의 첨가량의 상한은 0.5%로 하는 것이 바람직하고 그 이상의 첨가는 경제성 측면에서 바람직하지 않다. Nb 및 W의 함량에 의한 내식성 향상 효과를 정량화하기 위해 상기 관계식 1과 같이 내식지수를 계산할 수 있으며, 2% 이상의 Cr이 함유된 상태에서 내식지수가 0.08 이상인 경우 부식두께 0.4mm 이하의 우수한 내식성을 얻을 수 있음이 확인된다.

비교강 20~28에서 확인할 수 있듯이 Cr 함량을 4%를 초과하여 더 높일 경우에는 내식성 측면에서는 유리할 수 있으나 가공성을 급격히 감소시키기 때문에 Cr을 4% 초과하여 첨가하는 것은 지양된다.

비교강 29 내지 38은 강의 조성은 본 발명의 조건을 충족하나, 내식지수가 0.08 미만인 경우로서, 표 2의 결과로부터 확인할 수 있듯이, 가공성은 우수하나 내식성을 충족하지 못하는 결과를 나타내었다. 이로부터, 단순히 강의 조성을 제어하는 것만으로는 가공성과 내식성을 겸비하는 것이 매우 곤란하며, 강의 조성과 함께 내식지수를 0.08 이상으로 제어하여야 할 필요가 있다는 것을 알 수 있었다.

비교강 39와 발명강 28의 비교 결과로부터 Nb 함량이 0.015% 미만일 경우 고용 C가 NbC로 충분히 석출되지 않고, 그 결과 시효가 발생하여 가공성이 떨어진다는 것을 알 수 있다. 하지만 비교강 40 내지 42에서 확인할 수 있듯이 Nb가 0.5% 이상 과다하게 첨가될 경우 열간압연성이 매우 떨어져 정상적인 강판 제조가 어렵다. 열간압연성의 측면에서 가장 우수한 강판 형상을 얻을 수 있는 Nb 함량의 범위는 0.05% 이하라는 것을 알 수 있다.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.01% 이하, 규소(Si): 0.5% 이하, 망간(Mn): 0.05~0.5%, 알루미늄(Al): 0.01~0.1%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 질소(N): 0.005% 이하, 크롬(Cr): 2.0~4.0%, 니오븀(Nb): 0.015~0.5%, 텅스텐(W): 0.5% 이하를 포함하고 잔부가 불가피한 불순물로 이루어지고, 하기 관계식 1로 표시되는 내식지수가 0.08 이상이 되는 조성을 가지는 배기계용 냉연강판.
[관계식 1]
내식지수 = Nb + W - (N/14 + C/12)×50
(단, 수식의 Nb, W, N 및 C는 각각 해당 원소의 중량% 단위의 함량임)
제 1 항에 있어서, 표면에 Al계 도금층을 추가로 포함하는 배기계용 냉연강판.
제 1 항에 있어서, 하기 관계식 2로 표시되는 소성 이방성 계수(Lankford value)의 평균값(r_m)이 1.5 이상인 배기계용 냉연강판.

[관계식 2]
r_m = (r₀ + 2r₄₅ + r₉₀)/4
(단, r₀, r₄₅, r₉₀은 각각 압연방향과 0˚, 45˚, 90˚의 소성 이방성 계수)
중량%로, 탄소(C): 0.01% 이하, 규소(Si): 0.5% 이하, 망간(Mn): 0.05~0.5%, 알루미늄(Al): 0.01~0.1%, 인(P): 0.01% 이하, 황(S): 0.01% 이하, 질소(N): 0.005% 이하, 크롬(Cr): 2.0~4.0%, 니오븀(Nb): 0.015~0.5%, 텅스텐(W): 0.5% 이하를 포함하고 잔부가 불가피한 불순물로 이루어지고, 하기 관계식 1로 표시되는 내식지수가 0.08 이상이 되는 조성을 가지는 강 슬라브를 1200℃ 이상에서 재가열하는 단계;
재가열된 강 슬라브를 Ar₃ 이상에서 열간 마무리 압연하여 열연강판을 제조하는 단계;
상기 열연강판을 550~750℃에서 권취하는 단계;
상기 권취된 열연강판을 50~95% 압하율로 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계; 및
상기 냉연강판을 소둔하는 단계를 포함하는 배기계용 냉연강판의 제조방법.
[관계식 1]
내식지수 = Nb + W - (N/14 + C/12)×50
(단, 수식의 Nb, W, N 및 C는 각각 해당 원소의 중량% 단위의 함량임)
제 4 항에 있어서, 상기 소둔하는 단계는 600~900℃의 온도에서 연속소둔하는 것인 배기계용 냉연강판의 제조방법.
제 4 항에 있어서, 상기 소둔하는 단계는 600~800℃의 온도에서 상자소둔하는 것인 배기계용 냉연강판의 제조방법.
제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, Al 도금하는 단계를 더 포함하는 배기계용 냉연강판의 제조방법.