KR102302386B1 - 내식성이 향상된 페라이트계 스테인리스강 - Google Patents

Abstract

내식성이 향상된 페라이트계 스테인리스강이 개시된다. 개시된 페라이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.003 내지 0.03%, Si: 0.1 내지 2.0%, Mn: 0.01 내지 1.5%, Cr: 10.0 내지 20.0%, Nb: 0.01 내지 0.30%, Al: 0.003 내지 0.10%, N: 0.003 내지 0.03%, Ti: 0.01 내지 0.30%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 한다.
(1) Cr + 3*Si - 30*Al + Ti + 10*Nb ≥ 16
(여기서, Cr, Si, Al, Ti, Nb는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.)

Description

내식성이 향상된 페라이트계 스테인리스강{FERRITIC STAINLESS STEEL WITH IMPROVED CORROSION RESISTANCE}

본 발명은 페라이트계 스테인리스강에 대한 것으로, 보다 상세하게는 내식성이 향상된 페라이트계 스테인리스강에 관한 것이다.

스테인리스강(Stainless Steel)은 탄소강의 약점인 부식이 억제되어 강한 내식성을 보유한 강재를 칭한다. 일반적으로 스테인리스강은 화학성분이나 금속조직에 따라 분류한다. 금속조직에 따를 경우, 스테인리스강은 오스테나이트(Austenite)계, 페라이트(Ferrite)계, 마르텐사이트(Martensite)계 그리고 이상(Dual Phase)계로 분류할 수 있다.

그 중에서도 페라이트계 스테인리스강은 고가의 합금원소가 적게 첨가되면서도 내식성이 우수하여 오스테나이트계 스테인리스강에 비해 가격 경쟁력이 높아 건축재료, 수송기기, 주방기기 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 세탁기, 건조기 등의 가전제품의 소재로 사용되는 경우, 내식성이 요구될 뿐만 아니라, 부품의 원가저감을 위해 기존 사용되는 강재에 비해 저렴한 가격의 소재를 지속적으로 요구하고 있는 실정이다.

페라이트계 스테인리스강의 내식성을 확보하기 위한 수단으로써, 첨가된 크롬(Cr) 함량을 줄이고 저가의 합금성분을 대체함으로써 강재의 가격 경쟁력을 확보하려는 시도가 이어져 왔으나, 가전제품 부품에 적용될 수 있도록 특정 기준의 내식성을 만족하도록 합금성분 사이의 관계를 도출하는 기술은 개발되지 않고 있는 실정이다.

본 발명은 Si, Ti, Nb, Al 사이의 함량 제어를 통해 내식성이 향상된 페라이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 내식성이 향상된 페라이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.003 내지 0.03%, Si: 0.1 내지 2.0%, Mn: 0.01 내지 1.5%, Cr: 10.0 내지 20.0%, Nb: 0.01 내지 0.30%, Al: 0.003 내지 0.10%, N: 0.003 내지 0.03%, Ti: 0.01 내지 0.30%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)을 만족한다.

(1) Cr + 3*Si - 30*Al + Ti + 10*Nb ≥ 16

여기서, Cr, Si, Al, Ti, Nb는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, V: 0.005% 내지 0.2%를 더 포함 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, P: 0.05% 이하(0은 제외) 및 S: 0.005% 이하(0은 제외)로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 식 (2)를 만족할 수 있다.

(2) Si + Al + Ti + Nb ≥ 20

여기서, Si, Al, Ti, Nb는 페라이트계 스테인리스강의 표면에 형성된 5nm 두께의 부동태피막 중에 존재하는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 공식전위값이 200mV 이상일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 내식성이 향상된 페라이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 식 (1)의 값과 스테인리스강 냉연판의 공식전위값의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2는 스테인리스강 냉연판의 부동태피막중에 존재하는 합금성분 함량식 식 (2)의 값과 공식전위값의 관계를 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.

명세서 전체에서, 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 발명에서는 통상적으로 건축재료, 수송기기, 주방기기 등의 부품으로 사용되는 페라이트계 스테인리스강의 원가저감을 도모하면서도 내식성을 고려하여, 공식전위를 200mV 이상 확보하고자 하였다.

본 발명은 내식성 향상을 위한 페라이트계 스테인리스강 최적 설계 방안에 대하여, 목적하는 내식성 확보를 위한 성분계 및 파라미터를 제시한다.

일반적으로 스테인리스 강재의 내식성은 주로 Cr, Fe, O 성분으로 구성된 부동태피막에 의해 효과를 발휘하는 것으로 알려져 있다. 그런데 부동태피막을 이루고 있는 주된 원소인 Cr, Fe, O 이외에 함금원소로 첨가된 Si, Al, Ti, Nb 원소도 부동태피막에 존재하는 것으로 분석되고 있다. Cr 함량이 높지 않은 페라이트계 스테인리스 강재의 경우, 첨가된 Si, Al, Ti, Nb 함량에 따라 부동태피막에 존재하는 첨가된 Si, Al, Ti, Nb 조성이 달라지며 이에 따라 내식성이 달라지는 것을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.003 내지 0.03%, Si: 0.1 내지 2.0%, Mn: 0.01 내지 1.5%, Cr: 10.0 내지 20.0%, Nb: 0.01 내지 0.30%, Al: 0.003 내지 0.10%, N: 0.003 내지 0.03%, Ti: 0.01 내지 0.30%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

이하, 본 발명의 합금원소 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.

C의 함량은 0.003 내지 0.03%이다.

탄소(C)는 침입형 고용강화 원소로서 페라이트계 스테인리스강의 강도를 향상시키는 역할을 하므로 0.003% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 강재의 강도가 지나치게 상승하여 연성이 저하되는 바, 그 상한을 0.03%로 한정할 수 있다.

Si의 함량은 0.1 내지 2.0%이다.

실리콘(Si)은 본 발명에서 목표로 하는 내식성을 확보하기 위한 필수원소이다. 일반적으로, Si는 제강시 용강의 탈산과 페라이트 안정화를 위해 첨가되고, 그 함량이 과도할 경우, 페라이트계 스테인리스강의 재질을 경화시켜 연성을 저하시키는 문제가 있기 때문에 통상적으로 0.4% 이하로 관리한다. 하지만, 페라이트계 스테인리스강의 내식성을 향상시키기 위해서는 Si을 최적으로 사용할 필요가 있다. 이에 본 발명에서는 Si 함량을 0.1 내지 2.0%로 제어하여 부동태 피막을 강화하여 내식성을 향상시키고자 하였다.

Mn의 함량은 0.01 내지 1.5%이다.

망간(Mn)은 페라이트계 스테인리스강의 내식성 향상에 유효한 원소로, 본 발명에서는 0.01% 이상 첨가하고, 보다 바람직하게는 0.5% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 용접시 망간계 퓸이 발생하며 MnS상 석출의 원인이 되어 연성을 저하시키기 문제가 있어, 그 상한을 1.5%로 한정하고, 보다 바람직하게는 1.0% 이하 첨가할 수 있다.

Cr의 함량은 10.0 내지 20.0%이다.

크롬(Cr)은 은 페라이트 안정화 원소로서 스테인리스강에 요구되는 내식성을 확보하기 위해 10.0% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 제조비용이 상승하고, 성형성이 열위해지는 문제가 있어 그 상한을 20.0%로 한정할 수 있다.

Nb의 함량은 0.01 내지 0.3%이다.

니오븀(Nb)은 탄소(C)와 질소(N)와 같은 침입형 원소와 우선적으로 결합하여 탄질화물을 형성함으로써 고용 C 함량을 낮추어 내식성을 향상시키는 원소로, 본 발명에서는 고온강도를 확보하기 위해 0.01% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 비용의 상승을 초래하고, Laves 석출물을 형성하여 성형성의 저하 및 취성파괴를 일으키며, 인성이 저하되는 문제가 있는 바, 그 상한을 0.3%로 한정할 수 있다.

Al의 함량은 0.003 내지 0.1%이다.

알루미늄(Al)은 강력한 탈산제로써 용강 중 산소의 함량을 낮추는 역할을 하며, 본 발명에서는 0.003% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 비금속 개재물 증가로 인해 냉연 스트립의 슬리브 결함이 발생함과 동시에, 용접성을 열화시키는 바 0.1% 이하로 한정하고, 보다 바람직하게는 0.05% 이하로 한정할 수 있다.

N의 함량은 0.003 내지 0.03%이다.

질소(N)는 열간 압연시 오스테나이트를 석출시켜 재결정을 촉진시키는 역할을 하는 원소로, 본 발명에서는 강도를 확보하기 위해 0.003% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 강의 연성을 저하시킬 뿐만 아니라 냉연제품의 스트레처 스트레인의 원인이 되어, 그 상한을 0.03%로 한정할 수 있다.

Ti의 함량은 0.01 내지 0.3%이다.

티타늄(Ti)은 탄소(C)와 질소(N)와 같은 침입형 원소와 우선적으로 결합하여 석출물(탄질화물)을 형성함으로써, 강 중 고용 C 및 고용 N의 양을 저감하고 강의 내식성 확보에 효과적인 원소로, 본 발명에서는 0.01% 이상 첨가하고, 보다 바람직하게는 0.1% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, Ti계 개재물을 형성하여 제조상에 어려움이 있고, 스캡(scab)과 같은 표면결함이 발생하는 문제가 있어 그 상한을 0.3%로 한정하고, 보다 바람직하게는 0.20% 이하로 한정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, V: 0.005% 내지 0.2%, P: 0.05% 이하(0은 제외) 및 S: 0.005% 이하(0은 제외)로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

V의 함량은 0.005 내지 0.2%이다.

바나듐(V)은 C 및 N을 고정하여 탄질화물을 형성하는 역할을 하며, 탄질화물의 성장을 억제하고 미세화시키는데 효과적인 원소로, 본 발명에서는 0.005% 이상 첨가하고 보다 바람직하게는 0.03% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 제조 비용이 급증하는바, 0.2% 이하로 한정하고 보다 바람직하게는 0.1% 이하로 한정할 수 있다.

P의 함량은 0.05% 이하이다.

인(P)은 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로, 산세 시 입계 부식을 일으키거나 열간가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기 P 함량의 상한을 0.05%로 관리한다.

S의 함량은 0.005% 이하이다.

황(S)은 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로, 결정립계에 편석되어 열간가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기 S 함량의 상한을 0.005%로 관리한다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 불가피한 불순물로는 예를 들면, P(인), S(황) 등을 들 수 있다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

또한, 개시된 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 전술한 성분계 조성과 동시에 하기의 식 (1)을 만족한다.

(1) Cr + 3*Si - 30*Al + Ti + 10*Nb ≥ 16

여기서, Cr, Si, Al, Ti, Nb는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.

본 발명에서는 Si, Al, Ti, Nb의 함량을 적절히 제어함으로써 스테인리스강 표면의 부동태 피막 중에 Si, Al, Ti, Nb 의 함량 증가에 따른 내식성 향상 효과로 공식전위값 200mV 이상 나타낼 수 있다.

Cr + 3*Si - 30*Al + Ti + 10*Nb 값이 16 미만인 경우, 공식전위값이 200mV 이하로 되어 목적하는 내식성을 확보하기 어렵다.

또한, 개시된 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 하기의 식 (2)를 만족한다.

(2) Si + Al + Ti + Nb ≥ 20

여기서, Si, Al, Ti, Nb는 페라이트계 스테인리스강의 표면에 형성된 5nm 두께의 부동태피막 중에 존재하는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.

일반적으로, 페라이트계 스테인리스강의 내식성은 부동태피막의 조성과 관련이 있는 것으로 알려져 있으며, 부동태피막은 Fe, Cr, O 가 주된 성분 원소이며 Si 함량이 높을수록 내식성이 향상되는 경향이 있다.

상술한 합금원소 제어에 따른 본 발명의 페라이트계 스테인리스강의 표면에는 Si, Al, Ti, Nb 성분이 포함된 5nm 두께의 균일한 부동태피막이 형성되어, 페라이트계 스테인리스강의 내식성을 향상시킬수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.

실시예

하기 표 1에 나타낸 다양한 합금 성분범위에 대하여, 잉곳(Ingot) 용해를 통해 200mm 두께의 슬라브를 제조하고, 슬라브를 1,000 내지 1,200℃에서 재가열한 후 조압연기와 연속 마무리압연기에 의해 800℃ 이상의 마무리압연 완료 온도로 압연하여 열연판을 제조하였다. 그 후 열연소둔하고 산세한 다음 냉간압연 및 냉연소둔을 실시하였다.

	C	Si	Mn	Cr	Al	Ti	Nb	V	N
실시예 1	0.006	0.13	0.1	17.26	0.027	0.107	0.190	0	0.0075
실시예 2	0.006	0.12	0.1	18.3	0.056	0.110	0.210	0	0.0081
실시예 3	0.006	0.15	0.1	19.37	0.040	0.091	0.200	0	0.009
실시예 4	0.006	0.14	0.1	17.31	0.054	0.102	0.200	0	0.0087
실시예 5	0.005	0.38	0.1	17.18	0.040	0.100	0.200	0	0.0078
실시예 6	0.006	0.81	0.1	17.29	0.040	0.090	0.200	0	0.0081
실시예 7	0.007	0.15	0.1	17.34	0.040	0.093	0.200	0	0.02
실시예 8	0.006	0.49	0.2	13.9	0.003	0.030	0.090	0.1	0.0081
실시예 9	0.004	0.83	0.2	14.2	0.003	0.030	0.110	0.1	0.008
실시예 10	0.006	1.09	0.2	14	0.005	0.030	0.090	0.1	0.0082
비교예 1	0.004	0.20	0.2	14	0.044	0.210	0.000	0	0.0081
비교예 2	0.005	0.51	0.2	14	0.048	0.210	0.000	0	0.0075
비교예 3	0.005	0.79	0.2	13.9	0.046	0.210	0.000	0	0.0077
비교예 4	0.004	1.10	0.2	13.9	0.041	0.190	0.000	0	0.0076
비교예 5	0.005	0.18	0.2	14	0.003	0.000	0.100	0.1	0.0077

아래 표 2에는, 표 1의 합금성분을 갖는 강에 대하여 Cr+3*Si-30*Al+Ti+10*Nb, 페라이트계 스테인리스강의 표면에 형성된 5nm 두께의 부동태피막 중에 존재하는 Si, Al, Nb, Ti 원소의 합으로 정의되는 식 (1) 및 (2)의 값을 나타내었으며, KS D 0238에 의거한 공식전위 측정값을 나타내었다.

공식전위 측정은 Potentiostat 장비를 이용하여 측정하였으며, 30℃의 3.5% NaCl 용액에서 20mV/min 의 전위주사속도(Scan rate)로 전압을 올리면서 전류변화를 관찰하여 전류가 100㎂ 에 도달하는 전위값을 공식전위값(Pitting Potential, Epit)으로 정의하였다. 하기 표 2에서, 공식전위값이 높을수록 페라이트계 스테인리스강의 내식성이 우수함을 의미한다.

한편, 식 (2)의 값은 글로우 방전 분광분석기(Glow Discharge Spectrometer)를 사용하여 각 실시예와 비교예 냉연판 표면의 부동태피막의 두께 방향으로 성분원소의 함량을 측정하여 도출하였다. 구체적으로, 페라이트계 스테인리스강 표면에서 두께방향으로 약 0.5nm 간격으로 5nm 두께까지 측정된 Si, Al, Nb, Ti 원소의 합을 표 2에 나타내었다.

	C	Si	Al	Ti	Nb	식 (1)	식 (2)	공식전위 (mV)
실시예 1	0.006	0.13	0.027	0.107	0.190	18.9	68.9	229
실시예 2	0.006	0.12	0.056	0.110	0.210	19.2	69.8	301
실시예 3	0.006	0.15	0.040	0.091	0.200	20.7	82.3	231
실시예 4	0.006	0.14	0.054	0.102	0.200	18.2	91.4	300
실시예 5	0.005	0.38	0.040	0.100	0.200	19.2	114.6	262
실시예 6	0.006	0.81	0.040	0.090	0.200	20.6	124.4	268
실시예 7	0.007	0.15	0.040	0.093	0.200	18.7	81.9	251
실시예 8	0.006	0.49	0.003	0.030	0.090	16.6	26.8	233
실시예 9	0.004	0.83	0.003	0.030	0.110	17.7	39.7	261
실시예 10	0.006	1.09	0.005	0.030	0.090	18.0	39.3	270
비교예 1	0.004	0.20	0.044	0.210	0.000	13.5	14.7	171
비교예 2	0.005	0.51	0.048	0.210	0.000	14.3	13.7	144
비교예 3	0.005	0.79	0.046	0.210	0.000	15.1	15.2	154
비교예 4	0.004	1.10	0.041	0.190	0.000	15.8	16.4	177
비교예 5	0.005	0.18	0.003	0.000	0.100	15.5	9.7	179

도 1은 본 발명의 식 (1)의 값과 스테인리스강 냉연판의 공식전위값의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.

상기 표 2 및 도 1을 참조하면, 실시예 1 내지 7은 Cr + 3*Si - 30*Al + Ti + 10*Nb 의 값을 16% 이상으로 제어함으로써 목표하는 내식성 지표인 공식전위값을 200mV 이상으로 구현할 수 있었다.

V을 0.005% 내지 0.2% 추가적으로 포함하는 실시예 8 내지 10 또한 Cr + 3*Si - 30*Al + Ti + 10*Nb ≥ 16% 를 만족함에 따라 공식전위(mV) ≥ 200mV 를 만족함을 알 수 있다.

비교예 1 내지 5는 본 발명의 합금성분 범위는 만족하나, Cr+3Si-30Al+Ti+10Nb 수치가 16% 이하로 공식전위(mV) 값이 144 내지 179mV 수준으로 낮게 나타남을 확인할 수 있다.

도 2는 스테인리스강 냉연판의 부동태피막중에 존재하는 합금성분 함량식 식 (2)의 값과 공식전위값의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.

도 2를 참조하면, 실시예 1 내지 10은 페라이트계 스테인리스강 표면에서 두께방향으로 5nm 두께까지 측정된 Si, Al, Nb, Ti 원소의 합이 20% 이상을 만족함에 따라 목표하는 내식성 지표인 공식전위값을 200mV 이상으로 구현할 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 (5)

1. 중량%로, C: 0.003 내지 0.03%, Si: 0.1 내지 2.0%, Mn: 0.01 내지 1.5%, Cr: 10.0 내지 20.0%, Nb: 0.01 내지 0.30%, Al: 0.003 내지 0.10%, N: 0.003 내지 0.03%, Ti: 0.01 내지 0.11%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
   하기 식 (1)을 만족하고,
   하기 식 (2)를 만족하는 내식성이 향상된 페라이트계 스테인리스강.
   (1) Cr + 3*Si - 30*Al + Ti + 10*Nb ≥ 16
   (여기서, Cr, Si, Al, Ti, Nb는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.)
   (2) Si + Al + Ti + Nb ≥ 20
   (여기서, Si, Al, Ti, Nb는 페라이트계 스테인리스강의 표면에 형성된 5nm 두께의 부동태피막 중에 존재하는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.)
2. 제1항에 있어서,
   V: 0.005% 내지 0.2%를 더 포함하는 내식성이 향상된 페라이트계 스테인리스강.
3. 제1항에 있어서,
   P: 0.05% 이하(0은 제외) 및 S: 0.005% 이하(0은 제외)로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 더 포함하는 내식성이 향상된 페라이트계 스테인리스강.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   공식전위값이 200mV 이상인 내식성이 향상된 페라이트계 스테인리스강.

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