KR102384698B1

KR102384698B1 - 확산 접합용 스테인리스 강재

Info

Publication number: KR102384698B1
Application number: KR1020177015017A
Authority: KR
Inventors: 아츠시 스가마; 가즈유키 카게오카; 요시아키 호리; 가즈나리 이마카와; 마나부 오쿠
Original assignee: 닛테츠 스테인레스 가부시키가이샤
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2022-04-07
Also published as: TW201625806A; EP3216888A4; KR20170084138A; CN107002189A; EP3216888A1; CN107002189B; US20170321311A1; EP3216888B1; JP2016089223A; SG11201703499XA; TWI680193B; JP6129140B2; ES2886446T3; WO2016072244A1

Abstract

표면 거칠기의 정도에 영향을 받지 않고, 확산 접합성을 더욱 향상시킨 확산 접합 성형품에 적합한 스테인리스 강재를 제공한다. 확산 접합 전의 금속 조직이, 페라이트상, 마르텐사이트상 또는 오스테나이트상 중 적어도 2종 이상으로 구성되는 복상 조직을 갖는 스테인리스 강재로서, 상기 복상 조직의 평균 결정립 직경이 20㎛ 이하이고, 하기 식 (a)로 표시되는 γmax가 10~90이며, 1.0MPa의 부하를 1000℃, 0.5h에서 가했을 때의 크리프 연신이 0.2% 이상인, 확산 접합용 스테인리스 강재. γmax=420C-11.5Si+7Mn+23Ni-11.5Cr-12Mo+9Cu-49Ti-47Nb-52Al+470N+189 ···식 (a). 여기서, 상기 식 (a)에서의 원소 기호는 각 원소의 함유량(질량%)을 의미한다.

Description

확산 접합용 스테인리스 강재 {STAINLESS STEEL MATERIAL FOR DIFFUSION BONDING}

본 발명은, 확산 접합되는 성형품에 사용되는 복상계 스테인리스 강재에 관한 것이다.

스테인리스 강재끼리의 접합 방법의 하나로 확산 접합이 있다. 확산 접합에 의해 조립된 스테인리스강 확산 접합 제품은 열 교환기, 기계 부품, 연료 전지 부품, 가전제품 부품, 플랜트 부품, 장식품 구성 부재, 건축재 등, 각종 용도에 적용되고 있다. 확산 접합 방법에는, 인서트재를 접합 경계면에 삽입하고, 고상(固相) 확산 또는 액상 확산에 의해 접합하는 「인서트재 삽입법」과, 쌍방 스테인리스 강재의 표면끼리를 직접 접촉시켜 확산 접합하는 「직접법」이 있다.

상기 인서트재 삽입법은, 확실한 확산 접합을 비교적 간편하게 실현할 수 있는 점에서 유리하다. 그러나, 이 방법은, 인서트재를 사용하기 때문에, 비용이 증대하는 점이나, 접합 부분이 모재와 다른 종류의 금속으로 형성되기 때문에, 내식성이 저하되는 경우가 있는 점에서, 직접법보다도 불리해진다.

한편, 상기 직접법은 인서트재 삽입법에 비하여, 일반적으로 충분한 접합 강도를 얻는 것이 어렵다고 일컬어지고 있다. 그러나, 이 직접법은, 제조 비용을 저감시킬 수 있는 면에서 유리해질 가능성을 포함하고 있기 때문에, 각종 방법이 검토되어 왔다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 스테인리스강 중의 S량을 0.01중량% 이하로 함과 동시에, 소정 온도의 비산화성 분위기 속에서 확산 접합함으로써, 재료 변형을 회피하여 스테인리스 강재의 확산 접합성을 향상시킨 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 2에는, 산 세척 처리에 의해 표면에 요철이 부여된 스테인리스강박재를 사용하는 방법이 개시되어 있다. 특허문헌 3에는, 확산 접합의 저해 요인이 되는 알루미나 피막이 확산 접합 시에 생성되기 어렵도록, Al 함유량을 억제시킨 스테인리스강을 피접합재로서 사용하는 방법이 개시되어 있다. 특허문헌 4에는, 냉간 가공에 의해 변형이 부여된 스테인리스강박을 사용하여, 확산을 촉진시키는 방법이 개시되어 있다. 특허문헌 5, 6에는, 성분 조성을 적정화한 직접 확산 접합용 페라이트계 스테인리스강이 기재되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 공개특허공보 특개소62-199277호 특허문헌 2 : 일본 공개특허공보 특개평2-261548호 특허문헌 3 : 일본 공개특허공보 특개평7-213918호 특허문헌 4 : 일본 공개특허공보 특개평9-279310호 특허문헌 5 : 일본 공개특허공보 특개평9-99218호 특허문헌 6 : 일본 공개특허공보 특개2000-303150호 특허문헌 7 : 일본 공개특허공보 특개2013-103271호 특허문헌 8 : 일본 공개특허공보 특개2013-173181호 특허문헌 9 : 일본 공개특허공보 특개2013-204149호 특허문헌 10 : 일본 공개특허공보 특개2013-204150호

상술한 접합 기술 등에 의해, 스테인리스 강재의 확산 접합은 직접법을 이용하여도 실시가능해졌다. 그러나, 공업적으로는, 직접법은 스테인리스 강재의 확산 접합 방법의 주류로서 정착하기에 이르지는 않았다. 그 주된 이유는 접합 강도나 밀착성 등의 접합부에서의 신뢰성을 확보하는 것, 접합 장치나 접합 시간 등 제조상의 부하를 억제시키는 것과 같은 2가지 과제의 양립이 어렵다는 점에 있다. 종래의 기술적 식견에 의하면, 직접법으로 제조되는 접합부가 충분한 신뢰성을 확보하려면, 접합 온도를 1100℃를 넘는 고온으로 하는 공정 또는 핫 프레스나 HIP 등에 의해 높은 면압(面壓)을 부여하는 공정 등 제조 부하가 큰 공정을 채택할 필요가 있어, 그에 따른 비용 증가를 피할 수 없었다. 직접법에 의한 스테인리스 강재의 확산 접합을 통상의 인서트재 삽입법과 동등한 작업 부하로 실시하고자 하면, 접합부의 신뢰성을 충분히 확보하기는 어려운 것이 현실이다.

그래서, 확산 접합 시에, 페라이트상이 오스테나이트상으로 변태할 때의 구동력을 이용하는 것(특허문헌 7)이나, 결정립 성장의 구동력을 이용함으로써(특허문헌 8), 특별한 고온 가열이나 높은 면압을 부여하지 않고 인서트재 삽입법과 동등한 작업 부하로 실시할 수 있는, 직접법에 의한 확산 접합품의 제조 방법이 제안되었다. 또한, 확산 접합에 제공하는 스테인리스 강재의 표면 산화물을 가능한 한 저감시켜 확산 접합성을 높이는 방법(특허문헌 9, 10)이 제안되었다. 이들 방법은 양호한 접합성을 확보하기 위해서는, 사용되는 스테인리스 강재의 접합 전 표면 거칠기를 규제할 필요가 있다. 그래서, 확산 접합 제품에 사용되는 스테인리스 강재에 있어서는, 한층 더 접합성 향상이 요구되고 있다.

본 발명은, 표면 거칠기의 정도에 영향을 받지 않고, 또한, 확산 접합성을 더욱 향상시킨 확산 접합 성형품에 적합한 스테인리스 강재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 페라이트상, 마르텐사이트상, 오스테나이트상 중 적어도 2종 이상으로 구성되는 복상 조직을 갖는 복상계 스테인리스 강재에 대해서 확산 접합 전의 평균 결정립 직경, γmax량, 크리프 연신을 제어함으로써, 강재의 표면 거칠기에 영향을 받지 않고, 양호한 확산 접합성을 얻을 수 있는 것을 발견하여, 확산 접합용 스테인리스 강재로서 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 구체적으로는, 본 발명은 이하와 같은 것을 제공한다.

(1) 본 발명은, 확산 접합 전의 금속 조직이 페라이트상, 마르텐사이트상 또는 오스테나이트상 중 적어도 2종 이상으로 구성되는 복상 조직을 갖는 복상계 스테인리스 강재로서, 상기 복상 조직의 평균 결정립 직경이 20㎛ 이하이고, 하기 식 (a)로 표시되는 γmax가 10~90이며, 1.0MPa의 부하를 1000℃, 0.5h에서 가했을 때의 크리프 연신이 0.2% 이상인 확산 접합용 스테인리스 강재이다.

γmax=420C-11.5Si+7Mn+23Ni-11.5Cr-12Mo+9Cu-49Ti-47Nb-52Al+470N+189 ···식 (a)

여기서, 상기 식 (a)에서의 원소 기호는 각 원소의 함유량(질량%)을 의미한다.

(2) 본 발명은, 상기 스테인리스 강재가 질량%로 C: 0.2% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 3.0% 이하, P: 0.05% 이하, S: 0.03% 이하, Ni: 10.0% 이하, Cr: 10.0~30.0%, N: 0.3% 이하, Ti: 0.15% 이하, Al: 0.15% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되며, Ti과 Al의 합계량이 0.15% 이하인, 상기 (1)에 기재된 확산 접합용 스테인리스 강재이다.

(3) 본 발명은, 상기 스테인리스 강재가 질량%로 Nb: 4.0% 이하, Mo: 0.01~4.0%, Cu: 0.01~3.0%, V: 0.03~0.15% 중 1종 또는 2종 이상을 더 포함하는, 상기 (1) 또는 상기 (2)에 기재된 확산 접합용 스테인리스 강재이다.

(4) 본 발명은, 상기 스테인리스 강재가 질량%로 B: 0.0003~0.01%를 더 포함하는, 상기 (1)~(3) 중 어느 하나에 기재된 확산 접합용 스테인리스 강재이다.

본 발명에 의하면, 페라이트상, 마르텐사이트상, 오스테나이트상 중 적어도 2종 이상으로 구성되는 복상 조직을 갖는 복상계 스테인리스강이 확산 접합 전의 평균 결정립 직경 및 γmax, 접합 온도에서의 크리프 연신을 최적 범위에서 구비함으로써, 뛰어난 확산 접합성을 갖는 스테인리스 강재가 제공되기 때문에, 양호한 접합 경계면을 보이는 확산 접합 성형품이 제공된다. 더욱이, Ti 및 Al의 합계 함유량을 억제시킴으로써, 확산 접합성이 향상된 확산 접합 성형품을 얻을 수 있다.

도 1은 접합성 시험에서 사용한 측정 시험체를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다. 본 발명은, 이 설명에 한정되지 않는다.

스테인리스 강재의 직접법에 의한 확산 접합은 종래의 수법에 따르면, (i) 접합면의 요철이 변형되어 밀착되고, 접합한 개소의 접합 면적이 증대하는 과정, (ii) 밀착된 개소에서 접합 전 강재의 표면 산화물 피막이 소실하는 과정, (iii) 미접합부인 보이드 내의 잔류 가스가 모재와 반응하는 과정인, 3종류의 과정이 병행하여 진행됨으로써 완료한다고 생각하고 있다.

발명자들은 지금까지 상기 과정 (ii)에 주목하여 모재 성분, 부동태 피막 중에 포함되는 성분, 접합면의 표면 거칠기를 규제하여, 공업적으로 애로가 되는 생산성 저하를 회피하도록 검토해왔다. 그러나, 상기 공정 (ii)를 제어해도, 공업적으로 안정된 접합성을 확보하는 것이 곤란한 경우가 있어, 상기 공정 (i)도 가미하여 안정된 접합성을 얻기 위한 강재에 관해 많은 연구를 거듭해왔다. 그 결과, 확산 접합에 제공하는 스테인리스강이 복상 조직을 갖는 복상계 스테인리스강인 경우, 확산 접합 전의 결정립 직경을 미세하게 하는 것이 극히 유효하다는 것을 발견하였다.

[복상 조직]

스테인리스강은 일반적으로, 상온에서의 금속 조직에 근거하여 오스테나이트계 스테인리스강, 페라이트계 스테인리스강, 마르텐사이트계 스테인리스강 등으로 분류된다. 본 발명의 「복상 조직」은 페라이트상, 마르텐사이트상, 오스테나이트상 중 적어도 2종 이상으로 구성되는 금속 조직을 갖는 것이다. 본 발명의 「복상계 스테인리스 강재」는 이러한 복상 조직을 갖는 것으로, 접합 온도역에서 오스테나이트+페라이트 2상 조직이 되는 강을 말하는 것으로 한다. 이러한 2상계 스테인리스강 중에는, 페라이트계 스테인리스강이나 마르텐사이트계 스테인리스강으로 분류되는 스테인리스강이 포함되는 경우도 있다.

본 발명에서는, 저온 및 저면압 하에서 직접법에 의한 확산 접합을 실현하기 위해, 확산 접합에 제공하는 스테인리스 강재로서 페라이트상, 마르텐사이트상, 오스테나이트상 중 적어도 2종 이상으로 구성되는 복상 조직을 갖는 복상계 스테인리스강을 사용한다. 이 스테인리스강은 확산 접합이 진행되는 온도역에서는, 페라이트상 및 마르텐사이트상의 일부가 오스테나이트상으로 상변태하여, 오스테나이트상+페라이트상의 2상 조직이 된다. 해당 2상 조직에서의 서로의 상이 고온하에서 생기는 결정립 성장을 억제시킴으로써, 미세한 조직이 유지되고, 입계 미끄럼을 가져온다고 추정되는 크리프 변형이 용이하게 생길 수 있다. 그 결과, 접합면의 요철부에서 용이한 변형이 촉진되고, 접합한 개소의 접합 면적이 증대함으로써, 저온 및 저면압 하에서 직접법에 의한 확산 접합이 가능해진다.

본 발명의 복상계 스테인리스 강재는, 직접 접촉시켜 확산 접합에 의해 일체화시키는 스테인리스 강재의 쌍방 혹은 그 일방에 사용할 수 있는 것이다. 일체화시키는 상대재로서는, 본 발명의 스테인리스 강재를 적용할 수 있는 것 외에, 그 이외의 2상계 강 종류, 확산 접합의 가열 온도역에서 오스테나이트 단상이 되는 오스테나이트계 강 종류, 페라이트 단상이 되는 페라이트계 강 종류 등을 적용할 수 있다.

[성분 조성]

본 발명에서 적용 대상이 되는 복상계 스테인리스강은 Ti, Al 이외의 성분 원소에 대해서는, 확산 접합성 관점에서는 특별히 구애될 필요는 없으며, 용도에 따라 각종 성분 조성을 채택할 수 있다. 단, 본 발명은, 확산 접합이 진행되는 온도역에서 오스테나이트+페라이트 2상 조직을 대상으로 하기 때문에, 하기 식 (a)에서 보이는 γmax가 10~90을 만족하는 성분 조성의 강을 채택할 필요가 있다. 구체적인 성분 조성 범위로서 이하의 것을 예시할 수 있다.

질량%로 C: 0.2% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 3.0% 이하, P: 0.05% 이하, S: 0.03% 이하, Ni: 10.0% 이하, Cr: 10.0~30.0%, N: 0.3% 이하, Ti: 0.15% 이하, Al: 0.15% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되며, Ti과 Al의 합계량이 0.15% 이하이다.

또한, 질량%로 Nb: 4.0% 이하, Mo: 0.01~4.0%, Cu: 0.01~3.0%, V: 0.03~0.15%인 1종 또는 2종 이상을 더 포함할 수 있다. 또한, 질량%로 B: 0.0003~0.01%를 더 포함할 수 있다.

이하, 스테인리스 강재에 포함되는 성분에 대해서 설명한다.

C는 고용 강화에 의해 강의 강도, 경도를 향상시킨다. 한편, C 함유량이 많아지면, 강의 가공성 및 인성을 저하시키기 때문에, C 함유량은 0.2질량% 이하가 바람직하고, 0.08질량% 이하가 보다 바람직하다.

Si는 강의 탈산에 사용되는 원소이다. 한편, Si 함유량이 과다하면, 강의 인성 및 가공성을 저하시킨다. 또한, 강고한 표면 산화막을 형성하여, 확산 접합성을 저해한다. 그 때문에, Si 함유량은 1.0질량% 이하가 바람직하고, 0.6질량% 이하가 보다 바람직하다.

Mn은 고온 산화 특성을 향상시키는 원소이다. 한편, Mn 함유량이 과다하면, 강을 가공 경화시키고, 강의 냉간 가공성을 저하시킨다. 그 때문에, Mn 함유량은 3.0질량% 이하가 바람직하다.

P은 불가피한 불순물로서, 입계 부식성을 높임과 동시에, 강의 인성 저하를 초래한다. 그 때문에, P 함유량은 0.05질량% 이하가 바람직하고, 0.03질량% 이하가 보다 바람직하다.

S은 불가피한 불순물로서, 강의 열간 가공성을 저하시킨다. 그 때문에, S 함유량은 0.03질량% 이하가 바람직하다.

Ni은 오스테나이트 생성 원소이고, 또한, 환원성 산 환경 속에서의 강 내식성을 향상시키는 작용을 갖는다. 한편, Ni 함유량이 과다하면, 오스테나이트상이 안정되어, 페라이트 결정 성장을 억제시킬 수 없기 때문에, 안정된 오스테나이트 단상을 형성하여 페라이트 결정 성장을 억제시킨다. 그 때문에, Ni 함유량은 10.0% 이하가 바람직하다.

Cr은 부동태 피막을 형성하여 내식성을 부여하는 원소이다. Cr 함유량은 10.0질량% 미만에서는, 내식성을 부여하는 효과가 충분하지 않다. 30.0질량%를 넘으면 가공성이 저하된다. 그 때문에, Cr 함유량은 10.0~30.0질량%가 바람직하다.

N는 불가피한 불순물로서, 냉간 가공성을 열화시키기 때문에, 0.3질량% 이하가 바람직하다.

Ti은 C, N를 고정시키는 작용을 갖기 때문에, 내식성이나 가공성을 개선하는데 유효한 원소이다. Al은 탈산제로서 첨가되는 일이 많다. 한편, Ti 및 Al은 역산화성 원소이기 때문에, 강재 표면의 산화 피막 중에 포함되는 Ti 산화물이나 Al 산화물은 진공 확산 접합의 열처리에 있어서 환원되기 어렵다. 그 때문에, 이들 Ti 산화물이나 Al 산화물이 많으면, 확산 접합 시에 상기 과정 (ii) 진행을 방해할 우려가 있기 때문에, Ti 함유량은 0.15질량% 이하, Al 함유량은 0.15질량% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.05질량%이다. 그리고, Ti과 Al의 합계 함유량은 0.15질량% 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.05질량% 이하이다.

Nb는 탄화물 또는 탄질화물을 형성하여, 강의 결정립을 미세화시켜 인성을 높이는 효과를 부여하는 원소이다. 한편, Nb 함유량이 과다하면, 강의 가공성 저하를 초래하기 때문에, Nb 함유량은 4.0질량% 이하가 바람직하다.

Mo은 강도를 저하시키지 않고 내식성을 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. Mo 함유량이 과다하면, 강의 가공성 저하를 초래하기 때문에, Mo 함유량은 0.01~4.0질량%가 바람직하다.

Cu는 내식성을 향상시키는데 효과적이고, 또한, 페라이트상을 생성하는 작용을 갖는 원소이다. 한편, Cu 함유량이 과다하면, 강의 가공성이 저하되기 때문에, Cu 함유량은 0.01~3.0질량%가 바람직하다.

V은 고용 C를 탄화물로서 고정시킴으로써, 강의 가공성이나 인성 향상에 기여하는 원소이다. 한편, V 원소를 과잉 함유하면, 제조성 저하를 초래하기 때문에, V 함유량은 0.03~0.15%가 바람직하다.

B는 N를 고정시킴으로써, 내식성이나 가공성 개선에 기여하는 원소이다. 한편, B 원소를 과잉 함유하면, 강의 열간 가공성 저하를 초래하기 때문에, B 함유량은 0.0003~0.01%가 바람직하다.

상기 화학 조성을 갖는 복상계 스테인리스강으로서, 특히 하기 식 (a)로 표시되는 γmax가 10~90인 강을 적용할 수 있다.

여기서, 상기 식 (a)에서의 C, Si 등의 원소 기호는 각 원소의 함유량(질량%)을 의미한다.

γmax는 1100℃ 정도로 가열 유지한 경우에 생성하는 오스테나이트상의 양(체적%)을 나타내는 지표이다. γmax가 100 이상인 경우는, 오스테나이트 단상이 되는 강 종류로 간주할 수 있다. γmax가 0 이하인 경우는, 페라이트 단상이 되는 강 종류로 간주할 수 있다.

본 발명의 복상계 스테인리스강은 γmax가 10~90일 때는, 확산 접합이 진행되는 온도역에서 오스테나이트+페라이트 2상이 되며, 이 2상이 서로 고온하에서의 결정립 성장을 억제시키기 때문에, 미세 결정 조직을 얻는데 유효하다. γmax가 50~80이면 더욱 바람직하다.

[접합 전의 평균 결정립 직경]

본 발명의 복상계 스테인리스강은, 미세 입자 조직일수록 상기 과정 (i)을 신속하게 진행시킬 수 있다. 그 때문에, 접합 전의 평균 결정립 직경은 20㎛ 이하가 바람직하고, 10㎛ 이하가 보다 바람직하다.

[표면 거칠기]

본 발명의 미세 결정립을 갖는 복상계 스테인리스강은 상기 과정 (i)이 신속하게 진행되기 때문에, 상기 과정 (ii)에 의한 영향이 작아, 표면 거칠기(Ra)의 정도에 따라 접합성이 제약될 가능성은 낮다. 다만, 확산 접합에 제공하는 스테인리스 강재의 표면 거칠기가 커지면, 상기 과정 (ii)에서의 산화 피막의 소실이 늦어지는 경향이 있다. 그 때문에, 스테인리스 강재의 표면은 평활한 것이 바람직하고, 표면 거칠기(Ra)로서는 0.3㎛ 이하가 바람직하다.

[확산 접합 제품의 제조 방법]

본 발명의 스테인리스 강재는 직접법에 의한 진공 확산 접합을 실시함으로써, 접합성이 양호한 확산 접합품을 얻을 수 있다. 구체적인 확산 접합 처리로서는, 예를 들면, 접촉 면압 0.1~1.0MPa로 직접 접촉시킨 상태에서, 압력 1.0×10^-2Pa 이하, 바람직하게는 1.0×10^-3Pa 이하, 이슬점 -40℃ 이하의 로 내에서, 900~1100℃로 가열 유지함으로써, 확산 접합을 진행시킬 수 있다. 유지 시간은 0.5~3h의 범위에서 조정할 수 있다.

[실시예]

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다. 본 발명은, 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 발명의 요지 범위 내에서 적당히 변경하여 실시할 수 있다.

표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 스테인리스강에 대해서, 30kg의 진공 용해로 용제하여, 얻어진 잉곳을 30㎜ 두께의 판에 단조한 후, 1230℃에서 2h의 열간압연을 실시하여 3.0㎜ 두께의 열연판을 얻었다. 이어서, 소둔, 산 세척, 냉간압연을 실시하여 1.0㎜ 두께의 냉연판을 얻었다. 이후, 해당 냉연판에 후술하는 소둔 처리를 하여 냉연 소둔판을 제조하여, 이것을 시험재로 하였다.

[표 1]

표 1에 다수의 강재가 나타나 있다. FM-1강~FM-4강은 확산 접합 전의 금속 조직이 페라이트+마르텐사이트 2상 강(α+M상)이다. FA-1강 및 FA-2강은 확산 접합 전의 금속 조직이 페라이트+오스테나이트 2상 강(α+γ상)이다. F-1강은 확산 접합 전의 금속 조직이 페라이트 단상 강(α상)이다. A-1강은 확산 접합 전의 금속 조직이 오스테나이트 단상 강(γ상)이다. M-1강은 확산 접합 전의 금속 조직이 마르텐사이트 단상 강(M상)이다.

각 강판은 냉연 후의 소둔 온도를 900℃~1200℃의 사이에서 변화시킴으로써, 평균 결정립 직경이 다른 시험재를 얻었다. 또한, 표면 거칠기의 영향을 조사하기 위해, 일부 강판을 사용하여 냉연 소둔판의 완성 처리를 변경함으로써, 표면 거칠기(Ra)가 다른 시험재를 얻었다.

(평균 결정립 직경)

강판의 확산 접합 전의 평균 결정립 직경(㎛)은 이하에 나타내는 바와 같이 구적법으로 측정하였다. 냉간압연 방향으로 평행인 판 두께 단면의 금속 조직을 연속되는 1㎟ 이상에서 관찰하고, 구적법을 이용하여 단위면적 내에 포함되는 결정립 개수를 산출하였다. 그리고, 결정립 1개당 평균 면적을 구하여, 이것을 1/2 제곱한 값을 평균 결정립 직경으로서 이용하였다.

(표면 거칠기)

표면 거칠기(Ra)(㎛)에 대해서는, 표면 거칠기 측정 장치(도쿄정밀사 제품; SURFCOM2900DX)를 이용하여, 압연 방향에 대한 직각 방향의 표면 거칠기(Ra)를 측정하였다.

(크리프 연신)

크리프 연신은 이하에 나타내는 방법으로 측정하였다. 각 강판으로부터 JIS13B 시험편을 잘라내어, 한쪽 손잡이부 중앙에 Ø5㎜의 구멍을 뚫었다. 해당 시험편에 표점간 50㎜의 표시를 넣은 후, 구멍을 갖는 상기 손잡이부가 아래쪽이 되도록 해당 시험편을 고온 인장 시험기에 장착하였다. 상기 목표점 내의 온도가 1000℃가 될 때까지 온도 상승시켜, 그 온도에서 15min 균열한 후, 1.0MPa의 응력이 가해지도록 산출된 추를 구비한 SUS310S제 와이어를 해당 손잡이부의 구멍에 장착하여 0.5h 유지하였다. 그후, 해당 SUS310S제 와이어를 해당 시험편에서 빼고, 다시 공냉으로 상온까지 냉각하였다. 그리고, 상기 목표점 간의 길이(L)를 측정하여, 크리프 연신(%)으로 하여, (L-50)/50×100을 산출하였다.

(접합성 시험)

각 강판으로부터 20㎜×20㎜의 평판 시험편을 꺼내어, 이하의 방법으로 확산 접합을 실시하였다. 동일 강재 2장의 시험편을 서로 표면끼리 접촉하도록 적층한 상태로 하였다. 추를 갖는 치구를 이용하여, 이들 2장의 시험편 접촉 표면에 부여되는 면압을 0.1MPa이 되도록 조정하였다. 이하, 적층된 평판 시험편을 「강재」라 한다. 해당 강재가 적층된 상태인 것을 「적층체」라 한다. 이어서, 치구와 적층체를 진공로에 삽입하고, 진공 빼기를 실시하여 압력 1.0×10^-3~1.0×10^-4Pa의 초기 진공도로 한 후, 1000℃까지 약 1h에 온도 상승시키고, 그 온도에서 2h 유지하였다. 그 후, 냉각실로 옮겨 냉각하였다. 해당 냉각은 900℃까지 상기 진공도를 유지하고, 이후, Ar 가스를 도입하여 90kPa의 Ar 가스 분위기 속에서 약 100℃ 이하까지 냉각하였다. 상기 열처리를 마친 적층체에 대해서 초음파 두께계(올림푸스사 제품; Model35DL)를 이용하여, 도 1에 나타내는 바와 같이 20㎜×20㎜의 적층체 표면 상에 3㎜ 피치로 마련한 49개소 측정점에서 두께 측정을 실시하였다. 프로브 직경은 1.5㎜로 하였다. 어느 측정점에서의 판 두께 측정치가 2장 강재의 합계 판 두께를 나타낼 경우에는, 그 측정점에 대응하는 양 강재의 경계면 위치에서는 원자 확산에 의해 양 강재가 일체화되어 있다고 간주할 수 있다. 한편, 판 두께 측정치가 양 강재의 합계 판 두께와 다를 경우에는, 그 측정점에 대응하는 양 강재의 경계면 위치에 미접합부(결함)가 존재한다고 간주할 수 있다. 가열 처리 후의 적층체의 단면 조직과 이 측정 수법으로 얻어진 측정 결과와의 대응 관계를 조사한 바, 측정 결과가 양 강재의 합계 판 두께가 된 측정점의 수를 측정 총 수 49에서 제한 값(이것을, 이하 「접합율」이라 한다. )에 의해, 접촉 면적에 차지하는 접합 부분의 면적율을 정밀도 좋게 평가할 수 있는 것을 확인하였다. 그래서, 이하의 평가 기준으로 확산 접합성을 평가하였다.

A: 접합율 100%(우수)

B: 접합율 90~99%(양호)

C: 접합율 60~89%(약간 양호)

D: 접합율 0~59%(불량)

각종 검토 결과, 평가 A 및 B에서 확산 접합부의 강도가 충분히 확보되고, 또한 양 부재간의 실(seal)성(연통하는 결함을 개재시키는 기체 누락이 발생하지 않는 성질)도 양호하기 때문에, 평가 A 및 B를 합격이라 판정하였다.

표 2에 각 강의 냉연 소둔 후의 평균 결정립 직경 및 γmax, 표면 거칠기, 크리프 연신, 접합성 평가 결과를 나타낸다.

[표 2]

표 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명예 1~6은 접합율이 90% 이상이며, 1000℃와 같은 비교적 저온이고 또한 0.1MPa과 같은 낮은 면압이어도 양호한 확산 접합성을 보였다. 또한, 본 발명예 1~6은 표면 거칠기(Ra)의 정도에 관계없이 양호한 확산 접합성을 보이고 있으며, 표면 거칠기에 의한 영향이 보이지 않았다. 본 발명의 구성을 구비한 복상계 스테인리스 강재는 표면 거칠기가 증대해도 확산 접합성이 저하되지 않기 때문에, 그 확산 접합성이 강재 표면 성상에 제약받지 않는 것을 알 수 있다.

그에 비하여, 비교예 1~10은 평균 결정립 직경, γmax, 크리프 연신이 본 발명의 범위에서 벗어났기 때문에, 2상 고온역에서의 접합면의 요철부 변형이 작고, 접합한 개소의 접합 면적이 증가하지 않았다. 그 때문에, 대부분의 접합율은 80% 미만의 약간 불량 또는 불량이었다.

또한, 비교예 5~7의 페라이트 단상 강, 비교예 8~9의 오스테나이트 단상 강에 대해서는, 표면 거칠기(Ra)에 의한 접합율 변화에 의하면, 표면 거칠기가 극히 작은 비교예 7 및 비교예 9는 90% 이상의 접합율을 보였다. 한편, 그 밖의 비교예는 표면 거칠기가 크고 접합율이 저하되었다. 이와 같이, 단상계 강에서는, 표면 거칠기가 크면 접합율이 불량이 되어, 그 확산 접합성이 표면 거칠기에 의해 제약받는 것을 알 수 있다.

Claims

확산 접합 전의 금속 조직이 페라이트상, 마르텐사이트상 또는 오스테나이트상 중 적어도 2종 이상으로 구성되는 복상 조직을 갖는 복상계 스테인리스 강재로서,
상기 복상 조직의 평균 결정립 직경이 20㎛ 이하(단, 1㎛ 이하 제외)이고,
하기 식 (a)로 표시되는 γmax가 10~90이며,
1.0MPa의 부하를 1000℃, 0.5h에서 가했을 때의 크리프 연신이 0.2% 이상이며,
질량%로, C: 0.2% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 3.0% 이하, P: 0.05% 이하, S: 0.03% 이하, Ni: 10.0% 이하, Cr: 10.0~30.0%, N: 0.3% 이하, Ti: 0.15% 이하, Al: 0.15% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되며, Ti과 Al의 합계량이 0.15% 이하인, 확산 접합용 스테인리스 강재.
γmax=420C-11.5Si+7Mn+23Ni-11.5Cr-12Mo+9Cu-49Ti-47Nb-52Al+470N+189 ···식 (a)
여기서, 상기 식 (a)에서의 원소 기호는 각 원소의 함유량(질량%)을 의미한다.
제1항에 있어서,
상기 복상 조직의 평균 결정립 직경이 9㎛ 이상 20㎛ 이하인, 확산 접합용 스테인리스 강재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 스테인리스 강재는, 질량%로 Nb: 4.0% 이하, Mo: 0.01~4.0%, Cu: 0.01~3.0%, V: 0.03~0.15% 중 1종 또는 2종 이상을 더 포함하는, 확산 접합용 스테인리스 강재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 스테인리스 강재는, 질량%로 B: 0.0003~0.01%를 더 포함하는, 확산 접합용 스테인리스 강재.