KR102463028B1 - 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강 및 그 제조방법 - Google Patents

저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강이 개시된다.
본 발명에 따른 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강은 중량%로, C: 0.01 내지 0.1%, Si: 0.1 내지 1%, P: 0.05% 미만, S: 0.03% 미만, Mn: 5% 이하(0은 제외), Ni: 6 내지 12%, Cr: 15.0 내지 22.0%, N: 0.15 내지 0.25%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, N의 함량은 하기 식 (1)로 정의되는 N고용한계(Nsol) 이하이고, 하기 식 (2)로 정의되는 Impact index값이 -11.6 이상이다.
식(1) Nsol = {700-47.1Cr-78.3Ni-11.0Mn+41.6Cu+6.21CrNi+2.95CrMn+5.14CrCu-2.16NiMn-15.4NiCu-6.01MnCu}Х10-3
식 (2) Impact index = 3.9Ni+3Mn+5.5Cu-2.7Cr-20.3Nb-(C+N)

Description

저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강 및 그 제조방법{HIGH-NITROGEN AUSTENITIC STAINLESS STEEL WITH IMPROVED LOW-TEMPERATURE IMPACT TOUGHNESS AND STRENGTH AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, Ni를 저가의 Mn, Cu 및 N 등으로 대체하고, 범용강과 대비하여 기계적 성질을 향상시킨 저온액화가스 저장 및 운송을 위한 탱크 및 배관용 오스테나이트 스테인리스강 및 제조방법에 관한 것이다.
최근 액화천연가스(LNG) 및 액화석유가스(LPG) 등의 수요 증가 및 시장 성장에 따라 저온액화가스 저장 및 운송에 필요한 탱크 및 배관 등에 대한 수요가 증대되고 있다. LPG는 LNG에 비해 끓는점이 낮아 상대적으로 낮은 온도에서 쉽게 액화 가능하기 때문에 수송 및 저장을 위한 소재 선정에 제약이 적다. 반면, 최근 수요가 증가하고 있는 LNG의 경우, 화학성분 중 90% 이상을 차지하는 메탄의 끓는점은 -162℃이므로 운송 및 저장을 위해서는 -162℃의 극저온 환경을 유지해야 할 필요가 있다.
일반적으로 금속 소재는 저온에서 충격인성이 저하되는 문제가 발생하므로, 액화가스용 소재를 선정 시 극저온 환경에서 충격인성저하를 방지하는 것이 중요하다.
액화가스용 선박 제작을 위한 IGC코드"IGC-Code Int. Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk (MSC.177(79))"규정에 따르면, 최저설계온도가 -165℃인 경우, 9Ni강, 오스테나이트 스테인리스강 (STS 304, 304L, 316, 316L, 321, 347) 및 Al 합금 (5083) 등이 사용될 수 있고, 이러한 합금들은 -196℃에서 42J 이상 저온충격인성이 요구된다.
STS 304L은 저온충격인성이 뛰어나 현재 해상부유식 멤브레인형 마크Ⅲ LNG선박의 액화가스탱크 내 1차 방벽 소재로 적용된다. STS 304L는 타 소재 대비 내부식성 및 용접이 용이하다는 장점이 있지만, 항복강도가 상대적으로 낮아 탱크 제작 시 소재의 설계요구중량의 증가로 가격경쟁력이 상대적으로 낮은 단점이 있다. 또한, STS 304L은 저온에서 충격 하중을 부과되거나 가공될 경우, 마르텐사이트(α´-마르텐사이트)변태가 쉽게 발생하여, 저온충격인성이 저하되므로, 높은 내충격인성이 요구되는 탱크에 한해서는 상대적으로 오스테나이트 상안정성이 더 높은 STS 316L이 사용된다. 따라서, 저온액화가스 저장 및 운송용 오스테나이트 스테인리스강의 소재 경쟁력 향상 및 적용 확대를 위해서는 STS 304L보다 저렴하면서, 높은 항복강도와 우수한 저온충격인성을 확보한 강종에 대한 개발이 요구된다.
가격 경쟁력을 높이면서, 강도 및 충격인성을 확보한 강종을 개시한 다음과 같은 특허문헌들이 알려져 있다. 특허문헌1은 침입형 원소인 탄소와 질소를 활용함으로써 고가의 Ni함량을 줄이면서도 인장강도 및 연신율을 높인 강종을 개시하고 있고, 침입형 원소(C+N, C/N)와 치환형 원소(Mn+Cr, Mn/Cr)의 함량비를 제어함으로써 가격경쟁력을 높이는 방안을 제안하였다. 특허문헌2는 탄소와 질소를 활용함으로써 Ni함량을 최소화하면서 저온인성을 높인 강종을 개시하고 있고, C/N비를 0.5~1.5로 제어함으로써 저온인성과 더불어 내식성 및 강도도 향상시키는 방안을 제안하였다.
N를 활용하여 Ni함량을 줄이고, 기타 오스테나이트 상안정화 합금원소의 함량을 제어함으로써 강도와 저온충격인성을 향상시키는 방안은 오스테나이트 스테인리스강의 물성을 높이는 효과적인 방안이다. 그러나, 고질소 오스테나이트 스테인리스강은 액상에서 고상으로 응고 시 δ-페라이트가 생성될 경우, 용강 내 N고용도가 급격히 감소하는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 가압용해 및 가압 일렉트로 슬래그 재용해(Pressurized electroslag remelting, PESR)와 같은 고가의 설비를 활용하여 N고용도를 높일 수 있으나, 제조 기술 한계 및 제조 비용 등을 고려하면 상압에서도 충분한 N고용도를 확보하는 제조방안을 고려해야 한다.
또한, -196℃에서 42J 이상의 저온충격인성을 확보하기 위해서는 오스테나이트 상안정성, 평면슬립 및 석출물 등의 요인들에 대해 고려해야한다. 오스테나이트 상안정성이 낮은 경우, 변형유기 마르텐사이트 생성을 촉진시켜 저온충격인성을 저하시킬 수 있다. 평면슬립이 발달하는 경우, 계면 및 입계 등에 전위의 축적이 국부적으로 과도하게 발생하여 저온충격인성을 저하시킨다. 석출물이 포함된 경우, 석출물이 변형 중 pinning효과에 의해 전위의 이동을 방해하여 강도 증가에는 효과적이지만 저온충격인성을 저하시키는 요인으로 작용한다. 따라서, 저온충격인성을 확보하기 위해서는 이들 요소들을 종합적으로 고려해야 한다.
한국 공개특허공보 제10-2009-0092144호 (2009.08.31) 한국 공개특허공보 제10-2013-0067007호 (2013.06.21)
본 발명의 일 측면은 액화가스용 오스테나이트계 스테인리스강의 고가의 원소인 Ni을 저가의 Mn, Cu, N 등으로 대체하여 원가경쟁력 높일 수 있는 고질소 오스테나이트 스테인리스강을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 일 측면은 합금원소 함량을 제어를 통해 상압에서 충분한 N고용도를 확보하고, 350MPa 이상의 우수한 항복강도와 -196℃ 저온충격인성을 가진 고질소 오스테나이트 스테인리스강을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강은 중량 %로, C: 0.01 내지 0.1%, Si: 0.1 내지 1%, P: 0.05% 미만, S: 0.03% 미만, Mn: 5% 이하(0은 제외), Ni: 6 내지 12%, Cr: 15.0 내지 22.0%, N: 0.15 내지 0.25%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, N의 함량은 하기 식 (1)로 정의되는 N고용한계(Nsol) 이하이고, 하기 식 (2)로 정의되는 충격지수(Impact index)값이 -11.6 이상이다.
식(1) Nsol = {700-47.1Cr-78.3Ni-11.0Mn+41.6Cu+6.21CrNi+2.95CrMn+5.14CrCu-2.16NiMn-15.4NiCu-6.01MnCu}Х10-3
식(2) 충격지수(Impact index) = 3.9Ni+3Mn+5.5Cu-2.7Cr-20.3Nb-(C+N)
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, Cu: 4% 이하, Mo: 2% 미만 및 Nb: 0.1% 미만으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 항복강도는 350 MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, -196℃에서의 샤르피충격에너지는 150J 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강의 제조방법은 중량%로, C: 0.01 내지 0.1%, Si: 0.1 내지 1%, P: 0.05% 미만, S: 0.03% 미만, Mn: 5% 이하(0은 제외), Ni: 6 내지 12%, Cr: 15.0 내지 22.0%, N: 0.15 내지 0.25%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 1,200내지 1,300℃에서 2시간 동안 가열하는 단계; 가열된 강편을 열간압연하는 단계; 압연된 강편을 1,100℃ 내지 1,200℃에서 10분 동안 용체화 처리하는 단계; 및 용체화 처리된 압연재를 수냉하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, Cu: 4% 이하, Mo: 2% 미만 및 Nb: 0.1% 미만으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스 강은 합금성분설계에 따라 N고용도를 고려함과 동시에 350MPa 이상의 높은 항복강도 및 -196℃에서 150J 이상의 높은 저온충격인성을 나타내므로 종래의 STS304보다 우수한 소재경쟁력을 확보할 수 있다.
도 1은 충격지수에 따른 -196℃의 샤르피충격에너지 변화를 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.
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 발명에 따른 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강은 합금원소의 함량을 제어함으로써 상압에서 충분한 N고용도를 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강은 중량 %로, C: 0.01 내지 0.1%, Si: 0.1 내지 1%, P: 0.05% 미만, S: 0.03% 미만, Mn: 5% 이하, Ni: 6 내지 12%, Cr: 15.0 내지 22.0%, Cu: 4% 이하, Mo: 2% 미만, Nb: 0.1% 미만, N: 0.15 내지 0.25%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 합금성분 원소 함량의 수치한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.01 내지 0.1% 이다.
C는 저원가의 오스테나이트 안정화 원소이고, δ-페라이트상의 생성을 효과적으로 억제하여 N고용도를 높이는 역할을 한다. 또한, 침입형 원소로서 고용강화효과에 의해 항복강도를 증가시키고, 자유전자농도를 증가시켜 금속결합을 강화시키는 동시에 단범위 질서도(Short range ordering, SRO)을 촉진시킴으로써 변형 중 평면슬립(Planar slip)을 증가시키는 역할을 한다. C의 함량이 0.01% 미만일 경우, 전술한 효과를 나타낼 수 없고, C의 함량이 0.1%를 초과할 경우, 평면슬립 촉진에 따라 저온충격인성이 저하될 수 있고, 용접 후 열영향부(Heat-affected Zone, HAZ) 내 Cr23C6 등 탄화물입계석출로 인한 예민화 현상을 초래하여 내식성이 약화될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 C의 함량을 0.01% 내지 0.1%로 제한한다.
Si의 함량은 0.1 내지 1%이다.
Si은 제강공정 중 탈산제 역할을 하고, 내식성을 향상시키는데 효과적인 원소이다. Si의 함량이 0.1% 미만일 경우, 전술한 효과를 나타낼 수 없고, Si의 함량이 1%를 초과할 경우, 주조 시 δ-페라이트상 및 시그마상과 같은 금속간 화합물 생성을 촉진시켜 N고용도 및 열간가공성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Si의 함량을 0.1 내지 1%로 제한한다.
P의 함량은 0.05% 미만이고, S의 함량은 0.03% 미만이다.
P 및 S은 불가피하게 포함되는 불순물로서, 내식성 및 열간가공성을 저하시키므로 본 발명에서는 그 함량을 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 이론상 P 및 S의 함량은 0%로 제어하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 포함될 수 밖에 없으므로, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 P 및 S의 함량의 상한을 각각 0.05% 미만, 0.03% 미만으로 관리한다.
Mn의 함량은 5% 이하(0은 제외)이다.
Mn은 오스테나이트상을 안정화시키는 저렴한 원소이다. 또한, 변형유기 마르텐사이트 변태를 억제하여 저온충격인성을 증가시킨다. 그러나, 다량 첨가할 경우, MnS 개재물의 증가에 따라 강재의 인성 및 열간가공성이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Mn의 함량을 5% 이하로 제한한다.
Ni의 함량은 6 내지 12%이다.
Ni은 오스테나이트상을 안정화시키는 강력한 원소이다. 또한, δ-페라이트상 형성을 억제하여 N고용도를 높이고, 오스테나이트 상안정성을 높임으로써 변형유기 마르텐사이트 변태를 억제하고, 저온충격인성을 증가시키는데 효과적인 원소이다. 또한, Ni은 열간가공성 및 냉간가공성을 향상시킨다. Ni의 함량이 6% 미만일 경우, 전술한 효과를 나타낼 수 없고, Ni을 다량 첨가할 경우, 원료비 상승을 초래할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 고가의 Ni을 저가인 Mn, Cu, N 등으로 대체하여 원가 경쟁력을 확보하고자 하므로, Ni의 함량을 6 내지 12%로 제한한다.
Cr의 함량은 15.0 내지 22.0%이다.
Cr은 내식성을 확보하기 위해 필수적인 원소이고, N고용도를 증가시켜 고N 오스테나이트계 스테인리스강의 제조를 용이하게 한다. Cr의 함량이 15% 미만일 경우, 전술한 효과를 나타낼 수 없고, Cr의 함량이 22.0%를 초과할 경우 δ-페라이트상과 Cr2N 및 Cr23C6와 같은 탄질화물의 생성에 의해 오히려 내식성 및 N고용도를 저하시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Cr의 함량을 15.0 내지 22.0%로 제한한다.
Cu의 함량은 4% 이하(0을 포함)이다.
Cu는 오스테나이트상을 안정화시키는 원소이다. 또한, 변형유기 마르텐사이트 변태를 억제하여 저온충격인성을 증가시키고, 환원 환경에서의 내부식성을 향상시키는데 효과적인 원소이다. 다만, 다량 첨가할 경우, Cu의 응고편석에 의해 열간가공성이 저하될 수 있으므로, 본 발명에서는 Cu의 함량을 4% 이하로 제한한다.
Mo의 함량은 2% 미만(0을 포함)이다.
Mo는 스테인리스강의 내부식성을 향상시키는데 효과적인 원소이다. 다만, Mo는 고가의 원소이고, 다량 첨가할 경우, 강도 상승으로 인해 냉간가공성이 저하될 수 있으므로, Mo의 함량을 2% 미만으로 제한한다.
Nb의 함량은 0.1% 미만(0을 포함)이다.
Nb는 탄화물 및 질화물의 생성을 촉진하는 원소이다. 그러나, Nb은 고 질소 오스테나이트 스테인리스강에서는 NbC 및 Z상(CrNbN) 등 미세석출물을 생성하고, 이러한 미세한 석출물에 따른 pinning 효과로 저온충격특성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Nb의 함량을 0.1% 미만으로 제한한다.
N의 함량은 0.15 내지 0.25%이다.
N은 저원가의 오스테나이트상을 안정화시키는 강력한 원소이고, 침입형 원소로 작용하여 고용강화 효과로 강도를 향상시키고, 내식성을 향상시킨다. 또한, N은 자유전자농도를 증가시켜 금속결합을 강화하고, SRO(Short range ordering)을 촉진시켜 변형 중 평면슬립(Planar slip)을 증가시킨다. N의 함량이 0.15% 미만일 경우, 전술한 효과를 충분히 나타낼 수 없고, N의 함량이 0.25%를 초과할 경우, 강도 증가에 따라 열간가공성 및 냉간가공성이 열위해질 수 있고, 평면슬립 촉진에 따라 저온충격인성이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 N의 함량을 0.15 내지 0.25%로 제한한다.
또한, 본 발명에 따른 고질소 오스테나이트 스테인리스강은 N의 함량이 하기 식(1)로 정의되는 N고용한계(Nsol) 이하일 수 있다.
식(1) Nsol = {700-47.1Cr-78.3Ni-11.0Mn+41.6Cu+6.21CrNi+2.95CrMn+5.14CrCu-2.16NiMn-15.4NiCu-6.01MnCu}Х10-3
여기서, Ni, Cr, Mn 및 Cu는 각 합금원소의 중량%를 나타낸다.
오스테나이트 스테인리스강의 가격경쟁력을 확보하기 위해서는 Ni, Mo 등 고가의 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 줄여야 하고, 이를 보상할 수 있는 N 첨가량을 예측하는 것이 요구된다.
이를 위해, 각 합금성분을 고려하여 N가 고용되는 한계값을 계산하여, 최적의 N 함량 설정이 필요하다. 구체적으로, 원가 절감을 위해 Mn과 Cu 등 Ni 대체 원소를 활용하는 경우, 액상에서 고상으로 응고 시 델타 페라이트(δ-ferrite) 생성에 따른 용강 내 질소(N) 고용도 감소를 고려해야 한다.
본 발명의 발명자들은 다양한 오스테나이트계 스테인리스강의 합금성분계를 대상으로 상태도 예측이 가능한 열역학해석프로그램(Thermo-Calc. TCFE 6.0)를 활용하여 N고용도를 분석하고, N고용한계(Nsol)를 도출하였다.
N고용한계(Nsol)는 주요 오스테나이트 상 안정화 원소인 Cr, Ni, Mn 및 Cu의 함량을 통해 제어될 수 있고, N고용한계(Nsol)를 통하여 고질소 오스테나이트 스테인리스강의 N고용도를 용이하게 판단할 수 있다.
N고용한계(Nsol)를 N 함량 보다 높게 설정하여 N 고용도의 한계값을 높일 경우, 목표하는 합금성분의 제강조업이 양호하게 실시되는 것을 확인하였다. 다시 말해, 본 발명에 따른 고질소 오스테나이트 스테인리스강은 N의 함량을 0.15%이상으로 하고, N고용한계값 이하로 함으로써, 350MPa 이상의 항복강도를 확보할 수 있다.
합금조성 외 잔부는 Fe이다. 본 발명의 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강은 통상 강의 공업적 생산 과정에서 포함될 수 있는 기타의 불순물을 포함할 수 있다. 이러한 불순물들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 알 수 있는 내용이므로 본 발명에서 특별히 그 종류와 함량을 제한하지는 않는다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강은 하기 식 (2)로 정의되는 충격지수(Impact index)값이 -11.6 이상일 수 있다.
식 (2) Impact index = 3.9Ni+3Mn+5.5Cu-2.7Cr-20.3Nb-(C+N)
여기서, C, N, Mn, Ni, Cr, Cu 및 Nb는 각 합금원소의 중량%를 나타낸다.
-196℃에서의 샤르피충격에너지는 오스테나이트상 안정성 요인 외에 평면 슬립이나 pinning 효과도 종합적으로 고려되어야하므로, Md30(30% 냉간압연 시 마르텐사이트변태가 50% 체적율이 되는 온도)값과 같은 상안정성 지수만으로는 -196℃의 샤르피충격에너지를 설명하기에 한계가 있었다.
이에, 본 발명의 발명자들은 N의 함량이 Nsol보다 이하인 합금성분계에 대해 상 안정성, 평면 슬립 및 pinning 효과를 종합적으로 고려하여 충격지수(Impact index)식을 도출하였다.
도 1은 충격지수에 따른 -196℃의 샤르피충격에너지 변화를 나타내는 그래프이다. 도 1을 참조하면, 충격지수는 -196℃의 샤르피충격에너지 변화와 선형적으로 비례함을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강은 식 (2)의 값이 -11.6 이상을 만족할 경우, -196℃에서 샤르피충격에너지가 150J 이상이고, STS 304L보다 우수한 저온충격인성을 확보할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강은 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 그 제조방법은 특별히 제한되지 않는다.
다만, 일 실시예로써 다음과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강의 제조방법은 중량%로, C: 0.01 내지 0.1%, Si: 0.1 내지 1%, P: 0.05% 미만, S: 0.03% 미만, Mn: 5% 이하, Ni: 6 내지 12%, Cr: 15.0 내지 22.0%, Cu: 4% 이하, Mo: 2% 미만, Nb: 0.1% 미만, N: 0.15 내지 0.25%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 가열하는 단계; 상기 가열된 강편을 열간압연하는 단계; 상기 압연된 강편을 용체화 처리하는 단계; 및 상기 용체화 처리된 압연재를 수냉하는 단계;를 포함할 수 있다.
이때, 가열는 1,200℃ 내지 1,300°C에서 2시간 동안 수행할 수 있다.
또한, 용체화 처리는 1,100℃ 내지 1,200℃에서 10분 동안 수행할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
실시 예
하기 표 1의 합금조성을 만족하는 발명예 및 비교예 강편을 1,250℃에서 2시간 동안 가열한 후, 14mm 두께로 열간 압연하였다. 이후, 1,150℃ 에서 10분간 용체화 처리를 수행하고 수냉하여 열연소둔재 시편을 얻었다.
이후, 표1의 합금조성을 갖는 각 열연소둔재 시편에 대해 항복강도 및 저온충격인성을 측정하고, 하기 표2에 나타내었다. 항복 강도는 1.5mm 두께의 판상 서브사이즈 인장시편을 제조하고, ASTM E8M 규정에 따른 인장시험을 수행하여 0.2% 항복강도(YS0.2)로 나타내었다. 저온충격인성은 샤르피 V-노치 서브사이즈 충격 시편을 제조하고, ASTM E23 규정에 따른 샤르피 충격 시험을 수행하여 평가하였고, -196℃의 샤르피충격에너지(CVN-196)로 나타내었다.
또한, 열연소둔재 시편에 대해 본 발명에 따른 충격지수값(Impact index), 본 발명에 따른 N고용한계값(Nsol) 및 Nohara Md30을 도출하고, 하기 표2에 나타내었다.
단, 식 (3) Nohara Md30(℃) = 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)-18.2Mo 이다.
강종 합금 성분(중량%)
C Si Cr Ni Mn Cu Mo Nb N
발명예 1 0.018 0.51 18.1 6.00 4.84 0.00 0.00 0 0.152
발명예 2 0.021 0.52 21.4 10.40 0.98 0.78 0.50 0 0.210
비교예 1
(STS 304L)		 0.020 0.52 17.9 8.04 1.00 0.00 0.00 0 0.000
비교예 2(STS 304LN) 0.018 0.47 18.0 8.02 1.00 0.00 0.00 0 0.156
비교예 3(STS 316L) 0.022 0.50 18.0 10.00 1.03 0.00 2.02 0 0.000
비교예 4 0.018 0.50 17.9 8.03 1.07 0.00 0.00 0.1 0.156
강종 식(1)
Nsol 		식(2)
Impact index		 식(3)
Md30(℃)		 CVN-196(J) YS0.2(MPa)
발명예 1 0.215 -11.1 7 159 368
발명예 2 0.298 -10.2 -195 165 413
비교예 1(STS 304L) 0.166 -14.0 50 128 203
비교예 2(STS 304LN) 0.165 -14.5 -21 123 359
비교예 3(STS 316L) 0.228 -6.5 -46 202 252
비교예 4 0.167 -16.0 -28 108 309
비교예 1 내지 비교예3은 각각 범용강인 STS 304L, STS 304LN, STS 316L에 상응한다. 본 발명에 따른 고질소 오스테나이트 스테인리스강은 N고용한계(Nsol)를 통해 N고용도를 용이하게 판단할 수 있다. 표2의 N고용한계값(Nsol)을 표1의 N의 함량과 비교하면, 실제 고용된 N함량은 최대고용한계인 Nsol보다 모두 낮음을 확인할 수 있다. 비교예 2 및 4의 경우, N은 N고용한계까지 첨가되었고, 발명예 1 및 2는 약 0.1wt%의 N을 더 첨가할 수 있을 것이다. 비교예 2의 Nsol는 STS 304LN의 N의 규격 상한(0.16wt%)과도 일치한다.
본 발명의 합금 조성을 만족하고, N의 함량이 N고용한계(Nsol) 이하이고, 충격지수(Impact index)값이 -11.6 이상인 발명예 1 및 2는 350MPa이상의 항복강도와 150J이상의 -196℃ 샤르피충격에너지를 모두 만족함을 확인할 수 있었다.
표2의 저온충격인성을 나타내는 CVN-196 측정 결과를 참조하면, 발명예 1 및 2와 비교예 3은 충격지수(Impact index)가 -11.6 이상인 경우로, 비교예 1 및 비교예 2보다 더 높은 저온충격인성을 보였다. 따라서, 충격지수(Impact index)를 -11.6 이상으로 설계할 경우, CVN-196을 150J 이상으로 확보하는 것이 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 발명예 1은 Md30이 비교예 2 및 4보다 상대적으로 높고 N의 함량도 비슷하지만, Mn을 다량 첨가함으로써 적층결함에너지(Stacking fault energy, SFE)를 높여 교차슬립을 촉진시켰다. 이로 인해 Ni의 함량을 저감하면서 높은 CVN-196을 나타내는데 긍정적으로 기여하였다.
Md30이 가장 낮은 발명예 2는 비교예 3(STS 316L)에 비해 Md30이 높음에도 불구하고 상대적으로 낮은 CVN-196을 보였다. 이는, 발명예 2의 높은 N함량이 안정한 오스테나이트 기지 상의 평면슬립을 촉진시켜 저온충격인성을 저하시켰기 때문으로 판단된다.
비교예 4은 Nb을 0.1wt% 첨가한 경우로, 오스테나이트 모재 내 Z상(Z-phase)이라는 미세석출물이 석출된다. Z-phase는 CrNbN 석출물이며, 고온에서 안정한 석출물로 미세하게 분포하는 것이 특징이다. 이와 같은 미세 석출물은 pinning 효과로 저온충격인성을 감소시켜, 비교예 4가 비교예 2(STS 304LN)에 비해 낮은 CVN-196를 나타내었다.
표2의 항복강도를 나타내는 YS0.2를 측정결과를 참조하면, 발명예 및 비교예의 항복강도(YS0.2)는 대체로 N의 함량과 비례하는 경향을 나타내었다. N가 침입형 원소로 작용하여 고용강화 효과로 강도가 향상되었기 때문이다.
N를 0.15%이상 첨가한 발명예 1 및 2와 비교예 2의 경우, 모두 YS0.2가 350 MPa이상을 보여 범용강인 비교예 1(STS 304L)보다 우수한 강도를 보였다.
N을 첨가하지 않은 비교예 1 및 3의 경우, YS0.2가 각각 203MPa, 252MPa를 보여, 항복강도가 열위함을 확인할 수 있었다.
다만, 비교예 4는 0.15%이상의 N를 첨가하였으나, Z-phase 형성에 따라 모재 내 N함량이 감소되었고, 이로 인해 고용강화효과가 감소된 것으로 판단된다. 미세석출물에 의한 석출강화효과가 고용감소효과를 충분히 보상하지 못한 것으로 판단된다. 또한, 미세석출물 형성이 저온충격특성을 저하시키는 점을 고려하면 Nb첨가에 의한 석출강화보다 N첨가에 의한 고용강화를 통해 소재의 강도를 향상시키는 것이 유리하다는 것을 확인할 수 있었다.
한편 상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 발명예들을 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 (6)

  1. 중량 %로, C: 0.01 내지 0.1%, Si: 0.1 내지 1%, P: 0.05% 미만, S: 0.03% 미만, Mn: 5% 이하(0은 제외), Ni: 6 내지 12%, Cr: 15.0 내지 22.0%, N: 0.15 내지 0.25%, Nb: 0.1% 미만, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    N의 함량은 하기 식 (1)로 정의되는 N고용한계(Nsol) 이하이고,
    하기 식 (2)로 정의되는 충격지수(Impact index)값이 -11.6 이상인 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강.
    식(1) Nsol = {700-47.1Cr-78.3Ni-11.0Mn+41.6Cu+6.21CrNi+2.95CrMn+5.14CrCu-2.16NiMn-15.4NiCu-6.01MnCu}Х10-3
    식(2) 충격지수(Impact index) = 3.9Ni+3Mn+5.5Cu-2.7Cr-20.3Nb-(C+N)
  2. 제1항에 있어서,
    Cu: 4% 이하 및 Mo: 2% 미만으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강.
  3. 제1항에 있어서,
    항복강도는,
    350 MPa 이상인 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강.
  4. 제1항에 있어서,
    -196℃에서의 샤르피충격에너지는,
    150J 이상인 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강.
  5. 중량%로, C: 0.01 내지 0.1%, Si: 0.1 내지 1%, P: 0.05% 미만, S: 0.03% 미만, Mn: 5% 이하(0은 제외), Ni: 6 내지 12%, Cr: 15.0 내지 22.0%, N: 0.15 내지 0.25%, Nb: 0.1% 미만, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 1,200℃ 내지 1,300℃에서 2시간 동안 가열하는 단계;
    상기 가열된 강편을 열간압연하는 단계;
    상기 압연된 강편을 1,100℃ 내지 1,200℃에서 10분 동안 용체화 처리하는 단계; 및
    상기 용체화 처리된 압연재를 수냉하는 단계;를 포함하는 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 강편은,
    Cu: 4% 이하 및 Mo: 2% 미만으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 저온충격인성 및 강도가 향상된 고질소 오스테나이트 스테인리스강 제조방법.
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