KR102463031B1 - 고내식 오스테나이트계 스테인리스강 - Google Patents

Abstract

고내식 오스테나이트계 스테인리스강이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 고내식 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.025% 내지 0.05%, Si: 0.2% 내지 1.5%, Mn: 0.5% 내지 3.0%, Cr: 20.0% 내지 26.0%, Ni: 23.0% 내지 26.0%, Mo: 3.0% 내지 5.0%, N: 0.25% 내지 0.35%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1) 및 (2)를 만족한다.
(1) Cr ＋ 3.3×(Mo + 0.5×W) ＋ 16×N > 40
(2) 465.8 － 293.9×C － 3.5×Si ＋ 5.3×Mn ＋ 22.4×Cr － 7.4×Ni ＋ 58.0×Mo － 0.2×Cu ＋ 62.8×W － 250.3×N < 1020

Description

고내식 오스테나이트계 스테인리스강{HIGH CORROSION RESISTANT AUSTENITIC STAINLESS STEEL}

본 발명은 고내식 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시그마상의 형성을 억제하는 동시에 우수한 내식성 구현이 가능한 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다.

선박의 디젤 엔진에서 발생되는 배기가스 중 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)은 전 세계적으로 중요한 대기오염 물질이며, 이산화황(sulfur dioxide)과 같은 배기가스는 습식 스크러버(wet scrubber)를 이용하여 제거된다.

습식 스크러버와 같은 탈황설비에 사용되는 소재는 높은 부식성 환경에서 안정성을 유지하기 위해 Mo가 6wt% 이상 포함된 오스테나이트계 스테인리스강이 사용된다.

하지만 내식성 확보를 위한 Cr, Mo 함량이 증가함에 따라 강 제조 시 금속간 화합물 생성이 촉진되게 된다. 대표적으로 제조 공정에서 응고 과정 중 슬라브 중심부로 합금원소가 편석됨에 따라 소재 중심부의 시그마상 생성이 촉진되어 응고된 슬라브 중심부에 시그마상이 잔류하게 된다. 이렇게 생성된 시그마상은 연성과 인성을 저하 시키고, Cr, Mo 등의 원소가 농화되어 주변부 Cr, Mo 고갈층을 발생시킴으로써 내식성을 저하시키게 된다.

따라서, 시그마상 생성을 억제하고 분해를 촉진하기 위해서는 Cr, Mo 함량을 저감시켜 시그마상 생성 온도를 하락시켜야 하지만 모재의 내식성을 유지하기 위해서는 적절한 Cr, Mo 함량을 유지할 필요가 있으며, 이러한 상반되는 요구특성을 공통적으로 만족시킬 수 있는 새로운 강종의 개발이 필요하다.

본 발명은 시그마상의 형성을 억제하는 동시에 우수한 내식성 구현이 가능한 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.

본 발명은 시그마상 생성 온도를 하락시켜 열간압연 및 소둔 후 소재 중심부의 시그마상 생성을 방지함으로써 고내식성이 요구되면서 소재 단면부가 드러나는 환경설비용 등으로 사용이 가능한 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고내식 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.025% 내지 0.05%, Si: 0.2% 내지 1.5%, Mn: 0.5% 내지 3.0%, Cr: 20.0% 내지 26.0%, Ni: 23.0% 내지 26.0%, Mo: 3.0% 내지 5.0%, N: 0.25% 내지 0.35%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1) 및 (2)를 만족할 수 있다.

(1) Cr ＋ 3.3×(Mo + 0.5×W) ＋ 16×N > 40

(2) 465.8 － 293.9×C － 3.5×Si ＋ 5.3×Mn ＋ 22.4×Cr － 7.4×Ni ＋ 58.0×Mo － 0.2×Cu ＋ 62.8×W － 250.3×N < 1020

(여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Cu, W, N 은 각 원소의 함량(중량%)을 의미하며, 강 중에 포함되지 않은 원소는 0으로 계산한다.)

또한, 단면부의 시그마상은 면적분율로 0.1% 미만일 수 있다.

또한, 고내식 오스테나이트계 스테인리스강의 임계공식온도는 50℃ 초과일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 고내식 오스테나이트계 스테인리스강은 시그마상의 생성온도를 낮춰 연성 및 인성의 저하를 방지하며, Cr, Mo 고갈층의 발생을 방지하여 내식성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 고내식 오스테나이트계 스테인리스강은 Mo를 5% 이하로 포함하여 시그마상의 생성을 방지할 수 있으며, 식 (1) 및 (2)를 통해 고내식 특성 및 낮은 시그마상 분해온도를 동시에 만족시켜 시그마상의 면적분율이 감소된 고내식 오스테나이트계 스테인리스강을 제조할 수 있다.

도 1은 각 실시예 및 비교예의 식 (1)의 값 및 시그마상 분해온도를 도시한 그래프이다.
도 2는 각 실시예 및 비교예의 식 (2)의 값 및 시그마상 분해온도를 도시한 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.

본 발명의 일 실시예에 따른 고내식 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.025% 내지 0.05%, Si: 0.2% 내지 1.5%, Mn: 0.5% 내지 3.0%, Cr: 20.0% 내지 26.0%, Ni: 23.0% 내지 26.0%, Mo: 3.0% 내지 5.0%, N: 0.25% 내지 0.35%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

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

탄소(C)의 함량은 0.025% 내지 0.05%이다.

C는 오스테나이트상 안정화 원소로 제조 간 불가피하게 첨가되는 원소이다. 기지조직을 오스테나이트계 단상으로 유지하기 위하여 0.025% 이상 첨가할 수 있지만 그 함량이 과도할 경우 용접간 Cr탄화물을 생성시켜 내식성을 저하시키기 때문에 그 상한을 0.05%로 제한하는 것이 바람직하다.

실리콘(Si)의 함량은 0.2% 내지 1.5%이다.

Si는 표면 산화층을 형성시켜 내식성을 향상시키는데 효과적인 저가의 원소이며, 0.2% 이상 첨가할 수 있다. 하지만 Si의 함량이 증가함에 따라 개재물 증가와 오스테나이트 안정화도가 떨어지기 때문에 그 상한을 1.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

망간(Mn)의 함량은 0.5% 내지 3.0%이다.

Mn은 저가의 오스테나이트 안정화 원소로써 Ni를 효과적으로 대체할 수 있는 원소이다. Mn은 0.5% 이상 첨가할 수 있다. 하지만 Mn은 황화물 형성이 용이하여 내식성을 저하시키거나 제강 공정 중 흄 등을 발생시킬 수 있는 위험도가 있기 때문에 그 상한을 3.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr)의 함량은 20.0% 내지 26.0%이다.

Cr은 스테인리스강에 요구되는 내식성을 확보를 위하여 필수적으로 첨가되어야 하는 원소이다. 기본적으로 20.0% 이상 첨가할 수 있다. 하지만 과도하게 첨가 시 시그마상 생성을 촉진시킬 수 있기 때문에 그 상한을 26.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni)의 함량은 23.0% 내지 26.0%이다.

Ni는 강력한 오스테나이트 안정화 원소로써 오스테나이트계 스테인리스강 제조를 위해서 필수적으로 첨가되는 원소이다. 또한 열간가공성을 향상시키고 시그마상 생성 온도를 하락시키기 때문에 Cr, Mo 등의 페라이트 및 시그마상 생성 원소가 다량 첨가된 소재에서 23.0% 이상을 첨가하여야 한다. 하지만 함량이 증가함에 따라 원료비 상승을 초래하기 때문에 그 상한을 26.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo)의 함량은 3.0% 내지 5.0%이다.

Mo는 스테인리스강의 고내식성을 유지하기 위해서 필수적으로 첨가되는 원소이다. 기본적으로 3.0% 이상 첨가할 수 있다. 다만 강력한 시그마상 생성 원소이기 때문에 그 함량이 과도할 시 시그마상 생성을 촉진시킬 수 있고 오스테나이트 단상을 유지시키기 위하여 그 함량을 5.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

질소(N)의 함량은 0.25% 내지 0.35%이다.

N은 강력한 오스테나이트 안정화 원소이자 내식성을 향상시킬 수 있는 원소이다. 또한 시그마상 생성 온도를 하락시키기 때문에 0.25% 이상으로 필수적으로 첨가시켜야 한다. 다만 그 함량이 용해도 이상으로 과도할 시 내부 기포가 발생하여 제조성을 떨어뜨리고 열간 변형저항을 증가시켜 설비 부하가 증가하기 때문에 그 함량은 0.35% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 의한 고내식 오스테나이트계 스테인리스강은 상술한 합금성분에 더하여 P: 0.035% 이하, S: 0.01% 이하, Cu: 0.2% 이하, W: 0.1% 이하를 포함할 수 있다.

인(P)의 함량은 0.035% 이하이다.

P는 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로, 입계 부식을 일으키거나 열간가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 P의 함량을 0.035% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S)의 함량은 0.01% 이하이다.

S는 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로, 결정립계에 편석되어 열간가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 S의 함량을 0.01% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

구리(Cu)의 함량은 0.2% 이하이다.

Cu는 오스테나이트 안정화 원소로서 Ni를 대신하여 첨가할 수 있다. 다만 과도할 시 저온 액상을 생성시켜 열간 압연시 에지 결함을 유발할 수 있기 때문에 그 함량을 0.2% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

텅스텐(W)의 함량은 0.1% 이하이다.

W는 우수한 내식성 향상 원소이다. 다만 그 합금가가 높아 원료비 상승을 초래하고 시그마상 생성을 촉진시키기 때문에 그 함량을 0.1% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상술한 합금원소들을 제외한 스테인리스강의 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.

스테인리스강의 내식성을 확보하기 위해서는 내식성을 향상시키는 원소인 Cr, Mo, W, N 함량을 증가시켜야 한다.

Cr, Mo, W는 내식성을 향상시키지만 시그마상 생성을 촉진시켜 단면부에 시그마상을 잔류시키게 된다. 여기서, 단면부는 강의 테두리 또는 강의 절단면을 의미한다.

N은 내식성을 향상시키고 시그마상 생성을 억제시키는 효과가 있지만 고용한 이상으로 첨가 시 내부 질소 기공이 발생시킬 위험이 있다. Cr, Mo, W, N은 내식성을 만족시키는 범위로 첨가 하한을 설정하고, Cr, Mo, W는 시그마상 생성을 억제시킬 수 있는 범위로 상한을 설정할 필요가 있다. N은 고용한 이하로 상한을 설정하여 내부 질소 기공 발생을 예방할 수 있다. 이때, N의 고용한은 Thermo-calc software의 계산 결과 기준에 따라 정해질 수 있다.

본 발명에서는 식 (1)을 사용하여 시그마상 생성을 억제시키는 동시에 내식성을 향상시키는 성분 범위를 도출하였다.

(1) Cr ＋ 3.3×(Mo + 0.5×W) ＋ 16×N > 40

(여기서, Cr, Mo, W, N은 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.)

식 (1)이 40 이하의 값을 가지는 경우 내식성 저하로 단면부가 드러나는 환경의 설비에서 사용이 곤란하다. 특히, 탈황설비 등 고내식 환경에서 사용되기 위해서는 식 (1)이 40을 초과하는 값을 가져야 한다.

또한, 식 (1)을 만족시키는 범위에서 시그마상 분해온도를 도출할 필요가 있다. 시그마상 분해온도는 Thermo-calc software의 열역학 계산을 통해 도출하였으며, 식 (1)을 만족시키는 성분계에서 시그마상 분해온도를 최소화 시키는 성분계를 휴리스틱 최적화 알고리즘을 활용하여 도출하였다. 도출된 결과는 도 1에 표현하였다.

본 발명에서는 합금 성분과 시그마상 분해온도의 상관관계를 나타내기 위해 식 (2)를 도출하였다.

(2) 465.8 － 293.9×C － 3.5×Si ＋ 5.3×Mn ＋ 22.4×Cr － 7.4×Ni ＋ 58.0×Mo － 0.2×Cu ＋ 62.8×W － 250.3×N < 1020

(여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Cu, W, N 은 각 원소의 함량(중량%)을 의미하며, 강 중에 포함되지 않은 원소는 0으로 계산한다.)

Thermo-calc software를 사용하여 계산된 결과와 식 (2)를 통해 계산된 결과의 상관관계를 도 2에 표현하였다. 도 2를 통해 시그마상 분해온도와 식 (2)의 결과값이 선형적인 상관관계를 가짐을 확인할 수 있었고, 식 (2)를 시그마상 분해온도를 나타내는 값으로 활용하였다.

열간압연 및 소둔간 단면부의 시그마상 생성을 억제하기 위해서는 시그마상 분해온도를 하락시켜야 하며, 이를 위하여 식 (2)로 표현되는 값이 1020 미만으로 유지되어야 한다.

즉, 식 (1)과 식 (2)를 만족시키는 조성에 한하여 고내식성을 만족시키면서 시그마상이 저감된 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고내식 오스테나이트계 스테인리스강은 식 (1)과 식 (2)를 만족시키는 조성에 한하여 단면부의 시그마상이 면적분율로 0.1% 미만이며, 임계공식온도(CPT, critical pitting temperature)가 50℃ 보다 높게 이루어질 수 있다.

다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 고내식 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고내식 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은 중량%로, C: 0.025% 내지 0.05%, Si: 0.2% 내지 1.5%, Mn: 0.5% 내지 3.0%, Cr: 20.0% 내지 26.0%, Ni: 23.0% 내지 26.0%, Mo: 3.0% 내지 5.0%, N: 0.25% 내지 0.35%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1) 및 (2)를 만족하는 슬라브를 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계 및 열연강판 제조단계 후 1,050℃ 내지 1,200℃에서 소둔하여 열연소둔재를 제조하는 단계를 포함한다.

(1) Cr ＋ 3.3×(Mo + 0.5×W) ＋ 16×N > 40

(2) 465.8 － 293.9×C － 3.5×Si ＋ 5.3×Mn ＋ 22.4×Cr － 7.4×Ni ＋ 58.0×Mo － 0.2×Cu ＋ 62.8×W － 250.3×N < 1020

(여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Cu, W, N 은 각 원소의 함량(중량%)을 의미하며, 강 중에 포함되지 않은 원소는 0으로 계산한다.)

식 (1) 및 식 (2)의 한정이유에 대해서는 전술한 바와 같으므로 생략한다.

슬라브는 열연강판 제조 단계를 통해 1,100 내지 1,300℃의 온도에서 열간압연하여 열연강판으로 제조될 수 있다. 열연강판 제조 단계를 통해 제조된 열연 강판은 단면부의 시그마상이 면적분율로 0.1% 미만으로 이루어질 수 있다.

이후, 열연강판은 열연소둔재 제조 단계를 통해 열연소둔 될 수 있다. 이때, 열연강판은 코일 형태로 권취된 후 열연소둔 될 수 있다.

열연소둔은 1050℃ 내지 1200℃ 온도에서 진행될 수 있다. 종래에는 열간압연 후 잔류한 시그마상 분해를 촉진시키기 위하여 1200℃ 이상의 고온에서 열처리를 수행하였다. 하지만 고온 열처리의 경우 에너지 소비가 심하고 장시간 수행하여야 하기 때문에 연속 생산라인에서 생산성을 하락시키는 요인이 된다.

본 발명에서는 열연소둔을 1,050℃ 내지 1,200℃ 온도에서 진행하기 때문에 공정 부하가 없는 소둔 조건에서도 시그마상이 없는 고내식 오스테나이트계 스테인리스강의 제조가 가능하다.

열연소둔은 결정립 조대화를 방지하기 위해 50 내지 150초 동안 진행될 수 있으며, 보다 바람직하게는 100초 동안 진행될 수 있다.

열연소둔재 제조 단계를 통해 제조된 열연 소둔재는 단면부의 시그마상이 면적분율로 0.1% 미만으로 이루어질 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.

실시예

표 1에 기재된 화학 조성을 갖는 강종에 대하여, 잉곳(Ingot) 용해를 통해 슬라브를 제조하고, 1,250℃에서 2시간 가열한 후 열간압연을 진행 하였다.

각 실험 강종에 대한 합금 조성(중량%)과 식 (1)의 값 및 식 (2)의 값을 아래 표 1에 나타내었다.

강종	성분(중량%)									식(1)	식(2)
	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Cu	W	N
실시예 1	0.03	0.3	2.2	25.4	23.6	4.0	0	0	0.3	43.4	1019
실시예 2	0.03	0.3	1.0	22.3	25.0	4.0	0	0	0.3	40.3	933
실시예 3	0.03	0.7	0.8	20.4	25.8	4.4	0	0	0.34	40.4	895
비교예 1	0.01	0.4	0.5	20.0	18.0	6.1	0.7	0	0.2	43.3	1082

열간압연된 강종에 대해, 1,050℃, 1,100℃, 1,150℃, 1,200℃에서 각각 100초간 소둔을 시행하였다. 소둔 전 후 시편에 대해 단면부 시그마상 분율을 측정하였고, 1,200℃ 소둔재에 대하여 내식성은 CPT를 통하여 평가하였다. CPT평가는 ASTM G48-A NORSOK 기준에 의거하여 진행하였다. 각각의 결과에 대해서는 아래 표2에 기재하였다.

강종	시그마상 면적분율(%)					CPT(℃)
	열간압연재	1050℃ 소둔	1100℃ 소둔	1150℃ 소둔	1200℃ 소둔
실시예 1	0	0	0	0	0	>50
실시예 2	0	0	0	0	0	>50
실시예 3	0	0	0	0	0	>50
비교예 1	2.13	1.52	1.15	0.92	0.70	>50

표 1 및 표 2를 함께 살펴보면, 실시예 1 내지 3 강종은 식 (1)의 값이 40 보다 크고, 식 (2)의 값이 1200 보다 작게 나타나 열간압연재 및 열연소둔재 모두에서 시그마상이 미생성되었으며, CPT 내식성 역시 50℃ 보다 높게 나타났다.

반면, 비교예 1은 식 (1)의 값이 40 보다 커 CPT 내식성이 50℃ 보다 높게 나타났으나, 식 (2)의 값이 1020 이상이어서 열간압연재 및 열연소둔재 모두에서 시그마상이 생성되었음을 확인하였다.

특히, 비교예 1은 식 (2)의 값이 1082이지만, 1200℃ 소둔에서도 시그마상이 모두 분해되지 못하고 잔존하였음을 알 수 있었으며, 열간압연재 상태에서 시그마상이 다량 존재할 시 시그마상 분해온도보다 높은 온도에서 소둔을 진행하여도 시그마상이 잔존함을 확인하였다.

도 1은 식(1)을 만족시키는 성분계의 시그마상 분해온도를 도시화한 그래프이다. 식 (1)을 만족시키는 범위에서 시그마상 분해온도를 변화시키면서 실시예 1 내지 3 및 비교예 1을 선택하였고, 시그마상 분해온도가 1,020℃ 이하에서는 열간압연간 시그마상이 완전히 분해됨을 확인하였다.

도 2는 시그마상 분해온도와 성분과의 상관관계 즉, 식 (2)와 시그마상 분해온도와의 상관관계를 도시화한 그래프이며, 식 (2)가 시그마상 분해온도를 정확하게 예측함을 볼 수 있다. 표 2에 따라 열간압연간 시그마상을 분해시키기 위해서는 식 (2)의 값이 1020 미만이 되어야 되고, 이에 대한 내용을 도 2에 발명범위로 표시하였다.

이와 같이, 합금성분과 관계식을 제어함으로써 CPT 50℃ 초과의 고내식성과, 단면부 시그마상이 면적분율로 0.1% 미만인 오스테나이트계 스테인리스강을 제조할 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 (3)

1. 중량%로, C: 0.025% 내지 0.05%, Si: 0.2% 내지 1.5%, Mn: 0.5% 내지 3.0%, Cr: 20.0% 내지 26.0%, Ni: 23.0% 내지 26.0%, Mo: 3.0% 내지 5.0%, N: 0.25% 내지 0.35%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
   1050℃ 이상 1100℃ 미만의 온도에서 열연소둔한 후 단면부의 시그마상이 면적분율로 0.1% 미만이며,
   하기 식 (1) 및 (2)를 만족하는 고내식 오스테나이트계 스테인리스강.
   (1) Cr ＋ 3.3×(Mo + 0.5×W) ＋ 16×N > 40
   (2) 465.8 － 293.9×C － 3.5×Si ＋ 5.3×Mn ＋ 22.4×Cr － 7.4×Ni ＋ 58.0×Mo － 0.2×Cu ＋ 62.8×W － 250.3×N < 1020
   (여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Cu, W, N 은 각 원소의 함량(중량%)을 의미하며, 강 중에 포함되지 않은 원소는 0으로 계산한다.)
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   임계공식온도는 50℃ 초과인 고내식 오스테나이트계 스테인리스강.

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