KR102506230B1

KR102506230B1 - 오스테나이트계 스테인리스강

Info

Publication number: KR102506230B1
Application number: KR1020227035893A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 히라타; 가쓰키 다나카; 가나 조토쿠
Original assignee: 닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Priority date: 2017-10-03
Filing date: 2018-10-03
Publication date: 2023-03-06
Also published as: EP3693487A4; US20200318225A1; KR102458203B1; CN111194360B; CN111194360A; WO2019069998A1; JP6870748B2; CA3078398A1; US11339461B2; KR20200058515A; JPWO2019069998A1; EP3693487A1; KR20220143175A

Abstract

화학 조성이, 질량%로, C: 0.04~0.12%, Si: 0.25~0.55%, Mn: 0.7~2.0%, P: 0.035% 이하, S: 0.0015% 이하, Cu: 0.02~0.80%, Co: 0.02~0.80%, Ni: 10.0~14.0%, Cr: 15.5~17.5%, Mo: 1.5~2.5%, N: 0.01~0.10%, Al: 0.030% 이하, O: 0.020% 이하, Sn: 0~0.01%, Sb: 0~0.01%, As: 0~0.01%, Bi: 0~0.01%, V: 0~0.10%, Nb: 0~0.10%, Ti: 0~0.10%, W: 0~0.50%, B: 0~0.005%, Ca: 0~0.010%, Mg: 0~0.010%, REM: 0~0.10%, 잔부: Fe 및 불순물이며, [18.0≤Cr+Mo+1.5×Si≤20.0] 및 [14.5≤Ni+30×(C+N)+0.5×(Mn+Cu+Co)≤19.5]를 만족하는, 오스테나이트계 스테인리스강.

Description

오스테나이트계 스테인리스강{AUSTENITIC STAINLESS STEEL}

본 발명은, 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다.

미국 기계 학회(ASME) SA213 및 SA213M에 규정되어 있는 TP316H는, Mo를 함유하고, 고온에서의 내식성이 우수한 점에서, 화력 발전 플랜트 및 석유 화학 플랜트에 있어서의 전열관 및 열교환기의 소재로서 널리 사용되고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, TP316H와 마찬가지로, Mo를 함유하고, 또한 Ce를 함유시켜 고온 내식성을 높인 오스테나이트계 스테인리스강이 제안되어 있다. 또, 특허문헌 2에는 Nb, Ta, Ti를 함유시켜 추가로 고온 강도를 높인 오스테나이트계 스테인리스강 등이 제안되어 있다.

그런데, 비특허문헌 1 및 2에 개시되어 있는 바와 같이, Mo를 함유하는 TP316H를 두꺼운 구조 부재로서 고온에서 사용한 경우, σ상 석출에 기인한 크리프 손상이 생기는 것이 널리 알려져 있다. 예를 들면, 비특허문헌 2에서는, σ상 석출을 억제하기 위해서, Ni 밸런스를 높이는 것, Nv-Nc값을 낮게 하는 것이 제안되어 있다.

일본국 특허공개 소 57-2869호 공보 일본국 특허공개 소 61-23749호 공보

T. C. MCGOUGH 외: Welding Journal, January(1985), 제29페이지 John F DeLong 외: 화력 원자력 발전, Vol.35 No.11, (1984), 제1249페이지

그러나, 비특허문헌 2에 기재된 대책에 의해, 오스테나이트상의 안정도를 높인 경우, 용접열 영향부에서의 균열이 발생하기 쉬워진다. 특히, 실제의 대형 플랜트와 같이 두꺼운 용접 구조물로서 사용한 경우와 같이 구속이 강한 용접 이음매 형상 등에서는, 용접열 영향부에서의 균열을 방지할 수 없는 경우가 있는 것이 분명해졌다. 따라서, 용접 시공 시에 생기는 균열을 억제하여, 우수한 용접성을 실현하는 것이 요구되고 있다.

또 그 한편으로, 우수한 용접성을 달성한 경우에도, 용접 구조물로 했을 때에 크리프 강도가 뒤떨어지는 경우가 있다. 그 때문에, 용접성에 추가하여 구조물로서의 안정된 크리프 강도를 실현하는 것이 요구되고 있다.

본 발명은, 용접 시공되는 경우의 우수한 용접성과 구조물로서의 안정된 크리프 강도를 양립할 수 있는 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 하기 오스테나이트계 스테인리스강을 요지로 한다.

(1) 화학 조성이, 질량%로,

C: 0.04~0.12%,

Si: 0.25~0.55%,

Mn: 0.7~2.0%,

P: 0.035% 이하,

S: 0.0015% 이하,

Cu: 0.02~0.80%,

Co: 0.02~0.80%,

Ni: 10.0~14.0%,

Cr: 15.5~17.5%,

Mo: 1.5~2.5%,

N: 0.01~0.10%,

Al: 0.030% 이하,

O: 0.020% 이하,

Sn: 0~0.01%,

Sb: 0~0.01%,

As: 0~0.01%,

Bi: 0~0.01%,

V: 0~0.10%,

Nb: 0~0.10%,

Ti: 0~0.10%,

W: 0~0.50%,

B: 0~0.005%,

Ca: 0~0.010%,

Mg: 0~0.010%,

REM: 0~0.10%,

잔부: Fe 및 불순물이며,

하기 (i)식 및 (ii)식을 만족하는,

오스테나이트계 스테인리스강.

18.0≤Cr＋Mo＋1.5×Si≤20.0 … (i)

14.5≤Ni＋30×(C＋N)＋0.5×(Mn＋Cu＋Co)≤19.5 … (ii)

단, 상기 식 중의 원소 기호는, 강 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.

(2) 상기 화학 조성이, 질량%로, Sn, Sb, As 및 Bi로부터 선택되는 1종 이상을 합계로 0% 초과 0.01% 이하 함유하는,

상기 (1)에 기재된 오스테나이트계 스테인리스강.

(3) 상기 화학 조성이, 질량%로,

V: 0.01~0.10%,

Nb: 0.01~0.10%,

Ti: 0.01~0.10%,

W: 0.01~0.50%,

B: 0.0002~0.005%,

Ca: 0.0005~0.010%,

Mg: 0.0005~0.010%, 및,

REM: 0.0005~0.10%

로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는,

상기 (1) 또는 (2)에 기재된 오스테나이트계 스테인리스강.

본 발명에 의하면, 용접 시공되는 경우의 우수한 용접성과 구조물로서의 안정된 크리프 강도를 양립할 수 있는 오스테나이트계 스테인리스강을 얻을 수 있다.

도 1은, 실시예에 있어서 개선(開先) 가공을 실시한 시험재의 형상을 나타내는 개략 단면도이다.

본 발명자들은, 용접 시공되는 경우의 우수한 용접성과 구조물로서의 안정된 크리프 강도를 양립하기 위해서 상세한 조사를 행했다. 그 결과, 이하의 지견을 얻기에 이르렀다.

두꺼운 오스테나이트계 스테인리스강을 사용하여 용접 이음매에 생긴 균열에 대해 조사한 결과, (a) 균열은 용융 경계에 인접하는 위치와 용융 경계로부터 조금 떨어진 위치에 발생하고, (b) 전자는 입계에 용융 흔적이 보이고, 오스테나이트상의 안정성이 높아지는 성분계에서 발생하기 쉬운 것, (c) 후자에게는 입계의 용융 흔적이 보이지 않고, S 함유량이 많아지면 발생하기 쉬운 것을 발견했다.

이 점에서, 전자는 소위, 액화 균열이며, 오스테나이트상의 안정성이 높아짐으로써, 용접 중의 열사이클에서 P 및 S가 입계 편석하기 쉬워지고, 입계 근방의 융점이 저하되고, 용융되며, 열응력에 의해 개구하여 생긴 균열이라고 생각되었다. 또, 후자는 소위, 연성 저하 균열이며, 용접 중의 열사이클에서 입계 편석한 S가 입계의 고착력을 저하시키고, 열응력이 고착력을 웃돌아, 개구하여 생긴 균열이라고 생각되었다.

그리고, 검토를 거듭한 결과, 본 발명의 대상으로 하는 조성을 갖는 두꺼운 오스테나이트계 스테인리스강에 있어서, 용접열 영향부의 균열을 안정되게 방지하기 위해서는, Cr＋Mo＋1.5×Si를 18.0 이상으로 하고, 또한, Ni＋30×(C＋N)＋0.5×(Mn＋Cu＋Co)를 19.5 이하로 함과 더불어, S 함유량을 0.0015% 이하로 제한할 필요가 있는 것이 판명되었다. 추가로, 용접 균열 감수성을 저감하는 효과를 충분히 얻기 위해서, 소정량 이상의 Cu 및 Co를 함유시킬 필요가 있는 것을 알 수 있었다.

그런데, 이러한 대책으로 용접 시의 균열은 방지할 수 있었지만, Cr＋Mo＋1.5×Si가 20.0을 초과하거나, 또는, Ni＋30×(C＋N)＋0.5×(Mn＋Cu＋Co)가 14.5 미만이 된 경우에는, 반대로 오스테나이트상이 불안정해져, 고온에서의 사용 중에 σ상이 생성되어, 크리프 강도를 크게 낮추는 것이 분명해졌다.

또, S는 용접 균열에는 악영향을 미치는 한편, 용접 시의 용입 깊이를 증대시켜, 특히 초층 용접 시의 용접 시공성을 높이는 효과를 갖는다. 용접 균열의 관점으로부터, S 함유량을 0.0015% 이하로 관리한 경우, 용입 깊이가 충분히 얻어지지 않는 경우도 있는 것을 알 수 있었다. 이를 해결하기 위해서는, 단순하게는 용접 입열을 증대시키면 되지만, 입열의 증대는, 용접 시의 고온 균열 감수성을 높인다.

그 때문에, 이 효과를 충분히 얻고 싶은 경우에는, Sn, Sb, As 및 Bi로부터 선택되는 1종 이상을 소정의 범위에서 함유시키는 것이 유효한 것을 아울러 발견했다. 이는, 이들 원소가 용접 중의 용융지의 대류에 영향을 주고, 또 용융지 표면으로부터 증발하여 통전 경로의 형성에 기여함으로써, 깊이 방향의 용융을 촉진하기 때문이라고 생각되었다.

본 발명은, 상기 지견에 의거하여 이루어진 것이다. 이하, 본 발명의 각 요건에 대해 자세하게 설명한다.

(A) 화학 조성

각 원소의 한정 이유는 하기와 같다. 또한, 이하의 설명에 있어서 함유량에 대한 「%」는, 「질량%」를 의미한다.

C: 0.04~0.12%

C는 오스테나이트상을 안정되게 함과 더불어, Cr과 결합하여 미세한 탄화물을 형성하고, 고온 사용 중의 크리프 강도를 향상시킨다. 그러나, C가 과잉으로 함유된 경우, 탄화물을 다량으로 석출하여, 용접부의 예민화를 초래한다. 그 때문에, C 함유량은 0.04~0.12%로 한다. C 함유량은 0.05% 이상인 것이 바람직하고, 0.06% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, C 함유량은 0.11% 이하인 것이 바람직하고, 0.10% 이하인 것이 보다 바람직하다.

Si: 0.25~0.55%

Si는 탈산 작용을 가짐과 더불어, 고온에서의 내식성 및 내산화성의 확보에 필요한 원소이다. 그러나, Si가 과잉으로 함유된 경우에는 오스테나이트상의 안정성이 저하되어, 크리프 강도의 저하를 초래한다. 그 때문에, Si 함유량은 0.25~0.55%로 한다. Si 함유량은 0.28% 이상인 것이 바람직하고, 0.30% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Si 함유량은 0.45% 이하인 것이 바람직하고, 0.40% 이하인 것이 보다 바람직하다.

Mn: 0.7~2.0%

Mn은 Si와 마찬가지로, 탈산 작용을 갖는 원소이다. 또, 오스테나이트상을 안정되게 하여, 크리프 강도의 향상에 기여한다. 그러나, Mn 함유량이 과잉이 되면, 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Mn 함유량은 0.7~2.0%로 한다. Mn 함유량은 0.8% 이상인 것이 바람직하고, 0.9% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Mn 함유량은 1.9% 이하인 것이 바람직하고, 1.8% 이하인 것이 보다 바람직하다.

P: 0.035% 이하

P는 불순물로서 포함되고, 용접 중에 용접열 영향부의 결정립계에 편석하여 액화 균열 감수성을 높이는 원소이다. 또한, 크리프 연성도 저하시킨다. 그 때문에, P 함유량에 상한을 설정하여 0.035% 이하로 한다. P 함유량은 0.032% 이하인 것이 바람직하고, 0.030% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, P 함유량은 가능한 한 저감하는 것이 바람직하고, 즉 함유량이 0%여도 되지만, 극도의 저감은 제강 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, P 함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.0008% 이상인 것이 보다 바람직하다.

S: 0.0015% 이하

S는 P와 마찬가지로 불순물로서 합금 중에 포함되고, 용접 중에 용접열 영향부의 결정립계에 편석하여 액화 균열 감수성 및 연성 저하 균열을 높인다. 그 때문에, S 함유량에 상한을 설정하여 0.0015% 이하로 한다. S 함유량은 0.0012% 이하인 것이 바람직하고, 0.0010% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, S 함유량은 가능한 한 저감하는 것이 바람직하고, 즉 함유량이 0%여도 되지만, 한편으로, 용접 시의 용입 깊이의 증대에 유효한 원소이다. 그 때문에, S 함유량은 0.0001% 이상인 것이 바람직하고, 0.0002% 이상인 것이 보다 바람직하다.

Cu: 0.02~0.80%

Cu는 오스테나이트상의 안정성을 높여, 크리프 강도의 향상에 기여한다. 또, Ni 및 Mn에 비해, P 및 S 등의 편석 에너지에 주는 영향이 작아, 입계 편석을 경감시켜, 용접 균열 감수성을 저감하는 효과를 기대할 수 있다. 그러나, Cu가 과잉으로 함유된 경우, 열간 가공성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Cu 함유량은 0.02~0.80%로 한다. Cu 함유량은 0.03% 이상인 것이 바람직하고, 0.04% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Cu 함유량은 0.60% 이하인 것이 바람직하고, 0.40% 이하인 것이 보다 바람직하다.

Co: 0.02~0.80%

Co는 Cu와 마찬가지로, 오스테나이트상의 안정성을 높여, 크리프 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 또, Ni 및 Mn에 비해, P 및 S 등의 편석 에너지에 주는 영향이 작아, 입계 편석을 경감시켜, 용접 균열 감수성을 저감하는 효과를 기대할 수 있다. 그러나, Co는 고가의 원소이기 때문에, 과잉의 함유는 비용 증가를 초래한다. 그 때문에, Co 함유량은 0.02~0.80%로 한다. Co 함유량은 0.03% 이상인 것이 바람직하고, 0.04% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Co 함유량은 0.75% 이하인 것이 바람직하고, 0.70% 이하인 것이 보다 바람직하다.

Ni: 10.0~14.0%

Ni는 장시간 사용 시의 오스테나이트상의 안정성을 확보하기 위해서 필수인 원소이다. 그러나, Ni는 고가의 원소이며, 다량의 함유는 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, Ni 함유량은 10.0~14.0%로 한다. Ni 함유량은 10.2% 이상인 것이 바람직하고, 10.5% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Ni 함유량은 13.8% 이하인 것이 바람직하고, 13.5% 이하인 것이 보다 바람직하다.

Cr: 15.5~17.5%

Cr은 고온에서의 내산화성 및 내식성의 확보를 위해서 필수인 원소이다. 또, 미세한 탄화물을 형성하여 크리프 강도의 확보에도 기여한다. 그러나, 다량의 함유는 오스테나이트상의 안정성을 저하시켜, 반대로 크리프 강도를 손상시킨다. 그 때문에, Cr 함유량은 15.5~17.5%로 한다. Cr 함유량은 15.8% 이상인 것이 바람직하고, 16.0% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Cr 함유량은 17.2% 이하인 것이 바람직하고, 17.0% 이하인 것이 보다 바람직하다.

Mo: 1.5~2.5%

Mo는 매트릭스에 고용되어 고온에서의 크리프 강도 및 인장 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 추가로, 내식성의 향상에도 유효하다. 그러나, 과잉으로 함유시키면, 오스테나이트상의 안정성을 저하시켜, 크리프 강도를 손상시킨다. 또한, Mo는 고가의 원소이기 때문에, 과잉의 함유는 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, Mo 함유량은 1.5~2.5%로 한다. Mo 함유량은 1.7% 이상인 것이 바람직하고, 1.8% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, Mo 함유량은 2.4% 이하인 것이 바람직하고, 2.2% 이하인 것이 보다 바람직하다.

N: 0.01~0.10%

N은 오스테나이트상을 안정되게 함과 더불어, 고용되거나, 또는 질화물로서 석출되어, 고온 강도의 향상에 기여한다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, N 함유량은 0.01~0.10%로 한다. N 함유량은 0.02% 이상인 것이 바람직하고, 0.03% 이상인 것이 보다 바람직하다. 또, N 함유량은 0.09% 이하인 것이 바람직하고, 0.08% 이하인 것이 보다 바람직하다.

Al: 0.030% 이하

Al은, 탈산제로서 첨가된다. 그러나, 다량의 Al을 함유하면 강의 청정성이 열화되어, 열간 가공성이 저하된다. 그 때문에, Al 함유량은 0.030% 이하로 한다. Al 함유량은 0.025% 이하인 것이 바람직하고, 0.020% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, Al 함유량에 대해 특별히 하한을 설정할 필요는 없고, 즉 함유량이 0%여도 되지만, 극도의 저감은 제강 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, Al 함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.001% 이상인 것이 보다 바람직하다.

O: 0.020% 이하

O(산소)는 불순물로서 포함된다. 그 함유량이 과잉이 되면 열간 가공성이 저하됨과 더불어, 인성 및 연성의 열화를 초래한다. 이 때문에, O 함유량은 0.020% 이하로 한다. O 함유량은 0.018% 이하인 것이 바람직하고, 0.015% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, O 함유량에 대해 특별히 하한을 설정할 필요는 없고, 즉 함유량이 0%여도 되지만, 극도의 저감은 제강 비용의 증대를 초래한다. 그 때문에, O 함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.0008% 이상인 것이 보다 바람직하다.

상술한 바와 같이, Cr, Mo 및 Si는, 오스테나이트상의 안정성에 영향을 미친다. 그 때문에, 각 원소의 함유량이 상기 범위 내가 될 뿐만 아니라, 하기 (i)식을 만족할 필요가 있다. (i)식 중변 값이 20.0을 초과하면, 오스테나이트상의 안정성이 저하되고, 고온에서의 사용 중에 무른 σ상을 생성하여 크리프 강도가 저하된다. 한편, 18.0 미만이 되면, 오스테나이트상의 안정성은 높아지지만, 용접 시의 고온 균열이 발생하기 쉬워진다. (i)식 좌변 값은, 18.2인 것이 바람직하고, 18.5인 것이 보다 바람직하다. 한편, (i)식 우변 값은, 19.8인 것이 바람직하고, 19.5인 것이 보다 바람직하다.

18.0≤Cr＋Mo＋1.5×Si≤20.0 … (i)

또, Ni, C, N, Mn, Cu 및 Co는, 오스테나이트상의 안정성에 영향을 미친다. 그 때문에, 각 원소의 함유량이 상기 범위 내가 될 뿐만 아니라, 하기 (ii)식을 만족할 필요가 있다. (ii)식 중변 값이 14.5 미만이 되면, 오스테나이트상의 안정성이 충분하지 않고, 고온에서의 사용 중에 무른 σ상을 생성하여 크리프 강도가 저하된다. 한편, 19.5를 초과하면, 오스테나이트상이 과잉으로 안정이 되어, 용접 시의 고온 균열이 발생하기 쉬워진다. (ii)식 좌변 값은, 14.8인 것이 바람직하고, 15.0인 것이 보다 바람직하다. 한편, (ii)식 우변 값은, 19.2인 것이 바람직하고, 19.0인 것이 보다 바람직하다.

14.5≤Ni＋30×(C＋N)＋0.5×(Mn＋Cu＋Co)≤19.5 … (ii)

본 발명의 강의 화학 조성에 있어서, 상기 원소에 더하여, 추가로 Sn, Sb, As 및 Bi로부터 선택되는 1종 이상을, 이하에 나타내는 범위에 있어서 함유시켜도 된다. 그 이유에 대해 설명한다.

Sn: 0~0.01%

Sb: 0~0.01%

As: 0~0.01%

Bi: 0~0.01%

Sn, Sb, As 및 Bi는, 용접 중의 용융지의 대류에 영향을 주고, 용융지의 연직 방향의 열수송을 촉진하거나, 또는, 용융지 표면으로부터 증발하여 통전 경로를 형성해서 아크의 집중도를 높임으로써, 용입 깊이를 크게 하는 효과를 갖는다. 그 때문에, 이들 원소로부터 선택되는 1종 이상을 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나, 과잉의 함유는, 용접 시의 열영향부에서의 균열 감수성을 높이기 때문에, 어느 원소의 함유량도 0.01% 이하로 한다. 각 원소의 함유량은 0.008% 이하인 것이 바람직하고, 0.006% 이하인 것이 보다 바람직하다.

상기 효과를 얻고 싶은 경우에는, 상기 원소로부터 선택되는 1종 이상의 함유량을 0% 초과로 하는 것이 바람직하고, 0.0005% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.0008% 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하고, 0.001% 이상으로 하는 것이 보다 한층 바람직하다. 또, 이들 원소로부터 선택되는 2종 이상을 복합적으로 함유시키는 경우에는, 그 합계 함유량을 0.01% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.008% 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.006% 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 강의 화학 조성에 있어서, 상기 원소에 더하여, 추가로 V, Nb, Ti, W, B, Ca, Mg 및 REM으로부터 선택되는 1종 이상을, 이하에 나타내는 범위에 있어서 함유시켜도 된다. 각 원소의 한정 이유에 대해 설명한다.

V: 0~0.10%

V는 C 및/또는 N과 결합하여, 미세한 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 형성하고, 크리프 강도에 기여하기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 탄질화물이 다량으로 석출되어, 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, V 함유량은 0.10% 이하로 한다. V 함유량은 0.09% 이하인 것이 바람직하고, 0.08% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 효과를 얻고 싶은 경우에는, V 함유량은 0.01% 이상인 것이 바람직하고, 0.02% 이상인 것이 보다 바람직하다.

Nb: 0~0.10%

Nb는 V와 마찬가지로, C 및/또는 N과 결합하여, 미세한 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로서 입자 내에 석출되고, 고온에서의 크리프 강도 및 인장 강도의 향상에 기여하는 원소이기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 탄질화물이 다량으로 석출되어, 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Nb 함유량은 0.10% 이하로 한다. Nb 함유량은 0.08% 이하인 것이 바람직하고, 0.06% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 효과를 얻고 싶은 경우에는, Nb 함유량은 0.01% 이상인 것이 바람직하고, 0.02% 이상인 것이 보다 바람직하다.

Ti: 0~0.10%

Ti는 V 및 Nb와 마찬가지로, C 및/또는 N과 결합하여, 미세한 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 형성하고, 크리프 강도에 기여하기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 탄질화물이 다량으로 석출되어, 크리프 연성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Ti 함유량은 0.10% 이하로 한다. Ti 함유량은 0.08% 이하인 것이 바람직하고, 0.06% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 효과를 얻고 싶은 경우에는, Ti 함유량은 0.01% 이상인 것이 바람직하고, 0.02% 이상인 것이 보다 바람직하다.

W: 0~0.50%

W는 Mo와 마찬가지로 매트릭스에 고용되어 고온에서의 크리프 강도 및 인장 강도의 향상에 기여하는 원소이기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 오스테나이트상의 안정성을 저하시켜, 오히려 크리프 강도의 저하를 초래한다. 그 때문에, W 함유량은 0.50% 이하로 한다. W 함유량은 0.40% 이하인 것이 바람직하고, 0.30% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 효과를 얻고 싶은 경우에는, W 함유량은 0.01% 이상인 것이 바람직하고, 0.02% 이상인 것이 보다 바람직하다.

B: 0~0.005%

B는 입계 탄화물을 미세 분산시킴으로써, 크리프 강도를 향상시킴과 더불어, 입계에 편석되어 입계를 강화하여 용접열 영향부의 연성 저하 균열 감수성을 저감하는 것에도 일정한 효과를 갖기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 반대로 액화 균열 감수성을 높인다. 그 때문에, B 함유량은 0.005% 이하로 한다. B 함유량은 0.004% 이하인 것이 바람직하고, 0.003% 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.002% 이하인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 효과를 얻고 싶은 경우에는, B 함유량은 0.0002% 이상인 것이 바람직하고, 0.0005% 이상인 것이 보다 바람직하다.

Ca: 0~0.010%

Ca는 제조 시의 열간 가공성을 개선하는 효과를 갖기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 산소와 결합하여, 청정성을 현저히 저하시켜, 오히려 열간 가공성을 열화시킨다. 그 때문에, Ca 함유량은 0.010% 이하로 한다. Ca 함유량은 0.008% 이하인 것이 바람직하고, 0.005% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 효과를 얻고 싶은 경우에는, Ca 함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.001% 이상인 것이 보다 바람직하다.

Mg: 0~0.010%

Mg는 Ca와 마찬가지로, 제조 시의 열간 가공성을 개선하는 효과를 갖기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 산소와 결합하여, 청정성을 현저히 저하시켜, 오히려 열간 가공성을 열화시킨다. 그 때문에, Mg 함유량은 0.010% 이하로 한다. Mg 함유량은 0.008% 이하인 것이 바람직하고, 0.005% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 효과를 얻고 싶은 경우에는, Mg 함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.001% 이상인 것이 보다 바람직하다.

REM: 0~0.10%

REM은 Ca 및 Mg와 마찬가지로, 제조 시의 열간 가공성을 개선하는 효과를 갖기 때문에, 필요에 따라 함유해도 된다. 그러나, 과잉으로 함유하면, 산소와 결합하여, 청정성을 현저히 저하시켜, 오히려 열간 가공성을 열화시킨다. 그 때문에, REM 함유량은 0.10% 이하로 한다. REM 함유량은 0.08% 이하인 것이 바람직하고, 0.06% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 효과를 얻고 싶은 경우에는, REM 함유량은 0.0005% 이상인 것이 바람직하고, 0.001% 이상인 것이 보다 바람직하다.

여기서, REM은, Sc, Y 및 란타노이드의 합계 17원소를 가리키고, 상기 REM의 함유량은 이들 원소의 합계 함유량을 의미한다.

본 발명의 강의 화학 조성에 있어서, 잔부는 Fe 및 불순물이다. 여기서 「불순물」이란, 강을 공업적으로 제조할 때에, 광석, 스크랩 등의 원료, 제조 공정의 다양한 요인에 의해 혼입되는 성분이며, 본 발명에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.

(B) 제조 방법

본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법에 대해 특별히 제한은 설정하지 않지만, 예를 들면 상술한 화학 조성을 갖는 강에 대해서, 상법에 의해, 열간 단조, 열간 압연, 열처리 및 기계 가공을 순서대로 실시함으로써 제조할 수 있다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 강을 용해하여 주조한 잉곳으로부터, 열간 단조, 열간 압연, 열처리 및 기계 가공에 의해, 판두께 15mm, 폭 50mm, 길이 100mm의 시험재를 제작했다. 얻어진 시험재를 이용하여, 이하에 나타내는 각종 성능 평가 시험을 행했다.

＜용접 시공성＞

상기 시험재의 길이 방향의 단부에, 도 1에 나타내는 형상의 개선 가공을 실시했다. 그 후, 개선을 형성한 시험재를 2개 맞대어, 용가재를 이용하지 않고, 티그 용접에 의해 맞댐 용접을 행했다. 입열 8kJ/cm로 하고, 각 시험재당 2개씩 용접 이음매를 제작했다. 얻어진 용접 이음매 중, 2개 모두 용접선의 전체 길이에 걸쳐, 뒷면 비드가 형성된 것을 용접 시공성이 양호하다고 하고, 「합격」으로 했다. 그 중에서도, 전체 길이에 걸쳐, 뒷면 비드 폭이 2mm 이상인 것을 「양호」, 일부라도 2mm를 밑도는 부분이 있었던 것을 「가능」으로 판정했다. 또, 2개의 용접 이음매 중 일부라도 뒷면 비드가 형성되지 않는 부분이 있었을 경우는 「불합격」으로 판정했다.

＜내용접 균열성＞

그 후, 초층만 용접한 상기 용접 이음매를, 시판된 강판 상에 4모서리를 구속 용접했다. 또한, 상기 시판된 강판은, SM400B의 JIS G 3160(2008)에 규정된 강판이며, 두께 30mm, 폭 200mm, 길이 200mm였다. 또, 상기 구속 용접은, JIS Z 3224(2010)에 규정된 피복 아크 용접봉 ENi6625를 이용하여 행했다.

그 후, 개선 내에 티그 용접에 의해 적층 용접을 행했다. 상기 적층 용접은, JIS Z 3334(2011)에 규정된 SNi6625 해당의 용가재를 이용하여 행했다. 입열 10~15kJ/cm로 하고, 각 시험재당 2개씩 용접 이음매를 제작했다. 그리고, 각 시험재로부터 제작된 용접 이음매 중 1개에 대해, 5개소로부터 시험편을 채취했다. 채취된 시험편의 횡단면을 경면 연마하고 나서 부식하고, 광학 현미경에 의해 관찰하여, 용접열 영향부에 있어서의 균열의 유무를 조사했다. 그리고, 5개의 모든 시험편에서 균열이 없는 용접 이음매를 「합격」, 균열이 관찰된 용접 이음매를 「불합격」으로 판단했다.

＜크리프 파단 강도＞

또한, 내용접 균열성의 평가에서 「합격」이 된 시험재로부터 제작된 용접 이음매의 나머지 1개로부터, 용접 금속이 평행부의 중앙이 되도록 환봉 크리프 파단 시험편을 채취하고, 모재의 목표 파단 시간이 약 1000시간이 되는 650℃, 167MPa의 조건에서 크리프 파단 시험을 행했다. 그리고, 모재에서 파단하고, 또한, 그 파단 시간이 모재의 목표 파단 시간의 90% 이상이 되는 것을 「합격」으로 했다.

그들의 결과를 표 2에 정리하여 나타낸다.

표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 규정을 만족하는 강 A~F를 이용한 시험 No.1~6에서는, 용접 이음매의 제작 시에 필요한 시공성 및 내용접 균열성을 가짐과 더불어, 크리프 강도가 우수한 결과가 되었다. 또, 시험 No.4와 시험 No.5 및 6을 비교하여 알 수 있는 바와 같이, S를 저감한 경우, Sn, S, As 및 Bi로부터 선택되는 1종 이상을 함유시킴으로써, 용접 시공성의 개선이 보였다.

그에 반하여, 비교예인 강 G는 S 함유량이 규정으로부터 벗어나 있기 때문에, 그것을 이용한 시험 No.7에서는, 용접열 영향부에 연성 저하 균열이라고 판단되는 균열이 발생했다. 또, 강 H는 (i)식의 하한을 밑돎과 더불어, (ii)식의 상한을 초과했기 때문에, 그것을 이용한 시험 No.8에서는, 오스테나이트상의 안정성이 과잉으로 높아져, 용접열 사이클에 의한 S 및 P의 편석이 조장되고, 용접열 영향부에 액화 균열이라고 판단되는 균열이 발생했다.

강 I는 (ii)식의 하한을 밑돌고, 강 J는 (i)식의 상한을 웃돌았기 때문에, 오스테나이트상의 안정성이 불충분하므로, 그들을 이용한 시험 No.9 및 10에서는, 고온의 크리프 시험에 있어서 σ상을 생성하고, 필요한 크리프 강도가 얻어지지 않았다. 또, 강 K는 (i)식의 하한을 밑돌고, 강 L은 (ii)식의 상한을 초과했기 때문에, 그들을 이용한 시험 No.11 및 12에서는, 오스테나이트상의 안정성이 과잉으로 높아져, 용접열 사이클에 의한 S 및 P의 편석이 조장되고, 용접열 영향부에 액화 균열이라고 판단되는 균열이 발생했다.

또한, 강 M, N 및 O는 Cu 및 Co 중 한쪽 또는 양쪽을 함유하지 않기 때문에, 그들을 이용한 시험 No.13~15에서는, P 및 S의 입계 편석 경감 효과가 얻어지지 않고, 용접열 영향부에 액화 균열이라고 판단되는 균열이 발생했다.

이상과 같이, 본 발명의 요건을 만족하는 경우에만, 필요한 용접 시공성 및 내용접 균열성 및 우수한 크리프 강도가 얻어지는 것을 알 수 있다.

Claims

화학 조성이, 질량%로,
C: 0.04~0.12%,
Si: 0.25~0.55%,
Mn: 0.7~2.0%,
P: 0.035% 이하,
S: 0.0015% 이하,
Cu: 0.02~0.80%,
Co: 0.02~0.80%,
Ni: 10.0~14.0%,
Cr: 15.5~17.5%,
Mo: 1.5~2.5%,
N: 0.01~0.10%,
Al: 0.030% 이하,
O: 0.020% 이하,
Sn: 0~0.01%,
Sb: 0~0.01%,
As: 0~0.01%,
Bi: 0~0.01%,
V: 0~0.10%,
Nb: 0~0.10%,
Ti: 0~0.10%,
W: 0~0.50%,
B: 0~0.005%,
Ca: 0~0.010%,
Mg: 0~0.010%,
REM: 0~0.10%,
잔부: Fe 및 불순물이며,
하기 (i)식 및 (ii)식을 만족하는,
오스테나이트계 스테인리스강.
18.0≤Cr＋Mo＋1.5×Si≤20.0 … (i)
14.5≤Ni＋30×(C＋N)＋0.5×(Mn＋Cu＋Co)≤19.5 … (ii)
단, 상기 식 중의 원소 기호는, 강 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.
청구항 1에 있어서,
상기 화학 조성이, 질량%로, Sn, Sb, As 및 Bi로부터 선택되는 1종 이상을 합계로 0% 초과 0.01% 이하 함유하는, 오스테나이트계 스테인리스강.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 화학 조성이, 질량%로,
V: 0.01~0.10%,
Nb: 0.01~0.10%,
Ti: 0.01~0.10%,
W: 0.01~0.50%,
B: 0.0002~0.005%,
Ca: 0.0005~0.010%,
Mg: 0.0005~0.010%, 및,
REM: 0.0005~0.10%
로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 오스테나이트계 스테인리스강.