KR19990031642A

KR19990031642A - 용접구조용 페라이트계 스테인레스강과 그 제조방법

Info

Publication number: KR19990031642A
Application number: KR1019970052426A
Authority: KR
Inventors: 김철홍; 김현철; 안상곤
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사
Priority date: 1997-10-14
Filing date: 1997-10-14
Publication date: 1999-05-06
Also published as: KR100325542B1

Abstract

본 발명은 용접구조용 페라이트계 스테인레스강과 그 제조방법에에 관한 것으로서, 중량%로 C: 0.02 %이하, Si: 0.20 % ∼ 0.40 %, Mn: 0.7∼1.0 %이하, P: 0.035 %이하, S:0.008 %이하, Cr:11.0 %∼11.6 %, N:0.020 %이하, Cu:0.2∼0.5 %, Ni:0.5∼1.0 %, 잔량 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 것을 특징으로 하는 용접구조용 페라이트계 스테인레스강과, 이러한 스테인레스강을 연속주조 및 열간압연을 한후 640℃∼680℃에서 열연소둔을 하는 단계와; 상기 열연강대를 냉간압연 한후 750℃∼820℃분위기 온도에서 냉연소둔하는 단계와; 산세 및 조질압연을 행하는 단계로 이루어진 것을 특징으로하는 용접구조용 페라이트계 스테인레스강의 제조방법을 요지로 한다.

Description

용접구조용 페라이트계 스테인레스강과 그 제조방법.

본 발명은 용접구조용 페라이트계 스테인레스강과 그 제조방법에 관한 것으로서 특히, 우수한 용접부 및 모재부 충격특성을 가지면서, 냉연소둔 가능온도 영역이 넓어서 냉연소둔시 재질불량을 크게 줄일수 있는 용접구조용 페라이트계 스테인레스강과 이를 이용한 강판의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 용접구조용으로 사용되는 스테인레스 강재는 STS410L강이 대표적인 강재이며, 컨테이너의 골조 및 외장 또는 오토바이의 디스크 브래이크등의 용도로 많이 이용되고 있다. 이와 같은 STS410L강은 용해 → 정련 → 주조 → 열간압연 → 열연소둔(Batch Annealing) → 냉간압연 → 냉연소둔(연속소둔) → 조질압연의 제조공정을 거쳐 생산되는 강이다. 상기의 공정중에서 냉연소둔 공정은 냉간압연시 가공경화된 재료를 재결정온도보다 높고 AC₁온도보다 낮은 임의의 온도에서 열처리를 행하여, 재료를 재결정 연화시키는 공정이다. 이때, 소둔조건은 소둔온도와 시간으로 정의되며 소둔가능 온도 영역이 넓을수록 작업이 용이하다. 그러나 종래의 STS410L강의 경우 재결정을 통하여 연화가 시작되는 온도와 마르텐사이트형성이 시작되는 AC₁온도간의 영역이 좁아서 냉연소둔작업시 소둔온도 관리가 매우 어렵고 이로 인하여 재질불량 발생이 아주 높은 단점이 있다.

도 1은 종래의 STS410L강의 소둔온도 변화에 따른 재질변화를 나타내는 그래프로서, 종래의 STS410L강은 중량%로 C:0.03 %이하, Si: 1.0 %이하, Mn: 1.0 %이하, P:0.04 %이하, S:0.03 %이하, Cr:11.0 %∼13.5 %, Ni: 0.6 %이하, 잔량 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강이다. 상기와 같은 방법으로 조성되는 STS410L강은 냉간압연 후 소둔시 도 1에서 보는 바와 같이 소둔가능 온도범위가 20∼30 ℃로 매우 좁아서 소둔온도를 ±10℃ 범위내로 제어하지 못할 경우 재질불량을 유발하는 문제점이 있다. 또한 통상 산업용으로 사용되는 열전대의 경우 800∼1000 ℃ 영역에서 그 정도가 ±5∼±10 ℃의 측정오차를 가지므로 STS410L강의 소둔가능 온도범위는 열전대의 측정오차와 거의 유사한 범위를 갖게 된다. 따라서 냉연소둔시 소둔온도 이상으로 인한 재질불량이 다발하고, LOT간 재질편차가 크게되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, STS410L강에 Ni 및 Cu를 적정량 첨가함으로서 소둔가능 온도범위를 확대하고, STS410L강과 대등한 용접구조용 페라이트계 스테인레스강과 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로 C:0.02 %이하, Si: 0.20%∼0.40%, Mn: 0.7∼1.0 %이하, P:0.035 %이하, S:0.008 %이하, Cr:11.0 %∼11.6 %, N:0.020 %이하, Cu:0.2∼0.5 %, Ni:0.5∼1.0 %, 잔량 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 것을 특징으로 하는 용접구조용 페라이트계 스테인레스강에 의하여 달성됨은 물론, 상기의 용접구조용 페라이트계 스테인레스강을 연속주조 및 열간압연을 한후 640 ℃∼680 ℃에서 열연소둔을 하는 단계와; 상기 열연강대를 냉간압연 한후 750 ℃∼820 ℃분위기 온도에서 냉연소둔하는 단계와; 산세 및 조질압연을 행하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로하는 용접구조용 페라이트계 스테인레스강의 제조방법을 제공함으로서 달성된다.

도 1은 종래의 STS410L강의 소둔온도 변화에 따른 재질변화를 나타내는 그래프.

도 2는 25Cr강의 DBTT(연성-취성 천이온도)에 미치는 Ni의 영향을 나타내는 그래프.

도 3은 열연소둔 조건을 나타내는 그래프.

도 4는 열연소둔 온도변화에 따른 재료의 경도변화를 나타내는 그래프.

도 5는 열연소둔 온도변화에 따른 소둔조직의 변화를 나타내는 사진.

도 6은 열연소둔 온도변화에 따른 소둔조직의 변화를 나타내는 사진.

도 7은 냉연소둔 온도변화에 따른 경도변화를 나타내는 그래프.

도 8은 모재의 충격특성을 나타내는 그래프.

도 9는 열 사이클 재현조건을 나타내는 그래프.

도 10은 용접부 충격특성을 나타내는 그래프.

도 11은 모재부와 용접부의 충격특성을 비교한 그래프.

도 12는 용접부 조직을 나타내는 사진.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.

본 발명의 성분비를 보면, 중량%로 C:0.02 %이하, Si: 0.20 %∼0.40 %, Mn: 0.7∼1.0 %이하, P:0.035 %이하, S:0.008 %이하, Cr:11.0 %∼11.6 %, N:0.020 %이하, Cu:0.2∼0.5 %, Ni:0.5∼1.5 %, 잔량 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되어 있다.

이하, 본 발명의 강성분의 한정이유 및 그 첨가이유를 설명한다.

C는 강력한 오스테나이트계 안정화 원소로서 제품의 강도를 높이는 효과가 있으나, 그 함량이 너무 높으면 소둔처리시 AC₁온도가 낮아져 마르텐사이트 조직이 형성될 뿐 아니라, 용접시공시 용접 열영향부에 마르텐사이트조직이 형성되어 용접부를 취화시키고 탄화물 석출로 내식성 저하가 우려된다. 따라서 본 발명에서는 C의 함량을 0.020%이하로 제한하는 것이다.

Si는 내고온 산화성에 유리하지만 그 첨가량이 너무 많은 경우에는 용접성이 나빠지고 라멜라 타입(Lamellar Type)의 실리케이트(Silicate)성 개재물 발생으로 밴딩(Bending)가공시 크랙 발생의 원인이 된다. 따라서 본 발명에서는 Si의 함량을 0.20 ∼ 0.40 %로 한정하는 것이다.

Mn은 용접성을 향상시키나 다량 첨가시 오스테나이트상 생성으로 냉각시 마르텐사이트 조직을 유발하여 재료를 취화시킴으로 0.7 ∼1.0 %로 한정한다.

P는 함량이 많은 경우에는 가공성 및 내식성이 저하되고 용접시 P가 입계에 편석되어 용접부 열화의 원인이 되므로 본 발명에서는 0.035 %이하로 제한한다.

S는 강중의 Mn과 친화력이 큰 원소로서 MnS형태의 개재물로 존재시 부식의 기점으로 작용하므로서 본 발명에서는 0.008 %이하로 제한한다.

Cr은 첨가량이 너무 작으면 내식성이 저하하고 너무 많으면 제조비용의 증가를 유발함으로 본 발명에서는 11.0 ∼11.6 %로 한정한다.

Cu는 노블 메탈(Noble metal)로 강의 자연부식 전위를 상승시키고 재환원에 의한 음극면적을 감소시킴으로서 내식성을 향상시킬뿐만 아니라 용접부의 조직을 미세화시켜 용접부의 인성을 향상시키는 효과가 있으나, 그 함량이 너무 많을시 σ상(Phase)을 형성하여 강을 취화시키고 내식성을 저해하므로, 본 발명에서는 0.2∼0.5 %로 한정한다.

N은 강의 강도를 향상시키는 효과가 있으나 오스테나이트 형성을 촉진하므로, 본 발명에서는 0.020 %이하로 제한한다.

Ni은 자체로 오스테나이트상을 형성하려는 특성을 가지는 오스테나이트 안정화원소이며, 페라이트 스테인레스강에서 Ni의 첨가는 충격특성을 향상시킨다.

도 2는 25Cr강의 DBTT(연성-취성 천이온도)에 미치는 Ni의 영향을 나타내는 그래프로서, Ni을 2 %에서 5.8 %까지 첨가 시킴에 따라 DBTT가 상온에서 -200 ℃까지 향상됨을 알수 있다. 내식성 측면에서 Ni은 부동태피막을 안정시키고 내공식성과 대기부식성을 개선하는 역할을 한다. 응력부식 균열 측면에서 페라이트 스테인레스강에 Ni을 1.5%이하 첨가시는 응력부식 민감도에 영향을 주지않으나 1.5 %이상 Ni을 첨가시는 응력부식 민감도를 높이는 역할을 한다. 용접부의 인성에 대해서는 8∼15Cr- < 0.07C강에 Ni을 0.3∼3.0 %첨가시 결정립이 미세한 용접부가 형성되어 용착금속이 강하고 인성이 우수하며 용접부의 내식성이 개선되는 효과가 있다. 한편 Ni의 첨가는 12Cr Base 페라이트강에서 냉연소둔시 재결정 연화를 촉진시키므로, 본 발명에서는 Ni을 0.5∼1.5 %로 한정하였다.

본 발명에서는 또한 중량%로 C:0.02 %이하, Si: 0.2 %∼0.4 %, Mn: 0.7∼1.0 %이하, P:0.035 %이하, S:0.008 %이하, Cr:11.0 %∼11.6 %, N:0.020%이하, Cu:0.2∼0.5%, Ni:0.5∼1.0%, 잔량 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 상기의 스테인레스강을 제조하기 위하여 먼저, 통상의 방법에 의하여 연속주조 및 열간압연을 한후 640℃∼680℃에서 열연소둔하는 단계와; 상기 열연소둔을 거친 열연강대를 냉간압연 한후 750℃∼820℃분위기 온도에서 냉연소둔하는 단계와; 산세 및 조질압연을 행하는 단계를 제공하고 있다. 이는 다음의 실시예를 통하여 상세히 설명하기로 한다.

실시예

이하 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

하기의 표 1과 같은 발명강 A,B,C 및 비교강 1,2의 페라이트계 스테인레스강을 진공 유도가열로(Vacuum induction furnace)로 용해하여 50mm*50mm*100mm의 강괴를 제조했다.

상기 강괴를 1200℃에서 2시간 가열한 후 열간압연하여 두께 6.4mm의 열연강판을 제조했고, 이 열연강판을 20mm*20mm*6.4mm의 크기로 절단한 다음 도 3과 같은 히트 싸이클(Heat Cycle)로 박스로(Box furnace)에서 열연소둔처리를 했다. 열연소둔된 강판을 불산과 질산혼합용액에서 표면의 스케일(scale)을 제거한후, 두께 2.5mm로 냉간압연을 했다. 상기의 냉간압연된 시편들을 20mm*20mm*2.5mm의 크기로 절단한 다음, 냉연소둔 가능 온도범위 확인을 위해 750℃,780℃,820℃,840℃,860℃로 각각 가열시켜 30초간 유지시킨후 수냉시켰다. 상기 냉연소둔된 시편들을 불산과 질산 혼합용액에서 산세 한후, 기계적 성질 및 소둔 조직을 조사했다.

(단위: 중량%)

강종	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	N
비교강1	0.011	0.29	0.92	0.024	0.003	11.97	0.10	0.37	0.011
비교강2	0.011	0.30	0.91	0.023	0.003	11.41	0.40	0.37	0.010
발명강A	0.011	0.31	0.94	0.024	0.003	11.43	0.72	0.38	0.011
발명강B	0.010	0.31	0.92	0.027	0.003	11.36	1.00	0.38	0.011
발명강C	0.011	0.30	0.92	0.023	0.002	11.35	1.47	0.38	0.012

도 4는 열연소둔 온도변화에 따른 재료의 경도변화를 측정한 것이다.

Ni함량이 1.0%이하인 비교강1,2 및 발명강 A,B는 소둔온도가 640℃에서 680℃로 증가하면 경도가 완만한 감소현상을 보인다. 하지만 Ni함량이 1.47%인 발명강 C의 경우 HRB 90이상의 높은 경도가 전 소둔온도 구간에서 측정된다. 이는 Ni을 1.0%이상 첨가한 발명강 C의 경우 열간압연시 생성된 마르텐사이트조직을 페라이트 조직으로 분해해야 하는 열간소둔 작업과정에서 미세한 마르텐사이트 조직이 생성되어 재료의 연화가 충분히 이루어지지 않음을 나타낸다.

이러한 현상을 나타낸 것이 열연소둔 온도변화에 따른 소둔조직의 변화를 나타내는 사진인 도 5와 도 6이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 Ni함량이 1.0%이하인 경우 소둔온도가 640℃에서 680℃로 높아지면서 소둔조직이 잘 형성되어 있어 경도의 감소를 나타내었으나, Ni함량 1.47%강의 경우 660℃부터 미세 마르텐사이트조직이 발생됨을 알수 있다.

도 7은 냉연소둔 온도변화에 따른 경도변화를 나타내는 그래프이다.

비교강 1,2의 경우 소둔온도와 경도와의 관계를 나타내는 U 커브(curve)상의 기저부 영역이 20℃정도로 매우 좁음을 알수 있고 발명강 A,B의 경우 U 커브상의 기저부 영역이 750 - 820℃정도가 되므로 50∼70℃ 정도로 매우 넓음을 알수 있다. 여기서 U 커브의 기저부는 재료의 소둔가능 온도영역에 해당한다. 하기 표 2는 비교강 1,2와 발명강 A,B,C의 냉연소둔후 인장시험 결과이다.

구분	Ni 함량(%)	기계적 성질	비고
구분	Ni 함량(%)	YS(kg/mm²)	비고	TS(kg/mm²)	EL(%)
비교강1	0.10	30.9	46.8	40.2	시험편은KS13B호 적용
비교강2	0.40	33.5	48.4	35.1
발명강A	0.72	30.2	43.9	39.1
발명강B	1.00	30.7	46.8	34.5
발명강C	1.47	66.0	70.6	23.1

Ni 함량이 1.0%까지는 소둔시 페라이트 단상의 확보가 용이하여 강도 및 연성이 유사한 수준을 나타내었다. 그러나 1.47% Ni첨가강(발명강 C)는 소둔중 미세한 마르텐사이트 조직의 형성으로 강도는 급격히 증가하고 연신율은 급격히 감소했다.

모재의 충격특성은 먼저 두께 6.4mm의 열연소둔재를 두께 4.0mm로 밀링(milling)가공한 후, Charpy V-Notch 시험편을 제작했다. 그리고 -100∼100℃의 온도범위에서 충격시험을 실시하고 DBTT(vTrs)를 조사했다.

도 8은 모재의 충격특성을 나타내는 그래프로서, Ni함량이 0.72%까지는 DBTT(vTrs)가 약 -65∼-70℃로서 충격특성이 유사한 수준임을 알수 있으나, 발명강 B는 DBTT가 약 -90℃로서 -20℃이상 충격특성이 개선되었음을 나타낸다. 그러나 Ni함량을 1.47% 첨가한 발명강 C는 DBTT(vTrs)가 -60℃로서, 오히려 충격특성이 저하했다. 이것은 1.47% Ni첨가강은 소둔중 마르텐사이트 형성에 기인한 것으로 생각된다.

용접부 충격특성을 조사하기 위하여 두께 6.4mm의 열연소둔재를 두께 4.0mm로 밀링 가공한 후, 용접 열싸이클 재현장치(Metal thermal cycle simulator)를 사용하여 용접부 냉각시간(△T_12/8)을 59sec로 제어하여 용접 열영향부를 재현시켰다.

도 9는 열 사이클 재현조건을 나타내는 그래프로서, 최고온도는 δ상이 되는 1350℃로 했고, 1200∼800℃구간은 최고온도에서 냉각도중 γ+ α 이상 구역에서의 변태를 고려한 것이다. 한편, 800∼500℃구간은 실용접조건의 온도구배를 재현한 것이다. 상기와 같이 각 시험재에 용접 열 사이클을 부여한 다음, 모재의 충격특성과 비교가 용이하도록 4mm두께의 서브 싸이즈(sub size)충격시험편을 제작했고, 50 ∼ -80℃온도구간에서 충격시험을 실시하여 Ni함량별 충격특성을 조사했다.

도 10은 용접부 충격특성을 나타내는 그래프로서, 각 시험재의 충격특성은 비교강 1이 가장 열화했고, Ni함량이 0.4% 이상인 비교강 2, 발명강 A,B는 유사한 충격특성을 보였다.

도 11은 모재부와 용접부의 충격특성을 비교한 그래프로서, 비교강 1의 경우 용접부의 충격특성이 모재부 대비 현저히 저하함을 알수 있다.

도 12는 용접부 조직을 나타내는 사진으로서, 각 시험재의 충격특성 변화의 원인을 알아보기 위하여 용접부 조직을 관찰한 것이다. 충격특성이 가장 열위인 비교강 1의 경우 마르텐사이트와 약 14%의 조대한 페라이트 상을 포함하는 이상조직인 반면 0.4% 이상의 Ni가 첨가된 비교강 2와 발명강 A,B,C는 미세한 마르텐사이트 단상조직을 나타낸다.

상기의 결과를 볼 때, Cu첨가 STS410L강에 Ni첨가량은 용접부 마르텐사이트 생성량에 영향을 미치며, 이때 발생된 마르텐사이트 조직의 양 및 형태가 용접부 충격특성에 영향을 미치고 있음을 알수 있다. 0.4%∼1.47%의 Ni를 첨가한 비교강 2 및 발명강 A,B,C의 용접부 충격특성은 우수했으나, 비교강 1의 경우 모재 충격특성이 상대적으로 낮게 나타남을 알수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 기존의 STS410L강에 미량의 Cu와 Ni을 첨가하여 열연, 냉연 소둔조건 및 기계적성질, 충격특성을 실험한 결과 하기의 표 3a 및 표 3b와 같은 효과를 확인할 수 있었다.

구분	비교강1	비교강 2	발명강A	발명강B	발명강C	비고
열연소둔	소둔용이	소둔용이	소둔용이	소둔용이	미세마르텐사이트 조직생성	발명강C의 경우 열연소둔시간 과다소요
냉연소둔가능온도영역	800∼820℃△T:20℃	800∼820℃△T:20℃	750∼820℃△T:70℃	750∼800℃△T:50℃	-	발명강A,B의 소둔가능온도영역이 크게 넓어짐

구분	비교강1	비교강 2	발명강A	발명강B	발명강C	비고
냉연소둔후재질(kg/mm²)	YS	30.9	33.5	30.2	30.7	66.0	발명강C의 경우 냉연소둔시 미세 마르텐사이트 생성으로가공성 저하됨
냉연소둔후재질(kg/mm²)	TS	46.8	48.4	43.9	46.8	70.6	발명강C의 경우 냉연소둔시 미세 마르텐사이트 생성으로가공성 저하됨
충격특성(DBTT)	모재	-65∼-70℃	-65∼-70℃	-65∼-70℃	-90℃	-60℃	Ni함량 1.0%인발명강B의 충격특성이 가장양호
충격특성(DBTT)	용접부	10℃	-20℃전후	-20℃전후	-20℃전후	-20℃전후	Ni함량 1.0%인발명강B의 충격특성이 가장양호

이상의 결과를 볼 때 기존의 STS410L강에 Cu를 0.2∼0.5%, Ni을 0.5∼1.0% 첨가함으로서 STS410L강보다 우수한 용접부 및 모재부 충격특성을 가지면서, 냉연소둔 가능온도 영역이 넓어서 냉연소둔시 재질불량을 크게 줄일수 있는 12Cr Base의 용접구조용 스테인레스강의 제조가 가능해 졌다.

Claims

중량%로 C:0.02%이하, Si: 0.2%0.4%, Mn: 0.7∼1.0%이하, P:0.035%이하, S:0.008%이하, Cr:11.0%∼11.6%, N:0.020%이하, Cu:0.2∼0.5%, Ni:0.5∼1.0%, 잔량 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 것을 특징으로 하는 용접구조용 페라이트계 스테인레스강.
용접구조용 페라이트계 스테인레스강의 제조방법에 있어서, 중량%로 C:0.02%이하, Si: 0.2%∼0.4%, Mn: 0.7∼1.0%이하, P:0.035%이하, S:0.008%이하, Cr:11.0%∼11.6%, N:0.020%이하, Cu:0.2∼0.5%, Ni:0.5∼1.0%, 잔량 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강을 연속주조 및 열간압연을 한후 640℃∼680℃에서 열연소둔하는 단계와; 상기 열연소둔을 거친 열연강대를 냉간압연 한후 750℃∼820℃분위기 온도에서 냉연소둔하는 단계와; 산세 및 조질압연을 행하는 단계와; 로 이루어지는 것을 것을 특징으로하는 용접구조용 페라이트계 스테인레스강의 제조방법.