KR20000074502A

KR20000074502A - 마르텐사이트계 스테인리스강

Info

Publication number: KR20000074502A
Application number: KR1019990018496A
Authority: KR
Inventors: 정재영
Original assignee: 신현준; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 1999-05-21
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2000-12-15
Also published as: KR100329380B1

Abstract

본 발명은 보일러 피드 펌프(Boiler feed pump)용 임펠러 및 샤프트등과 같이 강도와 내식성을 동시에 요구하는 부품에 적용되는 마르텐사이트계 스테인리스 합금소재에 관한 것으로 탄소(C): 0.06 중량%이하 , 실리콘(Si): 2.0 중량%이하, 망간(Mn): 2.0 중량%이하, 니켈(Ni): 1.0-6.0 중량%, 크롬(Cr): 10.0-19.0 중량%, 몰리브덴+텅스텐(Mo+0.5W): 0.5-5.0 중량%, 니오브늄(Nb): 0.8 중량%이하, 바나듐(V): 0.8중량%이하, 구리(Cu): 3.0 중량%이하, 질소(N): 0.02-0.25 중량%를 포함하고 나머지는 철(Fe)과 불가피한 불순물로 구성된 마르텐사이트계 스테인리스강을 제공하는 것이다.

Description

마르텐사이트계 스테인리스강{SUPER MARTENSITIC STAINLESS STEEL}

본 발명은 스테인리스 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 보일러 피드 펌프(Boiler feed pump)용 임펠러 및 샤프트등과 같이 강도와 내식성을 동시에 요구하는 부품에 적용되는 마르텐사이트계 스테인리스 합금소재에 관한 것이다.

일반적으로 스테인리스강은 주성분에 따라 크롬계와 크롬-니켈계로 대별되며 금속조직상으로는 마르텐사이트(Martensite)계, 오스테나이트(Austenite)계, 페라이트(Ferrite)계, 듀플렉스(Duplex)계와 석출경화계 등으로 나누어지며 여기에 슈퍼 스텐인리스강이 더 있다.

이와 같이 구분되는 스테인리스강은 내산화성 및 내부식성이 우수하기 때문에 이러한 특성이 요구되는 산업용 설비 구조물과 그 부품을 제조하는데 기본 소재로 널리 사용되고 있다.

이러한 스테인리스강 중에서 특히 마르텐사이트계인 410계나 420계 스테인리스강은 강도가 매우 우수하고 어느 정도의 내식성을 지니고 있어서 마모를 유발하는 입자를 함유하는 유체이송용 파이프라인이나 빠른 회전에 의해 강한 원심력을 받는 펌프용 임펠러 재료로 많이 이용되고 있다.

그러나 최근의 발전소 설비는 연료 효율을 향상시키기 위해 보일러 터빈의 입구온도를 증가시키는 경향이 있고, 또한 보일러 터빈용 펌프의 경우에도 회전속도가 더욱 더 증가하여 점점 사용환경이 가혹화되고 있다.

특히 보일러 피드 펌프에 사용되는 부품의 경우 모래나 석탄과 같은 미세한 고체입자 또는 산화스케일과 같은 마모입자가 함유된 유체를 이송하여야 하므로 높은 내마모성을 갖추어야 하며, 아울러 이송되는 유체의 종류에 따라 필요한 내부식 저항성을 갖추어야 한다.

그러나, 기존의 보일러 피드 펌프에 사용되는 부품을 제작하는데 적용되는 일반 410계나 420J계 마르텐사이트 스테인리스강은 강도는 매우 우수하나 내식성이 떨어지는 문제점이 있다.

이것은 마르텐사이트계 스테인리스강의 경우 비교적 높은 탄소량과 12-18%의 크롬을 함유하고 있어서 열처리에 의해 마르텐사이트조직을 갖게 되므로 상당수준의 고강도를 얻을 수 있는 반면, 높은 탄소함량으로 결정립계에 크롬탄화물이 석출되어 입계 주위의 크롬 고갈층이 쉽게 형성되어 내부식 저항성이 상대적으로 낮아지기 때문이다.

보일러 피드 펌프와 같이 고강도 고내식성이 동시에 요구되는 부품을 제작하는데 사용되는 또 다른 재료로서 아베스타 쉐필드(Avesta Sheffield)사에서 개발한 슈퍼 마르텐사이트계 248SV 합금이 있다.

이 합금은 탄소를 낮추어 탄화물 편재에 의한 부식을 억제하고 크롬 함량을 높여 내식성을 보다 향상시키고자 한 것이다. 그러나 이 합금은 고강도의 마르텐사이트 조직을 얻기 어렵기 때문에 오스테나이트 안정화 원소로 니켈을 다량 첨가하여 강도는 다소 증가하였으나 고강도는 아니며 오히려 내식성이 보다 향상된 것이다.

한편 일본특허 JP-61030665호에는 해수에 의한 부식과 유체에 의한 부식을 개선시키기 위한 스테인리스강이 개시되어 있다. 그러나 이 합금은 코발트가 3.5-7.0% 함유되어 있어서 매우 고가이며, 탄소함유량이 0.08%이상으로 높아서 내부식 저항성이 다소 낮다는 단점이 있다.

이상과 같이 보일러 피드 펌프와 같은 높은 내마모성과 내부식 저항성이 요구되는 부품에 사용되는 종래의 스테인리스강은 강도와 내식성 중 어느 한가지 특성만 충족할 뿐 보일러 피드 펌프 등의 사용환경에 적합한 두 가지 특성을 모두 겸비한 스테인리스강은 알려진바 없다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 목적은 보일러 피드 펌프용 임펠러 및 샤프트 등의 부품제조에 사용되는 내마모성 및 내부식성을 겸비한 마르텐사이트계 스테인리스강을 제공하는 것이다.

상기 목적은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 달성될 수 있다.

상기 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소(C): 0.06 중량%이하 , 실리콘(Si): 2.0 중량%이하, 망간(Mn): 2.0 중량%이하, 니켈(Ni): 1.0-6.0 중량%, 크롬(Cr): 10.0-19.0 중량%, 몰리브덴+텅스텐(Mo+0.5W): 0.5-5.0 중량%, 니오브늄(Nb): 0.8 중량%이하, 바나듐(V): 0.8중량%이하, 구리(Cu): 3.0 중량%이하, 질소(N): 0.02-0.25 중량%를 포함하고 나머지는 철(Fe)과 불가피한 불순물로 구성된 마르텐사이트계 스테인리스강을 제공한다.

또한 본 발명은 상기의 조성을 갖는 스테인리스강에 결정입계 부식 민감성을 보다 억제시키기 위하여 티타늄(Ti)을 0.5중량% 이하 또는 탄탈륨(Ta)을 1.0 중량%이하를 각각 또는 함께 첨가한 스테인리스강을 제공한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 조성을 갖는 마르텐사이트계 스테인리스강은 해수설비나 화학, 발전소용 설비부품 등 고강도와 고내식성이 동시에 요구되는 부품을 제조하는 데 주로 사용될 수 있으며 단조 또는 주조된 상태로 또는 이를 가공하여 사용할 수 있다. 이하에서는 본 발명의 구성성분의 한정이유에 대하여 각각 설명한다.

먼저, 탄소는 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 니오브늄 및 바나듐 등과 같은 탄화물 형성원소와 결합하여 고경도의 탄화물을 형성하며 이러한 탄화물은 스테인리스강의 강도를 증가시킨다. 특히 탄소는 마르텐사이트변태 시작온도(Ms)를 낮추지만 경화능을 향상시키는 역할을 한다. 본 발명에서 탄소는 일반 마르텐사이트계 410계 합금처럼 0.15 중량% 정도로 많이 첨가되면 결정립계에 조대한 크롬 탄화물을 쉽게 석출시켜 내부식 저항성을 감소시킬 수 있으므로 본 발명에서는 그 함량을 0.06 중량% 이하로 첨가한다.

실리콘은 주로 기지금속에 잔류 원소로 함유되거나 주조품 제조시 유동성을 증가시키기 위하여 첨가시키지만 2.0 중량% 이상이 되면 기계적 특성을 크게 감소시키므로 상기 범위이하로 첨가하여야 한다.

망간은 실리콘과 마찬가지로 기지금속에 잔류 원소로 함유되지만 2.0중량%를 초과하면 연성과 같은 기계적 특성을 저하시킨다.

니켈은 오스테나이트를 형성시키는 원소로서 본 발명에 의한 스테인리스강은 탄소의 함량이 0.06 중량% 이하로 일반 410계 합금에 비해 낮다는 점을 고려하여 니켈의 첨가량은 균일한 마르텐사이트 조직을 형성시키고 강도 증가를 도모하기 위하여 적어도 1.0 중량% 이상이 필요하다. 그러나 그 첨가량이 6.0 중량% 이상이 되면 마르텐사이트 변태 시작온도 및 공석변태온도(Ac1)를 크게 낮출 뿐만 아니라 과시효를 촉진시켜 소입 저항성을 낮출 수 있다. 따라서 니켈의 첨가량은 이러한 점을 고려하여 1.0 내지 6.0 중량% 가 바람직하다.

크롬은 고온산화 및 부식을 효과적으로 방지하여 내식성을 향상시키는데 불가피한 원소이다. 그러나 크롬 함유량이 10 중량% 이하가 되면 내부식성을 유지하기가 어렵고, 19.0 중량% 이상이 되면 델타-페라이트(δ-Ferrite)를 안정화시켜 강도특성을 저하시키므로 10 내지 19.0 중량% 범위 내에서 첨가하는 것이 바람직하다.

몰리브덴과 텅스텐은 탄소와 결합하여 (Mo,W)2C와 같은 탄화물을 형성시켜 고온강도 및 템퍼링 저항성을 향상시킨다. 특히 내부식 저항성 합금인 스테인리스강에서 몰리브덴과 텅스텐의 첨가는 주어진 산도(pH)에서 임계부식 저항성을 개선시킨다. 그러나 몰리브덴과 텅스텐의 첨가량이 (Mo+0.5W)로 0.5중량% 이하가 되면 그 효과가 작고, 5.0 중량% 이상이 되면 그 효과가 포화될 뿐만 아니라 다량의 페라이트 형성이 용이해져 강도가 저하되는 문제점이 있다. 또한 5.0 중량% 이상 첨가될 경우 마르텐사이트변태 시작온도를 크게 감소시켜 마르텐사이트 조직을 얻기 어렵게 된다. 따라서 몰리브덴과 텅스텐(2Mo+W)의 첨가량은 0.5 내지 5.0 중량% 가 바람직하다.

니오브늄과 바나듐은 각각 NbC과 V₄C₃등과 같은 탄화물을 형성하여 고온강도를 높이는데 필요한 원소이다. 그러나 0.8 중량% 이상 첨가되면 인성 및 연성의 감소하므로 0.8 중량%이상 첨가하지 않는 것이 바람직하다.

구리는 고온 수증기에 대한 내식성과 소입성을 향상시켜 조직의 미세화에 기여하며, 구리 복합물을 석출시켜 강도를 증가시킬 수 있다. 그러나, 그 첨가량이 3.0중량% 이상이 되면 주괴에서 응고편석등을 유발하여 재료를 취화시키게 된다. 따라서, 구리의 첨가량은 3.0중량% 이하가 바람직하다.

본 발명의 특징 중에 하나는 종래의 스테인리스강과는 달리 탄소 첨가량을 줄이고 질소를 첨가한 것이다. 본 발명에 의한 스테인리스강에서 질소는 텔타-페라이트를 감소시키고 오스테나이트를 안정화시키는 역할을 한다. 또한 질소는 합금강내에서 M₂₃C₆과 같은 조대한 탄화물로의 천이를 지연시켜 크롬 고갈에 의한 내부식 저항성을 보다 더 향상시킬 수 있다. 그러나 질소는 상기의 효과를 얻기 위해서는 적어도 0.02 중량% 이상 첨가하여야 하고, 그 첨가량이 0.25중량% 이상이 되면 마르텐사이트변태 시작온도를 낮추게 되어 스테인리스강의 인성을 떨어뜨리므로 0.02 내지 0.25중량% 범위내로 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명의 조성을 갖는 마르텐사이트계 스테인리스강은 여러 가지 주조법에 의하여 주조품으로 직접 제조될 수 있고 주조된 잉곳을 이용하여 단조, 압연 또는 압출 등과 같은 가공법으로 가공하여 판재나 봉재 등으로 제조될 수 있다.

본 발명의 조성을 갖는 마르텐사이트계 스테인리스강을 주조품이나 가공재로 제조한 경우 제품의 강도를 부여하기 위하여 100 -700℃ 의 온도범위에서 열처리할 수 있다. 또한 제조방법에 상관없이 900℃ 이상에서 소입한 후에 100-700℃에서 소둔하여 기계적 특성을 개선시킬 수 있다.

다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

하기 표 1에서와 같은 조성을 갖는 원료를 진공용해로에 장입하여 용융한 후 마르텐사이트계 스테인리스강 잉곳을 주조하였다.

구분	화학조성(wt.%)
구분	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	W	Nb	V	Cu	Ti	Ta	N	Fe
실시예1	0.03	0.3	0.4	2.0	12.5	1.5	1.0	0.1	0.1	-	-	-	0.12	잔부
실시예2	0.03	0.3	0.5	2.0	13.0	1.5	1.0	-	-	-	0.05	0.1	0.21	잔부
실시예3	0.02	0.4	0.4	5.0	16.0	1.0	0.5	0.1	0.1	0.5	-	-	0.08	잔부
실시예4	0.03	0.2	0.4	2.0	16.0	0.5	3.0	0.1	0.2	0.4	-	-	0.21	잔부
실시예5	0.02	0.3	0.3	3.0	18.0	1.0	0.5	0.15	0.12	0.7	-	-	0.20	잔부
비교예1	0.15	0.4	0.7	-	12.1	-	-	-	-	-	-	-	0.01	잔부
비교예2	0.21	0.4	0.7	-	12.8	-	-	-	-	-	-	-	0.01	잔부
비교예3	0.32	0.5	0.6	-	13.1	-	-	-	-	-	-	-	0.01	잔부
비교예4	0.02	0.4	0.7	5.0	16.0	1.0	-	-	-	-	-	-	0.01	잔부

주조된 잉곳은 열처리로에서 1200℃에서 2시간동안 균질화 처리를 한 후 열간압연하여 판재를 제조하고 판재의 일부를 절단하여 기계적 특성과 부식특성을 실험하기 위한 시편을 채취하였다.

실시예에 따라 제조된 시편의 기계적 특성은 비커스 경도계로 경도를 측정하고 만능시험기로 항복강도와 연신률을 측정하였으며, 부식특성은 임계공식온도를 측정하여 평가하였다.

제조된 시편의 인장시험은 열간압연된 판재를 1100℃에서 1시간동안 유지하여 오스테나이징처리를 한 후에 550℃에서 2시간동안 소입한 후 행하였다.

한편, 제조된 시편의 부식시험은 10% FeCl_3.6H₂O용액을 이용하여 ASTM G48 -A 기준에 따라 얼음물을 이용하여 0℃ 에서 10℃ 간격으로 임계공식온도를 측정하였다.

본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 마르텐사이트계 스테인리스강의 경도와 인장 특성 그리고 부식 특성을 표 2에 나타내었다.

구분	경도(Hv)	항복강도(Kg/mm²)	연신률(%)	임계공식온도(℃)
실시예 1	418	105.8	10.2	〈10.0
실시예 2	475	120.8	8.6	〈20.0
실시예 3	392	98.8	12.0	〈10.0
실시예 4	425	106.0	11.0	〈30.0
실시예 5	430	109.5	12.0	〈30.0
비교예 1	307	78.5	17.0	〈0.0
비교예 2	381	99.0	11.2	〈0.0
비교예 3	412	105.2	9.8	〈0.0
비교예 4	302	78.0	14.5	〈0.0

표 2에서와 같이 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 스테인리스강은 비교예 1에 비하여 경도 및 항복강도가 동등하거나 30%까지 증가하는 우수한 기계적 특성을 나타내고 있으며, 연신률 또한 비교예 1과 거의 동등한 수준을 유지하고 있다.

그리고 부식 특성은 비교예 1의 경우 모두 0℃ 이하에서 임계공식온도가 형성되는 반면에 실시예 1에 따라 제조된 스테인리스강은 모두 10-30℃ 이하에서 임계공식이 발생하여 비교예 1에 비하여 매우 뛰어난 내부식성을 갖고 있음을 알 수 있다.

이상과 같은 기계적 특성 및 부식특성에 대한 실험 결과 본 발명의 조성을 갖는 마르텐사이트 스테인리스강은 내마모성 뿐만 아니라 내부식성을 동시에 향상시키는 것으로 나타났다.

본 발명의 조성을 갖는 마르텐사이트 스테인리스강은 일반 410계 스테인리스강 보다 기계적 특성이 최소한 동등하거나 향상되었으며, 내부식 저항성 또한 매우 우수하여 화학, 발전소 및 해수노출설비에 사용되는 각종부품에 사용할 수 있으며, 이들 부품들의 내부식 및 내마모 저항성을 증가시켜 수명을 향상시킬 수 있는 매우 경제적인 소재를 공급할 수 있는 발명의 효과를 가진다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

탄소: 0.06 중량%이하 , 실리콘: 2.0 중량%이하, 망간: 2.0 중량%이하, 니켈: 1.0-6.0 중량%, 크롬: 10.0-19.0 중량%, 몰리브덴+텅스텐(Mo+0.5W): 0.5-5.0 중량%, 니오브늄: 0.8 중량%이하, 바나듐: 0.8중량%이하, 구리: 3.0 중량%이하, 질소: 0.02-0.25 중량%를 포함하고 나머지는 철과 불가피한 불순물로 구성된 마르텐사이트계 스테인리스강.
제 1항에 있어서, 상기 스테인리스강에 티타늄: 0.8중량% 이하 또는 탄탈륨: 1.0 중량%이하를 모두 또는 어느 하나를 더 첨가한 것을 특징으로 하는 마르텐사이트 스테인리스강.