KR20020053618A - 인성 및 대기 내식성이 우수한 가로등용 페라이트스테인레스강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도심 지역 가로등용 소재로 사용되는 인성 및 대기 내식성이 우수한 페라이트계 스테인리스 강에 관한 것이다.

본 발명은 페라이트계 스테인레스 강에 있어서 중량%로, C:0.02% 이하, N:0.02% 이하, Si:0.6% 이하, Mn:0.5% 이하, P:0.03%이하, S:0.004% 이하, O:0.008%이하, Ni:0.5이하, Cu:2.5%이하, Al:0.15%, Nb:0.45%이하, Ti:0.05% 이하, Cr:15∼20%, Mo:2.5% 이하를 포함하고;

%(Nb+Ti)<0.5

%(C+N)<0.04

안정화 비가 ((Ti+Nb)/(C+N))＞ 10을 만족하여 조성됨을 특징으로 하는 인성 및 대기 내식성이 우수한 가로등용 페라이트계 스테인레스 강을 제공한다.

Description

인성 및 대기 내식성이 우수한 가로등용 페라이트 스테인레스강{Ferritic stainless steels with improved toughness and atmospheric corrosion resistance}

본 발명은 도심 지역 가로등용 소재로 사용되는 인성 및 대기 내식성이 우수한 페라이트계 스테인리스 강에 관한 것이다.

최근 환경 및 보수 유지 비용에 대한 관심의 증가에 따라 종래의 가로등용 소재인 일반 강을 스테인리스 강 소재로 대채가 일부 이루어지고 있으며 그 대표적인 강 종은 질소 첨가로 염소용액에서 내식성이 우수하고 항복 강도가 높은 STS304N이사용되고 있다. 그러나 일부에서 부식의 발생이 보고되고 있다.

이와같이 종래의 페라이트계 스테인레스강은 안정화 원소인 Ti가 첨가되나그 첨가량이 적정범위 이상으로 첨가되어 2 ㎛ 이상의 조대한 TiN이 석출하기 때문에 모재의 인성이 저하되고 취성파괴의 원인이 된다. 또 Ni의 다량첨가로 대기 내식성이 저하되는 문제점이 있었다.

상기의 문제점을 해소하기 위하여 본 발명자들은 연구를 거듭한 결과 종래의 스테인리스 강 대비 니켈을 미량 함유시키고 구리 첨가로 내식성을 향상시키고, 동시에 인성의 저하를 최소화 시키기 위하여 Ti함량을 최소화 하여 인성을 향상시킨 가로등용 페라이트계 스테인리스 강을 제공하는데 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 2년간의 대기 폭로 실험후의 대기 내식성을 나타낸 그래프.

본 발명은 페라이트계 스테인레스 강에 있어서 중량%로, C:0.02% 이하, N:0.02% 이하, Si:0.6% 이하, Mn:0.5% 이하, P:0.03%이하, S:0.004% 이하, O:0.008%이하, Ni:0.5이하, Cu:2.5%이하, Al:0.15%, Nb:0.45%이하, Ti:0.05% 이하, Cr:15∼20%, Mo:2.5% 이하를 포함하고;

%(Nb+Ti)<0.5,

%(C+N)<0.04,

안정화 비가 ((Ti+Nb)/(C+N))＞ 10을 만족하여 조성됨을 특징으로 하는 인성 및 대기 내식성이 우수한 가로등용 페라이트계 스테인레스 강에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 종래의 페라이트계 스테인레스 강과 유사하게 안정화 원소가 첨가되나 각각 원소의 첨가량은 기존 페라이트계 강과 달리 다음과 같은 한도내에서 함유되도록 제한된다. Ti는 조대한 TiN의 석출이 억제되는 한도내에서 미량 함유되도록 최소화 하여 인성을 향상시킨다. 또한 대기 내식성의 향상을 위하여 Ni의 함량은 별도로 첨가하지 않고 잔존량을 0.5%이하로 규제하고, Cu를 2.5이하로 첨가하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명강의 조성에 대하여 한정이유를 설명한다.

C 및 N는 인성의 감소를 최소화하기 위하여 C, N 함량의 최대치를 각각 0.02%와 0.02%로 한정한다. 그러나 이들 함량이 작으면 작을수록 재료의 성질을 향상시키므로 최소한도는 정하여지지 않았다.

Si는 탈산 및 내 산화성을 증가시키는 원소이다. 인성의 감소를 억제하기 위해 Si 함량을 0.6%이내로 제한 시킨다.

Mn은 탈산을 증가시키는 원소이다. 그러나 개재물인 MnS은 내식성을 감소시키므로 Mn 함량을 0.5%이내로 제한 시킨다.

P는 내식성뿐만 아니라 인성을 감소시키므로 P 함량을 0.03% 이내로 제한시킨다.

S는 내식성을 감소시키므로 S 함량을 0.004% 이내로 제한시킨다.

O는 개재물 함량을 증가시켜서 인성 및 내식성을 감소시킨다. 그러므로 O 함량을 가능한 억제하는 것이 좋다. 따라서 0.008%이하가 바람직하다.

Ni은 대기 내식성을 저하시키므로 첨가하지 않으며 잔존 함량을 0.5% 이내로 제한 시킨다.

Cu는 2.5%이상의 첨가는 저융점 상의 석출에 의해 응고 군열을 발생시키나 환원성 분위기에서 내식성을 향상시키므로 그 첨가량을 2.5% 이내로 제한 시킨다.

Al은 탈산을 위해 첨가된 원소이다. Al의 첨가는 인성을 증가시키나 과다 첨가시 Al산화물이 형성되어 내식성을 감소시키므로 강중 Al은 0.15% 이내로 첨가되어야 하고 Al 첨가에 의해 형성된 Al산화물의 크기가 1㎛ 이내로 조절되어져야 한다.

Ti은 예민화를 억제할 뿐만 아니라 강의 내식성을 저하시키는 MnS의 형성을 억제하기 위한 원소이나, 응고시 조대한 2 ㎛이상의 TiN의 형성은 인성의 저하를 발생시키므로 용접이 사용되지 않는 용도일 경우 Ti를 첨가하지 않는 것이 제품의 인성 측면에서 유리하다. 그러나 소재의 용도상 용접이 불가피한 용도일 경우 Ti 첨가강의 용접부 인성은 Ti 미 첨가강의 용접부 인성과 유사하나 용접부 연성의 측면에서는 Ti 첨가가 유리하다. 또한 Ti 가 첨가된 강의 산세 후 내식성은 Ti 미 첨가 강에 비해 우수하다. 그러므로 모재 인성을 고려하여 TiN 의 형성을 억제하여 그 크기가 2㎛이내가 되도록 Ti를 첨가하는 것이 요구되며 적정 첨가량은 0.05% 이하가 바람직 하다.

Nb은 예민화를 방지하기 위해 첨가되는 원소로 0.45%이상의 첨가는 석출상(Lavas상)에 의한 인성의 저하를 가져오므로 최대 함량은 0.45%로 한정한다. 예민화를 방지하기 위한 적정 안정화 비는 (Ti+Nb)/(C+N)＞ 10이다. 그러므로 적정 Nb의 함량은 10×(C+N)-%Ti(∼0.03%)이다. 예로서 모재의 (C+N)의 함량이 0.04%이면 Nb의 함량은 약 0.37%(=10×(C+N)-%Ti(∼0.03%)=10×0.04-0.03)이 된다.

Cr은 내식성을 증가시키나 가능한 많은 양의 첨가가 적절하나 도심 내구성을 위하여 최소 15% 이상 첨가되어야 한다.

Mo은 내식성을 증가시키나 고온상(σ,) 석출에 의한 인성의 감소를 야기시키므로 Mo의 적정 범위는 2.5%이하로 제한한다.

이하, 본 발명을 실시 예를 통하여 구체적으로 설명한다.

<실시 예 1>

대기 내구성에 미치는 니켈의 영향을 조사하고자 표 1에 본 발명의 니켈 미량함유 강(합금번호 2,3)과 종래의 니켈 첨가 강(합금번호 1,4,5)의 화학성분과 내공식 지수를 나타내었다. 이 표에서 알수 있듯이 일반적으로 소재의 내식성을 나타내는 내공식지수는 종래의 니켈 첨가 강이 본 발명의 니켈 미량함유 강보다 높거나유사한 수준을 보이고 있다. 이들 스테인레스 강에 대한 대기 내구성을 조사하기 위하여 도심지역에서 2년간 대기폭로 시험한 결과를 도 1에 도시하였다.

합금 번호	화학 조성(w/o)	내공식 지수*
	Cr	Ni	Cu	Mo	C	N
1	19	8.2	0.2	0.1	0.05	0.12	21.3
2	18.2	0.3	0.45	1.06	0.01	0.01	21.6
3	19.2	0.2	0.45	0.03	0.01	0.01	19.3
4	18.1	8.1	0.16	0.1	0.04	0.04	19.1
5	16.4	10.4	0.2	2.0	0.05	0.035	23.5

내공식 지수* = %Cr+3%Mo+16%N

도 1에 나타난 바와 같이 2년간 대기폭로 후 종래의 니켈 첨가강의 부식 면적율은 5%이상인 반면 본 발명강인 니켈 미량함유 강의 부식 면적율은 2.5% 이내로 대기 내구성이 우수하였다. 즉, 합금 번호 5와 같이 높은 내공식지수를 지니고 있을지라도 니켈의 첨가에 의한 내대기 내식성의 저하가 심하여 합금 번호 2번 보다도 높은 부식 면적율을 나타내었다. 이는 Cu첨가의 영향으로 사료된다.

합금번호	탄성계수(GPa)	항복응력(Mpa)	연신율(%)
1	193	318	55
2	200	343	32
3	200	360	31
4	193	314	59
5	193	275	58

또한, 표2는 본 발명의 니켈 미량함유 강과 종래의 니켈 첨가 강의 기계적 특성을 나타내었는 데, 본 발명의 니켈 미량함유 강은 니켈 첨가 강에 비해 우수한탄성 계수와 항복강도를 지니고있어서 가로등의 제품설계에 유리한 장점을 지나고 있다.

<실시 예 2>

표 3의 화학조성을 가진 25kg의 잉고트(ingot)를 진공 유도로에서 용해후 아르곤 분위기에서 1200℃에서 2 시간동안 열처리를 통해 균일화 처리를 하였다. 이와같이 열처리 후 6mm 두께로 압연하고 수냉하였다. 이들 압연판들은 3mm 두께로 냉간 압연 전에 800-1000℃에서 1분 동안 열처리를 실시하였다. 냉간압연후 최종적으로 800-950℃에서 30초 동안 소둔을 실시하였다. 각각의 시편은 실험 전에 SiC#200으로 까지 연마하였다.

합금번호	화 학 성 분 (w/o)	실험목적
	Cr		Mo	Cu	Ti	Nb	C	N
11	18.0	2.0	-	0.10	0.22	0.01	0.01	인성
12	18.0	2.0	-	0.04	0.17	0.01	0.01
21	17.5	1.0	-	-	-	0.01	0.01	입계부식실험
22	18.0	1.0	-	0.04	0.07	0.01	0.01
23	18.0	1.0	-	0.04	0.18	0.01	0.01
31	19.0	-	0.40	0.04	0.18	0.01	0.01	대기내식성
32	19.0	-	2.00	0.04	0.18	0.01	0.01
33	18.0	1.0	0.40	0.04	0.18	0.01	0.01
34	18.0	1.0	2.00	0.04	0.18	0.01	0.01
35	19.0	0.1	0.20	-	-	0.05	0.12
36	18.1	0.1	0.16	-	-	0.04	0.04
37	16.4	2.0	0.20	-	-	0.05	0.035

합금번호	Ti성분(%)	-40℃에서 파괴모드
11	0.10	취성
12	0.04	연성

표 4는 시험에 사용된 시편 두께는 2.5mm로 Ti의 함량에 따른 모재 인성의 변화를 나타내었다. -50℃에서 V-차피시험 결과 Ti가 0.04% 첨가된 경우 높은 인성(연성파괴)을 나타낸 반면 Ti가 0.1% 첨가된 경우 저 인성(취성파괴)를 나타내었다. 이는 Ti이 적정범위로 첨가되지 않으면 강의 응고시 조대한 TiN을 형성하게 되어 인성이 저하된다. 따라서 모재의 인성을 고려하여 TiN의 크기가 2㎛이내가 되도록 Ti를 첨가하는 것이 요구되며 적정 첨가량은 0.05% 이하가 바람직하다.

합금번호	안정화비{=(Ti+Nb)/(C+N)}	입계부식발생 여부
21	0	발생
22	5	부분 발생
23	10	미 발생

표 5는 모재의 입계부식성을 안정화 원소의 첨가에 따른 예민화도 측정 실험을 통하여 나타내었다. 모재 입계 부식 저항성은 모디파이드 스트라우스(Modified strauss)시험(ASTM A262-91A-F))을 통하여 측정하였다. 예민화 실험에 사용된 시편은 실험 전에 620℃에서 10 분간 예민화 처리를 하였다. 모재부 실험결과에 따르면 안정화 비((Ti+Nb)/(C+N))가 10인경우 입계 부식은 관찰되지 않았으나 안정화 비가5 이거나 0의 경우 입계 부식이 관찰되었다. 이 안정화비는 C+N함량에 따른 Ti+Nb함량의 변화를 나타내기 때문에 이들 원소가 적정하게 첨가되어야 함을 알수 있다. 특히 본 발명에서는 Nb이 예민화를 방지하기 위해 첨가되는 원소이기 때문에 0.5%이내로 첨가되어야 한다.

합금 번호	Ni 첨가량	Cu 첨가량	2년간 폭로실험후의 녹발생 면적율(%)
31	-	0.4	2.0
32	-	2.0	0.5
33	-	0.4	1.0
34	-	2.0	0.1
35	8.2	0.2	5.0
36	8.1	0.16	6.0
37	10.4	0.2	11.5

표 6은 대기 환경공해 문제가 극심한 대도시 중심부근에서 2년간 대기폭로 시험한 결과를 나타내었다. 표 6에서 알수 있듯이 본 발명의 Cu첨가강이 종래의 Ni이 다량첨가 되고 Cu가 미량함유된 강에 비해 대기 내식성이 우수하였다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 가로등용 소재로 안정화 원소가 첨가되고 Cu가 첨가된 강이 기계적 성질(탄성 계수 및 항복응력) 뿐만 아니라 대기 내식성 및 인성 측면에서 가장 우수하였다.

Claims (1)

1. 본 발명은 페라이트계 스테인레스 강에 있어서 중량%로, C:0.02% 이하, N:0.02% 이하, Si:0.6% 이하, Mn:0.5% 이하, P:0.03%이하, S:0.004% 이하, O:0.008%이하, Ni:0.5이하, Cu:2.5%이하, Al:0.15%, Nb:0.45%이하, Ti:0.05% 이하, Cr:15∼20%, Mo:2.5% 이하를 포함하고;

   %(Nb+Ti)<0.5,

   %(C+N)<0.04,

   안정화 비가 ((Ti+Nb)/(C+N))＞ 10을 만족하여 조성됨을 특징으로 하는 인성 및 대기 내식성이 우수한 가로등용 페라이트계 스테인레스 강.