KR20030049814A - 나이오븀 첨가 오스테나이트계 스테인레스강 열연강재의제조방법 - Google Patents

나이오븀 첨가 오스테나이트계 스테인레스강 열연강재의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고용화 열처리 및 안정화 열처리를 생략 가능한 Nb첨가 오스테나이트계 스테인레스 열연강재의 제조 방법에 관한 것으로서, C: 0.08% 이하, Cr: 17-19%, Ni: 9-13%, Si: 1.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, P: 0.045% 이하, S: 0.030 이하, Nb: 1.0% 이하, 및 Nb: 10 ×C% 이상을 만족하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 슬라브를 열간압연할 때 {6120/(3.693-log(C))}-273 ℃ 보다 높은 온도에서 압연을 종료 후, {7510/(2.96-log(Nb)-log(C))}-273 ℃ 와 상기 압연 종료 온도 중 낮은 온도와 {6120/(3.693-log(C))}-273 ℃ 사이의 온도 구간에서 15∼75분을 유지되도록 냉각 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 Nb 첨가 오스테나이트계 스테인레스강 열연강재의 제조방법을 그 요지로 한다.

Description

나이오븀 첨가 오스테나이트계 스테인레스강 열연강재의 제조방법{Manufacturing of hot-rolled austenitic stainless steel having stabilized niobium }
본 발명은 Nb 첨가 오스테나이트계 스테인레스강 열연강재의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열간압연공정에서 크롬 탄화물의 석출을 억제하면서 나이오븀 탄화물로 석출시켜 강중의 탄소를 안정화시킴으로써, 고용화 열처리 및 안정화 열처리를 생략할 수 있는 Nb 첨가 오스테나이트계 스테인레스강 열연강재의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 오스테나이트계 스테인레스강은 450℃ 이상의 고온에서 장시간 사용하는 경우 결정립계에 크롬탄화물(Cr23C6)이 석출되며, 이에 따라 입계부근의 기지에 Cr의 농도가 낮은 영역이 생성되어 내입계부식성이 저하된다.
이러한 내식성의 저하를 억제하기 위해서는 탄소함량을 낮추거나, 또는 탄소와의 친화력이 높은 원소를 첨가하여 탄소를 안정화시켜 크롬탄화물이 석출되지 않도록 하는 방법이 있다.
보통 고온에서의 높은 강도를 요하는 용도에 이용되는 경우에는 강도 확보 원소인 탄소를 저감할 수 없어 탄소와의 친화력이 높은 원소를 첨가한 안정화 스테인레스강이 주로 사용되고 있다. 안정화원소로는 Ti 및 Nb가 널리 사용되고 있으며, Nb가 첨가된 강종을 Nb 첨가 오스테나이트계 스테인레스강으로 부르고 있다.
통상, Nb 첨가 오스테나이트계 스테인레스강은 슬라브를 열간압연하여 열연판을 얻은 다음, 고용화 열처리를 한 후, 안정화 열처리를 하고 있다. 이와 같은 고용화 열처리는 열간 압연 조직의 재결정 연화에 의한 기계적 성질의 확보 및 석출된 크롬탄화물(Cr23C6)의 재고용에 의한 내식성의 회복을 목적으로 920 ~ 1150℃의 고온에서 행해진다. 그리고, 상기 고용화 열처리 다음에 행하는 안정화 열처리는 안정화 원소에 의한 나이오븀탄화물(NbC)의 석출을 통해 탄소를 안정화시키기 위해 900℃ 부근에서 2시간 이상 유지하는 방법으로 실시하고 있다.
이와 같이 종래의 Nb 첨가 오스테나이트계 스테인레스 열연강재는 고용화 열처리 및 안정화 열처리공정을 거쳐야 하므로 조업이 복잡하고, 이에 따른 생산성의 저하 및 추가적인 설비가 필요하고 원가부담의 요인이 되고 있었다.
이에, 본 발명자들은 크롬 탄화물(Cr23C6)과 나이오븀 탄화물(NbC)의 석출 조건에 대한 연구를 거듭한 결과, 열간 압연 후 냉각 조건을 조절함으로써 나이오븀 탄화물(NbC)을 석출시키고 크롬 탄화물(Cr23C6)의 석출을 억제하여, 상기와 같이 상용화 되고있는 고용화 열처리 및 안정화 열처리를 생략할 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 제안하기에 이르렀다.
본 발명은 종래의 고용화 열처리로 크롬 탄화물을 고용하고, 이어 안정화 열처리로 나이오븀 탄화물로 석출시켜 고온에서의 내식성 열화를 방지하던 것과는 달리, 열간압연공정에서 냉각 조건을 제어하여 크롬 탄화물의 석출을 억제하면서 나이오븀 탄화물로 석출시켜 강중의 탄소를 안정화시킴으로써, 고용화 열처리 및 안정화 열처리를 생략할 수 있는 Nb 첨가 오스테나이트계 스테인레스강 열연강재를 제조하는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
도 1은 고용 탄소량과 탄화물의 석출온도와의 상관관계를 나타내는 그래프.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량 %로, C: 0.08% 이하, Cr: 17-19%, Ni: 9-13%, Si: 1.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, P: 0.045% 이하, S: 0.030 이하, Nb: 1.0% 이하, 및 Nb: 10 ×C% 이상을 만족하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 슬라브를 열간압연할 때 {6120/(3.693-log(C))}-273 ℃ 보다 높은 온도에서 압연을 종료 후, {7510/(2.96-log(Nb)-log(C))}-273 ℃ 와 상기 압연 종료 온도 중 낮은 온도와 {6120/(3.693-log(C))}-273 ℃ 사이의 온도 구간에서15∼75분을 유지되도록 냉각 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 Nb 첨가 오스테나이트계 스테인레스강 열연강재의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 대상 강종은 Nb 첨가 오스테나이트계 스테인레스강으로서, 구체적인 성분은 현재 상용되고 있는 C: 0.08중량%(이하, 단지 '%'라 함) 이하, Cr: 17-19%, Ni: 9-13%, Si: 1.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, P: 0.045% 이하, S: 0.030 이하, Nb: 1.0% 이하, 및 Nb: 10 ×C% 이상을 만족하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것이다.
본 발명은 상기와 같이 조성되는 슬라브를 통상의 방법으로 열간압연한 직후 냉각하는 구간에서 나이오븀 탄화물(NbC)을 석출시키고 크롬 탄화물(Cr23C6)의 석출을 억제하도록 냉각속도를 제어하는데, 그 특징이 있다.
본 발명자들은 오스테나이트계 스테인레스강에서 석출물의 석출 거동을 연구하던 중 나이오븀 탄화물(NbC) 및 크롬 탄화물(Cr23C6)이 석출되는 온도는 오스테나이트 기지 조직 중에 고용되어 있는 탄소의 함량과 밀접한 관계가 있음을 밝혀냈으며, 이를 도 1에 나타내었다.
도 1에서 알 수 있듯이 a곡선은 강중 탄소량에 따라, 최소 첨가량인 탄소량의 10배에 해당하는 나이오븀이 첨가되었을 때의 나이오븀 탄화물이 석출 및 고용되는 경계의 온도를 나타내는 선이다, 즉 탄소함량에 따른 대상 강종에서 나이오븀탄화물의 석출이 개시되는 가장 낮은 온도곡선이다. 또한, b곡선은 강중 탄소량에 따른 크롬 탄화물이 석출 및 고용되는 경계의 온도를 나타내는 선이다. 즉 a선 이하의 온도에서는 나이오븀 탄화물이 석출되며, b선 이상의 온도에서는 크롬 탄화물이 석출되지 않는다. 따라서, a선과 b선 사이의 온도구간에서는 크롬 탄화물이 석출되지 않으면서 나이오븀 탄화물이 석출되는 것이다.
따라서 이 구간에서 적정 시간 이상이 유지되도록 냉각 조건을 조절하면 고용화 열처리 및 안정화 열처리를 생략할 수 있게 되는 것이다.
나이오븀 탄화물이 석출을 개시하는 온도는 나이오븀 함량과 탄소 함량에 따라 {7510/(2.96-log(Nb)-log(C))}-273 ℃ 이고, 본 발명에서 대상으로 하는 강종은 나이오븀을 탄소의 10배 이상 함유하고 있으므로 나이오븀 탄화물의 석출이 시작되는 가장 낮은 온도(도 1의 a선)는 {7510/(1.96-2log(C))}-273 ℃ 이며, 크롬 탄화물의 석출이 시작되는 온도(도 1의 b선)는 {6120/(3.693-log(C))}-273 ℃ 임을 알 수 있다.
이 때의 냉각 열처리 시간, 즉 유지시간은, 실험 결과 상기 목표 온도 구간에서 15∼75분 범위에서 유지하는 것이 가장 바람직한데, 만일 15분 미만이 되면 나이오븀 탄화물의 석출이 충분히 일어나지 않아 안정화 되지 않은 탄소에 의해 크롬 탄화물이 석출될 수 있게 됨으로써 내입계 부식성이 저하되어 내식성을 만족할 수 없으며, 또한 유지시간이 75분을 초과하면 충분한 나이오븀 탄화물의 석출이 가능하지만 생산성의 저하를 초래할 수 있다.
상기의 b선 보다 낮은 온도구간에서는 통상의 냉각방법인 수냉 또는 공냉의냉각조건으로 냉각하면 된다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.
[실시예]
하기 표 1과 같이 조성되는 Nb첨가 오스테나이트계 스테인레스강(STS 347) 슬라브를 통상의 방법으로 열간 압연하여 열연판을 만든 다음, 이 열연판을 실험대상재로 하였다.
성 분 C Si Mn P S Cr Ni Nb
중량% 0.038 0.57 1.5 0.024 0.002 17.34 10.89 0.757
종래재의 경우 상기 열연판을 1050℃에서 고용화 열처리하고 930℃에서 2시간 안정화 열처리한 다음 내식성을 평가하였다.
발명재 및 비교재는 상기 열연판에 석출된 탄화물들이 모두 고용되도록 1320℃에서 20분간 유지 후, 냉각 속도를 분당 5℃에서 50℃까지로 다르게 하여 500℃까지 제어 냉각하고 상온까지는 공냉한 다음, 이 시편들을 사용하여 내식성을 평가하였다.
여기에서 시험 강종의 이론 탄화물 석출 시작온도는 나이오븀 탄화물이 1291℃이며, 크롬 탄화물은 924℃이다. 따라서 하기 표 2는 발명재 및 비교재에 대한 크롬 탄화물의 석출이 되지 않는 온도구간으로써 5∼50℃/분의 냉각속도에 따라 나이오븀 탄화물이 석출하는 924 ~ 1291℃ 의 온도범위에서 유지 시간은 7.3∼73.4분을 나타내고 있다.
시편 번호 냉각속도(℃/분) Nb탄화물석출온도에서의 유지시간(분) 비 고
1 50 7.3 비교재
2 30 12.2 비교재
3 20 18.4 발명재
4 10 36.7 발명재
5 5 73.4 발명재
표 2에서 알 수 있듯이 비교재(1,2)의 경우는 상기 Nb탄화물이 석출되면서 크롬 탄화물이 석출이 되지 않는 온도 구간에서의 냉각 속도가 50∼30℃/분으로 유지시간이 7∼13분인데 이 경우에는 나이오븀 탄화물이 충분히 석출되지 못하므로 예민화 열처리 시에 크롬 탄화물이 석출되는 것을 효과적으로 억제할 수 없는 문제가 있다. 그러나 발명재(3∼5)는 Nb탄화물 석출온도에서의 유지시간이 15∼75분이 되도록 냉각속도를 적절하게 조절한 경우로 나이오븀 탄화물이 충분히 석출되어 효과적으로 크롬 탄화물의 석출을 억제하여 내식성의 열화를 방지할 수 있다.
상기 종래재와 표 2의 시험재들에 의해 얻어진 시편들을 675℃에서 1시간 동안 유지하는 예민화 처리 후 ASTM A 262 Practice E의 규정에 따라 전기화학적 재부동태법으로 내식성을 평가하였으며 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
시편 번호 재활성화율(%) 비 고
종래재 0.8 안정화 열처리재
1 1.3 비교재
2 1.1 비교재
3 0.7 발명재
4 0.6 발명재
5 0.6 발명재
표 3에서 알 수 있듯이 본 발명재(3∼5)는 고용화 열처리 및 안정화 열처리를 하는 종래재와 비교시 동등수준 이상의 내식성을 확보할 수 있으며, 또한 비교재(1,2)에 비해서도 내식성이 우수함을 알 수 있다. 이는 비교재의 경우 나이오븀 탄화물 및 크롬 탄화물 고용 구간에서의 유지 시간이 충분치 못해서 나이오븀 탄화물의 석출이 충분치 않아 예민화 열처리시 크롬 탄화물이 석출되어 내식성이 떨어진 것으로 판단되며, 여기에서 알 수 있듯이 본 발명을 적용할 경우 내식성의 열화없이 종래의 고용화 열처리 및 안정화 열처리를 생략할 수 있어, 이에 따라 생산성 향상과 열처리 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 Nb 첨가 오스테나이트계 스테인레스강 열연강재의 제조에 있어서, 열간 압연 후 냉각 조건를 적절히 조절함으로써 종래의 고용화 열처리 및 안정화 열처리를 생략할 수 있게 하여 생산성을 향상시키고 열처리 비용을 절감할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

  1. 중량 %로, C: 0.08% 이하, Cr: 17-19%, Ni: 9-13%, Si: 1.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, P: 0.045% 이하, S: 0.030 이하, Nb: 1.0% 이하, 및 Nb: 10 ×C% 이상을 만족하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 슬라브를 열간압연하여 오스테나이트계 스테인레스강 열연강재를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 슬라브를 열간압연할 때 {6120/(3.693-log(C))}-273 ℃ 보다 높은 온도에서 압연을 종료 후, {7510/(2.96-log(Nb)-log(C))}-273 ℃와 상기 압연 종료 온도중 낮은 온도와 {6120/(3.693-log(C))}-273 ℃ 사이의 온도 구간에서 15∼75분을 유지되도록 냉각 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 Nb 첨가 오스테나이트계 스테인레스강 열연강재의 제조방법.
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