KR20030050212A - 페라이트계 스테인레스강의 용접부 입계부식 방지 방법 - Google Patents

페라이트계 스테인레스강의 용접부 입계부식 방지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중량비로 C:0.02%이하, Mn:0.5% 이하, P:0.04% 이하, S:0.01% 이하, Cr: 11-20%, N:0.02% 이하, Ti:10X(C+N) ≤ Ti ≤ 25X(C+N), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 스테인레스강을 1200-1250℃ 온도범위로 가열하여 열간압연하는 단계와; 750-900℃ 온도범위로 사상압연하는 단계와; 1000-1100℃ 온도범위에서 열연소둔한 다음 급냉하는 단계와; 냉간압연율 70% 이상으로 냉간 압연하는 단계와; 상기 열연소둔과 동일한 조건으로 냉연소둔처리한 다음, 급냉하는 단계;로 이루어지고 상기 페라이트계 스테인레스강으로 용접을 실시할때 600~700oC에서 1~5시간동안 예민화방지 열처리를 하여 입계부식을 방지하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인레스강의 용접부 입계부식 방지 방법.

Description

페라이트계 스테인레스강의 용접부 입계부식 방지 방법{method of prevention of intergranular corrosion of ferritic stainless steels}
본 발명은 페라이트계 스테인레스강의 용접부 입계부식 방지 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는. 입계부식을 일으키는 용접부의 결정립계 부근의 Cr 결핍층의 형성을 방지함으로써 페라이트계 스테인레스강의 입계부식을 방지하는 예민화 방지 열처리 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 도 1에 나타난 바와 같이, 스테인레스강은 11% 이상 함유되어 있는 Cr 성분에 의해 우수한 내식성을 갖는 강이다. 그러나, 사용환경에 따라서 국부적으로 Cr 성분이 11% 이하로 내려가면 내식성이 떨어지게 되며. 이런 부위를 예민화되어 있다고 한다. 페라이트계 스테인레스강은 오스테나이트계 스테인레스강에 비해서탄소의 용해도가 낮아서 열을 받으면 입계에 Cr 탄질화물이 더 용이하게 생성되어 주위에 Cr 결핍층을 형성시킴으로써 입계예민화가 발생하기 쉬운 강이다.
따라서, 이에 대한 대책으로서 탄소와 친화력이 높은 Ti 안정화 원소를 첨가하여 안정한 Ti 탄화물을 먼저 형성시킴으로써 Cr 탄화물의 형성을 억제하는 방법이 널리 사용되고 있다.
그러나, 이러한 방법으로 제조한 강들의 경우에도 사용 조건에 따라서 입계 부식이 발생하는 경우가 있기 때문에 근본적으로 어떤 환경에서도 우수한 내입계부식성을 가진 재료에 대한 개발이 요망되고 있다.
Ti는 C 또는 N과 1:1로 결합하여 TiC나 TiN을 형성하며 무게는 C, N에 비해 약 4배가 높다. 그래서 이론적으로Ti는 적어도 (C+N)의 4배 이상을 첨가해야 하며, (C+N) 함량의 6배 이상을 첨가하는 것이 일반화되어 있다. 그리고, 특수한 사용조건에 따라서 필요한 Ti 함량이 연구결과에 따라 다르게 제시되기도 한다.
페라이트계 스테인레스강에서 입계부식이 가장 잘 일어나는 곳은 용접열영향부인데, 이것을 방지하기 위해 필요한 Ti 함량은 기존의 연구결과들 사이에도 많은 차이를 보였다. 예를 들면, 500ppm의 (C+N) 함량을 가진 17wt%Cr 강을 기준으로 할 때 필요한 Ti 함량을 0.3%이상이라고 한 연구보고(Bonds and Lizlov: J. Elec. Chem., 1969, vol.116, p.1305)도 있고, 1.1%이상이라고 한 연구보고(J.J.Demo: Metall. Tras., 1974, vol.5, p.2253)도 있다. 그리고, 일본 특허 특개평11-279654에서는 소둔열처리 온도(T)도 입계부식에 영향을 미친다고 보고 적정 Ti 함량을 Ti/(C+N)≥0.006T-0.4의 식으로 제시하였다. 그러나, 이런 종래의 조건들을 만족하는 강들도 용접 후 450~550℃ 구간에서 장시간 노출되면 입계부식이 발생하는 것이 본 발명에서 밝혀졌으며, 이것은 Ti 함량만 제한하면 입계부식이 방지된다고 하는 종래의 기술로는 해결할 수 없다는 결점이 있다.
본 발명자들은 상기한 종래방법의 문제점을 해결하기 위하여, 안출된 것으로, 스테인레스강의 입계부식을 방지하기 위하여, 용접 후 적절한 입계 예민화 방지 열처리를 가해줌으로써 어떤 사용 환경에서도 입계 부식이 발생하지 않는 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 관한 예민화 방지 열처리에 의한 Cr 결핍층의 소멸을 도식적으로 나타내는 도면.
도 2는 본 발명에 관한 예민화 방지 열처리를 실시한 시편과 실시하지 않은 비교시편에 대한 입계부식시험 결과를 도시한 도면.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따라 페라이트계 스테인레스강의 입계부식을 방지하기 위해서는, 용접열영향부의 결정립계에 Cr 결핍층이 형성되지 않도록 적절한 열처리를 해주어야 한다. 왜냐하면, 비록 종래의 기술에 의거해서 결정된 양의 Ti를 함유한 강들도 용접과 같이 높은 온도로 가열된 후 급속히 냉각되는 경우에는 Ti 탄화물이 고온에서 재용해된 후 미처 재석출하지 못하기 때문에, 탄소가 기지조직에 과포화 상태로 고용되어 있게 되고, 그 후 사용환경에서 450~600 ℃의 온도에서 장시간 노출되면 탄소과 Cr이 결합하여 입계에 Cr 탄화물이 형성되고 그 결과 입계 주위에 Cr 결핍층이 생성되어 부식이 잘 일어나게 되기 때문이다.
따라서, 이런 경우에는 미리 용접부의 입계에 Cr 결핍층이 생기는 것을 막을 수 있는 처리를 해주어야 한다.
본 발명에서는 여러 가지 실험을 통하여 Ti 안정화 원소를 함유한 페라이트계 스테인레스강의 입계부식 방지를 위한 열처리 방법과 화학조성을 제시하였다. 근본적으로 용접 후에는 탄소가 과포화 상태로 되어 있기 때문에 450~600 ℃의 온도에서 입계에 Cr 탄화물과 함께 Cr 결핍층이 생기는 것은 불가피하다.
따라서, 이 때 생기는 Cr 결핍층을 없애는 것이 내입계부식성을 유지시킬 수 있는 유일한 방법이다. 본발명에서는 용접 후에 600~700 ℃에서 1시간 이상 5시간 이하의 범위에서 예민화방지 열처리를 실시하면 제 1도에 나타낸 바와 같이 입내로부터 입계의 Cr 결핍층으로 Cr이 확산하여 Cr 결핍층을 없애기 때문에 입계부식에 대한 저항성이 회복된다는 것을 제시하였다.
이하, 본 발명의 예민화 방지 열처리 조건 및 성분조성의 한정이유에 대해서 기술한다.
예민화방지 열처리
예민화방지 열처리는 모재로부터 입계의 Cr 고갈층으로 Cr이 확산하여 Cr 고갈층을 없앨수 있도록 충분한 온도인 600 ℃이상에서 1시간 이상 가열해야 하며, 과도한 산화층의 형성을 막기 위해서 700 ℃ 이하에서 5시간 이하 가열해야 한다. 따라서 예민화방지 열처리 조건은 600~700 ℃, 1~5시간으로 한정한다.
Ti: 10X(C+N) ≤ Ti ≤ 25X(C+N)
Ti는 용접성 및 표면품질에 영향을 미치는 성분으로서 본 발명의 중요한 성분이다. 너무 많이 첨가하면 표면 품질을 악화시키고 너무 적게 첨가시키면 내입계부식성이 나빠지므로 상기의 주요성분 조절범위 관계식에 의해 한정한다. 종래의기준은 (C+N)의 6배 이상 첨가하면 된다고 하였지만 본 발명에서는 상기의 관계식에서와 같이 더 높은 함량의 Ti를 첨가해야 한다고 한정하였다.
C: 0.02% 이하
C은 용접성 및 가공성을 악화시키는 성분으로서 0.02% 이상 첨가하면 용접성 및 가공성이 크게 나빠지므로 0.02% 이하로 한정한다.
Mn: 1.0% 이하
Mn은 정련공정의 탈산원소로서 함유되어 있는 원소이다. 1.0% 이상 첨가되면 가공성을 저하시키므로 1.0%이하로 한정한다.
P: 0.04% 이하
P는 불가피한 불순물로서 강중에 함유되는 성분으로서 적으면 적을수록 강의 인성 및 가공성에 좋다. 0.04% 이상 첨가되면 인성 및 가공성이 크게 악화되므로 0.04% 이하로 한정한다.
S: 0,.01% 이하
S는 불가피한 불순물로서 강중에 함유되는 성분으로서 적으면 적을수록 강의 열간가공성에 좋다. 0.01% 이상 첨가되면 열간압연 공정에서 열간가공성을 크게 떨어뜨리므로 0.01% 이하로 한정한다.
Cr:13-20%
Cr은 스테인레스강에 내식성을 부여하는 기본 성분이다. 내식성의 향상을 위해서는 많이 첨가하는 것이 좋다. 그러나, 제조비용의 절감을 위해 20% 미만으로 한정한다. 그리고, 11% 미만일 경우 내식성이 크게 악화되므로 11% 이상으로 한정한다.
N: 0.02% 이하
N은 용접성 및 가공성을 악화시키는 성분으로서 0.02% 이상 첨가하면 용접성 및 가공성이 크게 나빠지므로 0.02% 이하로 한정한다.
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.
본 발명에서 제시한 화학조성을 갖는 스테인레스강을 30kg씩 진공용해한 후 열간압연, 소둔산세, 냉간압연, 소둔산세를 차례로 실시하여 1.0mm 두께의 강판을 시험 제조하였다. 표 1에 시험재의 화학성분을 나타내었다. 그 후 두 세트의 시편에 완전용입 TIG용접을 실시한 후 500 ℃의 온도에 1~10시간 동안 노출시켰다. 그 후 한 세트의 시편에 대해서는 본 발명에 의해 600~700 ℃에서 1~5시간 동안 예민화방지 열처리를 실시하였고 다른 한 세트의 시편들은 종래의 방법대로 예민화방지 열처리를 실시하지 않았다.이들 두 종류의 시편들에 대해 실시한 입계부식 시험 결과를 표2에 정리하였다. 입계부식시험은 120g/l CuSO4ㆍ5H2O+60%H2SO4용액을 사용하여 실시하였다.
본 발명에 의해 예민화방지 열처리를 행한 시험재는 모두 입계부식이 발생하지 않았지만, 예민화방지 열처리를 하지 않은 시험재들은 모두 입계부식이 발생하였다. 그리고, 본 발명에서 제시한 대로 Ti를 10X(C+N )≤Ti≤ 25X(C+N)의 범위안에서 첨가한 시험재는 예민화방지 열처리를 하지 않아도 입계부식이 훨씬 약하게 발생하였다.
이 시험결과로 판단해 볼 때 본 발명에 의해 내입계부식성이 우수한 페라이트계 스테인레스강을 제조할 수 있다.
시험재의 화학성분
시험재 C N Cr Mn Ti P S Ti/(C+N)
Ti/(C+N) >10 A1 0.011 0.010 13.6 0.8 0.31 0.024 0.003 14.7
A2 0.011 0.012 14.4 0.7 0.33 0.020 0.003 14.3
A3 0.012 0.011 17.2 0.8 0.32 0.021 0.002 13.9
A4 0.015 0.012 17.9 0.8 0.38 0.019 0.003 14.1
A5 0.013 0.010 18.3 0.7 0.42 0.023 0.003 18.3
A6 0.012 0.011 19.8 0.8 0.36 0.022 0.003 15.7
Ti/(C+N) <10 B1 0.015 0.012 14.3 0.8 0.25 0.020 0.002 9.3
B2 0.012 0.016 17.8 0.8 0.24 0.023 0.003 8.6
B3 0.014 0.014 18.2 0.7 0.22 0.021 0.003 7.9
발명강과 비교강의 입계부식 시험 결과
시험재 예민화방지 열처리 실시 예민화방지 열처리 미실시
Ti/(C+N) >10 A1 입계부식 발생 없음(650oC, 1시간) 약하게 발생
A2 입계부식 발생 없음(650oC, 3시간) 약하게 발생
A3 입계부식 발생 없음(650oC, 5시간) 약하게 발생
A4 입계부식 발생 없음(600oC, 1시간) 약하게 발생
A5 입계부식 발생 없음(600oC, 5시간) 약하게 발생
A6 입계부식 발생 없음(700oC, 3시간) 약하게 발생
Ti/(C+N) <10 B1 입계부식 발생 없음(650oC, 3시간) 심하게 발생
B2 입계부식 발생 없음(600oC, 5시간) 심하게 발생
B3 입계부식 발생 없음(700oC, 1시간) 심하게 발생
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 시험재는 모두 입계부식이 발생하지 않았지만, 예민화방지 열처리를 하지 않은 시험재들은 모두 입계부식이 발생하였다. 따라서, 본 발명에 의하면, 내입계부식성이 우수한 페라이트계 스테인레스강을 제조할 수 있는 효과를 가진다.

Claims (1)

  1. 중량비로 C:0.02%이하, Mn:0.5% 이하, P:0.04% 이하, S:0.01% 이하, Cr: 11-20%, N:0.02% 이하, Ti:10X(C+N) ≤ Ti ≤ 25X(C+N), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 스테인레스강을 1200-1250℃ 온도범위로 가열하여 열간압연하는 단계와; 750-900℃ 온도범위로 사상압연하는 단계와; 1000-1100℃ 온도범위에서 열연소둔한 다음 급냉하는 단계와; 냉간압연율 70% 이상으로 냉간 압연하는 단계와; 상기 열연소둔과 동일한 조건으로 냉연소둔처리한 다음, 급냉하는 단계;로 이루어지고 상기 페라이트계 스테인레스강으로 용접을 실시할때 600~700oC에서 1~5시간동안 예민화방지 열처리를 하여 입계부식을 방지하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인레스강의 용접부 입계부식 방지 방법.
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