KR20050055838A - 저압 유도용해법을 이용한 고질소 스테인리스강 제조방법및 그 방법으로 제조된 고질소 스테인리스강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상용 진공유도용해로(vacuum induction melter)를 이용하여 질소분압 1기압, Fe-Cr-N계 모합금 첨가만으로 중량비 0.5% 이상의 고질소함유 스테인리스강을 제조해낼 수 있는 방법과 동 방법으로 제조된 고질소 스테인리스강을 제공하는 것을 목적으로 하는 발명으로서, Fe-30%Mn, 전해철, Fe-60%Mo, 순 Cr, 그리고 질소함량 제어를 위한 Fe-58.8%Cr-6.6%N 모합금을 용해로에 장입하되 이 때 장입순서는 일부 전해철을 도가니 바닥에 장입하고, 순 Cr, Fe-30%Mn, Fe-60%Mo를 장입되고 이들 사이에 분말형태의 Fe-58.8%Cr-6.6%N 모합금을 장입하며, 모합금 및 전해철 장입 후 10^-3 torr 진공이 유지될 수 있게 1시간 정도 충분히 유지한 후 서서히 온도를 높이고, 장입된 모합금 및 전해철이 용융되기 시작하면 질소가스를 주입하여 용해로 내부 질소분압이 1기압이 되게 하고, 용해가 진행되면 교반수단을 사용하여 합금원소 편석을 제거하기 위한 교반 작업을 행하고, 용해가 완료된 후 용탕온도 측정후 1.500℃에서 출탕하는 것을 특징으로 하는 고질소 스테인리스강 제조방법을 제공한다.

본 발명은 또한 상기 방법으로 제조되는 스테인리스강으로서, 중량비로 17~18%의 Cr, 14~20%의 Mn, 3~4%의 Mo, 0.5% 이상의 N를 포함하는 성분조성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고질소 스테인리스강을 제공한다.

Description

저압 유도용해법을 이용한 고질소 스테인리스강 제조방법 및 그 방법으로 제조된 고질소 스테인리스강{HIGH NITROGEN STAINLESS STEEL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE HIGE NTTROGEN STAINLESS STEEL UTLLIZING LOW PRESSURE INDUCTION MELITNG}

본 발명은 고질소 스테인리스강 제조방법에 관한 거승로, 특히 고가의 설비를 요하는 가압 유도용해(pressurized induction melting)법을 사용하지 않고서도 설비가 저렴하고 간단한 저압 유도용해법(질소분압 1기압)만으로 중량비로 0.5% 이상의 고질소를 함유하는 경제성이 우수한 스테인리스강 제조방법 및 동 방법으로 제조된 고질소 스테인리스강에 관한 것이다.

스테인리스강에 대한 질소첨가는 스테인리스강의 내식성 및 기계적 특성 향상에 크게 기여하지만, 질소고용도의 제한과 주입공정의 난해성 때문에 대량 생산과 적극적인 공업적 응용에는 한계가 있었다. 그러나, 최근 질소분위기에서의 유도용해법, PESR(pressurized electro-slag remelting)법, 고상질화(solution nitriding)법 그리고 분말야금법 등 다양한 공정기술의 발전으로 상용 고질소강(HNS, high nitrogen steels)도 개발되었다. 이와 함께 항공우주, 발전설비, 생체재료 등에의 응용을 목표로 최근 유럽과 일본을 중심으로 개발이 본격화되고 있으며, 일부 상용 고질소강은 현재 발전기용 리테이닝링(retaining ring), 항공기용 축류압축기(axial compressor), 베어링(bearing) 부품 등에 적용되고 있고 사용범위를 넓혀 가고 있다.

기존의 스테인리스강에 대한 연구는 강의 제반특성 향상에 주력하였으나, 고질소강의 경우는 강의 특성향상 뿐만 아니라 인체 알레르기를 유발하는 금속사용의 제한(Directive 94/27/EC 1994)으로 인한 인체친화성, 그리고 유한한 자원의 효율적인 리사이클링을 위한 환경부담의 저감을 위한 환경친화성 등을 고려한 새로운 개념의 합금이다. 즉, 스테인리스강의 주요 합금원소이지만 인체에 유해한 Ni 을 다른 원소로 대체하고, 합금성분을 단순화하기 위해 합금원소로서 질소를 적극 활용하는 것이 가장 유력한 방법으로 보고되고 있다. 이러한 배경을 바탕으로 고질소강의 제조방법, 물리,화학적 특성, 가공방법, 기계적 특성, 합금설계 방안에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

위의 고질소 스테인리스강 제조공정 중 고상질화처리법 및 분말야금법은 시편형상이나 크기에 제약이 있으며, 가압 유도용해법이나 가압 ESR 법의 경우 유럽이나 일본 등 여러 선진국에서 상용 고질소 스테인리스강 제조에 많이 이용하고 있는 방법들이지만 설비자체의 각겨이 매우 비싸기 때문에 기존의 스테인리스강에 비해 특성은 우수하나 경제성이 떨어진다는 단점이 있다.

이상의 질소고용도 증가를 위한 질소주입기술 이외에도 고질소강 제조시 고려되어야 할 가장 중요한 인자는 응고거동이다. 액상상태에서 높은 질소함량을 확보했다고 하더라도 델타 페라이트로 응고가 진행될 경우 낮은 질소고용도와 분배계수 때문에 질소는 성장하는 델타 페라이트 고상내부로 고용되지 못하고 고액계면에 농축되어 결국 응고말기에 기공 등 주조결함을 생성하게 되며, 그 결과 회수율이 매우 낮은 잉고트를 얻게 된다. 이러한 델타 페라이트구간을 최소화하기 위해서는 첫째, 질소분압을 증가시키는 용해공정 및 둘째, 적절한 합금설계가 요구된다.

따라서, 본 발명은 첫째, 값비싼 가압 유도용해공정을 사용하지 않고서도 저압 유도용해만으로 중량비 0.5% 이상의 고질소를 함유하는 스테인리스강 합금제조를 이루어낼 수 있는 방법을 제공하고, 둘째, 오스테나이트계 스테인리스강의 주요 합금원소이지만 값이 비싸고 인체에 유해한 Ni을 대체 하면서 응고시 델타 페라이트 구간을 최소화하도록 설계제조된 고질소 스테인리스강을 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 아울러, 본 발명은 열간 성형성이 열악한 고질소강의 양호한 열간압연 조건 확보를 기술적 과제로 한다.

본 발명은 상용 진공유도용해로(vacuum induction melter)를 이용하여 질소분압 1기압, Fe-Cr-N계 모합금 첨가만으로 중량비 0.5% 이상의 고질소함유 스테인리스강을 제조해내는 것을 목적으로 하는 발명으로서, 그 주요 기술 내용은 1) 합금제조 용해공정, 2) 합금성분 및 질소함량 재현성, 그리고 3) 열간 판재제조를 위한 압연공정 제어기술 등으로 구성된다.

먼저, 본 발명에 따른 고질소 스테인리스강 제조방법으로서, 질소분압 1기압 하에서 중량비 0.5% 이상의 고질소를 함유하는 스테인리스강의 제조공정은 다음과 같다.

먼저, 증기압이 낮아 용해시 흄(fume) 생성 및 편석의 우려가 있는 Mn의 경우 Fe-30%Mn( 이후 모든 %는 중량비를 의미함) 모합금을 제조하여 첨가한다. 제조된 Fe-30%Mn, 전해철, Fe-60%Mo, 순 Cr, 그리고 질소함량 제어를 위한 Fe-58.8%Cr-6.6%N 모합금을 알루미나 도가니에 장입한다. 이 때 장입순서는 일부 전해철을 도가니 바닥에 장입하고, 순 Cr, Fe-30%Mn, Fe-60%Mo를 장입하되 이들 사이에 분말형태의 Fe-58.8%Cr-6.6N 모합금을 장입한다. 합금원소의 장입후 다시 나머지 함량의 전해철을 장입한다. 모든 모합금은 장입이전에 표면부 불순물 제거를 위해 아세톤 용액에서 세척하였다.

응고시 질소가스 편석에 의한 응고결함(기공, 수축 등) 및 합금원소 편석을 최소화하기 위해 S45C 재질의 Y블럭 몰드(Y-block mold)를 사용하였고, 용해전 BN(boron nitride) 스프레이(spray)로 용탕과 접촉되는 표면부를 0.5mm 정도로 두껍게 코팅하였다. 또한 용탕주입시 용탕의 손실을 방지하기 위해 304 스테인리스강 재질의 두께 2mm 깔대기를 사용하였다.

모합금 및 전해철 장입 후 10^-3 torr 진공이 유지될 수 있게 1시간 정도 충분히 유지한 후 서서히 온도를 높인다. 장입된 모합금 및 전해철이 용융되기 시작하면 질소가스를 주입하여 유도용해로 내부 질소분압이 1기압이 되게 한다. 용해가 진행되면 교반수단(stirrer)을 사용하여 합금원소 편석을 제거하기 위해 교반(strring) 작업을 하고, 용해가 완료된 후 용탕온도 측정후 1,500℃에서 출탕한다.

다음, 상기한 바와 같은 저압 유도용해법을 이용한 본 발명의 방법으로 제조된 합금의 화학조성은 다음 <표1>에, 그리고 이로써 얻어진 주괴의 대표적 사진은 도1에 나타내었다.

<표1> 본 발명의 방법으로 제조된 고질소 스테인리스강의 화학성분 분석표

(단위 : wt.%)

Alloys	Cr	Mn	Ni	Mo	C	Si	N
18Cr-20Mn-3Mo-N	17.94	19.00	0.07	3.12	0.03	0.15	0.56
18Cr-18Mn-2Ni-3Mo-N	17.73	17.92	1.71	3.13	0.02	0.10	0.58
18Cr-14Mn-4Ni-3Mo-N	17.88	14.36	3.36	3.14	0.02	0.12	0.52

고질소강 제조공정중 질소주입기술 이외에 가장 중요한 인자는 재현성있는 질소 함량을 확보하는 것이다. 상기 <표1>에 나타낸 세가지 강종중 완전 오스테나이트계 고질소강인 Fe-18Cr-18Mn-2Ni-3Mo-N 및 Fe-18Cr-14Mn-4Ni-3Mo-N 합금들을 대상으로 4차에 걸친 재용해를 실시하였다. 재용해시 1) 모합금 장입 및 용해순서, 2) 분위기 가스압력 조절, 3) 출탕온도 등 용해공정 변수 제어를 통해 재현성 있는 질소함량을 확보할 수 있었으며, 그 결과를 다음 <표2>에 나타내었다.

<표2> 4차에 걸친 질소함량 분석표

(단위 : wt.%)

	1차용해	2차용해	3차용해	4차용해
Fe-18Cr-18Mn-2Ni-3Mo-N	0.64	0.64	0.62	0.58
Fe-18Cr-14Mn-4Ni-3Mo-N	0.54	0.56	0.58	0.52

상기와 같이 본 발명의 따라 제조된 고질소 스테인리스강 주괴를 열간압연하기 위한 바람직한 조건은 다음과 같다.

고질소강은 열간 성형성이 열악하기 때문에 고온 가공이나 변형이 매우 어렵다. 특히, 질소에 의한 고온취성은 열간 압연이나 단조 공정을 어렵게 하기 때문에 용해 후 건전한 주괴 확보 및 열간 압연이나 단조 조건 확보는 매우 중요하다. 여러 차례 열간압연 시도결과 얻어진 최적 열간압연조건은 1) 압연전 가열온도 : 1.150℃ ×2시간, 2) 압연종료온도 : 900℃ 이상, 3) 압하량 : 초기 2mm -> 4mm 총 10pass였으며, 최초 32mm 슬라브를 최종 4mm 압연판재로 제조하는데 성공하였다. 열간압연 결과 얻어진 판재의 마크로(macro) 사진을 도면 2에 나타내었다.

상기와 같은 본 발명은 값비싼 고압 용해법을 이용하지 않고서도 저압(질소 분압 1기압) 용해법만으로 중량비 0.5wt.% 이상의 질소를 함유한 고절소강 스테인리스강을 경제적으로 제조해낼 수 있게 된 효과를 제공한다.

도1은 본 발명의 방법에 의해 제조된 고질소강 주괴의 사진,

도2는 상기 주괴에 대한 열간압연 공정변수 제어를 통해 얻어진 고질소강 열간압연 판재의 사진.

Claims (3)

1. Fe-30%Mn, 전해철, Fe-60%Mo, 순 Cr, 그리고 질소함량제어를 위한 Fe-58.8%Cr-6.6%N 모합금을 용해로에 장입하고, 장입후 용해로 내부를 진공도 10^-3 torr의 진공이 유지되게 한 후 서서히 온도를 높여 장입된 모합금 및 전해철의 용융을 행하고, 장입된 모합금 및 전해철이 용융되기 시작하면 질소가스를 주입하여 용해로 내부 질소분압이 1기압이 되게 하며, 용해가 완료된 후 그 용탕을 1,500℃의 온도에서 출탕하는 것을 특징으로 하는 고질소 스테인리스강의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 전해철 및 모합금의 용해로내 장입은 일부 전해철을 용해로 바닥에 장입하고, 순 Cr, Fe-30%Mn, Fe-60%Mo를 장입하되 이들 사이에 분말형태의 Fe-58.8%C₂-6.6%N 모합금을 장입한 후 다시 나머지 함량의 전해철을 장입하는 순서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고질소 스테인리스강의 제조방법.
3. 제1항의 방법으로 제조되는 고질소 스테인리스강으로서, 중량비로 17~18%의 Cr, 14~20%의 Mn, 3~4%의 Mo, 0.5% 이상의 N를 포함하는 성분조성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고질소 스테인리스.