상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 페라이트계 스테인리스강은 질량%로, C : 0.01%이하, N : 0.01%이하, Si : 1.0%이하, Mn : 1.0%이하, Cr : 10.0~20.0%, Al : 0.15%이하, Ca : 0.0005~0.002%, Zr : 0.0018~0.01%, O : 0.004~0.008%, Ti : 0.01 ~ 0.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.
또한 본 발명의 페라이트계 스테인리스강의 제조방법은 전기로에서 스테인리스 용탕을 제조하는 단계, 상기 제조된 스테인리스 용탕을 정련하는 단계, 상기 정련된 용탕을 연속주조하는 단계, 상기 주조된 강괴를 압연하는 단계, 상기 압연된 압연재를 소둔하는 단계로 제조되어,
질량%로, C : 0.01%이하, N : 0.01%이하, Si : 1.0%이하, Mn : 1.0%이하, Cr : 10.0~20.0%, Al : 0.15%이하, Ca : 0.0005~0.002%, Zr : 0.0018~0.01%, O : 0.004~0.008%, Ti : 0.01 ~ 0.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고,
상기 정련 단계는 산소를 0.01%이하로 제어한 다음에 용탕에 Zr을 투입한 후 Ca을 장입하는 단계를 포함한다.
이하 본 발명에 대해서 상세히 설명한다.
본 발명은 페라이트계 스테인리스강 용접부의 저온 가공성 및 내식성의 개선을 위하여 용접부의 응고 결정립을 미세화하고, 충분한 탄질화물을 형성하여 잔류 C, N 량을 저감시키는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강의 성분 한정 이유를 설명한다.
C, N : C, N은 모재 및 용접부의 가공성을 저하시키는 원소이므로, 가능한 극소량으로 하는 것이 바람직하나, 제강기술상의 제조 가격의 상승을 고려해서 C : 0.01%이하, N : 0.01%이하로 한다.
Si, Mn, Al, P, S : 이러한 원소는 불가변적으로 강 중에 존재하지만, 다량으로 존재하면 가공성을 저하시키고, 스테인리스강의 특징인 내식성을 저하시키기 때문에 Si: 1.0%이하, Mn: 1.0%이하, Al : 0.15%이하, P : 0.040%이하, S : 0.010%이하로 하는 것이 타당하다.
Cr : Cr은 10%미만에서는 스테인리스강의 기본특성인 내식성이 부족하기 때문에 Cr량은 10%이상으로 한다. 또한 Cr량이 높으면 용접부의 인성이 악화하는 경우가 있기 때문에 Cr은 20%이하로 한다.
Ca : Ca은 본 발명에서 과제로 되고 있는 용접성을 향상시키는 것에 대한 필수적인 원소이다. 용접성을 향상시키기 위해서는 0.0005%이상의 첨가가 필요하다. 그러나 0.002%이상 첨가되는 경우에는 산화개재물의 크기가 증가하여 내식성에 악영향을 미치기 때문에 상한은 0.002%로 한다.
Zr : Zr은 Ca과 같이 본 발명에서 과제로 되고 있는 용접성을 향상시키는 것에 대한 필수적인 원소이다. 또한 Zr은 산화물 입자의 크기를 최소화하여 강재의 내식성도 개선하는 역할을 한다. 또한 Zr은 질화물 또는 탄화물을 형성하여 산화물과 복합 개재물을 형성하기도 한다. 용접성 및 내식성을 향상시키기 위해서는 0.002%이상의 첨가가 필요하다. 그러나 0.01%이상 첨가되는 경우에는 첨가량 증가에 따른 원가 상승과 함께 제강공정중의 노즐막힘등의 문제점이 있어 상한은 0.01% 로 한다
O : Zr, Ca계 산화물을 형성하는 원소이며, 0.004%이하로 되면 산화물 형성이 곤란하고, 0.008%이상이면 품질개선 효과가 적은 것으로 확인되었다. 용접부의 가공성을 극도로 요구하는 경우에는 산소 함량을 0.005%이하로 하는 것이 바람직하다.
Ti : 가공성을 향상시키는 원소로서 첨가한다. Ti: 0.01%이상 첨가시키는 것에 의해 효과가 나타난다. 그러나 Ti: 0.5%을 초과하여 첨가하는 경우에는 고용 Ti량의 증가에 의해서 가공성이 악화되는 문제점이 있다.
상기한 성분계로 조성되는 강에 요구되는 물성에 따라 합금원소가 포함될 수 있다. 예를 들어 내식성을 향상하고자 하는 경우에는 Mo, Ni, Cu의 적어도 1종을 0.1-2.0%의 조성범위로 추가로 첨가할 수 있다. Mo, Ni, Cu의 적어도 1종의 함량이 0.1%이상 되는경우 내식성 향상효과를 얻을 수 있으며, 2.0% 초과할 경우에는 가공성이 악화되고 제조가격도 상승된다. 또한, Nb의 경우에는 0.5%까지 포함될 수 있다. Nb의 함량이 0.5%을 초과하는 경우에는 고용 Nb량의 증가에 의해서 가공성이 악화되는 문제점이 있다. Nb를 첨가하여 NbN, NbC등을 형성하여 가공성을 개선하고자 하는 경우에는 0.01-0.5%로 포함되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 조성범위를 만족하는 강에는 Ca-Zr계 또는 Ca-Zr-Ti계 산화 물이 존재한다. 이들 산화물은 1~3㎛크기로 5-10개/㎟을 포함하는 것이 바람직하다. 1㎛이하의 Ti계 또는 Nb계 석출물이 39,000개/㎟이상을 포함한다.
본 발명의 강의 제조방법에 대하여 설명한다.
상기한 본 발명의 페라이트계 스테인리스강은 다음과 같은 과정을 통해 제조된다. 먼저, 전기로에서 스테인리스 용탕을 제조하고, 제조된 스테인리스 용탕을 정련한 다음, 상기 정련된 용탕을 연속주조하여 강괴를 얻고, 강괴를 압연하여 압연재를 얻는다. 이 압연재는 소둔된다.
본 발명에서는 원하는 Ca-Zr, Ca-Zr-Ti계 산화물을 얻기 위하여 정련 단계에서 산소를 0.01%이하로 제어한 다음에 용탕에 Zr을 투입한 후 Ca을 장입하는 과정으로 구성된다. 종래에는 Ca의 장입후 Zr을 투입하고 후에 Zr을 투입하여 잔류산소를 제거하는 기술이 있는데, 이 경우에는 조대한 CaO 또는 CaS을 형성하여 강재 표면품질 및 내식성 저하를 초래하고 다량의 Zr 첨가로 제조단가가 상승하는 문제점이 있었다.
Ca와 산소가 반응하여 단독으로 CaO를 이루는 경우에는 산화물의 크기가 과도하여 상기 문제가 있으며, ZrO의 경우에는 크기가 작아 응고핵으로 작용할 수 없다. 따라서 본 발명에서는 Ca와 Zr의 복합 산화물을 형성하여 산화물의 크기를 응고핵으로 작용하기 적합한 크기로 제어하는 것을 목적으로 한다.
다만 Ca의 경우 Zr보다 산소와의 반응성이 크기 때문에 Ca를 먼저 투입하고 Zr을 나중에 투입하는 경우 또는 동시에 투입하는 경우에는 Zr을 다량 투입해야 본 발명과 같은 효과를 거둘 수 있기 때문에 다량의 Zr 투입에 의한 ZrO, ZrN의 다량 생성에 의해 취성균열의 문제점과 단가상승의 문제가 발생하게 된다.
본 발명에서는 Ca투입 전에 Zr을 투입하는 것을 특징으로 한다. 미량의 Zr을 선투입하는 경우 ZrO를 형성하여 산소의 농도를 낮추게 되고 그 후 Ca의 투입에 의해 Zr과 복합산화물을 형성하여 산화물의 크기를 적정화하여 가공성 및 내식성을 향상시킬 수 있다.
또한 Ti는 질소와 반응하여 TiN을 이루어 질소농도를 낮추어 가공성을 개선한다. Ti는 정련단계 전에 투입되어 Ca, Zr보다 먼저 투입되나 TiN의 경우 융점이 Ca-Zr계, 또는 Ca-Zr-Ti계 산화물보다 낮아 Ca-Zr계, 또는 Ca-Zr-Ti계 산화물이 형성된 후에 그 복합산화물 중 일부의 주위를 TiN이 둘러싸는 형태로 형성되어 복합 게재물을 형성한다. Nb의 경우 Ti와 동일하게 질화물을 형성하여 Ca-Zr계, 또는 Ca-Zr-Ti계 산화물과 복합 게재물을 형성하는 바, Ti와 선택적으로 또는 함께 투입이 가능하다.
상기 산화물과 복합 게재물의 경우, 융점이 높기 때문에 용탕단계에서 형성된 후에 다시 용접을 거친 경우라도 새로 응고되는 조직에 존재하여 응고핵으로 작 용하기 때문에 본 발명은 특히 용접부의 가공성, 내식성 향상에 유효하다.
Ti계 또는 Nb계 석출물 : Ti 또는 Nb는 용탕내에서 탄소와 반응하여 TiC 또는 NbC형태로 석출물을 형성하여 가공성을 개선한다. 석출물의 주 성분은 탄화물이나 일부의 질화물도 존재할 수 있다.
본 발명에 따른 정련방법의 일례를 나타내면 아래 표 1과 같다.
투입순서 |
질화물 |
산화물 |
석출물 |
복합개재물 |
Ti→Ca→Zr |
TiN |
CaO, ZrO |
TiC |
없음 |
Ti→Zr→Ca |
TiN |
Ca-Zr계 또는 Ca-Zr-Ti계 복합산화물 |
TiC |
Ca-Zr계 또는 Ca-Zr-Ti계 산화물과 질화물의 복합개재물 |
표 1에서 Ca를 Zr 보다 먼저 투입한 경우에는 Zr보다 산소와의 반응성이 크므로 CaO, ZrO의 단독 형태의 산화물이 형성된다. 반면, Ca의 투입 전에 Zr를 투입한 경우에는 Ca-Zr계와 같은 복합산화물이 형성된다. 이 경우에는 Zr의 회수율을 향상된다.
본 발명에 있어서 용접성은 용접방법의 종류에 관계없이 GTA용접, 레이저용접, 플라즈마 용접과 같이 용융응고의 프로세스를 경유하는 용접방법이면 어떠한 방법으로도 용접성은 향상된다. 용접조건은 소재의 성분, 강판 두께, 목적 등의 다양한 조건에 대응하여 선택될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하나, 이는 본 발명의 바람직한 실시예일뿐 본 발명의 범위가 이러한 실시예의 기재범위에 의하여 제한되는 것은 아니다.
(실시예)
표 2에 표시한 페라이트계 스테인리스강 10종을 용제하고 열연, 소둔, 산세, 냉연, 소둔, 산세 등에 의해 두께 1.5mm의 판재를 제작하고, GTA 용접을 실시하였다. No.1은 STS409L의 기본합금 조성을 나타낸 것이고, No.2~3은 Ca만을 단독으로 첨가한 것이며, No4~9는 C+N함량을 변경한 경우의 Ca과 Zr을 복합 첨가한 것을 나타낸다. No10은 산소의 양을 제어하지 않은 경우의 비교예이다. Nb의 경우 실시예 4에서는 0.014%, 실시예 9에서는 0.012%, 나머지 실시예에서는 0.013%가 존재한다.
시험용해 페라이트계 스테인리스강 화학성분 (wt%)
No |
C |
N |
O |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Ti |
Zr |
Ca |
1 |
0.006 |
0.006 |
0.0053 |
0.45 |
0.30 |
0.01 |
0.002 |
11.3 |
0.23 |
- |
- |
2 |
0.006 |
0.006 |
0.0056 |
0.45 |
0.31 |
0.01 |
0.002 |
11.3 |
0.23 |
- |
0.0009 |
3 |
0.006 |
0.006 |
0.005 |
0.45 |
0.30 |
0.01 |
0.002 |
11.3 |
0.23 |
- |
0.0014 |
4 |
<0.005 |
0.0067 |
0.005 |
0.518 |
0.326 |
0.01 |
<0.002 |
11.25 |
0.21 |
0.0018 |
0.0009 |
5 |
<0.005 |
0.0067 |
0.005 |
0.485 |
0.281 |
0.01 |
<0.002 |
11.41 |
0.26 |
0.0022 |
0.0007 |
6 |
<0.005 |
0.0060 |
0.005 |
0.443 |
0.291 |
0.01 |
<0.002 |
11.39 |
0.256 |
0.0050 |
0.0010 |
7 |
0.008 |
0.010 |
0.005 |
0.459 |
0.303 |
0.01 |
<0.002 |
11.31 |
0.238 |
0.0025 |
0.0012 |
8 |
0.007 |
0.0088 |
0.005 |
0.472 |
0.295 |
0.01 |
<0.002 |
11.32 |
0.233 |
0.0046 |
0.0014 |
9 |
0.006 |
0.0099 |
0.005 |
0.440 |
0.295 |
0.01 |
<0.002 |
11.34 |
0.233 |
0.009 |
0.0015 |
10 |
<0.005 |
0.0060 |
0.011 |
0.480 |
0.290 |
0.01 |
<0.002 |
11.31 |
0.253 |
0.0025 |
0.0012 |
본 발명의 제조 방법은 상기 조성의 용탕을 전기로에서 스테인리스 용탕을 제조하는 단계, 상기 제조된 스테인리스 용탕을 정련하는 단계, 상기 정련된 용탕을 연속주조하는 단계, 상기 주조된 강괴를 압연하는 단계, 상기 압연된 강괴를 소둔하는 단계로 제조되며,
상기 정련 단계는 산소를 O : 0.004~0.008%로 제어하는 단계와 연속주조하기 직전에 용탕에 Zr을 투입한 후 Ca을 장입하는 단계를 포함하였다.
산소의 제어는 AOD 또는 VOD단계에서 Si 또는 Al탈산제로 수행되었으며 Ca와 Zr의 경우 휘발성이 있어 전기로 공정이나 AOD 또는 VOD공정에서 투입시 잔류되는 양이 줄어드는 문제가 있는바, 연속주조공정의 직전에 투입하였다. Ca은 Fe-Ca계, Zr은 순금속의 판재를 이용하였다.
GTA 용접은 DC 타입 용접기(최대용접전류 350A)를 사용하였으며, 비드 온 플레이트(bead on plate)로 실시하였다. 용접조건은 용접전류 : 110A, 용접속도 : 0.32m/min, 텅스텐 전극경 : 2.5mm, 전극선단각 : 100°, Arc length 1.5mm, 보호가스 Ar (15l/min)이었다.
용접부의 결정립 크기는 광학현미경을 이용하여 측정하였다. 용접부 단면을 사포 및 연마제를 사용하여 연마하고, 나이탈(Nital) 용액으로 전해에칭한 후 관찰하였다. 용접부의 경도 분포는 마이크로비커스 경도기를 이용하였고, 하중 200g, 유지시간 10s으로 하여 0.2mm간격으로 측정하였다.
산화물 및 석출물 입자의 분포를 측정하는 방법은 1㎛이상의 크기에 대해서는 EPMA에서 경면연마한 시험편을 5000배 10시야에서 상기 산화물 및 석출물을 형성하는 원소를 맵핑하여 그 개수 및 크기를 측정하고, 점유율을 산출하였다. 또한 1㎛미만의 산화물 및 석출물 입자에 관해서는 레프리카를 메쉬에 뜨고, 투과형 전자현미경을 이용하여 10000~100000의 10시야에서 분석을 실시하였다.
용접부의 DBTT특성은 시험온도는 -60~ 100℃의 범위에서 1/4Sub-size (1.5㎜t×10㎜w×55㎜l) 시험편에 대하여 샤르피 충격시험(Charpy impact test)을 적용하여 조사하였다. 공식시험은 Ø15 디스크 시편을 사포 #600으로 연마한 후, 부동태 피막형성을 위해 공기 중에 5시간 이상 방치한 후 용액은 NaCl 3.5% 800㎖을 이용하였다.
표 3는 시험용재 10종에 대하여 용접부의 충격특성과 강재의 내식성을 평가한 결과이다. 발명예인 실시예 4내지 9는 실시예 1내지 3의 무첨가재 및 Ca 단독 첨가재에 비해 Ca, Zr을 복합첨가한 경우 용접부의 결정립 크기와 경도가 감소하고, 용접부의 DBTT 특성 및 충격에너지 편차도 개선되었다. 또한 Ca+Zr첨가재의 경우에는 공식전위값도 증가하여 강재의 내식성도 동시에 개선할 수 있는 것을 알 수 있다. 특히 Ca, Zr을 복합첨가한 경우에는 C와 N함량이 180ppm 수준에서도 용접부의 저온 충격특성 및 강재의 내식성을 확보할 수 있기 때문에 정련공정의 조업시간을 단축할 수 있는 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 또한 산소의 농도를 0.01%이하로 제어한 발명예는 산소의 농도를 제어하지 않은 실시예10보다 용접성이 개선되고 내식성 우수하였다.