상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 페라이트계 스테인리스강은 질량%로, C : 0.008%이하, N : 0.008%이하, Si : 1.0%이하, Mn : 1.0%이하, Cr : 10.0~20.0%, Al : 0.15%이하, Ca : 0.0009 ~ 0.002%, Ti : 0.01 ~ 0.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 조성된다.
이하 본 발명에 대해서 상세히 설명한다.
본 발명은 페라이트계 스테인리스강 용접부의 저온 가공성 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 침입형 원소로써 모재 및 용접부의 가공성을 저하시키는 원소이므로, 가능한 극소량으로 하는 것이 바람직하나, 제강기술상의 제조 가격의 상승을 고려해서 C : 0.008%이하, N : 0.008%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. 특히 S의 경우 CaS를 형성하여 내식성에 큰 문제를 일으킬 수 있는 바, 상기 범위 내로 제어되어야 한다.
Cr : Cr은 10%미만에서는 스테인리스강의 기본특성인 내식성이 부족하기 때 문에 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 0.0009%이상의 첨가가 필요하다. 그러나 0.002%를 초과하여 첨가되는 경우에는 산화개재물의 크기가 증가하여 내식성에 악영향을 미치기 때문에 상한은 0.002%로 한다.
Ti : 가공성을 향상시키는 원소로서 첨가하며 0.01%이상 첨가시키는 것에 의해 효과가 나타난다. 그러나 0.5%를 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 되는 경우 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%를 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.
Ca계 또는 Ca-Ti계 산화물 : 본 발명에 따른 조성범위를 만족하는 강에는 Ca계 또는 Ca-Ti계 산화물이 존재한다. 상기 산화물은 융점이 높기 때문에 용탕 단계에서 형성된 후에 다시 용접을 거친 경우라도 새로 응고되는 조직에 존재하여 응고핵으로 작용하기 때문에 본 발명은 특히 용접부의 저온가공성 향상에 유효하다. Ca는 휘발성이 있어 전기로 공정이나 AOD, VOD공정에서 투입시 잔류되는 양이 줄어드는 문제가 있는바, 연속주조공정의 직전에 투입하는 것이 바람직하다.
Ti계 또는 Nb계 석출물 : Ti 또는 Nb는 용탕내에서 탄소와 반응하여 TiC 또는 NbC형태로 석출물을 형성하여 잔류 C, N량(free C, N)을 줄임으로써 가공성을 개선한다. 석출물의 주성분은 탄화물이나 일부의 질화물도 존재할 수 있다. Ti는 정련단계 전에 투입되어 Ca보다 먼저 투입되나 TiN의 경우 융점이 Ca계 또는 Ca-Ti계 산화물 보다 낮아 Ca계 또는 Ca-Ti계 산화물이 형성된 후에 그 복합산화물 중 일부의 주위를 TiN이 둘러싸는 형태로 형성되어 복합 게재물을 형성한다. 또한, TiN, TiC의 경우 융점이 낮아 용접부와 같이 급가열, 급냉각되는 경우 다시 잔류 C, N으로 복귀되는 문제가 있어 다량 첨가해야 했으나, 본 발명에서는 산화물과의 복합게재물 형성에 의해 이러한 문제를 해결하였다. Nb의 경우 Ti와 동일하게 질화물을 형성하여 Ca계 또는 Ca-Ti계 산화물과 복합 게재물을 형성하는바, Ti와 선택적으로 또는 함께 투입이 가능하다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하나, 이는 본 발명의 바람직한 실시예일뿐 본 발명의 범위가 이러한 실시예의 기재범위에 의하여 제한되는 것은 아니다.
(실시예)
페라이트계 스테인리스강 용접부의 가공성에 미치는 각종 산화물의 첨가 효과을 조사하기 위하여, 도 1에 나타낸 것과 같이 1㎛ 크기의 각종 산화물 분말을 강판 위에 도포하고, GTA용접을 한 후 Sn 용탕에 급냉응고를 실시하였다. 도 2는 Ca계 산화물을 첨가한 경우로서 Ca계 산화물을 중심으로 페라이트 응고가 우선적으로 시작되는 것을 알 수 있다. 즉, 강재에 고온의 산화물이 존재하면 용접 중에 산화물을 중심으로 페라이트 응고가 시작되기 때문에 용접부의 응고결정립이 등축정화 및 미세화되는 것으로 판단된다.
표 1은 다양한 산화물을 강재위에 도포하고 GTA용접을 실시한 후 용접부의 결정립 크기, 등축정율, 샤르피충격시험에 의한 용접금속부의 DBTT (연성-취성 천이온도 : Ductile Brittle Transition Temperature)과 경도를 측정한 결과이다. Ca과 Zr계 산화물을 첨가한 경우가 무첨가재 및 Mg계 산화물을 첨가한 것 보다 결정립이 미세화되고 용접부의 DBTT특성도 개선되는 것을 알 수 있다. Zr계 산화물을 첨가하는 경우에는 용접부의 품질특성을 크게 개선하지만, 용접시에 텅스텐 전극봉이 심하게 손상되는 문제점이 나타났다. 이 결과로부터, 페라이트계 스테인리스강의 용접시에는 강재내에 Ca계 산화물을 포함하면 용접부의 저온가공성을 개선 할 수 있음을 알 수 있다.
구분 |
결정립크기 (㎛) |
등출정율 |
DBTT (℃) |
경도 (Hv) |
무첨가재 |
530 |
1.7 |
-18 |
158 |
Ca계 산화물 |
138 |
1.4 |
-38 |
168 |
Mg계 산화물 |
183 |
2.38 |
-28 |
170 |
Zr계 산화물 |
131 |
1.3 |
-34 |
167 |
표 2에 표시한 페라이트계 스테인리스강 6종을 현장 실생산 설비를 이용하여 제작하였다. 먼저, 80톤 전기로에서 용제하고 열연, 소둔, 산세, 냉연, 소둔, 산세 등의 공정을 거쳐서 최종제품의 두께 1.5mm의 판재를 생산하였다. 정련공정에서 불순물인 C, N량을 제어하였으며, Ca첨가는 Ca-Si합금의 투입량을 변화시키면서 래들의 용탕에 투입하였다. Ca-Si 합금은 Lump 또는 와이어 형태로 장입하였다.
No |
C |
N |
Nb |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Ni |
Ti |
Ca |
1 |
0.007 |
0.008 |
0.013 |
0.45 |
0.30 |
0.01 |
0.002 |
11.3 |
0.09 |
0.23 |
- |
2 |
0.006 |
0.006 |
0.013 |
0.45 |
0.31 |
0.01 |
0.002 |
11.3 |
0.09 |
0.23 |
0.0004 |
3 |
0.006 |
0.006 |
0.013 |
0.42 |
0.31 |
0.01 |
0.002 |
11.3 |
0.09 |
0.24 |
0.0009 |
4 |
0.007 |
0.007 |
0.013 |
0.45 |
0.30 |
0.01 |
0.002 |
11.3 |
0.09 |
0.23 |
0.0014 |
5 |
0.008 |
0.009 |
0.012 |
0.43 |
0.31 |
0.01 |
0.003 |
11.2 |
0.09 |
0.22 |
0.0013 |
6 |
0.006 |
0.007 |
0.012 |
0.43 |
0.30 |
0.01 |
0.003 |
11.4 |
0.08 |
0.22 |
0.0022 |
GTA 용접은 DC type 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 : 100o, Arc length 1.5mm, 보호가스 Ar (15l/min)이였다.
조관용접은 용접조건 180A, 조관속도 1.0m/min, 텅스텐 전극경 : 2.5mm, 전극선단각 : 100o, Arc length 1.5mm, 보호가스 Ar (15l/min)으로 하고, 파이프 외경은 50.8mm, 두께는 1.5mm으로 제작하였다. 또한 용접비드 하부에 외부공기의 혼입 방지를 위하여 Ar 가스를 이용하여 백 쉴딩(Back shielding) 처리를 하였다.
용접부의 결정립 크기는 광학현미경을 이용하여 측정하였다. 용접부 단면을 사포 및 연마제를 사용하여 연마하고, 나이탈(Nital)용액으로 전해에칭한 후 관찰하였다. 용접부의 경도분포는 마이크로비커스 경도기를 이용하였고, 하중 200g, 유지시간 10s으로 하여 0.2mm간격으로 측정하였다.
용접부의 DBTT특성은 시험온도는 -60℃~50℃의 범위에서 1/4Sub-size (1.5㎜t×10㎜w×55㎜l) 시험편에 대하여 샤르피 충격시험을 적용하여 조사하였다.
파이프재의 가공성은 -20℃에서 한계균열율 25%까지 확관한 경우, 용접부의 균열발생 유무로서 평가하였다.
표 3은 상기 페라이트계 스테인리스강 6종에 대하여 판재 및 파이프재 용접부의 품질특성을 평가한 결과이다. No.1, No.2는 Ca가 무첨가되거나 미량만 첨가된 경우이며, No.3, No.4는 본 발명의 실시예이고, No.5는 N량이 초과된 경우이며, No.6은 Ca가 과다 첨가된 경우이다.
No.3과 No.4과 같이 Ca량이 0.0009%이상이고, C+N량이 0.016%이하의 경우에 No.1, No2의실시예에 비해 용접부의 결정립 크기와 용접부와 모재의 경도차가 감소하고, 용접부의 DBTT 특성 및 충격에너지 편차도 개선되는 것을 알 수 있다. 또한 Ca이 0.0014%첨가된 티그(TIG) 파이프재의 경우에는 -20℃에서 벤딩하여도 균열이 발생되지 않았다. 그러나 Ca 과다 첨가재 (No.6)와 Ca이 적정량 첨가되어도 C+N량이 0.016%초과하여 함유된 강재(No.5)의 경우에는 용접부가 경화되어 가공성이 저하되는 것을 알 수 있다.
No |
판재 용접부 품질특성 |
파이프 용접부 품질특성 |
용접부 결정립크기 (mm) |
경도차 (용접부-모재, Hv) |
DBTT (℃) |
충격에너지 편차 (J, -20℃) |
용접부 균열발생율 (%, -20℃) |
1 |
278 |
21 |
-18 |
6.06 |
10 |
2 |
530 |
14 |
-30 |
5.1 |
3 |
3 |
270 |
7 |
-47 |
4.8 |
0.5 |
4 |
216 |
7 |
-57 |
2.0 |
0 |
5 |
220 |
10 |
-42 |
4.5 |
1.0 |
6 |
230 |
15 |
-35 |
5.7 |
2.5 |