KR20080057590A - 열간성형성 향상을 위한 칼슘 함유 고니켈 듀플렉스스테인레스강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접봉 소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학설비용 파이프라인, 화력발전소 및 석유화학산업의 탈염소 및 탈황설비용 부품등과 같이 강도와 내식성을 동시에 요구하는 부품에 적용되는 듀플렉스계 스테인레스 재질을 용접하기 위해 우수한 열간성형성을 갖도록 Ca을 단독첨가한 열간성형성 향상을 위한 칼슘 함유 고니켈 듀플렉스 스테인레스강에 관한 것이다.

본 발명은 중량비로 C:0.03% 이하, Si:1.0% 이하, Mn:2.0% 이하, Ni:7.5 ~ 9.5%, Cr:21.5% ~ 23.5%, Mo:2.5 ~ 3.5%, N:0.12 ~ 0.20%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 합금에 Ca을 0.001 ~ 0.01% 범위로 첨가시켜 열간가공성을 향상시키는 것을 특징으로 한다. 한편, 본 발명의 기술적인 구성으로서 상기 합금은 Ti이 0.1% 이하로 더 첨가되어 열간가공성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 발명재는 기존 2209급 합금과 같은 종래재에 비해 상당한 열간성형성의 개선을 나타내어 화학, 발전소 및 해수에 노출되는 듀플렉스계 스테인레스강의 용접봉용 선재를 제조할 수 있도록 유도하여 우수한 내부식, 고강도 용접용 소재를 얻을 수 있는 장점이 있다.

듀플렉스, 스테인레스강, 열간성형, 용접봉

Description

열간성형성 향상을 위한 칼슘 함유 고니켈 듀플렉스 스테인레스강 { Ca containing high Ni content duplex stainless steels for the hot workability improvement }

도 1은 고온인장시험을 통한 단면수축률을 나타내는 그래프.

본 발명은 용접봉 소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학설비용 파이프라인, 화력발전소 및 석유화학산업의 탈염소 및 탈황설비용 부품등과 같이 강도와 내식성을 동시에 요구하는 부품에 적용되는 듀플렉스계 스테인레스 재질을 용접하기 위해 우수한 열간성형성을 갖도록 Ca을 단독첨가한 열간성형성 향상을 위한 칼슘 함유 고니켈 듀플렉스 스테인레스강에 관한 것이다.

일반적으로 듀플렉스 스테인레스강은 내산화 및 내부식성을 요구하는 산업용 설비 구조물과 부품을 제조하는 기본 소재로 널리 사용되고 있다. 특히 듀플렉스 2205계 스테인레스강은 강도가 매우 우수하고, 오스테나이트계 스테인레스강 수준 이상의 내식성을 보유함으로써 강한 부식에 노출되는 탈염소 및 탈황설비의 소재, 제지산업의 내부 스크류 컨베이어, 제지산업의 표백용 저장탱크 등과 같이 내부식성 및 강도가 동시에 요구되는 부품으로 많이 이용되고 있다.

특히, 최근에는 대기환경의 보호정책에 의해 발전소나 석유화학산업설비에서 탈염소 및 탈황설비의 설치가 의무화되고 있다. 이외에도 산업쓰레기 소각로의 공기정화 설비 등에 필수적인 고강도 내식소재로 자리를 잡아가고 있다.

통상 듀플렉스 스테인레스강은 먼저 강도를 향상시키는 역할을 담당하는 페라이트 조직과 내부식성을 향상시키는 오스테나이트 조직이 서로 공존하는 합금인 동시에, 공식저항성을 상승시키는 다량의 Cr 함유로 부식저항성이 뛰어난 소재로 잘 알려져 있다. 또한, Mo은 듀플렉스 스테인레스강의 부식저항성을 한층 향상시키는 원소이다. 대표적인 듀플렉스강은 Mn과 C의 함량이 각각 2.0% 이하, 0.03% 이하인 Fe-22%Cr-5.5%Ni-3.0%Mo-0.15%N 합금(UNS31803 또는 2205)이다. 그리고 2205급 듀플렉스 스테인레스강에 Cr과 Mo의 함량을 높여 보다 우수한 내식성을 갖도록 설계한 SAF 2507 급이 있으며, 1.2% 이하의 Mn과 0.03% 이하의 C을 포함하고 Fe-(24-26)%Cr-(6-8)%Ni-(3-5)%Mo-(0.24-0.32)%N로 조성된다.

듀플렉스 스테인레스강은 오스테나이트 스테인레스강과 우수한 부식저항성을 갖고, 강도가 50% 정도 높아 차세대 내식용 스테인레스강으로 주목받고 있다. 그러나 듀플렉스 스테인레스강은 고온연성이 낮아 열연판재로 제조하기가 어렵다는 단 점이 있다. 듀플렉스 스테인레스강에서 고온연성을 향상시키는 일반적인 방법은 Ce 첨가에 의해 이루어진다(J.L.Komi et al. Proc. of Int'l Conf. on Stainless Steels, ISIJ Tokyo, 1991, p807). 이 방법은 S를 30ppm 이하로 제어하고 Ce이 첨가되면 S의 편석이 억제되어 고온연성이 향상되는 것으로 알려져 있다.

상기의 2205, 2507급 듀플렉스 스테인레스강을 용접하기 위한 용접봉 소재는 아크열에 의해 일시적으로 용융되었다가 응고되는 부위에 Filler 재로 사용되므로 비평형조직을 보유한다. 이때, 2205, 2507급 합금의 용접접합부는 용융에 의해 질소함량이 낮아질 뿐만 아니라 비평형조직이 형성되는 관계로 페라이트 분율이 훨씬 많은 미세조직을 갖게 되어 내식성이 현저하게 감소하고 또한 취성이 증가한다. 따라서 2205, 2507급 듀플렉스 스테인레스강을 용접하기 위한 소모성 용접봉으로 사용되는 2209급 합금은 Ni 함량을 높여 용접부의 오스테나이트 분률을 높임으로써 용접부의 내식성을 향상시킨다.

반면에 고 Ni을 함유하는 2209급 듀플렉스 스테인레스강은 열간성형성이 매우 열악하다는 단점이 있다.

이에, 본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 개선시키기 위한 것으로 그 목적은, 난가공성 Ni 고함유 듀플렉스계 스테인레스강의 열간성형성을 향상시키는 미량원소 첨가기술을 개발함으로써 고강도 및 내부식성을 요구하는 설비부품의 용접재료로서 가장 적합한 고 Ni 함유 듀플렉스계 스테인레스강을 제공하는데 있 다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 발명은, 중량비로 C:0.03% 이하, Si:1.0% 이하, Mn:2.0% 이하, Ni:7.5 ~ 9.5%, Cr:21.5% ~ 23.5%, Mo:2.5 ~ 3.5%, N:0.12 ~ 0.20%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 합금에 Ca을 0.001 ~ 0.01% 범위로 첨가시켜 열간가공성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 기술적인 구성으로서 상기 합금은 Ti이 0.1% 이하로 더 첨가되어 열간가공성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 듀플렉스계 스테인레스강은 해수설비나 화학, 발전소용 설비부품으로 적용된 2304, 2205, 2507계 듀플렉스 스테인레스강의 용접에 사용되는 용접봉을 제조하는 열간압연 선재를 제조하는데 유용하다.

이하, 본 발명재의 성분조성을 상기 언급한 범위로 한정한 이유를 설명한다.

C은 Cr, Mo, W, Nb 및 V 등과 같은 탄화물 형성원소와 결합하여 고경도의 탄화물을 형성시키는 작용을 하여 재료의 강도에 유효하다고 알려져 있지만, 고내식 합금에서는 과잉의 C 함량은 페라이트-오스테나이트 상경계에 과잉의 크롬 탄화물 등과 같은 조대 탄화물을 형성시켜 상경계 주위의 크롬함량을 낮추는 효과로 인하 여 내부식 저항성을 감소시킨다.

그러므로 본 발명에 따른 합금에서는 강도보다 내식성을 최대화하기 위한 목적의 합금이므로 0.03% 이하로 설정하는 것이 바람직하다.

Si은 주로 원료재료에 잔류 원소로 일부 함유되거나 주조품 제조에 있어서 유동성을 증가시키거나 탈산효과를 얻기 위하여 소량 첨가시키지만 1.0% 이상이 되면 인성과 관련된 기계적 특성을 크게 감소시키므로 이 범위 내에서 억제되어야 한다.

Mn은 본 발명에서는 2.0% 범위까지 첨가한다. 상기 범위의 Mn 함량은 본 발명재에서 주조시에 유동성을 향상시키는 역할을 담당한다. 이 외에 Mn은 기지내에 존재하는 유리 황(S)성분과 결합하여 MnS를 일부 형성함으로써 유리 황을 제거하는 효과가 있어 열간가공성을 다소 향상시킬 수 있지만, 본 발명의 Ca과 B를 미량 첨가하는 효과보다는 작다.

Ni은 오스테나이트를 안정화시키는 원소로 잘 알려져 있다. 본 발명에 따른 합금에서는 2205, 2507급 듀플렉스 스테인레스강과 함께 용융되어서도 용접부의 오스테나이트 분률을 약 40 ~ 60% 수준으로 유지하여 내식성과 인성을 확보할 수 있도록 하기 위하여 7.5 ~ 9.5%로 제어되어야 한다.

Cr은 페라이트 안정화 원소로 알려져 있으며, 내식성 향상과 오스테나이트와 페라이트의 듀플렉스 조직을 갖도록 설계하기 위하여 첨가되는 필수적인 원소이다. 본 발명에 따른 합금계에서는 고내식성을 갖도록 유도하는 것이 주요 목적이므로 Cr 함유량이 21.5% 이하가 되면 고내식성의 유지가 어려워지고, 23.5%를 초과하게 되면 페라이트 분률을 과다하게 형성시켜 취성을 증가시키며 475℃ 근처에서도 저온 취성을 유발한다.

Mo은 페라이트 안정화 원소인 동시에 내부식 저항성을 향상시키는 원소이다. 특히 내부식 저항성 합금인 스테인레스강에서는 Mo의 첨가는 주어진 산도(pH)에서 임계부식 저항성을 개선시킨다. 이 때 Mo 함량이 2.5% 이하가 되면 본 발명에 따른 합금계에서 이루고자 하는 목표 내식성을 나타내지 못하며, 3.5% 이상이 되면 페라이트 분률이 증가하여 인성이 저하되는 문제점이 있다.

W은 Mo과 같이 페라이트를 안정화하는 작용을 하며, 상기 조성범위의 Mo 함량과 동시에 0.5%까지 복합적으로 첨가하여 공식 저항성을 보다 향상시킬 수 있다.

N는 듀플렉스 스테인레스강에서 고가의 Ni을 저감하는 것을 특징으로 한다. 그리고 N은 W과 Mo과 마찬가지로 공식 저항성을 증가시켜 내부식성을 현저히 향상시킨다. 또한 N은 M₂₃C₆와 같은 조대한 탄화물로의 천이를 지연시켜 Cr 고갈에 의한 내부식 저항성을 보다 더 향상시킬 수 있다. 본 발명에 따른 합금에서는 그 함량은 0.12 ~ 0.2%로 규정하고 있다.

본 발명에 따른 합금에서 중요한 역할을 수행하는 미량첨가원소로써 Ca의 첨가는 도 1에서 도시하고 있는 바와 같이 2209급 듀플렉스 스테인레스강의 열간성형성을 크게 증가시킨다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 더욱 잘 이해할 수 있도록 하기 위한 것으로서, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

본 실시예에서는 [표 1]에 기재한 여러가지 듀플렉스계 스테인레스강을 진공용해로를 이용하여 잉곳(ingot)을 제조하였다. 상기 잉곳은 열처리로에서 1200℃에서 2시간 동안 균질화처리된 후에 시편을 채취하였다.

[표 1]

합금 종류	화 학 조 성 (wt.%)
	C	Si	Mn	Cr	Mo	Ni	N	미량원소
비교재1	0.022	0.41	0.79	22.95	3.15	8.40	0.15	-
비교재2	0.022	0.53	0.83	22.93	3.05	8.60	0.16	0.0035Mg, 0.0034B
발명재1	0.022	0.41	0.81	23.01	3.11	8.62	0.16	0.0037Ca,
발명재2	0.023	0.52	0.72	22.85	2.65	8.57	0.16	0.0025Ca, 0.017Ti

2209급 듀플렉스 스테인레스강(비교재1)의 경우에는 고온인장시험에 의한 열간성형성 평가에서 상당히 열악한 단면수축률을 나타내며, 이는 도 1에서 도시하고 있다. 그러나, 소량의 Ca을 첨가한 합금(발명재1)에서는 성형온도조건에 따라 달라지지만 20 ~ 30% 이상의 현저한 열간성형성의 개선이 이루어짐을 관찰 할 수 있다.

이러한 특징은 [표 2]에서 보여주는 바와 같이 1050℃의 고온인장시험시에 단면수축률에서 Ti이 소량 함유된 발명재2 에서도 비슷한 열간성형성 향상이 나타난다.

[표 2]

	비교재1	발명재1	발명재2
1050℃ 단면수축률(%)	27.7	66.2	69.4

이상에서와 같이 본 발명에 따른 발명재는 기존 2209급 합금과 같은 종래재에 비해 상당한 열간성형성의 개선을 나타내어 화학, 발전소 및 해수에 노출되는 듀플렉스계 스테인레스강의 용접봉용 선재를 제조할 수 있도록 유도하여 우수한 내부식, 고강도 용접용 소재를 얻을 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술사상이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (2)

1. 중량비로 C:0.03% 이하, Si:1.0% 이하, Mn:2.0% 이하, Ni:7.5 ~ 9.5%, Cr:21.5% ~ 23.5%, Mo:2.5 ~ 3.5%, N:0.12 ~ 0.20%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 합금에 Ca을 0.001 ~ 0.01% 범위로 첨가시켜 열간가공성을 향상시킨 열간성형성 향상을 위한 칼슘 함유 고니켈 듀플렉스 스테인레스강.
2. 제1항에 있어서,

   상기 합금은 Ti이 0.1% 이하로 더 첨가되어 열간가공성을 향상시킨 열간성형성 향상을 위한 칼슘 함유 고니켈 듀플렉스 스테인레스강.

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