KR20100023009A

KR20100023009A - 내열성이 우수한 페라이트계 스테인리스강

Info

Publication number: KR20100023009A
Application number: KR1020097027290A
Authority: KR
Inventors: 야스시 가토; 노리마사 히라타; 데츠유키 나카무라; 다쿠미 우지로; 히로키 오타
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-03-03
Also published as: CN101688280A; ES2683118T3; TWI399443B; US20110008200A1; BRPI0903898A2; EP2166120A4; CN101688280B; WO2009110640A1; EP2166120A1; JP2009235569A; BRPI0903898B1; US9279172B2; RU2009149446A; RU2429306C1; JP4386144B2; EP2166120B1; TW200942625A; KR20130016427A

Abstract

Mo 나 W 등의 고가의 원소를 첨가하지 않고, 내산화성과 내열 피로 특성이 모두 우수한 페라이트계 스테인리스강을 제공한다.

구체적으로는, C : 0.015 mass% 이하, Si : 1.0 mass% 이하, Mn : 1.0 mass% 이하, P : 0.04 mass% 이하, S : 0.010 mass% 이하, Cr : 16∼23 mass% 이하, N : 0.015 mass% 이하, Nb : 0.3∼0.65 mass%, Ti : 0.15 mass% 이하, Mo : 0.1 mass% 이하, W : 0.1 mass% 이하, Cu : 1.0∼2.5 mass%, Al : 0.2∼1.5 mass% 를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 페라이트계 스테인리스강.

페라이트계 스테인리스강

Description

내열성이 우수한 페라이트계 스테인리스강{FERRITIC STAINLESS STEEL HAVING EXCELLENT HEAT RESISTANCE}

본 발명은, Cr 함유 강에 관한 것으로, 특히 자동차 (automobile) 나 오토바이 (motorcycle) 의 배기관 (exhaust pipe), 컨버터 케이스 (converter case)) 나 화력 발전 플랜트 (thermal electric power plant) 의 배기 덕트 (exhaust air duct) 등의 고온 환경하에서 사용되는 배기계 부재에 사용하기에 바람직한, 높은 열 피로 특성 (thermal fatigue resistance) 과 내산화성 (oxidation resistance) 을 겸비한 페라이트계 스테인리스강 (ferritic stainless steel) 에 관한 것이다.

자동차의 배기계 환경하에서 사용되는 이그저스트 매니폴드 (exhaust manifold), 배기 파이프, 컨버터 케이스 (converter case), 머플러 (muffler) 등의 배기계 부재에는, 열 피로 특성이나 내산화성 (이하, 양 특성을 합쳐 「내열성 (heat resistance)」 이라고 한다) 이 우수한 것이 요구되고 있다. 이와 같은 내열성이 요구되는 용도에는, 현재 Nb 와 Si 를 첨가한, 예를 들어 Type429 (14Cr-0.9Si-0.4Nb 계) 와 같은 Cr 함유 강이 많이 사용되고 있다. 그러나, 엔진 성능의 향상에 수반하여, 배기 가스 온도 (exhaust gas temperature) 가 900 ℃ 를 초과하는 온도까지 상승하게 되면, Type429 로는 열 피로 특성이 불충분하게 되었 다.

이 문제에 대해서는, Nb 와 Mo 를 첨가하여 고온 내력 (high temperature proof stress) 을 향상시킨 Cr 함유 강이나, JIS G 4305 에 규정되는 SUS444 (19Cr-0.5Nb-2Mo), Nb, Mo, W 를 첨가한 페라이트계 스테인리스강 등이 개발되어 있다 (예를 들어, 일본 공개특허공보 2004-018921호 참조). 그러나, 요즈음 Mo 나 W 등의 희소 금속 원료의 비정상적인 고등 (高騰) 에서, 저가 원료를 사용하여 동등한 내열성을 갖는 재료의 개발이 요구되어 왔다.

고가의 원소인 Mo 나 W 를 사용하지 않는 내열성 (heat resistance) 이 우수한 재료로는, 예를 들어 WO2003/004714호 팜플렛에는, 10∼20 mass% Cr 강에, Nb : 0.50 mass% 이하, Cu : 0.8∼2.0 mass%, V : 0.03∼0.20 mass% 를 첨가한 자동차 배기 가스 유로 부재용 페라이트계 스테인리스강이, 또 일본 공개특허공보 2006-117985호에는, 10∼20 mass% Cr 강에, Ti : 0.05∼0.30 mass%, Nb : 0.10∼0.60 mass%, Cu : 0.8∼2.0 mass%, B : 0.0005∼0.02 mass% 를 첨가한 열 피로 특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강이, 또 일본 공개특허공보 2000-297355호에는, 15∼25 mass% Cr 강에, Cu : 1∼3 mass% 를 첨가한 자동차 배기계 부품용 페라이트계 스테인리스강이 개시되어 있다. 이들 강은 모두 Cu 를 첨가함으로써, 열 피로 특성을 향상시키고 있는 것이 특징이다.

그러나, 발명자들의 연구에 의하면, 상기 특허 문헌 2∼4 의 기술과 같이 Cu 를 첨가한 경우에는, 내열 피로 특성은 향상되지만, 강 자체의 내산화성이 오히려 저하되고, 총체적으로 보면, 내열성이 열화되는 것이 분명해졌다.

그래서, 본 발명의 목적은, Cu 첨가에 의한 내산화성의 저하를 방지하는 기술을 개발함으로써, Mo 나 W 등의 고가의 원소를 첨가하지 않고, 내산화성과 내열 피로 특성이 모두 우수한 페라이트계 스테인리스강을 제공하는 것에 있다. 여기서, 본 발명에서 말하는 「우수한 내산화성과 내열 피로 특성」 이란, SUS444 와 동등 이상의 특성을 갖는 것, 구체적으로는, 내산화성은 950 ℃ 에서의 내산화성이, 또 열 피로 특성은 100-850 ℃ 사이에서의 반복 열 피로 특성이 SUS444 와 동등 이상인 것을 말한다.

발명의 개시

1. 본 발명은, C : 0.015 mass% 이하, Si : 1.0 mass% 이하, Mn : 1.0 mass% 이하, P : 0.04 mass% 이하, S : 0.010 mass% 이하, Cr : 16∼23 mass% 이하, N : 0.015 mass% 이하, Nb : 0.3∼0.65 mass%, Ti : 0.15 mass% 이하, Mo : 0.1 mass% 이하, W : 0.1 mass% 이하, Cu : 1.0∼2.5 mass%, Al : 0.2∼1.5 mass% 를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 페라이트계 스테인리스강이다.

2. 본 발명의 페라이트계 스테인리스강은, 상기 성분 조성에 더하여 추가로 B : 0.003 mass% 이하, REM : 0.08 mass% 이하, Zr : 0.5 mass% 이하, V : 0.5 mass% 이하, Co : 0.5 mass% 이하 및 Ni : 0.5 mass% 이하 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 한다.

3. 본 발명의 페라이트계 스테인리스강은, 상기 1 또는 2 에 기재된 성분에 있어서, 추가로 바람직하게는 Si : 0.4∼1.0 mass% 인 것을 특징으로 한다.

4. 본 발명의 페라이트계 스테인리스강은, 상기 1 또는 2 에 기재된 성분에 있어서, 추가로 바람직하게는 Si : 0.4∼1.0 mass% 및 Ti : 0.01 mass% 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 고가의 Mo 나 W 를 첨가하지 않고, SUS444 와 동등 이상의 내열성 (열 피로 특성, 내산화성) 을 갖는 페라이트계 스테인리스강을 저가로 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 강은, 자동차 배기계 부재에 사용하기에 바람직하다.

도 1 은 열 피로 시험편을 설명하는 도면이다.

도 2 는 열 피로 시험에 있어서의 온도, 구속 조건 (restraining conditions) 을 설명하는 도면이다.

도 3 은 열 피로 특성에 미치는 Cu 첨가량의 영향을 나타내는 그래프이다.

도 4 는 내산화성 (산화 증량 (weight gain by oxidation)) 에 미치는 Al 첨가량의 영향을 나타내는 그래프이다.

도 5 는 내수 증기 산화 특성 (산화 증량) 에 미치는 Si 첨가량의 영향을 나타내는 그래프이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

발명자들은, 종래 기술이 안고 있는 Cu 첨가에 의한 내산화성의 저하를 방지하고, Mo 나 W 등의 고가의 원소를 첨가하지 않고, 내산화성과 피로 특성이 모두 우수한 페라이트계 스테인리스강을 개발하기 위해 예의 검토를 거듭하였다. 그 결과, Nb 를 0.3∼0.65 mass%, Cu 를 1.0∼2.5 mass% 의 범위에서 복합 첨가함으로써, 폭넓은 온도역에서 높은 고온 강도가 얻어지고, 내열 피로 특성이 개선되는 것, 또 Cu 첨가에 의한 내산화성의 저하는, 적정량의 Al (0.2∼1.5 mass%) 을 첨가함으로써 방지할 수 있는 것, 따라서, Nb, Cu 및 Al 을 상기 적정 범위로 제어함으로써 비로소, Mo 나 W 를 첨가하지 않아도, SUS444 와 동등 이상의 내열성 (열 피로 특성, 내산화성) 이 얻어지는 것을 알아내어 본 발명을 개발하였다.

또한, 발명자들은 실제로 이그저스트 매니폴드 등으로서 사용한 경우에 상정되는, 수증기를 함유하는 환경하에서의 내산화성을 개선하는 수단에 대해 예의 검토한 결과, Si 량을 적정화 (0.4∼1.0 mass%) 함으로써, 수증기 분위기 중 (in water vapour atmosphere) 에 있어서의 내산화성 (이하, 내수증기 산화 특성이라고 한다) 도 SUS444 와 동등 이상이 되는 것을 알아내어 본 발명을 개발하였다.

먼저, 본 발명을 개발하기에 이른 기초 실험에 대해 설명한다.

C : 0.005∼0.007 mass%, N : 0.004∼0.006 mass%, Si : 0.3 mass%, Mn : 0.4 mass%, Cr : 17 mass%, Nb : 0.45 mass%, Al : 0.35 mass% 의 성분 조성을 베이스로 하고, 이것에 Cu 를 0∼3 mass% 의 범위 내에서 변화시키고 강을 실험실적으로 용제 (溶製) 하여 50 ㎏ 강괴로 하고, 1170 ℃ 로 가열 후, 열간 압연하여 두께 : 30 ㎜ × 폭 : 150 ㎜ 의 시트 바로 하였다. 그 후, 이 시트 바를 단조하고, 단면이 35 ㎜ × 35 ㎜ 인 바로 하고, 1030 ℃ 의 온도에서 소둔 후, 기계 가공하고, 도 1 에 나타낸 치수의 열 피로 시험편 (thermal fatigue test specimen) 을 제조하였다. 그리고, 도 2 에 나타낸, 구속율 (restraint ratio) : 0.35 에서 100 ℃ - 850 ℃ 사이를 가열·냉각시키는 열처리를 반복하여 부여하고, 열 피로 수명 (thermal fatigue life) 을 측정하였다. 또한, 상기 열 피로 수명은, 100 ℃ 에서 검출된 하중 (load) 을, 도 1 에 나타낸 시험편 균열 평행부의 단면적 (cross section) 으로 나누어 응력 (stress) 을 산출하고, 전 (前) 의 사이클 (cycle) 의 응력에 대해 연속적으로 응력이 저하되기 시작했을 때의 최소의 사이클 수로 하였다. 이것은, 시험편에 균열 (crack) 이 발생한 사이클 수에 상당한다. 또한, 비교로서, SUS444 (Cr : 19 mass% - Mo : 2 mass% - Nb : 0.5 mass% 강) 에 대해서도 동일한 시험을 실시하였다.

도 3 은, 상기 열 피로 시험의 결과를 나타낸 것이다. 이 도면으로부터, Cu 를 1.0 mass% 이상 첨가함으로써, SUS444 의 열 피로 수명 (약 1100 사이클) 과 동등 이상의 열 피로 수명이 얻어지는 것, 따라서, 열 피로 특성을 개선하기 위해서는, Cu 를 1 mass% 이상 첨가하는 것이 유효하다는 것을 알 수 있다.

다음으로, C : 0.006 mass%, N : 0.007 mass%, Mn : 0.4 mass%, Si : 0.3 mass%, Cr : 17 mass%, Nb : 0.49 mass%, Cu : 1.5 mass% 의 성분 조성을 베이스로 하고, 이것에 Al 을 0∼2 mass% 의 범위 내에서 첨가한 강을 실험실적으로 용제하여 50 ㎏ 강괴로 하고, 이 강괴를 열간 압연 (hot rolling) 하고, 열연판 소둔하고, 냉간 압연 (cold rolling) 하고, 마무리 소둔 (finishing annealing) 하여 판두께 2 ㎜ 의 냉연 소둔판으로 하였다. 상기와 같이 하여 얻은 냉연 강판으로부터 30 ㎜ × 20 ㎜ 의 시험편을 잘라 내고, 이 시험편 상부에 4 ㎜Φ 의 구멍을 뚫고, 표면 및 단면 (端面) 을 #320 의 에머리 페이퍼 (emery paper) 로 연마하여, 탈지 후에 하기 시험에 제공하였다.

<대기 중에서의 연속 산화 시험 (continuous oxidation test in air)>

상기 시험편을, 950 ℃ 로 가열된 대기 분위기의 노 중에 300 시간 유지하고, 가열 시험 전후에 있어서의 시험편의 질량 차이를 측정하고, 단위 면적당 산화 증량 (g/㎡) 을 구하였다.

도 4 는, 대기 분위기 중에서의 산화 시험에 있어서의 산화 증량과 Al 함유량의 관계를 나타낸 것이다. 이 도면으로부터, Al 을 0.2 mass% 이상 첨가함으로써, SUS444 와 동등 이상의 내산화성 (산화 증량 : 27 g/㎡ 이하) 이 얻어지는 것을 알 수 있다.

다음으로, C : 0.006 mass%, N : 0.007 mass%, Mn : 0.2 mass%, Al : 0.45 mass%, Cr : 17 mass%, Nb : 0.49 mass%, Cu : 1.5 mass% 의 성분 조성을 베이스로 하고, 이것에 Si 를 1.2 mass% 이하의 범위에서 다양한 양을 첨가한 강을 실험실적으로 용제하여 50 ㎏ 강괴로 하고, 이 강괴를 열간 압연 (hot rolling) 하고, 열연판 소둔하고, 냉간 압연 (cold rolling) 하고, 마무리 소둔 (finishing annealing) 하여 판두께 2 ㎜ 의 냉연 소둔판으로 하였다. 상기와 같이 하여 얻은 냉연 강판으로부터 30 ㎜ × 20 ㎜ 의 시험편을 잘라 내고, 이 시험편 상부에 4 ㎜Φ 의 구멍을 뚫고, 표면 및 단면을 #320 의 에머리 페이퍼 (emery paper) 로 연마하고, 탈지 후, 하기 수증기 분위기 중에서의 연속 산화 시험에 제공하였다.

<수증기 분위기 중에서의 연속 산화 시험>

상기 시험편을, 60 ℃ 로 유지한 증류수 중에 버블링 (bubbling) 한 7 vol%CO₂-1 vol%O₂-잔부 N₂ 로 이루어지는 가스를 0.5 ℓ/min 로 흘리고, 수증기 분위기로 한 950 ℃ 로 가열된 노 중에 300 시간 유지하고, 가열 시험 전후에 있어서의 시험편의 질량 차이를 측정하고, 단위 면적당 산화 증량 (g/㎡) 을 구하였다.

도 5 는 수증기 분위기 중에서의 연속 산화 시험에 있어서의 산화 증량과 Si 함유량의 관계를 나타낸 것이다. 도 5 로부터, Si 를 0.4 mass% 이상 첨가함으로써, SUS444 와 동등 이상의 내수증기 산화성 (산화 증량 : 51 g/㎡ 이하) 이 얻어지는 것을 알 수 있다.

본 발명은, 상기 지견에 기초하여 더욱 검토하여 완성시킨 것이다.

다음으로, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강의 성분 조성에 대해 설명한다.

C : 0.015 mass% 이하

C 는, 강의 강도를 높이는 데에 유효한 원소인데, 0.015 mass% 를 초과하여 함유하면, 인성 (靭性) 및 성형성의 저하가 현저해진다. 따라서, 본 발명에서는, C 는 0.015 mass% 이하로 한다. 또한, 성형성을 확보하는 관점에서는, C 는 낮을수록 바람직하고, 0.008 mass% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 배기계 부재로서의 강도를 확보하기 위해서는, C 는 0.001 mass% 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.002∼0.008 mass% 의 범위이다.

Si : 1.0 mass% 이하

Si 는, 탈산재로서 첨가되는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, 0.05 mass% 이상이 바람직하다. 또, 본 발명이 주된 목적으로 하는 내산화성을 향상시키는 효과도 갖지만, Al 만큼의 효과는 얻어지지 않는다. 한편, 1.0 mass% 를 초과하는 과잉 첨가는 가공성을 저하시킨다. 따라서, Si 량의 상한은 1.0 mass% 로 한다.

단, Si 는, 수증기 분위기 중에서의 내산화성 (내수증기 산화성) 을 향상시키는 중요한 원소이기도 하고, 도 5 에 나타낸 바와 같이, SUS444 와 동등한 내수증기 산화 특성을 얻기 위해서는 0.4 mass% 이상의 첨가가 필요하다. 따라서, 이러한 효과를 중요시하는 경우에는, Si 의 함유량은 0.4 mass% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.4∼0.8 mass% 의 범위이다.

Si 가 상기와 같이 내수증기 산화성을 향상시키는 원인은 아직 충분히 해명되어 있지 않지만, Si 를 0.4 mass% 이상 첨가함으로써, 강판 표면에 치밀한 Si 산화물상 (酸化物相) 이 연속적으로 생성되고, 외부로부터의 가스 성분 (H₂O, CO₂, O₂) 의 침입을 억제함으로써 내수증기 산화 특성이 향상되는 것으로 생각된다. 보다 엄격한 내수증기 산화성이 요구되는 경우에는, Si 는 0.5 mass% 이상으로 하는 것이 바람직하다 (하선부를 보충 부탁합니다).

Mn : 1.0 mass% 이하

Mn 은, 강의 강도를 높이는 원소로서, 또 탈산제로서의 작용도 가지므로, 0.05 mass% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 과잉 첨가는 고온에서 γ 상 (相) 이 생성되기 쉬워져 내열성을 저하시킨다. 따라서, 본 발명에서는, Mn 은 1.0 mass% 이하로 한다. 바람직하게는 0.7 mass% 이하이다.

P : 0.040 mass% 이하

P 는, 인성을 저하시키는 유해 원소로서, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하다. 그래서, 본 발명에서는, P 는 0.040 mass% 이하로 한다. 바람직하게는 0.030 mass% 이하이다.

S : 0.010 mass% 이하

S 는, 신장이나 r 값을 저하시키고, 성형성에 악영향을 미침과 함께, 스테인리스강의 기본 특성인 내식성을 저하시키는 유해 원소이기도 하기 때문에, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는, S 는 0.010 mass% 이하로 한다. 바람직하게는 0.005 mass% 이하이다.

Cr : 16∼23 mass%

Cr 은, 스테인리스강의 특징인 내식성, 내산화성을 향상시키는 데에 유효한 중요 원소인데, 16 mass% 미만에서는, 충분한 내산화성이 얻어지지 않는다. 한편, Cr 은, 실온에서 강을 고용 강화시켜 경질화, 저연성화 (低延性化) 하는 원소로서, 특히 23 mass% 를 초과하여 첨가하면, 상기 폐해가 현저해지므로, 상한은 23 mass% 로 한다. 따라서, Cr 은 16∼23 mass% 의 범위로 한다. 보다 바람직하게는 16∼20 mass% 의 범위이다.

N : 0.015 mass% 이하

N 은, 강의 인성 및 성형성을 저하시키는 원소로서, 0.015 mass% 를 초과하 여 함유하면, 상기 저하가 현저해진다. 따라서, N 은 0.015 mass% 이하로 한다. 또한, N 은, 인성, 성형성을 확보하는 관점에서는, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하고, 0.010 mass% 미만으로 하는 것이 바람직하다.

Nb : 0.3∼0.65 mass%

Nb 는, C, N 과 탄질화물을 형성하여 고정시키고, 내식성이나 성형성, 용접부의 내입계 부식성을 높이는 작용을 가짐과 함께, 고온 강도를 상승시켜 열 피로 특성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. 이와 같은 효과는 0.3 mass% 이상의 첨가에서 관찰된다. 한편, 0.65 mass% 를 초과하는 첨가는 Laves 상 (相) 이 석출되기 쉬워져 취화 (脆化) 를 촉진한다. 따라서, Nb 는 0.3∼0.65 mass% 의 범위로 한다. 바람직하게는 0.4∼0.55 mass% 의 범위이다.

Ti : 0.15 mass% 이하

Ti 는, Nb 와 마찬가지로, C, N 을 고정시키고, 내식성이나 성형성, 용접부의 입계 부식성을 향상시키는 작용을 갖는다. 그러나, 그러한 효과는, Nb 를 첨가하고 있는 본 발명의 성분계에서는, 0.15 mass% 를 초과하면 포화됨과 함께, 고용 경화에 의해 강이 경질화된다. 따라서, 본 발명에서는 상한을 0.15 mass% 로 한다.

또한, 본 발명에 있어서는, Ti 는, 특히 적극적으로 첨가할 필요가 없는 원소인데, Ti 는 Nb 와 비교하여 N 과 결합되기 쉬워 조대한 TiN 을 형성하기 쉽다. 조대한 TiN 은 균열 발생의 기점이 되기 쉬워 열연판의 인성을 저하시킨다. 따라서, 보다 높은 인성이 요구되는 경우에는, 0.01 mass% 이하로 제한하는 것이 바 람직하다.

Mo : 0.1 mass% 이하

Mo 는, 고가의 원소로서, 본 발명의 취지에서도 적극적으로 첨가하지는 않는다. 그러나, 원료인 스크랩 등으로부터 0.1 mass% 이하 혼입되는 경우가 있다. 따라서, Mo 는 0.1 mass% 이하로 한다.

W : 0.1 mass% 이하

W 는, Mo 와 마찬가지로 고가의 원소로서, 본 발명의 취지에서도 적극적으로 첨가하지는 않는다. 그러나, 원료인 스크랩 등으로부터 0.1 mass% 이하 혼입되는 경우가 있다. 따라서, W 는 0.1 mass% 이하로 한다.

Cu : 1.0∼2.5 mass%

Cu 는, 열 피로 특성의 향상에는 매우 유효한 원소이다. 도 3 에 나타낸 바와 같이, SUS444 와 동등 이상의 내열 피로 특성을 얻기 위해서는, Cu 를 1.0 mass% 이상 첨가할 필요가 있다. 그러나, 2.5 mass% 를 초과하는 첨가는, 열 처리 후의 냉각시에 ε-Cu 가 석출되고, 강을 경질화시킴과 함께, 열간 가공시에 취화를 일으키기 쉬워진다. 더욱 중요한 것은, Cu 의 첨가는, 내열 피로 특성은 향상되지만, 강 자체의 내산화성이 오히려 저하되어, 총체적으로 보면, 내열성이 저하되는 것이다. 이 원인은 충분히 밝혀져 있지는 않지만, 생성된 스케일 바로 아래의 탈 Cr 층에 Cu 가 농화되고, 스테인리스강 본래의 내산화성을 향상시키는 원소인 Cr 의 재확산을 억제하기 위한 것으로 생각된다. 따라서, Cu 는, 1.0∼2.5 mass% 의 범위로 한다. 보다 바람직하게는 1.1∼1.8 mass% 의 범위이 다.

Al : 0.2∼1.5 mass%

A1 은, 도 4 에 나타낸 바와 같이, Cu 첨가 강의 내산화성을 향상시키기 위해 필요 불가결한 원소이다. 특히, 본 발명의 목적인 SUS444 와 동등 이상의 내산화성을 얻기 위해서는 0.2 mass% 이상의 첨가가 필요하다. 한편, 1.5 mass% 를 초과하여 첨가하면, 강이 경질화되어 가공성이 저하되므로, 상한은 1.5 mass% 로 한다. 따라서, Al 은 0.2∼1.5 mass% 의 범위로 한다. 보다 고온에서 사용되는 경우에는, Al 은, 0.3∼1.0 mass% 의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또한, Al 은, 고온에서 고용되고, 강을 고용 강화시키는 원소이기도 하며, 특히 800 ℃ 를 초과하는 온도에서의 강도를 높이는 효과가 크다. 그러나 전술한 바와 같이, Si 의 첨가량이 충분하지 않은 경우에는, 강 중에 침입되어 온 가스 성분과 Al 이 결합되어 고용 강화 원소로서 유효하게 기여할 수 없게 된다. 따라서, 수증기 분위기 중에서, Al 의 상기 효과를 충분히 발현시키기 위해서는, Si 를 0.4 mass% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명의 페라이트계 스테인리스강은, 상기 필수로 하는 성분에 더하여 추가로 B, REM, Zr, V, Co 및 Ni 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을, 하기의 범위에서 첨가할 수 있다.

B : 0.003 mass% 이하

B 는, 가공성, 특히 2 차 가공성을 향상시키는 데에 유효한 원소이다. 이 현저한 효과는, 0.0005 mass% 이상의 첨가에서 얻을 수 있는데, 0.003 mass% 를 초과하는 다량의 첨가는, BN 을 생성하여 가공성을 저하시킨다. 따라서, B 를 첨가하는 경우에는, 0.003 mass% 이하로 한다. 보다 바람직하게는 0.0005∼0.002 mass% 의 범위이다.

REM : 0.08 mass% 이하, Zr : 0.5 mass% 이하

REM (희토류 원소) 및 Zr 은 모두 내산화성을 개선하는 원소로서, 그 효과를 얻기 위해서는, 각각 0.01 mass% 이상, 0.05 mass% 이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, REM 의 0.08 mass% 를 초과하는 첨가는, 강을 취화시키고, 또 Zr 의 0.50 mass% 를 초과하는 첨가는, Zr 금속간 화합물이 석출되어 강을 취화시킨다. 따라서, REM 을 첨가하는 경우에는 0.08 mass% 이하, Zr 을 첨가하는 경우에는 0.5 mass% 이하로 한다.

V : 0.5 mass% 이하

V 는, 가공성의 향상에 유효한 원소로서, 특히 내산화성의 향상 효과를 얻기 위해서는, 0.15 mass% 이상의 첨가가 바람직하다. 그러나, 0.5 mass% 를 초과하는 과잉 첨가는, 조대한 V (C, N) 를 석출하고, 강판의 표면 성상을 열화시킨다. 따라서, V 를 첨가하는 경우에는, 0.50 mass% 이하 첨가하는 것이 바람직하고, 0.15 ∼0.4 mass% 의 범위에서 첨가하는 것이 보다 바람직하다.

Co : 0.5 mass% 이하

Co 는, 인성의 향상에 유효한 원소로서, 0.02 mass% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, Co 는, 고가의 원소로서, 또 0.5 mass% 를 초과하여 첨가해도 상기 효과는 포화된다. 따라서, Co 를 첨가하는 경우에는 0.5 mass% 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.02∼0.2 mass% 의 범위이다.

Ni : 0.5 mass% 이하

Ni 는, 인성을 향상시키는 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는, 0.05 mass% 이상이 바람직하다. 그러나, Ni 는, 고가이고, 또 강력한 γ 상 형성 원소이기 때문에, 고온에서 γ 상을 생성하여 내산화성을 저하시킨다. 따라서, Ni 를 첨가하는 경우에는, 0.5 mass% 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.05∼0.4 mass% 의 범위이다.

다음으로, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 스테인리스강의 제조 방법은, 페라이트계 스테인리스강의 통상적인 제조 방법이면 바람직하게 사용할 수 있고, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 전로 (轉爐), 전기로 등의 공지된 용해로에서 강을 용제하고, 또는 추가로 레이들 정련, 진공 정련 등의 2 차 정련을 거쳐 상기 서술한 본 발명의 성분 조성을 갖는 강으로 하고, 이어서, 그 용강을 연속 주조법 혹은 조괴-분괴 압연법으로 강편 (슬래브) 으로 하고, 열간 압연하여 열연판으로 하고, 필요에 따라 열연판 소둔을 실시하고, 추가로 그 열연판을 산세하고, 냉간 압연하고, 마무리 소둔하고, 산세하는 등의 공정을 거쳐 냉연 소둔판으로 하는 것이 바람직하다. 상기 냉간 압연은, 1 회 또는 중간 소둔을 사이에 두는 2 회 이상의 냉간 압연을 실시해도 되고, 또 냉간 압연, 마무리 소둔, 산세의 각 공정은 반복하여 실시해도 된다. 또한, 경우에 따라서는, 열연판 소둔은 생략해도 되고, 강판 표면의 광택성이 요구 되는 경우에는, 냉연 후 혹은 마무리 소둔 후, 스킨 패스를 실시해도 된다. 또한, 상기 열간 압연 전의 슬래그 가열 온도는 1000∼1250 ℃, 열연판 소둔 온도는 900∼1100 ℃, 마무리 소둔 온도는 900∼1120 ℃ 의 범위인 것이 바람직하다.

상기와 같이 하여 얻은 본 발명의 페라이트계 스테인리스강은, 그 후, 각각의 용도에 따라 절단 가공, 굽힘 가공, 프레스 가공 등의 가공이 실시되어, 자동차나 오토바이의 배기관, 컨버터 케이스나 화력 발전 플랜트의 배기 덕트 등의 고온 환경하에서 사용되는 각종 배기계 부재가 된다. 또한, 상기 부재에 사용하는 본 발명의 스테인리스강은, 냉연 소둔판에 한정되는 것은 아니고, 열연판 혹은 열연판 소둔으로서 사용해도 되고, 추가로 필요에 따라 탈스케일 처리하여 사용해도 된다. 또, 상기 부재에 조립할 때의 용접 방법은, 특별히 한정되는 것은 아니고 MIG (Metal Inert Gas), MAG (Metal Active Gas), TIG (Tungsten Inert Gas) 등의 통상적인 아크 용접이나, 스폿 용접, 시임 용접 등의 전기 저항 용접, 및 전봉 (電縫) 용접에 사용되는 고주파 저항 용접, 고주파 유도 용접, 레이저 용접 등의 방법을 사용할 수 있다.

실시예 1

표 1-1 및 표 1-2 에 나타내는 성분 조성을 갖는 No. 1∼24 의 강을 진공 용해로에서 용제하고, 주조하여 50 ㎏ 강괴로 하고, 단조하여 2 분할하였다. 그 후, 2 분할한 편측의 강괴를 1170 ℃ 로 가열 후, 열간 압연하여 판두께 5 ㎜ 의 열연판으로 하고, 1020 ℃ 의 온도에서 열연판 소둔하고, 산세하고, 압하율 60 % 의 냉간 압연하고, 1030 ℃ 의 온도에서 마무리 소둔하고, 평균 냉각 속도 20 ℃ /sec 로 냉각시키고, 산세하여 판두께가 2 ㎜ 인 냉연 소둔판으로 하여, 하기 2 종류의 내산화성 시험에 제공하였다. 또한, 참고로서 표 1 의 No. 25∼28 이 나타낸 SUS444 및 WO2003/004714호 팜플렛, 일본 공개특허공보 2006-117985호, 일본 공개특허공보 2000-297355호의 발명 강에 대해서도, 상기와 동일하게 하여 냉연 소둔판을 제조하고, 하기 대기 중에서의 연속 산화 시험 및 수증기 분위기 중에서의 연속 산화 시험에 제공하였다.

<대기 중에서의 연속 산화 시험 (continuous oxidation test in air)>

상기와 같이 하여 얻은 각종 냉연 소둔판으로부터 30 ㎜ × 20 ㎜ 의 샘플을 잘라 내고, 샘플 상부에 4 ㎜Φ 의 구멍을 뚫고, 표면 및 단면을 #320 의 에머리 페이퍼로 연마하고, 탈지 후, 950 ℃ 로 가열 유지된 대기 분위기의 노 내에 매달아 300 시간 유지하였다. 시험 후, 샘플의 질량을 측정하고, 미리 측정해 둔 시험 전의 질량과의 차이를 구하고, 산화 증량 (g/㎡) 을 산출하였다. 또한, 시험은 각 2 회 실시하고, 그 평균값으로 내연속 산화성을 평가하였다.

<수증기 분위기 중에서의 연속 산화 시험 (continuous oxidation test in water vapour atmosphere)>

상기와 같이 하여 얻은 각종 냉연 소둔판으로부터 30 ㎜ × 20 ㎜ 의 샘플을 잘라 내고, 샘플 상부에 4 ㎜Φ 의 구멍을 뚫고, 표면 및 단면을 #320 의 에머리 페이퍼로 연마하고, 탈지 후, 60 ℃ 로 유지한 증류수 중에 버블링 (bubbling) 한 7 vol%CO₂-1 vol%O₂-잔부 N₂ 로 이루어지는 가스를 0.5 ℓ/min 로 흘려 수증기 분위 기로 한 950 ℃ 로 가열된 노 중에 300 시간 유지하였다. 시험 후, 샘플의 질량을 측정하고, 미리 측정해 둔 시험 전의 질량과의 차이를 구하고, 산화 증량 (g/㎡) 을 산출하였다. 또한, 시험은 각 2 회 실시하고, 그 평균값으로 내연속 산화성을 평가하였다.

실시예 2

실시예 1 에서 2 분할한 50 ㎏ 강괴의 나머지 강괴를 1170 ℃ 로 가열 후, 열간 압연하여 두께 : 30 ㎜ × 폭 : 150 ㎜ 의 시트 바로 하였다. 그 후, 이 시트 바를 단조하고, 단면이 35 ㎜ × 35 ㎜ 의 바로 하고, 1030 ℃ 의 온도에서 소둔 후, 기계 가공하고, 도 1 에 나타낸 치수의 열 피로 시험편으로 가공하고, 하기의 열 피로 시험에 제공하였다. 또한, 참고예로서, 실시예 1 과 동일하게, WO2003/004714호 팜플렛, 일본 공개특허공보 2006-117985호, 일본 공개특허공보 2000-297355호의 발명 강 및 SUS444 에 대해서도 동일하게 시료를 제조하고, 열 피로 시험에 제공하였다.

<열 피로 시험 (thermal fatigue test)>

열 피로 시험은, 구속률 0.35 에서, 100 ℃ 와 850 ℃ 의 온도 사이를 반복하여 승온·강온시켜 열 피로 수명을 측정하였다. 이 때, 승온 속도 (heating rate) 및, 강온 속도 (cooling rate) 는, 각각 10 ℃/sec 로 하고, 100 ℃ 에서의 유지 시간은 2 min, 850 ℃ 에서의 유지 시간 (holding time) 은 5 min 로 하였다. 또, 열 피로 수명 (thermal fatigue life) 은, 100 ℃ 에서 검출된 하중을 시험편 균열 평행부의 단면적으로 나누어 응력을 산출하고, 전의 사이클의 응력에 대해 연 속적으로 응력이 저하되기 시작했을 때의 최소 사이클 수로 하였다.

상기 실시예 1 의 대기 중에서의 연속 산화 시험 및 수증기 분위기 중에서의 연속 산화 시험의 결과 및 실시예 2 의 내열 피로성 시험의 결과를 표 2 에 정리하여 나타냈다. 표 2 로부터 명확한 바와 같이, 본 발명에 적합한 발명예의 강은, 모두 SUS444 와 동등 이상의 내산화 특성과 내열 피로 특성을 갖고 있어, 본 발명의 목표를 만족하고 있다. 이에 대하여, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예의 강 혹은 선행 기술의 참고예의 강은, 내산화 특성과 내열 피로 특성의 양 특성이 동시에 우수한 것은 없어, 본 발명의 목표를 달성하지 못했다.

[표 1-1]

[표 1-2]

(주) 참고예 1 : WO2003/004714 의 발명강 No.3

참고예 2 : 공개특허공보 2006-117985 의 발명강 No.7

참고예 3 : 공개특허공보 2000-297355 의 발명강 No.5

[표 2]

(주) 참고예 1 : WO2003/004714 의 발명강 No.3

참고예 2 : 공개특허공보 2006-117985 의 발명강 No.7

참고예 3 : 공개특허공보 2000-297355 의 발명강 No.5

본 발명의 강은, 자동차 등의 배기계 부재용으로서 바람직할 뿐만 아니라, 동일한 특성이 요구되는 화력 발전 시스템의 배기계 부재나 고체 산화물 타입의 연료 전지용 부재로도 바람직하게 사용할 수 있다.

Claims

C : 0.015 mass% 이하, Si : 1.0 mass% 이하, Mn : 1.0 mass% 이하, P : 0.04 mass% 이하, S : 0.010 mass% 이하, Cr : 16∼23 mass% 이하, N : 0.015 mass% 이하, Nb : 0.3∼0.65 mass%, Ti : 0.15 mass% 이하, Mo : 0.1 mass% 이하, W : 0.1 mass% 이하, Cu : 1.0∼2.5 mass%, Al : 0.2∼1.5 mass% 를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 페라이트계 스테인리스강.
제 1 항에 있어서,

상기 성분 조성에 더하여 추가로 B : 0.003 mass% 이하, REM : 0.08 mass% 이하, Zr : 0.5 mass% 이하, V : 0.5 mass% 이하, Co : 0.5 mass% 이하 및 Ni : 0.5 mass% 이하 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 페라이트계 스테인리스강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

Si : 0.4∼1.0 mass% 인 페라이트계 스테인리스강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

Si : 0.4∼1.0 mass% 및 Ti : 0.01 mass% 이하인 페라이트계 스테인리스강.