KR20100105800A

KR20100105800A - 내열성과 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강

Info

Publication number: KR20100105800A
Application number: KR1020107019883A
Authority: KR
Inventors: 야스시 가토; 노리마사 히라타; 데츠유키 나카무라; 다쿠미 유지로
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-29
Also published as: TWI431122B; KR20130049835A; EP2264202B1; JP5387057B2; US20110123387A1; EP2264202A1; BRPI0909643A2; ES2519716T3; JP2009235573A; RU2443796C1; CN101965415A; EP2264202A4; CN101965415B; TW200946694A; WO2009110641A1

Abstract

Mo 나 W 등의 고가의 원소를 첨가하지 않고, 열 피로 특성과 내산화성이 우수함과 함께, Type429 와 동등 이상의 인성을 갖는 페라이트계 스테인리스강을 제공한다.
구체적으로는, C : 0.015 mass% 이하, Si : 0.5 mass% 이하, Mn : 0.5 mass% 이하, P : 0.04 mass% 이하, S : 0.006 mass% 이하, Cr : 16∼20 mass%, N : 0.015 mass% 이하, Nb : 0.3∼0.55 mass%, Ti : 0.01 mass% 이하, Mo : 0.1 mass% 이하, W : 0.1 mass% 이하, Cu : 1.0∼2.5 mass%, Al : 0.2∼1.2 mass% 를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 페라이트계 스테인리스강.

Description

내열성과 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 {FERRITIC STAINLESS STEEL WITH EXCELLENT HEAT RESISTANCE AND TOUGHNESS}

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 이용하기에 적합한, 높은 내열성 (내열 피로 특성 (thermal fatigue resistance), 내산화성 (oxidation resistance)) 과 모재의 인성 (toughness) 이 우수한 페라이트계 스테인리스강 (ferritic stainless steel) 에 관한 것이다.

자동차의 배기계 환경하에서 사용되는 배기 매니폴드 (exhaust manifold), 배기 파이프, 컨버터 케이스, 머플러 (muffler) 등의 배기계 부재에는, 열 피로 특성이나 내산화성 (이하, 양 특성을 합쳐 「내열성」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 상승되면, Type429 로는 열 피로 특성이 불충분하게 되었다.

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-0.2Nb-1.8Mo), 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) 면에서, 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 특허문헌 2∼4 의 기술과 같이 Cu 를 첨가한 경우에는, 내열 피로 특성은 향상되지만, 강 자체의 내산화성이 오히려 저하되고, 총체적으로 보면, 내열성이 열화되는 것이 분명해졌다. 또, SUS444 는, Type429 에 비해 Cr 의 함유량이 높고, 또한 다량의 Mo 가 첨가되어 있기 때문에, 모재의 인성이 열등하다는 문제점도 잔존했다.

그래서, 본 발명의 목적은, Cu 첨가에 의한 내산화성의 저하를 방지하는 기술을 개발함으로써, Mo 나 W 등의 고가의 원소를 첨가하지 않고, 열 피로 특성과 내산화성이 우수함과 함께, Type429 와 동등 이상의 인성을 갖는 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. 또, Type429 와 동등한 인성이란, 판두께 2 ㎜ 의 냉연판을 -40 ℃ 에서 샤르피 충격 시험했을 때의 취성 파면율이 Type429 와 동등한 것을 말한다.

본 발명은, C : 0.015 mass% 이하, Si : 0.5 mass% 이하, Mn : 0.5 mass% 이하, P : 0.04 mass% 이하, S : 0.006 mass% 이하, Cr : 16∼20 mass%, N : 0.015 mass% 이하, Nb : 0.3∼0.55 mass%, Ti : 0.01 mass% 이하, Mo : 0.1 mass% 이하, W : 0.1 mass% 이하, Cu : 1.0∼2.5 mass%, Al : 0.2∼1.2 mass% 를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 페라이트계 스테인리스강이다.

또, 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.

본 발명에 의하면, 고가의 Mo 나 W 를 첨가하지 않고, SUS444 와 동등 이상의 내열성 (열 피로 특성, 내산화성) 을 가짐과 함께, Type429 (대표 성분은, 표 1 의 강 No.24 참조) 와 동등 이상의 인성을 갖는 페라이트계 스테인리스강을 저가로 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명의 강은, 자동차 배기계 부재에 이용하기에 적합하다.

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 함유량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 5 는 내산화성 (스케일 박리량 (spolling amounts of scale)) 에 미치는 Al 함유량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 6 은 내산화성 (스케일 박리량) 에 미치는 Si 함유량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 7 은 인성 (취성 파면율 (brittle fracture surface ratio)) 에 미치는 Mn 함유량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 8 은 인성 (취성 파면율) 에 미치는 Al 함유량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 9 는 인성 (취성 파면율) 에 미치는 Ti 함유량의 영향을 나타내는 그래프이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

발명자들은, 종래 기술이 안고 있는 Cu 첨가에 의한 내산화성의 저하를 방지함과 함께, Mo 나 W 등의 고가의 원소를 첨가하지 않고, 열 피로 특성과 내산화성이 우수함과 함께, 인성도 우수한 페라이트계 스테인리스강을 개발하기 위해 예의 검토를 거듭하였다. 그 결과, Nb 를 0.3∼0.55 mass%, Cu 를 1.0∼2.5 mass% 의 범위에서 복합 첨가함으로써, 폭넓은 온도역에서 높은 고온 강도가 얻어지고, 열 피로 특성이 개선되는 것, 또 Cu 첨가에 의한 내산화성의 저하는, Al 을 0.2 mass% 이상 첨가함으로써 방지할 수 있는 것, 따라서, Nb, Cu 및 Al 을 상기 적정 범위로 제어함으로써, Mo 나 W 를 첨가하지 않아도, SUS444 와 동등 이상의 내열성 (열 피로 특성, 내산화성) 이 얻어지는 것을 알아냈다. 또한, Cu, Al 첨가 강의 반복 산화 시험에 의한 내스케일 박리성은, Si 의 첨가량을 최적화 (0.5 mass% 이하) 함으로써 향상되는 것, 및 인성은, Mn, Al 및 Ti 의 첨가량을 최적화 (Mn : 0.5 mass% 이하, Al : 1.2 mass% 이하, Ti : 0.01 mass% 이하) 함으로써, Type429 와 동등 이상으로 할 수 있는 것을 알아내어, 본 발명을 완성시켰다.

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 : 0.2 mass%, Cr : 17 mass%, Nb : 0.45 mass% 및 Al : 0.35 mass% 로 이루어지는 성분 조성을 베이스로 하고, 이것에 Cu 의 첨가량을 여러 가지로 변화시킨 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, 구속률 (restraint ratio) : 0.35 로 100 ℃-850 ℃ 사이를 가열·냉각시키는 열 처리를 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 (均熱) 평행부의 단면적 (cross section) 으로 나누어 응력 (stress) 을 산출하고, 전 (前) 의 사이클 (cycle) 의 응력에 대해 연속적으로 응력이 저하되기 시작했을 때의 최소 사이클수로 하였다. 이것은, 시험편에 균열 (crack) 이 발생한 사이클수에 상당한다. 또한, 비교로서, SUS444 (Cr : 18 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 : 0.2 mass%, Si : 0.3 mass%, Cr : 17 mass%, Nb : 0.49 mass% 및 Cu : 1.5 mass% 로 이루어지는 성분 조성을 베이스로 하고, 이것에 Al 의 첨가량을 여러 가지로 변화시킨 강을 실험실적으로 용제하여 50 ㎏ 강괴로 하고, 이 강괴를, 열간 압연 (hot rolling) 하고, 열연판 소둔하고, 냉간 압연 (cold rolling) 하고, 마무리 소둔 (finishing annealing) 하고, 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 연마하고, 탈지 후, 하기 시험에 제공하였다.

<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 질량차를 측정하고, 단위 면적당 산화 증량 (g/㎡) 을 구하였다.

<반복 산화 시험 (cyclic oxidation test in air)>

상기 시험편을 이용하여, 대기중에 있어서, 100 ℃ × 1 min 과 950 ℃ × 25 min 의 온도로 가열·냉각을 반복하는 열 처리를 600 사이클 실시하고, 시험 전후에 있어서의 질량차로부터, 시험편 표면으로부터 박리된 스케일량 (scale amount) (g/㎡) 을 측정하였다. 또한, 상기 시험에 있어서의 가열 속도 및 냉각 속도는, 각각 5 ℃/sec, 1.5 ℃/sec 로 실시하였다.

도 4 는, 산화 증량의 측정 결과를 나타낸 것이다. 또, 도 5 는, 스케일 박리량의 측정 결과를 나타낸 것이다. 이들 도면으로부터, Al 을 0.2 mass% 이상 첨가함으로써, SUS444 와 동등 이상의 내산화성 (산화 증량 : 27 g/㎡ 이하, 스케일 박리량 : 4 g/㎡ 미만) 이 얻어지는 것을 알았다.

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% 로 이루어지는 성분 조성을 베이스로 하고, 이것에 Si 의 첨가량을 여러 가지로 변화시킨 강을 실험실적으로 용제하여 50 ㎏ 강괴로 하고, 상기와 동일하게 하여 판두께 2 ㎜ 의 냉연 소둔판으로 하고, 상기와 동일하게 하여 반복 산화 시험을 실시하고, 스케일 박리량을 측정하고, 그 결과를 표 6 에 나타냈다. 이것으로부터, Al 을 적정량 첨가해도, Si 가 0.5 % 를 초과하면 스케일 밀착성이 저하되어 박리량이 증가하고, SUS444 와 동등한 내열성이 얻어지지 않게 되는 것을 알았다.

마지막으로, C : 0.006∼0.007 mass%, N : 0.006∼0.007 mass%, Si : 0.3 mass%, Cr : 17 mass%, Nb : 0.45 mass% 및 Cu : 1.5 mass% 로 이루어지는 성분 조성을 베이스로 하고, 이것에 Mn, Al 및 Ti 의 함유량을 여러 가지 변화시킨 강을 실험실적으로 용제하여 50 ㎏ 강괴로 하고, 이 강괴를 열간 압연하고, 열연판 소둔하고, 냉간 압연하고, 마무리 소둔하여 판두께 2 ㎜ 의 냉연 소둔판으로 하였다. 이 냉연 소둔판으로부터, 서브 사이즈의 샤르피 충격 시험편 (Charpy impact test specimen) 을 채취하고, -40 ℃ 의 온도에서 샤르피 충격 시험을 실시하여 취성 파면율을 측정하고, 인성을 평가하였다.

도 7 은, Al : 0.25 mass%, Ti : 0.006 mass% 일 때에 있어서의 Mn 함유량이 인성에 미치는 영향을, 도 8 은, Mn : 0.1 mass%, Ti : 0.005 mass% 일 때에 있어서의 Al 함유량이 인성에 미치는 영향을, 또 도 9 는, Al : 0.25 mass%, Mn : 0.1 mass% 일 때에 있어서의 Ti 함유량이 인성에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 이들 도면으로부터, Type429 와 동등 이상의 인성을 얻기 위해서는, Mn : 0.3 mass% 이하, Al : 1.2 mass% 이하, Ti : 0.01 mass% 이하가 아니면 안되는 것을 알았다.

본 발명은, 상기 지견에 추가로 검토를 더하여 완성한 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 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 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.002∼0.008 mass% 의 범위이다.

Si : 0.5 mass% 이하

Si 는, 탈산재로서 첨가된다. 0.05 mass% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 또, Si 는, 본 발명이 주안으로 하는 내산화성을 향상시키는 효과를 갖지만, Al 만큼의 효과는 얻어지지 않는다. 한편, 도 6 으로부터 알 수 있는 바와 같이, 0.5 mass% 를 초과하는 Si 의 과잉 첨가는 내스케일 박리성이 저하되고, SUS444 와 동등 이상의 내산화성이 얻어지지 않는다. 따라서, Si 의 상한은 0.5 mass% 로 한다.

Mn : 0.5 mass% 이하

Mn 은, 강의 강도를 높이는 원소로서, 또 탈산제로서의 작용도 갖는다. 0.05 mass% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 과잉 첨가는 고온에서 γ 상 (相) 이 생성되기 쉬워져 내열성을 저하시킨다. 또, 도 7 로부터 알 수 있는 바와 같이, 0.5 mass% 를 초과하여 첨가하면 Type429 와 동등 이상의 인성이 얻어지지 않아, 본 발명의 목적을 달성할 수 없다. 따라서, 본 발명에서는 Mn 을 0.5 mass% 이하로 한다.

P : 0.04 mass% 이하

P 는, 인성을 저하시키는 유해 원소로서, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하다. 그래서, 본 발명에서는, P 는 0.04 mass% 이하로 한다. 바람직하게는 0.03 mass% 이하이다.

S : 0.006 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 0.006 mass% 이하로 한다. 바람직하게는 0.003 mass% 이하이다.

Cr : 16∼20 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 강화시키고, 경질화·저연성화 (低延性化) 하는 원소로서, 특히 20 mass% 를 초과하여 함유하면, 상기 폐해가 현저해지고, Type429 와 동등 이상의 가공성이나 인성이 얻어지지 않게 된다. 따라서, 본 발명에서는, Cr 은 16∼20 mass% 의 범위로 한다. 바람직하게는 16∼19 mass% 의 범위이다.

N : 0.015 mass% 이하

N 은, 강의 인성 및 성형성을 저하시키는 원소로서, 0.015 mass% 를 초과하여 함유하면, 상기 저하가 현저해진다. 따라서, N 은 0.015 mass% 이하로 한다. 또한, N 은, 보다 높은 인성이 요구되는 경우에는 더욱 저감시켜, 0.010 mass% 미만으로 하는 것이 바람직하다.

Nb : 0.3∼0.55 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, 0.55 mass% 를 초과하는 첨가는 Laves 상 (相) 이 석출되기 쉬워져 취성이 저하된다. 따라서, Nb 는 0.3∼0.55 mass% 의 범위로 한다. 바람직하게는 0.4∼0.5 mass% 의 범위이다.

Ti : 0.01 mass% 이하

Ti 는, Nb 에 비해 N 과 결합하기 쉬워 조대한 TiN 을 형성하기 쉬운 원소로서, 이 조대한 TiN 은, 노치로서 작용하여 인성을 현저하게 저하시킨다. 특히, 도 9 에 나타낸 바와 같이, Ti 의 함유량이 0.01 mass% 를 초과하면, 이 악영향이 현저해진다. 따라서, 본 발명에서는, Ti 는 0.01 % 이하로 제한한다.

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 농화 (濃化) 되고, 스테인리스강 본래의 내산화성을 향상시키는 원소인 Cr 의 재확산을 억제하기 때문인 것으로 생각된다. 따라서, Cu 는, 1.0∼2.5 mass% 의 범위로 한다. 보다 바람직하게는 1.1∼1.8 mass% 의 범위이다.

Al : 0.2∼1.2 mass%

Al 은, 도 4 및 도 5 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, 도 8 에 나타낸 바와 같이, 1.2 mass% 를 초과하여 첨가하면, 강이 경질화되어 Type429 와 동등 이상의 인성이 얻어지지 않게 되므로, 상한은 1.2 mass% 로 한다. 바람직하게는, 0.3∼1.0 mass% 의 범위이다.

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 (희토 원소) 및 Zr 은 모두 내산화성을 개선하는 원소로서, 본 발명에서는, 필요에 따라 첨가할 수 있다. 그 효과를 얻기 위해서는, 각각 0.01 mass% 이상, 0.05 mass% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, REM 의 0.08 mass% 를 초과하는 첨가는, 강을 취화시키고, 또 Zr 의 0.5 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, 가공성 및 내산화성의 향상에 유효한 원소로서, 특히 내산화성 향상 효과를 얻기 위해서는, 0.15 mass% 이상의 첨가가 바람직하다. 그러나, 0.5 mass% 를 초과하는 과잉 첨가는, 조대한 V (C, N) 를 석출하고, 표면 성상을 열화시킨다. 따라서, V 를 첨가하는 경우에는, 0.5 mass% 이하 첨가하는 것이 바람직하고, 0.15 ∼0.4 mass% 의 범위에서 첨가하는 것이 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 요구되는 경우에는, 냉연 후 혹은 마무리 소둔 후, 스킨 패스를 실시해도 된다. 또한, 상기 열간 압연 전의 슬래브 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, 심 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 에 나타내는 성분 조성을 갖는 No. 1∼27 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 ℃/s 로 냉각시키고, 산세하여 판두께가 2 ㎜ 인 냉연 소둔판으로 하고, 이하의 내산화성 시험 및 충격 시험에 제공하였다. 또한, 참고로서 표 1 의 No. 28∼32 에 나타낸 SUS444, Type429 및 WO2003/004714호 팜플렛, 일본 공개특허공보 2006-117985호, 일본 공개특허공보 2000-297355호의 발명 강에 대해서도, 상기와 동일하게 하여 냉연 소둔판을 제조하고, 동일한 평가 시험에 제공하였다.

<대기중 연속 산화 시험 (continuance 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.

<대기중 반복 산화 시험 (cyclic oxidation test in air)>

상기 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, 대기 분위기 중에서, 100 ℃ 와 950 ℃ 사이를 승온·강온을 반복하는 산화 시험을 실시하였다. 또한, 승온, 강온 속도는 각각 5 ℃/sec, 1.5 ℃/sec 로 하고, 유지 시간은 100 ℃ 가 1 min, 950 ℃ 가 25 min 로 하고, 이것을 600 사이클 실시하였다. 내반복 산화성의 평가는, 시험 후의 샘플의 질량을 측정하고, 미리 측정해 둔 시험 전의 질량과의 차이를 구하여 스케일 박리량 (g/㎡) 을 구하였다. 또한, 시험은 각 2 회 실시하고, 그 평균값으로 내반복 산화성을 평가하였다.

<샤르피 충격 시험>

상기 각종 냉연 소둔판으로부터, V 노치를 압연 방향으로 직각으로 넣은 샤르피 충격 시험편을 각 3 개씩 채취하고, -40 ℃ 의 온도에서의 샤르피 충격 시험을 실시하고, 취성 파면율을 측정하고, 3 개의 평균값을 구하여 인성을 평가하였다.

실시예 2

실시예 1 에 있어서 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 단조하여 35 ㎜ 사각형의 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, SUS444, Type429 및 WO2003/004714호 팜플렛, 일본 공개특허공보 2006-117985호, 일본 공개특허공보 2000-297355호의 발명 강에 대해서도 동일하게 시료를 제조하고, 열 피로 시험에 제공하였다.

<열 피로 시험 (thermal fatigue test)>

열 피로 시험은, 구속률 0.35 로, 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 으로 하였다. 또, 열 피로 수명 (thermal fatigue life) 은, 100 ℃ 에서 검출된 하중을 시험편 균열 평행부의 단면적으로 나누어 응력을 산출하고, 전의 사이클의 응력에 대해 연속적으로 응력이 저하되기 시작했을 때의 최소 사이클수로 하였다.

상기 실시예 1 의 대기중 연속 산화 시험, 대기중 반복 산화 시험, 샤르피 충격 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 있음과 함께, Type429 와 동등 이상의 인성을 갖고 있어, 본 발명의 목표를 만족하고 있다. 이에 대하여, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예의 강 혹은 선행 기술의 참고예의 강은, 내산화 특성, 내열 피로 특성 및 모재의 인성 모두가 동시에 우수한 것은 없어, 본 발명이 목표로 하는 특성이 얻어지지 않았다.

산업상 이용가능성

본 발명의 강은, 자동차 등의 배기계 부재용으로서 적합할 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 : 0.5 mass% 이하, Mn : 0.5 mass% 이하, P : 0.04 mass% 이하, S : 0.006 mass% 이하, Cr : 16∼20 mass%, N : 0.015 mass% 이하, Nb : 0.3∼0.55 mass%, Ti : 0.01 mass% 이하, Mo : 0.1 mass% 이하, W : 0.1 mass% 이하, Cu : 1.0∼2.5 mass%, Al : 0.2∼1.2 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.