KR20110086618A

KR20110086618A - 페라이트-오스테나이트계 스테인리스강

Info

Publication number: KR20110086618A
Application number: KR1020117013920A
Authority: KR
Inventors: 페테르 사무엘손; 시몬 릴레; 얀-올로프 안데르손; 마트스 릴랴스; 에리크 쉐딘; 펠레 요한손
Original assignee: 오또꿈뿌 오와이제이
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-07-28
Also published as: ZA201103932B; US9822434B2; BRPI0923080B1; FI20080666A0; CN102257174A; JP2012512960A; TWI571517B; US20110250088A1; EA201190015A1; EP2358918A1; WO2010070202A1; CA2743741A1; ES2559227T3; FI121340B; CN105483565A; FI20080666A; EP2358918A4; CA2743741C; SI2358918T1; EP2358918B1

Abstract

본 발명은 오스테나이트-페라이트계 미세 조직 중 페라이트의 함량이 35~65 부피%, 바람직하게는 40~60 부피%이며 용접성, 내부식성 및 열간 가공성이 우수한 2상 스테인리스강에 관한 것이다. 이러한 강은 0.005~0.04 중량%의 탄소, 0.2~0.7 중량%의 규소, 2.5~5 중량%의 망간, 23~27 중량%의 크롬, 2.5~5 중량%의 니켈, 0.5~2.5 중량%의 몰리브덴, 0.2~0.35 중량%의 질소, 0.1~1.0 중량%의 구리, 선택적으로 1 중량% 미만의 텅스텐, 0.0030 중량% 미만의 붕소와 칼슘을 포함하는 그룹의 하나 이상의 성분, 0.1 중량% 미만의 세륨, 0.04 중량% 미만의 알루미늄, 0.010 중량% 미만의 황 그리고 나머지 철 성분과 부수적인 불순물을 함유한다.

Description

페라이트-오스테나이트계 스테인리스강{FERRITIC-AUSTENITIC STAINLESS STEEL}

본 발명은 강의 미세 조직 중의 페라이트의 함량이 35~65 부피%, 바람직하게는 40~60 부피% 수준이며, 경제적으로 제조 가능하고, 열간 압연시 에지 크랙킹(edge cracking) 위험이 없는 우수한 열간 가공성을 나타내는, 2상 페라이트-오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다. 강은 내부식성을 갖추고 있으며 강도가 높고 용접성이 양호할 뿐만 아니라, 공식 저항 지수(PRE:pitting resistance equivalent)의 값이 30 내지 36의 범위에 있도록 적어도 니켈과 몰리브덴의 함량과 관련하여 최적화된 원료비로 제작 가능하다.

페라이트-오스테나이트계 스테인리스강 또는 2상 스테인리스강은 스테인리스강과 거의 유사한 정도로 역사가 길다. 80년에 이르는 이 기간 동안 상당수의 2상 합금이 발견되었다. 이미 1930년에, 지금은 Outokumpu, Oyj 에 소속되어 있는 Avesta Steelworks 에 의해, 상품명 453S로 명명된 2상 스테인리스강으로 이루어진 주물, 단조품 및 판재가 생산되었다. 따라서, 상기 언급한 제품은 매우 초기의 2상 강 제품 중 하나이며, 필수 구성 성분으로서 Cr 26%와, Ni 5% 및 Mo 1.5%(중량%로서 나타냄)를 함유하여 대략 70%의 페라이트와 30%의 오스테나이트의 상 균형(phase balance)을 나타낸다. 이러한 강은 오스테나이트계 스테인리스강과 비교하여 기계적 강도가 상당히 향상되었으며 또한, 2상 구조로 인해 결정간 부식의 발생 가능성이 적은 편이다. 이러한 기간의 제조 기술을 통해 얻어지는 강은 강에 포함되는 탄소의 함량이 높은 수준에 머무를 수밖에 없었으며 의도적으로 질소를 첨가하기가 불가능하였고 또한 용접 영역에서 약간의 특성 저하와 함께 높은 수준의 페라이트 함량을 나타내었다. 그러나, 이러한 2상 강의 기본 조성은 탄소 함량을 낮추면서 상 비율이 보다 균형을 이루는 방향으로 점진적으로 개선되어 왔고, 이러한 유형의 2상 강은 여전히 국제 표준 제품으로서 존재하고 상업적으로 이용 가능하다. 이러한 기본 조성의 강은 또한 이후 많은 2상 강 개발에 있어 선두 주자가 되어왔다.

차세대 2상 강은 AOD 전로 공정에 의해 강의 제련 가능성이 증강되고 강에 질소를 첨가하는 기술이 촉진된 1970 년대에 와서야 도입되었다. 1974년 2상 강에 관한 특허가 허여되었으며(독일 특허 제 2255673 호) 이는 상 균형 제어의 결과 용접 조건 하에서 결정간 부식에 대한 저항성을 갖는 강을 주장하였다. 이러한 강은 제 EN 1.4462 호로 표준화되었으며 여러 강 제조업자에 의해 점진적으로 생산량이 증가하여 왔다. 이후 연구 개발을 통해 질소가 용접 작업 동안의 상 균형의 제어에 있어 결정적인 성분임이 밝혀졌으며, 또한 상기 특허 및 표준에서도 질소 함량의 범위가 넓을수록 일관성 있는 결과치를 얻을 수 없었다. 오늘날, 최적화된 등급으로서의 2상 스테인리스강 제 EN 1.4462 호는 대다수 공급자에 의해 수 톤으로 생산되며 주도적인 위치를 차지하고 있다. 이러한 강의 상품명은 2205이다. 이후 개발 과정에서 상기와 같은 질소의 역할에 관한 지식이 활용된 결과, 현대의 2상 강은 전체 조성에 따라 적정 수준에서부터 높은 수준에 이르기까지 다양한 함량의 질소를 함유하게 되었다.

현재, 2상 강은 절약형(lean), 표준형(standard) 및 수퍼 2상(superduplex)형 등급으로 분류될 수 있다. 일반적으로, 절약형 2상 강은 표준 규격 제 EN 1.4301 호(ASTM 304) 및 제 EN 1.4401 호(ASTM 316)의 오스테나이트계 스테인리스강 수준의 공식 저항성을 나타낸다. 비교 대상인 오스테나이트계 스테인리스강보다 니켈 함량이 상당히 낮기 때문에, 이러한 절약형 등급의 2상 강은 보다 저렴한 단가로 공급이 가능하다. 1973년 이러한 절약형 등급의 제 1 절약형 2상 강 중 하나에 관한 특허가 허여된바 있다(미국 특허 제 3736131 호). 이러한 강의 일 용례로서, 니켈 함량이 적고 대신 망간이 사용된 냉간 압조(cold headed) 체결구가 있다. 1987년 허여된 (미국 특허 제 4798635 호) 다른 절약형 2상 합금은 본질적으로 소정 환경 조건 하에서 우수한 저항성을 나타내는 몰리브덴을 함유하고 있지 않다. 이러한 종류의 강은 제 EN 1.4362 호(상품명 2304)로 표준화되었으며 부분적으로 제 EN 1.4401 호 유형의 오스테나이트계 스테인리스강을 대체하도록 사용되고 있다. 또한 이러한 2304 강은 용접 구역에서의 페라이트 함량의 수준이 높다는 문제를 나타낼 수 있는데 그 이유는 이러한 등급에 의해 얻어질 수 있는 질소 함량의 수준이 너무 낮기 때문이다. Outokumpu 사는 2000년에 새로운 절약형 2상 강(LDX 2101)에 관한 특허(유럽 특허 제 1327008 호)를 허여받은 바 있으며, 해당 특허는 제 EN 1.4301 호의 오스테나이트계 스테인리스강과 경쟁하는 낮은 원료비로 바람직한 특성 프로파일을 나타내는 강을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

이른바 표준형 2상 강 중에서, 앞서 언급한바 있는 제 EN 1.4462 호의 강(상품명 2205)이 가장 인정받는 주도적인 등급의 강이다. 가격 고려 사항과 결부하여 다양한 특성의 요건을 충족시키기 위하여, 현재 상기 등급의 다양한 모델이 마련되어 있다. 이러한 강의 경우 그 특정 조건이 지정됨에 따라 서로 다른 특성이 얻어질 수 있다는 점은 문제가 될 수도 있다.

제 EN 1.4401 호(ASTM 316) 유형의 오스테나이트계 스테인리스강 뿐만 아니라 2205 등급의 2상 스테인리스강과 관련하여 비용이 보다 저렴한 대안을 제공하기 위한 시도가 미국 특허 제 6,551,420 호에 이루어졌고, 이는 용접 및 성형 가능하며 제 EN 1.4401 호의 강보다 더 큰 내부식성을 갖는 2상 스테인리스강에 관한 것이며 특히, 염화물 함유 환경에서의 서비스에 유리하다. 상기 미국 특허 제 6,551,420 호에 개시된 예에서, 각각의 구성 성분이 중량%를 기준으로 0.018~0.021%의 탄소와, 0.46~0.50%의 망간, 0.022%의 인, 0.0014~0.0034%의 황, 0.44~0.45%의 규소, 20.18~20.25%의 크롬, 3.24~3.27%의 니켈, 1.80~1.84%의 몰리브덴, 0.21%의 구리, 0.166~0.167%의 질소, 0.0016%의 붕소를 함유하는 두 개의 조성물이 설명되어 있다. 공식 저항 지수(PRE)는 이러한 예를 위해 28,862 내지 28,908의 범위에 있다. 이러한 지수 범위를 아래의 표 2에 설명되고 있는 바와 같은 미국 특허 제 6551420 호에 제시된 범위와 비교해보면, 상기 특허에 제시된 범위가 상기 예제의 범위보다 상당히 넓다.

또한, 미국 특허 출원 제 2004/0050463 호를 통해 공지되어 있는 바와 같이, 망간의 함량이 높은 2상 강은 열간 가공성이 우수하다(표 2의 화학 조성 참조). 상기 공보에 언급된 바에 따르면, 구리의 함량이 0~1.0%로 제한되고 망간의 함량이 증가하는 경우 열간 가공성이 향상된다. 또한, 상기 미국 특허 출원에 언급된 바에 따르면, 몰리브덴을 함유한 2상 스테인리스강의 경우, 몰리브덴의 함량이 일정할 때, 망간의 함량이 증가할수록 열간 가공성이 개선된다. 망간의 함량이 일정하고 몰리브덴의 함량이 증가하는 경우에는 열간 가공성이 저하된다. 상기 미국 특허 출원에는 또한, 망간의 함량이 높은 2상 스테인리스강에서, 텅스텐과 망간이 열간 가공성에 상승 효과를 갖는 것이 설명되어 있다. 그러나, 이러한 미국 특허 출원에는 또한, 망간의 함량이 낮은 2상 스테인리스강에서 텅스텐의 함량이 증가할수록 열간 가공성이 낮아지는 것이 설명되어 있다.

화학 조성 외에 2상 스테인리스강의 열간 가공성의 결정에 있어 중요한 인자는 상 균형이다. 경험적으로 발견된 바에 따르면, 오스테나이트의 함량이 높은 2상 스테인리스강 조성물은 열간 가공성이 낮으며, 더 높은 페라이트의 함량은 유리한 것을 나타낸다. 그러나, 높은 페라이트 함량은 용접성에 악영향을 갖기 때문에, 2상 스테인리스강 합금의 설계 시에는 상 균형을 최적화하는 것이 결정적이다. 상기 미국 특허 출원 제 2004/0050463 호에는 미세 조직 중에서 페라이트 또는 오스테나이트가 차지하는 부분에 대해서는 설명되어 있지 않으며, 따라서, 상기 미국 특허 출원에서는 열간 가공성의 비교를 위해 사용되고 있는 2상 스테인리스강 "표본 제 17 번" 및 "표본 제 28 번"에 대하여 열역학적 데이타베이스 써모캘크(ThermoCalc) TCFE6을 사용하여 페라이트의 함량이 산출되었다. 이러한 "표본 제 17 번" 및 "표본 제 28 번"에 대하여 세 개의 온도에서 산출된 페라이트의 함량이 아래의 표 1에 기재되어 있다.

미국 특허 출원 제 2004/0050463 호에 제시된 페라이트 함량

강	페라이트 함량(%)
	1050℃	1150℃	1250℃
표본 제 17 번	28	36	49
표본 제 28 번	60	69	83

상기 미국 특허 출원 제 2004/0050463 호에서 비교되고 있는 "표본 제 17 번" 및 "표본 제 28 번"의 조성이 상이하다는 점 외에, 표 1은 이들 강의 "표본 제 17 번" 및 "표본 제 28 번"은 서로 완전히 다른 상 균형을 나타내고 있는 것을 명백하게 나타내며, 이것은 이들 두 개의 합금 사이의 열간 가공성의 차이를 설명하기에 충분한 요인이 된다. 따라서, 기타 다른 특성 또한 서로 다르다는 것을 분명하게 알 수 있다.

상기 특허에 언급된 2상 스테인리스강의 조성에 대해서는 아래의 표 2에 수집되어 있다. 표 2에는 또한, 아래의 수학식을 사용하여 산출되는 공식 저항 지수(PRE) 값이 기재되어 있다.

수학식 1을 사용하여 산출된 2상 스테인리스강의 화학 조성 및 PRE 값

합금/특허 (상품명)	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Cu	N	기타	PRE(1)
453S	<0.08		-	26	5	1.5	-	-		30.95
DE2255673 (2205)	<0.03	<0.8	<2.0	18~26	2~8	1.6~5	-	0.06~ 0.20		24.24~ 45.7
US3736131	<0.06	<1.0	4~11	19~24	<3	-	<0.5	0.12~ 0.26	<0.5 Co	20.92~ 28.16
US4798635 (2304)	<0.06	<1.5	<4	21~ 24.5	2~5.5	0.01~ 1	<1	0.05~ 0.3		21.83~ 32.6
EP1327008 (LDX2101)	<0.07	0.1~ 2.0	3.0~ 8.0	19~23	0.5~ 1.7	<1.0	<1.0	0.15~ 0.30	<2W	21.4~ 31.1
US 6551420	<0.06	0~2	0~ 3.75	15~25	3~6	1.4~ 2.5	<0.5	0.14~ 0.35	<0.2 Co	21.86~ 38.85
US 2004/ 0050463	<0.1	0.05~ 2.2	2.1~ 7.8	20~29	3.0~ 9.5	<5	0~ 1.0	0.08~ 0.5	1.2~8 W	21.28~ 53.5

상기 미국 특허 출원 제 2004/0050463 호에서는, 내부식성에 관한 설명 내용에서 아래의 수학식 2를 사용하여 산출되는 공식 저항 지수 숫자(PREN)를 사용하고 있다.

여기서, 인자(%Mo+0.5%W)는 0.8<(%Mo+0.5%W)<4.4의 범위로 제한된다. 이러한 미국 특허 출원의 강의 목표는 수학식 2에 의해 산출되는 PREN이 높은 내부식성을 나타내기 위하여 35보다 큰 값을 갖는 것이다. 상기 미국 특허 출원 제 2004/0050463 호에 개시된 강은, 예를 들어, 2205 의 2상 스테인리스강보다 내부식이 우수하지만, 이들 강은 높은 열간 가공성을 위해 모두 망간과, 니켈 그리고 텅스텐의 함량이 높다. 이러한 합금 구성 성분, 특히 니켈과 텅스텐은 강을, 예를 들어, 2205 등급의 2상 스테인리스강 보다 더 비싸게 만든다.

또한, 온도가 낮아질수록 연성 손실을 야기하는 에지 크랙킹 없이 2상 스테인리스강 열간 압연 코일을 제조하는 것은 현재 많은 문제가 있다. 이러한 에지 크랙킹은 공정 수율 손실을 초래할 뿐만 아니라 다양한 공정 장비 손상에 의한 문제를 야기한다.

따라서, 기계, 부식 및 용접 특성에 관한 특정한 특성 프로파일을 갖는 스테인리스강 등급에 대한 비용 효율적인 대안인 2상 스테인리스강을 발견하는 것이 상업적으로 관심을 끌고 있다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 해소하고, 열간 압연시 에지 크랙킹 현상 없이 경제적으로 제조가 가능하며 내부식성 및 우수한 용접성을 갖는 개선된 페라이트-오스테나이트계 2상 스테인리스강을 달성하는 것이다. 본 발명의 필수적인 특징에 대해서는 첨부된 청구항에 설명되어 있다.

본 발명은 오스테나이트-페라이트계 미세 조직 중 페라이트의 함량이 35~65 부피%, 바람직하게는 40~60 부피%인 2상 스테인리스강에 관한 것으로, 이 강은 0.005~0.04 중량%의 탄소와, 0.2~0.7 중량%의 규소, 2.5~5 중량%의 망간, 23~27 중량%의 크롬, 2.5~5 중량%의 니켈, 0.5~2.5 중량%의 몰리브덴 , 0.2~0.35 중량%의 질소, 0.1~1.0 중량%의 구리, 선택적으로 1 중량% 미만의 텅스텐, 그리고 나머지 철 성분과 부수적인 불순물을 함유한다. 바람직하게는, 상기 오스테나이트-페라이트계 미세 조직을 구비한 2상 스테인리스강은 0.01~0.03 중량%의 탄소와, 0.2~0.7 중량%의 규소, 2.5~4.5 중량%의 망간, 24~26 중량%의 크롬, 2.5~4.5 중량%의 니켈, 1.2~2 중량%의 몰리브덴, 0.2~0.35 중량%의 질소, 0.1~1 중량%의 구리, 선택적으로 1 중량% 미만의 텅스텐, 0.0030 중량% 미만의 붕소와 칼슘을 포함하는 그룹의 하나 이상의 성분, 0.1 중량% 미만의 세륨, 0.04 중량% 미만의 알루미늄, 최대 0.010 중량%, 바람직하게는 최대 0.003 중량%의 황 및 바람직하게는 최대 0.035 중량%의 인 그리고 나머지 철 성분과 부수적인 불순물을 함유한다. 보다 바람직하게는, 상기 오스테나이트-페라이트계 미세 조직을 구비한 2상 스테인리스강은 0.03 중량% 미만의 탄소, 0.7 중량% 미만의 규소, 2.8~4.0 중량%의 망간, 23~25 중량%의 크롬, 3.0~4.5 중량%의 니켈, 1.5~2.0 중량%의 몰리브덴, 0.23~0.30 중량%의 질소, 0.1~0.8 중량%의 구리, 선택적으로 1 중량% 미만의 텅스텐, 0.0030 중량% 미만의 붕소와 칼슘을 포함하는 그룹의 하나 이상의 성분, 0.1 중량% 미만의 세륨, 0.04 중량% 미만의 알루미늄, 최대 0.010 중량%, 바람직하게는 최대 0.003 중량%의 황 및 바람직하게는 최대 0.035 중량%의 인 그리고 나머지 철 성분과 부수적인 불순물을 함유한다.

본 발명은 니켈 및 몰리브덴과 같은 소정의 중요한 합금 구성 성분의 급격한 가격 변동을 고려하여 최적화된 원료비로 제조되는 소정 유형의 경제적인 스테인리스강에 관한 것이다. 더 특별하게는, 본 발명은 광범위하게 사용되는 제 EN 1.4404 호(ASTM 316L) 및 제 EN 1.4438 호(ASTM 317L) 유형의 오스테나이트계 스테인리스강과 비교하여 개선된 부식 및 강도 특성을 갖춘 경제적인 대안을 포함한다. 본 발명은 또한, 빈번하게 사용되고 있는 2상 스테인리스강 제 EN 1.4462 호(2205)의 경제적인 대안을 제공한다. 본 발명에 따른 강은 주물 제품뿐만 아니라 플레이트, 시트, 코일, 바, 파이프 및 관과 같은 상당히 광범위한 제품으로 제조되어 사용될 수 있다. 본 발명의 제품의 용례는 프로세스 산업, 운송 및 도시 공학과 같은 여러 사용자 분야에서 찾아볼 수 있다.

본 발명에 따르면, 2상 스테인리스강으로의 모든 합금 첨가물이 균형을 잘 이루고 있으며 최적의 수준으로 존재하는것이 매우 중요하다. 또한 우수한 기계적 특성, 내부식성 및 적절한 용접성을 달성하기 위해서는, 본 발명의 2상 스테인리스강의 상 균형을 제한하는 것이 바람직하다. 이러한 이유로, 본 발명의 용체화 풀림 처리(solution annealed) 제품은 40~60 부피% 의 페라이트 또는 오스테나이트를 함유해야 한다. 본 발명의 강의 안정화된 미세 조직을 기반으로, 전술한 수학식 1을 사용하여 산출되는 공식 저항 지수(PRE)는 30 내지 36, 바람직하게는 32 내지 36, 보다 바람직하게는 33 내지 35의 범위에 있다. 또한, 본 발명의 2상 스테인리스강은, 부식에 대한 임계 공식 온도(CPT)는 40℃보다 높다. 기계적 특성과 관련하여, 본 발명의 2상 스테인리스강의 항복 강도(Rp₀ _.2)는 500 Mpa보다 높다.

본 발명의 2상 스테인리스강에 중량%의 함량으로 포함되어 있는 각각의 구성 성분의 영향에 대해 설명된다:

탄소 첨가물은 2상 강의 오스테나이트 상을 안정화시키며, 고용체 상태로 유지되는 경우, 강도 및 내부식성을 향상시키는 역할을 한다. 따라서, 탄소 함량은 0.005%보다 높아야 하며, 바람직하게는 0.01%보다 높아야 한다. 그러나, 제한된 용해도와 침전 탄화물의 유해성 때문에, 탄소의 함량은 최대 0.04%, 바람직하게는 최대 0.03%로 제한되어야 한다.

규소는 야금 제련 공정을 위하여 강의 중요한 첨가물이며, 0.1%보다 높은 수준으로, 바람직하게는 0.2%보다 높은 수준으로 포함되어야 한다. 규소는 또한, 페라이트와 금속간 상(intermetallic phase)을 안정화시키는 역할을 하므로 최대 0.7%까지 첨가되어야 한다.

망간은 오스테나이트 상을 안정화시키기 위한 값비싼 니켈의 경제적인 대체품으로서 질소와 함께 사용된다. 망간이 질소의 용해도를 개선시키기 때문에, 고체 상태의 침전 질화물의 위험을 줄일 수 있으며, 주조 및 용접 등에서 액체 상태의 다공성 물질의 형성 위험을 줄일 수 있다. 이러한 이유로, 망간의 함량은 2.5%보다 높아야 하며, 바람직하게는 2.8%보다 높아야 한다. 높은 망간 수준은 금속간 상의 위험을 증가시킬 수 있고 망간의 함량은 최대 5%로, 바람직하게는 최대 4.5%로, 보다 바람직하게는 최대 4%이어야 한다.

크롬은 국부적 및 균일한 내부식성 모두에서 중대한 영향을 미치기 때문에 2상 강을 포함하는 스테인리스강에 있어 가장 중요한 첨가물이다. 크롬은 페라이트 상에 유리한 영향을 미치며 강의 질소 용해도를 증가시키는 역할을 한다. 충분한 내부식성을 달성하기 위해서는 크롬은 최소 23%, 바람직하게는 최소 24% 첨가되어야 한다. 이러한 크롬은, 600℃ 내지 900℃의 온도에서 금속간 상 침전물의 위험 뿐만 아니라 300℃ 내지 500℃의 온도에서 스피노달 분해(spinodal decomposition) 위험을 증가시킨다. 따라서, 본 발명의 강은, 27%보다 많은 크롬을 함유하지 않아야 하며, 바람직하게는 최대 26%, 보다 바람직하게는 최대 25% 이어야 한다.

니켈은 2상 강의 오스테나이트를 안정화시키며 연성을 향상시키기 위해 필요한 중요하지만 값비싼 첨가물이다. 경제적인 이유 및 기술적인 이유로, 니켈의 함량은 2.5% 내지 5%, 바람직하게는 3% 내지 4.5%의 범위로 제한되어야 한다.

몰리브덴은 상당히 비용이 많이 드는 합금 구성 성분으로서 상당하게 내부식성을 향상시키며 페라이트 상을 안정화시킨다. 공식 저항 지수에 긍적적인 영향을 미칠 수 있도록 하기 위해서는, 본 발명에 따른 강에 몰리브덴이 최소 1%, 바람직하게는 최소 1.5% 첨가되어야 한다. 몰리브덴 또한 금속간 상의 형성 위험을 증가시키기 때문에 그 수준은 최대 2.5%, 바람직하게는 2.0% 미만이어야 한다.

구리는 약한 오스테나이트 안정화 효과가 있으며 황산과 같은 산성 물질에서의 균일한 내부식성을 향상시킨다. 구리는 0.1%를 초과하는 함량으로 포함되어 있는 경우 금속간 상의 형성을 억제하는 효과가 있는 것이 알려져 있다. 연구 조사 결과는, 본 발명의 강의 1% 구리가 상당 수준의 금속간 상의 형성을 초래하는 것을 나타내었다. 이러한 이유로, 구리의 함량은 1.0% 미만, 바람직하게는 0.8% 미만이어야 한다.

텅스텐이 2상 강에 미치는 영향은 몰리브덴이 2상 강에 미치는 영향과 상당히 유사하며, 따라서 이들 양 구성 성분을 내부식성을 향상시키기 위한 용도로 사용하는 것은 매우 일반적이다. 몰리브덴과 텅스텐의 최대 총 함량(%Mo+1/2%W)은 3.0%이어야 한다.

질소는 주로 오스테나이트 상의 세포 사이에 용해되는 매우 활성인 성분이다. 질소는 2상 강의 강도 및 내부식성(특히, 점식(pitting) 저항성 및 틈에서의 부식에 대한 저항성) 모두를 증가시키는 역할을 한다. 질소의 다른 결정적인 역할은, 흠이 없는 용접부 (sound weld) 를 생성하기 위한 용접 동안의 오스테나이트의 개질에 상당한 영향을 미친다는 점이다. 이러한 질소의 장점을 활용할 수 있도록 하기 위해서는, 강에서의 질소의 충분한 용해도를 보장할 필요가 있으며, 본 발명에 있어서, 이러한 충분한 질소 용해도는 크롬과 망간의 함량을 높이면서 니켈의 함량을 적절하게 유지하는 것을 통하여 이루어질 수 있다. 이러한 효과를 달성하기 위하여, 강에서의 질소의 최소 함량은 0.15%인 것이 요구되며, 바람직하게는 0.20%의 질소, 보다 바람직하게는 적어도 0.23%의 질소가 요구된다. 질소 용해도를 위한 최적의 조성을 사용하는 경우에도, 본 발명에 있어서, 용해도의 상한값은 존재하며, 이러한 상한값 이상에서는 질화물 또는 다공성 물질이 형성될 위험이 높아진다. 따라서, 질소의 최대 함량은 0.35% 미만, 바람직하게는 0.32% 미만, 보다 바람직하게는 0.30% 미만이어야 한다.

붕소, 칼슘 및 세륨이 열간 가공성을 향상시키기 위하여 또한 2상 강에 소량 첨가될 수 있으며, 이러한 첨가가 다른 특성의 저하를 야기할 수도 있기 때문에 너무 높지 않은 수준이어야 한다. 붕소와 칼슘의 바람직한 수준은 0.003% 미만이며, 세륨의 바람직한 수준은 0.1% 미만이다.

2상 강의 황은 열간 가공성을 저하시키며 공식 저항성에 악영향을 미치는 황화물 개재물을 형성할 수 있다. 따라서, 황의 함량은 0.010% 미만으로, 바람직하게는 0.005% 미만으로 그리고 보다 바람직하게는 0.003% 미만으로 제한되어야 한다.

질소 함량이 높은 본 발명에 따른 2상 스테인리스강의 알루미늄은 낮은 수준으로 유지되어야 하는데, 그 이유는 이들 두 성분이 조합될 수 있고 인성(toughness)에 악영향을 미치는 질화 알루미늄을 형성할 수 있기 때문이다. 따라서, 알루미늄의 함량은 최대 0.04% 미만, 바람직하게는 최대 0.03% 미만이어야 한다.

본 발명의 2상 스테인리스강이 첨부 도면에 도시되고 표에 기재되어 있는 두 개의 참조용 2상 스테인리스강과 비교되고 있는 시험 결과에서 또한 설명된다.

도 1은 본 발명의 2상 스테인리스강으로 이루어진 코일 에지를 보여주는 도면이다.
도 2는 풀-스케일(full-scale)의 참조용 등급의 강으로 이루어진 코일 에지를 보여주는 도면이다.

본 발명의 2상 스테인리스강의 특성 시험을 위해, 일련의 30kg의 실험용 열 합금(A 내지 F 뿐만 아니라 Ref1, Ref2)이 표 3에 열거된 바와 같은 조성으로 진공 유도로(induction furnace)에서 생성되었다. 상기 합금(Ref1, Ref2)은 각각 통상적인 두 개의 시판용 등급 AL2003(미국 특허 제 6551420 호에 설명된 등급과 유사) 및 2205(제 EN 1.4462 호)의 조성을 갖추고 있다. 100mm²의 잉곳(ingot)의 상태 조절, 재가열 및 단조 처리를 순차적으로 수행하여 대략 50mm 두께로 만들어 졌고 12mm 두께의 스트립(strip)으로 열간 압연 처리하였다. 스트립은 재가열되고 3mm 두께로 다시 열간 압연 처리되었다. 열간 압연 재료는 1050℃로 용체화 풀림 처리한 다음 다양한 시험을 위해 산처리(pickled)되었다. 22-9-3 LN 용접 충전 재료를 사용하여 3mm의 재료에 대하여 가스 텅스텐 아크(GTA) 용접 방법을 이용하여 용접이 수행되었다. 열 입력은 0.4~0.5 kJ/mm이었다.

시험 열 합금의 화학 조성

합금	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu	N	W
A	0.031	0.48	3.87	0.013	0.004	24.7	2.65	1.53	0.17	0.251	0.01
B	0.015	0.47	1.59	0.013	0.001	24.43	4.06	1.56	0.18	0.25	0.01
C	0.018	0.29	3.85	0.012	0.003	24.06	3.95	1.72	0.12	0.283	0.01
D	0.011	0.31	2.72	0.015	0.007	23.81	4.13	1.71	0.13	0.307	0.01
E	0.019	0.32	4.08	0.024	0.002	23.71	4.12	1.71	0.96	0.245	0.01
F	0.018	0.31	4.09	0.016	0.004	23.64	4.08	1.72	0.16	0.253	0.9
G	0.025	0.36	3.00	0.022	0.001	23.92	3.66	1.61	0.39	0.279	0.01
Ref1	0.02	0.54	0.67	0.013	0.002	21.66	3.56	1.78	0.23	0.166	0.01
Ref2	0.018	0.41	1.43	0.021	0.001	22.07	5.67	3.18	0.2	0.171	0.01
Ref3	0.013	0.38	1.50	0.021	0.001	22.22	5.76	3.18	0.25	0.185	0.04

합금(G 및 Ref3)은 풀-스케일 열 합금으로서 실험용 열 합금과 별개로 시험되었다. 합금(Ref3)은 합금(Ref2)의 풀-스케일 열 합금이다.

실험용 열 합금(A 내지 F 뿐만 아니라 Ref1, Ref2)은 용체화 풀림 상태에서의 기계적 특성과 관련하여 평가되었다. 인장 시험이 3mm 두께의 시트 재료에서 수행되었다. 풀-스케일 재료의 경우, 시험은 6mm 두께의 풀림 처리된 재료에서 수행되었다. 결과는 표 4에 기재되어 있다. 본 발명에 따른 모든 시험 합금은 두께 범위와 시험 코일 처리 경로에 유효한 500 Mpa보다 높은, 또한 시판되고 있는 참조용 강 재료에서와 비교하여 보다 높은 항복 강도(Rp_0.2)를 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 열 합금의 파단 강도(Rm)는 700 Mpa보다, 바람직하게는 750 Mpa보다 높고, 파단 A50 연신율은 25% 보다, 바람직하게는 30%보다 높다.

시험 열 합금의 기계적 특성

합금	Rp0.2[Mpa]	Rp1.0[Mpa]	Rm[Mpa]	A50[%]
A	567	617	749	31
B	528	594	741	34
C	539	603	769	38
D	518	596	775	36
E	523	593	748	29
F	549	606	763	34
G	561	632	802	34
Ref1	498	542	690	35
Ref2	502	563	715	36

광학 현미경을 사용하여 실험용 열 합금(A 내지 F 뿐만 아니라 Ref1, Ref2)의 미세 조직을 평가하였다. 정량적 금속 조직학 기술을 사용하여 1050℃에서의 용체화 풀림 처리 후 페라이트의 함량이 3mm 두께의 재료에서 측정되었다. 결과는 표 5에 기재되어 있다. 본 발명의 2상 스테인리스강의 중요한 특징은 모재 금속(PM)에서의 용체화 풀림 처리 경우에서뿐만 아니라 용접 상태(WM)에서도 우수한 미세 조직을 나타낸다는 점이다. 강(A)은 전술한 양 조건 하에서 높은 수준의 페라이트 함량을 나타내며, 이것은 해당 강의 니켈의 함량이 매우 낮다는 사실을 통해 설명될 수 있다. 강(B)은 허용 가능한 수준의 페라이트 함량을 나타내지만 용접 상태에서 질화물의 함량은 높은 수준을 나타내며, 이것은 강 중의 낮은 망간의 함량을 통해 설명될 수 있다. 본 발명에 따른 강에 의해, 용체화 풀림 처리 상태 및 용접 상태 모두에서 우수한 상 균형 특성이 달성되었다. 또한, 열영향부(HAZ;Heat Affected Zone)에서의 침전 질화물의 양이 본 발명의 강의 경우 두드러지게 낮은 것을 알 수 있다.

금속 조직 조사

합금	페라이트%			HAZ에서의 질화물
합금	PM	HAZ	WM	HAZ에서의 질화물
A	66	84.3	80.5	높음
B	57	75.2	73.3	높음
C	47	69.3	69.6	낮음
D	49	63.3	59.1	낮음
E	51	77	74.1	낮음
F	53	76.9	72.4	낮음
G	49	71	68.7	낮음
Ref1	56	83.6	79.5	높음
Ref2	51	81.1	75.5	중간

서로 다른 실험용 열 합금(A 내지 F 뿐만 아니라 Ref1, Ref2)의 공식 저항성을 평가하기 위하여, 임계 공식 온도(CPT)가 열 합금(A 내지 F)과 합금(Ref1, Ref2)에 대하여 측정되었다. CPT는 특정 환경에서 공식이 발생하는 가장 낮은 온도로서 정의된다. 상기 서로 다른 실험용 열 합금(A 내지 F 뿐만 아니라 Ref1, Ref2)의 CPT는 ASTM G150 표준 절차를 사용하여 1M NaCl 용액에서 용체화 풀림 처리 상태의 3mm 두께의 재료를 사용하여 측정되었다. 결과는 표 6에 기재되어 있다. 본 발명의 강의 CPT는 40℃를 초과한다. 표 6에는 또한, 참조용 재료(Ref1, Ref2) 및 실험용 열 합금(A 내지 F)에 대하여 상기 수학식 1을 사용하여 산출된 PRE 값이 기재되어 있다.

PRE 값을 갖는 ASTM G150에 따라 얻어지는 임계 공식 온도

합금	PRE	CPT[℃]
A	34	36
B	34	45
C	33	44
D	33	47
E	33	43
F	35	47
G	34	43
Ref1	30	39
Ref2	35	60

전술한 수준의 임계 공식 저항성은 또한, 표 7에 기재된 바와 같은 여러개의 보다 값비싼 시판 강의 임계 공식 저항성에 비해 유리하다.

일부 등급의 강의 임계 공식 온도(ASTM G150)

재료	PRE	CPT[℃]
본 발명	33~35	≥40
EN 1.4362	26	25
EN 1.4462	34	50
EN 1.4438	28	35
EN 1.4401	26	10

표 4, 표 5 및 표 6의 풀-스케일 합금(G)에 대하여 설명된 시험 결과는 풀-스케일 제품의 생산으로부터 얻어지고 6mm 두께를 갖는 재료에 대하여 실행된 시험을 기초로 한다. 이러한 합금(G)의 풀림 처리는 실험실 환경에서 수행되었다.

2상 스테인리스강의 중요한 특성은 이러한 강의 제조 용이성이다. 여러 가지 이유로 인해, 작은 스케일의 강의 경우에는 제련 과정이 최적의 상태로 이루어지지 않기 때문에 실험용 열 금속에 대하여 이러한 효과를 평가하기는 쉬운 일이 아니다. 따라서, 상기 본 발명의 2상 스테인리스강에 대한 실험용 열 합금(A 내지 F)에 추가하여, 풀-스케일 열 합금(90톤)이 생성되었다(표 3의 합금(G 및 Ref3). 이들 열 합금은 통상의 전기 아크로 용융, AOD 처리, 정련로(ladle furnace) 제련 및 연속 주조 기술을 사용하여 140mm X 1660mm 크기의 단면을 갖는 슬래브(slab) 형태로 생성되었다.

2상 스테인리스강의 제조를 위해, 본 발명의 풀-스케일 합금(G)과 합금(Ref3)의 열간 가공성은 연속 주조를 통해 얻어진 슬래브를 절단하여 1200℃의 온도에서 30분간 가열 처리한 다음 물을 이용하여 담금질 처리하여 얻어진 원통형 표본의 고온의 인장 검사를 사용하여 평가되었다. 결과는 합금(G)과 풀-스케일 합금(Ref3)의 가공성(면적 축소율(Ψ[%])과 유동 응력(σ[Mpa])의 비교 결과값)을 나타낸 아래의 표 8에 기재되어 있으며, 여기서, 본 발명의 합금(G)과 합금(Ref3)의 표본은 동일한 방식으로 준비하였다. 면적 축소율(Ψ)은 인장 시험 전후의 시료의 직경을 측정하여 결정하였다. 유동 응력(σ)은 1s^-1의 변형률을 달성하기 위해 필요한 시료 응력이다. 표 8에는 또한, 열역학적 데이타베이스 써모캘크(ThermoCalc) TCFE6을 사용하여 산출한 세 개의 온도에서의 페라이트의 함량이 기재되어 있다.

고온 인장 시험 결과

온도[℃]	합금(G)			합금(Ref3)
온도[℃]	Ψ[%]	σ[Mpa]	페라이트[%]	Ψ[%]	σ[Mpa]	페라이트[%]
950	92.5	133		73.3	146
1000	90.0	110		71.6	116
1050	90.9	95	39	75.5	91	38
1100	93.5	81		82.0	77
1150	96.0	65	51	89.4	55	51
1200	97.1	55	66	98.0	46	68

본 발명에 따른 합금(G)은, 온도가 낮아질수록 연성(Ψ) 손실을 나타내는 참조용 재료(Ref3)와 비교하여, 전체 작동 온도 범위에서 놀라울 정도로 우수한 고온 연성 특성을 나타낸다. 오스테나이트와 페라이트 사이의 상 균형이 비교 합금(G, Ref3)에서 유사하기 때문에, 이들 두 종류의 강의 상이한 조성이 상이한 열간 가공성의 주요 원인이다. 이러한 열간 가공성은 코일로 열간 압연되는 2상 스테인리스강에 있어 결정적으로 중요한 특성이라 할 수 있다. 열간 압연 코일의 에지 크랙킹을 시험하기 위하여, 합금(G)의 20톤의 코일을 열간 압연기인 스태켈 밀(Steckel mill)을 사용하여 140mm 두께로부터 6mm 두께가 되도록 열간 압연 성형하여, 합금(Ref3)으로 이루어진 유사한 코일이 비교를 위해 도시되어 있는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 상당히 매끄러운 코일 에지가 형성되도록 하였다. 도 1에는 합금(G)으로 이루어진 코일 에지가 도시되어 있으며, 도 2에는 합금(Ref3)으로 이루어진 코일 에지가 도시되어 있다.

본 발명에 따른 2상 스테인리스 강은 다른 2상 스테인리스강과 비교하여 강도가 보다 우수하고, 원료비가 보다 비싼 오스테나이트계 스테인리스 강 합금 및 다른 2상 스테인리스강에 비교할만한 부식 성능을 보여준다. 본 발명의 강은 또한, 용접 주기에 대하여 상당히 유리한 응답성을 나타내는 균형 잡힌 미세 조직을 갖추고 있는 것이 분명하다.

전술한 설명 내용은 본 발명의 몇몇 중요한 태양을 예시한 것이다. 그러나, 당업자에게는 첨부된 청구항 및 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변형예 및 수정이 이루어질 수 있는 것이 분명할 것이다.

Claims

오스테나이트-페라이트계 미세 조직 중 페라이트의 함량이 35~65 부피%, 바람직하게는 40~60 부피%이며, 용접성, 내부식성 및 열간 가공성이 우수한 2상 스테인리스강에 있어서,
상기 강은 0.005~0.04 중량%의 탄소, 0.2~0.7 중량%의 규소, 2.5~5 중량%의 망간, 23~27 중량%의 크롬, 2.5~5 중량%의 니켈, 0.5~2.5 중량%의 몰리브덴, 0.2~0.35 중량%의 질소, 0.1~1.0 중량%의 구리, 선택적으로 1 중량% 미만의 텅스텐, 0.0030 중량% 미만의 붕소와 칼슘을 포함하는 그룹의 하나 이상의 성분, 0.1 중량% 미만의 세륨, 0.04 중량% 미만의 알루미늄, 0.010 중량% 미만의 황 그리고 나머지 철 성분과 부수적인 불순물을 함유하는 것을 특징으로 하는 2상 스테인리스강.
제 1 항에 있어서, 상기 강은 2.5~4.5 중량%, 바람직하게는 2.8~4.0 중량%의 망간을 함유하는 것을 특징으로 하는 2상 스테인리스강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 강은 23~26 중량%, 바람직하게는 23~25 중량%의 크롬을 함유하는 것을 특징으로 하는 2상 스테인리스강.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강은 3~5 중량%, 바람직하게는 3~4.5 중량%의 니켈을 함유하는 것을 특징으로 하는 2상 스테인리스강.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강은 1.0~2.0 중량%, 바람직하게는 1.5~2.0 중량%의 몰리브덴을 함유하는 것을 특징으로 하는 2상 스테인리스강.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강은 0.2~0.32 중량%, 바람직하게는 0.23~0.30 중량%의 질소를 함유하는 것을 특징으로 하는 2상 스테인리스강.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강의 항복 강도가 적어도 500 Mpa인 것을 특징으로 하는 2상 스테인리스강.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강의 파단 강도가 700 Mpa보다 높은 것을 특징으로 하는 2상 스테인리스강.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강의 공식 저항 지수(PRE)가 30 내지 36, 바람직하게는 32 내지 36, 보다 바람직하게는 33 내지 35의 범위인 것을 특징으로 하는 2상 스테인리스강.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강의 임계 공식 온도(CPT)가 40℃보다 높은 것을 특징으로 하는 2상 스테인리스강.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 면적 축소율(Ψ)이 1000℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 90.0% 내지 97.1%의 범위인 것을 특징으로 하는 2상 스테인리스강.