KR20140044318A - 오스테나이트계 스테인레스 주강 - Google Patents

오스테나이트계 스테인레스 주강 Download PDF

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KR20140044318A
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노부유키 사카모토
마코토 히네노
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가부시끼 가이샤 구보다
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Abstract

페라이트상의 부피율이 0.1∼5.0%인 오스테나이트계 스테인레스 주강.

Description

오스테나이트계 스테인레스 주강{CAST AUSTENITIC STAINLESS STEEL}
본 발명은 오스테나이트계 스테인레스 주강에 관한 것이다.
오스테나이트계 스테인레스 주강은 내식성, 강도, 용접성 등이 특히 우수하기 때문에 화학 플랜트나 발전 플랜트의 배관이나 밸브 등에 널리 사용되고 있다. 오스테나이트계 스테인레스 주강은, 예를 들면 야금학적으로는 약 10∼20%의 α상과 약 90∼80%의 γ상(오스테나이트상)의 2상으로 형성되어 있다.
오스테나이트계 스테인레스강의 주강품으로서 CF8C가 공지의 것이다. 예를 들면 CF8C오스테나이트계 스테인레스강 주강품은 최대 0.08질량%의 C(탄소), 최대 2.0질량%의 Si(규소), 최대 1.5질량%의 Mn (망간), 18.0∼21.0질량%의 Cr(크롬), 9.0∼12.0질량%의 Ni(니켈), 최대 1.0질량%의 Nb(니오븀)를 포함하고 있다.
CF8C는 약 12.0%의 페라이트상을 함유한다. 페라이트상은, 예를 들면 공지의 페라이트스코프로 오스테나이트계 스테인레스강 중의 페라이트 함유량을 측정한다, 혹은 성분 원소에 기초한 셰플러 상태도로부터 산출할 수 있으며 부피율(퍼센트(%))로 표시한다.
해당 페라이트상은 용접 균열의 방지, 응력 부식 균열의 경감에 효과적이라고 여겨지고 있다. 그러나 페라이트상의 함유량이 많아지면, 예를 들면 CF8C를 장기간 고온에 폭로(暴露)한 경우, 해당 페라이트상이 철과 크롬의 화합물인 시그마상(σ상)으로 변태되어 취화(脆化)될 우려가 있다.
특허문헌 1에는 CF8C를 개변한 합금인 CF8C-Plus가 개시되어 있고 해당 CF8C-Plus는 페라이트상을 포함하지 않는다고 기재되어 있다. 특허문헌 1에서는 CF8C-Plus는 0.05∼0.15질량%의 C, 0.2∼1.0질량%의 Si, 0.5∼10.0질량%의 Mn, 18.0∼25.0질량%의 Cr, 10.0∼15.0질량%의 Ni, 0.1∼1.5질량%의 Nb, 0.05∼0.5질량%의 N을 포함한다고 되어 있다.
CF8C-Plus에 페라이트상이 존재하지 않는 것은 재료로 제작한 구성 부품의 수명 동안에 재료의 주조시 특성을 유지하기 위해 중요하다고 여겨지고 있다.
특허문헌 1: 일본특표2009-545675호 공보
CF8C는 사용 환경하에서 장기간 고온에 폭로된 경우 시그마상이 석출되어 시효 취화를 일으켜 시효 연성이 불충분해질 우려가 있었다. 또 특허문헌 1에 기재된 CF8C-Plus에서도 내산화성에 대해 한층 더 개선이 요구되었다.
따라서 본 발명의 목적은 시효 연성 및 내산화성이 우수한 오스테나이트계 스테인레스 주강을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 이하의 [1]∼[6]에 도시한 발명을 제공한다.
[1] 페라이트상의 부피율이 0.1∼5.0%인 오스테나이트계 스테인레스 주강.
[2] C:0.01∼0.10질량%, Si:0.6∼1.0질량%, Mn:2.0∼2.8질량%, N:0.1∼0.4질량%를 함유하는 상기 [1]에 기재된 오스테나이트계 스테인레스 주강.
[3] Cr:18.0∼24.0질량%, Ni:8.0∼15.0질량%, Nb:0.2∼0.7질량%를 함유하는 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 오스테나이트계 스테인레스 주강.
[4] 페라이트상의 부피율이 0.1∼5.0%이며,
C:0.01∼0.10질량%, Si:0.6∼1.0질량%, Mn:20∼2.8질량%, N:0.1∼0.4질량%, Cr:18.0∼24.0질량%, Ni:8.0∼15.0질량%, Nb:0.2∼0.7질량%,를 함유하고,
잔부가 Fe 및 불가피 불순물인 오스테나이트계 스테인레스 주강.
[5] 1150∼1350℃의 온도 범위에서 30℃/분 이상의 냉각 온도로 600∼800℃의 온도 범위까지 냉각하여 얻어진 상기 [1]∼[4] 중 어느 한 항에 기재된 오스테나이트계 스테인레스 주강.
[6] 상기 [1]∼[5] 중 어느 한 항에 기재된 오스테나이트계 스테인레스 주강을 이용하여 형성된 밸브.
본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강은, 예를 들면 후술하는 실시예에서 나타낸 것처럼 시효 연성·인장 강도·내산화성이 우수한 것이 된다. 특히 시효 연성에 대해서는 본 발명의 실시예는 비교예의 2.4배 정도였다. 마찬가지로 내산화성에 대해서는 본 발명의 실시예는 비교예의 9.5배 정도로 개선된 것으로 인정되었다.
해당 오스테나이트계 스테인레스 주강이 이러한 우수한 특성을 가진 이유로서 페라이트상의 부피율이 0.1∼5.0%인 점, 함유 성분인 C, Si, Mn, Cr, Ni, Nb, N의 함유량이 중요하다고 생각된다. 각 성분에 대해 상술하기로 한다.
페라이트상의 부피율을 0.1∼5.0%로 함으로써 장기간 고온에 폭로한 경우에도 시그마상의 석출량을 적게 할 수 있다. 해당 시그마상의 석출량이 적게 됨으로써 오스테나이트계 스테인레스 주강이 잘 취화되기 어려워져 시효 연성이 우수한 오스테나이트계 스테인레스 주강이 된다.
C는 융점을 저하시켜 용탕의 유동성, 즉 주조성을 개선하는 작용이 있다. 또 C는 내식성 관점에서 낮을수록 바람직하고, 다량으로 첨가되면 모재의 내식성을 저하시킨다. 이것들을 감안하여 본 발명에서는 고온 연성을 개선하기 위해 C의 첨가량을 0.01∼0.10질량%로 하였다.
Si는 용탕의 탈산제 및 유동성 개선, 내산화성, 용접성의 개선에 효과적인 원소이다. 그러나 과잉으로 가하면 오스테나이트 조직이 불안정해져 주조성의 열화를 초래하고 또 가공성, 용접성의 저해나 용접 균열을 조장한다. 따라서 본 발명에서는 Si의 첨가량을 0.6∼1.0질량%로 하였다.
Mn은 용탕의 탈산제로서 유효하며 주조시의 뜨거운 물 흐름성을 향상시켜 생산성을 개선한다. 또한 용접 균열의 저감에 효과적이다. 과도한 첨가는 내산화성을 손상시키기 때문에 본 발명에서는 Mn의 첨가량을 2.0∼2.8질량%로 하였다. Mn이 이 범위라면 후술하는 실시예에 나타내는 바와 같이 내산화성이 우수한 오스테나이트계 스테인레스 주강을 얻을 수 있다.
N은 고온 강도 및 내열 피로성을 개선하는 원소로서 강력한 오스테나이트 생성 원소이며, 오스테나이트 기지를 안정적으로 한다. 또 결정립 미세화에 유효한 원소이다. 이 결정립 미세화에 의해 구조물로서 중요한 재료의 연성 확보가 가능해지고, 또 오스테나이트계 스테인레스 주강 특유의 피삭성(被削性)이 나쁘다는 결점을 개선할 수 있다. 특히, 부품을 연결하기 위해 천공 가공을 하는 부재에서는 천공 가공성이 양호해진다. N을 다량 첨가하면 취화를 촉진하는 한편 유효한 Cr량이 감소하여 내산화성을 열화시킨다. 따라서 본 발명에서는 N의 첨가량을 0.1∼0.4질량%로 하였다.
Cr은 내산화성을 개선하여 페라이트 조직을 안정시키는 원소인데, 그 효과를 확실히 하기 위해 18.0질량%이상으로 한다. 한편 다량의 첨가는 고온 사용 과정에서 Cr탄화물의 과잉 석출에 의한 강철의 시효 연성의 저하를 초래하므로 24.0질량%를 상한으로 한다.
Ni는 안정적인 오스테나이트 기지를 형성하여 오스테나이트상을 안정화시키고 강의 고온 강도, 내산화성을 높인다. 양호한 주조성·내식성 및 용접성을 고려하여 본 발명에서는 Ni의 첨가량을 8.0∼15.0질량%로 한다.
Nb는 C와 결합하여 미세한 탄화물을 형성하고 고온 강도를 개선한다. 또 Cr탄화물의 생성을 억제함으로써 내산화성을 향상시킨다. 이러한 효과를 효과적으로 발휘시키기 위해서는 함유량은 0.2%이상 필요하다. 그러나 다량으로 첨가하면 고온 균열 감수성을 현저히 높여 내부 품질을 악화시키기 때문에 본 발명에서는 Nb의 첨가량을 0.2∼0.7질량%로 한다.
또 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강은 1150∼1350℃의 온도 범위에서 30℃/분 이상의 냉각 온도로 600∼800℃의 온도 범위까지 냉각함으로써 제조할 수 있다. 상기 조건으로 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강을 제조함으로써 주방(鑄放, as cast)이어도 우수한 강도 특성을 갖기 때문에 고용화 열처리를 생략 할 수 있다.
제조된 오스테나이트계 스테인레스 주강은, 예를 들면 화학 플랜트나 발전 플랜트의 배관이나 밸브 등의 재료로서 사용된다.
도 1은 오스테나이트계 스테인레스 주강에서 내산화성(mm/년)을 조사한 결과를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 설명하기로 한다.
본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강은 페라이트상의 부피율이 0.1∼5.0%, 바람직하게는 0.5∼3.0%가 되도록 구성된다. 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강은 성분으로서 C, Si, Mn, Cr, Ni, Nb, N등을 함유한다.
C는 0.01∼0.10질량%, 바람직하게는 0.02∼0.04질량%, Si는 0.6∼1.0질량%, 바람직하게는 0.7∼0.9질량%, Mn은 2.0∼2.8질량%, 바람직하게는 2.2∼2.4질량%, N:0.1∼0.4질량%, 바람직하게는 0.15∼0.25질량%, Cr:18.0∼24.0질량%, 바람직하게는 19.5∼21.5질량%, Ni:8.0∼15.0질량%, 바람직하게는 10.5∼12.5질량%, Nb:0.2∼0.7질량%, 바람직하게는 0.2∼0.4질량%의 함유량으로 한다.
본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강, 및 참고로 CF8C 및 CF8C-Plus에서의 상기 성분의 조성(질량%)의 범위를 표 1 에 나타낸다.
본 발명의 오스테나이트계
스테인레스 주강		 CF8C CF8C-Plus
페라이트
(부피율(%))		 0.1∼5.0 12.0 -
C(질량%) 0.01∼0.10 최대 0.08 0.05∼0.15
Si(질량%) 0.6∼1.0 최대 2.0 0.2∼1.0
Mn(질량%) 2.0∼2.8 최대 1.5 0.5∼10.0
Cr(질량%) 18.0∼24.0 18.0∼21.0 18.0∼25.0
Ni(질량%) 8.0∼15.0 9.0∼12.0 10.0∼15.0
Nb(질량%) 0.2∼0.7 최대 1.0 0.1∼1.5
N(질량%) 0.1∼0.4 - 0.05∼0.5
본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강에서 페라이트상의 부피율을 0.1∼5.0%로 함으로써 장기간 고온에 폭로한 경우에도 시그마상의 석출량을 적게 할 수 있다. 따라서 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강은 취화되기 어려워 시효 연성이 우수하다.
또 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강에서는, Mn의 함유량을 CF8C보다 높이고 C의 함유량을 낮게 설정하였다. 이로써 고온에서의 강도ㆍ내산화성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강에는 상술한 조성 이외에도 W, B, Al, Mo, Co, Ti, Zr, Cu,희토류 원소(La, Ce, Y , Pd, Nd 등) 등을 포함시킬 수 있고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물이다.
상기 금속 성분을 용해로에서 용해하여 1150∼1350℃의 온도 범위에서 30℃/분 이상의 냉각 온도로 600∼800℃의 온도 범위까지 냉각함으로써 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강을 제작할 수 있다. 이 조건으로 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강을 제조함으로써 주방이어도 우수한 강도 특성을 갖기 때문에 고용화 열처리를 생략할 수 있다.
제조된 오스테나이트계 스테인레스 주강은, 예를 들면 화학 플랜트나 발전 플랜트의 배관이나 밸브 등에서 사용된다.
<실시예>
〔실시예 1〕
본 발명의 실시예에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강(실시예 1-1∼1-6), CF8C(비교예 1-1∼1-5의 주성분의 조성(질량%)을 각각 표 2,3에 나타낸다.
실시예
1-1		 실시예
1-2		 실시예
1-3		 실시예
1-4		 실시예
1-5		 실시예
1-6
페라이트
(부피율(%))		 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
C(질량%) 0.04 0.03 0.04 0.03 0.08 0.06
Si(질량%) 0.76 0.86 0.76 0.86 0.89 0.86
Mn(질량%) 2.07 2.15 2.07 2.15 2.07 2.12
Cr(질량%) 20.55 19.90 20.55 19.90 22.35 22.10
Ni(질량%) 11.38 11.12 11.38 11.12 10.50 10.34
Nb(질량%) 0.27 0.26 0.27 0.26 0.29 0.32
N(질량%) 0.21 0.20 0.21 0.20 0.19 0.21
비교예1-1 비교예1-2 비교예1-3 비교예1-4 비교예1-5
페라이트
(부피율(%))		 12.0 9.0 0 0 0
C(질량%) 0.03 0.03 0.017 0.08 0.06
Si(질량%) 0.47 0.63 0.37 0.48 0.57
Mn(질량%) 1.04 4.48 1.83 1.02 2.02
Cr(질량%) 19.98 19.93 19.93 19.35 19.60
Ni(질량%) 9.92 9.45 11.63 11.49 11.55
Nb(질량%) 0.59 0.42 0.43 0.69 0.71
N(질량%) 0.03 0.10 0.24 0.25 0.24
이들 실시예 및 비교예에 대해 시효 연성(700℃-620시간) , 인장 강도(900℃), 0.2% 내력(900℃), 내산화성(1000℃)를 조사하고, 나아가 고온 저사이클 피로 시험(양진(兩振) 삼각파, 왜곡 속도 0.1%/초, 700℃, 전(全)왜곡 0.5%)를 행하였다.
아울러 실시예 및 비교예 모두 주조는 통상의 치주(置注) 주조법에 의해 행하였다. 열처리에 대해서는 실시예 1, 2는 as cast(주방)에 의해 실행하고 그 외의 실시예 및 비교예는 SHT(고용화 열처리법)에 의해 실행했다. 시효 연성, 인장 강도, 0.2% 내력, 내산화성을 조사한 결과를 표 4에 나타내었다.
시효연성
(%)		 인장강도
(Mpa)		 0.2%내력
(Mpa)		 내산화성
(mm/년)		 고온 저사이클
피로시험(회)
실시예
1-1		 24.4 120 90 0.300 -
실시예
1-2		 28.8 125 87 0.370 6200
실시예
1-3		 24.0 113 91 0.066 3400
실시예
1-4		 29.2 134 89 0.122 2420
실시예
1-5		 20.4 131 91 0.489 -
실시예
1-6		 22.1 129 88 0.394 -
비교예
1-1		 17.2 93 70 1.278 2388
비교예
1-2		 6.8 101 75 3.494 -
비교예
1-3		 8.6 127 84 1.854 -
비교예
1-4		 11.2 98 73 4.101 -
비교예
1-5		 8.2 104 77 3.124 -
그 결과, 시효 연성에 대해서는 실시예에서는 20.4%이상인데 반해 비교예에서는 17. 2%이하였다.
인장 강도에 대해서는 실시예에서는 113∼134Mpa이며, 비교예에서는 93∼127Mpa였다.
0.2% 내력에 대해서는 실시예에서는 87∼91Mpa이며, 비교예에서는 70∼84Mpa였다.
내산화성에 대해서는 실시예에서는 0.489mm/년 이하이며, 비교예에서는 1.278mm/년 이상이었다.
즉, 0.2% 내력에 대해서는 실시예 및 비교예에서는 현저한 차이는 인정되지 않았으나, 시효연성ㆍ인장강도ㆍ내산화성에 대해서는 실시예가 우수하다고 판명되었다. 특히 시효 연성에 대해서는 실시예의 평균치가 24.8%, 비교예의 평균치가 10.4%로 되어 있으며, 실시예는 비교예의 2.4배 정도로 되어 있었다. 마찬가지로 내산화성에 대해서는 실시예의 평균치가 0.290mm/년, 비교예의 평균치가 2.770mm/년으로 되어 있으며, 실시예는 비교예의 9.5배 정도로 개선된 것으로 인정되었다.
상술한 결과는 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강의 페라이트상의 부피율이 0.2%인 경우이지만, 페라이트상의 부피율의 하한을 0.1%로 한 경우에도 같은 결과를 얻을 수 있는 것으로 생각된다.
〔실시예 2〕
실시예 1에서는 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강의 페라이트상의 부피율은 0.2%(실시예 1-1∼1-6)였으나, 이에 한정되지 않으며 페라이트상의 부피율을 1∼3%로 한 경우에 대해서도 시효 연성, 인장 강도, 0.2% 내력, 내산화성을 조사했다(실시예2-1∼2-4). 이들은 실시예 1과 같은 조건으로 행하였다. 실시예2-1∼2-4의 각 성분을 표 5에 나타내고 결과를 표 6에 나타냈다.
실시예2-1 실시예2-2 실시예2-3 실시예2-4
페라이트
(부피율(%))		 2 1 3 1
C(질량%) 0.014 0.013 0.020 0.013
Si(질량%) 0.67 0.72 0.62 0.72
Mn(질량%) 2.26 2.37 2.00 2.22
Cr(질량%) 21.10 21.10 21.70 22.22
Ni(질량%) 11.29 11.38 12.09 11.54
Nb(질량%) 0.29 0.29 0.27 0.27
N(질량%) 0.22 0.23 0.16 0.23
시효연성(%) 인장강도(Mpa) 0.2%내력(Mpa) 내산화성(mm/년)
실시예2-1 27.0 128 89 0.006
실시예2-2 24.0 123 88 0.058
실시예2-3 27.0 95 63 0.558
실시예2-4 20.4 137 88 0.015
그 결과, 실시예 2-1∼2-4에서의 시효 연성의 평균치는 24.6%, 내산화성의 평균치는 0.159mm/년으로 되어 있으며, 이들 값은 실시예 1과 마찬가지로 비교예보다 우수하다고 인정되었다. 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강의 페라이트상의 부피율 상한을 5%로 한 경우에도 같은 결과를 얻을 수 있다고 생각된다.
〔실시예 3〕
Mn의 함유량이 약 1.0∼4.5질량%인 오스테나이트계 스테인레스 주강에서 내산화성(mm/년)을 조사했다. 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강은 Mn의 함유량이 2.26질량%(실시예 3-1), 2.33질량%(실시예 3-2)인 형태에 대해 조사했다. 비교예의 오스테나이트계 스테인레스 주강은 Mn의 함유량이 1.04질량%(비교예 3-1) , 1.17질량%(비교예 3-2), 1.81질량%(비교예 3-3), 4.37질량%(비교예 3-4), 4.48질량%(비교예 3-5)인 형태에 대해 조사했다. 이들 실시예 및 비교예에서 각각의 성분을 표 7에 나타냈다. 결과를 표 8 및 도 1에 나타냈다.
실시예
3-1		 실시예
3-2		 비교예
3-1		 비교예
3-2		 비교예
3-3		 비교예
3-4		 비교예
3-5
페라이트
(부피율(%))		 2 3 12 8 0.2 10 9
C(질량%) 0.03 0.03 0.03 0.03 0.017 0.03 0.03
Si(질량%) 0.65 0.64 0.47 0.61 0.36 0.62 0.63
Mn(질량%) 2.26 2.33 1.04 1.17 1.81 4.37 4.48
Cr(질량%) 20.45 20.47 19.98 20.09 19.87 19.87 19.93
Ni(질량%) 11.35 11.33 9.92 9.92 12.49 9.35 9.45
Nb(질량%) 0.65 0.62 0.59 0.62 0.29 0.66 0.42
N(질량%) 0.14 0.12 0.03 0.12 0.20 0.10 0.10
내산화성(mm/년)
실시예3-1 0.5062
실시예3-2 0.4521
비교예3-1 1.2782
비교예3-2 2.6405
비교예3-3 1.7060
비교예3-4 3.6345
비교예3-5 3.4943
도 1로부터 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 주강에서는 Mn의 함유량이 2.0∼2.8질량%이면 내산화성을 1mm/년 이하로 억제할 수 있다고 인정되었다.
<산업상 이용 가능성>
본 발명은 오스테나이트계 스테인레스 주강의 제조에 이용할 수 있다.

Claims (6)

  1. 페라이트상의 부피율이 0.1∼5.0%인 오스테나이트계 스테인레스 주강.
  2. 청구항 1에 있어서, C:0.01∼0.10질량%, Si:0.6∼1.0질량%, Mn:2.0∼2.8질량%, N:0.1∼0.4질량%를 함유하는 오스테나이트계 스테인레스 주강.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, Cr:18.0∼24.0질량%, Ni:8.0∼15.0질량%, Nb:0.2∼0.7질량%를 함유하는 오스테나이트계 스테인레스 주강.
  4. 페라이트상의 부피율이 0.1∼5.0%이며,
    C:0.01∼0.10질량%, Si:0.6∼1.0질량%, Mn:2.0∼2.8질량%, N:0.1∼0.4질량%, Cr:18.0∼24.0질량%, Ni:8.0∼15.0질량%, Nb:0.2∼0.7 질량%를 함유하고,
    잔부가 Fe 및 불가피 불순물인 오스테나이트계 스테인레스 주강.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 1150∼1350℃의 온도 범위에서 30℃/분 이상의 냉각 온도로 600∼800℃의 온도 범위까지 냉각하여 얻어진 오스테나이트계 스테인레스 주강.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 오스테나이트계 스테인레스 주강을 이용하여 형성된 밸브.
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