KR20140083167A

KR20140083167A - Ｃｒ－Ｍｎ계 스테인리스강

Info

Publication number: KR20140083167A
Application number: KR1020120152424A
Authority: KR
Inventors: 김상석; 박미남; 강형구
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-12-24
Filing date: 2012-12-24
Publication date: 2014-07-04
Also published as: KR101460279B1

Abstract

본 발명은 Cr-Mn계 스테인리스강에 관한 것으로, 중량%로, 탄소(C): 0.25% 이하, 질소(N): 0.5% 이하, 실리콘(Si): 1.0~5.0%, 망간(Mn): 8.0~16.0%, 인(P): 0.045% 이하, 황(S): 0.03% 이하, 크롬(Cr): 16.0~19.0%, 니켈(Ni): 1.0% 이하를 포함하고, 나머지는 철 및 불순물로 이루어지고, Si 및 Mn의 함량이 하기 식 (1)을 만족하는 Cr-Mn계 스테인리스강이 개시된다.
0.13 ≤ Si/Mn ≤ 0.63 ----------------(1)

Description

Ｃｒ－Ｍｎ계 스테인리스강{STAINLESS STEEL BASED ON Cr-Mn}

본 발명은 Cr-Mn계 스테인리스강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Ni함량을 제어한 저원가 Cr-Mn계 오스테나이트계 스테인리스강에서 내공식성 및 임계부식전위를 동시에 향상시킬 수 있는 Cr-Mn계 스테인리스강에 관한 것이다.

일반적으로 Ni 자원의 부족에 근거한 수요 밸런스 및 가격 등의 불안정성은 Cr-Ni계 오스테나이트계 스테인리스강을 공업생산하는데 있어서, 항상 직면하는 문제 중의 하나이다. 이 때문에 Ni을 Mn으로 치환하는 연구가 오랜 기간 연구되어 왔다.

일본에서는 미국, 독일에 이어 Cr-Mn계 내열강을 연구하여 항공규격에 등록한 사례가 있으며, 미국철강협회(AISI)규격에 저Ni-Cr-Mn-N계 스테인리스강인 201, 202가 채택된 이후로 다양한 Mn계 오스테나이트계 스테인리스강의 제품화가 이루어지고 있다.

상기 강종은 Cr-Ni계 오스테나이트계 강의 Ni을 Mn과 N으로 치환하는 것으로 Ni 자원 문제 대책 및 저 비용화 측면에서 상당히 유리한 작업이다. 그러나, Cr-Mn-N계 강종은 해결해야 할 제조 및 특성상의 문제점들이 많다. 일례로, Mn은 용해시 내화물의 침식을 쉽게 하여 내화물 수명을 저하시키며, 냉간변형 저항성이 높기 때문에 압연능력의 저하를 가져오며, 내식성이 Cr-Ni계와 본질적으로 동등하지 못한 특성 등의 문제가 있다.

특히, 내식성 문제는 Ni함량 조절로 내식성을 대처해 오는 강종을 설계하는 방향으로 Cr-Mn계 오스테나이트계 스테인리스강의 개발이 진행되어 왔다.

즉, Mn을 다량 함유하는 오스테나이트계 스테인리스강은 내식성이 떨어지는 문제점으로 Ni을 첨가하여 내식성을 보완해 왔지만, 고가의 Ni을 다량 함유하는 것은 제품 가격이 올라가는 문제점이 있었다.

따라서, Cr-Mn계에서 내공식성 향상 및 임계부식전위가 개선된 저원가 Cr-Mn계 고내식 강재 개발이 필요한 실정이다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명은 Ni을 1%이하 함유하는 Cr-Mn계 오스테나이트계 스테인리스강에 Si, Sn, Cu를 첨가하여 내식성을 보완한 Cr-Mn계 스테인리스강 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 중량%로, 탄소(C): 0.25% 이하, 질소(N): 0.5% 이하, 실리콘(Si): 1.0~5.0%, 망간(Mn): 8.0~16.0%, 인(P): 0.045% 이하, 황(S): 0.03% 이하, 크롬(Cr): 16.0~19.0%, 니켈(Ni): 1.0% 이하를 포함하고, 나머지는 철 및 불순물로 이루어지고, Si 및 Mn의 함량이 하기 식 (1)을 만족하는 Cr-Mn계 스테인리스강이 제공될 수 있다.

0.13 ≤ Si/Mn ≤ 0.63 ----------------(1)

상기 스테인리스강은 Sn 및 Cu의 함량이 하기 식 (2) 및 (3)을 만족할 수 있다.

0.2 ≤ (Sn+Cu/10) ≤ 0.45 ----------------(2)

0.1 ≤ Sn ≤ 0.3 --------------(3)

또한, 35℃의 5% NaCl용액을 2시간 동안 분사하고, 60℃에서 4시간 건조 후, 50℃에서 습윤과정을 거치는 복합사이클을 9회 실시한 후의 부식 면적율이 10% 미만인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면 저가의 Si을 적정 범위로 첨가하여 Cr-Mn계 스테인리스강의 내식성을 향상시킬 수 있고, Cu, Sn의 적정 비율로 최적화함으로써 Cr-Mn계 스테인리스강의 임계전류밀도를 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 [Si/Mn]비와 [Sn+Cu/10]비에 따른 [부식 면적율]을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 Si와 Si/Mn비의 관계에 따른 내식성 및 성형성을 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 Sn, Cu 함량과 전류밀도와의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명에 따른 실시예에서의 Cr-Mn계 오스테나이트 스테인리스강은 중량%로, 탄소(C): 0.25% 이하, 질소(N): 0.5% 이하, 실리콘(Si): 1.0~5.0%, 망간(Mn): 8.0~16.0%, 인(P): 0.045% 이하, 황(S): 0.03% 이하, 크롬(Cr): 16.0~19.0%, 니켈(Ni): 1.0% 이하를 포함하고, 나머지는 철 및 불순물로 이루어진다.

먼저, 본 발명에 따른 실시예에서의 성분 함량에 대한 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 함량의 단위는 중량%이다.

탄소(C): 0.25 중량% 이하

탄소는 질소와 함께 오스테나이트계 스테인리스강의 가공경화를 일으키는 원소로 0.25 중량%를 초과할 경우, 냉간압연 저항성을 올려 냉연 생산성을 저하시키므로 본 발명에 따른 실시예에서는 탄소의 함량을 상기 범위로 한정한다.

질소(N): 0.5중량% 이하

질소는 탄소와 함께 오스테나이트계 스테인리스강의 가공경화를 일으키며, Cr-Mn계 오스테나이트계에서는 통상 오스테나이트상의 안정도를 높여 전 온도 영역에서 오스테나이트 단상을 가질 수 있도록 하는 역할을 한다. 그러나, 다량 함유시 질소 기공(pore) 등의 주조결함을 발생시킬 수 있기 때문에 질소의 양은 0.5중량%이하로 제어한다.

실리콘(Si): 1.0~5.0중량%

실리콘은 내공식성 및 내산화성 향상에 효과가 있다. 그러나, 5.0중량%를 초과하여 함유시 성형성 열위 및 열간가공시 젖음성(sticking) 등의 표면결함을 유발하기 쉽다. 또한, 실리콘의 함량이 1%미만의 경우, 내산화성 및 내공식 향상 효과가 급격하게 저하되기 때문에, 본 발명에 따른 실시예에서의 실리콘의 함량은 상기 범위로 제어한다.

망간(Mn): 8.0~16.0중량%

망간은 고가의 Ni 대신에 첨가되어 오스테나이트상의 안정화도를 높이는 역할을 한다. 그러나, 많이 첨가할수록 내식성 열위가 발생하기 때문에 다른 원소로 보완할 필요성이 있다. Mn이 8%미만일 경우, 오스테나이트 상안정도가 떨어져 페라이트계+오스테나이트계 2상 강종이 되어 성형성 저하를 가져올 우려가 있으며, 16%를 초과하는 경우에는 MnS 등의 개재물 다량 형성으로 급격한 내식성 저하를 가져오기 때문에 본 발명에 따른 실시예에서는 망간의 함량을 상기 범위로 한정한다.

인(P): 0.045중량% 이하

인(P)은 강 중에 포함되는 불가피한 불순물로 산세시 입계부식을 일으키거나 열간가공성을 저해시키기 때문에 그 함유량을 상기 범위로 한정한다.

황(S): 0.03중량% 이하

황(S)은 강중에 포함되는 불가피한 불순물로 결정입계에 편석되어 열간가공성을 저해시키기 때문에 본 발명에 따른 실시예에서는 황의 함유량을 상기 범위로 한정한다.

크롬(Cr): 16.0~19.0중량%

크롬(Cr)은 강의 내식성을 향상시키기 위해 첨가하는 합금원소로 크롬의 임계함량은 11중량% 이다. Cr함량이 16%미만일 경우에는 내식성 저하를 가져오며, 19%를 초과하는 경우에는 응고시 델타 페라이트상이 석출되기 때문에 2상계 성분계로 되며 이로 인하여 성형성 저하를 가져오기 때문에 본 발명에 따른 실시예에서는 16.0~19.0중량%로 한정한다.

니켈(Ni): 1.0 중량% 이하

니켈은 오스테나이트 조직을 만드는 원소로 상 밸런스(balance)를 유지하기 위하여 사용하며, Mn보다 강력한 오스테나이트 형성제(former) 역할을 한다. 그러나, 니켈은 고가(high cost)이므로 본 발명에 따른 실시예에서는 니켈의 함량을 상기 범위로 한정한다.

또한, 본 발명에 따른 실시예에서의 고내식 오스테나이트계 스레인레스강은 하기의 수학식 (1)을 만족한다.

0.13 ≤ Si/Mn ≤ 0.63-------------------(1)

상기 수학식 (1)에서 Si/Mn비를 0.63이하로 지정한 이유는 해당 강종이 상온 및 고온에서 2상 영역(페라이트상+오스테나이트상)으로 변태가 발생하지 않도록 유지하여 즉 오스테나이트계 단상조직을 얻어 성형성을 확보하기 위함이고, Si/Mn비를 0.13이상으로 유지하는 이유는 오스테나이트계 단상영역 범위내에서 Si첨가에 의한 내식성을 확보를 이루기 위함이다.

또한, 상기 수학식 1에서 임계부식전위를 낮추기 위해서는 하기의 수학식 (2) 및 (3)을 만족해야 한다. 보다 구체적으로는 Sn의 함량이 0.1~0.3중량%를 만족해야 하며, Sn+Cu/10의 값이 0.2~0.45%를 만족해야 한다.

0.1 ≤ Sn ≤ 0.3 --------------------(2)

0.2 ≤ (Sn+Cu/10) ≤ 0.45 ------------(3)

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 실시예에 대하여 설명한다.

상기 수학식 (2)에서 Sn을 0.1~0.3로 함유하도록 하는데, Sn은 일반적으로 황산 등의 산성 분위기에서 부식 저항성이 우수한 원소로, 일반 부식성(산성 분위기에서의 부식성)에 대한 내식 향상 원소로 활용되고 있다. Sn을 0.1%이상의 미량 첨가시에도 내식 향상 효과가 우수하나, Sn은 Ni가격과 동등하거나 그 이상이므로 다량 함유시 제품의 비용상의 문제가 있다. 또한, 0.3%를 초과하여 첨가시에는 열간압연시 에지 크랙(edge crack) 발생 등의 문제를 일으킬 수 있는데, 이는 Sn의 낮은 융점에 기인한 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 실시예에서의 Sn의 함량을 상기 범위로 한정한다.

또한, 수학식 (3)에서 Cu 또한 Sn과 유사한 특징을 나타내는 원소로 다량 포함시 열간압연시 에지 크랙을 발생시킬 수 있으므로 (Sn+Cu/10)값을 0.45로 제한한다. 반면, (Sn+Cu/10)이 0.2미만인 경우에는 Sn, Cu의 함유 효과가 미미하므로 본 발명에 따른 실시예에서는 (Sn+Cu/10)의 값을 상기 범위로 한정한다.

[실시예]

하기 표 1은 Cr-Mn계 오스테나이트강에 있어서, Si, Mn 및 [Si/Mn]를 제어하여 오스테나이트상의 안정도를 유지하면서 성형성 저해가 없이 내식성을 향상시킬 수 있는 성분계를 나타낸다.

또한, 표 2는 Sn, Cu 함량을 제어하여 일반 부식저항성(임계부식 전류)을 향상시키면서, 열간압연시 에지 크랙(edge crack)을 저감할 수 있는 [Sn+Cu/10]범위를 나타낸다. 표 1과 2에서 나타내는 품질특성인 공식전위(mV), 임계전류밀도(mA/cm2), 연신율(%)은 모두 냉연소둔재 1mm 두께 기준에서 평가된 결과를 나타낸 것이다.

C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	N	Si/Mn	공식전위(mV)	연신율(%)	비고
0.09	1.5	8.0	0.035	0.002	0.8	17.5	0.18	0.19	125	55	발명예
0.12	1.5	11.0	0.035	0.002	0.8	17.0	0.20	0.14	100	54	발명예
0.12	2.7	8.0	0.035	0.002	0.7	17.5	0.21	0.34	250	50	발명예
0.11	2.7	11.0	0.035	0.002	0.8	17.0	0.19	0.25	210	52	발명예
0.12	2.7	15.0	0.035	0.002	0.8	16.8	0.19	0.18	180	51	발명예
0.03	3.3	8.0	0.035	0.002	0.9	17.0	0.19	0.48	350	48	발명예
0.12	3.3	11.0	0.035	0.002	0.8	18.1	0.19	0.35	320	47	발명예
0.12	3.3	15.0	0.035	0.002	0.8	17.0	0.19	0.25	260	48	발명예
0.11	4.5	8.0	0.035	0.002	0.8	17.8	1.80	0.56	380	45	발명예
0.12	4.5	11.0	0.035	0.002	1	17.0	0.19	0.41	320	46	발명예
0.12	4.5	15.0	0.035	0.002	0.8	18.5	0.20	0.30	300	43	발명예
0.09	0.6	18.0	0.035	0.002	0.8	17.0	0.19	0.08	65	55	비교예
0.12	0.6	11.0	0.035	0.002	0.8	17.0	0.19	0.05	50	57	비교예
0.12	0.6	15.0	0.035	0.002	0.7	17.5	0.20	0.04	42	54	비교예
0.11	1.5	15.0	0.035	0.002	0.8	17.0	0.19	0.10	55	49	비교예
0.12	5	8.0	0.035	0.002	0.9	18.0	0.18	0.63	410	42	비교예
0.12	6.2	15.0	0.035	0.002	0.8	17.0	0.19	0.41	480	39	비교예

C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	N	Sn+ Cu/10	전류 밀도 (mA/cm²)	에지크랙 유무	비고
0.12	3.8	11.0	0.035	0.002	0.8	18.1	0.19	0.24	0.01	미발생	발명예
0.12	3.8	15.0	0.035	0.002	0.8	17.0	0.19	0.35	0.007	미발생	발명예
0.11	4.5	8.0	0.035	0.002	0.8	17.8	1.80	0.4	0.003	미발생	발명예
0.12	4.5	11.0	0.035	0.002	1	17.0	0.19	0.45	0.001	미발생	발명예
0.09	1.5	8.0	0.035	0.002	0.8	17.5	0.18	0.05	0.2	미발생	비교예
0.12	1.5	11.0	0.035	0.002	0.8	17.0	0.20	0.03	0.25	미발생	비교예
0.12	2.7	8.0	0.035	0.002	0.7	17.5	0.21	0.01	0.3	미발생	비교예
0.11	2.7	11.0	0.035	0.002	0.8	17.0	0.19	0.07	0.15	미발생	비교예
0.12	2.7	15.0	0.035	0.002	0.8	16.8	0.19	0.13	0.07	미발생	비교예
0.12	4.5	15.0	0.035	0.002	0.8	18.5	0.20	0.67	0.0005	발생	비교예
0.12	3.8	11.0	0.035	0.002	0.8	18.1	0.19	0.85	0.0003	발생	비교예

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 35℃의 5% NaCl용액을 2시간 동안 분사 후 60℃에서 4시간 동안 건조 후, 50℃에서 습윤과정을 거치는 복합사이클부식(Cyclic Corrosion Test, CCT)에서 9 사이클 후의 [Si/Mn]비와 [Sn+Cu/10]비에 따른 [부식 면적율]을 나타낸 사진인데, 도 1을 참조하면, 부식 면적율이 10% 미만인 것을 알 수 있다.

또한, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 Si, Mn 및 Si/Mn비를 제어하여 오스테나이트상의 안정도를 유지하면서 Cr-Mn계에 있어서 성형성 저해가 없이 내식성을 향상 시킬 수 있는 [Si], [Mn], [Si/Mn]의 파라메터의 본 발명에 따른 실시예의 범위를 나타내는 그래프인데, 도 2를 참조하면, Si/Mn의 값이 0.13~0.63의 범위 내에서 오스테나이트상의 안정도내식성 및 성형성이 우수하게 나타난 것을 알 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 실시예의 Sn, Cu 함량을 제어하여 일반 부식저항성(임계부식 전류)을 향상시키면서 열간압연시 에지 크랙(edge crack)을 저감할 수 있는 [Sn+Cu/10]의 범위를 나타내는 그래프이다. 도 3을 참조하면, 내식성 및 열간가공성이 우수한 [Sn+Cu/10]의 범위는 0.2~0.45임을 알 수 있다.

이상 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.25% 이하, 질소(N): 0.5% 이하, 실리콘(Si): 1.0~5.0%, 망간(Mn): 8.0~16.0%, 인(P): 0.045% 이하, 황(S): 0.03% 이하, 크롬(Cr): 16.0~19.0%, 니켈(Ni): 1.0% 이하를 포함하고, 나머지는 철 및 불순물로 이루어지고,
Si 및 Mn의 함량이 하기 식 (1)을 만족하는 Cr-Mn계 스테인리스강.
0.13 ≤ Si/Mn ≤ 0.63 ----------------(1)
제1항에 있어서,
상기 스테인리스강은 Sn 및 Cu의 함량이 하기 식 (2)를 만족하는 Cr-Mn계 스테인리스강.
0.2 ≤ (Sn+Cu/10) ≤ 0.45 ----------------(2)
제2항에 있어서,
상기 스테인리스강은 Sn의 함량이 하기 식 (3)을 만족하는 Cr-Mn계 스테인리스강
0.1 ≤ Sn ≤ 0.3 --------------(3)
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
35℃의 5% NaCl용액을 2시간 동안 분사하고, 60℃에서 4시간 건조 후, 50℃에서 습윤과정을 거치는 복합사이클을 9회 실시한 후의 부식 면적율이 10% 미만인 것을 특징으로 하는 Cr-Mn계 스테인리스강.