KR20140091744A

KR20140091744A - 페라이트계 스테인리스강

Info

Publication number: KR20140091744A
Application number: KR1020147015802A
Authority: KR
Inventors: 도모히로 이시이; 신 이시카와; 히로유키 오가타
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2014-07-22
Also published as: EP2787097B1; US20140308154A1; CN103958717A; EP2787097A1; ES2657023T3; KR101669740B1; TWI496899B; WO2013080526A1; EP2787097A4; TW201339324A; CN103958717B; US9487849B2; JP5387802B1; JPWO2013080526A1

Abstract

예민화가 발생하는 용접 조건에 있어서도, 우수한 내식성을 갖고, 용접 시공성도 양호한 페라이트계 스테인리스강을 제공한다. 질량％ 로, C : 0.001 ∼ 0.030 ％, Si : 0.3 초과 ∼ 0.55 ％, Mn : 0.05 ∼ 0.50 ％, P : 0.05 ％ 이하, S : 0.01 ％ 이하, Cr : 19.0 ∼ 28.0 ％, Ni : 0.01 ∼ 0.30 ％ 미만, Mo : 0.2 ∼ 3.0 ％, Al : 0.08 초과 ∼ 1.2 ％, V : 0.02 ∼ 0.50 ％, Nb : 0.005 ∼ 0.50 ％, Ti : 0.05 ∼ 0.50 ％, N : 0.001 ∼ 0.030 ％ 를 함유하고, 식 (1) 및 식 (2) 를 만족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강.

Description

페라이트계 스테인리스강{FERRITIC STAINLESS STEEL}

본 발명은, 용접의 실드 가스 (shielding gas) 로부터 용접 비드 (weld bead) 로의 질소의 침입 (entering) 에 의한 내식성 (corrosion resistance) 저하가 잘 일어나지 않는 페라이트계 스테인리스강 (ferritic stainless steel) 에 관한 것이다.

페라이트계 스테인리스강은, 오스테나이트계 스테인리스강 (austenitic stainless steel) 과 비교하여 내식성에 대한 높은 비용 퍼포먼스나 열전도 (heat thermal conductivity) 율이 양호하고 열팽창 계수 (coefficient of thermal expansion) 가 작은, 응력 부식 균열 (Stress Corrosion Cracking) 이 잘 일어나지 않는 등 여러 가지의 우수한 특성으로부터, 자동차 배기계 부재, 지붕·건구 등의 건재, 키친이나 저수·저탕 탱크 등의 워터 섹션용 재료 등등 폭넓은 용도에 사용되어 왔다.

이들 구조물의 제조에 있어서는, 스테인리스 강판을 적절한 형상으로 절단·성형한 후, 용접에 의해 접합되는 경우가 많다. 그러나, 페라이트계 스테인리스강은, C, N 의 고용한 (solid solubility limit) 이 작기 때문에, 용접에 의한 용해·응고에 수반하여, 용접부에 Cr 탄질화물 (Cr carbonitride) 이 생성되어, Cr 결핍층 (depression layer) 이 형성되고 내식성이 저하되는 예민화 (sensitization) 로 불리는 현상이 일어나기 쉽다.

그래서, 종래부터 Cr 보다 탄소질소와의 친화력이 큰 Ti 나 Nb 를 첨가함으로써, Cr 탄질화물의 생성을 억제하여, 예민화의 발생을 억제하는 방법이 채용되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 에는 Ti 와 Nb 를 복합 첨가함으로써 페라이트계 스테인리스강의 내립계 부식성을 향상시킨 강이 개시되어 있다.

그러나, 최근에는, 용접 부재의 형상이 복잡화되는 것에 수반하여, 용접시에 충분한 가스 실드를 실시할 수 없어, 실드 가스 중에 공기 중의 질소가 혼입되는 불완전한 조건에서의 용접이 증가하고 있고, 이러한 용접 조건에 있어서는 실드 가스로부터 용접 비드에 질소가 침입함으로써, 용접부의 예민화가 한층 일어나기 쉬워진다. 그 때문에, 특허문헌 1 등에 개시되어 있는 종래의 페라이트계 스테인리스강에서는 내식성의 확보가 곤란해진다는 문제가 발생하고 있다.

용접부의 내식성이 우수한 페라이트계 스테인리스강으로는, 예를 들어, 특허문헌 2 에는 용접부의 내식성이 우수한 페라이트계 스테인리스강이, 특허문헌 3 에는 용접 간극부의 내식성이 우수한 페라이트계 스테인리스강이, 특허문헌 4 에는 오스테나이트계 스테인리스강과의 용접부의 내식성이 우수한 페라이트계 스테인리스강이 각각 개시되어 있지만, 이들 페라이트계 스테인리스강에 의해서도, 실드 가스로부터 용접 비드에 질소가 침입하는 용접 조건에 있어서는 반드시 충분한 내식성을 확보할 수 없었다.

일본 공개특허공보 소51-88413호 일본 공개특허공보 2007-270290호 일본 공개특허공보 2009-161836호 일본 공개특허공보 2010-202916호

상기와 같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위해, 종래의 사상을 따라, Ti 나 Nb 를 증가시킴으로써 예민화의 발생을 억제하는 것도 생각할 수 있지만, 그러면, 표면 결함의 증가나 용접 균열의 발생 등의 문제가 별도 발생하기 때문에 적당한 해결책이라고는 할 수 없다.

그래서, 본 발명은, 페라이트계 스테인리스강의 용접에서, 용접 부재의 형상 등이 원인으로 충분한 가스 실드를 실시할 수 없기 때문에, 실드 가스에 질소가 혼입되고 용접 비드의 질소 함유량이 증가하여 예민화가 발생하는 용접 조건에 있어서, 우수한 내식성을 갖고, 용접 시공성도 양호한 페라이트계 스테인리스강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는, 상기 과제를 해결하기 위해, 용접 비드로의 질소 침입의 거동과 예민화 억제에 미치는 각종 원소의 영향에 대해 예의 연구를 실시하였다.

먼저, 용접 비드의 질소 함유량에 미치는 실드 가스의 질소 농도의 영향을 조사하였다. 표 1 의 No.1 에 나타내는 페라이트계 스테인리스강을 사용하여, Ar 베이스의 실드 가스의 질소 농도를 0 ∼ 2 vol％ 의 범위에서 변화시켜 비드 온 플레이트 (Bead on Plate) 의 TIG 용접 (용접 전류 90 A, 용접 속도 60 ㎝/min, 판 두께 0.8 ㎜, 표측 실드 가스 유량 15 ℓ/min, 이측 실드 가스 유량 10 ℓ/min) 을 실시하고, 용접 비드의 질소 함유량을 측정하였다. 결과를 도 1 에 나타낸다.

용접 비드의 질소 함유량은 표측 실드 가스에 질소가 혼입된 경우에는, 실드 가스의 질소 농도의 증가에 비례하여 증가하였다. 한편, 이측 실드 가스로의 질소 혼입에서는, 실드 가스의 질소 농도가 증가해도 용접 비드의 질소 함유량은 거의 변화하지 않았다. 이것은, 표측 실드 가스는 노즐로부터 용융지를 향하여 끊임없이 분사되고 있는 반면, 이측 실드 가스는 완만하게 접촉하고 있을 뿐인 것이 영향을 주고 있는 것으로 생각된다. 용접 비드의 예민화는, 용접 비드에 침입한 질소의 증가에 따라 현저해졌다. 이것으로부터 용접 비드의 예민화는, 표측 실드 가스에 혼입된 질소가 용접 비드에 침입함으로써 발생하는 것으로 생각된다.

다음으로, 실드 가스로부터의 질소 침입에 의해 용접 비드의 예민화가 일어나는 용접 조건에 있어서, 예민화에 미치는 각종 원소의 영향을 평가하였다. 여러 가지의 페라이트계 스테인리스강에 표측 실드 가스에 2 vol％ 의 질소 농도의 Ar 가스를 사용하여 비드 온 플레이트의 TIG 용접을 실시하고, 용접 비드의 스케일을 연마에 의해 완전히 제거한 후, JIS G 0580 (2003) 에 준거하여 재활성화율 (reactivation rate) 을 측정하였다. 또한, 본 명세서에 기재된 재활성화율은 결정립도에 의한 보정은 실시하지 않았다. 결과를 도 2 에 나타낸다.

재활성화율의 로그가 Nb ＋ 1.3Ti ＋ 0.9V ＋ 0.2Al (또한, 식 중의 원소 기호는 각 원소의 함유량 (질량％) 을 나타낸다) (이하, N 값이라고 부른다) 에 비례하여 감소하였다. 재활성화율은 값이 작을수록 예민화의 정도가 작고, 0.01 ％ 이하에서는 거의 예민화되지 않은 것을 의미한다. N 값이 0.55 초과에서는 재활성화율이 0.01 ％ 이하로 되어 있어, 실드 가스로부터의 질소 침입에 의해 통상적인 페라이트계 스테인리스강에서는 용접 비드가 예민화되는 용접 조건에 있어서도 양호한 내식성을 나타내는 것이 분명해졌다.

또한, 용접 비드에는 템퍼 컬러 (temper color) 로 불리는 산화 피막 (oxide layer) 이 형성됨으로써 예민화와 동일하게 Cr 결핍이 일어나 내식성이 저하된다. 예민화가 일어나는 용접 조건에 있어서의 템퍼 컬러의 내식성에 미치는 각종 원소의 영향을 공식 전위 측정 (pitting potential measurement) 에 의해 평가하였다. 여러 가지의 페라이트계 스테인리스강에 표측 실드 가스에 2 vol％ 의 질소 농도의 Ar 가스를 사용하여 비드 온의 TIG 용접을 실시하고, 용접에 의해 용접 비드의 표측 (토치측) 에 형성된 템퍼 컬러를 제거하지 않고, 30 ℃, 3.5 질량％ NaCl 용액 중에서 공식 전위를 측정하였다. 결과를 도 3 에 나타낸다.

N 값이 0.34 에서는 Si, Al, Ti 의 함유량에 의존하지 않고 공식 전위는 －200 ∼ －150 ㎷ 로, 내식성이 낮다. 한편, N 값이 0.57 에서는 Si ＋ Al ＋ Ti (또한, 식 중의 원소 기호는 각 원소의 함유량 (질량％) 을 나타낸다) (이하 S 값이라고 부른다) 가 0.6 이상 1.8 이하의 범위에서 공식 전위가 0 ㎷ 이상이 되어, 내식성이 향상되었다. 이것은, 템퍼 컬러에 Si, Al, Ti 가 농축됨으로써 치밀한 보호성이 양호한 산화 피막이 되는 것에 추가하여, 용접에 의한 산화량이 억제되므로 용접 비드 표층의 Cr 이 산화에 의해 감소하는 것이 억제되기 때문인 것으로 생각된다. 템퍼 컬러에 의한 Cr 의 감소는 질소의 침입에 의한 예민화에 의해 일어나는 Cr 탄질화물 주위의 Cr 의 감소에 추가되는 형태로 상승 효과를 미친다. 그 때문에, N 값과 S 값이 각각 적절한 범위에 있는 것이 실드 가스로부터 질소가 침입하는 용접 조건에 있어서의 용접 비드의 내식성을 확보하기 위해 필요한 것으로 생각된다.

본 발명은, 상기 얻어진 지견에 기초하여, 더욱 검토를 실시하여 이루어진 것으로, 본 발명의 요지는 이하와 같다.

[1] 질량％ 로, C : 0.001 ∼ 0.030 ％, Si : 0.3 초과 ∼ 0.55 ％, Mn : 0.05 ∼ 0.50 ％, P : 0.05 ％ 이하, S : 0.01 ％ 이하, Cr : 19.0 ∼ 28.0 ％, Ni : 0.01 ∼ 0.30 ％ 미만, Mo : 0.2 ∼ 3.0 ％, Al : 0.08 초과 ∼ 1.2 ％, V : 0.02 ∼ 0.50 ％, Cu : 0.1 ％ 미만, Nb : 0.005 ∼ 0.50 ％, Ti : 0.05 ∼ 0.50 ％, N : 0.001 ∼ 0.030 ％ 를 함유하고, 하기 식 (1) 및 식 (2) 를 만족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접부의 내식성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.

0.6 ≤ Si ＋ Al ＋ Ti ≤ 1.8 …(1)

Nb ＋ 1.3Ti ＋ 0.9V ＋ 0.2Al ＞ 0.55 …(2)

또한, 식 중의 원소 기호는 각 원소의 함유량 (질량％) 을 나타낸다.

[2] 추가로, 질량％ 로, Zr : 1.0 ％ 이하, W : 1.0 ％ 이하, REM : 0.1 ％ 이하, Co : 0.3 ％ 이하, B : 0.1 ％ 이하 중에서 선택되는 1 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 [1] 에 기재된 용접부의 내식성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.

본 발명에 의하면, 실드 가스로부터 용접 비드로의 질소 침입에 의한 예민화가 발생하는 용접 조건에 있어서도 우수한 내식성을 갖는 페라이트계 스테인리스강 이 얻어진다. 또, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강은 용접 시공성도 종래 강과 동등하게 양호하다.

도 1 은, 용접 비드의 질소 함유량에 미치는 실드 가스의 질소 농도의 영향을 설명하는 도면이다.
도 2 는, 용접 비드의 재활성화율에 미치는 첨가 원소의 영향을 설명하는 도면이다.
도 3 은, 용접 비드의 공식 전위에 미치는 첨가 원소의 영향을 설명하는 도면이다.

이하에 본 발명의 각 구성 요건의 한정 이유에 대해 설명한다.

1. 성분 조성에 대해

먼저, 본 발명의 강의 성분 조성을 규정한 이유를 설명한다. 또한, 성분％ 는 모두 질량％ 를 의미한다.

C : 0.001 ∼ 0.030 ％

C 는 강에 불가피적으로 함유되는 원소이다. C 량이 많으면 강도가 향상되고, 적으면 가공성이 향상된다. 충분한 강도를 얻기 위해서는 0.001 ％ 이상의 첨가가 적당하다. 0.030 ％ 를 초과하면 가공성의 저하가 현저해지고, Cr 탄화물을 석출하여 국소적인 Cr 결핍에 의한 내식성의 저하를 일으키기 쉬워진다. 따라서, C 량은 0.001 ∼ 0.030 ％ 의 범위로 한다. 바람직하게는 0.002 ∼ 0.018 ％ 의 범위이다. 보다 바람직하게는 0.003 ∼ 0.015 ％ 의 범위이다. 더욱 바람직하게는 0.003 ∼ 0.010 ％ 의 범위이다.

Si : 0.3 초과 ∼ 0.55 ％

Si 는 탈산에 유용한 원소이지만, 본 발명에서는, 용접에 의해 형성되는 템퍼 컬러에 Al 이나 Ti 와 함께 농축되어 산화 피막의 보호성을 향상시켜, 용접부의 내식성을 양호한 것으로 하는 중요한 원소이다. 실드 가스로부터 질소가 침입하는 용접 조건에 있어서는, Al 과 Ti 는 침입된 질소와 결합하여 석출되기 때문에, 템퍼 컬러에 대한 농축은 감소한다. 그 때문에, 본 발명에 있어서는 템퍼 컬러의 보호성 향상에 Si 가 하는 역할은 상대적으로 큰 것이 된다. 그 효과는 0.3 ％ 초과의 첨가로 얻어진다. 그러나, 0.55 ％ 를 초과하면, 가공성의 저하가 현저해져 성형 가공이 곤란해진다. 따라서, Si 량은 0.3 초과 ∼ 0.55 ％ 의 범위로 한다. 바람직하게는 0.33 ∼ 0.50 ％ 의 범위이다. 보다 바람직하게는 0.35 ∼ 0.48 ％ 의 범위이다.

Mn : 0.05 ∼ 0.50 ％

Mn 은 강에 불가피적으로 함유되는 원소로서, 강도를 높이는 효과가 있다. 그 효과는 0.05 ％ 이상의 첨가로 얻어지지만, 과잉의 첨가는 부식의 기점이 되는 MnS 의 석출을 촉진하시키고, 내식성을 저하시키기 때문에, 0.50 ％ 이하로 하는 것이 적당하다. 따라서, Mn 량은 0.05 ∼ 0.50 ％ 의 범위로 한다. 바람직하게는 0.08 ∼ 0.40 ％ 의 범위이다. 보다 바람직하게는 0.09 ∼ 0.35 ％ 의 범위이다.

P : 0.05 ％ 이하

P 는 강에 불가피적으로 함유되는 원소로서, 과잉의 함유는 용접성을 저하시켜키고, 입계 부식을 일으키기 쉽게 한다. 그 경향은 0.05 ％ 를 초과하면 현저해진다. 따라서, P 량은 0.05 ％ 이하로 하였다. 바람직하게는 0.04 ％ 이하이다.

S : 0.01 ％ 이하

S 는 강에 불가피적으로 함유되는 원소이지만, 0.01 ％ 를 초과하면 내식성을 저하시킨다. 따라서, S 량은 0.01 ％ 이하로 한다. 보다 바람직하게는 0.006 ％ 이하이다.

Cr : 19.0 ∼ 28.0 ％

Cr 은 스테인리스강의 내식성을 확보하기 위해 가장 중요한 원소이다. 19.0 ％ 미만의 첨가에서는 용접에 의한 산화로 표층의 Cr 이 감소하는 용접 비드나 그 주변에 있어서 충분한 내식성이 얻어지지 않는다. 한편 28.0 ％ 를 초과하여 첨가하면, 가공성, 제조성이 저하되기 때문에, Cr 량은 19.0 ∼ 28.0 ％ 의 범위로 한다. 바람직하게는 21.0 ∼ 26.0 ％ 의 범위이다. 보다 바람직하게는 21.0 ∼ 24.0 ％ 이다.

Ni : 0.01 ∼ 0.30 ％ 미만

Ni 는 스테인리스강의 내식성을 향상시키는 원소로서, 부동태 피막 (passivation film) 을 형성하지 못하여 활성 용해가 일어나는 부식 환경에 있어서 부식의 진행을 억제하는 원소이다. 그 효과는 0.01 ％ 이상의 첨가로 얻어진다. 그러나, 0.30 ％ 이상의 첨가에서는, 가공성을 저하시키는 것에 추가하여, 고가의 원소이기 때문에 비용의 증대를 초래한다. 따라서, Ni 량은 0.01 ∼ 0.30 ％ 미만의 범위로 한다. 바람직하게는 0.03 ∼ 0.24 ％ 의 범위이다.

Mo : 0.2 ∼ 3.0 ％

Mo 는 부동태 피막의 재부동태화를 촉진시키고, 스테인리스강의 내식성을 향상시키는 원소이다. Cr 과 함께 함유함으로써 그 효과는 보다 현저해진다. Mo 에 의한 내식성 향상 효과는 0.2 ％ 이상의 첨가로 얻어진다. 그러나, 3.0 ％ 를 초과하면 강도가 증가하고, 압연 부하가 커지기 때문에 제조성이 저하된다. 따라서, Mo 량은 0.2 ∼ 3.0 ％ 의 범위로 한다. 바람직하게는 0.6 ∼ 2.4 ％ 의 범위이다. 더욱 바람직하게는 0.6 ∼ 2.0 ％ 의 범위이다.

Al : 0.08 초과 ∼ 1.2 ％

Al 은 탈산에 유용한 원소로서, 본 발명에서는 Si, Ti 와 함께 용접에 의해 형성되는 템퍼 컬러에 농축되어, 용접부의 내식성을 향상시키는 원소이다. 추가하여, 실드 가스로부터 용접 비드에 질소가 침입한 경우, Cr 과 질소가 결합하여 석출되어 예민화가 일어나는 것을 억제하는 효과가 있는 원소이기도 하다. 이것은, Cr 보다 질소와의 친화력이 큰 Al 이 실드 가스로부터 용접 비드에 침입한 질소와 AlN 을 형성하여, Cr 질화물의 형성을 방해하기 때문인 것으로 생각된다. 이 효과는, 0.08 ％ 초과의 첨가로 얻어진다. 그러나, 1.2 ％ 를 초과하여 첨가하면 페라이트 결정립이 증대되어, 가공성이나 제조성이 저하된다. 따라서, Al 량은 0.08 초과 ∼ 1.2 ％ 의 범위로 한다. 바람직하게는 0.09 ∼ 0.8 ％ 의 범위이다. 더욱 바람직하게는 0.10 ∼ 0.40 ％ 의 범위이다.

V : 0.02 ∼ 0.50 ％

V 는 내식성이나 가공성을 향상시키는 원소로서, 본 발명에서는, 실드 가스로부터 용접 비드에 질소가 침입한 경우, 질소와 결합하여 VN 이 됨으로써 예민화를 억제하는 원소이다. 그 효과는, 0.02 ％ 이상의 첨가에서 얻어진다. 그러나, 0.50 ％ 를 초과하여 첨가하면, 반대로 가공성을 저하시킨다. 따라서, V 량은 0.02 ∼ 0.50 ％ 의 범위로 한다. 바람직하게는 0.03 ∼ 0.40 ％ 의 범위이다.

Cu : 0.1 ％ 미만

Cu 는 원료 스크랩으로부터 혼입될 가능성이 있는 불순물이지만, 본 발명의 Cr 함유량, Mo 함유량을 갖는 내식성이 우수한 페라이트계 스테인리스강에서는 부동태 유지 전류를 증가시켜 부동태 피막을 불안정하게 하고, 내식성을 저하시키는 작용이 있다. 이 내식성 저하 작용은 Cu 량이 0.1 ％ 이상에서 현저해진다. 그 때문에, Cu 량은 0.1 ％ 미만으로 한다.

Nb : 0.005 ∼ 0.50 ％

Nb 는 C, N 과 우선적으로 결합하여 Cr 탄질화물의 석출에 의한 내식성의 저하를 억제하는 원소이다. 그 때문에, 본 발명에서는, 실드 가스로부터의 질소 침입에 의한 예민화를 억제하기 위해 중요한 원소로서, 그 효과는 0.005 ％ 이상에서 얻어진다. 그러나, 0.50 ％ 를 초과하는 첨가는 열간 강도가 증가하여 열간 압연의 부하가 증대되고, 제조성이 저하된다. 또, 용접부의 결정립계에 석출되어 용접 균열을 일으키기 쉬워진다. 따라서, Nb 량은 0.005 ∼ 0.50 ％ 의 범위로 한다. 바람직하게는 0.01 ∼ 0.38 ％ 의 범위이다. 더욱 바람직하게는 0.01 ∼ 0.38 ％ 의 범위이다. 더욱 바람직하게는 0.05 ∼ 0.35 ％ 의 범위이다.

Ti : 0.05 ∼ 0.50 ％

Ti 는 C, N 과 우선적으로 결합하여 Cr 탄질화물의 석출에 의한 내식성의 저하를 억제하는 원소이다. 본 발명에서는, 실드 가스로부터의 질소 침입에 의한 예민화를 억제하기 위해 중요한 원소이다. 또한 용접부의 템퍼 컬러에 Si, Al 과 함께 복합적으로 농축되어, 산화 피막의 보호성을 향상시키는 원소이기도 하다. 그 효과는, 0.05 ％ 이상에서 얻어진다. 그러나, 0.50 ％ 를 초과하여 첨가하면 가공성이 저하됨과 함께, Ti 탄질화물이 조대화되고, 표면 결함을 일으킨다. 따라서, Ti 량은 0.05 ∼ 0.50 ％ 의 범위로 한다. 바람직하게는 0.08 ∼ 0.38 ％ 의 범위이다.

N : 0.001 ∼ 0.030 ％

N 은, C 와 동일하게 강에 불가피적으로 함유되는 원소로서, 고용 강화에 의해 강의 강도를 상승시키는 효과가 있다. 그 효과는 0.001 ％ 이상에서 얻어진다. 그러나, Cr 질화물을 석출한 경우에는 내식성을 저하시키기 때문에, 0.030 ％ 이하의 첨가가 적당하다. 따라서, N 량은 0.001 ∼ 0.030 ％ 의 범위로 한다. 바람직하게는 0.002 ∼ 0.018 ％ 의 범위이다.

Si ＋ Al ＋ Ti (S 값) : 0.6 이상 1.8 이하

Si, Al, Ti 는 모두 산소와의 친화력이 강하고, 스테인리스강이 산화되어 산화 스케일이 형성된 경우에는 산화 스케일의 하층 (지철측) 에 농축되어 존재한다. 스테인리스강에 이들 원소가 모두 함유되어 있는 경우, Si, Al, Ti 가 복합적으로 산화되어 형성되는 Si, Al, Ti 의 농화층은 치밀하고 보호성이 양호한 산화 피막이 되기 때문에, 이들 원소의 함유량이 낮은 경우와 비교하여, 내식성이 우수한 산화 피막이 된다. 그 효과는 S 값이 0.6 이상에서 얻어진다. 그러나, 도 3 에 나타낸 바와 같이, 실드 가스로부터 용접 비드에 질소가 침입하는 용접 조건에서는, 후술하는 N 값이 0.55 이상일 때에 비로소 용접부의 템퍼 컬러의 내식성을 향상시키는 효과가 명확해진다. 이것으로부터, Si, Al, Ti 의 보호 효과는 N 값의 효과와 복합적으로 작용하여 용접부의 내식성을 향상시키는 것이 시사된다. 한편, S 값이 1.8 을 초과하면, 산화 피막의 결정성이 높아져, 금속 이온 등의 투과를 억제하는 효과가 저하된다. 그 때문에, 도 3 에 나타낸 바와 같이 S 값가 1.8 을 초과하면 내식성이 다시 저하된다. 이상의 결과로부터, S 값은 0.6 이상 1.8 이하로 한다. 바람직하게는 0.6 이상 1.4 이하이다.

Nb ＋ 1.3Ti ＋ 0.9V ＋ 0.2Al (N 값) : 0.55 초과

본 발명에서 취급하고 있는 용접 비드의 예민화는, 실드 가스로부터 용접 비드에 침입하는 질소가 Cr 과 결합하여 Cr 질화물을 형성하고, 국소적인 Cr 결핍 영역이 생성되는 것이 주된 원인이다. 이것을 억제하기 위해서는 Cr 보다 N 과의 친화력이 큰 원소의 첨가가 유효한 것으로 생각된다. Ti 나 Nb 는 C, N 의 안정화 원소로서 잘 알려져 있지만, 실드 가스로부터 질소 침입이 일어나는 용접 조건에 있어서의 용접 비드에서는, 이번에 새롭게 Al 이나 V 에 C, N 의 안정화 효과가 있는 것이 분명해졌다. 도 2 에 나타낸 바와 같이 용접 비드의 재활성화율의 로그가 N 값에 비례하는 점에서, 각각의 원소의 질량％ 에 대한 효과는 Ti ＞ Nb ＞ V ＞ Al 의 순서로 강하다. N 값이 0.55 초과에서는 용접 비드의 재활성화율은 0.01 ％ 이하가 되어 거의 예민화가 일어나지 않았다. 따라서 N 값은 0.55 초과로 한다.

용접 비드의 석출물을, SEM (Scanning Electron Microscope) 을 사용하여 관찰한 결과, Ti 나 Nb 의 탄질화물에 복합하여, Al 이나 V 가 존재하고 있는 것이 확인되었다. 이와 같이 Ti 나 Nb 의 탄질화물을 핵으로 하여 AlN, VN 의 석출이 촉진됨으로써, V 나 Al 이 질소의 안정화 원소로서의 작용을 보다 발휘할 수 있게 된 것으로 생각된다.

이상이 본 발명의 기본 화학 성분으로, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 또한, 내식성의 관점에서 Cu 량을 제한해도 된다. 또, 내식성, 인성을 향상시킬 목적으로 Zr, W, REM, Co, B 를 선택 원소로서 첨가해도 된다.

Zr : 1.0 ％ 이하

Zr 은 C, N 과 결합하여, 예민화를 억제하는 효과가 있다. 그 효과는 0.01 ％ 이상의 첨가에서 얻어진다. 그러나, 과잉의 첨가는 가공성을 저하시키고, 매우 비싼 원소이기 때문에 비용의 증대를 초래한다. 따라서, Zr 을 첨가하는 경우에는, Zr 량은 1.0 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.2 ％ 이하이다.

W : 1.0 ％ 이하

W 는 Mo 와 동일하게 내식성을 향상시키는 효과가 있다. 그 효과는 0.01 ％ 이상의 첨가에서 얻어진다. 그러나, 과잉의 첨가는 강도를 상승시키고, 제조성을 저하시킨다. 따라서, W 를 첨가하는 경우에는, W 량은 1.0 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.2 ％ 이하이다.

REM : 0.1 ％ 이하

REM (희토류 원소) 은 내산화성을 향상시켜, 산화 스케일의 형성을 억제하고, 용접부의 템퍼 컬러 바로 아래의 Cr 결핍 영역의 형성을 억제한다. 그 효과는 0.0001 ％ 이상의 첨가에서 얻어진다. 그러나, 과잉의 첨가는 산세성 등의 제조성을 저하시키고, 비용의 증대를 초래한다. 따라서, REM 을 첨가하는 경우에는, REM 량은 0.1 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.05 ％ 이하이다.

Co : 0.3 ％ 이하

Co 는 인성을 향상시키는 원소이다. 그 효과는 0.001 ％ 이상의 첨가에서 얻어진다. 그러나, 과잉의 첨가는 제조성을 저하시킨다. 따라서, Co 를 첨가하는 경우에는, Co 량은 0.3 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.1 ％ 이하이다.

B : 0.1 ％ 이하

B 는 2 차 가공 취성을 개선하는 원소로서, 그 효과를 얻기 위해서는 0.0001 ％ 이상의 함유가 적당하다. 그러나, 과잉의 함유는, 고용 강화에 의한 연성 저하를 일으킨다. 따라서, B 를 함유하는 경우에는, B 량은 0.1 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.05 ％ 이하이다.

2. 제조 조건에 대해

다음으로 본 발명 강의 적합한 제조 방법에 대해 설명한다. 상기한 성분 조성의 강을, 전로 (converter furnace), 전기로 (electric furnace), 진공 용해로 (vacuum melting furnace) 등의 공지된 방법으로 용제하고, 연속 주조법 (continuous casting) 혹은 조괴 (ingot casting)-분괴법 (slabbing) 에 의해 강 소재 (슬래브 slab) 로 한다. 이 강 소재를, 그 후 1100 ∼ 1300 ℃ 로 가열 후, 마무리 온도를 700 ℃ ∼ 1000 ℃, 권취 온도를 500 ℃ ∼ 850 ℃ 로 하여 판 두께 2.0 ㎜ ∼ 5.0 ㎜ 로 열간 압연을 실시한다. 이렇게 하여 제조한 열간 압연 강대 (hot rolled strip) 를 800℃ ∼ 1200 ℃ 의 온도에서 어닐링 (anneal) 하여 산세 (acid picking) 를 실시하고, 다음으로, 냉간 압연을 실시하고, 700 ℃ ∼ 1100 ℃ 의 온도에서 냉연판 어닐링을 실시한다. 냉연판 어닐링 후에는 산세를 실시하고, 스케일을 제거한다. 스케일을 제거한 냉간 압연 강대에는 스킨 패스 압연을 실시해도 된다.

실시예 1

이하, 실시예에 기초하여 본 발명을 설명한다.

표 1 에 나타내는 스테인리스강을 진공 용제하고, 1200 ℃ 로 가열한 후, 판 두께 4 ㎜ 까지 열간 압연하고, 850 ∼ 1050 ℃ 의 범위에서 어닐링하고, 산세에 의해 스케일을 제거하였다. 또한, 판 두께 0.8 ㎜ 까지 냉간 압연하고, 800 ℃ ∼ 1000 ℃ 의 범위에서 어닐링하고, 산세를 실시하여 공시재로 하였다. 또한, 표 1 의 S 값은 Si ＋ Al ＋ Ti 로, N 값은 Nb ＋ 1.3Ti ＋ 0.9V ＋ 0.2Al (식 중의 원소는 질량％) 로 각각 정의된다.

제조한 공시재에 비드 온 플레이트의 TIG 용접을 실시하였다. 용접 전류는 90 A, 용접 속도는 60 ㎝/min 으로 하였다. 실드 가스는, 표측 (토치측) 에는 2 vol％ 의 질소를 함유하는 Ar 가스를 유량 15 ℓ/min 으로 사용하고, 이측에는 100 ％ Ar 가스를 유량 10 ℓ/min 으로 사용하였다. 표측의 용접 비드의 폭은 대략 4 ㎜ 였다.

제조한 용접 비드를 포함하는 가로세로 20 ㎜ 의 시험편을 채취하고, 가로세로 10 ㎜ 의 측정면을 남겨 시일재로 피복하고, 용접에 의한 템퍼 컬러를 입힌 채 30 ℃ 의 3.5 ％ NaCl 용액 중에서 공식 전위를 측정하였다. 시험편의 연마나 부동태화 처리는 실시하지 않았다. 그 이외의 측정 방법은 JIS G 0577 (2005) 에 준거하였다. 측정한 공식 전위 V'_C100 을 표 2 에 나타낸다.

발명예에서는 모두 V'_C100 이 0 ㎷ 이상이 된 반면, 비교예에서는 모두 V'_C100 이 0 ㎷ 미만이 되어 있어, 본 발명예의 내식성이 우수한 것을 알 수 있다. 또, 용접 비드를 포함하는 60 × 80 ㎜ 의 시험편을 채취하고, 표측을 시험면으로 하여 JIS H 8502 (1999) 의 중성 염수 분무 사이클 시험 (neutral salt spray cyclic corrosion test) 을 실시하였다. 사이클 수는 3 사이클로 하였다. 시험 후, 용접 비드의 부식의 유무를 육안에 의해 확인하였다. 결과를 표 2 에 나타낸다.

본 발명예에서는 모두 부식이 확인되지 않은 반면, 비교예에서는 모두 부식이 확인되었다. 발명예의 용접 비드의 내식성이 우수한 것을 알 수 있다.

또한, 표 1 의 No.1 ∼ 3 으로부터 Si 가 본 발명의 범위 내이면 용접부의 내식성이 양호한 것을 알 수 있다.

No.4, No.13 으로부터 Cr 이 본 발명의 범위 내이면 용접부의 내식성이 양호한 것을 알 수 있다. No.6, No.8 로부터 Mo 가 본 발명의 범위 내이면 용접부의 내식성이 양호한 것을 알 수 있다. No.5 ∼ 7 로부터 Al 이 본 발명의 범위 내이면 용접부의 내식성이 양호한 것을 알 수 있다. No.8, No.9 로부터 V 가 본 발명의 범위 내이면 용접부의 내식성이 양호한 것을 알 수 있다.

No.10 ∼ No.12 로부터 Nb 및 Ti 가 본 발명의 범위 내이면 용접부의 내식성이 양호한 것을 알 수 있다. No.4, No.5, No.11, No.13 ∼ 18 로부터 Cu, Zr, W, REM, Co, B 가 본 발명의 범위 내이면 용접부의 내식성이 양호한 것을 알 수 있다.

No.19 는 Si 가 본 발명의 범위를 만족하지 않는다. No.20 은 Si 와 S 값이 본 발명의 범위를 만족하지 않는다. No.21 은 Al 과 S 값이 본 발명의 범위를 만족하지 않는다. No.22 ∼ 24 는 V, Nb, Ti 중 어느 것과 N 값이 본 발명의 범위를 만족하지 않는다. No.25 는 N 값이 본 발명의 범위를 만족하지 않는다.

산업상 이용가능성

본 발명에서 얻어지는 페라이트계 스테인리스강은, 용접에 의해 구조체의 제조가 실시되는 용도, 예를 들어, 머플러 등의 자동차 배기계 재료, 전기 온수기의 저탕용 캔체 재료, 건구나 환기구, 덕트 등의 건축용 재료 등에 대한 적용에 바람직하다.

Claims

질량％ 로, C : 0.001 ∼ 0.030 ％, Si : 0.3 초과 ∼ 0.55 ％, Mn : 0.05 ∼ 0.50 ％, P : 0.05 ％ 이하, S : 0.01 ％ 이하, Cr : 19.0 ∼ 28.0 ％, Ni : 0.01 ∼ 0.30 ％ 미만, Mo : 0.2 ∼ 3.0 ％, Al : 0.08 초과 ∼ 1.2 ％, V : 0.02 ∼ 0.50 ％, Cu : 0.1 ％ 미만, Nb : 0.005 ∼ 0.50 ％, Ti : 0.05 ∼ 0.50 ％, N : 0.001 ∼ 0.030 ％ 를 함유하고, 하기 식 (1) 및 식 (2) 를 만족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강;
0.6 ≤ Si ＋ Al ＋ Ti ≤ 1.8 …(1)
Nb ＋ 1.3Ti ＋ 0.9V ＋ 0.2Al ＞ 0.55 …(2)
또한, 식 중의 원소 기호는 각 원소의 함유량 (질량％) 을 나타낸다.
제 1 항에 있어서,
추가로, 질량％ 로, Zr : 1.0 ％ 이하, W : 1.0 ％ 이하, REM : 0.1 ％ 이하, Co : 0.3 ％ 이하, B : 0.1 ％ 이하 중에서 선택되는 1 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강.