KR20150074767A

KR20150074767A - 항균성이 향상된 오스테나이트 스테인리스강

Info

Publication number: KR20150074767A
Application number: KR1020130162850A
Authority: KR
Inventors: 김형준; 정양진; 이재화
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2015-07-02

Abstract

본 발명은 항균성이 향상된 오스테나이트 스테인리스강에 관한 것으로, 중량%로, Cr: 16 내지 21%, Ni: 8 내지 15%, Cu: 1 내지 5%, C: 0.08% 이하, Si: 1 내지 3% 이하, Mn: 2% 이하, P: 0.035% 이하, S: 0.01% 이하, N: 0.2% 이하, W: 0 초과 1.3% 이하, Nb: 0.7% 이하, 나머지 Fe 및 불순물을 포함하고, JIS Z 2801 시험방법에 의해 평가되는 항균성이 99.9% 이상인 것을 특징으로 하는 오스테나이트 스테인리스강을 제공한다.

Description

항균성이 향상된 오스테나이트 스테인리스강{Austenite stainless steel with excellent antibiosis}

본 발명은 항균성이 향상된 오스테나이트 스테인리스강에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 항균성이 99.9% 이상인 오스테나이트 스테인리스강에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 주변기기에는 인체에 유해한 균들이 많이 서식하고 있다. 특히 수분과 산소가 존재하는 환경에는 어느 곳이든지 각종 균이 서식하며, 질병을 유발시킨다. 이에 따라 최근에는 항균성에 대한 관심이 높아지고 있는데, 주방용품을 필두로 하여 가전제품 및 의료산업분야 등에서도 항균효과에 대해서 관심이 높아지고 있다.

스테인리스강 상에도 대장균이나 황색포도상구균과 같은 유해한 균들이 존재하고 있는데, 이러한 스테인리스강은 싱크대와 같은 주방용품이나 의료산업에 다양하게 사용되고 있는바, 문제가 될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 기존에는 스테인리스강에 박막의 수지층을 형성하거나, 수지와 금속의 혼합물이 적용된 도장층을 형성하거나, 별도의 크롬 처리를 하는 등 스테인리스강에 별도의 층을 처리하는 방법을 사용하고 있다.

그러나, 상기와 같이 별도의 층을 처리하는 방법은 항균성을 위한 근본적인 방법이 아니며, 상기 층이 벗겨지거나 그 기능이 떨어지면 항균성을 보장할 수 없다.

본 발명은 각 원소의 조성범위를 조정하여 항균성이 향상되는 오스테나이트 스테인리스강을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 항균성이 향상된 오스테나이트 스테인리스강은, 중량%로, Cr: 16 내지 21%, Ni: 8 내지 15%, Cu: 1 내지 5%, C: 0.08% 이하, Si: 1 내지 3% 이하, Mn: 2% 이하, P: 0.035% 이하, S: 0.01% 이하, N: 0.2% 이하, W: 0 초과 1.3% 이하, Nb: 0.7% 이하, 나머지 Fe 및 불순물을 포함하고, JIS Z 2801 시험방법에 의해 평가되는 항균성이 99.9% 이상일 수 있다.

여기서, 선택적으로 Mo: 4% 이하, 또는 Ti : 0.03% 이하를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 오스테나이트 스테인리스강은 Cu: 1.9 내지 2.2%, 및 W: 0.4 내지 0.65%를 포함할 수 있다.

또한, KS D 0238에 의해 측정한 상기 오스테나이트 스테인리스강의 공식저항성은 400mV 이상일 수 있다.

또한, ASTM G36 CERT를 이용하여, 공기 중에서의 연신율에 대한 MgCl₂ 용액 상에서의 연신율의 비로 나타낸 상기 오스테나이트 스테인리스강의 응력부식저항성은 0.02 이상일 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명의 항균성이 향상된 오스테나이트 스테인리스강에 따르면, 각 원소의 조성범위를 적절히 조절하고 첨가하여 항균성이 99.9% 이상일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 항균성이 향상된 오스테나이트 스테인리스강에 대장균과 황색포도상구균을 배양한 평가결과를 나타낸 도면이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 중량%로, Cr: 16 내지 21%, Ni: 8 내지 15%, Cu: 1 내지 5%, C: 0.08% 이하, Si: 1 내지 3% 이하, Mn: 2% 이하, P: 0.035% 이하, S: 0.01% 이하, N: 0.2% 이하, W: 0 초과 1.3% 이하, Nb: 0.7% 이하, 나머지 Fe 및 불순물을 포함하고, 항균성이 99.9% 이상인 항균성이 향상된 오스테나이트 스테인리스강을 그 대상으로 한다.

이하 본 발명의 항균성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강을 구성하는 성분계에 관하여 보다 상세히 설명한다. 단, 여기서 성분계의 %는 중량 %를 의미한다.

Cr은 스테인리스강의 부동태 피막 형성을 촉진하는 원소로 스테인리스강의 기본적인 내식성을 결정한다. 내식성 향상을 위해 Cr양이 많을수록 효과적이나, 과도하게 함유할 경우 δ-ferrite의 형성으로 내식성의 저하를 발생시킬 수 있고 (Cr/Ni)eq. 비 조절을 위해 Ni을 다량 첨가하여야 하므로 비경제적일 수 있다. 따라서, 상 밸런스(phase balance), 내식성, 및 경제성을 고려하여 Cr의 조성비는 16~21%로 한정할 수 있다.

Ni은 오스테나이트 안정화 원소로 오스테나이트 조직을 얻기 위해 첨가한다. 그러나, Ni은 고가로 (Cr/Ni)eq. 비 조절에 주안점을 두어 가능한 첨가량을 최소로 할 수 있다. 따라서, 탄소 함량저하로 인한 phase balance 및 비용측면을 고려하여 Ni의 조성비를 8~15%로 한정할 수 있다.

Cu는 오스테나이트 상을 확보하는 데 도움을 주며, 항균성을 부여해 주는 유효한 원소일 수 있다. 또한, Cu는 산성환경에서 합금의 공식전파를 억제함으로써 내식성을 향상시키는 역할을 한다. 그러나, Cu 함량이 5% 이상으로 너무 높은 경우 합금 표면에 석출물 형성으로 공식발생을 쉽게 야기시켜 오히려 내식성을 저해시킨다. 따라서, Cu의 조성비는 1% 이상 5% 이하로 한정할 수 있다. 바람직하게는 이하에 설명될 Cu 농화층을 고려하여 Cu의 조성비를 1.9~2.2%로 한정할 수 있다.

C는 너무 많이 첨가되면 크롬 탄화물을 형성하여 내식성을 저하시키므로 오스테나이트 스테인리스강의 규격범위인 0.08% 이하로 할 수 있다.

Mn은 오스테나이트 안정화 원소로 Ni을 보완하기 위한 목적으로 첨가한다. 또한, Mn의 첨가는 N의 고용을 증가시켜 N 첨가에 의한 강도 및 공식증가의 효과를 얻을 수 있다. 그러나, Mn을 과잉 첨가할 경우 비금속개재물형성으로 스테인레스의 국부저항성이 저하되고, 고온에서 내산화성을 저하시킬 수 있다. 따라서, Mn 조성비는 오스테나이트 스테인리스강의 통상적인 규격범위인 2.0% 이하로 할 수 있다.

W은 국부부식 및 응력부식 저항성을 향상시키는 원소이나 항균물성을 저하시키고, 너무 많이 첨가하면 고온에서 WO3 화합물의 기화로 인해 내산화성을 저하시키며, 700 ℃에서 장시간 유지시 시그마상 형성을 촉진하여 기계적 성질을 저하시킬 수 있다. 따라서, W의 조성비는 고용강화 효과를 극대화하면서 부정적 영향을 최소화하기 위해 0 초과 1.3% 이하로 할 수 있다. 더욱 바람직하게는 W의 조성비를 0.4~0.65%로 할 수 있다.

Si는 Cr과 동시에 오스테나이트계 스테인리스강에서 공식저항성 및 응력부식저항성을 향상시키는 원소이다. Si는 1% 이상의 함유에 의하여 Si계 산화물을 형성하고, 산화피막의 밀착성을 높여 내식성을 향상시킨다. 그러나 3%이상 함유할 경우 열간가공성 및 기계적 성질을 크게 저하시키고 제강 조업시 SiO₂ 개재물 형성을 유발하여 청정도를 저하시킬 수 있다. 따라서, Si의 조성비는 1~3%로 한정할 수 있다.

Nb는 Nb(C,N) 화합물을 형성하여 강의 결정립을 미세화시킴으로써 내식성 특히, 응력부식 저항성을 향상시키는 데 매우 효과적이다. 그러나 다량 첨가되는 경우 연주시 노즐막힘을 유발하고 열간가공성을 저하시키므로, 석출 경화 현상을 고려하여 Nb 조성비를 0.7% 이하로 할 수 있다.

P는 오스테나이트계 스테인리스강의 열간 가공성을 저해하는 원소로, 가능한 저감시키는 것이 강의 특성 향상에 유리하지만 생산공정단계에서 비용과 생산성 측면에서 좋지 않기 때문에, P의 조성비를 0.035% 이하로 할 수 있다.

S은 P와 같이 용접성 및 열간 가공성을 저하시키는 원소로서 MnS를 형성하여 내식성을 저하시킬 수 있다. 따라서, S의 조성비를 0.01% 이하로 할 수 있다.

N은 오스테나이트 상을 안정화시키는 원소로 Ni을 대체하여 강도와 내식성을 향상시키는데 적용될 수 있으나, 과잉 첨가시 Cr 질화물 형성으로 인성저하를 야기할 수 있고, 용접성 저하를 일으키므로 Ni의 조성비를 0.2% 이하로 할 수 있다.

또한, 본 발명은 선택적으로 Ti 및/또는 Mo를 더 포함할 수 있다.

여기서, Ti는 응고 중 적정량 첨가시 열간가공성을 개선하나 다량 첨가시 연주공정에서 노즐막힘 현상을 유발하므로, Ti의 조성비를 0.03% 이하로 할 수 있다.

Mo를 첨가하면 내식성이 월등히 증가되므로 고내식성을 요구되는 환경에서는 상기 강종에 Mo를 첨가할 수 있다. 이때의 Mo의 조성비는 4% 이하로 할 수 있다.

< 실시예 >

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 항균성이 향상된 오스테나이트 스테인리스강에 대장균과 황색포도상구균을 배양한 평가결과를 나타낸 도면이다. 여기서, 도 1에 도시된 값들은 아래와 같은 기준에 의한 것임을 미리 밝혀둔다.

- CFU = Colony Forming Unit

- 항균활성치 (S) : log(Mb / Mc), 감소율(%) : [(Mb - Mc) / Mb] × 100

- 증식치 (F) : log(Mb / Ma) (1.5 이상)

※ M_a : 표준시료의 시험균 접종직후의 생균수의 평균 (3검체)

※ M_b : 표준시료의 일정시간 (24 시간) 배양후 생균수의 평균 (3검체)

※ M_c : 항균가공시료의 일정시간 (24 시간) 배양후 생균수의 평균 (3검체)

이하 이를 참고하여, 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 기재된 실시예가 본 발명의 기술적 범위를 제한하는 것은 아니다.

표 1은 본 발명의 항균성을 평가한 실시예와 비교예의 조성을 나타낸 것이다. 실시예는 본 발명의 조성범위를 포함하는 오스테나이트 스테인리스강을 대상으로 하였으며, 비교예는 본 발명의 조성범위를 벗어난 오스테나이트 스테인리스강을 대상으로 하였다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Cu	Nb	Ni	Cr	W	N
실시예 1	0.02	1.5	1.1	0.02	0.004	2	0.2	9.0	18.2	0.5	0.05
실시예 2	0.03	1.6	1.2	0.035	0.01	2.2	0.25	9.2	18.5	0.65	0.06
실시예 3	0.05	1.4	1.0	0.01	0.003	1.9	0.16	8.9	18.1	0.4	0.04
비교예	0.08	0.6	0.8	0.04	0.02	0.9	0.10	9.1	18.3	0	0.05

- 단위 : 중량%

상기와 같은 실시예 1 내지 3과 비교예의 오스테나이트 스테인리스강을 대상으로 항균성 실험을 하였다. 항균특성은 JIS Z 2801 시험방법을 이용하여 평가하였으며, 구체적인 평가방법은 아래 표 2와 같다.

목록	내용
평가항목	항균력
평가방법	필름밀착법
사용공시균주	균주 1 - Staphylococcus aureus ATCC 6538P (황색포도상구균) 균주 2 - Escherichia coli ATCC 8739 (대장균)
표준피복필름	Stomacher 400® POLY-BAG
시험조건	시험균액을 35 ± 1 ℃, RH 90 ± 5 % 에서 24 시간 정치 배양후 균수 측정
시료 표면적	25 ㎠
측정항목	접종균 농도(CFU/ml), 증식치(F), 항균활성치(S), 감소율(%)

상기와 같은 평가방법을 통해 도출된 시험결과는 아래 표 3과 같다.

구분	1회	2회	3회	4회	항균성(평균)
0시간	2.6x10⁵	5.9x10⁵	2.5x10⁵	2.0x10⁵	-
표준환경	1.5x10⁶	1.8x10⁶	2.0x10⁶	2.1x10⁶	-
실시예 1	10	7	25	26	99.9%
실시예 2	15	22	19	18	99.9%
실시예 3	9	13	23	11	99.9%
비교예	9.8x10⁵	1.2x10⁶	1.6x10⁶	1.5x10⁶	29.14%

실험은 표 3에 나타낸 바와 같이 총 4회 진행되었으며, 초기(0시간)에 각각 2.6x10⁵, 5.9x10⁵, 2.5x10⁵, 2.0x10⁵(CFU/ml)의 대장균이 각각 표준환경(35℃, 습도 90%), 실시예 1 내지 3, 비교예 1 상에서 24시간 동안 증식되어 그 수가 얼만큼 되는지를 나타내고 있다. 표준환경에서의 대장균의 수와 비교예에서의 대장균의 수는 사실상 큰 차이가 없는 것으로 나타났으나, 실시예 1 내지 3에서는 대장균의 수가 대폭감소된 것으로 나타났다. 구체적으로, 실시예 1의 1회 시험을 살펴보면 대장균의 수가 10(CFU/ml)으로 매우 감소되어 (표준환경에서의 24시간 후 대장균 수-대상에서의 24시간 후 대장균 수)/(표준환경에서의 24시간 후 대장균 수)로 계산되는 항균성이 모두 99.9% 이상임을 알 수 있다. 반면, 비교예를 살펴보면, 1회 내지 5회에서 각각 항균성이 34.67%, 33.33%, 20%, 28.57%로서 평균 29.14%로 항균성이 매우 떨어짐을 볼 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 대장균을 포함한 황색포도상구균을 대상으로 실시예 1의 항균성을 평가한 결과, 대장균뿐만 아니라 황색포도상구균에서도 우수한 항균성을 보임을 알 수 있다.

실시예 1 내지 3이 비교예에 비하여 우수한 항균성을 보이는 것은 실시예 1을 대상으로 GDS 분석한 결과, 표층부에 Cu가 농화되어 있음에 의한 것임을 밝혀내었으며, Cu 농화층에 의해 우수한 항균성이 나타나는 것으로 판단된다.

한편, 본 발명의 발명자는 본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트 스테인리스강의 공식저항성과 응력부식저항성이 향상되었음을 밝혀내는 추가적인 시험을 진행하였다. 앞서 설명한 실시예 1 내지 3과 비교예를 대상으로 시험을 진행하였으며, 공식저항성은 KS D 0238 규격을 사용하여 표 4와 같은 상세한 방법으로 측정하고, 응력부식저항성은 ASTM G36 CERT (constant extension rate tester)를 이용하여 시편을 일축방향으로 인장하였을 때, 공기 중에서 시편이 최종 파단 될 때까지 측정된 연신율과 42 % 비등 MgCl₂ 용액 상에서 측정된 연신율의 비로 평가하였다.

측정방법	KS D 0238(wet & dry)
시험편 연마	800번까지 습식연마 시험직전 600번 습식 또는 건식연마 물로 세척 및 건조
용액	공식 : 3.5% NaCl 용액
Scan rate	200mV/min (0.33mV/sec)
시험온도(℃)	30±1℃
탈기방법	Purge 실시 가스 : Ar, N₂
시험시작	10분 침적 후 시작

이때, 실시예 1 내지 3과 비교예의 공식저항성과 응력부식저항성은 아래 표 5와 같이 나타났으며, 실시예 1 내지 3의 공식저항성은 400mV 이상으로 우수하고, 응력부식저항성은 0.02 이상으로 우수한 것으로 나타났다.

구분	평가	공식저항성	응력부식저항성
실시예 1	값	400mV	0.041
실시예 1	결과	◎	◎
실시예 2	값	421mV	0.035
실시예 2	결과	◎	◎
실시예 3	값	407mV	0.020
실시예 3	결과	◎	◎
비교예	값	290mV	0.010
비교예	결과	X	X

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 항균성이 향상된 오스테나이트 스테인리스강은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims

중량%로, Cr: 16 내지 21%, Ni: 8 내지 15%, Cu: 1 내지 5%, C: 0.08% 이하, Si: 1 내지 3% 이하, Mn: 2% 이하, P: 0.035% 이하, S: 0.01% 이하, N: 0.2% 이하, W: 0 초과 1.3% 이하, Nb: 0.7% 이하, 나머지 Fe 및 불순물을 포함하고, JIS Z 2801 시험방법에 의해 평가되는 항균성이 99.9% 이상인 항균성이 향상된 오스테나이트 스테인리스강.
제1항에 있어서,
선택적으로 Mo: 4% 이하, 또는 Ti : 0.03% 이하를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항균성이 향상된 오스테나이트 스테인리스강.
제1항에 있어서,
상기 오스테나이트 스테인리스강은 Cu: 1.9 내지 2.2%, 및 W: 0.4 내지 0.65%를 포함하는 것을 특징으로 하는 항균성이 향상된 오스테나이트 스테인리스강.
제1항에 있어서,
KS D 0238에 의해 측정한 상기 오스테나이트 스테인리스강의 공식저항성은 400mV 이상인 것을 특징으로 하는 항균성이 향상된 오스테나이트 스테인리스강.
제1항에 있어서,
ASTM G36 CERT를 이용하여, 공기 중에서의 연신율에 대한 MgCl₂ 용액 상에서의 연신율의 비로 나타낸 상기 오스테나이트 스테인리스강의 응력부식저항성은 0.02 이상인 것을 특징으로 하는 항균성이 향상된 오스테나이트 스테인리스강.