KR20150087172A

KR20150087172A - 듀플렉스 스테인레스강

Info

Publication number: KR20150087172A
Application number: KR1020150098498A
Authority: KR
Inventors: 최국선; 하태권
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 주식회사 포스코
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2015-07-29

Abstract

듀플렉스 스테인레스강이 개시된다. 본 발명에 의한 듀플렉스 스테인레스강은 중량 퍼센트(wt%)로 C:0.2~0.5%, 산가용성 Si:0.5~1.5%, Mn:0.5~1.5%, Cr:20~28%, Ni:8~10%, N:0.1~0.4%, Y: 0.1~0.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.

Description

듀플렉스 스테인레스강{DUPLEX STAINLESS STEEL}

본 발명은 듀플렉스 스테인레스강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이트륨(Yttrium)과 높은 질소 함량을 갖는 듀플렉스 스테인레스강에 관한 것이다.

듀플렉스 스테인레스강(duplex stainless steel)은 오스테나이트와 페라이트의 2상이 공존함으로써 종래의 오스테나이트 스테인레스강 보다 내식성 및 기계적 성질이 우수한 강재로 고가의 니켈이 상대적으로 적게 들어가 생산가격이 저렴한 장점을 갖는 강재이다.

이러한 듀플렉스 스테인레스강은 마그네슘 제련을 위한 열환원 반응관, 화학설비용 파이프라인, 화력발전소 및 석유화학산업의 탈염소 및 탈황설비용 부품 그리고 해수설비 등과 같이 고온 강도와 내식성을 동시에 요구하는 부품에 적용된다.

특히, 듀플렉스 2205계 스텐레스강은 오스테나이트계 스텐레스강에 비해 강도도 높고 오스테나이트계 스텐레스강 이상의 내식성을 보유함으로써 강한 부식에 노출되는 탈염소 및 탈황설비의 소재, 제지산업의 내부 스크류 컨베이어, 제지산업의 표백용 저장탱크등과 같이 내부식성 및 강도가 동시에 요구되는 부품으로 많이 이용되고 있다.

최근에는 대기환경의 보호정책에 의해 발전소나 석유화학 산업설비에는 탈염소 및 탈황설비의 설치가 의무화되고 있다. 이외에도 산업쓰레기 소각로의 공기정화 설비 등에 필수적인 소재로 자리를 잡아가고 있다.

일반적으로 듀플렉스 스테인리스강은 먼저 강도를 향상시키는 역할을 담당하는 페라이트 조직과 내부식성을 향상시키는 오스테나이트 조직이 서로 공존하는 합금인 동시에 공식저항성을 상승시키는 다량의 크롬(Cr) 함유로 부식저항성이 뛰어난 소재로 잘 알려져 있다.

또한, 몰리브덴(Mo)은 듀플렉스 스테인리스강의 부식저항성을 한층 향상시키는 원소이다. 대표적인 듀플렉스강은 Mn과 C의 함량이 각각 2.0%이하, 0.03%이하인 Fe-(21~23)%Cr-(4.5~6.5)%Ni-(2.5~3.5)%Mo-(0.08~0.20)%N 합금(UNS31803 또는 SAF 2205)이 있다.

또한, 2205 스테인리스강에 Cr과 Mo 함량을 높여 보다 우수한 내식성을 갖도록 설계한 Mn과 C함량이 각각 1.2%이하, 0.03%이하인 Fe-(24~26)%Cr-(6~8)%Ni-(3~5)%Mo-(0.24~0.32)%N 합금(SAF 2507)이 있다.

그러나 이러한 Mo계 듀플렉스 스테인리스강의 가장 큰 문제점은 판재, 선재, 파이프 제품을 제조하는데 필요한 공정인 열간가공 공정에서 낮은 성형성으로 가장자리 균열이나 표면터짐 등과 같은 결함을 빈번히 발생시키고 있다.

듀플렉스 스테인리스강의 특징은 또한 오스테나이트를 안정화시키는 N을 다량 첨가시켜 Mn과 함께 고가의 Ni을 저감하는 것을 특징으로 한다.

그리고 N은 W과 Mo과 마찬가지로 공식 저항성을 증가시켜 내부식성을 현저히 향상시킨다. 통상적으로 N은 스테인리스 강재에는 불순물로 0.02 정도를 함유하고 있으나 상기의 목적을 얻기 위하여 적어도 0.08%이상의 N 함량이 필요하며 0.345%를 초과하면 내식성은 증가하나 잉곳주조나 연속주조시에 블로우 홀 등과 같은 주조 결함을 유발시켜 소재의 건전성을 나쁘게 하므로 제한한다.

또한 Mo 단독 첨가된 듀플렉스 스텐레스강에서는 N이 0.345%를 초과하면 고온연성이 나빠지는 문제점이 있다.

이와 같이, 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트 스테인리스강과 우수한 부식저항성을 갖고 강도가 50% 정도 높아 차세대 내식용 스테인리스강으로 주목받고 있지만, 고온연성이 낮아 열연판재로 제조하기가 어렵다는 단점이 있다. 듀플렉스 스테인리스강에서 고온연성을 향상시키는 일반적인 방법은 Ce 첨가에 의해 이루어진다 (J.L.Komi etal. Proc. of Int?l Conf. on Stainless Steel, ISIJ Tokyo, 1991, p807 또는 미국특허 4,765,953). 이 방법은 S를 30ppm이하로 제어하고 Ce이 첨가되면 S의 편석이 억제되어 고온연성이 향상되는 것으로 알려져 있다.

Ce을 0.18%이하를 첨가시키면 고온연성을 증가시켜 보다 우수한 열간가공성을 얻을 수 있으나 0.18%를 초과하게 되면 조대한 산화개재물의 편재로 고온연성을 저하시키게 된다.

또 다른 예는 Sumitomo에서 출원한 미국특허 5,298,093로, Mn 함량이 1.5%이하인 23~27%Cr에 2~4%Mo과 1.5~5%W을 함유한 듀플렉스 스테인리스강을 제안하였다.

이 합금은 고강도와 우수한 부식저항성을 갖는 것으로 보고되고 있다. 그러나 열간압연중에 균열을 쉽게 발생시키고 고합금으로 인하여 상안정성이 낮아 내식성과 충격특성을 저하시키는 시그마상이 잔류할 수 있다는 단점이 있다.

이와 같이 W+Mo계 복합 첨가계 듀플렉스 스테인리스강 합금에서도 앞서 언급한 Mo계 듀플렉스 스테인리스강과 마찬가지로 열간성형에 의한 판재, 선/봉재 그리고 파이프 제조시에 열악한 열간성형성으로 불량률이 매우 높은 단점이 있다.

특히 최근 관심을 모으고 있는 마그네슘 제련을 위한 열환원반응관용 내열합금의 경우, 제련온도인 1,200^oC에서 고온강도를 유지함과 동시에 고온 성형성이 요구되고 있으나 현재 이러한 요구를 함께 만족하는 소재는 개발되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 높은 함량의 질소(N)를 포함하고 이트륨(Y) 첨가에 의해 열간 성형성과 1,200^oC 에서의 고온 강도를 동시에 향상시킨 듀플렉스 스테인리스강 합금소재를 제공하는 것을목적으로 한다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 듀플렉스 스테인레스강은 중량 퍼센트(wt%)로 C:0.2~0.5%, 산가용성 Si:0.5~1.5%, Mn:0.5~1.5%, Cr:20~28%, Ni:8~10%, N:0.1~0.4%, Y: 0.1~0.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.

상기 듀플렉스 스테인레스강은 1,200℃ 에서의 고온강도가 15MPa 이상일 수 있다.

상기 듀플렉스 스테인레스강은 1,200℃ 에서의 연신율이 19% 이상일 수 있다.

상기 듀플렉스 스테인레스강은 마그네슘 제련을 위한 열환원반응관, 화학설비용 파이프라인, 화력발전소의 탈염소 및 탈황설비용 부품, 석유화학산업의 탈염소 및 탈황설비용 부품 및 해수설비 중에서 선택된 적어도 하나에 사용될 수 있다.

본 발명에 의하면, 고농도의 질소를 함유하고 그와 동시에 이트륨을 첨가시킴으로써 1,200^oC에서의 고온 강도가 20MPa이상이고 이 온도범위에서 열간 성형성이 우수한 합금을 제공할 수 있다.

도 1은 질소와 이트륨이 첨가되지 않은 듀플렉스 스테인레스강의 열간 성형성을 평가하기 위하여 1,200^oC에서 실시한 열간 압연시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 2은 이트륨은 함유하지 않고 질소함량만을 높인(0.3wt% 듀플렉스 스테인레스강의 열간 성형성을 평가하기 위하여 1200^oC에서 실시한 열간 압연시험 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 높은 질소함량(0.3wt%)과 함께 이트륨을 함유(0.3wt%)한 본 발명에 의한 듀플렉스 스테인레스강의 열간 성형성을 평가하기 위하여 1,200^oC에서 실시한 열간 압연시험 결과를 나타낸 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 듀플렉스 스테인레스강에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의한 듀플렉스 스테인레스강은 중량 퍼센트(wt%)로 C:0.2~0.5%, 산가용성 Si:0.5~1.5%, Mn:0.5~1.5%, Cr:20~28%, Ni:8~10%, N:0.1~0.4%, Y: 0.1~0.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.

상기 듀플렉스 스테인레스강은 1,200℃ 에서의 고온강도가 15MPa 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 듀플렉스 스테인레스강은 1,200℃ 에서의 연신율이 19% 이상이어야 열간 성형성이 확보될 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 강재의 성분조성을 상기 범위로 한정한 이유를 설명한다.

탄소(C)는 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅소텐(W), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V) 등과 같은 탄화물 형성원소와 결합하여 고경도의 탄화물을 형성시키는 작용을 하여 재료의 강도에 유효하지만 과잉의 C 함량은 페라이트-오스테나이트 상경계에 과잉의 탄화물을 형성시켜 내부식 저항성을 감소시킨다.

본 발명에 의한 강재는 C이 0.5%를 초과하여 많이 첨가되면 결정립계에 조대한 크롬 탄화물을 쉽게 석출시켜 결정립계 주위의 크롬함량을 낮추는 효과로 인하여 내부식 저항성을 감소시킨다. 그러므로 본 발명합금에서는 탄소함량을 0.5% 이하로 억제해야 한다.

실리콘(Si)은 주로 원료재료에 잔류 원소로 일부 함유되거나 주조품 제조에 있어서 유동성을 증가시키거나 탈산효과를 얻기 위하여 최소 0.5% 이상을 첨가시키지만 1.5%를 초과하게 되면 인성과 관련된 기계적 특성을 크게 감소시키므로 이 범위 내에서 억제되어야 한다.

망간(Mn)은 본 발명에서는 고온연성을 향상시키기 위하여 주로 첨가된다. 일반적으로 스텐레스강이나 철강재료에서는 Mn이 다량 첨가되면 연성을 해친다고 알려져 있을 뿐만 아니라 충격인성도 감소시키는 것으로 알려져 있어 통상적인 첨가량은 용탕 유동도를 조절하기 위한 용도로 0.5-1.5% 범위에서 첨가되어야 한다.

또한 망간(Mn)은 니켈(Ni) 첨가의 저감을 위해서도 첨가될 수 있다. 듀플렉스 스텐레스강에서 가장 고가인 첨가원소인 Ni을 저감하면 경제적인 이점이 있다. 통상적으로 Mn은 Ni이 오스테나이트를 안정화시키는 능력의 50%를 발휘하는 것으로 알려져 있다.

상기 범위의 Mn 함량은 본 발명재에서 주조시에 유동성을 향상시켜 얇고 복잡한 형상물을 주조로 제조하는데도 적당하다.

니켈(Ni)은 오스테나이트를 형성시키는 원소로 알려져 있다. 본 발명합금에서 질소(N)과 망간(Mn)이 오스테나이트 상의 안정화에 일정역할을 담당한다고 판단하였으며 다른 페라이트 안정화 원소와 균형에 의해 8.0-10.0%로 제한한다.

크롬(Cr)은 페라이트 안정화 원소로 알려져 있으며 내식성 향상과 오스테나이트와 페라이트의 듀플렉스 조직을 갖도록 설계하기 위하여 첨가되는 필수적인 원소이다. 본 합금계에서는 고내식성을 갖도록 유도하는 것이 주요 목적이므로 Cr 함유량이 20% 미만이 되면 고내식성의 유지가 어려워지고 28%를 초과하게 되면 시그마상의 형성이 쉬워져 취성을 증가시키고 475^oC근처에서도 저온 취성을 유발한다.

듀플렉스 스텐레스강의 특징은 오스테나이트를 안정화시키는 질소(N)을 다량 첨가시켜 망간(Mn)과 마찬가지로 고가의 Ni을 저감하는 것을 특징으로 한다. 그리고 N은 W과 Mo과 마찬가지로 공식 저항성을 증가시켜 내부식성을 현저히 향상시킨다.

통상적으로 N은 스텐레스강재에는 불순물로 0.02 정도를 함유하고 있으나 상기의 목적을 얻기 위하여 적어도 0.1%이상의 N 함량이 필요하며 0.5%를 초과하면 내식성은 증가하나 잉곳주조나 연속주조시에 블로우 홀등과 같은 주조 결함을 유발시켜 소재의 건전성을 나쁘게 하므로 0.4%이하로 제한한다.

또한, 본 발명에서는 기본합금 성분에 이트륨(Y)을 0.1%이상 첨가시키면 고온연성을 증가시켜 보다 우수한 열간 가공성을 얻을 수 있다. 하지만 0.5%를 초과하게 되면 조대한 산화 개재물의 편재로 고온연성을 저하시키게 된다.

본 발명의 합금소재를 이용하면 1,200^oC의 온도조건에서 사용되는 마그네슘 제련용 열환원반응로를 주조 및 열간가공을 통해 제조할 수 있으며 1,200^oC의 온도조건에서 신뢰성 있게 작업할 수 있는 성능을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 듀플렉스 스테인레스강을 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다.

[실시예]

하기 표 1과 같은 조성을 갖는 강을 폭 400m, 높이 400mm, 두께 150mm의 잉곳으로 제조하여 1,200^oC에서 고온인장 및 열간압연 시험을 시행하였다. 상기 잉곳들은 열처리로에서 시험 전 1시간 동안 균질화처리하고 로냉시켰다.

표 1은 본 발명에 의한 합금성분을 갖도록 제조한 잉곳의 조성과 1,200^oC에서 수행한 고온인장 및 열간압연 시험결과를 나타낸 것이다.

합금 종류	화 학 조 성 (wt.%)										연신율	인장 강도	크랙 발생
합금 종류	C	Si	Mn	Cr	Ni	N	Y	Al	P	S	(%)	(MPa)	여부
비교예1	0.38	1.4	0.87	24.9	7.8	-	-	-	-		38	14.1	X
비교예2	0.39	1.3	0.89	24.8	7.9	0.31	-	-	-		14	15.1	O
비교예3	0.36	1.4	0.98	25.2	8.0	-	0.3	-	-		38	14.5	X
발명예1	0.35	1.2	1.00	25.1	7.9	0.32	0.3	-	-		19	19.4	X
비교예4	0.35	1.4	0.99	24.9	20.1	-	-	-	-		29	9.2	X
비교예5	0.37	1.3	0.95	26.0	10.1	-	-	-	-		67	18.2	X
비교예6	0.39	1.4	0.92	25.9	9.9	0.12	-	-	-		47	22.2	O
비교예7	0.43	1.5	0.94	26.0	10.0	0.21	-	-	-		46	24.9	O
비교예8	0.42	1.5	0.96	25.9	10.2	0.11	-	-	-		55	23.5	O
비교예9	0.35	1.5	0.95	20.1	-	0.09	0.1	5.0	-		16	4.01	O
비교예10	0.32	1.4	1.02	26.0	10.2	-	0.3	-	-		13	15.7	X
발명예2	0.36	1.2	1.05	25.8	9.9	0.1	0.29	-	-		86	15.8	X
발명예3	0.36	1.3	0.94	26.4	10.1	0.21	0.31	-	-		58	22.2	X
발명예4	0.35	1.4	0.98	26.2	10.2	0.3	0.32	-	-		22	29.9	X
발명예5	0.32	1.4	0.98	25.7	9.9	0.31	0.1	-	-		59	24.9	X
발명예6	0.36	1.4	0.91	25.7	9.8	0.21	0.19	-	-		67	22.2	X

도 1 내지 도 3은 각각 열간 성형성을 평가하기 위해 1,200^oC에서 열간압연 시험한 결과 중 비교예 1, 2 및 발명예 1의 결과를 나타낸 것이다. 비교예 2와 같이 질소의 단독 첨가에 의해서는 열간압연에서 균열이 발생하지만 이트륨을 추가로 첨가함에 따라 건전한 열간압연 판재를 얻을 수 있었다.

도 2의 비교예 2와 같이 질소(N)를 단독으로 첨가한 경우에는 강도는 15MPa 정도로 높게 나타나지만 열간압연이 불가능 할 정도로 성형성이 열악함을 알 수 있다.

도 3에 도시된 발명예 1와 같이 질소와 함께 이트륨이 함께 첨가되면 고온강도도 19MPa 정도로 높아지고 열간 성형성도 매우 양호한 것으로 나타났다.

또한, 표 1의 발명예 2~6을 보면 질소와 이트륨이 함께 첨가될 경우 고온 강도와 함께 열간 성형성도 좋아지는 것을 알 수 있다. 특히 질소의 함량이 높아짐에 따라 고온 강도도 향상되었다.

산업현장에서 가장 일반적으로 사용되는 오스테나이트계 스텐레스강인 비교예 4는 1,200^oC의 온도조건에서 약 9MPa의 인장강도를 가짐을 알 수 있다. 한편, 내열 합금인 비교예 9의 경우에는 인장강도가 4MPa에 불과하다.

이에 반하여, 본원발명에 의한 강재인 도 3에 도시된 발명예 1은 종래의 300계열 합금에 비해 두 배 정도인 19MPa의 인장강도를 보임을 알 수 있었다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 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.

Claims

중량 퍼센트(wt%)로 C:0.2~0.5%, 산가용성 Si:0.5~1.5%, Mn:0.5~1.5%, Cr:20~28%, Ni:8~9.9%, N:0.1~0.4%, Y: 0.29~0.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며,
1,200℃ 에서의 고온 인장강도가 15MPa 이상 및 29.9MPa 이하인 것인 듀플렉스 스테인레스강.
제1항에 있어서,
상기 스테인레스강은 1,200℃ 에서의 연신율이 67% 이상 및 86% 이하인 것인 듀플렉스 스테인레스강.
마그네슘 제련을 위한 열환원반응관, 화학설비용 파이프라인, 화력발전소의 탈염소 및 탈황설비용 부품, 석유화학산업의 탈염소 및 탈황설비용 부품 및 해수설비 중에서 선택된 적어도 하나에 사용되는 것을 특징으로 하는 제 1 항에 의한 듀플렉스 스테인레스강.