KR20160079997A

KR20160079997A - 니켈 저감형 스테인리스강

Info

Publication number: KR20160079997A
Application number: KR1020140191154A
Authority: KR
Inventors: 김광민; 김종희; 조기훈; 서보성
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2016-07-07

Abstract

본 발명에 의한 니켈 저감형 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.1% 이하(0 제외), Si: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 1.0% 이하(0 제외), Cr: 20~24%, Ni: 10~12%, Nb: 0.1~0.5%, N: 0.25% 이하(0 제외), W: 0.2~0.8%, B: 0.001~0.005%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.
식: C+N ≥ 0.2 (C, N은 각각의 중량% 함량)

Description

니켈 저감형 스테인리스강{LOW NICKEL STAINLESS STEEL}

본 발명은 니켈 저감형 스테인리스강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 니켈의 함량을 감소시키면서도 내식성을 유지할 수 있는 니켈 저감형 스테인리스강에 관한 것이다.

화력 발전소의 가스터빈이나, 연료전지의 용융염과 같이 고온의 부식성 환경에서 사용되는 구조용 재료는 높은 인장강도 및 크립강도, 용융염 내부식성 등이 요구된다. 고온 용융염 환경은 일반적인 고온 환경과는 다르게 산화속도가 매우 빠르며, 표면에 생성된 산화물이 소재를 보호하지 못하고 용해되어 버리는 고온 용융염 부식(Hot Corrosion)이 발생하여 소재의 부식이 극심해지게 된다. 부식이 심해지면 고강도를 요구하는 구조재로서 기능을 상실하게 되고, 설비의 파손이나 안전사고를 유발할 수 있다. 따라서 고온의 용융염 환경에서도 내식성을 유지할 수 있도록 고내식성 원소인 Ni을 많이 함유하는 합금을 주로 사용해 왔다. 그러나 Ni은 매우 고가의 원소이므로, 고온의 용융염 환경에서의 우수한 내식성에도 불구하고 사용범위가 매우 제한되어 왔다.

이러한 문제를 해결하기 위해 Ni 베이스 합금을 대체할 수 있는 내열 스테인리스강인 STS 310S가 개발되었다. STS 310S는 25Cr-20Ni의 조성을 통해 우수한 고온 용융염 내부식성을 나타낸다. 그러나 고가의 Ni 함량이 여전히 높아 가격 압박이 크고, 고온 강도가 낮아 구조재로서 사용하는 데는 제한이 따르는 문제가 여전히 존재하였다.

따라서 고온 용융염 환경에서 내식성과 강도가 우수하여 구조재로서 사용 가능한 새로운 스테인리스강이 요구되는 실정이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 고온 용융염 환경에서 인장강도와 내식성이 우수한 니켈 저감형 스테인리스강을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 저감형 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.1% 이하(0 제외), Si: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 1.0% 이하(0 제외), Cr: 20~24%, Ni: 10~12%, Nb: 0.1~0.5%, N: 0.25% 이하(0 제외), W: 0.2~0.8%, B: 0.001~0.005%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

식: C+N ≥ 0.2 (C, N은 각각의 중량% 함량)

상기 니켈 저감형 스테인리스강은, 650℃ 용융염 환경 하에서, 인장강도가 450MPa 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 니켈 저감형 스테인리스강은, 650℃ 용융염 환경 하에서, 산소기준전극 대비 부식전위가 -0.3V 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 니켈 저감형 스테인리스강은, 중량%로, Ti: 0.05% 이하(0 제외)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 니켈 저감형 스테인리스강은, 중량%로, Ce: 0.08% 이하(0 제외)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 니켈 저감형 스테인리스강에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 고가의 Ni 사용량을 낮춰 원가 절감에 기여할 수 있다.

둘째, 높은 내식성과 높은 인장강도를 나타내므로 고온 용융염 환경에서 구조재로 활용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예들과 비교예들의 C+N 수치에 따른 인장강도를 나타낸 그래프이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 니켈 저감형 스테인리스강에 대하여 설명하기로 한다.

철(Fe)을 기반으로 하고, 다른 원소들의 조성이 다음과 같은 스테인리스강을 일반적인 제강 공정으로 제조한다. C: 0.1% 이하(0 제외), Si: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 1.0% 이하(0 제외), Cr: 20~24%, Ni: 10~12%, Nb: 0.1~0.5%, N: 0.25% 이하(0 제외), W: 0.2~0.8%, B: 0.001~0.005% (이상 중량%)

이러한 조성을 만족하면서, 하기 식 역시 만족해야 한다.

식: C+N ≥ 0.2 (C, N은 각각의 중량% 함량)

이하 각 조성의 수치한정 이유와 식의 제한 이유에 대해 서술한다. 아울러 이후 기재되는 %는 모두 중량%를 의미한다.

C: C는 고용강화에 의한 재료 강도 증가에 유효한 원소이나, 과다하게 첨가되면 Cr과 같은 내식성 향상 원소들과 결합하여 탄화물을 형성한다. 특히, 결정입계 주변에서 이러한 반응이 활성화되어 결정립계의 Cr 함량을 감소시켜 내식성을 저하시킬 수 있다. 따라서 내식성의 유지를 위해 C의 함량은 0.1% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Si: Si은 스테인리스강의 제조 과정에서 탈산제로 사용되고, 강 중에서 산소와 반응하여 산화물로 형성될 경우 내식성을 향상시킬 수 있다. 그러나 과도하게 첨가하면 용접성과 열간 가공성을 저하시킬 수 있기 때문에 함량을 2.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Mn: Mn은 오스테나이트 안정화 원소로서 Ni을 대체할 수 있다. 그러나 과다하게 첨가되면 내식성을 저하시키므로 함량을 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Cr: Cr은 스테인리스강의 산화 피막을 형성시키는 원소로서, 내식성을 발휘하기 위해 최소한 20%이상의 첨가가 필요하다. 그러나 과다하게 첨가하면 페라이트상이 안정화되어 오스테나이트 분율이 감소하고, 과다한 시그마 페라이트상이 잔존하여 열간 가공성을 저하시키므로 24% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Ni: Ni은 오스테나이트 안정화 원소이자 내식성을 향상시킬 수 있지만, 원가 절감을 위하여 고가의 Ni 함량은 최대한 감소시켜야 한다. 그러나 과도하게 함량을 감소시키면, Ni을 대체하는 Mn과 N 함량의 증대를 불러오고, 이로 인해 오히려 내식성 및 열간 가공성이 감소할 수 있다. 또는, 오스테나이트 분율의 유지를 위해 Cr의 함량을 감소시켜야 하므로 내식성이 저하될 수도 있다. 따라서 Ni의 함량은 10 ~ 12%로 제한하는 것이 바람직하다.

W: W은 고온 인장강도 및 크립강도를 향상시키는 원소로서, 고가의 Mo을 대체할 수 있는 원소이다. 그러나 과다하게 첨가하면 내산화성을 저하시킬 수 있으므로 함량을 0.2%~0.8%로 제한하는 것이 바람직하다.

Nb: Nb는 고온 인장강도 및 크립강도를 향상시키는데 유효한 원소이며, 과다할 경우 결정이 미세화되며 열간 가공성을 저하시킨다. 따라서 함량을 0.1~0.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

N: N은 오스테나이트 안정화 원소이며, 고온 강도와 내식성을 동시에 향상시킬 수 있다. 그러나 과다하게 첨가되는 경우 기공 발생으로 인한 품질 불량을 야기할 수 있고, 인성이 저하되어 열간 가공성을 감소되므로 함량을 0.25% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

B: B은 고온에서 열간가공성을 향상시키는 합금 원소로서, 과다하게 첨가되는 경우 연성, 인성 및 가공성을 저해하기 때문에 함량을 0.001~0.005%로 제한하는 것이 바람직하다.

S: S은 미량의 불순물 원소로서, 결정입계에 편석되어 열간압연시 가공크랙을 일으키는 주요 원인이기 때문에 최소화시켜야 한다. 따라서 함량을 0.003%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

이러한 조성에, Ti: 0.05% 이하, Ce: 0.08% 이하 중 최소한 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. Ti은 고온에서의 강도를 향상시킬 수 있는 원소이고, Ce는 내식성을 향상시킬 수 있는 원소이다. Ti와 Ce의 상세 효과는 후술한다.

구분

C

Si

Mn

Cr

Ni

Mo

Nb

W

B

N

Ce

Ti

310S

0.04

0.5

1.4

25

20

-

0.03

-

비교예1

0.03

0.5

1

21

9

2

-

0.05

-

비교예2

0.06

1.5

1

18

10

-

0.2

0.5

-

0.08

0.05

-

비교예3

0.06

1.5

1

22

11

-

0.2

0.5

0.003

0.13

-

0.014

실시예1

0.06

0.5

22

11

-

0.2

0.5

0.003

0.18

-

0.014

실시예2

0.06

0.5

22

11

-

0.2

0.5

0.003

0.18

0.05

-

구분	인장강도	인장강도	인장강도	부식전위
구분	at 600℃	at 650℃	at 700℃	V
310S	365	320	268	-0.25
비교예1	388	348	287	-0.69
비교예2	472	412	347	-0.55
비교예3	493	439	374	-0.63
실시예1	506	469	407	-0.23
실시예2	497	464	400	-0.13

표 1에 본 발명의 실시예와 비교예, 종래에 사용되던 310S 강의 조성이 나타나 있고, 표 2에 본 발명의 실시예 및 비교예들의 고온 인장강도, 부식전위가 나타나 있다. 부식전위는 산소기준전극과의 상대적인 전위차를 나타낸 것으로 값이 높을수록 내식성이 높은 것을 나타낸다.

도 1, 표 1 및 표 2에 나타난 바와 같이, STS 310S, 비교예1, 2, 3, 실시예 1, 2의 650℃에서의 인장강도는 합금의 C+N 함량과 비례 관계에 있는 것을 알 수 있다.

실시예 1, 2와 비교예 3의 W, Nb, B 함량이 동일함에도 불구하고 비교예 3의 고온강도가 실시예 1, 2에 비해 낮은 값을 나타내었는데, 이는 고온강도 향상을 위해 W, Nb, B 의 함량 제어뿐만 아니라 C, N의 함량 제어 또한 중요하다는 것을 나타낸다. 이에 본 발명에서 요구하는 650?에서 450MPa 이상의 인장강도를 확보하기 위해서는 C+N이 0.2 이상으로 제어되어야 한다.

또한, 650℃ 용융염 환경 하에서, 인장강도가 450MPa 이상이고, 산소기준전극 대비 부식전위가 -0.3V 이상인 것이 바람직하다.

표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 비교예나 종래강에 비해 높은 고온 인장강도와 높은 부식전위를 가지고 있다.

일반적인 고온 용융염 연료전지의 가동 온도는 650℃ 전후이기 때문에, 이러한 연료전지의 구조재로서 사용되기 위해서는 해당 온도에서의 강도가 충분히 높아야 한다. 본 발명은 650℃ 용융염 환경에서 450MPa 이상의 높은 인장강도를 나타내므로 이러한 연료전지의 구조재로 사용하는데 적합한 것을 알 수 있는 것이다.

또한 본 발명의 실시예들은 -0.3V 이상의 높은 부식전위를 나타내어 종래의 310S와 동등 혹은 그 이상의 부식전위를 나타내었지만, 비교예들은 -0.5V 이하의 낮은 부식전위를 나타내어 부식에 취약한 것을 알 수 있는 것이다.

아울러 표 1 및 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1은 Ti의 첨가로 인해 실시예 2에 비해 더 우수한 고온 강도를 나타내고, 실시예 2는 Ce의 첨가로 인해 실시예 1에 비해 더 높은 부식전위를 나타내는 것을 알 수 있다. 따라서 Ti와 Ce를 추가하면 물성의 향상을 기대할 수 있지만, 이들 원소를 과도하게 첨가하면 과다한 석출물이 형성되어 인장강도를 저하시킬 수 있기 때문에 Ti 0.05% 이하, Ce 0.08% 이하로 각각 제한하는 것이 바람직하다.

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.

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, C: 0.1% 이하(0 제외), Si: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 1.0% 이하(0 제외), Cr: 20~24%, Ni: 10~12%, Nb: 0.1~0.5%, N: 0.25% 이하(0 제외), W: 0.2~0.8%, B: 0.001~0.005%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는, 니켈 저감형 스테인리스강.
식: C+N ≥ 0.2 (C, N은 각각의 중량% 함량)
청구항 1에 있어서,
상기 스테인리스강은, 650℃ 용융염 환경 하에서, 인장강도가 450MPa 이상인 것을 특징으로 하는, 니켈 저감형 스테인리스강.
청구항 1에 있어서,
상기 스테인리스강은, 650℃ 용융염 환경 하에서, 산소기준전극 대비 부식전위가 -0.3V 이상인 것을 특징으로 하는, 니켈 저감형 스테인리스강.
청구항 1에 있어서,
상기 스테인리스강은, 중량%로, Ti: 0.05% 이하를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 니켈 저감형 스테인리스강.
청구항 1에 있어서,
상기 스테인리스강은, 중량%로, Ce: 0.08% 이하를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 니켈 저감형 스테인리스강.