KR20170077868A - 항복비가 우수한 린 듀플렉스 스테인리스강 - Google Patents

항복비가 우수한 린 듀플렉스 스테인리스강 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 중량 %로 C: 0.05~0.1%, Si: 2.5~3%, Mn: 4~8%, Cr: 13.5 ~ 14.5%, N: 0.1 ~ 0.15%, Ni 0.05% 이하, Cu 0~2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한 린 듀플렉스 스테인리스강에 대한 것으로, 하기의 식 (1)에 따른 페라이트 예측분율이 30~50%인 범위에서 하기 식 (2)에 따른 Modified Md30이 110~155℃의 값을 갖도록 성분을 조절하여, 하기 식(3)에 따른 항복비 예측지수가 0.46 이하를 만족하는 린 듀플렉스 스테인리스강에 관한 것이다.
Ferrite fraction= -293-2332*C+16.1*Si+49.2*Mn+8.47*Cr-44.2N-7.14*Cu - 식(1)
Modified Md30 = 551-[462*(C+N)/(1-0.01*Ferrite fraction)]-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*Cu - 식(2)
Yield ratio = 0.602+0.00270*Ferrite fraction - 0.00212*Modified Md30 - 식(3)

Description

항복비가 우수한 린 듀플렉스 스테인리스강{LEAN DUPLEX STAINLESS STEEL HAVING EXCELLENT YIELD RATIO}
본 발명은 오스테나이트 상과 페라이트 상의 2상을 가지는 2상 조직 스테인리스강에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 항복비가 우수하면서 고가의 합금원소의 함량을 줄인 린 듀플렉스 스테인리스강에 관한 것이다.
최근에 건축 구조용강으로 고강도 탄소강을 대신하여, 내마모 및 고강도 스테인리스강에 대한 관심이 증가하고 있다. 고강도 스테인리스강이 각광받는 이유는 고강도 탄소강의 내식성이 열위하여 잦은 교체가 요구되기 때문이다.
건축 구조물의 건설에 적용되는 구조용강은 높은 강도 및 인성 그리고 우수한 용접성 등이 요구된다. 또한 최근에는, 구조물의 안정성을 고려하여 구조용강이 더 낮은 항복비를 갖도록 설계되고 있다. 항복비는 항복강도(Yield Strength)를 인장강도(Tensile Strength)로 나눈 값으로, 낮은 항복비는 항복에서 네킹까지의 변형에 대한 저항성이 높다는 것을 의미 한다. 즉, 더 낮은 항복비를 가지는 강재는 항복 후 예기치 않은 강도의 감소를 막을 수 있다.
일반적으로 가공성과 내식성이 양호한 오스테나이트계 스테인리스강은 철(Fe)을 소지금속으로 하여, 크롬(Cr), 니켈(Ni)을 주요한 원료로 함유하고 있으며, 몰리브덴(Mo) 및 구리(Cu) 등의 기타 원소들을 첨가하여 각종 용도에 맞도록 다양한 강종으로 개발되고 있다. 300계 강을 구조용강으로 적용할 경우, 항복강도가 250~300MPa 수준으로 고강도탄소강 대비 항복강도가 열위하여 소재 두께가 탄소강보다 두꺼워지는 문제가 발생한다.
한편, 오스테나이트 상과 페라이트 상이 혼합된 듀플렉스 스테인리스강은 304강 대비 1.5~2배 수준의 항복강도를 가짐으로써, 구조용강으로서 사용이 가능하며 두께 절감효과를 가지는 이점이 있다.
그러나, 이러한 듀플렉스 스테인리스강은 항복강도가 우수하다는 장점이 있으나, 구조용강에서 요구하는 항복비가 높은 단점이 있다. 즉, 항복변형 이후 네킹까지의 변형에 대한 저항이 낮아 항복 후 파단까지의 정확한 수명예측이 어렵다. 뿐만 아니라 Ni, Mo등과 같은 고가의 원소를 함유함으로 인해서 탄소강과의 가격 경쟁력에서 월등히 열위한 상황이다.
한국 공개특허공보 10-2013-0053329호(2013.05.23.공개)
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 Cr, N, Cu 성분제어를 통하여 기존보다 저렴한 원료비를 가지는 페라이트상과 오스테나이트상이 공존하는 2상의 린 듀플렉스 스테인리스강을 제공하고자 한다.
또 본 발명은 원료비를 최소화하면서, 항복비가 우수한 특성을 부여하여 구조용강으로서 사용 가능한 린 듀플렉스 스테인리스강을 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 중량 %로 C: 0.05~0.1%, Si: 2.5~3%, Mn: 4~8%, Cr: 13.5 ~ 14.5%, N: 0.1 ~ 0.15%, Ni 0.05% 이하, Cu 0~2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한 오스테나이트와 페라이트의 2상 미세조직으로 구성된 저원가 린 듀플렉스 스테인리스강에 대한 것으로, 하기의 식에 의해 정의되는 페라이트 예측분율이 30~50%의 범위에서 Modified Md30이 110~155℃의 값을 갖도록 성분을 조절하여, 항복비 예측지수가 0.46 이하를 만족하여 구조용강으로서의 안정성이 높은 저원가 린 듀플렉스 스테인리스강이 제공될 수 있다.
Yield ratio = 0.602+0.00270*Ferrite fraction - 0.00212*Modified Md30
Modified Md30 = 551-[462*(C+N)/(1-0.01*Ferrite fraction)]-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*Cu
Ferrite fraction=-293-2332*C+16.1*Si+49.2*Mn+8.47*Cr-44.2N-7.14*Cu
또, 본 발명의 일측면에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은 항복강도 450MPa 및 인장강도가 1GPa이상일 수 있다.
또, 본 발명의 일측면에 따른 린 듀프렉스 스테인리스강은 통상의 인장 속도(20mm/min)에서 연신율 25% 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은, Cr, Ni, Mo 등의 합금 성분을 최소화 혹은 배제함으로써, 자원을 절약할 수 있는 것은 물론, 제조 원가를 최소화할 수 있는 이점이 있다.
또, Cr, N, Cu 성분, 상분율 및 소성유기마르텐사이트 변태현상을 제어하여 항복비가 우수한 저원가 2상 복합조직으로써, 기존의 듀플렉스 스테인리스강 대비 항복비가 우수하여 구조용강으로서 활용이 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 린 듀플렉스 스테인리스강의 인장특성을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 린 듀플렉스 스테인리스강의 Modified Md30과 항복비의 관계를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 린 듀플렉스 스테인리스강과, 범용 스테인리스강의 항복강도 및 항복비를 비교하여 나타낸 도표이다.
이하 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다. 또, 본 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은 Cr, N, Cu 성분제어를 통하여 기존의 린 듀플렉스 스테인리스강보다 저렴한 원료비를 가지는 페라이트상과 오스테나이트상이 공존하는 2상 조직강을 제공하고자 한다.
또, 원료비를 최소화하면서도, 항복비가 우수한 특성을 부여하여 구조용강으로서 사용 가능한 저원가의 린 듀플렉스 스테인리스강을 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은, 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 등의 고가 합금 원소의 함량 배제하고 크롬(Cr) 함량을 낮추되, 오스테나이트상과 페라이트상의 2상을 유지하며 항복강도 및 항복비가 동시에 우수한 특성을 가질 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은, Si 및 N의 함유로 인하여 기존의 린듀플렉스 스테인리스강 보다 낮은 원소 함량에도 불구하고 오스테나이트상과 페라이트상의 2상을 유지할 수 있다. 또한 300계 대비 우수한 항복강도 및 인장특성을 확보할 수 있다. 이러한 저원가 린 듀플렉스 스테인리스강은 기존의 듀플렉스 스테인리스강 대비 항복비가 우수하여 구조용 재료로서도 활용이 가능하다.
이를 위하여 본 발명은 중량 %로 C: 0.05~0.1% 이하, Si: 2.5~3.0%, Mn: 4.0~8.0%, Cr: 13.5~ 14.5%, N: 0.10~0.15%, Cu: 0~2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는바, 이하에서는 수치 한정 이유에 대하여 설명한다.
C는 오스테나이트상 형성 원소로 고용 강화에 의한 재료 강도 증가에 유효한 원소이다. 그러나, 과다 첨가시, 소재 제조시 중심부에 편석 및 조대한 탄화물을 형성하여, 후공정인 열간압연-소둔-냉간압연-냉연소둔 공정에 악영향을 끼치고, 페라이트-오스테나이트 상 경계에서 내식성에 유효한 Cr과 같은 탄화물 형성 원소와 쉽게 결합하여 결정립계 주위의 Cr 함량을 낮추어 내부식성을 감소시키기 때문에, 내식성을 극대화하기 위해서는 0.1% 이하의 범위내에서 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 오스테나이트상 안정성에 기여하기 위하여서는 0.05% 이상 첨가되어야 된다.
Si는 페라이트상 형성 원소로 소둔 열처리시 페라이트에 농화되는 원소이며, Cr이 기존의 린 듀플렉스보다 낮아, 적정한 페라이트 상분율 확보를 위하여 2.5%~3.0% 첨가하여 한다. 그러나, 3% 이상을 첨가하는 경우, 페라이트상의 경도를 급격히 증가시켜서 가공성 및 충격특성이 저하시키게 되는바, Si 함량은 3%로 제한하는 것이 바람직하다.
Mn은 용탕 유동도 조절, 탈산제 및 질소 고용도를 증가시키는 원소이며, 오스테나이트 형성 원소로 고가의 Ni을 대체하여 첨가된다. Mn의 함량이 4% 미만인 경우, 상온에서 오스테나이트 안정성이 저하되어 냉각과정에서 마르텐사이트로 변태되어 2상 조직을 유지하기 어렵다. Mn 함량이 8%를 초과하여 첨가되면 오스테아나이트 상 분율 과다로 상분율 제어가 어려워 진다. 따라서, Mn의 함량을 4.0% ~ 8.0%로 제한 하는 것이 바람직하다.
Cr은 기존의 린 듀플렉스 성분 범위에서 벗어난 14.5%이하로 제한하며, 내식성 확보를 위해 13.5% 이상으로 제한하는 것이 바람직하다.
N는 듀플렉스 스테인리스강에서 Ni와 함께 오스테나이트 상의 안정화에 크게 기여하는 원소로, 소둔 열처리시 오스테나이트상에 농화되는 원소 중의 하나이다.
따라서, N 함량을 증가시킴으로써 부수적으로 내식성 향상 및 강도 향상을 꾀할 수 있으나, 첨가된 Mn의 함량에 따라 N의 고용도가 변화될 수 있으므로, 그 함량 조절이 필요하다.
본 발명의 Mn 범위에서 N 함량이 0.15% 이상을 초과하면, 질소 고용도 초과에 의해 주조시 블로우홀(blow hole) 및 핀홀(pin hole) 등의 발생하여, 제품의 표면 결함 및 압연도중 에지크랙이 유발되는 문제점이 있다. 따라서, N 함량은 0.05 ~ 0.15%로 제한하는 것이 바람직하다.
[실시예]
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 항복비가 우수한 저원가 린 듀플렉스 스테인리스 강에 대하여 설명하기로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 중량 %로 C: 0.05~0.1% 이하, Si: 2.5~3.0%, Mn: 4.0~8.0%, Cr: 13.5~ 14.5%, N: 0.05~0.15%, Cu: 0~2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직이 페라이트, 오스테나이트 및 2차 오스테나이트상들로 구성되며, 항복강도가 450MPa이상, 그리고 항복비가 0.46 이하일 수 있다. 이하에서는 실시예를 들어 본 발명에 대하여 보다 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 성분 조성범위에 대한 저원가 린 스테인리스 강들의 후판 압연 시편을 준비하여, 소둔 온도 (1100oC)에서 소둔 후 인장특성을 평가하였다.
본 발명의 일실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강의 항복비 제어 방법은 페라이트 상분율을 30~50% 범위로 유지 및 Modified Md30이 110~155℃ 범위의 수치를 갖도록 성분을 제어하는 단계를 포함한다.
상기의 범위에서 제조된 강은 도 1과 같이, 항복강도가 450Mpa 이상, 인장강도 1150Mpa 이상 및 연신율 25%이상의 재질특성을 가지며, 이에 따라 항복비가 0.46이하로 304 대비 유사한 항복비 특성을 가진다. 또 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은 Modified Md30 값이 110℃ 이하에서는 항복비가 증가함을 알 수 있으며, 155℃ 초과시 연신율이 감소하는 현상이 발생하므로 Modified Md30이 110~155℃의 범위에서 낮은 항복비를 구현할 수 있다. 이와 같이 기존의 린 듀플렉스 스테인리스강 보다 항복비가 월등히 우수하여 구조용강으로서의 활용이 가능해 진다.
표 1에는 본 발명의 대상 강종인 린 듀플렉스 스테인리스 강의 조성을 나타내었다. 여기서 400강의 내식성 수준 확보를 위해 Cr은 13.5% 이상의 범위, Mn 은 5.5~6.5% 범위로 고정을 하고, Cr, N, Cu 함량에 변화를 주어 제조 과정에서 나타나는 재질 및 특성변화를 표 2에 나타내었다.
No. C Si Mn Cr N Cu 비고
1 0.045 2.98 6.01 13.95 0.05 0 비교예
2 0.047 3.03 5.92 13.8 0.098 0 발명강
3 0.054 2.98 6.04 13.85 0.138 0 발명강
4 0.05 4 6.01 14.2 0.091 0 비교예
5 0.054 2.93 6.1 13.98 0.11 1.03 발명강
6 0.051 3 6.07 14.03 0.109 2.02 발명강
7 0.05 3 6.1 14 0.1 3 비교예
8 0.048 3.03 6 15 0.11 2.98 비교예
9 0.049 2.99 6 16.02 0.11 3.01 비교예
10 0.049 2.95 5.98 17.06 0.11 3.03 비교예
No. 페라이트 분율(%) Calculated
ferrite		 Modified
Md30(℃)		 YS
(MPa)		 TS
(MPa)		 Yield
ratio		 연신율 비고
1 62.21 61.68 169.26 472 1062 0.44 25 비교예
2 50.38 50.00 152.14 473 1195 0.40 27 발명강
3 38.01 37.43 143.15 495 1253 0.40 28 발명강
4 67.24 66.74 75.10 597 1012 0.59 35 비교예
5 35.24 34.56 137.46 493 1194 0.41 29 발명강
6 34.31 34.61 110.40 528 1157 0.46 33 발명강
7 32.13 31.56 93.93 517 1101 0.47 38 비교예
8 40.55 39.96 61.03 529 942 0.56 45 비교예
9 46.64 45.41 33.57 567 803 0.71 51 비교예
10 52.39 52.45 -0.64 554 751 0.74 41 비교예
표 2에서 나타난 바와 같이 페라이트 분율이 50% 초과 혹은 Modified Md30이 110~155℃ 범위에서 벗어날 시, 0.46 이하의 항복비 달성이 불가능해짐을 확인하였다. 항복비와 페라이트 분율 및 Modified Md30의 관계식은 하기와 같이 표현될 수 있다. 그리고 이때, 정의된 Yield ratio는 항복비를, Ferrite fraction는 페라이트 분율을 각각 나타낸다.
Yield ratio = 0.602+0.00270*Ferrite fraction - 0.00212*Modified Md30
Modified Md30 = 551-[462*(C+N)/(1-0.01*Ferrite fraction)]-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*Cu
Ferrite fraction=-293-2332*C+16.1*Si+49.2*Mn+8.47*Cr-44.2N-7.14*Cu
도3은 300계, 400계, 듀플렉스 스테인리스강의 대표강들, 그리고 본 발명의 일실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강의 항복강도 및 항복비를 나타낸 도표이다. 표에서 나타난 바와 같이 400계강은 낮은 항복강도 및 높은 항복비로 인해 구조용강으로서의 사용이 불가능하다. 300계강은 항복비는 낮은 수준이나, 항복강도가 낮아 구조용강으로 설계 시 두께가 두꺼워 지는 단점이 있다. 종래의 듀플렉스 스테인리스강의 경우, 항복강도는 높으나 항복비가 매우 높아 항복 이후의 변형과정에서 파단까지의 예측이 매우 어려운 문제가 발생한다. 반면 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 린 듀플렉스 스테인리스강은 항복강도가 높으며 항복비 또한 매우 낮아, 구조용강으로서 적합한 강종임을 확인할 수 있다.
따라서, 앞서 설명한 바를 참조하면 본 발명의 일실시예에 의한 린 듀플렉스 스테인리스강은, Cr, Ni, Mo 등의 합금 성분을 최소화 혹은 배제함으로써, 자원을 절약할 수 있는 것은 물론, 제조 원가를 최소화할 수 있는 이점이 있다.
또, Cr, N, Cu 성분, 상분율 및 소성유기마르텐사이트 변태현상을 제어하여 항복비가 우수한 저원가 2상 복합조직으로써, 기존의 듀플렉스 스테인리스강 대비 항복비가 우수하여 구조용강으로서 활용이 가능한 이점이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은, 중량 %로 C: 0.05~0.1%, Si: 2.5~3%, Mn: 4~8%, Cr: 13.5 ~ 14.5%, N: 0.05 ~ 0.10%, Ni 0.05% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, Cr당량 및 Ni당량이 낮은 범위에서도 오스테나이트상과 페라이트상의 2상을 유지할 수 있다.
이를 위해 Si 및 N 함량을 각각 2.5~3.0%, 0.05~0.15%로 제어하고, 린 듀플렉스 스테인리스강을 통상적인 소둔온도 범위인 1050~1150에서 열처리 후 수냉한다. 이러한 방식으로 제조되는 본 발명의 일실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은 냉각과정 중 마르텐사이트 변태가 발생하지 않고 페라이트상 분율이 30~50%를 유지하며 Modified Md30이 110~155 범위의 값을 갖도록 성분을 조절하여, 항복강도 및 항복비가 우수한 저원가 린 듀플렉스 스테인리스강이 제공될 수 있다.

Claims (3)

  1. 중량 %로 C: 0.05~0.1%, Si: 2.5~3%, Mn: 4~8%, Cr: 13.5 ~ 14.5%, N: 0.1 ~ 0.15%, Ni 0.05% 이하, Cu 0~2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한 린 듀플렉스 스테인리스강에 대한 것으로,
    하기의 식 (1)에 따른 페라이트 예측분율이 30~50%인 범위에서 하기 식 (2)에 따른 Modified Md30이 110~155℃의 값을 갖도록 성분을 조절하여, 하기 식(3)에 따른 항복비 예측지수가 0.46 이하를 만족하는 린 듀플렉스 스테인리스강.
    Ferrite fraction=-293-2332*C+16.1*Si+49.2*Mn+8.47*Cr-44.2N-7.14*Cu - 식(1)
    Modified Md30 = 551-[462*(C+N)/(1-0.01*Ferrite fraction)]-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*Cu - 식(2)
    Yield ratio = 0.602+0.00270*Ferrite fraction - 0.00212*Modified Md30 - 식(3)
  2. 제1항에 있어서,
    항복강도 450MPa 및 인장강도가 1GPa이상인 린 듀플렉스 스테인리스강.
  3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    인장 속도(20mm/min)에서 연신율 25% 이상인 린 듀플렉스 스테인리스강.
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