KR20190016629A - 오스테나이트계 내열강 및 그 제조 방법 - Google Patents

오스테나이트계 내열강 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

열처리 온도를 낮출 수 있으며, 강재 표면의 산화물의 탈락을 억제할 수 있는 내산화성이 우수한 오스테나이트계 내열강에 관하여 개시한다.
본 발명에 따른 오스테나이트계 내열강은 중량%로, 탄소(C) : 0.01~0.04%, 크롬(Cr) : 10~16%, 니켈(Ni) : 15~30%, 망간(Mn): 1~3%, 알루미늄(Al) : 2.0~3.0%, 몰리브덴(Mo) : 2.0~3.0%, 니오븀(Nb): 0.2~1.0%, 질소(N) : 0.05% 이하를 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

오스테나이트계 내열강 및 그 제조 방법 {AUSTENITIC HEAT RESISTING STEEL AND METHOD OF MANUFACURING THE SAME}
본 발명은 내열강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열처리 온도를 낮출 수 있으며, 고온 산화에 의해 발생하는 강 표면의 산화물의 탈락이 잘 일어나지 않는 내산화성이 우수한 고온용 오스테나이트계 내열강에 관한 것이다.
석탄을 이용한 화력발전은, 발전소 건설 비용 및 건설 규제의 부담이 타 발전 방법 특히 신재생 에너지 발전에 비해 상대적으로 낮으며, 발전 연료인 석탄의 잔존량 역시 향후 100년 이상 공급 가능하고, 또한 발전단가가 저렴하므로, 현재 세계 및 국내 각각 총 발전용량의 30% 이상을 석탄 화력발전이 충당하고 있다. 또한, 화력 발전에 대한 수요는 향후에도 상당기간 동안 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 그러나, 화석연료가 점차 고갈됨에 따른 발전용 원료의 품질 저하 문제가 발생하고 있고, 친환경적인 화력발전 방식에 대한 요구 및 탄소 배출량 규제에 대응하기 위해, 석탄 화력 발전소의 고효율화·대용량화가 현재 진행되고 있다.
화력발전 방식의 고효율화는 보다 높은 온도에서 작동시킬 때 달성 가능한데, 따라서 보다 가혹해진 사용 환경에서 내구성을 유지할 수 있는 고온용 구조재료의 개발이 선결되어야 한다. 특히, 고온에서 장시간 사용될 경우 소재의 내 크리프 특성이 확보되어야 하는데, 오스테나이트계 강재는 페라이트계 강재에 비하여 고온에서 크리프 저항성이 우수하여, 페라이트계 내열강이 주로 사용되는 온도(620~630℃)보다 높은 온도(630-660℃)에 적용하기 위해서는 오스테나이트계 강재가 주로 선택된다.
그러나, 오스테나이트계 내열강을 보다 고온의 온도 영역에서 장시간 사용하게 되면, 크리프 저항성을 포함한 기계적 특성 요구 수준은 충족할 수 있으나, 고온 내산화 특성이 문제점으로 대두된다. 오스테나이트계 내열강은 페라이트계 내열강에 비하여 열팽창 계수가 크고, 산화물층의 모재 밀착성이 낮으므로 고온에서 장시간 사용할 경우 산화물층의 탈락이 보다 쉽게 일어난다.
고온·고압하에서 장시간 사용할 때 요구되는 여러 특성 중, 강재의 내산화성의 개선은 현재 고온용 구조재료의 개발에서 활발히 연구되는 주제이다. 발전 시설의 구조부, 특히 배관시설이 고온의 대기 또는 수분을 포함한 증기 환경에 장시간 노출되면, 모재는 대기와 반응하여 모재 내·외부에 산화물층이 생성되는데, 이는 모재가 양적으로 소실될 뿐만 아니라 모재 표면에서의 특정 원소의 고갈로 이어진다. 모재 내부로 산화물이 형성되면 모재에 가해지는 응력이 내부 산화물에 집중되어 기계적 결함의 발생처로 작용할 수 있다. 또한 모재 외부로 형성되는 산화물은 모재의 두께 감소를 일으키며, 나아가 산화물이 모재로부터 탈락하면 산화물의 적층으로 인한 배관의 폐쇄, 운영 중단의 손실이 발생하고 또한 증기와 함께 산화물이 비산할 경우 연결 부품의 파손 등 2차 피해가 발생한다. 특히, 오스테나이트계 내열강의 경우 고온 환경에 장기간 노출시 열팽창으로 인한 산화물의 탈락이 일어나기 쉬운 특징이 있어서, 다른 결정구조를 가지는 페라이트계 또는 마르텐사이트계 내열강에 비해 상대적으로 고온 환경에 적용되는 오스테나이트 강재로서는 내산화성의 확보가 필수적으로 요구되는 물성이다.
특허문헌 1에는 탄소(C) 0.4 ~ 0.6 중량%, 실리콘(Si) 0.5 ~ 0.8 중량%, 니켈(Ni) 3.5 ~ 4.5 중량%, 크롬(Cr) 20 ~ 22 중량%, 니오븀(Nb) 1.0 ~ 2.0 중량%, 텅스텐(W) 0.8 ~ 1.5 중량%, 질소(N) 0.35 ~ 0.45 중량%, 망간(Mn) 3.5 ~ 4.5 중량% 및 잔부의 철을 포함하는 배기계용 오스테나이트계 내열주강이 개시되어 있다.
다만, 상기 특허문헌 1에 기재된 오스테나이트계 내열강의 경우, 고가의 Nb가 1.0중량% 이상 다량 포함된다. Nb의 경우, 대표적인 고가의 원소이고, Nb가 다량 포함될 경우, 열처리 온도가 1250℃ 이상으로 충분히 높아야만 충분한 내산화성을 발휘한다. 또한, Nb가 다량 포함된 강재의 경우, 고온에서 내열강 표면에 형성되는 산화물의 탈락이 일어나기 쉽다.
특허문헌 1 : 한국 공개특허공보 제10-2013-0136335호 (2013.12.12. 공개)
본 발명의 목적은 오스테나이징 등을 위한 열처리 온도를 낮출 수 있으며, 고온 산화에 의해 형성되는 강재 표면의 산화물의 탈락을 억제할 수 있는 내산화성이 우수한 오스테나이트계 내열강을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 오스테나이트계 내열강을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트계 내열강은 중량%로, 탄소(C) : 0.01~0.04%, 크롬(Cr) : 10~16%, 니켈(Ni) : 15~30%, 망간(Mn): 1~3%, 알루미늄(Al) : 2.0~3.0%, 몰리브덴(Mo) : 2.0~3.0%, 니오븀(Nb): 0.2~1.0%, 질소(N) : 0.03% 미만을 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 합금 조성을 갖는 오스테나이트계 내열강의 경우, Nb 함량이 1.0중량% 이하이면서, 특히 C 함량이 0.04중량% 이하인 것이 특징이다. 이러한 낮은 Nb 함량 및 낮은 C 함량에 기인하여, 열처리 온도를 낮출 수 있으며, 아울러, 고온의 환경에 노출되었을 때 강재 표면에 자발적으로 (spontaneously) 생성되는 알루미나를 포함하는 산화물의 탈락을 억제할 수 있는 우수한 내산화성을 발휘할 수 있다.
이때, [Nb]/[C](여기서, [Nb], [C]는 각각 Nb와 C의 중량%)가 15 이상인 것이 바람직하다.
상기 합금 조성을 갖는 오스테나이트계 내열강의 경우, Nb 함량이 1.0중량% 이하이면서, 특히 C 함량을 0.04중량% 이하로 제어한 결과, 780℃에서 672시간동안 공기 중에 노출시켰을 때 단위면적당 질량증가가 0.020 mg/mm2 이하, 즉 1.0중량% 이상의 Nb가 첨가된 내열강과 동등 이상의 내산화 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 상기 오스테나이트계 내열강의 경우, 고온에서 산화물의 탈락을 억제할 수 있는 특성을 갖는다. 이에 따라, 본 발명에 따른 오스테나이트계 내열강은 우수한 내산화성을 발휘할 수 있다.
특히, [Nb]/[C]가 15 이상인 경우, 780℃에서 672시간동안 공기 중에 노출시켰을 때 단위면적당 질량증가가 0.020 mg/mm2 이하인 보다 우수한 내산화성을 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 오스테나이트계 내열강은 FCC(Face Centered Cubic) 결정구조, 즉 전형적인 오스테나이트 결정 구조를 가질 수 있다. 미세조직 측면에서, 본 발명에 따른 오스테나이트계 내열강의 기지 조직은 오직 오스테나이트로만 구성될 수 있으며, 해당 기지 조직에 합금 원소간의 결합에 의한 다양한 탄화물, 질화물, 탄질화물, 금속간화합물, 혹은 미량의 페라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 등의 제2상을 포함할 수 있다.)
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강 제품은 중량%로, 탄소(C) : 0.01~0.04%, 크롬(Cr) : 10~16%, 니켈(Ni) : 15~30%, 망간(Mn): 1~3%, 알루미늄(Al) : 2.0~3.0%, 몰리브덴(Mo) : 2.0~3.0%, 니오븀(Nb): 0.2~1.0%, 질소(N) : 0.03% 미만을 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 내열강; 및 상기 내열강 표면에 형성된 산화물층을 포함하되, 상기 산화물층은 알루미나를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 알루미나는 기지와의 경계에 형성될 수 있다.
이 알루미나는 고온 노출시 강재와 산소의 반응에 의해 자연 생성된 것이다.
상기 산화물층은 크로미아(Cr2O3) 또는 Fe-Cr 산화물을 더 포함할 수 있다.
상기 목적을 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트계 내열강 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.01~0.04%, 크롬(Cr) : 10~16%, 니켈(Ni) : 15~30%, 망간(Mn): 1~3%, 알루미늄(Al) : 2.0~3.0%, 몰리브덴(Mo) : 2.0~3.0%, 니오븀(Nb): 0.2~1.0%, 질소(N) : 0.03% 미만을 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 강 모재를 마련하는 단계; 및 상기 강 모재를 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 강 모재에서, [Nb]/[C](여기서, [Nb], [C]는 각각 Nb와 C의 중량%)가 15 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 열처리는 1050~1200℃에서 수행될 수 있다. 종래의 1.0중량% 넘게 Nb가 첨가된 내열강의 경우 1250℃ 이상의 높은 온도에서 열처리를 수행할 필요가 있었으나, 본 발명의 경우, Nb 함량이 1.0중량% 이하로서 이와 같은 고온 열처리를 수행할 필요가 없으며, 약 1100℃의 열처리 온도에서도 오스테나이징, 잔존하는 Nb(C,N)의 용해 등 충분한 열처리 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 오스테나이트계 내열강은 1.0중량% 이하의 Nb 및 0.04중량% 이하의 C를 포함한다. 1.0중량% 이하의 낮은 Nb 함량을 통하여 열처리 온도를 낮출 수 있다.
또한, 이러한 낮은 Nb 함량에도 불구하고, C 함량을 0.04중량% 이하로 낮게 제어한 결과, 1.0중량% 이상의 높은 함량의 Nb를 첨가한 것과 동등 이상의 내산화성을 얻을 수 있다.
특히, 1.0중량% 이하의 Nb 함량 및 0.04 중량% 이하의 C를 포함하는 본 발명에 따른 오스테나이트 내열강은 Nb 함량을 1.0중량% 이상 첨가한 내열강에 비하여 고온에서 강재 표면 산화물의 탈락을 억제할 수 있으며, 이를 통하여 Nb 함량을 1.0중량% 이상 첨가한 내열강에 비하여 보다 우수한 내산화성을 발휘할 수 있다.
도 1은 시편 1~7의 중심부 단면의 미세조직을 나타내는 사진들이다.
도 2는 시편 1~7의 내산화성 실험 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 시편 1~7의 산화물 탈락 상태를 나타내는 사진들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 본 발명에 따른 오스테나이트계 내열강 및 그 제조 방법을 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트계 내열강은 중량%로, 탄소(C) : 0.01~0.04%, 크롬(Cr) : 10~16%, 니켈(Ni) : 15~30%, 망간(Mn): 1~3%, 알루미늄(Al) : 2.0~3.0%, 몰리브덴(Mo) : 2.0~3.0%, 니오븀(Nb): 0.2~1.0%, 질소(N) : 0.03% 미만을 포함한다. 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진다. 불가피한 불순물은 P, S, O 등이 될 수 있으며, 이들은 필요에 따라서는 Fe를 대신하여 의도적으로 포함될 수 있다.
상기 C, Cr, Ni, Mn, Al, Mo, Nb 이외에, Fe를 대신하여, Si, V, Ti, B, Ca, W 등이 더 포함될 수 있으며, 이들 원소의 첨가 효과 및 함량은 이미 많은 문헌에서 공지하고 있는 바, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명에 따른 오스테나이트계 내열강에 포함되는 원소들의 역할 및 함량에 대하여 설명하기로 한다.
탄소(C) : 0.01~0.04중량%
탄소(C)는 오스테나이트계 내열강의 강도 향상에 유효하며 경제적이면서도 강력한 오스테나이트 상안정화 원소이며 고용강화에 의해 강도를 현저히 증가시키는 장점이 있다. 탄소는 Nb, Ti 등과 복합 첨가되었을 때, 고온에서도 안정한 미세 석출물을 형성함으로써 크리프 저항성 향상에 큰 기여를 한다. 이를 위해, 본 발명에서는 C의 함량을 0.01중량% 이상으로 하였다. 그러나, C의 함량이 0.04중량%를 초과할 경우, 내산화성이 저하되는 문제점이 있다. 특히 강 중에 Nb, Ti 등과 같은 강력한 탄질화물 형성 원소가 존재할 경우, 탄소의 과량 첨가 시 주조 과정에서 매우 조대한 1차 탄질화물을 형성하거나, 고온에서 생성된 석출물의 조대화를 촉진하여 전반적인 특성을 저해하며, 이들을 기지 조직 중에 용해하기 위한 열처리 온도를 상승시킴으로써 제조 공정의 효율성을 저해한다.
크롬(Cr) : 10~16중량%
크롬(Cr)은 내열강의 부동태 피막 형성을 촉진하는 원소로 특히 내산화성 향상에 필수적인 원소이다. 크롬을 다량 함유한 내열강은 고온 노출 시 표면에 Cr에 기반한 산화막 (주로 Cr2O3)을 형성함으로써 고온 산화 저항성을 향상 시키지만, Fe, Al 등에 기반한 다른 종류의 산화막 형성 역시 촉진하는 것으로 알려져 있다. 또한 질소 고용도 향상에 효과적이므로, 강 내 안정적인 질소 용해도 향상을 도모하고 내식성 향상을 위해 10중량% 이상 함유가 효과적이나, 16중량%를 초과하여 과도하게 함유할 경우 δ-ferrite의 형성을 야기할 수 있다. 보다 바람직한 Cr 함량은 14~16중량%이다.
니켈(Ni) : 15~30중량%
니켈(Ni)은 오스테나이트 상안정도를 높이며 인성을 포함한 제반 기계적 특성과 내산화성 향상에 필수적인 원소이며, 특히 본 발명에서는 Al과 결합하여 NiAl 등의 금속간 화합물을 형성하여 크리프 저항성 확보에 기여할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 15중량% 이상을 포함하여 기본 물성을 확보한다. 그러나 30중량%를 초과하는 과량의 Ni 첨가는 재료의 가격경쟁력 저하를 가져오므로, 그 상한을 30중량%로 제한하였다. 보다 바람직한 Ni 함량은 18~22중량%이다.
망간(Mn) : 1~3중량%
망간(Mn)은 강도 증대 및 오스테나이트 안정화에 기여하는 경제적인 원소이다. 본 발명에서 망간은 1~3중량%로 포함된다. Mn이 1중량% 미만일 경우, 오스테나이트 상 형성능 부족으로 인해 오스테나이트 단상 또는 오스테나이트 주상을 얻기 어렵다. 그러나 Mn은 Mn 산화물 등을 형성할 수 있어서 내식성 저하를 가져오며, 또한 고용상태의 Mn 역시 부동태 특성을 열화시키는 바, 그 상한을 3중량%로 제한하였다.
알루미늄(Al) : 2.0~3.0중량%
알루미늄(Al)은 모재가 고온의 대기 중에 유지될 때, 모재 내에 알루미늄이 포함되면 모재 표면에 Al-산화물층(예를 들면, Al2O3)을 얇고 치밀하게 형성하여 모재의 추가적인 산화 진행을 막으며, 모재와의 결합력이 우수하기 때문에 표면에 다른 산화물의 탈락을 현저히 감소시키는 효과가 있다. 이에 본 발명에서는 알루미늄을 2.0중량% 이상 포함한다. 그러나 산소와의 강한 결합력 때문에 알루미늄이 과량 첨가되면 용탕 내에서 산화물을 형성할 우려가 있고, 또한 알루미늄은 효과적인 페라이트상 안정화 원소이므로 고온에서의 오스테나이트상 안정화를 보장하기 위하여 알루미늄 함량의 상한을 3.0중량%로 제한하였다.
몰리브덴(Mo) : 2.0~3.0중량%
몰리브덴(Mo)은 효과적인 고용강화 원소로, 전위 이동을 억제하고, 탄화물의 생성과 안정화에 기여하여 고온에서의 강도 저하를 억제한다. 또한 Fe, Nb 등과 Mo가 결합한 금속간화합물은 해당 강종에서의 크리프 저항성에 기여하므로 2.0중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 그러나 몰리브덴이 과잉 첨가되면 열간가공성을 저해하고, 몰리브덴은 또한 페라이트 형성원소이므로 고온 오스테나이트 안정도를 감소시키는 바, 그 상한을 3.0중량%로 하였다.
니오븀(Nb): 0.2~1.0중량%
니오븀(Nb)은 미세한 탄화물을 형성하므로 고온강도 개선 및 내산화성 확보에 유효한 원소이다. 이러한 니오븀은 0.2 중량% 이상 포함될 때 내산화성 향상에 기여한다. 그러나, 니오븀이 C, N을 포함하는 강종에서 과잉 첨가되면 주조 과정에서 조대한 탄질화물을 형성하고, 석출물의 조대화를 촉진하여 전반적인 물성을 저해하고, 조대한 탄질화물의 용해를 위한 열처리 온도 상승을 야기하여 공정 효율성을 저해한다. 이에 본 발명에서는 Nb의 함량을 1.0중량% 이하로 제한하였다.
질소(N) : 0.03중량% 미만
질소(N)는 오스테나이트 상을 안정화시키는 원소로 강도와 내식성을 향상시키는데 기여할 수 있지만, 질화물 형성 방지를 위한 균질화 열처리 온도가 상승하게 되며, Nb계 또는 Al계 질화물 형성으로 인성 저하 및 용접성 저하를 야기할 수 있다. 이에 본 발명에서는 질소의 함량을 0.03중량% 미만으로 제한하였다.
종래 대부분의 오스테나이트계 내열강은 고온 노출시 크로미아(chromia, Cr2O3)를 산화막으로 생성하며, 이 크로미아 산화막의 경우 본 발명에서 고온 노출시 생성되는 알루미나에 비해 안정성이 낮아서 산화 저항성 확보에 한계가 있었으나, 본 발명에 따른 오스테나이트계 내열강의 경우, 상기의 합금 조성을 통하여 고온 노출시 강재 표면에 높은 안정성을 갖는 알루미나가 생성될 수 있어, 우수한 내산화성을 발휘할 수 있다.
특히, 상기 합금 조성을 갖는 오스테나이트계 내열강의 경우, Nb 함량이 1.0중량% 이하이면서, 특히 C 함량이 0.04중량% 이하인 것이 주요한 특징이다. 1.0중량% 이하의 낮은 Nb 함량 에 기인하여 열처리 온도를 1100℃ 정도로 낮출 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 오스테나이트계 내열강의 경우, Nb 함량이 1.0중량% 이하이면서, 특히 C 함량을 0.04중량% 이하로 제어한 결과, 단위면적당 질량증가가 0.020 mg/mm2 이하, 즉 1.0중량% 이상의 Nb가 첨가된 내열강과 동등 이상의 내산화 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 상기 오스테나이트계 내열강의 경우, 고온에서 산화물의 탈락을 억제할 수 있는 특성을 갖는다. 이에 따라, 본 발명에 따른 오스테나이트계 내열강은 우수한 내산화성을 발휘할 수 있다.
이때, [Nb]/[C] ([Nb], [C]는 각각 Nb와 C의 중량%) 가 15 이상인 것이 바람직하다. 이를 만족하는 내열강의 경우, 단위면적당 질량증가가 0.020 mg/mm2 이하를 나타낼 수 있어, [Nb]/[C]가 15 미만인 경우에 비하여 보다 우수한 내산화성을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 내열강은 FCC(Face Centered Cubic) 결정구조, 즉 전형적인 오스테나이트 결정 구조를 가질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 내열강은 오스테나이트로 단상 구조로 될 수 있으며, 오스테나이트 주상에 다양한 탄화물, 질화물, 탄질화물, 금속간화합물, 혹은 미량의 페라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 등의 제2상을 포함할 수 있다.)
한편, 본 발명에 따른 내열강을 고온에 노출시키면, 강 표면에 알루미나를 포함하는 산화물층이 생성된다. 이때, 산화물층의 알루미나의 Al은 상기 중심부에 포함되는 Al에서 유래한 것이다. 즉, 이러한 산화물층은 용사 코팅 등 별개의 코팅 공정에 의해 형성된 것이 아니다. 결과적으로, 본 발명에 따른 강 제품은 전술한 합금 조성을 갖는 내열강과, 상기 내열강 표면에 형성된 산화물층을 포함한다. 이때, 상기 산화물층은 알루미나를 포함하는데, 이 알루미나는 기지와의 경계에 형성된다. 아울러, 상기 산화물층은 크로미아(Cr2O3) 또는 Fe-Cr 산화물을 더 포함할 수 있는데, 이 크로미아 등은 알루미나와 다른 층에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 오스테나이트계 내열강 제조 방법은 전술한 강 조성을 갖는 강 모재를 마련하는 단계와, 상기 강 모재를 열처리하는 단계를 포함한다.
열처리를 통하여, 기지 조직을 완전히 오스테나이트화하며(full austenitization), 미세조직 중의 화학 성분 분포를 균질화(homogenization)하고, 미처 용해되지 않은 Nb(C,N) 탄질화물을 최대한 용해할 수 있다.
이때, 열처리는 1050~1200℃에서 약 2~5시간동안 수행될 수 있다. 종래의 1.0중량% 이상의 Nb가 첨가된 내열강의 경우 1250℃의 높은 온도에서 열처리를 수행할 필요가 있었으나, 본 발명의 경우, Nb 함량이 1.0중량% 이하로서 이와 같은 고온 열처리를 수행할 필요가 없으며, 약 1100℃의 열처리 온도에서도 전술한 열처리 효과를 얻을 수 있다.
한편, 열처리 온도가 1050℃ 미만인 경우, 강 내에 존재하는 편석 등의 불균일성(inhomogeneity)을 충분히 해소할 수 없으며, 특히 초기 제조 과정, 즉 주조 및 열간압연 후 잔존하는 Nb(C,N)의 용해가 충분히 이루어지지 않음으로써 전반적인 특성의 저하가 문제될 수 있다. 반면, 열처리 온도가 1200℃를 초과하는 경우, 결정립 조대화가 문제될 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시편의 제조
하기와 같이 시편 1~7을 제조하였다.
표 1은 실시예 및 비교예에 따른 강 시편의 합금 조성을 나타낸 것이다.
[표 1] (단위 : 중량%)
Figure pat00001
시편 1, 시편 2, 시편 5, 시편 6 및 시편 7의 경우, 1100℃에서 4시간동안 열처리하였다. 시편 3의 경우, 1250℃에서 1시간동안 1차 열처리하고, 1100℃에서 4시간동안 2차 열처리하였다. 시편 4의 경우, 1280℃에서 1시간동안 1차 열처리하고, 1100℃에서 4시간동안 2차 열처리하였다.
2. 특성 평가
(1) 미세조직 관찰
도 1은 시편 1~7의 중심부 단면의 미세조직을 나타내는 사진들이다.
도 1을 참조하면, 시편 2를 제외하고는 유사한 미세조직을 나타내는 것을 볼 수 있다.
실시예에 해당하는 시편 5~7의 미세조직은 완전한 오스테나이트 기지를 가지며, 제2상으로서 Nb(C,N), AlN 등(도면 중 검은색 반점들)을 포함한다. 비교예에 해당하는 시편 1, 3, 4의 경우, 높은 C 및 Nb 함유에 기인하여 대체로 제2상의 크기가 크고, 군집화 경향을 가지며, 보다 다량으로 존재한다. 시편 2의 경우 높은 C 및 Nb 함유에도 불구하고 시편 5~7과 동일한 조건으로 열처리하였고, 그 결과로서 결정립이 보다 미세하고 훨씬 많은 양의 제2상이 분포하는 것을 볼 수 있다. 시편 2를 제외하고는 평균적인 결정립 크기가 대략 100㎛ 수준으로 유사하다. 도 2에서 C-Nb 함량에 따른 산화 특성의 변화 경향을 고려했을 때 시편 2의 특징적인 미세조직이 산화 특성에 특징적인 차이점을 야기하지는 않는 것으로 판단된다.
(2) 내산화 실험
내산화 실험은 시편 1~7을, 780℃에서 672시간동안 공기 중에 노출시킨 후, 단위면적당 질량증가를 통하여 평가하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2를 참조하면, 시편 1~3의 경우, 단위면적당 질량증가가 0.03 mg/mm2 이상으로 내산화성이 우수하지 못한 결과를 나타내었다. 그러나, Nb가 1.47중량%로 다량 첨가된 시편 4, 그리고 Nb의 함량은 1.0중량% 이하이지만 C의 함량이 0.04중량% 이하인 시편 5~7의 경우, 0.02 mg/mm2 이하의 낮은 단위면적당 질량증가를 나타내어, 상대적으로 내산화성 효과가 우수한 것으로 나타났다.
시편, 4~7 중에서, [Nb]/[C]가 15 이상인 시편 6 및 시편 7의 경우, 0.015 mg/mm2 이하의 매우 낮은 단위면적당 질량증가를 나타냄을 볼 수 있다.
이러한 결과를 볼 때, 본 발명에 따른 오스테나이트계 내열강은 약 700℃ 정도의 사용 온도에서 장시간동안 사용될 수 있다는 것을 예측할 수 있다.
도 3은 시편 1~7의 산화물 탈락 상태를 나타내는 사진들이다.
도 3을 참조하면, 비교예에 해당하는 시편 1~4의 경우, 시편으로부터 탈락한 산화물 분말들이 다수 확인됨을 볼 수 있다. 이는 산화물 분말들의 탈락으로 인하여, 다시 산화가 진행될 수 있어 장기 내산화성에는 좋지 않음을 의미한다.
그러나, 실시예에 해당하는 시편 5~7의 경우, 시편으로부터 탈락한 산화물 분말들의 상대적으로 적은 것을 볼 수 있다. 이를 통하여, 시편 5~7의 경우, 장기 내산화성까지 우수함을 확인할 수 있다. 나아가 시편 6~7의 경우, 극히 미량의 산화물만이 탈락한 것을 볼 수 있어, 내산화성 특성이 가장 우수하다고 볼 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 중량%로, 탄소(C) : 0.01~0.04%, 크롬(Cr) : 10~16%, 니켈(Ni) : 15~30%, 망간(Mn): 1~3%, 알루미늄(Al) : 2.0~3.0%, 몰리브덴(Mo) : 2.0~3.0%, 니오븀(Nb): 0.2~1.0%, 질소(N) : 0.03% 미만을 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열강.
  2. 제1항에 있어서,
    [Nb]/[C](여기서, [Nb], [C]는 각각 Nb와 C의 중량%)가 15 이상인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열강.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 내열강은 FCC(Face Centered Cubic) 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열강.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내열강은 오스테나이트 단상 조직으로 이루어지거나, 오스테나이트 주상에 오스테나이트와 다른 하나 이상의 제2상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열강.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내열강은 780℃에서 672시간동안 공기에 노출시켰을 때 단위면적당 질량증가가 0.020 mg/mm2 이하인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열강.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 내열강은 780℃에서 672시간동안 공기에 노출시켰을 때 단위면적당 질량증가가 0.015 mg/mm2 이하인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열강.
  7. 중량%로, 탄소(C) : 0.01~0.04%, 크롬(Cr) : 10~16%, 니켈(Ni) : 15~30%, 망간(Mn): 1~3%, 알루미늄(Al) : 2.0~3.0%, 몰리브덴(Mo) : 2.0~3.0%, 니오븀(Nb): 0.2~1.0%, 질소(N) : 0.03% 미만을 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 내열강; 및
    상기 내열강 표면에 형성된 산화물층을 포함하되,
    상기 산화물층은 기지와의 경계에 형성되는 알루미나를 포함하는 것을 특징으로 하는 강 제품.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 강재부는 [Nb]/[C](여기서, [Nb], [C]는 각각 Nb와 C의 중량%)가 15 이상인 것을 특징으로 하는 강 제품.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 산화물층은 크로미아(Cr2O3) 또는 Fe-Cr 산화물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열강.
  10. 중량%로, 탄소(C) : 0.01~0.04%, 크롬(Cr) : 10~16%, 니켈(Ni) : 15~30%, 망간(Mn): 1~3%, 알루미늄(Al) : 2.0~3.0%, 몰리브덴(Mo) : 2.0~3.0%, 니오븀(Nb): 0.2~1.0%, 질소(N) : 0.03% 미만을 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 강 모재를 마련하는 단계; 및
    상기 강 모재를 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열강 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    [Nb]/[C](여기서, [Nb], [C]는 각각 Nb와 C의 중량%)가 15 이상인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열강 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 열처리는 1050~1200℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 내열강 제조 방법.
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