KR20190027548A - 성형성과 고온특성이 우수한 스테인리스강 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 합금 원소량을 제어하여 고온내산화성, 고온강도, 열피로특성 및 성형성을 향상시킬 수 있는 고온특성및 성형성이 우수 페라이트계 스테인리스강에 관한 것이다. 본 발명에 따른 고온특성 및 성형성이 우수한 페라이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.01% 이하(0%는 제외), Si: 0.5% 이하(0%는 제외), Mn:2.0% 이하(0%는제외), P: 0.01%이하(0%는 제외), S: 0.02% 이하(0%는 제외), Cr: 16~19%, Mo: 0.5~3%, W:3~5%, Ti: 0.3% 이하(0%는 제외), Nb: 0.6% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

성형성과 고온특성이 우수한 스테인리스강{Ferritic stainless steel having excellent high temperature properties and formability}
본 발명은 고온특성 및 성형성이 우수한 페라이트계 스테인리스강에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 합금 원소량을 제어하여 고온내산화성, 고온강도, 열피로특성 및 성형성을 향상시킬 수 있는 고온특성 및 성형성이 우수한 페라이트계 스테인리스강에 관한 것이다.
최근 기존에 사용되던 저합금 페라이트계 스테인리스강보다 강도, 내열성, 내식성 등이 우수한 고합금 페라이트계 스테인리스강의 수요가 증가하고 있다.
페라이트계 스테인리스강은 열팽창계수가 낮아 열피로특성이 우수하고, 고온에서 산화피막의 밀착성이우수하며, 또한 소재 가격이 저렴하기 때문에 자동차 배기계용 소재로 많이 사용되고 있다. 최근 대기환경 규제강화 등으로 자동차 배기가스의 규제가 강화되는 추세에 따라 자동차엔진의 연소 온도는 점차 상승하고, 연비개선과 더불어 배기가스의 정화효율은 높아지는 추세로 변화되고 있다. 따라서, 엔진에서 배기가스를 촉매장치까지 유도하는 기능을 갖는 배기 매니폴드(Exhaust Manifold)의 소재로는 고온강도, 열피로특성, 내산화성이 보다 우수한 페라이트계 스테인리스강으로 만들어진 신제품이 요구되고 있다.
배기 매니폴드용 소재로 과거에는 구상흑연주철, 혹은 내열성 및 고온특성이 우수한 Si 구상흑연주철이 많이 사용되었다. 그러나, 엔진 배기가스 온도 상승 및 경량화 요구에 따라 최근에는 스테인리스강을 많이 사용하는추세이다. 스테인리스강 사용 초기에는 409L, 430J1L강이 사용되다가, 최근에는 배기가스 온도 상승, 가공성향상 및 저비용 소재 요구로 429EM, 441 및 444강 등이 많이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 강은 배기 매니폴드의 최대 사용온도가 870℃로 이보다 배기가스 온도가 높은 용도에는 사용이 불가능한 문제점이 있다.
한편 배기 매니폴드 등 자동차 배기계 부품은 제한된 차체 공간 내에서 장착되기 때문에 복잡한 형상으로 설계되는 경우가 많다. 따라서 배기 매니폴드용 소재의 요구특성은 충분한 가공성 확보와 성형 후 두께감소가 크지않아야 하는 등 다양하다. 최근에는 배기가스 정화기능을 높이기 위해 고온의 배기가스를 조기에 컨버터(Converter)에 도달시키기 위해 배기 매니폴드와 컨버터를 직접 연결하여 거리를 단축시키는 등 성형품의 형성이 더욱 복잡하게 성형되고 있기 때문에 ㅂ배백배기 매니폴드용 소재는 내열성과 동시에 가공성 향상이 요구되고 있다.
종래에도 배기 매니폴드용 페라이트 스테인리스강의 내산화성, 고온강도, 열피로특성 및 성형성을 확보하기 위한 다양한 연구와 노력이 나타난 바 있다.
그러나, 이들 종래강보다 사용온도가 더 높은 배기 매니폴드강으로 사용하면 산화량 증가 등 고온특성이 열위하여 배기 매니폴드의 내구성 평가 시 균열이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 강재 내에서 내산화성 및 고온특성을 향상시키는 주요원소의 성분 범위를 제어하여,강재의 내산화성 및 고온특성을 기본적으로 확보함은 물론 고가의 Mo 원소 대신 저가인 W 원소 함량을 높여 제조원가가 저렴하면서도 고온특성 및 성형성이 우수한 페라이트계 스테인리스강을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 고온특성 및 성형성이 우수한 페라이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.01% 이하(0%는 제외), Si: 0.5% 이하(0%는 제외), Mn:2.0% 이하(0%는 제외), P: 0.01%이하(0%는 제외), S: 0.02% 이하(0%는 제외), Cr: 16~19%, Mo: 0.5~3%, W:3~5%, Ti: 0.3% 이하(0%는 제외), Nb: 0.6% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
또한, 상기 페라이트계 스테인리스강은 V: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, Mg: 0.03% 이하 중 적어도 1종을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 페라이트계 스테인리스강은 하기 조성 범위(1)을 만족한다.
아울러, 상기 페라이트계 스테인리스강은 하기 조성 범위(2)를 만족한다.
또한, 상기 페라이트계 스테인리스강은 (Ti%+1/2Nb%)/(C+N)이 25~33 범위일 수 있다.
그리고, 상기 페라이트계 스테인리스강은 1080℃ ~ 1120℃ 범위로 냉연소둔할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 페라이트계 스테인리스강의 합금원소를 제어함으로써, 기존의 배기 매니폴드용 강재보다 저렴함은 물론 고온 내산화성, 고온강도, 열피로특성 및 성형성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 고온열피로시편의 형상을 나타내는 도면.
도 2는 Cr%+Mo%의 함량 변화에 따른 고온산화특성 평가결과를 나타내는 그래프.
도 3은 냉연소둔온도 1060℃ 소둔판의 XRD 상동정 분석결과를 나타내는 그래프.
도 4는 냉연소둔온도 1080℃ 소둔판의 XRD 상동정 분석결과를 나타내는 그래프.
이하에서는 본 발명의 실시예를 도시한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 고온특성 및 성형성이 우수한 페라이트계 스테인리스강을 구체적으로 설명한다.
본 발명은, 중량%로, C: 0.01% 이하(0%는 제외), Si: 0.5% 이하(0%는 제외), Mn:2.0% 이하(0%는 제외), P:0.01%이하, S: 0.02% 이하, Cr: 16~19%, Mo: 1~3%, W:3~5%, Ti: 0.3% 이하, Nb: 0.6% 이하(0%는 제외), N:0.01% 이하(0%는 제외), 및 V: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, Mg: 0.03% 이하, V, B, Mg 성분 중의 1종 또는 2종이상을 함유하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 고온 내산화성, 고온강도, 열피로특성 및 성형성이 우수한 페라이트계 스테인리스강을 제공한다. 이 경우, Cr+Mo를 18~22%, Mo+0.9W를 4.5~6.0%,(Ti+1/2Nb)/(C+N)을 25~33 범위 내로 제어하여야 한다.
본 발명에서는 배기 매니폴드(Exhaust-Manifold)용 고합금 페라이트계 스테인리스강의 내산화성, 고온강도, 열피로특성 및 성형성을 향상시키기 위하여, 강재 내에서 내산화성 및 고온특성을 향상시키는 주요원소의 성분 범위들을 제어한다. 이에 의해 강재의 내산화성 및 고온특성을 기본적으로 확보함은 물론 고가의 Mo 원소 대신저가인 W 원소 함량을 높여 제조원가가 저렴한 내산화성, 고온강도, 열피로특성 및 성형성이 우수한 페라이트스테인리스강을 기대할 수 있다.
이를 위해 본 발명자들은 내산화성, 고온강도, 열피로특성 및 성형성에 미치는 각종 합금 원소의 첨가효과를 시험을 통해 조사하였다. 그 결과, 각 함금원소의 첨가량을 최적화하는 결과를 얻었다.
이하 본 발명의 페라이트계 스테인리스강을 구성하는 성분계에 관하여 보다 상세히 설명한다. 단, 이하 성분계의 %는 중량%를 의미한다.
C: 0.01% 이하 (0%는 제외) C는 강의 상온강도를 증가시키는 원소이지만, C 첨가량이 증가하면 고온강도 및 상온 연성, 가공성 및 인성이저하되기 때문에, 본 발명에서는 이들 특성을 충분히 확보하기 위하여 C는 0.01% 이하, 바람직하게는 0.005% 이하로 첨가한다.
Si: 0.5% 이하(0%는 제외)
Si는 용강 상태에서 탈산제로서 작용하는 원소로서 제강 과정에서 필요한 원소이다. 또한 내산화성 개선에는유리하지만, 특히, 본 발명에서는 Si 고용강화 현상에 의해 경도가 상승하고, 연신율, 가공성 저하되어 좋지 않으므로 Si의 상한은 0.5%로 한정한다.
Mn:2.0% 이하(0%는 제외)Mn은 배기 매니폴드용 강재로 사용하는 경우 고온에서 생성되는 스케일의 탈락이 일어나면서 촉매장치(컨버터)가 막히는 문제점이 발생하기 때문에 스케일 내박리성을 갖기 위해서는 일정한(0.8% 이상) Mn 함량이 필요하다.
하지만, 너무 첨가량이 높아지면 MnS를 형성하여 내공식성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있는 원소로서 2.0% 이하로 한정하여 첨가한다
P: 0.01%이하 P는 강도를 증가시키는 기능을 나타내지만, 일반적으로 가공성을 저하시키기 때문에 불순물로 처리되는 경우가 대부분이며 가능한 저감시키는 것이 바람직하다. 하지만, 공정 단계에서 P를 극도로 저감하는 것은 정련비용이나 생산성 측면에서 좋지 않기 때문에 0.01% 이하, 바람직하게는 0.025% 이하로 제한한다.
S: 0.02% 이하 S는 강 중에 개재물로서 존재하고, 내식성을 저하시키는 불순물 원소로서 내식성 관점에서는 최대한 낮추는 것이 바람직하지만, S를 극도로 낮추는 것은 비용이나 시간 면에서 좋지 않으므로 0.02% 이하, 바람직하게는0.003% 이하로 제어한다.
Cr: 16~19%
Cr은 스테인리스강에서 내식성 및 내산화성 향상을 위해 반드시 첨가되어야 하는 합금원소로서, Cr의 함량이 낮으면 충분한 내식성을 얻기 곤란하므로 본 발명에서는 16% 이상을 첨가한다. 하지만, 19%를 초과하여 지나치게과다한 Cr이 첨가되면 내식성은 향상이 되나 강도가 너무 높아지고 이에 따라 연신율이나 충격 특성이 급격하게저하될 수 있으므로 Cr은 16~19% 수준에서 제어한다.
Mo: 0.5~3%
Mo는 내식성 및 고온강도를 향상시키는 원소로서, 적어도 0.5% 이상 첨가하는게 바람직하지만, 너무 많이 첨가되면 성형성이 저하되므로, Mo의 첨가량을 3% 이하로 한정한다.
Ti: 0.3% 이하(0%는 제외)
Ti는 고온강도와 내입계부식성을 위하여 첨가되는 합금 원소로서 본 발명에서는 0.3% 이하를 첨가한다. Ti의첨가량이 0.3%를 초과하여 너무 높게 첨가되면 제강성 개재물이 증가하여 스켑(scab)과 같은 표면결함이 많이발생할 수 있고, 연주시 노즐 막힘 현상이 발생할 수 있다. 또한, 고용 Ti의 증가로 연신율 및 저온 충격 특성이 저하될 수 있다. 또한 Ti 와 Nb를 동시에 첨가하면 고온에서 장시간 사용하는 경우 Fe3Nb3C 탄하물 석출 및 조대화를 방지하여 고온 열화를 억제하여 하기 때문에 본 발명에서는 Ti 첨가량을 0.3% 이하로 한정한다.
Nb: 0.6% 이하(0%는 제외)
Nb는 용접부 입계부식 방지와 고온강도 향상을 위해 필요한 원소이지만, 과다하게 첨가되면 성형성이 저하되므로, Nb 첨가량을 0.6% 이하로 한정한다.
N: 0.01% 이하(0%는 제외)
N은 C와 마찬가지로 강의 강도를 높이는 역할을 하지만, 연성 및 가공성을 저하시킬 수 있어, 본 발명에서는 가능한 저감시킨다. 특히, 충분한 용접부 가공성을 확보하기 위해서 N은 0.01% 이하, 바람직하게는 0.007% 이하로 한정한다.
W: 3~5%
W는 본 발명에 있어서 특히 중요한 원소이다. Mo를 첨가한 페라이트계 스테인리스강에 W를 복합 함유시킴으로써, 내고온 산화성의 현저한 향상을 도모할 수 있다. 또한, 고온 강도의 향상에도 유효하게 기여한다.
그러나, W의 첨가량이 3% 미만에서는 그 첨가 효과가 부족하고, 한편 5%를 초과하여 다량 함유시키면 비용 상승을 초래하기 때문에, W 는 3~5%의 범위에서 함유시키는 것이 바람직하다.
V: 0.5% 이하
V은 고온강도를 높이는 역할을 갖고, 너무 많이 첨가되면 연성, 인성 및 가공성을 저해하기 때문에 V은 0.5% 이하, 바람직하게는 0.01% 이하로 한정한다.
B: 0.01% 이하
B는 고온강도를 높이고, 2차 가공성 개선 효과를 나타내지만 너무 많이 첨가되면 연성, 인성 및 가공성을 저해하기 때문에 B는 0.01% 이하, 바람직하게는 0.003% 이하로 한정한다.
Mg: 0.03% 이하
Mg은 미세한 Mg-Al 산화물을 생성시켜 산화물 분산강화 효과로 고온강도를 높이는 역할을 갖고, 연주시 등축정율 개선 효과 및 용접시 열영향부의 조직미세화로 저온인성을 개선시켜 DBTT 온고가 낮아지는 효과를 보이나, 너무 많이 첨가되면 다량의 개재물 형성으로 연성, 인성 및 가공성을 저해하기 때문에 Mg은 0.03% 이하, 바람직하게는 0.002% 이하로 한정한다.
18%≤Cr%+Mo%≤22%
고온내산화성, 고온강도 및 열피로특성 확보를 위해 첨가되는 Cr 및 Mo 함량은 Cr 함량이 16% 이상으로 첨가되는 조건에서 Cr%+Mo%가 18~22% 함유하도록 Cr 및 Mo 함량을 제어한다. Cr%+Mo% 함량이 18% 미만으로 너무 낮아지면, 특히 내산화성이 저하되어 과다한 고온산화로 고온용 배기 매니폴드용으로 사용이 불가능하며, 과다 첨가시에는 연신율이나 충격 특성이 급격하게 저하되기 때문에 Cr%+Mo%를 18~22%로 조절한다.
Mo%+0.9W% : 4.5~6.0%
고온내산화성, 고온강도 및 열피로특성 확보를 위해 첨가되는 Mo 및 W 함량은 고가인 Mo 원소 첨가량을 줄이고, 대신 Mo 대비 저가인 W 첨가량을 높게 첨가하는 조건에서 고온특성이 미치는 W의 효과는 Mo의 90% 정도를 보이기 때문에 Mo%+0.9W%가 4.5% 미만으로 낮아지면 고온내산화성, 고온강도 및 열피로특성 확보가 어렵다.
그리고, Mo%+0.9W%의 첨가량이 6.0%를 초과하여 증가하면 고온특성은 우수하나 상온 가공성인자인 연신율 및 인성이 저하하고, 제조원가가 높아지기 때문에 Mo%+0.9W% 범위를 4.5~6.0%로 조절한다.
25≤(Ti%+1/2Nb%)/(C+N)≤33
고온강도 및 열피로특성 확보를 위해 첨가되는 Ti 및 Nb 첨가량은 너무 낮게 첨가하면 용접 열영향부에서 입계부식발생 및 고온강도 및 열피로특성이 저하되기 때문에 (Ti%+1/2Nb%)/(C+N)이 25 이상이 되도록 Ti 및 Nb 함량을 조절하고, (Ti%+1/2Nb%)/(C+N)이 33을 초과하여 첨가되면 고온특성에는 유리하지만 고용 Nb 함량이 높아져상온 연신율 및 인성 저하로 가공성이 열위하기 때문에 (Ti%+1/2Nb%)/(C+N)을 25~33의 범위로 조절한다.
이하, 제품의 제조조건과 관련된 사항으로, 냉연소둔 온도는 1080℃ ~ 1120℃로 한다.
제조조건에서는 냉연 소둔온도는 1080℃ 미만으로 냉연소둔하면 냉연소둔판에서 Fe2Nb 라베스(Laves)상이 석출되어 고온에서 고온강도 및 열피로특성이 저하되기 때문에 Fe2Nb 라베스상 석출을 방지하기 위해 냉연소둔온도를1080℃ 이상으로 한다. 그리고, 1120℃를 초과하면 결정입도 조대화로 성형 시 오렌지 필(orange peel) 불량이발생하기 때문에 냉연소둔온도는 1080℃ 이상, 1120℃ 이하로 조절한다.
이하, 본 발명을 하기 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.
하기 표 1과 같이 Fe-17%Cr를 기본 조성으로 하고, Cr, Mo, W, Nb 함량 및 (Ti+1/2Nb)/(C+N)을 각각 조절한 19종의 페라이트계 스테인리스강을 각각 용제하고 열연의 일부는 20mmt와 5mmt로 작업하여, 소둔, 냉연 및 소둔공정을 거쳐 두께 2.0mm의 코일과 20mmt bar 시편은 1060℃ 열연소둔 후 No.1~19로 제조하였다.
도 1은 고온열피로시편의 형상을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 각 강재에 대하여 상온 인장시험 및 900℃에서의 고온인장시험과 봉재는 시편을 가공하여 상온 ~ 900℃ 범위에서 구속률 0.3으로 열피로시험하고, 모재는 노치(Notch) 충격시편을 가공하여 충격시험하여DBTT를 구했다. 이 측정하여 내산화성을 측정하여 하기 표 2에 그 결과를 나타내었다.
도 2는 Cr%+Mo%의 함량 변화에 따른 고온산화특성 평가결과를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, Cr+Mo 함량이 18% 이상 첨가되면 고온 장시간 내산화성이 확보됨을 보여주고 있다. 이 결과로부터 Cr함량이 16% 이상 첨가되고, Cr%r+Mo%를 18~22%, Mo%+0.9W%를 4.5~6.0%, (Ti%+1/2Nb%)/(C+N)을 25~33범위 내로 제어한 발명강은 비교강 대비 연신율, 고온인장강도, 열피로수명, DBTT 및 고온내산화성 특성이 양호하여 모든 요구특성을 만족시키는 것으로 나타났다. 여기서, 고온내산화성은 1000℃에서 200시간 가열 후 무게변화량을 나타낸다.
다음의 표 3은 시편 번호 1강을 이용 냉연소둔온도를 1060℃, 1080℃로 변화시켜 냉연소둔 후 900℃에서 고온인장시험을 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 냉연소둔온도 1060℃ 소둔판의 XRD 상동정 분석결과를 나타내는 그래프이고, 도 4는 냉연소둔온도 1080℃ 소둔판의 XRD 상동정 분석결과를 나타내는 그래프이다. 도 3, 도 4 및 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 냉연소둔온도가 1080℃로 높아지면 고온인장특성이 1060℃일 때보다 높아지는 것을 알 수 있다. 이것은 각 소둔온도에서 냉연소둔한 시편의 석출물을 전해추출하여 XRD(X-Ray diffraction)로 상동정을 분석한 결과, 1080℃로높게 냉연소둔하면 고온에서 Fe2Nb 라베스상이 분해되어 고온강도를 높이는 고용 Nb 함량이 증가하기 때문이다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
도면참조

Claims (1)

  1. 중량%로, C: 0.01% 이하(0%는 제외), Si: 0.5% 이하(0%는 제외), Mn:2.0% 이하(0%는 제외), P: 0.01%이하(0%는 제외), S: 0.02% 이하(0%는 제외), Cr: 16~19%, Mo: 0.5~3%, W:3~5%, Ti: 0.3% 이하(0%는 제외), Nb: 0.6% 이하(0%는 제외), N: 0.01% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 고온특성 및 성형성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.
KR1020170114475A 2017-09-07 2017-09-07 성형성과 고온특성이 우수한 스테인리스강 KR20190027548A (ko)

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