KR20190032290A

KR20190032290A - 석출 경화 스테인레스강 및 그의 제조

Info

Publication number: KR20190032290A
Application number: KR1020187036781A
Authority: KR
Inventors: 잔-에릭 안데르손
Original assignee: 오바코 스웨덴 아베
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2019-03-27
Also published as: WO2017207652A1; EP3464669A1; SI3464670T1; US11767569B2; ES2775061T3; ES2774532T3; US20190127815A1; CN109642298A; EP3464669B1; PL3464669T3; SI3464669T1; KR102481837B1; SE540110C2; EP3464670B1; WO2017207651A1; US11624098B2; SE1650764A1; JP7076379B2; CN109642299A; US20190127814A1

Abstract

C: 0.05 내지 0.30 wt%, Ni: 9 내지 10 wt%, Mo: 0.5 내지 1.5 wt%, Al: 1.75 내지 3 wt%, Cr: 10.5 내지 13 wt%, V: 0.25 내지 1.5 wt%, Co: 0 내지 0.03 wt%, Mn: 0 내지 0.5 wt%, Si: 0 내지 0.3 wt%, 100 wt%까지의 잔량은 Fe 및 불순물 원소의 조성을 가지되, Al 및 Ni의 양은 또한 Al = Ni/4 ± 0.5 (wt%)를 충족시키는 추가 조건을 가지는, 석출 경화 스테인레스강이 제공된다. 추가로, Cr_eq는 11 내지 15.4 wt% 구간 내에 있고, Ni_eq는 10.5 내지 15 wt% 구간 내에 있다. 코발트의 양은 0.01 wt% 훨씬 아래의 매우 낮은 양을 가질 가능성이 있다. 석출 경화 스테인레스강은 낮은 편석, 승온에서 높은 항복 강도를 나타내며, 또한 적절하게 질화될 수 있다. 석출 경화 스테인레스강은 고온에서 동일한 강도를 갖는 최신 기술에 따른 스테인레스강에 비해 제조가 더 경제적이다.

Description

석출 경화 스테인레스강 및 그의 제조

본 발명은 일반적으로 승온(elevated temperature)에서 사용하기에 적합한 고강도 석출 경화 스테인레스강(precipitation hardening stainless steel)에 관한 것이다. 이 석출 경화 스테인레스강 조성물은 템퍼링(tempering) 후에 존재하는 Ni-Al의 금속 간 석출과 함께 탄화물과의 석출 경화를 모두 제공하도록 최적화되었다. 상기 신규 강은 마텐자이트 상(martensitic phase)을 높은 비율로 포함하고, 낮은 미세 및 거대 편석(macro segregation)을 갖도록 설계되었다. 본질적으로 코발트가 없는 강(steel)을 제공하는 것이 가능하다.

일차 경화는 강이 오스테나이트 상 영역에서 마텐자이트 또는 베이나이트 미세구조로 급냉되는 경우이다. 일반적으로 탄화물을 포함하는 강은 공지되었다. 저 합금 탄소강은 템퍼링 중에 철 탄화물을 생성한다. 이 탄화물은 승온에서 조대해져 강의 강도를 감소시킨다. 강이 몰리브덴, 바나듐 및 크롬과 같은 강한 탄화물을 형성하는 원소를 함유하는 경우, 승온에서 템퍼링 연장으로 강도를 증가시킬 수 있다. 이는 합금화된 탄화물이 특정 온도에서 석출될 것이기 때문이다. 보통 이들 강은 100 ℃ 내지 450 ℃에서 템퍼링되는 경우 그의 일차 경화 강도를 감소시킨다. 450 ℃ 내지 550 ℃에서 이러한 합금 탄화물들은 석출되고 최대 일차 경도까지, 심지어는 그보다 더 높게 강도를 증가시키는데, 이를 이차 경화라고 한다. 이는 (몰리브덴, 바나듐 및 크롬과 같은) 합금 원소가 미세하게 분산된 합금 탄화물을 석출시키기 위한 장기간의 어닐링 동안 확산될 수 있기 때문에 발생한다. 이차 경화 강에서 발견되는 합금 탄화물은 철 탄화물보다 열역학적으로 더 안정하며 조대 경향을 거의 나타내지 않는다.

금속 간 석출 경화 강이 또한 알려져 있다. 탄화물 석출 및 금속 간 석출 경화는 모두 결정 격자 내 결함 또는 전위의 이동을 방해하는 불순물 상의 미세 입자를 생성하기 위한 온도와 고용해도의 변화에 의존한다. 전위는 보통 소성의 지배적인 운반자이기 때문에, 재료를 경화시키는 역할을 한다. 석출 경화 강은 예를 들어 불순물 상을 형성하는 알루미늄 및 니켈을 포함할 수 있다.

이차 상 입자의 존재는 종종 격자 왜곡을 야기한다. 이러한 격자 왜곡은 석출 입자가 호스트 원자와 크기 및 결정 구조가 다른 경우에 발생한다. 호스트 격자에서 더 작은 석출 입자는 인장 응력을 초래하는데 반해, 더 큰 석출 입자는 압축 응력으로 이어진다. 전위 결함은 또한 응력장을 일으킨다. 전위 위에는 압축 응력이 있고 아래에는 인장 응력이 있다. 결과적으로, 각각 압축 및 인장 응력을 일으키는 전위와 석출 사이에 음의 상호 작용 에너지가 존재하며, 그 반대도 마찬가지이다. 다시 말하면, 전위는 석출에 이끌릴 것이다. 또한 동일 유형의 응력장을 갖는 전위와 석출 사이에는 양의 상호 작용 에너지가 있다. 이것은 전위가 석출에 의해 반발될 것임을 의미한다.

또한 석출 입자는 재료의 강성을 국부적으로 변화시킴으로써 작용한다. 전위는 더 높은 강성의 영역에 의해 반발된다. 반대로, 석출이 재료를 국부적으로 보다 순응되도록 만들면, 전위는 그 영역으로 이끌어 질 것이다.

합금 탄화물 및 금속 간 석출물을 모두 포함하는 강은 드물긴 하지만, 공지되어 있다. 그러나 이들 강은 템퍼링 후 낮은 편석 또는 최적의 경도로 최적화되어 있지 않다. 예를 들어, 미국 특허 제5,393,488호에는 금속 간 석출물 및 합금 탄화물 모두와 함께 이중 경화 메커니즘을 갖는 강이 개시되어 있다. 이 강은

C: 0.30 wt% 이하,

Ni: 10 내지 18 wt%,

Mo: 1 내지 5 wt%,

Al: 0.5 내지 1.3 wt%,

Cr: 1.75 내지 3 wt%,

Co: 8 내지 16 wt%,

를 포함한다.

코발트는 환경에 부정적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 건강에도 부정적인 영향을 미치는 것으로 알려졌다. 동시에 일반적으로 특성, 특히 고온(high temperature)에서 강도를 증가시키는 것이 바람직하다.

모든 강종은 강 조성에 따라 다소 편석될 것이다. 수많은 강종이 화학 조성의 변화에 대해 조사되었다. 탄소는 Mo, Cr 및 V와 같은 다양한 탄화물 형성 원소의 분배에 막대한 영향을 미친다. 탄소 함량이 높을수록 편석이 더 많이 발생할 것이다. 이는 모두 미세 및 거대 규모이다. Cr, Mo 또는 V의 절대값은 편석 지수에 강의 공칭 함유량을 곱한 것이다. 크롬은 편석 경향이 낮기 때문에 양에 유연한 제한을 설정할 수 있다. 그에 반해, Mo 및 V의 양은 편석 경향 때문에 1.0 내지 1.5 wt%까지로 조절되어야 한다.

M-50 강은 종종 진공 유도 융해 (VIM) 및 진공 아크 재융해 (VAR) 공정을 사용하여 정제되며, 높은 사용 온도에서 연화 및 다축 응력에 대한 뛰어난 저항성뿐만 아니라 우수한 내산화성을 나타낸다. 그러나, 이것은 편석을 겪게 되고 이는 피하는 것이 바람직하다. 또한 제조 비용이 상당히 많이 든다.

이러한 관점에서, 코발트를 무시할 수 있는 양으로 가지는 동시에 또한 승온에서 낮은 편석 및 개선된 기계적 성질을 가지는 스테인레스강을 제공하는 것이 당업계의 큰 문제이다.

요약

본 발명의 목적은 종래 기술의 단점 중 적어도 일부를 해소하고 개선된 스테인레스강을 제공하는 것이다.

제1 측면에서, 석출 경화 스테인레스강이 제공되고, 이 스테인레스강은 중량 퍼센트(wt%)로:

C: 0.05 내지 0.30 wt%

Ni: 9 내지 10 wt%

Mo: 0.5 내지 1.5 wt%

Al: 1.75 내지 3 wt%

Cr: 10.5 내지 13 wt%

V: 0.25 내지 1.5 wt%

Co: 0 내지 0.03 wt%

Mn: 0 내지 0.5 wt%

Si: 0 내지 0.3 wt%

를 포함하고, 100 wt%까지의 잔량(remaining part)은 Fe 및 불순물 원소이며,

80 wt% 이상, 바람직하게는 90 wt% 이상의 마텐자이트 상을 포함하고, 상기 스테인리스강의 조성은 세플러 다이어그램 (Schaeffler diagram)에 형성된 영역 내에 있고, 상기 다이어그램은 다음 방정식에 기초하며:

Cr_eq = Cr + Mo + 1.5*Si + 0.5*Nb (wt%) (x 축상)

Ni_eq = Ni + 30*C + 0.5*Mn (wt%) (y 축상)

여기서 세플러 다이어그램 내 영역은 11 ≤ Cr_eq ≤ 15.4 및 10.5 ≤ Ni_eq ≤ 15 (wt%)로 정의되고,

또한 Al 및 Ni의 양은 식 Al = (Ni/4) ± 0.5 (wt%)를 충족시키되, 단, 식에서 Al의 양이 1 wt% 보다 작으면 Al의 양은 1 wt%이고, 식에서 Al의 양이 3 wt%를 초과하면 Al의 양은 3 wt%인 것을 추가 조건으로 한다.

제2 측면에서, 석출 경화 스테인리스강을 510 내지 530 ℃에서 템퍼링하여 Ni 및 Al을 포함하는 석출물을 수득하는 것을 특징으로 하는, 상술된 석출 경화 스테인리스강의 부분(part)을 제조하는 방법이 제공된다.

제3 측면에서, 석출 경화 스테인리스강이 사용 중 250 내지 300 ℃의 온도에 노출되는 적용을 위한 상술된 바와 같은 석출 경화 스테인리스강의 용도가 제공된다. 다른 실시양태에서, 석출 경화 스테인리스강이 사용 중 300 내지 500 ℃의 온도에 노출되는 적용을 위한 상술된 바와 같은 석출 경화 스테인리스강의 용도가 제공된다. 또 다른 실시양태에서, 석출 경화 스테인리스강이 사용 중 250 내지 500 ℃의 온도에 노출되는 적용을 위한 상술된 바와 같은 석출 경화 스테인리스강의 용도가 제공된다.

추가 측면 및 실시양태는 첨부된 청구범위에서 한정된다.

한 가지 이점은 석출 경화 스테인리스강에 바람직하지 않은 코발트를 미량만으로 제공될 수 있다는 것이다. 코발트 수준을 0.01 wt% 훨씬 아래로 사용할 수 있다. 양은 어떤 바람직하지 않은 영향도 피할 수 있을 정도로 낮다. 코발트와 관련된 환경 및 건강상의 문제 때문에 소량의 코발트가 바람직하다.

또 다른 이점은 승온에서 강도가 증가된다는 것이다. 강도가 증가되는 승온은 전형적으로 250 내지 300 ℃ 또는 심지어 최대 500 ℃이다. 일 실시양태에서, 석출 경화 스테인리스강의 적절한 사용을 위한 상한 온도는 450 ℃이다.

석출 경화 스테인리스강은 승온에서 동일한 강도를 갖는 기존의 강과 비교하여 제조가 보다 경제적이다.

또 다른 이점은 석출 경화 스테인리스강이 질화(nitriding)에 적합하다는 것이다.

이하 본 발명이 첨부된 도면을 참조하여 예로서 설명된다:
도 1은 x 축이 wt%로 Cr_eq = Cr + Mo + 1.5*Si + 0.5*Nb이고, y 축이 wt%로 Ni_eq = Ni + 30*C + 0.5*Mn인 세플러 다이어그램을 나타낸다. 11 ≤ Cr_eq ≤ 15.4 및 10.5 ≤ Ni_eq ≤ 15 (wt%)로 정의된 영역은 영역 A로 표시된다.
도 2는 지시된 FCC 영역을 갖는 실시예 1에서 설명된 바와 같이 계산된 다이어그램을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 실시예에 기술된 강 배치로부터의 실험 데이터를 나타낸다.
도 4는 부식 시험의 결과를 나타낸다.

상세한 설명

본 발명을 상세히 개시하고 설명하기에 앞서, 특정 화합물, 배열, 방법 단계, 기재 및 재료는 다소 달라질 수 있기 때문에, 본 발명은 본원에 개시된 특정 화합물, 배열, 방법 단계, 기재 및 재료로 한정되지 않는 것으로 이해하여야 한다. 또, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 그 균등물에 의해서만 한정되기 때문에, 본원에 사용된 용어는 특정 실시양태를 설명할 목적으로만 사용되며 제한하려는 것이 아님을 이해해야 한다.

본 명세서 및 첨부된 청구의 범위에서 사용된 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥상 명확하게 다르게 지시하지 않는 한 복수 대상을 포함한다는 것을 알아야 한다.

달리 정의되어 있지 않으면, 본원에서 사용된 임의의 용어 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 갖는 것으로 의도된다.

본질적으로 코발트가 없는 및 유사한 표현은 미량의 코발트만이 존재함을 의미한다. 일 실시양태에서 본질적으로 코발트가 없는 것은 0.01 wt%의 코발트에 대해 제안된 임계값 아래의 양이다.

모든 백분율은 달리 명확하게 지시되지 않는 한, 중량으로 계산된다. 강의 조성은 wt%로 주어진다. 달리 명확하게 지시되지 않는 한, 모든 비율은 중량으로 계산된다.

제1 측면에서, 석출 경화 스테인레스강이 제공되고, 이 스테인레스강은 중량 퍼센트로:

C: 0.05 내지 0.30 wt%

Ni: 9 내지 10 wt%

Mo: 0.5 내지 1.5 wt%

Al: 1.75 내지 3 wt%

Cr: 10.5 내지 13 wt%

V: 0.25 내지 1.5 wt%

Co: 0 내지 0.03 wt%

Mn: 0 내지 0.5 wt%

Si: 0 내지 0.3 wt%

를 포함하고, 100 wt%까지의 잔량은 Fe 및 불순물 원소이며,

80 wt% 이상, 바람직하게는 90 wt% 이상의 마텐자이트 상을 포함하고, 상기 스테인리스강의 조성은 세플러 다이어그램에 형성된 영역 내에 있고, 상기 다이어그램은 다음 방정식에 기초하며:

Cr_eq = Cr + Mo + 1.5*Si + 0.5*Nb (wt%) (x 축상)

Ni_eq = Ni + 30*C + 0.5*Mn (wt%) (y 축상)

모든 원소의 양은 wt%이다.

석출 경화 스테인리스강은 마텐자이트 상뿐만 아니라 오스테나이트 상과 같은 다른 상을 둘 다 포함하는 마텐자이트 구조를 갖는다. 석출 경화 스테인리스강은 마텐자이트 상을 80 wt% 이상, 바람직하게는 85 wt% 이상, 보다 바람직하게는 90 wt% 이상, 보다 더 바람직하게는 95 wt% 이상으로 포함한다. 일 실시양태에서, 석출 경화 스테인레스강은 92 wt% 이상의 마텐자이트 상을 포함한다. 일 실시양태에서, 석출 경화 스테인레스강은 94 wt% 이상의 마텐자이트 상을 포함한다. 마텐자이트 상은 경도 및 인장 강도뿐만 아니라 내마모성을 제공한다. 본 발명에 따라, 마텐자이트 상 및 오스테나이트 상이 형성될 것이다. 오스테나이트 상의 양은 원하는 경도를 낮추기 때문에 너무 높아서는 안된다. 마텐자이트 상이 바람직하다.

13 wt%의 Cr, 9 wt%의 Ni, 2 wt%의 Al 및 0.15 wt%의 C를 포함하는 본 발명에 따른 강을 포함한 일 실시양태에서, 오스테나이트 상은 재료의 15 wt%일 것이다. 그러나 오스테나이트의 양은 온도 의존성이기 때문에 냉각으로 낮출 수 있다. 일 실시양태에서, -40 ℃로 냉각함으로써 오스테나이트 상은 동일한 강에 대해 약 6 wt%로 감소될 것이다. 이렇게 하면 경도가 증가할 것이다.

도 1의 세플러 다이어그램은 예를 들어 고온에서 급속 냉각 후 강의 구조에서 마텐자이트 상의 존재를 예측하는데 사용되며 강의 화학적 조성을 기반으로 한다.

세플러 다이어그램과 그 안에 표시된 마텐자이트 영역은 상당히 대략적인 개요일 뿐이라는 것에 주의해야 한다. 따라서 세플러 다이어그램에서는 조성이 마텐자이트 영역 밖임을 나타내긴 하지만, 그럼에도 도 1에서 A로 표시된 사각형에서 다량의 마텐자이트 상을 얻는 것이 가능할 것이다. 이는 본 발명에 따른 영역 A가 왜 부분적으로 마텐자이트 영역 밖인지를 설명한다. 마텐자이트 영역 밖의 영역 A의 부분에 대해서도, 강 내 고도의 마텐자이트 상을 얻을 수 있다.

탄소 (C): 0.05 내지 0.3 wt%. 대안적인 실시양태에서, C의 양은 0.05 내지 0.2 wt%이다. C는 강한 오스테나이트 상 안정화 합금 원소이다. 상기 강이 열처리에 의해 경화 및 강화되는 능력을 갖도록 하기 위해 마텐자이트계 스테인레스강에는 C가 필요하다. 과잉의 C는 크롬 탄화물의 형성 위험을 증가시켜 다양한 기계적 성질, 및 연성, 충격 인성 및 내식성과 같은 다른 특성을 감소시킬 수 있다. 기계적 성질은 또한 경화 후 잔류 오스테나이트 상의 양에 영향을 받으며 이 양은 C 함량에 따라 달라질 것이다. 따라서, C의 함량은 최대 0.3 wt%로 설정된다. 대안적인 실시양태에서, C의 최대 함량은 0.2 wt%이다.

니켈 (Ni): 9 내지 10 wt%. 본 개시에서, Ni 및 Al의 양의 균형을 맞추면 Al 및 Ni를 포함하는 제1 유형의 석출물이 얻어짐이 밝혀졌다. 따라서, Ni의 양은 청구항의 식을 충족시키기 위해 Al의 양과 균형을 이루어야 한다. 바람직하게는, Ni는 상당히 고가의 성분이기 때문에 목적하는 특성을 얻으면서도 Ni의 양은 가능한 한 낮게 유지되어야 한다. 또한, 너무 많은 양의 Ni는 재료 내 오스테나이트 상의 양을 증가시켜 강이 너무 연해질 것이기 때문에 피해야 한다

몰리브덴 (Mo): 0.5 내지 1.5 wt%. Mo는 강한 페라이트 상 안정화 합금 원소이며, 따라서 어닐링 또는 열간 가공 중에 페라이트 상의 형성을 촉진한다. Mo의 한 가지 주요 이점은 내식성에 기여한다는 것이다. Mo는 또한 마텐자이트계 강의 템퍼링 취성을 감소시켜 기계적 성질을 개선시키는 것으로 알려져 있다. 그러나, Mo는 값비싼 원소이며, 적은 양으로도 내식성에 대한 효과가 얻어진다. 따라서, Mo의 최저 함량은 0.5 wt%이다. 또한, 과도한 양의 Mo는 경화 동안 오스테나이트에서 마텐자이트로의 변환에 영향을 미치고 결국에는 잔류 오스테나이트 상 함량에 영향을 미친다. 따라서, Mo의 상한은 1.5 wt%로 설정된다.

알루미늄 (Al): 1.75 내지 3 wt%. Al은 강 생산시 산소 함량을 감소시키는데 효과적이기 때문에 흔히 탈산소제로서 사용되는 원소이다. 강에서 알루미늄은 Ni와 함께 제1 유형의 석출물을 형성하여 기계적 성질을 개선한다. 일 실시양태에서, Al의 양은 2 wt%이다. Al과 Ni 사이의 관계는 Al = Ni/4의 식에 한계 ± 0.5 wt%를 더해 결정된다. 식 Al = Ni/4 ± 0.5는 Al 및 Ni의 양을 중량 퍼센트로 표시해 사용하여야 한다. 이 식은 다른 모든 조건과 함께 충족될 추가 조건을 제공한다. Ni = 10 wt%라고 가정하면, 이 식은 Al = 2.5 ± 0.5 wt%, 즉 2 내지 3 wt%의 구간을 제공한다. 그러나, Al의 양이 1.75 내지 3 wt%라는 조건도 있다. 후자의 조건은 본 개시에서 제1 식이 3 wt% 이상의 Al 양을 제공하면 3 wt%의 Al이 사용되어야 하는 것으로 해석되어야 한다. 첫 번째 식이 1.75 wt% 이하의 Al 양을 제공하면 1.75 wt% Al이 사용되어야 한다. 따라서, 식은 Al 및 Ni의 양에 관한 다른 조건과 함께 적용되어야 하는 추가 조건을 제시한다. 양 조건 모두 적용될 것이다. Ni = 9 wt%라고 가정하면 이 식은 Al = 2.25 ± 0.5 wt%로 주어진다. 그러나, Al의 양이 1.75 내지 3 wt%라는 조건도 있다. 이들 조건은 함께 Al이 1.75 내지 2.75 wt%여야 함을 부여한다.

크롬 (Cr) 10.5 내지 13 wt%는 스테인레스강의 기본 합금 원소 중 하나이며 표면상에 산화크롬의 보호층을 형성함으로써 강에 내식성을 제공할 원소이다. 상기 또는 하기에 정의된 바와 같은 석출 경화 스테인레스강은 Cr-산화물 층 및/또는 공기 또는 물에서 강 표면의 패시베이션을 달성하여 기본 내식성을 얻기 위해 적어도 10.5 wt%를 포함한다. 그러나, Cr이 과잉량으로 존재하면, 충격 인성이 감소될 수 있고, 경화시 크롬 탄화물이 형성될 수 있다. 크롬 탄화물의 형성은 마텐자이트계 스테인레스강의 기계적 성질을 저하시킬 것이다. 강 표면의 패시베이션을 위한 수준 이상의 Cr 함량의 증가는 마텐자이트계 스테인레스강의 내식성에 약한 영향만을 미칠 것이다. 따라서, Cr 함량은 최대 13 wt%로 설정된다. 또 다른 실시양태에서, Cr 함량은 최대 15 wt%로 허용된다. 그러나 많은 양의 Cr은 재료 내 오스테나이트 상의 양을 증가시고 강이 너무 연해질 것이기 때문에 피해야 한다. 따라서 다량의 Cr은 많은 응용에서 바람직하지 않다.

바나듐 (V): 0.25 내지 1.5 wt%. V는 C 및 N에 대해 높은 친화성을 갖는 합금 원소이다. V는 석출 경화 원소이고 석출 경화 스테인레스강에서 미세 합금 원소로 간주되며 결정립 미세화에 사용될 수 있다. 결정립 미세화는 미세구조에 작은 석출물을 도입함으로써 고온에서 결정립 크기를 제어하는 방법을 의미하며, 이는 결정립계의 이동성을 제한하여 열간 가공 또는 열 처리 중에 오스테나이트 결정립 성장을 감소시킬 것이다. 작은 오스테나이트 결정립 크기는 경화 시 형성된 마텐자이트 미세 구조의 기계적 성질을 개선시키는 것으로 알려져 있다. 상기 강은 Cr, Mo 및 V로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 1종의 탄화물을 포함하는 제2 유형의 석출물을 포함한다. 이들 석출물은 Al 및 Ni를 포함하는 제1 유형의 석출물과 함께 개선된 기계적 성질을 제공한다.

코발트 (Co): 0 내지 0.03 wt%. 일 실시양태에서, Co의 양은 0.03 wt% 미만이다. 일 실시양태에서, Co의 양은 0.02 wt% 미만이다. 또 다른 실시양태에서, Co의 양은 0.01 wt% 미만이다. 코발트는 0.01 wt%의 특정 농도 한계 (SCL)를 가지는 발암성 카테고리 1B H350으로 표시되어야 한다, 즉 0.01 wt% 초과의 코발트 함량은 잠재적으로 해로울 수 있다고 제안되었다. 낮은 코발트 함량이 바람직하고, 또 다른 실시양태에서 Co의 양은 0.005 wt% 미만이다. 일 실시양태에서 Co의 하한은 0.0001 wt%이다. 바람직한 특성을 유지하면서 매우 적은 양의 코발트를 가질 수 있다는 것이 본 발명의 이점이다. 코발트의 양은 석출 경화 스테인레스강이 코발트를 함유하지 않는다고 할 정도로 낮거나, 적어도 그렇게 될 수 있다. 소량의 코발트는 기계적 성질 또는 고온에서의 강도와 같은 다른 측면의 특성을 손상시키지 않는다.

망간 (Mn): 0 내지 0.5 wt%. Mn은 오스테나이트 상 안정화 합금 원소이다. 그러나, Mn 함량이 지나치게 많으면, 잔류 오스테나이트 상의 양이 너무 커져 각종 기계적 성질뿐만 아니라, 경도 및 내식성이 저하될 우려가 있다. 또한, Mn 함량이 너무 높으면 열간 가공성이 나빠지고 표면 품질이 저하될 것이다. 일 실시양태에서, Mn은 0 내지 0.3 wt%이다. 일 실시양태에서, Mn의 하한은 0.001 wt%이다. Mn의 상기 언급된 농도는 석출 경화 스테인레스강의 특성에 현저한 정도로 부정적인 영향을 미치지 않는다. Mn은 저농도로 강에 존재하는 공통 원소이다. Mn과 관련하여 당업자는 그것이 Ni_eq의 총량에 영향을 미친다는 것을 고려할 것이며 당업자는 다른 니켈 당량의 농도를 채용할 수도 있다. 이는 다른 모든 니켈 당량에도 동일하게 적용된다.

실리콘 (Si): 0 내지 0.3 wt%. Si는 강한 페라이트 상 안정화 합금 원소이고, 따라서 그 함량은 또한 Cr 및 Mo와 같은 다른 페라이트 형성 원소의 양에도 의존할 것이다. Si는 주로 융해 정제 동안 탈산소제로서 사용된다. Si 함량이 지나치게 많으면, 페라이트 상뿐만 아니라 금속 간 석출물이 미세 구조에 형성되어 다양한 기계적 성질을 저하시킬 수 있다. 따라서, Si 함량은 최대 0.3 wt%로 설정된다. 일 실시양태에서, Si의 양은 0 내지 0.15 wt%이다. 일 실시양태에서, Si의 하한은 0.001 wt%이다.

임의로, 소량의 다른 합금 성분들이 예를 들어, 기계가공성 또는 고온 연성과 같은 열간 가공성을 개선시키기 위해 상기 또는 하기에 정의된 바와 같은 마텐자이트계 스테인레스강에 첨가될 수 있다. 이러한 원소의 예로는 Ca, Mg, B, Pb 및 Ce가 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이들 원소 중 하나 이상의 양은 최대 0.05 wt%이다.

용어 "최대" 또는 "이하"가 사용되는 경우, 당업자는 다른 수치가 구체적으로 언급되지 않는 한, 범위의 하한이 0 wt%임을 알고 있다.

상기 또는 하기에 정의된 바와 같은 마텐자이트계 스테인레스강의 나머지 원소는 철 (Fe) 및 일반적으로 발생하는 불순물이다. 불순물의 예는 의도적으로 첨가되지 않았지만 보통 예를 들어 텐자이트계 스테인레스강을 제조하기 위해 사용되는 원료 또는 추가의 합금 원소에서 불순물로서 존재하기 때문에 완전히 피할 수 없는 원소 및 화합물이다.

"불순물 원소"라는 용어는 합금 잔량에서 철 외에, 특성 및/또는 양이 석출 경화 스테인레스강 합금의 유리한 측면에 악영향을 미치지 않는 소량의 불순물 및 부수적인 원소를 포함하기 위해 사용된다. 합금 벌크는 약간의 일정 수준의 불순물을 함유할 수 있으며, 그 예로 질소, 산소 및 황을 각각 약 30 ppm 이하로 포함하지만 이에 한정되지는 않는다.

강은 마텐자이트 상을 포함하며 나머지 부분은 주로 오스테나이트 상으로 구성된다. 마텐자이트 상이 바람직하며, 그렇지 않으면 강은 너무 연해질 것이다.

석출 경화 강 조성물은 세플러 다이어그램에 형성된 영역 내에 추가로 존재한다. 이 영역은 11 ≤ Cr_eq ≤ 15.4 및 10.5 ≤ Ni_eq ≤ 15 (wt%)로 정의된다. x 축상에서 wt%로 Cr_eq = Cr + Mo + 1.5*Si + 0.5*Nb이다. y 축상에서 wt%로 Ni_eq = Ni + 30*C + 0.5*Mn이다.

Ni, C와 같은 원소 및 Cr 및 Mo와 같은 원소의 양은 범위 내에서 자유롭게 조절할 수 없지만, 예를 들어 C가 Ni 등가물이고 Mo가 Cr 등가물이기 때문에, 세플러 다이어그램에 적용되어야 하는 것으로 이해해야 한다.

0.05 내지 0.3 wt% C와 9 내지 10 wt% Ni의 함량은 Ni_eq가 10.5 내지 15 구간에 있다는 추가 조건과 결합되어야 한다. 0.05 wt% C 및 9 wt% 니켈은 10.5의 Ni_eq를 제공한다. 0.05 wt% C 및 10 wt% Ni는 11.5의 Ni_eq를 제공한다. 마지막 문장의 모든 조건이 충족되어야 한다.

10.5 내지 13 wt% Cr 및 0.5 내지 1.5 wt% Mo의 함량도 유사하게 Cr_eq가 11 내지 15.4 구간에 있다는 추가 조건과 결합되어야 한다. 마지막 문장의 모든 조건이 적용되어야 한다. 15.4의 Cr_eq 상한선에 도달할 수 없는 경우도 있을 수 있지만 이것은 의도된 바다.

일 실시양태에서, 석출 경화 스테인레스강은 Al 및 Ni를 포함하는 제1 유형의 석출물 및 Cr, Mo 및 V로 구성된 군에서 선택된 적어도 1종의 탄화물을 포함하는 제2 유형의 석출물을 포함한다. 두 유형의 석출물은 개선된 기계적 성질을 부여한다.

제2 측면에서, 석출 경화 스테인레스강을 510 내지 530 ℃에서 템퍼링하여 Ni 및 Al을 포함하는 석출물을 수득하는, 상술한 바와 같은 석출 경화 스테인레스강의 부분을 제조하는 방법이 제공된다. 이는 Al 및 Ni를 포함하는 석출물을 제공한다. 일 실시양태에서, 석출 경화 스테인레스강은 520 ℃에서 템퍼링된다. 또 다른 실시양태에서, 석출 경화 스테인레스강은 520 ℃ ± 2%에서 템퍼링된다. 일 실시양태에서, 석출 경화 스테인레스강은 1 내지 8시간 동안 템퍼링된다. 일 실시양태에서, 석출 경화 스테인레스강은 6 내지 8시간 동안 경화된다. 또 다른 실시양태에서, 석출 경화 스테인레스강은 6시간 ± 0.5시간으로 템퍼링된다.

일 실시양태에서, 석출 경화 스테인레스강은 템퍼링 전에 기계가공된다. 이것은 석출 경화 스테인레스강이 템퍼링 전이 템퍼링 후에 비해 강도가 낮고, 그에 따라 템퍼링 후에 비해 템퍼링 전에 기계가공하기 쉽다는 장점이 있다. Al을 제외하고 실질적으로 동일한 함량을 갖는 강은 경도가 실질적으로 증가하지 않는 반면, 본 발명에 따른 강은 경도 증가가 일어난다. 경도의 증가는 Ni 및 Al을 포함하는 석출물의 형성에 기인한다. 이차 경화 원소 또는 Ni-Al이 첨가된 강은 템퍼링한 후 제한된 경도를 가진다.

일 실시양태에서, 용체 처리(solution treatment)가 템퍼링 전에 수행된다. 일 실시양태에서, 용체 처리는 900 내지 1000 ℃ 온도 구간에서 0.2 내지 3시간 동안 수행된다. 조성은 오스테나이트 상 영역에서 용체 처리가 가능하도록 선택되어야 한다. Cr, Al 및 Mo는 페라이트를 안정화시키는 반면, Mn 및 Ni는 오스테나이트를 안정화시킨다.

제3 측면에서, 석출 경화 스테인레스강이 사용 중 250 내지 300 ℃의 온도에 노출되는 응용을 위한 상술된 용도가 제공된다. 다른 실시양태에서, 석출 경화 스테인레스강이 사용 중 300 내지 500 ℃의 온도에 노출되는 응용을 위한 상술된 석출 경화 스테인레스강의 용도가 제공된다. 또 다른 실시양태에서, 석출 경화 스테인레스강이 사용 중 250 내지 500 ℃의 온도에 노출되는 응용을 위한 상술된 석출 경화 스테인레스강의 용도가 제공된다. 추가의 실시양태에서, 석출 경화 스테인레스강이 사용 중 250 내지 450 ℃의 온도에 노출되는 응용을 위한 상술된 석출 경화 스테인레스강의 용도가 제공된다.

석출-경화 공정은 용체 처리에 의해 진행될 수 있거나, 또는 균일한 고용체가 제조될 때까지 합금이 고상 온도 이상으로 가열되는 용액화가 석출-경화 공정의 제1 단계이다.

질화는 금속 표면으로 질소를 확산시켜 침탄 경화된 표면을 생성시키는 열처리 공정이다. Cr, Mo 및 Al의 함유는 석출 경화 스테인레스강을 질화에 적합하게 만든다. 질화는 기계적 성질을 더욱 개선시키기 위해 적절히 사용된다. 일 실시양태에서 석출 경화 스테인레스강의 질화가 수행된다.

전술한 모든 대안적인 실시양태 또는 실시양태의 일부는 조합이 모순되지 않는 한 본 발명의 개념으로부터 벗어나지 않고 자유롭게 조합될 수 있다.

본 발명의 다른 특징과 용도 및 이들과 관련된 장점은 상세한 설명 및 실시예를 읽음으로써 당업자는 바로 알 수 있을 것이다.

본 발명이 본원에 기재된 특정 실시양태에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 그 등가물에 의해서만 제한되기 때문에, 실시양태들은 설명을 목적으로 제공되는 것이지 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예

소프트웨어 ThermoCalc를 사용하여 12 wt% Cr, 2 wt% Al, 0.7 wt% Mo, 0.5 wt% V 및 9 wt% Ni를 갖는 본 발명에 따른 강의 시뮬레이션을 수행하였다. 제1항에 따른 나머지 화합물은 본 발명의 범위 내에 있으며 C의 양은 도 2에서 X-축에 나타낸 바와 같이 다양하였다. FCC 영역에 있는 것이 바람직하다.

wt%로 표시한 다음 규격의 강을 제조하였다:

계산에 따르면, 강은 마르텐사이트 상을 약 90 wt% 포함하는 것으로 나타났다.

520 ℃에서의 템퍼링 경도를 자동 경도 시험기 KB30S로 측정하였다. 그 결과가 도 3a에 도시되어 있다. 또한 주요 원소의 편석도 측정하고 결과를 도 3b에 나타내었다. 그 결과는 다른 비교 강에 비해 우수하였다.

이 강과 다수의 다른 강에 대해 부식 시험을 수행하였다. 시험을 ASTM G150에 따라 0.01M NaCl 및 10-20 mV/분의 전위 스윕을 사용하여 수행하고, 100 μA/㎠ 전류가 발생한 전압을 측정하였다. 결과가 도 4에 도시되어 있다.

Claims

석출 경화(precipitation hardening) 스테인레스강으로서, 중량 퍼센트로:
C: 0.05 내지 0.30 wt%,
Ni: 9 내지 10 wt%,
Mo: 0.5 내지 1.5 wt%,
Al: 1.75 내지 3 wt%,
Cr: 10.5 내지 13 wt%,
V: 0.25 내지 1.5 wt%,
Co: 0 내지 0.03 wt%,
Mn: 0 내지 0.5 wt%,
Si: 0 내지 0.3 wt%,
를 포함하고, 100 wt%까지의 잔량(remaining part)은 Fe 및 불순물 원소이며,
여기서, 80 wt% 이상, 바람직하게는 90 wt% 이상의 마텐자이트 상(martensitic phase)을 포함하고, 상기 스테인리스강의 조성은 세플러 다이어그램 (Schaeffler diagram)에 형성된 영역 내에 있고, 상기 다이어그램은 다음 방정식에 기초하며:
Cr_eq = Cr + Mo + 1.5*Si + 0.5*Nb (wt%) (x 축상)
Ni_eq = Ni + 30*C + 0.5*Mn (wt%) (y 축상)
여기서 세플러 다이어그램 내 영역은 11 ≤ Cr_eq ≤ 15.4 및 10.5 ≤ Ni_eq ≤ 15 (wt%)로 정의되고,
또한 Al 및 Ni의 양은 식 Al = (Ni/4) ± 0.5 (wt%)를 충족시키되, 단, 식에서 Al의 양이 1 wt% 보다 작으면 Al의 양은 1 wt%이고, 식에서 Al의 양이 3 wt%를 초과하면 Al의 양은 3 wt%인 것을 추가 조건으로 가지는, 석출 경화 스테인레스강.
제1항에 있어서, Co의 양이 0.01 wt% 미만인, 석출 경화 스테인레스강.
제1항 또는 제2항에 있어서, Al 및 Ni를 포함하는 제1 유형의 석출물 및, Cr, Mo 및 V로 구성된 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 탄화물을 포함하는 제2 유형의 석출물을 포함하는, 석출 경화 스테인레스강.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 250 ℃에서 ASTM 468-90에 따른 피로 한도(fatigue limit)가 700 MPa 초과인, 석출 경화 스테인레스강.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 질화된 석출 경화 스테인레스강.
석출 경화 스테인레스강을 510 내지 530 ℃에서 템퍼링(tempering)하여 Ni 및 Al을 포함하는 석출물을 수득하는 것을 특징으로 하는, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 석출 경화 스테인레스강의 부분을 제조하는 방법.
제6항에 있어서, 석출 경화 스테인레스강을 1 내지 8시간 동안 템퍼링시키는, 방법.
제6항에 있어서, 석출 경화 스테인레스강을 6 내지 8시간 동안 템퍼링시키는, 방법.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 석출 경화 스테인레스강을 템퍼링 전에 기계가공시키는 방법.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 용체 처리(solution treatment)가 템퍼링 전에 수행되는 방법.
제10항에 있어서, 용체 처리가 900 내지 1000 ℃ 온도 구간에서 0.2 내지 3시간 동안 수행되는 방법.
제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 질화가 수행되는 방법.
석출 경화 스테인레스강이 사용 중 250 내지 500 ℃의 온도에 노출되는 응용을 위한, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 석출 경화 스테인레스강의 용도.
제13항에 있어서, 석출 경화 스테인레스강이 사용 중 250 내지 300 ℃의 온도에 노출되는 응용을 위한, 석출 경화 스테인레스강의 용도.