KR20190076142A

KR20190076142A - 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20190076142A
Application number: KR1020170177705A
Authority: KR
Inventors: 김광민; 김종희; 서보성
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2019-07-02
Also published as: KR102020506B1

Abstract

고온 내크립 특성 향상을 위해 조질 압연을 통해 미세조직 내 석출물에 전위를 고정시킨 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.1% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, S: 0.003% 이하, Cr: 16 내지 24%, Ni: 8 내지 12%, Nb: 0.5% 이하, N: 0.1~0.25%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 압연 방향 결정립의 장단경비(aspect ratio)가 1.2 내지 2.0을 만족하는 결정립 분율이 40% 이상이다.

Description

내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 {AUSTENITIC STAINLESS STEEL WITH IMPROVED CREEP RESISTANCE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온 내크립 특성 향상을 위해 조질 압연을 통해 미세조직 내 석출물에 전위를 고정시킨 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일정한 하중이 가해지는 고온의 환경에서 사용되는 스테인리스강은 내열성뿐만 아니라 크립 특성이 우수하여야 한다. 크립(creep)이란 물체가 고온 환경 하에서 일정한 응력에 의해 시간에 따라 변형이 발생하는 현상을 말하며, 이러한 크립에 의한 변형은 온도, 시간, 결정립 크기 및 응력에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 따라서 고온 환경 하에서 고온 부식과 함께 크립에 의한 변형이 발생할 경우 응력 지지를 못하거나 수치 변형을 야기시켜 소재 원래의 기능을 할 수 없게 된다.

일반적으로 고온의 환경에서 사용되는 용융탄산염 연료전지의 분리판은 310S의 소재가 사용되고 있으며, 650℃의 고온의 환경과 연료전지 체결에 따른 응력에 의해 크립 변형이 발생되며, 이로 인해 분리판의 수명을 단축시키는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 소둔 온도 및 분위기를 조절하여 결정립 크기 제어를 하려는 시도가 있었지만, 철강 제조공정 상 조건 변경이 제한적이며, 크립 특성 이외의 기계적 강도 유지에도 어려움이 있다.

본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제점을 해결하여, 냉연 소둔 공정의 조건 변경 없이, 냉연 소둔 강판의 조질 압연을 통하여 우수한 고온 내크립 특성을 나타내는 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.1% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, S: 0.003% 이하, Cr: 16 내지 24%, Ni: 8 내지 12%, Nb: 0.5% 이하, N: 0.1~0.25%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 압연 방향 결정립의 장단경비(aspect ratio)가 1.2 내지 2.0을 만족하는 결정립 분율이 40% 이상이다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 Mo: 3.0% 이하, Ti: 0.05% 이하 및 B: 0.005% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압연 방향 결정립의 장단경비(aspect ratio)가 1.2 내지 2.0을 만족하는 결정립 분율이 50% 이상일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 경도가 230 내지 350Hv이며, 650℃ 크립 변형율이 1.0% 이하일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 제조방법은, 중량%로, C: 0.1% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, S: 0.003% 이하, Cr: 16 내지 24%, Ni: 8 내지 12%, Nb: 0.5% 이하, N: 0.1~0.25%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 열간 압연 및 냉간 압연하는 단계; 냉연 강판을 냉연 소둔 열처리하는 단계; 및 5 내지 30%의 압하율로 조질 압연하는 단계;를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉연 소둔 열처리는 900 내지 1,200℃의 온도에서 실시할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 조질 압연은 10 내지 20%의 압하율로 실시할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 슬라브는, Mo: 3.0% 이하, Ti: 0.05% 이하 및 B: 0.005% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법은 냉연 소둔 공정의 조건 변경 없이 조질 압연을 통해 입계 및 입내에 미세하게 분포한 석출물에 전위를 고정시켜 소둔재 대비 고온 크립 변형률을 현저하게 저감시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은 고온의 스팀이 발생하는 장치, 화력발전의 가스터빈, 고온용 연료전지와 같은 고온 환경 하에서 응력을 지지하는 구조용 재료로 사용될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

내크립 특성은 일반적으로 석출물 생성, 결정립 크기(grain size)에 의존한다. 석출물 생성을 이용한 내크립 특성 제어는, 석출물에 의해 내크립 특성은 향상되지만 미세한 석출물로 인해 결정립이 오히려 작아지게 된다. 이러한 작은 결정립 크기로 인해 내크립 특성이 저하되지만, 석출물 존재로 인한 내크립 특성 향상 효과가 상대적으로 더 크기 때문에 전체적으로는 석출물이 형성되면 내크립 특성이 향상된다.

석출물도 존재하면서 결정립 크기도 큰 경우 가장 우수한 내크립 특성을 발현할 수 있으나, 결정립 크기 제어를 위한 소둔 온도 및 분위기를 제어하는 것은 제조공정 상 어려운 경우가 많으며, 크립 특성 이외의 재료 물성의 저하를 수반하는 문제가 있다.

본 발명에서는 미세 석출물 생성에 따른 작은 결정립 크기의 부정적 효과를 상쇄하기 위해, 소둔 열처리 제어가 아닌, 조질 압연을 수행하여 높은 밀도의 전위구조 조직((High Density Dislocation Structure)을 형성시키고 입계 및 입내에 미세하게 분포한 석출물에 전위를 고정시키고자 하였다.

이하, 본 발명의 실시예에서의 합금성분 원소 함량의 수치한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.

C의 함량은 0 초과 0.1% 이하이다.

C는 고용강화에 의한 재료 강도 증가에 유효한 원소이나, 함량이 과다 시 내식성에 유효한 Cr과 같은 탄화물 형성 원소와 쉽게 결합하여 결정립계 주위의 Cr 함량을 낮추어 내식성을 감소시킨다. 따라서 내식성을 극대화하기 위해서는 C 함량을 0.1% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Si의 함량은 0 초과 1.0% 이하이다.

Si은 산화물로 형성될 경우 내식성을 향상시킬 수 있으나, 함량이 과다 시 용접성과 열간가공성를 저하시키는 원소이므로, Si 함량을 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Mn의 함량은 0 초과 2.0% 이하이다.

Mn은 N와 마찬가지로 오스테나이트 안정화 원소로서 Ni를 대체하는 원소이며, 과다하게 첨가될 경우 내식성을 저하시키므로 Mn 함량을 2.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

S의 함량은 0.003% 이하이다.

S는 미량의 불순물 원소로서 결정입계에 편석되어 열간압연 시 가공 크랙을 일으키는 주원소이기 때문에 가능한 낮은 함량인 0.003%이하로 제한한다.

Cr의 함량은 16 내지 24%이다.

스테인리스강의 산화피막 형성을 촉진하는 원소로서 내열성을 확보하기 위하여 16% 이상의 첨가가 필요하나, 과다하게 첨가하는 경우 페라이트상 생성원소이므로 과다한 δ-ferrite 상이 잔존하여 열간가공성을 저하시키므로 24%을 상한으로 한다.

Ni의 함량은 8 내지 12%이다.

Ni은 Mn 및 N과 함께 오스테나이트 안정화 원소로서, 원가절감을 위하여 가격이 비싼 Ni을 대신하여 Mn과 N의 첨가 할 수 있으나, 과도한 Ni 함량 감소는 N 함량의 과다로 오히려 내식성 및 열간가공성 저하 또는 Cr 함량 감소로 인해 내식성 확보가 곤란하므로 Ni 함량을 8 내지 12%로 제한한다.

Nb의 함량은 0.5% 이하이다.

Nb는 고온강도 및 크립강도를 향상시키는데 유효한 원소이며, 과다할 경우 결정입도가 미세화되며 열간가공성을 감소시키게 된다. 따라서 Nb의 함량은 0.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

N의 함량은 0.1 내지 0.25%이다.

N은 오스테나이트 안정화 원소이며 고온강도와 내식성을 동시에 향상시키는 원소이나, 과다하게 첨가되는 경우 열간가공성을 저하시키므로 N의 함량을 0.1 내지 0.25%로 제한한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은 Mo: 3.0% 이하, Ti: 0.05% 이하 및 B: 0.005% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

Mo의 함량은 3.0% 이하이다.

Mo는 내식성과 가공성을 향상시키는 효과가 있으나, 과도한 첨가는 비용 상승을 수반하므로 3.0% 이하로 제한한다.

Ti의 함량은 0.05% 이하이다.

Ti은 Nb와 마찬가지로 탄질화물을 형성하여 크립강도 및 강도 향상에 유효한 원소이며, 과다하게 첨가될 경우 연주 시 노즐 막힘 현상이 발생할 수 있기 때문에 Ti 함량을 0.05% 이하로 제한한다.

B의 함량은 0.005% 이하이다.

B은 고온에서 열간가공성을 향상시키는 합금 원소로서, 과다하게 첨가되는 경우 연성, 인성 및 가공성을 저해하기 때문에 0.005% 이하로 제한한다.

상술한 합금원소 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인리스강 슬라브를 열간 압연 및 냉간 압연하는 단계를 거쳐, 냉간 압연된 냉연 강판을 소둔 열처리할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉연 소둔 열처리는 900 내지 1,200℃의 범위에서 실시할 수 있다. 냉연 소둔 열처리하는 과정에 있어서, 소둔 온도는 잔류 응력 해소, 결정립 미세화 그리고 미세한 탄질화물 석출에 크게 영향을 미친다. 소둔 온도가 900℃ 미만인 경우 조대한 탄화물이 생성되어 조직이 불균일해지며, 소둔 온도가 1,200℃ 초과인 경우 결정립이 극단적으로 조대화 될 수 있기 때문에 소둔 온도를 900 내지 1,200℃로 제한하는 것이 바람직하다.

상술한 합금원소 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인리스강을 열간 압연, 냉간 압연 및 냉연 소둔 열처리하여 제조하는 경우, 미세조직 내 0.03 내지 1.0㎛ 크기의 탄질화물이 10개/100㎛² 이상 석출될 수 있다.

이후, 냉연 소둔재를 5 내지 30%의 압하율로 조질 압연하는 단계를 수행한다. 더욱 바람직하게는, 10 내지 20%의 압하율로 조질 압연할 수 있다.

상술한 바와 같이, 미세한 탄질화물 석출로 인해 결정립이 미세화되며, 이러한 작은 결정립 크기로 인해 내크립 특성이 저하될 수 있지만, 석출물 존재로 인한 내크립 특성 향상 효과가 상대적으로 더 크다. 미세 석출물 생성에 따른 작은 결정립 크기의 부정적 효과를 상쇄하기 위해, 본 발명에서는 5 내지 30% 압하율의 조질 압연을 수행하여 높은 밀도의 전위구조 조직((High Density Dislocation Structure)을 형성시키고, 이를 입계 및 입내에 미세하게 분포한 석출물에 전위를 고정시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 압연 방향 결정립의 장단경비(aspect ratio)가 1.2 내지 2.0을 만족하는 결정립 분율이 40% 이상일 수 있다. 바람직하게는 50% 이상, 더욱 바람직하게는 60% 이상일 수 있다. 여기서, 결정립의 장단경비(aspect ratio)는 압연 방향의 결정립 가로 길이 및 세로 길이의 비율을 말한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 오스테나이트계 스테인리스강은 경도가 230 내지 350Hv이며, 650℃ 크립 변형율이 1.0% 이하일 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.

실시예

하기 표 1에 기재된 합금조성을 가지는 강을 진공유도용해로에서 용해한 후 잉고트(Ingot)로 주조하여 열간 압연 및 냉간 압연을 수행하고, 1,100℃에서 소둔 열처리한 후, 산세를 실시하여 3mm 두께의 냉연판을 제조하였다.

	C	Si	Mn	S	Cr	Ni	Mo	Nb	B	N	Ti
합금 1	0.02	0.5	2.0	0.001	22	11	-	0.5	0.003	0.17	-
합금 2	0.03	0.5	0.5	0.001	22	11	-	0.2	0.003	0.15	0.02
합금 3	0.03	0.5	1.0	0.001	18	9	1.8	-	-	0.10	-

소둔 산세를 완료한 후, 조질 압연을 실시한 뒤, 650℃에서의 고온 크립 변형율(%) 평가를 실시하였다. 조질 압연은 2%, 5%, 10%, 20%, 30%, 50%의 압하율로 실시하였다.

표 2는 650℃, 70MPa 하에서 500시간 유지한 뒤 측정된 고온 크립 변형률(%)을 나타내며, 표 3은 합금 1 내지 3의 압하율별 경도와 압연 방향 결정립 장단경비(aspect raio)가 1.2 ~ 2.0인 결정립 비율(%)을 나타내었다. 크립 변형율은 650℃에서 일정 하중에 의해 변형된 정도를 나타내므로 수치가 낮을수록 내크립 특성이 우수함을 나타낸다.

구분		조질 압연 압하율
구분		0%	2%	5%	10%	20%	30%	50%
650℃ 크립 변형율 (%)	합금 1	0.76	0.71	0.44	0.27	0.33	0.45	0.68
	합금 2	0.81	0.78	0.58	0.39	0.47	0.60	0.75
	합금 3	1.2	1.17	0.85	0.62	0.70	0.78	1.06
비고		비교예		실시예				비교예

구분	조질 압연 압하율
구분	0%	2%	5%	10%	20%	30%	50%
경도(Hv)	223	226	231	289	310	344	402
결정립 장단경비 1.2~2.0 비율(%)	3.0	24.0	48.4	68.0	66.7	42.9	17.0
비고	비교예		실시예				비교예

표 2의 결과를 보면, 합금 1 내지 3 모두 5 내지 30% 압하율로 조질 압연을 실시한 뒤 소둔재에 비해 650℃에서의 고온 크립 변형율이 감소함을 알 수 있었다. 이 결과는 조질 압연으로 인해 내크립 저항성에 크게 증가하였음을 의미하며, 조질 압연을 통해 생성되는 고밀도의 전위들이 미세하게 분산된 석출물에 고정되어 전위밀도가 높은 상태로 650℃의 고온에서 장시간 유지되면서 크립 특성이 향상된다는 것을 알 수 있었다. 특히, 10 내지 20%의 압하율에서는 고온 크립 변형율이 현저히 감소하여 소둔재 대비 약 40~50% 내크립 특성이 우수해짐을 확인할 수 있었다.

그러나, 5% 미만이나 30% 초과의 압하율로 조질 압연할 경우, 내크립 저항성에 크게 변화가 없음을 알 수 있었다. 그 이유는 5% 미만에서는 낮은 압하율로 전위 생성이 어렵기 때문이며 5% 이상의 압하율에서 유의미한 변화가 나타났다. 또한, 30% 초과 압하율의 조질 압연에서는 과도한 변형으로 인해 변형 결함의 생성으로 크립 특성의 저하가 발생하였다.

표 3의 결과를 보면, 미세조직은 조질 압연을 통해 압연 방향 결정립의 장단경비가 증가함을 알 수 있고, 조질 압연에 의해 비커스 경도가 증가됨을 확인할 수 있었다. 미세조직의 압연 방향 결정립의 장단경비가 1.2 미만일 경우 조질 압연을 통한 내크립 특성을 확보하기에 어려움이 있으며, 압연 방향 결정립의 장단경비가 2.0 초과일 경우 조질 압연에 의한 과도한 변형으로 내크립 특성을 확보하기 어렵다.

따라서 조질 압연에 의해 변형된 압연 방향 결정립의 장단경비가 1.2 내지 2.0인 결정립을 40% 이상 포함함으로써 우수한 내크립 특성을 확보할 수 있었으며, 특히 10 내지 20%의 압하율에서는 압연 방향 결정립의 장단경비가 1.2 내지 2.0인 결정립을 60% 이상 확보할 수 있었다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

중량%로, C: 0.1% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, S: 0.003% 이하, Cr: 16 내지 24%, Ni: 8 내지 12%, Nb: 0.5% 이하, N: 0.1~0.25%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
압연 방향 결정립의 장단경비(aspect ratio)가 1.2 내지 2.0을 만족하는 결정립 분율이 40% 이상인 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,
중량%로, Mo: 3.0% 이하, Ti: 0.05% 이하 및 B: 0.005% 이하 중 1종 이상을 더 포함하는 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,
상기 압연 방향 결정립의 장단경비(aspect ratio)가 1.2 내지 2.0을 만족하는 결정립 분율이 50% 이상인 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,
상기 스테인리스강은,
경도가 230 내지 350Hv이며,
650℃ 크립 변형율이 1.0% 이하인 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
중량%로, C: 0.1% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, S: 0.003% 이하, Cr: 16 내지 24%, Ni: 8 내지 12%, Nb: 0.5% 이하, N: 0.1~0.25%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 열간 압연 및 냉간 압연하는 단계;
냉연 강판을 냉연 소둔 열처리하는 단계; 및
5 내지 30%의 압하율로 조질 압연하는 단계;를 포함하는 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 냉연 소둔 열처리는, 900 내지 1,200℃의 온도에서 실시하는 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 조질 압연은, 10 내지 20%의 압하율로 실시하는 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 슬라브는, 중량%로, Mo: 3.0% 이하, Ti: 0.05% 이하 및 B: 0.005% 이하 중 1종 이상을 더 포함하는 내크립 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 제조방법.