KR20190077724A

KR20190077724A - 절곡성이 향상된 린 듀플렉스강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20190077724A
Application number: KR1020170179151A
Authority: KR
Inventors: 김경훈; 김학; 강형구; 정성인
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2019-07-04
Also published as: WO2019132226A1; KR102003223B1

Abstract

절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강에 따르면, 중량%로, C: 0.08% 이하(0 제외), Si: 1% 이하(0 제외), Mn: 2 내지 4%, Cr: 19 내지 22%, N: 0.2 내지 0.3%, Ni: 0.5 내지 1.5, Cu: 1% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)을 만족한다.
식(1): 551 - 462(C+N) - 9.2Si - 8.1Mn - 13.7Cr - 29(Ni+Cu) - 18.5Mo - 0.1x소둔온도(℃) ≤ -50
(여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, Mo 는 각각 탄소, 질소, 실리콘, 망간, 크롬, 니켈, 구리, 몰리브덴의 중량%를 의미한다.)

Description

절곡성이 향상된 린 듀플렉스강 및 그 제조방법{LEAN DUPLEX STAINLESS STEEL WITH IMPROVED BENDING PROPERTIES AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 오스테나이트 상과 페라이트 상의 2상을 갖는 듀플렉스 스테인리스강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오스테나이트 상과 페라이트상의 경도 차이를 제어하여 절곡성이 향상된 Ni, Mo, Si, Cu 등의 고가의 합금원소의 함량을 낮춘 린 듀플렉스 스테인리스강에 관한 것이다.

스테인리스강 중 특히 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트 상과 페라이트 상이 혼합된 미세조직을 갖는 스테인리스강으로, 오스테나이트계 스테인리스강과 페라이트계 스테인리강의 특징을 모두 나타내며, 현재까지 다양한 종류의 듀플렉스 스테인리스강이 개발되어 왔다.

한편, 고내식 환경에서 가장 널리 사용되는 듀플렉스 스테인리스강은 22%Cr, 5.5%Ni, 3% Mo, 0.16%N 성분의 ATI사의 ATI2205(UNS S31803 또는 S32205)가 있다. 이 강의 경우, 다양한 부식 환경에서 우수한 내부식성을 제공하는 바, AISI의 304, 316등의 오스테나이트계 스테인리스강 보다 우수한 내부식성을 나타낸다.

그러나, 이러한 듀플렉스 스테인리스강은 Ni, Mo 등의 고가 원소를 포함하고 있는바, 제조 비용이 상승될 뿐만 아니라 Ni, Mo 등을 소비함에 따라 타 강종과의 가격 경쟁력이 떨어지는 단점이 존재한다.

최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 듀플렉스 스테인리스강 중에서도 Ni 및 Mo 등의 고가 합금 원소를 배제하고, 이들 원소를 대신하여 저 원가의 합금원소를 첨가함으로써 합금 비용의 장점을 확보한 린 듀플렉스(Lean Duplex) 스테인리스강에 대한 관심이 증대되고 있는 추세이다.

이러한 린 듀플렉스 스테인리스 강은 종래의 오스테나이트계 스테인리스 강으로 대별되는 304, 316강과 동등한 내식성을 확보하면서 Ni 함량이 적어 경제적이면서도 고강도 확보가 용이하여 내식성을 요하는 담수설비, 펄프, 제지, 화학설비 등의 산업설비용 강재로 각광을 받고 있다.

이러한 린 듀플렉스강은 예를 들어, ASTMA240에 규격화되어 있는 S32304(대표성분 23Cr-4Ni-0.13N), ASTMA240에 규격화되어 있는 S32101(대표성분 21Cr-1.5Ni-5Mn-0.22N) 등이 있다.

상기 강들은 냉간 가공성 즉, 성형성보다는 내식성 강화 위주로 설계되어, 내식성이 요구되는 기술적인 해결책은 제공할 수 있으나, 가공성과 관련된 인자인 연성이 오스테나이트계 스테인리스강 보다 열위하여 성형, 절곡 등을 요구하는 다양한 산업 분야에의 응용에 제약이 있다.

특히, 절곡성형에서는 크랙 발생이 빈번한 문제가 되고 있다. 구체적으로, 절곡 방향이 압연 방향과 평행이 되는 경우 균열 발생이 보다 빈번한 상황이다. 따라서, Ni, Mo등을 저감하면서 오스테나이트계 스테인리스강과 동등 수준의 연신율 및 내식성을 확보하면서도 절곡성이 향상된 듀플렉스 스테인리스강의 개발이 새로이 요구되고 있다.

본 발명의 실시예들은 오스테나이트 상과 페라이트상의 경도 차이를 제어하여 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강에 따르면, 중량%로, C: 0.08% 이하(0 제외), Si: 1% 이하(0 제외), Mn: 2 내지 4%, Cr: 19 내지 22%, N: 0.2 내지 0.3%, Ni: 0.5 내지 1.5, Cu: 1% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)을 만족한다.

식(1): 551 - 462(C+N) - 9.2Si - 8.1Mn - 13.7Cr - 29(Ni+Cu) - 18.5Mo - 0.1x소둔온도(℃) ≤ -50

여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, Mo 는 각각 탄소, 질소, 실리콘, 망간, 크롬, 니켈, 구리, 몰리브덴의 중량%를 의미한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강은 Mo; 0.5% 이하를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트상과 페라이트상의 미세 경도 편차가 120 Hv 이하일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강의 페라이트 상분율이 45 내지 60%일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트상에 함유된 Mn, Ni 및 Cu와 관계된 하기 식 (2)를 만족할 수 있다.

식(2): Mn + 0.5*Ni + N ≥ 4

여기서, Mn, Ni, N 는 각각 오스테나이트상 내의 망간, 니켈, 질소의 중량%를 의미한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법은 중량%로, C: 0.08% 이하(0 제외), Si: 1% 이하(0 제외), Mn: 2 내지 4%, Cr: 19 내지 22%, N: 0.2 내지 0.3%, Ni: 0.5 내지 1.5, Cu: 1% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강을 열간 압연하는 단계; 상기 열연강판을 하기 식 (1)을 만족하도록 1050 내지 1200℃의 범위에서 소둔 열처리 하는 단계;를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, Mo; 0.5% 이하를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열연소둔강판을 냉간압연하여 냉연강판을 얻는 단계; 및 상기 냉연강판을 1050 내지 1200℃의 온도로 소둔 열처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

개시된 실시예에 따르면 절곡시 절곡부에서 발생하는 균열을 방지하여 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 듀플렉스 스테인리스강의 절곡부에서 발생한 크랙을 촬영한 사진이다.
도 2는 듀플렉스 스테인리스강의 상태도를 수치해석을 통하여 계산한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트 상과 페라이트 상의 미세 경도 편차와 절곡성 평가시 발생한 크랙의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스 강의 안정화도와 오스테나이트 상과 페라이트 상의 경도 편차의 상관관계를 나타내는 그래프이다.

이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

명세서 전체에서, 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.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 듀플렉스 스테인리스강에 대해 설명한 후, 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법에 대해 설명한다.

본 발명자들은 린 듀플렉스 스테인리스강이 절곡 변행될 때 발생하는 크랙의 원인에 대해 다양한 검토를 행한 결과, 이하의 지견을 얻을 수 있었다.

도 1은 듀플렉스 스테인리스강의 절곡부에서 발생한 대표적인 크랙 형상을 나타내는 사진으로, 2상간의 경계면에서 크랙이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 듀플렉스 강의 2상이 서로 다른 특성을 갖기 때문에 크랙이 발생함을 의미한다.

오스테나이트상과 페라이트상의 특성을 비교하기 위해, 각 상의 미세경도를 평가하였으며, 두 상간의 미세 경도 편차를 도출하였다. 이 때, 비커스 경도 측정법으로 측정되어 단위는 Hv 이다.

본 발명자들은, 각각의 합금에 대하여 오스테나이트상과 페라이트상의 미세 경도 편차(오스테나이트 - 페라이트)와 크랙 길이를 비교하였으며, 미세 경도 편차가 120 Hv 이하를 나타낼 때 크랙이 발생하지 않는 것을 확인하였다.

한편, 소성 유기 변태(Transformation Induced Plasticity, TRIP)는 준안정적인 오스테나이트 강에 대해 공지된 효과이다. 린 듀플렉스 스테인리스강은 소성 유기 변태를 활성화시키는 준안정적인 오스테나이트상을 포함하고 있어, 소성 유기 변태에 의해 우수한 성형성을 나타낸다.

그러나, 준안정적인 오스테나이트상의 마르텐사이트상으로의 변태는 오스테나이트상 영역의 경도 증가를 초래하고 이는 페라이트상과의 경도 편차를 크게 만든다. 절곡과 같은 성형에서는 이러한 경도 편차가 계면에서의 크랙 발생을 야기하게 된다.

보다 구체적으로, 오스테나이트의 경도가 페라이트에 비해 높아, 절곡시 상대적으로 연한 페라이트에 응력이 집중됨에 따라 절곡부에서 균열, 터짐 등의 현상이 발생하게 되는 것이다.

이에 따라, 린 듀플렉스 스테인리스강의 절곡성을 확보할 수 있도록, 경도 편차를 최소화 하고자 하였다. 이는 합금성분 및 소둔 온도를 고려한 오스테나이트 상 안정화도를 제어함으로써 달성할 수 있다. 이에 대한 구체적인 내용은 후술된다.

본 발명의 일 측면에 따른 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.08% 이하(0 제외), Si: 1% 이하(0 제외), Mn: 2 내지 4%, Cr: 19 내지 22%, N: 0.2 내지 0.3%, Ni: 0.5 내지 1.5, Cu: 1% 이하(0 제외), Mo: 0.5% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

이하, 본 발명의 실시예에서의 함금성분 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.

C의 함량은 0.08% 이하이다.

탄소(C)는 오스테나이트상 형성 원소로 Ni 등과 같은 고가의 원소를 대신하여 사용될 수 있으며, 고용 강화에 의한 재료 강도 증가에 유효한 원소이다. C가 오스테나이트상 안정성에 기여하기 위하여서는 미량 첨가되어야 된다. 그러나, C의 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 0.08% 이하의 범위 내에서 첨가하는 것이 바람직하다.

Si의 함량은 1.0% 이하이다.

규소(Si)는 탈산효과를 위하여 일부 첨가되며, 페라이트상 형성 원소로 소둔 열처리시 페라이트에 농화되는 원소이다. 듀플렉스 스테인리스강에서 Si은 적정한 페라이트상 분율 확보를 위하여 0.2% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 페라이트 상의 경도를 급격히 증가시켜 가공성 및 충격특성을 저하시키며, 제강 시 슬래그 유동성을 저하시키고, 산소와 결합하여 개재물을 형성하여 내식성을 저하시키는 문제가 있는 바, 그 상한을 1.0%로 한정할 수 있다.

Mn의 함량은 2 내지 4%이다.

망간(Mn)은 제강 공정에서 탈산 및 용탕 유동도를 조절하는 원소이다. 또한 듀플렉스 스테인리스강에서 질소 고용도를 증가시키는 원소이며, 오스테나이트 형성 원소로, 고가의 Ni 대체용으로 사용될 수 있다. 그러나, 그 함량이 4%를 초과하는 경우 과량의 Mn이 강 중의 S와 결합하여 MnS를 형성하고 이는 내식성 저하를 초래한다. 한편, Mn의 함량이 2% 미만인 경우, 오스테나이트 형성 원소인 Ni, Cu, N등을 조절하여도 적정한 오스테나이트 상분율의 확보가 어렵고, 첨가되는 N의 고용도가 낮아져서 상압에서 충분한 질소 고용을 얻을 수 없다. 따라서, Mn의 함량을 2 내지 4%로 제한하는 것이 바람직하다.

Cr의 함량은 19 내지 22%이다.

크롬(Cr)은 Si와 함께 페라이트상 안정화 원소로서 듀플렉스 스테인리스강의 페라이트상 확보에 주된 역할을 할 뿐만 아니라, 내식성의 확보를 위하여 필수적으로 첨가되는 원소로, 19% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 내식성이 증가하나 상분율 유지를 위하여 고가의 Ni이나 기타 오스테나이트상 형성원소의 함량을 증가시켜야 하는 문제가 있는 바, 그 상한을 22%로 한정할 수 있다.

N의 함량은 0.20 내지 0.30%이다.

질소(N)는 듀플렉스 스테인리스강에서 Ni과 함께 오스테나이트 상의 안정화에 크게 기여하는 원소로, 소둔 열처리 시 고상에서의 확산 속도가 빨라서 대부분 오스테나이트상에 농화가 발생하는 원소 중의 하나이다.

따라서, N의 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 함량 범위에서 N의 함량이 0.3%를 초과하면, 질소 고용도 초과에 의하여, 주조시 블로우 홀(blow hole) 및 핀 홀(pin hole) 등이 발생하여, 제품의 표면 결함으로 인해 강의 안정된 제조가 어려워지는 문제점이 있다. 따라서, 질소(N)의 함량을 0.20 내지 0.30%로 제한하는 것이 바람직하다.

Ni 의 함량은 0.5 내지 1.5% 이다.

니켈(Ni)은 Mn, Cu 및 N와 함께 오스테나이트 안정화 원소로, 듀플렉스 스테인리스강의 오스테나이트상의 확보에 주된 역할을 하여 0.5% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.

한편, Ni은 고가의 원소로 원가절감을 위하여 Ni 함량을 최대한 감소시키는 대신에 다른 오스테나이트상 형성 원소인 Mn과 N을 증가시켜서 Ni의 저감에 의한 상분율 균형을 유지하려는 경향이 크다.

그러나, 냉간 가공 시 발생하는 소성 유기 마르텐사이트 형성을 억제하기 위하여 충분한 오스테나이트의 안정도 확보를 위하여 0.5% 이상 첨가하여야 한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 오스테나이트 분율이 증가하여 적절한 오스테나이트 분율 확보가 어렵고, 특히 고가인 Ni로 인한 제품의 제조 비용 증가로 경쟁력 확보가 어려워지는 바, 그 상한을 1.5%로 한정할 수 있다.

Cu의 함량은 1.0% 이하이다.

구리(Cu)는 가공 유기 마르텐사이트상의 생성에 기인하는 가공 경화를 억제하고, 오스테나이트계 스테인레스강의 연질화에 기여하는 원소이나, 원가절감을 고려하여 가격이 비싼 Cu로 인한 제품의 제조 비용이 상승되는 것을 방지하기 위해 그 상한을 1.0%로 설정하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은 Mo; 0.5% 이하를 더 포함할 수 있다.

Mo의 함량은 0.5% 이하이다.

몰리브덴(Mo)은 Cr과 함께 페라이트를 안정화 하면서 내식성 개선에 매우 유효한 원소이나, 원가절감을 고려하여 가격이 매우 비싼 Mo로 인한 제품의 제조 비용이 상승되는 것을 방지하기 위해 그 상한을 0.5%로 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트 및 페라이트의 2상 미세조직으로 구성된다.

본 발명에서 언급되는 오스테나이트 및 페라이트 조직이란 페라이트상과 오스테나이트상이 대부분의 조직을 차지하는 것을 의미하고, 스테인리스강이 페라이트상과 오스테나이트상으로만 형성되는 것을 의미하지 않는다. 예를 들어, 페라이트상과 오스테나이트상이 대부분의 조직을 차지한다는 것은 스테인리스강을 형성하는 조직 중 페라이트상과 오스테나이트상의 합이 90% 이상을 차지한다는 의미이고, 페라이트상과 오스테나이트상을 제외한 나머지는 오스테나이트상이 변태된 마르텐사이트상이 차지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 합금조성을 만족하는 린 듀플렉스 스테인리스강은 하기 식 (1)을 만족할 수 있다.

식(1): 551 - 462(C+N) - 9.2Si - 8.1Mn - 13.7Cr - 29(Ni+Cu) - 18.5Mo - 0.1x 소둔온도(℃) ≤ -50

전술한 바와 같이 린 듀플렉스 스테인리스강의 오스테나이트상과 페라이트상의 경도 차를 줄여야만 벤딩 조건에서의 절곡성을 향상시킬 수 있고, 이러한 경도 편차는 준안정적인 오스테나이트상의 마르텐사이트 상으로의 변태에 기인함을 확인하였다.

일반적으로, 오스테나이트상의 소성 유기 변태는 오스테나이트 조성에 대한 Nohara식 Md₃₀에 의해 예측된다. Md₃₀은 진변형율 0.3에서 오스테나이트로부터 마르텐사이트가 50% 생성되는 온도를 의미하며, 551 - 462(C+N) - 9.2Si - 8.1Mn - 13.7Cr - 29(Ni+Cu) - 18.5Mo - 68Nb로 표현된다. Md₃₀을 사용해 예측된 온도를 이용하여 오스테나이트 상의 안정도를 판단하는 것이다.

일반적으로, Md₃₀ 온도가 낮을수록 오스테나이트 상의 안정도가 높아 소성 유기 변태가 억제된다. 따라서 오스테나이트상과 페라이트상의 미세 경도 편차를 줄이기 위해서는 오스테나이트 상의 마르텐사이트 상으로의 변태를 억제할 필요가 있고, 이를 위해서 낮은 Md₃₀ 온도를 갖도록 합금성분을 조절할 필요가 있다.

그러나, 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트 상과 페라이트 상을 동시에 함유하고 있기 때문에 Md₃₀ 만으로 오스테나이스상의 안정화도를 나타내는데 한계가 있다.

도 2는 듀플렉스 스테인리스강의 상태도를 수치해석을 통하여 계산한 그래프이다. 도 2를 참조하면, 온도에 따라 오스테나이트상과 페라이트상의 분율이 변하는 것을 확인할 수 있다.

하기의 표 1은 온도에 따른 오스테나이트상 분율과 이때 오스테나이트상이 함유하는 합금원소의 함량을 수치해석을 통해 계산한 값이다.

온도(℃)	오스테나이트상 분율(%)	오스테나이트 상 내 합금원소 함량(중량%)
온도(℃)	오스테나이트상 분율(%)	C	Mn	Cr	Ni	Si	Cu	N
1080	74.5	0.038	3.136	19.439	0.996	0.717	0.864	0.304
1150	62.0	0.043	3.191	19.190	1.035	0.704	0.884	0.342

표 1을 참조하면, 온도에 따라 오스테나이트상의 분율이 변화하고, 오스테나이트상 내의 합금원소 함량이 변화되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 성분원소의 함량에 따라 변화되는 오스테나이트상의 안정화도는 소둔 온도에 따라서도 변화될 것임을 예측할 수 있다.

이를 적용하여 합급 성분에 의한 Md₃₀과 소둔 온도를 활용하여, 듀플렉스 스테인리스강에서의 오스테나이트 상의 안정화도를 나타내는 식 (1)을 도출하였다.

식(1): 551 - 462(C+N) - 9.2Si - 8.1Mn - 13.7Cr - 29(Ni+Cu) - 18.5Mo - 0.1x 소둔온도(℃)

전술한 바와 같이 오스테나이트상과 페라이트상의 미세 경도차를 120 Hv 이하로 유지하기 위하여 다양한 합금 성분에 대하여 미세 경도를 평가하였다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 안정화도와 오스테나이트 상과 페라이트 상의 경도 편차의 상관관계를 나타내는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 듀플렉스 스테인리스강의 안정화도 온도가 높아질수록, 오스테나이트상과 페라이트상의 미세 경도 편차가 증가하고, 본 발명에서 목적하는 오스테나이트상과 페라이트상의 미세 경도 편차를 120 Hv 이하로 만족시키기 위해서는 식 (1)이 -50 이하의 조건을 만족해야 함을 확인할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 합금조성을 만족하는 린 듀플렉스 스테인리스강의 오스테나이트상과 페라이트상의 미세 경도 편차는 Hv 120 이하일 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트상과 페라이트상의 미세 경도 편차와 절곡성 평가시 발생한 크랙의 상관관계를 나타내는 그래프이다.

도 3을 참조하면, 오스테나이트상과 페라이트상의 미세 경도 편차가 120이하일 때, 크랙이 발생하지 않음을 확인할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 합금조성을 만족하는 린 듀플렉스 스테인리스강의 페라이트 상분율은 면적분율로 45 내지 60%일 수 있다.

페라이트 분율이 45% 미만이면, 충분한 내식성을 얻을 수 없고, 듀플렉스 스테인리스강의 특성을 잃어버리는 문제가 있으며, 반면 60%를 초과하게 되면 가공 경화 효과가 발생하지 않아 변태 유기 마르텐사이트가 미발생함으로 인해 고연성을 확보하기 어렵다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 합금조성을 만족하는 린 듀플렉스 스테인리스강이 포함하는 오스테나이트상 내의 합금원소는 하기 식 (2)를 만족할 수 있다.

식(2): Mn + 0.5*Ni + N ≥ 4

여기서, Mn, Ni, N 는 각각 망간, 니켈, 질소의 중량%를 의미한다.

본 발명에서 정의한 듀플렉스 스테인리스강의 안정화도는, 절곡 성형시 2상 중 오스테나이트상의 마르텐사이트상으로 변형 유기 변태와 관련되고, 따라서 소둔 온도에 따라 변화되는 오스테나이스상의 분율 및 오스테나이트상 내의 성분원소에 영향을 받는다.

이러한 관점에서 오스테나이트 안정화 원소인 Mn, Ni, N의 함량을 식 2로 도출하였다.

예를 들어, 린 듀플렉스 스테인리스강이 포함하는 오스테나이트상 내에서 식 (2)를 만족하는 경우, 듀플렉스 스테인리스강의 안정화도는 -50 이하일 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트상과 페라이트상의 미세 경도 편차가 120 Hv 이하 일 수 있다. 상기 경도 편차는 그 크기가 작을수록 크랙이 발생하지 않아, 절곡성에 유리하다.

다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법은, 중량%로, C: 0.08% 이하(0 제외), Si: 1% 이하(0 제외), Mn: 2 내지 4%, Cr: 19 내지 22%, N: 0.2 내지 0.3%, Ni: 0.5 내지 1.5, Cu: 1% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강을 열간 압연하는 단계; 상기 열연강판을 하기 식 (1)을 만족하도록 1050 내지 1200℃의 범위에서 소둔 열처리 하는 단계;를 포함한다.

또한, 상기 열연소둔강판을 냉간압연하여 냉연강판을 얻는 단계; 및 상기 냉연강판을 1050 내지 1200℃의 온도로 소둔 열처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

합금원소 함량의 수치 한정 이유에 대한 설명은 상술한 바와 같다.

상기의 조성을 포함하는 스테인리스강을 통상의 열간압연 및 냉간압연 하여 최종 제품을 형성할 수 있다. 또한, 열간압연 또는 냉간압연 과정에서 쌓인 변형을 제거하여 절곡성을 향상시키기 위해, 열연강판 및 냉연강판에 대해 소둔열처리를 수행할 수 있다.

이 때, 1050 내지 1200℃의 온도에서 30초 이상 소둔 열처리 할 수 있다.

오스테나이트 안정화도를 높이기 위해서는 소둔열처리 온도가 높아야 한다. 온도가 높을수록 2상 중 오스테나이트상으로의 C, N의 농화가 활발하게 일어나기 때문이다. 구체적으로, 소둔열처리 온도가 1050℃ 이상인 경우에는, C, N의 농화로 인해 오스테아니트 상의 안정화도가 높아지고, 마르텐사이트상으로의 변태를 억제할 수 있다.

그러나 소둔열처리 온도가 1250℃를 초과하게 되면, 고온에서 확산이 활발하여 과도한 C, N의 농화가 발생하여, 오스테나이트상의 안정화가 발생하는바, 소성 유기 마르텐사이트 형성이 억제되어 변형의 구간에서 응력을 유지 할 수 있는 가공 경화 지수를 얻을 수 없다.

이와 같이, 합금성분과 함께 소둔열처리 시 온도를 제어할 경우, 오스테나이트상과 페라이트상의 미세 경도 편차를 저감시켜 절곡시 크랙 발생을 억제할 수 있다.

이에 따라 제조된 린 듀플렉스 스테인리스강은 하기 식 (1)을 만족한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.

실시예

표 2와 같이 강의 각 성분의 함량을 변경하면서 용강을 생산하였으며, 한 쌍의 주조롤 사이로 용강을 통과시켜 박판을 제조하는 쌍롤식 박판주조법을 적용하여 제조하였다. 한 쌍의 주조롤을 통과하여 제조된 박판을 상기 한쌍의 주조롤과 연속적으로 배치된 인라인 롤러를 이용하여 압연하여 두께 3mm의 판재를 제조하였다.

	C	Si	Mn	Cr	N	Ni	Cu	Mo
1	0.042	0.64	3.07	20.1	0.247	1.12	0.79	0.1
2	0.042	0.58	3.11	20.7	0.237	0.84	0.85	0.2
3	0.035	0.75	2.99	21.3	0.225	0.95	0.80	0.0
4	0.041	0.82	2.98	19.8	0.232	1.24	0.82	0.1
5	0.027	0.62	2.89	20.1	0.241	0.98	0.90	0.4
6	0.030	0.75	3.00	20.3	0.240	0.90	0.80	0.2
7	0.035	0.72	2.96	20.4	0.234	0.94	0.74	0.0
8	0.032	0.63	2.84	19.7	0.256	0.80	0.78	0.2
9	0.031	0.70	3.05	20.3	0.217	0.90	0.80	0.4
10	0.035	0.74	2.99	20.0	0.232	0.93	0.79	0.0
11	0.028	0.60	2.82	19.8	0.230	0.90	0.87	0.3

표 2에 따른 강을 실험에 사용하였다.

제조된 판재에 대해 연속적으로 열연 소둔처리를 실시하였다. 연속 소둔 처리시 소둔 온도는 1050 내지 1200℃ 온도범위로 하였으며, 각각의 온도에서 30초 이상 진행하였다.

이와 같은 방법으로 제조된 판재에 대해 비커스 경도 측정법을 사용하여 오스테나이트상과 페라이트상의 미세 경도 편차를 측정하였으며, 절곡성 평가를 실시하였다. 절곡성 평가는 폭 20mm 길이 120mm 두께 3mm 시편을 이용하여 180° 절곡을 하였으며, 절곡 부위에 발생한 크랙의 길이를 측정하였다. 크랙이 발생하지 않은 경우 크랙의 길이는 0 이고, 완전히 파단이 발생한 경우 크랙의 길이는 전체 시편의 폭인 20mm에 해당한다.

페라이트 분율은 3mm 두께의 열연소둔상태의 소재에 대하여 페라이트스코프(Ferritescope)를 사용하여 계측하였다. 페라이트스코프는 소재의 자성을 활용하여 페라이트 상의 분율을 측정하는 기기이며, Fisher사의 "Ferritescope MP30"을 사용하였다.

각각의 성분에서 소둔 온도에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 오스테나이트 안정화도, 오스테나이트상과 페라이트상의 미세 경도 편차, 페라이트 함량, 식 (2) 값 및 절곡성 평가결과를 하기 표 3에 나타내었다.

No.	비고	소둔온도 (℃)	안정화도 (℃)	경도차 (ΔHv)	페라이트 함량	Mn + 0.5*Ni + N	크랙길이 (mm)
1	실시예 1	1050	-50.2	112.9	55.3	4.02	0
	실시예 2	1100	-55.2	105.5	55.7	4.09	0
	실시예 3	1150	-60.2	86.9	56.3	4.17	0
	실시예 4	1200	-65.2	93.9	58.4	4.27	0
2	실시예 5	1050	-50.0	113.4	56.4	4.03	0
	실시예 6	1100	-55.0	108.3	56.8	4.09	0
	실시예 7	1150	-60.0	107.1	57.4	4.17	0
	실시예 8	1200	-65.0	105.7	57.2	4.26	0
3	비교예 1	1050	-48.2	124.5	56.5	3.99	3
	실시예 9	1100	-53.2	112.0	56.8	4.06	0
	실시예 10	1150	-58.2	109.6	58.1	4.14	0
	실시예 11	1200	-63.2	113.9	60.2	4.23	0
4	비교예 2	1050	-45.3	128.7	55.4	3.96	16
	실시예 12	1100	-50.3	112.4	55.6	4.03	0
	실시예 13	1150	-55.3	115.8	55.6	4.12	0
	실시예 14	1200	-60.3	113.0	57.1	4.21	0
5	비교예 3	1050	-45.0	132.4	46.3	3.94	12
	실시예 15	1100	-50.0	120.0	48.2	4.00	0
	실시예 16	1150	-55.0	117.3	48.7	4.09	0
	실시예 17	1200	-60.0	114.0	49.5	4.17	0
6	비교예 4	1050	-40.1	126.4	47.8	3.92	10
	비교예 5	1100	-45.1	128.6	46.7	3.99	20
	실시예 18	1150	-50.1	110.5	51.2	4.07	0
	실시예 19	1200	-55.1	111.2	50.3	4.17	0
7	비교예 6	1050	-36.8	153.5	44.4	3.86	20
	비교예 7	1100	-41.8	129.3	42.6	3.93	18
	비교예 8	1150	-46.8	149.3	43.9	3.99	20
	실시예 20	1200	-51.8	109.1	44.9	4.08	0
8	비교예 9	1050	-35.7	144.6	47.7	3.77	20
	비교예 10	1100	-40.7	130.3	52.6	3.83	11
	비교예 11	1150	-45.7	123.7	50.8	3.91	18
	실시예 21	1200	-50.7	117.0	52.6	4.00	0
9	비교예 12	1050	-34.3	176.5	52.9	3.74	20
	비교예 13	1100	-39.3	129.0	50.4	3.83	20
	비교예 14	1150	-44.3	137.2	51.8	3.90	20
	비교예 15	1200	-49.3	122.3	52.9	3.99	5
10	비교예 16	1050	-32.8	151.1	43.7	3.78	20
	비교예 17	1100	-37.8	129.3	46.3	3.84	20
	비교예 18	1150	-42.8	134.7	47.5	3.91	20
	비교예 19	1200	-47.8	128.1	52.1	4.00	4
11	비교예 20	1050	-28.8	178.5	52.3	3.70	20
	비교예 21	1100	-33.8	149.0	53.1	3.77	20
	비교예 22	1150	-38.8	147.2	54.6	3.85	20
	비교예 23	1200	-43.8	128.3	53.7	3.94	6

표 3 및 도 3에 나타난 바와 같이 오스테나이트 상과 페라이트상의 경도 편차가 120 Hv 이하일 때, 크랙이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.

또한, 표 3 및 도 4에 따르면, 도 4에 따르면 소둔 온도를 고려한 듀플렉스 스테인리스강의 안정화도가 -50℃ 이하일 때 120 Hv 이하의 경도 편차를 갖는 것을 확인할 수 있다.

상기 실시예들의 경우, 비교예들과 비교하여 듀플렉스 스테인리스강에서의 오스테나이트 상의 안정화도를 나타내는 식 (1)을 만족하고, 오스테나이트 상과 페라이트상의 경도 편차가 120 Hv 이하로 나타나, 절곡 변형 후 크랙이 발생하지 않음을 확인할 수 있다.

상기 표 3을 참조하면, 소둔 열처리 온도 범위를 만족하더라도 본 발명에서의 듀플렉스 스테인리스강 안정화도를 나타내는 식 (1)을 만족하지 못하는 경우에는 크랙이 발생함을 확인할 수 있다.

보다 구체적으로, 비교예들의 경우에는 식 (1)의 값이 -50 초과인 바, 이는 오스테나이트의 안정도가 낮아 소성 유기 마르텐사이트가 생성되어 오스테나이트 오스테나이트 상과 페라이트상의 경도 편차 증가로 설명된다. 비교예들의 경우에는 절곡부에서 크랙이 발생하여 절곡부 품질이 열위한 것을 확인할 수 있다.

또한, 실시예들의 경우, 비교예들과 비교하여 오스테나이트 안정화 원소인 Mn, Ni, N의 함량에 관계된 식 (2)의 값이 4 이상이다. 이에 비해, 비교예들의 경우에는 식 (2)의 값이 4 미만이다. 이를 통해 듀플렉스 스테인리스강의 안정화도는 소둔온도에 따라 변화하는 오스테나이트상 내에 포함된 오스테나이트 안정화 원소 Mn, Ni, N의 함량에 직접적으로 영향을 받는다는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 린 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트 안정화도를 고려한 성분계를 도출하고, 소둔온도와의 관계에서 오스테나이트의 안정도를 수식적으로 측정하여, 절곡성 결과와 연결지음으로써, 적정한 합금 성분 범위에서 절곡부 품질이 향상된 개선 효과를 확인할 수 있었다.

즉, 소둔온도를 제어함에 따라 오스테나이트 안정화도를 확보하면서 상(phas)간 경도 편차를 저감할 수 있었으며, 이로 인해 절곡부 품질을 향상시킬 수 있었다.

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

Claims

중량%로, C: 0.08% 이하(0 제외), Si: 1% 이하(0 제외), Mn: 2 내지 4%, Cr: 19 내지 22%, N: 0.2 내지 0.3%, Ni: 0.5 내지 1.5, Cu: 1% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
하기 식 (1)을 만족하는 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강.
식(1): 551 - 462(C+N) - 9.2Si - 8.1Mn - 13.7Cr - 29(Ni+Cu) - 18.5Mo - 0.1x소둔온도(℃) ≤ -50
(여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, Mo 는 각각 탄소, 질소, 실리콘, 망간, 크롬, 니켈, 구리, 몰리브덴의 중량%를 의미한다.)
제1항에 있어서,
Mo; 0.5% 이하를 더 포함하는 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강.
제1항에 있어서,
오스테나이트상과 페라이트상의 미세 경도 편차는 120 Hv 이하인 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강.
제1항에 있어서,
페라이트 상분율이 45 내지 60%인 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강.
제1항에 있어서,
오스테나이트상에 함유된 Mn, Ni 및 Cu와 관계된 하기 식 (2)를 만족하는 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강.
식(2): Mn + 0.5*Ni + N ≥ 4
(여기서, Mn, Ni, N 는 각각 오스테나이트상 내의 망간, 니켈, 질소의 중량%를 의미한다.)
중량%로, C: 0.08% 이하(0 제외), Si: 1% 이하(0 제외), Mn: 2 내지 4%, Cr: 19 내지 22%, N: 0.2 내지 0.3%, Ni: 0.5 내지 1.5, Cu: 1% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강을 열간 압연하는 단계;
상기 열연강판을 하기 식 (1)을 만족하도록 1050 내지 1200℃의 범위에서 소둔 열처리 하는 단계;를 포함하는 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법.
식(1): 551 - 462(C+N) - 9.2Si - 8.1Mn - 13.7Cr - 29(Ni+Cu) - 18.5Mo - 0.1x소둔온도(℃) ≤ -50
(여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, Mo 는 각각 탄소, 질소, 실리콘, 망간, 크롬, 니켈, 구리, 몰리브덴의 중량%를 의미한다.)
제6항에 있어서,
Mo; 0.5% 이하를 더 포함하는 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 열연소둔강판을 냉간압연하여 냉연강판을 얻는 단계; 및 상기 냉연강판을 1050 내지 1200℃의 온도로 소둔 열처리하는 단계;를 더 포함하는 절곡성이 향상된 린 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법.