KR20190124260A - 페라이트계 스테인리스 강판, 핫 코일 및 자동차 배기계 플랜지 부재 - Google Patents

페라이트계 스테인리스 강판, 핫 코일 및 자동차 배기계 플랜지 부재 Download PDF

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KR20190124260A
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Abstract

판두께(t)가 5.0~12.0mm인 페라이트계 스테인리스 강판으로서, 화학 조성이, 질량%로, C：0.001~0.010%, Si：0.01~1.0%, Mn：0.01~1.0%, P：0.04% 이하, S：0.010% 이하, Cr：10.0~20.0%, Ni：0.01~1.0%, Ti：0.10~0.30%, V：0.01~0.40%, Al：0.005~0.3%, N：0.001~0.02%, 필요에 따라서, B, Mo, Cu, Mg, Sn, Sb, Zr, Ta, Nb, Hf, W, Co, Ca, REM 및 Ga의 일종 이상을 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이며, 금속 조직이, 압연 방향에 평행한 단면에 있어서, 장경/단경이 5.0 이상인 조직이 면적률로 90% 이상이며, 평균 단경이 100μm 이하이다. 이 페라이트계 스테인리스강은, 인성이 우수하며, 자동차 배기계 플랜지 등에 알맞다.

Description

페라이트계 스테인리스 강판, 핫 코일 및 자동차 배기계 플랜지 부재
본 발명은, 페라이트계 스테인리스 강판, 핫 코일 및 자동차 배기계 플랜지 부재에 관한 것이다.
자동차의 배기가스 경로는, 이그저스트 매니폴드, EGR(Exhaust Gas Recirculation), 머플러, 촉매, DPF(Diesel particulate filter), 요소 SCR(Selective Catalytic Reduction), 플렉서블 튜브, 센터 파이프 및 프런트 파이프 등 다양한 부품으로 구성되어 있다. 이들 부품을 연결할 때, 플랜지로 불리는 체결 부품을 사용하는 경우가 많다. 자동차의 배기계 부품에서는, 가공 공정수가 적게 해결됨과 동시에 작업 공간이 좁게 해결되기 때문에, 플랜지 접합이 적극적으로 채용되고 있다.
또, 진동에 의한 소음 및 강성 확보의 관점에서, 5mm 두께 이상의 두꺼운 플랜지가 사용되는 경우가 많다. 플랜지는 블랭킹 가공, 프레스 성형 등의 공정으로 제조되며, 종래 보통 강의 강판이 소재에 이용되고 있었다. 그러나, 스테인리스강 제의 다른 배기계 부품에 비해 내식성이 뒤떨어지는 보통 강의 플랜지는 녹의 발생이 눈에 띄어, 미관을 해치는 경우가 있었다. 이로 인해, 플랜지 소재로서 보통 강판을 전환하여, 스테인리스 강판의 채용이 적극적으로 진행되고 있다.
페라이트계 스테인리스강은 Cr을 함유하기 때문에, 또 상 변태에 의한 금속 조직의 미세화가 어려워, 보통 강에 비해 인성이 낮다. 특히 고Cr, Al, Si의 스테인리스강은 그 저인성이 문제이며, 코일을 가온하여 통판하거나, 열연 강판 두께를 얇게 하는 등의 대책이 행해지고 있다.
페라이트계 스테인리스강의 열연 강판 또는 열연 소둔 강판을, 5mm 이상의 판두께로 제조하는 경우, 판두께의 증가에 의해 인성이 더욱 저하한다. 코일을 되감을 때, 형상 교정, 절단, 열연 강판의 소둔이나 산세 등의 공정을 통판할 때에, 판 파단이 발생하기 쉬워진다. 상기 공정을 통판하기 위해서는, 코일과 코일을 용접하여 연결하는 것이 많은 경우 필요하다. 그러나, 판두께가 증가하면 용접에 필요로 하는 시간이 길어지기 때문에, 가온한 코일도 온도가 저하하고, 취성적인 파단이 발생하는 경우가 있다. 이로 인해, 페라이트계 스테인리스강에서 판두께가 5mm를 초과하는 강판이 필요한 경우는, 종래 후판으로서 제조되고 있으며, 열연 코일로서 제조하는 경우보다 비용이 비싸지는 것이 문제였다.
페라이트계 스테인리스 강판의 인성에 관한 과제를 해결하기 위한 연구는 지금까지도 복수 소개되고 있다.
예를 들어, 일본국 특허공개 소60-228616호 공보(특허문헌 1)에서는 열연 코일의 냉간 전개, 냉간 압연 및 각종 핸들링시에 발생하기 십상인 균열 등의 트러블이 발생하지 않는 인성이 우수한 고순도 페라이트계 스테인리스강 열연 강대를 얻기 위해서, 열간 압연한 후, 즉시 10℃/sec 이상의 냉각 속도에서 급랭을 행하여, 450℃ 이하의 온도로 권취하는 것을 특징으로 하는 제조 방법이 개시되어 있고, 충격 파면 천이 온도가 -20℃ 이하가 된 것, 또, 실시예에 있어서 판두께 3mm에 있어서의 코일 전개의 가부가 개시되어 있다. 이 기술에 의해서, 열연 강대를 수조에 넣어 수냉하는, 열연 강대의 인성값에 편차가 많아지는 제조 방법을 피할 수 있는 것이 개시되어 있다.
일본국 특허공개 평8-199237호 공보(특허문헌 2)에서는, Nb를 0.20%~0.80% 포함하고, Cr：13.5%를 초과~15.5% 포함하는 열연 강판의 저온 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강이며, 판두께가 4.5mm 이상, 9.0mm 이하의 열연 강대를 제조하는 방법으로서, 800℃ 이상으로 열간 압연한 후에 즉시 냉각하고, 열간 압연 후의 판두께(t)와 열간 압연시의 권취 온도(T)가 t×T≤3600의 관계를 만족하는 온도로 권취하는 것을 특징으로 하는 제조 방법이 개시되어 있다.
일본국 특허공개 2012-140687호 공보(특허문헌 3)에는, 열연 코일을 전개하고 통판하는 라인에 있어서, 재료 균열의 문제를 안정적으로 방지하기에 충분한 인성·연성을 갖고, 판두께가 5~12mm인 Ti 함유 페라이트계 스테인리스강 열연 코일, 열연 소둔 코일에 대해 개시되어 있다. 그 수단으로는, 권취 온도를 570℃ 이상으로 하고, 권취 종료시부터 5분 이상 경과 후이며, 또한 코일 최외주의 표면 온도가 550℃ 이상일 때에 코일을 수중에 침지하여, 당해 수중에서 15분 이상 유지하는 제조 방법이 개시되어 있다.
한편, 일본국 특허공개 2012-140688호 공보(특허문헌 4)에서는, 열연 코일을 전개하여 통판하는 라인에 있어서, 재료 균열의 문제를 안정적으로 방지하기에 충분한 인성·연성을 갖고, 판두께가 5~10mm인 Nb 함유 페라이트계 스테인리스강 열연 코일, 열연 소둔 코일에 대해 개시되어 있다. 또, 그 수단으로는, 스테인리스강 슬래브를 마무리 압연 온도 890℃ 이상으로 하며, 권취 전에 수냉하고 권취 온도 400℃ 이하로 권취하여 코일로 하며, 권취 종료시부터 30분 이내에 코일을 수중에 침지하여, 당해 수중에서 15분 이상 유지하는 제조 방법이 개시되어 있다.
일본국 특허공개 2000-169943호 공보(특허문헌 5)에서는, 질량%로, C：0.001~0.1%, N：0.001~0.05%, Cr：10~25%, S：0.01% 이하, P：0.04% 이하, Mn：0.01~2%, Si：0.01~2%, O：0.01% 이하, Sn：0.05%~2%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 페라이트계 스테인리스강이 개시되어 있다. 이 페라이트계 스테인리스강은, 고온에서 장시간 사용되는 경우에도 고온 강도가 시효 열화하지 않는다고 되어 있다.
일본국 특허공개 소60-228616호 공보 일본국 특허공개 평8-199237호 공보 일본국 특허공개 2012-140687호 공보 일본국 특허공개 2012-140688호 공보 일본국 특허공개 2000-169943호
특허문헌 1의 기술에서는 판두께가 5mm를 초과하는 두꺼운 페라이트계 스테인리스 강판의 인성을 개선하는 것은 어려웠다.
특허문헌 2의 기술에서는, Nb 첨가 강의 인성을 향상시킬 수 있으나, Ti 첨가 강의 인성 향상에는 효과가 얻어지지 않았다.
특허문헌 3의 기술과 같이, 코일 수냉에 의한 인성 개선은, 코일 내의 냉각 속도의 변동이 크고, 인성의 편차가 발생하는 문제가 있었다.
특허문헌 4의 기술은, Nb 함유 페라이트계 스테인리스강을 대상으로 하고 있고, 경도 및 샤르피 충격값을 조정하기 위해서, 열연 마무리 온도를 890℃ 이상으로 하고 400℃ 이하에서 권취하여, 코일을 수중에 침지하므로, 인용 문헌 1에도 기술되어 있던 바와 같이, 코일 내의 냉각 속도의 변동이 크고, 인성의 편차가 발생하는 문제가 있었다.
특허문헌 5의 기술은, 열간 압연시에 가열 온도를 1000℃ 이상 1300℃ 이하로 하여 열간 압연을 행하는 것이기 때문에, 판두께가 5mm를 초과하는 페라이트계 스테인리스 강판의 결정 입경을 작게 하지 못하고, 인성을 개선하는 것은 어렵다.
본 발명의 목적은, 기존 기술의 문제점을 해결하고, 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 강판을 효율적으로 제조하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명자들은 페라이트계 스테인리스 강판의 저온 인성에 관해서, 성분 및 제조 과정에 있어서의 열연 조건, 금속 조직적 견지로부터 상세한 연구를 행하여, 제조 공정에 있어서의 조직 변화와 인성에 대한 영향을 밝혔다.
티탄 첨가의 페라이트계 스테인리스강은, 그 제조 공정에 있어서 상 변태가 일어나지 않기 때문에, 금속 조직의 제어가 어렵다. 즉, 열연에 제공하는 슬래브는 판두께가 150~250mm이고, 그 금속 조직은 응고 조직, 즉 조대(粗大)한 주상정이다. 이 주상정은 폭이 수백μm부터 수십mm, 길이가 수mm부터 수cm이다. 열연시에 가열로에서 통상은 1100℃~1300℃로 가열되고, 조압연기로 리버스 압연에 의해, 판두께가 20~40mm인 조압연 바(bar)까지 압연될 때에, 그 대부분의 조직이 재결정하여, 결정 입경으로 수백μm까지 미세화된다. 그 후의 마무리 열연 공정에서 원하는 판두께까지 압연된다. 마무리 열연은, 일반적으로는 텐덤 방식으로 일 방향으로 압연되는데, 스테켈 밀에서는 마무리 열연도 리버스 방식으로 행해진다. 마무리 열연에서는 조열연 후의 조직이 전신(展伸)하는 것만으로, 재결정은 극히 조금밖에 일어나지 않는다.
본 발명자는, 상기 각 공정에 있어서의 조직 변화와 그것에 수반하는 재질에 대한 영향을 조사하는 중에, 조열연 조직의 미세화가, 열연 강판의 인성 향상에 매우 유효한 것을 찾아냈다. 조직의 미세화에는 저온에서 대변형 가공하는 것이 유효하나, 저온에서 열연하면 열연 후의 재결정도 지연되기 때문에, 조열연 후, 마무리 열연 직전의 조압연 바 조직에 있어서 미재결정부가 잔존하기 쉬워진다. 미재결정부가 잔존하는 조압연 바를 마무리 압연하여 제조한 열연 코일로부터 냉연 소둔하여 제조한 박판은, 가공시에 리징(ridging)으로 불리는 조대한 표면 거침이 발생하기 때문에, 종래부터 페라이트계 스테인리스강 열연 강대의 제조에 있어서는, 조열연 조직에 미재결정부가 잔존하는 저온 가열 열연은 피해 왔다.
한편, 자동차 배기계 부품의 플랜지용 강재에는, 종래 보통 강이 이용되어 왔으나, 최근, 내식성이 높은 페라이트계 스테인리스강이 이용되게 되어 있다. 상기의 플랜지에는 어느 정도의 두께가 필요하거나, 또, 그만큼 높은 표면 성상이 요구되지 않는 때문에, 페라이트계 스테인리스강의 후판이 주로 이용된다. 생산성을 향상시키기 위해서는, 페라이트계 스테인리스강의 핫 코일을 이용하는 것이 바람직하다. 그러나, 핫 코일의 되감기나 형상 교정, 산세 공정을 통판할 때의 파단을 피하기 위해서, 핫 코일에는, 우수한 인성이 요구된다. 특히, 판두께가 두꺼울수록 인성은 저하하는 경향이 있다.
그래서, 본 발명자들이 연구한 결과, 열연 강판의 인성이나, 열연 소둔 강판의 인성에 관해서는, 조압연 바에 있어서의 미재결정부가 잔존해도, 조압연 바의 대부분의 조직을 세립화함으로써 인성이 향상하는 것을 알았다. 조열연 조직의 미세화를 이루기 위해서는, 열연 가열 온도를 940~990℃로 하고, 조열연 공정은 극력 저온에서 행하는 것이 중요하다. 단, 가열 온도를 너무 내리면 조열연 공정, 조열연 후부터 마무리 열연 개시까지의 사이에 재결정이 일어나기 어렵다. 이로 인해, 조열연 종료부터 마무리 열연 개시까지의 사이에 강대 온도의 저하를 억제하는 것이 특히 중요하다. 또한, 플랜지 접합 부품 등은, 냉간 압연을 행하지 않고, 열연 강판을 이용하므로, 리징의 문제는 애초에 발생하지 않는다.
도 1의 좌측은, 본 발명에 따르는 강재의 일례, 우측은 종래 강재의 미크로 조직 확대도인데, 비교하면, 본 발명 강재가 미세한 결정 입자 조직으로 구성되어 있고, 샤르피 충격 시험 흡수 에너지값도 종래 강재가 약 20J/cm2 이하인데 비해, 본 발명 강재에서는 40J/cm2 이상을 달성하고 있다.
상기 과제를 해결하는 본 발명의 요지는, 이하와 같다.
(1) 판두께(t)가 5.0~12.0mm인 페라이트계 스테인리스 강판으로서,
화학 조성이, 질량%로,
C：0.001~0.010%,
Si：0.01~1.0%,
Mn：0.01~1.0%,
P：0.04% 이하,
S：0.010% 이하,
Cr：10.0~20.0%,
Ni：0.01~1.0%,
Ti：0.10~0.30%,
V：0.01~0.40%,
Al：0.005~0.3%,
N：0.001~0.02%,
B：0~0.0030%,
Mo：0~2.0%,
Cu：0~0.3%,
Mg：0~0.0030%,
Sn：0~0.1%,
Sb：0~0.1%,
Zr：0~0.1%,
Ta：0~0.1%,
Nb：0~0.1%,
Hf：0~0.1%,
W：0~0.1%,
Co：0~0.2%,
Ca：0~0.0030%,
REM：0~0.05%,
Ga：0~0.1%,
잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이고,
금속 조직이, 압연 방향에 평행한 단면에 있어서, 장경/단경이 5.0 이상인 조직이 면적률로 90% 이상이며, 평균 단경이 100μm 이하인, 페라이트계 스테인리스 강판.
(2) 상기 (1)의 페라이트계 스테인리스 강판을 이용한, 핫 코일.
(3) 상기 (1)의 페라이트계 스테인리스 강판을 이용한, 자동차 배기계 플랜지 부재.
(4) 상기 (2)의 페라이트계 스테인리스 핫 코일을 이용한, 자동차 배기계 플랜지 부재.
본 발명에 의하면, 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 강판을, 효율적으로 제공할 수 있다. 이 페라이트계 스테인리스 강판은, 특히 자동차 배기계 플랜지 부재로서 알맞다.
도 1은 본 발명에 따르는 강재와 종래 강재의 미크로 조직을 도시한 도면이다.
도 2는 평균 단경의 25℃의 샤르피 충격값에 미치는 영향을 도시한 도면이다.
1. 화학 조성
C：0.001~0.010%
C는, 고용 C에 의한 경질화 및 탄화물 석출에 의해 인성을 열화시키기 때문에, 그 함유량은 적을수록 좋다. 또, 과잉 함유는, 탄화물 생성에 기인하여 인성의 저하가 발생하기 때문에, 상한을 0.010%로 했다. 단, 과도한 저감은 정련 비용의 증가로 연결되기 때문에, 하한을 0.001%로 했다. 또한, 제조 비용, 내식성 및 강판 인성 등을 고려하여, 하한은 0.002% 또는 0.003%로 해도 되고, 상한은 0.009%, 0.008% 또는 0.007%로 해도 된다.
Si：0.01~1.0%
Si는, 탈산 원소로서 첨가되는 경우가 있는 것 외, 내산화성의 향상을 가져오나, 고용 강화 원소이기 때문에, 인성의 관점에서는 적을수록 좋다. 과잉 함유는, 인성의 저하가 현저하게 발생하기 때문에, 상한을 1.0%로 했다. 한편, 내산화성 확보를 위해, 하한을 0.01%로 했다. 단, 과도한 저감은 정련 비용의 증가로 연결되기 때문에, 재질이나 내초기 녹성(initial rust resistance) 등을 고려하여, 하한은 0.05%, 0.10% 또는 0.15%로 해도 되고, 상한은 0.9%, 0.8%, 0.7% 또는 0.6%로 해도 된다.
Mn：0.01~1.0%
Mn은, Si와 동일하게, 고용 강화 원소이기 때문에, 재질상 그 함유량은 적을수록 좋다. 특히, 과잉 함유는, 열간 압연시에 γ상의 석출에 의한 재결정의 지연이 발생하고 인성이 저하하는 경우가 있기 때문에, 상한을 1.0%로 했다. 한편, 과도한 저감은 정련 비용의 증가로 연결되는 것 외, 미량의 Mn 첨가는 스케일 박리성을 향상시키기 때문에, 하한은 0.01%로 했다. 또한, 재질이나 제조 비용 등을 고려하여, 하한은 0.1%, 0.2%, 0.25% 또는 0.3%로 해도 되고, 상한은 0.7%, 0.6%, 0.5% 또는 0.4%로 해도 된다.
P：0.04% 이하
P는 페로크롬 등의 원료로부터 불가피적 불순물로서 혼입하는 원소이며, Mn이나 Si 이상으로 고용 강화능이 강하다. 재료를 경질화시키기 위해, 인성의 관점에서 그 함유량은 적을수록 좋다. 또, 과잉 함유는, P의 입계 편석에 기인한 취화를 발생시키기 때문에, 상한을 0.04%로 했다. P의 하한은 특별히 정할 필요는 없으며, 0%이다. 그러나, 과도한 저감은 원료 비용의 증가로 연결되기 때문에, 하한은 0.005%, 0.01% 또는 0.015%로 해도 된다. 또한, 내식성 등을 고려하여, 상한은 0.03%, 0.025% 또는 0.02%로 해도 된다.
S：0.010% 이하
S도 원료로부터 불가피적 불순물로서 혼입하는 원소이며, 내식성을 열화시키기 때문에, 그 함유량은 적을수록 좋다. 또, 과잉 함유는, MnS, Ti4C2S2 등의 석출물 생성에 기인하여 조열연에 있어서의 재결정이 지연되는 경향이 보여지기 때문에 상한을 0.010%로 했다. S의 하한은 특별히 정할 필요는 없으며, 0%이다. 그러나, S에는 Mn이나 Ti와 결합하여 플랜지 성형에 있어서의 블랭킹성을 향상시키는 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위해서, 하한은 0.0002%, 0.0005% 또는 0.001%로 해도 된다. 또한, 연료 부품으로 했을 때의 간극 부식 억제 등을 고려하여, 상한은 0.008%, 0.006% 또는 0.005%로 해도 된다.
Cr：10.0~20.0%
Cr은, 내식성이나 내산화성을 향상시키는 원소이며, 플랜지에 요구되는 내염해성을 고려하면, 10.0% 이상의 함유가 필요하다. 한편, 과잉 함유는, 경질이 되어, 성형성이나 인성을 열화시킨다. 또, 고용 Cr에 의해서 조열연시의 재결정이 지연되는 경향이 있고, 20.0% 초과의 경우는 마무리 열연 직전에 있어서 미재결정 조직이 잔존하여 강판의 인성을 저하시키기 때문에, 상한을 20.0%로 했다. 또한, 제조 비용이나 인성 열화에 의한 제조시의 판 파단 등을 고려하여, 하한은 11.0%, 12.0% 또는 13.0%로 해도 된다. 또, 상한은 19.0%, 18.0% 또는 17.0%로 해도 된다.
Ni：0.01~1.0%
Ni는, 간극 부식의 억제나 재부동태화를 촉진함으로써 내초기 녹성을 향상시키기 때문에, 0.01% 이상 함유시킨다. 단, 과잉 함유는, 경질화를 초래하여, 성형성을 열화시키고, 또, 열간 압연시에 오스테나이트상의 석출을 촉진하며, 조열연시의 재결정을 지연시키고, 또한, 응력 부식 균열이 발생하기 쉬워지기 때문에, 상한을 1.0%로 했다. 또한, 원료 비용 등을 고려하여, 하한은 0.02%, 0.03% 또는 0.05%로 해도 되고, 상한은 0.5%, 0.3%, 0.2% 또는 0.1%로 해도 된다.
Ti：0.10~0.30%
Ti는 C, N, S, P와 결합하여 내식성, 내입계 부식성, 인성을 향상시키기 위해서 첨가하는 원소이다. 특히 C, N의 고정이 충분하지 않으면 예민화에 의해, Cr 결핍층이 발생하고 내식성의 현저한 저하가 발생하기 때문에, 0.10%가 하한이 된다.
용접부도 포함하여 내식성을 충분히 확보하기 위해서, 하한은, 0.12%, 0.14% 또는 0.16%로 해도 된다. 한편, 과잉 함유는, 제강 공정에 있어서, 용강 중에 조대한 TiN을 석출시키고, 강판의 인성을 저하시키기 때문에, 상한을 0.30%로 했다. 제조 비용 등을 고려하여, 상한은, 0.28%, 0.25% 또는 0.22%로 해도 된다.
V：0.01~0.40%
V는, 간극 부식을 억제시키는 것 외, 미량 첨가에 의해서 인성 향상에 기여하기 때문에, 0.01% 이상 함유시킨다. 단, 과잉 함유는, 경질화를 초래하여, 성형성을 열화시키는 것 외, 조대한 V(C, N)가 석출함으로써 인성 열화가 발생하기 때문에, 상한을 0.4%로 했다. 또한, 인성 향상, 원료 비용이나 초기 녹성 등을 고려하여, 하한은 0.02%, 0.03% 또는 0.04%로 해도 되고, 상한은 0.20%, 0.10% 또는 0.06%로 해도 된다.
Al：0.005~0.3%
Al은, 탈산 원소로서 첨가되는 원소이며, 강 중의 산화물을 저감하여 강판의 인성을 향상시킨다. 그 작용은 0.005%부터 발현하기 때문에, 하한을 0.005%로 했다. 또, 과잉 함유는, 인성의 저하나, 용접성 및 표면 품질의 열화를 가져오는 것 외, 조열연시의 재결정을 지연시키기 때문에, 상한을 0.3%로 했다. 또한, 정련 비용 등을 고려하여, 하한은 0.01%, 0.02% 또는 0.03%로 해도 되고, 상한은 0.15%, 0.1%, 0.08% 또는 0.06%로 해도 된다.
N：0.001~0.02%
N은, C와 동일하게 인성과 내식성을 열화시키기 때문에, 그 함유량은 적을수록 좋다. 또, 과잉 함유는, 응고시의 조대 질화물 생성에 기인하여 인성의 저하를 발생시켜, 결정 입경의 미세화만으로는 인성의 개선이 도모되지 않기 때문에, 상한을 0.02%로 했다. 단, 과도한 저하는 정련 비용의 증가로 연결되기 때문에, 하한을 0.001%로 했다. 또한, 제조 비용과 가공성 및 초기 녹성 등을 고려하여, 하한은 0.003%, 0.005% 또는 0.006%로 해도 되고, 상한은 0.015%, 0.010% 또는 0.009%로 해도 된다.
페라이트계 스테인리스강의 인성 향상의 관점에서는 저감하는 것이 바람직하나, 내식성이나 내산화성, 프레스 성형성, 열연흔의 저감 등의 관점에서, 또한, B, Mo, Cu, Mg, Sn, Sb, Zr, Ta, Nb, W, Co, Ca, REM, Ga, Bi를 적량 첨가하는 것도 유효하다.
B：0~0.0030%
B는, 입계에 편석함으로써 제품의 2차 가공성을 향상시키는 원소이며, 플랜지의 블랭킹성을 향상시키기 때문에, 함유시켜도 된다. 단, 과잉 함유는, 붕화물이 석출하여 인성을 열화시키는 것 외, 조열연시의 재결정을 지연시키기 때문에, 상한을 0.0030%로 했다. B의 하한은, 특별히 정할 필요는 없으며, 0%이다. 인성 향상 등을 위해, 하한은, 0.0001% 또는 0.0002%로 해도 된다. 비용이나 연성 저하 등을 고려하여, 상한은 0.0020%, 0.0010% 또는 0.0005%로 해도 된다.
Mo：0~2.0%
Mo는, 내식성이나 고온 강도를 향상시키는 원소이며, 특히 간극 구조를 갖는 경우에는 간극 부식을 억제하기 때문에, 함유시켜도 된다. 또, 과잉 함유는, 현저하게 내산화성을 올리고, 열연 가열시에 이상 산화에 의한 흔을 발생시키거나, 조열연시의 재결정을 지연시키고, 조열연 조직의 조대화가 발생하여 인성 저하의 원인이 되기 때문에, 상한을 2.0%로 했다. Mo의 하한은, 특별히 정할 필요는 없으며, 0%이다. 인성 향상 등을 위해, 0.01% 이상 함유시켜도 된다. 또한, 제조 비용 등을 고려하여, 하한은 0.02% 또는 0.03%로 해도 되고, 상한은 1.2%, 0.3% 또는 0.1%로 해도 된다.
Cu：0~0.3%
Cu는, 고온 강도 향상의 외, 간극 부식의 억제나 재부동태화를 촉진시키기 위해, 함유시켜도 된다. 과잉 함유는, ε-Cu나 Cu-rich 클라스터의 석출에 의해서 경질화를 초래하고, 성형성과 인성을 열화시키기 때문에, 상한을 0.3%로 했다. Cu의 하한은, 특별히 정할 필요는 없으며, 0%이다. 성형성이나 인성 향상을 위해서, 0.01% 이상 함유시켜도 된다. 제조시의 산세성 등을 고려하여, 하한은 0.01% 또는 0.03%로 해도 되고, 상한은 0.02%, 0.12% 또는 0.10%로 해도 된다.
Mg：0~0.0030%
Mg는, 탈산 원소로서 첨가시키는 경우가 있는 것 외, 슬래브의 조직을 미세화시키고, 성형성 향상에 기여하는 원소이다. 또, Mg 산화물은 Ti(C, N)나 Nb(C, N) 등의 탄질화물의 석출 사이트가 되며, 이들을 미세 분산 석출시키는 효과가 있다. 이로 인해, Mg를 함유시켜도 된다. 단, 과잉 함유는, 용접성이나 내식성의 열화로 연결되기 때문에, 상한을 0.0030%로 했다. Mg의 하한은, 특별히 정할 필요는 없으며, 0%이다. 하한은, 필요에 따라서, 0.0003%, 0.0006% 또는 0.01%로 해도 된다. 정련 비용 등을 고려하여, 상한은 0.0020% 또는 0.0010%로 해도 된다.
Sn：0~0.1%
Sb：0~0.1%
Sn이나 Sb는, 내식성과 고온 강도의 향상에 기여하기 때문에, 함유시켜도 된다. 과잉 함유는, 강판 제조시의 슬래브 균열이 발생하는 경우가 있는 것 외, 강판의 인성에 있어서도 저하 요인이 되기 때문에 상한을 0.1%로 한다. Sn이나 Sb의 하한은, 특별히 정할 필요는 없으며, 0%이다. 하한은, 필요에 따라서, 0.005% 또는 0.01%로 해도 된다. 또한, 정련 비용이나 제조성 등을 고려하여, 상한은 0.05% 또는 0.02%로 해도 된다.
Zr：0~0.1%
Ta：0~0.1%
Nb：0~0.1%
Hf：0~0.1%
Zr, Ta, Nb 및 Hf는, C나 N과 결합하여 인성의 향상에 기여하기 때문에, 함유시켜도 된다. 단, 과잉 함유는, 비용 증가가 되는 것 외, 대형의 탄질화물 석출에 의해, 강판의 인성을 현저하게 열화시키기 때문에, 상한을 0.1%로 한다. 이들 성분의 하한은, 특별히 정할 필요는 없으며, 0%이다. 하한은, 필요에 따라서, 0.005% 또는 0.01%로 해도 된다. 또한, 정련 비용이나 제조성 등을 고려하여, 상한은 0.08% 또는 0.03%로 해도 된다.
W：0~0.1%
W는, Mo와 동일하게 내식성과 고온 강도의 향상에 기여하기 때문에, 함유시켜도 된다. 과잉 함유는, 강판 제조시의 인성 열화 및 비용 증가로 연결되기 때문에, 상한을 0.1%로 한다. W의 하한은, 특별히 정할 필요는 없으며, 0%이다. 하한은, 필요에 따라서, 0.01%로 해도 된다. 정련 비용이나 제조성 등을 고려하여, 상한은 0.05% 또는 0.02%로 해도 된다.
Co：0~0.2%
Co는, 고온 강도의 향상에 기여하기 때문에, 함유시켜도 된다. 과잉 함유는, 고용 강화나 조열연시의 재결정 억제에 의한 인성 저하가 발생하기 때문에, 상한을 0.2%로 한다. Co의 하한은, 특별히 정할 필요는 없으며, 0%이다. 상기의 효과를 얻기 위해서, 하한은, 0.01%, 0.02% 또는 0.04%로 해도 된다. 또한, 정련 비용이나 제조성 등을 고려하여, 상한은 0.15% 또는 0.1%로 해도 된다.
Ca：0~0.0030%
Ca는, 탈황 효과를 가지므로, 함유시켜도 된다. 그러나, 과잉 함유는, 조대한 CaS가 생성되어 내식성을 열화시키기 때문에, 상한을 0.0030%로 했다. Ca의 하한은, 특별히 정할 필요는 없으며, 0%이다. 정련 비용이나 제조성 등을 고려하여, 상한은 0.0030% 또는 0.0020%로 해도 된다.
REM：0~0.05%
REM은, 여러 가지의 석출물의 미세화에 의한 인성 향상이나 내산화성 향상의 효과를 가지므로, 함유시켜도 된다. 그러나, 과잉 함유는, 주조성을 현저하게 나쁘게 하는 것 외, 고용 강화나 조열연시의 재결정 억제에 의해, 인성을 저하시키기 때문에 상한을 0.05%로 했다. REM의 하한은, 특별히 정할 필요는 없으며, 0%이다. 상기의 효과를 얻기 위해서, 하한은, 0.001% 또는 0.002%로 해도 된다. 또한, 정련 비용이나 제조성 등을 고려하여, 상한은 0.01% 또는 0.005%로 해도 된다. REM(희토류 원소)은, 일반적인 정의에 따라, 스칸듐(Sc), 이트륨(Y)의 2원소와, 란탄(La)부터 루테늄(Lu)까지의 15원소(란타노이드)의 총칭을 가리킨다. 단독으로 첨가해도 되고, 혼합물이어도 된다.
Ga：0~0.1%
Ga는, 내식성 향상이나 수소 취화 억제를 위해, 0.1% 이하의 범위에서 함유시켜도 된다. Ga의 하한은, 특별히 정할 필요는 없으며, 0%이다. 황화물이나 수소화물 형성의 관점에서, 필요에 따라서, 하한은 0.0002%로 해도 된다. 제조성이나 비용의 관점, 및, 조열연 재결정 촉진의 관점 등에서, 상한은, 0.0020%로 해도 된다.
그 외의 성분에 대해 본 발명에서는 특별히 규정하는 것은 아니나, 본 발명에 있어서는, Bi 등을 필요에 따라서, 0.001~0.1% 함유시켜도 된다. 또한, As, Pb 등의 일반적인 유해한 원소나 불순물 원소는 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다.
2. 금속 조직
본 발명의 페라이트계 스테인리스 강판의 금속 조직은, 압연 방향에 평행한 단면에 있어서, 장경/단경이 5.0 이상인 조직이 면적률로 90% 이상이다. 장경/단경이 5.0 이상인 조직이 면적률로 90% 이상이라는 것은, 본 발명의 페라이트계 스테인리스 강판이 열연 그대로의 강판인 것을 의미하고 있다. 상기의 조직의 면적률은, 높을수록 바람직하다. 필요에 따라서, 면적률의 하한은, 91%, 92% 또는 93%로 해도 된다. 면적률의 상한은 100%인데, 그 상한은, 99% 또는 98%로 해도 된다. 여기서, 금속 조직의 측정은, 압연 방향 및 판두께 방향에 평행한 단면에 있어서, 질산 전해 에칭에 의해서 입계를 출현시켜, 0.25t(t：판두께) 위치 및 0.50t(t：판두께) 위치의 각각의 위치에 있어서, 적어도 1mm2의 영역을 광학 현미경으로 관찰하고, 결정 입자의 장경 및 단경의 비(장경/단경)가 5.0 이상인 결정 입자의 면적분율을 측정한다. 그리고, 장경/단경이 5.0 이상인 조직은, 0.25t 위치 및 0.50t 위치의 면적분율의 평균값이 90% 이상인 것을 기준으로 한다.
본 발명의 페라이트계 스테인리스 강판의 평균 단경은, 100μm 이하이다. 여기서, 평균 단경은, 0.25t~0.75t(t：판두께)의 평균 단경을 기준으로 한다. 구체적으로는, 압연 방향 및 판두께 방향에 평행한 단면에 있어서, 질산 전해 에칭에 의해서 입계를 출현시켜, 판두께 방향에 평행한 직선 상을 0.25t~0.75t(t：판두께)의 범위에서 관찰하고, JIS G0551 부속서 C.2에 준하여, 상기 직선이 보충한 결정 입자의 수를 측정하여, 상기 직선의 실제 길이를 계측한 결정 입자의 수로 나누어, 「평균 단경」을 구했다.
도 2에 도시한 바와 같이, 평균 단경이 100μm를 초과하는 경우에는, 25℃의 샤르피 충격값이 작다. 그러나, 이 평균 단경이 100μm 이하가 되면, 25℃의 샤르피 충격값이 상승하여, 40J/cm2 이상이 되고, 강판 인성이 향상한다. 이때, 일부에 조열연시에 미재결정인 조대한 전신 입자가 잔존해도, 주위를 미세한 페라이트 전신 입자로 둘러쌈으로써 강판으로서의 인성은 확보된다. 이로 인해, 평균 단경의 상한을 100μm로 한다. 인성 향상을 위해서, 그 상한은, 95μm, 90μm, 85μm, 80μm 또는 78μm로 해도 된다. 한편, 저온 대변형 가공으로 조직을 미세화하면, 열연시에 압연 워크롤과 강판의 눌어붙음이 발생하기 쉬워지고, 조직의 미세화에도 한계가 있기 때문에, 평균 단경의 하한은, 30μm로 해도 된다. 필요에 따라서, 그 하한은, 40μm, 47μm, 51μm, 55μm 또는 60μm로 해도 된다.
3. 제조 방법
본 발명의 강판은, 제강 공정 및 열간 압연에 의해 제조된다.
제강 공정은, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기의 화학 조성을 갖는 강을, 전로 용제하고, 계속해서 2차 정련을 행하는 방법이 알맞다. 용제한 용강은, 공지의 주조 방법(연속 주조)에 따라서 슬래브로 한다. 슬래브는, 소정의 온도로 가열되고, 소정의 판두께로 연속 압연으로 열간 압연된다.
열연 공정은, 본 발명의 금속 조직을 얻기 위해서는 특히 중요한 공정이다. 본 발명자들은, 지금까지의 연구에 의해, 하기의 추천 조건을 만족하는 경우에, 본 발명의 금속 조직을 얻을 수 있는 것을 확인하고 있다.
(a) 가열 온도：940~990℃
조열연 조직을 미세하게 하기 위해서는 가열 온도의 저온화가 필요하고, 990℃ 이하로 한다. 그러나, 가열 온도가 너무 낮으면, 열연흔이 발생할 우려가 있으므로, 940℃ 이상으로 한다.
(b) 조열연 입측 온도：900~950℃
조열연의 입측 온도를 950℃ 이하로 함으로써, 조열연 조직의 미세화가 가능해진다. 가열 온도가 높아도, 조열연까지의 사이에 슬래브를 냉각함으로써, 조열연 개시 온도를 내릴 수 있다. 단, 입측 온도는, 너무 내리면, 열연흔의 원인이 되므로, 900℃ 이상으로 한다.
(c) 조열연 종료 온도：850~900℃
조열연 종료 온도가 900℃를 초과하면, 조열연 조직이 조대해진다. 한편, 850℃를 밑돌면, 조열연 후의 재결정이 지연되고, 조열연 조직(마무리 열연 개시 직전의 조직)이 조대해지며, 마무리 열연 후의 열연판 인성이 저하한다. 이로 인해, 조열연 종료 온도는, 850~900℃로 한다. 또한, 조열연 종료 온도는, 조열연 개시 온도에 의해서 대체로 정해지는 것이다. 단, 조열연의 패스 횟수를 늘리거나, 조열연의 압하율을 크게 하면, 조열연 종료 온도를 저하시키는 것이 가능하다.
(d) 조압연 압하율：80% 이상
조압연의 압하율은, 80% 이상으로 함으로써, 조열연 조직의 미세화가 가능해진다. 조압연의 압하율의 상한은 특별히 정할 필요는 없으나, 실제 제조에 있어서 95%를 초과하는 것은 거의 없어, 95%를 상한으로 해도 된다.
(e) 바 히터：30℃ 이상 승온
조열연이 리버스 압연이며, 마무리 열연이 텐덤 열연기에 의한 일 방향 압연이다. 이로 인해, 조열연기와 마무리 열연기의 사이는, 100m 정도의 간격이 설치되어 있고, 그 사이에 시트 바의 온도가 큰 폭으로 저하한다. 이 사이의 온도 저하가 너무 크면, 마무리 열연에 있어서의 하중이 커지고, 또, 품질이 불안정해지며, 또한, 금속 조직을 원하는 상태로 할 수 없게 된다. 또, 미재결정 조직의 비율이 증가하고, 평균 결정 입경은 커진다. 이로 인해, 열연 코일의 마무리 열연 개시 온도를 코일 길이 방향에 있어서 균일하게 할 필요가 있다. 따라서, 인덕션 방식 등의 바 히터로 시트 바(조압연 바)를 가열하는 것이 중요하다. 페라이트계 스테인리스강은, 상 변태가 없고, 슬래브의 응고 조직을 조열연 후의 재결정으로 미세화하는 것이 필요해지나, 조열연의 변형을 활용하여 재결정시키기 위해서는, 바 히터로 조열연 후의 온도 저하를 억제하는 것이 유효하다. 구체적으로는 바 히터에 의해서 30℃ 이상 승온한다. 한편, 너무 승온하면, 입자 성장에 의해 조열연 조직이 조대화하므로, 승온은 55℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.
(f) 보열 커버：보온
바 히터와 동일하게, 시트 바의 온도 저하를 억제하는 방법으로서, 조열연과 마무리 열연 사이의 반송 테이블 상하면에 보열 커버를 설치하여, 보온을 행함으로써 재결정에 의한 조직 미세화를 도모한다.
(g) 마무리 열연 입측 온도：840~890℃
마무리 열연 공정에서는, 판두께 28~38mm의 시트 바를 필요한 열연판 판두께까지 압연하고, 조열연 조직을 전신시켜, 변형을 축적시킨다. 이 공정에 있어서, 변형을 많이 축적함으로써 열연판의 인성을 향상시킬 수 있다. 변형의 축적(전위 밀도의 증가)에 압연 개시 온도를 890℃ 이하로 하는데, 너무 내리면 열연흔이 발생한다. 이로 인해, 마무리 열연 입측 온도는 840~890℃로 한다.
(h) 마무리 열연 종료 온도：690~740℃
마무리 열연 개시 온도와 동일하게, 저온화하면 변형이 축적되어, 인성이 향상하나 너무 내리면 열연흔이 발생한다. 여기서 말하는 열연흔의 원인은, 열연 워크롤과 열연판의 눌어붙음이 주원인이다. 이로 인해, 마무리 열연 개시 온도는 690~740℃로 한다. 또한, 마무리 열연 종료 온도는, 마무리 열연 개시 온도에 연동하여, 정해지는 것이지만, 압연 속도나 판두께에 의해서도 변화한다.
(i) 마무리 압연 압하율：60% 이상
마무리 압연의 압하율은, 60% 이상으로 함으로써, 조열연 조직의 미세화가 가능해진다. 마무리 압연의 압하율의 상한은 특별히 정하지 않으나, 실제 제조에 있어서 95%를 초과하는 것은 거의 없어, 95%를 상한으로 해도 된다.
(j) 수냉 개시 시간：2초 이내
페라이트계 스테인리스강은, 상 변태가 없기 때문에, 조열연 후의 조직은, 조열연에서의 재결정 입자가 마무리 열연에서 전신한 전신 입자이다. 마무리 열연에서 축적된 변형이 회복 또는 재결정에 의해서 감소하지 않도록, 마무리 열연 종료 후는, 신속하게 냉각한다. 따라서, 마무리 열연 종료부터 수냉 개시까지의 시간은 2초 이내로 한다.
(k) 냉각 속도：25℃/s 이상
마무리 열연 후, 목표한 권취 온도까지, 열연판을 냉각하는 것이 필요하다. 마무리 열연의 최종 스탠드로부터 권취기(코일러)까지의 사이에서, 목표한 권취 온도로 식힐 필요가 있다. 이때, 25℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각한다.
(l) 수냉 종료 온도：510~560℃
권취 온도를 제어하기 위해서는, 방사 온도계 등에 의해 열연판 온도를 온라인 측정하는 것이 필요하나, 판의 온도가 450℃ 근방이 되면, 판상부의 물이 증발하지 않고 코일러까지 잔존하게 되어, 판의 온도 측정이 어려워지기 때문에, 수냉 종료 온도는 510℃ 이상으로 한다. 단, 권취 온도를 550℃ 이하로 하기 때문에, 수냉 종료 온도는 560℃ 이하로 한다.
(m) 권취 온도：500~550℃
권취 온도가 너무 높으면, 마무리 열연에서 도입한 변형이 회복 또는 재결정에 의해서 감소하는 경우가 있고, 또, FeTiP 등의 석출물이 석출되어 인성을 저하시키는 경우가 있다. 이로 인해, 권취 온도는 550℃ 이하로 한다. 단, 권취 온도가 너무 낮으면, 온도의 측정 및 제어가 어려워지기 때문에, 500℃ 이상으로 한다.
또한, 본 발명에서 제조된 열연 코일은, 코일마다 수조 중에서 냉각하는 것은 불필요하고, 제조 공정이 간략화된다. 또, 열연 강판의 두께는 플랜지로서 다용되는 5~12mm 이하로 하는데, 과도하게 두꺼워지면 인성이 극단적으로 저하하기 때문에, 5~10mm가 바람직하다.
열간 압연 후에 산세, 조질 압연, 또는 표면 연삭을 행하여 플랜지용 등에 적절한 열연 강판으로 할 수 있다.
실시예
표 1에 기재하는 성분 조성의 강을 용제하여, 슬래브로 주조하고, 슬래브를 5~15mm로 열간 압연하여 열간 압연 코일로 했다. 각종 제조시 조건을 표 2 및 표 3에 기재한다.
[표 1]
Figure pct00001
[표 2]
Figure pct00002
[표 3]
Figure pct00003
얻어진 열연 강판의 압연 방향에 평행한 단면에 있어서, 금속 조직을 관찰하고, 0.25t(t：판두께) 위치 및 0.50t(t：판두께) 위치에 있어서의, 장경/단경이 5.0 이상인 조직의 면적분율을 측정하여, 그 평균값을 구했다. 다음으로, 얻어진 열연 강판의 판두께 방향에 평행한 단면에 있어서, 질산 전해 에칭에 의해서 입계를 출현시켜, 판두께 방향에 평행한 직선 상을 0.25t~0.75t(t：판두께)의 범위에서 관찰하고, 상기 직선에 교차하는 입계의 수를 측정하여, 「평균 단경」을 구했다. 또한, 얻어진 열연 강판으로부터 샤르피 충격 시험편을 채취하여, 25℃에 있어서의 샤르피 충격 시험을 행했다. 이들의 결과를 표 4에 기재한다.
[표 4]
Figure pct00004
표 4에 기재한 바와 같이, 본 발명예 1~20에서는, 모두 양호한 표면 품질을 가짐과 더불어, 25℃의 샤르피 충격값이 40J/cm2 이상이었다. 이에 비해, 비교예 1~25는, 적어도 화학 조성 및 금속 조직 중 한쪽이 본 발명에서 규정되는 범위를 벗어나 있으며, 인성이 저하되어 있었다. 또, 비교예 26~28은, 조압연의 온도가 너무 낮았기 때문에, 재결정하지 않고 조대 입자가 되고, 열연흔이 발생하며, 또 인성도 저하했다.
산업상의 이용 가능성
본 발명에 의하면, 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 강판을, 효율적으로 제공할 수 있다. 이 페라이트계 스테인리스 강판은, 특히 자동차 배기계 플랜지 부재로서 알맞다.

Claims (4)

  1. 판두께(t)가 5.0~12.0mm인 페라이트계 스테인리스 강판으로서,
    화학 조성이, 질량%로,
    C：0.001~0.010%,
    Si：0.01~1.0%,
    Mn：0.01~1.0%,
    P：0.04% 이하,
    S：0.010% 이하,
    Cr：10.0~20.0%,
    Ni：0.01~1.0%,
    Ti：0.10~0.30%,
    V：0.01~0.40%,
    Al：0.005~0.3%,
    N：0.001~0.02%,
    B：0~0.0030%,
    Mo：0~2.0%,
    Cu：0~0.3%,
    Mg：0~0.0030%,
    Sn：0~0.1%,
    Sb：0~0.1%,
    Zr：0~0.1%,
    Ta：0~0.1%,
    Nb：0~0.1%,
    Hf：0~0.1%,
    W：0~0.1%,
    Co：0~0.2%,
    Ca：0~0.0030%,
    REM：0~0.05%,
    Ga：0~0.1%,
    잔부가 Fe 및 불가피적 불순물이고,
    금속 조직이, 압연 방향에 평행한 단면에 있어서, 장경/단경이 5.0 이상인 조직이 면적률로 90% 이상이며, 평균 단경이 100μm 이하인, 페라이트계 스테인리스 강판.
  2. 청구항 1에 기재된 페라이트계 스테인리스 강판을 이용한, 핫 코일.
  3. 청구항 1에 기재된 페라이트계 스테인리스 강판을 이용한, 자동차 배기계 플랜지 부재.
  4. 청구항 2에 기재된 페라이트계 스테인리스 핫 코일을 이용한, 자동차 배기계 플랜지 부재.
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