KR20200045907A

KR20200045907A - 피로수명이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20200045907A
Application number: KR1020180126997A
Authority: KR
Inventors: 송석원
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-05-06
Also published as: KR102170945B1

Abstract

본 발명은 저주기 피로특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 저주기 피로수명이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.2% 이하, N: 0.2% 이하, Si: 0.1 내지 4.5%, Mn: 5 내지 11%, Cr: 15 내지 20%, Ni: 6 내지 11%, Mo: 2.5% 이하, Cu: 3.5% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족한다.
(1) 20 ≤ (337*C + 78*N - 1.7*Si + 0.2*Mn + 1.7*Cr + 3.3*Ni + 17.4*Mo + 0.5*Cu - 9.934) ≤ 35
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Mo 및 Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.

Description

피로수명이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 {Austenitic stainless steels excellent in fatigue life and manufacturing method thereof}

본 발명은 저주기 피로특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

현대 사회에서는 제품의 신뢰성과 안전성에 대한 관심이 높아지고 있으며, 재료적 관점에서 제품의 사용수명 증대와 사용안전성 향상을 위해서 소재의 피로특성을 향상해야 할 필요가 있다. 대표적으로 고압의 가스를 반복적으로 사용, 충전하는 용기와 파이프에 사용되는 재료의 피로수명은 중요한 요소로 고려되고 있다.

오스테나이트계 스테인리스강은 우수한 내식성과 저온특성, 미려한 표면 및 최근에는 우수한 내식성에 의한 관리비용 절감 효과로 제진용 강재로 주목 받고 있으나, 실제 제품에 적용하기 위해서는 우수한 저주기 피로특성이 요구된다.

한국 특허공개공보 제10-2006-0042199호 (2006년05월12일 공개)

본 발명은 저주기 피로수명을 향상시킨 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.2% 이하, N: 0.2% 이하, Si: 0.1 내지 4.5%, Mn: 5 내지 11%, Cr: 15 내지 20%, Ni: 6 내지 11%, Mo: 2.5% 이하, Cu: 3.5% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족한다.

(1) 20 ≤ (337*C + 78*N - 1.7*Si + 0.2*Mn - 1.7*Cr + 3.3*Ni + 17.4*Mo + 0.5*Cu - 9.934) ≤ 35

(여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Mo 및 Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다).

또한, 하기 식(2)로 표현되는 Md30은 -230 내지 -70℃일 수 있다.

(2) Md30(℃) = (551 - 462*(C + N) - 9.2*Si - 8.1*Mn - 13.7*Cr - 29*(Ni + Cu) - 18.5*Mo)

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은 중량%로, C: 0.2% 이하, N: 0.2% 이하, Si: 0.1 내지 4.5%, Mn: 5 내지 11%, Cr: 15 내지 20%, Ni: 6 내지 11%, Mo: 2.5% 이하, Cu: 3.5% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 가열하는 단계, 상기 가열된 슬라브를 열간 압연하는 단계, 상기 열간 압연된 강편을 소둔하는 단계, 상기 소둔된 강편을 냉간 압연하는 단계 및 상기 냉간 압연된 강편을 소둔하는 단계를 포함하고, 상기 냉간 압연 및 소둔 단계를 거친 강편은 하기 식(1)을 만족한다.

또한, 하기 식(2)로 표현되는 Md30이 -230 내지 -70℃일 수 있다.

또한, 상기 냉간 압연된 강편을 소둔하는 단계는 600 내지 1100℃에서 10초 내지 10분간 진행될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강에 의하면 저주기 피로수명이 향상된다.

도 1은 오스테나이트계 스테인리스강의 식(1)값과 Md30과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 2는 오스테나이트계 스테인리스강의 피로수명을 도시한 그래프이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

따라서, 본 발명은 강의 합금설계를 개선하여 저주기 피로수명을 향상시킨 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 저주기 피로수명이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.2% 이하, N: 0.2% 이하, Si: 0.1 내지 4.5%, Mn: 5 내지 11%, Cr: 15 내지 20%, Ni: 6 내지 11%, Mo: 2.5% 이하, Cu: 3.5% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

이하, 상기 강의 성분조성에 대해서 한정한 이유에 대하여 구체적으로 설명한다. 하기 성분조성은 특별한 기재가 없는 한 모두 중량%를 의미한다.

탄소 (C): 0.2% 이하

C는 오스테나이트상 안정화에 효과적인 원소이다. 그러나, 과잉 첨가 시 고용 강화 효과에 의해 냉간 가공성을 저하시킬 뿐만 아니라, Cr 탄화물의 입계 석출을 유도하여 연성, 인성, 내식성 등을 저하시킬 수 있다. 따라서, C의 성분 범위를 0.2% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

질소 (N): 0.2% 이하

N는 오스테나이트상 안정화 및 내식성 향상에 효과적인 원소이다. 다만, N의 과잉 첨가 시 고용강화 효과에 의해 냉간 가공성을 저하시킬 수 있다. 따라서, N의 성분범위를 0.2% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

규소 (Si): 0.1 내지 4.5%

Si는 제강공정 중 탈산제의 역할을 함과 동시에 내식성을 향상시키므로, 0.1% 이상 첨가한다. 그러나, Si은 페라이트상 안정화에 효과적인 원소로서, 4.5%를 초과하여 과잉 첨가 시 주조 슬라브 내 델타(δ) 페라이트 형성을 조장하여 강재의 열간 가공성을 저하시킬 뿐만 아니라, 고용강화 효과에 의하여 강재의 연성 및 인성을 저하시킬 수 있다. 따라서, Si의 성분범위를 0.1 내지 4.5%로 제어하는 것이 바람직하다.

망간 (Mn): 5 내지 11%

Mn은 Ni의 대체로 첨가되는 오스테나이트상 안정화 원소로서 가공유기 마르텐사이트 생성을 억제하여 냉간 압연성을 향상시키므로, 5% 이상 첨가한다. 그러나 11%를 초과하여 과잉 첨가 시 황화 개재물(MnS)이 증가되어 강재의 연성, 인성 및 내식성이 저하될 수 있다. 따라서, Mn의 성분범위를 5 내지 11%로 제어하는 것이 바람직하다.

크롬 (Cr): 15 내지 20%

Cr은 내식성을 확보하기 위해 필요하며, 마르텐사이트상 생성 억제를 위하여 15% 이상을 첨가한다. 그러나 20%를 초과하여 과잉 첨가 시 슬라브 내 델타(δ) 페라이트 형성을 조장하여 강재의 열간 가공성이 저하될 수 있다. 따라서, Cr의 성분범위를 15 내지 20%로 제어하는 것이 바람직하다.

니켈 (Ni): 6 내지 11%

Ni은 오스테나이트상 안정화 원소로서 양호한 열간가공성 및 냉간가공성을 확보하기 위하여 6% 이상을 첨가한다. 다만, Ni은 고가의 원소로서 다량 첨가 시 원료 비용의 상승을 초래하므로, 그 상한을 11%로 한다. 따라서, Ni의 성분범위를 6 내지 11%로 제어하는 것이 바람직하다.

몰리브덴 (Mo): 2.5% 이하

Mo는 페라이트 안정화 원소로서 여러 산 용액에서 전면부식 및 공식 저항성을 높이며 소재의 부식에 대한 부동태 영역을 향상시킨다. 다만, Mo는 과잉 첨가 시 델타(δ) 페라이트 형성을 조장하여 강재의 열간 가공성이 저하될 수 있으므로, 그 상한을 2.5%로 한다. 따라서, Mo의 성분범위를 2.5% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

구리 (Cu): 3.5% 이하

Cu는 오스테나이트상 안정화 원소로서 재료의 연질화에 효과적이다. 그러나 Cu는 소재 비용의 상승뿐만 아니라, 열간 취성을 유발하므로, 그 상한을 3.5%로 한다. 따라서, Cu의 성분범위를 3.5% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

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

한편, 나이오븀(Nb)은 실온에서 항복응력을 상승시키는 원소로서 금속조직의 미세화에 영향을 미치며, 탄소와 함께 NbC 석출물을 형성한다. Nb은 소량 첨가 시에도 전위의 이동을 방해하여 피로수명이 하락하기 때문에 첨가하지 않는 것이 바람직하다.

상기의 성분범위를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 하기 식(1)을 만족한다.

여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Mo 및 Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.

식(1)은 철강재료의 소성변형에 대한 변형수용기구를 설명하는 지표이다. 식(1)의 값이 커질수록 강의 변형은 교차 슬립에 의하여 변형되며, 변형에 의한 전위의 쌓임이 커지게 된다. 반면, 식(1)의 값이 작아지는 경우에는 강의 변형은 면상 슬립에 의하여 변형되며, 변형에 의한 전위의 쌓임이 상대적으로 적게 된다.

Cr, Si을 제외한 C, N, Mn, Ni, Mo 및 Cu 등의 원소의 첨가는 식(1)의 값을 커지게 만들며, 오스테나이트계 스테인리스강의 변형 거동 경향을 교차 슬립하도록 만든다.

반면, Cr, Si와 같은 원소의 첨가는 식(1)의 값을 작게 만들며, 오스테나이트계 스테인리스강의 변형 거동 경향을 점차 면상 슬립이 쉽게 발생하게 만든다.

식(1)의 값이 일정 이하로 내려가게 되면, 면상 슬립과 함께 오스테나이트계 스테인리스 강재는 외부 응력에 의해서 오스테나이트 상이 알파 프라임 마르텐사이트로 변태된다. 이러한 변태 경향은 식(1)의 값이 낮을수록 커진다.

본 발명에서 식(1)의 값은 피로수명을 고려하여 20 내지 35 범위로 제어할 수 있다. 식(1)의 값이 20 이하일 경우 반복 변형 중에 발생하는 상변태에 의한 전위축적이 심해져 피로수명이 하락하는 문제가 있으며, 식(1)의 값이 35 이상일 경우 반복변형 도중에 발생하는 교차 슬립에 의한 전위밀도 상승의 원인으로 피로수명이 하락하는 문제가 생긴다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 하기 식(2)로 표현되는 Md30이 -230 내지 -70℃ 범위일 수 있다.

여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu 및 Mo는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다. 또한, 본 발명에서는 나이오븀(Nb)은 불순물 정도로만 존재하기 때문에, 이에 대한 영향은 무시한다.

Md30은 마르텐사이트가 30% 변형률에서 형성되는 온도이며, 오스테나이트계 스테인리스강의 오스테나이트 상 안정도를 나타낸다. Md30은 피로수명을 고려하여 -230 내지 -70℃ 범위로 제어할 수 있다. Md30이 -70℃을 초과하는 경우에는 오스테나이트 상이 쉽게 마르텐사이트로 변형을 하여 반복 변형 하에서의 저주기 피로수명에 악영향을 미친다. 또한, Md30이 -230℃ 미만일 경우에는 오스테나이트 상의 상변태가 어려워 오스테나이트계 스테인리스 강의 변형수용기구에 제한이 생긴다.

본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 다음과 같은 방법으로 제조된다.

중량%로, C: 0.2% 이하, N: 0.2% 이하, Si 0.1 내지 4.5%, Mn: 5 내지 11%, Cr: 15 내지 20%, Ni: 6 내지 11%, Mo: 2.5% 이하, Cu: 3.5% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 가열하고, 상기 가열된 슬라브에 대해 열간 압연을 진행하고, 상기 열간 압연된 강편에 대해 소둔을 진행하고, 상기 소둔된 강편에 대해 냉간 압연을 진행하고, 상기 냉간 압연된 강편에 대해 소둔을 진행하는 것을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 상기 열간 압연 이후 소둔 열처리는 600 내지 1100℃에서 10초 내지 10분간 진행될 수 있다.

상술한 바와 같이 오스테나이트계 스테인리스강의 피로수명을 고려하여 상기 식(1)의 값은 20 내지 35 범위로 제어하는 것이 바람직하고, 또한 상기 Md30의 값은 -230 내지 -70℃ 범위로 제어하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.

{실시예}

하기 표 1의 조성을 가지는 오스테나이트계 슬라브를 1200℃에서 2시간 가열하여 열간 압연을 진행하였으며, 열간 압연된 강편을 1100℃에서 90초간 소둔을 진행하였다.

각 발명예 및 비교예의 조성과 식(1)의 값, Md30을 아래 표 1에 나타내었다. 도 1은 표 1을 참조하여, 각 발명예 및 비교예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 식(1)의 값과 Md30간의 관계를 도시한 그래프이다.

도 2는 각 발명예 및 비교예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강을 저주기 피로시험하여 측정된 피로수명을 도시한 그래프이다. 저주기 피로시험은 이하의 조건에 따라 진행하였다. 시험편의 형상은 ASTM에 따라 제조하였으며, 제조된 시편은 연마포(#1200)로 표면 연마하였다. 그 다음 표면 연마된 시험편에 신장계(extensometer)를 부착하여 변형률 제어를 통한 저주기 피로시험을 하였다. (변형속도: 1Hz, 변형파형: 삼각파형, 변형률: 0.5% 진폭, 변형률 비(R): -1)

구분	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	Cu	N	식(1)값	Md30(℃)
비교예 1	0.06	0.4	1.3	18	8	0	0.2	0.07	11.23	-7.67
비교예 2	0.02	0.5	1.3	17	10	2	0	0.07	40.58	-65.61
비교예 3	0.02	0.5	6	17	10	2	3	0.2	53.16	-250.03
발명예 1	0.02	0.5	6	17	7	2	3	0.07	33.12	-103.68
발명예 2	0.08	4	10	17	7	0	3	0.2	23.53	-219.06

이하에서, 표 1 및 도 1,2를 참조하여 각 비교예 및 발명예에 대한 비교 평가를 한다.

표 1를 참조하면 발명예 1, 2는 식(1)값이 각각 33.12, 23.53으로서 20 내지 35의 범위에 해당하며, Md30도 각각 -103.68℃, -219.06℃으로서 -230 내지 -70℃의 범위에 해당한다. 비교예 1 내지 3은 도 1 및 표 1을 참조하면, 식(1)값과 Md30 중 어느 하나의 값도 본 발명의 수치 범위에 해당하지 않는다.

상기 표 1의 각 발명예 및 비교예의 강재에 대하여 전술한 피로시험 조건에 따라 저주기 피로시험을 진행하였다. 그 결과인 도 2로부터 발명예에 따른 저주기 피로수명이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강에 의하면 동일 저주기 피로시험 조건 하에서 발명예 1, 2의 반복수(Cycles)는 각각 13410회, 14917회로서, 비교예 1 강재의 반복수 대비 약 2.50~2.88배이며(비교예 1의 반복수: 5188회), 비교예 2의 강재 대비 반복수가 약 1.51~1.68배이며(비교예 2의 반복수: 8868회), 비교예 3의 강재 대비 반복수가 약 1.94~2.16배이므로(비교예 3의 반복수: 6896회), 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 저주기 피로수명이 각 비교예보다 현저히 우수함을 알 수 있다.

따라서, 표 1 및 도 1,2로부터 본 발명에 따른 저주기 피로수명이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은 식(1)값이 20 내지 35, Md30이 -230 내지 -70℃일 때 저주기 피로수명이 우수해짐을 알 수 있다.

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: 0.2% 이하, N: 0.2% 이하, Si: 0.1 내지 4.5%, Mn: 5 내지 11%, Cr: 15 내지 20%, Ni: 6 내지 11%, Mo: 2.5% 이하, Cu: 3.5% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
하기 식(1)을 만족하는 오스테나이트계 스테인리스강:
(1) 20 ≤ (337*C + 78*N - 1.7*Si + 0.2*Mn - 1.7*Cr + 3.3*Ni + 17.4*Mo + 0.5*Cu - 9.934) ≤ 35
(여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Mo 및 Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다).
제1항에 있어서,
하기 식(2)로 표현되는 Md30은 -230 내지 -70℃인 오스테나이트계 스테인리스강:
(2) Md30(℃) = (551 - 462*(C + N) - 9.2*Si - 8.1*Mn - 13.7*Cr - 29*(Ni + Cu) - 18.5*Mo)
(여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Mo 및 Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다).
중량%로, C: 0.2% 이하, N: 0.2% 이하, Si: 0.1 내지 4.5%, Mn: 5 내지 11%, Cr: 15 내지 20%, Ni: 6 내지 11%, Mo: 2.5% 이하, Cu: 3.5% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 가열하는 단계;
상기 가열된 슬라브를 열간 압연하는 단계;
상기 열간 압연된 강편을 소둔하는 단계;
상기 소둔된 강편을 냉간 압연하는 단계; 및
상기 냉간 압연된 강편을 소둔하는 단계를 포함하고,
상기 냉간 압연 및 소둔 단계를 거친 강편은 하기 식(1)을 만족하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법:
(1) 20 ≤ (337*C + 78*N - 1.7*Si + 0.2*Mn - 1.7*Cr + 3.3*Ni + 17.4*Mo + 0.5*Cu - 9.934) ≤ 35
(여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Mo 및 Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다).
제3항에 있어서,
하기 식(2)로 표현되는 Md30이 -230 내지 -70℃인 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법:
(2) Md30(℃) = (551 - 462*(C + N) - 9.2*Si - 8.1*Mn - 13.7*Cr - 29*(Ni + Cu) - 18.5*Mo)
(여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Mo 및 Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다).
제3항에 있어서,
상기 냉간 압연된 강편을 소둔하는 단계는 600 내지 1100℃에서 10초 내지 10분간 진행되는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.