KR20210060179A - 균일하게 분포하는 나노 크기의 석출물을 다량 함유한 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법 - Google Patents

균일하게 분포하는 나노 크기의 석출물을 다량 함유한 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20210060179A
KR20210060179A KR1020190147897A KR20190147897A KR20210060179A KR 20210060179 A KR20210060179 A KR 20210060179A KR 1020190147897 A KR1020190147897 A KR 1020190147897A KR 20190147897 A KR20190147897 A KR 20190147897A KR 20210060179 A KR20210060179 A KR 20210060179A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
stainless steel
weight
austenitic stainless
austenitic
carbide
Prior art date
Application number
KR1020190147897A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102292016B1 (ko
Inventor
장창희
신지호
공병서
이현배
정채원
구현우
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020190147897A priority Critical patent/KR102292016B1/ko
Priority to CN201980100138.XA priority patent/CN114341389A/zh
Priority to PCT/KR2019/017159 priority patent/WO2021100959A1/ko
Priority to JP2022527227A priority patent/JP2023501564A/ja
Priority to US17/045,267 priority patent/US20230117314A1/en
Publication of KR20210060179A publication Critical patent/KR20210060179A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102292016B1 publication Critical patent/KR102292016B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/48—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with niobium or tantalum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/004—Heat treatment of ferrous alloys containing Cr and Ni
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/005—Heat treatment of ferrous alloys containing Mn
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D6/00—Heat treatment of ferrous alloys
    • C21D6/02—Hardening by precipitation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/0221—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the working steps
    • C21D8/0226—Hot rolling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/0247—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips characterised by the heat treatment
    • C21D8/0273—Final recrystallisation annealing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/001—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing N
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/44—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with molybdenum or tungsten
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/50—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with titanium or zirconium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/001—Austenite

Abstract

오스테나이트계 스테인리스강은 크롬(Cr) 16-26 중량%, 니켈(Ni) 8-22 중량%, 탄소(C) 0.02-0.1 중량%, 나이오븀(Nb) 0.2-1 중량%, 그리고 망간(Mn) 2-3.5 중량%을 포함하고, 오스테나이트계 기지 조직을 가지며, 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오븀 탄화물이 석출되어 있으며, 미세 나이오븀 탄화물이 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있다. 오스테나이트계 스테인리스강은 몰리브데넘(Mo) 0.5-1.5 중량%를 더 포함할 수 있다.

Description

균일하게 분포하는 나노 크기의 석출물을 다량 함유한 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법{AUSTENITIC STAINLESS STEEL HAVING A LARGE AMOUNT OF UNIFROMLY DISTRIBUTED NANOMETER-SIZED PRECIPITATES AND PREPARING METHOD OF THE SAME}
균일하게 분포하는 나노 크기의 석출물을 다량 함유한 오스테나이트계 스테인리스강(austenitic stainless steel) 및 이의 제조방법이 제공된다.
통상적으로 오스테나이트계 스테인리스강은 우수한 내식성, 기계적 물성, 가공성 등의 장점으로 인해 구조물, 건축 등 현대 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있다.
최근 에너지 산업에서 사용되는 구조 재료는 높은 열효율을 위해 상당히 높은 운전 온도 영역에 노출된다. 그러나 오스테나이트계 스테인리스강은 고온에서 재료의 건전성을 확보하기 어렵기 때문에 그 사용이 제한된다. 특히, 고에너지 중성자 환경에 노출되는 원자로 내부 구조물에 오스테나이트계 스테인리스강이 사용된다면, 원자로의 장기간 운전에 따른 재료 내 기공 팽창으로 인하여 원자료 내부 구조물의 건전성이 저해될 것이다.
따라서 일반적인 오스테나이트계 스테인리스강의 고온 물성, 조사 저항성 등을 향상시키기 위해, 오스테나이트 기지 내 미세한 석출물을 분산시키는 연구들이 진행되고 있다.
예를 들어, 고온 열처리를 통한 용체화 처리 후에 수행되는 냉각과 안정화 열처리 공정, 침질 및 침탄 기법을 활용한 확산 반응 공정, 기계적 합금화 공정 등이 있다.
그러나, 종래의 공정들을 오스테나이트계 스테인리스강에 적용하여 미세한 석출물을 형성시키려고 하는 경우, 지나치게 오랜 시간이 필요할 수 있고, 값 비싼 처리 방법을 사용해야 하기 때문에 많은 제조 비용이 소요될 수 있다. 특히, 현재 활용되고 있는 공정들은 기지 내에 높은 밀도를 가지면서 균일하게 분포된 수 나노 크기의 석출물을 형성하는데 있어 한계가 있다.
한편, 본 출원의 발명자들이 발명한 한국등록특허 1,943,591에 의하면, 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강은 크롬(Cr) 16-26 중량%, 니켈(Ni) 8-22 중량%, 탄소(C) 0.02-0.1 중량%, 나이오븀(Nb) 0.2-1 중량%, 티타늄(Ti) 0.015-0.025 중량%, 질소(N) 0.004-0.01 중량%, 그리고 망간(Mn) 0.5-2 중량%를 포함하고, 오스테나이트계 기지 조직을 가지며, 오스테나이트계 기지 조직 내에 11nm 이하의 미세 나이오븀 탄화물(NbC) 을 평균 1x1022 #/m3 의 밀도로 포함하고 있다.
하지만, 한국등록특허 1,943,591에 의하면, 오스테나이트 기지 내에 미세하면서 높은 밀도를 갖는 나노 크기의 석출물을 형성시킬 수 있음에도 불구하고, 고온 강도, 조사 저항성, 크리프 저항성 등을 더욱 향상시키기 위해서는 석출물의 크기가 더욱 미세하면서 더욱 높은 밀도를 갖는 나노 크기의 석출물을 오스테나이트 기지 내 분포시키는 것이 필요하다.
한국등록특허 1,943,591 한국공개특허 2017-0074265 한국등록특허 1,401,625 일본등록특허 3,764,586
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트 기지 내 높은 수밀도를 가지고 균일하게 분포하는 나노 크기의 석출물을 함유하기 위한 것이다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트 스테인리스강에서 다량의 미세한 나노 크기의 나이오븀 탄화물 (NbC) 또는 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물((Nb,Mo)C)을 기지 내에 균일하게 분포시키기 위한 것이다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트계 스테인리스강의 고온 강도 등 기계적 특성을 향상시키기 위한 것이다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트계 스테인리스강의 중성자에 대한 조사 저항성을 향상시키기 위한 것이다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트계 스테인리스강의 크리프 저항성을 향상시키기 위한 것이다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 비용을 감소시키기 위한 것이다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트계 스테인리스강의 생산성을 향상시키기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 크롬(Cr) 16-26 중량%, 니켈(Ni) 8-22 중량%, 탄소(C) 0.02-0.1 중량%, 나이오븀(Nb) 0.2-1 중량%, 그리고 망간(Mn) 2-3.5 중량%을 포함하고, 오스테나이트계 기지 조직을 가지며, 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오븀 탄화물(NbC)이 석출되어 있으며, 그리고 미세 나이오븀 탄화물이 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 몰리브데넘(Mo) 0.5-1.5 중량%를 더 포함할 수 있다.
오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물이 석출되어 있으며, 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물이 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있을 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 실리콘(Si) 0 중량% 초과 0.3 중량% 이하를 더 포함할 수 있다.
미세 나이오븀 탄화물의 평균 크기는 11 nm 이하일 수 있다.
오스테나이트계 기지 조직 내에서, 미세 나이오븀 탄화물의 수밀도가 1x1014-5x1015 #/m2 일 수 있다.
오스테나이트계 기지 조직 내에서, 미세 나이오븀 탄화물의 밀도가 1x1022-1x1023 #/m3 일 수 있다.
미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물의 평균 크기는 6 nm 이하일 수 있다.
오스테나이트계 기지 조직 내에서, 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물의 수밀도가 5x1014-5x1015 #/m2 일 수 있다.
오스테나이트계 기지 조직 내에서, 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물의 밀도가 1x1022-5x1023 #/m3 일 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 인(P) 0 중량% 초과 0.01 중량% 이하, 그리고 황(S) 0 중량% 초과 0.01 중량% 이하를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은 크롬(Cr) 16-26 중량%, 니켈(Ni) 8-22 중량%, 탄소(C) 0.02-0.1 중량%, 나이오븀(Nb) 0.2-1 중량%, 그리고 망간(Mn) 2-3.5 중량%을 포함하는 혼합 강재를 용해하고, 용해된 혼합 강재를 주조하여 오스테나이트계 기지 조직을 갖는 주조 강재를 형성하는 용해 및 주조 단계, 주조 강재의 고온 변형 거동을 평가하여 재결정 정지 온도를 도출하는 단계, 주조 강재를 균질화 열처리하는 단계, 재결정 정지 온도보다 높은 온도에서 1 패스(pass) 이상의 열간 압연을 수행한 후, 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서 1 패스 이상의 열간 압연을 수행하는 다단 패스(multi-pass) 열간 압연 단계, 그리고 열간 압연된 주조 강재를 열처리한 후 공랭시켜 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오븀 탄화물을 석출시키는 단계를 포함하고, 미세 나이오븀 탄화물이 상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있다.
혼합 강재는 몰리브데넘(Mo) 0.5-1.5 중량%를 더 포함할 수 있다.
열간 압연된 주조 강재를 열처리한 후 공랭시켜 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물을 석출시키고, 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물이 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있을 수 있다.
혼합 강재는 실리콘(Si) 0 중량% 초과 0.3 중량% 이하를 더 포함할 수 있다.
다단 패스 열간 압연 단계에서, 5-15 패스의 열간 압연을 수행할 수 있다.
재결정 정지 온도보다 높은 온도에서 3-10 패스의 열간 압연을 수행한 후, 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서 2-5 패스의 열간 압연을 수행할 수 있다.
각 패스의 열간 압연이 순차적으로 수행되면서 각 패스의 수행 온도가 10-50 ℃씩 낮아질 수 있다.
주조 강재를 균질화 열처리하는 단계에서, 1200-1300 ℃의 온도 범위에서 30분-2시간 동안 열처리가 진행될 수 있다.
열간 압연된 주조 강재를 열처리할 때, 700-800 ℃의 온도 범위에서 1-4 시간 동안 열처리가 진행될 수 있다.
실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트 기지 내 높은 수밀도를 가지고 균일하게 분포하는 나노 크기의 석출물을 함유할 수 있고, 오스테나이트계 스테인리스강에서 다량의 미세한 나노 크기의 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물을 기지 내에 균일하게 분포시킬 수 있고, 오스테나이트계 스테인리스강의 고온 강도 등 기계적 특성을 향상시킬 수 있으며, 중성자에 대한 조사 저항성을 향상시킬 수 있고, 크리프 저항성을 향상시킬 수 있으며, 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 비용을 감소시킬 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 공정 및 조건의 일체를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 실시예 1의 재결정 정지 온도 도출 단계에서의 고압 압축 시험 결과를 나타내는 그래프들이다.
도 4a 내지 도 4c는 실시예 5에 따른 미세 나이오븀 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 투과전자현미경 미세조직 사진들이다.
도 5a 내지 도 5c는 실시예 15에 따른 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 투과전자현미경 미세조직 사진들이다.
도 6은 비교예 8에 따른 미세 나이오븀 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 투과전자현미경 미세조직 사진들이다.
도 7a 내지 7b는 실시예 1 내지 18 및 비교예 1 내지 9에 따른 미세 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 열처리 조건(heat treatment conditions)에 따른 석출물의 평균 크기와 밀도를 측정하여 그 결과를 나타내는 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
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.
실시예들에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 크롬(Cr) 약 16-26 중량%, 니켈(Ni) 약 8-22 중량%, 탄소(C) 약 0.02-0.1 중량%, 나이오븀(Nb) 약 0.2-1 중량%, 그리고 망간(Mn) 약 2-3.5 중량%을 포함한다.
오스테나이트계 스테인리스 강은 오스테나이트계 기지 조직을 가질 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스 강은 기지 내 높은 수밀도를 가지고 균일하게 분포하는 나노 크기의 석출물을 함유할 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 16-26 중량%의 크롬(Cr)을 포함한다.
크롬은 페라이트(ferrite) 안정화 원소로 내산화성, 내부식성, 그리고 크립(creep) 강도가 동시에 우수할 필요성이 있는 고온 및 고압 환경에서 사용되는 스테인리스강 재료에서 필수적으로 사용되는 원소이다.
오스테나이트계 스테인리스강에서 크롬 함량이 약 16 중량% 미만으로 포함되는 경우, 스테인리스강의 내산화성과 내식성이 저하될 수 있고, 약 26 중량%를 초과하여 포함되는 경우, 델타 페라이트(delta ferrite) 조직이 형성되어 오스테나이트계 조직과 함께 이상 조직을 형성함으로써 스테인리스강의 강도 및 인성이 저하될 수 있다. 또한, 고온에서의 오스테나이트 상의 안정성을 저하시켜, 크리프 강도의 저하를 초래한다.
오스테나이트계 스테인리스강은 약 8-22 중량%의 니켈(Ni)을 포함한다.
니켈은 오스테나이트계 스테인리스강의 비산화성 분위기에서의 내식성을 개선시킬 수 있으며 적층 결함 에너지를 높여, 응력부식균열의 저항성을 갖는다. 안정된 오스테나이트 조직을 확보하기 위한 필수의 원소로서, 장시간 사용시의 조직 안정성을 확보하여 원하는 크리프 강도를 얻기 위한 필수의 원소이다. 단일 결정 구조를 갖도록 하기 위해 크롬, 철, 니켈 함량에 따른 열역학적 계산을 통해 니켈의 함량이 결정될 수 있고, 예를 들어, 니켈은 약 8-22 중량% 범위로 제어될 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 약 0.02-0.1 중량%의 탄소(C)를 포함한다.
탄소는 오스테나이트 상을 안정화하는 효과를 가지는 원소이면서, 스테인리스강 중에 과포화되어 열처리 과정 또는 냉각 과정에서 크롬, 나이오븀, 티타늄 등의 원소와 결합되어 석출물을 생성함으로써 스테인리스강의 강도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 고온 강도의 확보라는 관점에서는 탄화물 형성 원소의 양에 알맞은 양의 탄소를 함유 시키는 것이 결정립 내 탄화물의 석출에 의한 강화의 점에서 바람직하다. 또한 탄소는 스테인리스강의 상온 강도 및 고온 강도, 용접성, 성형성 등의 특성을 향상시킬 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강에서 탄소의 함량이 약 0.02 중량% 미만인 경우 스테인리스강의 상온에서의 기계적 강도 특성이 저하될 수 있고, 탄소의 함량이 약 0.1 중량%를 초과하는 경우 스테인리스강의 용접성 및 성형성이 나빠질 수 있으며, 스테인리스강의 인성이 저하될 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 약 2-3.5 중량%의 망간(Mn)을 포함한다.
망간은 제조시의 탈산에 기여함과 더불어, 오스테나이트계 기지 조직을 안정화시킬 수 있고, 고용 강화 성능을 갖는다. 또한, N의 용해도를 크게 하여 강도를 높이는데 간접적으로 기여한다. 특히 오스테나이트 기지 내에서 나이오븀의 확산속도를 제어하여 석출물이 조대화 되는 것을 저지한다.
오스테나이트계 스테인리스강에서 망간 함량이 약 2 중량% 미만인 경우 석출물의 미세화에 큰 영향을 주지 못할 수 있으며 스테인리스강의 강도가 낮아질 수 있고, 망간의 함량이 약 3.5 중량%를 초과하는 경우 시그마상 등의 금속간 화합물상의 석출을 조장하고 고온 환경하에서 조직 안정성의 열화에 기인한 인성 및 연성의 저하를 초래할 수 있다. 또한, 용접시에 흄이 되어 용접부에 부착되고 이에 따른 스테인리스강의 용접성이 저하될 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 약 0.2-1 중량%의 나이오븀(Nb)을 포함한다.
나이오븀 원소는 전술한 탄소와 결합하여 나노 크기의 미세 나이오븀 탄화물을 형성할 수 있고, 미세 나이오븀 탄화물은 오스테나이트 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있을 수 있다. 이러한 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산된 미세 나이오븀 탄화물은 스테인리스강의 강도 등의 기계적 특성을 현저하게 향상시킬 수 있고, 중성자 조사 저항성을 향상시킬 수 있으며, 크리프 저항성을 향상시킬 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강에서 나이오븀이 약 0.2 중량% 미만으로 포함된 경우에는 석출되는 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물의 양이 적어 스테인리스강의 기계적 특성이나 조사 저항성이 향상되는 정도가 미미할 수 있고, 나이오븀이 약 1 중량%를 초과하는 경우, 입자 크기가 조대한 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물이 형성되어 스테인리스강의 강도 및 인성이 저하될 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 몰리브데넘(Mo) 약 0.5-1.5 중량%를 더 포함할 수 있다.
몰리브데넘은 기지 내 고용되어 고온 강도의 향상, 그 중에서도 고온에서의 크리프 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 특히, 몰리브데넘은 나이오븀과의 복합 첨가에 의한 나이오븀-몰리브데넘 탄화물을 형성하여 나이오븀 탄화물에 비해 기지와의 단위 격자 길이 차이가 줄어들 뿐만 아니라, 오스테나이트 기지와 석출물 사이에서 몰리브데넘 원소의 비교적 느린 확산 속도로 인해 석출물의 조대화를 저지하고, 더불어 밀도를 높이는 역할을 할 수 있으며, 더 나아가 고온환경에서 석출상의 상 안정성을 확보할 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강에서 몰리브데넘 함량이 약 0.5 중량% 미만인 경우 석출물의 미세화에 영향을 미치지 못하고, 상 안정성을 확보하지 못할 수 있고, 몰리브데넘의 함량이 약 1.5 중량%를 초과하는 경우 오스테나이트 조직이 불안정해지고 크리프 강도를 저하시킬 수 있다. 또한, 다량의 몰리브데넘 함유는 비용의 증대를 초래한다.
나이오븀 원소는 전술한 탄소 및 몰리브데넘과 결합하여 나노 크기의 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물을 형성할 수 있고, 나이오븀-몰리브데넘 탄화물은 오스테나이트 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있을 수 있다. 이러한 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산된 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물은 스테인리스강의 강도 등의 기계적 특성을 현저하게 향상시킬 수 있고, 중성자 조사 저항성을 향상시킬 수 있으며, 크리프 저항성을 향상시킬 수 있다.
미세 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물의 평균 크기는 약 11 nm 또는 약 6 nm 이하일 수 있다. 또한, 오스테나이트계 기지 조직 내에서, 미세 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물의 수밀도는 약 1x1014-5x1015 #/m2 또는 5x1014-5x1015 #/m2 일 수 있고, 미세 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물의 밀도는 약 1x1022-1x1023 #/m3 또는 1x1022-5x1023 #/m3 일 수 있다. 이러한 범위 내에서 스테인리스강의 기계적 특성, 중성자 조사 저항성, 크리프 저항성 등이 더욱 향상될 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 0 중량% 초과 약 0.3 중량% 이하의 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.
실리콘은 탈산 기능을 수행할 수 있고, 탄화물의 석출량을 높일 수 있다. 다만, 실리콘은 석출물을 응집시켜 조대화시킬 수 있으므로, 석출물의 미세화를 위해 스테인리스강의 실리콘 함량이 약 0.3 중량% 이하일 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강은 0 중량% 초과 약 0.01 중량% 이하의 인(P)과, 0 중량% 초과 약 0.01 중량% 이하의 황(S)을 포함할 수 있다.
인과 황은 스테인리스강에서 불가피하게 존재하는 불순물로서 함량이 많으면 결정립계에서 편석되는 경향이 있고, 이로 인해 입계 취화를 유발하여 인성 등의 특성이 저하될 수 있으므로, 인과 황의 함량이 각각 약 0.01 중량%, 약 0.01 중량% 이하로 제한될 수 있다.
이하에서는, 도면들을 참조하여 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법에 대하여 설명한다.
스테인리스강의 구성 원소 및 함량에 대한 내용은 전술하였으므로, 이하에서 생략될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 2는 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 공정 및 조건을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은 모델 합금의 열역학적 시뮬레이션 단계, 용해 및 주조 단계, 재결정 정지 온도를 도출하는 단계, 균질화 열처리 단계, 다단 패스(multi-pass) 열간 압연 단계, 그리고 미세 나이오븀 탄화물 또는 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물을 석출시키는 단계를 포함한다.
우선 모델 합금의 열역학적 시뮬레이션 단계를 수행한 이후에 용해 및 주조 단계가 수행된다.
용해 및 주조 단계에서는, 크롬(Cr) 16-26 중량%, 니켈(Ni) 8-22 중량%, 탄소(C) 0.02-0.1 중량%, 나이오븀(Nb) 0.2-1 중량%, 그리고 망간(Mn) 2-3.5 중량%을 포함하는 혼합 강재를 용해하고, 용해된 혼합 강재를 주조하여 오스테나이트계 기지 조직을 갖는 주조 강재를 형성한다.
여기서 혼합 강재는 몰리브데넘(Mo) 약 0.5-1.5 중량%을 더 포함할 수 있다. 혼합 강재는 실리콘(Si) 0 중량% 초과 0.3 중량% 이하를 더 포함할 수 있다. 혼합 강재는 인(P) 0 중량% 초과 0.01 중량% 이하, 황(S) 0 중량% 초과 0.01 중량% 이하, 잔여 철(Fe), 그리고 불가피한 불순물을 더 포함할 수 있다.
용해 공정은 공지의 공정일 수 있다. 예를 들어, 진공 유도 용해(vacuum induction melting) 공정이 적용될 수 있으며, 특별히 이에 제한되지 않는다.
주조 공정 또한 공지의 공정이 적용될 수 있다. 예를 들어, 잉곳(ingot) 형태로 주조될 수 있으며, 특별히 이에 제한되지 않는다.
용해 및 주조 단계에서, 오스테나이트계 기지 조직이 형성될 수 있다.
다음으로, 용해 및 주조 단계에서 형성된 주조 강재의 고온 변형 거동을 평가하여 재결정 정지 온도(non-recrystallization temperature, TNR)를 도출하는 단계가 수행된다.
열 비틀림 시험(hot torsion test) 또는 동적 물성 시험을 통해 주조 강재의 고온 변형 거동이 평가될 수 있다. 예를 들어, 주조 강재의 고온 변형 거동을 평가하기 위해, Gleeble 동적 물적 시험기가 사용될 수 있고, Gleeble 압축 시험을 통해 재결정 정지 온도가 도출될 수 있다. Gleeble 압축 시험 방식은 공지의 논문(예를 들어, C. N. Homsher, "Determination of the Non-Recrystallization Temperature (TNR) in Multiple Microalloyed Steels," Colorado School of Mines, 2012.)에 개시되어 있다.
이어서, 균질화 열처리(homogenizing heat treatment) 단계가 수행된다.
균질화 열처리를 통해, 주조 강재의 수지상 및 의도하지 않는 탄화물이 기지 내로 용해될 수 있고, 해당 열처리 온도 영역에서 오스테나이트 단일상을 형성함으로써 후속되는 다단 패스 열간 압연 공정이 효과적으로 수행될 수 있다. 이로 인해 미세 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물 석출 공정에서 미세 석출물이 기지 내에 미세하고 균질하게 분포될 수 있다.
이 단계에서, 주조된 강재는 약 1200-1300 ℃의 온도 범위에서 약 30분-2시간 동안 균질화 열처리될 수 있다.
열처리가 약 1200 ℃ 미만에서 진행되면 수지상 및 탄-질화물의 재용해가 충분히 일어나지 않아 합금 원소의 균질화에 불리할 수 있고, 약 1300 ℃를 초과하여 진행되면 생산 비용이 증가할 뿐만 아니라, 국부적으로 오스테나이트 기지가 용융될 수 있고, 이로 인해 오스테나이트 기지의 미세구조적 균질성을 해칠 수 있다.
열처리가 약 30분 미만 동안 진행되는 경우 수지상 및 의도하지 않은 탄화물의 재용해가 충분히 일어나지 않으며 용질 원자들이 불충분하게 확산될 수 있다. 열처리 시간이 약 2시간을 초과하면 결정립이 조대화 될 수 있고, 생산 비용이 증가될 수 있다.
전술한 균질화 열처리의 온도 범위와 시간 범위 내에서, 열처리 온도가 높아지는 경우, 이에 대응하여 열처리 시간이 짧아질 수 있고, 열처리 온도가 낮아지는 경우, 이에 대응하여 열처리 시간이 길어질 수 있다.
다음으로, 균질화 열처리된 주조 강재는 공기 또는 물 중에서 냉각될 수 있고, 설계된 열간 압연 시작 온도에서 다단 패스 열간 압연 단계가 수행될 수 있다.
다단 패스(multi-pass) 열간 압연 단계는, 전술한 도출된 재결정 정지 온도를 기준으로, 재결정 정지 온도보다 높은 온도에서 1 패스(pass) 이상의 열간 압연을 수행한 후, 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서 1 패스 이상의 열간 압연을 수행하는 단계이다. 여기서, 다단 패스 열간 압연은 열간 압연이 복수의 구간으로 나누어져 단계적으로 수행되는 것을 의미할 수 있고, 각 구간을 패스(pass)로 정의할 수 있다.
예를 들어, 전체적으로 5-15 패스의 열간 압연이 수행될 수 있다. 구체적으로 재결정 정지 온도보다 높은 온도에서 3-10 패스의 열간 압연을 수행한 후, 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서 2-5 패스의 열간 압연을 수행할 수 있다.
종래의 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강을 제조하는 공정 중 열간 압연 공정은 재결정 정지 온도보다 높은 온도에서 진행된다.
반면, 실시예들에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법의 경우, 재결정 정지 온도보다 높은 온도에서도 열간 압연을 진행하고, 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서도 열간 압연을 진행한다.
각 패스의 수행 온도는 약 10-50 ℃씩 상이할 수 있다. 예를 들어, 복수의 패스로 열간 압연이 수행되는 경우, 각 패스의 열간 압연이 순차적으로 수행되면서 각 패스의 수행 온도가 10-50 ℃씩 낮아질 수 있다. 구체적으로, 5 패스 열간 압연이 수행되는 경우, 상대적으로 가장 높고 재결정 정지 온도보다 높은 열간 압연 시작 온도에서 제1 패스 열간 압연이 수행되고, 제1 패스 열간 압연 온도보다 약 10-50 ℃가 낮은 온도에서 제2 패스 열간 압연이 수행되며, 제2 패스 열간 압연 온도보다 약 10-50 ℃가 낮은 온도에서 제3 패스 열간 압연이 수행되고, 제3 패스 열간 압연 온도보다 약 10-50 ℃가 낮고 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서 제4 패스 열간 압연이 수행되며, 제4 패스 열간 압연보다 약 10-50 ℃가 낮은 열간 압연 종료 온도에서 제5 패스 열간 압연이 수행될 수 있다.
도 2에는 재결정 정지 온도보다 높은 온도에서 6 패스 열간 압연이 수행되고, 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서 2 패스 열간 압연이 진행되는 다단 패스 열간 압연 단계가 도시되었다.
이러한 단계적 다단 패스 열간 압연에 의해 기지 내의 전위가 적절하게 분포될 수 있고, 이에 대응하여 미세 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물이 보다 미세하고 균일하게 분산될 수 있다.
다단 패스 열간 압연 단계를 수행함에 따른 주조 강재의 압하율은 필요에 따라 설계될 수 있고, 이에 따라 두께가 조절될 수 있다.
다음으로, 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오븀 탄화물(NbC) 또는 나이오븀-몰리브데넘 ((Nb,Mo)C)을 석출시키는 단계가 수행된다.
이 단계는, 다단 패스 열간 압연 단계를 거친 강재를 약 700-800 ℃ 에서 약 1-4 시간 동안 안정화 열처리(stabilizing heat treatment)한 후 공랭(air cooling)시키는 단계이고, 이 과정에서 나노 크기의 미세 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물이 석출되며, 미세 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물은 기지 내에 균일하게 분포된다.
안정화 열처리 온도가 약 700℃ 미만인 경우에는 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물의 석출량이 지나치게 적을 수 있다. 또한 안정화 열처리 온도가 약 800 ℃를 초과하는 경우에는 기지 내 전위의 움직임으로 인해 셀 조직이 형성되고, 이때 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물이 기지 내에 균질하게 분포되지 못하고 셀 조직의 경계를 따라 석출됨으로써 스테인리스강의 인성을 약화시켜 균열이 발생할 수 있다.
종래의 나이오븀 탄화물을 포함하는 스테인리스강의 제조방법의 경우, 안정화 열처리가 상대적으로 높은 약 900 ℃ 온도 범위에서 이루어짐으로써 석출물의 조대화 및 불균질 분포가 발생할 수 있으나, 실시예들에 따른 스테인리스강 제조방법에 따르면, 나이오븀 탄화물이 형성되는 적정 온도인 약 700-800 ℃에서 안정화 열처리가 수행됨으로써, 오스테나이트계 기지 조직 내에 나노 크기의 미세 나이오븀 탄화물이 균질하고 균일하게 석출되어 분포될 수 있다.
안정화 열처리 시간이 약 1 시간 미만인 경우에는 나이오븀 탄화물의 석출량이 지나치게 적을 수 있고, 약 4 시간을 초과하는 경우에는 나이오븀 탄화물이 조대화될 수 있고, 나이오븀 결핍 영역에서 형성되는 M23C6 탄화물이 스테인리스강의 내식성을 저감시킬 수 있다. 이때, M 은 크롬이나 철 등의 원소를 포함할 수 있다.
안정화 열처리 후, 온도에 따른 기지 내 원소의 용해도 차이를 활용하여 기지에 미세한 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물 핵이 형성될 수 있도록 수냉 또는 급랭 방식이 아닌 공랭 방식으로 강재를 냉각시켜, 기지 내 높은 수밀도를 가지고 균일하게 분포하는 나노 크기의 석출물 함유 오스테나이트계 스테인리스강을 제조할 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 및 실시예 10
1) 주조
하기 표 1에 기재되어 있는 조성 성분을 갖는 혼합 강재를 진공 유도용해로를 사용하여 용해/주조하여 주조 잉곳을 형성한다.
하기 표 1은 ICP-AES 분석법으로 측정한 화학조성 값을 나타내고, 각 수치의 단위는 중량%이다.
Fe Cr Ni C Mn Si Mo
실시예1 Bal. 24.03 20.88 0.035 3.41 0.21 -
실시예10 Bal. 24.12 20.94 0.034 3.44 0.21 0.77
2) 재결정 정지 온도(TNR) 설정
고온 변형 거동을 평가하기 위하여, 고온 압축 시험인 Gleeble 동적 물성 시험기(Gleeble 3800)를 이용한다.
시편 형상은 고온 압축 시험에서 통상적으로 사용되고 있는 규격인 직경 10 mm, 높이 12 mm의 원통 형태이다. Gleeble 압축시험은 963 ℃부터 1050 ℃까지 12.5℃ 간격으로, 5 s-1의 변형 속도에서 행하며, 각 실험에서 얻어진 진응력-진변형률 곡선으로부터 고온 변형 구성 방정식을 도출한다. 또한 시편은 산화 방지를 위해 고순도 아르곤 분위기 하에서, 10 ℃/sec의 가열 속도로 1200 ℃ 온도까지 시편을 승온하여 10 분간 유지 후 공랭하여, 시험 온도에서 2번의 압축 시험을 수행하고, 각 압축 마다 20%의 변형을 준다. 고압 압축 시험 결과는 도 3a 및 도 3b에 도시되었다.
시험을 통해 도출된 재결정 정지 온도는 1013 ℃ 이다.
3) 균질화 열처리
단계 1)에서 얻은 주조 잉곳을 1300 ℃에서 1시간 동안 균질화 열처리 한다.
4) 다단 패스 열간 압연
단계 2)에서 얻은 재결정 정지 온도인 1013 ℃를 기준으로 총 8번의 다단-패스(multi-pass) 압연을 진행하고, 이에 따른 총 압하율은 70%이다. 열간 압연 시작 온도는 1235 ℃이고, 재결정 정지 온도까지 약 40 ℃의 온도 간격을 두고 6 패스 압연을 수행하며, 재결정 정지 온도 아래에서도 마찬가지로 약 40 ℃의 온도 간격을 두고 2 패스 압연을 수행한다.
균질화
온도(℃)		 압연 시작
온도(℃)		 압연 종료
온도(℃)		 최초 강판
두께(mm)		 최종 강판
두께(mm)		 압하율(%)
실시예 1 1300 1235 955 65.0 19.4 70
실시예 10 1300 1235 955 65.0 19.4 70
5) 미세 나이오븀 탄화물 또는 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물 석출
단계 4)를 거친 강재를 700 ℃에서 1 시간 동안 미세 나이오븀 탄화물 형성(실시예 1) 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물 형성(실시예 10)을 위한 열처리를 실시하고, 공랭을 수행함으로써 미세 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강을 제조한다.
실시예 2 내지 실시예 9
실시예 1의 단계 5)의 열처리를 700 ℃에서 2 시간 동안 수행(실시예 2), 700 ℃에서 4 시간 동안 수행(실시예 3), 750 ℃에서 1 시간 동안 수행(실시예 4), 750 ℃에서 2 시간 동안 수행(실시예 5), 750 ℃에서 4 시간 동안 수행(실시예 6), 800 ℃에서 1 시간 동안 수행(실시예 7), 800 ℃에서 2 시간 동안 수행(실시예 8), 800 ℃에서 4 시간 동안 수행(실시예 9) 한 것을 제외하고는 동일한 제조 공정을 거쳐 미세 나이오븀 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강을 제조한다.
실시예 11 내지 실시예 18
실시예 2의 단계 5)의 열처리를 700 ℃에서 2 시간 동안 수행(실시예 11), 700 ℃에서 4 시간 동안 수행(실시예 12), 750 ℃에서 1 시간 동안 수행(실시예 13), 750 ℃에서 2 시간 동안 수행(실시예 14), 750 ℃에서 4 시간 동안 수행(실시예 15), 800 ℃에서 1 시간 동안 수행(실시예 16), 800 ℃에서 2 시간 동안 수행(실시예 17), 800 ℃에서 4 시간 동안 수행(실시예 18) 한 것을 제외하고는 동일한 제조 공정을 거쳐 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강을 제조한다.
비교예 1 내지 9
실시예 1 및 실시예 10과 상이하게, 1200 ℃ 에서 1시간 동안 균질화 열처리 수행 후 설정된 재결정 정지온도를 기준으로 열간 압연을 진행한다. 열간 압연 시작 온도는 1120℃ 이고, 재결정 정지 온도까지 약 27 ℃의 온도 간격을 두고 4 패스 압연을 수행하며, 재결정 정지 온도 아래에서도 마찬가지로 약 27 ℃의 온도 간격을 두고 2 패스 압연을 수행한다. 열간 압연을 거친 강재를 미세 나이오븀 탄화물 형성을 위해 온도 및 시간 범위에 따른 열처리를 실시하고, 공랭을 수행함으로써 미세 나이오븀 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강을 준비한다.
상기 미세 나이오븀 탄화물을 포함하는 오스테나이트강인 비교예 1 내지 9 는 망간과 몰리브데넘 함량을 제외하고, 실시예 1 및 실시예 10 과 유사한 화학적 조성을 가지는 스테인리스강이다. 정량 분석된 화학조성 값은 하기 표 3에 제시하였다.
미세 나이오븀 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강을 준비하기 위한 열처리 조건 중 온도는 실시예와 동일한 조건인 700 ℃ 내지 800 ℃의 범위를 가지고, 시간은 1 시간 내지 4 시간의 범위를 갖는다.
미세 나이오븀 석출 열처리를 700 ℃에서 1 시간 동안 수행(비교예 1), 700 ℃에서 2 시간 동안 수행(비교예 2), 700 ℃에서 4 시간 동안 수행(비교예 3), 750 ℃에서 1 시간 동안 수행(비교예 4), 750 ℃에서 2 시간 동안 수행(비교예 5), 750 ℃에서 4 시간 동안 수행(비교예 6), 800 ℃에서 1 시간 동안 수행(비교예 7), 800 ℃에서 2 시간 동안 수행(비교예 8), 800 ℃에서 4 시간 동안 수행(비교예 9) 한 것을 제외하고는 동일한 제조 공정을 거쳐 미세 나이오븀 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강을 제조한다.
비교예 1의 나이오븀 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 자세한 설명은 본 출원의 발명자들이 발명한 한국등록특허 1,943,591에 기재되어 있다.
Fe Cr Ni C Mn Si Nb Ti N
비교예1 Bal. 24.13 21.07 0.042 1.32 0.23 0.27 0.023 0.008
실험예
실시예 5에 따른 미세 나이오븀 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 투과전자현미경 미세조직 사진을 도 4a 내지 도 4c에 나타내었고, 실시예 15에 따른 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 투과전자현미경 미세조직 사진을 도 5a 내지 도 5c에 나타내었으며, 비교예 8에 따른 미세 나이오븀 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 투과전자현미경 미세조직 사진을 도 6에 나타내었다. 또한 실시예 5 및 실시예 15 와 비교예 8을 포함하여 실시예 1 내지 18 및 비교예 1 내지 9에 따른 미세 나이오븀 탄화물 또는 미세 나이오븀-몰리브데넘을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 열처리 조건(heat treatment conditions)에 따른 석출물의 평균 크기와 밀도를 측정하여 그 결과를 도 7a 내지 7b에 도시하였다.
도 4a 내지 도 5c 그리고 도 7a 및 7b를 참조하면, 실시예 5와 15에 따른 스테인리스강의 경우, 기지 조직 내에 상대적으로 매우 균질 또는 균일하게 분포되어 있는 것을 볼 수 있다. 이때, 미세 나이오븀 탄화물의 수밀도, 밀도 그리고 평균 지름 크기는 각각 1.67x1015 #/m2, 6.87x1022 #/m3, 7.7 nm이며 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물의 수밀도, 밀도 그리고 평균 지름 크기는 각각 2.45x1015 #/m2, 1.21x1023 #/m3, 5.9 nm이다.
한편, 비교예 1 내지 9에 따른 스테인리스강의 경우, 나이오븀 탄화물이 기지 조직 내 상대적으로 매우 균질 또는 균일하게 분포되어 있지만, 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물의 밀도가 상대적으로 낮은 것을 볼 수 있다. 비교예 8에 따른 스테인리스강의 수밀도, 밀도 그리고 평균 크기는 각각 5.12x1014 #/m2, 1.13x1022 #/m3, 9.4nm 이다.
도 7a 내지 7b를 다시 참조하면, 실시예들에 따른 나노 크기의 나이오븀 탄화물 석출물의 평균 직경은 5.2 nm 에서 10.8 nm 범위로 열처리 조건에 따라 비교예들에 비해 비슷하거나, 상대적으로 작은 것을 알 수 있고, 밀도는 0.07x1022 #/m3에서 13.48x1022 #/m3의 범위로 비교예들에 비해 대체적으로 높은 것을 알 수 있다. 비교예 대비 실시예 1 내지 9 들에 따른 나노 크기의 나이오븀 탄화물 석출물의 평균 밀도는 최대 약 14 배 증가하였다.
비교예 1 내지 9의 경우, 실시예들과 비슷한 화학적 조성 및 동일한 열-기계적 공정을 수행했음에도 불구하고, 실시예보다 상대적으로 적은 함량의 망간을 포함하거나, 또는 몰리브데넘 원소를 포함하지 않기 때문에, 기지 조직 내 탄화물 형성 과정에서 탄화물의 크기가 실시예들에 비해 상대적으로 조대화되고 이에 따라 탄화물의 밀도가 실시예들에 비해 상대적으로 낮은 것으로 볼 수 있다.
반면, 실시예들에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 경우, 비교예보다 상대적으로 많은 함량의 망간을 포함하거나, 또는 몰리브데넘 원소를 포함하기 때문에, 오스테나이트계 기지 조직 내에 나노 크기의 미세 나이오븀 탄화물 또는 나이오븀-몰리브데넘 탄화물을 균질/균일하게 석출되어 분포될 수 있도록 조장하여, 비교예들보다 상대적으로 높은 밀도의 탄화물을 형성하고 상대적으로 높은 고온 안정성을 나타낸다. 이로 인해, 스테인리스강의 기계적 거동이 비교예들보다 더욱 우수할 수 있고, 높은 비중 대비 강도를 가지면서, 중성자에 대한 조사 저항성이 비교예들보다 더욱 크게 향상될 수 있고, 크리프 저항성도 비교예들보다 더욱 향상될 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은, 기지의 용융 온도 아래에서 석출물이 형성되는 경우라면, 나이오븀 탄화물 이외에도 바나듐, 티타늄, 탄탈륨, 그리고 하프늄의 탄화물이나, 또는 이들의 질화물에도 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (20)

  1. 크롬(Cr) 16-26 중량%, 니켈(Ni) 8-22 중량%, 탄소(C) 0.02-0.1 중량%, 나이오븀(Nb) 0.2-1 중량%, 그리고 망간(Mn) 2-3.5 중량%을 포함하고,
    오스테나이트계 기지 조직을 가지며,
    상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오븀 탄화물(NbC)이 석출되어 있으며, 그리고
    상기 미세 나이오븀 탄화물이 상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있는
    오스테나이트계 스테인리스강.
  2. 제1항에서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 몰리브데넘(Mo) 0.5-1.5 중량%를 더 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강.
  3. 제2항에서,
    상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물이 석출되어 있으며, 상기 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물이 상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있는 오스테나이트계 스테인리스강.
  4. 제3항에서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 실리콘(Si) 0 중량% 초과 0.3 중량% 이하를 더 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강.
  5. 제3항에서,
    상기 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물의 평균 크기는 6 nm 이하인 오스테나이트계 스테인리스강.
  6. 제3항에서,
    상기 오스테나이트계 기지 조직 내에서, 상기 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물의 수밀도가 5x1014-5x1015 #/m2 인 오스테나이트계 스테인리스강.
  7. 제3항에서,
    상기 오스테나이트계 기지 조직 내에서, 상기 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물의 밀도가 1x1022-5x1023 #/m3 인 오스테나이트계 스테인리스강.
  8. 제1항에서,
    상기 미세 나이오븀 탄화물의 평균 크기는 11 nm 이하인 오스테나이트계 스테인리스강.
  9. 제1항에서,
    상기 오스테나이트계 기지 조직 내에서, 상기 미세 나이오븀 탄화물의 수밀도가 1x1014-5x1015 #/m2 인 오스테나이트계 스테인리스강.
  10. 제1항에서,
    상기 오스테나이트계 기지 조직 내에서, 상기 미세 나이오븀 탄화물의 밀도가 1x1022-1x1023 #/m3 인 오스테나이트계 스테인리스강.
  11. 제1항에서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 인(P) 0 중량% 초과 0.01 중량% 이하, 그리고 황(S) 0 중량% 초과 0.01 중량% 이하를 더 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강.
  12. 크롬(Cr) 16-26 중량%, 니켈(Ni) 8-22 중량%, 탄소(C) 0.02-0.1 중량%, 나이오븀(Nb) 0.2-1 중량%, 그리고 망간(Mn) 2-3.5 중량%을 포함하는 혼합 강재를 용해하고, 용해된 상기 혼합 강재를 주조하여 오스테나이트계 기지 조직을 갖는 주조 강재를 형성하는 용해 및 주조 단계,
    상기 주조 강재의 고온 변형 거동을 평가하여 재결정 정지 온도를 도출하는 단계,
    상기 주조 강재를 균질화 열처리하는 단계,
    상기 재결정 정지 온도보다 높은 온도에서 1 패스(pass) 이상의 열간 압연을 수행한 후, 상기 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서 1 패스 이상의 열간 압연을 수행하는 다단 패스(multi-pass) 열간 압연 단계, 그리고
    열간 압연된 상기 주조 강재를 열처리한 후 공랭시켜 상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오븀 탄화물을 석출시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 미세 나이오븀 탄화물이 상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있는
    오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
  13. 제12항에서,
    상기 혼합 강재는 몰리브데넘(Mo) 0.5-1.5 중량%를 더 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
  14. 제13항에서,
    열간 압연된 상기 주조 강재를 열처리한 후 공랭시켜 상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물을 석출시키고, 상기 미세 나이오븀-몰리브데넘 탄화물이 상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
  15. 제14항에서,
    상기 혼합 강재는 실리콘(Si) 0 중량% 초과 0.3 중량% 이하를 더 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
  16. 제12항에서,
    상기 다단 패스 열간 압연 단계에서,
    5-15 패스의 열간 압연을 수행하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
  17. 제16항에서,
    상기 재결정 정지 온도보다 높은 온도에서 3-10 패스의 열간 압연을 수행한 후, 상기 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서 2-5 패스의 열간 압연을 수행하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
  18. 제17항에서,
    상기 각 패스의 열간 압연이 순차적으로 수행되면서 상기 각 패스의 수행 온도가 10-50 ℃씩 낮아지는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
  19. 제12항에서,
    상기 주조 강재를 균질화 열처리하는 단계에서, 1200-1300 ℃의 온도 범위에서 30분-2시간 동안 열처리가 진행되는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
  20. 제12항에서,
    상기 열간 압연된 상기 주조 강재를 열처리할 때, 700-800 ℃의 온도 범위에서 1-4 시간 동안 열처리가 진행되는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
KR1020190147897A 2019-11-18 2019-11-18 균일하게 분포하는 나노 크기의 석출물을 다량 함유한 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법 KR102292016B1 (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190147897A KR102292016B1 (ko) 2019-11-18 2019-11-18 균일하게 분포하는 나노 크기의 석출물을 다량 함유한 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법
CN201980100138.XA CN114341389A (zh) 2019-11-18 2019-12-06 具有大量均匀分布的纳米尺寸的沉淀物的奥氏体不锈钢及其制备方法
PCT/KR2019/017159 WO2021100959A1 (ko) 2019-11-18 2019-12-06 균일하게 분포하는 나노 크기의 석출물을 다량 함유한 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법
JP2022527227A JP2023501564A (ja) 2019-11-18 2019-12-06 均一に分布するナノサイズの析出物を多量含むオーステナイト系ステンレス鋼およびその製造方法
US17/045,267 US20230117314A1 (en) 2019-11-18 2019-12-06 Austenitic stainless steel having a large amount of unifromly distributed nanometer-sized precipitates and preparing method of the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190147897A KR102292016B1 (ko) 2019-11-18 2019-11-18 균일하게 분포하는 나노 크기의 석출물을 다량 함유한 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210060179A true KR20210060179A (ko) 2021-05-26
KR102292016B1 KR102292016B1 (ko) 2021-08-23

Family

ID=75980647

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190147897A KR102292016B1 (ko) 2019-11-18 2019-11-18 균일하게 분포하는 나노 크기의 석출물을 다량 함유한 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230117314A1 (ko)
JP (1) JP2023501564A (ko)
KR (1) KR102292016B1 (ko)
CN (1) CN114341389A (ko)
WO (1) WO2021100959A1 (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114959214A (zh) * 2022-05-19 2022-08-30 中国科学院金属研究所 一种含铌奥氏体不锈钢的均质化处理方法
CN115074503B (zh) * 2022-07-07 2023-11-14 中国原子能科学研究院 一种调控含铌奥氏体不锈钢碳化铌分布及尺寸的方法
CN116695028A (zh) * 2023-05-30 2023-09-05 鞍钢股份有限公司 一种高强韧高耐蚀性核电奥氏体不锈钢及其制造方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030049814A (ko) * 2001-12-17 2003-06-25 주식회사 포스코 나이오븀 첨가 오스테나이트계 스테인레스강 열연강재의제조방법
JP3764586B2 (ja) 1998-05-22 2006-04-12 新日本製鐵株式会社 冷間加工性と低浸炭歪み特性に優れた肌焼鋼の製造方法
KR101401625B1 (ko) 2010-10-07 2014-06-02 닛폰 스틸 앤드 스미킨 스테인레스 스틸 코포레이션 내피로성이 우수한 석출 경화형 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강선 및 그 제조 방법
US20170074265A1 (en) 2015-09-10 2017-03-16 Anest Iwata Corporation Scroll fluid machine
KR20170074265A (ko) * 2015-12-21 2017-06-30 주식회사 포스코 내크립 특성 및 인장강도가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법
KR101943591B1 (ko) 2018-11-13 2019-01-30 한국과학기술원 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법
KR101974815B1 (ko) * 2017-11-28 2019-05-07 포항공과대학교 산학협력단 크롬(Cr) 저감을 통한 상온 및 고온강도가 우수한 오스테나이트강

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020110476A1 (en) * 2000-12-14 2002-08-15 Maziasz Philip J. Heat and corrosion resistant cast stainless steels with improved high temperature strength and ductility
JP4784217B2 (ja) * 2005-09-07 2011-10-05 住友金属工業株式会社 無段変速機ベルト、該ベルト用ステンレス鋼板及びその製造法
US7744813B2 (en) * 2007-01-04 2010-06-29 Ut-Battelle, Llc Oxidation resistant high creep strength austenitic stainless steel
JP6029662B2 (ja) * 2013-12-09 2016-11-24 新日鐵住金株式会社 オーステナイト系ステンレス鋼板およびその製造方法
JP6684620B2 (ja) * 2015-03-26 2020-04-22 日鉄ステンレス株式会社 耐水素脆化特性に優れた高強度オーステナイト系ステンレス鋼およびその製造方法、ならびに高圧水素ガスおよび液体水素環境中で用いる水素用機器
CN106244945B (zh) * 2016-08-26 2018-09-14 浙江隆达不锈钢有限公司 耐高温耐腐蚀无缝不锈钢管及该无缝不锈钢管的制备方法
CN107283086A (zh) * 2017-05-27 2017-10-24 太原钢铁(集团)有限公司 高合金奥氏体不锈钢、高合金奥氏体不锈钢焊丝及其制备方法
CN109504833A (zh) * 2018-12-22 2019-03-22 中南大学 一种含铜铌高强度高耐蚀奥氏体不锈钢及其制备方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3764586B2 (ja) 1998-05-22 2006-04-12 新日本製鐵株式会社 冷間加工性と低浸炭歪み特性に優れた肌焼鋼の製造方法
KR20030049814A (ko) * 2001-12-17 2003-06-25 주식회사 포스코 나이오븀 첨가 오스테나이트계 스테인레스강 열연강재의제조방법
KR100570894B1 (ko) * 2001-12-17 2006-04-12 주식회사 포스코 나이오븀 첨가 오스테나이트계 347 스테인레스강 열연강재의 제조방법
KR101401625B1 (ko) 2010-10-07 2014-06-02 닛폰 스틸 앤드 스미킨 스테인레스 스틸 코포레이션 내피로성이 우수한 석출 경화형 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강선 및 그 제조 방법
US20170074265A1 (en) 2015-09-10 2017-03-16 Anest Iwata Corporation Scroll fluid machine
KR20170074265A (ko) * 2015-12-21 2017-06-30 주식회사 포스코 내크립 특성 및 인장강도가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법
KR101974815B1 (ko) * 2017-11-28 2019-05-07 포항공과대학교 산학협력단 크롬(Cr) 저감을 통한 상온 및 고온강도가 우수한 오스테나이트강
KR101943591B1 (ko) 2018-11-13 2019-01-30 한국과학기술원 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
CN114341389A (zh) 2022-04-12
US20230117314A1 (en) 2023-04-20
WO2021100959A1 (ko) 2021-05-27
JP2023501564A (ja) 2023-01-18
KR102292016B1 (ko) 2021-08-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chao et al. The effect of post-processing heat treatment on the microstructure, residual stress and mechanical properties of selective laser melted 316L stainless steel
KR102178332B1 (ko) 고강도 고인성 중엔트로피 합금 및 그 제조방법
JP4712882B2 (ja) 耐水素脆化特性および加工性に優れた高強度冷延鋼板
KR101943591B1 (ko) 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법
US5059257A (en) Heat treatment of precipitation hardenable nickel and nickel-iron alloys
KR102292016B1 (ko) 균일하게 분포하는 나노 크기의 석출물을 다량 함유한 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법
EP3327158B1 (en) Method for producing ni-based superalloy material
JP4712838B2 (ja) 耐水素脆化特性および加工性に優れた高強度冷延鋼板
US10837091B2 (en) High temperature, damage tolerant superalloy, an article of manufacture made from the alloy, and process for making the alloy
EP3327157A1 (en) Method for producing ni-based superalloy material
EP3208355B1 (en) Ni-based superalloy for hot forging
KR102179460B1 (ko) 고엔트로피 합금 및 그 제조방법
KR102198924B1 (ko) 고엔트로피 합금 및 그 제조방법
CN113736966B (zh) 一种具有双重异质结构的FeCrAl基合金及其制备方法
WO2010109702A1 (ja) 冷延鋼板
EP3095884B1 (en) Maraging steel
KR102445585B1 (ko) 탄탈륨 함유 저방사화 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법
KR20210072566A (ko) 크리프 강도가 향상된 고온 구조 재료용 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법
KR20190113456A (ko) 크립 특성이 우수한 단련용 니켈기 초내열합금 및 이의 제조방법
US3444009A (en) Method of heat-treating beta titanium-base alloys
KR102663387B1 (ko) 스피노달 분해를 이용한 경량 중엔트로피 합금
KR102096795B1 (ko) 오스템퍼드 합금강 및 이의 제조 방법
CN116770189A (zh) 一种纳米沉淀相强化的超细晶高强钢及其制备方法
KR20220023118A (ko) 냉간 가공성이 향상된 선재 및 그 제조방법
JPH08158022A (ja) クリープ強度に優れた耐熱鋼及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right