KR20210143116A - Use of a steel material - Google Patents

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KR20210143116A
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제예드 아민 모우자비 리치
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빌슈타인 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

The present invention relates to the use of steel for manufacturing sour gas resistant members for energy generation, tubes, tanks, pipelines for gas or other fluids, components in contact with hydrogen, bipolar plates of fuel cells, and heat exchangers. The steel is the high manganese-containing austenitic steel made of 0.02-0.12 wt% of carbon, 0.05-0.5 wt% of nitrogen, 10-20 wt% of manganese, 10-20 wt% of chrome, and the remainder consisting of iron and common impurities. The present invention provides the austenitic steel with low cost.

Description

강재의 용도{USE OF A STEEL MATERIAL}Use of steel {USE OF A STEEL MATERIAL}

본 발명은 2016년 6월 8일자 도이체 에델슈탈베르케(Deutsche Edelstahlwerke)의 물질 정보 자료에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강 St 1.4404로부터 출발한다. 이러한 특수강은 많은 적용 영역들에서 유용할 수 있다. 이와 같은 강의 주요 단점은, 합금 원소로서 높은 비율의 니켈이 함유되어 있다는 것인데, 말하자면 10 내지 13 중량 퍼센트의 크기로 함유되어 있다. 이는 높은 니켈 가격으로 인해 제품의 현저한 가격 상승을 유발함으로써, 결과적으로 높은 가격으로 인해 이와 같은 재료의 사용이 많은 적용 분야들에서 고려되지 않는다.The present invention starts from an austenitic stainless steel St 1.4404 according to the material information data of Deutsche Edelstahlwerke dated June 8, 2016. These special steels can be useful in many areas of application. A major disadvantage of such steels is that they contain a high proportion of nickel as an alloying element, say in the order of 10 to 13 weight percent. This causes a significant increase in the price of the product due to the high nickel price, and consequently the use of this material is not considered in many applications due to the high price.

본 발명의 목표는, 이와 같은 강 등급들이 새로운 사용 영역들에서 사용될 수 있도록 하는 비용 저렴한 오스테나이트계 강을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a low-cost austenitic steel which allows such steel grades to be used in new areas of use.

그에 따라 본 발명은 에너지 생성용 사워 가스(sour gas) 내성 부재들, 튜브들, 탱크들, 가스 또는 다른 유체용 파이프라인들, 수소와 접촉하는 부품들, 연료전지의 이극판들 및 열교환기들을 제조하기 위한 강재의 새로운 용도를 제시하며, 이때 상기 강재는 다음 성분들:Accordingly, the present invention provides sour gas resistant members for energy generation, tubes, tanks, pipelines for gas or other fluids, parts in contact with hydrogen, bipolar plates of a fuel cell and heat exchangers. It proposes a new use of a steel material for manufacturing, wherein the steel material has the following components:

● 0.02 내지 0.12 %의 탄소,● 0.02 to 0.12% carbon,

● 0.05 내지 0.5 %의 질소● 0.05 to 0.5% nitrogen

● 10 내지 20 %의 망간,● 10-20% manganese;

● 10 내지 20 %의 크롬,● 10 to 20% chromium;

● 통상적인 불순물들을 구비한 잔여 철• Residual iron with common impurities

(중량 퍼센트로 표시)을 구비한 고망간 함유 오스테나이트계 강이다.(expressed in weight percent) is a high manganese containing austenitic steel.

본 발명에 따르면, 제시된 용도를 위해 뛰어나게 유용하고, 그에 따라 재료가 새로운 적용 영역들에서도 사용될 수 있도록 하는 니켈 비함유 고망간 함유 오스테나이트계 강이 제시된다.According to the present invention, a nickel-free high manganese-containing austenitic steel is provided which is exceptionally useful for the intended use and thus allows the material to be used also in new areas of application.

이러한 소위 고망간 오스테나이트는 충분한 내식성 및 우수한 성형성, 특히 냉간 성형성을 갖고, 이때 상기 강은 자체 비용 저렴한 조성으로 인해 새로운 적용 영역들에 도입될 수 있다.This so-called high manganese austenite has sufficient corrosion resistance and good formability, in particular cold formability, wherein the steel can be introduced into new areas of application due to its low cost composition.

상기 강재는 제시된 성분들 이외에 하나 이상의 추가 성분을 더 가질 수 있는데, 말하자면The steel may further have one or more additional components in addition to the components presented, namely

● 0.8 %까지의 실리콘,● silicone up to 0.8%;

● 4 %까지의 구리, ● copper up to 4%;

● 4 %까지의 니켈,● Nickel up to 4%;

● 2 %까지의 몰리브덴,● Molybdenum up to 2%;

● 최대 0.05 %의 인,● up to 0.05% phosphorus;

● 최대 0.05 %의 황,● up to 0.05% sulfur;

● 0.5 %까지의 티타늄,● Titanium up to 0.5%;

● 0.5 %까지의 니오븀,● Niobium up to 0.5%;

● 0.5 %까지의 바나듐 중 하나 이상을 갖는다.● Have at least one of up to 0.5% vanadium.

원칙적으로 모두 중량 퍼센트로 표시되어 있다.In principle, all are expressed in weight percent.

연성을 최적화하고 내식성을 개선하기 위해, 니켈의 첨가는 단지 예외적으로, 그리고 소량으로 이루어진다. 개선된 내식성을 포기하는 경우에 한해, 니켈의 비율은 영으로 설정될 수 있다.In order to optimize ductility and improve corrosion resistance, the addition of nickel is made only exceptionally and in small amounts. The percentage of nickel can be set to zero only if the improved corrosion resistance is waived.

바람직하게 합금 원소들의 성분들은 다음과 같다:Preferably the components of the alloying elements are:

● 0.05 내지 0.08 %의 탄소,● 0.05 to 0.08% carbon,

● 0.08 내지 0.15 %의 질소,● 0.08 to 0.15% nitrogen;

● 13 내지 17 %의 망간,● 13 to 17% manganese;

● 13 내지 17 %의 크롬,● 13 to 17% chromium;

● 1 내지 2 %의 니켈,● 1-2% nickel;

및 바람직하게and preferably

● 0.1 내지 0.2의 실리콘,● silicone from 0.1 to 0.2;

● 1 내지 2 %의 구리,● 1 to 2% copper;

● 최대 0.2 %의 몰리브덴,● up to 0.2% molybdenum,

및 허용 가능한 불순물들로서and as acceptable impurities.

● 최대 0.005 %의 황,● up to 0.005% sulfur;

● 최대 0.02 %의 인,● up to 0.02% phosphorus;

● 최대 0.5 %의 티타늄,● up to 0.5% titanium;

● 최대 0.5 %의 니오븀,● up to 0.5% niobium,

● 최대 0.5 %의 바나듐,● up to 0.5% vanadium,

● 경우에 따라 통상적인 불순물들을 구비한 잔여 철(중량 퍼센트로 표시).• Residual iron (expressed as a percentage by weight), optionally with common impurities.

제시된 상기 강재는 바람직하게 다음의 기계적인 기술적 특성들:The steel material presented preferably has the following mechanical and technical properties:

인장 강도 Rm = 500 내지 800 MPa,tensile strength R m = 500 to 800 MPa,

항복 강도 Rp 0,2 = 200 내지 500 MPa,yield strength R p 0,2 = 200 to 500 MPa,

파단 신율 A80 = 최소 42%을 갖는다.Elongation at break A80 = at least 42%.

이 경우, 특히 바람직하게 상기 재료는 냉간 성형 시 TWIP-매커니즘의 주요 사용하에 5 % 미만의 비율의 변형 유도 마르텐사이트를 함유한다.In this case, particularly preferably, the material contains less than 5% strain-induced martensite under the main use of the TWIP-mechanism in cold forming.

특수한 또 다른 한 가지는, 상기 강재의 기술적 특성들이 적합한 압연 정도에 의한 상기 재료의 압연에 의해, 그리고/또는 적합한 어닐링 온도에서 상기 재료의 어닐링에 의해 설정된다는 것이다.Another special thing is that the technical properties of the steel are set by rolling of the material by a suitable degree of rolling and/or by annealing the material at a suitable annealing temperature.

도 1은 쉐플러-드롱-다이어그램이다.1 is a Schaeffler-Deron-diagram.

원소들의 영향:Influence of elements:

합금 원소들의 경우, 원칙적으로 카바이드 형성제, 오스테나이트 형성제 또는 페라이트 형성제인지, 혹은 어떠한 목적으로 강으로 합금 되는지가 구분되어야 한다.In the case of alloying elements, a distinction must be made in principle whether they are carbide formers, austenite formers or ferrite formers, or for what purpose they are alloyed into steel.

각각의 개별적인 원소는 비율에 따라 강에 특정 특성들을 제공한다. 복수의 원소가 존재하는 경우, 효과는 상승할 수 있다. 그러나 단일 원소들이 특정 거동과 관련하여 자체 영향을 동일한 방향으로 미치지 않고, 오히려 서로 반대로 작용할 수 있는 합금 변형예들이 존재한다.Each individual element, in proportion, gives the steel certain properties. When a plurality of elements are present, the effect may increase . However, there are alloy variants in which single elements do not influence themselves in the same direction with respect to a particular behavior, but rather act in opposition to each other.

강 내에 존재하는 합금 원소들은 단지 의도한 특성들의 전제 조건이며; 가공 및 열처리가 비로소 이와 같은 특성들을 달성한다.The alloying elements present in the steel are merely prerequisites for the intended properties; Machining and heat treatment only achieve these properties.

탄소(C)carbon (C)

일반적으로:Generally:

탄소는 강 내 가장 중요하고 가장 영향력 있는 합금 원소이다. 각각의 비합금 강은 탄소 이외에, 제조 시 의도적이지 않게 부가되는 실리콘, 망간, 인 및 황을 함유한다. 특수한 효과들을 달성하기 위한 추가 합금 원소들의 첨가 및 망간 함량 및 실리콘 함량의 의도적인 증가는 합금 강을 야기한다. C-함량이 증가함에 따라 강의 강도 및 경화성이 증가하는 반면, 상기 강의 신장성, 단조성, 용접성 및 (절삭 공구에 의한) 가공성은 감소한다. 물, 산, 고온 가스에 대한 내식성은 탄소에 의해 실질적으로 영향을 받지 않는다.Carbon is the most important and most influential alloying element in steel. Each unalloyed steel contains, in addition to carbon, silicon, manganese, phosphorus and sulfur, which are unintentionally added during manufacture. The addition of additional alloying elements to achieve special effects and the intentional increase of the manganese content and the silicon content result in alloyed steels. As the C-content increases, the strength and hardenability of the steel increase, while the extensibility, forgeability, weldability and workability (by cutting tool) of the steel decrease. Corrosion resistance to water, acids and hot gases is practically unaffected by carbon.

본 발명에 따른 개념에서 탄소의 비율은 상대적으로 낮게 유지됨으로써, 결과적으로 강도와 신장성 사이의 최적의 비율이 주어진다. 목표는 최대 성형성을 달성하는 것이다. 계속해서 탄소는 오스테나이트 형성제이다.The proportion of carbon in the concept according to the invention is kept relatively low, resulting in an optimal ratio between strength and extensibility. The goal is to achieve maximum formability. In turn, carbon is an austenite former.

망간(Mn)Manganese (Mn)

일반적으로:Generally:

- Mn은 임계 냉각 속도를 매우 강하게 감소시키고 그에 따라 경화성을 증가시킨다- Mn very strongly reduces the critical cooling rate and thus increases the hardenability

- 항복 강도 및 강도는 Mn-첨가에 의해 증가한다- yield strength and strength increase with Mn-addition

- 4 %를 초과하는 함량은 더 느린 냉각에서도 취성 마르텐사이트 조직을 형성한다- a content exceeding 4% forms a brittle martensitic structure even at slower cooling

- 12 %를 초과하는 Mn-함량을 갖는 강들은 동시에 높은 C-비율에서 오스테나이트계 강들인데, 그 이유는 Mn이 γ-영역을 현저히 확장시키기 때문이다.- Steels with a Mn-content exceeding 12% are at the same time austenitic steels at a high C-ratio, since Mn significantly broadens the γ-region.

Mn은 오스테나이트 형성제이고 본 발명에 따라 주로 Ni의 더 저렴한 대체물로서 사용된다. 따라서 이와 같은 개념에서 10 내지 20 %의 비율도 사용된다.Mn is an austenite former and is mainly used in accordance with the present invention as a cheaper replacement for Ni. Therefore, a ratio of 10 to 20% is also used in this concept.

크롬(Cr)Chromium (Cr)

일반적으로:Generally:

- 마르텐사이트 형성을 위해 요구되는 임계 냉각 속도를 감소시킨다- Reduces the critical cooling rate required for martensite formation

- 경화성을 증가시키고 열처리성을 개선한다- Increase hardenability and improve heat treatment

- Cr은 스케일링 저항을 증가시킨다- Cr increases the scaling resistance

- Cr은 γ-구역을 축소하고 그에 따라 페라이트 영역을 확장시키지만; 오스테나이트를 오스테나이트계 Cr-Mn-강들 또는 Cr-Ni-강들로 안정화한다- Cr shrinks the γ-region and thus expands the ferrite region; Stabilizes austenite with austenitic Cr-Mn-steels or Cr-Ni-steels

- 크롬은 10.5 %의 질량 분율부터 크롬 산화물 층을 형성하고, 그 결과 추가 산화가 방지된다. 이와 같은 산화물 층이 손상되면, 블랭크 금속은 대기와 접촉하고, 자동으로 새로운 패시베이팅 층(passivating layer)이 형성되는데, 다시 말해 상기 층은 자가 복원성을 갖는다.- chromium forms a layer of chromium oxide from a mass fraction of 10.5%, as a result of which further oxidation is prevented; If such an oxide layer is damaged, the blank metal comes into contact with the atmosphere and a new passivating layer is automatically formed, ie the layer is self-healing.

본 발명에 따르면, Cr의 주요 과제는 부식을 방지하는 것이다. 이와 같은 개념에서 제품이 부식성 매개물 내에서 사용되어야 하기 때문에, 부식 방지를 증가시키기 위해, 여기서 14 내지 16 %의 Cr-함량이 사용된다.According to the present invention, the main task of Cr is to prevent corrosion. In order to increase corrosion protection, a Cr-content of 14 to 16 % is used here, since in this concept the product has to be used in corrosive media.

니켈(Ni)Nickel (Ni)

일반적으로:Generally:

니켈은 안정적인 철-탄소 시스템 이후에 고형화를 촉진하는 합금 원소들에 속한다. 임계 냉각 속도의 감소에 의해 니켈은 완전 경화 및 완전 열처리를 증가시킨다. 또한, 니켈은 특히 저온도 범위 내에서 무엇보다 점성을 증가시키고 결정립 미세화 작용하며 그리고 과열 감도를 감소시킨다. 18/10 크롬-니켈 강(1.4301)은 내식성 오스테나이트계 강들의 대표 강들에 속한다.Nickel belongs to alloying elements that promote solidification after a stable iron-carbon system. By reducing the critical cooling rate, nickel increases full hardening and full heat treatment. In addition, nickel increases viscosity, grain refinement, and reduces overheating sensitivity, among other things, especially in the low temperature range. 18/10 chromium-nickel steel (1.4301) belongs to representative steels of corrosion-resistant austenitic steels.

이미 언급된 바와 같이, 니켈은 상대적으로 비싼 합금 원소이며, 본 발명에 따라 그 비율은 망간에 의해 대체된다. 그러나 소정의 비율에 의해 점성이 증가할 수 있고, 오스테나이트의 안정성도 긍정적인 영향을 받을 수 있다. 계속해서 니켈은 내식성에 대해 긍정적인 효과가 있다.As already mentioned, nickel is a relatively expensive alloying element, and according to the invention its proportion is replaced by manganese. However, the viscosity may increase by a predetermined ratio, and the stability of austenite may be positively affected. Continuing, nickel has a positive effect on corrosion resistance.

질소(N)Nitrogen (N)

일반적으로:Generally:

질소는 탄소와 유사하게 오스테나이트 형성제로서 작용한다. 그러나 질소에 대해 더 낮은 철의 최대 용해도는 탄소에 대한 철의 최대 용해도보다 현저히 더 높다. 다른 원소들이 합금 됨으로써, 또는 진공 질화 처리함으로써, 강 내 질소 함량이 현저히 증가할 수 있고, 오스테나이트계 강들 내 니켈의 일부는 탄소의 효과를 대체하며 탄소는 감소할 수 있다.Nitrogen acts similarly to carbon as an austenite former. However, the lower maximum solubility of iron in nitrogen is significantly higher than that of iron in carbon. By alloying other elements, or by vacuum nitriding, the nitrogen content in the steel can be significantly increased, and some of the nickel in austenitic steels can replace the effect of carbon and reduce carbon.

본 발명에 따르면, 질소는 탄소의 대체물로서 사용되고 내식성을 개선한다. 계속해서 질소는 오스테나이트 형성제인 니켈의 대체물로서 작용한다.According to the present invention, nitrogen is used as a substitute for carbon and improves corrosion resistance. Nitrogen continues to act as a replacement for the austenite former, nickel.

오스테나이트 형성제:Austenite formers:

오스테나이트 구역을 확장시키고 오스테나이트를 안정화하는 합금 원소들이다. Ni, Co, Mn, N 및 C는 가장 중요한 대표 원소들이다. 쉐플러-드롱-다이어그램에 의해 결과로 나타나는 고합금 강들의 조직은 화학적 조성에 따라 결정될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 이와 같은 다이어그램에서 오스테나이트 형성제들은 페라이트 형성제들에 마주 놓인다.These are alloying elements that expand the austenite zone and stabilize the austenite. Ni, Co, Mn, N and C are the most important representative elements. The structure of the resulting high-alloy steels shown by the Schaeffler-Deron-diagram can be determined according to the chemical composition. As shown in the figure, in this diagram the austenite formers are opposite the ferrite formers.

Claims (5)

에너지 생성용 사워 가스(sour gas) 내성 부재들, 튜브들, 탱크들, 가스 또는 다른 유체용 파이프라인들, 수소와 접촉하는 부품들, 연료전지의 이극판들 및 열교환기들을 제조하기 위한 강재의 용도에 있어서,
상기 강재는 다음 성분들:
● 0.02 내지 0.12 %의 탄소,
● 0.05 내지 0.5 %의 질소
● 10 내지 20 %의 망간,
● 10 내지 20 %의 크롬,
● 통상적인 불순물들을 구비한 잔여 철
(중량 퍼센트로 표시)을 구비한 고망간 함유 오스테나이트계 강인, 강재의 용도.
of steel for manufacturing sour gas resistant members for energy generation, tubes, tanks, pipelines for gas or other fluids, parts in contact with hydrogen, bipolar plates of fuel cells and heat exchangers For use,
The steel contains the following components:
● 0.02 to 0.12% carbon,
● 0.05 to 0.5% nitrogen
● 10-20% manganese;
● 10 to 20% chromium;
• Residual iron with common impurities
High manganese-containing austenitic steels with (expressed in percent by weight), steels.
제1항에 있어서,
상기 강재는 다음 추가 성분들 중 하나 이상의 추가 성분을 갖는데, 말하자면
● 0.8 %까지의 실리콘,
● 4 %까지의 니켈,
● 2 %까지의 몰리브덴,
● 최대 0.05 %의 인,
● 최대 0.05 %의 황,
● 0.5 %까지의 티타늄,
● 0.5 %까지의 니오븀,
● 0.5 %까지의 바나듐 중 하나 이상을 갖는, 강재의 용도.
According to claim 1,
The steel has one or more further components of the following further components, namely
● silicone up to 0.8%;
● Nickel up to 4%;
● Molybdenum up to 2%;
● up to 0.05% phosphorus;
● up to 0.05% sulfur;
● Titanium up to 0.5%;
● Niobium up to 0.5%;
● Use of steels, having at least one of up to 0.5% vanadium.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 강재는 다음의 기계적인 기술적 특성들:
인장 강도 Rm = 500 내지 800 MPa,
항복 강도 Rp 0,2 = 200 내지 500 MPa,
파단 신율 A80 = 최소 42%을 갖는, 강재의 용도.
3. The method of claim 1 or 2,
The steel has the following mechanical and technical characteristics:
tensile strength R m = 500 to 800 MPa,
yield strength R p 0,2 = 200 to 500 MPa,
The use of steels with an elongation at break A80 = at least 42%.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 재료는 냉간 성형 시 TWIP-매커니즘의 단독 사용하에 5 % 미만의 비율의 변형 유도 마르텐사이트를 함유하는, 강재의 용도.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
The use of a steel, wherein the material contains less than 5% strain-induced martensite under the sole use of the TWIP-mechanism in cold forming.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강재의 기술적 특성들은 적합한 압연 정도에 의한 상기 재료의 압연에 의해, 그리고/또는 적합한 어닐링 온도에서 상기 재료의 어닐링에 의해 설정되는, 강재의 용도.
5. The method according to any one of claims 1 to 4,
The use of a steel, wherein the technical properties of the steel are established by rolling of the material to a suitable degree of rolling and/or by annealing the material at a suitable annealing temperature.
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