KR20220141056A - 경도 변화가 제어된 클래드 강 - Google Patents

경도 변화가 제어된 클래드 강 Download PDF

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Abstract

탄소강인 모재와 스테인레스강인 클래딩재를 포함하는 클래드 강으로, 상기 모재와 상기 클래드재 간 계면층에서의 경도 증가율은 20 내지 50%이며, 상기 계면층에서의 경도 변화율은 15% 이하인 것을 특징으로 하는 클래드 강이 제공된다.

Description

경도 변화가 제어된 클래드 강{Clad steel with controlled hardness change}
본 발명은 경도 변화가 제어된 클래드 강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모재와 클래딩재간 계면층에서 경도를 제어하여 모재와 클래딩재 사이의 과도하게 큰 경도 변화에 따른 문제를 해결할 수 있는, 경도 변화가 제어된 클래드 강에 관한 것이다.
일반적으로, 복합재료의 일종인 클래드 접합재는 한 금속의 전면을 다른 금속으로 피복하여 구성되는 것으로, 성질이 다른 금속을 접합함으로써 단일 금속에서는 얻기 어려운 효과(강도 등)를 발휘시키는 재료이다.
상기 클래드 접합재에서는 통상적으로 피복하는 금속을 클래드재, 피복되는 금속을 모재라고 칭하고 있으며, 특히, 강재를 모재로 하는 클래드 접합재의 경우에는 클래드강(clad steel)이라 부르고 있다.
이러한 클래드강은 제조 비용면에서 상대적으로 경제성이 있으면서도 단일 재료에 비해 높은 물성을 가질 수 있어, 화학 플랜트, 압력용기류, 가전제품, 전자부품, 건축용 자재 등에서 많이 이용되고 있다.
한편, 상술한 클래드강을 선박의 선체외판에 적용하고자 하는 시도도 많이 이루어지고 있다. 클래드강은 일반적으로 모재로 강재(주로 탄소강)를 사용하고 클래드재로 스테인리스강을 사용하고 있는데, 선체외판에 적용됨에 있어 강도와 내식성의 문제가 주로 연구되고 있다.
예를 들어 대한민국 공개특허 10-2013-0053706호는 선박용 클래드강 제조방법을 개시하고 있으며, 대한민국 공개특허 공개특허 10-2019-0102029호는 시그마상, 탄화물의 석출을 억제하고, 내식성이 우수한 2상 스테인리스 클래드강에 관한 특허를 개시하고 있다.
하지만, 상이한 경도(hardness)의 두 금속재를 접합함에 있어서, 모재인 탄소강과 클래드재인 스테인레스강 사이의 경도 변화가 과도하게 큰 경우 클래드재가 가지게 되는 변형이나 외부 충격에 대한 취약함 등의 문제를 해결하는 기술은 개시되지 못하는 상황이다.
KR 10-2013-0053706 A1 KR 10-2019-0102029 A1
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 모재와 클래드재 사이의 계면층에서 경도 변화율이 일정 수준 이하로 조절되어 상술한 문제가 해결된 클래드 강 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 탄소강인 모재와 스테인레스강인 클래딩재를 포함하는 클래드 강으로, 상기 모재와 상기 클래드재 간 계면층에서의 경도 증가율은 20 내지 50%이며, 상기 계면층에서의 경도 변화율은 15% 이하인 클래드 강을 제공한다.
본 발명의 일 구현예로 상기 계면층은 상기 모재와 상기 클래딩재 사이의 계면으로부터 상기 모재와 상기 클래딩재 양 방향으로 10 내지 50 μm일 수 있다.
본 발명의 일 구현예로 상기 모재는 C 0.07 중량% 이하, Si 0.45 중량% 이하, Mn 1.6 중량% 이하, P 0.025 중량% 이하, S 0.015 중량% 이하, V 0.1 중량% 이하, Nb 0.1 중량% 이하, Ti 0.1 중량% 이하와 잔부의 철로 구성되며, 상기 클래딩재는 C 0.03 중량% 이하, Cr 16.0 내지 18.0 중량%, Mo 2.0 내지 3.0 중량%, Ni 10.0 내지 14.0 중량%, Mn 2.0 중량% 이하, P 0.045 중량% 이하, S 0.03 중량% 이하, N 0.10 중량% 이하와 잔부의 철로 구성되며, 상기 클래드 강의 접합계면 전단강도는 350 MPa 이상일 수 있다.
본 발명에 따르면, 모재와 클래딩재간 계면층에서 경도를 제어하여 모재와 클래딩재 사이의 과도하게 큰 경도 변화에 따른 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 클래드강 제조방법의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 클래드강의 단면 조직 사진이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예와 달리 모재로 A516-70N, 클래드재로 STS-316L을 사용하여 공냉시킨 경우의 클래드강의 단면 조직사진이다.
도 4 및 5는 각각 도 2 및 도 3의 클래드강에 대한 마이크로 비커스 경도 측정 결과이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 C 0.07 중량% 이하, Si 0.45 중량% 이하, Mn 1.6 중량% 이하, P 0.025 중량% 이하, S 0.015 중량% 이하, V 0.1 중량% 이하, Nb 0.1 중량% 이하, Ti 0.1 중량% 이하와 잔부의 철로 구성된 모재와, C 0.03 중량% 이하, Cr 16.0 내지 18.0 중량%, Mo 2.0 내지 3.0 중량%, Ni 10.0 내지 14.0 중량%, Mn 2.0 중량% 이하, P 0.045 중량% 이하, S 0.03 중량% 이하, N 0.10 중량% 이하와 잔부의 철로 구성된 클래드재로 이루어진 클래드강을 제공한다.
상기 모재에 포함된 C는 다른 합금 원소에 비해 높은 확산 속도를 가지므로 모재로부터 클래드재 방향으로 확산되어 계면층에 다량의 탄화물이 존재하는 구간에 해당하는 Severely Carburized Layer(이하 SCL)을 형성할 수 있다. SCL 내 다량의 탄화물은 내식성을 저해할 뿐만 아니라 모재와 클래드재 사이의 과도한 경도 변화를 초래하여 클래드강의 인성 저하 등의 문제를 야기한다. 따라서, 다량의 탄소 함유는 피해야 하며, 탄소의 확산과 과도한 SCL의 형성을 억제하여 계면층 내 탄소가 집중되는 문제를 방지하기 위해 C 량은 0.07 중량% 이하로 한다.
상기 모재에 포함된 V, Nb, Ti는 모재 내 탄소와 탄화물을 형성하여 모재로부터 클래드재 방향으로 확산되는 탄소량을 감소시켜 SCL의 형성을 억제하며, V+Nb+Ti≤0.15 중량%를 만족한다. 상기 범위에서 탄화물의 형성에 따른 탄소의 확산이 억제되어 과도한 SCL의 형성과 계면층 내 탄소의 집중 현상을 방지할 수 있다.
본 발명에서 계면층은 상기 모재와 상기 클래딩재 사이의 계면으로부터 상기 모재와 상기 클래딩재 양 방향으로 10 내지 50 μm로 정의하지만, 적어도 모재와 클래드재 단독의 조성과 달라지는 임의의 범위가 모두 본 발명에 속한다.
이하, 본 발명의 경도 변화가 제어된 클래드 강의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 클래드 강은 상기 조성 범위의 모재와 클래드재를 결합하여 클래드 압연용 조립 슬래브를 제조하고 클래드 압연 이후 수냉과 공냉을 거쳐 제조된다.
클래드 압연용 조립 슬래브 제조시 모재와 클래드재간의 접합성을 향상시키기 위해 슬라브 패킹 진공도는 10-3torr로 하며, 가열 시 클래드재를 충분히 용체화하기 위해 슬라브 가열은 1050~1150℃ 범위에서 실시한다.
이후, 모재의 강도, 인성을 확보하고 모재와 클래드재간의 접합성의 열화를 방지하기 위해 압하비 2~3, 누적 압하율 50% 이상, 압연온도 820℃ 이상에서 압연을 실시한다.
특히 본 발명은 압연 이후 수냉을 통해 모재로부터 클래드재 방향으로의 탄소 확산을 제어하여 SCL의 형성을 억제함으로써 탄소가 계면층으로 집중되는 문제를 해결하여 경도 변화율을 제어한다. 즉, 압연 이후 수냉을 거치지 않고 공냉과 열처리를 통해 제조되는 클래드강과 달리 본 발명은 탄소의 확산속도를 낮춰 탄소 확산과 SCL 형성을 억제하기 위해 800℃ 범위에서 수냉을 실시하며, 바람직하게는 550℃까지 수냉을 실시한다.
이하 본 발명의 일 실시예와, 실시예에 따라 제조된 클래드재에 대한 실험예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하지만, 이하 실시예와 실험예에 따라 본 발명의 범위는 제한되지 않는다.
실시예
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 클래드강 제조방법의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 상술한 탄소강 모재에 클래드강을 패킹한 후, 하기의 공정 조건에 따라 클래드강을 제조하였다.
패킹된 슬라브는 압연 전, 모재와 클래드재간의 접합성을 향상시키기 위해 슬라브 패킹 진공도는 10-3torr로 하였다. 슬라브 가열온도는 클래드재를 충분히 용체화하기 위해 1050~1150℃ 범위에서 실시하였다. 가열온도가 낮으면 고온역에서 충분한 압연량을 확보할 수 없어 접합성이 열화된다. 따라서 모재와 클래드재 간의 접합성 확보 측면에서 가열온도는 1050~1150℃ 범위로 하였다. 한편, 압연온도는 1000℃ 이상에서 압하비 2~3, 누적압하율 50% 이상을 적용하였으며, 최종 압연종료온도는 820℃이다. 이후 550℃까지 수냉한 후 상온까지 공냉하여 베이나이트 및 페라이트로 이루어지는 복합조직의 클래드강을 제조하였다. 수냉 시 냉각속도는 5℃/sec 이상으로 하였다.
실험예
조직
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 클래드강의 단면 조직 사진이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예와 달리 모재로 A516-70N, 클래드재로 STS-316L을 사용하여 수냉없이 공냉 방식으로 냉각시킨 비교예에 따른 클래드강의 단면 조직사진이다.
도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 단면은 계면 부근의 클래드재에 모재로부터 확산된 탄화물이 형성된 것을 알 수 있으나, 도 3과 달리 과도하게 많은 탄화물이 침착된 계면층(도 3의 30μm 두께층), 즉 SCL이 형성되지 않은 것을 알 수 있다. 이는 페라이트 및 펄라이트의 미세조직을 갖는 비교예와 달리 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 클래드강은 수냉에 따른 베이나이트와 페라이트의 미세조직을 갖게 되어 탄소의 확산이 억제된 것으로 판단된다.
경도 측정
도 4 및 5는 각각 도 2 및 도 3의 클래드강에 대한 마이크로 비커스 경도 측정 결과이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 클래드강의 경우, 모재와 클래드재 사이의 계면영역에서의 경도 변화는 모재에서 클래드재 방향으로 15% 이하로 증가하는 것을 알 수 있다. 이것은 탄소 확산이 억제됨에 따라 모재와 클래드재 사이의 경도 변화가 급격하게 증가하지 않고 낮아진 결과로 예상된다.
또한, 이러한 급격한 경도 변화를 억제함에 따라 과도한 경도 차이에 의한 계면에서의 균열 발생을 억제하여 계면 파단 위험성을 낮출 수 있으며, 클래드강의 인성 저하 등의 문제를 해결할 수 있다.
한편 도 5를 참조하면, 모재와 클래드재간 계면층에서 급격한 경도 변화가 관찰되는 것을 알 수 있다. 이것은 본 발명에 따라 제조된 클래드강의 특성과는 명확히 구분된다.
전단 강도 측정
클래드재와 모재의 접합성 평가는 ASTM A264 전단 강도 시험에 의하였다. 전단 강도 시험은 클래드재를 모재로부터 접합면과 평행하게 박리하고, 그 박리에 필요하였던 최대 전단 강도로부터 접합성을 평가하는 방법이다. 평가 기준은 전단 응력이 350 MPa 이상인 것을 접합성이 양호한 것으로 판단하였다.
도 6을 참조하면, 상기 평가에 의한 본 발명에 따른 클래드 강의 접합계면 전단강도는 350 MPa 이상임을 확인할 수 있었다.

Claims (3)

  1. 탄소강인 모재와 스테인레스강인 클래딩재를 포함하는 클래드 강으로,
    상기 모재와 상기 클래드재 간 계면층에서의 경도 증가율은 20 내지 50%이며,
    상기 계면층에서의 경도 변화율은 15% 이하인 것을 특징으로 하는 클래드 강.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 계면층은 상기 모재와 상기 클래딩재 사이의 계면으로부터 상기 모재와 상기 클래딩재 양 방향으로 10 내지 50 μm인 것을 특징으로 하는 클래드 강.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 모재는 C 0.07 중량% 이하, Si 0.45 중량% 이하, Mn 1.6 중량% 이하, P 0.025 중량% 이하, S 0.015 중량% 이하, V 0.1 중량% 이하, Nb 0.1 중량% 이하, Ti 0.1 중량% 이하와 잔부의 철로 구성되며,
    상기 클래딩재는 C 0.03 중량% 이하, Cr 16.0 내지 18.0 중량%, Mo 2.0 내지 3.0 중량%, Ni 10.0 내지 14.0 중량, Mn 2.0 중량% 이하, P 0.045 중량% 이하, S 0.03 중량% 이하, N 0.1 중량% 이하와 잔부의 철로 구성되며,
    상기 클래드 강의 접합계면 전단강도는 350 MPa 이상인 것을 특징으로 하는 클래드 강.
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