KR20230100735A - 오스테나이트계 스테인리스 강 - Google Patents

오스테나이트계 스테인리스 강 Download PDF

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루이 우
마리 루이즈 포클랜드
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오또꿈뿌 오와이제이
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Abstract

개선된 내열성 및 내부식성을 갖는 오스테나이트계 스테인리스 강으로서, 강은 0.03 내지 0.20 중량%의 탄소, 20.00 내지 26.00 중량%의 크롬, 10.00 내지 22.00 중량%의 니켈, 0.50 내지 2.50 중량%의 규소, 0.50 내지 2.00 중량%의 망간, 0.10 내지 0.40 중량%의 질소, <0.015 중량%의 황, <0.040 중량%의 인, 0.00 내지 0.10 중량%의 희토류 금속(주로 세륨 및 란타늄) 및 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 함유한다.

Description

오스테나이트계 스테인리스 강
본 발명은 오스테나이트계 내열 및 내크리프성 스테인리스 강에 관한 것이다. 본 발명은 또한 특히, 산화 및 침탄 환경에서, 이러한 오스테나이트계 스테인리스 강의 사용에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 오스테나이트계 내열 및 내크리프성 스테인리스 강으로 제조된 제품에 관한 것이다.
S31008은 800 내지 1050℃의 온도 범위에서 응용을 위해 가장 일반적으로 사용되는 고온 스테인리스 강이다. 그러나, 반복 온도에서의 내크리프성 및 내산화성 둘 모두에서 S30815가 더 나은 성능을 나타낸다. 그러나 S31008은 환원 또는 침탄 환경에서 더 나은 성능을 발휘한다.
매우 양호한 기계적 유사 크리프 특성과 조합하여 우수한 고온 내산화성 및 내부식성을 갖는 강에 대한 강력한 필요성이 존재한다. 기존의 고온 강은 특징의 이러한 조합이 결여되어 있다. 이러한 합금의 설계 및 개발의 목적은, 오스테나이트계 내열성 스테인리스 강이 고온에서 높은 크리프 강도 및 양호한 내산화성 및 내부식성의 조합을 생성하는 것이다. S30815만큼 우수하고 S31008 및 S31400을 능가하는 크리프 강도와 앞서 언급된 상업적 등급보다 우수한 내산화성을 지향한다. 이 합금은 산화 및 침탄 환경에서 하중 지지 응용의 요건을 충족시키는 것을 목표로 한다.
본 발명의 목적은 우수한 내크리프성 및 내산화성을 등온 및 반복 조건에서, 특히 환원 환경에서 우수한 저항성으로 조합하는 오스테나이트계 스테인리스 강을 제공하는 것이다. 이들은 머플로와 같은 응용에 사용되는 재료의 종종 요구되는 요건이다.
본 발명은 산화 및 환원 환경 둘 모두가 존재하는 머플 및 열처리로와 유사한 특수 고온 응용에 대해 기존의 내열성 스테인리스 등급(S30815 및 S31008)을 대체하기 위한, 오스테나이트계 내열성 스테인리스 강에 관한 것이다. 본 발명에 의해, 훨씬 더 우수한 고온 내부식성 및 크리프 특성을 갖고 비용 효율적이고 생산하기 용이한 오스테나이트계 내열성 스테인리스 강이 제공된다.
놀랍게도, 구현예에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강은 고온 내부식성 및 크리프 특성을 제공하고, 열처리 장비(예를 들어, 머플로)와 같은 공격적인 환경에서 고온 응용에 특히 적합하다는 것이 밝혀졌다. 구현예에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강은 실용적이고 환경적으로 건전한 방식으로 경제적으로 제조될 수 있다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
구현예에 따르면, 오스테나이트계 스테인리스 강은 조밀하고 접착성 있는 산화물 층의 형성을 통해 양호한 내산화성을 결합하고 동시에 침탄에 저항하는 방식으로 합금화하기 위해 여러 합금 원소의 이점을 활용하는 조성을 갖는다. 또한, 이는 우수한 내크리프성을 갖는 방식으로 설계된다.
탄소 및 질소와의 잘 정의되고 균형잡힌 합금화는 입계 내 및 어느 정도 입계 탄화물 및 질화물의 형성; 소위 석출 강화를 통해 크리프 강도를 증가시킨다.
높은 내산화성을 갖기 위해 크롬 및 규소가 첨가된다. 이 양은 구조 안정성에 부정적인 영향을 미치지 않도록 신중하게 균형을 이루며, 이는 이들 원소 둘 모두가 시그마 상과 같은 금속간 및 취성 상의 형성을 촉진하기 때문이다.
구리 금속(예를 들어, 세륨)은 이전의 미세 합금(MA) 등급에서 반복 내산화성에 우수한 효과를 갖는 것으로 나타났다. 따라서, 희토류 금속은 더 탄성적이고 접착성 있는 산화물 층의 이점을 얻도록 최적화된 양으로 첨가된다. 그러나 과도한 양의 희토류 금속은 내산화성에 더 이상 이롭지 않고 기계적 특성 및 성형성에 부정적인 영향을 미치는 산화물 개재물의 클러스터를 유발할 수 있음이 밝혀졌기 때문에 그 양이 제한된다.
니켈 함량은 상업적으로 이용 가능한 다른 잘 알려진 고온 스테인리스 강에서 알려진 수준이지만 희토류 금속과 미세 합금화된 다른 고온 등급과는 상이하다. 따라서 원소의 조합이 신규한 방식으로 활용된다. 규소와 조합된 니켈은 탄화에 대한 저항성을 촉진한다.
총 15개의 시험 용융물이 생성되었다(표 1 참조). 용융물 1 내지 용융물 8은 멀라이트 도가니를 사용하여 생성되고, 고주파 코일을 사용하여 Ar 보호 분위기에서 용융되도록 가열된다. 용융 공정은 약 10 내지 15분이 소요된다. 각각의 용융물은 약 600 그램으로 칭량된다. 용융물은 유압 프레스 인터라켄(Interlaken)을 사용하여 단조된다. 미리 결정된 수의 단계에 걸쳐 원하는 두께로 잉곳을 짧은 순간(burst)에 압축하는 사내 소프트웨어 프로그램이 개발되어 왔다. 용융물은 각각의 단계 사이에서 약 1250℃로 가열된다. 최종 편의 두께는 8 mm이다.
시험 용융물 9 내지 용융물 15는 4 × 10-4 bar의 최소 압력을 갖는 Leybold-Heraeus 진공 유도로를 사용하여 생성된다. 용융물은 65 ㎏ 잉곳을 생성하기 위해 진공에서 금속 마운드로 태핑된다. 최대 1250℃까지 가열하고, 양 측에 노를 갖는
Figure pct00001
압연기는 각각 38 mm 두께의 슬래브를 각각 10 및 6 mm 두께의 플레이트로 열간 압연하는 데 사용된다. 압연 속도는 45 m/분이다. 압연 패스는 10 mm 두께 플레이트 및 6 mm 두께 플레이트의 경우 각각 7과 9이다.
어닐링 온도 및 유지 시간은 완전히 재결정화된 오스테나이트, 적절한 경도 및 결정립 크기를 가져오도록 선택되었다. 어닐링 온도 및 유지 시간은 각각 1100℃ 내지 1200℃ 및 0분 내지 30분을 포함한다.
[표 1]
Figure pct00002
Figure pct00003
표 1에 열거된 모든 용융물이 이러한 오스테나이트계 스테인리스 강의 기본 아이디어를 충족하여 S31008 및 S30815의 크롬, 니켈, 규소, 질소 및 희토류 금속과 같은 주요 원소를 화학적으로 조합하는 것은 아니다. 따라서, 상기 시험 용융물에서 얻어진 화학 조성은 하기 표 2에 기재된 바와 같이 목표 및 바람직한 화학 조성을 생성한다. 미세구조 조사, 산화 및 침탄 시험뿐만 아니라 크리프 시험은 용융물 7, 용융물 8, 용융물 14 및 용융물 15를 사용하여 대부분의 경우에 수행된다.
[표 2]
Figure pct00004
제조 공정 및 제품
상기 및 하기에 정의된 바와 같은 오스테나이트계 스테인리스 내열강은 반제품, 플레이트, 시트, 코일, 스트립, 파르, 파이프, 튜브 및/또는 와이어와 같은 물체의 제조에 사용되기 위한 것이다. 이들 제품을 제조하는 데 사용되는 방법은 용융, 정제, 주조, 열간 압연, 냉간 압연, 단조, 압출 및 인발과 같은 종래의 제조 공정을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
미세구조
Figure pct00005
도 1은 오스테나이트계 스테인리스 강(ASS)의 미세구조를 보여준다.
Figure pct00006
도 2, 도 3, 도 4, 도 5 및 도 6은 각각 1000℃에서, 1050℃에서, 1100℃에서, 1150℃에서 및 1200℃에서 주어진 시간에 S31008, S30815 및 S31400과 같은 상업적 등급과 비교하여 오스테나이트계 스테인리스 강(ASS)에 대한 결정립 성장 거동을 나타낸다.
환경 시험
Figure pct00007
도 7 및 도 8은 S31008, S30815 및 S31400과 같은 상업적 등급과 비교하여 오스테나이트계 스테인리스 강(ASS)에 대해 각각 1150℃/90h 및 1175C/50h의 건조 공기에서 반복 산화 시험을 나타낸다.
Figure pct00008
도 9, 도 10 및 도 11은 S31008, S30815 및 S31400과 같은 상업적 등급과 비교하여 오스테나이트계 스테인리스 강(ASS)에 대해 각각 1000℃/250h, 1100℃/250h 및 1150℃/250h의 건조 공기에서 등온 산화 시험을 나타낸다.
Figure pct00009
도 12는 오스테나이트계 스테인리스 강(ASS), S31008, S30815 및 S31400.및 S31400에 대한 침탄 시험 결과를 보여준다.
기계적 시험
Figure pct00010
도 13, 도 14, 도 15 및 도 16은 S30815 및 S31008과 비교하여 900℃에서 오스테나이트계 스테인리스 강(ASS)에 대한 크리프 특성을 나타낸다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
미세구조
도 1은 다음을 보여준다.
Figure pct00011
기 생성된 오스테나이트계 스테인리스 강에 대한 미세구조체. 제조 공정은 용융, 야금 처리, 주조 및 열간 압연에 뒤따르는 최적화된 어닐링 공정이었다.
Figure pct00012
미세구조체는 오스테나이트 및 약간의 산화물 개재물로 구성된다. 이는 MA 등급에서 일반적이다.
Figure pct00013
결정립 크기는 대략 70 μm(ASTM 5 - 5.5)이고, 경도는 170(HV5)이다.
도 2은 다음을 나타낸다.
Figure pct00014
시간(단위: 시간)의 함수로서 μm 단위의 평균 결정립 크기로서 나타내지는 1000℃에서의 결정립 성장 거동.
Figure pct00015
결정립 성장 연구는 열처리, 금속 조직 샘플 제조 및 결정립 크기 측정을 포함한다. 시험 샘플의 크기는 대략 15×25×6 mm이다. 열처리는 개방 공기에서 챔버 노에서 수행된다. 열처리 후에, 샘플은 물에서 냉각된다. 결정립 크기는 표준 ASTM E112에 따라 에칭된 샘플에서 측정된다. 평균 결정립 크기는 3 내지 5회 측정에 의해 결정된다. 결정립 크기 측정을 위한 위치는 전체 단면을 포함하도록 무작위로 선택된다.
Figure pct00016
오스테나이트계 스테인리스 강은 다른 상업적 등급에 대한 결정립 성장의 관점에서 우수한 미세구조 안정성을 나타낸다.
Figure pct00017
오스테나이트계 스테인리스 강은 S31008, S30815 및 S31400보다 더 안정한 미세구조를 갖는다. 더 미세한 결정립 크기는 내산화성 및 내부식성뿐만 아니라 연성을 개선한다.
도 3은 다음을 나타낸다.
Figure pct00018
도 2와 동일한 관계이지만, 1050℃에서의 결정립 성장 거동.
Figure pct00019
오스테나이트계 스테인리스 강은 다른 상업적 등급에 대한 결정립 성장의 관점에서 우수한 미세구조 안정성을 나타낸다.
도 4는 다음을 나타낸다.
Figure pct00020
도 2와 동일한 관계이지만, 1100℃에서의 결정립 성장 거동.
Figure pct00021
오스테나이트계 스테인리스 강은 다른 상업적 등급에 대한 결정립 성장의 관점에서 우수한 미세구조 안정성을 나타낸다.
도 5는 다음을 나타낸다.
Figure pct00022
도 2와 동일한 관계이지만, 1150℃에서의 결정립 성장 거동.
Figure pct00023
오스테나이트계 스테인리스 강은 다른 상업적 등급으로의 결정립 성장의 관점에서 우수하거나 유사한 미세구조 안정성을 나타낸다.
도 6은 다음을 나타낸다.
Figure pct00024
도 2와 동일한 관계이지만, 1200℃에서의 결정립 성장 거동.
Figure pct00025
오스테나이트계 스테인리스 강은 다른 상업적 등급으로의 결정립 성장의 관점에서 우수하거나 유사한 미세구조 안정성을 나타낸다.
환경 시험
도 7은 다음을 나타낸다.
Figure pct00026
시간 t와 관련된 단위 면적 당 질량 변화(W/A)로서 나타내지는, 1150℃에서 90시간 동안 건조 공기에서의 반복 산화 시험(W는 mg 단위의 질량 변화, A는 cm2 단위의 시험 전의 총 표면적이고, t는 시간 단위임).
Figure pct00027
시험은 Setaram TGA 96 열중량 측정 방식을 사용하여 수행되었다. 단일 반복은 1) 목표 온도로 가열하는 단계, 2) 목표 온도에서 2시간 유지하는 단계, 및 3) 실온으로 냉각시키고 10분 동안 유지하는 단계를 포함한다.
Figure pct00028
샘플은 표준 ISO 21608:2012에 따라 제조된다. 장방형의 샘플이 사용된다. 샘플 크기는 대략 20×20×2.5~6 mm이다. 시험 전에, 총 표면적 및 중량을 신중하게 측정하고 기록한다.
Figure pct00029
챔버는 먼저 목표 온도까지 가열된다. 그런 다음, 샘플을 챔버에 넣고, 온도를 조화하고 안정화시킨다.
Figure pct00030
2개의 파라미터, 즉, 질량 변화의 최대 값 및 이탈 시간으로 불리는 상응하는 시간이 일반적으로 고려된다. 질량 변화는 산화물 형성으로 인한 질량 증가와 휘발성 화학종의 증발과 파쇄로 인한 질량 손실의 합이다. 이탈 시간은 실제로 질량 손실이 질량 증가 또는 파쇄보다 큰 시간을 설명한다. 일반적으로 말해서, 이탈 시간이 길고 질량 변화의 최대값이 낮을수록, 반복 내산화성이 더 양호하다. 중량(질량) 변화는 시험 동안 Setaram TG 96 마이크로 저울을 사용하여 연속적으로 모니터링되고 측정된다. 전체적으로, 각각의 시험에 대해 대략 4900개의 측정치가 있다.
Figure pct00031
시간이 길수록, 산화가 더 많이 진행된다. 이는 모든 재료에 대해 그러하다. 오스테나이트계 스테인리스 강에 대한 주어진 시험 조건에서 산화 이탈이 관찰되지 않은 반면, S31008, S30815 및 S31400의 경우 산화는 항상 이탈한다.
Figure pct00032
오스테나이트계 스테인리스 강은 S31008, S30815 및 S31400보다 우수한 반복 내산화성을 생성하는 높은 산화물 내파쇄성을 갖는 부착 산화물 층을 갖는다.
도 8은 다음을 나타낸다.
Figure pct00033
도 7와 동일한 관계이지만, 1175℃에서 50시간 동안의 반복 산화 시험.
Figure pct00034
오스테나이트계 스테인리스 강은 S31008, S30815 및 S31400보다 우수한 반복 내산화성을 생성하는 높은 산화물 내파쇄성을 갖는 부착 산화물 층을 갖는다.
도 9는 다음을 나타낸다.
Figure pct00035
시간에 관련된 단위 면적당 질량 변화로서 나타내지는, 1000℃에서 250시간 동안의 건조한 공기에서의 등온 산화 시험.
Figure pct00036
등온 산화 시험을 위한 샘플 제조, 시험 장비 및 시험 방법론은 온도 변동이 없는 것을 제외하고는, 반복 산화 시험과 동일하다. 시험은 목표 온도에서 250시간 동안 지속적으로 유지된다.
Figure pct00037
산화는 동일한 온도에서 시간이 증가함에 따라 증가한다. 이는 모든 재료에 대한 경우이다. 일반적으로, 단위 면적당 질량 변화의 값이 클수록, 재료가 더 많이 산화된다. 주어진 시험 조건에서, 오스테나이트계 스테인리스 강은 S31008, S30815 및 S31400에 비해 더 적은 산화를 나타낸다.
Figure pct00038
오스테나이트계 스테인리스 강은 S31008, S30815 및 S31400에 대해 등가이거나 우수한 등온 내산화성을 생성하는 높은 산화물 내파쇄성을 갖는 부착 산화물 층을 갖는다.
도 10은 다음을 나타낸다.
Figure pct00039
도 9와 동일한 관계이지만, 1100℃에서 250시간 동안의 등온 산화 시험.
Figure pct00040
오스테나이트계 스테인리스 강은 S31008, S30815 및 S31400보다 우수한 등온 내산화성을 생성하는 높은 산화물 내파쇄성을 갖는 부착 산화물 층을 갖는다.
도 11은 다음을 나타낸다.
Figure pct00041
도 9와 동일한 관계이지만, 1150℃에서 250시간 동안의 등온 산화 시험.
Figure pct00042
오스테나이트계 스테인리스 강은 S31008, S30815 및 S31400보다 우수한 등온 내산화성을 생성하는 높은 산화물 내파쇄성을 갖는 부착 산화물 층을 갖는다.
도 12는 다음을 보여준다.
Figure pct00043
오스테나이트계 스테인리스 강, S31400, S31008 및 S30815에 대한 내침탄성.
Figure pct00044
침탄 시험은 일정한 작동 가스 유동을 갖는 튜브로를 사용하여 5%의 CH4 + Ar에서 1000℃/4h에서 수행된다. CH4는 CH4 -> 2H2 + C에 따라 탄소를 생성하는 데 사용된다.
탄소 활성도 ac는 다음에 따라 계산된다.
ac = (K × pCH4)/p2H2 (1)
(pCH4는 CH4 분압이며, 이 경우 가스 혼합물의 CH4 함량임. p2H2는 매우 낮은, 즉, 0,00001로 가정하는데, 이는 작동 가스 유동과 CH4의 지속적인 공급이 반응에서 H2를 최소화하기 때문임.) K는 평형 상수이고, 1273K(1000℃)의 온도(T(K))에서의 반응 ΔG에 대해 표준 생성 자유 에너지를 사용하여 계산된다.
Figure pct00045
계산된 ac는 1보다 훨씬 더 크고(ac >> 1), 침탄이 일어나는 것을 보장합니다.
Figure pct00046
장방형의 샘플이 사용된다. 샘플 크기는 대략 20×20×6 mm이다. 시험 전에 샘플을 1200으로 연마한다.
Figure pct00047
시험 후, 샘플을 박편으로 만들고 0.25 μm로 연마한다. 단면을 주사 전자 현미경(SEM)에서 검사하였다.
Figure pct00048
1000℃/4h에서 5%의 CH4에 노출된 후 오스테나이트계 스테인리스 강, S31400, S31008 및 S30815 샘플의 단면의 SEM 검사는 오스테나이트계 스테인리스 강에 임의의 입계 내 또는 입계 탄화물이 거의 없음을 나타내는 반면, 다른 상업적 등급은 입계 내 및 입계 탄화물 및 매트릭스 내부 깊은 표면으로부터의 탄화물 침투 둘 모두를 나타낸다.
Figure pct00049
오스테나이트계 스테인리스 강은 임의의 입계 내 또는 입계 탄화물을 거의 나타내지 않는 반면, 다른 상업적 등급은 입계 내 및 입계 탄화물 및 매트릭스 내부의 표면(좌측)으로부터의 탄화물 침투 둘 무두를 나타낸다.
Figure pct00050
오스테나이트계 스테인리스 강은 S31400, S31008 및 S30815에 대한 우수한 내침탄성을 나타낸다.
기계적 시험
도 13는 다음을 나타낸다.
Figure pct00051
900℃에서 주어진 응력에서 오스테나이트계 스테인리스 강에 대한 시간의 함수(단위: 시간)로서의 크리프 변형률(단위: %).
Figure pct00052
5 mm 직경 및 50 mm 게이지 길이를 갖는 원통형 시편을 크리프 시험에 사용한다.
Figure pct00053
크리프 시험은 표준 ASTM E139-2011 및 SS-EN 10291:2000에 따라 수행된다.
Figure pct00054
단일 시료 및 중량톤수(deadweight) 수준 크리프 기계를 사용하여, 모든 시편은 10 내지 30 MPa의 상이한 응력에서 900℃의 공기 중에서 파열되도록 일축으로 시험된다. 2개의 교정된 열 결합부가 시편의 게이지 길이 상에 장착된다. 시간에 따른 최대 온도 변동은 ±3℃ 내에서 제어된다. 시편의 변형률(연신율)은 1 μm의 정확도로 아날로그 시계를 사용하여 시험 동안 연속적으로 측정된다. 주어진 시간 간격으로 시간, 주변 온도 및 표본 신장과 같은 크리프 데이터가 기록되고 저장된다. 이들 데이터로부터, 크리프 변형률 및 주어진 변형률 및 파손에 대한 상응하는 시간이 얻어질 수 있다.
Figure pct00055
파손 시 연신율은 파손 시편에서 측정된다.
Figure pct00056
10 MPa에서의 시험은 너무 긴 지속시간으로 인해 정지된다. ×는 파단 시 연신율을 지칭한다.
도 14는 다음을 나타낸다.
Figure pct00057
900℃의 공기에서 시험된 S30815와 비교한 오스테나이트계 스테인리스 강의 크리프 거동. 하나의 기준점이 또한 S31008에 주어진다.
Figure pct00058
도 13에 기술된 바와 같은 시험 절차.
Figure pct00059
900℃에서 시간 단위의 파열 시간의 함수로서 MPa 단위의 응력.
Figure pct00060
하나의 기준점이 또한 S31008에 주어진다.
Figure pct00061
압열 시간은 감소하는 응력에 따라 증가한다.
Figure pct00062
오스테나이트계 스테인리스 강의 파열 시간은 S30815과 유사하다.
Figure pct00063
오스테나이트계 스테인리스 강에 대한 파열 강도는 동일한 주어진 파열 시간에서 S31008에 대해 상당히 더 높은 수준을 나타낸다.
도 15는 다음을 나타낸다.
Figure pct00064
900℃에서의 오스테나이트계 스테인리스 강에 대한 MPa 단위의 응력의 함수로서 1/시간 단위의 최소 크리프 변형률(
Figure pct00065
), 소위 Norton의 법칙.
Figure pct00066
도 13에 기술된 바와 같은 시험 절차.
도 16은 다음을 나타낸다.
Figure pct00067
일부 스테인리스 고온 등급의 상대적인 100,000 시간 크리프 파열 저항.
Figure pct00068
S30815가 다른 상업적 등급보다 우수하다는 것을 알 수 있다. 오스테나이트계 스테인리스 강은 S30815와 동등하고 있기 때문에, 오스테나이트계 스테인리스 강은 또한 다른 상업적으로 입수 가능한 고온 강보다 우수하다.
발명의 내용
Figure pct00069
오스테나이트계 스테인리스 강은 C, Cr, Ni, Si, N 원소뿐만 아니라 희토류 원소의 이점을 활용하였다.
Figure pct00070
오스테나이트계 스테인리스 강은 상기 언급된 원소를 조합하고 이들을 바람직한 범위로 최적화하였다.
Figure pct00071
오스테나이트계 스테인리스 강은 완전히 재결정된 오스테나이트, 유리한 결정립 크기 및 경도를 제공하기 위해 적절한 열간 압연 공정 및 어닐링 처리를 거쳤다.
Figure pct00072
오스테나이트계 스테인리스 강은 S31008, S30815 및 S31400보다 더 안정한 미세구조를 갖는다. 더 미세한 결정립 크기는 내산화성 및 내부식성뿐만 아니라 연성을 개선한다.
Figure pct00073
오스테나이트계 스테인리스 강은 S31400, S31008 및 S30815에 대한 우수한 반복 내산화성을 나타낸다.
Figure pct00074
오스테나이트계 스테인리스 강은 S31400, S31008 및 S30815에 대한 우수한 등온 내산화성을 보여준다.
Figure pct00075
오스테나이트계 스테인리스 강은 S31400, S31008 및 S30815에 대한 우수한 내침탄성을 나타낸다.
Figure pct00076
오스테나이트계 스테인리스 강은 S30815와 동등하고 S31400 및 S31008보다 우수한 내크리프성을 나타낸다.
구현예에 따르면, 오스테나이트계 스테인리스 강은 개선된 내열성 및 내부식성이 제공된다. 일 구현예에 따르면, 오스테나이트계 스테인리스 강은 내산화성 및 내부식성뿐만 아니라 연성을 개선하는 더 미세한 결정립 크기를 갖는다. 바람직한 구현예에서, 오스테나이트계 스테인리스 강은 우수한 반복 내산화성을 갖는다. 특정 구현예에서, 강은 우수한 등온 내산화성을 갖는다. 적합한 구현예에서, 강은 우수한 내침탄성을 갖는다. 특히 바람직한 구현예에서, 강은 상업적 등급에 비교할 만한 내크리프성을 갖는다.
일 구현예에서, 강은 <0.20 중량%의 탄소, 20.00~26.00 중량%의 크롬, 10.00~22.00 중량%의 니켈, 0.50~2.50 중량%의 규소, <2.00 중량%의 망간, 0.10~0.40 중량%의 질소, <0.015 중량%의 황, <0.040 중량%의 인, 0.00 내지 0.10 중량%의 희토류 금속, 및 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 함유한다.
스테인리스 강의 경우, 탄소는 또한 탄화물의 형성에 의해 기계적 강도를 상당히 증가시키는 강한 오스테나이트 형성제이다. 한편, 탄소는 또한 낮은 탄소 함량을 나타내는 탄화물 형성으로 인해 입계 내부식성을 감소시킨다. 본원에 기술된 구현예에서, 오스테나이트계 스테인리스 강은 < 0.20 중량%의 탄소를 함유한다. 탄소 함량을 < 0.20%, 바람직하게는 적어도 0.05% 그러나 0.10% 이하로 유지하면 오스테나이트와 기계적 강도 및 입계 내부식성 사이에서 최적화를 제공한다.
크롬은 스테인리스 강을 위한 가장 중요한 합금화 원소이다. 크롬은 스테인리스 강에 근본적인 내산화성 및 내부식성을 제공한다. 모든 스테인리스 강은 적어도 10.5%의 Cr 함량을 가지며 크롬 함량이 증가함에 따라 내산화성 및 내부식성이 증가한다. 또한, 크롬 탄화물 및 질화물은 기계적 강도를 개선한다. 한편, 크롬은 페라이트계 미세구조를 촉진한다. 높은 크롬은 또한 금속간 시그마 상 형성에 기여한다. 바람직한 구현예에서, 크롬 함량은 오스테나이트계 스테인리스 강에 대해 적어도 24.0 내지 26.0% 이하이다.
니켈은 오스테나이트계 미세구조를 촉진하기 때문에 모든 오스테나이트계 스테인리스 강에 존재한다. 철과 크롬의 혼합물에 첨가되는 경우, 니켈이 오스테나이트에서 탄소와 질소 둘 모두의 용해도를 감소시키기 때문에, 니켈은 연성, 고온 강도, 및 침탄 및 질화 둘 모두에 대한 저항성을 증가시킨다. 한편, 높은 니켈은 내황화성에 좋지 않다. 바람직한 구현예에서, 크롬 함량은 오스테나이트계 스테인리스 강에 대해 적어도 19.0 내지 22.0 w-% 이하이다.
규소는 내침탄성 및 내산화성 둘 모두뿐만 아니라, 고온에서 질소를 흡수하는 데 대한 저항성을 향상시킨다. 한편, 규소는 합금 페라이트를 제조하는 경향이 있고, 금속간 시그마 상 형성을 촉진된다. 바람직한 구현예에서, 오스테나이트계 스테인리스 강의 규소의 양은 규소 함량이 적어도 1.20 내지 2.50 w-% 이하가 되도록 추가로 제어된다.
망간은 일반적으로 오스테나이트화 원소로 간주되고, 또한 스테인리스 강의 니켈의 일부를 대체할 수 있다. 망간은 고온 가공성, 용접성을 개선하고, 질소에 대한 용해도를 증가시켜 실질적인 질소 첨가를 허용한다. 한편, 망간은 내산화성에 다소 유해하므로, 대부분의 내열성 합금에서 최대 2 w-%로 제한된다. 바람직한 구현예에서, 오스테나이트계 스테인리스 강의 망간의 양은 적어도 0.50 내지 2.00 w-% 이하이다.
질소는 또한 기계적 강도를 상당히 증가시키는 매우 강한 오스테나이트 형성제이다. 질소는 페라이트 및 시그마 형성을 지연시키거나 방지하는 경향이 있다. 한편, 높은 함량의 질소는 인성을 손상시키고 취성을 발생시킨다. 바람직한 구현예에서, 오스테나이트계 스테인리스 강의 질소의 양은 적어도 0.12 내지 0.20 w-% 이하이다.
황 및 인은 보통 불순물로 간주된다. 황류는 공통적으로 0.010 w-% 미만인 반면, 인은 일반적으로 명시되지 않는다. 바람직한 구현예에서, 오스테나이트계 스테인리스 강의 황 및 인 함량은 각각 0.010 w-% 및 0.040 w-% 이하이다.
소량의 희토류 원소(REM)는 오스테나이트계 스테인리스 합금에서 더 얇고, 더 단단하며 더 보호적인 산화물 스케일을 형성함으로써 내산화성을 증가시키도록 단독으로 또는 조합하여 사용된다. 금속 중의 잔류 희토류 금속 산화물은 또한 크리프-파단 강도에 기여할 수 있다. 한편, 희토류 금속의 과다한 양은 기계적 특성 및 성형성에 부정적인 영향을 미치는 산화물 개재물의 클러스터를 유발할 수 있다. 바람직한 구현예에서, 오스테나이트계 스테인리스 강의 희토류 금속 함량(주로 세륨 및 란타늄)은 적어도 0.03 w-% 내지 0.08 w-% 이하이다. 특히 바람직한 구현예에서, 희토류 금속은 세륨이며 0.03% 내지 0.08 w-%의 범위로 존재한다.
특정 구현예에서, 오스테나이트계 스테인리스 강의 N, C 및 희토류 금속(REM) 함량은 다음의 관계를 만족한다:
0.40% ≤ N + 3xC + 3x희토류 금속 ≤ 0.60% (2)
전술한 바와 같이, 스테인리스 강은 불가피한 불순물을 포함한다. 일 구현예에서, 오스테나이트계 스테인리스 강은 중량% 단위로 함유하는 불가피한 불순물 중 하나 이상을 포함한다:
미량의 V ≤ 0.20%
미량의 Co ≤ 0.60%
미량의 Sn ≤ 0.05%
미량의 As ≤ 0.05%
미량의 W ≤ 0.40%
미량의 B ≤ 0.0050%
미량의 Nb ≤ 0.060%
미량의 Cu ≤ 0.50%
미량의 Zr ≤ 0.1%.
추가 구현예는 본 발명의 구현예에 따라 스테인리스 강으로부터 형성된 물체에 관한 것이다. 일 구현예에서, 본원에 기술된 임의의 구현예에 따른 스테인리스 강을 포함하는 물체가 제공된다.
본 발명의 구현예에 따른 스테인리스 강은 다양한 사용 범위를 갖는다. 일 구현예에서, 물체의 형성에 있어서 본원에 기재된 임의의 구현예에 따른 스테인리스 강의 용도가 제공된다. 추가 구현예에서, 구현예에 따라 형성되고/되거나 사용되는 물체는 플레이트, 시트, 스트립, 튜브, 파이프, 바 및 와이어로 이루어진 군으로부터 선택된다. 추가 구현예는 열 처리 응용에 형성된 물체의 용도에 관한 것이다. 이러한 물체는 어려운 환경에서 사용하기 적합하다. 따라서, 일 구현예에서, 물체는, 머플로 및 금속 제조 공정 응용에서와 같이 산화되고 및 침탄 분위기를 감소시키는 공격적인 고온 환경에서 사용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 개선된 내열성 및 내부식성을 갖는 오스테나이트계 스테인리스 강에 있어서, 상기 강은
    Figure pct00077

    희토류 금속(주로 세륨 및 란타늄) 0.00~0.10이고, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 중량% 단위로 함유하는 것을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄소 함량은 적어도 0.05 내지 0.10 w% 이하인, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 규소 함량은 적어도 1.20 내지 2.50 w% 이하인, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질소 함량은 적어도 0.12 내지 0.20 w% 이하인, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 희토류 금속(주로 세륨 및 란타늄)의 합계는 적어도 0.03 w% 내지 0.08 w% 이하인, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 크롬 함량은 적어도 24.0 내지 26.0 w% 이하인, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 니켈 함량은 적어도 19.0 내지 22.0 w% 이하인, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 질소, 탄소 및 희토류 금속(REM) 함량은 0.40% ≤ N + 3xC + 3x희토류 금속 ≤ 0.60%인 관계를 만족하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 망간 함량은 적어도 0.50 내지 2.00 w% 이하인, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 황 및 인 함량은 각각 0.010% 및 0.040% 이하인, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    미량의 V ≤ 0.20%
    미량의 Co ≤ 0.60%
    미량의 Sn ≤0.05%
    미량의 As ≤0.05%
    미량의 W ≤0.40%
    미량의 B ≤0.0050%
    미량의 Nb ≤ 0.060%
    미량의 Cu ≤ 0.50%
    미량의 Zr ≤ 0.1%
    을 중량%로 함유되는 상기 불가피한 불순물 중 하나 이상을 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 스테인리스 강을 포함하는 물체.
  13. 제12항에 따른 물체의 형성에 있어서의 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 스테인리스 강의 용도.
  14. 제13항에 있어서, 상기 물체는 플레이트, 시트, 스트립, 튜브, 파이프, 바 및 와이어로 이루어진 군으로부터 선택되는, 용도.
  15. 열 처리 응용에 관한 응용에서 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강을 포함하는 물체의 용도.
  16. 공격적인 고온 환경에서 제12항에 따른 물체의 용도.
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