KR20240070849A - 내식성 및 충격인성이 향상된 듀플렉스 스테인리스강 재료, 이를 이용하여 제조된 듀플렉스 스테인리스강 주강품 및 듀플렉스 스테인리스강 주강품의 제조방법 - Google Patents

내식성 및 충격인성이 향상된 듀플렉스 스테인리스강 재료, 이를 이용하여 제조된 듀플렉스 스테인리스강 주강품 및 듀플렉스 스테인리스강 주강품의 제조방법 Download PDF

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Abstract

듀플렉스 스테인리스강 재료가 개시된다. 듀플렉스 스테인리스강 재료는 22.0 내지 24.0 중량%의 크롬(Cr); 3.0 내지 5.0 중량%의 니켈(Ni); 0.1 내지 0.25 중량%의 질소(N); 0.004 내지 0.15 중량%의 희토류 원소; 및 잔부의 철(Fe)과 피할 수 없는 불순물을 포함한다.

Description

내식성 및 충격인성이 향상된 듀플렉스 스테인리스강 재료, 이를 이용하여 제조된 듀플렉스 스테인리스강 주강품 및 듀플렉스 스테인리스강 주강품의 제조방법{Duplex Stainless Steel with Improved Corrosion Resistance and Impact Toughness, Cast Duplex Stainless Steel having the same, and Method of manufacturing the Cast Duplex Stainless Steel}
본 발명은 해수 담수화 설비, 상하수도, 발전 플랜트, 선박 및 석유화학 설비의 펌프 및 밸브를 구성하고 있는 주강 부품 등에 적용될 수 있는 듀플렉스 스테인리스강 재료, 이를 이용하여 제조된 듀플렉스 스테인리스강 주강품 및 듀플렉스 스테인리스강 주강품의 제조방법에 관한 것이다.
통상적으로 해수 담수화 설비, 상하수도, 발전 플랜트, 선박 및 석유화학 설비의 펌프 및 밸브를 구성하고 있는 주강 부품에는 고가의 9.5 중량% Ni 및 2.2 중량% Mo을 다량 함유한 오스테나이트계 스테인리스강 주강품인 CF3M (316L급)과 CF8M (316급) 및 고가의 9.5 중량% Ni을 다량 함유한 오스테나이트계 스테인리스강 주강품인 CF3 (304L급)과 CF8(304급)이 적용되어 왔다.
상기에서 언급한 오스테나이트계 스테인리스 주강품과 비교해서 니켈(Ni) 및 몰리브덴(Mo) 함유량이 저감되어 경제성이 우수하고, 내식성이 우수하며, 저온 충격인성이 향상된 Ni/Mo 저감형 듀플렉스 스테인리스강 주강품을 창출하는 것은 공학적으로 의미가 있다.
해외 기업인 샌드빅 (EP 0 271 459 A1)은 Ni/Mo 저감형 듀플렉스 스테인리스강으로서 ASTM A240 (압연 판재) 및 A789 (용접 및 무계목 파이프)-S32304 (22.5Cr-0.3Mo-4.5Ni-0.3Cu-0.1N, 중량%)을 개발하였고, 국내 기업인 포스코 (KRPN:10-2006-0074400)는 KS D3698-329LD (20.5Cr-1.5Mo-3.0Ni-3.0Mn-0.18N, 중량%)를 개발하였으며, 이들 강종들은 주로 압연 판재, 파이프, 단조재 등의 가공품에 대해 생산 및 공급이 이루어져 왔으나, 펌프 및 밸브의 주요 주강품에 대해서는 인증 및 표준화가 되어 있지 않다.
상기 가공품들은 AOD(Ar Oxygen Decarburizing) 또는 VOD(Vacuum Oxygen Decarburizing) 등과 같은 정련 용해 설비를 이용하여 탄소(C)를 제거할 뿐만 아니라 충격 인성 및 내식성을 저해하는 황(S)과 산소(O)를 낮은 수준으로 제거하여 품질을 향상시키고 있다. 반면에, 국내 및 해외에서의 주강품의 제조는 고철 스크랩(scrap) 및 리턴 스크랩을 사용하여 주로 대기 중에서 용해 및 주조를 하기 때문에 황과 산소를 낮은 수준으로 제거하기에는 불충분한 상황이어서, 가공품과 비교해서 동일한 조성을 갖는 주강품을 제작할 경우 내식성 및 충격 인성이 저하될 수밖에 없다.
본 발명의 일 목적은 희토류 금속을 포함하여 니켈(Ni) 및 몰리브덴(Mo)의 함유량을 감소시키더라도 향상된 내식성 및 충격인성 특성을 갖는 듀플렉스 스테인레스강 재료를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 듀플렉스 스테인레스강 재료를 이용하여 듀플렉스 스테인레스강 주강품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 듀플렉스 스테인레스강 재료를 이용하여 제조된 듀플렉스 스테인레스강 주강품을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강 재료는, 22.0 내지 24.0 중량%의 크롬(Cr); 3.0 내지 5.0 중량%의 니켈(Ni); 0.1 내지 0.25 중량%의 질소(N); 0.004 내지 0.15 중량%의 희토류 원소; 및 잔부의 철(Fe)과 피할 수 없는 불순물을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 듀플렉스 스테인레스강 재료는 0 초과 0.8 중량% 이하의 텅스텐(W); 0 초과 2.0 중량% 이하의 규소(Si); 0 초과 3.0 중량% 이하의 망간(Mn); 및 0 초과 0.045 중량% 이하의 탄소(C)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 듀플렉스 스테인레스강 재료는 35 내지 55 부피%의 페라이트 상과 잔부의 오스테나이트 상으로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 희토류 원소는 세륨(Ce), 란타넘(La), 사마륨(Sm), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr) 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 듀블렉스 스테인리스강 재료는 상기 희토류 원소로 세륨 및 란타넘을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 희토류 원소를 0.01 내지 0.15 중량%로 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 희토류 원소를 0.04 내지 0.1중량%로 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 듀플렉스 스테인레스강 재료는 하기 수식 1에 의해 정의되는 공식저항당량지수(PREN)가 22 이상 30 이하이고, 하기 수식 2에 의해 정의되는 금속간상형성지수(IPFI)가 23 이상 29 이하일 수 있다.
[수식 1]
본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강 주강품의 제조방법은, 상기의 듀플렉스 스테인리스강 재료의 화학조성에 부합하는 장입 재료를 용해로에 투입하여 용해시켜 용탕을 형성하는 단계; 상기 용탕을 주형에 주입한 후 응고시켜 주조품을 형성하는 단계; 및 상기 주형으로부터 상기 주조품을 분리한 후 고용화 열처리하는 단계;를 포함하고, 상기 고용화 열처리는 1000 내지 1150°의 온도 범위에서 일정 시간 동안 유지한 후 상온까지 수냉 또는 공냉시키는 방식으로 수행될 수 있다.
일 실실예에 있어서, 상기 고용화 열처리는 1 내지 2 시간의 기본 시간에 상기 주조품의 두께 25mm 당 0.5 내지 1 시간씩 추가된 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강 주강품은, 22.0 내지 24.0 중량%의 크롬(Cr); 3.0 내지 5.0 중량%의 니켈(Ni); 0.1 내지 0.25 중량%의 질소(N); 0.004 내지 0.15 중량%의 희토류 원소; 및 잔부의 철(Fe)과 피할 수 없는 불순물을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 듀플렉스 스테인리스강 주강품은, 0 초과 0.8 중량% 이하의 텅스텐(W); 0 초과 2.0 중량% 이하의 규소(Si); 0 초과 3.0 중량% 이하의 망간(Mn); 및 0 초과 0.045 중량% 이하의 탄소(C)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 듀플렉스 스테인리스강 주강품은, 상기 희토류 원소으로 0.01 내지 0.15 중량%의 세륨 및 란타넘을 포함할 수 있다.
본 발명의 듀플렉스 스테인리스강 재료 및 듀플렉스 스테인리스강 주강품에 따르면, 희토류 금속을 포함하여 니켈(Ni) 및 몰리브덴(Mo)의 함유량을 감소시키더라도 향상된 내식성 및 충격인성 특성을 가질 수 있고, 또한 니켈(Ni) 및 몰리브덴(Mo)의 함유량 감소로 인한 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예 및 비교예의 주강품의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 실시예 및 비교예에 따른 주강품들에 대해 측정된 공식 온도를 나타내는 그래프이다.
도 3a는 실시예 1 내지 4의 주강품들에 대해 측정된 충격흡수 에너지를 나타내는 그래프이고, 도 3b는 비교예 1 내지 4의 주강품들에 대해 측정된 충격흡수 에너지를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 실시예 3의 주강품(DUWSR23)에 대해 측정된 주사전자현미경 이미지를 나타내고, 도 4b는 실시예 4의 주강품(DUWSR23)의 개재물에 대한 주사전자현미경 이미지와 X선 분광 분석 결과를 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강 재료는 약 22.0 내지 24.0 중량%의 크롬(Cr); 약 3.0 내지 5.0 중량%의 니켈(Ni); 약 0.1 내지 0.25 중량%의 질소(N); 약 0.004 내지 0.15 중량%의 희토류 원소; 및 나머지는 철과 피할 수 없는 불순물을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 듀플렉스 스테인리스강 재료는 페라이트(Ferrite) 상과 오스테나이트(Austenite) 상으로 이루어진 합금 강으로서, 고가의 합금 성분인 니켈(Ni)의 함유량이 낮고, 몰리브덴(Mo)을 실질적으로 함유하지 않음에도 우수한 내식성(corrosion resistance) 및 충격인성(impact toughness)을 가질 수 있다. 한편, 일 실시예로, 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료는, 약 0.8 중량% 이하의 텅스텐(W); 약 2.0 중량% 이하의 규소(Si); 약 3.0 중량% 이하의 망간(Mn); 및 약 0.045 중량% 이하의 탄소(C)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료의 내식성을 향상시키기 위해, 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료는 약 35 내지 55 부피%의 페라이트 상과 잔부의 오스테나이트 상으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료는 약 40 내지 52 부피%의 페라이트 상과 잔부의 오스테나이트 상으로 이루어질 수 있다.
상기 크롬(Cr)은 페라이트 안정화 원소로서 국부 부식 저항성을 향상시킬 수 있다. 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료 내의 오스테나이트상과 페라이트 상의 비율을 고려하여, 상기 크롬은 약 22 내지 24 질량%의 함유량으로 포함될 수 있다.
상기 니켈(Ni)은 오스테나이트 안정화 원소로서 내식성의 측면에서 전면부식 저항성을 증가시키는 유용한 원소로서, 적어도 약 3.0 중량% 이상의 함유량으로 포함되는 것이 바람직하다. 오스테나이트상과 페라이트 상의 분율 및 니켈이 값비싼 합금원소임을 고려하여, 상기 니켈은 약 3.0 내지 5.0 중량%로 포함될 수 있고, 바람직하게는 약 4.0 내지 4.5 중량%로 포함될 수 있다.
상기 질소(N)는 오스테나이트 안정화 원소로서 침입형 고용체 강화 효과에 의해 연신율 저하 없이 항복강도 및 인장강도를 증가시킬 수 있고, 공식(pitting corrosion) 및 틈부식(crevice corrosion) 저항성을 향상시키는 이로운 원소로서, 그 효과는 크롬의 약 16배 이상이다. 질소는 텅스텐과 동시에 존재하면, 상승 효과에 의하여 내식성을 더욱 향상시킬 수 있다. 질소는 탄소, 크롬, 니켈, 망간, 실리콘 및 텅스텐 등과의 균형 및 오스테나이트 상과 페라이트 상의 분율 등을 고려하여 첨가될 수 있고, 내식성 향상의 측면에서 0.1 중량% 이상이 첨가되는 것이 바람직하나, 0.26 중량% 이상 과도하게 첨가되는 경우에는 가스 결함을 발생시켜 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료의 품질을 저하시킬 수 있다. 일 실시예로, 상기 질소는 약 0.1 내지 0.25 중량%, 바람직하게는 약 0.12 내지 0.16 중량%로 포함될 수 있다.
상기 희토류 원소는 세륨(Ce), 란타넘(La), 사마륨(Sm), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr) 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료는 상기 희토류 원소로 세륨 및 란타넘을 포함할 수 있다. 한편, 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료는 상기 희토류 원소로 세륨 및 란타넘과 함께 사마륨(Sm), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr) 등으로부터 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 희토류 원소는 탈산 및 탈황 작용에 의해 산소와 황을 감소시켜줌으로써 내식성 및 충격 인성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 잔류 산소 및 황과 결합하여 5 ㎛ 이하의 미세한 개재물(inclusion)을 형성함으로써 내식성 및 충격인성을 더욱 향상시킬 수 있다. 상기 희토류 원소는 약 0.004 내지 0.15 중량%로 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 희토류 원소는 약 0.01 내지 0.15 중량%, 보다 바람직하게는 0.04 내지 0.1 중량%로 포함될 수 있다.
상기 텅스텐(W)은 페라이트 안정화 원소로서, 이를 첨가하면 SO4 2- 이온 및/또는 Cl- 이온 환경에서 내식성을 향상시킬 수 있고, 기계적 성질을 개선시킬 수 있다. 다만, 텅스텐은 값비싼 합금원소일 뿐만 아니라 다량으로 첨가하면 금속간 화합물의 생성을 촉진시킬 수 있으므로 상 안정성, 기계적 성질, 내식성 등을 저하시킬 수 있다. 이러한 측면에서 상기 텅스텐은 약 0.8 중량% 이하로, 보다 바람직하게는 약 0.01 내지 0.5 중량%로 첨가될 수 있다.
상기 규소(Si)는 페라이트 조직을 안정화시키는 원소로서, 용해시 탈산 효과가 있고, 국부 부식 및 내산성을 증가시킬 수 있으며, 주물품 제조시 용강 유동성을 증가시켜 표면결함을 줄일 수 있다. 다만, 상기 규소(Si)를 약 2 중량%를 초과하여 첨가하면, 취성이 강한 금속간 상들의 석출 속도를 증가시킬 수 있고, 그 결과 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료의 인성과 연성을 저하시킬 수 있다. 이러한 측면에서, 상기 규소는 약 2.0 중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 0.001 내지 1.0 중량%로 첨가될 수 있다.
상기 망간(Mn)은 값비싼 니켈(Ni)을 대체할 수 있는 오스테나이트 안정화시키고 질소(N)의 고용도를 증가시키는 원소이고, 질소 함량을 증가시켜 내식성을 향상시키고자 할 때에는 적정한 양의 망간을 첨가하는 것이 요구된다. 상기 망간은 용해시 탈산 효과가 있지만, 다량 첨가시 내식성이 저하되며, 취성이 강한 금속간 상들의 생성을 조장할 수 있다. 이러한 측면에서, 상기 망간(Mn)은 약 3.0 중량% 이하, 보다 바람직하게는 약 0.8 내지 2.0 중량%로 첨가될 수 있다.
상기 탄소(C)는 오스테나이트상을 안정화시키는 대표적인 원소로서, 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료의 기계적 강도 유지에 매우 중요하다. 그러나 다량 첨가할 경우 탄화물로 석출하게 되어 내식성을 저해할 수 있다. 이러한 측면에서, 상기 탄소는 약 0.045 중량% 이하, 보다 바람직하게는 0.001 내지 0.03 중량%로 첨가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료의 내식성 및 충격인성 향상을 위해, 앞에서 기재한 크롬(Cr), 텅스텐(W) 및 질소(N)의 함유량 조건 내에서, 하기 수식 1에 의해 정의되는 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료의 공식저항당량지수(PREN)가 약 22 이상 30 이하가 되도록, 상기 크롬(Cr), 상기 텅스텐(W) 및 상기 질소(N)의 함유량을 추가적으로 제어할 수 있다. 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료의 공식저항당량지수(PREN)가 22 미만인 경우에는 충분한 내식성이 확보될 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 30을 초과하는 경우에는 오스테나이트 상과 페라이트 상 사이의 내식성 균형이 저하하는 문제점이 발생할 수 있다. 일 실시예로, 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료의 공식저항당량지수(PREN)는 약 25 이상 30 이하가 되도록, 상기 크롬(Cr), 상기 텅스텐(W) 및 상기 질소(N)의 함유량을 제어할 수 있다.
[수식 1]
한편, 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료의 내식성 및 충격인성 향상을 위해, 앞에서 기재한 크롬(Cr) 및 규소(Si)의 함유량 조건 내에서, 하기 수식 2에 의해 정의되는 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료의 금속간상형성지수(IPFI)가 약 23 이상 29 이하가 되도록, 상기 크롬(Cr) 및 상기 규소(Si)의 함유량을 추가적으로 제어할 수 있다.
[수식 2]
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료를 이용하여 주강품(Steel Castings)을 제조할 수 있다. 상기 주강품은, 해수 담수화 설비, 상하수도, 발전 플랜트, 선박 및 석유화학 설비의 등의 산업분야의 부품소재에 필수적으로 사용되는 임펠러(impeller), 디스차지 볼(discharge bowl), 석션 벨(suction bell), 케이싱(casing), 프로텍터(protector) 등의 주물부품, 상기 주물부품에 사용되는 밸브 바디(valve body), 본넷(bonnet), 디스크(disk), 볼(ball) 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 듀플렉스 스테인리스강 주강품은, 상기 듀플렉스 스테인리스강 재료의 화학조성에 부합하는 장입 재료를 용해로에 투입하여 용해시켜 용탕을 형성하는 단계; 상기 용탕을 주형에 주입한 후 응고시켜 주조품을 형성하는 단계; 상기 주형으로부터 상기 주조품을 분리한 후 고용화 열처리하는 단계를 통해 제조될 수 있다.
상기 주조 과정 또는 용접후 냉각과정에서 형성되는 크롬(Cr) 질화물, 크롬(Cr)-텅스텐(W) 금속간화합물(sigma, σ) 등은 내식성 및 충격인성을 저해시킬 수 있는데, 상기 고용화 열처리를 통해 상기 크롬(Cr) 질화물, 상기 크롬(Cr)-텅스텐(W) 금속간화합물(sigma, σ) 등을 기지금속으로 고용시킬 수 있다. 일 실시예로, 상기 고용화 열처리는 약 1000 내지 1150 ℃의 온도 범위에서 일정 시간 동안 유지한 후 상온까지 수냉 또는 공냉시키는 방식으로 수행될 수 있다. 이 때, 상기 고용화 열처리의 시간은 주조품의 두께에 따라 조절될 수 있다. 예를 들면, 상기 고용화 열처리은 약 1 내지 2 시간의 기본 시간에 상기 주강품의 두께 25 mm 당 약 0.5 내지 1시간씩 추가된 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 듀플렉스 스테인리스강 재료 및 이를 포함하는 듀플렉스 스테인리스강 주강품은 높은 함유량으로 니켈(Ni) 및 몰리브덴(Mo)을 함유하는 오스테나이트계 스테인리스강 주강품인 CF3M(316L급)과 CF8M(316급), 그리고 높은 함유량으로 니켈(Ni)을 함유하는 오스테나이트계 스테인리스강 주강품인 CF3(304L급)과 CF8(304급) 등과 비교해서, 몰리브덴(Mo)을 함유하지 않으면서 니켈(Ni)의 함유량도 현저하게 낮음에도 불구하고 최소 3배 이상의 우수한 내식성과 개선된 충격인성을 가지므로, 주강품의 제조비용을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 주강품의 신뢰성과 장기 안전성을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 구체적인 실시예에 대해 상술한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 일부 실시형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
합금설계에 의해 결정된 하기 표 1에 기재된 화학조성에 부합하는 장입 재료를 고주파 유도 용해로에 순차적으로 투입한 후 용해시켜 용탕을 제조하였다. 상기 용탕을 1600 내지 1640℃에서 출탕하여 주형에 주입한 후 응고시켜 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 갖는 주조품(두께: Bottom 32 ~ Top 40 mm)을 형성하였고, 이를 1,060~1100 ℃에서 1.8 시간 동안 유지한 후 수냉하는 방식으로 고용화 열처리하여 주강품을 제조하였다. 이 때, 희토류금속(65중량% Ce 및 35중량% La)은 출탕 직전 용해로 및 레이들(ladle)에 나누어 투입하였고, 주입온도는 1540~1560℃ 이었다.
합금명 C N Cr W Mo Ni Si Mn Cu P S Ce La Fe

실시예		 DUWSR22 <실시예1> 0.022 0.14 23.94 0.31 0.07 4.44 0.45 1.81 0.16 0.018 0.0080 0.017 0.0018 Bal.　
DUWSR22A<실시예2> 0.023 0.14 23.75 0.30 0.06 4.43 0.46 1.82 0.15 0.017 0.0090 0.043 0.0134 Bal.　
DUWSR23<실시예3> 0.024 0.14 23.60 0.27 0.06 4.42 0.47 1.80 0.16 0.019 0.0100 0.069 0.0250 Bal.　
DUWSR24<실시예4> 0.019 0.18 23.08 0.31 0.13 4.40 0.80 0.79 0.14 0.022 0.0063 0.010 0.0030 Bal.　

비교예		 DUWSB11<비교예1> 0.018 0.12 22.96 0.30　 0.02 4.93 0.45 0.98 0.04 0.017 0.0068 - - Bal.　
S32304<비교예2> 0.015 0.110 22.34 -　 0.31 4.50 0.31 1.38 0.29 0.022 0.0068 - - Bal.　
329LD<비교예3> 0.016 0.175 20.60 -　 1.54 3.01 0.30 2.85 0.12 0.019 0.0065 - - Bal.　
CF3M<비교예4> 0.008 0.032 17.65 -　 2.12 9.61 0.48 0.80 0.05 0.011 0.0075 - - Bal.　
[실험예]
<특성 평가 방법>
실시예 및 비교예에 따른 주강품들에 대해 다음과 같이 평가하였다.
첫째, ASTM G48에 따라 6 중량% FeCl3 용액에서 24 시간 주기로 용액의 온도를 5 ℃씩 올려주면서 공식(pitting corrosion)온도를 측정하였다. ASTM G48 규격에서는 공식온도를 0.1 mg/㎠ (폭 25 mm x 길이 50 mm x 두께 6 mm, 총면적 35 ㎠에서 3.5 mg의 무게감량) 이상의 무게 감량이 발생하거나 0.025 mm 이상의 공식 깊이가 발생하는 온도로 규정하고 있다. 일반적으로 공식저항성을 향상시키는 주원소인 Cr, Mo, W, N으로 조합된 공식저항 당량지수(PREN) 값이 증가할수록 공식저항성은 증가하며, 공식 저항성이 증가하는 것은 내식성이 향상되는 것으로 지시한다.
둘째, ASTM A370에 따라 -40℃에서 샤르피 V-노치 충격시험을 행하였다. 충격시편의 노치 방향은 응고 방향에 평행 및 수직하게 제작하였다.
셋째, ASTM A923-Test Method A에 따라 NaOH 용액에서 전해 에칭하여 미세조직을 분석하였다.
넷째, ASTM E562에 따라 페라이트 함량을 측정하였다.
<특성 평가 결과 1> : 공식 저항성
하기 표 2에는 실시예 및 비교예에 따른 주강품들의 PREN, IPFI, 페라이트와 오스테나이트의 분율, 충격흡수 에너지 및 공식온도를 측정한 결과가 기재되어 있고, 도 2는 실시예 및 비교예에 따른 주강품들에 대해 측정된 공식 온도를 나타내는 그래프이다.

합금명		 PREN
(1)		 IPFI
(2)		 페라이트와오스테나이트
분율 (vol.%)		 충격흡수 에너지
(J,-40 ℃)		 공식온도
(℃)
페라이트 오스테나이트 노치:
응고방향
평행		 노치
응고방향
수직
실시예 DUWSR22<실시예1> 26.9 25.5 49 51 42 58 25, 30
DUWSR22A<실시예2> 26.7 25.3 46 52 69 88 25, 25
DUWSR23<실시예3> 26.5 25.2 47 53 99 124 25, 25
DUWSR24<실시예4> 26.9 25.9 46 54 41 58 25, 25
비교예 DUWSB11<비교예1> 25.5 24.4 42 58 52 63 15, 25
S32304<비교예2> 25.1 24.3 46 54 41 53 15, 15
329LD<비교예3> 27.4 26.6 42 58 17 22 20, 25
CF3M<비교예4> 25.1 26.1 12 88 110 119 10, 10
표 2 및 도 2를 참조하면, 측정된 공식 온도(pitting temperature)를 기초로 평가된 공식 저항성(the resistance to pitting corrosion)은 실시예 1 내지 4의 주강품들이 비교예 1 내지 3의 주강품들에 비해 현저하게 향상된 것으로 나타났다.
구체적으로, 0.013 내지 0.094 중량% 희토류 금속(Ce+La), 4.4 중량% 니켈(Ni), 0.3 중량% 텅스텐(W) 및 0.14~0.18 중량% 질소(N)을 함유하는 실시예 1 내지 4의 주강품들(DUWSR22, DUWSR22A, DUWSR23 및 DUWSR24)의 공식 저항성은, 희토류 금속(Ce+La)을 함유하지 않으면서 3.01 중량% 니켈(Ni)과 1.54 중량% 몰리브덴(Mo)을 함유한 비교예 3의 주강품(329LD), 4.9 중량% 니켈(Ni) 및 0.3 중량% 텅스텐(W)을 함유한 비교예 1의 주강품(DUWSR11) 및 4.5중량% 니켈(Ni), 0.3 중량% 몰리브덴(Mo) 및 0.11 중량% 질소(N)을 함유한 비교예 2의 주강품(S32304)보다 우수하였다. 특히, 실시예 1 내지 4의 주강품들(DUWSR22, DUWSR22A, DUWSR23 및 DUWSR24)의 공식온도는 니켈(9.61 중량%)과 몰리브덴(2.12 중량%)의 함유량이 높고, 질소(0.032 중량%)의 함유량이 낮은 오스테나이트계 스테인리스강 주강품인 비교예 4의 주강품CF3M(31L급)보다 15~20℃ 정도 높은 것으로 측정되었고, 이는 실시예 1 내지 4의 주강품들(DUWSR22, DUWSR22A, DUWSR23 및 DUWSR24)이 비교예 4의 주강품(CF3M)보다 내식성이 3배 이상 우수하다는 것을 지시한다.
이상의 사항으로부터, 상기 크롬(Cr), 텅스텐(W), 질소(N) 및 희토류 금속을 합금설계에 근거하여 적절하게 첨가하는 경우, 내식성을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
<특성 평가 결과 2> : 충격 인성
도 3a는 실시예 1 내지 4의 주강품들에 대해 측정된 충격흡수 에너지를 나타내는 그래프이고, 도 3b는 비교예 1 내지 4의 주강품들에 대해 측정된 충격흡수 에너지를 나타내는 그래프이다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 실시예 1 내지 4의 주강품들에 있어서 희토류 금속(Ce+La) 함유량이 증가함에 따라 충격인성이 향상되는 것으로 나타났다.
구체적으로, 0.0564 중량%의 희토류 금속(Ce+La) 함유량을 갖는 실시예 2의 주강품(DUWSR22A) 및 0.094 중량%의 높은 희토류 금속(Ce+La) 함유량을 갖는 실시예 3의 주강품(DUWSR23)의 충격인성은 실시예 1 및 4의 주강품들 및 비교예 1 내지 3의 주강품들에 비해 현저하게 향상된 것으로 나타났다. 특히, 0.094 중량%의 높은 희토류 금속(Ce+La) 함유량을 갖는 실시예 3의 주강품(DUWSR23)의 충격인성은 비교예 1 내지 3의 주강품보다 현저하게 높은 것으로 나타났고, 이는 오스테나이트계 스테인리스강 주강품인 비교예 4의 주강품(CF3M)과 유사한 것으로 나타났다.
한편, 0.013 및 0.019 중량%의 희토류 금속(Ce+La) 함유량을 각각 갖는 실시예 1, 4의 주강품들(DUWSR22, DUWSR24)의 경우, 충격 인성은 비교예 2의 주강품(S32304)과 유사하였으나, 공식온도는 15~20℃ 더 높았으므로, 내식성이 우수한 장점이 있다. 그리고 실시예 1, 4의 주강품들(DUWSR22, DUWSR24)은 비교예 3의 주강품(329LD)와 비교하여, 충격 인성은 월등히 우수한 것으로 나타났고, 공식 저항성도 비교예 3의 주강품(329LD)에 비해 높은 것으로 나타났다.
<특성 평가 결과 3> : 미세조직
도 4a는 실시예 3의 주강품(DUWSR23)에 대해 측정된 주사전자현미경 이미지를 나타내고, 도 4b는 실시예 4의 주강품(DUWSR23)의 개재물에 대한 주사전자현미경 이미지와 X선 분광 분석 결과를 나타낸다.
도 4a를 참조하면, 1,060℃에서 고용화 열처리된 실시예 3의 주강품(DUWSR23)에 대해 주사전자현미경을 이용하여 미세조직을 분석한 결과, 오스테나이트 상(γ)와 페라이트 상(δ)의 상경계 및 페라이트 상에 취성의 금속간화합물(sigma: σ, chi: χ)과 내식성을 저하시키는 크롬(Cr) 질화물 (Cr2N)이 형성되지 않은 것으로 나타났다.
도 4b를 참조하면, 오스테나이트 상(γ)와 페라이트 상(δ)에 형성된 흰색 석출물에 대해 X선 분광 분석을 한 결과, 이는 희토류 금속(Ce+La)의 산화-황화물(oxy-sulfide)로 구성된 복합 개재물인 것으로 확인되었다. 이를 통해, 결정 입계 취화를 야기시키는 원자 상태의 황(S)을 희토류 금속(Ce+La)이 산화-황화물 형태의 개재물로 고정시킬 수 있고, 그 결과 희토류 금속은 충격 인성 향상에 기여함을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
없음

Claims (13)

  1. 22.0 내지 24.0 중량%의 크롬(Cr);
    3.0 내지 5.0 중량%의 니켈(Ni);
    0.1 내지 0.25 중량%의 질소(N);
    0.004 내지 0.15 중량%의 희토류 원소; 및
    잔부의 철(Fe)과 피할 수 없는 불순물을 포함하는, 듀플렉스 스테인리스강 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    0 초과 0.8 중량% 이하의 텅스텐(W); 0 초과 2.0 중량% 이하의 규소(Si); 0 초과 3.0 중량% 이하의 망간(Mn); 및 0 초과 0.045 중량% 이하의 탄소(C)로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 듀플렉스 스테인리스강 재료.
  3. 제2항에 있어서,
    35 내지 55 부피%의 페라이트 상과 잔부의 오스테나이트 상으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 듀플렉스 스테인리스강 재료.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 희토류 원소는 세륨(Ce), 란타넘(La), 사마륨(Sm), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr) 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 듀플렉스 스테인리스강 재료.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 듀블렉스 스테인리스강 재료는 상기 희토류 원소로 세륨 및 란타넘을 포함하는 것을 특징으로 하는, 듀플렉스 스테인리스강 재료.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 희토류 원소를 0.01 내지 0.15 중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는, 듀플렉스 스테인리스강 재료.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 희토류 원소를 0.04 내지 0.1중량%로 포함하는 것을 특징으로 하는, 듀플렉스 스테인리스강 재료.
  8. 제1항에 있어서,
    하기 수식 1에 의해 정의되는 공식저항당량지수(PREN)가 22 이상 30 이하이고,
    하기 수식 2에 의해 정의되는 금속간상형성지수(IPFI)가 23 이상 29 이하인 것을 특징으로 하는, 듀플렉스 스테인리스강 재료:
    [수식 1]

    [수식 2]
  9. 제1항의 또는 제2항의 듀플렉스 스테인리스강 재료의 화학조성에 부합하는 장입 재료를 용해로에 투입하여 용해시켜 용탕을 형성하는 단계;
    상기 용탕을 주형에 주입한 후 응고시켜 주조품을 형성하는 단계; 및
    상기 주형으로부터 상기 주조품을 분리한 후 고용화 열처리하는 단계;를 포함하고,
    상기 고용화 열처리는 1000 내지 1150°의 온도 범위에서 일정 시간 동안 유지한 후 상온까지 수냉 또는 공냉시키는 것을 특징으로 하는, 듀플렉스 스테인리스강 주강품의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 고용화 열처리는 1 내지 2 시간의 기본 시간에 상기 주조품의 두께 25mm 당 0.5 내지 1 시간씩 추가된 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 듀플렉스 스테인리스강 주강품의 제조방법.
  11. 22.0 내지 24.0 중량%의 크롬(Cr);
    3.0 내지 5.0 중량%의 니켈(Ni);
    0.1 내지 0.25 중량%의 질소(N);
    0.004 내지 0.15 중량%의 희토류 원소; 및
    잔부의 철(Fe)과 피할 수 없는 불순물을 포함하는, 듀플렉스 스테인리스강 주강품.
  12. 제11항에 있어서,
    0 초과 0.8 중량% 이하의 텅스텐(W); 0 초과 2.0 중량% 이하의 규소(Si); 0 초과 3.0 중량% 이하의 망간(Mn); 및 0 초과 0.045 중량% 이하의 탄소(C)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 듀플렉스 스테인리스강 주강품.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 희토류 원소로 0.01 내지 0.15 중량%의 세륨 및 란타넘을 포함하는 것을 특징으로 하는, 듀플렉스 스테인리스강 주강품.
KR1020220152251A 2022-11-15 내식성 및 충격인성이 향상된 듀플렉스 스테인리스강 재료, 이를 이용하여 제조된 듀플렉스 스테인리스강 주강품 및 듀플렉스 스테인리스강 주강품의 제조방법 KR20240070849A (ko)

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