KR920006606B1 - 내산화성이 우수한 연속소둔용 페라이트계 스테인레스강의 제조방법 - Google Patents

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Description

내산화성이 우수한 연속소둔용 페라이트계 스테인레스강의 제조방법

제1도는 본 발명법, 비교법 및 종래방법에 따라 제조된 스테인레스강을 1000℃에서 16시간 산화시켰을때의 무게변화를 나타내는 그래프.

제2도는 본 발명강, 비교법 및 종래방법에 따라 제조된 스테인레스강을 1000℃에서 24시간 산화시켰을때의 스케일 형상을 나타내는 사진.

제3도는 본 발명법, 비교법 및 종래방법에 따라 제조된 스테인레스강의 1000℃에서의 포물선 속도상수를 나타내는 그래프.

제4도는 본 발명법 및 비교법에 따라 제조된 스테인레스강의 소둔온도별 소둔조직을 나타내는 사진.

제5도는 본 발명법 및 비교법에 따라 제조된 스테인레스강의 소둔온도별 기계적 특성변화를 나타내는 그래프.

본 발명은 4-10% Cr을 함유한 강에 Al을 첨가하여 내고온 산화성을 향상시키는 동시에 연속소둔이 가능한 Cr절약형 페라이트계 스테인레스강의 제조방법에 관한 것이다. 스테인레스강의 주요 합금성분 원소인 Cr 및 Ni은 가격이 비쌀뿐만 아니라 전세계적으로 자원이 몇곳에 판중되어 있어서 전력적인 원소라고 일컬어지고 있다.

스테인레스강이 개발된 이래 수많은 연구가 되어져 오고 있는 가운데 이러한 Ni 및 Cr절약 또는 대체 가능한 각종의 개발에 관한 연구도 많이 진행되고 있다. 스테인레스강의 내식성은 일반적으로 Cr산화물(Chromia) 보호피막형성에 기인하는데 보호피막이라 함은 금속표면에 조밀하고 연속적인 안정한 산화물을 형성하여 산화제(Oxidant)의 침투를 방지하여 금속을 산화제로부터 분리, 보호하는 피막을 일컫는다.

이러한 기능을 갖는 대표적인 원소로는 Cr 및 Al,Si등을 들 수 있으며 이들 원소들을 열역학적인 측면에서 고찰할때 Al,Si,Cr순으로 안정된 산화물을 형성한다. 고온산화분위기하에서 형성되는 보호피막은 강에 함유된 Cr 및 Al의 조성비에 따라 달라지게 된다.

고온산화시 Cr산화물 피막보다는 Al산화물(Alumina) 피막이 안정하므로 이 피막을 형성시키는 적정 Cr 및 Al조성을 도출하는 것이 중요하다. 또한 기계적 특성 및 충격특성을 향상시키기 위해 C 및 N을 낮춘강에 페라이트 안정화원소인 Al을 다량 첨가함으로서 페라이트-오스테사이트변태 온도 상승에 의한 연속소둔조업도 가능하게 된다.

본 발명은 종래 Fe-Al 및 고순도 Fe-Cr-Al강의 고온산화에 대한 기초연구를 바탕으로 적정 Al 및 Cr첨가에 의해 성자원 및 연속소둔에 의한 성에너지 효과를 가지는 내고온산화성이 우수한 페라이트계 스테인레스강을 제조하고자 하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명은 Cr : 4-10wt%, C : 0.03wt%이하, N : 0.03wt% 이하, Si : 1.0wt% 이하, Mn : 1.0wt% 이하 및 Al : 3-6wt%로 조성되는 스테인레스강괴를 통상의 방법으로 열간압연한 후, 950-1050℃에서 3-10분간 연속소둔하여 내산화성이 우수한 페라이트 스테인레스강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에서 제시된 성분의 범위의 한정이유에 대하여 설명한다. 상기 C은 강력한 오스테나이트 형성 원소이며 Cr과 반응하여 임계에 탄화물을 형성하여 입계부식을 나타내므로 0.03% 이하로 낮게 하므로서 오스테나이트변태 및 탄화물 석출을 억제시켜 연속소둔을 가능하게 하는 것이 바람직하다.

상기 N은 C와 마차가지로 강력한 오스테나이트 형성원소로서 0.03% 이하로 낮추는 것이 바람직하다.

상기 Cr은 페라이트 형성원소로서 함량증가로 내식성은 향상되나 Cr증가에 따라 고온산화분위기에서 Cr산화물을 형성하게 되어 Al산화물 형성시보다 고온산화성이 나빠질뿐만 아니라 제조원가를 고려하여 10%이하로 한다.

상기 Al은 페라이트 형성원소이고 내산화성을 향상시키는 원소이지만 6% 이상 첨가시에는 기계적 성질이 나빠지게 되고 3% 이하일 경우 표면에 Al산화물을 형성하지 못하여 내식성 향상을 기대하기 어려우므로, 그 함량은 3-6％가 바람직하다.

상기 Si은 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 1% 이상첨가하면 취성을 띄게 되어 기계적 성질이 나빠지게 되기 때문이다. 상기 Mn은 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 1%이상 첨가시 압연작업성이 나빠지기 때문이다.

본 발명에 있어서 열간압연은 스테인레스강괴의 열간압연에 있어 통상적으로 행하여지는 방법이며, 보다 바람직한 열간압연조건은 1200-1250℃로 가열하고 마무리 압연온도를 900℃ 이상으로 열간압연하는 것이다. 연속소둔시 소둔온도가 950℃ 이하인 경우에는 재결정이 충분히 되지않고, 1050℃ 이상인 경우에는 결정립 크기가 매우 조대해져서 기계적 성질이 나빠지므로, 상기 소둔온도는 950-1050℃로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 소둔시간이 너무 짧게 되면 재결정이 충분히 되지않고 소둔시간이 너무 길게 되면 결정립 크기가 매우 조대해져서 기계적 성질이 나빠지기 때문에 소둔시간은 3-10분으로 제한하는 것이 바람직하다. 이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명한다.

[실시예1]

하기표 1의 합금성분을 갖는 강종을 25kg급 진공유도용해로에서 용해하여 잉고트를 제조한 후 1200˚C로 재가열하고 7패스로 열간압연하여 3mmt(총압하율 : 78%)의 압연판을 제조하고 이 압연판을 950˚C에서 5분동안 소둔하여 시편을 제작하였다.

상기 시편에 대하여 열중량 분석장치(Thermogravimetry Analyzer, Model : T GA System 171)를 사용하여 1000˚C의 Ar-20% O₂혼합가스 분위기에서 16시간 동안 고온산화 실험을 하고 그 결과를 제1도에 나타내었다.

[표1]

제1도에 나타난 바와 같이, Cr산화피막을 형성하는 304강(종래재)의 경우 Al산화물 피막제에 비하여 매우 빠른 산화거동을 보여주고 있으며 6시간 정도 경과시 보호피막의 파괴에 의한 급격한 산화속도의 증가를 동반하고 있음을 알 수 있다.

또한, A₃R₁₁강 및 A₅R₁₁강을 소둔한 비교재(1,2)의 경우 종래재에 비하여 산화속도가 저하되고 있는데, 이러한 현상은 Cr함량 증가에 의한 Cr산화물 피막형성에 기인하는 것이다.

발명재(A,B)경우에는 종래재 및 비교재(1,2)보다 우수한 내산화성을 보여주고 있는데, 특히 Al과 Cr을 각각 5% 정도 함유한 발명재 A가 가장 우수한 내산화성을 나타낸다.

발명재(A,B) 및 비교재(2)는 동일하게 Al을 5% 정도 함유한 것으로서, Cr을 증가시킴에 따라 내산화성이 저하되고 있는데, 그 이유는 Al과 Cr을 각각 5% 정도 함유한 발명재(A)의 경우에는 산화물 외부에 Al산화물보호피막을 형성하며 Cr이 산화물-금속(Scale-Metal) 계면에서 내부산화제(second oxygen getter)로 작용함에 반하여 Cr의 함량이 증가할수록 산화물 외부에 Cr산화물을 형성하고 Al이 내부산화제(second oxygen getter)로 작용하게 됨에 기인되는 것으로 여겨진다.

한편, 상기 각 시편은 1000˚C에서 24시간동안 산화시켜 산화물(스케일)상을 관찰하고 그 결과를 제2도에 나타내었으며, 여기서 (a)는 종래재, (b)는 비교재(1), (c)는 발명재(A), (d)는 발명재(B), 그리고(e)는 비교재(2)의 스케일형상을 나타낸다.

제2도에 나타난 바와 같이, 종래재는 매우 조대하며 다중성(porous)인 산화물 형상을 나타냄에 반하여 발명재(A)는 매우 조밀한 산화물 형상을 나타냄을 알 수 있다.

또한, 상기 시편중 종래재, 비교재(2) 및 발명재(A,B)를 1000˚C에서의 산화실험을 하고 그 결과로부터 도출된 산화물 성장속도(oxide growth rate)를 나타내는 포물선 속도상수(parabolic rate contant)를 구하여 그 결과를 제3도에 나타내었으며, 또한 제3도로부터 Kp값을 구하여 그 결과를 하기표 2에 나타내었다.

[표 2]

상기 표 2 및 제2도에 나타난 바와 같이, 발명재(A,B)가 비교재(2) 및 종래재보다 내산화성이 우수함을 알 수 있으며, 특히, 발명재(A)가 가장 우수하며, 발명재(A)의 산화물 성장속도는 종래재의 1/400로서 고온에서의 내산화성 향상을 위해서는 Al산화물 피막형성이 매우 효과적임을 알 수 있다.

[실시예 2]

상기 실시예 1의 표 1에 나타난 시편중에서 비교재(1) 및 발명재(A,B)에 대하여 소둔온도를 950˚C, 1000˚C, 1050˚C 및 1100˚C로 변화시켜 5분간 소둔처리하고 소둔온도에 따른 시편의 조직변화를 관찰하여 그결과를 제4도에 나타내었다.

제4도에서, (a)는 비교재(1), (b)는 발명재(A), (c)는 발명재(B)를 나타낸다.

또한, 상기 각 시편에 대한 기계적 성질을 측정하고 그 결과를 제5도에 나타내었다.

제4도에 나타난 바와 같이, 발명재(A,B) 및 비교재(1) 모두 완전히 재결정되지만, 탄소 및 질소함량이 300ppm 정도인 비교재(1)은 입내에 탄화물 및 질화물이 많이 석출하고 있으며 이러한 탄질화물은 소둔온도가 증가함에 따라 증가하고 있는데 이는 결정립 조대화와 함께 제5도에 나타난 바와 같이 연신율 감소현상의 직접적인 원인이 된다.

한편, 본 발명재(A,B)의 경우 열간압연시 총압하율이 78%로 낮기 때문에 소둔후의 결정립이 비교적 조대하지만 총압하율을 높이게 되면 결정립이 미세하게 되어 기계적 성질이 보다 개선될 것으로 여겨진다. 탄소 및 질소함량을 100ppm 이하로 함유한 발명재(A)와 발명재(B)에서는 탄화물 및 질화물이 그다지 많이 석출하지 않고 있으며 소둔온도가 증가함에 따라 결정립 크기도 증가함을 보여주고 있다.

또한, 발명재(A)의 경우 1100˚C에서 소둔시 결정립 크기가 매우 조대해져서 연신율이 급격히 감소함을 보여주고 있으며, 950˚C 소둔시 재결정립이 미세할 뿐만 아니라 기계적 성질도 우수하게 나타남을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 Fe-Cr-Al계열강중에서 탄소 및 질소함량이 100ppm 이하이며 Cr 및 Al함량을 각각 4-10wt% 및, 3-6wt%로 되게 합금설계를 하고 소둔조건을 적절히 제어하므로서 기계적 성질이 우수할뿐만 아니라 우수한 내고온 산화성을 갖은 페라이트 스테인레스강을 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 페라이트 스테인레스강을 제조하는 방법에 있어서, Cr : 4-10wt%, C : 0.03wt% 이하, N : 0.03wt%이하, Si : 1.0wt% 이하, Mn : 1.0wt% 이하, 및 Al : 3-6wt%로 조성되는 스테인레스 강괴를 1200-1250℃로 가열하고 마무리 압연온도를 900℃ 이상으로 하여 열간압연한 다음, 950-1050℃에서 3-10분간 연속소둔하는 것을 특징으로 하는 내산화성이 우수한 페라이트 스테인레스강의 제조방법.

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