KR940008931B1 - 강도 및 내식성이 우수한 스테인레스 강재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

강도 및 내식성이 우수한 스테인레스 강재의 제조방법

제1도는 모재부의 염수분무 시험결과를 나타내는 그래프.

제2도는 니켈함량에 따른 녹발생 면적율 변화를 나타내는 그래프.

본 발명은 스테인레스 강재의 제조방법 및 이 스테인레스 강재를 모재로하여 용접하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강도 및 내식성이 우수하고 용접시에 예열을 생략할 수 있는 니켈절약형 스테인레스 강재의 제조방법 및 이 스테인레스강재의 용접방법에 관한 것이다.

대기중에서 부식되지 않는 스테인레스강으로 종래에는 니켈과 크롬이 각각 8%, 18% 이상이 함유되어 있는 SUS 304, SUS 316과 같은 값비싼 스테인 레스강들을 흔히 내후성 강재로 사용하여 왔으나, 최근 제조가격을 최대한 낮추기 위해서 보다 저렴하면서도 대기중에서 녹이 쓸지않는 스테인레스강이 요구되고 있는데, 이러한 요구에 따라 크롬함량이 12%이상이 되는 값싼 페라이트 스테인레스강이 개발되어 대체되고 있다. 일례로, 알루미늄을 0.2% 첨가한 13% Cr강과 탄소를 0.02% 이하로 한 13% Cr강을 개발하여 시판하고 있지만, 알루미늄을 0.2% 첨가한 강은 강표면에 점부식이 심하게 발생되며 탄소를 0.02% 이하고 한강은 전기로의 제련시 제련시간이 길어지고 로체수명이 단축되어 생산성이 떨어져서 비경제성이다. 또한 이러한 13% Cr강들은 소둔열처리시에는 700-900℃의 온도범위에서 장시간 동안 상(箱) 소둔열처리하는 방법을 선택하였는데, 이 방법은 소둔시간이 실제로 40-80시간이 걸리기 때문에 대량 생에는 적합하지 않는 방법이며 고강도의 강재를 생산하는데 한계점이 있다. 또한, 용접시에 탄소가 0.04% 이상인 강들은 150℃이상으로 예열을 해야하며, 용접후열처리시에 크롬함량이 12%이상이 함유된 페라이트계스테인레스강은 700-900℃ 온도범위에서 20분 이상 장시간동안 가열하여 공냉하는 열처리방법이 실시되어 왔었다. 그러나 이 방법은 이 온도범위를 맞추기 위해서 가열대를 부착하여야 하는데, 이에 대한 비용이 과다할 뿐만 아니라 복잡한 구조물이거나 가열대를 부착하기 어려운 깊숙하고 좁은 부분에서 용접후열처리 작업을 생략하여 용접부의 품질을 열화시키는 경우가 빈번히 발생하였다. 용접후 열처리가 미비한 용접부 근처에서 사용도중 강도와 내식성이 떨어져서 미관을 해치거나 용접균열을 일으켜서 설비수명의 단축과 보수수리비가 과다하게 지출되기 때문에 이에 대한 대비책이 절실히 요구되는 문제점이 있다.

본 발명자는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 연구와 실험을 행하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 강도 및 내식성이 우수할 뿐만 아니라 특히 용접시 예열을 생략할 수 있고 용접후 모재 및 용접부의 강도, 내식성 및 내응력부식 균열성이 우수한 니켈 절약형 페라이트계 스테인레스 강재를 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 니켈 절약형 페라이트계 스테인레스 강재를 모재로 하여 용접 및 후열처리하므로서 모재 및 용접부의 강도, 내식성 및 내응력 부식균열성을 향상시킬 수 있는 스테인레스 강재의 용접 방법을 제공하고자 하는데 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은, 중량%로 C : 0.02∼0.035%, Si : 1.0%이하, Mn : 1.0%이하, P : 0.04%이하, S : 0.005∼0.015%, Cr : 12.5∼15% 및 N : 0.025% 이하를 기본조성으로 함유하고, 여기에 0.6∼1.4%의 Ni 및 0.1∼0.5%의 Nb이 단독 또는 복합하여 함유되고, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유된 불순물을 함유하는 강을 통상의 방법으로 열간압연한 후 900∼1100℃의 온도 범위에서 7분 이내로 소둔열처리하여 강도 및 내식성이 우수한 스테인레스강재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 스테인레스강재를 용접하는 방법에 있어서, 중량%로 C : 0.02∼0.035%, Si : 1.0%이하, Mn : 1.0%이하, P : 0.04%이하, S : 0.005∼0.015%, Cr : 12.5∼15.0% 및 N : 0.025%이하를 기본성분으로 함유하고, 여기에 0.6∼1.4%의 Ni 및 0.1∼0.5%의 Nb이 단독 또는 복합하여 함유되고, 잔부 Fe 및 기타부가피하게 함유된 불순물을 함유하는 강을 통상의 방법으로 열간압연한 후 900∼1100℃의 온도범위에서 7분 이내로 소둔 열처리한 강재를 모재로 하여 용접한 다음, 900-1100℃의 온도범위에서 10분 이내로 용접후열처리하는 스테인레스강재의 용접 방법에 관한 것이다.

이하, 상기 성분 및 열처리 조건등의 한정 이유에 대하여 설명한다.

상기 C가 강중에 0.035%이상 함유되면 용접부에 Cr 및 N와 결합하여 탄화물, 질화물을 형성하여 연성과 인성을 저하시킬 뿐만 아니라 입계부식의 원인이 되고, 용접시 예열을 하지 않으면 용접응고시 마르텐사이트 및 펄라이트를 형성하여 저온 균열을 발생시키기 때문에 그 상한은 0.035%로 한정하는 것이 바람직하고, 상기 C를 강중에 0.02% 이하로 유지하려면 전기로 제련시 제련시간의 연장과 로체수명의 단축을 가져와 비경제적이므로 그 하한은 0.02%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Si는 제조과정에서 탈산제로 첨가되는 불가결한 원소로서 그 양이 증대되면 용접금속의 흐름이 양호하게 되지만, 그 함량이 1.0% 이상이 되면 인성 및 연성이 열화되기 때문에 1.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Mn은 제조과정에서 탈산제로 첨가되는 불가결한 원소로서 내식성을 향상시키기 위해서는 그 함량이 낮을수록 바람직하지만, Mn 함량이 1.0% 이상이 되면 경질조적이 발생하여 내식성이 나빠지기 때문에 그 상한치는 1.0%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 P는 강중에 불가피하게 함유되는 불순물로서 그 함량이 많을 수록 용접웨 도상(島狀) 마르덴사이트량을 중가시켜서 취성의 원인이되어 내식성을 감소시키기 때문에 P의 함량은 0.04% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 S는 강중에 불가피하게 함유되는 불순물로서 그 함량이 적을수록 내식성이 증가하나, 0.005% 이하로 관리하는 것은 제강제련시 탈유과정이 어려울 뿐만 아니라 0.005% 이상에서도 Ni, Nb 첨가로 인하여 용접부의 내식성에 대한 품질보증이 가능하기 때문에 그 하한치는 0.005%로 한정하는 것이 바람직하고, 그 함량이 0.015% 이상에서는 MnS등의 비금속개재물을 형성하여 내식성과 연성을 심하게 열화시키므로 그 상한치는 0.015%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 Cr은 대기중에서 부식되지 않는 성질인 내후성을 보증하는 주요성분으로서, 그 함량이 12.5%이하인 경우에는 내후성이 급격히 떨어지며, 15% 이상의 함유량은 내후성의 향상에 도움을 주지 않는 경제적인 양이기 때문에 Cr의 함량은 12.5∼15.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 N은 C, Cr, Nb의 결합하여 미세한 탄질화물을 형성하여 강도 및 내식성이 향상되지만, N의 함량이 0.025% 이상인 경우에는 고용질소가 증가하여 연성과 인성이 저하하고, 입계부식의 원인이 되므로 그 상한치는 0.025%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Ni은 페라이트를 억제시키고 결정립을 미세화시켜서 용접부의 강도 및 내부식성을 향상시키는 원소로서, 그 함량이 0.6% 이하인 경우에는 첨가효과가 없고, 1.4% 이상인 경우에는 효과가 원만히 상승할 뿐만 아니라 합금원소첨가에 대한 제조가격의 상승으로 경제성이 없으므로, Ni의 함량은 0.6∼.4%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Nb는 강중에 포함되어 있는 C, N와 결합하여 미세한 탄화물 및 질화물로 석출하여 Cr 탄질화물의 석출을 감소시키는 작용을 하는 성분으로서 이 작용으로 인하여 900-1100℃의 열처리시에도 용접부에 있어서 연화현상을 억제시키고 결정립을 미세화시켜서 강도 및 내부식성을 향상시키지만, 그 함량이 0.1% 이하인 경우에는 첨가효과가 없고, 0.5% 이상에서는 첨가효과가 포화역을 지나 감소하므로 Nb의 함량은 0.1∼0.5%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 조성되는 본 발명은 연속소둔열처리공정에 알맞는데, 900∼1100℃에서 7분 이내로 단시간동안 소둔열처리함으로서 강도와 내식성을 더욱 향상시킬 수가 있으며 경제적인 생산방법으로 대량생산이 가능하다.

그러나, 900℃ 이하의 소둔 열처리 온도에서 입내 및 입계에 조대하게 석출된 탄화물, 질화물 등의 석출물이 용해되지 않으며, 전체판두께에 대한 균일한 조건을 만드는데는 7분 이상의 장시간이 요구되기 때문에 고온단시간의 효과를 볼 수 없으므로 소둔열처리 온도의 하한치는 900℃로 한정하는 것이 바람직하다.

한편, 소둔열처리온도가 1100℃ 이상인 경우에는 페라이트 및 펄라이트등의 입도 조대화현상과 페라이트 조직이 대량으로 발생하여 강도 및 내부식성을 해치며, 또한, 고온으로 인한 표면산화현상이 발생하여 표면결합의 원인이 되기 때문에 그 상한 값은 1100℃로 한정하는 것이 바람직하다.

상기한 900∼1100℃의 소둔열처리온도에서의 7분 이내의 열처리시간은 강의 조직을 재결정화시켜서 균질화 시키는데 충분한 시간이며, 열처리시간이 7분 이상인 경우에는 고온으로 인한 표면산화가 문제되어 표면 결함이 심하게 발생하므로, 열처리시간은 7분 이내로 한정하는 것이 바람직하며, 그 하한값은 30초 정도로 한정하는 것이 바람직한데, 그 이유는 30초 이내로 소둔열처리하는 경우에는 경화조직이 연화되지 않을 뿐만 아니라 실제로 연속소둔설비에 대한 생산공정상 불가능하기 때문이다.

종래의 용접후 열처리 온도범위인 700-900℃에서 열처리하면 응력은 제거된다고 하나 용접부의 입내 및 입게에 조대한 탄화물이 석출되므로 900∼1100℃에서 열처리하는 것에 비해서 응력부식 균열성 및 연성이 감소된다. 본 발명에서는 용접부를 900-1100℃에서 10분 이내로 소둔열처리함으로써 모재의 손둔열처리 온도범위와 동일하게 하여 조직을 균질화시키고 용접부의 조대한 석출물의 량을 줄이고 또한, 미세한 석출물을 형성시키게 된다.

상기 소둔열처리온도가 900℃ 이하인 경우에는 용접후 열처리하면 조대하게 석출된 탄화물, 질화물등이 용해되지 않고 그대로 석출되어 있으므로 용접부의 내후성 및 내응력 부식균열성을 저하시키고, 오스테나이트 조직에서 도상의 매시브(Massive) 마르텐 사이트 조직으로 인한 강도의 상승효과를 보지 못하므로, 용접후 열처리온도의 하한치는 900℃로 한정하는 것이 바람직하다.

또한, 소둔열처리온도가 1100℃ 이상인 경우에는 용접후 열처리를 하면 페라이트 조직이 대량으로 발생하여 용접부 연화현상을 촉진시키고 페라이트 입도의 조대화현상과 고온으로 인한 입계취성이 일어나 내부식성이 현저히 저하되기 때문에 용접후 열처리 온도의 상한치는 1100℃로 한정하는 것이 바람직하다.

상기한 900∼1100℃의 소둔열처리온도에서는 열처리 시간이 10분이면 전체 조직을 균질화시키는데 충분한 시간이며, 10분 이상에서는 균질화 효과가 거의 없는 비경제적인 시간이기 때문에 소둔열처리시간은 10분 이내로 제한하는 것이 바람직하며, 그 하한값은 30초 정도로 한정하는 것이 바람직한데, 그 이유는 30초 이내로 소둔열처리하는 경우에도 용접부의 경화조직이 연화되지 않기 때문이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세히 설명한다.

[실시예 1]

하기 표 1과 같이 조성된 강을 진공유도용해로서 용해주조하여 100mmt의 강괴를 제조하고, 1220℃에서 2시간동안 질소분위기하에서 가열한 후 1180∼920℃의 온도범위에서 3패스 열간압열을 실시하여 두께 30mmt의 열연강판을 제조하고, 이 열연강판을 다시 1180∼920℃의 온도범위에서 열간압연하여 2.5mmt의 열연강판을 제조하고 이 열연강판을 하기 표 2의 소둔열처리조건으로 소둔열처리한 후 인장시험하여 인장강도 및 연신율을 측정하고, 그 측정결과를 하기 표 2에 나타내었다.

또한, 본 발명의 내부식성 효과를 제시하기 위하여 하기 표 2의 시편중에서 비교재(1-8) (111-12)과 발명재(A) 및 (B)에 대하여 일반부식, 응력부식, 틈새부식시험편을 제작하여 30일간 염수분무 시험을 실시하고, 그 결과를 제1도 및 제2도에 나타내었는데, 제1도 및 제2도에서의 녹발생면적율(%)은으로 표시된다.

[표 1]

[표 2]

상기 표2에 나타난 바와같이, 본 발명의 조성범위를 갖는 열연강판[발명강(A∼C)]을 본 발명의 소둔 열처리조건으로 소둔열처리한 발명재(A∼C)는 본 발명의 조성범위를 벗어나는 열연강판[비교강(1∼5)]을 본 발명의 소둔 열처리조건 또는 본 발명의 범위를 벗어나는 소둔열처리 조건으로 열처리한 비교재(1-10) 및 본 발명의 조성범위를 갖는 열연강판[발명강(A~C)]을 본 발명의 조건을 벗어난 조건으로 열처리한 비교재(11-13)에 비하여 평균 12% 정도의 인장강도 상승을 가져옴을 알 수 있다.

한편, 제1도 및 제2도에 나타난 바와같이, 본 발명재(A) 및 (B)가 비교재(1∼8) 및 (11-12)에 비하여 낮은 녹발생 면적을 나타내고 있음을 알 수 있는데, 이는 본 발명재(A) 및 (B)가 비교재(1-8) 및 (11-12)에 비하여 내식성에 있어서 매우 우수한 것임을 나타내는 것이다.

[실시예 2]

상기 실시예 1의 표 1의 조성을 갖는 두께 100mmt의 경과를 1220℃에서 2시간 동안 질소분위기하에서 가열한 후 1180-920℃의 온도범위에서 3패스 열간압연을 실시하여 두께 30mmt의 연연강판을 제조하고, 이 열연강판을 다시 1180∼920의 온도범위에서 열간압연하여 두께 7.0mmt의 열연강판을 제조하고, 이 열연강판을 하기 표3과 같이 소둔 열처리 조건을 변화시켜가면서 소둔 열처리 조건을 변화시켜가면서 소둔 열처리한 다음, 20mm × 60mm × 7.0mmt 크기의 내후성시험편을 제작하여 30일간 염수분무시험을 실시하고, 그 시험 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

[표 3]

상기 표3에 표시된 수치는 녹발생면적율(%)을 나타내는 것으로서, 이 녹발생면적율(%)은,으로 표시된다.

상기 표3에 나타난 바와같이, 본 발명의 조성범위 및 열처리조건에 부합되는 경우가 본 발명의 조성범위 및 열처리 조건을 벗어나는 경우보다 녹발생이 현저히 적게 나타남을 알 수 있다.

[실시예 3]

상기 실시예 1의 표 1과 같이 조성되는 두께 100mmt의 강괴를 1220℃에서 2시간동안 질소분위기하에서 가열한 후 1180-920℃에서 3패스 열간압연을 실시하여 30mmt의 열연강파늘 제조하고, 이 열연강판을 다시 1180∼920℃에서 열간압연하여 2.5mmt의 열연강판을 제조하고 이 열연강판을 900∼1100℃의 온도범위에서 3분동안 소둔열처리한 다음, TiG 용접법에 의해 용접을 행하고 하기 표4의 용접후 열처리 조건으로 열처리한 후, 용접부에 대한 인장시험 및 인장시험 및 내응력 부식성 시험을 행하고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

[표 4]

상기 표4에 나타난 바와같이, 본 발명의 조성범위를 갖고 본 발명의 열처리조건으로 열처리한 본 발명재(D-F)가 본 발명의 조성범위 및 열처리조건을 벗어난 비교재(14∼23) 및 본 발명의 조성범위와 부합되지만, 본 발명의 열처리 조건을 벗어난 조건으로 열처리한 비교재(24∼26)에 비하여 용접부의 기계적 성질 및 부식강도에 있어서 우수한 것임을 알 수 있다.

특히, 비교강(2)를 소재로하는 비교재(16) 및 (17)의 경우 부식강도가 극히 낮은 수준에 머물고 있는데, 그 원인은 내응력 부식성시험후 파단조직에서 입계에 Ti석출물에 의해 입계취성이 있었음이 밝혀졌다.

[실시예 4]

상기 실시예 1의 표 1과 같이 조성되는 두께 100mmt의 강괴를 1220℃에서 2시간동안 질소분위기하에서 가열한 후 1180-920℃의 온도범위에서 3패스 열간압연을 하여 300mmt의 열연강판을 제조하고, 이 열연강판을 다시 1180∼920℃의 온도범위에서 열간압연하여 7mmt의 열연강판을 제조하고, 이 열연강판을 900∼1100℃의 온도범위에서 5분동안 소둔열처리한 후, FCA 용접법에 의해 용접을 한 다음, 하기 표5에서와 같이 열처리 조건을 변화시켜 용접후 열처리를 행하여 용접부에 대한 염수분무시험을 행하고, 그 시험결과를 하기 표5에 나타내었다.

상기 표5에 표시된 수치는 녹발생면적율(%)을 나타내는 것으로서, 이 녹발생면적율(%)은,으로 표시된다.

[표 5]

상기 표5에 나타난 바와같이, 본 발명의 조성범위내에 포함되고 본 발명에 부합되는 열처리 조건으로 열처리한 경우가 그렇지 못한 경우에 비하여 녹발생 면적이 적게 나타남을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 대기중에서 녹이 쓸지 않고 용접후 용접부의 강도와 내응력 부식균열성이 우수한 니켈절약형 페라이트계 스테인에스 강재를 제공하므로서, 실제 생산시 탄소가 0.02% 이상이 되어서 전기로 조업시 제련시간의 연장이나 로체 수명의 단축을 가져오지 않으며, 소둔열처리시에 연속소둔 공정에서 고온 단시간동안 열처리를 실시하므로 생산성을 향상시킬 수가 있는 효과가 있다. 특히, 본 발명은 용접시에 예열을 생략하여도 용접 균열이 발생되지 않으며, 용접후 열처리시 고온단시간에 산소-아세칠렌 토치로 용접부위를 간단히 가열할 수 있어서 용접작업이 종래의 방법보다 월등히 용이하게 실시할 수 있으며 용접후 열처리가 곤란한 구조물에서는 후 열처리를 하지 않아도 사용이 가능한 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 중량%로 C : 0.02∼0.035%, Si : 1.0%이하, Mn : 1.0%이하, P : 0.04%이하, S : 0.005∼0.015%, Cr : 12.5∼15% 및 N : 0.025% 이하를 기본조성으로 함유하고, 여기에 0.6∼1.4%의 Ni 및 0.1∼0.5%의 Nb이 단독 또는 복합하여 함유되고, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유된 불순물을 함유하는 강을 통상의 방법으로 열간압연한후 900∼1100℃의 온도범위에서 30초∼7분의 범위로 소둔열처리하는 것을 특징으로 하는 강도 및 내식성이 우수한 스테인레스 강재의 제조방법.