KR950008377B1 - 용접가능한 개선된 페라이트 스텐레스강 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

용접가능한 개선된 페라이트 스텐레스강

제1도는 409타입 열간압연된 밴드의 사진으로 "개방표면 결함(open surface defect)"을 보여주는 도면.

제1b도는 제1a도의 "개방표면결함"의 주사전자 현미경(SEM : Scanning Eiectron Microscope) 사진으로 1833X에서 TiN 라벨을 보여주는 도면.

제1c도는 압연방향에 대해 수직한 단면에서 개방표면결함의 광학 현미경사진.

제2도는 정규적인 11.5% 크롬강에 대한 질소함량과 액상선의 그래프로 여러 티타늄 함량에서의 TiN용해도를 설명하는 도면.

제3도는 질소함량과 크롬함량의 그래프로 여러 티타늄 함량에서의 TiN 용해도를 설명하는 도면.

제4도는 질소함과 티타늄함량의 그래프로 정규적으로 11.5%와 18% Cr강에 대한 액상선에서의 TiN 용해도를 설명하는 도면.

본 발명은 주조중에 산화물과 티타늄 질화물(titanium nitrides)의 형성과 석출을 없애 표면의 질을 개량한 냉간-압연된 표면의 페라이트 스텐레스강에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 티타늄과 니오븀 양쪽의 양을 조절하여 안정화시켜 편평하게 압연된 양호한 표면질의 페라이트 스텐레스강에 관한 것이다. 일부 실시예에서는 종래 409타입 보다 개선된 고온 내산화성과 강도를 갖는다. 페라이트 스텐레스강의 제조방법도 발표한다.

페라이트 스텐레스강은 자동차부속, 이를 테면 배기시스템, 방출 제어시스템등에 점차 많이 사용하고 있다. 이러한 최종 목적은 고온에서 강도가 높고 산화와 부식에 대한 내성이 큰강을 필요로 한다. 오스테나이트 스텐레스강에 비해, 페라이트 스텐레스강은 고온에서 사용하기에 본질적인 장점이 있다. 특히, 페라이트 스텐레스강은 열팽창계수가 작고, 열전달율이 좋으며, 열주기중에 내산화성이 더좋다. 그러나, 오스테나이트강과 비교했을 때, 페라이트 스텐레스강은 고온에서의 내부강도, 용접 및 성형성은 같은 측면에서 결점이 있다.

자동차 배기시스템을 위한 강은 상기 언급한 바와 같이 기계적 특성, 내부식성, 내산화성, 고온강도등에 대한 특정조건을 만족해야 한다. 이들 조건은 만족할 수 있는 합금을 만들려는 연구개발 작업이 실시되어 왔다. 통상 사용되는 동급인 409타입은 통상 11% 크롬을 함유하는 크롬 페라이트 스텐레스강이고 티타늄으로 안정화된다. 이러한 합금은 1966년 5월 10일자로 등록된 U.S.특히 3,250,611호에서 발표된 바와 같이 1960년대에 개발되었다. 18% 정도의 크롬을 함유하는 고크롬강은 더큰 내산화성과 내부식성을 가지는 것으로 알려져 있고 또 자동차 배기시스템에 사용되다. 오늘날의 배기시스템 재질은 고온유효성, 고변형성, 또한 더 양호한 표면질을 요구한다. 고온강도와 연속적이고 주기적인 열산화 저항성(thermal oxidation resistance) 이외에도 이러한 강은 관형 메니폴드(mainfolds) 같은 형태로의 성형성, 용접성 또한 얇은 두께로 만들 수 있어야 한다.

당해분야의 기술자들은 티타늄, 니오븀 또는 둘다의 첨가로 페라이트 스텐레스강의 특성을 개량할 수 있음을 발표하였다. 상기 언급한 미국특허 제3,250,611호는 10-12.5%의 크롬을 함유하고 0.2-0.75%의 티타늄으로 안정화한 페라이트 스텐레스강을 발표하고 있다. 이 합금은 자동차 배기시스템을 위해 특별해 개발되었고, 후에 409타입(T409)으로 알려지게 되었다. 이 T409의 평균 연신율은 약 24%이고 표면질은 나쁘나, 소음기(muffer)와 배기관에 잘 사용된다.

또다른 기술자들은 페라이트 스텐레스강에 니오븀을 첨가하여 표면외관을 개량하고 로핑(roping : 실감이 일어나는)을 최소화하려는 시도를 하였다. 1976년 2월 3일 등록된 US 특허 3,936,323호와 1976년 12월 14일 등록된 US특허 3,997,373호는 12-14%의 크롬과 0.2-1%의 니오븀을 함유한 강으로서, 소둔처리 및 냉간압연된 강을 발표하고 있다. 1983년 2월 22일 등록된 US특허 4,374,683호는 구리와 0.2-2%의 니오븀을 함유한 12-25% 크롬 페라이트 스텐레스강을 발표했는데 이강은 특정한 방식으로 처리되었을 때 양호한 표면외관과 로핑없이 양호한 성형성을 나타냄을 기술하고 있다.

그러나 강이 용접제품을 구성할때는 안정제로서 니오븀만 사용할 수는 없음이 공지되어 있다. 니오븀은 용접균열에 영향을 준다. 그러나 적어도 0.05%의 티타늄을 니오븀으로 안정화시킨 페라이트 스텐레스강에 첨가하면 용접균열(weid cracking)을 없앨수 있다는 것이 공지되어 있다.

다른 페라이트 스텐레스강도 개발되었는데 이들은 티타늄과 니오븀 둘다를 함유하며 다른 안정화 요소는 있을 수도 있고 없을 수도 있다. 영국특허 제1,262,588호가 자동차 배기부품을 위한 이러한 강을 발표하고 있는데 여기서는 이 크롬-티타늄-알루미늄강이 고온에서 개량된 내산화성을 갖도록 적어도 0.3%의 티타늄, 지르코늄, 탄탈륨 또는 니오븀을 함유한다. 내크립성(creep restistance)과 내산화성이 더 개량된 페라이트강은 1981년 4월 14일에 등록된 U.S. 특허 4,261,739호에서발표된 크롬-알루미늄 합금에 대해 총 1%까지의 질소와 또한 탄소량 기준으로 0.1-1%의 티타늄과 니오븀을 포함한다.

1981년 9월 1일 등록된 US 특허 4,286,986호에는 탄탈륨(tantalum)으로 대체될 유효한 니오븀 0.63-1.15%를 포함하는 내크립성 페라이트 스텐레스강(creep resistant ferritic stainless steel)을 만들기 위한 공정이 발표되었다. 이 강은 적어도 1900℃의 온도에서 소둔되어 크립강도(creep strength)를 개량한다.

비록 일반적으로는 티타늄 안정화된 페라이트강이 탈산등과 니켈 기저합금 같은 충전재로 쉽게 땜질될 수 없다고 알려져 있지만 통상의 땜질 재료에 의해 습윤상태로될 수 있는 안정화된 페리이트 스텐레스강 조성이 1984년 7월 24일 등록된 미국특허 제4,461,811호에서 발표되었는데, 여기에서는 최대 0.12%의 티타늄과 최대 0.12%의 알루미늄 플러스(+) 티타늄을 가진 10.5-13.5%의 크롬강이 안정화 공식에 따라 티타늄, 탄탈륨 또한 니오븀에 의해 안정화된다.

스텐레스강의 내산화성은 금속의 산화(Oxidation of Metals)의1983년 볼륨 19(Volume)에서 Evans, etal에 의해 전술된 "스텐레스강의 내산화성에 대한 규소 첨가의 영향(Influence of Silicon Addition on the Oxidation Resistance of a Stainless stell)"이란 제목의 논문으로 발표된 바와 같이 규소를 함유하므로써 개량될 수 있음이 알려져 있다. 이러한 규소함유 스텐레스강은 특정한 성질을 개량하기 위해 안정화함이 공지되어 있다. 예를 르들면, 1973년 9월 18일 등록된 미국특허 제3,759,705호는 0.5-1.4%의 규소, 1.6-2.7%의 알루미늄, 0.15-1.25%의 니오븀 또한 0.15-0.8%의 티타늄을 가진 16-19% 크롬합금을 발표했다. 이 합금은 진보된 고온 내산화성 양호한 냉간성형성을 가진 것으로 언급된다.

1974년 1월 1일 등록된 미국특허 제3,782,925호는 소량의 알루미늄, 규소, 티타늄 또는 희토류금속(rare earth metals)중 하나를 함유하여 진보된 내산화성과 점착성 산화물 스케일을 갖는 강을 제공하기 위한 10-15%의 크롬 페리이트 스텐레스강을 발표했다.

개선된 연성과 냉간성형성을 갖는 또다른 페라이트 스텐레스강은 1974년 11월 26일자로 등록된 미국특허 제3,850,703호에서 발표된 바와 같이, 13-14% 크롬, 0.2-1% 규소, 0.1-0.3% 알루미늄 또한 0.05-0.15 티타늄을 함유한다.

니오븀은 페라이트 스텐레스강의 크립강도에 좋은 효과를 가지는 것으로 알려져 있다. 1981년 2월 Johnson, SAE에 의해 발표된 "18% 크롬 페라이트 스텐레스강의 870℃에서의 크립 특성에 마치는 콜롬븀의 영향(Influence of Columbium on the 870℃ Creep Properties of 18% Chromium Ferritic Stainless steels)"이란 제목의 논문은 이러한 강을 자동차 배개시스템용으로 개량한 강, 특히 거의 0.5 유리 콜롬븀(니오븀)과 높은 최종 소든온도를 갖도록 개량한 강을 발표했다.

페라이트 스텐레스강에 대해 고온에서의 크립강도, 주기적 내산화성과 용접성을 개량하려는 시도가 있어왔다. 1987년 2월 3일 등록된 미국특허 제4,640,722호는 1-2.5%규소와 0.1%이상의 무겹합(uncombined)니오븀과 최대 0.3%의 결합 니오븀 또한 화학양론적 식에 따른 티타늄, 지르코늄 또는 탄탈륨 안정화제를 함유한 강을 발표했다.

일본특허 제20,318호(1977년 공고)는 용접성과 냉각가공성을 개선하기 위해 강의 탄소와 질소함량에 기초한 양으로 티타늄과 니오븀과 또한 0.5-1.5%의 규소를 4-10%크롬강에 함유한 페라이트 스탠레스강을 발표했다.

비록 T409페라이트 스텐레스강이 자동차공업의 배기시스템과 기타 고온시설에서 유용한 합금으로 남아 있기는 하지만, 티타늄과 탄소함량이 낮아져 연성과 표면질을 개량하는 결과를 가져왔다. 1980년대에 관형 배기기소(element)를 제고하기 위한 조건은 연성과, 조직성 또한 용접성을 개량하기 위한 노력을 더욱더 낮은 티타늄과 탄소함량을 요구한다. 그러나, 이러한 강은 항복강도, 경도 또한 장력강도가 낮아지게 된다. 자동차 공업은 이러한 페라이트 스텐레스강에서 더욱 엄격한 표면외관을 요구하고 있다.

자동차 소음기, 파이프, 매니폴드, 촉매전로를 제조하기 위해, T409 같은 합금을 안정화하는데 사용되는 티타늄은 질소와 산소에 대한 매우 높은 친화성을 가져 용융, 정련, 주조중에 이들원소와 쉽게 결합하여 티타늄 비금속 산화물과 금속간 화합물(TiN)을 형성하고 석출한다. 이러한 석출물은 큰 덩어리 혹은 군집형태로 응집되며 이들이 액상의 금속보다는 밀도가 작기 때문에 주형내의 냉각중인 용융금속의 표며에 떠오른다. 동결됨에 따라 산화물과 TiN의 덩어리는 주조스트랩의 표면에 혹은 이에 가까운 곳에 모인다. 이런상태가 발생했을때, 제품 생산성을 떨어뜨리고 스트랩증대와 코일 재가공을 유도하는 해로운 표면결합을 가져오는 이들 덩어리를 최소한도로 압연하기 위해 비용이 많이드는 슬랩권선과 코일 연마작업을 해야할 필요가 있다.

종래기술에서, 기계적인 댐(dam)과 여과기가 사용되어 용강내의 금속간 화합물과 비금속 화합물을 포집하는 것이 제안되었다. 이러한 장치는 비용이 많이들고 귀찮으며 항상 적용될 수 있는 것이 아니다.

슬랩권선과 코일연마같은 부가적인 처리과정은 표면상태를 개선하지만 소위 "개방표면결합"을 없애지는 못한다. 더구나, 개방표면결함은 스트립 혹은 쉬이트가 압연되어 얇아지면 더 나빠진다. "개방표면결합(open surface defect)"은 열간압연 밴드에서 로의 압연방향에 평행한 회색 혹은 흑색 줄무늬로 나타나며, 이 줄무늬는 압연되었을 때 코일표면에 나타난다. 열간압연된 밴드의 각 결함의 상대길이와 폭은 압연전의 강에서 생긴 덩어리의 상대크기를 알수 있는 좋은 지표이다. 외관검사에서 표면결함은 수많은 가로파단을(cross-break)보여주는데 이는 개방표면결함이 압연방향을 따르느 강의 조직보다 연성이 낮은 재료로 구성됨을 표시하고 있다.

잉곳(ingot)으로 주조하는 중에, 레이들(ladle)로부터의 흐름은 공기와 작용하여 잉곳표면 가까이에서 굳는 경향이 있는 산화물과 티타늄 질하물 덩어리를 형성한다. 이 상태를 가끔 "바크(bark)"라 부르는데, 이는 사용할 수 없으며 시판을 위한 제품을 만들기 위해서는 연마등의 작업을 거쳐 제거되어야 한다.

아직까지도, 개방표면결함을 나타내지 않고 고온작업을 하기에 적합한 티타늄 함유 페라이트 스텐레스강합금에 대한 필요성이 존재한다. 이러한 강은 표면결함 혹은 구멍없이 0.015인치 이하나 그정도의 얇은 두께로 제조될 수 있어야 한다. 이러한 강과제강방법은 잉곳의 표면에 혹은 근처에 티타늄 금속간 화합물과 비금속 티타늄 석출물이 형성되지 않고 또는 개방표면 결함이 없는 스트립제품 혹은 냉간압연된 시이트를 구비하도록 연속적으로 슬랩을 제조할 수 있어야 한다. 더구나, 이러한 페라이트 스텐레스강은 티타늄 질화물의 석출을 없앤것 때문에 얇은 두께로 압연할 수 있고 또 부가적인 슬랩 혹은 코일 연마처리를 할필요가 없는 저렴한 방법으로 제조한다. 제조된 모든 합금은 조직성, 산화성 또한 내부식성 모두에서 적어도 자동차 배기시스템에 사용되는 T409합금에 비견될 수 있어야 한다.

본 발명에 따르면, 표면질이 우수하고 용접가능한 페라이트 스텐레스강판 혹은 스트립 제품을 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 중량%로 최대 0.03%의 탄소, 최대0.05%의 질소, 10-25%크롬, 최대1.0%망간, 최대0.5%니켈, 최대 1.0%규소, 0.03-9.35%티타늄, 0.10-1.0%니오븀, 최대 1.2%의 알루미늄과 나머지로서 철과 기타 불가피한 불순물을 함유한 용강을 준비하는 것도 포함한다. 티타늄과 질소함량은 특정한 열역학 식에 따라 서로 반비례한다. 이 방법은 또 해로운 티타늄 금속간 화합물 혹은 티타늄 비금속 화합물의 형성없이 이 강을 잉곳 혹은 슬랩으로 주조하고, 티타늄 질화물에 의해 생긴 표면결함을 제거하기 위해 슬랩, 스트립 혹은 시이트를 연마함없이 강철슬랩을 열간압연과 냉간압연하여 표면질을 개선한 최종두께의 스트립 혹은 시이트로 만든다. 이 방법은 티타늄 화합물의 용해도를 액상선(liqudus)에서의 포화도 아래로 유지하는 것을 포함한다. 이 강은 냉간압연된 후의 최종두께가 0.015인치(0.381mm)이하로서 경제적으로 제조 및 땜질할 수 있다.

일반적으로, 티타늄과 니오븀 둘다로 안정화되고 용접할 수 있으며, 티타늄의 존재에도 불구하고 개선된 표면질을 갖고 실시예에서 개선된 고온내산화성과 강도를 나타내고 있는 페라이트철 크롬합금을 제공하다.

광범위하게는, 용강(steel melt)을 형성하고, 유해한 양으로 티타늄 금속간화합물 혹은 티타늄 비금속 화합물을 석출함없이 이강을 슬랩 혹은 잉곳으로 주조하는 방법을 쓴다. 이는 티타늄 화합물로 인한 응용시의 개방표면결합을 제거하기 위해 연마작업을 샐행하지 않고도 이강을 최종두께의 스트립 혹은 쉬이트로 만들수가 있다. 제1a도, 제1b도 및 제1c도는 종래기술에서 T409 열간압연밴드의 개방표면결함을 설명한다.

여기서 모든 조성물 비율은 중량 퍼센트이다.

크롬함량은 바람직한 특성 이를테면 내부식성과 내산화성을 갖기 위해서 10-25%정도이다. 크롬함량의 상한값은 합금의 성형성을 방해하게 되는 적절치 않은 값의 강도와 경도를 피하기 위해 제한한다. 10%이하의 크롬함량은 내산화성과 내부식성을 떨어뜨리는 경향이 있다. 10-12%와 16-19%의 크롬함량이 적당한 범위이다.

규소함량은 최대1%이고 최소 0.5%이다. 규소는 강의 제조에서 보통 환원제로 사용되는 원소이고 일반적으로 내산화성을 위해 포함되며 용융된 합금의 유동성을 좋게하여 양호한 용접상태를 얻는다. 본 발명에서는 적어도 0.5%의 규소가 연속적이고 주기적인 산화에 대한 내성을 향상시키는 것으로 나타났다. 규소함량은 규소가 합금의 연성을 감소시키기 때문에 0.7%미만으로 유지시키는 것이 좋다.

본 발명에 따르면, T409 같은 페라이트 스텐레스강에서의 개방표면결함은 용융, 정련 및 주조중의 산화물과 티타늄 질화물의 석출을 피하므로써 없앨 수 있음을 발견하였다. 이렇게 하는 방법은 티타늄으로 안정화를 얻게 되지만, 강의 탄소 및 질소함량을 크게 낮추기 위해서는 비용이 많이드는 용융작업과 정련을 실행해야 한디. 본 발명에 따르면 이 페라이트 스텐레스강의 티타뮴 함량은 용융된 금속의 티타늄 금속간 화합물과 티타늄 비금속 화합물의 용해도 한계값 아래로 유지한다. 응고전에 결함이 원인이 될수 있는 화합물의 석출은 방지된다. 따라서, 티타늄 안정화된 페라이트 스텐레스 합금은 가공시 나타나는 개방표면결합을 방지표면결합을 방지할 수 있다. 합금조성에 의해 결정된 규정량의 니오븀과 티타늄을 사용하여 유해한 티타늄 화합물의 석출을 최대비-임계량(maximumnon-critcal level)까지 조절하면 개방표면결함이 없는 최종 냉간압연된 코일형태의 시이트나 스트립을 만들 수 있다.

만일 티타늄 화합물의 용해도가 약상선에서의 포화도 미만으로 유지된다면, 티타늄 화합물은 불안정하고 금속의 동결전에는 석출하지 않을 것이다. 종래방법은 강의 질소함량을 최소로 하고, 정련중에 질소의 사용을 최소화하며 배셀로부터 레이들에 쏟아 부을때와 같은 대기로부터의 질소확산에 대해 용융금속이 최소로 노출되도록 실행되었다. 현행 분석용건과 정규의 아르곤-산소-탈탄법(AOD) 공정은 유해한 티타늄 화합물의 석출을 막기에 충분한 정도의 낮은수준으로 질소함량을 감소시킬때 비용측면에서 효율적이지 못하다.

본 발명은 티타늄 함량을 최소화함으로써 이 문제점을 해결하고 여기서 티타늄 질화물은 정규의 질소함량범위내에서 액상선 이하에서 용해될 수 있다. 이는 감소된 티타늄 함량을 충분한 양의 니오븀으로 대체하면 된다. 여기서, 안정화는 Ti와 Nb가 탄소와 질소에 결합하여 중간입자부식 저항성에 대한 역효과를 피하도록 할수 있다.

이 강은 제한된 양의 티타늄과 니오븀에 의해 아정화된다. 티타늄 함량은 초대 0.35%이고 0.05-0.15%,특히 0.05-0.1%의 범위이다. 티타늄의 양과 질소함량에 대한 티타늄의 관계는 규정된 열역학식에 관련하여 아래에서 구체적으로 설명한다. 땜질 효과를 위해, Ti은 알류미늄 함량에 대해 치대 0.12%까지만 허용된다.

니오븀은 0.1%에서 최대 1%까지 들어있다. 본 발명에서 적은 비용으로 합금을 만들기 위하여 Nb의 함량은 가능한한 적어야하지만 고온강도를 필요로하는 실시예에 있어서는 0.6%이나 최대한도내에서 그 이상의 Nb를 쓸수도 있다.

통상의 제강 불순물은 비교적 적은 함량으로 유지하는 것이 바람직하다. 본 발명의 합금은 이러한 불순물의 함량을 아주 낮게 유지시키기 위해 특별한 원료물질을 선택해야만할 필요가 없다. 본 발명의 합금은 전기 아아크로(electric are furnaces) 혹은 AOD공정(아르곤-산소-탈탄 공정 : argon-oxygen-decarburization)을 이용하여 제조할 수 있다.

탄소와 질소함량을 감소시키는 방법은 공지되어 있고 이러한 방법이 본 발명에서도 이용된다. 탄소함량은 최대 0.03% 특히, 0.01%이다. 실제적인 하한치는 0.00%이다. 허용되는 질소의 총량은 하기에 설명되는 바와 같이 티타늄 함량에 의해 영향을 받는다.

광범위하게,본 발명의 합금은 최대 0.03%탄소, 최대 0.05%질소, 10-25%크롬, 최대 1.0%망간, 최대 0.5% 니켈, 최대1.0%규소, 0.03-0.35%의 티타늄, 0.10-1.0%니오븀, 선택적으로 1.2%의 알루미늄을 함유하고 나머지로서 철과 불가피한 불순물을 포함한다. 이 합금의 바람직한 실시예는 최대 0.03%탄소, 최대 0.05%질소, 10-13%크롬, 최대 10%망간, 최대 0.5%니켈, 0.5-7.0% 규소, 0.03%탄소, 최대 0.05%티타늄,0.1-1.0%니오븀 선택적으로 최대 1.2%까지의 알루미늄과 나머지로서 철을 포함한다. 이합금의 또다른 바람직한 실시예는 최대 0.03%탄소, 최대0.05%질소, 16-19%크롬 최대 1.0%망간, 최대 0.5%니켈, 0.5-1.0%규소, 0.03-0.1%티타늄, 0.1-1.0%니오븀, 선택적으로 최대 1.2%알루미늄과 나머지로서 철을 포함한다. 이들 실시예 모두에서 티타늄과 질소의 함량은 아래와 같은 열역학식을 만족하는데 서로 반비례하는 관계이다. 용강족성에 대해 열역학석을 사용하여 실행한 계산에서 본 발명의 새로운 발견을 설명한다. 공지도니약상선과 고상선을 갖는 용강의 조성에 대해 TiN의 용해도를 결덩하기 위한 기본 열역학식은 다음과 같다;

여기서

그리고

모든 주어진 온도 T와 상기의 식으로부터 합금조성에서 TiN석출로 이어지는 N의 비율이 계산된다. 만일 N의 비율이 계산된 값아래로 유지되면 TiN은 석출되지 않는다. 반대로, 식으로부터 주어진 모든 조성에 대해, TiN 석출을 일으킬 Ti의 비율이 계산될 수 있다. Ti의 비율은 이때 계산된값 아래로 유지하여 TiN석출을 피하도록 해야한다.

제2도는 11.5%Cr,0.01%C,0.35%Mn, 0.25%Ni, 0.3%Si,0.25%Nb,나머지로 Fe를 함유하는 강에서, 티타늄과 질소함량에 대한 TiN의 용해도를 설명하다. 계산은 0.05-0.5%티타늄과 0에서 최대0.5% 니오븀을 함유하는 조성물에 대해 실시되었다. 보통 11.5%크롬과 0.25%니오븀을 함유하는 합금내의 TiN용해도는 약 2754°F(1507℃)의 액상선에서 0.1%티타늄을 함유한 합금은 티타늄 질화물의 석출이 있기전 최대 0.023% 질소를 함유할 수 있음을 보여준다. 0.15%티타늄을 함유하는 합금은 최대한 0.016%까지만의 질소를 함유할 수 있다. 이러한 계산은 0.35% 티타늄을 함유한 합금의 경우 티타늄 질화물석출을 피하기 위해 0.008%이하의 질소함량을 필요로함을 보여준다. 종래의 용융방법에서는 이러한 낮은 질소함량을 얻기위해 소모되는 비용이크다. AOD 공정에서는, 대표적으로 아르콘 버블링(bubbling)후에 레이들(ladle)에서의 질소함량은 AOD정련(refining)중의 아르곤 사용시 0.012%-0.02%가 된다.

공지된 바와 같이, 액상선과 고상선은 강의 조성물에 따른 함수이라서 변한다. 예를 들면, 상기 언급된 11.5% 크롬합금은 약 2745°F의 액상선을 가지지만, 18%크롬을 함유한 합금은 약 2720°F(1493℃)의 액상선을 가진다.

제3도는 여러 티타늄함량에 대하여, 0.01%,탄소, 0.35%망간, 0.25%니켈, 0.30%규소, 및 0.025%니오븀을 함유하는 합금에 있어서 크롬과 질소함량의 함수인 TiN의 용해도 한계를 설명한다.

제4도는 11.5%와 18.5%크롬 함유 합금에 대한 티타늄과 질소 함량의 함수인 각 약상성에서의 용해도 한계를 설명한다.

열역학식으로부터 전개된 이러한 현상은 질소와 티타늄의 양이 반비례적으로 변화하고 유해한 티타늄 금속간 화합물이나 티타늄 비금속 질화물의 석출없이 강을 주조하고 응고시키기 위해 상기 식(1)을 만족시키는 필요한 것보다 더많은 양으로 존재햐야함으 ㄹ보여준다. 그 결과, 연마가 필요없고 개방표면결함이 거의 없는 개선된 냉간압연표면질을 갖는 강철 스크립 혹은 시이트가 된다.

산소와 황함량을 중리기 위한 방법은 공지되어 있고 이러한 공지된 종래방법을 본 발명에서 작용할 수 있다. 산소함량은 최대 0.01%이며 최저한계는 0.001%이다, 황함량은 초대 0.03%, 특히 최대 0.2%가 좋으며, 실제적인 하한선은 0.005%이다. 또다른 정규적인 제강 불순물로서 인이 있는데 이는 최대 0.44%, 특히 최대 0.025%까지가 좋고, 실제적인 최저한계는 0.01%이다.

니켈과 구리 역시 정규의 제강 불순물들중 속하는 것들이다 니켈은 0.5% 이하가 특히 0.25% 보다 작은 것이 좋으며, 실제적인 최저한계는 0.01%이다. 구리는 0.3% 이하 특히 0.2% 이하가 좋으며, 실제적인 하한선은 0.01%이다. 구리와 니켈함량이 하한치 보다 낮아도 특성에 영향을 미치지는 않지만 특정한 원료를 선택하지 않으면 달성하기가 어렵다.

망간함량은 최대 1% 특히 0.55%가 좋으며, 하한선은 0.06%이다.

경우에 따라 합금의 알루미늄 함량은 최대 1.2%까지도 되수 있다. 합금속의 더높은 알루미늄 함량은 고온에서 내산화성을 향상시킨다. 최적의 용접성과 땜질을 위해,알루미늄 함량은 0.01-0.07%의 범위가 되는 것이 좋다. 땜질중에 습윤성(wetting) 개선을 위해 이 강은 최대 0.1% 알루미늄, 최대0.12%티타늄, 최대 0.12% 알루미늄 +(더하기) 티타늄을 함유하는 것이 좋다. 일부 소량의 알루미늄은 용융과 정련중에 탈탄제로 이것이 사용되기 때문에 통상적으로 존재한다. 이 목적으로만 사용될때는 0.1%이하로 유지되어야 한다.

본 발명의 이하를 더 완전히 하기 위해, 실험이 실시되었느데 여기서는 두개의 실험재료가 하기의 실시에에서 설명된 바와 같이 용융되었다.

실시예 1

본 발명의 합금은 적당한 재료로된 시편(heat)들을 녹여 하기의 조성물을 가진 용융물을 만들어서 준비한다 :

용융물은 AOD 배셀에서 정련도고 연속적으로 슬랩으로 제조된 후 밀 스케일(MILL SCALE)을 제거하기 위해 연마처리하였다. 용융과 정련방법은 티타늄 화합물의 용해도를 용강의 액상선에서 표화도 이하로유지하도록 함을 포함한다. 슬랩의 일부는 0.155인치의 밴드 두게로 열간압연되고 다른 0.090인치의 밴드두께로 열간압연된다.

이후 4개의 코일이 통상의 방법으로 냉간압연되어 0.090인치 열간압연밴드(HRB)로부터 0.018인치의 냉간압연된 초종두께로 만들어졌다. 이 HRB는 개방표면결함이 없는 탁월한 표면질을 보였다. HRB는 코일 연마없이 냉간압연되어진다. 냉간압연된 강은 이후 통상의 소둔과 산세척 작업을 받는다. 이들 코이로부터 얻은 재료는 머펄러 탭 스톡(muffler wrap stock) 제작성과 용접상에 대해 평가한다. 4개코일 모두의 표면외관은 뒤어나고 개방표면결함이나 용융현상에 따른 결함도 없었다. 뛰어난 외관 때문에 HRB코일형태의 시이트 제품에 대해 어떤 연마작업도 필요없었다.

하나의 코일이 통상의 방식으로 0.090인치의 HRB로부터 더 얇은 두께, 특히 0.011인치로 냉간압연되고 이후 연속하여 통상의 방식으로 소둔되고 산세척되었다. HRB코일의 표면질이 뛰어나고 어떤 개방표면결함 혹은 용융으로 인한 결함도 없었다. HRB코일은 냉간압연된 표면질을 개선하기 위해 용융으로 인한 결함을 없앨 연마작업을 하지 않아도 된다. 이러한 얇은 두께의 냉각 압연된 시이트는 자동차의 배기가스 재순환 튜브를 구성하고 용접을 행하기 위한 그의 적합성을 평가하다. 표면외관은 이례적으로 결함이 없고, 이 재료는 성형와 용접이 잘되었다.

두개의 또다른 코일이 0.155인치의 열간압여된 밴드두께로부터 냉간압연에 따라 0.058인치의 최종두께로 만들어진 후 계속하여 소둔및 산세척하였다. 이들 코일의 기계적 특성을 평가하였다.

기계적 특성은 본 발명의 화학적 조성물을 가지는 두개의 코일시편(HEAT)에 대해 측정하였다. 기계적 특성은 두 코일로부터 각각 두개의 단부(a)와 (b)모두 4개의 표본에 대해 하기의 표와 같다.

본 발명의 합금은 T409 합금에 비견될만한 적당한 기계적 특성을 가졌고 연성이 개량되었음을 보여주었다.

이 실시예에서 본 발명합금의 내부식성은 여러가지 부식에 매채체중에서 T409과 수정된 T409의 강에 대해 비교 및 평가하엿다. 특히 이 합금은 10% ASTM 수(water)와 발커 합성 농축물(walker synthetic condensate)에서 ASTM 763과정 Z에 따라 시험하였다. 도한 이 강을 비등하는 20% H₃PO₄와 실온상의 5% NHO₃및 15% NH₃에서 시험하였다.

아래와 같은 조성의 강이 본 발명의 실시예 1의 합금과 비교 및 시험하였다. 강(A)는 T409강이고 강(B)은 수정된 T409강이다.

결과는 모재(base metal)에 하기의 표와 같고, 용접된 상태는 개월당 인치의 (in/month)부식율을 보여준다.

ASTM 763 10% ASTM 20% H₃PO₄5% HNO₃15% HNO₃

본 발명 합금의 내부식성 T409 화학성질과 비교할 수 있다. 표에서 도시된 부식의 변화도는 부식시험에서 통상적인 밤위에 속한다.

실시예 1의 시료로부터 얻은 표본은 T409과 수정된 T409강에 비교하여 열주기중에 산화에 대한 저항성과 연속산화 저항성 모두에 대해 평가되였다. 표본은 1600°F(871℃ 0에서, 또 33°F-43°F의 노점을 가진 공기산화환경중에 표본을 100시간동안 노출시켜 총중량 이득(mg/cm²)을 결정함으로서 시험되었다.

시험은 하기의 조성을 가진 수정된 T409강(D)와 T409강(C)또는 실시예 1의 본 발명의 강으로 실시되었다 :

결과는 하기의 표와 같이 나타났다 :

일반적으로 1.5mg/cm2혹은 그이상의 중량증가는 자동차 배기장치요소와 강은 고온장치에는 부적합한 것으로 인정된다. 409T강(강C)는 71.4mg/cm²의 중량이득을 갖고 반면에 본 발명에 합금은 0.5mg/cm²만의 중량증가를 가졌다. T409강은 최대 연속 100싱간동안 1600°F(871℃)에서 100시간동안에 1.5mg/cm²의 임계값을 쉽게 만족한다.

주기적 열산화 저항성은 또한 일반적으로 규정 B 78-59T에서 기술된 절차에 따라 ASTM 철사수명시험기에서 평가되었다. 주기적 시험은 0.0020"(0.051mm)두께(0.250"(6.35mm)폭의 스트립을 2분동안 저항가열(resitance heating)하고 2분동안 실온으로 냉각하는 과정을 반복하여 시험하였다. 파괴는 스트립 전체가 산화되었을때 일어나고 끊어졌다. 여러온도에서 시험을 실행하면 당김시험(drawing)할때의 온도 대 파괴되는 것에 관한 싸이클 곡선을 만들 수 있다. 각 합금에 대한 이 곡선으로부터, 2000회에서 끊어질때의 온도가 얻어지므로 합금의 주기적 열산화 저항성을 설명할 수 있다.

주기적 열산화 시험은 하기의 조성을 가지는 T409강(E)와 수정된 T409(D) 실시예 1의 (본 발명의)강으로 실시되었다 :

각저정에 의해 2000회 파괴로 표시된 온도는 하기의 표와 같이 나타났다 :

연속적 또한 주기적 산화 저항성 시험 둘다의 결과는 시험된 실시예 1의 강과 수정된 T409강(D)이 서로 유사한 특성을 보였다. 이것은 T409강에서의 대표적인 함량 0.034% 보다 약간 높은 0.5% 함량의 규소를 함유하는데 기여하는 것으로 믿어진다. 또다른 이유는 Nb가 보호스케일 부착에 공헌하여 실시예 스텐레스강의 강의 주기적 열산화 저항성을 개선하는 것이다. 본 발명의 실시예에 있어서, 이 강은 충분한 Si와 Nb을 포함하여 이러한 개선된 내산화성을 보인다.

연속 및 주기적 열산화 저항성 시험은 본 발명의 합금이 개선된 내산화성을 갖고 100°F의 유용온도 혹은 T409강의 유용온도 보다 높은 온도를 제공함을 증명한다.

적절한 원료로된 시편(heat)을 용융시켜 하기의 조성으로된 용융물을 만들어 또다른 본 발명의 합금을 제조되었다 :

이 용융물은 실시예 1에서와 같은 유사한 방식으로 정련되었다. 슬랩중 어느것은 슬랩표면 가까이에서 티타늄 산화물 혹은 티타늄 질화물의 용융으로 인한 결함을 나타내지 않았다. 슬랩의 일부는 0.260인치의 밴드 두께로 다른 슬랩은 0.155인치 열간압연밴드(HRB)로 또다른 슬랩은 0.090인치 열간압연 밴드(HRB)로 열간압연되어졌다.

한 코일은 종래 방식대로 0.260인치 HRB로부터 0.131인치 최종두께로 냉간압연한 후 종래대로 소둔 및 산세척하였다. HRB에서는 용융으로 인한 아무런 결함도 관찰되지 않았고 최종두께의 스트립은 개방표면결함이 없는 뛰어난 표면외관을 가졌다.

또다른 코일은 0.155인치 HRB로부터 0.032인치로 냉간압연한 후 종래 방식대로 소둔 및 산세척하였다.이 HRB코일은 개방표면결함이 없는 최종두께 스트립으로 냉간압연하기정에 연마작업을 실행하지 않았다.

코일의 양단부(a)와 (b)의 기계적특성은 하기와 같은 결과로 나타났다.

시편들은 본 발명에 따라 제조된 코일은 개방표결함이 있는 표면상태를 개선하기 위해 열간압연된 코일을 연마하거나 시이트 혹은 스트립제품을 연마할 필요가 없음을 보여준다. 본 발명 전에는 머플러랩으로 사용하기 위해 가공한 T409강이 개방표면결함으로 인해 많은 불합격품을 양산하였다. 본 발명의 합금 2개의 시편으로부터 20개의 열간압연밴드 코일로 만들어졌고 개방표면결함을 없애기 위해 HRB 코일에 대한 어떤 부가연마작업을 필요로 하지 않고도 표면질이 개선되었다.

본 발명의 목적으로서 페라이트 스텐레스강이 제공되며 이 같은 개방표면결함 혹은 용융중에 일어나는 티타늄 석출에 도움을 줄수 있는 한편 용융으로 인한 결함을 갖지 않은채 최종두께로 냉간압연될 수 있는 강이다. 이러한 강의 실시예는 연속 및 주기적 조건둘다에서 개선된 고온강도를 가지는 장점이 있다. 이강은 용접가능하고 성형성이 우수하며 땜질이 가능하다고 믿을 수 있는 충분한 이유가 있다. 이 강은 또한 고주파 용접도 가능한 것이다. 본 발명의 강은 정규의 기본 T409강에서 보다 0.015인치 정도 혹은 그보다 작은정도로 얇은 두께가 되게 냉간압연할 수 있다. 본 발명의 방법은 표면외관에 향향을 주는 석출물을 피하기 위해 용강(steel melt)의 액상온도에서 티타늄화합물 요해성생뭉을(solubility product of titanium compounds)포화량 이하로 유지한다. 본 발명의 강은 종래기술에서 통상적인 연마공정을 생략하기 때문에 더작은 비용으로 제조될 수 있다.

비록 본 발명의 여러 실시예를 도시하였으나, 이 분야의 전문가들은 본 발명의 범위사상에서 벗어남이 없이 그에 대한 수정이 가해질 수 있음을 알수 있다.

Claims (4)

1. 개방 표면결함(open surface defect) 이 없고 고온 내산화성을 갖고 티타늄 금속간 화합물과 비금속 화합물로된 석출물이 생기지 않는 것으로서 중량 백분유로 0.007%,탄소, 0.017%의 질소, 10.95%의 크롬, 0.45%의 망간, 0.16%의 니켈,0.57%의 규소, 0.098%의 티타늄, 0.28의 니오븀 또한 0.02%까지의 알루미늄을 함뉴하고 그 나머지는 철로 구성되고 한편 티타늄과 질소의 함향은 다음으로 열역학식(1)을 만족하는 범위에서 서로 반비례하는 관계이고,

   

   여기서 log f_N은 다음의 식 2과 같으며, log f_T1식 3과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는 용접가능한 페라이트 스텐레스강.

   
2. 제1항에 있어서, 강의 최종두께는 0.015인치(0.38mm)이하인 것을 특징으로 하는 스텐레스강.
3. 개방 표면결함(open suface defect)이 없고 고온 내산화성을 갖고 티타늄 금속간 화합물과 비금속 화합물로된 석출물이 생기지 않는 것으로서 중량 백분율로 0.007% 탄소, 0.018% 질소, 10.91%크롬, 0.46%망간, 0.27%니켈, 0.49%규소, 0.10%티타늄, 0.18%니오븀, 또한 0.03%알루미늄을 함유하고 그 나머지는 철로 구성도고 한편 티타늄과 질소의 함량은 다음의

   

   여기서 log f_N은 다음의 식2와 같으며 log f_Tf는 식 3과 같이 표현도는 것을 특징으로 하는 용접가능한 페라이트 스텐레스강.

   

   여기서 T = 캘빈온도로 표시된 합금온도.
4. 제3항에 있어서, 강의 최종두께는 0.015인치(0.381mm)이하인 것을 특지응로 하는 용접가능한 페라이트 스텐레스강.

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