WO2017111437A1 - 린 듀플렉스 스테인리스강 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a lean duplex stainless steel and a method of manufacturing the same, which minimizes the content of expensive alloy elements such as Ni and Mo in the component system, and controls thermal martensite transformation and plastic organic martensite transformation, thereby controlling the austenite phase and the ferrite phase. It relates to a lean duplex stainless steel having a phase structure and a method for producing the same.
  • austenitic stainless steel having good processability and corrosion resistance contains iron (Fe) as a base metal, and contains chromium (Cr) and nickel (Ni) as main raw materials, and molybdenum (Mo) and copper (Cu), etc. It is developed in various steel grades to suit various purposes by adding other elements of.
  • 300-based stainless steel which has excellent corrosion resistance and workability, includes expensive raw materials such as Ni and Mo.
  • 400-based stainless steel has been discussed, but the formability does not reach 300-based stainless steel. This exists.
  • thick plate with less molding than heat / cold rolled material it can be applied to corrosion resistance of 400 series depending on the usage environment.However, it is used as a thick plate due to the thermal shock characteristics and deterioration of welding part of 400 series stainless steel. There are many restrictions.
  • duplex stainless steel mixed with the austenitic phase and the ferrite phase has all the advantages of the austenitic and ferritic systems, and various types of duplex stainless steel have been developed to date.
  • one of the most widely used duplex stainless steels used in high corrosion resistance environment is AL2205 (UNS S31803 or S32205) with 22% Cr, 5.5% Ni, 3% Mo, 0.16% N components.
  • the steels provide excellent corrosion resistance in various corrosive environments, and thus have better corrosion resistance than austenitic, such as AISI 304 and 316.
  • duplex stainless steel contains expensive elements such as Ni and Mo, not only the manufacturing cost is increased but also the Ni and Mo are consumed, and thus the price competitiveness with other steel grades is inferior.
  • Lean duplex stainless steel has the same corrosion resistance as 304 and 316 steel, which is roughly classified as austenitic stainless steel, and has low Ni content, so it is economical and high in strength and easy to secure. It is in the spotlight as a molten steel.
  • Such lean duplex steels include, for example, S32304 (typical component 23Cr-4Ni-0.13N) standardized in ASTMA240, S32101 (typical component 21Cr-1.5Ni-5Mn-0.22N) standardized in ASTMA240.
  • lean duplex steels can reduce manufacturing costs by eliminating expensive elements, they have corrosion resistance equivalent to or higher than that of 304, 304L and 316 steels. However, in some cases, lean duplex steels are overspecified. There is also a demand for duplex steel having corrosion resistance at the system level.
  • the steel grade corresponding to this requirement is not developed at present, and 400 series stainless steel is a structural factor, which has a low DBTT characteristic, which is very weak in impact characteristics, and is difficult to use as a thick plate due to the coarsening of the welded HAZ part structure. .
  • the austenite phase stability at room temperature is lowered, and the austenite phase is transformed into a martensite phase during cooling. do. That is, it is difficult to realize a duplex steel structure having a two-phase structure of ferrite phase and austenite phase at 20% Cr or less, and the martensite phase formed during the cooling process lowers the elongation of the material and causes an impossible process such as a tubing process. .
  • Patent Document 0001 US Registered Patent No. 6096441 (March 2000)
  • Embodiments of the present invention to provide a lean duplex stainless steel having a two-phase structure of austenite and ferrite phase by minimizing the content of expensive alloy elements such as Ni, Mo, etc. in the component system of the duplex stainless steel and Si, N component control.
  • embodiments of the present invention to provide austenite phase stability at room temperature to secure the elongation, to provide a method for producing a lean duplex stainless steel that can ensure corrosion resistance of the 400-based universal steel level.
  • the ferrite fraction (Ferrite fraction, FF (%)) according to the following formula (1) is 60 to 80%
  • modified Md 30 Modified Md according to the following formula (2) 30 , MM (° C.)
  • Md Modified Md according to the following formula (2) 30 , MM (° C.)
  • the chromium (Cr) may comprise 13.5 to 14.5%.
  • the stainless steel may have a Cr equivalent weight of 13.0 to 16.0 according to the following Formula (3).
  • nickel (Ni) may include 0.05% or less.
  • the stainless steel may have a Ni equivalent weight of 5.0 or less according to the following formula (4).
  • Ni equivalent Ni + 18N + 30C + 0.1Mn-0.01Mn 2 ------ Formula (4)
  • the elongation of the stainless steel may be 30% or more.
  • Method for producing a lean duplex stainless steel in weight percent, carbon (C) 0.05 to 0.1%, silicon (Si) 2.0 to 4.0%, manganese (Mn) 4.0 to 8.0%, chromium (Cr ) Hot rolling a lean duplex stainless steel slab containing 13.0 to 15.0%, nitrogen (N) 0.05 to 0.15%, balance iron (Fe) and other unavoidable impurities, and annealing the hot rolled steel sheet at a temperature of 1,050 to 1,150 ° C. And water-cooling.
  • the hot rolled steel sheet may be annealed for 10 to 60 minutes.
  • Embodiments of the present invention can save resources by minimizing or excluding alloy components such as Cr, Ni, Mo, etc. in the component system of the duplex stainless steel can minimize the manufacturing cost of the duplex stainless steel.
  • 1 is a Schaeffler's diagram for explaining the component system of lean duplex stainless steel according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 is a photograph of a microstructure of a lean duplex stainless steel according to an embodiment of the present invention using a transmission electron microscope (TEM).
  • TEM transmission electron microscope
  • 3 is a graph for explaining the correlation between the stress-elongation of lean duplex stainless steel according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a graph showing the official potential value of lean duplex stainless steel according to an embodiment of the present invention.
  • the amount of carbon (C) is 0.05 to 0.1%.
  • Carbon (C) is an austenite phase forming element and is an effective element for increasing the material strength by solid solution strengthening. Carbon (C) should be added at least 0.05% in order to contribute to the austenite phase stability.
  • Such carbon (C) when excessively added, forms segregated and coarse carbides in the center of the material manufacturing, adversely affecting the post-hot rolling-annealing-cold rolling-cold annealing process, and the ferrite-austenite phase boundary.
  • Cr chromium
  • the amount of silicon (Si) is 2.0 to 4.0%.
  • Silicon (Si) is a ferrite phase forming element and is an element that is concentrated in ferrite during annealing.
  • the content of chromium (Cr) in the lean duplex stainless steel according to the embodiments of the present invention is lower than that of the conventional lean duplex stainless steel, so that 2.0% to 4.0% of the lean duplex stainless steel may be added.
  • silicon (Si) is added in excess of 4.0%, the hardness of the ferrite phase is sharply increased to deteriorate the workability and impact characteristics. Therefore, it is desirable to limit the content of silicon (Si) to 2.0 to 4.0%.
  • the amount of manganese (Mn) is 4.0 to 8.0%.
  • Manganese (Mn) is an element that increases melt flow control, deoxidizer and nitrogen solubility, and is an austenite forming element. Manganese (Mn) is added in place of expensive nickel (Ni). If the manganese (Mn) is less than 4%, austenite stability is lowered at room temperature, transformed to martensite during cooling, making it difficult to maintain two-phase tissue. When the manganese (Mn) is more than 8%, the austenite phase fraction becomes excessively difficult to control the phase fraction. Therefore, it is preferable to limit the content of manganese (Mn) to 4.0 to 8.0%.
  • the amount of chromium (Cr) is 13.0 to 15.0%. Chromium (Cr) is minimized in terms of manufacturing cost reduction of the duplex stainless steel, it is desirable to limit to less than 15.0% to deviate from the existing lean duplex stainless steel component range. However, it is preferable to add more than 13% to ensure corrosion resistance of the duplex stainless steel. Therefore, it is preferable to limit the content of chromium (Cr) to 13.0 to 15.0%. More preferably, the lean duplex stainless steel may include chromium (Cr) in an amount of 13.5 to 14.5%.
  • the amount of nitrogen (N) is 0.05 to 0.15%. Nitrogen (N), together with nickel (Ni) in duplex stainless steel, contributes greatly to the stabilization of the austenite phase, and is one of the elements concentrated on the austenite phase during annealing.
  • the nitrogen (N) content in the manganese (Mn) range of the present invention exceeds 0.15%, blow holes and pin holes, etc., occur during casting due to excess nitrogen solubility. Surface defects and edge cracks are caused during rolling. Therefore, it is preferable to limit the content of nitrogen (N) to 0.05 to 0.15%.
  • the lean duplex stainless steel according to the exemplary embodiment of the present invention may include 0.05% or less of nickel (Ni).
  • Nickel (Ni) is an element that contributes greatly to stabilization of the austenite phase with nitrogen (N) in duplex stainless steel.
  • the lean duplex stainless steel according to an embodiment of the present invention has a ferrite fraction (FF (%)) of 60 to 80% according to Equation (1), and according to Equation (2).
  • modified Md 30 (modified Md 30, MM (°C)) has a number equal to or less than 110 °C.
  • the modified Md 30 according to Equation (2) exceeds 110 ° C.
  • the elongation of lean duplex stainless steel is shown to be less than 30%, specifically about 10 to 15% of the workability is very weak.
  • the stainless steel may have a Cr equivalent weight of 13.0 to 16.0 according to the following Formula (3).
  • the stainless steel may have a Ni equivalent weight of 5.0 or less according to the following Formula (4).
  • Ni equivalent Ni + 18N + 30C + 0.1Mn-0.01Mn 2 ------ Formula (4)
  • 1 is a Schaeffler's diagram for explaining the component system of lean duplex stainless steel according to embodiments of the present invention.
  • lean duplex stainless steel according to an embodiment of the present invention is reduced Cr equivalent and Ni equivalent as the content of chromium (Cr) and nickel (Ni), the existing lean duplex steel It can be seen that the Cr and Ni equivalents are located in a lower region.
  • Method for producing a lean duplex stainless steel in weight percent, carbon (C) 0.05 to 0.1%, silicon (Si) 2.0 to 4.0%, manganese (Mn) 4.0 to 8.0%, chromium (Cr ) Hot rolled lean duplex stainless steel slab containing 13.0 to 15.0%, nitrogen (N) 0.05 to 0.15%, balance iron (Fe) and other unavoidable impurities, and annealing the hot rolled steel sheet at a temperature of 1,050 to 1,150 ° C. , Water-cooled to produce lean duplex stainless steel.
  • the lean duplex stainless steel slab of the above composition may be thick rolled by a conventional method, and the hot rolled steel sheet may have a thickness of 5 to 20 mm.
  • the hot rolled steel sheet is annealed for 10 to 60 minutes at a temperature of 1,050 to 1,150 °C.
  • the martensitic phase transformation does not occur during the cooling of the microstructure and the ferrite phase and the austenite phase are maintained in two-phase structure, so that the ferrite phase fraction is maintained at 60 to 80% and the crystal Md 30 is 110 ° C. or less. It can have a value of.
  • the lean duplex stainless steel slabs including the component system according to the inventive steels and the comparative steels of Table 1 below were prepared, followed by thick plate rolling to prepare thick rolled specimens of 10 mmt.
  • Table 1 below shows the composition of the low cost lean duplex stainless steel, which is the steel grade of the present invention.
  • Cr chromium
  • Mn manganese
  • Si silicon
  • N nitrogen
  • the thick plate rolled specimens were maintained at an annealing temperature of 1,100 ° C. for 30 minutes and then cooled to evaluate materials, property changes, tensile properties, and corrosion resistance.
  • the tissues of the inventive steels 1 to 3 and the comparative steels 1 to 4 were observed to confirm the transformation onto the martensite phase.
  • the ferrite predicted fraction and the modified Md 30 value were calculated with reference to the compositions and formulas (1) and (2) in Table 1 above.
  • the tensile test was carried out by taking ASTM sub-size tensile test specimens in the rolling direction, specifying the temperature at the time of the tensile test at room temperature and the strain rate of 20 mm / min.
  • FIG. 2 is a photograph of a microstructure of a lean duplex stainless steel according to an embodiment of the present invention using a transmission electron microscope (TEM).
  • TEM transmission electron microscope
  • FIG. 2 shows the microstructure of inventive steel 1 of the present invention. As shown in the tissue photograph of Figure 2, when prepared in the component range of the present invention, it can be seen that the austenite phase is maintained in the austenite phase, without transformation into a martensite phase.
  • the phase stability of austenite is increased, so that the modified Md 30 is maintained at 110 ° C. or less, thereby ensuring processability of 30% or more of elongation.
  • the nitrogen (N) content is more than 0.15%, since the decrease of the real rate due to the edge crack bundle during rolling occurs, it is preferable to limit it to 0.15% or less.
  • 3 is a graph for explaining the correlation between the stress-elongation of lean duplex stainless steel according to an embodiment of the present invention.
  • inventive steel 1 is a graph of tensile properties of inventive steel 1 and comparative steel 2 of the present invention.
  • ASTM sub-size tensile specimens were taken in the rolling direction, and the tensile test was carried out at the temperature of the tensile test at room temperature and the deformation rate of 20 mm / min.
  • Figure 4 is a graph showing the official potential value of lean duplex stainless steel according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph comparing the official potential value of the invention steel 1 of the present invention with the official potential value of the 400 series general-purpose steel STS 409 steel, STS 430 steel.
  • Inventive steel 1, STS 409 steel, STS 430 steel is shown in Figure 4 by measuring the official potential of each specimen in 1.0% NaCl solution. Accordingly, it was confirmed that the lean duplex stainless steel according to the embodiment of the present invention has corrosion resistance between STS 409 steel and STS 430 steel.
  • Lean duplex stainless steel and its manufacturing method according to embodiments of the present invention can be applied to steel materials for industrial equipment, such as freshwater equipment, pulp, paper, chemical equipment.

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Abstract

린 듀플렉스 스테인리스강 및 이의 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은, 중량%로, 중량%로, 탄소(C) 0.05 내지 0.1%, 실리콘(Si) 2.0 내지 4.0%, 망간(Mn) 4.0 내지 8.0%, 크롬(Cr) 13.0 내지 15.0%, 질소(N) 0.05 내지 0.15%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다. 따라서, 듀플렉스 스테인리스강의 성분계 중 Cr, Ni, Mo 등의 합금 성분을 최소화 또는 배제하여 제조 원가를 최소화할 수 있으며, 30% 이상의 연신율을 확보할 수 있으며, 400계 범용강 수준의 내식성을 확보할 수 있다.

Description

린 듀플렉스 스테인리스강 및 이의 제조 방법
본 발명은 린 듀플렉스 스테인리스강 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 성분계 중 Ni, Mo 등 고가 합금원소의 함량을 최소화하고 열적 마르텐사이트 변태 및 소성 유기 마르텐사이트 변태 현상을 제어하여 오스테나이트 상과 페라이트 상의 2상 조직을 가지는 린 듀플렉스 스테인리스강 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가공성과 내식성이 양호한 오스테나이트계 스테인리스강은 철(Fe)을 소지금속으로 하여, 크롬(Cr), 니켈(Ni)을 주요한 원료로 함유하고 있으며, 몰리브덴(Mo) 및 구리(Cu) 등의 기타 원소들을 첨가하여 각종 용도에 맞도록 다양한 강종으로 개발되고 있다.
내식성 및 가공성이 우수한 300계 스테인리스강은 고가의 원료인 Ni, Mo 등을 포함하고 있는바, 이에 대한 대체 방안으로 400계 스테인리스강이 논의되기도 하였으나, 성형성이 300계 스테인리스강에 미치지 못한다는 문제점이 존재한다. 성형량이 많은 열/냉연재 보다는 상대적으로 성형이 적은 후판에서는 사용환경에 따라 400계 수준의 내식성으로도 적용이 가능하나, 400계 스테인리스강이 가진 열위한 충격특성 및 용접부 열화 등으로 인해 후판으로서의 사용에 많은 제약이 따른다.
한편, 오스테나이트 상과 페라이트 상이 혼합된 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트계 및 페라이트계가 가지는 모든 장점을 가지고 있으며, 현재까지 다양한 종류의 듀플렉스 스테인리스강이 개발되어 있다.
미국등록특허 제6096441호(2000.8.1)에는 "저니켈 고 인장 연신율을 갖는 페라이트-오스테나이트계 스테인리스강"이 개시되어 있다. 이는 철을 소지금속으로 하여, C: 0.04% 이하, Si: 0.4 ~ 1.2%, Mn: 2 ~ 4% 이하, Ni: 0.1 ~ 1.0%, Cr: 18 ~ 22%, Cu: 0.05 ~ 4.0%, S: 0.03% 이하, P: 0.1% 이하, N: 0.1 ~ 0.3%, Mo: 3.0% 이하 및 기타 불가피한 불순물을 포함하되, 오스테나이트 및 페라이트의 2상으로 이루어지고, 그 중 오스테나이트상이 30~70%를 차지하되, Creq=Cr(%)+Mo(%)+1.5Si(%), Nieq=Ni(%)+0.33Cu(%)+0.5Mn(%)+30C(%)+30N(%)로 정의되는 수학식에서 Creq/Nieq 2.3~2.75 범위이며, IM=551-805(C+N)(%)--8.52Si(%)--8.57Mn(%)--12.51Cr(%)--36Ni(%)--34.5Cu(%)--14Mo(%)로 정의되는 수학식에서 IM은 40 ~ 115 범위인 것을 특징으로 한다.
한편, 고내식 환경에서 사용되는 가장 널리 사용되는 듀플렉스 스테인리스 강 중 하나는 22%Cr, 5.5%Ni, 3%Mo, 0.16%N 성분을 갖는 AL2205(UNS S31803 또는 S32205)가 있다.
상기의 강들은 다양한 부식 환경에서 우수한 내부식성을 제공하는바, AISI 304, 316 등의 오스테나이트계 보다 우수한 내부식성을 갖는다.
그러나, 이러한 듀플렉스 스테인리스강은 Ni, Mo 등의 고가 원소를 포함하고 있는바, 제조 비용이 상승될 뿐만 아니라 Ni, Mo 등을 소비함에 따라 타 강종과의 가격 경쟁력이 떨어지는 단점이 존재한다.
최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 듀플렉스 스테인리스강 중에서도 Ni 및 Mo 등의 고가 합금 원소를 배제하고, 이들 원소를 대신하여 저 원가의 합금원소를 첨가함으로써 합금 비용의 장점을 더욱 향상시킨 린 듀플렉스(lean duplex) 스테인리스강에 대한 관심이 증대되고 있다.
린 듀플렉스 스테인리스강은 종래 오스테나이트계 스테인리스강으로 대별되는 304, 316강과 동등한 내식성을 확보하면서 Ni 함량이 적어 경제적이면서도 고강도 확보가 용이하여 내식성을 요하는 담수 설비, 펄프, 제지, 화학설비 등 산업 설비용 강재로 각광받고 있다.
이러한 린 듀플렉스강은 예를 들어, ASTMA240에 규격화되어 있는 S32304(대표성분 23Cr-4Ni-0.13N), ASTMA240에 규격화되어 있는 S32101(대표성분 21Cr-1.5Ni-5Mn-0.22N) 등이 있다.
린 듀플렉스강은 고가 원소를 배제하여 제조 원가를 절감하면서도 304, 304L 및 316강 대비 동등 이상 수준의 내식성을 확보하고 있으나, 때에 따라서는 사용환경 대비 린 듀플렉스강의 내식성이 오버스펙인 경우도 있으며, 400계 수준의 내식성을 가지는 듀플렉스강의 요구가 발생하기도 한다.
이러한 요구에 상응한 강종은 현재 개발되어 있지 않으며, 400계 스테인리스강은 구조적인 요인으로 DBTT 특성이 낮아 충격특성이 매우 취약하며, 용접 HAZ부 조직의 조대화로 인해 후판으로서의 사용이 어려운 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 기존의 린 듀플렉스강 성분에서 단순히 Cr, Ni 성분을 저감시켜 내식성을 낮추고자 할 경우, 상온에서의 오스테나이트 상 안정성이 저하되어 냉각과정에서 오스테나이트 상이 마르텐사이트 상으로 변태되는 현상이 발생한다. 즉, 20% Cr 이하에서는 페라이트 상, 오스테나이트 상의 2상 조직을 갖는 듀플렉스강 조직을 구현하기가 어려우며, 냉각과정에서 형성된 마르테사이트 상은 소재의 연신율 저하시켜 조관 프로세스와 같은 가공이 불가능한 문제를 야기시킨다.
(특허문헌 0001) 미국등록특허 제6096441호(2000.8.1.)
본 발명의 실시예들은 듀플렉스 스테인리스강의 성분계 중 Ni, Mo 등 고가 합금원소의 함량을 최소화하고 Si, N 성분 제어를 통하여 오스테나이트 상과 페라이트 상의 2상 조직을 가지는 린 듀플렉스 스테인리스강을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 상온에서의 오스테나이트 상 안정성을 부여하여 연신율을 확보하며, 400계 범용강 수준의 내식성을 확보할 수 있는 린 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은, 중량%로, 탄소(C) 0.05 내지 0.1%, 실리콘(Si) 2.0 내지 4.0%, 망간(Mn) 4.0 내지 8.0%, 크롬(Cr) 13.0 내지 15.0%, 질소(N) 0.05 내지 0.15%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 식(1)에 따른 페라이트 예측분율(Ferrite fraction, FF(%))이 60 내지 80%이며, 하기 식(2)에 따른 수정 Md30(Modified Md30, MM(℃))이 110℃ 이하일 수 있다.
FF(%) = 398-146*C+9.07*Si-0.58*Mn-22.5*Cr-416N ------ 식(1)
MM(℃) = 551-[462*(C+N)/(1-0.01*FF)]-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr ------ 식(2)
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 크롬(Cr)을 13.5 내지 14.5%를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 하기 식(3)에 따른 Cr 당량이 13.0 내지 16.0일 수 있다.
Cr 당량 = Cr+0.48Si+1.5Mo ------ 식(3)
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 니켈(Ni) 0.05% 이하를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 하기 식(4)에 따른 Ni 당량이 5.0 이하일 수 있다.
Ni 당량 = Ni+18N+30C+0.1Mn-0.01Mn2 ------ 식(4)
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강의 연신율은 30% 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법은, 중량%로, 탄소(C) 0.05 내지 0.1%, 실리콘(Si) 2.0 내지 4.0%, 망간(Mn) 4.0 내지 8.0%, 크롬(Cr) 13.0 내지 15.0%, 질소(N) 0.05 내지 0.15%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 린 듀플렉스 스테인리스강 슬라브를 열간 압연하는 단계, 열연 강판을 1,050 내지 1,150℃의 온도에서 소둔 열처리하는 단계 및 수냉하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열연 강판을 10 내지 60분 동안 소둔 열처리할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 듀플렉스 스테인리스강의 성분계 중 Cr, Ni, Mo 등의 합금 성분을 최소화 또는 배제하여 자원을 절약할 수 있고 듀플렉스 스테인리스강의 제조 원가를 최소화할 수 있다.
또한, Si, N 성분제어를 통하여 상온에서의 오스테나이트 상 안정성을 높임으로써 30% 이상의 연신율을 확보할 수 있으며, 400계 범용강 수준의 내식성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강의 성분계를 설명하기 위한 세플러 조직도(Schaeffler's diagram)이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강의 미세 조직을 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 측정한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강의 응력-연신율의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강의 공식전위 값을 도시한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은, 중량%로, 탄소(C) 0.05 내지 0.1%, 실리콘(Si) 2.0 내지 4.0%, 망간(Mn) 4.0 내지 8.0%, 크롬(Cr) 13.0 내지 15.0%, 질소(N) 0.05 내지 0.15%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은, 중량%로, 탄소(C) 0.05 내지 0.1%, 실리콘(Si) 2.0 내지 4.0%, 망간(Mn) 4.0 내지 8.0%, 크롬(Cr) 13.0 내지 15.0%, 질소(N) 0.05 내지 0.15%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
탄소(C)의 양은 0.05 내지 0.1%이다. 탄소(C)는 오스테나이트상 형성 원소로 고용 강화에 의한 재료 강도 증가에 유효한 원소이다. 탄소(C)는 오스테나이트상 안정성에 기여하기 위하여서는 0.05% 이상 첨가되어야 된다. 그런, 탄소(C)는 과다 첨가시, 소재 제조시 중심부에 편석 및 조대한 탄화물을 형성하여, 후공정인 열간압연-소둔-냉간압연-냉연소둔 공정에 악영향을 끼치고, 페라이트-오스테나이트 상 경계에서 내식성에 유효한 크롬(Cr)과 같은 탄화물 형성 원소와 쉽게 결합하여 결정립계 주위의 크롬(Cr) 함량을 낮추어 내부식성을 감소시키기 때문에, 내식성을 극대화하기 위해서는 0.1% 이하의 범위 내에서 첨가하는 것이 바람직하다.
실리콘(Si)의 양은 2.0 내지 4.0%이다. 실리콘(Si)는 페라이트상 형성 원소로 소둔 열처리시 페라이트에 농화되는 원소이다. 본 발명의 실시예들에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강의 크롬(Cr)의 함량이 기존의 린 듀플렉스 스테인리스강보다 낮아, 적정한 페라이트 상분율 확보를 위하여 2.0% 내지 4.0% 첨가함이 바람직하다. 그러나, 실리콘(Si)을 4.0% 초과로 첨가하는 경우, 페라이트상의 경도를 급격히 증가시켜서 가공성 및 충격특성이 저하시키게 된다. 따라서, 실리콘(Si)의 함량을 2.0 내지 4.0%로 제한하는 것이 바람직하다.
망간(Mn)의 양은 4.0 내지 8.0%이다. 망간(Mn)은 용탕 유동도 조절, 탈산제 및 질소 고용도를 증가시키는 원소로서, 오스테나이트 형성 원소이다. 망간(Mn)은 고가의 니켈(Ni)을 대체하여 첨가된다. 망간(Mn)이 4% 미만인 경우, 상온에서 오스테나이트 안정성이 저하되어 냉각과정에서 마르텐사이트로 변태되어 2상 조직을 유지하기 어렵다. 망간(Mn)이 8% 초과인 경우, 오스테나이트 상분율 과다로 상분율 제어가 어려워진다. 따라서, 망간(Mn)의 함량을 4.0 내지 8.0%로 제한하는 것이 바람직하다.
크롬(Cr)의 양은 13.0 내지 15.0%이다. 크롬(Cr)은 듀플렉스 스테인리스강의 제조 원가 절감 측면에서 최소화하며, 기존의 린 듀플렉스 스테인리스강 성분 범위에서 벗어나도록 15.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 그러나, 듀플렉스 스테인리스강의 내식성 확보를 위해 13% 이상으로 첨가하는 것이 바람직하다. 따라서, 크롬(Cr)의 함량을 13.0 내지 15.0%로 제한하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 린 듀플렉스 스테인리스강은 크롬(Cr)을 13.5 내지 14.5%로 포함할 수 있다.
질소(N)의 양은 0.05 내지 0.15%이다. 질소(N)는 듀플렉스 스테인리스강에서 니켈(Ni)와 함께 오스테나이트 상의 안정화에 크게 기여하는 원소로, 소둔 열처리시 오스테나이트 상에 농화되는 원소 중의 하나이다.
따라서, 질소(N)의 함량을 증가시킴으로써, 부수적으로 내식성 향상 및 강도 향상을 꾀할 수 있으나, 첨가된 망간(Mn)의 함량에 따라 질소(N)의 고용도가 변화될 수 있으므로, 그 함량 조절이 필요하다.
본 발명의 망간(Mn) 범위에서 질소(N) 함량이 0.15%를 초과하면, 질소 고용도 초과에 의하여, 주조시 블로우 홀(blow hole) 및 핀 홀(pin hole) 등이 발생하여, 제품의 표면 결함 및 압연도중 에지 크랙(edge crack)이 유발되는 문제점이 있다. 따라서, 질소(N)의 함량을 0.05 내지 0.15%로 제한하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은 니켈(Ni) 0.05% 이하를 포함할 수 있다. 니켈(Ni)은 듀플렉스 스테인리스강에서 질소(N)와 함께 오스테나이트 상의 안정화에 크게 기여하는 원소이다.
니켈(Ni)의 양이 0.05% 초과인 경우, 고가 금속인 니켈(Ni)의 함량이 증가하여 제조 원가가 증가하는 문제점이 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은 하기 식(1)에 따른 페라이트 예측분율(Ferrite fraction, FF(%))이 60 내지 80%이며, 하기 식(2)에 따른 수정 Md30(Modified Md30, MM(℃))이 110℃ 이하일 수 있다.
FF(%) = 398-146*C+9.07*Si-0.58*Mn-22.5*Cr-416N ------ 식(1)
MM(℃) = 551-[462*(C+N)/(1-0.01*FF)]-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr ------ 식(2)
예를 들어, 오스테나이트 상이 소둔 열처리 이후, 냉각 과정에서 마르텐사이트 상으로 변태하거나, 변형 도중 마르텐사이트 상으로의 급격한 변태하는 경우, 상기 식(2)에 따른 수정 Md30이 110℃를 초과하여, 린 듀플렉스 스테인리스강의 연신율이 30% 미만으로 나타나며, 구체적으로는 약 10 내지 15% 수준으로 가공성이 매우 취약하다.
예를 들어, 상기 스테인리스강은 하기 식(3)에 따른 Cr 당량이 13.0 내지 16.0 일 수 있다.
Cr 당량 = Cr+0.48Si+1.5Mo ------ 식(3)
예를 들어, 상기 스테인리스강은 하기 식(4)에 따른 Ni 당량이 5.0 이하 일 수 있다.
Ni 당량 = Ni+18N+30C+0.1Mn-0.01Mn2 ------ 식(4)
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강의 성분계를 설명하기 위한 세플러 조직도(Schaeffler's diagram)이다.
도 1을 참조하면, 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 함량이 감소함에 따라 Cr 당량 및 Ni 당량이 감소하여, 기존의 린 듀플렉스강 보다 Cr, Ni 당량이 낮은 영역에 위치하고 있음을 알 수 있다.
일반적으로, 이러한 영역에서는 상온에서의 오스테나이트 상 안정성이 저하된다. 이로 인하여, 소둔 열처리 이후, 냉각과정에서 오스테나이트 상이 마르텐사이트 상으로 변태됨에 따라 가공성 및 충격특성이 급격히 떨어지게 된다.
그러나, 본 발명에서는 이러한 낮은 크롬(Cr), 니켈(Ni)의 함량을 보상하고, 변태 현상을 억제하고자, 실리콘(Si)의 함량을 2.0% 이상으로 제어하여 오스테나이트 상의 안정성을 확보하고자 하였으며, 추가적으로 질소(N)의 함량을 0.15% 이하로 제어하여 마르텐사이트 변태 구동력을 억제하고자 하였다.
이에 따라, 본 발명의 린 듀플렉스 스테인리스강의 상온에서의 오스테나이트 상 안정성을 높임으로써 30% 이상의 연신율을 확보할 수 있으며, 400계 범용강 수준의 내식성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법은, 중량%로, 탄소(C) 0.05 내지 0.1%, 실리콘(Si) 2.0 내지 4.0%, 망간(Mn) 4.0 내지 8.0%, 크롬(Cr) 13.0 내지 15.0%, 질소(N) 0.05 내지 0.15%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 린 듀플렉스 스테인리스강 슬라브를 열간 압연하고, 열연 강판을 1,050 내지 1,150℃의 온도에서 소둔 열처리하며, 수냉하여 린 듀플렉스 스테인리스강을 제조한다.
상기 조성의 린 듀플렉스 스테인리스강 슬라브는 통상의 방법으로 후판 압연할 수 있이며, 열연 강판은 두께가 5 내지 20mm 일 수 있다.
예를 들어, 상기 열연 강판은 1,050 내지 1,150℃의 온도에서 10 내지 60분 동안 소둔 열처리된다.
상기 성분계 및 열처리 조건 하에서 미세조직이 냉각과정 중 마르텐사이트 상 변태가 발생하지 않고 페라이트 상 및 오스테나이트 상의 2상 조직이 유지되어 페라이트 상 분율이 60 내지 80%를 유지하며 수정 Md30이 110℃ 이하의 값을 가질 수 있다.
이하 실시예들을 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
발명강 및 비교강
하기 표 1의 각 발명강들 및 비교강들에 따른 성분계를 포함하는 린 듀플렉스 스테인리스강 슬라브들을 제조한 후, 후판 압연 하여 10mmt의 후판 압연 시편들을 제조하였다.
하기 표 1에서는, 본 발명의 대상 강종인 저원가 린 듀플렉스 스테인리스 강의 조성을 나타내었다. 특히, 여기서 STS 409강 이상의 내식성 수준 확보에 지대한 영향을 주는 크롬(Cr)은 13.5 내지 14.5%, 망간(Mn)은 5.5 내지 6.5% 범위 내에서 고정하고, 실리콘(Si), 질소(N)의 함량에 변화를 주어 제조하였다.
C Si Mn Cr N
발명강 1 0.048 2.47 5.93 13.87 0.051
발명강 2 0.048 3.04 6.12 14.02 0.053
발명강 3 0.047 3.07 6.1 13.94 0.097
비교강 1 0.064 1.02 6.01 13.98 0.048
비교강 2 0.047 1.99 5.87 13.95 0.047
비교강 3 0.05 4.1 6.08 14.1 0.052
비교강 4 0.051 3.03 6.04 13.87 0.151
이후, 상기 후판 압연 시편들을 소둔 온도 1,100℃로 30분간 유지하고 수냉 한 후, 재질, 특성변화, 인장특성 및 내식특성을 평가하였다.
마르텐사이트 상 변태 여부 페라이트 예측분율 (%) 수정 Md30 값 (℃) 연신율 (%) 기타
발명강 1 × 76.7 94.2 32.5 -
발명강 2 × 77.5 73.8 31.9 -
발명강 3 × 61.4 109.8 31.2 -
비교강 1 ○ 59.9 172.4 10.2 -
비교강 2 × 72.4 136.9 15.3 -
비교강 3 × 85.5 -53.7 - 취성 파단 발생
비교강 4 × 39.6 129.3 30.8 에지 크랙 발생
상기 표 2에서 발명강 1 내지 3, 비교강 1 내지 4의 조직을 관찰하여 마르텐사이트 상으로의 변태 여부를 확인하여 변태시 ○, 미변태시 ×로 나타내었다. 또한, 페라이트 예측분율과 수정 Md30 값은 상기 표 1의 조성 및 식(1), (2)을 참조하여 계산하였다. 연신율 관련하여, 압연방향으로 ASTM sub-size 인장시편을 채취하여 인장시험시의 온도는 상온으로 규정하고 변형속도를 20mm/min로 하여, 인장시험을 수행하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강의 미세 조직을 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 측정한 사진이다.
도 2는 본 발명의 발명강 1의 미세조직을 나타낸다. 도 2의 조직사진에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 성분 범위에서 제조시, 오스테나이트 상이 마르텐사이트 상으로 변태하지 않고, 오스테나이트 상으로 유지됨을 알 수 있다.
표 1 및 표 2를 참조하면, 실리콘(Si)의 함량이 1.0 내지 2.0% 미만에서는, 오스테나이트 상이 냉각과정에서 마르텐사이트 상으로 변태하거나, 변형 도중 소성 유기 마르텐사이트 상으로의 급격한 변태(수정 Md30이 110℃ 초과)로 인해 연신율이 10 내지 15%수준으로 가공성이 매우 취약함을 확인할 수 있었다. 또한, 실리콘(Si)의 함량이 4.0% 초과시, 페라이트 상분율 및 경도 증가로 인해 시편 가공 도중 취성파괴가 유발되어 4.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
따라서, 실리콘(Si)의 함량을 2.0 내지 4.0%로 유지시, 오스테나이트의 상 안정성이 증가되어 수정 Md30이 110℃ 이하로 유지되어 연신율 30% 이상의 가공성이 확보 가능하다.
질소(N) 함량의 경우 0.15% 초과시 압연도중 에지 크랙 다발에 의한 실수율 저하가 발생하므로, 0.15% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강의 응력-연신율의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 발명강 1 및 비교강 2에 대한 인장특성 그래프를 나타낸다.
압연방향으로 ASTM sub-size 인장시편을 채취하여 인장시험시의 온도는 상온으로 규정하고 변형속도를 20mm/min로 하여, 인장시험을 수행하였다.
실리콘(Si)의 함량이 2.0% 미만인 경우, 변형도중 소성유기 마르텐사이트 상으로의 급격한 변태로 인해 원하는 연신율의 확보가 불가능함을 알 수 있었다. 따라서, 실리콘(Si)의 함량을 2.0 내지 4.0%로 유지시, 오스테나이트 상 안정성이 증가되어 30% 이상의 연신율 확보가 가능함을 알 수 있었다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강의 공식전위 값을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 발명강 1의 공식전위 값과, 400계 범용강인 STS 409강, STS 430강의 공식전위 값을 비교한 그래프이다.
발명강 1과 STS 409강, STS 430강을 1.0% NaCl 용액 내에서 각 시편들의 공식전위를 측정하여 도 4에 나타내었다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강은 STS 409강과 STS 430강 사이의 내식 특성을 가짐을 확인할 수 있었다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강 및 이의 제조 방법은 담수 설비, 펄프, 제지, 화학설비 등 산업 설비용 강재 등에 적용 가능하다.

Claims (9)

  1. 중량%로, 탄소(C) 0.05 내지 0.1%, 실리콘(Si) 2.0 내지 4.0%, 망간(Mn) 4.0 내지 8.0%, 크롬(Cr) 13.0 내지 15.0%, 질소(N) 0.05 내지 0.15%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 린 듀플렉스 스테인리스강.
  2. 제1항에 있어서,
    하기 식(1)에 따른 페라이트 예측분율(Ferrite fraction, FF(%))이 60 내지 80%이며, 하기 식(2)에 따른 수정 Md30(Modified Md30, MM(℃))이 110℃ 이하인 것을 특징으로 하는 린 듀플렉스 스테인리스강.
    FF(%) = 398-146*C+9.07*Si-0.58*Mn-22.5*Cr-416N ------ 식(1)
    MM(℃) = 551-[462*(C+N)/(1-0.01*FF)]-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr ------ 식(2)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 크롬(Cr)을 13.5 내지 14.5%를 포함하는 것을 특징으로 하는 린 듀플렉스 스테인리스강.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 하기 식(3)에 따른 Cr 당량이 13.0 내지 16.0인 것을 특징으로 하는 린 듀플렉스 스테인리스강.
    Cr 당량 = Cr+0.48Si+1.5Mo ------ 식(3)
  5. 제1항에 있어서,
    니켈(Ni) 0.05% 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는 린 듀플렉스 스테인리스강.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 하기 식(4)에 따른 Ni 당량이 5.0 이하인 것을 특징으로 하는 린 듀플렉스 스테인리스강.
    Ni 당량 = Ni+18N+30C+0.1Mn-0.01Mn2 ------ 식(4)
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스테인리스강의 연신율은 30% 이상인 것을 특징으로 하는 린 듀플렉스 스테인리스강.
  8. 중량%로, 탄소(C) 0.05 내지 0.1%, 실리콘(Si) 2.0 내지 4.0%, 망간(Mn) 4.0 내지 8.0%, 크롬(Cr) 13.0 내지 15.0%, 질소(N) 0.05 내지 0.15%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 린 듀플렉스 스테인리스강 슬라브를 열간 압연하는 단계;
    열연 강판을 1,050 내지 1,150℃의 온도에서 소둔 열처리하는 단계; 및
    수냉하는 단계를 포함하는 린 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열연 강판을 10 내지 60분 동안 소둔 열처리하는 것을 특징으로 하는 린 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법.
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