WO2018117477A1 - 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강 및 이의 제조 방법 - Google Patents

내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a duplex stainless steel and a method for producing the same, and to a duplex stainless steel and a method for producing the same excellent in corrosion resistance and formability.
  • austenitic stainless steels with good workability and corrosion resistance contain Fe as a base metal, contain Cr and Ni as main raw materials, and develop various steel types to suit various purposes by adding other elements such as Mo and Cu. It is becoming.
  • 300-based stainless steel which has excellent corrosion resistance and workability, includes expensive raw materials such as Ni and Mo, and as an alternative, 400-based stainless steel has been discussed, but moldability 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.
  • the duplex stainless steel mixed with the austenitic phase and the ferrite phase has all the advantages of the austenitic and ferritic stainless steels, and various types of duplex stainless steels have been developed to date.
  • Duplex stainless steel with two phases of austenitic and ferritic phases has excellent strength and corrosion resistance. Its yield strength is about 2 times higher than that of austenitic stainless steels, and it is also formulated in chlorine atmosphere, crevice corrosion and stress corrosion cracking. As the resistance is very good, the usage of seawater-related industrial equipment is steadily increasing.
  • duplex stainless steel There are several types of duplex stainless steel, which are classified as follows according to the level of corrosion resistance.
  • the representative steel of standard duplex stainless steel based on 22% Cr by weight is UNS32205 (22Cr-5Ni-3Mo-0.18N), which has similar corrosion resistance to 317L austenitic stainless steel, where Mo content is low and 304 austenite Lower duplex stainless steel with corrosion resistance similar to that of knight stainless steel is called lean duplex stainless steel.
  • the representative steel of Super Duplex stainless steel which is more corrosion resistant based on 25% Cr by weight, is UNS32750 (25Cr-7Ni-3.5Mo-0.28N).
  • UNS32750 25Cr-7Ni-3.5Mo-0.28N.
  • the corrosion resistance of the duplex stainless steel is determined according to the Cr, Mo, W and N content, the higher the content of these elements, the higher the corrosion resistance.
  • the duplex stainless steels that can be produced in sheet form the steel with the highest corrosion resistance is super duplex stainless steel.
  • Patent Document 1 Republic of Korea Patent Publication No. 10-2003-0077239
  • Embodiments of the present invention can control the component system of the duplex stainless steel to ensure excellent corrosion resistance even in seawater atmosphere, through the control of the microstructure to ensure mechanical properties such as strength, elongation, and corrosion resistance that can improve the anisotropy of the tissue And to provide a duplex stainless steel excellent in formability and a method of manufacturing the same.
  • Duplex stainless steel excellent in corrosion resistance and formability according to an embodiment of the present invention, in weight%, C: 0.05% or less (excluding 0), Cr: 24.5 to 32.5%, Mo: 2.0 to 4.0%, W: 2.5 To 4.5%, Ni: 6.0 to 10.0%, Cu: 2.0% or less (excluding 0), Mn: 2.0% or less (excluding 0), N: 0.25 to 0.45%, Si: 1.0% or less (excluding 0), Nb: It contains less than 0.2% (excluding 0), residual Fe and other unavoidable impurities, and has an austenite phase having an aspect ratio of 1.0 to 3.0 in the microstructure.
  • C 0.03% or less (excluding 0), Cr: 26.0 to 28.0%, Mo: 2.3 to 2.8%, W: 3.0 to 3.5%, Ni: 6.5 to 7.5%, Cu : 1.2% or less (excluding 0), Mn: 0.9 to 1.1%, N: 0.30 to 0.45%, Si: 0.15 to 0.7%.
  • the microstructure may include a ferrite phase of 40 to 65% and an austenite phase of 45 to 55% by volume fraction.
  • the duplex stainless steel may have a PREN value of 45.0 or more.
  • the duplex stainless steel may have a yield strength (YS) of 800 MPa or more and a tensile strength (TS) of 1 GPa or more.
  • the duplex stainless steel may have an elongation of more than 20%.
  • the duplex stainless steel may satisfy the following formula (1).
  • EI RD means rolling direction elongation
  • EI TD means rolling vertical elongation
  • the duplex stainless steel may be a cold rolled sheet of 1.0 to 1.5mm thickness.
  • Method for producing a duplex stainless steel excellent in corrosion resistance and formability according to an embodiment of the present invention, in weight%, C: 0.05% or less (excluding 0), Cr: 24.5 to 32.5%, Mo: 2.0 to 4.0%, W : 2.5 to 4.5%, Ni: 6.0 to 10.0%, Cu: 2.0% or less (excluding 0), Mn: 2.0% or less (excluding 0), N: 0.25 to 0.45%, Si: 1.0% or less (excluding 0), Nb: 0.2% or less (excluding 0), continuous casting of the duplex stainless steel sheet with molten steel containing the balance Fe and other unavoidable impurities, and cold rolling the duplex stainless steel sheet.
  • the molten steel may be cast continuously to continuously cast the duplex stainless steel sheet.
  • the duplex stainless steel sheet may be cast to a thickness of 3.0 to 5.0mm.
  • the step of cooling the duplex stainless steel thin plate and the heat treatment of the duplex stainless steel thin plate at a temperature of 1,100 to 1,150 °C for 30 to 180 seconds may be further included.
  • the duplex stainless steel sheet may be cold rolled at a total pressure reduction rate of 50% or more.
  • the cold rolled cold rolled sheet may be 1.0 to 1.5mm thick.
  • the cold rolled cold rolled sheet may further comprise the step of heat treatment for 10 to 30 seconds at a temperature of 1,100 to 1,150 °C.
  • the cold rolled cold rolled sheet may include an austenite phase having an aspect ratio of 1.0 to 3.0 in the microstructure.
  • the microstructure may include a ferrite phase of 40 to 65% and an austenite phase of 45 to 55% by volume fraction.
  • Embodiments of the present invention can ensure the excellent corrosion resistance in the seawater atmosphere by controlling the content of elements such as Cr, Mo, W, N in the component system of the duplex stainless steel.
  • FIG. 1 is a photograph observing the microstructure of the duplex stainless steel cold rolled sheet according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a photograph of the microstructure of the duplex stainless steel cold rolled sheet according to the comparative example of the present invention.
  • Duplex stainless steel excellent in corrosion resistance and formability according to an embodiment of the present invention, in weight%, C: 0.05% or less (excluding 0), Cr: 24.5 to 32.5%, Mo: 2.0 to 4.0%, W: 2.5 To 4.5%, Ni: 6.0 to 10.0%, Cu: 2.0% or less (excluding 0), Mn: 2.0% or less (excluding 0), N: 0.25 to 0.45%, Si: 1.0% or less (excluding 0), Nb: It contains less than 0.2% (excluding 0), residual Fe and other unavoidable impurities, and has an austenite phase having an aspect ratio of 1.0 to 3.0 in the microstructure.
  • Duplex stainless steel excellent in corrosion resistance and formability according to an embodiment of the present invention, in weight%, C: 0.05% or less (excluding 0), Cr: 24.5 to 32.5%, Mo: 2.0 to 4.0%, W: 2.5 To 4.5%, Ni: 6.0 to 10.0%, Cu: 2.0% or less (excluding 0), Mn: 2.0% or less (excluding 0), N: 0.25 to 0.45%, Si: 1.0% or less (excluding 0), Nb: 0.2% or less (excluding 0), balance Fe and other unavoidable impurities.
  • C is an element effective for increasing the material strength by strengthening solid solution, but when it is excessive, it easily bonds with carbide forming elements such as Cr, which is effective for corrosion resistance at the ferrite-austenite phase boundary, thereby reducing the corrosion resistance by lowering the Cr content around the grain boundary. Therefore, the content of C is limited to 0.05% or less. In order to minimize the risk of carbide precipitation which may impair corrosion resistance, it is more preferable that the content of C is made 0.03% or less.
  • Cr, Mo, and W are ferrite phase stabilizing elements that play a major role in securing the ferrite phase of duplex stainless steel, and are essential basic elements for securing high corrosion resistance. Increasing the content increases the corrosion resistance but increases the content of the austenite stabilizing elements to maintain the phase fraction, and there is a disadvantage that the cost rises and the hot workability decreases, limiting the content range as follows for each element.
  • the sediment controllable Cr content for securing seawater corrosion resistance and plate production is limited to 24.5 to 32.5%.
  • W and Mo are stronger corrosion resistance improving elements than Cr.
  • W which is twice as heavy as Mo, is known to show the same effect of Mo on the corrosion resistance as calculated by the atomic ratio, but it shows a synergistic effect when it is contained in combination with Mo than that contained alone, showing about 1.34 times the effect.
  • complex addition is essential.
  • the chi (c) phase which is first precipitated by the addition of W, has the advantage of delaying the sigma (s) phase precipitation over time and relatively slows the interface embrittlement rate. Therefore, at least 2.5% of addition is required and is mainly involved in sigma phase precipitation. Mo must be added at least 2% to maximize the effect of W addition.
  • Mo is limited to 2.0 to 4.0% and W to 2.5 to 4.5% in consideration of the range 35 to 55 of the crevice corrosion resistance constant K value. For example, it is more preferable to set Mo to 2.3 to 2.8% and W to 3.0 to 3.5%.
  • Ni, Cu, Mn, and N are austenite stabilizing elements that play a major role in securing the austenite phase fraction of duplex stainless steel, and corrosion resistance of seawater can be improved due to the improvement of corrosion resistance or deterioration of workability and corrosion resistance, depending on alloy components.
  • the content range is defined as follows for each element so that the volume fraction of ferrite phase is 40 to 65% in consideration of the Cr, Mo, W addition amount based on securing resistance.
  • Ni is the strongest element among the austenite-phase stabilizing elements, and has the advantage of improving the overall corrosion resistance as well as the main role for the balance of the phase fraction of the duplex stainless steel.
  • the increase in Ni content is directly related to the rise in raw material prices, so it needs to be minimized.
  • the range limit of the Ni content is set to 6.0 to 10.0% in consideration of the Cu, Mn and N content. For example, it is more preferable to make Ni 6.5-7.5%.
  • Cu has the advantage of improving the corrosion resistance in sulfuric acid atmosphere.
  • the chlorine atmosphere there is a disadvantage in reducing the formal resistance and hot workability to limit the Cu content to 2.0% or less.
  • Mn is a useful element that uses an appropriate amount to improve the flowability of the molten metal, but is also widely used as an austenite stabilizing element that can replace expensive Ni in order to secure the phase fraction in duplex stainless steel.
  • the increase in the Mn content is not preferable when high corrosion resistance is required due to the involvement of inclusions such as MnS, so the Mn content is limited to 2.0% or less in order to secure corrosion resistance of seawater. For example, it is more preferable to make Mn 0.9-1.1%.
  • N is preferably 0.30 to 0.45%.
  • N is a useful element capable of improving the corrosion resistance in the chlorine atmosphere, as well as increasing the strength, which is an advantage of the duplex stainless steel.
  • the N content is preferably limited to 0.25 to 0.45% in consideration of Cr, Mo and W content to ensure corrosion resistance of seawater. For example, it is more preferable to make N 0.30 to 0.45%.
  • Si 1.0% or less (excluding 0)
  • Si is essentially contained in a certain amount as important elements used as deoxidizer in the production of duplex stainless steel.
  • Si which also acts as a ferrite-phase stabilizing element, is limited to 1.0% or less since it promotes precipitation of intermetallic compounds and degrades mechanical properties related to impact toughness. For example, it is more preferable to make Si 0.15 to 0.7%.
  • Nb is an element that has strong affinity with C and N for easy formation of carbides and nitrides, and is formed at high temperature to inhibit the growth of grains during heat treatment of steel, thereby miniaturizing the structure and thus improving yield strength.
  • excessive addition may promote precipitation of intermetallic compounds, and it is preferable to limit the amount to 0.2% or less because it causes an increase in manufacturing cost due to expensive elements.
  • the duplex stainless steel having excellent corrosion resistance and formability according to an embodiment of the present invention includes an austenite phase having an aspect ratio of 1.0 to 3.0 in microstructure.
  • duplex stainless steel coexists with a ferrite phase and an austenite phase, in which both phases are elongated in the rolling direction during rolling.
  • the aspect ratio which is the ratio of the length and thickness of each phase, becomes large.
  • Each of these phases has a different material, so that the anisotropy of the tissue increases according to the material difference of each phase, and thus, It is disadvantageous.
  • tissue anisotropy it is possible to refine the tissue through the control of the components and the optimization of the manufacturing process and to improve the tissue anisotropy by controlling the aspect ratio of each phase to be small.
  • tissue anisotropy it is possible to improve tissue anisotropy by controlling the elongated tissue in the form of equiaxed crystals.
  • tissue anisotropy it is possible to improve the elongation of the material through the improvement of tissue anisotropy.
  • the microstructure may comprise 40 to 65% ferrite phase and 45 to 55% austenite phase in volume fractions. This is necessary to maintain the properties of the duplex structure steel.
  • the present invention relates to a ferritic austenitic stainless steel
  • the ferritic austenite-based structure referred to in the present invention means that the ferrite phase and the austenite phase occupies most of the structure, the stainless steel ferrite phase and austenite phase It does not mean that it is formed only.
  • the fact that the ferrite phase and the austenite phase occupy most of the structure means that the sum of the ferrite phase and the austenite phase accounts for 90% or more of the stainless steel forming structures, except for the ferrite phase and the austenite phase.
  • the austenitic martensite phase can be occupied.
  • the duplex stainless steel may have a PREN value of 45.0 or more.
  • the highest corrosion resistance among the duplex stainless steels applicable in seawater atmosphere is the super duplex S32750 steel with 25Cr-7Ni, which is composed of Cr, Mo, W and N. This has a value of 40. Therefore, in order to secure the corrosion resistance level that can be used stably for a long time in the seawater atmosphere, the PREN value should be one step higher than that of super duplex stainless steel. For this purpose, the content of Cr, Mo, W, and N was increased in the present invention. Therefore, the PREN value may be 45.0 or more.
  • the duplex stainless steel may have a yield strength (YS) of 800 MPa or more and a tensile strength (TS) of 1 GPa or more.
  • the duplex stainless steel contains a small amount of Nb to suppress the growth of grains during heat treatment of the steel, thereby miniaturizing the structure, thereby improving the yield strength.
  • the duplex stainless steel may have an elongation of more than 20%.
  • the duplex stainless steel may satisfy the following formula (1).
  • EI RD means rolling direction elongation
  • EI TD means rolling vertical elongation
  • the aspect ratio of the austenite phase in the microstructure of the duplex stainless steel of the present invention it is possible to reduce the difference in the elongation value according to the rolling direction to improve the structure anisotropy. Therefore, the moldability of the steel can be improved by improving the structure anisotropy.
  • the duplex stainless steel may be a cold rolled sheet of 1.0 to 1.5mm thickness.
  • High corrosion-resistant duplex stainless steel with a large amount of Cr and Mo is easy to precipitate intermetallic compounds that cause brittleness of the steel in the microstructure, and as the content of the elements increases, the temperature required for precipitation increases and the time is advanced. During continuous casting with slabs, the cooling rate is slow and precipitation of intermetallic compounds is inevitable.
  • the present invention by casting a continuous casting thickness in the form of a thin plate of 3.0 to 5.0 mm to obtain a fast cooling rate by spraying water during cooling, it was controlled so that all the material is cooled before the time required for the precipitation of the intermetallic compound.
  • intermetallic compounds containing Cr, Mo, Nb, etc. although precipitation of intermetallic compounds was significantly reduced in comparison with materials of the same composition through slab casting and hot rolling through continuous casting, which is a typical production process The precipitation of was not completely eliminated. Thereafter, the intermetallic compound formed during continuous casting may be re-used through a heat treatment process of the continuous casting plate.
  • Nickel-reduced duplex stainless steel manufacturing method in weight%, C: 0.05% or less (excluding 0), Cr: 24.5 to 32.5%, Mo: 2.0 to 4.0%, W: 2.5 to 4.5%, Ni: 6.0-10.0%, Cu: 2.0% or less (excluding 0), Mn: 2.0% or less (excluding 0), N: 0.25 to 0.45%, Si: 1.0% or less (excluding 0), Nb: 0.2 Continuous casting of duplex stainless steel sheet with molten steel containing% or less (excluding 0), balance Fe and other unavoidable impurities, and cold rolling the duplex stainless steel sheet.
  • the duplex stainless steel sheet may be continuously cast by strip casting the molten steel.
  • the duplex stainless steel sheet may be cast to a thickness of 3.0 to 5.0mm.
  • the step of water-cooling the duplex stainless steel sheet and the heat treatment of the duplex stainless steel sheet at a temperature of 1,100 to 1,150 °C 30 to 180 seconds may be further included.
  • the continuously cast duplex stainless steel sheet can be water-cooled by sprinkling water during cooling, thereby obtaining a fast cooling rate of the duplex stainless steel sheet, so that all materials are cooled before the time required for precipitation of the intermetallic compound. can do.
  • duplex stainless steel sheet may be heat-treated to reinterpret the intermetallic compound formed during continuous casting.
  • the cold rolled cold rolled sheet may be 1.0 to 1.5mm thick.
  • the cold rolled cold rolled sheet may further comprise the step of heat treatment for 10 to 30 seconds at a temperature of 1,100 to 1,150 °C.
  • the cold rolled cold rolled sheet may include an austenite phase having an aspect ratio of 1.0 to 3.0 in the microstructure.
  • the microstructure may comprise 40 to 65% ferrite phase and 45 to 55% austenite phase in volume fractions. The description thereof is as described above.
  • the molten steel including the component system according to the invention steels of Table 1 was continuously cast through strip casting, and was made into a thin plate having a thickness of 3 mm through cooling through water cooling.
  • the continuous casting thin plate was heat treated at a temperature of 1,100 ° C. for 60 seconds.
  • Cold-rolled sheet was produced by cold rolling the continuous cast sheet to a thickness of 1.0 mm, and then heat-treated at 1,100 ° C. for 10 seconds to prepare a final product.
  • a molten steel including a component system according to each of the comparative steels of Table 1 was continuously cast to prepare a slab having a thickness of 150 mm. After the usual hot rolling was performed, the hot rolled sheet was heat-treated for 60 seconds at a temperature of 1,100 °C. The cold rolled sheet was cold rolled to a thickness of 1.0 mm to prepare a cold rolled sheet, followed by heat treatment at 1,100 ° C. for 10 seconds to prepare a final product.
  • PREN is a value calculated as Cr + 3.3 (Mo + 0.5W) + 16N which is commonly used, and the elongation difference in each direction is obtained by subtracting the elongation in the rolling direction from the elongation in the rolling direction (EI RD -EI TD ). it means.
  • the method for measuring the aspect ratio of the austenite phase assumes a hypothetical circle having a diameter of 100 ⁇ m at any point in the microstructure, and then measures the length and thickness of each austenite phase for 10 austenite phases in the area within the circle. The ratio was then taken and averaged.
  • FIG. 1 is a photograph observing the microstructure of the duplex stainless steel cold rolled sheet according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a photograph of the microstructure of the duplex stainless steel cold rolled sheet according to the comparative example of the present invention.
  • Figure 1 is a photograph of observing the microstructure of the inventive steel
  • Figure 2 is a photograph of observing the microstructure of the comparative steel 1.
  • the microstructure of the inventive steel 1 in the microstructure of the inventive steel 1 has a microstructure in the form of an equiaxed crystal having a small ratio of length and thickness of the austenite phase, whereas in the microstructure of the comparative steel 1, the austenite phase is in the rolling direction. It can be seen that it has a long stretched form.
  • the aspect ratio of the austenite phase was measured to have a value of 1.0 to 3.0, and in the case of the comparative steels, the aspect ratio of the austenite phase was measured to have a value of 3.5 to 9.0. It can be seen that it has a larger aspect ratio than the inventive steel.
  • PREN value is 45.0 or more by controlling the content of elements such as Cr, Mo, W, N in the component system of duplex stainless steel, and not only comparative steel but also PREN (PREN) It can be seen that the corrosion resistance is much higher than that of super duplex S32750 steel having a value of 40).
  • the yield strength and tensile strength can be improved through the addition of a small amount of Nb, it shows an improved strength compared to the comparative steels without the addition of Nb.
  • the invention steels have a small difference in elongation in each direction, and thus the moldability is improved by minimizing the anisotropy of the microstructure.
  • the inventive steels it was confirmed that the yield strength and tensile strength were superior to the comparative steels, and the elongation was also excellent.
  • the invention steels can be seen that the difference in elongation according to the direction of the tensile test is less than that of the comparative steels, and can be expected to improve the formability of the steel by reducing the anisotropy along these directions.
  • Duplex stainless steel excellent in corrosion resistance and formability according to embodiments of the present invention can be applied for the purpose of manufacturing durable equipment.

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Abstract

내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강 및 이의 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.05% 이하(0 제외), Cr: 24.5 내지 32.5%, Mo: 2.0 내지 4.0%, W: 2.5 내지 4.5%, Ni: 6.0 내지 10.0%, Cu: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 2.0% 이하(0 제외), N: 0.25 내지 0.45%, Si: 1.0% 이하(0 제외), Nb: 0.2% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 미세조직 중 어스펙트비(aspect ratio)가 1.0 내지 3.0인 오스테나이트 상을 포함한다.

Description

내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강 및 이의 제조 방법
본 발명은 듀플렉스 스테인리스강 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가공성과 내식성이 양호한 오스테나이트계 스테인리스강은 Fe을 소지금속으로 하여, Cr, Ni을 주요한 원료로 함유하고 있으며, Mo 및 Cu 등의 기타 원소들을 첨가하여 각종 용도에 맞도록 다양한 강종으로 개발되고 있다.
내식성 및 가공성이 우수한 300계 스테인리스강은 고가의 원료인 Ni, Mo 등을 포함하고 있는 바, 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 상 및 페라이트 상이 혼합된 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트계 및 페라이트계 스테인리스강이 가지는 모든 장점을 가지고 있으며, 현재까지 다양한 종류의 듀플렉스 스테인리스강이 개발되어 있다.
오스테나이트 상 및 페라이트 상의 2상을 가지는 듀플렉스 스테인리스강은 우수한 강도와 내식성을 보유한 강으로 오스테나이트계 스테인리스강 보다 항복강도가 약 2배 이상 높을 뿐만 아니라 염소 분위기에서의 공식, 틈새부식 및 응력부식 균열 저항성이 매우 우수하여 해수와 연관된 산업설비 소재로 그 사용량이 꾸준히 증가하고 있는 추세이다.
듀플렉스 스테인리스강은 여러 종류가 있으며 내식성 수준에 따라 다음과 같이 구분된다.
중량%로 22% Cr을 바탕으로 한 일반 듀플렉스(Standard Duplex) 스테인리스강의 대표강은 UNS32205(22Cr-5Ni-3Mo-0.18N)로 내식성이 317L 오스테나이트 스테인리스강과 유사하며, 여기서 Mo 함량이 작아 304 오스테나이트 스테인리스강과 유사한 내식성을 보유한 저급 듀플렉스 스테인리스강은 린 듀플렉스(Lean Duplex) 스테인리스강이라 한다.
중량%로 25% Cr을 바탕으로 보다 내식성을 높힌 슈퍼 듀플렉스(Super Duplex) 스테인리스강의 대표강은 UNS32750(25Cr-7Ni-3.5Mo-0.28N)이다. 이와 같이, 듀플렉스 스테인리스강의 내식성은 Cr, Mo, W 및 N 함량에 따라 결정되어 지기 때문에 이들 원소들의 함량이 높을수록 높은 내식성을 보유하게 된다. 현재 판재 형태로 생산 가능한 듀플렉스 스테인리스강 중 가장 높은 내식성을 보유한 강은 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강이다.
그러나, 해수 분위기에서 사용 시 설비의 위치에 따라 해수가 농축되어 매우 가혹한 환경에서 노출되는 경우가 많으며, 이러한 환경에서는 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강이라고 하더라도 안정적으로 사용되기 어려운 경우가 있으며, 내구성이 있는 설비 제조를 위해서는 Cr, Mo, W 및 N 함량을 더욱 높혀 내식성이 강화된 초내식 듀플렉스 스테인리스강 판재가 요구된다.
그러나, 상기의 성분들과 같은 내식성 강화 합금 원소들의 함량 증가는 열간가공성을 저하시킬 뿐만 아니라 시그마(s) 상 및 카이(c) 상의 석출속도를 증가시키기 때문에, 연속주조-열간압연-소둔/산세 공정을 거치는 일반적인 판재 제조 공정에서는 공정 간 온도조절이 용이하지 않은 경우 석출물 석출 제어의 실패로 강의 기계적 성질 및 내식성이 저하될 수 있는 위험도가 커지는 단점이 있다. 따라서, 내식성 강화 원소의 함량 증가에 따른 초내식 듀플렉스 스테인리스강의 내식성 향상에는 한계가 있다.
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0077239호
본 발명의 실시예들은 듀플렉스 스테인리스강의 성분계를 제어하여 해수 분위기에서도 우수한 내식성을 확보할 수 있으며, 미세조직의 제어를 통하여 강도, 연신율 등의 기계적 물성을 확보하고, 조직의 이방성을 개선할 수 있는 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.05% 이하(0 제외), Cr: 24.5 내지 32.5%, Mo: 2.0 내지 4.0%, W: 2.5 내지 4.5%, Ni: 6.0 내지 10.0%, Cu: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 2.0% 이하(0 제외), N: 0.25 내지 0.45%, Si: 1.0% 이하(0 제외), Nb: 0.2% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 미세조직 중 어스펙트비(aspect ratio)가 1.0 내지 3.0인 오스테나이트 상을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, C: 0.03% 이하(0 제외), Cr: 26.0 내지 28.0%, Mo: 2.3 내지 2.8%, W: 3.0 내지 3.5%, Ni: 6.5 내지 7.5%, Cu: 1.2% 이하(0 제외), Mn: 0.9 내지 1.1%, N: 0.30 내지 0.45%, Si: 0.15 내지 0.7%로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세조직은 부피 분율로, 40 내지 65%의 페라이트 상 및 45 내지 55%의 오스테나이트 상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 듀플렉스 스테인리스강은 내공식 당량지수(PREN) 값이 45.0 이상 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 듀플렉스 스테인리스강은 항복강도(YS)가 800MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 1GPa 이상 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 듀플렉스 스테인리스강은 연신율이 20% 초과 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 듀플렉스 스테인리스강은 하기 식 (1)을 만족할 수 있다.
EIRD - EITD ≤ 3.0 ------ 식 (1)
여기서, EIRD는 압연 방향 연신율을 의미하며, EITD는 압연 수직방향 연신율을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 듀플렉스 스테인리스강은 1.0 내지 1.5mm 두께의 냉연 박판일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법은, 중량%로, C: 0.05% 이하(0 제외), Cr: 24.5 내지 32.5%, Mo: 2.0 내지 4.0%, W: 2.5 내지 4.5%, Ni: 6.0 내지 10.0%, Cu: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 2.0% 이하(0 제외), N: 0.25 내지 0.45%, Si: 1.0% 이하(0 제외), Nb: 0.2% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강으로 듀플렉스 스테인리스 박판을 연속주조하는 단계 및 상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 냉간 압연하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용강을 스트립 캐스팅(strip casting)하여 상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 연속주조할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 듀플렉스 스테인리스 박판은 3.0 내지 5.0mm 두께로 주조될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 수냉하는 단계 및 상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 1,100 내지 1,150℃의 온도에서 30 내지 180초간 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 총압하율 50% 이상으로 냉간 압연할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉간 압연된 냉연 박판은 1.0 내지 1.5mm 두께 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉간 압연된 냉연 박판을 1,100 내지 1,150℃의 온도에서 10 내지 30초간 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉간 압연된 냉연 박판은 미세조직 중 어스펙트비(aspect ratio)가 1.0 내지 3.0인 오스테나이트 상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세조직은 부피 분율로, 40 내지 65%의 페라이트 상 및 45 내지 55%의 오스테나이트 상을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 듀플렉스 스테인리스강의 성분계 중 Cr, Mo, W, N 등의 원소의 함량을 제어하여 해수 분위기에서도 우수한 내식성을 확보할 수 있다.
또한, Nb의 미량 첨가를 통하여 조직의 미세화를 통한 미세 조직 확보 및 강도를 확보할 수 있다.
또한, 제조 공정의 최적화를 통하여 냉연재의 미세조직 중 오스테나이트 상의 어스펙트비를 최소화하여 등축정 형태로 확보하고, 미세조직의 이방성의 최소화로 성형성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강 냉연 박판의 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따른 듀플렉스 스테인리스강 냉연 박판의 미세조직을 관찰한 사진이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.05% 이하(0 제외), Cr: 24.5 내지 32.5%, Mo: 2.0 내지 4.0%, W: 2.5 내지 4.5%, Ni: 6.0 내지 10.0%, Cu: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 2.0% 이하(0 제외), N: 0.25 내지 0.45%, Si: 1.0% 이하(0 제외), Nb: 0.2% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 미세조직 중 어스펙트비(aspect ratio)가 1.0 내지 3.0인 오스테나이트 상을 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 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.05% 이하(0 제외), Cr: 24.5 내지 32.5%, Mo: 2.0 내지 4.0%, W: 2.5 내지 4.5%, Ni: 6.0 내지 10.0%, Cu: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 2.0% 이하(0 제외), N: 0.25 내지 0.45%, Si: 1.0% 이하(0 제외), Nb: 0.2% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
C: 0.05% 이하(0 제외)
C는 고용강화에 의한 재료 강도 증가에 유효한 원소이나, 함량이 과다 시 페라이트-오스테나이트상 경계에서 내식성에 유효한 Cr과 같은 탄화물 형성 원소와 쉽게 결합하여 결정립계 주위의 Cr 함량을 낮추어 부식 저항성을 감소시키기 때문에 C의 함량을 0.05% 이하로 제한한다. 내식성을 저해할 수 있는 탄화물 석출의 위험성을 최소화하기 위해서는 C의 함량을 0.03% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
Cr, Mo 및 W은 페라이트상 안정화 원소로 듀플렉스 스테인리스강의 페라이트상 확보에 주된 역할을 할 뿐만 아니라 고 내식성 확보를 위한 필수 기본 원소들이다. 함량을 증가시키면 내식성이 증가하나 상분율 유지을 위하여 오스테나이트상 안정화 원소들의 함량이 증가하고 이에 따라 원가 상승 및 열간가공성 저하라는 단점이 있어, 각 원소에 대하여 다음과 같이 함량 범위를 한정한다.
Cr : 24.5 내지 32.5%
Cr은 듀플렉스 스테인리스강의 내식성 향상 원소 중 가장 많이 함유되어 기본이 되는 원소이면서도 상대적으로 열간가공성 열화에 비교적 적은 영향을 미친다. Mo 및 W 함량을 고려하여 내해수 부식 저항성 확보 및 판재 생산을 위한 석출물 제어 가능한 Cr 함량 범위를 24.5 내지 32.5%로 제한한다. 예를 들어, Cr을 26.0 내지 28.0%로 하는 것이 보다 바람직하다.
Mo : 2.0 내지 4.0%, W: 2.5 내지 4.5%
W과 Mo는 Cr 보다 더욱 강력한 내식성 향상 원소들이다. Mo 보다 2배 무거운 W은 원자비로 계산시 내식성 향상에 Mo의 동일한 효과를 보인다고 알려져 있으나, 단독으로 함유하고 있는 것보다 Mo와 복합적으로 함유하고 있을 때 상승효과를 보여 약 1.34배 효과를 보이므로, 내식성 향상 효과를 극대화 시키기 위해서는 복합 첨가가 필수적이다.
W 첨가에 따라 우선 석출되는 카이(c)상은 시간에 따른 시그마(s)상 석출을 지연시켜 계면 취화 속도를 상대적으로 늦추는 장점이 있기 때문에 최소한 2.5% 이상의 첨가가 요구되며, 시그마상 석출에 주로 관여하는 Mo는 W 첨가 효과를 극대화하기 위하여 최소 2% 이상은 첨가하여야 한다.
그러나, W 및 Mo 함량이 너무 많으면 석출물 제어가 불가능하게 되므로 함량 증가에는 한계가 있다. 따라서, 내틈새부식성 상수 K값의 범위 35 내지 55를 고려하여 Mo을 2.0 내지 4.0%, W을 2.5 내지 4.5%로 제한한다. 예를 들어, Mo을 2.3 내지 2.8%로, W을 3.0 내지 3.5%로 하는 것이 보다 바람직하다.
Ni, Cu, Mn 및 N은 오스테나이트상 안정화 원소로 듀플렉스 스테인리스강의 오스테나이트상 분율 확보에 주된 역할을 하며, 합금 성분에 따라 내식성을 향상시키거나 가공성 및 내식성을 열화시킬 수 있기 때문에, 내해수 부식 저항성 확보를 기본으로 한 Cr, Mo, W 첨가량을 고려하여 페라이트상 부피 분율이 40 내지 65% 되도록 각 원소에 대하여 다음과 같이 함량 범위를 한정한다.
Ni : 6.0 내지 10.0%
Ni는 오스테나이트상 안정화 원소 중 가장 강력한 원소로 듀플렉스 스테인리스강의 상분율 균형을 위한 주된 역할 뿐만 아니라 전면 부식성 향상의 장점이 있다. Ni 함량의 증가는 원료 가격의 상승과 직결되므로 최소화할 필요가 있다. 내틈새부식성 상수 K값의 범위 35 내지 55인 강에서 Cu, Mn 및 N 함량을 고려하여 Ni 함량의 범위 제한을 6.0 내지 10.0%로 한다. 예를 들어, Ni을 6.5 내지 7.5%로 하는 것이 보다 바람직하다.
Cu: 2.0% 이하(0 제외)
Cu는 황산 분위기에서의 내식성을 향상시키는 장점이 있다. 그러나, 염소 분위기에서는 공식저항성을 감소시키고 또한 열간가공성을 저하시키는 단점이 있어 Cu 함량을 2.0% 이하로 제한한다. 예를 들어, Cu를 1.2% 이하(0 제외)로 하는 것이 보다 바람직하다.
Mn: 2.0% 이하(0 제외)
Mn은 용탕의 유동성 향상을 위해 적정량을 사용하는 유용한 원소이나, 듀플렉스 스테인리스강에서는 상분율 확보 차원에서 값비싼 Ni를 대체할 수 있는 오스테나이트상 안정화 원소로도 널리 사용된다. 그러나, Mn 함량의 증가는 MnS 등의 개재물 형성에 관여하여 고내식성이 요구되는 경우 바람직하지 못하므로 내해수 부식 저항성 확보 차원에서 Mn 함량을 2.0% 이하로 제한한다. 예를 들어, Mn을 0.9 내지 1.1%로 하는 것이 보다 바람직하다.
N: 0.25 내지 0.45%
예를 들어, N을 0.30 내지 0.45%로 하는 것이 바람직하다.
N은 염소 분위기에서의 내식성 향상, 뿐만 아니라 듀플렉스 스테인리스강의 장점인 고강도화를 꾀할 수 있는 유용한 원소이다. 그러나 N 함량이 너무 높으면 열간가공성을 감소시켜 실수율을 저하시킨다. 따라서 N 함량은 내해수 부식 저항성 확보를 위한 Cr, Mo 및 W 함량을 고려하여 0.25 내지 0.45%로 제한하는 것이 바람직하다. 예를 들어, N을 0.30 내지 0.45%로 하는 것이 보다 바람직하다.
Si : 1.0% 이하(0 제외)
Si은 듀플렉스 스테인리스 강의 제조 시 탈산재로 활용되는 중요한 원소들로 필수적으로 일정량 함유된다.
페라이트상 안정화 원소로도 작용되는 Si은 과다할 경우 금속간화합물 석출을 조장하여 충격인성과 관련된 기계적 특성을 저하시키므로 1.0% 이하로 제한한다. 예를 들어, Si을 0.15 내지 0.7%로 하는 것이 보다 바람직하다.
Nb : 0.2% 이하(0 제외)
Nb는 C 및 N과 친화력이 강하여 탄화물 및 질화물 형성이 쉬우며, 고온에서 형성되어 강의 열처리 시 결정립의 성장을 억제하여 조직을 미세화시키고 그에 따라 항복강도의 향상을 가져오는 원소이다. 그러나 과다 첨가 시 금속간화합물 석출을 조장시킬 수 있으며, 고가의 원소로 제조 원가 상승을 야기하므로 0.2% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강은, 미세조직 중 어스펙트비(aspect ratio)가 1.0 내지 3.0인 오스테나이트 상을 포함한다.
일반적으로 듀플렉스 스테인리스강은 페라이트 상 및 오스테나이트 상이 공존하는데, 압연 중에 2개의 상이 모두 압연 방향으로 길게 연신된다. 즉, 각 상들의 길이와 두께의 비율인 어스펙트비(aspect ratio)가 커지는데, 이러한 각 상들은 서로 다른 재질을 가져 각 상들의 재질 차이에 따른 조직 이방성이 증가하여 스테인리스강 소재의 성형성에 있어서 불리하다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따르면 성분 제어 및 제조 공정의 최적화를 통하여 조직을 미세화시키고 각 상의 어스펙트비를 작게 제어하여 조직 이방성을 개선할 수 있다. 즉, 길게 연신된 조직을 등축정 형태로 제어하여 조직 이방성을 개선할 수 있다. 또한, 조직 이방성의 개선을 통하여 소재의 연신율 역시 개선할 수 있다.
예를 들어, 상기 미세조직은 부피 분율로, 40 내지 65%의 페라이트 상 및 45 내지 55%의 오스테나이트 상을 포함할 수 있다. 이는 듀플렉스 조직 강의 특성을 유지하기 위하여 필요하다.
본 발명은 페라이트-오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것으로서, 본 발명에서 언급되는 페라이트-오스테나이트계 조직이란 페라이트상과 오스테나이트상이 대부분의 조직을 차지하는 것을 의미하고, 스테인리스강이 페라이트상과 오스테나이트상으로만 형성되는 것을 의미하지 않는다. 예를 들어, 페라이트상과 오스테나이트상이 대부분의 조직을 차지한다는 것은 스테인리스강을 형성하는 조직 중 페라이트상과 오스테나이트상의 합이 90% 이상을 차지한다는 의미이고, 페라이트상과 오스테나이트상을 제외한 나머지는 오스테나이트상이 변태된 마르텐사이트상이 차지할 수 있다.
예를 들어, 상기 듀플렉스 스테인리스강은 내공식 당량지수(PREN) 값이 45.0 이상일 수 있다.
일반적으로 해수 분위기에서 적용 가능한 듀플렉스 스테인리스강 중 가장 높은 내식성을 보유한 강은 25Cr - 7Ni 성분의 수퍼 듀플렉스 S32750 강이며, 이는 Cr과 Mo, W, N의 함량으로 구성되는 내공식당량지수(PREN) 값이 40의 값을 가진다. 따라서, 해수 분위기에서 장시간 안정적으로 사용할 수 있는 내식성 수준을 확보하기 위해서는 수퍼 듀플렉스 스테인리스강보다 한 단계 높은 PREN 값을 가져야 하며, 이를 위해서 본 발명에서는 Cr, Mo, W 및 N의 함량을 증가시켰으며, 따라서, 내공식 당량지수(PREN) 값이 45.0 이상일 수 있다.
예를 들어, 상기 듀플렉스 스테인리스강은 항복강도(YS)가 800MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 1GPa 이상일 수 있다.
상기 듀플렉스 스테인리스강은 Nb를 미량 포함하여 강의 열처리 시 결정립의 성장을 억제하여 조직을 미세화시키고 그에 따라 항복강도가 향상된다.
예를 들어, 상기 듀플렉스 스테인리스강은 연신율이 20% 초과일 수 있다. 또한, 상기 듀플렉스 스테인리스강은 하기 식 (1)을 만족할 수 있다.
EIRD - EITD ≤ 3.0 ------ 식 (1)
여기서, EIRD는 압연 방향 연신율을 의미하며, EITD는 압연 수직방향 연신율을 의미한다.
본 발명의 듀플렉스 스테인리스강의 미세조직 중 오스테나이트 상의 어스펙트비(aspect ratio)를 제어함에 따라, 압연 방향에 따른 연신율 값의 차이를 감소시켜 조직 이방성을 개선할 수 있다. 따라서, 조직 이방성을 개선하여 강의 성형성이 향상될 수 있다.
예를 들어, 상기 듀플렉스 스테인리스강은 1.0 내지 1.5mm 두께의 냉연 박판일 수 있다.
Cr, Mo가 다량 첨가된 고내식 듀플렉스 스테인리스강은 미세조직 내에 강의 취성을 유발하는 금속간화합물의 석출이 용이하며, 상기 원소들의 함량이 증가할수록 석출에 필요한 온도가 증가하며 시간이 앞당겨지기 때문에 두꺼운 슬라브로 연속주조 시 냉각속도가 느려 금속간화합물의 석출을 피할 수 없다.
따라서 본 발명에서는 연속주조 두께를 3.0 내지 5.0 mm의 얇은 판재 형태로 주조하여 냉각 시 물을 뿌려줌으로써 빠른 냉각속도를 얻어, 금속간화합물의 석출에 필요한 시간 이전에 소재가 모두 냉각이 되도록 제어하였다. 그러나 통상적인 생산 공정인 연속주조를 통한 슬라브 주조, 열간 압연 등을 거치는 동일 조성의 소재에 대비하여 금속간화합물의 석출이 현저하게 감소하기는 하였으나, Cr, Mo, Nb 등이 포함된 금속간화합물의 석출을 완전히 없애지는 못하였다. 이후, 연속주조 판재의 열처리 공정을 거쳐 연속주조시 형성된 금속간화합물을 재고용 시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 니켈 저감형 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법은, 중량%로, C: 0.05% 이하(0 제외), Cr: 24.5 내지 32.5%, Mo: 2.0 내지 4.0%, W: 2.5 내지 4.5%, Ni: 6.0 내지 10.0%, Cu: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 2.0% 이하(0 제외), N: 0.25 내지 0.45%, Si: 1.0% 이하(0 제외), Nb: 0.2% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강으로 듀플렉스 스테인리스 박판을 연속주조하는 단계 및 상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 냉간 압연하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 듀플렉스 스테인리스 박판은 상기 용강을 스트립 캐스팅(strip casting)하여 연속주조될 수 있다.
예를 들어, 상기 듀플렉스 스테인리스 박판은 3.0 내지 5.0mm 두께로 주조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 수냉하는 단계 및 상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 1,100 내지 1,150℃의 온도에서 30 내지 180초간 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
연속주조된 상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 냉각 중에 물을 뿌려 수냉할 수 있으며, 이에 따라 상기 듀플렉스 스테인리스 박판의 빠른 냉각속도를 얻을 수 있어, 금속간화합물의 석출에 필요한 시간 이전에 소재가 모두 냉각이 되도록 제어할 수 있다.
이후, 상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 열처리함으로써 연속주조시 형성된 금속간화합물을 재고용 시킬 수 있다.
상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 냉간 압연하는데, 이때에, 총압하율 50% 이상으로 냉간 압연할 수 있다.
예를 들어, 상기 냉간 압연된 냉연 박판은 1.0 내지 1.5mm 두께 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 냉간 압연된 냉연 박판을 1,100 내지 1,150℃의 온도에서 10 내지 30초간 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이에 따른 열처리로서 상기 냉연 박판 내의 압연 미세조직을 모두 재결정화 할 수 있다.
예를 들어, 상기 냉간 압연된 냉연 박판은 미세조직 중 어스펙트비(aspect ratio)가 1.0 내지 3.0인 오스테나이트 상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 미세조직은 부피 분율로, 40 내지 65%의 페라이트 상 및 45 내지 55%의 오스테나이트 상을 포함할 수 있다. 이에 관한 설명은 상술한 바와 같다.
이하 실시예들을 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
발명강
하기 표 1의 각 발명강들에 따른 성분계를 포함하는 용강을 스트립 캐스팅을 통하여 연속주조하였으며, 수냉을 통한 냉각을 거쳐 3mm 두께의 박판으로 제조하였다. 연속주조 박판을 1,100℃의 온도에서 60초 간 열처리하였다. 연속주조 박판을 1.0mm 두께로 냉간 압연을 수행하여 냉연 박판을 제조한 후, 1,100℃ 온도에서 10초간 열처리하여 최종 제품을 제조하였다.
비교강
하기 표 1의 각 비교강들에 따른 성분계를 포함하는 용강을 통상 연속주조하여 150mm 두께의 슬라브를 제조하였다. 이후 통상의 열간 압연을 수행하고, 열연판을 1,100℃의 온도에서 60초 간 열처리하였다. 열연판을 1.0mm 두께로 냉간 압연을 수행하여 냉연 박판을 제조한 후, 1,100℃ 온도에서 10초간 열처리하여 최종 제품을 제조하였다.
C Si Mn Cr Ni Cu Mo W N Nb
발명강1 0.04 0.5 1.1 27.5 6.9 1.2 2.5 3.3 0.43 0.16
발명강2 0.03 0.6 1.1 27.5 6.9 1.0 2.5 3.3 0.40 0.15
발명강3 0.04 0.6 1.0 26.9 7.1 1.2 2.8 3.4 0.45 0.20
발명강4 0.03 0.3 1.0 27.8 7.1 0.9 2.3 3.1 0.38 0.11
발명강5 0.032 0.16 1.0 26.1 7.23 1.1 2.48 3.01 0.35 0.19
발명강6 0.031 0.17 0.99 26.2 7.48 1.0 2.69 3.49 0.43 0.2
발명강7 0.027 0.21 1.08 27.6 7.21 1.2 2.77 3.24 0.41 0.14
비교강1 0.02 0.3 1.0 27.2 6.8 0.0 2.1 3.0 0.35 0.00
비교강2 0.02 0.5 1.0 24.5 7.3 0.0 3.8 0.0 0.27 0.00
이후, 각 강재에서 압연 방향과 평행한 방향 및 수직인 방향에 대하여 JIS 13B 규격의 인장 시험편을 가공하여 ASTM E8 방법에 따라 상온에서 인장시험을 수행하였으며, 각 강재의 항복강도, 인장강도 및 연신율, 시편 채취 방향에 따른 연신율의 차이를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
오스테나이트 상 어스펙트비 PREN 항복강도 (MPa) 인장강도 (MPa) 연신율 (%) 방향별 연신율 차이 (%)
발명강1 1.4 47.9 890 1075 28 0.5
발명강2 1.1 47.6 889 1071 27 1.0
발명강3 3.0 48.8 907 1054 27 1.2
발명강4 1.8 46.7 882 1042 26 0.7
발명강5 1.9 45.0 854 1013 26 0.7
발명강6 1.6 47.7 912 1032 27 0.9
발명강7 2.3 48.6 896 1035 27 1.1
비교강1 8.8 44.6 674 876 17 4.2
비교강2 5.8 41.2 720 884 20 3.8
여기서, PREN은 통상적으로 사용되는 Cr+3.3(Mo+0.5W)+16N으로 계산된 값이며, 상기 방향별 연신율 차이는 압연 방향 연신율에서 압연 수직방향 연신율을 뺀 값(EIRD - EITD)을 의미한다.
오스테나이트 상의 어스펙트비의 측정 방법은 미세조직 내 임의의 한 점에서 지름 100㎛의 가상의 원을 가정한 후, 원 안의 영역의 10개의 오스테나이트 상에 대하여 각 오스테나이트 상의 길이 및 두께를 측정한 후 그 비를 구하여 평균한 값을 취하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강 냉연 박판의 미세조직을 관찰한 사진이다. 도 2는 본 발명의 비교예에 따른 듀플렉스 스테인리스강 냉연 박판의 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 1은 상기 발명강 1의 미세조직을 관찰한 사진이며, 도 2는 상기 비교강 1의 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 발명강 1의 미세조직에서는 오스테나이트 상의 길이와 두께의 비가 작은 등축정 형태의 미세조직을 가지는 반면, 상기 비교강 1의 미세조직에서는 오스테나이트 상이 압연 방향으로 길게 연신된 형태를 가지는 것을 확인할 수 있다.
즉, 발명강들의 경우에는 오스테나이트 상의 어스펙트비가 1.0 내지 3.0의 값을 가지는 것으로 측정되었으며, 비교강들의 경우에는 오스테나이트 상의 어스펙트비가 3.5 내지 9.0의 값을 가지는 것으로 측정되어, 비교강들의 경우 발명강에 비하여 큰 어스펙트비를 가지는 것을 알 수 있다.
발명강들의 경우, 듀플렉스 스테인리스강의 성분계 중 Cr, Mo, W, N 등의 원소의 함량을 제어하여 내공식 당량지수(PREN) 값이 45.0 이상을 가져, 비교강들 뿐만 아니라 내공식 당량지수(PREN) 값이 40의 값을 가지는 수퍼 듀플렉스 S32750 강보다 훨씬 높은 내식성을 가짐을 알 수 있다.
발명강들의 경우 Nb의 미량 첨가를 통하여 항복 강도 및 인장 강도를 향상시킬 수 있으며, Nb가 첨가되지 않은 비교강들에 비하여 향상된 강도를 나타냄을 알 수 있다.
연신율에 있어서, 발명강들은 방향별 연신율의 차이가 작아 미세조직의 이방성 최소화로 성형성이 향상됨을 알 수 있으며, 비교강들의 경우 어스펙트비가 커서 이방성에 따른 성형성이 저하됨을 알 수 있다.
즉, 발명강들의 경우 비교강들 대비 항복강도 및 인장강도가 우수하면서 연신율 또한 우수한 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라 발명강들은 인장시험의 방향에 따른 연신율의 차이도 비교강들 대비 적은 것을 알 수 있으며, 이러한 방향에 따른 이방성의 감소로 강의 성형성 향상을 기대할 수 있다.
따라서, 종래부터 듀플렉스 스테인리스강 냉연재에서 고질적으로 지적되어온 조직 이방성에 의한 방향에 따른 연신율의 차이를 개선함으로써 적용 용도의 확대가 가능하며, 고강도 및 고내식성의 확보를 통하여 듀플렉스 스테인리스강을 해양 플랜트 및 산업용 구조재로서 사용할 수 있다.
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 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강은 내구성이 있는 설비 제조 등의 용도로 적용 가능하다.

Claims (17)

  1. 중량%로, C: 0.05% 이하(0 제외), Cr: 24.5 내지 32.5%, Mo: 2.0 내지 4.0%, W: 2.5 내지 4.5%, Ni: 6.0 내지 10.0%, Cu: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 2.0% 이하(0 제외), N: 0.25 내지 0.45%, Si: 1.0% 이하(0 제외), Nb: 0.2% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
    미세조직 중 어스펙트비(aspect ratio)가 1.0 내지 3.0인 오스테나이트 상을 포함하는 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강.
  2. 제1항에 있어서,
    C: 0.03% 이하(0 제외), Cr: 26.0 내지 28.0%, Mo: 2.3 내지 2.8%, W: 3.0 내지 3.5%, Ni: 6.5 내지 7.5%, Cu: 1.2% 이하(0 제외), Mn: 0.9 내지 1.1%, N: 0.30 내지 0.45%, Si: 0.15 내지 0.7%로 포함하는 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미세조직은 부피 분율로, 40 내지 65%의 페라이트 상 및 45 내지 55%의 오스테나이트 상을 포함하는 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 듀플렉스 스테인리스강은 내공식 당량지수(PREN) 값이 45.0 이상인 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 듀플렉스 스테인리스강은 항복강도(YS)가 800MPa 이상이며, 인장강도(TS)가 1GPa 이상인 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 듀플렉스 스테인리스강은 연신율이 20% 초과인 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 듀플렉스 스테인리스강은 하기 식 (1)을 만족하는 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강.
    EIRD - EITD ≤ 3.0 ------ 식 (1)
    여기서, EIRD는 압연 방향 연신율을 의미하며, EITD는 압연 수직방향 연신율을 의미한다.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 듀플렉스 스테인리스강은 1.0 내지 1.5mm 두께의 냉연 박판인 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강.
  9. 중량%로, C: 0.05% 이하(0 제외), Cr: 24.5 내지 32.5%, Mo: 2.0 내지 4.0%, W: 2.5 내지 4.5%, Ni: 6.0 내지 10.0%, Cu: 2.0% 이하(0 제외), Mn: 2.0% 이하(0 제외), N: 0.25 내지 0.45%, Si: 1.0% 이하(0 제외), Nb: 0.2% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강으로 듀플렉스 스테인리스 박판을 연속주조하는 단계; 및
    상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 냉간 압연하는 단계를 포함하는 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 용강을 스트립 캐스팅(strip casting)하여 상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 연속주조하는 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 듀플렉스 스테인리스 박판은 3.0 내지 5.0mm 두께로 주조되는 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 수냉하는 단계; 및
    상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 1,100 내지 1,150℃의 온도에서 30 내지 180초간 열처리하는 단계를 더 포함하는 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 듀플렉스 스테인리스 박판을 총압하율 50% 이상으로 냉간 압연하는 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 냉간 압연된 냉연 박판은 1.0 내지 1.5mm 두께인 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 냉간 압연된 냉연 박판을 1,100 내지 1,150℃의 온도에서 10 내지 30초간 열처리하는 단계를 더 포함하는 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 냉간 압연된 냉연 박판은 미세조직 중 어스펙트비(aspect ratio)가 1.0 내지 3.0인 오스테나이트 상을 포함하는 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 미세조직은 부피 분율로, 40 내지 65%의 페라이트 상 및 45 내지 55%의 오스테나이트 상을 포함하는 내식성 및 성형성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강의 제조 방법.
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