WO2020101101A1 - 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인레스강 및 이의 제조방법 - Google Patents

나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인레스강 및 이의 제조방법 Download PDF

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신지호
공병서
김호섭
이현배
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    • C21D2211/004—Dispersions; Precipitations

Definitions

  • a niobium-containing austenitic stainless steel and a method for manufacturing the same are provided.
  • the fine precipitated phase present in the austenitic stainless steel matrix stabilizes the microstructure and can play a very important role, such as suppressing grain growth and recrystallization.
  • a process of generating a precipitation phase in the base includes a cooling and stabilizing heat treatment process performed after solution treatment through high temperature heat treatment, a diffusion reaction process using an entrainment and carburization technique, and a mechanical alloying process.
  • the element forming the precipitation phase may play an important role. This is because the nucleation free energy, interfacial energy, and the activation energy barrier affected by mismatching affect the refinement of the precipitation phase.
  • Elements having excellent fine precipitation phase forming ability are known, for example, vanadium ( ⁇ 0, niobium (]), titanium (), tantalum chromium) and hafnium (), among these elements containing niobium
  • the steel grade can be defined as a niobium-containing austenitic stainless steel.
  • a typical niobium-containing austenitic stainless steels are slab four ⁇ nitro) to produce the hot-rolled sheet by hot rolling eoah 1 0 1 1 8), and then employed Chemistry 2020/101101 1 »(: 1 ⁇ 1 ⁇ 2018/014845
  • the solid solution heat treatment is performed for the purpose of securing mechanical properties from softening of the hot-rolled structure by recrystallization, and restoring the corrosion resistance by re-using the precipitated chromium carbide ( 23 (: 6 )), about 920 1150 I: It can be carried out at high temperature.
  • the stabilization heat treatment can be performed for a relatively long time (approximately 1 to 2 hours per 25ä of the plate thickness) at about 850 930 X: to stabilize the carbon through the precipitation of niobium carbide ( ⁇ by the stabilizing element niobium). have.
  • the size of the niobium carbide precipitation phase contained in such a general niobium-containing austenitic stainless steel may be relatively coarse and non-uniform, and the niobium carbide precipitation phase may be non-uniformly distributed inside the grain.
  • the niobium-containing austenitic stainless steel according to the embodiment and a method for manufacturing the same are for uniformly distributing nano-sized fine niobium carbide in the matrix in the austenitic stainless steel.
  • the niobium-containing austenitic stainless steel according to the embodiment and a method of manufacturing the same are for improving mechanical properties such as the strength of the austenitic stainless steel.
  • the niobium-containing austenitic stainless steel according to the embodiment and a method for manufacturing the same are for improving irradiation resistance to neutrons of the austenitic stainless steel.
  • the niobium-containing austenitic stainless steel according to the embodiment and a method of manufacturing the same are for improving the weldability of the austenitic stainless steel.
  • the niobium-containing austenitic stainless steel according to the embodiment and a method for manufacturing the same are for reducing the manufacturing cost of austenitic stainless steel.
  • the niobium-containing austenitic stainless steel according to the embodiment and a method of manufacturing the same are for improving the productivity of the austenitic stainless steel.
  • Niobium-containing austenitic stainless steel silver chromium () 16-26% by weight, nickel () 8-22% by weight, carbon (0.02-0.1% by weight, niobium ( ⁇ ) 0.2 according to an embodiment of the present invention Contains 1% by weight, titanium () 0.015 0.025% by weight, nitrogen (0.004-0.01% by weight, and manganese () 0.5 by 2% by weight.
  • the niobium-containing austenitic stainless steel has an austenite-based matrix structure, fine niobium carbide and fine titanium nitride are precipitated in the austenite-based matrix structure, and the fine niobium carbide is uniform in the austenite-based matrix structure. Distributed.
  • the average size of the fine niobium carbide may be 1111111 or less.
  • Titanium may contain 0.018 ⁇ 0.022% by weight, nitrogen may contain 0.005-0.008% by weight.
  • the number density of fine niobium carbide may be 10 14 10 15 # /.
  • the density of fine niobium carbide may be 5 X 10 21 to 5 X 10 22 # / 01 3 .
  • Silicon () 0.5% by weight or less, phosphorus) 0.02% by weight or less, and sulfur) 0.01% by weight or less may be further included.
  • the method for producing austenitic stainless steel containing niobium is chromium () 16 26 wt%, nickel (out) 8 to 22 wt%, carbon (0 0.02-0.1 wt%, niobium) () 0.2 1% by weight, titanium () 0.015 to 0.025% by weight, nitrogen language) 0.004 to 0.01% by weight, and manganese () 0.5 2% by weight of dissolved steel, and then cast molten steel Melting and casting step of forming a cast steel material having a night-based matrix structure, evaluating the high temperature deformation behavior of the cast steel to derive a recrystallization stop temperature, homogenizing heat treatment of the cast steel material, and passing 1 pass at a temperature higher than the recrystallization stop temperature After performing the above hot rolling, at a temperature lower than the recrystallization stop temperature 2020/101101 1 »(: 1 ⁇ 1 ⁇ 2018/014845
  • fine niobium carbide is uniformly dispersed in the austenite-based matrix structure.
  • hot rolling of 5 to 8 passes can be performed.
  • hot rolling of 3 5 passes at a temperature higher than the recrystallization stop temperature hot rolling of 2 to 3 passes can be performed at a temperature lower than the recrystallization stop temperature.
  • the execution temperature of each pass may be lowered by 20 30 X.
  • fine titanium nitride (which can be precipitated) in the austenitic matrix structure.
  • the step of deriving the recrystallization stop temperature it is possible to evaluate the high temperature deformation behavior of the cast steel through thermal torsion test or dynamic property test.
  • the niobium-containing austenitic stainless steel according to the embodiment and its manufacturing method can uniformly distribute the nano-sized fine niobium carbide in the austenitic stainless steel in the base, and mechanical properties such as strength of the austenitic stainless steel. It can be improved, the irradiation resistance to neutrons can be improved, the weldability can be improved, the manufacturing cost of austenitic stainless steel can be reduced, and productivity can be improved.
  • FIG. 1 is a flow chart showing a method of manufacturing a niobium-containing austenitic stainless steel according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a view schematically showing the manufacturing process and conditions of the niobium-containing austenitic stainless steel according to the embodiment.
  • 4A to 4C are microscopic photographs of transmission electron microscope microstructures of austenitic stainless steels containing fine niobium carbide according to Example 8.
  • FIG. 5A is a transmission electron microscope microstructure photograph of Type 347 stainless steel containing niobium carbide according to Comparative Example 1
  • FIG. 5B is a microstructure photograph of stainless steel containing niobium carbide according to Comparative Example 2.
  • FIG. 6 is a graph showing the results by measuring the average size and density of precipitates according to heat treatment conditions of austenitic stainless steels containing fine niobium carbides according to Examples 1 to 9.
  • the thickness is enlarged to clearly represent the various layers and regions.
  • a portion of a layer, film, region, plate, etc. is said to be “above” another portion, this is not only when the other portion is “just above” also including, if another portion in the middle.
  • a part such as a layer, film, region, plate, or the like is said to be “below” another part, this includes the case where another part is "just below” as well as another part in the middle.
  • a part is said to be ⁇ 1 '' directly below another part, it means that there is no other part in the middle.
  • Niobium-containing austenitic stainless steels are about 16 to 26% by weight of chromium (Cr), about 8 to 22% by weight of nickel (Ni), and about 0.02 of carbon (C).
  • Cr chromium
  • Ni nickel
  • C carbon
  • the niobium-containing austenitic stainless steel contains 16 to 26% by weight of chromium (Cr).
  • Chromium is a ferrite stabilizing element and is an essential element in stainless steel materials used in high temperature / high pressure environments where oxidation resistance, corrosion resistance, and creep strength are required at the same time.
  • chromium content in the austenitic stainless steel containing niobium is less than about 16% by weight, oxidation resistance and corrosion resistance of the stainless steel may be reduced, and when it is contained in excess of about 26% by weight, delta ferrite (del ta
  • delta ferrite del ta
  • the strength and toughness of stainless steel may be deteriorated by forming a ferr i te) structure and forming an abnormal structure together with an austenitic structure.
  • Niobium-containing austenitic stainless steel contains 8 to 22% by weight of nickel (Ni).
  • Nickel can improve corrosion resistance in a non-oxidizing atmosphere of austenitic stainless steel.
  • the content of nickel can be determined through thermodynamic calculation according to the chromium, iron, and nickel contents, for example, nickel is controlled in the range of about 8 to 22% by weight. Can be.
  • the niobium-containing austenitic stainless steel contains about 0.02 to 0.1% by weight of carbon (C).
  • Carbon is an austenite stabilizing element, and is supersaturated in stainless steel, and contains elements such as chromium, niobium, and titanium during cooling or heat treatment. 2020/101101 1 »(: 1 ⁇ 1 ⁇ 2018/014845
  • the strength of the stainless steel can be improved by being combined to form a precipitated phase.
  • carbon can improve properties such as room temperature strength and high temperature strength, weldability, and moldability of stainless steel.
  • the content of carbon in the austenitic stainless steel is less than about 0.02% by weight, the mechanical strength properties of the stainless steel at room temperature may deteriorate, and when the carbon content exceeds about 0.1%, weldability and formability of stainless steel It may deteriorate, and the toughness of stainless steel may deteriorate.
  • Niobium-containing austenitic stainless steel contains about 0.2 to 1% by weight of niobium.
  • the niobium element can be combined with the aforementioned carbon to form a nano (fe 110) -sized fine niobium carbide ( ⁇ ), and the fine niobium carbide may be uniformly dispersed in the austenite matrix structure.
  • the fine niobium carbide uniformly dispersed in the austenite-based matrix structure can significantly improve mechanical properties such as the strength of stainless steel, improve neutron irradiation resistance, and improve weldability.
  • the amount of niobium contained in the austenitic stainless steel is less than about 0.2% by weight, the amount of precipitated niobium carbide is small, so the degree of improvement in mechanical properties or irradiation resistance of the stainless steel may be negligible, and the niobium is about 1 wt.
  • the content exceeds%, a niobium carbide having a coarse particle size is formed, and the strength and toughness of stainless steel may be deteriorated.
  • the average size of the fine niobium carbide may be about 11 ⁇ or less.
  • the water density of the fine niobium carbide may be about 10 14 10 15 # / wave 2
  • the fine niobium carbide The density can be about 5 X 10 21 to 5 X 10 22 # / 111 3 . Within this range, the mechanical properties, neutron irradiation resistance, and weldability of stainless steel can be further improved.
  • Niobium-containing austenitic stainless steel contains about 0.015 to 0.025% by weight of titanium (), and about 0.004 to 0.01% by weight of nitrogen.
  • Titanium tends to combine with nitrogen to produce nitrides 2020/101101 1 »(: 1 ⁇ 1 ⁇ 2018/014845
  • titanium can be combined with nitrogen dissolved in the matrix to form nano (1 110) -sized fine titanium nitride (fine titanium nitride may be dispersed in the austenite matrix structure).
  • titanium may be combined with nitrogen and carbon to form titanium carbon-nitride.
  • the fine titanium nitride may serve to stabilize the base in the initial casting step and homogenization step of the alloy, which will be described in the related section of the manufacturing method, thereby creating an environment in which the fine niobium carbide can form a more homogeneous microstructure. Can be.
  • stainless steel contains about 0.018 to 0.022% by weight of titanium, nitrogen may contain about 0.005 to 0.008% by weight, and within this range, the matrix can be more stable, more homogeneous and uniform A poorly distributed niobium carbide can be precipitated.
  • Niobium-containing austenitic stainless steel contains about 0.5 to 2% by weight of manganese).
  • Manganese can stabilize the austenitic matrix structure, and has solid solution strengthening performance.
  • the strength of stainless steel may be lowered, and when it exceeds about 2% by weight, weldability of stainless steel may be deteriorated.
  • Niobium-containing austenitic stainless steel contains less than about 0.5% by weight of silicone ().
  • Silicon can perform a deoxidation function and increase the precipitation amount of carbide. However, since silicon can coagulate precipitates to coarsen them, the silicon content of stainless steel may be less than about 0.5% by weight to refine the precipitates.
  • the niobium-containing austenitic stainless steel contains about 0.2% by weight or less of phosphorus (and about 0.01% by weight or less of sulfur ( ⁇ ).
  • Phosphorus and sulfur are inevitable impurities present in stainless steel, and if the content is high, they tend to segregate at the grain boundaries, and this may cause grain boundary embrittlement and deteriorate properties such as toughness, so the content of phosphorus and sulfur is about 0.02% by weight and about It may be limited to 0.01% by weight or less.
  • FIG. 1 is a flowchart showing a method of manufacturing a niobium-containing austenitic stainless steel according to an embodiment
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a manufacturing process and conditions of a niobium-containing austenitic stainless steel according to an embodiment.
  • the manufacturing method of austenitic stainless steel containing niobium is a melting and casting step, a step of deriving a recrystallization stop temperature, a homogenization heat treatment step, a multi-stage pass 0111111; l k) hot rolling step, and And depositing fine niobium carbide.
  • the melting process may be a known process, for example, a vacuum induction melting (vacuum induct ion mel ting) process may be applied.
  • the casting process can also be a known process can be applied, for example, can be cast in the form of an ingot (ingot).
  • an austenite-based matrix structure may be formed, and in this step, fine titanium nitride (TiN) may be deposited in the austenite-based matrix structure.
  • TiN titanium nitride
  • the fine titanium nitride can stabilize the matrix in the casting step and in the homogenization step described below, whereby an environment in which the fine niobium carbide can form a more homogeneous microstructure can be created.
  • a step of deriving a recrystallization stop temperature non-recrystal 1 i zat ion temperature, T nr .
  • the high temperature deformation behavior of cast steel can be evaluated through a hot torsion test or dynamic property test.
  • a Gleeble dynamic physical property tester can be used, and the recrystallization stop temperature can be derived through the Gleeble compression test.
  • the Gleeble Compression Test Method is published in a paper (e.g., CN Homsher, “Determinat ion of the Non-Recrystal 1 i zat ion Temperature (TNR) in Mul t iple Mi croal loyed Steels,” Colorado School of Mines, 2012.) It is disclosed in.
  • the dendritic and unintended carbon-nitride of the cast steel can be dissolved, and the subsequent multi-stage pass hot rolling process can be effectively performed, whereby the fine precipitation phase in the fine niobium carbide precipitation process is within the base. It can be distributed finely and homogeneously.
  • the cast steel can be subjected to a homogenization heat treatment for about 30 minutes and 2 hours in a temperature range of about 1100 to 1200 ° C. 2020/101101 1 »(: 1 ⁇ 1 ⁇ 2018/014845
  • the heat treatment time may be shortened correspondingly.
  • the homogenized heat-treated cast steel material can be cooled in air, and a multi-stage pass hot rolling step can be performed at the designed hot rolling start temperature.
  • the hot rolling step is based on the above described reduced recrystallization stop temperature, at a temperature higher than the recrystallization stop temperature. After performing the above hot rolling, it is a step of performing hot rolling of one pass or more at a temperature lower than the recrystallization stop temperature.
  • the multi-stage pass hot rolling may mean that the hot rolling is divided into a plurality of sections and performed stepwise, each section Can be defined.
  • hot rolling of 5 to 8 passes may be performed as a whole. Specifically, after performing hot rolling of 3 to 5 passes at a temperature higher than the recrystallization stop temperature, hot rolling of 2 to 3 passes may be performed at a temperature lower than the recrystallization stop temperature.
  • the hot rolling process proceeds at a temperature higher than the recrystallization stop temperature.
  • hot rolling is performed at a temperature higher than the recrystallization stop temperature, and hot rolling is performed at a temperature lower than the recrystallization stop temperature.
  • the temperature of each pass can vary from about 20 to 30 ° (:).
  • the hot rolling of each pass may be sequentially performed, and the temperature of each pass may be lowered by 20-30 I :.
  • first pass hot rolling is performed at a hot rolling start temperature that is relatively highest and higher than 5 recrystallization stop temperature, and at a temperature of about 20 30 lower than the first pass hot rolling temperature
  • Low 12-pass hot rolling is performed, than the second pass hot rolling temperature
  • the third pass hot rolling is performed at a low temperature
  • the fourth pass hot rolling is performed at a temperature lower than the third pass hot rolling temperature by about 20 30 ° (: is lower than the recrystallization stop temperature, and the fourth pass hot rolling is performed.
  • the fifth pass hot rolling can be performed at a low hot rolling end temperature of about 20 to 30 I.
  • FIG. 2 shows a multi-pass hot rolling step in which four-pass hot rolling is performed at a temperature higher than the recrystallization stop temperature, and two-pass hot rolling is performed at a temperature lower than the recrystallization stop temperature.
  • This stepwise multi-stage pass hot rolling allows the dislocation in the matrix to be properly distributed, and correspondingly, the fine niobium carbide can be more finely and uniformly dispersed.
  • Reduction ratio of the cast steel in accordance with the multi-pass hot-rolling step in carrying out can be designed according to the 'required, whereby the thickness can be adjusted to.
  • This step stabilizes the steel that has undergone the multi-stage pass hot rolling at about 700 to 800 X: for about 1 to 4 hours. 1: 31: 1116110 and then air-cooled (3 «) 01 ⁇ ).
  • nano-sized fine niobium carbide is lined up, and fine niobium carbide is uniformly distributed in the matrix.
  • the stabilization heat treatment temperature is less than about 7001 :, the amount of precipitated niobium carbide may be too small.
  • the stabilization heat treatment is relatively high, about 900
  • coarsening and heterogeneous distribution of precipitates may occur, but according to the stainless steel manufacturing method according to the embodiments, stabilization heat treatment is performed at about 700 800 ° (: which is the proper temperature at which niobium carbide is formed.
  • Nano-sized fine niobium carbide can be homogeneously / uniformly deposited and distributed in the austenitic matrix structure.
  • the amount of precipitation of niobium carbide may be too small, and when it exceeds about 4 hours, niobium carbide may be coarsened and formed in the niobium-deficient region.
  • Carbide can reduce the corrosion resistance of stainless steel. At this time, it may contain elements such as silver chromium or iron.
  • austenite containing fine niobium carbide is cooled by cooling the steel material by air-cooling rather than water-cooling or rapid-cooling so that a fine niobium carbide nucleus can be formed at the base by utilizing the difference in solubility of elements in the base with temperature.
  • Series stainless steel can be manufactured.
  • the molten steel having the compositional components listed in Table 1 below is melted / cast using a vacuum induction melting furnace to form a casting ingot ().
  • Table 1 below shows the chemical composition values measured by the ratio analysis method, and the unit of each value is% by weight.
  • the high temperature compression test ( ⁇ 16 16 dynamic property tester To use.
  • the specimen shape is a cylindrical shape having a diameter of 12 _, which is a standard commonly used in high temperature compression tests. Compression test from 963 X:
  • the recrystallization stop temperature derived from the test is 1013 X :.
  • the casting ingot obtained in step 1) is subjected to homogenization heat treatment at 1200 I: for 1 hour.
  • step 2 Based on the recrystallization stop temperature obtained in step 2), 1013 ° Rolling was carried out, and the resulting rolling reduction was 70%.
  • the hot rolling start temperature is 11201: about 27 to the recrystallization stop temperature.
  • Four-pass rolling is performed at a temperature interval, and under the recrystallization stop temperature, two-pass rolling is also performed at a temperature interval of about 27X.
  • the steel material subjected to step 4) is subjected to heat treatment for forming fine niobium carbide at 700 X for 1 hour, and air cooling is performed to prepare austenitic stainless steel containing fine niobium carbide.
  • step 5 of Example 1 The heat treatment of step 5) of Example 1 was carried out for 2 hours at 700 X: (Example 2), performed for 4 hours at 700 ° (Example 3), and carried out for 1 hour at 750 ° (: Example 4) ), 2 hours at 750 I: (Example 5), 4 hours at 750 I: (Example 6), 1 hour at 800 ° C (Example 7), 2 hours at 800 °
  • An austenitic stainless steel containing fine niobium carbide was manufactured through the same manufacturing process except that it was carried out for a period of time (Example 8) and 800 ⁇ for 4 hours (Example 9).
  • the stabilized heat treatment was performed by 900 companies for 2 hours to contain the niobium carbide in the base. Prepare 347 stainless steel.
  • ⁇ 347 stainless steel is a type of stainless steel having a niobium content similar to that of Example 1 in the commercialized stainless steel 300 series. Quantitatively analyzed chemical composition values are shown in Table 3 below.
  • a mixed steel material having the same composition as in Example 1 was used (see Table 1), and different from Example 1, 1100 In the hot rolling, after the solution heat treatment at 1050 I: after stabilizing heat treatment for 2 hours at 900 I: to form a niobium carbide in the base to prepare a stainless steel containing niobium carbide.
  • FIGS. 43 to 4 A transmission electron microscope microstructure photograph of an austenitic stainless steel containing fine niobium carbide according to Example 8 is shown in FIGS. 43 to 4 (:, Type 347 including niobium carbide according to Comparative Example 1)
  • a microstructure photograph of a transmission electron microscope of stainless steel is shown in Fig. 5A
  • a microstructure photograph of stainless steel containing niobium carbide according to Comparative Example 2 is shown in Fig. 5B.
  • the results are shown in Figure 6 It was shown in.
  • niobium carbide is relatively very heterogeneous or non-uniformly distributed in the base tissue, local coarsening occurred, and the density of the niobium carbide precipitates is relatively As can be seen very low.
  • the water density, density, and average size of the stainless steel according to Comparative Example 1 are 2.29 x 10 13 # / m 2 , 1.10 x 10 20 # / m 3 , and 19.3 nm, respectively.
  • the water density, density, and average size of the stainless steel according to Comparative Example 2 are 8.99 x 10 12 # / m 2 and 2.69 x 10 19 # / m 3 , 66.2 ⁇ , respectively.
  • the average diameter of the nano-sized niobium carbide precipitates according to the examples is 3.1 nra to 10.5 nm, which is very small compared to the comparative examples, and the density is 0.59 x 10 22 # / m In the range of 3 to 1.13 x 10 22 # / m 3 , it can be seen that it is very high compared to the comparative examples.
  • the average diameter of the nano-sized niobium carbide precipitates according to the examples was reduced by about 46-84% compared to Comparative Example 1, and the density increased by about 53 to 103 times.
  • Comparative Example 1 since the titanium nitride is not included in the stainless steel because it does not contain the titanium element, the matrix formation process is not stable, and the hot rolling process is performed at a temperature higher than the recrystallization temperature, and is relatively high at 900 ° C. Since the stabilization heat treatment was performed at the temperature of, the size of the niobium carbide was coarse and it can be seen that it was not uniformly distributed. In addition, in Comparative Example 2, a hot rolling process was performed at a temperature higher than the recrystallization temperature, and the stabilization heat treatment was performed at a relatively high temperature of 900 ° C. 2020/101101 1 »(: 1 ⁇ 1 ⁇ 2018/014845
  • the size of the niobium carbide is coarse and not uniformly distributed.
  • the austenitic stainless steel after deriving the recrystallization stop temperature, it undergoes a multi-stage pass hot rolling process in which hot rolling is performed not only at a temperature higher than the recrystallization stop temperature, but also at a temperature lower than the recrystallization stop temperature.
  • the temperature at which niobium carbide is formed 700 800
  • the nano-sized fine niobium carbide in the austenite-based matrix can be homogeneously / uniformly precipitated and distributed. For this reason, the mechanical behavior of stainless steel can be remarkably excellent, and when it has a high specific gravity to strength ratio, irradiation resistance to neutrons can be greatly improved and weldability can be improved.
  • the conventional solid solution heat treatment process is omitted, and by applying a continuous multi-stage pass hot rolling process, manufacturing costs such as heat treatment costs can be greatly reduced, and productivity is improved. Can be.
  • the method for manufacturing austenitic stainless steel containing fine niobium carbide can be applied to vanadium, titanium, tantalum and hafnium carbide and various nitrides in addition to niobium carbide, if a precipitation phase is formed under a known melting temperature. have.

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강 은 크롬 (Cr ) 16 ~ 26중량 %, 니켈 (Ni ) 8 ~ 22중량 탄소 (C) 0.02 ~ 0. 1중량 %, 나이오븀 (Nb) 0.2 ~ 1중량 %, 티타늄 (Ti ) 0.015 ~ 0.025 중량 %, 질소 (N) 0.004 ~ 0.01 중량 %, 그리고 망간 (Mn) 0.5 - 2 중량 %을 포함하고, 오스테나이트계 기지 조직을 가지며, 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오븀 탄화물 및 미세 티타늄 질화물이 석출되어 있으며, 미세 나이오븀 탄화물이 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있다.

Description

2020/101101 1»（：1^1{2018/014845
【명세세
【발명의 명칭】
나이오븀 함유오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법 【기술분야】
나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법이 제공된다.
【배경기술】
일반적으로 오스테나이트계 스테인리스강 기지 내에 존재하는 미세한 석출상은 미세 조직을 안정화시키고， 결정립 성장 및 재결정 억제 등 매우 중요한 역할을할수 있다.
이때， 일반적으로 기지 내에 석출상을 생성시키는 공정은, 고온 열처리를통한용체화처리 후에 수행되는 냉각과 안정화 열처리 공정， 침질 및 침탄 기법을 활용한 확산 반응 공정， 그리고 기계적 합금화 공정 등이 있다.
그러나， 이러한 일반적인 공정들을 오스테나이트계 스테인리스강에 활용하여 미세한 석출상을 형성시키려고 하는 경우， 지나치게 오랜 시간이 필요할 수 있고， 값 비싼 처리 방법을 사용해야 하기 때문에 많은 제조 비용이 소요될 수 있다. 특히, 현재 활용되고 있는공정들은 기지 내에 높은 밀도를 가지면서 균일하게 분포된 수 나노（매110） 크기의 석출상을 형성하는데 있어 한계가 있다.
따라서, 오스테나이트계 스테인리스강 기지 내에 나노크기의 미세한 석출상을 형성시키기 위해서는， 적용되는 공정뿐만 아니라， 석출상을 형성하는 원소 또한 중요한 역할을 할 수 있다. 핵 생성 자유에너지， 계면 에너지 그리고 부정합에 영향을 받는 활성화 에너지 장벽 등이 석출상의 미세화에 영향을 미치기 때문이다. 미세한 석출상 형성능이 우수한 원소는， 예를들어， 바나듐（\0， 나이오븀（］作0， 티타늄（ ）, 탄탈륨 크） 및 하프늄（ ） 등이 알려져 있으며, 이러한 원소들 중 나이오붐이 함유된 강종이 나이오붐 함유오스테나이트계 스테인리스강으로 정의될 수 있다.
일반적인 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강은 슬라브네油）를 열간 압연어아 1 01 1 8）하여 열연판을 제조한 다음, 고용화 2020/101101 1»（：1^1{2018/014845
열처리 및 안정화 열처리를 순차적으로 진행함으로써 제조될 수 있다. 여기서, 고용화 열처리는 재결정에 의한 열간 압연 조직의 연화로부터 기계적 성질을 확보하고, 석출된 크롬 탄화물 （ 23（：6）의 재고용에 의한 내식성을회복시킬 목적으로수행되고, 약 920 1150 I：의 고온에서 수행될 수 있다. 그리고 안정화 열처리는 안정화 원소인 나이오붐에 의한 나이오븀 탄화물 （仰 의 석출을통해 탄소를 안정화시키기 위해 약 850 930 X：에서 상대적으로 긴 시간 （판두께 25ä당 약 1 ~ 2시간） 동안수행될 수 있다. 그러나， 이러한 일반적인 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강에 함유된 나이오븀 탄화물 석출상의 크기가 상대적으로 조대하고 불균일 할 수 있고， 나이오븀 탄화물 석출상이 결정립 내부에서 불균일하게 분포될 수 있다.
【발명의 상세한설명】
【기술적 과제】
실시예에 따른 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트계 스테인리스강에서 나노 크기의 미세 나이오븀 탄화물을 기지 내에 균일하게 분포시키기 위한 것이다.
실시예에 따른 나이오붐 함유 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트계 스테인리스강의 강도 등 기계적 특성을 향상시키기 위한 것이다.
실시예에 따른 나이오붐 함유 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트계 스테인리스강의 중성자에 대한 조사 저항성을 향상시키기 위한 것이다.
실시예에 따른 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트계 스테인리스강의 용접성을 향상시키기 위한 것이다.
실시예에 따른 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 비용을 감소시키기 위한 것이다.
실시예에 따른 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트계 스테인리스강의 생산성을 향상시키기 위한 2020/101101 1»（：1^1{2018/014845
것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가사용될 수 있다.
【기술적 해결방법】
본 발명의 실시예에 따른 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강 은 크롬（ ） 16 - 26중량%，니켈（ ） 8 ~ 22중량%， 탄소（ 0.02 ~ 0. 1중량%, 나이오븀（炯） 0.2 1중량%， 티타늄（ ） 0.015 0.025중량%， 질소（ 0.004 - 0.01 중량% , 그리고 망간（ ） 0.5 2 중량%을 포함한다. 여기서， 나이오붐 함유 오스테나이트계 스테인리스강은 오스테나이트계 기지 조직을 가지며， 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오븀 탄화물 및 미세 티타늄 질화물이 석출되어 있으며， 미세 나이오븀 탄화물이 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있다.
미세 나이오붐 탄화물의 평균 크기는 1111111 이하일 수 있다.
티타늄이 0.018 ~ 0.022중량%포함되어 있을 수 있고， 질소가 0.005 - 0.008 중량%포함되어 있을 수 있다.
오스테나이트계 기지 조직 내에서， 미세 나이오븀 탄화물의 수밀도가 1014 1015 #/ 일 수 있다.
오스테나이트계 기지 조직 내에서， 미세 나이오븀 탄화물의 밀도가 5 X 1021 ~ 5 X 1022 #/013 일 수 있다.
실리콘（ ） 0.5중량%이하, 인 ） 0.02중량%이하, 그리고 황比） 0.01 중량% 이하를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나이오붐 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은 크롬（ ） 16 26중량% , 니켈（出） 8 ~ 22중량% , 탄소（0 0.02 - 0. 1중량%， 나아오븀（ ） 0.2 1중량% , 티타늄（ ） 0.015 ~ 0.025중량% , 질소어） 0.004 ~ 0.01중량%， 그리고 망간（ ） 0.5 2중량%를 포함하는 혼합 강재를 용해하고, 용해된 혼합 강재를 주조하여 오스테나이트계 기지 조직을 갖는 주조 강재를 형성하는 용해 및 주조 단계 , 주조 강재의 고온 변형 거동을 평가하여 재결정 정지 온도를 도출하는 단계 , 주조 강재를 균질화 열처리하는 단계， 재결정 정지 온도보다 높은 온도에서 1 패스 이상의 열간 압연을 수행한후, 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서 2020/101101 1»（：1^1{2018/014845
1 패스 이상의 열간 압연을 수행하는 다단 패스 열간 압연 단계， 그리고 열간 압연된 주조 강재를 열처리한 후 공랭시켜 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오붐 탄화물을석출시키는 단계를포함한다.
여기서， 미세 나이오븀 탄화물이 상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있다.
다단 패스 열간 압연 단계에서， 5 ~ 8 패스의 열간 압연을수행할수 있다.
재결정 정지 온도보다 높은 온도에서 3 5 패스의 열간 압연을 수행한후， 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서 2 ~ 3 패스의 열간 압연을 수행할수 있다.
각 패스의 열간 압연이 순차적으로 수행되면서 각 패스의 수행 온도가 20 30 X：씩 낮아질 수 있다.
용해 및 주조 단계에서, 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 티타늄 질화물（ 이 석출될 수 있다.
재결정 정지 온도를 도출하는 단계에서， 열 비틀림 시험 또는 동적 물성 시험을통해 주조강재의 고온 변형 거동을 평가할수 있다.
【발명의 효과】
실시예에 따른 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법은 오스테나이트계 스테인리스강에서 나노 크기의 미세 나이오븀 탄화물을 기지 내에 균일하게 분포시킬 수 있고, 오스테나이트계 스테인리스강의 강도 등 기계적 특성을 향상시킬 수 있으며， 중성자에 대한 조사 저항성을 향상시킬 수 있고， 용접성을 향상시킬 수 있으며, 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 비용을 감소시킬 수 있고， 생산성을 향상시킬 수 있다.
【도면의 간단한설명】
도 1은 실시예에 따른 나이오붐 함유오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법을 나타내는순서도이다.
도 2는실시예에 따른 나이오븀 함유오스테나이트계 스테인리스강의 제조공정 및 조건을 개략적으로나타낸 도면이다.
도 33 및 도 ¾는 실시예 1의 재결정 정지 온도 도출 단계에서의 고압 압축 시험 결과를 나타내는그래프들이다.
도 4a 내지 도 4c는 실시예 8에 따른 미세 나이오븀 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 투과전자현미경 미세조직 사진들이다.
도 5a는 비교예 1에 따른 나이오븀 탄화물을 포함하는 Type 347 스테인리스강의 투과전자현미경 미세조직 사진이고, 도 5b는 비교예 2에 따른 나이오븀 탄화물을포함하는스테인리스강의 미세조직 사진이다.
도 6은 실시예 1 내지 9에 따른 미세 나이오붐 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 열처리 조건 (heat treatment condi t ions)에 따른 석출물의 평균 크기과 밀도를 측정하여 그 결과를 나타내는 그래프이다.
【발명의 실시를 위한 형태】
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며， 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.층，막，영역，판등의 부분이 다른부분 "위에"있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에’’ 있는 경우뿐 아니라그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에1' 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에'’ 있다고 할 때, 이는 다른 부분 ”바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 ’’바로 아래에1’ 있다고 할 때에는 중간에 다른부분이 없는 것을뜻한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 n포함’’한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라다른구성요소를 더 포함할수 있는 것을 의미한다.
실시예들에 따른 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강 (austeni t ic stainless steel )은, 크롬 (Cr) 약 16 ~ 26 중량%, 니켈 (Ni )약 8 ~ 22중량%， 탄소 (C)약 0.02 0.1중량%,나이오븀 (Nb)약 0.2 ~ 1중량%,티타늄 (Ti )약 0.015 0.025중량%,질소 (N)약 0.004 ~ 0.01중량%， 망간 (Mn)약 0.5 2중량%，실리콘 (Si )약 0.5중량%이하，인 )약 0.02중량% 이하,황 (S)약 0.01중량%이하,잔여 철 (Fe)및 불가피한불순물을포함하고， 오스테나이트계 기지 조직을 갖는다.
나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강은 16 26 중량%의 크롬 (Cr)을포함한다.
크롬은 페라이트 (ferr i te) 안정화 원소로 내산화성， 내부식성 및 크립 (creep) 강도가 동시에 우수할 필요성이 있는 고온/고압 환경에서 사용되는스테인리스강 재료에서 필수적으로사용되는 원소이다.
나이오붐 함유 오스테나이트계 스테인리스강에서 크롬 함량이 약 16 중량%미만으로포함되는 경우， 스테인리스강의 내산화성과내식성이 저하될 수 있고, 약 26 중량%를 초과하여 포함되는 경우， 델타 페라이트 (del ta ferr i te) 조직이 형성되어 오스테나이트계 조직과 함께 이상 조직을 형성함으로써 스테인리스강의 강도 및 인성이 저하될 수 있다.
나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강은 8 ~ 22 중량%의 니켈 (Ni )을포함한다.
니켈은 오스테나이트계 스테인리스강의 비산화성 분위기에서의 내식성을 개선시킬 수 있다. 오스테나이트계 스테인리스강이 안정한 단일 결정 구조를 갖도록하기 위해 크롬, 철， 니켈 함량에 따른 열역학적 계산을 통해 니켈의 함량이 결정될 수 있고， 예를 들어, 니켈은 약 8 ~ 22 중량% 범위로 제어될 수 있다.
나이오븀 함유오스테나이트계 스테인리스강은 약 0.02 ~ 0.1중량%의 탄소 (C)를포함한다.
탄소는 오스테나이트 안정화 원소이면서， 스테인리스강 중에 과포화 되어 냉각 과정 또는 열처리 과정에서 크롬， 나이오붐， 티타늄 등의 원소와 2020/101101 1»（：1^1{2018/014845
결합되어 석출상을 생성함으로써 스테인리스강의 강도를 향상시킬 수 있다. 또한 탄소는 스테인리스강의 상온 강도 및 고온 강도， 용접성， 성형성 등의 특성을 향상시킬 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강에서 탄소의 함량이 약 0.02 중량% 미만인 경우 스테인리스강의 상온에서의 기계적 강도 특성이 저하될 수 있고， 탄소의 함량이 약 0. 1%를 초과하는 경우 스테인리스강의 용접성 및 성형성이 나빠질 수 있으며， 스테인리스강의 인성이 저하될 수 있다.
나이오붐 함유 오스테나이트계 스테인리스강은 약 0.2 1 중량%의 나이오븀（此）을포함한다.
나이오븀 원소는 전술한 탄소와 결합하여 나노（페110） 크기의 미세 나이오붐 탄화물（此 을 형성할 수 있고， 미세 나이오븀 탄화물은 오스테나이트 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있을수 있다.
이러한 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산된 미세 나이오븀 탄화물은 스테인리스강의 강도 등의 기계적 특성을 현저하게 향상시킬 수 있고， 중성자 조사 저항성을 향상시킬 수 있으며, 용접성을 향상시킬 수 있다.
오스테나이트계 스테인리스강에서 나이오븀이 약 0.2중량%미만으로 포함된 경우에는 석출되는 나이오붐 탄화물의 양이 적어 스테인리스강의 기계적 특성이나 조사 저항성이 향상되는 정도가 미미할 수 있고， 나이오붐이 약 1 중량%를 초과하는 경우， 입자 크기가 조대한 나이오붐 탄화물이 형성되어 스테인리스강의 강도 및 인성이，저하될 수 있다.
미세 나이오븀 탄화물의 평균크기는 약 11 ^이하일 수 있다.또한, 오스테나이트계 기지 조직 내에서，미세 나이오븀 탄화물의 수밀도는 약 1014 1015 #/파2일 수 있고, 미세 나이오븀 탄화물의 밀도는 약 5 X 1021 ~ 5 X 1022 #/1113 일 수 있다. 이러한 범위 내에서 스테인리스강의 기계적 특성， 중성자 조사저항성， 용접성 등이 더욱 향상될 수 있다.
나이오붐 함유 오스테나이트계 스테인리스강은 약 0.015 ~ 0.025 중량%의 티타늄（ ）을 포함하고， 약 0.004 0.01 중량%의 질소어）를 포함한다.
티타늄은 질소와 결합하여 질화물을 생성하는 경향이 상대적으로 2020/101101 1»（：1^1{2018/014845
매우 큰 원소로서， 티타늄은 기지 내 고용된 질소와 결합하여 나노（1 110） 크기의 미세 티타늄 질화물（ 을 형성할 수 있고， 미세 티타늄 질화물은 오스테나이트 기지 조직 내에 분산되어 있을 수 있다. 또한， 티타늄은 질소 및 탄소와결합하여 티타늄 탄-질화물을 형성할수도 있다.
미세 티타늄 질화물은 이하 제조방법 관련 부분에서 설명될 합금 초기 주조 단계 및 균질화 단계에서 기지를 안정화 시키는 역할을 할 수 있고， 이로 인해 미세 나이오붐 탄화물이 보다 균질한 미세 조직을 형성할 수 있는환경이 조성될 수 있다.
스테인리스강에서 티타늄이 약 0.025 중량%를 초과하여 포함되는 경우에는 기지 용융 온도보다 높은 온도에서 조대한 질화물 혹은 탄-질화물을 형성하여 기지와의 정합성을 상실하게 됨으로써 스테인리스강의 인성을 떨어뜨릴 수 있고, 약 0.015중량%미만으로포함돠는 경우에는주조 및 균질화단계에서 기지의 안정성을 감소시킬 수 있다. 질소의 양은 티타늄의 양에 대응될 수 있다. 티타늄과 질소의 함유량의 비인 은 화학양론적으로 모든 가 을 형성하는 것을 확보하도록 3.42 미만으로 제어될 수 있다. 이 3.42 초과인 경우（스테인리스강의 질소 함량이 0.004% 미만인 경우）에는 조대한 티타늄 질화물이 기지 내 형성될 수 있어 인성을 떨어뜨릴 수 있고, 스테인리스강에 균열이 발생할 수 있다. 반면， 州이 3.42 이하이고， 스테인리스강의 질소 함량이 약 0.004 ~ 0.01중량%인 경우에는오스테나이트계 스테인리스강 제조 초기 공정 단계에서 오스테나이트 과립을 정제할수 있다.
보다바람직하게는， 스테인리스강에 티타늄이 약 0.018 ~ 0.022중량% 포함되어 있고， 질소가 약 0.005 0.008 중량% 포함되어 있을 수 있고， 이러한 범위 내에서, 보다 기지가 안정화 될 수 있고, 보다 균질하고 균일하게 분포된 나이오븀 탄화불이 석출될 수 있다.
나이오붐 함유 오스테나이트계 스테인리스강은 약 0.5 2 중량%의 망간 ）을포함한다.
망간은 오스테나이트계 기지 조직을 안정화시킬 수 있고， 고용 강화 성능을 갖는다.
스테인리스강에서 망간 함량이 약 0.5 중량% 미만인 경우 2020/101101 1»（：1^1{2018/014845
스테인리스강의 강도가 낮아질 수 있고， 약 2 중량%를 초과하는 경우 스테인리스강의 용접성이 저하될 수 있다.
나이오붐 함유 오스테나이트계 스테인리스강은 약 0.5 중량% 이하의 실리콘（ ）을 포함한다.
실리콘은 탈산 기능을 수행할 수 있고, 탄화물의 석출량을 높일 수 있다. 다만, 실리콘은 석출물을 응집시켜 조대화시킬 수 있으므로， 석출물의 미세화를 위해 스테인리스강의 실리콘 함량이 약 0.5중량% 이하일 수 있다. 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강은 약 0.2 중량% 이하의 인（ 과, 약 0.01 중량% 이하의 황（幻을 포함한다.
인과 황은 스테인리스강에서 불가피하게 존재하는 불순물로서 함량이 많으면 결정립계에서 편석되는 경향이 있고， 이로 인해 입계 취화를 유발하여 인성 등의 특성이 저하될 수 있으므로, 인과 황의 함량이 각각 약 0.02 중량%， 약 0.01 중량% 이하로 제한될 수 있다.
이하에서는， 도면들을 참조하여 실시예에 따른 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법에 대하여 설명한다.
스테인리스강의 구성 원소 및 함량에 대한 내용은 전술하였으므로, 이하에서 생략될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법을 나타내는 순서도이고， 도 2는 실시예에 따른 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 공정 및 조건을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면， 나이오붐 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은 용해 및 주조 단계, 재결정 정지 온도를 도출하는 단계 ,균질화 열처리 단계,다단 패스 0111111;ᅵ 크 크）열간 압연 단계, 그리고 미세 나이오븀 탄화물을 석출시키는 단계를 포함한다.
우선 용해 및 주조 단계가수행된다.
용해 및 주조 단계에서는, 크롬（ ） 16 26 중량% , 니켈（ ） 8 ~ 22 중량% , 탄소（0 0.02 - 0. 1 중량%， 나이오븀（他） 0.2 1 중량%， 티타늄（ ） 0.015 0.025중량%， 질소（ 0.004 0.01중량%， 망간（ ） 0.5 2중량%， 실리콘（ ） 0.5중량%이하, 인어） 0.02중량%이하, 황（幻 0.01중량%이하, 잔여 철 (Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 혼합 강재를 용해하고, 용해된 혼합 강재를 주조하여 오스테나이트계 기지 조직을 갖는 주조 강재를 형성한다.
여기서， 용해 공정은 공지의 공정일 수 있고， 예를 들어, 진공 유도 용해 (vacuum induct ion mel t ing) 공정이 적용될 수 있다. 주조 공정 또한 공지의 공정이 적용될 수 있고, 예를 들어, 잉곳 ( ingot ) 형태로 주조될 수 있다.
용해 및 주조 단계에서， 오스테나이트계 기지 조직이 형성될 수 있고， 이 단계에서 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 티타늄 질화물 (TiN)이 석출될 수 있다. 미세 티타늄 질화물은 주조 단계 및 아래에서 설명될 균질화 단계에서 기지를 안정화 시킬 수 있고, 이로 인해 미세 나이오븀 탄화물이 보다균질한미세 조직을 형성할수 있는환경이 조성될 수 있다. 다음으로， 용해 및 주조 단계에서 형성된 주조 강재의 고온 변형 거동을 평가하여 재결정 정지 온도 (non-recrystal 1 i zat ion temperature , Tnr)를도출하는 단계가수행된다.
열 비틀림 시험 (hot torsion test ) 또는동적 물성 시험을통해 주조 강재의 고온 변형 거동이 평가될 수 있다. 예를 들어， 주조 강재의 고온 변형 거동을 평가하기 위해， Gleeble 동적 물적 시험기가 사용될 수 있고， Gleeble압축시험을통해 재결정 정지 온도가도출될 수 있다. Gleeble압축 시험 방식은공지의 논문 (예를들어 , C. N. Homsher , “Determinat ion of the Non-Recrystal 1 i zat ion Temperature (TNR) in Mul t iple Mi croal loyed Steels , " Colorado School of Mines , 2012. )에 개시되어 있다.
이어서 , 균질화 열처리 (homogeni zing heat treatment ) 단계가 수행된다.
균질화 열처리를 통해， 주조 강재의 수지상 및 의도하지 않는 탄-질화물이 용해될 수 있고, 후속되는 다단 패스 열간 압연 공정이 효과적으로 수행될 수 있으며, 이로 인해 미세 나이오븀 탄화물 석출 공정에서 미세 석출상이 기지 내에 미세하고 균질하게 분포될 수 있다.
이 단계에서， 주조된 강재는 약 1100 1200 °C의 온도 범위에서 약 30분 2시간동안균질화 열처리될 수 있다. 2020/101101 1»（：1^1{2018/014845
열처리가 약 1100 미만에서 진행되면 수지상 및 탄-질화물의 재용해가 충분히 일어나지 않아 합금 원소의 균질'화에 불리할 수 있고， 약 1200 °（：를 초과하여 진행되면 생산 비용이 증가할 뿐만 아니라， 티타늄 질화물에 의한 결정립 과립을 정제하는 효과가미미해질 수 있고， 이로 인해 오스테나이트 결정립이 조대해져 강도 및 인성이 약화될 수 있다.
열처리가 약 30분 미만 동안 진행되는 경우 수지상 및 탄-질화물의 재용해가 충분히 일어나지 않으며 용질 원자들이 불충분하게 확산될 수 있다. 열처리 시간이 약 2시간을 초과하면 결정립이 조대화 될 수 있고， 생산비용이 증가될 수 있다. '
전술한 균질화 열처리의 온도 범위와 시간 범위 내에서， 열처리 온도가높아지는 경우， 이에 대응하여 열처리 시간이 짧아질 수 있다.
다음으로, 균질화 열처리된 주조 강재는 공기 중에서 냉각될 수 있고, 설계된 열간 압연 시작 온도에서 다단 패스 열간 압연 단계가 수행될 수 있다.
다단 패스（1111111；ᅵ - ?크33）열간 압연 단계는 ,전술한도줄된 재결정 정지 온도를 기준으로， 재결정 정지 온도보다높은온도에서 1
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이상의 열간 압연을수행한후, 재결정 정지 온도보다낮은온도에서 1패스 이상의 열간 압연을 수행하는 단계이다. 여기서, 다단 패스 열간 압연은 열간 압연이 복수의 구간으로 나누어져 단계적으로 수행되는 것을 의미할 수 있고, 각구간을
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정의할수 있다.
예를 들어, 전체적으로 5 ~ 8 패스의 열간 압연이 수행될 수 있다. 구체적으로 재결정 정지 온도보다 높은 온도에서 3 ~ 5 패스의 열간 압연을 수행한후, 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서 2 ~ 3 패스의 열간 압연을 수행할수 있다.
종래의 나이오븀 함유오스테나이트계 스테인리스강을 제조하는 공정 중 열간 압연 공정은 재결정 정지 온도보다높은온도에서 진행된다.
반면， 실시예들에 따른 나이오붐 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법의 경우, 재결정 정지 온도보다 높은 온도에서도 열간 압연을 진행하고， 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서도 열간 압연을 진행한다. 2020/101101 1»（：1^1{2018/014845
각 패스의 수행 온도는 약 20 - 30 °（：씩 상이할 수 있다. 예를 들어， 복수의 패스로 열간 압연이 수행되는 경우, 각 패스의 열간 압연이 순차적으로 수행되면서 각 패스의 수행 온도가 20 - 30 I：씩 낮아질 수 있다. 구체적으로， 5 패스 열간 압연이 수행되는 경우， 상대적으로 가장 높고 5 재결정 정지 온도보다 높은 열간 압연 시작 온도에서 제 1 패스 열간 압연이 수행되고， 제 1 패스 열간 압연 온도보다 약 20 30 가 낮은 온도에서 저 12 패스 열간 압연이 수행되며， 제 2 패스 열간 압연 온도보다
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낮은 온도에서 제 3패스 열간 압연이 수행되고, 제 3패스 열간 압연 온도보다 약 20 30 °（：가 낮고 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서 제 4 패스 열간0 압연이 수행되며， 제 4 패스 열간 압연보다 약 20 ~ 30 I：가 낮은 열간 압연 종료 온도에서 제 5 패스 열간 압연이 수행될 수 있다.
도 2에는 재결정 정지 온도보다 높은 온도에서 4 패스 열간 압연이 수행되고， 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서 2 패스 열간 압연이 진행되는 다단 패스 열간 압연 단계가도시되었다.
5 이러한 단계적 다단 패스 열간 압연에 의해 기지 내의 전위가 적절하게 분포될 수 있고， 이에 대응하여 미세 나이오붐 탄화물이 보다 미세하고 균일하게 분산될 수 있다.
다단 패스 열간 압연 단계를 수행함에 따른 주조 강재의 압하율은 ' 필요에 따라설계될 수 있고, 이에 따라 두께가조절될 수 있다.
다음으로， 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오븀 탄화물 0作＞ 을 석줄시키는 단계가 수행된다.
이 단계는, 다단 패스 열간 압연 단계를 거친 강재를 약 700 ~ 800 X: 에서 약 1 ~ 4 시간 동안 안정화
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1: 31：1116110한 후 공랭（3 «）01 塔）시키는 단계이고， 이 과정에서 나노 크기의 미세 나이오붐 탄화물이 석줄되며， 미세 나이오븀 탄화물은 기지 내에 균일하게 분포된다. 안정화 열처리 온도가 약 7001： 미만인 경우에는 나이오붐 탄화물의 석출량이 지나치게 적을 수 있다. 또한 안정화 열처리 온도가 약 800 X：를 초과하는 경우에는 기지 내 전위의 움직임으로 인해 셀 조직이 형성되고， 이때 나이오븀 탄화물이 기지 내에 균질하게 분포되지 못하고 셀 조직의 경계를 따라 석출됨으로써 스테인리스강의 인성을 약화시켜 균열이 발생할 2020/101101 1»（：1^1{2018/014845
수 있다.
종래의 나이오븀 탄화물을포함하는 스테인리스강의 제조방법의 경우， 안정화 열처리가 상대적으로 높은 약 900
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이상에서 이루어짐으로써 석출물의 조대화 및 불균질 분포가 발생할 수 있으나, 실시예들에 따른 스테인리스강 제조방법에 따르면, 나이오붐 탄화물이 형성되는 적정 온도인 약 700 800 °（：에서 안정화 열처리가 수행됨으로써， 오스테나이트계 기지 조직 내에 나노 크기의 미세 나이오븀 탄화물이 균질/균일하게 석출되어 분포될 수 있다.
안정화 열처리 시간이 약 1 시간 미만인 경우에는 나이오븀 탄화물의 석출량이 지나치게 적을 수 있고， 약 4 시간을 초과하는 경우에는 나이오븀 탄화물이 조대화될 수 있고, 나이오븀 결핍 영역에서 형성되는
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탄화물이 스테인리스강의 내식성을 저감시킬 수 있다. 이때, 은 크롬이나 철 등의 원소를포함할수 있다.
안정화 열처리 후， 온도에 따른 기지 내 원소의 용해도 차이를 활용하여 기지에 미세한 나이오붐 탄화물 핵이 형성될 수 있도록 수냉 혹은 급랭 방식이 아닌 공랭 방식으로 강재를 냉각시켜 미세 나이오븀 탄화물을 포함하는오스테나이트계 스테인리스강을 제조할수 있다.
이하， 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나， 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
1） 주조
하기 표 1에 기재되어 있는 조성 성분을 갖는 혼합 강재를 진공 유도용해로를사용하여 용해/주조하여 주조 잉곳（ 을 형성한다.
하기 표 1은 比 쇼표 분석법으로 측정한화학조성 값을 나타내고， 각 수치의 단위는 중량%이다.
【표 11
Figure imgf000015_0003
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2 ) 재결정 정지 온도 0„) 설정
고온 변형 거동을 평가하기 위하여， 고온 압축 시험인 (}16 16 동적 물성 시험기
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이용한다.
시편 형상은 고온 압축 시험에서 통상적으로 사용되고 있는 규격인 직경 높이 12 _의 원통 형태이다.
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압축시험은 963 X：부터
1050 까지 12. 51： 간격으로， 5 34의 변형 속도에서 행하며， 각 실험에서 얻어진 진응력 - 진변형률 곡선으로부터 고온 변형 구성 방정식을 도출한다. 또한 시편은 산화 방지를 위해 고순도 아르곤 분위기 하에서 , 10 °(：八6(：의 가열 속도로 1200
Figure imgf000016_0003
온도까지 시편을 승은하여 10 분간 유지 후 공랭하여， 시험 온도에서 2번의 압축 시험을 수행하고, 각 압축 마다 20%의 변형을 준다. 고압 압축 시험 결과는 도 33 및 도 ¾에 도시되었다.
시험을 통해 도출된 재결정 정지 온도는 1013 X: 이다.
3) 균질화 열처리
단계 1)에서 얻은 주조 잉곳을 1200 I：에서 1시간 동안 균질화 열처리 한다.
4) 다단 패스 열간 압연
단계 2)에서 얻은 재결정 정지 온도인 1013 °(：를 기준으로 총 6번의 다단-
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압연을 진행하고, 이에 따른 종 압하율은 70%이다. 열간 압연 시작 온도는 11201：이고, 재결정 정지 온도까지 약 27
Figure imgf000016_0005
온도 간격을 두고 4 패스 압연을 수행하며， 재결정 정지 온도 아래에서도 마찬가지로 약 27 X：의 온도 간격을 두고 2 패스 압연을 수행한다.
【표 2]
Figure imgf000016_0006
5) 미세 나이오붐 탄화물 석줄
단계 4)를 거친 강재를 700 X：에서 1시간 동안 미세 나이오븀 탄화물 형성을 위한 열처리를 실시하고, 공랭을 수행함으로써 미세 나이오븀 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강을 제조한다. 2020/101101 1»（：1^1{2018/014845
실시예 2내지 실시예 9
실시예 1의 단계 5）의 열처리를 700 X：에서 2 시간동안수행（실시예 2）， 700 方에서 4 시간 동안 수행（실시예 3）， 750 °（：에서 1 시간 동안 수행（실시예 4）， 750 I：에서 2시간동안수행（실시예 5）， 750 I：에서 4시간 동안수행（실시예 6）, 800ᄃ에서 1시간동안수행（실시예 7）, 800 °（：에서 2 시간동안수행（실시예 8）, 800 ᅤ에서 4시간동안수행（실시예 9） 한 것을 제외하고는 동일한 제조 공정을 거쳐 미세 나이오붐 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강을 제조한다 .
비교예 1
실시예 1과 상이하게， 1100
Figure imgf000017_0001
에서 열간 압연을 진행하고,
1050 X：에서 용체화 열처리 후， 900 社에서 2시간 동안 안정화 열처리하여 제조된 기지 내 나이오붐 탄화물을 포함하는
Figure imgf000017_0002
347 스테인리스강을 준비한다.
^ 347스테인리스강은상용화된 스테인리스강 300 계열 중 실시예 1과 유사한 나이오븀 함량을 갖는 타입의 스테인리스강이다. 정량 분석된 화학조성 값은 하기 표 3에 제시하였다.
【표 3】
Figure imgf000017_0004
비교예 2
실시예 1과 동일한 조성을 갖는 혼합 강재를 사용하고（표 1 참조）， 실시예 1과 상이하게， 1100
Figure imgf000017_0003
에서 열간 압연을 진행하고， 1050 I：에서 용체화 열처리 후， 900 I：에서 2시간 동안 안정화 열처리하여 기지 내 나이오븀 탄화물을 형성하여 나이오븀 탄화물을 포함하는 스테인리스강을 제조한다.
실험예
실시예 8에 따른 미세 나이오븀 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 투과전자현미경 미세조직 사진을 도 43 내지 도 4（：에 나타내었고, 비교예 1에 따른 나이오븀 탄화물을 포함하는 Type 347 스테인리스강의 투과전자현미경 미세조직 사진을 도 5a에 나타내었으며， 비교예 2에 따른 나이오븀 탄화물을 포함하는 스테인리스강의 미세조직 사진을 도 5b에 나타내었다. 또한 실시예 8을 포함하여 실시예 1 내지 9에 따른 미세 나이오붐 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 열처리 조건 (heat treatment condi t ions)에 따른 석줄물의 평균 크기과 밀도를측정하여 그 결과를도 6에 도시하였다.
도 4a내지 도 6을 참조하면, 실시예 8에 따른스테인리스강의 경우， 기지 조직 내에 상대적으로 매우 균질 또는 균일하게 분포되어 있는 것을 볼수 있다.이때，미세 나이오븀 탄화물의 수밀도，밀도 그리고 평균크기는 각각 5.12 X 1014 #/m2， 1.13 x 1022 #/m3, 9.4 이다.
반면， 비교예 1 및 비교예 2에 따른 스테인리스강의 경우， 나이오븀 탄화물이 기지 조직 내 상대적으로 매우 불균질 또는 불균일하게 분포되어 있고， 국부적으로조대화가발생하였으며， 나이오붐 탄화물 석출물의 밀도가 상대적으로 매우 낮은 것을 볼 수 있다. 비교예 1에 따른 스테인리스강의 수밀도， 밀도 그리고 평균 크기는 각각 2.29 x 1013 #/m2， 1.10 x 1020 #/m3 , 19.3nm 이다. 또한, 비교예 2에 따른 스테인리스강의 수밀도， 밀도 그리고 평균크기는각각 8.99 x 1012 #/m2, 2.69 x 1019 #/m3 , 66.2· 이다.
도 6을 다시 참조하면, 실시예들에 따른 나노 크기의 나이오붐 탄화물 석출물의 평균 직경은 3.1 nra 에서 10.5 nm 범위로 비교예들에 비해 매우 작은 것을 알수 있고， 밀도는 0.59 x 1022 #/m3에서 1.13 x 1022 #/m3의 범위로 비교예들에 비해 매우 높은 것을 알수 있다. 실시예들에 따른 나노 크기의 나이오븀 탄화물 석출물의 평균 직경은 비교예 1과 비교했을 때 약 46 - 84 %가감소하였고， 밀도는 약 53 103 배 증가하였다.
비교예 1의 경우， 티타늄 원소를 포함하지 않아 티타늄 질화물이 스테인리스강에 포함되지 않음으로써 기지 조직 형성 과정이 안정적이지 않고, 재결정 온도보다 높은 온도에서 열간 압연 공정이 수행되었으며， 상대적으로 높은 900 °C의 온도에서 안정화 열처리가 진행되었으므로， 나이오븀 탄화물의 크기가 조대화되고 균일하게 분포되지 않은 것으로 볼 수 있다. 또한, 비교예 2의 경우， 재결정 온도보다높은온도에서 열간 압연 공정이 수행되었으며， 상대적으로 높은 900 °C의 온도에서 안정화 열처리가 2020/101101 1»（：1^1{2018/014845
진행되었으므로， 나이오븀 탄화물의 크기가 조대화되고 균일하게 분포되지 않은 것으로 볼수 있다.
반면， 실시예들에 따른오스테나이트계 스테인리스강의 경우, 재결정 정지 온도를 도출한 후, 재결정 정지 온도보다 높은 온도에서뿐만 아니라， 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서도 열간 압연을 진행하는 다단 패스 열간 압연 공정을 거침으로써 기지 내 다량의 전위를 형성시켜 적절하게 분포시키고， 나이오븀 탄화물이 형성되는 온도（700 800
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안정화 열처리를 수행하여 제조됨으로써， 오스테나이트계 기지 조직 내에 나노 크기의 미세 나이오붐 탄화물이 균질/균일하게 석출되어 분포될 수 있다. 이로 인해， 스테인리스강의 기계적 거동이 현저하게 우수해질 수 있고, 높은 비중 대비 강도를 가지면, 중성자에 대한 조사 저항성이 크게 향상될 수 있고， 용접성이 향상될 수 있다.
열간 압연 조건 및 석출상 형성 열처리 조건을 적절히 조절하고， 종래의 고용화 열처리 공정이 생략되며, 연속적인 다단 패스 열간 압연 공정이 적용됨으로써， 열처리 비용 등 제조 비용이 크게 감소할 수 있고, 생산성을 향상될 수 있다.
또한, 미세 나이오븀 탄화물을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은， 기지의 용융 온도 아래에서 석출상이 형성되는 경우라면， 나이오븀 탄화물 이외에도 바나둠, 티타늄, 탄탈륨 및 하프늄 탄화물 및 여러 질화물에도 적용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

2020/101101 1»（：1^1{2018/014845 【청구범위】
【청구항 1】
크롬（0） 16 ~ 26중량%， 니켈（出） 8 ~ 22중량%, 탄소（ 0.02 ~ 0. 1 중량%，나이오븀（此） 0.2 - 1중량%，티타늄（ ） 0.015 0.025중량%，질소（ 0.004 ~ 0.01중량%， 그리고망간（ ） 0.5 2중량%
을포함하고，
오스테나이트계 기지 조직을가지며，
상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오븀 탄화물（所£） 및 미세 티타늄질화물（ 이 석출되어 있으며,
상기 미세 나이오븀 탄화물이 상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있는
나이오붐함유오스테나이트계 스테인리스강.
【청구항 2]
제 1항에서，
상기 미세 나이오븀 탄화물의 평균 크기는 11 ^ 이하인 나이오븀 함유오스테나이트계 스테인리스강.
【청구항 3】
제 1항에서，
상기 티타늄이 0.018 0.022중량%포함되어 있고,상기 질소가 0.005 0.008중량%포함되어 있는나이오붐함유오스테나이트계 스테인리스강.
【청구항 4]
제 1항에서，
상기 오스테나이트계 기지 조직 내에서, 상기 미세 나이오븀 탄화물의 수밀도가 1014 1015 #/따2 인 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강.
【청구항 5】
제 4항에서，
상기 오스테나이트계 기지 조직 내에서， 상기 미세 나이오븀 탄화물의 밀도가 5 X 1021 ~ 5 X 1022 #/1113인 나이오븀함유오스테나이트계 스테인리스강. 2020/101101 1»（：1^1{2018/014845
【청구항 6]
제 1항에서,
실리콘（ ） 0.5중량%이하, 인（미 0.02중량%이하,그리고 황比） 0.01 중량% 이하를더 포함하는 나이오븀 함유오스테나이트계 스테인리스강.
【청구항 7]
크롬（00 16 26중량%, 니켈（ ） 8 ~ 22중량%， 탄소（ 0.02 ~ 0. 1 중량%， 나이오붐（此） 0.2 1중량%, 티타늄（ ） 0.015 0.025중량%， 질소（ 0.004 - 0.01중량%， 그리고 망간（¾） 0.5 - 2중량%를포함하는혼합강재를 용해하고， 상기 용해된 혼합 강재를 주조하여 오스테나이트계 기지 조직을 갖는주조 강재를 형성하는용해 및 주조 단계 ,
상기 주조 강재의 고온 변형 거동을 평가하여 재결정 정지 온도를 도출하는 단계，
상기 주조강재를균질화 열처리하는 단계，
상기 재결정 정지 온도보다높은온도에서 1 패스 크크 이상의 열간 압연을수행한후， 상기 재결정 정지 온도보다낮은온도에서 1패스 이상의 열간 압연을수행하는 다단 패스（1111111ᅵ 크 열간 압연 단계, 그리고
상기 열간 압연된 주조 강재를 열처리한 후 공랭시켜 상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 나이오붐 탄화물（此0을 석출시키는 단계
를포함하고，
상기 미세 나이오븀 탄화물이 상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 균일하게 분산되어 있는
나이오븀 함유오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법 .
【청구항 8]
제 7항에서，
상기 다단패스 열간압연 단계에서， .
5 ~ 8 패스의 열간 압연을 수행하는 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
【청구항 9】
제 8항에서’ 상기 재결정 정지 온도보다높은온도에서 3 ~ 5 패스의 열간 압연을 수행한 후， 상기 재결정 정지 온도보다 낮은 온도에서 2 ~ 3 패스의 열간 압연을수행하는 나이오붐 함유오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
【청구항 10】
제 9항에서，
상기 각 패스의 열간 압연이 순차적으로 수행되면서 상기 각 패스의 수행 온도가 20 30 °C씩 낮아지는 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
【청구항 11】
제 7항에서，
상기 용해 및 주조 단계에서,
상기 오스테나이트계 기지 조직 내에 미세 티타늄 질화물 (TiN)이 석출되는 나이오븀 함유오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법 .
【청구항 12】
제 7항에서，
상기 재결정 정지 온도를 도출하는단계에서 ,
열 비틀림 시험 (hot torsion test ) 또는동적 물성 시험을통해 상기 주조 강재의 고온 변형 거동을 평가하는 나이오븀 함유 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
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