WO2024128476A1 - 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강, 및 그 제조방법 - Google Patents

내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강, 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2024128476A1
WO2024128476A1 PCT/KR2023/013172 KR2023013172W WO2024128476A1 WO 2024128476 A1 WO2024128476 A1 WO 2024128476A1 KR 2023013172 W KR2023013172 W KR 2023013172W WO 2024128476 A1 WO2024128476 A1 WO 2024128476A1
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low
impact toughness
stainless steel
hydrogen embrittlement
austenitic stainless
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PCT/KR2023/013172
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French (fr)
Inventor
김광민
송석원
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주식회사 포스코
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Definitions

  • the present invention relates to an austenitic stainless steel with improved hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness and a method of manufacturing the same.
  • Hydrogen storage containers can be divided into liquefied hydrogen and gas hydrogen depending on the type of hydrogen, and the operating temperature varies depending on the type of hydrogen. Therefore, the material used in the hydrogen storage container must have a small decrease in the physical properties of steel in response to hydrogen at various temperatures.
  • the liquefied hydrogen storage method has higher storage efficiency than the gas storage method, so it is expected to be used in various fields. Therefore, materials to be used in hydrogen storage containers must consider whether their physical properties deteriorate not only at room temperature but also at extremely low temperatures.
  • hydrogen storage containers are exposed to a lot of hydrogen in gaseous form, the problem of hydrogen embrittlement due to hydrogen may occur. Therefore, hydrogen storage containers must use materials that take into account hydrogen embrittlement caused by gaseous hydrogen.
  • the material used for hydrogen containers must be selected by simultaneously considering the deterioration of physical properties due to temperature and the deterioration of physical properties due to hydrogen.
  • the purpose of the disclosed invention to solve the above-mentioned problems is to provide an austenitic stainless steel with improved hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness by controlling alloy components and a manufacturing method, and a manufacturing method thereof.
  • Austenitic stainless steel with improved hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness has, in weight percent, C: more than 0% and 0.1% or less, Si: more than 0% and 1.5% or less, Cr: 12 to 23%, Ni: 1 to 12%, Mn: 10 to 25%, Cu: more than 0% but less than 1.2%, N: 0.1 to 0.3%, including the remaining Fe and impurities, and the value of formula (1) below is 1.0 to 12.3 days. You can.
  • Ni, N, and Mn mean the content (% by weight) of each element.
  • the austenitic stainless steel with improved hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness may have a -196°C Charpy impact toughness value of 50J or more.
  • the austenitic stainless steel with improved hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness may have a relative notch tensile strength (RNTS) of 0.8 to 1.0.
  • RNTS relative notch tensile strength
  • a method of manufacturing austenitic stainless steel with improved hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness includes, in weight percent, C: more than 0% and 0.1% or less, Si: more than 0% and 1.5% or less, Cr: 12 to 23. %, Ni: 1 to 12%, Mn: 10 to 25%, Cu: more than 0% and less than 1.2%, N: 0.1 to 0.3%, the remaining Fe and impurities; Manufacturing a hot rolled steel sheet by hot rolling the slab; and annealing the hot rolled steel sheet, wherein the slab may have a value of equation (1) below of 1.0 to 12.3.
  • Ni, N, and Mn mean the content (% by weight) of each element.
  • the annealing may be performed at 900°C to 1200°C.
  • an austenitic stainless steel with improved hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness and a manufacturing method thereof can be provided by controlling the alloy composition and manufacturing method.
  • the C (carbon) content may be more than 0% and less than or equal to 0.1%.
  • the Si is an element effective in improving corrosion resistance and strengthening solid solution.
  • the Si content may be more than 0% and 1.5% or less.
  • the Si content may be 0.4 to 1.5%, and more preferably 0.4 to 0.5%.
  • the content of Cr (chromium) may be 12 to 23%.
  • Cr is an element that must be added to improve corrosion resistance in stainless steel. Considering this, Cr may be added in an amount of 12% or more. However, when the Cr content is excessive, excessive ⁇ -ferrite remains in the steel, which may deteriorate hot workability. In addition, when the Cr content is excessive, the austenite phase in the steel becomes unstable, so adding a large amount of Ni for phase stability may increase the cost. Preferably, the Cr content may be 12 to 21.4%.
  • Ni nickel
  • the content of Ni (nickel) may be 1 to 12%.
  • Ni is a strong austenite stabilizing element. Additionally, Ni is an important element that directly affects hydrogen embrittlement and low-temperature toughness. In addition, Ni is an effective element in suppressing the formation of ⁇ -ferrite. Considering this, Ni may be added in an amount of 1% or more. However, if the Ni content is excessive, the probability of surface bonding increases and price competitiveness may decrease. Considering this, the upper limit of Ni content may be limited to 12%. Preferably, Ni may be 1.0 to 12%, and more preferably, Ni may be 1.3 to 5.0%.
  • the content of Mn (manganese) may be 10 to 25%.
  • Mn is a strong austenite stabilizing element.
  • Mn is an element that can replace expensive Ni and is an essential element for cost reduction.
  • Mn is an effective element in suppressing the deterioration of physical properties in a hydrogen environment by increasing the stability of the austenite phase. Considering this, Mn may be added in an amount of 10% or more. However, if the Mn content is excessive, corrosion resistance may rapidly decrease due to the formation of MnS inclusions. Additionally, if the Mn content is excessive, problems may occur due to increased Mn. Considering this, the upper limit of Mn content may be limited to 25%. Preferably, the Mn content may be 10.6 to 25%, and more preferably, 10.6 to 19.3%.
  • the content of Cu may be more than 0% and less than or equal to 1.2%.
  • Cu is a useful element for stabilizing the austenite phase and can be used instead of expensive Ni. However, if the Cu content is excessive, a low melting point phase may be formed, resulting in reduced hot workability and poor surface quality. Considering this, the Cu content may be more than 0% and 1.2% or less, preferably 0.7% or more and 1.2% or less, and more preferably 0.7 to 0.9%.
  • the content of N may be 0.1 to 0.3%.
  • N is an austenite stabilizing element and is an effective element in improving strength through solid solution strengthening. Considering this, N may be added in an amount of 0.1% or more. However, if the N content is excessive, surface quality may deteriorate due to pores. Considering this, the upper limit of the N content may be limited to 0.3%. Preferably, the N content may be 0.1 to 0.2%.
  • the remaining component of the disclosed invention is iron (Fe).
  • Fe iron
  • austenitic structures are known to be advantageous for low-temperature toughness, while martensitic structures, ferrite structures, etc. are known to be relatively unfavorable to low-temperature toughness.
  • an austenitic stainless steel that simultaneously improves hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness by controlling the value of the equation (1) below, which consists of austenite stabilizing elements Ni, N, and Mn, to 1.0 to 12.3. can be provided.
  • Ni, N, and Mn mean the content (% by weight) of each element.
  • the above equation (1) is a hydrogen physical property relational equation and is composed of Ni, N, and Mn, which can have a direct effect on hydrogen-related physical properties.
  • Mn is an element that replaces Ni and is advantageous in terms of price. Therefore, it is necessary to control the contents of Mn and Ni in order to improve hydrogen-related properties and secure price competitiveness.
  • the value of formula (1) may be specifically 1.0 to 10, more specifically 1.0 to 5, and even more specifically 1.2 to 3.6.
  • the austenitic stainless steel with improved hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness according to an embodiment of the present invention has a balance of properties that prevent deterioration of physical properties due to temperature and properties that prevent deterioration of physical properties by hydrogen. It can be further improved, and through this, the effect of simultaneously improving hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness can be further increased.
  • Austenitic stainless steel with improved hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness has a -196°C Charpy impact toughness value of 50J or more, specifically 60J or more, and more specifically 100J or more by controlling the alloy composition and manufacturing method. You can. That is, according to an example of the disclosed invention, the low-temperature impact toughness is excellent, so it can be used not only at room temperature but also in low-temperature environments.
  • the austenitic stainless steel with improved hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness may have a relative notch tensile strength (RNTS) of 0.8 to 1.0.
  • RNTS relative notch tensile strength
  • Relative notch tensile strength can be expressed as the ratio of the notch tensile strength in a hydrogen environment (NTS H ) and the notch tensile strength in air (NTS air ).
  • the relative notch tensile strength (RNTS) value is 0.8 to 1.0, specifically 0.81 to 0.99, more specifically 0.81 to 0.93, and the hydrogen embrittlement resistance is very excellent.
  • the austenitic stainless steel according to the present invention has both the property of preventing deterioration of physical properties due to temperature and the property of preventing deterioration of physical properties by hydrogen, and the hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness will be further improved. You can.
  • a method of manufacturing austenitic stainless steel with improved hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness includes, in weight percent, C: more than 0% and 0.1% or less, Si: more than 0% and 1.5% or less, Cr: 12 to 23. %, Ni: 1 to 12%, Mn: 10 to 25%, Cu: more than 0% and less than 1.2%, N: 0.1 to 0.3%, the remaining Fe and impurities; Manufacturing a hot rolled steel sheet by hot rolling the slab; and annealing the hot rolled steel sheet, wherein the slab may have a value of equation (1) below of 1.0 to 12.3.
  • Ni, N, and Mn mean the content (% by weight) of each element.
  • the annealing can be performed at 900°C to 1200°C.
  • the annealing temperature can greatly affect residual stress relief and microstructure.
  • the annealing temperature is less than 900°C, coarse carbides may be generated and the structure may become non-uniform, or Cr 23 C 6 precipitates may be formed around grain boundaries, resulting in intergranular corrosion. However, if the annealing temperature exceeds 1200°C, the grains may become extremely coarse.
  • slabs were manufactured by melting them in a vacuum melting furnace. The slab was hot rolled to manufacture a hot rolled steel sheet, and then the hot rolled steel sheet was annealed at 1050°C to prepare a specimen.
  • Example 16 division Alloy composition (% by weight) C Si Cr Ni Mn Cu N Example 1 0.06 0.4 14.0 2.4 16.1 0.7 0.15 Example 2 0.02 0.4 16.1 2.5 14.2 0.8 0.20 Example 3 0.10 0.4 15.9 2.4 18.0 0.8 0.20 Example 4 0.10 0.4 16.1 2.5 14.0 0.8 0.10 Example 5 0.02 0.4 12.0 2.6 14.1 0.9 0.10 Example 6 0.02 0.4 12.1 2.4 17.9 0.8 0.20 Example 7 0.02 0.4 16.0 2.5 17.9 0.8 0.10 Example 8 0.10 0.4 12.2 2.4 14.1 0.7 0.20 Example 9 0.10 0.4 12.0 2.5 18.1 0.8 0.10 Example 10 0.03 0.4 16.1 2.0 11.0 0.8 0.11 Example 11 0.02 0.4 17.3 2.4 10.6 0.7 0.13 Example 12 0.03 0.4 15.6 1.3 19.3 0.8 0.15 Example 13 0.03 0.5 16.2 3.5 12.5 0.8 0.15 Example 14 0.03 0.4 15.9 2.9 15.7 0.8 0.13 Example 15 0.03 0.4 16.8 4.7 11.4 0.8 0.
  • Equation (1) (Ni + 15 X N) x (0.03 X Mn)
  • Ni, N, and Mn mean the content (% by weight) of each element.
  • Charpy impact toughness was shown by performing impact tests at a temperature of -196°C using the ASTM E23 type A specimen standard.
  • the relative notch tensile strength (RNTS) was expressed by charging hydrogen into the steel using an electrochemical method and then measuring the relative notch tensile strength through a slow strain rate tensile (SSRT) test. At this time, the relative notch tensile strength specimen was subjected to a low-speed strain rate tensile test according to ASTM G129 using the ASTM E8 specimen standard. The relative notch tensile strength (RNTS) value was calculated and expressed using the formula below.
  • Example 1 2.2 50.6 0.86
  • Example 2 2.3 60.3 0.88
  • Example 3 2.9 56.6 0.90
  • Example 4 1.7 71.0 0.81
  • Example 5 1.7 100.4 0.81
  • Example 6 2.9 51.0 0.87
  • Example 7 2.1 57.1 0.80
  • Example 8 2.3 59.6 0.86
  • Example 9 2.2 68.5 0.88
  • Example 10 1.2 63.7 0.87
  • Example 11 1.4 64.3 0.88
  • Example 12 2.1 52.1 0.81
  • Example 13 2.2 68.9 0.87
  • Example 14 2.3 64.1 0.82
  • Example 15 2.3 72.6 0.91
  • Example 16 2.5 65.7 0.92
  • Example 17 3.1 60.2 0.93
  • Example 18 3.6 57.3 0.90
  • Example 19 2.2 58.5 0.86
  • Example 20 1.8 60.8 0.84 Comparative Example 1 0.3 110.3 0.75 Comparative example 2 0.5 135.4 0.77 Comparative Example 3 0.7 108.6 0.65 Comparative Example 4 0.7 113.8 0.70 Comparative Example 5 0.5 80.7 0.61
  • Examples 1 to 20 satisfied the alloy composition, equation (1), and manufacturing method presented in the disclosed invention. Accordingly, Examples 1 to 20 satisfied the -196°C Charpy impact toughness value of 50J or more and the relative notch tensile strength (RNTS) value of 0.8 to 1.0. That is, Examples 1 to 20 were excellent in both hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness, and had excellent price competitiveness due to their low Ni content.
  • the values of Formula (1) did not satisfy the range of 1.0 to 12.3. Therefore, Comparative Examples 1 to 5 did not satisfy the relative notch tensile strength (RNTS) value of 0.8 to 1.0. That is, Comparative Examples 1 to 5 had inferior hydrogen embrittlement resistance. Additionally, Comparative Examples 1 and 2 had a higher Ni content compared to Examples 1 to 20 and Comparative Examples 3 to 5. Therefore, Comparative Examples 1 and 2 had poor price competitiveness.
  • Comparative Example 5 had a low Ni content of less than 1% and a Mn content of less than 10%. Additionally, Comparative Example 5 had the lowest relative notch tensile strength (RNTS) value. That is, Comparative Examples 1 to 5 had the poorest hydrogen embrittlement resistance.
  • RNTS notch tensile strength
  • an austenitic stainless steel with improved hydrogen embrittlement resistance and low-temperature impact toughness and a manufacturing method thereof can be provided by controlling the alloy composition and manufacturing method.
  • austenitic stainless steel by lowering the amount of expensive Ni element added, austenitic stainless steel with very excellent price competitiveness can be provided.

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  • Heat Treatment Of Steel (AREA)

Abstract

일 실시예에 따른 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0% 초과 0.1% 이하, Si: 0% 초과 1.5% 이하, Cr: 12 내지 23%, Ni: 1 내지 12%, Mn: 10 내지 25%, Cu: 0% 초과 1.2% 이하, N: 0.1 내지 0.3%, 나머지 Fe 및 불순물을 포함하고, 아래 식 (1)의 값이 1.0 내지 12.3일 수 있다. 식 (1): (Ni + 15 X N) x (0.03 X Mn) 식 (1)에서, Ni, N 및 Mn은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.

Description

내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강, 및 그 제조방법
본 발명은 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
수소를 연료로 사용하는 연료전지 자동차의 개발 및 보급이 확대됨에 따라 수소를 저장하는 용기 및 부품의 개발이 요구되고 있다. 수소 저장용기는 수소의 형태에 따라 액화수소와 가스수소로 나눌 수 있고, 수소의 형태에 따라 사용 온도가 달라진다. 따라서, 수소 저장용기에 사용되는 소재는 다양한 온도에서 수소에 대한 강재의 물성 저하가 적어야 한다.
한편, 액화 수소 저장 방식은 가스 형태 저장 방식에 비해 저장 효율이 높으므로, 다양한 분야에서 사용될 것으로 예상된다. 따라서, 수소 저장용기에 활용될 소재는 상온뿐만 아니라 극저온에서의 물성 저하 여부를 고려하여야 한다.
또한, 수소 저장용기는 기체 형태의 수소에 많이 노출되므로, 수소에 의한 수소취성 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 수소 저장용기는 기체 형태의 수소에 의한 수소취성을 고려한 소재를 활용해야 한다.
즉, 수소용기에 활용되는 소재는 온도에 의한 물성 저하 및 수소에 의한 물성 저하를 동시에 고려하여 선택되어야 한다. 그러나 온도에 의한 물성 저하를 방지하는 특성과 수소에 의한 물성 저하를 방지하는 특성을 양립하는 것은 쉽지 않은 일이다.
상술한 문제를 해결하기 위한 개시된 발명의 목적은, 합금성분 및 제조방법을 제어하여, 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
일 실시예에 따른 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0% 초과 0.1% 이하, Si: 0% 초과 1.5% 이하, Cr: 12 내지 23%, Ni: 1 내지 12%, Mn: 10 내지 25%, Cu: 0% 초과 1.2% 이하, N: 0.1 내지 0.3%, 나머지 Fe 및 불순물을 포함하고, 아래 식 (1)의 값이 1.0 내지 12.3일 수 있다.
식 (1): (Ni + 15 X N) x (0.03 X Mn)
식 (1)에서, Ni, N 및 Mn은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.
일 실시예에 따른 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, -196℃샤르피 충격인성 값이 50J 이상일 수 있다.
일 실시예에 따른 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 상대노치인장강도(RNTS)가 0.8 내지 1.0일 수 있다.
일 실시예에 따른 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 제조방법은, 중량%로, C: 0% 초과 0.1% 이하, Si: 0% 초과 1.5% 이하, Cr: 12 내지 23%, Ni: 1 내지 12%, Mn: 10 내지 25%, Cu: 0% 초과 1.2% 이하, N: 0.1 내지 0.3%, 나머지 Fe 및 불순물을 포함하는 슬라브를 제조하는 단계; 상기 슬라브를 열간압연하여 열연 강판을 제조하는 단계; 및 상기 열연 강판을 소둔하는 단계를 포함하고, 상기 슬라브는, 아래 식 (1)의 값이 1.0 내지 12.3일 수 있다.
식 (1): (Ni + 15 X N) x (0.03 X Mn)
식 (1)에서, Ni, N 및 Mn은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.
일 실시예에 따른 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 제조방법에서, 상기 소둔은 900℃ 내지 1200℃에서 수행할 수 있다.
개시된 발명의 일 실시예에 따르면, 합금성분 및 제조방법을 제어하여, 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
이하에서는 개시된 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 개시된 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 개시된 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 개시된 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 개시된 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 합금성분 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
일 실시예에 따른 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0% 초과 0.1% 이하, Si: 0% 초과 1.5% 이하, Cr: 12 내지 23%, Ni: 1 내지 12%, Mn: 10 내지 25%, Cu: 0% 초과 1.2% 이하, N: 0.1 내지 0.3%, 나머지 Fe 및 불순물을 포함할 수 있다.
C(탄소)의 함량은 0% 초과 0.1% 이하일 수 있다.
C는 오스테나이트 안정화, δ-페라이트의 억제 및 고용강화에 의한 강도 증가에 효과적인 원소이다. 그러나, C의 함량이 과다한 경우에는, 탄화물 형성 원소(Cr, Ti, Nb 등)와 쉽게 결합하여 모재의 내식성, 연성 및 인성을 감소시킬 수 있다. 이를 고려하여, C의 함량은 0.1% 이하일 수 있다. 바람직하게는, C의 함량은 0.02 내지 0.1% 일 수 있다.
Si(실리콘)의 함량은 0% 초과 1.5% 이하일 수 있다.
Si은 내식성 향상 및 고용강화에 유효한 원소이다. 그러나, Si의 함량이 과다한 경우에는, 페라이트 상안정도가 올라가므로, 시그마상 등에 의한 금속간 화합물이 형성되어 모재의 연성 및 인성이 감소할 수 있다. 이를 고려하여, Si의 함량은 0% 초과 1.5% 이하일 수 있다. 바람직하게는, Si의 함량은 0.4 내지 1.5%일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.4 내지 0.5%일 수 있다.
Cr(크롬)의 함량은 12 내지 23%일 수 있다.
Cr은 스테인리스강에서 내식성을 향상시키기 위해 반드시 첨가되어야 하는 원소이다. 이를 고려하여, Cr은 12% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, Cr의 함량이 과다한 경우에는, 강 내 과다한 δ-페라이트가 잔존하여 열간가공성이 저하될 수 있다. 또한, Cr의 함량이 과다한 경우에는, 강 내 오스테나이트상이 불안정해지므로, 상안정성을 위해 다량의 Ni을 첨가함으로서 원가가 상승할 수 있다. 바람직하게는, Cr의 함량은 12 내지 21.4%일 수 있다.
Ni(니켈)의 함량은 1 내지 12%일 수 있다.
Ni은 Mn 및 N과 함께 강력한 오스테나이트 안정화 원소이다. 또한, Ni은 수소취성 및 저온인성에 직접적으로 영향을 주는 중요한 원소이다. 뿐만 아니라, Ni은 δ-페라이트 생성을 억제하는데 효과적인 원소이다. 이를 고려하여, Ni은 1% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, Ni의 함량이 과다한 경우에는, 표면 결합이 발생할 확률이 높아지고, 가격경쟁력이 떨어질 수 있다. 이를 고려하여, Ni 함량의 상한은 12%로 제한될 수 있다. 바람직하게는, Ni은 1.0 내지 12%일 수 있고, 더욱 바람직하게는, Ni은 1.3 내지 5.0%일 수 있다.
Mn(망간)의 함량은 10 내지 25%일 수 있다.
Mn은 Ni 및 N와 함께 강력한 오스테나이트 안정화 원소이다. 또한, Mn은 고가의 Ni을 대체할 수 있는 원소서, 비용 절감을 위해 필수적인 원소이다. 뿐만 아니라, Mn은 오스테나이트상 안정도를 높여서 수소환경에서의 물성 저하를 억제하는데 효과적인 원소이다. 이를 고려하여, Mn은 10% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, Mn의 함량이 과다한 경우에는, MnS 개재물의 생성으로 내식성이 급격히 저하될 수 있다. 또한, Mn의 함량이 과다한 경우에는, Mn 증가에 의한 문제가 발생할 수 있다. 이를 고려하여, Mn 함량의 상한은 25%로 제한될 수 있다. 바람직하게는, Mn의 함량은 10.6 내지 25%일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 10.6 내지 19.3%일 수 있다.
Cu(구리)의 함량은 0% 초과 1.2% 이하일 수 있다.
Cu는 오스테나이트상의 안정화에 유용한 원소로서 고가의 Ni을 대신하여 활용될 수 있다. 그러나, Cu의 함량이 과다한 경우에는, 저융점의 상이 형성되어 열간가공성이 감소하고 표면 품질이 열위해질 수 있다. 이를 고려하여, Cu의 함량은 0% 초과 1.2% 이하일 수 있고, 바람직하게는, 0.7% 이상 1.2% 이하일 수 있고, 더욱 바람직하게는, 0.7 내지 0.9%일 수 있다.
N(질소)의 함량은 0.1 내지 0.3%일 수 있다.
N는 오스테나이트 안정화 원소이고, 고용강화를 통해 강도를 향상시키는데 효과적인 원소이다. 이를 고려하여, N는 0.1% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, N의 함량이 과다한 경우에는, 기공 발생으로 인한 표면 품질 저하가 발생할 수 있다 이를 고려하여, N 함량의 상한은 0.3%로 제한될 수 있다. 바람직하게는, N의 함량은 0.1 내지 0.2%일 수 있다.
개시된 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
철강 소재가 취성을 일으키는 주요한 원인 중 하나는 수소환경과 소재가 노출된 온도이다. 따라서, 액화수소와 같은 극저온의 환경에서의 철강 소재 사용을 검토하기 위해서는, 극저온에서의 인성과 수소에 의한 내수소취성을 평가해야 한다.
수소 환경에 노출되는 강재는 수소 환경뿐만 아니라 다양한 온도범위에서 노출될 가능성이 높다. 또한, 일반적인 강재는 온도가 낮아짐에 따라 소재의 인성이 저하되고, 취성이 나타나는 경향이 있다. 따라서, 일반적인 강재는 상온에서 문제가 없어 보이더라도, 온도가 내려감에 따라 소재 물성이 저하되는 경향을 보이기도 한다.
일반적으로 오스테나이트 조직이 저온 인성에는 유리하다고 알려져 있고, 상대적으로 마르텐사이트 조직, 페라이트 조직 등은 저온 인성에 불리한 것으로 알려져 있다.
그러나, 범용 오스테나이트계 스테인리스강은 상대적으로 우수한 저온 인성에도 불구하고, 수소 환경에 노출되었을 때 극심한 수소취성이 발생되어 소재의 장기 내구성에 문제가 발생할 수 있다.
개시된 발명의 일 예에 따르면, 오스테나이트 안정화 원소인 Ni, N 및 Mn로 구성된 아래 식 (1)의 값을 1.0 내지 12.3로 제어함으로써, 내수소취성과 저온 충격인성을 동시에 향상시킨 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
식 (1): (Ni + 15 X N) x (0.03 X Mn)
식 (1)에서, Ni, N 및 Mn은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.
상기 식 (1)은 수소 물성 관계식으로서, 수소와 관련된 물성에 직접적인 영향이 미칠 수 있는 Ni, N 및 Mn으로 구성된다.
한편, Mn은 Ni을 대체하면서도 가격적인 측면에서 유리한 원소이다. 따라서, 수소 관련 물성을 향상시키면서도 가격경쟁력을 확보하기 위해 Mn과 Ni의 함량 조절도 필요하다.
따라서, 상기 식 (1)의 값이 1.0 내지 12.3일 경우에는, 상기 오스테나이트계 스테인리스강의 내수소취성과 저온 충격인성을 동시에 향상시키면서도 가격경쟁력을 확보할 수 있다.
상기 식 (1)의 값은 구체적으로 1.0 내지 10, 보다 구체적으로 1.0 내지 5, 보다 더욱 구체적으로 1.2 내지 3.6일 수 있다. 상기 범위 내에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은 온도에 의한 물성 저하를 방지하는 특성과 수소에 의한 물성 저하를 방지하는 특성의 균형을 더욱 향상시킬 수 있고, 이를 통해 내수소취성과 저온 충격인성을 동시에 향상시키는 효과를 더욱 높일 수 있다.
일 실시예에 따른 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 합금조성 및 제조방법을 제어하여 -196℃샤르피 충격인성 값이 50J 이상, 구체적으로 60J이상, 보다 구체적으로 100J이상일 수 있다. 즉, 개시된 발명의 일 예에 따르면 저온 충격인성이 우수하므로, 상온뿐만 아니라 저온 환경에서도 활용이 가능할 수 있다.
일 실시예에 따른 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 상대노치인장강도(RNTS)가 0.8 내지 1.0일 수 있다.
상대노치인장강도(RNTS, relative notch tensile strength)는 수소 환경에서의 노치인장강도(NTSH)와 공기 중 에서의 노치인장강도(NTSair)의 비율로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2023013172-appb-img-000001
상대노치인장강도(RNTS) 값이 1.0에 가까울수록 수소에 의한 수소취성이 적게 나타난다고 해석할 수 있다.
개시된 발명의 일 예에 의하면, 상대노치인장강도(RNTS) 값이 0.8 내지 1.0, 구체적으로 0.81 내지 0.99, 보다 구체적으로 0.81 내지 0.93으로서, 내수소취성이 매우 우수하다. 또한 상기 범위 내에서, 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 온도에 의한 물성 저하를 방지하는 특성과 수소에 의한 물성 저하를 방지하는 특성이 양립되고, 내수소취성 및 저온 충격인성이 더욱 향상될 수 있다.
다음으로, 개시된 발명의 다른 일 측면에 따른 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 제조방법에 대해 설명한다.
일 실시예에 따른 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 제조방법은, 중량%로, C: 0% 초과 0.1% 이하, Si: 0% 초과 1.5% 이하, Cr: 12 내지 23%, Ni: 1 내지 12%, Mn: 10 내지 25%, Cu: 0% 초과 1.2% 이하, N: 0.1 내지 0.3%, 나머지 Fe 및 불순물을 포함하는 슬라브를 제조하는 단계; 상기 슬라브를 열간압연하여 열연 강판을 제조하는 단계; 및 상기 열연 강판을 소둔하는 단계를 포함하고, 상기 슬라브는, 아래 식 (1)의 값이 1.0 내지 12.3일 수 있다.
식 (1): (Ni + 15 X N) x (0.03 X Mn)
식 (1)에서, Ni, N 및 Mn은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.
상기 각 합금조성의 성분범위 및 식 (1)의 수치 한정 이유는 상술한 바와 같으며, 이하 각 제조단계에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 합금조성 및 식 (1)을 만족하는 슬라브를 제조한 후, 일련의 열간압연 및 소둔 공정을 거칠 수 있다.
상기 소둔은 900℃ 내지 1200℃에서 수행할 수 있다.
열간압연 이후 소둔 처리 공정에 있어서, 소둔 온도는 잔류 응력 해소와 미세조직에 크게 영향을 미칠 수 있다.
소둔 온도가 900℃미만인 경우에는, 조대한 탄화물이 생성되어 조직이 불균일해지거나 입계주위에 Cr23C6 석출물이 형성되어 입계부식이 발생할 수 있다. 그러나, 소둔 온도가 1200℃를 초과하는 경우에는, 결정립이 극단적으로 조대화 될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
{실시예}
아래 표 1에 나타낸 다양한 합금 성분범위에 대하여, 진공용해로에서 용해하여 슬라브를 제조했다. 상기 슬라브를 열간압연하여 열연 강판을 제조한 다음, 상기 열연 강판을 1050℃에서 소둔하여 시편을 제조했다.
구분 합금성분(중량%)
C Si Cr Ni Mn Cu N
실시예1 0.06 0.4 14.0 2.4 16.1 0.7 0.15
실시예2 0.02 0.4 16.1 2.5 14.2 0.8 0.20
실시예3 0.10 0.4 15.9 2.4 18.0 0.8 0.20
실시예4 0.10 0.4 16.1 2.5 14.0 0.8 0.10
실시예5 0.02 0.4 12.0 2.6 14.1 0.9 0.10
실시예6 0.02 0.4 12.1 2.4 17.9 0.8 0.20
실시예7 0.02 0.4 16.0 2.5 17.9 0.8 0.10
실시예8 0.10 0.4 12.2 2.4 14.1 0.7 0.20
실시예9 0.10 0.4 12.0 2.5 18.1 0.8 0.10
실시예10 0.03 0.4 16.1 2.0 11.0 0.8 0.11
실시예11 0.02 0.4 17.3 2.4 10.6 0.7 0.13
실시예12 0.03 0.4 15.6 1.3 19.3 0.8 0.15
실시예13 0.03 0.5 16.2 3.5 12.5 0.8 0.15
실시예14 0.03 0.4 15.9 2.9 15.7 0.8 0.13
실시예15 0.03 0.4 16.8 4.7 11.4 0.8 0.14
실시예16 0.03 0.4 19.3 3.8 13.5 0.8 0.16
실시예17 0.02 0.4 21.4 4.6 14.1 0.8 0.18
실시예18 0.02 0.4 20.9 4.1 16.9 0.9 0.20
실시예19 0.02 0.4 18.4 3.1 13.1 0.8 0.17
실시예20 0.02 0.4 16.7 2.8 11.5 0.8 0.16
비교예1 0.02 0.6 18.1 8.0 1.2 0.3 0.05
비교예2 0.02 0.5 16.7 9.8 1.5 0.4 0.06
비교예3 0.02 0.4 16.4 2.3 5.8 0.5 0.10
비교예4 0.02 0.4 17.6 2.6 6.5 0.4 0.08
비교예5 0.03 0.4 16.3 0.8 8.3 0.3 0.07
아래 표 2에는, 식 (1) 값, 샤르피 충격인성 및 상대노치인장강도(RNTS)를 나타냈다. 식 (1) 값은 아래 식 (1)을 계산하여 나타냈다.식 (1): (Ni + 15 X N) x (0.03 X Mn)
식 (1)에서, Ni, N 및 Mn은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.
샤르피 충격인성은, ASTM E23 type A 시편 규격을 사용하여 -196℃의 온도에서 충격 실험을 수행하여 나타냈다.
상대노치인장강도(RNTS)는, 전기화학적인 방법을 사용하여 수소를 강재에 장입 후 저속변형률속도인장(slow strain rate tensile, SSRT) 시험을 통해 상대노치인장강도 측정하여 나타냈다. 이때, 상대노치인장강도 시편은 ASTM E8 시편 규격을 사용하여 ASTM G129에 따라 저속변형률속도 인장실험을 수행했다. 상대노치인장강도(RNTS) 값은 아래 식을 통해 계산하여 나타냈다.
Figure PCTKR2023013172-appb-img-000002
상대노치인장강도(RNTS) 값이 1.0에 가까울수록 수소에 의한 수소취성이 적게 나타난다고 해석할 수 있다.
구분 식 (1) -196℃ 샤르피 충격인성(J) RNTS
실시예1 2.2 50.6 0.86
실시예2 2.3 60.3 0.88
실시예3 2.9 56.6 0.90
실시예4 1.7 71.0 0.81
실시예5 1.7 100.4 0.81
실시예6 2.9 51.0 0.87
실시예7 2.1 57.1 0.80
실시예8 2.3 59.6 0.86
실시예9 2.2 68.5 0.88
실시예10 1.2 63.7 0.87
실시예11 1.4 64.3 0.88
실시예12 2.1 52.1 0.81
실시예13 2.2 68.9 0.87
실시예14 2.3 64.1 0.82
실시예15 2.3 72.6 0.91
실시예16 2.5 65.7 0.92
실시예17 3.1 60.2 0.93
실시예18 3.6 57.3 0.90
실시예19 2.2 58.5 0.86
실시예20 1.8 60.8 0.84
비교예1 0.3 110.3 0.75
비교예2 0.5 135.4 0.77
비교예3 0.7 108.6 0.65
비교예4 0.7 113.8 0.70
비교예5 0.5 80.7 0.61
표 2를 참고하면, 실시예 1 내지 20은, 개시된 발명에서 제시하는 합금성분, 식 (1) 및 제조방법을 만족했다. 따라서, 실시예 1 내지 20은, -196℃ 샤르피 충격인성 값이 50J 이상 및 상대노치인장강도(RNTS) 값이 0.8 내지 1.0를 만족했다. 즉, 실시예 1 내지 20은, 내수소취성 및 저온 충격인성이 모두 우수하면서도, Ni 함량이 낮아 가격경쟁력이 뛰어났다. 그러나, 비교예 1 내지 5는, 식 (1) 값이 1.0 내지 12.3를 만족하지 못했다. 따라서, 비교예 1 내지 5는, 상대노치인장강도(RNTS) 값이 0.8 내지 1.0를 만족하지 못했다. 즉, 비교예 1 내지 5는 내수소취성이 열위했다.또한, 비교예 1 및 2는 실시예 1 내지 20 및 비교예 3 내지 5 대비 Ni 함량이 높았다. 따라서, 비교예 1 및 2는 가격경쟁력이 떨어졌다.
또한, 비교예 5는 Ni 함량이 1% 미만, Mn 함량이 10% 미만으로 모두 낮았다. 또한, 비교예 5는 상대노치인장강도(RNTS) 값이 가장 낮았다. 즉, 비교예 1 내지 5는 내수소취성이 가장 열위했다.
개시된 발명의 일 예에 따르면, 합금조성 및 제조방법을 제어함으로써, 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 개시된 발명의 일 예에 따르면, 고가의 Ni 원소 첨가량을 낮춤으로서, 가격경쟁력이 매우 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.

Claims (5)

  1. 중량%로, C: 0% 초과 0.1% 이하, Si: 0% 초과 1.5% 이하, Cr: 12 내지 23%, Ni: 1 내지 12%, Mn: 10 내지 25%, Cu: 0% 초과 1.2% 이하, N: 0.1 내지 0.3%, 나머지 Fe 및 불순물을 포함하고,
    아래 식 (1)의 값이 1.0 내지 12.3인, 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
    식 (1): (Ni + 15 X N) x (0.03 X Mn)
    (식 (1)에서, Ni, N 및 Mn은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다)
  2. 청구항 1에 있어서,
    -196℃ 샤르피 충격인성 값이 50J 이상인, 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상대노치인장강도(RNTS)가 0.8 내지 1.0인, 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
  4. 중량%로, C: 0% 초과 0.1% 이하, Si: 0% 초과 1.5% 이하, Cr: 12 내지 23%, Ni: 1 내지 12%, Mn: 10 내지 25%, Cu: 0% 초과 1.2% 이하, N: 0.1 내지 0.3%, 나머지 Fe 및 불순물을 포함하는 슬라브를 제조하는 단계;
    상기 슬라브를 열간압연하여 열연 강판을 제조하는 단계; 및
    상기 열연 강판을 소둔하는 단계를 포함하고,
    상기 슬라브는, 아래 식 (1)의 값이 1.0 내지 12.3인, 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 제조방법.
    식 (1): (Ni + 15 X N) x (0.03 X Mn)
    (식 (1)에서, Ni, N 및 Mn은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다)
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 소둔은 900℃ 내지 1200℃에서 수행하는, 내수소취성 및 저온 충격인성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 제조방법.
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