KR100325708B1 - 해수부식저항성이우수한고크롬페라이트계스텐인레스강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해수 열교환기관 및 건축외장벽 등의 소재로 사용되는 페라이트계 스테인레스강에 관한 것으로 보다 상세하게는 Al과 Cu를 복합첨가하여 대기내구성 및 내해수성을 증가시킨 페라이트 스테인레스강에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는 화학조성이 중량%로, C: 0.01% 이하, N: 0.02% 이하, Si: 0.5% 이하, Mn: 0.5% 이하, P:0.03%이하, S: 0.004%이하, O: 0.01%이하, Ti: 0.18%이하, Nb: 0.18%이하, Cu: 1.0%이하, Al: 0.03∼0.13%, Mo: 4%이하, Cr:21∼35%를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,

%(Ti+Nb) < 9×(C+N), C+N < 0.03% 의 조건을 만족하는 페라이트계 스테인레스강에 관한 것을 요지로 한다.

Description

해수부식 저항성이 우수한 고 크롬 페라이트계 스테인레스강.

본 발명은 해수 열교환기관 및 건축외장벽 등의 소재로 사용되는 페라이트계 스테인레스강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기존 페라이트강에 Al과 Cu를 복합첨가하여 대기내구성 및 해수부식 저항성(내해수성)을 증가시킨 고 크롬 페라이트계 스테인레스 강에 관한 것이다.

통상 Cr, Mo의 함량이 각각 26%, 3% 이상인 페라이트 스테인레스강은 내해수성을 지니므로 해수용 열교환기나 해안가 지역에서 건축외장벽재로 사용되고 있다. 그러나 취약한 인성 때문에 그 용도가 제한되어 현재 고 내식성 및 고인성을 가진 강종의 개발을 위해 많은 연구가 진행되어지고 있다. 일반적으로 인성의 향상을 위해서는 Cr, Mo, C, N 함량을 줄여야 한다. 그러나 Cr, Mo 함량의 감소는 내식성을 저하시키며 C, N의 함량의 감소는 공정상 어려울 뿐만아니라 많은 비용이 요구된다. 그러므로 일정의 Cr, Mo, C, N 농도에서 미세합금의 첨가를 통해 내식성을 증가시키고 인성을 향상시키는 방법이 요구된다.

페라이트계 스테인레스강의 인성을 증가시키기 위하여 알레히 루드럼(Alleghey Ludlum)사에서는 2% 정도의 Ni의 첨가를 통해 내식성의 감소 없이 인성을 향상시킨 29-4-2 (29%Cr-4%Mo-2%Ni) 강종을 생산하여 시판하고 있다. 이외에도 요시히로(Yoshihiro)등에 의하면 0.06∼0.2% P 첨가로 내식성을 향상시킨다고 보고하고 있다(EP 0 603 402 Al) 이외에도 대한민국 출원번호 1996-61973호에 따르면 Nb 및 AL의 복합첨가로 인성을 향상시키는 것으로 보고되고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 페라이트강에 비해 추가의 정련설비 및 Cr, Mo 함량의 감소 없이 미세합금원소를 첨가시켜 내식성및 인성을 향상시킨 페라이트계 스테인레스 강을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 합금성분에 따른 내식성 변화를 나타낸 그래프도,

도 2는 합금 성분에 따른 인성 변화를 나타낸 그래프도이다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 고크롬 페라이트계 스테인레스강에 있어서 중량%로, C: 0.01% 이하, N: 0.02% 이하, Si: 0.5% 이하, Mn: 0.5% 이하, P: 0.03%이하, S: 0.004%이하, O: 0.01%이하, Ti: 0.18%이하, Nb: 0.18%이하, Cu: 1.0%이하, Al: 0.03∼0.13%, Mo: 4%이하, Cr:21∼35%를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,

%(Ti+Nb) < 9 ×(C+N), C+N < 0.03% 의 조건을 만족하는 해수부식 저항성이 우수한 고 크롬 페라이트계 스테인레스강을 제공하는 것을 특징으로 하고 있다.

이하, 본 발명강의 조성에 대한 한정한 이유를 자세히 설명한다

C 및 N: 인성의 감소를 최소화하기 위하여 이들 원소 함량 각각의 최대치는 0.01%, 0.02%로 한정한다. 그러나 이들 함량이 적으면 적을수록 재료의 성질, 즉 연신율, 충격인성, 내식성 등을 향상시키므로 최소한은 한정하지 않았다.

Si: 탈산 및 내 산화성을 증가시키는 원소이다. 인성의 감소를 억제하기 위해 Si 함량을 0.5% 이내로 제한시킨다.

Mn: 탈산을 증가시키는 원소이다. 그러나 개재물인 MnS은 내식성을 감소시키므로 Mn 함량을 0.5% 이내로 제한시킨다.

P: 내식성뿐만 아니라 인성을 감소시키므로 P 함량을 0.03% 이하로 제한시킨다.

S: MnS를 형성하여 내식성을 감소시키므로 S 함량을 0.004% 이하로 제한시킨다.

O: 개재물 함량을 증가시켜서 인성 및 내식성을 감소시킨다. 그러므로 O 함량을 가능한 억제하는 것이 좋으며 0.01% 이하로 제한시킨다.

Cu: 환원성 분위기에서 내식성을 증가시킬 뿐만 아니라 내공식 저항성을 증가시킨다. 그러나 과다한 첨가는 응력부식저항성 및 열간 가공성을 감소시키므로 첨가량을 1.0% 이하로 제한시킨다.

Al: 탈산을 위해 첨가시키는 원소이다. Al의 첨가는 내식성을 증가시킨다. 그러나 산소의 함량이 0.003% 이하일 경우 오히려 강중의 산화성 개재물량을 증가시키므로 주의가 요구된다. Al의 함량이 0.03% 미만에서는 내식성 향상효과가 관찰되지 않으며 Al 함량이 0.13% 초과시 내식성의 향상 없이 개재물의 함량만 증가되므로 Al은 0.03%에서 0.13% 범위로 조절되어야 한다.

Nb, Ti: 예민화를 방지하기 위해 첨가되는 원소이나 인성의 열하를 가져오므로 내식성을 고려하여 첨가량을 최소화 하는 것이 요구된다. 즉 Nb은 0.18%이하, Ti은 0.18%이하로 제한하는 것이 바람직하다. Cr 페라이트강의 경우 (Ti + Nb) 함량이 (C+N)의 함량의 9배가 넘지 않도록 하는 것이 바람직하며, (C+N) 함량의 5배 정도가 보다 바람직하다. 특히 Ti 경우 용접부 굽힘성 및 내식성의 증가를 유해 첨가가 요구되나 과다첨가는 표면 결함을 유발하므로 Nb와의 복합 첨가가 바람직하다.

Cr, Mo: 내식성을 증가시키나 인성을 감소시키므로 Cr, Mo의 적정 범위로 첨가되어야 하는 데 Cr함량이 너무 낮으면 내식성 향상에 영향을 미치지 못하므로 21%이상은 되어야 하고, 그러나 Cr함량이 35%를 초과하면 강도가 너무 높아지고 연신율이 낮아져서 성형성이 나빠지며, 냉각할 때 시그마상 석출로 인성이 급격하게 감소한다. 또 Mo은 내식성을 증가시키지만 그 함량이 4%를 초과하면 연신율이 낮아져서 성형성이 나빠지며, 냉각할 때 시그마상 석출로 인성이 급격하게 감소하므로 4%이하로 제한한다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

(실시예)

표 1과 같은 화학조성을 갖는 스테인레스강을 진공 유도로에서 용해하여 30Kg 잉고트(ingot)를 제조하고, 이 잉고트들을 Ar 분위기에서 1200℃에서 2시간 동안 열처리를 통해 균일화 처리를 하였다. 열처리 후 6mm 두께로 열간압연하고 수냉하였다. 이들 판들을 1000℃에서 1분 동안 열처리로에서 소둔후 3mm 두깨로 냉간 압연을 실시하였다. 최종적으로 950℃에서 30초 동안 냉간 소둔을 실시하여 시편을 만들고, 각각의 시편은 실험전에 SIC #200로까지 연마하였다. 또한 내식성을 비교하기 위해 상용 재인 SUS304과 SUS316에 대하여도 실험을 실시하였다. 여기에서 표 1 내지 4에서의 No.1∼11,13,19,20은 실험재로서 비교재를 나타내며, No.16∼18은 실험재로서 발명재를 나타내고, No.21,22는 상용재를 나타낸다. 또한 표 1의 각 성분함량은 중량%를 나타낸다.

표 2는 안정화 원소의 첨가에 따른 입계 부식 저항성을 평가하기 위하여 2종류의 실험이 이용되었다. 전자는 EPR(Electropotentiokinetic reactivation) 실험(Corrosion vol 40 1984, 584-593)이며, 후자는 Modified strauss test(ASTMA262-91A-F)이다. 전자의 실험을 위하여 2M H2SO₄+ 0.5M NaCl + 0.05M KSCN 용액이 사용되었다. 전자는 입계 부식 저항성을 정량화 하기 위한 실험으로 EPR 값이 낮을수록 저항성이 우수함을 의미한다. 반면 후자는 많이 사용되는 실험 방법으로 입계 부식의 발생 유무를 확인하기 위해 사용되는 실험 법이다. 입계 부식성 평가를 위하여 입계 부식 저항성 실험에 사용된 모든 시편은 실험 전에 620℃에서 10 분간 예민화 열처리를 실시하였다. 상기 실험재의 경우 안정화비가 증가할수록 EPR값은 감소하였다. Strauss test 결과에 따르면 안정화 비((Ti+Nb)/(C+N))가 약9 경우(비교재 1) 에도 예민화가 발생하지 않은 것으로 보아 안정화비가 9이면 예민화를 방지하기에 충분할 것으로 판단된다. 또한 안정화 원소(Ti,Nb)를 첨가하지 않은 경우(비교재 19, 20) 에도 상용재에 비해 EPR 값이 낮았을 뿐만 아니라 그 값이 안정화비가 9인 강과 유사한 것으로 보아 입계부식에 대한 저항성은 우수하였다. 일반적으로 안전화 원소가 입계부식을 방지하기 위한 최소양 이상으로 과첨가되어도 입계부식성에는 큰 변화가 없으나 본 발명강의 경우 인성 저하가 발생되므로 가능한 안정화 원소를 적게 첨가하는 것이 요구된다. 그러므로 인성과 입계 부식성을 고려하여 안정화비를 9이하로 하였다.

표 3은 합금 원소의 변화에 따른 틈 부식 저항성을 측정하기 위해 인위적으로 틈을 만들어서 30, 32.5℃ FeCl₃용액(ASTMG48A)에서 실시하였다. 틈 부식 저항성은 개재물 함량이 감소함에 따라 증가하였다. 특히 Al원소의 단독 첨가시 틈부식 저항성은 비교재(1,20)에 비해 증가하였으나 그 정도는 Al함량이 높을 수록(10,11) 비교적 양호하였고, 낮을 수록(8,9) 미비하였다. 또한 Cu 단독 첨가(13)시에도 미비하였다. 그러나 Al과 Cu를 복합 첨가한 발명재(16)는 그 틈부식 저항성은 매우 우수하게 나타났다.

도 1은 염수 분위기에서 내식성을 측정하기 위하여 40℃ 2.5M NaC1 용액에서 분극실험을 통하여 공식전위 및 부동태피막에서 전류를 측정하였다. Cu, Al이 복합 첨가된 발명재(Heat No. 16, 18)의 공식전위가 가장 높고 부동태피막에서 전류가 가장 작았다. 즉 두 원소를 복합 첨가시 해수부식 저항성이 가장 우수하였다.

도 2는 안정화 원소 및 불순물이 전체 함량(C+N+O+Nb+Ti)에 따른 인성의 변화를 나타내었다. 여기서 연성 취성 천이온도(DBTT)가 낮을수록 인성이 높음을 의미한다. 인성은 상기 예민화 열처리된 시편 모두에 대해 측정하였다. 이들 농도의 함량이 0.15% 이상에서는 DBTT가 상온에 도달하였으므로 이들 전체 농도의 합이 0.15% 이하로 줄이는 것이 요구된다.

표 4는 해안가 분위기에서 실험재로서 비교재인(1,3,6,6,10,13,20), 발명재인(16) 및 상용재인(21,22)를 대기부식 저항성을 측정하기 위하여 해안선으로부터 30m 떨어진바닷가(포항, 월포)에서 3달간 폭로실험을 실시하였다. 부식정도는 표면 백색도의 감소 정도를 측정하여 판단하였다. 폭로전의 소재의 백색도를 100의 상대적인 값으로 환산후 상대적인 변화량을 측정하였다. 즉 백색도가 100%인 경우 부식이 발생하지 않음을 의미하며 백색도가 감소할수록 부식이 가속됨을 의미한다. 개재물 함량이 감소하고 안정화 원소 함량이 증가함에 따라 내식성은 개선되었다. 표3과 도 1에 각각 나타낸 것처럼 Al 첨가가 틈부식성 및 내식성을 향상시킨다는 사실은 표 4에 나타난 것 처럼 Al 단독 첨가강인 비교재(10)가 대기 내구성(대기 부식 저항성)을 향상시킨다는 실험결과를 잘 설명해주고 있다. 그러나 Cu의 단독첨가강인 비교재(13)은 틈부식성 및 내식성을 저하시킨다는 결과(표3, 도 1)와 상이하게 대기 내구성을 더 향상시켰다. 위의 상이한 결과는 다음의 원인에 기인한다. 즉 Cu가 부동태 피막의 형성에 참여하지 않기 때문에 틈부식 및 부동태 영역에서 저항성은 저하되지만 Cu는 활성화영역 및 이산화황 분위기에서 강한 내식성을 나타내기 때문에 대기 부식성에 강한 저항성을 지니는 것으로 생각된다. 따라서 Cu 및 Al이 복합 첨가된 발명재(16)가 가장 우수한 대기 내구성을 나타내었는데 이는 이들 각 첨가 원소의 영향이 복합적으로 나타났기 때문이다.

본 발명에서는 기존 페라이트강에 추가의 정련설비 및 Cr, Mo 함량이 감소없이 미세합금원소를 첨가시켜 내식성 및 인성을 향상시킴과 동시에 Al과 Cu를 복합첨가하여 대기내구성 및 내해수성을 증가시킨 효과가 있다.

Claims (1)

1. 페라이트계 스테인레스강에 있어서, 화학조성이 중량%로, C: 0.01% 이하, N: 0.02% 이하, Si: 0.5% 이하, Mn: 0.5% 이하, P: 0.03%이하, S: 0.004%이하, O: 0.01%이하, Ti: 0.18%이하, Nb: 0.18%이하, Cu: 1.0%이하, Al: 0.03∼0.13%, Mo: 4%이하, Cr:21∼35%를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,

   %(Ti+Nb) < 9×(C+N), C+N < 0.03% 의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 해수부식 저항성이 우수한 고크롬 페라이트계 스테인레스강.

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