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KR101851245B1 - 용접부 저온인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 - Google Patents

용접부 저온인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 Download PDF

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KR101851245B1
KR101851245B1 KR1020160078714A KR20160078714A KR101851245B1 KR 101851245 B1 KR101851245 B1 KR 101851245B1 KR 1020160078714 A KR1020160078714 A KR 1020160078714A KR 20160078714 A KR20160078714 A KR 20160078714A KR 101851245 B1 KR101851245 B1 KR 101851245B1
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Abstract

용접부 저온인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강에 따르면, 중량%로, Cr: 9~30%, N: 0.015% 미만, Al: 0.005~0.04%, Ti: 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 하기 식 (1)을 만족하며, 최대지름이 0.05 내지 5㎛인 산화물이 9개/mm2 이상의 분포밀도를 가지는 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물을 포함한다. 따라서, 스테인리스강의 모재 내 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물의 크기 및 분포밀도를 제어할 수 있으며, 이에 따라 용접부 응고조직을 충분히 미세화 할 수 있어, 페라이트계 스테인리스강의 성형성 및 용접부 저온인성을 개선할 수 있다.
Ti > (0.0065Cr+0.38N+8.3Al) ------ 식 (1)

Description

용접부 저온인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강{FERRITIC STAINLESS STEEL HAVING EXCELLENT LOW TEMPERATURE TOUGHNESS OF WELDED JOINT}
본 발명은 페라이트계 스테인리스강에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 용접부 저온인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강에 관한 것이다.
페라이트계 스테인리스강의 주요 용도는 자동차 배기계용 부품으로, 주로 프레스 가공을 통한 성형과 이러한 가공품을 용접, 또는 용접된 파이프를 확관 및 성형을 통해 최종 제품을 만든다. 따라서, 자동차 배기계용 페라이트계 스테인리스강의 중요한 요구 조건으로 용접부 가공특성을 들 수 있다.
페라이트계 스테인리스 강의 용접과정은 통상적으로 아크열을 이용하여 모재를 용해하고, 이때 용해된 금속이 급냉되면서 응고조직이 형성되는데, 그 응고조직의 결정립 크기 및 형상이 용접부의 가공성에 큰 영향을 미친다.
특히, 자동차 배기계용 용접법은 입열량이 크고 범위가 넓어 용접부 결정립 조대화로 인하여, 이후 가공시 균열 발생 확률이 높아진다. 뿐만 아니라 용접부 결정립 조대화는 저온인성 특성을 저해하는 특징이 있으며, 특히 겨울철 제품 가공시 용접부 크랙 발생율이 급격히 증가하는 문제점이 있다.
따라서, 자동차 배기계 부품의 용접부 특성을 만족하기 위해서는 용융부의 응고조직 미세화가 필요함을 알 수 있었다.
응고조직 미세화 기술로는, 저온주조 방법 및 전자교반 장치(Electro Magnetic Stirring) 등이 사용되고 있으나, 이러한 기술들은 모재의 응고조직을 미세화는 가능하나, 용접시 용융부의 응고조직 미세화에 대해서는 효과가 없다.
특히, 용접부의 응고조건은 통상 응고조건 대비 냉각속도가 빨라 주상정으로 성장이 유리하므로 응고조직이 조대해지는 특징이 있다. 따라서 용접부 응고조직을 미세화하기 위해서는 불균일 핵생성을 조장함으로써 가능한데, 용접시 재용해된 용융부가 다시 응고될 때 잔존하는 산화물에 의해 불균일 핵생성이 일어나 등축정의 핵생성 및 성장이 촉진되어 응고조직이 미세화될 것으로 예상하였다.
페라이트계 스테인리스강의 산화물을 활용한 불균일 핵생성에 대한 일 예로, 선행문헌 1에서는 Al-Mg계 개재물을 활용하여 모재 조직을 미세화하는 기술을 개시하고 있으며, 선행문헌 2에서는 Ti 및 Ca를 포함하는 복합 산화물을 주체로 하여 스테인리스강을 제조하는 기술을 개시하였다. 뿐만 아니라, 선행문헌 3에서는 MgO, MgO-Al2O3를 생성하여 모재 조직을 확보할 수 있다고 개시하고 있다.
그러나, 상기의 선행문헌 1 내지 3은 모재에 대한 응고조직 미세화에 중점이 있으며, 용접부의 응고조직에 대한 산화물의 조성 또는 산화물의 크기 개수에 대해서는 고려하지 않고 있다. 특히, 용접부의 경우 통상 주조조직과는 다르게 용융온도가 높기 때문에 산화물의 재용해로 효력을 상실할 수 있고, 또한 냉각속도가 빠르기 때문에 미세화를 위한 산화물의 크기 제어가 요구되는 특징이 있다. 따라서 상기 선행문헌들의 경우는 용접부의 응고조직 미세화를 위한 바람직한 방법이라고 할 수 없다.
(선행문헌 1) 한국 공개특허공보 제10-2011-0074217호 (2011.06.30 공개) (선행문헌 2) 일본 공개특허공보 제2000-001715호 (2000.01.07 공개) (선행문헌 3) 일본 공개특허공보 제2001-254153호 (2001.09.18 공개)
본 발명의 실시예들은 스테인리스강의 모재 조직 및 용접부 응고조직의 미세화를 통하여 스테인리스강의 성형성 및 용접부 저온인성을 개선할 수 있는 페라이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 저온인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강은, 중량%로, Cr: 9~30%, N: 0.015% 미만, Al: 0.005~0.04%, Ti: 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 하기 식 (1)을 만족하며, 최대지름이 0.05 내지 5㎛인 산화물이 9개/mm2 이상의 분포밀도를 가지는 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물을 포함한다.
Ti > (0.0065Cr + 0.38N + 8.3Al) ------ 식 (1)
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, C: 0.02% 미만, Si: 0.01~0.5%, Mn: 0.01~0.5%, S: 0.01% 미만, P: 0.04% 미만, Ca: 0.0001~0.003%를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, Mo: 0.1~2.0%, Ni: 0.1~2.0% 및 Cu: 0.1~2.0%로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물은 하기 식 (2)를 만족할 수 있다.
%(TiO2) + %(CaO) ≥ 40 ------ 식 (2)
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물은 하기 식 (3) 내지 (5)를 만족할 수 있다.
%(TiO2) + %(CaO) + %(Al2O3) ≥ 80 ------ 식 (3)
(%(TiO2) + %(CaO))/(%(TiO2) + %(CaO) + %(Al2O3)) ≥ 0.4 ------ 식 (4)
0.3 ≤ %(CaO)/%(TiO2) ≤ 0.8 ------ 식 (5)
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 용접부 응고조직의 결정립 평균직경은 90㎛ 이하 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 용접부 DBTT는 -65℃ 이하 일 수 있다.
본 발명의 실시예들은 페라이트계 스테인리스강의 성분계 제어를 통하여, 스테인리스강의 모재 내 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물의 크기 및 분포밀도를 제어할 수 있으며, 이에 따라 용접부 응고조직을 충분히 미세화 할 수 있어, 페라이트계 스테인리스강의 성형성 및 용접부 저온인성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 응고조직을 나타내는 사진이다.
도 2는 비교예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 응고조직을 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 응고조직 결정립 중심부의 핵생성 개재물 성분 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 응고조직의 평균 결정립 크기를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 응고조직의 평균 결정립 크기에 따른 산화물의 평균 조성 중 %(CaO+TiO2)를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 충격에너지를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 DBTT를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
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 용접부 저온인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강은, 중량%로, Cr: 9~30%, C: 0.02% 이하, N: 0.015% 이하, Al: 0.005~0.04%, Si: 0.01~0.5%, Mn: 0.01~0.5%, S: 0.01% 이하, P: 0.04% 이하, Ca: 0.0001~0.003%, Ti: 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
Cr의 양은 9~30%이다. Cr의 함량이, 9% 미만의 경우 스테인리스 강으로써의 내식성이 불충분하고, 30% 초과인 경우 성형성이 저하되는 바, 따라서, 이의 함량 범위는 9~30%인 것이 바람직하다.
C의 양은 0.02% 이하이다. C는 침입형 원소로써, 첨가량이 증가할 경우 연신율 저하에 따라 성형시 가공성이 저하되기 때문에 최대값을 0.02%로 한정하였다. 바람직하게는, 함량의 하한은 제강 조업 과정에서의 비용을 고려하여 0.002%로 정하였다. 따라서, 이의 함량 범위는 0.002~0.02%인 것이 바람직하다.
N의 양은 0.015% 이하이다. N은 침입형 원소로써, 첨가량이 증가할 경우 연신율 저하에 따라 성형시 가공성이 저하되기 때문에 최대값을 0.015%로 한정하였다. 바람직하게는, 함량의 하한은 제강 조업 과정에서의 비용을 고려하여 0.002%로 정하였다. 따라서, 이의 함량 범위는 0.002~0.015%인 것이 바람직하다.
Al의 양은 0.005~0.04%이다. Al의 경우 탈산 원소로써 반드시 필요하지만, 다량 첨가될 경우 무효한 산화물의 형성으로 용접부 결정립 조대화를 억제하지 못하기 때문에 저온인성을 개선하기 어렵다. 따라서 탈산효과를 고려하여 최소 0.005% 이상을 포함하면서, 용접부 결정립 미세화를 위해 최대값을 0.04%로 한정하였다. 따라서, 이의 함량 범위는 0.005~0.04%인 것이 바람직하다.
Si의 양은 0.01~0.5%이다. Si는 내식성의 측면에서 첨가되는 원소로서 0.01% 미만이면 충분한 내식성을 얻기 어려우나, 0.5% 초과시 소재의 불순물이 증가하여 연신율과 가공경화지수(n값)가 떨어지고 Si계 개재물이 증가하여 가공성이 나빠진다. 따라서, 이의 함량 범위는 0.01~0.5%인 것이 바람직하다.
Mn의 양은 0.01~0.5%이다. Mn은 내식성의 측면에서 첨가되는 원소로서 0.01% 미만이면 충분한 내식성을 얻기 어려우나, 0.5% 초과시 소재의 불순물이 증가하여 연신율과 내식성이 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 이의 함량 범위는 0.01~0.5%인 것이 바람직하다.
S의 양은 0.01% 이하이다. S의 함량은 내식성의 측면에서 낮은 것이 바람직하다. 바람직하게는, 함량의 하한은 제강 조업 과정에서의 비용을 고려하여 0.0001%로 정하였다. 따라서, 이의 함량 범위는 0.0001~0.01%인 것이 바람직하다.
P의 양은 0.04% 이하이다. P의 함량은 내식성의 측면에서 낮은 것이 바람직하다. 바람직하게는, 함량의 하한은 제강 조업 과정에서의 비용을 고려하여 0.0001%로 정하였다. 따라서, 이의 함량 범위는 0.0001~0.04%인 것이 바람직하다.
Ca의 양은 0.0001~0.003%이다. Ca의 경우, 탈산 원소로써 본 발명의 유효 산화물 형성에 중요한 원소이다. 하지만 다량 포함될 경우 유효산화물의 형성을 억제하고, 또한 내식성에도 불리하게 작용하므로 최대값을 0.003%로 정하였으며, 최소값은 유효산화물 형성을 위한 최소값인 0.0001%로 정하였다. 따라서, 이의 함량 범위는 0.0001~0.003%인 것이 바람직하다.
Ti의 양은 0.1~0.5%이다. Ti의 경우, C, N와 우선적으로 결합해 내식성의 저하를 억제하는 석출물을 형성하나, Ti의 양이 0.1% 미만이면 본 발명에서 목적하는 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물의 성분, 크기 및 분포밀도를 달성할 수 없으며, Ti의 양이 0.5%를 초과하면 TiN과 같은 고융점 질화물로 인하여 최종 제품에 개재물에 의한 선형 결함들이 발생하고 연주 슬라브 제조시 노즐이 막히며, 가공성이 저하되는 문제점이 있다.
Ti의 경우 본 발명의 유효산화물을 결정짓는 가장 중요한 원소이며, 일련의 실험을 통해 후술할 본 발명에서의 유효산화물의 성분과 크기 및 분포밀도를 만족하기 위한 최소 Ti 의 함량을 결정할 수 있었다. 본 발명에서 고려된 Ti 최소값은 상기 성분을 만족하는 범위에서의 Cr함량과 N 함량 그리고 Al 함량에 따라 영향을 받게 되며, 하기 식 (1)을 만족해야만 한다.
Ti > (0.0065Cr + 0.38N + 8.3Al) ------ 식 (1)
상기 식 (1)을 만족하지 못하는 경우, 본 발명에서 목적하는 산화물의 성분, 크기 및 분포밀도를 달성할 수 없다. 즉, 상기 식 (1)을 벗어나는 범위를 가지는 스테인리스강의 용접부 응고조직의 결정립 평균직경이 100㎛ 초과이며, 연성취성 천이온도(DBTT)가 -65℃를 초과하게 되어 저온 인성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 저온인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강은, 중량%로, Mo: 0.1~2.0%, Ni: 0.1~2.0% 및 Cu: 0.1~2.0%로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
Mo의 양은 0.1~2.0%이다. Mo은 스테인리스강의 내식성을 증가시키기 위한 조성으로 추가적으로 첨가될 수 있으며, 과량 첨가될 경우 충격 특성이 저하되어 가공시 파단 발생 위험이 커지며 소재의 원가가 증가될 수 있는 바, 본 발명에서는 이를 고려하여 Mo의 조성비를 0.1 내지 2.0%로 제한하는 것이 바람직하다.
Ni의 양은 0.1~2.0%이다. Ni은 내식성을 향상시키는 원소이며 다량 첨가하게 되면 경질화된 뿐만 아니라 응력부식균열이 발생될 우려가 있으므로 2.0% 이하로 하는 것이 바람직하다.
Cu의 양은 0.1~2.0%이다. Cu는 내식성 개선을 위해 0.1~1.0 중량% 이하를 함유하는 것이 좋다. 그러나, 1.0 중량%를 넘게 되면 가공성이 저하하는 문제점이 있다.
페라이트계 스테인리스강은, 상기의 성분계를 만족하는 스테인리스강을 전기로(EAF), 정련로(AOD), 성분조정(LT), 턴디쉬, 연속주조 공정을 거쳐 주편을 제조한 후, 열간 압연, 소둔, 냉간 압연, 소둔을 거쳐, 냉연 코일로 제조될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 응고조직을 나타내는 사진이다. 도 2는 비교예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 응고조직을 나타내는 사진이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 응고조직 결정립 중심부의 핵생성 개재물 성분 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 용접부 영역의 응고조직 차이의 원인을 확인하기 위해 전자현미경으로 등축정의 중심부의 핵생성 개재물을 정밀 관찰한 결과, 도 3에서 실시예의 경우와 같이 구형의 산화물 또는 산화물과 이를 둘러싼 TiN이 관찰되며, 상기 구형의 산화물을 전자투과현미경을 통해 면밀히 관찰하여 보면 결정질의 CaO-TiO2 상과 비정질의 Al2O3-MgO 상으로 존재하고 있음을 알 수 있었다. 반면, 비교예의 경우, 산화물이 없거나 또는 TiN 내에 구형의 산화물이 존재하나, 산화물의 대부분은 Al2O3-MgO 상으로 존재함을 확인할 수 있었다. 따라서, 상기의 결과로부터 용접부의 응고조직의 등축정 또는 TiN의 핵생성 사이트로써 CaO-TiO2 상이 유리하다는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 실시예에 따르면, 용접부 응고조직을 미세화하기 위한 방안으로 높은 용접열에서도 용강 중으로 재용해되지 않고 고상으로 잔류하여 용접부의 용융 금속이 응고될 때, 델타(δ)-페라이트의 유효한 핵생성 사이트를 제공 할 수 있는 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물을 포함한다. 또한, 이러한 산화물이 용접부의 응고조직을 충분히 미세화하기 위해서는 그 크기와 분포 밀도가 확보되어야 함을 확인하였다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 저온인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강은, 최대지름이 0.05 내지 5㎛인 산화물이 9개/mm2 이상의 분포밀도를 가지는 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물을 포함한다.
상기 페라이트계 스테인리스강이 포함하는 상기 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물의 최대지름이 0.05㎛ 미만인 경우, 산화물이 너무 작아서 델타(δ)-페라이트의 유효한 핵생성 사이트로서 역할을 할 수 없으며, 5㎛ 초과인 경우, 부상분리가 촉진되어 그 잔류수가 작아 핵생성 사이트로 충분한 역할을 할 수 없어 용접부 응고조직의 결정립 평균직경이 90㎛ 초과하게 된다.
상기 페라이트계 스테인리스강이 포함하는 상기 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물의 분포밀도가 9개/mm2 미만인 경우, 충분한 델타(δ)-페라이트의 유효한 핵생성 사이트를 제공 할 수 없어 추후 용접부 응고조직의 결정립 평균직경이 90㎛ 초과하게 되며, 이에 따라, 연성취성 천이온도(DBTT)가 -65℃를 초과하게 되어 저온 인성이 저하되는 문제점이 있다.
예를 들어, 상기 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물은 TiO2, CaO, Al2O3, MgO 등을 포함하는데, 이 때, 상기 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물은 하기 식 (2)를 만족한다.
%(TiO2) + %(CaO) ≥ 40 ------ 식 (2)
상기 식 (1)에 따른 Ti 최소값을 만족하는 경우, 상기 식 (2)를 만족하게 되며, 상기 식 (1)에 따른 Ti 최소값을 만족하지 못하는 경우, 상기 식 (2)를 만족할 수 없다. 즉, 상기 식 (1)에 따른 Cr함량, N 함량 및 Al 함량의 조건에 따라 Ti 값을 제어함으로써 , 상기 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물 중 %(TiO2) 및 %(CaO)의 합이 40% 이상이 될 수 있다. 이에 따라, 용접부의 응고조직의 등축정 또는 TiN의 핵생성 사이트로써 유리한 CaO-TiO2 상을 다량 확보하여 용접부 응고조직의 결정립 평균직경을 미세화할 수 있으며, 저온 인성을 개선할 수 있다.
예를 들어, 상기 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물은 하기 식 (3) 내지 (5)를 만족한다.
%(TiO2) + %(CaO) + %(Al2O3) ≥ 80 ------ 식 (3)
(%(TiO2) + %(CaO))/(%(TiO2) + %(CaO) + %(Al2O3)) ≥ 0.4 ------ 식 (4)
0.3 ≤ %(CaO)/%(TiO2) ≤ 0.8 ------ 식 (5)
상기 식 (3)에 따르면, Al 탈산시 개재물은 Al-Ca-Ti-Mg-O계로써 이중 %(TiO2), %(CaO) 및 %(Al2O3)의 총합 비율이 80% 이상 되어야 한다. %(TiO2), %(CaO) 및 %(Al2O3)의 총합 비율이 80% 미만인 경우, MgO rich 산화물이나 Al2O3-MgO계 산화물로 안정화되어 핵생성에 유효한 CaO-TiO2상이 형성될 수 없다.
상기 식 (4)에 따르면, 식 (2) 및 식 (3)에 따른 %(TiO2) 및 %(CaO)의 총합 비율에 대한, %(TiO2), %(CaO) 및 %(Al2O3)의 총합 비율을 설정한 것으로서, 보다 용접부의 응고조직의 등축정 또는 TiN의 핵생성 사이트로써 유리한 CaO-TiO2 상을 다량 확보하기 위한 것으로, 이의 비율이 0.4 미만인 경우, CaO-TiO2 상의 비율이 줄어들어, 충분한 용접부 응고조직 결정립 평균직경의 미세화가 어려운 문제점이 있다.
상기 식 (5)에 다르면, 상기 식 (3) 및 식 (4)를 만족하더라도, %(CaO)/%(TiO2) 비가 0.3 미만인 경우 산화물 조성은 핵생성에 유리한 CaO-TiO2를 충분히 확보할 수 없으며, %(CaO)/%(TiO2) 비가 0.8 초과인 경우 산화물 조성은 CaO-Al2O3의 조대한 저융점 산화물로 천이하여 핵생성에 무효한 산화물로 천이되는 문제점이 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 상기 식 (2) 내지 식 (5)를 만족하며, 최대지름이 0.05 내지 5㎛인 산화물이 9개/mm2 이상의 분포밀도를 가지는 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물을 포함한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 응고조직의 평균 결정립 크기를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 응고조직의 평균 결정립 크기에 따른 산화물의 평균 조성 중 %(CaO+TiO2)를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따른 페라이트계 스테인리스강들의 용접부 응고조직 결정립 평균직경을 측정한 것이다. 즉, 실시예들과 비교예들의 용접부의 등축정 크기를 비교한 결과, 실시예들의 경우 비교예들 대비 약 40% 정도 등축정 크기가 미세해진 것을 확인 할 수 있었다. 구체적으로, 실시예들에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 응고조직의 결정립 평균직경은 90㎛ 이하임을 알 수 있다. 다만, 비교예들에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 응고조직의 결정립 평균직경은 90㎛ 초과이며, 구체적으로는 100㎛ 초과임을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른, 상기 페라이트계 스테인리스강의 용접부 응고조직의 결정립 평균직경은 90㎛ 이하일 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따른 페라이트계 스테인리스강들의 산화물의 평균 조성 중 %(CaO+TiO2)를 SEM-EDS 분석장치를 활용하여 측정한 것이다.
즉, 용접부 결정립 크기와 산화물 조성, 특히 CaO- TiO2 상의 소스인 CaO상과 TiO2상의 합과의 상관 관계에 대해 조사한 결과, %(CaO+TiO2)가 40% 이상인 경우, 용접부 결정립 크기가 90㎛ 이하를 확보할 수 있어 미세화가 가능함을 알 수 있으며, %(CaO+TiO2)가 40% 미만인 경우, 용접부 결정립이 조대해지는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 충격에너지를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 용접부 DBTT를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 실시예 및 비교예에 따른 용접부 충격에너지를 비교한 그래프이다. 그래프로부터 연성취성천이온도(DBTT)를 구할 수 있으며, 실시예의 경우 -74 ℃, 비교예의 경우 -54 ℃로 평가되었다. 즉 각각의 DBTT 온도를 기준으로 파괴거동이 연성파괴에서 취성파괴로 바뀌게 되며, 이는 온도가 낮은 조건에서의 용접부 가공시 크랙 발생의 주 원인이 된다. 따라서 DBTT는 낮은 것이 바람직하다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따른 페라이트계 스테인리스강들의 용접부 DBTT를 측정한 것이다. 즉, 실시예들의 경우 비교예들 대비 DBTT가 약 20 ℃ 정도 낮은 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른, 상기 페라이트계 스테인리스강의 용접부 DBTT는 -65℃ 이하일 수 있다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
실시예 1 내지 12
하기 표 1의 실시예1 내지 12에 따른 모재 성분계를 포함하는 스테인리스강을 전기로(EAF)-정련로(AOD)-성분조정(LT)-턴디쉬(Tundish)-연속주조 공정을 거쳐 주편을 제조한 후, 열간 압연 및 냉간 압연을 통해 두께 1.2mm의 강판을 제조하였다.
비교예 1 내지 12
하기 표 1의 비교예1 내지 8에 따른 모재 성분계를 포함하는 스테인리스강을 전기로(EAF)-정련로(AOD)-성분조정(LT)-턴디쉬(Tundish)-연속주조 공정을 거쳐 주편을 제조한 후, 열간 압연 및 냉간 압연을 통해 두께 1.2mm의 강판을 제조하였다.
(wt%) Cr C Si Mn P S Al Mo N Ti 식 (1)
실시예1 17.34 0.006 0.16 0.17 0.0229 0.0006 0.037 0.008 0.009 0.425 0.42
실시예2 17.61 0.005 0.11 0.15 0.0232 0.0006 0.023 0.006 0.006 0.320 0.31
실시예3 17.48 0.006 0.11 0.14 0.0212 0.0011 0.021 0.007 0.008 0.301 0.29
실시예4 17.48 0.005 0.14 0.15 0.0250 0.0004 0.021 0.005 0.007 0.318 0.29
실시예5 17.55 0.005 0.12 0.14 0.0252 0.0009 0.028 0.004 0.009 0.384 0.35
실시예6 17.56 0.006 0.12 0.11 0.0168 0.0011 0.017 0.003 0.007 0.290 0.26
실시예7 17.40 0.005 0.15 0.12 0.0219 0.0002 0.018 0.002 0.009 0.296 0.26
실시예8 17.54 0.007 0.18 0.15 0.0251 0.0003 0.019 0.001 0.009 0.314 0.28
실시예9 18.33 0.005 0.13 0.18 0.0198 0.0006 0.020 1.23 0.009 0.320 0.28
실시예10 18.00 0.004 0.15 0.13 0.0220 0.0003 0.018 1.21 0.009 0.322 0.27
실시예11 11.20 0.008 0.16 0.13 0.0231 0.0003 0.016 0.002 0.006 0.230 0.21
실시예12 11.15 0.004 0.16 0.18 0.0190 0.0002 0.017 0.003 0.009 0.220 0.21
비교예1 18.35 0.009 0.20 0.14 0.0269 0.0006 0.037 1.24 0.009 0.263 0.43
비교예2 17.46 0.007 0.15 0.13 0.0188 0.0009 0.038 1.22 0.007 0.304 0.43
비교예3 11.38 0.004 0.14 0.14 0.0202 0.0006 0.025 0.003 0.005 0.250 0.28
비교예4 11.37 0.004 0.12 0.15 0.0205 0.0005 0.022 0.003 0.004 0.210 0.26
비교예5 17.59 0.006 0.16 0.11 0.0241 0.0002 0.020 0.002 0.006 0.240 0.28
비교예6 17.46 0.006 0.17 0.16 0.0211 0.0007 0.020 0.005 0.006 0.250 0.28
비교예7 17.57 0.006 0.14 0.15 0.0254 0.0008 0.018 0.003 0.007 0.245 0.27
비교예8 18.35 0.007 0.17 0.17 0.0165 0.0008 0.015 0.003 0.007 0.245 0.25
이후, 상기 실시예들 및 비교예들에 따라 제조된 강판의 용접 특성을 평가하기 위하여 GTA공정으로 용접을 한 후, 용접부의 결정립 크기, 용접부 단면 및 표면 분석, 경도 분석, 에릭슨 테스트, 용접부 충격 에너지 등을 조사하였다. 주요 영향인자로 용강 성분과 그에 따른 내부 산화물의 종류 및 크기 분포에 대해 조사하여 하기 표 2 및 표 3에 나타내었다.
여기서 산화물의 종류 및 크기 분포는 SEM-EDS장치를 활용하여 측정하였으며, 분석 방법은 최종 제품의 단면에 대해 가로 1 mm, 세로 1 mm 면적에 대해 1,000배 이상의 배율에서 자동으로 산화물의 크기 및 성분을 측정하는 방식으로 적어도 5 영역 이상을 측정하여 평균한 값을 나타내었다. 측정된 산화물의 최대지름은 5㎛이며, 그 이상의 지름을 가진 산화물 개수는 대부분 1개/mm2 이하이며, 핵생성에도 무효하므로 계산에서 제외하였다.
산화물개수 (개/mm2) 용접부 결정립 평균직경 (㎛) DBTT (℃)
실시예1 13 77 -76.0
실시예2 15 80 -73.0
실시예3 12 79 -81.0
실시예4 19 69 -70.0
실시예5 15 80 -76.0
실시예6 12 79 -77.0
실시예7 15 87 -74.0
실시예8 18 75 -70.0
실시예9 13 68 -75.0
실시예10 16 75 -79.0
실시예11 11 75 -73.0
실시예12 13 75 -72.0
비교예1 6 115 -53.0
비교예2 3 117 -54.0
비교예3 5 118 -55.0
비교예4 1 129 -52.0
비교예5 3 125 -56.0
비교예6 5 105 -57.0
비교예7 3 117 -52.0
비교예8 3 104 -51.0
%(TiO2) + %(CaO) %(TiO2) + %(CaO) + %(Al2O3) (%(TiO2) + %(CaO))/(%(TiO2) + %(CaO) + %(Al2O3)) %(CaO)/%(TiO2)
실시예1 49 84 0.6 0.4
실시예2 57 91 0.6 0.5
실시예3 66 91 0.7 0.5
실시예4 59 92 0.6 0.4
실시예5 45 86 0.5 0.4
실시예6 48 93 0.5 0.5
실시예7 56 93 0.6 0.4
실시예8 61 91 0.7 0.4
실시예9 50 87 0.6 0.5
실시예10 65 91 0.7 0.4
실시예11 49 86 0.6 0.5
실시예12 57 88 0.6 0.4
비교예1 11 66 0.2 2.4
비교예2 10 72 0.1 1.8
비교예3 15 74 0.2 2.6
비교예4 14 77 0.2 2.5
비교예5 18 79 0.2 3
비교예6 18 76 0.2 1.8
비교예7 22 81 0.3 1.7
비교예8 26 84 0.3 1.5
상기의 실시예들을 통하여 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 성형성 및 저온인성을 확보하기 위하여 성분계가 포함되더라도 식 (1)을 벗어나는 경우, 식 (2) 및 산화물의 개수를 얻을 수 없으며, 이에 따라 결정립 미세화 및 용접부 저온인성을 확보할 수 없게 됨을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 뿐만 아니라 식 (3) 내지 식 (5)를 만족하는 페라이트계 스테인리스강을 통하여 목적하는 산화물 조성, 크기 및 분포 밀도를 얻을 수 있어, 결정립 미세화 및 용접부 저온인성을 확보할 수 없게 됨을 알 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.

Claims (7)

  1. 중량%로, Cr: 9~30%, N: 0.015% 미만, Al: 0.005~0.04%, Ti: 0.1~0.5%, C: 0.02% 미만, Si: 0.01~0.5%, Mn: 0.01~0.5%, S: 0.01% 미만, P: 0.04% 미만, Ca: 0.0001~0.003%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 하기 식 (1) 및 (2)을 만족하며, 최대지름이 0.05 내지 5㎛인 산화물이 9개/mm2 이상의 분포밀도를 가지는 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물을 포함하는 용접부 저온인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.
    Ti > (0.0065Cr+0.38N+8.3Al) ------ 식 (1)
    %(TiO2) + %(CaO) ≥ 40 ------ 식 (2)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    Mo: 2.0% 미만(0은 제외), Ni: 0.1~2.0% 및 Cu: 0.1~2.0%로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 용접부 저온인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 Al-Ca-Ti-Mg-O계 산화물은 하기 식 (3) 내지 (5)를 만족하는 용접부 저온인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.
    %(TiO2) + %(CaO) + %(Al2O3) ≥ 80 ------ 식 (3)
    (%(TiO2) + %(CaO))/(%(TiO2) + %(CaO) + %(Al2O3)) ≥ 0.4 ------ 식 (4)
    0.3 ≤ %(CaO)/%(TiO2) ≤ 0.8 ------ 식 (5)
  6. 제1항에 있어서,
    용접부 응고조직의 결정립 평균직경은 90㎛ 이하인 용접부 저온인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.
  7. 제1항에 있어서,
    용접부 DBTT는 -65℃ 이하인 용접부 저온인성이 우수한 페라이트계 스테인리스강.

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