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KR102135158B1 - 가공성과 고온강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 - Google Patents

가공성과 고온강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 Download PDF

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KR102135158B1
KR102135158B1 KR1020180112482A KR20180112482A KR102135158B1 KR 102135158 B1 KR102135158 B1 KR 102135158B1 KR 1020180112482 A KR1020180112482 A KR 1020180112482A KR 20180112482 A KR20180112482 A KR 20180112482A KR 102135158 B1 KR102135158 B1 KR 102135158B1
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Abstract

성분계 조성 및 석출물 분포 제어를 통해 가공성 및 고온강도가 향상된 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가공성과 고온강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.0005 내지 0.02%, N: 0.005 내지 0.02%, Si: 0.01 내지 1.0%, Mn: 0.01 내지 1.2%, P: 0.001 내지 0.05%, Cr: 10.0 내지 25.0%, Mo: 1.5 내지 3.0%, Nb: 0.3 내지 0.7%, W: 0.5 내지 2.0%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 평균 직경 0.5㎛ 이하인 석출물 개수가 105개/㎟ 이하이다.

Description

가공성과 고온강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 {FERRITIC STAINLESS STEEL EXCELLENT IN WORKABILITY AND HIGH TEMPERATURE STRENGTH AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 가공성과 고온강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강에 대한 것으로, 보다 상세하게는 성분계 조성 및 석출물 분포 제어를 통해 가공성 및 고온강도를 향상시킬 수 있는 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
페라이트계 스테인리스강은 고가의 합금원소가 적게 첨가되면서도 내식성이 뛰어나서, 오스테나이트계 스테인리스강에 비하여 가격 경쟁력이 높은 강재이다. 페라이트계 스테인리스강은 배가스 온도 800℃ 이상의 배기계 부품 등(exhaust-manifold, collector cone)에 사용된다. 자동차 배기계 Exhaust Manifold는 800℃ 이상의 고온의 배기가스에 직접 노출되는 환경으로 장시간의 가동환경에서 매우 높은 안전성이 요구된다. 그렇기 때문에 기존에 고온 특성을 개선하는 합금 성분 및 제조방법에 대한 많은 연구들이 행해져 왔다.
그동안 고온 특성을 향상시키는 원소인 Mo, Nb 등의 합금의 영향에 대한 연구는 많이 진행되었지만, 실질적으로 고온에서 소재 내부에 발생하는 결정립과 석출물들이 고온 물성에 미치는 영향에 대한 파악은 미진한 상태이다. 이러한 결정립과 석출물들에 대한 합금 성분 및 제조조건의 최적화가 이뤄져야 점차 고성능화 되어 가는 자동차 배기계 Exhaust Manifold용 소재로 적용이 가능할 것이다.
본 발명의 실시예들은, 강 조성과 제조공정을 최적화하여 최종 소재의 석출물 조성 및 분포를 제어함으로써 가공성과 고온강도를 개선하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가공성과 고온강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.0005 내지 0.02%, N: 0.005 내지 0.02%, Si: 0.01 내지 1.0%, Mn: 0.01 내지 1.2%, P: 0.001 내지 0.05%, Cr: 10.0 내지 25.0%, Mo: 1.5 내지 3.0%, Nb: 0.3 내지 0.7%, W: 0.5 내지 2.0%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 평균 직경 0.5㎛ 이하인 석출물 개수가 105개/㎟ 이하이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 석출물은 라베스상(Laves Phase)을 포함하고, 상기 라베스상 석출물은 Mo 라베스상 석출물, Nb 라베스상 석출물 및 W 라베스상 석출물을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 석출물 총 중량 대비 W의 중량비는 20% 미만일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 25℃ 연신율이 27% 이상이고, 900℃ 인장강도가 45MPa 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가공성과 고온강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강 제조방법은, 중량%로, C: 0.0005 내지 0.02%, N: 0.005 내지 0.02%, Si: 0.01 내지 1.0%, Mn: 0.01 내지 1.2%, P: 0.001 내지 0.05%, Cr: 10.0 내지 25.0%, Mo: 1.5 내지 3.0%, Nb: 0.3 내지 0.7%, W: 0.5 내지 2.0%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 재가열하여 조압연하는 단계; 조압연 바를 마무리압연하는 단계; 및 마무리압연된 열연 강판을 권취하는 단계;를 포함하고, 상기 조압연 바를 마무리압연 개시 전 유지 시간(초)이 하기 식 (1)을 만족한다.
(1) 8,000/(RHT - 1,000) ≤ 유지 시간 ≤ 120
여기서, RHT는 재가열 온도(℃)를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 재가열 온도는 1,100 내지 1,300℃일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 조압연은, 마지막 2패스의 총 압하율이 50% 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 권취 온도는 500 내지 700℃일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 석출물을 저감하고 고용 W을 높여 가공성과 고온강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 상온 연신율 27% 이상 및 900℃ 고온강도 45MPa 이상을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 석출물 분포를 나타내는 SEM 사진이다.
도 2는 비교예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 석출물 분포를 나타내는 SEM 사진이다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
또한 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.
본 발명은 자동차 배기계용 부품으로의 제조를 위한 가공성 및 고온 가동 환경에서의 안전성 확보를 위한 고온강도 확보에 대하여, Mo, Nb, W 첨가와 함께 석출물 제어를 통해 가공성과 고온강도가 향상된 페라이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가공성과 고온강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.0005 내지 0.02%, N: 0.005 내지 0.02%, Si: 0.01 내지 1.0%, Mn: 0.01 내지 1.2%, P: 0.001 내지 0.05%, Cr: 10.0 내지 25.0%, Mo: 1.5 내지 3.0%, Nb: 0.3 내지 0.7%, W: 0.5 내지 2.0%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 평균 직경 0.5㎛ 이하인 석출물 분포가 105개/㎟ 이하이다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 합금성분 원소 함량의 수치한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.0005 내지 0.02%이다.
C는 강도에 크게 영향을 미치는 원소로써, 그 함량이 0.0005% 미만이면 강도 저하 및 고순도 제품을 만들기 위한 정련 가격이 비싸지고, 0.02%를 초과하면 소재의 불순물이 증가하여 연신율과 가공경화지수(n값)가 낮아지고 DBTT가 높아져 충격 특성이 저하된다.
N의 함량은 0.005 내지 0.02%이다.
N은 열간압연 시 오스테나이트를 석출시켜 재결정을 촉진시키는 역할을 하는 원소로, 그 함량이 0.005% 미만이면 TiN 정출이 적어져 슬라브의 등축정율이 낮아진다. 반면, 0.02%를 초과하면 소재의 불순물이 증가하여 연신율과 가공경화지수(n값)가 낮아지고 DBTT가 높아져 충격 특성이 저하된다.
Si의 함량은 0.01 내지 1.0%이다.
Si은 제강 시 용강의 탈산과 페라이트 안정화를 위해 첨가되는 원소로, 그 함량이 0.01% 미만이면 정련 가격이 증가하는 문제가 있고, 1.0%를 초과하면 소재의 불순물이 증가하여 연신율과 가공경화지수(n값)가 낮아지고 Si계 개재물이 증가하여 가공성이 나빠진다.
Mn의 함량은 0.01 내지 1.2%이다.
Mn은 내식성 개선에 유효한 원소로, 그 함량이 0.01% 미만이면 정련 가격이 증가하는 문제가 있고, 1.2%를 초과하면 소재의 불순물이 증가하여 연신율이 낮아진다.
P의 함량은 0.001 내지 0.05%이다.
P는 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로써, 산세시 입계 부식을 일으키거나 열간가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 그러나 0.001% 미만으로 제어하는 경우 정련 가격이 증가하며, 0.05%를 초과하면 불순물 증가로 인해 연신율 및 가공경화지수가 낮아진다.
Cr의 함량은 10.0 내지 25.0%이다.
Cr은 강의 내식성 및 내산화성 향상에 효과적인 원소로, 본 발명에서는 10% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 연신율이 낮아지고 열연 스티킹(sticking) 결함이 발생하는 문제가 있어 25.0% 이하로 제한한다.
Mo의 함량은 1.5 내지 3.0%이다.
Mo는 페라이트계 스테인리스강의 내식성을 증가시킴과 동시에 고온강도를 향상시키는 역할을 한다. Mo 함량이 1.5% 미만이면 소재 내 고용되는 양이 적어 고온강도 및 열피로 특성 열화와 이상 산화 발생 확률이 높아지며, 3.0%를 초과하면 충격 특성이 떨어져 가공시 파단 발생 위험이 커지고 비용 증가의 문제가 있다.
Nb의 함량은 0.3 내지 0.7%이다.
Nb는 고용 C와 결합하여 NbC를 석출하여 고용 C 함량을 낮추어 내식성을 증가시키며, 고온강도가 증가되는 효과가 있다. Nb 함량이 0.3% 미만이면 소재 내 고용되는 양이 적어 고온강도가 저하되는 문제가 있고, 0.7%를 초과하면 Nb계 석출물과 고용량이 과도하게 늘어나 연신율과 충격 특성이 낮아진다.
W의 함량은 0.5 내지 2.0%이다.
W는 페라이트계 스테인리스강의 내식성을 증대함과 동시에 고온 강도를 향상시킨다. 따라서, 0.5% 이상 첨가하는 것이 바람직하며, 0.5% 미만이면 소재 내 고용되는 양이 적어 고온강도가 저하되는 문제가 있다. 반면, 2.0%를 초과하면 과도한 석출물이 생성되어 가공시 크랙이 다발하는 문제가 있다.
상술한 본 발명의 성분계 조성에 의할 때, 라베스상(Laves Phase)을 포함한 석출물들이 석출되며, 라베스상 석출물은 [Fe,Cr]2[Mo,Nb,W]일 수 있다. 즉, 라베스상 석출물은 Mo 라베스상 석출물, Nb 라베스상 석출물 및 W 라베스상 석출물을 포함할 수 있다. 이러한 석출물들을 제어함으로써 자동차 배기계용 부품으로의 제조를 위한 가공성 및 고온강도를 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 평균 직경 0.5㎛ 이하인 석출물 개수가 105개/㎟ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 석출물 총 중량 대비 W의 중량비는 20% 미만일 수 있다. 즉, [Fe,Cr]2[Mo,Nb,W]로 표현될 수 있는 라베스상 석출물 총 중량 대비 [Fe,Cr]2[W] 중 W 중량의 비율이 20% 미만일 수 있으며, W의 기지조직 내 고용량을 충분히 확보하여 고온강도를 향상시킬 수 있다. W를 포함하는 라베스상 석출물이 과다하게 석출되는 경우에는 고용 W 감소로 고온강도가 저하되고 취성 파괴 위험이 증가하게 되므로, 라베스상 석출물 총 중량 대비 W 중량비는 20% 미만인 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강은 25℃ 상온 연신율 27% 이상 및 900℃ 인장강도 45MPa 이상을 만족할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 가공성과 고온강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 가공성과 고온강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강은 가공성 및 고온강도를 확보하기 위해 미세한 석출물들의 크기 및 분포를 제어해야 하는바 성분계 제어뿐만 아니라 열연 공정의 제어도 요구된다.
열간 압연 및 소둔 공정을 거쳐 열연 소둔재로 제조될 수 있으며, 예를 들어, 중량%로, C: 0.0005 내지 0.02%, N: 0.005 내지 0.02%, Si: 0.01 내지 1.0%, Mn: 0.01 내지 1.2%, P: 0.001 내지 0.05%, Cr: 10.0 내지 25.0%, Mo: 1.5 내지 3.0%, Nb: 0.3 내지 0.7%, W: 0.5 내지 2.0%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 재가열하여 조압연하고, 조압연 바(bar)를 마무리압연하고, 마무리압연된 열연 강판을 권취하고, 권취된 열연 코일을 소둔 열처리할 수 있다.
먼저, 슬라브 주조 중에 생성된 조대한 석출물들을 재분해하기 위해 슬라브의 열연 재가열 온도를 1,100℃ 이상으로 제어하여야 하며, 재가열 온도가 너무 높은 경우 결정립이 조대화될 수 있어 1,300℃ 이하로 제한한다.
이어서, 조압연 공정에서는 변형에너지를 부여하기 위해 조압연 마지막 2패스의 총 압하율을 50% 이상으로 할 수 있다. 조압연은 통상적으로 3개 내지 4개의 압연밀로 구성되는데, 본 발명에서의 마지막 2패스는 마지막 압연밀 및 마지막에서 두 번째 압연밀을 의미할 수 있다. 마지막 2패스의 압하율 합을 50% 이상으로 강압하함으로써 전위 생성을 원활하게 할 수 있다.
조압연된 조압연 바(bar)가 마무리압연 개시 전까지 유지되는 시간(초)은 아래 식 (1)을 만족할 수 있다.
(1) 8,000/(RHT - 1,000) ≤ 유지 시간 ≤ 120
여기서, RHT는 재가열 온도(℃)를 의미한다
조압연 후 마무리압연까지 유지되는 시간을 8,000/(RHT - 1,000) 초 이상으로 하여 충분한 재결정 시간을 부여하고, 120초 이하로 제한하여 결정립의 조대화를 방지한다. 이는 마무리압연 시 변형 조직을 더욱 부여하여 석출물들의 조대화를 방지하고 이후 소둔 공정에서 고용될 수 있도록 하는 것이다.
또한, 마무리압연된 열연 강판의 권취 온도는 500 내지 700℃일 수 있다. 열간 압연 중에 석출된 석출물들의 조대화를 방지하고 라베스상 석출물 중의 W 중량비가 높아지지 않도록 권취 온도를 700℃ 이하로 제어하여야 하며, 형상 및 표면품질을 위해 500℃ 이상으로 제어하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
실시예
스테인리스강 lab scale 용해 및 Ingot 생산 설비를 활용하여 아래 표 1에 기재된 합금 성분계로 20mm 바 샘플을 제조하였다. 이후 표 2에 기재된 재가열 온도, 압하율, 식 (1)에 따른 유지 시간, 권취 온도에 따라 6mm로 열간 압연 후, 1,100℃에서 열연 소둔을 실시하였으며, 2.0mm로 냉간 압연 후 1,100℃에서 소둔 처리하여 최종 제품을 생산하였다.
강종 C N Si Mn P Cr Mo Nb W 구분
A 0.0088 0.0114 0.3 0.4 0.02 18 1.1 0.52 1.2 비교예
B 0.0104 0.0083 0.2 0.5 0.03 17.8 2.0 0.65 0.3 비교예
C 0.0089 0.0091 0.3 0.4 0.02 18.4 1.9 0.21 0.4 비교예
D 0.0123 0.0102 0.4 0.3 0.03 18.6 2.5 0.14 0.3 비교예
E 0.0092 0.0090 0.2 0.4 0.02 22.4 1.7 0.53 1.7 실시예
F 0.0096 0.0110 0.3 0.4 0.02 18.2 2.1 0.56 1.1 실시예
G 0.0134 0.0097 0.3 0.5 0.02 16.4 2.3 0.55 0.7 실시예
강종 재가열 온도
(℃)		 조압연
마지막 2패스
총 압하율(%)		 식 (1)
유지 시간
(초)		 권취 온도
(℃)		 구분
A 1,220 64 80 600 비교예 1
B 1,220 45 150 600 비교예 2
C 1,220 64 80 600 비교예 3
D 1,220 64 80 600 비교예 4
E 1,220 45 150 600 비교예 5
F 1,220 45 150 600 비교예 6
G 1,220 64 80 800 비교예 7
E 1,220 64 80 600 실시예 1
F 1,220 64 80 600 실시예 2
G 1,220 64 80 600 실시예 3
위와 같이 제조된 최종 냉연 강판에 대하여, 상온에서 인장하여 연신율을 평가하고, 고온 인장강도를 평가하였다. 고온 인장강도는 JIS G 0567 방법에 의거하여 900℃에서 테스트를 진행하여 평가하였다.
구분 강종 직경 0.5㎛ 이하
석출물 개수
(103 개/㎟)		 라베스상 석출물
총 중량 대비
W 중량비(%)		 연신율
(%)		 900℃
인장강도
(MPa)
비교예 1 A 72 18 28 38
비교예 2 B 155 4 25 43
비교예 3 C 45 3 27 37
비교예 4 D 34 5 28 41
비교예 5 E 340 11 24 46
비교예 6 F 230 19 25 47
비교예 7 G 55 49 29 41
실시예 1 E 51 15 28 52
실시예 2 F 67 12 29 50
실시예 3 G 34 8 30 47
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 석출물 분포를 나타내는 SEM 사진이다. 도 2는 비교예에 따른 페라이트계 스테인리스강의 석출물 분포를 나타내는 SEM 사진이다.
도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 실시예에서는 직경 0.5㎛ 이하의 석출물들이 적게 분포되어 있음을 알 수 있으며, 비교예는 상대적으로 석출물이 조대하고 다량 석출되었음을 확인할 수 있다.
비교예 1 내지 4는 본 발명의 합금성분 조성을 벗어난 강종 A~D에 대한 것으로, 구체적으로는 고온강도와 관련되는 Mo, Nb, W의 함량이 부족한 강종이다. 이들을 표 2에 나타난 바와 같이 본 발명에 따른 제조방법으로 제조하여도, 석출물 직경, 개수 및 W 중량비는 만족하지만 고용량 부족에 의해 900℃ 고온강도는 목표치에 미달하는 것을 알 수 있다.
비교예 5 내지 7은 본 발명의 합금성분 조성을 만족하는 강종 E~G에 대한 것으로, 합금 조성을 만족하더라도 제조방법 조건을 충족하지 못할 경우 석출물이 다량 석출되거나 W가 충분히 고용되지 못하는 문제점을 나타내었다.
실시예 1 내지 3은 본 발명의 합금 조성 및 제조방법 조건을 모두 충족하는 경우로, 본 발명이 달성하고자 하는 석출물 분포 및 강재 물성을 모두 만족하는 것을 알 수 있었다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 중량%로, C: 0.0005 내지 0.02%, N: 0.005 내지 0.02%, Si: 0.01 내지 1.0%, Mn: 0.01 내지 1.2%, P: 0.001 내지 0.05%, Cr: 10.0 내지 25.0%, Mo: 1.5 내지 3.0%, Nb: 0.3 내지 0.7%, W: 0.5 내지 2.0%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    평균 직경 0.5㎛ 이하인 석출물 개수가 105개/㎟ 이하이며,
    상기 석출물은 Mo 라베스상 석출물, Nb 라베스상 석출물 및 W 라베스상 석출물을 포함하며,
    상기 석출물 총 중량 대비 W의 중량비는 15% 이하이며,
    25℃ 연신율이 27% 이상이고, 900℃ 인장강도가 45MPa 이상인 가공성과 고온강도가 우수한 페라이트계 스테인리스강.
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