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KR20180014169A - 경량 강철로 이루어진 에너지 저장 용기를 제조하는 방법 - Google Patents

경량 강철로 이루어진 에너지 저장 용기를 제조하는 방법 Download PDF

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KR20180014169A
KR20180014169A KR1020187001969A KR20187001969A KR20180014169A KR 20180014169 A KR20180014169 A KR 20180014169A KR 1020187001969 A KR1020187001969 A KR 1020187001969A KR 20187001969 A KR20187001969 A KR 20187001969A KR 20180014169 A KR20180014169 A KR 20180014169A
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KR
South Korea
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steel
energy storage
martensite
lightweight
storage container
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Application number
KR1020187001969A
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Inventor
미카엘 브라운
마누엘 오토
자카리아스 게오르그게오우
비앙카 스프린겁
Original Assignee
잘쯔기터 플래시슈탈 게엠베하
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Publication date
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Application filed by 잘쯔기터 플래시슈탈 게엠베하 filed Critical 잘쯔기터 플래시슈탈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 에너지 저장 용기에 관한 것이다. 상기 용기는 경량 강철로 이루어지며, 상기 경량 강철은, 중량 %로 0.04-2%의 C, 14-30%의 Mn, 1.5-12%의 Al, 0.3-3%의 Si, 및 0.12-6%의 Cr의 화학적 조성, 및 각각 5%까지 또한 전체 10%까지의 Ti, V, Nb, B, Zr, Mo, Ni, Cu, W, Co, P, N 중 하나 이상의 원소를 가지고 있고, 나머지는 Fe 함유 일반 강철의 부수적 원소이며, 구체적 합금 조성은, 성형 프로세스 전후에 α'-마르텐사이트 비율을 3% 이하로 제한하기 위해, 0.1 ＊ 중량 % Mn + 중량 % C ＊ 중량 % Al + 0.05 ＊ 중량 % Si에 따른 α'-마르텐사이트 동등물이 3.4와 10.5 사이에 있는 조건으로 선택되어 있다.

Description

경량 강철로 이루어진 에너지 저장 용기를 제조하는 방법{METHOD FOR PRODUCING ENERGY-STORING CONTAINER MADE OF LIGHTWEIGHT STEEL}
본 발명은, 청구항 1의 전제부에 따른, 특히 차량을 위한, 경량 강철로 이루어진 에너지 저장 용기에 관한 것이다.
그러한 용기는, 특히 예를 들면 탱크 트럭, 자동차, 선박에서 이동 동안에 높은 안전 표준을 충족시켜야 하는 예를 들면 가솔린, 디젤, 액화 가스와 같은 액체, 또는 수소와 같은 기체 에너지 캐리어를 저장하며, 또한 위성 또는 우주선에서의 에너지 자원으로서 저장한다.
본 발명을 특히 에너지 저장 용기의 분야와 관련하여 기술하지만, 경량 강철은 이러한 분야에 한정되지 않고, 물론 예를 들면 자동차 구조, 기계 구조, 철골 구조와 같은 다른 응용 분야에도 사용될 수 있다.
특히 경쟁이 심한 자동차 시장은, 제조자로 하여금 플리트 소모(fleet consumption)를 낮추고 동시에 가능한 가장 높은 안락성 및 승객 안전성을 유지하기 위한 해결 방안을 꾸준히 탐색하도록 강요한다. 한편으로는, 모든 차량 컴포넌트를 위한 중량 감소가 중요한 역할을 하며, 다른 한편으로는, 작동중 및 충돌의 경우에 높은 정적 및 동적 스트레스에서 승객의 안전을 수동적으로 증가시키기 위한 개별 컴포넌트의 성질이 중요한 역할을 한다. 또한, 이들 용기들은 자주, 이용 가능한 설치 공간을 가능한 한 효율적으로 사용하기 위해 매우 복잡한 구조를 가져, 탱크 볼륨을 증가시킨다.
강철로 이루어지는 에너지 저장 용기 예를 들면 차량을 위한 탱크는 무엇보다도 DE 10 2005 0 16 492 A1로부터 공지되어 있다. 중량을 감소시키기 위해, 용기는 벽 두께가 감소될 수 있도록, 강도가 증가된 강철로부터 제조된다. 여기에서 언급된 고강도 강철 형태에서, 예를 들면 수소 또는 수소 함유 가스를 저온에서 저장할 때, 수소 유발 응력 균열 또는 수소 취화의 위험이 있고, 그것은 충돌의 경우에, 용기가 파괴되고 누수 매체가 심각한 손상을 발생시킬 수 있는 위험성을 발생시킨다.
본 발명의 목적은, 충돌의 경우에 높은 연성을 가지며 컴포넌트의 수소 유발 응력 균열 또는 수소 취화를 방지하는 에너지 저장 용기를 위해 사용하기 위한 경량 구조 강철을 제공하는 것이다. 이러한 목적은 주 청구항에 따른 경량 강철에 의해 해결된다.
본 발명의 교시에 따라, 경량 강철이 에너지 저장 용기를 위해 사용되며,
상기 경량 강철은,
중량 %로
0.04-2%의 C,
14-30%의 Mn,
1.5-12%의 Al,
0.3-3%의 Si, 및
0.12-6%의 Cr의 화학적 조성, 및
각각 5%까지 또한 전체 10%까지의 Ti, V, Nb, B, Zr, Mo, Ni, Cu, W, Co, P, N 중 하나 이상의 원소를 가지고 있고,
나머지는 Fe 함유 일반 강철의 부수적 원소이며,
변형 전후에 α'-마르텐사이트 비율을 최대 3%로 제한하기 위한 구체적 합금 조성은, 0.1 ＊ 중량 % Mn + 중량 % C ＊ 중량 % Al + 0.05 ＊ 중량 % Si에 따른 α'-마르텐사이트 동등물(equivalent)이 3.4와 10.5 사이에 있는 조건으로 선택되어 있다.
근래에, 낮은 비중량, 고강도 및 인성을 특징으로 하며(예를 들면, EP 048-9727 B1, EP 0573641B1, DE 199-001-9981) 또한 높은 연성을 특징으로 하여 차량 제조에서 큰 관심을 가지는 소위 경량 강철의 분야에서 상당한 진전이 이루어졌다.
초기 상태에서 오스테나이트인 이들 강철에서, 종래의 제조 방식을 유지하면서 자동차 산업에서 이점을 가지는 중량 감소가, 철의 비중량보다 훨씬 아래인 비중량을 가진 합금 성분의 높은 비율에 의해 달성된다.
이들 공지된 경량 강철은, 어떤 경우에 다중 TRIP(변형에 의해 유도된 소성)-효과를 가진 소정 적층 결함 에너지를 가진 부분적으로 안정된 γ-혼합 결정 미세구조를 가지며, TRIP-효과는, 후속 변형 동안에 체심(body-centered) α'-마르텐사이트 및 잔여 오스테나이트로 변형되는 ε-마르텐사이트(육각형 최고밀도 구형 패킹)로의 표면 중심 γ-혼합 결정(오스테나이트)의 인장- 또는 신장 유도 변형이다.
고도의 변형은 강철의 TRIP-, TWIP(쌍정 형성 유도 소성) 및 SIP(전단 밴드 유도 소성) 성질에 의해 달성된다.
시험에 의해, 저합금 종래의 TRIP 강철 및 미세 구조 및 화학적 조성으로 인해 낮은 Al 함량을 가진 고합금 TRIP 강철은, 에너지 저장 용기를 위한 경량 강철로서의 사용을 막는 수소 취화의 경향을 가진다는 것이 보여졌다. 재료 내에 내부 응력이 존재할 때, 수소로 인해 발생된 지연된 취화 및 그 결과로서의 균열 형성이 미세 구조 및 강도에 따라 발생할 수 있다.
TRIP-효과를 가진 강철에서의 시험에 의해, 놀랍게도, 이러한 강철 내의 α'-마르텐사이트의 비율이 수소 취화에 대한 민감도에 심각한 영향을 가지는 것이 보여졌다. 3%의 최대 함량으로 제한한 경우에는 부정적 효과는 더 이상 검출되지 않는다.
한편으로는, α'-마르텐사이트의 형성은 경량 구조 강철의 구체적 합금 조성에 의해 영향을 받고, 다른 한편으로는, 강철 시트에 작용할 수 있는 변형에 의해서도 영향을 받는다.
합금 조성은, 가능한 한 안정한 오스테나이트 상이 강철 내에 존재하도록 선택되어야 한다. 강한 준안정 오스테나이트 상을 가진 경량 강철의 경우에, 준안정 오스테나이트는, 부과된 기계적 인장으로 인해, 상술한 응용에 해로운 α'-마르텐사이트(TRIP-효과)로 변형된다.
합금 조성에 따라, TRIP-효과의 발생으로 인해, 부분적으로 준안정 α'-마르텐사이트 상을 통해 α'-마르텐사이트 상이 형성된다. 재료가 예를 들면 압축 응력 하에 변형되는 영역에서, 최소 저항의 원리에 따른 변형 후에 더욱 밀집하게 패킹된 α'-마르텐사이트 상이 또한 존재할 수 있고, 응력이 릴리스된 후에 α'마르텐사이트 상으로 변형될 수 있다.
α'-마르텐사이트 상으로의 α-마르텐사이트 상의 이러한 접기(folding)에서, 수소는 낮은 용해도로 인해 릴리스되어야 하고, 원자적으로(atomically) 또는 재결합되어 재료의 약화를 발생시키거나, 경우에 따라 균열을 발생시킨다.
C 및 Mn을 가진 합금으로부터 시작하여, Al 및/또는 Si를 첨가하면 α'-마르텐사이트 상을 불안정하게 한다. 이것은 수소 취화의 위험성을 감소시키거나, 수소의 최대치를 초과할 때에도 강철 제조업자가 주조 용탕을 여전히 허용 가능한 것으로 분류할 수 있는 여지를 증가시킨다. 부정적 평가가 적어지면 출력이 증가되어, 방법의 비용 효율성을 증가시킨다.
Al 및/또는 Si의 첨가의 효과와 무관하게, 탄소 함량은 제안된 합금 개념에서 중요한 요소인데, 그것은 탄소 함량이 오스테나이트 상을 안정화시키고 수소를 자유 격자 위치로부터 퇴출시키기 때문이다.
예를 들면,
0.7% C, 15% Mn, 2.5% Al, 2.5% Si, 0.12% Cr을 가진 합금,
0.4% C, 18% Mn, 2.5% Al, 2.5% Si, 0.12% Cr을 가진 합금, 및
1.0% C, 22% Mn, 9% Al, 0.6% Si, 0.12% Cr을 가진 합금은, 우수한 기계적 성질을 가지는 외에도, α'-마르텐사이트를 전혀 갖지 않거나 매우 작은 비율만으로 가져, 특히 수소 탱크에서 에너지 저장 용기를 위해 매우 적합하다.
부식 응력 하에서 디프드로잉된 컵에 대한 시험에서, 본 발명에 따른 합금은, 유사한 상태(강도, 매체, 응력의 상태, 등등)하에서 α'-마르텐사이트 함유 TRIP-강철에서보다 상당히 높은, 수소 유도 응력 부식에 대한 높은 저항을 가졌다.
따라서, 본 발명에 따른 합금은 예를 들면 수소의 저장을 위한 용기에 사용하기에 우수하게 적합하고, 또한 다른 수소 또는 황화수소 함유 매체에 사용하기에도 우수하게 적합하다.
α'-마르텐사이트를 가진 경량 강철에 비하여 추가적 이점은, 예를 들면 증가된 작동 압력 또는 충돌의 결과로서 과도 응력의 경우를 발생시킨다. 3%의 최대 비율의 α'-마르텐사이트를 가진 본 발명에 따른 합금 조성을 가진 강철은, 지배적 TWIP-/SIP 강화 작동으로 인해, 컴포넌트의 고장이 발생하기 전에 TRIP-강철에 비해 높은 에너지 레벨을 흡수할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이러한 경량 강철의 상술한 성질은, 예를 들면 차량, 탱커, 선박 또는 위성에서 운반되는 에너지 저장 용기를 위해 사용되게 한다.
5%까지의 함량 및 전체 10%까지의 함량으로 Ti, V, Nb, B, Zr, Mo, Ni, Cu, W, Co, P, N과 같은 합금 원소를 더 첨가함으로써, 재료 특성은 또한 목표로 한 방식으로 조절될 수 있다. 예를 들면, 12%까지의 Al의 증가된 첨가 외에도, Co, Mo 또는 V를 첨가하면 고온 강도가 증가된다.
더 높은 고온 강도는 예를 들면 화재와 같은 고온 응력에서 이점을 가지는데, 그것은 용기의 완전성이 공지된 α'-마르텐사이트 함유 TRIP-강철에서보다 오래 동안 유지되기 때문이다.
2%의 최소 함량 및 6%의 최대 함량의 크롬은 부식 저항과 관련하여 이점을 가지는 것으로 입증되었다. 2% 미만을 첨가할 때, 크롬은 부식 저항에 유효한 영향을 가지지 못한다. 혼합된 결정이 형성되고, 부식 저항에 영향력을 가진 크롬 산화물 층이 형성될 수 없다. 6%를 초과하는 크롬을 첨가할 때, 장기간의 사용 후에 취성 시그마 상이 형성될 수 있다. 그러나, 용기의 연성만 현저히 증가시키고자 할 때에는, 크롬은 0.12 내지 2% 미만의 함량으로 첨가된다.
또한, 복잡한 용기 구조는, 바람직하게, 브레이크 A80에서 40%보다 큰 연신율을 가진, 청구항 5에 따른 본 발명에 따른 경량 강철로부터 성형함으로써 제조될 수 있다.
수소 취화와 관련한 재료 성질의 추가적 향상은, 합금 함량이 α'-마르텐사이트의 비율을 제한하는 청구항 4에 기재된 한계 내로 유지될 때, 본 발명의 바람직한 정교한 실시예에서 달성될 수 있다.
이러한 합금 조성을 가진 경량 강철은 소위 TRIPLEX-구조를 가지며, 즉 3-상 미세구조가 존재한다. TRIPLEX-강철에서 미세구조 내에 나노-분산 분포를 가진 카파(kappa) 탄화물은, 수소 취화에 대한 높은 저항을 추가적으로 발생시킨다.

Claims (6)

  1. 경량 구조 강철로 이루어진 에너지 저장 용기에 있어서,
    상기 경량 구조 강철은,
    중량 %로
    0.04-2%의 C,
    14-30%의 Mn,
    1.5-12%의 Al,
    0.3-3%의 Si, 및
    0.12-6%의 Cr의 화학적 조성, 및
    각각 5%까지 또한 함께 10%까지의 Ti, V, Nb, B, Zr, Mo, Ni, Cu, W, Co, P, N 중 하나 이상의 원소를 가지고 있고,
    나머지는 Fe 함유 일반 강철의 부수적 원소이며,
    변형 전후에 α'-마르텐사이트를 최대 3%로 제한하기 위한 구체적 합금 조성은, 0.1 ＊ 중량 % Mn + 중량 % C ＊ 중량 % Al + 0.05 ＊ 중량 % Si에 따른 α'-마르텐사이트 동등물(equivalent)이 3.4와 10.5 사이에 있는 조건으로 선택되어 있는,
    에너지 저장 용기.
  2. 제1항에 있어서,
    Cr 함량은 2-6%인, 에너지 저장 용기.
  3. 제1항에 있어서,
    Cr 함량은 0.12% 내지 2% 미만인, 에너지 저장 용기.
  4. 제1항에 있어서,
    제조를 위해 사용되는 상기 경량 구조 강철은,
    미세하게 분포된 카파(kappa) 탄화물을 가진 트리플렉스(TRIPLEX) 구조, 및
    중량 %로
    0.5-1.2%의 C,
    14-22%의 Mn,
    6-10%의 Al,
    0.3-3%의 Si, 및
    4% 미만의 Cr의 화학적 조성을 가지고 있는,
    에너지 저장 용기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 합금 조성을 가진 에너지 저장 용기에 사용하기 위한 경량 강철.
  6. 제5항에 있어서,
    성형에 의해 복잡한 구조의 용기를 생산하기 위해, 브레이크 A80에서 40%보다 큰 연신율을 가진, 경량 강철.
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