KR101836715B1 - 고온 내산화성이 우수한 스테인리스강 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온 환경에서 인강강도, 피로강도 및 내산화성이 우수한 스테인리스강에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 고온 내산화성이 우수한 스테인리스강은 중량%로, C : 0.01 ~ 0.2%, Si : 0.1 ~ 1.0%, Mn : 0.1 ~ 2.0%, Cr : 12.0 ~ 30.0%, V : 0.01 ~ 0.5%, Nb : 0.01 ~ 0.5%, Al : 0.1 ~ 4.0%, Co : 0.01 ~ 5.0%, Mo : 0.01 ~ 4.0%, W : 0.01 ~ 4.0%, B : 0.001 ~ 0.15%, Ni : 5.0 ~ 20.0%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

고온 내산화성이 우수한 스테인리스강{Stainless steel having excellent oxidation resistance at high temperature}
본 발명은 고온 내산화성이 우수한 스테인리스강에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온 환경에서 인강강도, 피로강도 및 내산화성이 우수한 스테인리스강에 관한 것이다.
화석연료 매장량의 한계점 도달, 국제 유가의 지속적인 급등 및 급변으로 인하여 차량 연비향상에 대한 관심이 높아지고 있는 실정이다.
이에 따라 다양한 방식을 차량의 연비를 향상시키는 기술이 연구되고 있는데, 그 중 하나가 차량을 경량화시키는 기술이다.
차량을 경량화시키는 기술도 여러 분야가 연구되고 있고, 그 중 엔진의 출력을 높이면서 사이즈를 줄이는 기술이 연구되어 적용되고 있다.
하지만, 출력을 높이면서 다운사이징된 엔진 적용으로 인하여 배기 가스의 온도가 상승하게 되었고, 이에 따라 배기라인을 구성하는 부품의 내구품질에 문제가 발생하였다.
그래서 배기라인에 스테인리스강을 적용하는 기술이 도입되었지만, 일반적인 스테인리스강은 고온에서 강도가 부족하고, 내산화성이 약해지는 단점이 있다.
이러한, 스테인리스강의 단점을 보완하기 위하여 표면을 코팅층을 형성하는 기술이 도입되었지만, 제조 단가가 증가하는 단점이 있다.
공개특허공보 10-2006-0015078 (2006.02.16)
본 발명은 합금 성분 및 그 함량을 최적화하여 조직 내에 안정적인 복합 탄화물과 복합 붕소화물을 생성시킴으로서 고온 환경에서 인강강도, 피로강도 및 내산화성이 우수한 스테인리스강을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 고온 내산화성이 우수한 스테인리스강은 중량%로, C : 0.01 ~ 0.2%, Si : 0.1 ~ 1.0%, Mn : 0.1 ~ 2.0%, Cr : 12.0 ~ 30.0%, V : 0.01 ~ 0.5%, Nb : 0.01 ~ 0.5%, Al : 0.1 ~ 4.0%, Co : 0.01 ~ 5.0%, Mo : 0.01 ~ 4.0%, W : 0.01 ~ 4.0%, B : 0.001 ~ 0.15%, Ni : 5.0 ~ 20.0%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 스테인리스강은 조직 내에 복합 탄화물로 NbC 및 (Cr,Mo)23C6와 복합 붕소화물로 (Cr,Fe)2B가 존재하는 것을 특징으로 한다.
상기 스테인리스강은 조직 내에 (Mo,Cr,W)2B 및 (Mo,W)3B2 중 어느 하나 이상의 복합 붕소화물을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 복합 탄화물의 크기는 50nm 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 스테인리스강은 상온보다 높은 고온에서 인장강도는 250Mpa 이상이고, 피로강도는 95Mpa 이상이며, 산화증량은 0.9g/㎡ 이하를 만족하는 것을 특징으로 한다.
상기 스테인리스강은 상온 인장강도는 710Mpa 이상이고, A5 연신율은 50% 이상을 만족하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 주요 합금 성분의 함량을 최적화함에 따라 조직 내에 원하는 수준의 복합 탄화물과 복합 붕소화물을 생성시킬 수 있고, 이에 따라 고온 환경에서 인장강도는 250Mpa 이상이고, 피로강도는 95Mpa 이상이며, 산화증량은 0.9g/㎡ 이하를 만족하는 우수한 고온 물성을 갖는 스테인리스강을 얻을 수 있다.
또한, 고온 내산화성을 우수하게 유지할 수 있어 고온 환경에서도 스테인리스강의 표면에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 실시예와 비교예의 성분을 나타내는 표이고,
도 2는 실시예와 비교예의 물성 및 성능을 나타내는 표이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스강의 온도별 상변태 계산 결과를 보여주는 그래프이고,
도 4는 종래강(SUS310)에 형성되는 탄화물의 몰분율 및 크기를 보여주는 그래프이며,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스강에 형성되는 복합 탄화물의 몰분율 및 크기를 보여주는 그래프이고,
도 6은 종래강(SUS304)의 산화성 측정 결과를 보여주는 사진이며,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스강의 산화성 측정 결과를 보여주는 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 고온 내산화성이 우수한 스테인리스강은 차량의 배기라인에 사용되는 스테인리스강으로서, 주요 합금 성분의 함량을 최적화함에 따라 고온 환경에서 인장강도, 피로강도 및 내산화성와 같은 물성을 향상시킨 스테인리스강이다. 구체적으로는 중량%로, C : 0.01 ~ 0.2%, Si : 0.1 ~ 1.0%, Mn : 0.1 ~ 2.0%, Cr : 12.0 ~ 30.0%, V : 0.01 ~ 0.5%, Nb : 0.01 ~ 0.5%, Al : 0.1 ~ 4.0%, Co : 0.01 ~ 5.0%, Mo : 0.01 ~ 4.0%, W : 0.01 ~ 4.0%, B : 0.001 ~ 0.15%, Ni : 5.0 ~ 20.0%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 스테인리스강을 대상으로 한다.
본 발명에서 합금성분 및 그 조성범위를 한정하는 이유는 아래와 같다. 이하, 특별한 언급이 없는 한 조성범위의 단위로 기재된 %는 중량%를 의미한다.
탄소(C) : 0.01 ~ 0.2%
탄소(C)는 강도 및 경도를 상승시키는 역할을 한다. 특히, NbC 및 (Cr,Mo)23C6와 같은 복합 탄화물을 형성시키고, 이에 따라 내식성 및 내입계부식성을 향상시키고, 450 ~ 850℃에서 입계민감화로 인한 내산화성을 향상시킨다.
탄소(C)의 함량이 0.01% 미만일 경우 탄화물 생성 및 강도의 저하를 초래한다. 반면, 탄소(C)의 함량이 0.2%를 초과할 경우 민감성이 과도하게 증대되는 단점이 발생된다. 따라서 탄소(C)의 함량은 0.01 ~ 0.2% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
규소(Si) : 0.1 ~ 1.0%
규소(Si)는 탈산제 역할 및 연신율을 제어하는 역할을 한다. 특히 내산화성, 내응력부식크랙킹(SCC; stress corrosion craking)성, 내산화성 및 주조성을 증대시킨다.
규소(Si)의 함량이 0.1% 미만일 경우 내산화성 및 주조성의 저하를 초래한다. 반면, 규소(Si)의 함량이 1.0%를 초과할 경우 연성 및 용접성이 악화되는 단점이 발생된다. 따라서 규소(Si)의 함량은 0.1 ~ 1.0% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
Mn(망간) : 0.1 ~ 2.0%
Mn(망간)은 강도를 향상시키는 역할을 한다. 특히, 경화능, 질소(N) 용해성 및 항복강도를 증대시키고 냉각속도를 저하시킨다.
Mn(망간)의 함량이 0.1% 미만일 경우 경화능의 저하를 초래한다. 반면, Mn(망간)의 함량이 2.0%를 초과할 경우 타원소의 효과를 저감시키는 단점이 발생된다. 따라서 Mn(망간)의 함량은 0.1 ~ 2.0% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
크롬(Cr) : 12.0 ~ 30.0%
크롬(Cr)은 스테인리스강의 내식성을 확보하기 위하여 가장 중요하게 첨가되는 원소이고, Ni 및 Mn과 함께 오스테나이트를 안정화시키는 원소이다. 특히, 내산화성, 고온강도 및 비자성을 증대시키고, 고용강화제 역활도 한다.
크롬(Cr)의 함량이 12.0% 미만일 경우 내산화성 및 조직 안정성의 저하를 초래한다. 반면, 크롬(Cr)의 함량이 30.0%를 초과할 경우 타원소의 효과를 저감시키는 단점이 발생한다. 따라서 크롬(Cr)의 함량은 12.0 ~ 30.0% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
바나듐(V) : 0.01 ~ 0.5%
바나듐(V)은 고용강화제 역할을 하는 원소로서 저온구간의 강도를 증대시키는 원소이다. 특히, 경화능을 증대시키는 역활도 한다.
바나듐(V)의 함량이 0.01% 미만일 경우 저온강도 및 조직미세화의 저하를 초래한다. 반면, 바나듐(V)의 함량이 0.5%를 초과할 경우 니오븀(Nb)의 효과를 저감시키는 단점이 발생한다. 따라서 바나듐(V)의 함량은 0.01 ~ 0.5% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.5%
니오븀(Nb)은 내식성, 내입계부식성 및 내열성을 향상시키는 원소이다. 특히, 고온강도를 증대시키고, 탄화물, 기계적 물성이 우수한 γ'상, 페라이트를 생성하고, γ상 및 laves상이 생성을 억제한다. 또한, 고함량시에는 내열성도 향상시킨다.
니오븀(Nb)의 함량이 0.01% 미만일 경우 고온강도 및 용접성의 저하를 초래한다. 반면, 니오븀(Nb)의 함량이 0.5%를 초과할 경우 다른 탄화물의 효과를 저감시키는 단점이 발생한다. 따라서 니오븀(Nb)의 함량은 0.01 ~ 0.5% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
알루미늄(Al) : 0.1 ~ 4.0%
알루미늄(Al)은 고용강화제 역할을 하는 원소이다. 특히, 산화저항성 및 기계적 물성을 증대시킨다.
알루미늄(Al)의 함량이 0.1% 미만일 경우 고온강도 및 조직균일화의 저하를 초래한다. 반면, 알루미늄(Al)의 함량이 4.0%를 초과할 경우 탄화물의 생성이 저하되는 단점이 발생한다. 따라서 알루미늄(Al)의 함량은 0.1 ~ 4.0% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
코발트(Co) : 0.01 ~ 5.0%
코발트(Co)는 고온에서 조직이 거대화되는 것을 억제하는 원소이다. 특히 크립강도 및 텀퍼링 물성을 향상시킨다.
코발트(Co)의 함량이 0.01% 미만일 경우 고온에서의 조직이 거대화되는 것을 방지하는 효과가 미비하고, 크립강도의 저하를 초래한다. 반면, 코발트(Co)의 함량이 5.0%를 초과할 경우 타원소의 효과를 저감시키는 단점이 발생한다. 따라서 코발트(Co)의 함량은 0.01 ~ 5.0% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
몰리브덴(Mo) : 0.01 ~ 4.0%
몰리브덴(Mo)은 내식성을 향상시키는 원소이다. 특히, 탄화물을 형성시키고, 기계적 물성, 내피팅성 및 내크랙성을 향상시킨다.
몰리브덴(Mo)의 함량이 0.01% 미만일 경우 탄화물의 생성이 저하되어 탄화물 생성으로 인한 강도 향상의 효과가 저하되는 단점이 있다. 반면, 몰리브덴(Mo)의 함량이 4.0%를 초과할 경우 몰리브덴(Mo) 첨가에 의한 효과가 더 이상 향상되지 않고 포화된다. 따라서 몰리브덴(Mo)의 함량은 0.01 ~ 4.0% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
텅스텐(W) : 0.01 ~ 4.0%
텅스텐(W)은 고용강하제 역할을 하는 원소이다. 특히, 탄화물을 형성하여 결정립계 슬라이딩을 억제하고, Cl산화를 억제하며, γ상 및 μ상의 생성에 관여되고, 조직이 거대화되는 것을 억제한다.
텅스텐(W)의 함량이 0.01% 미만일 경우 강도가 저하되고 조직이 거대화되는 단점이 있다. 반면, 텅스텐(W)의 함량이 4.0%를 초과할 경우 취성이 악화되는 단점이 있다. 따라서 텅스텐(W)의 함량은 0.01 ~ 4.0% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
붕소(B) : 0.001 ~ 0.15%
붕소(B)는 결정입계 강성을 강화시키는 원소이다. 특히 크립강도 및 연성을 향상시킨다.
붕소(B)의 함량이 0.001% 미만일 경우 크립강도 및 연성이 악화되는 단점이 있다. 반면, 붕소(B)의 함량이 0.15%를 초과할 경우 붕소(B) 첨가에 의한 효과가 더 이상 향상되지 않고 포화된다. 따라서 붕소(B)의 함량은 0.001 ~ 0.15% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
니켈(Ni) : 5.0 ~ 20.0%
니켈(Ni)은 내식성 및 내열성을 향상시키는 원소이다. 특히, 비자성, 내산화성, 고온강도, 가공경화성 및 온도저항성을 향상시킨다.
니켈(Ni)의 함량이 5.0% 미만일 경우 내열성 및 고온강도가 저하되고 상이 생성되지 않는 단점이 있다. 반면, 니켈(Ni)의 함량이 20.0%를 초과할 경우 제조 단가가 증대되고 불필요하게 초고온 효과가 증대된다. 따라서 니켈(Ni)의 함량은 5.0 ~ 20.0% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 성분 이외의 잔부는 Fe 및 불가피하게 함유되는 불순물이다.
이하, 비교예 및 실시예를 사용하여 본 발명을 설명한다.
상업 생산되는 스테인리스강의 생산 조건에 따라 생산된 스테인리스강에 대하여 열처리를 실시한 시편에 대하여 실험을 실시하였으며, 도 1과 같이 각 성분의 함량을 변경하면서 생산된 용강을 이용하여 연속주조된 슬래브로부터 열간 조압연 및 열간 마무리압연한 열연판을 열연 소둔, 냉간 압연 및 냉연 소둔 처리하여 시편을 획득하였다. 이렇게 획득한 각 시편을 1010 ~ 1150℃에서 고용화 열처리를 실시한 후 급냉시켜 각 시편을 준비하였다. 단, 본 실험에서는 본 발명에서 기대하는 효과에 직접적인 영향을 미치지 않는 것으로 판단되는 C, Si 및 Mn의 함량은 본 발명에서 제시된 범위로 고정하고 다른 성분의 함량을 변경하였다. 이에 따라 도 1에는 C, Si 및 Mn의 함량을 표시하지 않았지만 C : 0.01 ~ 0.2%, Si : 0.1 ~ 1.0%, Mn : 0.1 ~ 2.0%의 범위 내에서 비교예 및 실시예를 동일한 조건으로 실시하였다.
다음으로, 상기와 같이 제조된 종래강, 실시예 및 비교예에 다른 시편의 물성 확인을 위한 시험예를 살펴본다.
각각의 종래강, 실시예 및 비교예에 따른 시편의 상온인장강도(20℃), 고온인장강도(650℃), A5 연신율(650℃), 피로강도(650℃) 및 산화증량에 대하여 시험을 실시하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
상온 및 고온 인장강도의 측정은 KS B 0802에 따라 20ton 시험기를 사용하여 각 시편들에 대하여 실시하였고, A5 연신율은 650℃ 분위기에서 측정하였고, 피로강도는 KS B ISO 1143에 따라 650℃ 분위기에서 시편들에 대한 회전 굽힘 피로시험을 통해 측정하였다.
또한, 산화증량은 각 시편을 준비한 다음 무게를 측정하고, 이후에 시편을 650℃에서 100시간 유지한다. 이때 각 시편은 N2(20%), O2(10%) 및 H2O에 노출시킨다. 100시간 경과 후, 시편의 무게를 측정하고 처리 전후 시편의 무게를 비교하여 얻는다.
도 2에서 알 수 있듯이, 종래강인 SUS304L 및 SUS310S는 V, Nb, Al, Co, Mo, W, B 및 Ni의 미함유로 인하여 상온 및 고온 인장강도, A5 연신율, 피로강도 및 산화증량에 대한 본 발명의 규정 요건을 모두 충족시키지 못하였다.
실시예 1 및 실시예 2는 본 발명에서 규정하고 있는 합금 성분의 함량을 만족하는 실시예로서, 상온(20℃)보다 높은 고온(650℃)에서 인장강도는 250Mpa 이상이고, 피로강도는 95Mpa 이상이며, 산화증량은 0.9g/㎡ 이하를 만족하였다. 또한, 상온(20℃) 인장강도는 710Mpa 이상이고, A5 연신율은 50% 이상을 만족하였다.
반면에, 비교예 1 내지 비교예 18은 각각 본 발명에서 규정하고 있는 합금 성분의 함량을 만족하지 못하는 비교예로서, 종래강 대비 상온 및 고온 인장강도, A5 연신율, 피로강도 및 산화증량이 부분적으로 개선되었지만 본 발명의 규정 요건을 모두 충족시키지 못하였다.
특히, 비교예 2는 Cr의 함량이 규정 요건보다 많게 함유된 경우이고, 비교예 8은 Al의 함량이 규정 요건보다 많게 함유된 경우이며, 비교예 15, 16 및 18은 B 또는 Ni의 함량이 규정 요건을 만족하지 못하는 경우로서 산화증량이 본 발명의 규정 요건을 만족하였지만 고온 인장강도 및 피로강도 요건을 전부 또는 일부 만족하지 못한 것으로 확인되었다.
또한, 비교예 6 및 비교예 10은 각각 Nb 및 Co의 함량이 규정 요건을 만족하지 못하는 경우로서 고온에서의 피로강도는 본 발명의 규정 요건을 만족하였지만 고온 인장강도 및 산화증량 요건을 모두 만족하지 못한 것으로 확인되었다.
한편, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스강의 온도별 상변태 계산 결과를 보여주는 그래프로서, 본 발명에 따른 합금조성을 만족하는 경우에 다양한 종류의 복합 탄화물 및 복합 붕소화물이 형성되어 고온 인장강도 및 피로강도의 향상과 산화증량의 감소를 기대할 수 있다는 것을 보여준다. 도 3의 범례에 기재된 FCC_A1#2는 NbC를 의미하며, Cr2B_ORTH는 (Cr,Fe)2B와 같은 복합 붕소화물을 의미하고, M2B_TETR는 (Mo,Cr,W)2B와 같은 복합 붕소화물을 의미하며, M23C6는 (Cr,Mo)23C6와 같은 복합 탄화물을 의미하고, M3B2은 (Mo,W)3B2와 같은 복합 붕소화물을 의미한다.
그리고, 도 4는 종래강(SUS310)에 형성되는 탄화물의 몰분율 및 크기를 보여주는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스강에 형성되는 복합 탄화물의 몰분율 및 크기를 보여주는 그래프이다.
도 4 및 도 5에서 알 수 있듯이 종래강인 SUS310의 경우에는 탄화물이 0.25%(몰분율) 정도 생성되지만, 그 크기가 200nm로 측정되었다. 반면에, 본 발명에 따른 실시예는 탄화물이 0.25%(몰분율) 정도 생성되지만, 그 크기가 50nm로 측정되었다. 이를 통하여 본 발명에 따르면 종래강에 비하여 크기가 상대적으로 작은 탄화물을 생성하는 것이 확인되었고, 이러한 결과에 따라 고온 환경에서 인장강도 및 피로강도가 증대되고 산화증량이 감소(내산화성 증대)하는 것으로 유추할 수 있다.
한편, 도 6은 종래강(SUS304)의 산화성 측정 결과를 보여주는 사진이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스테인리스강의 산화성 측정 결과를 보여주는 사진이다.
도 6 및 도 7에서 확인할 수 있듯이, 종래강은 산화증량 측정 실험 후 산화로 인한 크랙이 생성된 것을 확인할 수 있었고, 본 발명에 따른 실시예는 산화증량 측정 실험 후에도 산화로 인한 크랙이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims (6)

  1. 고온 환경에서의 내산화성이 우수한 스테인리스강으로서,
    중량%로, C : 0.01 ~ 0.2%, Si : 0.1 ~ 1.0%, Mn : 0.1 ~ 2.0%, Cr : 12.0 ~ 30.0%, V : 0.01 ~ 0.5%, Nb : 0.01 ~ 0.5%, Al : 0.1 ~ 4.0%, Co : 0.01 ~ 5.0%, Mo : 0.01 ~ 4.0%, W : 0.01 ~ 4.0%, B : 0.001 ~ 0.15%, Ni : 5.0 ~ 20.0%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    650℃에서 측정한 인장강도는 250Mpa 이상이고, 피로강도는 95Mpa 이상이며, 산화증량은 0.9g/㎡ 이하를 만족하는 것을 특징으로 하는 고온 내산화성이 우수한 스테인리스강.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테인리스강은 조직 내에 복합 탄화물로 NbC 및 (Cr,Mo)23C6와 복합 붕소화물로 (Cr,Fe)2B가 존재하는 것을 특징으로 하는 고온 내산화성이 우수한 스테인리스강.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 스테인리스강은 조직 내에 (Mo,Cr,W)2B 및 (Mo,W)3B2 중 어느 하나 이상의 복합 붕소화물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 내산화성이 우수한 스테인리스강.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 복합 탄화물의 크기는 50nm 이하인 것을 특징으로 하는 고온 내산화성이 우수한 스테인리스강.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테인리스강은 상온 인장강도는 710Mpa 이상이고, 650℃에서 측정한 A5 연신율은 50% 이상을 만족하는 것을 특징으로 하는 고온 내산화성이 우수한 스테인리스강.
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