KR102113824B1 - 고온 수명이 우수한 오스테나이트계 내열 스테인리스강 - Google Patents

Abstract

고온 수명이 우수한 오스테나이트계 내열 스테인리스강이 제공된다.
본 발명의 내열 스테인레스강은, 중량 %로 C: 0.08% 이하, Si: 1.5% 이하, Mn: 2.0% 이하, P: 0.045% 이하, S: 0.03% 이하, Ni: 19~22%, Cr: 24~26%, V: 0.08~0.30%, V/C: 4~11, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

Description

고온 수명이 우수한 오스테나이트계 내열 스테인리스강{Heat resistance austenitic stainless steel with high temperature fatigue life}

본 발명은 고온특성이 우수한 오스테나이트계 내열 스테인리스강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열처리로 Meshbelt, 열교환기 등 고온 분위기에 사용되며 종래의 310S 내열 강 종보다 고온 수명을 개선하기 위하여 V을 함유한 고온특성이 우수한 오스테나이트계 내열 스테인리스강에 관한 것이다.

일반적으로, 310S강은 오스테나이트계 스테인리스강으로서 고온환경에서 내산화성, 내고온부식성이 우수하고, 성형성, 용접성도 양호하며, 화학 플랜트, 산업기계, 화학공업장치 등에 이용되며, 열처리로 내치구 및 구조물, 고온로 부품 등으로 이용되며, Cr-Ni을 다량 함유하고 있어 고온산화 저항력이 우수하며 고온강도가 좋다는 장점이 있다.

이러한 310S강은 합금의 주성분이 25%Cr-20%Ni으로서 고가인 Ni함량이 높아 제조 원가가 상승되는 문제가 있고, 주로 고온에서 열을 견뎌야 하는 환경에서 사용되어 고온특성 품질 향상이 항상 요구되어 왔다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기존 310S(25Cr-20Ni)강에 합금 원소를 첨가하여 새로운 합금 성분계를 도출하기 위한 것으로서, V 원소의 첨가를 최적화하여 고온수명이 향상한 내열 오스테나이트 스테인리스강을 제공함에 그 목적이 있다.

또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량 %로 C: 0.08% 이하, Si: 1.5% 이하, Mn: 2.0% 이하, P: 0.045% 이하, S: 0.03% 이하, Ni: 19~22%, Cr: 24~26%, V: 0.08~0.30%, V/C: 4~11, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 고온특성이 우수한 내열 오스테나이트 스테인리스강에 관한 것이다.

상술한 구성의 본 발명에 따르면, 종래의 310S 강종에 비해 고온에서 장시간 사용하여도 조직 안정성이 뛰어나 고온 수명이 우수하며, 특히 사용 부품 교환 주기가 늘어나 경제적으로 유익한 V 첨가 오스테나이트계 내열 스테인리스강을 효과적으로 제공할 수 있다.

도 1은 900℃ 열처리로 분위기에서 6개월 사용 후 종래 310S강에서 나타나는 시그마상 조직 사진이다.
도 2는 900℃ 열처리로 분위기에서 12개월 사용 후 V이 적정량 함유된 본 발명예 1의 강종에서 나타나는 시그마상 조직 사진이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 기존 310S 오스테나이트계 스테인리스강의 조성에서 고온 강도를 향상시키기 위하여 V을 첨가한 오스테나이트강을 제공한다.

본 발명자는 25Cr-20Ni-0.75Si-1.1Mn의 기본조성을 갖는 오스테나이트 스테인리스강의 합금조성으로서 고온 강도를 개선하기 위한 연구를 행한 결과, 고온 수명에 악영향을 끼치는 시그마상을 제어함에 적정량의 V 첨가가 효과적임을 발견하고 본 발명을 제시하는 것이다.

따라서 본 발명의 고온 수명이 우수한 내열 오스테나이트 스테인리스강은, 중량 %로 C: 0.08% 이하, Si: 1.5% 이하, Mn: 2.0% 이하, P: 0.045% 이하, S: 0.03% 이하, Ni: 19~22%, Cr: 24~26%, V: 0.08~0.30%, V/C: 4~11, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명의 강 조성범위 및 그 함량 제한사유를 설명하다. 아래에서 "%"는 달리 규정한 바가 없다면 "중량%"를 의미한다.

·C

C는 오스테나이트 형성 원소이나 과다 첨가시 Cr과 반응하여 크롬탄화물을 생성시켜 내식성이 저하됨과 동시에 고온수명을 저하시키므로 가능한 낮은 함량인 0.08% 이하로 제한함이 바람직하다.

·Si

Si는 탈산 원소이며, 고온 내산화성을 향상시키는 원소로서 과다 첨가시 페라이트상 형성을 조장하고, 용접성, 열간 가공성, 인성, 연성을 저하시키는 원소이므로 그 함량을 1.5% 이하로 제한함이 바람직하다.

·Mn

Mn은 Si와 마찬가지로 탈산 원소이며, 오스테나이트상 안정화 원소로서 Ni를 대체하며 오스테나이트상을 안정화시키지만 과다 첨가되는 경우 내열성을 악화시키므로 그 함량을 2.0% 이하로 제한함이 바람직하다.

·P

P는 편석에 의해 열간가공성을 저하시키고, 연성이나 용접성을 저하시키므로 상한을 그 함량을 0.045% 이하로 제한함이 바람직하다.

·S

S는 강 중에 불가피적인 불순물로서 함유되고, MnS를 형성하여 내식성을 저하시키고, 열간 가공성을 저하시킨다. 따라서 본 발명에서는 S의 함유량을 0.03% 이하로 제한함이 바람직하다.

·Ni

Ni은 안정된 오스테나이트 조직을 확보하기 위한 원소이고 내식성을 향상시키는 원소이나 고가이므로 경제성을 고려하여 그 함량을 19 ~ 22% 범위로 제한함이 바람직하다. 만일 그 함량이 19% 미만이면 고온 내식성을 확보 할 수 없으며, 22%를 초과하면 경제성이 떨어진다.

·Cr

본 발명에서 Cr는 스테인리스강의 산화 피막형성을 촉진하는 필수 원소로서 내열성을 확보하기 위하여 24% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나 과다 첨가되는 경우 δ-ferrite상이 잔존하여 열간 가공성을 저하하게 되어 그 첨가량을 상한을 26%을 한다.

·V

본 발명에서 V은 고온 수명을 향상시키는 본 발명에 중요한 원소이며 입계에 VC를 형성하여 고온 수명에 악영향을 끼치는 시그마상을 제어 하는 원소이다. 본 발명에서는 이러한 V의 함양을 0.08~0.30% 범위로 제어함이 바람직하다. 만일 V 함량이 0.08% 미만이면 고온수명 향상에 크게 도움이 되지 않으며, 0.30%를 초과하면 VN형성으로 크리프 특성이 오히려 저하되는 문제가 있을 수 있다.

· V/C

본 발명에서는 또한 고온 수명을 향상시키기 위하여 V/C가 4 이상 11 이하로 제함함을 특징으로 한다. 만일 상기 함량비가 4 미만이면 V 첨가 효과를 얻을 수 없으며, 11을 초과하면 과다한 석출물 형성으로 오히려 고온 수명을 저하시킬 가능성이 있다.

기타 본 발명의 스테인리스강은 잔여 성분으로서 Fe와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세하 설명한다.

(실시예)

하기 표 1과 같은 조성을 갖는 25Cr-20Ni-0.75Si-1.1Mn의 기본 성분계의 오스테나이트 스테인리스강을 마련하였다(단위 중량%).

강종	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	V	V/C
종래강 (310S강)	0.02	0.70	1.1	0.025	0.001	20.0	25.0	-	-
발명강1	0.02	0.70	1.1	0.025	0.001	20.0	25.0	0.12	6
발명강2	0.02	0.7	1.1	0.025	0.001	20.0	25.0	0.08	4
발명강3	0.02	0.7	1.1	0.025	0.001	20.0	25.0	0.22	11
발명강4	0.04	0.7	1.1	0.025	0.001	20.0	25.0	0.16	4
발명강5	0.04	0.7	1.1	0.025	0.001	20.0	25.0	0.30	7.5
비교강1	0.02	0.7	1.1	0.025	0.001	20.0	25.0	0.05	2.5
비교강2	0.02	0.7	1.1	0.025	0.001	20.0	25.0	0.35	17.5
비교강3	0.02	0.7	1.1	0.025	0.001	20.0	25.0	0.25	12.5
비교강4	0.06	0.7	1.1	0.025	0.001	20.0	25.0	0.12	2.0

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 종래강은 0.02%C-0.7%Si-1.1%Mn-20%Ni-25%Cr을 기본조성으로 하는 강이며, 발명강 1-5와 비교강 1-4는 이에 V성분 및 V/C 조성비를 다르게 하여 첨가시킨 경우를 나타낸다.

상기와 같은 조성을 갖는 각각의 강종을 용해하고, 이어, 잉고트(Ingot)로 주조하여 일부 절단하였다. 그리고 절단된 각각의 시편을 고용화 열처리하여 Ø x L = 8 x 50 (㎜)로 가공하여 크립 시험편으로 제조하여, 크립 시험 결과를 비교하여 하기 표 2에 나타내었다. 표 2에서 판단시간의 단위는 Hrs이다.

한편 상기와 같은 조성을 갖는 각각의 강종을 용해하고, 이어, 잉고트(Ingot)로 주조하고, 제조된 각각의 잉고트(Ingot)를 열간 압연, 고용화 열처리, 산세를 행하여 코일로 만든 후 인발, 용접하여 열처리로 장착용 Meshbelt를 제작하였다. 그리고 제작 후, 열처리로에 장착하여 고온수명을 비교 평가하여 표 3에 나타내었다.

강종	600℃		700℃		비고
	255MPa	170MPa	135MPa	90MPa
종래예	141	4,001	110	727	종래강
발명예1	238	6,368	371	2.016	발명강1
발명예2	197	5,325	263	1,296	발명강2
발명예3	240	6,521	342	1,987	발명강3
발명예4	195	5,264	288	1,541	발명강4
발명예5	202	5,703	257	1,229	발명강5
비교예1	165	4,217	108	742	비교강1
비교예2	180	4,985	139	930	비교강2
비교예3	186	4,510	127	905	비교강3
비교예4	162	4,233	122	725	비교강4

상기 표 2에서 나타난 바와 같이, 0.02%C-0.7%Si-1.1%Mn-20%Ni-25%Cr을 기본조성에 V성분을 적정량 함유시킨 발명예 1-5의 경우, 종래 310S강 대비 대비 크립 시험 조건에서 우수한 크립 특성을 보임을 알 수 있다.

이에 대하여, 비교예 1-2는 V 함량이 과다하거나 과소한 경우로서, 특히, 700℃ 크립특성이 좋지 않았다.

또한 비교예 3-4는 V함량은 본 발명의 범위내이나 V/C 조성성분비가 본 발명의 범위를 벗어난 경우로서, 고온수명 향상에 효과적인 탄화물 석출량이 적거나, 과다한 경우 오히려 크립특성이 좋지 않음을 확인할 수 있다.

강종	고온 사용 수명 (880 ~ 900℃)	비고
종래예	6 ~ 12개월	종래강
발명예1	15개월 이상	빌명강1
발명예2	15개월 이상	발명강2
발명예3	15개월 이상	발명강3
발명예4	15개월 이상	발명강4
발명예5	15개월 이상	발명강5
비교예1	10개월 이하	비교강1
비교예2	10개월 이하	비교강2
비교예3	10개월 이하	비교강3
비교예4	10개월 이하	비교강4

표 3 결과를 보면 0.02%C-0.7%Si-1.1%Mn-20%Ni-25%Cr을 기본조성으로 하고, V성분이 적정량 함유된 발명예 1-5의 경우 종래 310S강 대비 고온 사용 수명이 크게 증가함을 확인할 수 준다. 이러한 V첨가 강이, 고온 사용 수명이 우수한 이유는 입계에 미세한 VC가 석출되어 고온 수명에 악영향을 끼치는 시그마상이 입계에 집중적으로 석출하는 것을 방지하기 때문으로 판단된다.

그런데 첨가된 V 함량이 본 발명 보다 과소한 비교예 1의 경우, 충분한 VC가 석출되지 않아 시그마상이 입계에 집중적으로 석출되는 현상을 방지 못하고, V함량이 과다한 비교예 2의 경우 크리프 수명에 악영향을 끼치는 VN이 석출되어 결과적으로 고온 수명에는 좋지 않았다.

한편 비교예 3-4는 V함량은 본 발명의 범위내이나 V/C 조성성분비가 본 발명의 범위를 벗어난 경우로서, 고온수명 향상에 효과적인 탄화물 석출량이 적거나, 과다한 경우 오히려 고온 수명 특성이 좋지 않음을 확인할 수 있다.

한편 도 1은 900℃ 열처리로 분위기에서 6개월 사용 후 종래 310S강에서 나타나는 시그마상 조직 사진이다. 그리고 도 2는 900℃ 열처리로 분위기에서 12개월 사용 후 V이 적정량 함유된 본 발명예 1의 강종에서 나타나는 시그마상 조직 사진이다. 일반적으로, 크랙은 취성이 강한 시그마상 주위를 따라 전파되는데, 종래 310S강에서는 입계를 따라 시그마상이 생성되어 크랙에 민감하나, V이 적정량 함유된 본 발명예1의 강은 입계를 따라 시그마상이 형성되지 않고 전체에 미세하고 고르게 형성되어 크랙에 덜 민감함을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (1)

1. 중량%로, C: 0.08% 이하(0%는 제외), Si: 1.5% 이하(0%는 제외), Mn: 2.0% 이하(0%는 제외), P: 0.045% 이하, S: 0.03% 이하, Ni: 19~22%, Cr: 24~26%, V: 0.08~0.30%, V/C: 4~11, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 고온특성이 우수한 내열 오스테나이트 스테인리스강.
   

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