KR20200100833A

KR20200100833A - 페라이트계 스테인리스강

Info

Publication number: KR20200100833A
Application number: KR1020207022119A
Authority: KR
Inventors: 테츠유키 나카무라; 신 이시카와; 레이코 스기하라
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2019-01-25
Publication date: 2020-08-26
Also published as: US20210032731A1; EP3719164A4; TW201934778A; JPWO2019151125A1; KR102508125B1; CN111684092A; JP6624347B1; WO2019151125A1; EP3719164A1; TWI722377B

Abstract

내크리프 특성과 열피로 특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강을 제공한다. 질량％로, C: 0.020％ 이하, Si: 0.1∼1.0％, Mn: 0.05∼0.60％, P: 0.050％ 이하, S: 0.008％ 이하, Ni: 0.02∼0.60％, Al: 0.001∼0.25％, Cr: 18.0∼20.0％, Nb: 0.30∼0.80％, Mo: 1.80∼2.50％, N: 0.015％ 이하, Sb: 0.002∼0.50％를 함유하고, 또한, 이하의 식 (1)을 충족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 페라이트계 스테인리스강으로 한다. Nb＋Mo: 2.3∼3.0％　…(1) (식 (1) 중의 Nb, Mo는, 각 원소의 함유량(질량％)을 나타냄)

Description

페라이트계 스테인리스강

본 발명은, 페라이트계 스테인리스강에 관한 것으로서, 특히 자동차나 오토바이의 배기관이나 컨버터 케이스, 화력 발전 플랜트의 배기 덕트 등의 고온하에서 사용되는 배기계 부재에 이용하기에 적합한, 우수한 내(耐)크리프 특성(creep resistance)과 열피로 특성을 갖는 페라이트계 스테인리스강에 관한 것이다.

자동차의 이그조스트 매니폴드(exhaust manifolds)나 배기 파이프, 컨버터 케이스 및, 머플러 등의 배기계 부재에는, 우수한 내열성이 요구되고 있다. 내열성에는 몇 가지의 종류가 있고, 열피로 특성, 고온 피로 특성, 고온 강도(고온 내력), 내산화성, 크리프 특성, 고온 염해 부식 특성 등을 들 수 있다. 그 중에서도, 열피로 특성은 특히 중요한 내열성의 하나이다. 배기계 부재는, 엔진의 시동 및 정지에 수반하여 가열 및 냉각을 반복하여 받는다. 이때, 배기계 부재는, 주변의 부품과 접속되어 있기 때문에 열팽창 및 수축이 제한되고, 소재 자체에 열왜곡이 발생한다. 이 열왜곡을 반복하여 받음으로써 파괴에 이르는 저(低)사이클 피로 현상을 열피로라고 한다.

상기의 열피로 특성이 요구되는 부재에 이용되는 소재로서는, 현재, Nb와 Si를 첨가한 Type429(14％Cr-0.9％Si-0.4％Nb계)와 같은 페라이트계 스테인리스강이 많이 사용되고 있다. 그러나, 엔진 성능의 향상에 수반하여, 배기 가스 온도가 900℃를 초과하는 바와 같은 온도까지 상승해 오면, Type429에서는 특히, 필요한 열피로 특성을 충분히 충족할 수 없게 되어 버린다.

이 문제에 대응할 수 있는 소재로서, 예를 들면, Nb와 Mo를 첨가하여 고온 내력을 향상시킨 페라이트계 스테인리스강인, JIS G4305에 규정되는 SUS444(19％Cr-0.5％Nb-2％Mo), 혹은 Nb, Mo 및 W를 첨가한 페라이트계 스테인리스강 등이 개발되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

일본공개특허공보 2004-018921호

작금에 있어서의 배기 가스 규제 강화로의 대응이나 연비의 향상을 목적으로 하여, 배기 가스 온도는 고온화하는 추세에 있어, SUS444 등에서도 내열성, 특히 열피로 특성이 부족한 경우가 나오고 있다. 또한, 배기 가스 온도가 900℃를 초과하여 고온화하면 스테인리스강은 크리프 변형을 하기 쉬워지기 때문에, 내크리프 특성도 필요시 되게 된다.

SUS444는 페라이트계 스테인리스강에 있어서 최고 레벨의 내열성을 갖고 있지만, 최근의 배기 가스 규제 강화, 연비의 향상에 수반하여 배기 가스 온도가 상승한 경우에는, 반드시 내열성은 충분하다고는 할 수 없다. 배기 가스 온도의 고온화에 수반하여, 배기계 부재의 승온 시의 열팽창이 커지기 때문에, 보다 혹독한 열왜곡이 부가됨으로써 배기계 부재에 이용되는 페라이트계 스테인리스강은 열피로 파괴되기 쉬워져 버린다. 또한, 고온역에서 장시간 유지된 경우에 페라이트계 스테인리스강은 크리프 변형이 발생하기 쉽고, 크리프 변형이 발생하면, 크리프 변형에 의해 두께 감소한 부분을 기점으로 하여 파괴에 이르러 버리기 때문에, 내크리프 특성의 향상도 필요시 되고 있다.

이와 같이, SUS444를 포함하는 종래의 기술에서는, 배기 가스 온도가 고온화했을 때에도 열피로 특성이 충분한 페라이트계 스테인리스강을 얻을 수는 없었다. 또한, 배기 가스 온도가 900℃를 초과한 경우에 특히 필요해지는 내크리프 특성에 대한 평가도 충분히 행해져 오지 않았다.

그래서, 본 발명은 이러한 과제를 해결하여, 내크리프 특성과 열피로 특성이 우수한 페라이트계 스테인리스강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 「내크리프 특성이 우수하다」란, 900℃에서 크리프 시험을 행했을 때의 파단 시간이 SUS444보다 우수한 것을 말한다. 또한, 「열피로 특성이 우수하다」란, SUS444보다 우수한 특성을 갖는 것으로서, 구체적으로는, 200∼950℃ 사이에서 승온과 강온을 반복했을 때의 열피로 수명이 SUS444보다 우수한 것을 말한다.

본 발명자들은, 내크리프 특성과 열피로 특성이 SUS444보다 우수한 페라이트계 스테인리스강을 개발하기 위해, 여러 가지의 원소의 내크리프 특성 및 열피로 특성으로의 영향에 대해서 예의 검토를 거듭했다.

그 결과, 질량％로, Nb를 0.30∼0.80％, Mo를 1.80∼2.50％, Nb와 Mo의 합계 함유량을 2.3∼3.0％로 함유함으로써, 폭넓은 온도역에서 고온 강도가 상승하고, 열피로 특성이 향상하는 것을 발견했다. 또한, Sb를 0.002∼0.50질량％의 범위에서 함유함으로써, 내크리프 특성이 향상하는 것을 발견했다.

이상의 인식에 입각하여, Cr, Nb, Mo, Sb의 모두를 적당량 함유하는 특정의 성분 조성으로 함으로써 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 본 발명에 있어서, 상기 원소가 중요하지만, 본 발명의 효과를 가져오기 위해서는 모든 필수 원소를 소정의 함유량으로 조정할 필요가 있다.

본 발명은, 이하를 요지로 하는 것이다.

[1] 질량％로, C: 0.020％ 이하, Si: 0.1∼1.0％, Mn: 0.05∼0.60％, P: 0.050％ 이하, S: 0.008％ 이하, Ni: 0.02∼0.60％, Al: 0.001∼0.25％, Cr: 18.0∼20.0％, Nb: 0.30∼0.80％, Mo: 1.80∼2.50％, N: 0.015％ 이하, Sb: 0.002∼0.50％를 함유하고, 또한, 이하의 식 (1)을 충족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 페라이트계 스테인리스강.

Nb＋Mo: 2.3∼3.0％　　…(1)

(식 (1) 중의 Nb, Mo는, 각 원소의 함유량(질량％)을 나타냄)

[2] 상기 성분 조성은, 질량％로, 추가로, Ti: 0.01∼0.16％, Zr: 0.01∼0.50％, Co: 0.01∼0.50％, B: 0.0002∼0.0050％, V: 0.01∼1.0％, W: 0.01∼5.0％, Cu: 0.01∼0.40％, Sn: 0.001∼0.005％ 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 [1]에 기재된 페라이트계 스테인리스강.

[3] 상기 성분 조성은, 질량％로, 추가로, Ca: 0.0002∼0.0050％, Mg: 0.0002∼0.0050％ 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하는 [1] 또는 [2]에 기재된 페라이트계 스테인리스강.

[4] 엔진으로부터의 배기 가스에 의해 700℃ 이상까지 승온하는 이그조스트 매니폴드에 사용되는 [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 페라이트계 스테인리스강.

본 발명에 의하면, SUS444(JIS G4305)보다 우수한 내크리프 특성과 열피로 특성을 갖는 페라이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강은, 자동차 등의 배기계 부재에 적합하게 이용할 수 있다.

도 1은 크리프 시험편을 설명하는 도면이다.
도 2는 열피로 시험편을 설명하는 도면이다.
도 3은 열피로 시험에 있어서의 온도 및 구속 조건을 설명하는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시 형태에 한정되지 않는다.

본 발명의 페라이트계 스테인리스강은, 질량％로, C: 0.020％ 이하, Si: 0.1∼1.0％, Mn: 0.05∼0.60％, P: 0.050％ 이하, S: 0.008％ 이하, Ni: 0.02∼0.60％, Al: 0.001∼0.25％, Cr: 18.0∼20.0％, Nb: 0.30∼0.80％, Mo: 1.80∼2.50％, N: 0.015％ 이하, Sb: 0.002∼0.50％를 함유하고, 또한, 이하의 식 (1)을 충족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다.

Nb＋Mo: 2.3∼3.0％　　…(1)

(식 (1) 중의 Nb, Mo는, 각 원소의 함유량(질량％)을 나타냄)

본 발명에서는, 성분 조성의 균형이 매우 중요하고, 상기와 같은 성분 조성의 조합으로 함으로써, 내크리프 특성과 열피로 특성이 SUS444보다 우수한 페라이트계 스테인리스강을 얻을 수 있다. 상기 성분 조성에 있어서의 필수 원소(C, Si, Mn, Ni, Al, Cr, Nb, Mo, N, Sb)의 함유량의 범위가 하나라도 벗어난 경우는, 소기한 내크리프 특성과 열피로 특성은 얻어지지 않는다.

다음으로, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강의 성분 조성에 대해서 설명한다. 이하, 성분의 함유량의 단위인 ％는, 특별히 언급하지 않는 한 질량％를 의미한다.

C: 0.020％ 이하

C는, 강의 강도를 높이는 데에 유효한 원소이지만, 0.020％를 초과하여 C를 함유하면, 인성 및 성형성의 저하가 현저해진다. 또한, 본 발명에서 중요한 Nb와 연결되어 생성하는 탄화물량이 많아짐으로써, 후술하는 Nb의 열피로 특성과 내크리프 특성을 향상시키는 효과가 작아져 버린다. 따라서, C 함유량은 0.020％ 이하로 한다. 또한, C 함유량은, 성형성을 확보하는 관점에서는 0.010％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, C 함유량은 0.008％ 이하로 한다. 또한, 배기계 부재로서의 강도를 확보하는 관점에서는, C 함유량은 0.001％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, C 함유량은 0.003％ 이상으로 한다. 더욱 바람직하게는, C 함유량은 0.004％ 이상으로 한다.

Si: 0.1∼1.0％

Si는, 내산화성 향상을 위해 필요한 중요 원소이다. 고온화한 배기 가스 중에서의 내산화성을 확보하기 위해서는 0.1％ 이상의 Si의 함유가 필요하다. 한편, 1.0％를 초과하는 과잉의 Si의 함유는, 실온에 있어서의 가공성을 저하시키기 때문에, Si 함유량의 상한은 1.0％로 한다. 바람직하게는, Si 함유량은 0.20％ 이상으로 한다. 보다 바람직하게는, Si 함유량은 0.30％ 이상으로 한다. 더욱 바람직하게는, Si 함유량은 0.40％ 이상으로 한다. 또한, 바람직하게는, Si 함유량은 0.90％ 이하로 한다. 보다 바람직하게는, Si 함유량은 0.60％ 이하로 한다.

Mn: 0.05∼0.60％

Mn은, 산화 스케일(osid scale)의 내박리성(spalling resistance)을 높임으로써 열피로 특성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이들 효과를 얻기 위해서는, 0.05％ 이상의 Mn의 함유가 필요하다. 한편, Mn의 0.60％를 초과하는 과잉의 함유는, 고온에서 γ상이 생성되기 쉬워져, 내열성을 저하시킨다. 따라서, Mn 함유량은 0.05％ 이상 0.60％ 이하로 한다. 바람직하게는, Mn 함유량은 0.10％ 이상으로 한다. 보다 바람직하게는, Mn 함유량은 0.15％ 이상으로 한다. 또한, 바람직하게는, Mn 함유량은 0.50％ 이하로 한다. 보다 바람직하게는, Mn 함유량은 0.40％ 이하로 한다.

P: 0.050％ 이하

P는, 강의 인성을 저하시키는 유해한 원소로서, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 따라서, P 함유량은 0.050％ 이하로 한다. 바람직하게는, P 함유량은 0.040％ 이하이다. 보다 바람직하게는, P 함유량은 0.030％ 이하이다.

S: 0.008％ 이하

S는, 신장이나 r값을 저하시켜, 성형성에 악영향을 미침과 함께, 스테인리스강의 기본 특성인 내식성을 저하시키는 유해 원소이기도 하기 때문에, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는, S 함유량은 0.008％ 이하로 한다. 바람직하게는, S 함유량은 0.006％ 이하이다.

Ni: 0.02∼0.60％

Ni는, 강의 인성 및 내산화성을 향상시키는 원소이다. 이들 효과를 얻기 위해서는, Ni 함유량은 0.02％ 이상으로 한다. 내산화성이 불충분하면, 산화 스케일의 생성량이 많아지는 것에 의한 소재 단면적의 감소나, 산화 스케일의 박리에 의해, 열피로 특성이 저하한다. 한편, Ni는 강력한 γ상 형성 원소이기 때문에, 과잉으로 Ni를 함유하면, 고온에서 γ상을 생성하여, 내산화성을 저하시킴과 함께 열팽창 계수가 커짐으로써 열피로 특성이 저하한다. 따라서, Ni 함유량의 상한은 0.60％로 한다. 바람직하게는, Ni 함유량은 0.05％ 이상이다. 보다 바람직하게는, Ni 함유량은 0.10％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Ni 함유량은 0.40％ 이하이다. 보다 바람직하게는, Ni 함유량은 0.30％ 이하이다.

Al: 0.001∼0.25％

Al은, 내산화성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. 그 효과를 얻기 위해 Al은 0.001％ 이상의 함유가 필요하다. 한편, Al은 열팽창 계수를 높이는 원소이기도 하다. 열팽창 계수가 커지면 열피로 특성이 저하해 버린다. 추가로, 강이 현저하게 경질화하여 가공성이 저하해 버린다. 따라서, Al 함유량은 0.25％ 이하로 한다. 바람직하게는, Al 함유량은 0.005％ 이상이다. 보다 바람직하게는, Al 함유량은 0.010％ 초과이다. 더욱 바람직하게는, Al 함유량은 0.020％ 초과이다. 또한, 바람직하게는, Al 함유량은 0.20％ 미만이다. 보다 바람직하게는, Al 함유량은 0.08％ 미만이다.

Cr: 18.0∼20.0％

Cr은, 스테인리스강의 특징인 내식성, 내산화성을 향상시키는 데에 유효한 중요 원소이지만, Cr 함유량이 18.0％ 미만에서는, 900℃를 초과하는 고온역에서 충분한 내산화성이 얻어지지 않는다. 내산화성이 불충분하면, 산화 스케일 생성량이 많아져, 소재의 단면적의 감소에 수반하여 열피로 특성도 저하한다. 한편, Cr은, 실온에 있어서 강을 고용 강화하여, 경질화 및 저연성화하는 원소로서, Cr 함유량이 20.0％를 초과하면, 상기 폐해가 현저해져, 열피로 특성도 오히려 저하하기 때문에, Cr 함유량의 상한은 20.0％로 한다. 바람직하게는, Cr 함유량은 18.5％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Cr 함유량은 19.5％ 이하이다.

Nb: 0.30∼0.80％

Nb는, 고온 강도를 상승시켜 열피로 특성, 내크리프 특성을 향상시키는 본 발명에 중요한 원소이다. 이러한 효과는, 0.30％ 이상의 Nb의 함유로 확인된다. Nb 함유량이 0.30％ 미만인 경우는, 고온에 있어서의 강도가 부족하여, 우수한 열피로 특성, 내크리프 특성이 얻어지지 않는다. 그러나, 0.80％를 초과하는 Nb의 함유는, 금속 간 화합물인 Laves상(Fe₂Nb) 등이 석출되기 쉬워져, 고온 강도가 저하하여, 열피로 특성과 내크리프 특성은 오히려 저하할 뿐만 아니라, 취화를 촉진한다. 따라서, Nb 함유량은 0.30％ 이상 0.80％ 이하로 한다. 바람직하게는, Nb 함유량은 0.40％ 이상이다. 보다 바람직하게는, Nb 함유량은 0.45％ 이상이다. 더욱 바람직하게는, Nb 함유량은 0.50％ 초과이다. 또한, 바람직하게는, Nb 함유량은 0.70％ 이하이다. 보다 바람직하게는, Nb 함유량은 0.60％ 이하이다.

Mo: 1.80∼2.50％

Mo는, 강 중에 고용하여 강의 고온 강도를 향상시킴으로써 열피로 특성, 내크리프 특성을 향상시키는 유효한 원소이다. 그 효과는 1.80％ 이상의 Mo의 함유로 나타난다. Mo 함유량이 1.80％ 미만인 경우는 고온 강도가 불충분해져, 우수한 열피로 특성, 내크리프 특성은 얻어지지 않는다. 한편, 과잉인 Mo의 함유는, 강을 경질화시켜 가공성을 저하시켜 버릴 뿐만 아니라, Nb와 마찬가지로 Laves상(Fe₂Mo)으로서 석출되어, 강 중 고용 Mo량은 저감하기 때문에 오히려 열피로 특성은 저하해 버린다. 또한, 열피로 시험 중에 조대한(coarse) σ상으로서 석출됨으로써 파괴의 기점이 되어 열피로 특성이 저하해 버린다. 따라서, Mo 함유량의 상한은 2.50％로 한다. 바람직하게는, Mo 함유량은 1.90％ 이상이다. 보다 바람직하게는, Mo 함유량은 2.00％ 초과이다. 또한, 바람직하게는, Mo 함유량은 2.30％ 이하이다. 보다 바람직하게는, Mo 함유량은 2.10％ 이하이다.

N: 0.015％ 이하

N은, 강의 인성 및 성형성을 저하시키는 원소로서, 0.015％를 초과하여 함유하면, 인성 및 성형성의 저하가 현저해질 뿐만 아니라, Nb 질화물의 형성에 의해 고용 Nb량이 저하하여, 내크리프 특성과 열피로 특성이 저하한다. 따라서, N 함유량은 0.015％ 이하로 한다. 또한, N은, 인성, 성형성을 확보하는 관점에서는, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하고, N 함유량은 0.010％ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

Sb: 0.002∼0.50％

Sb는 본 발명에 있어서 내크리프 특성을 향상시키기 위해 중요한 원소이다. Sb는 강 중에 고용하여, 고온에서의 강의 크리프 변형을 억제한다. Sb는 고온역에 있어서도 탄질화물이나 Laves상으로서 석출되지 않고, 장기간의 사용 후에도 강 중에 고용하여, 크리프 변형을 억제하기 때문에 내크리프 특성을 향상시킬 수 있다. 이 효과는 Sb의 0.002％ 이상의 함유로 얻어진다. 한편, Sb의 과잉의 함유는 강의 인성, 열간 가공성을 저하시키기 때문에, 제조 시에 균열이 발생하기 쉬워질 뿐만 아니라, 열간 연성이 저하함으로써 열피로 특성도 저하한다. 따라서, Sb 함유량의 상한은 0.50％로 한다. 바람직하게는, Sb 함유량은 0.005％ 이상이다. 보다 바람직하게는 0.020％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Sb 함유량은 0.30％ 이하이다. 보다 바람직하게는, Sb 함유량은 0.10％ 이하이다.

Nb＋Mo: 2.3∼3.0％　　…(1)

전술한 바와 같이, Nb와 Mo는 열피로 특성, 내크리프 특성 향상에 유효한 원소이다. 각각 0.30％ 이상, 1.80％ 이상의 함유에서 그 효과가 확인된다. 그러나, 배기 가스의 고온화에 대응하기 위해 200∼950℃ 사이에서 승온과 강온을 반복했을 때의 열피로 수명이 SUS444보다 우수한 열피로 특성, 내크리프 특성을 실현하기 위해서는, 양 원소를 소정의 범위에서 함유한 후에, 적어도 Nb＋Mo≥2.3％를 충족하는, 즉 Nb＋Mo량(Nb와 Mo의 합계 함유량)을 2.3％ 이상으로 할 필요가 있다. 이를 충족하지 않는 경우는, 설령 Sb를 소정량 첨가해도 우수한 내크리프 특성이 얻어지지 않는다. 바람직하게는, Nb＋Mo>2.5％이다. 한편, Nb＋Mo량이 지나치게 증가하면 강이 깨지게 되어, 우수한 열피로 특성, 내크리프 특성은 얻어지지 않게 된다. 그 때문에, Nb＋Mo량의 상한은 3.0％로 한다. 바람직하게는, Nb＋Mo량은 2.7％ 이하이다.

또한, 상기의 식 (1) 중의 Nb 및 Mo는, 각 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.

본 발명의 페라이트계 스테인리스강에서는, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다.

본 발명의 페라이트계 스테인리스강은, 상기 필수 성분에 더하여, 추가로, 임의 성분으로서, Ti, Zr, Co, B, V, W, Cu, Sn 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을, 하기의 범위에서 함유할 수 있다.

Ti: 0.01∼0.16％

Ti는, C 및 N을 고정하고, 내식성이나 성형성을 향상하여, 용접부의 입계 부식을 방지하는 원소로서, 본 발명에서는, 필요에 따라서 함유할 수 있다. Ti를 함유함으로써, Ti가 Nb보다도 우선적으로 C 및 N과 연결되기 때문에, 고온 강도에 유효한 강 중 고용 Nb량을 확보할 수 있어, 내열성 향상에도 유효하다. 그들 효과는 0.01％ 이상의 Ti의 함유로 얻어진다. 한편, 0.16％를 초과하는 과잉인 Ti의 함유는, 인성의 저하를 초래하고, 예를 들면, 열연판 어닐링 라인에서 반복하여 받는 굽힘-굽힘 되돌림(bending and unbending)에 의해 파단을 일으키거나 하는 등, 제조성에 악영향을 미치게 된다. 또한, Ti의 탄질화물을 핵으로서 Nb의 탄질화물이 석출되기 쉬워지기 때문에, 고온 강도에 유효한 강 중 고용 Nb량을 오히려 저감시켜 버려, 열피로 특성, 내크리프 특성이 저하한다. 따라서, Ti를 함유하는 경우, Ti 함유량은 0.01∼0.16％로 한다. 바람직하게는, Ti 함유량은 0.03％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Ti 함유량은 0.12％ 이하이다. 보다 바람직하게는, Ti 함유량은 0.08％ 이하이다. 더욱 바람직하게는, Ti 함유량은 0.05％ 이하이다.

Zr: 0.01∼0.50％

Zr은 내산화성을 향상시키는 원소로서, 본 발명에서는, 필요에 따라서 함유할 수 있다. 이 효과는 0.01％ 이상의 Zr의 함유로 얻어진다. 그러나, Zr 함유량이 0.50％를 초과하면, Zr 금속 간 화합물이 석출되어, 강을 취화시킨다. 따라서, Zr을 함유하는 경우는, Zr 함유량은 0.01∼0.50％로 한다. 바람직하게는, Zr 함유량은 0.03％ 이상이다. 보다 바람직하게는, Zr 함유량은 0.05％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Zr 함유량은 0.30％ 이하이다. 보다 바람직하게는, Zr 함유량은 0.10％ 이하이다.

Co: 0.01∼0.50％

Co는, 강의 인성 향상에 유효한 원소로서 알려져 있다. 이 효과는 0.01％ 이상의 Co의 함유로 얻어진다. 한편, 과잉인 Co의 함유는 강의 인성을 오히려 저하시키기 때문에, Co 함유량의 상한은 0.50％로 한다. 따라서, Co를 함유하는 경우, Co 함유량은 0.01∼0.50％로 한다. 바람직하게는, Co 함유량은 0.03％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Co 함유량은 0.30％ 이하이다.

B: 0.0002∼0.0050％

B는, 강의 가공성, 특히 2차 가공성을 향상시키기 위해 유효한 원소이다. 이러한 효과는, 0.0002％ 이상의 B의 함유로 얻을 수 있다. 한편, 과잉인 B의 함유는, BN을 생성하여 가공성을 저하시킨다. 따라서, B를 함유하는 경우는, B 함유량은 0.0002∼0.0050％로 한다. 바람직하게는, B 함유량은 0.0005％ 이상이다. 보다 바람직하게는, B 함유량은 0.0008％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, B 함유량은 0.0030％ 이하이다. 보다 바람직하게는, B 함유량은 0.0020％ 이하이다.

V: 0.01∼1.0％

V는, 강의 가공성 향상에 유효한 원소임과 함께, 내산화성의 향상에도 유효한 원소이다. 이들 효과는, V 함유량이 0.01％ 이상에서 현저해진다. 그러나, 1.0％를 초과하는 과잉인 V의 함유는, 조대한 V(C, N)의 석출을 초래하여, 인성을 저하시킬 뿐만 아니라, 표면 성상을 저하시킨다. 따라서, V를 함유하는 경우는, V 함유량은 0.01∼1.0％로 한다. 바람직하게는, V 함유량은 0.03％ 이상이다. 보다 바람직하게는, V 함유량은 0.05％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, V 함유량은 0.50％ 이하이다. 보다 바람직하게는, V 함유량은 0.20％ 이하이다.

W: 0.01∼5.0％

W는, Mo와 마찬가지로 고용 강화에 의해 고온 강도를 크게 향상시키는 원소이다. 이 효과는 0.01％ 이상의 W의 함유로 얻어진다. 한편, 과잉인 W의 함유는 강을 현저하게 경질화할 뿐만 아니라, 제조 시의 어닐링 공정에 있어서 강고한 스케일(scale)이 생성되기 때문에, 산 세정 시의 탈스케일(descale)이 곤란해진다. 따라서, W를 함유하는 경우는, W 함유량은 0.01∼5.0％로 한다. 바람직하게는, W 함유량은 0.05％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, W 함유량은 3.5％ 이하이다. 보다 바람직하게는, W 함유량은 1.0％ 이하이다. 더욱 바람직하게는, W 함유량은 0.30％ 미만이다.

Cu: 0.01∼0.40％

Cu는 강의 내식성을 향상시키는 효과를 갖는 원소로서, 내식성이 필요한 경우에 함유한다. 그 효과는 0.01％ 이상의 Cu의 함유로 얻어진다. 한편으로 0.40％를 초과하여 Cu를 함유하면, 산화 스케일이 박리하기 쉬워져, 내반복 산화 특성이 저하한다. 그 때문에, Cu를 함유하는 경우는, Cu 함유량은 0.01∼0.40％로 한다. 바람직하게는, Cu 함유량은 0.03％ 이상이다. 보다 바람직하게는, Cu 함유량은 0.06％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Cu 함유량은 0.20％ 이하이다. 보다 바람직하게는, Cu 함유량은 0.10％ 이하이다.

Sn: 0.001∼0.005％

Sn은, 강의 고온 강도 향상에 유효한 원소이다. 그 효과는 0.001％ 이상의 Sn의 함유로 얻어진다. 한편, 과잉인 Sn의 함유는, 강의 취화에 수반하여 열피로 특성을 오히려 저하시킨다. 그 때문에, Sn을 함유하는 경우에는, Sn 함유량은 0.001∼0.005％로 한다. 바람직하게는, Sn 함유량은 0.001％ 이상 0.003％ 이하이다.

본 발명의 페라이트계 스테인리스강은, 추가로, 임의 성분으로서 Ca, Mg 중으로부터 선택되는 1종 또는 2종을, 하기의 범위에서 함유할 수 있다.

Ca: 0.0002∼0.0050％

Ca는, 연속 주조 시에 발생하기 쉬운 Ti계 개재물 석출에 의한 노즐의 폐색을 방지하는 데에 유효한 성분이다. 그 효과는 0.0002％ 이상의 Ca의 함유로 얻어진다. 한편, 표면 결함을 발생시키지 않고 양호한 표면 성상을 얻기 위해서는, Ca 함유량은 0.0050％ 이하로 할 필요가 있다. 따라서, Ca을 함유하는 경우는, Ca 함유량은 0.0002∼0.0050％로 한다. 바람직하게는, Ca 함유량은 0.0005％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Ca 함유량은 0.0030％ 이하이다. 보다 바람직하게는, Ca 함유량은 0.0020％ 이하이다.

Mg: 0.0002∼0.0050％

Mg는, 슬래브(slab)의 등축정률(equiaxed crystal ratio)을 향상시켜, 가공성이나 인성의 향상에 유효한 원소이다. 본 발명과 같이 Nb나 Ti를 함유하는 강에 있어서는, Mg는 Nb나 Ti의 탄질화물의 조대화를 억제하는 효과도 갖는다. 그 효과는 0.0002％ 이상의 Mg의 함유로 얻어진다. Ti 탄질화물이 조대화하면, 취성 균열의 기점이 되기 때문에 인성이 크게 저하한다. Nb 탄질화물이 조대화하면, Nb의 강 중 고용량이 저하하기 때문에, 열피로 특성의 저하에 연결된다. 한편, Mg 함유량이 0.0050％ 초과가 되면, 강의 표면 성상을 악화시켜 버린다. 따라서, Mg를 함유하는 경우는, Mg 함유량은 0.0002∼0.0050％로 한다. 바람직하게는, Mg 함유량은 0.0003％ 이상이다. 보다 바람직하게는, Mg 함유량은 0.0004％ 이상이다. 또한, 바람직하게는, Mg 함유량은 0.0030％ 이하이다. 보다 바람직하게는, Mg 함유량은 0.0020％ 이하이다.

잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 상기 임의 성분을 상기 하한값 미만으로 포함하는 경우, 하한값 미만의 함유량으로 포함되는 임의 성분은, 불가피적 불순물로서 포함되는 것으로 한다.

다음으로, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법에 대해서 설명한다.

본 발명의 스테인리스강의 제조 방법은, 페라이트계 스테인리스강의 통상의 제조 방법이면 적합하게 채용할 수 있어, 특별히 한정되는 것은 아니다.

예를 들면, 전로(converter) 또는 전기로(electric furnace) 등 공지의 용해로에서 강을 용제하고, 혹은 추가로 레이들 정련(ladle refining) 또는 진공 정련 등의 2차 정련을 거쳐 전술한 본 발명의 성분 조성을 갖는 강으로 하고, 연속 주조법 혹은 조괴-분괴 압연법(ingot casting and slabbing)으로 강편(슬래브)으로 하고, 그 후, 열간 압연, 열연판 어닐링, 산 세정, 냉간 압연, 마무리 어닐링 및 산 세정 등의 각 공정을 거쳐 냉연 어닐링판으로 하는 제조 공정으로 제조할 수 있다. 상기 냉간 압연은, 1회 또는 중간 어닐링을 사이에 두는 2회 이상의 냉간 압연으로 해도 좋고, 또한, 냉간 압연, 마무리 어닐링 및 산 세정의 각 공정은, 반복하여 행해도 좋다. 또한, 열연판 어닐링은 생략해도 좋고, 강판의 표면 광택이나 조도 조정이 요구되는 경우에는, 냉간 압연 후 혹은 마무리 어닐링 후, 스킨 패스 압연을 실시해도 좋다.

상기 제조 방법에 있어서의, 바람직한 제조 조건에 대해서 설명한다.

강을 용제하는 제강 공정은, 전로 혹은 전기로 등에서 용해한 강을 VOD법이나 AOD법 등에 의해 2차 정련하고, 상기 필수 성분 및 필요에 따라서 첨가되는 임의 성분을 함유하는 강으로 하는 것이 바람직하다. 용제한 용강은, 공지의 방법으로 강 소재로 할 수 있지만, 생산성 및 품질면에서는, 연속 주조법에 따르는 것이 바람직하다. 강 소재는, 그 후, 바람직하게는 1050∼1250℃로 가열되어, 열간 압연에 의해 소망하는 판두께의 열연판으로 된다. 제조 상, 열연판의 판두께는 5㎜ 이하가 바람직하다. 물론, 판재 이외에 열간 가공할 수도 있다. 상기 열연판은, 그 후 필요에 따라서 900∼1150℃의 온도에서 연속 어닐링, 또는 700∼900℃의 온도에서 배치 어닐링(batch annealing)을 실시한 후, 산 세정이나 연마 등에 의해 탈스케일하여, 열연 제품으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 필요에 따라서, 산 세정 전에 쇼트 블라스트(shot blasting)에 의해 스케일 제거해도 좋다.

또한, 상기 열연 제품(열연 어닐링판)을, 냉간 압연 등의 공정을 거쳐 냉연 제품으로 해도 좋다. 이 경우의 냉간 압연은, 1회라도 좋지만, 생산성이나 요구 품질 상의 관점에서 중간 어닐링을 사이에 두는 2회 이상의 냉간 압연으로 해도 좋다. 1회 또는 2회 이상의 냉간 압연의 총압하율은 60％ 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 70％ 이상이다. 냉간 압연한 강판은, 그 후, 바람직하게는 900∼1200℃, 더욱 바람직하게는 1000∼1150℃의 온도에서 연속 어닐링(마무리 어닐링)하고, 산 세정 또는 연마하여, 냉연 제품(냉연 어닐링판)으로 하는 것이 바람직하다. 마무리 어닐링은 환원성 분위기 중에서 행해도 좋고, 그 경우, 마무리 어닐링 후의 산 세정 또는 연마는 생략해도 좋다. 추가로 용도에 따라서는, 마무리 어닐링 후, 스킨 패스 압연 등을 실시하여, 강판의 형상, 표면 조도 및 재질의 조정을 행해도 좋다.

상기와 같이 하여 얻은 열연 제품 혹은 냉연 제품은, 그 후, 각각의 용도에 따라서, 절단이나 굽힘 가공, 장출 가공(bulging) 및 드로잉 가공(drawing) 등의 가공을 실시하여, 자동차나 오토바이의 배기관, 촉매 외통재, 화력 발전 플랜트의 배기 덕트 혹은 연료 전지 관련 부재, 예를 들면 세퍼레이터, 인터 커넥터 혹은 개질기 등으로 성형된다. 본 발명의 페라이트계 스테인리스강은, 이들 중에서도, 이그조스트 매니폴드나 배기 파이프, 컨버터 케이스 및, 머플러 등의 배기계 부재용으로 적합하게 이용된다. 특히, 사용 시에 엔진으로부터의 배기 가스에 의해 700℃ 이상까지 승온하는 경우라도, 내구성이 우수한 이그조스트 매니폴드를 얻을 수 있는 점이 특징의 하나이다.

이들 부재를 용접하는 방법은, 특별히 한정되는 것이 아니라, MIG(Metal Inert Gas), MAG(Metal Active Gas), TIG(Tungsten Inert Gas) 등의 통상의 아크 용접이나, 스팟 용접, 시임 용접 등의 저항 용접 및, 전봉 용접 등의 고주파 저항 용접, 고주파 유도 용접 등을 적용할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세하게 설명한다.

표 1에 나타낸 No.1∼41, 43, 45∼47의 성분 조성을 갖는 강을 진공 용해로에서 용제하고, 주조하여 50㎏ 강괴(ingot)로 하고, 1170℃에서 가열한 후, 열간 압연에 의해 35㎜ 두께의 시트 바로 했다. 시트 바(sheet bar)를 2분할하고, 그 중 1개의 강괴를 1100℃로 가열하고, 이어서, 열간 압연하여 판두께 5㎜의 열연판으로 하고, 1000∼1150℃의 범위의 온도에서 어닐링 후, 연삭하여 열연 어닐링판으로 했다. 이어서, 압하율 70％의 냉간 압연을 행하고, 1000∼1150℃의 온도에서 마무리 어닐링을 행한 후, 산 세정 또는 연마에 의해 스케일을 제거하고, 판두께가 1.5㎜의 냉연 어닐링판으로 하여, 크리프 시험에 제공했다. 또한, 참고로서, SUS444(종래예 No.28)에 대해서도, 상기와 마찬가지로 하여 냉연 어닐링판을 제작하여, 크리프 시험에 제공했다. 어닐링 온도에 대해서는, 상기 온도 범위 내에서 조직을 확인하면서 각 강에 있어서 온도를 결정했다.

<크리프 시험>

상기와 같이 하여 얻은 각 냉연 어닐링판으로부터 도 1에 나타내는 형상의 시험편을 잘라내어, 900℃에서 응력 15㎫을 부하하는 크리프 시험을 행했다. 파단까지 걸린 시간을 바탕으로, 하기와 같이 평가했다. 비교로서 행한 SUS444(종래예 No.28)에 대해서는, 파단까지 걸린 시간은 5.5hr였다.

◎: 파단 시간≥10hr

○: 6hr≤파단 시간<10hr

×: 파단 시간<6hr

상기 평가에서, ◎와 ○를 합격, ×를 불합격으로 했다. 얻어진 결과를 표 1에 나타낸다(표 1 중의 크리프 900℃ 참조).

다음으로, 상기에 있어서 2분할한 시트 바의 나머지 중 1개를 이용하여, 1100℃로 가열한 후, 열간 단조하고, 30㎜각(square)의 각(各) 봉(bar)으로 했다. 이어서, 1000∼1150℃의 온도에서 어닐링 후, 기계 가공하고, 도 2에 나타내는 형상, 치수의 열피로 시험편으로 가공하여, 하기의 열피로 시험에 제공했다. 어닐링 온도는, 성분마다 조직을 확인하여 재결정이 완료한 온도로 했다. 또한, 참고로서, SUS444의 성분 조성을 갖는 강(종래예 No.28)에 대해서도, 상기와 마찬가지로 하여 시험편을 제작하여, 열피로 시험에 제공했다.

<열피로 시험>

열피로 시험은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 상기 시험편을 구속률 0.5로 구속하면서, 200℃와 950℃의 사이에서 승온·강온을 반복하는 조건으로 행했다. 이때, 승온 속도는 5℃/초로 하고, 강온 속도는 2℃/초로 했다. 그리고, 200℃, 950℃에서의 유지 시간은 각각 30초로 했다. 또한, 상기의 구속률에 대해서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 구속률 η=a/(a＋b)로서 나타낼 수 있고, a는 (자유 열팽창 왜곡량－제어 왜곡량)/2이며, b는 제어 왜곡량/2이다. 또한, 자유 열팽창 왜곡량이란 기계적인 응력을 일절 주지 않고 승온한 경우의 왜곡량이고, 제어 왜곡량이란 시험 중에 발생하고 있는 왜곡량의 절댓값을 나타낸다. 구속에 의해 재료에 발생하는 실질적인 구속 왜곡량은, (자유 열팽창 왜곡량－제어 왜곡량)이다.

또한, 열피로 수명은, 200℃에 있어서 검출된 하중을 시험편 균열 평행부(도 2 참조)의 단면적으로 나누어 응력을 산출하고, 초기의 사이클(시험이 안정되는 5사이클째)의 응력값에 대하여 응력값이 75％까지 저하한 사이클 수로 하여, 이하와 같이 평가했다. 비교로서 행한 SUS444(종래예 No.28)에 대해서는, 열피로 수명은 650사이클이었다.

◎: 1000사이클 이상(합격)

○: 800사이클 이상 1000사이클 미만(합격)

×: 800사이클 미만(불합격)

상기 평가에서, ◎, ○를 합격,×를 불합격으로 했다. 얻어진 결과를 표 1에 나타낸다(표 1 중의 열피로 수명 950℃ 참조).

표 1로부터, 본 발명예의 No.1∼27의 페라이트계 스테인리스강(이하, 페라이트계 스테인리스강을, 간단히 강이라고 기재함)은, 모두 크리프 시험 및 열피로 시험에 있어서 SUS444(종래예 No.28의 강)보다 우수한 특성을 나타내고 있다.

No.29의 강은, Nb＋Mo 함유량이 2.3질량％ 미만이고, 크리프 파단 시간과 열피로 수명이 불합격이 되었다. No.30의 강은, Ni 함유량이 0.60질량％ 초과이고, 열피로 수명이 불합격이 되었다. No.31의 강은, Cr 함유량이 18.0질량％ 미만이고, 열피로 수명이 불합격이 되었다. No.32의 강은, Mo 함유량이 1.80질량％ 미만이고, 크리프 파단 시간, 열피로 수명이 불합격이 되었다. No.33의 강은, Nb 함유량이 0.30질량％ 미만이고, 크리프 파단 시간, 열피로 수명이 모두 불합격이 되었다. No.34의 강은, Si 함유량이 0.1질량％ 미만이고, 크리프 시험, 열피로 시험 어느 쪽에 있어서도 산화가 현저하게 보여, 크리프 파단 시간, 열피로 수명이 함께 불합격이 되었다. No.35의 강은, Ti 함유량이 0.16질량％ 초과이고, 크리프 파단 시간, 열피로 수명이 모두 불합격이 되었다. No.36의 강은, Cr 함유량이 20.0질량％ 초과이고, 강의 취화에 수반하여 열피로 수명이 불합격이 되었다. No.37의 강은, Mn 함유량이 0.05질량％ 미만이고, 열피로 시험 중에 산화 스케일의 박리가 생겨, 열피로 수명이 불합격이 되었다. No.38의 강은, C 함유량이 0.020질량％ 초과이고, 강 중 Nb량의 저감에 수반하여 크리프 파단 시간, 열피로 수명이 모두 불합격이 되었다. No.39의 강은, N 함유량이 0.015질량％ 초과이고, Nb 질화물의 석출에 의한 강 중 Nb량의 저감에 수반하여 크리프 파단 시간, 열피로 수명이 불합격이 되었다. No.40의 강은 Sb 함유량이 0.50질량％를 초과하고 있고, 열간 연성의 저하에 수반하여 열피로 수명이 불합격이 되었다. No.41의 강은, Mo 함유량이 2.50질량％를 초과하고 있고, 열피로 시험 중에 조대한 σ상(Fe-Cr계 금속 간 화합물)이 석출되어, 열피로 수명이 불합격이 되었다. 또한, 크리프 파단 시간도 불합격이 되었다. No.43의 강은, Sn 함유량이 0.005질량％를 초과하고 있고, 열피로 수명이 불합격이 되었다. No.45의 강은, Sb가 함유되어 있지 않고, 크리프 파단 시간, 열피로 수명이 모두 불합격이 되었다. No.46의 강은, Nb 함유량이 0.80질량％를 초과하고 있고, 크리프 파단 시간, 열피로 수명이 모두 불합격이 되었다. No.47의 강은, Nb＋Mo 함유량이 3.0％를 초과하고 있고, 크리프 파단 시간, 열피로 수명이 모두 불합격이 되었다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명의 페라이트계 스테인리스강은, 자동차 등의 배기계 부재용으로서 적합할 뿐만 아니라, 동일한 특성이 요구되는 화력 발전 시스템의 배기계 부재나 고체 산화물 타입의 연료 전지용 부재로서도 적합하게 이용할 수 있다.

Claims

질량％로,
C: 0.020％ 이하,
Si: 0.1∼1.0％,
Mn: 0.05∼0.60％,
P: 0.050％ 이하,
S: 0.008％ 이하,
Ni: 0.02∼0.60％,
Al: 0.001∼0.25％,
Cr: 18.0∼20.0％,
Nb: 0.30∼0.80％,
Mo: 1.80∼2.50％,
N: 0.015％ 이하,
Sb: 0.002∼0.50％
를 함유하고, 또한, 이하의 식 (1)을 충족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 페라이트계 스테인리스강.
Nb＋Mo: 2.3∼3.0％　　…(1)
(식 (1) 중의 Nb, Mo는, 각 원소의 함유량(질량％)을 나타냄)
제1항에 있어서,
상기 성분 조성은, 질량％로, 추가로,
Ti: 0.01∼0.16％,
Zr: 0.01∼0.50％,
Co: 0.01∼0.50％,
B: 0.0002∼0.0050％,
V: 0.01∼1.0％,
W: 0.01∼5.0％,
Cu: 0.01∼0.40％,
Sn: 0.001∼0.005％
중으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 페라이트계 스테인리스강.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 성분 조성은, 질량％로, 추가로,
Ca: 0.0002∼0.0050％,
Mg: 0.0002∼0.0050％
중으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하는 페라이트계 스테인리스강.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
엔진으로부터의 배기 가스에 의해 700℃ 이상까지 승온하는 이그조스트 매니폴드에 사용되는 페라이트계 스테인리스강.