KR100314232B1 - 페라이트-오스테나이트 스테인리스강 - Google Patents

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Abstract

본 볼명은 중량 %로서, C 최대 0.05, S1최대 0.8 Mn 0.3 내지 4. Cr 28 내지 35, Ni 3 내지 10, Mo 1.0 내지 4.0, N 0.2 내지 0.6, Cu 최대. 1.0, W 최대. 2.0, S 최대, 0.010, Ce 0내지 0.2이고, 잔여물이 Fe 및 일반적으로 발생하는 불순물 및 첨가제인 이중 스테인레스 합금강이 제공되고 있다. 페라이트 함유량은 체적당 30 내지 70%이다. 본 합금강은 요소물 제작하는 데 존재하는 환경에서 매우 적합하며 여기에서 종래 사용되는 오스테나이트 강을 유리하게 대체할 수 있다.

Description

페라이트-오스테나이트 스테인리스 강
본 발명은 기본적으로 요소 합성 공장 설비에서 고압 부품에 사용되는 높은 Cr 및 N 함유량과 그리고 낮은 Ni 함유량을 갖는 페라이트-오스테나이트(ferritic-austenitic) 스테인레스 강에 관한 것이다. 그렇지만, 이것은 또한 높은 내식성 및 고강도를 필요로 하는 다른 목적에서도 적합하다.
이중 스테인레스 강은 두 개의 상이 서로 다른 조성을 갖는, 페라이트-오스테나이트 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 강이다. 근래의 이중 스테인레스 강은 주로 Cr, Mo, Ni 및 N의 합금이다. 이중 스테인레스 강은 페라이트에서 Cr 및 Mo 가 많아지고, 오스테나이트에서 Ni 및 N이 많아지게 되는 것을 의미한다. 근래 스테인레스 강의 대부분은 22% 내지 27%의 Cr, 4% 내지 7% Ni, 0% 내지 4% Mo 및 0.1% 내지 0.3% N을 포함한다. 이것은 30% 내지 70%의 페라이트 및 그 나머지가 오스테나이트인 이중 구조를 갖는 재료를 제공한다. 또한, Mn, Cu, Si 및 W과 같은 다른 성분들이 합금에 특수한 성질을 주기 위하여 첨가된다.
이중 스테인레스 강은 가끔 오스테나이트 스테인레스 강에 대한 저가의 대체품으로서, 특히 이중 스테인레스 강의 Ni 성분 때문에 사용되기도 한다. 따라서 자주 오스테나이트에 대응하는 내식성을 갖는 이중 스테인레스 강을 발견할 수 있다. 이러한 예는 25% Cr, 7% Ni, 4% Mo 및 0.3% N을 함유하는 이중 강 SAF 25R(UNS S 32750)과 같은 수준의 염화물 함유 환경에서 내식성을 갖는 20% Cr, 18% Ni, 6% Mo 및 0.2% N을 함유하는 오스테나이트 254 SMOR(UNS S 31254)이다.
그렇지만, 25% Cr, 22% Ni, 2% Mo을 함유하는 것으로서 특별히 요소 처리 과정에서 사용을 위해 개발된 산드빅 2RE69와 같은, 몇몇 오스테나이트 강은, 요소 처리 과정에서의 사용에서, 이중 스테인레스 강 전체에 걸치는 적절한 대응성을 약화시킨다. 이러한 문제는 본 발명에서 해결되고 있다.
이중 스테인리스 강에서 합금 수준의 최대치는 구조 안정성에 의하여 제한 받는다. 페라이트-오스테나이트 구조는 재료가 475℃ 에서 취화되기 쉽고 600℃ 내지 1000℃ 범위에서 금속간 화합물 상의 분리가 일어나기 쉽게 된다. 금속간 화합물 상의 분리는 기본적으로 높은 Cr 및 Mo 함유량에 의해서 증가되지만, N을 포함하므로써 억제될 수도 있다. 구조 안정성에 대한 N의 영향은 높은 Cr 함유량이 구조 안정성을 조금도 악화시키지 않고 재료 내로 합금될 수 있게 한다. 그렇지만, N 함유량의 최대치는 너무 높은 함유량에서 공극률을 증가시키는 용융체 내의 용해도 및, 질화 침전을 야기하는 합금 내에서의 고용도에 의해서 제한된다.
용융체 내에서 N 의 용해도를 증가시키기 위해서, Mn 및 Cr 함유량을 증가시킬 수 있다. 그렇지만, Mn은 금속간 화합물 상의 분리 위험성을 증가 시키기 때문에, Mn 은 제한되어야만 한다. N은 강한 오스테나이트 촉진제이므로, Ni함유량은 N 함유량을 증가시킴으로 해서 상당한 정도로 감소될 수 있으며 계속해서 페라이트-오스테나이트 구조를 유지할 수 있다.
요소 합성 설비는 오스테나이트 및 이중 스테인리스 강에 대한 관심 적용 분야이다. 요소는 고온 고압하에서 암모니아 및 이산화탄소의 합성으로 제조된다. 고압 부분에서의 중간 처리 용액은 탄소강에 대하여 무척 부식성이 높다. 따라서, 특수강이 상당한 정도로 사용되지만 티타늄 및 지르코늄도 사용된다. 그렇지만, 후자는 구매 및 제조에 있어서 매우 비싸므로 그 사용이 제한되다.
오스테나이트 스테인리스 강은 오늘 날 요소 처리 과정에서의 고압 부품의 재료로서 압도적으로 사용되고 있다. 주로 사용되는 강은, 변형된 AISI 316L(UNS S 31603)으로서 18% Cr, 14% Ni 및 2.7% Mo 및 신중하게 제어된 페라이트 함유량을 특성으로 하는 산드빅 3R60R U.G.가 이다. 대부분의 25% Cr - 22% Ni - 2% Mo(UNS S 31050) 유형의 강이 요구된다. 스테인레스 강의 사용상 필요 조건은 강의 부동 상태가 유지될 수 있다는 것이다. 그러므로, 산소가 요소 합성에서의 중간 처리 용액에 첨가된다. 따라서 이러한 첨가는 단지 재료 기술적 관점에서는 필요하지만 동시에 에너지 및 항복 손실도 야기하며, 너무 높은 함유량에서는 잠재적인 안정성 위험물이기도 하다. 그러므로, 처리 기술적 관점에서 보면, 산소의 첨가를 감소, 심지어 가능하다면 이것을 완전히 제거하는 것이 필요하다. 그렇지만, 오늘 날의 처리 과정에서는, 중간 처리 과정에서의 용액에 필요한 양 만큼의 산소만 존재하게 하는 것을 보장하는 것은 어렵다. 이것은 예를 들어, 가장 흔한 열 교환기인 스트리퍼(stripper)에서 일어나는 문제인 용액의 비등이 일어나는 경우이다. Cr 25-Ni22-Mo2(UNS S 31050)과 같은 유형의 강에서도 어떤 환경 하에서는 어느 정도의 부식이 발생한다. AISI 316L(UNS S 31603)의 부식은 주로 압축 상태 하에서 발생한다. 따라서, 처리 과정의 전체 부분에서 적절한 부동 상태가 유지될 수는 없다.
저급의 재료를 사용하는 경우에는 요소 처리 과정에서 용접과 관련하여 파괴를 야기하는 부식을 일으킨다. 부식에 대한 다른 원인은 재료의 불균일성이다. 이러한 요소들은 전제조건으로서 요소 용액, 또는 기타의 양호한 내식성이 요구되는 용도에 있어서의 양호한 내식성을 위해서는 좋은 구조 안정성이 필요하다.
요소 강의 조성과 관련하여, Cr이 내식성에 대해 유익한 효과를 갖는다는 것은 잘 알려져 있다. 수회 조사한 결과, 중간 처리 용액에서 낮은 양의 산소 함유량이 발생하는 조건에서 오스테나이트 강에서의 Ni은 치명적이라는 것을 보여주고 있다. 이것은 결국 강에서 Ni의 함유량을 증가시킴에 따라 부식 속도를 현저하게 증가시킨다. 반면에, 낮은 Ni 함유량을 갖는 페라이트 강은 이러한 조건 하에서 매우 낮은 부식성을 갖는다. 그렇지만, 페라이트 강은 용접 및 제조와 관련하여 문제를 발생시키는 나쁜 구조 안정성 때문에, 구조 재료로서 큰 제한을 갖는다.
페라이트-오스테나이트 스테인레스 강은 여러 분야, 기본적으로 요소 처리 과정에서의 재료로서 매우 관심을 끈다. 이들 강의 높은 강도는 고압, 부품에서 많이 사용되며, 적당한 니켈 함유량은 이러한 유형의 강에 무산소 조건하에서 좋은 내식성을 갖게 한다. 따라서, 페라이트-오스테나이트 강은 무산소 조건의 요소 환경에서 좋은 저항성을 갖기 위하여 높은 Cr 함유량 및 낮은 Ni 함유량을 가져야 한다.
본발명은 기본적으로 요소 합성에서의 고압 부품에 사용되면서도, 또한 고합금 오스테나이트 스테인레스 강이 내식성을 얻기 위하여 사용되는 환경에서 적용할 수 있는, 높은 Cr 및 Ni 함유량 및 낮은 N 함유량을 갖는 이중 페라이트-오스테나이트 강에 관한 것이다. 특히 하기의 적용예에서 좋은 성질을 얻었다.
-요소 합성 공장의 스트리퍼 튜브
-요소 합성 공장의 페룰(ferrule)
-요소 합성 공장의 응축 튜브
-요소 합성 공장의 용접 재료
-요소 합성 공장의 고압 튜브
-질산 처리 과정(예를 들어 냉각 압축기)
-종이 및 펄프 공장(예를 들어 백색 증류수 환경)
-용접 선
본 발명에 따르는 합금강의 다른 적절한 응용은 접합점 없는 튜브, 용접 튜브, 플랜지, 커플링 및 박판 금속에서의 제조 재료로서이다.
본 합금은 높은 함유량의 N을 높은 Cr 함유량에 포함시킴으로서 획득되는 좋은 구조적 안정성을 특징으로 한다.
하기에서는 첨부 도표에 대한 설명을 하기로 한다.
제1도는 휴이 시험법에 따르는 부식에 대한 Cr의 영향을 도시한 도표이다.
제2도는 휴이 시험법에 따르는 부식에 대한 Mn의 영향을 도시한 도표이다.
제3도는 휴이 시험법에 따르는 부식에 대한 Mo의 영향을 도시한 도표이다.
제4도는 휴이 시험법에 따르는 부식에 대한 N의 영향을 도시한 도표이다.
제5도는 스트라이쳐 시험법에 따르는 부식에 대한 Cr의 영향을 도시한 도표이다.
제6도는 스트라이쳐 시험법에 따르는 부식에 대한 Mn의 영향을 도시한 도표이다.
제7도는 스트라이쳐 시험법에 따르는 부식에 대한 Mo의 영향을 도시한 도표이다.
제8도는 스트라이쳐 시험법에 따르는 부식에 대한 N의 영향을 도시한 도표이다.
제9도는 분배 상수 %Crα/%Crγ대한 N의 영향을 도시한 도표이다.
제10도는 분배 상수 %Niα/%Niγ대한 N의 영향을 도시한 도표이다.
본 합금은 중량%로서 표시할 때
- C 최대.0.05
- Si 최대.0.8
- Mn 0.3 내지 4
- Cr 28 내지 35
- Ni 3 내지 10
- Mo 1.0 내지 4.0
- N 0.2 내지 0.6
- Cu 최대 1.0
- W 최대 2.0
- S 최대 0.010
- Ce 0 내지 0.2
잔량은 Fe 및 통상적인 양의 불순물임.
페라이트 함유량 : 30 내지 70%
탄소는 본 발명에서는 불순물 성분으로서 고려되며 페라이트 및 오스테나이트 양쪽 모두에서 제한된 용해도를 갖는다. 이러한 제한된 용해도는 너무 높은 함유량에서 탄소 석출의 위험이 존재하게 되고, 결과적으로 낮은 내식성을 갖게 된다. 그러므로, C함유량은 최대 0.05%, 바람직하게는 최대 0.03%, 가장 적합하게는 최대 0.02% 내로 제한되어야 한다.
실리콘은 강 제조에서 탈산 첨가제로서 사용되며 제조 및 용접에서 유동성을 증가시킨다. 너무 높은 Si 함유량은 금속간 화합물 상의 석출 경향을 증가시키며 N의 용해도를 감소시킨다. 이러한 이유로 해서 Si 함유량은 최대 0.8%, 적합하게는 최대값으로 0.5% 내로 제한되어야 한다.
망간은 오스테나이트를 안정제로서 고려되기 때문에, 용융체 내에서의 N 의 용해도 증가 및 합금 성분으로서 Ni와의 교체를 위하여 합금에 첨가된다. 연구에 의하면 Mn은 내식성에 나쁜 영향을 미치며, 나아가 구조 안정성을 해쳐서, 금속간 화합물 상의 석출 위험을 크게 하는 결과를 갖는다. 그렇지만, Mn을 함유하는 합금은 어쨋든 N의 용해도 증가 및 기존 페라이트 함유량을 갖는 Ni의 저함유 가능성 때문에 고려되고 있다. 그렇지만, 놀라운 것은 Mn은 무시할 수 있을 정도의 오스테나이트 안정 효과를 갖는다는 것이다. 이론적 관계에 제한없이, 그 이유는 N함유량이 높은 경우에 오스테나이트로부터 페라이트로의 Mn을 재분배하여, 페라이트와 오스테나이트 사이의 Mn 함유량의 차이는 무시할 정도가 되게 하기 때문이라고 믿어지고 있다. 또한, 합금내의 문제의 Cr 함유량에서, 용융체 내의 N 의 용해도가 너무 높아서 어떠한 Mn 함금을 어떠한 높은 정도까지 자극하지는 못함을 보여준다. 적절하게는, Mn 함유량은 0.3 내지 4 중량%, 바람직하게, 0.3 내지 1 중량%이다.
크롬은 대부분의 부식 유형에 대한 저항성을 증가시키기 위한 가장 실효적인 성분이다. 요소 합성에 있어서 Cr 함유량은 내식성에 있어서 가장 중요하고, 따라서 구조 안정성의 관점에서 보아 가능한 최대로 되어야 한다. Cr 함유량의 증가는, 항상 오스테나이트 보다 높은 Cr 함유량을 갖는 페라이트가 너무 높은 비율을 가질 때, 페라이트 내 및 페라이트- 페라이트 및 페라이트-오스테나이트 입상 경계에서 발생할 수 있는, 주로 금속간 화합물 상의 석출에 너무 민감하게 된다. 따라서, Cr을 페라이트로부터 오스테나이트로 재분배하는 것이 바람직한데, 이것으로 해서 약한 오스테나이트는 증가된 저항성을 갖게되고, Cr의 높아진 전체 양은 구조 안정성을 해하지 않고 합금될 수 있다. 또한, Cr은 용융체 내에서의 용해도 및 합금에서 N의 고용도를 증가시킨다. 충분히 높은 Cr 함유량에서, 용융 제작물은 또한, 래이들(ladle) 처리에서 값비싼 Fe-Cr-N의 첨가 없이도, 모든 질소를 AOD(아르곤-산소 탈탄)에 첨가할 수 있다는 사실에 의해 개선될 수 있다. 오스테나이트에서 충분한 내식성을 얻기 위해서는 오스테나이트 상에, Cr 함유량이 적어도 25%, 적합하게는 적어도 27%가 있어야만 한다. 그러므로, 적어도 28%의 전체 Cr 함유량이 바람직하며, 적어도 27%의 함유량이 바람직하다. 그렇지만, Mo, W, Si 및 Mn과 공동으로 크롬은 금속간 화합물 상의 석출 위험을 증가시키고, 따라서 크롬 함유량은 최대 35%, 바람직하기로는 최대 33%로 제한되어야만 한다.
니켈은 주로 오스테나이트 안정제로서 사용되며 본 발명에 따라서 그 함유량은 가능한 낮게 유지되어야만 한다. 낮은 산소 함유량을 갖는 요소 환경에서 오스테나이트 스테인리스 강의 저항성이 나쁜 중요한 이유는 상대적으로 높은 Ni 함유량 때문으로 추정된다. 페라이트-오스테나이트 스테인리스 강의 낮은 Ni 함유량은 낮은 산소 함유량을 갖는 요소 환경에서 이러한 유형의 합금의 더 나은 저항성에 대한 근본적 이유로 추정된다. N과의 합금은 낮은 양의 Ni를 기존 페라이트 함유량에 첨가될 수 있게한다. 그렇지만, 오스테나이트 상에서의 Ni 함유량은 요소 환경에서의 저항성에 대해 제한적이다. 연구에 의하면 놀랍게도 N 함유량의 증가는 Ni 함유량을 감소시킬 뿐만 아니라 Ni가 오스테나이트 상에서 페라이트 상으로 재분배되는 것을 보여주고 있다. 따라서, N 함유량이 증가했을 때 저항성이 낮은 오스테나이트 상은 원하는 것보다 낮은 Ni 함유량을 얻기 때문에, 이것는 요소 환경에서의 더 개선된 저항성 갖게 된다. 본 발명에서는 30 내지 70%의 페라이트 함유량을 얻기 위하여, 3 내지 10% Ni 함유량, 바람직하기로는 3 내지 7%의 Ni 함유량이 요구된다.
몰리브덴은 매우 활동적인 성분이며 합금의 부동 상태를 개선시킨다. Cr 및 N과 함께 Mo는 피팅(pitting) 부식 및 균열 부식에 대한 내식성을 가장 효과적으로 증가시키는 성분들이다. 연구에 의하면 놀랍게도 본 발명에 따르는 합금에서 Mo 함유량을 증가시키면 부식 환경에 대한 저항성이 증가되는데, 이것은 Mo 함유량을 증가시킬 경우 휴이 시험법에서 부식을 감소시키는 결과를 보여준다. 또한, Mo은 N의 고용도를 증가시키면 질화물의 석출 경향이 감소된다. 그러므로, 너무 높은 Mo함유량은 특히 동시에 Cr 함유량이 높을 때 금속간 화합물 상의 석출 위험을 갖게 된다. 그러므로, Mo 함유량은 최대 4%, 바람직하기로는 최대 3%, 특별한 경우 최대 2%로 제한되어야만 한다.
질소는 합금에서 무척 활동적인 성분이다. N는 강한 오스테나이트 형성제 이며 용접 후 열 영향 영역에서 오스테나이트의 재구성을 촉진시킨다. N은 Cr 및 Mo의 분배에 영향을 미치므로, 높은 N 함유량은 오스테나이트에서 상대적 Cr 및 Mo의 함유량을 증가시킨다. 한편, 이것는 오스테나이트가 좀 더 높은 내식성을 가지면서도, 반면에 구조 안정성이 유지되면서도 더 높은 Cr 및 Mo 함유량이 합금에 함유되게 하는 데, 이것은 오스테나이트 보다 쉽게 석출되는 경향이 있는, 페라이트에서의 Cr 및 Mo의 역할이 결정된 Cr 및 Mo 비율에서 낮게 되기 때문이다. 오스테나이트상은 합금에서 약한 상이기 때문에, 이 상은 요소 환경에서 쉽게 타격을 받는다. 그러므로, 높은 N 함유량을 포함하는 것은 무척 유리한 데, 이것은 페라이트에서 금속간 화합물 상에서의 석출 위험을 감소시키고, 동시에 내식성을 증가시키기 때문이다. 또한, 공지된 바로는 N은 완전 오스테나이트 강에서도 역시 금속간 화합물 상의 형성을 억제한다는 것이다. 따라서 이중 강에서 낮아진 석출 강도는 성분의 재분배에 의해서 얻어지는고, 또 합금 성분으로서의 질소 자체에 의해 얻어진다. 그러므로, N은 적어도 0.20%, 바람직하게는 적어도 0.30% 및 특별히 적어도 0.36%의 함유량으로 첨가되어야만 한다. 게다가, N 함유량은 용융체 내의 용해도 및 너무 높은 N 함유량에서 질화 침전을 야기할 수도 있음을 의미하는, 합금 내에서의 고용도에 의해서 제한된다. 또한, 너무 높은 N 함유량은 용접에서 기공 형성을 야기할 수도 있다. 그러므로, N 함유량은 최대로 0.60%, 바람직하게는 최대로 0.55%내에서 제한되어야 한다.
용접시 질화물은 용접 접합부에 인성 및 내식성을 크게 증가시키는 오스테나이트의 재구성을 촉진시킨다.
구리는 황산과 같은, 산성 환경하에서 일반적 내식성을 증가시킨다. 그렇지만, 높은 Cu 함유량은 피팅 내식성 및 균열 내식성을 감소시킨다. 또한, 바로 그러한 합금 유형에서 Cu의 고용도는 제한된다. 그러므로, Cu는 최대로 1.0% 내로 제한되어야 한다.
텅스텐은 피팅 부식 및 균열 부식에 대한 내식성을 증가시킨다. 그렇지만, 높은 W 함유량은, 특히 고함유량의 Cr 및 Mo와 관계하여, 금속간 화합물 상의 석출 위험을 증가시킨다. 또한 텅스텐을 포함하는 것은 강관 공장에서 좀 더 값비싼 조작을 야기한다. 그러므로, W의 양은 최대 2.0% 내로 제한되어야 한다.
황은 쉽게 용해 가능한 황화물의 형성에 의해서 내식성에 좋지 않은 영향을 미친다. 또한, 높은 황 함유량은 고온 작업 능력을 악화시킨다. 그러므로, 호항의 함유량은 최대 0.010%, 바람직하기로는 최대 0.005%, 특별히 최대 0.001% 내로 제한되어야 한다.
세륨은 합금의 고온 작업 능력을 증가시키기 위하여, 미쉬(misch)-금속의 형성의 경우에, 합금에 첨가된다. 망간 황화물에 반하여, Ce는 내식성을 악화시키지 않는 산소 함유 황화물을 형성한다. 그러므로, Ce는 최대치 0.2%, 바람직하게는 최대치 0.1% 내의 비율에서 합금에 첨가될 수도 있다. Ce이 첨가된다면, 함유량은 적어도 0.03%가 되어야 한다.
합금의 페라이트 함유량은 상의 조성, 구조 안정성, 고온 작업 능력 및 내식성을 보장하는 데 중요하다. 그러므로, 페라이트 함유량은 체적당 30 내지 70%, 바람직하게는 체적당 30 내지 55% 범위 내여야 한다.
본 발명은 주로 요소 환경에서의 좋은 부식 특성을 갖는 합금을 제공하는 데 있다. Cr 함유량의 증가에 따라 부동 상태 특성이 증가한다는 사실의 결과로 해서 Cr은 저항성 증가를 위한 가장 효과적인 성분이기 때문에, Cr 함유량은 가능한 높아야 한다. 그렇지만, 어떤 Cr 함유량에서 구조 안정성은 악화된다. 그 이유는 오스테나이트 보다 높은 Cr 및 Mo 함유량을 갖는 페라이트가 석출되는 경향이 있고, 따라서 페라이트 내에서, 또는 페라이트-페라이트 사이의 입상 경계나 페라이트-오스테나이트 간의 입상 경계에서 주로 금속간 화합물 상이 석출한다. 그렇지만, N을 합금에 포함하므로 해서, Cr 및 Mo은 오스테나이트 상 내로 제한된다.
오스테나이트 상에서의 Cr 함유량을 최적화하기 위해, 바람직하기로는 아래의 조건이 충족되어야만 한다(일반적으로 모든 비율은 중량 %이다):
%Cr + 15%N > 31, 특히 > 33
산화 환경에 대한 저항성을 더욱 증가시키기 위해서는, 아래의 조건이 유리하게 만족되어야 한다:
%Cr + %Mo - 8%N > 22
제작시에 금속간 화합물의 석출 위험을 최소로 하기 위해서는, 조성은 되도록 아래의 조건에 의해야만 한다:
%Cr + 4.1%Mo + 14%Ni - 6.9%N < 55: 그리고 특별한 경우 아래의 관계에 의한다:
%Cr + 0.9%Mn + 4.5%Mo - 12.9%N < 35
AOD 제작시 용융체 내의 충분한 질소 용해도를 얻기 위한 조건을 더욱 증가시키기 위해서는, 바람직하기로는 아래의 조건이 충족되어야만 한다:
4.5%Cr + 2%Mn + 1.1%Mo - %Ni > 114
열간 단조되어 주강으로 사출되는 170Kg의 주조 잉곳(ingot)에 의해 여러번의 시험 장입물이 제공되는 데, 대부분의 부식 시험에서 이에 의한 재료는 용해 열처리전에 냉간 압연된다.
표 1은 중량%에 따르는 시험값의 조성을 보여준다.
[표 1]
합금 1내지 합금 9는 통계적 시험 원리(STP)에 대한 원리에 따라서 제공되는 데, 이것에 의해 Cr, Mn, Mo 및 N은 대칭적인 방법으로 변화되며, 다른 결과 변수에 대한 상기 네 성분의 영향에 대한 정보를 제공한다. 페라이트 함유량은 Ni와 균형을 이루며 모든 합금에 대해 40 내지 60%의 범위 내에서 유지되었다.
기계적 특성
재료의 기계적 특성은 좋은 것으로 밝혀졌다. 표 2에서는 합금 번호 10의 기계적 특성이 주어져 있는 하나의 실시예가 주어져 있다.
[표 2]
본 표에서 볼 때 재료는 높은 파단 신장 값(A5)에 의해서 설명되는 좋은 연성을 갖는 것이 분명하다. 또한, 본 재료는 낮은 온도에서도 좋은 충격 강도를 갖는다. 복귀 온도는 -50℃ 보다 낮다.
구조 안정성
금속간 화합물 상이나 질화물의 석출없이 제작될 수 있거나 용접될 수 있게 하기 위해서 합금이 충분하게 구조적으로 안정성을 가져야 한다는 것은 매우 중요하다. 합금에서의 높은 N 함유량은, 그 높은 합금 수준에도 불구하고, 재료가 어떻게든 구조 안정성에 대한 요구를 하게 하도록 한다. 그 이유는, 질소가 Cr 및 Mo를 페라이트로부터 오스테나이트로 재분배하는 동시에, 금속간 화합물 상의 형성을 억제한다는 데 있다.
표 3은 어떤 시험 값에서 구조에 대한 완전 소둔 처리의 영향을 보여주는 것으로, 냉각 속도를 변화시켜 가면서, 가열 온도를 150℃/min, 완전 소둔 온도를 1020℃, 유지 시간을 3분으로 한 것이다. 금속간 화합물 상의 함유는 피트(pit) 계스에 의해서 측정되었다.
[표 3]
분명하게, 합금 13은 합금 10보다 석출에 대해 민감한 데, 이것은 질소 함유량이 합금 13보다 낮다는 사실에 의존한다. 합금 3은 어떠한 중간 화합물 상의 석출없이 140℃/min의 냉각 속도로 수행되며, 17.5℃/min으로는 아니다. 그 이유는 본 합금에서는 높은 Cr 함유량에서 너무 낮은 질소 함유량을 갖기 때문에 합금 10 에서와 같이 동등하게 구조적으로 안정하게 될 수는 없다는 사실 때문이다. 그렇지만, 140℃/min의 냉각 속도는 제작시 최하의 그럴듯한 냉각 속도와 일치하기 때문에 합금 3은 제작될 수 있다.
부식 시험
탄소를 시험하는, ASTM A262에 따르는 휴이 시험은 산화 환경에서 합금의 저항성을 측정하는 것과 재료가 올바른 방법으로 열처리되는 경우의 시험에 대해 성립된 방법이다. 예를 들어 입상 경계에서의 탄화 크롬과 같은, 석출 가능한 석출물은 휴이 시험에서 부식 속도를 증가시킨다. 요소 환경에서의 재료는 자주 휴이 시험에서 낮은 부식 속도를 요하는 명세 품목으로 되며, 기본적으로 산화 처리 환경에서 재료의 반응에 대한 전망을 제공하는 것으로 생각되고 있다. 표 4는 열처리 된 상태(1040℃/20min/H2O)의 용액에서의 합금에서 휴이 시험법에 의한 부식 속도를 보여준다.
[표 4]
열처리된 상태(1040℃/20min/H20)의 용액에서의 합금의 휴이 시험
합금 1 내지 9는 휴이 시험에서 부식 속도에 대한 Cr, Mn, N 및 Mo의 영향을 계산하는 데 사용될 수 있다. 제 1 도 내지 제 4 도는 본 성분의 영향을 도식적으로 도시하고 있다. 아래의 관계를 얻을 수 있다:
부식 (mm/yr) = 0.285 - 0.0080% Cr - 0.0080% Mo + 0.0007% Mn + 0.065% N
휴이 시험법에서 저항성에 대한 Cr 및 Mo의 유익한 효과 및 Mn 및 N의 좋지 않은 효과는 여기에서 분명해 진다. N의 효과는, N이 Cr을 페라이트로부터 오스테나이트로 재분배하여 페라이트에서의 Cr 함유량을 감소시키고, 결국 부식 속도를 줄인다는 사실에 의해 설명된다. 놀라운 사실은 Mo가 휴이 시험법에서 저항성에 대해 유익하다는 것이다. 종래로부터 알려진 바로는 Mo는 휴이 시험에서 부식을 증가시킨다는 것이다. 분명하게도 이것은 높은 Cr 및 N 함유량을 갖는 이중 강에는 해당되지 않는다.
휴이 시험법과 유사한 것으로, ASTM A262에 따르는 스트라이쳐 시험은 산화환경에서의 재료의 저항성에 대한 시험 방법이다. 도표 5 내지 8은 성분의 영향을 도식적으로 보여준다. 본 도표에서는 Cr이 저항성에 대해 매우 유익하며, Mo는 어느정도 유익한 반면, N 및 Mn은 해롭다는 것을 분명히 보여주고 있다.
피팅 부식, 균열 부식 및 응력 부식과 같은 국부 부식에 대한 저항성은, 높은 염화물 함유량이 문제를 일으키는 열교환기와 같은 경우에 사용될 수 있는 재료에는 중요하다. 일반적으로, 이중 스테인레스 강은 응력 부식에 대해 매우 높은 저항성을 갖는 데, 이것은 특히 페라이트-오스테나이트 구조에 의해서 설명되지만, 또한 본 강의 매우 좋은 부동 상태에 의해 설명되기도 한다.
피팅은 스테인레스 강에서 자주 문제가 되는 것인 데, 본 발명에서는 상당한 정도로 이를 극복하고 있다. 피팅이 발생할 때까지 5℃ 간격으로 온도를 증가시키는, 변경된 평균 ASTM G48 A에 따르는, 임계 피팅 온도(CPT)의 측정은 해수에서의 내식성을 시험하는 일반적인 방법이다. 피팅이 시작되는 온도는 아래의 표 5에서 볼 수 있다. 본 표에서 임계 피팅 온도(CPT)는 6% FeCl3에서 주어지고 있다.
[표 5]
합금 13 보다 높은 N 함유량을 갖는 합금 10은 더 나은 피팅 저항성을 갖는다. 합금 4는 합금 10보다 높은 Mn 함유량으로 인하여 더 나쁜 저항성을 갖는다. Mn은 쉽게 용해된 황하 망간을 형성한다는 사실로 인해 피팅 저항성을 낮출 수 있다.
본 발명에 따르는 함유 성분을 조화시키는 것은 좋은 구조 안정성, 좋은 기계적 특성 및 높은 내식성을 얻기 위해서 매우 주위 깊게 행해져 왔다. 제9도는 페라이트에서의 Cr 분포(Crα) 및 오스테나이트에서의 Cr 분포(Crγ)에 대한 N의 영향을 보여주고 있다. 여기에서 볼 수 있는 것은 N 함유량을 증가할 때 Cr이 페라이트에서 오스테나이트로 이전된다는 것이다. 도표 10은 페라이트(Niα)와 오스테나이트(Niγ)사이의 Ni 분포에 대한 영향을 보여주고 있다. 여기에서는 놀랍게도 N함유량을 증가할 때 Ni가 오스테나이트에서 페라이트로 이전된다는 것이다.
표 6은 본 발명에 따르는 두 합금의 중량당 %로 표현된 상의 조성을 보여주고 있다.
[표 6]
여기에서 볼 수 있는 것은 Ni 함유량이 낮은 것과 동시에 높은 N 함유량이 오스테나이트에서 높은 N 함유량을 준다는 것이다.

Claims (18)

  1. 이중 스테인레스 강이 체적당 30 내지 70%의 페라이트를 포함하고, 중량 %로서,
    C 최대. 0.05
    Si 최대. 0.8
    Mn 0.3 내지 4
    Cr 28 내지 35
    Ni 3 내지 10
    Mo 1.0 내지 4.0
    N 0.2 내지 0.6
    Cu 최대 1.0
    W 최대 2.0
    S 최대 0.010
    Ce 0 내지 0.2
    를 포함하고, 잔여물은 Fe 및 일반적으로 발생하는 불순물 및 첨가제인 것을 특징으로 하는 이중 스테인레스 강 합금.
  2. 제 1 항에 있어서, C 함유량이 최대로 0.03 중량%, 바람직하게는 최대로 0.02 중량%인 것을 특징으로 하는 강 합금.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, Si의 함유량이 최대로 0.5 중량%인 것을 특징으로 하는 강 합금.
  4. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, Cr 함유량이 29 내지 33 중량% 사이인 것을 특징으로 하는 강 합금.
  5. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, Ni 함유량이 3 내지 7 중량% 사이인 것을 특징으로 하는 강 합금.
  6. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, Mo 함유량이 1.0 내지 3.0 중량% 사이인 것을 특징으로 하는 강 합금.
  7. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, Mo 함유량이 1.0 내지 2.0 중량% 사이인 것을 특징으로 하는 강 합금.
  8. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, N 함유량이 0.30 내지 0.55 중량% 사이인 것을 특징으로 하는 강 합금.
  9. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, N 함유량이 0.36 내지 0.55 중량% 사이인 것을 특징으로 하는 강 합금.
  10. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, Mn 함유량이 0.3 내지 1 중량% 사이인 것을 특징으로 하는 강 합금.
  11. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 페라이트 함유량이 30 내지 55 중량% 사이인 것을 특징으로 하는 강 합금.
  12. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 오스테나이트 상에서의 Cr 함유량이 적어도 25%인 것을 특징으로 하는 강 합금.
  13. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 오스테나이트 상에서의 Cr 함유량이 적어도 27%인 것을 특징으로 하는 강 합금.
  14. 요소의 제작시 존재하는 어떠한 환경하에서 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항을 따르는 합금강의 사용.
  15. 제14항에 있어서, 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항을 따르는 합금강이 조성 스트리퍼 튜브, 페룰, 압축 튜브, 용접 재료 및 요소 공장에서의 고압 튜브 중 적어도 하나에서 조성되는 것을 특징으로 하는 합금강의 사용.
  16. 질산 환경에서 사용되도록 된 화학 조성 처리에서의 구조 재료로서 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항을 따르는 합금강의 사용.
  17. 백색 증류수 환경에서와 같은, 종이 및 펄프 공장에서 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항을 따르는 합금강의 사용.
  18. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항을 따르는 합금강을 주로 포함하는 것을 특징으로 하는 용접선.
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