KR20140129261A

KR20140129261A - 내열 오스테나이트계 스테인리스 강판

Info

Publication number: KR20140129261A
Application number: KR1020147026590A
Authority: KR
Inventors: 요시하루 이노우에; 후미오 후다노키; 준이치 하마다
Original assignee: 닛폰 스틸 앤드 스미킨 스테인레스 스틸 코포레이션
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-11-06
Anticipated expiration: 2033-03-28
Also published as: US9714459B2; JP5794945B2; EP2832886B1; CN104169450A; KR101619008B1; JP2013209730A; PL2832886T3; WO2013147027A1; CN104169450B; US20150083283A1; EP2832886A1; HUE048418T2; EP2832886A4

Abstract

저렴한 성분계로 고온 강도 및 크리프 특성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판을 제공한다. 질량％로, C:0.03％ 이상 0.06％ 이하, N:0.1％ 이상 0.3％ 이하, Si:1％ 이하, Mn:3％ 이하, P:0.04％ 이하, S:0.03％ 이하, Ni:5∼12％, Cr:15∼20％, Al:0.01％ 이상 0.1％ 이하, Nb:0.05％ 이상 0.3％ 이하, V:0.05％ 이상 0.30％ 이하, Ti:0.03％ 이하, 또한, (Nb+V)/(C+N)이 2 이하이고, 또한, 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 강 중의 탄질화물을 주체로 하는 석출물의 양이 1％ 이하인 것을 특징으로 하는, 내열 오스테나이트계 스테인리스 강판.

Description

내열 오스테나이트계 스테인리스 강판{HEAT-RESISTANT AUSTENITIC STAINLESS STEEL SHEET}

본 발명은, 자동차용 터보 하우징 등 고온에 노출되는 부위에 사용되는 내열 오스테나이트계 스테인리스강과 그 제조 방법에 관한 것이다.

종래, 자동차용의 터보 하우징 등에 사용되는 재료는 800℃에 달하는 고온 환경 하에서 극히 높은 고온 강도가 요구되기 때문에, 스테인리스 주강이 사용되어 왔다. 그러나, 최근의 비용 저감 요구에 대해, 주강으로부터의 절삭 가공에 의한 부품 제조보다 저렴하게 제조할 수 있는 강판으로부터의 부품 제조가 제안되어, 그 개발이 진행되고 있다. 고온 환경 하에서 사용되는 스테인리스 강판으로서, SUS310S를 대표로 하는 오스테나이트계 스테인리스강이 사용되고 있다. 그러나, 최근, 고온 강도나 내산화성 등 사용 재료에 대한 요구 성능이 엄격해져, SUS310S로는 전부 대응할 수 없게 되고 있다.

터보 관련재에 요구되는 특성은, 고온 강도와 크리프 특성이다. 크리프 특성에서는, 수명보다도, 어느 일정 시간 후의 변형의 크기가 중요하다고 여겨지고 있다. 또한, 가공이 필수적이므로, 어느 정도의 가공성도 요구된다.

특허문헌 1에 개시되는 발명은, P를 첨가함으로써 크리프 강도의 향상을 도모하고 있다. 그러나, P의 첨가는 용접성 및 크리프 연성을 저하시키는 과제가 있다. 또한, 내식성을 저하시킬 우려도 있다. 특허문헌 2에 개시되는 발명은, P 이외에 REM, 특히 Nd를 첨가함으로써, 크리프 연성 및 용접성을 향상시키고 있다. 그러나, REM의 첨가는 비용 상승을 초래한다.

특허문헌 3 및 4에는, 내열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강이 개시되어 있다. 여기에서는, 각 성분 원소를 상호 조정하여 우수한 내열성, 특히 용접부의 내취화 균열성이 우수한 강을 개시하고 있다. 그러나, 이때의 크리프 특성은 650℃ 이하에서의 평가만이며, 800℃에서의 평가는 행하지 않았다.

일본 특허 공개 소62-243742호 공보 WO2006/106944호 공보 WO2009/044796호 공보 WO2009/044802호 공보

본 발명은, 저렴한 성분계로 고온 강도 및 크리프 특성을 향상시키는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은, 자동차 터보용 재료로서 사용 가능한 오스테나이트계 스테인리스강을 개발하기 위해, 800℃에서의 고온 강도 및 크리프 특성에 착안하여 검토해 왔다.

오스테나이트계 스테인리스강의 고온 강도, 특히 크리프 강도의 개선에는, 탄화물의 석출이 유효하다고 여겨지고 있다. M₂₃C₆, TiC, NbC 등의 탄화물이 크리프 강도의 향상에 이용되고 있다. 본 발명자들은, 탄화물뿐만 아니라, 질화물에도 착안하여, 그들이 고온 강도나 크리프 강도에 주는 영향에 대해 상세하게 검토하였다. 그 결과, N과 Nb를 적극적으로 첨가하고, V의 미량 첨가, 또한, Al과 Ti의 함유량의 제한 및 제조 방법의 고안에 의해, 고온 강도 및 크리프 강도가 향상될 수 있는 것을 발견하였다. 그 메커니즘에 대해서는, 상세하게는 해명되어 있지 않지만, 이하와 같은 지식을 얻었다.

·제품을 고온에서 사용 중의 Nb계의 탄질화물의 미세 석출이 크리프 특성 향상에 중요하다.

·Al, Ti계의 질화물의 석출은 가능한 한 저감한 것이 좋다.

·Nb가 과잉으로 첨가되면, Laves상(Fe₂Nb)이 석출되어, 크리프 특성은 향상되지 않는다.

·V를 미량 첨가하면, Nb계 탄질화물의 조대화가 억제되어, 크리프 특성 향상에 유효하다.

·제품에 미고용 탄질화물 등의 석출물이 잔존하고 있으면, 이들이 석출의 핵 생성 사이트로 되어, Nb계 탄질화물의 미세 석출을 방해한다.

·제품 중의 잔존 석출물량이 크리프 특성에 영향을 주기 때문에, 이것을 가능한 한 저감하는 쪽이 좋다.

·잔존 석출물량은 제조 프로세스에 의존하고, 특히 열간 압연의 가열 온도와 최종 어닐링 온도의 영향이 크다.

이상으로부터, 본 발명자들은, Nb, V, C, N, Al, Ti의 함유량의 최적 범위를 정하고, 제조 프로세스를 최적화함으로써, 고온 강도나 크리프 특성이 우수한 발명을 완성시켰다.

즉, 본 발명의 요지는, 이하와 같다.

(1) 질량％로,

C:0.03％ 이상 0.06％ 이하,

N:0.1％ 이상 0.3％ 이하,

Si:1％ 이하,

Mn:3％ 이하,

P:0.04％ 이하,

S:0.03％ 이하,

Ni:5∼12％,

Cr:15∼20％,

Al:0.01％ 이상 0.1％ 이하,

Nb:0.05％ 이상 0.3％ 이하,

V:0.05％ 이상 0.30％ 이하,

Ti:0.03％ 이하,

또한, (Nb+V)/(C+N)이 2 이하이고,

또한, 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하여 이루어지고, 강 중의 탄질화물을 주체로 하는 석출물의 양이 1％ 이하인 것을 특징으로 하는 내열 오스테나이트계 스테인리스 강판.

(2) Cu:1％ 이하, Mo:3％ 이하, W:3％ 이하, Co:1％ 이하, B:0.01％ 이하

중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 내열 오스테나이트계 스테인리스 강판.

(3) 제강-열간 압연-산 세정-냉간 압연-어닐링·산 세정의 각 공정으로 이루어지는 강판의 제조 공정에 있어서, 열간 압연의 가열 온도가 1200℃ 이상 1300℃ 이하, 최종 어닐링 온도가 1100℃ 이상 1200℃ 이하인 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 내열 오스테나이트계 스테인리스 강판의 제조 방법.

이하에 성분 범위의 한정 이유를 설명한다. 성분 함유량은 모두 질량％이다.

C:0.03％ 이상 0.06％ 이하

C는, 고온 강도나 크리프 강도를 확보하기 위해 유효한 원소이다. 그 첨가량은, 0.03％ 이상이면 그 효과는 발휘할 수 없다. 또한, 0.1％ 이상 첨가해도 용체화 상태에 있어서의 미고용 탄질화물이 증가할 뿐이다.

N:0.1％ 이상 0.3％ 이하

N은, 본 발명에서 중요한 원소이다. N의 첨가에 의한 미세한 탄질화물이 형성되고, 고온 강도 및 크리프 강도가 향상된다. 0.1％ 미만이면 그 효과가 작다. 또한, 0.3％를 초과하여 첨가하기 위해서는 특별한 설비가 필요하기 때문에, 그 상한을 0.3％로 한다.

Si:1％ 이하

Si는, 탈산 원소로서 유용할 뿐만 아니라, 내산화성에도 유효한 원소이다. 그러나, 과잉으로 첨가하면 인성이나 연성의 저하가 발생하기 때문에, 그 상한을 1％로 한다.

Mn:3％ 이하

Mn은, Si와 마찬가지로 탈산 원소로서 유용하다. 또한, 강 중에 불가피적으로 함유되는 S를 황화물로서 고착하여, 열간 가공성을 개선한다. 그러나, 과잉으로 첨가하면 기계적 특성이 열화되기 때문에, 그 상한을 3％로 한다.

P:0.04％ 이하

P는, 본 발명 강의 크리프 강도를 향상시키지만, 크리프 연성이나 용접성을 저하시킨다. 그로 인해, 상한을 0.04％로 한다.

S:0.03％ 이하

S는, 강 중에 불가피적 불순물로서 함유되고, 열간 가공성을 현저하게 저하시킨다. 그로 인해, 0.03％를 상한으로 한다.

Ni:5∼12％

Ni는, 오스테나이트계 스테인리스강으로서, 필수 원소이며, 또한, 내식성을 확보하는 중요한 원소이다. 그 적당량은, 5∼12％이다.

Cr:15∼20％

Cr은, 오스테나이트계 스테인리스강으로서, 필수 원소이며, 내식성, 내산화성을 확보하는 중요한 원소이다. 그러나, Cr 함유량이 높으면 기계적 특성이 열화된다. 그로 인해, 15％ 이상 20％ 이하로 한다.

Al:0.01％ 이상 0.06％ 이하

Al은, 탈산 원소로서 유용하고, 저비용으로 탈산할 수 있기 때문에, 첨가하고 있다. 이 효과는 0.01％ 이상의 첨가에서 발현된다. 그러나, Al은 AlN을 형성하여 크리프 특성을 저하시키기 때문에, 본 발명에서는 그 첨가를 억제하고, 0.06％ 이하가 좋다. 보다 바람직한 범위는, 0.03％ 이상 0.06％ 이하가 바람직한 범위이다.

Nb:0.05％ 이상 0.3％ 이하

본 발명에 있어서, Nb는 필수 원소이다. N과 동시에 첨가함으로써, Nb계의 탄질화물을 미세하게 석출시킴과 함께, 그 성장 속도를 억제하는 작용이 있다고 생각되고 있고, 이 효과에 의해 크리프 특성이 향상된다. 이 효과는, 0.05％ 이상 첨가함으로써 얻을 수 있다. 그러나, 0.3％를 초과하는 첨가는, 탄질화물을 조대화시켜 버릴뿐만 아니라, Laves상이라고 불리는 Fe₂Nb가 형성되기 때문에, 크리프 특성을 저하시키므로, 바람직하지 않다.

V:0.05％ 이상 0.15％ 이하

V는, 본 발명에 필요한 원소이다. 고온 강도, 크리프 강도를 향상시키는 원소이다. 또한, 본 발명에 있어서는, Nb와 함께 Nb-V계의 탄질화물을 형성하고, 그 결과, 보다 미세하게 석출되어, 크리프 특성을 보다 향상시킨다. 이 효과는, 0.05％ 이상 첨가함으로써 얻을 수 있다. 그러나, 0.30％를 초과하여, 과잉으로 첨가하면, VN의 형성에 의해 크리프 특성은 저하되기 때문에, 바람직하지 않다.

Ti:0.03％ 이하

본 발명에 있어서, Ti는 제한해야 하는 원소이다. Ti는, C, N, 특히 N과 결합하기 쉬워 조대한 탄질화물을 형성하고, 미세한 Nb계 탄질화물의 형성을 억제하여, 그 결과, 크리프 특성을 저하시키기 때문에 바람직하지 않다. Ti가 0.03％ 이하이면 이 폐해를 거의 무시할 수 있기 때문에, 이것을 상한으로 한다.

또한, Nb, V, C, N에 대해,

질량％로, (Nb+V)/(C+N)이 2 이하로 되는 것이 바람직하다. 2를 초과하면, Nb, V가 과잉으로 되고, Laves상 등이 형성되어, 크리프 특성을 저하시키기 때문이다. 또한, 하한은 특별히 정하지 않지만, 너무 낮으면, C, N이 과잉이고, Cr계 탄화물 석출 등에 의해 내식성 등을 저하시킬 가능성이 있기 때문에, 0.2 이상이 바람직하다.

Cu:1％ 이하

Cu는, 고온 하에서의 사용 중에 미세하게 석출되기 때문에 크리프 강도를 크게 향상시키는 원소이며, 본 발명에서는 1％를 상한으로 첨가한다. 1％를 초과하면, 열간 가공성 및 크리프 연성, 나아가, 상온 연성도 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 첨가하는 경우에는, 0.1％ 이상의 첨가에서 그 효과가 현저하게 발현된다.

Mo:3％ 이하

Mo는, 고온 강도, 크리프 특성을 향상시키는 원소이며, 필요에 따라 첨가할 수 있다. 그러나, 과잉으로 첨가하면, 조직 안정성을 손상시키기 때문에 바람직하지 않고, 그 첨가량은 3％ 이하가 바람직하다.

W:3％ 이하

W도, Mo와 마찬가지로, 고온 강도, 크리프 강도를 향상시키는 원소이며, 필요에 따라 첨가할 수 있다. 그러나, 과잉으로 첨가하면, 조직 안정성을 손상시키기 때문에 바람직하지 않고, 그 첨가는 3％ 이하가 바람직하다.

Co:1％ 이하

Co도, Mo, W와 마찬가지로, 고온 강도, 크리프 강도를 향상시키는 원소이며, 필요에 따라 첨가할 수 있다. 그러나, 과잉으로 첨가하면, 조직 안정성을 손상시키기 때문에 바람직하지 않고, 고가이기도 하기 때문에, 그 첨가는 1％ 이하가 바람직하다.

B:0.01％ 이하

B도, 고온 강도, 크리프 특성을 높이는 원소이다. 그러나, 과잉의 첨가는, 상온 연성을 저하시키기 때문에, 그 첨가는 0.01％ 이하로 한다. 바람직하게는, 0.0003％ 이상 0.0050％ 이하이다.

이들 합금 원소의 규정에 더하여, 본 발명에서는 탄질화물의 석출량을 규정한다. 이것은, 같은 합금량이어도, 제조 조건에 따라 크리프 특성이 서로 다른 경우가 있어, 그 원인을 조사한 결과에 기초하는 것이다. 크리프 특성이 열위에 있는 강의 크리프 시험 전후의 조직을 관찰하면, 크리프 시험 전에 이미 조대한 석출물이 어느 정도 존재하고, 시험 중에는, 조대한 석출물이 핵으로 되어, 새로운 석출물이 생성되고 있는 것이 판명되었다. 즉, 제품 중의 석출물이 고온에서의 미세 석출을 저해하고 있고, 이것이 크리프 특성을 저하시키고 있는 원인이라고 생각된다. 따라서, 제품에서의 석출량을 적게 하는 것이 중요하다. 발명자들은, 다양한 시험을 행하여, 제품에서의 석출량이 1％ 이하이면, 크리프 특성에 영향을 주지 않는 것을 발견하였다. 따라서, 석출물량의 상한을 1％로 한다. 하한은 특별히 정하지 않는다.

그러나, 탄질화물은 비교적 고온에서 생성되기 때문에, 완전히 고용시키는 것은 곤란하고, 0.01％ 미만으로 하는 것은 제조 설비에 막대한 부하를 주기 때문에, 석출량은, 0.01％ 이상이 바람직하다.

다음에 제조 방법에 대해 설명한다. 본 발명의 강판의 제조 방법은, 제강-열간 압연-산 세정-냉간 압연-어닐링·산 세정의 각 공정으로 이루어진다. 제강에 있어서는, 상기 필수 성분 및 필요에 따라 첨가되는 성분을 함유하는 강을, 전로에서 용제하고, 계속해서 2차 정련을 행하는 방법이 적합하다. 용제한 용강은, 공지의 주조 방법(연속 주조)에 따라 슬래브로 한다. 슬래브는, 소정의 온도로 가열되고, 소정의 판 두께로 연속 압연에 의해 열간 압연된다.

그 후, 열간 압연판에 어닐링을 실시한 후 냉간 압연 되고, 또한 최종 어닐링, 산 세정을 행하여 제품으로 된다. 냉간 압연, 어닐링은, 복수회 반복해도 된다. 또한, 최종 어닐링, 산 세정이 아니라, 광휘 어닐링을 행하여 제품으로 해도 된다. 이 경우, 광휘 어닐링의 어닐링 조건은, 최종 어닐링과 같은 조건이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 탄질화물의 석출량이 중요하며, 제품에서의 석출량을 적게 하는 것이 바람직하다. 그러나, 탄질화물은 비교적 고온에서 생성되기 때문에, 완전히 고용시키는 것은 곤란하고, 또한, 제조 설비에 큰 부하가 발생한다.

따라서, 본 발명자들은, 탄질화물의 석출량과 크리프 특성 및 제조 방법을 상세하게 검토하여, 최적의 제조 조건을 발견하였다. 이 제조 공정에 있어서, 본 발명에서 중요한 공정은, 열간 압연과 최종 어닐링이다. 이 두 공정의 제조 조건의 조합에 의해 제품의 탄질화물량이 1％ 이하로 되어, 우수한 크리프 특성을 얻을 수 있다. 우선, 열간 압연의 가열 온도는 1200℃ 이상 1300℃ 이하로 한다. 1200℃ 미만이면, 미고용의 탄질화물이 많이 남고, 그로 인해, 크리프 강도가 저하된다. 또한, 1300℃를 초과해도 크리프 특성은 향상되지 않고, 가열로의 수명을 단축시키는 등 폐해가 많아지기 때문에, 1300℃를 상한으로 한다.

또한, 최종 어닐링 온도를 1100℃ 이상 1200℃ 이하로 한다. 1100℃ 미만이면 열연 공정 종료시까지 잔존하고 있는 미고용 탄질화물이 많이 남아, 크리프 특성이 저하되기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 1200℃를 초과하면, 판 파단 등의 위험성이 많아지기 때문에, 상한을 1200℃로 한다.

타 공정의 제조 방법에 대해서는 특별히 규정하지 않으나, 열연 조건, 열연 판 두께 등은 적절히 선택하면 된다. 또한, 냉연·어닐링 후에 조질 압연이나 텐션 레벨러에 의한 교정을 부여해도 무방하다.

또한, 제품 판 두께에 대해서도, 요구 부재 두께에 따라 선택하면 된다.

실시예 1

표 1에 나타내는 성분 조성의 강을 용제하여 슬래브로 주조하고, 슬래브를 열간 압연하여 5㎜ 두께의 열연 코일로 하였다. 이때의 가열 온도는, 1250℃이다. 그 후, 열연 코일을 어닐링 온도 1100℃로 어닐링한 후, 산 세정하고, 또한 2㎜ 두께까지 냉간 압연하고, 어닐링·산 세정을 실시하여 제품판으로 하였다. 최종 어닐링 온도는, 1150℃, 어닐링 시간은 120초이다.

또한, 강 No.1에 대해서는, 가열 온도와 최종 어닐링 조건을 바꾸어 강판을 제작하였다. 그들 강이 1A 강으로부터 1F 강이다. 변경한 조건 이외에는 No.1 강과 같다.

이와 같이 하여 얻어진 제품판으로부터, 상온 인장 시험(JIS13B호), 고온 인장 시험편을 채취하였다. 그리고, 상온 인장 시험(JIS Z 2241에 준거)을 행하여 얻은 전연신율 값을 가공성의 지표로 하였다. 또한, 고온 특성의 지표로서, 800℃에서 인장 시험을 실시하고, 0.2％ 내력 및 인장 강도를 측정하였다(JIS G 0567에 준거). 또한, 같은 시험편을 사용하여, 크리프 변형 시험을 행하였다. 시험 온도 800℃, 시험시간 300시간으로 하고, 다양한 하중을 가하여 변형량을 구하고, 이들로부터 1％ 변형량으로 되는 부하 응력을 구하였다. 이 값이 클수록, 크리프 특성이 좋다고 할 수 있다. 아울러, 제품판으로부터 추출 잔사량을 구하여, 석출물량으로 하였다. 또한, 잔사의 X선 회절 시험도 행하여, 잔사가 탄질화물 주체인 것을 확인하였다.

이들 시험 결과도 표 1에 나타낸다.

표 1로부터 명백한 바와 같이, 본 발명 강은 우수한 고온 강도 및 크리프 특성을 나타낸다. 또한, 비교강은, 고온 강도, 크리프 특성이 열위하거나 다른 문제가 있어, 바람직하지 않은 것이 명백하다.

이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 크리프 특성이 우수한 내열 스테인리스 강판을 제공할 수 있고, 특히 배기 부재에 적용함으로써, 부품 비용의 저감이나 경량화에 의한 환경 대책 등 사회적 기여는 현격히 크다.

Claims

질량％로,
C:0.03％ 이상 0.06％ 이하,
N:0.1％ 이상 0.3％ 이하,
Si:1％ 이하,
Mn:3％ 이하,
P:0.04％ 이하,
S:0.03％ 이하,
Ni:5∼12％,
Cr:15∼20％,
Al:0.01％ 이상 0.1％ 이하,
Nb:0.05％ 이상 0.3％ 이하,
V:0.05％ 이상 0.30％ 이하,
Ti:0.03％ 이하,
또한, (Nb+V)/(C+N)이 2 이하이고,
또한, 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하여 이루어지고, 강 중의 탄질화물을 주체로 하는 석출물의 양이 1％ 이하인 것을 특징으로 하는, 내열 오스테나이트계 스테인리스 강판.
제1항에 있어서,
Cu:1％ 이하, Mo:3％ 이하, W:3％ 이하, Co:1％ 이하, B:0.01％ 이하
의 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 내열 오스테나이트계 스테인리스 강판.
제강-열간 압연-산 세정-냉간 압연-어닐링·산 세정의 각 공정으로 이루어지는 강판의 제조 공정에 있어서, 열간 압연의 가열 온도가 1200℃ 이상 1300℃ 이하, 최종 어닐링 온도가 1100℃ 이상 1200℃ 이하인 것을 특징으로 하는, 제1항 또는 제2항에 기재의 내열 오스테나이트계 스테인리스 강판의 제조 방법.