WO2024136060A1 - 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법 - Google Patents

오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법 Download PDF

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백종수
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    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/001—Austenite

Definitions

  • the present invention relates to an austenitic stainless steel with high elongation and low yield strength to realize high formability and a manufacturing method thereof. More specifically, it relates to austenitic stainless steel with high elongation and low yield strength for forming complex flow path shapes of polymer electrolyte fuel cell separators. It relates to low austenitic stainless steel and its manufacturing method.
  • a molecular electrolyte fuel cell is a fuel cell that uses a polymer membrane as an electrolyte.
  • hydrogen When hydrogen is supplied, when the hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions move to the opposite electrode through the electrolyte membrane, and the electrons move along the conductor rather than the membrane, causing current to flow.
  • the advantages of polymer electrolyte fuel cells include simple structure and manufacturing method, and high weight and space efficiency. So, taking advantage of these strengths, it can be useful as a power source for transportation and locally installed power generation.
  • a polymer electrolyte fuel cell has a gas diffusion layer that supplies and discharges hydrogen or air (oxygen) and water on both sides of a membrane electrode assembly that separates electrons from hydrogen or combines hydrogen ions and oxygen ions to generate water, and hydrogen and oxygen are gases.
  • a unit cell is formed by combining a separator plate that supplies water to the diffusion layer or discharges generated water, and several such unit cells are combined in series to form a fuel cell stack.
  • the separator plate requires processing of a finely curved flow path to supply hydrogen and oxygen to the electrode and efficiently discharge water, a reactant, and thus requires high formability.
  • Graphite material which was previously used for separator purposes, is being replaced by stainless steel material in recent years due to high molding costs and low impact toughness.
  • a high elongation rate is required to form areas with high deformation, such as fine bends, and a low yield strength is required to minimize springback after forming.
  • austenitic stainless steel with excellent elongation and low yield strength that can be highly formed for polymer electrolyte fuel cell separator plates by utilizing stainless steel materials, especially austenitic stainless steel with high formability.
  • the present invention optimizes C, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, and N, which are the basic alloy elements of austenitic stainless steel, to achieve high corrosion resistance in a polymer electrolyte environment and to form a high-elongation and low-strength material capable of forming complex flow path shapes.
  • the object is to provide austenitic stainless steel and a manufacturing method thereof.
  • the high elongation and low strength austenitic stainless steel according to an embodiment of the present invention has C: 0.01% to 0.08%, Si: 0.1% to 1.0%, Mn: 0.1% to 1.5%, Cr: 20.0 by weight. % to 25.0%, Ni: 12.0% to 18.0%, Cu: 0.1% to 1.0%, N: 0.01% to 0.1%, P: 0.035% or less, S: 0.01% or less, the remainder includes Fe and inevitable impurities , satisfies the following equations (1) and (2).
  • Equation (2) 60+300 ⁇ C+70 ⁇ Si-20 ⁇ Mn+7 ⁇ Cr+Ni+3 ⁇ Cu+530 ⁇ N ⁇ 300
  • C, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, N refer to the content (% by weight) of each element
  • the austenitic stainless steel according to an embodiment of the present invention may have a yield strength of 300 MPa or less and an elongation of 48% or more.
  • the method for manufacturing austenitic stainless steel according to an embodiment of the present invention is C: 0.01% to 0.08%, Si: 0.1% to 1.0%, Mn: 0.1% to 1.5%, Cr: 20.0% to 25.0 in weight percent. %, Ni: 12.0% to 18.0%, Cu: 0.1% to 1.0%, N: 0.01% to 0.1%, P: 0.035% or less, S: 0.01% or less, the remainder includes Fe and inevitable impurities, the formula below Manufacturing a slab that satisfies (1) and equation (2);
  • Equation (2) 60+300 ⁇ C+70 ⁇ Si-20 ⁇ Mn+7 ⁇ Cr+Ni+3 ⁇ Cu+530 ⁇ N ⁇ 300
  • C, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, N refer to the content (% by weight) of each element
  • the method of manufacturing austenitic stainless steel according to an embodiment of the present invention may have a yield strength of 300 MPa or less and an elongation of 48% or more after hot rolling annealing.
  • high elongation and low strength austenitic stainless steel can be provided.
  • Figure 1 is a diagram showing the range of equation (1) and elongation after hot rolling and annealing heat treatment for examples and comparative examples.
  • Figure 2 is a diagram showing the range of equation (2) and the yield strength after hot rolling and annealing heat treatment for examples and comparative examples.
  • the austenitic stainless steel according to the present invention has, in weight percent, C: 0.01% to 0.08%, Si: 0.1% to 1.0%, Mn: 0.1% to 1.5%, Cr: 20.0% to 25.0%, Ni: 12.0%. to 18.0%, Cu: 0.1% to 1.0%, N: 0.01% to 0.1%, P: 0.035% or less, S: 0.01% or less, the remainder includes Fe and inevitable impurities, and the following formula (1) and formula ( 2) is satisfied.
  • Equation (2) 60+300 ⁇ C+70 ⁇ Si-20 ⁇ Mn+7 ⁇ Cr+Ni+3 ⁇ Cu+530 ⁇ N ⁇ 300
  • C, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, N refer to the content (% by weight) of each element
  • the carbon (C) content is 0.01% to 0.08%.
  • carbon (C) increases the stability of the austenite phase and is an element inevitably added during manufacturing, it can be added in an amount of 0.01% or more. However, if the content is excessive, Cr carbide is generated between welds and corrosion resistance is reduced, so the upper limit is limited to 0.08%. Additionally, the carbon content may be 0.01% to 0.03%.
  • the content of silicon (Si) is 0.1% to 1.0%.
  • Si is an element added to deoxidize the molten stainless steel and can be added in amounts of 0.1% or more. However, if it reduces the elongation of the material and its content is excessive, the quality of the material may deteriorate after surface pickling and edge cracks may occur during manufacturing due to an increase in inclusions, which may deteriorate the quality of the material. Considering this, the upper limit of Si content can be limited to 1.0%. Additionally, the silicon content may be 0.5% to 0.9%.
  • the content of manganese (Mn) is 0.1% to 1.5%.
  • Mn can improve the elongation of the material by stabilizing the austenite phase and developing mechanical twins between deformations, so it can be added at an amount of 0.1% or more. However, if the addition amount is excessive, inclusions are created and the corrosion resistance of the material is reduced, so the addition amount is limited to 1.5% or less. Additionally, the manganese content may be 0.8% to 1.3%.
  • the content of chromium (Cr) is 20.0% to 25.0%.
  • Cr is an element that must be added to stainless steel to improve corrosion resistance, and must be added by more than 20.0%, especially for fuel cell separator applications.
  • Cr is a strong ferrite stabilizing element, so if the addition amount is excessive, the stability of the austenite phase decreases, so the upper limit is limited to 25.0%.
  • the chromium content may be 20.0% to 23.0%.
  • the content of nickel (Ni) is 12.0% to 18.0%.
  • Nickel (Ni) is a strong austenite phase stabilizing element and must be added in an amount of 12.0% or more in the present invention. However, Ni is an expensive element, and as the addition amount increases, the raw material cost increases, limiting the upper limit to 18.0% or less. Additionally, the nickel content may be 12.0% to 17.2%.
  • the content of copper (Cu) is 0.1% to 1.0%.
  • Cu like Mn and Ni, is an element that stabilizes the austenite phase and is essentially added in the stainless steel manufacturing process using scrap, and can be added in amounts of 0.1% or more. However, if excessive, it may generate low-temperature liquid and cause edge defects during hot rolling, so the addition amount is limited to 1.0% or less. Additionally, the copper content may be 0.2% to 0.7%.
  • the content of N is 0.01% to 0.1%.
  • Nitrogen (N) is a strong austenite phase stabilizing element, but when added, it increases the yield strength of the material and reduces its elongation, thereby reducing the formability of the material. Therefore, in the present invention, considering the manufacturing process using stainless steel scrap, the addition amount is limited to 0.01% or more and 0.1% or less. Additionally, the nitrogen content may be 0.02% to 0.06%.
  • the P content is 0.035% or less.
  • Phosphorus (P) is an impurity that is inevitably contained in steel and is a major element that causes intergranular corrosion or impairs hot workability, so it is desirable to control its content as low as possible.
  • the upper limit of the P content is managed at 0.035% or less.
  • the S content is less than 0.01%.
  • S Sulfur
  • S is an impurity inevitably contained in steel and is an element that segregates at grain boundaries and is the main cause of impeding hot workability, so it is desirable to control its content as low as possible.
  • the upper limit of the S content is managed at 0.01% or less.
  • the remaining component of the present invention is iron (Fe).
  • Fe iron
  • Equations (1) and (2) In order to develop high-elongation, low-strength austenitic stainless steel, formulas representing elongation and yield strength according to the alloy composition of the austenite phase are required. For this purpose, equation (1) representing elongation and equation (2) representing strength were used. In order to satisfy an elongation of 48% or more and a yield strength of 300 MPa or less after hot rolling and annealing heat treatment, Equations (1) and (2) must be satisfied.
  • the present invention relates to an austenitic stainless steel that satisfies an elongation of 48% or more and a yield strength of 300 MPa or less after hot rolling and annealing heat treatment, and a method for manufacturing the same, C: 0.01% to 0.08%, Si: 0.1% to 0.0% by weight. 1.0%, Mn: 0.1% to 1.5%, Cr: 20.0% to 25.0%, Ni: 12.0% to 18.0%, Cu: 0.1% to 1.0%, N: 0.01% to 0.1%, P: 0.035% or less, S : Manufacturing a slab containing 0.01% or less, the remainder being Fe and inevitable impurities, and satisfying the following equations (1) and (2);
  • Equation (2) 60+300 ⁇ C+70 ⁇ Si-20 ⁇ Mn+7 ⁇ Cr+Ni+3 ⁇ Cu+530 ⁇ N ⁇ 300
  • C, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, N refer to the content (% by weight) of each element
  • Stainless steel containing the above composition can be manufactured into cast steel by continuous casting or steel ingot casting, and a series of hot rolling and hot rolling annealing can be performed to form the final product.
  • Slabs can be hot rolled at a temperature of 1,100 to 1,300°C, which is the normal rolling temperature, and hot rolled steel sheets can be hot rolled and annealed at a temperature of 1000 to 1,200°C. At this time, hot-rolled annealing may be performed for 100 to 300 seconds. Additionally, slabs can be hot rolled to a thickness of 2.5 to 5.0 mm.
  • the austenitic stainless steel according to the present invention can be applied to fields requiring high formability, such as fuel cell separators.
  • the results of measuring the elongation and yield strength of the annealed material manufactured with the above composition are shown in Table 2 below.
  • the yield strength and elongation were measured using a JIS13B tensile test specimen at a tensile speed of 20 mm per minute through a tensile tester from Zwick Roell. , Measurements were made by performing tests at room temperature.
  • Figure 1 is a graph showing equation (1) and elongation of examples and comparative examples
  • Figure 2 is a graph showing equation (2) and yield strength.
  • the examples that satisfy Equations (1) and (2) for the component range satisfy an elongation of 48% or more and a yield strength of 300 MPa or less, while Comparative Examples 2 to 4 have an elongation of It was less than 48%, and Comparative Examples 1 to 5 exceeded 300 MPa.

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Abstract

본 발명은 고성형성 구현을 위해 연신율이 높고 항복강도가 낮은 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법을 개시한다. 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 중량 %로 C: 0.01% 내지 0.08%, Si: 0.1% 내지 1.0%, Mn: 0.1% 내지 1.5%, Cr: 20.0% 내지 25.0%, Ni: 12.0% 내지 18.0%, Cu: 0.1% 내지 1.0%, N: 0.01% 내지 0.1%, P: 0.035% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1) 및 식(2)을 만족한다. 식(1): 80+45×C-10×Si+2×Mn-Ni-Cu-70×N > 55 식(2): 60+300×C+70×Si-20×Mn+7×Cr+Ni+3×Cu+530×N < 300 (여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, N 은 각 원소의 함량(중량%)을 의미함)

Description

오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법
본 발명은 고성형성 구현을 위해 연신율이 높고 항복강도가 낮은 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자 전해질 연료전지 분리판의 복잡한 유로 형상 성형을 위해 연신율이 높고 항복강도가 낮은 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
분자 전해질 연료전지는 고분자로 이루어진 막을 전해질로 사용하는 연료전지이다. 수소가 공급되었을 때, 수소가 수소 이온과 전자로 분리되면 수소 이온은 전해질막을 통해서 반대 전극으로 이동하고 전자는 막이 아닌 도선을 따라서 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 고분자 전해질 연료전지의 장점으로는 간단한 구조와 제작방법, 그리고 높은 무게와 공간 효율이 대표적이다. 그래서 이러한 강점을 살려서 교통수단의 동력원, 현지 설치형 발전 등에 유용하게 쓰일 수 있다.
고분자 전해질 연료전지는 수소에서 전자를 분리하거나 수소 이온과 산소 이온을 결합시켜 물을 생성시키는 막전극 집합체의 양측에 수소 또는 공기 (산소) 및 물을 공급하고 배출시키는 기체 확산층, 수소 및 산소를 기체확산층에 공급하거나 발생된 물을 배출시키는 분리판이 결합된 단전지(unit cell)를 이루고 이러한 단전지가 여러 개 직렬로 결합되어 연료전지 스택 (stack)을 이루게 된다.
분리판은 수소와 산소를 전극에 공급하고, 반응물인 물을 효율적으로 배출시키기 위하여 미세한 굴곡 형태의 유로 가공이 필요하여 고성형성이 요구된다. 종래에 분리판 용도로 사용되던 Graphite 소재는 높은 성형 비용 및 낮은 충격인성으로 인해 근래에는 스테인리스 소재로 대체되고 있다. 분리판 유로를 성형 시 미세한 굴곡부 등 변형량이 높은 영역을 성형하기 위해서는 높은 연신율이 요구되고 성형 후 스프링백을 최소화하기 위해서는 낮은 항복강도가 요구된다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 스테인리스 소재 특히 성형성이 높은 오스테나이트계 스테인리스강을 활용하여 고분자 전해질 연료전지 분리판용 고성형이 가능한 연신율이 우수하고 항복강도가 낮은 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강의 기본 합금원소인 C, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, N을 최적화하여 고분자 전해질 환경에서 고내식성 구현이 가능하며 복잡한 유로 형상 성형이 가능한 고연신 및 저강도의 오스테나이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고연신 및 저강도의 오스테나이트계 스테인리스강은 중량 %로 C: 0.01% 내지 0.08%, Si: 0.1% 내지 1.0%, Mn: 0.1% 내지 1.5%, Cr: 20.0% 내지 25.0%, Ni: 12.0% 내지 18.0%, Cu: 0.1% 내지 1.0%, N: 0.01% 내지 0.1%, P: 0.035% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1) 및 식(2)를 만족한다.
식(1): 80+45×C-10×Si+2×Mn-Ni-Cu-70×N > 55
식(2): 60+300×C+70×Si-20×Mn+7×Cr+Ni+3×Cu+530×N < 300
(여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, N 은 각 원소의 함량(중량%)을 의미함)
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, 항복강도 300 MPa 이하 및 연신율 48% 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은, 중량 %로 C: 0.01% 내지 0.08%, Si: 0.1% 내지 1.0%, Mn: 0.1% 내지 1.5%, Cr: 20.0% 내지 25.0%, Ni: 12.0% 내지 18.0%, Cu: 0.1% 내지 1.0%, N: 0.01% 내지 0.1%, P: 0.035% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는 슬라브를 제조하는 단계;
상기 슬라브를 1100~1300℃에서 열간압연하는 단계;
상기 열간압연이 진행된 강판을 1000~1200℃에서 100~300초동안 소둔하는 단계;를 포함한다.
식(1): 80+45×C-10×Si+2×Mn-Ni-Cu-70×N > 55
식(2): 60+300×C+70×Si-20×Mn+7×Cr+Ni+3×Cu+530×N < 300
(여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, N 은 각 원소의 함량(중량%)을 의미함)
본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은, 열연 소둔 후에 항복강도 300 MPa 이하 및 연신율 48% 이상일 수 있다.
본 발명에 따르면, 고연신 및 저강도 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예 및 비교예에 대하여 식(1)의 범위 및 열간압연과 소둔 열처리 이후 연신율을 표시한 도이다.
도 2은 실시예 및 비교예에 대하여 식(2)의 범위 및 열간압연과 소둔 열처리 이후 항복강도를 표시한 도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술 사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수 여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용 오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량 %로 C: 0.01% 내지 0.08%, Si: 0.1% 내지 1.0%, Mn: 0.1% 내지 1.5%, Cr: 20.0% 내지 25.0%, Ni: 12.0% 내지 18.0%, Cu: 0.1% 내지 1.0%, N: 0.01% 내지 0.1%, P: 0.035% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1) 및 식(2)를 만족한다.
식(1): 80+45×C-10×Si+2×Mn-Ni-Cu-70×N > 55
식(2): 60+300×C+70×Si-20×Mn+7×Cr+Ni+3×Cu+530×N < 300
(여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, N 은 각 원소의 함량(중량%)을 의미함)
상기 각 성분 원소의 함량의 수치범위를 한정한 이유는 아래와 같다.
탄소(C)의 함량은 0.01% 내지 0.08%이다.
탄소(C)는 오스테나이트상의 안정화도를 높이고 제조 간 필연적으로 첨가되는 원소이기 때문에 0.01% 이상 첨가될 수 있다. 하지만 그 함량이 과도할 경우 용접 간 Cr탄화물을 생성시켜 내식성을 저하시키기 때문에 그 상한을 0.08%로 한정하였다. 또한, 탄소 함량은 0.01% 내지 0.03%일 수 있다.
실리콘(Si)의 함량은 0.1% 내지 1.0%이다.
Si은 스테인리스강의 용강 내 탈산을 위하여 첨가하는 원소로 0.1%이상 첨가될 수 있다. 하지만 소재의 연신율을 하락시키고 그 함량이 과다할 경우, 표면 산세 후 소재의 품질을 저하시키고 개재물 증가로 인해 제조간 에지크랙을 발생시켜 소재의 품질이 열위해 질 수 있다. 이를 고려하여, Si 함량의 상한은 1.0%로 한정할 수 있다. 또한, 실리콘 함량은 0.5% 내지 0.9% 일 수 있다.
망간(Mn)의 함량은 0.1% 내지 1.5%이다.
Mn은 오스테나이트상을 안정화시키고 변형간 기계적 쌍정을 발달시켜 소재의 연신율을 향상시킬 수 있으므로 0.1% 이상 첨가시킬 수 있다. 하지만 첨가량이 과도할 시 개재물을 생성시켜 소재의 내식성을 감소시키기 때문에 그 첨가량을 1.5% 이하로 한정한다. 또한, 망간 함량은 0.8% 내지 1.3% 일 수 있다.
크롬(Cr)의 함량은 20.0% 내지 25.0%이다.
Cr은 내식성을 향상시키기 위해서 스테인리스강에 필수적으로 첨가해야 되는 원소로서 특히 연료전지 분리판 적용을 위해서는 20.0% 이상 첨가되어야 한다. 하지만 Cr은 강력한 페라이트 안정화 원소여서 그 첨가량이 과도할 경우 오스테나이트상의 안정화도가 떨어지기 때문에 그 상한을 25.0%로 한정한다. 또한, 크롬 함량은 20.0% 내지 23.0%일 수 있다.
니켈(Ni)의 함량은 12.0% 내지 18.0%이다.
니켈(Ni)은 강력한 오스테나이트 상 안정화 원소로서 본 발명에서는 12.0% 이상 첨가하여야 한다. 하지만 Ni은 고가의 원소로서 첨가량이 증가함에 따라 원료비 상승을 초래하여 그 상한을 18.0% 이하로 제한한다. 또한, 니켈 함량은 12.0% 내지 17.2% 일 수 있다.
구리(Cu)의 함량은 0.1% 내지 1.0%이다.
Cu는 Mn, Ni과 같이 오스테나이트 상을 안정화시키고 스크랩을 사용하는 스테인리스 제조 공정상 필수적으로 첨가되는 원소로 0.1% 이상 첨가될 수 있다. 하지만 다만 과도할 시 저온 액상을 생성시켜 열간 압연시 에지 결함을 유발할 수 있기 때문에 그 첨가량을 1.0% 이하로 제한한다. 또한, 구리 함량은 0.2% 내지 0.7% 일 수 있다.
N의 함량은 0.01% 내지 0.1%이다.
질소(N)는 강력한 오스테나이트 상 안정화 원소이지만 첨가 시 소재의 항복강도를 증가시키고 연신율을 하락시키기 때문에 소재의 성형성 저하를 발생시킨다. 따라서 본 발명에서는 스테인리스강의 스크랩 사용한 제조공정을 고려할 시 그 첨가량을 0.01% 이상 0.1% 이하로 제한한다. 또한, 질소 함량은 0.02% 내지 0.06%일 수 있다.
P의 함량은 0.035% 이하이다.
인(P)은 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로, 입계 부식을 일으키거나 열간가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기 P 함량의 상한을 0.035% 이하로 관리한다.
S의 함량은 0.01% 이하이다.
황(S)은 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로, 결정립계에 편석되어 열간가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기 S 함량의 상한을 0.01% 이하로 관리한다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
고연신 저강도 오스테나이트계 스테인리스강 개발을 위하여 오스테나이트상의 합금성분에 따른 연신율과 항복강도를 대표하는 수식이 요구된다. 이를 위하여 연신율을 대표하는 식(1)과 강도를 대표하는 식(2)를 사용하였다. 열간압연 및 소둔 열처리 이후 연신율 48% 이상 항복강도 300 MPa 이하를 만족시키기 위해서는 식(1)과 식(2)를 만족시켜야 한다.
다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법에 대해 설명한다.
본 발명은 열간압연 및 소둔열처리 이후 연신율 48% 이상 항복강도 300 MPa 이하를 만족시키는 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 중량 %로 C: 0.01% 내지 0.08%, Si: 0.1% 내지 1.0%, Mn: 0.1% 내지 1.5%, Cr: 20.0% 내지 25.0%, Ni: 12.0% 내지 18.0%, Cu: 0.1% 내지 1.0%, N: 0.01% 내지 0.1%, P: 0.035% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는 슬라브를 제조하는 단계;
상기 슬라브를 1100~1300℃에서 열간압연하는 단계;
상기 열간압연이 진행된 강판을 1000~1200℃에서 100~300초동안 소둔하는 단계;를 포함한다.
식(1): 80+45×C-10×Si+2×Mn-Ni-Cu-70×N > 55
식(2): 60+300×C+70×Si-20×Mn+7×Cr+Ni+3×Cu+530×N < 300
(여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, N 은 각 원소의 함량(중량%)을 의미함)
상기의 조성을 포함하는 스테인리스강을 연속주조 또는 강괴주조에 의해 주편으로 제작하고, 일련의 열간압연, 열연소둔을 수행하여 최종 제품을 형성할 수 있다.
종래에는 고연신 저강도 소재 개발을 위하여 열간압연 된 소재를 고온에서 장기간 소둔열처리 할 필요가 있었다. 하지만 본 발명의 경우 슬라브를 제조하는 단계; 상기 슬라브를 열간 압연하는 단계; 상기 열간압연이 진행된 강판을 통상의 조건으로 소둔하는 단계만으로 고연신 및 저강도 특성 구현이 가능하다.
슬라브는 통상의 압연온도인 1,100 내지 1,300℃의 온도에서 열간압연할 수 있으며, 열연강판은 1000~1200℃ 온도에서도 열연소둔될 수 있다. 이때, 열연 소둔은 100~300초동안 진행될 수 있다. 또한, 슬라브는 두게 2.5~5.0 mm로 열간압연할 수 있다.
이와 같이, 합금성분을 제어하면 통상의 공정 조건에서 통상으로 조건으로 열연 소둔하여도 고연신, 저강도 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 연료전지 분리판 등 고성형성이 요구되는 분야에 적용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 자세하게 설명하고자 한다.
{실시예}
하기 표 1에 나타낸 합금 실시예 성분범위에 대하여, 잉곳(Ingot) 용해를 통해 슬라브를 제조하고, 1,250℃에서 2시간 가열한 후 두께 3.3mm로 열간압연을 진행하였으며, 열간압연 이후 1,100℃에서 180초간 소둔을 진행하였다.
각 실험 강종에 대한 합금 조성 (중량%)과 식(1)의 값을 아래 표 1에 나타내었다.
강종 성분(%) 식(1) 식(2)
C Si Mn Cr Ni Cu N
실시예1 0.01 0.7 1.3 20.4 14.6 0.2 0.02 59.9 254.6
실시예2 0.03 0.9 1.3 21.0 12.1 0.7 0.06 58.0 299.0
실시예3 0.03 0.5 1.0 23.0 14.5 0.5 0.02 62.0 271.6
실시예4 0.03 0.9 0.8 20.0 12.0 0.7 0.04 58.5 291.3
실시예5 0.03 0.5 1.3 23.0 17.2 0.2 0.05 58.1 283.3
비교예1 0.02 0.5 1.0 20.5 10.0 0.0 0.17 56.0 324.6
비교예2 0.04 0.5 1.3 25.7 19.6 0.0 0.09 53.5 328.2
비교예3 0.07 0.9 0.2 23.0 15.4 0.7 0.03 56.5 331.4
비교예4 0.04 0.7 0.1 21.7 13.4 1.0 0.10 54.1 337.0
비교예5 0.04 0.6 0.5 20.8 13.5 0.3 0.10 56.4 312.7
상기 조성과 같이 제조된 소둔재의 연신율 및 항복강도를 측정한 결과는 아래의 표 2와 같다.항복강도 및 연신율은, Zwick Roell사의 인장시험기를 통해, JIS13B 인장시험편을, 분당 20mm의 인장속도로, 상온에서 시험을 수행하여 측정했다.
강종 연신율(%) 항복강도(MPa)
실시예1 50.8 253.1
실시예2 49.0 298.5
실시예3 53.2 270.9
실시예4 49.1 289.3
실시예5 48.8 281.0
비교예1 48.5 323.4
비교예2 44.1 327.0
비교예3 46.2 330.0
비교예4 45.1 335.7
비교예5 48.3 312.4
표 2를 참조하면, 본 발명이 제시한 합금 조성 및 식(1) 및 식(2)을 만족한 실시예 1 내지 5는 연신율 48% 이상 및 항복강도 300 MPa 이하를 만족하였다. 도 1은 실시예 및 비교예의 식(1)과 연신율, 도 2는 식(2)와 항복강도를 도시한 그래프이다. 상기 표 2 및 도 1에 따르면, 성분범위에 대하여 식(1)과 식(2)를 만족하는 실시예들은 연신율 48% 이상 항복강도 300 MPa 이하를 만족하는 반면, 비교예 2 내지 4는 연신율이 48% 미만이었으며, 비교예 1 내지 5는 300MPa를 초과하였다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 중량 %로 C: 0.01% 내지 0.08%, Si: 0.1% 내지 1.0%, Mn: 0.1% 내지 1.5%, Cr: 20.0% 내지 25.0%, Ni: 12.0% 내지 18.0%, Cu: 0.1% 내지 1.0%, N: 0.01% 내지 0.1%, P: 0.035% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는, 오스테나이트계 스테인리스강.
    식(1): 80+45×C-10×Si+2×Mn-Ni-Cu-70×N > 55
    식(2): 60+300×C+70×Si-20×Mn+7×Cr+Ni+3×Cu+530×N < 300
    (여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, N 은 각 원소의 함량(중량%)을 의미함)
  2. 제1항에 있어서,
    항복강도 300 MPa 이하 및 연신율 48% 이상인, 오스테나이트계 스테인리스강.
  3. 중량 %로 C: 0.01% 내지 0.08%, Si: 0.1% 내지 1.0%, Mn: 0.1% 내지 1.5%, Cr: 20.0% 내지 25.0%, Ni: 12.0% 내지 18.0%, Cu: 0.1% 내지 1.0%, N: 0.01% 내지 0.1%, P: 0.035% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는 슬라브를 제조하는 단계;
    상기 슬라브를 1100~1300℃에서 열간압연하는 단계;
    상기 열간압연이 진행된 강판을 1000℃~1200℃에서 100초~300초동안 소둔하는 단계;를 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
    식(1): 80+45×C-10×Si+2×Mn-Ni-Cu-70×N > 55
    식(2): 60+300×C+70×Si-20×Mn+7×Cr+Ni+3×Cu+530×N < 300
    (여기서, C, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, N 은 각 원소의 함량(중량%)을 의미함)
  4. 제3항에 있어서,
    열연 소둔 후에 항복강도 300 MPa 이하, 연신율 48% 이상인, 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
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