KR101356946B1

KR101356946B1 - 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법

Info

Publication number: KR101356946B1
Application number: KR1020120031049A
Authority: KR
Inventors: 김경석; 조민철; 조용길; 이수찬
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: KR20130109367A

Abstract

본 발명은 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법은, 상기 스테인리스강의 조성을 하기 식 (1)과 같이 정의되는 내공식 지수 PREN(Pitting Resistance Equivalent Number)이 30 이하가 되도록 제어하고, 상기 스테인리스강을 열간 압연시 초기 두께 대비 61% 초과 86% 이하의 압연 두께 구간까지 압하율을 제어하여 압연하는 단계를 포함한다.
PREN= Cr(%)+3.3*Mo(%)+30*N(%) 식 (1)

Description

듀플렉스 스테인리스강의 제조방법{Manufacturing method of duplex stainless steel}

본 발명은 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면결함이 저감되고 가공성이 우수한 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법에 관한 것이다.

현재 린 듀플렉스(lean duplex) 스테인리스강의 후판 압연 시 표면 크랙 저감을 위한 압연 기술은 전무하며, 연구소 차원에서 성분 제어를 통한 열간 가공성을 향상 시키려는 노력이 일부 있었다. 다만, 열간 압연 공정에서 이상 스테인리스강의 귀터짐을 방지하기 위한 방법으로 [Proceeding of International conference on Stainless Steel, 1991, ISIJ, p.799]와 [가와사키제철기보, 20(1998) p.14]에서 제안된 S 안정화를 위한 Ca, Cu 등의 안정화 원소 첨가 방법과, [귀터짐을 방지하기 위한 이상 스테인리스강의 열간압연 방법, KR2001-0059588]에서 제안된 조압연 압하율을 20% 이하로 제어하는 방법이 있었다.

그러나, 후판 압연은 열간 압연에 비해 압연 속도가 느리고 압연 종료 온도가 낮으며, 폭내기 압연 공정이 추가가 되어있다. 또한, 귀터짐과 표면크랙은 결함 발생 메커니즘이 다르기 때문에 기존의 방법을 사용할 수가 없다. 뿐만 아니라, 린 듀플렉스 스테인리스강은 기존의 스탠다드 듀플렉스 스테인리스강에 비해 가공성에 영향을 주는 합금 성분이 적게 들어가 있어서 기존의 방법 역시 사용할 수 없다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 린 듀플렉스 스테인리스강의 후판재 압연 시 표면크랙 억제를 위해 압하율은 제한하면서 압연 온도의 과도한 하락은 막을 수 있는 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법은 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법에 있어서,

상기 스테인리스강의 조성을 하기 식 (1)과 같이 정의되는 내공식 지수 PREN(Pitting Resistance Equivalent Number)이 30 이하가 되도록 제어하고, 상기 스테인리스강을 열간압연시 초기 두께 대비 61% 초과 86% 이하의 압연 두께 구간까지 압하율을 제어하여 압연하는 단계를 포함한다.

PREN= Cr(%)+3.3*Mo(%)+30*N(%) 식 (1)

상기 스테인리스강은 중량%로, 탄소(C) 0 초과 0.03 이하, 규소(Si) 0 초과 1.0 이하, 망간(Mn) 0 초과 2.5 이하, 인(P) 0 초과 0.04 이하, 황(S) 0 초과 0.04 이하, 구리(Cu) 0 초과 0.6 이하, 니켈(Ni) 3.0 초과 5.5 이하, 크롬(Cr) 21.5 이상 24.5 이하, 몰리브덴(Mo) 0.05 이상 0.6 이하, 질소(N) 0.05 이상 0.2 이하, 나머지 철(Fe) 및 불순물을 포함한다.

상기 스테인리스강은 크롬(Cr)과 니켈(Ni)의 당량비가 하기 식 (2)의 범위로 제어될 수 있다.

2.5 ≤ Creq / Nieq ≤ 3.7 식 (2)

(여기서, Creq = Cr(%)+Mo(%)+1.5*Si(%)이고,

Nieq = Ni(%)+0.3*C(%)+0.5*Mn(%)+0.33*Cu(%)+30*(N(%)-0.045)임)

상기 스테인리스강을 열간 압연하는 단계 이전에, 상기 스테인리스강의 연속주조 슬라브를 1200℃ 이상 1250℃ 이하의 온도에서 재가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 스테인리스강을 열간 압연하는 단계는, 초기 두께 대비 20% 압연 두께 구간까지 0% 초과 5% 이하의 압하율이 적용되는 제1 압연 단계, 초기 두께 대비 45% 압연 두께 구간까지 0% 초과 10% 이하의 압하율이 적용되는 제2 압연 단계, 초기 두께 대비 75% 압연 두께 구간까지 0% 초과 15% 이하의 압하율이 적용되는 제3 압연 단계를 포함하는 다단계 압연이 적용될 수 있다.

상기 제1 압연 단계 내지 제3 압연 단계는 각각 적어도 2회 실시될 수 있다.

상기 스테인리스강을 열간 압연하는 단계 이후에, 열간 압연된 상기 스테인리스강의 표면 전체를 1회 정정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 스테인리스강을 압연하는 단계 이후에, 압연된 상기 스테인리스강의 표면 일부를 연마(grinding)하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 린 듀플렉스 후판 압연 시, 표층부 온도 하락 정도를 예측하고 표층부 상분율과 미세조직에 따른 열간가공성을 고려해 표면크랙 취약구간과 양호구간으로 나누어 취약구간에서의 압하율 제어를 통해 표면크랙을 저감할 수 있는 압연 제어 방법을 제공할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 재가열 온도에 따른 열간 가공성을 도시한 그래프.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 압연시 표면, 1/4t 및 중심부의 온도변화를 도시한 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 상태도.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 열간 가공성의 변화를 도시한 그래프 및 SEM 사진.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 변형 속도에 따른 열간 가공성을 도시한 그래프.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 압하율 변화에 따른 물리량 변화를 시뮬레이션한 도면.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강 표면의 광학현미경 사진.

이하에서는 본 발명의 발명예를 도시한 도면들을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명은 중량%로, 탄소(C) 0 초과 0.03 이하, 규소(Si) 0 초과 1.0 이하, 망간(Mn) 0 초과 2.5 이하, 인(P) 0 초과 0.04 이하, 황(S) 0 초과 0.04 이하, 구리(Cu) 0 초과 0.6 이하, 니켈(Ni) 3.0 초과 5.5 이하, 크롬(Cr) 21.5 이상 24.5 이하, 몰리브덴(Mo) 0.05 이상 0.6 이하, 질소(N) 0.05 이상 0.2 이하, 나머지 철(Fe) 및 불순물을 포함하는 페라이트계 오스테나이트계 듀플렉스 스테인리스강을 대상으로 하며, 상기 스테인리스강의 조성을 하기 식 (1)과 같이 정의되는 내공식 지수 PREN(Pitting Resistance Equivalent Number)이 30 이하가 되도록 제어하여 제조되는 페라이트계 오스테나이트계 듀플렉스 스테인리스강에 적용할 수 있다.

PREN= Cr(%)+3.3*Mo(%)+30*N(%) 식 (1)

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강을 열간 압연시 초기 두께 대비 61% 초과 86% 이하의 압연 두께 구간까지 압하율을 제어하여 압연하는 단계를 포함하는 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 스테인리스강은 크롬(Cr)과 니켈(Ni)의 당량비가 하기 식 (2)의 범위로 제어된다.

2.5 ≤ Creq / Nieq ≤ 3.7 식 (2)

여기서, Creq = Cr(%)+Mo(%)+1.5*Si(%)이고,

Nieq = Ni(%)+0.3*C(%)+0.5*Mn(%)+0.33*Cu(%)+30*(N(%)-0.045)이다.

이하 본 발명을 도면을 참조로 하여 더욱 자세히 설명하기로 한다.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 재가열 온도에 따른 열간 가공성을 도시한 그래프이고, 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 압연시 표면, 1/4t 및 중심부의 온도변화를 도시한 그래프이다.

듀플렉스 스테인리스 강은 열간 가공성을 나타내는 지수 중 하나인 고온 연성이 나쁘기 때문에 열간 압연시 표면 균열이 다량 발생하게 된다. 도 1a에서 볼 수 있듯이, 실시예의 하기 내공식 지수 PREN이 30 이하인 린 듀플렉스(lean duplex) 스테인리스 강은 900℃ 이하의 저온영역에서, 내공식 지수 PREN이 30 내지 40인 스탠다드(standard duplex) 스테인리스강에 비해 열간 가공성이 열위하다. 재가열 온도를 높일수록 열간 가공성은 다소 상승하지만, 그 양은 미미하다.

PREN= Cr(%)+3.3*Mo(%)+30*N(%) 식 (1)

도 1b를 참조하면, 900℃ 이하의 저온 영역은 스테인리스 강의 압연 첫 패스부터 표층부에 발생하기 시작하는데 이는 롤과의 접촉에 의해 스테인리스 강 표층부의 온도가 하락하기 때문이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 상태도이다.

일반적으로 페라이트계 오스테나이트계 듀플렉스 스테인리스 강에서 오스테나이트 상의 결정구조는 면심입방구조(FCC, face centered cubic)를 가지고 있어 가공성이 좋다. 한편, 페라이트 상의 결정구조는 체심입방구조(BCC, body centered cubic)를 가지고 있어, 오스테나이트 상의 결정구조 보다 가공성이 상대적으로 열위하다. 표층부의 온도가 600℃까지 떨어지고 있는데, 이 구간에서의 오스테나이트 상의 상분율은 대략 20%정도 밖에 안 된다. 따라서, 듀플렉스 스테인리스강의 표층부는 표면크랙에 매우 열악하다.

도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 열간 가공성의 변화를 도시한 그래프 및 SEM 사진이다.

좌측의 고온 연성 그래프에서 알 수 있듯이, 주조조직에서 압연조직으로 진행되어갈수록 조직이 치밀해지고 층상구조로 변해 열간 가공성이 향상되고 있다. 주조조직은 압연조직에 비해 조직의 방향성이 일정하지 않기 때문에 표면크랙이 발생할 경우, 크랙의 깊이가 더 깊게 된다. 일반적으로 듀플렉스 스테인리스강은 주조조직과 압연조직의 열간가공성 차이가 크다. 특히, 본 발명의 실시예와 같은 린 듀플렉스 스테인리스강의 경우에는, α/γ 상간의 균형을 유지해주는 몰리브덴(Mo)의 양이 작기 때문에 그 차이가 더 커지게 된다. 실험 결과 86% 압연조직에서 가공성이 가장 좋으며 61% 압연조직에서는 표층부에 크랙이 발생한 것을 알 수 있었다. 위 결과를 통해, 61% ~ 86% 압연 조직 사이에 통상의 압하율을 적용해도 더 이상 표면 크랙이 발생하지 않는 조직 구간이 존재함을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 변형 속도에 따른 열간 가공성을 도시한 그래프이다.

고온에서 변형속도가 감소할 경우 열간 가공성이 증가함을 알 수 있다. 변형속도를 감소시키는 방법은 변형량을 적게 하는 것으로, 압연시 경압하를 하는 것이다. 이에 따라서, 압연 패스 수가 일반적인 탄소강이나 오스테나이트계 스테인레스 강에 비해서 늘어나게 된다. 이 경우 패스 수가 적은 경우에 비해 표면크랙의 저감에 유리하다. 그러나, 과도한 온도 하락으로 목표 두께까지 압연이 어려울 수도 있으므로, 압연 패스 수를 적절하게 조절하여야 한다.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강의 압하율 변화에 따른 물리량 변화를 시뮬레이션한 도면이다.

압하율을 10%에서 5%로 낮추게 되면, 표층부에 작용하는 인장응력은 25% 감소하며 크랙이 발생할 수 있는 최대 응력이 적용되는 범위도 50% 감소하게 된다. 또한, 표층부의 온도가 약 120℃ 상승하는 효과가 있다.

위의 결과를 바탕으로 린 듀플렉스 스테인리스강의 표면크랙을 방지하기 위해서 미세조직의 변화와 표층부 온도변화에 따른 상분율을 고려하여 압연 초기 가공성이 열위한 60% 압연 조직까지는 각 패스에서의 압하량과 변형률 속도를 일정 수준으로 제한한다. 여기서, 압연 후기에서의 강압하는데, 이는 압연 초기보다 더 큰 압하율로 압연함을 의미한다.

도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 듀플렉스 스테인리스강 표면의 광학현미경 사진이다.

도 6a의 비교예에 따른 듀플렉스 스테인리스강은 표면결함의 깊이가 깊게 형성되어 정정이 불가능한 수준이다. 이에 비하여, 도 6b의 본 발명의 실시예에 따른 린 듀플렉스 스테인리스강의 경우, 표면결함이 전혀 발생하지 않은 것을 볼 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서의 압연조건을 사용하면 린 듀플렉스 스테인리스강 후판재의 표면크랙 발생을 크게 줄일 수 있다. 이에 따라서, 상기 린 듀플렉스 스테인리스강을 압연하는 단계 이후에, 압연된 상기 스테인리스강의 표면을 기존의 3패스 이상에서 1패스 혹은 부분 연마(grinding) 만으로도 정정 처리 가능하도록 줄일 수 있다.

실시예 및 비교예

이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

크기 1500mm*1600mm, 두께 150t인 린 듀플렉스 스테인리스강의 연속 주조 슬라브를 1210℃ ~ 1220℃의 온도에서 재가열한 다음 후판 압연기를 통해 압연하였다. 이때, 74% 압연 조직까지 단계별로 압하율 제어를 하고, 그 이후 구간에 대해서는 제어를 하지 않았다. 74%까지만 압하율 제어를 한 것은 도 3에서 볼 수 있듯이, 표면크랙에 양호한 조직이 시작되는 구간이 60% ~ 80% 압연조직 사이에 존재하기 때문이다.

하기 표 1은 본 발명의 린 듀플렉스 스테인리스강 후판재의 성분 조성 범위에 따른 니켈당량(Nieq)과 크롬당량(Creq)의 당량비(Creq/Nieq)를 나타내었다.

표 1에서 볼 수 있듯이, 실시예 1 내지 3 모두 크롬(Cr)과 니켈(Ni)의 당량비(Creq/Nieq)가 모두 2.5 내지 3.7 범위를 만족하였다.

여기서, Creq = Cr(%)+Mo(%)+1.5*Si(%)이고,

Nieq = Ni(%)+0.3*C(%)+0.5*Mn(%)+0.33*Cu(%)+30*(N(%)-0.045)이다.

표 2의 내용과 도 3의 결과로부터 어느 정도의 압연조직까지 압하율을 제어해야 하는지에 대한 기준을 정할 수 있다. 초기 두께 대비 두께가 62% 되는 지점까지 압하율 제한을 적용하였을 때 최종 제품에서 표면 크랙이 발생하지 않거나 발생하더라도 그 깊이가 매우 얕았다. 따라서 이 결과를 바탕으로 60% 압연되는 두께에 도달하는 지점까지를 압하율 제어 구간으로 설정하였다.

표 3은 린 듀플렉스 스테인리스강의 두께별 패스별 압하량 제한 기준을 설정하기 위한 실시예이다.

표 3의 결과를 바탕으로 린 듀플렉스 스테인리스강의 연속주조 슬라브를 1200 ~ 1250℃의 온도에서 재가열한 다음 후판 압연기를 통해 압연할 때 6패스까지 다양한 압하율로 공정을 제어하고, 그 이후 구간에 대해서는 제어를 하지 않았다. 그리고, 그 때의 결과를 비교하였을 때, 20% 압연조직까지는 0% ~ 5% 이하, 45% 압연조직까지는 0% ~ 10%, 75% 압연조직까지는 0% ~ 15%로 단계별로 압하율 제어를 하는 다단계 압연이 적용되는 경우가 표면 크랙에 유리하다는 결론을 내릴 수 있었다. 참고로, 공란은 압하율 제한 없이 압연한 것이다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

듀플렉스 스테인리스강의 제조방법에 있어서,
상기 스테인리스강의 조성을 하기 식 (1)과 같이 정의되는 내공식 지수 PREN(Pitting Resistance Equivalent Number)이 30 이하가 되도록 제어하고, 상기 스테인리스강을 열간 압연시 초기 두께 대비 61% 초과 86% 이하의 압연 두께 구간까지 압하율을 제어하여 압연하는 단계를 포함하며,
상기 스테인리스강은 중량%로, 탄소(C) 0 초과 0.03 이하, 규소(Si) 0 초과 1.0 이하, 망간(Mn) 0 초과 2.5 이하, 인(P) 0 초과 0.04 이하, 황(S) 0 초과 0.04 이하, 구리(Cu) 0 초과 0.6 이하, 니켈(Ni) 3.0 초과 5.5 이하, 크롬(Cr) 21.5 이상 24.5 이하, 몰리브덴(Mo) 0.05 이상 0.6 이하, 질소(N) 0.05 이상 0.2 이하, 나머지 철(Fe) 및 불순물을 포함하고,
상기 스테인리스강은 크롬(Cr)과 니켈(Ni)의 당량비가 하기 식 (2)의 범위로 제어되는 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법.
PREN= Cr(wt%)+3.3*Mo(wt%)+30*N(wt%) 식 (1)
2.5 ≤ Creq / Nieq ≤ 3.7 식 (2)
(여기서, Creq = Cr(wt%)+Mo(wt%)+1.5*Si(wt%)이고,
Nieq = Ni(wt%)+0.3*C(wt%)+0.5*Mn(wt%)+0.33*Cu(wt%)+30*(N(wt%)-0.045)임)
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제1항에 있어서,
상기 스테인리스강을 열간 압연하는 단계 이전에,
상기 스테인리스강의 연속주조 슬라브를 1200℃ 이상 1250℃ 이하의 온도에서 재가열하는 단계를 더 포함하는 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법.
듀플렉스 스테인리스강의 제조방법에 있어서,
상기 스테인리스강의 조성을 하기 식 (1)과 같이 정의되는 내공식 지수 PREN(Pitting Resistance Equivalent Number)이 30 이하가 되도록 제어하고, 상기 스테인리스강을 열간 압연시 초기 두께 대비 61% 초과 86% 이하의 압연 두께 구간까지 압하율을 제어하여 압연하는 단계를 포함하며,
상기 스테인리스강을 열간 압연하는 단계는,
초기 두께 대비 20% 압연 두께 구간까지 0% 초과 5% 이하의 압하율이 적용되는 제1 압연 단계, 초기 두께 대비 45% 압연 두께 구간까지 0% 초과 10% 이하의 압하율이 적용되는 제2 압연 단계, 초기 두께 대비 75% 압연 두께 구간까지 0% 초과 15% 이하의 압하율이 적용되는 제3 압연 단계를 포함하는 다단계 압연이 적용되는 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법.
PREN= Cr(wt%)+3.3*Mo(wt%)+30*N(wt%) 식 (1)
제5항에 있어서,
상기 제1 압연 단계 내지 제3 압연 단계는 각각 적어도 2회 실시되는 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 스테인리스강을 열간 압연하는 단계 이후에,
열간 압연된 상기 스테인리스강의 표면의 결함을 제거하기 위하여 표면 전체를 1회 정정하는 단계를 더 포함하는 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 스테인리스강을 열간 압연하는 단계 이후에,
열간 압연된 상기 스테인리스강의 표면 일부를 연마(grinding)하는 단계를 더 포함하는 듀플렉스 스테인리스강의 제조방법.