초순수 페라이트계 스테인리스강에 대한 탐구: 물성, 취성 및 형성에 미치는 영향

페라이트계 스테인리스강은 크롬(Cr) 질량 분율이 12%에서 30% 사이인 스테인리스강의 한 종류를 말합니다. Cr 질량 분율에 따라 저크롬, 중크롬, 고크롬으로 세분화할 수 있습니다.

페라이트계 스테인리스강의 내식성은 Cr 질량 분율에 비례합니다. Cr 질량 분율이 높을수록 부식에 대한 저항력이 커집니다. 그러나 전반적인 특성을 향상시키고 탄화물 및 질화물 침전이 기계적 특성 및 내식성에 미치는 부정적인 영향을 줄이기 위해 페라이트계 스테인리스강 개발의 추세는 탄소(C)와 질소(N) 수준을 낮추는 방향으로 나아가고 있습니다.

초순도 페라이트계 스테인리스강은 페라이트계 스테인리스강의 하위 범주로, C와 N이 매우 낮고(일반적으로 0.015% 이하) 중간에서 높은 Cr 질량 분율을 가지고 있습니다. 이 유형의 스테인리스강은 구리, 구리 합금에 비해 우수한 내식성, 열전도율, 내진성, 가공 성능 및 경제성으로 인해 인기가 있습니다. 티타늄 재료. 자동차 산업, 주방 및 가전제품, 건설, 석유화학 산업 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

그러나 초순도 페라이트계 스테인리스강을 생산하는 데에는 몇 가지 어려움이 있습니다. Cr 질량 비율이 높고 몰리브덴(Mo) 및 망간(Mn)과 같은 다른 합금 원소가 존재하기 때문에 σ 상 취성, 475°C 취성 및 고온 취성과 같은 고 Cr 페라이트계 스테인리스강의 고유한 문제를 피하기 어렵습니다.

따라서 생산 담당자는 이러한 취성 문제의 잠재적 해악을 인지하고 있으며, 주로 σ 상, χ 상, α'상, Laves 상 및 Cr 원소의 질량 분율의 침전으로 인해 발생한다는 사실을 발견했습니다.

이 문서에서는 초순수 페라이트계 스테인리스강의 σ 상 취성, 475℃ 취성 및 고온 취성의 주요 특징과 영향 요인에 대해 심층적으로 살펴봅니다. 또한 이러한 취성 문제가 초순수 페라이트계 스테인리스강의 기계적 특성 및 내식성에 미치는 영향을 분석하여 생산자 및 사용자에게 참고자료를 제공합니다.

1. 초순수 페라이트계 스테인리스강의 취성의 주요 특성

초순도 페라이트계 스테인리스 스틸에는 다양한 합금 원소 열간 가공 시 다양한 금속 간 화합물, 주로 Cr, Nb, Ti의 탄소 및 질소 화합물과 상 σ, χ, Laves, α의 금속 간 화합물이 침전되기 쉽습니다.

위상 σ, χ, Laves 및 α'의 특성은 표 1에 나와 있습니다.

표 1 초순수 페라이트계 스테인리스 스틸의 금속 간 화합물 특성

일부 일반적인 초순도 페라이트계 스테인리스강의 σ, χ 및 Laves 상에 대한 침전 "C" 곡선은 그림 1과 2에 나와 있습니다.

합금 구성의 다양성으로 인해 이러한 단계의 침전에 가장 민감한 온도 범위는 800~850°C입니다.

00Cr25Ni4Mo4NbTi(Monit) 합금의 경우 σ 및 χ 상은 상대적으로 빠르게 침전되는 반면, Laves 상은 650°C에서 가장 쉽게 침전되며 형성하는 데 더 많은 시간이 걸립니다.

취성 침전물의 종류에 관계없이 과도한 강수량은 강철을 취성화하여 충격 특성이 급격히 저하됩니다.

그림 1 26% Gr - (1%~4%) Mo - (0~4%) Ni 페라이트계 스테인리스강

그림 2 00Cr25Ni4Mo4TiNb(모닛) 페라이트계 스테인리스강(1000℃에서 고용액 후)의 TTP 다이어그램

1.1 단계의 주요 특징 σ 취성

σ-상 취성의 생성은 주로 σ-상과 χ-상의 강수에 의해 발생합니다. 라브스 상은 강수 온도가 비슷하므로 논의에 포함됩니다.

1.1.1  σ 상호

σ-상은 AB 또는 AxBy 구성과 몸체 중심의 정사면체 구조를 가진 크기 인자 화합물입니다. 페라이트계 스테인리스강에서 σ상은 주로 FeCr 또는 FeCrMo로 구성됩니다.

Cr 함량(w(Cr))이 25%에서 30% 사이이고 침전 온도가 600~1050℃인 조건에서는 σ-상 형성이 촉진됩니다. 형성된 상은 그림 3과 같이 Cr 원소를 풍부하게 합니다.

σ 상은 비자성이며 경도가 높고 로크웰 경도(HRC) 값이 최대 68에 달합니다. 침전 과정에서 강철의 가소성을 감소시키는 '부피 효과'가 발생합니다.

그림 3 EDX 선형 분석에 따른 447 페라이트 스테인리스강의 O상 구조 및 조성

σ 상이 침전되면 스테인리스 스틸이 심각하게 약화되어 내식성, 충격 인성 및 기계적 특성과 같은 특성이 저하될 수 있습니다.

σ 단계의 형성은 핵 형성과 성장의 두 단계로 이루어집니다. 핵 형성은 일반적으로 α/α'의 결정립 경계에서 시작하여 거기서부터 매트릭스로 확장됩니다.

σ 상이 특정 크기에 도달하면 입자 내부에서 침전됩니다.

1.1.2 단계 χ

초순도 페라이트계 스테인리스강은 일정량의 Mo 원소를 함유할 경우 σ 상뿐만 아니라 σ 상도 형성합니다.

χ상의 구조는 몸체 중심의 입방체이며 α-Mn 유형입니다.

페라이트계 스테인리스강에서 χ상은 주로 Fe36Cr12Mo10 또는 (Fe, Ni)36Cr18Mo4로 구성됩니다.

일반적으로 Mo 함량(w)이 15%에서 25% 사이이고 온도가 600~900℃인 조건에서 형성됩니다.

χ 상이 형성되면 강철의 인성이 크게 감소합니다.

σ 상에 비해 Cr과 Mo는 χ 상에서 더 빠르게 농축되고 σ 상보다 χ 상에서 더 빠르게 침전되는 것으로 나타났습니다.

일반적으로 χ 상은 페라이트 매트릭스와 동일한 구조를 갖습니다.

낮은 핵 생성 전위 장벽으로 인해 핵 생성은 비교적 간단하며, 그림 4와 같이 χ 상은 일반적으로 σ 상보다 일찍 침전됩니다.

그림 4 800℃에서 5분간 숙성된 26Cr 페라이트계 스테인리스강에서 침전된 χ 상

χ 상이 형성되기 시작하면 χ 상에서 Cr과 Mo가 상당히 농축되어 Cr과 Mo의 함량이 감소합니다. 이러한 감소는 σ 상을 핵 형성하기에 충분하지 않으므로 초기 단계에서 σ 상을 형성하는 것이 어렵습니다.

또한 χ 상은 전이 불안정하며 노화 시간이 지남에 따라 안정성이 감소합니다. χ 상이 분해되면서 σ 상이 핵을 형성하기에 충분한 Cr과 Mo를 제공하여 결국 안정적인 σ 상으로 변하게 됩니다.

χ 상과 σ 상 모두 침전을 통해 침전 상 주변의 Cr 함량이 감소하여 Cr-불량 영역을 형성하고 내식성이 감소합니다.

1.1.3 레이브 단계

Laves 단계는 그림 5에 표시된 것처럼 AB2 구성과 육각형 구조를 가진 크기 인자 화합물입니다.

페라이트계 스테인리스강에서 라브상은 일반적으로 Fe로 구성됩니다.₂Ti, Fe₂Nb 또는 Fe₂Mo.

페라이트계 스테인리스강의 라브상에는 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 하는 Si 원소가 풍부하게 함유되어 있습니다.

라브스상의 침전 온도는 합금의 조성에 따라 650-750℃ 범위입니다.

그림 5 1050℃에서 1시간 동안 숙성시킨 후 27Gr-4Mo-2Ni 페라이트계 스테인리스강에서 침전된 레브스 상

Andrade T 등은 850°C에서 30분 동안 숙성시킨 후 DIN 1.4575 모델의 초순도 페라이트계 스테인리스강은 입자 경계에서 Laves 상 침전이 나타나며, Laves 및 σ 상 침전물이 모두 존재하기 때문에 크기가 변하지 않는다는 것을 발견했습니다. σ 단계의 성장 속도가 더 빨라 일부 Laves 단계가 성장하지 못합니다.

800°C에서 24~28시간 동안 숙성된 11Cr-0.2Ti-0.4Nb 페라이트계 스테인리스강은 시간이 지남에 따라 천천히 증가하는 많은 수의 Laves 상 침전물이 나타나는 것으로 밝혀졌습니다. 그러나 노화 시간이 96시간에 도달하면 Laves 상 변환이 거칠어지고 그 수가 감소하여 σ 상 침전이 관찰되지 않습니다.

1.2 475 ℃ 취성의 주요 특성

크롬 질량 분율이 12%보다 큰 페라이트계 스테인리스강은 다음과 같이 크게 증가합니다. 경도 및 강도340~516℃의 온도에 장시간 노출되면 가소성과 충격 인성이 급격히 감소합니다. 이는 주로 475℃에서 페라이트계 스테인리스강에서 발생하는 취성 때문입니다.

이 속성 변경에 가장 민감한 온도는 475℃입니다.

α '상 침전은 페라이트계 스테인리스강의 475℃ 취성의 주된 원인입니다.

α '상은 몸체 중심의 사각형 구조를 가진 Cr이 풍부한 취성 상입니다.

페라이트계 스테인리스강에서 α '상은 w(Cr)가 15%보다 크고 침전 온도가 371~550℃인 조건에서 쉽게 형성됩니다.

α' 상은 Fe Cr 합금으로, Cr 함량은 61%~83%, Fe 함량은 17.5%~37% 범위입니다.

문헌에 따르면 강철의 Cr 함량이 질량 기준으로 12% 미만인 경우 α' 상이 침전되지 않아 475℃ 취성 형성을 피할 수 있습니다.

또한 용해 중 α' 상 침전은 가역적인 과정입니다.

강철을 516℃ 이상으로 재가열한 후 실온으로 급속 냉각하면 α' 상이 매트릭스에 다시 용해되어 475℃에서의 취성이 재발하지 않습니다.

1.3 고온 취성의 주요 특징

페라이트계 스테인리스강의 Cr 함량이 14% ~ 30%인 경우 950℃ 이상으로 가열한 후 급냉하면 연신율, 충격 인성 및 다음에 대한 내성이 감소할 수 있습니다. 입계 부식. 이는 주로 페라이트의 고온 취성 때문입니다.

고온 취성의 주요 원인은 Cr-탄소 및 Cr-질소 화합물의 침전입니다. 또한 용접 공정 중에 다음과 같은 경우 라브 상 침전이 발생할 수 있습니다. 용접 온도 950℃를 초과하면 강철의 전반적인 특성에 영향을 미칩니다.

이러한 취약성은 초순도 페라이트계 스테인리스강에도 존재하는데, 이는 Cr과 Mo 함량이 높아 고온 취성에 훨씬 더 민감합니다.

고온 취성의 위험을 줄이기 위해 C와 N 함량을 줄이고 안정화 요소를 추가할 수 있습니다.

용접 시 고온 취성은 강재에 심각한 손상을 초래할 수 있습니다. 이는 용접 중에 C와 N 원소가 결정립 경계에서 침전되어 Cr 및 Mo와 반응하여 점차 결정립 경계로 이동하는 Cr 및 Mo가 풍부한 탄소와 질산염을 형성하기 때문입니다.

또한 용접 중 950℃에서 레브 상이 침전되면 전위, 결정립 경계 또는 결정립 내부에 침전물이 생성되어 결정 전위 및 결정립 경계의 이동을 억제할 수 있습니다. 그 결과 원자의 국부적 배열이 더 규칙적이 되어 강철의 강도는 증가하지만 가소성과 인성은 감소합니다.

2. 초순도 페라이트계 스테인리스강에서 취성 침전물의 영향 요인 2.

2.1 합금 원소

초순도 페라이트계 스테인리스강에 포함된 Cr, Mo, Ti, Nb, W, Cu 등의 원소는 취성 침전물 형성에 영향을 미칩니다.

페라이트계 스테인리스 스틸의 Cr 원소 농도가 증가하면 패시베이션이 개선되어 표면 산화에 대한 저항성이 향상되고 피팅, 틈새 부식 및 입계 부식에 대한 저항성이 향상됩니다.

그러나 Cr의 질량 분율이 높을수록 페라이트계 스테인리스강에서 취성 상이 더 빨리 형성됩니다. α' 및 σ상의 형성 및 침전 속도도 Cr의 질량 분율에 영향을 받으며, 질량 분율이 높을수록 침전 속도가 빨라집니다. 이 침전 단계는 강철의 인성을 감소시키고 취성 전이 온도를 크게 증가시킵니다.

모는 페라이트계 스테인리스강에서 두 번째로 중요한 원소입니다. 질량 분율이 일정 수준에 도달하면 페라이트계 스테인리스강에서 σ 및 χ 상 침전량이 크게 증가합니다.

Moura 등의 연구에 따르면 25Cr-7Mo 페라이트계 스테인리스강에 Mo를 첨가하면 α' 상 최대 침전 온도가 475°C에서 약 400°C로 낮아지고 α' 상 수가 증가하는 것으로 나타났습니다.

카네코 등은 Mo가 패시베이션 필름에서 Cr의 빠른 축적에 기여하여 필름의 안정성을 개선하고 강철에서 Cr의 내식성을 강화한다는 사실을 발견했습니다.

Ma 등은 다음과 같은 사실을 발견했습니다. 어닐링 1020°C에서 30Cr 강철은 주로 Fe, Cr, Mo, Si 및 Nb로 구성된 Laves 상이 침전되었습니다. Laves 상에서 Nb와 Mo의 질량 분율은 기본 금속에 비해 더 높았습니다. 1020°C에서 어닐링된 30Cr 강철의 Laves 상에 대한 X-선 에너지 스펙트럼 분석은 그림 6에 나와 있습니다.

30Cr 초순도 페라이트계 스테인리스강에서 Mo 함량이 증가하면 Laves상의 침전이 가속화되는 것으로 관찰되었습니다. 문헌에 따르면 Mo 함량이 증가하면 노화 후 26Cr 스테인리스강에서 Mo가 풍부한 χ-상이 침전되고, 노화 시간이 길어지면 Laves상의 일부가 σ-상으로 변한다고 합니다.

그림 6 1020 ℃ 후 30Cr 강철의 라브상 X-선 에너지 스펙트럼 분석(EDS) 어닐링

(a) 베이스 메탈의 EDS 분석; (b) 레브 상 EDS 분석

C 및 N과 결합된 강철에 Nb 및 Ti와 같은 안정 원소를 추가하면 TiN, NbC 및 Fe2Nb와 같은 상이 침전됩니다. 이러한 상은 입자 내부와 입자 경계에 모두 분포되어 탄화물과 질화물의 형성을 늦추어 페라이트계 스테인리스강의 입계 내식성을 향상시킵니다.

Anttila 등은 430 페라이트계 스테인리스강의 용접부에 Ti와 Nb를 첨가하는 것이 용접에 미치는 영향을 연구했습니다. 그들은 용접 온도가 950 ℃에 도달하면 라브 상 형성이 촉진되어 취성을 유발한다는 것을 발견했습니다. 용접 조인트 충격 강도가 감소합니다.

마찬가지로 Naghavi와 다른 연구자들은 고온 노화 중 온도가 증가함에 따라 페라이트계 스테인리스강 매트릭스에서 Nb의 용해도가 감소하여 라브 상이 거칠어지고 강철의 인장 강도가 감소한다는 사실을 발견했습니다.

444 페라이트계 스테인리스강에 W를 포함하면 1000℃에서 노화했을 때 고온 인장 강도가 크게 향상되는 것으로 나타났습니다. 그러나 W의 질량 분율이 증가함에 따라 라브 상이 거칠어져 침전 강화 효과가 약화되고 고온 인장 강도가 감소합니다.

페라이트계 스테인리스강에 Cu를 첨가하면 Cu가 풍부한 상이 침전되어 430 Cu의 내식성이 크게 향상됩니다. Cu를 포함하는 Fe-Cu 2원 합금과 Fe-Cu-Ni 3원 합금은 강철의 강도와 인성을 향상시킬 수 있습니다.

Cu가 풍부한 상은 주로 650℃와 750℃에서 침전되며, 초기 노화 단계에서는 구형을 유지합니다. 노화 온도와 시간이 증가함에 따라 그림 7과 같이 점차 타원형 및 막대 모양으로 변합니다.

그림 7 750°C에서 1시간 동안 숙성된 17Cr-0.86Si-1.2Cu-0.5Nb 페라이트계 스테인리스강에서 Cu가 풍부한 상 형태

2.2 희토류 원소

희토류 원소(RE)는 화학적으로 반응성이 높기 때문에 적절한 양의 RE를 첨가하면 강철의 특성을 향상시킬 수 있습니다.

27Cr 페라이트계 스테인리스강에서 침전물의 TEM 테스트 결과는 그림 9에 나와 있습니다.

RE가 없으면 페라이트계 스테인리스강에서 침전된 상은 더 복잡해집니다. 그림 8(a)에서 볼 수 있듯이 이차상은 결정립 경계에서 침전되어 페라이트 매트릭스에서 사슬을 형성하며, 주로 σ 상, M23C6, M6C 및 소량의 M2N 및 χ 상으로 구성됩니다.

그러나 RE를 첨가한 후에는 사슬 침전 상이 감소하고 매트릭스에서 주로 σ 상으로 단일 형태로 존재하는 경우가 많습니다. 또한 그림 8(b)에서 볼 수 있듯이 탄소와 질화물의 침전이 감소합니다.

초순도 페라이트계 스테인리스강에서 최적의 RE 질량 비율은 강화 특성을 향상시키는 0.106%로 밝혀졌습니다. 이 농도에서 RE는 입자 구조를 개선하고 충격 에너지를 증가시키며 충격 파단 메커니즘을 취성에서 인성으로 변화시킵니다.

또한 RE는 강철에서 S의 질량 분율을 감소시켜 피팅 부식의 원인을 줄이고 피팅 내식성을 개선합니다.

그림 8 27Cr 페라이트계 스테인리스강의 침전상 TEM 결과

(a) 0% RE 샘플의 브라이트 필드 이미지; (b) 0.106% RE 샘플의 브라이트 필드 이미지

2.3 노화 처리

다양한 노화 처리는 재료의 부서지기 쉬운 침전물 형성에 다양한 영향을 미칠 수 있습니다.

순수 페라이트계 스테인리스강이 부서지기 쉬운 침전물을 형성하면 기계적 특성, 내충격성, 내식성 및 전반적인 성능이 저하될 수 있습니다.

에이징 처리는 재료의 구조를 개선하고 가소성을 높일 뿐만 아니라 침전물 형성을 효과적으로 줄이고 강철에 미치는 부정적인 영향을 제한하는 데 도움이 될 수 있습니다.

LU HH 등은 27Cr-4Mo-2Ni 페라이트계 스테인리스강을 600~800°C의 온도에서 노화시킬 때 형성되는 주요 침전물은 χ상, 라브상, σ상이라는 사실을 발견했습니다.

다양한 온도에서 숙성된 27Cr-4Mo-2Ni 페라이트계 스테인리스강에서 이러한 상들의 형태와 분포는 그림 9에 나와 있습니다.

이러한 침전물이 존재하면 재료의 충격 인성, 인장 강도 및 가소성은 감소하는 반면 경도는 증가할 수 있습니다.

600~800°C의 온도에서 숙성 후 χ 상은 주로 입자 경계를 따라 침전됩니다. 라브스상은 700°C에서 재료가 숙성되면 입자 내에서 침전되는 반면, σ상은 일반적으로 750°C에서 숙성된 후 입자 경계에서 형성됩니다.

이 시점에서 Laves 상은 부분적으로 매트릭스에 용해되어 σ상의 성장을 위해 Cr 및 Mo 원자를 제공합니다. 이러한 입자의 거칠어짐은 강철에 취성 골절을 일으킬 수 있습니다.

그림 9 다양한 온도에서 숙성된 27Cr-4Mo-2Ni 페라이트계 스테인리스강의 x상, 라브상 및 o상의 형태 및 분포

(a) 650℃에서 4시간 숙성, (b) 700℃에서 4시간 숙성, (c) 750℃에서 2시간 숙성, (d) 800℃에서 4시간 숙성.

장징징은 SUS444 초순도 페라이트계 스테인리스강을 850℃에서 10분간 숙성했을 때 TiN이 TiN/NbC/Nb 불량상의 복합 구조로 변하는 것을 발견했습니다. 복합 구조와 매트릭스 사이의 결합 강도가 높아 충격 인성이 크게 향상됩니다.

루오 이와 동료들은 446개의 초순도 페라이트계 스테인리스강을 800℃에서 노화했을 때 0.5시간 후 상 σ가 침전되고 노화 시간에 따라 증가하여 네트워크와 같은 구조를 형성한다는 사실을 발견했습니다. 동시에 상 σ에 미세 균열이 나타나고 그 양이 많으면 강철의 인성이 감소했습니다.

Ma Li 등은 26% Cr 초순수 페라이트계 스테인리스강을 어닐링한 결과 주로 세 가지 침전물이 존재한다는 사실을 발견했습니다: TiN, NbC, χ. 유해한 χ 상은 강철의 취성을 심각하게 유발했습니다. 어닐링 온도를 1020℃까지 높이면 χ 상은 점차 무시할 수 있는 양으로 감소했습니다. 따라서 χ 상을 제거하려면 높은 어닐링 온도가 필요합니다.

고 Cr 페라이트계 스테인리스강 27.4Cr-3.8Mo-2.1Ni의 경우 950℃에서 0.5시간 숙성 후 σ 및 Laves 상이 침전되어 강철의 경도는 향상되지만 연성은 감소하는 것을 발견했습니다. 이러한 유해한 상은 1100℃에서 0.5시간 동안 용액 처리한 후 매트릭스에 용해될 수 있었습니다.

우민과 동료들은 441 열연 판을 900~950℃에서 어닐링했을 때 많은 수의 라브 상이 침전되는 것을 발견했습니다. 그림 10에서 볼 수 있듯이, (1) 약 5μm 크기의 (Ti, Nb) (C, N)의 복합 구조인 1차 상과 (2) 입자 경계, 서브 입자 경계 및 입자에 작고, 많고, 밀도가 높고, 균일하게 분포하는 Laves 상이라는 두 가지 침전상이 있습니다. 어닐링 온도를 1000~1050℃로 높이면 Laves 상은 효과적으로 제거되었지만 소량의 Nb(C, N) 상이 침전되었습니다.

그림 10 다양한 어닐링 온도 후 441 페라이트 계 스테인리스 열연 판의 웨이브 위상 형태

(a) 900℃에서 어닐링한 후의 레브 상 모습; (b) 950℃에서 어닐링한 후의 레브 상 모습.

3. 취성이 초순수 페라이트계 스테인리스강의 특성에 미치는 영향

3.1 취성이 기계적 특성에 미치는 영향

연구에 따르면 미세 구조에 높은 수준의 Cr 및 Mo와 일정량의 Nb가 함유되어 있으면 (Fe Cr Mo) 유형 σ 상, (Fe Cr Mo) 유형 χ 상 및 Fe2Nb 유형 Laves 상과 같은 부서지기 쉬운 금속 간 금속이 쉽게 형성될 수 있습니다. 이러한 취성 금속 간 금속은 초순수 페라이트계 스테인리스강의 플라스틱 인성을 현저히 감소시키고 경도를 증가시킵니다.

독일 학자 사하 R과 동료들은 원소 C의 낮은 용해도로 인해 고온 냉각 중에 페라이트 계 스테인리스 강이 고경도 (Ti, Nb) C를 침전시키고 분산 된 (Ti, Nb) C가 다음을 향상 시킨다는 것을 발견했습니다. 강도 및 경도 강철의

이 연구는 또한 합금의 2상 입자인 Cr23C6과 Cr2N이 기계적 특성, 특히 인성과 연성에 강한 영향을 미쳐 인성과 연성을 감소시키고 파단 위험을 높인다는 사실을 발견했습니다.

α' 상이 일반적으로 침전되면 페라이트 매트릭스에서 Cr이 고갈되어 강철의 내식성과 인성이 감소하고 경도가 증가합니다.

444 페라이트계 스테인리스강을 400~475℃의 온도에서 숙성하면 α' 상이 침전되면서 경도가 증가하지만 475℃에서 500시간 이상 숙성하면 인성이 급격히 떨어지는 것을 발견했습니다.

그림 11은 441 초순도 페라이트계 스테인리스 스틸의 경도와 노화 후 파단 시 흡수되는 에너지를 보여줍니다.

그림 11 400℃ 및 450℃에서 숙성 후 시간에 따른 441 초순도 페라이트계 스테인리스강의 경도 및 파단 흡수 에너지 변화

(a) 노화 시간에 따라 경도가 변화합니다. (b) 노화 시간에 따라 골절에 흡수되는 에너지가 달라집니다.

루오 이와 동료들은 노화 처리 후 상 σ의 네트워크 구조가 형성되지 않은 경우 446 초순도 페라이트계 스테인리스강의 인장 강도를 어느 정도 향상시킬 수 있음을 발견했습니다.

그러나 상 σ 침전이 네트워크 구조를 형성하면 그림 12에서와 같이 재료의 인장 강도와 연신율이 크게 감소합니다.

또한 네트워크 구조의 형성 여부에 관계없이 상 σ의 침전은 재료의 충격 특성에 심각한 해를 끼쳐 충격 특성이 저하되고 강철에 대한 특정 요구 사항을 충족하지 못합니다.

그림 12 800℃에서 숙성 후 시간에 따른 446 초순도 페라이트계 스테인리스강의 인장 강도 및 연신율 변화

초순수 페라이트계 스테인리스강에서 라브스상의 침전은 긍정적인 영향과 부정적인 영향을 모두 미칩니다.

문헌에 따르면, 노화 시간이 길어지면 강철에서 Fe2Nb 상이 침전되기 시작하여 인성과 고온 강도가 감소합니다.

그러나 Laves 상 침전에 Si 및 Nb 원소를 추가하면 강철의 크리프 저항과 고온 강도가 증가합니다. 웨이브 상에 W가 존재하면 강철의 고온 인장 강도를 향상시키는 데도 도움이 됩니다.

그림 13에서 볼 수 있듯이, 비W 타입 444 페라이트계 스테인리스강과 비교했을 때, W 질량 분율이 0.5%에서 1% 사이일 때 인장 강도가 크게 향상됩니다.

900℃에서 노화하면 노화 시간이 증가함에 따라 인장 강도가 약간 감소하지만 결국 안정화됩니다. 1000 ℃에서는 인장 강도가 크게 감소할 수 있지만 초기 인장 강도는 비 W강보다 높은 수준을 유지합니다.

그림 13 900°C 및 1000°C에서 노화 시간에 따른 444 페라이트 스테인리스강의 고온 인장 강도 변화

(a) 900℃; (b) 1000℃。

라브스상은 850℃에서 숙성하는 동안 441 페라이트계 스테인리스강에서 침전되어 빠르게 성장합니다. 입자 경계를 따라 네트워크 구조를 형성하면 강철의 가소성과 충격 인성이 감소합니다. 입자 경계의 수가 감소하고 입자 크기가 커질수록 침전 속도가 감소합니다.

다양한 노화 온도에서 19Cr-2Mo Nb Ti 페라이트계 스테인리스강의 기계적 특성은 그림 14에 표시되어 있습니다. 850℃에서 1050℃ 사이의 온도에서 강철의 노화 과정에서 (FeCrSi)2(MoNb) 및 (Fe, Cr)2(Nb, Ti) 유형의 라브 상은 (Nb, Ti)(C, N) 침전물로 변형됩니다. 침전물의 용해 및 거칠어짐으로 인해 용액 내 Nb의 질량 분율이 증가하여 인장 강도가 감소합니다.

그러나 950℃에서 숙성 처리 후 재결정된 입자의 균질성이 향상되고 연신율이 급격히 증가하여 37.3%에 도달합니다. 그 후 32.6%에서 점차 안정화됩니다.

그림 14 다양한 노화 온도에서 19Cr-2Mo-Nb-Ti 페라이트계 스테인리스강의 기계적 특성

3.2 취성이 내식성에 미치는 영향

취성상의 침전은 강철의 내식성에 부정적인 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다.

또한 문헌에 따르면 27.4Cr-3.8Mo 초순수 페라이트계 스테인리스강의 높은 Cr 질량 분율은 950°C에서 0.5시간 동안 숙성 후 상 σ 및 χ를 형성하여 내공극 저항을 감소시킵니다.

그러나 1100°C에서 0.5시간 동안 노화하면 위상 σ와 χ가 점차 사라지고 피팅 저항이 회복됩니다. 피팅 전위의 변화는 그림 15에 나와 있습니다.

그림 15 24.7Cr-3.4Mo 및 27.4cr-3.8Mo 스테인리스강의 피팅 전위

스테인리스 스틸의 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo)의 함량은 내식성에 중요한 역할을 합니다. Cr 질량 분율이 25%를 초과하고 온도가 700-800°C 사이이면 σ 및 χ 상 침전이 발생하여 내식성이 저하됩니다.

또한 Cr은 탄소(C) 및 질소(N) 원소와 쉽게 결합하여 입자 경계 또는 입자 내부에서 침전을 일으킵니다. 이로 인해 Cr이 풍부한 탄소와 질화물이 형성되어 Cr 질량 분율과 내식성이 감소합니다. 또한 침전물은 패시베이션 필름을 손상시켜 균일성과 안정성을 잃게 하여 강철의 내식성에 영향을 미칩니다.

부식성 환경의 용접 조인트는 입계, 피팅, 틈새 및 기타 유형의 국부 부식이 발생하기 쉽습니다. 황 지타오와 같은 연구자들은 염화물 환경에서 고순도 페라이트계 스테인리스강에서 Mo 질량 분율을 높이면 M23C6(여기서 M은 Fe, Cr, Mo)의 침전을 지연시키고 피팅 내식성을 향상시킬 수 있다는 사실을 발견했습니다.

장흥화 등은 26Cr 초순수 페라이트계 스테인리스강에 일정량의 모를 첨가하면 패시베이션 필름의 Cr을 풍부하게 하고 안정성을 향상시켜 재료의 피팅 내식성을 향상시킬 수 있다는 것을 발견했습니다. 통 리화 등은 초순수 페라이트계 스테인리스강에 니오븀(Nb)과 티타늄(Ti)을 첨가하면 Cr 탄소 및 질소 화합물의 침전을 효과적으로 방지하고 입계 내식성을 향상시킬 수 있다는 사실을 발견했습니다.

그러나 다른 연구에 따르면 15Cr 초순도 페라이트계 스테인리스강에 높은 수준의 Ti와 N이 함유되어 있으면 TiN이 형성되어 피팅 부식의 성장을 가속화하고 재료의 내식성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. Wen Guojun과 동료들은 그림 16과 같이 430Ti 페라이트계 스테인리스강을 475°C에서 0~100시간 동안 노화시키면 경도, α' 및 α 상이 증가하고 내식성이 크게 감소한다는 사실을 발견했습니다.

그림 16 430Ti 페라이트 스테인리스강의 내식성

결론적으로, 초순도 페라이트계 스테인리스강에서 Cr 질량 비율이 높을수록 내식성을 심각하게 저하시키는 침전물이 생성될 가능성이 높아집니다. 적절한 양의 니오븀(Nb), 티타늄(Ti) 및 몰리브덴(Mo)을 첨가하면 강철의 내식성을 향상시킬 수 있지만, Ti에서 TiN이 형성되면 강철의 피팅 내식성에 부정적인 영향을 미칩니다.

4. 결론 및 전망

이 논문에서는 초순도 페라이트계 스테인리스강의 σ 상 취성, 475°C 취성 및 고온 취성에 영향을 미치는 주요 특성 및 요인을 분석합니다. 다음과 같은 결론을 도출했습니다:

(1) 초순도 페라이트계 스테인리스강에서 σ상의 취성은 크롬과 몰리브덴 원소가 풍부한 σ상과 χ상의 침전으로 인한 것입니다. 475°C에서의 취성은 크롬이 풍부한 α'상이 침전되기 때문입니다. 고온 취성은 탄소와 질화크롬의 침전으로 인해 발생합니다.

(2) 초순수 페라이트계 스테인리스강의 합금 원소, 희토류 원소(RE) 및 노화 처리는 침전된 상에 일정한 영향을 미치므로 σ 상 취성, 475°C 취성 및 고온 취성의 발생을 어느 정도 억제할 수 있습니다.

구체적인 영향은 다음과 같습니다:

α ', σ , χ, Laves 상은 Cr과 Mo의 함량이 증가하면 침전이 증가합니다. 초순도 페라이트계 스테인리스강에서 안정화 원소를 첨가하면 얇은 부분의 고온 취성을 줄이거나 제거할 수 있습니다. 열처리 시 고온을 피하면 고온 취성을 피할 수 있습니다. 또한 Ti와 Nb를 첨가하면 σ상의 침전을 지연시켜 취성을 줄일 수 있습니다. 그러나 Ti와 Nb를 첨가하면 Laves 상이 생성되며, Nb 함량이 높으면 Laves 상이 거칠어질 수 있습니다.

RE를 첨가하면 σ 상과 Cr 상에서 탄소와 질화물의 침전을 감소시켜 σ 상 취성 및 고온 취성을 감소시키고 강철의 기계적 특성과 내공극성을 향상시킵니다.

노화 처리 방식에 따라 침전물에 미치는 영향이 달라집니다. 침전물은 Cr 함량에 따라 약간 다를 수 있습니다. 600-800℃에서 시효 처리하면 소량의 σ, χ, Laves 상이 침전됩니다. 600 ℃에서 α '상은 매트릭스에서 다시 용해되고 475 ℃에서 취성은 사라집니다. 850-950 ℃에서 노화하면 많은 수의 σ, χ 및 Laves 상이 침전됩니다. 1000-1100 ℃에서 노화하면 σ, χ 및 Laves 단계의 침전이 감소하거나 심지어 사라집니다. σ상의 취성은 1000 ℃ 이상의 시효 처리로 제거할 수 있습니다.

(3) 초순도 페라이트계 스테인리스강에서 α', σ, χ 및 Laves와 같은 이차상의 침전은 기계적 및 부식 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 단계의 침전은 강철의 인성과 가소성을 감소시키고 강도와 경도를 증가시키며 내식성에 영향을 미칩니다.

라브스 상에 Si와 W 원소를 첨가하면 고온 강도와 인장 강도가 향상됩니다. 또한 Cu 원소를 추가하면 Cu가 풍부한 상 침전이 발생하여 강철의 인성이 향상됩니다.

국내 Ni 자원은 부족하며 과도한 소비는 부족으로 이어져 스테인리스 스틸 산업에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다.

초순도 페라이트 계 스테인리스 강은 자원 절약형 강으로서 종합 성능이 높고 종합 비용이 낮아 국내 스테인리스 업계가 니켈 함량이 낮은 400 시리즈 스테인리스 강을 홍보하는 데 불가피한 선택입니다.

초순도 페라이트계 스테인리스강은 자동차, 가전제품, 엘리베이터 등의 산업에서 일부 오스테나이트계 스테인리스강을 점차 대체하고 있습니다. 또한 공항이나 경기장과 같은 대형 건물 지붕 건설에도 성공적으로 사용되었습니다.

초순도 페라이트계 스테인리스강 시장은 향후 시장 규모가 크고 전망이 넓어 성장할 것으로 예상됩니다.

앞으로는 초순도 페라이트계 스테인리스강의 취성에 초점을 맞추는 것이 중요합니다. 우수한 기계적 특성과 내식성을 보장하기 위해서는 생산 및 사용 중에 σ 상 취성, 475℃ 취성 및 고온 취성의 발생을 효과적으로 억제해야 합니다. 이를 통해 "자원 절약"의 장점을 충분히 활용하여 스테인리스 스틸 산업의 더 큰 발전과 발전을 이끌 수 있습니다.