KR100190442B1

KR100190442B1 - 스테인레스 강

Info

Publication number: KR100190442B1
Application number: KR1019910002788A
Authority: KR
Inventors: 홀름베르그하켄
Original assignee: 레나르트 타퀴스트; 샌드빅 에이비
Priority date: 1990-02-26
Filing date: 1991-02-21
Publication date: 1999-06-01
Also published as: SE9000673L; DE69128293D1; KR910021491A; JP3169978B2; SE506886C2; ATE160827T1; SE9000673D0; EP0446188A1; EP0446188B1; JPH0598391A; DE69128293T2

Abstract

본 발명은 합금원소의 양이 균형을 이루어 오오스테나이트상(phase)이 큰 연장축소에도 불구하고 마르렌사이트로 변형되지 않은 상태로 안정하게 유지되는 스테인레스강 합금이 들어있는 고강도 바나듐에 관한 것이다. 강 합금은 0.04-0.25% C, 0.1-2% Si, 2-15% Mn, 16-33% Cr, 8-14% Ni, 0.10-1.5% N, 01.-2.5% V 또한 나머지가 철 및 정상적인 불순물로 구성되어야 한다.

Description

스테인레스 강(steel)

본 발명은 스트립의 냉간압연 혹은 와이어(wire) 인발작업 등에 의한 연장된 축소의 경우에도 강자성상 마르텐사이트로의 변태가 방지되도록 오스테나이트상이 충분히 안정한 고강도 스테인레스 강(steel)에 관한 것이다.

컴퓨터 및 전자산업의 급속한 발달은 초기에는 고찰할 수 없거나 또는 쉽게 달성할 수 없었던 복합적인 특성을 가진 물질(재료)에 대한 더욱더 증대된 요구를 창출하였다. 예컨대, 재료가 자성을 띠지 않아야 하는 스프링 분야에 사용될 재료의 높은 기계적 강도 및 비-자성 구조의 조합이 그것이다. 이러한 다수의 제품의 경우에 제조공정은 여러 가지의 형성단계로 이루어진다. 강도증가가 연성의 손상을 가져오기 때문에 가능한한 온화한 조건에서 형성단계가 수행되고 단순한 열처리로 요구된 강도를 얻는 것이 바람직하다.

고강도 스테인레스강중에서 17 Cr, 7 Ni, 0.8 Si, 1.2 Mn, 0.1 C와 0.03 N으로된 불안정한 오스테나이트 스프링강이 고강도 및 우수한 부식성의 조합으로 인하여 특별한 위치에 있다.

이러한 종류의 강으로 달성가능한 고강도는 가공중 예외적 경도를 가진 상(phase)인 (강자성) 마르텐사이트로 전환되는 (상자성) 오스테나이트 구조에 달려있다. 합금성분중 Ni 와 Mo의 양이 증가하면 특히 SS2343/2353의 경우 마르텐사이트 형성 경향이 감소되지만 그 결과 고강도를 갖추게될 가능성이 제한된다.

체계적 연구로 합금성분의 신중한 선택과 냉간 가공에 의해 비-자성 구조를 유지하면서 현저한 가공경화(work hardening)를 달성할 수 있음이 발견되었다. 덧붙여서, 자성에 영향을 끼치는 일없이 간단한 열처리에 의해 합금이 고강도로 석출 경화됨을 발견하였다.

본 발명 합금의 최적의 조성(중량%)은 다음과 같다.

C 0.04-0.25

Si 0.1-2

Mn 2-15

Cr 16-23

Ni 8-14

N 0.10-1.5

V 0.1-2.5

나머지는 철 및 불순물.

합금원소의 함량은 매우 중요하며 구조적 요건에 의해 지배되는데, 구조는 질화바나듐을 포함한 오스테나이트 매트릭스로 구성되어야 한다. 구조는 페라이트를 포함해서는 안된다. 고온 어닐링으로 부터 냉각시 또는 냉간가공시, 대체로 70% 이상의 냉간압연에 의한 두께 축소시 또는 와이어 인발에 의한 축소시 강자성 마르텐사이트로 변태되지 않도록 오스테나이트상이 충분히 안정적이어야 한다. 동시에 오스테나이트상은 가공동안 높은 기계적 강도가 강자성상이 존재하지 않고도 달성되도록 상당한 냉간 경화를 보여야 한다. 또한 간단한 열처리로 냉간압연 조건에서 강도증대 가능성 역시 중요하다. 이러한 목적달성을 위하여 합금원소가 재료의 성질에 미치는 영향을 알아야 한다. 열간가공 및 어닐링에 관련된 온도에서 어떤 합금 원소는 페라이트 형성원소이고 또 어떤 것은 오스테나이트 형성원소이다. 또한 어떤 원소는 냉간가공동안 가공 경화에 유리한 작용을 하는 반면에 어떤 원소는 불리한 영향을 미친다.

각종 합금원소의 효과 및 그 한계를 하기와 같이 기술하였으며 양은 중량%로 표시한다.

탄소는 오스테나이트 형성에 크게 기여하는 원소이다. 또한 탄소는 마르텐사이트로의 변태에 대한 오스테나이트의 안정화에도 기여하므로 결과적으로 합금에 이중적인 유익한 효과를 준다. 탄소는 또한 냉간 가공시 가공경화성에 유리한 효과를 낸다. 따라서 탄소함량은 0.04%를 초과하여야 한다. 그러나 고탄소 함량은 부정적인 영향도 있다. 높은 크롬 친화력은 탄소함량 증가시 카바이드 석출경향을 증대시킨다. 또한, 탄소는 부식성 저하와 메짐성 문제를 일으키며, 국소적인 마르텐사이트로의 변태를 야기하는 매트릭스 불안정화를 일으켜서 재료가 부분적으로 강자성이 되게 한다. 따라서 C의 최대함량은 0.25%까지, 특히 0.20% 이하로 제한된다.

Si는 제조공정을 촉진시키는데 중요한 원소이다. 따라서 Si의 양은 0.1% 이상이어야 한다. 그러나 Si는 페라이트의 강자성상 형성 경향을 오히려 크게 증가시키는 페라이트 안정제이다. Si함량이 크면 쉽게 용융하는 금속간 상을 석출시키는 경향이 촉진되어 열간 가공성을 저하시킨다. 따라서 Si-함량은 최대 2%, 특히 최대 1.0%로 제한해야 한다.

망간은 본 발명 합금의 여러 성질에 유리한 작용을 함이 발견되었다. Mn은 가공경화에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 오스테나이트를 안정화시킬 수 있다. Mn은 용융상 및 고체상에서 질소 용해도를 증가시키는데에 또한 중요한 능력을 발휘한다. 따라서 Mn 함량은 2%, 바람직하게는 4%를 초과해야 한다. Mn은 선팽창계수를 증가시키고 전자공학 및 컴퓨터분야에서 응용하기에 불리할 수 있는 전기 전도도를 감소시킨다. Mn 함량이 높으면 염소함유 환경에서 내부식성을 감소시킨다. Mn은 또한 산화부식 조건하에서 부식력 감소원소인 니켈보다 훨씬 덜 효과적이다. 따라서 Mn 함량은 15%를 초과해서는 안되며 특히 4-10% 더 바람직하게는 4.0-7.5%으로 하여야 한다.

Cr은 여러가지 측면에서 볼 때 중요한 합금원소이다. Cr 함량은 우수한 내부식성을 위하여 높아야 한다. 또한 Cr은 용융상 및 고체상에서의 질소 용해도를 증가시키므로 합금된 질소량을 증가시킨다. Cr함량 증가는 또한 마르텐사이트로의 변태에 대한 오스테나이트상을 안정시킨다. 본 발명의 합금은 다음에서 설명하는 것같이 석출 경화할 수 있으며 또한 크롬 고함량 질화물을 석출시킨다. 안정화 및 내식성을 위해서 Cr 함량은 16%를 초과해야 한다.

Cr이 페라이트 안정화 원소인 탓에 Cr 함량이 매우 크면 강자성 페라이트가 생기게 된다. 따라서 Cr 함량은 21% 이하여야 한다.

Ni는 탄소와 질소 다음으로 아주 효과있는 오스테나이트 안정화 원소이며 마르텐사이트로의 변태에 대해 오스테나이트를 안정시킨다. Ni는 또한 Mn과 대조적으로 산화조건에서 내부식성에 효과적으로 도움을 주는 것으로 알려졌다. 그러나 Ni는 냉간 가공과정에서 가공 경화에 부정적인 영향을 미치고 또한 값이 비싼 합금원소이다. 충분히 안정한 비-자성 구조를 얻기 위하여 Ni-함량은 8%를 초과해야 한다. 냉간 가공후 고강도를 얻기 위하여 Ni-함량은 14%, 특히 12%를 초과해서는 안되며 9%를 초과하는 것이 바람직하다.

N은 본 합금에서 중심이 되는 원소이다. N은 강한 오스테나이트 형성제이고 용액 경화를 촉진하며 마르텐사이트로의 변태에 대하여 오스테나이트상을 크게 안정시킨다. N은 또한 냉간 가공시 가공경화를 증대시키며 열처리시 석출 경화원소로 작용한다. 질소는 따라서 냉간압연 강도의 증가에도 기여할 수 있다.

질소는 또한 구상부식에 대한 저항성도 증가시킨다. 열처리동안 석출된 질화크롬은 상응한 탄화크롬 보다 덜 민감한 것으로 나타난다.

여러 가지의 우수한 성질을 이용하기 위하여 N 함량은 0.10% 보다 작으면 안되고 바람직하게는 0.15%이하이면 안된다.

매우 높은 질소함량을 이용할 때 용융물에서 N의 용해도는 과도하게 된다. 따라서 N함량은 1.5% 이하, 특히 0.6% 이하, 더더욱 0.2-0.5% 이어야 한다.

바나듐은 여러 장점이 있는 원소이다. 바나듐은 질소의 용해도를 증대시키며 또한 열처리중 미립자 형성을 촉진하는 질화바나듐의 형성에 기여한다. 열처리의 최적화에 의해 기계적 성질이 석출경화에 의해 향상된다. V의 함량은 최소한 0.1%이어야 하고 0.25% 이상이 바람직하다. 또한 바나듐은 페라이트 안정화 원소이므로 그 함량은 2.5%를 초과하지 않아야 하고 특히 2.0%가 바람직하다.

연구실행의 결과를 이용하여 본 발명에 대해 다음과 같이 설명하며 특히 구조, 가공경화, 기계적 성질 및 자기적 성질이 발표된다.

시험재료의 제조단계는 고주파 유도전기로 내에서의 용융작업 및 약 1600℃에서 잉곳으로 구조하는 것을 포함한다. 이 잉곳을 약 1200℃로 가열하고 재료를 바아로 단조하여 열간가공된다. 재료는 다시 스트립으로 열간압연하고 그후 어닐링 처리해서 산세척한다. 어닐링은 1080-1120℃에서 실행하고 물속에 넣어 냉각시킨다.

어닐링후 나온 스트립은 다양한 축소정도까지 냉간 압연하고 이후에 이 시편을 여러 가지 시험에 사용한다. 온도변화와 자기적 성질에 미치는 영향을 피하기 위해 시료를 냉간압연 단계후 실온으로 냉각시킨다.

시험재료의 화학적 분석결과 표1에서와 같이 중량 백분율로 표시되어 있다.

[표 1]. 시험재료의 화학적 분석(중량%)

* 본 발명의 합금

** 비교시료

페라이트 및 마르텐사이트 함량조절과 또한 경도 측정을 위해 어닐링 된 상태에서 시료를 취한다. 그 결과는 표2 에서와 같다.

[표 2]. 어닐링 처리된 열간압연 스트립에서 시험재료에 대한 미소구조

* 본 발명의 합금

** 비교시료

이 모든 시험용 합금은 어닐링된 상태에서 페라이트와 마르텐사이트가 없어야 하는 요구조건을 만족시킨다. 어닐링 경도는 기준재료 AISI304/305보다 다소 높다.

앞서 언급한 바와 같이 본 발명의 재료가 냉간가공시 상당한 가공경화를 보이는 것이 필수적이다. 75% 두께 축소까지 냉간 압연 후 시료를 취해 그 경도를 측정한다. 표3은 냉간 가공에 따른 함수로서 경도의 증가를 보여준다.

[표 3]. 75% 냉간 변형시 시험용 합금의 비커즈 경도

(Vickershardness)

* 본 발명의 합금

** 비교시료

이 모든 시험용 합금은 기준재료인 304/305와 비교할 때 상당한 가공경화를 보여준다.

냉간 가공정도도의 함수로서 단축인장 시험시 합금강도를 표4에서 나타내었고 여기서, R_P0.05와 R_P0.2는 0.05% 및 0.2%의 잔류 연신율을 부여하는 하중에 상응하며 R_m은 하중-연신율 도표에서 주어진 하중의 최대값에 해당하고 또한 A10은 시험용 바아의 최종 연신율에 해당한다.

[표 4]. 시험용 합금의 항복점, 극한강도 및 연신율

* 본 발명의 합금

** 비교시료

표4에서는 본 발명의 합금을 사용할 경우 냉간 가공과정에서 고강도를 수득할 수 있음을 보여준다. 합금 AISI 305는 다소 높은 함량의 니켈과 혼합되고 틈새간 용해된 합금원소, 즉 질소와 탄소의 양이 적은 탓으로 천천히 가공경화한다.

SS 2331형 스프링강은 기계적 성질을 높이기 위한 목적으로 어닐링된다. 이러한 어닐링은 피로강도 및 내이완성 같은 여러가지 중요한 스프링 특성에 유리하게 작용하고 꽤 온화한 조건에서 이 재료를 형성하는 능력에도 유리하다. 더 낮은 강도에서 높은 연성이 물질을 특정형태로 만들 때 유리하게 사용될 수 있다.

표5는 75% 냉간축소후의 기계적 성질에 대한 어닐링 처리효과를 보여준다. 어닐링 시험결과는 450/500℃ 온도에서 2시간 유지했을 때 최적의 효과를 나타낸다.

[표 5]. 75% 냉간축소에서 2시간동안 450/500℃에서 어닐링처리한 후의 항복점, 극한경도 및 연신율. 소괄호속의 숫자는 이러한 어닐링처리결과로서 강도치의 변화를 백분율로 표시한 것이다.

* 본 발명의 합금

** 비교시료

본 발명의 합금은 어닐링 처리결과 매우 우수한 효과를 얻을 수 있음을 보여준다. 특히 중요한 것은 R_P0.05값에 있어서 45-55%의 현저히 큰 증가를 보인다는 것이다. 이것은 가소화 되지 않고 스프링이 하중을 받을 수 있는 탄성한계와 깊은 연관이 있는 값이다. R_P0.05값의 이러한 증가에 의해서 이 재료로 만들어진 스프링이 더 넓은 분야에 이용될 수 있다. 특히 흥미를 끄는 것은 AISI 304와 AISI 305는 극한강도 증가가 미약하다는 사실이다. 경험상으로 극한강도는 피로강도와 아주 밀접한 관계가 있으므로 이것은 단점이 된다.

본 발명에 따른 물질의 경우에 고강도 물질의 목적을 달성하고 동시에 상자성 양태를 보여준다. 즉 투자율이 1에 근접한다. 표6은 75% 냉간축소 및 450/500℃에서 2시간동안의 어닐링 처리후 각종 합금에 대한 투자율을 장의 세기에 따라 나타내었다.

[표 6]. 시험용 합금의 투자율. 밑줄친 값은 투자율 최대측정치를 나타낸다. 하부의 값은 상응한 조건에서 극한 강도를 나타낸다.

* 본 발명의 합금

** 비교시료

표6은 본 발명 합금의 냉간가공과 석출경화에 의해 냉간압연 및 석출경화 조건에서 조성물을 정확히 조절하여 강도가 1800, 심지어 1900MPa를 초과하면서 반면에 투자율은 1.002-1.025 정도의 매우 낮은 값을 유지하는 것이 가능함을 보여준다. 본 발명 합금은 따라서 고강도의 잇점이 있는 특성을 스프링 분야에 이용할 수 있고, 동시에 물질의 상자성 구조를 보존할 수 있으므로 자성에 불활성인 재료가 필요한 응용분야에서도 사용할 수가 있다. 본 발명의 조성범위를 벗어나는 기준재료는 기계적 성질과 석출처리 효과가 낮으며 투자율이 더 높다. 이것은 통상의 합금 AISI 304/305에 대해서도 관계가 있다.

Claims

C 0.04-0.25%

Si 0.1-2%

Mn 2-15%

Cr 16-23%

N 0.10-1.5%

V 0.1-2.5%

나머지는 철 및 불순물로 구성되고 또한 상기 원소의 함량이 균형을 이루어서 오스테나이트상(phase)이 안정하게 유지되므로 연장된 축소 과정에서도 마르텐사이트로 전환되지 않는 것을 특징으로 하는 고강도의 석출-경화성 비-자성강(steel)합금.
제1항에 있어서, 원소간의 상호 균형으로 오스테나이트상이 안정하게 유지되므로 70% 이상의 두께 축소를 가져오는 냉간 가공에서 마르텐사이트로 변태가 되지 않음을 특징으로 하는 강합금.