KR100205141B1 - 저-니켈 및 구리함량의 크롬-니켈-망간-구리-질소 오스테나이트 스텐레스강 - Google Patents

저-니켈 및 구리함량의 크롬-니켈-망간-구리-질소 오스테나이트 스텐레스강 Download PDF

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Abstract

저-니켈함량의 오스테나이트 스텐레스 합금은 16.5 내지 17.5중량% 크롬, 6.4 내지 80중량% 망간, 2.5 내지 5.0중량% 니켈, 2.0 내지 3.0중량% 이하의 구리, 0.15중량% 이하의 탄소, 0.2중량% 이하의 질소, 1중량% 이하의 실리콘을 함유하고 나머지는 철과 불순물이다.

Description

저-니켈 및 구리함량의 크롬-니켈-망간-구리-질소 오스테나이트 스텐레스강
본 발명은 오스테나이트 스텐레스강 특히 저니켈함량과 또한 바람직한 야금학적, 기계적성질 및 내식성 등을 가진 오스테나이트 스텐레스강에 관계한다.
철 및 크롬합금은 고온에서의 높은 내식성과 내산화성을 갖고 있으며 이 온도에서 강도도 매우 크다. 이들 합금은 스텐레스강으로 알려졌다. 3가지 스텐레스강 종류는 오스테나이트강, 페라이트강, 또한 마르텐사이트강이다. 오스테나이트강은 실온에서 단일 오스테나이트상으로 이루어진 미소구조를 갖는다. 우수한 특성 때문에, 오스테나이트강은 페라이트형과 마르텐사이트형 보다 더 각광을 받는다.
크롬은 스텐레스강의 델타 페라이트 미소구조 형성을 촉진한다. 이것은 오스테나이트강에서 바람직하지 않다. 예컨대, 가장 일반적인 크기의 이곳에서, 10%이상의 델타 페라이트가 열간 압연시 존재할 경우, 그 결과로 나온 생성물은 갈라지고, 고온에서 찢어지고 비용이 많이드는 처리절차 없이는 파열되는 경향이 있다. 니켈은 델타 페라이트 형성을 방지하고 실온에서 오스테나이트 미소구조를 안정하게 하므로 오스테나이트강에 첨가된다. 우수한 기계적 특성, 개선된 성형성과 환원 환경에서 내식성이 얻어진다. 현재, 가장 널리 제조된 오스테나이트강은 8.00-12.00% 니켈을 함유하는 AISI 형 304이다.
니켈은 풍부하지 않으며 이 원소에 대한 요구는 점차 증가하고 있다. 니켈 비용은 크게 증가하고 따라서 니켈-함유 오스테나이트강의 가격이 커지면 다른 물질과 경쟁성이 없게 된다. 니켈 가격 변동가능성과 희소가지증대 때문에, 비교적 소량의 니켈을 함유하고 그럼에도 기존의 니켈-함유 오스테나이트합금과 비교할 때 내식성 및 기계적 특성을 갖는 오스테나이트강 합금을 개발하려는 것이 연구자의 목적이다.
오스테나이트강 합금의 니켈함량이 저하하면 델타 페라이트 형성을 촉진하고 오스테나이트상은 불안정하게 된다. 따라서, 니켈함량이 불안정한 오스테나이트강에서 감소됨에 따라 오스테나이트상은 다른 오스테나이트-촉진 혹은 "오스테나이트화" 성분의 첨가로써 안정화 하여야 한다. 이 성분은 예컨대, 탄소, 질소, 망간, 동과 코발트를 포함한다. 이들 성분중 어느 것도 단일 첨가로서는 완전하지는 않다. 코발트는 오스테나이트화 작용제로서 약간만 효과가 있으며 비싼 편이다. 완전한 오스테나이트 미소구를 형성하는 데 필요한 양만큼 탄소를 첨가하면 연성과 내부식성에 유해한 영향을 미친다. 질소는 원하는 효과를 얻기에 충분한 양만큼 첨가할 수가 없으며 탄소와 질소를 모두 첨가하는 것은 틈새간 고체 용액 경화로 인해 합금강도를 바람직하지 않게 증가시키게 된다. 망간과 구리는 비교적 약한 오스테나이트화 작용제이다.
통상의 오스테나이트강이 가공된 상태에서 주로 오스테나이트상을 보일지라도, 어떤 오스테나이트 합금 조성물은 이들이 냉간가공중 변형될 때 상당량의 마르텐사이트를 형성하므로 불안정하다. 변형시 형성되는 마르텐사이트의 양은 가공경화의 가장 중요한 원인이 된다. 오스테나이트 스텐레스강은 심한 냉간 변형시 10% 이하의 마르텐사이트를 형성할 경우 "안정"하고 10% 이상의 마르텐사이트를 형성할 경우 "불안정"하다고 간주된다. 10% 한계이상에서는 균열 또는 과도한 다이 마모현상이 일어나서 딥 드로잉 공정이 덜 바람직하게 되므로 10% 한계는 중요하다. 냉간가공시 오스테나이트강이 마르텐사이트를 형성하는 경향은 합금의 함량 특히 니켈함량 증가로 인해 감소 또는 없어진다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이, 고니켈 함량은 경제적이지 않다. 망간과 구리는 약한 오스테나이트 안정화제이지만 소성변형중 오스테나이트의 마르텐사이트로의 변태를 억제하여 오스테나이트강의 가공경화속도를 감소시키는 유리한 부수적인 효과를 보여준다. 따라서, 오스테나이트-촉진 성분과 합금함으로써 저 델타 페라이트 함량을 가지며 우수한 내식성과 기계적 특성, 또한 소성변형중 마르텐사이트 형성에 대한 저항성을 가지는 저-니켈함량 오스테나이트강이 개발될 수 있다.
다수의 공지 스텐레스강이 본 발명과 유사점을 갖는다(United States Patent Nos. 4,568,387, 4,533,391 and 3,615,365). 이들 공지문헌에서는 본 출원의 합금을 설명하지 않으며 또한 이들 합금에 특정한 성질을 부여하는 원소들의 조합도 발표하지 않는다.
본 발명의 목적은 니켈함량 감소와 우수한 야금학적 조직, 기계적 특성, 내식성과 가공성을 갖는 니켈-망간-구리-질소 오스테나이트강을 제공하는 것이다. 더 구체적으로, 본 발명의 목적은 다음 특성의 니켈-망간-동-질소-오스테나이트 스텐레스강 합금을 제공하는 것이다:
a. 질소함량은 약 5중랑% 이하 특히 4중랑% 이하이고, b. 열간 압연 및 냉간 압연 쉬이트 제품의 델타 페라이트 함량이 낮고, c. 가공성이 크고, d. 기계적 특성 특히, 항복강도, 인장강도와 신장성이 우수하고, e. 내식성과 내공식성이 우수하고, f. 변형시 마르텐사이트 변형에 대한 저항성이 우수하다.
본 발명에 있어서, 상기의 특성이 있는 오스테나이트 합금은 다음의 광범위한 조성을 가진 합금을 제조하여 수득할 수 있다: 16.5 내지 17.5중량% 크롬, 6.4 내지 8.0중량% 망간, 2.50 내지 5.0중량% 니켈, 2.0 내지 3.0중량% 구리, 0.15중량% 이하의 탄소, 0.2중량% 이하의 질소, 1중량% 이하의 실리콘, 또한 나머지로서 철을 불순물과 함께 함유한다.
더 구체적으로, 더 바람직한 합금은 상기 넓은 조성을 변형시켜 여러 합금형성원소에 대해 더 협소한 함량을 포함시켜서 수득됨이 발견되었다. 합금은 17중량% 크롬을 함유하는 것이 좋다. 바람직한 니켈 함량은 2.8 내지 4.0중량%이다. 바람직한 질소 및 탄소 총함량은 3000 중량 ppm 이하의 것이며 또한 0.5% 이하의 실리콘을 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명의 합금에서, 필요한 상평형과 냉간가공시 합금의 안정성을 위한 낮은 가공 경화율을 수득하기 위해 조성물 균형이 필요하다.
크롬은 내식성 강화에 중요한 성분이며 크롬함량은 16.5%정도이거나 이것을 초과해야 한다. 그러나 크롬함량이 증가할 때 이 성분은 고온에서 오스테나이트와 델타 페라이트의 불평형을 일으키고 열간가공성을 손상시킨다. 따라서, 크롬함량은 17.5%를 초과하지 말아야 한다.
스텐레스 합금에 니켈을 첨가하면 내식성이 개선되고 오스테나이트상을 안정화시키고 마르텐사이트로의 오스테나이트의 변태를 방지함으로써 냉간 가공성을 개선시킨다. 니켈 함량은 2.5%, 특히 2.75%를 초과해야 한다. 그러나 니켈은 비싼 물질이므로 필요이상으로 써서는 안된다. 니켈 함량은 최대 5%로 제한된다.
망간은 오스테나이트상을 안정화하므로 냉간가공성을 개선하는데 중요하다. 망간은 마르텐사이트으로의 오스테나이트의 변태를 억제하고 또한 냉간 가공성이 망간 함량 증가와 함께 개선된다. 망간함량은 6.4% 또는 이것을 초과해야 원하는 효과를 얻을 수 있다. 그러나 망간은 고온에서 델타페라이트를 안정화하고 망간함량이 8% 초과시 열간 가공성을 억제하는 경향이 있다. 즉 망간함량은 최대 8%로 제한된다.
오스테나이트를 안정시키고 마르텐사이트으로의 오스테나이트의 상변태를 억제하는 중요한 성분인 구리는 크롬함량과 균형을 맞추어야 한다. 구리함량은 2.0% 또는 이것을 초과해야 한다. 그러나 구리함량이 증가할 때, 열간 가공성은 크게 떨어진다. 따라서, 구리함량은 최대 3.0%로 제한된다. 2.0-3.0% 범위내에서, 저크롬 함량에서 더 높은 구리함량이 존재할 수 있으며 반대로 높은 크롬함량에서는 더 적은량의 구리를 사용한다.
탄소는 내식성을 감소시키고 본 발명의 경우, 최대 0.15%로 제한되어야 한다. 질소 역시 고체용액 경화로 인해 합금강도를 증가시키므로 제한되어야 한다. 질소함량은 최대 0.2%까지로 제한한다. 탄소 및 질소 총함량은 0.30% 이하가 되어야 한다. 실리콘이 제강작업시 탈산소화를 위해 필요하여도, 실리콘이 과다첨가되면 냉간 가공성을 감소시킨다. 따라서, 실리콘 함량은 최대 1%까지로 제한된다.
기존 연구조사에서 17% 이상의 크롬은 AISI 304형과 필적할만한 오스테나이트 스텐레스 합금에 최소한의 내식성을 제공하는데 필요한 것으로 나타났다. 철과 17% 크롬으로 된 베이스 합금을 사용하여, 각종 함량의 망간, 니켈, 구리, 질소, 탄소와 실리콘을 함유하는 실험용 히트가 용융 및 열간 압연된다. AISI 201형, 304형과 430형의 공칭 조성을 가진 오스테나이트 합금 히트를 비교용으로 제작한다. 열간압연 밴드샘플을 가시적으로 조사하며 델타 페라이트 대 오스테나이트 미소구조의 양을 측정한다. 열간 압연 밴드를 켄칭처리, 모래 송풍, 산세척, 또한 냉간압연한다. 냉간압연 밴드 샘플을 어닐링하고 그후 샘플의 기계적 성질, 내식성과 미소구를 조사한다.
[실시예 1]
히트 1내지 15(A군)을 진공 유도용융하여 제조한다. 히트의 조성은 표 1에서 보는 바와 같다. 비교용 히트는 저 탄소(C) 및 질소(N) 함량의 AISI 201형 공칭조성으로 제조하며 이후에 T-201L로 명명한다.
* 히트 10은 0.0001% 세륨과 0.0040% 붕소를 함유한다.
상기에서 나열한 성분에 추가적으로 다른 성분도 합금조성에 포함되며 불순물 또는 원소형태로 소량이 첨가되어 있고 예컨대 최종금속에 바람직한 특성을 부여하는 보조적인 목적을 갖는다. 예컨대, 이 합금은 미량의 인과 알루미늄, 황을 포함할 수 있다. 따라서, 여기서의 실시예는 청구범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
A군 히트로부터 얻은 17 파운드 잉곳을 2100˚F로 재가열하고 0.120인치 밴드로 고온압연 하였다. 6x0.12 인치의 열간압연 잉곳 밴드샘플을 열간압연 과정에서 시각적으로 조사한다. 열간압연샘플의 델타 페라이트 함량은 MAGNE-GAGE 기구로 측정한다(American Instrument Company, Silver Spring, Maryland). MAGNE-GAGE 기구는 자력 기술에 의해 작동한다. 페라이트수치 FN 유닛은 델타 페라이트 함량을 기록하는데 사용되며 오스테나이트 합금의 페라이트 함량에 상응하는 임의의 기준값이다. 델타 페라이트 함량 측정을 위해 또다른 방법을 사용할 수 있다. 예컨대, X-선 회절, 페라이트 스코프, 야금학적 측정법등을 이용할 수 있다. 델타 페라이트함량 측정 장치와 페라이트 수치 측정에 관한 정보는 공지되었다(Standard Procedures for Calibrating Magnetic Instruments to Measure the Delta Ferrite Content of Austenitic and Duplex Austenitic-Ferritic Stainless Steel Weld Metal, published in 1991 by the American Welding Society, Miami, Florida).
표 2는 열간압연 샘플에서 과다한 엣지 균열, 종방향 균열정도와 또한 샘플의 델타 페라이트 함량을 보여준다. 엣지 균열은 엣지 및 코너의 균열 및 인열을 포함하며 낮은 연성에 의해 초래된 열간가공 결함이다. 엣지 균열은 열간 가공이 끝나는 무렵에 일어난다.
히트 1에서 9는 오스테나이트 미소구조의 안정성에 망간과 구리가 미치는 효과를 측정하기 위해 1차 제조한 것이다. 이 초기 히트는 7.7-15.56%의 망간함량과 1.0-3.0%의 구리함량을 갖는다. 히트 4.6 또한 7에서 나온 잉곳의 열간압연중 잉곳이 갈라지고 따라서 그후의 가공처리를 할 수가 없다. 히트 1내지 9에서 나온 샘플의 델타 페라이트 함량은 8% 이상의 망간을 용융물에 첨가할 경우 합금의 오스테나이트 안정성에 큰 영향을 미치지 않고 재가열동안 델타 페라이트 형성을 촉진할 수도 있다는 점을 보여준다. 예컨대, 히트 1(7.7% 망간)과 히트 5(15.53% 망간)에서 나온 열간압연밴드는 각각 3.5%, 5.35% 페라이트를 각각 함유한다. 이들 두 히트사이의 차이점은 구리함량으로써 히트 1의 경우 2.8%이고 히트 5의 경우 2.1%이다. 이것은 망간함량의 2배 증가가 델타 페라이트 함량증가를 가져온다는 것을 믿게 한다. 또한 망간첨가는 소성 변형중 마르텐사이트로의 오스테나이트의 변태경향을 억제한다. 6.5% 이하의 망간함량은 변형동안 수용불가한 높은 가공경화율을 초래하는 마르텐사이트 함량을 가져온다. 따라서, 히트 9 후속의 히트에서 망간함량은 16%에서 7.25 내지 8%로 감소한다.
17%이하의 저 크롬함량에서 3.0% 구리를 포함하는 잉곳(히트 4, 6과 7)이 열간압연중 갈라지므로 열간압연 성능을 개선하기 위하여 또한 망간함량 감소에 관련하여 히트 10 내지 15의 구리함량은 2.0 내지 2.75%로 감소한다. 열간압연중 고온 균열 및 엣지 균열을 감소시키기 위하여 히트 10은 붕소와 세륨을 첨가하여 제조한다. 히트 10에서 나온 잉곳의 열간압연 중 엣지 균열이나 파손이 일어나지 않는다. 히트 10 내지 15의 탄소 및 질소 농도도 변화시킨다.
표 2의 결과에서 페라이트수가 10이하인 것을 특징으로 하는 비교적 낮은 델타 페라이트 레벨에서 실험히트가 모서리 균열을 거의 보여주지 않는다는 것을 알 수 있다. 특히 FN이 7이하 특히 4이하인 것이 바람직하다.
열간압연후, A군 히트에서 나온 밴드를 모래 송풍처리하고 산세척하고 0.060 두께로 냉간압연한다. 각 히트에서 나온 냉간압연 쉬이트샘플을 1950˚F에서 5분간 또는 7분간 어닐링한다. 항복강도, 인장강도, 또한 신장성등의 기계적 특성이 어닐링된 밴드샘플에 대해 측정되었다. 그 결과는 표 3과 4에 나타낸다(전환율 1 ksi = 6.89 MPa).
기계적 특성은 일정범위에 들어야 한다. 35 ksi 내지 50 ksi의 항복 강도가 바람직하다. 80 ksi 내지 100 ksi의 인장강도가 좋다. 신장율은 40 내지 60%인 것이 좋다.
표 4에서 보는 바와 같이, 1950˚F에서 7분간 소둔처리된 모든 시료는 항복강도, 인장강도, 또한 신장율이 모두 우수하다. 표 3에서, 같은 시료를 5분간 소둔처리했을 때 열편 3을 제외한 모든 시료가 바람직한 인장강도를 나타낸다. 열편 1-9에서 나온 시료는 바람직한 항복강도와 신장율 값을 벗어나 있다. 비교하여, T-201L 소둔처리된 열편은 항복강도와 신장율은 우수하나 인장강도는 좋지 못하다. 따라서, 열편 10-14은 모두 우수한 기계적 특성범위에 있다. 질소함량이 가장 큰 열편 10은 1950˚F에서 5분간 소둔처리될 때 최소 50% 신장율 이하를 갖는다.
MAGNE-GAGE 기구에서 측정시 소둔처리된 A군 시료(표 5)의 델타 페라이트 함량은 어떤 경우 소둔시간 및 온도증가시 다소 증가하는 것을 알 수 있다. 이것은 하기와 같이 모든 B군 실험합금에 관계하는 경우이다. 소둔시간과 온도증가시 델타 페라이트 함량 증가는 합금의 저 니켈함량과 또한 델타 페라이트에 대해 오스테나이트의 비교적 약한 안정성에 관계한다. 표 5에서 보는 것 같이, 모든 시료는 델타 페라이트 레벨(FN 값)을 계속해서 갖는다.
A군 실험합금의 내식성과 내공식성이 연구된다. 일부 합금은 다른 것과 비교하여 또는 시중의 오스테나이트강과 비교하여 내식성 및 내공식성이 작으며 어떤 응용분야에는 적합치 않더라도 실험합금은 다른 응용분야에서 사용될 수 있다. 사실, 비용감소 측면에서(니켈 함량감소에 따른) 어떤 합금은 더 높은 단가의 내식성 합금에 비해서 바람직할 수 있다.
A군 실험합금의 내식성을 측정하기 위하여 양극 분극 연구와 ASTM A262, E 테스트가 소둔처리된 시료에 대해 수행한다. 양극 분극테스트는 극한환경에서 실시하며 부동태화 이전에 최대 용해 또는 부식율을 갖는 합금의 임계전류밀도(Ic)를 측정한다. 금속표면의 부동태화는 합금이 전기화학계나 강한 부식환경에서 정상적인 화학 활성을 잃어버리는 순간이며 전해 과정중 산화물 피막을 형성하는 금속표면상에서 산도가 발생하는 시점이다.
양극 분극 연구에서, 샘플을 1 노르말 황산용액에 넣고 임계 전류밀도를 측정한다. 모든 실험샘플, T-201L, T-304와 T-430이 테스트된다. T-304샘플의 경우 0.21mA/㎠의 저 임계전류밀도(Ic)는 1 노르말 황산용액에서 합금의 부식속도가 낮음을 의미한다. 비교하여, T-201L(0.94mA/㎠)와 T-430(3.6mA/㎠)의 임계전류밀도는 T-201L이 1 노르말 황산용액에서 T-304보다 낮은 내식성을 갖고 있고 반면에 T-430보다는 더 큰 내식성을 가짐을 보여준다. 표 6에서 보는 것 같이, A군 실험합금의 임계전류밀도는 0.18 내지 0.92mA/㎠이다. 따라서, 수개의 실험열편의 소둔처리된 샘플은 T-304보다 우수하거나 동등한 내식성을 보여주고 모든 실험합금은 T-430의 내식성보다 우수하다는 사실을 보여준다. 그리하여, 모든 실험합금은 1 노르말 황산용액에서 우수한 내식성을 갖는다.
A군 실험합금 각각의 내공식성을 측정하기 위하여, 양극 분극을 이용 1000ppm 염화물 용액속에 담긴 소둔처리된 샘플의 공식 전압(Ep)을 측정한다. 높은 공식 전압은 염화물-함유 환경에서 내공식성을 증진시키는 점착성 부동태 막을 형성하는 합금을 가리킨다. 공식 전압연구에서 나온 결과 (표 Ⅵ)는 T-304가 최고 공식전압(0.50V)을 갖고 T-430은 (0.28) T-201L(0.22V)보다 다소 높다. 비교하여, A군 실험합금은 0.11V(열편 3) 내지 0.34V(열편 14)정도의 공식전압을 가진다. 따라서, 여러개의 실험합금은 T-201L과 유사한 전압을 갖고 다른 수개의 합금 예컨대 열편 1, 2 또는 10으로 얻은 합금은 T-430과 유사한 높은 공식전압을 갖는다. 실험합금 어느것도 내공식성이 부족하여 사용하지 못하는 것은 없다.
입자간 침입에 대한 실험합금의 저항성을 평가하기 위하여, 구리-황산 구리-황산테스트(ASTM A262-70, 실시 E)을 소둔시료에 대해 실행한다. 24시간동안 비등 시험용액에 노출한 후, 각 열편샘플을 180˚로 구부리고 외부표면에 대해 입자간 침투성이 검사된다. 표 6에서, 실험 샘플 또는 T-201L, T-304와 T-403 샘플 어느 것도 균열 또는 입자간 침투가 없다. 형성된 오스테나이트의 양, 실험 합금의 변형동안 망간, 니켈 및 탄소의 오스테나이트 안정화 효과를 측정하기 위해서 인장강도, 테스트 전후에 샘플의 균일한 신장지대에서 MAGNE-GAGE 측정이 행해진다. A군에서 선택된 샘플에 대한 결과를 표 7에 나타내었다. 냉간압연 샘플 인장강도시험 전에 지적한 바와 같이 어닐링된다. 모든 실험샘플은 변형시 마르텐사이트를 형성하는 경향을 나타낸다. 대조적으로, T-201L은 비교적 다량의 마르텐사이트를 형성한다.
[실시예 2]
2350˚F 재가열 온도를 유지하면서 델타 페라이트 레벨을 감소시키는 시도로, 열편 17 내지 22를 다음 표 7에서 열거한 조성을 갖도록 제조한다.
A군 열편테스트중 제안한 바와 같이, B군 열편내 망간함량은 6.4 내지 7.0%로 제한하고 구리함량은 2.5%로 제한한다. 열편 17 내지 22으로 제조한 17파운드 잉곳은 2100˚F, 2250˚F 또는 2350˚F 재가열 온도에서 열간압연하고 이것은 (a), (b)와 (c)로 각각 정한다. A군 열편에 사용한 방법으로 측정된 B군 열편 델타 페라이트 함량과 열간압연 성능이 표 9에서 도시된다.
열간압연 성능과 델타 페라이트 함량은 모든 열간압연 온도에서 모든 B군에 대해서 만족스러웠다. 열간압연 시료내 델타 페라이트 함량은 열간압연 온도증가와 함께 증가한다. A군과 B군 열편중 최고 탄소레벨(0.084%)를 가지는 열편 19과 20은 모서리가 갈라짐이 없이 열간압연되고 최소량의 델타 페라이트를 함유한다.
열간압연후, B군 열편으로 제조한 나온 밴드는 모래송풍처리, 산세척, 또한 0.060 인치 두께로 냉간 압연된다. 냉간압연 시료를 1950˚F에서 7분간 소둔처리한다. 항복강도, 인장강도, 또한 신장율을 포함하여 소둔처리된 샘플의 기계적 특성은 표 10에 기록되었다.
표 10에서 보는 바와 같이, 모든 B군 시료는 A군 열편에 관계하여 위에서 논의한 범주에 속하는 기계적 특성을 갖는다.
0.120 인치에서 0.060 인치로 냉간압연된 B군 재료의 델타 페라이트 함량에 어닐링이 미치는 효과를 조사한다. 그 결과는 표 11에 나타냈다. B군 샘플을 1950˚F에서 7분간 어닐링처리한다. 델타 페라이트 함량치는 모든 실험샘플에서 허용가능하다.
A군 실험샘플에서 사용된 동일한 방법을 사용하여, B군 샘플의 내식성과 내공식성, 입자간 침투에 대한 저항성을 측정한다. A군 샘플에서와 같이, 표 12에서 보는 바와 같이 모든 B군 샘플이 부식, 공식, 또한 입자간 침투에 대한 적당한 저항성을 나타냄을 보여준다.
A군 실험열편에 관계한 방법을 사용하여, 변형시 마르텐사이트형성 경향이 소둔처리된 B군 샘플에 대해서 평가된다. 그 결과는 하기의 표 13에서 제공하였다. 이 시험은 2100˚F 재가열 온도에서 열간압연된 B군 열편샘플에 대해 실행된다. 인장시험은 0.2% 항복 옵셋까지 변형속도 0.005in/in/분을 이용하여 ASTM E8-91에 따라 실행하고 또한 크로스헤드속도 0.5in/분이 항복후 이용된다.
표 13에서 보는 바와 같이, 열편 20과 21의 샘플은 우수한 델타페라이트 레벨을 갖는다. 열편 20과 21의 후속시험을 용이하게 하기 위하여 이들 합금조성의 복제물인 열편 20′과 21′을 표 14 조성으로 제조하였다.
열편 20′과 21′의 재료는 0.020인치 게이지로 처리하여 성형성이 평가된다. 성형성측정에서, 작고 평평한 저면을 갖는 컵제조를 위해 0.02인치 재료를 인발가공하였다. 증가하는 직경의 블랭크가 저면에 평평한 실린더형 컵으로 제조되어 파열없이 성공적으로 인발될 수 있는 최대 블랭크 크기를 측정한다. 펀치 직경으로 나뉘어진 최대 블랭크 직경과 동일한 한계 인발비(LDR)을 계산한다. 열편 20′과 21′의 LDR는 2.12이고 T-304의 경우와 비슷하다(2.18-2.25). 열편 20′과 21′의 고 LDR 값은 이들 합금의 탁월한 인발성을 가리킨다.
열편 1 내지 10의 잔여 샘플을 0.02인치로 냉간압연하고, 소둔처리하고, 또한 저면이 평평한 컵으로 만든다.
인발가공동안 생긴 마르텐사이트의 양은 Magne-Gage로 측정시 약 50%로서 열편 20′내지 21′의 합금시료보다 작다. 열편 1 내지 10의 망간 함량(8%)이 20′과 21′(6.5%)과 비교시 더 높아서 더 큰 오스테나이트 안정성을 가지며 냉간가공중 마르텐사이트 형성이 더 작아진다.
오스테나이트 안정성에 A와 B군에서 각종 시험 성분의 조합이 미치는 효과를 정량적으로 분석하기 위해서, 종래적인 단계적 회귀분석을 실행한다. 초기분석은 독립변수로서 합금의 조성과 종속변수로서 델타 페라이트 함량으로 수행된다. 따라서, 합금성분 조성에 관한 함수로서 합금의 델타 페라이트 함량이 결정된다. 2100˚F 재가열 온도에서 압연된 A군과 B군 열간 밴드샘플의 델타 페라이트 함량은 망간, 니켈, 구리, 탄소와 질소함량에 달려있다(표 2, 9). 표 1과 8에 열거된 21개의 합금조성물은 약 17% 크롬과 0.35% 실리콘을 다음의 조성범위와 함께 함유하는 강철을 포함한다(중량백분율로): 6.4-15.5% 망간, 0.106-0.187% 질소, 0.013-0.084% 탄소, 2.1-4.2% 니켈, 또한 0.41-3.1% 구리. T-201L은 열편의 크롬함량이 다른 열편의 그것과 크게 상이하므로 회귀분석에 포함되지 않는다. 또한, 크롬과 실리콘 함량은 이들이 각각 17% 및 0.35%로 일정하므로 고려치 않는다. 회귀분석은 선형 및 자승 항에 대해서만 고려하고 상호작용항은 포함되지 않는다.
상기 실험으로 얻은 데이터 분석은 측정 최대 계수는 다음의 6-변수모델(식 1)을 써서 얻어짐을 보여준다:
델타페라이트 % = 12.48 + 0.52(망가%) - 54.27(질소 %) - 47.98(탄소 %) - 1.57(니켈 %) - 1.62(구리 %) + 0.69(구리 %)
상기식에서 R2과 3 시그마 한계치는 각각 0.93과 1.4%이다. 상기식에 따라 계산된 델타 페라이트 함량은 9%이하이다.
예측한 바와 같이, 식 1은 니켈이 오스테나이트-안정 성분이고 질소와 탄소는 모두 니켈의 오스테나이트화 효과의 30배를 갖는 오스테나이트-안정화 성분임을 보여준다. 놀랍게도, 이 식은 실험합금에서 사용되는 6.4%-15.5% 레벨에서 망간이 보통의 오스테나이트화 성분이더라도 델타 페라이트를 안정화하는 작용을 하는 것을 보여준다. 본 발명의 합금에서, 망간이 오스테나이트/페라이트 평형과 오스테나이트/마르텐사이트 평형에 영향을 미친다.
두 번째 회귀분석은 탄소, 구리와 망간함량에 대한 함수로서 변형시 마르텐사이트를 형성하는 합금의 성향을 설명하는 방정식을 구성하기 위한 것이다. 식 1을 구성하는 방법을 써서 한가지 유형을 계산하였다. 열편 13-15와 17(a)-22(a)에서 나온 재료에 관계하는 표 7와 8에서 얻은 Magne-Gage 데이터(2100˚F 재가열 온도로 열간압연하고 1950˚F에서 5분간 소둔처리한)가 회귀분석에서 포함된다. 1 FN 증가는 1% 마르텐사이트 형성에 의해 초래된다고 가정한다. 이것은 일반적으로 FN 7이하가 되는 경우이다. 이 연구의 데이터와 조성성분 분석에서, 종속변수(기계적 변형시 형성된 마르텐사이트 %)에 관한 최대 R2개선은 하기의 3-변수 모델(식 2)을 사용하여 달성한다 :
마르텐사이트 % = 52.18 - 88.4(탄소%) - 8.33(구리%) - 3.52(망간%)
식(2)의 R2와 3 시그마 한계치는 각각 0.88과 2.4%이다. 마르텐사이트 형성%는 8.6%이하이다. 식 2는 탄소가 구리보다 10배 더 효과적임을 보여준다. 또한 마르텐사이트 형성 억제에서 구리가 망간보다 2.4배 더 효과가 있음을 보여준다. 따라서, 식 2는 구리가 변형시 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하는 것을 억제하여 가공경화율을 저하시키는데 매우 효과적임을 보여준다.
상기 데이터는 시험범위내의 성분조성을 갖는 저-니켈 오스테나이트 합금이 우수한 기계적 특성, 금속야금학적 구조, 상안정도 또한 내식성을 갖는 것을 보여준다. 상기 데이터는 철기초합금발명의 바람직한 구체예가 다음의 조성을 가짐을 보여준다: 17% 크롬, 7.5 내지 8% 망간, 3.0% 니켈, 2.5% 구리, 0.07% 탄소, 0.11% 질소, 0.35% 실리콘.
여기서 설명하는 발명의 각종 변형과 새로운 응용분야를 전문가라면 쉽게 이해할 수 있다. 더 바람직한 합금특성을 얻을 수도 있다. 따라서 다음의 특허청구범위는 여기서의 실시예에 국한되지 않는다.

Claims (14)

  1. 중량비율로 16.5 내지 17.5% 크롬, 6.4 내지 8.0% 망간, 2.50 내지 5.0% 니켈, 2.0 내지 3.0%의 구리, 0.15% 이하 탄소, 0.2% 이하의 질소, 1% 이하의 실리콘과 또한 나머지로서 철과 불순물로 구성되며 델타 페라이트 % = 12.48 + 0.52(망간%) - 54.27(질소%) - 47.48(탄소%) - 1.57(니켈%) - 1.62(구리%) + 0.69(구리%)2과 같은 식에 따라 9% 미만의 델타 페라이트 함량을 가진 오스테나이트 스텐레스강.
  2. 제1항에 있어서, 17중량% 크롬을 함유하는 것을 특징으로 하는 스텐레스강.
  3. 제1항에 있어서, 2.8 내지 4.0% 니켈을 함유하는 것을 특징으로 하는 스텐레스강.
  4. 제1항에 있어서, 탄소와 질소 총함량이 0.3중량% 이하인 것을 특징으로 하는 스텐레스강.
  5. 제1항에 있어서, 0.5% 이하의 실리콘을 함유하는 것을 특징으로 하는 스텐레스강.
  6. 제1항에 있어서, 강의 인장강도가 80 내지 100 ksi인 것을 특징으로 하는 스텐레스강.
  7. 제1항에 있어서, 강의 항복강도가 50 ksi 이하인 것을 특징으로 하는 스텐레스강.
  8. 제7항에 있어서, 강의 항복강도가 35 내지 50 ksi인 것을 특징으로 하는 스텐레스강.
  9. 제1항에 있어서, 강의 신장율이 40 내지 60%인 것을 특징으로 하는 스텐레스강.
  10. 제1항에 있어서, 강의 마르텐사이트-함량이 다음식에 따라 8.6% 이하인 것을 특징으로 하는 스텐레스강: 마르텐사이트%=52.18-88.4(탄소%)-8.33(구리%)-3.52(망간%)
  11. 중량비율로 16.5 내지 17.5% 크롬, 7.25 내지 8% 망간, 2.75 내지 5% 니켈, 2.0 내지 3.0%의 구리, 0.15% 이하의 탄소, 0.2% 이하의 질소, 탄소와 질소함량 총합이 0.30% 이하이고, 1% 이하의 실리콘과 또한 나머지로서 철과 불순물로 구성된 성분조성을 갖는 저-니켈함량 오스테나이트 스텐레스강.
  12. 제11항에 있어서, 3 내지 4% 니켈을 갖는 것을 특징으로 하는 스텐레스강.
  13. 제12항에 있어서, 0.5% 이하 실리콘을 함유하는 것을 특징으로 하는 스텐레스강.
  14. 중량비율로 16.5 내지 17.5% 크롬, 6.4 내지 8.0% 망간, 2.5 내지 5.0% 니켈, 2.0 내지 3.0% 이하의 구리, 0.15% 이하의 탄소, 0.2% 질소, 1% 이하의 실리콘, 또한 나머지로서 철과 불순물로 구성된 조성을 갖고, 또한 AISI T-201L보다 낮은 가공경화율을 갖고, T-201L과 T-430에 필적하는 내식성과, AISI T-304에 필적하는 기계적 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 저-니켈 함량 오스테나이트 스텐레스강 제품.
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