KR100209451B1 - 고강도 스테인레스 강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 합금원소의 함량이 상호 균형을 이루어 오오스테 나이트상(phase)이 연장가공시에도 마르텐사이트로 변형하는 일없이 안정을 유지하는 것으로 된 고 실리콘 함유 스테인레스강(steel) 합금에 관계한다. 이 강합금은 기본적으로 0.04-0.25% C, 2.0-5.0% Si, 3.5-7.5% Mn, 16-21% Cr, 8-11% Ni, 0.10-0.45% N과 나머지인 철 및 정상적인 불순물로 구성되어 있다.

Description

고 강도 스테인레스 강(steel)

본 발명은 오스테나이트상(phase)이 충분히 안정하여 상당한 축소에서도, 예컨대 쉬이트 냉간압연이나 와이어 인발작업에서도 강자성 마르텐사이트 상으로 변태되지 않음을 특징으로 하는 고강도 석출경화 비-자성 스테인레스 Cr-Ni-Mn-Si-N-강(steel) 합금에 관한 것이다.

컴퓨터와 전자공업에서의 급격한 발달은 자기적으로 불활성인 재료가 요구되는 스프링 분야에 사용될 재료를 위하여 높은 기계적 강도와 비-자성 구조의 조합과 같은 종래에는 고려의 대상이 아니었거나 쉽게 달성할 수 없는 복합특성을 지닌 재료에 대한 증대되는 요구를 창출하였다. 이러한 다수의 제품에 있어서, 제조하는데 다양한 형성단계가 관계된다. 강도의 증가는 연성을 손상시키므로 형성단계가 가능한 완화된 조건하에서 수행되고 요구된 강도를 간단한 열처리로 얻을 수 있다면 크게 유리할 것이다.

고강도 스테인레스강 중에서 불-안정성 오스테나이트 스프링강 SS233는 전형적으로 17Cr, 7Ni, 0.8Si, 1.2Mn, 0.1C와 0.03N으로 구성되어 있고 고강도 및 우수한 부식성의 복합적 특성 때문에 특별한 위치에 있다.

이러한 종류의 강으로 달성가능한 매우 높은 강도는 (비-자성) 오스테나이트 구조가 변형과정동안 예외적인 강도를 갖는 상인 (강-자성) 마르텐사이트로 변태된다는 사실에 기인한다. SS 2343/2353의 구성 함량이 증가하면 변태 마르텐사이트 형성 경향은 줄어들지만 고강도를 얻을 수 있는 가능성도 감소한다. 더구나, 이러한 종류의 강을 이용하면 니켈 및 몰리브덴의 함량이 크기 때문에 합금 제조비용도 많이 든다.

체계적 개발작업 덕분에 신중히 선별된 분석법과 냉간가공에 따라 비-자성 구조를 보존하면서 반면에 특정한 변형경화 효과를 얻을 수 있음을 발견하였다. 덧붙여서, 자성에 영향을 주지 않고 단순한 열처리 작업으로 합금을 석출 경화시켜 매우 높은 강도를 얻을 수 있는 것도 발견하였다.

본 발명 합금에서 정확히 조절된 최적의 조성(중량-%)은 다음과 같다.

나머지는 Fe의 불순물임.

각 원소의 함량은 매우 중요하며 페라이트가 전혀 없는 단상 오스테나이트이어야만 하는 구조의 필요에 따라 함량이 조절된다. 오스테나이트상(phase)이 충분히 안정해서 고온 어닐링처리후 냉각과정이나 상당한 냉간가공, 특히 70% 이상의 두께 수축이 일어나는 냉간가공 혹은 이에 상응하는 정도의 수축이 일어나는 와이어 인발작업에서 강자성 마르텐사이트로 변태되지 않도록 하여야 한다. 동시에 오스테나이트상은 변형과정에서 상당한 냉간 경화 현상을 보여주어야 하는데, 이것은 강자성 상이 존재하지 않고 높은 기계적 강도를 얻을 수 있음을 뜻하는 것이다. 또한 중요한 것은 냉간 가공조건에서 단순 열처리 작업으로 강도를 추가로 증가시킬 수 있다는 점이다.

이러한 목적 달성을 위하여 합금 구성요소의 효과도 알아야 한다. 열간 가공 및 어닐링처리에 관계한 온도에서 어떤 성분은 페라이트 형성원소인 반면 어떤 것은 오스테나이트 형성원소이다. 또한 이들중 어떤 성분은 냉간 가공과정에서 변형 경화를 증가시키며 반대로 어떤 성분은 감소시킨다.

본 발명은 강(steel)의 조성을 제한하는 이유는 다음에서 설명하며 모든 함량은 중량-%로 주어진다.

탄소는 오스테나이트 형성에 크게 기여하는 원소이다. 또한 탄소는 마르텐사이트로의 변태에 대한 오스테나이트 안정화에도 도움을 주며 결과적으로 이러한 합금에 이중적인 유익한 효과를 준다. 탄소는 또한 냉간 가공에서 가공 경화성에 좋은 영향을 미친다. 따라서 탄소함량은 0.04%를 초과하여야 한다. 그러나 고탄소 함량은 부정적인 영향도 있다. 탄소의 높은 크롬 친화력은 탄소함량 증가시에 탄화물 석출 경향을 증가시킨다. 이것은 손상된 부식성, 메짐성문제, 또한 재료를 부분적으로 강자성이 되게하는 국부적인 마르텐사이트 변태를 일으킬 수 있는 매트릭스 불안정화를 가져온다. 따라서 냉간가공에서 C의 최대함량은 0.25% 이하, 특히 0.15%이하로 제한된다.

Si는 제조공정을 촉진하는 중요원소이다. 또한 Si는 열처리 과정에서

-상(phase) 석출에 공헌하여 석출경화 효과를 주는 것으로 공지되어 있다. 따라서 Si 함량은 2% 이상이 되어야 한다. 그러나 Si는 강자성 페라이트상 형성 경향을 크게 증대시키는 페라이트 안정화제이다. 또한 Si의 함량이 크면 쉽게 금속간상을 용융시키는 석출경향을 촉진하여 열간가공에 손상을 주게 된다. 따라서 Si-함량은 최대 5%, 바람직하게는 3.0-5.0%로 제한해야 한다.

망간은 본 발명의 합금에 있어서의 여러 특성에 유리한 작용을 하는 것으로 알려졌다. Mn은 가공경화에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 동시에 오스테나이트를 안정화시킬 수 있다. Mn은 용융상 및 고체상에서 질소의 용해도, 아래에 기술된 성질 제공에 중요한 능력을 발휘한다. Mn 함량은 따라서 3.5%를 초과해야 한다. Mn은 선팽창계수를 증가시키고 전자공학 및 컴퓨터분야에서 단점이 될 수 있는 전기 전도도를 감소시킨다. Mn 함량이 높으면 염소함유 환경에서 내부식성을 감소시킨다. Mn은 또한 산화부식 조건하에서 부식 감소원소인 니켈보다 훨씬 덜 효과적이다. 따라서 Mn 함량은 7.5%를 초과해서는 안되며 더 바람직하게는 3.5-5.5%으로 하여야 한다.

Cr은 여러 가지 측면에서 볼 때 중요한 합금원소이다. Cr 함량은 우수한 내부식성을 위하여 커야 한다. 또한 Cr은 용융상 및 고체상에서의 질소 용해도를 증가시켜서 합금속에 있는 질소량을 크게 한다. Cr 함량 증가는 또한 마르텐사이트 변태에 대해 오스테나이트상을 안정화한다. 본 발명의 합금은 다음에서 설명하는 것 같이 어닐링될 수 있으며 크롬 고함량 질화물을 석출할 수 있다. 안정화 작용없이 지나치게 큰 국소적인 Cr-함량 감소경향과 또한 내부식성 감소 경향을 줄이기 위해 Cr 함량은 16%이상이 되어야 한다.

Cr이 페라이트 안정화 원소인 탓에 Cr 함량이 매우 크면 강자성 페라이트가 생기게 된다. 따라서 Cr 함량은 21% 이하, 특히 19% 이하이어야 한다.

Ni는 탄소와 질소 다음으로 아주 효과있는 오스테나이트 안정화 원소이며 마르텐사이트로 변태에 대한 오스테나이트의 안정도를 증가시킨다. 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 11%, 특히 10%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

N은 현대의 합금에서 중심이 되는 원소이다. N은 강한 오스테나이트 형성원소이고 용액 경화를 촉진하며 마르텐사이트로의 변태에 대하여 오스테나이트상을 크게 안정시킨다. N은 또한 냉간 가공에서의 가공경화를 증대할 목적으로 유리하다. 또한 질소는 열처리시 석출 경화원소로 작용한다. 질소는 따라서 냉간압연 강도의 증가에도 기여할 수 있다. 질소는 또한 구상부식에 대한 저항성도 증가시킨다. 열처리 동안 석출된 질화크롬은 상응한 탄화크롬보다 덜 민감한 것으로 나타난다.

여러 가지의 우수한 성질을 이용하기 위하여 N 함량은 0.10% 이상, 특히 0.15%이상이어야 한다. 매우 큰 질소함량을 이용할 때 용융물에서 N의 용해도가 초과된다. N함량은 따라서 0.45% 이하, 특히 0.20-0.45% 이어야 한다.

연구실행의 결과를 이용하여 본 발명에 대해 다음과 같이 설명하며 특히 구조, 가공경화, 기계적 성질 및 자성에 대하여 상술될 것이다.

시험재료의 제조는 고주파수 유도전기로 내에서의 용융작업 및 1600

에서 잉곳으로 주조작업을 포함한다. 이 잉곳을 약 1200

로 가열하고 재료를 바아(bar)로 단조에 의해 열간 가공한다. 재료는 다시 스트립으로 열간압연하고 그 후 급냉 어닐링 처리해서 산세척한다. 급냉 어닐링은 약 1080

에서 실행하고 물속에 넣어 냉각시킨다.

급냉 어닐링후 나온 스트립은 다양한 축소율로 냉간 압연하여서 샘플을 여러 가지 시험에 사용한다. 온도변화와 자성에 미치는 효과를 방지하기 위해 냉간압연후 실온까지 샘플이 냉각된다.

시험재료의 화학적 분석결과가 표 1에서와 같이 중량 백분율로 표시되어 있다:

P,S는 상기 모든 합금에서 0.030중량-%이하임.

페라이트 및 마르텐사이트 함량 조절과 또한 경도측정을 위해 급냉 어닐링 조건에서 샘플을 취한다. 그 결과는 표 2에서와 같다.

모든 시험용 합금은 급냉 어닐링 조건에서 페라이트와 마르텐사이트가 없어야 하는 요구조건을 만족시킨다. 어닐링 경도는 기준재료 AISI 304/305 보다 다소 높다.

앞서 언급한 바와 같이 본 발명의 물질은 냉간가공에서 상당한 가공경화를 받는다. 표 3은 냉간 가공에 따른 함수로서 경도의 증가를 보여준다.

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

냉간 가공도의 함수로서 단축인 테스트를 받을 때 합금강도를 표 4에서 나타내었고 여기서, R0.05와 R0.2는 0.05% 및 0.2%의 잔류 연신율을 부여하는 하중에 상응하며 Rm은 하중-연신율 도표에서 주어진 하중의 최대값에 해당하고 또한 A10은 시험용 바아의 최종 연신율에 해당한다.

표 4에서는 본 발명의 합금을 사용할 경우 냉간 가공과정에서 고강도를 수득할 수 있음을 보여준다. 합금 AISI 305는 다소 높은 함량의 니켈과 낮은 함량의 용해된 합금원소, 즉 질소와 탄소로 인하여 천천히 가공경화한다.

SS 2331형 스프링강은 기계적 성질을 높이기 위한 목적으로 어닐링처리된다. 이것은 피로강도 및 내이완성 같은 여러 가지 중요한 스프링 특성에 유리하게 작용하고 보다 완화된 조건에서 이 재료를 형성하는 능력에도 유리하다. 더 낮은 강도에서 더 높은 연성도를 갖추는 것이 물질을 복잡한 형태로 할 때 더욱 유리하다.

표 5는 75% 냉간수축후의 기계적 성질에 대한 어닐링 처리효과를 보여준다. 어닐링 시험결과는 450

온도에서 2시간 유지했을 때 최적의 효과를 나타낸다.

본 발명의 합금은 어닐링처리 결과 매우 우수한 효과를 얻을 수 있음을 보여준다. 특히 중요한 것은 R0.05에서 현저히 큰 증가(40%)를 보인다는 것이다. 이것은 가소화 되지 않고 스프링이 얼마만큼 하중을 지탱할 수 있는지를 나타내는 탄성한계와 깊은 연관이 있는 값이다. R0.05에서 이러한 증가로 인하여 이 재료로 만들어진 스프링을 더 넓은 가공분야에 이용할 수 있다. 특히 흥미를 끄는 것은 AISI 304와 AISI 305에서 인장강도가 조금 증가한다는 사실이다. 경험상으로 인장강도는 피로강도와 아주 밀접한 관계가 있는 값이므로 기본적으로 불리한 것이다.

본 발명에 따른 물질에 있어서 고강도를 보이며 낮은 투자율을 보일, 즉 투자율이 1에 근접할 필요가 있다. 표 6은 75% 냉간축소와 450

에서 2시간동안의 어닐링 처리후 각종 합금에 대한 투자율을 장의 세기에 따라 나타내었다.

표 6은 본 발명 합금을 냉간가공과 석출경화시켜 강도가 1800, 특히 1900

를 초과하면서 반면에 투자율은 1.05이하의 매우 낮은 값을 유지하도록 하는 일이 가능함을 보여준다.

본 발명의 조성범위를 벗어난 기준합금과 또한 기준량 AISI 304 및 AISI 305는 모두 오스테나이트에서 불안정하며 또한 합금 866, 872 및 AISI 304는 고강도에서 비-자성으로 나타나지만 가공경화도가 불충분하며 한편 합금 AISI 305는 우수한 스프링 재료로서 충분한 기계적 강도를 지니고 있다.

침전 경화용 원소인 실리콘의 효과는 Si 를 제외하고, 상응하는 조성으로 된 합금 880과 881에서 명백하다. 후자는 Si의 함량이 크고 동일한 축소율과 열처리에서 Si 함량이 낮은 합금880과 비교할 때 약 200N/

이상의 더 큰 인장강도를 갖는 것으로 나타났다.

Claims (7)

1. 

   

   나머지는 철과 불순물로 된 조성으로서 원소함량이 균형을 이루어서 그 결과 70% 이상의 두께 축소를 가져오는 망간 가공에서도 마르텐사이트로 변태에 대해 오스테나이트상이 안정하게 유지됨을 특징으로 하는 고강도의 비-자성 스테인레스강(steel)
2. 제1항에 있어서, Cr-함량이 16-19%인 것을 특징으로 하는 강.
3. 제1항에 있어서, Ni-함량이 8-10%인 것을 특징으로 하는 강.
4. 제1항에 있어서, C-함량이 0.04-0.15%인 것을 특징으로 하는 강.
5. 제1항에 있어서, Si-함량이 3.0-5.0%인 것을 특징으로 하는 강.
6. 제1항에 있어서, N-함량이 0.15-0.45%임을 특징으로 하는 강.
7. 제1항에 있어서, Mn-함량이 3.5-5.5%인 것을 특징으로 하는 강.