KR100244374B1 - 기계가공이 자유로운 오스테나이트계 스테인레스강 - Google Patents

Abstract

특히 냉간 가공된 상태에서 독특하게 조합된 기계 가공성과 저투자율을 가진 오스테나이트계 스테인레스강 합금은 대략적인 중량%로 C : 최대 0.035, Mn : 1.0-2.0, Si : 최대 1.0, P : 최대 0.2, S : 0.15-0.45, Cr : 16.0-20.0, Ni : 9.2-12.0, Mo : 최대 1.5, Cu : 0.8-2.0, N : 최대 0.035, Se : 최대 0.1, 그리고 나머지는 주로 철이 필수 성분으로 이루어진 것으로 개시되어 있다. 바람직한 조성은 최대 0.01%의 C, 9.5%-12.0%의 Ni, 그리고 0.5%-2.0%의 Cu를 함유하고 있다.

Description

기계 가공이 자유로운 오스테나이트계 스테인레스강

일반적으로, 스테인레스강은 탄소강과 저합금강보다 기계 가공이 더욱 어려운데, 그 이유는 스테인레스강은 탄소강과 저합금강에 비해 강도가 높고, 가공 경화 속도가 빠르기 때문이다. 따라서, 공지된 스테인레스강들을 기계 가공하기 위해서는 탄소강 및 저합금강을 기계 가공하는 기계보다 더 강력한 기계들을 사용하고, 기계 가공 속도를 느리게 할 필요가 있다. 또한, 공지된 스테인레스강들을 가공할 경우에 기계 가공 공구의 유효 수명이 빈번하게 짧아진다.

공지된 스테인레스강을 기계 가공하는 데 따른 어려움을 극복하기 위해서, 황, 셀레늄, 인 또는 납과 같은 원소들을 첨가하여 스테인레스강들의 품질이 일부 변형되었다. 예컨대, AISI형 303 스테인레스강은 조성이 중량%로 아래와 같은 재황화 처리된 오스테나이트계 스테인레스강이다.

중량%

C 최대 0.15

Mn 최대 2.00

Si 최대 1.00

P 최대 0.20

S 최소 0.15

Cr 17.0∼19.0

Ni 8.0∼10.0

Fe 나머지

AISI형 303 스테인레스강은 우수한 내식성과 결합하여, 우수한 기계 가공성 및 비자성 거동을 필요로 하는 용도에 유용한 것으로 알려져 있다. 그러나, 특히 자동 나사 절삭기에서와 같은 제조형 기계 가공 작업(production-type machining operation) 환경에서는 AISI형 303 스테인레스강 보다 현저하게 우수한 기계 가공성을 가진 오스테나이트계 스테인레스강에 대한 필요성이 생겼다.

Eckenrod 등의 명의로 된 미국 특허 제4,784,828호는 재황화 처리된 Cr-Ni오스테나이트계 스테인레스강에 관한 것이며, 이 스테인레스강에서 탄소와 질소를 합한 총량은 최대 0.065 w/o으로 제한되어 있다. 상기 특허에 제시된 데이타는 제한된 양의 탄소와 질소로 인해, 단기간의 실험실 시험에서 합금이 향상된 기계 가공성을 제공한다는 것을 나타내는 것처럼 보인다. 그러나, 상기 특허 제4,784,828호에 개시된 합금은 자동 나사 절삭기에서 직면하게 되는 바와 같은 제조형 기계 가공 조건하에서 바람직한 기계 가공성이 없다는 것이 밝혀졌다. 또한, 상기 특허 제4,784,828호에서 교시하는 바와 같이, 탄소 및 질소가 감소된 오스테나이트계 스테인레스강은 냉간 인발 상태(cold drawn condition)에서 바람직하지 못한 고투자율을 나타낸다.

전술한 사항을 고려하면, 공지된 오스테나이트계 스테인레스강들에 의해 제공되는 것보다 더 양호한 투자율과 기계 가공성의 조합을 제공하는 오스테나이트계 스테인레스강을 얻는 것은 매우 바람직하다.

본 발명은 오스테나이트계 스테인레스강 합금에 관한 것으로, 특히 냉간 가공된 상태에서 독특하게 조합된 내식성, 가공성이 있으며, 투자율이 낮은 재황화 처리된 오스테나이트계 스테인레스강 합금 및 그 제품에 관한 것이다.

공지된 오스테나이트계 스테인레스강 합금들과 관련된 문제점들은 본 발명에 따른 합금에 의해 상당한 정도까지 해결된다. 본 발명에 따른 합금은 특히 냉간 가공된 상태에서 저투자율을 유지하면서도, AISI형 303 합금에 비해 기계 가공성이 개선된 오스테나이트계 스테인레스강 합금이다.

본 발명의 오스테나이트계 스테인레스강에 대한 넓은 조성 범위, 중간 조성 범위, 그리고 양호한 조성 범위는 중량% 단위로 다음과 같다.

넓은 것 중간 것 양호한 것 A 양호한 것 B

C 최대 0.035 최대 0.030 최대 0.025 최대 0.01

Mn 1.0-2.0 1.0-2.0 1.0-2.0 1.0-2.0

Si 최대 1.0 최대 0.5 최대 0.5 최대 0.5

P 최대 0.2 최대 0.1 최대 0.1 최대 0.1

S 0.15-0.45 0.15-0.45 0.25-0.45 0.25-0.45

Cr 16.0-20.0 17.0-19.0 17.0-19.0 17.0-19.0

Ni 9.2-12.0 9.2-11.0 9.2-10.0 9.5-12.0

Mo 최대 1.5 최대 0.75 최대 0.75 최대 0.75

Cu 0.8-2.0 0.8-2.0 0.8-1.0 0.5-2.0

N 최대 0.035 최대 0.030 최대 0.025 최대 0.035

Se 최대 0.1 최대 0.05 최대 0.05 최대 0.05

합금의 나머지 성분은 상기 강들의 상업적인 등급에서 발견되는 통상의 불순물들과, 수천분의 1 %부터 상기 합금에 의해 제공된 필요한 특성의 조합을 부당하게 손상시키지 않는 정도의 많은 양까지 변할 수 있는 소량의 첨가 원소를 제외하면 주로 철 성분이다.

전술한 도표는 일반적으로 편의상 요약한 것이며, 이에 의해 상호 결합하여 사용할 목적으로 본 발명의 합금 원소의 각각의 범위에 대하여 더 낮은 값과 더 높은 값을 제한하거나, 단지 상호 결합만하여 사용할 목적으로 원소들의 범위를 제한하려는 의도는 없다. 따라서, 넓은 조성의 하나 이상의 원소 범위는 양호한 조성에서의 나머지 원소에 대한 하나 이상의 그 밖의 범위들과 함께 사용될 수 있다. 또한, 바람직한 실시예 중 하나의 원소에 대한 최소 및 최대는 또 다른 바람직한 실시예의 원소에 대한 최소 및 최대와 함께 사용될 수 있다. 본 명세서 전체를 통해, 달리 지시하는 바가 없는 한, 퍼센트(%)는 중량 %를 의미한다.

본 발명에 따른 합금에 있어서, 이 합금의 기계 가공성에 유리하도록, 탄소와 질소는 각각 약 0.035 w/o 이하, 더욱 양호하게는 약 0.030 w/o 이하로 제한된다. 탄소와 질소가 각각 약 0.025 w/o 이하로 제한되는 경우에 좋은 결과를 얻는다. 가장 우수한 기계 가공성을 위해, 탄소는 약 0.01 w/o 이하로 제한된다. 그러나, 그와 같은 소량의 탄소와 질소에 의해 오스테나이트의 미세 조직의 안정성이 감소되고, 합금을 냉간 가공했을 경우에 투자율이 증가하게 된다.

니켈과 구리는 합금에서의 탄소와 질소의 제한된 양에 기인하여 투자율에 미치는 악영향을 적어도 부분적으로 상쇄시키기 위해 본 합금 중에 함유되어 있다. 니켈과 구리는 오스테나이트의 형성을 촉진하고 합금의 기계 가공성을 유리하게 하기 때문에, 본 합금 중에도 함유되어 있다. 따라서, 적어도 약 9.2 w/o 니켈 및 적어도 약 0.8 w/o 구리가 본 합금 중에 함유되어 있다. 0.01 w/o 이하의 탄소가 함유되어 있는 경우, 합금은 적어도 약 9.5 w/o 니켈과 적어도 약 0.5 w/o 구리를 함유하는 것이 바람직하다.

너무 많은 니켈 및/또는 구리는 본 합금의 열간 가공성에 악영향을 미친다. 또한, 많은 양의 니켈과 구리로부터 실현되는 이득은 합금 속의 그러한 원소들을 첨가시키는 데 따른 추가 비용에 비례하지 않는다. 그러므로, 니켈은 약 12.0 w/o 이하로, 바람직하게는 약 11.0 w/o 이하로 제한된다. 니켈이 약 10.0 w/o 이하로 제한되는 경우에 가장 좋은 결과를 얻게 된다. 구리는 약 2.0 w/o 이하로, 바람직하게는 약 1.0 w/o 이하로 제한된다.

본 발명에 따른 합금에 있어서, C, N, Ni 및 Cu 원소는 본 합금의 특징인 독특하게 조합된 기계 가공성 및 저투자율을 제공하는 것을 보장하도록 그 조성이 조절된다. 이로 인해, C 및 N은 각각 (% Ni ＋ 2(% Cu)-5)/175 라는 값을 초과하지 않도록 제한되는 경우에 가장 좋은 결과를 얻게 된다.

황이 기계 가공성에 미치는 유리한 효과 때문에, 적어도 약 0.15 w/o의 황, 훨씬 양호하게는 적어도 약 0.25 w/o의 황이 본 합금 중에 함유된다. 그러나, 황이 너무 많으면 본 합금의 가공성에 손상을 주기 때문에, 황의 함량은 약 0.45 w/o이하로 제한되는 것이 바람직하다. 또한, 약 0.30 w/o 이상의 황은 본 합금으로부터 기계 가공되는 부품들의 표면 마무리 가공 품질에 악영향을 미친다. 따라서, 고품질의 표면 마무리 가공을 필요로 하는 용도의 경우에, 황 함량은 약 0.30 w/o 이하로 제한된다.

적어도 약 1.0 w/o의 망간이 기계 가공성을 유리하게 하는 고농도의 망간 황화물(manganese-rich sulfide)의 형성을 촉진하도록 함유된다. 망간의 함량이 너무 많으면 내식성이 손상되기 때문에, 망간은 약 4.0 w/o 이하로, 바람직하게는 약 2.0 w/o 이하로 제한된다.

적어도 약 16.0 w/o의 크롬, 바람직하게는 적어도 약 17.0 w/o의 크롬이, 합금이 냉간 가공되는 경우에 저투자율을 유지하는 데 기여하고 합금의 통상적인 내식성을 향상시키기 위해 합금 중에 함유된다. 크롬이 너무 많으면 페라이트가 형성될 수 있기 때문에, 크롬은 약 20.0 w/o 이하로, 바람직하게는 약 19.0 w/o 이하로 제한된다.

약 1.0 w/o 까지의 규소가 용융 과정에서의 탈산 첨가제로 인해 합금 중에 함유되어 있을 수 있다. 규소는 약 0.5 w/o 이하로 제한되는 것이 바람직한데, 그 이유는 규소가 특히 본 합금 중에 함유되어 있는 매우 적은 탄소 및 질소와 함께 페라이트의 형성을 강력하게 촉진하기 때문이다.

약 1.5 w/o 까지의 몰리브덴이 내식성을 향상시키기 위해 합금 중에 함유될 수 있다. 그러나, 몰리브덴도 역시 페라이트 형성을 촉진하기 때문에 약 0.75 w/o 이하로 제한되는 것이 바람직하다.

약 0.2 w/o 까지의 인이 본 합금으로부터 기계 가공되는 부품의 표면 마무리 가공 품질을 개선하기 위해 합금 중에 함유될 수 있다. 인은 약 0.1w/o 이하로 제한되는 것이 바람직한데, 그 이유는 인은 취성을 일으키는 경향이 있고, 기계 공구 수명으로 측정되는 본 합금의 기계 가공성에 악영향을 미치기 때문이다.

약 0.1w/o 까지, 그러나 바람직하게는 약 0.05w/o 이하의 셀레늄(selenium)이 황화물 형성 제어 원소로서 기계 가공성에 미치는 유리한 효과로 인해 본 합금중에 함유될 수 있다.

약 0.01w/o 까지의 칼슘이 탄화물 절단 공구들을 이용할 경우의 합금의 기계 가공성을 유리하게 하는 칼슘-알루미늄-규산염의 형성을 촉진하도록 본 합금 중에 함유될 수 있다.

약 0.0005∼0.01w/o의 소량이지만 효과적인 양의 붕소가 열간 가공성에 대한 유리한 효과 때문에 본 합금 중에 함유될 수 있다.

본 발명의 합금을 용융, 주조, 또는 기계 가공할 때, 어떤 특별한 기법도 필요없다. 아르곤-산소 탈탄 처리가 수반되는 아크 용융법은 용융하고 정제하는 방법으로 바람직하지만, 다른 기법이 이용될 수 있다. 또한, 본 합금은, 필요한 경우 분말 야금 기법을 이용하여 제조될 수 있다. 본 합금은 또한 연속 주조 기법에도 적합하다.

본 발명의 합금은 광범위한 용도에 대해 다양한 형상으로 성형될 수 있고, 종래의 기법을 이용하여 빌레트(billet), 바아(bar), 막대(rod), 와이어(wire), 스트립(strip), 플레이트(plate) 또는 시이트(sheet)로 성형될 수 있다.

본 발명의 합금은 광범위한 용도에 유용하다. 합금의 탁월한 기계 가공성으로 인하여 부품의 기계 가공을 필요로 하는 용도, 특히 자동화된 기계 가공 장치를 이용하는 용도에 이 합금이 이용된다. 또한, 합금의 저투자율로 인하여, 컴퓨터 구성 요소에서와 같은 자기 간섭(magnetic interference)이 허용될 수 없는 용도에 상기 합금이 유리하다.

본 합금에 의해 제공된 독특하게 조합된 특성을 보이기 위하여, 표 1에 도시된 중량%의 조성을 갖는 본 발명의 합금의 실시예 1 내지 실시예 4가 마련되었다. 비교의 목적상, 본 발명의 범위에 속하지 않는 조성을 갖는 비교례로서의 작업량(Heat) A 내지 E도 마련되었다. 또한, 표 1에는 이들의 중량 %를 생략하여 제시되어 있다.

합금 A는 대표적인 AISI형 303 합금이다.

합금 B는 Eckenrod 등의 명의로 된 특허에 개시된 대표적인 합금이고, 특히 Eckenrod 특허의 표 I에서의 1회분 작업량 V569와 현저하게 다르지 않다. 합금 C는 구리가 불충분하므로, 본 발명의 합금의 범위에 속하지 않는다. 합금 D와 합금 E는 본 발명의 합금의 바람직한 조성중 하나에 비해 구리가 현저하게 적고, 합금 A보다 니켈이 더 많은 AISI형 303 합금들이다.

실시예 1 내지 실시예 4, 그리고 비교례인 1회분 작업량 A 내지 E는 아르곤 분위기 하에서 용융되었고, 7.5인치(190.5mm)의 정사각형 잉곳들로 주조되었던 4001b의 1회분 작업량들로부터 마련되었다. 이 잉곳들은 2300℉(1260℃)의 온도로부터 4인치(101.6mm)의 정사각형 빌레트로 가압되었다. 이 빌레트들은 표면 결함을 제거하기 위해 연마되었고, 끝부분은 절단 제거되었다. 이 빌레트들은 2350℉(1290℃)의 온도로부터 열간 압연하여 0.719인치(18.3mm) 직경의 바아로 기계 가공되었고, 약 12 피트(365.8cm)의 길이로 절단되었다. 상기 둥근 바아들은 표면 결함을 제거하기 위해 0.668인치(17.0mm)의 직경으로 바뀌어졌고, 냉간 인발용으로 뾰족하게 되었다. 상기 둥근 바아들은 1950℉(1065℃)의 온도에서 0.5시간(30분)동안 풀림 처리되었고, 물로 담금질 처리되었다. 이 풀림 처리된 바아들은 0.637인치(16.2mm)로 냉간 인발되어 교정되었고, 이후 0.625인치(15.9mm)로 연마되었다.

기계 가공성을 평가하기 위해, 실시예 1 내지 실시예 4, 그리고 비교례의 작업량 A 내지 E는 자동 나사 절삭기에서 시험되었다. 제1 형태의 공구로 0.625인치(15.9mm) 직경의 바아를 187-189 sfpm의 속도로 기계 가공하여 소직경 0.392인치(10.0mm)와 대직경 0.545인치(13.8mm)로 정해지는 표면 형상을 갖는 부품을 제공하는 데 사용되었다. 이후 대직경은 제2 형태의 공구, 즉 마무리 가공형 공구를 이용하여 0.530인치(13.5mm) 직경으로 마무리 가공된다. 기계 가공 공정에 의한 제1 형태의 공구에 발생한 점진적인 마모(gradual wear)의 결과로서, 기계 가공 부품의 소직경이 차츰 증가한다. 시험은 기계 가공된 부품의 소직경에서의 0.003인치(0.076mm) 증가가 관찰되었을 때에 종료되었다. 현저하게 많은 수의 부품들이 기계 가공된 경우에, 기계 가공성이 기본 재료에 비하여 개선되었다는 것이 증명된다.

기계 가공성 시험의 결과는 표 2에 기계 가공된 부품의 수(부품수)로서 나타나 있다. 시험된 각각의 조성에 대한 니켈, 구리, 탄소 및 질소의 중량 %는 참조상의 편의를 위해 표 2에 포함되어 있다. 또한, 표 2에는, 세브론 게이지(Severn Gage)에 의해 냉간 인발된 바아들의 표면에서 얻은 것으로서 투자율(μ)에 대한 조성 범위의 한계가 나타나 있다. 실시예 3 및 실시예 4의 중량 % 조성은 작업량 D 및 E의 중량% 조성과 같이, 본질적으로 동일하기 때문에, 상기 실시예들/작업량에 대한 시험 결과는 실시예 또는 작업량의 수에 의한 것보다는 화학적으로 그룹지어 진다.

표 2의 데이터는 작업량 A 내지 E에 비해서 실시예 1 내지 실시예 4의 기계 가공성이 우수하다는 것을 명료하게 나타내고 있다. 더욱이, 표 2의 데이타는 실시예 1 내지 실시예 4는, 작업량 A로 예시된 AISI형 303 합금의 공칭 조성의 특징인 양호한 낮은 투자율도 제공한다는 것을 보여준다. 요약하면, 표 2의 데이터는 본 발명에 따른 합금에 의해 제공된 저투자율 및 기계 가공성의 독특한 조합이라는 것을 보여준다.

본 명세서에 사용된 용어와 표현은 제한이 아닌 설명상의 용어로서 사용되었다. 그와 같은 용어나 표현을 사용함에 있어서 기재된 특징의 어떤 균등물 또는 어떤 부분들을 배제하기 위한 의도는 전혀 없다. 그러나 청구된 본 발명의 범위내에서 다양한 변형이 가능함을 알 수 있다.

Claims (17)

1. 가공성이 양호하고 투자율이 낮은 오스테나이트계 스테인레스강 합금으로서, 중량 %로,

   C 최대 0.030

   Mn 1.0-2.0

   Si 최대 1.0

   P 최대 0.2

   S 0.15-0.45

   Cr 16.0-20.0

   Ni 9.2-12.0

   Mo 최대 1.5

   Cu 0.79-1.0

   N 최대 0.035

   Se 최대 0.1

   을 함유하고, 나머지 성분은 주로 철인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
2. 제1항에 있어서, 질소가 0.030 w/o 이하로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
3. 제1항에 있어서, 탄소가 0.025 w/o 이하로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
4. 제1항에 있어서, 탄소가 0.02 w/o 이하로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
5. 제1항에 있어서, 니켈이 11.0 w/o 까지 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
6. 가공성이 양호하고 투자율이 낮은 오스테나이트계 스테인레스강 합금으로서, 중량 %로

   C 최대 0.030

   Mn 1.0-2.0

   Si 최대 1.0

   P 최대 0.1

   S 0.15-0.45

   Cr 17.0-19.0

   Ni 9.2-11.0

   Mo 최대 0.75

   Cu 0.79-1.0

   N 최대 0.030

   Se 최대 0.05

   을 함유하고, 나머지 성분은 주로 철인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
7. 제6항에 있어서, 탄소와 질소가 각각 0.025 w/o 이하로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
8. 제6항에 있어서, 탄소가 0.02 w/o 이하로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
9. 제6항에 있어서, 니켈이 10.0 w/o 까지 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
10. 가공성이 양호하고 투자율이 낮은 오스테나이트계 스테인레스강 합금으로서, 중량 %로

    C 최대 0.025

    Mn 1.0-2.0

    Si 최대 1.0

    P 최대 0.1

    S 0.25-0.45

    Cr 17.0-19.0

    Ni 9.2-10.0

    Mo 최대 0.75

    Cu 0.79-1.0

    N 최대 0.025

    Se 최대 0.05

    을 함유하고, 나머지 성분은 주로 철인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
11. 제10항에 있어서, 탄소가 0.02 w/o 이하로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
12. 제10항에 있어서, 니켈이 9.5 w/o 이상 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
13. 가공성이 양호하고 투자율이 낮은 오스테나이트계 스테인레스강 합금으로서, 중량%로

    C 최대 0.01

    Mn 1.0-2.0

    Si 최대 0.5

    P 최대 0.1

    S 0.25-0.45

    Cr 17.0-19.0

    Ni 9.2-12.0

    Mo 최대 0.75

    Cu 0.46-1.0

    N 최대 0.035

    Se 최대 0.05

    을 함유하고, 나머지 성분은 주로 철인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
14. 제13항에 있어서, 질소가 0.030 w/o 이하로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
15. 제14항에 있어서, 질소가 0.025 w/o 이하로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
16. 제13항에 있어서, 니켈이 10.0 w/o 이하로 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.
17. 제13항에 있어서, 구리가 0.8 w/o 이상 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 스테인레스강 합금.