KR100340544B1 - 페라이트계스테인레스강의열간변형저항예측방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 페라이트계 스테인레스강의 열간압연시 압연하중을 정확히 예측하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적달성을 위한 본 발명은 페라이트 스테인레스강을 목적으로 하는 두께의 판재로 열간압연하는데 필요한 평균열간 변형저항을 예측하는데 있어서 Cr 함유량에 따라 활성화 에너지, QCR를 구하여 Z =
Figure pat00001
·exp(QCR/RT)로 부터 구한 Z값을 이용하여 정상상태의 변형응력,
Figure pat00002
, 변령량 10% 에서의 변형응력,
Figure pat00003
, 변형초기의 응력
Figure pat00004
를 구한 다음, 임의의 변형율(ε)에서의 평균저항을

Description

페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항 예측방법{A method for predicting hot deformation resistance in ferritic stainless steels}
본 발명은 페라이트계 스테인레스강의 열간압연시 압연하중을 정확히 예측하기 위한 방법에 관한 것이다.
스테인레스강의 열간압연은 고온에서 빠른 변형속도(
Figure pat00006
)로 이루어지기 때문에 냉간압연에 비해 재료의 조직변화와 상변태가 크게 일어난다. 따라서 스테인레스 강의 표면, 형상 및 기계적 성질 등은 변형온도, 변형량 및 변형속도, 변형저항 등과 같은 열간가공 변수에 크게 영향을 받는다.
상기 열간가공변수 중 변형저항이란 재료를 소성변형시킬 때 변형에 따른 유동응력을 의미하며, 고온에서의 유동응력을 열간 변형저항이라고 한다. 열간 변형저항은 설비의 기계적, 전기적 용량을 설계하거나 주어진 용량에서 어느 정도의 고온변형이 가능한지를 판단하는데 중요한 자료가 된다.
더욱이 열간압연 공정에 있어서 소재의 두께는 중요한 관리 목표이며, 원하는 두께로 만들어 주는 것은 사상압연 공정의 주요 기능중 하나이다.
목표두께를 얻기 위한 사상 압연 모델로는 소재의 선단부가 압연될 때 각 압연기에서 적절한 롤 갭과 압연하중을 설정하는 설정 모델과 선단부의 실적을 이용하여 선단 이후에 대해 편차를 제어하는 제어모델이 있다.
선단부 이후에 대해 편차를 제어하는 모델은 이미 상당한 제어 정도를 갖고 있어 선단부를 제외한 부분에 대해서는 소재 두께 목표이와 실측치의 차가 50㎛내에 적중하는 비율이 약 95%에 이르는 것으로 알려져 있으나, 선단부에 있어서는 각 압연기의 적절한 롤 갭과 압연하중을 설정하는 모델에 의해서 소재의 두께가 좌우되기 때문에 설정 모델이 중요한 의미를 갖는다.
특히 페라이트계 스테인레스강은 열간압연온도역에서 페라이트와 오스테나이트가 공존하므로써 고온변형거동 및 동/정적 복구과정이 매우 다르기 때문에 2상 공존영역에서의 변형저항 예측이 정확히 이루어지지 않으면 소재의 두께제어 정도가 저하된다. 이에따라 우수한 예측정도를 지닌 열간 압연하중 예측방법에 대한 전세계적인 많은 시도가 있어 왔고, 이에 대한 다수의 연구결과가 공지되어 있다.
그러나, 기 공지된 대부분의 예측방법에 관한 기술은 열간압연역이 고온임으로 인해서 소재가 오스테나이트 조직의 상태에서 에측하는 방법에 관한 것이며 페라이트계 스테인레스 강과 같이 열간압연 역에서 오스테나이트 및 페라이트의 2상으로 존재하는 경우에 열간압연하중을 예측하는 방법에 관한 기술적 자료는 그다지 많지 않다.
그중에 몇가지를 예시하면, 먼저 유럽 특허 EP 45958-A2 (82년 2월 17일) 및 일본 특허 공고 제91-031521 호 등을 열거할 수 있다. 유럽 특허 EP 45958-A2호는 페라이트계 스테인레스 강의 가공성을 개선하기 위한 압연방법에 관한 것으로서 1150-900℃의 온도범위에서 적어도 80% 이상의 총압하율로 압연을 하므로써 소둔공정을 생략할 수 있음을 제시하고 있다.
본 발명과 게통을 같이하는 선행기수로는 일본 특허 공고 제 91-031521 호를 열거할 수 있다. 이 방법의 기술적 요지는, 열간압연온도가 통상보다 낮은 경우 오스테나이트로 부터 페라이트의 변태가 일어나기 때문에 변형저항의 급격한 변화가 일어나고 따라서 압연하중이 크게 변화하기 때문에 이를 정확히 예측하는 방법을 제시하고 있다. 그러나, 이 방법은 일반탄소강에서 일어나는 금속 조직학적 현상을 해석하여 열간압연 하중 에측방법을 규명한 것으로서 페라이트계 스테인레스 강과 같이 동일한 온도에서 오스테나이트와 페라이트가 공존하는 경우에 대한 압연하중 예측에 적용하기에는 무리가 있다.
따라서, 본 발명은 페라이트계 스테인레스강에 관한 금속야금학적 현상에 기초한 변형저항 거동을 규명하여 열간압연하중을 정확히 예측할 수 있는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 페라이트계 스테인레스강중 Cr 함량과 열간압연온도에 따른 오스테나이트 분율의 변화를 보이는 그래프
도 2는 페라이트계 스테인레스강중 Cr 함량과 변형에 필요한 활성화에너지의 관계를 보이는 그래프
도 3은 페라이트계 스테인레스강의 압연하중 실측치에 대한 본 발명의 예측치와 종래방법에 의한 예측치의 편차정도를 비교한 그래프
상기 목적달성을 위한 본 발명은 페라이트계 스테인레스강을 열간압연하는 방법에 있어서, 임의의 페라이트계 스테인레스강의 Cr 함량에 따른 활성화에너지(QCR)의 상관관계를 실험적으로 구하는 단계;
예측하고자 하는 페라이트계 스테인레스강의 Cr 함량을 분석하고, 상기에서 구한 상관관계식에 대입하여 Cr 함량에 따른 활성화에너지(QCR)을 계산한 다음, 이 계산치를 이용하여 일정 압연온도(T), 일정변형속도(
Figure pat00007
)에서의 Z값을 수학식1으로 부터 구하는 단계;
Figure pat00008
상기 Z값을 기초로 상기 페라이트계 스테인레스강의 변형량이 1%일때인 초기변형응력( sigma SUB { 0.01 } ), 변형량이 10% 일때의 변형응력( sigma SUB { 0.1 } )과 정상상태일때의 변형응력( sigma SUB { e } )을 각각 수학식 2내지 수학식 4와 같이 구하는 단계; 및
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
상기 sigma SUB { 0.01 } ,sigma SUB { 0.1 } 및 sigma SUB { e } 값으로 부터 임의의 변형량(ε)에서의 평균변형저항(Km) 을 다음식과 같이 구하는 단계;
Figure pat00012
를 포함하여 구성되는 페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항 예측방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 페라이트계 스테인레스강을 열간압연시 Cr 함유량의 차이 및 열간압연 온도의 변화에 따라 오스테나이트 및 페라이트의 구성 분율이 변화하고 이에 따라 열간압연하중이 달라지기 때문에 압연온도(T), 변형속도(
Figure pat00013
), 변형량(ε), 및 유동응력(σ)에 따라 거동의 차이를 조사하고 또한 이들 변수들의 관계를 정량화하여 임의의 변형량에서의 압연하중을 예측하는 모델을 제공한다.
보통, 페라이트게 스테인레스강에 있어 성분의 변화, 특히 Cr 함량의 변화에 따라서 열간에서의 오스테나이트/페라이트의 구성분율이 변화하기 때문에 평균 열간변형저항 역시 변화하여 압연하중의 변화가 초래된다. 따라서 열간압연을 하는 시점에서의 오스테나이트/페라이트의 구성비를 정확히 파악하여야 하는 문제가 남게 된다.
도 1에 나타낸 바와같이, Cr 함량변화에 따른 오스테나이트의 분율을 구한 결과, Cr 양이 증가함에 따라서 오스테나이트가 점차 감소하면서 페라이트가 증가하는 것을 알 수 있다. 구체적으로 Cr 첨가 페라이트계 스테인레스 강은 오스테나이트 루프(loop)가 형성되는데 약 850℃이하에서 Cr함량에 관계없이 오스테나이트 상이 소멸되고 페라이트 상으로 된다. 동일한 변형 온도에서 Cr 함유량 증가에 따라 오스테나이트의 분율은 감소하고 오스테나이트 루프 곡선의 nose 는 약 1000℃에서 나타나고 있다.
본 발명에서는 Cr 함량의 변화 및 열간압연 온도의 변화에 따른 평균 변형저항의 변화를 분석한 결과, 이와같은 변화를 변형에 필요한 활성화에너지(QCR)의 변화로 정리할 수 있었다. 도 2는 페라이트계 스테인레스강의 변형에 필요한 활성화 에너지에 미치는 Cr 함량의 영향을 나타낸 것으로 Cr 함량 증가에 따라 직선적으로 활성화에너지는 감소하는 것으로 나타나고 있다.
Q SUB { CR } ~=~521168~-~12480~x~(Cr%)~
이같은 감소는 Cr 함량 증가에 따라 열간 변형 온도역에서의 오스테나이트 분율이 감소하기 때문에 기인한다. 따라서 페라이트계 스테인레스 강에 있어 Cr 함량을 대입하여 이에 상응하는 활성화 에너지를 구할 수 있다.
예측하고자 하는 페라이트계 스테인레스강의 Cr 함량을 분석하고, 상기(6)식과 같은 상관관계식에 대입하여 Cr함량에 따른 활성화 에너지(QCR)을 계산한 다음, 열간압연온도 및 일정변형속도(
Figure pat00014
)에서의 Z 값을 수학식 1으로부터 계산한다.
Z =
Figure pat00015
exp (QCR/RT)
한편, 고온 유동응력이 온도 및 변형속도에 의존한다는 사실은 고온변형이 열적활성화 과정에 의해 지배됨을 의미하며, 따라서 열간변형저항은 변형량 뿐만 아니라 변형속도, 변형온도에 의한 함수로써 표시된다. 그러나, 종래방법에 의하면 응력과 변형의 관계를 알 수 없는 단점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 임의의 3개의 점으로 부터 응력-변형 곡선을 유도한다. 상기 임의의 3개의 점에 대응하는 응력, 즉 변형량이 1%일때인 초기 변형응력( sigma SUB { 0.01 } ), 변형량이 10% 일때의 변형응력( sigma SUB { 0.1 } )과 정상상태일 때의 변형응력( sigma SUB { e } )를 상기 Z 값을 기초로 각각 수학식 2내지 수학식 4와 같이 구하면 응력-변형곡선을 얻을 수 있다.
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
이와 같이 임의의 열간압연 조건에서 유동응력을 예측한 후 다음의 방법으로 임의의 변형량(ε)에서의 평균 변형 저항을 계산한다.
Figure pat00019
여기서,
Figure pat00020
의 값은 열간압연 공정에서 사용되는 평면변형(plane srtain)값으로 치환시키기 위한 상수다.
이와같이 유동응력을 정확히 구하면 열간압연 하중 예측을 정확히 할 수 있는데, 열간 압연 하중 예측식의 구성은 아래와 같은 형태로 되어 있다.
압연하중(R.F.)~=~Km·B·L SUB { d } ·Q SUB { P } ~
여기서, Km : 평균 변형저항(kg/㎟)
B : 판 폭(mm)
Ld: 투영 접촉장(mm)
Qp: 압하율의 기하학적 상수
따라서 위 식에서 사용되는 각 변수의 값 중 평균 변형저항을 제외한 다른 인자들은 압연에 투입되는 소재의 크기에 관련된 값으로 소재의 평균변형 저항을 정확히 예측하므로서 압연하중을 정확히 예측할 수 있음을 알 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통해 구체적으로 설명한다.
실시예
다음에 발명의 구성 및 작용에 대해서 실시예를 통해서 설명키로 하겠다. 표 1에 나타낸 바와같은 화학성분을 지닌 페라이트계 스테인레스강을 용해하여 슬라브로 제조하였다.
페라이트계 스테인레스 강의 화학성분
강종 C Si Mn P S Cr Ni Al Cu Mo Ti B N
1 0.053 0.28 0.36 0.003 0.003 15.3 0.04 tr, 0.063 tr. tr. 0.002 0.038
2 0.051 0.27 0.36 0.021 0.001 16.2 0.02 tr. 0.06 tr. tr. 0.002 0.03
3 0.053 0.29 0.34 0.002 0.003 17.5 0.03 tr. 0.062 tr. tr. 0.003 0.039
제조된 페라이트계 스테인레스 강에 있어 Cr 함량의 변화에 따른 오스테나이트의 분율 변화 및 활성화에너지의 변화를 각각 도1 및 도 2에 나타내었다. 페라이트계 스테인레스강에 있어 변형저항과 공정 변수와 관계를 Cr 함량에 의한 관계로 단일화시키면, 수학식 6,
QCR= 521168 - 12480 x (Cr%)
과 같이 표현된다. 또한 도 2로부터 구한 변형에 필요한 활성화에너지는 1강의 경우, 330.3kJ/mol, 2강의 경우, 319.3kJ/mol, 3강의 경우, 303.2kJ/mol로 나타났다. 즉, Cr 함량에 따라 활성화에너지는 직선적인 변화를 나타내고 있음을 알 수 있는데, Cr 함량의 증가에 따라 열간변형 온도역에서 오스테나이트의 분율이 감소하고 이에 따라 변형에 요구되는 활성화 에너지는 감소하는 것이다.
이후, 열간압연함에 있어 기존의 압연하중 예측식에 의한 예측 하중과 본 발명식에 의한 예측하중 및 실측하중을 상호 비교하였다. 본 발명의 경우 상기에서 구한 수식들을 이용하여 열연 공장에서 생산된 페라이트계 스테인레스 강에 대한 수식 검증을 하였다. 이때 사용된 코일은 75개 코일이었다.
도 3은 실측치와 예측치 간의 상관성을 도시한 것이다. 여기서 실측치라 함은 열연공장에서 생산된 코일에 대한 압연하중 결과로부터 그 때의 공정변수를 사용하여 평균 변형 저항을 역산한 것으로 수식 모델에 의한 설정값이 아니다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와같이 기존의 수식에 의한 편차는 매우 크게 나타나고 있는데 비하여 본 발명식에 의한 예측치와 실측치간에 매우 우수한 상관관계를 나타내고 있으며 실측치와 예측치간의 편차도 ±2.5kg/㎟이내임을 알 수 있다.
이과 같이 본 발명 수식을 사용하여 열간압연하는 경우, 페라이트계 스테인레스 강의 두께 제어를 위한 압연하중 에측이 정확해져 압연 실수율 향상과 동시에 우수한 품질의 강재 제조가 가능할 것으로 판단된다.
이상과 같이 본 발명은 페라이트계 스테인레스 강의 압연하중을 정확히 예측하므로써, 목적으로 하는 두께의 제품을 정확히 제조할 수 있으며 비교적 정확한 열간압연 조건을 사용이 가능하며 압연 생산성을 향상시킬 수 있고, 더욱이 상기강을 사용함에 있어서도 실수율 및 생산성을 향상시킬 수 있어 제조원가의 저하를 도모할 수 있는 등, 그 효과가 매우 크다고 하겠다.

Claims (2)

  1. 페라이트계 스테인레스강을 열간압연하는 방법에 있어서,
    임의의 페라이트계 스테인레스강의 Cr 함량에 따른 활성화에너지(QCR)의 상관관계를 실험적으로 구하는 단계;
    예측하고자 하는 페라이트계 스테인레스강의 Cr 함량을 분석하고, 상기에서 구한 상관관계식에 대입하여 Cr 함량에 따른 활성화에너지(QCR)을 계산한 다음, 이 계산치를 이용하여 일정 압연온도(T), 일정변형속도(
    Figure pat00021
    )에서의 Z값을 수학식 1으로 부터 구하는 단계;
    Figure pat00022
    상기 Z값을 기초로 상기 페라이트계 스테인레스강의 변형량이 1%일때인 초기변형응력( sigma SUB { 0.01 } ), 변형량이 10% 일때의 변형응력( sigma SUB { 0.01 } )과 정상상태일때의 변형응력( sigma SUB { e } )을 각각 수학식 2에서 수학식 4와 같이 구하는 단계; 및
    Figure pat00023
    Figure pat00024
    Figure pat00025
    상기 sigma SUB { 0.01 } ,sigma SUB { 0.1 } 및 sigma SUB { e } 값으로 부터 임의의 변형량(ε)에서의 평균변형저항(Km) 을 수학식 5와 같이구하는 단계;
    Figure pat00026
    를 포함하여 구성되는 페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항 예측방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 상관관계식은
    QCR= 521168 - 12480 x (Cr%)
    로 표현됨을 특징으로 하는 페라이트계 스테인레스강의 열간변형저항 예측방법.
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