KR100398369B1 - 산화피막 밀착성이 우수한 봉착용 페라이트계 스테인레스강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 봉착용 폐라이트계 스테인레스강에 관한 것으로서, 그 목적은 산화피막 밀착성이 우수한 봉착용 폐라이트계 스테인레스강을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 봉착용 페라이트계 스테인레스강에 있어서, 중량%로 C:0.03% 이하, N:0.03% 이하, Si:0.7% 이하, Mn:0.5% 이하, Cr:18-21%, Ti:0.2-0.5% 그리고 Al:0.01-0.05% 를 함유하고 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 분순물로 구성되는 산화피막 밀착성이 우수한 봉착용 페라이트계 스테인레스강에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

산화피막 밀착성이 우수한 봉착용 폐리이트계 스테인레스강

본 발명은 봉착용 폐라이트계 스테인레스강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산화피막 밀착성이 우수한 봉착용 폐라이트계 스테인레스강에 관한 것이다.

일반적으로 봉착용 페라이트계 스테인레스강은 진공관, 브라운관 등에서 금속과 유리를 접합하고 봉지하는 부재로 사용되고 있다. 예를들면, TV의 브라운관과 새도우 마스크(shadow mask)를 도 1에 도시된 바와 같이 연결하여 고정하는 용도로사용되는 봉착용 합금인 스터드 핀(stud pin)은 그 일측이 브라운관(1)과 같은 유리제품과 연결되는 한편, 타측은 새도우 마스크(2)와 같은 금속과 연결된다.

보통 스터드 핀(3)은 브라운관(1) 조립과정에서 힘을 받게 되는데, 이때 유리에 봉착된 상태에서 스터드 핀(3)에 형성된 산화피막(3a)과 모재(3)와의 밀착성이 떨어질 경우 스터드 핀(3)이 탈락할 뿐만 아니라 브라운관(1) 유리에 균열이 발생할 우려가 있다. 그러므로, 봉착용합금에 있어서 산화피막(3a) 밀착성은 중요한 특성중의 하나이다.

한편, 봉착용합금으로 42Ni-6Cr-Fe 강이 주로 사용되어 왔는데, 상기 강은 산화피막 형성 열처리시 산화발색 차이(유리와 산화물의 봉착을 가늠하는 척도)가 생기는 문제와 Ni이 다량 함유되어 있기 때문에 고가인 단점이 있었다.

이러한 단점을 해소하기 위하여 일본특허 공개 (소) 60-103159호 에는 Ni 을 첨가하지 않고, 종래강과 유사한 열팽창계수를 가지기 위해 Cr 함량을 20%-35% 첨가하는 한편, 산화발색 차이가 생기지 않도록 하기 위해 Si 및 Al 을 0.05%-0.5% 첨가한 페라이트계 스테인레스강이 제시되어 있다.

그러나, 상기 일본 공개특허(소) 60-103159호에 제시된 강은 유리와 산화물의 봉착성은 우수하지만, 봉착용합금의 특징인 금속과 산화물과의 밀착성이 떨어지는 단점이 있다.

따라서, 본 발명자는 상기한 문제점을 해결하기 위하여 봉착용 폐라이트계 스테인레스강에 있어서, Si 함량과 Al함량을 적절히 제어하고, 산화피막/금속계면에 SiO₂산화개재물이 불연속적으로 형성하도록 함으로서 산화피막의 밀착성이 우수한 봉착용 페라이트계 스테인레스강을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 브라운관과 새도우마스크를 고정하는 스터드 핀을 나타내는 일례도

도 2는 본 발명강과 비교강의 산화피막 밀착성 평가시험 후의 무게감량을 나타낸 그래프

도 3은 본 발명강과 비교강의 산화피막 밀착성 평가시험 후의 시편외관을 나타낸 사진

도 4는 본 발명강과 비교강의 산화피막의 단면조직을 나타내는 SEM 사진

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1.브라운관 2. 새도우 마스크 3. 스터드 핀 3a. 산화피막

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 봉착용 페라이트계 스테인레스강에 있어서, 중량%로 C:0.03% 이하, N:0.03% 이하, Si:0.3% 이하, Mn:0.5% 이하, Cr:18-21%, Ti:0.2-0.5% 그리고 Al:0.01-0.05% 를 함유하고 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 할 유되는 불순물로 구성되는 산화피막의 밀착성이 우수한 봉착용 페라이트계 스테인레스강에 관한 것이다.

이하. 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

상기 봉착용 폐라이트계 스테인레스강은 모재의 표면에 산화피막을 형성하기 위하여 일반적으로 수소 또는 수소 + 질소 분위기에서 이슬점을 관리하고, 산화를 조절하여 산화피막 형성 열처리를 실시하고 있다. 이때, 산화피막과 금속간의 밀착성이 중요한데, 이러한 산화피막 밀착성은 산화피막의 성장, 구조물의 형태(geometric constraints), 합금과 산화피막과의 열팽창 차이, 외부응력 등의 원인이 되는 산화피막내에 형성되는 응력에 의한 것과 산화물의 조성과 양, 계면의 형태가 원인이 되는 산화피막/금속 계면의 영향을 받는다.

그러나, 상기 두가지 요인중 페라이트계 스테인레스강의 경우에는 산화피막의 두께가 얇고 산화피막과 모재와의 열팽창계수 차이가 적으므로 응력 발생요인 보다는 산화피막/금속계면의 특성에 의하여 산화피막 밀착성이 결정되는 것으로 생각된다.

구체적으로 Si 와 Al이 함유된 종래의 봉착용 페라이트계 스텐인레스강을 예를들어 설명하면 열처리시 그 표면에 2-4㎛ 두께의 Cr 산화물이 형성되고, 산화물 피막과 금속계면 사이에는 산소분압이 낮아져 결국 산소와의 친화력이 큰 Si 및 Al이 모재에서 빠져나와 산소와 반응하여 산화피막/금속계면 사이에 산화물 층으로 존재한다. 이때, 산소와의 반응으로 생성되는 Si 및 Al 산화물의 양은 모재중의 Si 및 Al 함량에 의존하는데, 그 함량의 적절한 제어가 되지 못하면 파괴인성이 낮은 Si 산화물이 산화피막/금속계면에 연속적으로 존재하여 산화피막의 밀착성이 현저하게 저하되게 된다.

그러나, 본 발명에서는 모재에 있는 강 조성을 적절하게 제어함으로써 Si 및 Al 산화물이 산화피막/금속계면에 국부적으로 존재하도록 하여 계면 산화물에 의한 못박음효과(pegging effect) 및 평활한 Cr 산화피막/금속계면을 구불구불하게 만드는 효과에 의해 밀착성이 향상되도록 한 것이다.

즉, 본 발명은 산화피막이 금속과의 밀착성을 향상하기 위하여 강의 조성을 제어하는데 그 특징이 있고, 그 한정 범위를 설명하면 다음과 같다.

우선, 봉착용 폐라이트계 스테인레스강의 조성중 C 및 N 은 페라이트계 스테인레스강에 있어서는 고용한이 작기 때문에 Cr 과 반응하여 입계에 탄화물을 형성하여 입계부식을 나타낼 뿐만 아니라 성형가공성을 저하시킬 우려가 있으므로, 그 함량은 각각 0.03중량%(이하, '%' 라 한다) 이하로 가능한 낮게 하는 것이 바람직하다. Si 은 페라이트계 스테인레스강의 제조시 탈산제로서 필요한 원소이며 내산화성의 향상에도 유효한 원소이지만, 그 함량이 지나치게 많으면 Cr 산화피막/금속계면에 취약한 Si 산화물이 연속적으로 형성되어 산화피막의 밀착성을 저하시키므로 계면에 연속적인 Si 산화물이 형성되지 않도록 하기 위해 0.3% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Mn 은 Si 과 같이 탈산작용을 촉진하는 원소이나, 그 함량이 지나치게 많으면 강중에 유화물을 형성하여 내식성을 악화시키기 때문에 그 함유량을 낮게 관리하는 것이 바람직하며, 0.5% 를 넘으면 성형가공성이 저하하기 때문에 상한을 0.5% 로 제한함이 바람직하다.

Cr 은 내식성 및 내산화성에 유효한 원소이며 900℃ 이상에서 내산화성을 확보하기 위해 18% 이상이 필요하다. 이러한 Cr 의 함량이 21% 를 넘게 되면 가공성이 현저하게 저하하여 성형가공 측면에서 좋지 못하므로, 그 함량은 18-21% 의 범위로 제한함이 바람직하다.

Ti 은 C, N 과 결합하여 탄질화물을 형성하여 성형성을 향상시킬 뿐만 아니라 Cr 탄화물의 석출을 억제하여 내식성을 향상시킨다. 한편, Ti 을 과잉으로 첨가하면 산화물 및 질화물을 형성하여 표면 품질을 나쁘게 하기 때문에 상한을 0.5% 로 하였다.

Al 은 내산화성에 유효한 원소이며 Si 과 마찬가지로 Cr 산화피막/금속계면에 Al 산화물로 존재하여 산화피막의 밀착성을 향상시킨다. 한편 Al 은 강력한 산화물 형성원소이므로 소량만 첨가하여도 산화물을 형성하여 표면품질을 나쁘게 하기 때문에 상한을 0.05%로 하였다.

한편, 상기와 같이 조성된 강은 브라운관과 새도우마스크 체결용 부품인 스터드 핀으로 제조된 후 산화피막을 형상하기 위한 통상의 소둔열처리시 예를들면, 75% H₂와 25% N₂의 분위기를 사용하고, 이슬점이 20℃ 일 때 1100℃ 의 온도에서 35분동안 열처리를 실시하게 되는 경우 산화피막층과 그 소재와의 계면에는 SiO₂산차개재물이 불연속적으로 형성되는 특징이 있다.

종래에는 파괴인성이 낮은 Si 산화물이 산화피막/금속계면에 연속적으로 존재하여 산화피막 밀착성이 저하된 반면, 본 발명은 Si 산화물이 불연속적으로 존재하게 되어 산화피막의 밀착성이 개선된다.

또한, 상기 Si 산화물이 구형으로 존재하는 것이 산화피막 밀착성이 보다 향상된다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

실시예 1

하기표 1의 합금성분을 갖는 강종을 30kg 급 진공유도 용해로에서 용해하여 잉고트(Ingot)를 제조하여 1250℃ 로 재가열한 후 4mm 까지 열간압연하였다.

상기 열연판을 960℃ 에서 3분 동안 소둔열처리한 다음 산세하여 0.8mm 두께까지 냉간압연하고, 상기 냉연강판을 900℃ 에서 1.5분 동안 소둔 열처리를 실시하였다. 소둔열처리 및 산세된 냉연소둔판으로 스터드 핀 부품을 가공하고, 상기 부품을 75% H₂와 25% N₂의 분위기를 사용하고, 이슬점이 20℃ 일 때 1100℃ 의 온도에서 35분동안 산화피막 열처리를 실시하였다. 이때, 발명강(1-4)는 Si 함량이0.03% 미만이고, 비교강(1)은 Si 함량이 0.3% 미만이면서, Al 이 함유되지 않은 강종이며 비교강(2-4)는 Si 함량이 0.3% 이상을 나타낸 것이다. 또한, 비교강(2)는 Al 이 첨가되지 않는 강이다.

상기 강종들의 산화피막 밀착성을 평가하기 위하여, 동일한 압축변형을 받도록 제작된 틀에 스터드 핀을 넣고 프레스를 사용하여 압축한 다음 무게감량을 측정하고 그 결과를 도 2에 육안관찰한 결과를 도 3에 각각 나타내었다.

산화피막의 밀착성 평가는 산화피막 박리에 따른 무게감량으로 표현하게 되는데 무게감량이 클수록 밀착성이 나쁘다는 것을 의미한다.

도 2에 나타난 바와 같이, 규소함량이 0.3% 이하인 발명강(1-4)가 비교강(2-4)에 비교하여 무게감량이 현저하게 많은 것을 보여주고 있다. 또한. 비교예(1)은 규소함량이 0.3% 이하이지만 Al이 함유되어 있지 않아서 무게 감량 효과가 거의 없음을 알 수 있었다.

한편, 도 3에 나타난 바와 같이 발명강(1-4)는 산화피막의 박리가 심하지 않은 반면 비교강(1-4)인 경우 산화피막이 많이 박리되어 소지금속이 노출되어 있는 것을 알 수 있었다.

실시예 2

일반적으로 산화피막의 밀착성은 Cr 산화피막/금속계면에 형성된 산화물의 분포 및 계면의 형태와 밀접한 관련이 있으며, 이러한 상관성을 조사하기 위해 실시예 1의 강종들의 신화피막 단면을 SEM 으로 관찰을 행하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 4에 나타난 바와 같이 Si 함량이 낮은 발명강(2,4)는 산화피막과 금속계면 사이에 Si 산화물이 불연속적으로 존재하고 특히 발명강(2)는 Si 산화물이 구형으로 존재하는 반면, Si 함량이 높은 비교강(3,4)는 Si 산화물이 산화피막/금속계면을 완전히 연결하고 있는 것을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 Si 함량 저감 및 Al 적정 함량 첨가함으로서 산화피막의 밀착성이 우수한 봉착용 페라이트 스테인레스강을 제공할 수 있고, 상기 제공된 강은 브운관에 사용되는 스터드 핀(stud pin) 부품에 적용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 봉착용 페라이트계 스테인레스강에 있어서, 중량%로 C:0.03% 이하, N:0.03% 이하, Si:0.3% 이하, Mn:0.5% 이하, Cr:18-21%, Ti:0.2-0.5% 그리고 Al:0.01-0.05% 를 함유하고 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 구성됨을 특징으로 하는 산화피막 밀착성이 우수한 봉착용 페라이트계 스테인레스강
2. 제1항에 있어서, 상기 강은 이슬점 20℃, H₂+ 25%, N₂분위기하 1100℃ 의 온도에서 열처리 후 그 모재 표면에 형성되는 산화피막층과 모재와의 계면에 SiO₂산화개재물이 불연속적으로 형성됨을 특징으로 하는 산화피막 밀착성이 우수한 페라이트계 스테인레스강
3. 제2항에 있어서, 상기 SiO₂산화개재물이 구형으로 헝성됨을 특징으로 하는 산화피막 밀착성이 우수한 페라이트계 스테인레스강