KR100406427B1 - 고온연성이 우수한 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절삭가공에 의해 가공되어 마이크로 샤프트 등의 소재로 이용되는 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강에 관한 것으로서, 그 목적은 오스테나이트와 MnS 또는 오스테나이트와 페라이트의 상간 경계에 크롬질화물의 석출을 억제하여 고온연성을 개선한 쾌삭 스텐레스강과 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량비로 C : 0.15%이하 , Si : 1.0%이하, Mn : 1.0-3.5%, S : 0.15-0.40%, Cr : 16-19%, Ni : 8-14%, Mo : 2.5%이하, Cu : 4%이하, N : 0.015%이하, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 고온연성이 우수한 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

고온연성이 우수한 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강{Free machining austenitic stainless steel having high temperature ductility}

본 발명은 절삭가공에 의해 가공되어 마이크로 샤프트 등의 소재로 이용되는 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 결정립계에 크롬질화물의 형성을 억제하여 고온연성을 개선한 오스테나이트계 쾌삭용 스텐레스강에 관한 것이다.

일반적으로 스텐레스강은 내산화 및 내부식성을 요구하는 산업용 설비 구조물과 부품을 제조하는 기본 소재로 널리 사용되고 있다. 그러나, 스텐레스강은 절삭가공시에 타 강종에 비해 절삭이 어려운 것으로 알려져 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법의 하나로 스텐레스강에 황(S), 납(Pb), 셀레늄(Se), 텔레늄(Te) 등 중에하나를 단독 첨가하거나 다수를 복합첨가 시킴으로써 피삭성을 향상시키는 기술이 알려져 있다. 또 다른 방법은 Cu 등을 첨가시켜 스텐레스강 자체의 가공경화를 낮추어 피삭성을 향상시키는 기술이 있다. 이러한 강을 쾌삭용 스텐레스강이라 불리고 있으며, 현재 황을 첨가시킨 STS303, STS303F, STS316F 그리고 STS303C 합금이 가장 널리 사용되고 있다.

황 함유 쾌삭 스텐레스강은 통상 Mn과 결합하여 MnS로 존재하므로 동종의 STS304에 비해 열간가공성이 저하된다. 그러므로 열간가공시에 내부균열의 발생 및 전파에 의해 엘리게이트링(Alligatoring)이나 표면균열에 의한 스캡(Scab)발생이 빈번해지는 경향이 있다. 그러므로 선재압연시에 초기투입온도를 높여 소재의 연성을 확보해야 하지만 너무 온도가 높으면 고온취성이 발생하는 문제점이 있다.

상기한 쾌삭 스텐레스강의 열간가공성을 향상시키는 방법으로 일본 공개특허공보 소60-29454호와 대한민국 특허공고 95-4937호가 제안되어 있다.

상기 일본 공개특허공보 소60-29454호에는 C:0.15%이하, Si:1.0%이하, Mn:3.0%이하, S:0.2-0.4%, Cr:16-22%, Ni:6-12%, Mo:0.1-8%, Cu:0.5-5%, Al:0.1%이하, B:0.001-0.01%로 조성되는 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강이 제안되어 있다. 이 쾌삭 스텐레스강에서는 B을 0.001-0.01%를 첨가하여 열간가공성을 향상시키는 것으로서, 실제로는 그 효과가 미미한 것으로 알려져 있다.

상기 대한민국 특허공고 95-4937호에는 C:0.15%이하, Si:1.0%이하, Mn:1.5-2.5%, S:0.15-0.3%, Cr:17-19%, Ni:8-9%, Mo:0.6%, O:0.007-0.013%, B:0.001-0.005%, Mn/S:6이상으로 조성되는 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강이 제안되어 있다. 이 쾌삭 스텐레스강은 B을 0.001-0.005% 첨가하고, O의 함량을 0.007-0.013%로 제어하면서 Mn/S비를 6이상으로 관리하여 열간가공성의 향상을 꾀하는 기술로서, 실제 조업에서는 이러한 인자를 제어하더라도 상당량의 표면결함 발생에 의한 2등급품의 발생이 빈번하게 나타났다.

상기 선행기술들에서는 열간가공성의 개선을 위해 B등의 합금원소의 첨가량을 제어하고 있으나, B의 첨가는 제조비용을 높일 뿐 아니라 제강공정에서의 공정부하를 가중하는 단점이 있으며, 더욱이 열간가공성의 개선효과도 기대에 못 미치고 있다.

본 발명은 오스테나이트와 MnS 또는 오스테나이트와 페라이트의 상간 경계에 크롬질화물의 석출을 억제하여 고온연성을 개선한 쾌삭 스텐레스강을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 Mn/S가 8.5, 산소농도가 70ppm이상의 경우에 질소농도에 따른 고온연성의 변화를 나타내는 그래프

도 2는 Mn/S가 5.94-6.16, 산소농도가 19-25ppm인 경우에 질소농도에 따른 고온연성의 변화를 나타낸 그래프

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강은, 중량비로 C : 0.15%이하 , Si : 1.0%이하, Mn : 1.0-3.5%, S : 0.15-0.40%, Cr : 16-19%,Ni : 8-14%, Mo : 2.5%이하, Cu : 4%이하, N : 0.015%이하, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 조성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

일반적으로, 303계열 스텐레스강의 성분규격에서는 질소농도를 0.08%이하로 규제하고 있는데, 이는 질소가 0.08% 정도 함유되어도 열간가공성을 크게 악화시키지 않기 때문이다. 따라서, 통상적으로 303계열 스텐레스강에서는 질소를 0.05% 정도의 수준으로 관리하고 있다.

그런데, 본 발명자들은 303계열의 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강에서 열간가공성을 개선하기 위한 연구과정에서, Mn/S의 비가 4.5이상의 경우에 질소농도가 임계값(0.015%)을 넘으면 질소가 주 첨가원소인 크롬과 결합하여 오스테나이트와 Mn/S 또는 오스테나이트와 페라이트의 경계에서 질화물을 형성시켜 상간경계를 취화시키는 사실을 알게 되었다. 본 발명자들은 이러한 N의 작용에 주목하여 본 발명을 완성한 것이다.

본 발명의 쾌삭 스텐레스강에서 C, Si, Cr, Ni, Mo, Mn, S, Cu등의 성분은 STS303, STS303F, STS316F 그리고 STS303C 의 성분규격에 준하여 설정되는 것이다. 즉, 본 발명은 중량비로 C : 0.15%이하 , Si : 1.0%이하, Mn : 1.0-3.5%, S : 0.15-0.40%, Cr : 16-19%, Ni : 8-14%, Mo : 2.5%이하, Cu : 4%이하, N을 포함하여 조성되는 강에서 상기 N을 0.015%이하로 적극적으로 관리하는 것이다.

본 발명에 따라 N는 0.015%로 하는데, 바람직하게는 N와 Cr의 비(Cr/N)를 1067-19000의 범위를 만족하도록 N와 Cr의 첨가량을 조절하는 것이다. Cr/N의 비가 1067이상이면 Mn/S의 비가 4.5이상 이더라도 상간계면에서 크롬질화물을 효과적으로 억제할 수 있기 때문이다. 물론, Cr/N의 비가 높을수록 크롬질화물의 형성억제측면에서는 유리하나 제강공정에서 N의 관리로 인한 제강공정의 부하를 고려할 때 19000이하로 제한하는 것이 좋다.

본 발명의 효과는 Mn/S의 비가 4.5-6.0로 낮아서 고온연성이 나빠지는 합금계에 특히 유용한 방법이다. 그 이유는 환경문제나 냉간성형성 개선을 위하여 유럽을 중심으로 최근에 낮은 Mn 함량을 갖는 동시에 황의 함량은 그대로 유지하는 쾌삭용 스텐레스강을 요구하고 있기 때문이다. 그러므로 Mn/S비가 다소 낮은 4.5-6.0범위의 쾌삭용 스텐레스강에서 N 함량을 극력제어하여 낮은 Mn/S비에 의해 감소된 고온연성을 극복하는데 큰 도움이 된다.

또한, 본 발명에서는 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강에서 O 함량을 0.007-0.013%로 조절하여 열간가공성의 향상을 도모할 수도 있다. O 함량이 0.007%이상이면, MnS계 개재물의 형상이 구형으로 되어 열간가공성이 개선되며, 0.013%를 초과하면 연속주조작업시 균열이 발생할 가능성이 높다.

본 발명에 따라 상기와 같이 조성되는 강은 여하한 용해법, 조괴법, 주조법을 통해 빌렛으로 제조될 수 있다. 일례로, 연속주조공정을 통해 연주빌렛을 제조하는 경우에는 이 연주빌렛은 선재압연전에 균질화처리한다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

하기 표 1에 표시한 오스테나이트계 스텐레스강을 진공유도용해에 의해 주괴를 제조하였다.하기 표 1에서 시험재 1, 3 및 4는 본 발명에 부합되는 것이고, 시험재 2 및 5는 본 발명의 범위를 벗어나는 것이다.

합금종류	화 학 조 성 (wt.%)
	Cr	Ni	Si	Mn	S	C	Mo	Cu	[O]	[N]	Mn/S
시험재1	17.49	9.16	0.47	2.48	0.29	0.058	0.45	0.30	0.0088	0.0062	8.55
시험재2	17.40	8.87	0.43	2.05	0.24	0.061	0.45	0.30	0.0072	0.0290	8.54
시험재3	17.62	9.12	0.50	1.85	0.30	0.055	0.45	0.30	0.0025	0.0025	6.16
시험재4	17.36	8.91	0.49	2.30	0.38	0.080	0.43	0.30	0.0025	0.0100	6.05
시험재5	17.36	8.96	0.43	2.14	0.36	0.066	0.46	0.30	0.0019	0.0310	5.94

제조된 주괴는 열처리로에서 1240^oC에서 2시간동안 균질화처리한 후에 시편을 채취하였다. 단면감소률은 직경 10mm, 길이 120mm의 인장편으로 Gleeble 3500을 이용하여 900^oC에서 고온인장시험한 후에 측정되었다.

도 1은 상기 표 1의 시험재 1과 2를 이용하여 Mn/S비가 약 8.5정도이고 산소함량이 72-88ppm으로 비슷하게 조절된 경우에 질소농도가 각각 62ppm과 290ppm으로 차이가 나는 합금의 고온연성을 평가한 결과이다. 62ppm의 경우에는 900^oC에서 57.1% 수준인 반면에 290ppm인 경우에는 43.6%로 질소농도가 낮은 경우보다 약 25%이상 고온 연성이 감소한다.

도 2는 상기 표 1의 시험재 3, 4 및 5를 이용하여 Mn/S비가 5.94-6.16이고 산소함량은 19-25ppm으로 비슷하게 조절된 합금에서 질소농도 차이에 따른 고온인장시험편의 단면수축률의 변화를 나타낸 결과이다. 질소농도가 25ppm인 시험재3은 약 53.1%의 단면수축률을 보이는 반면에 질소농도가 100ppm인 시험재4는 약 48.2%의 단면수축률을 보인다. 그리고 310ppm의 시험재 5의 경우에는 약 32.5%의 단면수축률을 보인다. 다시 말하면 질소농도가 낮은 경우 보다 질소농도가 높은 합금이 약 40%이상의 고온연성의 감소를 보인다. 특히 이 결과로부터 Mn/S비가 상대적으로 낮고 산소농도가 낮은 경우에는 질소농도의 증가에 의해 고온연성이 보다 더 급격하게 나빠진다는 사실을 알 수 있다.

또한 시험재1과 시험재3의 비교결과에서 알 수 있는 사실은 산소농도가 88ppm에서 25ppm으로 감소하고 Mn/S비가 8.55에서 6.16으로 감소했음에도 불구하고 단면수축률은 57.1%에서 53.1%로 소량 고온연성이 감소한다. 그러므로 이 결과는 산소농도나 Mn/S비의 감소보다는 질소농도의 증가가 고온연성을 열악하게 만드는 다는 사실을 반증한다. 그러므로 Mn/S비가 낮은 303 합금계를 생산하는 경우에는 다른 인자보다도 질소농도를 극력제어하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강에서 질소농도를 제어하면 오스테나이트 기지의 고온연성을 향상시켜 열간가공시에 내부 및 표면결함 발생을 억제시킴으로써 생산성과 품질을 향상시키고 작업효율을 높여 매우 경제적인 제조 공법을 제공할 수 있는 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

1. 중량비로, C : 0.15%이하 , Si : 1.0%이하, Mn : 1.0-3.5%, S : 0.15-0.40%, Cr : 16-19%, Ni : 8-14%, Mo : 2.5%이하, Cu : 4%이하, N : 0.015%이하, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 Cr/N의 비가 1067-19000이고, 그리고 상기 Mn/S의 비가 4.5 이상인 고온연성이 우수한 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 강중의 산소(O) 함량이 0.007-0.013%인 것을 특징으로 하는 고온연성이 우수한 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강.