KR100419637B1 - 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강의 열간압연성 향상을위한 열처리 방법 - Google Patents

오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강의 열간압연성 향상을위한 열처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 절삭가공에 의해 가공되어 마이크로 샤프트 등의 소재로 이용되는 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강의 제조방법에 관한 것으로서, 그 목적은 B 등의 합금원소를 첨가하지 않고 균질화처리공정에서 델타-페라이트의 형상을 제어하여 쾌삭 스텐레스강의 열간가공성을 개선하는 균질화처리방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량비로 C : 0.15%이하 , Si : 1.0%이하, Mn : 1.0-3.5%, S : 0.1-0.4%, Cr : 16-19%, Ni : 8-14%, Mo : 2.5%이하, Cu : 4%이하, N : 0.08%이하, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 강을 델타-페라이트의 장축 대 단축의 평균비가 1.0-2.5이고 델타-페라이트의 크기를 5-35㎛로 제어하기 위해 1220-1260oC의 온도에서 균질화처리하는 것을 포함하여 이루어지는 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강의 열간압연성 향상을 위한 열처리방법에 에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강의 열간압연성 향상을 위한 열처리방법{Heat treatment method for the improvement of hot workability in free machining austenitic stainless steel}
본 발명은 절삭가공에 의해 가공되어 마이크로 샤프트 등의 소재로 이용되는 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 델타-페라이트의 형상과 크기를 제어하여 열간가공성을 개선할 수 있는 쾌삭용 스텐레스강의 열처리방법에 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 중에서 어느 하나를 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 소60-29454와 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:0.015%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 미친다.
본 발명은 B등의 합금원소를 첨가하지 않고 균질화 열처리공정에서 델타-페라이트의 형상과 크기를 제어하여 열간가공성이 우수한 쾌삭 스텐레스강을 제공하는데, 그 목적이 있다.
도 1은 균질화처리온도와 가공속도에 따른 단면감소율을 등고선으로 나타낸 그래프
도 2는 균질화처리온도에 따른 단면감소율의 변화를 나타내는 그래프
도 3은 연주빌렛의 균질화열처리 전후의 미세조직사진으로서,
도 3(a)는 균질화 열처리전의 주조조직
도 3(b)는 균질화 열처리후의 미세조직
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강의 열처리방법은, 중량비로 C : 0.15%이하 , Si : 1.0%이하, Mn : 1.0-3.5%, S : 0.1-0.4%, Cr : 16-19%, Ni : 8-14%, Mo : 2.5%이하, Cu : 4%이하, N : 0.08%이하, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 강을 1220-1260oC의 온도에서 열처리하여 델타- 페라이트의 장축대 단축의 평균비가 1.0-3.0의 범위내로 만족하고 상기 델타-페라이트의 크기가 5-35㎛ 범위가 되도록 하는 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명자들은 쾌삭 스텐레스강의 열간가공성에 영향을 미치는 금속학적 인자에 대하여 연구하는 과정에서, 델타-페라이트의 형상과 크기가 열간가공성에 중요한 영향을 미친다는 점을 발견하게 되었다. 또한, 본 발명자들은 델타-페라이트의 형상과 크기를 적절히 제어하면 B등의 합금원소를 첨가하지 않아도 목적하는 열간가공성이 확보된다는 점에 주목하게 되었다.
본 발명의 쾌삭 스텐레스강에서 C, Si, Cr, Ni, Mo, Mn, S, Cu, N등의 성분은 STS303, STS303F, STS316F 그리고 STS303C 의 성분규격에 준하여 설정되는 것이다. 즉, 본 발명의 쾌삭 스텐레스강은 중량비로 C : 0.15%이하 , Si : 1.0%이하, Mn : 1.0-3.5%, S : 0.1-0.4%, Cr : 16-19%, Ni : 8-14%, Mo : 2.5%이하, Cu : 4%이하,N : 0.08%이하를 포함하고 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 구성된다.
상기와 같이 조성되는 오스테나이트계 스텐레스강은 평형상태에서는 델타-페라이트가 거의 존재하지 않지만 비평형조직인 주조상태에서는 잔류 델타-페라이트가 주조조직에 존재하게 되거나, 하기의 관계식 1에서 도출할 수 있는 것처럼 성분규격 범위내에서 다량의 델타-페라이트가 합금에 잔류할 수 있다. 이러한 델타-페라이트는 오스테나이트의 기지와 기계적물성이 서로 다른 관계로 필연적으로 소성변형 불균형이 발생하게 된다. 따라서, 이 델타-페라이트의 양을 최소화하고 형상을 구형화시키는 것이 열간가공성의 확보측면에서 중요하다. 델타-페라이트의 양을 구하는 식이 일례가 아래 관계식 1에 제시되어 있다.
[관계식 1]
델타-페라이트 백분율 = [138 - 99.7x(Ni당량/Cr당량)] + 0.2
여기서, Ni당량 = Ni+ 30xC + (30xN) + (0.5xMn) + 36.5
Cr당량 = Cr + Mo + (1.5xSi) + (1.5xTi) + 17.6
단, 각 합금원소의 량은 중량비이다.
본 발명의 실험결과에서는 합금에서 델타-페라이트의 양이 많이 잔류할수록 열간가공성의 정도를 나타내는 단면 수축률이 저하되는 것을 발견할 수 있었다. 그러므로 정해진 합금에서 열처리 제어에 의해 주조조직상에 나타나는 델타-페라이트의 양을 가능한 한 최소화하는 작업이 요구된다.
나아가, 본 발명자들은 델타-페라이트의 형상에 대해서도 검토한 결과, 델타-페라이트가 길고 날카로운 모양을 가지는 경우에 내부 및 표면결함이 발생하는 것을 발견하였다. 즉, 서로 다른 기계적 특성을 갖는 페라이트와 오스테나이트의 2상간 계면에서 모양이 날카롭고 뾰족한 델타-페라이트가 존재하게 되면 상간경계에서 응력집중이 커져서 균열이 보다 쉽게 발생하는 것이다. 따라서, 응고중에 형성된 길고 날카로운 델타-페라이트의 양을 최소화하면서 그 형상을 거의 구형에 가깝게 할수록 제품결함 방지에 유리하다.
본 발명에서는 델타-페라이트의 장축대 단축의 비에 따른 제품결함발생율을 조사한 결과 그 평균비가 1.0-2.5의 범위를 갖는 강에서 제품결함이 최소화되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 델타-페라이트의 크기를 가능하면 5-35㎛로 제어하는 것이 제품결함을 최소화하는데 도움이 됨을 확인하였다. 본원발명에서 델타-페라이트의 장축/단축의 비에서 1미만은 단축이 장축보다 커지는 것을 의미하여 장축/단축의 비에서 최소치가 1로서 이는 구형이 되며, 2.5를 초과하면 제품결함이 커진다. 또한, 델타-페라이트의 크기는 5㎛미만은 현실적으로 얻기가 어려우며, 35㎛초과의 경우에는 제품결함이 커진다.
본 발명에서는 델타-페라이트의 양과 함께 Mn/S의 비를 제어하는 것이 바람직하다. 일반적으로 Mn/S의 비가 커질수록 단면감소율이 증가하는데, 그 비가 4이상에서 단면감소율이 크게 증가한다.
또한, 본 발명에서는 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강에서 O 함량을 0.007-0.013%로 조절하여 열간가공성의 향상을 도모할 수도 있다. O의 함량이 0.007%이상에서 MnS계 개재물의 형상을 구형으로 형성되기가 용이할 뿐만 아니라 MnS의 강도를 향상시킴으로써 제품의 기계 절삭성을 향상시키는 동시에 열간가공성도 개선되며, 0.013%를 초과하면 연속주조작업시 균열이 발생할 가능성이 높아진다. 바람직하게는 O의 함량을 0.011%로 하는 것이다.
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.
본 발명의 제조공정에서 균질화처리는 델타-페라이트의 형상에 미치는 영향이 크므로, 그 온도의 제어가 중요하다. 또한, 균질화열처리에서는 피삭성을 향상시키기 위해 첨가된 S의 고용여부도 열간가공성에 상당한 영향을 미치므로 이에 대한 균형을 동시에 고려하여야 한다.
이러한 두가지 측면을 고려한 본 발명의 균질화처리온도는 1220-1260oC로 하는 것이 바람직하다. 균질화처리온도가 1220oC 미만의 경우에는 델타-페라이트의 구형화나 재고용이 어려워질 뿐만 아니라 MnS 형상의 파괴도 어려워 페라이트와 오스테나이트 상간의 계면에서 발생하는 균열억제가 곤란하다. 반면에 균질화처리 온도가 1260oC를 초과하면 MnS의 재고용이 활발해져 기지조직이나 결정립계에 황(S)이 유리황 상태로 고용되는 현상이 발생하여 고온취화가 발생한다.
상기와 같이 균질화처리한 다음에는 통상의 방법에 따라 열간압연한다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예]
표1에 표시한 오스테나이트계 스텐레스강을 연속주조에 의해 150SQ의 빌렛으로 제조하였다.
합금종류
Cr Ni Si Mn S C Mo Cu [O] [N] Mn/S 델타-페라이트의 양(%)
시험재1 17.7 9.95 0.54 3.07 0.35 0.06 0.31 0.39 0.008 0.014 8.77 3.13
시험재2 17.1 8.82 0.54 2.06 0.24 0.05 0.30 0.59 0.009 0.015 8.58 6.30
상기와 같이 조성되는 빌렛을 열처리로에서 1160-1280oC에서 2시간동안 균질화처리된 후에 시편을 채취하였다. 단면감소률은 직경 10mm의 인장편으로 Gleeble 3500을 이용하여 900-1250oC영역에서 고온인장시험한 후에 측정되었다.
도 1은 표1에 나타낸 시험재1을 이용하여 여러가지 균질화처리 온도에서 열처리한 후의 단면감소률을 나타낸 결과로써 1280oC의 고온에서는 단면수축률이 40-50%수준(균질화처리온도와 초기투입온도가 비슷함.)으로 매우 낮은 값을 갖는다(도1(c)). 반면에 1160oC로 상대적으로 낮은 온도에서 열처리한 경우에는 58-62% 수준의 단면수축률을 갖는다. 그러나 1240oC에서 균질화처리한 경우에는 단면수축률이 70-80%로 매우 향상된 열간가공성을 나타낸다.
도2는 시험재2를 이용하여 시험재1과 동일한 방법으로 열처리하여 고온인장시험편의 단면수축률 변화를 관찰하여 열간가공성의 변화을 나타낸 것으로 시험재1과 같은 비슷한 거동을 보여줌을 알 수 있었다. 균질화처리온도가 1280oC로 매우 높은 영역에서는 급격한 고온연성의 감소를 보인다.
도 3은 열처리 전후의 연주빌렛의 미세조직 차이를 나타낸 것으로, 도 3(a)에서 알 수 있는 바와 같이, 열처리전의 델타-페라이트는 매우 길고 날카로운 모양을 갖는 동시에 다발형태로 뭉쳐진 MnS가 존재하는 반면에 본 발명의 열처리 공정을 거친 후에는 도 3(b)에서 알 수 있는 바와 같이 장축/단축의 비가 1.1-2.0를 갖는 짧고 둥근 형상의 델타-페라이트 형상을 보여주고 있으며 다발형태의 MnS도 대부분 없어진 상태를 보여주고 있다. 또한, 델타-페라이트의 크기도 5-35㎛의 범위를 만족하고 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강에 형성된 델타-페라이트가 잔류하더라도 그 형상과 크기를 제어하면 열간압연성을 향상시켜 내부 및 표면결함 발생이 억제시킬 수 있어 생산성과 품질을 향상시키고 작업효율을 높일 수 있는 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

  1. 중량비로 C : 0.15%이하 , Si : 1.0%이하, Mn : 1.0-3.5%, S : 0.1-0.4%, Cr : 16-19%, Ni : 8-14%, Mo : 2.5%이하, Cu : 4%이하, N : 0.08%이하, 나머지 Fe및 불가피한 불순물로 이루어지는 강을 1220-1260oC의 온도에서 균질화처리하는 것을 포함하여 이루어지는 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강의 열간압연성 향상을 위한 열처리방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열처리한 강에서 델타-페라이트는 장축/단축 비의 평균치가 1.0-2.5의 범위이고, 그 크기가 5-35㎛임을 특징으로 하는 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강의 열간압연성 향상을 위한 열처리방법.
  3. 제 1 또는 제2항에 있어서, 상기 Mn/S의 비는 4 이상임을 특징으로 하는 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강의 열간압연성 향상을 위한 열처리방법.
  4. 제 1 또는 제 2항에 있어서, 상기 강에서 산소(O)의 함량은 0.007-0.011%임을 특징으로 하는 오스테나이트계 쾌삭 스텐레스강의 열간압연성 향상을 위한 열처리방법.
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