KR100523107B1 - 420계열 마르텐사이트계 스테인레스 열연강판의열처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마르텐사이트계 스테인레스강의 제조에 있어서 시간 소모공정인 상소둔 열처리방법에 관한 것으로, 특히 중량비로 C:0.05∼0.15%, Mn:1.0% 이하, P:0.045% 이하, S:0.045% 이하, Si:1.0% 이하, Cr:12∼14%, N:0.08∼0.15%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진 조성을 갖는 마르텐사이트계 스테인레스강 슬라브를 재가열, 열간압연 열연판을 제조한 후 소둔하여 이루어지는 420계열 마르텐사이트 스테인레스강 열연강판의 상소둔 열처리방법은 상기 열연판을 850℃ ~ 870℃의 온도에서 유지한 후 700 ℃±25℃ 구간에서 1 ~ 2시간 등온유지하여 오스테나이트가 페라이트와 탄화물로 상변태가 완료된 후 통상적인 공냉을 실시하는 것을 특징으로 하므로, 시간 소모공정으로 생산성 저하를 초래하는 상소둔시간을 단축한 가공성이 우수한 420계열의 마르텐사이트계 스테인레스 열연강판을 제공할 수 있다.

Description

420계열 마르텐사이트계 스테인레스 열연강판의 열처리방법{Method for heat treating hot rolled 420-type martensitic stainless steel}

본 발명은 1종 양식기, 칼, 가위 등에 사용되는 고강도 마르텐사이트계 스테인레스 열연강판의 열처리방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 13%Cr 함유 스테인레스강에 탄소(C)와 질소(N)를 적정량 첨가하여 마르텐사이트강의 소둔 열처리 시간 및 소둔 경도가 현저히 개선된 420계열 마르텐사이트 스테인레스 열연강판의 열처리방법에 관한 것이다.

먼저, 마르텐사이트계 스테인레스강의 제조공정을 간략히 요약하면 다음과 같다.

용강을 주조하여 생산된 연주 슬라브는 재가열후 열간압연한다. 열간압연 상태에서 강의 조직은 마르텐사이트상, 뜨임(tempered) 마르텐사이트상, 페라이트상 등이 혼재하여 존재한다. 이러한 열연 코일은 상소둔 공정을 거쳐 페라이트와 탄화물로 상변태되어 연질화된다. 이때, 열연 소둔재의 경도는 낮을수록 좋으며 연질재를 만들기 위하여 상소둔시 2단열처리 및 장시간 등온유지 등의 조건 변화를 통하여 경도가 감소된 열연 소둔재는 냉간압연 또는 제품 가공후 최종 수요가 열처리 즉, 소입 및 소려 열처리 공정을 거쳐 고강도 마르텐사이트강으로 상변태된다. 따라서 열연 소둔재는 가공의 용이성을 위하여 연질화가 필요한 반면, 최종 제품의 강도는 높을수록 좋다.

대표적인 마르텐사이트계 스테인레스강은 AISI 420(SUS 420 J1, 420 J2)강으로 이루어져 있다. 이때, 420 J1 강은 13%Cr-0.2%C을 기본조성으로 하며, 420 J2 강은 13%Cr-0.32%C을 기본조성으로 한다. 그러나, 이들 마르텐사이크계 스테인레스강들은 강중 높은 탄소 함량으로 인하여 연주 슬라브 제조 공정에서 조대한 탄화물 중심편석을 형성한다. 이때, 슬라브 내에 형성된 중심 편석은 재가열 공정 또는 소둔 열처리 공정에서 잘 제거되지 않아 열연 또는 냉연판에 잔류하게 되며, 이로 인해 스트립(strip)의 절단(shearing) 과정에서 라미네이션(lamination; 이중판) 결함을 수반한다.

따라서, 연주공정에서는 중심편석 형성비율을 최소화하기 위하여 주조 속도를 통상재 대비 75%로 저감하여 조업하며, 이에 따라 연주공정에 공급되는 용강량도 통상재 대비 84% 수준으로 유지하여야 하므로 연주 생산성이 현저히 저하되는 문제점이 있다. 또, 주조시 중심부에 형성된 조대한 크롬탄화물(Cr₂₃C₆) 및 열간압연 후 코일의 냉각시 형성된 크롬탄화물(Cr₂₃C₆)의 고용을 안정화시키기 위하여, 열간압연 후에 소둔, 즉 상소둔(BAF:Batch annealing Furnace)을 행한다.

이러한 상소둔에 의하여 열간압연후 급냉으로 인하여 고강도의 탄소가 과포화되어 있는 마르텐사이트상을 페라이트와 크롬탄화물로 분해하여 재질을 연질화시킴으로써 스테인레스강의 가공성을 향상시킨다.

종래에는 이러한 크롬탄화물 띠를 제거하기 위하여 열간압연후 상변태점(Ac1)보다 약 50℃ 정도 높은 온도(약 850℃)에서 상소둔하여 탄소고용도가 큰 오스테나이트상으로 상변태시키면서 열연판 두께방향의 중심부에 띠형으로 존재하던 크롬탄화물중 탄소성분을 오스테나이트상에 고용시키면서 분해하여 크롬탄화물을 구형의 형태로 변화시킨다.

그 후, 냉각과정 중에 10 ~ 15℃/Hr의 속도로 제어냉각하여 열간압연시및 소둔가열중에 생성된 오스테나이트상을 페라이트와 크롬탄화물로 재상변태시킨다. 이 경우, 총 냉각시간이 지나치게 길면 코일 중심축방향의 위치별 냉각속도의 차이로 인하여 상소둔후 코일 선단부와 중간부에 있어서, 위치별 재질편차가 크게 발생하는데 특히 경도차가 심하게 발생한다.

한편, 연속냉각조건 중 냉각속도가 10~15℃/Hr인 경우, 열간압연 및 소둔가열중에 생성된 오스테나이트가 페라이트로 상변태하는 동안 고용되어 있던 탄소가 완전히 탄화물로 재분해되지 못하게 되면, 탄소가 페라이트내에 고용되므로 스테인레스강의 경도가 높고 또한 가공성을 저하시킨다.

또한, 냉각속도를 5℃/Hr로 감소시킬 경우, 오스테나이트로부터 페라이트로의 상변태시 탄소가 크롬탄화물로 완전히 석출되지만 소둔시간이 증가하여 생산성이 감소한다.

한편, 다른 종래 실시예에 따르면, 마르텐사이트 스테인레스강을 상소둔하는데 있어서 Ac1 온도 이상에서 소둔하여 탄화물을 분해한 후 650 ~ 750℃ 구간에서 2 ~ 6.3시간 등온유지하고 다시 550℃ 이하까지 25℃/Hr 이하의 속도로 제어냉각한 후 이후 통상적인 공냉을 실시하면, 소재의 연질화는 충분히 이루어지지만 소둔시간은 통상의 방법과 차이가 없이 생산성의 저하를 초래한다.

또, 띠상으로 존재하는 크롬탄화물의 감소를 위해 종래의 200mm의 슬라브 두께를 150mm로 감소시키는 방법이 제안(한국 특허출원 제1997-046793호 참조)되었으나, 슬라브 두께를 200mm에서 150mm로 감소시키는 경우 연속주조시의 생산성이 하락되고 이 경우에도 재질편차가 심하게 발생하고 경도등의 연질화정도의 개선효과는 미미한 수준이며 소둔시간도 긴 문제점이 있다.

본 발명에 따르면, 탄소첨가 마르텐사이트계 스테인레스강을 소둔할 때 오스테나이트가 페라이트와 탄화물로 상변태되는 속도가 느려지므로, 소둔시간이 증가하여 생산성이 하락하고, 냉각시 코일길이간 재질편차가 크게 발생하는 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로, 중심편석의 주성분인 강중 탄소를 질소로 대체함으로써 소재의 재질의 균질화를 해치지 않으면서 전체적인 상소둔 시간의 감소에 의한 생산성의 향상 및 소재의 경도 등을 연질화하여 가공성이 향상된 420계열 마르텐사이트계 스테인레스 열연강판의 열처리방법을 제안하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 중량비로 C: 0.05∼0.15%, Mn: 1.0% 이하, P: 0.045% 이하, S: 0.045% 이하, Si: 1.0% 이하, Cr: 12∼14%, N: 0.08∼0.15%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진 조성을 갖는 마르텐사이트계 스테인레스강 슬라브를 재가열, 열간압연 소둔하여 이루어지는 420계열 마르텐사이트 스테인레스강 열연강판 열처리방법은 통상의 조건으로 열간압연하여 열연판을 준비하는 준비단계와, 상기 열연판을 Ac1 이상의 온도에 유지하여 오스테나이트상을 형성하는 유지단계와, 상기 오스테나이트상이 페라이트상과 탄화물로 완전 상변태되도록 700℃ ±25℃의 온도구간에서 1.0 ~ 2.0시간 등온유지하는 상변태단계와, 통상적인 공냉을 실시하는 소둔단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 시간과 온도에 대한 J1-STD 강의 등온상변태곡선을 나타낸 그래프이고, 도 2는 시간과 온도함수로 나타낸 J1-0515강의 등온상변태곡선의 그래프이고, 도 3은 열연 소둔재의 기계적 성질을 나타낸 그래프이다.

본 발명에 따르면, 상소둔에서 Ac1 온도 이상으로 가열함에 의하여 탄화물을 고용하여 페라이트와 오스테나이트로 형성된 조직을 냉각하는 과정에서 오스테나이트를 페라이트와 구형의 크롬탄화물로 상변태를 유도하기 위해 상변태속도가 가장 빠른 온도구간에서 일정시간 유지함으로써 냉각시간을 단축하며 고온의 오스테나이트상을 페라이트와 크롬탄화물로 완전히 상변태시켜 경도등의 재질을 연화시켜 가공성을 향상시키고, 상변태속도를 빨리하므로, 소재의 위치에 따른 재질편차를 감소시키는 소둔 냉각방법을 도입하였다.

즉, 본 발명에 따르면, AISI 420 계열강의 강중 탄소 일부를 질소로 대체함으로써 상소둔 열처리 과정 중에 형성되는 오스테나이트상이 페라이트와 탄화물의 혼합상으로 형성되는 상변태시간을 단축함에 의한 상변태속도를 제어함에 의해 상기 목적을 이룰 수 있다.

본 발명에 따르면, 중량비로 C: 0.05∼0.15%, Mn: 1.0% 이하, P: 0.045% 이하, S: 0.045% 이하, Si: 1.0% 이하, Cr: 12∼14%, N: 0.08∼0.15%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가된 마르텐사이트 스테인레스강을 상소둔하는 방법은 Ac1 온도 이상인 850℃ ~ 870℃의 온도에서 상기 마르텐사이트 스테인레스강을 소둔하여 마르텐사이트 및 탄화물을 페라이트와 오스테나이트로 분해한 후, 700℃ ±25℃ 구간에서 상변태가 완료될 때까지 1 ~ 2시간 동안 등온 유지하여, 통상적인 공냉을 실시한다.

이하, 상기의 작업방법 및 수치한정 이유에 대해 상세히 설명한다.

강중 Cr은 최소한의 내식성 보유를 목적으로 첨가되므로, 그의 함량은 기존의 420강과 동일하게 12∼14%로 한다.

질소는 질화물 석출에 의한 소려 경도 향상을 목적으로 하지만, 다량 첨가시 연주 공정에서 핀홀(pin hole) 결함을 수반하므로, 그의 함량은 0.08∼0.15%로 제한한다.

탄소는 중심편석 저감을 위하여 최소량을 첨가할 필요가 있으나, 마르텐사이트계 강의 주요 특성인 강도 보유 및 경제적 제조공정을 고려하여 강중 총 탄소 및 질소 함량을 0.2∼0.3%로 유지하여야 한다. 즉, 강중 탄,질소가 너무 낮은 경우 고상선 온도가 상승하여 응고 상태가 바뀌게 되며, 또한 마르텐사이트 상변태온도도 300℃ 이상으로 상승하여 슬라브 연삭 및 재가열 장입온도 유지에 어려움이 있다. 강중 탄,질소가 너무 높으면 마르텐사이트 상변태 종료 온도가 상온 이하로 저하하므로 상온에서 안정된 조직을 보유할 수 없다. 따라서 강중 탄소 함량은 0.05∼0.15%로 제한한다.

망간(Mn)은 기계적 성질에 큰 영향을 미치지 않으나 다량 첨가되면 유화물 형성에 의해 내식성을 저하시키므로 420강의 통상적 규제 범위인 1.0% 이하로 한다.

실리콘(Si)도 기계적 성질에 큰 영향을 미치지 않으나 다량 첨가되면 열간가공성을 저하시킨다. 따라서, 강의 청정도 향상을 목적으로 탈산 조업을 고려하여 420강의 통상적 규제 범위인 1.0% 이하로 한다.

이하 냉각조건 설정이유에 대해 설명한다.

냉각속도를 결정하기 위해, 1100℃에서 10분간 유지하여 오스테나이트상으로 상변태시킨 후 각 온도별로 등온유지시키면서 작성한 등온 상변태곡선으로부터 오스테나이트가 페라이트 및 크롬탄화물로 가장 빠르게 상변태되는 온도구간인 상변태 노즈(nose)는 700℃ ±25℃임을 알 수 있다. 이 상변태구간에서 상변태가 종료되는 시간 즉 오스테나이트가 페라이트와 탄화물로 상변태되는 시간은 약 1 ~ 2시간이다.

그리고, 등온 유지 온도가 675℃ 이하 및 725℃ 이상일 경우, 상변태가 완료되는 시간이 2시간 이상으로 크게 증가하므로, 소둔시간의 단축 효과가 없어 에너지 손실을 초래하고 생산성의 증가 효가가 없다. 또한, 상변태가 종료되는 시간이 700℃에서 1시간 이하인 경우 오스테나이트의 일부가 잔류하고, 이들이 공냉시 마르텐사이트로 상변태되어 소재의 경도를 증가시키므로, 가공성을 저하시킨다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 설명한다.

본 발명에서는, 하기 표 1에 나타난 바와 같이, 발명강(J1-1010, J1-1012, J1-0515, J1-1512) 외에 비교재로 420 J1강의 대표 성분을 갖는 J1-STD강과 420 J2강의 대표 성분을 갖는 J2-STD강을 제조하였다. 강의 용해는 진공 유도용해로를 이용하였으며, 30kg 주괴 형태로 제조후 1210℃ 전기로에서 150분 가열후 6mm 두께로 열간압연하여 품질특성 평가 시편을 제작하였다. 최종 수요가 열처리 특성 평가시에는 기존 상용 생산중인 PHM420J1강과 PHM420J2강도 비교재로 사용하였다. 하기 표 1에는 용해강종의 합금성분계를 나타내었다.

표 1 용해강의 화학성분계(중량%)

구 분	강종	C	N	Cr	Si	Mn	S	P
발 명 강	J1-1010	0.10	0.096	13.75	0.52	0.54	0.0020	0.016
	J1-1012	0.095	0.12	13.39	0.44	0.47	0.0014	0.013
	J1-0515	0.052	0.15	13.78	0.53	0.55	0.0022	0.016
	J1-1512	0.15	0.12	13.30	0.44	0.48	0.0015	0.013
비 교 강	J1-STD	0.21	0.02	13.53	0.54	0.47	0.0018	0.015
	J2-STD	0.31	0.022	13.59	0.54	0.50	0.0020	0.014

<실시예 1>

질소가 첨가된 마르텐사이트계 스테인레스강의 열연 코일의 권취 후 최적의 상소둔 열처리 조건을 도출하기 위하여 소재를 1100℃에서 10분간 유지하여 오스테나이트로 상변태시킨 후, 등온 유지온도를 조절하면서 상변태 측정기(Dilatometer)를 이용 등온상변태곡선을 작성하였다.

도 1 및 도 2는 등온냉각 시험에 의하여 작성된 등온상변태곡선으로서, 소재의 등온유지 온도에 따른 오스테나이트의 상변태 궤적을 쉽게 추적할 수 있다.

종래강(J1-STD)에 있어서 등온상변태 곡선을 나타내는 도 1을 참조하면, 상변태가 가장 빨리 발생하는 온도는 700℃부근이다. 이때, 상변태가 종료되는 시간은 약2시간이다. 그러나, 본 발명에 따른 J1-0515 강의 등온상변태 곡선을 나타내는 도 2를 참조하면, 상변태속도가 가장 빠른 경우는, 등온상변태 곡선의 노즈(nose) 부위로서, 그 온도는 약 700℃이다.

오스테나이트로부터 페라이트와 탄화물로 상변태가 시작되어 종료하는 시간은 약 0.7시간이다. 그러나, 소재가 700℃의 온도에 도달하여 상변태가 시작되는 시간까지의 잠복기를 거쳐서 상변태가 완료되는 시간은 약 1시간 정도이므로, 다른 등온 유지온도보다 짧으며 종래강의 등온 유지시간보다 1시간의 단축이 가능하다.

한편, 700℃에서 등온 유지시간이 1시간 이하인 경우, 오스테나이트로부터 페라이트 및 탄화물로 상변태가 종료되지 않고 일부의 오스테나이트는 잔류하며, 이러한 오스테나이트 일부는 마르텐사이트로 상변태하므로 소둔경도를 증가시켜 가공성의 열화를 초래한다. 따라서, 700℃에서 등온 유지하는 경우, 상소둔 열처리 시간을 크게 단축할 수 있음을 알수 있다. 상소둔 열처리시 등온 유지온도가 725℃ 이상인 경우와 675℃ 이하인 경우에, 상변태가 종료되는 총시간 즉 상변태 잠복기와 상변태가 실제로 발생하는 시간은 2시간 이상으로 증가하여 상소둔 열처리 시간의 단축 효과가 없다.

따라서, 마르텐사이트강의 최적의 상소둔 열처리 온도는 상변태가 가장 빨리 종료되는 등온 유지 온도인 700℃ ±25℃ 구간에서 1.0 ~ 2.0 시간 동안 유지하므로써 소둔시의 시간단축의 효과를 얻을 수 있다.

실시예 2

열연 소둔재의 기계적 성질을 나타내는 도 3은, 200mm 두께의 슬라브를 통상의 방법으로 열간압연한 후, 700℃ 이상의 온도에서 권취후 통상의 냉각속도인 30℃/Hr 이상으로 냉각된 소재에서 권취된 소재의 경도 및 개발강의 경우 Ac1 온도 이상인 850℃ ~ 870℃의 온도에서 소정 시간동안 유지한 후, 700℃ ±25℃ 온도구간에서 1.0 ~ 2.0시간 등온유지하여 상소둔시킨 후 얻어지는 기계적 성질과 종래강의 경우는 Ac1온도 이상인 850 ~ 870℃에서 소둔하여 탄화물을 분해한 후 650℃ ~ 750℃ 구간에서 2 ~ 6.3시간 동안 등온유지하고 다시 550℃ 이하까지 25℃/Hr이하의 속도로 제어냉각한 후 이후 통상적인 공냉을 실시함으로써 등온유지 상소둔 후 얻어지는 기계적 성질값을 나타내었다.

즉, 도 3을 참조하면, 개발강의 상소둔 열처리된 소재의 경도가 비교강보다 낮음을 알수 있다. 이는 상소둔 열처리 시간의 단축이 가능할 뿐 아나라 종래강보다 발명강이 더 연질임을 알수 있다.

상술한 바와 같이 질소를 첨가한 마르텐사이트계 스테인레스강을 열간 압연후 권취된 소재를 수요가 가공을 쉽게 소둔하는 경우, 상대적으로 장시간을 요하는 종래의 상소둔 공정에 따르면 생산성을 저하시키나, 발명강의 경우 상소둔 공정의 소둔 시간을 단축함으로써 생산성을 향상시킬 수 있으며 종래강보다 더 연질의 소재를 생산할 수 있다.

도 1은 J1-STD강의 등온상변태곡선을 나타낸 그래프.

도 2는 J1-0515강의 등온상변태곡선을 나타낸 그래프.

도 3은 열연 소둔재의 기계적 성질을 나타낸 그래프.

Claims (2)

1. 중량비로 C: 0.05∼0.15%, Mn: 1.0% 이하, P: 0.045% 이하, S: 0.045% 이하, Si: 1.0% 이하, Cr: 12∼14%, N: 0.08∼0.15%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진 조성을 갖는 마르텐사이트계 스테인레스강 슬라브를 재가열하는 단계와,

   상기 슬라브를 열간압연하여 열연판을 준비하는 단계와,

   상기 열연판을 상소둔하는 상소둔 단계로 이루어지고,

   상기 상소둔 단계는 상기 열연판을 Ac1 이상의 온도에 유지하여 오스테나이트상을 형성하는 단계와,

   상기 오스테나이트상이 페라이트상과 탄화물로 완전 상변태되도록 700℃ ±25℃의 온도구간에서 1.0 ~ 2.0시간 등온유지하는 단계와,

   통상적인 공냉을 실시하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 420계열의 마르텐사이트계 스테인레스 열연강판의 열처리방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 열연판은 850℃ ~ 870℃의 온도에 유지되는 것을 특징으로 하는 420계열의 마르텐사이트계 스테인레스 열연강판 열처리방법.