KR100755181B1 - 마르텐사이트계 스테인리스강의 소입열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1종 양식기, 칼, 가위 등에 사용되는 고강도 마르텐사이트계 스테인리스강의 목표 경도를 확보하기 위한 소입 열처리 조건에 관한 것이다.

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: 0.05∼0.15%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진 조성을 갖는 마르텐사이트계 스테인리스강을 950 ~ 1150℃에서 소입 열처리 함에 있어 H = 31.5 - 0.155 X Time(분) + 65.2 X C(wt. %) + 131 X N(wt. %) 로 표시되는 경도 예측식의 값을 이용하여 합금 성분 중 C, N 함량과 유지 시간을 조절하여 목표 경도를 확보하는 소입열처리 방법을 요지로 한다.

마르텐사이트계 스테인리스강, 소입 열처리, 경도

Description

마르텐사이트계 스테인리스강의 소입열처리 방법{Quenching method of martensitic stainless steel}

도 1은 소입 열처리 조건에 따른 경도의 예측 계산치와 실측치를 비교한 도면이다.

본 발명은 1종 양식기, 칼, 가위 등에 사용되는 고경도 마르텐사이트계 스테인리스강의 목표 경도를 확보하기 위한 소입 열처리방법에 관한 것이고, 보다 상세하게는 13%Cr 함유 스테인리스강에 탄소(C)와 질소(N)의 첨가량을 적절하게 조합한 마르텐사이트강의 소입 열처리 시 소둔 시간을 조절하는 방법으로 목표로 하는 경도를 용이하게 확보하는 420계열 마르텐사이트 스테인리스 열연강판의 소입 열처리방법에 관한 것이다.

스테인리스강의 기본 강종 중의 하나인 마르텐사이트계 스테인리스강은 고온에서는 안정한 오스테나이트 조직이나, 공냉 또는 유냉에 의하여 마르텐사이트 변태를 일으켜 상온에서는 강자성의 마르텐사이트 조직을 갖게 된다. 통상의 생산 공정에서는 열처리를 통하여 가공이 용이하도록 페라이트와 탄화물의 혼합 조직으 로 조업 및 관리되며 최종 제품으로 제조될 때 오스테나이트 영역의 온도에서 유지하여 탄화물을 재고용하고 이후 급속 냉각에 의해 경도가 높은 마르텐사이트 조직으로 제조된다. 이때 최종 제품의 경도는 기본적으로 합금성분과 오스테나이트 영역에서의 열처리 조건에 의해 결정된다.

용도에 따라 사용 목적에 맞는 경도를 확보하기 위하여 경도에 영향을 미치는 성분인 탄소와 질소의 함량과 소입 열처리 조건의 다양한 조합이 가능한데 통상의 경우에는 한정된 실험에 의하여 단속적인 열처리 조건을 도출하기 때문에 목표 경도의 변화와 조성 및 조업 조건의 변동에 따르는 열처리 조건을 설정하기 위한 추가적인 열처리 실험이 필요하게 된다.

본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로 목표로 하는 경도를 추가적인 열처리 실험없이 용이하게 변경할 수 있는 열처리 조건을 제시하는 것을 목적으로 한다.

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: 0.05∼0.15%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진 조성을 갖는 마르텐사이트계 스테인리스강을 950 ~ 1150℃에서 소입 열처리 함에 있어 H = 31.5 - 0.155 X Time(분) + 65.2 X C(wt. %) + 131 X N(wt. %) 로 표시되는 경도 예측식의 성분과 유지 시간을 조절하여 목적치의 경도를 얻기 위해 소입 열처리하는 방법을 요지로 한다.

본 발명에서 상기 경도는 로크웰 C로 측정한 경도값으로 한다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명자는 고경도 마르텐사이트계 스테인리스강의 성분과 소입 열처리 조건이 소입 경도에 미치는 영향을 연구하면서, 탄소와 질소의 함량 및 열처리 유지 시간과 소입 경도의 관계식을 도출하여 목표 경도를 확보할 수 있는 조건을 용이하게 설정할 수 있게 하였다.

이하 본 발명의 특징을 작용과 함께 설명한다. 우선 본 발명에서 필수성분을 한정한 이유를 설명한다. 이하 중량%로 나타낸다.

강 중 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 첨가 시 연주 공정에서 핀홀(pin hole) 결함을 수반하므로, 그의 함량은 0.05∼0.15%로 제한한다.

탄소는 중심편석 저감을 위하여 최소량을 첨가할 필요가 있으나, 마르텐사이트계 강의 주요 특성인 강도 보유 및 경제적 제조공정을 고려하여 강 중 총 탄소 및 질소 함량을 0.2∼0.3%로 유지하여야 한다. 즉, 강 중 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. 강 중 탄, 질소가 너무 높으면 마르텐사이트 상변태 종료 온도가 상온 이하로 저하하므로 상온에서 안정된 조직을 보유할 수 없다. 따라서 강 중 탄소 함량 은 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.

인(P)은 첨가량이 많을수록 인성이 저하되므로 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하나 통상적인 방법으로 제조가 가능하고 인성이 문제되지 않는 범위인 0.045% 이하로 한정하였다.

황(S)은 MnS와 같은 비금속 개재물을 형성하여 내식성을 저하시키고 표면 품질 및 가공성을 해치므로 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하나 특수한 정련법을 사용하지 않고 낮출 수 있는 범위인 0.045% 이하로 한정하였다.

이하, 본 발명을 실시예를 설명한다.

하기 표1은 소입 열처리 실험에 사용된 합금의 조성이다.

시험재의 합금성분 표 (wt. %)

시험재	C	N	Si	Mn	P	S	Cr	Ni
1	0.23	0.03	0.55	0.44	0.01	0.009	13.9	0.24
2	0.13	0.88	0.53	0.45	0.01	0.008	13.7	0.25
3	0.13	0.83	0.52	0.46	0.01	0.009	13.8	0.26
4	0.14	0.88	0.57	0.45	0.01	0.006	13.7	0.25
5	0.14	0.86	0.52	0.42	0.01	0.010	13.6	0.24
6	0.15	0.85	0.51	0.45	0.01	0.009	13.9	0.22

상기 표 1의 강재의 소입 열처리 온도와 유지 시간의 영향을 통계적으로 분석하기 위하여 반응표면 분석법의 중심복합설계를 사용하여 열처리 조건을 표 2와 같이 설계하였다.

소입 열처리 조건

조건	Temp.(℃)	Time(분)
1	1000	5
2	1000	15
3	1100	5
4	1100	15
5	1050	2.9
6	1050	17.1
7	979	10
8	1120	10
9	1050	10

표 1의 강재를 표 2의 조건으로 열처리 한 후 측정한 로크웰 C 경도 값을 표3에 정리하였다. 측정 결과를 반응 표면 분석법에 의해 분석하여 구한 경도(HRc)의 예측식 (H = 31.5 - 0.155 X Time(분) + 65.2 X C(wt. %) + 131 X N(wt. %) )은 유의수준 5%에서 통계적으로 유의하며 설명력은 보정 R² 값 42.1%로 우수한 설명력을 나타냈다.

소입열처리 조건별 시험 합금의 경도 (HRc)

합금 조건	1	2	3	4	5	6
1	42.9	50.5	49.0	49.2	50.8	49.9
2	47.4	50.7	49.3	50.6	51.6	51.6
3	50.7	51.1	51.1	51.7	52.7	52.4
4	41.7	48.1	46.7	48.7	48.2	48.8
5	50.0	52.0	51.4	51.9	52.3	52.3
6	47.4	48.3	48.6	49.7	51.3	51.3
7	42.6	49.9	48.9	48.8	50.4	49.1
8	44.1	49.9	47.7	47.4	46.5	49.2
9	49.7	52.6	50.7	51.3	51.2	52.9

표 3에서의 실측 경도와 계산에 의해 예측한 경도를 비교하여 도 1에 정리하였다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 열처리 조건을 이용할 경우 실측 경도가 도출된 예측 경도값에 근접하는 것을 알 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 적정의 소입 경도를 확보하기 위한 소입 열처리 조건을 합금 성분과 조합한 열처리 수식에 의해 용이하게 도출할 수 있다.

Claims (1)

1. 중량%로 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: 0.05∼0.15%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진 조성을 갖는 마르텐사이트계 스테인리스강을 하기의 경도 예측식을 통해 950 ~ 1150℃ 범위에서 열처리하여 목적치의 경도를 얻기 위한 것을 특징으로 하는 마르텐사이트계 스테인리스강의 소입열처리 방법.

   경도예측식 :

   H = 31.5 - 0.155 X Time(분) + 65.2 X C(wt. %) + 131 X N(wt. %)

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