KR100915199B1

KR100915199B1 - 열간 단조를 이용한 연자성 스테인리스 부품의 제조방법 및이에 의해 제조된 하우징 및 코어

Info

Publication number: KR100915199B1
Application number: KR1020070090799A
Authority: KR
Inventors: 하미란
Original assignee: 하미란
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2009-09-02
Also published as: KR20090025728A

Abstract

본 발명은 열간 단조를 이용하여 연자성 강재 부품을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 스테인리스강에 적합한 공정설계를 통해 자기특성이 우수한 연자성 강재 제품을 열간 단조방법을 통해 제조할 수 있도록 함으로써, 재료비와 설비비를 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있는 연자성 강재 제품의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제조방법은, 중량 퍼센트(wt%)로, C: 0.030% 이하, Si: 0.5 ~ 2.0%, Mn: 0.1 ~ 1.0%, P: 0.035 이하, S: 0.01 ~ 0.25%, Ni: 0.5% 이하, Cr: 10 ~ 20%, Mo 2.5%이하, Cu: 0.5 % 이하 N: 0.030% 이하, Nb: 0.1% 이하, Al 0.5%이하 및 잔부 불가피한 불순물과 철(Fe)로 이루어진 조성을 갖는 선재 또는 봉재를, 1000 ~ 1250℃로 가열하여 연자성이 요구되는 부분의 소성변형량을 20% 이하가 되도록 단조가공을 하는 단계와, 단조가공 후 마무리 온도를 1000℃이상으로 하여 0.5℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열간 단조를 이용한 연자성 스테인리스 부품의 제조방법 및 이에 의해 제조된 하우징 및 코어 {MANUFACTURING METHOD FOR STEEL ARTICLES HAVING SOFT MAGNETIC PROPERTY BY HOT FORGING AND HOUSING AND CORE MANUFACTURED BY THE METHOD}

본 발명은 열간 단조를 이용하여 연자성 강재 부품을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 페라이트계 스테인리스 합금으로 이루어진 봉재 또는 선재를 재료의 연자성 특성을 저하시키지 않도록 공정조건이 제어된 열간 단조법으로 강재 부품을 제조함으로써 기계 절삭가공법에 비해 재료의 손실을 최소화하여 원가절감을 실현할 수 있는 부품의 제조방법에 관한 것이다.

연자성 특성을 나타내며 동시에 내식성을 가지는 12 ~ 20 Cr 함유 스테인리스강으로 제조된 연자성 강재 부품으로는, 가스차량의 연료차폐장치에 사용되는 부품이 있다.

한편, 상기 부품 중에서 자기특성이 요구되는 부분은 가능하면 낮은 보자력과 높은 투자율을 갖는 우수한 연자성 특성이 필요한데, 이러한 특성을 얻기 위하여 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같은 공정을 통해 제조되고 있다.

이 방법에 따르면, 먼저 전기로에서 용해된 용강을 정련 및 주조한 후 봉재 또는 선재로 가공하고, 이어서 열처리를 통하여 응력제거를 하거나 재료의 결정립과 석출물을 조절하여 요구되는 자기 특성을 만족시킨 후, 부품의 제조에 필요한 크기로 절단을 한다. 그리고 요구되는 자기 특성을 유지하기 위해 절단한 소재에 대한 소성가공을 실시하지 않고 CNC 선반에서 기계 절삭가공을 행함으로써, 부품들을 제조하는 것이다.

그러나 연자기 특성을 유지하기 위한 종래의 기계 절삭가공에 의하면, 기계 가공에 따른 스크랩의 발생으로 인해 재료의 손실량이 많아지고, 부품을 가공하기 위한 설비비가 증대하며 생산성이 떨어져, 부품의 원가가 매우 높아지는 문제점이 있다.

한편, 한국 특허공개번호 제1991-1816호에는, C: 0.02 ~ 0.08 wt%, Mn: 0.05 ~ 0.49 wt% 및 나머지 철 및 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 1000℃ 이상의 온도로 가열하고, 가열한 소재를 1000℃ 이상의 완성 온도로 열 가공하여 강재물품을 제조한 다음, 제조한 강재물품을 0.5℃/초 이하의 냉각속도에서 500℃ 이하의 온도로 냉각하여, 강재물품의 결정립을 50㎛ 이상의 입경(粒經)으로 성장시킴으로써, 강재물품에 높은 투자율 및 낮은 보자력을 부여하는 방법이 개시되어 있다. 즉, 이 방법은 열간 단조 후 냉각속도를 느리게 함으로써 결정립의 크기를 조절함으로써 연자기 특성을 확보하는데 구성적 특징이 있다.

그러나 이 방법을 스테인리스강에 적용하게 되면, 느린 냉각속도로 인해 많은 석출물이 생성되어, 자기 특성이 현저하게 저하되므로, 스테인리스강에는 적용할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 스테인리스강에 적합한 공정설계를 통해 자기특성이 우수한 연자성 강재 제품을 열간 단조방법을 통해 제조할 수 있도록 함으로써, 재료비와 설비비를 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있는 연자성 강재 물품의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연자성 강재 제품의 제조방법은, 중량 퍼센트(wt%)로, C: 0.030% 이하, Si: 0.5 ~ 2.0%, Mn: 0.1 ~ 1.0%, P: 0.035 이하, S: 0.01 ~ 0.25%, Ni: 0.5% 이하, Cr: 10 ~ 20%, Mo 2.5%이하, Cu: 0.5 % 이하 N: 0.030% 이하, Nb: 0.1% 이하, Al 0.5%이하 및 잔부 불가피한 불순물과 철(Fe)로 이루어진 조성을 갖는 선재 또는 봉재를, 1000 ~ 1250℃로 가열하여 연자성이 요구되는 부분의 소성변형량을 20% 이하가 되도록 단조가공을 하는 단계와, 단조가공 후 마무리 온도를 1000℃이상으로 하여 0.5℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는데 구성적 특징이 있다.

본 발명에 따른 연자성 강재 제품의 제조방법은, 단조 가공 온도를 1000℃ 이상으로 결정립의 크기를 증대시킴으로써, 단조 가공 후 재결정시 핵 생성을 저하시켜 입자의 크기를 크게 유지시키고, 단조 가공의 마무리온도를 1000℃ 이상으로 하고 동시에 물품 중 자기특성이 요구되는 부분의 소성변형량을 20% 이하로 유지하여 가공 응력을 최소화한 후, 단조 가공 후 냉각속도를 공랭 이상의 속도로 하여, 자기특성을 저하시키는 석출물의 형성을 감소시킴으로써 원하는 투자율과 보자력을 갖도록 하는 것을 기술적 사상으로 한다.

또한, 상기 제조방법에 있어서 소성변형량이 많거나 가공 응력이 잔류하는 경우에는 상기 냉각 단계 후, 추가로 750 ∼ 1050℃의 온도에서 소둔 열처리하여 소성가공변형 및 가공 응력을 제거하고 0.5℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계를 선택적으로 수행할 수 있다.

한편, 상기 단조가공은 2단계로 가공하는 것이 바람직하며, 또한, 상기 부품의 결정립은 ASTM No.6 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 전술한 제조방법에 의해 제조하되, 상기 Cr을 13 ∼ 20%로 함유하고, 추가로 Mo을 2.5%이하로 함유하는 연료차폐장치용 컷 오프솔의 하우징을 제공한다.

또한, 본 발명은 전술한 제조방법에 의해 제조하되, 상기 Cr을 10 ∼ 15% 범위 내로 함유시킨 연료차폐장치용 컷 오프솔의 코어를 제공한다.

다음으로 본 발명의 제조방법에 있어서 수치한정된 각 구성의 기술적 의의에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

(1) 조성

본 발명에 따른 강재 물품의 제조방법에 사용된 강종은 페라이트계 스테인리스강으로서, 연자성 특성을 나타내는 널리 사용되는 공지의 강종이며, 본 발명 강의 화학 조성의 한정 이유는 다음과 같다.

탄소(C)

탄소를 0.03중량% 초과하여 함유하게 되면, 단조 가공성을 떨어뜨림과 동시에 사용 환경하에서의 경시 시효에 의해 연자성 특성이 저하되므로, C는 0.03중량% 이하로 함유하는 것이 바람직하며, 0.02중량% 이하가 보다 바람직하다.

질소(N)

질소를 0.025중량% 초과하여 함유하게 되면, 단조 가공성이 떨어지며, 탄소와 마찬가지로 사용 환경하에서 경시 시효가 발생하여 연자성 특성이 저하되므로, 질소는 0.025중량%이하로 함유하는 것이 바람직하며, 0.02중량%이하로 함유하는 것이 보다 바람직하다.

망간(Mn)

망간은 열간 취성을 억제하는 원소로 열간 단조를 위해 필요한 성분이나, 1.0중량%를 초과하여 함유하게 되면 열간 압연 온도영역에서 오스테나이트(austenite) 상(phase)을 생성해 집합 조직이 랜덤화해 연자성 특성이 저하되므로, 1.0중량% 이하로 함유하는 것이 바람직하며, 열간 취성과 연자성 특성을 고려할 때 0.1 ~ 0.6중량%의 범위로 함유하는 것이 보다 바람직하다.

크롬(Cr)

크롬은 내식성을 발현하는 중요한 원소이며, 10중량% 미만으로 함유하는 경우 충분한 내식성을 얻을 수 없고, 20중량%를 초과하여 함유하면, 포화 자화가 저하되므로 자기 실드재로서의 효과를 기대하기 어렵다. 따라서 크롬은 10.0 ~ 20.0중량%의 범위로 함유하는 것이 바람직하다.

실리콘(Si) 및 알루미늄(Al)

실리콘과 알루미늄은 모두 비저항을 증가시켜, 연자성 특성을 향상시키는 원소이며, 선택적으로 1종 또는 2종 모두 함유할 수 있다. 그러나, 함유량이 많아지면, 재료의 경도가 증가해 가공성이 저하되므로, 실리콘은 3.0중량% 이하, 알루미늄은 0.5중량% 이하로 함유하는 것이 바람직하며, 연자성 특성과 가공성의 양 측면을 고려할 때, 실리콘은 0.5 ~ 1.2중량%의 범위로, 알루미늄은 0.05 ~ 0.12중량%의 범위로 함유하는 것이 보다 바람직하다.

니켈(Ni)

니켈은 내식성을 향상시키는 원소로 선택적으로 첨가될 수 있는데, 함유량이 0.5중량%를 초과하게 되면 열간 압연 온도영역에서 오스테나이트 상을 생성하여 집합 조직이 랜덤화해 연자성 특성이 저하되므로, 니켈은 0.5중량% 이하로 함유하는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo)

몰리브덴은 내식성을 향상시키는 원소로 선택적으로 첨가될 수 있으나 고가의 원료로서 다량의 첨가시 제조원가 상승의 원인이 된다. 따라서 1.5 ~ 2.5중량%의 범위로 함유하는 것이 바람직하다.

인(P)과 황(S)

인과 황은 소둔(annealing) 시의 회복 및 재결정을 늦추어 연자성 특성을 저하시키므로 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하므로 인은 0.035중량% 이하로 함유하도록 한다. 다만, 황은 절삭가공성을 향상시키므로 0.01 ∼ 0.25중량% 이하로 함유하도록 하는 것이 바람직하다.

기타 불순물

인과 황 이외에도, 구리(Cu) 등은 석출물을 생성하는 원소이므로, 가능한 한 저감하는 것이 바람직하므로, 상기 조성 범위로 함유하는 것이 바람직하다.

(2) 단조 온도

1000℃ 미만에서 단조 가공을 하게 되면, 크롬탄화물(Cr₂C)이나 니오븀탄질화물(NbCN)과 같이 스테인리스강 중에 석출된 각종 탄화물 또는 탄질화물에 의하여 폐라이이트 결정립의 성장이 억제되어, 제조된 부품의 연자기 특성이 저하되므로, 단조 가공은 페라이트 결정립의 조대화를 위해 1000℃ 이상에서 실시하는 것이 바람직하며, 1100℃ 이상에서 실시하는 것이 보다 바람직하다.

한편 1250℃를 초과하여 단조 가공을 하게 되면, 페라이트 결정립이 지나치게 조대화되어, 단조 가공시 재료의 파단이 발생하거나 단조 후 냉간 소성가공시 재료의 파단이 발생하므로, 바람직한 단조 가공 온도는 1000℃~1250℃이며, 보다 바람직한 단조 가공 온도는 1100~1200 ℃이다.

(3) 소성 가공량

강재 물품 중, 연자성 특성이 요구되는 부분의 단조 가공에 의한 소성 변형량을 20%를 초과하게 되면, 단조 가공에 의해 도입된 변형에 의해 연자성 특성이 저하되므로, 소성 변형량을 20% 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

(4) 마무리 온도

단조 가공의 마무리 온도를 1000℃ 미만으로 할 경우, 최종 단조 가공에 의해 발생하는 변형이 제거되지 않고 강재 물품에 잔류하여 제조된 물품의 연자기 특성을 저하시키므로, 단조 가공의 마무리 온도는 적어도 1000℃ 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.

(5) 단조가공 후 냉각속도

단조 가공된 물품을 공랭(0.5℃/초 이상) 이상의 냉각속도로 냉각하면, 고온에서 고용되어 있던 탄소(C)나 질소(N) 등이 냉각 과정에서 친화력이 큰 크롬(Cr), 니오븀(Nb) 등과 결합하여 석출되는 것을 방지할 수 있어, 석출물에 의한 연자기 특성의 저하를 막을 수 있으므로, 단조 가공 후의 냉각속도는 0.5℃/초 이상으로 하는 것이 바람직하다.

(6) 소둔 온도

단조 가공 공정에 의한 소성가공 응력이 지나치게 잔류할 경우, 750 ~ 1050℃ 에서 응력제거소둔을 실시한 후 공랭 처리를 하면 보다 향상된 연자기 특성을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 강재 물품의 제조방법에 의하면, 적절한 열간 가공 조건에 의한 열간 가공으로 물품을 제조할 수 있기 때문에, 종래의 기계 절삭가공방법에 비해 스크랩의 발생이 현저하게 줄고 생산성이 향상되며 설비비가 저하되어, 연자성 강재물품의 제조원가를 현저하게 절감시킬 수 있다.

도 1은 종래의 연자기 특성을 갖는 강재 물품의 제조방법에 대한 제조공정도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 연자기 특성을 갖는 강재 물품을 제조하는 방법에 대한 제조공정도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 솔레노이드 밸브의 코어를 제조하는 과정에 대한 개략도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 솔레노이드 밸브의 하우징을 제조하는 과정에 대한 개략도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예을 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 그 기술적 사상 내에서 다양한 변형이 가능하며 하기 실시예에 한정되지 않는다.

먼저, 연료차폐장치용 컷오프 솔의 코어 및 하우징용에 널리 사용되는 하기 표 1의 조성을 갖는 13 ∼ 40mm 직경의 스테인리스 강봉을 직선 교정 및 절단하였다.

본 발명의 실시예에 사용된 강종의 조성

강종

성분 (중량%)

비고

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Cu

N

Nb

Mo

Al

Bal.

A

0.03이하

0.5~1.5

0.1~1.0

0.035이하

0.03~0.25

0.5이하

10~15

0.5이하

0.025이하

0.1이하

-

0.5이하

Fe

코어

B

0.03이하

0.5~ 2.0

0.1~1.0

0.035이하

0.03~0.25

0.5이하

13~ 20

0.5이하

0.025이하

0.1이하

2.5이하

-

Fe

하우징

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, A 및 B강은 페라이트계 스테인리스강으로서, Si, Cr, Mo 및 Al의 함량에서 다소의 차이가 있을 뿐 대체로 유사하다.

절단된 강봉을 전기 유도 가열로에서 1150℃의 온도에서 2시간 동안 가열한 다음, 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 열간 상태에서 프레스로 1차 업세팅한 후 연속하여 2차 열간 단조 가공을 도 3 및 4에 "자기특성부"로 표시된 부위의 소성가공량이 20%의 이내가 되도록 가공하거나, 업세팅 없이 곧바로 열간 단조 가공을 하였다.

이어서, 열간 단조 후 마무리 온도가 1000℃로 유지된 상태에서 공랭함으로써, 하기 No.1~4 및 6의 제품을 제조하였다.

한편, No.5의 경우, 추가로 제품 내의 소성 변형 또는 가공 응력을 제거하기 위하여 930℃의 온도에서 3시간 동안 소둔 열처리를 하고 공랭(냉각속도 0.5℃/초 이상)처리를 수행하였다.

이상과 같이 제조된 물품의 자기적 특성, 즉 보자력 및 자속밀도를 측정한 결과, 아래의 표 2와 같았다.

자기적 특성의 측정 결과

No.	강종	가열온도(℃)	마무리온도(℃)	냉각속도	단조가공율(%)	소둔열처리(℃)	결정입도ASTM No.	자속밀도B5(T)	보자력(Hc)	비고
1	A	1050	1010	공랭	5	-	2	1.20	0.9	실시예
2	A	1100	1030	공랭	5	-	2	1.22	0.9	실시예
3	A	1150	1080	공랭	5	-	2	1.25	0.8	실시예
4	B	1100	1030	공랭	5	-	2	0.98	1.8	실시예
5	B	1150	1080	공랭	5	930	2	0.98	1.8	실시예
6	B	1210	1100	공랭	5	-	2	1.0	1.8	실시예
7	A	-	-	-		850	6	1.02	1.6	비교예(절삭)
8	B	-	-	-	24	950	8	0.92	3.5	비교예(냉간)
9	A	950	910	공랭	5	850	4	1.08	1.0	비교예(열간)
10	A	950	905	공랭	5	-	4	0.90	2.1	비교예(열간)
11	B	970	910	공랭	-	-	5	0.93	2.7	비교예(열간)
12	B	1080	1020	공랭	25	-	3	0.92	2.4	비교예(열간)

A 강종으로 제조한 코어부품에서 연자기 특성이 필요한 부분, 즉 도 4의 "자기특성부"로 나타낸 영역에 대해 자기적 특성을 측정한 결과, 상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 부품(No.1~3)은 종래의 절삭가공한 코어(No.7)에 비해, 보자력이 1.0Hc에서 0.8~0.9Hc로 낮아졌을 뿐 아니라, 자속밀도의 측면에서는 1.02T에서 1.20~1.25T로 향상되었음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면 절삭가공을 제거함에 따른 재료비 절감과 생산성 향상에 더하여, 연자기 특성의 측면에서도 절삭가공에 비해서 향상되었음을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예와 비교예(No.10~11)를 대비해보면, 본 발명의 실시예에 따른 제조방법에 의할 때, 동일한 열간가공에 의하더라도 보자력이 저하되고 자속밀도가 향상됨을 알 수 있다.

또한, B 강종으로 제조한 본 발명의 실시예에 따른 부품(No.4~6)의 경우에도 A강종과 유사하게, 냉간단조법(No.8)이나 본 발명에 따르지 않은 열간단조(No.11~12)에 비해 보자력이 낮아지고 자속밀도가 높아져 연자기 특성의 측면에서는 물성이 향상됨을 알 수 있다.

Claims

중량 퍼센트(wt%)로, C: 0.030% 이하, Si: 0.5 ~ 2.0%, Mn: 0.1 ~ 1.0%, P: 0.035% 이하, S: 0.01 ~ 0.25%, Ni: 0.5% 이하, Cr: 10 ~ 20%, Mo: 2.5% 이하, Cu: 0.5 % 이하 N: 0.030% 이하, Nb: 0.1% 이하, Al 0.5%이하 및 잔부 불가피한 불순물과 철(Fe)로 이루어진 조성을 갖는 선재 또는 봉재를, 1000 ~ 1250℃로 가열하여 연자성이 요구되는 부분의 소성 변형량을 20% 이하가 되도록 단조가공을 하는 단계와,

단조가공 후 마무리 온도를 1000℃이상으로 하여 0.5℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 연자성 강재 물품의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 냉각 단계 후, 추가로 750 ∼ 1050℃의 온도에서 소둔 열처리하여 소성가공변형 및 잔류응력을 제거하고 0.5℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연자성 강재 물품의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 물품의 결정립은 ASTM No.1 ~ No.6인 것을 특징으로 하는 연자성 강재 물품의 제조방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단조가공은 2단계로 행해지는 것을 특징으로 하는 연자성 강재 물품의 제조방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의해 제조되며, 상기 조성에 있어서 Cr이 13 ∼ 20%인 연료차폐장치용 컷오프 솔의 하우징.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의해 제조되며, 상기 조성에 있어서 Cr이 10 ∼ 15%인 연료차폐장치용 컷오프 솔의 코어.