KR100963021B1 - 표면품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강의연주주편 제조방법 - Google Patents

표면품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강의연주주편 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마르텐사이트계 스테인레스강을 연속주조로 제조하는 경우 주편의 표면크랙(crack)이나, 열간압연시 발생하는 선상결함을 방지하므로써 후공정에서 건전한 주편의 제조가 가능하도록 한 표면품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강의 연주주편 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명은 액상선 온도에서 초정 델타 페라이트(δ-ferrite)상이 응고를 시작하고, 상기 델타 페라이트상이 포정반응 온도까지 성장한 후 오스테나이트상이 형성되는 마르텐사이트계 스테인레스강을 연속주조하여 연주주편을 제조하는 방법에 있어서, 상기 액상선 온도에서 포정반응 온도까지의 주편의 냉각속도를 40~1500℃/분의 범위로 제어하고, 상기 포정반응 온도에서 고상선 온도까지의 주편의 냉각속도를 250℃/분 이상으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
스테인레스강, 마르텐사이트, 크랙, 선상결함, 델타 페라이트

Description

표면품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강의 연주주편 제조 방법{Method for manufacturing continuous casting of martensite stainless steel having with excellent surface quality}
도 1은 13% Cr 마르텐사이트계 스테인레스강의 상태도.
본 발명은 마르텐사이트계 스테인레스강의 연주주편 제조방법에 관한 것으로, 특히 마르텐사이트계 스테인레스강을 연속주조로 제조하는 경우 주편의 표면크랙(crack)이나, 열간압연시 발생하는 선상결함을 방지하므로써 후공정에서 건전한 주편의 제조가 가능하도록 한 표면품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강의 연주주편 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 대표적인 마르텐사이트계 스테인리스강은 13Cr-0.2C을 기본 조성으로 한 STS 420J1강과, 13Cr-0.3C을 기본 조성으로 한 STS 420J2강이 있으며 이러한 마르텐사이트계 스테인레스강은 강도가 높고, 내마모성도 우수하기 때문에 양식기, 칼, 가위류에 이용되며, 이외에도 인성, 내열성 및 내식성을 필요로 하는 일반 기계 구조용강으로도 사용되고 있다.
그러나 STS 420J1강과 STS 420J2강은 고액구간이 넓고, 응고 과정중 포정반응을 일으키기 때문에 Si, P, S 편석이 심하게 발생되고, 응고 수축량이 크기 때문에 연주과정에서 표면크랙(crack)이 발생하기 쉬우며, 열간압연시에 열간가공성이 저하되어 역시 크랙이 발생하기 쉽다.
특히, 엣지(Edge) 크랙이라고 일컬어지는 슬라브 엣지와 열연판 엣지에 발생하는 크랙은 실수율을 크게 떨어뜨리는 등 제조를 불가능하게끔 하는 문제점을 야기시키고 있다. 이러한 크랙을 방지하기 위해 종래에는 마르텐사이트계 스테인레스 강의 연속주조시 주편을 서냉한 후 그라인딩(grinding)을 실시하는 경우도 있지만, 이러한 방법은 실수율의 저하와 함께 제조비용의 증가를 초래하게 된다.
이처럼 제조가능 여부를 결정하는 주편의 표면크랙은 열간압연 공정 및 수요가 가공시 검출되는 선상결함이다. 이러한 선상결함은 연주 주편의 표면크랙이 원인이 되기 때문에 그라인딩 같은 정정공정을 통해 선상결함을 제거하는 추가공정이 요구되므로 가격상승의 요인이 되고 있다. 이와 같은 선상결함을 방지하기 위해 연속주조 공정에서부터 열연 및 소둔공정에 이르기까지 여러가지 기술이 개발되어 왔다.
열연공정에서는 전술한 선상결함을 방지하기 위해 가열로에서 주편 표층부의 페라이트상 석출을 억제하는 것이 필요하다. 이를 위해 마르텐사이트계 스테인레스 강 주편을 가열로에서 균열시 오스테나이트 단상영역과, 페라이트상과 오스테나이트상이 함께 존재하는 2상 영역과의 경계온도 보다 20~200℃ 낮은 온도로 재가열해서 2시간이상 10시간 이하로 균열시간을 유지한 후 압연하는 방법이 제시되었다.( 일본 特公平 6-78567). 그러나 상기 방법은 탄소함량이 높은 강종에서는 표면결함을 방지할 수 없고, 가열로의 설비투자가 필요한 문제점이 있다.
연속주조시 주편결함을 방지하는 방법으로서, 몰드내에 전자기장을 가해 용강의 유동을 제어함으로써 주편 표면품질을 확보하는 방법이 제안되어 일부 실용화되고 있다(CAMP-ISIJ 9(1996), P206). 그러나 이러한 방법은 고속주조시 탄소강에 적용되는 기술로서 탕면의 불안정을 완전히 해결하지 못하는 문제점으로 인해 주편 표면품질이 엄격히 요구되는 스테인레스강 경우에는 주편표면 결함을 방지하는 데한계가 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 추가적인 설비없이 연속주조시 2차 냉각대에서의 주편의 냉각속도에 대한 적절한 제어를 통해 주편의 표면크랙이나, 열간압연시 발생하는 선상결함을 방지하므로써 건전한 주편의 제조가 가능한 표면품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강의 연주주편 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 액상선 온도에서 초정 델타 페라이트(δ-ferrite)상이 응고를 시작하고, 상기 델타 페라이트상이 포정반응 온도까지 성장한 후 포정반응에 의해 오스테나이트상이 형성되는 마르텐사이트계 스테인레스강을 연속주조하여 연주주편을 제조하는 방법에 있어서, 상기 액상선 온도에서 포정반응 온도까지의 주편의 냉각속도를 40~1500℃/분의 범위로 제어하고, 상기 포정 반응 온도에서 고상선 온도까지의 주편의 냉각속도를 250℃/분 이상으로 제어하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강의 연주주편 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 서술한다.
본 발명은 초정 델타 페라이트(δ-ferrite)상으로 응고를 시작하고, 응고과정중 오스테나이트(austenite)상이 형성되는 마르텐사이트계 스테인레스강을 연속주조로 제조하는 경우 연주 주편을 열간압연시, 선상결함의 발생 위치와 주편 표면크랙과의 상관성을 조사하여 연속주조시의 주편크랙을 방지하는 데 그 특색이 있다.
연속주조시 주편에 발생하는 표면크랙을 야금학적으로 살펴보면, 응고과정중 용질원소의 편석량이 높아 발생하는 경우와, 수지상정(dendrite)의 응고조직이 조대하게 형성되어 연신율이 저하되므로써 발생하는 경우가 있다. 용질원소의 편석으로 인해 표면크랙이 발생하는 경우는 응고과정중 용질원소가 수지상정 사이에서 편석되어 응고구간을 확장시키기 때문에 발생하는 경우이다. 이러한 표면크랙을 방지하기 위해서는 응고과정중 용질원소의 편석량을 줄이는 것이 요구된다. 한편 조대한 응고조직은 고온강도가 낮기 때문에 외부응력의 작용시 응고조직 계면에서 표면크랙이 발생한다.
따라서 연주주편의 표면크랙을 억제하기 위해서는 용질원소의 편석량을 줄이고, 응고조직을 미세하게 형성시키는 것이 필요하다. 이를 위해서는 마르텐사이트계 스테인레스강의 응고과정이 파악되어야 한다. 이에 대한 과정은 도 1에 나타낸 13% Cr 마르텐사이트계 스테인레스강의 응고과정의 모식도를 통해 설명이 가능하다.
1 단계 ; 응고시 액상선 온도(1)에서 초정 델타 페라이트(δ-ferrite)상이 생성되고, 온도가 떨어짐에 따라 델타 페라이트상은 조대화 과정을 통해 포정반응 온도(2)까지 성장해 간다.
2 단계 ; 포정반응 온도(2)부터 응고완료인 고상선 온도(3)까지는 포정반응에 의해 오스테나이트(austenite)상이 생성되고, 델타 페라이트상은 소멸해 간다.
3 단계 ; 응고가 완료된 후에는 고상 확산에 의해 델타 페라이트상은 오스테나이트상으로 변태해 간다.
따라서, 액상선 온도(1)부터 포정반응 온도(2)까지의 온도구간은 델타 페라이트상이 생성 및 성장하는 온도구간으로 냉각속도를 빠르게 하면 초기에 형성되는 델타 페라이트상의 응고조직 크기는 미세하게 형성되므로 표면크랙을 억제할 수 있는 장점이 있지만, 용질원소의 확산이 지연되는 단점도 있다.
한편, 냉각속도를 느리게 하면 용질원소의 확산이 진행되기 때문에 액상에 농축되는 용질원소의 함량은 감소되지만, 델타 페라이트상의 응고조직 크기는 조대하게 된다. 그리고 포정반응 온도(2)부터 고상선 온도(3)까지는 델타 페라이트상이 오스테나이트상으로 변태되는 단계이고, 이때 생성된 오스테나이트상은 불순물 원소에 대한 용해도가 적기 때문에 용질원소가 수지상정 사이에 다량 잔존하게 되어 표면크랙을 야기시키는 원인이 된다.
오스테나이트상을 제어하기 위해 냉각속도를 느리게 하면 오스테나이트상의 생성이 증가하기 때문에 용질원소의 편석량은 증가하여 표면크랙이 발생하기 쉽게 되는 문제점이 있고, 반대로 냉각속도를 빠르게 하면 오스테나이트상의 생성이 감소되어 표면크랙을 억제하는 효과가 있다. 위의 설명으로부터 연속주조시 주편에 존재하는 델타 페라이트상과 오스테나이트상의 생성 및 불순물 용질원소의 편석량은 응고과정중 냉각조건에 의해 조절될 수 있다고 판단되므로 본 발명은 연속주조시 주편의 표면크랙을 방지하기 위해 응고 과정중 냉각속도를 제어하는 방법을 제시하였다.
그러나 연속주조시 냉각속도를 제어하는 과정에서 표면크랙 방지 외에 조업문제가 야기될 수 있으므로 냉각속도의 한계 및 범위가 설정된다. 따라서 본 발명은 액상선 온도(1)에서 포정반응 온도(2)까지의 냉각속도를 40~1500℃/분의 범위로 제어하고, 포정반응 온도(2)에서 고상선 온도(3)까지의 냉각속도를 250℃/분 이상으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 냉각속도 설정한계에 대한 이유에 대해 서술한다.
냉각속도를 1500℃/분 이상으로 제어하면, 연속주조시 수지상정(dendrite) 사이에 잔존하는 용질원소의 편석이 확산할 시간이 적어져서 주편의 표면크랙을 발생시킨다. 그리고 냉각속도가 40℃/분 이하가 되면, 초기에 형성된 델타 페라이트상의 조대화가 이루어지는 문제점과, 이러한 냉각속도를 만족시키기 위해 연속주조시 몰드 냉각 및 2차 냉각의 물량을 감소시켜야 하고, 이로 인해 주조중 주편의 열전달이 늦어져 주편 응고층의 강도가 저하되어 주편이 벌징(bulging)되는 현상이 발생되어 조업 및 품질의 악화를 초래하게 된다.
또한, 포정반응 온도(2)에서 고상선 온도(3) 구간에서의 냉각속도를 250℃/분 이하로 하면, 오스테나이트상 형성량이 높게 되어 편석이 심화되고, 이로 인해 주편의 표면크랙이 발생하게 된다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
(실시예)
본 발명은 하기 표 1에 나타낸 바처럼 STS 420J2 강종인 마르텐사이트계 스테인레스강을 대상으로 하여 하기 표 2에 나타난 제조조건으로 연속주조 주편을 제조하였고 주편의 크랙을 조사하였다. 본 발명재(A∼C)는 연속주조 주편 및 열연 코일 표면에 벌징(bulging), 표면크랙이 발생하지 않은 양호한 주편을 얻을 수 있었다. 그러나 비교재(D)는 액상선 온도(1)에서 포정반응 온도(2)까지의 냉각속도 범위가 본 발명의 조건을 벗어난 것으로 응고시 용질원소의 편석이 다량 발생하여 주편의 표면크랙이 미세하게 발생되었고, 또한 열간압연시 이러한 크랙은 스케일이 과도하게 형성되므로 열연 코일상에 선상결함을 야기시킨다.
시험재의 화학성분(중량%)
Cr Ni Si Mn P S C N
13.3 0.09 0.47 0.52 0.021 0.001 0.32 0.0165

본 발명재 및 비교재의 주편 품질비교
냉각속도(℃/분) 연주 주편
표면크랙 발생정도
Ⅰ Ⅱ
본발명재 A 1350 300 양호
본발명재 B 700 270 양호
본발명재 C 60 450 양호
비교재 D 1700 350 불량
비교재 E 1200 200 불량
비교재 F 40 500 불량
비교재 G 35 150 불량
냉각속도 Ⅰ: 액상선 온도에서 포정반응 온도구간의 냉각속도
냉각속도 Ⅱ: 포정반응 온도에서 고상선 온도구간의 냉각속도

위의 표 2에서 비교재(E)는 액상선 온도(1)에서 포정반응 온도(2)까지의 구간에서 냉각속도가 본 발명 보다 빠른 경우로 주조중 벌징(bulging) 발생은 없었으나, 주조중 주편 표면에 열응력이 심하게 작용되기 때문에 주편의 표면크랙이 발생된다. 비교재(F)는 액상선 온도(1)에서 포정반응 온도(2)까지의 구간에서 냉각속도가 하한치 보다 낮은 조건으로 연속주조시 주편의 벌징(bulging)이 발생되어 주조시 탕면이 심하게 변동되는 조업 불안정이 발생되었다. 비교재(G)는 액상선 온도(1)에서 포정반응 온도(2)까지의 냉각속도와, 포정반응 온도(2)와 고상선 온도구간(3)까지의 구간에서 냉각속도 모두가 본 발명의 기준치보다 벗어나서 연속주조 시 주편의 표면크랙 및 열연코일에 크랙을 야기시키는 문제점을 갖고 있다.
이상의 실시예를 통해 본 발명에 의해 연속주조시 2차냉각대에서 냉각속도를 적절히 제어함으로써 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강 주편품질을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 안정적인 연속주조 조업이 가능하다는 것을 확인하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 표면품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스 강의 연주주편 제조 방법에 따르면 마르텐사이트계 스테인레스강을 연속주조시 주편의 표면크랙이나, 열간압연에 따른 선상결함을 사전에 방지하므로써 건전한 주편의 제조가 가능한 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 액상선 온도에서 초정 델타 페라이트(δ-ferrite)상이 응고를 시작하고, 상기 델타 페라이트상이 포정반응 온도까지 성장한 후 오스테나이트상이 형성되는 마르텐사이트계 스테인레스강을 연속주조하여 연주주편을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 액상선 온도에서 포정반응 온도까지의 주편의 냉각속도를 40~1500℃/분의 범위로 제어하고, 상기 포정반응 온도에서 고상선 온도까지의 주편의 냉각속도를 250℃/분 이상으로 제어하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강의 연주주편 제조방법.
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