KR101129175B1 - 304에이치 스테인레스강 선재의 혼립조직 억제를 위한선재 마무리 압연방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 304H 스테인레스강 선재의 제조공정 중에서 혼립조직 발생을 최대한 억제시키기 위한 선재 마무리 압연방법에 관한 것으로, 이는 304H 스테인레스 연주빌렛을 가열로에서 가열하고 그를 조압연→중간압연→마무리압연을 통하여 5.5mmφ선재를 제조함에 있어서, 상기 마무리압연시의 압연온도는 770℃～870℃이고, 최종 압연 패스에서 선재 단면내 진변형율은 0.2～0.85가 되도록 압연하는 것으로 이루어진다.

304H 스테인레스강, 선재, 스프링, 진변형율, 마무리압연

Description

304에이치 스테인레스강 선재의 혼립조직 억제를 위한 선재 마무리 압연방법{Finishing wire rolling method for reducing the duplex grain structures in 304H stainless steel wire}

도1은 온도에 따른 스테인레스강 선재의 진변형율과 진응력의 관계를 나타내는 그래프,

도2는 계산으로 얻은 온도에 따른 압축시험시편내 미소진변형율분포를 나타내는 그림,

도3은 압축시험시편에서 압축온도 및 진변형율에 따른 조직변화를 나타낸 그래프,

도4는 계산으로 얻은 최종 압연 선재 단면내 미소진변형율분포를 나타내는 그림.

본 발명은 304H 스테인레스강 선재의 제조공정 중에서 혼립조직 발생을 최대한 억제시키기 위한 선재 마무리 압연방법에 관한 것이다.

일반적으로 스테인레스 304H 선재는 스테인레스 304에 비하여 탄소의 농도를 최저 650ppm으로, 최대 800ppm으로 높여 관리함으로써 인장강도, 연신율, 단면감소율 등 기계적 특성을 향상시킨 것으로 각종 생산 및 가공공정을 거쳐 정밀 스프링으로 제작, 사용되고 있다.

통상의 304H 선재로 제작하는 스프링 생산공정을 구체적으로 설명하면, 전기로 메이커에서 제강공정을 거쳐 연주빌렛을 제조하고 선재압연을 통하여 5.5mmφ 정도의 선재를 생산한 후 고용화 열처리와 산세공정을 거쳐 중간소재로서의 선재가 완성되고, 그 후 스프링 제작에 적당한 선경으로 신선하는 신선 메이커에서 후속 공정이 이루어지며 신선된 선재로 스프링 제조 메이커에서는 최종 제품인 스프링을 제작 완료한다.

상기와 같은 공정으로 스프링 제조를 행할 때, 완성품인 스프링에서 각 링간의 간격, 즉 피치간 간격이 일정치 못한 치명적 결함이 발생되어 스프링 기능을 못하도록 하는 불량이 많이 발생하는 문제점이 대두되고 있는바, 그 원인은 1차적으로 5.5mmφ 중간소재 메이커에 있다고 판단, 소재 품질에 대한 요구조건을 까다롭게 하고 있다. 이에 5.5mmφ 중간소재 메이커에서는 생산되는 선재에 대한 제강 잔류원소, 압연조건, 열처리, 검사 등에 세부적으로 엄격한 관리기준을 설정하고 운영하고는 있으나 명확한 해결방안을 도출하지 못하여 중간 소재인 5.5 mmφ 선재 생산에 대한 수익성 저하로 나타나고 있다.

한편, 상기에서 언급한 스프링의 불량은 5.5mmφ 중간 소재인 동일 선재 코일에 있어서도 부위별로 차이를 보이는 재질편차 특히 기계적 특성의 편차에 직접적으로 관련되어 있고, 이는 국부적으로 나타나는 혼립조직(duplex grain structure)에 기인하는 것으로 추정하고 있다.

또한, 상기에서 언급한 스프링의 불량원인은 신선공정 및 스프링 제작공정에서 발생되는 경우도 있을 것이나, 5.5mmφ 중간 소재에 잔존한 재질적 결함 즉, 기계적 특성의 편차에 기인되는 바 크다. 따라서 상기의 문제를 야기시키지 않을 양질의 5.5mmφ 소재를 신선 및 스프링 제작 메이커에 공급한다는 측면에서 5.5 mmφ 소재 메이커에서는 매 공정마다 즉, 제강 잔류원소/압연조건/열처리/검사 등에 엄격한 관리기준을 설정하고 선재를 생산하고 있다.

이러한 노력의 결과와 함께 스프링의 불량 원인은, 경우에 따라 동일 5.5mmφ 선재 코일에 있어서도 부위별로 차이를 보이는 재질편차 특히 기계적 특성의(인장강도(T.S), 연신율 등) 편차에 직접적으로 관련되어 있으며 이는 국부적으로 나타나는 혼립조직에 기인하는 바 큰 것으로 추정하는데 까지 이르렀다.

상기 혼립조직에 관한 문제는 상기의 선재에 앞서 열연 강판 생산에 있어도 제기되었다. 판재에서의 혼립조직은 일반적으로 1시야 내에서 최대 빈도를 가지는 입도 번호의 결정립에서 ASTM 결정립 번호에서 3 이상 차이가 나는 결정립이 편재하여 이의 면적분율이 20% 이상을 점유하는 상태를 의미한다.

이와 같은 혼립조직은 가공성 열화 및 형상 변형을 초래하여 실수율에 영향을 주므로 혼립조직 저감법의 핵심은 압연조건에 따른 중앙부와 가장자리부의 온도관리를 철저히 하는 것과 보론과 같은 미량 원소를 첨가하여 결정립을 미세화 시키는 것으로 이와 관련된 세부기술들이 개발(일본국 출원번호 평9-287414, 일본국 출원번호 평9-288294, 일본국 출원번호 소 51-117904)되어 있다.

한편, 선재 내부의 혼립조직에 대해서는, 기본적 발생원인은 강판과 유사할 것으로 판단되나 강판에 비해 알려진 바는 많지 않으며 특히, 스테인레스강에 대해서는 거의 없다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해소하고자 발명한 것으로서, 그 목적은, 304H 스테인레스강 선재의 압연시 선재 마무리 압연조건 즉, 선재 마무리 압연의 온도와 최종 패스의 가공도를 최적화함으로써 혼립조직의 발생을 억제시키도록 한 304H 스테인레스강 선재의 혼립조직 억제를 위한 선재 마무리 압연방법을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징적인 기술적 구성은, 304H 스테인레스 연주빌렛을 가열로에서 가열하고 그를 조압연→중간압연→마무리압연을 통하여 선재를 제조함에 있어서,

상기 마무리압연시의 압연온도는 770℃～870℃이고, 최종 압연 패스에서 선재 단면내 진변형율(가공도)은 0.2～0.85가 되도록 압연하는 것으로 이루어진다.

그리고, 상기 304H 스테인레스 연주빌렛은 중량%로 C : 0.065-0.08%, Si : 0.3-0.6%, Mn : 1.2-1.4%, P : 0.035%이하, S : 0.01％이하, Cr : 18.3-18.9%, Ni : 8.3-8.7%, Mo : 0.2%이하, Cu : 0.35%이하 그리고 N : 0.02-0.05%를 함유하고 나머지는 Fe 및 기타 불가피하게 함유된 불순물인 조성비를 갖는 것이며, 상기 304H 스테인레스 연주빌렛의 크기는 150mm x 150mm인 것이다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 304H 스테인레스강 선재의 혼립조직 억제를 위한 선재 마무리 압연방법은, 압연을 통한 최종 소재의 결정입경은 마지막 패스(pass)의 압연 온도 및 가공도로 결정(H. Yada et. al. : Nippon Steel Technical Report, 21, p.203-215 (1983))되므로 마무리 압연공정에 있어서도 최종 패스의 압연조건(온도, 가공도)이 특히 중요하다.

상기와 같은 중요한 역할을 하는 선재 마무리 압연온도 770℃～870℃와 최종 패스 압연시 선재 단면내의 진변형율 0.2～0.85로 하는 이유는, 먼저 마무리 압연시 소재의 온도가 770℃이하가 되면 소재의 연신율이 저하하여 선재 표면에서 균열이 발생, 제품의 품질에 악영향을 주며, 870℃이상이 되면 재결정화가 촉진되고 재결정화 된 결정립의 성장도 활발해짐에 따라 혼립조직이 나타난다. 따라서, 선재 마무리 압연온도는 770℃～870℃가 바람직하다.

또, 최종 패스 압연시 선재 단면내의 진변형율에서 진변형율이 0.2이하이면 최종 제품의 선 굵기를 얻기 위하여 최종 패스이전에 압연패스의 횟수가 증가해야 하거나 강 가공을 실시해야 하고, 0.85이상이면 최종 패스시 강가공이 이루어져야 하므로 표면 균열이 용이할 수 있으며, 재결정온도가 저하되어 혼립조직이 발생될 개연성이 있다. 따라서, 최종 패스 압연시 선재 단면내의 진변형율 0.2～0.85로 함이 바람직하다.

또한, 304H 스테인레스 연주빌렛의 조성은 중량%로 C : 0.065-0.08%, Si : 0.3-0.6%, Mn : 1.2-1.4%, P : 0.035%이하, S : 0.01％이하, Cr : 18.3-18.9%, Ni : 8.3-8.7%, Mo : 0.2%이하, Cu : 0.35%이하 그리고 N : 0.02-0.05%를 함유하고 나 머지는 Fe로 이루어지는데, 이는 스프링제조용 304H 스테인레스 연주빌렛에서는 통상의 조성비이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

[실시예]

혼립발생을 억제하기 위한 최적의 선재 마무리 압연방법을 도출하기 위하여 중량%로 C : 0.065-0.08%, Si : 0.3-0.6%, Mn : 1.2-1.4%, P : 0.035%이하, S : 0.01％이하, Cr : 18.3-18.9%, Ni : 8.3-8.7%, Mo : 0.2% 이하, Cu : 0.35%이하 그리고 N : 0.02-0.05%를 함유하고 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 구성되는 150 mm x 150 mm 크기의 304H 스테인레스 연주빌렛을 재가열로에서 1215 ℃에서 30분간 가열한 후 통상의 조압연과 중간압연을 실시하고, 연속공정으로 마무리 압연에 투입되기 직전 직경이 13mmφ인 선재를 채취하여 선재 마무리 압연온도 및 압연시 진변형율과 조직변화의 관계를 조사하였다.

이를 위하여 13mmφ 선재를 직경 8mm, 높이 12mm 원통형 시험편으로 제작하고 열간 압축시험을 실시하였다. 시험온도를 820℃에서 1020℃까지 50℃ 간격으로 하였으며, 각 온도에서 압하율을 15%에서 55%까지 10% 간격으로 변화시켜 압축시험을 종료한 상온까지 질소가스로 냉각시켰다.

또한 70m/S의 고속선재압연을 가능한 한 잘 모사하기 위하여 매 압축시험마다 100mm/S로 실시하였다. 이때 압하율은 ln{(최초의 시편 높이)/(압축후 시편의 높이)} 식으로 계산되는 진변형율로 바꾸어 표시할 수 있으며, 820℃에서 1020℃에서 55% 압축시 얻어진 진변형율과 진응력의 관계를 도1에 나타낸다.

시험온도 증가에 따라 일정 진변형량을 얻기 위하여 필요한 진응력이 커짐을 알 수 있다. 그러나, 도1에 나타난 진변형율은 단순히 압축시험에 따른 시편의 높이차로 산출된 거시적인 값으로 이 값과 시험시편내의 조직을 직접 대응시키는 것이 불가능하다.

즉, 시험시편내의 조직을 직접 대응시키기 위해서는 시편내 관찰되는 조직 위치에서의 미소변형율을 알아야 한다. 이를 위하여 도1의 결과를 바탕으로 상용 프로그램인 DEFORM-3D혹은 MARC등으로 상기 압축시험조건에 대응하는 시편내 일정 위치에서의 미소변형율 계산이 가능한데 그 결과를 도2에 나타낸다.

도2에는 일예로 920℃에서 15, 25, 35, 45, 50%의 압축율에 따른 시편내 미소변형율 분포를 시편의 중심을 통과하는 길이방향 종단면의 1/4분면만 나타내었다. 이 결과를 상하좌우 대칭으로 조합하면 압축시편 전체 길이방향 단면에 대한 미소변형율분포를 얻을 수 있다.

이 결과에서 최대 변형율은 압축시편 전체 길이방향 단면의 중심에서 나타나는데, 15% 압축시편에서는 진변형율이 0.25, 25%에서는 0.35, 35%에서는 0.5, 45%에서는 0.85, 50%에서는 1.2가 나타남을 알 수 있으며, 압축률에 따른 진변형율의 외삽에서 55%에서는 1.6정도의 진변형율이 예측된다.

이로써 시편내 위치에 따른 미소변형율이 확인되었으므로 비로소 압축시험시편의 동일위치에서의 조직과 대응시키는 것이 가능하다. 도3은 실제 압축시험이 실시된 시편에서 시편의 중심을 통과하는 길이방향 종단면에서 중심조직을 관찰한 후, 압축온도 및 그 위치에서의 진변형율에 대한 조직변화를 나타내었고, 각 조건에 서의 표시원 위 숫자는 결정립의 평균 크기를 나타낸다.

도3에서 알 수 있듯이 압축시험시편에서 나타난 조직은 압축에 따른 변형조직(Deformed structure), 변형조직에 재결정이 일부 확인되는 부분 재결정조직(Partially recrystallized structure), 완전 재결정조직(Recrystallized structure)으로 3 영역으로 나눌 수 있다. 도3에서 일예로 870 ℃이상의 온도에서 진변형율이 0.2 이상 1.6이하의 범위에서는 변형조직, 부분 재결정조직 및 완전 재결정 영역이 동시에 혹은 변형조직과 완전 재결정 영역이 동시에 존재하는 영역이 존재하여 혼립조직이 되며, 후속공정인 고용화열처리 중 혼립조직 발생이 더욱 조장될 가능성이 있다.

또한, 실제 선재 마무리 압연의 최종 패스에서 일예로 장축 8.38mm, 단축 4.3mm 타원에서 5.5mmφ의 선재 단면적 변화에 따른 5.5mmφ의 선재 단면내 미소진변형율 분포를 계산하여 보면 도4와 같은데 변형율은 단면내 위치별로 0.15에서 0.85까지 변화하며 중심에서 최대가 되는 것으로 나타나 있다.

통상 선재 마무리 압연은 압연 설비에 따라 다소 상이하기는 하나 상기의 최종 패스의 단면변화율과 비슷한 정도의 변화율로 13mmφ 선재를 8-10 패스 압연하여 5.5mmφ로 제조되는 것이 일반적이다. 따라서 마무리 압연의 최종 압연 패스에서 선재 단면 내의 진변형율분포가 0.15에서 0.85까지의 범주에서 변화되도록 압연이 이루어지도록 전체 마무리 압연 스케쥴의 설정이 필요하다.

전체 마무리 압연에 있어서 선재에 대한 누적 가공도는 증가할 것이므로 선재 단면내 중심에 나타나는 진변형율은 0.85를 넘을 것으로 추정되므로 결국 도3에 서 마무리 압연에서 제어되어야 할 지배적 변수는 온도임을 알 수 있다. 즉 고용화열처리 전 혼립조직 발생이 억제된 균일한 조직을 얻기 위해서는 770℃～870℃의 온도에서 전체 선재 마무리 압연을 종료시키는 것이 바람직함을 확인할 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 304H 스테인레스 연주빌렛을 가열로에서 가열하고 그를 조압연→중간압연→마무리압연을 통하여 5.5mmφ선재를 제조할 때에 상기 마무리압연시의 압연온도는 770℃～870℃하고, 최종 압연 패스에서 선재 단면내 진변형율(가공도)은 0.2～0.85가 되도록 함으로서, 스프링용 스테인레스 선재의 혼립조직 발생을 억제시키는 효과가 있었다.,

Claims (4)

1. 304H 스테인레스 연주빌렛을 가열로에서 가열하고 그를 조압연→중간압연→마무리압연을 통하여 5.5mmφ선재를 제조함에 있어서,

   상기 마무리압연시의 압연온도는 770℃～870℃이고, 최종 압연 패스에서 선재 단면내 진변형율은 0.2～0.85가 되도록 압연하는 것을 특징으로 하는 304H 스테인레스강 선재의 혼립조직 억제를 위한 선재 마무리 압연방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 304H 스테인레스 연주빌렛은 중량%로 C : 0.065-0.08%, Si : 0.3-0.6%, Mn : 1.2-1.4%, P : 0.035%이하, S : 0.01％이하, Cr : 18.3-18.9%, Ni : 8.3-8.7%, Mo : 0.2%이하, Cu : 0.35%이하 그리고 N : 0.02-0.05%를 함유하고 나머지는 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물인 것을 특징으로 하는 304H 스테인레스강 선재의 혼립조직 억제를 위한 선재 마무리 압연방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 304H 스테인레스 연주빌렛의 크기는 150mm x 150mm인 것임을 특징으로 하는 304H 스테인레스강 선재의 혼립조직 억제를 위한 선재 마무리 압연방법.
4. 제1항의 방법에 의해 압연된 5.5mmφ의 304H 스테인레스강 선재.

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