KR101244552B1

KR101244552B1 - 가공성과 충격 흡수 특성이 우수한 구조 부재용 페라이트ㆍ오스테나이트계 스테인리스 강판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101244552B1
Application number: KR1020107015974A
Authority: KR
Inventors: 쥰이찌 하마다; 하루히꼬 가지무라; 에이이찌로오 이시마루
Original assignee: 닛폰 스틸 앤드 스미킨 스테인레스 스틸 코포레이션
Priority date: 2008-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2013-03-18
Also published as: WO2009093652A1; CN101918606B; CN101918606A; US8303733B2; EP2246453B1; US20100294402A1; EP2246453A4; JP2009197326A; KR20100097741A; JP5388589B2; EP2246453A1

Abstract

이 스테인리스 강판은, 질량％로, C : 0.001 내지 0.1％, N : 0.01 내지 0.15％, Si : 0.01 내지 2％, Mn : 0.1 내지 10％, P : 0.05％ 이하, S : 0.01％ 이하, Ni : 0.5 내지 5％, Cr : 10 내지 25％ 및 Cu : 0.5 내지 5％를 함유하고, 잔량부로서 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하고, 모상을 페라이트상으로 하고, 오스테나이트상이 10％ 이상 존재하고, 정적 인장 시험에 있어서 30％ 변형까지의 가공 경화율이 1000㎫ 이상이고, 10％ 변형 시의 정적 동적 차가 150㎫ 이상이다. 이 스테인리스 강판의 제조 방법은 유지 온도를 950 내지 1150℃로 하고, 400℃까지의 냉각 속도를 5℃/초 이상으로 하는 조건으로, 냉연판을 어닐링하는 공정을 갖는다.

Description

가공성과 충격 흡수 특성이 우수한 구조 부재용 페라이트ㆍ오스테나이트계 스테인리스 강판 및 그 제조 방법 {FERRITE-AUSTENITE STAINLESS STEEL SHEET FOR STRUCTURAL MEMBERS EXCELLENT IN WORKABILITY AND IMPACT ABSORPTION CHARACTERISTICS AND PROCESS FOR THE PRODUCTION OF THE SHEET}

본 발명은, 주로 강도나 충격 흡수 성능이 필요한 구조용 부재로서 사용되는 스테인리스 강판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 자동차 및 버스 등의 프론트 사이드 멤버, 필러 및 범퍼 등의 충격 흡수 부재 및 주변 부재, 철도 차량의 차체 및 자전거의 림 등의 구조 부재용 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본원은 2008년 1월 22일에 출원된 일본 특허 출원 제2008-011984호 및 2009년 1월 14일에 출원된 일본 특허 출원 제2009-6046호에 대해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

최근, 환경 문제의 관점으로부터, 자동차, 2륜차, 버스 및 철도 차량 등의 수송 기기의 연비 향상이 필수 과제로 되어 오고 있다. 그 해결 수단의 하나로서, 차체의 경량화가 적극적으로 추진되고 있다. 차체의 경량화는 부재를 형성하는 소재의 경량화, 구체적으로는 소재 판 두께의 박육화에 따르는 것이 크지만, 소재의 판 두께를 얇게 하면 강성이나 충돌 안전 성능이 저하되어 버린다.

충돌 안전성 향상의 대책으로서는, 부재를 구성하는 재료의 고강도화가 유효하고, 보통강의 성분인 고강도 강판이 자동차의 충격 흡수 부재에 적용되어 있다. 그러나, 보통강은 내식 성능이 낮으므로, 중도장(重塗裝)하는 것이 전제로 되어 있어, 도장하지 않은 부재 혹은 경도장(輕塗裝) 부재에는 적용할 수 없었거나, 중도장에 의한 비용 상승이 필수였다. 한편, Cr을 함유하는 스테인리스강을 적용한 경우, 보통강에 비해 대폭으로 내식성이 우위이므로, 녹 여유분(rust margin)의 저감에 의한 경량화나, 도장 생략화가 기대된다.

또한, 충돌 안전성 향상에 대해서는, 예를 들어 차량의 충돌을 생각한 경우, 차량 프레임에 높은 충격 흡수능을 갖는 재료를 적용하면, 부재가 압괴 변형됨으로써 충격을 흡수하여, 차량 내의 사람에게 부여하는 충격을 완화시킬 수 있다. 즉, 차체 경량화에 의한 연비 향상, 도장 간략화 및 안전성의 향상 등의 장점이 커진다.

내식성이 요구되는 차량 부재, 예를 들어 철도 차량의 구조 부재로서는, 내식성이 우수한 SUS301L이나 SUS304 등의 연성(延性)이 높고, 성형성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강판이 일반적으로 사용되고 있다.

특허 문헌 1에는, 주로 철도 차량 및 일반 차량의 구조 부재나 보강재에 사용하는 것을 목적으로 하여, 고변형도율에서의 충격 흡수능이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강이 개시되어 있다. 이는, Ni를 6 내지 8％ 함유하고, 오스테나이트 조직을 갖는 소재로, 변형 시에 가공 유기 마르텐사이트상이 생성됨으로써 고속 변형에 있어서 고강도화되는 것이다.

그러나, Ni를 다량으로 함유하기 때문에 고비용으로 되는 과제가 있고, 또한 성분계나 사용 환경에 따라서는 응력 부식 균열이나 시효 균열이 문제로 되는 경우가 있어, 범용적인 구조체로서 사용하기에는 반드시 충분하지는 않았다.

켄칭에 의해 고강도화되는 마르텐사이트계 스테인리스 강판(예를 들어, SUS420)은, Ni를 함유하지 않거나, 또는 오스테나이트계 스테인리스강에 비해 저Ni 성분이고, 비용적으로는 유리하지만, 연성이 현저하게 낮아, 용접부의 인성이 현저하게 낮은 문제가 있다. 자동차, 버스 및 철도 차량에는 용접 구조가 많으므로, 용접부 인성이 낮은 경우, 구조물로서의 신뢰성이 크게 저하되어 버린다.

페라이트계 스테인리스 강판(예를 들어, SUS430)도 비용적으로는 오스테나이트계 스테인리스강보다도 유리하지만, 강도가 낮으므로 강도가 요구되는 부재에는 부적절하고, 또한 고속으로 변형될 때의 충격 흡수 에너지가 낮으므로, 충돌 안전 성능을 향상시키는 것은 불가능했다. 즉, 특히 모상을 페라이트상으로 하는 고강도 스테인리스강에 대해, 차량 충돌 시의 고변형도율 영역에서의 동적 변형 특성은 거의 해명되어 있지 않으므로, 충격을 흡수하는 부재에 스테인리스강을 적용하는 것은 곤란한 상황이었다.

또한, 마르텐사이트계 스테인리스강 및 페라이트계 스테인리스강의 성형성은 오스테나이트계 스테인리스강에 비해 연신율의 점에서 현저하게 낮아, 고용 강화나 석출 강화(입자 분산 강화) 등의 수단을 이용하여 고강도화해도, 구조 부재에의 성형을 할 수 없다고 하는 큰 과제가 있었다.

한편, 발명자는 특허 문헌 2(본원 출원 시점에 있어서 미공개)에 있어서, Ni를 절감하는 동시에 페라이트상을 모상으로 하고, 주된 제2 상으로서 마르텐사이트상을 5％ 이상 존재시킨 충격 흡수 특성이 우수한 구조 부재용 스테인리스강에 관한 기술을 개시하였다. 이는 본 발명과 유사한 발명이지만, 제2 상이 주로 마르텐사이트상이고, 후술하는 변형 유기 소성이 발생하지 않으므로 가공성(연신율 및 가공 경화 특성)이 현저하게 낮아, 부재 성형성에 문제가 있었다.

또한, 특허 문헌 3, 4에는 성형성이 우수한 오스테나이트ㆍ페라이트계 스테인리스강에 관한 기술이 개시되어 있다. 이는, 오스테나이트상의 체적 분율이나 오스테나이트상의 성분 분배를 고려하여, 변형 시에 오스테나이트상을 가공 유기 마르텐사이트상으로 변태시키는, 소위 변형 유기 소성을 발현시켜, 고연성을 발현시키는 기술이다. 그러나, 구조 부재로서 적용하는 경우에는, 가공 경화 특성이 부재 성형에 있어서 중요한 동시에, 구조 부재로서는 강도나 충격 흡수 성능이 중요한 것에 비해, 특허 문헌 3, 4의 기술은 충분한 것은 아니었다.

일본 특허 출원 공개 제2002-20843호 공보 일본 특허 출원 제2006-350723 일본 특허 출원 공개 제2006-169622호 공보 일본 특허 출원 공개 제2006-183129호 공보

상기와 같이, 특히 페라이트상을 모상으로 하는 스테인리스 강판에 있어서, 부재에의 성형성(특히 연신율)을 확보하면서, 고강도화하여 충돌 안전 성능을 확보하기 위한 고속 변형 시의 충격 흡수 에너지를 향상시키는 기술은 전무했다. 이와 같은 점에서, 본 발명은 고강도이고 고속 변형 시의 충격 흡수 특성이 우수하고, 또한 성형성도 우수한 페라이트상을 모상으로 하는 스테인리스 강판 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명자들은 페라이트상을 모상으로 하는 스테인리스강에 대해, 고속 변형을 받았을 때의 변형 기구 및 저속 인장 변형을 받는 경우의 연신율에 관한 금속 조직적 연구를 실시하였다. 그리고, 페라이트 모상에 제2 상으로서 오스테나이트상을 형성시키고, 또한 변형 시에 오스테나이트상의 변형 유기에 의한 마르텐사이트 변태를 발생시켜, 고강도화, 고속 변형 시의 충격 흡수 에너지의 향상 및 부재 성형 시의 연신율의 향상을 병립시키는 기술을 발견하였다.

구체적으로는, 일반적인 오스테나이트계 스테인리스강보다도 낮은 Ni량으로 페라이트상을 모상으로 하는 강 성분에 있어서 원소량을 조정하여 오스테나이트상이 준안정된 2상 스테인리스강으로 한다. 이에 의해, 변형 중에 오스테나이트상이 마르텐사이트상으로 변태되는 변형 유기 변태에 의해, 정적 변형 시의 가공 경화율이나 파단 연신율을 페라이트계 스테인리스강보다도 향상시킨다. 또한, 정적 변형 시의 강도, 가공 경화율의 상승 및 변형 유기 변태를 이용하여, 동적 변형 시의 변형 저항을 상승시켜 충격 흡수 에너지를 증대시킨다.

이에 의해, 본 발명 강을 특히 자동차, 버스, 철도 차량 및 자전거 등의 차량 구조 부품의 소재로 함으로써, 충돌 시의 충격을 흡수하고, 또한 차체 붕괴를 최소한으로 하여 탑승원의 안전성을 비약적으로 향상시키는 동시에, 오스테나이트계 스테인리스강보다도 저비용화에 기여할 수 있다.

본 발명의 가공성과 충격 흡수 특성이 우수한 구조 부재용 페라이트ㆍ오스테나이트계 스테인리스 강판은, 질량％로, C : 0.001 내지 0.1％, N : 0.01 내지 0.15％, Si : 0.01 내지 2％, Mn : 0.1 내지 10％, P : 0.05％ 이하, S : 0.01％ 이하, Ni : 0.5 내지 5％, Cr : 10 내지 25％ 및 Cu : 0.5 내지 5％를 함유하고, 잔량부로서 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하고, 모상을 페라이트상으로 하고, 오스테나이트상이 10％ 이상 존재하고, 정적 인장 시험에 있어서 30％ 변형까지의 가공 경화율이 1000㎫ 이상이고, 10％ 변형 시의 정적 동적 차가 150㎫ 이상이다.

본 발명의 가공성과 충격 흡수 특성이 우수한 구조 부재용 페라이트ㆍ오스테나이트계 스테인리스 강판에서는, 질량％로, Ti : 0.5％ 이하, Nb : 0.5％ 이하 및 V : 0.5％ 이하 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유해도 좋다.

또한, 질량％로, Mo : 2％ 이하, Al : 5％ 이하 및 B : 0.0030％ 이하 중 1종 또는 2종 이상 함유해도 좋다.

또한, 질량％로, Ca : 0.01％ 이하 및 Mg : 0.01％ 이하 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 함유해도 좋다.

정적 인장 시험에 있어서의 내력과 인장 강도의 평균치가 500㎫ 이상이고, 또한 파단 연신율이 40％ 이상이라도 좋다.

본 발명의 가공성과 충격 흡수 특성이 우수한 구조 부재용 페라이트ㆍ오스테나이트계 스테인리스 강판의 제조 방법은, 질량％로, C : 0.001 내지 0.1％, N : 0.01 내지 0.15％, Si : 0.01 내지 2％, Mn : 0.1 내지 10％, P : 0.05％ 이하, S : 0.01％ 이하, Ni : 0.5 내지 5％, Cr : 10 내지 25％ 및 Cu : 0.5 내지 5％를 함유하고, 잔량부로서 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하는 냉연판을 어닐링하는 공정을 갖고, 상기 냉연판의 어닐링 공정에 있어서, 유지 온도를 950 내지 1150℃로 하고, 400℃ 까지의 냉각 속도를 3℃/초 이상으로 한다.

또한, 동적 인장 시험이라 함은, 차량 충돌 시의 변형도율에 대응하는 10³/초의 고속 인장 시험이고, 정적 인장 시험이라 함은, 변형도율가 10^-3 내지 10^-2/초로 하는 통상의 인장 시험이다. 또한, 정적 동적 차라 함은, 동적 인장 시험에 있어서의 10％ 변형에 있어서의 응력과 정적 인장 시험에 있어서의 10％ 변형에 있어서의 응력의 차이다.

이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 특히 Ni를 다량으로 첨가하지 않아도, 제2 상인 오스테나이트상의 변형 유기 변태를 발생시킴으로써, 오스테나이트계 스테인리스강에 필적하는 충격 흡수 특성이 우수한 페라이트ㆍ오스테나이트계 스테인리스 강판을 제공할 수 있다. 또한, 가공성에 대해서도 연신율이 우수하여, 고강도(고충격 흡수 특성)-고성형성 스테인리스강으로서, 특히 자동차, 버스 및 철도 등의 운수에 관한 구조 부재에 적용함으로써, 경량화에 의한 환경 대책 및 충돌 안전성 향상 등 사회적 기여는 각별히 크다.

도 1은 오스테나이트상률과 정적 동적 차의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는 동적 인장 시험에 있어서의 응력-변형 곡선을 도시하는 도면이다.
도 3은 정적 인장 시험에 있어서의 응력-변형 곡선을 도시하는 도면이다.
도 4는 정적 인장 시험에 있어서의 진변형과 가공 경화율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 정적 인장 강도[(YS ＋ TS)/2]와 정적 동적 차의 관계를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명의 페라이트ㆍ오스테나이트계 스테인리스 강판의 강 성분 등의 한정 이유를 서술한다.

C는 오스테나이트상을 잔류시켜, 변형 시의 변형 유기 변태를 발생시키기 위해 필요한 원소로, C의 함유량을 0.001％ 이상으로 한다. 한편, 과도한 C의 함유는 성형성과 내식성을 열화시키는 동시에, 경질의 마르텐사이트상이 생성되어, 제조성을 열화시키므로, 상한을 0.1％로 한다. 또한, 제조성이나 가공성을 고려하면, C의 함유량은 0.005 내지 0.05％가 바람직하다.

N은 오스테나이트상을 잔류시켜, 변형 시의 변형 유기 변태를 발생시키기 위해 필요한 동시에, 고강도화나 내식성의 향상에 유효하므로, N을 0.01％ 이상 함유시킨다. 한편, N을 0.15％ 초과의 범위에서 함유시킨 경우, 열간 가공성이 현저하게 열화되어, 제조성에 문제가 발생하므로, 상한을 0.15％로 한다. 또한, 내식성이나 제조성을 고려하면, N의 함유량은 0.05 내지 0.13％가 바람직하다.

Si는 탈산 원소인 동시에, 고용 강화 원소이고 고강도화에 유효한 원소이므로, Si를 0.01％ 이상 함유시킨다. 한편, Si를 2％ 초과의 범위에서 함유시킨 경우, 급격하게 연성이 저하되므로, 상한을 2％로 한다. 또한, 내식성이나 제조성을 고려하면, Si의 함유량은 0.05 내지 0.5％가 바람직하다.

Mn은 탈산 원소인 동시에, 고용 강화 원소인 동시에, 저Ni 성분으로 오스테나이트상의 안정도를 향상시키므로, Mn을 0.1％ 이상 함유시킨다. Mn을 10％ 초과의 범위에서 함유시킨 경우, 내식성이 열화되므로, 상한을 10％로 한다. 또한, 제조성이나 비용을 고려하면, Mn의 함유량은 1 내지 6％가 바람직하다.

P는 가공성, 내식성, 제조성 등을 열화시키기 때문에, P의 함유량은 낮을수록 바람직하므로 상한을 0.05％로 한다. 한편, P의 함유량을 저감시키기 위해서는 정련 비용이 증가하므로, 하한을 0.01％로 하는 것이 적합하다. 가공성을 고려하면, P의 함유량은 0.01 내지 0.03％가 바람직하다.

S는 Mn과 결합하여 내식성을 열화시키기 때문에, S의 함유량은 낮을수록 바람직하므로 상한을 0.01％로 한다. 한편, S를 저감시키기 위해서는 정련 비용이 증가하므로, 하한을 0.0001％로 하는 것이 적합하다. 제조 비용을 고려하면, S의 함유량은 0.0005 내지 0.009％가 바람직하다.

Cr은 내식성의 관점으로부터 첨가되지만, 오스테나이트상의 변형 유기 소성을 발생시키기 위해서는, Cr은 10％ 이상 필요하다. 한편, Cr을 25％ 초과의 범위에서 함유시킨 경우, 인성이 현저하게 저하되어, 제조성을 열화시키거나, 용접부의 충격 특성이 열화되므로, Cr의 함유량을 10 내지 25％로 하였다. 또한, 제조 비용이나 내수성을 고려하면 Cr의 함유량은 13 내지 23％가 바람직하다.

Ni는 제품(강판)에 오스테나이트상을 잔류시키는 성분이지만, 성분 비용을 고려하여 페라이트ㆍ오스테나이트상의 2상 조직으로 하기 위해, 5％를 Ni의 함유량의 상한으로 한다. Ni의 함유량이 0.5％ 미만으로 되면, 인성 저하나 내식성이 열화되므로, Ni의 함유량은 0.5 내지 3％가 바람직하다.

Cu도 Ni와 마찬가지로, 제품(강판)에 오스테나이트상을 잔류시키는 성분이지만, 성분 비용을 고려하여 페라이트ㆍ오스테나이트상의 2상 조직으로 하기 위해, 5％를 Cu의 함유량의 상한으로 한다. Cu의 함유량이 0.5％ 미만으로 되면, 인성 저하나 내식성이 열화되므로, Cu의 함유량은 0.5 내지 3％가 바람직하다.

본 발명에서는 상기에 서술한 성분을 기본 성분으로서 함유하지만, 이하에 서술하는 성분을 선택적으로 함유시켜도 좋다.

Ti, Nb 및 V는 C, N과 결합하여 Cr 탄질화물의 생성을 방지하고, 용접부의 입계 부식을 억제하므로, 필요에 따라서 첨가한다. 단, Ti, Nb 및 V는 페라이트 생성 원소로, 과도한 첨가에 의해, 오스테나이트상이 생성되지 않게 되고, 또한 연성을 저하시키므로, 상한을 각각 0.5％로 하였다. 또한, 각각이 0.05％ 미만으로 되면, C, N의 고정이 불충분해지는 경우가 있으므로, Ti, Nb 및 V의 각각의 함유량은, 바람직하게는 0.05 내지 0.3％가 좋다.

Mo는 내식성을 향상시키는 효과를 갖고, 또한 고용 강화 원소이고, 사용 환경에 의한 내식성 레벨에 따라서 적절하게 첨가하면 좋다. 과도한 첨가는 가공성의 열화나 비용이 증가하게 되므로, 상한을 2％로 하였다. 또한, 0.3％ 미만으로 되면, 내식성 저하가 발생하는 경우가 있으므로, Mo의 함유량은, 바람직하게는 0.3 내지 1.8％가 좋다.

Al은 탈산 원소로서 첨가되거나, 또한 질화물을 형성하여 가공성을 향상시키거나, 고용 강화에 의한 고강도화 및 내산화성의 향상에 유효한 원소이다. 과도한 첨가는 표면 결함의 발생이나 용접성의 열화를 초래하므로 상한을 5％로 하였다. 또한, 0.02％ 미만에서는, 탈산 시간이 연장되어 생산성이 저하되는 경우가 있으므로, Al의 함유량은, 바람직하게는 0.02 내지 1％가 좋다.

B는 고강도화에 유효한 원소이고, 또한 2차 가공 균열을 억제하는 원소이다. 과도한 첨가는 용접부의 내식성의 열화나 비용 증가로 연결되므로, 상한을 0.0030％로 하였다. 또한, 0.0003％ 미만에서는, 2차 가공 균열 억제 효과가 적어지는 경우가 있으므로, B의 함유량은, 바람직하게는 0.0003 내지 0.0010％가 좋다.

Ca는 S를 고정하여 열간 가공성을 향상시키기 위해 첨가되는 경우가 있다. 한편, Ca를 0.01％ 초과의 범위에서 함유시킨 경우, 내식성을 열화시키므로, 상한을 0.01％로 한다. 또한, 0.0005％ 미만에서는, S의 고정이 불충분해지는 경우가 있으므로, 제조성의 관점으로부터 Ca의 함유량은 0.0005 내지 0.001％가 바람직하다.

Mg은 탈산 원소로서 첨가하는 경우가 있다. 또한, Mg은 페라이트 입자의 미세화에 의한 제조성의 향상, 리징이라고 불리는 표면 결함의 개선 및 용접부의 가공성 향상에 기여한다. 한편, 0.01％ 초과의 첨가는 내식성이 현저하게 열화되므로, 0.01％를 상한으로 한다. 또한, 0.0003％ 미만에서는 조직 제어가 불충분한 경우가 있으므로, Mg의 함유량을 0.0003％ 이상으로 한다. 제조성을 고려하면, Mg의 함유량은 0.0003 내지 0.002％가 바람직하다.

본 발명에 있어서는, 부재에의 성형성에 추가하여, 고속으로 충격을 받을 때의 충격 흡수 에너지가 포인트이다. 차체 충돌 시의 충격은 구조 부재에 가해지므로, 부재를 형성하는 재료의 충격 흡수능이 중요하다. 지금까지, 부재 성형성 및 고변형도율에서의 충격 흡수 에너지 및 변형 응력의 상승을 고려한 페라이트상을 모상으로 하는 고강도 스테인리스강의 제공은 시도가 없었고, 따라서, 차량 설계까지 이루어져 있지 않은 상태였다.

차량용 구조 부재는 모자형 성형품으로 대표되는 각형 단면이 대부분이고, 이와 같은 고속 압괴 변형에 있어서의 흡수 에너지는 10％까지의 변형 영역에서 흡수된다(「자동차 재료의 고속 변형에 관한 연구회 성과 보고서(2001년 3월)」 일본 철강 협회편, p12). 또한, 차량 충돌 시의 변형도율은 10³/초로 하는 극히 높은 변형도율에 대응한다.

이들로부터, 고속 변형 특성의 평가로서, 10³/초로 인장 시험을 행하여, 동적 인장 시험으로 하였다. 이때, 10％ 변형까지의 흡수 에너지를 응력 및 변형으로부터 구하였다. 몇％의 변형까지의 흡수 에너지를 지표로 할지는 부재 형상에 의존하지만, 상기한 「자동차 재료의 고속 변형에 관한 연구회 성과 보고서(2001년 3월)」 일본 철강 협회편, p12에 기재되어 있는 바와 같이, 자동차의 프론트 사이드 멤버 등의 부위에서는 10％ 변형까지의 흡수 에너지가 타당하다고 되어 있다.

또한, 동적 인장 시험에 있어서의 내력을 구하여, 동적 내력을 얻었다. 한편, 통상의 인장 시험(변형도율 10^-3 내지 10^-2/초)에서 얻어지는 내력을 구하여, 정적 내력으로 하였다.

도 1은 기존 강[SUS430(0.05％C-0.3％Si-0.5％Mn-0.03％P-0.005％S-16％Cr-0.1％Ni-0.03％Cu-0.03％N), SUS316(0.05％C-0.5％Si-0.9％Mn-0.02％P-0.001％S-12.5％Ni-16.8％Cr-2.5％Mo-0.3％Cu-0.03％N) 및 SUS301L(0.02％C-0.6％Si-1.1％Mn-0.03％P-0.001％S-7.1％Ni-17.5％Cr-0.2％Cu-0.13％N) 등]에 추가하여, 0.01％C-0.1％Si-0.03％P-0.002％S-21％Cr-0.5％Cu를 함유하는 강에서, Mn, Ni 및 N의 함유량을 변화시켜 오스테나이트상률을 변화시킨 경우의 정적 동적 차의 결과를 나타낸다.

여기서, 정적 동적 차는 가공 경화의 변형도율 의존성을 나타내는 지표이고, 동적 인장 시험에 있어서의 10％ 변형 시의 응력치와, 정적 인장 시험에 있어서의 10％ 변형 시의 응력치의 차, 즉 여기서는 (10³/초의 변형도율로 동적 인장 시험을 했을 때의 10％ 변형 시의 응력)-(10^-3 내지 10^-2/초의 변형도율로 정적 인장 시험을 했을 때의 10％ 변형 시의 응력)이다.

정적 동적 차는 자동차의 충돌과 같은 고속으로 변형했을 때에 얼마만큼 경화되는지를 나타내므로, 이 값이 큰 값일수록 충격 흡수 구조용 부재로서 바람직하다.

오스테나이트상률이 적으면, 변형 중의 변형 유기 변태량이 적어지므로, 정적 및 동적 변형 중의 응력의 상승이 적다. 오스테나이트상률이 10％ 미만에서는, 정적 동적 차가 150㎫ 미만으로 된다. 따라서, 제품(강판)의 오스테나이트상의 비율을 10％ 이상으로 하였다. 또한, 연성의 관점으로부터 오스테나이트상률의 상한은 90％ 이하가 바람직하다.

도 2는 기존의 스테인리스강과 본 발명 강(0.01％C-0.1％Si-3％Mn-0.03％P-0.002％S-21％Cr-2％Ni-0.5％Cu-0.1％N)의 동적 인장 시험 시의 응력-변형 곡선을 나타낸다. 모두 1.5㎜ 두께의 냉연ㆍ어닐링판(어닐링 조건은 후술함)이고, 변형도율 10³/초로 압연 방향으로 고속 인장 시험을 한 결과이다.

이 도 2의 결과에서는 페라이트계 스테인리스강인 SUS430에 비해, 오스테나이트계 스테인리스강의 쪽이 고속 변형 시의 응력은 높다. 또한, 오스테나이트계 스테인리스강에 있어서는, 변형 유기 변태가 발생하는 SUS301L의 쪽이 변형 유기 변태가 발생하기 어려운 SUS316보다도 응력이 높다. 이에 대해, 본 발명 강은 기존 강에서 가장 우수한 충격 흡수 특성을 나타내는 SUS301L보다도 저변형 영역(~30％ 정도)의 응력은 높고, 극히 충격 흡수 능력이 높다. 응력이 높다고 하는 것은, 충격 흡수치가 높아지기 때문에, 충격 흡수 특성이 우수하다.

표 1, 표 2는 본 발명 강 및 기존 강(종래의 강)의 정적 인장 시험 및 동적 인장 시험의 결과를 나타낸다. 본 발명에서는 SUS301L의 정적 동적 차를 기준으로 하여 10％ 변형 시의 정적 동적 차를 150㎫ 이상으로 규정하였다. 표 1, 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는 변형 유기에 의한 마르텐사이트상을 활용한 종래의 강에서는 도달할 수 없었던 높은 강도-높은 정적 동적 차를 갖는 강을 제공하는 것을 가능하게 하였다. 또한, 10％ 변형 시의 정적 동적 차의 상한은 특별히 정하지 않고, 높으면 높을수록 바람직하다.

도 3은 정적 인장 시험에 있어서의 응력-변형 곡선을 도시한다. 또한, 정적 인장 시험은 JIS Z2241에 준거하여 행하였다. 본 발명 강은 파단 연신율 40％를 나타내고 있는 동시에, 페라이트계 스테인리스강인 SUS430에 비해 가공 경화율이 높은 것을 알 수 있다.

도 4는 변형과 가공 경화율의 관계를 나타낸다. 횡축은 진변형(ε)을 나타내고, 종축의 dσ/dε는 진응력의 변화율을 나타낸다. 이 진응력의 변화율은 가공 경화율에 대응하므로, 구조 부재로서는 높은 쪽이 좋다. 이것으로부터, 본 발명 강은 페라이트계 스테인리스강보다도 고가공 경화 특성을 나타낸다. 또한, 본 발명 강에서는, 정적 변형 시에는 고변형 영역에서 가공 경화율이 상승하고 있고, 오스테나이트상이 가공 유기 변태를 일으켜, 변형 유기 소성이 발생하고 있는 것을 알 수 있다.

정적 인장 시험에 있어서 변형 범위에 따라 가공 경화율은 변화되지만, 30％ 변형까지의 범위에서 가공 경화율의 최소치가 1000㎫ 이상 있으면, 대폭으로 가공 경화 특성이 개선되어 고속 변형 시의 고강도화에 유효하다. 이상의 점에서, 본 발명에서는 정적 인장 시험에 있어서 30％ 변형까지의 가공 경화율의 하한을 1000㎫로 하였지만, 높으면 높을수록 바람직하다.

고강도화에 의한 충격 흡수 특성의 향상에는 내력 및 인장 강도의 고강도화가 유효하지만, 내력만의 증가나 인장 강도만의 증가로는, 고속 변형 시의 응력이 상승하지 않는 경우가 있다. 10％ 변형의 정적 동적 차를 상승시키기 위해서는, 소성 변형 과정의 응력을 전체적으로 향상시키는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 정적 인장 시험에 있어서의 내력(YP)과 인장 강도(TS)의 평균치로 소성 변형 시의 응력을 대용하여, 이것이 500㎫ 이상인 것이 바람직하고, 높으면 높을수록 좋다.

표 1의 본 발명은 (YP ＋ TS)/2가 583㎫로 높은 값을 나타낸다.

도 5는 기존 강(SUS430, SUS316 및 SUS301L 등)에 추가하여, 0.01％C-0.1％Si-0.03％P-0.002％S-21％Cr-0.5％Cu를 함유하는 강에서, Mn, Ni 및 N의 함유량을 변화시켜 오스테나이트상률을 변화시킨 경우의 (YP ＋ TS)/2와 정적 동적 차의 관계를 나타낸다.

(YP ＋ TS)/2가 500㎫ 이상에 있어서, 정적 동적 차가 150㎫ 이상으로 되므로, 정적 인장 시험에 있어서의 (YP ＋ TS)/2를 500㎫ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 모상을 페라이트상으로 하고, 제2 상으로서 오스테나이트상이 생성된 복상 조직이므로, 페라이트계 스테인리스강보다도 고내력을 나타내는 것에 추가하여, 부재에의 가공 시에 오스테나이트상이 변형 유기 변태에 의해 경질의 마르텐사이트상으로 변태됨으로써 가공 경화율이 현저하게 상승하여, 인장 강도가 향상된다. 고속 변형 시에는 저변형 영역에서 변형 유기 마르텐사이트상이 발생함으로써 전위의 이동을 방해하여, 응력이 높아진다. 본 발명의 강은 페라이트상 ＋ 오스테나이트상의 2상화에 추가하여, 변형 시의 변형 유기 변태에 의해, 고강도ㆍ고충격 흡수 특성을 얻을 수 있다.

고강도화에 수반하여 정적 변형 시의 연신율이 저하되면, 구조 부재에의 성형이 곤란해진다. 전술한 바와 같이, 본 발명 강은 변형 시의 가공 유기 마르텐사이트 변태에 의한 변형 유기 소성이 발생하므로, 고강도ㆍ고충격 흡수 성능이 우수한 동시에, 정적 변형 시의 파단 연신율이 높다. 차체 구조는 다양하고 복잡하지만, 연신율(파단 연신율)이 40％ 이상이면, 가공상, 문제가 없다. 앞에서 서술한 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명 강은 정적 인장 시험에 있어서 체적률로 10％의 변형 유기 마르텐사이트상이 생성되어 있고, 연신율도 45％로 높다.

다음에, 본 발명의 페라이트ㆍ오스테나이트계 스테인리스 강판의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 스테인리스 강판의 제조 방법은 냉연판을 어닐링하는 공정을 갖는다.

냉연판은 전술한 본 발명의 스테인리스 강판과 동일한 성분 조성을 갖고, 통상의 공정으로 제조된다. 예를 들어, 원하는 화학 조성의 강을 용제하여 주조하여 슬래브로 하고, 이 슬래브를 열간 압연하여 열연판으로 한다. 계속해서, 열연판에 어닐링ㆍ산세를 실시한 후, 냉간 압연함으로써 냉연판이 제조된다.

냉연판의 어닐링 공정에서는 냉연판을 가열한 후, 소정의 온도(유지 온도)로 유지하고, 계속해서 냉각한다. 본 발명에서는 유지 온도를 950 내지 1150℃ 이상으로 하고, 유지 후의 냉각에서는 400℃까지의 냉각 속도를 3℃/초 이상으로 한다. 냉각 속도의 상한치는 제조성이나 강판 형상의 관점으로부터, 50℃/초가 바람직하다.

가열 후의 유지 온도는 오스테나이트상을 10％ 이상 생성시키는 온도로 유지하면 되지만, 950℃ 미만에서는 Cr 탄질화물이나 σ상이라고 불리는 금속간 화합물이 석출되어, 내식성이나 인성을 열화시키므로, 하한을 950℃로 하였다. 또한, 1150℃ 초과의 경우, 오스테나이트상이 10％ 미만으로 되는 동시에 페라이트상이 조대화되어, 성형성이나 인성을 현저하게 저하시키므로, 상한을 1150℃로 하였다.

또한, 유지 후의 냉각에 있어서, 400℃까지의 냉각 속도가 3℃/초 미만에서는, 상기한 탄질화물이나 금속간 화합물이 생성되는 동시에, 오스테나이트상 중으로의 탄소, 질소 등의 원소가 확산되어 변형 유기 변태가 발생하지 않아, 우수한 가공성이나 충격 흡수 성능이 얻어지지 않는 경우가 있다. 따라서, 400℃까지의 냉각 속도를 3℃/초 이상으로 한다. 제조성을 고려하면, 유지 온도는 1000 내지 1100℃가 바람직하고, 400℃ 까지의 냉각 속도는 4℃/초 이상이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서의 스테인리스 강판의 제조 방법에 있어서, 냉연판의 제조 조건(열연 조건, 열연판 두께, 열연판의 어닐링 분위기나 어닐링 조건 및 냉연 조건) 및 냉연판의 어닐링 분위기 등은 적절하게 선택하면 좋다. 냉연에 있어서의 패스 스케줄이나 냉연율, 롤 직경에 대해서도 특별한 설비를 필요로 하지 않아, 기설 설비를 효율적으로 사용하면 좋다.

또한, 냉연ㆍ어닐링 후에 조질 압연이나 텐션 레벨러를 부여해도 상관없다. 또한, 제품(스테인리스 강판)의 판 두께에 대해서도, 요구 부재의 두께에 따라서 선택하면 좋다.

(실시예)

이하에, 본 발명을 실시예에 보다 구체적으로 설명한다.

표 3, 표 4에 나타내는 화학 조성의 강을 용제하여 주조하여 슬래브로 하고, 얻어진 슬래브를 열간 압연하여 열연판으로 하였다. 계속해서, 열연판에 어닐링ㆍ산세를 실시한 후, 1.5㎜ 두께까지 냉간 압연하여 냉연판으로 하였다. 얻어진 냉연판을 표 5의 조건으로 어닐링하고, 또한 산세를 실시하여 제품판(스테인리스 강판)으로 하였다.

이와 같이 하여 얻어진 제품판에 대해, 상기한 정적 인장 시험과 동적 인장 시험을 행하였다.

또한, 금속 조직에 대해서는 이하와 같이 관찰하여 평가하였다. 판 두께 중심층 근방의 조직을 에칭에 의해 현출시켜, 광학 현미경을 사용하여 관찰하여, 사진 촬영하였다. 그리고 화상 해석 장치를 사용하여 금속 조직의 사진 중의 제2 상인 오스테나이트상의 면적 분율을 구하여, 오스테나이트상의 상률(생성 비율)로 하였다.

얻어진 결과를 표 5 내지 표 8에 나타낸다. 또한, 표 중, 밑줄을 그은 값은 본 발명에서 규정한 범위로부터 벗어나 있는 값이다.

표 6 내지 표 8로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 강은 정적 인장 시험에 있어서의 내력과 인장 강도의 평균치가 500㎫ 이상으로 높고, 정적 동적 차가 150㎫ 이상 있어, 충격 흡수 특성이 우수하다. 또한, 정적 인장 시험에 있어서의 파단 연신율이 40％ 이상이고, 연성이 우수하다. 또한, 진변형 30％까지의 가공 경화율이 1000㎫ 이상으로 가공 경화 특성도 우수하다.

한편, 비교 강에 대해서는, 강번호 14의 SUS301L은 가공성이나 충격 흡수 특성이 우수하지만, 고Ni 성분이므로, 제조 비용이나 강재 비용이 높아진다.

강번호 15는 SUS304이고, 강번호 16은 SUS316이지만, 고Ni이므로 고비용인 동시에, 10％ 변형 시의 정적 동적 차가 낮다.

강번호 17은 SUS430이고, Ni나 Cu가 범위 밖이므로, 오스테나이트상이 발생하지 않는다. 이로 인해, 연신율이나 정적 동적 차가 현저하게 낮다.

강번호 18은 C가 상한을 벗어나 고강도재이지만, 연신율과 가공 경화율이 낮고, 정적 동적 차도 낮다.

강번호 19, 23, 25, 29는 성분이 본 발명 범위로부터 벗어나므로, 오스테나이트상률이 10％ 미만이고, 연신율이나 정적 동적 차가 낮다.

강번호 18, 20, 22는 각각 C, Si, Cr이 상한을 벗어나, 연신율과 가공 경화율이 현저하게 낮다.

강번호 21은 Mn이 하한을 벗어나, 연신율과 가공 경화율이 현저하게 낮다.

강번호 24는 Cu가 하한을 벗어나, 고속 변형 시의 강도 상승이 낮아져, 정적 동적 차가 낮다.

강번호 26, 27, 28, 30은 각각 Nb, V, Mo, B가 과잉으로 첨가되어 있어, 연신율이나 정적 동적 차가 낮다.

강번호 31, 32는 성분이 본 발명 범위 내이지만, 냉연판 어닐링 온도와 냉각 속도가 발명 범위 밖이어서, 강도 저하가 발생하여 정적 동적 차가 낮아진다.

본 발명에 따르면, 오스테나이트계 스테인리스강에 필적하는 충격 흡수 특성이 우수한 페라이트ㆍ오스테나이트계 스테인리스 강판을 제공할 수 있다. 또한, 가공성에 대해서도 연신율이 우수하고, 또한 가공 경화 특성도 우수해, 고강도(고충격 흡수 특성)로 고성형성의 스테인리스강으로서, 특히 자동차, 버스 및 철도 등의 운수에 관한 구조 부재에 적용할 수 있어, 경량화 및 충돌 안전성의 향상 등에 기여할 수 있다.

Claims

질량％로,
C : 0.001 내지 0.1％,
N : 0.01 내지 0.13％,
Si : 0.01 내지 2％,
Mn : 3.1 내지 10％,
P : 0.05％ 이하,
S : 0.01％ 이하,
Ni : 0.5 내지 5％,
Cr : 17.2 내지 25％ 및
Cu : 0.5 내지 5％를 함유하고,
잔량부로서 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하고,
모상을 페라이트상으로 하고, 오스테나이트상이 10％ 이상 존재하고,
정적 인장 시험에 있어서 30％ 변형까지의 가공 경화율이 1000㎫ 이상이고,
10％ 변형 시의 정적 동적 차가 150㎫ 이상인 것을 특징으로 하는, 가공성과 충격 흡수 특성이 우수한 구조 부재용 페라이트ㆍ오스테나이트계 스테인리스 강판.
제1항에 있어서, C+N≤0.15％인 것인 것을 특징으로 하는, 가공성과 충격 흡수 특성이 우수한 구조 부재용 페라이트ㆍ오스테나이트계 스테인리스 강판.
제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로, Ti : 0.5％ 이하, Nb : 0.5％ 이하, V : 0.5％ 이하, Mo : 2％ 이하, Al : 5％ 이하, B : 0.0030％ 이하, Ca : 0.01％ 이하, 및 Mg : 0.01％ 이하 중 1종 또는 2종 이상 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 가공성과 충격 흡수 특성이 우수한 구조 부재용 페라이트ㆍ오스테나이트계 스테인리스 강판.
제1항 또는 제2항에 있어서, 정적 인장 시험에 있어서의 내력과 인장 강도의 평균치가 500㎫ 이상이고, 또한 파단 연신율이 40％ 이상인 것을 특징으로 하는, 가공성과 충격 흡수 특성이 우수한 구조 부재용 페라이트ㆍ오스테나이트계 스테인리스 강판.
제3항에 있어서, 정적 인장 시험에 있어서의 내력과 인장 강도의 평균치가 500㎫ 이상이고, 또한 파단 연신율이 40％ 이상인 것을 특징으로 하는, 가공성과 충격 흡수 특성이 우수한 구조 부재용 페라이트ㆍ오스테나이트계 스테인리스 강판.
질량％로, C : 0.001 내지 0.1％, N : 0.01 내지 0.13％, Si : 0.01 내지 2％, Mn : 3.1 내지 10％, P : 0.05％ 이하, S : 0.01％ 이하, Ni : 0.5 내지 5％, Cr : 17.2 내지 25％ 및 Cu : 0.5 내지 5％를 함유하고, 잔량부로서 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하는 냉연판을 어닐링하는 공정을 갖고,
상기 냉연판의 어닐링 공정에 있어서, 유지 온도를 950 내지 1150℃로 하고, 400℃ 까지의 냉각 속도를 3℃/초 이상 10℃/초 이하로 하는 것을 특징으로 하는, 제1항에 기재된 가공성과 충격 흡수 특성이 우수한 구조 부재용 페라이트ㆍ오스테나이트계 스테인리스 강판의 제조 방법.