KR101268764B1

KR101268764B1 - 내식성을 향상시킨 사출성형 몰드용 마르텐사이트 스테인리스강

Info

Publication number: KR101268764B1
Application number: KR1020090128883A
Authority: KR
Inventors: 조기훈; 채동철; 남충호; 김영태
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2013-05-29
Also published as: EP2518176A4; WO2011078531A3; KR20110072089A; WO2011078531A2; CN104561833A; CN102686761A; EP2518176A2; EP2518176B1

Abstract

본 발명은 중량%로, 탄소: 0.03~0.12%, 질소: 0.02~0.08%, 실리콘: 0.3~0.7%, 망간: 0.6~2%, 인: 0.001~0.03%, 황: 0.1~0.3%, 크롬: 11.5~15%, 구리: 0.05~1%, 니켈: 0.6~3%, 칼슘: 0.0005~0.003%를 함유하고 나머지는 철 및 불가피한 불순물로 제조되는 우수한 기계가공성과 내식성을 가지는 사출성형 몰드용 마르텐사이트 스테인리스강을 제공한다.

마르텐사이트, 사출몰드, 스테인리스

Description

내식성을 향상시킨 사출성형 몰드용 마르텐사이트 스테인리스강{High Corrosion Resistance Martensite Stainless Steel for mold}

본 발명은 내식성을 향상시킨 사출성형 몰드용 마르텐사이트 스테인리스강에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사출 성형용 몰드 또는 몰드 베이스의 제작에 사용되는 마르텐사이트 스테인리스 강에 관한 것이다.

일반적으로 플라스틱 사출기에 대한 수요는 플라스틱의 사용량이 증가함에 따라 빠르게 증가해 오고 있다. 또한 플라스틱의 사용 용도와 범위, 형태가 다양해 짐에 따라 이러한 요구에 대응하기 위한 플라스틱 사출기의 종류가 다양해 지고 있으며 이에 따라 플라스틱 사출기에 사용되는 강재의 종류와 재질 또한 그 용도에 적합하게 개발되고 있다.

종래에 플라스틱 사출기를 제작하기 위한 소재로는 주로 고 탄소를 함유한 고경도의 탄소강이 사용 되어 왔다. 그러나 최근 들어 부식저항성이 높고 장기간 사용에 따른 내구성을 확보 할 수 있으며, 고온 환경에서 낮은 열팽창 계수를 가지는 등의 장점으로 인해 스테인리스강의 이용이 점차 증가하고 있다.

플라스틱 사출기 부품 제조를 위한 스테인리스강은 주로 ASTM420 계열이 사 용되어 왔으나 높은 탄소함유로 인해 경도가 높아 기계가공이 쉽지 않으며 모재의 크롬과 탄소가 반응해 크롬카바이드를 형성해 내식성이 저하되는 문제와 용접성이 좋지 않은 문제를 가지고 있어 그 사용이 점차 줄고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 미국 특허 제 6045633에서는 탄소의 함량을 0.03~0.06%로 제한하고 구리를 0.5~1.3% 첨가하여 내식성을 개선한 스테인리스강을 제시하였다. 그러나 이와 같은 방법으로는 충분한 내식성을 확보하는데 어려움이 있고 1%이상의 과도한 구리를 첨가할 경우 열간가공성이 저하되어 표면 크랙을 유발하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 마르텐사이트 스테인리스강은 플라스틱 사출기의 소재로 사용되는 마르텐사이트 스테인리스강의 내식성 및 기계가공성을 향상시키고자 하는 합금설계를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 먼저, 중량%로, 탄소: 0.03~0.12%, 질소: 0.02~0.08%, 실리콘: 0.3~0.7%, 망간: 0.6~2%, 인: 0.001~0.03%, 황: 0.1~0.3%, 크롬: 11.5~15%, 구리: 0.05~ 1%, 니켈: 0.6~3%, 칼슘:0.0005~0.003%를 함유하고 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 칼슘 첨가로 인해 스테인리스강의 내부에 형성된 MnS 중 적어도 일부는 내부에 칼슘 성분을 함유한 산화물을 포함하는 내식성을 향상시킨 사출성형 몰드용 마르텐사이트 스테인리스강을 제공한다.

또한, 본 발명에서 상기 스테인리스강은 (압연방향 연신율-폭방향 연신율)/(압연방향 연신율)으로 정의되는 연신율 이방성율이 0.5이하인 내식성을 향상시킨 사출성형 몰드용 마르텐사이트 스테인리스강을 제공한다.

또한, 본 발명에서 상기 스테인리스강은 15%미만의 페라이트 분율을 갖을 수 있고, 경도가 25~40HRC의 범위를 갖는다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 칼슘을 첨가를 통해 MnS의 분포와 형상을 개선함과 동시에 니켈의 함량을 증가시키는 것을 통해 내식성이 우수하며 기계적 성질의 이방성이 향상된 마르텐사이트 스테인리스 강을 제조 할 수 있다.

이하 첨부한 도면을 참고 하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다.

본 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다.

먼저 본 발명에 따른 마르텐사이트 스테인리스강은 중량%로, 탄소: 0.03~0.12%, 질소: 0.02~0.08%, 실리콘: 0.3~0.7%, 망간: 0.6~2%, 인: 0.001~0.03%, 황: 0.1~0.3%, 크롬: 11.5~15%, 구리: 0.05~ 1%, 니켈: 0.6~3%, 칼슘: 0.0005~0.003%를 첨가할 수 있으며 성분의 나머지는 철 및 기타 불가피한 불순물로 제조된다.

특히 본 발명자는 플라스틱 사출기 몰드에 사용되는 강재의 제조에 있어 Ca의 첨가를 통해 쾌삭강 내에 존재하는MnS의 형상을 개선하고 Ni을 첨가해 모재의 부식저항성을 향상 시킴에 따라 마르텐사이트 쾌삭강의 내식성이 향상되는 것을 확인 하였다.

이하에서는 각 성분함량의 역할과 그 첨가범위를 한정하는 이유에 관하여 서술하기로 한다. 아울러, 이하에서 설명되는 %는 모두 중량%이다.

탄소는 함량이 낮을 경우 마르텐사이트의 경도가 저하되어 가공품질이 나빠지므로 0.03%이상을 첨가한다. 그러나 함량이 과도하게 많아지면 경도가 증가해 생산성이 낮아지진다. 또한 과도한 탄소의 첨가는 내식성을 떨어뜨리는 역할을 하므로 상한을 0.12%로 제한한다.

질소는 강도와 내식성에 기여하므로 0.02%이상 첨가한다 그러나 과도하게 첨가될 경우 주조시 질소에 의한 포어의 발생 우려가 있으므로 상한을 0.08%로 제한한다.

실리콘은 탈산을 위해 필수적으로 첨가되는 원소이므로 0.3%이상을 첨가한다. 그러나 과도하게 첨가될 경우 가공성을 저해하고, 열전도도를 저해하므로 상한을 0.7%로 제한한다.

망간은 절삭성 개선을 위해 황과 함께 첨가되는 원소이다. 망간의 함량이 적을 경우 첨가한 황이 CrS 또는 FeS를 형성해 가공성에 부정적인 영향을 미치므로 0.6%이상을 첨가하며 일반적으로 2%이상에서는 유효한 효과를 상실하므로 상한을 2%로 제한한다.

인은 스테인리스강의 제조에서 불가피하게 포함되는 원소이므로 0.001%이상 첨가하며 과도한 첨가시 기계성질을 저하시키므로 상한을 0.03%로 제한한다.

황은 스테인리스강의 절삭성을 개선하기 위해 첨가하는 대표적인 원소이므로 절삭성을 확보하기 위해 0.1%이상 첨가한다. 그러나 0.3%초과에서는 그 첨가효과가 포화되며 과도한 첨가 시 가공성을 저해하므로 상한을0.3%로 제한한다.

크롬은 내식성을 확보하는 기본 원소이므로 11.5%이상 첨가한다. 그러나 과도한 첨가 시 페라이트 형성을 촉진하므로 상한을 15%로 제한한다.

구리는 내식성을 개선하는 역할을 하며 동시에 열전도도를 향상시키는 역할을 하므로 0.05%이상 첨가하며 과도한 첨가시 열간가공성 저하를 유발하므로 이를 방지하기 위해 상한을 1%로 제한한다.

니켈은 스테인리스강의 내식성을 증가시키는 원소이며 인성을 개선하는 작용을 하므로 0.6%이상을 첨가하며 과도한 제조 비용상승을 막기 위해 상한을 3%로 제한한다.

칼슘은 잉곳 캐스팅 또는 연속 주조시 MnS형성의 핵생성 사이트로 작용해 MnS의 형성을 용이하게 하고 Mn의 연신을 억제하는 효과를 얻기 위해 0.0005%이상을 첨가하며 과도하게 첨가할 경우 내식성을 저해하므로 상한을 0.003%로 제한한다.

일반적으로 이러한 강은 연속주조 또는 강괴 주조에 의해 주편을 제작하고 압연 또는 단조의 과정을 거쳐 원하는 형상의 제품을 제조하게 되며 사용 용도에 맞는 적정 물성을 얻기 위해 고유한 방법의 열처리 과정을 거치게 된다.

또한, 본 발명은 그 연신율 이방성율을 0.5이하로 제어하는 것이 바람직하다. 연신율 이방성율은 (압연방향 연신율-폭방향 연신율)/(압연방향 연신율) 에 의하여 얻어질 수 있다. 보통 플라스틱 사출기용 강재는 그 사용에 있어 재료의 압연 방향 또는 폭방향의 특정 방향으로 사용하는 것이 아니라 다양한 방향으로 가공하 여 사용하게 된다. 이때 방향별 기계적 성질에 차이가 클수록 가공시 발생하는 응력에 의한 변형이 증가하며 사출 시 걸리는 높은 압력에 대한 내구성의 차이가 커지게 된다. 이러한 기계적 성질의 이방성[이방성율=(압연방향실험값-폭방향실험값)/압연방향실험값]은 여러 실험 값들 중 연신율에서 가장 극명하게 나타난다. 따라서 본 발명강의 조성을 가진 강종에 있어서 연신율 이방성은 50%이하로 관리하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명강은 페라이트와 마르텐사이트의 이상조직으로 되어 있다. 이와 같은 페라이트 조직과 마르텐사이트 조직은 그 경도에서 큰 차이를 보인다. 마르텐사이트 조직은 딱딱하고 강한 성질을 보이지만 페라이트 조직은 무르고 질긴 성질을 가지게 된다. 이러한 성질로 인해 소재 내부에 페라이트가 소량 존재 할 경우 인성을 부여하는 역할을 하지만 그 양이 과도할 경우 가공 품질을 저해하는 역할을 한다. 따라서 본 발명강을 조성을 가진 소재에 있어서 그 적절한 페라이트 상의 상한을 15%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명강의 경도는 25~40HRC의 범위를 갖는다. 보통 소재의 경도는 가공품질과 가공성(가공속도, 공구수명)에 동시에 영향을 미친다. 소재의 경도가 높아지면 기계가공에 대한 저항이 커져 가공속도가 저하되고, 공구의 마모가 증가하여 가공성을 저해하지만 가공면의 품질은 높아지는 경향을 보인다. 반면 소재의 경도가 낮으면 가공속도 공구수명 등은 증가하지만 가공면의 품질은 낮아진다. 따라서 가공품질을 확보하기 위해 소재의 경도는 25HRC이상이 바람직하며 생산성을 고려한 가공성 확보를 위해 경도의 상한은 40HRC를 넘지 않는 것이 바람직하다.

(실시예)

본 발명을 보다 자세히 이해하기 아래의 실시예를 통해 본 발명을 설명한다. 본 실시예에서는 발명강 7종과 비교강 2종을 표1의 화학식으로 제조하였다. 모든 시편은 진공용해장치를 통해 50Kg의 잉곳으로 제조 한 뒤 25mm 두께로 압연하였다.

강종	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	N	Ca
발명강1	0.046	0.484	1.25	0.005	0.162	12.5	0.638	0.397	0.042	0.0008
발명강2	0.101	0.492	1.03	0.006	0.135	16.08	2.72	1.00	0.069	0.0012
발명강3	0.035	0.285	1.82	0.011	0.205	11.92	0.958	0.52	0.047	0.0021
발명강4	0.046	0.477	1.21	0.007	0.076	13.00	1.58	0.2	0.026	0.0016
발명강5	0.081	0.669	1.55	0.01	0.18	14.36	1.98	0.705	0.048	0.0011
발명강6	0.053	0.411	1.25	0.006	0.155	12.22	1.31	0.331	0.513	0.0026
발명강7	0.045	0.324	1.18	0.005	0.166	13.45	0.87	0.26	0.561	0.0017
비교강1	0.05	0.321	1.27	0.02	0.151	12	-	-	0.052	-
비교강2	0.087	0.221	1.5	0.003	0.11	12.1	0.03	0.434	0.044	-

상기 표 1에서 비교강 1, 2는 각각 칼슘을 첨가하지 않았으며, 특히 비교강 1에서는 니켈과 구리도 첨가하지 않은 상태에서 본 발명강과 대비하였다.

도1은 칼슘을 첨가한 잉곳 시편의 MnS를 전자 현미경을 통해 촬영한 것으로 도 1을 살펴보면 MnS의 중심부에 칼슘산화물이 자리한 것을 알 수 있다. 이러한 경우 MnS의 분포가 미세해 지며 압연 과정에서 MnS의 연신이 억제되는 효과를 얻을 수 있다.

도 2는 칼슘을 첨가하지 않은 비교강1의 MnS 길이 분포를 나타내었으며 도3은 칼슘을 첨가한 본 발명강의 실시예7의 MnS길이 분포를 나타내고 있다. 도 2, 3에서 알 수 있는 바와 같이 칼슘을 첨가한 강의 경우 그렇지 않은 경우에 비해 20μm 이상의 조대한 MnS의 수가 감소한 것을 확인 할 수 있다. MnS의 평균길이와 최대 길이에서도 또한 그 차이를 확인 할 수 다. 본 실험 결과를 통해 칼슘을 첨가할 경우 압연 시 MnS의 연신이 일정 정도 제한됨을 알 수 있다. MnS가 첨가된 강의 경우 MnS부위가 실 사용 환경에서 부식에 취약한 부분으로 작용하는데 MnS의 연신이 억제될 경우 내식성이 증가 할 것으로 예상 할 수 있다.

한편, 시험편의 내식성을 비교하기 위해 시편을 150mm * 70mm *1mm 의 판상으로 가공 한 후 염수 분무와 건조, 습윤의 복합 부식환경에서의 실험을 실시하였으며 자세한 실험 조건은 표 2에 나타내었다. 표3은 내식성 실험의 결과를 나타낸 것이다. 내식성 실험 후 시편의 표면의 녹 발생정도에 따라 1~10개의 등급으로 나누어 평가 하였다. 1은 50%면적에서 부식이 발생한 것을 의미하며 10은 녹이 전혀 발생하지 않은 것을 의미한다.

시험명	유지시간
Acidified salt Mist Condition	2Hr
Dry Condition	4Hr
Wet Condition	2Hr

강종	부식 등급
발명강1	7
발명강2	9
발명강3	7
발명강4	8
발명강5	8
발명강6	8
발명강7	7
비교강1	5
비교강2	6

도 4에 본 발명에 관한 내식실험에 사용된 실시예와 녹이 발생된 비교예의 시편을 예시하였다. 도 4에서 보는 바와 같이 본 발명의 조성을 가진 발명강의 경우 그 부식등급이 높게 나오는 것을 알 수 있다. 또한 표3에서 나타난 것과 같이 유사한 스테인리스의 내식성에 가장 큰 영향을 미치는 크롬 함량이 유사한 강재에서 본 발명조성을 통해 내식성을 향상 시킬 수 있는 것을 확인 하였다.

본 발명에서는 또한 기계적 성질의 이방성에 미치는 칼슘첨가의 유효한 효과도 확인 되었다. MnS가 압연중 연신될 경우 MnS가 연신된 방향과 그렇지 않은 방향 사이에 기계적 성질은 큰 차이를 나타내게 된다. 이러한 현상이 나타나는 것은 MnS가 재료 내부에서 외부의 힘에 취약한 부분으로 작용하기 때문으로 MnS의 방향별 형상을 동일하게 할수록 이방성은 감소하게 된다.

표4에서는 각 방향 별 기계적 물성을 측정한 값을 나타내었다. 칼슘 첨가의 결과로 스테인리스강의 기계적 강도가 상승 하는 것을 확인 할 수 있다. 특히 폭 방향의 기계적 강도 및 연신율은 확연한 증가를 보이고 있다.

강종	방향	TS(Mpa)	El(%)
발명강 7	압연방향	1020	14
발명강 7	폭방향	1010	11
비교강1	압연방향	1000	14.5
비교강1	폭방향	940	6

상기의 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 표현하기 위해 제한된 조건을 설정한 것이며 이것이 본 발명의 적용에 있어 제약을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.

도 1은 본 발명의 마르텐사이트 스테인리스강에서 칼슘을 첨가한 강의 MnS 형상을 SEM으로 관찰한 도면.

도 2는 본 발명과 대비하여 칼슘을 첨가하지 않은 강의 MnS 길이 분포를 나타낸 그래프도.

도 3은 본 발명의 마르텐사이트 스테인리스강에서 칼슘을 첨가한 강의 MnS길이 분포를 나타낸 그래프도.

도 4는 부식시험에 사용된 시편의 형상과 부식면적 측정방법에 관해 나타낸 시편조직사진도.

Claims

중량%로, 탄소: 0.03~0.12%, 질소: 0.02~0.08%, 실리콘: 0.3~0.7%, 망간: 0.6~2%, 인: 0.001~0.03%, 황: 0.1~0.3%, 크롬: 11.5~15%, 구리: 0.05~1%, 니켈: 0.6~3%, 칼슘:0.0005~0.003%를 함유하고 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고,

상기 칼슘 첨가로 인해 스테인리스강의 내부에 형성된 MnS 중 적어도 일부는 내부에 칼슘 성분을 함유한 산화물을 포함하며,

하기식으로 정의되는 연신율 이방성율이 0.5이하인 내식성을 향상시킨 사출성형 몰드용 마르텐사이트 스테인리스강.

연신율 이방성율 = (압연방향 연신율-폭방향 연신율)/(압연방향 연신율)
삭제
제 1항에 있어서,

상기 스테인리스강은 15%미만의 페라이트 분율을 갖는 내식성을 향상시킨 사출성형 몰드용 마르텐사이트 스테인리스강.
제 1항에 있어서,

상기 스테인리스강은 경도가 25~40HRC의 범위를 갖는 내식성을 향상시킨 사출성형 몰드용 마르텐사이트 스테인리스강.