KR101356951B1 - 고경도 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중량%로 탄소(C)와 질소(N)의 합이 0.27%~0.78%로 구성되고, 크롬의 함량이 12~15%인 마르텐사이트계 스테인리스강에 대하여, 면도날, 식도 등의 고급 도물용으로 요구되는 고경도강을 제조하는 방법에 관한 것으로, 경도(HRC) 예측 파라미터인 [수식 1]를 사용하여, 템퍼링열처리 이전의 강화열처리 소재가 56 HRC 이상의 경도를 갖도록 고경도강을 제조하는 방법을 제공한다.
식(1) : 경도(HRC) = 18.1·(C+N) + 0.05·T - 39.5·V ≥ 56

Description

고경도 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법{Martensite stainless steel with excellent hardness and the method of manufacturing the same}

본 발명은 고경도 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 강화열처리를 통하여 경도가 향상되는 고경도 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

마르텐사이트계 스테인리스강은 본질적으로 철(Fe)-크롬(Cr)-탄소(C)가 주성분으로 구성된 강으로, 중량%로 약 12~18%의 크롬을 함유하고, 많게는 약 1%의 탄소를 함유한 강이다. 이러한 마르텐사이트계강은 합금제조사에서 상소둔 공정을 활용하여, 미세조직이 페라이트상과 크롬탄질화물로 구성된 열연소둔판을 제조하고, 또한 열연소둔판의 산세를 수행하며, 산세후의 열연소둔판은 최종 수요가의 요구두께에 맞도록 냉간압연 후 최종 수요가에 공급되는 과정을 거친다.

한편 최종 수요가는 상기 스테인리스강 냉연강판을 강화열처리 공정을 이용하여 페라이트상과 탄화물로 구성된 연질의 소재를 고경도의 마르텐사이트 조직으로 변태시켜 제품화한다. 한편 도물류 제품을 생산하는 최종 수요가는 제품의 요구경도가 다르면, 성분이 상이한 소재를 사용하여 제품을 제조하는 경향이 높다. 특히, 고경도를 요구하는 제품에 적합한 고탄소강은 탄소함량이 높아질수록 소재의 제조가 매우 어려워지기 때문에, 탄소함량이 높아질수록 소재의 가격이 급격히 상승하는 단점이 있어 최종 수요가 입장에서는 가격 때문에 탄소함량이 높은 강을 채용하기 어려운 문제가 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 요망에 의하여 안출된 것으로서, 고경도의 제품을 제조하기 위하여, 새로운 합금설계를 통하여 도물용으로 적합한 고경도 마르텐사이트 스테인리스강을 얻는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 합금설계에 기반하여 강화열처리 공정을 최대한 활용하여 강화열처리 조건의 변화에 따른 미세조직과 경도의 변화를 연구하여, 도물용으로 적합한 고경도 마르텐사이트 스테인리스강을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 중량%로 C:0.25~0.7%, N:0.02~0.08%, Si:0초과~1.0%, Mn: 0초과~1.0%, Cr:12~15%, Ni:0초과~1% , S 0초과~0.04%, P 0초과~0.05% 그리고 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 하기 식(1)에 의한 경도가 56HRC 이상인 고경도 마르텐사이트 스테인리스강을 제공한다.

식(1) : 경도(HRC) = 18.1·(C+N) + 0.05·T - 39.5·V

[경도(HRC) : 로크웰 경도 예측값(HRC)으로 템퍼링열처리 직전의 경도, T : 마르텐사이트 조직형성을 위하여 필수적으로 요구되는 선행열처리인 오스테나이트화처리 온도(austenitization, (℃)), V : 템퍼링 열처리 직전소재의 미세조직내에 존재하는 잔류 오스테나이트의 부피분율]

또한, 본 발명에서 상기 스테인리스강에서 열처리 이전의 소재 미세조직에서 크롬 탄질화물의 밀도가 50~150개/100mm² 이다.

또한, 본 발명은 상기 스테인리스강에서 열처리 이후의 소재 미세조직에서 크롬 탄질화물의 밀도가 8~55개/100mm² 이다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 중량%로 C:0.25~0.7%, N:0.02~0.08%, Si:0초과~1.0%, Mn: 0초과~1.0%, Cr:12~15%, Ni:0초과~1% , S 0초과~0.04%, P 0초과~0.05%, C+N : 0.27~0.78% 그리고 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 하기 식(1)에 의한 경도가 56HRC 이상인 스테인리스 냉연강판을 1000~1100℃에서 오스테나이트화(austenitization) 처리하는 단계; 상기 오스테나이트화 처리된 강판을 소입(quenching) 처리하는 단계; 및 상기 소입처리된 강판을 소려(tempering) 처리하는 단계를 포함하고, 상기 오스테나이트화 처리단계에서의 유지시간은 하기 식(2)를 만족하는 고경도마르텐사이트 스테인리스강 제조방법을 제공한다.

식(1) : 경도(HRC) = 18.1·(C+N) + 0.05·T - 39.5·V

식(2) : 오스테나이트화 처리 유지시간(sec) = 120x t(mm)

또한, 본 발명은 상기 소입(quenching) 후 소려(tempering) 처리 전에 딥프리징(deep freezing) 공정을 더 수행하되, 상기 딥프로징(deep freezing) 공정은 상온으로 소입(Quenching) 처리된 소재를 약 -50~-150℃의 극저온으로 추가 냉각하는 공정을 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 특히 56HRC 이상의 경도특성을 만족시킬 수 있는 도물용의 고경도 마르텐사이트 스테인리스강을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 주요 성분함량의 최적화 및 열처리 조건의 다양한 조합을 통하여 도물용의 고경도 마르텐사이트 스테인리스강을 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 관한 수식 (1)로 예측된 경도와 측정된 경도의 상관관계를 나타내는 그래프도이다.

이하에서는 본 발명의 발명예를 도시한 도면들을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명은 중량%로 탄소(C)와 질소(N)의 합이 0.27%~0.78%로 구성되고, 크롬의 함량이 12~15%인 마르텐사이트계 스테인리스강에 대하여, 면도날, 식도 등의 고급 도물용으로 요구되는 고경도 마르텐사이트 스테인리스강과 그 제조방법에 관한 것이다.

특히 본 발명의 일 실시예에 의하면, 경도(HRC) 예측 파라미터인 식(1)을 이용하여 템퍼링 열처리 이전의 소재가 56 HRC 이상의 경도를 갖도록 제조할 수 있다.

또한, 본 발명은 중량%로 탄소(C)와 질소(N)의 합이 0.27%~0.78%로 구성되고, 크롬의 함량이 12~15%인 마르텐사이트계 스테인리스강에 대하여, 강화열처리 후 경도가 더욱 향상된 마르텐사이트계 스테인리스강을 제조하는 방법을 제공한다.

먼저 본 발명의 합금성분을 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 마르텐사이트계 스테인리스강은 중량%로, C:0.25~0.7%, N:0.02~0.08%, Si:0초과~1.0%, Mn: 0초과~1.0%, Cr:12~15%, Ni:0초과~1% , S 0초과~0.04%, P 0초과~0.05% 그리고 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 마르텐사이트 스테인리스강을 대상으로 한다.

이하에서는 각 합금성분의 역할과, 합금성분 조성범위의 한정 이유에 관하여 기재한다. 아울러, 이하에서 설명되는 %는 모두 중량%이다.

C는 함량이 낮을 경우 마르텐사이트 스테인리스강의 경도가 저하되어 절삭성 확보가 불가능하므로 0.25% 이상을 첨가한다. 그러나, 그 함량이 과도하게 많아지면 카바이드 형성을 통해 소재의 내식성이 저하되며, 주조 시 탄소 편석에 의한 조대한 주조 탄화물 형성 우려가 있으므로 상한을 0.75%로 제한한다.

N는 강도와 내식성에 기여하므로 0.02% 이상을 첨가한다. 그러나, 과도하게 첨가될 경우 주조 시 질소에 의한 포어(pore)가 발생될 우려가 있으므로 상한을 0.08%로 제한한다.

또한, 본 발명에서 더욱 바람직하기로는 상기 탄소(C)와 질소(N)의 합이 0.27%~0.78%로 구성되는 것이 좋다. 이는 상기 범위내에서 경도의 향상이 최적으로 나올 수 있기 때문이다. 이는 후술하여 상세히 설명한다.

Si은 탈산을 위해 필수적으로 첨가되는 원소인 반면, 높은 함량의 Si 첨가는 산세성을 떨어뜨리며, 소재의 취성을 높이므로 상한을 1.0%로 제한한다.

Mn은 탈산을 위해 필수적으로 첨가되는 원소인 반면, 과도하게 첨가될 경우 강의 표면품질을 저해하고 최종 열처리재의 잔류 오스테나이트 형성을 통해 경도상승을 억제하므로 상한을 1.0%로 제한한다.

Cr은 내식성을 확보하는 기본 원소이므로 12% 이상을 첨가한다. 그러나, 과도한 첨가 시 제조비용이 상승하며, 카바이드 형성을 통해 최종 열처리재의 고용 카본을 저하시킬 수 있기 때문에 상한을 15%로 제한한다.

Ni은 내식성을 향상시키는 원소이나, 매우 고가의 원소이므로 그 함량은 1.0%이하로 제한한다.

S는 주원소 합금내에 불가피하게 함유되는 원소로서 개재물을 쉽게 형성하므로, 그 함량을 0~0.04%로 가능한 낮게 제한한다.

P는 결정립계에 편석이 용이한 원소로서 합금제조시 가공크랙을 일으키기 때문에 그 함량을 0~0.05%로 가능한 낮게 제한한다.

또한, 본 발명은 하기 식(1)에 의하여 얻어지는 경도(HRC) 값이 56 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다.

식 (1) 경도(HRC) = 18.1·(C+N) + 0.05·T - 39.5·V ≥ 56

여기서 경도(HRC)는 로크웰 경도 예측값(HRC)으로, 템퍼링 열처리 직전의 경도를 의미하며, T는 마르텐사이트 조직형성을 위하여 필수적으로 요구되는 선행열처리인 오스테나이트화(austenitization) 온도(℃)를 나타낸다. 또한 V는 템퍼링 열처리 직전소재의 미세조직내에 존재하는 잔류 오스테나이트의 부피분율을 의미한다.

본 발명의 상기 식(1)을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기한 식(1)에서 오스테나이트화 온도(℃)를 나타내는 T는 두께가 t(mm)인 소재의 온도가 목표온도 T(1000~1100℃)에 도달한 후 식(2)로 규정되는 시간동안 목표온도에서 유지된 소재상태로 정의된다.

식 (2) 오스테나이트화 유지시간(sec) = 120 x t(mm)

여기서, 오스테나이트화 유지시간의 단위는 초(sec)이며, t는 소재의 두께로 단위는 mm이고 상기 수식은 바람직하기로는 0.05~4mm 두께의 소재에 적용된다.

상기한 식(1)의 잔류오스테나이트 분율은 X선회절분석기를 이용하여 소재표면에서 측정된 값이다.

도 1은 본 발명에 관한 식 (1)로 예측된 경도와 측정된 경도의 상관관계를 나타내는 그래프도이다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 관한 고경도값인 56(HRC)을 얻기 위하여는 식(1)의 값이 56이상으로 제어될 필요가 있다.

한편, 본 발명은 마르텐사이트계 스테인리스강의 침입형 합금원소(C,N)의 양과 열처리 조건 그리고 잔류 오스테나이트 부피분율의 상관관계를 활용하여, 도물용으로 적합한 다양한 고경도강을 제조하는 방법을 제공한다.

다시 도 1을 살펴보면, 식(1)로 예측된 경도와 측정된 경도의 상관관계를 나타내었다. 예측수식의 상관관계는 91.3%(R-Sq)로 예측수식이 측정경도를 잘 반영하고 있음을 알 수 있다. 일반적으로 상용의 도물류 제품의 경우에서, 특히 고경도를 요구하는 경우에 최종 템퍼링 열처리 후 경도가 약 52 HRC 이상 수준이다. 인성을 부여하기 위한 템퍼링 공정에서 최대 약 4HRC의 경도저하가 발생하므로, 고경도 제품으로 사용하기 위해서는 템퍼링 이전의 경도가 56 HRC 이상이어야 한다.

그러므로, 본 발명의 발명자들은 식(1)을 사용하면, 56HRC 이상의 경도특성을 만족시킬 수 있는, 성분과 주요 열처리조건의 다양한 조합을 쉽게 도출할 수 있는 장점이 있음을 확인하였다.

다음은 본 발명에 제조공정으로서 도물용 제품을 생산하기 위한 강화열처리는 다음과 같은 순서로 진행된다.

가장 먼저 수행되는 열처리 공정은 오스테나이트화(Austenitization) 공정이다. 오스테나이트화 공정은 소재를 약 1000~1100℃의 고온으로 노출시키는 열처리로, 이 과정 중에 크롬탄질화물이 기지조직으로 재고용되며, 기지조직은 페라이트에서 오스테나이트로 변태된다. 그 다음으로 소입(담금질, Quenching)이 진행된다. 소입은 고온에서 상온으로의 급속냉각을 통하여 오스테나이트 조직을 경도가 높은 마르텐사이트로 변태시키는 열처리 공정이다. 그리고 경도가 높아 취성이 강한 마르텐사이트 조직에 인성을 부여하기 위하여 소려 혹은 템퍼링(Tempering) 열처리 공정이 최종적으로 수행된다. 그러나, 소입(Quenching) 후에도 경도가 충분히 높지 않을 경우에는 소입(Quenching)과 소려(Tempering) 열처리 사이에, 딥프리징(Deep Freezing) 공정을 추가로 실시한다. 딥프로징(Deep Freezing) 공정은 상온으로 소입(Quenching) 처리된 소재를 약 -50~-150℃의 극저온으로 추가 냉각하는 공정으로 이 과정을 통하여 소입(Quenching) 소재의 미세조직에 잔류한 오스테나이트 조직이 마르텐사이트 조직으로 추가적으로 변태하여 경도가 더욱 상승하게 된다.

이하 실시예로 본 발명을 설명한다.

(실시예)

표 1은 3가지 마르텐사이트계 스테인리스강의 성분을 나타내었다. 각 성분강은 진공유도용해로에서 각각 100kg의 잉곳으로 제작되었으며, 잉곳은 재가열-열간압연 공정을 4mm두께의 열연판으로 제작되었다. 각 열연판은 상소둔로를 이용하여 소둔되었으며, 소둔 후 0.1mm, 2mm, 두께를 갖는 소재를 제작하기 위하여, 냉간압연을 실시하였다.

강화열처리 실험은 다음의 두가지 열처리 경로를 사용하여 수행되었다. 첫째는 오스테나이트화처리-소입(Austenitization→Quenching)(이하 A→Q 열처리)이었으며, 두번째 열처리는 오스테나이트화처리-소입-딥프리징(Austenitization→Quenching→Deep Freezing)(이하 A→Q→DF 열처리)의 순서로 진행되었다. 상기 열처리 실험에서 오스테나이트화 열처리는 3가지 온도(1000℃, 1050℃, 1100℃)에서 수행되었으며, 열처리시 두께의 효과를 보정하기 위하여 식 2로 정의된 유지시간을 적용하여 열처리 하였다. 오스테나이트화 열처리 후, 상온으로의 소입을 위하여 유냉을 실시하였다. 그리고 딥 프리징은 -70℃에서 5분간 유지하는 조건으로 실시되었다.

열처리 후, 로크웰경도를 이용하여 경도(HRC)를 특정하였다. 0.1t 소재는 두께가 얇아 로크웰 경도 측정이 불가하였으므로, 비커스 경도로 측정한 후, 로크웰 경도로 환산표를 이용하여 변환한 값을 사용하였다. 또한, 열처리된 시편의 잔류오스테나이트 분율은 X선회절분석기를 이용하여 소재표면에서 측정하였다.

표 2는 열처리 이전과 1050℃ 에서 오스테나이트화 처리 이후 소입시편의 탄질화물 밀도의 변화를 도시한 것이다. 표 2에 나타난 바와 같이 크롬 탄질화물의 밀도는 5천배의 배율로 주사전자현미경을 활용하여 2장의 사진을 촬영한 후 이미지 분석을 통하여 탄화물의 밀도를 100mm²당의 평균개수로 측정한 결과이다. 전술한 바와 같이 오스테나이트화 처리 공정이 진행되면서 크롬탄질화물이 기지조직으로 재고용되는 것을 알 수 있다.

한편, 표 3은 C+N함량과 오스테나이트화 처리 온도(T), 그리고 잔류오스테나이트 분율(V)에 따른 측정경도와 예측경도의 값을 나타내었으며, 그 상관관계를 도 1에 도시하였다. 도 1에서도 언급한 바와 같이, 식 1에 의하여 예측된 경도는 3가지 성분강의 다양한 열처리 조건에서 약 5% 이내의 오차범위에서 측정경도값을 정확히 예측함을 알 수 있다. 기존에 56HRC 이상인 고경도의 도물용강으로 EN 1.4116강이 주로 사용되어 왔다. EN 1.4116강은 0.5% 탄소를 함유한 14% 크롬 함유강으로 본 발명의 #2 성분강과 유사하다. 하지만 표 3에서 극명히 알 수 있듯이 탄소함량이 0.3%인 #1강에서도 오스테나이트화 처리 온도가 1100℃로 상승되면, EN 1.4116강과 유사한 고경도 확보가 가능함을 알 수 있다.

이상과 같은 결과는, 중량%로 탄소(C)와 질소(N)의 합이 0.27%~0.78%로 구성되고, 크롬의 함량이 12~15%인 마르텐사이트계 스테인리스강에 대하여, 식 1로 구성된 침입형 합금원소(C,N)의 량과, 열처리 조건 그리고 잔류 오스테나이트 부피분율의 상관관계를 활용하여, 도물용으로 적합한 56HRC 이상의 다양한 고경도강을 제조하는 것이 가능함을 보여주고 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

1. 고경도 마르텐사이트 스테인리스강에 있어서,
   중량%로 C:0.25~0.7%, N:0.02~0.08%, Si:0초과~1.0%, Mn: 0초과~1.0%, Cr:12~15%, Ni:0초과~1% , S 0초과~0.04%, P 0초과~0.05% 그리고 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 하기 식(1)에 의한 경도가 56HRC 이상이며,
   식(1) : 경도(HRC) = 18.1·(C+N) + 0.05·T - 39.5·V
   [경도(HRC) : 로크웰 경도 예측값(HRC)으로 템퍼링열처리 직전의 경도, T : 마르텐사이트 조직형성을 위하여 필수적으로 요구되는 선행열처리인 오스테나이트화처리 온도(austenitization, (℃)), V : 템퍼링 열처리 직전소재의 미세조직내에 존재하는 잔류 오스테나이트의 부피분율]
   상기 스테인리스강에서 오스테나이트화처리 이전의 소재 미세조직에서 크롬 탄질화물의 밀도가 50~150개/100mm² 인 고경도 마르텐사이트 스테인리스강.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스테인리스강에서 C+N의 합이 중량%로 0.27%~0.78%인 고경도 마르텐사이트 스테인리스강.
3. 제2항에 있어서,
   상기 스테인리스강에서 C+N의 합이 중량%로 0.32%~0.69%인 고경도 마르텐사이트 스테인리스강.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 스테인리스강에서 오스테나이트화처리 이후의 소재 미세조직에서 크롬 탄질화물의 밀도가 8~55개/100mm² 인 고경도 마르텐사이트 스테인리스강.
6. 고경도 마르텐사이트 스테인리스강 제조방법에 있어서,
   중량%로 C:0.25~0.7%, N:0.02~0.08%, Si:0초과~1.0%, Mn: 0초과~1.0%, Cr:12~15%, Ni:0초과~1% , S 0초과~0.04%, P 0초과~0.05%, C+N : 0.27~0.78% 그리고 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고 하기 식(1)에 의한 경도가 56HRC 이상인 스테인리스 냉연강판을 1000~1100℃에서 오스테나이트화(austenitization) 처리하는 단계;
   상기 오스테나이트화 처리된 강판을 소입(quenching) 처리하는 단계; 및
   상기 소입처리된 강판을 소려(tempering) 처리하는 단계를 포함하고,
   상기 오스테나이트화 처리단계에서의 유지시간은 하기 식(2)를 만족하며,
   식(1) : 경도(HRC) = 18.1·(C+N) + 0.05·T - 39.5·V
   식(2) : 오스테나이트화 처리 유지시간(sec) = 120x t(mm)
   [경도(HRC) : 로크웰 경도 예측값(HRC)으로, 템퍼링열처리 직전의 경도, T : 마르텐사이트 조직형성을 위하여 필수적으로 요구되는 선행열처리인 오스테나이트화처리 온도(austenitization, (℃)), V : 템퍼링 열처리 직전소재의 미세조직내에 존재하는 잔류 오스테나이트의 부피분율, t : 소재의 두께(mm)]
   상기 스테인리스강에서 오스테나이트화처리 이전의 소재 미세조직에서 크롬 탄질화물의 밀도가 50~150개/100mm² 인 고경도 마르텐사이트 스테인리스강 제조방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 소입(quenching) 후 소려(tempering) 처리 전에 딥프리징(deep freezing) 공정을 더 수행하는 고경도 마르텐사이트 스테인리스강 제조방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 딥프로징(deep freezing) 공정은 상온으로 소입(Quenching) 처리된 소재를 -50~-150℃의 극저온으로 추가 냉각하는 공정을 포함하는 고경도 마르텐사이트 스테인리스강 제조방법.
9. 삭제
10. 제6항에 있어서,
    상기 스테인리스강에서 오스테나이트화처리 이후의 소재 미세조직에서 크롬 탄질화물의 밀도가 8~55개/100mm² 인 고경도 마르텐사이트 스테인리스강 제조방법

Images