KR102120696B1 - 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

두께 6mm 이상인 충격 특성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판 및 그 제조방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판은, 중량%로, C: 0 초과 0.03% 이하, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 1.5% 이하, P: 0.04% 이하, Cr: 10.5 내지 14%, Ni: 0 초과 1.5% 이하, Ti: 0.01 내지 0.5%, Cu: 0 초과 1.0% 이하, N: 0 초과 0.015% 이하, Al: 0.1% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)을 만족하며, 압연 직각 방향 단면 미세조직의 평균 결정립 크기가 60㎛ 이하이다.
(1) 1500 ≤ (1001.5*C + 950.6*Mn + 1350.5*Ni + 395.6*Cu - 0.7*Si - 1.0*Ti - 0.1*Cr - 1.0*P - 1.0*Al + 1020.5*N) ≤ 2200

Description

충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판 및 그 제조방법 {NON-ANNEALED HOT-ROLLED FERRITIC STAINLESS STEEL SHEET WITH EXCELLENT IMPACT TOUGHNESS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 페라이트계 스테인리스 열연 후물재와 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두께 6mm 이상인 충격 특성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
페라이트계 스테인리스강은 오스테나이트계 스테인리스강에 비해 가공성, 충격 인성 및 고온강도는 열위하지만, 다량의 Ni을 함유하고 있지 않기 때문에 저렴하고 열팽창이 작아 근래에는 자동차 배기계 부품 재료 등에 사용이 선호되고 있다. 특히, 배기계용 플랜지는 최근 미세 크랙 및 배기가스 누출 문제로 내식성, 내구성이 향상된 페라이트계 스테인리스 후판으로 전환되고 있는 추세이다.
배기계용 플랜지는 그동안 탄소강이 사용되어 왔으나, 탄소강은 부식이 빠르게 발생하여 외면에 붉은 녹이 심하게 발생하고 소재의 안정성이 급격히 감소하는 문제를 야기시킨다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 Cr이 11% 이상 함유된 STS409L 소재가 플랜지용으로 적용되고 있다. STS409L 소재는 11% Cr에 C, N을 Ti으로 안정화하여 용접부의 예민화 방지와 가공성이 우수한 강종으로 700℃ 이하의 온도에 주로 사용되고 있으며, 자동차 배기계에서 발생하는 응축수 성분에 대하여서도 다소의 부식저항성을 가지고 있기 때문에 가장 많이 사용되고 있는 강종이다. 하지만, 409L은 페라이트 단상으로서 저온 충격 특성이 매우 열위하여 겨울철 플랜지 가공 시 취성 크랙에 의한 불량율이 높은 편이다.
또한, 페라이트계 스테인리스강은 오스테나이트계 스테인리스강에 비해 그 두께가 두꺼워질수록 가공성 및 충격 인성이 열위해져, 열간 압연 이후 목표 두께로 냉간 압연하는 도중 취성 크랙이 발생하거나 크랙이 전파하여 판의 파단이 발생한다. 두께 6.0mm 이상의 STS409L 후판를 이용하여 플랜지 등의 제품 가공 시, 가해지는 충격에 의해 크랙이 발생하는 등 충격 특성이 열위한 단점이 있다. 이러한 낮은 충격 특성에 기인하여 두께 6.0mm 이상의 STS409L 강종은 제조 및 제품 가공이 매우 어려운 강종이다.
두께 6.0mm 이상의 후물재는 열간 압연 시, 압하량의 부족으로 미세한 결정립을 얻기 힘들고 조대한 결정립 및 불균일한 결정립의 형성에 의해 취성이 더욱 심화되어 충격 특성이 열위해지는 문제가 있다.
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제점을 해결하여, 합금원소 조성 제어를 통해 열연 소둔 없이도 미세한 페라이트 결정립을 확보함으로써 충격 인성이 향상된 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판은, 중량%로, C: 0 초과 0.03% 이하, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 1.5% 이하, P: 0.04% 이하, Cr: 10.5 내지 14%, Ni: 0 초과 1.5% 이하, Ti: 0.01 내지 0.5%, Cu: 0 초과 1.0% 이하, N: 0 초과 0.015% 이하, Al: 0.1% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)을 만족하며, 압연 직각 방향 단면 미세조직의 평균 결정립 크기가 60㎛ 이하이다.
(1) 1500 ≤ (1001.5*C + 950.6*Mn + 1350.5*Ni + 395.6*Cu - 0.7*Si - 1.0*Ti - 0.1*Cr - 1.0*P - 1.0*Al + 1020.5*N) ≤ 2200
여기서, C, Mn, Ni, Cu, Si, Ti, Cr, P, Al 및 N은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열연 무소둔 강판은 두께가 6.0 내지 25.0mm일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, -20℃ 샤르피 충격에너지가 150J/㎠ 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세조직의 결정립간 방위차가 15 내지 180°인 결정립들의 평균 크기가 60㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세조직의 결정립간 방위차가 5 내지 180°인 결정립들의 평균 크기가 30㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세조직의 결정립간 방위차가 2 내지 180°인 결정립들의 평균 크기가 20㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세조직의 결정립간 방위차가 15 내지 180°인 결정립계의 분율이 55% 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세조직의 결정립간 방위차가 5 내지 15°인 결정립계의 분율이 25% 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 미세조직의 결정립간 방위차가 2 내지 5°인 결정립계의 분율이 16% 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판 제조방법은, 중량%로, C: 0 초과 0.03% 이하, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 1.5% 이하, P: 0.04% 이하, Cr: 10.5 내지 14%, Ni: 0 초과 1.5% 이하, Ti: 0.01 내지 0.5%, Cu: 0 초과 1.0% 이하, N: 0 초과 0.015% 이하, Al: 0.1% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 1,220℃ 이하로 가열하는 단계; 가열된 상기 슬라브를 조압연하는 단계; 조압연 바(bar)를 마무리압연하는 단계; 및 열연 강판을 권취하는 단계;를 포함하고, 상기 조압연의 마지막 압연밀에서의 압하율은 27% 이상이며, 상기 권취 온도는 800℃ 이하이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 슬라브는 하기 식 (1)을 만족할 수 있다.
(1) 1500 ≤ (1001.5*C + 950.6*Mn + 1350.5*Ni + 395.6*Cu - 0.7*Si - 1.0*Ti - 0.1*Cr - 1.0*P - 1.0*Al + 1020.5*N) ≤ 2200
여기서, C, Mn, Ni, Cu, Si, Ti, Cr, P, Al 및 N은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 조압연 바의 온도는 1,020 내지 970℃일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 마무리압연 종료 온도는 920℃ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열연 강판의 두께는 6.0 내지 25.0mm일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 권취된 열연 강판의 압연 직각 방향 단면 미세조직은, 결정립간 방위차가 15 내지 180°인 결정립들의 평균 크기가 60㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 권취된 열연 강판의 압연 직각 방향 단면 미세조직은, 결정립간 방위차가 15 내지 180°인 결정립계의 분율이 55% 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 두께 6.0mm 이상의 페라이트계 스테인리스 열연 강판의 미세조직 결정립 크기를 미세화하여 열연 소둔 열처리 없이도 높은 샤르피 충격에너지 값을 나타낼 수 있다.
도 1 내지 5는 비교예인 N1강의 단면 미세조직을 나타내는 사진으로, 도 1은 IPF(ND) EBSD 사진을, 도 2는 ODF 사진을, 도 3은 결정립간 방위차 15~180°의 High Angle Grain Boundary 사진을, 도 4는 결정립간 방위차 5~15°의 Low Angle Grain Boundary 사진을, 도 5는 결정립간 방위차 2~5°의 Low Angle Grain Boundary 사진을 나타낸다.
도 6 내지 10은 발명예인 N2강의 단면 미세조직을 나타내는 사진으로, 도 6은 IPF(ND) EBSD 사진을, 도 7은 ODF 사진을, 도 8은 결정립간 방위차 15~180°의 High Angle Grain Boundary 사진을, 도 9는 결정립간 방위차 5~15°의 Low Angle Grain Boundary 사진을, 도 10는 결정립간 방위차 2~5°의 Low Angle Grain Boundary 사진을 나타낸다.
도 11은 820℃에서 권취된 N2강의 단면 미세조직을 나타내는 사진이다.
도 12 내지 14는 열연 재가열 온도에서의 오스테나이트상 분율에 따른 온도별 샤르피 충격에너지값을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
페라이트계 스테인리스 열연 후판의 인성을 개선하는 방법에 대하여 다양한 방법이 검토되어 왔다. 우선 열연 권취 온도를 하향하거나, 수냉 등의 급냉 처리를 하여 소재의 취성 특성을 악화시키는 라베스 상(Laves Phase)을 억제하는 방법이 있다. 그러나, 이는 실제 생산 적용에 어려운 부분이 있거나 코일 권취 시 낮은 온도로 인하여 판의 표면에 긁힘 흔적이 남는 등 불량 코일을 야기시키거나, 급격한 냉각 속도로 인해 판의 변형이 불균일해져 부분적으로 균열이 발생되는 문제점이 제기되어 실제 생산 적용에 어려운 부분이 있다. 또한, 6.0mm 두께 이상의 페라이트계 스테인리스강의 열간 압연시, 6.0mm 이하 두께의 강판에 비해 압하량 부족으로 미세한 결정립 크기를 얻기 힘들고, 조대한 결정립 및 불균일한 결정립의 형성에 따른 취성 증가의 문제점도 제기되어 왔다.
본 발명에서는, 두께 6.0mm 이상 열연 후판에 Ni, Mn 또는 Cu를 첨가함으로써 1,220℃ 이하의 열연 재가열 온도에서 페라이트 단상이 아닌 오스테나이트상 분율을 일정량 이상으로 제어하여 오스테나이트 상변태 및 재결정을 유도하고, 이를 통한 최종 미세한 페라이트 결정립을 확보하고자 한다. 본 발명에 따른 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판은 열연 소둔을 실시하지 않음에도 불구하고 열간 압연이 종료된 열연 강판의 압연 직각 방향 단면 미세조직의 평균 결정립 크기를 60㎛ 이하로 제어할 수 있다.
본 명세서에서 '페라이트계 스테인리스 강판'은 두께 6.0mm 이상의 열연 무소둔 강판을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판은, 중량%로, C: 0 초과 0.03% 이하, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 1.5% 이하, P: 0.04% 이하, Cr: 10.5 내지 14%, Ni: 0 초과 1.5% 이하, Ti: 0.01 내지 0.5%, Cu: 0 초과 1.0% 이하, N: 0 초과 0.015% 이하, Al: 0.1% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 합금성분 원소 함량의 수치한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0 초과 0.03% 이하이고, N의 함량은 0 초과 0.015% 이하이다.
Ti(C, N) 탄질화물 형성원소로 침입형으로 존재하는 C 및 N은, 함량이 높아지면 Ti(C, N) 탄질화물 형성하지 않고 고용 상태로 존재하여 소재의 연신율 및 저온 충격 특성을 저하시키고, 용접 후 600℃ 이하에서 장시간 사용하는 경우 Cr23C6 탄화물이 생성되어 입계부식이 발생되기 때문에 그 함량은 각각 0.03%, 0.015% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
Si의 함량은 0.1 내지 0.5%이다.
Si은 탈산 원소로 탈산을 위해 0.1% 이상 첨가되며, 페라이트상 형성원소이므로 함량 증가시 페라이트상의 안정성이 높아진다. Si의 함량이 0.5% 초과인 경우, 제강성 Si 개재물의 증가 및 표면결함 등이 발생할 수 있어 0.5% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
Mn의 함량은 1.5% 이하이다.
Mn은 오스테나이트상 안정화 원소로, 열연 재가열 온도에서 일정 수준의 오스테나이트상 분율을 확보하기 위해 첨가되지만, 함량이 높아지면 MnS 등의 석출물을 형성하여 내공식성을 저하시키므로 1.5% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
P의 함량은 0.04% 이하이다.
P는 스테인리스강의 원료인 페로크롬에 불순물로서 포함되기 때문에 페로크롬의 순도와 양으로 결정된다. 그러나, P는 유해한 원소이므로 함량이 낮은 것이 바람직하지만 저P의 페로크롬은 고가이기 때문에 재질이나 내식성을 크게 열화시키지 않는 범위인 0.04% 이하로 한다. 보다 바람직하게는 0.03% 이하로 제한할 수 있다.
Cr의 함량은 10.5 내지 14%이다.
Cr은 스테인리스강의 내식성을 확보하기 위한 필수 원소이다. Cr의 함량이 낮으면 응축수 분위기에서 내식성이 저하되고, 함량이 높아지면 강도가 높아져 연신율, 충격 특성이 저하된다. 본 발명에서 충격 인성을 향상시키고자 하는 대상 강종은 10.5 내지 14% Cr을 포함하는 페라이트계 스테인리스 강판이므로, Cr의 함량은 10.5 내지 14%로 제한한다.
Ni의 함량은 0 초과 1.5% 이하이다.
Ni은 오스테나이트상 안정화 원소로, 공식의 진전 억제에 효과적이며 소량 첨가시 열연 강판의 인성 향상에도 효과적이다. 후술할 식 (1) 관련 열연 재가열 온도에서 일정 수준의 오스테나이트상 분율을 확보하기 위해 첨가된다. 그러나, 다량의 첨가는 오히려 고용 강화에 의한 재질 경화 및 인성 저하를 초래할 우려가 있고, 고가의 원소이므로 Mn, Cu와의 함량 관계를 고려하여 1.5% 이하로 제한할 수 있다.
Ti의 함량은 0.01 내지 0.5%이다.
Ti은 C, N을 고정하여 입계부식 발생을 방지하는 유효한 원소이다. Ti 함량이 낮아지면 용접부 등에 입계부식이 발생하여 내식성이 저하하는 문제점이 발생하기 때문에, Ti은 최소 0.01% 이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 그러나, Ti의 첨가량이 너무 높아지면, 제강성 개재물이 증가하여 스캡(scab)과 같은 표면결함이 많이 발생하고, 연주시 노즐 막힘 현상이 발생하기 때문에 그 함량을 0.5% 이하로 제한하며, 0.35% 이하로 제한하는 것이 더욱 바람직하다.
Cu의 함량은 0 초과 1.0% 이하이다.
Cu는 오스테나이트상 안정화 원소로, 후술할 식 (1) 관련 열연 재가열 온도에서 일정 수준의 오스테나이트상 분율을 확보하기 위해 첨가된다. 일정량 첨가되면 내식성을 향상시키는 역할을 하나, 과도한 첨가는 석출 경화에 의해 인성을 저하시키므로 Mn, Ni과의 함량 관계를 고려하여 1.0% 이하로 제한함이 바람직하다.
Al의 함량은 0.1% 이하이다.
Al은 탈산 원소로서 유용하고 그 효과는 0.005% 이상에서 발현될 수 있다. 그러나 과도한 첨가는 상온 연성 저하 및 인성의 저하를 초래하기 때문에 그 상한을 0.1%로 하며, 함유하지 않아도 된다.
본 발명에서 충격 인성을 향상시키고자 하는 페라이트계 스테인리스 강판의 두께는 6.0 내지 25.0mm이다.
상술한 바와 같이, 열연 후판에서는 압하량 부족으로 인해 취성 문제가 있으며, 이를 해결하기 위한 본 발명에 따른 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판의 두께는 6.0mm 이상으로 한다. 다만, 조압연을 거친 조압연 바(bar)의 두께를 고려하여 상한은 25.0mm일 수 있다. 바람직하게는, 제조 용도에 적합하도록 12.0mm 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판은, 하기 식 (1)을 만족한다.
(1) 1500 ≤ (1001.5*C + 950.6*Mn + 1350.5*Ni + 395.6*Cu - 0.7*Si - 1.0*Ti - 0.1*Cr - 1.0*P - 1.0*Al + 1020.5*N) ≤ 2200
여기서, C, Mn, Ni, Cu, Si, Ti, Cr, P, Al 및 N은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.
상술한 합금 조성의 범위 내에서 식 (1)을 추가적으로 만족함으로써, 열간 압연을 위한 재가열 온도에서 오스테나이트상 분율을 30% 이상으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 재가열 온도는 1,200℃ 전후이며, 오스테나이트상 분율은 40% 이상이 더욱 바람직하다. 재가열 온도범위에서 30% 이상의 오스테나이트상 분율을 확보함으로써 오스테나이트 상변태 및 재결정을 유도하고, 이를 통해 미세한 결정립의 최종 페라이트상을 얻을 수 있다.
최종 페라이트상 미세조직은 결정립간 방위차(misorientation)에 따라 재결정이 이루어진 완전한 결정립과 아결정립으로 구분될 수 있다.
아결정립이란 전위가 생성됨에 따라 증가되는 불안정 에너지를 감소시키고 열역학적 평형을 이루기 위해 형성되는 준결정립으로, 컨투어(contour)라 불리기도 한다. 열간 압연에 의해 불균일한 변형과 비평형 위치로 원자의 이동이 일어나게 되어 전위, 적층결함 등이 생성되는데, 이러한 결함의 존재는 계의 자유에너지를 증가시키므로 결함이 없는 상태로 자발적으로 회복하게 된다. 결함들 중 칼날 전위들은 비교적 낮은 온도에서도 전위 활주가 일어날 수 있으며, 배열된 불일치 경계들의 각도가 작은 소경각경계가 형성될 수 있고, 소경각경계로 둘러싸인 구역을 아결정립이라 부른다.
예를 들어, 결정립간 방위차(misorientation)가 15 내지 180°인 결정립을 재결정이 이루어진 완전한 결정립이라 칭할 수 있으며, 2 내지 15°인 결정립을 아결정립이라 칭할 수 있다. 본 발명에서는 아결정립 중에서도 결정립간 방위차가 2 내지 5°인 결정립과 5 내지 15°인 결정립으로 추가 구분하였다.
결정립간 방위차를 이용해 아결정립을 구분한 이유는, 아결정립이 충격인성에 미치는 영향을 보기 위함이다. 실제 도 1에서 비교예인 N1 강의 경우 2 내지 15°의 Low Angle Grain Boundary(LAGB)의 비율 합이 약 70%를 차지하나, 충격인성은 발명예와 비교해 열위한 것을 알 수 있다. 이를 통해 발명예의 N2 강과 같이 High Angle Grain Boundary(HAGB) 비율이 높고 이의 결정립 크기가 미세해야 함을 알 수 있다.
본 발명의 합금 조성 및 식 (1)을 만족하는 경우 오스테나이트 상변태 및 재결정을 통해 열연 소둔 공정의 수행 없이도 미세한 페라이트상 결정립을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판의 압연 직각 방향 단면 미세조직의 평균 결정립 크기는 60㎛ 이하를 만족한다.
구체적으로, 결정립간 방위차가 15 내지 180°인 완전한 결정립들의 평균 크기는 60㎛ 이하일 수 있으며, 결정립간 방위차가 5 내지 15°인 아결정립을 포함하는 5 내지 180° 방위차의 결정립들은 평균 크기가 30㎛ 이하일 수 있다. 또한, 결정립간 방위차가 2 내지 5°인 아결정립까지 포함하는 2 내지 180° 방위차의 결정립들은 평균 크기가 20㎛ 이하일 수 있다.
아결정립은 미세한 결정립인바 충격 인성에 영향을 미치긴 하나, 재결정된 방위차 15 내지 180°의 완전한 결정립이 충격 인성에 더욱 큰 영향을 미친다. 이는 충격 에너지를 결정립계(Grain boundary)에서 흡수하며, 아결정립에 비하여 완전한 결정립의 결정립계가 더욱 많은 충격 에너지를 흡수할 수 있기 때문으로 예측된다. 실제 아래 실시예의 표 1에서, 비교예인 N1강의 경우 2 내지 15°의 Low Angle Grain Boundary(LAGB)의 비율 합이 약 70%를 차지하나, 충격인성은 발명예와 비교해 열위한 것을 알 수 있다. 이를 통해 발명예의 N2강과 같이 High Angle Grain Boundary(HAGB) 비율이 높고 이의 결정립 크기가 미세해야 함을 알 수 있다. 즉, 우수한 충격 인성 확보를 위해서는 15 내지 180°의 방위차를 갖는 결정립계(Grain boundary) 분율이 일정 분율 이상이어야 한다.
본 발명에 따른 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판은, 결정립간 방위차가 15 내지 180°인 결정립계(Grain boundary)의 분율이 전체 결정립계 대비 55% 이상일 수 있다.
또한, 결정립간 방위차가 5 내지 15°인 결정립계(Grain boundary)의 분율이 전체 결정립계 대비 25% 이하인 것이 바람직하며, 결정립간 방위차가 2 내지 5°인 결정립계 분율은 16% 이하인 것이 바람직하다.
이에 따른 본 발명의 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판은 -20℃ 샤르피 충격에너지가 150J/㎠ 이상을 나타낼 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판 제조방법은, 중량%로, C: 0 초과 0.03% 이하, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 1.5% 이하, P: 0.04% 이하, Cr: 10.5 내지 14%, Ni: 0 초과 1.5% 이하, Ti: 0.01 내지 0.5%, Cu: 0 초과 1.0% 이하, N: 0 초과 0.015% 이하, Al: 0.1% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 1,220℃ 이하로 가열하는 단계; 가열된 상기 슬라브를 조압연하는 단계; 조압연 바(bar)를 마무리압연하는 단계; 및 열연 강판을 권취하는 단계;를 포함한다.
합금원소 함량의 수치 한정 이유 및 열연 강판의 두께에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
또한, 슬라브의 합금 조성은 상술한 이유와 같이 아래 식 (1)을 만족할 수 있다.
(1) 1500 ≤ (1001.5*C + 950.6*Mn + 1350.5*Ni + 395.6*Cu - 0.7*Si - 1.0*Ti - 0.1*Cr - 1.0*P - 1.0*Al + 1020.5*N) ≤ 2200
상기 조성의 합금원소를 포함하는 슬라브를 열간 압연에 앞서 1,220℃ 이하로 가열한 후, 가열된 슬라브를 조압연할 수 있다. 슬라브 가열 온도는 저온 열간 압연을 통한 전위 생성을 위해 1,220℃ 이하가 바람직하며, 슬라브 온도가 지나치게 낮을 경우 조압연이 불가능하므로 가열 온도 하한은 1,150℃ 이상일 수 있다.
이때, 조압연 마지막 압연밀에서의 압하율을 27% 이상으로 제어할 수 있다. 일반적으로, 열연 강판의 두께가 두꺼워지면 압하율이 낮아지므로, 소재가 받는 응력이 낮음에 따라 전위(dislocation)의 생성량도 감소한다. 따라서, 열연 강판의 두께가 두꺼워질수록 열간 압연 전 가열로 온도를 가능한 낮은 온도로 하여, 열간 압연 시 조압연의 부하 배분을 후단으로 이동시켜 전단보다 온도가 낮은 후단에서 강압하를 실시한다. 이처럼 조압연 마지막 압연밀에서의 압하율을 27% 이상으로 강압하함으로써 열연 강판의 전위 생성을 원활하게 할 수 있다.
조압연 공정을 통해 제조된 조압연 바(bar)의 온도는 1,020 내지 970℃일 수 있으며, 6.0 내지 25.0mm 두께로 마무리압연된 후 열연 소둔 열처리 없이 권취될 수 있다. 마무리압연 종료 온도는 960℃ 이하일 수 있다. 보다 바람직하게는, 마무리압연 종료 온도는 920℃ 이하일 수 있다.
권취 온도는 800℃ 이하일 수 있다. 권취 온도가 800℃ 초과인 경우 오스테나이트상 영역에 해당할 수 있어 냉각 과정에서 마르텐사이트상이 생성될 수 있기 때문에 800℃ 이하에서 권취하는 것이 바람직하다.
권취된 열연 무소둔 강판의 압연 직각 방향 단면 미세조직은, 15 내지 180°의 결정립간 방위차(misorientation)를 갖는 결정립들의 평균 크기가 60㎛ 이하일 수 있으며, 해당 방위차의 결정립계 분율이 55% 이상일 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
실시예
아래 표 1에 나타난 조성의 슬라브를 1,200℃로 가열한 뒤 조압연 마지막 압연밀 압하율을 30%로 하여, 마무리압연 전 조압연 바의 온도는 약 1,000℃, 그리고 마무리압연 종료 온도는 910℃가 되도록 10.0mm 두께로 열간 압연하였다.
강종
(중량%)		 C Si Mn P Cr Ni Ti Cu N Al
N1 0.006 0.52 0.15 0.024 11.1 0.8 0.19 0.05 0.0072 0.026
N2 0.011 0.24 0.48 0.024 11.2 0.78 0.18 0.09 0.0100 0.020
N3 0.007 0.23 0.50 0.023 11.0 0.79 0.17 0.19 0.0100 0.017
표 2에 기재된 것처럼, N1 내지 N3 강종 열연 강판을 750℃에서 권취하였고, 식 (1)의 γ지수 값과 그에 따른 오스테나이트상(γ) 분율을 나타내었다.
구분 Ac1(℃) 권취온도(℃) 식 (1)
(γ지수)		 γ상 분율
N1 800 750 1,286 3%
N2 777 750 1,629 33%
N3 767 750 1,752 43%
1. 미세 조직
오스테나이트상(γ) 분율을 3%로 제어한 N1강과, 33%로 제어한 N2강의 TD 단면 1/4 두께 지점의 미세조직을 관찰하여 아래 표 3과 도 1 내지 10에 나타내었다.
구분 강종 결정립 평균 크기(㎛) 결정립계 분율(%)
15~180° 5~180° 2~180° 15~180° 5~15° 2~5°
비교예 N1 150.1 98.2 76.1 30.1 22.4 47.5
발명예 N2 54.2 16.5 13.2 60.0 24.1 15.9
도 1 내지 5는 비교예인 N1강의 단면 미세조직을 나타내는 사진으로, 도 1은 IPF(ND) EBSD 사진을, 도 2는 ODF 사진을, 도 3은 결정립간 방위차 15~180°의 High Angle Grain Boundary 사진을, 도 4는 결정립간 방위차 5~15°의 Low Angle Grain Boundary 사진을, 도 5는 결정립간 방위차 2~5°의 Low Angle Grain Boundary 사진을 나타낸다.도 6 내지 10은 발명예인 N2강의 단면 미세조직을 나타내는 사진으로, 도 6은 IPF(ND) EBSD 사진을, 도 7은 ODF 사진을, 도 8은 결정립간 방위차 15~180°의 High Angle Grain Boundary 사진을, 도 9는 결정립간 방위차 5~15°의 Low Angle Grain Boundary 사진을, 도 10는 결정립간 방위차 2~5°의 Low Angle Grain Boundary 사진을 나타낸다.
비교예인 N1강의 단면 미세조직을 관찰한 결과, 도 3에 나타난 바와 같이 결정립간 방위차 15~180°의 High Angle Grain Boundary법으로 관찰된 페라이트 결정립의 크기는 약 150㎛로 조대하게 관찰되었다. 반면, 발명예인 N2강의 단면은 도 8에 나타난 바와 같이 15~180°의 High Angle Grain Boundary 평균 결정립 크기는 54㎛로 미세하게 나타났다.
결정립간 방위차 5~15°를 포함한 5~180°의 평균 결정립 크기와, 2~5°까지 포함한 2~180°의 평균 결정립 크기 또한 비교예인 N1강보다 발명예인 N2강에서 미세하게 나타났다.
도 1의 N1강 EBSD 사진에서 15~180° HAGB, 5~15° LAGB, 2~5° LAGB를 각각 분리한 사진인 도 3 내지 5으로부터 각 결정립계 분율(Grain Boundary Fraction)을 관찰한 결과, 완전한 재결정립(15~180°)보다는 아결정립(5~15°, 2~5°)의 분율이 높게 나타났다. 반면, 도 6의 N2강 EBSD 사진에서 15~180° HAGB, 5~15° LAGB, 2~5° LAGB를 각각 분리한 사진인 도 8 내지 10으로부터 각 결정립계 분율을 관찰하였을 때에는, 완전한 재결정립(15~180°) 분율이 아결정립(5~15°, 2~5°)의 분율보다 높게 나타났다.
이는 아래 충격에너지 실험 결과와 함께, 완전한 결정립과 아결정립의 분율 분포가 충격에너지값에 어떠한 영향을 미치는지 알 수 있다.
한편, 아래 표 4는 N2강을 Ac1 온도 이상인 820℃에서 권취하였을 경우를 나타낸다.
구분 Ac1(℃) 권취온도(℃) 식 (1)
(γ지수)		 γ상 분율
N2 777 820 1,629 33%
도 11은 820℃에서 권취된 N2강의 단면 미세조직을 나타내는 사진이다. 표 2 및 표 4에 나타난 바와 같이 N2강의 Ac1 온도는 약 777℃이다. N2강의 권취온도를 Ac1 온도 이하인 750℃로 하였을 경우인 도 6에서는 마르텐사이트상을 발견할 수 없었으나, 도 11을 참조하면, 권취온도를 Ac1 온도 이상인 820℃로 하였을 때 페라이트 미세 결정립과 함께 역변태 마르텐사이트상이 생성된 것을 알 수 있다. 후술하는 바와 같이 0℃ 충격흡수에너지도 16J/cm2으로 매우 열위하게 나타났다.
2. 충격인성 평가
N1~N3강을 ASTM E 23 규격으로 각 온도에서 샤르피 충격 시험을 실시하여 그 결과를 아래 표 4에 나타내었다.
샤르피 충격 에너지 (J/cm2)
온도 No. 비교예
(N1)		 발명예 1
(N2)		 발명예 2
(N3)
-20℃ 1 6.38 202.93 384.90
2 6.75 178.34 384.90
3 6.38 196.59 395.31
0℃ 1 10.42 219.50 379.35
2 8.57 374.38 379.96
3 9.68 209.29 389.80
20℃ 1 22.97 361.90 363.15
2 24.93 203.56 361.28
3 24.93 368.78 363.78
도 12 내지 14는 각각 -20℃, 0℃, 20℃에서의 N1~N3강의 샤르피 충격에너지를 나타내는 그래프이다.
표 5 및 도 12 내지 14를 참조하면, 각 온도에서 충격흡수 에너지를 측정한 결과, 1,200℃에서 오스테나이트 상분율이 3%로 제어된 N1강은 -20℃ 및 0℃에서 대부분 10J/cm2 이하의 충격에너지값을 나타내었고, +20℃의 온도에서도 25J/cm2을 넘지 않았다. 그러나, 본 발명에 따라 1,200℃ 재가열 온도에서 오스테나이트 상분율을 33% 및 43%로 제어한 N2 및 N3강의 0℃ 충격흡수 에너지 값은 모두 200J/cm2 이상으로 측정되었으며, N3강은 모든 온도에서 350J/cm2 이상의 높은 충격흡수 에너지 값을 나타내었다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. 중량%로, C: 0 초과 0.03% 이하, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0 초과 1.5% 이하, P: 0.04% 이하, Cr: 10.5 내지 14%, Ni: 0 초과 1.5% 이하, Ti: 0.01 내지 0.5%, Cu: 0 초과 1.0% 이하, N: 0 초과 0.015% 이하, Al: 0.1% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 식 (1)을 만족하며,
    두께가 6.0 내지 25.0mm이며,
    압연 직각 방향 단면 미세조직의 평균 결정립 크기가 60㎛ 이하이고,
    상기 미세조직의 결정립간 방위차가 15 내지 180°인 결정립계의 분율이 55% 이상인 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판.
    (1) 1500 ≤ (1001.5*C + 950.6*Mn + 1350.5*Ni + 395.6*Cu - 0.7*Si - 1.0*Ti - 0.1*Cr - 1.0*P - 1.0*Al + 1020.5*N) ≤ 2200
    (여기서, C, Mn, Ni, Cu, Si, Ti, Cr, P, Al 및 N은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    -20℃ 샤르피 충격에너지가 150J/㎠ 이상인 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미세조직의 결정립간 방위차가 15 내지 180°인 결정립들의 평균 크기가 60㎛ 이하인 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 미세조직의 결정립간 방위차가 5 내지 180°인 결정립들의 평균 크기가 30㎛ 이하인 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미세조직의 결정립간 방위차가 2 내지 180°인 결정립들의 평균 크기가 20㎛ 이하인 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 미세조직의 결정립간 방위차가 5 내지 15°인 결정립계의 분율이 25% 이하인 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 미세조직의 결정립간 방위차가 2 내지 5°인 결정립계의 분율이 16% 이하인 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판.
  10. 중량%로, C: 0 초과 0.03% 이하, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0 초과 1.5% 이하, P: 0.04% 이하, Cr: 10.5 내지 14%, Ni: 0 초과 1.5% 이하, Ti: 0.01 내지 0.5%, Cu: 0 초과 1.0% 이하, N: 0 초과 0.015% 이하, Al: 0.1% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고 하기 식 (1)을 만족하는 슬라브를 1,150 내지 1,220℃로 가열하는 단계;
    가열된 상기 슬라브를 조압연하는 단계;
    조압연 바(bar)를 두께 6.0 내지 25.0mm까지 마무리압연하는 단계; 및
    열연 강판을 권취하는 단계;를 포함하고,
    상기 조압연의 마지막 압연밀에서의 압하율은 27% 이상이며,
    상기 권취 온도는 800℃ 이하인 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판 제조방법.
    (1) 1500 ≤ (1001.5*C + 950.6*Mn + 1350.5*Ni + 395.6*Cu - 0.7*Si - 1.0*Ti - 0.1*Cr - 1.0*P - 1.0*Al + 1020.5*N) ≤ 2200
    (여기서, C, Mn, Ni, Cu, Si, Ti, Cr, P, Al 및 N은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다)
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 조압연 바의 온도는 1,020 내지 970℃인 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 마무리압연 종료 온도는 920℃ 이하인 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판 제조방법.
  14. 삭제
  15. 제10항에 있어서,
    상기 권취된 열연 강판의 압연 직각 방향 단면 미세조직은,
    결정립간 방위차가 15 내지 180°인 결정립들의 평균 크기가 60㎛ 이하인 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판 제조방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 권취된 열연 강판의 압연 직각 방향 단면 미세조직은,
    결정립간 방위차가 15 내지 180°인 결정립계의 분율이 55% 이상인 충격 인성이 우수한 페라이트계 스테인리스 열연 무소둔 강판 제조방법.
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