KR102385472B1 - 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 - Google Patents

고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서에서는 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법을 개시한다. 개시되는 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강의 일 실시예에 따르면, 중량%로, C: 0% 초과 0.08% 이하, N: 0.2 내지 0.25%, Si: 0.8 내지 1.5%, Mn: 8.0 내지 9.5%, Cr: 15.0 내지 16.5%, Ni: 0% 초과 1.0% 이하, Cu: 0.8 내지 1.8%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1) 내지 (4)를 만족한다.
(1) Ni+0.47Mn+15N ≥ 7.5
(2) 23(C+N)+1.3Si+0.24(Cr+Ni+Cu)+0.1Mn ≥ 12
(3) 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu) ≤ 70
(4) 11 ≤ 1+45C-5Si+0.09Mn+2.2Ni-0.28Cr-0.67Cu+88.6N ≤ 17
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.

Description

고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법{HIGH-STRENGTH, HIGH-FORMABILITY, LOW COST AUSTENITIC STAINLESS STEEL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
기존의 내연기관 중심의 자동차 산업에서 배터리 중심의 친환경 자동차 시장으로 자동차 시장의 트렌드가 변화되고 있다. 즉, 종래의 중형 또는 대형차량 선호의 내연기관 자동차 시장은 소형 또는 경량차량 선호의 배터리 중심의 구동기관 시장으로 변화하고 있다.
배터리를 보호하는 구조재는 폭발과 같은 안전사고의 위험으로부터 외부의 충격에서 배터리를 보호하고, 승객의 안전을 책임질 수 있도록 고강도 특성이 요구되며, 소형 또는 경량차량의 무게를 늘리지 않기 위해서 가벼워야 한다. 배터리를 보호하는 구조재 뿐만 아니라 일반적인 구조재용 소재에 있어서도 환경규제에 대응하기 위해 경량화 및 고강도화가 진행 중이다. 이에 따라 산업계 전반에서 적용될 수 있도록 생산성이 우수하며 안정성이 뛰어난 고강도, 고성형의 소재 개발이 필요하다.
스테인리스강은 내식성이 우수하여 산업계 전반에 적용될 수 있는 소재이다. 특히, 오스테나이트계 스테인리스강의 경우 연신율이 뛰어나기 때문에 고객의 다양한 요구에 맞춰 복잡한 형상을 만드는데 문제가 없으며, 외관이 미려하다는 장점이 있다.
그러나, 오스테나이트계 스테인리스강은 일반적인 탄소강에 비해 항복강도가 열위하고, 고가의 합금 원소를 사용하는 경제적인 문제가 있다. 따라서, 고성형 특성을 유지하면서 높은 수준의 항복강도와 적절한 인장강도를 확보 할 수 있는 구조재용 스테인리스강의 개발이 요구된다.
또한, 오스테나이트계 스테인리스강을 구성하고 있는 합금성분은 대부분의 탄소강에 비해서 고가라는 문제가 있다. 특히, 오스테나이트계 스테인리스강에 포함되는 Ni은 소재 가격의 극심한 변동에 의해 원료수급이 불안정할 뿐만 아니라 공급가의 안정성 확보가 어려움과 동시에 그 소재가 자체가 높아 가격경쟁력 측면에서 문제가 있다. 따라서, Ni과 같은 고가의 합금원소 함량을 최대한 저감한 저원가 오스테나이트계 스테인리스강의 개발이 요구된다.
한국 공개특허공보 제10-2016-0071529호 (공개일자: 2016년06월22일)
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명의 일 예에 따른 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0% 초과 0.08% 이하, N: 0.2 내지 0.25%, Si: 0.8 내지 1.5%, Mn: 8.0 내지 9.5%, Cr: 15.0 내지 16.5%, Ni: 0% 초과 1.0% 이하, Cu: 0.8 내지 1.8%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1) 내지 (4)를 만족할 수 있다.
(1) Ni+0.47Mn+15N ≥ 7.5
(2) 23(C+N)+1.3Si+0.24(Cr+Ni+Cu)+0.1Mn ≥ 12
(3) 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu) ≤ 70
(4) 11 ≤ 1+45C-5Si+0.09Mn+2.2Ni-0.28Cr-0.67Cu+88.6N ≤ 17
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
본 발명의 각 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강은 냉연소둔재의 항복강도가 400MPa 이상일 수 있다.
본 발명의 각 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강은 냉연소둔재의 연신율이 55% 이상일 수 있다.
본 발명의 각 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강은 조질압연재의 항복강도가 800MPa 이상일 수 있다.
본 발명의 각 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강은 조질압연재의 연신율이 25% 이상일 수 있다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서 본 발명의 일 예에 따른 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은 중량%로, C: 0% 초과 0.08% 이하, N: 0.2 내지 0.25%, Si: 0.8 내지 1.5%, Mn: 8.0 내지 9.5%, Cr: 15.0 내지 16.5%, Ni: 0% 초과 1.0% 이하, Cu: 0.8 내지 1.8%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1) 내지 (4)를 만족하는 주편을 마련하는 단계, 상기 주편을 열간 압연하여 열연재를 마련한 다음, 소둔하여 열연소둔재를 마련하는 단계, 상기 열연소둔재를 냉간 압연하여 냉연재를 마련한 다음, 1050℃ 이상의 온도로 소둔하여 냉연소둔재를 마련하는 단계 및 조질 압연하여 조질압연재를 마련하는 단계를 포함할 수 있다.
(1) Ni+0.47Mn+15N ≥ 7.5
(2) 23(C+N)+1.3Si+0.24(Cr+Ni+Cu)+0.1Mn ≥ 12
(3) 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu) ≤ 70
(4) 11 ≤ 1+45C-5Si+0.09Mn+2.2Ni-0.28Cr-0.67Cu+88.6N ≤ 17
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
본 발명의 각 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법에 있어서, 상기 조질 압연하는 단계는 압하율 20% 이상으로 수행할 수 있다.
본 발명의 각 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법에 있어서, 상기 주편은 800℃ 이상의 고온에서 단면 감소율이 50% 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 냉간 압연한 다음, 1050℃ 이상으로 소둔한 냉연소둔재가 우수한 항복강도를 나타내며, 추가적인 강도 확보를 위한 조질 압연 이후에도 성형에 필요한 충분한 연신율을 확보할 수 있는 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다. 또한, 고강도, 고성형 특성을 가지고 있으며, 고가의 합금 원소를 줄였음에도 생산성이 뛰어난 저원가 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명의 일 예에 따른 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0% 초과 0.08% 이하, N: 0.2 내지 0.25%, Si: 0.8 내지 1.5%, Mn: 8.0 내지 9.5%, Cr: 15.0 내지 16.5%, Ni: 0% 초과 1.0% 이하, Cu: 0.8 내지 1.8%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
이하에서는 상기 합금조성에 대해서 한정한 이유에 대하여 구체적으로 설명한다.
탄소(C): 0중량% 초과 0.08중량% 이하
탄소(C)는 오스테나이트 상 안정화에 효과적인 원소로, 오스테나이트계 스테인리스강의 항복강도를 확보하기 위해 첨가할 수 있다. 다만, 그 함량이 과도할 경우 고용강화 효과에 의해 냉간가공성이 저하되며, Cr탄화물의 입계 석출을 유도하여 연성, 인성, 내식성 등이 저하될 수 있으며, 소재 간 용접 특성이 하락할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서 C 함량의 상한은 0.08중량%로 한정될 수 있다.
질소(N): 0.2 내지 0.25중량%
질소(N)는 본 발명에서 가장 중요한 원소 중 하나이다. 질소는 강력한 오스테나이트 상 안정화 원소로, 오스테나이트계 스테인리스강의 내식성 및 항복강도 향상에 효과적인 원소이다. 다만, 그 함량이 과도할 경우 주편 제작 시 질소 기포(pore) 등의 결함이 발생할 수 있으며, 고용강화 효과에 의해 냉간 가공성이 저하될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서 N 함량의 상한은 0.25중량%로 한정될 수 있다.
실리콘(Si): 0.8 내지 1.5중량%
실리콘(Si)은 제강공정 중 탈산제 역할을 하며, 내식성을 향상시키는 효과적인 원소이다. 또한, Si은 치환형 원소 중 강재의 항복강도 향상에 효과적인 원소이다. 이러한 효과를 고려하여, 본 발명에서 Si은 0.8중량% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, Si은 페라이트상 안정화 원소로써 과다 첨가 시 주조 슬라브 내 델타(δ) 페라이트 형성을 조장하여 열간 가공성을 저하시킬 뿐만 아니라, 재료의 연성 및 충격특성에 악영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서 Si 함량의 상한은 1.5%중량로 한정될 수 있다.
망간(Mn): 8.0 내지 9.5중량%
망간(Mn)은 본 발명에서 니켈(Ni)을 대체하여 첨가되는 오스테나이트상 안정화 원소로, 가공 유기 마르텐사이트 생성을 억제하여 냉간 가공성을 향상시키기 위해 8.0중량% 이상 첨가될 수 있다. 다만, 그 함량이 과도할 경우 S계 개재물(MnS)을 과량 형성하여 오스테나이트계 스테인리스강의 연성, 인성이 저하될 수 있으며, 제강 공정도중 Mn 흄(fume)을 발생시켜 제조 상 위험성을 동반한다. 또한, 과도한 양의 Mn 첨가는 제품의 내식성을 급격하게 저하시킨다. 이에 따라, 본 발명에서 Mn 함량의 상한은 9.5중량%로 한정될 수 있다.
크롬(Cr): 15.0 내지 16.5중량%
크롬(Cr)은 페라이트 안정화 원소이지만, 마르텐사이트 상 생성 억제에 있어서 효과적이며, 스테인리스강에 요구되는 내식성을 확보하는 기본 원소로, 15.0중량% 이상 첨가될 수 있다. 다만, 그 함량이 과도할 경우 페라이트 안정화 원소로써 슬라브 내 델타(δ) 페라이트를 다량 형성하여 열간 가공성의 저하와 재질 특성에 악영향을 초래할 수 있다. 이에 따라, 본 발명에서 Cr 함량의 상한은 16.5중량%로 한정될 수 있다.
니켈(Ni): 0중량% 초과 1.0중량% 이하
니켈(Ni)은 강력한 오스테나이트 상 안정화 원소이며, 양호한 열간 가공성 및 냉간 가공성을 확보하기 위해 첨가된다. 그러나, Ni은 고가의 원소이므로 다량 첨가 시 원료비용의 상승을 초래한다. 본 발명에서 Ni 함량의 상한은 강재의 비용 및 효율성을 모두 고려하여 1.0중량%로 한정될 수 있다.
구리(Cu): 0.8 내지 1.8중량%
구리(Cu)는 오스테나이트 상 안정화 원소로, 본 발명에서 니켈(Ni)을 대체하여 첨가되는 원소이다. 또한, Cu는 환원 환경에서 강재의 내식성을 향상시키는 원소로 0.8중량% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 그 함량이 과도할 경우 강재 비용의 상승뿐만 아니라, 액상화 및 저온 취성의 문제가 있다. 또한, Cu는 과다 첨가 시 슬라브 엣지에 편석되어 강재의 열간 가공성을 저하시키는 문제가 있다. 본 발명에서 Cu 함량의 상한은 강재의 비용, 효율성 및 재질특성을 고려하여 1.8중량%로 한정될 수 있다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조 과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 상기 불순물들은 통상의 제조 과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
불가피하게 혼입되는 불순물의 예로 인(P), 황(S)이 있으며, 그 함량은 본 발명의 일 예에 따르면 P: 0.035중량% 이하, S: 0.01중량% 이하 중 1종 이상이 포함될 수 있다.
인(P): 0.035중량% 이하
인(P)은 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로, 강재의 입계 부식을 일으키거나 열간 가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 P 함량의 상한은 0.035중량% 이하로 제한될 수 있다.
황(S): 0.01중량% 이하
황(S)은 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로, 강재의 결정립계에 편석되어 열간 가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 S 함량의 상한은 0.01중량% 이하로 제한될 수 있다.
강재의 경량화 및 안정성을 위해서는 강재의 항복강도의 향상이 중요하다. 또한, 배터리 모듈케이스를 포함한 다양한 형상의 구조재의 제작을 위해서 충분한 연신율을 확보하여야 한다. 또한, 오스테나이트계 스테인리스강의 가격 경쟁력을 확보하기 위해서는 Ni 등 고가의 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 줄이고, 이를 대체할 수 있는 Mn, N, Cu 첨가량을 적절히 조절하여야 한다.
하지만, Ni을 저감하고, Mn, N, Cu를 첨가하는 경우 가공 경화를 급격하게 증가시켜 강재의 연신율을 저하시키거나, 열간 변형저항의 감소를 유발하여 생산성을 저하시키는 위험성을 내포하기 때문에 각 합금원소들의 조화를 고려하여야 한다. 이상과 같이 강재의 항복강도, 연신율, 가격 경쟁력 등을 고려하여 본 발명에 따르면 상술한 합금조성 외 아래의 식 (1) 내지 (4)에 따라 합금조성을 더욱 한정할 수 있다.
본 발명에서는 냉간 압연하여 냉연재를 마련한 다음, 소둔하여 마련된 냉연소둔재의 우수한 연신율 확보를 위해 오스테나이트 상 분율에 관한 식 (1)을 도출하였다.
(1) Ni+0.47Mn+15N ≥ 7.5
여기서, Mn, Ni, N는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
식 (1)의 값이 낮을수록 소둔 후 오스테나이트 상의 분율이 낮아지게 되며, 식 (1)의 값이 7.5 미만인 경우 오스테나이트계 스테인리스강은 5% 이상의 델타 페라이트를 포함하거나 냉간 압연 도중 마르텐사이트 상으로의 상변태가 발생하게 된다. 그 결과, 오스테나이트계 스테인리스강의 연신율이 열위해질 수 있으므로, 본 발명에서는 강재의 충분한 연신율을 확보하기 위하여 식 (1)의 값 하한은 7.5로 한정될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 오스테나이트계 스테인리스강의 높은 항복강도 확보를 위하여 강재의 응력장(stress field)에 의한 항복강도 향상을 고려하여 식 (2)를 도출하였다.
(2) 23(C+N)+1.3Si+0.24(Cr+Ni+Cu)+0.1Mn ≥ 12
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
식 (2)의 값이 높을수록 합금원소 간의 원자 크기 차이에 의하여 격자 사이의 응력장이 증가하여 외부 응력에 대항하여 소성변형을 인내하는 한계가 증가하게 된다. 식 (2)의 값이 12 미만인 경우 본 발명에서 요구하는 항복강도의 확보가 어렵다. 이에 따라, 본 발명에서는 고강도 특성을 위하여 식 (2)의 값 하한은 12로 한정될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 오스테나이트계 스테인리스강의 변형에 의한 상변태를 고려하여 식 (3)을 도출하였다.
(3) 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu) ≤ 70
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
식 (3)의 값이 높을수록 오스테나이트상이 외부의 응력에 의해서 쉽게 마르텐사이트로 변형된다. 구체적으로, 식 (3)의 값이 70을 초과하는 경우 오스테나이트계 스테인리스강은 변형에 대해서 급격한 가공 유기 마르텐사이트 변태 거동을 보이며, 불균일한 소성 가공이 발생한다. 그 결과, 오스테나이트계 스테인리스강의 연신율이 열위해지는 문제가 있어 식 (3)의 값 상한은 70으로 한정될 수 있다.
또한, 오스테나이트계 스테인리스강의 변형에 의한 강재의 전위 슬립거동을 고려하여 식 (4)를 도출하였다.
(4) 11 ≤ 1+45C-5Si+0.09Mn+2.2Ni-0.28Cr-0.67Cu+88.6N ≤ 17
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
식 (4)의 값이 낮을수록 오스테나이트상이 외부의 응력에 의해서 크로스(cross) 슬립 발현이 어렵다. 식 (4)의 값이 11 미만인 경우 오스테나이트계 스테인리스강은 변형에 대해서 플래너(planar) 슬립 거동만을 보이게 되어 외부 응력에 의해서 전위의 축적이 급격하게 발생한다. 그 결과, 불균일한 소성 가동 및 높은 가공경화의 문제점이 있다. 이에 따라, 오스테나이트계 스테인리스강의 연신율이 열위해지고, 조질 압연 수행이 어려우며, 고온에서 열간 변형 시 엣지(edge) 크랙과 같은 열연 결함이 발생하여 생산성 저하 문제가 발생할 가능성이 있다. 이를 고려하여 식 (4)의 값 하한은 11로 한정될 수 있다.
반면, 식 (4)의 값이 커지게 되면 빈번한 크로스 슬립의 발현에 의해 강재의 취약 부분에 응력집중이 증가하는 소성 불균일이 커지게 되는 문제가 있다. 강재의 강도가 높을수록 이러한 취성과 소성 불균일의 경향이 커지기 때문에, 본 발명과 같이 고강도 강재의 경우라면 강재의 연신율 하락이 야기될 가능성이 높다. 이를 고려하여 본 발명에서 식 (4)의 상한은 17로 한정될 수 있다.
상용 300계 오스테나이트계 스테인리스강 대비 Ni을 저감한 Cr-Mn 강은 열간 가공성이 낮아 열간 가공 시 엣지 크랙(edge crack) 등에 의한 실수율 하락과 정정비용이 증가하거나, 엣지 크랙 저감을 위한 추가적인 설비 투자가 필요한 문제가 있다. 본 발명에 따르면 상술한 합금원소 성분범위 및 식 (1) 내지 (4)를 이용한 합금조성 성분계의 적절한 설계를 통하여 별도의 공정 및 설비의 추가 없이 우수한 열간 가공성 확보가 가능하다. 본 발명의 일 예에 따르면, 상술한 합금조성을 갖는 주편은 800℃ 이상의 고온에서 단면 감소율이 50% 이상일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강은 냉연소둔재의 항복강도가 400MPa 이상일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 예에 따른 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강은 냉연소둔재의 연신율이 55% 이상일 수 있다. 여기서, "냉연소둔재"는 주편을 열간 압연-소둔-냉간 압연-소둔 처리하여 마련되는 강재를 의미한다.
본 발명의 일 예에 따른 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강은 조질압연재의 항복강도가 800MPa 이상일 수 있다. 또한, 일 예에 따르면 특히 항복강도가 800MPa 이상이면서, 연신율이 25% 이상일 수 있다. 여기서, "조질압연재"는 상술한 냉연소둔재를 조질 압연하여 마련되는 강재를 의미한다.
다음으로, 본 발명에 따른 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 예에 따른 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은 중량%로, C: 0% 초과 0.08% 이하, N: 0.2 내지 0.25%, Si: 0.8 내지 1.5%, Mn: 8.0 내지 9.5%, Cr: 15.0 내지 16.5%, Ni: 0% 초과 1.0% 이하, Cu: 0.8 내지 1.8%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 식 (1) 내지 (4)를 만족하는 주편을 마련하는 단계, 상기 주편을 열간 압연하여 열연재를 마련한 다음, 소둔하여 열연소둔재를 마련하는 단계, 상기 열연소둔재를 냉간 압연하여 냉연재를 마련한 다음, 1050℃ 이상의 온도로 소둔하여 냉연소둔재를 마련하는 단계 및 조질 압연하여 조질압연재를 마련하는 단계를 포함할 수 있다.
합금원소 함량의 수치, 식 (1) 내지 (4)에 대한 한정 이유는 상술한 바와 같으며, 이하에서 각 제조단계에 대해서 상세히 설명한다.
상술한 합금조성을 가진 주편은 1000 내지 1300℃의 온도에서 열간 압연되어 열연재로 마련될 수 있으며, 이어서 1000 내지 1100℃의 온도 범위에서 소둔되어 열연소둔재로 제조될 수 있다. 이때, 소둔 열처리는 10초 내지 10분 동안 수행될 수 있다.
그 다음, 열연소둔재를 냉간 압연하여 냉연재를 마련한 다음, 소둔하여 냉연 소둔재로 제조할 수 있다. 종래에는 오스테나이트계 스테인리스강의 항복강도를 향상시키기 위한 방법으로 냉간 압연한 다음, 1000℃ 이하의 저온도역에서 저온 소둔 열처리를 수행하였다. 저온 소둔 열처리는 재결정을 완료시키지 않고, 냉간 압연 시 강재에 축적된 에너지를 이용하여 강도를 높이는 방법이다. 그러나, 이와 같이 저온 소둔 열처리가 수행된 오스테나이트계 스테인리스강은 재질이 불균일하게 나타날 가능성이 존재할 뿐만 아니라, 후속하는 공정인 산세공정에서 미산세가 발생하거나, 표면형상이 미려하지 못하다는 단점이 있다.
본 발명의 일 예에 따르면 열연소둔재를 냉간 압연하여 냉연재를 마련한 다음, 1050℃ 이상의 온도에서 소둔하여 냉연소둔재로 제조할 수 있다. 이때, 소둔 열처리는 10초 내지 10분 동안 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 냉간 압연 이후 저온 소둔을 수행하지 않아 우수한 연신율을 확보할 수 있으며, 합금조성 설계를 통하여 항복강도도 적정 수준 이상으로 확보할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 냉연소둔재는 항복강도가 400MPa 이상일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 냉연소둔재는 연신율이 55% 이상일 수 있다.
이와 같이 합금조성 설계를 통하여 생산 및 유통에 부하가 없는 공정을 수행하여 저온 소둔을 진행하지 않고도, 냉연소둔재의 적절한 항복강도를 확보할 수 있어 우수한 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 냉간 압연 이후 저온 소둔을 수행하지 않음에도 합금조성의 제어 및 후속되는 조질 압연을 통하여 우수한 항복강도를 확보할 수 있다. 본 발명의 일 예에 따르면 조질압연재의 항복강도는 800MPa 이상일 수 있다. 조질 압연은 일 예에 따르면 압하율 20% 이상으로 수행될 수 있다.
조질 압연(skin pass rolling)은 냉간 변형 중에 오스테나이트 상이 가공 유기 마르텐사이트 상으로 변태함에 따라 높은 가공 경화가 나타나는 현상을 이용하거나, 강재의 전위 쌓임을 이용하여 강도를 높일 수 있다. 그러나, 조질 압연을 수행하면 강재의 연신율이 급격히 저하될 우려가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 합금조성을 설계함으로써 강재의 상변태와 전위 거동을 적절히 제어하여 조질 압연으로 강재의 연신율이 급격히 저하되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따르면 조질 압연을 수행하여도 조질압연재의 항복강도가 800MPa 이상이며, 연신율이 25% 이상의 고강도 특성과 고성형 특성을 동시에 만족하는 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
{실시예}
하기 표 1의 합금조성을 갖는 강재를 잉곳(Ingot) 용해를 통해 슬라브로 제조하고, 1250℃에서 2시간 가열한 다음, 열간 압연하여 열연재로 제조하였다. 이후 1100℃에서 90초간 소둔 열처리를 수행하여 열연소둔재로 제조하였다. 이어서, 70%의 압하율로 냉간 압연을 수행하여 냉연재를 제조한 다음, 1100℃에서 10초간 소둔 열처리를 수행하여 냉연소둔재를 마련하였다.
각 발명예 및 비교예에 대한 합금 조성과 합금원소 함량을 대입하여 도출한 아래 식 (1) 내지 식 (4)의 값을 아래 표 1에 나타내었다.
(1) Ni+0.47Mn+15N ≥ 7.5
(2) 23(C+N)+1.3Si+0.24(Cr+Ni+Cu)+0.1Mn ≥ 12
(3) 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu) ≤ 70
(4) 11 ≤ 1+45C-5Si+0.09Mn+2.2Ni-0.28Cr-0.67Cu+88.6N ≤ 17
성분(중량%) 식(1) 식(2) 식(3) 식(4)
C Si Mn Ni Cr Cu N
비교예1 0.06 0.4 1.1 8.1 18.2 0.1 0.04 9.22 9.27 5.07 18.00
비교예2 0.05 2.0 9.5 0.1 16.0 2.0 0.13 6.52 12.03 92.39 0.02
비교예3 0.08 1.0 7.0 0.5 15.0 1.0 0.16 6.19 11.48 125.22 10.64
비교예4 0.08 0.5 6.0 0.5 15.0 1.0 0.16 5.72 10.73 137.92 13.05
비교예5 0.06 1.0 7.0 0.2 15.0 2.0 0.17 6.04 11.42 109.54 9.29
비교예6 0.06 2.0 8.0 0.2 15.0 2.0 0.19 6.81 13.28 83.00 6.15
비교예7 0.06 1.0 8.0 0.2 15.0 1.5 0.20 6.96 12.09 102.08 12.38
비교예8 0.06 1.2 8.1 0.6 15.6 2.1 0.21 7.56 12.97 57.59 12.58
비교예9 0.06 1.7 8.9 0.2 16.0 2.0 0.21 7.53 13.68 55.53 9.23
비교예10 0.06 2.2 8.2 0.7 15.3 2.2 0.19 7.40 13.80 55.13 6.05
비교예11 0.30 1.0 6.0 0.2 16.0 0.0 0.18 5.72 16.83 46.44 21.95
비교예12 0.20 1.0 7.0 0.2 16.0 0.0 0.18 6.19 14.63 84.54 17.54
발명예1 0.08 1.0 8.9 1.0 16.0 1.0 0.20 8.18 12.95 63.15 15.17
발명예2 0.06 1.0 8.6 0.8 15.7 1.7 0.21 7.99 12.74 59.81 14.31
발명예3 0.06 1.0 9.0 1.0 15.8 1.3 0.23 8.68 13.21 51.76 16.79
발명예4 0.07 1.05 8.7 0.9 15.6 1.3 0.21 8.14 12.95 63.99 15.03
각 발명예, 비교예의 냉연소둔재에 대한 항복강도, 인장강도, 연신율을 측정하였다. 또한, 각 발명예, 비교예의 냉연소둔재를 20% 조질 압연하여 마련된 조질압연재에 대한 항복강도, 인장강도, 연신율을 측정하였다.
항복강도, 인장강도, 연신율의 측정은 ASTM 규격에 의거하여 진행하였고, 그에 따라 측정된 항복강도(Yield Strength(YS), MPa), 인장강도(Tensile Strength(TS), MPa) 및 연신율(Elongation(EL), %)을 아래 표 2에 기재하였다. 또한, 소둔재의 180°밀착 굽힘 시험 시 크랙(crack) 발생여부를 아래 표 2에 함께 기재하였다.
냉연재 조질 압연재 굽힘
크랙
(○/×)
YS
(MPa)		 TS
(MPa)		 EL
(%)		 YS
(MPa)		 TS
(MPa)		 EL
(%)
비교예1 300.0 697.0 52.2 624.4 876.3 32.1　 ×
비교예2 501.6 862.1 55 940.8 1205.3 20.2 ○
비교예3 379.7 1133.7 38.1 850.4 1517.5 14.9　 ○
비교예4 311.4 1324.0 28.1 893.7 1652.2 11.9　 ○
비교예5 362.9 958.3 39.8 920.3 1430.5 20.3 ○
비교예6 435.9 1050.8 58.7 918.1 1397.8 26.1 ○
비교예7 461.9 1028.2 50.3 953 1413.9 22.8 ○
비교예8 427.7 878.8 59.7 802.8 1210.7 26.7 ×
비교예9 457.6 888 58.7 848 1220.2 27.7 ×
비교예10 462.6 930.6 57.3 933.6 1332.6 23.7 ○
비교예11 508.7 948.2 32.2 881.1 1416.8 15.9 ○
비교예12 464.3 914.4 25.8 840.5 1313.5 12.3 ○
발명예1 435.2 938.1 57.6 801.7 1288 25.5 ×
발명예2 432.5 878.7 59.5 841.8 1233.6 25.5 ×
발명예3 453.1 876.6 60.1 894.6 1261 25.3 ×
발명예4 442.7 860.5 60.4 851.8 1233.1 26.3 ×
표 2를 참조하면 본 발명에서 한정하는 합금조성과 식 (1) 내지 (4)를 만족하는 발명예 1 내지 4의 경우, 냉연소둔재는 400MPa 이상의 항복강도, 55% 이상의 연신율 확보 가능함을 알 수 있다. 또한, 표 2를 참조하면 발명예 1 내지 4의 조질압연재는 조질 압연을 수행하여도 항복강도가 800MPa 이상이며, 25% 이상의 충분한 연신율을 확보 가능함을 알 수 있다. 더불어, 발명예 1 내지 4는 Ni 함량이 1.0중량% 이하로 상대적으로 낮아 가격 경쟁력을 확보 가능함을 알 수 있다.
표 1, 2를 참조하여 비교예를 평가한다.
비교예 1은 상용적으로 생산되는 규격 오스테나이트계 스테인리스 강으로, 본 발명의 성분 조성 및 식 (2), (3), (4)를 만족하지 못하여 항복강도가 낮았다. 또한, 비교예 1의 상용 오스테나이트계 스테인리스강은 Ni 함량이 8.1중량%로 본 발명 대비 과도한 Ni 첨가로 가격 경쟁력이 열위하였다.
비교예 2는 식 (1)을 만족하지 못하여 냉간 압연한 다음, 소둔 후 강재 내부에 초기 델타 페라이트가 상당 부분 잔류한다. 델타 페라이트 상과 오스테나이트 상의 상계면은 강재의 굽힘과 같은 성형 공정 시 상 차이로 인한 균열 발생이 쉽게 생기기 때문에 낮은 식 (1)의 값은 굽힘 시 균열 발생을 동반한다. 그 결과, 비교예 2는 Si 함량이 높아 항복강도가 높고, 연신율도 준수하지만 잔류하는 델타 페라이트에 의해 굽힘 크랙이 발생하여 굽힘 특성을 포함한 성형성이 열위하였다.
비교예 3 내지 5는 공통적으로 식 (1) 내지 (4)를 만족하지 못하는 강종으로, 식 (1)을 만족하지 못하여 냉간 압연한 다음, 소둔 후 강재 내부에 초기 델타 페라이트가 상당 부분 잔류하여 굽힘 특성을 포함한 성형성이 열위하였으며, 식 (2)를 만족하지 못하여 항복강도가 낮았다. 또한, 식 (3)의 값이 100 이상으로 식 (3)을 만족하지 못하여 변형 도중 가공 유기 마르텐사이트로의 상변태에 의한 소성 불균일이 쉽게 발생하였다. 또한, 식 (4)의 값이 낮아 식 (4)를 만족하지 못하여 플래너 슬립의 영향으로 전위의 축적이 극심하게 발생하였다. 그 결과, 연신율이 열위하였다. 특히, 비교예 3 내지 5는 식 (3), (4)를 만족하지 못하여 열위해지는 연신율은 조질 압연 후 더욱 저하되어 조질압연재로서 사용하기 적합한 물성을 갖지 않는다.
비교예 6은 식 (1)을 만족하지 못하여 냉간 압연한 다음, 소둔 후 강재 내부에 초기 델타 페라이트가 상당 부분 잔류하여 굽힘 특성을 포함한 성형성이 열위하였다. 또한, 비교예 6은 높은 Si 함량과 식 (2) 에 의해 우수한 항복강도는 나타내고 있지만 식 (3)과 식 (4)의 영향으로 충분한 연신율을 확보하지 못하였다.
비교예 7은 식 (1)을 만족하지 못하여 냉간 압연한 다음, 소둔 후 강재 내부에 초기 델타 페라이트가 상당 부분 잔류하여 굽힘 특성을 포함한 성형성이 열위하였다. 또한, 비교예 7은 식 (3)의 값이 100 이상으로 식 (3)을 만족하지 못하여 변형 도중 가공 유기 마르텐사이트로의 상변태에 의한 소성 불균일이 쉽게 발생하였다. 이로 인해, 냉연소둔재 및 조질압연재의 연신율이 열위하였다.
비교예 8은 Cu를 제외한 합금원소의 성분조성과 식 (1) 내지 식 (4)를 만족하였다. 이로 인해 냉연소둔재일 때, 우수한 항복강도 및 연신율을 보였다. 그러나, 비교예 8은 과도한 Cu 함량으로 인하여 열위한 열간 가공성을 가지고 있었다. 이에 대한 구체적인 평가는 이후 표 3을 참조하여 후술하도록 한다.
비교예 9 내지 10은 과도한 Si, Cu 함량으로 인하여 열위한 열간가공성을 가지고 있었다. 이에 대한 구체적인 평가는 이후 표 3을 참조하여 후술하도록 한다.
비교예 11, 12는 식 (1)을 만족하지 못하여 냉간 압연한 다음, 소둔 후 강재 내부에 초기 델타 페라이트가 상당 부분 잔류하여 굽힘 특성을 포함한 성형성이 열위하였다. 또한, 비교예 11, 12는 식 (4)의 값이 과도하여 빈번한 크로스 슬립의 발현에 의해 강재의 취약부분에 응력집중이 증가하는 소성 불균일이 커졌다. 그 결과, 냉연소둔재와 조질압연재의 연신율이 열위하였다. 일반적인 상용 강재의 경우 크로스 슬립에 의한 응력집중이 연신율에 미치는 영향이 미미하지만, 비교예 11, 12와 같이 식 (2)의 값이 높은 고강도 강재에서는 연신율의 하락이 극심하게 발생하였다.
본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 열간 가공성이 우수하여 생산성과 실수율이 높아 가격 경쟁력이 우수하다. 열간 가공성을 비교 평가하기 위하여 연신율이 우수한 몇몇 비교예, 발명예 슬라브의 각 온도에서의 단면 감소율(Reduction of Area)를 측정하였다. 단면 감소율의 측정은 ASTM 규격에 의거한 고온 인장시험을 통해 이루어졌으며, 그에 따른 결과는 표 3에 기재하였다.
온도별 단면 감소율 (%)
800℃ 900℃ 1000℃ 1100℃ 1200℃
비교예1 81.4 78.7 76.3 84.7 96.3
비교예2 40.3 43.6 53.4 66.6 88.2
비교예6 42.5 50.5 69.5 88.1 95.2
비교예7 52.8 57.2 69.3 82.4 95.2
비교예8 43.2 48.7 64.7 85.3 93.4
비교예9 41.2 48.5 55.2 68.2 91.0
비교예10 40.9 45.6 55.4 66.6 90.2
발명예1 53.3 64 75.1 88.7 96.6
발명예2 50.1 54.7 71.1 87.1 97.0
발명예3 60.0 56.9 66.2 84.5 95.8
발명예4 55.8 52.8 58.2 85.2 96.9
표 3을 참조하면, 본 발명에서 한정하는 합금조성과 식 (1) 내지 (4)를 만족하는 발명예 1 내지 4의 경우 800℃ 이상의 고온에서의 단면 감소율이 50% 이상 확보할 수 있음을 알 수 있다.
비교예 1은 상용적으로 생산되는 규격 오스테나이트계 스테인리스강으로, 고강도 특성의 발현에 필요한 Si 또는 Ni 저감을 위해 투입되는 Cu 및 N의 양이 적어 우수한 열간 가공성을 나타낸다. 그러나, 이와 같은 상용 300계 오스테나이트계 스테인리스강은 고가의 Ni 원소를 다량으로 함유하고 있으므로, 가격 경쟁력이 상당히 낮은 단점이 있다. 또한, 표 2에서 평가한 바와 같이 본 발명의 성분 조성 및 식 (2), (3), (4)를 만족하지 못하여 항복강도가 낮았다.
비교예 2, 6, 9, 10은 냉연소둔재의 항복강도 향상을 위해서 과다한 양의 Si을 첨가하였으며, 가격 경쟁력을 위하여 Ni을 대체하여 Cu를 과다하게 첨가하였다. 비교예 2, 6, 9, 10은 Si, Cu 첨가량이 과다하여 열간 가공성이 열위하였다.
비교예 7은 열간 가공성을 저하하는 Si, Cu이 본 발명에서 한정하는 성분 범위 내로 첨가되어 열간 가공성이 우수하였다. 그러나, 표 2에서 평가한 바와 같이 식 (1)을 만족하지 못하여 성형성이 열위하였으며, 식 (3)을 만족하지 못하여 냉연소둔재 및 조질압연재의 연신율이 열위하였다.
비교예 8은 Cu 첨가량이 본 발명에서 한정하는 범위 외로 과다 첨가되었다. 과다 첨가된 Cu는 슬라브의 엣지나 표면부 상에 편석되어 액화취성 등을 유발하여 비교예 8의 열간 가공성을 열위시켰다. 비교예 8은 열간 가공성이 열위하여 열간 가공 이후 엣지 크랙(edge crack)에 의한 실수율 감소와 정정비용의 증가가 발생하거나, 엣지 크랙 저감을 위한 추가적인 설비 투자가 필요할 우려가 있다.
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 (8)

  1. 중량%로, C: 0% 초과 0.08% 이하, N: 0.2 내지 0.25%, Si: 0.8 내지 1.5%, Mn: 8.0 내지 9.5%, Cr: 15.0 내지 16.5%, Ni: 0% 초과 1.0% 이하, Cu: 0.8 내지 1.8%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 식 (1) 내지 (4)를 만족하는 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강:
    (1) Ni+0.47Mn+15N ≥ 7.5
    (2) 23(C+N)+1.3Si+0.24(Cr+Ni+Cu)+0.1Mn ≥ 12
    (3) 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu) ≤ 70
    (4) 11 ≤ 1+45C-5Si+0.09Mn+2.2Ni-0.28Cr-0.67Cu+88.6N ≤ 17
    (여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다).
  2. 제1항에 있어서,
    냉연소둔재의 항복강도가 400MPa 이상인 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강.
  3. 제1항에 있어서,
    냉연소둔재의 연신율이 55% 이상인 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강.
  4. 제1항에 있어서,
    조질압연재의 항복강도가 800MPa 이상인 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 조질압연재의 연신율이 25% 이상인 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강.
  6. 중량%로, C: 0% 초과 0.08% 이하, N: 0.2 내지 0.25%, Si: 0.8 내지 1.5%, Mn: 8.0 내지 9.5%, Cr: 15.0 내지 16.5%, Ni: 0% 초과 1.0% 이하, Cu: 0.8 내지 1.8%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1) 내지 (4)를 만족하는 주편을 마련하는 단계;
    상기 주편을 열간 압연하여 열연재를 마련한 다음, 소둔하여 열연소둔재를 마련하는 단계;
    상기 열연소둔재를 냉간 압연하여 냉연재를 마련한 다음, 1050℃ 이상의 온도로 소둔하여 냉연소둔재를 마련하는 단계; 및
    조질 압연하여 조질압연재를 마련하는 단계;를 포함하는 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법:
    (1) Ni+0.47Mn+15N ≥ 7.5
    (2) 23(C+N)+1.3Si+0.24(Cr+Ni+Cu)+0.1Mn ≥ 12
    (3) 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu) ≤ 70
    (4) 11 ≤ 1+45C-5Si+0.09Mn+2.2Ni-0.28Cr-0.67Cu+88.6N ≤ 17
    (여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 조질 압연하는 단계는,
    압하율 20% 이상으로 수행하는 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 주편은 800℃ 이상의 고온에서 단면 감소율이 50% 이상인 고강도, 고성형의 저원가 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
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