KR102448741B1 - 심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 - Google Patents

심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 Download PDF

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Abstract

심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강이 개시된다. 본 발명의 심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강에 따르면, 중량%로, C: 0.01 내지 0.05%, N: 0.01 내지 0.25%, Si: 1.5% 이하(0은 제외), Mn: 0.3 내지 3.5%, Cr: 17.0 내지 22.0%, Ni: 9.0 내지 14.0%, Mo: 2.0% 이하(0은 제외), Cu: 0.2 내지 2.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족한다.
식(1): Cr+Si+2*Mo+3*(Ni+Cu)+50*(C+N) ≥ 63
여기서, Cr, Si, Mo, Ni, Cu, C, N는 각 원소의 중량%를 의미한다.

Description

심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강{AUSTENITIC STAINLESS STEEL WITH IMPROVED DEEP DRAWING}
본 발명은 심(深)가공성(Deep Drawing)이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 판재를 3차원 부품으로 변환시키는 심가공 적용 시, 크랙이 발생하지 않는 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다.
최근 제품 가격 경쟁이 심화됨에 따라, 부품에 적용되는 소재의 원가 절감이 요구되고 있다. 심가공은 용접, 응력 제거 열처리 등과 같이 부가적인 공정을 생략할 수 있어, 제조 비용 절감에 효과적인 방법이다. 한편, 컵, 배터리 등과 같이 원통형 성형이 수반되는 경우에는, 심가공성이 우수한 소재가 요구되고 있다.
오스테나이트계 스테인리스 강재는 연신율이 뛰어나 복잡한 형상을 만드는데 문제가 없고, 가공경화능이 우수하여, 심가공이 수반되는 다양한 분야에 적용되고 있는 강종이다.
일반적으로, 오스테나이트계 스테인리스강은 냉간가공시 가공경화가 일어나면서 형태가 변형된다. 이 때, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공경화능이 우수하면 성형이 용이한 것으로 알려져 있다.
그러나, 오스테나이트계 스테인리스강의 심가공을 적용하는 경우에는, 가공경화에 따라 지속적으로 강도가 상승하여, 소재에 국부적인 응력집중이 발생하고, 결국 파손되는 문제가 발생한다.
한편, 가공 경화에 따른 강도 증가 문제를 해결하기 위해, 중간 열처리를 도입하는 경우를 고려할 수 있으나, 공정 시간적/공정 비용적 측면에서 제약이 있다.
따라서, 심가공 적용 시, 중간 열처리 공정을 생략할 수 있으면서도, 가공 경화에 따른 강도 증가를 최소화할 수 있어 심가공 소재로 적용 가능한 오스테나이트계 스테인리스강의 개발이 요구된다.
본 발명의 실시예들은 가공 경화에 따른 강도 증가를 최소화함으로써 심가공 적용 시, 성형 가공성을 확보할 수 있는 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01 내지 0.05%, N: 0.01 내지 0.25%, Si: 1.5% 이하(0은 제외), Mn: 0.3 내지 3.5%, Cr: 17.0 내지 22.0%, Ni: 9.0 내지 14.0%, Mo: 2.0% 이하(0은 제외), Cu: 0.2 내지 2.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족한다.
식(1): Cr+Si+2*Mo+3*(Ni+Cu)+50*(C+N) ≥ 63
여기서, Cr, Si, Mo, Ni, Cu, C, N는 각 원소의 중량%를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 식(2)를 만족할 수 있다.
식(2): 0 < 2.4*Cr+1.7*Mo+3.9*Si-2.1*Ni-Mn-0.4*Cu-58*C-64*N-13 < 5.5
여기서, Cr, Mo, Si, Ni, Mn, Cu, C, N는 각 원소의 중량%를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, Al: 0.04% 이하(0은 제외), Ti: 0.003% 이하(0은 제외), B: 0.0025% 이하(0은 제외), P: 0.035% 이하 및 S: 0.0035% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 식(3)에서, 가공경화지수가 최대일 때의 진변형율 값이 0.2 이하일 수 있다.
식(3): σ = Kεn
여기서, σ는 응력, K는 강도계수, ε는 변형율, n은 가공경화지수를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가공경화지수가 최대일 때의 진변형율 값과 가공경화지수가 0일 때의 진변형율 값의 차이가 0.11 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연신율이 35% 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 인장강도가 360MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 드로잉비 1.7 내지 4.3 조건으로 다단 성형시, 5단 성형까지 균열이 발생하지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 심가공 적용 시, 중간 열처리 공정을 생략할 수 있으면서도, 가공 경화에 따른 강도 증가를 최소화할 수 있어 심가공 소재로 적용 가능한 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
도 1은 소재의 인장실험에 따른 응력- 변형률 사이의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2는 개시된 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 인장실험 시, 응력- 변형률 사이의 관계를 가공경화지수와 함께 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.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
오스테나이트계 스테인리스강은 연신율이 높고, 성형성이 우수하여 다양한 형상의 제품에 사용되는 강종이다. 오스테나이트계 스테인리스강은 응력을 받으면 상온에서 불안정한 오스테나이트상에서 마르텐사이트상으로의 변태, 즉 소성유기변태(Transformation Induced Plasticity)에 의해 변형이 발생한다.
이 때, 생성되는 마르텐사이트상은 강도가 높으므로 소재의 강도 또한 증가하는 것이다. 다시 말해, 오스테나이트계 스테인리스강은 가공경화(work-hardening)로 인해 변형과 강도 증가가 동시에 나타난다. 가공경화능은 가공경화지수(work-hardening exponent)를 사용하여 표시하는데, 가공경화지수는 변형율(strain)에 따라 변화한다.
한편 오스테나이트계 스테인리스강에서 가공경화는 쌍정에 의해서도 나타나는데, 쌍정에 의한 가공경화는 오스테나이트상의 안정화도를 높인 오스테나이트계 스테인리스강에서 주로 나타난다.
오스테나이트계 스테인리스강의 가공경화능이 우수하면 성형이 용이한 것으로 알려져 있다.
그러나, 오스테나이트계 스테인리스강에 블랭크 직경을 감소시키면서 수행하는 심가공을 적용하는 경우에는, 가공경화에 따라 지속적으로 강도가 상승하여, 소재에 국부적인 응력집중이 발생하고, 결국 파손되는 문제가 발생한다. 또한, 시효균열로 인해 성형 후 갑작스럽게 크랙이 발생하기도 한다.
따라서, 변형량이 많은 심가공 성형에서는 소재 전체에 고르게 변형이 일어나고, 변형 동안의 강도의 변화를 최소화하는 것이 중요하다. 즉, 오스테나이트계 스테인리스강의 심가공성을 향상시키기 위해서는 가공경화를 억제할 필요가 있다.
한편, 오스테나이트 스테인리스강의 가공경화는 오스테나이트상의 안정화도와 관련이 있다. 성분 제어를 통해 오스테나이트상의 안정화도를 증가시키면, 오스테나이트 스테인리스강의 가공경화를 억제할 수 있다.
하지만, 오스테나이트계 스테인리스강의 연신율로 대표되는 가공성은 소성유기변태에 기인한 가공경화로부터 도출된 것이므로, 가공경화능의 축소는 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성을 저하시키는 문제가 있다.
본 발명자들은 오스테나이트계 스테인리스강의 연신율을 확보하면서도 심가공 적용 시, 가공경화에 따른 강도 증가를 억제하기 위하여 다양한 검토를 행한 결과, 이하의 지견을 얻을 수 있었다.
본 발명에서는, 오스테나이트계 스테인리스강에 있어서 심가공 적용 시, 파손 발생을 방지하기 위한 요인들을 검토한 결과, 응력에 의한 마르텐사이트상 변태를 억제하여 과도한 가공 경화를 방지하고 쌍정 형성에 의한 경화를 억제하여, 과도한 강도 증가없이 일정량 이상의 변형을 확보함으로써 오스테나이트계 스테인리스강의 심가공성을 향상시킬 수 있음을 발견하였다. 이를 위해서는 과도한 강도 증가없이 지속적인 변형을 확보할 수 있는 합금 성분계를 도출함으로써 달성할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01 내지 0.05%, N: 0.01 내지 0.25%, Si: 1.5% 이하(0은 제외), Mn: 0.3 내지 3.5%, Cr: 17.0 내지 22.0%, Ni: 9.0 내지 14.0%, Mo: 2.0% 이하(0은 제외), Cu: 0.2 내지 2.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 합금성분 원소 함량의 수치한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.01 내지 0.05%이다.
탄소(C)는 오스테나이트상 안정화에 효과적인 원소로, 변형시 마르텐사이트 형성을 억제하고 강도를 확보하기 위해 0.01% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, Cr과 결합함으로써 Cr탄화물의 입계 석출을 유도하여 내식성이 저하되는 문제가 있는 바, 그 상한을 0.05%로 한정할 수 있다.
N의 함량은 0.01 내지 0.25%이다.
질소(N)는 탄소와 마찬가지로 오스테나이트상 안정화에 효과적인 원소로, 심가공성 확보를 위해 0.01% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 질화물 형성에 의해 표면 품질을 저하시킬 수 있으므로 그 상한을 0.25%로 한정할 수 있다.
Si의 함량은 1.5% 이하(0은 제외)이다.
실리콘(Si)은 제강공정 중 탈산제의 역할을 하고, 오스테나이트계 스테인리스강의 강도와 내식성을 확보하는 원소이다. 다만, 페라이트상 안정화 원소인 실리콘의 함량이 과다할 경우, 마르텐사이트 변태를 촉진시키고, σ상 등 금속간 화합물(Intermetallic Compound)을 석출하여 기계적 특성 및 내식성이 저하되는 문제가 있어, 본 발명에서는 그 상한을 1.5%로 한정할 수 있다.
Mn의 함량은 0.3 내지 3.5%이다.
망간(Mn)은 탄소(C), 질소(N) 와 마찬가지로 오스테나이트 안정화하는 원소로, 성형 가공시 발생하는 강도 증가를 억제하는 효과가 있어, 0.3% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, S계 개재물(MnS)을 과량 형성하여 오스테나이트계 스테인리스강의 내식성 및 표면광택을 저하시킬 수 있으므로 그 상한을 3.5%로 한정할 수 있다.
Cr의 함량은 17.0 내지 22.0%이다.
크롬(Cr)은 페라이트를 안정화하고, 스테인리스강의 내식성 향상 원소 중 가장 많이 함유되어 기본이 되는 원소이다. 본 발명에서는 산화를 억제하는 부동태피막 형성하여 내식성을 확보하기 위해 17.0% 이상 첨가할 수 있다.
다만, 페라이트상 안정화 원소인 크롬의 함량이 과다할 경우, 오스테나이트상 안정화도가 감소하여 마르텐사이트 변태를 촉진시키고, 이에 따라 니켈 함량의 증가를 수반하므로 제조비용이 상승하며, σ상 등 금속간 화합물(Intermetallic Compound)을 석출하여 기계적 특성 및 내식성이 저하되는 문제가 있어, 본 발명에서는 그 상한을 22.0%로 한정할 수 있다.
Ni의 함량은 9.0 내지 14.0%이다.
니켈(Ni)은 가장 강력한 오스테나이트상 안정화 원소로써 그 함량이 증가할수록 오스테나이트상이 안정화되어 소재를 연질화하고, 변형유기 마르텐사이트의 발생에 기인하는 가공경화를 억제하기 위하여 9% 이상을 첨가하는 것이 필수적이다. 그러나, Ni은 고가의 원소임에 따라 다량의 첨가 시 원료비용의 상승을 초래한다. 이에, 강재의 비용 및 효율성을 모두 고려하여 그 상한을 14.0%로 한정할 수 있다.
Mo의 함량은 2.0% 이하(0은 제외)이다.
몰리브덴(Mo)은 강의 내식성에 효과적인 원소이다. 다만, 페라이트상 안정화 원소인 몰리브덴의 함량이 과다할 경우, 오스테나이트상 안정화도가 감소하여 심가공성을 확보하기 어렵고, σ상 등 금속간 화합물(Intermetallic Compound)을 석출하여 기계적 특성 및 내식성이 저하되는 문제가 있어, 본 발명에서는 그 상한을 2.0%로 한정할 수 있다.
Cu의 함량은 0.2 내지 2.5%%이다.
구리(Cu)는 고가의 니켈(Ni) 대신 첨가되는 오스테나이트상 안정화 원소로, 가격 경쟁력 및 심가공성을 확보하기 위해 0.2% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 저융점의 ε-Cu 석출상이 형성되어 표면 품질을 저하시킬 수 있으므로 그 상한을 2.5%로 한정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, Al: 0.04% 이하(0은 제외), Ti: 0.003% 이하(0은 제외), B: 0.0025% 이하(0은 제외), P: 0.035% 이하 및 S: 0.0035% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
Al의 함량은 0.04% 이하(0은 제외)이다.
알루미늄(Al)은 강력한 탈산제로써 용강 중 산소의 함량을 낮추는 역할을 하는 원소이다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 비금속 개재물 증가로 인해 냉연 스트립의 슬리브 결함이 발생하는 문제가 있어 그 상한을 0.04%로 한정할 수 있다.
Ti의 함량은 0.003% 이하(0은 제외)이다.
티타늄(Ti)은 탄소(C)와 질소(N)와 같은 침입형 원소와 우선적으로 결합하여 석출물(탄질화물)을 형성함으로써, 강 중 고용 C 및 고용 N의 양을 저감하고 Cr 고갈영역 형성을 억제하여 강의 내식성 확보에 효과적인 원소이다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, Ti계 개재물을 형성하여 제조상에 어려움이 있고, 스캡(scab)과 같은 표면결함이 발생하는 문제가 있어, 그 상한을 0.003%로 한정할 수 있다.
B의 함량은 0.0025% 이하(0은 제외)이다.
붕소(B)는 주조 중의 크랙 발생을 억제하여 양호한 표면 품질을 확보하는데 효과적인 원소이다. 다만, 그 함량이 과도할 경우, 소둔/산세 공정 중 제품 표면에 질화물(BN)을 형성시켜 표면품질을 저하시킬 수 있어 그 상한을 0.0025%로 한정할 수 있다.
P의 함량은 0.035% 이하이다.
인(P)은 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로, 입계 부식을 일으키거나 열간가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기 P 함량의 상한을 0.035%로 관리한다.
S의 함량은 0.0035% 이하이다.
황(S)은 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로, 결정립계에 편석되어 열간가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기 S 함량의 상한을 0.0035% 이하로 관리한다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
전술한 바와 같이, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공경화는, 상온에서 불안정한 오스테나이트상이 소성변형에서 기인한 응력에 의하여 마르텐사이트상으로 변태되는 것으로부터 발생한다.
변형이 지속됨에 따라 지속적인 상변태가 일어나고, 이러한 상변태는 오스테나이트계 스테인리스강이 재료가 파손되기 전까지 강도를 증가시키는 바, 심가공성 확보를 위해서는 마르텐사이트상의 변태를 억제할 필요가 있다.
본 발명에서는 오스테나이트계 스테인리스강의 변형에 의해 발생하는 상변태를 고려하여, 하기 식(1)을 도출하였다.
구체적으로, 본 발명에서는 Mn, N, Cu, Ni 등 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 상향 제어하여 오스테나이트상의 안정화도를 높이고자 하였다. 이에 따라, 마르텐사이트상으로의 상변태가 억제되고, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공경화를 억제할 수 있었다.
식(1): Cr+Si+2*Mo+3*(Ni+Cu)+50*(C+N)
여기서, Cr, Si, Mo, Ni, Cu, C, N는 각 원소의 중량%를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은 상기 식(1) 로 표현되는 값이 63 이상의 범위를 만족한다.
본 발명자들은 식(1)의 값이 낮을수록, 외부 응력에 의한 변형시 강도변화가 크게 나타남을 확인하였다. 구체적으로, 식(1)의 값이 63 미만인 경우, 외부 변형에 의해 전술한 합금성분계의 오스테나이트계 스테인리스강은 급격한 변형유기 마르텐사이트 변태거동을 나타내거나, 쌍정 형성에 의한, 소성불균일이 발생하였다. 이에 따라, 오스테나이트계 스테인리스강의 연신율 및 다단 성형시 심가공성이 감소하는 문제가 있어, 식(1)의 하한값을 63으로 한정하고자 한다.
도 1은 소재의 인장실험에 따른 응력-변형률 사이의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
가공경화에 의한 강도 증가는, 도 1의 응력-변형율 곡선으로 설명할 수 있다. 도 1에서, 가공경화능의 정도를 나타내는 가공경화지수(work-hardening exponent, n)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
σ = Kεn
여기서, σ는 응력, K는 강도계수, ε는 변형율을 의미한다.
한편, 상기 관계식에서 양변에 상용로그를 적용하여 log 관계식으로 나타내면, 다음과 같이 나타낼 수 있다.
log σ = log K + n* log ε
다시 말해, 응력-변형률 log 관계에서, 가공경화지수 n은 그래프의 기울기에 해당하고, 기울기가 클수록 소성 변형시 소재의 강도 증가가 심하다는 것을 의미한다.
본 발명에서는 오스테나이트계 스테인리스강의 심가공성을 향상시키기 위해서는, 과도한 강도 증가없이 지속적인 변형을 확보할 수 있어야 한다는 점에 착안하여 하기 식(2)를 도출하였다.
식(2): 2.4*Cr+1.7*Mo+3.9*Si-2.1*Ni-Mn-0.4*Cu-58*C-64*N-13
여기서, Cr, Mo, Si, Ni, Mn, Cu, C, N는 각 원소의 중량%를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은 상기 식(2) 로 표현되는 값이 0 이상 5.5 이하의 범위를 만족한다.
본 발명자들은 식 (2)의 값이 높을수록, 외부 응력에 의한 마르텐사이트 변태가 쉽게 일어나고, 이로부터 과도한 강도 증가가 발생하여, 성형성이 저하되는 것을 확인하였다. 구체적으로 식 (2)의 값이 5.5 이상인 경우 인장 변형에서 파단 직전까지 지속적인 강도 증가가 일어나 급격한 파단이 발생하는 문제가 있다. 이에 따라 연신율을 확보할 수 없는 문제가 있어 식(2)의 상한을 5.5로 한정하고자 한다.
반면, 식 (2)의 값이 지나치게 낮으면, 외부 응력에 의한 오스테나이트상의 크로스 슬립 발현이 어려워 지는 것을 확인하였다. 구체적으로, 식 (2)의 값이 0 미만인 경우, 오스테나이트계 스테인리스강은 변형에 대해서 플래너(planar) 슬립거동만을 나타내어 외부 응력에 의한 전위의 축적이 진행되고, 소성불균일 및 높은 가공경화를 나타낸다. 이에 따라, 오스테나이트계 스테인리스 강의 연신율 및 항복비가 감소하는 문제가 있어, 식 (2)의 값 하한을 0으로 한정하고자 한다.
도 2는 개시된 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 인장실험 시, 응력- 변형률 사이의 관계를 가공경화지수와 함께 나타낸 그래프이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 가공경화지수가 최대일 때의 진변형율 값이 0.2 이하일 수 있다.
도 2에서, 가공경화지수가 최대가 되는 지점을 A로, 가공 경화지수가 0이 되는 지점을 B로 나타내었다.
도 2를 참조하면, A 지점 이후에는 변형이 진행 되더라도 가경경화지수가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 즉, A 지점 이후에는 B 지점까지 강도가 완만하게 증가하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에서는 오스테나이트계 스테인리스강의 심가공성을 향상시키기 위해, 과도한 강도 증가 없이 일정량 이상의 변형을 확보할 수 있어야 한다는 점에 착안하여, 강도의 증가가 최대가 되는 지점 A를 비교적 낮은 변형량에 배치하고, 지점 A로부터 일정량의 변형량을 확보하여 지점 B에 이르는 것이 필요하다는 것을 도출하였다.
개시된 실시예에 따른 표면 특성이 향상된 페라이트계 스테인리스강은 가공경화지수가 최대일 때의 진변형율 값이 0.2 이하이다.
도 2에서, 최대 가공경화지수를 나타내는 지점 A의 x 좌표인 변형량 값이 0.2 이하로 도출되면, 심가공 시 과도한　가공경화 발생을 억제할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 표면 특성이 향상된 페라이트계 스테인리스강은 가공경화지수가 최대일 때의 진변형율 값과 가공경화지수가 0일 때의 진변형율 값의 차이가 0.11 이상이다.
다시 말해, 작은 변형량에서 최대 가공경화 지수를 나타내고, 과도한 강도 증가없이 지속적인 변형을 확보할 수 있다면, 오스테나이트계 스테인리스강의 연신율을 확보하면서도 2단 이상의 다단 가공 적용 시, 크랙 발생을 방지할 수 있다.
상기 합금원소 조성 범위 및 관계식을 만족하는 개시된 실시예에 따른 표면 특성이 향상된 페라이트계 스테인리스강은 35% 이상의 연신율, 360MPa 이상 의 인장강도를 확보할 수 있다.
뿐만 아니라, 만족하는 개시된 실시예에 따른 표면 특성이 향상된 페라이트계 스테인리스강은 드로잉비 1.7 내지 4.3 조건으로 2단 이상의 성형시, 5단 성형까지 균열이 발생하지 않는다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
실시예
하기 [표 1]의 성분범위에 대하여, 연속주조공정을 통해 200mm 두께의 슬라브를 제조하고, 1,250℃에서 2시간 가열한 후 6mm 두께까지 열간압연을 진행 하였으며, 열간압연 이후 1,150℃에서 열연소둔을 진행하고 권취하였다. 다음으로, 열연코일은 2회에 걸쳐 1mm 두께까지 냉간압연 및 냉연소둔을 진행하였다. 냉간압연은 패스당 압하율 30~70% 범위에서 실시하였으며, 냉연 소둔은 1100~1200℃ 온도의 가열로에서 5분 이내로 실시하였다.
하기 표 1에서, 식(1) 및 식(2) 값은, 각 합금원소의 중량%를 하기 식 (1) 및 식(2)에 대입하여 도출한 값이다.
식(1): Cr+Si+2*Mo+3*(Ni+Cu)+50*(C+N)
식(2): 2.4*Cr+1.7*Mo+3.9*Si-2.1*Ni-Mn-0.4*Cu-58*C-64*N-13
구분 C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu N Al Ti B 식(1) 식(2)
실시예1 0.022 0.39 0.79 0.030 0.0011 21.4 10.3 0.5 0.8 0.206 0.003 0.002 0.0023 67.4 3.53
실시예 2 0.020 0.40 0.70 0.032 0.0010 20.9 10.5 0.6 1.0 0.190 0.003 0.002 0.0023 67.4 3.22
실시예 3 0.022 0.51 0.65 0.028 0.0010 21.2 10.6 0.5 0.7 0.200 0.003 0.002 0.0023 67.6 3.56
실시예 4 0.025 0.39 0.80 0.008 0.0035 21.0 10.1 0.6 0.8 0.210 0.004 0.002 0.0022 67.1 2.71
실시예 5 0.023 0.40 0.64 0.010 0.0005 21.3 10.3 0.6 0.9 0.210 0.004 0.002 0.0022 68.2 3.30
실시예 6 0.029 0.38 0.81 0.034 0.0011 21.3 9.3 0.5 0.7 0.224 0.003 0.003 0.0022 65.5 3.96
실시예 7 0.042 0.36 0.71 0.030 0.0007 21.0 9.4 0.2 2.4 0.192 0.003 0.003 0.0022 69.0 2.93
실시예 8 0.048 0.91 0.62 0.030 0.0008 21.3 9.6 0.5 0.7 0.224 0.003 0.003 0.0022 67.9 4.45
실시예 9 0.018 0.44 0.74 0.029 0.0012 21.5 10.5 0.6 0.7 0.215 0.004 0.002 0.0025 68.4 3.44
실시예 10 0.010 0.40 0.83 0.025 0.0009 21.2 9.3 0.7 0.8 0.245 0.004 0.002 0.0025 65.9 3.62
실시예 11 0.018 0.49 0.76 0.022 0.0012 22.0 11.0 0.8 0.6 0.215 0.004 0.002 0.0025 70.6 4.14
실시예 12 0.027 0.39 0.86 0.032 0.0011 21.4 10.0 0.6 0.7 0.238 0.003 0.002 0.0023 68.3 1.86
실시예 13 0.026 1.18 0.76 0.030 0.0010 21.1 10.2 0.5 0.6 0.230 0.003 0.002 0.0023 68.6 4.36
실시예 14 0.012 1.39 0.72 0.032 0.0007 20.4 12.3 0.6 0.7 0.180 0.003 0.002 0.0023 71.6 3.31
실시예 15 0.015 1.43 0.86 0.029 0.0011 19.5 10.2 0.5 0.8 0.238 0.003 0.002 0.0023 67.7 1.44
실시예 16 0.042 1.46 1.50 0.032 0.0009 19.2 10.7 0.7 0.7 0.180 0.003 0.002 0.0023 67.4 1.75
실시예 17 0.026 0.39 3.40 0.032 0.0011 21.4 9.2 0.6 0.7 0.236 0.003 0.002 0.0023 65.8 1.18
실시예 18 0.011 1.20 0.86 0.034 0.0011 17.6 10.2 1.6 1.5 0.182 0.003 0.002 0.0023 66.8 1.48
실시예 19 0.027 0.89 0.92 0.032 0.0012 17.2 9.2 1.9 1.8 0.180 0.003 0.002 0.0023 65.2 0.94
실시예 20 0.011 0.20 0.32 0.033 0.0022 20.7 13.7 0.8 0.2 0.110 0.003 0.002 0.0023 70.3 1.97
실시예 21 0.029 0.37 0.97 0.035 0.0009 21.2 9.5 0.5 0.7 0.210 0.004 0.003 0.0019 65.0 3.80
실시예 22 0.036 0.41 1.26 0.031 0.0019 21.0 9.4 0.6 0.8 0.209 0.004 0.003 0.0019 65.3 3.28
실시예 23 0.025 0.29 1.82 0.020 0.0031 21.3 9.6 0.5 2.0 0.170 0.004 0.003 0.002 67.2 5.01
비교예 1 0.024 0.67 0.67 0.034 0.0011 17.5 12.0 1.9 0.2 0.021 0.002 0.003 0.002 60.8 6.18
비교예 2 0.022 0.66 0.77 0.030 0.0008 17.3 12.1 2.0 0.3 0.020 0.003 0.002 0.0021 61.2 5.82
비교예 3 0.020 0.60 0.68 0.025 0.0006 17.7 12.3 1.9 0.3 0.022 0.004 0.002 0.0019 62.0 5.88
비교예 4 0.019 0.47 1.06 0.030 0.0012 16.2 10.1 2.0 0.4 0.015 0.004 0.002 0.0019 53.8 6.69
비교예 5 0.011 0.48 1.00 0.029 0.0011 16.5 10.5 1.8 0.2 0.016 0.003 0.002 0.0019 54.0 6.74
비교예 6 0.020 0.42 1.10 0.034 0.0021 16.1 10.0 2.0 0.3 0.014 0.003 0.003 0.0019 53.2 6.52
비교예 7 0.097 0.40 11.20 0.032 0.0007 18.7 6.0 0.1 0.1 0.356 0.003 0.003 0.002 60.3 -18.6
비교예 8 0.095 0.47 11.00 0.033 0.0012 18.9 6.1 0.2 0.2 0.360 0.004 0.003 0.002 61.4 -17.9
비교예 9 0.041 0.71 9.10 0.031 0.0011 20.2 6.6 0.1 0.1 0.317 0.004 0.003 0.0021 59.1 -7.3
비교예 10 0.040 1.22 9.41 0.020 0.0018 21.7 5.8 0.2 0.1 0.320 0.002 0.002 0.0023 59.0 -0.3
비교예 11 0.098 0.70 15.10 0.018 0.0011 17.6 5.3 0.3 0.1 0.438 0.003 0.002 0.0023 61.9 -27.5
비교예 12 0.092 0.68 14.82 0.034 0.0028 17.8 5.6 0.2 0.2 0.440 0.003 0.002 0.0019 62.9 -27.4
비교예 13 0.200 0.42 14.50 0.024 0.0016 17.0 1.5 0.1 0.2 0.387 0.003 0.003 0.0019 51.9 -24.5
비교예 14 0.193 0.40 14.44 0.029 0.0024 17.2 1.3 0.1 0.3 0.390 0.004 0.003 0.0019 51.6 -23.4
비교예 15 0.058 0.33 14.01 0.030 0.0015 17.3 4.5 0.2 0.1 0.362 0.004 0.003 0.0022 52.8 -19.9
비교예 16 0.061 0.36 14.10 0.030 0.0010 17.1 4.4 0.3 0.2 0.360 0.002 0.004 0.0022 52.9 -20.0
비교예 17 0.060 0.41 1.10 0.029 0.0032 18.1 5.0 0.3 0.2 0.041 0.004 0.003 0.0022 39.8 14.77
비교예 18 0.065 0.39 0.54 0.032 0.0017 18.0 5.1 0.2 0.1 0.040 0.004 0.003 0.0023 39.6 14.44
비교예 19 0.066 0.40 0.33 0.029 0.0008 18.2 5.2 0.2 0.1 0.045 0.004 0.003 0.0019 40.3 14.69
비교예 20 0.047 0.42 1.02 0.020 0.0024 18.3 5.4 0.1 0.2 0.038 0.004 0.003 0.0019 40.0 15.13
비교예 21 0.072 0.40 1.10 0.010 0.0011 18.0 5.2 0.1 0.2 0.036 0.004 0.002 0.0024 40.1 13.46
각 강판에 대하여, 다단 성형 횟수 및 가공경화지수를 측정하였다. 구체적으로, 딥 드로잉 성형은 직경 85mm의 블랭크(Blank)를 1단 펀치 직경 50mm, 2단 펀치 직경 38mm, 3단 펀치 직경 30mm, 4단 펀치 직경 24mm, 5단 펀치 직경 20mm로 5단계에 걸쳐 실시하였다. 각 단계별 드로잉비는 1단에서 1.7, 2단에서 2.2, 3단에서 2.8, 4단에서 3.5, 5단에서 4.3이다.
각 단계에서, 가공품의 성형 후 48시간 경과할 때까지 크랙 발생이 없는 경우를 기준으로 하여, 최대 성형 횟수를 하기 [표 2]에 기재하였다.
다음으로, JIS13B호 인장 시험편 규격으로 인장 실험을 진행하였으며, 실험 결과 얻어진 응력-변형률 값으로부터 진응력-진변형율을 계산하고, 최대 가공경화지수(a), 가공경화지수가 최대일 때의 진변형율 값(b), 가공경화지수가 0일 때의 진변형율 값(c) 및 가공경화지수가 최대일 때의 진변형율 값(b)과 가공경화지수가 0일 때의 진변형율 값(c)의 차이를 도출하여 하기 [표 2]에 기재하였다.
또한, 인장실험 결과 측정된 인장강도(Tensile Strength, MPa) 및 연신율(Elongation, %)을 하기 [표 2]에 기재하였다.
구분 최대 가공횟수 (a) (b) (c) (b)-(c) 인장강도 연신율
실시예1 5 0.37 0.17 0.29 0.12 450 37.4
실시예 2 5 0.36 0.18 0.29 0.12 451 37.5
실시예 3 5 0.36 0.18 0.29 0.12 450 37.5
실시예 4 5 0.30 0.17 0.30 0.14 441 42.2
실시예 5 5 0.27 0.17 0.30 0.13 467 41.0
실시예 6 5 0.35 0.17 0.32 0.15 401 46.0
실시예 7 5 0.35 0.18 0.32 0.15 404 46.7
실시예 8 5 0.35 0.18 0.32 0.14 402 46.2
실시예 9 5 0.36 0.17 0.32 0.15 386 45.6
실시예 10 5 0.36 0.17 0.32 0.15 387 45.4
실시예 11 5 0.36 0.17 0.32 0.15 388 45.5
실시예 12 5 0.39 0.17 0.31 0.14 420 42.4
실시예 13 5 0.39 0.17 0.31 0.14 421 42.5
실시예 14 5 0.39 0.17 0.31 0.14 419 42.4
실시예 15 5 0.38 0.15 0.30 0.15 441 39.5
실시예 16 5 0.38 0.16 0.31 0.15 422 40.4
실시예 17 5 0.38 0.16 0.30 0.15 436 40.0
실시예 18 5 0.41 0.16 0.33 0.17 402 42.5
실시예 19 5 0.41 0.16 0.33 0.17 405 42.8
실시예 20 5 0.41 0.16 0.33 0.17 399 42.9
실시예 21 5 0.36 0.17 0.33 0.16 366 46.9
실시예 22 5 0.37 0.15 0.33 0.18 373 47.1
실시예 23 5 0.37 0.17 0.33 0.16 374 47.1
비교예 1 3 0.33 0.27 0.34 0.07 386 39.5
비교예 2 3 0.33 0.26 0.34 0.08 391 40.2
비교예 3 2 0.32 0.27 0.33 0.06 379 41.1
비교예 4 3 0.38 0.28 0.37 0.09 334 47.8
비교예 5 3 0.37 0.27 0.37 0.10 335 47.7
비교예 6 3 0.39 0.24 0.37 0.13 320 48.0
비교예 7 4 0.28 0.24 0.31 0.07 556 42.4
비교예 8 4 0.32 0.24 0.34 0.11 522 46.9
비교예 9 4 0.30 0.22 0.33 0.11 500 44.7
비교예 10 3 0.28 0.21 0.31 0.10 532 42.1
비교예 11 4 0.33 0.21 0.35 0.14 516 47.1
비교예 12 4 0.29 0.23 0.32 0.09 587 44.0
비교예 13 1 0.38 0.31 0.38 0.06 531 50.8
비교예 14 2 0.35 0.30 0.37 0.07 598 49.1
비교예 15 3 0.30 0.24 0.32 0.07 544 42.7
비교예 16 3 0.32 0.23 0.34 0.11 499 45.6
비교예 17 1 0.33 0.28 0.32 0.03 687 38.8
비교예 18 2 0.34 0.27 0.32 0.05 698 39.3
비교예 19 3 0.32 0.28 0.31 0.03 695 38.0
비교예 20 2 0.33 0.27 0.32 0.05 691 38.8
비교예 21 1 0.34 0.27 0.32 0.05 689 39.3
표 2를 참조하면, 본 발명이 제시하는 합금 조성과 식(1)의 값 및 식(2)의 값의 범위를 만족하는 실시예 1 내지 23의 경우, 350 MPa 이상의 인장강도 확보가 가능할 뿐만 아니라, 35% 이상의 우수한 연신율을 확보할 수 있음을 확인하였다. 또한, 드로잉비 1.7 내지 4.3 조건으로 2단 이상의 성형시, 5단 성형까지 균열이 발생하지 않아 복잡한 형상의 딥 드로잉 성형이 요구되는 분야에 적용이 가능하다.
비교예 1 내지 6, 비교예 17 내지 21은 식 (1)의 값이 63에 미달하여 가공 경화시 계속적인 강도 증가가 나타날 뿐만 아니라, 식 (2)의 값이 5.5를 초과하여 변형에 의한 마르텐사이트 변태가 활발하게 일어나 다단 성형시 크랙발생이 빈번하였다.
비교예 7 내지 16은 식 (1)의 값이 63에 미달하고, 식 (2)의 값이 0에 미달하여 가공시 쌍정 형성에 의한 급격한 강도 증가가 발생하였다. 쌍정 형성에 의한 강도 증가가 변형량에 따라 지속적으로 일어나고, 이로 인하여 심가공시 응력 불균일이 발생하여 충분한 깊이의 성형량을 확보할 수 없었다.
이와 같이, 개시된 실시예에 따르면, 합금성분과 관계식을 제어함으로써, 드로잉비 1.7 내지 4.3 조건으로 2단 이상의 성형시, 5단 성형까지 균열이 발생하지 않고, 35% 이상의 연신율, 360MPa 이상의 인장강도를 확보한 오스테나이트계 스테인리스강을 제조할 수 있다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 중량%로, C: 0.01 내지 0.05%, N: 0.01 내지 0.25%, Si: 1.5% 이하(0은 제외), Mn: 0.3 내지 3.5%, Cr: 17.0 내지 22.0%, Ni: 9.0 내지 14.0%, Mo: 2.0% 이하(0은 제외), Cu: 0.2 내지 2.5%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 식(1)을 만족하고,
    하기 식(2)를 만족하는 심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
    식(1): Cr+Si+2*Mo+3*(Ni+Cu)+50*(C+N) ≥ 63
    (식(1)에서, Cr, Si, Mo, Ni, Cu, C, N는 각 원소의 중량%를 의미한다.)
    식(2): 0 < 2.4*Cr+1.7*Mo+3.9*Si-2.1*Ni-Mn-0.4*Cu-58*C-64*N-13 < 5.5
    (식(2)에서, Cr, Mo, Si, Ni, Mn, Cu, C, N는 각 원소의 중량%를 의미한다.)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    Al: 0.04% 이하(0은 제외), Ti: 0.003% 이하(0은 제외), B: 0.0025% 이하(0은 제외), P: 0.035% 이하 및 S: 0.0035% 이하 중 1종 이상을 더 포함하는 심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
  4. 제1항에 있어서,
    하기 식(3)에서, 가공경화지수가 최대일 때의 진변형율 값이 0.2 이하인 심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
    식(3): σ = Kεn
    (여기서, σ는 응력, K는 강도계수, ε는 변형율, n은 가공경화지수를 의미한다.)
  5. 제4항에 있어서,
    가공경화지수가 최대일 때의 진변형율 값과 가공경화지수가 0일 때의 진변형율 값의 차이가 0.11 이상인 심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
  6. 제1항에 있어서,
    연신율이 35% 이상인 심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
  7. 제1항에 있어서,
    인장강도가 360MPa 이상인 심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
  8. 제1항에 있어서,
    드로잉비 1.7 내지 4.3 조건으로 다단 성형시,
    5단 성형까지 균열이 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 심가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
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