KR102622335B1 - 스테인리스 스틸, 그 스틸을 분무함으로써 수득된 프리얼로이 분말 및 그 프리얼로이 분말의 사용 - Google Patents

스테인리스 스틸, 그 스틸을 분무함으로써 수득된 프리얼로이 분말 및 그 프리얼로이 분말의 사용 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스테인리스 스틸에 관한 것이다. 상기 스테인리스 스틸은 중량%의 아래의 원소들로 이루어진다:
C 0.32 - 0.50
Si 0.1 - 1.0
Mn 0.1 - 0.8
Cr 11 - 14
Mo 1.8 - 2.6
V 0.35 - 0.70
N 0.05 - 0.19
선택적 원소들, 밸런스 Fe 및 불순물들.

Description

스테인리스 스틸, 그 스틸을 분무함으로써 수득된 프리얼로이 분말 및 그 프리얼로이 분말의 사용
본 발명은 스테인리스 스틸(stainless steel)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 우수한 내식성뿐만 아니라 높은 경도 및 높은 인성을 요구하는 플라스틱 성형 주형에 적합한 스테인리스 스틸에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 발명의 스틸로 제조된 플라스틱 성형 주형에 관한 것이다.
플라스틱 성형 주형의 재료로서 스테인리스 스틸, 특히 AISI 420 및 AISI 440과 같은 400 시리즈 스테인리스 스틸을 사용하는 것이 알려져 있다. 그러나, 이들 스틸은 탄화물 편석(carbide segregation) 및 델타 페라이트(delta ferrite)의 형성에 취약하다. 상당한 양의 잔류 오스테나이트가 또한 이들 스틸에서 경화되고 템퍼링된 상태로 존재할 수 있다. 따라서 그 기계적 특성은 플라스틱 금형 응용 분야에 적합하지 않다.
AISI 420, DIN 1.2316 및 DIN 1.2085 유형의 스틸과 같이 약 0.35 내지 0.40 중량%의 중간 탄소 함량을 갖는 스테인리스 스틸 및 그의 변형들은 비교적 우수한 내식성을 갖지만 비교적 낮은 경도로 인해 제한된 내마모성을 갖는다.
AISI 440C와 같은 AISI 440 유형의 스테인리스 스틸은 약 1 중량%의 탄소 함량과 우수한 내마모성을 가지고 있다. 이러한 유형의 스틸은 템퍼링(tempering) 후 58-60 HRC 범위의 경도를 얻을 수 있다. 그러나, 이들 스틸은 특히 470 내지 500 ℃의 온도 범위에서 어닐링한 후에 내식성이 감소된다. 경도 58-60 HRC 및 적절한 내식성을 얻기 위해 200 ℃에서 저온 어닐링이 사용될 수 있다. 그러나, 저온 어닐링의 심각한 단점은 스틸이 균열되기 쉽다는 것이다. 특히, 방전 가공(Electro Discharge Machining, EDM) 동안 또는 연삭(grinding) 후에 균열이 발생한다. 따라서, 플라스틱 주형에 사용될 때, 강철 AISI 440C는 균열을 방지하기 위해 고온 어닐링을 거쳐야 하지만 내식성이 손상된다.
상기 결점 이외에도 스틸 AISI 440C는 너무 많은 양의 잔류 오스테나이트로 인해 열처리 시에 치수 안정성(dimensional stability)이 낮다.
일본 공개특허공보 특개2007-277639호(2007.10.25.)
본 발명의 일반적인 목적은 플라스틱 성형 주형의 재료로서 적합한 스테인리스 스틸을 제공하는 것이다. 특히, 스테인리스 스틸은 경화 후 마르텐사이트계(martensitic)이어야 하며, 고온 어닐링 후에도 높은 경도, 높은 인성 및 우수한 내식성을 가져야 한다.
전술한 목적들 뿐만 아니라 추가적인 장점들은 청구 범위에 정의된 바와 같은 스테인리스 스틸을 제공함으로써 상당한 정도로 달성된다.
상기 스틸은 플라스틱 금형 제작자가 제기한 재료 특성에 대한 강화된 요건들을 충족하는 특성 프로파일을 가지고 있다.
본 발명은 청구 범위에 정의된다.
다음에, 개별 원소들의 중요성 및 서로의 상호 작용 및 청구된 합금의 화학 성분의 한계들(limitations)이 간단히 설명된다. 유용하고 바람직한 범위들은 청구 범위에 정의되어 있다. 스틸의 화학 조성의 모든 백분율들은 상세한 설명 전체에 걸쳐 중량%(wt. %)로 제공된다. 경질상(hard phase)의 양들은 부피 %(vol. %)로 제공된다. 개별 원소의 상한 및 하한은 청구 범위에 제시된 한도 내에서 자유롭게 조합될 수 있다. 수치 한계들의 산술 정밀도는 한 자리씩 증가될 수 있다. 따라서, 원소의 양이 0.1 %로 주어진다면 소수점 오른쪽의 유효 자릿수를 0.10 %로 증가시킴으로써 상기 값을 더 높은 정확도로 표현할 수도 있다.
탄소 (0.32 - 0.50 %)
탄소는 경화성(hardenability)에 유리하며, 최소 함량은 0.32 %, 바람직하게는 0.34, 0.35, 0.36, 0.37 또는 0.38 %로 존재한다. 높은 탄소 함량에서 M23C6, M7C3 및 M2C 유형의 탄화물, 여기서 M이 Cr, Fe, Mo, V 또는 다른 탄화물 형성 요소를 나타냄, 가 상기 스틸에는 너무 높은 양으로 형성되어, 인성 및 내식성이 감소될 수 있다. 또한, 높은 탄소 함량은 또한 잔류 오스테나이트의 양을 증가시킬 수 있다. 그러므로 탄소 함량은 0.50 %를 초과하지 않아야 한다. 탄소의 상한은 0.48, 0.44, 0.44, 0.43 또는 0.42 %로 설정될 수 있다.
실리콘 (0.1 - 1.0 %)
실리콘은 탈산(deoxidation)에 사용된다. Si는 또한 스틸의 피삭성(machinability)을 향상시킨다. 원하는 효과를 얻으려면 Si의 함량이 0.1 % 이상이어야 한다. 그러나, Si는 강한 페라이트 형성제이며 스틸에서 탄소의 활성을 증가시키므로 1.0 %, 바람직하게는 0.6, 0.5, 0.4, 0.35 또는 0.3 %로 제한되어야한다.
망간 (0.1 ~ 0.8 %)
망간은 스틸의 경화성을 향상시키는 데 기여하고, 황과 함께 황화 망간을 형성함으로써 피삭성을 향상시키는 데 기여할 수 있다. 또한, Mn은 스틸에서 질소의 용해도를 증가시킨다. 따라서 망간은 최소 함량 0.1 %, 바람직하게는 0.3, 0.35 또는 0.40 %로 존재해야 한다. 망간은 오스테나이트 안정화 원소이며, 너무 많은 잔류 오스테나이트를 피하기 위해 0.8, 0.7, 0.6, 0.5 또는 0.4 %로 제한되어야 한다.
크롬 (11 - 14 %)
크롬은 스테인리스 스틸에서 가장 중요한 요소이다. 11 % 이상의 용해된 양으로 존재할 때, 크롬은 스틸 표면에 패시브 막(passive film)을 형성시킨다. 스틸에 우수한 경화성과 내식성을 제공하기 위해 크롬은 11 ~ 14 %의 양으로 스틸에 존재해야 한다. 바람직하게는, Cr은 양호한 내식성을 보장하기 위해 11.5 % 이상의 양으로 존재한다. 그러나, Cr은 강력한 페라이트 형성제이며 경화 후 페라이트를 피하기 위해 그 양이 제어될 필요가 있다. 실제적인 이유들로 인해 상한을 13.5, 13.0 또는 12.5 %로 줄일 수 있다.
몰리브덴 (1.8 - 2.6 %)
Mo는 경화성에 매우 유리한 효과를 갖는 것으로 알려져 있다. 또한, Mo는 내식성을 향상시키는 것으로 알려져 있다. 몰리브덴은 또한 우수한 2차 경화 반응을 달성하는 데 필수적이다. 최소 함량은 1.9, 2.0 또는 2.1 %일 수 있다. 몰리브덴은 강력한 탄화물 형성 요소이며 또한 강력한 페라이트 형성제이다. 따라서, 몰리브덴의 최대 함량은 2.6 %이다. 바람직하게는 Mo는 2.5, 2.4 또는 심지어 2.35 %로 제한된다.
바나듐 (0.35-0.70 %)
바나듐은 스틸의 매트릭스에서 균등하게 분포된 M(C, N) 유형의 1차 침전된 탄질화물을 형성한다. 본 스틸에서 M은 주로 바나듐이지만 Cr 및 일부 Mo도 존재할 수 있다. 따라서 바나듐은 0.35 - 0.70 %의 양으로 존재해야 한다. 상한은 0.65, 0.60 또는 0.55 %로 설정될 수 있다. 하한은 0.40 또는 0.45 %로 설정될 수 있다.
질소 (0.05 - 0.19 %)
원하는 유형 및 양의 경질상(hard phase), 특히 V(C, N)을 얻기 위해 질소는 0.05 - 0.19 %로 제한된다. 바나듐 함량과 질소 함량이 적절히 균형을 이루면 바나듐이 풍부한 탄질화물 V(C, N)이 형성된다. 이들은 오스테나이트화(austenitizing) 단계 동안 부분적으로 용해된 후 템퍼링 단계 동안 나노 미터 크기의 입자로서 침전될 것이다. 바나듐 탄질화물의 열 안정성은 바나듐 탄화물의 열 안정성보다 우수하여 높은 경화 온도가 유해한 입자 성장없이 사용될 수 있다. 게다가, 스테인리스 스틸의 템퍼링 저항이 향상된다. 또한, 2회 이상 템퍼링함으로써 템퍼링 곡선은 높은 2차 피크를 가질 것이다. 그러나 과도한 첨가는 기공들(pores)의 형성을 초래할 수 있다. 하한은 0.06, 0.07 또는 0.08 %일 수 있다. 상한은 0.15, 0.14, 0.13, 0.12 또는 0.11 %일 수 있다.
선택적 원소
알루미늄 (0.001 ~ 0.05 %)
탈산(deoxidation)에는 알루미늄이 사용될 수 있다. 대부분의 경우 알루미늄 함량은 0.03 %로 제한된다.
니켈 (≤ 1 %)
니켈은 스틸에 우수한 경화성과 인성을 제공한다. 비용 때문에 스틸의 니켈 함량은 제한되어야 한다. 바람직한 함량은 0.5 % 이하(≤ 0.5 %) 또는 0.35 % 이하(≤ 0.35 %)이다. 가장 바람직하게는, Ni는 의도적으로 첨가되지 않는다.
구리 (≤ 4 %)
Cu는 선택적 원소이며, 석출 경화에 의해 스틸의 경도를 증가시킬 수 있다. 또한, Cu는 스틸의 내식성 및 피삭성에도 기여한다. 사용되는 경우 바람직한 범위는 0.5 - 2 %이다. 그러나 일단 첨가된 스틸에서 구리를 추출하는 것은 불가능하다. 이로 인해 스크랩 처리(scrap handling)가 더욱 어려워진다. 이러한 이유로, 구리는 의도적으로 첨가되지 않는다.
코발트 (≤ 3 %)
Co는 선택적 요소이다. Co는 Ms온도를 높이고 마르텐사이트의 경도를 높이는 데 기여한다. 최대 함량은 3 %이다. 그러나, 스크랩 처리와 같은 실제적인 이유로 Co의 의도적인 첨가는 없다. 바람직한 최대 함량은 0.15 %로 설정될 수 있다.
텅스텐 (≤ 0.8 %)
텅스텐은 스틸의 특성에 너무 해를 끼치지 않으면서 최대 0.8 %의 함량으로 존재할 수 있다. 그러나, 텅스텐은 응고 동안 편석되는 경향이 있으며 바람직하지 않은 델타 페라이트를 야기할 수 있다. 또한 텅스텐은 비싸고 스크랩 처리가 복잡하다. 따라서, 최대 함량은 0.8 %, 바람직하게는 0.5 %로 제한되고, 바람직하게는 의도적인 첨가가 이루어지지 않는다.
니오븀 (≤0.1 %)
니오븀은 M(C, N) 유형의 탄질화물을 형성한다는 점에서 바나듐과 유사하다. Nb의 최대 첨가량은 0.1 %이다. 바람직하게는, 니오븀은 의도적으로 첨가되지 않는다. 허용되는 불순물 함량은 0.01, 0.005, 0.003 또는 0.001 %로 설정될 수 있다.
황 (≤ 0.2 %)
S는 스틸의 피삭성을 향상시키는 데 기여한다. 경화되고 템퍼링된 상태에서 스틸의 피삭성을 향상시키기 위한 적절한 함량은 0.07 - 0.15 %이다. 황 함량이 높으면 적열 취성(red brittleness)의 위험이 있다. 또한, 황 함량이 높으면 스틸의 피로 특성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서 스틸은 0.2 % 이하(≤ 0.2 %)를 함유해야 한다. 그러나, 개재물의 수를 감소시키기 위해 황은 바람직하게는 0.004 % 이하(≤ 0.004 %)로 제한된다. 황 함량은 스틸의 기계적 특성을 개선시키기 위해 0.002 % 이하(≤ 0.002 %) 또는 바람직하게는 0.001 % 이하(≤ 0.001 %)와 같이 매우 낮을 수 있다.
산소
산소는 바람직하지 않은 불순물 원소로 스틸에 비금속 개재물을 형성한다. 허용되는 불순물 함량은 0.005, 0.003, 0.0015 또는 0.001 %로 설정될 수 있다.
칼슘 (선택적으로 0.01 %)
원하는 조성 및 형상의 개재물을 형성하기 위해 칼슘은 레이들(ladle) 처리 동안 스틸에 의도적으로 첨가될 수 있다.
Be, Se, Mg 및 REM(희토류 금속)
이들 원소들은 피삭성, 열간 가공성 및/또는 용접성을 추가로 개선하기 위해 청구된 양으로 강에 첨가될 수 있다.
붕소 (≤ 0.01 %)
B는 스틸의 경도를 더 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 그 양은 0.01 %, 바람직하게는 0.003 % 이하(≤0.003 %)로 제한된다.
티타늄, 지르코늄 및 탄탈륨
이들 원소들은 탄화물 형성제이며 경질상의 조성을 변경시키기 위해 청구된 범위로 합금에 존재할 수 있다. 그러나 일반적으로 이러한 요소들은 추가되지 않다. 허용되는 불순물 함량은 0.01, 0.005, 0.003 또는 0.001 %로 설정될 수 있다.
PRE
피팅 저항 등가(Pitting Resistance Equivalent, PRE)는 종종 스테인리스 스틸의 피팅(pitting) 부식 저항을 측정하는 데 사용된다. 값이 클수록 부식에 대한 내성이 높아진다. 질소 합금 마르텐사이트 스테인리스 스틸의 경우 다음과 같은 표현이 사용될 수 있다.
PRE= %Cr + 3.3 %Mo + 30 %N
여기서, %Cr, %Mo 및 %N은 오스테나이트화(austenitizing) 온도(TA)에서 매트릭스에 용해된 함량이다. 용해된 함량은 실제 오스테나이트화 온도(TA)에 대해 Thermo-Calc를 사용하여 계산되거나 담금질(quenching) 후 스틸에서 측정될 수 있다.
오스테나이트화 온도(TA)는 1000 - 1200 ℃이며, 일반적으로 1050 - 1080 ℃이다.
제강(steel production)
청구된 화학 조성을 갖는 스테인리스 스틸은 통상적인 제강 또는 분말 야금(PM)에 의해 제조될 수 있다. 이러한 유형의 스틸은 종종 전기 아크로(EAF)에서 스크랩(scrap)을 용융시킨 다음, 스틸을 레이들(ladle) 야금 및 선택적으로 진공 탈기시켜 만든다. 칼슘은 야금학적 처리의 마지막에, 바람직하게는 CaSi로서 첨가될 수 있다. 그러나 이 처리는 선택 사항이며 스틸의 피삭성에 대한 특별한 요구 사항이 있는 경우에만 수행된다.
용융물은 잉곳(ingot) 주조, 적절하게는 하주조(bottom casting)에 의해 잉곳들로 주조된다. 분말 야금(PM) 제조가 사용될 수 있지만 비용 상의 이유로 특수 용도로 제한된다. 한편, 플라스틱 금형용 스틸은 종종 높은 청정도를 요구한다. 이러한 이유로, VIM, VAR 또는 ESR과 같은 하나 이상의 재용융 단계들이 처리 경로에 포함될 수 있다. 대부분의 경우 ESR이 선호되는 경로이다.
스틸은 균질화 어닐링 및 연화 어닐링에 적용될 수 있다. 860 ℃에서 연화 어닐링 후의 경도는 약 150-240 HBW이며, 브리넬 경도 HBW10/3000은 직경 10mm의 텅스텐 카바이드 볼(ball)과 3000 kgf (29400N)의 하중으로 측정된다.
스틸은 사용하기 전에 경화 처리된다. 400 시리즈 스테인리스 스틸에 사용되는 것과 유사한 방식으로 스틸은 경도를 조절하기 위해 열처리될 수 있다.
경화 온도 범위는 바람직하게는 1050 ℃ 내지 1080 ℃의 범위에 있으며, 1080 ℃를 초과하면 결정립 성장, 잔류 오스테나이트 및/또는 결정립계 탄화물의 양이 증가할 수 있기 때문이다. 유지 시간은 약 30 분 후 천천히 냉각되어야 한다. 냉각 속도는 스틸이 800 ℃ ~ 500 ℃의 온도 범위(t800/500)에 노출되는 시간으로 정의된다. 이 간격(t800/500)에서의 냉각 시간은 원하는 마르텐사이트 미세구조를 얻기 위해 일반적으로 100 내지 600 초의 범위에 있어야 한다. 템퍼링은 스틸을 50 - 70 ℃로 식힌 후에 수행된다. 스틸은 상온 까지 중간 냉각으로 2 또는 3 회 템퍼링되어야하고 템퍼링 온도에서의 유지 시간은 일반적으로 2 시간이다. 바람직하게는, 2개의 템퍼링 단계가 사용된다(2x2h). 템퍼링은 상이한 온도 영역에서 수행될 수 있다. 180-270 ℃의 저온 템퍼링은 최고의 내식성을 제공한다. 525 ~ 550 ℃의 고온 템퍼링은 경도에는 좋지만 내식성은 저온 템퍼링보다 낮다. 절충안으로 470-490 ℃ 범위의 중간 온도에서 스틸을 템퍼링하는 것도 가능하다.
본 발명의 주요 측면은 중량% (wt. %)로 아래의 원소들로 구성된 스테인리스 스틸을 제공하는 것이다.
C 0.32 - 0.50
Si 0.1 - 1.0
Mn 0.1 - 0.8
Cr 11 - 14
Mo 1.8 - 2.6
V 0.35 - 0.70
N 0.05 - 0.19
선택적으로
Al 0.001 - 0.05
Ni ≤1
Cu ≤ 4
Co ≤ 3
W ≤0.8
Nb ≤ 0.1
Ti ≤ 0.1
Zr ≤0.1
Ta ≤ 0.1
B ≤ 0.01
Be ≤ 0.2
Se ≤ 0.3
Ca ≤ 0.01
Mg ≤ 0.01
REM ≤ 0.2
불순물과는 별도로 밸런스 철(Fe).
상기 스틸은 바람직하게는 다음 요건들 중 적어도 하나를 충족시켜야 한다(중량%로):
C 0.36 - 0.44
Si 0.1 - 0.5
Mn 0.2 - 0.6
Cr 11.5 - 13
Mo 2.0 - 2.5
V 0.40 - 0.60
N 0.06 - 0.12
C+N 0.45 - 0.53
Al 0.001 - 0.03
Ni ≤0.5
Cu 0.5 - 2
Co ≤ 0.5
W ≤0.5
Nb ≤ 0.008
Ti ≤ 0.01
Zr ≤ 0.01
Ta ≤ 0.01
B ≤ 0.003
P ≤ 0.03
S ≤ 0.002
O ≤ 0.001
및/또는 미세 구조에서의 탄화물, 질화물 및/또는 탄질화물의 80 % 이상의 등가 원 직경(Equivalent Circle Diameter, ECD)이 5 μm 미만이고, 여기서 ECD = 2√A/π여기서 A는 조사된 부분에서 탄화물 입자의 표면이다.
상기 스틸은 또한 바람직하게는 다음 요건들 중 하나 이상을 충족시켜야 한다(중량%로):
C 0.38 - 0.42
Si 0.1 - 0.3
Mn 0.4 - 0.5
Cr 11.6 - 12.4
Mo 2.1 - 2.4
V 0.45 - 0.55
N 0.07 - 0.11
C+N 0.46 - 0.52
Al 0.001 - 0.03
Ni ≤ 0.3
S ≤ 0.001
및/또는 미세 구조에서의 탄화물, 질화물 및/또는 탄질화물의 80 % 이상의 등가 원 직경(ECD)이 2.5 μm 미만이고, 여기서 ECD 2√A/π, 여기서 A는 조사된 부분에서 탄화물 입자의 표면이다.
상기 스틸은 가장 바람직하게는 다음 요건들을 충족시켜야 한다(중량%로):
C 0.38 - 0.42
Si 0.1 - 0.3
Mn 0.4 - 0.5
Cr 11.6 - 12.4
Mo 2.1 - 2.4
V 0.45 - 0.55
N 0.07 - 0.11
Al 0.001 - 0.03
Ni ≤ 0.3
상기 스틸이 연화 어닐링된 상태인 경우 다음 요건들 중 하나 이상을 충족해야 한다.
평균 브리넬 경도 150-300 HBW10/3000
및/또는 여기서, 상기 스틸은 적어도 100 mm의 폭 및/또는 두께를 가지고 ASTM E10-01에 따라 측정된 폭 및/또는 두께 방향의 평균 브리넬 경도 값으로부터의 최대 편차가 10 % 미만이고, 여기서 시험편의 가장자리 또는 다른 압입의 가장자리로부터 압입 중심의 최소 거리는 압입 직경의 적어도 2.5배이어야 하고 최대 거리는 압입 직경의 4 배를 초과하지 않아야 함.
및/또는 ASTM E45-97, 방법 A에 따른 마이크로 슬래그(micro-slag) 와 관련하여 다음의 최대 요건들:
연화 어닐링된 상태에서, 상기 스틸은 바람직하게는 다음 요건들 중 하나 이상을 충족시켜야 한다:
평균 브리넬 경도 160-240 HBW10/3000,
및/또는 여기서, 상기 스틸은 적어도 100 mm의 폭 및/또는 두께를 가지고 ASTM E10-01에 따라 측정된 폭 및/또는 두께 방향의 평균 브리넬 경도 값으로부터의 최대 편차가 5 % 미만이고, 여기서 시험편의 가장자리 또는 다른 압입(indentation)의 가장자리로부터 압입 중심의 최소 거리는 압입 직경의 적어도 2.5배이어야 하고 최대 거리는 압입 직경의 4 배를 초과하지 않아야 함,
및/또는 ASTM E45-97, 방법 A에 따른 마이크로 슬래그와 관련하여 다음의 최대 요건들:
상기 스틸이 경화 및 템퍼링된 상태인 경우, 바람직하게는 다음 요건들 중 하나 이상을 충족해야 한다:
매트릭스는 90 부피 % 이상(≥ 90 vol. % )의 마르텐사이트를 포함한다,
매트릭스는 4 부피 % 이하(≤ 4 vol. %)의 오스테나이트를 포함한다,
경도는 55-62 HRC이다,
모든 AlN 입자들의 크기는 4μm 이하(≤ 4μm)이다,
58 HRC에서 TL 방향으로 비노치(un-notched) 충격 인성이 50 J 이상(≥ 50 J)이다,
압축 항복 강도 Rc0.2는 인장 항복 강도 Rp0.2보다 10 - 30 % 높다.
상기 경화 및 템퍼링된 스틸은 바람직하게는 다음 요건들 중 하나 이상을 충족시킬 수 있다:
매트릭스는 95 부피 % 이상(≥ 95 vol. % )의 마르텐사이트를 포함한다,
매트릭스는 2 부피 % 이하(≤ 2 vol. %)의 오스테나이트를 포함한다,
경도는 56-60 HRC이다,
모든 AlN 입자들의 크기는 3μm 이하(≤ 3μm)이다,
58 HRC에서 TL 방향으로 비노치 충격 인성이 100 J 이상(≥ 100 J)이다.
본 발명에 따르면, 스틸은 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 정의된 바와 같은 조성을 갖는 스틸을 분무함으로써 수득된 프리얼로이(prealloyed) 스테인리스 스틸 분말의 형태로 제공될 수 있다.
상기 프리얼로이 분말은 열간 등방성 압축, 분말 압출 및 적층 제조(additive manufacturing)와 같은 다른 방법들로 고체 물체를 제조하는 데 사용될 수 있다. 상기 분말은 또한 용사(thermal spraying), 저온 분사(cold spraying) 또는 오버레이 용접에 의해 기판 상에 표면층을 제공하는데 사용될 수있다.
실시예 1
본 발명에 따른 스틸 조성물은 통상적인 야금에 의해 제조되었다. 그 조성을 표 1에 나타내었다.
시험된 스틸의 조성
원소 발명의 스틸
실시예 1 		비교의 스틸
AISI 420 mod
C 0.40 0.38
Si 0.20 0.90
Mn 0.43 0.53
Cr 11.9 13.6
Mo 2.24 0.01
V 0.49 0.31
N 0.09 0.01
본 발명의 스틸을 진공로에서 1050-1080 ℃에서 30 분 동안 오스테나이트화에 의해 경화되고, 5 bar에서 질소로 가스 ??칭된 후, 525 ℃에서 2 시간 동안 2 회 템퍼링되었다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.
본 발명의 스틸의 경화 결과
경화 온도 ℃ 템퍼링 온도 ℃ 경도 HRC
1050 525 57
1080 525 59
1100 525 61
비교의 스틸에 대해서도 경화 및 템퍼링이 실시되었으며 그 결과를 표 3에 나타내었다.
비교의 스틸 AISI 420C mod의 경화 결과
경화 온도 ℃ 템퍼링 온도 ℃ 경도 HRC
1020 525 50
1050 525 54
525 ℃에서 템퍼링된 후 비교의 스틸의 경도가 본 발명의 스틸의 경도보다 현저히 낮음을 알 수 있다.
본 발명의 스틸의 내식성은 공기-미스트 챔버 시험에서 비교의 스틸 AISI 420C mod보다 우수함을 발견하였다. 시험은 35 ℃에서 2 시간 동안 0.1 M NaCl에서 수행되었다.
다음 공식을 사용하여 2개 스틸들에 대해 피팅 저항 등가(PRE)를 계산했다.
PRE= %Cr + 3.3 %Mo + 30 %N
여기서, %Cr, %Mo 및 %N은 오스테나이트화(austenitizing) 온도(TA)에서 매트릭스에 용해된 함량이다. 용해된 함량은 실제 오스테나이트화 온도(TA)에 대해 데이터뱅크 TCFE7을 사용하여 Thermo-Calc를 사용하여 계산되거나 담금질(quenching) 후 스틸에서 측정될 수 있다.
본 발명의 스틸은 20.9의 계산된 PRE를 갖는 반면, 비교의 스틸은 13.2에 불과한 것으로 밝혀졌다.
따라서, 본 발명의 스틸은 비교의 스틸보다 더 높은 경도 및 템퍼링 저항뿐만 아니라 더 우수한 내식성을 가졌다.
실시예 2
본 발명에 따른 스틸 조성물은 ESR을 포함하는 통상적인 야금에 의해 제조되었다.
시험된 스틸의 조성
원소 발명의 스틸
실시예 2
C 0.41
Si 0.18
Mn 0.46
Cr 12.0
Mo 2.25
V 0.50
N 0.085
S 0.0006
Al 0.009
O 0.0009
상기 스틸을 250x80 mm 치수로 압연하고 연화 어닐링했다. 연화 어닐링된 조건에서의 경도는 182 - 197 HBW10/3000의 범위였다. 경도는 ASTM E10-01에 따라 측정되었다. 압입들 사이의 간격은 14 mm이고 폭 방향의 평균 브리넬 경도 값으로부터의 최대 편차는 3.9 % 인 것으로 밝혀졌다.
미세 구조는 마르텐사이트 매트릭스에 균일하게 분포된 작은 바나듐 탄질화물로 매우 균일했다. 미세 구조에서 탄화물, 질화물 및/또는 탄질화물의 90 % 초과(> 90 %)의 등가 원 직경(ECD)은 2.5 μm 미만이고, 여기서 ECD = 2√A/π, 여기서 A는 조사된 부분의 탄화물 입자의 표면이다. 4μm보다 큰 AlN 입자는 검출되지 않았다.
청정도는 ASTM E45-97, 방법 A에 따라 평가되었다. 표 5에 주어진 결과는 스틸이 매우 깨끗하여 매우 우수한 연마성을 초래함을 나타낸다.
ASTM E45-97, 방법 A에 마이크로-슬래그
A A B B C C D D
T H T H T H T H
0.0 0.0 0.5 0.0 0.0 0.0 1.0 0.5
상기 스틸은 1020 및 1050 ℃에서 30 분 동안 오스테나이트화에 의해 경화되었고, 5 bar에서 질소로 가스 담금질(gas quenching)된 후 250 ℃, 480 ℃ 또는 525 ℃에서 2 시간 동안 2 회 템퍼링되었고, 480 ℃에서 템퍼링된 스틸은 담금질 후 및 템퍼링 전에 액체 질소에서 냉각되었다. 결과를 표 6에 나타냈다.
발명의 스틸의 경화 결과
경화 온도 ℃ 템퍼링 온도 ℃ 경도 HRC 잔류 오스테나이트
(vol. %)
1020 250 51.8 <2
1020 525 53.3 <2
1050 250 53.7 8
1050 (+Cryo) 480 55.7 <2
1050 525 56.1 <2
구조는 템퍼링된 마르텐사이트로 이루어졌으며, 단지 스틸 1050 ℃/250 ℃ (2x2)만이 현저한 양의 잔류 오스테나이트를 가졌다.
TL 방향, 즉 길이(롤링) 방향을 가로지르는 방향에서의 비노치 충격 인성은 경도가 56.1 HRC 인 스틸 1050 ℃/525 ℃ (2x2)의 경우 337 J인 것으로 나타났다.
산업상 이용가능성
본 발명의 스테인리스 스틸은 플라스틱 성형 주형용 스틸과 같은 우수한 내식성뿐만 아니라 높은 경도 및 높은 인성을 요구하는 용도에 매우 적합하다.

Claims (10)

  1. 중량%(wt.%)로,
    C 0.32 - 0.50
    Si 0.1 - 1.0
    Mn 0.1 - 0.8
    Cr 11 - 13
    Mo 2.1 - 2.6
    V 0.35 - 0.70
    N 0.05 - 0.19
    Al 0.001 - 0.05
    S ≤ 0.004

    선택적으로
    Ni ≤ 1
    Cu ≤ 4
    Co ≤ 3
    W ≤ 0.8
    Nb ≤ 0.1
    Ti ≤ 0.1
    Zr ≤ 0.1
    Ta ≤ 0.1
    Be ≤ 0.2
    Se ≤ 0.3
    Ca ≤ 0.01
    Mg ≤ 0.01
    REM ≤ 0.2

    불순물을 제외한 잔부가 Fe로 이루어진 스테인리스 스틸로서,
    상기 스테인리스 스틸은 다음 요건들 ―
    ASTM E45-97, 방법 A에 따른 마이크로 슬래그(micro-slag)에 대한 다음의 최대 요건들:
    ―을 충족하고,
    상기 스테인리스 스틸은 연화 어닐링된 상태이고, 상기 스테인리스 스틸은,
    평균 브리넬 경도 150-300 HBW10/3000,
    적어도 100 mm의 폭 또는 두께 중 적어도 하나,
    ASTM E10-01에 따라 측정된 폭 또는 두께 방향 중 적어도 하나의 방향의 평균 브리넬 경도 값으로부터의 최대 편차가 10 % 미만인 것,
    시험편의 가장자리 또는 다른 압입의 가장자리로부터 압입 중심까지의 최소 거리는 압입 직경의 적어도 2.5배이고, 최대 거리는 압입 직경의 4배를 초과하지 않는 것을 충족하는,
    스테인리스 스틸.
  2. 제1항에 있어서, 다음 요건들(중량%로) 중에 적어도 하나를 만족시키는 스테인리스 스틸.
    C 0.36 - 0.44
    Si 0.1 - 0.5
    Mn 0.2 - 0.6
    Cr 11.5 - 13
    Mo 2.1 - 2.5
    V 0.40 - 0.60
    N 0.06 - 0.12
    C+N 0.45 - 0.53
    Al 0.001 - 0.03
    Ni ≤ 0.5
    Cu 0.5 - 2
    Co ≤0.5
    W ≤ 0.5
    Nb ≤ 0.008
    Ti ≤ 0.01
    Zr ≤ 0.01
    Ta ≤ 0.01
    B ≤ 0.003
    P ≤ 0.03
    S ≤ 0.002
    O ≤ 0.001
    또는 미세 구조에서의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물 중 적어도 하나의 80 %(개수 비율로) 이상의 등가 원 직경(Equivalent Circle Diameter, ECD)이 5 μm 미만이고, 여기서 ECD = 2√A/π이고 A는 조사된 부분에서 탄화물 입자의 표면임
  3. 제1항에 있어서, 다음 요건들(중량%로) 중에 적어도 하나를 만족시키는 스테인리스 스틸.
    C 0.38 - 0.42
    Si 0.1 - 0.3
    Mn 0.4 - 0.5
    Cr 11.6 - 12.4
    Mo 2.1 - 2.4
    V 0.45 - 0.55
    N 0.07 - 0.11
    C+N 0.46 - 0.52
    Al 0.001 - 0.03
    Ni ≤ 0.3
    S ≤0.001
    또는 미세 구조에서의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물 중 적어도 하나의 80 % 이상(개수 비율로)의 등가 원 직경(Equivalent Circle Diameter, ECD)이 2.5 μm 미만이고, 여기서 ECD = 2√A/π이고 A는 조사된 부분에서 탄화물 입자의 표면임
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    다음 요건들(중량%로)을 충족시키는 스테인리스 스틸.
    C 0.38 - 0.42
    Si 0.1 - 0.3
    Mn 0.4 - 0.5
    Cr 11.6 - 12.4
    Mo 2.1 - 2.4
    V 0.45 - 0.55
    N 0.07 - 0.11
    Al 0.001 - 0.03
    Ni ≤ 0.3
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    다음 요건들 중 하나 이상을 충족시키는 스테인리스 스틸.
    평균 브리넬 경도 160-240 HBW10/3000,
    또는 스틸은 적어도 100 mm의 폭 또는 두께 중 적어도 하나를 가지고 ASTM E10-01에 따라 측정된 폭 또는 두께 방향 중 적어도 하나의 방향의 평균 브리넬 경도 값으로부터의 최대 편차가 5 % 미만이고, 여기서 시험편의 가장자리 또는 다른 압입(indentation)의 가장자리로부터 압입 중심의 최소 거리는 압입 직경의 적어도 2.5배이어야 하고 최대 거리는 압입 직경의 4 배를 초과하지 않아야 함,
    또는 ASTM E45-97, 방법 A에 따른 마이크로 슬래그와 관련하여 다음의 최대 요건들:

  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스틸은 경화 및 템퍼링된 상태이고, 다음 요건들 중 하나 이상을 충족하는 스테인리스 스틸.
    매트릭스는 90 부피 % 이상(≥ 90 vol. % )의 마르텐사이트를 포함한다,
    매트릭스는 4 부피 % 이하(≤ 4 vol. %)의 오스테나이트를 포함한다,
    경도는 55-62 HRC이다,
    모든 AlN 입자들의 크기는 4μm 이하(≤ 4μm)이다,
    58 HRC에서 길이(롤링) 방향을 가로지르는 방향으로 비노치 충격 인성(un-notched impact toughness)이 50 J 이상(≥50 J)이다,
    압축 항복 강도 Rc0.2는 인장 항복 강도 Rp0.2보다 10 - 30 % 높다
  8. 제7항에 있어서,
    다음 요건들 중 하나 이상을 충족시키는 스테인리스 스틸.
    매트릭스는 95 부피 % 이상(≥ 95 vol. % )의 마르텐사이트를 포함한다,
    매트릭스는 2 부피 % 이하(≤ 2 vol. %)의 오스테나이트를 포함한다,
    경도는 56-60 HRC이다,
    모든 AlN 입자들의 크기는 3μm 이하(≤ 3μm)이다,
    58 HRC에서 길이(롤링) 방향을 가로지르는 방향으로 비노치 충격 인성이 100 J 이상(≥ 100 J)이다
  9. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 정의된 조성을 갖는 스테인리스 스틸을 분무함으로써 수득된, 프리얼로이(prealloyed) 스테인리스 스틸 분말.
  10. 제9 항에 있어서,
    열간 등압 성형, 분말 압출 및 적층 제조 중 어느 하나를 사용하여 고체 물체를 제조하기 위해, 또는 열 분사, 냉간 분사 또는 오버레이 용접에 의해 기판 상에 표면층을 제공하기 위해 사용되는, 프리얼로이 스테인리스 스틸 분말.
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