KR19980081595A - 오스테나이트계 스텐레스강의 배치 어닐링 방법 - Google Patents

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존디. 왈톤
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Abstract

배치 어닐링 공정을 사용하여 오스테나이트계 스텐레스강 코일을 어닐링 하는 방법이 제공된다. 선호되는 방법은 오스테나이트계 스텐레스강에 대한 통상의 어닐링 온도보다 꽤 낮은 1700℉ 미만의 온도에서 입간 카바이드 침전 없이 오스테나이트계 스텐레스강의 어닐링이 이루어지도록 충분히 낮은 탄소의 중량%를 갖는 오스테나이트계 스텐레스강 합금 조성을 선택하는 것에 관계한다. 낮은 어닐링 온도는 종래의 배치 어닐링로에서 어닐링을 허용한다. T-201L 스텐레스강에서 탄소의 함량은 0.030중량% 미만으로 유지되며 강은 1650 내지 1700℉의 온도에서 성공적으로 어닐링된다. T-304L 스텐레스강의 탄소함량은 0.015중량% 미만으로 유지되며 강은 1550 내지 1700℉의 온도에서 성공적으로 어닐링된다. 경량 형강의 경우에 감긴 스텐레스강의 당겨 감기 장력(winding tension)은 배치 어닐링 공정에 앞서 감소된다. 특히, 30,000psi 미만의 감기 장력이 이득이 되며 감기 장력이 15,000 내지 3,000psi에 있을 때 양호한 결과가 수득된다.

Description

오스테나이트계 스텐레스강의 배치 어닐링 방법
본 발명은 오스테나이트계 스텐레스강을 배치 어닐링하는 방법에 관계한다. 특히, 본 발명은 합금 조성의 선택, 스텐레스강 코일의 제조, 경량 형강에서 포일형 스텐레스강을 포함하여 오스테나이트계 스텐레스강의 배치 어닐링을 성공적으로 수행하기 위한 적절한 어닐링 변수의 한정에 관계한다.
평판 압연 스텐레스강 쉬이트 및 스트립 제품 제조에 있어서, 또다른 냉간 압연 공정을 위해 재료를 유연하게 하거나 간헐적으로 어닐링 하는 것이 필요하다. 또한 제조(즉, 스탬핑, 성형)에 적합하도록 최종 게이지로 재료를 어닐링 하는 것이 필요하다. 어닐링은 냉간 축소가 스텐레스강 그레인을 신장시키고 결정격자를 크게 왜곡시키고 심한 내부 응력을 유도하기 때문에 필요하다. 냉간 축소 공정의 결과물인 강은 매우 경성이며 연성이 작다. 어닐링 공정은 냉간 가공된 강을 재결정화 시키며, 강이 충분한 시간동안 적절한 어닐링 온도에 유지된다면 어닐링 강의 구조는 다시 비왜곡된 격자로 구성되고 강이 다시 유연해지고 연성이 된다.
어닐링 기술은 두가지 일반범주로 분할된다 :
(a) 전통적인 박스어닐링과 같은 배치공정 ; (b) 연속공정 스텐레스강 산업에서, 평판 압연된 쉬이트 및 스트립 제품의 연화는 통상 연속 어닐링 라인을 사용하여 수행된다.
연속 어닐링 공정은 페이오프 리일로 부터 코일을 풀어서 코일을 연속으로 로에 이송하고 로를 통해 코일을 당기고 테이크업 리일상에 코일을 재감기하는 단계를 포함한다. 로는 대체로 전기 또는 가스로이다. 로에서 이동하는 동안 강스트립은 대체로 오스테나이트계 합금의 경우 1800 내지 2200℉, 페라이트계 합금의 경우 1400 내지 1800℉의 온도로 가열된다. 어닐링 온도는 어닐링되는 합금의 종류와 합금의 용도에 따라 다르다.
경량 내지 포일 게이지(20밀리 이하) 스텐레스강 스트립 제품(이후에는 경량 게이지 스텐레스강 또는 경량-게이지 스트립으로 칭함)에 대한 수요는 최근에 스텐레스강 산업에서 증가되었다. 사실상, 이러한 경량 게이지를 가지는 스텐레스강 스트립/포일 제품은 수요가 있으며 수많은 강 제조자의 제품라인에 포함된다.
경량게이지 스텐레스강의 어닐링은 스텐레스강 산업에 기술적이고 경제적인 문제점을 제시한다. 예컨대, 오스테나이트계 강합금의 경우에 약 1800 내지 2200℉의 온도에서 경량게이지 스텐레스강을 고온 연속 어닐링하는 동안 재료의 항복강도는 크게 감소되어서 스트립이 파괴되기 쉽다. 경량 게이지 스트립의 파괴는 연속 어닐링 라인 로에서 빈번하며 결과의 고장 및 재료 손실이 크다. 게다가, 경량게이지 스텐레스강 스트립의 생산성은 일반게이지 제품에 비해서 매우 낮은데, 그 이유는 경량게이지 스트립에 대한 생산성이 연속 어닐링 라인에 의해 허용되는 최대 라인 속도에 의해 한정되기 때문이다. 생산성 증가를 위해서 추가 연속 어닐링 라인을 추가하는 것은 비용이 든다. 따라서, 이러한 경량게이지 스텐레스강과 관련된 공정단가가 매우 높다.
경량게이지 스텐레스강 스트립의 연속 어닐링에 대한 대안은 배치 어닐링이다. 그러나, 배치 어닐링은 오스테나이트계 스텐레스강 합금에 대해서 활용되지 않았다. 스텐레스강의 경우에 배치 어닐링은 열간 압연 밴드로 페라이트계 열처리 온도인 1400 내지 1600℉ 에서 주로 활용되었고 다소간 추가 냉간 축소를 위해 재료를 연화시키도록 중간게이지에서 활용되었다.
1970년대 후반에 배치 어닐링 기술에서 상당한 진보가 있었다. 이러한 진보는 100% 수소대기, 높은 대류장치, 개선된 로의 설계 및 현대적 컴퓨터 제어를 통해 이루어졌다. 배치 어닐링 기술에서 이러한 진보는 가열 및 냉각동안 열전달 속도의 향상과 에너지 효율의 증가를 가져와서 코일에 더욱 균일한 성질을 부여하며 옛날 어닐링 공정보다 50%이상 공정 싸이클을 단축시켰다.
위에서 언급된 개선과 임펠러 재료는 1650℉이상의 어닐링 로에서 이용가능한 최대온도를 가져왔다. 그러나, 또다른 변형과 진보로 1700℉ 이상의 온도가 달성되어야 한다.
위에서 언급된 바와같이 배치 어닐링은 여러 가지 이유로 오스테나이트계 스텐레스강 합금과 관련해서 활용되지 않았다. 예컨대, 오스테나이트계 스텐레스강 합금은 기존의 배치 어닐링 로 설비가 견딜수 있는 온도보다 높은 어닐링 온도를 필요로 한다. 또한 전통적인 배치 어닐링에서 허용되는 냉각 속도에서 그레인 경계상에 카바이드가 침전되어서 스텐레스강의 가장 중요한 성질인 내식성을 파괴한다. 게다가, 오스테나이트계 합금을 어닐링 하는데 필요한 온도에서, 인접한 코일사이에 접착 또는 국부적인 확산 용접이 일어나서 스트립 표면을 손상시킨다. 경량 게이지에서 접착이 너무 심해서 재감기 작업동안 스트립이 찢기거나 적어도 주름이 생긴다.
요약하면, 200시리즈 및 300시리즈 스텐레스강 합금의 재결정화를 위해 최소한의 어닐링 온도가 필요하다. 그러나, 오스테나이트계 스텐레스강 합금이 가열받을 때 900℉ 이상의 온도에서 그레인 사이에 카바이드 침전이 시작된다는 것은 당해 산업에서 공지된다. 훨씬 높은 온도에서 카바이드는 녹기 시작하며 전형적인 합금의 경우에 카바이드가 완전히 녹기 위해서는 매우 높은 온도가 필요하다. 예컨대, T-304 스텐레스강은 약 0.075중량%의 탄소를 가지며 완벽한 카바이드 용해를 위해서는 종래의 라인 어닐링동안 약 1850℉의 어닐링 온도를 필요로 한다. T-201 스텐레스강에 필요한 어닐링 온도는 일반적으로 비슷하다. 만약 카바이드의 완전 용해를 위해 요구되는 온도에 도달되지 않으면 그레인 사이의 카바이드는 유지되며 합금을 사용할 수 없게 한다. 따라서, 오스테나이트계 스텐레스강의 경우에 당해 산업은 카바이드를 용해하기 위해서 높은 어닐링 온도를 달성하며 냉각동안 카바이드 형성을 방지하기 위해서 높은 냉각 속도를 달성하는 어닐링 기술을 사용해 왔다. 어닐링 동안 용해되지 않거나 냉각동안 형성되는 카바이드는 합금을 사용 불가능하게 만든다.
배치 어닐링 공정에서 진보에도 불구하고 배치 어닐링로는 오스테나이트계 스텐레스강 합금에서 발생하는 카바이드의 완전 용해에 필요한 온도보다 낮은 1700℉ 미만의 온도에 도달한다.
배치 어닐링 기술의 진보로 1800℉의 온도에 도달할지라도 1800℉에서 어닐링 이후에 스텐레스강 코일의 냉각속도는 오스테나이트계 스텐레스강 합금에서 그레인 간의 카바이드 침전을 방지하기에 충분한 속도가 배치 어닐링 온도에서 달성되지 못한다. 스텐레스강 핸드북(McGraw Hill, Inc., 1977)에 발표된 연속 냉각 변형 다이아그램에 따르면 0.075중량% 탄소함량의 T-304 합금의 경우에 코일을 1800℉에서 1250℉로 냉각시키는데 허용되는 최대시간은 그레인 간의 카바이드 침전을 방지하기 위해서 약 200초이다. 배치 어닐링로에서 코일이 1800℉에서 1250℉로 냉각하는데는 15내지 20시간이 걸리는데, 이것은 전형적인 오스테나이트계 스텐레스강에서 그레인 간의 카바이드 침전을 방지하기에는 충분히 빠르지 않다. 따라서, 오스테나이트계 스텐레스강의 경우에 사용되는 어닐링 기술은 1800 내지 2200℉의 고온이 도달되며 공기 분사에 의해 보조되는 냉각이 충분히 빨라서 그레인 간의 카바이드 침전을 방지하는 연속 어닐링 방법이다.
그러나, 위에서 언급된 바와같이, 연속 어닐링 라인의 생산성은 라인의 최대 속도에 의해 제한된다. 게다가, 연속 어닐링 라인은 이러한 고온에서 크게 감소된 항복강도로 인하여 스트립 파괴와 같은 추가 결함이 발생한다. 이것은 재료가 경량 게이지 스텐레스강 형태일 경우에 특히 심하다. 이러한 문제의 해결은 비용이 들며 생산성을 더욱 감소시킨다.
그러므로, 오스테나이트계 스텐레스강 스트립, 특히 경량 게이지 스트립을 배치 어닐링하는 방법을 개발하여 종래의 연속 어닐링 라인에서 생산된 것 보다 동등 또는 우월한 최종 재료 성질을 갖게하는 것이 스텐레스강 산업에서 필요하다. 이러한 방법은 종래의 연속 어닐링 라인상에서 경량 게이지 스텐레스강을 가공하는 것과 관련된 문제를 방지해야 한다. 또한 이러한 방법은 가능한 기존의 로설비를 활용해야 한다. 추가적으로, 이러한 방법은 인접한 코일간의 접착 또는 국부적 확산 용접을 방지해야 한다.
따라서, 종래의 연속 어닐링 라인상에서 제조된 것보다 동등 또는 우월한 최종 재료성질을 부여하는 오스테나이트계 스텐레스강 배치 어닐링 방법을 개발하는 것이 본 발명의 목적이다. 인접한 코일간의 접착에 의해 야기되는 표면 손상이 최소화되는, 경량 게이지 제품과 관련하여 오스테나이트계 스텐레스강 배치 어닐링 방법이 사용될 수 있게 함이 본 발명의 또다른 목적이다. 종래의 연속 어닐링 라인과 관련된 결합이 방지되면서 종래의 연속 어닐링 라인에 비해서 생산비용을 낮추는 것이 본 발명의 또다른 목적이다.
도 1 은 본 발명에 따른 T-201L 합금에 대한 어닐링 싸이클을 보여주는 그래프이다.
도 2 는 본 발명에 따른 T-304L 합금에 대한 어닐링 싸이클을 보여주는 그래프이다.
배치 어닐링 공정을 사용하여 오스테나이트계 스텐레스강 코일을 어닐링하는 방법이 제공된다. 이 방법은 최소한의 접착으로 필요한 스텐레스강 코일의 스트립모양, 내식성, 표면외양 및 기계적 성질을 달성한다. 이 방법은 특정 탄소함량의 오스테나이트계 스텐레스강 합금의 선택이 관련된다. 예컨대, ASTM 200 및 300 시리즈 스텐레스강의 열처리에서 이들 합금의 탄소함량이 매우 낮을 때 양호한 결과가 얻어진다. 본 발명은 특정 어닐링 대기 및 어닐링 싸이클 변수를 활용한다.
본 발명은 경량 게이지 스텐레스강 제품에 사용하기에 특히 적합하다. 본 방법은 오스테나이트계 스텐레스강에 대한 통상의 어닐링 온도 보다 훨씬 낮은 1700℉ 미만의 온도에서 그레인 간의 탄화물 침전없이 오스테나이트계 스텐레스강의 어닐링이 이루어지도록 충분히 낮은 중량% 탄소함량을 가진 오스테나이트계 스텐레스강 합금 조성을 선택하는 것을 포함한다. 더 낮은 어닐링 온도는 종래의 배치 어닐링로에서 어닐링을 허용한다. 이러한 방식에서 연속 어닐링 공정과 관련된 문제(즉, 스트립 파괴로 인한 중단과 최대 라인 속도의 제한)가 크게 감소된다.
T-201L 스텐레스강의 배치 어닐링에서 두드러진 성공이 발견되었다. T-201L 스텐레스강에서 탄소의 함량은 0.030중량% 미만으로 유지된다. 이러한 탄소함량에서 오스테나이트제 T-201L 스텐레스강은 0 내지 12 시간의 어닐링 시간동안 1650 내지 1700℉의 온도에서 성공적으로 어닐링 되었다. 실험 결과를 기초로 하면 1600℉ 정도의 낮은 온도에서 성공적인 어닐링이 이루어져야 한다고 여겨진다.
T-304L 스텐레스강에서 성공적인 결과가 얻어졌다. T-304L 스텐레스강의 탄소함량은 0.015중량% 미만으로 유지된다. 이러한 탄소함량에서 T-304L 오스테나이트제 스텐레스강은 1550 내지 1700℉의 온도에서 성공적으로 어닐링 되었다.
스트립 표면을 손상시키는, 어닐링된 인접 코일간의 접착 또는 국부적 확산 용접은 배치 어닐링 공정에서 스텐레스강이 코일로 감기는 장력(즉, 감기 장력)을 감소시킴으로써 더욱 감소된다. 특히, 30,000psi 미만의 감기 장력이 이득이 되며 감기 장력이 15,000 내지 3,000psi로 유지될 때 특히 양호한 결과가 얻어진다. 공지기술의 코일은 30,000psi 이상의 장력으로 감긴다.
본 발명의 방법은 배치 어닐링 공정을 사용하여 오스테나이트계 스텐레스강 코일을 어닐링 하는 수단을 제공한다. 본 발명은 매우 낮은 탄소함량의 스텐레스강 합금을 사용한다. 또한, 본 방법은 적절한 감기 장력, 수소 어닐링 대기 및 특정 어닐링 싸이클 변수를 사용한다.
본 발명의 중요한 특징은 오스테나이트계 스텐레스강 합금의 탄소중량%를 한정하는 것이다. 합금의 탄소함량이 매우 낮은 수준으로 유지될 때 기존의 배치 어닐링 기술이 활용되어 합금을 어닐링 하도록 필요한 어닐링 온도가 충분히 낮게 유지될수 있다. 게다가, 낮은 탄소함량은 그레인 간의 카바이드가 없고 그레인 간의 부식 민감성이 없이 미세구조가 생성될수 있게 한다. 본 발명에 따르면, T-201L합금의 경우에 배치 어닐링 공정에 의해서 허용 가능한 기계적 성질 및 부식성을 생성하도록 탄소함량은 0.030중량% 미만이어야 한다. T-304L 합금의 경우에 배치 어닐링 공정에 의해 허용 가능한 기계적 성질 및 부식성을 생성하도록 탄소함량은 0.023중량% 미만, 특히 0.015중량% 미만이어야 한다. 탄소함량의 하한선은 용융 기술의 제약에 의해 결정된다.
코일, 특히 경량 게이지 코일의 배치 어닐링에서 마주치는 주요 문제점은 인접한 코일간에 발생된 접착이나 국부적 확산 용접이다. 이러한 접착은 제감기 동안 찢어지거나 코일에 주름이 생길 수 있게 한다. 코일의 접착은 인접한 코일간의 접촉압력, 어닐링온도 및 냉각기간 동안 냉각속도에 의해 크게 영향을 받는다.
본 발명은 코일이 끼워지는 것을 방지할 수 있는 최저의 가능한 수준으로 설정된 코일 감기 장력을 사용한다. 3,000psi정도로 낮은 코일 장력이 테스트되었으며 허용 가능함이 입증되었다. 통상의 코일 감기 장력은 30,000psi정도이다. 감소된 공정온도가 감소된 코일 감기 장력과 조합될 때 특히 양호한 결과(최소의 접착)가 배치 어닐링 공정에서 얻어진다.
낮은 감기 장력에서 코일이 끼이는 것을 방지하기 위해서 스텐레스강이 감기는 맨드릴이 변형된다. 맨드릴의 세로축에 대해 수직이 되도록 맨드릴의 한 단부에 평평한 플레이트가 제공된다. 플레이트는 용접에 의해서 맨드릴 단부에 부착된다. 코일이 감긴 이후에 맨드릴의 세로축이 코일 아래의 평평한 플레이트와 수직이 되도록 맨드릴이 배향된다. 평평한 플레이트 위에 놓이는 코일의 중량은 코일이 끼이는 것을 막아준다.
인접 코일간에 낮은 압축력을 제공하는 낮은 감기 장력이 접착 최소화에 필수적이지만 본 발명의 또다른 중요한 점은 실제 배치 어닐링 싸이클 동안 로에서 인접한 코일에 걸리는 압력을 조절하는 것이다.
목표온도에서 열처리 한 후에 냉각기간이 시작된다. 이러한 냉각단계에서 코일의 외부는 내부보다 더 빨리 냉각하고 더 많이 수축하여 코일내의 계면에 높은 열응력(압력)을 일으킨다. 이것은 국부적 용접 및 접착이 일어날 수 있는 상태를 생성한다.
실험을 통해서 이러한 불가피한 현상이 냉각속도 조절에 의해 최소화될 수 있음이 판명되었다. 목표온도로 부터 1300℉이하의 온도까지 20℉/hr 내지 100℉/hr 의 냉각속도가 접착 방지에 효과적임이 발견되었다. 이 온도 이하에서 접착성에 악영향을 줌이 없이 임의의 속도로 냉각이 진행될 수 있다.
겹치는 면 간의 접착 문제를 극복함에 있어서, 스텐레스강 스트립이 옥수수 전분, 탈크, 마그네시아등과 같은 코일 접합 분리제로 배치 어닐링 이전에 코팅되면 양호한 결과가 얻어진다.
선택되는 오스테나이트계 스텐레스강 합금에 관계없이 카바이드의 용해온도보다 높으며 완전 재결정화 및 적절한 결정성장 속도를 허용토록 충분히 높은 어닐링온도가 선택되어야 한다. 어닐링 온도는 1700℉보다 낮은 배치 어닐링로에서 달성가능한 최대 온도보다 반드시 더 낮다. 재결정화를 위해서 약 1550℉의 최소온도가 필요하다. 적절한 어닐링 온도에 유지시간은 필요한 기계적 성질을 위해 결정성장을 허용하도록 충분히 길어야 한다.
스트립 표면의 명도를 보존하기 위해서 가능한 낮게 유지된 노점을 갖는 100% 수소대기에서 어닐링이 수행되는 것이 좋다. 또한, 코일이 어닐링을 위해 준비될 때 가능한 많은 잔류 압연 오일이 코일 접합면으로 부터 제거되는 것이 좋다.
어닐링 싸이클 동안 낮은 노점을 달성하기 위해서 어닐링 싸이클중 가열부분은 잔류 압연 오일 및 습기의 증발을 허용하기에 충분한 기간의 하나 이상의 등온 유지기간을 포함할 수 있다. 실험과정중에 두 개의 이러한 유지기간이 종종 포함되었다. 예컨대, 제 1 등온 유지기간은 700 내지 750℉ 범위에서 실시되며 제 2 유지기간은 900 내지 950℉ 에서 실시된다. 가열속도 및 유지기간은 노점이 -85℉ 미만으로 유지되도록 선택되어야 한다.
실시예
T-201L 스텐레스강
0.023중량% 탄소함량을 가지는 0.005인치 두께의 T-201L 합금으로 일련의 실험이 수행되었다. 8인치 × 10인치 크기의 쿠폰이 탄소강 상자에 담기고 대기하에서 다양한 가열싸이클을 받는다. 매개변수는 3.5 내지 20 시간의 범위인 목표 어닐링온도까지 가열시간, 1500 내지 1800℉ 인 목표 어닐링온도 및 0 내지 8시간인 어닐링 기간(즉, 제품이 목표 어닐링 온도에서 유지되는 시간)이 있다. 사용된 냉각속도는 시간당 20℉ 내지 시간당 100℉인 당해분야의 배치 어닐링 기술범위에 있다. 강의 온도가 1300℉ 이하로 떨어진다면 냉각속도는 훨씬 더 급해질 수 있다. 이것은 1300℉ 정도의 강 온도에서 가파른 냉각속도가 재료에 열응력을 유도하여 접착을 촉진할 수 있기 때문이다.
실험결과는 0.023중량% 탄소를 갖는 0.004인치 게이지 T-201L 스텐레스강의 경우에 표 1 에 요약된다. 표 1 은 완전한 재결정화, 적절한 결정성장(6 내지 9 의 ASTM 결정크기) 및 충분한 카바이드 용해를 위해 필요한 최소한의 조건을 나타낸다. 이러한 최소한의 조건은 1600 내지 1700℉의 목표온도와 0 내지 8 시간의 어닐링 온도에서 유지시간이다. 더 큰 코일은 12시간 이상의 유지시간을 필요로 한다.
합금이 허용가능한 정도로 내식성이 될 때 이 합금은 허용 가능한 내식성을 가진다고 말해진다. 부식은 결정간 카바이드의 존재로 일어나므로 이 성질은 당해 산업에서 결정간 내식성으로 불린다. 당해 산업은 합금의 내식성을 평가하고 내식성이 허용가능한지 여부를 평가하기 위해서 ASTM A262 실시 A 및 E 라 불리는 표준 테스트를 사용한다. ASTM A262 실시 A 는 스텝(카바이드 침전이 없거나 적은), 듀얼(dual)(중간정도의 카바이드 침전) 또는 디치(ditch)(적어도 일부 결정이 카바이드 침전으로 둘러싸인) 등급을 매긴다. 스텝 또는 듀얼 등급은 허용 가능하지만 디치 등급은 허용불가능이다. ASTM A262 실시 E 는 패스(허용가능) 또는 불량(허용불능) 등급을 매긴다.
ASTM A262 실시 A 및 E 테스트에 추가적으로 결정간 카바이드 침전의 등급이 표 1, 표 3 및 표 4 에 제시된다. 중간 등급은 허용 가능한 결정간 카바이드 침전의 양이라고 간주된다. 다양한 등급의 카바이드 침전에 적용 가능한 일반적인 정의는 다음과 같다 :
침전물 없음 : ASTM A262 실시 A 에 의해 지정된 대로 스텝구조를 나타낸다. 카바이드 침전이 없으며 결정 경계에 카바이드가 없다.
트레이스 : ASTM A262 실시 A 에 따르면 듀얼 구조를 나타낸다. 결정 경계에 10 내지 20%의 카바이드 침전이 있다(각 결정을 카바이드가 둘서 싸지는 않는다).
라이트 : ASTM A262 실시 A 에 따르면 듀얼 구조를 나타낸다. 결정경계에 20 내지 40%의 카바이드 침전이 있다(각 결정을 카바이드가 둘서 싸지는 않는다).
중간 : ASTM A262 실시 A 에 따르면 듀얼 구조이다. 결정 경계에서 카바이드가 침전되며 디치가 결정 경계 길이 상에 50% 미만으로 발생한다(디치가 각 결정을 둘서싸지는 않는다).
헤비(heavy) : ASTM A262 실시 A 에 따르면 디치 구조를 나타낸다. 결정 경계에 카바이드가 침전되며 디치가 전부는 아니지만 일부 둘레를 에워싼다.
베리 헤비 : ASTM A262 실시예에 따르면 디치구조이다. 결정 경계에 카바이드가 침전되며 헤비디치가 결정의 전부를 에워싼다.
실험중 일부 시편에서 글로벌 카바이드가 탐지되었다. 글러벌 카바이드는 열간 가공에서 나온 비용해된 작은 찌꺼기이다. 이러한 글로벌 카바이드는 결정 경계에서 결정내 카바이드로서 나타난다. 결정내 카바이드(intra-granular carbides)는 특정 시편에 대한 카바이드 침전의 허용여부를 평가할 때 카바이드 침전 등급에 영향을 주지 않는다.
목표온도, ℉ 유지시간, hr ASTM 결정크기 카바이드 침전
15001500165016501650165017001700170017001800 40480480401 10+-106.5 - 7.57.0 - 9.010+8.58.58.5 - 9.07.5 - 8.57.0 - 8.06.0 - 8.5 중간라이트트레이스라이트트레이스라이트라이트트레이스트레이스침전물 없음침전물 없음
T-201L 합금에 대해 밀 실험이 수행되었다. 작은 0.005인치 × 11인치 × 200파운드의 T-201L 코일이 배치 어닐링 되는데, 코일 감기 장력, 어닐링 대기의 노점 및 어니링 싸이클에서 냉각속도는 1600℉에서 6시간 어닐링 시간으로 수행된 여러 어닐링 단계를 통해 변한다. 전형적인 배치 어닐링 싸이클이 도 1 에 도시된다. 이러한 실험으로 부터 감기는 코일의 장력은 코일 접합면의 접착성에 큰 상관이 있으며 어닐링 대기의 노점은 접착성에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한, 냉각속도가 중요하며 코일 접합면 간의 접착을 최소화 하는데 느린 냉각속도가 더 좋다는 것을 알 수 있었다. 시간당 100℉ 미만의 냉각속도가 선호되며 시간당 50℉ 미만의 냉각속도가 가장 선호된다.
이후에 제품크기의 코일에 대해 어닐링 실험이 수행되었다. 0.005인치 × 24인치 × 최대 10,000파운드의 T-201L 코일이 어닐링된다. 저함량, 즉 0.020 내지 0.030중량%의 탄소함량이 선택되고 어닐링이 6시간 유지 기간으로 1680℉에서 수행되고 어닐링 이후에 시간당 50℉ 이하의 냉각속도로 냉각된다. 코일을 감는 장력은 3,000 내지 4,100psi 이다. 표 2 에는 이러한 코일의 기계적 성질이 종래의 방식으로 어닐링된 제품과 유사하다는 것을 보여준다.
어닐링 종류 1,700 lb 코일배치 어닐링 6,700 lb 코일배치 어닐링 10,000 lb 코일배치 어닐링 라인 어닐링
게이지 0.005 0.005 0.005 0.005
코일 갯수 1 1 1 421
평균 시그마 평균 시그마 평균 시그마 평균 시그마
항부강도, ksi 53.1 1.04 57.5 0.92 55.9 1.10 53.1 2.89
인장강도, ksi 122.1 1.48 123.7 1.84 125.3 1.68 126.0 4.36
신장율 % 63.4 1.47 59.3 1.44 60.3 1.83 56.4 5.96
T-304L 스텐레스강
유사한 실험이 0.023 내지 0.028중량%의 탄소함량을 가지는 0.003인치 게이지 T-304L 합금에 대해 수행되었다. 열처리 변수는 T-201L 합금 실험에 사용된 변수와 유사하다. 특히, 목표온도는 1680 내지 1800℉이고 목표온도에서 어닐링 시간은 0, 6, 또는 12 시간이다. 실험 결과는 표 3 에 나타난다. 표 3 에서, 결정 경계에서 카바이드 침전이 많은 양의 결정간 카바이드를 가지는 모든 샘플에서 발전되었고, 이들 샘플은 부식성 테스트에서 실패한다(ASTM A262 실시 A 및 E). 이것은 탄소함량이 이러한 재료의 경우에 너무 높다는 것을 나타낸다.
목표온도℉ 유지시간hr 냉각속도 ASTM결정크기 카바이드침전 ASTM A262
실시A 실시E
168016801680168018001800 0661266 56F/hr56F/hr100F/hr50F/hr100F/hr50F/hr 95 - 10.08.08.57.57.0 - 7.57.0 심함심함심함심함심함심함 디치디치디치디치디치디치 불량불량불량불량불량불량
다음에 매우 낮은 탄소함량(즉, 0.010 내지 0.015중량%)을 가지는 0.015인치 게이지 T-304L 합금이 실험되었다. 목표 어닐링 온도는 1500내지 1800℉이다. 목표 어닐링 온도에서 어닐링 시간은 0 내지 12 시간이다. 냉각속도는 시간당 56℉이다. 표 4 에서 알 수 있듯이 이들 샘플은 1 시간동안 1250℉에서 처리 후에 조차도 ASTM A262 실시 A 및 E 내식성 테스트를 통과하였다.
목표온도℉ 유지시간hr 냉각온도 ASTM결정크기 카바이드침전 ASTM A262 기계적 성질
실시A 실시E 항복강도ksi 인장강도ksi 신장율%
16801800155016001600165015501600 6666001212 56F/hr56F/hr56F/hr56F/hr56F/hr56F/hr56F/hr56F/hr 5.0 -8.04.5 -6.098.59.598.5 -9.08.5 -9.0 침전물없음침전물없음중간침전물없음중간트레이스중간침전물없음 스텝스텝듀얼스텝듀얼듀얼듀얼스텝 통과통과통과통과통과통과통과통과 34.331.841.139.142.639.540.138.0 86.685.496.092.397.193.895.692.2 63.365.050.352.848.349.848.549.8
0.010 내지 0.015중량% 탄소함량을 가지며 0.004인치 × 24인치 × 400파운드의 T-304L 코일에 대해 본 실험이 수행되었다. 코일은 6시간동안 1560℉ 에서 어닐링되었으며 냉각속도는 시간당 50℉이하였다. 코일을 감는 최대장력은 3,700psi이었다. 표 5 는 종래의 방식으로 제조된 제품과 유사한 코일의 기계적 성질을 보여준다.
어닐링 종류 4,000 LB 코일배치 어닐링 라인 어닐링 라인 어닐링
게이지 0.004 0.004 0.015
코일갯수 1 2 150
평균 시그마 평균 시그마 평균 시그마
항복강도, ksi인장강도, ksi신장율% 35.089.048.7 1.01.02.5 38.092.057.0 1.411.411.41 36.390.658.4 2.702.762.82
필요한 기계적 성질을 위해 요구되는 재결정화 및 적절한 결정성장을 위해 냉간 압연된 재료는 합금의 카바이드 용해온도 이상으로 가열되고 카바이드가 용해하기에 충분한 시간동안 동일 온도에서 유지되어야 한다. 카바이는 용해는 새로 재결정된 결정을 언피닝(unpinning) 하여서 필요한 크기까지 일정한 속도로 성장 시키는데 필요하다.
오스테나이트계 스텐레스강 합금에서 탄소함량이 낮을수록 더 낮은 온도에서 재결정화 및 결정성장이 가능하다. 또한, 탄소함량이 낮을수록 가열동안 카바이드 형성이 더 적으므로 이를 용해 시키는데 더 짧은 시간이 제공된다. 더 낮은 탄소함량은 배치 어닐링 공정에서 고유한 느린 냉각 기간동안 결정 경계에서 카바이드 침전을 방지하는데 필수적이다.
특히 합금에서 탄소함량이 충분히 낮을 경우에 기존의 배치 어닐링 기술이 상업적 제조에 채택될 수 있다. 적절한 어닐링 싸이클 및 다른 변수를 사용하여 결정간 카바이드가 없는 미소 구조가 생성되며 결정간 부식 민감성이 없으며 허용 가능한 기계적 성질을 가진다.
테스트된 특정 합금의 경우에 0.02 내지 0.03중량%의 탄소함량을 가지는 T-201L 합금을 어닐링 하는데 최소한 필요한 것은 합금을 0시간동안 1650℉의 어닐링 온도에 유지시키는 것이다(냉간 스포트의 온도가 목적 어닐링 온도에 도달할 때 온도는 즉시 냉각 싸이클로 강하된다). T-304L 합금의 경우에, 0.01 내지 0.015중량%의 탄소함량은 6시간동안 1550℉의 온도를 필요로 한다. 따라서, T-201L 합금의 경우에 탄소함량은 0.03중량% 미만이어야 하지만 T-304L 합금의 경우에 탄소함량은 0.015중량%미만이어야 한다.
실시예는 T-201L 과 T-304L 합금의 경우에 제공되었지만 다른 합금이 본 발명에 따라 어닐링 될 수 있다. 사실상 본 발명의 방법은 재결정화와 결정 성장이 배치 어닐링로의 최대 온도 한계에서 적절하도록 화학이 선택된 임의의 오스테나이트계 스텐레스강에 적용될 수 있다. 어닐링 변수는 냉각동안 합금의 부식성 또는 기계적 성질을 허용할 수 없게 하는 정도까지 카바이드 침전이 일어나지 않도록 선택되어야 한다.

Claims (21)

  1. 선택된 중량%의 탄소를 포함하도록 오스테나이트계 스텐레스강의 조성을 선택하고 선택된 어닐링 기간동안 배치 어닐링로 온도에서 상기 오스테나이트계 스텐레스강을 가열하는 단계를 포함하는 오스테나이트계 스텐레스강을 어닐링하는 방법에 있어서,
    상기 선택된 중량%의 탄소가 충분히 낮아서 상기 오스테나이트계 스텐레스강의 재결정화, 적절한 결정성장 및 허용 가능한 내식성이 상기 어닐링 기간동안 상기 어닐링 온도에서 달성됨을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 어닐링 온도가 1700℉ 미만임을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스텐레스강이 T-201L 스텐레스강임을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 탄소의 선택된 중량%가 0.030중량% 미만임을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 어닐링 온도가 1600 내지 1700℉ 임을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 어닐링 시간이 0 내지 12시간임을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스텐레스강이 상기 선택된 어닐링 시간동안 상기 어닐링 온도에서 가열된 이후에 시간당 100℉ 미만의 냉각속도로 상기 오스테나이트계 스텐레스강을 냉각하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스텐레스강을 감고 상기 배치 어닐링 단계 이전에 상기 감긴 스텐레스강에 30,000psi 미만의 감는 장력을 적용하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 감기 장력이 3,000 내지 15,000psi 임을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 4 항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스텐레스강이 20 밀리 미만의 게이지를 가짐을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스텐레스강을 감고 상기 배치 어닐링 단계 이전에 상기 감긴 스텐레스강에 30,000psi 미만의 감기 장력을 적용하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 감기 장력이 3,000 내지 15,000psi 임을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스텐레스강이 T-304L 스텐레스강 임을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 탄소의 선택된 중량%가 0.023중량% 미만임을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 탄소의 선택된 중량%가 0.015중량% 미만임을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스텐레스강이 20밀리 미만의 게이지를 가짐을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 14 항에 있어서, 상기 어닐링 온도가 1550 내지 1700℉ 임을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 어닐링 시간이 0 내지 12시간임을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스텐레스강이 상기 선택된 어닐링 시간동안 상기 어닐링 온도에서 가열된 이후에 시간당 100℉ 미만의 냉각속도로 상기 오스테나이트계 스텐레스강을 냉각하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  20. 제 13 항에 있어서, 상기 오스테나이트계 스텐레스강을 감고 상기 배치 어닐링 단계 이전에 상기 감긴 스텐레스강에 30,000psi 미만의 감기 장력을 적용하는 단계를 더욱 포함하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 감기 장력이 3,000 내지 15,000psi 임을 특징으로 하는 방법.
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