KR19990051476A - 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법 - Google Patents

저경도 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오토바이 디스크 브레이크 등에 이용되는 마르텐사이트계 스테인레스강에 관한 것이며; 그 목적은 소입경도에 미치는 합금원소 각각의 영향을 종합적으로 검토하여 합금성분을 상호 조정함으로써 적정의 경도를 후처리 없이 소입에 의해 확보할 수 있는 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C:0.02-0.06%, Si:1.0%이하, Mn:1.0%이하, P:0.04%이하 S:0.03%이하, Ni:0.6%이하, Cr:11.0-14.5%, Cu:0.50%이하, N:0.07%이하를 함유하고, H=67C-0.05Si + 2.5Mn + 3.6Ni - 3.2Cr + 1.7Cu +151N +63.9(중량%)로 정의되는 H가 30-40범위를 만족하고, 나머지 Fe와 기타불가피한 불순물로 조성되며, 그 조직이 마르텐사이트 조직으로 이루어지는 저경도 마르텐사이트계 스테인레스 강에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

저경도 마르텐사이트계 스테인레스 강 및 그 제조방법
본 발명은 오토바이 디스크 브레이크 등에 이용되는 마르텐사이트계 스테인레스강에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 소입경도에 미치는 합금원소 각각의 영향을 종합적으로 검토하여 합금성분을 상호 조정함으로써 후처리 없이 적정 소입경도를 확보할 수 있는 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
경도가 30-40(HRC) 정도를 가지는 마르텐사이트계 스테인레스강 소재가 요구되는 대표적인 용도는 오토바이용 디스크 브레이크 부품이다.
오토바이용 디스크 브레이크는 전체가 하나로 성형되는 경우도 있고, 회전축에 연결되는 허브(hub)부와 제동시 제동장치에 의해 마찰되어지는 림(rim)부가 각각 성형되어 리벳등으로 조립되는 경우도 있다. 각 부분에 요구되는 특성으로는, 림(rim)부에는 내식성, 내마모성 및 인성이 있으며, 허브(hub)부에는 내식성 및 인성이 있다.
림(rim)부에 요구되는 내마모성은 사용기간 중의 안정적인 성능 보장 및 제작시의 바이트의 수명 및 절삭성을 고려하여 HRC로 30-40의 범위를 안정적으로 확보할 필요가 있다. 경도가 이 범위보다 높으면 미끄러짐이 발생되기 쉬우며 떨리는 소리가 생기기 쉽게 된다. 또한, 일반적으로 경도가 높아질수록 인성이 저하되므로, 충격에 의한 디스크의 파손 위험성이 없는 인성확보를 위하여 경도에 상한을 설정하고 있다. 경도가 낮으면 내마모성이 저하되는 경향이 있으므로 디스크의 수명과 관련하여 경도의 하한치를 설정한다.
내식성은 미려한 외관의 확보 뿐 아니라 한냉지에서 동절기에 살포되는 동결방지용 염류 등에 의한 부식으로 인한 사고 방지를 위해 필요하며, 인성은 제동시나 전도시 충격에 의해 파손되지 않기 위해 필요한 특성이다.
림(Rim)부에 필요한 내마모성을 확보하기 위하여 이 부분만 소입열처리를 실시하여 HRC로 30-40범위의 경도를 안정적으로 확보하는 것이 필요하다.
종래, 오토바이용 디스크 브레이크에 적용되는 강으로는 SUS420J2나 16Cr-0.3C계 스텐레스강 같은 고탄소 마르텐사이트계 스텐레스강이 있다. 그런데, 이 강들은 소입에 의해 생성되는 마르텐사이트 상의 경도가 매우 높기 때문에 마르텐사이트와 페라이트의 이상조직으로 목표경도를 확보하기 위해서 소입 열처리 온도범위를 엄격하게 관리하여야 하는 어려움이 있다. 그리고, 무엇보다 큰 문제는 소입 열처리 후에 후속의 열처리(소려)가 필요한 등의 조업상의 어려움이나, 추가 공정의 필요성이 있으며, 이에 따른 내식성의 저하 및 변형의 발생 등의 단점이 있다.
이에 본 발명자는 소려열처리 없이 소입열처리만으로도 목표경도를 확보할 수 있는 저경도 마르텐사이트계 스텐레스강을 제조하기 위해 다각도로 연구한 결과, 합금성분별로 경도에 미치는 영향을 조사하여 본 발명을 제안하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은 소입열처리만으로도 HRC 30-40의 목표경도를 확보할 수 있는 저경도 마르텐사이트계 스텐레스강 및 그 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
도 1은 강종별 소입경도의 실측치와 계산치를 비교한 그래프이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강은, 중량%로, C:0.02-0.06%, Si:1.0%이하, Mn:1.0%이하, P:0.04%이하 S:0.03%이하, Ni:0.6%이하, Cr:11.0-14.5%, Cu:0.50%이하, N:0.07%이하를 함유하고, H=67C-0.05Si + 2.5Mn + 3.6Ni - 3.2Cr + 1.7Cu +151N +63.9(중량%)로 정의되는 H가 30-40범위를 만족하고, 나머지 Fe와 기타불가피한 불순물로 조성되며, 그 조직이 마르텐사이트 조직인 것을 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 저경도 마르텐사이트계 스테인레스 강의 제조방법은, 중량%로, C:0.02-0.06%, Si:1.0%이하, Mn:1.0%이하, P:0.04%이하 S:0.03%이하, Ni:0.6%이하, Cr:11.0-14.5%, Cu:0.50%이하, N:0.07%이하를 함유하고, H=67C-0.05Si + 2.5Mn + 3.6Ni - 3.2Cr + 1.7Cu +151N +63.9(중량%)로 정의되는 H가 30-40범위를 만족하고, 나머지 Fe와 기타불가피한 불순물로 조성되는 슬라브를 열간압연하고 열연판 소둔한 다음, 850℃이상의 온도로 가열한 후 -5℃/sec이하의 속도로 냉각하는 것을 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 소입경도에 미치는 합금원소 각각의 영향을 종합적으로 검토하여 합금성분을 상호 조정함으로써, 소입처리만으로 HRC 30-40의 목표경도를 얻을 수 있도록 하는데, 그 특징이 있다.
이를 위해 본 발명자는 합금성분 변화에 따른 소입경도의 변화를 여러종류의 용해 강종으로 부터 중회기 분석한 결과, 경도와 합금성분 사이에 다음의 (1)식과 같은 관계가 있음을 알아냈다.
[관계식 1]
H = 67C - 0.05Si + 2.5Mn + 3.6Ni - 3.2Cr + 1.7Cu + 151N + 63.9 (중량%)
따라서, 이 식으로 계산한 값이 30 내지 40의 범위에 들도록 합금성분을 조정하면 목표 경도인 HRC로 30-40의 범위를 확보할 수 있게 된다.
상기 관계식(1)를 만족하면서, 기본적인 함유되어야 하는 강성분은 C, Si Mn, P, S, Ni, C, Cu, N가 있으며, 이들 강성분의 한정이유를 설명하면 다음과 같다.
C는 소입 열처리시 경도 확보에 중요한 원소로 마르텐사이트량을 증가시키는 Mn, Ni, Cu, N와의 관계에 있어 목표로 하는 H값을 확보하기 위하여 0.02%을 하한으로 하며, 크롬탄화물의 석출에 의해 내식성을 해칠수 있으므로 0.06%를 상한으로 설정한다.
Si는 소입 열처리시 마르텐사이트상의 생성량을 줄이는 동시에 마르텐사이트상을 고용강화하며 제강시의 탈산제나 주조시의 유동성을 향상시키는데 좋은 원소로 통상 첨가 가능한 범위인 1.0%를 상한으로 한다.
Mn은 오스테나이트 영역을 넓게 하여 소입온도 범위를 저온측까지 확장시켜주는 원소이나 과량 첨가되면 내식성이 저하되므로 다른 Fe-Cr계 스텐레스강과의 연속작업성을 고려하여 마르텐사이트계 스텐레스강에서의 통상의 첨가 상한인 1.0%이하로 한정한다.
P은 인성의 관점에서 가능한 한 낮게 관리하는 것이 좋으나 특별한 제조법을 사용하여 P을 대단히 낮추는 것은 비용이 많이 들므로 통상의 제조법에 의해 얻어지는 실적을 고려하여 특별한 지장을 초래하지 않는 0.04%이하로 한정한다.
S 는 비금속개재물(MnS)에 의해 내식성 및 표면품질을 저하하기 때문에 가능한 한 낮게 관리하는 것이 좋으나 특별한 제조법을 사용하여 S를 대단히 낮추는 것은 비용이 많이 들므로 통상의 제조법에 의해 얻어지는 실적을 고려하여 특별한 지장을 초래하지 않는 0.03% 이하로 한정한다.
Ni은 Mn과 같이 H값 증가 및 소입온도 영역 확대에 유효한 원소로 단위 중량당의 효과가 Mn 보다 높으나 Ni은 Mn보다 고가이어서 필요 이상으로 첨가하는 것은 비용이 상승하게 되므로 스크랩에 의해서 첨가되는 통상의 최대 범위인 0.6%를 상한으로 설정한다.
Cr은 내식성을 확보하기 위하여 11.0%이상이 필요하며 Cr함량이 높을수록 내식성은 향상되나 Cr의 량을 증가시키는 비용이 필요하며 Cr은 페라이트 안정화 원소로 H값을 확보하기 위하여 Cr 이 증가되는데 따라서 Mn, Ni, Cu, C, N등이 증가 조정되어야 하므로 다른 성분원소와의 균형을 위해서 상한을 14.5%로 한다.
Cu는 H값 증가 및 소입온도 영역확대에 어느정도 효과가 있으며, 그 효과는 단위 중량당 Mn과 비슷하나 가격이 Mn 보다 비싸기 때문에, 특별히 첨가할 필요없이 스크랩에 의해 함유되는 양이면 된다. 그러나, 연속적인 제강공정을 고려하여 0.5%로 한정한다.
N는 H값 증가 및 소입온도 영역 확대에 유효한 원소이나, C와 같이 마르텐사이트의 강도를 높이므로 필요 이상 함유하면 소입시 경도 변화가 크게 된다. 또한 Cr2N을 석출시키므로 고용 Cr량을 저하시켜 소재의 내식성을 떨어뜨리므로 N의 상한을
0.07%로 한다.
이하, 본 발명의 제조조건에 대하여 상세히 설명한다.
상기와 같은 조성을 가지며, 상기 관계식에 제시된 H값을 만족하는 슬라브를 통상의 방법대로 열간압연하여 열연판을 얻고, 이어 열연판을 소둔한 다음 소입하는데, 이때의 소입조건은 강조직이 마르텐사이트 조직이 되도록 하여야 한다.
구체적인 소입조건은 열연판을 850℃이상의 온도로 가열한 후 -5℃/sec이하의 속도로 냉각하는 것이다. 그 이유는 소입온도가 850℃미만의 경우 마르텐사이트가 형성되지 않기 때문이다. 그리고, 냉각속도가 -5℃/sec 보다 늦는 경우 페라이트가 형성되어 마르텐사이트 조직을 얻을 수 없기 때문이다.
이와 같이 본 발명에 따라 소입하면 소려처리 없이 30-40(HRC)의 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강을 얻을 수 있다. 그리고, 본 발명에 의해 제공되는 강은 오토바이용 디스크 브레이크에 적용될 수 있는 최적의 소재이나, 본 발명은 이에 국한되지 않으며, 30-40(HRC)의 저경도로 마르텐사이트계 스테인레스강의 특성이 요구되는 소재면 그 적용이 가능하다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.
아래 표 1과 같은 12종의 실험 합금을 30Kg 진공유도용해로에서 용해, 열간압연하여 열간압연판을 만들었다.
단위 : 중량%
C N Si Mn Cr Ni Cu S HRC H
발명강 1 0.040 0.021 0.29 0.57 12.0 0.31 tr 0.002 34.3 34.0
2 0.039 0.028 0.29 1.19 12.1 0.31 tr 0.002 35.5 36.2
3 0.039 0.061 0.30 0.60 12.0 0.30 tr 0.002 39.4 39.8
4 0.038 0.032 0.29 0.60 12.0 0.29 0.36 0.002 35.5 36.0
5 0.038 0.031 0.30 0.60 12.0 0.71 tr 0.002 36.7 36.9
6 0.039 0.031 0.29 0.61 12.0 0.30 tr 0.002 35.0 35.4
7 0.037 0.027 0.30 0.60 12.0 0.30 tr 0.002 34.2 34.7
8 0.040 0.024 0.16 0.61 11.9 0.29 tr 0.002 35.4 34.7
9 0.037 0.026 0.16 0.61 11.9 0.29 tr 0.002 35.4 34.5
비교강 10 0.076 0.031 0.29 0.61 12.1 0.30 0.002 40.8 37.8
11 0.283 0.025 0.29 0.60 12.9 0.29 0.002 46.9 47.9
12 0.286 0.025 0.30 0.59 15.9 0.30 0.002 41.9 38.6
*HRC : 측정치, H : 계산치, tr:강중 미량존재
상기 표 1과 같은 성분계로 된 열연판을 750℃에서 2시간 소둔하고, 이어 산세하여 판두께 5.0mm의 판재를 만들었다. 이 산세한 열연판의 소입열처리조건은 800-1200℃범위에서 100℃간격으로 각각 30초, 60초, 120초 유지 후 급속 냉각하여 경도를 측정하여 소입열처리 범위를 측정하여 도출하였으며, 그 결과 850℃이상의 온도에서 목표경도를 확보할 수 있었으나, 보다 바람직하게는 950℃의 온도가 가장 경제적으로 저경도의 마르텐사이트조직을 얻을 수 있었다. 이 결과를 바탕으로 실제 생산공정을 모사하여 950℃에서 45초 유지후 강제공냉의 급속 냉각조건으로 냉각하고, 경도를 측정하여 각각의 합금성분이 경도에 미치는 영향을 다중회귀분석하여 0.9877의 R2를 갖는 다음과 같은 경도와 합금성분과의 상관관계를 나타내는 실험식을 도출하였다.
H = 67C - 0.05Si + 2.5Mn + 3.6Ni - 3.2Cr + 1.7Cu + 151N + 63.9(중량%)
실험합금들에 대하여 윗 식으로 계산한 경도치와 실측치를 도 1에서 비교하였다.
도 1에서 나타난 바와 같이, HRC 30-40범위에서 계산치들은 실측치와 잘 일치하고 있으므로 계산식에서 목표 범위인 30-40이 되도록 합금성분을 상호 조절하는 방법으로 최종제품의 요구특성을 만족하는 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강의 성분을 용이하게 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 소입 열처리 후에 후속의 소려처리 없이 저경도의 마르텐사이트계 스테인레스강을 얻을 수 있다. 따라서, 종래 소려처리에 따른 내식성의 저하 및 변형의 발생을 해소할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 마르텐사이트계 스테인레스강에 있어서,
    중량%로, C:0.02-0.06%, Si:1.0%이하, Mn:1.0%이하, P:0.04%이하 S:0.03%이하, Ni:0.6%이하, Cr:11.0-14.5%, Cu:0.50%이하, N:0.07%이하를 함유하고, H=67C-0.05Si + 2.5Mn + 3.6Ni - 3.2Cr + 1.7Cu +151N +63.9(중량%)로 정의되는 H가 30-40범위를 만족하고, 나머지 Fe와 기타불가피한 불순물로 조성되며, 그 조직이 마르텐사이트 조직임을 특징으로 하는 저경도 마르텐사이트계 스테인레스 강.
  2. 마르텐사이트계 스테인레스 강의 제조방법에 있어서,
    중량%로, C:0.02-0.06%, Si:1.0%이하, Mn:1.0%이하, P:0.04%이하 S:0.03%이하, Ni:0.6%이하, Cr:11.0-14.5%, Cu:0.50%이하, N:0.07%이하를 함유하고, H=67C-0.05Si + 2.5Mn + 3.6Ni - 3.2Cr + 1.7Cu +151N +63.9(중량%)로 정의되는 H가 30-40범위를 만족하고, 나머지 Fe와 기타불가피한 불순물로 조성되는 슬라브를 열간압연하고 열연판 소둔한 다음, 850℃이상의 온도로 가열한 후 -5℃/sec이하의 속도로 냉각함을 특징으로 하는 저경도 마르텐사이트계 스테인레스 열연강판의 제조방법.
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