KR20020029408A

KR20020029408A - 강자성체용 페라이트계 스테인리스강

Info

Publication number: KR20020029408A
Application number: KR1020027003223A
Authority: KR
Inventors: 에띠엔느아베뜨; 부르겡크리스토프; 뽈레베노이; 라몽따나라쟝
Original assignee: 추후제출; 위진느-사부와 엥피
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2002-04-18
Also published as: CN1202275C; AU7263501A; US6821358B2; EP1299569A1; ZA200201897B; US20050279425A1; MXPA02002629A; US20020129873A1; EP1299569B1; FR2811683B1; DE60103899D1; ATE269426T1; BR0106950A; WO2002004689A1; JP2004502867A; CA2384754A1; FR2811683A1; DE60103899T2; CN1386144A

Abstract

본 발명은 하기의 중량 조성을 가지는 페라이트계 스테인리스강에 관한 것이다: 0% < C ≤0.030%, 1% ≤Si ≤3%, 0% < Mn ≤0.5%, 10% ≤Cr ≤13%, 0% < Ni ≤0.5%, 0% < Mo ≤3%, N ≤0.030%, Cu ≤0.5%, Ti ≤0.5%, Nb ≤1%, Ca ≥1 ×10^-4%, O ≥10 ×10^-4%, S ≤0.030%, P ≤0.030%, 나머지는 철과 강의 제조시 불가피한 불순물임.

Description

강자성체용 페라이트계 스테인리스강 {FERRITIC STAINLESS STEEL FOR FERROMAGNETIC PARTS}

페라이트계 스테인리스강은 주어진 조성물을 특징으로 하며, 이 조성물을 열간 압연하고 냉각한 후 어닐링 열처리로 페라이트 조직을 형성시킨다.

크롬 및 탄소 함량에 따라 한정되는 페라이트계 스테인리스강의 주요 분류 중에는, 다음과 같은 것이 있다.

- 0.17 %까지 탄소를 함유할 수 있는 페라이트계 스테인리스강. 냉각 후 생산되는 이들 강은 오스테나이트-페라이트의 2상 조직을 가진다. 그러나 이들은 상대적으로 높은 탄소 함량에도 불구하고 어닐링 처리 후 페라이트계 스테인리스강으로 변태될 수도 있다.

- 11 또는 12% 정도의 크롬 함량을 가진 페라이트계 스테인리스강. 12%의 크롬을 함유한 마르텐사이트계 강에 매우 가깝지만, 이들의 탄소 함량은 상대적으로 낮아서 차이점이 있다.

스테인리스강의 열간 압연동안, 강의 조직은 페라이트와 오스테나이트의 2상이 될 수 있다. 예를 들어, 냉각 속도가 빠르다면, 최종 조직은 페라이트와 마르텐사이트가 된다. 냉각 속도가 느려지면, 오스테나이트는 부분적으로 페라이트와 탄화물로 분해되지만 주위의 매트릭스보다 높은 탄화물 함량 때문에, 오스테나이트는 페라이트보다 용융된 탄소를 더 많이 가진다. 양쪽 모두의 경우에서, 완전한 페라이트계 조직을 만들기 위해서는, 고온 압연되고 냉각된 강에 템퍼링 또는 어닐링 처리를 실시해야 한다. 탄화물의 석출까지 상승하는 Ac1 α→γ 천이 온도보다 약 820℃ 낮은 온도에서 템퍼링 처리를 실시할 수 있다.

자성을 이용하는 용도로 의도된 페라이트계 강의 분야에서, 페라이트계 조직은 탄화물 함량을 한정하여 얻는다. 이러한 이유 때문에, 이 분야에서 개발된 페라이트계 스테인리스강은 0.02% 이하의 탄소 함량을 가진다.

내부식성 페라이트계 강의 보자력을 감소시킬 수 있는 상기 강의 제조방법에 대하여 기재한 미국 특허 제5,769,974호에서와 같이, 이들의 자성을 이용할 수 있는 강은 공지되어 있다. 이 방법에서 사용된 강은 재황화처리된(resulphurated) 형태의 강이다. 황은 냉간 변형 특성을 저하시킨다. 따라서 이 방법으로 얻어진 강은 냉간 단조 부품의 생산에 사용하기 어렵다.

미국 특허 제5,091,024호는 또한 탄소와 실리콘을 각각 0.03 및 0.5% 미만으로 적게 함유한 필수 조성의 합금으로 이루어진 내부식성 자성 부재를 제공한다. 그러나 자성 측면에서는 원료의 비저항을 높이고 와전류(eddy currents)를 감소시키기 위하여 강이 다량의 실리콘을 함유하는 것이 중요하다.

본 발명은 강자성체로 사용할 수 있는 페라이트계 스테인리스강에 관한 것이다.

도 1은 석회의 알루미노실리케이트의 개재물의 일반적 조성을 나타내는 3원 상태도를 나타내는 도면이다.

본 발명의 목적은 스테인리스강에, 강한 자성 특성을 지닌 자성체용으로 사용할 수 있는 페라이트 조직을 형성하고, 냉간 단조 시 우수한 사용 특성 및 우수한 절삭 특성(machinability)을 형성하고자 하는 것이다.

본 발명의 목적은 강자성체에 사용가능한 페라이트계 스테인리스강을 제공하고자 하는 것으로, 하기의 중량 조성을 가지는 것을 특징으로 한다:

0% < C ≤0.030%

1% ≤Si ≤3%

0% < Mn ≤0.5%

10% ≤Cr ≤13%

0% < Ni ≤0.5%

0% < Mo ≤3%

N ≤0.030%

Cu ≤0.5%

Ti ≤0.5%

Nb ≤1%

Ca ≥1 ×10^-4%

O ≥10 ×10^-4%

S ≤0.030%

P ≤0.030%

나머지는 철과 강의 제조 시에 불가피한 불순물임.

본 발명의 다른 특징은

- 중량 조성 중 칼슘과 산소는

Ca > 30 ×10^-4%

O > 70 ×10^-4%이고,

- 칼슘과 산소의 함량비 Ca/O는

0.2 ≤Ca/O ≤0.6이고,

- 강은 아노타이트(anorthite) 및/또는 의사-윌라스토나이트(pseudo-wallastonite) 및/또는 게레나이트(gehlenite) 형태의 석회 실리코-알루미네이트의 개재물(inclusion)을 함유하고,

- 강은 하기의 중량 조성을 포함하는 것이 바람직하다:

0% < C ≤0.015%

1% ≤Si ≤3%

0% ≤Mn ≤0.4%

10% ≤Cr ≤13%

0% < Ni ≤0.2%

0.2% ≤Mo ≤2%

N ≤0.015%

Cu ≤0.2%

Ti ≤0.2%

Nb ≤1%

Ca ≥30 ×10^-4%

O ≥70 ×10^-4%

S ≤0.003%

P ≤0.030%

나머지는 철과 강의 제조 시에 불가피한 불순물임.

- 또한, 강은 하기의 중량 조성을 포함하는 것이 바람직하다:

0% < C ≤0.015%

1% ≤Si ≤3%

0% ≤Mn ≤0.4%

10% ≤Cr ≤13%

0% < Ni ≤0.2%

0.2% ≤Mo ≤2%

N ≤0.015%

Cu ≤0.2%

Ti ≤0.2%

Nb ≤1%

Ca ≥30 ×10^_4%

O ≥70 ×10^-4%

0.015 ≤S ≤0.03%

P ≤0.030%

나머지는 철과 강의 제조 시에 불가피한 불순물임.

본 발명은 또한 상기 중량의 조성물을 열간 압연하고 냉각한 후 어닐링 열 처리하여 인발 또는 인장 성형으로 단면을 변형하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 강의 제조방법에 관한 것이다.

이후 인발 또는 인장 성형된 강에 부품의 자성을 개선하기 위하여 추가로 재결정화 어닐링을 실시할 수 있다.

제한되지 않은 예시적인 방법으로 다음의 설명 및 도면을 제공하므로, 본 발명을 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 하기의 일반 조성을 지닌 강에 관한 것이다:

0% < C ≤0.030%

1% ≤Si ≤3%

0% < Mn ≤0.5%

10% ≤Cr ≤13%

0% < Ni ≤0.5%

0% < Mo ≤3%

N ≤0.030%

Cu ≤0.5%

Ti ≤0.5%

Nb ≤1%

Ca ≥1 ×10^-4%

O ≥10 ×10^-4%

S ≤0.030%

P ≤0.030%

나머지는 철과 강의 제조 시에 불가피한 불순물임.

야금학의 관점에서, 강의 조성 중에 함유된 특정 원소는 체심 입방 조직을 가진 페라이트계 상의 생성을 촉진한다. 이들 원소는 알파겐(alphagene)으로 알려져 있다. 이들 중에서 주목할만한 것으로 크롬과 몰리브덴이 있다. 감마겐(gammagene)으로 알려진 다른 원소는 면심 입방 조직을 가진 γ-오스테나이트계 상의 생성을 촉진한다. 이들 원소 중에는 탄소와 질소 외에도 니켈이 있다. 따라서, 이들 원소의 비율을 감소시키는 것이 필요하고, 이는 본 발명에 따르는 강이 0.030% 미만의 탄소, 0.5% 미만의 니켈, 및 0.030% 미만의 질소의 조성을 가지는 이유가 된다.

탄소는 단조, 부식 및 절삭성 면에서 좋지않다. 일반적으로, 자성 특성면에서, 석출은 자기구역벽(Bloch walls)의 이동에 대한 장애물을 형성하기 때문에 감소시켜야 한다.

이 조성물 중 기타 원소를 살펴보면, 니켈, 망간 및 구리는 강의 공업 생산시 생기는 것으로, 감소시키거나 또는 심지어 제거해야할 잔류 원소에 지나지 않는다.

티타늄 및/또는 니오븀은 티타늄 및/또는 니오븀 탄화물를 포함하는 화합물을 형성하여 크롬 탄화물 및 나이트라이드의 형성을 방지한다. 따라서, 이들은 내부식성을 증진시키고 더욱이 용접의 내부식성을 증진시킨다.

냉간 단조의 분야에서 강의 거동을 최적화하고 자성을 최적화하기 위해 황을 제한한다.

실리콘은 와전류를 감소시키도록 강의 비저항을 증가시키는 데 필요하고 내부식성이 있다는 이점이 있다.

본 발명에 따른 강은 또한 0.2% 내지 3%의 몰리브덴을 함유할 수 있다. 이 원소는 내부식성을 향상시키고 페라이트의 형성을 증진한다.

이들의 사용의 분야에서, 페라이트 스테인리스강은 절삭성에서 문제점을 가지고 있다.

페라이트계 강의 커다란 단점은 스와프(swarf)의 불량한 형성이다. 페라이트계 강은 부서지기 어려운 길게 얽힌 스와프(tangled swarf)를 생성한다. 이러한단점은 스와프를 예를 들면 딥 드릴(deep drilling) 또는 톱질(sawing)과 같이 스와프가 한정된 기계 가공 방법에서는 매우 해로울 수 있다.

페라이트계 강의 기계 가공의 문제를 덜어주기 위한 한가지 방법은 강의 조성물 또는 내부식성, 냉간 변형의 기계적 특성 또는 자성을 손상시키는 납, 텔루르 또는 셀레늄 계열의 원소에 황을 도입하는 것이다. 상기 페라이트계 강은 통상적으로 크로마이트 계열(CrMn, AlTi)O, 알루미나 (AlMg)O, 실리케이트(SiMn)O, 절삭 공구용 연마재의 경질 개재물을 함유한다.

본 발명에 따르면, 페라이트계 스테인리스강은 또한 중량 조성으로 30 ×10^-4% 이상의 칼슘 및 70 ×10^-4% 이상의 산소를 함유할 수 있다.

0.2 ≤Ca/O ≤0.6의 관계를 만족시키도록 조절하고 의도한 방식으로 칼슘과 산소를 도입하여 페라이트계 강 내에 도 1에 도시한 바와 같은 석회의 실리코알루미네이트의 가단 산화물(malleable oxide)의 형성을 촉진한다. 도 1은 Al₂O₃-SiO₂-CaO 3원 상태도이고 상기 가단 산화물은 아노타이트, 게레나이트 및 의사-윌라스토나이트 3중점의 영역 내에서 선택된다.

궁극적으로 칼슘 및 산소의 존재는 크로마이트, 알루미나, 및 실리케이트 형태로된 경질의 연마 개재물의 형성을 감소시킨다. 다른 한편으로, 석회의 실리코알루미네이트의 개재물의 형성은 스와프의 파괴를 촉진하고 절삭 공구의 수명을 향상시킨다.

존재하는 경질 산화물 대신에 페라이트 조직을 가진 강에 칼슘계 산화물을도입하면, 고온 변형, 냉간 단조, 내부식성 및 자성 특성면에서 페라이트계 강의 다른 특성을 아주 약간만 변형시킨다는 것을 알게 되었다.

본 발명에 따라 황을 소량 또는 전혀 함유하지 않은 페라이트 조직을 가진 강은 내부식성이 증대되는 동시에 봉재 선삭(bar turning)에 대한 공업 용도를 보장하는 기계 가공성도 가진다.

페라이트계 강 내에 소위 가단 산화물이 존재하게 되면 인발 및 인장 성형 면에서 이점이 있다.

가단 산화물로 치환되는 경질 산화물이 입자 형태로 남아 있는 한편, 가단 산화물이 압연 방향으로 변형될 수 있기 때문이다.

작은 지름의 페라이트계 강선의 인발 분야에서, 본 발명에 따라 선택된 개재물은 결과적으로 인발선의 파단율을 감소시킨다.

예를 들면 연마 공정 등의 다른 적용 분야에서, 경질 개재물은 페라이트계 강에서 가피를 형성하고(encrusted) 표면에 고랑(furrow)을 만든다.

본 발명에 따른 가단 개재물을 지닌 페라이트계 강은 향상된 연마 표면 상태를 얻기 위하여 더욱 쉽게 연마될 수 있다.

강을 전기 용융으로 생산한 후 연속으로 강편을 형성하기 위하여 연속 주조한다.

이후, 예를 들면 기계 와이어 또는 본재를 형성하기 위하여 강편을 열간 압연한다.

산물에 대한 냉각 변환 공정(cold conversion operation), 예를 들면 인발및 인장 성형하기 위하여 어닐링 처리는 필수적이다.

자성을 회복하고 개선하기 위하여 추가로 강에 재결정화 어닐링 처리를 한다.

이후 표면 처리를 실시한다.

한 실시예에서, 본 발명에 따른 2가지 강을 생산하여 강 1 및 강 2이라고 하고 비교강 A 및 B도 제조하였다. 이 조성은 다음의 표 1에 기재되어 있다.

[표 1]

%	C	Cr	Si	Mo	Mn	P	N	S	Ni	Cu	Ti	Nb	Ca	O
강 1	0.010	12.2	1.58	0.48	0.25	0.011	0.009	0.001	0.135	0.04	0.002	0.002	0.0048	0.009
강 2	0.011	11.9	1.47	0.49	0.22	0.015	0.007	0.029	0.126	0.06	0.003	0.002	0.0062	0.012
비교강A	0.015	17.4	1.25	0.35	0.5	0.02	0.02	0.28	0.3	0.1	0.003	0.002	0.002	0.006
비교강B	0.016	17.5	1.37	1.53	0.38	0.018	0.017	0.277	0.29	0.06	0.003	0.003	0.0017	0.007

이들 강을 다음의 방법에 따라 10 ㎜ 직경의 봉재로 변형한다.

- 11 ㎜ 원주로 열간 압연하는 단계,

- 어닐링 단계,

- 10 ㎜ 직경으로 인발하는 단계,

- 최종 어닐링 단계;

- 마무리 및 평삭 단계.

이러한 단계를 거친 강은, 자성, 절삭성, 냉간 단조, 및 부식 면에서 특징이 있다.

본 발명에 따른 강은 표 2에 나타난 바와 같이 비교강 보다 우수한 자성 특징을 가지고 있다.

[표 2]

강	보자력 [Hc (A/m)]
강 1	109
강 2	115
비교강 A	184
비교강 B	177

이러한 특성은 낮은 함량의 부가 원소 특히 약 12% 함량의 크롬에 기인한 것이다.

강 2는 황의 함량이 한정되어 있음에도 불구하고 봉재 선삭에 의한 기계 가공 분야에서는 거동이 매우 우수하다. 이것은 칼슘과 산소가 존재하기 때문이다.

강 1은 황의 함량이 낮기 때문에 매우 우수한 냉간 단조에 대한 적합성을 가진다. 이전에 단조된 부품에서, 봉재 선삭에 의한 마무리 기계 가공은 특별한 문제점이 없이 확실히 유효하다.

강 1 및 강 2는 이하의 표 3에 나타낸 바와 같이 낮은 크롬 함량에도 불구하고 부식 분야에서 거동이 우수하다. 이는 강 1에서는 황의 저함량 때문에, 강 2에서는 저함량의 망간과 결합하여 황 함량의 제한에 기인한다.

[표 3]

	23℃ NaCl 0.02M에서 공식의 부식 포텐샬	23℃ H₂SO₄2M에서 부식
강 1	220 mV/ECS	10 mA/㎠
강 2	215 mV/ECS	11 mA/㎠
비교강 A	205 mV/ECS	24 mA/㎠
비교강 B	330 mV/ECS	6 mA/㎠

본 발명에 따른 강은 예를 들면 자동차 분야에서 전자 밸브 부품, 석유 직주입 시스템용 주입기, 중앙 도어 잠금 장치 및 자성 코어 또는 유도기 형태의 부품이 필요한 용도와 같이 강자성체의 제조시에 특히 사용할 수 있다. 박형태로 변류기 또는 자기 차폐에 사용할 수도 있다.

Claims

강자성체에 사용가능한 페라이트계 스테인리스강으로서, 하기의 중량 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강:

0% < C ≤0.030%

1% ≤Si ≤3%

0% < Mn ≤0.5%

10% ≤Cr ≤13%

0% < Ni ≤0.5%

0% < Mo ≤3%

N ≤0.030%

Cu ≤0.5%

Ti ≤0.5%

Nb ≤1%

Ca ≥1 ×10^-4%

O ≥10 ×10^-4%

S ≤0.030%

P ≤0.030%

나머지는 철과 강의 제조시 불가피한 불순물임.
제1항에 있어서,

상기 중량 조성 중 상기 칼슘 및 상기 산소가

Ca > 30 ×10^-4%

O > 70 ×10^-4%으로 포함된 페라이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,

상기 칼슘 및 상기 산소의 함량비 Ca/O가

0.2 ≤Ca/O ≤0.6인 페라이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,

아노타이트(anorthite) 및/또는 의사-윌라스토나이트(pseudo-wallastonite) 및/또는 게레나이트(gehlenite) 유형의 석회 실리코-알루미네이트 개재물(inclusion)을 포함하는 페라이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,

하기의 중량 조성을 포함하는 페라이트계 스테인리스강:

0% < C ≤0.012%

1% ≤Si ≤3%

0% ≤Mn ≤0.4%

10% ≤Cr ≤13%

0% < Ni ≤0.2%

0.2% ≤Mo ≤2%

N ≤0.015%

Cu ≤0.2%

Ti ≤0.2%

Nb ≤1%

Ca ≥30 ×10^-4%

O ≥70 ×10^-4%

S ≤0.003%

P ≤0.030%

나머지는 철과 강의 제조시 불가피한 불순물임.
제1항에 있어서,

하기의 중량 조성을 포함하는 페라이트계 스테인리스강:

0% < C ≤0.012%

1% ≤Si ≤3%

0% ≤Mn ≤0.4%

10% ≤Cr ≤13%

0% < Ni ≤0.2%

0.2% ≤Mo ≤2%

N ≤0.015%

Cu ≤0.2%

Ti ≤0.2%

Nb ≤1%

Ca ≥30 ×10^-4%

O ≥70 ×10^-4%

0.015 ≤S ≤0.03%

P ≤0.030%

나머지는 철과 강의 제조시 불가피한 불순물임.
페라이트계 강을 열간 압연하고 냉각한 후 어닐링 열처리를 실시하고 인발 또는 인장 성형으로 단면을 변형하는

제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 페라이트계 강의 제조방법.
제6항에 있어서,

상기 인발 또는 인장 성형된 강에 부품의 기계적 특성을 개선하기 위하여 추가로 재결정화 어닐링을 실시하는 페라이트계 강의 제조방법.