KR20040015193A

KR20040015193A - 금속 개스캣과 그 소재 및 이들 제조방법

Info

Publication number: KR20040015193A
Application number: KR10-2003-7014100A
Authority: KR
Inventors: 아다치가즈히코; 이시야마세이시; 고쇼쿠보겐이치; 가츠라이다카시
Original assignee: 수미도모 메탈 인더스트리즈, 리미티드; 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2004-02-18
Also published as: JPWO2002088410A1; US6893727B2; US20040121169A1; CN1234897C; EP1394280A1; KR100555328B1; CN1522310A; WO2002088410A1; EP1394280A4; JP4321066B2

Abstract

본 발명은 석출 강화하여 강도와 피로 특성이 현저히 개선되는 스테인레스강 제 개스캣에 관한 것으로, 그 조성은 질량%로, C : 0.03% 이하, Si : 1.0% 이하, Mn : 2% 이하, Cr : 16.0%∼l8.0%, Ni : 6.0%∼8.0%, N : 0.25% 이하 및 필요에 따라 Nb : 0.30% 이하, 그리고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 것으로서, 냉간 압연후에 최종 소둔을 행하고, 면적율로 평균 입경 5㎛ 이하의 재결정 입자 50∼100%와 미 재결정부 0∼50%의 조직으로 한 후, 압하율 30% 이상에서 조질 압연하고, 가공 유기한 마텐자이트상이 면적율에서 40% 이상으로 하고, 성형 가공과 200∼350℃에서의 열처리를 포함하는 공정에서 금속 개스캣으로 하는 것이다. 이 개스켓은 크롬 질화물이 석출한 40% 이상의 마텐자이트와 잔부 오스테나이트의 복상 조직, 또는 크롬 질화물이 석출한 마텐자이트 단상 조직으로 구성되고, Hv 500 이상이다.

Description

금속 개스캣과 그 소재 및 이들 제조방법{METAL GASKET AND ITS RAW MATERIAL AND METHODS FOR PRODUCTION OF THEM}

헤드 개스캣이라고 불리는 엔진용 개스캣은 실린더 헤드와 실린더 블록 사이에 장착되고, 연소 가스나 엔진 냉각수 또는 오일의 누설을 방지하기 위한 시일 부품이다.

헤드 개스캣으로서, 압축재를 연강판으로 둘러싼 구조의 복합 타입 개스캣도 이전에는 사용되었지만, 현재는 대부분이 실질적으로 금속판으로 이루어지는 금속 개스캣이다.

엔진용 금속 개스캣(헤드 개스캣)은 시일부와 같은 윤곽을 가지고, 연소실(실린더)에 대응하는 원형의 구멍을 뚫은 스테인레스강 박판을 3매 전후로 포갠 것으로 구성된다. 개스캣의 구멍 주위에는 비드라고 불리는 볼록부가 원환상으로 형성되어 있고 [도 3(a) 및 (b) 참조], 이 비드의 반발력에 의한 밀착에 의해서 고압의 연소가스 등에 대한 밀폐가 확보된다. 비드보다 외측의 개스캣의 전면에는 박판 표면의 흠집 발생을 방지하기 위해서, 또한 개스캣을 따라 이동하는 냉각수, 오일 등의 누설을 방지하기 위해서, 고무가 얇게 코팅되어 있다. 고무를 코팅할 때에는 일반적으로 350℃ 정도까지의 온도로 몇분간 열처리가 행해진다.

종래, 엔진용 금속 개스캣에는 준안정 오스테나이트(austenite)계 스테인레스강에 속하는 SUS301계나 SUS304계의 재료가 널리 이용되어 왔다. 이들 재료는 보통은 강도 조정을 목적으로 한 냉간 압연(조질(temper) 압연)후에 사용된다. 이렇게 해서 가공에 의해 유기(誘起)된 마텐자이트(martensite) 변태(變態)를 수반하는 가공 경화에 의해, 비교적 용이하게 고 강도가 얻어짐과 동시에, 변형부에서의 가공유기 마텐자이트 변태에 의한 경화에 의해, 국소적 변형이 억제되어 재료가 균일하게 변형되는, 소위 TRIP 효과가 얻어지기 때문에, 이들은 각종 스테인레스강 중에서도 가공성이 뛰어난 것을 특징으로 한다.

그러나, 이들 재료에 있어서도, 다른 금속 재료와 마찬가지로, 고 강도화에 따르는 가공성의 저하는 피할 수 없다. 이들 재료에서는 최근의 엔진의 고 출력화에 따라 더욱 더 요망되는 고 강도화와, 경량화 즉 소형화에 따라 요망되는 복잡한 형상에 대응할 수 있는 가공성을 양립하는 것이 곤란하다.

일반적으로, 상기 스테인레스 강판은 평판의 상태에서는 고 강도화에 따라 피로 강도도 상승한다. 그러나, 종래의 엔진용 금속 개스캣에서는 개스캣 형상의 복잡화에 따라, 재료의 가공성의 부족에 의해, 비드 형성시에 균열(판 표면에서의 미소한 갈라짐), 주름 등의 결함이 발생하여, 가공후에 피로 특성이 크게 저하하는것이 인정되었다.

이 때문에, 필요한 가공성을 확보할 수 있는 (강도 미달의) 상태에서 스테인레스 강판을 개스캣으로 가공(예, 구멍 뚫기와 비드 성형에 의해)한 후, 열처리를 실시하여 시효(時效) 경화시켜, 강도를 높이는 방법이 많이 제안되어 있다.

구체적으로는 상술의 SUS301 또는 SUS304에 대응하는 강철을 사용하여, 일그러짐 시효에 의해 영률(Young's modulus), 용수철 한계치 등의 탄성 변형 저항(탄력성)을 향상시킨 재료 또는 그 제조방법이 일본국 특공평 3-68930호 및 7-65110호의 각 공보에 제안되어 있다. Si, Mo, Cu, Ti 등의 석출 강화 원소를 첨가하여 경도, 강도(인장 강도)를 향상시킨 고 강도재료 또는 그 제조방법은 일본국 특개평 4-214841호 및 5-117813호 각 공보에 보고되어 있다.

또한, 주로 석출 강화에 의해 고 강도를 얻는 SUS630나 SUS631 등의 석출 강화형 스테인레스강을 사용하는 것도 제안되어 있다.

그러나, 일그러짐 시효는 탄력성이 향상되어 비드의 반발력이 증가하는 반면, 경도나 강도의 상승이 작기 때문에, 개스캣이 실린더 헤드와 실린더 블록 사이에 장착되어, 볼트 등에 의해 조여지는 단계에서, 비드가 찌부러져 높이가 감소하는, 주저앉음이 일어난다는 문제가 있다.

한편, 석출 강화는 일반적으로 400∼600℃라는 비교적 높은 온도로 장시간의 열처리를 필요로 한다. 고무 코팅은 이러한 온도에 견딜 수 없기 때문에, 석출 강화를 위한 열처리는 개스캣 가공후에, 고무 코팅전에 하지 않으면 안된다. 개스캣의 제조업자가 이러한 고온에서의 열처리를 실시하는 것은 부담이 큰데다, 석출 강화를 위한 열처리 공정이 늘어나, 개스캣 제조공정이 복잡해진다. 이 때문에, 석출 강화를 이용하여 고 강도화한 금속 개스캣은 종래는 실용화가 곤란했다. 또한, 석출 강화를 위한 상기 온도에서의 장시간의 열처리는 거칠고 큰 석출물이 생기기 쉽고, 이 거칠고 큰 석출물이 피로 파괴의 기점이 된다는 난점도 있다.

본 발명의 목적은 공업적으로 유리하게 제조할 수 있고, 최근의 고 성능화하는 엔진에 적용 가능한, 고강도 또한 고 피로 특성을 구비하는, 고성능의 금속 개스캣과 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 개스캣 가공시에는 뛰어난 가공성을 갖고, 고무 코팅 시에 실시되는 300℃ 전후(200∼350℃)의 열 처리에 의해 석출 강화하여, 석출 강화를 위한 특별한 열처리를 하지 않고서 상기의 고 성능 금속 개스캣을 제조할 수 있는, 금속 개스캣용 스테인레스강과 그 제조방법을 제공하는 것이다.

<발명의 개시>

일측면에 있어서, 본 발명은 질량%로,

C : 0.03% 이하, Si : 1.0% 이하,

Mn : 2.0% 이하, Cr : 16.0% 이상 18.0% 이하,

Ni : 6.0% 이상 8.0% 이하, N : 0.25% 이하,

경우에 따라 Nb : 0.30% 이하,

잔부 Fe 및 불가피 불순물로부터 본질적으로 이루어지는 화학 조성을 갖고, 또한 면적율 40% 이상의 마텐자이트와 나머지가 오스테나이트인 복상 조직 또는 마텐자이트 단상 조직으로 이루어지고, 성형 가공후의 시효 처리에 의해서 상기 마텐자이트상(相)에 크롬 질화물이 석출된 Hv 500이상의 금속 개스캣을 제조할 수 있는, 금속 개스캣용 스테인레스강이다.

또 다른 면에서 본 발명은 상기 화학조성을 갖고, 또한 크롬 질화물이 석출한 면적율 40% 이상의 마텐자이트와 잔부 오스테나이트와의 복상 조직 또는 크롬 질화물이 석출한 마텐자이트 단상 조직을 갖는, Hv 500 이상의 고강도 스테인레스강으로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 개스캣이다.

본 발명에 있어서, 마텐자이트상의 면적율은 X선 회절에서의 각 상(相)의 피크의 적분 강도비에 의해 산출한 값이다. 상기 스테인레스강에는 제조상 불가피적으로 함유되는 개재물은 존재해도 된다.

본 발명은 또한, 상기 화학조성을 갖는 냉간 압연재에 최종 소둔을 행하고, 면적율로 평균 입경 5㎛ 이하의 재결정 입자 50∼100%와 미 재결정부 0∼50%로 이루어지는 재결정 조직으로 하는 공정과, 그 후에 이 냉간 압연재에 압하율 30% 이상으로 조질 압연을 실시하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 개스캣용 스테인레스강의 제조방법도 제공한다.

재결정 입자의 입경과 그 면적율은 시험편의 표면 또는 단면을 광학 또는 전자 현미경으로 관찰하여 구한 값이다.

이렇게 해서 제조된, 금속 개스캣의 제조에 유용한 스테인레스강은 가공성이 뛰어나고, 복잡한 형상으로 가공하는 것이 가능하다. 게다가, 이 스테인레스강은 그 후에 200∼500℃의 온도로 열처리를 실시하면, 크롬 질화물의 석출에 의거하는 시효 경화(즉, 석출 강화)에 의해 현저하게 고 강도화하여, 피로 특성도 향상된다.

이 시효 경화는 금속 개스캣의 제조공정에 있어서의 고무 코팅 공정에서 행해지는 350℃정도까지 온도에서의 열처리에 의해 달성되기 때문에, 별도로 시효 경화만을 목적으로 하는 열처리를 행할 필요가 없다. 이 때문에, 비드 성형 가공시의 결함 발생을 억제하면서, 피로 특성에 뛰어난 고강도의 금속 개스캣을, 석출 강화를 이용하지 않은 제조 공정과 동일한 공정에 의해(여분의 열처리 공정을 필요로 하지 않고) 제조하는 것이 가능해진다.

본 발명은 또한, 상기 스테인레스강 또는 상기 방법으로 제조된 스테인레스강을 성형 가공하여, 성형품에 200∼500℃에서의 시효 처리와 고무 코팅을 실시하는 것으로 이루어지는, 금속 개스캣의 제조방법도 제공한다. 바로 위에 기술한 바와같이, 시효 처리는 고무 코팅시의 350℃ 이하의 온도에서의 열처리에 의해 달성하는 것이 공업적으로는 유리하다.

본 발명은 금속 개스캣, 특히 자동차나 오토바이 등의 엔진용 금속 개스캣 및 그 제조에 이용하는 스테인레스강과, 이들 제조방법에 관한 것이다.

이하에서는 특히 엔진용 금속 개스캣을 예로 들어 본 발명을 설명하는데, 본 발명에 관한 금속 개스캣은 이에 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 관한 방법에 의해 제조된 강철 가공 소재를 다른 유지 시간으로 열처리하여 시효 경화시킨 경우의 열처리 온도에 의한 비커스 경도(Hv)의 변화를 표시하는 그래프,

도 2(a) 및 2(b)는 300℃×10분으로 열처리하여 시효 경화시킨 재료에 있어서의 석출한 크롬 질화물을 표시하는, 배율이 다른 전자 현미경 관찰도,

도 3(a)는 실시예에서 행한 비드 가공후의 시험편을 위에서 본 모식도,

도 3(b)는 이 시험편의 비드부의 단면 형상을 확대하여 도시하는 모식도이다.

본 발명은 SUS301L에 상당하는 화학 조성의 기존의 오스테나이트계 스테인레스강으로부터 개스캣을 제조하는 경우, 소재 제조의 최종 단계에서 행하는 조질 압연에 의해 충분한 양의 마텐자이트 변태를 유기시켜 두면, 개스캣 제조시의 고무 코팅 공정에서 행하는 열처리로 대응 가능한 350℃까지의 온도라는, 종래에 비해 매우 저온에서의 시효 처리에 의해서 크롬 질화물을 석출시킬 수 있고, 이에 따라 Hv500 이상까지 재료를 현저히 강화할 수 있는 식견에 의거한다.

이 크롬 질화물의 석출은 최종 소둔에 의해 결정 입자계 밀도를 상승시켜 석출물 구성원소(Cr, N 등)의 확산을 용이하게 한 경우, 오스테나이트 모상에 비해 N 고용(固溶) 한도가 감소하는, 조질 압연에 의해 가공 유기시킨 마텐자이트상에서 일어나는 것이 인지되었다. 따라서, 본 발명에 대한 개스캣을 구성하는 스테인레스강은 크롬 질화물이 석출한 마텐자이트와 잔부 오스테나이트와의 복상 조직, 또는 크롬 질화물이 석출한 마텐자이트 단상 조직을 갖는다.

상기 시효처리에 의해 비커스 경도(Hv)로 50 이상의 증대라는 현저한 시효 경화를 얻기 위해서는, 크롬 질화물이 석출하는 상인 마텐자이트상의 양이 충분히 많지 않으면 안된다. 구체적으로는, 상기 복상 조직의 경우, 마텐자이트상의 양은 면적율로 40% 이상으로 한다.

Hv 500이라는 경도는 냉간 압연만으로 얻어지는 스테인레스강의 경도의 상한 내지 그에 가깝다고 생각된다. 본 발명에 관한 개스캣을 구성하는 스테인레스강의 경도는 바람직하게는 냉간 압연으로 얻기 어렵고, 개스캣의 고 성능화에 유효한 Hv520 이상이다.

상기의 시효 경화 및 강철 조직은 냉간 압연재에 최종 소둔을 행하여, 평균 입경 5㎛ 이하의 재결정 입자가 면적율로 50% 이상을 점유하고, 잔부(있으면)가 미 재결정부로 이루어지는 재결정 조직[이하, 이 조직을「(부분)재결정 조직」이라고 한다]으로 한 후, 조질 압연하여 얻어진, 가공 유기 마텐자이트상을 포함하는 스테인레스강으로부터 개스캣을 제조하는 경우에 달성할 수 있다.

본 발명에 관한 개스캣을 구성하는 스테인레스강의 화학 조성을 상기와 같이 규정하는 이유를 다음에 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 화학 조성에 관한 「%」는 모두「질량%」이다.

C : 0.03% 이하, 바람직하게는 0.01% 이상, 0.025% 이하

C를 과도하게 함유하면, (부분)재결정 조직을 얻기 위해서 비교적 저온으로 실시되는 최종 소둔 중에, 다량의 크롬 탄화물의 석출을 초래하고, 스테인레스강으로서 실용에 견디는 내식성을 얻는 것이 곤란해진다. 또한, 고무 코팅 가공시에 크롬 질화물의 석출이 저해됨과 동시에, 재료의 가공성을 열화시킨다.

또한, C는 N과 함께 가장 강력한 오스테나이트 안정화 원소로, 과도하게 첨가한 경우에는 마텐자이트 변태가 억제된다. 단, C는 N과 함께 가장 유효한 재료의 강화 원소의 하나로, 상기 탄화물의 석출이 억제되는 범위 내에서의 첨가가 바람직하다.

Si : 1.0% 이하, 바람직하게는 0.2% 이상, 0.8% 이하

Si는 고용 경화 원소이고, (부분)재결정 조직을 얻는 것을 용이하게 하는 효과도 갖는다. 단, Si를 과도하게 함유하면 가공성 불량으로 된다.

Mn : 2.0% 이하, 바람직하게는 0.2% 이상, 1.8% 이하

Mn은 오스테나이트 안정화 원소이고, 다른 원소와의 밸런스를 고려하여 첨가된다. Mn을 과도하게 첨가하면, 가공 유기 마텐자이트상이 얻어지지 않는 경우가 있고, 또한, 개재물 등의 생성에 의해 재료의 가공성 저하를 초래한다.

Cr : 16.0% 이상, 18.0% 이하, 바람직하게는 16.4% 이상, 17.9% 이하

Cr은 스테인레스강의 기본 원소로, 실용에 견디는 충분한 내식성을 얻기 위해서, 16.0% 이상을 첨가한다. 본 발명에 있어서 Cr은 크롬 질화물의 구성 원소로서 시효 경화에 중요한 역활을 한다. 단, Cr은 페라이트 안정화 원소이므로 그 첨가량이 너무 많으면, 강철중에의 페라이트상의 잔존을 초래한다.

Ni : 6.0% 이상, 8.0% 이하, 바람직하게는 6.1% 이상, 7.6% 이하

Ni는 C, N을 제외하는 합금 원소중에서 가장 강력하고 또한 유효한 오스테나이트 안정화 원소로, 실온에 있어서 오스테나이트상 조직을 얻기 위해서 필수적인 원소이다. 단, Ni를 과도하게 첨가하면, 조질 압연에 있어서 가공 유기 마텐자이트 변태가 일어나지 않게 된다. 실온에서 준안정 오스테나이트 상태로 하여, 냉간 압연후에 상기 변태에 의해 필요한 강도와 양호한 가공성을 얻기 위해서, Ni를 상기의 양으로 함유시킨다.

N : 0.25% 이하, 바람직하게는 0.08% 이상, 0.24% 이하

N은 크롬 질화물의 구성 원소이다. 또한, 후술하는 바와같이 Nb를 첨가한 경우에는, N의 첨가에 의해 최종 소둔시에 니오브 질화물도 석출하여, (부분)재결정 조직을 얻는 것을 용이하게 하는 효과가 있다고 생각된다. N은 또한, C와 동시에 가장 유효한 재료의 강화 원소의 하나이다. 이상의 효과를 확실히 얻기 위해서는, 0.06% 이상의 N의 첨가가 바람직하다. 단, N은 C과 마찬가지로 강력한 오스테나이트 안정화 원소이기 때문에, 그 첨가량의 증가에 따라, 마텐자이트 변태가 억제된다. 또한, N의 과도한 첨가는 강판의 제조를 어렵게 한다.

Nb : 0∼0.30%, 바람직하게는 0.03% 이상, 0.26% 이하

Nb는 최종 소둔시에 니오브 질화물을 석출시키고, (부분)재결정 조직을 얻는 것을 용이하게 하는 효과를 갖기 때문에, 경우에 따라 첨가할 수 있다. Nb를 첨가하는 경우, 전술한 효과를 얻기 위해서는, 적어도 0.01% 이상의 양의 첨가가 바람직하다. 단, Nb는 매우 고가의 원소로, 다량의 첨가는 재료를 매우 고가로 한다.

본 발명에서 이용하는 스테인레스강의 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물 원소로 이루어진다. 단, 원하는 바에 따라, 전술한 성분 이외에, 공업적 제조상의 요청으로부터의 첨가 원소, 예를 들면 용제시에 탈산제로서 사용되는 Ca 혹은 REM(희토류 금속), 열간 가공성의 개선이 예상되는 B 등을, 필요에 따라 각각 0.05% 이하의 양으로 함유해도 지장없다.

상술한 화학 조성을 갖는 재료를, 용제, 주조, 열간 압연, 냉간 압연 등의 공정을 거쳐 냉간 압연재로 하고, 본 발명의 방법에 따라서 최종 소둔과 조질 압연을 행하고, 가공 소재가 되는 스테인레스강을 제조한다.

소재의 스테인레스강의 제조는 냉간 압연까지는, 관용의 방법에 의해 실시하면 된다. 냉간 압연은 압하율 40% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

냉간 압연한 스테인레스강(냉간 압연재)을 소둔한다. 이 냉간 압연후의 소둔을, 냉간 압연 동안에 행하는 소둔과 구별하기 위해서, 본 발명에서는 「최종 소둔」이라고 한다. 이 최종 소둔은 최종 소둔후에, 평균 입경 5㎛ 이하의 재결정 입자가 면적율로 50∼100%를 점유하고, 잔부(있으면)가 미 재결정부로 이루어지는 (부분)재결정 조직이 얻어지도록 행한다.

이와 같이 미세한 재결정 입자를 석출시키기 위해서는, 소둔을 비교적 저온으로 또한 단시간에 행하면 좋다. 예를 들면, 가열 온도 750∼950℃, 가열시간 1∼300초의 범위내에서, 상기의 재결정 조직이 얻어지도록 소둔 조건을 설정할 수 있다. 상술한 화학조성을 갖는 스테인레스강은 이러한 소둔에 의해서, 상기의 미세한 (부분)재결정 조직을 용이하게 형성할 수 있다.

최종 소둔은 냉간 압연에 의해 생성한 신장(elongation) 입자가 잔존하지 않도록 행한다. 신장 입자는 거칠고 크고, 잔존하면 피로 특성을 비롯한 여러 가지 특성을 열화시킨다.

최종 소둔후의 조직이, 평균 입경 5㎛ 이하인 재결정 입자가 단면적으로 반이상을 차지하는 미세한 (부분)재결정 조직이면, 입계 밀도가 증대하므로, 그 후의 열처리중에 석출물 구성 원소(Cr, N 등)의 확산이 조장된다. 그 결과, 금속 개스캣에의 성형 가공후에 행해지는 고무 코팅 공정에서 실시되는, 300℃ 전후라는 저온에서의 열처리중에, 가공 유기된 마텐자이트상에 있어서 크롬 질화물이 용이하게 석출되어 재료가 시효 경화하고, 이 열처리에 의해서 재료 경도를 Hv로 50이상 높이는 것이 가능해진다. 이렇게 해서, 시효전에는 양호한 가공성을 확보하고, 시효후에는 양호한 강도와 피로 특성을 얻을 수 있다.

재결정 입자의 평균 입경이 5㎛를 넘거나, 또는 그 면적율이 50% 미만에서는 상기 효과를 얻는 것이 어려워진다. 또한, 가령 그 효과가 얻어졌다고 해도, 조질 압연후의 가공성이 부족하다. 재결정의 면적율은 바람직하게는 60% 이상, 보다 바람직하게는 80% 이상이고, 100%(즉, 완전 재결정 조직)이어도 된다.

최종 소둔후에, 조질 압연을 압하율 30% 이상에서 행한다. 이는 그 후에 행하는 시효 처리에 의해서 Hv 500이상의 경도를 확보할 수 있도록 하기 위함이다. 이 조질 압연에 의해, 면적율로 40% 이상이 되는 양으로 가공유기 마텐자이트상을 생성시키고, 면적율 40% 이상의 마텐자이트와 잔부 오스테나이트와의 복상 조직 또는 마텐자이트 단상 조직으로부터 미크로 조직으로 한다. 조질 압연의 압하율은 바람직하게는 35∼60%이고, 이 조질 압연에 의해 면적율 50% 이상의 마텐자이트상을 생성시키는 것이 바람직하다.

크롬 질화물의 석출은 오스테나이트 모상(母相)에 비해 N 고용 한도가 낮은 마텐자이트상에서 일어난다. 조질 압연에 의해 면적율 40% 이상의 다량의 마텐자이트를 생성시켜 놓으면, 그 후의 시효 처리에 의해, 시효 처리 온도가 200∼350℃의 범위로 저온이더라도, Hv가 50이상 증가한다는 효과적인 시효 경화가 가능해져, 시효 처리후에 Hv 500이상의 경도를 얻을 수 있다.

이렇게 해서 제조된 스테인레스강은 가공성이 양호하고, 엔진의 소형화에 대응하므로 소형화한 개스캣의 제조에 필요한, 보다 복잡 또는 가혹한 비드 성형에도 견딜 수 있다. 이 성형 가공후에 시효 처리를 행하면, 마텐자이트상에 있어서의크롬 질화물의 석출에 의한 시효 경화에 의해서 Hv가 50이상 증대하고, Hv 500이상으로 고 강도화되어, 피로 특성도 개선된다. 이 시효 경화는 300℃ 전후, 보다 일반적으로는 200∼500℃의 범위의 비교적 저온에서의 시효 처리에 의해서 달성할 수 있다.

도 1에, 본 발명에 관한 방법에 따라서 냉간 압연후에 최종 소둔과 조질 압연을 행하여 제조된 스테인레스 강판에 다른 온도로 시효 처리(가열 시간은 10초, 60초 또는 600초)를 실시한 후의, 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 측정한 경도(Hv)를 표시한다.

도 1에서 알 수 있듯이, 이 스테인레스강은 열처리 온도 100℃에서 이미 경화를 개시하고, 200℃ 이상에서 경화가 현저하게 되어, Hv 530를 넘는 고경도를 나타내게 된다. 그러나, 가열 온도가 500℃를 넘으면, 경도가 저하하기 시작하므로, 시효 처리의 바람직한 온도는 200∼500℃의 범위이다.

도 2(a)에, 300℃×600초(10분)에서의 시효 처리재중에 상기 스테인레스 강판 소재에서 석출한 크롬 질화물을 표시한다. 석출물은 투과형 전자현미경(TEM)을 이용하여, 레플리카(replica)법에 의해 관찰했다. 도면 중, 백색의 빈 영역은 미석출부에 상당하고, 석출부의 검은 점은 석출한 크롬 질화물이다. 도 2(b)는 도 2(a)의 석출부의 확대도이다.

도 2(a), (b)에 도시하는 바와 같이, 시효 처리후의 스테인레스강에는 미세한 크롬 질화물의 석출이 확인된다. 또한, 석출물의 분포에는 농담을 볼 수 있고, 최종 소둔후의 재결정 입자의 평균 입경(약 1㎛)에 거의 대응하는 크기의 저밀도의미석출부가 확인된다. 이 미석출부는 마텐자이트에 비해 N 고용 한도가 높고, 크롬 질화물이 석출되기 어려운 오스테나이트상에 대응하는 영역이라고 생각된다.

본 발명에 관한 방법에 의해 제조된 스테인레스강(판)으로부터, 상법에 따라서 금속 개스캣을 제조할 수 있다. 금속 개스캣의 제조는 전형적으로는 비드 형성을 포함하는 성형 가공과, 그 후의 고무 코팅에 의해 행해진다.

성형 가공은 임의의 적당한 방법에 의해 실시할 수 있지만, 전형적으로는 구멍 뚫기와, 그 후의 비드 성형에 의해 행해지고, 소정의 개스캣의 형상으로 한다. 그 후, 200∼500℃, 바람직하게는 350℃까지의 온도로 시효 처리를 하여, Hv 500이상의 경도를 확보한다.

이 시효 처리중에, 조질 압연으로 유기시킨 면적율 40% 이상의 마텐자이트상에 있어서 크롬 질화물이 석출된다. 시효 처리 온도가 500℃까지이면, 시효 처리의 전후에서 마텐자이트상의 면적율은 실질적으로 변화하지 않으므로, 시효 처리후의 스테인레스강의 미크로 조직은 크롬 질화물이 석출된 면적율 40% 이상의 마텐자이트와 잔부 오스테나이트와의 복상 조직이거나, 또는 크롬 질화물이 석출된 마텐자이트 단상 조직이 된다.

고무 코팅은 고무를 함유하는 도포액을 개스캣의 비드부 이외의 전면에 얇게 (예, 건조 막두께로 10∼30㎛) 도포한 후, 열처리하여 고무를 가교시킴으로써 행해진다. 열처리는 통상은 350℃까지의 온도로 행해진다. 상술한 바와같이, 본 발명에 있어서는, 이러한 온도에서의 열처리중에 스테인레스강의 시효 경화에 의한 고강도화가 일어난다.

따라서, 개스캣의 제조공정에서, 성형 가공후에 시효 처리로서 별도로 열처리를 행할 필요가 없고, 고무 코팅시의 200∼350℃에서의 열처리에 의해서, 시효 경화도 동시에 달성할 수 있다. 이 경우, 석출 강화에 의한 재료의 고강도화를 이용함에도 불구하고, 종래의 석출 강화를 이용한 금속 개스캣의 제조와는 달리, 석출 강화를 위한 특별한 열처리 공정(보통은 400∼600℃의 온도로 행해지고, 에너지 비용이 높다)이 불필요해지므로, 경제적으로 매우 유리하다. 물론, 고무 코팅에 있어서의 열처리와는 별도로, 그 전에 시효 처리를 위한 열처리를 200∼500℃에서 실시해도 된다.

본 발명에 관한 방법으로 제조된 스테인레스강은 가공성이 양호하고, 가공후에 200∼500℃의 온도로 시효 처리를 실시하면 고 강도화되므로, 금속 개스캣의 제조에 특히 적합하지만, 개스캣 이외의 성형 가공용에도 이용할 수 있다.

이하의 실시예에 의해 본 발명을 더욱 자세히 설명한다. 실시예는 예시를 목적으로 하고, 본 발명을 제한하는 것은 아니다.

실시예

표 1에 표시하는 조성을 갖는 스테인레스강을, 진공 용해로에서 용제하여, 열간 압연후, 소둔과 냉간 압연을 반복했다. 얻어진 냉간 압연 강판에, 700∼1100℃의 온도 및 l∼600초의 가열 시간에서 선택한 조건으로 최종 소둔을 실시한 후, 조질 압연했다. 조질 압연후의 판 두께(t)는 0.2㎜로 통일했다. 조질 압연한 강판을 170×170㎜로 절단하여 얻은 시험편을 소정의 금형에 의해 프레스 성형하고, 도 3(a) 및 3(b)에 각각 평면도 및 사시도로 도시하는 단면 형상의 비드를 직경 약60㎜의 원환상으로 형성하고, 최후에 300℃×1분의 시효 처리를 실시했다.

별도로, 최종 소둔후, 조질 압연후 및 시효 처리후의 각 단계에서 스테인레스 강판의 시험편을 채취하여, 하기 조사에 제공했다.

미크로 조직에 관해서, 최종 소둔후의 재결정 입자의 평균 입경과 재결정 입자의 면적율은 광학 현미경, 주사형 전자현미경(SEM) 및 투과형 전자현미경(TEM)을 이용한 시험편의 단면 관찰 결과로부터 구했다. 이 평균 입경 및 면적율은 무작위로 선택한 4시야(視野)에서의 평균치이다. 조직에서 신장 입자가 인지된 경우에는, 재결정 입자와 잔부가 미결정부로 이루어지는 조직이 아니므로, 재결정 입자의 평균 입경이나 면적율은 산출하지 않았다.

시효 처리후의 크롬 질화물(석출물)의 유무는 도 2(a), 2(b)에 대해서 상술한 대로, TEM을 이용한 레플리카법에 의한 관찰로 확인한 결과이다.

조질 압연후의 마텐자이트(α’)의 양은 X선 회절도로부터 마텐자이트상 피크의 적분 강도비에서 산출했다. 또한, 시효 처리후의 α’의 값은 조질 압연후와 실질적으로 같다.

경도는 최종 소둔후, 조질 압연후 및 시효 처리후의 각 단계에서 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 측정했다. 시효 경화를 평가하기 위해서, 조질 압연후와 시효 경화후의 경도의 차(강화도)를 △Hv로서 산출했다.

가공성, 주저앉음성 및 피로 특성은 비드 가공한 시험편을 이용하여 다음과 같이 조사했다.

가공성은 비드 가공후의 시험편(시효 처리전)을 이용하여, 비드 외주부 및내주부의 표면에서의 균열의 유무로부터, ○(균열 무), ×(균열 유)로 평가했다.

주저앉음성은 비드 가공후의 시험편과, 또한 시효 처리한 시험편의 양쪽에 대해서, 압축 시험기를 이용하여 비드를 완전히 찌부러트리고, 그 전후에 비드 높이를 측정하여, 압축전에 대한 압축후의 비드 높이의 비율로서 평가했다.

피로 특성은 시효 처리후의 시험편에 대해, 반복 압축 시험기를 이용하여, 일정 진폭으로 10⁷회의 반복 압축을 부여한 후, 관통하는 갈라짐 유무에 의해, ○(관통 갈라짐 무), ×(관통 갈라짐 유)로 평가했다.

이상의 조사 결과를 처리 조건과 동시에 표 2에 정리하여 표시한다.

표 1

(주) 기호 A∼C의 강철은 SUS301L에 상당,

기호 D의 강철은 SUS301에 상당,

기호 E의 강철은 SUS304에 상당,

기호 F의 강철은 SUS304L에 상당,

표 2

본 발명에 따라서, 최종 소둔후의 재결정 조직의 재결정 입자의 평균 입경이 5㎛ 이하이고, 그 면적율이 50% 이상이며, 또한 그 후의 조질 압연을 30% 이상의 압하율로 행함으로써 제조된 SUS301L에 상당하는 스테인레스 강판은 면적율로 40% 이상의 가공유기 마텐자이트를 포함하는 조직을 갖는다. 이 스테인레스 강판은 가공성이 양호하고, 균열을 발생시키지 않고 비드 가공할 수 있다.

이 스테인레스 강판을, 비교적 저온의 300℃로 시효 처리하면, Hv로 50이상의 경화를 나타내고, Hv 500을 넘는 고강도와 60%를 넘는 주저앉음성을 나타내게 되며, 피로 특성도 양호하다. 시효 처리후의 미크로 조직 관찰에서는 석출된 크롬 질화물이 관찰되었다. 이 크롬 질화물은 오스테나이트보다 N 고용 한도가 작은 마텐자이트상에서 석출한 것이다.

따라서, 이 스테인레스 강판은 금속 개스캣의 제조에 적합하고, 최근의 고성능 엔진용의 개스캣의 제조도 가능한 뛰어난 가공성을 나타낸다. 또한, 비드 가공후에 행해지는 고무 코팅 중에서의 350℃ 이하의 온도에서의 열처리에 의해서 시효 경화하여 현저하게 고 강도화되므로, 시효 처리로서 특별한 열처리를 하지 않고, 석출 강화에 의해 고 강도화한 고성능의 금속 개스캣을 낮은 비용으로 제조할 수 있다.

비교예에서는 조질 압연후의 가공성과 시효 처리후의 성능이 양립하는 것은 없었다. 모든 비교예에 있어서, 300℃에서의 시효 처리에 의한 강화(△Hv)가 50을 하회하고, 대부분은 △Hv가 25이하였다. 또한, 시효 처리후의 성능만을 보더라도, 경도(Hv 500이상), 주저앉음성(60% 이상) 및 피로 특성(○)의 전부를 만족하는 것은 없었다.

Claims

질량%로,

C : 0.03% 이하, Si : 1.0% 이하,

Mn : 2.0% 이하, Cr : 16.0% 이상, 18.0% 이하,

Ni : 6.0% 이상, 8.0% 이하, N : 0.25% 이하,

Nb : 0∼0.30%, 잔부 Fe 및 불가피 불순물,

로부터 본질적으로 이루어지는 화학 조성을 갖고, 또한 면적율 40% 이상의 마텐자이트와 잔부 오스테나이트와의 복상 조직 또는 마텐자이트 단상 조직으로 이루어지고, 성형 가공후의 시효 처리에 의해서 상기 마텐자이트상에 크롬 질화물이 석출된 Hv 500이상의 금속 개스캣을 제조할 수 있는 것을 특징으로 하는 금속 개스캣용 스테인레스강.
제 1항에 있어서, 상기 화학 조성이 0.1%이상, 0.30% 이하의 Nb를 함유하는 것을 특징으로 하는 금속 개스캣용 스테인레스강.
청구항 l 또는 2에 기재의 화학 조성을 갖는 냉간 압연재에 최종 소둔을 행하여, 면적율로 평균 입경 5㎛ 이하의 재결정 입자 50∼100%와 미결정부 0∼50%로 이루어지는 재결정 조직으로 하는 공정과, 그 후에 압하율 30% 이상으로 조질 압연을 실시하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 개스캣용 스테인레스강의제조방법.
청구항 1 또는 2에 기재의 화학 조성을 가지고, 또한 크롬 질화물이 석출한 면적율 40% 이상의 마텐자이트와 잔부 오스테나이트와의 복상 조직 또는 크롬 질화물이 석출한 마텐자이트 단상 조직으로 이루어지는, Hv 500이상의 스테인레스강으로 구성되는 것을 특징으로 하는 금속 개스캣.
제 4항에 있어서, 고무 코팅이 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 개스캣.
제 5항에 있어서, 개스캣이 엔진용인 것을 특징으로 하는 금속 개스캣.
청구항 1 또는 2에 기재의 스테인레스강, 혹은 청구항 3에 기재의 방법에 의해 제조된 스테인레스강을 성형 가공하여, 성형품에 200∼500℃에서의 시효 처리 및 고무 코팅을 실시하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 개스캣의 제조방법.
제 7항에 있어서, 시효 처리가 고무 코팅시의 350℃ 이하의 온도에서의 열처리에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 방법.