KR20060061102A

KR20060061102A - 17-크롬계 스텐레스 강을 사용하여 내침식성이 요구되는 제품을 제조하는 방법

Info

Publication number: KR20060061102A
Application number: KR1020040099975A
Authority: KR
Inventors: 이종욱; 김정태
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2006-06-07
Also published as: KR100613082B1

Abstract

본 발명은 밸브부품, 펌프샤프트, 해수용품 등에 주로 사용하는 17-크롬계 스텐레스 강의 내(침)식성과 강도를 향상시킬 수 있는 열처리 방법 및 그 열처리 방법에 의해 사용수명을 향상시킬 수 있는 제품의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에서는, 단조 후 예비 열처리로서 어닐링을 실시하고, 1차기계가공 후 최종 품질에 적합한 상태로 품질 열처리를 수행하는 17-크롬계 스텐레스 강의 열처리 방법에 있어서, 상기 예비 열처리로서의 어닐링은, 열처리 후 표면경도 H_RC 28∼32를 목표로, 온도범위 650∼700℃에서 25mm/hr + 2hr 유지한 후 공기중에서 냉각하고, 상기 품질 열처리로서, Ac3 + (180∼250)℃의 온도범위에서 50mm/hr 유지한 후, 진공로에서 가스 냉각, 공기중 냉각 또는 유중에서 냉각하는 담금질을 수행하고, 후속하여, 대기 열처리로에서 220~380℃ 또는 560~630℃에서 25mm/hr을 유지한 후 공기중에서 상온으로 냉각하는 템퍼링을 수행하는 것을 특징으로 하는 17-크롬계 스텐레스 강의 열처리 방법이 제공된다.

17- 크롬, 스텐레스 강, 내침식성, 열처리, 어닐링, 담금질, 템퍼링

Description

17-크롬계 스텐레스 강의 열처리 방법 및 그것을 이용한 내침식성이 요구되는 제품의 제조 방법{Heat treatment method for 17-Cr stainless steel and manufacturing method of products desired erosion resistance using the same}

도 1은 종래의 17-크롬계 스텐레스 강의 열처리 방법을 이용하여 밸브 제품을 제조하는 방법에 대한 순서도이다.

도 2는 본 발명에 따른 17-크롬계 스텐레스 강의 열처리 방법을 이용하여 밸브 제품을 제조하는 방법에 대한 순서도이다.

도 3은 종래의 17-크롬계 스텐레스 강의 1,2차 어닐링 후의 경도 값을 보여주는 그래프이다.

도 4는 본 발명에 따라 17-크롬계 스텐레스 강의 1회 저온 어닐링 후의 경도 값을 종래의 1차 어닐링 시와 비교하여 보여주는 그래프이다.

도 5는 본 발명에 따라 17-크롬계 스텐레스 강의 담금질 온도에 따른 특성과 결정립도의 관계를 보여주는 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따라 17-크롬계 스텐레스 강의 담금질 온도에 따른 오스테나이트와 델타-페라이트의 체적비를 보여주는 그래프이다.

도 7은 본 발명에 따라 17-크롬계 스텐레스 강의 템퍼링 온도에 따른 경도 의존성을 보여주는 그래프이다.

종래에 17Cr 마르텐사이트계 스테인레스 강을 소재로 사용하여 내식성이 요구되는 수압 프레스용 밸브, 펌프샤프트, 해수용품 등을 제조하는 구체적인 공정은, 첨부도면 도 1에 도시된 것과 같이, 통상적으로 전기로(EAF)나 진공유도용해로(VIM) 등에서 제강한 다음(단계 S10), 주조에 의해 잉곳(Ingot)을 제조하고(S11), 제조된 잉곳을 열간 단조 하며(단계 S12), 단조 후 예비 열처리로서 어닐링(Annealing)을 2회에 걸쳐 실시하고(단계 S13), 밸브 형상으로 1차기계가공(황상,중삭 등의 절삭가공)을 수행하며(단계 S14), 이후 최종 품질에 적합한 상태로 담금질(단계 S15) 및 템퍼링(Tempering) 열처리를 수행하고(단계 S16), 열처리 후 최종정삭가공(최종 정밀 연마 가공)을 수행하여(단계 S17), 실제 밸브 제품을 완성(단계 S18)하게 된다.

한편, 밸브용 소재는 내식성, 가공성, 보수성 등에 주안점을 두기 때문에 수 압 프레스용 제어 밸브 제조시 상기한 어닐링 열처리만 수행하여(단계 S13) 밸브를 절삭가공 한 후(단계 S19) 제품으로 완성(단계 S20)하기도 하였다.

여기서, 상기한 어닐링은, 적당한 온도로 소재를 가열하여 일정온도에서 일정시간 유지한 후 서냉하는 것으로, 그 목적은 단조시의 내부응력을 제거하고, 경도를 저하시켜 피절삭성 및 소성 가공성을 개선하는데 있다. 따라서, 어닐링 처리만 하여 제품으로 완성하는 경우에는 정밀한 가공이 가능하고 손상 발생시 보수가 용이한 잇점이 있다.

그러나, 이럴 경우에는, 밸브가 가져야 하는 가장 중요한 성질중 하나인 내침식성이 낮아 그 수명이 주제어밸브의 경우 약 3~4주 정도, 보수회수 4~5회, 보수 후 수명 2~3주 정도로 매우 짧아지기 때문에 수압프레스의 정지시간과 보수시간이 급격히 증가하였고, 프레스 작업시 정밀 제어가 불가능한 문제점이 빈번히 발생하고 있다.

또한, 상기와 같은 종래의 기술들에 의하여서는 다음과 같은 문제를 해결하기 곤란하였다.

예를들어, 제어밸브가 수압 프레스의 동작을 제어하는 밸브시트, 밸브콘 등으로 구성된 경우, 단조 작업시 315기압 이상의 높은 기압의 물이 프레스의 속도를 조정하는 홀을 통과하므로, 밸브시트의 실링부인 가공연마부 및 밸브콘의 실링부에 침식이 생기고, 이 침식으로 인해 표면이 손상되고 내벽에 이물질에 의한 할퀸자국이 생기거나, 마식(磨蝕)이 동시에 발생한다. 그 원인은 물+기계유(3%) 중에 부유하는 불순물 입자나 액적 등이 밸브시트의 실링부인 가공연마부나, 고압수가 흐르 는 홀부위, 또는 밸브시트와 접촉하는 밸브콘의 하부 가공부위 등의 표면을 타격하여 깎아내는 것과 함께 화학적 작용이 한 꺼번에 작용하여 손상을 주는 것이다. 즉, 이러한 현상은 고체 입자 충돌에 의한 침식, 캐비테이션에 의한 침식 및 액적충돌에 의한 침식 등이 복합적으로 작용하여 손상이 발생하는 것이다. 따라서, 종래에는 이러한 손상으로 인하여 프레스의 정밀제어가 불량해지고, 그에 따라 프레스에서 제조되는 단조품의 치수가 부정확하게 되며 가공 비용도 상승되는 원인으로 작용한다.

또한 제어밸브는 최초 프레스에 장착 후 교체주기가 3~4주이며, 그 후 손상부에 하드 페이싱(Hard Facing)하고 연마한 뒤의 교체주기는 1주~3주/1회 간격으로 2~3회 사용하면 폐기되고 있다. 이와 같이 밸브 세트(Valve set)의 사용수명이 3개월 정도로 매우 짧아 설비의 정지 시간이 길어지는 것은 물론, 프레스의 단조 효율에도 커다란 악영향을 미치고 있다. 또한 이들 제어밸브는 철강소재의 열간 단조시 프레스의 동작을 제어하는 프레스의 가장 주요한 부품으로 주기적인 교체를 필요로 하므로 그에 대한 수명연장이 요구되었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 개발된 것으로서, 본 발명의 목적은, 소재의 내침식성을 향상시킬 수 있는 열처리 방법과 그 열처리 방법을 이용하여 수압 프레스의 작동 특성에 적합하게 사용될 수 있도록 내침식성이 우수하고 수명이 연장되는 제품 제조 방법을 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 단조 후 예비 열처리로서 어닐링을 실시하고, 1차기계가공 후 최종 품질에 적합한 상태로 품질 열처리를 수행하는 17-크롬계 스텐레스 강의 열처리 방법에 있어서, 상기 예비 열처리로서의 어닐링은, 열처리 후 표면경도 H_RC 28∼32를 목표로, 온도범위 650∼700℃에서 25mm/hr + 2hr 유지한 후 공기중에서 냉각하고, 상기 품질 열처리로서, Ac3 + (180∼250)℃의 온도범위에서 50mm/hr 유지한 후, 진공로에서 가스 냉각, 공기중 냉각 또는 유중에서 냉각하는 담금질을 수행하고, 후속하여, 대기 열처리로에서 220~380℃ 또는 560~630℃에서 25mm/hr을 유지한 후 공기중에서 상온으로 냉각하는 템퍼링을 수행하는 것을 특징으로 하는 17-크롬계 스텐레스 강의 열처리 방법이 제공된다.

또한, 본 발명의 17-크롬계 스텐레스 강 소재를 이용하여 내식성이 요구되는 제품을 제조하는 방법은, 제강 후 주조에 의해 잉곳을 제조하는 단계; 제조된 잉곳을 열간 단조 하는 단계; 단조 후 예비 열처리로서, 열처리 후 표면경도 H_RC 28∼32를 목표로, 온도범위 650∼700℃에서 25mm/hr + 2hr 유지한 후 공기중에서 냉각하는 어닐링을 실시하는 단계; 어닐링 후, 제품 형상으로 1차기계가공을 수행하는 단계; 최종 제품의 품질에 적합한 상태로 Ac3 + (180∼250)℃의 온도범위에서 50mm/hr 유지한 후, 진공로에서 가스 냉각, 공기중 냉각 또는 유중에서 냉각하는 담금질을 수행하는 단계; 후속하여, 대기 열처리로에서 220~380℃ 또는 560~630℃ 에서 25mm/hr을 유지한 후 공기중에서 상온으로 냉각하는 템퍼링을 수행하는 단계; 및 열처리 후 최종정삭가공을 수행하여 실제 제품을 완성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

<실시예>

이하, 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명은 종래의 수압 프레스 밸브용 17Cr계 스테인레스 강 소재의 어닐닝 열처리를 새로운 열처리 제조공정으로 개선하고, 제조방법의 변화를 통하여 경도, 인장강도 및 내침식성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

먼저, 본 발명에 의한 17Cr계 스테인레스 강 소재의 열처리 공정과 종래의 열처리 공정을 아래의 [표 1]에 나타내었다.

강종	열처리 조건
	어닐링(℃)	담금질(℃)	템퍼링(℃)
종래	1차:740~780℃, 25mm/hr, 급냉 2차:650~700℃, 25mm/hr, 급냉	1040℃	630~700℃, 급냉
본발명	1차:650~700℃, 25mm/hr+2hr, 공냉(서냉)	Ac3+(180~250)℃, 50mm/hr, 가스냉각/공냉/유냉	200~380℃ 또는 550~630℃, 25mm/hr, 공냉

[표 1]에서 보이듯이 본 발명에서 열간 단조 후의 어닐링은 1회를 수행하며, 온도범위 680∼700℃에서 25mm/hr + 2hr 유지한 후 공기중에서 냉각한다. 여기서, 25mm/hr + 2hr에서의 25mm는 소재의 두께를 말하므로, 소재 두께 25mm당 1시간동안 유지하는 것이 되고, +2hr는 2시간을 더 유지한다는 것이 된다. 예를들어, 소재 두께가 75mm이면, 3시간+2시간이므로 총 5시간을 유지하게 된다.

상기한 어닐링은 저온 어닐링으로서, 단조시의 내부응력을 제거하여 조직을 안정화 하고, 단조 후 경도가 높은 소재를 연질화 하여 가공성을 개선하는 예비열처리이다. 상기한 어닐링 열처리의 조건들은 통상적으로 기계가공(절삭가공)에 적합한 H_RC 28∼32 정도를 목표로 하여 그것을 만족하는 범위로 설정되었다.

상기와 같이 어닐링 한 소재를 기계가공한 이후의 담금질 조건은, Ac3 + (180∼250)℃의 온도범위에서 오스테나이트화 하여 50mm/hr 유지한 후, 진공로에서 가스 냉각 담금질이나 공기중 또는 유중에서 담금질 한다.

여기서, 담금질 온도는 최고 경도를 나타내는 온도보다 60~80℃ 정도가 낮은 오스테나이트화 온도를 선정하여 잔류오스테나이트와 δ-페라이트가 최소가 될 수 있는 온도로 설정하였다. 담금질 온도를 비교적 높게 유지함으로써 표면산화나 탈탄을 방지할 수 있다.

템퍼링은 상기한 담금질 직후, 대기 열처리로에서 220~380℃(최종 제품에 높은 경도가 요구되는 경우) 또는 560~630℃(최종 제품에 그다지 높은 경도가 요구되지 않은 경우)에서 25mm/hr을 유지한 후 공기중에서 상온으로 냉각한다.

첨부도면 도 2에는 이와 같은 열처리 방법을 이용하여 수압 프레스용 밸브 제품을 제조하는 공정에 대한 순서도가 도시되어 있다.

도 2에 도시된 것과 같이, 전기로(EAF)나 진공유도용해로(VIM) 등에서 제강한 다음(단계 S31), 주조에 의해 잉곳을 제조하고(S32), 제조된 잉곳을 열간 단조 하며(단계 S33), 단조 후 예비 열처리로서 전술한 열처리 조건에 따라 어닐링을 1회 실시하고(단계 S34), 밸브 형상으로 1차기계가공을 수행하며(단계 S35), 이후 최종 품질에 적합한 상태로 전술한 열처리 조건에 따라 담금질(단계 S36) 및 템퍼링 열처리를 수행하고(단계 S37), 열처리 후 최종정삭가공(최종 정밀 연마 가공)을 수행하여(단계 S38), 실제 밸브 제품을 완성(단계 S39)한다.

상기한 1차기계가공은 어닐링 되어 연질화된 소재에 주로 황상,중삭 등을 행하는 절삭가공이고, 상기한 최종정삭가공은 1차기계가공 후 담금질 및 템퍼링 됨으로써 높은 경도를 가지게 되는 반제품에 대한 최종 연마(Grinding) 가공이다.

<시험예>

상술한 바와 같은 본 발명의 열처리 및 제조 조건의 설정 과정과 이유를 설명한다.

종래와 본 발명의 수압 프레스용 밸브 소재의 열처리 조건과 최종 시험 결과를 종래와 본 발명을 비교하였다.

먼저, 열처리에 있어서 어닐닝 후 경도측정으로 가공성을 예측하고 담금질과 템퍼링에 의한 조직 및 경도를 비교하였다. 또한 실제 밸브 제품에 기존의 공정과 본 발명의 열처리공정 및 제조공정을 적용하여 밸브를 제조한 후 13,000Ton 프레스에 장착하여 침식성과 수명을 상호비교 하였다.

도 3에는 종래에 단조 후 경도가 높은 소재를 밸브 제품의 형상으로 기계가공하기 이전에 실시한 어닐닝 열처리시 온도에 따른 경도변화를 나타내었다.

종래에는 전술한 바와 같이, 2차에 걸쳐서 어닐링을 수행하는데, 단조 후 H_RC40 이상의 경도를 가지는 소재를 1차 어닐링(740∼780℃, 25mm/hr, 급냉)하면 대략 H_RC35∼37 정도의 경도가 얻어지고, 이 후 2차 어닐링(650∼680℃, 25mm/hr, 급냉)을 수행하면 대략 H_RC30∼32 정도의 경도 값이 얻어진다. H_RC30∼32의 경도 값은 일반적으로 기계(절삭)가공 하기에 적당한 경도 구간인 H_RC28∼32에 들어가는 값이다.

이와는 달리, 본 시험예에서의 어닐링 열처리 공정은, 도 4에 도시된 것과 같이, 단지 1회의 어닐닝만을 수행하는 대신 유지시간을 (25mm/1hr + 2hr)으로 2시간 증가시킨 저온 1회 어닐닝을 실시하였다. 이때의 어닐닝 온도 범위는 680~700℃이고, 유지시간은 (25mm/hr + 2hr)이며, 공기 중에서 냉각하였다. 이와 같이, 본 발명의 어닐링 방법에 의해 1회의 저온 어닐링을 수행하여도 종래의 2차에 걸쳐 어닐링 했을 때에 얻어지는 경도와 같은 수준의 경도가 얻어짐으로써 매우 경제적이다.

한편, 본 발명에서의 담금질 조건은 도 5 및 도 6에서와 같이, 담금질 온도에 따른 경도 의존성 및 미세 조직내의 상 분포(광학현미경 및 XRD이용)를 측정하여 결정하였다.

도 5에 도시된 것과 같이, 최대 경도를 나타내는 담금질 온도는 대략 1050℃ ∼ 1100℃ 범위에서 존재하였고, 최고경도를 나타내는 온도범위보다 높거나 낮으면 경도가 감소하였다. 여기서 오스테나이트화 온도가 너무 높으면 오스테나이트와 페라이트의 잔류량이 많아지고 결정립도가 커지며 표면 탈탄이나 결함 발생 가능성이 커지게 되어 오히려 경도가 저하하였다. 반면 오스테나이트화 온도가 너무 낮으면 균일한 마르텐사이트 조직을 얻을 수 없고, 결정립도의 미세화 효과도 적으며 템퍼링 후의 인성 증가를 기대하기 어렵다. 그러므로 본 발명의 목적인 내침식성, 고강도, 고인성을 얻기 위해서는 담금질온도가 너무 높지도 너무 낮지도 않은 담금질 온도를 선정해야 고강도와 고인성을 얻을 수 있었다.

또한, 도 6에서는 여러 가지 오스테나이트화 온도로부터 냉각한 소재의 미세조직내 상 분포 상태를 보여주는 것으로서, 1050℃ 이상에서는 조직의 상이 M(마르텐사이트)과 A(오스테나이트) 및 F(페라이트)로 구성되어 있는 반면 1050℃이하에서는 전체가 M으로 구성되어 있었다. 즉, 오스테나이트화 온도가 증가함에 따라 잔류 오스테나이트량과 페라이트의 양도 증가하며 1050℃ 이상의 온도에서 급격히 증가하고, 반면 950℃이하의 오스테나이트화 온도는 경도가 너무 낮음을 알 수 있다.

따라서, 인성과 강도를 고려하면 잔류 오스테나이트량과 페라이트의 양이 거의 없는 970~1030℃의 범위의 온도가 오스테나이트화 온도로서 적합할 것으로 판명되었다. 따라서, 상기와 같은 결과에 근거하여 다음과 같이 담금질 조건을 결정하였다. 즉, Ac3 변태점(791℃, 해당 시편의 측정치) + (180~250)℃, 유지시간 50mm/hr, 냉각방법 공냉/유냉/가스냉각으로 결정하였다.

도 7은 100 ∼ 700℃ 온도 구간에서 템퍼링 온도에 따른 경도 의존성을 측정 한 결과이다.

도 7에 도시된 것과 같이, 200 ∼ 380℃ 온도 범위에서는 담금질 후의 경도나 강도를 크게 저하시키지 않고 내부응력을 완화시킴으로써 어느 정도의 인성이 회복될 수 있음을 보여준다. 따라서, 내식성을 향상시킬 수 있다.

반면 380 ∼ 500℃의 온도범위에서는 경도 값이 온도 증가에 따라 증가하는데 이것은 Mo, V, Cr, Co 등이 첨가되어 미세한 탄화물이나 질화물 생성시켜 2차 경화를 촉진함으로써 나타나는 현상으로 내식성이나 인성의 저하가 일어날 수 있다.

한편 500 ∼ 700℃의 온도범위에서는 급격한 경도 저하 현상이 나타나는데 급격한 내부응력의 저하와 함께 기지에 분산되어있던 합금원소가 탄소(C)나 질소(N) 등과 화합물을 형성하고 일부는 성장한 결과에 의해 기지의 강도가 저하하는 현상으로 설명될 수 있다. 따라서 본 발명에서의 템퍼링 조건은, 최종 제품의 특성에 따라서 200 ∼ 380℃ 또는 550 ∼ 630℃중 하나의 방법을 선택하고, 유지시간은 모두 25mm/hr, 냉각방법은 공냉으로 설정하였다.

이와 같이 본 발명은, 종래의 수압 프레스용 밸브의 제조공정 중 정밀가공을 위한 2회 어닐닝을 1회 어닐닝으로 변경하였고, 담금질과 템퍼링과 같은 열처리 공정을 최적화 하여 조직적으로 단일 마르텐사이트화 하여 경도, 인장강도 및 내침식성이 우수하여 수명이 500% 이상 향상되는 밸브 제품의 제조가 가능하였다.

이상 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 내침식성이 우수한 수압 프레스 밸브용 17Cr계 스테인레스 강의 열처리 제조공정 및 제품 제조방법에 의하면, 기존의 공정이 적용된 제품에 비하여 내침식성이 매우 우수할 뿐만 아니라 수명이 향상되고 제조비용을 저감할 수 있다.

Claims

단조 후 예비 열처리로서 어닐링을 실시하고, 1차기계가공 후 최종 품질에 적합한 상태로 품질 열처리를 수행하는 17-크롬계 스텐레스 강의 열처리 방법에 있어서,

상기 예비 열처리로서의 어닐링은, 열처리 후 표면경도 H_RC 28∼32를 목표로, 온도범위 650∼700℃에서 25mm/hr + 2hr 유지한 후 공기중에서 냉각하고,

상기 품질 열처리로서, Ac3 + (180∼250)℃의 온도범위에서 50mm/hr 유지한 후, 진공로에서 가스 냉각, 공기중 냉각 또는 유중에서 냉각하는 담금질을 수행하고, 후속하여, 대기 열처리로에서 220~380℃ 또는 560~630℃에서 25mm/hr을 유지한 후 공기중에서 상온으로 냉각하는 템퍼링을 수행하는 것을 특징으로 하는 17-크롬계 스텐레스 강의 열처리 방법.
17-크롬계 스텐레스 강 소재를 이용하여 내식성이 요구되는 제품을 제조하는 방법에 있어서,

제강 후 주조에 의해 잉곳을 제조하는 단계;

제조된 잉곳을 열간 단조 하는 단계;

단조 후 예비 열처리로서, 열처리 후 표면경도 H_RC 28∼32를 목표로, 온도범위 650∼700℃에서 25mm/hr + 2hr 유지한 후 공기중에서 냉각하는 어닐링을 실시하 는 단계;

어닐링 후, 제품 형상으로 1차기계가공을 수행하는 단계;

최종 제품의 품질에 적합한 상태로 Ac3 + (180∼250)℃의 온도범위에서 50mm/hr 유지한 후, 진공로에서 가스 냉각, 공기중 냉각 또는 유중에서 냉각하는 담금질을 수행하는 단계;

후속하여, 대기 열처리로에서 220~380℃ 또는 560~630℃에서 25mm/hr을 유지한 후 공기중에서 상온으로 냉각하는 템퍼링을 수행하는 단계; 및

열처리 후 최종정삭가공을 수행하여 실제 제품을 완성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내식성이 요구되는 제품의 제조 방법.