KR20080034939A - 내식성, 냉간 성형성 및 기계 가공성을 갖는 고강도마르텐사이트계 스테인리스강 - Google Patents

내식성, 냉간 성형성 및 기계 가공성을 갖는 고강도마르텐사이트계 스테인리스강 Download PDF

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Abstract

본 발명은 매우 양호한 냉간 성형성을 갖는 내식성, 마르텐사이트계 강 합금을 개시한다. 이 합금은, 0.01-0.40 중량%의 탄소, 0.01-2.0 중량%의 망간, 최대 2.0 중량%의 규소, 최대 0.2 중량%의 인, 최대 0.030 중량%의 황, 10-15 중량%의 크롬, 최대 0.5 중량%의 니켈, 0.75-4.0 중량%의 몰리브덴, 0.02-0.15 중량%의 질소, 1.5-4.0 중량%의 구리, 최대 0.01 중량%의 티타늄, 최대 0.01 중량%의 알루미늄, 최대 0.10 중량%의 니오브+탄탈, 최대 0.20 중량%의 바나듐, 0.001 중량% 미만의 지르코늄, 및 0.001 중량% 미만의 칼슘으로 이루어진 조성을 갖는다. 합금의 잔부는 실질적으로 철로 이루어진다. 니켈과 구리는, Ni/Cu 비가 0.2 미만이도록 합금에서 균형을 이루고 있다. 본 발명의 합금의 제2 실시예에서는, 양호한 기계 가공성을 제공하기 위해서 약 0.005 중량% 이상의 황, 셀레늄, 또는 이들의 조합을 함유한다.

Description

내식성, 냉간 성형성 및 기계 가공성을 갖는 고강도 마르텐사이트계 스테인리스강{CORROSION-RESISTANT, COLD-FORMABLE, MACHINABLE, HIGH STRENGTH, MARTENSITIC STAINLESS STEEL}
본 발명은 마르텐사이트계 스테인리스강 합금에 관한 것으로, 구체적으로 내식성, 냉간 성형성, 기계 가공성, 및 고강도의 특유의 조합을 제공하도록 조성이 균형을 이루고 있는 마르텐사이트계 스테인리스강 합금에 관한 것이다.
기계 및 기타 장치의 많은 강제 부품은, 바 또는 로드 형태의 강합금으로부터 기계 가공된다. 그러나, 이러한 부품, 특히 체결구를 제조하기 위한 기계 가공 공정에서는 낭비되는 재료의 양이 상당하다. 따라서, 전통적으로 기계 가공되었던 부품들은, 이제는 냉간 압조와 같은 냉간 성형 기술에 의해 제조되도록 설계되고 있다.
강제 부품의 냉간 성형으로의 전환은, 냉간 성형성에 더하여, 내식성 및 고강도가 강제 부품에 요구되는 경우 중대한 문제를 일으킨다. 지금까지, 강제 부품에 고강도 및 내식성이 요구될 때, 석출 경화 스테인리스강이 이용되었다. 그러나, 공지의 석출 경화 스테인리스강은, 통상적으로 약 100 HRB를 초과하는 높은 어닐링 경도 때문에 충분한 냉간 성형성을 제공하지 못하고 있다. 공지의 마르텐사이트계 스테인리스강은, 다소 양호한 냉간 성형성을 제공하긴 하지만, 내식성이 불충분한 점이 조금 있다. 오스테나이트계 및 페라이트계 스테인리스강은 마르텐사이트계 스테인리스강보다 더 양호한 내식성을 제공하지만, 많은 용례에 있어서 요구되는 강도를 제공하지 못한다. 게다가, 몇몇 냉간 성형된 부품은 이들의 최종 형상 및 치수를 얻기 위해서 적은 양의 기계 가공을 요구할 수도 있다. 쾌삭성 첨가제(free-machining additives)를 이용하게 되면, 냉간 성형성 강합금에서의 다른 요구되는 특성에 역효과를 줄 수 있다.
전술한 설명을 고려할 때, 고강도, 내부식성 및 양호한 냉간 성형성의 조합이 공지의 냉간 성형성 스테인리스강보다 우수한 마르텐사이트계 스테인리스강이 필요하게 되었다. 또한, 합금의 냉간 성형성에 대해 역효과를 주지 않고 양호한 기계 가공성을 제공하는 철강을 취하는 것이 바람직할 것이다.
공지의 냉간 성형성 스테인리스강의 단점은, 이하의 광범위한, 중간적인, 그리고 바람직한 합금 조성을 갖는 마르텐사이트계 스테인리스강에 의해 상당한 정도가 해결된다.
광범위 조성 중간 조성 바람직한 범위의 조성
C 0.10-0.40 0.15-0.30 0.20-0.25
Mn 0.01-2.0 0.01-1.0 0.01-0.3
Si 최대 2.0 최대 1.0 최대 0.75
S 최대 0.030 0.005-0.020 0.007-0.015
Cr 10-15 11.5-14.3 13.0-13.8
Ni 최대 0.5 최대 0.35 최대 0.25
Mo 0.75-4.0 1.25-3.0 1.75-2.5
Cu 1.5-4.0 1.75-3.5 2.0-3.0
N 0.02-0.15 0.04-0.10 0.05-0.08
실질적으로, 상기 합금의 잔부는 통상적인 불순물과 철로 이루어진다. 니켈과 구리는, Ni/Cu 비가 0.2 미만, 바람직하게는 약 0.15 이하, 더욱 바람직하게는, 약 0.10 이하이도록 균형을 이루고 있다.
앞의 표는 편리한 요약으로서 마련한 것이고, 상호 조합하여 사용하는 데 있어 본 발명의 합금의 개별적인 원소의 범위의 상하한값을 한정하거나, 상호 조합에서 단독으로 사용하는 데 있어 원소의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 따라서, 하나 이상의 원소 범위는 하나 이상의 나머지 원소의 다른 범위와 함께 사용할 수 있다. 또한, 광범위한, 중간적인, 또는 바람직한 조성에서 원소의 최대값 또는 최소값은 다른 바람직한 또는 중간적인 조성에서 그 원소의 최대값 또는 최소값과 함께 사용할 수 있다. 본 명세서에 걸쳐 사용되는 "퍼센트"라는 용어 또는 "%"기호는 다른 명시가 없는 한 중량%를 의미한다.
탄소는, 본 발명의 합금에 의해 제공되는 고강도에 도움을 주기 때문에 그 합금에 존재한다. 또한, 탄소는 합금의 양호한 상 균형을 위해 유용하다. 이러한 이유로, 합금은 약 0.10% 이상, 더욱 양호하게는 약 0.15% 이상, 바람직하게는 약 0.20% 이상의 탄소를 함유한다. 너무 많은 양의 탄소는 합금에서 1차 탄화물의 과도한 형성을 야기하고, 이는 합금의 냉간 성형성 및 내식성에 악영향을 준다. 따라서, 본 발명의 합금은 약 0.40% 이하, 더욱 양호하게는 약 0.30% 이하, 바람직하게는 약 0.25% 이하의 탄소를 함유한다.
망간은, 합금의 상 균형에 유용한 원소인데, 이는 오스테나이트의 형성을 촉진하고 페라이트의 형성을 억제하기 때문이다. 이 때문에, 합금은 약 2.0% 이하의 망간을 함유한다. 망간에 의해 제공되는 이익을 얻기 위해서, 합금은 약 0.01% 이상의 망간을 함유한다. 합금의 기계 가공성에 도움을 주기 위해 합금에 황이 첨가될 때, 황화망간이 형성될 수 있고, 이는 합금에 의해 제공되는 내식성에 악영향을 준다. 따라서, 약 0.005%를 초과하는 황이 합금에 존재할 때, 망간은 약 1.0% 이하, 바람직하게는 약 0.3% 이하로 한정된다. 망간의 양을 상기와 같이 적게 유지함으로써 황화망간의 형성을 제한하는 것은 기계 가공성에 도움을 주는 황화 크롬의 형성을 촉진하지만, 합금에 의해 제공되는 내식성에 악영향을 주지는 않는다.
소망하거나 필요한 경우 합금의 기계 가공성에 도움을 주기 위해 합금에 적은 양의 황이 존재할 수 있다. 따라서, 양호한 기계 가공성이 요구될 때, 합금은 약 0.005% 이상의 황, 및 바람직하게는 약 0.007% 이상의 황을 함유한다. 너무 많은 양의 황은 합금의 냉간 성형성 및 열간 가공성에 악영향을 준다. 또한, 상기한 바와 같이, 황은 이용가능한 망간과 결합하여, 합금의 내식성에 악영향을 주는 황화망간을 형성한다. 따라서, 황은, 존재시에, 약 0.030% 이하, 더욱 양호하게는 약 0.020% 이하, 바람직하게는 약 0.015% 이하로 한정된다. 셀레늄이 황의 일부 또는 전부를 중량 퍼센트 기초로 1:1로 대체할 수 있는데, 이는 셀레늄 역시 합금의 기계 가공성에 도움을 주기 때문이다.
최상의 냉간 성형성이 요구되는 용례를 위해서, 황은, 바람직하게는 0.010% 이하, 더욱 양호하게는 약 0.007% 이하, 최상의 결과를 위해서는 약 0.005% 이하로 한정된다.
합금에 의해 제공되는 내식성에 도움을 주기 위해 크롬이 본 발명의 합금에 존재한다. 따라서, 그 합금은 약 10% 이상의 크롬, 더욱 양호하게는 약 11.5% 이상의 크롬, 바람직하게는 약 13% 이상의 크롬을 함유한다. 너무 많은 양의 크롬은 합금의 열간 가공성 및 내식성에 악영향을 줄 정도로 페라이트를 합금 내에 형성하게 된다. 따라서, 합금에서 크롬은 약 15% 이하의 크롬, 더욱 양호하게는 약 14.3% 이하의 크롬, 바람직하게는 약 13.8% 이하의 크롬으로 한정된다.
합금은 약 0.75% 이상의 몰리브덴을 함유하는데, 이는 특히 염화물 함유 환경에서의 합금의 내식성에 도움을 주기 때문이다. 이를 위해 양호하게는 합금은 약 1.25% 이상의 몰리브덴을 함유하고 바람직하게는 약 1.75% 이상의 몰리브덴을 함유한다. 크롬과 같이, 몰리브덴은 합금 내에 페라이트의 형성을 촉진하고, 너무 많은 페라이트는 합금의 열간 가공성 및 전반적인 내식성에 악영향을 준다. 따라서, 합금은 약 4.0% 이하의 몰리브덴, 더욱 양호하게는 약 3.0% 이하의 몰리브덴, 바람직하게는 약 2.5% 이하의 몰리브덴을 함유한다.
합금의 냉간 성형성에 도움을 주기 위해서 구리가 합금에 존재한다. 또한 구리는 합금의 만족스러운 상 균형을 제공하는데 도움을 주고 황이 존재할 때 합금의 기계 가공성에 기여한다. 구리에 의해 제공되는 이점은, 합금이 약 1.5% 이상의 구리를 함유할 때 실현된다. 바람직하게는 합금은 약 1.75% 이상의 구리, 더욱 양호하게는 약 2.0% 이상의 구리를 함유한다. 너무 많은 양의 구리는 합금에 적열취성(赤熱脆性)을 야기할 수 있고, 이는 합금의 열간 가공성에 악영향을 준다. 따라서, 구리는 본 발명의 합금에서 약 4.0% 이하, 더욱 양호하게는 약 3.5% 이하, 바람직하게는 약 3.0% 이하로 한정된다.
합금의 상 균형에 도움을 주기 위해서, 약 0.5% 이하의 니켈이 합금에 존재할 수 있다. 바람직하게는 니켈은 약 0.35% 이하, 더욱 양호하게는 약 0.25% 이하로 한정되는데, 이는 니켈이, 합금의 냉간 성형성에 악영향을 주는 합금의 어닐링 강도를 증가시키기 때문이다. 양호한 냉간 성형성에 필수적인 낮은 어닐링 경도와, 및 내식성 및 열간 가공성에 도움을 주는 적절한 상 균형의 양호한 조합을 제공하기 위해서, 니켈과 구리는, 구리에 대한 니켈의 비(Ni/Cu)가 바람직하게는 0.2 미만, 더욱 양호하게는 약 0.15 이하, 바람직하게는 약 0.10 이하가 되도록 합금에서 균형을 이루고 있다.
본 발명의 합금은 약 0.02% 이상의 질소, 더욱 양호하게는 약 0.04% 이상의 질소, 바람직하게는 약 0.05% 이상의 질소를 함유하는데, 이는 질소가 합금에 의해 제공된 고강도에 기여하기 때문이다. 또한, 질소는 합금에 의해 제공된 내식성 및 상 균형에 도움을 준다. 합금 내의 너무 많은 양의 질소는 기공이 많은 잉곳을 야기하고 합금의 열간 가공성 및 냉간 성형성에 악영향을 준다. 따라서, 질소는 약 0.15% 이하, 더욱 양호하게는 약 0.10% 이하, 바람직하게는 약 0.08% 이하로 한정 된다.
규소는, 용해 중에 합금을 탈산시키기에 유효한 양으로 합금에 존재할 수 있다. 그러나, 너무 많은 양의 규소는 합금에 과도한 페라이트의 형성을 조장하고, 이는 합금의 열간 가공성 및 내식성에 악영향을 준다. 따라서, 합금은, 탈산제로 이용하기 위한 약 2.0% 이하의 규소를 함유할 수 있다. 그러나, 바람직하게는 본 발명의 합금에서 규소는 약 1.0% 이하, 더욱 양호하게는 약 0.75% 이하로 한정된다.
합금의 잔부는, 동일하거나 유사한 용도 또는 용례를 위해 의도되는 유사한 급의 마르텐사이트계 스테인리스강 합금에서 발견되는 통상의 불순물 및 첨가물을 제외하고는 철로 이루어진다. 이러한 점에서, 합금은 약 0.2% 이하의 인, 더욱 양호하게는 약 0.1% 이하, 바람직하게는 약 0.05% 이하의 인을 함유한다. 또한, 합금은 약 0,20% 이하, 바람직하게는 약 0.10% 이하의 바나듐을 함유한다. 약 0.10% 이하, 바람직하게는 약 0.01% 이하의 니오브와 탄탈의 조합이 본 발명의 합금에 존재할 수 있다. 또한, 합금은 각각 약 0.01% 미만의 티타늄, 알루미늄, 및 지르코늄을 함유한다. 합금은 약 0.003% 이하의 붕소를 함유할 수 있다. 조금의, 미량의, 통상적으로 각각 0.001% 미만의 칼슘과 지르코늄이 또한 합금에 존재할 수 있다.
합금을 용해하고 정련하는데 어떤 특별한 기술이 요구되지 않는다. 아크 용해공정에 이은 아르곤-산소 탈탄공정(Argon-Oxygen Decarburization, AOD)이 이용될 수 있다. 그러나, 양호한 합금 청결이 요구될 때 진공 유도 용해공정(Vacuum Induction Melting, VIM)이 바람직하다. 본 발명의 합금은 연속 주조 공정에 이용 하기에 적합하고, 필요한 경우, 분말 야금 기술에 의해 제조될 수 있다. 주조 후에, 합금의 잉곳은, 잉곳에 크랙이 생기는 것을 막기에 충분히 느린 속도로 노냉된다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 합금의 잉곳은, 약 2000-2300℉(1093-1260℃), 바람직하게는 약 2100-2250℉(1149-1232℃)의 노 온도에서부터 열간 가공하고, 중간 단면 감소 이후 필요한 경우 재가열을 행한다. 큰 단면 크기에서, 합금은 냉간 인발될 수 있는 단면 치수로 열간 압연될 수 있는 크기까지 열간 가공된다. 중간 어닐링이 약 1650-1700℉(900-927℃)에서 약 4시간 동안 실시되고, 이어서 바람직하게는 시간당 약 30℉로 1200℉(649℃)까지 노냉된다. 그 뒤, 합금은 상온으로 공냉된다.
바람직하게는, 합금은 냉간 인발하기에 적합한 단면 치수로 열간 압연된다. 바람직하게는, 열간 압연이 약 2150-2250℉(1177-1232℃)의 시작 온도에서부터 실시된다. 열간 압연 후에, 합금은 약 2시간 동안 약 1450-1550℉(788-843℃)에서 어닐링된다. 바람직하게는, 합금은, 어닐링 온도로부터 약 1200℉(649℃)까지 시간당 약 20℉로 노냉되고, 그 뒤 상온로 공냉된다.
합금은 필요한 단면 감소량에 따라 1회 이상에 걸쳐 최종 치수로 냉간 인발된다. 냉간 인발에 앞서, 합금은 셰이빙, 폴리싱, 및 프리코팅될 수 있다. 소망의 크기로 냉간 인발한 후에, 와이어는 잔여 인발 화합물 및 다른 표면 오염물을 제거하기 위해 세척된다. 그 뒤, 전술한 것과 동일하거나 유사한 사이클로 합금 와이어가 어닐링된다. 합금 와이어는, 냉간 성형 작업 중에 갤링(galling)을 막기 위해서 구리로 된 표면층 또는 다른 코팅으로 피복될 수 있다.
냉간 압조 등에 의해, 합금은 소망의 형상 및 치수로 냉간 성형된다. 냉간 성형된 제품은 스크류, 볼트, 및 너트와 같은 체결구를 포함한다. 최종적인 제품 형태는, 약 1750-2000℉(954-1093℃)에서, 바람직하게는 약 1900℉(1038℃) 이하에서 약 1시간 동안 오스테나이트화하고, 이어서 담금질함으로써 경화된다. 바람직하게는, 합금은, 열적 스케일링(산화)를 막기 위해, 오스테나이트화 온도로 진공중에서 약 1시간 동안 가열되고 급속 가스 냉각에 의해 담금질된다. 합금은, 약 2시간 동안 약 300-900℉(149-482℃)에서 템퍼링하고나서 공냉될 수 있다.
본 발명의 합금은 다양한 용도를 위해서 다양한 형상으로 성형될 수 있다. 그러나, 그 합금은 바람직하게는 전술한 바와 같은 유용한 물품으로 냉간 성형될 수 있는 로드 또는 와이어로 성형된다.
당업자는, 본 발명의 광범위한 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 변형 또는 수정이 전술한 실시예에 가해질 수 있다는 점을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명이, 전술한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 전술한 것은 물론 첨부한 청구범위에서 기재된 본 발명의 범위 및 사상 내에서 모든 변형 및 수정을 포함할 것이라는 점을 이해할 것이다.

Claims (20)

  1. 내식성, 마르텐사이트계 강 합금으로서, 실질적으로,
    약 0.10-0.40 중량%의 탄소,
    약 0.01-2.0 중량%의 망간,
    최대 약 2.0 중량%의 규소,
    최대 약 0.2 중량%의 인,
    최대 약 0.030 중량%의 황,
    약 10-15 중량%의 크롬,
    최대 약 0.5 중량%의 니켈,
    약 0.75-4.0 중량%의 몰리브덴,
    약 0.02-0.15 중량%의 질소,
    약 1.5-4.0 중량%의 구리,
    최대 약 0.01 중량%의 티타늄,
    최대 약 0.01 중량%의 알루미늄,
    최대 약 0.10 중량%의 니오브+탄탈,
    최대 약 0.20 중량%의 바나듐,
    약 0.001 중량% 미만의 지르코늄,
    약 0.001 중량% 미만의 칼슘
    을 포함하고, 잔부는 실질적으로 철이며, Ni/Cu는 0.2 미만인 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  2. 제1항에 있어서, 약 14.3 중량% 이하의 크롬을 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  3. 제1항에 있어서, 약 1.75 중량% 이상의 구리를 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  4. 제1항에 있어서, 약 3.0 중량% 이하의 몰리브덴을 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  5. 제1항에 있어서, 약 0.04 중량% 이상의 질소를 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  6. 제2항에 있어서, 약 11.5 중량% 이상의 크롬을 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  7. 제1항에 있어서, 약 0.35 중량% 이하의 니켈을 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  8. 제7항에 있어서, 약 2.0 중량% 이상의 구리를 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  9. 제8항에 있어서, 약 0.25 중량% 이하의 니켈을 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  10. 제1항에 있어서, 약 0.005 중량% 이상의 황, 셀레늄, 또는 이들의 조합을 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  11. 내식성, 마르텐사이트계 강 합금으로서, 실질적으로,
    약 0.15-0.30 중량%의 탄소,
    약 0.01-1.0 중량%의 망간,
    최대 약 1.0 중량%의 규소,
    최대 약 0.1 중량%의 인,
    최대 약 0.020 중량%의 황,
    약 11.5-14.3 중량%의 크롬,
    최대 약 0.35 중량%의 니켈,
    약 1.25-3.0 중량%의 몰리브덴,
    약 0.04-0.10 중량%의 질소,
    약 1.75-3.5 중량%의 구리,
    최대 약 0.01 중량%의 티타늄,
    최대 약 0.01 중량%의 알루미늄,
    최대 약 0.10 중량%의 니오브+탄탈,
    최대 약 0.20 중량%의 바나듐,
    약 0.001 중량% 미만의 지르코늄,
    약 0.001 중량% 미만의 칼슘
    을 포함하고, 잔부는 실질적으로 철이며, Ni/Cu는 약 0.15 이하인 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  12. 제11항에 있어서, 약 13.8 중량% 이하의 크롬을 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  13. 제11항에 있어서, 약 2.0 중량% 이상의 구리를 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  14. 제11항에 있어서, 약 2.5 중량% 이하의 몰리브덴을 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  15. 제11항에 있어서, 약 0.05 중량% 이상의 질소를 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  16. 제13항에 있어서, 약 13.0 중량% 이상의 크롬을 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  17. 제11항에 있어서, 약 0.25 중량% 이하의 니켈을 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  18. 제11항에 있어서, 약 0.005 중량% 이상의 황, 셀레늄, 또는 이들의 조합을 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  19. 내식성, 마르텐사이트계 강 합금으로서, 실질적으로,
    약 0.20-0.25 중량%의 탄소,
    약 0.01-0.3 중량%의 망간,
    최대 약 0.75 중량%의 규소,
    최대 약 0.05 중량%의 인,
    최대 약 0.015 중량%의 황,
    약 13.0-13.8 중량%의 크롬,
    최대 약 0.25 중량%의 니켈,
    약 1.75-2.5 중량%의 몰리브덴,
    약 0.05-0.08 중량%의 질소,
    약 2.0-3.0 중량%의 구리,
    최대 약 0.01 중량%의 티타늄,
    최대 약 0.01 중량%의 알루미늄,
    최대 약 0.10 중량%의 니오브+탄탈,
    최대 약 0.20 중량%의 바나듐,
    약 0.001 중량% 미만의 지르코늄,
    약 0.001 중량% 미만의 칼슘
    을 포함하고, 잔부는 실질적으로 철이며, Ni/Cu는 약 0.10 이하인 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
  20. 제20항에 있어서, 약 0.007 중량% 이상의 황, 셀레늄, 또는 이들의 조합을 함유하는 것인 내식성, 마르텐사이트계 강 합금.
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