KR20090039764A - 피로 특성이 우수한 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대의 제조 방법 및 그 강대 - Google Patents

Abstract

각종 전자 기기의 스위치 부분에 사용되는 부품 등의 반복적인 탄성이 필요한 부품에 바람직하고, 스위치용 메탈돔 부품에 바람직한 피로 특성이 우수한 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대를 제공한다. 평균 결정입경이 5.0㎛ 이하인 재료를 최종 냉간 압연하여, 제품 두께에서의 마르텐사이트량 90% 이하로 하는 인장 강도 1200MPa 이상의 피로 특성이 우수한 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대의 제조 방법으로서, 바람직하게는 평균 결정입경이 5.0㎛ 이하인 재료를 냉간 압연하고, 평균 결정입경이 5.0㎛ 이하가 되도록 재결정 소둔한 후에 최종 냉간 압연하는 제조 방법, 그 방법으로 얻어지는 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대, 그리고 그 스테인리스 강대로 이루어지는 스위치용 메탈돔 부품.

피로 특성, 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대

Description

피로 특성이 우수한 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대의 제조 방법 및 그 강대{PROCESS FOR PRODUCING METASTABLE AUSTENITIC STAINLESS STEEL STRIP EXCELLING IN FATIGUE PROPERTY AND THE STEEL STRIP}

본 발명은 휴대 단말이나 가전제품 등의 스위치 부분에 사용되는 메탈돔용 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대의 제조 방법 및 그 강대에 관한 것이다.

최근, 휴대 전화, PC 등의 전자 기기의 소형화가 진전되어, 전기적 접점이나 접촉 부분에 사용되는 스위치 부분에 사용되는 메탈돔도 소형화가 진전되고 있다. 비록 소형화되어도 스위치에 요구되는 클릭감이나 내구성이 크게 변화하는 것은 없기 때문에, 결과적으로 이들 소형화 스위치에 사용되는 재료에 가해지는 응력은 상승된다. 따라서, 소형화 스위치의 내구성, 즉 재료의 피로 특성에는 보다 높은 성능이 요구되고 있다.

양호한 클릭감과 높은 내구성을 동시에 만족하는 재료로서, 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대인 SUS301 스테인리스강이 많이 사용되고 있다. 준안정 오스테나이트계 스테인리스강에서는 가공에 의해 마르텐사이트 변태가 일어나, 재료 중에 마르텐사이트가 생성됨으로써 고강도화되어, 내구성이 개선된다.

강도와 피로 특성의 관련에 대해서는 다양한 보고예가 있고, 피로 시험의 모 드에 따라 차이는 보이지만, 인장 강도의 증가와 함께 피로 강도의 상승이 보이는 데, 어느 일정한 인장 강도를 초과하면 이 관계가 애매해지는 것이 알려져 있다 (비특허 문헌 1).

한편, 준안정 오스테나이트계 스테인리스강은 피로에 의해 발생한 균열의 선단에 응력이 집중되면, 그 부분에 마르텐사이트가 생성되어 고강도화되어, 균열이 진전되기 어려워져, 피로 특성이 양호해지는 성질이 알려져 있다. 이 준안정 오스테나이트계 스테인리스강의 마르텐사이트량을 제어하는 방법으로서는 압연속도, 압하량, 압연유 온도를 조정하는 압연 방법이 특허 문헌 1 에 개시되어 있다.

또한, 마르텐사이트량의 제어에 의한 피로 특성의 개선에 관해서는 판 두께 방향에서의 마르텐사이트 분포량을 제어하는 방법이 특허 문헌 2 에 개시되어 있다.

또한, 일반적인 금속 재료의 피로 특성 개선 방법으로서는 결정입경을 미세화함으로써 가능한 경우가 있는 것이 알려져 있고 (비특허 문헌 2), 이것을 이용하여 평균 결정입경을 3㎛ 이하로 하여 피로 특성을 개선한 예가 보인다 (특허 문헌 3).

또한, 지금까지 예로 든 피로 특성에 영향을 미치는 재료 인자를 포함하여, 재료의 강도와 화학 성분, 가공 유기 (誘起) 마르텐사이트량의 관계가 일정 범위가 되도록 조정하여 피로 특성을 개선한 예가 보인다 (특허 문헌 4).

특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2001-286904호

특허 문헌 2 : 일본 공개특허공보 2004-323882호

특허 문헌 3 : 일본 공개특허공보 2004-244725호

특허 문헌 4 : 일본 공개특허공보 2006-207005호

비특허 문헌 1 : 오치 야스오, 「금속 피로의 기초」, 재료 시험 기술, Vol.48, No.2, p.68

비특허 문헌 2 : 요코보리 타케오 감수 번역, 「금속의 피로 파괴」, 마루젠 주식회사, 1970년 6월 3일, p.32-39

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

이상의 지견을 기초로 피로 특성이 우수한 스테인리스 강대 재료를 설계하려면, 결정입경을 미세화하고, 또한, 마르텐사이트량의 발생량을 어느 정도 억제하면 좋을 것으로 예상된다. 또한, 재료의 강도와 화학 성분, 가공 유기 마르텐사이트량의 관계를 조정함으로써, 보다 더 양호한 피로 특성을 기대할 수 있다.

그래서, 이것을 달성하기 위하여 예의 개발에 임한 바, 결정입경을 미세화한 재료를 압연 가공하면, 필연적으로 가공 유기 마르텐사이트의 발생량이 증대되어, 마르텐사이트량을 소정의 범위로 제어하는 것은 용이하지 않은 것을 알 수 있었다.

특허 문헌 1 에서는 압연 조건의 제어에 의해 마르텐사이트량을 제어하고 있는데, 재료의 피로 특성은 검토하지 않았다. 또한, 특허 문헌 1 에 개시된 방법을 채용한 경우, 압연 제어에 필요한 신규 설비의 도입, 혹은 설비 개조를 수반하기 때문에, 제조 비용의 상승을 피할 수 없다.

특허 문헌 2 에서는 최종 압연의 가공도, 재료의 텐션, 워크 롤 직경을 변경하여 마르텐사이트량을 제어하고 있는데, 결정입경에 대해서는 의식하지 않았다 (특허 문헌 2 「0018」). 특허 문헌 3, 4 에는 마르텐사이트량의 제어를 고려한 압연 방법에 관해서 기재가 없다.

과제를 해결하기 위한 수단

본 발명자들은 재료의 피로 특성을 개선하기 위해서 결정입경을 미세화함과 동시에 마르텐사이트량 발생을 억제하는 방법을 다양하게 검토한 결과, 최종 압연 전의 평균 결정입경을 5.0㎛ 이하로 하고, 이것을 압연하여 제품 두께로 한 경우의 마르텐사이트량이 90% 이하로 하고, 제품 두께에 있어서의 인장 강도가 1200MPa 이상으로 하면 피로 특성이 향상되는 것을 알아냈다.

즉, 본 발명은

(1) 평균 결정입경이 5.0㎛ 이하인 재료를 최종 냉간 압연하여, 제품 두께에서의 마르텐사이트량 90% 이하로 하는 인장 강도 1200MPa 이상의 피로 특성이 우수한 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대의 제조 방법,

(2) 상기 (1) 의 제조 방법으로 얻어진 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대, 및

(3) 상기 (2) 의 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대로 이루어지는 스위치용 메탈돔 부품에 관한 것이다.

발명의 효과

본 발명의 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대는 각종 전자기기의 스위치 부분에 사용되는 부품 등의 반복적인 탄성이 필요한 부품에 바람직하고, 스위치용 메탈돔 부품에 바람직한 피로 특성이 우수한 재료이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하에 한정 이유를 설명한다.

(1) 최종 압연 전의 평균 결정입경 :

재료의 피로 특성을 개선하기 위해서는 결정입경의 미세화가 유효하다. 이것은 피로의 초기에 발생한 균열이 입내를 전파할 때에, 결정입계가 균열의 전파를 방해하는 장애물의 역할을 하기 때문이다. 실제의 제품에서는 재결정소둔 후에 압연 가공을 실시하는데, 압연 전의 평균 결정입경이 미세할수록 압연 후의 결정입계가 차지하는 비율이 많아져, 피로 특성의 개선에 유효하다. 즉, 최종 압연 전의 재결정소둔 공정에 의해 결정입경을 미세화한 후에, 최종 압연을 실시하면 유효하다. 단, 본 발명의 과제대로, 결정입경을 미세화하면서, 또한 마르텐사이트량을 제어함으로써, 보다 더 피로 특성이 개선되기 때문에, 마르텐사이트량과의 밸런스를 고려한 최적의 평균 결정입경의 범위를 다양하게 검토하였다. 그 결과, 피로 특성에 현저한 개선이 보여진 것은 최종 압연 전의 평균 결정입경이 5.0㎛ 이하인 경우였다. 본 발명의 효과는 서브 미크론 오더의 평균 결정입경에 있어서도 나타난다. 평균 결정입경이 5.0㎛ 를 초과하면 피로 특성이 저하된다.

(2) 마르텐사이트량 :

준안정 오스테나이트계 스테인리스강은 피로에 의해 발생한 균열의 선단에 응력이 집중됨으로써, 이 부분에 마르텐사이트가 생성되어 고강도화됨으로써, 균열이 진전되기 어려워져, 피로 특성이 양호해진다. 피로 특성에 미치는 마르텐사이트량의 영향을 다양하게 조사한 결과, 피로 특성에 현저한 개선이 보인 것은 제품 두께로 한 경우의 마르텐사이트량이 90% 이하인 경우였다. 90% 를 초과하면 응력이 집중되는 부분에 마르텐사이트가 생성되지 않아, 균열이 진전되어 피로 강도가 열화된다.

또한, 마르텐사이트량의 제어에 대해서는 상기 서술한 평균 결정입경의 제어에 추가하여, 압연 가공시의 압연유의 온도가 강하게 영향을 미치기 때문에, 평균 결정입경, 압연 가공도에 의해 압연유 온도를 적당히 설정, 제어하는 것이 필요하다.

(3) 인장 강도 :

본 발명의 제조 방법으로 얻어지는 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대의 인장 강도는 바람직하게는 1200MPa 이상이다. 1200MPa 미만이면 충분한 피로 특성이 얻어지지 않는다.

SUS301 스테인리스강 (판 두께 1.5㎜, 용체화 처리재) 을 구입하고, 가공도 50% 이상으로 냉간 압연을 실시한 후, 연속소둔로를 사용하여, 노 온도 1200℃ 이하, 재료의 노내 체류 시간 120 초 이하로 하여, 평균의 결정입경이 5.0㎛ 이하가 되도록 조정한다. 또한, 이 재료를 가공도 50% 이상으로 냉간 압연하고, 상기 와 동일하게, 평균 결정입경이 5.0㎛ 이하가 되도록 노 온도와 노내 체류 시간을 조정한 노내에서 재결정소둔 후에, 판 두께 60㎛ 까지 최종 냉간 압연을 실시한다. 상기 평균 결정입경이 5.0㎛ 이하가 되는 재결정소둔의 노 온도 및 노내 체류 시간은 예를 들어 판 두께 0.1㎜ 의 경우, 950℃ ∼ 1050℃ 에서 9 ∼ 14 초간이다. 최종 냉간 압연에서는 평균 결정입경의 크기에 따라, 압연 가공도를 40 ∼ 60%, 압연유의 온도를 40 ∼ 60℃ 의 범위에서 적당하게 조정하여 조합함으로써, 판 두께 60㎛ 에 있어서의 마르텐사이트량을 90% 이하로 조정한다. 이것을 공시재로 하여, 기계적 특성, 박판 벨트 수명 시험기를 사용한 피로 시험, 마르텐사이트량의 측정을 실시하였다. 이들, 재료 특성의 평가 방법에 대해, 이하에 상세히 서술한다.

(1) 평균 결정입경 :

압연면을 그대로 전해 연마함으로써 경면으로 마무리하였다. 전해 연마에서는 과염소산과 에틸알코올을 1 : 4 의 체적비로 혼합한 용액을 사용하여, 시료를 애노드로 하여 통전을 실시하였다.

전해 연마 후의 표면을 FE-SEM (전계 방출형 주사 전자현미경) 을 사용하여 관찰하고, 결정의 크기에 따라 4.5×10^-3 ∼ 2.5×10^-2㎟ 내의 결정입자의 평균 결정입경을 측정하였다. 결정입경의 평가는 JIS H 0501 에 규정되어 있는 절단법에 의해 실시하였다.

(2) 마르텐사이트 (Ms) 량 :

마르텐사이트량은 오스테나이트상이 비자성인데 반해 마르텐사이트상이 상자 성인 것을 이용함으로써, 재료의 자성의 강도를 자기 유도에 의한 페라이트 함유량계 (페라이트 스코프) 로 측정함으로써, 마르텐사이트량에 대한 변태량, 구체적으로는 체적률에 의해 구하였다. 또한, 측정에서는 강자성체인 순 Ni 의 마르텐사이트량을 100% 로 하고, 이것에 대한 상대값을 마르텐사이트량 (%) 으로 하였다.

(3) 기계적 특성 (인장 강도) :

JIS Z 2201 에 규정되어 있는 13B 호에 준거한 판상 시험편을 펀칭하여, JIS Z 2241 에 준거한 인장 시험을 실시하였다.

(4) 피로 특성 :

피로 시험은 재료를 메탈돔으로 가공하여 확인하였다. 즉, 조작 하중 2.0 ± 0.2N 이 되도록 직경 4.0㎜ 의 메탈돔으로 가공하고, 하중 500gf, 속도 3 회/초로 반복하여 300 만회까지 스위칭하였다. 각종 재료를 10 개씩 메탈돔으로 가공하여, 상기의 스위칭 시험에서 5 개 이상 균열이 발생한 스위치를 「×」, 균열 발생수 2 ∼ 4개를 「△」, 균열 발생수 1 개 이하를 「○」로 하였다.

발명예를 표 1 에 나타낸다.

비교예를 표 2 에 나타낸다.

실시예 1 ∼ 10 및 실시예 A, B 는 최종 압연 전의 평균 결정입경이 5.0㎛ 이하, 마르텐사이트량이 90% 이하, 인장 강도가 1200MPa 이상이며, 메탈돔 가공 후의 피로 시험에서 10 개 중 균열이 발생한 메탈돔이 1 개 이하로 피로 특성이 양호하다.

한편, 비교예 11, 12 에서는 마르텐사이트량이 90% 이하, 인장 강도가 1200MPa 이상으로, 압연 가공도와 압연유 온도가 실시예 2, 4 와 동일하지만, 최종 압연 전의 평균 결정입경이 5.0㎛ 를 초과하고 있어, 피로 특성이 실시예와 비교하여 떨어진다.

비교예 13, 14 는 최종 압연 전의 평균 결정입경이 5.0㎛ 이하, 인장 강도가 1200MPa 이상으로서, 비교예 13 은 실시예 4 와, 또 비교예 14 는 실시예 5 와 압연 가공도가 동일하지만, 각각 실시예와 비교하여 압연유 온도가 낮고, 마르텐사이트량이 90% 를 초과하고 있기 때문에, 실시예와 비교하여 피로 특성이 떨어진다.

비교예 15 는 실시예 6 과 최종 압연 전의 평균 결정입경 및 최종 압연에 있어서의 압연유 온도가 동일하고, 최종 압연 전의 평균 결정입경이 5.0㎛ 이하, 인장 강도가 1200MPa 이상이지만, 압연 가공도가 높고, 마르텐사이트량이 90% 를 초과하고 있기 때문에, 실시예와 비교하여 피로 특성이 떨어진다.

비교예 16 및 C 는 최종 압연 전의 평균 결정입경이 5.0㎛ 이하, 마르텐사이트량이 90% 이하이지만, 인장 강도가 1200MPa 미만이기 때문에, 실시예와 비교하여 피로 특성이 떨어진다.

비교예 17, 18 에서는 최종 압연 전의 평균 결정입경이 5.0㎛ 이하, 인장 강도가 1200MPa 이상이며, 비교예 17 은 실시예 8 과 동일한 압연 가공도이지만 압연유 온도가 낮고, 또한, 비교예 18 은 실시예 8, 9 과 동일한 압연유 온도이지만 압연 가공도가 높기 때문에, 모두 마르텐사이트량이 90% 를 초과하고 있고, 실시예와 비교하여 피로 특성이 떨어진다.

Claims (3)

1. 평균 결정입경이 5.0㎛ 이하인 재료를 최종 냉간 압연하여, 제품 두께에서의 마르텐사이트량 90% 이하로 하는 인장 강도 1200MPa 이상의 피로 특성이 우수한 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대의 제조 방법.
2. 제 1 항에 기재된 제조 방법으로 얻어진 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대.
3. 제 2 항에 기재된 준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대로 이루어지는 스위치용 메탈돔 부품.