KR20110075610A - 연성이 우수한 강재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중량%로, 망간(Mn): 8~15%, 구리(Cu): 0.3~3%을 포함하고, 탄소의 함량은 33.5C(중량%)+Mn(중량%)≥25 및 33.5C(중량%)-Mn(중량%)≤23을 만족하며, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직의 95% 이상은 오스테나이트로 이루어지는 연성이 우수한 강재에 관한 것이다. 상기 망간 및 탄소의 범위 내에서 구리를 첨가함으로써 열간압연 또는 용체화 처리 후 서냉을 실시하더라도 오스테나이트 결정립계에 네트웍 형태의 탄화물이 형성되지 않는 연성이 우수한 강재를 제공한다.

오스테나이트, 탄화물, 연성

Description

연성이 우수한 강재{STEEL WITH HIGH DUCTILITY}

본 발명은 산업기계, 구조재료, 그리고 비자성 특성이 요구되는 초전도 응용기기 및 일반 전기기기 등의 재료로 사용되는 강재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연성이 우수한 강재에 관한 것이다.

최근 리니어 모터카 궤도, 핵융합로 등의 초전도 응용 기기 및 일반 전기기기의 구조재 재료로서, 오스테나이트계 강재(비자성강)의 수요가 증가하고 있다. 종래의 대표적인 비자성 강재로는 오스테나이트계 스테인레스강인 AISI304(18Cr-8Ni계)가 있다. 그러나, 항복강도가 낮고 고가의 원소인 Cr, Ni을 다량 함유하여 비경제적이었다. 특히, 하중에 따른 비자성 특성이 안정적으로 요구되는 구조재의 경우 이러한 강재는 가공유기변태에 의해 강자성상인 페라이트상이 유기되어 자성을 나타내므로 그 용도 및 적용에 한계가 존재한다.

이를 해결하기 위하여, 고가의 니켈을 망간으로 대체한 해드필드강(Hadfield steel)과 같은 고망간 오스테나이트계 강재가 개발되었다. 오스테나이트계 강재의 경우 망간과 탄소의 적절한 함량 변화를 통해 오스테나이트 조직 및 안정도를 확보하는 것이 필수적이다. 망간의 함량이 높은 경우 탄소의 함량이 적어도 안정한 오스테나이트 조직을 얻을 수 있으나 망간의 함량이 낮은 경우는 오스테나이트화를 위해 다량의 탄소를 첨가해야 하며 이로 인하여 고온에서 오스테나이트 결정립계를 따라 탄화물이 네트웍을 이루며 석출하며, 이러한 석출물은 강재의 물성, 특히 연성을 급격히 저하시킨다.

이러한 네트웍 형태의 탄화물 석출을 억제하기 위해 고온에서 용체화 처리를 하거나 혹은 열간가공 후 상온으로 급냉시켜 고망간강을 제조하는 방법이 제시되었다. 그러나 강재의 두께가 두꺼운 경우 또는 용접이 필수적으로 수반되는 경우와 같이 제조조건의 변화가 용이하지 않은 경우 이러한 네트웍 형태의 탄화물 석출을 억제하기 힘들며, 이로 인해 강재의 물성이 급격히 열화되는 문제점이 발생하게 된다. 또한, 고망간강의 잉곳 또는 주편은 응고 중 망간 및 탄소 등의 합금원소에 의한 편석이 필연적으로 발생하고 이는 열간압연 등의 후 가공시 더욱 악화되어 결국 최종제품에서 심화된 편석대를 따라 탄화물의 부분적 석출이 네트웍 형태로 발생하여 결국 미세조직의 불균일성을 조장하고 물성을 열화시키는 결과를 가져온다.

편석부내의 이러한 탄화물 석출을 억제하기 위해 망간 함량을 증가시키는 것이 일반적인 방법이 될 수 있으나 이는 결국 합금량과 제조단가의 상승을 초래하게 되며 이를 해결하기 위해 망간 대비 탄화물 형성 억제에 효과적인 원소의 첨가에 대한 연구가 요구되고 있다.

본 발명은 오스테나이트 입계에 탄화물의 석출을 억제한 고연성 강재를 제공하고자 한다.

본 발명은, 중량%로, 망간(Mn): 8~15%, 구리(Cu): 0.3~3%, 탄소는 33.5C(중량%)+Mn(중량%)≥25 및 33.5C(중량%)-Mn(중량%)≤23을 만족하며, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 연성이 우수한 강재를 제공한다.

상기 강재의 미세조직은 오스테나이트 95% 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 강재는 중량%로, 티타늄(Ti): 0.05% 이하, 니오븀(Nb): 0.1% 이하를 추가적으로 포함할 수 있고, 상기 강재의 항복강도는 500MPa 이상으로 제어할 수 있다.

상기 강재는 중량%로, 질소(N): 0.05~0.2%를 추가적으로 포함할 수 있고, 20% 인장변형 시 투자율을 1.005 이하로 제어할 수 있다.

본 발명을 통하여, 오스테나이트 입계를 따라 석출되는 네트웍 형태의 탄화물을 방지하고 상온에서 안정한 오스테나이트계 강재를 제공할 수 있다.

본 발명은 성분계 중 탄소, 망간, 구리의 함량을 제어하여, 오스테나이트를 안정화시키고 오스테나이트 입계에 네트웍 형태의 탄화물 발생을 억제한 연성이 우수한 강재를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 성분계(중량%)에 대하여 설명한다.

망간(Mn): 8~15%

망간은 본 발명과 같은 고망간강에 첨가되는 가장 중요한 원소이며 오스테나이트를 안정화시키는 역할을 하는 주요 원소이다. 하기와 같이 본 발명에서 제어하는 탄소의 함량범위 내에서는 오스테나이트를 안정화시키기 위해서, 망간은 8% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 망간의 함량이 8% 미만인 경우에는 강자성상인 페라이트가 주조직이 되어 목표로 하는 분율의 오스테나이트 조직을 확보할 수 없다. 반면에, 망간의 함량이 15%를 초과하는 경우에는 준 안정상인 입실런 마르텐사이트가 형성되어, 이 경우에도 목표로 하는 분율의 오스테나이트를 확보할 수 없으며 또한 오스테나이트의 안정도가 감소하는 문제점이 있다. 따라서, 상기 망간의 함량은 8~15%로 한정하는 것이 바람직하다.

탄소(C): 33.5C+Mn≥25이며, 33.5C-Mn≤23

탄소는 오스테나이트를 안정화시켜 상온에서 오스테나이트 조직을 얻을 수 있다. 특히 냉각과정 혹은 가공에 의한 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변태점인 Ms 및 Md를 낮추는 역할을 한다. 상술한 본 발명의 유리한 효과를 확보하기 위해서는 탄소의 함량은 33.5C+Mn≥25, 33.5C-Mn≤23을 동시에 만족하는 것이 바람직하다. 상기 33.5C+Mn의 값이 25미만인 경우에는 강자성상인 페라이트 조직이 형성될 수 있으며, 33.5C-Mn의 값이 23를 초과하는 경우에는 탄소의 함량이 지나치게 높아져서 결정입계에 탄화물이 과도하게 생성되어 재료의 물성을 급격히 열화시키는 문제점이 있다.

도1은 본 발명에서 제어하는 탄소와 망간의 함량 범위를 나타낸 그래프로서, 상술한 탄소, 망간의 함량범위 및 33.5C(중량%)+Mn(중량%)≥25, 33.5C(중량%)-Mn(중량%)≤23을 통하여 도출해낸 탄소와 망간의 적절한 함량 범위를 확인할 수 있다.

구리(Cu): 0.3~3%

구리는 탄화물 내 고용도가 매우 낮고 오스테나이트 내 확산이 느려서 오스테나이트와 핵생성된 탄화물 계면에 농축되어 탄소의 확산을 방해함으로써 탄화물 성장을 효과적으로 늦추어 결국 탄화물 생성을 억제하는 효과가 있다. 구리의 함량이 0.3% 미만인 경우 탄화물 형성을 효과적으로 억제하기에는 충분하지 못하며, 반면에, 구리의 함량이 3%를 초과하는 경우에는 강재의 열간가공성을 저하시키는 문 제점이 있다. 따라서, 상기 구리의 함량은 0.3~3%로 한정하는 것이 바람직하다.

더불어, 본 발명의 강재는 하기 설명하는 티타늄(Ti) 및 니오븀(Nb)을 추가적으로 첨가하는 경우 본 발명의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

티타늄(Ti): 0.05% 이하

티타늄은 질소와 결합하여 TiN을 형성함으로써 고온에서 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하여 강재의 항복강도를 증가시키는 효과를 나타낸다. 그러나 과도한 첨가시 티타늄 석출물이 조대화되어 강재의 물성을 열화시키므로 그 상한을 0.05%로 한정하는 것이 바람직하다.

니오븀(Nb): 0.1% 이하

니오븀은 고용, 석출경화 효과를 통해 강도를 증가시키는 원소이며, 특히 강의 재결정 정지온도(Tnr)를 증가시켜 저온 압연시 결정립 미세화를 통해 항복강도를 향상시킬 수 있으나, 0.1%를 초과하여 첨가하는 경우 조대한 석출물이 생성되어 오히려 강재의 물성을 열화시키므로 그 함량의 상한은 0.1%로 한정하는 것이 바람직하다.

더불어, 본 발명의 강재는 하기 설명하는 질소(N)를 추가적으로 첨가하는 경우, 본 발명의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 하기와 같이 질소를 추가적으로 첨 가하는 경우, 20% 인장변형시 투자율을 1.005 이하로 제어할 수 있다.

질소(N): 0.05~0.2%

질소는 탄소와 더불어 오스테나이트를 안정화시키는 원소이며, 또한 고용강화를 통해 강재의 강도를 향상시킬 수 있다. 불안정한 오스테나이트가 생성되는 경우 변형에 의해 입실런 마르텐사이트 및 페라이트로의 가공유기변태를 유발하여 비자성 특성을 크게 감소시키므로 질소의 적정한 첨가를 통해 오스테나이트를 안정화시켜 비자성 특성을 향상시킬 수 있다. 질소의 함량이 0.05% 미만인 경우 안정화 효과를 기대하기 어려우며, 0.2%를 초과하여 포함되는 경우 조대한 질화물이 형성되어 강재의 물성을 열화시킨다. 따라서, 상기 질소의 함량은 0.05~0.2%로 한정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 철강제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 철강제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

상술한 조성을 가지는 본 발명의 강재는 종래 강재의 문제점인 입계 탄화물 석출을 억제하기 위해 급냉(수냉) 등을 실시하지 않아도 목적하고자 하는 오스테나 이트 조직 분율을 확보할 수 있다. 즉, 냉각속도에 의존성의 거의 없이 목적하는 미세조직을 강재 내부에 형성시킬 수 있으며 이로 인해 높은 연성을 얻을 수 있다.

상술한 조성을 가지는 본 발명의 강재는 오스테나이트가 주상이며, 상기 오스테나이트는 체적분율로 95% 이상 포함되는 것이 바람직하며, 이를 통하여 고연성을 확보할 수 있다.

본 발명은 일반적인 강재의 제조방법에 따라, 상기와 같은 성분계를 만족하는 슬라브를 재가열한 후 조압연 및 사상압연 후 냉각하여 제조되는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 설명한다.

(실시예)

하기 표1에 기재된 성분계를 만족하는 슬라브를 일련의 열간압연 및 냉각 공정을 통해 제조한 후 비교강1 내지 6 및 발명강1 내지 9의 미세조직 및 연신율을 측정하여 하기 표2에 나타내었다. 더불어 발명강5의 미세조직을 관찰하여 도2에 나타내었다.

강종	C	Mn	Cu	Ti	Nb	N	33.5C+Mn	33.5C-Mn
비교강1	0.39	9.94	-	-	-	-	23	3
비교강2	0.9	10	-	-	-	-	40	20
비교강3	0.2	17	-	-	-	-	24	-10.3
비교강4	1.2	10	-	-	-	-	50	30
비교강5	0.9	10	3.5	-	-	-	40	20
비교강6	0.9	10.1	0.25	-	-	-	40	20
발명강1	0.66	10	1.06	-	-	-	32	12
발명강2	0.9	10	1.54	-	-	-	40	20
발명강3	0.83	9.98	1.08	-	-	-	38	18
발명강4	0.83	11.96	0.52	-	-	-	40	16
발명강5	0.5	14	0.37	-	-	-	31	3
발명강6	0.7	8	2.12	-	-	-	31	15
발명강7	0.79	10.84	1.21	0.015	0.021		37	16
발명강8	0.83	11.5	1.02	0.017	0.02		36	14
발명강9	0.65	10.12	1.05	0.014	0.019	0.12	32	12

(각 성분의 함량의 단위는 중량%임)

구분	오스테나이트 분율(%)	연신율 (%)	항복강도 (MPa)	투자율 (변형전)	투자율 (20% 인장변형후)
비교강1	65	4	336	5 이상	측정불가
비교강2	78	4.6	415	1.001	측정불가
비교강3	68	32	358	1.002	5 이상
비교강4	72	4.3	358	1.002	측정불가
비교강5	열간가공성 저하로 압연재 제조시 크랙 발생 (조직 관찰 및 연신율 측정 불가)	측정불가	측정불가	측정불가	측정불가
비교강6	85	4.2	408	1.002	측정불가
발명강1	98	22.5	376	1.002	1.012
발명강2	99	23.6	382	1.002	1.01
발명강3	99	25.6	357	1.002	1.01
발명강4	99	27.3	362	1.001	1.009
발명강5	99	33.3	381	1.001	1.009
발명강6	99	29.4	442	1.001	1.015
발명강7	99	24.3	585	1.001	1.01
발명강8	99	26.4	574	1.001	1.01
발명강9	99	27.6	578	1.001	1.002

비교강1은 33.5C+Mn의 값이 23으로서 본 발명에서 제어하는 범위에 해당하지 않으며, 오스테나이트 안정화 원소인 탄소의 함량이 부족하여 이로 인한 다량의 마르텐사이트 형성으로 목표하는 오스테나이트 조직 및 연신율을 얻을 수 없다.

비교강2는 망간 및 탄소의 함량은 본 발명에서 제어하는 범위에 해당하지만, 구리 미첨가로 인해 다량의 탄화물이 결정립계를 따라 형성됨으로써 오스테나이트가 95% 미만으로 형성되어 목표하는 미세조직 및 연신율을 얻을 수 없다.

비교강3은 33.5C+Mn의 값이 24으로서 본 발명에서 제어하는 범위에 해당하지 않으며, 특히, 망간의 함량이 높아 이로 인한 준안정상인 입실런 마르텐사이트가 형성되어 목표하는 오스테나이트 조직을 얻을 수 없다. 준안정상인 입실런 마르텐사이트는 이후 변형 시 쉽게 마르텐사이트로 유기변태하여 조직 내 오스테나이트의 분율을 감소시킨다.

비교강4는 33.5C-Mn의 값이 30으로 본 발명에서 제어하는 범위에 해당하지 않으며, 특히 탄소의 과도한 첨가로 인해 입계에 네트웍 형태의 탄화물이 형성되어 오스테나이트가 95% 미만으로 생성됨으로써 목표하는 미세조직 및 연신율을 얻을 수 없다.

비교강5는 망간 및 탄소의 함량은 본 발명에서 제어하는 범위에 해당하지만 구리가 본 발명이 제어하는 범위 이상으로 첨가되어 재료의 열간가공성이 급격히 열화되어 열간가공 시 심한 크랙이 발생하여 건전한 압연재를 얻을 수 없다.

비교강6은 망간 및 탄소의 함량은 본 발명에서 제어하는 범위에 해당하지만 구리의 함량이 본 발명에서 제어하는 범위 미만으로 첨가된 경우이며 탄화물 형성을 효과적으로 억제하지 못하여 오스테나이트가 95% 미만으로 형성되어 목표하는 미세조직 및 연신율을 얻을 수 없다.

이에 반하여 발명강1 내지 발명강9는 본 발명에서 제어하는 성분계를 모두 만족하는 강종이며, 따라서 오스테나이트 조직을 95% 이상 확보하고 우수한 연성을 나타냄을 확인할 수 있다. 발명강7 내지 9의 경우는 티타늄 및 니오븀을 첨가한 강종이며 항복강도가 500MPa 이상으로 높은 값을 나타내었다. 특히 발명강9는 오스테나이트 안정화를 위해 본 발명에서 제어하는 범위내의 질소를 첨가한 강종이며, 이로 인해 20% 인장변형 후 에도 비자성 특성이 우수하게 유지됨을 알 수 있으며, 이는 질소가 첨가되지 않은 발명강1과 비교를 통해서도 확인할 수 있다.

도1은 본 발명의 탄소(C)와 망간(Mn)의 함량 범위를 나타내는 그래프이다.

도2는 발명강1의 미세조직을 관찰한 사진이다.

Claims (6)

1. 중량%로, 망간(Mn): 8~15%, 구리(Cu): 0.3~3%를 포함하고, 탄소의 함량은 33.5C(중량%)+Mn(중량%)≥25 및 33.5C(중량%)-Mn(중량%)≤23을 만족하며, 잔부는 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 연성이 우수한 강재.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 강재의 미세조직은 오스테나이트 95% 이상을 포함하는 연성이 우수한 강재.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 강재는 중량%로, 티타늄(Ti): 0.05% 이하 및 니오븀(Nb): 0.1% 이하를 추가적으로 포함하는 연성이 우수한 강재.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 강재는 항복강도가 500MPa 이상인 것을 특징으로 하는 연성이 우수한 강재.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 강재는 중량%로, 질소(N): 0.05~0.2%를 추가적으로 포함하는 연성이 우수한 강재.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 강재는 20% 인장변형 시 투자율이 1.005 이하인 것을 특징으로 하는 연성이 우수한 강재.

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