KR20130018544A

KR20130018544A - 전자 스테인리스강 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20130018544A
Application number: KR1020120082178A
Authority: KR
Inventors: 신이치로 요코야마
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2013-02-25
Also published as: JP2013049918A; CN102912249A; TW201313922A; TWI450984B

Abstract

본 발명은 과혹한 환경하에 노출되는 자동차의 연료 분사장치 등의 전자밸브의 가동자나 고정자의 용도에 적용 가능한 높은 전기 저항률을 가지며, 내식성도 우수한 전자 스테인리스강 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 전자 스테인리스강은, 질량%로 C：0.04% 이하, Si：0.3~1.2%, Mn：0.3~1.0%, S：0.01~0.05%, Ni：1.0% 이하(0%를 포함하지 않음), Cr：16.0%를 초과하고 18.0% 이하, Al：0.2~0.5%, Ti：0~0.05%, 잔부는 Fe 및 불순물로 되는 것을 특징으로 한다.

Description

전자 스테인리스강 및 그의 제조방법{Electromagnetic stainless steel and production method therefor}

본 발명은, 높은 전기 저항률을 가지며, 내식성이 우수한 전자 스테인리스강 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

종래, 자동차의 연료 분사장치 등의 전자밸브의 가동자나 고정자의 부품으로서, 높은 전기 저항률을 가짐으로써, 동적 자장에 대한 자장 응답성이 우수하고, 또한 내식성도 우수한 전자 스테인리스강이 채용되고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는, 질량%로 C：0.05% 이하, N：0.04% 이하, Al：0.50%를 초과하고 3.0% 이하, Si：0.30~2.50%, Mn：0.50% 이하, S：0.03% 이하, Ti：0.01~0.50%, Cr：5.0%~20.0%, B：0.0005~0.01%를 함유하고, 잔부는 불가역 불순물 및 실질적으로 Fe의 조성으로 되는 전자 스테인리스강이 제안되어 있다. 이 특허문헌 1에서 제안되는 조성의 특징 중 첫째는, Ti와 B를 복합 첨가하고, 또한, S를 최대한 저감하는 것, 및 특징 중 두번째는, Al을 비교적 다량으로 함유시킴으로써, 전기 저항률을 높이는 동시에 내식성과 자기 특성을 향상시키는 것이다. 또한, 피삭성(被削性)의 개선을 목적으로 선택 원소의 하나로서, Pb：0.30% 이하를 포함해도 된다고 하는 것이다.

또한, 본원 출원인에 의한 특허문헌 2에는, 질량%로 C：0.03% 이하, N：0.03% 이하, Al：0.2~1.5%, Si：0.3~1.2%, Mn：0.5~1.0%, S：0.008~0.06%, Cr：8~16%, 잔부가 실질적으로 Fe로 되는 전자 스테인리스강이 제안되어 있다. 이 제안은, 13Cr-Fe계 합금을 토대로, Al, Si, Mn, S의 함유량을 적정화함으로써, 피삭성을 손상시키지 않고 높은 전기 저항률, 우수한 연자성(軟磁性)과 냉단성(冷鍛性)을 실현하는 것이다. 이 특허문헌 2에서는, S와 Mn의 양을 조정하여 피삭성이 좋은 비금속 매개물인 MnS량을 조정함으로써, 환경에 대해 유해한 원소인 Pb를 포함하지 않아도, 내식성, 연자성, 피삭성이 얻어진다는 점에서 우수한 기술이다.

일본국 특허공개 평6-010101호 공보 일본국 특허공개 평2-061028호 공보

전술한 바와 같이, 특허문헌 1에 개시되는 전자 스테인리스강의 경우는, Al을 적극 첨가함으로써 전기 저항률의 상승, 최대 투자율(透磁率)의 상승과 보자력(保磁力)의 저하를 실현하고자 하는 것인데, Al을 높이면 가공성이 열화(劣化)된다. 또한, 우수한 피삭성을 얻기 위해 첨가하는 Pb는 환경에 유해한 물질이다.

또한, 특허문헌 2에 개시되는 전자 스테인리스강의 경우는, Pb를 포함하지 않아도, 피삭성을 얻을 수 있으나, 과혹한 환경하에 노출되면, 염해로 전자 스테인리스강이 녹이 슨다는 문제가 있었다. 예를 들면, 연료 분사장치의 가동자나 고정자의 부품에 전자 스테인리스강을 적용하는 경우, 이들 부품에 발청이 생기면, 전자밸브로서의 기능에 장애가 생겨 문제가 된다. 또한, 전기 저항률을 높이고, 자성을 향상시키기 위해, Al을 조금 높여 함유하기 때문에, 역시 가공성에 문제를 발생시키는 경우가 있다.

이와 같이, 전자 스테인리스강에는, 전기 저항률, 내식성, 연자성, 가공성, 피삭성 등의 제특성이 요구되나, 최근 들어, 특히 높은 전기 저항률과 우수한 내식성이 요구되는 경향이 있다. 이 요구에 대해, 종래, 개시되어 있는 전자 스테인리스강으로는 불충분하다는 과제가 있었다.

본 발명의 목적은, 이 과제를 해결하여, 높은 전기 저항률을 가지며, 내식성도 우수한 전자 스테인리스강 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, Pb와 같은 유해물질을 배제하고, 전자 스테인리스강의 화학조성과 전기 저항률, 내식성, 자기 특성의 관계를 새로이 조사하였다. 그 결과, Cr량은 17% 근방이 최적인 것을 발견하였다. 또한, 종래의 전자 스테인리스강에서 자기 특성을 향상시키기 위해 적극 첨가되는 Al은, Cr을 증가시킴으로써, 가공성을 열화시키지 않는 범위까지 저감해도 고투자율, 저보자력이 우수한 연자성이 얻어지는 것을 발견하고, 본 발명에 도달하였다.

즉, 본 발명은, 질량%로 C：0.04% 이하, Al：0.2~0.5%, Si：0.3~1.2%, Mn：0.3~1.0%, S：0.01~0.05%, Ti：0~0.05%, Cr：16.0%를 초과하고 18.0% 이하, Ni：1.0% 이하(0%를 포함하지 않음), 잔부는 Fe 및 불순물로 되는 전자 스테인리스강이다.

본 발명에 있어서, 바람직한 Al, Cr 및 Ti의 범위는, Al 함유량은 질량%로 0.2~0.35%, Cr 함유량은 질량%로 16.5~18.0%, Ti 함유량은 질량%로 0.008~0.05%이다.

또한, 본 발명은, 전술한 조성을 갖는 강괴(鋼塊)를 얻은 후, 950~1150℃로 가열하여 열간가공(熱間加工)함으로써 열간가공재를 얻는 전자 스테인리스강의 제조방법이다.

또한 본 발명은, 상기 열간가공 공정 후, 850~1050℃에서의 소둔(燒鈍)을 행하는 전자 스테인리스강의 제조방법이다.

본 발명의 전자 스테인리스강은, 높은 전기 저항률을 갖기 때문에, 동적 자장에 대한 자장 응답성이 우수하다. 또한, 과혹한 환경하에서의 내식성도 우수하다. 또한, 고투자율, 저보자력의 연자성이라는 점에서도 우수하다. 이 때문에, 예를 들면, 자장 응답성이 요구되고, 과혹한 환경하에서 사용되는 연료 분사장치의 전자밸브 부품에 매우 적합하다.

도 1은 본 발명의 전자 스테인리스강의 염수 분무 시험 후의 외관을 나타내는 사진이다.
도 2는 비교예의 전자 스테인리스강의 염수 분무 시험 후의 외관을 나타내는 사진이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 중요한 특징은, 전자 스테인리스강의 화학조성, 전기 저항률, 내식성, 연자성의 관계를 검토하여, 적정한 범위의 화학조성으로 한 것이다. 본 발명의 전자 스테인리스강에 있어서, 각 화학조성을 규정한 이유는, 이하와 같다. 또한, 특별히 기재가 없는 한 질량%로서 표기한다.

C：0.04% 이하

C는 Cr이나 Ti와 결합하여 탄화물이 되어, 전자 스테인리스강의 내식성과 연자성을 열화시키는 원소이기 때문에, 함유량은 적은 편이 좋다. 그 때문에, C는 본 발명에서 제한해야 하는 원소 중 하나이다. C는 0.04% 이하의 범위이면, 현저한 내식성 열화와 연자성 열화를 일으키지 않는다. 그 때문에, 상한을 0.04%로 하였다. 바람직한 C의 하한은 0%이고, 바람직한 C의 상한은 0.02%이다.

Al：0.2~0.5%

Al은 전자 스테인리스강의 전기 저항률을 높여, 연자성을 향상시키는 효과가 있는 원소인 한편, 가공성을 열화시키는 원소이기 때문에, 함유량은 낮은 것이 바람직하다. 본 발명에서는, Cr을 17% 근방으로 함으로써 종래의 전자 스테인리스강과 비교하여, Al을 저감하는 것이 가능하다. 단, Al이 0.2% 미만에서는 고전기 저항률화와 연자성의 개선효과가 작고, 반대로 0.5%를 초과하는 범위에서는 전자 스테인리스강의 경도가 높아져, 소성 가공성을 저하시키기 때문에, 상한을 0.5%로 하였다. Al의 바람직한 하한은 0.22%이고, 더욱 바람직하게는 0.24%이다. 한편, Al의 바람직한 상한은 0.45%이고, 더욱 바람직하게는 0.35%이다.

Si：0.3~1.2%

Si는 전자 스테인리스강의 전기 저항률을 높여, 연자성을 향상시키는 효과가 있는 원소이다. 그 때문에, 본 발명에서는 필수로 첨가한다. 단, Si가 0.3% 미만에서는 고전기 저항률화와 연자성 향상효과가 작고, 반대로 1.2%를 초과하는 범위에서는 전자 스테인리스강의 경도가 높아져 가공성을 저하시키기 때문에, 상한을 1.2%로 하였다. 바람직한 Si의 하한은 0.5%이고, 더욱 바람직하게는 0.6%이다. 한편, Si의 바람직한 상한은 1.0%이고, 더욱 바람직하게는 0.9%이다.

Mn：0.3~1.0%

Mn은 S와 결합하여 비금속 매개물의 MnS가 되어, 전자 스테인리스강의 피삭성을 확보하는 원소이다. 단, Mn이 0.3% 미만에서는 S를 고정하기에는 불충분하고, 반대로 1.0%를 초과하는 범위에서는, 전자 스테인리스강의 자속밀도를 저하시키기 때문에, 0.3~1.0%의 범위로 하였다. 바람직한 Mn의 하한은 0.4%이고, 더욱 바람직하게는 0.45%이다. 한편, Mn의 바람직한 상한은 0.9%이고, 더욱 바람직하게는 0.8%이다.

S：0.01~0.05%

S도 MnS가 되어, 전자 스테인리스강의 피삭성을 확보하는 원소이다. 단, S가 0.01% 미만에서는, MnS의 양이 적어서 피삭성을 개선하는 효과가 작고, 반대로 0.05%를 초과하는 범위에서는, MnS의 양이 지나치게 많아져 연자성을 열화시키기 때문에, 0.01~0.05%의 범위로 하였다. 바람직한 S의 하한은 0.02%이고, 더욱 바람직하게는 0.025%이다. 한편, S의 바람직한 상한은 0.04%이고, 더욱 바람직하게는 0.035%이다.

Ti：0~0.05%

Ti는 C나 N을 고정하여, C나 N이 전자 스테인리스강의 모상(母相)에 고용(固溶)되는 것에 의한 연자성의 열화를 방지하는 효과가 있는 원소이나, 한편으로, Ti가, 모상에 고용됨으로써 연자성을 열화시킬 우려가 있기 때문에, 필요에 따라 첨가하면 되고, 무첨가(0%)여도 된다. Ti를 첨가하는 경우의 상한은, 전술한 이유로부터 0.05%로 하였다. Ti를 첨가하는 경우의 바람직한 하한은 0.008%이고, 더욱 바람직하게는 0.01%이다. 한편, Ti의 바람직한 상한은 0.03%이고, 더욱 바람직하게는 0.02%이다.

Cr：16.0%를 초과하고 18.0% 이하

Cr은 본 발명의 전자 스테인리스강에 있어서 가장 중요한 원소이나, Cr이 지나치게 적어도, 또는, 지나치게 높아도 목적하는 효과를 기대할 수 없기 때문에, 매우 좁은 범위로 조정한다. 전술한 바와 같이, 고전기 저항률화와 내식성, 자기 특성의 향상에는, Cr량은 17% 근방까지 높인 조성이 최적이고, Cr 함유량을 매우 좁은 범위에서 조절함으로써, Al을 저감시킬 수 있다. 그러나, Cr이 16.0% 이하의 범위에서는, 예를 들면, 염해와 같은 과혹한 환경하에서 전자 스테인리스강에 발청의 가능성이 높아지기 때문에, Cr은 16.0%를 초과하여 함유할 필요가 있다. 한편, 18.0%를 초과하는 범위이더라도 고전기 저항률화와 내식성 향상에는 유리하나, 자속밀도의 저하가 현저해지기 때문에, 상한을 18.0%로 규정하였다. 바람직한 Cr의 하한은 16.5%이고, 더욱 바람직하게는 16.7%이다. 한편, 바람직한 Cr의 상한은 17.8%이고, 더욱 바람직하게는 17.5%이다.

Ni：1.0% 이하(0%를 포함하지 않음)

Ni는 Cr과 마찬가지로, 내식성의 향상에 효과가 있는 동시에, 전기 저항률을 높이는 효과가 있는 본 발명의 필수 원소이다. 또한, 페라이트 조직 중에 Ni를 고용함으로써, 고용 강화로 전자 스테인리스강의 강도가 높아지는 효과도 있다. 단, 1.0%를 초과하는 범위에서는, 연자성을 열화시키기 때문에, 상한을 1.0%로 규정하였다. Ni의 내식성 향상의 효과를 보다 확실하게 얻기 위해서는, Ni의 하한을 0.3%로 하면 된다. 보다 바람직한 Ni의 하한은 0.35%이고, 보다 바람직한 Ni의 상한은 0.7%이다.

잔부는 Fe 및 불순물

잔부는 Fe 및 제조상 불가역적으로 혼입되는 불순물이다. 불순물 함유량은 적은 편이 바람직하다. 대표적인 불순물의 상한은 이하의 범위라면 지장이 없다.

P≤0.05%, N≤0.04%, O≤0.01%

다음으로, 본 발명의 제조방법에 대해서 설명한다.

본 발명에서는, 전술한 조성을 갖는 강괴를 제조한다. 강괴의 제조방법은 통상의 방법으로 지장이 없지만, 활성의 Ti를 첨가하는 조성으로 하는 것이라면, 진공 용해를 행하여 강괴를 제조하는 것이 바람직하다.

얻어진 강괴에 열간가공을 행하여 열간가공재로 한다. 이것은, 강괴에 열간가공을 행함으로써, 전자 스테인리스강이 재결정되어, 우수한 연자성을 얻기 쉬워지기 때문이다.

열간가공시의 가열온도가 950℃ 미만이면, 열간가공시의 변형 저항이 높아져, 열간가공 중의 전자 스테인리스강에 깨짐이 발생할 우려가 있기 때문에, 가열온도의 하한을 950℃로 하였다. 보다 바람직한 하한온도는 980℃이고, 더욱 바람직한 하한온도는 1000℃이다. 한편, 열간가공시의 가열온도가 1150℃를 초과하면, 페라이트 입자가 조대화되어, 입계 깨짐의 우려가 있기 때문에, 가열온도의 상한을 1150℃로 하였다. 보다 바람직한 상한온도는 1120℃이고, 더욱 바람직한 상한온도는 1100℃이다.

또한, 본 발명에서 말하는 열간가공이란, 열간단조(熱間鍛造), 열간 프레스가공, 열간압연 등, 공지의 열간가공 기술을 말한다.

다음으로, 전술한 열간가공 공정 후에 소둔을 행한다.

소둔은, 열간가공 중에 생성된 동적 재결정 조직을 소둔함으로써, 페라이트 입경의 크기를 조절하여, 우수한 연자성을 얻기 위함이다. 또한, 소둔을 행할 때의 전자 스테인리스강의 형상은, 부품 형상으로 가공 후에 행하는 것이 바람직하다.

소둔공정에서의 가열온도의 하한을 850℃로 한 것은, 850℃ 미만의 온도에서는 페라이트 입자를 정립화(整粒化)하는 효과가 작기 때문이다. 보다 바람직한 하한온도는 880℃이고, 더욱 바람직한 하한온도는 900℃이다. 한편, 가열온도가 1050℃를 초과하면, 페라이트 입경이 크게 맞추어짐으로써 연자성은 향상되나, 부품 형상으로 가공 후이면, 1050℃를 초과하는 고온에서는 전자 스테인리스강의 변형이나, 부품 형상끼리의 접착 문제가 발생하기 때문이다. 보다 바람직한 상한온도는 1020℃이고, 더욱 바람직한 상한온도는 1000℃이다.

이상, 설명하는 본 발명의 전자 스테인리스강은, 종래의 전자 스테인리스강보다 높은 전기 저항률과 우수한 내식성을 갖는다. 또한, 우수한 연자성도 갖는 것으로부터, 예를 들면, 자동차의 연료 분사장치 등의 전자밸브의 가동자나 고정자의 부품에 매우 적합하다.

실시예

이하의 실시예에서 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

진공 용해로에 의해 10 ㎏의 전자 스테인리스강의 강괴를 10종류 용제(溶製)하였다. 각 전자 스테인리스강의 화학조성을 표 1에 나타낸다.

표 1의 No.1~8의 합금은, 본 발명의 전자 스테인리스강의 화학조성의 범위 내이다. 한편, 비교예의 No.11에서는 합금 Mn, S, Cr의 양이 본 발명의 범위에서 벗어나 있는 동시에, 유해물질인 Pb를 포함한 비교예 합금이다. 또한, 비교예의 No.12에서는, Al이 본 발명의 범위에서 벗어나 있다.

본 발명의 No.1~8 합금과 비교예의 No.11 합금 및 No.12 합금의 각 전자 스테인리스강의 강괴를 1100℃로 가열하여 열간단조를 행해, 직경 30 ㎜의 환봉재를 얻었다.

열간단조시의 산화스케일을 제거한 후, 이 환봉재로부터 직경 20 ㎜, 판두께 2 ㎜의 염수 분무 시험편을 잘라내고, 편면을 에머리 페이퍼(emery paper)로 ＃500까지 연마로 마무리하였다. 또한, 각 환봉재로부터, 4 ㎜×4 ㎜×80 ㎜의 전기 저항 측정편, 외경 20 ㎜, 내경 15 ㎜, 판두께 5 ㎜의 링 시험편과 5 ㎜×10 ㎜×30 ㎜의 전자석 시험편을 잘라내었다.

이들 염수 분무 시험편, 전기 저항 측정편, 링 시험편, 전자석 시험편을, 수소 분위기로 중 950℃에서 2시간 유지 후, 노냉(爐冷)하는 자성 소둔을 행하여, 전기 저항 측정, 염수 분무 시험과 자성 측정에 제공하였다. 전기 저항은, 4단자법에 의한 전기 저항 측정장치를 사용해서 측정하였다. 또한, 염수 분무 시험은, 온도 35℃의 5% NaCl 수용액을 168시간 분무하고, 녹의 발생상황을 확인하였다.

자기 특성의 측정은, 작은 링 시험편에 1차 100회, 2차 10회의 권선(捲線)을 실시하여, 최대 인가 자장 Hm=800 A/m, 2000 A/m, 4000 A/m, 8000 A/m의 각 조건에서 직류 자기 특성을 측정하였다. 또한, 전자석 시험편에 최대 인가 자장 Hm=40000 A/m의 조건에서 직류 자기 특성을 측정하였다.

본 발명의 No.1~8 합금과 비교예의 No.11 합금 및 No.12 합금의 전기 저항률, 내식성과 자기 특성을 표 2에 일람으로 하여 나타낸다. 또한, 염수 분무 시험결과의 일례로서, 본 발명의 No.1 합금의 염수 분무 시험 후의 외관사진을 도 1에, 비교예의 No.11 합금의 염수 분무 시험 후의 외관을 도 2에 나타낸다.

도 1로부터, 본 발명의 No.1 합금에서는 단부에 약간 녹의 기점이 보이나, 현저한 녹은 보이지 않는다. 한편, 비교예의 No.11 합금의 염수 분무 시험 후에는, 현저한 적청이 보인다. 이 사실로부터, No.1 합금의 내식성은, No.11 합금보다 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 표 2의 내식성에는, 현저한 녹이 보이지 않는 것을 ○, 현저한 녹이 보이는 것을 ×로 표기하였는데, 비교예의 No.11 합금 이외는, 모두 No.1 합금과 동정도의 발청이었다.

또한, 각 전자 스테인리스강의 전기 저항률에 착안할 때, 본 발명의 No.1~8 합금에서는, 0.71 μΩm 이상의 전기 저항률이 얻어지고 있으나, 비교예의 No.11 합금과 No.12 합금의 전기 저항률은 0.71 μΩm보다 낮은 결과로 되었다.

또한, 자기 특성에 착안할 때, 본 발명의 No.1 합금, No.2 합금 및 No.5 합금에서는, 비교예와 비교하여 최대 투자율 ㎛가 높고, 연자성도 우수하다.

이상의 결과로부터, 본 발명의 No.1~8 합금은 비교예의 No.11 합금 및 No.12 합금에 대해 높은 전기 저항률을 가지며, 또한, 내식성도 우수한 것을 알 수 있다.

본 발명의 전자 스테인리스강은, 높은 전기 저항률을 갖는 동시에, 내식성도 우수하기 때문에, 예를 들면, 동적 자장에 대한 자장 응답성이 요구되며, 또한 과혹한 환경하에 노출되는 자동차의 연료 분사장치 등의 전자밸브의 가동자나 고정자의 용도에 적용할 수 있다.

Claims

질량%로 C：0.04% 이하, Al：0.2~0.5%, Si：0.3~1.2%, Mn：0.3~1.0%, S：0.01~0.05%, Ti：0~0.05%, Cr：16.0%를 초과하고 18.0% 이하, Ni：1.0% 이하(0%를 포함하지 않음), 잔부는 Fe 및 불순물로 되는 것을 특징으로 하는 전자(電磁) 스테인리스강.
제1항에 있어서,
Al 함유량이 질량%로 0.2~0.35%인 것을 특징으로 하는 전자 스테인리스강.
제1항에 있어서,
Cr 함유량이 질량%로 16.5~18.0%인 것을 특징으로 하는 전자 스테인리스강.
제1항에 있어서,
Ti 함유량이 질량%로 0.008~0.05%인 것을 특징으로 하는 전자 스테인리스강.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 조성을 갖는 강괴(鋼塊)를 얻은 후, 950~1150℃로 가열하여 열간가공함으로써 열간가공재를 얻는 것을 특징으로 하는 전자 스테인리스강의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 열간가공 공정 후, 850~1050℃에서의 소둔(燒鈍)을 행하는 것을 특징으로 하는 전자 스테인리스강의 제조방법.