KR20130073283A

KR20130073283A - 고경도와 고내식 마르텐사이트 스테인리스강 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20130073283A
Application number: KR1020110141050A
Authority: KR
Inventors: 조기훈; 채동철; 이재화
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-07-03
Also published as: KR101356919B1

Abstract

본 발명은 중량%로, 탄소: 0.45~0.60%, 질소: 0.02~0.08%, 실리콘: 0.1~0.6%, 망간: 0.1~0.6%, 크롬: 13~16% 및 몰리브덴: 0.1~2%, 텅스텐: 0.1~2% 중 1종 또는 2종을 함유하고 나머지는 철 및 불가피한 불순물로 제조되는 스테인리스강에 관한 것으로 식(1)의 값이 0이하를 만족하는 스테인리스강에 관한 것이다.
식(1) : 14×탄소-0.46×크롬-2.1×몰리브덴-1.9×텅스텐

Description

고경도와 고내식 마르텐사이트 스테인리스강 및 그의 제조방법{Martensite stainless steel with good hardness and high corrosion resistance and manufacturing method using the same}

본 발명은 마르텐사이트 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 면도날의 제조에 사용되는 고경도와 고내식성을 가진 마르텐사이트 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 면도날의 제조에는 내식성과 절삭성을 동시에 확보하기 위하여 고경도의 스테인리스 강재가 사용된다. 특히 이러한 용도에는 고경도와 고내식 특성을 구현하기 위해 일반적으로 12% 이상의 Cr과 0.4% 이상의 탄소를 함유하는 마르텐사이트 스테인리스강이 주로 이용된다.

이와 같이 고탄소를 함유한 마르텐사이트 스테인리스강은 높은 탄소함량으로 인해 주조시 조대한 M₇C₃(M : Cr,Fe 등의 금속원자, C: 탄소)탄화물이 생성되는 특징이 있다. 조대한 일차탄화물은 주조 과정에서 응고속도 차이에 의한 탄소농도의 중심편석으로 인해 주로 소재의 중심부에 생성되는 경향을 보인다.

일반적으로 고탄소 마르텐사이트강의 탄화물은 M₇C₃탄화물과 M₂₃C₆ 탄화물로 나누어지는데 주조 시 생성되는 일차탄화물은 열역학적으로 안정하며 그 크기가 크기 때문에 면도날 제조과정의 열처리시 쉽게 제거되지 않는 특징을 가지고 있다.

이러한 특성으로 인해 면도날 소재에 탄화물이 잔류하게 되면 날끝에 탄화물이 노출될 가능성이 높아진다. 도 1은 종래의 면도날용 마르텐사이트 스테인리스강에서 날끝 탈락현상에 대한 모식도이다. 도 1에서 보는 것과 같이 날끝 탈락현상(edge tear-out)이 발생하거나 사용환경 내에서 부식 발생 빈도를 높여 면도날의 품질을 저해하는 현상이 발생하게 된다.

이러한 문제점에 대하여 미국특허공보 제6273973호에서는 조대한 M₇C₃탄화물을 제거하기 위해 주조된 잉곳을 고온의 온도에서 장시간 열처리하는 방법을 제시하고 있는 등 고탄소 마르텐사이트 강에서 생성되는 일차탄화물을 제거하기 위해 일차탄화물이 발생하지 않는 평형 온도 영역에서 소재를 열처리하는 방법이 제시되었다. 그러나 이러한 방법은 일차탄화물이 고용되는 높은 온도에서 장시간 유지해야만 생성된 일차탄화물이 모두 고용되므로 소재의 대량생산에 적용하는 데에는 비용이 많이 소요되며 효율성이 떨어지는 한계를 가지고 있다.

본 발명은 합금설계를 통하여 주조조직 및 상소둔 재질, 최종열처리 조직내에 일차탄화물이 잔류하지 않고, 고경도와 고내식을 갖는 고탄소 마르텐사이트 스테인리스강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 고경도와 고내식 마르텐사이트 스테인리스강은 중량%로, 탄소: 0.45~0.60%, 질소: 0.02~0.08%, 실리콘: 0.1~0.6%, 망간: 0.1~0.6%, 크롬: 13~16% 및 몰리브덴: 0.1~2%, 텅스텐: 0.1~2% 중 1종 또는 2종을 함유하고 나머지는 철 및 불가피한 불순물로 제조되며 식(1)의 값이 0 이하이다.

식(1) : 14×탄소-0.46×크롬-2.1×몰리브덴-1.9×텅스텐

이때, 상기 성분으로 연속주조 또는 잉곳 주조를 통해 제조된 강편의 내부에 M₇C₃(M : Cr,Fe 등의 금속원자, C: 탄소) 형태의 일차탄화물이 존재하지 않을 수 있다.

그리고, 상기 식(1)의 값이 -2.5 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 고경도와 고내식 마르텐사이트 스테인리스강 제조방법은 중량%로, 탄소: 0.45~0.60%, 질소: 0.02~0.08%, 실리콘: 0.1~0.6%, 망간: 0.1~0.6%, 크롬: 13~16% 및 몰리브덴: 0.1~2%, 텅스텐: 0.1~2% 중 1종 또는 2종을 함유하고 나머지는 철 및 불가피한 불순물로 제조되며 식(1)의 값을 0 이하로 제어하고 상기 스테인리스강을 적어도 800℃ 이상에서 적어도 5시간 이상의 탄화물 석출 공정을 통하여 제조한다.

식(1) : 14×탄소-0.46×크롬-2.1×몰리브덴-1.9×텅스텐

이때, 상기 상소둔재의 내부에 M₇C₃ (M : Cr,Fe 등의 금속원자, C: 탄소) 형태의 탄화물이 존재하지 않을 수 있다.

본 발명에 의하면 일차탄화물 생성 방지를 통하여 면도날용 마르텐사이트 스레인리스강의 날끝 품질과 내식성이 우수하고 고경도를 갖는 마르텐사이트 스테인리스 강재를 얻을 수 있다.

도 1은 종래의 면도날용 마르텐사이트 스테인리스강에서 날끝 탈락현상에 대한 모식도이다.
도 2는 마르텐사이트 스테인리스강 주조재의 탄화물 분포 TEM 분석 결과를 도시한 사진도이다.
도 3은 마르텐사이트 스테인리스강 상소둔재의 탄화물 분포 SEM 분석 결과를 도시한 사진도이다.

이하에서는 본 발명의 발명예를 도시한 도면들을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명자들은 오랜 기간의 실험과 열역학적 예측을 통해 높은 탄소함량을 가지는 고탄소 마르텐사이트 스테인리스강에서 생성되는 탄화물은 탄화물 형성에 영향을 미치는 탄소, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐의 첨가량 조합에 의해 그 조성이 결정되는 것을 확인하였다. 일반적으로 M₇C₃탄화물은 탄소의 함량이 높을 경우 발생하는 것으로 알려져 있다. 그러나 M₇C₃탄화물의 형성에는 단순히 탄소의 농도뿐 아니라 탄화물을 형성하는데 기여하는 주요 원소들이 복합적으로 영향을 미치므로 이러한 관계를 명확히 이해하면 소재를 주조하는 공정에서부터 탄화물을 석출시키는 소둔공정에 이르기까지 소재 내부에서 M₇C₃탄화물의 형성을 방지하는 성분계를 도출할 수 있는 것으로 확인하였다.

이러한 방법으로 성분을 결정한다면 주조된 소재를 고온에서 장시간 열처리하여 M₇C₃탄화물을 제거하는 공정을 거치지 않아도 되므로 면도날용 마르텐사이트 강의 제조에서 비용의 절감과 생산성의 향상을 동시에 가져 올 수 있다.

본 발명에 따른 마르텐사이트 스테인리스강은 중량%로, 탄소: 0.45~0.60%, 질소: 0.02~0.08%, 실리콘: 0.1~0.6%, 망간: 0.1~0.6%, 크롬: 13~16% 및 몰리브덴: 0.1~2%, 텅스텐: 0.1~2% 중 1종 또는 2종을 함유하고 나머지는 철 및 불가피한 불순물로 제조되는 스테인리스강에 관한 것으로 식(1)의 값이 0 이하를 만족하는 것을 특징으로 한다.

식(1) : 14×탄소-0.46×크롬-2.1×몰리브덴-1.9×텅스텐

이하에서는 각 성분함량의 역할과 그 첨가범위를 한정하는 이유에 관하여 서술하기로 한다. 아울러, 이하에서 설명되는 %는 모두 중량%이다.

탄소는 함량이 낮을 경우 마텐사이트의 경도가 저하되어 절삭성 확보가 불가능하므로 0.45%이상을 첨가한다. 그러나 함량이 과도하게 많아지면 카바이드 형성을 통해 소재의 내식성이 저하되며 주조시 탄소 편석에 의한 조대한 주조 탄화물 형성을 피하기 어려우므로 상한을 0.60%로 제한한다.

질소는 강도와 내식성에 기여하므로 0.02%이상 첨가한다 그러나 과도하게 첨가될 경우 주조시 질소에 의한 포어의 발생 우려가 있으므로 상한을 0.08%로 제한한다.

실리콘은 탈산을 위해 필수적으로 첨가되는 원소이므로 0.1%이상을 첨가한다. 그러나 높은 함량의 실리콘 첨가는 산세성을 떨어뜨리며 소재의 취성을 높이므로 상한을 0.6%로 제한한다.

망간은 탈산을 위해 필수적으로 첨가하는 원소이므로 0.1%이상을 첨가한다. 그러나 과도하게 첨가될경우 강의 표면품질을 저해하고 최종 열처리재의 잔류오스테나이트 형성을 통해 경도상승을 억제하므로 상한을 0.6%로 제한한다.

크롬은 내식성을 확보하는 기본 원소이므로 13%이상 첨가한다. 그러나 과도한 첨가 시 제조비용이 상승하며 카바이드 형성을 통해 최종열처리재의 고용 카본을 저하시킬 수 있기에 상한을 16%로 제한한다.

몰리브덴은 내식성 향상에 우수한 효과가 있기에 0.1%이상을 첨가한다. 그러나 과도한 첨가는 제조비용의 상승을 초래하기에 상한을 2%로 제한한다.

텅스텐은 내식성 향상을 위해 0.1%이상을 첨가한다. 그러나 과도한 첨가 시 제조비용의 상승과 조업성을 저해하므로 상한을 2%로 제한한다.

상기 텅스텐과 몰리브덴의 경우 본 발명에서는 필요에 따라 1종 또는 2종을 첨가하여 제조할 수 있다.

이러한 합금 성분의 조합에 있어 식(1)의 값이 0이하가 되어야 소재 내부에 M₇C₃탄화물이 형성되지 않는다.

따라서 아래의 식(1)이 0 이하의 값을 가지도록 성분을 설계하는 것이 필요하다.

식(1) : 14×탄소-0.46×크롬-2.1×몰리브덴-1.9×텅스텐

일반적으로 이러한 강은 연속주조 또는 강괴 주조에 의해 주편을 제작하고 압연 또는 단조의 과정을 거쳐 원하는 형상의 제품을 제조하게 되며 사용 용도에 맞는 적정 물성을 얻기 위해 고유한 방법의 열처리 과정을 거치게 된다.

(실시예)

본 발명을 보다 자세히 이해하기 위해 아래의 실시예를 통해 본 발명을 설명한다.

본 실시예에서는 발명강 9종과 비교강 3종을 표1의 화학식으로 제조하였다.

표 1은 본 발명과 비교강에 대한 합금성분을 나타낸 것이고, 표 2에서는 본 발명에서 실험한 발명강 9종과 비교강 3종에 대해 본 발명에서 제시하는 식의 값과 함께 주조재, 상소둔재 각각에서 M₇C₃ 탄화물의 존재 여부를 정리하였다.

모든 시편은 진공용해장치를 통해 50Kg의 잉곳으로 제조한 뒤 탄화물 형태를 관찰하기 위한 시편 채취를 하고 잔여 시험편은 1200℃에서 2시간 재가열하고 최종 두께 2.5㎜까지 압연하여 열연 시험편을 제작하였다. 제조된 열간압연 시험편을 850℃ 12시간 열처리를 통해 상소둔재를 제조하였으며 상소둔재의 탄화물 분석을 위한 시험편을 제작하였다.

잉곳에서 채취한 시험편의 탄화물 조성과 형태를 확인하기 위해 TEM 시편을 제작하여 분산패턴(diffraction pattern)을 분석하였다.

도 2는 마르텐사이트 스테인리스강 주조재의 탄화물 분포 TEM 분석 결과를 도시한 사진도이다. 상기 도 2에서와 같이 개발강에서는 M₇C₃형태의 탄화물이 발견되지 않으며 모든 탄화물이 M₂₃C₇ 형태를 가지는 것으로 확인되었으나 비교강 3종에서는 M₇C₃ 형태의 탄화물이 존재하는 것을 확인하였다.

고탄소 마르텐사이트강은 주조과정뿐만 아니라 상소둔재를 제조하는 열처리 과정에서 탄화물의 석출과 성장이 활발하기 때문에 상소둔재에서도 탄화물을 비교하였다.

도 3은 마르텐사이트 스테인리스강 상소둔재의 탄화물 분포 SEM 분석 결과를 도시한 사진도이다. 상기 도 3에서 확인할 수 있듯이, 비교강에서는 조대한 형태의 M₇C₃탄화물이 존재하는 것을 확인할 수 있다.

상기의 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 표현하기 위해 제한된 조건을 설정한 것이며 이것이 본 발명의 적용에 있어 제약을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

중량%로, 탄소: 0.45~0.60%, 질소: 0.02~0.08%, 실리콘: 0.1~0.6%, 망간: 0.1~0.6%, 크롬: 13~16% 및 몰리브덴: 0.1~2%, 텅스텐: 0.1~2% 중 1종 또는 2종을 함유하고 나머지는 철 및 불가피한 불순물로 제조되며 식(1)의 값이 0 이하인 고경도와 고내식 마르텐사이트 스테인리스강.
식(1) : 14×탄소-0.46×크롬-2.1×몰리브덴-1.9×텅스텐
제1항에 있어서,
상기 성분으로 연속주조 또는 잉곳 주조를 통해 제조된 강편의 내부에 M₇C₃(M : Cr,Fe 등의 금속원자, C: 탄소) 형태의 일차탄화물이 존재하지 않는 고경도와 고내식 마르텐사이트 스테인리스강.
제1항에 있어서,
상기 식(1)의 값이 -2.5 이상인 고경도와 고내식 마르텐사이트 스테인리스강.
중량%로, 탄소: 0.45~0.60%, 질소: 0.02~0.08%, 실리콘: 0.1~0.6%, 망간: 0.1~0.6%, 크롬: 13~16% 및 몰리브덴: 0.1~2%, 텅스텐: 0.1~2% 중 1종 또는 2종을 함유하고 나머지는 철 및 불가피한 불순물로 제조되며 식(1)의 값을 0 이하로 제어하고 상기 스테인리스강을 적어도 800℃ 이상에서 적어도 5시간 이상의 탄화물 석출 공정을 통하여 제조하는 고경도와 고내식 마르텐사이트 스테인리스강 제조방법.
식(1) : 14×탄소-0.46×크롬-2.1×몰리브덴-1.9×텅스텐
제4항에 있어서,
상기 상소둔재의 내부에 M₇C₃ (M : Cr,Fe 등의 금속원자, C: 탄소) 형태의 탄화물이 존재하지 않는 고경도와 고내식 마르텐사이트 스테인리스강 제조방법.