KR20130113669A

KR20130113669A - 절삭성이 우수한 비자성강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20130113669A
Application number: KR1020120036032A
Authority: KR
Inventors: 한상호; 진광근; 오필용
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-04-06
Filing date: 2012-04-06
Publication date: 2013-10-16
Also published as: KR101360581B1

Abstract

본 발명의 일측면인 절삭성이 우수한 비자성강은 중량%로, C: 0.1~1.0%, Mn: 8~25%, Al: 3.0% 이하, P: 0.1% 이하, Ti: 0.01~0.2%을 포함하고, S: 0.4% 이하(0은 제외) 및 Bi: 0.04~0.2% 중 1종 또는 2종을 포함하며, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하며, 미세조직의 평균결정립 크기가 18㎛ 이하일 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 일측면인 절삭성이 우수한 비자성강의 제조방법은 중량%로, C: 0.1~1.0%, Mn: 8~25%, Al: 3.0% 이하, P: 0.1% 이하, Ti: 0.01~0.2%을 포함하고, S: 0.4% 이하(0은 제외) 및 Bi: 0.04~0.2% 중 1종 또는 2종을 포함하며, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하는 슬라브를 1050~1300℃에서 재가열하는 단계, 상기 재가열된 슬라브를 850~1000℃에서 마무리 열간압연하는 단계 및 상기 열간압연된 열연강재를 550℃ 이하에서 권취하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

절삭성이 우수한 비자성강 및 그 제조방법{NONMAGNETIC STEEL WITH EXCELLENT MACHINABILITY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 변압기, 배전반 등의 소재로 사용되는 비자성강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근들어 철강소재는 우수한 비자성특성 때문에, 변압기 및 배전반 등의 소재로 널리 이용되고 있다. 종래 이러한 특성을 이용한 소재는 주로 오스테나이트 단상강으로 구성된 스테인레스강이 주로 이용되어 왔다. 하지만, 스테인레스강은 강도가 낮고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 더욱이, 강도를 높이기 위해 페라이트계 또는 마르텐사이트계 스테인레스강을 적용하고 있으나, 높은 자성을 가져 와전류에 의한 전력손실이 발생하며, 가격이 일반강 대비 3~4배 정도 높은 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 보다 저렴한 가격으로, 소재를 개발하기 위해, 오스테나이트 안정성이 높은 C, Mn등을 첨가하여 제조하는 철강소재가 대두되고 있다. 그러나, 이러한 배경하에 개발된 기술들은 C 및 Mn 함량이 매우 높아, 오스테나이트 안정성이 증가하여 비자성특성이 우수하나, 높은 가공경화율로 인해 절삭성(쾌삭성)이 좋지 않아, 실제 부품 홀(hole) 및 탭(tap) 가공시 공구가 파손되어버리는 단점이 있다. 또한, C 함량을 낮추어 절삭성을 다소 개선할 수 있으나, C함량 저하로, 오스테나이트 안정성이 좋지 않게 되고 인장강도 또한 500MPa 수준에 머물러 고강도강으로서 장점을 잃게 된다. 그러한 예로서, C 함량이 0.14~0.2%이고, Mn 함량이 22~25%인 비자성강이 개발되었으나, 인장강도가 550MPa 수준에 머물러 고강도강으로서 사용하기 어려웠다.

따라서, 비자성특성이 우수하면서도 절삭성을 확보할 수 있는 강재의 연구가 시급한 시점이다.

본 발명의 일측면은 절삭성 및 강도가 우수한 비자성강 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일측면인 절삭성이 우수한 비자성강은 중량%로, C: 0.1~1.0%, Mn: 8~25%, Al: 3.0% 이하, P: 0.1% 이하, Ti: 0.01~0.2%을 포함하고, S: 0.4% 이하 및 Bi: 0.04~0.2% 중 1종 또는 2종을 포함하며, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하며, 미세조직의 평균결정립 크기가 18㎛ 이하일 수 있다.

본 발명의 다른 일측면인 절삭성이 우수한 비자성강의 제조방법은 중량%로, C: 0.1~1.0%, Mn: 8~25%, Al: 3.0% 이하, P: 0.1% 이하, Ti: 0.01~0.2%을 포함하고, S: 0.4% 이하 및 Bi: 0.04~0.2% 중 1종 또는 2종을 포함하며, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하는 슬라브를 1050~1300℃에서 재가열하는 단계, 상기 재가열된 슬라브를 850~1000℃에서 마무리 열간압연하는 단계 및 상기 열간압연된 열연강재를 550℃ 이하에서 권취하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일측면에 의하면, 합금원소의 적절한 제어를 통하여 생산원가를 최소화하면서, 강도, 절삭성 및 비자성특성이 우수한 강재를 제공할 수 있다. 특히, 본 발명의 일측면은 연신율 및 강도측면에서 방향에 따른 재질편차가 거의 없는 강재를 제공할 수 있다.

구체적으로, 인장강도 700 MPa 이상인 비자성을 제공할 수 있다.

또한, 적층결함에너지 25~40mJ/㎠인 비자성강을 제공할 수 있다.

더불어, 15~20kA/m의 자장의 세기에서 상대투자율이 1.05 H/m 이하인 비자성강을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예인 발명예 3의 미세조직 사진이다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 발명예 3의 결정립크기에 대한 분포그래프이다.

본 발명자들은 절삭성 및 강도가 우수한 비자성강을 도출해 내기 위하여 연구를 거듭한 결과, 1) 상온에서 완전한 오스테나이트상을 확보하기 위하여 오스테나이트 안정화 원소인 Mn, C, Al 등의 원소 함량을 최적화하고, 2) 우수한 절삭성을 확보하기 위하여 S 또는 Bi를 첨가하며, 3) 인성이 뛰어난 Ni를 배제하면서 절삭성을 확보하고, 4) 강중 AlN의 석출에 의한 연주슬라브의 크랙발생과 열연조압연 귀터짐을 방지하고, BN석출에 의한 고용B저하로 P에 의한 입계 취화가 발생하지 않도록 강중 N를 TiN으로 완전히 석출시킬수 있도록 Ti를 첨가함으로서, 상술한 효과를 확보할 수 있음을 인지하고 본 발명에 이르게 되었다.

이하, 본 발명의 일 측면인 절삭성이 우수한 비자성강에 대하여 상세히 설명한다.

상기 비자성강은 하기 설명하는 성분계를 만족하는 것이 바람직하다.

탄소(C): 0.1~1.0 중량%

상기 C는 오스테나이트상을 안정시키고, 적층결함에너지를 증가시키는 역할을 할 수 있다. 상기 C의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우에는 Mn의 함량을 증가시키더라도 상온에서 안정된 오스테나이트의 형성이 어려우며, 변형시 α'마르텐사이트상이 형성되기 때문에 가공시 크랙이 발생할 뿐만 아니라 비자성특성도 열위될 수 있다. 반면에 상기 C의 함량이 1.0 중량%를 초과하는 경우에는 적층결함에너지가 40mJ/m2 이상으로 지나치게 증가하여 변형시 쌍정형성 보다는 슬립변형에 의한 변형거동이 나타나, 가공성이 낮아지고 특히 탄화물이 석출되어 오히려 비자성특성이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 상기 C의 함량은 0.1~1.0 중량%로 제어하는 것이 바람직하다.

망간(Mn): 8~25 중량%

상기 Mn 역시 오스테나이트상을 안정화시키는데 필수적인 원소이다. 그러나, 상기 Mn의 함량이 8 중량% 미만인 경우에는 성형성을 해치는 α' 마르텐사이트상이 형성되어, 강도는 증가하지만 연성 및 비자성특성이 급격히 감소될 수 있다. 반면에, 상기 Mn의 함량이 25 중량%를 초과하는 경우에는. 슬라브 재가열시 내부 입계산화가 지나치게 일어나 강판 표면에 산화물 결함을 유발시켜, 합금비용이 상승할 뿐만 아니라 도금제품의 표면 특성도 열위될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 상기 Mn의 함량은 8~25 중량%로 제어하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al): 3.0 중량% 이하,

상기 Al은 통상 강의 탈산을 위하여 첨가되는 원소이지만, 본 발명에서는 적층결함에너지를 조절하고 내지연파괴 특성을 개선하기 위하여 첨가되는 원소로서 본 발명에서는 매우 중요한 원소로 기능한다. 본 발명에서 Al은 종래의 오스테나이트 고망간강에 비하여 낮은 Mn함량에서도 강의 적층결함 에너지(stacking fault energy)를 증가시켜 ε-마르텐사이트상의 생성을 억제하고 변형 중 쌍정밀도 증가를 완만하게 함으로써 연성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 상기 Al의 함량이 3.0 중량%를 초과하는 경우네는 연속 주조시 주조성이 열화되고, 열간 압연시 표면 산화가 심화되는 문제가 발생하여 표면 품질이 급격하게 하락할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 상기 Al의 함량은 3.0 중량% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

인(P): 0.1 중량% 이하

상기 P은 제조시 불가피하게 함유되는 원소이나, 적정량의 첨가는 강의 절삭성을 향상시킬 수 있다. 따라서 연주성의 문제가 없다면 많은 양을 첨가하는 것이 바람직한데 그 첨가범위가 0.1 중량%를 초과하게 되면 연주크랙 형성, 가공성 감소 등 품질을 저하시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서 상기 P의 함량은 0.1 중량% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

티타늄(Ti): 0.01~0.2 중량%

상기 Ti는 C와 결합하여 탄화물을 형성하는 강력한 탄화물 형성 원소로서 본 발명에서는 중요한 원소로 기능한다. 형성된 탄화물은 결정립의 성장을 억제하여 결정립 크기를 미세화하는데 효과적인 원소이다. 또한, 연주조업시 주조조직내 TiN의 고온 석출물 형태로 우선적으로 형성하여 고용 N를 저감하는 역할을 함으로써 입계 AlN, BN석출에 의한 슬라브크랙 및 열연조압연 귀터짐(Edge Crack)발생을 현저히 감소시킬 수 있는 작용을 한다. 또한 입계 편석 가능성이 높은 P를 FeTiP로 석출시키는 경향이 높아 P에 의한 입계 취화를 방지하는 역할을 한다. 상술한 효과를 확보하기 위하여 상기 Ti의 함량은 0.01 중량% 이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 또한, Ti의 함량이 증가할수록 상기에서 언급된 효과는 커지나 0.2 중량%를 초과하는 경우네는, 연주 노즐 막힘등 제조상의 문제가 발생하고 합금철 비용이 증가하는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서 상기 Ti의 함량은 0.01~0.2 중량%로 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일측면은 하기 S 및 Bi 중 1종 또는 2종을 포함할 수 있다. 이를 통하여, 우수한 절삭성을 확보하는데 기여할 수 있다.

황(S): 0.4 중량% 이하(0은 제외)

상기 S은 본 발명에서 절삭성을 향상시키기 위해 중요한 원소이다. 상기 S의 함량이 증가할수록 절삭성이 우수하여 가공시 공구파손의 문제를 해결할 수 있고, 설령 S함량이 미량일지라도 본 발명에서는 C, Mn함량 성분을 조정하여 가공경화율을 낮추어 절삭성 개선이 가능하다. 이러한 이유로 S를 선택적으로 첨가하는 것이 바람직하다. 하지만, 상기 S의 함량이 0.4 중량%를 초과하는 경우에는 주조시 많은 S계 개재물이 많이 생겨 오히려 주편 및 열간압연시 크랙 발생의 주요인으로 작용한다. 따라서 본 발명에서 상기 S의 함량은 0.4 중량% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

비스무스(Bi): 0.04~0.2 중량%

상기 Bi는 상기 S와 마찬가지로 절삭성 확보에 큰 역할을 할 수 있다. 그러나, 상기 Bi의 함량이 0.04 중량% 미만인 경우에는 상술한 절삭성의 효과가 미미하며, 0.2 중량%를 초과하는 경우에는 제조비용 상승 및 입계 Bi계 석출물이 증가하여 크랙 발생 및 표면성이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 상기 Bi의 함량은 0.04~0.2 중량%로 제어하는 것이 바람직하다.

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

그리고, 상기 비자성강은 열간압연 후 두께가 5~20mm인 것이 바람직하다. 이를 통하여, 변압기용 후물재로서 적용이 가능하다.

상술한 성분계를 만족하는 비자성강은 평균 결정립 크기가 18㎛이하인 것이 바람직하다. 미세한 결정립에서, 쌍정형성이 상대적으로 용이하므로, 본 발명에서는 상기 평균 결정립 크기를 18㎛이하로 제어하는 것이다.

또한, Fe₃C 계열의 탄화물을 2 Vol.%이내로 제어하는 것이 바람직하다. 상기 강재의 탄화물 분포비율이 2 Vol.%를 초과하는 경우에는 비자성의 효과가 현저히 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 이를 통하여, 15~20kA/m의 자장의 세기에서 상대투자율을 1.05 H/m 이하로 제어할 수 있다.

그리고, 상기 비자성강의 적층결함에너지는 25~40mJ/㎠인 것이 바람직하다. 강중 C, Mn, Al함량을 낮추게 되면 적층결함에너지가 25 mJ/㎠ 미만으로 되어 오스테나이트 단상을 확보할 수 없어 비자성특성도 사라지고 강도도 감소한다. 상기 적층결함에너지가 25mJ/㎠ 미만인 경우 앞서 설명한 바와 같이 오스테나이트 단상을 확보하기 어렵고, 비자성효과가 상실될 수 있다. 또한, 상기 적층결함에너지가 40mJ/㎠를 초과하게 되면 가공시 쌍정형성보다는 전위 슬립이 우선적으로 일어나 강도 상승에 효과가 없게 된다.

그리고, 상기 비자성강의 인장강도는 700 MPa 이상인 것이 바람직하다. 700Mpa이상의 강도확보를 전제로 적정한 수준의 적층결함에너지를 관리하여 목표로하는 절삭성, 가공성, 강도를 만족하는 최적의 설계가 가능하다.

이하, 본 발명의 다른 일측면인 비자성강의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 상술한 성분계를 만족하는 강은, 하기 제조방법을 이용하여 제조하는 것이 바람직하다.

재가열: 1050~1300℃

상기 성분계를 만족하는 강괴 또는 연주 슬라브를 재가열할 수 있다. 상기 재가열온도가 1050℃ 미만인 경우에는 슬라브가 충분히 재가열되지 못하여 개재물 편석이 발생하여 강재의 재질에 영향을 미친다. 또한, 상기 재가열온도가 1300℃를 초과하는 경우에는 슬라브의 주상정 입계에 액상막이 생겨 주편 크랙 발생될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 상기 재가열온도는 1050~1300℃로 제어하는 것이 바람직하다.

열간압연: 850~1000℃

상기 재가열에 의하여 균질화 처리가 이루어진 슬라브를 열간압연할 수 있다. 마무리 압연온도가 850℃ 미만인 경우에는 압연 하중이 높아져 압연기에 무리가 갈 뿐만 아니라 강판 내부의 품질이 저하될 수 있다. 반면, 압연 마무리 온도가 1000℃를 초과하는 경우에는 압연시 표면 산화가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 상기 마무리 압연온도는 850~1000℃로 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 열연강재의 두께는 5~20mm인 것이 바람직하며, 이를 통하여, 변압기용 후물재로서 사용할 수 있다.

권취: 550℃ 이하

상기 열간압연된 열연강재를 권취할 수 있다. 상기 권취온도가 550℃를 초과하는 경우에는 Fe₃C가 다량 형성되어 비자성특성이 매우 저하된다. 본 발명의 일실시예에 의하면 상대투자율이 1.05 H/m를 초과하여 비자성 특성을 열악하게 만든다.

상기 권취공정 후 열연강재의 평균 결정립 크기는 18㎛이하로 제어될 수 있다. 상기 평균 결정립 크기가 18㎛를 초과하는 경우에는 조대한 결정립에서 쌍정형성이 상대적으로 어려워 강도향상에 불리하고 특히 비자성특성도 열위하여 목표로하는 15~20kA/m의 자장의 세기에서 상대투자율이 1.05 H/m 를 확보하지 못할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예 1)

하기 표 1의 조성을 갖는 강 슬라브를 1200℃의 가열로에서 한 시간 동안 유지한 후 940℃에서 마무리 열간압연을 실시하고 하기 표 2에 나타낸 온도에서 권취하여 열연강재를 제조하였다.

각각의 실시예에 대하여 적층결함에너지, 인장강도, 결정립 평균크기 및 상대투자율을 측정하여 하기 표 2에 함께 나타내었으며, 절삭성 평가를 실시하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

더불어, 일반적으로 사용되는 절삭공구를 이용하여, 각각의 실험예를 절삭하여 절삭공구의 파단여부에 따라서 절삭성을 상대평가하였다.

또한, 발명예 3의 미세조직 사진과 결정립의 크기분포에 대한 그래프를 도 1 및 2에 나타내었다.

구분	C	Mn	Al	P	Ti	S	Bi
강종A	0.15	18	2.5	0.012	0.11	0.08	-
강종B	0.3	15	2.3	0.011	0.10	0.18	-
강종C	0.6	15	1.8	0.011	0.12	0.23	-
강종D	0.2	15	2.5	0.012	0.11	0.05	0.1
강종E	0.5	18	2.0	0.012	0.11	-	0.13
강종F	0.7	10	2.0	0.011	0.12	-	0.08

(단, 각 원소의 단위는 중량%임)

구분		두께 (mm)	귄취 온도 (℃)	적층결함 에너지 (mJ/㎠)	인장강도 (Mpa)	결정립 평균크기 (㎛)	상대투자율 (H/m)
발명예1	강종A	8	495	27.9	723	17.5	1.038
비교예1	강종A	16	750	27.9	722	22	1.063
발명예2	강종B	12	460	28.0	780	17.2	1.035
발명예3	강종B	16	475	28.0	785	16.8	1.026
비교예2	강종C	8	620	34.1	890	20.5	1.601
발명예4	강종C	16	480	34.1	895	16.3	1.032
발명예5	강종D	12	490	26.1	760	16.2	1.013
발명예6	강종D	16	480	26.1	765	15.9	1.016
발명예7	강종E	12	480	36.5	870	16.1	1.012
발명예8	강종E	16	450	36.5	890	16.4	1.013
발명예9	강종F	8	440	39.3	880	16.3	1.012
발명예10	강종F	12	440	39.3	876	15.9	1.020

상기 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 발명예 1 내지 12는 본 발명이 제어하는 성분계를 만족하는 강종으로서, 권취온도 또는 결정립평균크기를 만족하는 경우 상대투자율이 본 발명이 의도하는 범위에 해당됨을 확인할 수 있다.

이에 반하여, 비교예 1 및 2는 권취온도 또는 결정립의 평균크기가 본 발명이 제어하는 범위에 해당되지 아니하여, 상대투자율이 높게 측정됨을 확인할 수 있다.

더불어, 발명예 1 내지 10은 절삭공구가 파단되지 않아서, 그 절삭성이 우수한 것으로 판단되었다.

(실시예 2)

상기 실시예 1에서 제조된 발명예 4 및 발명예 7에 대하여, 코일의 Top, mid, bot부를 대상으로 인장방향별 재질특성(항복강도, 인장강도, 연신율, N-value)을 평가한 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

구분		YS(Mpa)	TS(Mpa)	Total-EL	n-Value	두께(mm)
발명예4	T-0	432	842	65.0	8.3	0.48
	T-45	440	835	65.7	8.2	0.48
	T-90	456	843	64.8	8.2	0.47
	M-0	424	830	51.4	8.3	0.49
	M-45	434	836	65.4	8.3	0.48
	M-90	444	821	46.7	8.3	0.47
	B-0	424	842	67.8	8.3	0.49
	B-45	433	836	65.4	8.3	0.48
	B-90	434	840	66.0	8.3	0.48
발명예7	T-0	458	886	69.6	12.3	0.49
	T-45	470	881	62.5	12.3	0.48
	T-90	468	895	71.2	12.3	0.49
	M-0	448	886	78.7	12.4	0.50
	M-45	458	883	79.3	12.4	0.50
	M-90	475	893	64.2	12.4	0.49
	B-0	455	867	54.4	12.3	0.49
	B-45	464	872	62.4	12.2	0.49
	B-90	476	886	65.3	12.2	0.49

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 연신율 및 강도측면에서 방향에 따른 재질편차가 거의 없음을 확인할 수 있다.

Claims

중량%로, C: 0.1~1.0%, Mn: 8~25%, Al: 3.0% 이하, P: 0.1% 이하, Ti: 0.01~0.2%을 포함하고, S: 0.4% 이하(0은 제외) 및 Bi: 0.04~0.2% 중 1종 또는 2종을 포함하며, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하며, 미세조직의 평균결정립 크기가 18㎛ 이하인 절삭성이 우수한 비자성강.
청구항 1에 있어서,
상기 비자성강은 탄화물 분포 비율이 2 Vol.% 이내인 절삭성이 우수한 비자성강.
청구항 1에 있어서,
상기 비자성강은 15~20kA/m의 자장의 세기에서 상대투자율이 1.05 H/m 이하인 절삭성이 우수한 비자성강.
청구항 1에 있어서,
상기 비자성강은 인장강도 700MPa이상, 적층결함에너지 25~40 mJ/㎠인 절삭성이 우수한 비자성강.
중량%로, C: 0.1~1.0%, Mn: 8~25%, Al: 3.0% 이하, P: 0.1% 이하, Ti: 0.01~0.2%을 포함하고, S: 0.4% 이하(0은 제외) 및 Bi: 0.04~0.2% 중 1종 또는 2종을 포함하며, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하는 슬라브를 1050~1300℃에서 재가열하는 단계;
상기 재가열된 슬라브를 850~1000℃에서 마무리 열간압연하는 단계; 및
상기 열간압연된 열연강재를 550℃ 이하에서 권취하는 단계를 포함하는 절삭성이 우수한 비자성강의 제조방법.