KR20150076351A

KR20150076351A - 철강 합금

Info

Publication number: KR20150076351A
Application number: KR1020130164037A
Authority: KR
Inventors: 오윤석; 이영주; 양혁
Original assignee: 주식회사 포스코; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-07-07

Abstract

철강 합금이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 철강 합금은 중량%로서, Mn: 20 내지 30wt%, Al: 10 내지 20wt%, C: 0.9 내지 2.0wt%, 및 잔부인 Fe와 불가피 불순물을 포함한다.

Description

철강 합금{STEEL ALLOY}

본 발명은 철강 합금에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄을 15wt% 이상 포함하여 저 비중을 갖되, 결정구조 내의 FCC 분율을 높게 유지하여 연신율이 우수한 철강 합금에 관한 것이다.

종래의 저 비중 합금의 일례로서, Fe를 주성분으로 하고, Al: 10~20wt%, Mn: 5~20wt%, C: 0.5~1wt%, Cr: 1~3wt%, Si: 1~3wt%를 조성으로 하며, 불순물인 P: 0.02% 이하, S: 0.01% 이하를 제한하여 조성된 저 비중 합금을 들 수 있다.

이러한 종래의 저 비중 합금은 비중이 7g/㎤에 가까우나, Al이 고함량 첨가됨으로써 BCC 분율이 비교적 높게 나타난다. Al이 15wt% 첨가될 경우, 전자밀도나 상태도 상에서 볼 때, FCC가 형성될 가능성은 매우 낮다.

FCC 구조의 경우, 상온 연신율이 우수한 데, 종래, FCC 구조를 갖는 철강 합금의 최대 Al 함량은 9wt% 수준이며, 9wt% 이상의 Al이 첨가될 경우, BCC 구조가 나타나 연신율이 급격히 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명의 일 실시예는, 상온 연신율이 우수한 FCC 구조를 유지하고, 기존 철강 대비 15% 이상 비중이 낮은 철강 합금을 제공하고자 한다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 중량%로서, Mn: 20 내지 30wt%, Al: 10 내지 20wt%, C: 0.9 내지 2.0wt%, 및 잔부인 Fe와 불가피 불순물을 포함하는, 철강 합금이 제공된다.

이 때, 내부의 결정구조가 FCC 구조인 조직이 90% 이상일 수 있다.

또한, 상기 FCC 구조는 오스테나이트(Austenite)와 K-carbide를 포함하는 것일 수 있다.

또한, 상기 FCC 구조에서 상기 오스테나이트의 분율이 50% 이상일 수 있다.

또한, 전자밀도가 0.562 내지 0.6일 수 있다.

또한, Ni, Cu, 및 Cr 중 적어도 하나를 0.1 내지 5wt%를 더 포함할 수 있다.

상술한 본 발명의 과제 해결 수단의 일부 실시예 중 하나에 따른 철강 합금에 의하면, 기존 철강 대비 15% 이상 비중이 낮으며, FCC 구조를 유지하여 상온 연신율이 우수한 효과가 있다.

도 1은 전자밀도와 결정구조와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 C 함량에 따른 XRD(X-Ray Diffraction) 패턴을 나타낸 도면이다.
도 3a는 Fe-28Mn-9Al-0.9C의 미세조직 및 EBSD 사진이다.
도 3b는 Fe-28Mn-15Al-0.9C의 미세조직 및 EBSD 사진이다.
도 3c는 Fe-28Mn-15Al-1.5C의 미세조직 및 EBSD 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

철강 합금의 경량화를 위해서는 종래 최대 9wt% 수준이던 알루미늄(Al)의 함량을 약 15wt% 이상으로 증가시켜야 한다. 그러나, Al이 9wt% 이상 첨가되는 경우, 철강 합금 내의 결정구조에서 BCC 분율이 증가함으로써 기계적 특성, 예를 들면, 상온 연신율이 급격히 저하되는 문제점이 있다.

이 때, 이러한 기계적 특성, 즉, 연신율을 향상시키기 위해서는 조직을 오스테나이트(Austenite)화하여야 한다. 조직을 오스테나이트화하는 방법은 크게 오스테나이트 안정화 원소를 첨가하거나 페라이트(ferrite) 조직에서 나타나는 금속간화합물(intermetallic compound)의 형성을 억제하는 두 가지의 것이 있다.

이에 본 발명에서는 상기의 오스테나이트화하는 방법을 실험을 통해 적절히 조절하여, 경량이면서도 연신율이 극대화된 철강 합금을 제공할 수 있도록 안출되었다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 철강 합금에 대하여 보다 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 철강 합금은 중량%로서, Mn: 20 내지 30%, Al: 10 내지 20%, C: 0.9~2.0%, 및 잔부인 Fe와 불가피 불순물을 포함한다.

먼저, 망간(Mn)은 20 내지 30wt% 함유되도록 한다.

하기 [표 1]은 Mn 함량 저감에 따른 Ferrite 분율을 나타낸 것이다.

구분	Fe	Mn	Al	C	합계	Ferrite 분율
wt%	58.5	25.0	15.0	1.5	100	2 vol%
at%	48.0	20.8	25.5	5.7	100	2 vol%
wt%	60.5	23.0	15.0	1.5	100	11 vol%
at%	49.6	19.2	25.5	5.7	100	11 vol%
wt%	63.5	20.0	15.0	1.5	100	24 vol%
at%	52.1	16.7	25.5	5.7	100	24 vol%

[표 1]을 참조하면, Mn 함량이 줄어듦에 따라 페라이트 분율이 증가하는 것을 알 수 있다. Mn 함량이 20wt%로 감소될 경우 페라이트 분율은 24vol%로 증가하며, Mn 함량이 25wt%일 경우에는 페라이트 분율이 무시할 만한 양으로 줄어든다.

하기 [표 2]는 Mn 함량에 따른 FCC 분율을 나타낸 것이다.

Fe	Mn	Al	C	Y(wt%)	Fe/Mn 원자비	전자밀도(calc.)	FCC 상분율
72.1	12.0	15.0	0.9	-	5.91	0.556	24
67.1	17.0	15.0	0.9	-	3.88	0.553	32
56.1	28.0	15.0	0.9	-	1.97	0.545	46

[표 2]를 참조하면, Mn 함량이 증가함에 따라 오스테나이트 분율이 증가하는 것을 알 수 있다.

따라서, Mn 함량을 증가하되, 후술되는 알루미늄(Al)의 고용도를 고려한 조성의 설계가 요구된다. 본 발명의 일 실시예에서는 Mn 함량을 20 내지 30wt% 로 설계하는 것이 최적의 조성인 것으로 나타났다.

알루미늄(Al)은 10 내지 20wt% 함유되도록 한다.

전술된 바와 같이, 알루미늄의 고용도는 Mn이나 후술되는 다른 합금의 함량 조성을 고려하여 설계하여야 한다.

다만, Al 함량이 9wt%에서 15wt%로 증가할 경우, 경량 합금은 실현되나 [표 3]에 나타난 바와 같이 페라이트 분율, 즉, BCC 분율이 증가하며, 전자밀도 또한 0.598에서 0.557로 감소하게 된다.

Fe	Mn	Al	C	Fe/Mn 원자비	전자밀도	Ferrite 분율 (vol%)
62.1	28.0	9.0	0.9	2.18	0.598	2
56.1	28.0	15.0	0.9	1.97	0.557	45
55.5	28.0	15.0	1.5	1.95	0.564	0
55.0	28.0	15.0	2.0	1.93	0.571	7

도 1은 전자밀도와 결정구조와의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 1을 참조하면, 3d 전이원소(Sc~Cu)/4d 전이원소(Y~Ag)/5d 전이원소(La~Au)의 FCC 구조의 안정화, 즉, FCC 상분율이 90% 이상 및 100% 미만인 경우의 전자밀도 값은 0.580~0.600 정도이며, 페라이트가 없는 조직의 경우(FCC 상분율이 100%)의 전자밀도 값은 0.550~0.580 정도이다.

Al이 15wt% 첨가될 경우, 전자밀도나 상태도 상에서 볼 때 FCC가 형성될 가능성은 매우 낮으나, 급냉 등 공정제어를 통해 페라이트를 최소화하는 것은 가능할 것으로 예상된다.

일례로, 후술되는 탄소(C)의 함량을 제어함으로써 고Al강을 실현하면서도 페라이트를 최소화할 수 있다. 이에 관한 보다 자세한 설명은 후술하도록 한다.

탄소(C)는 0.9 내지 2.0wt% 함유되도록 한다.

전술된 바와 같이, Al 함량이 9wt%에서 15wt%로 증가할 경우, 합금의 BCC 분율이 증가한다.

그러나, 15 wt%의 Al이 포함된 고Al강에 C를 1.5wt% 이상 첨가할 경우, [표 3]에 나타난 바와 같이, 페라이트 분율이 급격하게 감소된다.

이 때의 전자밀도는 0.564 이상으로서, FCC 안정화를 위한 전자밀도인 0.6보다는 낮으나, 열처리 후 급속응고 과정을 통해 상온에서 페라이트를 형성하지 않는다면, 페라이트가 없는 조직의 경우 전자밀도의 최소값은 0.562이기 때문에 FCC 안정화가 가능해진다.

도 2는 C 함량에 따른 XRD(X-Ray Diffraction) 패턴을 나타낸 도면이다. 도 3a는 Fe-28Mn-9Al-0.9C의 미세조직 및 EBSD 사진이다. 도 3b는 Fe-28Mn-15Al-0.9C의 미세조직 및 EBSD 사진이다. 도 3c는 Fe-28Mn-15Al-1.5C의 미세조직 및 EBSD 사진이다.

도 2 및 도 3a를 참조하면, Al 함량이 9wt%이고, C 함량이 0.9wt%인 Fe-28Mn-9Al-0.9C에서는 이차상은 관찰되지 않으며, 100% 오스테나이트로 구성된 FCC 구조를 갖는다.

도 2 및 도 3b를 참조하면, Al 함량이 15wt%이고, C 함량이 0.9wt%인 Fe-28Mn-15Al-0.9C에서는 FCC 구조와 BCC 구조가 혼재된 조직 구성을 갖는다.

도 2 및 도 3c를 참조하면, Al 함량이 15wt%이고, C 함량이 1.5wt%인 Fe-28Mn-15Al-1.5C에서는 오스테나이트와 K-carbide가 합쳐진 FCC 구조를 갖는다. 여기에서, K-carbide는 오스테나이트 구조와 격자(lattice) 구조가 일치하는 것으로 판단된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 철강 합금은 Ni, Cu, 및 Cr 중 적어도 하나를 0.1 내지 5wt%를 더 포함할 수 있다.

먼저, 니켈(Ni)은, [표 4]에 나타난 바와 같이, 그 함량이 증가하면, 오스테나이트 분율이 감소한다.

Fe	Mn	Al	Ni	C	전자 밀도	Fe/Mn 원자비	Austenite분율(%)
55.5	28.0	15.0	0.0	1.5	0.564	1.94995	55
54.5	28.0	15.0	1.0	1.5	0.566	1.914816	48
52.5	28.0	15.0	3.0	1.5	0.568	1.844547	47
50.5	28.0	15.0	5.0	1.5	0.571	1.774279	45
55.0	28.0	15.0	0.0	2.0	0.571	1.932383	63
54.0	28.0	15.0	1.0	2.0	0.572	1.897249	58
52.0	28.0	15.0	3.0	2.0	0.575	1.82698	54
50.0	28.0	15.0	5.0	2.0	0.578	1.756712	62

그러나, 이는 Ni 첨가에 의한 전자밀도 효과보다 Ni에 의한 자화(magnetization) 증가로 인하여 FCC 상이 불안정한 것으로 판단된다. Ni의 경우, 30wt% 첨가 시까지는 자화가 감소한다.

구리(Cu)는, [표 5]에 나타난 바와 같이, 0.9C, 1.5C 합금에서는 오스테나이트 분율에 미치는 영향이 적은 것으로 보인다. 그러나, 2.0C 합금에서는 Cu가 오스테나이트 분율을 급격히 낮춘다.

Fe	Mn	Al	C	Y(wt.%)	Fe/Mn 원자비	전자 밀도	Austenite분율
55.5	28.0	15.0	1.5	-	1.95	0.564	100
54.5	28.0	15.0	1.5	Cu(1.0)	1.91	0.566	99
52.5	28.0	15.0	1.5	Cu(3.0)	1.84	0.570	75
50.5	28.0	15.0	1.5	Cu(5.0)	1.77	0.573	-
55.0	28.0	15.0	2.0	-	1.93	0.571	93
54.0	28.0	15.0	2.0	Cu(1.0)	1.90	0.573	65
52.0	28.0	15.0	2.0	Cu(3.0)	1.83	0.576	32
50.0	28.0	15.0	2.0	Cu(5.0)	1.76	0.580	60
56.1	28.0	15.0	0.9	-	1.97	0.557	69
55.1	28.0	15.0	0.9	Cu(1.0)	1.94	0.558	58
53.1	28.0	15.0	0.9	Cu(3.0)	1.87	0.562	61
51.1	28.0	15.0	0.9	Cu(5.0)	1.79	0.566	42
62.1	28.0	9.0	0.9	-	2.18	0.598	98

따라서, Cu 첨가 시 Mn이나 C 등 자기특성과 구조인자에 영향을 주는 기타 원소와의 관계를 고려하여 합금설계를 할 필요가 있다.

크롬(Cr)은, [표 6]에 나타난 바와 같이, 전자밀도를 낮춤에도 불구하고 1wt% 이내의 첨가는 오스테나이트 분율에 나쁜 영향을 주지 않는다. 그러나, 3wt% 이상이 첨가되면 오스테나이트 분율이 급격히 감소한다.

Fe	Mn	Al	C	Y(wt.%)	Fe/Mn 원자비	전자 밀도	Austenite 분율
54.5	28.0	15.0	1.5	Cr(1.0)	1.88	0.562	100
52.5	28.0	15.0	1.5	Cr(3.0)	1.73	0.556	67
50.5	28.0	15.0	1.5	Cr(5.0)	1.59	0.551	28
54.0	28.0	15.0	2.0	Cr(1.0)	1.86	0.568	97
52.0	28.0	15.0	2.0	Cr(3.0)	1.71	0.563	52
50.0	28.0	15.0	2.0	Cr(5.0)	1.57	0.557	38
55.1	28.0	15.0	0.9	Cr(1.0)	1.90	0.554	56
53.1	28.0	15.0	0.9	Cr(3.0)	1.75	0.549	26
51.1	28.0	15.0	0.9	Cr(5.0)	1.61	0.543	65

다만, 고농도의 Cr이 첨가된 경우, carbide 형성에 의해 C 효과 저하되므로 주의하여야 한다.

상기한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 철강 합금에 의하면, 기존 철강 대비 15% 이상 비중이 낮으며, FCC 구조를 유지하여 상온 연신율이 우수한 효과가 있다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

Claims

중량%로서, Mn: 20 내지 30wt%, Al: 10 내지 20wt%, C: 0.9 내지 2.0wt%, 및 잔부인 Fe와 불가피 불순물을 포함하는, 철강 합금.
제 1 항에 있어서,
내부의 결정구조가 FCC 구조인 조직이 90% 이상인, 철강 합금.
제 2 항에 있어서,
상기 FCC 구조를 안정화하기 위한 전자밀도 값은 0.550 내지 0.6인, 철강 합금.
제 3 항에 있어서,
상기 FCC 구조는 오스테나이트(Austenite)와 K-carbide를 포함하는 것인, 철강 합금.
제 4 항에 있어서,
상기 FCC 구조에서 상기 오스테나이트의 분율이 50% 이상인, 철강 합금.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
Ni, Cu, 및 Cr 중 적어도 하나를 0.1 내지 5wt%를 더 포함하는, 철강 합금.