KR20160138277A - 오스테나이트계 스테인리스 강 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

고강도 및 우수한 내수소취성을 가지며, 또한, 우수한 피삭성을 가지는 오스테나이트계 스테인리스 강을 제공한다.
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강은, 질량%로, C：0.10% 이하, Si：1.0% 이하, Mn：2.1~6.0%, P：0.045% 이하, S：0.1% 이하, Ni：8.0~16.0%, Cr：15.0~30.0%, Mo：1.0~5.0%, N：0.05~0.45%, Nb：0~0.50%, 및, V：0~0.50%를 함유하며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 가진다.
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강은, 결정 입도 번호가 8.0 미만이며, 690MPa 이상의 인장 강도를 가진다.
15≤12.6C+1.05Mn+Ni+15N (1)

Description

오스테나이트계 스테인리스 강 및 그 제조 방법{AUSTENITIC STAINLESS STEEL AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은, 스테인리스 강 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 오스테나이트계 스테인리스 강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 수소를 연료로서 주행하는 연료 전지 자동차, 및, 연료 전지 자동차에 수소를 공급하는 수소 스테이션의 개발이 진행되고 있다. 스테인리스 강은, 연료 전지에 이용되는 재료의 후보의 하나이다.
스테인리스 강을 연료 전지 용도에 사용하는 경우, 스테인리스 강은 고압의 수소 가스 환경에서 이용된다. 그 때문에, 연료 전지 용도에 사용되는 스테인리스 강에서는, 우수한 내수소취성이 요구된다. 현재, 고압 가스 보안법에 정해진 자동차용 압축 수소 용기 기준에서는, 내수소취성이 우수한 스테인리스 강으로서, SUS316L이 인정되고 있다.
그러나, 연료 전지 자동차의 경량화, 수소 스테이션의 컴팩트화, 및, 수소 스테이션에서의 고압 조업을 고려하면, 이러한 용도에 사용되는 스테인리스 강의 강도는 높은 것이 바람직하다.
연료 전지에 사용되는 스테인리스 강에는, 상술한 대로, 우수한 내수소취성 및 고강도가 요구된다. 한편으로, 연료 전지에 스테인리스 강을 사용하는 경우, 스테인리스 강을 가공하여 원하는 형상으로 성형한다. 예를 들어, 고강도의 스테인리스 강재에 대해, 절삭 등의 기계 가공을 실시하는 경우도 있다. 이 경우, 스테인리스 강은 또한, 우수한 피삭성을 가지는 것이 바람직하다.
국제 공개 제2004/083476호(특허 문헌 1), 국제 공개 제2004/083477호(특허 문헌 2), 국제 공개 제2004/111285호(특허 문헌 3) 및 국제 공개 제2012/132992호(특허 문헌 4)는, 고압 수소 환경에서 사용되며, 고강도를 가지는 스테인리스 강을 제안한다.
특허 문헌 1에 개시된 수소 가스용 스테인리스 강은, 질량%로, C：0.02% 이하, Si：1.0% 이하, Mn：3~30%, Cr：22%를 초과하여 30%, Ni：17~30%, V：0.001~1.0%, N：0.10~0.50%, 및 Al：0.10% 이하를 함유하며, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 P가 0.030% 이하, S가 0.005% 이하, Ti, Zr 및 Hf가 각각 0.01% 이하이며, 또한, Cr, Mn 및 N의 함유량이 다음의 식을 만족한다.
5Cr+3.4Mn≤500N
특허 문헌 2에 개시된 고압 수소 가스용 스테인리스 강은, 질량%로, C：0.04% 이하, Si：1.0% 이하, Mn：7~30%, Cr：15~22%, Ni：5~20%, V：0.001~1.0%, N：0.20~0.50% 및 Al：0.10% 이하를 함유하며, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 P가 0.030% 이하, S가 0.005% 이하, Ti, Zr 및 Hf가 각각 0.01% 이하이며, 다음의 식을 만족한다.
2.5Cr+3.4Mn≤300N
특허 문헌 3에 개시된 수소 가스용 오스테나이트 스테인리스 강은, 질량%로, C：0.10% 이하, Si：1.0% 이하, Mn：0.01~30%, P：0.040% 이하, S：0.01% 이하, Cr：15~30%, Ni：5.0~30%, sol. Al：0.10% 이하, N：0.001~0.30%를 함유하며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가지며, 가공 방향에 대해 직각 방향을 따른 단면의 X선 적분 강도 I(111)가 랜덤 방위의 5배 이하이며, 가공 방향을 따른 단면의 X선 적분 강도 I(220)/I(111)≤10인 조직을 함유한다.
특허 문헌 4에 개시된 고압 수소 가스용 오스테나이트 스테인리스 강은 질량%로, C：0.10% 이하, Si：1.0% 이하, Mn：3% 이상 7% 미만, Cr：15~30%, Ni：10% 이상 17% 미만, Al：0.10% 이하, N：0.10~0.50%, 및 V：0.01~1.0% 및 Nb：0.01~0.50% 중 적어도 1종을 함유하며, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 P가 0.0050% 이하, S가 0.050% 이하이며, 인장 강도가 800MPa 이상, 결정 입도 번호(ASTM E112)가 8번 이상이며, 최대직경이 50~1000nm인 합금 탄질화물을 단면 관찰로 0.4개/μm2 이상 함유한다.
국제 공개 제2004/083476호 국제 공개 제2004/083477호 국제 공개 제2004/111285호 국제 공개 제2012/132992호
특허 문헌 1 및 2에 개시된 스테인리스 강은, 용체화 처리를 실시한 후에도 700MPa 이상의 강도를 가진다. 그러나, 특허 문헌 1의 스테인리스 강에서는, Ni함유량이 높기 때문에, 제조 비용이 높다. 특허 문헌 2의 스테인리스 강에서는, Mn함유량이 높기 때문에, 우수한 가공성을 얻을 수 없는 경우가 있다. 특허 문헌 3 및 특허 문헌 4의 스테인리스 강에서는, 용체화 처리 및 냉간 가공을 실시함으로써, 고강도를 실현한다. 그러나, 냉간 가공은 내수소취성을 저하시키는 경우가 있다. 또한, 상기 특허 문헌 1~4에 개시된 스테인리스 강은, 피삭성에 대한 검토는 행해지지 않았다. 따라서, 상술한 특허 문헌 1~4에 기재된 스테인리스 강이어도, 우수한 내수소취성, 고강도 및 우수한 피삭성을 얻을 수 없는 경우가 있었다.
본 발명의 목적은, 우수한 내수소취성 및 고강도를 가지며, 또한, 우수한 피삭성을 가지는 오스테나이트계 스테인리스 강을 제공하는 것이다.
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강은, 질량%로, C：0.10% 이하, Si：1.0% 이하, Mn：2.1~6.0%, P：0.045% 이하, S：0.1% 이하, Ni：8.0~16.0%, Cr：15.0~30.0%, Mo：1.0~5.0%, N：0.05~0.45%, Nb：0~0.50%, 및, V：0~0.50%를 함유하며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 가진다. 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강은, 결정 입도 번호가 8.0 미만이며, 690MPa 이상의 인장 강도를 가진다.
15≤12.6C+1.05Mn+Ni+15N (1)
식 (1) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
상술한 오스테나이트계 스테인리스 강의 제조 방법은, 상술한 화학 조성을 가지는 소재를 준비하는 공정과, 소재를 1회 또는 복수 회 열간 가공하는 공정을 구비한다. 열간 가공하는 공정의 마지막 가열 후의 열간 가공의 단면 감소율은 70% 이하이다.
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스 강은, 우수한 내수소취성 및 고강도를 가지며, 또한, 우수한 피삭성을 가진다.
도 1은, 강의 결정 입도 번호와, 피삭성의 지표인 상대 마모량비의 관계를 나타내는 도이다.
도 2는, F1=12.6C+1.05Mn+Ni+15N으로 정의되는 식과, 내수소취성의 지표인 상대 파단 연신율의 관계를 나타내는 도이다.
도 3은, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강에 있어서의, 단면 감소율과 인장 강도의 관계를 나타내는 도이다.
본 발명자들은, 오스테나이트계 스테인리스 강의 피삭성, 내수소취성 및 강도에 대해서 조사 및 검토하고, 다음의 지견을 얻었다.
(A) 피삭성은, 절삭 저항과 절삭 시의 절삭 칩 처리성(절삭 공구에 대한 절삭 칩의 박리의 용이성)이 관계한다. 절삭 저항이 작고, 절삭 칩 처리성이 높은 경우, 절삭 공구의 마모가 억제된다. 즉, 강의 피삭성이 높아진다.
절삭 저항은, 절삭 조건을 일정하게 한 경우, 피삭재의 인장 강도에 의존한다. 절삭 칩 처리성은, 절삭 중에 절삭 칩이 떨어질 때까지의 절삭 칩의 길이로 판단할 수 있다. 절삭 칩이 무를 수록, 절삭 칩 처리성이 높다. 절삭 칩의 무름은, 피삭재의 연신율 및 인장 강도에 의존한다. 따라서, 피삭재인 오스테나이트계 스테인리스 강의 인장 강도 및 연신율을 억제할 수 있으면, 절삭 저항이 낮아져, 절삭 칩 처리성이 높아진다. 그 결과, 피삭성이 높아진다.
강 중의 결정 입경이 크면, 인장 강도 및 연신율을 억제할 수 있다. 도 1은, 강의 결정 입도 번호와, 피삭성의 지표인 상대 마모량비의 관계를 나타내는 도이다. 도 1은, 후술하는 실시예의 결과를 플롯한 도이다. 상대 마모량비란, 오스테나이트계 스테인리스 강에 필링 가공을 실시했을 때의 절삭 공구의 마모량에 대한, 동일 조건으로 JIS 규격의 SUS316에 상당하는 화학 조성을 가지는 강에 필링 가공을 실시했을 때의 절삭 공구의 마모량(기준 마모량)의 비이다. 상대 마모량비가 높을수록, 기준 마모량과 비교하여 절삭 공구의 마모가 적다. 즉, 강의 피삭성이 높은 것을 의미한다.
도 1을 참조하여, 결정 입도 번호가 8.0보다 큰 경우, 피삭성은 그다지 변화하지 않는다. 한편, 결정 입도 번호가 8.0 이하가 되면, 결정 입도 번호가 작아짐에 따라, 상대 마모량비가 현저하게 높아진다. 따라서, 본 실시 형태의 화학 조성을 가지는 오스테나이트계 스테인리스 강의 경우, 결정 입도 번호를 8.0 이하로 하면, 우수한 피삭성을 얻을 수 있다.
(B) 한편, 결정 입경을 조대화하면, 내수소취성이 저하될 가능성이 있다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 오스테나이트의 안정화를 높임으로써, 결정립이 조대해도, 내수소취성을 높인다. 오스테나이트에 있어서의 수소의 확산 계수는 낮다. 오스테나이트를 안정화함으로써, 강 중에서 수소가 확산되기 어려워진다. 또한, 수소취화 감수성이 높은 마르텐사이트의 생성도 억제된다. 그 결과, 내수소취성이 높아진다.
탄소(C), 질소(N), 망간(Mn) 및 니켈(Ni)은, 오스테나이트를 안정화하는 원소이다. 그래서, 이들 원소를 적정량 함유함으로써, 내수소취성을 높인다.
F1=12.6C+1.05Mn+Ni+15N으로 정의한다. 도 2는, F1과 내수소취성의 관계를 나타내는 도이다. 도 2는 후술하는 실시예의 결과를 플롯한 도이다. 도 2 중의 상대 파단 연신율(%)은, 대기 중에서의 파단 연신율에 대한, 고압 수소 환경에서의 파단 연신율의 비이다. 상대 파단 연신율이 높을수록, 내수소취성이 우수한 것을 의미한다.
도 2를 참조하여, F1이 15 미만인 경우, F1의 증가에 수반하여, 상대 파단 연신율이 급격하게 상승한다. 그리고, F1이 15 이상이 된 경우, F1이 증가해도, 상대 파단 연신율은 그다지 상승하지 않고, 거의 일정해진다. 즉, 도 2의 그래프에서는, F1=15 부근에서 변곡점이 존재한다. 따라서, F1이 15 이상이면, 우수한 내수소취성을 얻을 수 있다.
(C) 결정 입경을 조대화하면, 피삭성이 높아지지만, 강도가 저하될 가능성이 있다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 1.0% 이상의 Mo를 함유한다. 이것에 의해, 결정 입도 번호가 8.0 미만이어도, 높은 인장 강도를 얻을 수 있다.
이상의 지견에 의거하여 완성한 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강은 질량%로, C：0.10% 이하, Si：1.0% 이하, Mn：2.1~6.0%, P：0.045% 이하, S：0.1% 이하, Ni：8.0~16.0%, Cr：15.0~30.0%, Mo：1.0~5.0%, N：0.05~0.45%, Nb：0~0.50%, 및, V：0~0.50%를 함유하며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 가진다. 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강은, 결정 입도 번호가 8.0 미만이며, 690MPa 이상의 인장 강도를 가진다.
15≤12.6C+1.05Mn+Ni+15N (1)
식 (1) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
상기 오스테나이트계 스테인리스 강은, Nb：0.01~0.50%, 및, V：0.01~0.50%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다.
상기 오스테나이트계 스테인리스 강의 결정 입도 번호는, 바람직하게는 3.0 이상이다. 이 경우, 상기 오스테나이트계 스테인리스 강은, 더 우수한 인장 강도를 가진다.
상기 오스테나이트계 스테인리스 강의 결정립 조직의 혼입율(混粒率)은, 바람직하게는 20% 이하이다. 이 경우, 상기 오스테나이트계 스테인리스 강의, 강도의 편차를 억제할 수 있다.
상기 오스테나이트계 스테인리스 강은, 상기 화학 조성을 가지는 소재가 1회 또는 복수회 열간 가공되며, 마지막 가열 후의 열간 가공에 있어서, 70% 이하의 단면 감소율로 열간 가공되어 제조된다.
이 경우, 상기 화학 조성을 가지는 오스테나이트계 스테인리스 강에 있어서, 결정 입도 번호를 8.0 미만으로 할 수 있다.
이하, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강에 대해서 상세히 서술한다.
［화학 조성］
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강은, 다음의 원소를 함유하는 화학 조성을 가진다.
C：0.10% 이하
탄소(C)는, 수소 취성을 일으키기 어려운 fcc 구조인 오스테나이트를 안정화한다. 그러나, C함유량이 너무 높으면, 탄화물이 입계에 석출되어 강의 인성을 저하시킨다. 따라서, C함유량은 0.10% 이하이다. C함유량의 바람직한 상한은 0.10% 미만이며, 더 바람직하게는 0.08%이며, 더 바람직하게는 0.06%이다.
Si：1.0% 이하
실리콘(Si)은 불순물이다. Si는 Ni 및 Cr과 결합하여 금속간 화합물을 형성한다. Si는 또한, 시그마상 등의 금속간 화합물의 성장을 촉진한다. 이러한 금속간 화합물은, 강의 열간 가공성을 저하시킨다. 따라서, Si함유량은 1.0% 이하이다. Si함유량의 바람직한 상한은 0.8%이다. Si함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다.
Mn：2.1~6.0%
망간(Mn)은 오스테나이트를 안정화하고, 수소취화 감수성이 높은 마르텐사이트의 생성을 억제한다. Mn은 또한, S와 결합하여 MnS를 형성하여, 강의 피삭성을 높인다. Mn함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, Mn함유량이 너무 높으면, 강의 연성 및 열간 가공성이 저하된다. 따라서, Mn함유량은 2.1~6.0%이다. Mn함유량의 바람직한 하한은 2.1%보다 높고, 더 바람직하게는 2.5%이며, 더 바람직하게는 3.0%이다. Mn함유량의 바람직한 상한은 6.0% 미만이다.
P：0.045% 이하
인(P)은 불순물이다. P는 강의 열간 가공성 및 인성을 저하시킨다. 따라서, P함유량은 0.045% 이하이다. P함유량의 바람직한 상한은 0.045% 미만이며, 더 바람직하게는 0.035%이며, 더 바람직하게는 0.020%이다. P함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다.
S：0.1% 이하
유황(S)은, Mn과 결합하여 MnS를 형성하여, 강의 피삭성을 높인다. 그러나, S함유량이 너무 높으면, 강의 인성이 저하된다. 따라서, S함유량은 0.1% 이하이다. S함유량의 바람직한 상한은 0.1% 미만이며, 더 바람직하게는 0.09%이며, 더 바람직하게는 0.07%이다. S함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다.
Ni：8.0~16.0%
니켈(Ni)은 오스테나이트를 안정화한다. Ni는 또한, 강의 연성 및 인성을 높인다. Ni함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, Ni함유량이 너무 높으면, 상기 효과가 포화되어, 제조 비용이 높아진다. 따라서, Ni함유량은 8.0~16.0%이다. Ni함유량의 바람직한 하한은 8.0%보다 높고, 더 바람직하게는 9.0%이며, 더 바람직하게는 10.5%이다. Ni함유량의 바람직한 상한은 16.0% 미만이며, 더 바람직하게는 15.0%이다.
Cr：15.0~30.0%
크롬(Cr)은 강의 내식성을 높인다. Cr함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 한편, Cr함유량이 너무 높으면, M23C6형의 탄화물이 생성되어, 강의 연성 및 인성이 저하된다. 따라서, Cr함유량은 15.0~30.0%이다. Cr함유량의 바람직한 하한은 15.0%보다 높고, 보다 바람직하게는 16.0%이며, 더 바람직하게는 17.0%, 더 바람직하게는 18.0%이다. Cr함유량의 바람직한 상한은 30.0% 미만이며, 더 바람직하게는 25.0%이다.
Mo：1.0~5.0%
몰리브덴(Mo)은 오스테나이트를 고용강화한다. Mo는 또한, 강의 내식성을 높인다. Mo함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, Mo함유량이 너무 높으면, 금속간 화합물이 석출되기 쉬워져, 강의 연성 및 인성이 저하된다. 따라서, Mo함유량은 1.0~5.0%이다. Mo함유량의 바람직한 하한은 1.0%보다 높고, 더 바람직하게는 1.2%이다. Mo함유량의 바람직한 상한은 5.0% 미만이며, 더 바람직하게는 4.0%이며, 더 바람직하게는 3.5%이다.
N：0.05~0.45%
질소(N)는 오스테나이트를 안정화한다. N은 또한, 고용강화에 의해 강의 강도를 높인다. N함유량이 너무 낮으면, 상기 효과를 얻을 수 없다. 한편, N함유량이 너무 높으면, 조대한 질화물이 생성되고, 강의 인성 등의 기계적 성질이 저하된다. 따라서, N함유량은 0.05~0.45%이다. N함유량의 바람직한 하한은 0.05%보다 높고, 더 바람직하게는 0.10%이며, 더 바람직하게는 0.15%이며, 더 바람직하게는 0.21%이다. N함유량의 바람직한 상한은 0.45% 미만이며, 더 바람직하게는 0.40%이다.
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스 강의 화학 조성의 잔부는 Fe 및 불순물이다. 여기서 말하는 불순물은, 강의 원료로서 이용되는 광석이나 스크랩, 또는, 제조 공정의 환경 등으로부터 혼입되는 원소를 의미한다.
본 실시 형태에 의한 오스테나이트계 스테인리스 강은 또한, Fe의 일부 대신에, Nb 및 V로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다.
Nb：0~0.50%
Nb는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Nb는 합금 탄화물을 생성되고, 강의 강도를 높인다. 그러나, Nb함유량이 너무 높으면, 그 효과는 포화되어, 제조 비용이 높아진다. 따라서, Nb함유량은 0~0.50%이다. Nb함유량의 바람직한 하한은 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.05%이다. Nb함유량의 바람직한 상한은 0.50% 미만이며, 더 바람직하게는 0.40%이며, 더 바람직하게는 0.30%이다.
V：0~0.50%
V는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, V는 합금 탄화물을 생성되고, 강의 강도를 높인다. 그러나, V함유량이 너무 높으면, 그 효과는 포화되어, 제조 비용이 높아진다. 따라서, V함유량은 0~0.50%이다. V함유량의 바람직한 하한은 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.05%이다. V함유량의 바람직한 상한은 0.50% 미만이며, 더 바람직하게는 0.35%이며, 더 바람직하게는 0.30%이다.
［식 (1)에 대해서］
상기 화학 조성은 또한, 식 (1)을 만족한다.
15≤12.6C+1.05Mn+Ni+15N (1)
식 (1) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
C, Mn, Ni 및 N은, 상술한 대로, 오스테나이트를 안정화한다. 오스테나이트 내에 있어서의 수소의 확산 계수는 낮다. 그 때문에, 오스테나이트 중에서는 수소는 확산되기 어렵다.
F1=12.6C+1.05Mn+Ni+15N으로 정의한다. 도 2에 나타내는 대로, F1이 15 미만이면, 오스테나이트가 안정되기 어렵기 때문에, 내수소취성이 낮다. 한편, F1이 15 이상이면, 내수소취성이 현저하게 높아진다. 따라서, F1은 15 이상이다. 바람직하게는, F1은 16 이상이며, 더 바람직하게는 17 이상이다.
［결정 입도에 대해서］
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강에서는 또한, JIS G0551(2005)로 규정되는 결정 입도 번호가 8.0 미만이다. 그 때문에, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강은 절삭 저항이 낮다. 절삭 저항이 낮으면, 절삭 공구의 마모를 억제할 수 있어, 생산성이 향상된다. 결정 입도 번호가 8.0 미만이면 또한, 절삭 시에 있어서의, 절삭 칩의 피삭재 및 절삭 공구로부터의 박리도 용이하고, 절삭 칩 처리성이 높아진다. 이상으로부터, 결정 입도 번호가 8.0 미만이면, 강의 피삭성이 높아진다. 한편, 결정 입도 번호가 너무 낮은 경우, 강의 인장 강도가 낮아지는 경우가 있다. 그 때문에, 바람직하게는, 결정 입도 번호는 3.0 이상이며, 보다 바람직하게는 4.0 이상이다.
결정 입도 번호는, 다음의 방법에 의해 결정된다. 오스테나이트계 스테인리스 강으로부터 현미경 관찰용의 시험편을 채취한다. 채취된 시험편을 이용하여, JIS G0551(2005)에 규정되는 결정 입도의 현미경 시험 방법을 실시하여, 결정 입도 번호를 평가한다. 구체적으로는, 시험편의 표면을, 주지의 부식액(Glyceregia, 컬링 시약 또는 마블 시약 등)을 이용하여 부식시켜, 표면의 결정 입계를 출현시킨다. 부식된 표면 상의 10시야에 있어서, 각 시야의 결정 입도 번호를 구한다. 각 시야의 면적은, 약 40mm2이다. JIS G0551(2005)의 7.1.2에 규정된 결정 입도 표준도와의 비교에 의해, 각 시야에 있어서의 결정 입도 번호를 평가한다. 각 시야의 결정 입도 번호의 평균을, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강의 결정 입도 번호로 정의한다.
［인장 강도에 대해서］
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강의 인장 강도는 690MPa 이상이다. 상술한 Mo함유량을 함유하고, 또한, 후술하는 최종 열간 가공에서의 가공 조건을 조정함으로써, 인장 강도를 690MPa 이상으로 할 수 있다. 인장 강도는 720MPa 이상으로 하는 것이 바람직하다. 강의 피절삭성을 높이기 위해서는, 인장 강도를 880MPa 이하로 하는 것이 바람직하다.
［혼입율에 대해서］
결정립 조직이 혼입인 경우, 강도나 절삭성에 편차가 생길 가능성이 있다. 따라서, 혼입율의 바람직한 상한은 25%이며, 보다 바람직하게는 20%이다. 혼입율은 적을 수록 바람직하다. 혼입이란, 상술한 현미경 관찰에 있어서, 1시야 내에 있어서 최대 빈도를 가지는 입도 번호의 알갱이로부터 3 이상 상이한 입도 번호의 알갱이가 편재하고, 이러한 알갱이가 20% 이상의 면적을 차지하는 상태에 있는 것, 또는, 시야 간에 있어서 3 이상 상이한 입도 번호의 시야가 존재한 것을 말한다.
혼입율은 예를 들어, 다음의 방법으로 측정할 수 있다. 오스테나이트계 스테인리스 강으로부터 현미경 관찰용의 시험편을 채취하고, 상술한 현미경 시험 방법을 실시한다. 현미경 시험 방법에 있어서 관찰한 전체 시야수를 N, 혼입으로 판정된 시야수를 n로 하여, 식 (2)에 대입함으로써 구할 수 있다.
혼입율(%)=(n/N)×100 (2)
후술하는 제조 공정을 실시함으로써, 결정 입도 번호 8.0 미만으로 하고, 또한, 인장 강도를 690MPa 이상으로 할 수 있다.
［제조 방법］
본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강의 제조 방법은, 소재를 준비하는 공정과, 소재를 열간 가공하는 공정을 구비한다. 이하, 제조 방법에 대해서 설명한다.
［소재의 준비 공정］
상술한 화학 조성을 가지는 용강을 제조한다. 제조된 용강에 대해, 필요에 따라 주지의 탈가스 처리를 실시한다. 탈가스 처리를 실시한 용강으로부터, 소재를 제조한다. 소재의 제조 방법은 예를 들어, 연속 주조법이다. 연속 주조법에 의해, 연속 주조재(소재)를 제조한다. 연속 주조재는 예를 들어, 슬래브, 블룸 및 빌릿 등이다. 용강을 조괴법에 의해 잉곳으로 해도 된다.
［열간 가공 공정］
소재(연속 주조재 또는 잉곳)를 주지의 방법에 의해 열간 가공하고, 오스테나이트계 스테인리스 강재로 한다. 오스테나이트계 스테인리스 강재는 예를 들어, 강관, 강판, 봉강, 선재 및 단강 등이다. 오스테나이트계 스테인리스 강재는 예를 들어, 유진·세쥴법에 따른 열간 압출 가공에 의해 제조되어도 된다.
1회의 열간 가공에 의해 오스테나이트계 스테인리스 강재를 제조해도 되고, 복수회의 열간 가공에 의해, 오스테나이트계 스테인리스 강재를 제조해도 된다. 열간 가공을 복수회 실시하는 경우는, 2번째 이후의 각 열간 가공 전에 재가열을 실시하여, 강 전체를 균일하게 가공한다. 이것에 의해, 결정립 조직의 혼입율이 낮아진다.
최종의 열간 가공(1회만 열간 가공을 실시하는 경우는 그 열간 가공, 복수회 열간 가공을 실시하는 경우는 최종의 열간 가공)에 있어서의, 가열 조건 및 열간 가공에서의 단면 감소율은 다음과 같다.
가열 온도：1000~1250℃
가열 온도가 너무 낮으면, P 등의 불순물 원소에 기인한 깨짐이 발생하기 쉬워진다. 한편, 가열 온도가 너무 높으면, 입계 용융이 발생하여 강재 내부에서 깨짐이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 바람직한 가열 온도는 1000~1250℃이다.
단면 감소율：70% 이하
최종의 열간 가공 전의 소재의 단면적을 A0(mm2), 최종의 열간 가공 후의 소재의 단면적을 A1(mm2)로 한 경우, 단면 감소율 RA(%)는 식 (3)으로 정의된다.
RA=(A0-A1)/A0×100 (3)
상기 단면 감소율이 너무 높으면, 열간 가공에 의해 결정립이 미세해져, 결정 입도 번호가 8.0 이상이 된다. 따라서, 단면 감소율은 70% 이하이다.
한편, 도 3에 나타내는 대로, 상기 화학 조성 및 식 (1)을 만족하는 강재에 있어서, 최종의 열간 가공에서의 단면 감소율 RA와, 인장 강도 TS는 비례 관계를 가진다. 그 때문에, 단면 감소율 RA가 너무 낮으면, 상기 화학 조성 및 식 (1)을 만족하는 오스테나이트계 스테인리스 강재여도, 인장 강도가 낮아지는 경우가 있다. 따라서, 인장 강도를 높이고 싶은 경우, 단면 감소율을 적절히 설정한다.
바람직하게는, 상기 화학 조성 및 식 (1)을 만족하는 오스테나이트계 스테인리스 강재에 대해, 단면 감소율 RA를 20% 이상으로 한다. 이 경우, 최종 열간 가공 후의 오스테나이트계 스테인리스 강재의 인장 강도 TS가 690MPa 이상이 된다. 보다 바람직하게는 단면 감소율 RA를 30% 이상으로 한다. 이 경우 또한, 오스테나이트계 스테인리스 강의 혼입율을 낮게 할 수 있다. 이것에 의해, 강도 및 피삭성의 편차를 억제할 수 있다. 더 바람직하게는, 단면 감소율 RA를 35% 초과로 한다. 이 경우, 오스테나이트계 스테인리스 강의 인장 강도를 더 높일 수 있다.
본 실시 형태의 제조 공정에서는, 열간 가공 후의 용체화 처리 및 냉간 가공은 생략된다. 즉, 본 실시 형태의 오스테나이트계 스테인리스 강은, 열간 가공재이다.
이상의 제조 공정에 의해 제조된 오스테나이트계 스테인리스 강은, 내수소취성 및 피삭성이 우수하며 고강도를 가진다.
[실시예]
［시험 방법］
표 1에 나타내는 시험 번호 A1~A20, B1~B9의 화학 조성을 가지는 용강을, 진공 용해로를 이용하여 제조했다.
Figure pct00001
표 1 중의 F1은, 상술에서 정의한 F1값이 기재되어 있다. 각 시험 번호의 용강을 이용하여, 50kg의 잉곳을 제조했다. 잉곳에 대해 열간 단조를 실시하고, 두께 70mm의 블록을 제조했다.
제조된 블록에 대해, 최종 열간 가공(열간 압연)을 실시하여 오스테나이트계 스테인리스 강판을 제조했다. 최종 열간 가공 시의 가열 온도(℃) 및 단면 감소율 RA(%)는 표 2에 나타내는 대로였다. 시험 번호 B9 만 용체화 열처리를 실시했다. 용체화 열처리의 온도는 1060℃, 가열 시간은 30분이었다.
Figure pct00002
［결정 입도의 측정 시험］
각 시험 번호의 강판을 압연 방향에 대해 수직으로 절단했다. 절단면 중, 폭 및 두께 중앙부를 표면(이하, 관찰면이라고 한다)에 가지는 샘플을 채취했다. 각 샘플의 관찰면에 대해 주지의 전해 연마를 실시했다. 전해 연마 후의 관찰면에 대해, 상술한 방법에 의거하여, 결정 입도 번호를 결정했다.
［혼입율의 측정 시험］
각 시험 번호의 강판에 대해 상술한 현미경 관찰을 행하여, 상술한 방법으로 혼입율을 구했다. 어느 시험 번호의 경우도 10시야 관찰했다.
［인장 시험］
각 시험 번호의 강판의 중심부로부터, 환봉 인장 시험편을 채취했다. 환봉 인장 시험편은 강판의 중심축을 포함하며, 환봉 시험편의 평행부는, 강판의 압연 방향에 평행이었다. 평행부의 직경은 5mm였다. 환봉 시험편을 이용하여, 상온(25℃), 대기 중에서 인장 시험을 실시하고, 각 시험 번호의 강판의 인장 강도 TS(MPa)를 구했다.
［내수소취성 평가 시험］
각 시험 번호의 강판의 중심부로부터, 2개의 환봉 인장 시험편(제1 및 제2 시험편)을 채취했다. 각 환봉 인장 시험편은 모두, 강판의 중심축을 포함하며, 환봉 시험편의 평행부는, 강판의 압연 방향에 평행이었다. 평행부의 직경은 3mm였다.
제1 시험편에 대해, 상온(25℃)의 대기 중에서 인장 시험(대기 인장 시험이라고 한다)을 실시하여, 파단 연신율 BE0를 측정했다. 또한, 제2 시험편에 대해, 상온(25℃), 45MPa의 고압 수소 분위기 중에서 인장 시험(수소 인장 시험이라고 한다)을 실시하여, 파단 연신율 BEH를 측정했다. 대기 인장 시험 및 수소 인장 시험 중 어느 것에 있어서도, 변형 속도를 3×10-6/S로 했다. 수소 취성의 영향은, 파단 연신율로 나타난다. 그래서, 상대 파단 연신율(%)을 식 (4)로 정의했다.
상대 파단 연신율=BEH/BE0×100 (4)
상대 파단 연신율이 80% 이상이면, 내수소취성이 우수하다고 판단했다.
［피삭성 평가 시험］
각 시험 번호의 강판의 중심부로부터, 봉형 시험편을 채취했다. 각 봉형 시험편은 모두, 강판의 중심축을 포함하며, 봉형 시험편의 평행부는, 강판의 압연 방향에 평행이었다. 봉형 시험편의 횡단면은 원이며, 직경은 8mm였다.
봉형 시험편에 대해, 필링 가공을 실시했다. 직경 8mm의 봉형 시험편을 5분간 필링 가공했다. 코팅 처리되지 않고, JIS 규격의 P20에 상당하는 초경 공구를, 필링 가공에 이용했다. 절삭 속도는 100m/min, 이송은 0.2mm/rev, 절입은 1.0mm였다. 필링 시에는 윤활유를 사용하지 않았다. 상기 조건으로 필링 가공을 실시하여, 시험 후의 초경 공구의 프랭크 마모량 W1(mm)를 측정했다.
또한, JIS 규격의 SUS316에 상당하는 화학 조성을 가지는 봉형 시험편(기준 시험편이라고 한다)을 준비했다. 기준 시험편의 형상은, 각 시험 번호의 봉형 시험편과 동일했다. 기준 시험편을 이용하여, 상기와 동일 조건으로 필링 가공을 실시하고, 시험 후의 초경 공구의 프랭크 마모량 W0(mm)를 측정했다. 측정 결과에 의거하여, 다음의 식 (5)로 정의되는 상대 마모량비를 구했다.
상대 마모량비=W0/W1 (5)
상대 마모량비가 0.40 이상이면, 피삭성이 우수하다고 판단했다.
［시험 결과］
표 2를 참조하여, 시험 번호 A1~A20의 강의 화학 조성은 적절하며, 식 (1)을 만족했다. 시험 번호 A1~A20의 강은 또한, 제조 조건이 적절하고, 그 결정 입도 번호가 8.0 미만이었다. 그 때문에, 이러한 시험 번호의 강의 상대 파단 연신율은 80% 이상이며, 우수한 내수소취성을 나타냈다. 또한, 이러한 시험 번호의 강의 상대 마모량비는 0.4 이상이며, 우수한 피삭성을 나타냈다. 또한, 이러한 시험 번호의 강의 인장 강도는 690MPa 이상이며, 고강도를 나타냈다.
시험 번호 A1~A19에서는, 최종 열간 가공에서의 단면 감소율이 30% 이상이었다. 그 때문에, 단면 감소율이 20%였던 시험 번호 A20와 비교하여, 결정 입도의 혼입율이 낮았다.
시험 번호 A1~A17은 최종 열간 가공에서의 단면 감소율이 35%를 초과했다. 그 때문에, 단면 감소율이 35% 이하였던 A18~A20와 비교하여, 인장 강도가 높고, 720MPa 이상이었다.
시험 번호 A1~A18 및 시험 번호 A20는, 결정 입도 번호가 3.0 이상이었다. 그 때문에, 결정 입도 번호가 3.0 미만이였던 시험 번호 A19와 비교하여, 인장 강도 TS가 높았다.
한편, 시험 번호 B1~B3에서는, 화학 조성은 적절했지만, 최종 열간 가공 시의 단면 감소율이 너무 높았다. 그 결과, 결정 입도 번호가 8.0을 초과했다. 그 때문에, 상대 마모량비가 0.40 미만이 되어, 피삭성이 낮았다.
시험 번호 B4의 화학 조성은, Mn함유량 및 N함유량이 너무 낮아, 식 (1)을 만족하지 않았다. 그 때문에, 상대 파단 연신율이 80% 미만이며, 내수소취성이 낮았다.
시험 번호 B5에서는, 각 원소의 함유량은 적절했지만, 식 (1)을 만족하지 않았다. 그 때문에, 상대 파단 연신율이 80% 미만이며, 내수소취성이 낮았다.
시험 번호 B6의 화학 조성은, Mn함유량 및 Mo함유량이 너무 낮아, 식 (1)을 만족하지 않았다. 그 때문에, 상대 파단 연신율이 80% 미만이며, 내수소취성이 낮았다.
시험 번호 B7 및 B8의 화학 조성은, Ni함유량이 너무 낮아, 식 (1)을 만족하지 않았다. 그 때문에, 상대 파단 연신율이 80% 미만이며, 내수소취성이 낮았다.
시험 번호 B9에서는, 각 원소의 함유량은 적절하며, 식 (1)을 만족했지만, 열간 가공 후, 용체화 열처리를 행했다. 그 때문에, 인장 강도가 690MPa 미만이 되었다.
이상, 본 발명의 실시의 형태를 설명했다. 그러나, 상술한 실시의 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시의 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시의 형태를 적절히 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (6)

  1. 질량%로,
    C：0.10% 이하,
    Si：1.0% 이하,
    Mn：2.1~6.0%,
    P：0.045% 이하,
    S：0.1% 이하,
    Ni：8.0~16.0%,
    Cr：15.0~30.0%,
    Mo：1.0~5.0%,
    N：0.05~0.45%,
    Nb：0~0.50%, 및,
    V：0~0.50%를 함유하며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 가지며,
    결정 입도 번호가 8.0 미만이며,
    690MPa 이상의 인장 강도를 가지는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
    15≤12.6C+1.05Mn+Ni+15N (1)
    식 (1) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    Nb：0.01~0.50%, 및,
    V：0.01~0.50%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 결정 입도 번호가 3.0 이상인, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    결정립 조직의 혼입율(混粒率)이 20% 이하인, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 화학 조성을 가지는 소재가 1회 또는 복수회 열간 가공되며, 마지막 가열 후의 열간 가공에 있어서, 70% 이하의 단면 감소율로 열간 가공되는, 오스테나이트계 스테인리스 강.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강의 제조 방법으로서,
    상기 화학 조성을 가지는 소재를 준비하는 공정과,
    상기 소재를 1회 또는 복수회 열간 가공하는 공정을 구비하고,
    상기 열간 가공하는 공정의 마지막 가열 후의 상기 열간 가공의 단면 감소율이 70% 이하인, 오스테나이트계 스테인리스 강의 제조 방법.
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