KR20160140828A - 오스테나이트계 스테인리스강 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 높은 강도 및 연성을 갖는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강에 관한 것이다. 스테인리스강은 중량%로, 0.03 - 0.1 % 의 탄소, 0.08 - 1.0 % 의 규소, 14 - 26 % 의 망간, 10.5 - 18 % 의 크롬, 0.8 % 미만의 니켈, 0.05 - 0.6 % 의 구리, 0.1 - 0.8 % 의 질소 및 0.0008 - 0.005 % 의 붕소로 이루어지고, 잔부는 철 및 스테인리스강에서 발생하는 불가피적 불순물이며, 스테인리스강은 TWIP (TWinning Induced Plasticity) 메카니즘을 이용하여 냉간 변형될 수 있다.

Description

오스테나이트계 스테인리스강{AUSTENITIC STAINLESS STEEL}
본 발명은 변형 프로세스 동안 TWIP (TWinning Induced Plasticity) 메카니즘을 활용하는, 고강도 및 고연성을 갖는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강에 관한 것이다.
가장 다양하고 널리 사용되는 304 오스테나이트계 스테인리스강 등의 오스테나이트계 스테인리스강은 냉간 압연 등의 냉간 변형 후에 비교적 높은 잔류 신장과 조합된 상당히 낮은 강도를 갖는다. 2304 페라이트 오스테나이트계 듀플렉스 스테인리스강 등의 페라이트 오스테나이트계 듀플렉스 스테인리스강은 높은 강도를 제공하지만, 낮은 냉간 변형 정도에 의해서도 느슨한 연성을 제공한다.
높은 탄소 함량을 가진 오스테나이트계 망간 스테인리스강은 이 지역에서의 크롬 고갈로 인해 열영향 구역 및 웰드에서의 용접 후에 입계 부식에 취약하다. 또한, 일반적인 망간 스테인리스강은 냉간 변형 후에 마르텐사이트 상을 형성하는데 일반적으로 취약하고, 이는 지연 균열을 초래할 수 있다.
FR 특허출원 2071667 은 어닐링 이후에 오스테나이트계 상을 갖도록 하기 위해 필수 성분들로서 중량%로 0.02 - 0.3 % C, 0.1 - 3.0 % Si, 8.0 - 17.0 % 망간, 12.0 - 16.0 % Cr, 0.05 - 0.3 % N 및 선택적으로 0.1 - 3.0 % 구리 및 0.1 -3.0 % Mo 을 포함하고, 잔부는 철인 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다. FR 특허출원 2071667 의 목적은 개선된 연성 및 양호한 성형 특성을 갖도록 하는 것이다. 그러나, FR 특허출원 2071667 의 화학 조성에서는, 망간 (Mn) 함량은 17 중량% 를 초과하여 포함해서는 안되는데, 그 이유는 그 보다 더 높은 함량은 적은 오스테나이트 상을 생성하기 때문이다.
US 특허 6,454,879 는 중량% 로 최대 0.1 C, 0.21 - 0.60 Si, 20 - 30 % Mn, 17 - 24 % Cr, 최대 2.5 % Ni, 최대 1.9 % Mo, 0.6 - 1.4 % N, 최대 0.3 % Cu, 최대 0.002 % B, 최대 0.8 % 카바이드-형성 원소들을 함유하고 잔부는 철이고 마이크로구조는 폐라이트 함량을 실질적으로 갖지 않는 파라마그네틱 오스테나이트계 스테인리스강의 단조 피이스를 제조하기 위한 방법을 기재하고 있다. 티탄, 지르코늄, 바나듐 및 니오븀은 강한 탄화물 및 질화물 및/또는 탄소 질화물 형성기인 것으로 기재되고, 이 원소들의 함량은 0.8 중량 % 미만이다. 상기 방법에 따르면, 재료는 적어도 약 3.5 배의 변형 정도까지 적어도 850℃ 의 온도로 열간 성형되고 적극적으로 냉각된다. 제 2 의 단계에서, 이는 600℃ 미만, 350℃ 초과의 상승된 온도로 질화물들의 디포짓 온도 아래에서 5 - 20 % 의 변형으로 냉간 성형된다. 따라서, 마르텐사이트의 형성을 방지하기 위해, 매 공정 단계에서, 변형은 상승된 온도에서 실행되고, 이는 제조 재료의 제조 비용을 증가시킨다.
금속 재료의 마이크로구조의 트위닝은 일반적으로 동일 결정 격자의 일부를 공유하는 두 개의 분리된 결정들로서 규정된다. TWIP (TWinning Induced Plasticity) 스테인리스강은 예를 들어 결정 격자에서의 기계적 유도 트위닝과 같은 트위닝 변형 메카니즘의 작동을 촉진시키는 비교적 낮은 스택킹 결함 에너지 (SFE: Stacking Fault Energy) 와 함께 면심 입방 격자 (FCC) 를 갖는 오스테나이트계 마이크로구조를 갖는다. 용어 TWIP 는 트위닝이 흔히 격자 전위를 통해 수용 소성과 함께 가는 것을 나타낸다.
본 발명의 목적은, 종래기술의 몇몇 단점들을 제거하고, 또한, 용접후의 입계 부식 및 지연 균열 및 응력 부식 균열에 대한 낮은 취약성을 갖는 양호한 부식 저항 및 높은 가공-경화율을 갖도록 하기 위해 냉간 변형에서 TWIP (TWinning Induced Plasticity) 메카니즘을 활용하는 개선된 오스테나이트계 고망간 스테인리스강을 제공하는 것이다. 오스테나이트계 스테인리스강의 본질적인 특징들은 첨부된 청구항들에 나열된다.
본 발명에 따르면, 오스테나이트계 고망간 스테인리스강은, 중량%로, 0.03 - 0.1 % 의 탄소, 0.08 - 1.0 % 의 규소, 14 - 26 % 의 망간, 10.5 - 18 % 의 크롬, 0.8 % 미만의 니켈, 0.05 - 0.6 % 의 구리, 0.1 - 0.8 % 의 질소 및 0.0008 - 0.005 % 의 붕소로 이루어지고, 잔부는 철 및 스테인리스강에서 발생하는 불가피적 불순물이다. 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강은 추가로, 선택적으로 0.001 - 0.02 % 의 티타늄 및 선택적으로 0.04 % 미만의 알루미늄을 포함한다. 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강은 냉간 변형에서 TWIP (TWinning Induced Plasticity) 메카니즘을 활용하여 소성 변형후에 우수한 연성 및 높은 강도를 갖는다. 따라서 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강은 낮은 니켈 함량과 연계하여 냉간 압연과 같은 냉간 변형후의 높은 연신과 함께 초기 어닐링 상태에서의 높은 강도 및 높은 가공경화율을 조합한다.
본 발명에 따른 오스테나이트계 고망간 스테인리스강의 어닐링된 상태에서 항복 강도 Rp0.2, 인장 강도 Rm, 및 파단 연신율 A80 은, 1000 - 1150 ℃ 범위의 온도에서 어닐링된 후에, Rp0.2 가 470 - 600 MPa 이고, Rm 이 800 - 930 MPa 이고, A80 이 40 - 60 % 이다. 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 추가로 냉간 압연과 같이 냉간 변형되는데, TWIP (TWinning Induced Plasticity) 메카니즘의 효과는 10% 및 20% 의 압하도에 의해 냉간 압연후에 이하의 표 1 에 나열된 항복 강도 Rp0.2, 인장 강도 Rm, 및 파단 연신율 A80 에 대한 각각의 범위들에 의해 나타낼 수 있다:
Figure pct00001
본 발명의 오스테나이트계 고망간 스테인리스강은 항복 강도 Rp0.2 에 대하여 냉간변형도가 10 % 일때 적어도 20 % 의 높은 가공경화율을 갖고 냉간변형도가 20 % 일때 적어도 40 % 의 높은 가공경화율을 갖는다. 또한, 파단 연신율 A80 은 변형도가 10 % 일때 25 - 35 % 이고, 변형도가 20 % 일때 10 - 20 % 이여서, 양호한 연성을 나타낸다.
본 발명에 따른 오스테나이트계 고망간 스테인리스강의 화학 조성에서의 주요 원소들의 효과가 기재되고, 특별히 언급하지 않는 경우, 범위는 중량 % 이다.
탄소 (C) 는 귀한 오스테나이트 형성 및 안정화 원소이고, 고가의 원소 니켈 및 구리의 감소된 사용을 가능하게 한다. 탄소 합금화를 위한 상한 (0.1 % 미만) 은 스테인리스강의 내식성을 열화시키는 탄화물 석출의 위험에 의해 설정된다. 탄소 함유량은 양호한 내식성을 유지하도록 충분히 낮다. 탈탄 공정에 의한 낮은 수준으로의 탄소 함량의 감소는 비경제적이며, 따라서, 탄소 함유량은 0.03 % 미만이여서는 안된다.
규소 (Si) 는 용융시에 탈산화 목적을 위해 스테인리스강에 첨가되고, 0.08 % 미만이여서는 안된다. 규소는 페라이트 형성 원소이기 때문에, 그 함량은 1 % 미만으로 제한되어야 한다.
망간 (Mn) 은, 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강의 핵심 원소이고, 안정적인 오스테나이트계 결정 구조를 보장하고 트위닝 메카니즘 및 나아가서는 고가의 니켈의 감소된 사용을 가능하게 한다. 망간은 또한 스테인리스강에 대한 질소의 용해도를 증가시킨다. 트위닝 변형과 동반되는 소성 변형은 변형된 구조, 즉 스트레인-유도된 마르텐사이트없이 14 % 이상의 망간의 양의 경우에 용이하게 발생한다. 높은 망간 함유량은 강의 탈탄 공정을 더욱 어렵게 만들고, 표면 품질을 손상시키고, 강의 내부식성을 감소시킨다. 따라서, 망간 함량은 26 % 미만이어야한다. 바람직하게는, 망간 함량은 17.5 - 26.0 %, 더욱 바람직하게는 19 - 23 % 의 범위에 있다.
크롬 (Cr)은 스테인리스강의 내부식성을 보장하는 책임이 있다. 따라서,이 스테인리스강에서의 크롬 함량은 최소 10.5 % 로 한다. 크롬은 지연 균열 현상의 방지의 관점에서 중요하다. 이 레벨에서 함량을 증가시킴으로써, 강의 내부식성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 크롬은 페라이트 형성 원소이기 때문에, 크롬 함량의 증가는 니켈 및 망간 등의 고가의 오스테나이트 형성제에 대한 필요성을 증가시키거나, 비실용적으로 높은 탄소 및 질소 함량을 필요로 한다. 따라서, 크롬 함량은 18 % 보다 낮아야 한다. 크롬은 또한 질소의 용해도를 증가시킨다. 바람직하게는, 크롬 함량은 12 - 16.0 %, 더 바람직하게는 12.5 - 14 % 의 범위에 있다.
니켈 (Ni) 은 강력한 오스테나이트 형성제 및 안정제이지만, 니켈은 고가의 원소이다. 그러나, 매우 낮은 니켈 함량은 다른 오스테나이트 형성 및 안정화 원소와의 비실용적으로 높은 합금화를 필요로 한다. 따라서, 니켈 함량은 0.8 %보다 낮아야 하고, 바람직하게는 0.5 % 미만이다.
구리 (Cu) 는 0.05 - 0.6 %, 바람직하게는 0.3 - 0.6 % 의 잔류로서 존재한다. 구리는 오스테나이트 상의 취약한 안정화제이지만, 마르텐사이트 형성에 대한 내성에 강한 효과를 갖는다. 구리는 또한 연성 및 성형 특성에 긍정적인 효과를 갖는다.
질소 (N) 는 강력한 오스테나이트 형성제 및 안정화제이다. 따라서, 질소 합금화는 니켈 및 구리의 낮은 사용을 가능하게 함으로써 강의 비용 효율을 향상시킨다. 전술한 합금 원소들의 비교적 낮은 사용을 보장하기 위해, 질소 함량은 적어도 0.1 % 이여야 한다. 높은 질소 함량은 강의 강도를 증가시키고 따라서 성형 작업을 더욱 어렵게 만든다. 또한, 질소 함량의 증가와 함께 질화물 석출 위험이 증가한다. 이러한 이유로, 질소 함량은 0.8 % 를 초과하지 않아야 하며, 바람직하게는 질소 함량은 0.6 % 미만이여야 한다. 질소는 TWIP 효과의 예측에 사용되는 스택킹 결함 에너지 (SFE) 를 증가시키며, 따라서 TWIP 효과를 가능하게 하고 용이하게 한다.
본 발명에 의한 오스테나이트계 스테인리스강은 냉간 압연 동안에 실온 이상에서 임의의 변형 마르텐사이트를 형성하지 않는다. 따라서, 본 발명의 스테인리스강은 높은 연성을 갖는다. 또한, 본 발명에 의한 오스테나이트계 스테인리스강은, 공기중 및 5 % 염화나트륨 (NaCl) 환경에서의 에이징 공정후에도, 응력 부식 균열 및 지연 균열이 없다.
예
발명의 오스테나이트계 스테인리스 강은 생산 규모로 용융되고 이어서 중량 % 의 화학 조성의 슬래브 형태로 캐스팅되었다.
Figure pct00002
슬래브들은 추가로 4.0 mm 의 두께로 열간 압연되고 이어서 1080℃ 의 온도에서 어닐링되었다. 추가로 본 발명의 오스테나이트계 스테인리스 강은 2.0 mm 의 두께까지 50 % 의 압연도로 냉간 압연되었고 1080℃ 의 온도에서 어닐링되었다. 이어서, 어닐링된 스트립 제품은 항복 강도 Rp0.2, 인장 강도 Rm, 및 파단 연신율 A80 을 결정함으로써 테스트되었다.
본 발명의 오스테나이트계 스테인리스강에서 TWIP 효과를 이용하기 위해, 스테인리스강 스트립은 10 % 의 압하도로 냉간 변형되었고, 이어서 항복 강도 Rp0.2, 인장 강도 Rm, 및 파단 연신율 A80 이 결정되었다. 또한, 20 % 의 압하도를 갖는 냉간 변형된 스트립에 대해서도 각각의 행위를 행하였다. 그 테스트 결과에 대한 결과는 다음 표에 기재되어 있다:
Figure pct00003
결과는 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강이 항복 강도 Rp0.2 에 대하여 높은 가공경화율을 가지고 있음을 보여준다. 또한, 파단 연신율 A80 은 변형도가 10 % 일때 28 % 이고 변형도가 20 % 일때 14 % 인데, 이는 냉간 압연후에 여전히 높은 강도에서 양호한 연성을 가짐을 나타낸다.
본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 슬래브, 블룸, 빌렛, 평평한 제품, 즉 코일, 스트립, 플레이트, 시트, 기다란 제품, 즉 바아, 로드, 와이어, 프로파일 및 형강, 관형 제품, 즉 파이프, 튜브로서 제조될 수 있고, 또한, 예를 들어 자동차 구조, 탱크, 충돌 관련 부품, 건축 및 철도 차량에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 고망간 오스테나이트계 스테인리스강은, 여전히 높은 연성과 함께 더욱 높은 항복 강도 및 인장 강도 값들을 위하여 TWIP 효과를 활용하기 위해, 열간 가공, 즉 열간 압연후에 어닐링된 스트립, 또는 냉간 가공, 즉 냉간 압연후에 어닐링된 스트립, 또는 열간 가공 및 냉간 가공후에 어닐링되고 이어서 냉간 변형된 스트립의 상태에서 냉간 변형될 수 있다.

Claims (15)

  1. 높은 강도 및 연성을 갖는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강으로서,
    중량%로, 0.03 - 0.1 % 의 탄소, 0.08 - 1.0 % 의 규소, 14 - 26 % 의 망간, 10.5 - 18 % 의 크롬, 0.8 % 미만의 니켈, 0.05 - 0.6 % 의 구리, 0.1 - 0.8 % 의 질소 및 0.0008 - 0.005 % 의 붕소로 이루어지고, 잔부는 철 및 스테인리스강에서 발생하는 불가피적 불순물인 상기 스테인리스강이 TWIP (TWinning Induced Plasticity) 메카니즘을 이용하여 냉간 변형될 수 있는, 오스테나이트계 고망간 스테인리스강.
  2. 제 1 항에 있어서,
    어닐링된 상태에서, 오스테나이트계 페로망간 스테인리스강에 대한 항복 강도 Rp0.2, 인장 강도 Rm, 및 파단 연신율 A80 은, Rp0.2 가 470 - 600 MPa 이고, Rm 이 800 - 930 MPa 이고, A80 이 40 - 60 % 인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    항복 강도 Rp0.2 에 대한 냉간 변형에 기반한 가공경화율은 냉간변형도가 10 % 일때 적어도 20 % 인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    항복 강도 Rp0.2 에 대한 냉간 변형에 기반한 가공경화율은 냉간변형도가 20 % 일때 적어도 40 % 인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    파단 연신율 A80 은 냉간변형도가 10 % 일때 25 - 35 % 인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    파단 연신율 A80 은 냉간변형도가 20 % 일때 10 - 20 % 인 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    망간 함량은 17.5 - 26.0 % 의 범위, 더 바람직하게는 19 - 23 % 의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    크롬 함량은 12 - 16.0 % 의 범위, 더 바람직하게는 12.5 - 14 % 의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    구리 함량은 0.3 - 0.6 % 의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 선택적으로 0.001 - 0.02 % 의 티타늄 및 선택적으로 0.04 % 미만의 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 열간 가공후에 어닐링된 스트립의 상태에서 TWIP 효과를 위해 냉간 변형될 수 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강.
  12. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 냉간 가공후에 어닐링된 스트립의 상태에서 TWIP 효과를 위해 냉간 변형될 수 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강.
  13. 제 1 항 내지 제 10 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 열간 가공 및 냉간 가공후에 어닐링되고 이어서 냉간 변형된 스트립의 상태에서 TWIP 효과를 위해 냉간 변형될 수 있는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 슬래브, 블룸, 빌렛, 평평한 제품, 예컨대 코일, 스트립, 플레이트, 시트, 기다란 제품, 예컨대 바아, 로드, 와이어, 프로파일 및 형강, 관형 제품, 예컨대 파이프, 튜브로서 제조되는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스테나이트계 스테인리스강은 자동차 구조, 탱크, 충돌 관련 부품, 건축 및 철도 차량에 적용되는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 고망간 스테인리스강.
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