KR20170029631A - 고강도 오스테나이트계 스테인레스 강 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 오스테나이트계 스테인레스 강에 관한 것이다. 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은, 중량% 로, 0 ~ 0.4% C, 0 ~ 3% Si, 3 ~ 20% Mn, 10 ~ 30% Cr, 0 ~ 4.5% Ni, 0 ~ 3% Mo, 0 ~ 3% Cu, 0.05 ~ 0.5% N, 0 ~ 0.5% Nb, 0 ~ 0.5% Ti, 0 ~ 0.5% V 를 함유하고, 잔부는 Fe 와 불가피한 불순물들이다. 냉간 변형된 제품의 어닐링 후 10 마이크로미터 보다 작은 결정립 크기를 갖게 하기 위하여 니오븀 (Nb), 티타늄 (Ti) 및 바나듐 (V) 함유량들의 총량이 0.05 ~ 0.5% 의 범위가 되도록 니오븀 (Nb), 티타늄 (Ti) 또는 바나듐 (V) 의 그룹의 원소들 중 적어도 하나의 함유량은 0.05% 이상이 되고, 그리고 압연 방향에 대해 횡 방향 및 평행한 방향에서 측정된 상기 오스테나이트계 스테인레스 강의 항복 강도들간의 차이는 5% 보다 작다. 본 발명은 또한 이런 오스테나이트계 스테인레스 강의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

고강도 오스테나이트계 스테인레스 강 및 그의 제조 방법{HIGH STRENGTH AUSTENITIC STAINLESS STEEL AND PRODUCTION METHOD THEREOF}
본 발명은 강도, 연신 및 높은 등방성의 기계적 성질들의 양호한 조합을 나타내는 고강도 오스테나이트계 스테인레스 강에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 오스테나이트계 스테인레스 강의 제조 방법에 관한 것이다.
어닐링된 상태에서의 오스테나이트계 스테인레스 강의 항복 강도는 비교적 낮다. 오스테나이트계 스테인레스 강대들의 항복 강도를 증가시키는 종래의 방법은 조질 압연, 즉 냉간 압연에 의한 강대의 강화이다. 하지만, 조질 압연은 중요한 단점을 갖는다: 조질 압연된 강의 기계적 성질들은 이방성이 높아지는 경향이 있다. 예를 들면, 조질 압연된 오스테나이트계 스테인레스 강의 항복 강도는 압연 방향에 평행한 방향과 비교하여 횡 방향에서 최대 20% 더 높을 수도 있다. 이방성은, 예를 들면 오스테나이트계 스테인레스 강의 성형을 더욱 어렵게 하는 단점이다.
게다가, 조질 압연은 연신을 희생시키면서 강도를 증가시킨다. 일부 오스테나이트계 스테인레스 강 그레이드들의 경우, 조질 압연 프로세스 후의 잔류 연신 및 성형성은 너무 낮을 수도 있다.
강의 결정립 크기의 제련 (refinement) 은 오스테나이트계 스테인레스 강들의 항복 강도를 증가시키는 잘 알려져 있고 효율적인 방법이다. 상기 방법은 조질 압연 대신 이용될 수 있다. 상기 강의 항복 강도는 잘 알려진 Hall-Petch 관계에 따라 결정립 크기를 감소시킴에 따라 증가된다. 조질 압연과 비교하여 결정립 크기의 제련은 또한 기계적 성질들의 이방성이 실질적으로 더 낮다는 이점을 갖는다. 하지만, 미세 결정립 강의 제조는 결정립 성장이 그의 초기 단계들에서 매우 빠르기 때문에 어렵고, 따라서 프로세스 윈도우 (process window), 즉 일정한 작은 결정립 크기 및 강도 수준에 도달하기 위한 허용 가능한 시간 및 온도 범위는 너무 작을 수도 있다. 프로세스 윈도우가 너무 작으면, 기계적 성질들이 강대를 따라서 너무 많이 변할 수 있다. 목표의 기계적 성질들에 도달할 수 없는 경우, 상당한 수율 손실들이 발생할 수 있다.
결정립 성장은 오스테나이트계 스테인레스 강에 탄화물 및 질화물 형성 원소들을 첨가함으로써 제한될 수 있음이 잘 알려져 있다. 이들 원소들은 탄화물들 및 질화물들을 형성하는데, 이는 소위 말하는 제너 피닝 (Zener pinning) 효과로 인해 결정립 성장을 제한한다. 예를 들면, 일본 특허 공개 공보 제 2010215953 호는 니오븀 (Nb), 티타늄 (Ti) 또는 바나듐 (V) 을 함유하는 오스테나이트계 스테인레스 강을 개시하고 있다. 하지만, 이 강의 단점은 상기 강이 적어도 4.5 중량% 의 니켈 (Ni) 을 함유한다는 것이다. 일본 특허 공개 공보 제 2014001422 호는 모상에서 평균 결정의 결정립 크기가 10 ㎛ 이하인 오스테나이트계 스테인레스 강판 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 강은, 중량% 로, C: 0.02 내지 0.30%, Cr: 10.0 내지 25.0%, Ni: 3.5 내지 10.0%, Si: 3.0% 이하, Mn: 0.5 내지 5.0%, N: 0.10 내지 0.40%, C+3xN: 0.4% 이상, 및 잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물들을 함유하고, 그리고 추가로, 선택적으로, Nb + Ti + V 의 합계가 0 내지 1.6% 가 되도록 Mo: < 3%, Cu: < 3%, Nb: < 0.5%, Ti: < 0.1% 및 V: < 1% 이다. 상기 일본 특허 공개 공보 제 2014001422 호에 따르면, 합금 성분들로서 Nb, Ti 및 V 를 사용하는 경우, 니켈 함유량은 5.0 ~ 6.6 중량% 의 범위이다. 높고 변동이 심한 니켈 가격으로 인해, 이러한 오스테나이트계 스테인레스 강은 충분히 비용 효율적이지 않다. 보다 비용 효율적이고 낮은 니켈의 고강도 오스테나이트계 스테인레스 강들에 대한 시장 수요가 있다.
본 발명의 목적은 선행 기술의 단점들을 방지하고, 그리고 작은 결정립 크기, 고강도 및 등방성의 기계적 성질들을 나타내는 비용 효율적인 고강도 오스테나이트계 스테인레스 강을 제조하는데 있다. 본 발명은 또한 강의 가공 방법에 관한 것으로서, 탄화물 및 질화물 형성 원소들과 상기 강의 합금시 결정립 성장을 제한하고 따라서 상기 강의 가공성을 향상시킨다. 본 발명의 필수적인 특징들은 첨부된 청구 범위에 포함된다.
본 발명에 따르면, 오스테나이트계 스테인레스 강은 니오븀 (Nb), 티타늄 (Ti) 및 바나듐 (V) 과 같은 탄화물 및 질화물 형성 원소들과 합금된다. 탄화물 및 질화물 석출물들에 대한 이들 원소들은 결정립 성장을 효과적으로 제한한다. 따라서, 본 발명의 오스테나이트계 스테인레스 강으로 제조된 냉간 변형된 제품을 위한 미세 결정립 크기를 생성하기 위해 수행되는 어닐링 프로세스 동안, 이들 탄화물 석출물들 및 질화물 석출물들의 존재는 보다 큰 프로세스 윈도우 및 가공성을 가능하게 한다. 충분히 강한 효과를 제공하기 위하여, 니오븀 (Nb), 티타늄 (Ti) 또는 바나듐 (V) 의 그룹 (group) 의 원소들 중 적어도 하나를 0.05 중량% 이상 첨가해야 한다. 오스테나이트 스테인레스 강의 비용을 효율적으로 유지하기 위하여, 니오븀 (Nb), 티타늄 (Ti) 및 바나듐 (V) 의 총량은 0.5 중량% 보다 적다.
본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인레스 강은 종래의 니켈 함유 오스테나이트계 스테인레스 강들과 비교하여 니켈 함유량을 감소시킴으로써 비용 효율적이 된다. 따라서, 본 발명에 따른 강은 4.5 중량% 이상의 니켈을 함유하지 않는다.
본 발명의 스테인레스 강은, 중량% 로, 0 ~ 0.4% C, 0 ~ 3% Si, 3 ~ 20% Mn, 10 ~ 30% Cr, 0 ~ 4.5% Ni, 0 ~ 0.5% Mo, 0 ~ 3% Cu, 0.05 ~ 0.5% N, 0 ~ 0.5% Nb, 0 ~ 0.5% Ti, 0 ~ 0.5% V 를 함유하는 오스테나이트계 스테인레스 강으로서, 니오븀 (Nb), 티타늄 (Ti) 또는 바나듐 (V) 의 그룹의 원소들 중 적어도 하나의 함유량이 0.05% 이상이 되도록 니오븀 (Nb), 티타늄 (Ti) 및 바나듐 (V) 함유량들의 총량은 0.05 ~ 0.5% 의 범위가 되고, 잔부는 Fe 와, 인, 황 및 산소와 같은 불가피한 불순물들이다. 바람직한 기계적 성질들을 보장하기 위하여, 냉간 변형된 제품에 대한 어닐링 후의 결정립 크기는 10 마이크로미터 보다 작고, 바람직하게는 7 마이크로미터 보다 작고, 보다 바람직하게는 5 마이크로미터 보다 작다. 압연 방향에 대해 횡 방향 및 평행한 방향에서 측정된 스테인레스 강의 항복 강도들간의 차이는 5% 보다 작다.
본 발명에 따른 고강도 오스테나이트계 스테인레스 강은 다른 것들 중에서 용융, AOD (아르곤 산소 탈탄) 컨버터 및 레이들 처리들, 연속 주조, 열간 압연, 냉간 압연, 어닐링 및 산세를 포함하는 종래의 스테인레스 강 프로세스 경로를 통하여 제조된다. 하지만, 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인레스 강은 1050℃ 의 온도 이하에서 어닐링되며, 이 온도는 종래의 제조 프로세스에서 보다 낮다. 어닐링 온도를 낮추면 결정립 성장이 느려지고, 따라서 더 작은 결정립 크기 및 더 높은 항복 강도가 달성될 수 있다. 하지만, 유해한 민감화 (sensitization) 현상을 회피하기 위하여, 어닐링 온도는 700℃ 이상이어야 한다. 따라서, 원하는 어닐링 온도 범위는 700 ~ 1050℃ 이고, 그리고 어닐링 시간은 1 ~ 400 초, 바람직하게는 1 ~ 200 초이다. 어닐링 프로세스 전에 냉간 압연 압하 (cold rolling reduction) 와 같은 냉간 변형 압하는 미세 결정립 크기의 형성을 가능하게 할 정도로 충분히 높아야 한다. 냉간 압연 압하 정도와 같은 변형 압하 정도는 적어도 50% 이어야 한다.
본 발명은 이하의 도면들을 참고로 하여 보다 상세하게 설명된다.
도 1 은 니오븀을 함유하지 않는 기준 합금의 결정립 크기에 대한 어닐링 시간 및 온도의 영향을 나타내고,
도 2 는 0.05% 니오븀을 함유하는 본 발명에 따른 시험 합금의 결정립 크기에 대한 어닐링 시간 및 온도의 영향을 나타내고,
도 3 는 0.11% 니오븀을 함유하는 본 발명에 따른 시험 합금의 결정립 크기에 대한 어닐링 시간 및 온도의 영향을 나타내고,
도 4 는 0.28% 니오븀을 함유하는 본 발명에 따른 시험 합금의 결정립 크기에 대한 어닐링 시간 및 온도의 영향을 나타내고,
도 5 는 0.45% 니오븀을 함유하는 본 발명에 따른 시험 합금의 결정립 크기에 대한 어닐링 시간 및 온도의 영향을 나타내고, 그리고
도 6 은 니오븀을 함유하지 않는 시험 합금 및 0.11% 니오븀을 함유하는 시험 합금에서 2 ~ 3 마이크로미터 (㎛) 의 결정립 크기에 도달하는 것에 해당하는 어닐링 윈도우, 즉 어닐링 시간과 온도의 조합들을 나타낸다.
니오븀이 가변량들로 함유되는 5개의 오스테나이트계 시험 합금들 (1 ~ 5) 이 연구되었다. 시험 합금들의 화학 조성들은 표 1 에 나타난다.
Figure pct00001

시험 합금 (1) 은 풀 스케일 생산으로 제조되었고, 그리고 시험 합금들 (2 ~ 5) 은 파일럿 스케일 생산 단위로 제조되었다. 용융, 주조 및 열간 압연 후, 재료들은 60% 냉간 압연 압하를 받게 되었다. 어닐링 시험들은 냉간 압연된 재료들에 대해 Gleeble 1500 열 기계식 시뮬레이터로 가변 어닐링 시간들 동안 상이한 온도들에서 시행되었다. 가열 속도는 200℃/s 였고, 그리고 냉각 속도는 자연 공랭 전에 400℃ 까지 200℃/s 였다.
도 1 ~ 도 5 는 각각 니오븀 (Nb) 함유량들이 상이한 합금들 (1, 2, 3, 4 및 5) 의 결과로 얻어진 결정립 크기에 대한 어닐링 시간 및 어닐링 온도의 영향을 나타낸다. 상기 도면들로부터, 도 1 ~ 도 5 의 시간-온도 좌표계에서 예를 들면 5 마이크로미터 (㎛) 이하의 영역이 니오븀 함유량의 증가에 따라 증가할 것이기 때문에, 결정립 성장은 니오븀 합금화에 의해서 실질적으로 제한되는 것이 관찰될 수 있다. 이에 대응하여, 상이한 결정립 크기에 해당하는 등고선들은 우측 상부 방향으로 시프트되었고, 이는 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인레스 강에 니오븀 (Nb) 이 첨가되었을 때 어닐링 온도들 및 시간들의 허용 가능한 범위가 더 커지게 되는 것을 나타낸다. 게다가, 0.11 중량% 의 니오븀 (Nb) 합금화로 이미 비교적 큰 효과가 달성되었음이 관찰될 수 있다. 니오븀 (Nb) 함유량에 있어서 더 이상의 증가는 결정립 성장에 대해 더 이상 강하게 영향을 미치지 않았다.
도 6 은 니오븀 (Nb) 함유량의 유익한 효과를 추가로 입증한다. 도 6 은 실험 결과들에 근거하여 규정된 2 ~ 3 마이크로미터의 결정립 크기에 도달하기 위한 어닐링 윈도우, 즉 어닐링 온도와 어닐링 시간의 허용 가능한 조합들을 나타낸다. 어닐링 윈도우는 니오븀 (Nb) 이 0.11 중량% 인 합금 (3) 에 대해 훨씬 더 크다는 것이 명백하다. 예를 들면, 약 900℃ 의 온도 범위에서, 니오븀 (Nb) 을 함유하지 않는 합금 (1) 의 경우 허용 가능한 어닐링 시간 범위는 단지 약 1 ~ 10 s 였지만, 니오븀 (Nb) 0.11 중량% 를 함유하는 시험 합금 (3) 의 경우 허용 가능한 어닐링 시간 범위는 1 ~ 100 s 였다. 이런 차이는 시험 합금 (3) 의 가공을 보다 실현 가능하게 하여, 보다 균일한 제품 품질과 보다 우수한 수율 및 효율을 가져온다.
스테인레스 강들의 기계적 성질들에 대한 본 발명에 따른 제조 방법의 효과를 연구하기 위하여, 2개 이상의 합금들이 시험되었다. 이들 합금들의 화학 조성들은 표 2 에 나타난다.
Figure pct00002

시험 합금들 (6, 7) 은 파일럿 스케일 생산 단위로 제조되었다. 용융, 주조 및 열간 압연 후의 시험 합금들 (1 ~ 5) 로서, 상기 시험 합금들 (6, 7) 은 60% 냉간 압연 압하를 받게 되었다. 인장 시험 샘플들은 압연 방향에 대해 0°, 45°및 90°의 각도들로 냉간 압연 시트들로부터 절단되었다. 이어서, 인장 시험 샘플들은 300 초 동안 900℃ 및 950℃ 의 온도들에서 실험실 노에서 어닐링되고 워터 ??칭되었다.
표 3 은 압연 방향에 대해 0°, 45°및 90°의 각도들을 갖는 인장 시험 방향들에서 측정된 이들 샘플들의 시험 결과들을 나타낸다. 또한, 재료들의 결정립 크기가 표시된다. 상이한 방향들에서 측정된 측정된 항복 강도 값들이 서로 비슷하고, 즉 상기 성질들이 높은 이방성을 나타내지 않음이 관찰될 수 있다. 압연 방향에 대해 횡 방향 및 평행한 방향에서 측정된 시험 합금들 (6, 7) 의 항복 강도들간의 차이는 5% 보다 작다. 게다가, 시험 합금들 (6, 7) 의 결정립 크기는 Nb 합금화의 유익한 효과로 인해 다소 긴 어닐링 시간에도 불구하고 낮은 수준들로 유지되고, 이는 매력적인 기계적 성질들을 야기한다.
Figure pct00003

Claims (9)

  1. 오스테나이트계 스테인레스 강으로서,
    상기 오스테나이트계 스테인레스 강은, 중량% 로, 0 ~ 0.4% C, 0 ~ 3% Si, 3 ~ 20% Mn, 10 ~ 30% Cr, 0 ~ 4.5% Ni, 0 ~ 3% Mo, 0 ~ 3% Cu, 0.05 ~ 0.5% N, 0 ~ 0.5% Nb, 0 ~ 0.5% Ti, 0 ~ 0.5% V 를 함유하고, 잔부는 Fe 와 불가피한 불순물들이고,
    냉간 변형된 제품의 어닐링 후 10 마이크로미터 보다 작은 결정립 크기를 갖도록, 니오븀 (Nb), 티타늄 (Ti) 및 바나듐 (V) 함유량들의 총량이 0.05 ~ 0.5% 의 범위가 되도록 니오븀 (Nb), 티타늄 (Ti) 또는 바나듐 (V) 의 그룹의 원소들 중 적어도 하나의 함유량은 0.05% 이상이 되고, 그리고
    압연 방향에 대해 횡 방향 및 평행한 방향에서 측정된 상기 오스테나이트계 스테인레스 강의 항복 강도들간의 차이는 5% 보다 작은 것을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인레스 강.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오스테나이트계 스테인레스 강의 상기 결정립 크기는 7 마이크로미터 보다 작고, 바람직하게는 5 마이크로미터 보다 작은 것을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인레스 강.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 바람직하게는 0 ~ 1.5% 몰리브덴, 더 바람직하게는 0 ~ 0.5% 몰리브덴을 함유하는 것을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인레스 강.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 0.05 ~ 0.30% Nb, 바람직하게는 0.05 ~ 0.20% Nb 를 함유하는 것을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인레스 강.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 0.05 ~ 0.30% Ti, 바람직하게는 0.05 ~ 0.20% Ti 를 함유하는 것을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인레스 강.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 0.05 ~ 0.30% V, 바람직하게는 0.05 ~ 0.20% V 를 함유하는 것을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인레스 강.
  7. 오스테나이트계 스테인레스 강의 제조 방법으로서,
    상기 오스테나이트계 스테인레스 강은, 중량% 로, 0 ~ 0.4% C, 0 ~ 3% Si, 3 ~ 20% Mn, 10 ~ 30% Cr, 0 ~ 4.5% Ni, 0 ~ 3% Mo, 0 ~ 3% Cu, 0.05 ~ 0.5% N, 0 ~ 0.5% Nb, 0 ~ 0.5% Ti, 0 ~ 0.5% V 를 함유하고, 잔부는 Fe 와 불가피한 불순물들이고, 니오븀 (Nb), 티타늄 (Ti) 및 바나듐 (V) 함유량들의 총량이 0.05 ~ 0.5% 의 범위가 되도록 니오븀 (Nb), 티타늄 (Ti) 또는 바나듐 (V) 의 그룹의 원소들 중 적어도 하나의 함유량은 0.05% 이상이 되고,
    상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 어닐링 동안 10 마이크로미터 보다 작은 작은 결정립 크기에 도달하도록 어닐링 전에 적어도 50% 의 압하율로 냉간 변형되고, 그리고
    압연 방향에 대해 횡 방향 및 평행한 방향에서 측정된 상기 오스테나이트계 스테인레스 강의 항복 강도들간의 차이는 5% 보다 작은 것을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인레스 강의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    변형 후, 상기 오스테나이트계 스테인레스 강은 1 ~ 400 초, 바람직하게는 1 ~ 200 초 동안 700 ~ 1050℃ 의 온도 범위에서 어닐링되는 것을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인레스 강의 제조 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    변형은 냉간 압연인 것을 특징으로 하는, 오스테나이트계 스테인레스 강의 제조 방법.
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