KR20170075857A - 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법 - Google Patents

저경도 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

저경도 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강은 중량 %로, 탄소(C) 0.02 내지 0.09%, 실리콘(Si) 1.0% 이하, 망간(Mn) 1.0% 이하, 인(P) 0.04% 이하, 황(S) 0.03% 이하, 니켈(Ni) 0.6% 이하, 크롬(Cr) 11.0 내지 14.5%, 구리(Cu) 0.5 내지 5.0%, 질소(N) 0.07% 이하, 니오븀(Nb) 0.05 내지 0.5%를 함유하고, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지며, H = 35.8 + 1.46Cu - 15.8Nb(중량 %)로 정의되는 소입 경도(H)가 30 내지 40의 범위를 만족한다.

Description

저경도 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법{LOW HARDNESS MARTENSITIC STAINLESS STEEL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 오토바이의 디스트 브레이크 등에 이용되는 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강의 경도를 고온에서도 안정적으로 유지할 수 있는 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
오토바이 등에 사용되는 디스크 브레이크는 디스크와 브레이크 패드와의 마찰력에 의해서 차륜의 회전을 억제하여 제동을 구현하는 장치로서, 제동 시 디스크 브레이크는 브레이크 패드와의 마찰에 의해 발생하는 마찰열로 인해 그 온도가 크게 상승한다.
최근에는 연비 향상 및 CO2 배출 저감을 위한 차량의 경량화 추세에 따라 최근에는 오토바이의 제동용 디스크 브레이크의 두께를 감소하기 위한 노력 및 개발이 활발히 진행되고 있는데, 경량화를 위해 두께를 감소할수록 디스크 브레이크의 열용량이 저하되어, 제동 시 마찰열에 의한 온도상승이 더욱 급격하고 크게 이루어질 뿐만 아니라, 디스크가 템퍼링 열처리에 의해 연화되어 경도가 저하되고 마모량이 증가하는 문제점이 있다. 이러한 점을 고려하여 안전사고의 예방 및 제품의 수명 단축을 억제하는 측면에서, 관련 업계에서는 오토바이의 디스크 브레이크의 경도를 HRC(로크웰 C 스케일 경도) 30 이상을 적정 경도로 요구하고 있다.
그러나 종래의 마르텐사이트계 스테인레스강을 이용하여 설계 및 제작된 오토바이의 디스크 브레이크는 평상 시에는 적정 수준의 HRC를 유지하나, 제동 시 발생하는 마찰열에 의해 온도가 상승하면, 특히 약 400 내지 600 ℃ 와 같은 고온이 되면 스트레인의 회복 및 탄질화물의 석출에 의하여 경도의 급격한 저하가 발생하며, 오토바이의 작동 중에 디스크 브레이크의 적정 경도를 하회하는 문제가 발생할 수 있다.
이에 디스크 브레이크의 제동 시 발생하는 마찰열에 의해 고온으로 디스크 브레이크의 온도가 상승하더라도 안정적인 경도를 유지할 수 있는 디스크 브레이크용 마르텐사이트계 스테인레스강의 개발이 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0074217호(2013. 07. 04.)
본 발명의 실시 예는 소입 열처리된 후 사용 조건에서 고온으로 상승하더라도 경도가 HRC 30 내지 40의 범위를 유지할 수 있는 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 제동에 의한 마찰 시 마모량을 저감할 수 있는 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예는 적정 경도를 안정적으로 유지하여 오토바이용 브레이크 디스크의 품질 및 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 중량 %로, 탄소(C) 0.02 내지 0.09%, 실리콘(Si) 1.0% 이하, 망간(Mn) 1.0% 이하, 인(P) 0.04% 이하, 황(S) 0.03% 이하, 니켈(Ni) 0.6% 이하, 크롬(Cr) 11.0 내지 14.5%, 구리(Cu) 0.5 내지 5.0%, 질소(N) 0.07% 이하, 니오븀(Nb) 0.05 내지 0.5%를 함유하고, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지며, H = 35.8 + 1.46Cu - 15.8Nb(중량 %)로 정의되는 소입 경도(H)가 30 내지 40의 범위를 만족한다.
상기 스테인레스강에서 H400 = 35.4 + 1.49Cu - 7.51Nb(중량 %)로 정의되는 400℃의 온도로 템퍼링 열처리한 템퍼링 경도(H400)가 30 내지 40의 범위를 만족한다.
상기 스테인레스강에서 H500 = 36.9 + 1.96Cu - 8.65Nb(중량 %)로 정의되는 500℃의 온도로 템퍼링 열처리한 템퍼링 경도(H500)가 30 내지 40의 범위를 만족한다.
상기 스테인레스강에서 H600 = 35.4 + 1.49Cu - 7.51Nb(중량 %)로 정의되는 600℃의 온도로 템퍼링 열처리한 템퍼링 경도(H600)가 30 내지 40의 범위를 만족한다.
중량 %로, 탄소(C) 0.02 내지 0.09%, 실리콘(Si) 1.0% 이하, 망간(Mn) 1.0% 이하, 인(P) 0.04% 이하, 황(S) 0.03% 이하, 니켈(Ni) 0.6% 이하, 크롬(Cr) 11.0 내지 14.5%, 구리(Cu) 0.5 내지 5.0%, 질소(N) 0.07% 이하, 니오븀(Nb) 0.05 내지 0.5%를 함유하고, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지며, H = 35.8 + 1.46Cu - 15.8Nb(중량 %)로 정의되는 경도(H)가 30 내지 40의 범위를 만족하는 소재를 열간압연하여 열연판을 제조하는 단계 및 상기 열연판을 900℃ 내지 1100℃의 온도에서 10분 유지한 후 급냉시켜 소입 열처리하는 단계를 포함하여 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의한 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법은 소입 열처리된 후 제동 등 사용 조건에서 고온으로 상승하더라도 경도가 HRC 30 내지 40의 범위를 유지할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법은 적정 경도를 안정적으로 유지하여 오토바이용 브레이크 디스크의 품질 및 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 실시 예에 의한 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법은 제동에 의한 마찰 시 마모량을 저감하여 제품의 내구성 및 수명을 향상시킬 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 구리(Cu) 및 니오븀(Nb)의 중량%에 의한 소입 열처리 후 소입 경도 및 템퍼링 열처리 후 템퍼링 경도의 범위를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강은 중량 %로, 탄소(C) 0.02 내지 0.09%, 실리콘(Si) 1.0% 이하, 망간(Mn) 1.0% 이하, 인(P) 0.04% 이하, 황(S) 0.03% 이하, 니켈(Ni) 0.6% 이하, 크롬(Cr) 11.0 내지 14.5%, 구리(Cu) 0.5 내지 5.0%, 질소(N) 0.07% 이하, 니오븀(Nb) 0.05 내지 0.5%를 함유하고, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 소입 열처리 후, H = 35.8 + 1.46Cu - 15.8Nb(중량 %)로 정의되는 소입 경도(H)가 30 내지 40의 범위를 만족하도록 마련되고, 400℃, 500℃ 및 600℃의 템퍼링 열처리 후의 템퍼링 경도는 각각 H400 = 35.4 + 1.49Cu - 7.51Nb, H500 = 36.9 + 1.96Cu - 8.65Nb, H600 = 27.9 + 1.18Cu + 2.1 Nb로 정의되되 그 범위가 30 내지 40의 범위를 만족하도록 마련된다.
이하에서 설명하는 본 발명의 일 실시 예에 의한 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강 및 그 제조방법에 관한 설명 중, %는 모두 중량 %를 의미하며, 경도는 HRC(로크웰 C 스케일 경도)를 단위로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 의한 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강은 오토바이용 브레이크 디스크에서 요구하는 적정 경도인 30 내지 40의 범위를 만족하도록 조성됨과 동시에, 브레이크 디스크의 실 사용조건, 구체적으로 제동 시 브레이크 패드와의 마찰에 의한 마찰열이 발생하여 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강이 400℃ 내지 600℃의 고온으로 상승한 상태에서도 적정 경도인 30 내지 40의 범위를 만족하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 의한 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강의 각 합금 성분의 역할과, 합금 성분 조성 범위의 한정 이유 및 소입 경도(H)와 템퍼링 경도(H400, 500, 600)의 계산식에 대해 설명한다.
C: 소입 열처리에 의해 경도를 확보하기 위하여 필요한 원소로 0.02% 이상 첨가되어야 하며, 0.09% 이상으로 과다 첨가될 경우에는 필요한 경도를 초과하며 내식성을 저하시키므로 0.02 내지 0.09%로 한정한다.
Si: 소입 열처리 시 마르텐사이트상의 생성량을 저감하는 동시에 마르텐사이트상을 고용강화하며 제강공정에서 탈산제나 주조 시의 유동성을 향상시키는 효과가 있는 원소로 첨가 가능한 범위는 최대 첨가량은 1.0%로 한다.
Mn: 망간은 제강원료인 스크랩에서 0.1~0.2% 정도 혼입되며 강중에 포함된 황과 결합하여 MnS를 형성하고 이러한 개재물은 내식성을 저하한다. 또한 망간의 첨가량이 높을 경우 소재의 인성을 저하시키고 내고온산화성이 저하되며, 제조공정 중 산세성이 떨어져서 조업능률이 저하되어 결국 비용증가의 요인이 될 수 있다. 이에 망간의 첨가량은 1.0% 이하로 제한한다.
P: 인은 첨가량이 많을수록 인성이 저하되므로 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하나 통상적인 방법으로 제조가 가능하고 인성이 문제되지 않는 범위인 0.04% 이하로 한정하였다.
S: MnS와 같은 비금속 개재물을 형성하여 내식성을 저하시키고, 표면품질 및 가공성을 해치므로 가능한 낮게 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나 황의 함유량을 낮게 조절하기 위해서는 특수한 정련법이 요구되므로 제조비용을 고려하여 통상적인 제조방법을 이용하여 그 첨가량을 낮출 수 있는 범위인 0.03% 이하로 한정한다.
Ni: Ni은 원료가 고가이어서 필요 이상의 첨가하는 것은 비용이 상승하게 되므로 스크랩에 의해서 첨가되는 통상의 최대 범위인 0.6%를 상한으로 한다.
Cr: 크롬은 부동태 피막 형성 원소로서 첨가량이 11.0% 이하일 경우 크럼산화물층의 형성에 의한 내식성을 확보할 수 없다. 크롬의 함량이 높을수록 내식성은 향상되나 제조비용을 고려하여 그 첨가량을 14.5% 이하로 한정한다.
Cu: Cu는 600℃의 온도 부근에서 미세하게 ε-Cu를 석출하고, 그 석출경화작용에 의하여 내템퍼링 연화성을 개선한다. 그 효과를 얻기 위해 0.5%를 초과하여 첨가한다. 다만, 5.0% 초과하여 첨가하면 열간 가공성을 해치므로 그 상한을 5.0% 이하로 한정한다.
N: 소입 경도를 증가시키고 소입 열처리 온도 영역을 확대시키며 마르텐사이트 경도를 높이는 원소이다. 그러나 0.07% 이상 함유되면 질화물을 석출시켜 크롬 고용량을 저하시키고 내식성을 저하시키므로 0.07% 이하로 제한한다.
Nb: Nb은 500℃ 부근의 고온에서 유지될 때 경화성을 나타내나 과다 첨가되면 오히려 경도가 저하되므로 적절한 경도를 확보하기 위해서 0.05 내지 0.5%를 범위로 한정한다.
하기 표 1은 본 발명의 실시 예들 및 비교 예들의 합금성분표에 관한 표이다.
시험재의 합금성분표 (중량 %)
성분 C Si Mn P S Cr Ni N Cu Nb
발명강1 0.052 0.30 0.39 0.019 0.0001 12.2 0.36 0.026 1.5 0.16
발명강2 0.056 0.29 0.40 0.019 0.0001 12.1 0.34 0.023 1.5 0.25
발명강3 0.057 0.31 0.40 0.019 0.0001 12.2 0.32 0.028 1.5 0.37
비교강1 0.054 0.29 0.43 0.018 0.0001 12.2 0.32 0.028 0.3 0.05
비교강2 0.063 0.28 0.40 0.020 0.0001 12.2 0.35 0.021 0.3 0.38
비교강3 0.053 0.31 0.42 0.020 0.0001 12.2 0.37 0.028 4.4 0.38
비교강4 0.053 0.30 0.42 0.020 0.0001 12.3 0.36 0.026 4.5 0.06
하기 표 2는 표 1에 기재된 시험재를 900℃에서 1100℃까지의 온도에서 10분 유지 후 소입 열처리한 소재의 소입 경도(H)를 나타내는 것으로서, 표 2에서 30 내지 40의 경도값을 보이며 Cu 와 Nb 함량에 따라 900℃에서의 소입 경도 계산식에 의해 30 내지 40 범위의 소입 경도값이 예측되는 범위로 성분을 한정하고자 한다.
H = 35.8 + 1.46Cu - 15.8Nb
구분 실측값 계산값
900℃ 950℃ 1000℃ 1050℃ 1100℃ 900℃
발명강1 36.7 36.6 35.5 34.1 33.7 35.3
발명강2 35.5 35.7 34.8 33.7 33.5 33.8
발명강3 32.7 33.9 33.1 32.4 32.3 31.8
비교강1 35.2 36.4 35.1 34.8 33.4 35.3
비교강2 28.0 30.4 31.5 32.1 31.0 29.8
비교강3 36.5 36.2 35.7 36.5 36.2 36.1
비교강4 40.1 40.5 39.8 38.7 37.3 41.6
또한 표 3은 900℃에서 10분 유지하고 급냉한 소재를 400 내지 600℃의 열처리 온도에서 1시간 동안 유지한 후 급냉하여 경도를 측정한 결과로서, 이로부터 400℃, 500℃, 600℃에서의 템퍼링 경도의 계산식을 각각 도출할 수 있다.
구분 실측값(HRc) 계산치(HRc)
400도 500도 600도 400도 500도 600도
발명강1 36.6 39.2 31.7 36.4 38.5 30.0
발명강2 36.0 39.1 31.9 35.7 37.7 30.2
발명강3 34.7 37.9 32.0 34.8 36.7 30.5
비교강1 35.4 36.7 27.1 35.4 37.1 28.3
비교강2 32.7 32.2 26.8 32.9 34.2 29.1
비교강3 39.2 42.0 33.1 39.1 42.3 33.9
비교강4 41.4 44.5 32.7 41.6 45.2 33.3
H400 = 35.4 + 1.49Cu - 7.51Nb
H500 = 36.9 + 1.96Cu - 8.65Nb
H600 = 27.9 + 1.18Cu + 2.19Nb
이와 같은 합금 성분 조성범위 및 소입 경도(H) 계산식을 만족하는 본 발명의 일 실시 예에 의한 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강은 소입 열처리 후의 소입 경도 계산값이 실측값과 일치하고 있으므로, 오토바이 브레이크 디스크에서 요구하는 적정 경도인 30 내지 40의 범위를 안정적으로 만족시킬 수 있다. 또한 템퍼링 열처리 후의 템퍼링 경도 계산식(H400, 500, 600)을 만족하는 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강은 템퍼링 열처리 후의 템퍼링 경도 계산값이 실측값과 일치하는 바, 실사용 조건인 제동 시 마찰열에 의해 400℃ 내지 600℃에서도 적정 경도 범위를 유지할 수 있으므로, 브레이크 디스크의 성능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 제동 시 마모량을 저감하여 제품의 수명도 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 의한 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강의 제조방법은 중량 %로, 탄소(C) 0.02 내지 0.09%, 실리콘(Si) 1.0% 이하, 망간(Mn) 1.0% 이하, 인(P) 0.04% 이하, 황(S) 0.03% 이하, 니켈(Ni) 0.6% 이하, 크롬(Cr) 11.0 내지 14.5%, 구리(Cu) 0.5 내지 5.0%, 질소(N) 0.07% 이하, 니오븀(Nb) 0.05 내지 0.5%를 함유하고, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지며, H = 35.8 + 1.46Cu - 15.8Nb(중량 %)로 정의되는 경도(H)가 30 내지 40의 범위를 만족하는 소재를 열간압연하여 열연판을 제조하는 단계 및 상기 열연판을 900℃ 내지 1100℃의 온도에서 10분 유지한 후 급냉시켜 소입 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
표 1을 참조하여 앞서 설명한 바와 같이, 소입 열처리 온도를 900℃ 내지 1100℃의 온도에서 10분 유지한 후 소입 열처리 시, 소입 경도 계산식과 대체적으로 일치하고 있으므로, 이러한 제조방법에 의해 제조된 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강은 브레이크 디스크로 이용 시, 제동조건에서 400℃ 내지 600℃의 온도 상승이 일어나더라도 적정 경도 범위인 30 내지 40을 만족할 수 있다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 중량 %로, 탄소(C) 0.02 내지 0.09%, 실리콘(Si) 1.0% 이하, 망간(Mn) 1.0% 이하, 인(P) 0.04% 이하, 황(S) 0.03% 이하, 니켈(Ni) 0.6% 이하, 크롬(Cr) 11.0 내지 14.5%, 구리(Cu) 0.5 내지 5.0%, 질소(N) 0.07% 이하, 니오븀(Nb) 0.05 내지 0.5%를 함유하고, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지며,
    H = 35.8 + 1.46Cu - 15.8Nb(중량 %)로 정의되는 소입 경도(H)가 30 내지 40의 범위를 만족하는 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스테인레스강에서
    H400 = 35.4 + 1.49Cu - 7.51Nb(중량 %)로 정의되는 400℃의 온도로 템퍼링 열처리한 템퍼링 경도(H400)가 30 내지 40의 범위를 만족하는 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 스테인레스강에서
    H500 = 36.9 + 1.96Cu - 8.65Nb(중량 %)로 정의되는 500℃의 온도로 템퍼링 열처리한 템퍼링 경도(H500)가 30 내지 40의 범위를 만족하는 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스테인레스강에서
    H600 = 35.4 + 1.49Cu - 7.51Nb(중량 %)로 정의되는 600℃의 온도로 템퍼링 열처리한 템퍼링 경도(H600)가 30 내지 40의 범위를 만족하는 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강.
  5. 중량 %로, 탄소(C) 0.02 내지 0.09%, 실리콘(Si) 1.0% 이하, 망간(Mn) 1.0% 이하, 인(P) 0.04% 이하, 황(S) 0.03% 이하, 니켈(Ni) 0.6% 이하, 크롬(Cr) 11.0 내지 14.5%, 구리(Cu) 0.5 내지 5.0%, 질소(N) 0.07% 이하, 니오븀(Nb) 0.05 내지 0.5%를 함유하고, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지며, H = 35.8 + 1.46Cu - 15.8Nb(중량 %)로 정의되는 경도(H)가 30 내지 40의 범위를 만족하는 소재를 열간압연하여 열연판을 제조하는 단계; 및
    상기 열연판을 900℃ 내지 1100℃의 온도에서 10분 유지한 후 급냉시켜 소입 열처리하는 단계를 포함하는 저경도 마르텐사이트계 스테인레스강의 제조방법.
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