KR20170092675A - 플래퍼 밸브들용 스테인레스강 스트립 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압축기들에서 플래퍼(flapper) 밸브들용 냉간 압연되고 경화된 마르텐사이트계(martensitic)/오스테나이트계(austenitic) 스테인레스강 스트립(strip)에 관한 것이고, 강 스트립은 중량%(wt.%)로, C 0.3 - 0.5; Si 0.2 - 0.8; Mn 0.2 - 1.0; Cr 12.0 - 15.0; Mo 0.50 - 2.00; N 0.02 - 0.15; V 0.01 - 0.20을 포함하는 강으로 만들어지고, 템퍼링된 마르텐사이트 및 5 내지 15 부피% 오스테나이트로 이루어진 매트릭스 및 1970-2300 MPa의 인장 강도(Rm)를 가진다.

Description

플래퍼 밸브들용 스테인레스강 스트립{STAINLESS STEEL STRIP FOR FLAPPER VALVES}
본 발명은 압축기들의 플래퍼(flapper) 밸브들 및 다른 리드(reed) 애플리케이션들용 스테인레스강 스트립(strip)에 관한 것이다.
플래퍼 또는 리드 밸브들은, 특정 타입의 압축 사이클이 특정 목적을 위하여 조절되는 다양한 타입들의 애플리케이션들에 사용된다. 이는 냉장고(refrigerator) 또는 자동차의 에어컨(air conditioner)에서 중단없이 작동하는 밀폐형 왕복식 압축기(a hermetic reciprocating compressor)에서 냉동 사이클(refrigeration cycle)일 수 있다. 플래퍼 밸브는 기본적으로 사전-경화된(pre-hardened) 강 스트립(steel strip)으로 만들어진 스프링이다. 이의 가장 간단한 형태로, 플래퍼 밸브는, 하나의 단부가 고정되고 반대편 단부가 자유롭게 매달리고 압축기의 액체 또는 가스 흐름을 조절하는 텅(tongue) 형상이다. 플래퍼 밸브는 자신의 서비스 동안 주기적인 굽힘 응력들 및 주기적인 충격 응력들 둘 모두를 겪는다. 보통, 이들 주기적인 응력들은 결국 피로 파괴를 유발한다. 따라서, 피로 특성들이 플래퍼 밸브 재료에 대해 가장 중요하다.
본 발명의 강 스트립으로 만들어진 플래퍼 밸브는 강의 화학 조성, 비-금속성 개재물(inclusion)들 및 열 처리에 대한 수정들의 조합된 효과에 의해 최적화된 자신의 피로 특성들을 가진다.
압축기 OEM들은 압축기의 성능 및 수명을 개선하기 위하여 더 높은 피로 수명을 가지는 재료들을 요구한다.
게다가, 산업에서 더 에너지 효율적이고 더 조용한 압축기들을 개발하는 것에 대해 관심이 증가하고 있다. 성능 계수(COP: coefficient of performance)는 밸브 리프트(valve lift)를 증가시키고 밸브들의 두께를 감소시킴으로써 증가될 수 있다. 그러므로, 압축기 디자이너들은 피로 강도 개선에 더하여 향상된 댐핑(damping) 특성들을 가지는 밸브 재료들을 요구한다.
리드 밸브들에 사용된 기존 강종(steel grade)들은 종래의 용융, 주조, 압연(rolling) 및 열 처리 프로세스들을 통해 생산된 탄소 강AISI 1095 및 스테인레스강 AISI 420의 수정된 버전들이다. 그러나, 산업 수요들 및 결과적인 성능 요건들은, 미래의 플래퍼 리드들이 점점 더, 증가된 피로 수명 기대값 및 더 높은 댐핑 특성들을 가지는 매우 얇은 강 스트립으로 만들어질 필요가 있을 것이라는 것을 의미한다.
본 발명의 일반적인 목적은, 더 효율적이고 신뢰성 있는 압축기들을 생산하기 위하여 사용될 수 있도록 최적화된 특성 프로파일을 가지는 플래퍼 밸브들용 사전-경화된 스테인레스강 스트립을 제공하는 것이다.
추가 목적은 압축기의 전체 노이즈 레벨들에 대한 플래퍼 리드의 기여를 감소시키는, 플래퍼 밸브들용 사전-경화된 스테인레스강 스트립을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 그러한 개선된 강 스트립을 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적들뿐 아니라, 부가적인 장점들은 청구항들에 설명된 바와 같은 조성, 미세조직 및 물리적 특성들을 가지는 냉간 압연되고 경화된 마르텐사이트계 스테인레스 강 스트립을 제공함으로써 상당 정도까지 달성된다.
본 발명은 청구항들에서 정의된다.
도 1은 오스테나이트화 온도의 함수로서 인장 특성들을 개시한다.
도 2는 템퍼링 온도의 함수로서 인장 특성들을 개시한다.
청구된 합금의 화학 성분(ingredient)들의 제한들뿐 아니라 서로 별개의 원소들 및 이들의 상호작용의 중요성은 다음에서 간단히 설명된다. 강의 화학 조성에 대한 모든 퍼센티지들은 설명 전반에 걸쳐 중량%(wt.%)로 주어진다. 미세조직 상들(phases)의 양은 부피%(vol.%)로 주어진다. 개별 원소들의 상한 및 하한은 청구항들에서 설명된 제한들 내에서 자유롭게 조합될 수 있다.
탄소(0.3-0.5%)
탄소(carbon)는 0.3%, 바람직하게 적어도 0.32, 0.34, 0.36 또는 0.36%의 최소 함량으로 존재할 것이다. 탄소는 오스테나이트(austenite)에서 비교적 큰 용해도를 가지는 강한 오스테나이트 안정화제(stabilizer)이다. 탄소에 대한 상한은 0.5%이고 0.48, 0.46, 0.44 또는 0.42%로 설정될 수 있다. 바람직한 범위는 0.35-0.41%이다. 어떠한 경우라도, 탄소의 양은, 강 내의 타입 M23C6, M7C3 및 M6C의 주요한 탄화물들의 양이 제한되도록, 바람직하게는 강에 그런 주요한 탄화물들이 없도록, 제어되어야 한다.
실리콘(0.2-0.8%)
실리콘은 탈산(deoxidation)에 사용된다. Si는 강한 페라이트 형성제(ferrite former)이며 탄소 활동도를 증가시킨다. Si는 또한 강력한 고용체(solid-solution) 강화 원소이고 강 매트릭스를 강화시킨다. 이런 효과는 0.2%Si의 함량에서 나타난다. 바람직한 범위는 0.30-0.60%이다.
망간(0.2-1.0%)
망간은 오스테나이트 안정화제이고 강의 경화능(hardenability)을 개선하는데 기여한다. 그러므로, 망간은 0.2%, 바람직하게 적어도 0.3, 0.35 또는 0.4%의 최소 함량으로 존재할 것이다. Mn의 함량이 너무 클 때, 마무리 어닐링 후 잔류 오스테나이트의 양이 너무 높을 수 있다. 그러므로, 강은 최대 1.0% Mn, 바람직하게 최대 0.8, 0.7 또는 0.65%를 포함할 것이다.
크롬(12.0-15.0%)
크롬은 강에 내부식성을 주기 위하여 부가되는 페라이트 안정화 원소이다. Cr은 강 표면상에 부동태 피막을 제공하기 위하여 적어도 12.0%의 ?t량으로 존재할 필요가 있다. 하한은 12.4, 12.6, 12.8 또는 13%일 수 있다. 그러나, Cr의 함량이 15%를 초과할 때, 델타 페라이트가 형성될 수 있다.
몰리브덴(0.5-2.0%)
Mo는 페라이트 안정화제이고 경화능에 매우 유리한 효과를 가지는 것으로 알려졌다. 몰리브덴은 우수한 2차 경화 반응을 달성하기 위하여 필수적이다. 최소 함량은 0.5%이고 0.6, 0.7 또는 0.8%로 설정될 수 있다. 몰리브덴은 강한 탄화물 형성 원소이고 또한 강한 페라이트 형성제이다. 그러므로, 몰리브덴의 최대 함량은 2.0%이다. 바람직하게, Mo는 1.5, 1.3 또는 1.1%로 제한된다.
바나듐(0.01-0.20%)
바나듐은 강의 매트릭스 내에서 타입(V(N, C)의 균일하게 분포된 미세 석출된 탄화물들, 질화물들 및 탄화질화물들을 형성한다. 이런 경화상(hard phase)은 또한 MX로 나타낼 수 있고, 여기서 M은 주로 V이지만 Cr 및 Mo와 같은 다른 금속들이 어느 정도 존재할 수 있다. X는 C 및 N 중 하나 또는 둘 모두이다. 그러므로, 바나듐은 0.01-0.2%의 양으로 존재할 것이다. 상한은 0.1 또는 0.08%로 설정될 수 있다. 하한은 0.02, 0.03, 0.04 또는 0.05%일 수 있다.
질소(0.02-0.15%)
질소는 강한 오스테나이트 형성제이다. N은 경화상들, 특히 V(C, N)의 원하는 타입 및 양을 획득하기 위하여 0.15%로 제한된다. 더 높은 질소 함량은 가공 경화, 에지 크랙킹(cracking) 및/또는 많은 양의 잔류 오스테나이트를 유도할 수 있다. 질소 함량이 바나듐 함량에 대해 적절하게 밸런싱될 때, 바나듐 부유(rich) 탄화질화물들(V(C,N))이 형성될 것이다. 이들은 오스테나이트화 단계 동안 부분적으로 용해되고 그 다음으로 템퍼링 단계 동안 나노미터 사이즈의 입자들로서 석출될 것이다. 바나듐 탄화질화물들의 열적 안정성은 바나듐 탄화물들의 열적 안정성보다 더 나은 것으로 고려된다. 그러므로, 높은 오스테나이트화 온도들에서 그레인(grain) 성장에 대한 내성은 향상된다. 하한은 0.02, 0.03, 0.04 또는 0.05%일 수 있다. 상한은 0.12, 0.10, 0.08 또는 0.06%일 수 있다.
니켈(≤ 2.0%)
니켈은 오스테나이트 형성제이다. Ni는 ≤2.0%의 양으로 존재할 수 있다. 이는 강에게 우수한 경화능 및 인성을 제공한다. 그러나, 비용 때문에, 강의 니켈 함량은 제한되어야 한다. 그러므로, 상한은 1.0, 0.5 또는 0.5%로 설정될 수 있다. 그러나, Ni는 보통 의도적으로 부가되지 않는다.
코발트(≤ 2.0%)
코발트는 오스테나이트 형성제이다. Co는 고상선(solidus) 온도가 증가하게 하고 그러므로 경화 온도를 상승시키는 기회를 제공한다. 그러므로, 오스테나이트화 동안, 더 큰 분율의 탄화물들을 용해시키고 이에 의해 경화능을 향상시키는 것이 가능하다. Co는 또한 Ms 온도를 증가시킨다. 그러나, 많은 양의 Co는 인성 및 내마모성을 감소시킬 수 있다. 최대 양은 2%이고 0.5%로 설정될 수 있다. 그러나, 스크랩(scrap) 핸들링과 같은 현실적 이유들 때문에, Co의 의도적인 부가는 보통 이루어지지 않는다.
구리(≤ 2.0%)
Cu는 오스테나이트 안정화 원소이지만 페라이트에 낮은 용해도를 가진다. Cu는 강의 경도 및 내부식성을 증가시키는데 기여할 수 있다. 그러나, 부가되면 강으로부터 구리를 추출하는 것은 가능하지 않다. 이것은 스크랩 핸들링을 극단적으로 더 어렵게 만든다. 이런 이유 때문에, 상한은 1.0, 0.5, 또는 0.3%일 수 있다. 구리는 보통 의도적으로 부가되지 않는다.
알루미늄(≤ 0.06%)
알루미늄은 Si 및 Mn과 조합하여 탈산에 사용될 수 있다. 하한은 우수한 탈산을 보장하기 위하여 0.001, 0.003, 0.005 또는 0.007%로 설정된다. 상한은 바람직하지 않은 상들, 이를테면 AlN 및 단단하고, 취성의 알루미나 개재물들의 석출을 회피시키기 위하여 0.06%로 제한된다. 상한은 0.05, 0.04, 0.03, 0.02 또는 0.015%일 수 있다.
텅스텐(≤ 2%)
원래, 몰리브덴은 화학적 유사성들 때문에 2배만큼 많은 텅스텐으로 대체될 수 있다. 그러나, 텅스텐은 비싸고 또한 스크랩 금속의 핸들링을 복잡하게 한다. 그러므로, 최대 양은 2%, 바람직하게 0.5% 또는 0.3%로 제한되고 가장 바람직하게 의도적인 부가들은 이루어지지 않는다.
니오븀(≤ 0.05%)
니오븀은 타입 M(N,C)의 탄화질화물들을 형성하고 원래 바나듐의 일부를 대체하기 위하여 사용될 수 있지만 바나듐과 비교할 때 2배 양의 니오븀을 요구한다는 점에서 바나듐과 유사하다. 그러나, Nb는 M(N,C)의 더 각진 형상을 유발하고 이들은 또한 V(C,N)보다 훨씬 더 안정적이고 그러므로 오스테나이트화 동안 용해되지 않을 수 있다. 그러므로, 최대 양은 0.05%, 바람직하게 0.01%이고 가장 바람직하게 의도적인 부가들은 이루어지지 않는다.
Ti , Zr 및 Ta (각각 ≤ 0.05%)
이들 원소들은 탄화물 형성제들이고 경화상들의 조성을 변경하기 위하여 청구된 범위들에서 합금에 존재할 수 있다. 그러나, 보통 이들 원소들 중 어느 것도 부가되지 않는다.
붕소(≤ 0.01%)
B는 강의 경도를 추가로 증가시키기 위하여 사용될 수 있다. 양은 0.01%, 바람직하게 ≤ 0.005 또는 심지어 ≤ 0.001%로 제한된다.
Ca 및 REM(희토류 금속들)
이들 원소들은 열간 가공성(hot workability)을 추가로 개선하고 비-금속 개재물들의 형상을 수정하기 위하여 청구된 양들로 강에 부가될 수 있다.
불순물 원소들
P, S 및 O는 강 스트립의 기계적 특성들에 악영향을 가지는 주 불순물들이다. 그러므로, P는 0.03%, 바람직하게 0.01%로 제한될 수 있다. S는 0.03, 0.01, 0.008, 0.0005 또는 0.0002%로 제한될 수 있다. O는 0.003, 0.002 또는 0.001%로 제한될 수 있다.
본 발명자들은 플래퍼 밸브 재료의 기계적 특성들에 대한 수정된 화학 조성 및 수정된 열 처리의 효과를 체계적으로 조사하였다. 종래의 재료에 관련하여 화학 조성에 대해 이루어진 수정들은 질소 및 바나듐의 증가들에 주로 집중되었지만, 오스테나이트 레벨들의 증가들 및 그러한 원소들, 이를테면 탄소, 망간 및 인에 대한 더 엄격한 제어로부터 일부 이익들이 또한 획득되었다.
밸브 스트립의 연속적인 경화는 종래의 화학 조성과 수정된 화학 조성으로부터의 재료의 경화 반응을 맵핑하기 위하여 상이한 노(furnace) 파라미터들을 사용하여 착수되었다. 생산 시행들은 1000 ℃ 내지 1080℃ 범위의 경화 온도들로 일정한 라인 속도로 수행되었고, 용융된 납 합금을 250℃ 내지 350℃ 범위의 온도로 퀀칭(quenching)하고 그리고 220℃ 내지 600℃ 범위의 온도들에서 템퍼링하였다.
종래의 재료에 대한 이들 경화 시행들로부터 발생하는 기계적 특성들은 하기에 대응하였다:
● 항복 강도(Rp0 . 2)는 1300 MPa 내지 1600 MPa 범위임,
● 인장 강도(Rm)는 1740 MPa 내지 2100 MPa 범위임,
● 연신율(A50)은 4% 내지 6% 범위임.
추가 연속적인 경화 시행들은 수정된 화학 조성 및 비-금속 개재물 함량을 가진 재료에 대해 수행되었다. 생산 시행들은 1050 ℃ 내지 1100℃ 범위의 경화 온도들로 일정한 라인 속도로 수행되었고, 용융된 납 합금을 250℃ 내지 350℃ 범위의 온도로 퀀칭하고 그리고 220℃ 내지 600℃ 범위의 온도들에서 템퍼링하였다.
수정된 화학 조성 및 비-금속 개재물 함량을 가진 재료에 대해 추가 경화 시행들로부터 발생하는 기계적 특성들은 하기에 대응하였다:
● Rp0 .2는 1400 MPa 내지 1750 MPa 범위임,
● Rm은 1970 MPa 내지 2300 MPa 범위임,
● A50은 4% 내지 8% 범위임.
예
이 예에서, 본 발명에 따른 스테인레스 강 스트립은 종래의 스테인레스 강 스트립에 비교된다. 조사된 강들의 조성은 다음과 같았다:
종래 본 발명
C 0.38 0.40
Si 0.36 0.42
Mn 0.48 0.56
Cr 13.1 13.4
Mo 0.98 0.99
N 0.017 0.052
V 0.009 0.055
Ni 0.31 0.15
P 0.018 0.018
S 0.0004 0.0006
Fe 및 나머지 불순물들.
경화 및 템퍼링 시행들 모두에 대해 사용된 냉간 압연된 스트립들은 0.203 mm의 두께 및 140 mm의 폭을 가졌다. 스트립들은 위에서 언급된 연속적인 경화로(hardening furnace)에서의 경화 및 템퍼링에 영향을 받았다. 인장 강도 측정들은 ISO 6892:2009에 따라 이루어졌다. 도 1은 오스테나이트화 온도의 함수로서 인장 특성들을 개시한다. 도 2는 템퍼링 온도의 함수로서 인장 특성들을 개시한다.
산업적 적용가능성
본 발명의 강 스트립은 개선된 특성들을 가지는 압축기들에 대한 플래퍼 밸브들을 생산하기 위하여 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 압축기들의 플래퍼(flapper) 밸브들에 대한 냉간 압연되고 경화된 마르텐사이트계(martensitic)/오스테나이트계(austenitic) 스테인레스강 스트립(stainless steel strip)으로서,
    상기 스테인레스강 스트립은
    a) 중량%(wt.%)로,
    C 0.3 - 0.5
    Si 0.2 - 0.8
    Mn 0.2 - 1.0
    Cr 12.0 - 15.0
    Mo 0.5 - 2.0
    N 0.02 - 0.15
    V 0.01 - 0.20
    Ni ≤ 2.0
    Co ≤ 2.0
    Cu ≤ 2.0
    W ≤ 2.0
    Al ≤ 0.06
    Ti ≤ 0.05
    Zr ≤ 0.05
    Nb ≤ 0.05
    Ta ≤ 0.05
    B ≤ 0.01
    Ca ≤ 0.009
    REM ≤ 0.2
    Fe 및 나머지 불순물들
    로 이루어진 강으로 만들어지고,
    b) 템퍼링된 마르텐사이트 및 5 내지 15 부피% 오스테나이트로 이루어진 매트릭스를 가지며,
    c) 1970-2300 MPa의 인장 강도(Rm)를 가지며,
    d) 0.07- 3 mm의 두께 및 ≤ 500 mm의 폭을 가지는,
    압축기들의 플래퍼 밸브들에 대한 냉간 압연되고 경화된 마르텐사이트계/오스테나이트계 스테인레스강 스트립.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테인레스강 스트립은 다음 요건들:
    C 0.35 - 0.41
    Si 0.30 - 0.60
    Mn 0.40 - 0.65
    Cr 13 - 14
    Mo 0.8 - 1.2
    N 0.03 - 0.13
    V 0.02 - 0.10
    Ni ≤ 0.5
    Co ≤ 0.5
    Cu ≤ 0.5
    W ≤ 0.5
    Al ≤ 0.01
    Ti ≤ 0.01
    Zr ≤ 0.01
    Nb ≤ 0.01
    Ta ≤ 0.01
    B ≤ 0.001
    Ca 0.0005 - 0.002 중 적어도 하나를 충족하고, 그리고 여기서 P, S 및 O의 불순물 함량들은 다음 요건들:
    P ≤ 0.03
    S ≤ 0.03
    O ≤ 0.003을 충족하는,
    압축기들의 플래퍼 밸브들에 대한 냉간 압연되고 경화된 마르텐사이트계/오스테나이트계 스테인레스강 스트립.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스테인레스강 스트립은 다음 요건들:
    C 0.35 - 0.41
    Si 0.30 - 0.60
    Mn 0.40 - 0.65
    Cr 13 - 14
    Mo 0.8 - 1.2
    N 0.03 - 0.10
    V 0.03 - 0.09을 충족하는,
    압축기들의 플래퍼 밸브들에 대한 냉간 압연되고 경화된 마르텐사이트계/오스테나이트계 스테인레스강 스트립.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테인레스강 스트립은 다음 요건들:
    2000-2200 MPa의 인장 강도(Rm),
    1500-1750 MPa의 항복 강도(RP0.2),
    570-650의 비커스 경도(Vickers Hardness)(HV1),
    4-9%의 연성(A50) 중 적어도 하나를 충족하는,
    압축기들의 플래퍼 밸브들에 대한 냉간 압연되고 경화된 마르텐사이트계/오스테나이트계 스테인레스강 스트립.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테인레스강 스트립은 다음 요건들:
    역방향 굽힘 피로는 > 850 MPa를 충족하는,
    압축기들의 플래퍼 밸브들에 대한 냉간 압연되고 경화된 마르텐사이트계/오스테나이트계 스테인레스강 스트립.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테인레스강 스트립은 0.1 - 1.5 mm의 두께 및/또는 5 - 150 mm의 폭을 가지는,
    압축기들의 플래퍼 밸브들에 대한 냉간 압연되고 경화된 마르텐사이트계/오스테나이트계 스테인레스강 스트립.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    최대 구형 개재물(inclusion) 사이즈는 6 ㎛인,
    압축기들의 플래퍼 밸브들에 대한 냉간 압연되고 경화된 마르텐사이트계/오스테나이트계 스테인레스강 스트립.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    주요한 개재물 종들은 최대 4 ㎛의 폭을 가지는 규산염(silicate) 타입인,
    압축기들의 플래퍼 밸브들에 대한 냉간 압연되고 경화된 마르텐사이트계/오스테나이트계 스테인레스강 스트립.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 스트립을 생산하는 방법으로서,
    a) 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에서 정의된 바와 같은 조성을 가지는 강을 열간 압연하는 단계,
    b) 열간 압연된 스트립을 0.07-3mm의 두께로 냉간 압연하는 단계,
    c) 냉간 압연된 스트립을 연속적으로 경화 및 템퍼링하는 단계,
    d) 선택적으로, 상기 냉간 압연된 스트립을 슬릿팅(slitting)하는 단계
    를 포함하는,
    스트립을 생산하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    오스테나이트화 온도는 단계 c)에서 1000 - 1150 ℃이고 상기 템퍼링 온도는 200 - 600 ℃인,
    스트립을 생산하는 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 경화는 용융된 납 또는 납 합금의 욕(bath)에서 상기 스트립을 퀀칭(quenching)하는 것을 포함하고, 상기 욕은 바람직하게 250 - 350℃의 온도를 유지하는,
    스트립을 생산하는 방법.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용된 상기 강은 분말 야금학에 의해 생산되고 상기 강의 최대 구형(globular) 개재물 사이즈는 6 ㎛인,
    스트립을 생산하는 방법.
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