KR20210050774A - 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강이 개시된다. 개시된 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.1% 이하(0은 제외), N: 0.2% 이하(0은 제외), Si: 1.5 내지 2.5%, Mn: 6.0 내지 10.0%, Cr: 15.0 내지 17.0%, Ni: 0.3% 이하(0은 제외), Cu: 2.0 내지 3.0%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는 것을 특징으로 한다.
식(1): 3.2≤ 5.53+1.4Ni-0.16Cr+17.1(C+N)+0.722Mn+1.4Cu-5.59Si ≤ 7
식(2): 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu) ≤ 110
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu 는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.

Description

항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조 방법{AUSTENITIC STAINLESS STEEL WITH IMPOROVED YIELD RATIO AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것으로, 특히 1,050℃ 이상의 온도 조건에서 최종소둔을 진행하여도 항복비를 확보할 수 있는 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다.
최근 환경규제에 따라, 에너지 효율을 향상시키기 위해 자동차, 철도 등의 구조 부재에 적합한 구조용 강재의 경향화 및 고강도화뿐만 아니라, 승객의 안전을 위한 안전법규에 대응하기 위해 구조용 부재의 안정성, 충돌특성 및 내구성 향상이 요구되고 있다. 이와 함께, 구조용 재료의 생산형태는, 소비자들의 요구 및 시대흐름에 맞추어 과거의 소품종 대량생산 체계에서 다품종 소량생산 체계로 변화하였다.
스테인리스강(Stainless Steel)은 강도 및 성형성을 확보함으로써 환경규제 및 에너지효율 이슈에 대한 대안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라, 내식성 향상을 위한 별도의 설비투자를 필요로 하지 않으므로, 다품종 소량생산 체계에 적합한 소재로, 오스테나이트계 스테인리스강의 경우, 연신율이 뛰어나 복잡한 형상을 만드는데 문제가 없으며, 외관이 미려하여 성형이 필요한 분야에 적용이 가능하다.
다만, 오스테나이트계 스테인리스강은 일반적으로 구조용 탄소강에 비해 항복강도 및 항복비가 열위하다는 문제가 있다. 또한, 오스테나이트계 스테인리스강의 경우 마르텐사이트 변태에 의해 항복강도는 낮고 인장강도는 높아 상대적으로 항복비가 낮다.
낮은 항복비는 구조용 스테인리스강의 충돌 특성과 내구성을 열위하게 하고, 제작 시 금형의 수명을 감소시킬 뿐만 아니라 소성 불균일을 야기하는 문제가 있다. 따라서, 탄소강 수준의 항복강도와 높은 항복비를 확보할 수 있는 스테인리스강의 개발이 요구된다.
한편, 오스테나이트계 스테인리스강의 경우 일반적인 구조용 탄소강에 비해서 강재를 구성하고 있는 합금성분이 고가이다. 특히, 오스테나이트계 스테인리스강에 포함되는 Ni은 높은 소재 가격으로 인하여 가격경쟁력 측면에서 문제가 있고, 소재 가격의 극심한 변동에 의해 원료수급이 불안정할 뿐만 아니라 공급가의 안정성 확보가 어려워 자동차 등의 구조 부재로 적용하는데 제약이 있었다.
따라서, 고가의 합금원소인 Ni의 함량을 줄이면서도, 항복강도 및 연신율을 확보하면서도 항복비가 향상되어 자동차 등의 구조 부재로 적용 가능한 오스테나이트계 스테인리스강의 개발이 요구된다.
본 발명의 실시예들은 항복강도 및 연신율을 확보하면서도 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.1% 이하(0은 제외), N: 0.2% 이하(0은 제외), Si: 1.5 내지 2.5%, Mn: 6.0 내지 10.0%, Cr: 15.0 내지 17.0%, Ni: 0.3% 이하(0은 제외), Cu: 2.0 내지 3.0%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1) 및 식(2)를 만족한다.
식(1): 3.2≤ 5.53+1.4Ni-0.16Cr+17.1(C+N)+0.722Mn+1.4Cu-5.59Si ≤ 7
식(2): 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu) ≤ 110
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu 는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 식(3)을 만족할 수 있다.
식(3): [4.4+23(C+N)+1.3Si+0.24(Cr+Ni+Cu)+0.1*Mn] + 0.16*[((Cr+1.5Si+18)/(Ni+0.52Cu+30(C+N)+0.5Mn+36)+0.262)*161-161] ≥ 17
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu 는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 항복비가 0.6 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 항복강도가 600MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연신율이 35% 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법은, 중량%로, C: 0.1% 이하(0은 제외), N: 0.2% 이하(0은 제외), Si: 1.5 내지 2.5%, Mn: 6.0 내지 10.0%, Cr: 15.0 내지 17.0%, Ni: 0.3% 이하(0은 제외), Cu: 2.0 내지 3.0%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는 슬라브를 제조하는 단계; 상기 슬라브를 열간압연하는 단계; 상기 열간압연이 진행된 강판을 열연소둔하는 단계; 열연강판을 냉간압연하는 단계; 및 상기 냉간압연이 진행된 강판을 1,050℃ 이상에서 냉연소둔하는 단계; 를 포함한다.
식(1): 3.2≤ 5.53+1.4Ni-0.16Cr+17.1(C+N)+0.722Mn+1.4Cu-5.59Si ≤ 7
식(2): 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu) ≤ 110
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu 는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 슬라브는 하기 식(3)을 만족할 수 있다.
식(3): [4.4+23(C+N)+1.3Si+0.24(Cr+Ni+Cu)+0.1*Mn] + 0.16*[((Cr+1.5Si+18)/(Ni+0.52Cu+30(C+N)+0.5Mn+36)+0.262)*161-161] ≥ 17
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu 는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉연소둔은, 10초 내지 10분간 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열간압연은, 1,100 내지 1,300℃에서 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열연소둔은, 1,000 내지 1,100℃에서 10초 내지 10분간 수행될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연신율 및 항복강도를 확보하면서도 항복비가 향상된 저원가 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 식 (1)의 값 식(2)의 값의 관계를 설명하기 위한 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.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.1% 이하(0은 제외), N: 0.2% 이하(0은 제외), Si: 1.5 내지 2.5%, Mn: 6.0 내지 10.0%, Cr: 15.0 내지 17.0%, Ni: 0.3% 이하(0은 제외), Cu: 2.0 내지 3.0%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 함금성분 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.1% 이하(0은 제외)이다.
탄소(C)는 오스테나이트상 안정화에 효과적인 원소로, 오스테나이트계 스테인리스강의 항복강도를 확보하기 위해 첨가한다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 고용강화 효과에 의해 냉간가공성을 저하시킬 뿐만 아니라 Cr탄화물의 입계 석출을 유도하여 연성, 인성, 내식성 등에 악영향을 미칠 수 있으므로 그 상한을 0.1%로 한정할 수 있다.
N의 함량은 0.2% 이하(0은 제외)이다.
질소(N)는 강력한 오스테나이트 안정화 원소로, 오스테나이트계 스테인리스강의 내식성 및 항복강도 향상에 효과적인 원소이다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 고용강화 효과에 의해 냉간가공성을 저하시킬 수 있으므로 그 상한을 0.2%로 한정할 수 있다.
Si의 함량은 1.5 내지 2.5%이다.
실리콘(Si)은 제강공정 중 탈산제의 역할을 함과 동시에 내식성을 향상시키는데 효과적인 원소로 1.5% 이상 첨가할 수 있다. 그러나 Si은 페라이트상 안정화에 효과적인 원소로써 과잉 첨가 시 주조 슬라브 내 델타(δ) 페라이트 형성을 조장하여 열간가공성을 저하시킬 뿐만 아니라 고용강화 효과에 의한 강재의 연성/인성을 저하시킬 수 있으므로 그 상한을 2.5%로 한정할 수 있다.
Mn의 함량은 6.0 내지 10.0%이다.
망간(Mn)은 본 발명에서 니켈(Ni) 대신 첨가되는 오스테나이트상 안정화 원소로, 가공유기 마르텐사이트 생성을 억제하여 냉간 압연성을 향상시키기 위해 6.0% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, S계 개재물(MnS)을 과량 형성하여 오스테나이트계 스테인리스강의 연성, 인성 및 내식성을 저하시킬 수 있으며, 제강 공정도중 Mn 흄을 발생시켜 제조상 위험성을 동반하므로 그 상한을 10.0%로 한정할 수 있다.
Cr의 함량은 15.0 내지 17.0%이다.
크롬(Cr)은 페라이트 안정화 원소이지만 마르텐사이트상 생성 억제에 있어서 효과적이며, 스테인리스강에 요구되는 내식성을 확보하는 기본 원소로 15% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 제조비용이 상승하고, 슬라브 내 델타(δ) 페라이트를 형성하여 열간가공성의 저하를 초래함에 따라 그 상한을 17.0%로 한정할 수 있다.
Ni의 함량은 0.3% 이하(0은 제외)이다.
니켈(Ni)은 강력한 오스테나이트상 안정화 원소로써 양호한 열간 가공성 및 냉간 가공성을 확보하기 위해서는 필수적이다. 그러나 Ni은 고가의 원소임에 따라 다량의 첨가 시 원료비용의 상승을 초래한다. 이에, 강재의 비용 및 효율성을 모두 고려하여 그 상한을 0.3%로 한정할 수 있다.
Cu의 함량은 2.0 내지 3.0%이다.
구리(Cu)는 본 발명에서 니켈(Ni) 대신 첨가되는 오스테나이트상 안정화 원소로, 환원 환경에서의 내식성을 향상시키기 위해 2.0% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 소재비용의 상승뿐만 아니라 액상화 및 저온취성의 문제점이 있다. 이에 강재의 비용-효율성 및 재질특성을 고려하여 그 상한을 3.0%로 한정할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 강도가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, P: 0.035% 이하 및 S: 0.01% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
P의 함량은 0.035% 이하이다.
인(P)은 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로, 입계 부식을 일으키거나 열간가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기 P 함량의 상한을 0.035% 이하로 관리한다.
S의 함량은 0.01% 이하이다.
황(S)은 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로, 결정립계에 편석되어 열간가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기 S 함량의 상한을 0.01% 이하로 관리한다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
최근에는 구조용 강재의 경향화뿐만 아니라, 안정성이 주요한 이슈이다. 이에 따라, 자동차 부재, 각종 구조물 부재 및 하중이 부여되는 환경에서 사용되는 강재는 우수한 강도뿐만 아니라, 높은 항복비를 요구한다.
항복비는 항복강도(Yield Strength)를 인장강도(Tensile Strength)로 나눈 값으로, 제작 및 사용의 측면에서 구조용 강재에서 중요하게 고려되는 물성값이다. 오스테나이트계 스테인리스강은 일반적으로 항복비가 매우 낮은 특성을 지니고 있다. 항복비가 낮은 경우, 부품의 형상을 변경해야 하는 등 구조부재로 사용하기 위한 제약사항이 존재한다.
구조부재에서, 실제 하중을 지지하기 위해 요구되는 메인 물성은 항복강도이다. 하중이 구조부재의 항복강도를 초과할 경우, 구조부재의 뒤틀림이 발생하고, 이로 인해 응력 불균일이 발생하여 극단적으로는 구조부재의 파괴가 일어나는 문제점이 있다. 즉, 구조부재의 소재에 있어서 높은 항복강도는 구조재의 안정성과 사용자의 신뢰를 확보하기 위한 필수 요소이다.
반면, 인장강도가 상승함에 따라, 소재의 변형에 많은 양의 에너지를 투입하여야 하며, 제작 장치의 수명단축을 유발하는 문제점이 있다. 따라서 구조부재의 안정적인 하중지지와 동시에 산업적인 측면을 고려할 경우, 항복비를 향상시키는 것이 중요하다.
또한, 오스나이트계 스테인리스강의 가격경쟁력을 확보하기 위해서는 Ni 등 고가의 오스나이트 안정화 원소의 함량을 줄여야 하고, 이를 보상할 수 있는 Mn, N, Cu 첨가량을 예측하는 것이 요구된다.
하지만, 이와같이 가격 경쟁력을 확보하기 위해 Ni을 저감하고, Mn, N, Cu 등을 첨가하는 경우에는, 가공경화가 급격하게 발생하여 항복비를 저하시키는 문제가 있다. 오스테나이트계 스테인리스강의 항복비가 낮아지는 경우에는, 제품 제작 시 변형에 의한 급격한 강도 상승으로 성형도구 및 틀의 수명이 단축되는 문제가 있다.
이를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 Si, N 등을 첨가하고, Mn, Ni 및 N 사이의 성분관계식을 조절함으로써 변형거동을 제어하여 오스테나이트계 스테인리스강의 항복비를 향상시키고자, 하기 식(1)을 도출하였다.
식(1): 5.53+1.4Ni-0.16Cr+17.1(C+N)+0.722Mn+1.4Cu-5.59Si
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu 는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은 상기 식 (1) 로 표현되는 값이 3.2 이상 7 이하의 범위를 만족한다.
본 발명자들은 식 (1)의 값이 낮을수록, 외부 응력에 의한 오스테나이트상의 크로스 슬립 발현이 어려워 지는 것을 확인하였다. 구체적으로, 식 (1)의 값이 3.2 미만인 경우, 오스테나이트계 스테인리스강은 변형에 대해서 플래너(planar) 슬립거동만을 나타내어 외부 응력에 의한 전위의 축적이 진행되고, 소성불균일 및 높은 가공경화를 나타낸다. 이에 따라, 오스테나이트계 스테인리스 강의 연신율 및 항복비가 감소하는 문제가 있어, 식 (1)의 값 하한을 3.2로 한정하고자 한다.
반면, 식 (1)의 값이 지나치게 높으면 크로스 슬립이 빈번하게 발현되어, 강재의 취약부분에 응력이 집중되는 소성불균일 발생이 증가하는 문제가 있다. 이러한 취성과 소성불균일은 강재의 강도가 높을수록 그 영향력이 커지는 바, 강재의 연신율을 확보할 수 없는 문제가 있어, 식(1)의 상한을 7로 한정하고자 한다.
또한, 본 발명에서는 오스테나이트계 스테인리스강의 변형에 의해 발생하는 상변태를 고려하여, 하기 식(2)를 도출하였다.
식(2): 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu)
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu 는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은 상기 식 (2) 로 표현되는 값이 110 이하의 범위를 만족한다.
본 발명자들은 식 (2)의 값이 높을수록, 외부의 응력에 의해서 오스테나이트상이 마르텐사이트로 쉽게 변태하는 것을 확인하였다. 구체적으로, 식 (2)의 값이 110 초과인 경우, 외부 변형에 의해 오스테나이트계 스테인리스강은 급격한 변형유기 마르텐사이트 변태거동을 나타내고, 소성불균일이 발생하였다. 이에 따라, 오스테나이트계 스테인리스강의 연신율 및 항복비가 감소하는 문제가 있어, 식 (2)의 값 상한을 110으로 한정하고자 한다.
또한, 본 발명에서는 오스테나이트계 스테인리스강의 항복강도를 확보하기 위해, 강재의 스트레스 필드에 의한 항복강도 영향을 고려하여 하기 식(3)을 도출하고, 오스테나이트계 스테인리스강의 잔류 페라이트 함량을 나타내는 하기 식(4)를 도출하였다.
식 (3): 4.4+23(C+N)+1.3Si+0.24(Cr+Ni+Cu)+0.1*Mn
식 (4): ((Cr+1.5Si+18)/(Ni+0.52Cu+30(C+N)+0.5Mn+36)+0.262)*161-161
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu 는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
식(3)의 값이 높을수록, 합금에서 원소간 원자크기 차이에 의한 격자 사이의 스트레스 필드가 증가하여 외부 응력에 대항하여 소성변형을 인내하는 한계치가 증가한다.
식(4)는 고온에서 페라이트상의 안정도를 나타내는 것으로, 식(4)의 값이 높을수록 고온에서 생성되는 페라이트 양이 증가하게 되고, 이에 따라 상온에서 잔류하는 페라이트 분율이 증가한다. 이에 따라, 오스테나이트계 스테인리스강의 항복강도를 향상시킬 수 있다.
본원발명에서는 오스테나이트계 스테인리스강의 항복강도를 확보하기 위해, 스트레스 필드에 의한 항복강도 영향과 페라이트 분율을 동시에 고려하고, 상기 식(3)과 식(4)의 관계를 정립하여, 하기 식 (5)를 도출하였다.
식(5): [4.4+23(C+N)+1.3Si+0.24(Cr+Ni+Cu)+0.1*Mn] + 0.16*[((Cr+1.5Si+18)/(Ni+0.52Cu+30(C+N)+0.5Mn+36)+0.262)*161-161]
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu 는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
상기 식(5)에서, 0.16은 스트레스 필드에 의한 항복강도 영향이 더 크게 작용한 것을 고려한 가중치이다. 해당 가중치는 현재 상용화된 소재와 개발중인 소재들로부터 실험적으로 도출된 상수이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은 상기 식 (5) 로 표현되는 값이 17 이상의 범위를 만족한다. 식(5)의 값이 17 미만일 경우, 오스테나이트계 스테인리스 강의 항복강도를 600MPa 이상으로 확보할 수 없는 문제가 있다.
상기 합금원소 조성 범위 및 관계식을 만족하는 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, 0.6 이상의 항복비(항복강도/인장강도), 600MPa 이상의 항복강도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 35% 이상의 연신율을 확보할 수 있다.
전술한 바와 같이, 오스테나이트계 스테인리스강임에도 불구하고 높은 항복강도와 항복비를 도출할 수 있다. 이에 따라, 오스테나이트계 스테인리스강의 성형 및 구조부재 제작이 용이할 뿐만 아니라, 제작된 구조부재의 안정성과 사용자의 신뢰를 확보할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 강도가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법은, 중량%로, C: 0.1% 이하(0은 제외), N: 0.2% 이하(0은 제외), Si: 1.5 내지 2.5%, Mn: 6.0 내지 10.0%, Cr: 15.0 내지 17.0%, Ni: 0.3% 이하(0은 제외), Cu: 2.0 내지 3.0%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는 슬라브를 제조하는 단계; 상기 슬라브를 열간압연하는 단계; 상기 열간압연이 진행된 강판을 열연소둔하는 단계; 열연강판을 냉간압연하는 단계; 및 상기 냉간압연이 진행된 강판을 1,050℃ 이상에서 냉연소둔하는 단계; 를 포함한다.
합금원소 함량의 수치 한정 이유에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
상기의 조성을 포함하는 스테인리스강을 연속주조 또는 강괴주조에 의해 주편으로 제작하고, 일련의 열간압연, 열연소둔을 수행한 후, 냉간압연 및 냉연소둔을 하여 최종 제품을 형성할 수 있다.
종래에는, 오스테나이트계　스테인리스강의 강도를 향상시키기 위한 방법으로　조질압연(skin　pass　rolling)을 도입하였다. 조질압연은 냉간변형 중에　오스테나이트상이 가공유기 마르텐사이트로 변태함에 따라 높은 가공경화가 나타나는 현상을 이용하거나 강재의 전위 쌓임을 이용하는 방법이다. 그러나 이와 같이　조질압연이 적용된 오스테나이트계　스테인리스강은 연신율이 급격히 저하되어 후속 가공이 어렵고, 표면 결함이 발생하는 단점이 있다.
또한, 조질압연을 쉽게 수행하기 위해서 일반적으로 전위 쌓임과 상변태가 용이한 합금성분계를 활용하게 되는데, 이때 가공경화는 높게, 항복비는 낮게 도출되어 강재의 소성불균형을 유발하는 문제가 있다.
한편, 종래에는 오스테나이트계 스테인리스강의 항복강도를 향상시키기 위한 방법으로 1,000
Figure pat00001
이하의 저온에서 최종 냉연소둔을 진행하였다. 저온소둔은 재결정을 완료시키지 않고 냉간압연 도중에 소재에 축적된 에너지를 이용하는 방법이다. 그러나 이와 같이 저온소둔이 적용된 오스테나이트계 스테인리스강은 재질 분포가 불균일하고, 후속공정인 산세공정에서 산세 효과를 충분히 확보할 수 없을 뿐만 아니라 표면형상이 미려하지 못하다는 단점이 있다.
본 발명에서는, 전술한 조질압연과 저온소둔의 단점을 해결하기 위한 방법으로, 1,050℃ 이상의 고온에서 냉연소둔 하더라도 오스테나이트계 스테인리스강의 항복비를 확보하고자 하였다.
예를 들어, 슬라브는 통상의 압연온도인 1,100 내지 1,300℃의 온도에서 열간압연할 수 있으며, 열연강판은 1,000 내지 1,100℃의 온도 범위에서 열연 소둔될 수 있다. 이때, 열연 소둔은 10초 내지 10분 동안 진행될 수 있다.
이후, 열연강판을 냉간압연하여 박물로 제조할 수 있다.
본 발명에서는 냉간압연 후, 1,050℃ 이상의 비교적 높은 온도에서 냉연소둔 열처리함으로써 600Mpa 이상의 항복강도, 0.6 이상의 항복비, 35% 이상의 연신율을 확보하고자 하였다.
냉연 소둔은 1,050℃ 이상의 온도에서 진행할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉연 소둔은 1,050℃ 이상의 온도에서 10초 내지 10분간 진행할 수 있다.
이와 같이, 합금성분 및 성분 관계식을 제어하는 경우, 추가적인 조질압연 또는 저온소둔을 진행하지 않고, 일반적인 냉간압연 및 냉연소둔을 거쳐 최종 냉연 소둔재에서도 우수한 항복강도 및 항복비를 확보할 수 있어, 가격경쟁력을 확보할 수 있다.
본 발명에 따른 강도가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 예를 들어, 성형용 일반 제품에 사용될 수 있고, 슬래브(slab), 블룸(bloom), 빌렛(billet), 코일(coil), 스트립(strip), 플레이트(plate), 시트(sheet), 바(bar), 로드(wire), 와이어(wire), 형강(shape steel), 파이프(pipe), 또는 튜브(tube)와 같은 제품으로 제조되어 이용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
하기 표 1에 나타낸 다양한 합금 성분범위에 대하여, 잉곳(Ingot) 용해를 통해 슬라브를 제조하고, 1,250℃에서 2시간 가열한 후 열간압연을 진행 하였으며, 열간압연 이후 1,100℃에서 90초간 열연소둔을 진행하였다. 이후, 70%의 압하율로 냉간압연을 진행하였으며, 냉간압연 이후 1,100℃에서 냉연소둔을 진행하였다.
각 실험 강종에 대한 합금 조성(중량%)과 식(1)의 값, 식(2)의 값, 식(3)의 값, 식(4)의 값 및 식(5)의 값을 아래 표 1에 나타내었다.
성분(중량%) 식(1) 식(2) 식(3) 식(4) 식(5)
C Si Mn Ni Cr Cu N
실시예 1 0.05 2.0 9.5 0.13 16.0 2.0 0.13 4.71 91.5 16.4 7.1 17.6
실시예 2 0.08 2.0 6.0 0.13 16.0 2.5 0.13 3.40 91.5 16.9 8.7 18.3
실시예 3 0.06 1.5 8.0 0.20 17.0 2.0 0.15 6.87 78.7 16.6 7.3 17.8
비교예 1 0.12 0.6 0.9 7.0 17.1 0.0 0.05 12.44 28.2 14.9 1.2 15.1
비교예 2 0.055 0.4 1.1 8.1 18.2 0.1 0.04 14.28 5.5 13.6 6.1 14.5
비교예 3 0.08 2.0 9.5 0.13 14.2 0.1 0.13 2.85 157.4 16.2 1.2 16.4
비교예 4 0.13 2.0 7.0 0.13 16.0 1.0 0.13 2.87 103.8 17.8 5.4 18.7
비교예 5 0.08 1.0 6.0 0.13 16.0 2.5 0.13 8.99 100.7 15.6 3.5 16.2
비교예 6 0.08 1.5 6.0 0.2 15.0 2.0 0.15 6.09 113.0 16.4 1.6 16.6
비교예 7 0.08 2.0 6.5 0.13 14.5 1.0 0.10 1.38 165.4 15.5 7.4 16.7
비교예 8 0.05 1.5 7.5 0.5 16.0 2.5 0.11 6.94 96.3 15.3 7.1 16.5
상기 조성과 같이 냉간압연된 소재에 대해, 1,100℃에서 에서 10초간 냉연소둔을 시행한 후, 냉연소둔재의 연신율, 항복강도, 인장강 및 항복비를 측정하였다. 구체적으로, 상온인장 실험은 ASTM 규격에 의거하여 진행하였고, 그에 따라 측정된 항복강도(Yield Strength, MPa), 인장강도(Tensile Strength, MPa), 연신율(Elongation, %) 및 항복비(Yield Ratio)를 아래 표 2에 기재하였다.
항복강도 (MPa) 인장강도 (MPa) 연신율(%) 항복비
실시예 1 629.4 876.0 45.9 0.72
실시예 2 695.2 1157.4 36.3 0.60
실시예 3 612.6 983.8 50.3 0.62
비교예 1 329.3 754.4 54.7 0.43
비교예 2 294.2 667.4 53.2 0.44
비교예 3 397.0 1341.9 42.9 0.30
비교예 4 677.7 1449.0 39.3 0.47
비교예 5 561.6 1251.5 27.8 0.45
비교예 6 477.5 1276.9 36.1 0.37
비교예 7 422.4 1490.6 23.1 0.28
비교예 8 475.0 854 54.8 0.56
도 1은 본 발명의 식 (1)의 값 식(2)의 값의 관계를 설명하기 위한 그래프이다. 도 1을 참조하면, 식(1) 및 식(2)의 범위를 만족하지만 비교예로 표기된 것은 식 (5)의 값이 17에 미달하는 비교예 8에 해당한다.
표 2를 참조하면, 본 발명이 제시하는 합금 조성과 식(1)의 값, 식(2)의 값 및 식(5)의 값의 범위를 만족하는 실시예 1 내지 3의 경우, 600 MPa 이상의 항복강도, 0.6 이상의 항복비 확보가 가능할 뿐만 아니라, 35% 이상의 우수한 연신율을 확보할 수 있음을 확인하였다. 또한, 고가의 오스나이트 안정화 원소인 Ni 함량을 량을 낮출 수 있어, 오스테나이트계 스테인리스강의 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
비교예 1 및 2는 상용적으로 생산되는 규격 오스테나이트계 스테인리스강으로, 본 발명에서 제안하는 합금 성분범위 특히, 7% 이상의 Ni 이 첨가되어 가격 경쟁력을 확보할 수 없을 뿐만 아니라, 식 (5)의 값이 17에 미달하여 목표하는 600 MPa 이상의 항복강도를 확보할 수 없었다.
비교예 3은 본 발명에서 제안하는 식(1), 식(2), 식(5)의 범위를 모두 만족시키지 못하여 낮은 항복강도와 급격한 가공경화에 인한 낮은 항복비가 도출되었음을 확인할 수 있다.
비교예 4는 식(1)의 값이 2.87로 3.2에 미달하는 경우로, 식(2)의 값이 110 이하를 만족하여 변형도중 급격한 마르텐사이트 변태가 발생하지 않고, 식(5)의 값이 17 이상을 만족하여 매우 우수한 항복강도를 확보할 수 있으나,
식(1)의 값이 낮아, 외부 응력에 의한 전위의 축적이 진행되고 이에 따라 인장강도가 급격하게 증가하여 0.6 이상의 항복비를 확보할 수 없었다.
비교예 5는 식(1)의 값이 8.99로 7을 초과하는 경우로, 소성 불균일이 크게 발생하여 연신율이 매우 낮은 것을 확인할 수 있다.
비교예 6 및 비교예 7은 식(2)의 값이 각각 113.0, 165.4로 110을 초과하는 경우로, 변형에 의한 마르텐사이트 상변태가 급격하게 발생하여 인장강도가 급격하게 증가하여 0.6 이상의 항복비를 확보할 수 없었다. 특히 비교예 6은 본 발명이 제안한 합금 조성에 속하고, 식(1) 및 식(5)의 범위를 만족하지만 식(2)를 불만족하여 인장강도가 급격히 증가함에 따라 항복비가 0.28로 낮게 도출되었다.
비교예 8은 본 발명이 제안한 합금 조성에 속하는 강종으로 식(1) 및 식(2)의 범위를 만족하여, 변형에 의한 가공경화의 제어를 통해 항복비는 0.6 이상으로 확보할 수 있었으나, 식 (5)의 값이 17에 미달하여 목표하는 600 MPa 이상의 항복강도를 확보할 수 없었다.
이와 같이, 개시된 실시예에 따르면, 합금성분과 관계식을 제어함으로써, 0.6 이상의 항복비, 600MPa 이상의 항복강도, 35% 이상의 연신율을 확보한 오스테나이트계 스테인리스강을 제조할 수 있다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 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 (10)

  1. 중량%로, C: 0.1% 이하(0은 제외), N: 0.2% 이하(0은 제외), Si: 1.5 내지 2.5%, Mn: 6.0 내지 10.0%, Cr: 15.0 내지 17.0%, Ni: 0.3% 이하(0은 제외), Cu: 2.0 내지 3.0%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
    식(1): 3.2≤ 5.53+1.4Ni-0.16Cr+17.1(C+N)+0.722Mn+1.4Cu-5.59Si ≤ 7
    식(2): 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu) ≤ 110
    (여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu 는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.)
  2. 제1항에 있어서,
    하기 식(3)을 만족하는 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
    식(3): [4.4+23(C+N)+1.3Si+0.24(Cr+Ni+Cu)+0.1*Mn] + 0.16*[((Cr+1.5Si+18)/(Ni+0.52Cu+30(C+N)+0.5Mn+36)+0.262)*161-161] ≥ 17
    (여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu 는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.)
  3. 제1항에 있어서,
    항복비가 0.6 이상인 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
  4. 제1항에 있어서,
    항복강도가 600MPa 이상인 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
  5. 제1항에 있어서,
    연신율이 35% 이상인 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
  6. 중량%로, C: 0.1% 이하(0은 제외), N: 0.2% 이하(0은 제외), Si: 1.5 내지 2.5%, Mn: 6.0 내지 10.0%, Cr: 15.0 내지 17.0%, Ni: 0.3% 이하(0은 제외), Cu: 2.0 내지 3.0%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1) 및 식(2)를 만족하는 슬라브를 제조하는 단계;
    상기 슬라브를 열간압연하는 단계;
    상기 열간압연이 진행된 강판을 열연소둔하는 단계;
    열연강판을 냉간압연하는 단계; 및
    상기 냉간압연이 진행된 강판을 1,050℃ 이상에서 냉연소둔하는 단계; 를 포함하는 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
    식(1): 3.2≤ 5.53+1.4Ni-0.16Cr+17.1(C+N)+0.722Mn+1.4Cu-5.59Si ≤ 7
    식(2): 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-13.7Cr-29(Ni+Cu) ≤ 110
    (여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu 는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.)
  7. 제6항에 있어서,
    상기 슬라브는, 하기 식(3)을 만족하는 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
    식(3): [4.4+23(C+N)+1.3Si+0.24(Cr+Ni+Cu)+0.1*Mn] + 0.16*[((Cr+1.5Si+18)/(Ni+0.52Cu+30(C+N)+0.5Mn+36)+0.262)*161-161] ≥ 17
    (여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu 는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.)
  8. 제6항에 있어서,
    상기 냉연소둔은, 10초 내지 10분간 수행되는 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 열간압연은, 1,100 내지 1,300℃에서 수행되는 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 열연소둔은, 1,000 내지 1,100℃에서 10초 내지 10분간 수행되는 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
KR1020190135211A 2019-10-29 2019-10-29 항복비가 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조 방법 KR102272785B1 (ko)

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