KR20220084139A - 오스테나이트계 스테인리스강 및 스프링 - Google Patents

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고타로 세키무카이
가즈나리 이마카와
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닛테츠 스테인레스 가부시키가이샤
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Abstract

질량 기준으로, C：0.01~0.2%, Si：2% 이하, Mn：3% 이하, P：0.035% 이하, S：0.03% 이하, Ni：6~14%, Cr：20~26%, Mo：3% 이하, Cu：0.01~3%, Ti：1% 이하, Al：0.2% 이하, Ca：0.1% 이하, N：0.1~0.25%, O：0.008% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, 하기 식 (1)의 E값이 -17.0 이상, 하기 식 (2)의 F값이 0 이상인, 오스테나이트계 스테인리스강이다. E=-0.33×SFE＋0.25×R (1) 식 (1) 중, SFE=25.7＋2Ni＋410C-0.9Cr-77N-13Si-1.2Mn(각 원소 기호는, 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다)이고, R은 평균 결정 입경(μm). F=1003O-211Al-158Ca-79Ti (2) 식 (2) 중, 각 원소 기호는, 각 원소의 함유량(질량%).

Description

오스테나이트계 스테인리스강 및 스프링
본 발명은, 오스테나이트계 스테인리스강 및 스프링에 관한 것이다.
오스테나이트계 스테인리스강의 일종인 SUS316L은, 해수나 염수 등의 부식 환경 하에 있어서의 내식성이 양호함과 더불어, 가공성도 뛰어난 점에서, 가정용품, 건축 부재, 자동차 부품 등의 여러 가지 용도로 이용되고 있다. 그러나, SUS316L은, 용도에 따라서는 내식성이 충분하다고는 할 수 없는 데다가, 고가의 원소(Mo나 Ni 등)를 많이 포함하기 때문에, 제품 가격이 높아진다.
고가의 원소의 사용을 극력 억제하면서 내식성을 향상시킨 오스테나이트계 스테인리스강으로서, 특허문헌 1에는, 표면으로부터 내층으로 순서대로, γ상 중에 Fe와 Cr의 질화물을 포함한 최표층과, N을 10질량% 이상 과포화로 고용한 S상으로 이루어지는 층과, 탄소의 농화층의 3층을, 표면에 갖는 오스테나이트계 스테인리스강이 제안되어 있다. 그러나, 특허문헌 1에 기재된 오스테나이트계 스테인리스강은, 표면에 소정의 층을 형성하기 위해 복잡한 표면 처리가 필요하기 때문에, 제조 효율이 낮고, 당해 표면 처리를 행하기 위해 비용이 더 든다는 문제가 있다.
한편, 오스테나이트·페라이트 이상계 스테인리스강의 일종인 SUS329J1은, 해수나 염수 등의 부식 환경 하에 있어서의 내식성이 SUS316L보다 양호함과 더불어, 고가의 원소(Ni)의 함유량을 저감할 수 있는 점에서, 저수조나 화학 플랜트 등의 여러 가지 용도로 이용되고 있다. 그러나, SUS329J1은, SUS316L에 비해 가공성이 뒤떨어지는 점에서, 복잡한 성형 가공이 실시되는 용도에는 적용하는 것이 어렵다.
또, 오스테나이트계 스테인리스강을 스프링재로서 이용하는 경우, 피로 특성의 향상이 요구되고 있다. 특히, 근래, 휴대 전화 단말이나 가전제품 등의 전자기기의 소형화에 수반하여, 전자기기에 설치되어 있는 택트스위치용 메탈 돔 등의 스프링재에는, 장기 수명화의 관점에서 피로 특성의 향상이 요구되고 있다(특허문헌 2).
일본국 특허공개 2016-188417호 공보 일본국 특허공개 2020-41203호 공보
본 발명은, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, SUS316L보다 높은 레벨의 내식성을 갖고, SUS329J1보다 가공성이 뛰어나며, 게다가 피로 특성이 양호한 염가의 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또, 본 발명은, 이 오스테나이트계 스테인리스강을 포함하는 스프링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 우선, SUS316L의 조성을 베이스로 오스테나이트계 스테인리스강의 조성에 대해 검토했다. Ni의 함유량을 저감했을 경우, 페라이트상(이하, 「α상」이라고 한다)의 안정 온도역이 넓어지기 때문에, 상온에 있어서도 오스테나이트상(이하, 「γ상」이라고 한다)과 α상의 2상 조직이 되는 경우가 있다. γ상 중에 α상이 존재하면, 그들의 강도차에 의해 가공성이 저하한다. 따라서, α상과 γ상의 밸런스를 확보하기 위해, γ생성 원소(Mn, Cu, N 등)의 첨가가 필요하게 된다. 그러나, Mn이나 Cu의 함유량을 증가하면 내식성이 저하하고, 또, N의 함유량을 증가하면 경도가 상승하여 가공성이 저하한다. 또, 피로 특성의 저하는, 알루미나계의 조대한 개재물이 압연에 의해서도 분단되기 어렵고, 오스테나이트계 스테인리스강 중에 잔존하는 것에 기인하고 있기 때문에, 이 조대한 개재물의 생성량을 줄이는 것이 중요해진다. 그래서, 본 발명자들은, 저(低)비용으로 가공성, 내식성 및 피로 특성의 향상을 도모할 수 있도록 오스테나이트계 스테인리스강의 조성의 최적화를 행했다.
또, 본 발명자들은, 여러 가지 조성을 갖는 오스테나이트계 스테인리스강을 제작하여 분석을 행한 결과, 평균 결정 입경(R) 및 적층 결함 에너지(SFE)가 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성과 밀접하게 관계되어 있음과 더불어, Al, Ca, Ti 및 O의 함유량의 밸런스가 오스테나이트계 스테인리스강의 피로 특성과 밀접하게 관계되어 있다는 지견을 얻었다.
상기와 같은 배경 아래, 오스테나이트계 스테인리스강의 조성과, 평균 결정 입경(R) 및 적층 결함 에너지(SFE)를 파라미터로 하는 E값과, Al, Ca, Ti 및 O의 함유량을 파라미터로 하는 F값을 제어함으로써, 상기의 문제를 해결할 수 있는 것을 찾아내어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은, 질량 기준으로, C：0.010~0.200%, Si：2.00% 이하, Mn：3.00% 이하, P：0.035% 이하, S：0.030% 이하, Ni：6.00~14.00%, Cr：20.0~26.0%, Mo：3.00% 이하, Cu：0.01~3.00%, Ti：1.000% 이하, Al：0.200% 이하, Ca：0.1000% 이하, N：0.100~0.250%, O：0.0080% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, 하기 식 (1)로 나타내어지는 E값이 -17.0 이상이고, 하기 식 (2)로 나타내어지는 F값이 0 이상인, 오스테나이트계 스테인리스강이다.
E=-0.33×SFE＋0.25×R (1)
식 (1) 중, SFE는, 25.7＋2Ni＋410C-0.9Cr-77N-13Si-1.2Mn(각 원소 기호는, 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다)이고, R은 평균 결정 입경(μm)이다.
F=1003O-211Al-158Ca-79Ti (2)
식 (2) 중, 각 원소 기호는, 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.
또, 본 발명은, 상기 오스테나이트계 스테인리스강을 포함하는, 스프링이다.
본 발명에 의하면, SUS316L보다 높은 레벨의 내식성을 갖고, SUS329J1보다 가공성이 뛰어나며, 게다가 피로 특성이 양호한 염가의 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다. 또, 본 발명에 의하면, 이 오스테나이트계 스테인리스강을 포함하는 스프링을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 구체적으로 설명한다. 본 발명은 이하의 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서, 당업자의 통상의 지식에 의거하여, 이하의 실시 형태에 대해 변경, 개량 등이 적절히 더해진 것도 본 발명의 범위에 들어가는 것이 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에 있어서 성분에 관한 「%」 표시는, 특별히 언급하지 않는 한 「질량%」를 의미한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, C：0.010~0.200%, Si：2.00% 이하, Mn：3.00% 이하, P：0.035% 이하, S：0.0300% 이하, Ni：6.00~14.00%, Cr：20.0~26.0%, Mo：3.00% 이하, Cu：0.01~3.00%, Ti：1.000% 이하, Al：0.200% 이하, Ca：0.1000% 이하, N：0.100~0.250%, O：0.0080% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진다.
여기서, 본 명세서에 있어서 「불순물」이란, 오스테나이트계 스테인리스강을 공업적으로 제조할 때에, 광석, 스크랩 등의 원료, 제조 공정의 여러 가지의 요인에 의해 혼입되는 성분으로서, 본 발명에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
또, 본 명세서에 있어서 「오스테나이트계 스테인리스강」이란, 오스테나이트 단상의 금속 조직을 갖는 스테인리스강에 더하여, 오스테나이트상과 5체적% 이하의 다른 상(예를 들면, 페라이트상)을 포함하는 금속 조직을 갖는 스테인리스강을 의미한다.
또, 본 발명의 실시 형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, B：0.0001~0.0100%를 추가로 포함할 수 있다.
또, 본 발명의 실시 형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, Mg：0.0001%~0.1000%, REM：0.0001%~0.1000%로부터 선택되는 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, Nb：0.001%~1.000%, V：0.001%~1.000%, Zr：0.001%~1.000%, W：0.001~1.000%, Co：0.001~1.000%, Hf：0.001~1.000%, Ta：0.001~1.000%, Sn：0.001~0.100%로부터 선택되는 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다.
이하, 각 성분에 대해 상세하게 설명한다.
＜C：0.010~0.200%＞
C의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 내식성이 저하해 버린다. 그 때문에, C의 함유량의 상한값은, 0.200%, 바람직하게는 0.150%, 보다 바람직하게는 0.100%로 제어된다. 한편, C의 함유량은 너무 적으면, 정련 비용의 상승으로 이어진다. 그 때문에, C의 함유량의 하한값은, 0.010%, 바람직하게는 0.015%, 보다 바람직하게는 0.020%로 제어된다.
또한, 본 명세서에 있어서 「내식성」이란, 해수나 염수 등의 NaCl을 포함하는 부식 환경 하에 있어서의 내식성을 의미한다.
＜Si：2.00% 이하＞
Si의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성이 저하해 버린다. 그 때문에, Si의 함유량의 상한값은, 2.00%, 바람직하게는 1.98%, 보다 바람직하게는 1.95%로 제어된다. 한편, Si의 함유량의 하한값은, 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는 0.01%, 보다 바람직하게는 0.05%, 더욱 바람직하게는 0.10%이다.
＜Mn：3.00% 이하＞
Mn은, 오스테나이트상(γ상) 생성 원소이다. Mn의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 내식성이 저하해 버린다. 그 때문에, Mn의 함유량의 상한값은, 3.00%, 바람직하게는 2.95%, 보다 바람직하게는 2.90%로 제어된다. 한편, Mn의 함유량의 하한값은, 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는 0.01%, 보다 바람직하게는 0.05%, 더욱 바람직하게는 0.10%이다.
＜P：0.035% 이하＞
P의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성이 저하해 버린다. 그 때문에, P의 함유량의 상한값은, 0.035%, 바람직하게는 0.034%, 보다 바람직하게는 0.033%로 제어된다. 한편, P의 함유량의 하한값은, 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는 0.001%, 보다 바람직하게는 0.005%, 더욱 바람직하게는 0.010%이다.
＜S：0.0300% 이하＞
S의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 제조성이 저하해 버린다. 그 때문에, S의 함유량의 상한값은, 0.0300%, 바람직하게는 0.0250%, 보다 바람직하게는 0.0200%로 제어된다. 한편, S의 함유량의 하한값은, 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는 0.0001%, 보다 바람직하게는 0.0003%, 더욱 바람직하게는 0.0005%이다.
＜Ni：6.00~14.00%＞
Ni는, Mn과 동일하게 오스테나이트상(γ상) 생성 원소이다. Ni는 고가이기 때문에, 함유량이 너무 많으면, 제조 비용의 상승으로 이어진다. 그 때문에, Ni의 함유량의 상한값은, 14.00%, 바람직하게는 11.00%, 보다 바람직하게는 10.00%로 제어된다. 한편, Ni의 함유량은 너무 적으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성이 저하한다. 그 때문에, Ni의 함유량의 하한값은, 6.00%, 바람직하게는 6.20%, 보다 바람직하게는 6.50%로 제어된다.
＜Cr：20.0~26.0%＞
Cr의 함유량은 너무 많으면, 금속간 화합물(σ상)의 생성이 촉진되기 때문에, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성이 저하해 버린다. 그 때문에, Cr의 함유량의 상한값은, 26.0%, 바람직하게는 25.8% 이하로 제어된다. 한편, Cr의 함유량은 너무 적으면, 내식성을 충분히 얻을 수 없다. 그 때문에, Cr의 함유량의 하한값은, 20.0%, 바람직하게는 20.5%로 제어된다.
＜Mo：3.00% 이하＞
Mo는 고가이기 때문에, Mo의 함유량이 너무 많으면, 제조 비용의 상승으로 이어진다. 그 때문에, Mo의 함유량의 상한값은, 3.00%, 바람직하게는 2.00%, 보다 바람직하게는 1.00%로 제어된다. 한편, Mo의 함유량의 하한값은, 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는 0.001%, 보다 바람직하게는 0.002%, 더욱 바람직하게는 0.01%이다.
＜Cu：0.01~3.00%＞
Cu의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 내식성이 저하해 버린다. 그 때문에, Cu의 함유량의 상한값은, 3.00%, 바람직하게는 2.50%로 제어된다. 한편, Cu의 함유량은 너무 적으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성이 저하해 버린다. 그 때문에, Cu의 하한값은, 0.01%, 바람직하게는 0.10%, 보다 바람직하게는 0.15%로 제어된다.
＜Ti：1.000% 이하＞
Ti는, 강 중의 C를 고정하여 내립계 부식성을 향상시키기 위해 첨가되는 원소이다. Ti의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성이 저하함과 더불어, 개재물의 생성량이 증가하여 오스테나이트계 스테인리스강의 피로 특성도 저하한다. 그 때문에, Ti의 함유량의 상한값은, 1.000%, 바람직하게는 0.800%, 보다 바람직하게는 0.500%, 더욱 바람직하게는 0.100%, 특히 바람직하게는 0.010%로 제어된다. 한편, Ti의 함유량의 하한값은, 특별히 한정되지 않는데, Ti에 의한 효과를 얻는 관점에서, 바람직하게는 0.001%, 보다 바람직하게는 0.005%, 더욱 바람직하게는 0.010%이다.
＜Al：0.200% 이하＞
Al의 함유량은 너무 많으면, 개재물의 생성량이 증가하여 오스테나이트계 스테인리스강의 피로 특성이 저하한다. 그 때문에, Al의 함유량의 상한값은, 0.200%, 바람직하게는 0.100%, 보다 바람직하게는 0.050%, 더욱 바람직하게는 0.020%로 제어된다. 한편, Al의 함유량의 하한은, 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는 0.0001%, 보다 바람직하게는 0.0002%, 더욱 바람직하게는 0.001%이다.
＜Ca：0.1000% 이하＞
Ca는, 열간 가공성을 향상시키기 위해 첨가되는 원소이다. Ca의 함유량은 너무 많으면, 개재물의 생성량이 증가하여 오스테나이트계 스테인리스강의 피로 특성이 저하한다. 그 때문에, Ca의 함유량의 상한값은, 0.1000%, 바람직하게는 0.0500%, 보다 바람직하게는 0.0100%, 더욱 바람직하게는 0.0050%로 제어된다. 한편, Ca의 함유량의 하한값은, 특별히 한정되지 않는데, Ca에 의한 효과를 얻는 관점에서, 바람직하게는 0.0001%, 보다 바람직하게는 0.0005%, 더욱 바람직하게는 0.0010%이다.
＜N：0.100~0.250%＞
N의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성이 저하해 버린다. 그 때문에, N의 함유량의 상한값은, 0.250%, 바람직하게는 0.230%, 보다 바람직하게는 0.220%로 제어된다. 한편, N의 함유량은 너무 적으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 내식성을 충분히 얻을 수 없다. 그 때문에, N의 함유량의 하한값은, 0.100%, 바람직하게는 0.110%로 제어된다.
＜O：0.0080% 이하＞
O는, 알루미나(Al2O3)계의 개재물을 생성하는 요인이 된다. 알루미나계의 개재물은, 경질이기 때문에 압연에 의해서도 분단되기 어려워, 조대한(직경 15μm 이상의) 개재물로서 잔존하기 때문에, 오스테나이트계 스테인리스강의 피로 특성이 저하한다. 즉, O의 함유량이 너무 많으면, 이 알루미나계의 개재물의 생성량이 증가하여 오스테나이트계 스테인리스강의 피로 특성이 저하한다. 그 때문에, O의 함유량의 상한값은, 0.0080%(80ppm), 바람직하게는 0.0070%, 보다 바람직하게는 0.0060%로 제어된다. 한편, O의 함유량의 하한값은, 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는 0.0010%, 보다 바람직하게는 0.0020%, 더욱 바람직하게는 0.0030%이다.
＜B：0.0001~0.0100%＞
B는, 가공성을 향상시키기 위해 필요에 따라 첨가되는 원소이다. B의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 내식성이 저하해 버린다. 그 때문에, B의 함유량의 상한값은, 0.0100%, 바람직하게는 0.0060%, 보다 바람직하게는 0.0040%로 제어된다. 한편, B의 함유량은 너무 적으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 제조성이 저하해 버린다. 그 때문에, B의 함유량의 하한값은, 0.0001%, 바람직하게는 0.0010%로 제어된다.
＜Mg：0.0001~0.1000%＞
Mg는, 열간 가공성을 향상시키기 위해 필요에 따라 첨가되는 원소이다. Mg에 의한 효과를 얻는 관점에서, Mg의 함유량의 하한값은, 0.0001%, 바람직하게는 0.0005%, 보다 바람직하게는 0.0010%로 제어된다. 또, Mg의 함유량은 너무 많으면, 개재물의 생성량이 증가하여 품질을 저하시켜 버린다. 그 때문에, Mg의 함유량의 상한값은, 0.1000%, 바람직하게는 0.0500%, 보다 바람직하게는 0.0100%로 제어된다.
＜REM：0.0001~0.1000%＞
REM은, 열간 가공성을 향상시키기 위해 필요에 따라 첨가되는 원소이다. REM에 의한 효과를 얻는 관점에서, REM의 함유량의 하한값은, 0.0001%, 바람직하게는 0.0005%, 보다 바람직하게는 0.0010%로 제어된다. 또, REM은 고가이기 때문에, REM의 함유량이 너무 많으면, 제조 비용의 상승으로 이어진다. 그 때문에, REM의 함유량의 상한값은, 0.1000%, 바람직하게는 0.0500%, 보다 바람직하게는 0.0100%로 제어된다.
＜Nb：0.001~1.000%＞
Nb는, 강 중의 C를 고정하여 내립계 부식성을 향상시키기 위해 필요에 따라 첨가되는 원소이다. Nb에 의한 효과를 얻는 관점에서, Nb의 함유량의 하한값은, 0.001%, 바람직하게는 0.005%, 보다 바람직하게는 0.010%로 제어된다. 또, Nb의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성이 저하해 버린다. 그 때문에, Nb의 함유량의 상한값은, 1.000%, 바람직하게는 0.800%, 보다 바람직하게는 0.500%로 제어된다.
＜V：0.001~1.000%＞
V는, 강 중의 C를 고정하여 내립계 부식성을 향상시키기 위해 필요에 따라 첨가되는 원소이다. V에 의한 효과를 얻는 관점에서, V의 함유량의 하한값은, 0.001%, 바람직하게는 0.005%, 보다 바람직하게는 0.010%로 제어된다. 또, V의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성이 저하해 버린다. 그 때문에, V의 함유량의 상한값은, 1.000%, 바람직하게는 0.800%, 보다 바람직하게는 0.500%로 제어된다.
＜Zr：0.001~1.000%＞
Zr은, 강 중의 C를 고정하여 내립계 부식성을 향상시키기 위해 필요에 따라 첨가되는 원소이다. Zr에 의한 효과를 얻는 관점에서, Zr의 함유량의 하한값은, 0.001%, 바람직하게는 0.005%, 보다 바람직하게는 0.010%로 제어된다. 또, Zr의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성이 저하해 버린다. 그 때문에, Zr의 함유량의 상한값은, 1.000%, 바람직하게는 0.800%, 보다 바람직하게는 0.500%로 제어된다.
＜W：0.001~1.000%＞
W는, 고온 강도 및 내식성을 향상시키기 위해 필요에 따라 첨가되는 원소이다. W에 의한 효과를 얻는 관점에서, W의 함유량의 하한값은, 0.001%, 바람직하게는 0.005%, 보다 바람직하게는 0.010%로 제어된다. 또, W의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성이 저하함과 더불어, 제조 비용이 상승해 버린다. 그 때문에, W의 함유량의 상한값은, 1.000%, 바람직하게는 0.800%, 보다 바람직하게는 0.500%로 제어된다.
＜Co：0.001~1.000%＞
Co는, 내식성을 향상시키기 위해 필요에 따라 첨가되는 원소이다. Co에 의한 효과를 얻는 관점에서, Co의 함유량의 하한값은, 0.001%, 바람직하게는 0.005%, 보다 바람직하게는 0.010%로 제어된다. 또, Co의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성이 저하함과 더불어, 제조 비용이 상승해 버린다. 그 때문에, Co의 함유량의 상한값은, 1.000%, 바람직하게는 0.800%, 보다 바람직하게는 0.500%로 제어된다.
＜Hf：0.001~1.000%＞
Hf는, 강 중의 C를 고정하여 내립계 부식성을 향상시키기 위해 필요에 따라 첨가되는 원소이다. Hf에 의한 효과를 얻는 관점에서, Hf의 함유량의 하한값은, 0.001%, 바람직하게는 0.005%, 보다 바람직하게는 0.010%로 제어된다. 또, Hf의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성이 저하해 버린다. 그 때문에, Hf의 함유량의 상한값은, 1.000%, 바람직하게는 0.800%, 보다 바람직하게는 0.500%로 제어된다.
＜Ta：0.001~1.000%＞
Ta는, 강 중의 C를 고정하여 내립계 부식성을 향상시키기 위해 필요에 따라 첨가되는 원소이다. Ta에 의한 효과를 얻는 관점에서, Ta의 함유량의 하한값은, 0.001%, 바람직하게는 0.005%, 보다 바람직하게는 0.010%로 제어된다. 또, Ta의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성이 저하해 버린다. 그 때문에, Ta의 함유량의 상한값은, 1.000%, 바람직하게는 0.800%, 보다 바람직하게는 0.500%로 제어된다.
＜Sn：0.001~0.100%＞
Sn은, 내식성을 향상시키기 위해 필요에 따라 첨가되는 원소이다. Sn에 의한 효과를 얻는 관점에서, Sn의 함유량의 하한값은, 0.001%, 바람직하게는 0.005%, 보다 바람직하게는 0.010%로 제어된다. 또, Sn의 함유량은 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스강의 제조성이 저하해 버린다. 그 때문에, Sn의 함유량의 상한값은, 0.100%, 바람직하게는 0.050%, 보다 바람직하게는 0.010%로 제어된다.
본 발명의 실시 형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, 하기 식 (1)로 나타내어지는 E값이 -17.0 이상, 바람직하게는 -10.0 이상이다.
E=-0.33×SFE＋0.25×R (1)
식 (1) 중, SFE는, 25.7＋2Ni＋410C-0.9Cr-77N-13Si-1.2Mn(각 원소 기호는, 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다)이고, R은 평균 결정 입경(μm)이다.
E값을 -17.0 이상으로 제어함으로써, 40% 이상의 신장을 확보할 수 있기 때문에, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성을 향상시킬 수 있다. 특히, E값을 -10.0 이상으로 함으로써, 각종 형상으로 가공 가능한 45% 이상의 신장을 확보할 수 있다.
또한, E값의 상한값은, 특별히 한정되지 않는데, 양호한 가공성을 안정적으로 확보하는 관점에서, 바람직하게는 10.0, 보다 바람직하게는 9.0, 더욱 바람직하게는 8.0이다.
여기서, 본 명세서에 있어서 「평균 결정 입경」이란, 오스테나이트계 스테인리스강에 있어서의 금속 조직의 평균 결정 입경이며, 후술의 절편법에 따라 산출되는 결정 입경의 평균값을 의미한다.
평균 결정 입경은, 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 공정에 있어서, 예를 들면, 열간 압연이나 냉간 압연의 압하율, 어닐링 조건(어닐링 온도, 승온 속도, 냉각 속도, 가열 시간(어닐링 시간)) 등의 조건을 제어함으로써 조정할 수 있다. 다른 조건도 영향을 주기 때문에 일괄적으로는 말할 수 없지만, 일반적으로는, 압하율을 높이면, 평균 결정 입경은 작아지는 경향이 있다. 또, 어닐링 온도를 높게 하거나, 가열 시간을 길게 하거나 하면, 평균 결정 입경은 커지는 경향이 있다. 또한, 승온 속도를 올리거나, 냉각 속도를 올리거나 하면, 평균 결정 입경은 작아지는 경향이 있다.
평균 결정 입경은, 특별히 한정되지 않는데, 오스테나이트계 스테인리스강의 가공성의 관점에서, 5μm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 오스테나이트계 스테인리스강이 판재인 경우, 평균 결정 입경은 판두께의 절반 이하(예를 들면, 판두께가 300μm인 경우는 150μm 이하)인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, 하기 식 (2)로 나타내어지는 F값이 0 이상, 바람직하게는 0.1 이상, 보다 바람직하게는 0.3 이상이다.
F=1003O-211Al-158Ca-79Ti (2)
식 (2) 중, 각 원소 기호는, 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.
F값은, 피로 특성에 영향을 주는 직경 15μm 이상의 개재물의 생성량을 나타내는 지표이며, F값을 0 이상으로 함으로써, 직경 15μm 이상의 개재물을 1.0개/mm2 이하로 제어할 수 있다. 직경 15μm 이상의 개재물이 1.0개/mm2 이하이면, 개재물이 분산된 상태가 되기 때문에, 피로 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 직경 15μm 이상의 개재물은, 0개/mm2가 바람직하지만, 예를 들면, 0.01개/mm2 이상으로 할 수 있다.
또한, F값의 상한값은, 특별히 한정되지 않는데, 양호한 피로 특성을 안정적으로 확보하는 관점에서, 바람직하게는 10.0, 보다 바람직하게는 8.0, 더욱 바람직하게는 6.0이다.
여기서, 직경 15μm 이상의 개재물의 개수 밀도(개/mm2)는, 오스테나이트계 스테인리스강의 단면을 FE-SEM(전해 방출형 주사전자현미경)으로 관찰함으로써 측정할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, 공식 전위가 0.70V 이상인 것이 바람직하다. 이러한 범위의 공식 전위이면, SUS316L보다 높은 레벨의 내식성을 갖는다는 것이 가능하다. 또한, 공식 전위의 상한값은, 특별히 한정되지 않는데, 예를 들면 2.00V, 바람직하게는 1.50V이다.
여기서, 공식 전위는, 후술하는 방법에 따라 측정할 수 있다. 또, 전위는 Ag/AgCl 기준으로 한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, 상기와 같은 특징을 갖고 있으면, 그 형상은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 오스테나이트계 스테인리스강은, 열연판, 열연 어닐링판, 냉연판, 냉연 어닐링판 등의 각종 판재로 할 수 있는데, 제조성의 관점에서 냉연 어닐링판인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, 상기의 조성을 갖는 스테인리스강을 용제하는 것 이외는, 당해 기술 분야에 있어서 공지의 방법을 이용함으로써 제조할 수 있다. 구체적으로는, 오스테나이트계 스테인리스강이 냉연 어닐링판인 경우, 다음과 같이 하여 제조할 수 있다. 우선, 상기의 조성을 갖는 스테인리스강을 용제하고 단조 또는 주조한 후, 열간 압연을 행하여 열연판을 얻는다. 다음에, 열연판에 대해 어닐링, 산세, 냉간 압연을 적절히 행하여 냉연판을 얻는다. 다음에, 냉연판에 대해 어닐링 및 산세를 적절히 행하여 냉연 어닐링판을 얻는다.
또한, 각 공정에 있어서의 조건에 대해서는, 스테인리스강의 조성에 따라 적절히 조정하면 되고, 특별히 한정되지 않는다.
상기의 특징을 갖는 본 발명의 실시 형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, SUS329J1보다 가공성이 양호함과 더불어, 해수나 염수 등의 NaCl을 포함하는 부식 환경 하에 있어서의 내식성이 SUS316L보다 높기 때문에, 보다 까다로운 부식 환경 하에서 사용되는 각종 부재의 소재로서 이용할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시 형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, 가정용품, 건축 부재(구조 부재), 자동차 부품, 전자 부품, 저수조, 화학 플랜트 등에 적합하게 이용된다. 특히, 본 발명의 실시 형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, 피로 특성도 향상시킬 수 있기 때문에, 스파이럴 스프링, 전자기기 부품용 스프링 등에 이용되는 스프링재로서 이용하는데 특히 적합하다.
또, 이 오스테나이트계 스테인리스강은, 고가의 Mo나 Ni 등의 원소의 함유량을 줄임으로써 제조 비용을 억제할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 스프링은, 상기의 오스테나이트계 스테인리스강을 포함한다. 본 발명의 실시 형태에 따른 스프링은, 상기의 오스테나이트계 스테인리스강을 포함하고 있기 때문에, 가공성 및 내식성이 양호함과 더불어, 피로 특성도 향상시킬 수 있다. 그 때문에, 스프링의 수명을 향상시킬 수 있다. 스프링의 종류로서는, 특별히 한정되지 않는데, 판 스프링이 바람직하다.
실시예
이하에, 실시예를 들어 본 발명의 내용을 상세하게 설명하는데, 본 발명은 이들에 한정하여 해석되는 것은 아니다.
표 1에 나타내는 조성을 갖는 스테인리스강 30kg을 진공 용해로 용제하고, 두께 30mm의 판에 단조한 후, 1230℃에서 2시간 가열하고, 두께 4mm로 열간 압연하여 열연판을 얻었다. 다음에, 열연판을 어닐링하여 산세하고 열연 어닐링판을 얻은 후, 열연 어닐링판을 두께 0.3mm 또는 1.0mm로 냉간 압연하여 냉연판을 얻었다. 다음에, 냉연판을 어닐링한 후, 수냉하고, 산세를 행함으로써 냉연 어닐링판을 얻었다. 또한, 강No.K는, SUS329J1에 상당하는 강종이며, 강No.M은, Ni 및 Mo를 많이 포함하는 SUS316L에 상당하는 강종이다.
Figure pct00001
상기에서 얻어진 냉연 어닐링판에 대해 이하의 평가를 행했다.
＜평균 결정 입경＞
금속 조직의 결정 입경은, 두께 0.3mm로 냉간 압연하고, 어닐링, 수냉 및 산세를 행함으로써 얻어진 냉연 어닐링판을 이용하여 평가를 행했다. 구체적으로는, 냉연 어닐링판의 폭방향 중앙부로부터 15mm×20mm의 시험편을 잘라내어 700℃에서 30분의 예민화 열처리를 행하고, 냉연 어닐링판의 압연 방향(L방향)과 평행한 판두께 방향 단면을 경면 연마하여 옥살산에 의한 전해 에칭을 실시한 후, 당해 에칭면에 대해 광학 현미경 관찰을 행함으로써 측정했다. 광학 현미경 관찰에서는, 에칭면 내의 약 240μm×320μm를 5시야 관찰하고, 절편법을 이용하여 결정립의 개수를 산출하여, 평균 결정 입경을 구했다. 각 시야에서는, 길이 320μm의 직선을 긋고, 이 직선이 가로지른 결정립의 개수를 구하여, 「직선의 길이(320μm)/결정립의 개수」를 그 시야에 있어서의 결정 입경으로 하고, 5시야의 평균을 평균 결정 입경으로 했다. 또한, 직선의 끝의 결정립은 1/2개로 세었다.
＜페라이트상의 비율＞
페라이트상의 비율은, 두께 0.3mm로 냉간 압연하고, 어닐링, 수냉 및 산세를 행함으로써 얻어진 냉연 어닐링판을 이용하여 평가를 행했다. 냉연 어닐링판의 폭방향 중앙부로부터 50mm×50mm의 시험편을 5장 잘라내고, 잘라낸 5장의 시험편을 겹친 후, 페라이트 스코프(Fischer사 제조 FERITESCOPE(등록상표) FMP30)를 이용하여, 페라이트상(α상)의 양을 측정했다. 측정은, 시험편의 표면의 임의의 3개소에서 행하여, 그 평균값을 결과로 했다.
＜직경 15μm 이상의 개재물의 개수 밀도＞
직경 15μm 이상의 개재물의 개수 밀도는, 두께 1.0mm로 냉간 압연하고, 어닐링, 수냉 및 산세를 행함으로써 얻어진 냉연 어닐링판을 이용하여 평가를 행했다. 구체적으로는, 냉연 어닐링판의 폭방향 중앙부로부터 15mm×30mm의 시험편을 잘라내고, 냉연 어닐링판의 압연 방향에 수직인 판두께 방향 단면(C단면)이 노출되도록 하여 수지에 매입(埋入)하고, C단면을 경면 연마했다. 다음에, 주식회사히타치하이테크 제조의 FE-SEM(SU5000)을 이용하여, 상기의 시험편의 C단면 중앙부를 배율 200배로 60시야 관찰(관찰 면적：약 18.4mm2)하여, 직경 15μm 이상의 개재물의 수를 카운트했다. 여기서, 개재물의 장경의 길이 a와 단경의 길이 b를 곱한 값(a×b)의 제곱근의 값이 15μm 이상의 개재물을, 직경 15μm 이상의 개재물로 했다. 이와 같이 하여 얻어진 개재물의 수를 관찰 면적으로 나눔으로써, 직경 15μm 이상의 개재물의 개수 밀도(개/mm2)를 산출했다.
＜가공성＞
가공성은, 두께 0.3mm로 냉간 압연하고, 어닐링, 수냉 및 산세를 행함으로써 얻어진 냉연 어닐링판을 이용하여 평가를 행했다. 가공성은, JIS Z2241：2011로 규정되는 인장 시험 방법에 준거하여 행했다. 구체적으로는, 냉연 어닐링판의 폭방향 중앙부로부터 13B호 시험편을 잘라내고, 인장 속도 20mm/분으로 인장 시험을 행하여, 신장(%)을 측정했다. 이 평가에 있어서, 각종 형상으로 가공 가능한 40%의 신장을 달성할 수 있었던 것을 합격(A)으로 하고, 당해 신장이 40% 미만이었던 것을 불합격(B)으로 했다.
＜내식성＞
내식성은, 두께 1.0mm로 냉간 압연하고, 어닐링, 수냉 및 산세를 행함으로써 얻어진 냉연 어닐링판을 이용하여 평가를 행했다. 내식성은, JIS G0577：2014에 준거하여 행했다. 냉연 어닐링판은, 폭방향 중앙부로부터 15mm×20mm의 시험편을 잘라낸 후, ＃600의 습식 연마를 행했다. 다음에, 이 시험편의 전극면(노출 부분)이 10mm×10mm가 되도록, 전극면 이외의 부분을 실리콘 수지로 절연 피복하여 공식 전위 측정용 시험편을 얻었다. 다음에, Ar 탈기를 충분히 행한 30℃의 3.5% NaCl 용액 중에 공식 전위 측정용 시험편을 침지하고, 자연 전위로부터 20mV/분으로 동전위 애노드 분극을 행하여, 공식 전위를 측정했다. 공식 전위는, 전류가 100μA/cm2 흘렀을 때의 전위로 했다. 이 평가에 있어서, 공식 전위가 0.7V vs. Ag/AgCl(이하, 전위는 모두 Ag/AgCl 기준으로 한다) 이상이었던 것을 합격(A)으로 하고, 0.7V 미만이었던 것을 불합격(B)으로 했다.
＜피로 특성＞
피로 특성은, 두께 1.0mm로 냉간 압연하고, 어닐링, 수냉 및 산세를 행함으로써 얻어진 냉연 어닐링판을 이용하여 평가를 행했다. 구체적으로는, 냉연 어닐링판의 폭방향 중앙부로부터 폭 30mm, 길이 90mm, 폭방향 양단에 R=4.25mm의 R부를 갖고, R부의 최소 판폭이 20mm인 시험편을 잘라냈다. 또한, 시험편의 길이 방향을 압연 방향으로 했다. 다음에, 최대 응력 650MPa, 반복 속도 1500cpm, 완전 등진동, 시험 정지 회수 1×107 사이클의 조건으로 평면 굽힘 피로 시험을 행했다. 이 평가에 있어서, 내구 회수가 1×107이었던 것을 합격(A)으로 하고, 내구 회수가 1×107 미만이었던 것을 불합격(B)으로 했다.
상기의 각 평가 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure pct00002
표 1 및 2에 나타내어지는 바와 같이, 실시예 1~10의 냉연 어닐링판(오스테나이트계 스테인리스강)은, 소정의 조성, E값 및 F값을 만족하고 있기 때문에, 가공성, 내식성 및 피로 강도의 모든 결과가 양호했다.
한편, 비교예 1의 냉연 어닐링판(오스테나이트계 스테인리스강)은, E값이 범위 외였기 때문에, 가공성이 충분하지 않았다.
비교예 2의 냉연 어닐링판(오스테나이트·페라이트 이상계 스테인리스강；SUS329J1)은, Ni의 함유량이 너무 적었기 때문에, α상과 γ상의 2상 조직이 되어, 가공성이 충분하지 않았다. 또, 이 냉연 어닐링판은, F값도 소정의 범위 외였기 때문에, 피로 특성도 충분하지 않았다.
비교예 3의 냉연 어닐링판(오스테나이트계 스테인리스강)은, N의 함유량이 너무 적었기 때문에, 내식성이 충분하지 않았다. 또, 이 냉연 어닐링판은, F값도 소정의 범위 외였기 때문에, 피로 특성도 충분하지 않았다.
비교예 4의 냉연 어닐링판(오스테나이트계 스테인리스강；SUS316L)은, 내식성이 충분하지 않고, Ni 및 Mo를 많이 포함하기 때문에 제조 비용도 든다.
비교예 5의 냉연 어닐링판(오스테나이트계 스테인리스강)은, Cr의 함유량이 너무 적었기 때문에, 내식성이 충분하지 않았다.
비교예 6의 냉연 어닐링판(오스테나이트계 스테인리스강)은, Cr의 함유량이 너무 적음과 더불어, O의 함유량이 너무 많았기 때문에, 내식성이 충분하지 않았다.
비교예 7~9의 냉연강판(오스테나이트계 스테인리스강)은, F값이 소정의 범위 외였기 때문에, 피로 특성이 충분하지 않았다.
이상의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 의하면, SUS316L보다 높은 레벨의 내식성을 갖고, SUS329J1보다 가공성이 뛰어나며, 게다가 피로 특성이 양호한 염가의 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 질량 기준으로, C：0.010~0.200%, Si：2.00% 이하, Mn：3.00% 이하, P：0.035% 이하, S：0.0300% 이하, Ni：6.00~14.00%, Cr：20.0~26.0%, Mo：3.00% 이하, Cu：0.01~3.00%, Ti：1.000% 이하, Al：0.200% 이하, Ca：0.1000% 이하, N：0.100~0.250%, O：0.0080% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, 하기 식 (1)로 나타내어지는 E값이 -17.0 이상이고, 하기 식 (2)로 나타내어지는 F값이 0 이상인, 오스테나이트계 스테인리스강.
    E=-0.33×SFE＋0.25×R (1)
    식 (1) 중, SFE는, 25.7＋2Ni＋410C-0.9Cr-77N-13Si-1.2Mn(각 원소 기호는, 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다)이고, R은 평균 결정 입경(μm)이다.
    F=1003O-211Al-158Ca-79Ti (2)
    식 (2) 중, 각 원소 기호는, 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    직경 15μm 이상의 개재물이 1.0개/mm2 이하인, 오스테나이트계 스테인리스강.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    질량 기준으로, B：0.0001~0.0100%를 추가로 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스강.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    질량 기준으로, Mg：0.0001~0.1000%, REM：0.0001~0.1000%로부터 선택되는 1종 이상을 추가로 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스강.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    질량 기준으로, Nb：0.001~1.000%, V：0.001~1.000%, Zr：0.001~1.000%, W：0.001~1.000%, Co：0.001~1.000%, Hf：0.001~1.000%, Ta：0.001~1.000%, Sn：0.001~0.100%로부터 선택되는 1종 이상을 추가로 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스강.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    질량 기준으로, Al：0.020% 이하, Ca：0.0001~0.0050%, Ti：0.001~0.010%인, 오스테나이트계 스테인리스강.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    공식 전위가 0.70V 이상인, 오스테나이트계 스테인리스강.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 기재된 오스테나이트계 스테인리스강을 포함하는, 스프링.
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