KR20220084555A - 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 - Google Patents
고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 Download PDFInfo
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Abstract
고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강이 개시된다. 본 발명에 따르면, 중량%로, C: 0.02 내지 0.15%, N: 0.1 내지 0.3%, Si: 0.2 내지 0.7, Mn: 2.0 내지 5.0%, Cr: 17.0 내지 19.0%, Ni: 2.5 내지 5.0%, Cu: 1.0 내지 3.0%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족한다.
식(1): -30≤ 551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu) ≤30
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu는 각 원소의 중량%를 의미한다.
식(1): -30≤ 551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu) ≤30
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu는 각 원소의 중량%를 의미한다.
Description
본 발명은 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스켓이 주로 사용되는 500 내지 600℃의 고온에서도 연화를 방지할 수 있는 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다.
자동차, 오토바이 엔진의 실린더 헤드 가스켓(Gasket)이나, 배기 매니폴드 가스켓은 엔진 특유의 고온, 고압, 고진동 하에서의 반복되는 압력 변동에 노출되는 부품이다. 특히, 자동차 엔진 실리더 가스켓에서는 압축시 고압이 가해지므로, 연소 가스의 밀봉성(sealability)을 유지하기 위해서 쌍방의 접촉 상대재와 높은 면압으로 접하고 있어야 한다.
엔진이나 배기 가스 경로에 사용되는 메탈 가스켓에서는, 프레스에 의한 비드 성형으로 일정 높이의 연속하는 융기부를 형성하여 면압을 확보하는 것이 일반적이다. 메탈 가스켓의 밀봉성을 확보하기 위해서는 접촉 상대재와 높은 면압으로 접할 필요가 있고, 이를 위해 메탈 가스켓의 강도 및 피로특성이 요구된다.
가스켓 소재로, 가공 경화형 준안정 오스테나이트계 스테인리스강(STS301 스테인리스강 등)이 적용되고 있다.
일반적으로, 오스테나이트계 스테인리스강은 냉간가공시 상온에서 불안정한 오스테나이트상에서 마르텐사이트상으로의 변태, 즉 소성유기변태(Transformation Induced Plasticity)에 의해 변형이 발생한다. 이 때, 생성되는 가공 유기 마르텐사이트상은 강도가 높으므로 소재의 강도 또한 증가하는 것이다. 따라서, 소재의 강도를 확보하기 위해서는 냉간 압하율을 높일 필요가 있다.
하지만, 냉간 압하율이 증가함에 따라, 지속적으로 항복 응력(0.2% 내력)이 상승하여, 가스켓 성형 시 표면이 거칠어지고, 소재에 국부적인 응력집중이 발생하여, 굽힘부에서 넥킹(necking)이 발생한다. 전술한 표면 및 가공 형상의 불량은, 가스 밀봉성을 현저히 열화시키는 요인이 된다. 즉 냉간 압하율의 증가는 인성, 내피로 특성 및 가공성을 저하시키는 요인으로 작용한다.
한편, 가스켓이 사용되는 500℃ 이상의 고온 영역에서는, 전술한 가공 유기 마르텐사이트상이 분해됨에 따라 소재가 연화(강도 저하)되어, 복원성이 열위해진다.
500~600℃ 범위의 고온 영역에서의 연화저항성 감소 문제를 해결하기 위해, 내열용 가스켓 소재로 고합금 Fe-Cr-Mn-Ni 오스테나이트계 스테인리스강 및 Inconel 718 등을 도입하는 경우를 고려할 수 있으나, 고가 원소를 다량 함유하여 가격경쟁력 측면에서 문제가 있고, 소재 가격의 극심한 변동에 의해 원료수급이 불안정할 뿐만 아니라 공급가의 안정성 확보가 어려운 상황이다.
따라서, 강도 및 가공성을 확보하면서도 500~600℃ 범위의 고온 영역에서의 연화저항성 감소를 최소화할 수 있어 가스켓 소재로 적용 가능한 오스테나이트계 스테인리스강의 개발이 요구된다.
본 발명의 실시예들은 결정립을 미세화함으로써 500 ℃ 이상의 온도에서 연화저항성을 확보할 수 있는 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.02 내지 0.15%, N: 0.1 내지 0.3%, Si: 0.2 내지 0.7, Mn: 2.0 내지 5.0%, Cr: 17.0 내지 19.0%, Ni: 2.5 내지 5.0%, Cu: 1.0 내지 3.0%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족한다.
식(1): -30≤ 551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu) ≤30
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu는 각 원소의 중량%를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 평균 결정립 지름이 10㎛이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, Ca: 0.001 내지 0.003%, B: 0.001 내지 0.005%, P: 0.1% 이하(0은 제외) 및 S: 0.01% 이하(0은 제외) 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 항복강도가 450MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 500℃ 이상의 온도에서, 경도가 450Hv 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연신율이 35% 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법은, 중량%로, C: 0.02 내지 0.15%, N: 0.1 내지 0.3%, Si: 0.2 내지 0.7, Mn: 2.0 내지 5.0%, Cr: 17.0 내지 19.0%, Ni: 2.5 내지 5.0%, Cu: 1.0 내지 3.0%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족하는 슬라브를 열간압연 및 열연소둔하는 단계; 상기 열연 소둔재를, 총압하율 50% 이상으로 제어하여 냉간압연하는 단계; 및 상기 냉간 압연재를 900℃ 내지 1000℃에서 열처리하는 단계;를 포함한다.
식(1): -30≤ 551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu) ≤30
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu는 각 원소의 중량%를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉간압연 시, 총 압하율은 70% 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열간압연은, 1,050 내지 1,300℃에서 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 열간압연 후, 1050 내지 1200℃에서 용체화 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 강도 및 가공성을 확보하면서도, 500℃ 이상의 온도에서 연화저항성을 확보할 수 있어 가스켓 소재로 적용 가능한 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기존 301 스테인리스강 수준의 연신율 및 내식성을 확보하면서도 니켈 함량이 저감된 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
도 1은 비교예 1 및 실예에 1 강재를 광학현미경(Optical Microscope, OM)으로 촬영한 미세조직 사진이다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
또한 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.
소재의 강도를 향상시키는 방법으로는 고용강화, 석출강화, 분산강화, 마르텐사이트상의 생성, 결정립 미세화 등이 있다. 소재의 결정립을 미세화하는 방법은, 통상적인 수준의 열처리를 통해서 확보되는 강도 대비 월등한 강도의 향상을 기대할 수 있을 뿐만 아니라, 강도 향상과 더불어 인성(toughness) 향상시킬 수 있어, 소재의 기계적 성질을 향상시키는 유용한 수단으로 활용되고 있다.
또한, 소재의 결정립을 미세화하는 방법은 소재 내부의 결함을 줄이고, 균일한 소재를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 추가적인 합금원소의 첨가를 요하지 않아 다양한 합금분야에서 주목을 받고 있다.
구체적으로, 소재의 결정립을 미세화하는 방법으로는 가공 열처리 기술(Thermo Mechanical Control Process)의 일 예로, 가공유기 변태 공정(SIMRT, Strain-Induced Martensite and its Reverse Transformation)이 많이 이용되고 있다.
가공유기 변태 공정은, 상온에서 준안정 오스테나이트 조직을 갖는 소재를 냉간 가공한 후, 600℃ 이상의 온도로 가열하여 냉간 가공 시 도입된 마르텐사이트상이 오스테나이트상으로 역변태하는 특성을 이용한 방법이다.
역변태 오스테나이트상은 미변태 오스테나이트에 비해 전위밀도가 높고, 결정립이 미세하므로 소재의 강도를 향상시킬 수 있고, 역변태 전 오스테나이트상 보다 연신율이 더 크다는 장점을 갖는다.
본 발명자들은 오스테나이트계 스테인리스강의 강도 및 가공성을 확보하기 위해, 냉간 가공 시 마르텐사이트의 생성량 및 오스테나이트계 스테인리스강의 결정립 크기와 관계있는 역변태 온도를 모두 고려한 오스테나이트상의 안정화도 범위를 도출하였다.
본 발명의 일 측면에 따른 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.02 내지 0.15%, N: 0.1 내지 0.3%, Si: 0.2 내지 0.7%, Mn: 2.0 내지 5.0%, Cr: 17.0 내지 19.0%, Ni: 2.5 내지 5.0%, Cu: 1.0 내지 3.0%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 합금성분 원소 함량의 수치한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.02 내지 0.15%이다.
탄소(C)는 오스테나이트상 안정화에 효과적인 원소로, 본 발명에서는 소재의 강도를 확보하기 위해 0.02% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 고용강화에 따른 냉간 가공성을 저하시킬 뿐만 아니라, Cr과 결합함으로써 Cr탄화물의 입계 석출을 유도하여 연성, 인성 및 내식성이 저하되고, 마르텐사이트 변태 개시온도(Martensite Start temperature, Ms)가 낮아져 냉간가공 시 응력 유기 마르텐사이트의 생성이 원활하지 않아 강도를 확보할 수 없다는 문제가 있는 바, 그 상한을 0.15%로 한정할 수 있다.
N의 함량은 0.1 내지 0.3%이다.
질소(N)는 탄소와 마찬가지로 오스테나이트상 안정화에 효과적인 원소로, 내식성 확보를 위해 0.01% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 고용강화에 따른 냉간 가공성을 저하시킬 뿐만 아니라, 주조 시, 기공 형성에 의해 표면 품질을 저하시키고, 마르텐사이트 변태 개시온도(Ms)가 낮아져 냉간가공 시 응력 마르텐사이트의 생성이 원활하지 않아 강도를 확보할 수 없다는 문제가 있는 바, 그 상한을 0.3%로 한정할 수 있다.
Si의 함량은 0.2 내지 0.7%이다.
실리콘(Si)은 제강공정 중 탈산제의 역할을 하는 우너소로, 내식성 확보를 위해 0.2% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 페라이트상 안정화 원소인 실리콘의 함량이 과다할 경우, 주조 슬라브 내 델타(δ)-페라이트를 형성하여 열간가공성을 저하시킬 뿐만 아니라, 고용강화 효과에 강재의 연성, 인성이 저하되는 문제가 있어, 본 발명에서는 그 상한을 0.7%로 한정할 수 있다.
Mn의 함량은 2.0 내지 5.0%이다.
망간(Mn)은 본 발명에서 니켈(Ni) 대신 첨가되는 오스테나이트상 안정화 원소로, 가공유기 마르텐사이트 생성을 억제하여 냉간 압연성을 향상시키는데 효과적이고, 제강 공정 중 질소(N)의 용해도를 증가시키는 원소로 2.0% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 마르텐사이트 변태 개시온도(Ms)가 낮아져 냉간가공 시 응력 유기 마르텐사이트의 생성이 원활하지 않을 뿐만 아니라, 열간 압연 및 역변태 열처리시 표면 산화로 인해 표면 품질이 저하되고, S계 개재물(MnS)의 증가를 초래함에 따라 강재의 연성, 인성 및 내식성을 저하시킬 수 있으므로 그 상한을 5.0%로 한정할 수 있다.
Cr의 함량은 17.0 내지 19.0%이다.
크롬(Cr)은 페라이트를 안정화하고, 스테인리스강의 내식성 향상 원소 중 가장 많이 함유되어 기본이 되는 원소이다. 본 발명에서는 마르텐사이트상 생성을 억제하기 위해 17.0% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 페라이트상 안정화 원소인 크롬의 함량이 과다할 경우, 주조 슬라브 내 델타(δ)-페라이트를 형성하여 열간가공성을 저하시킬 뿐만 아니라, 냉간가공 시 응력 유기 마르텐사이트의 생성이 원활하지 않고, 마르텐사이트상에서 오스테나이트상으로의 역변태 온도를 상승시켜 역변태 소둔 시, 오스테나이트의 결정립이 급격히 성장하는 문제가 있어, 본 발명에서는 그 상한을 19.0%로 한정할 수 있다.
Ni의 함량은 2.5 내지 5.0%이다.
니켈(Ni)은 가장 강력한 오스테나이트상 안정화 원소로써 그 함량이 증가할수록 오스테나이트상이 안정화되어 소재를 연질화한다. 본 발명에서는, Mn을 일정량 이상 첨가함에도 소재의 열간 가공성 및 냉간 가공성을 확보하고, 마르텐사이트상에서 오스테나이트상으로의 역변태 온도를 낮추어 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하기 위해 Ni을 2.5% 이상 첨가하는 것이 필수적이다. 다만 그 함량이 과도할 경우, Ni은 고가의 원소임에 따라 원료비용의 상승을 초래하고, 마르텐사이트 변태 개시온도(Ms)가 낮아져 냉간가공 시 응력 유기 마르텐사이트의 생성이 원활하지 않아 강도를 확보할 수 없다는 문제가 있는 바, 그 상한을 5.0%로 한정할 수 있다.
Cu의 함량은 1.0 내지 3.0%%이다.
구리(Cu)는 오스테나이트상 안정화 원소로, 본 발명에서는 적층 결함 에너지(Stacking Fault Energy, SFE)를 감소시켜 소재를 연질화하기 위해 1.0% 이상 첨가한다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 마르텐사이트 변태 개시온도(Ms)가 낮아져 냉간가공 시 응력 유기 마르텐사이트의 생성이 원활하지 않을 뿐만 아니라, 원료비용의 상승을 초래하고, 열간취성을 유발하는 바 그 상한을 3.0%로 한정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, Ca: 0.001 내지 0.003%, B: 0.001 내지 0.005%, P: 0.1% 이하(0은 제외) 및 S: 0.01% 이하(0은 제외) 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
Ca 의 함량은 0.001 내지 0.003%이다.
칼슘(Ca)은 Mn을 다량 함유할 경우, 입계에 생성되는 MnS 제강성 개재물의 형성을 억제하는 원소로, 본 발명에서는 소재의 청정도를 향상시키기 위해, 0.001% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, Ca계 개재물이 생성되어 소재의 열간가공성 및 표면품질을 저하시키는 문제가 있는 바, 그 상한을 0.003%로 한정할 수 있다.
B의 함량은 0.001 내지 0.005%이다.
보론(B)은 주조 중의 크랙 발생을 억제하여 양호한 표면 품질을 확보하는데 효과적인 원소로, 0.001% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 소둔/산세 공정 중 제품 표면에 질화물(BN)을 형성시켜 표면품질을 저하시키는 문제가 있어 그 상한을 0.005%로 한정할 수 있다.
P의 함량은 0.1% 이하(0은 제외)이다.
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 0.1%로 관리한다.
S의 함량은 0.01% 이하(0은 제외)이다.
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 0.015%로 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.
전술한 바와 같이, 준안정 오스테나이트계 스테인리스강은, 마르텐사이트 변태 개시온도(Ms) 이상의 온도에서 소성(냉간)가공에 의해 마르텐사이트 변태가 발생한다.
인가되는 변형이 계속됨에 따라 지속적인 상변태가 일어나고, 이러한 상변태는 오스테나이트계 스테인리스강이 파손되기 전까지 강도를 증가시키는 바, Ni 함량이 상대적으로 낮은 준안정 오스테나이트계 스테인리스강의 경우, 합금성분과 함께 추가적으로 냉간가공 시 생성되는 마르텐사이트상의 분율을 제어해야만 강도를 확보할 수 있다.
한편, 전술한 마르텐사이트상 분율은 오스테나이트 상안정도에 의존한다.
이러한 소성가공에 의해 상변태를 일으키는 상한 온도는 Md 값으로 나타내며, 가공에 의해 상변태가 일어나는 정도를 나타내는 척도이다.
특히, 30% 변형을 부여할 때 마르텐사이트로의 상변태가 50% 일어나는 온도(℃)를 Md30 라고 정의한다. Md30 값이 높으면 가공유기 마르텐사이트상의 생성이 쉬운 것에 반해, Md30 값이 낮으면 가공유기 마르텐사이트상의 생성이 상대적으로 어려운 강종으로 판단할 수 있다. 일반적으로 Md30 값은 통상의 오스테나이트계 스테인리스강의 오스테나이트 안정화도를 판단할 수 있는 지표로 사용되며, 하기 식(1)의 성분관계식으로 표현할 수 있다.
식(1): 551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu)
본 발명자들은 식(1)의 값이 높을수록, 외부 응력에 의해 오스테나이트상으로부터 마르텐사이트상으로의 변태가 활발히 일어났으나, 그에 따른 표면 결함이 발생하고, 가공성이 감소하는 것을 확인하고, Md30 값을 통해 가공유기 마르텐사이트의 변태량을 제어하고자 하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은 상기 식 (1) 로 표현되는 Md30 값이 -30℃ 내지 30℃의 범위를 만족한다.
식 (1)의 값이 -30℃ 미만인 경우, 핵생성 사이트로 작용하는 가공유기 마르텐사이트상을 확보할 수 없어, 평균 결정립 크기를 10㎛이하로 도출할 수 없다. 반면, 식 (1)의 값이 지나치게 높으면, 외부 변형에 의해 전술한 합금성분계의 오스테나이트계 스테인리스강은 급격한 가공유기 마르텐사이트 변태거동을 수반한다. 이에 따라, 오스테나이트계 스테인리스강의 표면 결함이 발생하고, 가공성이 감소하는 문제가 있어, 식(1)의 상한값을 30℃로 한정하고자 한다.
다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법은 중량%로, 중량%로, C: 0.02 내지 0.15%, N: 0.1 내지 0.3%, Si: 0.2 내지 0.7, Mn: 2.0 내지 5.0%, Cr: 17.0 내지 19.0%, Ni: 2.5 내지 5.0%, Cu: 1.0 내지 3.0%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족하는 슬라브를 열간압연 및 열연소둔하는 단계; 상기 열연 소둔재를, 총압하율 50% 이상으로 제어하여 냉간압연하는 단계; 및 상기 냉간 압연재를 900℃ 내지 1000℃에서 냉연소둔하는 단계;를 포함한다.
식(1): -30≤ 551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu) ≤30
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu는 각 원소의 중량%를 의미한다.
합금성분 함량의 수치 한정 이유에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
상기의 조성을 포함하는 슬라브를 통상의 주조, 열간압연, 용체화 열처리 및 산세 처리 하여 열연 소둔재를 제조할 수 있다.
예를 들어, 슬라브는 통상의 압연온도인 1,050 내지 1,300℃의 온도에서 열간압연할 수 있으며, 열연강판의 표면 결함을 제거하고, 석출물을 용해시키기 위해 1,050 내지 1,200℃의 온도 범위에서 용체화 열처리가 수행될 수 있다. 이때, 용체화 열처리는 60 내지 120초 동안 진행될 수 있다.
이후, 열연강판을 산세하여 표면 스케일을 제거하고, 냉간압연하여 박물로 제조할 수 있다.
냉간압연 시, 열연소둔강판의 오스테나이트상이 가공에 의해 가공유기 마르텐사이트상으로 변태되고, 압하율이 증가할수록 마르텐사이트상의 분율이 증가하여 소재의 항복강도는 증가한다.
본 발명에서는 냉간압연 시, 50% 이상의 비교적 높은 압하율을 적용하여 가공 유기 마르텐사이트의 생성을 촉진시킴으로써 500Mpa 이상의 항복강도를 확보하고자 하였다. 바람직하게, 총 압하율은 70% 이상으로 제어할 수 있다.
다음으로, 냉간압연에 의해 생성된 가공 유기 마르텐사이트를 오스테나이트로 역변태시키는 열처리 과정을 거친다.
역변태 오스테나이트상을 형성시키기 위한 열처리는 오스테나이트 역변태 완료 온도(Austenite finish temperature, 이하 AF) 내지 AF+50℃의 범위에서 수행될 수 있다.
오스테나이트 역변태가 진행될 때, 역변태 열처리 온도가 낮을수록 결정립의 핵생성이 용이하고, 동시에 역변태 오스테나이트상의 결정립 성장을 억제하여, 최종 강재의 결정립을 미세하게 도출할 수 있다. 따라서, 역변태 열처리 온도는, 오스테나이트 역변태 완료 온도(AF) 근방에서 낮게 제어하는 것이 바람직하다.
개시된 실시예에 따른 준안정 오스테나이트계 스테인리스강의 경우에는, 900℃ 내지 1000℃에서 10초 내지 10분간 역변태 열처리를 진행할 수 있다.
이와 같이, 합금성분과 함께 냉간 압하율 및 열처리 온도을 제어하여 냉연재를 제조할 경우, 강도 및 가공성 확보에 유리한 미세 결정립을 확보할 수 있다.
이에 따라 제조된 냉간 압연재는 평균 결정립 지름이 10㎛이하이다.
또한, 제조된 냉간 압연재는 항복강도가 450MPa 이상이다.
또한, 제조된 냉간 압연재는 500℃ 이상의 온도에서도, 450Hv 이상의 경도를 확보할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
실시예
하기 [표 1]의 성분범위에 대하여, 잉곳(Ingot) 용해를 통해 슬라브를 제조하고, 1,230℃에서 2시간 동안 가열한 후 열간압연을 실시하여 3mm 두께까지 열간압연을 진행 하였으며, 열간압연 이후 1,050℃에서 용체화 열처리를 진행하였다. 다음으로, 열연코일은 50%의 압하율을 적용하요 냉간압연을 진행하고, 900℃에서 1분 동안 열처리를 진행하였다.
하기 표 1에서, 식(1) 값은, 각 합금원소의 중량%를 하기 식 (1)에 대입하여 도출한 값이다.
식(1): 551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu)
| C | N | Si | Mn | Cr | Ni | Cu | P | S | 식(1) | |
| 실시예 1 | 0.11 | 0.210 | 0.45 | 3.9 | 18.0 | 3.5 | 1.5 | 0.04 | 0.004 | -24.17 |
| 실시예 2 | 0.05 | 0.180 | 0.3 | 3.6 | 17.7 | 3.7 | 2.0 | 0.04 | 0.004 | 5.03 |
| 비교예 1 | 0.06 | 0.22 | 0.55 | 4.3 | 18.7 | 4.2 | 1.4 | 0.04 | 0.004 | -36.84 |
| 비교예 2 | 0.08 | 0.16 | 0.4 | 3.2 | 17.3 | 3.2 | 1.3 | 0.04 | 0.004 | 43.01 |
열처리 후, 각 강판의 항복강도 및 결정립 크기를 측정하였다.
구체적으로, JIS 13B 규격에 맞게 가공한 시험편을 활용하여 20mm/min의 속도로 인장시험을 실시하여, 항복강도(Yield Strength, MPa)를 측정하였다.
결정립 평균 크기는, 냉연강판에 질산전해 산세를 수행한 후, 광학현미경(Optical Microscope, OM)으로 촬영하여 측정하였다. 확보한 미세조직 사진의 이미지 분석(image analyzer)을 통해, 강판 임의의 3지점을 측정한 후 평균값으로 나타내었다.
한편, 오스테나이트계 스테인리스강의 경도를 향상시키기 위하여 평균 거칠기가 #600 이상의 워크 롤로 조질 압연(Skin Pass Rolling)을 수행하고, 조질 압연재의 경도 및 성형성 평가를 실시하였다.
조질 압연재의 경도는, 비커스 경도(1kg/f)의 조건으로 표면부의 경도값을 측정하여 하기 표 2에 기재하였다.
조질 압연재의 성형성 실험은 에릭슨 평가를 도입하였다. 구체적으로, Black load 1ton, blank speed 10mm/min의 속도로 소성가공성 평가를 수행하였다.
한편, 조질 압연재의 표면을 육안으로 관찰하여 표면 요철 및 거칠음 발생 유/무를 확인하여 표면품질의 판단 지표로 하였다.
다음으로, 조질 압연재를 각각 500℃, 600℃에서 1시간 동화 연화 열처리를 실시한 후, 비커스 경도(1kg/f)의 조건으로 표면부의 경도값을 측정하여 하기 표 2에 기재하였다.
| 열처리재 | 조질 압연재 | 연화 처리재 | |||||
| 항복강도 | 평균 결정립 크기(㎛) | 경도(Hv) | 성형성 연신율() |
표면품질 | 500℃ | 600℃ | |
| 실시예 1 | 552 | ≤ 10 | 496 | 양호 | 양호 | 517 | 463 |
| 실시예 2 | 564 | ≤ 10 | 498 | 양호 | 양호 | 543 | 457 |
| 비교예 1 | 486 | ≥ 10 | 493 | 양호 | 양호 | 472 | 403 |
| 비교예 2 | 612 | ≤ 10 | 492 | 불량 | 불량 | 502 | 472 |
도 1은 비교예 1 및 실예에 1 강재를 광학현미경(Optical Microscope, OM)으로 촬영한 미세조직 사진이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 열처리 조건을 적용시킨 비교예 1의 경우에는 평균 결정립 크기가 32㎛로, 10㎛ 초과하는 반면, 오스테나이트 역변태 완료 온도(AF) 근방의 온도에서 열처리한 실시예 1의 경우에는 평균 결정립 크기가 8㎛로 미세하였다.
표 2를 참조하면, 본 발명이 제시하는 합금 조성, 식(1)의 값의 범위 및 평균 결정립 크기 조건을 만족하는 실시예 1 및 2의 경우, 450MPa 이상의 항복강도 확보가 가능할 뿐만 아니라, 조질 압연 시, 35% 이상의 우수한 연신율 및 표면품질을 확보할 수 있음을 확인하였다. 또한, 500 내지 600℃의 고온에서도 450Hv 이상의 경도를 확보할 수 있어, 연화를 방지할 수 있으므로 가스켓 소재로 적용이 가능함을 확인하였다.
식(1)의 값이 -30에 미달하는 비교예 1의 경우, 조질압연재의 물성은 양호한 반면, 고온에서의 내연화성이 상대적으로 열위한 것을 확인할 수 있다.
식(1)의 값이 30을 초과하는 비교예 2의 경우, 조질압연 시 마르텐사이트가 다량 생성되고, 성형성 및 표면품질이 열위하게 도출되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 개시된 실시예에 따르면, 합금성분과 관계식을 제어하여 결정립 크기를 10 ㎛ 이하로 도출함으로써, 조질 압연 시, 35% 이상의 우수한 연신율 및 표면품질을 확보할 수 있고, 가스켓 적용 온도인 500 내지 600℃의 온도구간에서 연화를 방지할 수 있는 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)
- 중량%로, C: 0.02 내지 0.15%, N: 0.1 내지 0.3%, Si: 0.2 내지 0.7, Mn: 2.0 내지 5.0%, Cr: 17.0 내지 19.0%, Ni: 2.5 내지 5.0%, Cu: 1.0 내지 3.0%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
하기 식(1)을 만족하는 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
식(1): -30≤ 551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu) ≤30
(여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu는 각 원소의 중량%를 의미한다.) - 제1항에 있어서,
평균 결정립 지름이 10㎛이하인 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강. - 제1항에 있어서,
Ca: 0.001 내지 0.003%, B: 0.001 내지 0.005%, P: 0.1% 이하(0은 제외) 및 S: 0.01% 이하(0은 제외) 중 1종 이상을 더 포함하는 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강. - 제1항에 있어서,
항복강도가 450MPa 이상인 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강. - 제1항에 있어서,
500 ℃ 이상의 온도에서, 경도가 450Hv 이상인 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강. - 제1항에 있어서,
연신율이 35% 이상인 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강. - 중량%로, C: 0.02 내지 0.15%, N: 0.1 내지 0.3%, Si: 0.2 내지 0.7, Mn: 2.0 내지 5.0%, Cr: 17.0 내지 19.0%, Ni: 2.5 내지 5.0%, Cu: 1.0 내지 3.0%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)을 만족하는 슬라브를 열간압연 및 열연소둔하는 단계;
상기 열연 소둔재를, 총압하율 50% 이상으로 제어하여 냉간압연하는 단계; 및
상기 냉간 압연재를 900℃ 내지 1000℃에서 열처리하는 단계;를 포함하는 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
식(1): -30≤ 551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu) ≤30
(여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu는 각 원소의 중량%를 의미한다.) - 제7항에 있어서,
냉간압연 시, 총 압하율은 70% 이상인 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 열간압연은, 1,050 내지 1,300℃에서 수행되는 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
열간압연 후, 1050 내지 1200℃에서 용체화 처리하는 단계;를 더 포함하는 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200174138A KR102537950B1 (ko) | 2020-12-14 | 2020-12-14 | 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 |
| PCT/KR2021/014158 WO2022131504A1 (ko) | 2020-12-14 | 2021-10-14 | 고온 연화저항성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 |
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Legal Events
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Patent event date: 20230323 Comment text: Decision to Grant Registration Patent event code: PX07013S01D Patent event date: 20230302 Comment text: Amendment to Specification, etc. Patent event code: PX07012R01I Patent event date: 20221204 Comment text: Decision to Refuse Application Patent event code: PX07011S01I Patent event date: 20220818 Comment text: Amendment to Specification, etc. Patent event code: PX07012R01I |
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