KR20220085332A - 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강 - Google Patents

가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강 Download PDF

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Abstract

본 명세서에서는 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강의 일 실시에에 따르면, 중량%로, C: 0.04 내지 0.07%, Si: 0.6 내지 1.0%, Mn: 1.5 내지 2%, Ni: 7 내지 8.5%, Cr: 18 내지 20%, Cu: 0.1 내지 0.5%, Mo: 0.01 내지 0.2%, N: 0.04 내지 0.07%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식(1)로 표현되는 Md30 값이 -20 내지 0 범위를 만족한다.
식(1): 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-29(Ni+Cu)-13.7Cr-18.5Mo
(여기서, C, N, Si, Mn, Ni, Cu, Cr 및 Mo은 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다)

Description

가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강 {LOW-COST AUSTENITIC STAINLESS STEEL WITH IMPROVED WORKABILITY AND RESISTANT OF SEASON CRACKING}
본 발명은 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다.
주방용 싱크대의 싱크 보울(bowl)에는 주로 300계 범용 오스테나이트계 스테인리스강들이 사용되는데, 일반적인 싱크 보울의 형상에는 성형성에 문제가 없어 널리 사용되는 편이다.
오스테나이트계 스테인리스강은 고가공성이지만, 가공율이 한계를 넘으면 시효균열이라는 지연파괴가 발생한다. 이 균열은 딥드로잉 가공 후에 수분 내지 수개월 후에 발생하며, 드로잉 방향에 직선적으로 진행하지만 미시적으로 보면 입계 또는 입내에 관계없이 지그재그 형태로 진행한다.
특히 다양하고 복잡한 싱크 보울의 경우 모서리 부분에서 크랙이 발생하기 쉽다. 특히 50mm 이하의 코너 곡률 반경(R)을 갖는 싱크인 디자인 싱크(Design Sink)의 경우에는 가공성이 뛰어난 STS304와 같은 오스테나이트계 스테인리스강을 사용하더라도 집중 변형 부분에 크랙이 발생한다.
종래에는 이러한 문제를 해결하기 위하여 Cu를 첨가하여 오스테나이트 안정화도를 강화한 304J1L 강을 개발하였다. 하지만 304J1L 강은 중량%로 2% 정도의 Cu를 첨가하여, 제조 원가가 높은 문제가 있다. 또한, 최근에는 304 재질규격(EN, KS)인 항복강도 230MPa 및 인장강도 540MPa 이상을 만족하도록 요구하고 있어 단순히 Cu, Ni을 첨가하여 연질화한 오스테나이트계 스테인리스강으로는 해법제안에 한계가 있는 실정이다.
한국 공개특허공보 제10-2015-0037247호 (공개일자: 2015년04월08일)
본 발명의 실시예에 따르면, 합금성분 및 성분관계식을 최적화함으로써 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.04 내지 0.07%, Si: 0.6 내지 1.0%, Mn: 1.5 내지 2%, Ni: 7 내지 8.5%, Cr: 18 내지 20%, Cu: 0.1 내지 0.5%, Mo: 0.01 내지 0.2%, N: 0.04 내지 0.07%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
하기 식(1)로 표현되는 Md30 값이 -20 내지 0 범위를 만족한다.
식(1): 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-29(Ni+Cu)-13.7Cr-18.5Mo
(여기서, C, N, Si, Mn, Ni, Cu, Cr 및 Mo은 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다)
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 하기 식(2)를 만족할 수 있다.
식(2): (Si+Mn) ≥ 2.1
(여기서, Si, Mn 는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다)
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 항복강도(YS) 230MPa 이상, 인장강도(TS) 540MPa 이상 및 연신율 55% 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 진변형률 0.25 내지 0.35 범위에서 가공경화지수 n값이 0.45 내지 0.52 범위를 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 에릭슨 시험으로 구한 성형 높이(에릭슨 값)가 12.2mm 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은, 직경이 50mm인 펀치를 이용하여 펀치 스피드 100mm/min으로 컵 드로잉 가공 시, 하기 (a) ~ (e) 중 적어도 하나를 만족할 수 있다.
(a) 바닥면으로부터 10mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 5.0% 미만; (b) 바닥면으로부터 20mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 20.0% 미만; (c) 바닥면으로부터 30mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 25.5% 미만; (d) 바닥면으로부터 40mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 30.0% 미만; (e) 바닥면으로부터 50mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 30.0% 미만.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 직경이 50mm인 펀치를 이용하여 펀치 스피드 100mm/min으로 컵 드로잉 가공 시, 하기 (a) ~ (c) 중 적어도 하나를 만족할 수 있다.
(a) 바닥면으로부터 20mm의 측벽 위치에서 측정된 경도(HV) 값이 375 미만; (b) 바닥면으로부터 30mm의 측벽 위치에서 측정된 경도(HV) 값이 390 미만; (c) 바닥면으로부터 40mm의 측벽 위치에서 측정된 경도(HV) 값이 400 미만.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 드로잉비 2.10 내지 2.16 조건으로 3단 가공 시, 가공 24시간 후 시효균열이 발생하지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 내식성과 함께 시효균열 또는 지연파단 등의 결함이 발생하지 않는 가공성 및 내시효균열성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
도 1은 오스테나이트계 스테인리스강의 진변형률(%)과 가공경화지수 n값의 관계를 도시한 그래프이다.
도 2a, 도 2b, 도 2c는 각각 오스테나이트계 스테인리스강을 펀치를 이용해 1단 드로잉, 2단 드로잉, 3단 드로잉하는 과정을 도시한 그림이다.
도 3은 오스테나이트계 스테인리스강을 드로잉 가공했을 때, 드로잉 가공품의 바닥면으로부터 10mm, 20mm, 30mm, 40mm, 50mm의 측벽 위치에서 변형유기 마르텐사이트의 양의 측정 과정을 도시한 그림이다.
도 4는 오스테나이트계 스테인리스강을 드로잉 가공했을 때, 드로잉 가공품의 바닥면으로부터 20mm, 30mm, 40mm의 측벽 위치에서 측정된 경도(HV) 값을 도시한 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.04 내지 0.07%, Si: 0.6 내지 1.0%, Mn: 1.5 내지 2%, Ni: 7 내지 8.5%, Cr: 18 내지 20%, Cu: 0.1 내지 0.5%, Mo: 0.01 내지 0.2%, N: 0.04 내지 0.07%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 상기 강의 성분조성에 대해서 한정한 이유에 대하여 구체적으로 설명한다. 하기 성분조성은 특별한 기재가 없는 한 모두 중량%를 의미한다.
최근 제품의 의장성을 강조하는 트렌드에 따라, 복잡한 형상의 드로잉 성형이 요구되는 싱크, 양식기 등에 대한 수요가 증가하고 있다. STS304와 같은 오스테나이트계 스테인리스강은 페라이트계 스테인리스강보다 가공성이 뛰어나나, 양식기 등의 고성형 제품으로 제조하기 위하여 다단 딥 드로잉 성형 시 시효균열(Season Crack)이 발생한다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 합금성분, Md30 값 및 가공경화지수를 제어하여, 내시효균열성을 향상시킨 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
탄소 (C): 0.04 내지 0.07%
C는 오스테나이트상 안정화에 효과적인 원소로서 많이 첨가할수록 오스테나이트상이 안정화되는 효과가 있어 0.04% 이상 첨가할 필요가 있다. 그러나, 그 함량이 0.07%를 초과하면 변형유기 마르텐사이트로 경질화하여 싱크 등의 제품 성형 중에 심하게 변형된 부위에서 시효균열(Season Cracking)을 발생시킨다. 따라서, C의 성분 범위를 0.07% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
규소 (Si): 0.6 내지 1.0%
Si는 제강공정 중 탈산제의 역할을 함과 동시에 일정량 첨가 시 광휘소둔(Bright Annealing) 공정을 거치는 경우 부동태 피막에 Si-Oxide를 형성하여 강의 내식성을 향상시키므로, 0.6% 이상 첨가한다. 그러나, Si의 함량이 1.0% 초과하면, 고용강화 효과에 의하여 강재의 연성 및 인성을 저하시킬 수 있다. 따라서, Si의 성분범위를 0.6 내지 1.0%로 제어하는 것이 바람직하다.
망간 (Mn): 1.5 내지 2%
Mn은 Ni의 대체로 첨가되는 오스테나이트상 안정화 원소로서 변형유기 마르텐사이트 생성을 억제하여, 1.5% 이상 첨가한다. 그러나 과잉 첨가 시 황화 게재물(MnS)이 증가되어 강재의 연성, 인성 및 내식성이 저하될 수 있다. 따라서, Mn의 성분범위를 1.5 내지 2%로 제어하는 것이 바람직하다.
니켈 (Ni): 7 내지 8.5%
Ni은 오스테나이트상 안정화 원소로서 델타(δ)-페라이트상 형성을 억제하고, 변형유기 마르텐사이트의 발생에 기인하는 가공경화를 방지하기 위해 7% 이상 첨가한다. 그러나 Ni은 고가의 원소로서 다량 첨가 시 원료 비용의 상승을 초래하므로, 그 상한을 8.5%로 한다. 따라서, Ni의 성분범위를 7 내지 8.5%로 제어하는 것이 바람직하다.
크롬 (Cr): 18 내지 20%
Cr은 산화성 환경에서 부동태 피막을 형성하여 내식성을 향상시키는 원소로서 마르텐사이트상이 생성되는 것을 억제하기 위해 18% 이상 첨가한다. 그러나 20%를 초과하여 과잉 첨가 시 슬라브 내 델타(δ) 페라이트 형성을 조장하여 강재의 열간 가공성이 저하될 수 있다. 또한, 오스테나이트가 불안정해져 상 안정성을 위해 다량의 Ni이 포함되어야 하므로 비용 증가의 원인이 될 수도 있다. 따라서, Cr의 성분범위를 18 내지 20%로 제어하는 것이 바람직하다.
구리 (Cu): 0.1 내지 0.5%
Cu는 오스테나이트상 안정화 원소로서 재료의 연질화에 효과적이다. 또한, 많이 첨가할수록 오스테나이트상이 안정화되어 변형유기 마르텐사이트의 발생에 기인하는 가공경화를 억제하는 효과가 있어 0.1% 이상을 첨가한다. 그러나 Cu는 소재 비용의 상승뿐만 아니라, 내식성이 저하되는 문제를 유발하므로, 그 상한을 0.5%로 한다. 따라서, Cu의 성분범위를 0.1 내지 0.5% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
몰리브덴 (Mo): 0.01 내지 0.2%
Mo는 여러 산 용액에서 전면부식 및 공식 저항성을 높이며 소재의 부식에 대한 부동태 영역을 향상시키므로 0.01% 이상 첨가한다. 그러나, Mo는 과잉 첨가 시 델타(δ) 페라이트 형성을 조장하여 강재의 열간 가공성이 저하될 수 있고, 비용상승을 수반하므로 그 상한을 0.2%로 한다. 따라서, Mo의 성분범위를 0.01 내지 0.2% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
질소 (N): 0.04 내지 0.07%
N는 오스테나이트상 안정화 및 내식성 향상에 효과적인 원소이다. N는 첨가할수록 오스테나이트상을 안정화시키는 효과 및 재료의 강도를 향상시키므로 0.04% 이상 첨가한다. 그러나, N의 함량이 0.07%를 초과하면, 변형유기 마르텐사이트로 경질화하여 가공 중에 심하게 변형된 부위에서 시효균열(Season Cracking)을 발생시킨다. 따라서, N의 성분범위를 0.04 내지 0.07% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조 과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 상기 불순물들은 통상의 제조 과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
상기의 성분범위를 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강은 하기 식(1)로 표현되는 Md30이 -20 내지 0을 만족한다.
식(1): 551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-29*(Ni+Cu)-13.7*Cr-18.5*Mo
(여기서, C, N, Si, Mn, Ni, Cu, Cr 및 Mo은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다)
준안정 오스테나이트계 스테인리스강은, 마르텐사이트 변태 개시온도(Ms) 이상의 온도에서 소성가공에 의해 마르텐사이트 변태가 발생한다. 이러한 가공에 의해 상변태를 일으키는 상한 온도는 Md값으로 나타내며, 특히 30% 변형을 부여할 때 마르텐사이트로의 상변태가 50%가 일어나는 온도(℃)를 Md30이라 칭한다.
Md30 값이 높으면 변형유기 마르텐사이트상의 생성이 쉬운 것에 반해 Md30 값이 낮으면 변형유기 마르텐사이트상의 생성이 상대적으로 어려운 강종으로 판단할 수 있다. 이러한 Md30 값은 통상의 준안정 오스테나이트계 스테인리스강의 오스테나이트 안정화도를 판단할 수 있는 지표로 사용된다.
Md30 값이 -20 미만인 경우 가공 시 충분한 가공경화가 이루어지지 못해 연신율이 낮아진다. 반대로, Md30 값이 0을 초과하는 경우 가공 시 과도한 가공경화가 발생하여 가공경화지수 n값이 0.4를 초과하며, 한계 드로잉비(LDR, Limit Drawing Ratio)가 낮아진다. 또한, Md30 값이 0을 초과하는 경우에는 마르텐사이트 변태가 다량 생성되어 시효균열이 발생한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강은 하기 식(2)를 만족할 수 있다.
식(2): (Si+Mn) ≥ 2.1
(여기서, Si 및 Mn 는 각 원소의 중량%를 의미한다)
Cu를 다량 첨가하면 높은 소재 가격으로 인하여 가격경쟁력 측면에서 문제가 있다. 따라서, 본 발명은 Cu의 상한을 0.5%로 한정하고, Cu를 대체할 수 있는 Si, Mn의 함량을 최적화함으로써 오스테나이트 안정화 파라미터인 Md30 값을 제어하여 강재의 시효균열 저항성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강은 항복강도(YS) 230MPa 이상, 인장강도(TS) 540MPa 이상 및 연신율 55% 이상을 만족할 수 있다.
대부분의 300계 오스테나이트 스테인리스강은 변형 초반인, 진변형율 0.1 내지 0.2에서 0.3 내지 0.4 범위의 가공경화지수(n)를 갖는다. 하지만, 대부분의 300계 오스테나이트 스테인리스강은 변형 후반인, 진변형율 0.3 이상에서는 0.55 이상의 가공경화지수를 갖는다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강은 진변형률 0.25 내지 0.35 범위에서 가공경화지수 n값이 0.45 내지 0.52 범위를 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 에릭슨 값이 12.2mm 이상을 만족할 수 있어 향상된 가공성을 가진다.
에릭슨 값은 에릭슨 시험 결과치로 나오는 펀치의 이동거리 값을 뜻한다. 에릭슨 시험은 금속박판 재료의 연성을 평가 또는 비교하기 위해 널리 사용되는 시험으로 두께 0.1~2.0 mm 의 금속박재료를 상, 하 다이사이에 삽입시키고, 시험편에 펀치를 넣어 시험편 뒷면에 1개 이상의 균열이 생길 때까지 가압한 후 펀치 앞 끝이 하형 다이의 시험편에 접하는 면에서 이동한 거리를 측정하여 소성가공성을 평가하는 시험이다.
한편, 오스테나이트상이 마르텐사이트상으로 변태하는 것을 억제하지 못하는 경우에는, 오스테나이트 스테인리스강을 드로잉 가공 시, 가공 24시간 후 시효균열이 발생할 수 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강은 직경이 50mm인 펀치를 이용하여 펀치 스피드 100mm/min으로 컵 드로잉 가공 시, 하기 (a) ~ (e) 중 적어도 하나를 만족할 수 있다.
(a) 바닥면으로부터 10mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 5% 미만.
(b) 바닥면으로부터 20mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 20% 미만.
(c) 바닥면으로부터 30mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 25.5% 미만.
(d) 바닥면으로부터 40mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 30% 미만.
(e) 바닥면으로부터 50mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 30% 미만.
본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 상기 (a) 내지 (e)와 같이, 변형유기 마르텐사이트양을 제어함으로써, 드로잉 가공 후 시효균열을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 디자인 싱크와 같은 복잡한 형상의 싱크 보울로 가공되더라도 모서리 부분에서 시효균열이 발생하지 않는다.
한편, 스테인리스강의 경도를 측정하는 방법으로는 비커스 경도 시험(Vickers Hardness test)이 있고, 비커스 경도 시험을 통한 경도 결과 값은 HV(Vickers Pyramid Number)로 측정된다. 경도(HV)가 높은 경우 가공 시 힘이 많이 들어 드로잉성이 열등해지며, 가공 후 가공품의 형상동결성(Shape Holdability)이 저하되는 문제가 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강은 직경이 50mm인 펀치를 이용하여 펀치 스피드 100mm/min으로 컵 드로잉 가공 시, 하기 (a) ~ (c) 중 적어도 하나를 만족할 수 있다.
(a) 바닥면으로부터 20mm의 측벽 위치에서 측정된 경도(HV) 값이 375 미만.
(b) 바닥면으로부터 30mm의 측벽 위치에서 측정된 경도(HV) 값이 390 미만.
(c) 바닥면으로부터 40mm의 측벽 위치에서 측정된 경도(HV) 값이 400 미만.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
{실시예}
아래 표 1의 조성을 가지는 오스테나이트계 스테인리스강의 일부는 Lab. 진공용해를 하여 잉곳(Ingot)을 제조하였고, 일부는 전기로-VOD-연주 공정을 거쳐 슬라브(Slab)를 제조하였다.
제조된 잉곳과 슬라브는 1,240℃에서 1 내지 2시간 재가열한 후 조압연기와 연속 마무리압연기에 의해 열연재로 제조한 다음, 1,000 내지 1,100℃의 온도에서 열연소둔을 행한 후 냉간압연 및 냉연소둔을 실시하였다.
구분 합금조성 (중량%)
C Si Mn Ni Cr Cu N Mo
발명예 1 0.04 0.6 1.5 8.2 18.3 0.25 0.04 0.1
발명예 2 0.05 0.6 1.8 8.3 18.5 0.25 0.04 0.1
발명예 3 0.06 0.7 1.8 8.02 18.1 0.25 0.04 0.1
비교예 1 0.06 0.3 1.0 8.02 18.1 0.25 0.04 0.1
비교예 2 0.06 0.3 1.0 8.02 18.1 0.35 0.04 0.1
비교예 3 0.02 0.3 1.5 8.3 18.1 1.4 0.045 0.1
비교예 4 0.06 0.7 1.8 8.02 18.1 0.30 0.075 0.1
하기 표 2는 상기 냉연소둔재의 Si+Mn 값, Md30값, 항복강도 및 인장강도를 나타내었다.
구분 Si+Mn Md30
(℃)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)
발명예 1 2.1 -1.24 260 634 59.1
발명예 2 2.4 -13.93 260 634 60.1
발명예 3 2.5 -5.87 278 660 59.6
비교예 1 1.3 4.29 269 677 60.6
비교예 2 1.3 1.39 267 669 59.1
비교예 3 1.8 -25.06 242 576 54.5
비교예 4 2.5 -23.49 311 659 52.8
표 2를 살펴 보면, 발명예 1 내지 3은 Si+Mn의 값이 2.1 이상이며, Md30 값을 0 이하, -20 이상으로 제어되어, 가공 시 변형유기 마르텐사이트양을 제어할 수 있다.
또한, 발명예 1 내지 3은 230MPa 이상의 항복강도 및 인장강도(TS) 540MPa 이상의 인장강도를 가지는 동시에 55% 이상의 연신율을 가져, 적절한 가공이 가능하다.
반면, 비교예 1과 비교예 2는 2.1 보다 작은 1.3의 Si+Mn의 값을 가지며, Md30 값이 0 보다 크다. 비교예 3은 2.1 보다 작은 1.8의 Si+Mn의 값을 가지며, Md30 값이 -20 보다 작다. 비교예 4는 2.1 보다 큰 2.5의 Si+Mn의 값을 가지지만, Md30 값이 -20 보다 작다.
또한, 상기 냉연소둔재에 대해 에릭슨 시험을 실시하였다. 에릭슨 시험은 상형다이와 하형다이에 시험편을 넣고 시험편의 두께 이외에 0.05mm 의 틈새를 만든 상태에서 진행하였다.
하기 표 3은 측정한 에릭슨 값 및 진변형률 0.3에서의 가공경화지수 n값을 나타냈다.
구분 에릭슨 값(mm) 가공경화지수 n
발명예 1 12.36 0.48
발명예 2 12.26 0.49
발명예 3 12.37 0.49
비교예 1 12.37 0.54
비교예 2 12.99 0.55
비교예 3 12.19 0.42
비교예 4 12.12 0.43
에릭슨 시험은 상형다이와 하형다이에 시험편을 넣고 시험편의 두께 이외에 0.05mm 의 틈새를 만든 상태에서 진행하였다.
표 3을 살펴보면, 발명예 1 내지 3은 에릭슨 값이 12.2mm 이상으로 향상된 연성을 가져 가공성을 확보할 수 있었다. 또한, 표 3과 도 1에 나타난 바와 같이, 발명예 1 내지 3은 진변형률 0.3에서 가공경화지수 n값이 0.45 내지 0.52 범위를 만족하여, 뛰어난 연성을 확보할 수 있고 네킹 현상(necking phenomenon)이 늦게 발생한다.
반면, 비교예 3 및 비교예 4는 12.2mm 미만의 낮은 에릭슨 값 및 진변형률 0.3에서의 가공경화지수 n값이 0.45 미만이다. 따라서 비교예 3 및 비교예 4는 연성이 낮아 가공성이 떨어지는 문제가 있다.
다음으로, 상기 냉연소둔재에 대해 드로잉 가공을 진행하였다. 드로잉 가공은 도 2a 내지 2c에 나타난 바와 같이, Φ85의 디스크 크기로 3단 컵 드로잉(cup drawing)하는 방식으로 진행되었다. 컵 드로잉은 2.16의 한계 드로잉비 및 컵의 상부에 주름과 파단이 발생하지 않는 범위 내에서, 직경이 50mm인 펀치를 사용하여 펀치 스피드 100mm/min으로 수행되었다.
상기 드로잉 가공 후, 도 3과 같이, 드로잉 가공품의 바닥면으로부터 10mm, 20mm, 30mm, 40mm, 50mm의 측벽 위치에서 변형유기 마르텐사이트 양을 측정하였다. 변형유기 마르텐사이트 양은 페라이트스코프(ferrite-scope)를 이용하여 측정하였다. 또한, 상기 드로잉 가공 24시간 후 시효균열 발생 여부를 확인하였다.
하기 표 4는 측정된 마르텐사이트 양 및 드로잉 가공 24시간 후 시효균열 발생 여부를 나타냈다.'OK'는 드로잉 가공 후 24시간 이내에 시효균열이 발생하지 않았음을 뜻하고, 'NG'는 드로잉 가공 후 24시간 이내에 시효균열이 발생하였음을 뜻한다.
구분 3단 컵(Cup)부의 위치별
마르텐사이트 생성량(%)		 1단
(펀치Φ50)		 2단
(펀치Φ38)		 3단
(펀치Φ30)
10mm 20mm 30mm 40mm 50mm
발명예 1 2.4 10.8 15.7 22.4 22.2 OK OK OK
발명예 2 4.3 18.5 25.2 28.5 29.3 OK OK OK
발명예 3 4.3 18.5 25.2 28.5 29.3 OK OK OK
비교예 1 6.0 21.1 29.8 35.6 33.6 OK OK NG
비교예 2 6.7 22.8 31.7 37.8 35.8 OK OK NG
비교예 3 2.1 13.2 20.7 26.0 25.8 OK OK OK
비교예 4 1.3 7.2 10.8 15.4 17.3 OK OK OK
표 4를 살펴 보면, 발명예 1 내지 3은, 드로잉 가공 후 드로잉 가공품의 바닥면으로부터 10mm, 20mm, 30mm, 40mm 및 50mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 각각 5.0%, 20.0%, 26.0%, 30% 및 30% 미만으로 제어되어, 3단 가공 후에도 24시간이내에 시효균열이 발생하지 않았다.
반면, 비교예 1은 드로잉 가공 후 드로잉 가공품의 바닥면으로부터 10mm, 20mm, 30mm, 40mm 및 50mm의 측벽 위치에서 각각 6.0%, 21.1%, 29.8%, 35.6% 및 33.6%의 변형유기 마르텐사이트가 생겼다.
비교예 2는 드로잉 가공 후 드로잉 가공품의 바닥면으로부터 10mm, 20mm, 30mm, 40mm 및 50mm의 측벽 위치에서 각각 6.7%, 22.8%, 31.7%, 37.8% 및 35.8%의 변형유기 마르텐사이트가 생겼다.
비교예 1 및 비교예 2는 본 발명에서 제시하는 변형유기 마르텐사이트양의 범위를 초과하여, 3단 가공 후 24시간 이내에 시효균열이 발생하는 문제가 있었다.
다음으로, 상기 드로잉 가공품에 대해 경도(HV)를 측정하였다. 경도(HV)는 비커스 경도시험기(micro hardness tester, 아카쉬(Akashi) AVK-CO)를 이용하여 경도를 측정하였다.
하기 표 5는 드로잉 가공품의 바닥면으로부터 10mm, 20mm, 30mm, 40mm 및 50mm의 측벽 위치에서 측정된 경도(HV) 값을 나타냈다.
구분 3단 컵(Cup)부의 위치 별 경도(HV)
20mm 30mm 40mm
발명예 1 369 385 392
발명예 2 356 372 376
발명예 3 363 378 387
비교예 1 393 403 431
비교예 2 385 407 432
비교예 3 333 335 341
비교예 4 371 379 396
표 5와 도 4를 살펴보면, 발명예 1 내지 3은 드로잉 가공품의 바닥면으로부터 20mm, 30mm, 40mm의 측벽 위치에서 측정된 경도(HV) 값이 각각 375, 390, 400 미만을 만족하여, 가공성과 내시효균열성을 확보할 수 있었다.
반면, 비교예 1 및 비교예 2는 바닥면으로부터 20mm, 30mm, 40mm의 측벽 위치에서 측정된 경도(HV) 값이 각각 375, 390, 400 이상을 나타내어 드로잉성이 열위하고, 시효균열이 발생하는 문제가 있다.
따라서, 비교예 1 및 비교예 2는 연신율이 55% 이상이고, 가공경화지수가 높아 가공성은 확보하였지만, 변형 유기 마르텐사이트의 양 및 경도(HV)가 높아, 드로잉성과 내시효균열성이 열등하다.
비교예 3 및 비교예 4는 변형유기 마르텐사이트의 양과 경도(HV)값이 낮아, 우수한 드로잉성 및 내시효균열성을 갖는다. 그러나 비교예 3 및 비교예 4는 연신율, 에릭슨 값 및 가공경화지수가 낮아 가공성이 열위한 것을 알 수 있다.
개시된 실시예에 따르면, 합금성분 및 성분관계식을 최적으로 제어함으로써, 뛰어난 가공성을 확보함과 동시에 가공 후에도 모서리 부분에 균열이 발생하지 않는 향상된 내시효균열성을 확보할 수 있다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 중량%로, C: 0.04 내지 0.07%, Si: 0.6 내지 1.0%, Mn: 1.5 내지 2%, Ni: 7 내지 8.5%, Cr: 18 내지 20%, Cu: 0.1 내지 0.5%, Mo: 0.01 내지 0.2%, N: 0.04 내지 0.07%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 식(1)로 표현되는 Md30 값이 -20 내지 0 범위를 만족하는 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강.
    식(1): 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-29(Ni+Cu)-13.7Cr-18.5Mo
    (여기서, C, N, Si, Mn, Ni, Cu, Cr 및 Mo은 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다)
  2. 청구항 1에 있어서,
    하기 식(2)를 만족하는 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강.
    식(2): (Si+Mn) ≥ 2.1
    (여기서, Si, Mn 는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다)
  3. 청구항 1에 있어서,
    항복강도(YS) 230MPa 이상, 인장강도(TS) 540MPa 이상 및 연신율 55% 이상인 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강.
  4. 청구항 1에 있어서,
    진변형률 0.25 내지 0.35 범위에서 가공경화지수 n값이 0.45 내지 0.52 범위를 만족하는, 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강.
  5. 청구항 1에 있어서,
    에릭슨 시험으로 구한 성형 높이(에릭슨 값)가 12.2mm 이상인 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강.
  6. 청구항 1에 있어서,
    직경이 50mm인 펀치를 이용하여 펀치 스피드 100mm/min으로 컵 드로잉 가공 시, 하기 (a) ~ (e) 중 적어도 하나를 만족하는 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강:
    (a) 바닥면으로부터 10mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 5.0% 미만;
    (b) 바닥면으로부터 20mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 20.0% 미만;
    (c) 바닥면으로부터 30mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 25.5% 미만;
    (d) 바닥면으로부터 40mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 30.0% 미만;
    (e) 바닥면으로부터 50mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 30.0% 미만.
  7. 청구항 1항에 있어서,
    직경이 50mm인 펀치를 이용하여 펀치 스피드 100mm/min으로 컵 드로잉 가공 시, 하기 (a) ~ (c) 중 적어도 하나를 만족하는 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강:
    (a) 바닥면으로부터 20mm의 측벽 위치에서 측정된 경도(HV) 값이 375 미만;
    (b) 바닥면으로부터 30mm의 측벽 위치에서 측정된 경도(HV) 값이 390 미만;
    (c) 바닥면으로부터 40mm의 측벽 위치에서 측정된 경도(HV) 값이 400 미만.
  8. 청구항 1에 있어서,
    드로잉비 2.10 내지 2.16 조건으로 3단 가공 시,
    가공 24시간 후 시효균열이 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 가공성 및 내시효균열성이 향상된 저원가형 오스테나이트계 스테인리스강.
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