KR20220089140A - 경화능이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스강 - Google Patents

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Abstract

성분계 제어를 통한 경화능이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스강이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 경화능이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01 내지 0.1%, Si: 0.05 내지 1.0%, Mn: 0.05 내지 1.0%, Cr: 11.0 내지 14.0%, Ni: 0.05 내지 1.0%, Cu: 0.05% 내지 2.0%, N: 0.04% 내지 0.08%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)을 만족한다.
(1) 1.0 ≤ Mn ＋ Ni ＋ Cu ≤ 2.5

Description

경화능이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스강{MARTENSITIC STAINLESS STEEL WITH EXCELLENT HARDENABILITY}
본 발명은 경화능이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스강에 대한 것으로, 보다 상세하게는 경도 편차가 적어 우수한 경화능을 보이는 마르텐사이트계 스테인리스강에 관한 것이다.
일반적으로 이륜차에 사용되는 디스크용 소재는 디스크의 마모를 방지하기 위하여 높은 경도가 요구되며, 이에 따라, 경도가 높은 마르텐사이트계 스테인리스강이 주로 사용된다.
마르텐사이트계 스테인리스강은 판재로 제조되었을 때에는 페라이트상과 석출물로 구성되며, 디스크 형태로 펀칭 후 경화열처리를 한다. 경화열처리는 페라이트상이 오스테나이트상으로 변태하는 온도까지 가열한 다음 일정 시간 유지 후 급냉하여 마르텐사이트상을 형성시키는 것이다. 마르텐사이트상이 형성되면 이륜차 디스크용으로 적절한 높은 경도가 얻어진다.
하지만 균일한 디스크 성능을 발휘하기 위해서는 디스크의 위치별 경도가 균일하도록 경도 편차가 적어야 하며, 경도 편차가 클 경우 디스크와 마찰하는 패드의 마모가 빨리 일어나거나, 적합한 제동 성능을 얻지 못하게 된다. 이에 디스크의 위치별로 경도가 균일한 마르텐사이트계 스테인리스강이 요구된다.
본 발명의 실시예들은, 경도 편차가 적어 우수한 경화능을 보이는 마르텐사이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 경화능이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스강, 중량%로, C: 0.01 내지 0.1%, Si: 0.05 내지 1.0%, Mn: 0.05 내지 1.0%, Cr: 11.0 내지 14.0%, Ni: 0.05 내지 1.0%, Cu: 0.05% 내지 2.0%, N: 0.04% 내지 0.08%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)을 만족한다.
(1) 1.0 ≤ Mn ＋ Ni ＋ Cu ≤ 2.5
(여기서, Mn, Ni, Cu는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.)
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 경화능이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스강 임의의 단면에서 페라이트상의 면적분율이 20% 이하일 수 있다.
또한, 임의의 단면에서 장축의 길이가 1μm 초과인 석출물이 2개/100μm2 이하일 수 있다.
또한, 임의의 단면에서 로크웰 경도 편차는 2.0 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마르텐사이트계 스테인리스강은 성분계를 제어하여 페라이트상의 면적분율 또는 조대한 석출물의 개수를 감소시킬 수 있기 때문에 경도 편차가 감소되어 경화능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 마르텐사이트계 스테인리스강의 단면에 대한 페라이트상 및 마르텐사이트상을 관찰한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 마르텐사이트계 스테인리스강의 단면에 대한 페라이트상 및 마르텐사이트상을 관찰한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 마르텐사이트계 스테인리스강의 단면에 대한 석출물을 관찰한 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.
본 발명의 일 실시예에 따른 경화능이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01 내지 0.1%, Si: 0.05 내지 1.0%, Mn: 0.05 내지 1.0%, Cr: 11.0 내지 14.0%, Ni: 0.05 내지 1.0%, Cu: 0.05% 내지 2.0%, N: 0.04% 내지 0.08%, 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.
C(탄소)의 함량은 0.01 내지 0.1%이다.
C는 경도에 크게 영향을 미치는 원소로써, 그 함량이 0.01% 미만이면 원하는 수준의 경도를 얻을 수 없으며, 0.1%를 초과하면 경도가 과도하여 디스크 용도에 필요한 수준의 경도를 초과하게 된다.
Si의 함량은 0.05 내지 1.0%이다.
Si는 내식성을 향살시킬 수 있는 원소이며, 0.05% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 1.0%를 초과하면 제조 중 인성을 저해할 수 있어 그 상한을 1.0% 이하로 제한한다.
Mn(망간)의 함량은 0.05 내지 1.0%이다.
Mn은 경화열처리 중 오스테나이트상을 형성하는데 도움을 주는 원소이며, 0.05% 이상 첨가한다. Mn의 함량이 1.0%를 초과하면 내식성을 저해할 수 있어 그 상한을 1.0% 이하로 한다.
Cr(크롬)의 함량은 11.0 내지 14.0%이다.
Cr은 강의 내식성을 향상시키는 원소이며, 11.0% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과도할 시 석출물의 크기를 증가시키는 주요인이 되기 때문에 그 상한을 14.0% 이하로 제한한다.
Ni(니켈)의 함량은 0.05 내지 1.0%이다.
Ni은 경화열처리 중 오스테나이트상을 형성하는데 도움을 주는 원소이며, 0.05% 이상 첨가한다. Ni은 고가의 원소이며, Ni을 다량 첨가 시 원가상승을 초래하므로 그 상한을 1.0% 이하로 한다.
Cu(구리)의 함량은 0.05 내지 2.0%이다.
Cu는 경화열처리 중 오스테나이트상을 형성하는데 도움을 주는 원소로, 본 발명에서는 0.05% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 원가상승을 초래하므로 그 상한을 2.0% 이하로 제한한다.
N(질소)의 함량은 0.04 내지 0.08%이다.
N는 디스크의 경도를 제어하는 원소로써, 0.04% 이상 함유한다. N의 함량이 0.08% 초과 시 경도가 과도하여 디스크 용도에 필요한 수준의 경도를 초과하게 된다.
상술한 합금원소들을 제외한 스테인리스강의 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
스테인리스강의 경화능을 향상시키기 위해서는 경화열처리 후 스테인리스강의 위치별 경도 편차가 감소되어야 한다. 스테인리스강의 위치별 경도 편차는 경화열처리 된 스테인리스강을 구성하고 있는 상에 마르텐사이트상 외에 다른 상이 있기 때문이다. 경화열처리 전에 스테인리스강을 구성하던 페라이트상이 경화열처리 중에 충분히 오스테나이트상으로 변태되지 못할 시, 경화열처리 후에 페라이트상이 잔류하게 되며, 이로 인해 경도 편차가 증가한다.
또한, 스테인리스강의 경화능을 향상시키기 위해서는 경화열처리 전에 조대한 석출물이 없어야 한다. 크기가 큰 석출물이 존재할 경우, 경화열처리 도중에 오스테나이트상으로의 변태가 충분히 발생되지 않으며, 이로 인해 경화열처리 후에 페라이트상이 잔류하게 되어 경도 편차가 증가한다.
본 발명에서는 식 (1)을 사용하여 경화열처리 후 잔류 페레이트상의 면적분율을 감소시킬 수 있는 성분 범위를 도출하였다.
(1) 1.0 ≤ Mn ＋ Ni ＋ Cu ≤ 2.5
(여기서, Mn, Ni, Cu는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.)
식 (1)의 값이 1.0 이상, 2.5 이하인 경우, 경화열처리 도중에 페라이트상이 오스테나이트상으로 충분히 변태될 수 있으며, 페라이트상의 면적분율이 일정 수준 이하로 이루어져 경도 편차가 적절한 수준 이하로 제어된다.
식 (1)의 값이 1.0 이상, 2.5 이하인 경우, 경화열처리 후에 잔류하는 페라이트상의 면적분율이 임의의 단면에서 20% 이하이며, 바람직하게는 10% 이하로 이루어질 수 있다. 여기서, 임의의 단면은 경화열처리 후 마르텐사이트계 스테인리스강을 임의의 방향으로 잘라 낸 면을 의미하며, 구체적으로 임의의 단면은 장축의 길이가 1μm 초과인 석출물의 길이방향과 평행한 면을 의미한다.
또한, 식 (1)의 값이 1.0 내지 2.5인 경우, 경화열처리 전에 생성되는 조대한 석출물의 개수를 감소시킬 수 있으며, 경화열처리 후에 페라이트상이 잔류하는 것을 방지하여 경도 편차를 감소시킬 수 있다.
식 (1)의 값이 1.0 내지 2.5인 경우, 경화열처리 전에 장축의 길이가 1μm 초과인 석출물이 임의의 단면에서 2개/100μm2 이하로 존재할 수 있다. 여기서, 임의의 단면은 마르텐사이트계 스테인리스강의 경화열처리 전 임의의 방향으로 잘라 낸 면을 의미한다.
아울러 본 발명의 일 실시예에 의한 마르텐사이트계 스테인리스강은 식 (2)로 표현되는 경도 편차의 값이 2 이하로 이루어질 수 있다.
(2)
Figure pat00001
≤ 2.0
(여기서 [Hardness_HRC]는 임의의 단면에서 측정된 로크웰 경도(HRC)이고, m은 10회 측정된 로크웰 경도의 평균이다.)
식 (2)의 값이 2 이하인 경우, 마르텐사이트계 스테인리스강의 경도가 균일하여 제동 시 디스크와 마찰하는 패드의 마모를 감소시킬 수 있으며, 목표로 하는 제동 성능을 확보할 수 있다.
실시예
아래 표 1에 기재된 합금 성분계로 스테인리스강을 주조하여 두께 4mm까지 열간압연을 진행하였다. 열간압연 두께는 용도에 따라 변화할 수 있다. 열간압연을 진행한 다음 750℃ 부근에서 20 시간 정도 유지하여 열간압연 시 형성된 오스테나이트상을 페라이트상으로 변태시켰다.
구분 C Si Mn Cr Ni Cu N 식 (1)
비교예1 0.04 0.3 0.3 12.7 0.3 0.3 0.03 0.9
비교예2 0.04 0.03 0.2 14.2 0.2 0.2 0.02 0.6
비교예3 0.06 0.3 0.2 14.3 0.3 0.3 0.03 0.9
비교예4 0.04 0.3 0.2 13.1 0.1 0.1 0.01 0.4
실시예1 0.03 0.3 0.4 12.2 0.3 0.5 0.04 1.2
실시예2 0.01 0.2 0.4 12.8 0.3 0.5 0.08 1.2
실시예3 0.03 0.3 0.5 12.3 0.2 0.9 0.05 1.6
실시예4 0.04 0.3 0.9 12.5 0.2 0.2 0.04 1.3
실시예5 0.02 0.3 0.3 12.4 0.9 0.3 0.05 1.5
실시예6 0.03 0.4 0.3 12.1 0.3 1.4 0.05 2.0
실시예7 0.04 0.4 0.3 13.8 0.2 1.9 0.04 2.4
실시예8 0.09 0.9 0.1 11.1 0.2 0.8 0.06 1.1
이와 같이 제조한 스테인리스강에 대하여 석출물의 크기(μm) 및 분포밀도(개/100μm2)를 측정하였다. 석출물의 크기 및 분포밀도는 석출물을 제외한 나머지 조직을 에칭 후 주사전자현미경으로 관찰함으로써 알 수 있다. 에칭의 방법은 학계나 산업계에서 통용되는 방법을 사용할 수 있다.
이후, 디스크 형태로 가공 후 1000℃에서 1분간 유지한 다음 수냉하여 페라이트상의 면적분율(%)을 측정하였다. 페라이트상의 면적분율은 임의의 단면을 주사전자현미경에 장착된 후방산란전자회절(Electron Backscatter Diffraction)로 관찰한 다음 Image Quality Map을 표시한 사진으로써 확인할 수 있으며, 에칭 등 학계나 산업계에서 통용되는 방법을 사용하여 확인할 수 있다.
또한, 디스크로써의 경도가 적절한지 알기 위하여 임의의 단면에서 로크웰-C(HRC)를 10회 측정 후 식 (2)에 따라 경도 편차를 계산하였다. 각각의 결과에 대해서는 표 2에 기재하였다.
구분 페라이트상 면적분율(%) 장축 길이 1μm 초과 석출물(개/100μm2) 식 (2)[경도 편차]
비교예1 12 3 4
비교예2 35 10 10
비교예3 11 6 6
비교예4 25 5 15
실시예1 5 1 2
실시예2 8 0 1.5
실시예3 6 1 2
실시예4 2 0 0.5
실시예5 3 1 1
실시예6 4 0 1.5
실시예7 5 2 2
실시예8 4 0 2
표 1 및 표 2를 함께 살펴보면, 실시예 1 내지 8 강종은 식 (1)의 값이 1.0 내지 2.5를 만족하였고, 강화열처리 전 임의의 단면에서 장축의 길이가 1μm 초과인 석출물이 2개/100μm2 이하로 나타났으며, 강화열처리 후 임의의 단면에서 페라이트상의 면적분율이 20% 이하로 나타나 경도 편차가 2 이하임을 확인하였다.
반면, 비교예 1 및 3은 식 (1)의 값이 0.9 이하로 나타나, 장축의 길이가 1μm 초과인 석출물이 3개/100μm2 이상으로 나타났으며, 경도 편차 역시 4 이상으로 나타나 경도 편차 2 이하가 권장되는 이륜차용 디스크로써는 적합하지 않음을 확인하였다.
한편, 비교예 2 및 4는 본 발명의 성분범위를 만족하지 못하고, 식 (1)의 값이 0.6 이하로 나타나, 페라이트상의 면적분율이 20%를 초과하였으며, 장축의 길이가 1μm 초과인 석출물이 5개/100μm2 이상으로 나타났다. 또한, 경도 편차 역시 10 이상으로 나타나 식 (1)의 값이 1.0 내지 2.5 범위에서 멀어질수록 경도 편차가 보다 증가됨을 확인하였다.
도 1은 종래의 마르텐사이트계 스테인리스강의 단면에 대한 페라이트상 및 마르텐사이트상을 관찰한 사진이며, 도 2는 본 발명의 실시예 1에 의한 마르텐사이트계 스테인리스강의 단면에 대한 페라이트상 및 마르텐사이트상을 관찰한 사진이다.
도 1 및 2에서, 밝은 영역은 페라이트상을 나타내며, 어둡고 침상으로 채워진 영역은 마르텐사이트상을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 페라이트상의 면적분율이 20%를 초과하여 존재함을 알 수 있다. 반면, 도 2는 본 발명에서 제시하는 바와 같이 페라이트상의 면적분율이 20% 이하로 거의 존재하지 않음을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의한 마르텐사이트계 스테인리스강의 단면에 대한 석출물을 관찰한 사진이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에서 제시하는 바와 같이 장축의 길이가 1μm 초과인 석출물이 2개/100μm2 이하이며, 장축의 길이가 1μm 이하인 미세 석출물이 존재함을 알 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 (4)

  1. 중량%로, C: 0.01 내지 0.1%, Si: 0.05 내지 1.0%, Mn: 0.05 내지 1.0%, Cr: 11.0 내지 14.0%, Ni: 0.05 내지 1.0%, Cu: 0.05% 내지 2.0%, N: 0.04% 내지 0.08%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 식 (1)을 만족하는 경화능이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스강.
    (1) 1.0 ≤ Mn ＋ Ni ＋ Cu ≤ 2.5
    (여기서, Mn, Ni, Cu는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.)
  2. 제1항에 있어서,
    임의의 단면에서 페라이트상의 면적분율은 20% 이하인 경화능이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스강.
  3. 제1항에 있어서,
    임의의 단면에서 장축의 길이가 1μm 초과인 석출물이 2개/100μm2 이하인 경화능이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스강.
  4. 제1항에 있어서,
    임의의 단면에서 로크웰 경도 편차는 2.0 이하인 경화능이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스강.
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