KR20230072328A - 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 명세서에서는 열간가공성을 향상시킴으로써, 비자성이면서도 표면 품질을 향상시킨, 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0% 초과 0.05% 이하, Si: 0% 초과 1.0% 이하, Mn: 0% 초과 2.0% 이하, Cr: 16.0% 이상 19.0% 이하, Ni: 11.0% 이상 15.0% 이하, Mo: 1.5% 이상 3.0% 이하, Cu: 0% 초과 1.0% 이하, N: 0% 초과 0.1% 이하, Nb: 0.3% 이상 0.5% 이하, 잔부 Fe(철) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0% 초과 0.05% 이하, Si: 0% 초과 1.0% 이하, Mn: 0% 초과 2.0% 이하, Cr: 16.0% 이상 19.0% 이하, Ni: 11.0% 이상 15.0% 이하, Mo: 1.5% 이상 3.0% 이하, Cu: 0% 초과 1.0% 이하, N: 0% 초과 0.1% 이하, Nb: 0.3% 이상 0.5% 이하, 잔부 Fe(철) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열간가공성을 향상시킴으로써, 비자성이면서도 표면 품질을 향상시킨, 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
오스테나이트계 스테인리스강은 주방용품부터 산업설비에 이르기까지 다양한 분야에 사용되고 있는 강재이다. 오스테나이트계 스테인리스강을 제조함에 있어서, 열간압연 중 발생하는 크랙 결함은 강재의 실수율을 저하시킨다. 또한, 크랙 결함을 제거하기 위한 표면 연삭공정을 거치게 되면서 비용상승의 원인이 된다. 따라서, 열간압연 중 발생하는 크랙 결함을 저감하기 위해서 강재 자체의 열간가공성을 높이는 연구가 진행되어 왔다.
열간가공성이란, 800~1300℃의 고온환경에서 일축 인장응력을 받고 있을 때 파단에 이르지 않고 잘 연신되는 정도를 나타내는 척도이다. 강재의 열간가공성이 저하되면 결정립계를 따라 크랙이 발생하는 입계파괴에 민감해진다. 반면, 열간가공성이 증가하면 열간압연 시 크랙이 발생하지 않게 된다.
오스테나이트계 스테인리스강의 열간가공성에 있어서 주요하게 영향을 미치는 인자로는, 미세조직 내에 존재하는 델타 페라이트의 분율을 들 수 있다.
특허문헌 0001에서는, STS304강을 제조함에 있어서 크랙 결함을 방지할 수 있는 최적의 델타 페라이트 분율은 6~9%로 언급되어 있다. 그러나 델타 페라이트가 강재의 미세조직에 존재할 경우, 페라이트상의 물리적 특성으로 인하여 강재는 자성을 가질 수 밖에 없다. 따라서 비자성이 요구되는 전자기기, 정밀분석기기에 사용되는 비자성 오스테나이트계 스테인리스강의 경우, 델타 페라이트를 제어하여 크랙 결함을 제거하는 방법이 불가능하다. 뿐만 아니라 델타 페라이트가 없이 오스테나이트 조직으로만 이루어진 오스테나이트계 스테인리스강은 열간압연 전 가열로 공정에서 1200℃ 이상의 고온에 의한 결정립 성장으로 결정립도가 커져 크랙 발생에 취약한 조직을 가지게 된다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 열간가공성을 향상시킴으로써, 비자성이면서도 표면 품질을 향상시킨, 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0% 초과 0.05% 이하, Si: 0% 초과 1.0% 이하, Mn: 0% 초과 2.0% 이하, Cr: 16.0% 이상 19.0% 이하, Ni: 11.0% 이상 15.0% 이하, Mo: 1.5% 이상 3.0% 이하, Cu: 0% 초과 1.0% 이하, N: 0% 초과 0.1% 이하, Nb: 0.3% 이상 0.5% 이하, 잔부 Fe(철) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 열간압연 전 재가열한 슬라브가 아래 식 (1)을 만족할 수 있다.
식 (1): N ≥ 7.98L-0.129
(0<L≤5, 단위: mm)
상기 식 (1)에서, N은 슬라브 표면과 평행한 방향의 3mm 길이의 선분과 결정립계가 만나는 교점의 수를 의미하고, L은 슬라브 표면으로부터 두께 방향으로의 거리를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강은, 용체화 열처리 후 강의 결정립도가 ASTM No.7 내지 8일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강은, 1000℃에서 평가한, 고온 단면감소율이 65% 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강은, 아래 식 (2)로 표현되는 델타 페라이트 함량 계산값이 1.0 내지 1.5%를 만족할 수 있다.
식 (2): ((([Cr] + [Mo] + 1.5*[Si] + 0.5*[Nb] + 18) / ([Ni] + 30*([C] + [N]) + 0.5*[Mn] + 36)) + 0.262)*161 - 161
상기 식 (2)에서, [Cr], [Mo], [Si], [Nb], [Ni], [C], [N], [Mn]은 각 원소의 중량%를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강은, 투자율(μ)이 1.05 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은, 중량%로, C: 0% 초과 0.05% 이하, Si: 0% 초과 1.0% 이하, Mn: 0% 초과 2.0% 이하, Cr: 16.0% 이상 19.0% 이하, Ni: 11.0% 이상 15.0% 이하, Mo: 1.5% 이상 3.0% 이하, Cu: 0% 초과 1.0% 이하, N: 0% 초과 0.1% 이하, Nb: 0.3% 이상 0.5% 이하, 잔부 Fe(철) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 아래 식 (2)로 표현되는 델타 페라이트 함량 계산값이 1.0 내지 1.5%를 만족하는 슬라브를 제조하는 단계; 상기 슬라브를 재가열온도 1150 내지 1240℃에서 열간압연하여 열간압연재를 제조하는 단계; 및 상기 열간압연재를 용체화 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
식 (2): ((([Cr] + [Mo] + 1.5*[Si] + 0.5*[Nb] + 18) / ([Ni] + 30*([C] + [N]) + 0.5*[Mn] + 36)) + 0.262)*161 - 161
상기 식 (2)에서, [Cr], [Mo], [Si], [Nb], [Ni], [C], [N], [Mn]은 각 원소의 중량%를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강에서, 상기 용체화 열처리는 1100℃ 내지 1200℃에서 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 강 표층부의 미세조직을 미세화시켜 열간가공성을 향상시킴으로써, 비자성이 요구되는 오스테나이트계 스테인리스강의 열간압연 중 발생하는 크랙 결함을 억제할 수 있다. 따라서, 표면 품질이 우수한 비자성 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 크랙 결함을 제거하기 위한 추가공정이 필요 없으므로 공정비용을 저감시킬 수 있고, 실수율이 향상된, 비자성 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 슬라브 표면으로부터 두께방향으로의 거리 L에 따른, 결정립계 교차점 수 N을 나타난 그래프이다.
도 2는 각 실시예의 1000℃에서의 단면 감소율을 나타낸 그래프이다.
도 2는 각 실시예의 1000℃에서의 단면 감소율을 나타낸 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.
본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0% 초과 0.05% 이하, Si: 0% 초과 1.0% 이하, Mn: 0% 초과 2.0% 이하, Cr: 16.0% 이상 19.0% 이하, Ni: 11.0% 이상 15.0% 이하, Mo: 1.5% 이상 3.0% 이하, Cu: 0% 초과 1.0% 이하, N: 0% 초과 0.1% 이하, Nb: 0.3% 이상 0.5% 이하, 잔부 Fe(철) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 함금성분 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C(탄소)의 함량은 0% 초과 0.05% 이하일 수 있다.
C는 강력한 오스테나이트상 안정화 원소이고, 고용강화에 의한 재료 강도 증가에 유효한 원소이다. 그러나, C의 함량이 과다한 경우에는, 페라이트-오스테나이트상 경계에서 Cr 등 탄화물 형성 원소와 쉽게 결합하여 부식 저항성이 낮아질 수 있다. 이를 고려하여, C 함량의 상한은 0.05%로 제한될 수 있다. 탄화물 석출의 위험성을 최소화하기 위해서는 C 함량의 상한을 0.03%로 제한하는 것이 바람직할 수 있다.
Si(실리콘)의 함량은 0% 초과 1.0% 이하일 수 있다.
Si은 페라이트상 안정화 원소이고, 내식성 향상에 효과적인 원소이다. 그러나, Si의 함량이 과다할 경우에는, σ상 등의 금속간 화합물 석출을 조장하여, 충격인성과 관련된 기계적 특성 및 내식성이 저하될 수 있다. 이를 고려하여 Si 함량의 상한은 1.0%로 제한될 수 있다.
Mn(망간)의 함량은 0% 초과 2.0% 이하일 수 있다.
Mn은 C, Ni과 같은 오스테나이트상 안정화 원소로써, N의 고용도를 개선하는데 기여하는 원소이다. 그러나, Mn의 함량이 과다한 경우에는, S계 개재물(MnS)을 과량 형성하여 오스테나이트계 스테인리스강의 연성, 인성 및 내식성을 저하시킬 수 있다. 또한, Mn의 함량이 과다한 경우에는, 제강 공정도중 Mn 흄을 발생시켜 제조상 위험성을 동반할 수 있다. 이를 고려하여 Mn 함량의 상한은 2.0%로 제한될 수 있다.
Cr(크롬)의 함량은 16.0% 이상 19.0% 이하일 수 있다.
Cr은 스테인리스강에 요구되는 내식성을 확보하는데 필요한 기본 원소이다. 이를 고려하여 Cr은 16.0% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, Cr은 페라이트 안정화 원소로써, Cr의 함량이 과다한 경우에는, 페라이트 분율이 증가할 수 있다. 따라서, Cr의 함량이 과다한 경우에는, 비자성 특성을 얻기 위해 다량의 Ni이 요구되므로 비용이 증가할 수 있다. 또한, Cr의 함량이 과다한 경우에는, σ상 형성이 조장되어 기계적 물성 및 내식성 저하의 원인이 될 수 있다. 이를 고려하여, Cr 함량의 상한은 19.0%로 제한될 수 있다.
Ni(니켈)의 함량은 11.0% 이상 15.0% 이하일 수 있다.
Ni은 강력한 오스테나이트상 안정화 원소로써, 비자성 특성을 얻기 위해 11.0% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, Ni의 함량이 과다한 경우에는, 원료비용의 상승을 초래할 수 있다. 이를 고려하여 Ni 함량의 상한은 15.0%로 제한될 수 있다.
Mo(몰리브덴)의 함량은 1.5% 이상 3.0% 이하일 수 있다.
몰리브덴(Mo)은 내식성을 향상시키는데 효과적인 원소이다. 이를 고려하여, Mo은 1.5% 이상 첨가될 수 있다. 그러나, Mo는 페라이트 안정화 원소로써, Mo의 함량이 과다한 경우에는, 페라이트 분율이 증가하여 비자성 특성을 얻기 어려울 수 있다. 또한, Mo의 함량이 과다한 경우에는 σ상 형성이 조장되어 기계적 물성 및 내식성 저하의 원인이 될 수 있다. 이를 고려하여, Mo 함량의 상한은 3.0%로 제한될 수 있다.
Cu(구리)의 함량은 0% 초과 1.0% 이하일 수 있다.
Cu는 황산 분위기에서의 내식성을 향상시키는데 기여한다. 그러나, Cu는 염소 분위기에서는 공식 저항성을 감소시킬 수 있다. 또한, Cu는 열간 가공성을 저하시키는 단점이 있다. 이를 고려하여, Cu 함량의 상한은 1.0%로 제한될 수 있다.
N(질소)의 함량은 0% 초과 0.1% 이하일 수 있다.
N는 염소 분위기에서의 내식성 향상에 효과적인 원소이고, 오스테나이트 상의 안정화에 유용한 원소이다. 그러나, N의 함량이 과다한 경우에는, 열간 가공성 감소하여 강의 실수율이 저하될 수 있다. 이를 고려하여, N 함량의 상한은 0.1%로 제한될 수 있다.
Nb(니오븀)의 함량은 0.3% 이상 0.5% 이하일 수 있다.
Nb은 Nb(C, N) 석출물을 형성하여 입계에 분포함으로써, 열처리 과정 중 결정립 성장을 억제하는데 효과적인 원소이다. 따라서, 비자성 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 공정 중 결정립의 미세화 효과를 얻기 위해, Nb을 0.3% 이상 첨가할 수 있다. 그러나, Nb은 페라이트 안정화 원소로써, Nb의 함량이 과다한 경우에는, 페라이트 분율이 증가하여 비자성 특성을 얻기 어려울 수 있다. 또한, Nb의 함량이 과다한 경우에는, 원료비용의 상승을 초래할 수 있다. 이를 고려하여 Nb 함량의 상한은 0.5%로 제한될 수 있다.
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.
본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강은 열간압연 전 재가열한 슬라브가 아래 식 (1)을 만족할 수 있다.
식 (1): N ≥ 7.98L-0.129
(0<L≤5, 단위: mm)
상기 식 (1)에서, N은 슬라브 표면과 평행한 방향의 3mm 길이의 선분과 결정립계가 만나는 교점의 수를 의미하고, L은 슬라브 표면으로부터 두께 방향으로의 거리를 의미한다.
비자성 오스테나이트계 스테인리스강은, 가열로 공정 중 고온에서 결정립 성장을 억제시켜주는 델타 페라이트상이 거의 존재하지 않는다. 따라서 고온에서 장시간 유지될 경우에는, 과도한 결정립 성장으로 크랙에 대한 민감도가 증가하므로, 압연 중 표면결함이 유발될 수 있다. 즉, 열간압연 전 재가열한 슬라브 표층부의 결정립도가 작을수록 열간가공성이 향상될 수 있다.
슬라브의 결정립도 측정은, 슬라브 표층과 평행한 3mm 길이의 선분을 그은 후, 상기 선분과 만나는 결정립의 수를 세는 방법으로 측정할 수 있다. 즉, 교차되는 결정립의 수가 많을수록 결정립이 미세하다는 의미로 해석할 수 있다.
도 1은 슬라브 표면으로부터 두께방향으로의 거리 L에 따른, 결정립계 교차점 수 N을 나타난 그래프이다. 도 1을 참조하면, 표면으로부터 두께방향으로의 거리 L이 길어질수록, 결정립계 교차점의 수 N이 수렴하는 형태로 적어지는 것을 확인할 수 있다. 슬라브 표층에서의 결정립이 미세할수록 열간가공성이 향상되므로, 표층으로부터 두께방향으로의 거리 L이 짧을수록 결정립계 교차점의 수 N이 많아야 한다. 이를 식으로 표현하면 N=7.98L-0.129와 같은 지수형태의 식이 나타난다. 한편, 결정립계 교차점의 수 N이 많을수록 결정립이 미세하므로, N ≥ 7.98L-0.129와 같은 형태의 식 (1)을 얻을 수 있다.
따라서, 슬라브 표면과 평행한 3mm 길이의 선분과 만나는 평균 결정립계의 수 N이 표면으로부터 두께방향으로의 거리 L과의 관계에서 아래 식(1)을 만족하면, 우수한 열간가공성을 확보할 수 있다.
식(1): N ≥ 7.98L-0.129
(0<L≤5, 단위: mm)
상기 식 (1)에서, N은 슬라브 표면과 평행한 방향의 3mm 길이의 선분과 결정립계가 만나는 교점의 수를 의미하고, L은 슬라브 표면으로부터 두께 방향으로의 거리를 의미한다.
상술한 합금조성, 성분범위 및 식 (1)을 만족함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강은, 용체화 열처리 후 강의 결정립도가 ASTM No.7 내지 8일 수 있다.
또한, 결정립 미세화를 통해 열간가공성을 향상시킴으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강은, 1000℃에서 평가한 고온 단면감소율이 65% 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강은, 아래 식 (2)로 표현되는 델타 페라이트 함량 계산값이 1.0 내지 1.5%를 만족할 수 있다.
식 (2): ((([Cr] + [Mo] + 1.5*[Si] + 0.5*[Nb] + 18) / ([Ni] + 30*([C] + [N]) + 0.5*[Mn] + 36)) + 0.262)*161 - 161
상기 식 (2)에서, [Cr], [Mo], [Si], [Nb], [Ni], [C], [N], [Mn]은 각 원소의 중량%를 의미한다.
델타 페라이트는 오스테나이트 결정립의 성장을 방해하는 역할을 하여 크랙 결함을 방지할 수 있다. 이를 고려하여, 델타 페라이트 함량 계산값은 1.0% 이상일 수 있다. 그러나, 델타 페라이트 함량 계산값이 과도한 경우에는, 페라이트상의 물리적 특성으로 인해 강은 자성을 띄게 된다. 따라서, 비자성이 요구되는 전자기기 및 정밀분석기기 등에 사용할 수 없다는 문제가 있다. 이를 고려하여, 델타 페라이트 함량 계산값의 상한은 1.5%로 제한될 수 있다. 바람직하게는, 비자성 특성을 안정적으로 얻기 위하여, 델타 페라이트 함량 계산값의 상한은 1.35%로 제한될 수 있다.
또한, 비자성이 요구되는 기술분야에 이용할 수 있도록, 본 발명의 일 실시에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강은, ASTM A342 Method 4로 측정한 강의 투자율(μ)이 1.05 이하일 수 있다. 바람직하게는, 비자성 특성을 안정적으로 얻기 위하여, 강의 투자율(μ)이 1.03 이하일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은, 중량%로, C: 0% 초과 0.05% 이하, Si: 0% 초과 1.0% 이하, Mn: 0% 초과 2.0% 이하, Cr: 16.0% 이상 19.0% 이하, Ni: 11.0% 이상 15.0% 이하, Mo: 1.5% 이상 3.0% 이하, Cu: 0% 초과 1.0% 이하, N: 0% 초과 0.1% 이하, Nb: 0.3% 이상 0.5% 이하, 잔부 Fe(철) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 아래 식 (2)로 표현되는 델타 페라이트 함량 계산값이 1.0 내지 1.5%를 만족하는 슬라브를 제조하는 단계; 상기 슬라브를 재가열온도 1150 내지 1240℃에서 열간압연하여 열간압연재를 제조하는 단계; 및 상기 열간압연재를 용체화 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
식 (2): ((([Cr] + [Mo] + 1.5*[Si] + 0.5*[Nb] + 18) / ([Ni] + 30*([C] + [N]) + 0.5*[Mn] + 36)) + 0.262)*161 - 161
상기 식 (2)에서, [Cr], [Mo], [Si], [Nb], [Ni], [C], [N], [Mn]은 각 원소의 중량%를 의미한다.
상기 각 합금원소의 성분 범위 및 식 (2)로 표현되는 델타 페라이트 함량 계산값의 수치 한정 이유는 상술한 바와 같으며, 이하 각 제조단계에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 상기 합금조성 및 식 (2)의 수치범위를 만족하는 슬라브를 제조한 후, 일련의 열간압연 및 용체화 열처리의 제조공정을 거친다.
상기 열간압연은 재가열온도 1150 내지 1240℃에서 수행할 수 있다.
스테인리스강의 결정립을 미세화시키는 수단으로써, 미량의 Nb를 첨가하여 열처리 중 Nb 석출물에 의한 결정립계 고정(Pinning) 현상을 이용하는 기술이 알려져 있다. 그러나, 가열로와 같이 고온에서 장시간 숙열되는 공정의 경우에는, Nb 첨가의 효과가 상쇄되어, Nb 첨가 유무에 관계없이 결정립이 조대해지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, Nb 첨가에 의한 미세 결정립을 얻기 위해서는, 가열로 공정의 온도제어도 필요하다.
통상적으로, 가열로 온도는 1240 ~ 1280℃로 제어하지만, 1240℃ 이상의 고온에서 강재를 가열할 경우, Nb를 첨가했음에도 결정립 성장이 일어나 열간가공성이 향상되지 않을 수 있다. 따라서, 재가열 온도의 상한은 1240℃로 제한될 수 있다. 그러나, 재가열온도가 너무 낮을 경우에는 압연 압하력이 증가하게 된다. 이를 고려하여, 재가열온도는 1150℃ 이상일 수 있다.
한편, 상기 용체화 열처리는 1100 내지 1200℃에서 수행할 수 있다.
용체화 열처리는 열간압연재를 고용체 범위까지 가열한 후 급랭시켜 고용체 상태를 상온까지 유지하도록 하는 처리이다. 용체화 열처리를 함으로써 강의 강도 및 가공성을 향상시킬 수 있다. 본 발명에서는 1100 내지 1200℃ 온도범위에서 용체화 열처리를 실시할 수 있다.
이와 같이 합금성분, 관계식 및 제조공정을 제어하는 경우, 표면 품질이 우수한 비자성 오스테나이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
{실시예}
아래 표 1에 나타낸 다양한 합금 성분범위에 대하여, 진공유도 용해로에서 용해한 후, 열간압연을 실시하였다. 열간압연 전 재가열 온도는 1150 ~ 1275℃ 범위에서 변화시켰으며, 열간압연 후 1150℃의 온도에서 3분간 용체화 열처리를 실시하였다.
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | Cu | N | Nb | |
| 비교예 1 | 0.028 | 0.54 | 1.32 | 17.2 | 14.1 | 2.6 | 0.6 | 0.03 | 0.00 |
| 비교예 2 | 0.025 | 0.62 | 1.24 | 19.5 | 13.8 | 2.5 | 0.4 | 0.04 | 0.00 |
| 비교예 3 | 0.031 | 0.51 | 1.23 | 17.4 | 11.2 | 2.5 | 0.5 | 0.03 | 0.00 |
| 비교예 4 | 0.022 | 0.63 | 1.42 | 16.4 | 14.2 | 2.6 | 0.4 | 0.04 | 0.00 |
| 비교예 5 | 0.023 | 0.64 | 1.50 | 16.2 | 14.1 | 1.4 | 0.4 | 0.03 | 0.00 |
| 비교예 6 | 0.025 | 0.53 | 1.30 | 17.2 | 14.1 | 2.6 | 0.5 | 0.03 | 0.05 |
| 비교예 7 | 0.026 | 0.54 | 1.34 | 17.3 | 14.1 | 2.6 | 0.7 | 0.03 | 0.09 |
| 실시예 1 | 0.024 | 0.54 | 1.27 | 17.4 | 14.1 | 2.6 | 0.7 | 0.03 | 0.30 |
| 실시예 2 | 0.023 | 0.54 | 1.29 | 17.4 | 14.1 | 2.6 | 0.8 | 0.03 | 0.50 |
비교예 1, 비교예 7 및 실시예 1에 대하여, 슬라브 표면으로부터 두께방향으로의 거리 L에 따른, 결정립계 교차점 수 N을 아래 표 2에 나타냈다. 결정립계 교차점 수 N은 모델명이 HNL009인 광학현미경을 이용하여 측정했다. 한편 결정립계 교차점의 수 N이 많을수록 결정립이 미세하다는 의미로 해석할 수 있다.
| L (mm) |
0.0 | 0.1 | 0.3 | 0.5 | 1.0 | 2.0 | 3.0 | 5.0 | |
| 비교예 1 | N | 7.7 | 7.3 | 8.0 | 8.7 | 7.3 | 6.7 | 6.3 | 6.3 |
| 비교예 7 | 8.1 | 9.0 | 7.3 | 6.3 | 5.7 | 5.0 | 5.3 | 4.0 | |
| 실시예 1 | 13.7 | 12.0 | 8.8 | 8.8 | 8.2 | 7.7 | 6.9 | 6.1 |
실시예 1은 슬라브 표면에서의 결정립계 교차점의 수 N이 많고, 슬라브 표면으로부터 두께방향으로의 거리 L이 길어질수록 결정립계 교차점의 수 N이 수렴하는 형태로 적어진다. 따라서, 실시예 1은 아래 식 (1)을 만족한다.
식 (1): N ≥ 7.98L-0.129
(0<L≤5, 단위: mm)
그러나, 비교예 1 및 7은 슬라브 표면에서의 결정립계 교차점의 수 N이 충분히 많지 않으므로, 식 (1)을 만족하지 않는다.
크랙 결함은 압연 중 슬라브 표면에서 발생하므로, 슬라브 표면의 결정립을 미세화시키는 것이 중요하다. 따라서, 식 (1)을 만족하는 경우에는, 강의 크랙 결함이 줄어들어 표면 품질이 향상된다는 것을 알 수 있다.
다음으로, 각 실시예의 델타 페라이트 함량 계산값, 결정립도, 투자율 및 1000℃에서의 단면 감소율 측정값을 아래 표 3에 나타냈다.
델타 페라이트 함량 계산값은 아래 식 (2)를 통해 계산한 값이다.
식 (2): ((([Cr] + [Mo] + 1.5*[Si] + 0.5*[Nb] + 18) / ([Ni] + 30*([C] + [N]) + 0.5*[Mn] + 36)) + 0.262)*161 - 161
상기 식 (2)에서, [Cr], [Mo], [Si], [Nb], [Ni], [C], [N], [Mn]은 각 원소의 중량%를 의미한다.
결정립도는 용체화 열처리 후의 강 샘플에 대하여 모델명이 HNL009인 광학현미경을 이용하여 측정했다.
투자율(μ)은, ASTM A342 Method 4규격에 의거하여, 모델명이 Ferropro FP-5인 비자성 투자율 측정기를 이용하여, 직경 20mm 이상, 두께 5mm 이상인 강 샘플 단면에 대해 프로브를 접촉하여 측정했다.
단면 감소율은, 모델명 Gleeble 3800인 물성 시험기를 이용하여, 1000℃의 온도에서 30mm/sec의 속도로 일축 인장했을 때의 단면이 감소한 정도를 측정했다. 단면 감소율이 클수록 열간가공성이 우수함을 의미한다.
한편, 열간압연 시 가열로에서 추출되는 슬라브의 온도는 1150 ~ 1220℃의 온도이지만, 상대적으로 차가운 압연롤과 접촉하면서 결함이 발생하는 표층부의 온도는 순간적으로 100~200℃ 정도 떨어지므로, 이 온도를 모사하기 위해 1000℃로 고정하였다.
| 델타 페라이트 함량 계산값 (%) | 결정립도 (ASTM No.) |
투자율 | 단면 감소율 (%) |
|
| 비교예 1 | -0.41 | 4.10 | <1.01 | 60 |
| 비교예 2 | 7.01 | 4.02 | >1.05 | 55 |
| 비교예 3 | 6.57 | 3.90 | <1.05 | 52 |
| 비교예 4 | -3.05 | 4.17 | <1.01 | 48 |
| 비교예 5 | -6.57 | 4.04 | <1.01 | 45 |
| 비교예6 | -0.16 | 3.92 | <1.01 | 59 |
| 비교예 7 | 0.14 | 4.65 | <1.01 | 61 |
| 실시예 1 | 1.06 | 7.41 | <1.02 | 67 |
| 실시예 2 | 1.34 | 7.34 | <1.03 | 73 |
도 2는 각 실시예의 1000℃에서의 단면 감소율을 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, Nb 함량이 증가할수록 단면 감소율이 증가했다. 즉, Nb 함량을 제어하여 열간가공성을 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
표 1 내지 표3 및 도 2를 참조하면, 실시예 1 및 2는 본 발명에서 제시하는 합금조성, 식 (1) 및 식(2) 값을 만족했다. 따라서, 실시예 1 및 2는 투자율(μ)이 1.05 이하이면서도, 단면 감소율이 65% 이상을 만족했다. 즉, 실시예 1 및 2는 비자성 특성을 가짐과 동시에 열간가공성이 우수했다.
반면, 비교예 1 내지 7은 본 발멸이 제시하는 합금조성 및 식 (1)을 만족하지 못했다. 따라서, 비교예 1 내지 7은 단면 감소율이 65% 미만으로 측정되었다. 즉, 비교예 1 내지 7은 열간가공성이 열위하므로, 강의 우수한 표면 품질을 기대하기 어렵다.
또한, 비교예 1, 4, 5, 6 및 7은 식 (2)로 표현되는 델타 페라이트 함량 계산값이 1.0% 미만이었다. 따라서, 비교예 1, 4, 5, 6 및 7은 표면의 크랙 결함을 방지하기 어려우므로, 강의 우수한 표면 품질을 기대하기 어렵다.
또한, 비교예 2는 식 (2)로 표현되는 델타 페라이트 함량 계산값이 1.5%를 초과했다. 따라서, 비교예 2는 투자율(μ)이 1.05를 초과하였으므로, 비자성 특성을 충족하지 못했다.
한편, 비교예 3은 식 (2)로 표현되는 델타 페라이트 함량 계산값이 1.5%를 초과했지만, 재가열 공정 및 균열 열처리 공정을 통해 델타 페라이트 함량이 줄어들어 투자율이 1.05 이하로 측정되었다. 그러나, 비교예 3은 Nb를 첨가하지 않아 결정립 미세화가 충분히 이루어지지 않았으므로, 단면 감소율이 65% 이상을 만족하지 못했다. 즉, 비교예 3은 열간가공성이 열위했다.
다음으로, 비교예1, 실시예1 및 2에 대하여, 재가열 온도 1150 ~ 1275℃ 범위에서, 슬라브 표층으로부터 0.1mm 아래 지점에서의 결정립계 교차점 수 N을 아래 표 4에 나타냈다.
| 재가열 온도 (℃) |
1150 | 1175 | 1200 | 1225 | 1240 | 1250 | 1275 | |
| 비교예 1 | N | 9.2 | 8.5 | 7.3 | 7.2 | 7.1 | 6.4 | 6.2 |
| 실시예 1 | 14.1 | 12.8 | 13.1 | 12.0 | 11.4 | 7.2 | 6.3 | |
| 실시예 2 | 13.6 | 12.5 | 12.0 | 11.8 | 12.1 | 7.1 | 6.1 |
비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2 모두 재가열 온도가 높아질수록 결정립도가 작아진다. 즉, 재가열 온도가 높은 경우에는, Nb 첨가 여부와 관계없이 모두 평균 결정립 직경이 커진다는 것을 알 수 있다.
그러나, 본 발명이 제시한 재가열온도인 1150 내지 1240℃ 범위에서는, 비교예 1과 실시예 1 및 2 사이의 결정립도 차이가 커졌다. 즉, 1150 내지 1240℃ 범위에서는, Nb 첨가에 의한 결정립 미세화가 효과적으로 작용한다는 것을 알 수 있다.
Claims (7)
- 중량%로, C: 0% 초과 0.05% 이하, Si: 0% 초과 1.0% 이하, Mn: 0% 초과 2.0% 이하, Cr: 16.0% 이상 19.0% 이하, Ni: 11.0% 이상 15.0% 이하, Mo: 1.5% 이상 3.0% 이하, Cu: 0% 초과 1.0% 이하, N: 0% 초과 0.1% 이하, Nb: 0.3% 이상 0.5% 이하, 잔부 Fe(철) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
열간압연 전 재가열한 슬라브가 아래 식 (1)을 만족하는, 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강:
식 (1): N ≥ 7.98L-0.129 (0<L≤5, 단위: mm)
(상기 식 (1)에서, N은 슬라브 표면과 평행한 방향의 3mm 길이의 선분과 결정립계가 만나는 교점의 수를 의미하고, L은 슬라브 표면으로부터 두께 방향으로의 거리를 의미한다). - 청구항 1에 있어서,
용체화 열처리 후 강의 결정립도가 ASTM No.7 내지 8인, 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강. - 청구항 1에 있어서,
1000℃에서 평가한, 고온 단면감소율이 65% 이상인, 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강. - 청구항 1에 있어서,
아래 식 (2)로 표현되는 델타 페라이트 함량 계산값이 1.0 내지 1.5%를 만족하는, 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강:
식 (2): ((([Cr] + [Mo] + 1.5*[Si] + 0.5*[Nb] + 18) / ([Ni] + 30*([C] + [N]) + 0.5*[Mn] + 36)) + 0.262)*161 - 161
(상기 식 (2)에서, [Cr], [Mo], [Si], [Nb], [Ni], [C], [N], [Mn]은 각 원소의 중량%를 의미한다). - 청구항 1에 있어서,
투자율(μ)이 1.05 이하인, 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강. - 중량%로, C: 0% 초과 0.05% 이하, Si: 0% 초과 1.0% 이하, Mn: 0% 초과 2.0% 이하, Cr: 16.0% 이상 19.0% 이하, Ni: 11.0% 이상 15.0% 이하, Mo: 1.5% 이상 3.0% 이하, Cu: 0% 초과 1.0% 이하, N: 0% 초과 0.1% 이하, Nb: 0.3% 이상 0.5% 이하, 잔부 Fe(철) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 아래 식 (2)로 표현되는 델타 페라이트 함량 계산값이 1.0 내지 1.5%를 만족하는 슬라브를 제조하는 단계;
상기 슬라브를 재가열온도 1150 내지 1240℃에서 열간압연하여 열간압연재를 제조하는 단계; 및
상기 열간압연재를 용체화 열처리하는 단계를 포함하는, 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법:
식 (2): ((([Cr] + [Mo] + 1.5*[Si] + 0.5*[Nb] + 18) / ([Ni] + 30*([C] + [N]) + 0.5*[Mn] + 36)) + 0.262)*161 - 161
(상기 식 (2)에서, [Cr], [Mo], [Si], [Nb], [Ni], [C], [N], [Mn]은 각 원소의 중량%를 의미한다). - 청구항 6에 있어서,
상기 용체화 열처리는 1100℃ 내지 1200℃에서 수행하는, 열간가공성이 향상된 비자성 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법.
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ID=86540902
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100545090B1 (ko) | 2001-12-18 | 2006-01-24 | 주식회사 포스코 | 스테인레스강의 열간가공성 향상을 위한 델타페라이트제어방법 |
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2021
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