KR20230093653A

KR20230093653A - 성형성이 우수한 고강도 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법

Info

Publication number: KR20230093653A
Application number: KR1020210182467A
Authority: KR
Inventors: 공정현; 박미남
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2023-06-27

Abstract

중량 %로, C: 0.001 ~ 0.3%, N: 0.001 ~ 0.3%, Si: 0.01 ~ 1.0%, Mn: 0.1 ~ 3.0%, Cr: 10 ~ 15%, P: 0 ~ 0.03%, Ni: 0 ~ 1.0%, Cu: 0~1.0%, Ti: 0.01 ~ 1.0%, Al: 0 ~ 1.0% 를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 상태도상 계산된 1200℃에서의 γ Vol. fraction이 15% 이상이고, 2.0t 이하 냉연소둔재의 평균 결정립 크기가 15㎛ 이하인 동시에, 항복강도는 240MPa 이상이면서 인장강도는 400MPa 이상이고, 연신율은 25% 이상을 만족하며, 소성이방성을 나타내는 R45도 값이 1.5 이상인 고강도 고성형 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법을 나타낸다.
식 (1): γ Vol. fraction at 1200℃ ≥ 15%

Description

성형성이 우수한 고강도 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법{HIGH-STRENGTH FERRITE STAINLESS STEEL HAVING EXCELLENT FORMABILITY, AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 강도가 높고 성형성이 우수한 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 1200℃에서의 γ Vol. fraction이 15% 이상이고, 2.0t 이하 냉연소둔재의 평균 결정립 크기가 15㎛ 이하인 동시에, 항복강도는 240MPa 이상이면서 인장강도는 400MPa 이상이고, 연신율은 25% 이상을 만족하며, 소성 이방성을 나타내는 R45도 값이 1.5 이상인, 성형성이 우수한 고강도 페라이트계 스테인리스강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

각종 주방용품, 가전 제품 및 자동차용 부품 등에 널리 사용되는 페라이트계 스테인리스 냉연제품은 점차 고기능성을 요구하고 있다. 특히, 자동차 배기계로 사용되는 부품은 고강도화를 통한 두께의 감소로 차체 무게를 감량하여 경량화를 통한 연비향상을 요구하고 있다. 그러나 저Cr 페라이트계 스테인리스강에서는 합금성분이 낮아 강도 향상에 어려움을 겪고 있으며, 저온열연 및 열간 압연시 후단에서의 압하율을 증가시켜 결정립을 미세화시켜 성형성 및 강도를 개선하는 노력이 진행되고 있으나, 상변태가 동반되지 않아 결정립 미세화를 통한 특성 향상에는 한계가 있다.

(특허문헌) 한국 공개특허공보 제10-2001-0018940호 (2006.03.15 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 강의 합금성분을 최적화하여 열간압연중 오스테나이트(γ) 상변태를 유도하여 열연재의 미세조직을 Band조직 또는 콜로니 조직이 없는 페라이트 단상의 미세결정립으로 형성시켜 최종 냉연 제품에서의 결정립 미세화를 통해 강도 향상뿐만 아니라 성형성도 향상시키고자 하였다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 중량 %로, C: 0.001 ~ 0.3%, N: 0.001 ~ 0.3%, Si: 0.01 ~ 1.0%, Mn: 0.1 ~ 3.0%, Cr: 10 ~ 15%, P: 0 ~ 0.03%, Ni: 0 ~ 1.0%, Cu: 0~1.0%, Ti: 0.01 ~ 1.0%, Al: 0 ~ 1.0% 를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 하기 식 (1)이 15% 이상이고, 두께 2.0t 이하 냉연소둔재의 평균 결정립 크기가 15㎛ 이하이며, 항복강도는 240MPa 이상이면서 인장강도는 400MPa 이상인, 성형성이 우수한 고강도 페라이트계 스테인리스강을 제공한다.

식 (1): 1200℃에서의 γ Vol. fraction ≥ 15%

본 발명의 일 실시예에 따른, 성형성이 우수한 고강도 페라이트게 스테인리스강의 제조방법은, 중량 %로, C: 0.001 ~ 0.3%, N: 0.001 ~ 0.3%, Si: 0.01 ~ 1.0%, Mn: 0.1 ~ 3.0%, Cr: 10 ~ 15%, P: 0 ~ 0.03%, Ni: 0 ~ 1.0%, Cu: 0~1.0%, Ti: 0.01 ~ 1.0%, Al: 0 ~ 1.0% 를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 제조하는 단계; 상기 슬라브를 1050 내지 1250℃로 재가열하는 단계; 상기 재가열한 슬라브를 열간압연하는 단계; 상기 압연된 열간압연재를 무소둔 또는 γ상이 재생성되지 않는 600~900℃의 온도범위에서 열처리 후 소둔 산세하는 단계; 및 상기 열간압연재를 2.0t 이하의 두께로 냉간압연하고, γ상이 재생성 되지 않는 온도(700~900℃) 범위에서 냉연소둔 또는 산세하여, 하기 식 (1)이 15% 이상이고, 두께 2.0t 이하 냉연소둔재의 평균 결정립 크기가 15㎛ 이하이며, 항복강도는 240MPa 이상이면서 인장강도는 400MPa 이상인, 성형성이 우수한 고강도 페라이트계 스테인리스강을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

식 (1): 1200℃에서의 γ Vol. fraction ≥ 15%

본 발명에 따르면, 열간압연중 오스테나이트(γ) 상변태를 유도하여 열연재의 미세조직을 Band조직 또는 콜로니 조직이 없는 페라이트 단상의 미세결정립으로 형성시켜 최종 냉연 제품에서의 결정립 미세화를 통해 강도 및 성형성이 향상된 페라이트계 스테인리스강을 얻을 수 있다.

도 1은 Jmat. Pro.를 활용한 비교예 A~C 및 발명예 D~F의 상태도와 1200℃에서의 γ volume fraction(%)나타낸 것이다.
도 2는 비교예 A~C 및 발명예 D~F의 열연 미세조직을 나타낸 것이다.
도 3은 비교예 A~C 및 발명예 D~F의 냉연 미세조직을 나타낸 것이다.

식 (1): 1200℃에서의 γ Vol. fraction ≥ 15%

이하, 각 합금원소의 성분범위를 한정한 이유를 이하에서 서술한다.

탄소(C)의 함량은 0.001 내지 0.3%이다.

C는 침입형 고용강화 원소로서 페라이트계 스테인리스강의 강도를 향상시킨다. C의 함량이 0.001% 미만일 경우, 탄화물(carbide) 생성량을 저하시켜 충분한 강도를 얻을 수 없다. 하지만, C의 함량이 과다하면 강재의 연성, 인성 및 내식성 등을 저하시키므로, 그 상한을 0.3%로 한정하고자 한다.

질소(N)의 함량은 0.001 내지 0.3%이다.

N는 탄소와 마찬가지로 침입형 고용강화 원소로서 페라이트계 스테인리스 강의 강도를 향상시킬 뿐만 아니라, 열간압연 시 오스테나이트상을 석출하여 재결정을 촉진시키는 역할을 하는 원소이다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 강의 연성을 저하시키는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 N의 함량을 0.001 내지 0.3%로 제어한다.

규소(Si)의 함량은 0.01 내지 1.0%이다.

Si는 제강 시 용강의 탈산을 위해 필수적으로 첨가되는 합금원소이며 강도와 내식성을 향상시키는 동시에, 페라이트상을 안정화하는 원소로 본 발명에서는 0.01% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 연성 및 성형성이 저하되는 문제가 있으므로, 그 상한을 1.0%로 한정하고자 한다.

망간(Mn)의 함량은 0.1 내지 3.0%이다.

Mn은 오스테나이트상 안정화 원소로, 열간압연중 오스테나이트 핵생성을 유발하여 결정립 미세화를 촉진시킬수 있다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 내식성을 저하시키거나, 용접시 망간계 퓸(fume)이 발생하며 MnS상 석출의 원인이 되어 연신율을 저하시킨다. 따라서, 본 발명에서는 Mn의 함량을 0.1 내지 3.0%로 제어하고자 한다.

크롬(Cr)의 함량은 10 내지 15%이다.

Cr은 화성 환경에서 부동태 피막을 형성하여 내식성을 향상시키는 원소로서 10% 이상 첨가한다. 그러나 Cr의 함량이 과다할 경우, 열연 시 치밀한 산화 스케일 생성으로 스티킹(Sticking) 결함이 발생하며, 제조원가가 상승하는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 Cr 함량의 상한을 15%로 한정하고자 한다.

인(P)의 함량은 0.03% 이하이다.

P은 강 중 불가피하게 함유되는 불순물로, 산세 시 입계 부식을 일으키거나 열간가공성을 저해하는 주요 원인이 되는 원소이므로, 그 함량을 가능한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는 P의 함량은 0.03% 이하로 제어한다.

니켈(Ni)의 함량은 1.0% 이하이다.

Ni은 내식성을 향상시키는 효과를 갖는 반면, 다량 첨가하게 되면 소재의 불순물이 증가하여 연신율이 떨어지는 문제가 있다. 또한, Ni은 대표적인 오스테나이트 안정화 원소이나 고가의 원소로서, 제조 원가를 상승시킨다. 따라서, 본 발명에서는 Ni의 함량을 1.0% 이하로 제어한다.

구리(Cu)의 함량은 1.0% 이하이다.

Cu는 내식성, 가공성 및 리징성 개선에 효과적인 원소이다. 그러나, 다량 첨가하게 되면 가공성이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서 Cu의 함량을 1.0% 이하로 제어한다.

티타늄(Ti)의 함량은 0.01 내지 1.0% 이하이다.

Ti은 탄소(C)와 질소(N)와 같은 침입형 원소와 우선적으로 결합하여 석출물(탄질화물)을 형성함으로써, 강 중 고용 C 및 고용 N의 양을 저감하고 강의 내식성 확보에 효과적인 원소이다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 오스테나이트 안정도가 저하되어 미세한 결정립을 얻기 어렵고, 인성이 저하되며, 티타늄계 개재물이 증가하여 표면결함이 발생하는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 티타늄의 함량을 1.0% 이하로 제어한다.

알루미늄(Al)의 함량은 1.0% 이하이다.

Al은 페라이트상 안정화 원소로, 강력한 탈산제로써 용강 중 산소의 함량을 낮추는 역할을 한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 상온 연성을 저하시키며, 비금속 개재물 증가로 인해 냉연 냉연 스트립의 슬리버 결함이 발생함과 동시에 용접성을 열화 시키는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 Al의 함량을 1.0% 이하로 제어한다.

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.

(γ Vol. fraction)

γ Vol. fraction이 15% 미만인 경우 열간압연중 오스테나이트(γ) 상변화가 원활하지 않아 조대한 band structure가 잔류할 가능성이 높다. 따라서, γ Vol. fraction이 15% 이상이 되어야 열간압연중 γ상의 생성이 원활하게 이루어져 결정립 미세화에 기여할 수 있으므로, 본 발명은 γ Vol. fraction을 15% 이상으로 한정하며, 19% 이상이 바람직하다.

(평균 결정립 크기)

본 발명은 20㎛ 이하의 평균 결정립 크기를 만족함으로써 일정 수준의 강도를 확보할 수 있으며, 15㎛ 이하의 평균 결정립 크기를 만족하는 것이 바람직하다.

(특성)

본 발명의 일 실시예에 따른, 성형성이 우수한 고강도 페라이트계 스테인리스강은, 두께 2.0t 이하 냉연소둔재의 연신율이 25% 이상일 수 있다.

본 발명에 따르면, 미세한 결정립이 균일하게 분포되어야 강도 증가에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 그러나 강의 강도가 너무 높아질 경우 연신율의 저하를 초래하여 오히려 성형성에 악영향을 미칠 가능성이 높으므로 연신율은 25% 이상 수준을 유지하는 것이 바람직하다.

소성이방성은 일반적으로 45도 방향에서 가장 열위하게 나타난다. 통상적으로 비교예와 같이 R45도 값이 1.0~1.4 수준을 나타내고, 고강도가 될수록 성형성은 저하되는 것이 일반적이지만, R45도 값이 1.5 이상일 경우 복잡한 형상의 성형에도 적용이 가능하다. 따라서, 1.5 이상의 R45도 값을 확보하는 것이 좋고, 초고성형을 위하여 연신율의 큰 저하가 없는 1.7 이상의 R45 값을 확보하는 것이 바람직하다.

(측정방법)

본 발명의 일 실시예에 따른 성형성이 우수한 고강도 페라이트계 스테인리스강은, R45도 측정값이 1.5 이상일 수 있다.

미세조직 관찰 및 평균 결정립 크기 측정은 주사전자현미경(SEM)에 부착된 OIM(Orientation Image Microscopy) 장치를 이용하여 측정된 EBSD(Electron Back Scatter Diffraction)를 이용하였다.

인장시험은 JIS13B 규격의 시험편을 제작하여 20mm/min의 속도로 인장시험을 실시하여 강도 및 연신율을 측정하였다.

소성이방성지수인 R값을 측정하기 위해 압연 방향에 대해 45도 방향으로 시편을 절단하여 JIS13B 규격의 인장시편을 가공한 다음 15% 인장 변형한 후 인장시험 전후의 폭 변화를 측정하여 아래의 식을 사용하여 계산하였다.

r = ew/et (ew: 폭방향의 변형율, et: 두께방향의 변형율)

(제조방법)

식 (1): 1200℃에서의 γ Vol. fraction ≥ 15%

원활한 오스테나이트(γ)상 생성을 위해 슬라브의 재가열온도는 초기 γ volume fraction이 15% 이상 생성될 수 있도록 설정할 수 있다. 재가열이 완료된 슬라브를 열간 압연한 열연재는 냉간압연을 위해 적정한 표면 산세처리를 실시한다. 이때, 열연소둔은 생략하는 것으로 하되, 지나치게 미세한 결정립의 형성 또는 잔류 전위(dislocation)에 기인한 연신율의 저하가 있을 경우 원활한 냉간압연을 위해 γ상이 재생성되지 않는 600~900℃의 온도범위에서 적절한 소둔처리를 할 수도 있다.

냉간압연은 목표로 하는 두께(≤2.0t)까지 완료한 후 냉연소둔 처리를 실시하되 γ상이 재생성 되지 않는 온도(700~900℃) 범위에서 적절한 소둔 처리 후 표면 산세처리를 실시하거나 미려한 표면을 확보하기 위해 광휘소둔 처리를 할 수도 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

하기 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이며, 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

(실시예)

열연 재가열온도가 너무 높을 경우 γ상변태가 활발히 일어나지 않으므로, 1200℃ 보다 좀 더 낮은 온도를 재가열 온도로 설정하여 상기와 같이 충분한 γ volume fraction을 설정할 수 있다.

도 2는 열간 압연후 비교예와 발명예에 해당되는 열연 미세조직을 나타낸 것이다. 식 (1)을 만족하지 못하는 비교예 A~C 에서는 열간압연 후 잔류해 있는 band structure가 관찰되며, 발명예 D~F는 band sturcture가 관찰되지 않고 미세한 페라이트 결정립이 고르게 분포되어 있다.

열간압연이 완료된 열연재는 냉간압연을 위해 적정한 표면 산세처리를 실시한다. 이때, 열연소둔은 생략하는 것으로 하되, 지나치게 미세한 결정립의 형성 또는 잔류 전위(dislocation)에 기인한 연신율의 저하가 있을 경우 원활한 냉간압연을 위해 γ상이 재생성되지 않는 600~900℃의 온도범위에서 적절한 소둔처리를 할 수도 있다.

냉간압연은 목표로 하는 두께(≤2.0t)까지 완료한 후 냉연소둔 처리를 실시하되 γ상이 재생성 되지 않는 온도(700~900℃) 범위에서 적절한 소둔 처리를 실시한다.

도 3은 비교예와 발명예에 해당되는 냉연 소둔재의 미세조직을 나타낸 것이다. 비교예 A~C는 냉연 소둔 처리 후 band 조직은 관찰되지 않으나, 발명예 D~F와 같이 평균 결정립 크기가 미세하지 않다. 발명예 D~F의 평균 결정립 크기는 약 10~14㎛ 수준으로 매우 미세한 결정립이 고르게 분포되어 있음을 알 수 있다.

표 1 및 표 2는 비교예 및 발명예에 해당되는 합금성분의 조성과 1200℃에서의 γ volume fraction을 나타낸 것이다. 비교예 A~C는 식 (1)을 만족하지 못하는 반면, 발명예 D~F는 식 (1)을 만족하며 항복 강도 및 인장강도가 각각 240MPa 및 440MPa 이상의 높은 강도특성을 나타냄을 알 수 있다. 또한, 성형성을 나타내는 R45도 값도 발명예 D~F는 1.7을 초과하는 것으로 나타나, 1.243~1.260에 불과한 비교예 A~C와 비교해 매우 높은 것을 알 수 있다.

[표 1]

[표 2]

Claims

중량 %로, C: 0.001 ~ 0.3%, N: 0.001 ~ 0.3%, Si: 0.01 ~ 1.0%, Mn: 0.1 ~ 3.0%, Cr: 10 ~ 15%, P: 0 ~ 0.03%, Ni: 0 ~ 1.0%, Cu: 0~1.0%, Ti: 0.01 ~ 1.0%, Al: 0 ~ 1.0% 를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며,
γ Vol. fraction이 15% 이상이고, 두께 2.0t 이하 냉연소둔재의 평균 결정립 크기가 15㎛ 이하이며, 항복강도는 240MPa 이상이면서 인장강도는 400MPa 이상인, 성형성이 우수한 고강도 페라이트계 스테인리스강.
제1항에 있어서,
R45도 측정값이 1.5 이상인, 성형성이 우수한 고강도 페라이트계 스테인리스강.
제1항 또는 제2항에 있어서,
두께 2.0t 이하 냉연소둔재의 연신율이 25% 이상인, 성형성이 우수한 고강도 페라이트계 스테인리스강.
중량 %로, C: 0.001 ~ 0.3%, N: 0.001 ~ 0.3%, Si: 0.01 ~ 1.0%, Mn: 0.1 ~ 3.0%, Cr: 10 ~ 15%, P: 0 ~ 0.03%, Ni: 0 ~ 1.0%, Cu: 0~1.0%, Ti: 0.01 ~ 1.0%, Al: 0 ~ 1.0% 를 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 제조하는 단계;
상기 슬라브를 1050 내지 1250℃로 재가열하는 단계;
상기 재가열한 슬라브를 열간압연하는 단계;
상기 압연된 열간압연재를 무소둔 또는 γ상이 재생성되지 않는 600~900℃의 온도범위에서 열처리 후 소둔 산세하는 단계; 및
상기 열간압연재를 2.0t 이하의 두께로 냉간압연하고, γ상이 재생성 되지 않는 온도(700~900℃) 범위에서 냉연소둔 또는 산세하여, 하기 식 (1)이 15% 이상이고, 두께 2.0t 이하 냉연소둔재의 평균 결정립 크기가 15㎛ 이하이며, 항복강도는 240MPa 이상이면서 인장강도는 400MPa 이상인, 성형성이 우수한 고강도 페라이트계 스테인리스강을 제조하는 단계를 포함하는 성형성이 우수한 고강도 페라이트게 스테인리스강의 제조방법:
식 (1): 1200℃에서의 γ Vol. fraction ≥ 15%
제4항에 있어서,
R45도 측정값이 1.5 이상인, 성형성이 우수한 고강도 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
제4항 또는 제5항에 있어서,
두께 2.0t 이하 냉연소둔재의 연신율이 25% 이상인, 성형성이 우수한 고강도 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.