KR20240036621A - 페라이트계 스테인리스강 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적정한 ??칭 온도 범위가 넓고, ??칭 후에 높은 경도 및 우수한 내식성을 구비하고, 미려한 마르텐사이트계 스테인리스강 제품의 소재가 되는 페라이트계 스테인리스강 및 공업적으로 안정된 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다. 본 발명의 페라이트계 스테인리스강은, 질량％로, C: 0.45％ 이상 0.55％ 이하, Si: 0.10％ 이상 1.00％ 이하, Mn: 0.1％ 이상 1.0％ 이하, Cr: 12.0％ 이상 15.0％ 이하, Ni: 0％ 이상 1.0％ 이하, Mo: 0.50％ 이상 0.80％ 이하, V: 0.10％ 이상 0.20％ 이하, N: 0.015％ 이상 0.100％ 이하, P: 0％ 이상 0.040％ 이하, S: 0％ 이상 0.030％ 이하, 잔부: Fe 및 불순물로 이루어지는 강 조성을 갖고, 페라이트상의 평균 결정 입경이 10㎛ 이하이고, 직경 1.5㎛ 이하의 탄화물이 0.8개/㎛² 이상 존재하는 것을 특징으로 한다.

Description

페라이트계 스테인리스강 및 그 제조 방법

본 발명은 페라이트계 스테인리스강에 관한 것이다. 특히 면도기나 칼 등의 칼날에 적합한 마르텐사이트계 스테인리스강 제품의 중간재로서 적합한, 페라이트계 스테인리스강에 대해서 개시한다.

높은 경도와 내식성이 요구되는 면도날이나 칼 등의 칼날 용도에는 SUS420J1, SUS420J2, EN1.4116(비특허문헌 1)으로 대표되는 탄소를 함유한 마르텐사이트계 스테인리스강이 사용되고 있다. 이들은, JIS G43034나 G43035에도 기재되는 강이다. 범용 칼날에는 0.40％ 이하의 C가 함유되는 SUS420J1, SUS420J2가 사용된다. 한편, 더 높은 경도, 우수한 내식성이 요구되는 고급 칼날에는, Cr 함유량이 많고, 또한 V, Mo 첨가하여 내식성을 높인 EN1.4116이 사용된다.

스테인리스강은, 비교적 높은 농도의 탄소가 고용 가능한 고온의 오스테나이트상의 상태로부터, 수냉이나 유냉 등의 급속한 냉각에 의해, 실온에서 과포화된 탄소가 고용된 경질인 마르텐사이트상이 얻어진다. 즉, 마르텐사이트계 스테인리스강이 된다. 이 마르텐사이트상의 경도는 고온 가열 시의 오스테나이트상의 고용 C량에 대응하고, 목표 경도를 얻기 위한 적정 ??칭 온도 범위는, ??칭 전의 탄화물의 사이즈에 영향받는 것이 알려져 있다.

또한, ??칭 전후에 존재하는 탄화물은 Cr을 주체로 하고, 내식성의 향상을 목적으로 하는 V, Mo도 함유하는 것으로 생각되어, 내식성에 큰 영향을 미친다. 즉, 조대한 탄화물이 존재한 경우, 그 근방에서의 내식성이 열화된다.

한편, 스테인리스강은 고온의 오스테나이트상의 상태로부터, 비교적 완만하게 냉각한 경우나, 오스테나이트상의 상태보다 저온의 페라이트상의 상태로 가열 유지한 경우, 모상 중에 고용하는 C를 석출하기 위해 연질인 페라이트상과 탄화물로 분해한다.

따라서, 일반적인 마르텐사이트계 스테인리스강 제품의 제조 시에는, 소재가 되는 중간재의 제조 단계에서는 연질이고, 일반적으로 가공성이 우수한 페라이트계 스테인리스강의 상태에서 판, 봉, 선 등 다양한 형상이 제조된 후, 제품으로 가공, 내지, 가공과 동시 내지 이후에 마르텐사이트계 스테인리스강으로의 ??칭이 실시된다.

본 발명은, 특히 높은 경도, 우수한 내식성이 요구되는 마르텐사이트계 스테인리스강제 고급 칼날에의 적용을 전제로 하고, 그 제조에 적합한 중간재로서의, 0.45％ 이상의 C를 첨가한 페라이트계 스테인리스강 대상으로 하고 있다. 또한, 적용은 고급 칼날에 한정되는 것은 아니며, 우수한 특성을 필요로 하고, 가공을 행하는 다른 용도로도 적용 가능하다. 또한, 고급 칼날에서는 제품 표면이 미려한 것이 바람직하다. 미려함은 표면 형상이 우수함과 함께, 내식성이 우수하고, 종래보다도 장시간, 혹은 가혹한 부식 환경에서도 녹이 발생하지 않는 우수한 표면 성상으로 한다.

중간재인 페라이트계 스테인리스강의 제조 공정에서는, 연속 주조나 잉곳 주조에서 얻은 주괴를 열간 가공 후, 실온까지 일단 냉각하고, 또한 재가열하여 페라이트상과 탄화물에 분해하여 연질화하는 것이 일반적이다(비특허문헌 2).

이 재가열에는, 상기한 분해를 위해 통상 수시간이라는 장시간이 필요하고, 페라이트상 중에 분산된 탄화물이 조대해지기 쉽다. 이 조대한 탄화물이 분산된 페라이트계 스테인리스강 중간재를 ??칭한 경우, 목표 경도에 비해 연질이 되는 경우가 많다.

또한, ??칭 전후에 존재하는 탄화물 중에, 우수한 내식성을 얻기 위해 필요한 Cr, Mo, V를 함유하면, 탄화물의 주위에서의 내식성이 열화되는 경우가 많다.

각 원소의 고용에 의한 우수한 특성을 얻기 위해서는, ??칭 온도, 시간을 고온, 장시간화하고, 조대한 탄화물을 용해(재고용)시켜, 소정의 고용량을 확보할 필요가 있다. 조대한 탄화물이 잔존한 경우에는, ??칭 후의 특성 열화되어 안정되지 않는 과제가 있었다.

이 과제의 해결 수단으로서, 예를 들어 특허문헌 1에는, 첨가 C, N량을 적정화하고, ??칭 전의 페라이트계 스테인리스강 중간재 중의 탄화물의 개수 밀도를 한정하는 방법이 개시되어 있다. 이에 의해, 목표의 특성을 얻을 수 있는 적정한 ??칭 온도 범위가 넓어져, ??칭 후에 필요한 특성을 안정적으로 확보할 수 있다.

일본 특허 공개 제2007-224405호 공보

스테인리스강 유럽 규격 EN10088-2 스테인리스 편람 제3판, 스테인리스 협회편(1995), 829 페이지

특허문헌 1의 페라이트계 스테인리스강 중간재를 열처리하여 얻어지는 소재에서는, 가열 시의 산화에 의해 두꺼운 Cr 결핍이 부분적으로 발생하고, 상기 소재를 칼날 제품으로 했을 때, 불균일 모양이 나타나 칼날 제품의 표면 외관을 손상시키는 경우가 있었다.

본 발명은 적정한 ??칭 온도 범위가 넓고, ??칭 후에 높은 경도 및 우수한 내식성을 구비하고, 미려한 마르텐사이트계 스테인리스강 제품의 소재가 되는 페라이트계 스테인리스강 및 공업적으로 안정된 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은, 높은 경도와 우수한 내식성을 갖는 칼날용 마르텐사이트계 스테인리스강 제품의 중간재에 적합한, 0.45％ 이상의 C를 첨가한 페라이트계 스테인리스강의 금속 조직에 대하여 상세하게 조사하고, 소정의 경도와 내식성, 미려한 표면이 얻어지는 ??칭 조건을 밝혔다.

그 결과, 내식성을 열화시켜, 미려함을 손상시키는 칼날 제품의 표면에 나타나는 모양 불균일은, 입계 산화 등에 기인한 Cr을 포함하는 산화물 바로 아래의 Cr 결핍에 기인하여 발생하는 것을 밝혔다. 또한, 결정 입경을 미세하게 하고, 재료 중의 입계 밀도를 증가시킴으로써, 입계 상의 탄화물이 조기에 용해됨으로써, Cr, Mo, V의 외측 확산이 촉진되고, 표면이나 조대한 탄화물 근방에서의 Cr 결핍이 조기에 해소될 수 있는 것을 발견하였다.

또한, 평균 결정 입경을 미세화하고, 탄화물의 분포를 제어함으로써, 높은 경도, 우수한 내식성 및 미려한 표면 외관을 안정적으로 얻을 수 있는 적정한 ??칭 온도 범위가 확대되는 것을 발견하였다.

본 발명자들은, 이러한 효과가 얻어지는 강 조성 및 금속 조직의 특징을 명확히 하고, 본 발명을 완성하였다. 본 발명 요지는 이하와 같다.

(1) 질량％로, C: 0.45％ 이상 0.55％ 이하, Si: 0.10％ 이상 1.00％ 이하, Mn: 0.1％ 이상 1.0％ 이하, Cr: 12.0％ 이상 15.0％ 이하, Ni: 0％ 이상 1.0％ 이하, Mo: 0.50％ 이상 0.80％ 이하, V: 0.10％ 이상 0.20％ 이하, N: 0.015％ 이상 0.100％ 이하, P: 0％ 이상 0.040％ 이하, S: 0％ 이상 0.030％ 이하, 잔부: Fe 및 불순물로 이루어지는 강 조성을 갖고, 페라이트상의 평균 결정 입경이 10㎛ 이하이고, 직경 1.5㎛ 이하의 탄화물이 0.8개/㎛² 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강.

(2) 페라이트 입계 길이에 차지하는 1.5㎛ 이하의 탄화물의 점유율이 5.0％ 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 페라이트계 스테인리스강.

(3) 상기 Fe의 일부 대신에, 질량％로, Al: 0.30％ 이하, Nb: 0.070％ 이하, B: 0.0030％ 이하, Ti: 0.070％ 이하, Sn: 0.12％ 이하, Cu: 0.40％ 이하, W: 1.000％ 이하, Co: 0.500％ 이하, Zr: 0.500％ 이하, Ca: 0.0050％ 이하, Mg: 0.0050％ 이하, Y: 0.1000％ 이하, REM: 0.10％ 이하, 및 Sb: 0.15％ 이하 중 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)의 페라이트계 스테인리스강.

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 것에 기재된 특징을 갖는 판 두께 0.4 내지 6.0㎜의 페라이트계 스테인리스 강판.

(5) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 것의 페라이트계 스테인리스강을 제조하는 방법이며, 상기 (1) 또는 (3)에 기재된 조성을 갖는 강에, 개시 온도 1150℃ 이상, 종료 온도 850℃ 이상 900℃ 이하에서 열간 압연을 실시하여 열연 강판으로 하고, 계속해서, 상기 열연 강판을 냉각 속도 0.07℃/s 이상으로, 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도까지 냉각하고, 냉각 후, 상기 열연 강판을 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도에서 20분 이상 20시간 이하 동안 가열 유지하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스 강판의 제조 방법.

(6) 상기 (4)의 페라이트계 스테인리스 강판을 제조하는 방법이며, 상기 (1) 또는 (3)에 기재된 조성을 갖는 강에, 개시 온도 1150℃ 이상, 종료 온도 850℃ 이상 900℃ 이하에서 열간 압연을 실시하여 열연 강판으로 하고, 계속해서, 상기 열연 강판을 냉각 속도 0.07℃/s 이상으로, 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도까지 냉각하고, 냉각 후, 상기 열연 강판을 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도에서 20분 이상 20시간 이하 동안 가열 유지하고, 가열 유지한 상기 열연 강판을 산세하고, 산세 후의 상기 열연 강판을 냉간 압연하여 냉연 강판으로 하고, 상기 냉연 강판을 700℃ 이상 800℃ 이하에서 열처리하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스 강판의 제조 방법.

본 발명에 따르면, 적정한 ??칭 온도 범위가 넓고, 높은 경도, 우수한 내식성을 구비하고, 미려한 페라이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.

도 1은 탄화물을 「입계 상에 있는 탄화물」이라고 판단하는 기준 및 「입계를 차지하는 선분 길이」를 모식적으로 도시하는 도면이다.

1. 페라이트계 스테인리스강

이하, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강에 관하여 상세하게 설명한다.

(화학 성분)

먼저, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강에 포함되는 성분에 대해서 설명한다. 또한, 각 원소의 함유량 「％」 표시는 질량％를 의미한다.

C는 마르텐사이트의 경도를 확보하기 위해 중요한 원소이다. 또한 Cr 탄화물을 생성하여 모재의 내식성에 영향을 미치는 원소로서도 작용한다. C 함유량이 0.45％ 미만이면, 칼날 용도에 필요한 ??칭 경도가 얻어지지 않는다. 또한, 안정된 ??칭 경도에 기여하는 1.5㎛ 이하의 탄화물의 개수 밀도가 불충분해지므로, 적정한 ??칭 온도 범위도 좁아진다. 또한 탄화물에 의한 피닝이 유효하게 작용하지 않고, 열간 압연 후의 노 내 가열에 있어서 페라이트상의 평균 결정 입경이 조대화된다. 한편, C 함유량이 0.55％를 초과하면, 탄화물이 조대화되어 상기 개수 밀도가 불충분해져, 적정한 ??칭 온도 범위가 좁아진다. 또한, 필요한 내식성을 충족할 수 없다. 그러므로 C 함유량은 0.45％ 이상 0.55％ 이하로 한다. C 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.46％, 보다 바람직하게는 0.47％이다. C 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.54％, 보다 바람직하게는 0.53％이다.

Si는 내산화성을 향상시키는 원소이다. Si 함유량이 0.10％ 미만이면 충분한 내산화성이 얻어지지 않는다. 또한, 과도하게 저하되면 제조 비용의 증가를 초래한다. 한편 Si 함유량이 1.00％를 초과하면, 제조 시의 균열을 조장한다. 그러므로 Si 함유량은 0.10％ 이상 1.00％ 이하로 한다. Si 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.20％, 보다 바람직하게는 0.30％이다. Si 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.90％, 보다 바람직하게는 0.80％이다.

Mn은 탈산 원소로서 사용된다. 또한, C와의 상호 작용에 의해 고용 C량이 증가하고, ??칭 후의 경도 향상에 기여하는 것으로도 생각된다. 안정 제조성 및 C와의 상호 작용에 의한 고용 C의 증가 효과 발현의 관점에서, Mn 함유량은 0.1％ 이상으로 한다. 한편 Mn 함유량이 1.0％를 초과하면 황화물 등의 화합물을 형성하여 내식성의 저하를 초래할 우려가 있다. 또한 C와의 상호 작용에 의해 고용 C를 증가시키는 효과는 포화되어, 첨가량에 맞는 효과가 얻어지지 않는다고 생각된다. 그러므로 Mn 함유량은 0.1％ 이상 1.0％ 이하로 한다. Mn 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.2％, 보다 바람직하게는 0.3％이다. Mn 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.9％, 보다 바람직하게는 0.8％이다.

Cr은 내식성을 향상시키는 원소이다. 또한, Cr은 ??칭성을 향상시키는 원소이고, 확산 변태가 발생하여 ??칭 후의 경도 저하를 억제하는 원소이다. 또한 탄화물을 구성하는 원소이고, ??칭 전의 금속 조직에 있어서의 탄화물 밀도에 영향을 미친다. Cr 함유량이 12.0％ 미만이면, 충분한 내식성, 확산 변태의 억제 효과, 탄화물 밀도가 얻어지지 않는다. 한편, Cr 함유량이 15.0％를 초과하면 제조성의 저하를 초래한다. 또한 첨가 합금 비용에 맞는 내식성이 얻어지지 않는다. 또한, ??칭 변태 온도(Ms점)의 저하에 의한 잔류 γ 생성이 다량으로 되어, 경도가 저하를 초래한다. 그 때문에, Cr 함유량은 12.0％ 이상 15.0％ 이하로 한다. Cr 함유량의 하한은, 바람직하게는 12.5％, 보다 바람직하게는 13.0％, 더욱 바람직하게는 14.0％이다. 또한 Cr 함유량의 하한은 14.1％여도 되고, 14.3％여도 된다. Cr 함유량의 상한은, 바람직하게는 14.9％, 보다 바람직하게는 14.7％이다.

Ni는 마르텐사이트상으로 했을 때의 인성을 향상시키는 원소이고, 필요에 따라서 첨가해도 된다. 단, Ni 함유량이 1.0％를 초과하면, 성형성의 저하를 초래한다. 또한, 희소 원소 또한 고가이고, 합금 비용의 상승이나 제조성을 저해하는 것으로 이어질 우려가 있다. 그 때문에, Ni 함유량은 1.0％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.60％ 이하, 보다 바람직하게는 0.05％ 이상 0.50％ 이하이다. Ni를 함유시키는 경우에는, 그 함유량은 미량이어도 되지만, 하한은, 바람직하게는 0.05％, 보다 바람직하게는 0.10％이다. Ni 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.60％, 보다 바람직하게는 0.50％이다.

Mo는 내식성을 향상시키는 원소이다. 또한 고용 강화에 의해 경도를 향상시키는 원소이기도 하다. Mo 함유량이 0.50％ 미만이면 충분한 내식성, 고용 강화에 의한 경도 향상의 효과가 얻어지지 않는다. 한편 Mo 함유량이 0.80％를 초과하여 첨가해도 내식성, 고용 강화에 대한 효과는 포화되어, 첨가 비용에 맞는 효과가 얻어지지 않는다. 그 때문에, Mo 함유량은 0.50％ 이상 0.80％ 이하로 한다. Mo 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.55％, 보다 바람직하게는 0.60％이다. Mo 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.75％, 보다 바람직하게는 0.70％이다.

V는 내식성을 향상시키는 원소이다. 탄화물을 미세하게 석출시키는 원소로서도 작용하고, 탄화물의 개수 밀도를 높인다. V 함유량이 0.10％ 미만이면, 충분한 내식성이 얻어지지 않는다. 또한, 탄화물의 개수 밀도를 높이는 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 한편 V 함유량이 0.20％를 초과하여 첨가해도, 내식성에 대한 효과 및 탄화물의 개수 밀도를 높이는 효과는 포화되어, 첨가 비용에 맞는 효과가 얻어지지 않는다. 그 때문에, V 함유량은 0.10％ 이상 0.20％ 이하로 한다. V 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.11％, 보다 바람직하게는 0.13％이다. V 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.19％, 보다 바람직하게는 0.17％이다.

N은, C와 마찬가지로 마르텐사이트의 경도를 확보하기 위한 원소이다. N 함유량이 0.015％ 미만이면, 충분한 경도를 확보할 수 없다. 한편, N 함유량이 0.100％를 초과하면, 열간 가공성이 현저하게 열화된다. 그 때문에, N 함유량은 0.015％ 이상 0.100％ 이하로 한다. N 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.020％, 보다 바람직하게는 0.030％, 더욱 바람직하게는 0.040％이다. N 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.090％, 보다 바람직하게는 0.080％이다.

P는 성형성 및 내식성을 저하시키는 원소이다. 그 함유량은 낮은 것이 바람직하다. 그 때문에, P 함유량은 0.040％ 이하로 한다. 하한은 특별히 한정하지 않는다.

S는 불가피적 불순물 원소이고, 제조 시의 균열을 조장한다. 그 때문에, S 함유량은 0.030％ 이하로 한다. 하한은 특별히 한정하지 않는다.

본 발명의 페라이트계 스테인리스강은, 상술한 각 원소에 더하여, Fe 및 불순물(불가피적 불순물을 포함함)로 이루어진다.

본 개시의 페라이트계 스테인리스강은, 상기의 기본 조성에 더하여, Fe의 일부 대신에, 질량％로, Al: 0.30％ 이하, Nb: 0.070％ 이하, B: 0.0030％ 이하, Ti: 0.070％ 이하, Sn: 0.12％ 이하, Cu: 0.40％ 이하, W: 1.000％ 이하, Co: 0.500％ 이하, Zr: 0.500％ 이하, Ca: 0.0050％ 이하, Mg: 0.0050％ 이하, Y: 0.1000％ 이하, REM: 0.10％ 이하, Sb: 0.15％ 이하 중 1종 또는 2종 이상을 선택적으로 포함하고 있어도 된다.

(Al: 0.30％ 이하, Nb: 0.070％ 이하, B: 0.0030％ 이하, Ti: 0.070％ 이하)

Al, Nb, B 및 Ti의 원소는 첨가하지 않아도 된다. 이들 원소는 첨가하면 페라이트계 스테인리스강의 성형성을 향상시켜, 열간 가공 시의 흠집을 억제하는 효과를 갖는다. 첨가할 때의, Al 함유량은 0.30％ 이하로 하고, Nb 함유량은 0.070％ 이하로 하고, B 함유량은 0.0030％ 이하로 하고, Ti 함유량은 0.070％ 이하로 한다. 상기 효과를 확실하게 얻기 위해서는, Al, Nb, Ti 함유량은 0.01％ 이상, B 함유량은 0.001％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

(Sn: 0.12％ 이하, Cu: 0.40％ 이하, W: 1.000％ 이하, Co: 0.500％ 이하, Zr: 0.500％ 이하)

Sn, Cu, W, Co 및 Zr의 원소는 첨가하지 않아도 된다. 이들 원소는 내식성을 향상시키는 효과를 갖는다. 첨가할 때의, Sn 함유량은 0.12％ 이하로 하고, Cu 함유량은 0.40％ 이하로 하고, W 함유량은 1.000％ 이하로 하고, Co 함유량은 0.500％ 이하로 하고, Zr 함유량은 0.500％ 이하로 한다. 상기 효과를 확실하게 얻기 위해서는, Sn, Cu, Co, Zr 함유량은 0.01％ 이상, W 함유량은 0.1％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

(Ca: 0.0050％ 이하, Mg: 0.0050％ 이하, Y: 0.1000％ 이하, Hf: 0.20％ 이하, REM: 0.10％ 이하, Sb: 0.15％ 이하)

Ca, Mg, Y, REM 및 Sb의 원소는 첨가하지 않아도 된다. 이들 원소는 산화물이나 황화물 등의 개재물을 변화시켜서 열간 가공 흠집을 억제하는 효과를 갖는다. 첨가할 때의, Ca 함유량은 0.0050％ 이하로 하고, Mg 함유량은 0.0050％ 이하로 하고, Y 함유량은 0.1000％ 이하로 하고, Hf 함유량은 0.20％ 이하로 하고, REM 함유량은 0.10％ 이하로 하고, Sb 함유량은 0.15％ 이하로 한다. 상기 효과를 확실하게 얻기 위해서는, Ca, Mg 함유량은 0.0001％ 이상, Y, Hf, REM 함유량은 0.01％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본원에 있어서 「REM」이란, 원자 번호 57 내지 71에 귀속하는 원소(란타노이드)를 가리키고, 예를 들어 La, Ce, Pr, Nd 등이고, Y는 포함되지 않는 것으로 한다.

본 개시의 페라이트계 스테인리스강은, 상술한 각 원소에 더하여, 또한 Fe의 일부 대신에, 상기 과제를 해결할 수 있는 범위에서, 상술한 각 원소 이외의 원소를 함유하고 있어도 된다. 예를 들어, Bi, Pb, Se, H, Ta 등을 함유시켜도 되지만, 상기 과제를 해결할 수 있는 한도에 있어서, 그 함유 비율이 제어되고, 예를 들어 Bi≤100ppm, Pb≤100ppm, Se≤100ppm, H≤100ppm, Ta≤500ppm의 1종 이상을 함유해도 된다.

(페라이트상의 평균 결정 입경과 탄화물의 석출 상태)

본 발명의 페라이트계 스테인리스강에서는, 페라이트상의 평균 결정 입경을 미세화하고, 또한 탄화물의 사이즈와 개수 밀도를 규정함으로써, 미려한 표면을 포함한 우수한 특성을 확보하고 있다.

평균 결정 입경을 미세하게 함으로써, 페라이트상의 입계 상에 위치하는 탄화물이 증가한다. 고온 가열 시, 입계 상에 있는 탄화물은 오스테나이트상으로 변태하는 핵으로서 작용하고, 오스테나이트상의 입계 면적을 증가시킨다. 그러므로 탄화물의 재고용이 진행됨과 함께, 재고용한 Cr, M, V의 외측 확산이 촉진되어, 조기에 Cr 결핍을 해소할 수 있다. 상기 규정에 더하여, 페라이트상의 입계의 길이에 차지하는 탄화물의 비율(점유율)이 일정 이상이면, Cr 결핍을 해소하는 효과가 더욱 높아져 내식성이 현저하게 향상된다.

페라이트상의 평균 결정 입경은 10㎛ 이하인 것이 필요하다. 평균 결정 입경은, 9㎛ 이하가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 8㎛ 이하이다. 한편, 평균 결정 입경의 하한은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 실적보다 1㎛ 이상으로 한다. 한편 평균 결정 입경이 10㎛를 초과하면, 입계에 위치하는 탄화물이 감소되어, Cr 결핍을 해소하는 현상이 일어나지 않아, 우수한 특성을 확보할 수 없다.

(페라이트상의 평균 결정 입경의 측정 방법)

페라이트상의 평균 결정 입경은, 이하와 같이 특정한다. 전해 연마에 의해 시료 조정한 강판의 L 단면을 EBSD에 의해 측정한다. 측정 영역은, 판 두께 1/4t의 위치에서, 300㎛×300㎛로 하고, 측정의 스텝 사이즈는 0.1㎛로 한다. 인접하는 플롯 데이터끼리의 결정 방위차가 15° 미만이면, 그들을 동일 결정립으로 간주하고, 15° 이상의 방위차가 있으면, 다른 결정립으로서 취급하여 평균 결정 입경을 구하였다. 또한, 측정 영역에 페라이트상 이외의 상이 포함되는 경우에는, 페라이트상만 추출한 후에 평균 결정 입경을 구한다.

탄화물은, 고온 가열 시에 오스테나이트상에 재고용할 수 있는 사이즈로, 개수 밀도가 클수록 좋다. 탄화물의 사이즈는, 직경이 1.5㎛를 초과하는 조대한 탄화물을 포함하지 않는 것이 필요하다. 바람직하게는, 직경이 1.0㎛ 이하이다.

또한, 탄화물의 개수 밀도는, 직경 1.5㎛ 이하의 탄화물이 0.8개/㎛² 이상 존재하고 있을 필요가 있다. 바람직하게는 1.0개/㎛² 이상, 보다 바람직하게는 1.2㎛² 이상이다. 개수 밀도의 상한은 특별히 한정되는 것은 아니다. 또한, 탄화물의 사이즈 및 개수 밀도가 상기의 조건을 충족하는 경우, 목표 경도에 필요한 고용 C량을 충분히 확보할 수 있으므로, 적정한 ??칭 온도 범위도 확대된다.

??칭 후의 미려한 표면 외관을 확보하고, 또한 내식성을 현저하게 향상시키기 위해서는, 입계에 차지하는 직경 1.5㎛ 이하의 탄화물의 점유율이 5.0％ 이상인 것이 바람직하다. 점유율은 7.0％ 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10.0％ 이상이다. 상한은 규정하지는 않지만, 17.0％ 이하인 것이 바람직하다.

(탄화물의 사이즈 및 개수 밀도, 입계에 차지하는 탄화물의 점유율의 측정 방법)

탄화물의 사이즈 및 개수 밀도는 이하의 방법으로 특정한다.

강판의 L 단면을 경면 연마 후, 왕수로 에칭하여 입계와 탄화물을 현출시키고, SEM 관찰에 의해 탄화물의 사이즈 및 개수 밀도를 측정한다. 측정 영역은 판 두께 1/4t 위치에서 총 면적이 200㎛×200㎛로 하고, 관찰 배율은 5000배로 SEM 관찰한다. 탄화물의 사이즈는, 관찰한 탄화물을 원 상당 직경으로 환산하여 구한다. 탄화물의 개수 밀도[개/㎛²]는, 측정 영역에서 확인된 직경 1.5㎛ 이하의 탄화물의 개수에 대한 측정 영역의 면적으로서 산출한다.

본 발명에 있어서의 점유율(P[％])이란, 입계에 차지하는 직경 1.5㎛ 이하의 탄화물의 비율로서 정의한다. 점유율은 측정 영역에 있어서의 총 입계 길이(a[㎛])에 대한, 상기 탄화물이 입계를 차지하는 선분 길이의 총합(b[㎛])의 비율로서 구한다. 식 (2)에 산출식을 나타낸다. 또한, 도 1에 「입계 상에 있는 탄화물」이라고 판단하는 기준 및 「입계를 차지하는 선분 길이」를 모식적으로 도시한다.

또한, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강으로 확인되는 탄화물은, (Cr, Fe)₂₃C₆이 대부분이지만, 일부에 (Cr, Fe)₇C₃을 포함하고 있어도 된다. 탄화물은 EDX로 확인할 수 있다.

(페라이트상 및 탄화물 이외의 다른 상의 존재)

본 발명의 페라이트계 스테인리스강의 금속 조직은, 실온에서 페라이트상과 극일부의 비율에 머무는, 다수 또한 미세한 탄화물에 의해 구성된다. 단, 다소라면, 상기 이외의 상의 존재를 허용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강은, 실온에서, 주상인 페라이트상 이외의 상, 예를 들어 오스테나이트상이나 마르텐사이트상이, 면적률에 있어서 합계로 5％ 이하 포함되어 있어도 문제는 없다.

(오스테나이트상, 마르텐사이트상의 유무를 판정하는 방법)

오스테나이트상의 유무는, 상기 단락에서 기재한 EBSD에 의해 측정한 데이터를 사용하여 판단한다. 오스테나이트상은 FCC 구조, 페라이트상은 BCC 구조이기 때문에, 측정 영역에 있어서 FCC 구조가 차지하는 비율(γ[％])을 구하여 판정한다. 식 (1)로 구한 값이, 5％ 이하이면, 오스테나이트상은 없다고 판단한다. 여기서, γ는 오스테나이트상의 면적률(단위: [％]), F, B는 각각 EBSD에 의해 측정했을 때에 얻어지는 FCC 구조, BCC 구조의 플롯수를 나타낸다(단위: [개]).

마르텐사이트상의 유무는, 비커스 경도에 의해 판단한다. 마르텐사이트상이 5％ 이상 존재하면, 경도가 300HV를 초과한다. 비커스 경도계를 사용하여, 하중 500g에서 10회 측정하고, 그 평균값이 300HV 이하이면, 마르텐사이트상은 없다고 판정한다.

(판 두께)

열연 후의 판 두께는 4.0㎜ 이상 6.0㎜ 이하, 그 후의 냉연 단계에서의 판 두께는 0.4㎜ 이상 4.0㎜ 미만이다. 본 발명의 페라이트계 스테인리스강의 판 두께는, 열연 이후로부터 제품 판 두께를 포함한 냉연 단계까지의 0.4㎜ 이상 6㎜ 이하를 대상으로 한다.

2. 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법

(제조 방법)

본 발명의 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법에 대해서 설명한다.

전술한 조성으로 이루어지는 강을 용제하고, 주조하여 주괴를 제조하고, 가열한다. 가열 온도(후술하는 열간 압연의 개시 온도)가 1150℃ 미만이면, 탄화물을 충분히 고용시킬 수 없고, 부위에 의해 특성이 변동됨과 함께, 조대한 탄화물이 잔존하여 제품의 적정 ??칭 온도 범위가 좁아진다. 그 때문에, 가열 온도는 1150℃ 이상으로 한다. 바람직하게는 1180℃ 이상이다.

이어서, 가열한 주괴에 열간 압연을 실시한다. 열간 압연의 종료 온도가 850℃ 미만이면, 변형 하중이 너무 높기 때문에, 열간 압연을 행하는 기재의 부하가 높아져, 소정의 형상으로 가공할 수 없다. 한편 950℃를 초과하면, 조대한 탄화물이 파쇄되는 일 없이 잔존하고, 제품의 적정 ??칭 온도 범위가 좁아진다. 따라서, 열간 압연의 종료 온도는 850℃ 이상 950℃ 이하로 한다. 바람직하게는 860℃ 이상 940℃ 이하이다.

열간 압연이 종료된 직후로부터, 냉각 속도를 제어하여, 후공정인 가열 유지의 온도 700℃ 이상 800℃ 이하까지 냉각한다. 그 때, 냉각 속도는 0.07℃/s 이상으로 하고, 또한 냉각 도중에 700℃ 미만으로 온도를 낮추지 않도록 열 이력을 관리하는 것이 필요하다. 냉각 속도는, 바람직하게는 0.20℃/s 이상이다. 열간 압연에 의해 축적된 가공 변형이 가열 유지의 직전까지 유지됨으로써, 가열 유지 후에 페라이트상의 평균 결정 입경이 10㎛ 이하로 된다. 한편, 냉각 속도가 0.07℃/s보다 느리면, 냉각 중에 가공 변형이 회복되고, 페라이트상의 석출 핵이 감소되므로, 가열 유지 중에 페라이트가 조대화된다.

종래의 페라이트계 스테인리스강 중간체의 제조 방법에 있어서 일반적인 제조 공정, 즉, 열간 압연 후에 냉각 속도를 제어하면서 실온까지 일단 냉각하고, 다시 승온하여 가열 유지하는 열 이력의 경우, 마르텐사이트상 내의 변형이 소실되는 과정에서 페라이트상의 결정립이 조대화된다. 이에 반해, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강의 제조 방법에서는, 열간 압연 직후로부터 가열 유지의 직전까지의 사이의, 냉각 속도와 온도 이력을 제어하는 것이 매우 중요하다. 종래의 페라이트계 스테인리스강 중간체의 제조 방법에서는 이러한 냉각 속도와 온도 이력의 제어는 행해지고 있지 않다.

700℃ 이상 800℃ 이하의 가열 유지의 온도까지 냉각한 후, 계속해서, 가열 유지를 행한다. 가열 유지의 온도가 700℃ 미만이면, 1.5㎛ 이하의 탄화물의 개수 밀도가 현저하게 낮아져, 페라이트 변태가 충분히 진행되지 않고 상기 가열 유지를 행하여 실온까지 냉각했을 때, 경질인 마르텐사이트상을 많이 포함하는 금속 조직이 된다. 그 결과, 냉연 등의 후공정의 통판이 곤란해져, 제조 비용의 증가나 수율이 저하된다. 한편, 800℃를 초과하면 상기한 탄화물이 응집 조대화되고, 적정한 ??칭 온도 범위가 좁아진다. 또한, 페라이트상의 평균 결정 입경도 조대화된다.

가열 유지의 시간은 20분 이상, 20시간 이하로 한다. 가열 유지의 시간이 20분 미만인 경우, 직경이 1.5㎛ 이하의 탄화물의 개수 밀도가 현저하게 저하되고, 실온 냉각 후에 다량의 마르텐사이트상을 많이 포함하는 금속 조직이 된다. 그 결과, 냉연 등의 후공정의 통판이 곤란해져, 제조 비용의 증가나 수율이 저하된다. 한편, 20시간을 초과하여 가열 유지하면 상기한 탄화물이 응집 조대화되어, 적정한 ??칭 온도 범위가 좁아진다. 또한, 페라이트상의 결정립도 조대화된다. 따라서, 가열 유지는 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도에서 20분 이상 20시간 이하의 유지를 행한다. 바람직하게는, 710℃ 이상 790℃ 이하의 온도에서 75분 이상 15시간 이하이다.

가열 유지 후의 냉각 속도에 대해서는, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 0.05℃/s 이상의 냉각 속도로 해도 되고, 공랭해도 된다.

가열 유지 및 냉각이 완료된 후, 필요에 따라서 산세, 냉간 압연, 최종 열처리를 반복해서 행하여, 소정의 판 두께의 강판을 얻을 수 있다.

산세는 표면의 산화 스케일을 제거하는 공정, 냉간 압연은 소정의 판 두께를 얻는 공정이고, 최종 열처리는 상기 냉간 압연으로 도입된 변형을 개방하고, 재결정에 의해 연화시키는 공정이고, 스테인리스강의 제조에 있어서 일반적인 방법으로 문제없다.

최종 열처리의 온도가 700℃ 미만인 경우, 재결정이 불충분하여 경질이 되고, 다음 공정으로의 통판 또는 고객에 의한 소재 가공이 곤란해진다. 한편, 800℃보다 고온이면 오스테나이트상이 안정된 온도역에 도달하여, 냉각 후에 마르텐사이트상을 많이 포함하는 금속 조직이 됨으로써 경질화되고, 다음 공정으로의 통판 또는 고객에 의한 소재 가공이 곤란해진다. 그 때문에, 최종 열처리의 온도는 700℃ 이상 800℃ 이하로 한다. 바람직하게는, 710℃ 이상 790℃ 이하이다.

실시예

실시예를 나타내면서, 본 발명의 페라이트계 스테인리스강의 효과를 설명한다.

표 1에 나타내는 조성을 갖는 강을 실험실 용제하고, 두께 100㎜의 주괴를 얻었다. 이 주괴를 표 2의 온도에서 120분간 가열한 후, 열간 압연하여, 판 두께 5.0㎜의 열간 압연판을 얻었다.

계속해서, 상기 열간 압연판을, 표 2에 나타내는 가열 유지의 온도까지 냉각 속도 0.05 내지 2.00℃/s의 범위에서 냉각하였다. 상기 가열 유지의 온도에 도달한 후, 표 2에 나타내는 시간의 가열 유지를 행하였다. 가열 유지 후는 공랭하여 실온까지 냉각하였다. No.1 내지 16, 18 내지 34의 강판에 대해서는, 황산 산세, 압하율 60％의 냉간 압연, 또한 700 내지 800℃×2분간의 열처리를 실시하여 판 두께 2.0㎜의 강판을 얻었다.

또한, No.1 내지 15, 18 내지 34의 강판에 대해서는, 냉간 압연, 냉연판 어닐링, 산세를 다시 행하여, 판 두께 0.8㎜의 강판으로 하였다.

본 검토에서는, 본 발명의 제조 공정과 비교하기 위해, No.33은 열간 압연 후에 일단 실온까지 냉각하고, 다시 승온하여 가열 유지하였다.

페라이트상의 평균 결정 입경, 오스테나이트상 및 마르텐사이트상의 유무, 탄화물의 사이즈 및 개수 밀도, 입계에 차지하는 탄화물의 점유율은, 전술한 방법으로 측정하였다.

(열간 압연 완료 후의 냉각 속도의 측정 방법)

열간 압연 완료 후의 냉각 속도는 열간 압연 완료 후로부터 가열 유지의 온도에 도달하는 사이의 평균 냉각 속도로 정의한다. 온도의 이력은 방사 온도계를 사용하여 측정하였다.

(??칭 경도 안정성의 평가 시험)

표 2에 나타내는 공시재를 가열 온도 900 내지 1150℃에서 5분간 유지한 후, 공랭하였다. 그리고 상기 샘플의 ??칭 경도를 조사하였다. 또한, 가열 온도는 10℃ 단위로 변화시켰다. ??칭 안정성(ΔT[℃])은, 식 (3)에 의해 평가하였다.

Tmin[℃], Tmax[℃]는 각각, ??칭 경도가 550HV 이상이 되는 최저 온도 및 최고 온도를 나타내고 있고, ΔT가 클수록, 상기 ??칭 경도 이상이 얻어지는 ??칭 온도 범위가 넓고, ??칭 경도 안정성이 우수한 것을 의미한다. 한편 ΔT가 0일 때는, 최저 온도 Tmin과 최고 온도 Tmax가 일치하고 있고, ??칭 안정성이 떨어지는 것을 의미한다. 여기서는, ΔT가 30℃ 이상을 합격, 30℃ 미만을 불합격으로 평가하였다.

(표면 외관의 평가 시험)

표 2에 나타내는 공시재를 가열 온도 Tmin, Tmax에서 5분간 유지한 후, 공랭하고, ??칭 샘플을 얻었다. 그리고 상기 ??칭 샘플의 산화 스케일을 제거하여 금속 표면을 노출시킨 후, #600의 습식 연마에 의해 표면을 마무리하였다. 불균일 모양은 육안으로 확인하였다. 관찰 시야의 총 면적 1㎡에 차지하는 불균일 모양의 총 면적의 비율(이하 및 표 2 중에서 「결함률」이라고 함)이 가열 온도 Tmin, Tmax 모두 5.0％ 이하이면 합격으로 하고, 고급 칼날에 요구되는 미려한 표면 외관을 충족한다고 평가한다. 그 이외의 경우는, 불합격으로 한다. 표 2 중의 결함률은 가열 온도 Tmin, Tmax, 각각의 결함률의 큰 쪽이다.

(내식성의 평가 시험)

표면 외관의 평가 시험과 마찬가지의 ??칭 열처리, 연마 방법으로 제작한 시험편을, 시험 온도 50℃, 7％ NaCl 용액의 염수 분무 시험에 제공하였다. 내식성의 합격의 여부는, 시험편의 표면에 적녹이 확인되는지 여부로 판단하였다. 시험 개시 4시간 후, 가열 온도 Tmin, Tmax의 조건 모두 육안으로 적녹이 확인되지 않으면 합격으로 하고, 칼날로서 필요한 내식성을 충족한다고 판단한다. 그 이외의 경우는 불합격으로 하였다. 합격이라고 판정한 것에 한하여, 시험 시간의 합계가 24시간이 될 때까지 평가 시험을 연장하였다. 가열 온도 Tmin, Tmax의 조건 모두 평가 시험 후에 육안으로 적녹이 확인되지 않을 때는, 내식성이 더욱 우수하다고 판정하였다.

표 2에 ??칭 경도 안정성, 결함률 및 내식성의 평가 결과를 나타낸다. 페라이트상의 평균 결정 입경, 탄화물의 개수 밀도가 모두 소정 이상인 No.1 내지 26에서는 높은 경도, 우수한 내식성이 얻어지는 적정한 ??칭 온도 범위가 넓고, 게다가 미려한 표면 외관도 겸비하고 있었다. 특히, 입계에서의 탄화물의 점유율도 소정 이상인 실시예 2 내지 26에서는, 내식성이 현저하게 향상되었다.

한편, No.31은 탄화물의 개수 밀도가 작고, 페라이트상의 평균 결정 입경도 조대하기 때문에, ??칭 경도 안정성이 불충분하고, 결함률도 불량하였다.

No.32는 탄화물의 개수 밀도가 작고, ??칭 경도 안정성이 불충분하다. 또한, 첨가 Cr이 과소하기 때문에, 내식성이 부족하였다. No.32는 첨가 C가 과다하기 때문에 조대한 탄화물이 과잉으로 존재하고, ??칭 경도 안정성이 불량하였다. 또한 첨가 Cr이 과소하기 때문에, 내식성이 불량하였다.

열간 압연 후에 실온까지 일단 냉각한 후에 다시 승온하여 가열 유지한 열 이력의 No.33은 평균 결정 입경이 조대하고, 결함률이 소정보다도 높았다.

열간 압연 후의 냉각 속도가 느린 No.34는 평균 결정 입경이 조대해져, 표면 외관의 결함률이 소정보다도 높았다.

본 개시의 페라이트계 스테인리스강은, 적정한 ??칭 온도 범위가 넓고, ??칭 후의 높은 경도, 우수한 내식성 및 표면의 미려함을 겸비하고 있다. 즉, 마르텐사이트계 스테인리스강의 중간재로서 적합하고, 일례로서, 경질, 우수한 내식성 및 미려함이 요구되는 고급 칼날 제품을 효율적으로 생산할 수 있다.

1: 입계
2: 입계를 차지하는 선분 길이
3: 입계 상에 있는 탄화물
4: 입계 상에 없는 탄화물

Claims (6)

1. 질량％로,
   C: 0.45％ 이상 0.55％ 이하,
   Si: 0.10％ 이상 1.00％ 이하,
   Mn: 0.1％ 이상 1.0％ 이하,
   Cr: 12.0％ 이상 15.0％ 이하,
   Ni: 0％ 이상 1.0％ 이하,
   Mo: 0.50％ 이상 0.80％ 이하,
   V: 0.10％ 이상 0.20％ 이하,
   N: 0.015％ 이상 0.100％ 이하,
   P: 0％ 이상 0.040％ 이하,
   S: 0％ 이상 0.030％ 이하,
   잔부: Fe 및 불순물
   로 이루어지는 강 조성을 갖고,
   페라이트상의 평균 결정 입경이 10㎛ 이하이고,
   직경 1.5㎛ 이하의 탄화물이 0.8개/㎛² 이상 존재하는
   것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강.
2. 제1항에 있어서,
   페라이트 입계 길이에 차지하는 1.5㎛ 이하의 탄화물의 점유율이 5.0％ 이상인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 Fe의 일부 대신에,
   질량％로,
   Al: 0.30％ 이하,
   Nb: 0.070％ 이하,
   B: 0.0030％ 이하,
   Ti: 0.070％ 이하,
   Sn: 0.12％ 이하,
   Cu: 0.40％ 이하,
   W: 1.000％ 이하,
   Co: 0.500％ 이하,
   Zr: 0.500％ 이하,
   Ca: 0.0050％ 이하,
   Mg: 0.0050％ 이하,
   Y: 0.1000％ 이하,
   REM: 0.10％ 이하, 및
   Sb: 0.15％ 이하
   중 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 특징을 갖는 판 두께 0.4 내지 6.0㎜의 페라이트계 스테인리스 강판.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 페라이트계 스테인리스강을 제조하는 방법이며,
   제1항 또는 제3항에 기재된 조성을 갖는 강에, 개시 온도 1150℃ 이상, 종료 온도 850℃ 이상 900℃ 이하에서 열간 압연을 실시하여 열연 강판으로 하고,
   계속해서, 상기 열연 강판을 냉각 속도 0.07℃/s 이상으로, 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도까지 냉각하고,
   냉각 후, 상기 열연 강판을 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도에서 20분 이상 20시간 이하 동안 가열 유지하는
   공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스 강판의 제조 방법.
6. 제4항에 기재된 페라이트계 스테인리스 강판을 제조하는 방법이며,
   제1항 또는 제3항에 기재된 조성을 갖는 강에, 개시 온도 1150℃ 이상, 종료 온도 850℃ 이상 900℃ 이하에서 열간 압연을 실시하여 열연 강판으로 하고,
   계속해서, 상기 열연 강판을 냉각 속도 0.07℃/s 이상으로, 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도까지 냉각하고,
   냉각 후, 상기 열연 강판을 700℃ 이상 800℃ 이하의 온도에서 20분 이상 20시간 이하 동안 가열 유지하고,
   가열 유지한 상기 열연 강판을 산세하고,
   산세 후의 상기 열연 강판을 냉간 압연하여 냉연 강판으로 하고,
   상기 냉연 강판을 700℃ 이상 800℃ 이하에서 열처리하는
   공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스 강판의 제조 방법.
   

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