KR900000688B1 - 입계부식 균열내성 및 가공성이 우수한 고강도 스테인레스강 - Google Patents

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Description

입계부식 균열내성 및 가공성이 우수한 고강도 스테인레스강

제1도 및 제2도는 15%와 25%의 감소율로 압연 가공하여 500 내지 750℃에서 시효 처리한 본 발명의 강과 비교강의 입계부식 깊이를 도시한 도표.

본 발명은 냉간가공 상태 및 이 냉간 가공후 강를 용접한 경우의 용접부에서 우수한 입계부식 균열내성을 갖고, 게다가 가공성이 특히 뛰어난 고강도 스테인레스강에 관한 것이다.

고강도 스테인레스강은 스테인레스강 고유의 특형중 하나인 내식성과 함께 상당한 고강도 특성을 구비하고 있다. 물론, 고강도 스테인레스강이 고강도인 것은 당연하다. 그러나, 이들은 일반적으로 사용시에 가공 및 용접이 행해지기 때문에 용접부의 각종 특성을 포함하여 용접성 및 가공성도 우수한 것이 매우 바람직하다. 또한, 이들은 스테인레스강 고유의 특성중 하나인 내식성도 당연히 우수해야 한다. 그런데, 이 모든 특성들을 동시에 얻기는 쉽지가 않다(그 어려움중의 하나는 강도가 가공성이 양립할 수 없다는 것이다).

그러나, 몇몇 분야들에 있어서는 상기에 언급한 특성들을 모두 만족스럽게 갖춘 고강도 스테인레스강이 요구된다. 이러한 분야중의 하나가 철도 차량분야이다.

철도 차량용 강으로서는 종래 탄소강이 많이 사용되어 왔지만, 스테인레스강의 우수한 내식성을 이용하여 최근에는 고강도 스테인레스강이 철도 차량용으로 더욱 많이 사용되고 있다. 보통의 탄소강은 내식성과 강도가 안좋아 주기적인 도장등과 같은 유지 관리에 상당한 노력과 경비를 필요로 하고, 또한 그와 같은 약한 강도를 보상해 주기 위해서는 상당히 두꺼운 판이 사용되어야 하므로 차량 자체의 중량이 무거워진다는 점에서 만족스럽지 못했다. 이것은 또한 재료 및 에너지 소모의 절약이 요구되는 현재의 일반적인 조류에도 역행된다. 이들 탄소강이 갖는 결점을 극복하기 위해서는, 우수한 내식성과 함께 고강도를 갖는 스테인레스강을 사용하는 것이 바람직하다. 스테인레스강을 사용하면, 보다 얇은 판을 사용할 수가 있어 철도 차량의 경량화를 달성할 수가 있으며, 또한 도장등의 귀찮은 유지관리 작업에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 게다가, 스테인레스강은 보통의 탄소강보다 내구성이 더 길고, 이것을 사용하면 여러면에서 재료와 에너지의 절약에 대한 요구에 부합되는 잇점이 있다. 따라서, 최근 철도 차량용 강으로서는 보통의 탄소강으로부터 고강도 스테인레스강으로의 이행이 이루어져 가고 있으며, 이러한 추세는 계속증가하리라고 예상된다.

철도 차량을 조립할 때, 다양한 두께의 냉간 압연판이 복잡한 형상으로 가공되므로서, 이들 판은 고강도임과 동시에 냉간 압연 상태에서 양호한 연성 및 가공성을 구비해야 한다. 또한, 이들 성형판들은 용접에 의해 조립되기 때문에, 용접성도 뛰어나야만 한다.

가공성에 대해서는 판들이 연신 및 굽힘성에 만족스러워야 한다는 것이 중요하다. 용접성에 대해서는 물론 용접부의 기계적인 강도가 가장 중요한 요인이다. 그러나, 용접부의 민감화에 기인한 입계부식 균열도 매우 중요시된다. 상술한 바와 같이, 철도차량용 재료는 다양한 특성들을 동시에 갖고 있어야 되며, 또한 일반 용도에 사용되는 강의 경우에서보다 더욱 만족스러워야 한다.

특히, 철도 차량용 재료는 고강도인 것에 부가하여 우수한 가공성, 상당히 양호한 가공 경화특성[항복비(항복-인장 강도비) 0.8이하] 및 용접부에서의 우수한 입계부식 균열내성을 가질 것이 요구되고 있다.

그런데, 현재 철도 차량용으로 사용되는 재료들은 강도와 가공성의 면에서는 만족스럽지만, 용접부의 입계부식 균열이 문제로 되는 경우가 많다. 이러한 균열은 현상적으로는 모두 용접열 영향부의 민감화 영역에 국한 되고 있으며, 결정 입계를 따라 이루어진다는 것이 판명되었다. 이것은 함께, 이러한 입계부식 균열이 순수한 입계부식 현상에 의해 일어난 것이든 용접 잔류 영역의 작용하에서 응력 부식 현상에 의해 일어난 것이든 간에 관계없이 재료의 높은 입계부식 감도에 기인한다는 것을 의마한다.

이와같이 종래의 고강도 스테인레스강이 높은 입계부식 감도를 갖는 이유는 이 종래의 고강도 스테인레스강이 상당한 고강도 및 양호한 가공성을 얻기 위해 0.05 내지 0.12%의 탄소를 함유하며 냉간 압련된 상태로 사용되고 있기 때문이라고 생각된다. 즉, 높은 탄소 함유량을 갖고 있다는 사실 자체와 이로 인해 재료의 냉간 압연시에 입계부식이 촉진된다는 사실에 기인하여, 이들 강의 입계부실 균열 강도가 높아진다고 생각된다.

본 발명의 목적은 이러한 종래의 고강도 스테인레스강이 갖는 고유한 문제, 즉 용접부의 입계부식 균열 감도가 높은 것을 회피할 수가 있고, 또한 종래의 고강도 스테인레스강보다 높은 강도 및 가공성등을 구비한 고강도 스테인레스강을 제공하는 것이다.

이 목적을 위해, 본 발명자들은 용접부의 입계부식 감도와 냉간 압연판의 민감화를 감소키는 것을 주 목표로 하여, 탄소 함유량을 경감하고 그 대신에 탄소와 동일하게 고용 강화 원소인 질소를 참가하므로서 고강도 및 양호한 가공성을 유지한 채로 상술한 감도 및 민감화를 감소시킬 수 있는지를 확인하기 위해 광범위한 실험 연구를 수행해 왔다. 그결과, 탄소 함유량을 경감하고 그 대신에 질소를 첨가시켜도, 강의 조성을 오오스테나이트상의 안정도에 관련하여 조정하면, 철도 차량 재료에 대해 요구되는 강도와 가공성을 충분히 유지한 채로 냉간 가공판의 민감화, 즉 종래의 고강도 스테인레스강의 입계부식 균열에 대한 감도를 감소시킬 수 있다는 것이 발견되었다.

이러한 발견에 의거하여, 본 발명자들은 강도 특성과 가공성을 저하시킴이 없이 우수한 입계부식 균열 내성을 갖는 고강도 스테인레스강의 성분 조성을 결정하였다. 이렇게 발견된 고강도 스테인레스강의 성분 조성에 의한 특정 조성범위(중량%)는 다음과 같다.

C : 0.04% 이하

N : 0.04 내지 0.20%

Si : 1.0% 이하

Mn : 2.0% 이하

Ni : 6.0 내지 10.0%

Cr : 16.0 내지 20.0%

나머지 : Fe 및 제강 공정에서 불가피하게 포함되는 불순물

여기서, Ar=(Ni%)+0.60(Cr%)+0.70(Mn%)+13.0[(C%)+(N%)]로 정의되는 Ar 값은 19 내지 21이 된다.

또한, 본 발명의 강의 제조공정은 통상의 스테인레스강의 제조공정과 특별한 차이는 없다. 즉, 탄소 함유량은 대기압 상태에서 또는 진공 탈가스 공정에 의해 0.04% 이하로 감소된다. 질소는 대기중에서 또는 아르곤기중에서 질화 망간 및 질화 크롬을 부가하거나 그렇지 않으면 질소를 직접 용강속에 취입해 주므로서 강속에 함유된다. 용융물의 주조후는 통상의 스테인레스강과 동일한 공정에 의해 냉간 압연강판을 제조한다.

상기와 같이 조성범위를 한정한 이유는 다음과 같다.

C 및 N : 냉간 압연판의 입계부식 내성 특성은 N에 의해서는 거의 영향을 받지 않으며, C 함유량으로 결정된다. C 함유량은 0.04% 이하로 제한되는데, 그 이유는 이 값을 초과하면 입계부식 감도가 현저해지기 때문이다. 질소는 본 발명의 강의 특징적 원소중 하나이다. 상술한 바와 같이, 탄소화 마찬가지로 고용 강화 원소인 N이 강도 및 가공성을 손상시킴이 없이 입계부식 내성을 개선해 주기 위해 C 대신에 첨가된다. 그러나, 응고시의 기공발생 및 제강상의 기타 문제들을 고려한 결과, N 첨가량의 상한치는 0.20%로 제한되었다. 한편, 0.04% 미만에서는 원하는 강도, 가공성 및 연성을 동시에 만족시킬 수 없기 때문에, 그 하한치를 0.04%로 정했다.

Si : Si는 제강과정에서 탄산제로서 첨가되는 필수 원소이다. 그러나 함유량이 1.0%를 초과하면 δ-페라이트상이 생성되고 강의 열간 가공성이 떨어지기 때문에, 그 상한치를 1.0%로 하였다.

Mn : Mn은 탈산제로서 그리고 가공성 개선을 위해 강에 참가된다. 그러나, 이 원소를 다량으로 첨가시키면, 제조 공정상 피할 수 없다는 단계인 아닐링 공정에서 형성되는 바람직스럽지 않은 성질의 산화 스케일에 의해 강판의 표면 품질이 손상된다. 따라서, 그 함유량은 2.0% 이하로 제한된다.

Cr : Cr 함유량은 16.0% 내지 20.0%로 정해진다. 스테인레스강 고유의 내식 특성을 얻기 위해서는 적어도 16% 이상의 Cr이 필요하며, 반면에 Cr을 20% 이상 첨가하면 δ-페라이트상의 형성이 현저히 증가하게 되어 열간 가공성을 저하시킨다.

Ni : Ni는 δ-페라이트상의 생성을 억제해 주기 위해 Cr 함유량이 증가함에 따라 더욱 증가되어야 한다. 그러나, Ni를 다량으로 함유시키면 γ-상이 지나치게 안정화되므로서 항복비(σ_0.2/σ₈)가 높아지게 된다. 이것은 가공성을 저하시킴과 동시에 제조단가가 고가로 됨을 의미한다. 오오스테나이트 안정도를 고려하여, Ni 함유량은 6.0% 내지 10.0%로 정해진다.

오오스테나이드 안정도 : 본 발명의 강이 속하는 준 안정 오오스테아니트계 스테인레스강 류별에 있어서는, 고유의 가공 경화에 의해서 뿐만 아니라 재료의 가공시 오오스테나이트상으로부터 마르텐사이트상으로의 변태로 인한 경화를 이용하여 고강도를 얻고 있다.

A_γ=(Nt%)+0.60(Cr%)+0.70(Mn%)+13.0[(C%)+(N%)]러 장의되는 오오스테나이트 안정도 지수 (Ar)는 19 내지 21로 되어야만 한다. A_γ값이 19 미만이면, γ-상이 지나치게 불안정하게 되어 고강도가 얻어지더라도 재료의 연신 특성이 극단적으로 저하하게 되며, 이는 연성 및 가공성이 떨어진다는 것을 의미한다. 한편, A_γ값이 21을 초과하면, γ-상기 지나치게 안정되어 항복비(σ_0.2/σ₈)가 높아지고 가공성을 약화시킨다. 따라서, 오오스테나이트 안정도를 나타내는 A_γ값은 19 내지 21로 한정된다. A_γ값에 대한 각 성분의 계수는 본 발명에 의해 실험적으로 확인되었다. 즉, 감소율을 제외하고는 동일 조건하에서, 15% 및 25%의 감소율로 냉간 압연하여 다양한 조성의 강판을 준비하였다.

이들 강판 샘플내의 마르텐사이트 양 및 이 마르텐사이트 양과 조성물 사이의 상호 관계는 나중에 구해졌고, 각 원소의 계수는 Ni에 대한 계수로서 1을 지정하여 결정하였다. 즉, A_γ공식내의 계수들은 가공 유도된 마르텐사이트 양과 조성물 사이의 관계로부터 결정되었다. 오오스테나이트 안정도 지수(A_γ)가 상이한 범위내에 있어야만 하는 이유는 후술하는 설명으로부터 명백히 알 수 있을 것이다.

본 발명의 가공시에 있어서, 양호한 조성은 다음과 같다. C함유량은 0.03% 이하, N 함유량은 0.04% 내지 0.17%, Si 함유량은 0.8% 이하, Mn 함유량은 1.75% 이하이고, 나머지 원소들의 함유량은 상기한 것과 동일하다. 보다 더 양호한 조성에 있어서는 C 함유량은 0.02% 이하, N 함유량은 0.04% 내지 0.12%, Si 함유량은 0.7% 이하, Mn 함유량은 1.5% 이하이고, 나머지 원소들의 함유량은 상기한 것과 동일하다.

양호한 A_γ값은 19.5 내지 20.5 이다. 이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

표 1에 보여지는 조성을 갖는 본 발명의 강과 비교강은 각각 50Kg의 강과는 단조한 후, 통상적인 냉간 압연 및 아닐링에 의해 1.18mm 및 1.33mm 두께의 판으로 성형된다. 이들 판들은 압연 온도 70℃에서 15% 및 25%의 감소율로 모두 1.0mm 두께의 판으로 최종 냉간 압연되었다(상술한 강판 샘플의 준비과정에 있어서 열간 단조가 사용되었다. 이것은 50Kg의 소형 강괴가 실험실에서 만들어졌기 때문이다. 그러나, 상업적인 효과면에서는 잘 알려진 바와 같이 주조, 열간 압연 및 냉간 압연과 아닐링에 의해 강판이 제조된다). 이들 최종강판에 실온에서 인장시험 및 민감화 특성 시험을 실시하였다. 민감화 특성은 두께가 1.0mm로 감소된 냉간압연판을 먼저 500 내지 750℃에서 30분동안 가열한 후 이를 공냉시키는 민감화 열처리를 행하고 행하고, 다음에 이들을 비등 스트라우스 용액내에 16시간동안 침지시킨 후, 1100℃에서 10분동안 입계 산화 열처리를 실시한 뒤에 공냉시켜, 최종적으로 각 샘플의 입계부식 깊이를 측정해 주므로서 조사되었다. 인장 시험의 결과는 표 2에 그리고 민감화 특성 시험의 결과는 제1도 및 제2도에 각각 나타나 있다.

[표1]

[표2]

표 2로부터 명백히 알 수 있듯이, 본 발명의 강은 고강도 재료에서 요구되는 종합적인 인장 특성이 비교강 1,2 및 3보다 우수하다. 즉, 본 발명의 강은 어떤 경우에 있어서도, 철도 차량용의 1/2경질 재료에서 요구되는 기계적 성질(σ_0.2: 70Kg/mm²이상, σ₈: 94Kg/mm²이상, σ_0.2/σ₈0.8, 연신율 El 20%)을 만족하는 강판이 15 내지 25%의 감소율로써 만족스럽게 제조될 수가 있다. 이와 반대로, A_γ값이 18.9인 비교강 12에 있어서는, γ-상이 불안정해지기 때문에 충분한 강도는 얻어진다 하더라도 재료의 연성 및 가공성이 저하한다는 것을 알 수 있다. 다시 말하면 재료의 σ_0.2가 70Kg/mm²이상으로 된다 할찌라도 연신율은 20%이하가 된다. 또, A_γ값이 21을 초과하는 비교강 2 및 3은 γ-상이 지나치게 안정되기 때문에 놓은 σ_0.2값을 갖는 대신에 그들의 σ₈값이 그리 높지 않게 된다. 따라서, 항복 강도비가 0.8이상으로 되어, γ-상이 불안정할 경우와 마찬가지로 가공성이 저하한다는 것을 알 수 있다.

제1도 및 제2도에 도시한 결과들로부터, 본 발명의 강이 비교강 4,5 및 6에 비해 민감화 특성면에서 훨씬 개선되었음을 알 수가 있다. 또한, C함유량이 0.06 내지 0.07%인 비교강 4 및 5에 있어서는, 냉간 압연율이 15%에서 25%로 증가한 경우에 입계부식 균열이 증가하는데, 비해 본 발명의 강에서는 본 발명에서 규정한 상한치가 근접한 양(0.03% 이상)의 C를 함유하는 본 발명의 강 6 및 7에서 조차도, 압연율이 커지면 저온측에서 입계부식 균열이 증가하게 되지만, 전체 민감화 온도 범위에 걸친 입계부식 균열의 절대량은 거의 일정하게 된다. 게다가, 본 발명의 강 1 내지 5에서 예신된 바와 같이 0.02%이하의 C를 함유하는 강에서는 냉간 압연한다. 할찌라도 민감화되지 않음은 물론이다.

상기 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 강은 고강도 스테인레스강에서 요구되는 다양한 특성들을 충분히 구비하고 있으며, 따라서 고강도 스테인레스강의 적용 분야를 확장시킬 수가 있다. 특히, 고강도 스테인레스강의 광범위한 사용이 예상되는 철도차량 분야에 있어서는, 입계부식 균열 내성이 종래에 비해 현저히 개선됨과 동시에 철도 차량용 재료에 요구되고 있는 기계적 강도 및 가공성들을 충분히 만족시키고 있으므로 본 발명의 강을 유리하게 사용할 수 있다.

이상의 설명으로부터, 본 발명의 제품은 철도 차량을 제조하기 위한 재료로서 유리하게 사용된다는 것을 명백히 알 수 있다. 그러나, 본 발명의 강은 그러한 적용에 한정되지 않으며 다양한 산업분야에서 광범위하게 사용가능하다고 생각한다.

Claims (4)

1. 중량%로, C : 0.04%이하, N : 0.04 내지 0.20%, Si : 1.0% 이하, Ni : 6.0 내지 10.0%, Cr : 16.0 내지 20.0%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 제강공정에서 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어지는 조성물을 가지며, A_γ값이 19 내지 21이 되도록 하기 식을 기초로 하여 성분 조정한 것을 특징으로 하는 입계부식 균열내성 및 가공성이 우수한 고강도 스테인레스강.

   여기서, A_γ=(Ni%)+0.60(Cr%)+0.70(mn%)+13.0[(C%)+(N%)]
2. 제1항에 있어서, C 함유량은 0.03%이하이고, N 함유량은 0.04 내지 0.17%이며, Si 함유량은 0.8% 이하이고, Mn 함유량은 1.75% 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 스테인레스강.
3. 제1항에 있어서, C 함유량은 0.02%이하이고, N 함유량은 0.04 내지 0.12%이며, Si 함유량은 0.7%이하이고, Mn 함유량은 1.5% 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 스테인레스강.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, A_γ값이 19.5 내지 20.5인 것을 특징으로 하는 고강도 스테인레스강.

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