KR920008689B1 - 고강도와 비자성을 갖는 저합금 스텐레스냉연강판 제조방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

고강도와 비자성을 갖는 저합금 스텐레스냉연강판 제조방법

제1도는 본 발명 및 비교강의 냉간가공도에 따른 마르텐사이트량을 나타낸 비교도.

제2도는 본 발명 및 비교강의 소둔시간에 따른 마르텐사이트의 량을 나타낸 비교도.

본 발명은 열연상태에서 비열탄성 마르텐사이트를 포함하고 있는 저합금 스텐레스강을 소재로하여 고강도와 비자성을 갖는 오스테나이트 스텐레스 냉연강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래 300계열의 오스테나이트 스텐레스강은 내식성 뿐만 아니라 가공성이라든지 용접성 면에 있어서도 우수하여 널리 사용되고 있지만, 항복강도가 30㎏f/㎟ 정도에 불과하여 우수한 강도가 겸비되어야 하는 구조용 재료로의 사용에는 제한이 있어왔다. 따라서, 오스테나이트 스텐레스강의 강도를 증가시키려는 많은 시도가 있어왔으며, 이 결과 오스테나이트의 결정립 미세화에 의한 강도증가 방법이 가장 적절한 것으로 알려지고 있다.

한편, 금속의 결정립을 미세화시키기 위해 통상 널리 사용되는 방법으로는 상변태를 이용하는 방법과 재결정을 이용하는 방법이 있는데, 오스테나이트 스텐레스강에서는 가열 및 냉각과정에서 상변태가 일어나지 않기 때문에 냉연 또는 열연후 재결정을 미세화시킬 수 밖에 없다.

그러나, 18-8스텐레스강을 예로들면, 그것의 재결정온도가 1200K 부근의 고온이기 때문에 미세화시켜도 10-30㎛ 정도가 한도이다.

따라서, 철도차량용 강판등과 같은 높은 항복강도가 요구되는 경우에는 냉간가공하여 가공유기마르텐사이트를 도입한 후 오스테나이트와 마르텐사이트의 혼합조직으로하여 사용하고 있는 실정이며, AISI 301, 201등은 이런 가공경화형 스텐레스의 대표강들이다.

그러나, 상기 냉간가공에 의해서 일어나는 가공유기 마르텐사이트 변태는 가공율뿐아니라 가공온도에서도 매우 민감하기 때문에 냉간압연에 의해 목표로 하는 체적율의 가공유기마르텐사이트를 형성시켜 기계적 성질을 정확하게 맞춘다는 것은 고도의 기술이 필요하다.

한편, 냉간가공에 의해 가공유기 마르텐사이트가 형성된 강을 800K 이상의 온도로 가열하면 마르텐사이트 상이 오스테나이트상으로 역변태하여 급격히 연화되는 것으로 알려져 있어서 종래에 이 기구에 대한 연구도 행해져 왔다. 이 가운데 Met.Techonol 3(1976) p49에서 West 등은 16-12스텐레스강을 심냉압연하여 다량의 가공유기 마르텐사이트를 도입한 후 873K 이상의 온도로 소둔하면, 마르텐사이트상에서 오스테나이트로 역변태가 일어나고 이때 역변태된 오스테나이트 결정립은 재결정된 오스테나이트 결정립보다 미세하다는 것을 지적하여 보고한바 있다.

이 성질을 이용하여 최근 철과강 74(1988) 1052에서 일본 구주대학에서는 확산형 역변태 거동을 일으키는 준안정 오스테나이트 스텐레스강(16Cr-10Ni)을 상온에서 강하게 냉간가공하여 일단 가공유기 마르텐사이트 단상으로 만든 다음, 850K부근의 온도에서 소둔하여 오스테나이트로 역변태시켜 평균입경이 1㎛ 이하의 매우 미세환 오스테나이트 조직을 얻었다.

이와 같이 하여 얻은 역변태 오스테나이트는 전위밀도가 높고 결정립이 미세하므로 강도가 높다. 또 동일강도에서는 미변태 오스테나이트보다 연신율이 더 큰 특징을 갖고있는 것으로 알려져 있다.

그러나 이와 같이 상온에서 완전한 준안정 오스테나이트조직을 얻기위해서는 Cr 및 Ni의 함량이 비교적 높아야 하므로 원료비가 많이 들게되고, 또 냉간가공시 가공유기 마르텐사이트 단상을 만들기 위한 가공량도 커야하는 등의 문제가 있다.

이에 본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기위한 것으로, Cr 및 Ni함량이 낮은 저합금조성을 이용하고 열연상태에서 이미 비열탄성 마르텐사이트를 다량 포함하고 있는 스텐레스강을 사용하여 적은 냉간압연으로도 많은 마르텐사이트를 만들 수 있는 고강도, 비자성 오스테나이트 스텐레스강의 제조방법을 제공하고자하는데 있다.

상기 목적달성을 위해, 본 발명은 비자성을 갖는 오스테나이트 스텐레스 냉연강판의 제조방법에 있어서, C ≤0.025wt％, 13-16wt％ Cr, 7-9wt％ Ni, Si ≤0.15wt％, Mn ≤0.15wt％ 및 기타 불가피한 불순원소 및 Fe가 함유되어 있는 강을 열간압연하여 25％ 이하의 비열탄성 마르텐사이트를 함유시킨 후, 상온에서 60％ 이상 냉간가공한 뒤, 마르텐사이트/오스테나이트 역변태 온도(700-800℃) 직상에서 30-60초 정도 소둔시킴을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 수치한정이유 및 제반조건에 대하여 상세히 설명한다. C : ≤0.02wt％, 일반적으로 탄소의 함량이 많을수록 재료의 강도는 증가하지만, 반대로 적은 양의 첨가로도 오스테나이트 상을 안정시키므로서 마르텐사이트 변태개시온도(Ms)를 낮추어 냉간가공시 가공유기 마르텐사이트의 생성을 어렵게 한다.

뿐만 아니라 탄소의 함량이 많을수록 역변태 열처리시 카바이트(Carbide)등의 석출 및 이로인한 내식성 저하등의 문제가 되므로 본 발명에서는 탄소의 함량을 상기와 같이 통상 저탄소 스텐레스강(예 : 304L등)의 탄소함량범위 이하로 정한다.

P : ≤0.015st％, S : ≤0.005wt％ S와 P는 개재물을 형성하기 쉽고 일반적으로 적은 양으로도 기계적 성질을 해치는 원소들이므로 상기와 같은 범위내에서 가능한한 낮추는 것이 바람직하다.

Cr : 13-16wt％ 일반적으로 스텐레스강의 내식성은 고용 Cr의 함량과 밀접한 관계가 있으며 Cr의 공용량이 많을수록 내식성에는 유리한 것으로 알려져 있다. 그러나, Cr의 함량이 많게 되면(16wt％ 이상) 마르텐사이트 변태개시온도(Ms)가 상온 이하로 낮아져 열연후 오스테나이트 단상조직이 된다. 또, 마르텐사이트/오스테나이트 역변태 온도를 상향시켜 역변태 소둔시 오스테나이트의 결정립이 급격히 성장하게 되므로 상기와 같이 제한한다.

반면에 Cr의 함량이 너무 작으면(13wt％ 이하) 내식성이 크게 떨어질 뿐만 아니라 Ms온도가 상승하여 열연상태에서 마르텐사이트의 함량이 크게 증가하고 열변태 열처리후 냉각과정에서 다시 비열탄성 마르텐사이트가 생기게 되므로 상기와 같이 그 하한이 제한되는 것이 바람직하다.

Ni : 7-9wt％ Ni은 강력한 오스테나이트 형성원소로써 Ni의 함량이 적게되면(7wt％ 이하) Ms온도가 상승하게되어 역변태 소둔 후 냉각하는 과정에서 다시 마르텐사이트가 생기기 쉽고, 또한 역변태 온도도 상승하므로 결정립 미세화에 효과가 적어지게 된다. 반면에 너무 많이 첨가하면(9wt％ 이상) 역변태온도는 낮아져서 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하기는 좋으나, 온도가 너무 낮아져 냉간가공시 가공유기 마르텐사이트의 생성이 어렵게 되고, 또 재료비 상승등의 문제가 있으므로 상기와 같이 제한한다.

Si, Mn : ≤0.15wt％ 본 발명에서는 Cr과 Ni의 함량을 상기와 같이 제한하여 마르텐사이트 변태개시 온도와 역변태온도등을 조절하였다. 그러나, Mn은 Ni과 마찬가지로 오스테나이트 형성원소이고, Si은 페라이트 형성원소이므로 두 원소 모두 Ms 및 Af 온도에 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 발명에서는 가급적 이들 원소들에 의한 영향을 배제시키기 위해서 상기와 같이 제한하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 조성을 갖는 강의 냉연 및 열처리 조건에 있어서, 가공유기 마르텐사이트의 양이 많을수록 역변태 열처리시에 오스테나이트 재정립 핵생성에 유리하므로 상온에서 가능한한 많은 냉간가공을 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 냉간 가공한 소재를 마르텐사이트/오스테나이트 역변태가 완료되는 온도(Af)인 700-800℃에서 30-60초간 유지한 다음 수냉하였는데, 이는 역변태 열처리중에 생기는 결정립의 급속한 성장을 억제하기 위해서이다. 열처리시간이 길어질수록, 또 열처리 온도가 높을수록 역변태된 오스테나이트의 결정립이 조대하여지므로 강도가 떨어진다.

뿐만 아니라 이와 같은 경우 역변태 열처리후 다시 마르텐사이트 변태가 일어날 수 있으므로 상기와 같이 제한하여 열처리하여야 한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

[실시예]

하기 표 1의 화학조성을 갖는 강을 통상의 열간압연을 하여 하기 표 1의 열연조직을 얻었다.

[표 1]

상기 표 1에 나타난 바와 같이, Cr과 Ni의 함량이 많은 비교강 1, 비교강 2, 비교강 3의 경우에는 열연후 오스테나이트 단상조직을 갖고 있다. 반면에 비교강 4의 경우에는 Cr과 Ni의 함량이 적어 열연후 너무 많은 마르텐사이트를(80％) 갖고 있으며, 발명강의 경우는 열연상태에서 약 23％정도의 비열탄성 마르텐사이트를 포함하고 있음을 알 수 있다.

이와 같이 합금설계된 발명강과 비교강들을 상온에서 냉간가공을 실시하고 냉간가공도에 따른 마르텐사이트량과의 관계를 제 1도에 나타내었다. 이에 의하면 발명강과 비교강 모두 냉간가공량의 증가에 따라 마르텐사이트의 함량이 증가함을 알 수 있다.

그러나, 발명강의 경우 열연상태에 이미 비열탄성 마르텐사이트가 약 25％ 정도 존재하고 있으므로 동일한 냉간가공도에서 비교강 3에 비해 많은 마르텐사이트를 쉽게 얻을 수 있는 장점이 있다.

한편, 비교강 4는 발명강에 비해 열연상태에서 더 맣은 마르텐사이트(80％)를 갖고 있음으로 적은 냉간가공으로도 쉽게 마르텐사이트 단상조직을 얻을 수 있다. 그러나, 비교강 4의 경우에는 냉간가공후 역변태 소둔을 할 때 Cr과 Ni의 함량이 적어 여전히 Ms 온도가 상온 이상이 되므로 열처리 후에도 마르텐사이트가 다시 생기게 된다.

따라서 열처리후 오스테나이트 단상조직을 얻을 수 없으므로 자성을 띠게 될뿐만 아니라 내식성, 인성, 연성이 크게 감소하게 되므로 소기의 목적을 달성할 수 없다.

한편, 발명강과 비교강들을 상온에서 90％ 냉간가공을 한 후 이들 합금의 역변태온도인 835℃(비교강 3), 775℃(발명강), 670℃(비교강 4)에서 소둔시간에 따른 역변태 거동을 제 2도에 나타내었다.

이에 의하면 앞에서 설명한 바와 같이 비교강 4의 경우에는 열처리 후에도 많은 마르텐사이트가 생겼음을 알 수 있다. 번면에 비교강 3과 발명강의 경우에는 약 30초이상 열처리한 결과, 마르텐사이트가 오스테나이트로 역변태되었음을 페라이트스코프(ferrite scope)시험으로 확인할 수 있었다. 그러나, 비교강 3의 경우에는 Cr과 Ni의 함량이 많아 제조원가가 많을 뿐만 아니라, 마르텐사이트 단상을 만들기 위해서는 발명강에 비해 냉간가공도를 더 크게 해야한다는 문제점이 있음은 앞에서도 이미 지적한 바 있다.

한편, 하기 표 2는 냉연 및 소둔처리후 오스테나이트 조직을 갖는 발명강과 비교강들에 있어서 제조조건에 따른 상온에서의 인장성질을 비교하여 나타낸 것이다.

[표 2]

상기 표 2에 나타난 바와 같이 통상의 냉연소둔한 비교강 1(SUS 304)나 비교강 2(SUS 301),또 발명강과 동일한 냉연 및 역변태 열처리를 행한 비교강 3에 비해 발명강의 강도가 우수하여 구조재로서의 사용 가능성이 높음을 알 수 있다.

뿐만 아니라, 본 발명강은 비교강들에 비해 경제적 합금설계와 냉연조건으로 인해 제조원가 및 제조공정면도 있어도 유리하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고가의 합금원소인 Cr과 Ni의 첨가량을 적게하면서도 적은 냉간가공에서(60％ 이상) 많은 마르텐사이트가 생기게 하는 성분설계와 역변태 열처리시 오스테나이트의 결정립 크기를 가능한한 작게하여 역변태 열처리후 다시 마르텐사이트 변태가 일어나지 않도록 하는 열처리(700-800℃에서 30-60처)를 통하여 저합금이면서도 고강도 및 비자성을 갖는 오스테나이트 스텐레스강을 만들 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의한 강판은 추후 내식성, 비자성 및 강도가 동시에 요구되는 구조용 강재로서의 사용이 기대된다.

Claims (1)

1. C ≤0.02wt％, 13-16wt％ Cr, 7-9wt％ Ni, Si ≤0.015wt％, Mn ≤0.15wt％ 및 기타 불가피한 불순원소 및 Fe가 함유되어 있는 강을 열간압연하여 25％ 이하의 비열탄성 마르텐사이트를 함유시킨 후 상온에서 60％ 이상 냉간가공한 뒤, 마르텐사이트/오스테나이트 역변태 온도(700-800℃) 직상에서 30-60초 정도 소둔시킴을 특징으로 하는 고장도와 비자성을 갖는 저합금 오스테나이트 스텐레스 냉연강판의 제조방법.