KR960005222B1 - 니켈 절약형 고질소 오스테나이트계 석출경화형 스텐레스 냉연강판 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

니켈 절약형 고질소 오스테나이트계 석출경화형 스텐레스 냉연강판 제조방법

본 발명은 구조용 강재로 사용되는 고강도 오스테나이트계 스텐레스 냉연강판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Ni첨가량을 줄이고, N함유량을 증가시킴으로써, 연성 및 내식성이 요구되면서 인장강도 120kgf/㎟ 급 이상의 구조재에 사용되는 Ni절약형 고질소 고강도 오스테나이트 석출경화형 스텐레스 냉연강판의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 오스테나이트계 석출경화형 스텐레스강은 오스테나이트계 스텐레스강에 석출강화성원소인 C, P, N, Ti, Al, Nb, V 등을 첨가해 시효처리에 의해 강화시키는 강들이기 때문에 석출은 오스테나이트 기지에서 일어나게되고 석출상은 탄화물, 질화물, 인화물, Ti 및 Al등의 금속간화합물 등이다. 이러한 오스테나이트계 석출경화형강들은 마르텐사이트계 및 2상(오스테나이트+페라이트)계 석출경화형 스텐레스강에 비해 내식성, 가공성 및 용접성 등이 우수하지만, 합금원소 첨가량이 많은데 비해 석출강화 정도는 작아서 인장강도가 100kg/㎟을 넘지 못하는 단점이 있어 그 사용이 제한되어 왔다. 또한 종래의 오스테나이트계 석출경화형 스텐레스강들은 석출을 충분히 일으키기 위해서는 약 700에서 900℃사이의 온도에서 5시간에서 24시간의 장시간 열처리 또는 2회에 걸친 열처리를 해야하므로 그 제조공정이 복잡하고 시간이 많이 소비되는 단점이 있었다.

이러한 단점들을 해결하기 위하여 오스테나이트계 스텐레스강의 강도를 증가시키려는 많은 시도가 종래부터 있어왔으며, 최근에는 상변태를 이용한 결정립 미세화에 의해 고강도화가 이루어질 수 있는 것으로 알려지고 있다. 상기 고강도화를 위한 종래의 방법의 대표적인 예로서, 확산형 역변태 거동을 일으키는 준안정 오스테나이트계 스텐레스강(16중량%Cr-10중량%Ni, C, N0.005중량%, Mn, Si0.1중량%)을 상온에서 강하게 냉간가공하여 일단 가공유기 마르텐사이트 단상(약 90% 이상)으로 만든다음, 850K부근의 온도에서 소둔하여 마르텐사이트를 오스테나이트로 역변태시켜 평균 입경이 1㎛이하의 매우 미세한 오스테나이트 조직을 얻는 방법이 있는데, 상기 방법으로 얻은 역변태 오스테나이트는 전위밀도가 높고, 결정립이 미세하여 오스테나이트계 스텐레스강의 문제점인 항복강도를 약 60kg/㎟까지 크게 향상시킬 수 있었다는 것이 보고되었다.(일본 鐵과 鋼, 74(1988) P1052, 九州大學, 高木節雄, 德永洋一등)

그러나, 상기 제안에 사용된 강의 화학조성은 상기의석출경화성 원소들이 전혀 포함되지 않은 상태이므로, 이에 高木등은 합금성분을 다소 조정하여 탄소의 함량을 0.02중량%(이하 "%"라 함)로 상향하고 질소를 0.1%, Mo을 2%로 다량 첨가하여 결정립 미세화 효과 이외에도 역변태 열처리시에 생기는 Cr 및 Mo탄질화물 석출에 의한 새로운 고강도강을 개발하였는데 그 강의화학성분은 Fe-12%Cr-9.5%Ni-2%Mo-0.1%N-0.02%C이었다. 이강을 이용하여 상술한 바와같이 상온에서 80% 냉간압연하고, 역변태 열처리조건을 달리하여 열처리한 결과, 항복강도와 인장강도가 각각 최고 110kg/㎟, 140kg/㎟인 고강도 오스테나이트계 석출경화형 스텐레스강을 개발하였다. 그러나 상기한 종래의 고강도 스텐레스강은 우수한 기계적 성질을 얻기는 하였으나, 고가원소인 Ni과 Mo 등이 다량 첨가되었으며, 내식성에 가장 효과가 큰 원소인 Cr의 함량이 12.5%로, 통상의 스텐레스강에 필요한 최소 Cr함량이 12%인 점을 고려하면 매우 적은 양으로 종래의 오스테나이트계 석출강화형 스텐레스강에 비하여 내식성 측면에서 매우 불리하다는 문제가 남아 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서 Mo을 첨가하지 않으면서 고가인 Ni인 일부를 N으로 대체하고 내식성을 향상시킬 목적으로 Cr함량을 증가시키며, 고강도화를 위하여 Nb을 미량 첨가하여 열연 혹은 역변태 열처리 중에 석출시키므로서, 내식성과 연성이 우수하면서 고강도를 갖는 니켈절약형 고질소 석출경화형 스텐레스 냉연강판을 제조하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 고강도 오스테나이트계 석출 강화형 스텐레스 냉연강판 제조방법에 있어서, 중량%로, C:0.03%이하, Cr:15-17%, Ni:2-7.5%, Nb:0.1-0.2%, N:0.08-0.15%, Si:0.5%이하 및 기타 불가피한 불순원소가 함유된 강슬라브를 열간압연한후 1200-1260℃의 온도에서 열연판 소둔처리하고, 압하율을 80%이상으로 냉간압연한 다음, 마트렌사이트-오스테나이트 역변태 종료온도 직상부터 상기 역변태 종료온도 +50℃ 사이의 온도에서 소둔처리한후, 공랭 또는 수냉 처리하는 것을 특징으로하는 Ni절약형 고질소 고강도 오스테나이트계 석출강화형 스텐레스 냉연강판 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에따른 강의 성분조성 한정이유에 대하여 상세히 설명한다.

일반적으로 탄소의 함량이 많을수록 재료의 강도는 증가한다. 탄소는 강중에 소량 첨가되어도 오스테나이트 상을 안정시키고 마르텐사이트 변태 개시온도(Ms)를 낮추기 때문에 냉간가공시 마르텐사이트로의 생성을 어렵게 하고, 또한 탄소가 많이 첨가되면 역변태 열처리시 Cr 탄화물의 석출 및 이로인한 내식성 저하등이 문제가 된다. 따라서, 본 발명에서는 탄소의 함량을 통상 공업적으로 생산되고 있는 저탄소 스텐레스강(예 : 304L등)의 탄소함량 범위인 0.03%이하로 한정하는 것이 바람직하다.

한편, 스텐레스강의 내식성은 고용 Cr의 함량과 밀접한 관계가 있으며, Cr의 고용량이 많을수록 내식성에는 유리한 것으로 알려져 있다. 그러나, Cr의 함량이 17%이상으로 함유되면, 냉간압연시 마르텐사이트 변태가 어려워져 마르텐사이트 단상조직을 얻기 힘들고, 또한 마르텐사이트/오스테나이트 역변태온도를 상승시키기 때문에, 역변태 열처리시 역변태된 오스테나이트의 결정립이 급격히 성장하게 되며, 반면에, Cr의 함량이 15%이하일 경우에는 내식성이 크게 떨어질 뿐만 아니라, 마르텐사이트 변태 개시온도가 상온이상으로 높아져 열연상태에서 비열탄성 마르텐사이트가 생기게되어 오스테나이트 단상 조직을 얻을 수 없게 되므로 본 발명에서는 Cr의 함량이 15-17%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Ni은 강력한 오스테나이트 형성원소로써 Ni의 함량이 적게되면 Ms 온도가 상승하게되어 역변태 소둔후 냉각하는 과정에서 다시 마르텐사이트가 생기기 쉽고, 또한 역변태 온도도 상승하므로 결정립 미세화에 효과가 적어 고강도화를 이루기 어렵다. 반면에 너무 많이 첨가하면 역변태 온도는 낮아져서 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하기는 좋으나 Ms 온도가 너무 낮아져 냉간압연시 마르텐사이트의 생성이 안되는 문제가 있어 종래에는 약 10%정도 첨가되었다. 그러나, 본 발명에서는 상변태 거동에 미치는 영향이 Ni과 유사한 오스테나이트 안정화 원소인 N을 대신 첨가하여 고가의 합금원소인 Ni을 7.5%이하로 제한하였다. 또한, Ni을 2%이하로 더 줄이려면 N을 더많이 첨가하여야 하는데, 이들 강에서 질소의 최대 고용도가 제한되어 있으므로, Ni함량의 범위를 2-7.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

통상 탄소나 질소는 강력한 오스테나이트 안정화 원소이므로 적은 양으로도 오스테나이트상이 매우 안정화되어, 냉간압연으로 마르텐사이트 단상조직을 얻을 수 없다. 따라서, 본 발명에서는 탄소와 결합력이 강하여 탄화물을 형성하기 쉬운 특징을 갖고 있는 Nb을 미량첨가하여 열간압연 중에 NbC로 석출시키므로써, 열연 후 강 중에 고용된 탄소함량을 낮추어, 0.02%정도의 탄소를 첨가한 강에서도 냉강압연시 마르텐사이트 조직을 쉽게 얻을 수 있도록 하고, 또한, 역변태 열처리중에 NbC에 의한 석출 강화 효과가 생겨 고강도화에 유리하도록 하는 것을 특징으로 하고 있다. 이때, 상기 Nb의 함량은 0.1-0.2%로 제한 하는 것이 바람직한데, 그 이유는 Nb의 함량이 0.1%이하이면, 강중에 고용된 탄소와 탄화물을 형성하는 양이 적으므로 냉간압연시 마르텐사이트 조직을 얻기 힘들고 강도증가 효과도 작게되며, 반면에 Nb을 0.2%이상 첨가하더라도 더 이상 강도와 연신율의 향상은 없고, 오히려 탄소와 석출하고 남은 Nb양이 많아 냉연시 마르텐사이트 생성을 지연시키고, 재료비 상승만 가져와 바람직하지 않기 때문이다.

한편, 질소는 Ni과 동일한 오스테나이트 안정화 원소일뿐아니라, 강중에 첨가되면 고용강화 혹은 석출강화 효과가 크며, 특히, 인장강도를 증가시키는 원소로 알려져 있다. 상기 N은 0.08% 이하로 첨가되면, 첨가량이 적어 첨가 효과가 작게되고, 0.15%의 N의 함량은 본 발명 강에서 상온에서의 최대 질소고용한도이기 때문에 N의 함량은 0.08-0.15%로 제한하는 것이 바람직하다. 기타 Si(0.5% 이하), P.S등의 합금원소들은 통상의 오스테나이트계 스텐레스강 제조상에 들어가는 정도가 포함될 수 있다.

이하, 상기한 조성을 갖는 본 발명강 슬라브를 사용하여 냉연강판을 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다. 상기와같은 조성을 갖는 스텐레스 슬라브를 통상의 방법으로 열간압연한 다음, 열연판 소둔을 1200-1260℃의 온도구간에서 행한다. 이 때, 열간압연시 열간압연후 상온에서 오스테나이트 단상조직을 갖도록 마무리압연온도는 950-1000℃정도가 보다 바람직하며, 열연판의 소둔온도가 1200℃이하인 경우에는 열연중 석출한 석출물들이 재고용되기 힘들고, 1260℃이상인 경우에는 결정립이 너무 커져서 기계적 성질을 해치게 되므로, 열연중 석출한 비교적 큰 석출물들을 다시 기지중에 재고용시키고, 이들 재고용된 원소들이 역변태 소둔중에 미세하게 다량 석출되도록 하기 위하여, 상기의 열연판 소둔은 1200-1260℃로 제한하는 것이 바람직하다.

상기한 열연 및 열연판 소둔을 행한 강들의 냉연 및 역변태 열처리 조건을 설명하면 다음과 같다.

냉간압연시 생기는 마르텐사이트의 양이 많을수록 역변태시에 보다 미세한 오스테나이트 결정립들을 얻어 고강도화를 이룰수 있으므로 상온에서 가능한한 많은 냉간가공(약 80%이상)을 하여 페라이트 함량측정기(Ferrite-scope)로 측정하여 90%이상의 가공유기 마르텐사이트가 생기도록 하는 것이 바람직하다. 단, 냉간압연시 가공발열이 발생하는데, 가공발열이 크게되면 냉간압연 온도가 상승하게되고, 압연온도가 높아지면 마르텐사이트 생성이 어려우므로 가급적 압연온도가 상온보다 크게 높지 않도록 하는것이 바람직하다. 이와같이 냉간가공한 소재를 마르텐사이트/오스테나이트 역변태가 완료되는 온도인 역변태종료온도직상부터 역변태종료온도 +50℃의 온도범위까지 가열한 후, 이 온도에서 소둔한 다음, 공냉 또는 수냉한다.

그러나, 역변태 열처리시 열처리 온도가 너무 높다든지 혹은 열처리 시간이 너무 길며는 역변태된 오스테나이트의 결정립이 조대해지므로 강도가 떨어진다. 뿐만 아니라, 역변태 오스테나이트의 결정립이 매우 조대해지는 경우에는 마르텐사이트 변태 개시온도가 상승하여 역변태 열처리 후 냉각하는 과정에서 다시 마르텐사이트 변태가 일어날수 있어 최종 조직이 오스테나이트 단상이 되지 못하게 되므로 역변태 소둔온도는 마르텐사이트/오스테나이트 역변태가 완료되는 온도부터 역변태종료온도 +50℃로 제한하는 것이 바람직하다. 상기한 합금조성과 압연 및 열처리 조건을 특징으로 하는 본 발명을 다음의 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

하기표 1과 같은 조성을 갖는 강슬라브를 1000℃의 마무리 압연온도에서 열간압연하고, 1230℃에서 40분간 열연판소둔처리를 한후, 상온에서 83%의 두께 압하율로 냉간압연을 하여 두께 1㎜의 냉연강판을 제조하고, 냉연된 강들을 하기표 2에 측정된 역변태 종료온도 ∼역변태종료온도 +50℃까지 10℃/초로 가열한 다음 목표온도에서 10초 유지후 공랭시킨후, 공랭된 시편에 대하여 상온에서의 인장강도 및 내식성을 평가하고, 그결과를 하기표 2에 나타내었다.

[표 1]

상기표 1에 나타난 바와같이 종래강(1-5)는 종래 개발된 오스테나이트계 석출경화형 스텐레스강이고, 종래강(6)은 高木등이 최근에 개발한 강이며, 비교강(7)은 강중의 N함유량이 본 발명강 성분 조건범위를 벗어난 강이고, 발명강들은 고가의 합금원소인 Ni의 일부를 N으로 대체하였고, 내식성 향상을 위해 Cr 첨가량을 증가시킨강들이다. 하기표 2에서의 냉연강판의 역변태개시 및 종료온도는 변태팽창계(transformation dilatometer)를 이용하여 10℃/초의 일정한 가열속도로 가열하면서 측정하였다.

[표 2]

상기표 2에 나타난 바와같이 종래강(1-5)은 인장강도가 105kg/㎟를 넘지못하고 항복강도 역시 70kg/㎟을 넘지 못하고 있음을 알수 있으며 반면, 高木등이 개발한 종래강(6)과 발명강들은 항복강도가 100∼130kg/㎟, 인장강도 126∼140kg/㎟에 달하면서도 약 8.5-10%정도의 높은 연신율을 보이고 있어 구조용 강재로서의 사용 가능성이 높지만, N함량이 많은 비교강(7)은 항복강도및 인장강도는 우수하나 연신이 적어 구조재 강재로는 부적합함을 알수 있다.

또한 이들 강들은 역변태 소둔하는 동안에 석출이 일어나기 때문에 종래강(1-5)와는 달리 석출을 일으키기 위해 장시간 유지할 필요가 없는 큰 장점이 있다. 특히, 발명강들은 종래강(6)과 비교해 볼때 고가인 Mo를 첨가하지 않고, 역시 고가원소인 Ni의 함량을 2-7.5%정도까지 크게 낮추는 경제적인 화학조성과 16%Cr 첨가로 인한 내식성 향상등의 장점을 갖으면서도 동시에 종래강(6)에 버금가는 강도를 보이고 있어 새로운 고강도 오스테나이트계 석출경화형 스텐레스강이라 판단된다.

상술한 바와같이, 본 발명은 실제 공업적으로 생산가능한 정도의 탄소함량을 가지면서도 냉간압연시 많은 마르텐사이트가 생기게하는 성분설계, 고가의 Ni을 크게 줄이고 Cr함량을 증가시켜 내식성향상을 도모한 경제적 합금설계와 역변태 열처리시 오스테나이트의 결정립 크기를 가능한한 작게하고, 역변태소둔중 미세한 석출이 일어나도록 하는 열처리(역변태 종료온도 직상∼역변태종료온도 +50℃까지 가열후 공냉)를 통하여 상온에서 고강도 및 고연성을 갖는 오스테나이트계 석출경화형 스텐레스강을 만드는 방법으로 향후 내식성 및 고강도가 동시에 요구되는 구조용 강재로서 사용될수 있는 효과 있는 것이다.

Claims (1)

1. 고강도 오스테나이트계 석출경화형 스텐레스 냉연강판 제조방법에 있어서, 중량%로, C:0.03%이하, Cr:15-17%, Ni:2-7.5%, Nb:0.1-0.2%, N:0.08-0.15%, Si:0.5% 이하 및 기타 불가피한 불순원소가 함유된 강슬라브를 열간압연한후, 1200-1260℃의 온도에서 열연판 소둔처리를 하고, 압하율을 80%이상으로 냉간압연한 다음, 마르렌사이트-오스테나이트 역변태 종료온도 직상부터 상기 역변태 종료온도 +50℃ 사이의 온도에서 소둔처리한 후, 공랭 또는 수냉 처리하는 것을 특징으로하는 Ni절약형 고질소 고강도 오스테나이트계 석출 경화형 스텐레스 냉연강판 제조방법.