WO2014098301A1 - 경도와 저온 충격특성이 우수한 스테인리스 열연강판 - Google Patents

경도와 저온 충격특성이 우수한 스테인리스 열연강판 Download PDF

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채동철
조규진
이재화
김광육
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    • C21D2211/008—Martensite

Definitions

  • the present invention relates to a stainless steel hot rolled steel sheet excellent in hardness and low temperature impact characteristics, and more particularly, to a stainless steel hot rolled steel sheet excellent in hardness and low temperature impact characteristics in which ferrite is formed by a matrix structure.
  • stainless steel is classified according to chemical composition or metal structure. According to the metal structure, stainless steel is classified into austenite series (300 series), ferrite series (400 series), martensite series, and ideal system.
  • ferritic (400) stainless steels have excellent workability and corrosion resistance
  • 410 series steels are mainly composed of 0.15 wt% or less carbon and 11 to 13 wt% chromium.
  • the 410 series steel has a disadvantage in that the low temperature impact characteristics of the base metal and the weld are poor.
  • a stabilizing element such as Ti or Nb in order to secure a high hardness, there is a disadvantage that is very vulnerable to grain boundary corrosion of the weld.
  • 3Cr12 steel is a steel with a small amount of Ni and Mn added at approximately 0.025% C-11.5% Cr, and the weld heat affected zone structure is composed of two phases of ferrite-martensite, which improves the impact characteristics of the weld.
  • Patent Document 1 US Patent No. 4,608,099 (Patent Document 1) is characterized in that in order to further improve the impact properties of the base material of the 3Cr12 steel, Ti is removed from the components of the 3Cr12 steel, Mo is added 0.2 ⁇ 0.5%.
  • Inventive steel described in Patent Document 1 is used by heat treatment at an annealing temperature of 670 ⁇ 730 °C, yield strength of 303 ⁇ 450MPa, tensile strength of 455 ⁇ 600MPa level is higher than the general ferritic stainless steel.
  • the softness is low to be used for abrasion resistance.
  • the hardness of these steels is mostly Brinell hardness of 140 ⁇ 180HB is not suitable for wear resistance.
  • corrosion resistance is lowered due to Cr-carbide precipitation in the weld heat affected zone due to the absence of C and N stabilization elements.
  • Patent Document 1 US Patent No. 4,608,099 (August 26, 1986)
  • the present invention provides a stainless steel hot rolled steel sheet having high hardness of 250HB or more, containing stabilizing elements, having excellent corrosion resistance and excellent low temperature impact characteristics, and which can be used for wear-resistant equipment.
  • the present invention provides a stainless steel hot rolled steel sheet capable of securing low-temperature impact characteristics by controlling an alloy component having a high ferrite fraction and anisotropic control of ferrite.
  • Stainless steel hot rolled steel sheet excellent in hardness and low temperature impact characteristics is a stainless steel hot rolled steel sheet produced by performing a steelmaking, playing and hot rolling process, C: 0.01 ⁇ 0.03wt%, Cr: 11 ⁇ 14wt% , Ti: 0.1-0.2wt%, Nb: 0.1-0.2wt%, N: 0.01-0.03wt%, Si: 0.2-0.5wt%, Mn: 0.2-2.0wt%, Ni: 1.0-2.0wt%, Mo : 0.1 to 0.5 wt%, the sum of the contents of C and N is 0.02 to 0.05wt%, the sum of the contents of Ti and Nb is 0.2 to 0.3wt%, and the ferrite stability index represented by the following [Formula 1] ( Ferrite Stability (FS) is 5 to 50, characterized in that the ferrite is formed by the martensite base structure.
  • FS Ferrite Stability
  • Each component described in [Equation 1] means the content (wt%) of the corresponding component.
  • the stainless steel hot rolled steel sheet is characterized in that the hardness in the hot rolled state is more than 250HB Brinell hardness.
  • the stainless steel hot-rolled steel sheet has an impact value (0 ° C.) measured in the longitudinal direction L parallel to the rolling direction RD and an impact value measured in the width direction T perpendicular to the horizontal plane of the rolling direction RD (0).
  • °C is characterized in that all 20J or more.
  • the stainless steel hot rolled steel sheet is characterized in that the impact value (0 °C) measured in the longitudinal direction (L) is 5J or more higher than the impact value (0 °C) measured in the width direction (T).
  • the stainless steel hot rolled steel sheet has a microstructure bending degree ( ⁇ 12 ) of a TS surface formed in a height direction (S) perpendicular to a width direction (T) and a vertical direction of the width direction (T) of 0.60 to 0.80 based on ASTM E1268-01. It is characterized by that.
  • the ferrite is characterized in that formed in the reticular.
  • the ferrite stability index (F) in an appropriate range so that the ferrite fraction is increased while having the martensite structure as a base structure, it is possible to secure low-temperature impact characteristics while maintaining sufficient hardness. It has an effect.
  • Figure 1a is a view showing the impact test piece for each direction
  • Figure 1b is a view showing a plane (plane) for each direction of the plate
  • FIG. 6 is a graph showing the impact toughness of each impact specimen as a function of the ferrite stability index and the degree of microstructure bending.
  • the present invention is C: 0.01 ⁇ 0.03wt%, N: 0.01 ⁇ 0.03wt%, Si: 0.2 ⁇ 0.5wt%, Mn: 0.2 ⁇ 2.0wt%, Cr: 11 ⁇ 14wt%, Ni: 1.0 ⁇ 2.0wt%, A stainless steel hot rolled steel sheet containing 0.1 to 0.2 wt% of Ti, 0.1 to 0.2 wt% of Nb, and 0.1 to 0.5 wt% of Mo, and consisting of the remaining Fe and other unavoidable impurities to form martensite as a base structure. It is targeted.
  • the sum of the contents of C and N is 0.02 to 0.05 wt%, and the sum of the contents of Ti and Nb is adjusted to 0.2 to 0.3 wt%.
  • each upper limit 0.01 to 0.03 wt% or less (hereinafter, also simply referred to as "%") because the impact properties of the weld cannot be secured. .
  • the reason for adjusting C + N, which is the sum of two elements, to be 0.05% or less is that when the sum of the two elements exceeds 0.05%, the low-temperature impact property of the material is sharply lowered, and the toughness of martensite formed in the weld part is drastically reduced. This is because it is degraded.
  • Si is usually added at least 0.2% as deoxidizer to reduce inclusions in the steel, and in particular, it is preferable to keep the content at 0.5% or less in order to prevent the deterioration of the toughness of the welded portion.
  • Mn is an austenite forming element, the content of which is less than 0.2%, the effect of improving the toughness of the weld is weak, and when the content is more than 2.0%, the toughness of the steel sharply decreases. Therefore, the content of Mn is preferably maintained at 0.2 ⁇ 2.0%.
  • the Cr content is preferably maintained at 11.0 to 14.0%.
  • Ni is an austenite forming element that contributes to the toughness of the base material, and is an element that improves the weld toughness during welding. Accordingly, in order to improve low-temperature impact toughness, the Ni content was limited to 1% or more, and the excessive addition of expensive Ni leads to an increase in cost, and therefore, the upper limit is preferably maintained at 2.0% or less.
  • Ti and Nb are carbonitride-forming elements, and particularly effective for improving weld strength and corrosion resistance when used as a welding structural material.
  • Ti and Nb are added excessively or excessively, the toughness and ductility of the material will be reduced.
  • excessive addition of 0.2% or more in the case of Ti causes large surface defects due to oxide during casting.
  • the low temperature impact toughness is greatly deteriorated. Therefore, in order to secure the corrosion resistance of the welded part and to prevent the sudden drop in the low temperature impact toughness of the base material, Ti and Nb should be maintained at 0.1 to 0.2%, respectively, and the sum of Ti + Nb, the sum of the two elements, to be 0.2 to 0.3%. desirable.
  • Mo is an element which improves the formal resistance of a material and increases corrosion resistance.
  • Mn is a very expensive element, and it is preferable to keep the content at more than 0.01 to 0.5%.
  • the present invention adjusts the alloy components to secure the low-temperature laminar characteristics by predicting the ferrite (1200 °C) fraction.
  • the stainless steel hot-rolled steel sheet according to the present invention is to adjust the composition range of the alloy components so that the Ferrite Stability Index (FS) represented by the following [Equation 1] as a function of the composition range of the alloy components is 5 to 50 It is preferable.
  • FS Ferrite Stability Index
  • Each component described in [Equation 1] means content (wt%) of the said component.
  • the ferrite stability index (FS) means that the larger the value, the higher the volume fraction of the ferrite tissue.
  • the ferrite stability index (FS) is adjusted to 5 to 50 while securing high hardness at low temperature while maintaining high hardness. The reason for limiting the ferrite stability index (FS) to 5 to 50 as described above will be described later based on examples.
  • the present invention is prepared by adjusting the molten steel having the composition as described above in order to produce a stainless steel hot rolled steel sheet excellent in hardness and low temperature impact characteristics and then playing in a conventional manner and then air-cooled after the hot rolling process.
  • the twelve component steels shown in Table 1 were each cast in the form of a 50 kg ingot of about 140 mm thickness in a vacuum induction melting furnace. Then, the cast ingot was hot rolled to a thickness of 12 mm after a three-hour aging process in a heating furnace of 1240 °C. At this time, the hot rolling was all finished at a temperature of 900 °C or more, and air-cooled after hot rolling.
  • Figure 1a is a view showing the impact test piece for each direction
  • Figure 1b is a view showing a plane (plane) for each direction of the plate
  • longitudinal direction (L) impact specimen is the notched surface of the impact specimen
  • the width direction T impact specimen means a case where the notched surface of the impact specimen is parallel to the rolling direction.
  • the direction perpendicular to the vertical plane of the width direction T is the height direction S (Short Transverse), and the surface having the length direction L and the width direction T as sides in the stainless steel plate.
  • the LT surface, the surface having the longitudinal direction L and the height direction S as the sides is referred to as the LS surface
  • the surface having the width direction T and the height direction S as the sides is referred to as the TS surface.
  • Figure 2 is a photograph showing the fracture surface of the low-temperature (0 °C) impact specimens of the Examples and Comparative Examples according to the present invention, in the case of Comparative Example (# 10) steel having a low ferrite stability index (FS), the impact fracture surface is very smooth It is easy to identify the low energy wavefront.
  • FS ferrite stability index
  • the steels of Examples # 11 and # 12 having a high ferrite stability index FS a fracture surface with deep bends formed during the fracture process is observed. Accordingly, as the ferrite stability index FS increases, the change in brittle fracture to soft fracture increases the impact energy, as shown by the increase in the curvature on the fracture surface, indicating that the impact toughness increases as a result. Accordingly, as can be seen from [Table 2] and FIG. 2, it was confirmed that the ferrite stability index (FS) should be controlled to a predetermined level or more, that is, 5 or more in order to secure low temperature impact toughness of 20J or more.
  • Figure 3 is a photograph showing the microstructure of the Example and Comparative Example according to the present invention
  • Figure 4 is a graph showing the correlation between the ferrite stability index and the ferrite fraction
  • Figure 5 is a ferrite volume fraction and low temperature (0 °C) This graph shows the correlation with impact toughness.
  • the black image in the microstructure of FIG. 3 is a ferrite phase, and the matrix surrounding the ferrite phase is a high hardness martensite phase.
  • the ferrite fractions of the steels of Examples (# 11, # 12) are relatively high in comparison with those of Comparative Example (# 10) steels of Table 1 having low impact toughness. 12)
  • the ferrite fraction is high, the ferrite phase forms a reticular shape, and in particular, the ferrite phase of the TS surface becomes more reticular than the LS surface. Therefore, it can be inferred that the impact toughness of the embodiment steel is larger than that of the comparative steel, and in particular, it can be inferred that the impact toughness of the TS surface is greater than that of the LS surface among the same steels.
  • the ferrite stability index (FS) is an important factor for controlling the low temperature impact toughness. Therefore, the correlation between the difference in the L-direction shock value and the T-direction shock value, which is one of the obvious differences between the comparative example and the embodiment, will be described below.
  • the present invention has been confirmed that it is possible to add higher impact toughness by controlling the anisotropy of the tissue in the wear-resistant structural steel having a high hardness martensite having a very low impact toughness. In addition, to provide a method of controlling the microstructure to secure.
  • microstructural banding of the ferrite phase which is the second phase drawn in the rolling direction, is controlled, and the degree of anisotropy is expressed by using ⁇ 12 specified in ASTM E1268-01.
  • a defined ⁇ 12 has a value of zero for fully random distribution tissue and a value of 1 for fully oriented tissue.
  • Microstructure banding degree ( ⁇ 12 ) is calculated by the following formula (2).
  • N ⁇ number of feature interceptions with test lines perpendicular to the deformation direction
  • N ll number of feature interceptions with test lines perpendicular to the deformation direction
  • the bending degree of the microstructure is almost similar to that of the LS plane and the TS plane, whereas in the steels (# 11, # 12), the microstructure banding of the TS plane is higher than that of the LS plane. That is, the TS surface is a surface parallel to the notch surface of the longitudinal impact (L) specimen, and the longitudinal (L) impact value and the width (T) impact value when the microstructure bending degree of the TS surface is controlled in a disordered direction.
  • Impact toughness can be controlled so that the difference of.
  • the microstructure bending degree of the TS surface is 0.60 to 0.80 so that the low temperature (0 ° C) impact value in the longitudinal direction L is higher than 5J higher than the low temperature (0 ° C) impact value in the width direction T. It is preferable to control in the range of.
  • ferrite phase change is controlled by controlling various factors such as ferrite volume fraction, reheating temperature and reduction rate of hot rolling process. It is preferable.
  • Figure 6 is a graph showing the impact toughness by the direction of the impact specimen as a function of the ferrite stability index and the degree of microstructure bending, the higher the ferrite volume fraction, the lower the degree of banding of the microstructure, It can be seen that a material having excellent low temperature (0 ° C.) impact toughness can be manufactured.
  • the high hardness wear resistant steel composed of the martensite matrix and the ferrite phase was controlled by controlling the ferrite volume fraction and the degree of banding of the microstructure.

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Abstract

본 발명은 마르텐사이트를 기지조직으로 페라이트가 형성되는 경도와 저온 충격특성이 우수한 스테인리스 열연강판에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 경도와 저온 충격특성이 우수한 스테인리스 열연강판은 제강, 연주 및 열간압연 공정을 실시하여 제조되는 스테인리스 열연강판으로서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Ti, Nb, Mo, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함하되, C: 0.01 ~ 0.03wt%, Cr: 11 ~ 14wt%, Ti: 0.1 ~ 0.2wt%, Nb: 0.1 ~ 0.2wt%을 함유하고, 하기 [식 1]로 표현되는 페라이트 안정도 지수(Ferrite Stability; FS)가 5 ~ 50이며, 마르텐사이트를 기지조직으로 페라이트가 형성된 것을 특징으로 한다. [식 1]4 FS = -215-619C-16.6Mn+23.7Cr-36.8Ni+42.2Mo+96.2Ti+67Nb-237N+17.2Si [식 1]에 기재된 각 성분은 해당 성분의 함량(wt%)을 의미함.

Description

경도와 저온 충격특성이 우수한 스테인리스 열연강판
본 발명은 경도와 저온 충격특성이 우수한 스테인리스 열연강판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마르텐사이트를 기지조직으로 페라이트가 형성되는 경도와 저온 충격특성이 우수한 스테인리스 열연강판에 관한 것이다.
최근에 산업용으로 고강도 탄소강을 대신하여, 내마모 용도의 스테인리스 강에 대한 관심이 증가하고 있다. 내마모 스테인리스강에 대한 관심이 증가하고 있는 이유는 고강도 탄소강의 내식성이 열위하여 잦은 교체가 요구되기 대문이다. 특히 오일샌드 산업 등에서는 오일샌드의 정제 및 수송에 적합한 내마모 소재의 요구가 증대하고 있다. 이러한 산업설비용 내마모 스테인리스강이 가져야 할 특성으로는 기본적으로 경도가 높아야 하고, 용접부의 입계부식저항성이 있어야 하며, 설비 안정성 확보를 위하여 최소한의 충격특성이 요구된다.
일반적으로 스테인리스강은 화학성분이나 금속조직에 따라 분류된다. 금속조직에 따를 경우, 스테인리스강은 오스테나이트계(300계), 페라이트계(400계), 마르텐사이트계, 이상계로 분류된다.
이러한 스테인리스강 중 페라이트계(400계) 스테인리스강은 우수한 가공성과 내식성을 갖고, 특히 410계열강은 탄소 0.15wt% 이하, 크롬 11 ~ 13wt%을 주성분으로 하는 강으로서, 탄소가 높은 범위에서는 열처리를 통하여 높은 경도특성을 얻을 수 있는 장점이 있다. 하지만, 410계열강은 모재 및 용접부의 저온충격특성이 열위한 단점이 있다. 또한 높은 경도를 확보하기 위하여 Ti나 Nb와 같은 안정화원소를 첨가하지 않고 있어 용접부 입계부식에 매우 취약한 단점이 있다.
따라서, 내마모용 설비에 사용하기 위하여 안정화원소를 함유하면서도 경도가 충분히 높고, 충격특성이 우수한 내마모 소재가 필요한 실정이다.
이에 따라 근래에는 용접부 충격특성이 우수한 저크롬(11~13%) 함유 스테인리스강으로서, 3Cr12로 널리 알려져 있는 Ti첨가 11.5%Cr함유 스테인리스강에 제안되어 사용되고 있다. 3Cr12강은 대략적으로 0.025%C-11.5%Cr에 소량의 Ni과 Mn을 첨가한 강으로 용접부 열영향부 조직이 페라이트-마르텐사이트 2상으로 구성되어 용접부의 충격특성을 개선한 것을 특징으로 한다.
특히, 미국 등록특허인 제4,608,099호(특허문헌 1)는 3Cr12강의 모재 충격특성을 더욱 개선하기 위하여, 3Cr12강의 성분에서 Ti를 제거하고, Mo을 0.2 ~ 0.5% 첨가한 것을 특징으로 한다. 특허문헌 1에 기재된 발명강은 670 ~ 730℃의 소둔온도에서 열처리하여 사용하므로, 항복강도가 303 ~ 450MPa, 인장강도가 455 ~ 600MPa 수준이어서 일반적인 페라이트계 스테인리스강 대비 강도가 높다. 하지만, 내마모 용도로 사용되기에는 연질성이 낮은 단점이 있다. 즉 이러한 강들의 경도는 브리넬 경도로 대부분 140 ~ 180HB 정도로 낮아 내마모용으로 부적합하다. 그리고 C, N 안정화 원소 미첨가로 인하여 용접열영향부에 Cr-탄화물 석출에 의한 내식성 저하가 초래되는 문제점이 있었다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 미국 등록특허 제4,608,099호 (1986. 08. 26)
본 발명은 경도가 250HB 이상으로 높으면서, 안정화원소를 함유하여 내식성이 우수한 동시에 저온 충격특성도 우수하여 내마모용 설비에 사용할 수 있는 스테인리스 열연강판을 제공한다.
특히, 페라이트 분율이 높은 합금 성분의 제어와 페라이트의 이방성 제어로 저온 충격특성 확보를 할 수 있는 스테인리스 열연강판을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 경도와 저온 충격특성이 우수한 스테인리스 열연강판은 제강, 연주 및 열간압연 공정을 실시하여 제조되는 스테인리스 열연강판으로서, C: 0.01 ~ 0.03wt%, Cr: 11 ~ 14wt%, Ti: 0.1 ~ 0.2wt%, Nb: 0.1 ~ 0.2wt%, N: 0.01 ~ 0.03wt%, Si: 0.2 ~ 0.5wt%, Mn: 0.2 ~ 2.0wt%, Ni: 1.0 ~ 2.0wt%, Mo: 0.1 ~ 0.5wt%를 함유하고, C와 N의 함량 합이 0.02 ~ 0.05wt%이고, Ti와 Nb의 함량 합이 0.2 ~ 0.3wt%이며, 하기 [식 1]로 표현되는 페라이트 안정도 지수(Ferrite Stability; FS)가 5 ~ 50이고, 마르텐사이트를 기지조직으로 페라이트가 형성된 것을 특징으로 한다.
[식 1]
FS = -215-619C-16.6Mn+23.7Cr-36.8Ni+42.2Mo+96.2Ti+67Nb-237N+17.2Si
[식 1]에 기재된 각 성분은 해당 성분의 함량(wt%)을 의미함.
상기 스테인리스 열연강판은 열간압연 된 상태에서의 경도가 브리넬 경도로 250HB 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 스테인리스 열연강판은 압연방향(RD)과 평행한 길이방향(L)에서 측정된 충격값(0℃) 및 압연방향(RD)의 수평면상에서 직각인 폭방향(T)에서 측정된 충격값(0℃)이 모두 20J 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 스테인리스 열연강판은 길이방향(L)에서 측정된 충격값(0℃)이 폭방향(T)에서 측정된 충격값(0℃) 보다 5J 이상 높은 것을 특징으로 한다.
상기 스테인리스 열연강판은 폭방향(T)와 상기 폭방향(T)의 수직면상에서 직각인 높이방향(S)으로 이루어지는 TS면의 미세조직 밴딩정도(Ω12)가 ASTM E1268-01 기준으로 0.60 ~ 0.80인 것을 특징으로 한다.
상기 페라이트는 망상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 마르텐사이트 조직을 기지조직으로 가지면서 페라이트 분율이 높아지도록 페라이트 안정도 지수(Ferrite Stability; FS)를 적정범위로 제어함에 따라 충분한 경도를 유지하면서 저온 충격특성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 스테인리스 열연강판의 열간 압연시 압연방향 및 압연방향과 수직한 방향의 면에 대한 미세조직 밴딩정도의 조정을 통하여 페라이트 이방성을 제어함에 따라 충분한 경도를 유지하면서 저온 충격특성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
이에 따라 모재 및 용접부 내식성과 내마모성이 동시에 요구되는 산업설비용 부품소재로서 경제적인 스테인리스 열연강판을 제공하는 동시에, 내식성 문제에 기인하여 부품의 교체가 빈번히 요구되는 고강도 탄소강을 대체하여 비용을 저감시킬 수 있는 효과가 있다. 특히 경도가 높음에도 저온 내충격성이 우수하여, 동절기에도 내마모 구조 설비에 적용가능한 소재를 제공할 수 있다.
도 1a는 방향별 충격시험편을 보여주는 도면이고,
도 1b는 판재의 방향별 면(plane)을 보여주는 도면이며,
도 2는 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 저온(0℃) 충격시편의 파단면을 보여주는 사진이고,
도 3은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 미세조직을 보여주는 사진이며,
도 4는 페라이트 안정도 지수와 페라이트 부피분율과의 상관성을 보여주는 그래프이고,
도 5는 페라이트 부피분율과 저온(0℃) 충격인성과의 상관성을 보여주는 그래프이며,
도 6은 충격시편의 방향별 충격인성을 페라이트 안정도 지수식과 미세조직 밴딩정도의 함수로 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명은 C: 0.01 ~ 0.03wt%, N: 0.01 ~ 0.03wt%, Si: 0.2 ~ 0.5wt%, Mn: 0.2 ~ 2.0wt%, Cr: 11 ~ 14wt%, Ni: 1.0 ~ 2.0wt%, Ti: 0.1 ~ 0.2wt%, Nb: 0.1 ~ 0.2wt%, Mo: 0.1 ~ 0.5wt%를 함유하고, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어져서 마르텐사이트를 기지조직으로 하면서 페라이트가 형성되는 스테인리스 열연강판을 대상으로 한다.
특히, C와 N의 함량 합은 0.02 ~ 0.05wt%이고, Ti와 Nb의 함량 합은 0.2 ~ 0.3wt%로 조정된다.
여기서, C와 N의 함량은 높을수록 경도는 높아지나 용접부 충격특성을 확보할 수 없기 때문에 각각의 상한을 0.01 ~ 0.03wt% 이하(이하, 단순히, "%"라고도 함)로 한정하는 것이 바람직하다.
특히, 두 원소의 합인 C+N을 0.05% 이하가 되도록 조정하는 이유는 두 원소의 합이 0.05%를 초과하는 경우, 소재의 저온충격특성이 급격히 저하되고, 용접부에 형성된 마르텐사이트의 인성이 급격히 저하되기 때문이다.
Si는 통상 강 중의 개재물 저감을 위하여 탈산재로 0.2%이상 투입되며, 특히 용접부의 인성 저하를 방지하기 위하여 함량을 0.5% 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
Mn은 오스테나이트 형성 원소로 그 함량이 0.2% 미만이면 용접부의 인성 향상의 효과가 미약하며, 그 함량이 2.0%를 초과하는 경우 역으로 강재의 인성을 급격하게 감소시킨다. 따라서, Mn의 함량은 0.2 ~ 2.0%를 유지하는 것이 바람직하다.
Cr은 내식성을 확보하는 데 필요한 11.0% 이상으로 한정하였으며, 특히 페라이트 형성원소인 Cr이 14.0%를 초과하여 첨가되는 경우 과도한 양의 페라이트상이 열간압연 된 상태(as-rolled)의 마르텐사이트 기지조직내에 도입되어 경도가 저하된다. 따라서 Cr의 함량은 11.0 ~ 14.0%로 유지하는 것이 바람직하다.
Ni는 오스테나이트 형성 원소로서 모재의 인성 향상에 기여하는데, 특히 용접 시 용접부 인성을 향상시키는 원소이다. 이에 따라 저온 충격인성을 개선하기 위해 Ni함량을 1%이상으로 한정하였으며, 값이 비싼 Ni의 과잉첨가는 비용의 상승을 초래하기 때문에 상한값은 2.0% 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
Ti과 Nb은 탄질화물 형성 원소로, 특히 용접 구조재로 사용되는 경우 용접부 강도 및 내식성 향상에 효과적인 원소이다. 그러나, Ti과 Nb이 과소나 과잉으로 첨가되는 경우 소재의 인성 및 연성 저하를 초래한다. 특히, Ti의 경우 0.2%이상 과도하게 첨가되면, 주조 시 산화물에 의한 표면 결함을 크게 야기시킨다. 또한 Ti와 Nb는 과도하게 첨가되면, 저온충격인성을 크게 악화시킨다. 따라서 용접부 내식성을 확보하고 모재의 저온충격인성의 급격한 저하를 방지하기 위하여 Ti와 Nb는 각각 0.1 ~ 0.2%로 유지하고, 두 원소의 합인 Ti+Nb의 합이 0.2 ~ 0.3%가 되도록 유지하는 것이 바람직하다.
Mo는 소재의 공식저항성을 향상시켜, 내식성을 증대시키는 원소이다. Mn은 매우 고가의 원소로 함량을 0.01초과 ~ 0.5%로 유지하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명은 페라이트(1200℃) 분율을 예측하여 저온 층격특성을 확보하기 위하여 합금성분을 조정한다. 특히 본 발명에 따른 스테인리스 열연강판은 합금성분들의 조성범위를 함수로 하는 하기의 [식 1]로 표현되는 페라이트 안정도 지수(Ferrite Stability; FS)가 5 ~ 50이 되도록 합금성분들의 조성범위를 조절하는 것이 바람직하다.
[식 1]
FS = -215-619C-16.6Mn+23.7Cr-36.8Ni+42.2Mo+96.2Ti+67Nb-237N+17.2Si
[식 1]에 기재된 각 성분은 해당 성분의 함량(wt%)을 의미한다.
페라이트 안정도 지수(FS)는 그 값이 커질수록 페라이트 조직의 부피분율이 높아지는 것을 의미한다. 또한, 페라이트 조직의 부피분율이 높아질수록 저온 충격인성(0℃)이 비례하여 향상되는 경향을 보인다. 따라서 본 발명은 페라이트 안정도 지수(FS)를 5 ~ 50로 조정함에 따라 고경도를 유지하면서 저온 충격인성을 원하는 수준으로 확보할 수 있는 것이다. 상기와 같이 페라이트 안정도 지수(FS)를 5 ~ 50로 한정하는 이유는 이후에 실시예를 토대로 설명하도록 한다.
본 발명은 경도와 저온 충격특성이 우수한 스테인리스 열연강판을 제조하기 위하여 상기와 같은 조성을 갖는 용강을 조정한 다음 통상의 방법으로 연주한 다음 이를 열간압연 공정 후 공냉하여 제조한다.
[실시예]
이하 실시예를 사용하여 본 발명을 설명한다.
[표 1]에 나타낸 12개의 성분강을 각각 진공유도 용해로에서 약 140mm두께의 50kg잉곳의 형태로 주조하였다. 그리고, 주조된 잉곳은 1240℃의 가열로에서 3시간 숙열과정을 거친 후 12mm의 두께까지 열간압연 하였다. 이때 열간압연은 모두 900℃ 이상의 온도에서 종료되었으며, 열간압연 후 공냉되었다.
한편, [표 1]에는 각각의 성분강에 대한 페라이트 안정도(FS) 값을 표기하였다.
표 1
# 합금원소 FS 비고
C Mn Cr Ni Mo Ti Nb N Si
1 0.031 1.8 11.5 0.8 0.25 - - 0.035 0.40 -12 비교예
2 0.027 1.4 11.6 1.2 0.25 0.05 - 0.015 0.38 -6 비교예
3 0.019 1.4 11.4 1.2 - 0.22 - 0.016 0.39 0 비교예
4 0.019 1.4 11.5 1.2 - - 0.31 0.015 0.38 2 비교예
5 0.025 1.4 11.5 1.8 0.25 0.11 0.05 0.016 0.40 -20 비교예
6 0.027 1.4 11.7 1.2 0.26 0.16 0.11 0.016 0.39 15 실시예
7 0.012 1.4 11.9 1.3 - 0.13 0.13 0.011 0.39 14 실시예
8 0.011 1.9 12.0 1.4 - 0.13 0.15 0.011 0.40 6 실시예
9 0.013 1.2 12.4 1.7 - 0.11 0.17 0.013 0.38 14 실시예
10 0.028 0.3 11.5 1.8 - 0.17 0.10 0.015 0.39 -5 비교예
11 0.025 0.3 12.5 1.7 - 0.15 0.10 0.016 0.41 23 실시예
12 0.028 0.3 13.6 1.7 - 0.16 0.10 0.015 0.39 48 실시예
그리고, 열간압연을 마친 소재에 대하여, 3000kg 하중을 사용하여 브리넬 경도(HB)를 측정하였으며, 또한 두께 10mm의 표준 Charpy 충격시험편을 제작하여, 0℃에서 충격값을 압연방향(RD; Rolling direction)과 평행한 길이방향(L; Longitudinal)과, 압연방향(RD)의 수평면상에서 직각인 폭방향(T; Long Transverse)의 시편에서 측정하였고, 그 결과를 표 2에 나타내었다. 여기서, 경도와 충격값은 모두 각각 3개의 측정치에 대한 평균값이다.
이때, 도 1a는 방향별 충격시험편을 보여주는 도면이고, 도 1b는 판재의 방향별 면(plane)을 보여주는 도면으로서, 도 1a에서 알 수 있듯이 길이방향(L) 충격시편은 충격시편의 노치면이 압연방향(RD)에 직각인 경우이며, 폭방향(T) 충격시편은 충격시편의 노치면이 압연방향과 평행한 경우를 의미한다. 또한, 도 1b에서 알 수 있듯이 폭방향(T)의 수직면상에서 직각인 방향이 높이방향(S; Short Transverse)이고, 스테인리스 판재에서 길이방향(L)과 폭방향(T)을 변으로 갖는 면을 LT면, 길이방향(L)과 높이방향(S)을 변으로 갖는 면을 LS면, 폭방향(T)과 높이방향(S)을 변으로 갖는 면을 TS면이라 지칭한다.
표 2
# 0 충격(J) 경도 비고
T L HB
1 3 3 382 비교예
2 9 11 312 비교예
3 3 5 293 비교예
4 6 9 298 비교예
5 9 9 294 비교예
6 21 30 293 실시예
7 21 26 257 실시예
8 20 25 260 실시예
9 30 51 278 실시예
10 6 7 312 비교예
11 20 30 286 실시예
12 27 46 279 실시예
[표 1] 및 [표 2]에서 알 수 있듯이, 모든 성분강에서 250HB 이상의 경도를 보이므로 경도는 모두 우수하였다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예(표 1의 #6 ~ #9, #11, #12)에서 구분하여 나타낸 바와 같이, FS값이 5 이상인 경우에 한하여, 방향별 충격치 값이 20J을 상회하는 우수한 저온충격값을 보이고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 결과로, 본 발명에서는 FS값을 5 ~ 50으로 제한하는 것이 바람직함을 확인할 수 있었다.
[표 2]의 비교예와 실시예의 경우에서 구별되는 두드러진 특징은 비교예의 성분강에서는 L방향 충격값과 T방향 충격값의 차이가 크지 않으나, 실시예의 경우에는 L방향 충격값과 T방향 충격값의 차이가 5J을 초과하여 크게 나타나고 있다는 것을 확인할 수 있다.
이에 따라 [표 1]의 성분계인 #10 ~ #12를 이용하여 페라이트 안정도 지수값에 따른 충격인성의 변화와 방향별 충격인성의 차이를 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 저온(0℃) 충격시편의 파단면을 보여주는 사진으로서, 페라이트 안정도 지수(FS)가 낮은 비교예(#10)강의 경우, 충격파단면이 매우 평활하여, 저에너지 파면임을 쉽게 확인할 수 있다. 그러나, 페라이트 안정도 지수(FS)가 높은 실시예(#11, #12)강에서는 파괴과정에서 형성된 깊은 굴곡을 가진 파단면이 관찰된다. 따라서, 페라이트 안정도 지수(FS)가 높아짐에 따라서, 파단면상의 굴곡이 심해지는 것에서 알 수 있듯이 취성파단에서 연성파단으로 변화하여 충격에너지가 높아지는 것이고, 그 결과로 충격인성이 상승함을 나타내고 있다. 이에 따라 [표 2] 및 도 2에서 알 수 있듯이 20J이상의 저온 충격인성을 확보하기 위해서는 페라이트 안정도 지수(FS)가 일정수준이상, 즉 5 이상으로 제어되어야 하는 것이 바람직함을 확인할 수 있었다.
한편, 도 3은 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 미세조직을 보여주는 사진이고, 도 4는 페라이트 안정도 지수와 페라이트 분율과의 상관성을 보여주는 그래프이며, 도 5는 페라이트 부피분율과 저온(0℃) 충격인성과의 상관성을 보여주는 그래프이다.
도 3의 미세조직 사진에서 검게 나타난 상은 페라이트 상이고, 페라이트 상을 둘러싼 기지조직은 고경도 마르텐사이트 상이다. 충격인성이 낮았던 [표 1]의 비교예(#10)강에 대비하여, 실시예(#11, #12)강의 페라이트 분율이 상대적으로 높음을 알 수 있다.특히, 실시예(#11, #12)강에서는 페라이트 분율이 높기 때문에 페라이트 상이 망상을 형성하고, 특히 LS면에 비하여 TS면의 페라이트 상이 더욱 망상을 이루는 것을 확인할 수 있다. 이로 인하여 비교예강에 비하여 실시예강의 충격인성이 클 것임을 유추할 수 있고, 특히 같은 강 중에서도 LS면에 비하여 TS면의 충격인성이 더 클 것임을 유추할 수 있다.
도 4에서는 페라이트 안정도 지수(FS)가 증가함에 따라 페라이트 부피분율이 증가되는 것을 확인할 수 있고, [식 1]로 정의된 페라이트 안정도 지수(FS)의 물리적 의미를 설명해 준다.
도 5에서는 페라이트 부피분율이 증가함에 따라 저온(0℃) 충격인성이 증가되는 것을 확인할 수 있다. 이렇게 페라이트 부피분율이 증가함에 따라 저온 충격인성이 상승하는 이유는 미세조직상에 연질의 페라이트 상이 증가함에 기인하는 것으로 유추할 수 있다.
상기와 같은 결과에 따라 페라이트 안정도 지수(FS)가 저온충격인성을 조절하는 중요인자임을 확인할 수 있었다. 그래서 이하에서는 비교예와 실시예의 극명한 차이점 중에 하나인, L방향 충격값과 T방향 충격값의 차이에 대한 상관성에 대해서 설명한다.
저온(0℃) 충격인성이 20J 이하였던 비교예의 경우에는 길이방향(L) 충격값과 폭방향(T) 충격값의 차이가 5J 미만이었으나, 실시예의 경우에서는 5J 이상 더 높은 특징을 보인다. 따라서 본 발명은 일반적으로 충격인성이 매우 낮은 고경도 마르텐사이트를 기지조직으로 하는 내마모 구조용강에서 조직의 이방성을 제어하여 더 높은 충격인성을 부가할 수 있음을 확인하였고, 이에 따라 구조물의 안정성을 부가적으로 확보하기 위하여 미세조직 제어하는 방법을 제공한다.
압연방향으로 늘어선 미세조직에 대한 정량화는 ASTM E1268-01(Reapproved 2007)에 “Standard Practice for Assessing the Degree of Banding or Orientation of Microstructures”의 제목으로 기술되어 있다. 본 발명에서는, 압연방향으로 연신된 제2상인 페라이트상의 미세조직 밴딩(Microstructural Banding)을 제어하며, ASTM E1268-01에 규정된 Ω12를 활용하여, 이방성의 정도를 표현하였다.
ASTM E1268-01에 따르면, 완전히 무질서한(completely random distribution) 조직의 경우 규정된 Ω12는 0(zero)의 값을 가지며, 완전히 정렬된(fully oriented) 조직에서는 1의 값을 갖는 것으로 정의되어 있다.
미세조직 밴딩정도(Ω12)는 하기의 [식 2]로 연산된다.
[식 2]
Figure PCTKR2012011651-appb-I000001
여기서,
Nㅗ = number of feature interceptions with test lines perpendicular to the deformation direction,
Nll = number of feature interceptions with test lines perpendicular to the deformation direction,
Lt = true test line length in mm,
Figure PCTKR2012011651-appb-I000002
로 정의된다.
하기의 표 3에서 [표 1]의 성분강 #10 ,#11, #12의 미세조직 밴딩정도를 상기의 [식 2]로 표현되는 Ω12로 나타내었다.
표 3
시료 [표 1] 구분 미세조직의 밴딩정도(O12)
LS면 TS면
#10 비교예 0.88 0.86
#11 실시예 0.85 0.74
#12 실시예 0.78 0.65
표 3에서 알 수 있듯이 저온(0℃) 충격인성이 20J 이하이며, 길이방향(L) 충격값과 폭방향(T) 충격값의 차이가 5J 미만인 [표 1]의 비교예(#10)의 경우에는 미세조직의 밴딩정도가 LS면과 TS면에서 거의 유사하게 나타나는 반면에, 실시예(#11, #12)강에서는 TS면에서의 미세조직 밴딩이 LS면 대비 높게 나타남을 알 수 있다. 즉, TS면은 길이방향(L) 충격시편의 노치면과 평행한 면으로서, TS면의 미세조직 밴딩정도를 무질서한 방향으로 제어시, 길이방향(L) 충격값과 폭방향(T) 충격값의 차이가 나도록 충격인성을 제어할 수 있음을 나타낸다.
이에 따라 본 발명에서는 저온 충격인성을 향상시키기 위하여 TS면의 미세조직 밴딩정도를 0.60 ~ 0.80의 범위로 제어함에 따라 TS면과 LS면의 페라이트 이방성 차(△Ω)를 극대화시켜 길이방향(L) 충격값을 상승시키고, 이에 따라 부가적인 충격인성(△J = 길이방향(L) 충격값 - 폭방향(T) 충격값)을 확보하는 것이 바람직하다. 예를 들어 본 발명에서는 폭방향(T)의 저온(0℃) 충격값 대비, 길이방향(L)의 저온(0℃) 충격값이 5J이상 높도록 TS면의 미세조직 밴딩정도를 0.60 ~ 0.80의 범위로 제어하는 것이 바람직하다.
이와 같이 페라이트 이방성을 제어하여 충격저항성을 부가적으로 부여하기 위하여 페라이트의 부피분율을 비롯하여 열간압연 공정의 재가열온도 및 압하율 등과 같은 다양한 인자를 제어하여 페라이트 상변화(핵생성 및 성장)를 제어하는 것이 바람직하다.
한편, 도 6은 충격시편의 방향별 충격인성을 페라이트 안정도 지수식과 미세조직 밴딩정도의 함수로 나타낸 그래프로서, 페라이트 부피분율이 높을수록, 그리고 미세조직의 밴딩정도(Degree of Banding)가 낮을수록, 우수한 저온(0℃) 충격인성을 가진 소재를 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.
이에 따라 본 발명에서는 페라이트 부피분율과 미세조직의 밴딩 정도(Degree of Banding)를 제어하여 마르텐사이트 기지조직과 페라이트 상으로 구성된 고경도 내마모강을 제조할 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims (6)

  1. 제강, 연주 및 열간압연 공정을 실시하여 제조되는 스테인리스 열연강판으로서,
    C: 0.01 ~ 0.03wt%, Cr: 11 ~ 14wt%, Ti: 0.1 ~ 0.2wt%, Nb: 0.1 ~ 0.2wt%, N: 0.01 ~ 0.03wt%, Si: 0.2 ~ 0.5wt%, Mn: 0.2 ~ 2.0wt%, Ni: 1.0 ~ 2.0wt%, Mo: 0.1 ~ 0.5wt%를 함유하고,
    C와 N의 함량 합이 0.02 ~ 0.05wt%이고, Ti와 Nb의 함량 합이 0.2 ~ 0.3wt%이며,
    하기 [식 1]로 표현되는 페라이트 안정도 지수(Ferrite Stability; FS)가 5 ~ 50이고,
    마르텐사이트를 기지조직으로 페라이트가 형성된 경도와 저온 충격특성이 우수한 스테인리스 열연강판.
    [식 1]
    FS = -215-619C-16.6Mn+23.7Cr-36.8Ni+42.2Mo+96.2Ti+67Nb-237N+17.2Si
    [식 1]에 기재된 각 성분은 해당 성분의 함량(wt%)을 의미함.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테인리스 열연강판은 열간압연 된 상태에서의 경도가 브리넬 경도로 250HB 이상인 경도와 저온 충격특성이 우수한 스테인리스 열연강판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테인리스 열연강판은 압연방향(RD)과 평행한 길이방향(L)에서 측정된 충격값(0℃) 및 압연방향(RD)의 수평면상에서 직각인 폭방향(T)에서 측정된 충격값(0℃)이 모두 20J 이상인 경도와 저온 충격특성이 우수한 스테인리스 열연강판.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 스테인리스 열연강판은 길이방향(L)에서 측정된 충격값(0℃)이 폭방향(T)에서 측정된 충격값(0℃) 보다 5J 이상 높은 경도와 저온 충격특성이 우수한 스테인리스 열연강판.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 스테인리스 열연강판은 폭방향(T)와 상기 폭방향(T)의 수직면상에서 직각인 높이방향(S)으로 이루어지는 TS면의 미세조직 밴딩정도(Ω12)가 ASTM E1268-01 기준으로 0.60 ~ 0.80인 높은 경도와 저온 충격특성이 우수한 스테인리스 열연강판.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 페라이트는 망상으로 형성되는 경도와 저온 충격특성이 우수한 스테인리스 열연강판.
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