WO2019039715A1 - 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 및 이를 이용한 드로잉 가공품 - Google Patents

가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 및 이를 이용한 드로잉 가공품 Download PDF

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박미남
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민현웅
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    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/001—Austenite

Definitions

  • the present invention relates to an austenitic stainless steel which is excellent in workability and anti-aging crack resistance without causing defects such as age cracking or delayed fracture even when applied to a design sink having a radius of curvature of 50 mm or less.
  • Stainless steel is generally used for sink bowls in kitchen sinks. 300 series universal stainless steels are mainly used, but the general shape of the sink bowl is not widely used because of the problem of moldability.
  • Fig. 1 shows a deformation amount distribution during molding of a design sink model in which the curvature radius R of the corner corner is 20 mm. As shown in Fig. 1, the deformation amount concentrates on the edge leading from the flange portion to the bottom during drawing, and a crack is generated in the concentrated deformation portion.
  • the embodiments of the present invention provide an austenitic stainless steel excellent in workability and anti-aging crack resistance without occurrence of defects such as age cracking or delayed fracture even when applied to a design sink having a radius of curvature of 50 mm or less I want to.
  • the austenitic stainless steel according to one embodiment of the present invention is excellent in workability and anti-aging crack resistance, and contains 0.01 to 0.04% of C, 0.1 to 1% of Si, 0.1 to 2% of Mn, 0.1 to 2% of Mn, (1), wherein the alloy contains 6 to 10% of Cr, 16 to 20% of Cr, 1 to 2% of Cu, 0.01 to 0.2% of Mo, 0.035 to 0.07% of N and the balance of Fe and unavoidable impurities
  • the austenite stabilization parameter (ASP) value is not more than -3 and the work hardening index n value satisfies the range of 0.4 to 0.5 in the true strain range of 0.3 to 0.4.
  • C, N, Si, Mn, Ni, Cr, and Cu mean the content (weight%) of each element.
  • the stainless steel may satisfy the following formula (2).
  • Cu and N mean the content (weight%) of each element.
  • the stainless steel may have a yield strength (YS) of 230 MPa or more and a tensile strength (TS) of 540 MPa or more.
  • the stainless steel may satisfy the following formula (3).
  • N, Mn, and Cu mean the content (weight%) of each element.
  • the stainless steel may have an average potential of 245 mV or higher.
  • the austenitic stainless steel drawing finished product excellent in workability and anti-aging cracking property according to an embodiment of the present invention is characterized in that when the stainless steel is drawn using a punch,
  • the amounts of modified organic martensite measured at the side wall positions of 20 mm, 30 mm and 40 mm satisfy 1.0%, 1.0%, 5.0%, 10% and 15%, respectively.
  • aged cracks may not occur in the drawn product after 24 hours of processing.
  • the austenitic stainless steel excellent in workability and anti-aging resistance according to the embodiment of the present invention can prevent defects such as aging cracks or delayed fracture even when applied to a design sink having a radius of curvature of 50 mm or less have.
  • the material has a yield strength of 230 MPa or more and a tensile strength of 540 MPa or more to satisfy the material specifications and exhibits an average electric potential of 245 mV or more, which is excellent in corrosion resistance.
  • Fig. 1 shows a deformation amount distribution during molding of a design sink model having a curvature radius of corner corner of 20 mm.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between true strain-work hardening indexes of austenitic stainless steels and comparative steels according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view schematically showing a cup drawing process using a punch.
  • Fig. 4 shows the position where the amount of modified organic martensite of the workpiece after the cup drawing process was measured.
  • the austenitic stainless steel according to one embodiment of the present invention is excellent in workability and anti-aging crack resistance, and contains 0.01 to 0.04% of C, 0.1 to 1% of Si, 0.1 to 2% of Mn, 0.1 to 2% of Mn, (1), wherein the alloy contains 6 to 10% of Cr, 16 to 20% of Cr, 1 to 2% of Cu, 0.01 to 0.2% of Mo, 0.035 to 0.07% of N and the balance of Fe and unavoidable impurities
  • the austenite stabilization parameter (ASP) value is not more than -3 and the work hardening index n value satisfies the range of 0.4 to 0.5 in the true strain range of 0.3 to 0.4.
  • C, N, Si, Mn, Ni, Cr, and Cu mean the content (weight%) of each element.
  • the inventors of the present invention have studied the processing conditions capable of forming austenitic stainless steel sheet without designing cracks. However, the inventors of the present invention have been able to develop a new austenitic stainless steel because the cracking can not be suppressed merely by controlling the processing conditions.
  • the STS304 steel has excellent deep drawability, but cracks often occur during machining of complex shapes or design sinking. From this point, it has been found that it is important to control not only the deep drawability but also the work hardening index in the case of a design sink product which is complicated in shape by press molding or whose radius of curvature R is controlled to be 50 mm or less.
  • the work hardening index and the anti-aging cracking property can be ensured by controlling the work hardening index according to the Austenite Stability Parameter (hereinafter referred to as " ASP ") value together with the composition of the component system.
  • &quot Austenite Stability Parameter
  • the austenitic stainless steel according to one embodiment of the present invention is excellent in workability and anti-aging crack resistance, and contains 0.01 to 0.04% of C, 0.1 to 1% of Si, 0.1 to 2% of Mn, 0.1 to 2% of Mn, 6 to 10%, Cr: 16 to 20%, Cu: 1 to 2%, Mo: 0.01 to 0.2%, N: 0.035 to 0.07%, balance Fe and unavoidable impurities.
  • the content of carbon (C) is 0.01 to 0.04%.
  • the content of silicon (Si) is 0.1 to 1.0%.
  • Silicon in steel is added as a deoxidizer in the steelmaking process.
  • Si-oxide is formed in the passive film when the film is subjected to a bright annealing process, thereby improving the corrosion resistance of the steel.
  • the content is 1.0% or more, there is a problem that the ductility of the steel is lowered.
  • the content of manganese (Mn) is 0.1 to 2.0%.
  • Ni nickel
  • the content of nickel (Ni) is 6.0 to 10.0%.
  • the content of chromium (Cr) is 16.0 to 20.0%.
  • Chromium in steel is an essential element for improvement of corrosion resistance. It is necessary to add more than 16% in order to secure corrosion resistance in atmospheric environment and sink applications. However, when added excessively, chromium is hardened and moldability such as deep drawability is disadvantageous , So it is limited to 20%.
  • the content of copper (Cu) is 1.0 to 2.0%.
  • Copper in steel is an austenite phase stabilizing element, and as the amount of copper is increased, the austenite phase is stabilized and the effect of suppressing work hardening due to the generation of modified organic martensite is suppressed.
  • corrosion resistance is lowered and cost is increased.
  • the content of molybdenum (Mo) is 0.01 to 0.2%.
  • Molybdenum in the steel has an effect of improving the corrosion resistance and workability and is added by 0.01% or more, and excessive addition is limited to 0.2% or less because it involves an increase in cost.
  • the content of nitrogen (N) is 0.035 to 0.07%.
  • austenite stabilization parameter (ASP) value represented by the following formula (1) satisfies -3 or below together with the composition of the component system.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between true strain-work hardening indexes of austenitic stainless steels and comparative steels according to an embodiment of the present invention.
  • most of the 300-grade austenitic stainless steels have a work hardening index (n) in the range of 0.3 to 0.4 at a strain rate of 10 to 20% at the early stage of deformation.
  • n work hardening index
  • a work hardening index in the range of 0.55 to 0.65 at an elongation strain of 30 to 40%.
  • R radius of curvature
  • the austenitic stainless steel according to one embodiment of the present invention satisfies the Austenite Stabilization Parameter (ASP) value of -3 or less, and the work hardening index n value in the range of true strain 0.3 to 0.4 can exhibit a range of 0.4 to 0.5 have.
  • ASP Austenite Stabilization Parameter
  • the excellent formability of the material is also important, but it is sometimes necessary to guarantee the material specification for each country.
  • the strength of the material of the 304 material standard can not be guaranteed, and in the present invention, excellent material strength and corrosion resistance, And to develop a steel which can secure corrosion resistance.
  • the austenitic stainless steel according to one embodiment of the present invention can satisfy the following formula (2).
  • the austenitic stainless steel according to the present invention can have a yield strength (YS) of 230 MPa or more and a tensile strength (TS) of 540 MPa or more.
  • the austenitic stainless steel according to one embodiment of the present invention can satisfy the following formula (3).
  • the austenitic stainless steel according to the present invention can secure a formal potential of 245 mV or more.
  • FIG 3 is a cross-sectional view schematically showing a cup drawing process using a punch.
  • the deep drawing raises a circular blank on the drawing die 2 and then presses the circular blank with the blank holder 3 at an appropriate pressure. Subsequently, the punch 1 draws the circular blank into the die 2, at which time the center of the workpiece is slowly drawn and the outer periphery of the workpiece slides on the side of the die and into the die 2.
  • the thickness of the bottom portion 10 of the blank surrounding the bottom surface of the punch 1 is accompanied by a reduction in thickness, and the stress state in this portion is a biaxial tensile state.
  • the flange portion 30 since the material is drawn toward the entrance of the die 2 in the radial direction, compressive deformation occurs in the circumferential direction and tensile deformation occurs in the radial direction. Due to the peripheral action of the compression deformation and the tensile deformation, an increase in thickness occurs in the flange portion 30. That is, in the flange portion 30, the thickness of the material becomes thick, and at the same time, the strength of the material increases due to work hardening due to compressive deformation.
  • the thickness of the workpiece becomes thinner and the workpiece hardens due to work hardening.
  • the work hardening of the flange portion 30 Is very low.
  • the flange portion 30 and the side wall portion 20 of the blank having the same fracture limit have a difference in fracture limit.
  • the flange portion 30 has a fracture limit of [high strength x thick thickness]
  • the sidewall portion 20 has a fracture limit of [somewhat high strength x thin thickness], so that the fracture limit becomes uneven, Deformation concentrates on the part where the strength is weak and cracks occur.
  • the austenitic stainless steel drawing finished product excellent in workability and anti-age cracking property according to an embodiment of the present invention was drawn using a punch to a range of 2.0 to 2.3 in the range of the minimum draw ratio (LDR) ,
  • LDR minimum draw ratio
  • the amount of modified organic martensite measured at side wall positions of 10 mm, 20 mm, 30 mm, and 40 mm from the bottom and bottom surfaces of the drawn product satisfies 1.0%, 1.0%, 5.0%, 10%, and 15% .
  • the limited drawing ratio refers to the ratio (D / d) of the maximum diameter (D) of the workpiece to the diameter (d) of the punch.
  • austenite stabilization parameter (ASP) value exceeds -3, aging cracks may occur after 24 hours of processing because the ⁇ ⁇ ⁇ 'transformation can not be suppressed during the drawing process. Therefore, in the case of drawing using the stainless steel having the austenite stabilization parameter (ASP) value of -3 or less according to the present invention, the amount of the modified organic martensite of the drawn product can be controlled, and aging cracks can be prevented .
  • the austenitic stainless steels of the component system shown in Table 1 below are partly manufactured by Lab. Ingot was produced by vacuum melting, and some slabs were produced through an electric furnace-VOD-playing process. The prepared ingot and slab were reheated at 1,240 ° C. for 1 to 2 hours and then heat-treated by a roughing mill and a continuous finishing mill. Hot rolled annealing was performed at a temperature of 1,000 to 1,100 ° C., followed by cold rolling and cold annealing .
  • Inventive steels 1 to 5 controlled the value of Cu / (100 * N) to 0.55 or less and controlled the ASP value to -3 or less to secure the desired yield strength (230 MPa or more) and tensile strength (540 MPa or more) ,
  • the work hardening index n value in the range of the true strain 0.3 to 0.4 suitable for the design sink was 0.5 or less.
  • the comparative steels 1 to 3 had the desired yield strength and tensile strength of the present invention at the values of Cu / (100 * N) of 0.13, 0.03 and 0.20, respectively.
  • ASP values were 18.1, 5.6,
  • the value of the work hardening index n is 0.5 or more in the range of the true strain 0.3 to 0.4, which is not suitable for the design sink application.
  • the comparative steels 4 and 5 had an ASP value of -10.9 and -11.1, respectively, falling within the object range of the present invention, but the Cu / (100 * N) values were 2.90 and 0.73, respectively, And the tensile strength was not ensured.
  • Table 3 shows the correlation between the value of 100 * N - (Mn + Cu) of formula (3) and the formula potential.
  • the average electric potential was measured using a 3.5% NaCl solution at 30 ° C after polishing the surface of the steel sheet # 600.
  • Invention steels 1 to 5 showed that the values of 100 * N - (Mn + Cu) were all 0 or more, and the formula potential indicating the corrosion resistance of the material was more than 245 mV which is a target range of the present invention.
  • the ASP values are -10.9 and -11.1 (see Table 2)
  • the corrosion resistance (over 245 mV) of the STS304 level required by the design sink is lower than 200 mV due to the fact that the N - (Mn + Cu) values do not satisfy the formula (3) could not be secured.
  • Austenitic stainless steel according to an embodiment of the present invention was cup-drawn using a punch having a diameter of 50 mm at a punch speed of 100 mm / min. Drawing processing was performed within a range of 1.9 to 2.3 in the range of the minimum drawing ratio (LDR) and within a range in which creases and fractures did not occur in the upper part of the cup. After drawing, the amount of deformation organic martensite ( ⁇ ') was measured at the side wall positions of 10 mm, 20 mm, 30 mm, and 40 mm from the bottom and bottom surfaces of the cup product as shown in FIG. 4, And whether aged cracks occurred after 24 hours of processing. The amount of modified organic martensite was measured using a ferrite-scope.
  • the austenitic stainless steels according to the embodiments of the present invention have excellent workability and corrosion resistance cracking resistance as well as corrosion resistance, and can be applied to highly molded products such as design sinks.

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Abstract

본 발명은 싱크 코너의 곡률 반경이 50mm 이하인 디자인 싱크(Design Sink)에 적용하더라도 시효균열 또는 지연파단 등의 결함이 발생하지 않는 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01 내지 0.04%, Si: 0.1 내지 1%, Mn: 0.1 내지 2%, Ni: 6 내지 10%, Cr: 16 내지 20%, Cu: 1 내지 2%, Mo: 0.01 내지 0.2%, N: 0.035 내지 0.07%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 오스테나이트 안정화 파라미터(ASP) 값이 -3 이하이며, 진변형률 0.3 내지 0.4 범위에서 가공경화지수 n값이 0.4 내지 0.5 범위를 만족한다.

Description

가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 및 이를 이용한 드로잉 가공품
본 발명은 싱크 코너의 곡률 반경이 50mm 이하인 디자인 싱크(Design Sink)에 적용하더라도 시효균열 또는 지연파단 등의 결함이 발생하지 않는 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다.
주방용 싱크대의 싱크 보울에는 일반적으로 스테인리스강이 사용된다. 주로 300계 범용 스테인리스강들이 사용되는데, 일반적인 싱크 보울의 형상에는 성형성에 문제가 없어 널리 사용되는 편이다.
그러나 최근 시장에서의 경쟁력 강화를 위하여 다양하고 복잡한 형상의 싱크 보울을 설계하려는 시도가 많아지고 있다. 특히 Tight Radius Corner를 적용한 싱크인 디자인 싱크(Design Sink)의 경우, 보통 50mm 이하의 코너 곡률 반경(R)을 갖는다. STS304와 같은 오스테나이트계 스테인리스강은 페라이트계 스테인리스강보다 훨씬 가공성이 뛰어나나, 디자인 싱크로 가공할 때에는 모서리 부분에서 자주 크랙이 발생한다.
도 1은 모서리 코너의 곡률 반경(R)이 20mm인 디자인 싱크 모델의 성형 시 변형량 분포를 나타낸다. 도 1에 나타난 바와 같이, 드로잉 가공 시 플랜지부부터 바닥으로 이어지는 모서리에 변형량이 집중되고, 이에 따른 집중 변형 부분에 크랙이 발생하게 된다.
이러한 문제점을 해결하고자 Cu를 첨가한 오스테나이트계 스테인리스강을 사용하여 제품을 제작하고자 하는 시도가 있었으나, 재료 고유의 가공경화 값의 구체적 제어방법을 제시하지 못하여 모서리 부분의 크랙 문제는 여전히 잔존하는 이슈이다.
또한, 최근에는 304 재질규격(EN, KS)인 항복강도 230MPa 이상 및 인장강도 540MPa 이상을 만족하도록 요구하고 있어, 단순히 Cu, Ni을 첨가하여 연질화한 오스테나이트계 스테인리스강으로는 한계가 있는 실정이다.
본 발명의 실시예들은 싱크 코너의 곡률 반경이 50mm 이하인 디자인 싱크(Design Sink)에 적용하더라도 시효균열 또는 지연파단 등의 결함이 발생하지 않는 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
또한, 가공성과 함께 강도 및 내식성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01 내지 0.04%, Si: 0.1 내지 1%, Mn: 0.1 내지 2%, Ni: 6 내지 10%, Cr: 16 내지 20%, Cu: 1 내지 2%, Mo: 0.01 내지 0.2%, N: 0.035 내지 0.07%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)로 표시되는 오스테나이트 안정화 파라미터(ASP) 값이 -3 이하이며, 진변형률 0.3 내지 0.4 범위에서 가공경화지수 n값이 0.4 내지 0.5 범위를 만족한다.
(1) 565 - 445*C - 495*N - 11.3*Si - 3.81*Mn - 28.6*Ni - 14.9*Cr -30.0*Cu
여기서, C, N, Si, Mn, Ni, Cr, Cu는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 하기 식 (2)를 만족할 수 있다.
(2) Cu/(100*N) = 0.55
여기서, Cu, N은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 항복강도(YS) 230MPa 이상 및 인장강도(TS) 540MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 하기 식 (3)을 만족할 수 있다.
(3) 100*N - (Mn+Cu) = 0
여기서, N, Mn, Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 공식전위가 245mV 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 드로잉 가공품은, 상기 스테인리스강을 펀치를 이용하여 드로잉 가공하였을 때, 상기 드로잉 가공품의 바닥면 및 바닥면으로부터 10mm, 20mm, 30mm, 40mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 각각 1.0%, 1.0%, 5.0%, 10%, 15% 미만을 만족한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 드로잉 가공품은 가공 24시간 후 시효균열이 발생하지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은 싱크 코너의 곡률 반경이 50mm 이하인 디자인 싱크(Design Sink)에 적용하더라도 시효균열 또는 지연파단 등의 결함을 방지할 수 있다.
또한, 항복강도 230MPa 이상 및 인장강도 540MPa 이상을 확보하여 재질 규격을 만족할 수 있으며, 공식전위 245mV 이상을 나타내어 내식성이 우수하다.
도 1은 모서리 코너의 곡률 반경이 20mm인 디자인 싱크 모델의 성형 시 변형량 분포를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강과 비교강의 진변형률-가공경화지수 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 펀치를 이용한 컵 드로잉(Cup Drawing) 가공을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 컵 드로잉 가공 후 가공품의 변형유기 마르텐사이트 양을 측정한 위치를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01 내지 0.04%, Si: 0.1 내지 1%, Mn: 0.1 내지 2%, Ni: 6 내지 10%, Cr: 16 내지 20%, Cu: 1 내지 2%, Mo: 0.01 내지 0.2%, N: 0.035 내지 0.07%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)로 표시되는 오스테나이트 안정화 파라미터(ASP) 값이 -3 이하이며, 진변형률 0.3 내지 0.4 범위에서 가공경화지수 n값이 0.4 내지 0.5 범위를 만족한다.
(1) 565 - 445*C - 495*N - 11.3*Si - 3.81*Mn - 28.6*Ni - 14.9*Cr -30.0*Cu
여기서, C, N, Si, Mn, Ni, Cr, Cu는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
본 발명자들은 오스테나이트계 스테인리스 강판을 크랙 없이 디자인 싱크 성형할 수 있는 가공 조건을 연구하였지만, 단순한 가공 조건의 제어만으로는 균열 발생을 억제할 수 없어 새로운 오스테나이트계 스테인리스강을 개발하게 되었다.
최근 싱크 제품의 의장성을 강조하는 트렌드에 따라, 프레스 성형품에는 복잡한 형성 또는 모서리 코너의 곡률 반경(R)이 50mm 이하인 디자인 싱크(Design Sink)의 니즈가 증가하고 있다. STS304 강종은 우수한 딥드로잉성을 가지나, 복잡 형상의 가공 또는 디자인 싱크 가공 시 크랙이 종종 발생한다. 이러한 점으로부터 프레스 성형에 의해 복잡한 형상이거나 코너 곡률 반경(R)이 50mm 이하로 관리되는 디자인 싱크 제품의 경우, 딥드로잉성 뿐만 아니라 가공경화지수를 제어하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다.
본 발명에서는 성분계 조성과 함께 오스테나이트 안정화 파라미터(Austenite Stability Parameter, 이하 “ASP”라 한다) 값에 따른 가공경화지수를 제어하여 가공성 및 내시효균열 특성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01 내지 0.04%, Si: 0.1 내지 1%, Mn: 0.1 내지 2%, Ni: 6 내지 10%, Cr: 16 내지 20%, Cu: 1 내지 2%, Mo: 0.01 내지 0.2%, N: 0.035 내지 0.07%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 함금성분 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
탄소(C)의 함량은 0.01 내지 0.04%이다.
강 중 탄소는 오스테나이트상 안정화 원소로서 많이 첨가할수록 오스테나이트상이 안정화되는 효과가 있어 0.01% 이상 첨가할 필요는 있으나, 0.04% 이상 함유하면 변형유기 마르텐사이트를 경질화하여 싱크 성형 중에 심하게 변형된 부위에서 시효균열(season cracking)을 발생시킨다.
실리콘(Si)의 함량은 0.1 내지 1.0%이다.
강 중 실리콘은 제강단계에서 탈산제로 첨가되는 성분이며, 일정량 첨가 시 광휘소둔(Bright Annealing) 공정을 거치는 경우 부동태 피막에 Si-Oxide를 형성하여 강의 내식성을 향상시키는 효과가 있다. 그러나, 1.0% 이상 함유 시 강의 연성을 저하시키는 문제가 있다.
망간(Mn)의 함량은 0.1 내지 2.0%이다.
강 중 망간은 오스테나이트상 안정화 원소로서 많이 함유할수록 오스테나이트상이 안정화되어 0.1% 이상 첨가하나, 과도하게 첨가하면 내식성을 저해하므로 2% 이하로 제한한다.
니켈(Ni)의 함량은 6.0 내지 10.0%이다.
강 중 니켈은 오스테나이트상 안정화 원소로서 많이 첨가할수록 오스테나이트상이 안정화되어 소재를 연질화하고, 변형유기 마르텐사이트의 발생에 기인하는 가공경화의 억제를 위하여 6% 이상 첨가하는 것이 필요하다. 하지만 고가의 니켈을 과도하게 첨가하게 되면 비용 상승의 문제가 발생하여 10%로 제한한다.
크롬(Cr)의 함량은 16.0 내지 20.0%이다.
강 중 크롬은 내식성의 개선을 위한 필수 원소로 대기환경 및 싱크 용도에서의 내식성 확보를 위해 16% 이상 첨가하는 것이 필요하나, 과도한 첨가 시에는 소재를 경질화하고 딥드로잉성 등의 성형성을 불리하게 저하시키므로 20%로 제한한다.
구리(Cu)의 함량은 1.0 내지 2.0%이다.
강 중 구리는 오스테나이트상 안정화 원소로서, 많이 첨가할수록 오스테나이트상이 안정화되어 변형유기 마르텐사이트의 발생에 기인하는 가공 경화의 억제하는 효과가 있어 1% 이상을 첨가한다. 그러나 2% 이상을 첨가하게 되면 내식성이 저하되는 문제 및 비용 상승의 문제가 있다.
몰리브덴(Mo)의 함량은 0.01 내지 0.2%이다.
강 중 몰리브덴은 내식성과 가공성을 향상시키는 효과가 있어 0.01% 이상 첨가하며, 과도한 첨가는 비용상승을 수반하므로 0.2% 이하로 제한한다.
질소(N)의 함량은 0.035 내지 0.07%이다.
강 중 질소는 오스테나이트상 안정화 원소로서 많이 첨가할수록 오스테나이트상을 안정화시키는 효과 및 재료의 강도 향상을 위해 0.035% 이상 첨가할 필요는 있으나, 0.07% 이상 함유하면 변형유기 마르텐사이트를 경질화하여 싱크 성형 중에 심하게 변형된 부위에서 시효균열(season cracking)을 발생시킨다.
또한, 상기 성분계 조성과 함께 하기 식 (1)로 표시되는 오스테나이트 안정화 파라미터(ASP) 값이 -3 이하를 만족한다.
(1) 565 - 445*C - 495*N - 11.3*Si - 3.81*Mn - 28.6*Ni - 14.9*Cr -30.0*Cu
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강과 비교강의 진변형률-가공경화지수 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 대부분의 300계 오스테나이트 스테인리스강 소재는 변형 초반인 진변형률 10 내지 20%에서 0.3 내지 0.4 범위의 가공경화지수(n)를 가지지만, 오스테나이트의 안정화도에 따라 변형 후반인 진변형률 30 내지 40%에서는 0.55 내지 0.65 범위의 가공경화지수를 가진다. 코너 곡률 반경(R)이 작은 디자인 싱크의 경우, 위에서 언급한 현상을 피하기 변형 초반의 가공경화지수와 변형 후반의 가공경화지수가 비슷한 소재를 제조하는 것이 중요하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 오스테나이트 안정화 파라미터(ASP) 값이 -3 이하를 만족하여, 진변형률 0.3 내지 0.4 범위에서 가공경화지수 n값이 0.4 내지 0.5 범위를 나타낼 수 있다.
한편, 싱크 성형 업체의 관점에서, 소재의 우수한 성형성도 중요하지만 각 국가별 재질규격을 보증하는 것이 필수적인 사안으로 대두될 때도 있다. Cu를 첨가하는 고성형 오스테나이트계 스테인리스강의 경우에도 304 재질규격인 재료의 강도를 보증하지 못하는 문제가 있어, 본 발명에서는 가공성 및 내시효균열 특성을 가짐과 동시에 재질규격을 만족하는 우수한 재료 강도 및 내식성의 확보가 가능한 강재를 개발하고자 하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 하기 식 (2)를 만족할 수 있다.
(2) Cu/(100*N) = 0.55
Cu와 N의 함량을 상기 식 (2)를 만족하도록 제어함으로써 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 항복강도(YS) 230MPa 이상 및 인장강도(TS) 540MPa 이상을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 하기 식 (3)을 만족할 수 있다.
(3) 100*N - (Mn+Cu) = 0
진변형률 0.3 내지 0.4 범위에서 가공경화지수 n값이 0.4 내지 0.5 범위를 만족하도록 오스테나이트 안정화 파라미터(ASP)를 제어하기 위해 Mn, Cu의 함량을 높일 경우, 디자인 싱크에서 요구되는 STS304 수준의 내식성을 확보할 수 없다. 따라서, N, Mn, Cu의 함량을 상기 식 (3)을 만족하도록 제어함으로써 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 공식전위 245mV 이상을 확보할 수 있다.
도 3은 펀치를 이용한 컵 드로잉(Cup Drawing) 가공을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
딥드로잉은 드로잉 다이(2) 위에 원형 블랭크(blank)를 올린 후 블랭크 홀더(3)로 상기 원형 블랭크를 적당한 압력으로 누른다. 이어서 펀치(1)가 원형 블랭크를 다이(2) 속으로 끌고 들어가게 되고, 이때 소재 중심부는 서서히 드로잉됨과 동시에 소재 외주부는 다이 측면을 미끄러지면서 다이(2) 속으로 유입된다.
일반적으로, 딥드로잉 시 펀치(1)의 저면을 감싸는 소재의 저면부(10)에서는 두께 감소가 수반되며, 이 부분의 응력 상태는 이축 인장 상태이다.
플랜지부(30)에서는 소재가 반경방향인 다이(2) 입구쪽으로 드로잉되므로, 원주방향으로 압축변형이 일어나며 반경방향으로는 인장변형이 일어난다. 상기 압축변형과 인장변형의 주변형 작용으로, 플랜지부(30)에서는 두께 증가가 일어난다. 즉, 플랜지부(30)는 소재의 실 두께가 두꺼워짐과 동시에 압축변형에 의한 가공경화에 따라 소재의 강도가 상승하게 된다.
측벽부(20)는 다이(2)의 측면을 따라 상하로 인장되면서 드로잉되므로, 소재의 두께가 얇아짐과 동시에 가공경화에 의해 소재의 강도가 상승하지만, 일반적으로 플랜지부(30)의 가공경화 정도보다는 매우 낮다.
드로잉이 진행됨에 따라 동일한 파단한계를 가졌던 블랭크의 플랜지부(30)와 측벽부(20)는 파단한계의 차이가 발생하게 된다. 즉, 플랜지부(30)는 [높은 강도 × 두꺼운 두께]의 파단한계를 가지게 되고, 측벽부(20)는 [다소 높은 강도 × 얇은 두께]의 파단한계를 가지게 되어, 파단한계가 불균일해지면서 드로잉 시 강도가 약한 부분에 변형이 집중되어 크랙이 발생한다.
코너 곡률 반경(R)이 작은 디자인 싱크(Design Sink)의 코너 부분 플랜지부(30)의 압축 변형량이 일반 싱크에 비해 훨씬 크기 때문에, 이러한 파단한계의 차이가 더 커지게 되어 일반 STS304로는 성형이 어렵다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강을 사용한 드로잉 가공 시에는, 가공 후 시효균열(season cracking) 발생을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 드로잉 가공품은, 상기 스테인리스강을 펀치를 이용하여 한계 드로잉비(LDR) 2.0 내지 2.3 범위에서 드로잉(Drawing) 가공하였을 때, 상기 드로잉 가공품의 바닥면 및 바닥면으로부터 10mm, 20mm, 30mm, 40mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 각각 1.0%, 1.0%, 5.0%, 10%, 15% 미만을 만족한다.
한계 드로잉비(Limited Drawing Ratio)는 소재 최대 직경(D)와 펀치 직경(d)의 비(D/d)를 의미한다.
오스테나이트 안정화 파라미터(ASP) 값이 -3을 초과할 경우, 드로잉 가공 시 γ→>α' 변태를 억제하지 못하여 가공 24시간 후 시효균열이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 오스테나이트 안정화 파라미터(ASP) 값이 -3 이하인 상기 스테인리스강을 사용하여 드로잉 가공하는 경우에는, 드로잉 가공품의 변형유기 마르텐사이트 양을 제어할 수 있어 시효균열을 방지할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
가공성 및 강도 평가
아래 표 1에 나타낸 성분계의 오스테나이트계 스테인리스강을 일부는 Lab. 진공용해를 하여 잉곳(Ingot)을 제조하였고, 일부는 전기로-VOD-연주 공정을 거쳐 슬라브(Slab)를 제조하였다. 제조된 잉곳과 슬라브는 1,240℃에서 1 내지 2시간 재가열한 후 조압연기와 연속 마무리압연기에 의해 열연재로 제조하였으며, 1,000 내지 1,100℃의 온도에서 열연소둔을 행한 후 냉간압연 및 냉연소둔을 실시하였다.
구분 C Si Mn Ni Cr Cu Mo N
발명강1 0.02 0.3 1.5 8.3 18.1 1.2 0.1 0.045
발명강2 0.02 0.3 1.52 8.1 18 1.43 0.095 0.045
발명강3 0.021 0.82 1.5 8.1 18.2 1.43 0.1 0.045
발명강4 0.019 0.31 1.46 8.14 18.2 1 0.1 0.061
발명강5 0.019 0.31 1.51 8.15 18.2 1.27 0.1 0.043
비교강1 0.11 0.6 0.85 6.6 17.2 0.6 0.1 0.048
비교강2 0.055 0.4 1.1 8.1 18.2 0.1 0.1 0.04
비교강3 0.11 0.58 0.86 6.7 17.6 0.9 0.1 0.05
비교강4 0.01 0.5 1.2 7.6 16.9 2.9 0.1 0.01
비교강5 0.02 0.6 2.2 6.6 17.2 2.9 0.1 0.04
표 1에 나타난 발명강들 및 비교강들의 오스테나이트 안정화 파라미터(ASP) 값, Cu/(100*N) 값 및 기계적 특성값인 항복강도, 인장강도, 가공경화지수 n값(진변형률 0.3 내지 0.4 구간)을 측정하여 아래 표 2에 나타내었다.
구분 ASP Cu/(100*N) 항복강도(MPa) 인장강도(MPa) 가공경화지수n
발명강1 -18.6 0.27 261 574 0.45
발명강2 -18.3 0.32 254 569 0.44
발명강3 -27.6 0.32 275 582 0.43
발명강4 -16.9 0.16 281 602 0.43
발명강5 -16.6 0.30 264 581 0.46
비교강1 18.1 0.13 269 821 0.69
비교강2 5.6 0.03 280 620 0.53
비교강3 -2.5 0.20 272 742 0.61
비교강4 -10.9 2.90 187 498 0.48
비교강5 -11.1 0.73 195 501 0.49
발명강 1 내지 5는 모두 Cu/(100*N) 값을 0.55 이하로 제어함과 동시에 ASP 값을 -3 이하로 제어하여 목표하는 항복강도(230MPa 이상) 및 인장강도(540MPa 이상)를 확보하였으며, 디자인 싱크에 적합한 진변형률 0.3 내지 0.4 범위 구간에서의 가공경화지수 n값을 0.5 이하로 얻을 수 있었다.
반면, 비교강 1 내지 3은 Cu/(100*N) 값이 각각 0.13, 0.03, 0.20으로 본 발명이 목적하는 항복강도와 인장강도를 가지나, ASP 값이 각각 18.1, 5.6, -2.5로 본 발명이 목적하는 범위를 벗어나 그 결과 진변형률 0.3 내지 0.4 범위 구간에서 가공경화지수 n값이 0.5 이상의 값을 나타내는 바, 디자인 싱크 용도에 적합하지 않음을 알 수 있다.
비교강 4 및 5는 ASP 값이 -10.9, -11.1로 본 발명의 목적 범위에 속하지만, Cu/(100*N) 값이 각각 2.90, 0.73으로 본 발명의 목적 범위를 벗어나 재료의 충분한 항복강도 및 인장강도가 확보되지 않았다.
내식성 평가
아래 표 3은 상기 식 (3)의 100*N - (Mn+Cu) 값과 공식전위의 상관관계를 나타내었다. 공식전위는 강판의 표면을 #600 연마 가공한 후 30℃의 3.5% NaCl 용액을 이용하여 측정하였다.
구분 C Si Mn Ni Cr Cu Mo N 100*N-(Mn+Cu) 공식전위
발명강1 0.02 0.3 1.5 8.3 18.1 1.2 0.1 0.045 1.8 285
발명강2 0.02 0.3 1.52 8.1 18 1.43 0.095 0.045 1.6 270
발명강3 0.021 0.82 1.5 8.1 18.2 1.43 0.1 0.045 1.6 273
발명강4 0.019 0.31 1.46 8.14 18.2 1 0.1 0.061 3.6 325
발명강5 0.019 0.31 1.51 8.15 18.2 1.27 0.1 0.043 1.5 265
비교강4 0.01 0.5 1.2 7.6 16.9 2.9 0.1 0.01 -3.1 163
비교강5 0.02 0.6 2.2 6.6 17.2 2.9 0.1 0.04 -1.1 194
발명강 1 내지 5는 100*N - (Mn+Cu) 값이 모두 0 이상으로 소재의 내식성을 나타내는 공식전위가 본 발명이 목적하는 범위인 245mV 이상을 나타내었다. 그러나, 오스테나이트 안정화도를 높이기 위해 Mn, Cu의 함량을 높게 설계한 비교강 4 및 5는 ASP 값이 -10.9와 -11.1(표 2 참조)를 나타내어 본 발명의 목적 범위를 만족함에도, 100*N - (Mn+Cu) 값이 각각 -3.1, -1.1로 식 (3)을 만족하지 못하며, 그 결과 공식전위 값이 200mV 이하로 디자인 싱크에서 요구하는 STS304 수준의 내식성(공식전위 245mV 이상)을 확보할 수 없었다.
내시효균열 특성 평가
직경이 50mm인 펀치를 사용하여 펀치 스피드 100mm/min으로 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강을 컵 드로잉(cup drawing)하였다. 드로잉 가공은 한계 드로잉비(LDR)는 1.9 내지 2.3 범위 및 컵의 상부에 주름과 파단이 발생하지 않는 범위 내에서 실시하였다. 드로잉 가공 후, 도 4에 나타낸 바와 같이 컵 가공품의 바닥면 및 바닥면으로부터 10mm, 20mm, 30mm, 40mm의 측벽 위치에서 변형유기 마르텐사이트(α') 양을 측정하여 아래 표 4에 나타내었으며, 드로잉 가공 24시간 후 시효균열이 발생하는지 여부를 나타내었다. 변형유기 마르텐사이트 양은 페라이트스코프(ferrite-scope)를 이용하여 측정하였다.
구분 LDR 변형유기 마르텐사이트(α') 측정량 시효균열발생여부
① ② ③ ④ ⑤
발명강1 2.16 0.36 0.72 2.86 5.88 10.81 미발생
발명강4 2.20 0.78 0.88 4.12 8.19 14.16 미발생
발명강5 2.25 0.45 0.77 3.23 6.11 12.54 미발생
비교강1 1.90 6.78 10.21 30.21 38.25 49.22 발생
비교강2 2.04 4.32 8.91 25.22 32.11 40.34 발생
발명강 1, 4, 5의 경우 ASP 값이 -18.6, -16.9, -16.6(표 2 참조)으로 성형 시의 γ→>α' 변태가 억제되어 실제 컵 드로잉 후의 컵 가공품의 위치별 마르텐사이트 생성량이 최대 15% 미만이었으나, 비교강 1, 2의 경우 ASP값이 18.1, 5.6(표 2 참조)으로 성형 시의 γ→>α' 변태가 용이하게 되어 실제 컵 드로잉 후의 위치별 마르텐사이트 생성량이 최대 40 내지 49%까지 발생됨을 알 수 있었다. 이로 인하여 비교예 1, 2는 컵 드로잉 가공 후 24시간 후에 시효균열(season cracking)이 발생하는 문제점을 초래하였다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 내식성과 함께 우수한 가공성 및 내시효균열성을 가져, 디자인 싱크 등의 고성형 제품에 적용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 중량%로, C: 0.01 내지 0.04%, Si: 0.1 내지 1%, Mn: 0.1 내지 2%, Ni: 6 내지 10%, Cr: 16 내지 20%, Cu: 1 내지 2%, Mo: 0.01 내지 0.2%, N: 0.035 내지 0.07%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 식 (1)로 표시되는 오스테나이트 안정화 파라미터(ASP) 값이 -3 이하이며,
    진변형률 0.3 내지 0.4 범위에서 가공경화지수 n값이 0.4 내지 0.5 범위를 만족하는 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
    (1) 565 - 445*C - 495*N - 11.3*Si - 3.81*Mn - 28.6*Ni - 14.9*Cr -30.0*Cu
    (여기서, C, N, Si, Mn, Ni, Cr, Cu는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 하기 식 (2)를 만족하는 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
    (2) Cu/(100*N) = 0.55
    (여기서, Cu, N은 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 항복강도(YS) 230MPa 이상 및 인장강도(TS) 540MPa 이상인 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 하기 식 (3)을 만족하는 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
    (3) 100*N - (Mn+Cu) = 0
    (여기서, N, Mn, Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다)
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 공식전위가 245mV 이상인 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 스테인리스강을 펀치를 이용하여 드로잉 가공하였을 때,
    상기 드로잉 가공품의 바닥면 및 바닥면으로부터 10mm, 20mm, 30mm, 40mm의 측벽 위치에서 측정된 변형유기 마르텐사이트 양이 각각 1.0%, 1.0%, 5.0%, 10%, 15% 미만을 만족하는 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 드로잉 가공품.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 드로잉 가공품은, 상기 가공 24시간 후 시효균열이 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 드로잉 가공품.
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