WO2019112142A1 - 내식성이 우수한 고경도 오스테나이트계 스테인리스강 - Google Patents

내식성이 우수한 고경도 오스테나이트계 스테인리스강 Download PDF

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WO2019112142A1
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corrosion resistance
stainless steel
austenitic stainless
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김지수
김경훈
조규진
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주식회사 포스코
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    • C22C38/58—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with more than 1.5% by weight of manganese
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    • 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 austenitic stainless steels excellent in hardness and corrosion resistance, and more particularly to high hardness austenitic stainless steels which do not deteriorate in corrosion resistance after cold working while realizing high hardness.
  • Austenitic stainless steels typified by STS304 and STS316L are steel grades that are widely used in various applications due to their excellent formability and corrosion resistance. These steels have a hardness of 150 to 160 Hv in terms of Vickers hardness when they are produced from a sheet material, and in the case of STS304, when the sheet is cold-formed, the austenite phase is transformed into martensite phase and the hardness due to the martensite phase can be expected have.
  • austenitic stainless steel is not a steel grade used to utilize high hardness characteristics, and it causes a deterioration in corrosion resistance due to transformation into a martensite phase.
  • Patent Document 1 discloses a ferrite comprising 0.2% or less of C, 4.0% or less of Si, 5.0% or less of Mn, 4.0 to 12.0% of Ni, 12.0 to 20.0% of Cr, 0.24 to 5.0% And an inevitable impurity, and describes a high-hardness austenitic stainless steel having a Vickers hardness of 400 Hv or higher through the Md (N) formula.
  • Patent Document 1 uses a phase transformation to a martensite phase to obtain high hardness, and does not mention corrosion resistance.
  • Stainless steels which are mostly used for applications requiring high hardness, have a hardness by applying a steel composed of martensite to the base structure.
  • Patent Document 0001 United States Patent Publication No. 6764555 (July 20, 2004)
  • Embodiments of the present invention solve the above problems and provide a high hardness austenitic stainless steel having high hardness and excellent corrosion resistance without causing deterioration in corrosion resistance even after cold working.
  • the high hardness austenitic stainless steel excellent in corrosion resistance is characterized in that it contains 0.05% or less of C, 0.5 to 2.0% of Si, 3.0% or less of Mn, 20 to 24% of Cr, (Hv) expressed by the following formula (1) satisfies the range of 250 to 410, and the balance of Fe and unavoidable impurities.
  • C, Si, Cr, Mn, Ni, N and Cu mean the content (weight%) of each element, and CRR means the cold rolling reduction (%).
  • the Md30 value represented by the following formula (2) may satisfy -150 or less.
  • C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, and Mo mean the content (weight%) of each element.
  • the stainless steel may have a martensite phase fraction of less than 0.5% by volume in the microstructure.
  • the inner equation index (PREN) represented by the following formula (3) may satisfy the range of 23 to 28.
  • Cr, Mo, and N mean the content (weight%) of each element.
  • the high corrosion resistant austenitic stainless steel according to the embodiment of the present invention can be applied to various external appliances used for various home appliances or devices.
  • 1 is a graph showing the relationship between the estimated hardness value and the measured hardness value according to the formula (1).
  • FIG. 2 is a photograph showing whether or not edge cracks have occurred after the hot rolling of the inventive example and the comparative example according to the embodiment of the present invention.
  • the high hardness austenitic stainless steel excellent in corrosion resistance is characterized in that it contains 0.05% or less of C, 0.5 to 2.0% of Si, 3.0% or less of Mn, 20 to 24% of Cr, (Hv) expressed by the following formula (1) satisfies the range of 250 to 410, and the balance of Fe and unavoidable impurities.
  • C, Si, Cr, Mn, Ni, N and Cu mean the content (weight%) of each element, and CRR means the cold rolling reduction (%).
  • the hardness of the stainless steel depends on the constituent elements constituting the stainless steel and the processing history.
  • the constituent elements contained in the iron (Fe) alloy affect the mechanical properties such as the strength and hardness of the steel due to the solid solution strengthening phenomenon. Particularly in the case of interstitial elements having small particle sizes such as carbon (C) and nitrogen (N) which plays a major role in increasing the hardness of stainless steel.
  • the processing history of stainless steel also affects the hardness, and cold forming such as cold forging, cold rolling and the like serves as a main factor for increasing hardness by forming microstructure transformation or dislocation.
  • stainless steel is used as it is without pretreatment such as coating or plating due to its beautiful surface characteristics. In such cases, scratches or friction scratches on the surface during use can damage the appearance of the material. In order to prevent this, it is important to improve the hardness of the material surface so as to have scratch resistance.
  • the content of the element N is controlled, and at the same time, the content of Cr and N is controlled to secure the corrosion resistance.
  • the component system and the cold rolling condition which can have high hardness in comparison with the ordinary resistant STS316L steel grade are derived, and in the case of the hot rolling which can be caused by deriving the component system for realizing both hardness and high corrosion resistance, The problem of lowering the workability is also considered.
  • the high hardness austenitic stainless steel excellent in corrosion resistance is characterized in that it contains 0.05% or less of C, 0.5 to 2.0% of Si, 3.0% or less of Mn, 20 to 24% of Cr, (Hv) value represented by the following formula (1) satisfies the range of 250 to 410, and the Ni content is 10 to 15%, the Cu content is not more than 2.0%, the N content is 0.1 to 0.3%, and the balance of Fe and unavoidable impurities .
  • CRR means a cold rolling reduction (%).
  • the content of C is 0.05% or less.
  • C is a strong austenite phase stabilizing element and is an effective element for increasing the strength of a material by solid solution strengthening.
  • the content of C is limited to 0.05% or less because it easily bonds with a carbide forming element such as Cr which is effective for corrosion resistance at the ferrite-austenite phase boundary at a higher content to lower the Cr content around grain boundaries to reduce the corrosion resistance.
  • a carbide forming element such as Cr which is effective for corrosion resistance at the ferrite-austenite phase boundary at a higher content to lower the Cr content around grain boundaries to reduce the corrosion resistance.
  • the content of Si is 0.5 to 2.0%.
  • Si which is also used as a ferrite phase stabilizing element, is effective in improving corrosion resistance, and it plays a role as a main deoxidizer, so that it is necessary to add Si at 0.5% or more. However, if it is excessive, it induces precipitation of intermetallic compounds such as ⁇ -phase to lower mechanical properties and corrosion resistance related to impact toughness, and causes cracking in hot rolling, so it is limited to 2.0% or less.
  • the content of Mn is more than 0 and not more than 3.0%.
  • Mn is an austenite phase stabilizing element such as C and Ni, and can improve N solubility.
  • Mn content is not preferable when the corrosion resistance is required due to the involvement of MnS and the like, it is preferable to limit the Mn content to 3.0% or less in order to secure corrosion resistance.
  • the Cr content is 20 to 24%.
  • Cr is a basic element that is the most abundant among the elements for improving corrosion resistance of stainless steel. In order to exhibit corrosion resistance above STS316L in the present invention, at least 20% of Cr should be contained. However, Cr is a ferrite stabilizing element. When the Cr content is increased, the ferrite fraction is increased to lower the hot workability of the steel, which promotes the formation of a sigma phase, which causes deterioration of mechanical properties and corrosion resistance. Therefore, the Cr content is preferably limited to 24% or less.
  • the content of Ni is 10 to 15%.
  • Ni is the most powerful element among the austenite phase stabilizing elements and should be contained in an amount of 10% or more in order to maintain the austenite phase.
  • the increase in Ni content is directly related to the rise in raw material prices, so it is desirable to limit the Ni content to 15% or less.
  • the content of Cu is 2.0% or less (including 0).
  • Cu is an austenite stabilizing element and has an advantage of suppressing phase transformation into a martensite phase upon cold deformation and improving corrosion resistance in a sulfuric acid atmosphere.
  • the Cu content is limited to 2.0% or less because it has a disadvantage in reducing the formal resistance and lowering the hot workability.
  • the content of N is 0.1 to 0.3%.
  • N is a useful element for stabilizing the austenite phase as well as improving the corrosion resistance in the chlorine atmosphere.
  • Mo when Mo is low, it is necessary to add 0.1% or more in order to secure the corrosion resistance of the steel.
  • the hot workability is reduced to lower the real water yield of the steel, so that it is preferable to limit the steel to 0.3% or less.
  • the hardness of the stainless steel is greatly influenced by the constituent elements and the cold working history.
  • the relationship between the component elements and the cold reduction ratio for obtaining the hardness having scratch resistance is evaluated by the following equation ), Respectively.
  • hardness (Hv) is Vickers hardness
  • C, Si, Cr, Mn, Ni, N and Cu mean the content
  • STS304 steel which is widely used as a typical austenitic stainless steel for aquaculture, building materials, chemical containers, etc., is austenitic stainless steel or a quasi-stable austenitic microstructure that transforms austenite phase into martensite phase during cold working I have. Such phase transformation occurring during cold working has a detrimental effect on the corrosion resistance due to the characteristics of the martensite phase.
  • the value of Md30 expressed by the following formula (2) satisfies -150 or less as the content (weight%) of each component element.
  • the Md30 value is -150 or less, it means that the austenite phase is stable and no phase transformation occurs to the martensite phase even during the cold working, thereby causing no decrease in corrosion resistance due to the phase transformation.
  • the martensite phase fraction may be less than 0.5% even after the cold working.
  • the stainless steel according to the present invention which has a face-to-face quadratic structure of 99.5% or more in a non-magnetic austenite phase, can exhibit non-magnetic properties.
  • the index of corrosion resistance of austenitic stainless steels will be based on the formula of PREN calculated by the combination of Cr, Mo and N contents.
  • the value of STS304 is 20 or less and the value of STS316L is 22 to 24. Therefore, it can be understood that the corrosion resistance of the high hardness austenitic stainless steel to be provided in the present invention should be equal to or higher than 23 on the basis of the internal equivalent index, and thus it can have corrosion resistance equal to or higher than that of STS316L.
  • the inner formal equivalent index (PREN) value represented by the following formula (3) may satisfy the range of 23 to 28.
  • the steel having the alloy composition shown in Table 1 was dissolved in a vacuum induction melting furnace, hot rolling was carried out, and a solution heat treatment was carried out at 1,100 to 1,150 ° C to prepare a hot rolled plate having a thickness of 5 mm.
  • STS316L was used as a comparative example.
  • Vickers hardness was measured without annealing.
  • the sticky hardness was obtained by polishing the cross section of the specimen and pressing it with a diamond tip, and the inner diameter of the indentation defect observed with a microscope was converted into hardness.
  • Table 2 shows the Md30 value, the internal formula index (PREN), the hardness (Hv) according to the cold rolling reduction ratio and the martensitic phase fraction before and after the cold rolling at a reduction ratio of 60%.
  • FIG. 1 is a graph showing the relationship between the estimated hardness value and the measured hardness value according to the formula (1).
  • the predicted hardness value (Equation (1)) predicts the actual hardness of the material well and is statistically confirmed to show a hit rate of 98.8%.
  • the Md30 value calculated by the formula (2) satisfies -150 or less, and the reduction ratio is 60%, which means that there is no increase in the fraction of the martensite phase before and after the cold rolling.
  • the 316L steel grades used in Comparative Example L were 50% and 60% in reduction ratio, and the hardness of the material after cold rolling satisfied the range of the present invention. However, the composition of 316L grades did not satisfy the range of Md30 in Equation (2) And the martensite phase fraction increased to 11.1% due to the 60% reduction in cold rolling.
  • inventive examples A to H exhibited the same or higher equivalent formal equivalence index (PREN) of 316L of Comparative Example L, so that corrosion resistance was not considered to be deteriorated.
  • FIG. 2 is a photograph showing whether or not edge cracks have occurred after the hot rolling of the inventive example and the comparative example according to the embodiment of the present invention.
  • Comparative Examples I, J and K satisfy the Md30, PREN and hardness range of the present invention, respectively, but the Si content is more than 2.0%, the Cu content is more than 2.0%, the N content is more than 0.3% As a result of the occurrence of many edge cracks during hot rolling, it was confirmed that it was difficult to manufacture the plate material due to the deterioration of hot workability.
  • the austenitic stainless steel according to the present invention can maintain excellent corrosion resistance regardless of the improvement in scratch resistance and cold forming due to the improvement in hardness and can be applied to external parts used in various home appliances or devices.

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Abstract

고경도를 실현하면서도 냉간 성형 후 내식성의 저하가 없는 고경도 오스테나이트계 스테인리스강을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 내식성이 우수한 고경도 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.05% 이하, Si: 0.5 내지 2.0%, Mn: 3.0% 이하, Cr: 20 내지 24%, Ni: 10 내지 15%, Cu: 2.0% 이하, N: 0.1 내지 0.3%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)로 표현되는 경도(Hv) 값이 250 내지 410 범위를 만족한다. (1) 122 - 23939*C + 376*Si + 44*Cr + 2.62*Mn - 36*Ni + 54*N - 43*Cu + 2.85*CRR 여기서, C, Si, Cr, Mn, Ni, N, Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미하며, CRR은 냉간압하율(%)을 의미한다.

Description

내식성이 우수한 고경도 오스테나이트계 스테인리스강
본 발명은 경도 및 내식성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고경도를 실현하면서도 냉간가공 후 내식성의 저하가 없는 고경도 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다.
STS304, STS316L로 대표되는 오스테나이트계 스테인리스강은 우수한 성형성 및 내식성으로 인하여 다양한 용도에서 광범위하게 사용되는 강종이다. 이러한 강종은 판재로 생산할 경우 비커스 경도로 150 내지 160Hv의 경도를 갖게 되며, STS304의 경우에는 판재를 냉간 성형할 경우 오스테나이트상이 마르텐사이트상으로 상변태를 일으키면서 마르텐사이트상에 의한 경도 상승을 기대할 수 있다. 그러나 일반적으로는 오스테나이트계 스테인리스강은 고경도 특성을 활용하기 위해 사용되는 강종은 아니며, 마르텐사이트상으로의 변태로 내식성 저하를 초래한다.
최근 가전 등의 용도에서 스테인리스강의 미려한 표면 장점을 살리고자 스테인리스강을 채용하는 경우가 증가하고 있으며, 사용 중 발생하는 스크래치에 대한 저항성을 확보하고자 하는 목적으로 고경도 오스테나이트계 스테인리스강에 대한 수요가 증가하고 있다.
특허문헌 1에는 C: 0.2% 이하, Si: 4.0% 이하, Mn: 5.0% 이하, Ni: 4.0~12.0%, Cr: 12.0~20.0%, Mo: 0.24~5.0%, N: 0.15% 이하, Fe 및 피할 수 없는 불순물로 이루어지는 고경도 오스테나이트계 스테인리스강에 대하여 정의하고 있으며, Md(N) 식을 통해 비커스 경도 400Hv 이상의 고경도 오스테나이트계 스테인리스강에 대하여 기술하고 있다.
그러나 특허문헌 1은 고경도를 얻기 위하여 마르텐사이트상으로의 상변태를 이용하고 있으며, 내식성에 대하여는 언급하고 있지 않다.
대부분 고경도가 요구되는 용도에 적용되는 스테인리스강은 기지조직이 마르텐사이트상으로 이루어진 강을 적용하여 고경도를 확보하고 있는 실정이다.
(특허문헌 0001) 미국 등록특허공보 제6764555호 (2004.07.20.)
본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제점을 해결하여, 높은 경도를 가지면서 냉간가공 후에도 내식성 저하가 발생하지 않는 내식성이 우수한 고경도 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내식성이 우수한 고경도 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.05% 이하, Si: 0.5 내지 2.0%, Mn: 3.0% 이하, Cr: 20 내지 24%, Ni: 10 내지 15%, Cu: 2.0% 이하, N: 0.1 내지 0.3%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)로 표현되는 경도(Hv)가 250 내지 410 범위를 만족한다.
(1) 122 - 23939*C + 376*Si + 44*Cr + 2.62*Mn - 36*Ni + 54*N - 43*Cu + 2.85*CRR
여기서, C, Si, Cr, Mn, Ni, N, Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미하며, CRR은 냉간압하율(%)을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 식 (2)로 표현되는 Md30 값이 -150 이하를 만족할 수 있다.
(2) Md30 = 551 - 462*(C+N) - 9.2*Si - 8.1*Mn - 13.7*Cr - 29*(Ni+Cu) - 18.5*Mo + 1.42
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, Mo는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 미세조직의 마르텐사이트 상분율이 0.5 부피% 미만일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 식 (3)으로 표현되는 내공식당량지수(PREN)가 23 내지 28 범위를 만족할 수 있다.
(3) PREN = Cr + 3.3*Mo + 16*N
여기서, Cr, Mo, N는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 고내식 고경도 오스테나이트계 스테인리스강은 각종 가전기기 또는 장치에 사용되는 외장 부품용으로 다양한 적용이 가능하다.
오스테나이트계 스테인리스강의 경도를 향상시킴으로써 사용 중 발생할 수 있는 스크래치 또는 표면 긁힘 등에 대한 저항성이 우수해져 적용 부품의 미려한 표면을 장시간 유지할 수 있으며, 냉간 성형에 관계없이 우수한 내식성을 유지할 수 있기 때문에 내구성 향상에 기여할 수 있다.
도 1은 식 (1)에 따른 예측 경도값과 실측 경도값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발명예 및 비교예의 열간 압연 후 에지 크랙 발생 여부를 나타내는 사진이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내식성이 우수한 고경도 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.05% 이하, Si: 0.5 내지 2.0%, Mn: 3.0% 이하, Cr: 20 내지 24%, Ni: 10 내지 15%, Cu: 2.0% 이하, N: 0.1 내지 0.3%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)로 표현되는 경도(Hv)가 250 내지 410 범위를 만족한다.
(1) 122 - 23939*C + 376*Si + 44*Cr + 2.62*Mn - 36*Ni + 54*N - 43*Cu + 2.85*CRR
여기서, C, Si, Cr, Mn, Ni, N, Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미하며, CRR은 냉간압하율(%)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.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
스테인리스강의 경도는, 스테인리스강을 구성하는 성분원소 및 가공 이력에 의존하여 달라진다. 철(Fe)계 합금에 포함되는 성분원소는 고용강화 현상에 의하여 강의 강도, 경도 등 기계적 물성에 영향을 미치며, 특히 탄소(C), 질소(N)와 같이 입자 크기가 작은 침입형 원소의 경우에는 스테인리스강의 경도를 높이는데 주요한 역할을 한다. 뿐만 아니라, 스테인리스강의 가공 이력도 경도에 영향을 미치는데, 냉간 단조, 냉간 압연 등의 냉간 성형은 미세조직의 변태 또는 전위를 형성하여 경도를 높이는 주된 인자로 작용하게 된다.
또한 스테인리스강은 미려한 표면 특성으로 인하여 표면에 코팅이나 도금 등의 전처리를 하지 않고 그대로 사용하는 경우가 많으며, 이러한 경우 사용 중 표면에 발생하는 스크래치 또는 마찰흠 등이 소재의 미관을 해치게 된다. 이를 방지하기 위하여 소재 표면의 경도를 향상시켜 내스크래치 저항성을 갖도록 하는 것이 중요하다.
본 발명에서 오스테나이트계 스테인리스강의 경도를 향상시키기 위하여 성분원소 N의 함량을 제어하였으며, 동시에 내식성을 확보하기 위하여 Cr 및 N의 함량을 제어하였다. 경도의 경우에는 통상의 내식용 STS316L 강종과 대비하여 고경도를 가질 수 있는 성분계 및 냉간압연 조건을 도출하였으며, 고경도 및 고내식 특성을 동시에 실현하기 위한 성분계 도출에 따라 발생할 수 있는 열간압연 시 열간가공성 저하의 문제도 함께 고려하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내식성이 우수한 고경도 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.05% 이하, Si: 0.5 내지 2.0%, Mn: 3.0% 이하, Cr: 20 내지 24%, Ni: 10 내지 15%, Cu: 2.0% 이하, N: 0.1 내지 0.3%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)로 표현되는 경도(Hv) 값이 250 내지 410 범위를 만족한다.
(1) 122 - 23939*C + 376*Si + 44*Cr + 2.62*Mn - 36*Ni + 54*N - 43*Cu + 2.85*CRR
여기서, CRR은 냉간압하율(%)을 의미한다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 합금성분 원소 함량의 수치한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.05% 이하이다.
C는 강력한 오스테나이트상 안정화 원소이며, 고용강화에 의한 재료강도 증가에 유효한 원소이다. 그러나, 함량 과다 시 페라이트-오스테나이트상 경계에서 내식성에 유효한 Cr과 같은 탄화물 형성 원소와 쉽게 결합하여 결정립계 주위의 Cr 함량을 낮추어 부식 저항성을 감소시키기 때문에 C의 함량을 0.05% 이하로 제한한다. 내식성을 저해할 수 있는 탄화물 석출의 위험성을 최소화하기 위해서는 C의 함량을 0.03% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Si의 함량은 0.5 내지 2.0%이다.
페라이트상 안정화 원소로도 작용되는 Si은 내식성 향상에 효과적이며, 주요한 탈산제로서의 역할을 하므로 0.5% 이상 첨가하는 것이 필요하다. 그러나 과다할 경우 σ상 등의 금속간 화합물 석출을 조장하여 충격인성과 관련된 기계적 특성 및 내식성을 저하시키며, 열간압연 시 크랙을 유발시키므로 2.0% 이하로 제한한다.
Mn의 함량은 0 초과 3.0% 이하이다.
Mn은 C, Ni과 같은 오스테나이트상 안정화 원소로서, N 고용도를 향상시킬 수 있다. 그러나, Mn 함량의 증가는 MnS 등의 개재물 형성에 관여하여 내식성이 요구되는 경우 바람직하지 못하므로 부식 저항성 확보 차원에서 Mn 함량을 3.0% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Cr의 함량은 20 내지 24%이다.
Cr은 스테인리스강의 내식성 향상 원소 중 가장 많이 함유되어 기본이 되는 원소이며, 본 발명에서 STS316L 이상의 내식성의 발현을 위해서는 적어도 20% 이상 포함되어야 한다. 그러나 Cr은 페라이트 안정화 원소로서, Cr 함량이 높아지면 페라이트 분율이 증가하여 강의 열간가공성을 저하시키며, σ상 형성이 조장되어 기계적 물성 및 내식성 저하의 원인이 된다. 따라서 Cr 함량은 24% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Ni의 함량은 10 내지 15%이다.
Ni는 오스테나이트상 안정화 원소 중 가장 강력한 원소로서, 오스테나이트상을 유지하기 위해서는 10% 이상 함유되어야 한다. 그러나 Ni 함량의 증가는 원료 가격의 상승과 직결되므로 15% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Cu의 함량은 2.0% 이하(0 포함)이다.
Cu는 오스테나이트 안정화 원소로서, 냉간변형 시 마르텐사이트 상으로의 상변태를 억제시키며, 황산 분위기에서의 내식성을 향상시키는 장점이 있다. 그러나, 염소 분위기에서는 공식저항성을 감소시키고 또한 열간가공성을 저하시키는 단점이 있어 Cu 함량을 2.0% 이하로 제한한다.
N의 함량은 0.1 내지 0.3%이다.
N은 염소 분위기에서의 내식성 향상뿐 아니라 오스테나이트상의 안정화에 유용한 원소이다. 특히 Mo가 적을 경우, 강의 내식성 확보를 위해서 0.1% 이상 첨가될 필요가 있다. 그러나 다량 첨가 시 열간가공성을 감소시켜 강의 실수율을 저하시키므로, 0.3% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
스테인리스강 표면의 내스크래치 저항성을 부여하기 위해서는 표면 경도를 향상시켜야 하며, 우수한 내스크래치 저항성을 갖기 위해서는 표면 경도가 Vickers 경도로 250 내지 410Hv 범위를 만족할 것이 요구된다. 250Hv보다 낮은 경도일 경우에는 냉간압하율에 관계 없이 성분 조정만으로 가능하며 스크래치에 대한 저항성이 없다. 반면, 410Hv보다 높은 경도의 소재는 코일 권취 시 스프링백이 발생하여 제조 난이도가 매우 높아지므로, 제조 실수율이 현저히 감소하게 된다.
상술한 바와 같이, 스테인리스강의 경도는 성분원소와 냉간가공 이력에 크게 영향을 받으며, 본 발명에서는 내스크래치 저항성을 가지는 경도를 얻기 위한 성분원소 및 냉간압하율의 관계를 다양한 실험을 통해 하기 식 (1)과 같이 도출할 수 있었다. 식 (1)에서, 경도(Hv)는 비커스(Vickers)경도이며, C, Si, Cr, Mn, Ni, N, Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미하며, CRR(Cold rolling Reduction Ratio)은 냉간압연에서의 압하율(%)을 의미한다.
(1) 122 - 23939*C + 376*Si + 44*Cr + 2.62*Mn - 36*Ni + 54*N - 43*Cu + 2.85*CRR
한편, 대표적인 오스테나이트계 스테인리스강으로 양식기, 건자재, 화학용기 등으로 널리 사용되는 STS304 강은, 오스테나이트계 스테인리스강이나 냉간가공 중에는 오스테나이트상이 마르텐사이트상으로 변태를 일으키는 준안정 오스테나이트 미세조직을 갖고 있다. 냉간가공 중 발생하는 이러한 상변태는 마르텐사이트상의 특성으로 인하여 내식성에 치명적인 악영향을 미치게 된다.
따라서 본 발명에서 제공하고자 하는 내식성이 우수한 고경도 오스테나이트계 스테인리스강의 경우에는 냉간가공 중 마르텐사이트상으로의 상변태가 없어야 한다. 이를 위하여 본 발명에서는 각 성분원소의 함량(중량%)으로 하기 식 (2)로 표현되는 Md30의 값이 -150 이하를 만족한다.
(2) Md30 = 551 - 462*(C+N) - 9.2*Si - 8.1*Mn - 13.7*Cr - 29*(Ni+Cu) - 18.5*Mo + 1.42
즉, Md30 값이 -150 이하일 경우, 오스테나이트상이 안정하여 냉간가공 중에도 마르텐사이트상으로 상변태가 일어나지 않고, 그에 따라 상변태에 의한 내식성 저하가 발생하지 않음을 의미한다.
또한, 냉간가공에 의한 마르텐사이트 상변태가 일어나지 않음으로써, 냉간가공 후에도 마르텐사이트 상분율이 0.5% 미만일 수 있다. 면심입방형 구조로 자성을 띄지 않는 오스테나이트상으로 99.5% 이상 이루어진 본 발명의 스테인리스강은 비자성 특성을 나타낼 수 있다.
일반적으로 오스테나이트 스테인리스강의 내식성을 나타내는 지표로서 Cr, Mo, N 함량의 조합으로 계산되는 내공식당량지수(PREN)를 적용하게 된다. STS304의 경우에는 20 이하의 값을 가지며, STS316L의 경우에는 22 내지 24의 값을 갖게 된다. 따라서, 본 발명에서 제공하고자 하는 고경도 오스테나이트계 스테인리스강의 내식성은 내공식당량지수를 기준으로 23 이상이 되어야 STS316L 동등 이상의 내식성을 가질 수 있음을 알 수 있다.
반면, 내공식당량지수를 높이기 위해서는 Cr, Mo, N 함량의 증가가 필요하다. 그러나, Cr 및 Mo의 함량이 높아질 경우, σ상 등의 금속간 화합물 석출이 조장되어 취성을 유발하며 오히려 내식성을 저하시킬 우려가 있으며, N 함량이 높아질 경우에는 강의 열간 변형저항 상승 및 열간가공성 저하로 제조 실수율의 하락을 야기시킨다. 따라서 이러한 사항을 고려하였을 때, 내공식당량지수의 값은 28을 넘지 않도록 하는 것이 중요하다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 내식성이 우수한 고경도 오스테나이트계 스테인리스강은, 하기 식 (3)으로 표현되는 내공식당량지수(PREN) 값이 23 내지 28 범위를 만족할 수 있다.
(3) PREN = Cr + 3.3*Mo + 16*N
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
실시예
표 1에 기재된 합금조성을 가지는 강을 진공유도용해로에서 용해한 후, 열간압연을 실시하고, 용체화 열처리를 1,100 내지 1,150℃ 구간에서 실시하여 두께 5㎜의 열간압연 판재를 제조하였다.
강종 L은 STS316L을 비교예로 사용하였다.
구분 조성(중량%)
C Si Mn Cr Ni Mo Cu N
발명예 A 0.031 1.00 1.0 20.3 12.1 0.0 0.0 0.177
B 0.030 1.00 1.0 20.7 11.1 0.0 2.0 0.178
C 0.031 0.99 2.0 20.3 10.9 0.0 1.0 0.180
D 0.032 1.01 2.9 20.7 10.0 0.0 2.0 0.172
E 0.031 0.97 3.0 21.0 10.9 0.0 2.0 0.133
F 0.030 1.00 2.0 21.6 13.7 0.0 1.0 0.125
G 0.045 1.95 1.5 23.8 15.0 0.0 1.5 0.223
H 0.032 1.35 1.5 21.7 14.5 0.0 1.5 0.287
비교예 I 0.031 2.50 2.5 21.5 13.7 0.0 1.0 0.178
J 0.028 1.00 2.0 21.3 13.5 0.0 2.5 0.214
K 0.030 0.80 1.8 21.5 12.9 0.0 1.5 0.312
L 0.020 0.50 1.2 16.5 10.1 2.0 0.3 0.030
이후 냉간압하율 50%, 60%로 냉간압연을 실시한 후, 소둔 열처리 없이 비커스 경도를 측정하였다. 비켜스 경도는 시편의 단면을 연마한 후 다이아몬드 팁으로 가압하여, 현미경으로 관찰한 압입흠의 내경을 경도로 환산하였다.
표 2에는 실시예 강종의 성분에 따른 Md30 값과 내공식당량지수(PREN), 냉간압연 압하율에 따른 경도(Hv) 및 압하율 60% 냉간압연 전/후의 마르텐사이트 상분율이 기재되어 있다.
구분 Md30 PREN 경도(Hv) 열간압연에지크랙발생여부 마르텐사이트상분율(%)
압하율0% 압하율50% 압하율60% 냉연전 냉연후
발명예 A -190.0 23.1 201 368 382 × 0.0 0.0
B -224.5 23.5 200 360 366 × 0.0 0.0
C -193.3 23.2 206 364 380 × 0.0 0.0
D -206.0 23.5 207 350 371 × 0.0 0.0
E -219.2 23.1 200 339 353 × 0.0 0.0
F -266.1 23.6 205 337 356 × 0.0 0.0
G -406.0 27.4 224 355 396 × 0.0 0.0
H -380.8 26.3 237 382 403 × 0.0 0.0
비교예 I -308.2 24.3 209 342 372 ○ 0.0 0.0
J -340.6 24.7 210 378 399 ○ 0.0 0.0
K -339.7 26.5 248 392 412 ○ 0.0 0.0
L -49.7 23.6 149 353 364 × 0.2 11.1
표 2에 나타난 바와 같이, 발명예 A~H는 경도 250 내지 410Hv 만족하고 있음을 알 수 있다. 도 1은 식 (1)에 따른 예측 경도값과 실측 경도값의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 예측 경도값(식 (1))은 소재의 실제 경도를 잘 예측하고 있으며, 통계적으로 98.8%의 적중율을 나타내는 것으로 확인되었다.
또한, 발명예 A~H는 식 (2)로 계산되는 Md30 값이 -150 이하를 만족하여, 압하율 60%로 냉간압연 수행 전/후의 마르텐사이트상의 분율 증가도 없는 것으로 나타났다.
비교예 L로 사용된 316L 강종은 압하율 50% 및 60%로 냉간압연 후 소재의 경도가 본 발명이 목적하는 범위를 만족하였으나, 316L 강종의 조성으로는 식 (2)의 Md30 범위를 만족하지 못하여 압하율 60% 냉간압연에 의해 마르텐사이트 상분율이 11.1%까지 증가함을 알 수 있었다.
한편, 발명예 A~H는 비교예 L의 316L 대비 내공식당량지수(PREN)도 동등 이상 수준을 나타내어, 내식성 저하는 없을 것으로 판단되었다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발명예 및 비교예의 열간 압연 후 에지 크랙 발생 여부를 나타내는 사진이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 비교예 I, J, K는 본 발명의 Md30, PREN 및 경도 범위를 만족하나, 각각 Si 함량이 2.0% 초과, Cu 함량이 2.0% 초과, N 함량이 0.3% 초과하여 열간압연 시 에지 크랙(Edge crack)이 다수 발생하였는바 열간가공성 저하에 의해 판재 제조가 어려운 것으로 확인되었다.
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 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 경도 향상에 따른 스크래치 저항성 향상 및 냉간 성형에 관계 없이 우수한 내식성을 유지할 수 있어, 각종 가전기기 또는 장치에 사용되는 외장부품용으로 적용이 가능하다.

Claims (4)

  1. 중량%로, C: 0.05% 이하, Si: 0.5 내지 2.0%, Mn: 3.0% 이하, Cr: 20 내지 24%, Ni: 10 내지 15%, Cu: 2.0% 이하, N: 0.1 내지 0.3%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 식 (1)로 표현되는 경도(Hv)가 250 내지 410 범위를 만족하는 내식성이 우수한 고경도 오스테나이트계 스테인리스강.
    (1) 122 - 23939*C + 376*Si + 44*Cr + 2.62*Mn - 36*Ni + 54*N - 43*Cu + 2.85*CRR
    (여기서, C, Si, Cr, Mn, Ni, N, Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미하며, CRR은 냉간압하율(%)을 의미한다)
  2. 제1항에 있어서,
    하기 식 (2)로 표현되는 Md30 값이 -150 이하를 만족하는 내식성이 우수한 고경도 오스테나이트계 스테인리스강.
    (2) Md30 = 551 - 462*(C+N) - 9.2*Si - 8.1*Mn - 13.7*Cr - 29*(Ni+Cu) - 18.5*Mo + 1.42
    (여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, Mo는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스테인리스강은,
    미세조직의 마르텐사이트 상분율이 0.5 부피% 미만인 내식성이 우수한 고경도 오스테나이트계 스테인리스강.
  4. 제1항에 있어서,
    하기 식 (3)으로 표현되는 내공식당량지수(PREN)가 23 내지 28 범위를 만족하는 내식성이 우수한 고경도 오스테나이트계 스테인리스강.
    (3) PREN = Cr + 3.3*Mo + 16*N
    (여기서, Cr, Mo, N는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다)
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