WO2019112152A1 - 성형성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 - Google Patents

성형성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 Download PDF

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WO2019112152A1
WO2019112152A1 PCT/KR2018/010692 KR2018010692W WO2019112152A1 WO 2019112152 A1 WO2019112152 A1 WO 2019112152A1 KR 2018010692 W KR2018010692 W KR 2018010692W WO 2019112152 A1 WO2019112152 A1 WO 2019112152A1
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stainless steel
austenitic stainless
value
aging
steel
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PCT/KR2018/010692
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김상석
박미남
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주식회사 포스코
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    • 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
    • C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
    • C21D8/02—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips
    • C21D8/04—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of plates or strips to produce plates or strips for deep-drawing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
    • C22C38/42—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • 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 moldability and anti-aging crack resistance without causing defects such as aging cracking or delayed fracture even after three or more stages of forming in a sequential multi-stage deep drawing die.
  • Austenitic stainless steels are highly sintered, but delayed fracture, such as aging cracks, occurs when the processing rate exceeds the limit. Aging cracks occur several minutes to several months after deep drawing, and proceed linearly in the drawing direction, but microscopically, they proceed in zigzag form regardless of grain boundary or mouth.
  • the effects of the austenitic stabilization (Md30), residual stress, processing conditions, and the amount of hydrogen in the steel are influential factors on the aging crack, but it is most preferable to control the austenite stabilization degree from a manufacturing viewpoint.
  • Patent Document 0001 Japanese Laid-Open Patent Application No. 2008-169423 (2008.07.24.)
  • the present invention provides a method of controlling alloying elements within the range of the compositional standard of steel grade 304, which is superior in formability and aging resistance cracking property that does not cause aging cracks even after three or more stages of molding in sequential multi- Based stainless steel.
  • an austenitic stainless steel excellent in moldability and material strength is to be provided.
  • the austenitic stainless steels excellent in moldability and anti-aging cracking properties include 0.01 to 0.04% of C, 0.1 to 1.0% of Si, 0.1 to 2.0% of Mn, 0.1 to 2.0% of Cr, : 16 to 20%, Ni: 6 to 10%, Cu: 1 to 2%, Mo: 0.2% or less, N: 0.035 to 0.07%, balance Fe and unavoidable impurities,
  • the Md30 value satisfies the range of -30 to -10
  • the work hardening index n value at the true strain of 0.3 satisfies the range of 0.4 to 0.45
  • the limited drawing ratio is 2.15 or more.
  • C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, and Mo mean the content (weight%) of each element.
  • the stainless steel may satisfy the following formulas (2) and (3).
  • C, N, and Cu mean the content (weight%) of each element.
  • the stainless steel may have a yield strength of 230 MPa or more, a tensile strength of 550 MPa or more, and an elongation of 55% or more.
  • aging cracks may not occur in the drawing process of three or more stages.
  • the austenitic stainless steel according to the embodiment of the present invention has excellent moldability to manufacture a design sink and a styling machine and may not cause aging cracks after 24 hours even in a deep draw forming with three or more steps.
  • Fig. 1 is a cross-sectional view schematically showing drawing forming using a punch.
  • LDR limited drawing ratio
  • the austenitic stainless steels excellent in moldability and anti-aging cracking properties include 0.01 to 0.04% of C, 0.1 to 1.0% of Si, 0.1 to 2.0% of Mn, 0.1 to 2.0% of Cr, : 16 to 20%, Ni: 6 to 10%, Cu: 1 to 2%, Mo: 0.2% or less, N: 0.035 to 0.07%, balance Fe and unavoidable impurities,
  • the Md30 value satisfies the range of -30 to -10
  • the work hardening index n value at the true strain of 0.3 satisfies the range of 0.4 to 0.45
  • the limited drawing ratio is 2.15 or more.
  • C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, and Mo mean the content (weight%) of each element.
  • Fig. 1 is a cross-sectional view schematically showing drawing-forming using a punch.
  • Drawing refers to a process of forming a blank container without any defects such as wrinkles and fractures while dragging the blank material into the die 2 as shown in Fig. 1, This is particularly called deep drawing when the depth h is deeper than the diameter d of the container and drawing of two or more stages is required.
  • the circular blank After raising a circular blank on the drawing die 2, the circular blank is pressed with a suitable pressure with the blank holder 3. 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 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, the flange portion 30 has an increased thickness.
  • 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. Since the side wall portion 20 is also drawn while being pulled up and down along the side surface of the die 2, the thickness of the workpiece is reduced and the workpiece is hardened by the work hardening.
  • the bottom face portion 10 and the side wall portion 20 of the blank have a fracture limit of [high strength x thin thickness due to work hardening], so that the deformation concentrates on the portion having low strength at the time of drawing, Occurs. This is more likely to occur on the bottom surface or the side surface of the molded article having a reduced thickness during the multi-step deep drawing forming, and appears as an aging crack after a predetermined time.
  • a stainless steel material excellent in aging crack resistance is provided by controlling the work hardening index according to C + N, Cu / (C + N) and Md30 within the range of compositional standard of STS304 steel grade.
  • the austenitic stainless steel according to one embodiment of the present invention is excellent in moldability and anti-aging crack resistance, and contains 0.01 to 0.04% of C, 0.1 to 1.0% of Si, 0.1 to 2.0% of Mn, 0.1 to 2.0% of Mn, : 6 to 10%, Cr: 16 to 20%, Cu: 1 to 2%, N: 0.035 to 0.07%, Mo: 0.2% or less, the balance Fe and unavoidable impurities.
  • the unit is wt%.
  • the content of C is 0.01 to 0.04%.
  • C is an austenite phase stabilizing element
  • C is stabilized, the austenite phase is stabilized. It is necessary to add 0.01% or more, but when it is contained more than 0.04%, the modified organic martensite is hardened, Causing season cracks.
  • the content of Si is 0.1 to 1.0%.
  • Si in the steel is added as a deoxidizer in the steelmaking process.
  • Si-oxide is formed in the passive film when the steel is subjected to a bright annealing process, thereby improving the corrosion resistance of the steel.
  • the ductility of the steel is deteriorated when it exceeds 1.0%.
  • the content of Mn is 0.1 to 2.0%.
  • Mn in the steel is more stable as the austenite phase stabilizing element increases the stability of the austenite phase to 0.1% or more, but if it is added excessively, the corrosion resistance is impaired and is limited to 2% or less.
  • the content of Cr is 16.0 to 20.0%.
  • Cr is an indispensable element for improvement of corrosion resistance. It is necessary to add at least 16.0% of Cr in order to secure corrosion resistance in atmospheric environment and sink application. However, when added excessively, Cr is hardened and formability such as deep drawability is disadvantageous , So it is limited to 20.0%.
  • the content of Ni is 6.0 to 10.0%.
  • the content of Cu is 1.0 to 2.0%.
  • Cu in the steel is an austenite phase stabilizing element, and as the amount thereof is increased, the austenite phase is stabilized and the effect of suppressing work hardening due to the generation of modified organic martensite is suppressed, so that 1.0% or more is added. However, if it is added in an amount exceeding 2.0%, corrosion resistance is lowered and cost is increased.
  • the content of Mo is 0.2% or less.
  • Mo in the steel has the effect of improving the corrosion resistance and workability when added, but excessive addition is accompanied by an increase in cost, so it is limited to 0.2% or less.
  • the content of N is 0.035 to 0.07%.
  • N in the steel is more added as an austenite phase stabilizing element, it is necessary to add 0.035% or more in order to stabilize the austenite phase and to improve the strength of the material.
  • N is contained in an amount exceeding 0.07%, the modified organic martensite is hardened And cause aging cracks at the sites that are severely deformed during molding.
  • the austenitic stainless steel excellent in moldability and anti-aging resistance satisfies the above-mentioned alloy composition and the Md30 value represented by the following formula (1) in the range of -30 to -10.
  • the work hardening index n value at a true strain of 0.3 satisfies the range of 0.4 to 0.45
  • the limited drawing ratio (LDR) is 2.15 or more.
  • the critical drawing ratio means the ratio (D / D ') of the maximum diameter of material (D) to the diameter of punch (D').
  • Md30 the temperature (° C) at which 50% of the phase transformation to the martensite occurs when 30% deformation is given.
  • Md30 value the temperature at which 50% of the phase transformation to the martensite occurs when 30% deformation is given.
  • Md30 value is high, it is easy to produce the processed organic martensite phase.
  • Md30 value is low, it can be judged that it is relatively difficult to produce the processed organic martensite phase.
  • the Md30 value is used as an index for determining the austenite stabilization degree of a conventional metastable austenitic stainless steel.
  • the Md30 value When the Md30 value is less than -30, sufficient work hardening can not be achieved in the molding and the elongation rate is lowered. On the other hand, when the Md30 value is more than -10, excessive work hardening occurs during molding, and the work hardening index n value exceeds 0.45 and the LDR is low to 2.1 level. Further, a large amount of martensitic transformation occurs to cause aging cracks.
  • FIG. 2 is a graph showing the work hardening index n value at a true strain rate of 0.3 according to the Md30 value
  • FIG. 3 is a graph showing the LDR (Limited Drawing Ratio) according to the Md30 value. 2 and 3, it can be seen that when the Md30 value is -10 or less, the work hardening index n at the true strain rate 0.3 satisfies the range of 0.4 to 0.45 and the LDR is 2.15 or more.
  • FIG. 4 is a graph showing the elongation according to the Md30 value. Referring to FIG. 4, it can be seen that the elongation is 55% or more when the Md30 value is -30 or more.
  • 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 STS304 material standard can not be guaranteed, and in the present invention, excellent material strength And to develop a steel that can be secured.
  • the austenitic stainless steel according to one embodiment of the present invention can satisfy the following formulas (2) and (3).
  • the austenitic stainless steel according to the present invention can exhibit a yield strength (YS) of 230 MPa or more,
  • the tensile strength (TS) of 550 MPa or more can be controlled by controlling the amount of martensitic transformation.
  • FIG. 5 is a graph showing the yield strength according to the C + N value
  • FIG. 6 is a graph showing the tensile strength according to the Cu / (C + N) value. 5 and 6, when the C / N value is 0.06% or more, the yield strength (YS) is 230 MPa or more and the tensile strength (TS) is 550 MPa or more when the Cu / (C + N) .
  • aging cracks may not occur in a drawing process of three or more stages during deep drawing.
  • deep draw forming means that a depth h is deeper than a diameter d of a molded article container, and a drawing process of two or more steps is required.
  • aging cracks do not occur after 24 hours even after three or more stages of deep drawing molding.
  • no aging cracks are generated in the molded article even after the fourth- or fifth-stage drawing forming.
  • 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 4 are all austenitic stainless steels satisfying the alloy composition, C + N: not less than 0.06%, Cu / (C + N): not more than 25, and Md30: -10 to -30. On the other hand, some or all of the comparative steels 1 to 5 are out of the above range.
  • inventive steels 1 to 4 satisfied all of the alloy composition of the present invention and the equations (1) to (3), and the work hardening index n value, elongation and LDR were within the desired range And the strength of the material was also excellent.
  • inventive steels 3 and 4 and the comparative steels 1, 2, 4, and 5 were subjected to multi-step deep draw forming twice. Two deep-draw forming processes were performed in four stages and five stages, respectively.
  • Four-step deep drawing molding was performed by drawing a blank having a diameter (PHI) of 85 mm by a four-stage punch having a diameter of 50 mm, a diameter of 38 mm, a diameter of 30 mm, and a length of 3 mm and a depth of 5 mm.
  • a blank having a diameter of 80 mm was drawn by one step of 50 mm in diameter?, Two in 38 mm, three in 30 mm, four in 24 mm and five in 20 mm punches.
  • Table 3 shows whether aging cracks occurred in each drawing step after the processed molded article was stored for 24 hours.
  • FIG. 2 is a graph showing the work hardening index n value at a true strain rate of 0.3 according to the Md30 value
  • FIG. 7 is a graph showing martensite production amount of the bottom surface according to the Md30 value of the deep drawing molded article.
  • the martensite phase fraction of the bottom surface of the comparative steel 1 was measured to be about 29%, and in the evaluation of the age cracking by the multi-stage deep drawing molding, the residual stress was concentrated at the tip of the molded article at three or more stages, causing aging cracks.
  • FIG. 3 is a graph showing a limited drawing ratio (LDR) according to the Md30 value.
  • LDR limited drawing ratio
  • the comparative steel 1 had an Md30 value of 6.3, which exceeded the upper limit of the present invention, resulting in excessive work hardening, so that the LDR did not satisfy 2.15 or more.
  • Table 3 it was found that aging cracks occurred in the evaluation of aging cracking by the multi-stage deep drawing molding at the third stage or more.
  • the comparative steels 2 and 3 had an Md30 value lower than the lower limit of the range of the present invention, so that sufficient work hardening could not be achieved and the elongation was less than 55%.
  • FIG. 5 is a graph showing the yield strength (YS) according to the C + N value. Referring to FIG. 5 and Table 2, it was confirmed that the comparative steels 4 and 5 did not satisfy the C + N value of 0.06% or more, and the yield strength was less than 230 MPa.
  • 6 is a graph showing tensile strength (TS) according to Cu / (C + N) value. 6 and Table 2, the comparative steels 3 to 5 showed a Cu / (C + N) value of 25 or more, indicating that the tensile strength was less than 550 MPa.
  • the austenitic stainless steel according to the present invention can prevent aging cracking during molding of a multi-step deep drawing or a sink having a small corner curvature, and thus can be highly molded.

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Abstract

본 발명은 순차적 다단 딥 드로잉 성형 시 3단 이상의 성형 후에도 시효균열 또는 지연파단 등의 결함이 발생하지 않는 성형성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 디자인 싱크 및 양식기를 제조할 수 있는 우수한 성형성을 가지며, 3단 이상의 딥 드로잉 성형에서도 24시간 후 시효균열이 발생하지 않을 수 있다. 또한, 항복강도 230MPa 이상, 인장강도 550MPa 이상을 확보하여 STS304 재질 규격을 만족할 수 있다.

Description

성형성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강
본 발명은 순차적 다단 딥 드로잉 성형 시 3단 이상의 성형 후에도 시효균열 또는 지연파단 등의 결함이 발생하지 않는 성형성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다.
오스테나이트계 스테인리스강은 고가공성이지만, 가공율이 한계를 넘으면 시효균열이라는 지연파괴가 발생한다. 시효균열은 딥 드로잉 가공 후에 수분 내지 수개월 후에 발생하며, 드로잉 방향에 직선적으로 진행하지만 미시적으로 보면 입계 또는 입내에 관계없이 지그재그 형태로 진행한다. 시효균열에 미치는 영향인자는 오스테나이트계 안정화도(Md30), 잔류 응력, 가공 조건, 강 중 수소량 등이 영향을 미치지만, 제조 관점에서는 오스테나이트 안정화도를 제어하여 관리하는 것이 가장 바람직하다.
이러한 문제점을 해결하고자 종래 Cu를 첨가하여 오스테나이트 안정화도를 강화한 304J1L 강이 개발되어 있지만, 2중량% 정도의 Cu가 첨가는 제조원가를 상승시켜 수요자에 큰 부담으로 작용하고 있다.
Schaller는 오스테나이트 안정화도가 다른 스테인리스 강판을 이용하여 안정화도에 따라 시효균열 발생 정도를 분석하였다. 특히 301 강종에 대한 평가를 통해 오스테나이트 안정화도에 따라 가공 중 생성되는 마르텐사이트량에 관한 기초 연구를 보고한 바 있다. 하지만, 상용 304 강종에 대한 자세한 정보 제공은 이루어지지 않았으며, 304 강종 성분범위 내에서 오스테나이트 안정화도 조정 및 304 재질규격(EN, KS)인 항복강도 230MPa 이상 및 인장강도 540MPa 이상을 만족하도록 요구하고 있어, 단순히 Cu, Ni을 첨가하여 연질화한 오스테나이트계 스테인리스강으로는 해법 제안에 한계가 있는 실정이다.
(특허문헌 0001) 일본 공개특허공보 제2008-169423호 (2008.07.24.)
상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 304 강종의 성분규격 범위 내에서 합금원소를 제어하여 순차적 다단 딥 드로잉 성형 시 3단 이상의 성형 후에도 시효균열이 발생하지 않는 성형성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
또한, 성형성과 동시에 재료 강도가 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 성형성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01 내지 0.04%, Si: 0.1 내지 1.0%, Mn: 0.1 내지 2.0%, Cr: 16 내지 20%, Ni: 6 내지 10%, Cu: 1 내지 2%, Mo: 0.2% 이하, N: 0.035 내지 0.07%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)로 표현되는 Md30 값이 -30 내지 -10 범위를 만족하며, 진변형률 0.3에서의 가공경화지수 n값이 0.4 내지 0.45 범위를 만족하며, 한계 드로잉비(Limited Drawing Ratio)가 2.15 이상이다.
(1) 551 - 462*(C+N) - 9.2*Si - 8.1*Mn - 13.7*Cr - 29*(Ni+Cu) - 18.5*Mo
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, Mo는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 하기 식 (2) 및 식 (3)을 만족할 수 있다.
(2) C + N ≥ 0.06
(3) Cu/(C+N)≤ 25
여기서, C, N, Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 항복강도 230MPa 이상, 인장강도 550MPa 이상 및 연신율 55% 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강의 딥 드로잉(Deep Drawing) 성형 시, 3단 이상의 드로잉 공정에서 시효균열이 발생하지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 디자인 싱크 및 양식기를 제조할 수 있는 우수한 성형성을 가지며, 3단 이상의 딥 드로잉 성형에서도 24시간 후 시효균열이 발생하지 않을 수 있다.
또한, 항복강도 230MPa 이상, 인장강도 550MPa 이상을 확보하여 STS304 재질 규격을 만족할 수 있다.
도 1은 펀치를 이용한 드로잉(Drawing) 성형을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 Md30 값에 따른 진변형율 0.3에서의 가공경화지수 n값을 나타내는 그래프이다.
도 3은 Md30 값에 따른 LDR(Limited Drawing Ratio)을 나타내는 그래프이다.
도 4는 Md30 값에 따른 연신율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 C+N 값에 따른 항복강도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 Cu/(C+N) 값에 따른 인장강도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 딥 드로잉 성형품의 Md30 값에 따른 바닥면의 마르텐사이트 생성량을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 성형성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01 내지 0.04%, Si: 0.1 내지 1.0%, Mn: 0.1 내지 2.0%, Cr: 16 내지 20%, Ni: 6 내지 10%, Cu: 1 내지 2%, Mo: 0.2% 이하, N: 0.035 내지 0.07%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)로 표현되는 Md30 값이 -30 내지 -10 범위를 만족하며, 진변형률 0.3에서의 가공경화지수 n값이 0.4 내지 0.45 범위를 만족하며, 한계 드로잉비(Limited Drawing Ratio)가 2.15 이상이다.
(1) 551 - 462*(C+N) - 9.2*Si - 8.1*Mn - 13.7*Cr - 29*(Ni+Cu) - 18.5*Mo
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, Mo는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
최근 제품의 의장성을 강조하는 트렌드에 따라, 복잡한 형상의 딥 드로잉 성형이 요구되는 싱크, 양식기 등의 니즈가 증가하고 있다. STS304 강종은 우수한 딥 드로잉성을 가지나, 다단 딥 드로잉 성형 시 시효균열(Season Crack)이 종종 발생한다. 이러한 점으로부터 다단 딥 드로잉 성형의 경우, 가공경화지수를 제어하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.
도 1은 펀치를 이용한 드로잉 성형을 모식적으로 나타낸 단면도이다.
드로잉(Drawing)이란 도 1에서 보는 바와 같이 블랭킹된 소재를 펀치(1)가 다이(2) 속으로 끌고 들어가면서 주름, 파단 등의 결함이 없고, 이음매가 없는 깨끗한 용기를 성형하는 가공을 말하는 것으로, 용기의 직경(d)에 비하여 깊이(h)가 깊어 2단 이상의 드로잉을 요할 때 이를 특히 딥 드로잉(Deep Drawing)이라 한다.
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, 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. 반대로, 드로잉 성형 시 펀치(1)의 저면을 감싸는 소재의 저면부(10)에서는 두께 감소가 수반되며, 이 부분의 응력 상태는 이축 인장 상태이다. 측벽부(20) 또한 다이(2)의 측면을 따라 상하로 인장되면서 드로잉되므로, 소재의 두께가 감소함과 동시에 가공경화에 의해 소재의 강도가 상승한다.
드로잉이 진행됨에 따라 블랭크의 저면부(10)와 측벽부(20)는 [가공경화에 의한 높은 강도 × 얇은 두께]의 파단한계를 가지게 되어, 드로잉 시 강도가 약한 부분에 변형이 집중되어 크랙이 발생한다. 이는 다단 딥 드로잉 성형 시 소재 두께가 얇아진 성형품의 바닥면 또는 측면에 더욱 발생하기 쉬우며, 일정시간 후에 시효균열로 나타나게 된다.
본 발명에서는 STS304 강종의 성분규격 범위 내에서 C+N, Cu/(C+N) 및 Md30에 따른 가공경화지수를 제어하여 시효균열 저항성이 우수한 스테인리스 강재를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 성형성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01 내지 0.04%, Si: 0.1 내지 1.0%, Mn: 0.1 내지 2.0%, Ni: 6 내지 10%, Cr: 16 내지 20%, Cu: 1 내지 2%, N: 0.035 내지 0.07%, Mo: 0.2% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 합금원소 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.01 내지 0.04%이다.
강 중 C는 오스테나이트상 안정화 원소로서 많이 첨가할수록 오스테나이트상이 안정화되는 효과가 있어 0.01% 이상 첨가할 필요는 있으나, 0.04% 이상 함유하면 변형유기 마르텐사이트를 경질화하여 성형 중에 심하게 변형된 부위에서 시효균열(season crack)을 발생시킨다.
Si의 함량은 0.1 내지 1.0%이다.
강 중 Si은 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% 초과 함유 시 강의 연성을 저하시키는 문제가 있다.
Mn의 함량은 0.1 내지 2.0%이다.
강 중 Mn은 오스테나이트상 안정화 원소로서 많이 함유할수록 오스테나이트상이 안정화되어 0.1% 이상 첨가하나, 과도하게 첨가하면 내식성을 저해하므로 2% 이하로 제한한다.
Cr의 함량은 16.0 내지 20.0%이다.
강 중 Cr은 내식성의 개선을 위한 필수 원소로 대기환경 및 싱크 용도에서의 내식성 확보를 위해 16.0% 이상 첨가하는 것이 필요하나, 과도한 첨가 시에는 소재를 경질화하고 딥 드로잉성 등의 성형성을 불리하게 저하시키므로 20.0%로 제한한다.
Ni의 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 6.0% 이상 첨가하는 것이 필요하다. 하지만 고가의 Ni을 과도하게 첨가하게 되면 비용 상승의 문제가 발생하여 10.0%로 제한한다.
Cu의 함량은 1.0 내지 2.0%이다.
강 중 Cu는 오스테나이트상 안정화 원소로서, 많이 첨가할수록 오스테나이트상이 안정화되어 변형유기 마르텐사이트의 발생에 기인하는 가공 경화의 억제하는 효과가 있어 1.0% 이상을 첨가한다. 그러나 2.0%를 초과하여 첨가하게 되면 내식성이 저하되는 문제 및 비용 상승의 문제가 있다.
Mo의 함량은 0.2% 이하이다.
강 중 Mo은 첨가 시 내식성과 가공성을 향상시키는 효과가 있지만, 과도한 첨가는 비용상승을 수반하므로 0.2% 이하로 제한한다.
N의 함량은 0.035 내지 0.07%이다.
강 중 N는 오스테나이트상 안정화 원소로서 많이 첨가할수록 오스테나이트상을 안정화시키는 효과 및 재료의 강도 향상을 위해 0.035% 이상 첨가할 필요는 있으나, 0.07%를 초과하여 함유하면 변형유기 마르텐사이트를 경질화하여 성형 중에 심하게 변형된 부위에서 시효균열을 발생시킨다.
대부분의 300계 오스테나이트 스테인리스강 소재는 변형 초반인 진변형율 10 내지 20%에서 0.3 내지 0.4 범위의 가공경화지수(n)를 가지지만, 오스테나이트 안정화도에 따라 변형 후반인 진변형율 30% 이상에서는 0.55 이상의 가공경화지수를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 성형성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은 상기 합금성분 조성과 함께 하기 식 (1)로 표현되는 Md30 값이 -30 내지 -10 범위를 만족한다. 또한, 진변형률 0.3에서의 가공경화지수 n값이 0.4 내지 0.45 범위를 만족하며, 한계 드로잉비(Limited Drawing Ratio, 이하 'LDR'이라 칭함)가 2.15 이상이다. 한계 드로잉비는 소재 최대 직경(D)과 펀치 직경(D')의 비(D/D')를 의미한다.
(1) 551 - 462*(C+N) - 9.2*Si - 8.1*Mn - 13.7*Cr - 29*(Ni+Cu) - 18.5*Mo
준안정 오스테나이트계 스테인리스강은, 마르텐사이트 변태 개시온도(Ms) 이상의 온도에서 소성가공에 의해 마르텐사이트 변태가 발생한다. 이러한 가공에 의해 상변태를 일으키는 상한 온도는 Md값으로 나타내며, 특히 30% 변형을 부여할 때 마르텐사이트로의 상변태가 50%가 일어나는 온도(℃)를 Md30이라 칭한다. Md30 값이 높으면 가공유기 마르텐사이트상의 생성이 쉬운 것에 반해 Md30 값이 낮으면 가공유기 마르텐사이트상의 생성이 상대적으로 어려운 강종으로 판단할 수 있다. 이러한 Md30 값을 통해 통상의 준안정 오스테나이트계 스테인리스강의 오스테나이트 안정화도를 판단할 수 있는 지표로 사용된다.
Md30 값이 -30 미만인 경우 성형 시 충분한 가공경화가 이루어지지 못해 연신율이 낮아진다. 반대로, Md30 값이 -10 초과인 경우 성형 시 과도한 가공경화가 발생하여 가공경화지수 n값이 0.45를 초과하며, LDR이 2.1 수준으로 낮게 나타난다. 또한, 마르텐사이트 변태가 다량 발생하게 되어 시효균열을 야기한다.
도 2는 Md30 값에 따른 진변형율 0.3에서의 가공경화지수 n값을 나타내는 그래프이며, 도 3은 Md30 값에 따른 LDR(Limited Drawing Ratio)을 나타내는 그래프이다. 도 2 및 도 3를 참조하면, Md30 값이 -10 이하일 때 진변형율 0.3에서의 가공경화지수 n값이 0.4 내지 0.45 범위를 만족하고 LDR이 2.15 이상임을 알 수 있다.
도 4는 Md30 값에 따른 연신율을 나타내는 그래프이다. 도 4를 참조하면, Md30 값이 -30 이상일 때 연신율 55% 이상을 나타냄을 알 수 있다.
한편, 성형 업체의 관점에서, 소재의 우수한 성형성도 중요하지만 각 국가별 재질규격을 보증하는 것이 필수적인 사안으로 대두될 때도 있다. Cu를 첨가하는 고성형 오스테나이트계 스테인리스강의 경우에도 STS304 재질규격인 재료의 강도를 보증하지 못하는 문제가 있어, 본 발명에서는 성형성 및 내시효균열 특성을 가짐과 동시에 재질규격을 만족하는 우수한 재료 강도 확보가 가능한 강재를 개발하고자 하였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 하기 식 (2) 및 식 (3)을 만족할 수 있다.
(2) C + N ≥ 0.06
(3) Cu/(C+N)≤ 25
식 (2)와 같이 C+N의 함량을 0.06% 이상으로 제어함으로써 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 항복강도(YS) 230MPa 이상을 나타낼 수 있으며, 식 (3)과 같이 Cu와의 관계를 제어함으로써 마르텐사이트 변태량을 조절하여 인장강도(TS) 550MPa 이상을 나타낼 수 있다.
도 5는 C+N 값에 따른 항복강도를 나타내는 그래프이며, 도 6은 Cu/(C+N) 값에 따른 인장강도를 나타내는 그래프이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, C+N 값이 0.06% 이상일 때 항복강도(YS)가 230MPa 이상이며, Cu/(C+N) 값이 25 이하일 때 인장강도(TS)가 550MPa 이상임을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 성형성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 딥 드로잉(Deep Drawing) 성형 시, 3단 이상의 드로잉 공정에서 시효균열이 발생하지 않을 수 있다.
상술한 바와 같이, 딥 드로잉 성형은 성형품 용기의 직경(d)에 비하여 깊이(h)가 깊어 2단 이상의 드로잉 공정이 요구되는 것을 말한다. 본 발명에 따른 스테인리스강은, 예를 들어, 3단 이상의 딥 드로잉 성형 후에도 24시간 후 시효균열이 발생하지 않는다. 특히, 4단 내지 5단 드로잉 성형 후에도 성형품에 시효균열이 발생하지 않는다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
성형성 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 Cr Ni Cu Mo N C+N Cu/(C+N)
발명강1 0.020 0.30 1.52 18.0 8.1 1.43 0.1 0.045 0.065 22.0
발명강2 0.021 0.82 1.50 18.2 8.1 1.43 0.1 0.045 0.066 21.7
발명강3 0.019 0.31 1.46 18.2 8.14 1.00 0 0.061 0.080 12.5
발명강4 0.019 0.31 1.51 18.2 8.15 1.27 0 0.043 0.062 20.5
비교강1 0.062 0.42 1.08 18.1 8.1 0.10 0.1 0.034 0.096 1.0
비교강2 0.057 0.30 1.53 18.4 8.2 1.39 0.1 0.045 0.102 13.6
비교강3 0.022 0.30 1.48 18.3 8.2 2.42 0.1 0.046 0.068 35.6
비교강4 0.021 0.29 1.52 18.3 8.19 1.70 0 0.032 0.053 32.1
비교강5 0.018 0.29 1.49 18.4 8.15 1.98 0 0.006 0.024 82.5
표 1에 나타난 발명강들 및 비교강들의 Md30 값과, 기계적 특성값인 항복강도(YS), 인장강도(TS), 연신율(EL) 및 한계 드로잉비(LDR)을 측정하여 아래 표 2에 나타내었으며, 진변형율 0.1, 0.2, 0.3, 0.4에서의 가공경화지수 n값을 측정하여 아래 표 2에 나타내었다.
구분 Md30 YS(MPa) TS(MPa) EL(%) LDR 진변형율(ε)에 따른 n값
ε=0.1 ε=0.2 ε=0.3 ε=0.4
발명강1 -18.8 239 562 56 2.16 0.404 0.446 0.436 0.359
발명강2 -26.7 250 575 58 2.18 0.393 0.444 0.439 0.413
발명강3 -15.0 253 580 56 2.16 0.398 0.437 0.422 0.367
발명강4 -15.2 236 562 57 2.16 0.408 0.448 0.424 0.393
비교강1 6.3 250 669 59 2.10 0.403 0.515 0.588 0.578
비교강2 -43.3 258 591 54 2.18 0.398 0.440 0.437 -
비교강3 -55.7 237 536 51 2.18 0.395 0.424 0.389 -
비교강4 -26.0 223 542 57 2.16 0.413 0.449 0.432 0.391
비교강5 -20.7 205 520 57 2.18 0.431 0.473 0.442 0.410
발명강 1 내지 4는 모두 합금조성, C+N: 0.06% 이상, Cu/(C+N): 25 이하, Md30: -10 내지 -30 범위를 만족하는 오스테나이트계 스테인리스강이다. 반면, 비교강 1 내지 5는 일부 또는 전부가 상기 범위를 벗어난다.
표 1 및 표 2에 기재된 바와 같이, 발명강 1 내지 4는 본 발명의 합금조성 및 식 (1) 내지 (3)을 모두 만족하여 가공경화지수 n값, 연신율, LDR이 목적하는 범위 내로 나타났으며, 재료의 강도 또한 우수하게 나타났다.
시효균열 평가
발명강 3, 4 및 비교강 1, 2, 4, 5에 대하여, 다단 딥 드로잉 성형을 2회 실시하였다. 2회의 딥 드로잉 성형은 각각 4단과 5단으로 실시하였다.
4단 딥 드로잉 성형은 직경(Φ) 85mm의 블랭크(Blank)를 직경(Φ) 50mm의 1단, 38mm의 2단, 30mm의 3단, 24mm의 4단 펀치로 드로잉하였으며, 5단 딥 드로잉 성형은 직경(Φ) 80mm의 블랭크를 직경(Φ) 50mm의 1단, 38mm의 2단, 30mm의 3단, 24mm의 4단, 20mm의 5단 펀치로 드로잉하였다. 가공이 완료된 성형품을 24시간 보관 후 각 드로잉 단계에서의 시효균열 발생여부를 아래 표 3에 나타내었다.
이어서 딥 드로잉된 성형품의 바닥면의 변형유기 마르텐사이트 양을 페라이트스코프(ferrite-scope)를 이용하여 측정하였으며, 이를 도 7에 나타내었다.
구분 Φ85 블랭크 Φ80 블랭크
1단 2단 3단 4단 1단 2단 3단 4단 5단
발명강3 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
발명강4 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
비교강1 ○ ○ × × ○ ○ × × ×
비교강2 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
비교강4 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
비교강5 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
○는 시효균열 미발생을, ×는 시효균열 발생을 의미한다.
도 2는 Md30 값에 따른 진변형율 0.3에서의 가공경화지수 n값을 나타내는 그래프이며, 도 7은 딥 드로잉 성형품의 Md30 값에 따른 바닥면의 마르텐사이트 생성량을 나타내는 그래프이다. 도 2, 도 7 및 상기 표 2, 표 3을 참조하면, 비교강 1은 Md30 값이 6.3으로 본 발명 범위의 상한을 벗어나 과도한 가공경화가 발생하는 것을 알 수 있었으며, 이는 성형 시에 준안정 오스테나이트에서 마르텐사이트 변태가 다량으로 발생되는 것을 의미한다. 비교강 1의 성형품 바닥면의 마르텐사이트상 분율은 약 29%로 측정되었으며, 다단 딥 드로잉 성형에 의한 시효균열 평가에서도 3단 이상에서 성형품의 선단에 잔류응력이 집중되어 시효균열을 야기하였다.
도 3은 Md30 값에 따른 LDR(Limited Drawing Ratio)을 나타내는 그래프이다. 도 3 및 상기 표 2를 참조하면, 비교강 1은 Md30 값이 6.3으로 본 발명 범위의 상한을 벗어나 과도한 가공경화가 발생하여 LDR이 2.15 이상을 만족하지 못하였다. 또한, 표 3에 나타난 바와 같이 다단 딥 드로잉 성형에 의한 시효균열 평가에서도 3단 이상에서는 시효균열이 발생함을 알 수 있었다.
도 4는 Md30 값에 따른 연신율을 나타내는 그래프이다. 도 4 및 상기 표 2를 참조하면, 비교강 2 및 3은 Md30 값이 본 발명 범위의 하한보다 낮아 충분한 가공경화가 이루어지지 못해 연신율이 55% 미만으로 나타났다.
도 5는 C+N 값에 따른 항복강도(YS)를 나타내는 그래프이다. 도 5 및 표 2를 참조하면, 비교강 4 및 5는 C+N 값이 0.06% 이상을 만족하지 못하여 항복강도가 230MPa 미만으로 나타남을 확인할 수 있었다.
도 6은 Cu/(C+N) 값에 따른 인장강도(TS)를 나타내는 그래프이다. 도 6 및 표 2를 참조하면, 비교강 3 내지 5는 Cu/(C+N) 값이 25 이상을 나타내어 인장강도가 550MPa 미만으로 나타남을 확인할 수 있었다.
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 다단 딥 드로잉 또는 코너 곡률이 작은 싱크 등의 성형 시 시효균열을 방지할 수 있어, 고성형이 가능하다.

Claims (4)

  1. 중량%로, C: 0.01 내지 0.04%, Si: 0.1 내지 1.0%, Mn: 0.1 내지 2.0%, Cr: 16 내지 20%, Ni: 6 내지 10%, Cu: 1 내지 2%, Mo: 0.2% 이하, N: 0.035 내지 0.07%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 식 (1)로 표시되는 Md30 값이 -30 내지 -10 범위를 만족하며,
    진변형률 0.3에서의 가공경화지수 n값이 0.4 내지 0.45 범위를 만족하며,
    한계 드로잉비(Limited Drawing Ratio)가 2.15 이상인 성형성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
    (1) 551 - 462*(C+N) - 9.2*Si - 8.1*Mn - 13.7*Cr - 29*(Ni+Cu) - 18.5*Mo
    (여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, Mo는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 하기 식 (2) 및 식 (3)을 만족하는 성형성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
    (2) C + N ≥ 0.06
    (3) Cu/(C+N)≤ 25
    (여기서, C, N, Cu는 각 원소의 함량(중량%)를 의미한다)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스테인리스강은 항복강도 230MPa 이상, 인장강도 550MPa 이상 및 연신율 55% 이상인 성형성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스테인리스강의 딥 드로잉(Deep Drawing) 성형 시,
    3단 이상의 드로잉 공정에서 시효균열이 발생하지 않는 것을 특징으로 하는 성형성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
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