WO2022139275A1 - 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 - Google Patents

내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 Download PDF

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  • the content of N is 0.15 to 0.25%.
  • the content of Cu is greater than 0 and 1%.

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Abstract

내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강이 개시된다. 본 발명에 따른 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.05%이하(0은 제외), Si: 0 초과 2%, Mn: 0 초과 2%, S: 0.01% 이하, Cr: 16 내지 22%, Ni: 9 내지 15%, Mo: 0 초과 3%, N: 0.15 내지 0.25%, B: 0.004 내지 0.06%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법
본 발명은 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 절삭성이 요구되고, 염수 등의 부식환경에서 사용될 수 있는 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
프레임, 챔버, 금형 등과 같은 기계부품에 사용되는 오스테나이트 스테인리스강은 밀링과 같은 절삭 가공을 통해 최종 형상으로 제조된다. 절삭 가공 시의 절삭 부하 저감, 절삭 속도 향상 및 공구 수명 향상을 위해서는 스테인리스강 소재의 절삭성이 요구된다.
절삭성이 우수한 스테인리스강으로서는 강중에 Mn, S를 첨가하고 비금속 개재물인 MnS 화합물을 활용하여 절삭성을 향상시킨 강종이 널리 알려져 있다. 그러나 MnS 화합물은 염수와 같은 부식 환경에서 쉽게 용출되거나 공식을 발생시키는 시작점이 되어 스테인리스강의 내식성을 열화시키므로, MnS 화합물을 활용한 스테인리스강은 부식 환경에 노출되어 내식성이 요구되는 용도에서는 사용이 제한되는 문제가 있다. 이에 따라, 절삭성과 동시에 내식성을 확보할 수 있는 스테인리스강에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 일 측면은 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.05% 이하(0은 제외), Si: 0 초과 2%, Mn: 0 초과 2%, S: 0.01% 이하, Cr: 16 내지 22%, Ni: 9 내지 15%, Mo: 0 초과 3%, N: 0.15 내지 0.25%, B: 0.004 내지 0.06%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, BN 석출상이 10개 / 100x100μm2 이상 분포한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, MnS 석출상이 10개 / 100x100 μm2 이하로 분포할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 장축의 길이가 1μm 이상인 MnS 석출상이 10개 / 100x100 μm2 이하로 분포할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, Cu: 0 초과 1%를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 공식전위는 300mV 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법은 중량 %로, C: 0.05% 이하(0은 제외), Si: 0 초과 2%, Mn: 0 초과 2%, S: 0.01% 이하, Cr: 16 내지 22%, Ni: 9 내지 15%, Mo: 0 초과 3%, N: 0.15 내지 0.25%, B: 0.004 내지 0.06%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 1,150 내지 1,250℃에서 1시간 30분 이상 가열하는 단계; 가열된 강편을 열간 압연하는 단계; 및 압연된 압연재를 1,100 내지 1,250℃에서 30초 이상 유지하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은 내식성 및 절삭성을 동시에 확보할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 실시예7 및 비교예2의 열간압연 후 외관을 나타내는 사진이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 실시예7 및 비교예1의 스테인리스강의 단면을 SEM으로 관찰한 사진이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은 중량%로, C: 0.05% 이하(0은 제외), Si: 0 초과 2%, Mn: 0 초과 2%, S: 0.01% 이하, Cr: 16 내지 22%, Ni: 9 내지 15%, Mo: 0 초과 3%, N: 0.15 내지 0.25%, B: 0.004 내지 0.06%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, BN 석출상이 10개 / 100x100μm2 이상 분포한다.
본 명세서가 실시 예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시 예들 간에 중복되는 내용은 생략한다.
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.
이하, 본 발명을 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 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
본 발명에서는 내식성의 열화를 초래하는 MnS의 형성을 배제하여, MnS 석출상이 형성되지 않도록 하였다. 또한, MnS를 대체하여 절삭성을 향상시킬 수 있도록 BN 화합물을 도입하고자 하였다.
다만, 적정 수준을 초과하여 B를 첨가하면 판재를 생산하기 위한 열간압연 중에 파단이 일어나는 문제가 발생하므로, 본 발명의 발명자들은 다양한 실험을 통하여 열간압연 시 파단을 억제하면서, 절삭성 개선에 유효한 수준의 BN 형성을 위한 최적화된 B, N 및 그 밖의 다른 원소의 함량을 찾아내었다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은 중량 %로, C: 0.05% 이하(0은 제외), Si: 0 초과 2%, Mn: 0 초과 2%, S: 0.01% 이하, Cr: 16 내지 22%, Ni: 9 내지 15%, Mo: 0 초과 3%, N: 0.15 내지 0.25%, B: 0.004 내지 0.06%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
또한, Cu: 0 초과 1%를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 합금성분 원소 함량의 수치한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0 초과 0.05%이다.
C는 오스테나이트 형성 원소이고 불가피한 불순물로 작용하는 원소이다. C의 함량이 0.05%를 초과할 경우, 용접부 내식성을 저해할 수 있으므로, C의 함량을 0.05%로 제한한다.
Si의 함량은 0 초과 2%이다.
Si은 탈산제로서 첨가하고, 내식성을 향상시킬 수 있는 원소이다. 다만, Si의 함량이 2%를 초과할 경우, 인성을 저해할 수 있으므로, Si의 함량을 2% 이하로 제한한다.
Mn의 함량은 0 초과 2%이다.
Mn은 오스테나이트 안정화 원소이다. 다만, Mn의 함량이 2%를 초과할 경우, 내식성을 저해할 수 있으므로, Mn의 함량을 2% 이하로 제한한다.
S의 함량은 0.01% 이하이다.
S는 본 발명에서 배제하고자 하는 MnS 형성을 방지하기 위하여 함량을 0.01% 이하로 제한한다.
Cr의 함량은 16 내지 22% 이다.
Cr은 오스테나이트계 스테인리스 강의 내식성을 향상시키는 원소이다. Cr의 함량이 16% 미만일 경우, 전술한 효과를 나타내기 어렵고, Cr의 함량이 22%를 초과할 경우, 원료비의 상승과 인성의 저해를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Cr의 함량을 16 내지 22%로 제한한다.
Ni의 함량은 9 내지 15%이다.
Ni은 오스테나이트 안정화 원소이다. Ni의 함량이 9% 미만일 경우, 전술한 효과를 나타내기 어렵고, Ni의 함량이 15%를 초과할 경우, 원료비의 상승을 초래하므로, 본 발명에서는 Ni의 함량을 9 내지 15%로 제한한다.
Mo의 함량은 0 초과 3%이다.
Mo은 내식성을 향상시키는 원소이다. 다만, Mo의 함량이 3%를 초과할 경우, 원료비의 상승을 초래한다. 따라서, 본 발명에서는 Mo의 함량을 3%로 제한한다.
B의 함량은 0.004 내지 0.06%이다.
B는 BN을 확보하기 위해 첨가되는 원소이다. B의 함량이 0.004% 미만일 경우, 본 발명에서 목표로하는 충분한 BN을 형성시킬 수 없고, B의 함량이 0.06%를 초과할 경우, 열간압연 시 파단을 초래한다. 따라서, 본 발명에서는 B의 함량을 0.004 내지 0.06%로 제한한다.
N의 함량은 0.15 내지 0.25%이다.
N는 BN을 확보하기 위해 첨가되는 원소이다. B의 함량이 0.15% 미만일 경우, 충분한 BN을 형성시킬 수 없고, B의 함량이 0.25%를 초과할 경우, 강의 인성의 저해를 초래한다. 따라서, 본 발명에서는 N의 함량을 0.15 내지 0.25%로 제한한다.
Cu의 함량은 0 초과 1%이다.
Cu는 내식성을 향상시키는 원소로 본 발명에서는 필요에 따라 첨가한다. 다만, Cu의 함량이 1%를 초과할 경우, 열간 가공성이 열화될 수 있으므로, 본 발명에서는 Cu의 함량을 1%로 제한한다.
합금조성 외 잔부는 Fe이다. 본 발명의 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은 통상 강의 공업적 생산 과정에서 포함될 수 있는 기타의 불순물을 포함할 수 있다. 이러한 불순물들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 알 수 있는 내용이므로 본 발명에서 특별히 그 종류와 함량을 제한하지는 않는다.
본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 임의의 단면에서 장축의 크기가 1μm 이상인 MnS 석출상이 10개 / 100x100 μm2 이하로 분포한다. 이때, MnS 석출상은 Mn과 S의 합으로 50at.% 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에서는 내식성의 열화를 초래하는 MnS의 형성이 억제되므로, 내식성을 확보할 수 있고, 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 공식 전위는 300mV 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 임의의 단면에서 BN 석출상이 10개 / 100x100μm2 이상 분포한다. 이때, BN 석출상은 B와 N의 합으로 50at.% 이상을 포함할 수 있다. 본 발명에서는 MnS를 BN로 대체하므로 내식성의 열화를 억제하면서도 절삭성을 확보할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 그 제조방법은 특별히 제한되지 않는다. 다만, 일 실시예로써 다음과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다.
예를 들어, 중량 %로, C: 0.05% 이하(0은 제외), Si: 0 초과 2%, Mn: 0 초과 2%, S: 0.01% 이하, Cr: 16 내지 22%, Ni: 9 내지 15%, Mo: 0 초과 3%, N: 0.15 내지 0.25%, B: 0.004 내지 0.06%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 1,150 내지 1,250℃에서 1시간 30분 이상 가열하는 단계; 가열된 강편을 열간 압연하는 단계; 및 압연된 압연재를 1,100 내지 1,250℃에서 30초 이상 유지하는 단계;를 포함한다.
이때, 가열하는 단계는 가능한 한 많은 BN을 형성시키기 위한 공정으로, 1,150 내지 1,250℃에서 1시간 30분 이상 수행될 수 있다.
또한, 열간 압연은 두께 8mm까지 수행될 수 있으나, 그 두께는 용도에 따라 달라질 수 있으므로 이에 한정하지 않는다.
또한, 열간 압연 후 유지하는 단계는 BN을 재차 형성하기 위한 공정으로, 1,100 내지 1,250℃에서 30초 이상 수행될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
실시 예
하기 표 1의 합금 조성을 만족하는 합금을 용해 주조하고, 오스테나이트 스테인리스강 주편을 1,200℃에서 1시간 30분 동안 가열하였다. 이후, 가열된 주편을 두께 8mm이 되도록 열간 압연하였다. 이어서, BN 석출상을 형성하도록 열연재를 1,150℃의 온도에서 30초 이상 유지하여, 열연재 시편을 얻었다.
구분　 합금원소(중량%)
C Si Mn S Cr Ni Mo B N
비교예1 0.020 0.6 1.1 0.003 16.2 10.1 2.1 0.000 0.015
비교예2 0.020 0.6 1.1 0.003 16.2 10.2 2.1 0.031 0.018
비교예3 0.025 0.4 0.8 0.008 21.3 14.6 0.6 0.012 0.020
비교예4 0.018 0.6 1.5 0.240 17.4 10.9 2.0 0.001 0.023
비교예5 0.018 0.6 1.3 0.180 17.5 10.8 2.1 0.001 0.017
비교예6 0.022 0.4 0.8 - 21.4 9.3 0.6 0.001 0.210
실시예1 0.022 0.4 0.8 0.002 21.1 9.2 0.6 0.013 0.210
실시예2 0.027 0.4 0.8 0.002 21.8 9.3 0.6 0.058 0.200
실시예3 0.025 0.4 0.8 0.008 21.3 14.6 0.6 0.029 0.200
실시예4 0.022 0.4 0.8 0.002 19.2 12.3 0.6 0.004 0.200
실시예5 0.025 0.4 0.8 0.001 19.2 12.3 0.6 0.007 0.200
실시예6 0.024 0.4 0.8 0.003 19.4 12.3 0.6 0.014 0.160
실시예7 0.026 0.4 0.8 0.002 19.3 12.4 0.6 0.020 0.240
실시예8 0.025 0.4 0.8 0.002 19.3 12.3 0.6 0.028 0.200
실시예9 0.048 1.5 1.8 0.001 16.4 12.1 1.5 0.007 0.210
실시예10 0.022 1.8 1.5 0.001 16.3 12.1 2.6 0.008 0.200
실시예 1 내지 10과 비교예 1 내지 7의 열연재 시편에 대해 열간압연 후 판파단의 발생 여부를 관찰하고, 파단이 발생한 경우를 ○, 발생하지 않은 경우를 X로 하기 표2에 나타내었다.
　구분 열간압연 중 파단
비교예1 X
비교예2 ○
비교예3 ○
비교예4 X
비교예5 X
비교예6 X
비교예7 ○
실시예1 X
실시예2 X
실시예3 X
실시예4 X
실시예5 X
실시예6 X
실시예7 X
실시예8 X
실시예9 X
실시예10 X
표 2를 참조하면, 본 발명의 합금조성을 만족하는 실시예 1 내지 10은 열간압연 중 파단이 발생하지 않았다. 그러나, 비교예2는 B의 함량은 만족하였으나, N의 함량이 본 발명에서 제안하는 하한에 미치지 못하여, 열간압연 중 파단이 발생하였다.도 1a 및 도 1b는 각각 실시예7 및 비교예2의 열간압연 후 외관을 나타내는 사진이다. 도 1a를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예2는 강판의 외관이 파단 없이 양호함을 확인할 수 있다. 반면, 도 1b를 참조하면 비교예2는 B의 함량은 만족하였으나, N의 함량이 본 발명에서 제안하는 하한에 미치지 못하여, 열간압연 중 판 파단이 발생하였음을 확인할 수 있다.
비교예3도 B의 함량은 만족하였으나, N의 함량이 본 발명에서 제안하는 하한에 미치지 못하여, 열간압연 중 파단이 발생하였다.
이어서, 열간 압연 중 파단되지 않은 비교예 1 및 4 내지 6, 실시예 1 내지 10의 열연재 시편에 대해 BN 및 MnS 석출물을 관찰하고, 내식성 및 절삭성을 평가하여 하기 표3에 나타내었다.
BN 및 MnS 석출물은 판재의 임의의 절단면을 경면 연마한 후, 100x100 μm2 당 1μm 이상의 MnS 석출물 개수 및 100x100μm2당 BN 석출물 개수를 에너지 분산형 분광기(Energy Dispersive Spectrometer, EDS)가 부착된 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 통해 관찰하고, 그 개수를 나타내었다.
내식성은 공식전위에 의해 평가하였다. 공식전위는 3.5wt% NaCl을 함유한 수용액에 열연재 시편을 담그고 전극을 연결한 후, 전압을 인가하여 자연전위로부터 점차 전압을 상승시켰을 때 전류가 0.1mA에 도달하는 시점에서의 전압을 측정하여 나타내었다.
절삭성은 엔드밀을 사용하여 절삭 시, 절입 깊이 2mm, 절입 두께 5mm, 엔드밀 회전속도 2,000rpm의 조건에서 절삭 부하 토크를 측정하여 평가하였다. 다만, 절삭 환경은 변화할 수 있으므로 비교예1의 토크를 기준(100%)으로 하여 나타내었다.
구분　 100x100 μm2 당 1μm 이상
MnS 개수		 100x100μm2 당 BN 개수 공식전위
(mV)		 절삭 부하
(%)
비교예1 - - 550 100
비교예4 35 - 2 82
비교예5 15 - 50 80
비교예6 - - 1,000 105
실시예1 - 40 1,000 91
실시예2 - 205 1,000 81
실시예3 - 90 1,000 85
실시예4 - 11 1,000 94
실시예5 - 20 651 91
실시예6 - 54 510 90
실시예7 - 88 453 86
실시예8 - 150 329 84
실시예9 - 15 372 92
실시예10 - 21 567 93
표 2 및 표3을 참조하면, 본 발명의 합금조성을 만족하는 실시예 1 내지 10은 MnS 석출물을 형성하지 않으므로 공식전위가 300mV이상으로 내식성이 양호하고, BN 석출물이 100x100μm2 당 11개 이상으로 절삭 부하도 비교예1보다 낮게 나타나 절삭성도 확보하였음을 확인할 수 있다.도 2a 및 도 2b는 각각 실시예7 및 비교예1의 스테인리스강의 단면을 SEM으로 관찰한 사진이다. 도 2a를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예7은 본 발명에서 구현하고자 하는 BN이 다량 형성되었다는 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 2b를 참조하면, 비교예1은 BN을 형성할 수 있는 조건이 형성되지 않아 BN이 형성되지 않았다는 것을 확인할 수 있다. 일부 보이는 검은색 영역은 BN이 아닌 산화물로 보여진다.
반면, 비교예1은 MnS이 형성되지 않아 공식전위가 550mV로 내식성은 양호하였으나, B가 첨가되지 않아 BN이 형성되지 않았고 절삭 부하가 실시예에 비해 열위하였다.
비교예4는 MnS가 형성되어 절삭 부하는 낮았으나, N의 함량이 본 발명에서 제안하는 하한값에 미치지 못하여 충분한 BN이 형성되지 못하였고, 내식성이 열위하였다.
비교예5는 MnS가 형성되어 절삭 부하는 낮았으나, B 및 N의 함량이 본 발명에서 제안하는 하한값에 미치지 못하여 충분한 BN이 형성되지 못하였고, 내식성이 열위하였다.
비교예6은 MnS이 형성되지 않아 공식전위가 1000mV로 내식성은 양호하였으나, B의 함량이 본 발명에서 제안하는 하한값에 미치지 못하여 절삭 부하가 열위하였다.
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 일 예에 따르면, 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 중량%로, C: 0.05% 이하(0은 제외), Si: 0 초과 2%, Mn: 0 초과 2%, S: 0.01% 이하, Cr: 16 내지 22%, Ni: 9 내지 15%, Mo: 0 초과 3%, N: 0.15 내지 0.25%, B: 0.004 내지 0.06%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    BN 석출상이 10개 / 100x100μm2 이상 분포하는 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
  2. 제1항에 있어서,
    MnS 석출상이 10개 / 100x100 μm2 이하로 분포하는 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
  3. 제2항에 있어서,
    MnS 석출상의 장축의 길이가 1μm 이상인 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
  4. 제1항에 있어서,
    Cu: 0 초과 1%를 더 포함하는 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
  5. 제1항에 있어서,
    공식전위는,
    300mV이상인 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.
  6. 중량 %로, C: 0.05% 이하(0은 제외), Si: 0 초과 2%, Mn: 0 초과 2%, S: 0.01% 이하, Cr: 16 내지 22%, Ni: 9 내지 15%, Mo: 0 초과 3%, N: 0.15 내지 0.25%, B: 0.004 내지 0.06%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 1,150 내지 1,250℃에서 1시간 30분 이상 가열하는 단계;
    상기 가열된 강편을 열간 압연하는 단계; 및
    상기 압연된 압연재를 1,100 내지 1,250℃에서 30초 이상 유지하는 단계;를 포함하는 내식성과 절삭성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 제조방법.
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