KR100453911B1 - 열간가공성이 우수한 에프이-씨알-엔아이계 스테인레스강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고니켈 오스테나이트계 스테인레스강의 강중 개재물의 형상을 구상 또는 괴상으로 제어하고, 고온가열시 황 또는 저융점 황화합물 등이 입계내에 석출하는 것을 방지함으로서 열간가공성과 냉간확관성을 개선한 코니켈 오스테나이트계 스테인레스강에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은 중량 %로 C: 0.08% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, P: 0.025% 이하, S: 0.015% 이하, Cr: 15.0 - 25.0%, Ni: 10.0 - 20.0%, B: 0.001% 이하 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 구성된 Fe-Cr-Ni계 합금에 Ca 또는 Al 또는 Ti 중 적어도 어느 하나 이상이 첨가되어 초정감마 또는 감마단상 응고형태의 강중 S를 Ca-S계 화합물로 고정시켜 열간 가공성과 냉간확관율이 우수한 Fe-Cr-Ni계 스테인레스강을 제공한다.

Description

열간가공성이 우수한 에프이-씨알-엔아이계 스테인레스강{Fe-Cr-Ni Stainless Steel With High Hot Workability}

본 발명은 고니켈 오스테나이트계 스테인레스강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강중에 존재하는 개재물이 구상 또는 괴상으로 제어되고, 강괴의 고온 가열시의 입계석출물의 조성이 제어되어 있는 열간가공성 및 냉간확관성이 우수한 Fe-Cr-Ni계 스테인레스강에 관한 것이다.

스테인레스강 중에서 Fe-Cr-Ni계 강인 오스테나이트계 스테인레스강은 니켈과 크롬의 함유량이 높아 비자성을 띠며 내식성이 우수하기 때문에 전자부품, 정밀 가공부품, 일반화학설비, 차동차 배기가스 정화장치, 냉간성형품등 특수 용도로 널리 사용되고 있다.

오스테나이트계 스테인레스 강 중에서 정밀 부품의 가공용으로 사용되는 소재는 최종 성형품의 엄격한 외관규제 조건에 적합하여야 할뿐만 아니라 펀칭, 프레스 가공, 드로잉, 확관성등 다양한 가공특성을 만족하여야 한다.

그러나 고니켈 오스테나이트계 스테인레스강은 초정이 감마상으로 응고하기 때문에 불순원소들에 대한 고용도가 낮아 이들이 결정입계에 석출하여 열간압연을 어렵게 한다. 또한 정밀부품용 소재로 사용하기 위해서는 다양한 냉간가공 형태와 냉간가공성이 확보되어야 하나 고니켈 오스테나이트계 스테인레스강은 냉간확관성이나 드로잉성이 떨어지는 단점이 있다.

고니켈 오스테나이트계 스테인레스강의 열간가공성을 향상시키기 위한 기술로는 더블 슬래그 정련법과 재열재방식법이 알려져 있다.

더블 슬래그 정련법은 강중의 고용도가 낮아 입계석출의 원인이 되는 P와 S와 같은 불순개재물의 형성 원소를 저감시키는 것으로 이와 같이 함으로서 열간압연후 열연코일 표면에 발생하는 딱지성 결함을 저감시킬 수 있다. 그러나 이 방법은 불순물 형성원소를 제거할 때 특수 첨가 원소가 함께 제거되어 조성상의 문제가 발생 할뿐만 아니라 조업시간이 길어진다는 단점이 있다.

재열재방식법은 슬라브를 열간압연할 때 작은 압하율로 여러번 나누어 압연하는 방식으로서 먼저 슬라브를 20 - 50% 압하율로 열간압연하여 냉각한 후 다시 1차 압연된 강판을 재가열하여 최종 압연두께까지 압연하는 것이다. 그러나 이 방법으로 열연코일을 생산하더라도 코일표면에 딱지성 결함이 잔존하기 때문에 이것을 제거하기 위하여 최소 3-4회 정도의 표면연마를 해주어야만 한다는 문제점이 있다.

고니켈 오스테나이트계 스테인레스강의 냉간확관성이나 드로잉성을 개선하기 위한 기술로는 소재의 청정도를 높이거나 최종 열처리 공정에서 결정립을 크게 하는 방법이 알려져 있다. 그러나 소재의 청정도를 높이는 방법은 청정도를 향상시키기 위해서 소요되는 정련시간이 길어져 생산효율이 떨어지고, 결정립을 크게 하는 방법은 최종 성형품의 표면거칠기가 증가하여 연마와 같은 후공정이 요구된다는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고니켈 오스테나이트계 스테인레스강의 강중 개재물의 형상을 구상 또는 괴상으로 제어하고, 고온가열시 황 또는 저융점 황화합물 등이 입계내에 석출하는 것을 방지함으로서 열간가공성과 냉간확관성을 개선한 코니켈 오스테나이트계 스테인레스강을 제공하는데 있다.

도 1 은 본 발명에 의한 냉간 확관율을 시험하기 위한 실험장치를 나타내는 단면도이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량 %로 C: 0.08% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, P: 0.025% 이하, S: 0.015% 이하, Cr: 15.0 - 25.0%, Ni: 10.0 - 20.0%, B: 0.001% 이하 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 구성된 Fe-Cr-Ni계 합금에 Ca 또는 Al 또는 Ti 중 적어도 어느 하나 이상이 첨가되어 초정감마 또는 감마단상 응고형태의 강중 S를 Ca-S계 화합물로 고정시켜 열간 가공성과 냉간확관율이 우수한 Fe-Cr-Ni계 스테인레스강을 제공한다.

여기서 Ca의 첨가량은 0.015중량 % 이하이고, Al의 첨가량은 0.030중량 % 이하이며, 상기 Ti의 첨가량은 0.025중량 % 이하인 것이 바람직하다.

그리고 Ca와 Al의 첨가비 Ca/Al은 0.04 이상 일 경우에 보다 효과적으로 강중 선상 형태의 개재물을 구상형태로 변환시킬 수 있다.

이하 본 발명에 의한 고니켈 오스테나이트계 스테인레스 강에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 고니켈 오스테나이트계 스테인레스 강은 Fe-Cr-Ni계 합금에 소량의 Ca, Al, Ti를 첨가하여 강중 개재물의 형태를 선상형에서 구상형으로 변환시키도록 한 것에 그 특징이 있다.

본 발명에 의한 고니켈 오스테나이트계 스테인레스강의 기본 조성은 중량 %로 C: 0.08% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, P: 0.025% 이하, S: 0.015% 이하, Cr: 15.0 - 25.0%, Ni: 10.0 - 20.0%, B: 0.001% 이하 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 구성된다.

이와 같은 조성을 갖는 고니켈 오스테나이트계 스테인레스강은 일반적으로 개재물로서 (Fe-Cr-Mn)산화물, (Fe-Cr)·(Al-Mg-Ca)산화물, (Fe- Cr-Ca-Si-Al) 산화물, (Al-Ca-Si-Fe-Cr-Ti) 산화물, (Si-Cr-Fe) 산화물, (Fe,Cr,Mn)S, (Fe,Cr,Ti)S, Al-Ca·(Cr,Fe,Mn)S, (Al-Ca-Mg)산화물·(Fe,Cr,Mn)S 등을 포함하고 있으나 이들은 모두 선상 형태로 강중에 존재한다. 이러한 선상 형태의 개재물은 열간가공시 결정입계에 석출하여 열간가공성을 나쁘게 하는 원인이 되고 있다.

그러나 이러한 선상 형태의 개재물들은 본 발명에서와 같이 고니켈 오스테나이트계 스테인레스강의 기본조성에 Ca, Al, Ti를 첨가하게 되면, (Al-Ca-Mg) 산화물, (Al-Ca-Fe-Cr)산화물, (Al-Ca)산화물, (Ca-Al-Si-Fe- Cr-Ti) 산화물, (Ca-Mg-Fe-Cr-Ti)-S-산화물, (Ca-[Fe-Cr])-S 등과 같은 구상 형태의 개재물로 변환되게 된다.

본 발명에 의한 고니켈 오스테나이트계 스테인레스강에서 기본 조성으로 포함되는 원소들과 첨가물로 첨가되는 원소들의 첨가이유와 그 한정 이유에 대하여 설명한다.

탄소(C)는 담금질할 경우 적정한 강도를 확보하고 오스테나이트 상의 안정화를 시키는 역할을 하지만 적정량 이상 함유될 경우 입계부식을 유발하고 소재의 냉간가공성을 떨어뜨리므로 0.08% 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 탄소 첨가량을 필요 이상 첨가할 경우 필요한 경도를 초과하고 아울러 크롬탄화물 생성을 유발하여 내식성을 저하시킨다.

규소(Si)는 용강의 산소함량을 제어하기 위하여 적당량 필요하지만, 적정량 이상 투입시 오스테나이트 상의 안정도가 떨어지고 강의 강도가 너무 증가되므로 1.0% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

망간(Mn)은 오스테나이트 상의 안정화 원소이나 칼슘(Ca)에 의한 구상화를 억제하기 때문에 2.0% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

인(P)은 주조시 결정입계에 편석되어 강괴의 표면크랙이나 열간압연시 입계 터짐을 유발하여 외관결함을 발생시키기 때문에 0.025% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

황(S)은 황 또는 황 화합물 상태로 결정입계에 편석되어 내식성뿐만 아니라 표면품질을 저하시키며, 열간가공시 열간가공성을 해치므로 0.015% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr)은 스테인레스강의 내식 특성을 제어하는 중요원소로 첨가량이 작으면 내식성이 떨어지지만 고가의 원료이므로 너무 많이 첨가하면 제조비용이 증가하고 오스테나이트상의 안정성을 해치므로 15.0 - 25.0%를 첨가하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni)은 오스테나이트상의 안정화 원소로 매우 중요한 원소이며, 오스테나이트계 스테인레스강의 비자성을 특성을 나타내게 하고, 담금질 경도를 증가시키고 담금질 온도 영역을 확대시키는 원소이나 초정감마 상으로 응고하는 합금계를 유지하기 위하여 크롬/니켈의 당량비를 1.48로 제어하고 합금 제조 비용을 최소화 하기 위하여 10.0 - 20.0%로 첨가하는 것이 바람직하다.

보론(B)은 열연코일의 열간가공성을 향상시키는 원소이나 적정량 이상 첨가시 소둔후 냉각시 결정입계에 개재물의 석출을 유발하여 옥살산시엄시 바람직하지 않은 Dual 또는 Ditch 조직을 나타내므로 0.001% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al)은 용강중에 첨가하여 강중에 알루미늄 화합물을 형성하여 개재물을 구상화시키는 원소이나 강산화성 원소이므로 적정량 이상 첨가시 강의 청정도를 저하시키므로 0.030% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

칼슘(Ca)은 용강중에 첨가되면 용강에 용해된 일부 칼슘이 산소 또는 황과 결합하여 CaO 또는 CaS 화합물 형성하며 응고시 강중의 S를 고정시키고 개재물의 형상을 구상화시키는 효과가 있으므로 0.015% 이하 첨가하는 것이 바람직하다.

여기서 칼슘과 알루미늄은 모두 개재물을 구상화시키는 원소이나 두 원소가효율적으로 개재물을 구상화시키기 위하여 칼슘/알루미늄의 첨가비를 0.04 이상으로 제어하는 것이 바람직하다.

마지막으로 티타늄(Ti)는 제조된 열연코일의 열간가공성을 향상키는 원소이나 적정량 이상 첨가시 강의 청정도을 저하시키므로 0.025% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

이하 본 발명에 따른 스테인레스강이 열간가공성을 향상시킨 이유를 살펴본다.

일반적으로 오스테나이트계 스테인레스강의 열간가공성을 저하시키는 원소 중에서 S의 영향이 가장 크다고 알려져 있다. 그러나 본 발명에서와 같이 Ca를 첨가하게 되면 Ca는 우선적으로 S와 결합하여 강중의 S를 고착 시킨다. 따라서 열간가공성을 해치는 MnS 의 형성을 억제하고 CaS를 형성하게 되어 슬라브를 재가열할 경우 입계에 S 또는 황화합물의 석출을 방지하게 되어 열간 가공성을 향상시키게 된다.

또한 Ca를 첨가할 경우 개재물의 형상을 구형으로 변환시켜 소재의 고온 연성을 향상시키게 된다.

알루미늄(Al)과 티타늄(Ti)의 경우 또한 개재물의 형상을 선형 또는 각형에서 구형으로 변환시키는 역할을 한다.

다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

본 실시예에서 사용된 시편은 아래 표 1의 조성을 갖는 Fe-Cr-Ni 계 스테인레스강을 진공용해로에서 용해하여 30Kg의 강괴를 제조한 다음, 이 강괴를 1250℃에서 150분 가열한 후 13mm 두께로 열간압연하여 고온 인장시편을 제작하였다.

구분	합금의 조성(중량%)
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Ca	Al	Ti	B	Ca/Al
발명재1	0.02	0.50	0.87	0.023	0.002	17.5	10.6	0.0011	0.027	0.012	0.0007	0.04
발명재2	0.02	0.50	0.87	0.023	0.002	17.5	10.6	0.0030	0.014	0.012	0.0007	0.21
발명재3	0.02	0.54	0.64	0.018	0.002	17.1	12.1	0.0025	0.026	0.009	0.0005	0.09
발명재4	0.02	0.54	0.64	0.018	0.002	17.1	12.1	0.0031	0.008	0.009	0.0005	0.38
발명재5	0.03	0.55	0.95	0.020	0.001	15.2	14.1	0.0008	0.006	0.004	0.0004	0.13
비교재1	0.02	0.50	0.87	0.023	0.002	17.5	10.6	-	0.003	-	0.0009	-
비교재2	0.02	0.54	0.64	0.018	0.002	17.1	12.1	-	0.002	-	0.0005	-
비교재3	0.03	0.55	0.95	0.020	0.001	15.2	14.1	-	-	-	0.0006	-

고온인장시험은 고온인장시험기 (모델명 Gleeble 1500)를 사용하여 900 - 1100℃ 범위에서 측정하였다.

이와 같이 고온인장시험한 결과를 표 2에 나타내었다.

구 분	단면 수축율 (%)
	900 (℃)	1000(℃)	1100(℃)
발명재 1	71.4	82.2	91.3
발명재 2	72.5	81.4	92.1
발명재 3	73.1	83.3	93.1
발명재 4	74.5	85.2	94.8
발명재 5	71.3	78.7	88.2
비교재 1	62.3	67.4	82.2
비교재 2	64.2	68.5	83.3
비교재 3	30.2	66.9	79.5

상기 표 2에 나타나 있듯이 본 발명의 Ca 또는 Al 또는 Ti를 첨가한 발명재의 경우 이러한 원소를 첨가하지 않은 비교재 보다 열간압연온도의 구분 없이 모두 열간가공성이 우수하다는 것을 알 수 있다.

한편 본 실시예에서의 냉간확관시험은 상기와 같이 제조된 열연강판을 다시 0.6mm 두께로 냉간압연한 다음, 이를 가열하여 1150℃에서 90초간 유지하고 급냉하여 제조한 강판을 산세처리하여 시편을 제작하였다.

냉간확관시험은 도 1에 나타나 있는 바와 같은 확관시험장치를 이용하여 0.6mm 두께의 강판에 10mm 크기의 구멍을 뚫고 다이를 이용하여 펀칭한 다음 상기 구멍이 늘어난 비율을 아래의 식을 이용하여 계산하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다. 도 1에서 도면부호 10은 가공전 시편, 20은 가공후 시편, 31은 펀치, 33은 브랭크 홀더, 35는 다이를 각각 나타낸다.

확관율 (%) = (Dm-Do)/Do × 100 --------- (1)

구분	실험 시편 구분
	발명재6	발명재7	발명재8	발명재9	발명재10	비교재4	비교재5	비교재6
확관율(%)	72.1	74.6	79.2	76.3	82.1	65.3	68.4	64.3

표 3에 나타나 있듯이 본 발명의 조성을 갖는 발명재의 경우 Ca 또는 Al 또는 Ti 가 첨가되지 않은 비교재 보다 냉간확관율이 우수하다는 것을 알 수 있다.

본 실시예에서는 강중에 존재하는 개재물의 종류와 형상을 관찰하기 위하여 표 1의 조성을 갖는 합금들을 진공용해로에서 용해하여 강괴를 제조한 다음, 이 강괴를 1250℃에서 150분 가열한 후 13mm 두께로 열간압연하여 제조된 강판을 적당한 크기로 절단하여 시편을 제작하였다. 이 시편들을 사용하여 금속주사현미경(SEM)으로 금속조직을 관찰하였다. 제조된 Fe-Cr-Ni계 스테인레스강에 존재하는 개재물의 종류와 그 형태를 표 4에 나타내었다.

구 분	강중에 존재하는 개재물
	형 상	개재물의 종류
발명재 1	구형 & 괴상	▶구형 개재물; (Al-Ca-Mg) 산화물, (Al-Ca-Fe-Cr)산화물, (Ca-Al-Si-Fe-Cr-Ti)산화물, (Ca-[Fe-Cr])-S산화물,(Ca-Mg-Fe-Cr-Ti)-S-산화물.▶괴상 개재물; (Al-Fe-Ti-Cr)산화물,(Ti-Al-Fe-Cr-Mn)산화물.▶각형 개재물; Si-산화물, TiN.▶선형 개재물; (Fe-Cr-Mn)산화물, (Fe-Cr-Ca-Si-Al)산화물,(Si-Cr-Fe) 산화물, (Mn-Fe-Cr)S,
발명재 2	구형
발명재 3	구형&각형(미량)
발명재 4	구형
발명재 5	구형
비교재 1	선형&각형(미량)
비교재 2	선형&각형(미량)
비교재 3	선형&각형(미량)

표 4에 나타난 바와 같이 발명재의 경우 강중에 존재하는 개재물들이 대부분 구상 형태를 나타내고 있는 반면, 비교재의 경우 대부분 선상 형태로 존재하고 있다는 것을 알 수 있다.

따라서 본 발명에서와 같이 오스테나이트계 스테인레스강에 Ca, Al, Ti를 첨가할 경우 선상 형태의 개재물이 대분분 구상 형태로 변형이 된 다는 것을 알 수 있고, 이로 인하여 열간 가공성과 냉간확관성이 개선된 다는 것을 아울러 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 오스테나이트계 스테인레스강에 적당량의 Ca, Al, Ti를 첨가하므로서 제조된 강괴를 고온가열할 경우 결정입계에 황 또는 저융점 황화합물이 석출되는 것을 방지할 수 있다.

이로 인하여 본 발명에 의한 스테인레스강은 개재물 형성원소인 황을 특별히 관리하지 않아도 되고, 열간 압연시 개재물의 석출을 방지하기 위하여 2단 가열하지 않아도 되며, 제조된 열연코일을 별도로 연마하지 않아도 되므로, 저 생산비용으로 열간가공성과 냉간확관성이 우수한 오스테나이트계 스테인레스강을 제조할 수 있게 한다.

Claims (3)

1. 중량 %로 C: 0.08% 이하, Si: 1.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, P: 0.025% 이하, S: 0.015% 이하, Cr: 15.0 - 25.0%, Ni: 10.0 - 20.0%, B: 0.001% 이하 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 구성된 Fe-Cr-Ni계 합금에 Ca 또는 Al 또는 Ti 중 적어도 어느 하나 이상이 첨가되고, 상기 Ca와 Al의 첨가비 Ca/Al은 0.04 이상인 것을 특징으로 한 열간 가공성과 냉간확관율이 우수한 Fe-Cr-Ni계 스테인레스강.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 Ca의 첨가량은 0.015중량 % 이하이고, 상기 Al의 첨가량은 0.030중량 % 이하이며, 상기 Ti의 첨가량은 0.025중량 % 이하인 것을 특징으로 한 열간 가공성과 냉간확관율이 우수한 Fe-Cr-Ni계 스테인레스강.
3. 삭제