KR101249164B1 - 표면품질이 우수한 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 연주주편 제조방법 - Google Patents

표면품질이 우수한 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 연주주편 제조방법 Download PDF

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Abstract

표면 품질이 우수한 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 연주주편 제조방법이 제공된다.
이 제조방법은 초정 델타 페라이트(δ-ferrite)상이 델타 페라이트로 응고 완료한 후 오스테나이트상이 형성되는 마르텐사이트계 스테인리스강을 연속주조하여 연주주편을 제조하는 방법에 있어서,
상기 연속주조시 오스테나이트상의 형성이 완료되는 온도까지의 주편의 1차 냉각속도와 상기 오스테나이트상의 형성 완료후의 주편의 2차 냉각속도를 차별적으로 제어하여 조업하는 것이다.
본 발명에 따르면, 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 연속주조시 주편의 표면크랙이나, 열간압연에 따른 선상결함을 사전에 방지함으로써 건전한 주편의 제조가 가능한 효과가 있다.
마르텐사이트계 스테인리스강, 연속주조, 표면크랙, 선상결함, 냉각속도

Description

표면품질이 우수한 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 연주주편 제조방법{Method for manufacturing continuous casting of low carbon martensitic stainless steel having excellent surface quality}
본 발명은 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 연주주편 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 연속주조로 제조하는 경우 주편표면에서 크랙을 방지하고, 또한 열간압연시 발생하는 선상형 결함을 방지함에 의해 후공정에서 건전한 주편의 제조가 가능한 표면 품질이 우수한 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 연주주편 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 오토바이용 디스크 브레이크는 내마모성과 내식성이 요구되는데 이에 적합한 소재로는 저탄소 마르텐사이트계 스테인레스강이 있다.
다량의 탄소를 함유하고 있는 13Cr-0.2C인 420J1강이나 13Cr-0.3C인 420J2강의 경우 소입경도의 온도의존성이 높아서 오토바이용 디스크 브레이크로 사용하기 위해서는 소입 후 소준 처리가 필요한데 이는 추가적인 공정이 요구되어 비용의 증가를 초래할 뿐만 아니라 소준 처리의 부수적인 효과로 생성되는 크롬 탄질화물의 주위에 형성되는 크롬 결핍지역으로 인해 내식성의 저하를 유발한다.
이러한 문제점을 보완하기 위하여 16Cr-0.3C강을 사용하는 경우 소입 처리만으로 경도를 확보할 수 있으나, 이 경우에는 엄격한 열처리 관리기준이 요구되어 최근에는 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강이 주로 사용되고 있다.
또한, 마르텐사이트계 스테인리스강은 고온에서는 오스테나이트 조직 또는 오스테나이트와 페라이트의 혼합조직을 가지며, 서서히 냉각될 때는 확산에 의해 페라이트 조직으로 상변태되나 확산이 일어날 수 없게 급속히 냉각되면 마르텐사이트 조직으로 상변태하게 된다.
특히, 12%Cr과 0.07%내외의 (C+N)을 함유하고 있는 디스크 브레이크용 마르텐사이트계 스테인리스강의 경우 제강 후 연주시 페라이트로 응고가 시작되어 단상으로 응고가 완료된 후, 오스테나이트로의 고상 변태 후 다시 페라이트로 변태되어 냉각이 완료될 때에는 페라이트 조직 또는 페라이트로의 소성변태가 되지않은 잔류 오스테나이트가 변태한 마르텐사이트와 페라이트의 이상조직을 가진다.
그런데, 마르텐사이트계 스테인리스강이 오스테나이트와 페라이트의 혼합조직을 가지는 경우 오스테나이트/페라이트 계면에서의 균열발생으로 인하여 열간가공성이 저하되는 문제점을 가지고 있다.
또한, 12%Cr-0.07%(C+N)강이 급속냉각되는 응고 과정 중에는 마르텐사이트 변태를 일으키기 때문에 연주과정에서 표면크랙이 발생하기 쉬우며, 열간압연시 재가열온도에 따라 열간가공성이 저하될 수 있기 때문에 역시 크랙이 발생하기 쉽다.
이러한 크랙을 방지하기 위하여 종래에는 마르텐사이트계 스테인레스강의 연속주조시 주편을 서냉한 후 그라인딩을 실시하는 경우도 있지만, 이러한 방법은 실수율의 저하와 함께 제조비용의 상승을 초래하는 문제가 있다.
이처럼 제조 가능여부를 결정짓는 크랙은 열간압연 공정에서 산세후 검출되는 선상결함이다. 이러한 선상결함은 발생장소가 연주주편이고 표면품질이 중요한 스테인리스강에 있어서 치명적인 결함이 되기 때문에 재산세와 그라인딩(grinding)같은 정정공정을 통해 선상결함을 제거하는 추가공정이 필요하기 때문에 가격상승의 요인이 되고 있다. 이같은 선상결함을 방지하기 위해 연속주조 공정에서부터 열연 및 소둔공정에 이르기까지 여러가지 검토가 이루어져 왔다.
열연공정에서는 이러한 결함을 방지하기 위해서 가열로에서는 주편 표층부의 페라이트상 석출을 억제하는 것이 중요하다. 이를 위해 마르텐사이트계 스테인리스강 주편을 가열로에서 균열시 오스테나이트 단상영역과 페라이트상과 오스테나이트 2상 영역과의 경계온도보다 20~200℃ 낮은 온도로 재가열해서 2시간 이상 10시간 이하로 균열 유지한 후 압연하는 방법이 제시되어 있다(일본 특공평6-78567호 공보).
그러나 상기 방법은 탄소함량이 높은 강종에서는 표면결함을 방지할 수 없고, 가열로의 설비투자가 필요하므로 위에서 서술한 방법으로는 선상결함을 완전히 제거하기는 곤란한 실정이다.
연속주조시 주편 표면결함을 방지하는 방법을 살펴보면, 몰드내에 전자장을 가해 용강유동을 제어함으로써 주편 표면품질을 확보하는 방법이 제안되어 일부 실용화되고 있다. 예를 들면, 전자장을 몰드에 적용하여 몰드내에서의 용강유동을 제어함과 동시에 탕면온도를 상승시키는 방법(CAMP-ISIJ 9(1996), P206)이 실용화되고 있다. 그러나, 이 방법들은 고속주조시 탄소강에 적용되는 기술로서 탕면의 불안전성을 완전히 해결하지 못하는 문제점으로 인해 주편 표면품질이 엄격히 요구되는 스테인리스강의 경우에는 주편 표층부에 발생하는 결함을 방지하는 데는 한계가 있다.
다량의 탄소를 함유하고 있는 13Cr-0.2C인 420J1강이나 13Cr-0.3C인 420J2강의 마르텐사이트계 연주주편의 제조방법에서는 연속주조시 2차냉각대에서 냉각속도를 적절히 제어함으로써 주편 표면 결함을 저감하였지만, 저탄소 마르텐사이트강의 경우에는 마르텐사이트의 변태온도가 다르고, 응고과정 중에 포정반응을 거치지 않 기 때문에 보다 적절한 제어방법이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 추가적인 설비없이 연속주조시 2차 냉각대에서의 주편의 냉각속도를 적절히 제어함으로써 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 주편표면에 발생하는 크랙과 열간 압연시 발생하는 선상결함을 방지할 수 있는 연속주조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 초정 델타 페라이트(δ-ferrite)상이 델타 페라이트로 응고 완료한 후 오스테나이트상이 형성되는 마르텐사이트계 스테인리스강을 연속주조하여 연주주편을 제조하는 방법에 있어서, 상기 연속주조시 오스테나이트상의 형성이 완료되는 온도까지의 주편의 1차 냉각속도와 상기 오스테나이트상의 형성 완료후의 주편의 2차 냉각속도를 차별적으로 제어하는 표면품질이 우수한 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 연주주편 제조방법에 관한 것이다.
또한, 상기 1차 냉각속도는 상기 2차 냉각속도보다 고속인 것을 특징으로 하는 한다.
아울러, 본 발명의 연속주조 방법은 상기 오스테나이트상이 형성 완료되는 온도까지의 주편의 1차 냉각속도는, 200~500℃/분의 범위로 유지하고, 상기 오스테나이트상 형성 완료 후 주편의 2차 냉각속도는, 50℃/분 이하로 유지하여 조업할 수 있다.
또한, 상기 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강은 0.1% 이하의 탄소를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 연주주편은 액상선 온도에서 초정 델타 페라이트(δ-ferrite)상이 응고를 시작하여 델타 페라이트로 응고 완료한 후 오스테나이트상이 페라이트상의 계면을 따라 변태되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 표면품질이 우수한 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 연주주편 제조방법에 따르면 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 연속주조시 주편의 표면크랙이나, 열간압연에 따른 선상결함을 사전에 방지함으로써 건전한 주편의 제조가 가능한 효과가 있다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 의하면, 저탄소 마르테사이트강을 연속주조로 제조하는 경우, 연속주조 주편을 열간압연시 선상결함의 발생위치와 주편의 표면크랙과의 상관성을 조사하여 주편의 응고크랙을 연속주조시 방지할 수 있다.
연속주조시 주편에 발생하는 표면크랙을 야금학적으로 살펴보면 다음과 같다. 2상 사이의 소성 불일치, 불순물 원소의 계면 편석, 2상 사이의 상분율, 마이너상(Minor Phase)의 분포 형상, 및 변형방향에 따라서 작용하는 기구는 달라질 수 있다.
따라서 연주주편의 표면크랙을 억제하기 위해서는 용질원소의 편석량을 줄이고, 2상 사이의 상분율을 적절하게 조절하여 형성시키는 것이 필요하다. 이를 위해서는 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 응고조직이 파악되어야 한다. 도 1은 본 발명에 따른 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 상태도를 나타내는 그래프이고, 도 2는 본 발명에 따른 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 냉각 변태곡선을 나타내는 그래프이다. 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 응고조직 변화를 알 수 있다.
1단계: 응고시 액상선온도에서 초정 델타 페라이트상이 생성되고 온도가 떨어짐에 따라 델타 페라이트상으로 응고 완료된다.
2단계: 응고 완료된 후 δ→γ 고상변태를 통하여 오스테나이트상이 생성되고 델타 페라이트상은 소멸해간다.
3단계: 오스테나이트상으로 변태 완료 후에는 700℃ 근처에서 오스테나이트 결정입계를 따라 페라이트가 변태되어 오스테나이트 주위를 둘러싼 형태를 갖는다.
4단계: 300~400℃에서 페라이트로의 소성변태가 되지 않은 잔류 오스테나이트가 변태한 마르텐사이트와 페라이트의 이상조직을 가진다.
따라서, 응고구간에서의 온도구간은 델타 페라이트상이 생성 및 성장하는 온 도구간으로서 냉각속도를 빠르게 하면 초기에 형성되는 델타 페라이트상의 응고조직 크기는 미세하게 형성되므로 표면크랙을 억제할 수 있는 장점이 있는 반면, 용질 확산이 지연되는 단점도 있다.
한편, 냉각속도를 느리게 하면 용질원소의 확산이 진행되기 때문에 액상에 농축되는 용질원소의 함량은 감소되는 반면, 델타 페라이트상의 응고조직 크기는 조대하게 된다. 그리고 오스테나이트상을 제어하기 위하여 냉각속도를 느리게 하는 경우에는 오스테나이트상의 생성이 증가하기 때문에 용질원소의 편석량이 증가하여 표면크랙이 발생하기 쉬운 문제점이 있다. 반대로 냉각속도를 빠르게 하면 오스테나이트상의 생성이 감소되어 표면크랙을 억제하는 효과가 있다.
결론적으로, 본 발명자들은 연속주조시 주편에 존재하는 델타 페라이트상과 오스테나이트상의 생성 및 불순물의 용질원소 편석량은 응고과정 중 냉각조건 제어에 의해 조절될 수 있음을 실험을 통해 확인하고, 그 실험결과를 기초로 하여 본 발명을 완성하게 되었다.
즉, 본 발명의 연주주편 제조방법은 초정 델타 페라이트(δ-ferrite)상이 델타 페라이트로 응고 완료한 후 오스테나이트상이 형성되는 마르텐사이트계 스테인리스강을 연속주조하여 연주주편을 제조하는 방법에 있어서,
상기 연속주조시 오스테나이트상의 형성이 완료되는 온도까지의 주편의 1차 냉각속도와 상기 오스테나이트상의 형성 완료후의 주편의 2차 냉각속도를 차별적으로 제어함에 따라 이루어지는 것이다. 이때, 상기 1차 냉각속도는 상기 2차 냉각속도보다 고속인 것을 특징으로 한다.
한편, 연속주조시 냉각속도를 제어하는 과정에서 표면크랙 방지 외에 조업문제가 야기될 수 있으므로 냉각속도의 한계 및 범위를 설정할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 초정 델타 페라이트(δ-ferrite)상이 델타 페라이트로 응고 완료한 후 오스테나이트상이 형성되는 마르텐사이트계 스테인리스강을 연속주조하여 연주주편을 제조하는 방법에 있어서, 상기 연속주조시, 액상선온도에서 오스테나이트상이 형성 완료되는 온도까지의 주편의 1차 냉각속도를 200~500℃/분의 범위로 제어하고, 상기 오스테나이트상 형성 완료 후 주편의 2차 냉각속도를 50℃/분 이하로 제어할 수 있다.
이하에서는 냉각속도 설정한계 이유에 대하여 상세히 서술한다.
상기 액상선온도에서 오스테나이트상이 형성 완료되는 온도까지의 주편의 1차 냉각속도가 500℃/분을 초과하는 경우에는 연속주조시 수지상정사이에 잔존하는 용질원소의 편석이 확산할 시간이 적어져서 주편의 표면크랙이 발생할 수 있다. 반면, 상기 주편의 1차 냉각속도가 200℃/분 미만이 되면 초기에 형성된 델타 페라이트상의 조대화가 이루어지는 문제점이 있다. 또한, 냉각속도를 200℃/분 미만으로 제어하기 위해서는 연속주조시 몰드 냉각 및 2차냉각의 물량을 감소시켜야하는데 이로 인해 주조중 주편의 열전달이 늦어짐에 따라 주편 응고층의 강도가 저하되어 주편이 벌징되는 현상이 발생할 수 있으므로 조업 및 품질의 악화를 초래하게 된다. 따라서, 상기 액상선온도에서 오스테나이트상이 형성 완료되는 온도까지의 주편의 1차 냉각속도는 200~500℃/분의 범위로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 오스테나이트 형성완료 후 주편의 2차 냉각속도가 50℃/분을 초과하는 경우에는 마르텐사이트상의 형성량이 높아져 2상간의 소성 불일치가 증가됨에 따라 주편의 표면크랙이 발생할 수 있다. 따라서, 오스테나이트 형성완료 후 주편의 2차 냉각속도는 50℃/분 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 마르텐사이트계 스테인리스강의 연주주편 제조방법은 0.1% 이하의 C을 함유하는 것을 기본으로 하는 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 대상으로 할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[실시예]
하기 표 1에 나타낸 것과 같은 조성의 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 이용하고, 하기 표 2에 나타난 제조조건으로 연속주조 주편을 제조하였다. 제조된 연속주조 주편의 표면크랙 발생정도를 조사하여, 그 결과를 다음에서 상세히 설명하는 한편, 종합적인 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
시험재의 화학성분(중량%)
Cr Ni Si Cu Mn P S C N
12.2 0.3 0.4 0.3 0.4 0.030 0.003 0.055 0.020
구분 냉각속도(℃/분) 연주주편
표면크랙 발생정도
1차 2차
발명예 1 400 40 양호
발명예 2 300 30 양호
발명예 3 500 50 양호
비교예 1 1000 60 불량
비교예 2 700 80 불량
비교예 3 100 40 불량
비교예 4 175 100 불량
1차 냉각속도: 액상선온도에서 오스테나이트상이 생성 완료되는 온도까지의 평균냉각속도.
2차 냉각속도: 오스테나이트상이 생성 완료후 주조완료되는 온도까지의 평균냉각속도.
본 발명의 조건을 만족하는 발명예(1~3)의 경우 연속주조 주편 및 열연 코일 표면에 표면크랙이 발생하지 않은 양호한 품질을 확보할 수 있었다. 이에 반하여, 비교예(1~4)의 경우에는 1차 또는 2차 냉각속도가 본 발명의 조건을 벗어난 것으로 응고시 용질원소의 편석이 다량 발생하여 주편의 표면크랙이 미세하게 발생하였고, 또한 이러한 크랙으로 인해 열간압연시 스케일이 과도하게 형성되어 열연코일상에 선상결함을 야기시켰다.
비교예 1 및 2의 경우는 1차 및 2차 냉각속도가 본 발명의 조건보다 빠른 경우로 주조중 벌징 발생은 없었으나, 주조중 주편표면에 열응력이 심하게 작용되기 때문에 주편의 면세로 표면크랙이 발생되었다.
비교예 3의 경우에는 1차 냉각속도가 본 발명의 조건보다 느린 경우로 주편의 벌징이 발생되어 주조시 탕면 헌팅(hunting)이 심하게 발생하였다. 비교예 4의 경우에는 1차 냉각속도는 본 발명의 조건보다 느리고, 2차 냉각속도는 본 발명의 조건보다 빠른 경우로 표층의 크랙이 심하게 나타나 건전한 주편을 만들기 위하여 수회의 그라인딩이 필요하였다.
이상의 실시예를 통해 알 수 있는 바와 같이, 연속주조시 2차냉각대에서 냉각속도를 적절히 제어함으로써 우수한 저탄소 마르텐사이트계 스테인레스강의 연속주조 주편품질을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 안정적인 연속주조 조업이 가능하다는 것을 확인하였다.
도 1은 본 발명에 따른 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 상태도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 냉각 변태곡선을 나타내는 그래프이다.

Claims (4)

  1. 초정 델타 페라이트(δ-ferrite)상이 델타 페라이트로 응고 완료한 후 오스테나이트상이 형성되는 마르텐사이트계 스테인리스강을 연속주조하여 연주주편을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 연속주조시 오스테나이트상의 형성이 완료되는 온도까지의 주편의 1차 냉각속도와 상기 오스테나이트상의 형성 완료후의 주편의 2차 냉각속도를 제어하되,
    상기 1차 냉각속도는 상기 2차 냉각속도보다 고속이고,
    상기 오스테나이트상이 형성 완료되는 온도까지의 주편의 1차 냉각속도는, 200~500℃/분의 범위로 유지하고, 상기 오스테나이트상 형성 완료 후 주편의 2차 냉각속도는, 50℃/분 이하로 유지하여 조업하는 표면품질이 우수한 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 연주주편 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강은 중량%로 0% 초과 내지 0.1% 이하의 탄소를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 연주주편 제조방법.
KR1020090072853A 2009-08-07 2009-08-07 표면품질이 우수한 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 연주주편 제조방법 KR101249164B1 (ko)

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KR20040058814A (ko) * 2002-12-27 2004-07-05 주식회사 포스코 마르텐사이트계 스테인리스강 연주주편의 제조방법
KR20050003140A (ko) * 2003-06-30 2005-01-10 주식회사 포스코 표면품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인레스강의연주주편 제조방법

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