KR101268800B1 - 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 - Google Patents

고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 면도날, 칼 등에 사용되는 중량%로, 0.40~0.80% 탄소, 11~16%크롬을 주성분으로 함유한 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 제조방법에 관한 것으로, 스트립캐스팅 장치에서, 중량%로, C:0.40~0.80%, Cr:11~16%를 함유하는 스테인리스 용강을 턴디쉬로부터 노즐을 통하여 용강풀로 공급하여 스테인리스 박판을 주조하고, 상기 주조된 스테인리스 박판을 주조 직후 인라인롤러를 이용하여 5~40%의 압하율로 열연소둔스트립을 제조하여 열연소둔스트립 미세조직 내에 프라이머리 카바이드(primary carbide)가 10㎛ 이하가 되도록 하는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법 및 그 제조방법에 의하여 제조된 마르텐사이트계 스테인리스강을 제공한다. 본 발명은 주조조직 및 열연판 내에 형성되는 프라이머리 카바이드(primary carbide)의 크기를 10㎛ 이하로 저감시킴으로써, 도물 용도로 날끝의 품질이 우수한 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 제조하는 것을 특징으로 한다.
스테인리스, 마르텐사이트, 스트립캐스팅, 고탄소

Description

고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법{Martensitic stainless steels containing high carbon content and method of manufacturing the same}
본 발명은 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 0.4~0.8% 탄소, 11~16% 크롬을 함유한 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 스트립 캐스팅 공정을 이용하여 제조하여 프라이머리 카바이드의 크기를 줄인 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 중량%로 탄소를 0.40% 이상 함유하고 있는 고탄소 마르텐사이트계 강은 내식성, 경도 그리고 내마모성이 우수하여 면도날, 칼 등에 사용되고 있다. 이와 같이 면도날 등에 사용되는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 이용하여 제조된 면도날을 사용하는 경우, 면도 과정에서 면도날이 수분과 접촉하게 된다.
또한 이와 같은 면도날은 또한 습한 분위기에서 보관하게 되므로 부식저항성이 필요하다. 이처럼, 이와 같은 환경은 고탄소강이 사용되기에 너무 가혹한 것이므로 보통은 약 13%의 크롬을 함유한 마르텐사이트계 스테인리스강이 주로 사용된다. 이러한 마르텐사이트계 스테인리스강을 사용하여 제조된 면도날은 그 기지조직인 마르텐사이트가 중량 백분율로 약 12% 이상의 크롬을 함유하며, 그 결과로 면도날 표면에 얇은 크롬산화물이 치밀하게 생성되어 수분으로부터 면도날 기지조직의 부식을 억제하는 역할을 수행한다.
한편 면도는 면도날을 소재에 밀착시켜 수염을 자르는 과정으로 고강도의 수염을 자르기 위해서 무엇보다도 또한 높은 경도가 요구된다. 면도날이 요구하는 높은 경도 수준은 강의 마르텐사이트 기지조직에 의하여 구현된다. 마르텐사이트 조직은 고온의 오스테나이트를 빠르게 냉각시킬 때 생성되는 매우 경한 미세조직이다. 고온의 오스테나이트상에 고용된 탄소의 함량이 높을수록, 마르텐사이트에 고용된 탄소가 많아 마르텐사이트의 경도는 높아진다. 따라서, 높은 경도를 갖는 면도날용 강을 제조하기 위해서는 가급적 많은 탄소를 강에 첨가시킬 수 있어야 한다.
보통 내식성과 경도 관점에서 상기한 바와 같은 요구조건을 충족시키는 면도날용 소재로 420계열의 마르텐사이트계 스테인리스강들이 주로 사용되고 있다. 이 강들은 중량 백분율로 0.45~0.70%탄소, 최대 1%망간, 최대 1% 실리콘, 그리고 12~15%의 크롬을 함유한 강으로, 그 중에서도 약 0.65%와 약 13% 크롬을 기반으로 한 성분계가 통상적으로 많이 사용되고 있다.
한편 면도날의 두께는 일반적으로 0.2㎜ 이하이다. 따라서, 면도날을 제조하기 위해서 0.2㎜ 이하의 두께를 갖는 매우 얇은 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강을 초기소재로 사용한다. 이 초기소재는 페라이트 기지조직과 균일하게 분포된 미세한 크롬탄화물로 구성된 미세조직을 갖는다. 이때 미세한 크롬탄화물의 분포는 후속 강화열처리(hardening) 공정에서 고온의 오스테나이트 상으로 탄소의 빠른 재고용을 가능케 하여, 냉각에 의하여 변태된 마르텐사이트가 면도날로 사용되기에 충분한 경도를 갖도록 조절하는 주요한 인자이다.
그리고 초기소재의 크롬탄화물 크기는 단위면적당 크롬탄화물의 개수로 정의할 수 있으며, 1만 배의 고배율에서 관찰할 때, 0.1㎛ 이상의 크기를 갖는 크롬탄화물이 100㎛2의 면적당 50개 이상 존재하여야 한다. 이 초기소재를 적당한 폭으로 슬리팅하고, 코일링 한 후, 여러 단계의 후속 공정을 거쳐 면도날을 제조한다. 그 후속공정은 높은 경도를 부여하기 위하여 고온의 오스테나이트 영역으로 가열 및 유지한 후 냉각하는 강화열처리(hardening) 공정, 면도날을 날카롭게 만드는(sharpening) 공정, 내마모성 및 윤활성 부여를 위한 코팅(coating) 공정 그리고 면도기에 면도날 장착을 위한 용접(welding) 등의 공정을 포함한다.
또한, 면도날을 제조하기 위해서 사용되는 박물(두께 0.2mm 이하)의 초기소재는 미세조직 내에 조대한 크롬탄화물이 부재하여야 하는데, 그 이유는 다음과 같다. 조대한 크롬탄화물이 존재할 경우에, 후속 공정인 면도날을 날카롭게 만드는(sharpening) 공정 중에 면도날 에지(edge) 부분에서 조대한 크롬탄화물의 탈락이 발생하여, 면도날 에지의 날카로움이 무디게 되는 현상이 발생한다. 이러한 현상을 에지탈락(edge tear-out) 이라고 하며, 에지탈락은 면도 중에 피부에 상처를 일으키는 주 인자이다. 조대한 크롬탄화물 이외에 조대한 개재물도 에지탈락을 일으키는 요인으로 작용한다. 에지탈락 관점에서 허용되는 크롬탄화물의 최대크기는 10㎛이다. 초기소재에 존재하여 에지탈락 발생의 주원인으로 작용하는 10㎛ 이상의 크기를 갖는 조대한 크롬탄화물은 합금주조(casting)시에 생성되는 조대한 프라이머리 카바이드(primary carbide)이다. 이 조대한 프라이머리 카바이드는 합금의 열간가공이나 열처리과정 중에 발생하는 미세한 크롬탄화물(secondary carbide)과 구분된다. 조대한 프라이머리 카바이드는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 응고과정 도중에 수지상정(dendrite arm) 사이에 발생하는 편석에 의하여 생성된다. 탄소와 크롬의 편석은 응고 시에 발생하는 자연현상이므로 프라이머리 카바이드의 형성을 회피할 수 없으나, 에지탈락을 방지하기 위하여 그 크기는 응고과정 중에 최소화 되어야 한다.
이와 같은 에지탈락 문제는 면도날 뿐만 아니라, 일반적인 도물용도에서 날끝의 품질을 결정하는 중요한 품질인자이다. 전술한 바와 같이, 높은 경도를 갖는 면도날을 제조하기 위해서는 가급적 많은 탄소를 강에 첨가시킬 수 있어야 하지만, 탄소함유량이 높을수록, 응고 시 프라이머리 카바이드가 조대하게 형성되므로 고품질의 면도날 제조를 어렵게 한다.
이러한 이유로, 종래 알려진 일본 특허번호 61034161에서는 프라이머리 카바이드에 의한 에지탈락을 최소화 하기 위하여 탄소의 함량을 0.40~0.55%로 낮춘 합금 성분계를 제시하고 있다. 특히, 면도날 강 소재 제조에 일반적으로 사용되는 잉곳 주조법은 편석이 심하게 발생하므로 프라이머리 탄화물이 조대하게 형성된다는 단점이 있다. 이와 같은 단점 때문에 프라이머리 카바이드를 재고용 시키거나 그 크기를 작게 만들어 주기 위하여, 잉곳에 부가적인 가열열처리와 단조와 같은 열간가공이 필수적으로 적용된다.
따라서, 고품질의 면도날을 제조하기 위해서, 주조시 조대한 프라이머리 카바이드의 형성을 억제시키는 방법이 요구된다. 특히, 통상의 면도날 강 대비 탄소함량을 낮추지 않으면서도 프라이머리 카바이드의 크기를 미세조직 내에서 효과적으로 줄일 수 있는 경제적인 주조법의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기의 요망에 따라 안출된 것으로서 기존의 고탄소 마르텐사이트계강 제조에 주로 사용되는 잉곳주조법을 대체할 목적으로 스트립캐스팅법을 새롭게 활용한 것이다. 본 발명에 의하면 기존의 잉곳주조법의 가장 큰 단점이었던 응고 시 생성되는 조대한 프라이머리 카바이드를 획기적으로 억제시키면서 경제적으로 고탄소함유 마르텐사이트계 스테인리스강을 제조할 수 있는 방법을 제시하고자 하는 목적을 갖는다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 서로 반대방향으로 회전하는 한쌍의 롤과 그 양측면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과 상기 용강풀 상부면으로 불활성 질소가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 스트립캐스팅 장치에서, 중량%로, C:0.40~0.80%, Cr:11~16%를 함유하는 스테인리스 용강을 턴디쉬로부터 노즐을 통하여 상기 용강풀로 공급하여 스테인리스 박판을 주조하고, 상기 주조된 스테인리스 박판을 주조직후 인라인롤러를 이용하여 5~40%의 압하율로 열연소둔스트립을 제조하여 열연소둔스트립 미세조직 내에 프라이머리 카바이드(primary carbide)가 10㎛ 이하가 되도록 하는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서 상기 마르텐사이트계 스테인리스강은 중량%로 Si: 0.1~1.0, Mn:0.1~1.0, Ni:0초과 1.0이하, N:0초과 0.1이하, S: 0초과 0.04이하, P:0초과 0.05이하 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명에서 상기 열연소둔스트립을 환원성 가스분위기하에서 700~950℃의 온도범위에서 상소둔(batch annealing)을 실시하여 열연소둔판을 제조하는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 상소둔은 1~3회의 범위에서 실시하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에서 상기 상소둔 처리된 열연소둔스트립은 숏블라스팅 이후 산세처리를 실시할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 산세처리 이전의 열연소둔스트립에서 탈탄층의 깊이가 표층스케일 직하 20㎛ 이하로 나타날 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 열연소둔스트립은 후속의 냉간압연을 실시할 수 있으며, 이때 1회 냉간압하율이 최대 70%로 하는 것이 바람직하다.
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또한, 본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 서로 반대방향으로 회전하는 한쌍의 롤과 그 양측면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과 상기 용강풀 상부면으로 불활성 질소가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 스트립캐스팅 장치에서, 중량%로, C:0.40~0.80%, Cr:11~16%를 함유하는 스테인리스 용강을 턴디쉬로부터 노즐을 통하여 상기 용강풀로 공급하여 스테인리스 박판을 주조하고, 상기 주조된 스테인리스 박판을 주조직후 인라인롤러를 이용하여 5~40%의 압하율로 열연소둔스트립을 제조하여 열연소둔스트립 미세조직 내에 프라이머리 카바이드(primary carbide)가 10㎛이하가 되도록 하는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일측면에 따른 실시예는, 서로 반대방향으로 회전하는 한쌍의 롤과 그 양측면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과 상기 용강풀 상부면으로 불활성 질소가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 스트립캐스팅 장치에서, 중량%로, C:0.40~0.80%, Cr:11~16%를 함유하는 스테인리스 용강을 턴디쉬로부터 노즐을 통하여 상기 용강풀로 공급하여 액상인 스테인리스 용강에서 판재인 스테인리스 박판으로 직접 주조하고, 주조된 스테인리스 박판을 주조직후 고온상태에서 인라인롤러를 이용하여 5~40%의 압하율로 열간압연하여 열연소둔스트립을 제조하여 열연소둔스트립 미세조직 내에 프라이머리 카바이드(primary carbide)가 10㎛ 이하가 되도록하고, 상기 열연소둔스트립은 상소둔(batch annealing)을 실시하여 열연소둔판으로 제조되고, 상기 상소둔된 열연소둔스트립을 냉간압연과 중간소둔(intermediate annealing)을 반복 실시하여 냉연판으로 제조되고, 상기 냉연판을 얻기 위한 상소둔 및 중간소둔으로 이루어지는 소둔의 총횟수는 열연소둔스트립에서 실시한 상소둔 횟수를 포함하여 5회 이내인 것을 특징으로 하는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 실시예는, 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 롤과 그 양측면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과 상기 용강풀 상부면으로 불활성 질소가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 스트립캐스팅 장치에서, 중량%로, C:0.40~0.80%, Cr:11~16%를 함유하는 스테인리스 용강을 턴디쉬로부터 노즐을 통하여 상기 용강풀로 공급하여 스테인리스 용강에서 판재인 스테인리스 박판으로 직접 주조하고, 주조된 스테인리스 박판을 주조직후 고온상태에서 인라인롤러를 이용하여 5~40%의 압하율로 열간압연하여 열연소둔스트립을 제조하여 열연소둔스트립 미세조직 내에 프라이머리 카바이드(primary carbide)가 10㎛ 이하가 되도록 하고, 상기 열연소둔스트립은 환원성 가스분위기 하에서 700~950℃의 온도범위에서 상소둔(batch annealing)을 실시하여 제조된 열연소둔판인며, 상기 열연소둔스트립의 단면 미세조직에서, 0.1㎛ 이상의 크기를 갖는 크롬탄화물이 100㎛2의 면적당 50개 이상이 되도록 상소둔을 실시하는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강에 관한 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 제강공정으로 제조된 용강으로부터 직접 열연코일을 제조하는 스트립캐스팅(strip casting)방법을 적용하는 것을 특징으로 한다. 스트립캐스팅은 응고조직에서 형성되는 프라이머리 카바이드의 크기를 혁신적으로 줄일 수 있어, 고품질의 면도날 제조에 매우 유용하게 적용될 수 있다. 특히, 면도날의 품질 뿐만 아니라, 용강으로부터 직접 열연코일을 제조하므로, 기존 잉곳 주조법 대비 열연코일의 제조공정이 단순하여 제조비용이 매우 저렴한 장점이 있다.
이하 첨부한 도면을 참고 하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다.
본 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 아울러, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장될 수 있으며 실제의 층 두께나 크기와 다를 수 있다.
도 1은 종래 알려진 스트립캐스팅 설비의 개략도이다. 이 스트립캐스팅 공정은 용강으로부터 직접 박물의 열연소둔스트립을 생산하는 공정으로서 열간 압연공정을 생략하여 제조원가, 설비투자비용, 에너지 사용량, 공해가스 배출량 등을 획기적으로 저감할 수 있는 새로운 철강공정 프로세스이다. 일반적인 스트립 캐스팅 공정에 사용되는 쌍롤형 박판주조기는 도 1에 도시된 바와 같이 용강을 래들(1)에 수용시키고, 노즐을 따라 턴디쉬(2)로 유입되며, 턴디쉬(2)로 유입된 용강은 주조롤(6) 양 끝단부에 설치된 에지댐(5)의 사이, 즉, 주조롤(6)의 사이로 용강 주입노즐(3)을 통해 공급되어 응고가 개시된다. 이때 롤 사이의 용탕부에는 산화를 방지하기 위해 메니스커스 쉴드(4)로 용탕면을 보호하고 적절한 가스를 주입하여 분위기를 적절히 조절하게 된다. 양 롤이 만나는 롤 닙(7)을 빠져나오면서 박판(8)이 제조되어 인발되면서 압연기(9)를 거쳐 압연이 된 후 냉각공정을 거쳐 권취 설비(10)에서 권취된다.
이때, 용강으로부터 두께 10㎛ 이하의 박판을 직접 제조하는 쌍롤식 박판주조공정에 있어서 중요한 기술은, 빠른 속도로 반대방향으로 회전하는 내부 수냉식 쌍롤 사이에 주입 노즐을 통해 용강을 공급하여 원하는 두께의 박판을 균열이 없고 실수율이 향상되도록 제조하는 것이다.
본 발명은 스트립캐스팅 공정을 이용한 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 제조방법에 관한 것으로, 특히 중량 %로 0.40~0.80% 탄소, 11~16%크롬을 주 성분으로 함유한 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 스트립캐스팅법을 활용하여 제조하므로, 주조조직 내에 형성되는 프라이머리 카바이드의 크기를 10㎛ 이하로 저감시킴으로써, 날끝의 품질이 우수한 면도날용 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징인 스트립캐스팅 공정은 액상의 강을 1~5mm 두께의 판재로 직접 주조하면서, 주조판에 매우 빠른 냉각속도를 인가하여, 주조시 발생하는 편석을 최소화하는 제조법이다. 본 발명에서는 쌍롤형 스트립캐스터를 이용하여 열연코일을 제조하였다. 쌍롤형 스트립캐스터는 서로 반대방향으로 회전하는 양롤(twin-drum rolls)과 측면 댐(side dams)사이로 용강을 공급하고, 수냉되는 롤 표면을 통해 많은 열량을 방출시키면서 주조하는 것을 특징으로 한다. 이 때. 롤 표면에서 빠른 냉각속도로 응고셀을 형성되며, 주조 후 연속적으로 행하여지는 인라인롤링에 의하여 1~5mm의 얇은 열연 박판이 제조된다.
(실시예)
이하에서 실시예로 본 발명을 설명한다.
본 발명에서 사용되는 모재는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강으로서 C:0.4~0.8%, Cr:11~16%의 범위를 사용한다. 본 발명에서 C의 범위를 0.4%이하로 할 경우 스트립이나 잉곳에서 프라이머리 카바이드가 많이 생기지는 않으나 그 경도에 있어서 바람직하지 않다. 또한, 0.8%이상일 경우 스트립캐스팅으로 제조하더라도 조대한 프라이머리 카바이드의 생성을 억제하기가 어려울 수 있다. 따라서 본 발명에서는 최적의 범위로서 C:0.4~0.8%, Cr:11~16%를 제안한다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 상기 마르텐사이트계 스테인리스강은 중량%로 Si: 0.1~1.0, Mn:0.1~1.0, Ni:0초과 1.0이하, N:0초과 0.1이하, S: 0초과 0.04이하, P:0초과 0.05이하 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 성분계에 관한 합금을 대상으로 하고 있다.
실시예에서는 기존의 잉곳주조법을 경유하여 제조된 열연소둔스트립과 스트립캐스팅법을 적용하여 제조된 강의 미세조직학적 특성을 비교하였다. 표 1은 잉곳주조법과 스트립캐스팅법으로 제조된 강의 성분을 도시한 것이다. 먼저 스트립캐스팅법으로 주조된 소재의 미세조직을 잉곳주조법으로 제조된 소재와 비교하기 위하여 통상의 면도날강을 잉곳으로 제조하였으며, 그 성분을 표 1의 비교예로서(#1) 나타내었다. 잉곳은 진공유도용해법으로 50kg의 중량으로 제조되었다. 잉곳은 1200℃의 온도에서 재가열 후, 3.5㎜ 두께의 판으로 열간압연되었으며, 열간압연 직후 수냉되었다. 그리고 쌍롤형 스트립 캐스터를 활용하여 다양한 성분의 강을 열연판으로 제조하였다. 각각 100톤씩 주조하였으며, 그 성분을 표 2에 나타내었다. 스트립캐스팅법을 활용하여, 수냉되는 롤 사이에서 주조된 100톤의 소재는 주조 직후, 고온의 상태에서 인라인롤러(in-line roller)에서 열간압연되어 1~5㎜ 두께의 열간압연 코일로 연속으로 제조되었다.
잉곳 주조법으로 제조된 강의 성분
ID C Si Mn P S Cr Ni N 프라이머리
카바이드
(≥10㎛)		 비고
#1 0.67 0.30 0.66 0.002 0.001 13.1 0.05 0.03 있음 비교예
스트립캐스팅 법으로 제조된 강의 성분
ID C Si Mn P S Cr Ni N 프라이머리
카바이드
(≥10㎛)		 비고
#2 0.65 0.26 0.45 0.019 0.001 12.9 0.39 0.03 없음 발명예
#3 0.64 0.41 0.61 0.022 0.001 13.7 0.29 0.02 없음 발명예
#4 0.72 0.42 0.68 0.023 0.002 13.4 0.37 0.04 없음 발명예
#5 0.87 0.25 0.32 0.021 0.001 14.3 0.07 0.02 있음 비교예
#6 0.67 0.42 0.64 0.023 0.004 13.4 0.12 0.04 없음 발명예
#7 0.46 0.40 0.32 0.018 0.002 14.1 0.15 0.02 없음 발명예
#8 0.49 0.55 0.90 0.022 0.002 12.8 0.15 0.03 없음 발명예
#9 0.67 0.30 0.71 0.021 0.002 12.4 0.01 0.03 없음 발명예
#10 0.56 0.34 0.38 0.018 0.002 14.5 0.28 0.02 없음 발명예
도 2에 진공유도용해로 주조한 통상의 성분강인 표 1의 비교예(#1)의 잉곳의 단면조직을 나타내고 있다. 그리고 도 3은 상기 비교예(#1)에 관한 성분강의 열간압연후 수냉된 미세조직을 나타내었다. 도 2의 잉곳의 미세조직에서 분명하게 관찰되는 바와 같이, 결정립 사이에 조대한 프라이머리 카바이드(primary carbide)가 불규칙하게 생성되어 있음을 보여주고 있다. 이러한 조대한 프라이머리 카바이드(primary carbide)는 1200℃의 온도에서 수행되는 재가열 동안에도 기지조직으로 완전히 재고용되지 않기 때문에, 열간압연 후의 미세조직 내에 잔존하여 압연방향으로 배열된 상태로 관찰된다. 이를 도 3에서 확인할 수 있다.
도 4는 스트립캐스팅법으로 제조되었으며, 잉곳으로 주조된 본 발명의 성분강(표1, #1)과 유사한 성분을 갖는 2.1㎜ 두께의 열연코일(표2, #6)의 저배율 단면조직이다. 스트립캐스팅으로 제조된 코일에서 표층부에 전개된 주상정(columnar crystal) 미세조직과 두께 중앙부에 전개된 등축정(equiaxed crystal) 미세조직을 각각 도 5와 6에 나타내었다. 도 2와 도 3에 나타난 잉곳조직과 도 5와 도 6에 나타난 스트립캐스팅 조직으로부터, 프라이머리 카바이드의 크기 비교가 가능하다. 즉 기존 잉곳주조법으로 제조한 경우에는 1000배 배율에서 조대한 프라이머리 카바이드가 형성된 것을 명확히 관찰할 수 있다. 그러나, 도 5와 6에 도시된 스트립캐스팅법을 적용하여 제조된 열연코일에서는 잉곳주조법으로 제조된 도 2의 응고조직 및 도 3의 열연판에서 관찰가능한 조대한 프라이머리 카바이드가 1000배의 배율의 미세조직에서 관찰되지 않음을 나타내고 있다. 이는 고탄소 함유 마르텐사이트계 스테인리스강을 제조함에 있어서 스트립캐스팅법을 이용하여 주조 시, 조대한 프라이머리 카바이드의 형성을 혁신적으로 억제시킬 수 있다는 본 발명의 기술적 효과를 극명하게 보여주는 결과이다. 한편 열간압연판에서 1000배 배율의 광학현미경으로 관찰가능한 프라이머리 카바이드의 크기를 조사하였으며, 이러한 결과를 정리하여, 표 1과 표 2에 나타내었다.
고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 주조함에 있어서 스트립캐스팅법을 적용할 경우의 또 다른 장점은 기존의 잉곳주조법 대비, 공정이 축소되어 제조비용이 저렴하다는 것이다. 잉곳주조법으로 고탄소 마르텐사이트계 열연코일을 제조하기 위해서 조괴 후, 분괴 및 열간압연과 같은 후속 열간가공 과정이 필수적으로 요구되는데, 이 부가적인 공정은 잉곳주조법의 제조단가를 높이는 주요한 요인이다. 또한, 분괴 및 열간압연과 같은 후속 열간가공 공정에서 필수적으로 요구되는 소재의 냉각과 승온을 포함한 열처리 공정은 열충격(thermal shock)에 의한 크랙발생에 대한 우려로 매우 천천히 수행되어야 하고, 공정간의 소재이송을 위한 작업 역시 고온에서 조심스럽게 이루어져야 하므로 생산성 측면에서도 매우 불리하다. 스트립캐스팅 방법은 상기한 분괴를 포함한 별도의 열간가공공정을 거치지 않고, 직접 열연코일을 제조하므로, 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 저렴하게 제조할 수 있다는 큰 장점을 가진다.
스트립캐스팅 공정으로 제조된 2.1mm 두께의 열연 코일로서 표 2의 발명강6(#6)을 배치(batch)형태의 열처리로에서 장시간 상소둔(batch annealing)하였다. 이때 열연코일은 환원성 분위기에서 700~950℃의 소둔온도로 천천히 가열되었으며, 그 온도에서 장시간 유지시킨 후 다시 천천히 로내에서 냉각되었다. 이 소둔열처리는 적게는 1회에서 많게는 3회까지 실시가 가능하다. 물론 상소둔 처리횟수가 많을수록 재질은 더욱 균질해질 수 있으나 이는 추가의 제조비용상승을 가져올 수 있다. 그리고 이 과정의 열처리는 열연코일의 미세조직을 구성하는 마르텐사이트와 잔류오스테나이트를 페라이트와 크롬탄화물로 바꾸는 역할을 한다. 이 과정을 마친 열연소둔 조직의 경도는 약 220Hv를 나타내었다. 소둔된 열연코일은 숏블라스팅(shot blasting)을 실시하고, 약 70℃의 온도에서 황산과 황산/질산의 혼산으로 구성된 산세액으로 표면의 스케일과 탈탄층을 제거하였다. 이때 탈탄층의 깊이는 표층스케일 직하 20㎛ 이하 정도로 형성되어 있어, 산세에 의하여 쉽게 제거가 가능하였다. 일반적으로, 잉곳주조법으로 제조된 잉곳은 주조 시 발생한 합금원소의 편석을 완화시킬 목적으로 고온에서 잉곳의 열처리가 불가피한데, 이 공정에서 탈탄이 심하게 발생하므로, 열연코일 제조 후에 탈탄층을 제거하기 위한 부가적인 작업이 요구되기도 한다. 스트립캐스팅으로 제조된 코일에도 탈탄층이 존재하기는 하나, 주조 후 냉각되기까지 1000℃이상의 고온에 노출되는 시간이 불과 5분 이내로 짧아, 탈탄층이 경미하게 발생한다. 따라서, 스트립캐스팅 공정으로 제조된 열연코일은 산세에 의하여 쉽게 탈탄층 제거가 가능하므로, 탈탄층 제거를 위하여 부가적인 코일 그라인딩을 생략할 수 있어 경제적이다.
한편 산세를 마친 열연 코일로서 표 2의 발명강(#6)에 대하여 냉간압연을 실시하였다. 전술한 바와 같이, 면도날 제작을 위한 초기소재는 0.2㎜이하의 두께를 갖기 때문에, 2.1㎜두께의 열연소둔 코일로부터 초기소재의 두께를 목표두께까지 낮추기 위하여 상당한 냉간압하가 요구된다. 특히 면도날 강 소재는 미세조직 내에 존재하는 미세한 탄화물에 기인하여 냉간압연 시 가공경화가 빠르고 연성의 저하가 크다. 냉간압연 동안에 에지크랙 발생에 의한 판파단을 방지하면서 목표두께로 냉간압연하기 위해서, 1회의 냉간압연 동안에 최대 70% 이하의 냉간압연을 실시하였다. 그 후 에지 트리밍(edge trimming)과 중간소둔(intermediate annealing)을 실시하였다. 이때, 중간소둔은 약 750℃의 온도에서 5분 이내의 시간 동안 실시되었다. 최종 목표두께로 압연하기 위하여 냉간압연과 중간소둔을 수차례 반복 실시하였다. 이와 같은 방법으로 0.075㎜ 두께의 냉간 압연된 얇은 코일을 제조하였다. 이때 상기 냉연판을 얻기 위한 총 소둔의 횟수는 열연소둔스트립에서 실시한 소둔횟수를 포함하여 5회 이내로 제한하는 것이 경제적이다. 본 발명에서는 이와 같이 5회 이내의 소둔횟수를 사용하여 동등품질에서 경제성을 더욱 높일 수 있었다. 예컨대, 상기 소둔에는 상소둔(BAF:Batch Annealing Furnace) 방식과 연속소둔(CAL:Continuous Annealing Line) 방식이 있는데, 여기에서 중간소둔은 연속소둔을 의미한고, 상기 소둔은 상기 상소둔 및 연속소둔을 모두 포함한다.
도 7과 도 8은 0.075㎜ 두께로 냉간 압연된 코일의 미세조직을 나타내었다. 제조된 코일에서 10㎛이상의 크기를 가진 탄화물은 존재하지 않았으며, 대부분의 탄화물은 0.1~1.5㎛의 크기로 균일하게 분포되어 있다. 즉, 도 8을 통하여, 에지탈락을 방지하는데 유리한 미세조직이 형성되어 있음을 알 수 있다. 또한 도 8에서 관찰되는 0.1㎛ 이상의 크기를 갖는 탄화물의 개수는 약 120 EA/100㎛2로, 면도날 제작에 적합한 미세조직으로 제조되었음을 알 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 스트립캐스팅법을 활용하여, 잉곳주조법으로 제조된 면도날 강 대비, 조대한 프라이머리 카바이드의 형성을 혁신적으로 억제하여, 고품질의 면도날을 경제적으로 제조할 수 있음을 특징으로 한다. 본 발명은 면도날 용도의 특정한 실시예 관점에서 기술되었으나, 본 발명의 범위는 면도날용도에 한정되지 않고 청구항으로 기술된 범위를 포함한다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.
도 1은 일반적인 스트립캐스팅 공정의 개략도를 도시한 도면.
도 2는 잉곳주조법으로 주조된 잉곳의 단면 미세조직으로 결정입계에 조대한 프라이머리 카바이드가 생성되어 있음을 도시하는 조직사진도.
도 3은 잉곳주조법으로 주조된 잉곳을 열간압연 후 수냉처리한 미세조직으로 잉곳의 결정립계에 존재하였던 프라이머리 카바이드가 열연판 미세조직에도 잔존하는 것을 도시하는 조직사진도.
도 4는 스트립캐스팅법으로 주조되고, 주조직후 고온에서 연속적으로 인라인롤링된 열연판재의 저배율 단면 미세조직으로, 두께 중심부에 형성된 등축정(equiaxed crystals) 조직과 표층부에 형성된 주상정(columnar crystals) 조직을 도시하는 조직사진도.
도 5는 도 4의 주상정 영역을 확대한 조직사진도.
도 6은 도 4의 등축정 영역을 확대한 조직사진도.
도 7은 0.075㎜ 두께로 제조된 박물의 냉간압연 소재의 저배율 단면 미세조직을 도시하는 조직사진도.
도 8은 0.075㎜ 두께로 제조된 박물의 냉간압연 소재의 고배율 단면 미세조직을 도시하는 조직사진도.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1 : 래들 2 : 턴디쉬
3 : 주입노즐 4 : 메니스커스쉴드
5 : 에지댐 6 : 주조롤
7 : 롤닙 8 : 주편
9 : IRM (압연기) 10 : 코일권취설비

Claims (20)

  1. 서로 반대방향으로 회전하는 한쌍의 롤과 그 양측면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과 상기 용강풀 상부면으로 불활성 질소가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 스트립캐스팅 장치에서,
    중량%로, C:0.40~0.80%, Cr:11~16%를 함유하는 스테인리스 용강을 턴디쉬로부터 노즐을 통하여 상기 용강풀로 공급하여 액상인 스테인리스 용강에서 판재인 스테인리스 박판으로 직접 주조하고, 주조된 스테인리스 박판을 주조직후 고온상태에서 인라인롤러를 이용하여 5~40%의 압하율로 열간압연하여 열연소둔스트립을 제조하여 열연소둔스트립 미세조직 내에 프라이머리 카바이드(primary carbide)가 10㎛ 이하가 되도록하고,
    상기 열연소둔스트립은 상소둔(batch annealing)을 실시하여 열연소둔판으로 제조되고,
    상기 상소둔된 열연소둔스트립을 냉간압연과 중간소둔(intermediate annealing)을 반복 실시하여 냉연판으로 제조되고,
    상기 냉연판을 얻기 위한 상소둔 및 중간소둔으로 이루어지는 소둔의 총횟수는 열연소둔스트립에서 실시한 상소둔 횟수를 포함하여 5회 이내인 것을 특징으로 하는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마르텐사이트계 스테인리스강은 중량%로 Si: 0.1~1.0, Mn:0.1~1.0, Ni:0초과 1.0이하, N:0초과 0.1이하, S: 0초과 0.04이하, P:0초과 0.05이하 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열연소둔스트립을 환원성 가스분위기하에서 700~950℃의 온도범위에서 상소둔(batch annealing)을 실시하여 열연소둔판을 제조하는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상소둔은 1~3회의 범위에서 실시하는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 열연소둔스트립의 단면 미세조직에서, 0.1㎛ 이상의 크기를 갖는 크롬탄화물이 100㎛2의 면적당 50개 이상이 되도록 상소둔을 실시하는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 상소둔 처리된 열연소둔스트립은 숏블라스팅 이후 산세처리를 실시하는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 산세처리 이전의 열연소둔스트립에서 탈탄층의 깊이가 표층스케일 직하 20㎛ 이하인 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열연소둔스트립을 냉간압연을 실시하되, 1회 냉간압하율이 최대 70%인 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 롤과 그 양측면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과 상기 용강풀 상부면으로 불활성 질소가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 스트립캐스팅 장치에서,
    중량%로, C:0.40~0.80%, Cr:11~16%를 함유하는 스테인리스 용강을 턴디쉬로부터 노즐을 통하여 상기 용강풀로 공급하여 스테인리스 용강에서 판재인 스테인리스 박판으로 직접 주조하고, 주조된 스테인리스 박판을 주조직후 고온상태에서 인라인롤러를 이용하여 5~40%의 압하율로 열간압연하여 열연소둔스트립을 제조하여 열연소둔스트립 미세조직 내에 프라이머리 카바이드(primary carbide)가 10㎛ 이하가 되도록하고,
    상기 열연소둔스트립은 환원성 가스분위기 하에서 700~950℃의 온도범위에서 상소둔(batch annealing)을 실시하여 제조된 열연소둔판인며,
    상기 열연소둔스트립의 단면 미세조직에서, 0.1㎛ 이상의 크기를 갖는 크롬탄화물이 100㎛2의 면적당 50개 이상이 되도록 상소둔을 실시하는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 마르텐사이트계 스테인리스강은 중량%로 Si: 0.1~1.0, Mn:0.1~1.0, Ni:0초과 1.0이하, N:0초과 0.1이하, S: 0초과 0.04이하, P:0초과 0.05이하 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강.
  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 상소둔은 1~3회의 범위에서 실시하는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강.
  15. 삭제
  16. 제11항에 있어서,
    상기 상소둔 처리된 열연소둔스트립은 숏블라스팅 이후 산세처리를 실시하는 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 산세처리 이전의 열연소둔스트립에서 탈탄층의 깊이가 표층스케일 직하 20㎛ 이하인 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강.
  18. 제11항, 제12항, 제14항, 제16항 및 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열연소둔스트립을 냉간압연을 실시하되, 1회 냉간압하율이 최대 70%인 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강.
  19. 삭제
  20. 삭제
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