KR20020042648A - 침전 경화된 마르텐사이트 철강 제품의 제조 방법, 이러한방법으로 얻어진 철강 제품, 및 상기 철강 제품의 용도 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 철강이 마르텐사이트 조직으로 등온 마르텐사이트 형성 및 침전 경화된 후 소프트 어닐링 및 성형되는 것을 특징으로 하는, 철강 제품의 제조 방법, 이를 통해 제조된 제품에 관한 것이다. 이 방법은 성형 후 1050 내지 1200℃로 용액 어닐링하고, 용액 어닐링 온도로부터 초당 5℃ 이상의 퀀칭 속도로 500℃ 이하의 온도로 퀀칭하고, 상기 철강을 등온 마르텐사이트 변형시키고, 이어서 상기 철강을 450 내지 550℃의 온도로 경화시켜, 입자를 상기 마르텐사이트 조직으로 침전시키는 단계를 포함한다.

Description

침전 경화된 마르텐사이트 철강 제품의 제조 방법, 이러한 방법으로 얻어진 철강 제품, 및 상기 철강 제품의 용도{METHOD FOR THE MANUFACTURE OF STEEL PRODUCTS OF A PRECIPITATION HARDENED MARTENSITIC STEEL, STEEL PRODUCTS OBTAINED WITH SUCH METHOD AND USE OF SAID STEEL PRODUCTS}
하기하는 본 기술의 설명에는, 특정 조직 및/또는 방법이 참조되어 있다. 그러나, 하기에서 참조한다고 하여, 이러한 조직 및/또는 방법이 종래 기술임을 인정하는 것으로 반드시 해석되어서는 안 된다. 본 출원인은, 이러한 조직 및/또는 방법이 본 발명에 대한 종래기술로 여겨지지 않는다는 것을 명백히 주장할만 하다.
국제 특허 출원 공개 WO93/07303에서, 오스테나이트 영역에서 어닐링한 후 공기 냉각 하거나 냉각가공(cold working)을 통하여 마르텐사이트 조직으로 변환시키는 상기한 종류의 제조 방법이 개시되어 있다. 어닐링 후 공기냉각을 실시하면 일반적으로, 소위 마르텐사이트 변환의 비열적(athermal) 운동 모드가 된다. 공기냉각 유도 마르텐사이트 형성은, 경화가능한 철강의 침전에 사용되는 니켈, 티탄 및 알루미늄 등의 합금 원소에 의해 억제된다. 이러한 합금 원소는 비교적 고농도에서 오스테나이트를 안정화시켜, 마르텐사이트 변환 개시 온도가 상당히 낮아지게 된다.
본 발명은, 철강이 등온(isothermal) 마르텐사이트 형성, 및 마르텐사이트 조직으로 침전 경화된 후 소프트 어닐링(soft annealing) 및 성형되는 것을 특징으로 하는, 철강 제품의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 방법으로 얻어진 철강 제품 및 상기 철강 제품의 용도에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 처리 방법 및 열처리 시간에 따른 온도 프로파일.
본 발명의 목적은, 철강 제품의 제조 방법, 이를 통해 제조된 철강 제품 및 상기 철강 제품의 용도를 제공함으로써, 연성, 강도, 내식성 및 내마모성, 마르텐사이트 분포의 균질성 및 마르텐사이트 변환 온도의 실제 수준 간을 실질적으로 최적화시키는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는, 철강을 등온 마르텐사이트 형성, 및 마르텐사이트 조직으로 침전 경화시킨 후 소프트 어닐링(soft annealing)하는 단계를 포함하여 이루어지는 철강 제품의 제조 방법이다. 이 때, 철강은 소프트 어닐링 후 바람직한 형태로 성형된 후, 1050℃ 내지 1200℃에서 5 내지 30분동안 용액 어닐링된다. 철강은 어닐링 온도에서, 초당 5℃ 이상의 속도로 500℃ 이하의 온도로 퀀칭(quenching)된다. 퀀칭된 철강은 등온 마르텐사이트 변환된다. 이어서, 철강은 450 내지 550℃의 온도에서 3 분 이상 침전경화되어, 입자가 마르텐사이트 조직으로 침전되게 된다.
본 발명의 목적 및 장점은 하기 바람직한 실시형태 및 첨부 도면으로부터 명백하다.
본 발명에 따른 철강 제품의 제조 방법은, 철강을 성형한 후 1050℃ 내지1200℃로 5 내지 30분간 용액 어닐링하고, 그리고나서 이 철강을 용액 어닐링 온도로부터 500℃ 이하의 온도로 초당 5℃ 이상의 퀀칭 속도로 퀀칭하는 것을 특징으로 한다. 이어서, 퀀칭된 철강은 등온 마르텐사이트 변환 후, 450℃ 내지 550℃의 온도에서 3분 이상 유지됨으로써 강화되어, 입자가 마르텐사이트 조직으로 침전된다.
등온 마르텐사이트 변환 및 침전 경화를 결합시킨 것은 공지되어 있다(Scripta Metallurgica et Materialia, 1995, Vol. 33, No. 9, pp. 1367~1373). 그러나, 연성, 강도, 내식성 및 내마모성, 및 마르텐사이트 분포의 균질성 간을 최적화시키는 변형을 통하여, 철강제품을 비교적 복잡한 형태로 성형시킬 수 있는, 상기한 종류의 제조 방법은 개시되어 있지 않다. 또한, 본 발명의 목적은, 마르텐사이트 및 침전이 분포가 균질한, 매우 효과적인 철강 제품의 제조 방법을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 철강 제품의 제조 방법은 또한, -30 내지 -50℃의 온도에서 1시간 이상 철강을 유지시킴으로써, 퀀칭된 철강을 등온 마르텐사이트 변환시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 철강 제품의 제조 방법은 또한, 철강을 850 내지 950℃의 온도에서 5 분 이상 유지시켜, 마르텐사이트 변환 개시를 최적화하는 감광(sensitizing) 절차를 특징으로 한다. 감광 절차는, 철강을 용액 어닐링하는 단계와 퀀칭하는 단계 사이에 실시한다. 감광 절차를 거친 철강은, 이를 거치지 않을 경우 철강 제품 내부에서 발생하는 가공열 스트레스(thermo-mechenical stress)가 완화된다. 내부 가공열 스트레스가 감소됨으로써, 크기가 매우 정확하고 안정하게 사용가능한 철강 제품을 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은, 우수한 강도, 내식성 및 연성의 조합을 나타내는 철강 제품의 제조 방법을 제공하는 것이다. 이러한 방법은 또한, 철강이 크롬(Cr)을 10 중량% 내지 14 중량% 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 일반적으로, 탄소의 중량%가 낮은 마르텐사이트 철강, 소위 마레이징강(maraging steels)은 크롬을 함유하거나 함유하지 않을 수 있다. 내식성 마레이징강은 크롬을 10.5 내지 18 중량% 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 방법으로 얻을 수 있는 특정 형태의 마레이징강은 Cr 10-14 중량%, Ni 7-10 중량%, Mo 3-6 중량%, Co 0-9 중량%, Cu 0.5-4 중량%, Al 0.05-0.5 중량%, Ti 0.4-1.4 중량% 및 C와 N 0.03 중량% 이하를 함유한다.
본 발명을 실시예를 통하여 더 설명한다.
실시예 1
상기 조성을 갖는 본 발명에 사용하기 적합한 철강 재료를, 고주파 로(high frequency furnace)에서 용융된 실물크기 7톤으로부터 스트립 재료로 제조하여 압연(rolling)하였다. 용융 후 응고(solidification) 처리(1)가, 시간에 대한 온도 프로파일이 실선으로 표시된 도 1에 도시되어 있다. 용융물을 응고시키면, Ti(C, N)이 결정화되어, 유리 탄소 및 유리 질소가 결합한다. 유리 질소의 결합은 중요한데, 이는 유리 질소가 결합되지 않은 경우에 등온 마르텐사이트 변환을 억제하기 때문이다.
압연 전에, 철강을 1150 내지 1250℃의 온도로 재가열하고, 이 온도로 1시간 이상 용탕유지(soaking)시켜, 이 물질에 오스테나이트 조직 및 고온 압연되기에 충분한 연성을 부여한다. 1150 내지 1250℃의 온도로 재가열한 후 고온 압연(3)한다. 고온 압연(3)을 통하여, 적당한 그레인 크기를 가지며 균질하게 분포된 금속간 입자를 갖는 스트립 형태의 재료를 제조한다.
용탕유지 및 고온 압연동안 형성된 스케일(scale, 산화물층)은, 재료가 최종 크기로 냉간 압연되기 전에, 피클링(pickling) 및/또는 그라인딩으로 제거되어야 한다. 냉간 압연(4)을 통하여, 스트립 철강은 산화물 층이 형성되지 않은 최종 두께를 갖게 된다. 그러나, 냉간 압연(4)을 통하여, 변형(strain) 유도된 마르텐사이트 변환이 일어나고, 복잡한 제품을 형성하기에 충분한 연성이 얻기 위해서는, 재료가 어닐링(5)에 의해 오스테나이트 상태로 다시 되돌려져야 한다. 연속 로에서 1050℃ 정도의 온도로 이러한 어닐링(5)을 실시하여, 이 재료가 제품의 성형 전에 마르텐사이트로 변환되는 것을 막는다. 이 제품은, 오스테나이트 상태(6)에서 냉각형성되어, 변형 유도된 마르텐사이트로 일부 변환된다. 제품 전체의 균질한 마르텐사이트 변환 및 침전 경화에 의해 형성된 마르텐사이트의 충분한 경화가 가능하도록, 재료는 1050 내지 1200℃의 온도에서 5 내지 30분동안 용액 어닐링(7)되어야 한다. 용액 어닐링(7)에 의하여 또한, Al, Cu, Mo 및 Ti와 같은 합금 원소가 오스테나이트 조직의 용액 속으로 들어가고, 변형 유도된 마르텐사이트가 오스테나이트로 복귀된다. 이러한 원소는 이후 제조단계에서 등온 마르텐사이트의 침전 경화에 사용된다.
최적의 등온 마르텐사이트 변환(10)을 위하여, 마르텐사이트 변환(10)은 -30 내지 -50℃의 온도에서 1시간 이상 실시되어야 한다. 등온 마르텐사이트 변환(10)전에 감광 처리(8)하는 것이 더 바람직하다. 감광 처리(8)는 용액 어닐링 단계(7) 및 퀀칭 단계(9) 사이에 실시된다. 감광 처리(8)는, 철강이 850 내지 950℃에서 5분 이상 유지되는 경우에 일어난다. 감광 처리(8)는 철강 재료의 오스테나이트 조직을 불안정화시키며, 이에 따라 이후의 등온 마르텐사이트 변환(10)을 촉진한다. 감광 처리(8)동안, Mo 및 Ti이 용액에서 제거되는 것으로 확인되었으며, 결정립계를 따라 Mo가 농축되는 것으로 생각된다. Ti의 반응은 명확하지 않다. 감광을 통하여 또한, 등온 마르텐사이트 변환(10)동안 마르텐사이트가 균일하게 핵생성된다. 실온 이하의 퀀칭(9)을 통하여, 오스테나이트 중에 필수적인 금속간 화합물이 불완전하게 침전되는 것을 막는다.
퀀칭(9) 후, 철강 재료를 등온 마르텐사이트 변환(10)시킨다. 이 변환은, 철강을 -30 내지 -50℃의 온도에서 1시간 이상 유지시킴으로써 실시한다. 그 결과, 미세 그레인 크기의 균일하게 분포된 변형 오스테나이트로 균질 마르텐사이트 조직이 얻어진다. 등온 마르텐사이트 변환(10) 후 경화처리하는데, 이 때, 금속간 화합물이 용액을 마르텐사이트 조직으로 침전시킨다. 이와 같이 처리된 철강 제품은 450HV 이상의 균질 경도를 갖는다.
본 발명의 방법으로 얻어지는 철강 제품은 균질하며, 내마모성, 내식성, 경도 및 연성 면에서 우수한 성질을 갖는다. 이러한 독특한 성질들을 조합하여, 필요한 보울(bowl) 형태를 얻기 위하여, 제조시에 디프 드로잉(deep drawing)되는 전기 회전식 면도기의 면도기 캡에 매우 적합한 스트립 철강 제품을 만들 수 있다. 면도기의 심하게 변형된 커터, 믹서의 고도로 성형된 칼, 및 심하게 접힌 다리미 서모스탯용 복귀 스프링(return spring)에서도 마찬가지이다.
본 발명에 따른 처리 방법에 매우 적합한 철강 재료의 화학 조성 중량%는 다음과 같다(소위 Sandvik IRK91 철강).
C+N ≤0.05
Cr 12.00
Mn 0.30
Fe 잔량
Ni 9.00
Mo 4.00
Ti 0.90
Al 0.30
Si 0.15
Cu 2.00
실시예 2
실시예 1과 동일한 화학조성의 철강 재료 및 제품을, 유체 밸브의 복귀 스프링 역할을 하는 다이어프램 플레이트 스프링으로서 제조할 수 있다. 다이어그램플레이트 스프링 크기의 필요한 정확도에 따라, 퀀칭(9) 후의 제품에 소위 변형된 오스테나이트를 포함시킬 수 있다. 용액 처리(7) 후 감광(8)하여 오스테나이트를 불안정화시킴으로써, 이후의 등온 마르텐사이트 변환(10)을 촉진시키는 것이 바람직하다. 많은 적용을 위한 다이어프램 플레이트 스프링은, 형성시키는 동안 고도의 변형이 필요한 복잡한 형태를 사용한다. 이러한 변형으로, 용액 처리(7)를 통해 오스테나이트로 되돌아가야만 하는, 변형 유도된 마르텐사이트가 생겨난다. 본 발명의 방법은 이러한 적용을 위한 철강 원료를 제조하기에 매우 적합하다.
본 발명을 바람직한 실시형태로 설명하였으나, 특허청구범위에 정의된 본 발명의 범위 및 정신을 벗어나지 않는 한, 당업자는 구체적으로 기재되지 않은 첨가, 삭제, 변형 및 치환이 가능한 것으로 이해하여야 한다.

Claims (14)

  1. (a) 철강을 마르텐사이트 조직으로 침전 경화한 후 소프트 어닐링하는 단계;
    (b) 상기 철강을 성형한 후, 1050℃ 내지 1200℃의 온도로 5 내지 30분동안 용액 어닐링하는 단계;
    (c) 철강을 용액 어닐링 온도로부터 500℃ 이하의 온도로 초당 5℃ 이상의 퀀칭 속도로 퀀칭하고, 상기 퀀칭된 철강을 등온 마르텐사이트 변환시키는 단계; 및
    (d) 450℃ 내지 550℃의 온도로 3분 이상 경화시켜, 입자를 용액으로부터 마르텐사이트 조직으로 침전시키는 단계를 포함하여 이루어지는 철강 제품의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 퀀칭된 철강을 -30 내지 -50℃의 온도로 1시간 이상 등온 마르텐사이트 변환시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 철강의 용액 어닐링 단계와 퀀칭 단계 사이에, 철강을 850℃ 내지 950℃로 5분 이상 감광처리하여, 등온 마르텐사이트 변환 개시를 최적화하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 감광 처리는 등온 마르텐사이트 변환동안 마르텐사이트를 균질하게 핵생성시키는 것임을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 철강은 크롬(Cr)을 10 중량% 내지 14 중량% 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 균질 경도가 450HV 이상인, 제 1항에 따른 방법으로 제조되는 철강 제품.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 철강 제품이 전기 회전식 면도기의 캡인 것을 특징으로 하는 철강 제품.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 철강 제품이 전기 회전식 면도기의 커터인 것을 특징으로 하는 철강 제품.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 철강 제품이 가정용 기구의 커터인 것을 특징으로 하는 철강 제품.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 철강 제품이 가정용 기구의 칼인 것을 특징으로 하는 철강 제품.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 철강 제품이 가정용 기구의 스프링인 것을 특징으로 하는 철강 제품.
  12. 제 6항에 있어서,
    상기 철강 제품이 의료 기구인 것을 특징으로 하는 철강 제품.
  13. 제 6항에 있어서,
    상기 철강 제품이 치과용 기구인 것을 특징으로 하는 철강 제품.
  14. 제 6항에 있어서,
    상기 철강 제품이 유체 밸브의 다이어프램 플레이트 스프링인 것을 특징으로 하는 철강 제품.
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