KR20090052957A - 고크롬 페라이트계 스테인리스강의 연신율 제어방법 - Google Patents

고크롬 페라이트계 스테인리스강의 연신율 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 17~20%의 크롬(Cr)을 함유한 페라이트계 스테인리스강의 연신율을 개선하기 위한 제어방법에 관한 것이다. 본 발명은 중량%로, C:0.05이하, Ti:1.0이하, Si:1.0이하, Mn:1.0이하, P:0.04이하, S:0.03이하, Cr:17.0~20, Ni:0.5이하, Mo:1.0이하, N:0.05이하, Cu:1.0이하, Al:0.15이하, Nb:1.0이하, 잔부 Fe 및 기타 통상적인 불순물로 이루어진 스테인리스강 슬라브로부터 열간압연, 열연소둔(혹은 열연무소둔), 냉간압연 및 냉연소둔, 혹은 냉연재압, 재소둔 공정을 거쳐 냉연판재를 제조함에 있어서, 하기의 수식에 의한 가공경화지수와 소성이방성 값과의 상관관계를 이용하여 연신율을 제어한다.
연신율 : EL(%)=6.54 + 86.0×n + 3.52×r
(n : 인장시험 시 변형률 5~10% 영역에서의 가공경화지수
r : 15% 인장변형 후 측정된 소성이방성 값)
페라이트계 스테인리스강, 연신율, 소성이방성

Description

고크롬 페라이트계 스테인리스강의 연신율 제어방법{Method for controlling an elongation of high chrome ferritic stainless steels}
본 발명은 고크롬 페라이트 스테인리스강의 연신율 제어방법에 관한 것으로, 특히 건축자재, 주방용기, 가전제품 등에 주로 사용되는 17~20%의 크롬을 함유한 냉연판재를 제조함에 있어서 최종 소둔재의 연신율을 예측하여 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
일반적으로 페라이트(ferrite)계 스테인리스강은 낮은 가공경화지수(n)에 기인하여 오스테나이트 스테인리스강 대비 연신율이 열위한 것으로 알려져 있다. 일반적인 연신율 평가를 위해서 주로 인장시험이 수행되는데, 판재의 인장시험 시 가공경화지수는 응력-변형률 곡선에서 균일변형률을 제어하는 인자로 알려져 있다.
여기서, 균일변형률은 인장 도중에 시편에서 폭 방향으로 확산이 발생하여 응력이 감소하기 시작하는 순간의 변형률을 의미한다. 따라서 n값(인장시험 시 변형률 5~10% 영역에서의 가공경화지수)의 증가는 균일변형률을 증가시켜 연신율을 증가시키는 역할을 한다. 일반적으로 n값은 합금원소와 그 함량에 의하여 가장 크 게 좌우된다. 합금원소량이 증가하면 n값은 감소하는 경향을 갖는다. 페라이트계 스테인리스강에서는 침입형 고온 원소인 탄소와 질소의 함량이 n값에 큰 영향을 미치며, 치환형 고용원소인 인과 실리콘 등이 n값에 큰 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 따라서, 성분적 측면에서 보았을 때 연신율을 향상시키기 위해서는 합금원소의 양을 최소화 하는 것이 바람직하다.
그리고, 건축자재, 주방용기, 가전제품 등 내식성이 중요한 용도에 사용되는 17~20%의 크롬을 함유한 페라이트계 스테인리스강은 치환형 고용원소인 크롬을 다량 함유하고 있다. 이에 따라, 크롬 함량이 적은 페라이트계 스테인리스강 대비 연신율이 열위하다. 이러한 이유로 고크롬을 함유한 페라이트계 스테인리스강에서는 침입형 고용원소를 저감시켜 연신율의 감소를 억제하려는 것이 일반적인 합금설계의 방향이다. 그러나, 고크롬의 제조시 탄소와 질소를 낮추는 것은 제강공정에서 큰 부하를 초래하여 최종제품의 단가를 상승시키는 원인이 되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 소재의 성분제어가 아닌 다른 방법으로 연신율을 개선시키기 위한 방법을 찾고자 함이며, 특히 소재의 소성이방성(r) 값과 가공경화지수(n) 값을 상호 조절할 수 있는 고크롬 페라이트계 스테인리스강의 연신율 제어방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 중량%로, C:0.05이하, Ti:1.0이하, Si:1.0이하, Mn:1.0이하, P:0.04이하, S:0.03이하, Cr:17.0~20, Ni:0.5이하, Mo:1.0이하, N:0.05이하, Cu:1.0이하, Al:0.15이하, Nb:1.0이하, 잔부 Fe 및 기타 통상적인 불순물로 이루어진 스테인리스강 슬라브로부터 열간압연, 열연소둔(혹은 열연무소둔), 냉간압연 및 냉연소둔, 혹은 냉연재압, 재소둔 공정을 거쳐 냉연판재를 제조함에 있어서, 하기의 수식에 의한 가공경화지수와 소성이방성 값과의 상관관계를 이용하여 연신율을 제어한다.
연신율 : EL(%)=6.54 + 86.0×n + 3.52×r
(n : 인장시험 시 변형률 5~10% 영역에서의 가공경화지수
r : 15% 인장변형 후 측정된 소성이방성 값)
본 발명에 따른 고크롬 페라이트계 스테인리스강 연신율 제어방법은 합금의 성분 제어뿐만 아니라, 제조공정 변화를 통하여 집합조직을 개선시킴으로써 열위한 연신율을 개선시킬 수 있다. 따라서, 연신율 향상을 위해서, 제조공정 적정화를 통한 집합조직의 개선(r값)이 필수적으로 요구되며, 이 경우 제품의 연신율을 합금조성의 변화없이 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명은 판재의 방향에 따라 존재하는 연신율의 이방성을 쉽게 예측할 수 있는 부가적인 장점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예를 통하여, 소성이방성(r)이 증가하면 연신율이 증가함을 발견하였다. 본 발명의 주요한 특징은 가공경화지수가 연신율에 미치는 영향을 포함하여 인장시험시 연신율이 다음과 같은 형태의 수식으로 기술될 수 있다는 것이다.
연신율 : EL(%)=6.54 + 86.0×n + 3.52×r
(n : 인장시험 시 변형률 5~10% 영역에서의 가공경화지수
r : 15% 인장변형 후 측정된 소성이방성 값)
수학식 1에서 가공경화지수 n값은 인장시험시 힘(P)과 공칭변형률(e) 곡선에서 다음과 같이 수학식 2로 정의된다. 하기 수학식 2에서 하부첨자 1과 2는 각각 5%, 10% 공칭변형률을 의미한다.
가공경화지수
Figure 112007083968151-PAT00001
수학식 1에서 소성이방성 r값은 15% 공칭변형 후 시편의 폭(W)측정으로 계산된 값이며, 다음의 수학식 3으로 정의된다. 하기 수학식 3에서 하부첨자 0은 인장변형 전 시료를 의미하며, L은 시편 게이지부 길이이다.
소성이방성
Figure 112007083968151-PAT00002
일반적으로 페라이트(ferrite)계 스테인리스강의 소성이방성(r)은 소재의 심가공성 척도로 사용되고 있으며, 그 소재의 미세조직이 보유한 방향성 집합조직에 크게 의존한다. 본 발명의 특징은 소재의 심가공성의 척도인 소성이방성(r)이 연신율을 제어하는 주요인자라는 것이다.
표 1은 A합금과 B합금의 성분 조성을 나타낸 것이고, 표 2는 A합금과 B합금의 제조공정을 나타낸 것이다.
본 발명이 갖는 특성을 예시하기 위하여 하기 표 1과 같이 17~20%의 Cr을 함유한 A,B 두 합금을 준비하였다. A합금은 실제 생산라인에서 최종적으로 제조되었으며, B합금은 실제 생산라인에서 연속주조되고 열간 압연된 3.5mm 두께의 열연판을 채취하여 실험실에서 표 2와 같은 각각의 제조공정을 통하여 제조되었다.
성분 C Si Mn Cr Ti Ni N Nb Cu
A합금 0.010 0.4 0.18 19.3 - 0.17 0.010 0.42 0.48
B합금 0.005 0.1 0.25 17.6 0.32 0.11 0.0053 - 0.17
성분 제조공정 표기 제조공정 비고
A합금 HA_CAPL_CR_CAPL 열연소둔-냉연-냉연소둔-냉연-냉연소둔 실생산
B합금 NHA_CAPL 열연무소둔-냉연-냉연소둔 실험실 모사
B합금 NHA_CAPL_CR_CAPL 열연무소둔-냉연-냉연소둔-냉연-냉연소둔 실험실 모사
B합금 HA_CAPL 열연소둔-냉연-냉연소둔 실험실 모사
B합금 HA_CAPL_CR_CAPL 열연소둔-냉연-냉연소둔-냉연-냉연소둔 실험실 모사
표 3에서는 본 발명의 실시예에 사용된 페라이트 스테인리스강의 연신율 (EL), 균일연신율(TS_EL), Post-load maximum 연신율(PLM_EL), 가공경화지수(n)와 소성이방성(r)을 나타내었다.
여기서, Post-load maximum 연신율(PLM_EL)은 균일연신율에서 파단까지의 연신율을 나타낸다. 또한 표 3에 인장시험 및 r값 평가를 위한 판재시료의 채취방향을 압연 방향으로부터 기울기(degree)로 함께 표시하였다.
ID 합금 인장방향 열처리조건 두께 (㎜) EL(%) TS_EL(%) PLM_EL (%) n r 실시예 EL(%) 비교예 EL(%)
1 A 0 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 30.1 18.3 11.8 0.190 1.92 29.6 28.7
2 A 0 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 30.4 18.4 12.0 0.189 1.92 29.5 28.5
3 A 0 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 30.3 18.2 12.1 0.190 1.92 29.6 28.7
4 A 0 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 30.2 18.4 11.8 0.190 1.92 29.6 28.7
5 A 0 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 30.0 18.2 11.8 0.189 1.92 29.5 28.5
6 A 15 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 28.5 18.2 10.3 0.187 1.67 28.5 28.3
7 A 15 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 29.2 18.3 10.9 0.187 1.67 28.5 28.3
8 A 15 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 29.0 18.1 10.9 0.188 1.67 28.6 28.4
9 A 15 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 29.0 17.8 11.2 0.188 1.67 28.6 28.4
10 A 15 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 28.1 17.7 10.4 0.185 1.67 28.3 28.1
11 A 30 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 26.2 16.5 9.7 0.181 1.33 26.8 27.7
12 A 30 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 26.7 17.1 9.6 0.181 1.33 26.8 27.7
13 A 30 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 27.2 17.2 10.0 0.181 1.33 26.8 27.7
14 A 30 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 25.2 16.7 8.5 0.181 1.33 26.8 27.7
15 A 30 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 26.2 16.7 9.5 0.181 1.33 26.8 27.7
16 A 45 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 24.9 16.7 8.2 0.184 1.04 26.0 28.0
17 A 45 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 25.7 16.8 8.9 0.183 1.04 25.9 27.9
18 A 45 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 26.4 16.7 9.7 0.183 1.04 25.9 27.9
19 A 45 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 26.4 17.0 9.4 0.183 1.04 25.9 27.9
20 A 45 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 26.2 16.4 9.8 0.181 1.04 25.8 27.7
21 A 60 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 26.6 16.7 9.9 0.184 1.16 26.5 28.0
22 A 60 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 27.4 17.1 10.3 0.186 1.16 26.6 28.2
23 A 60 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 26.7 16.6 10.1 0.185 1.16 26.5 28.1
24 A 60 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 26.6 16.7 9.9 0.184 1.16 26.5 28.0
25 A 60 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 26.5 17.1 9.4 0.184 1.16 26.5 28.0
26 A 75 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 29.0 17.9 11.1 0.191 1.58 28.5 28.8
27 A 75 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 28.3 18.2 10.3 0.193 1.58 28.7 29.0
28 A 75 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 28.2 17.9 10.3 0.191 1.58 28.5 28.8
29 A 75 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 28.7 18.1 10.6 0.189 1.58 28.3 28.5
30 A 90 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 29.7 17.5 12.2 0.180 2.15 29.6 27.6
31 A 90 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 29.2 17.9 11.3 0.180 2.15 29.6 27.6
32 A 90 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 29.4 17.2 12.2 0.179 2.15 29.5 27.5
33 A 90 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 29.0 17.1 11.9 0.178 2.15 29.4 27.4
34 A 90 HA_CAPL_CR_CAPL 0.48 29.7 17.4 12.3 0.179 2.15 29.5 27.5
35 B 0 NHA_CAPL 0.55 31.5 20.9 10.6 0.233 1.44 31.7 33.1
36 B 0 NHA_CAPL 0.55 33.1 21 12.1 0.236 1.44 31.9 33.4
37 B 0 NHA_CAPL 0.55 32.1 21.4 10.7 0.237 1.44 32.0 33.5
38 B 0 NHA_CAPL_CR_CAPL 0.55 32 20.2 11.8 0.225 1.93 32.7 32.3
39 B 0 NHA_CAPL_CR_CAPL 0.55 31.7 20.3 11.4 0.228 1.93 32.9 32.6
40 B 0 NHA_CAPL_CR_CAPL 0.55 32.1 20.5 11.6 0.228 1.93 32.9 32.6
41 B 0 HA_CAPL 0.55 32.7 21.2 11.5 0.231 1.66 32.3 32.9
42 B 0 HA_CAPL 0.55 32 21.3 10.7 0.231 1.66 32.3 32.9
43 B 0 HA_CAPL 0.55 33 21 12 0.232 1.66 32.3 33.0
44 B 0 HA_CAPL_CR_CAPL 0.55 33.8 21.2 12.6 0.223 1.84 32.2 32.1
45 B 0 HA_CAPL_CR_CAPL 0.55 33.8 21.2 12.6 0.227 1.84 32.5 32.5
46 B 0 HA_CAPL_CR_CAPL 0.55 33.5 20.9 12.6 0.226 1.84 32.5 32.4
47 B 45 NHA_CAPL 0.55 31.4 20.8 10.6 0.219 1.84 31.8 31.7
48 B 45 NHA_CAPL 0.55 34.3 20.9 13.4 0.221 1.84 32.0 31.9
49 B 45 NHA_CAPL 0.55 32 19.9 12.1 0.223 1.84 32.2 32.1
50 B 45 NHA_CAPL_CR_CAPL 0.55 30.7 19.6 11.1 0.224 1.58 31.4 32.2
51 B 45 NHA_CAPL_CR_CAPL 0.55 31.5 20.2 11.3 0.224 1.58 31.4 32.2
52 B 45 NHA_CAPL_CR_CAPL 0.55 30 18.9 11.1 0.215 1.58 30.6 31.3
53 B 45 HA_CAPL 0.55 30.7 19.6 11.1 0.226 1.41 30.9 32.4
54 B 45 HA_CAPL 0.55 30.5 19.8 10.7 0.227 1.41 31.0 32.5
55 B 45 HA_CAPL 0.55 31.6 20.1 11.5 0.225 1.41 30.8 32.3
56 B 45 HA_CAPL_CR_CAPL 0.55 29.2 19 10.2 0.222 1.19 29.8 32.0
57 B 45 HA_CAPL_CR_CAPL 0.55 29 19.4 9.6 0.222 1.19 29.8 32.0
58 B 45 HA_CAPL_CR_CAPL 0.55 29.4 18.9 10.5 0.223 1.19 29.9 32.1
59 B 90 NHA_CAPL 0.55 32.3 18.7 13.6 0.217 2.01 32.3 31.5
60 B 90 NHA_CAPL 0.55 28.7 18.7 10 0.211 2.01 31.7 30.8
61 B 90 NHA_CAPL 0.55 32 19.2 12.8 0.216 2.01 32.2 31.4
62 B 90 NHA_CAPL_CR_CAPL 0.55 33.6 19.6 14 0.217 2.58 34.3 31.5
63 B 90 NHA_CAPL_CR_CAPL 0.55 33.6 20 13.6 0.217 2.58 34.3 31.5
64 B 90 NHA_CAPL_CR_CAPL 0.55 34.3 20.8 13.5 0.218 2.58 34.4 31.6
65 B 90 HA_CAPL 0.55 31.8 19.2 12.6 0.211 2.06 31.9 30.8
66 B 90 HA_CAPL 0.55 31.8 19.7 12.1 0.211 2.06 31.9 30.8
67 B 90 HA_CAPL 0.55 32.6 19.8 12.8 0.218 2.06 32.5 31.6
68 B 90 HA_CAPL_CR_CAPL 0.55 34.4 20.5 13.9 0.217 2.48 33.9 31.5
69 B 90 HA_CAPL_CR_CAPL 0.55 33.9 20.1 13.8 0.213 2.48 33.6 31.0
70 B 90 HA_CAPL_CR_CAPL 0.55 34.3 20.6 13.7 0.218 2.48 34.0 31.6
도 1은 본 발명에 의한 수식을 사용하여 구한 연신율 예측값(실시예)과 실제 연신율 측정값(비교예)을 도시한 그래프이다. 수학식 1로 예측한 실시예의 예측신뢰도는 R2=91.7%이었으며, 비교예로 사용된 예측수식은 EL(%)=8.89 + 104×n이었으며 예측신뢰도는 R2=61.9%이었다. 따라서, 종래의 가공경화지수(n)만을 고려한 수식보다, 가공경화지수(n)와 소성이방성(r)을 함께 고려한 본 발명의 연신율 예측 정도가 월등히 우수함을 알 수 있다.
도 2는 도 2는 가공경화지수가 상이한 두 합금의 연신율 측정값과 수식을 사용하여 구한 본 발명에 의한 연신율 예측값을 도시한 그래프이다. A합금에 비하여, B합금의 경우 가공경화지수가 높기 때문에 균일변형률(TS_EL)이 높게 나타나고 있으며, 그 결과 B합금의 연신율이 A합금보다 높게 나타나고 있음을 표 3으로부터 알 수 있다. 이와 같이, 가공경화지수가 상이한 두 합금의 경우에도 수학식 1로 예측할 경우에 예측치와 실측치가 동일한 직선 상에서 군집하여 나타남을 보여준다.
도 3은 소성이방성(r)의 증가에 따른 Post-load maximum 연신율(PLM_EL)의 변화를 도시한 것으로 본 발명에서 연신율 예측 시 소성이방성을 고려하여야 하는 사유를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3을 참고하면, 페라이트계강의 인장시험 시, Post-load maximum 연신율(PLM_EL)이 r값의 증가와 함께 증가하는 경향을 분명히 나타내고 있다. 이는 본 발명의 가장 특징적인 사항으로서 집합조직의 발달이 강한 페라이트계 스테인리스강의 연신율 예측은 가공경화지수(n) 뿐만 아니라, 소성이방성(r)이 함께 고려되어야 함을 의미한다.
이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 최적 실시예를 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 수식을 사용하여 구한 연신율 예측값(실시예)과 실제 연신율 측정값(비교예)을 도시한 그래프도.
도 2는 가공경화지수가 상이한 두 합금의 연신율 측정값과 수식을 사용하여 구한 본 발명에 의한 연신율 예측값을 도시한 그래프도.
도 3은 소성이방성(r)의 증가에 따른 Post-load maximum 연신율(PLM_EL)의 변화를 도시한 것으로 본 발명에서 연신율 예측 시 소성이방성을 고려하여야 하는 사유를 설명하기 위한 그래프도.

Claims (1)

  1. 중량%로, C:0.05이하, Ti:1.0이하, Si:1.0이하, Mn:1.0이하, P:0.04이하, S:0.03이하, Cr:17.0~20, Ni:0.5이하, Mo:1.0이하, N:0.05이하, Cu:1.0이하, Al:0.15이하, Nb:1.0이하, 잔부 Fe 및 기타 통상적인 불순물로 이루어진 스테인리스강의 제조방법에 있어서, 하기의 수식에 의한 가공경화지수와 소성이방성 값과의 상관관계를 이용하여 연신율을 제어하는 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강의 제조방법.
    연신율 : EL(%)=6.54 + 86.0×n + 3.52×r
    (n : 인장시험 시 변형률 5~10% 영역에서의 가공경화지수
    r : 15% 인장변형 후 측정된 소성이방성 값)
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