KR20190074074A - 표면 품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스 강의 제조방법 - Google Patents

표면 품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스 강의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 쌍롤식 박판 주조를 이용하여 스테인리스 강을 제조하는 기술에 있어서, 표면 품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스 강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

표면 품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스 강의 제조방법{METHOD FOR MAUFACTURING MARTENSITIC STAINLESS STEEL HAVING EXCELLENT SURFACE PROPERTY}
본 발명은 쌍롤식 박판 주조를 이용하여 스테인리스 강을 제조하는 기술에 있어서, 표면 품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스 강을 제조하는 방법에 관한 것이다.
스테인리스 강은 크롬(Cr)을 18%이상 함유하여 내식성이 우수한 강재를 뜻하며, 화학 성분이나 금속학적 조직에 따라 오스테나이트계, 페라이트계, 석출강화계, 마르텐사이트계, 듀플렉스계로 분류된다.
이 중에서 마르텐사이트계 스테인리스 강은 내식성, 경도 및 내마모성이 우수하여 각종 도물류나 공기구류에 사용하는데, 특히 면도날, 의료용 칼, 식도 및 가위 등에 사용된다. 일반적인 마르텐사이트계 스테인리스 강은 용강을 연속주조 공정이나 잉곳으로 슬라브를 제조한 다음 재가열하고 열간압연한다. 상기 열간압연된 상태에서 강의 조직은 마르텐사이트상, 템퍼드 마르텐사이트상, 페라이트상, 잔류 오스테나이트상 등이 혼재하여 존재한다. 이러한 열연강판 코일은 소둔 목적으로 상소둔(batch annealing) 공정을 거쳐 페라이트와 탄화물로 변태되어 연질화되는데, 열연소둔에 의한 연질재는 열연소둔시 형성된 스케일 제거를 위하여 산세공정을 거친다. 산세 후의 연질의 소재는 냉간압연 또는 제품가공 후 최종수요가 열처리 공정을 거쳐 마르텐사이트 강으로 변태되는 것이다.
고급 도물류일수록 높은 경도가 요구되는데, 이러한 높은 경도를 갖기 위해서는 강의 마르텐사이트 기지조직에 의하여 구현된다. 마르텐사이트 조직은 고온의 오스테나이트를 빠르게 냉각시킬 때 형성되는 매우 경한 조직이다. 특히, 고온의 오스테나이트상에 고용된 탄소(C)의 함량이 높을수록 마르텐사이트에 고용된 탄소가 많아 경도가 더욱 높아진다. 따라서, 높은 경도를 갖는 마르텐사이트계 스테인리스 강을 제조하기 위해서는 가급적 많은 탄소를 강에 첨가하는 것이 바람직하다.
그러나 강 중에 탄소의 함량이 높을수록 편석이 심해지고, 고액공존영역이 높아지는 등 주조성에는 매우 취약한 특성이 있어 주로 잉곳 주조법으로 제조하고 있는 실정이다. 그러나 잉곳 주조법의 경우, 느린 냉각속도 때문에 입계에 조대한 석출물과 중심부 편석으로 인해 후처리 공정에서 품질 저하의 원인이 된다.
그리하여, 최근에는 잉곳 주조법을 대체하여 쌍롤식 박판주조법을 이용하여 마르텐사이트계 스테인리스 강을 제조하는 방법이 대두되고 있고, 이를 사용하면 중심편석이 억제되고, 초기 입계에 크롬 탄화 석출이 저감되어 품질을 향상시킬 수 있다(특허문헌 1).
그러나 상기 쌍롤식 박판 주조법을 이용하여 고탄소 함유 마르텐사이트 스테인리스 강을 제조하더라도, 주조시 균열 민감성을 감소시켜 주조 안정성을 확보하는 것이 필요하고, 표면 크랙을 저감하여 우수한 제품 표면 품질을 확보하기 위한 기술이 필요하다.
한국 공개특허공보 제10-2004-0058814호
본 발명의 일 측면은 고탄소 마르텐사이트 스테인리스 강을 쌍롤식 박판주조하여 제조하는 경우에 응고 불균일에 의해 발생하는 표면 크랙을 방지하여 우수한 표면 특성을 갖는 마르텐사이트계 스테인리스 강을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제는 상술한 사항에 한정되지 아니한다. 본 발명의 추가적인 과제는 명세서 전반적인 내용에 기술되어 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 명세서에 기재된 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일태양은 마르텐사이트계 스테인리스 용강을 준비하는 단계; 및
상기 준비된 용강을 반대 방향으로 회전하는 한쌍의 주조롤 사이로 주입하여 스트립을 제조하는 단계를 포함하고,
브러쉬 롤을 이용하여 상기 주조롤 표면의 흑피를 제거하는 단계를 더 포함하고,
상기 브러쉬 롤은 각 주조롤 당 2개 이상이며,
상기 스트립 제조시, 용강 표면의 분위기 가스는 아르곤(Ar) 1~5 부피%, 나머지는 질소(N2)인 표면 품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스 강의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 표면품질이 우수한 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 제공할 수 있다.
이때, 상기 스테인리스강은 쌍롤식 박판 주조법에 의해 제조할 수 있으므로, 제조원가를 절감시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에서 사용될 수 있는 쌍롤식 박판 주조기의 상세도이다.
도 2는 통상의 방법으로 브러쉬 롤을 적용하기 전의 스트립 사진이다.
도 3은 통상의 방법으로 브러쉬 롤을 적용한 후의 스트립 사진이다.
도 4는 통상의 방법으로 브러쉬 롤을 적용한 후, 스트립에서 발생한 크랙과 덴트 결함을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 일구현예인 실시예 중 발명예 3의 스트립 사진이다.
도 6은 본 발명의 일구현예인 실시예 중 발명예 3의 산세 후 표면을 관찰한 사진이다.
본 발명의 발명자들은 0.35~1.0 중량%의 탄소를 포함하는 중고탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강을 제조함에 있어서, 응고 불균일에 의해 발생하는 가로무늬부 표면 크랙을 방지할 수 있는 방안에 대해 깊이 연구하였다.
그 결과, 주조롤의 흑피(산화 피막)에 의해 발생하는 응고지연의 불균일을 완화시키는 것이 중요하다는 것을 인지하고 본 발명에 이르게 되었다.
하기 표 1에 일반적인 300계 스테인리스 강(STS 304, STS 301)과 탄소 함량이 각각 0.67 중량%, 0.50 중량%인 중고탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강의 일예를 가지고, 응고모드를 비교하여 나타내었다.
구분 STS 304 STS 301 0.67% C 0.50% C
응고모드 L →L+δ
→L+δ+γ
→δ+γ → γ
 L →L+δ
→L+δ+γ
→δ+γ → γ
 L →L+δ
→L+δ+γ
→L+γ → γ
→γ+M7C3
L →L+δ
→L+δ+γ
→L+γ → γ
→γ+M7C3
액상선(TL) 1448℃ 1441℃ 1440℃ 1452℃
고상선(TS) 1395℃ 1384℃ 1325℃ 1324℃
TL-TS 53℃ 57℃ 115℃ 128℃
상기 표 1에서, L: 액상, δ: δ-페라이트, γ: γ-페라이트, M7C3: 탄화물을 의미함
상기 표 1을 참고하면, 300계 스테인리스 강은 δ+γ → γ으로 고상 변태를 거쳐 응고가 진행되는 것을 알 수 있으나, 중고탄소 마르텐사이트 스테인리스 강의 경우에는 응고시 L+δ+γ → L+γ → γ 순으로 응고가 진행됨을 알 수 있다. 이와 같이 고상 주변에 액상이 잔류하는 응고 모드를 포정반응이라고 하며, 300계 스테인리스 강과 달리, 중고탄소 마르텐사이트 강은 먼저 응고된 고상은 응고 수축을 유발하며 주변에 응고 수축에 의한 인장 응력을 유발시키게 된다. 이때 잔류하는 액상에 인장 응력이 집중되면 표면에 크랙이 발생하게 된다. 이와 같은 응고모드 차이로 인해 응고가 완료되는 고상선(TS) 온도는 300계 마르텐사이트 강 대비 약 60~70℃ 낮아지게 된다. 이렇게 액상선(TL)과 고상선(TS)의 온도차가 크게 되면 잔류하는 액상에 인장 응력이 집중되며 표면에 크랙이 발생되기 쉽다. 특히, 열전달을 방해하는 흑피 등의 불균일 발생, 흡질이 되지 않은 가스가 존재할 때 더욱 크랙 민감성이 높아지게 된다.
한편, 300계 스테인리스 강과 중고탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강의 두께에 따른 열유속을 비교하면, 중고탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강이 300계 스테인리스 강에 비해서, 높은 열유속을 갖는다. 이는 흡질능의 차이, 응고 모드의 영향으로 응고시 응고쉘이 보다 낮은 온도까지 주조롤과 접촉하는 면적이 넓어진 효과로 이해할 수 있다.
즉, 상기 포정반응을 포함하면서 열유속이 높은 중고탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강을 쌍롤식 박판 주조기를 이용하여 주조하는 경우에, 주조롤과 응고쉘 사이에 열전달을 방해하는 흑피, 가스갭이 존재하면 흑피와 가스갭이 약한 부분 대비 응고능이 급격히 하락하게 되고, 주조시 열전달이 방해받은 부분은 주변보다 색상이 환하게 나타나며, 주변의 응고 수축시 인장 응력이 집중되어 응고 크랙이 발생하게 된다.
도 2 및 도 3은 기존의 방법에 따라, 주조롤 표면에 존재하는 흑피를 제거하기 위해서 브러쉬 롤을 적용하기 전과 후의 스트립 표면을 관찰한 사진이다. 도 4는 가로무늬부에 발생한 크랙과 덴트 결함을 관찰한 사진이다(도 4에서 표시된 위치).
도 2 및 3에서 보는 바와 같이, 주조롤에 누적되는 흑피를 제거하기 위해서 브러쉬롤을 사용하게 되면, 스트립에서 가로무늬가 선명하게 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 브러쉬 롤에 의해 흑피가 정상적으로 제거될 때는 응고가 정상적으로 진행되어 온도가 낮아짐에 따라 검은 색상으로 변하고, 흑피가 불균일하게 잔류하게 되면, 응고가 지연되어 밝은 색상을 띄게 된다. 이렇게 밝은 색상부는 응고가 지연됨에 따라 주변의 정상 응고부에서 발생하는 응고 수축 응력을 받게 되고, 도 4에 나타난 바와 같이 스트립의 표면에 크랙이 발생하게 된다. 또한, 상기 가로무늬부의 응고 지연부는 흑피와 분위기 가스에서 유입된 아르곤 혼합 가스에 의해 흡질이 방해 받아 덴트 결함을 동반하게 된다.
따라서, 중고탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강을 쌍롤식 박판 주조하여 제조하기 위해서는 응고 모드의 특성을 고려하여, 주조롤의 흑피를 제거하면서도 높은 열유속에 의한 응고능 불균일 발생시 가로무늬부에서 표면 크랙과 덴트 결함을 방지할 수 있어야 한다.
본 발명의 일구현예에 따른 마르텐사이트계 스테인리스 강을 제조하는 방법은 도 1과 같이 쌍롤식 박판 주조 공정을 통해 제조한다. 도 1은 상기 쌍롤식 박판 주조 공정의 일예를 나타낸 모식도이다. 쌍롤식 박판 주조 공정은, 도 1과 같이 래들(1)에 수용된 마르텐사이트 스테인리스 용강이 노즐을 따라 턴디쉬(2)로 유입되며, 턴디쉬(2)로 유입된 용강은 주조롤(5) 양 끝단부에 설치된 에지댐(6)의 사이, 즉, 한쌍의 주조롤(5)의 사이로 용강 주입노즐(3)을 통해 공급되어 응고가 개시된다. 쌍롤 사이의 용탕부에는 산화를 방지하기 위해 메니스커스 쉴드(7)로 용탕면을 보호하고 적절한 가스를 주입하여 분위기를 적절히 조절하게 된다. 양 롤이 만나는 롤 닙을 빠져나오면서 스트립이 제조된다. 후속하여 인라인 열간압연(8), 냉각(9) 및 권취(10)가 이루어질 수 있다. 이하에서 보다 상세히 설명한다.
상기 주조롤 표면의 흑피를 제거하기 위해서 브러쉬 롤(11)을 사용한다. 주조시 흑피를 균일하게 제거하여, 흑피 불균일에 의한 가로무늬 발생을 최소화하고, 크랙, 덴트 결함이 발생하지 않는 마르텐사이트계 스테인리스 강을 제조하기 위해서 상기 브러쉬 롤(11)은 각 주조롤당 2개 이상을 적용하는 것이 바람직하다. 회전하는 주조롤(5)과 회전하는 브러쉬 롤(11)이 접촉하여 주조롤 표면에 생성된 흑피가 제거된다. 이 과정에서 두 회전체의 헌팅(hunting)에 의해 불균일 접촉시 제거되는 흑피가 불균일할 수 밖에 없고, 이를 보상하기 위해서는 2개 이상의 브러쉬 롤(11)을 적용하여 주조롤(5) 표면의 흑피를 균일하게 제거하여 결과적으로 균일한 응고를 유도할 수 있다.
한편, 상기 브러쉬 롤의 작동 전류는 0.5~1.5A 인 것이 바람직하다. 브러쉬 롤은 주조롤 표면의 흑피, 이물질 등을 제거하여 주편의 응고를 균일하게 하는 역할을 수행한다. 상기 브러쉬 롤은 주조롤 표면이 손상받지 않게 하기 위해서, 스테인리스 와이어로 구성된 모(毛, bristle)를 봉에 부착한 구조로 되어 있다. 표면이 스테인리스 모로 제작되었기 때문에 주조롤과 접촉하여 흑피 등을 제거하기 위해서는 일정한 힘이 브러쉬 롤에 가해져야 하고, 브러쉬 롤이 주조롤과 접촉하여 발생하는 힘을 확인하여 제어하기 위해 브러쉬 롤의 전류 변화를 이용하게 된다. 이때 회전속도가 다른 주조롤과 브러쉬 롤이 접촉하게 되면 두 회전체 사이에는 저항이 발생하게 되고, 이 저항과 기계설비의 헌팅(hunting)에 의해 브러쉬 롤이 튀는 현상이 발생하게 된다. 이때 상기 브러쉬 롤의 작동 모터 전류가 0.5A 미만이면 주조롤과 브러쉬 롤의 접촉이 약하여 주조롤 표면의 흑피를 제거하는 기능이 감소하게 되고, 브러쉬 롤의 전류가 1.5A를 초과하게 되면 브러쉬 롤이 주조롤에 가하는 힘이 과도하여 롤이 튀는 현상, 즉 헌팅(hunting)이 과도하게 발생할 수 있다. 따라서, 주조롤 표면의 흑피를 균일하게 제거하여 균일한 응고를 유도하기 이해서는 브러쉬 롤이 주조롤과 적절히 접촉하여야 하고, 이를 위해 브러쉬 롤의 작동 전류는 0.5~1.5A로 하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 스트립을 제조할 때, 용강 표면의 분위기 가스는 아르곤(Ar)과 질소(N2)의 혼합가스인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 아르곤(Ar)이 1~5 부피%이고, 나머지는 질소(N2)이다. 스테인리스 강은 Cr을 함유하고 있기 때문에 기본적으로 응고시 흡질 반응이 일어나며, 이 흡질 반응에 의해 응고시 주조롤 표면과 응고쉘의 접촉이 원할하게 되어 표면 크랙과같은 결함을 방지할 수 있다. 또한, 주조과정에서 폭방향 응고 균일성을 확보하기 위하여 흡질이 되지 않으면서 산화를 방지할 수 있는 아르곤(Ar) 가스를 혼합하여 사용하게 된다. 상기 Ar 함량이 과다하게 적용하게 되면 응고쉘과 주조롤 사이의 가스갭이 커지게 되어 응고 지연이 발생하고 표면 응고 크랙이 발생하게 된다. 특히 포정반응 응고 모드를 가지는 중고탄소 마르텐사이트계 스테인리 강의 경우에 상기 Ar 함량이 5 부피%를 초과하면 응고 지연 효과가 커져서 응고시 표면 크랙 발생 확률이 높아진다. 반면, 상기 Ar 가스가 부족하게 되면 폭방향 응고 균일성의 제어가 어려워진다.
본 발명에 해당되는 상기 마르텐사이트 스테인리스계 강의 일예는 중량%로, C: 0.35~1.0%, Cr: 13~15%, Mn: 0.5~1.0%, Mo: 0.5~1.0%, N: 0.01~0.05%, Si: 0.3~1.0%, Ni: 0~0.25%, V: 0.1~0.15%, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 조성 이외에 P: 0.03% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.05% 이하, Cu: 0.5% 이하를 포함할 수 있다. 상기 P, S, Al, Cu는 입계 편석 원소로 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하다.
전술한 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 마르텐사이트계 스테인리스 강은 가루무늬 발생이 획기적으로 감소하고, 가로무늬가 발생하더라도, 표면크랙이나 결함 발생이 저감되어 우수한 표면 특성을 갖는다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
도 1에 도시된 쌍롤식 박판 주조 방법을 이용하여 폭 1300㎜, 두께 3.5㎜의 스트립을 제조하였고 제조된 스트립은 주조 직후, 열간압연하여 약 2㎜ 두께를 갖는 표 2의 조성범위 내의 코일을 제조되었다.
한편, 상기 제조과정에서 브러쉬 롤의 적용 수 및 가동 전류, 주조시 분위기 가스의 조건을 달리하여 제조하였다. 이에 대한 조건은 하기 표 3에 나타내었다.
C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu Al N V
0.049~
0.052		 0.5~
0.65		 0.50~
0.65		 0~
0.030		 0~
0.005		 13.0~
15.0		 0~
0.25		 0.60~
0.70		 0~
0.25		 0~
0.04		 0.01~
0.05		 0.10~
0.15
상기 단위는 중량%이고, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물이다.
구분 주조롤 당
브러쉬 롤 적용 수		 브러쉬 롤 가동 전류
(A)		 분위기 가스 Ar 비율
(부피%)		 가로무늬 발생 강도 표면 크랙 덴트 결함 에지 벌징
비교예 1 1 2.5 10 대 ○ ○ ×
비교예 2 22 2.5 10 대 ○ ○ ×
비교예 3 0 1.7 10 대 ○ × ×
비교예 4 2 0 0 없음 × ○ ○
발명예 1 2 2.0 5 중 × × ×
발명예 2 2 1.5 5 소 × × ×
발명예 3 2 1.0 5 소 × × ×
발명예 4 2 0.5 3 소 × × ×
발명예 5 2 0.5 1 소 × × ×
발명예 6 2 0.5 0 없음 × × ○
상기 표 3에서, 가로무늬 발생 정도는 루퍼 핏의 영상에서 밝기를 보고 판단하였다. 상기 가로무늬 발생 강도는 상기 영상을 통해, 관찰자가 육안으로 관찰하여, 그 정도를 대, 중, 소, 없음 등급으로 표시하였다. 일예로, 도 2의 경우는 중 등급으로 할 수 있고, 도 3의 경우는 대 등급, 도 5의 경우에는 없음 등급으로 나타낼 수 있다.
상기 표면 크랙 및 덴트 결함은 생산된 제품을 산세하여 표면을 저배율 현미경으로 관찰하여 결함 유무를 판단하였다. 에지 벌징은 주편의 폭방향 온도 분포를 측정하여 주편의 에지 50㎜부와 중앙부의 온도 차이가 80℃ 이하인지를 확인하여 판단하였다. 온도 차이가 80℃ 이하로 유지되면 주편 에지가 부풀어 오르는 에지 벌징 현상이 발생하지 않는다.
도 5는 상기 발명예 3을 관찰한 것으로서, 주조롤 당 2개의 브러쉬 롤을 적용한 후, 브러쉬 롤의 가동 전류를 1.0 A로 제조한 스트립 표면을 관찰한 것이다. 도 3과 비교할 때, 가로무늬가 거의 관찰되지 않아서, 응고 균일성이 양호한 것을 알 수 있다.
도 6은 상기 발명예 3의 스트립 시편을 채취하여 산세한 후 표면을 관찰한 것으로서, 주편(스트립) 표면의 전사가 양호하며, 가로 무늬에 의한 크랙, 텐트 결함이 관찰되지 않는 것을 알 수 있다.
상기 표 3의 결과와 도 5 및 6에 의하면, 본 발명에서 제시된 조건으로 제조된 중고탄소 마르텐사이트계 스테인리스 강은 우수한 표면 품질을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
1: 래들 2: 턴디시 3: 침지노즐
4: 섬프 5: 주조롤 6: 에지댐
7: 메니스커스 실드 8: 인라인 열간압연 9: 냉각 장치
10: 권취기 11. 브러쉬 롤

Claims (3)

  1. 마르텐사이트계 스테인리스 용강을 준비하는 단계; 및
    상기 준비된 용강을 반대 방향으로 회전하는 한쌍의 주조롤 사이로 주입하여 스트립을 제조하는 단계를 포함하고,
    브러쉬 롤을 이용하여 상기 주조롤 표면의 흑피를 제거하는 단계를 더 포함하고,
    상기 브러쉬 롤은 각 주조롤 당 2개 이상이며,
    상기 스트립 제조시, 용강 표면의 분위기 가스는 아르곤(Ar) 1~5 부피%, 나머지는 질소(N2)인 표면 품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스 강의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 브러쉬 롤의 가동 전류는 0.5~1.5A로 행하는 표면 품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스 강의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 마르텐사이트계 스테인리스 강의 조성은 중량%로, C: 0.35~1.0%, Cr: 13~15%, Mn: 0.5~1.0%, Mo: 0.5~1.0%, N: 0.01~0.05%, Si: 0.3~1.0%, Ni: 0~0.25%, V: 0.1~0.15%, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 표면 품질이 우수한 마르텐사이트계 스테인리스 강의 제조방법.

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