KR20230074779A - 오스테나이트계 스테인리스 강재 및 그 제조 방법, 그리고 판 스프링 - Google Patents

오스테나이트계 스테인리스 강재 및 그 제조 방법, 그리고 판 스프링 Download PDF

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KR20230074779A
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마사야 다나카
나오키 히라카와
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닛테츠 스테인레스 가부시키가이샤
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Abstract

질량 기준으로, C:0.200% 이하, Si:4.00% 이하, Mn:5.00% 이하, Ni:4.00~10.00%, Cr:12.00~18.00%, Cu:3.50% 이하, Mo:1.00~5.00%, N:0.200% 이하를 포함하고, C 및 N의 합계량이 0.100% 이상이며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 하기 식 (1):
Md30=551-462(C＋N)-9.2Si-8.1Mn-29(Ni＋Cu)-13.7Cr-18.5Mo … (1)
(식 중, 원소 기호는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다)로 나타내어지는 Md30의 값이 -40.0~0℃인 조성을 갖고, 가공 유기(誘起) 마텐자이트상의 전위 밀도가 8.0×1016m-2 이하, 잔류 오스테나이트상의 전위 밀도가 1.5×1016~6.0×1016m-2, 및 상기 가공 유기 마텐자이트상의 함유량이 20~55체적%인 금속 조직을 갖는 오스테나이트계 스테인리스 강재이다.

Description

오스테나이트계 스테인리스 강재 및 그 제조 방법, 그리고 판 스프링
본 발명은, 오스테나이트계 스테인리스 강재 및 그 제조 방법, 그리고 판 스프링에 관한 것이다.
스마트폰 등의 통신 기기나 퍼스널 컴퓨터 등의 정밀 기기의 소형화 및 고성능화에 수반하여, 이들 기기에 이용되는 구조 부품이나 기능성 부품의 박육 경량화가 진행되고 있다. 그 때문에, 이들 부품에 이용되는 재료에는, 가공성(연성)이 우수하고 고강도인 것이 요구된다. 특히, 반복 응력에 노출되는 판 스프링 등의 부품에는, 반복 응력을 견딜 수 있는 특성(내변형성)이 요구된다. 여기서, 「내변형성」이란, 탄성 응력 하에서 반복하여 사용했을 경우에 미소 변형에 의해서 원래의 형상으로 완전히 돌아오지 않는 「변형」을 견디는 특성을 의미한다.
고강도와 고연성을 겸비한 재료로서는, 특허문헌 1에는, 질량%로, C:0.05~0.15%, Si:0.05~1%, Mn:2% 이하, Cr:16~18%, Ni:4~11%, Mo:2.5~3.5%, 그리고 Al:0.1~3.5% 및 Ti:0.1~3.5%의 군으로부터 선택된 1종 또는 2종을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지며, α＇상과 γ상의 2상 조직을 갖고, YS(0.2% 내력)가 1400~1900N/mm2이고, YS(0.2% 내력)×EL(신장률)이 21000~48000을 만족하는 스테인리스 강재(준안정 오스테나이트계 스테인리스 강대 또는 강판)가 제안되어 있다.
또, 특허문헌 2에는, 질량%에 있어서, C:0.10% 이하, Si:1.0~3.0%, Mn:2.0% 이하, Ni:4.0~9.0%, Cr:12.0~18.0%, Mo:1.0~5.0%, N:0.15% 이하를 포함하고, 또한 C＋N≥0.10%의 관계를 만족하도록 C와 N을 함유하며, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 스테인리스 강재(인성이 우수한 고강도 스테인리스강)가 제안되어 있다.
일본국 특허공개 2017-218670호 공보 일본국 특허공개 평6-207250호 공보
특허문헌 1 및 2에 기재된 스테인리스 강재는, 고강도와 고연성을 겸비하고 있지만, 통신 기기나 정밀 기기에 이용되는 부품(특히, 판 스프링 등)에 요구되는 내변형성에 대해서는 검토되어 있지 않다.
본 발명은, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 고강도 및 고연성이고, 또한 내변형성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강재 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 본 발명은, 고강도이고, 치수 정밀도가 우수하며, 수명이 긴 판 스프링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 조성 및 금속 조직을 제어함으로써, 상기의 문제를 해결할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은, 질량 기준으로, C:0.200% 이하, Si:4.00% 이하, Mn:5.00% 이하, Ni:4.00~10.00%, Cr:12.00~18.00%, Cu:3.50% 이하, Mo:1.00~5.00%, N:0.200% 이하를 포함하고, C 및 N의 합계량이 0.100% 이상이며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 하기 식 (1):
Md30=551-462(C＋N)-9.2Si-8.1Mn-29(Ni＋Cu)-13.7Cr-18.5Mo … (1)
(식 중, 원소 기호는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다)로 나타내어지는 Md30의 값이 -40.0~0℃인 조성을 갖고,
가공 유기(誘起) 마텐자이트상의 전위 밀도가 8.0×1016m-2 이하, 잔류 오스테나이트상의 전위 밀도가 1.5×1016~6.0×1016m-2, 및 상기 가공 유기 마텐자이트상의 함유량이 20~55체적%인 금속 조직을 갖는 오스테나이트계 스테인리스 강재이다.
또, 본 발명은, 질량 기준으로, C:0.200% 이하, Si:4.00% 이하, Mn:5.00% 이하, Ni:4.00~10.00%, Cr:12.00~18.00%, Cu:3.50% 이하, Mo:1.00~5.00%, N:0.200% 이하를 포함하고, C 및 N의 합계량이 0.100% 이상이며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 하기 식 (1):
Md30=551-462(C＋N)-9.2Si-8.1Mn-29(Ni＋Cu)-13.7Cr-18.5Mo … (1)
(식 중, 원소 기호는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다)로 나타내어지는 Md30의 값이 -40.0~0℃인 조성을 갖는 압연재를 용체화 처리한 후, 가공 유기 마텐자이트상의 전위 밀도가 8.0×1016m-2 이하, 잔류 오스테나이트상의 전위 밀도가 1.5×1016~6.0×1016m-2, 및 상기 가공 유기 마텐자이트상의 함유량이 20~55체적%가 되는 압연율로 냉간 압연하는 공정을 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법이다.
또한, 본 발명은, 상기의 오스테나이트계 스테인리스 강재를 포함하는 판 스프링이다.
본 발명에 의하면, 고강도 및 고연성이며, 또한 내변형성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강재 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
또, 본 발명은, 고강도이고, 치수 정밀도가 우수하며, 수명이 긴 판 스프링을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 구체적으로 설명한다. 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서, 당업자의 통상의 지식에 의거하여, 이하의 실시형태에 대해서 변경, 개량 등이 적절히 가해진 것도 본 발명의 범위에 들어가는 것이 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에 있어서 성분에 관한 「%」 표시는, 특별히 언급하지 않는 한 「질량%」를 의미한다.
본 발명의 실시형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강재는, C:0.200% 이하, Si:4.00% 이하, Mn:5.00% 이하, Ni:4.00~10.00%, Cr:12.00~18.00%, Cu:3.50% 이하, Mo:1.00~5.00%, N:0.200% 이하를 포함하고, C 및 N의 합계량이 0.100% 이상이며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진다.
여기서, 본 명세서에 있어서 「스테인리스 강재」란, 스테인리스강으로 형성된 재료를 의미하며, 그 재형은 특별히 한정되지 않는다. 재형의 예로서는, 판 형상(띠 형상을 포함한다), 봉 형상, 관 형상 등을 들 수 있다. 또, 단면 형상이 T형, I형 등의 각종 형강이어도 된다. 또, 「불순물」이란, 오스테나이트계 스테인리스 강재를 공업적으로 제조할 때에, 광석, 스크랩 등의 원료, 제조 공정의 여러 가지의 요인에 의해서 혼입되는 성분이며, 본 발명에 악영향을 끼치지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다. 예를 들면, P나 S 등의 제거하는 것이 어려운 불가피적 불순물도 이 불순물에 포함된다.
또, 본 발명의 실시형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 필요에 따라서, Al:0.100% 이하, O:0.010% 이하, V:0.0001~0.500%, B:0.0001~0.0150%로부터 선택되는 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 필요에 따라서, Ti:0.0001~0.500%, Co:0.010~0.500%, Zr:0.010~0.100%, Nb:0.010~0.100%, Mg:0.0005~0.0030%, Ca:0.0003~0.0030%, Y:0.010~0.200%, Ln:0.001~0.100%, Sn:0.001~0.500%, Sb:0.001~0.500%, Pb:0.010~0.100%, W:0.010~0.500%로부터 선택되는 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다.
이하, 각 성분에 대해서 상세하게 설명한다.
＜C:0.200% 이하＞
C는, 침입형 원소이며, 가공 경화 및 열처리에 의한 고강도화에 기여한다. 또, C는, 오스테나이트상을 안정화시키는 원소이며, 비(非)자성의 유지에 유효하다. 단, C의 함유량이 너무 많으면, 경질화하여 냉간 가공성을 저하시키는 요인이 된다. 그 때문에, C의 함유량의 상한치는, 0.200%, 바람직하게는 0.100%, 보다 바람직하게는 0.090%로 설정된다. 한편, C의 함유량의 하한치는, 특별히 한정되지 않는데, 정련 비용의 관점에서, 바람직하게는 0.010%, 보다 바람직하게는 0.015%, 더 바람직하게는 0.020%로 설정된다.
＜Si:4.00% 이하＞
Si는, 제강 과정에 있어서 스테인리스강의 탈산제로서 이용되는 원소이다. 또, Si는, 냉간 압연 후의 열처리에 있어서 시효경화성을 향상시키는 작용을 갖는다. 단, Si는, 고용 강화 작용이 크고, 또한 적층 결함 에너지를 저하시켜 가공 경화성을 향상시키는 작용을 가지므로, Si의 함유량이 너무 많으면 냉간 가공성을 저하시키는 요인이 된다. 그 때문에, Si의 함유량의 상한치는, 4.00%, 바람직하게는 3.50%, 보다 바람직하게는 3.00%로 설정된다. 한편, Si의 함유량의 하한치는, 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는 1.00%, 보다 바람직하게는 1.20%, 더 바람직하게는 1.50%로 설정된다.
＜Mn:5.00% 이하＞
Mn은, MnO로서 산화물계 개재물을 형성하는 원소이다. 또, Mn은, 고용 강화 작용이 작고, 또한 오스테나이트 생성 원소이며, 가공 유기 마텐자이트 변태를 억제시키는 작용을 갖는다. 그 때문에, Mn의 함유량의 상한치는, 5.00%, 바람직하게는 4.00%, 보다 바람직하게는 3.00%로 설정된다. 한편, Mn의 함유량의 하한치는, 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는 0.01%, 보다 바람직하게는 0.05%, 더 바람직하게는 0.10%로 설정된다.
＜Ni:4.00~10.00%＞
Ni는, 고온 및 실온에서 오스테나이트상을 얻기 위해서 함유되는 원소이다. 실온에서 준안정 오스테나이트상으로 하여, 냉간 압연했을 때에 마텐자이트상이 유기되도록 Ni를 함유시키는 것이 필요하다. Ni의 함유량이 너무 적으면, 고온에서 δ 페라이트상이 생성됨과 더불어, 실온까지의 냉각 과정에서 마텐자이트상이 생성되어 버려, 오스테나이트 단상으로서 존재할 수 없게 된다. 그 때문에, Ni의 함유량의 하한치는, 4.00%, 바람직하게는 4.50%, 보다 바람직하게는 5.00%로 설정된다. 한편, Ni의 함유량이 너무 많으면, 냉간 압연했을 때에 마텐자이트상이 유기되기 어려워진다. 그 때문에, Ni의 함유량의 상한치는, 10.00%, 바람직하게는 9.50%, 보다 바람직하게는 9.00%로 설정된다.
＜Cr:12.00~18.00%＞
Cr은, 내식성을 향상시키는 원소이다. 구조 부품이나 기능성 부품(특히, 판 스프링) 등에 적합한 내식성을 확보한다는 관점에서, Cr의 함유량의 하한치는, 12.00%, 바람직하게는 12.50%, 보다 바람직하게는 13.00%로 설정된다. 한편, Cr의 함유량이 너무 많으면, 냉간 가공성이 저하한다. 그 때문에, Cr의 함유량의 상한치는, 18.00%, 바람직하게는 17.50%, 보다 바람직하게는 17.00%로 설정된다.
＜Cu:3.50% 이하＞
Cu는, 열처리 시에 스테인리스강을 경화시키는 작용을 갖는 원소이다. 단, Cu의 함유량이 너무 많으면, 열간 가공성이 저하하여, 균열 발생의 원인이 된다. 그 때문에, Cu의 함유량의 상한치는, 3.50%, 바람직하게는 3.00%, 보다 바람직하게는 2.00%로 설정된다. 한편, Cu의 함유량의 하한치는, 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는 0.01%, 보다 바람직하게는 0.02%, 더 바람직하게는 0.03%로 설정된다.
＜Mo:1.00~5.00%＞
Mo는, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 내식성을 향상시키기 위해서 유효한 원소이다. 또, Mo는, 냉간 압연 시에 발생한 변형이 해방되는 것을 억제하기 위해서 유효한 원소이기도 하다. 근년, 내식성이나 내변형성의 향상이 요구되고 있는 구조 부품이나 기능성 부품(특히, 판 스프링)으로의 사용을 고려하면, Mo의 함유량의 하한치는, 1.00%, 바람직하게는 1.30%, 보다 바람직하게는 1.50%로 설정된다. 한편, Mo는, 고가이기 때문에, Mo의 함유량이 너무 많으면, 제조 비용의 상승으로 연결된다. 또, 고온 시에 δ 페라이트상 및 α 페라이트상이 생성되어 버린다. 그 때문에, Mo의 함유량의 상한치는, 5.00%, 바람직하게는 4.50%, 보다 바람직하게는 4.00%로 설정된다.
＜N:0.200% 이하＞
N은, 오스테나이트 생성 원소이다. 또, N은, 오스테나이트상 및 마텐자이트상을 경화시키는 데에 극히 유효한 원소이다. 단, N의 함유량이 너무 많으면, 주조 시에 블로우 홀의 원인이 된다. 그 때문에, N의 함유량의 상한치는, 0.200%, 바람직하게는 0.150%, 보다 바람직하게는 0.100%로 설정된다. 한편, N의 함유량의 하한치는, 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는 0.001%, 바람직하게는 0.010%로 설정된다.
＜C 및 N의 합계량:0.100% 이상＞
C 및 N은, 동일한 경화 작용을 제공하는 원소이다. 이러한 경화 작용을 충분히 발휘시킨다는 관점에서, C 및 N의 합계량의 하한치는, 0.100%, 바람직하게는 0.120%, 보다 바람직하게는 0.140%로 설정된다.
＜Al:0.100% 이하＞
Al은, 산소 친화력이 Si 및 Mn에 비해 높다. Al의 함유량이 너무 많으면, 냉간 압연에서 내부 균열의 기점이 되는 조대한 산화물계 개재물이 형성되기 쉬워진다. 그 때문에, Al 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.100%, 보다 바람직하게는 0.080%, 더 바람직하게는 0.050%, 더 바람직하게는 0.030%로 설정된다. 한편, Al의 함유량의 하한치는, 특별히 한정되지 않는데, 과도한 저Al화는 제조 비용의 상승으로 연결되기 때문에, 바람직하게는 0.0001%, 보다 바람직하게는 0.0003%, 더 바람직하게는 0.0005%로 설정된다.
＜O:0.010% 이하＞
O의 함유량이 너무 많으면, 입자경이 5μm를 초과하는 조대한 개재물이 형성되기 쉬워진다. 그 때문에, O의 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.010%, 바람직하게는 0.008%로 설정된다. 한편, O의 함유량의 하한치는, 특별히 한정되지 않는데, O의 함유량이 너무 적으면, Mn이나 Si 등이 산화되기 어려워져, 개재물에 있어서의 Al2O3의 비율이 높아진다. 그 때문에, O의 함유량의 하한치는, 바람직하게는 0.001%, 보다 바람직하게는 0.003%로 설정된다.
＜V:0.0001~0.500%＞
V는, 냉간 압연 후에 행하는 열처리의 가열에 있어서 시효경화성을 높이는 작용을 갖는 원소이다. 이 작용을 충분히 얻는다는 관점에서, V의 함유량의 하한치는, 바람직하게는 0.0001%, 보다 바람직하게는 0.0010%로 설정된다. 한편, V의 함유량이 너무 많으면, 제조 비용의 상승으로 연결된다. 그 때문에, V의 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.500%, 보다 바람직하게는 0.400%, 더 바람직하게는 0.300%로 설정된다.
＜B:0.0001~0.0150%＞
B의 함유량이 너무 많으면, 붕화물의 생성에 의한 가공성의 저하를 초래하는 요인이 된다. 그 때문에, B의 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.0150%, 보다 바람직하게는 0.0100%로 설정된다. 한편, B의 함유량의 하한치는, 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는 0.0001%, 보다 바람직하게는 0.0002%로 설정된다.
＜Ti:0.0001~0.500%＞
Ti는, 탄질화물 형성 원소이며, C, N을 고정하고, 예민화에 기인하는 내식성의 저하를 억제한다. 이러한 효과를 발휘시킨다는 관점에서, Ti의 함유량의 하한치는, 바람직하게는 0.0001%, 보다 바람직하게는 0.001%로 설정된다. 한편, Ti의 함유량이 너무 많으면, C, N의 고용량이 적게 되며, 탄화물로서 불균일한 사이즈로 불균일하게 국재(局在)하여 석출되며, 재결정립 성장을 저해하는 경우가 있다. 또, Ti는, 고가이기 때문에, 제조 비용의 상승으로 연결된다. 그 때문에, Ti의 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.500%, 보다 바람직하게는 0.400%, 더 바람직하게는 0.300%로 설정된다.
＜Co:0.010~0.500%＞
Co는 내(耐)간극 부식성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시킨다는 관점에서, Co의 함유량의 하한치는, 바람직하게는 0.010%, 보다 바람직하게는 0.020%로 설정된다. 한편, Co의 함유량이 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스 강재가 경질화하여 연성이 저하한다. 그 때문에, Co의 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.500%, 보다 바람직하게는 0.100%로 설정된다.
＜Zr:0.010~0.100%＞
Zr은, C 및 N과의 친화력이 높은 원소이며, 열간 압연 시에 탄화물 또는 질화물로서 석출되어, 모상 중의 고용 C 및 고용 N을 저감시켜, 가공성을 향상시키는 효과가 있다. 이러한 효과를 발휘시킨다는 관점에서, Zr의 함유량의 하한치는, 바람직하게는 0.010%, 보다 바람직하게는 0.020%로 설정된다. 한편, Zr의 함유량이 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스 강재가 경질화하여 연성이 저하한다. 그 때문에, Zr의 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.100%, 보다 바람직하게는 0.050%로 설정된다.
＜Nb:0.010~0.100%＞
Nb는, C 및 N과의 친화력이 높은 원소이며, 열간 압연 시에 탄화물 또는 질화물로서 석출되어, 모상 중의 고용 C 및 고용 N을 저감시켜, 가공성을 향상시키는 효과가 있다. 이러한 효과를 발휘시킨다는 관점에서, Nb의 함유량의 하한치는, 바람직하게는 0.010%, 보다 바람직하게는 0.020%로 설정된다. 한편, Nb의 함유량이 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스 강재가 경질화하여 연성이 저하한다. 그 때문에, Nb의 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.100%, 보다 바람직하게는 0.050%로 설정된다.
＜Mg:0.0005~0.0030%＞
Mg는, 용강 중에서 Al과 함께 Mg 산화물을 형성하며, 탈산제로서 작용한다. 이러한 작용을 발휘시킨다는 관점에서, Mg의 함유량의 하한치는, 바람직하게는 0.0005%, 보다 바람직하게는 0.0008%로 설정된다. 한편, Mg의 함유량이 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 인성이 저하한다. 그 때문에, Mg의 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.0030%, 보다 바람직하게는 0.0020%로 설정된다.
＜Ca:0.0003~0.0030%＞
Ca는, 열간 가공성을 향상시키는 원소이다. 이 Ca에 의한 효과를 발휘시킨다는 관점에서, Ca의 함유량의 하한치는, 바람직하게는 0.0003%, 보다 바람직하게는 0.0005%로 설정된다. 한편, Ca의 함유량이 너무 많으면, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 인성이 저하한다. 그 때문에, Ca의 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.0030%, 보다 바람직하게는 0.0020%로 설정된다.
＜Y:0.010~0.200%＞
Y는, 용강의 점도를 감소시켜, 청정도를 향상시키는 원소이다. 이러한 Y에 의한 효과를 발휘시킨다는 관점에서, Y의 함유량의 하한치는, 바람직하게는 0.010%, 보다 바람직하게는 0.020%로 설정된다. 한편, Y의 함유량이 너무 많으면, Y에 의한 효과가 포화함과 더불어, 가공성이 저하되어 버린다. 그 때문에, Y의 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.200%, 보다 바람직하게는 0.100%로 설정된다.
＜Ln:0.001~0.100%＞
Ln(란타노이드:La, Ce, Nd 등의 원자 번호 57~71의 원소)는, 내고온 산화성을 향상시키는 원소이다. 이러한 Ln에 의한 효과를 발휘시킨다는 관점에서, Ln의 함유량의 하한치는, 바람직하게는 0.001%, 보다 바람직하게는 0.002%로 설정된다. 한편, Ln의 함유량이 너무 많으면, Ln에 의한 효과가 포화함과 더불어, 열간 압연 시에 표면 결함이 발생하여, 제조성이 저하한다. 그 때문에, Ln의 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.100%, 보다 바람직하게는 0.050%로 설정된다.
＜Sn:0.001~0.500%＞
Sn은, 압연 시에 있어서의 변형대 생성의 촉진에 의한 가공성의 향상에 효과적인 원소이다. 이러한 Sn에 의한 효과를 발휘시킨다는 관점에서, Sn의 함유량의 하한치는, 바람직하게는 0.001%, 보다 바람직하게는 0.003%로 설정된다. 한편, Sn의 함유량이 너무 많으면, Sn에 의한 효과는 포화함과 더불어, 가공성이 저하되어 버린다. 그 때문에, Sn의 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.500%, 보다 바람직하게는 0.200%로 설정된다.
＜Sb:0.001~0.500%＞
Sb는, 압연 시에 있어서의 변형대 생성의 촉진에 의한 가공성의 향상에 효과적인 원소이다. 이러한 Sb에 의한 효과를 발휘시킨다는 관점에서, Sb의 함유량의 하한치는, 바람직하게는 0.001%, 보다 바람직하게는 0.003%로 설정된다. 한편, Sb의 함유량이 너무 많으면, Sb에 의한 효과는 포화함과 더불어, 가공성이 저하해 버린다. 그 때문에, Sb의 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.500%, 보다 바람직하게는 0.200%로 설정된다.
＜Pb:0.010~0.100%＞
Pb는, 쾌삭성의 향상에 유효한 원소이다. 이러한 Pb에 의한 효과를 발휘시킨다는 관점에서, Pb의 함유량의 하한치는, 바람직하게는 0.010%, 보다 바람직하게는 0.020%로 설정된다. 한편, Pb의 함유량이 너무 많으면, 입계의 융점을 내림과 더불어 입계의 결합력을 저하시켜, 입계 용융에 의거하는 액화 균열 등, 열간 가공성의 열화를 초래할 염려가 있다. 그 때문에, Pb의 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.100%, 보다 바람직하게는 0.090%로 설정된다.
＜W:0.010~0.500%＞
W는, 실온에 있어서의 연성을 해치지 않고, 고온 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. 이러한 W에 의한 효과를 발휘시킨다는 관점에서, W의 함유량의 하한치는, 바람직하게는 0.010%, 보다 바람직하게는 0.020%로 설정된다. 한편, W의 함유량이 너무 많으면, 조대한 공정 탄화물이 생성되어, 연성의 저하를 일으킨다. 그 때문에, W의 함유량의 상한치는, 바람직하게는 0.500%, 보다 바람직하게는 0.450%로 설정된다.
＜Md30:-40.0~0℃＞
Md30은, 오스테나이트(γ) 단상에 0.30의 변형를 가했을 때에, 조직의 50%가 마텐자이트로 변태하는 온도(℃)를 나타낸다. 따라서, Md30이 높을(고온일)수록 오스테나이트가 불안정하다는 것을 의미한다.
Md30은, 하기 식 (1)로 나타내어진다.
Md30=551-462(C＋N)-9.2Si-8.1Mn-29(Ni＋Cu)-13.7Cr-18.5Mo … (1)
식 중, 원소 기호는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.
Md30이 너무 낮으면, 오스테나이트상의 안정도가 증가하기 때문에, 냉간 압연에 의해서 오스테나이트상을 가공 유기 마텐자이트상으로 변태시키기 어려워져, 고강도화를 충분히 행할 수 없다. 그 때문에, Md30의 하한치는, -40.0℃로 설정된다. 한편, Md30이 너무 높으면, 오스테나이트상이 불안정해져, 냉간 압연에 의해서 변태하는 가공 유기 마텐자이트상의 양이 많아짐과 더불어, 하기에서 설명하는 각 상의 전위 밀도를 원하는 범위로 제어하기 어려워지기 때문에, 원하는 연성이나 내변형성을 얻을 수 없다. 그 때문에, Md30의 상한치는, 0℃로 설정된다.
본 발명의 실시형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 가공 유기 마텐자이트상의 전위 밀도가 8.0×1016m-2 이하, 바람직하게는 7.5×1016m-2 이하이고, 또한 잔류 오스테나이트상의 전위 밀도가 1.5×1016~6.0×1016m-2, 바람직하게는 2.0×1016~5.5×1016m-2인 금속 조직을 갖는다.
잔류 오스테나이트상의 전위 밀도가, 1.5×1016m-2 미만인 경우, 상 중의 전위 운동을 충분히 억제할 수 없다. 그 때문에, 응력 완화율이 저하하여, 원하는 내변형성을 얻을 수 없다. 또, 가공 유기 마텐자이트상의 전위 밀도가 8.0×1016m-2 초과인 경우, 및 잔류 오스테나이트상의 전위 밀도가 6.0×1016m-2 초과인 경우, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 강도가 너무 높아져 버리기 때문에, 원하는 연성을 얻을 수 없다. 또한, 가공 유기 마텐자이트상의 전위 밀도의 하한치는, 특별히 한정되지 않으며, 0m-2여도 된다.
여기서, 전위 밀도란, 단위 체적의 결정 중에 포함되는 전위의 전체 길이이다. 통상적으로, 냉간 압연을 행하면, 운동한 전위의 일부가 재료 중에 축적되기 때문에, 전위 밀도가 증가한다. 이렇게 해서 축적된 전위가, 후속의 전위와 상호 작용을 일으켜 전위의 운동을 저해하므로, 전위 밀도가 증가하면, 강도 및 내변형성이 향상된다.
본 발명의 실시형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강재의 금속 조직은, 가공 유기 마텐자이트상의 함유량이 20~55체적%, 바람직하게는 25~50체적%이다.
가공 유기 마텐자이트상의 함유량이 20체적% 미만인 경우, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 강도 및 내변형성이 저하한다. 또, 가공 유기 마텐자이트상의 함유량이 55체적% 초과인 경우, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 연성이 저하한다.
여기서, 가공 유기 마텐자이트상의 함유량은, 당해 기술 분야에 있어서 공지의 방법을 이용하여 측정하는 것이 가능하다. 예를 들면, 페라이트 스코프 등을 이용하여 측정하면 된다.
본 발명의 실시형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 인장 강도(TS)가, 바람직하게는 1400MPa 이상, 보다 바람직하게는 1450MPa 이상이다. 이러한 범위로 인장 강도를 제어함으로써, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 강도를 확보할 수 있다. 또한, 인장 강도의 상한치에 대해서는, 특별히 한정되지 않는데, 일반적으로 2100MPa, 바람직하게는 2050MPa이다.
여기서, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 인장 강도는, JIS Z2241:2011에 준거하여 측정할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 파단 신장률(EL)이, 바람직하게는 2.0% 이상, 보다 바람직하게는 3.0% 이상이다. 이러한 범위로 파단 신장률을 제어함으로써, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 연성을 확보할 수 있다. 또한, 파단 신장률의 상한치에 대해서는, 특별히 한정되지 않는데, 일반적으로 20.0%, 바람직하게는 15.0%이다.
여기서, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 파단 신장률은, JIS Z2241:2011에 준거하여 측정할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 비커스 경도가, 바람직하게는 420HV 이상, 보다 바람직하게는 450HV 이상이다. 이러한 범위로 비커스 경도를 제어함으로써, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 강도를 확보할 수 있다. 또한, 비커스 경도의 상한치에 대해서는, 특별히 한정되지 않는데, 일반적으로 600HV, 바람직하게는 580HV이다.
본 발명의 실시형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 하기 식 (2)로 나타내어지는 응력 완화율이, 바람직하게는 1.00% 이하, 보다 바람직하게는 0.90% 이하, 더 바람직하게는 0.80% 이하이다.
응력 완화율=(σ1-σ2)/σ1 … (2)
식 중, σ1은 0.2% 내력 미만의 응력이며, σ2는 σ1의 응력을 부여하고 나서 180초 후의 응력이다.
응력 완화율을 상기의 범위로 제어함으로써, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 내변형성을 확보할 수 있다. 또한, 응력 완화율의 하한치에 대해서는, 특별히 한정되지 않는데, 일반적으로 0%, 바람직하게는 0.10%, 보다 바람직하게는 0.20%이다.
여기서, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 0.2% 내력은, JIS Z2241:2011에 준거하여 측정할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강재의 두께는, 특별히 한정되지 않는데, 바람직하게는 0.2mm 이하, 보다 바람직하게는 0.15mm 이하이다. 이러한 두께로 제어함으로써, 각종 부품의 박육 경량화를 도모할 수 있다. 또한, 두께의 하한치는, 용도에 따라 조정하면 되며 특별히 한정되지 않는데, 일반적으로 0.01mm이다.
본 발명의 실시형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법으로서는, 특별히 한정되지 않는데, 예를 들면, 상기의 조성을 갖는 압연재를 용체화 처리한 후, 냉간 압연함으로써 제조할 수 있다.
압연재로서는, 상기의 조성을 가지고 있으면 특별히 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에 있어서 공지의 방법을 이용하여 제조된 것을 이용할 수 있다. 압연재로서는, 열연재나 냉연재를 이용할 수 있는데, 두께가 작은 냉연재인 것이 바람직하다.
열연재는, 상기의 조성을 갖는 스테인리스강을 용제하여 단조 또는 주조한 후, 열간 압연 및 필요에 따라서 시효 처리를 행함으로써 제조할 수 있다. 또, 냉연재는, 열연재에 대해서 냉간 압연을 행함으로써 제조할 수 있다. 또한, 각 압연 후에는, 필요에 따라서 소둔이나 산세 등을 적절히 행해도 된다.
압연재의 용체화 처리(고용화 처리)의 조건은, 특별히 한정되지 않으며, 압연재의 조성에 따라 적절히 설정하면 된다. 예를 들면, 압연재를 1000~1200℃로 가열하여 유지한 후, 급랭함으로써 용체화 처리를 행할 수 있다.
용체화 처리 후의 냉간 압연은, 압연재에 가공 변형을 일으켜, 오스테나이트상의 일부를 가공 유기 마텐자이트상으로 변태시킴과 더불어, 가공 유기 마텐자이트상 및 잔류 오스테나이트상의 전위 밀도를 증가시키기 위해서 행해진다.
냉간 압연의 압연율은, 가공 유기 마텐자이트상의 전위 밀도가 8.0×1016m-2 이하, 잔류 오스테나이트상의 전위 밀도가 1.5×1016~6.0×1016m-2, 및 가공 유기 마텐자이트상의 함유량이 20~55체적%가 되는 조건으로 행해진다. 이러한 압연율로 냉간 압연을 행함으로써, 고강도 및 고연성이고, 또한 내변형성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강재를 얻을 수 있다.
또한, 냉간 압연의 구체적인 압연율은, 압연재의 조성 등에 따라 적절히 조정하면 되는데, 일반적으로 20~80%, 바람직하게는 25~70%이다.
냉간 압연 후에는, 필요에 따라서 열처리를 행할 수 있다. 열처리를 행함으로써, 냉간 압연에 의해서 증가한 가공 유기 마텐자이트상의 전위 밀도를 저하시킬 수 있기 때문에, 가공 유기 마텐자이트상의 전위 밀도를 소정의 범위로 제어하기 쉬워진다.
열처리의 구체적인 조건은, 압연재의 조성 등에 따라 적절히 조정하면 되는데, 가열 온도가 바람직하게는 100~600℃, 보다 바람직하게는 200~500℃이며, 가열 시간이 바람직하게는 0.5~5시간, 보다 바람직하게는 1~3시간이다.
본 발명의 실시형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 고강도 및 고연성이고, 또한 내변형성이 우수하다. 그 때문에, 박육 경량화가 요구되고 있는 각종 부품, 예를 들면, 스마트폰 등의 통신 기기나 퍼스널 컴퓨터 등의 정밀 기기에 있어서의 구조 부품이나 기능성 부품 등에 이용할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시형태에 따른 오스테나이트계 스테인리스 강재는, 판 스프링에 이용하기에 적합하다.
실시예
이하에, 실시예를 들어 본 발명의 내용을 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들로 한정되어 해석되는 것은 아니다.
표 1에 나타내는 조성을 갖는 스테인리스강 30kg를 진공 용해로 용제하고, 두께 30mm의 판으로 단조한 후, 1230℃에서 2시간 가열하고, 두께 4mm로 열간 압연하여 열연재를 얻었다. 다음에, 열연판을 소둔하고 산세하여 열연 소둔판을 얻은 후, 열연 소둔판에 대해서 냉간 압연과 소둔을 반복해서 박육화하여 냉연재를 얻었다.
Figure pct00001
다음에, 상기에서 얻어진 냉연재에 대해서, 1050℃에서 10분 유지한 후, 급랭하는 용체화 처리를 행했다. 다음에, 표 2에 나타내는 압연율로 냉간 압연을 행하여 최종적으로 0.2mm의 두께로 했다. 또, 시험 No.18~22에 대해서는, 냉간 압연 후에 표 2에 나타내는 조건으로 열처리를 행했다.
상기와 같이 하여 얻어진 오스테나이트계 스테인리스 강재에 대해서 이하의 평가를 행했다.
(가공 유기 마텐자이트상의 양)
오스테나이트계 스테인리스 강재로부터 시험편을 잘라내고, 페라이트 스코프(Fischer사 제조 FERITESCOPE MP30E-S)를 이용하여, 가공 유기 마텐자이트의 양을 측정했다. 측정은, 시험편의 표면의 임의의 3개소에서 행하고, 그 평균치를 결과로 했다. 또한, 표 2 중에서는, 가공 유기 마텐자이트상을 「M상」으로 나타낸다.
(가공 유기 마텐자이트상 및 잔류 오스테나이트상의 전위 밀도)
전위 밀도는, X선 회절로 측정한 회절 피크의 형상을 라인 프로파일링 해석함으로써 산출했다. 전위를 도입한 조직에서는, 전위를 중심으로 격자 변형이 발생하며, 또 전위의 배열에 의해 소경각 입계, 셀 구조 등이 발달한다. 이들을 X선으로 파악함으로써, 전위 밀도를 산출할 수 있다.
시험편은, 오스테나이트계 스테인리스 강재로부터 임의의 위치에서 잘라내고, 기계 연마 및 화학 연마를 행한 것을 이용했다.
이 시험편의 표면 조직에 대해서 X선 회절을 행하여, 잔류 오스테나이트상의 {111} 및 가공 유기 마텐자이트상의 {110}의 단일 회절 피크로부터 전위 밀도 ρ를 산출했다. 전위 밀도 ρ의 산출에는 하기 식 (3)을 이용했다.
ρ=[3(2π)1/2＜ε2＞1/2]/Db … (3)
식 중, ＜ε2＞은 자승 평균 변형, D는 결정자 사이즈, b는 버거스 벡터를 나타낸다.
또, 식 (3)에서 이용하는 자승 평균 변형 ＜ε2＞ 및 결정자 사이즈 D는, 하기 식 (4)로부터 구했다.
-lnA(L)/L=1/D＋[-1/(2D2)＋2π2＜ε2＞h0 2/a2]L … (4)
식 중, lnA(L)는 각각의 회절 피크의 라인 프로파일의 푸리에 계수의 로그, L은 푸리에 길이, h0 2=h2＋k2＋l2(h, k, l은 사용한 회절 피크의 면 지수), a는 격자 상수이다. 세로축을 -lnA(L)/L, 가로축을 L로 하고, 플롯의 y 절편 1/D로부터 D를, 구배 [-1/(2D2)＋2π2＜ε2＞h0 2/a2]로부터 ＜ε2＞를 구했다.
또, 분석 장치로는 X선 회절 장치(주식회사 리가쿠 제조)를 이용하고, 타겟으로는 Cu 건구를 이용했다. 또한, 표 2에서는, 잔류 오스테나이트상을 γ상으로 나타낸다.
(0.2% 내력, 인장 강도(TS) 및 파단 신장률(EL))
오스테나이트계 스테인리스 강재로부터 JIS 13B호 시험편을 잘라내고, 이 시험편을 이용하여 JIS Z2241:2011에 준거하여 측정을 행했다.
(비커스 경도)
오스테나이트계 스테인리스 강재로부터 시험편을 잘라내고, 비커스 경도 시험기를 이용하여, JIS Z2244:2009에 준거하여 비커스 경도를 구했다. 시험력은 294.2N으로 했다. 비커스 경도는, 임의의 5개소에서 구하고, 그 평균치를 결과로 했다. 또한, 표 2에서는, 비커스 경도를 「경도」로 약칭한다.
(응력 완화율)
상기의 식 (2)에 의거하여 응력 완화율을 구했다. σ1은 300MPa로 했다. σ1이 300MPa에 도달할 때까지의 인장 속도는 0.5mm/초로 했다.
상기의 각 평가 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure pct00002
표 2에 나타내는 바와 같이, 시험 No.2~7, 9~15 및 19~21의 오스테나이트계 스테인리스 강재(본 발명예)는, 인장 강도(TS), 파단 신장률(EL) 및 응력 완화율이 우수한 것이 확인되었다.
이에 비해서 시험 No.1의 오스테나이트계 스테인리스 강재(비교예)는, 가공 유기 마텐자이트상의 양 및 잔류 오스테나이트상의 전위 밀도가 너무 낮았기 때문에, 인장 강도(TS) 및 응력 완화율이 충분하지 않았다.
시험 No.8의 오스테나이트계 스테인리스 강재(비교예)는, 가공 유기 마텐자이트상의 양이 너무 많았기 때문에, 신장률(EL)이 충분하지 않았다.
시험 No.16의 오스테나이트계 스테인리스 강재(비교예)는, Md30이 낮고 안정도가 높은 강종이었기 때문에, 가공 유기 마텐자이트상의 양이 적고, 인장 강도(TS) 및 응력 완화율이 충분하지 않았다.
시험 No.17의 오스테나이트계 스테인리스 강재(비교예)는, Md30이 높고 안정도가 낮은 강종이었기 때문에, 가공 유기 마텐자이트상의 양이 많고, 신장률(EL)이 충분하지 않았다.
시험 No.18의 오스테나이트계 스테인리스 강재(비교예)는, 잔류 오스테나이트상의 전위 밀도가 너무 낮았기 때문에, 인장 강도(TS) 및 응력 완화율이 충분하지 않았다.
시험 No.22의 오스테나이트계 스테인리스 강재(비교예)는, 가공 유기 마텐자이트상의 양 및 잔류 오스테나이트상의 전위 밀도가 너무 낮았기 때문에, 인장 강도(TS) 및 응력 완화율이 충분하지 않았다. 이것은, 열처리 온도가 너무 높았기 때문에, 템퍼링 및 역변태가 발생했기 때문인 것으로 생각된다.
이상의 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 의하면, 고강도 및 고연성이고, 또한 내변형성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강재 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, 고강도이고, 치수 정밀도가 우수하며, 수명이 긴 판 스프링을 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 질량 기준으로, C:0.200% 이하, Si:4.00% 이하, Mn:5.00% 이하, Ni:4.00~10.00%, Cr:12.00~18.00%, Cu:3.50% 이하, Mo:1.00~5.00%, N:0.200% 이하를 포함하고, C 및 N의 합계량이 0.100% 이상이며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 하기 식 (1):
    Md30=551-462(C＋N)-9.2Si-8.1Mn-29(Ni＋Cu)-13.7Cr-18.5Mo … (1)
    (식 중, 원소 기호는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다)로 나타내어지는 Md30의 값이 -40.0~0℃인 조성을 갖고,
    가공 유기(誘起) 마텐자이트상의 전위 밀도가 8.0×1016m-2 이하, 잔류 오스테나이트상의 전위 밀도가 1.5×1016~6.0×1016m-2, 및 상기 가공 유기 마텐자이트상의 함유량이 20~55체적%인 금속 조직을 갖는, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    질량 기준으로, Al:0.100% 이하, O:0.010% 이하, V:0.0001~0.500%, B:0.0001~0.0150%로부터 선택되는 1종 이상을 추가로 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    질량 기준으로, Ti:0.0001~0.500%, Co:0.010~0.500%, Zr:0.010~0.100%, Nb:0.010~0.100%, Mg:0.0005~0.0030%, Ca:0.0003~0.0030%, Y:0.010~0.200%, Ln:0.001~0.100%, Sn:0.001~0.500%, Sb:0.001~0.500%, Pb:0.010~0.100%, W:0.010~0.500%로부터 선택되는 1종 이상을 추가로 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    인장 강도(TS)가 1400MPa 이상, 파단 신장률(EL)이 2.0% 이상인, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    하기 식 (2)로 나타내어지는 응력 완화율이 1.00% 이하인, 오스테나이트계 스테인리스 강재.
    응력 완화율=(σ1-σ2)/σ1 … (2)
    식 중, σ1은 0.2% 내력 미만의 응력이며, σ2는 σ1의 응력을 부여하고 나서 180초 후의 응력이다.
  6. 질량 기준으로, C:0.200% 이하, Si:4.00% 이하, Mn:5.00% 이하, Ni:4.00~10.00%, Cr:12.00~18.00%, Cu:3.50% 이하, Mo:1.00~5.00%, N:0.200% 이하를 포함하고, C 및 N의 합계량이 0.100% 이상이며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 하기 식 (1):
    Md30=551-462(C＋N)-9.2Si-8.1Mn-29(Ni＋Cu)-13.7Cr-18.5Mo … (1)
    (식 중, 원소 기호는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다)로 나타내어지는 Md30의 값이 -40.0~0℃인 조성을 갖는 압연재를 용체화 처리한 후, 가공 유기 마텐자이트상의 전위 밀도가 8.0×1016m-2 이하, 잔류 오스테나이트상의 전위 밀도가 1.5×1016~6.0×1016m-2, 및 상기 가공 유기 마텐자이트상의 함유량이 20~55체적%가 되는 압연율로 냉간 압연하는 공정을 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 냉간 압연 후에 열처리를 행하는 공정을 추가로 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 압연재는, 질량 기준으로, Al:0.100% 이하, O:0.010% 이하, V:0.0001~0.500%, B:0.0001~0.0150%로부터 선택되는 1종 이상을 추가로 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법.
  9. 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압연재는, 질량 기준으로, Ti:0.0001~0.500%, Co:0.010~0.500%, Zr:0.010~0.100%, Nb:0.010~0.100%, Mg:0.0005~0.0030%, Ca:0.0003~0.0030%, Y:0.010~0.200%, Ln:0.001~0.100%, Sn:0.001~0.500%, Sb:0.001~0.500%, Pb:0.010~0.100%, W:0.010~0.500%로부터 선택되는 1종 이상을 추가로 포함하는, 오스테나이트계 스테인리스 강재의 제조 방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 오스테나이트계 스테인리스 강재를 포함하는, 판 스프링.
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