KR20240019488A - 고내식 고강도 스테인리스강 및 이의 제조방법 - Google Patents

고내식 고강도 스테인리스강 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은, 중량 %로, C: 0.01 ~ 0.1%, N: 0.01 ~ 0.1%, Si: 0.01 ~ 1.0%, Mn: 0.01 ~ 3.0%, Cr: 10.0 ~ 20.0%, Al: 0.001 ~ 1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
직경이 0.5㎛ 이상인 탄화물의 분포가 단위면적당 7개/100㎛2 이하이고,
미세조직이 마르텐사이트상과 페라이트상 2상이며,
상기 마르텐사이트상이 면적률로 20%이상인, 고내식 고강도 스테인리스강을 제공할 수 있다.

Description

고내식 고강도 스테인리스강 및 이의 제조방법 {HIGH CORROSION RESISTANCE AND HIGH STRENGTH STAINLESS STEEL AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은 냉연소둔 열처리 후 마르텐사이트 및 페라이트 2상(dual phase)로 구성되는 고내식 고강도 스테인리스강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
각종 주방용품, 가전 제품 및 자동차용 부품 등에 널리 사용되는 페라이트계 스테인레스 제품은 점차 고강도 경량화와 같은 고기능성을 요구하고 있다. 특히, 고강도화를 통한 두께의 감소로 무게를 감량하여 경량화를 통한 에너지 효율 향상을 비롯해 극한의 원가 절감을 요구하고 있다. 그러나 통상의 페라이트계 스테인레스강에서는 상변태가 동반되지 않아 결정립 미세화를 통한 강도 향상에도 한계가 있다.
이를 해결하기 위하여 마르텐사이트상을 열연소둔 단계에서 형성시켜 냉간압연 공정에서 생성될 수 있는 로핑을 저감시켜 미려한 표면을 갖는 냉연강판을 확보할 수 있으나, 열연소둔 단계에서 마르텐사이트상이 분포되면 강도가 증가하여 냉간 압연시 압연 부하로 압연 중 크랙 또는 강판의 찢어짐 등의 문제가 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위하여 냉간압연 시 패스당 압하율을 줄일 수 있으나 이는 패스의 횟수를 증가하여 경제적 손실을 발생시킨다. 내식성을 저하시키지 않으면서도 강도를 확보할 수 있는 스테인리스강이 요구된다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 탄화물의 분포를 제어하고, 냉연소둔 단계에서 마르텐사이트상을 형성하여 고내식 고강도 스테인리스강 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 개시된 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
일 실시예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01 ~ 0.1%, N: 0.01 ~ 0.1%, Si: 0.01 ~ 1.0%, Mn: 0.01 ~ 3.0%, Cr: 10.0 ~ 20.0%, Al: 0.001 ~ 1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 직경이 0.5㎛ 이상인 탄화물의 분포가 단위면적당 7개/100㎛2 이하이고, 미세조직이 마르텐사이트상과 페라이트상 2상이며, 상기 마르텐사이트상이 면적률로 20%이상인, 고내식 고강도 스테인리스강일 수 있다.
일 실시예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은, 식(1): 420C+470N+23Ni+10Mn+180-(11.5Cr+11.5Si+52Al) ≥ 10을 만족하는, 고내식 고강도 스테인리스강일 수 있다. 식(1)에서 C, N, Ni, Mn, Cr, Si 및 Al은 각 원소의 중량%를 의미한다.
일 실시예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은, 공식전위가 70mV 이상이면서, 항복강도가 350MPa이상인, 고내식 고강도 스테인리스강일 수 있다.
일 실시예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은, 인장강도가 500MPa이상인, 고내식 고강도 스테인리스강일 수 있다.
일 실시예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은, 경도가 200Hv이상인, 고내식 고강도 스테인리스강일 수 있다.
일 실시예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은, 마르텐사이트상 자체의 경도가 400Hv이상인, 고내식 고강도 스테인리스강일 수 있다.
일 실시예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은, 페라이트 결정립의 종횡비가 2.0이하인, 고내식 고강도 스테인리스강일 수 있다.
일 실시예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법은, 중량 %로, C: 0.01 ~ 0.1%, N: 0.01 ~ 0.1%, Si: 0.01 ~ 1.0%, Mn: 0.01 ~ 3.0%, Cr: 10.0 ~ 20.0%, Al: 0.001 ~ 1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 1050 내지 1250℃로 재가열 하는 단계; 열간압연 하고, 열연소둔 하는 단계; 냉간압연 하고, 950 내지 1100℃에서 냉연소둔하는 단계를 포함하고, 하기 식 (1): 420C+470N+23Ni+10Mn+180-(11.5Cr+11.5Si+52Al) ≥ 10을 만족하고, 미세조직이 마르텐사이트상과 페라이트상의 2상인, 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법일 수 있다. 식(1)에서 C, N, Ni, Mn, Cr, Si 및 Al은 각 원소의 중량%를 의미한다.
일 실시예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법은, 직경이 0.5㎛ 이상인 탄화물의 분포가 단위면적당 7개/100㎛2 이하인, 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법일 수 있다.
일 실시예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법은, 열연소둔 하는 단계는 750 내지 900℃ 온도범위인, 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법일 수 있다.
일 실시예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법은, 냉연소둔 후 마르텐사이트상이 면적률로 20%이상일 수 있고, 마르텐사이트상의 경도가 400Hv이상일 수 있는, 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법일 수 있다.
일 실시예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법은, 페라이트 결정립의 종횡비가 2.0이하인, 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 냉연소둔 열처리 후 마르텐사이트와 페라이트 2상(dual phase)을 갖는 고내식 고강도를 동시에 만족하는 스테인리스강 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 냉연소둔 온도에 따른 비교예의 미세조직을 나타내는 사진이다.
도 2는 냉연소둔 온도에 따른 발명예의 미세조직을 나타내는 사진이다.
도 3은 냉연소둔 온도에 따른 비교예의 미세조직 및 탄화물을 나타내는 사진이다.
도 4는 냉연소둔 온도에 따른 발명예의 미세조직 및 탄화물을 나타내는 사진이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.
한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다.
또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명은 페라이트 기지에 오스테나이트상 안정도를 높이고, 오스테나이트상이 생성되는 온도에서 냉연소둔 열처리 하여 냉각 중 마르텐사이트 상변태를 통해 최종 제품에서 페라이트 및 마르텐사이트의 2상(dual phase)으로 구성되도록 하여, 페라이트 기지에 형성되는 마르텐 사이트 분율에 따라 강도를 향상시키고자 하였다. 또한, 냉간 압연 단계에서의 부하, 크랙 또는 파단을 우려하여 열연소둔은 페라이트 단상역인 Ac1 직하에서 실시하여 연질의 페라이트 단상으로 구성시키고, 냉간압연 완료 후 냉연 소둔 단계에서 오스테나이트 상이 생성되는 온도로 열처리 하여 냉각중 마르텐사이트 상변태를 유도하여 강도를 향상시키고자 하였다.
냉연 소둔 단계에서 오스테나이트 상이 생성되는 온도로 열처리 하여 페라이트상 위에 석출되어 있는 M23C6 타입의 탄화물들이 기지(matrix)내로 고용된다. 본 발명에 따르면 이러한 탄화물의 분포를 제어하여 내식성이 열위해 지지 않으면서도 고강도를 확보할 수 있는 스테인리스강 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
더불어, 페라이트 결정립의 종횡비(aspect ratio)를 제어하여 최종 제품의 성형 품질이 저하되지 않는 스테인리스강 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은, 중량 %로, C: 0.01 ~ 0.1%, N: 0.01 ~ 0.1%, Si: 0.01 ~ 1.0%, Mn: 0.01 ~ 3.0%, Cr: 10.0 ~ 20.0%, Al: 0.001 ~ 1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 이하에서는 상기 합금조성을 한정한 이유에 대하여 구체적으로 설명한다.
C의 함량은 0.01% 내지 0.1% 일 수 있다.
C는 오스테나이트 안정화 원소로, 오스테나이트상 영역을 확대하는 효과가 있어, 냉각시 경한 마르텐사이트를 형성시켜 강의 강도를 향상시킨다. 이들 효과를 얻기 위하여 0.01％ 이상의 함유가 필요하다. 소정의 강도를 얻기 위해 오스테나이트 영역을 충분히 확장시키기 위해서 바람직하게는 0.02% 이상이 필요하다. 그러나, C의 함량이 0.1％를 초과하면 강판이 경질화하여 연성이 현저히 저하되며, 마르텐사이트 생성량이 너무 많아지면 성형성이 얻어지지 않는다. 또한, 과도한 C 첨가에 의해 Cr 탄화물이 다량 생성될 경우 Cr 저하에 따른 내식성의 저하가 동반된다. 따라서, C의 함량은 0.01 내지 0.1％의 범위로 한다. 바람직하게는 0.02 내지 0.1％의 범위일 수 있다.
N의 함량은 0.01 내지 0.1% 일 수 있다.
N은, C, Mn과 동일하게 오스테나이트 안정화 원소로 오스테나이트 영역을 확장시키는 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위해서는 N의 함량을 0.01％ 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, N의 함량이 0.1％를 초과하면 N의 고용강화 효과로 연성이 급격히 저하하고, Cr 질화물의 석출로인해 Cr의 저하를 유발시켜, 내식성의 저하가 발생한다. 따라서, N의 함량은 0.01 내지 0.1％의 범위로 한다. 바람직하게는 0.02 내지 0.1％의 범위일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.07％의 범위일 수 있다.
Si의 함량은 0.01 내지 1.0% 일 수 있다.
Si는 강 용제시에 탈산제로서 작용하는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는 0.01％이상의 함유가 필요하다. 그러나, Si의 함량이 1.0％를 초과하면, 강판이 경질화하여 열간 압연시의 압연 부하가 증대되고 스티킹(sticking)등의 표면 결함도 유발시킨다. 또한, Si은 페라이트 안정화 원소로 과량의 첨가는 오스테나이트의 안정도를 저하시킨다. 따라서, Si의 함량은 0.01 내지 1.0％의 범위로 한다. 바람직하게는 0.20 내지 0.50％의 범위일 수 있다.
Mn의 함량은 0.01 내지 3.0% 일 수 있다.
Mn은 C와 동일하게 오스테나이트상 안정화 원소로, 오스테나이트상 영역을 확대하는 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위해서는 0.01％ 이상의 함유가 필요하다. 그러나, Mn의 함량이 3.0％를 초과하면 MnS의 생성량이 증가하여 내식성이 저하한다. 따라서, Mn의 함량은 0.01 내지 3.0％의 범위로 한다. 바람직하게는 0.2 내지 1.0％일 수 있다.
Cr의 함량은 10.0 내지 20.0% 일 수 있다.
Cr은 강판 표면에 부동태 피막을 형성하여 내식성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. 이 효과는 Cr 함유량이 10.0％ 이상에서 나타나고, Cr 함유량이 증가함에 따라서 내식성이 향상한다. 또한, Cr은 페라이트 안정화 원소로, 오스테나이트상이 생성되는 것을 억제하는 효과가 있다. Cr의 함량이 10.0％ 미만인 경우 오스테나이트상이 지나치게 많이 생성되어, 소정의 성형성이 얻어지지 않는다. 따라서, Cr의 함량을 10.0％ 이상으로 한다. 그러나, Cr의 함량이 20.0％를 초과하면, 오스테나이트상이 생성되지 않아 요구되는 마르텐사이트상의 분율을 확보 할 수 없다. 따라서 Cr 함량은 10.0 내지 20.0％의 범위로 한다. 바람직하게는 12.0 내지 18.0％의 범위일 수 있다.
Al의 함량은 0.001 내지 1.0% 일 수 있다.
Al은 Si와 동일하게 탈산제로서 작용하는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는 0.001％ 이상의 함유가 필요하다. 그러나, Al의 함량이 1.0％를 초과하면, Al2O3 등의 Al개재물이 증가하여, 표면 성상이 저하되기 쉬워진다. 따라서, Al의 함량은 0.001 내지 1.0％의 범위로 한다. 바람직하게는 0.001 내지 0.1％의 범위일 수 있다.
Ni의 함량은 0.01% 내지 1.0% 일 수 있다.
Ni은 대표적인 오스테나이트 안정화 원소이나 고가의 원소로서, 제조원가를 상승시킨다. 또한, 내식성을 향상시키는 효과를 갖는 반면 다량 첨가하게 되면 소재의 불순물이 증가하여 연신율이 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 선택적으로 Ni을 0.01 내지 1.0%로 더 포함할 수 있다. 바람직하게는 0.5% 이하일 수 있다.
P의 함량은 0.05% 이하일 수 있다.
P는 입계 편석에 의한 입계 파괴를 조장하는 원소이기 때문에 가능한 낮은 쪽이 바람직한 불가피한 불순물에 해당한다. 따라서, P의 함량은 0.05이하로 한다. 더욱 바람직하게는 0.03％ 이하일 수 있다.
S의 함량은 0.01% 이하일 수 있다.
S는 MnS 등의 황화물계 개재물로 되어 존재하여 연성이나 내식성 등을 저하시키는 원소로서, 특히 함유량이 0.01％를 초과한 경우에 그들 악영향이 현저하게 발생한다. 그 때문에 S의 함량은 최대한 낮은 쪽이 바람직한 불가피한 불순물에 해당한다. 따라서, S의 함량은 0.01%이하로 한다. 더욱 바람직하게는 0.005％ 이하일 수 있다.
나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조 과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이 불순물들은 통상의 제조 과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
이하에서는 상술한 합금조성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은 직경이 0.5㎛ 이상인 탄화물의 분포가 단위면적당 7개/100㎛2 이하일 수 있다. 탄화물의 분포가 단위면적당 7개/100㎛2를 초과하는 경우 내식성과 고강도를 동시에 확보할 수 없다.
본 발명의 일 예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은, 미세조직이 마르텐사이트상과 페라이트상 2상이며, 여기서 마르텐사이트상이 면적률로 20%이상일 수 있다. 마르텐사이트상이 면적률로 20%미만인 경우 고강도를 확보할 수 없다.
본 발명의 일 예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은 탄화물들이 기지내로 고용되어 직경이 0.5㎛ 이상인 탄화물의 분포가 단위면적당 7개/100㎛2 이하가 되는 경우, 탄화물 석출로 인한 내식성의 저하를 방지할 수 있고, 동시에 마르텐사이트상의 면적률을 20%이상 확보하여 고강도를 확보할 수 있어 고내식 고강도를 동시에 만족하는 스테인리스강일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은, 식(1)의 값이 10 이상일 수 있다.
식(1): 420C+470N+23Ni+10Mn+180-(11.5Cr+11.5Si+52Al)
식(1)에서 C, N, Ni, Mn, Cr, Si 및 Al은 각 원소의 중량%를 의미한다.
식(1)의 값이 10미만인 경우, 오스테나이트 상안정도가 낮아 오스테나이트상의 상변태가 활발히 일어나지 않아 마르텐사이트로 상변태 되지 않을 수 있다. 따라서, 이를 10이상으로 제어하고 바람직하게는 30이상으로 제어한다. 이를 통해 고온에서 오스테나이트상을 형성시킨 뒤 냉각 중 마르텐사이트 상변태가 원활하게 될 수 있어, 마르텐사이트상을 면적률로 20%이상 확보할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은, 공식전위가 70mV 이상이면서, 항복강도가 350MPa이상으로 내식성과 강도를 동시에 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은, 인장강도가 500MPa이상일 수 있으며, 강의 경도가 200Hv이상일 수 있다. 또한, 마르텐사이트상의 경도가 400Hv이상일 수 있다.
더불어, 본 발명의 일 예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강은, 페라이트 결정립의 종횡비(aspect ratio)가 2.0이하일 수 있다. 페라이트 결정립의 종횡비는 페라이트 결정립의 압연방향 길이를 페라이트 결정립의 두께방향 길이로 나눈 비를 의미한다. 본 발명에서는 이를 식(2)로 표현한다.
식(2): Ar = Dr / Dt
여기서, Ar은 페라이트 결정립의 종횡비, Dr은 페라이트 결정립의 압연방향 길이, Dt는 페라이트 결정립의 두께방향 길이를 의미한다.
페라이트 결정립은 약 30 ~ 50㎛ 수준을 나타내는데, 압연방향으로 길게 연신된 미재결정된 페라이트 결정립이 분포될 경우 리징등과 같이 성형품질이 열위하게 나타날 가능성이 높다. 따라서, 상변태가 일어나지 않는 페라이트상은 가능한 등축의 재결정립으로 분포되어 최종 제품의 성형 품질이 저하되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이에, 본 발명은 페라이트 결정립의 종횡비를 2.0이하로 제어하여 성형품질 또한 우수하게 할 수 있다.
이하에서는 상술한 합금조성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 고내식 고강도 스테인리스강은 상술한 합금조성을 가지는 슬라브를 재가열 - 열간압연 - 마무리압연 - 열연소둔 - 냉간압연 - 냉연소둔 하는 과정을 거쳐 제조할 수 있다.
본 발명의 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법은, 중량 %로, C: 0.01 ~ 0.1%, N: 0.01 ~ 0.1%, Si: 0.01 ~ 1.0%, Mn: 0.01 ~ 3.0%, Cr: 10.0 ~ 20.0%, Al: 0.001 ~ 1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 재가열 하는 단계; 열간압연 하고, 열연소둔 하는 단계; 냉간압연 하고, 냉연소둔하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 합금조성을 갖는 슬라브는 식(1)의 값이 10 이상일 수 있다.
식(1): 420C+470N+23Ni+10Mn+180-(11.5Cr+11.5Si+52Al)
식(1)에서 C, N, Ni, Mn, Cr, Si 및 Al은 각 원소의 중량%를 의미한다.
식(1)의 값이 10미만인 경우, 오스테나이트 상안정도가 낮아 오스테나이트상의 상변태가 활발히 일어나지 않아 마르텐사이트로 상변태 되지 않을 수 있다. 따라서, 이를 10이상으로 제어하고 바람직하게는 30이상으로 제어하여 고온에서 오스테나이트상을 형성시킨 뒤 냉각 중 마르텐사이트 상변태가 원활하게 될 수 있도록 할 수 있다.
상술한 합금조성을 갖는 슬라브를 1050 내지 1250 ℃로 재가열 하고, 열간압연 할 수 있다. 마무리 압연 온도는 700 내지 950℃로 할 수 있다.
또한, 열연소둔은 페라이트 단상역인 Ac1 온도 직하에 해당하는 750℃ 내지 900℃에서 실시할 수 있고, 보다 바람직하게는 800℃ 내지 850℃에서 열연 소둔 열처리를 실시하여 연질의 페라이트 단상으로 구성시킬 수 있다.
연질의 페라이트 단상으로 구성된 열연판을 상온에서 냉간압연할 수 있다. 냉간 압연을 완료한 후 냉연 소둔 할 수 있다. 냉연소둔은 950 내지 1100℃에서 할 수 있다. 오스테나이트 상이 생성되는 900℃ 이상의 온도인, 950℃이상에서 열처리 하여 냉각중 마르텐사이트 상변태를 유도하여 강도를 향상시킬 수 있다. 그러나, 1100℃를 초과하는 온도에서 소둔할 경우 페라이트 결정립의 조대화에 의해 성형성이 저하되거나 심한 절곡 가공부 등에는 결정립 조대화에 의한 오렌지필 현상등이 절곡부 표면에 발현될 수 있어 1100℃ 이하의 온도에서 열처리하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법은, 냉연소둔 온도를 오스테나이트 상이 생성되는 온도에서 열처리 하여 페라이트상 위에 석출되어 있는 M23C6 타입의 탄화물들이 기지(matrix)내로 고용되게 할 수 있다.
본 발명의 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법은, 오스테나이트상이 생성되는 온도에서 냉연소둔 열처리 하여 탄화물들이 기지내로 고용되고, 직경이 0.5㎛ 이상인 탄화물의 분포가 단위면적당 7개/100㎛2 이하로 할 수 있다.
본 발명의 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법은, 냉연소둔 후 마르텐사이트상의 경도가 400Hv이상 일 수 있다. 탄화물에서 분해된 탄소가 오스테나이트상 안정도를 높여 오스테나이트상을 형성시키고 냉각 시 BCT 구조로 경도가 높은 마르텐사이트 상을 형성할 수 있는 것이다.
본 발명의 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법은, 냉연소둔 후 마르텐사이트상이 면적률로 20%이상일 수 있다. 오스테나이트 상이 생성되는 온도에서 냉연소둔 열처리할 경우, 온도가 상승할수록 마르텐사이트상의 면적률이 상승하고 이에 따라 항복강도 및 인장강도가 상승할 수 있다.
탄화물들이 기지내로 고용되어 직경이 0.5㎛ 이상인 탄화물의 분포가 단위면적당 7개/100㎛2 이하가 되는 경우, 탄화물 석출로 인한 내식성의 저하를 방지할 수 있고, 동시에 경도가 높은 마르텐사이트상이 생성되고, 마르텐사이트상의 면적률이 상승하여 강도를 확보할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법에 따라 제조된 스테인리스강은 공식전위가 70mV 이상이면서, 항복강도가 350MPa이상으로 내식성과 강도를 동시에 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법에 따라 제조된 스테인리스강은, 인장강도가 500MPa이상일 수 있으며, 강의 경도가 200Hv이상일 수 있다.
더불어, 본 발명의 일 예에 따른 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법에 따라 제조된 스테인리스강은 식(2)로 표현되는 페라이트 결정립의 종횡비가 2.0이하를 만족하여 최종 재품의 성형 품질 또한 우수하게 할 수 있다. 식(2)는 Ar = Dr / Dt 이고, 여기서 Ar은 페라이트 결정립의 종횡비, Dr은 페라이트 결정립의 압연방향 길이, Dt는 페라이트 결정립의 두께방향 길이를 의미한다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
{실시예}
중량%로, C: 0.035%, N: 0.038%, Si: 0.32%, Mn: 0.5%, Cr: 16.3%, Al: 0.003%, Ni: 0.09%, P: 0.02% 이하, S: 0.004% 이하를 포함하고, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 본원발명의 온도 범위에서 재가열 - 열간압연 - 마무리압연 - 열연소둔 - 냉간압연 - 냉연소둔 하는 과정을 거쳐 냉연소둔재를 제조하였다. 특히, 본 발명에서 냉연소둔 열처리 온도에 따른 효과를 알아보기 위하여 본 발명의 범위 내에서 제조하되, 냉연소둔 열처리 온도를 하기 표 1과 같이 달리하여 실시하였다.
아래 표 1은 냉연소둔 열처리 온도에 따른 실시예의 마르텐사이트상의 분율을 나타낸다.
냉연소둔 온도(℃) 마르텐사이트상 분율(%)
비교예 1 820 0
비교예 2 890 0
비교예 3 910 0
비교예 4 930 0
발명예 1 950 26.5
발명예 2 1000 37.3
발명예 3 1030 40.1
발명예 4 1050 42.5
도 1 및 도 2는 냉연소둔 열처리 온도에 따른 실시예의 미세조직을 나타내는 사진이다. 미세조직의 변화는 SEM전자현미경으로 관찰하였다.
비교예 1 내지 비교예 4는 페라이트상으로 이루어진 것을 확인할 수 있다. 발명예 1 내지 발명예 4는 도면 2에서 흰색의 상부분은 페라이트상이고, 검은색의 상부분은 마르텐사이트상에 해당한다. 냉연소둔 열처리 온도가 상승할수록 페라이트 기지에 마르텐사이트상의 분율이 증가하는 것을 표 1, 도 1 및 도 2를 통해 확인할 수 있다.
냉연소둔 열처리 온도가 본원발명의 범위에 미치지 못하는 비교예 1 내지 비교예 4는 페라이트상으로만 이루어져 있고, 온도가 상승할 수록 마르텐사이트상이 존재할 수는 있으나, 이는 측정할 수 없을 만큼 미량이 존재할 뿐이다. 이와 달리, 본원발명의 범위에 해당하는 발명예 1 내지 발명예 4는 냉연소둔 열처리 온도가 950℃이상에 해당하여 페라이트 기지에 마르텐사이트상의 분율을 20% 이상 확보할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
아래 표 2는 냉연소둔 열처리 온도에 따른 단위 면적당 M23C6 타입의 탄화물의 개수를 나타낸다.
냉연소둔 온도(℃) 탄화물 개수 (개/100㎛2)
비교예 1 820 10.6
비교예 3 910 8.2
발명예 1 950 6.5
발명예 2 1000 0.8
발명예 4 1050 0.3
도 3 및 도 4는 냉연소둔 열처리 온도에 따른 실시예의 미세조직과 함께 M23C6 타입의 탄화물 개수 (개/100㎛2)를 나타내는 사진이다. 미세조직 및 탄화물의 변화를 SEM전자현미경으로 관찰하였다.
도 3 및 도 4에서 마르텐사이트상은 M으로, 페라이트상은 F로 표현하였다. 비교예 1 및 비교예 3과 같이 열연소둔 온도가 950℃ 미만인 경우 탄화물이 다량 존재하는 것을 확인할 수 있다.
도 4를 통해, 950℃ 이상의 온도에서 마르텐사이트상이 생성되고 있음을 확인할 수 있음은 물론, 탄화물이 고용되어 점차 그 분포가 감소함을 확인할 수 있다. 냉연소둔 열처리 온도가 상승할수록 페라이트 기지에 마르텐사이트상의 분율이 증가하고, 단위면적당 탄화물의 개수가 감소하는 것을 표 2, 도 3 및 도 4를 통해 확인할 수 있다.
냉연소둔 열처리 온도가 본원발명의 범위에 미치지 못하는 비교예들은 단위면적당 탄화물의 개수가 7개를 초과하고 있음을 확인할 수 있다. 이와 달리, 본원발명의 범위에 해당하는 발명예들은 냉연소둔 열처리 온도가 950℃이상에 해당하여 단위면적당 탄화물의 개수가 7개 이하로 감소하고 있는 것을 확인할 수 있다.
아래 표 3은 실시예의 공식전위, 항복강도, 인장강도, 연신율 및 경도를 나타낸다.
공식전위
(mV/100㎂)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 강의 경도
(Hv)
비교예 1 106.8 305.3 479.0 143.7
비교예 2 61.7 327.9 478.5 145.5
비교예 3 50.3 333.4 477.2 148.4
비교예 4 58.2 338.5 484.0 148.1
발명예 1 78.1 367.5 609.7 204.7
발명예 2 123.0 391.7 700.4 210.7
발명예 3 141.4 410.7 723.6 219.8
발명예 4 93.3 451.8 736.0 255.1
표 3을 통해, 본원발명의 냉연소둔 열처리 온도를 만족하여 마르텐사이트상의 면적분율이 20% 이상이고, 단위면적당 탄화물의 개수가 7개 이하인 경우, 공식전위가 70mV 이상을 만족하면서도, 항복강도가 350MPa 이상을 만족하여 내식성의 저하를 방지하면서도 고강도를 만족하는 스테인리스강을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
공식전위는 30℃온도의 3.5% NaCl 용액에서 0.333mV/sec로 하여 측정하였다.
냉연소둔 온도가 상승하여 극 미량의 마르텐사이트가 생성되기 시작하는 비교예 2 내지 4는 비교예 1보다 항복강도 및 인장강도가 상승하는 것을 볼 수 있고, 본원발명의 범위 내의 냉연소둔 온도 이상에 해당하는 발명예 1 내지 4는 마르텐사이트 분율이 20% 이상으로 증가하면서 이에 따라 항복강도가 350MPa 이상 및 인장강도 500MPa이상으로 우수한 강도를 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 냉연소둔 온도가 950℃이상에 해당하는 발명예 1 내지 4의 경우 탄화물이 고용되는 온도에 해당하므로, 페라이트 기지에 단위면적당 탄화물의 개수가 7개 이하에 해당하여, 탄화물 석출에 따른 Cr의 소모에 의한 공식 전위값의 저하를 방지할 수 있음을 확인할 수 있다. 이에 따라 공식전위가 공식전위가 70mV 이상으로 우수한 내식성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.
비교예 2 내지 4의 경우 공식전위값이 70mV미만에 해당하는데, 이는 냉연소둔 온도가 탄화물이 고용되지 않고 석출되는 온도에 해당하여 탄화물 석출에 따른 Cr을 소모하여 공식전위가 저하된 것에 해당한다.
다만, 비교예 1의 경우, 공식전위 값이 70mV 이상에 해당하나, 항복강도가 낮아 내식성은 확보하더라도 강도를 확보하지 못함을 확인할 수 있다.
또한, 강의 경도를 마이크로 비커스 경도기로 1kg의 하중으로 10회 측정한 평균값으로 나타내었다. 마르텐사이트 상이 존재하지 않는 비교예 1 내지 4의 경우 경도값이 약 140Hv 내외로 측정되어 경도가 열위한 것을 확인할 수 있다. 이와 달리, 마르텐사이트 상이 20% 이상 존재하는 발명예 1 내지 4의 경우 200Hv 이상으로 측정되어 높은 경도를 얻는 것을 확인할 수 있다.
본원발명은 탄화물이 고용되는 온도에 해당면서도, 마르텐사이트상으로의 변태를 냉간압연 완료 후 냉연소둔 과정에서 수행하고 오스테나이트상이 생성되는 온도에 해당하는 온도범위에서 냉연소둔 열처리 하여 냉각 중 마르텐사이트상으로의 변태를 유도함으로써, 단위면적당 탄화물의 개수를 7개 이하로 제어하고, 마르텐사이트상의 분율을 20%이상 확보하여, 내식성 및 강도를 동시에 만족하는 스테인리스강을 제공할 수 있다.
하기 표 4는 마르텐사이트상과 페라이트상 자체의 경도값을 나타낸다.
마르텐사이트상의 경도(Hv) 페라이트상의 경도(Hv)
비교예 1 x 154.0
비교예 3 x 155.0
발명예 1 428.7 157.6
발명예 2 535.7 164.4
발명예 4 546.7 159.9
마르텐사이트상과 페라이트상 자체의 경도를 미소 경도 측정기(load: 5g)로 측정한 값에 해당한다. 이를 통해 페라이트상 자체의 경도는 발명예는 비교예와 같이 약 150 ~ 160Hv에 해당하고, 마르텐사이트상 자체의 경도는 400Hv이상으로 높은 경도값을 갖는 것을 확인할 수 있다.
즉, 발명예들의 강 자체의 경도는 오스테나이트 영역에서 냉연소둔 열처리 함으로써 페라이트상 위에 석출되어 있는 M23C6 타입의 탄화물들이 기지내로 고용되고, 이때 탄화물에서 분해된 탄소가 오스테나이트상 안정도를 높여 오스테나이트상을 형성시키고, 냉각 시 BCT 구조의 경도가 높은 마르텐사이트 상이 형성되어, 높은 경도를 얻을 수 있는 것이다.
하기 표 5는 페라이트 결정립의 종횡비를 나타낸다.
영역 각 영역의 페라이트 결정립의 종횡비(aspect ratio) 평균 전체 영역의 페라이트 결정립의 종횡비(aspect ratio) 평균
비교예 1 1 (1t/5) 1.562 2.066
2 (2t/5) 1.892
3 (3t/5) 2.136
4 (4t/5) 2.108
5 (5t/5) 1.632
발명예 2 1 (1t/5) 1.485 1.490
2 (2t/5) 1.480
3 (3t/5) 1.493
4 (4t/5) 1.508
5 (5t/5) 1.483
발명예 3 1 (1t/5) 1.523 1.556
2 (2t/5) 1.576
3 (3t/5) 1.562
4 (4t/5) 1.582
5 (5t/5) 1.537
발명예 4 1 (1t/5) 1.564 1.559
2 (2t/5) 1.543
3 (3t/5) 1.536
4 (4t/5) 1.532
5 (5t/5) 1.619
본 발명의 일예에 따른 페라이트 결정립의 종횡비(aspect ratio)가 2.0이하일 수 있다. 페라이트 결정립의 종횡비는 페라이트 결정립의 압연방향 길이를 페라이트 결정립의 두께방향 길이로 나눈 비를 의미한다. 본 발명에서는 이를 식(2)로 표현하고, Ar = Dr / Dt 로 나타낸다. 여기서, Ar은 페라이트 결정립의 종횡비, Dr은 페라이트 결정립의 압연방향 길이, Dt는 페라이트 결정립의 두께방향 길이를 의미한다.
본 발명은 페라이트 결정립의 종횡비를 알아보기 위하여 강판의 압연방향 단면 두께 방향으로 상면 표층부터 반대쪽 하면 표층까지 총 5개의 영역으로 분할한 뒤, 5개 영역에서 각 1000개씩 페라이트 결정립의 종횡비를 측정하여 각 영역에서 평균값을 계산하고, 이에 대한 평균값을 계산하여 전체영역의 종횡비를 계산하였다. 이를 페라이트 결정립의 종횡비로 하고, 이를 2.0이하로 제어할 수 있다. 본 발명의 일 실시예는 페라이트 결정립의 종횡비를 2.0이하로 제어함으로써 성형 품질의 저하를 방지할 수 있음을 확인할 수 있다.
결과적으로, 본 발명은 오스테나이트상이 형성되는 스테인리스강에 대하여 재가열 온도, 마무리 압연온도, 열연소둔, 냉연소둔의 온도를 제어하되, 특히 오스테나이트 상이 생성되는 950℃이상에서 냉연소둔 열처리하여 냉각 중 마르텐사이트 상변태를 유도하고, 탄화물의 고용을 유도하여, 마르텐사이트상의 분율을 20%이상 확보하고, 단위면적당 탄화물의 개수를 7개 이하로 제어하여, 내식성 및 강도를 동시에 확보할 수 있는 스테인리스강 및 이의 제조방법을 제공할 수 있음을 확인할 수 있다.
공식전위는 70mV이상으로 내식성이 열위하지 않으면서도, 항복강도, 인장강도 및 경도가 우수하여 고내식 고강도를 동시에 만족하는 스테인리스강 및 이의 제조방법을 제공할 수 있음을 확인할 수 있다.
더불어, 페라이트 결정립의 종횡비를 2.0이하로 제어하여 성형품질의 저하를 방지하는 효과도 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 중량 %로, C: 0.01 ~ 0.1%, N: 0.01 ~ 0.1%, Si: 0.01 ~ 1.0%, Mn: 0.01 ~ 3.0%, Cr: 10.0 ~ 20.0%, Al: 0.001 ~ 1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    직경이 0.5㎛ 이상인 탄화물의 분포가 단위면적당 7개/100㎛2 이하이고,
    미세조직이 마르텐사이트상과 페라이트상 2상이며,
    상기 마르텐사이트상이 면적률로 20%이상인, 고내식 고강도 스테인리스강.
  2. 청구항 1에 있어서,
    하기 식(1)을 만족하는, 고내식 고강도 스테인리스강.
    식(1): 420C+470N+23Ni+10Mn+180-(11.5Cr+11.5Si+52Al) ≥ 10
    (식(1)에서 C, N, Ni, Mn, Cr, Si 및 Al은 각 원소의 중량%를 의미한다)
  3. 청구항 1에 있어서,
    공식전위가 70mV 이상이면서, 항복강도가 350MPa이상인, 고내식 고강도 스테인리스강.
  4. 청구항 1에 있어서,
    인장강도가 500MPa이상인, 고내식 고강도 스테인리스강.
  5. 청구항 1에 있어서,
    경도가 200Hv이상인, 고내식 고강도 스테인리스강.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 마르텐사이트상의 경도가 400Hv이상인, 고내식 고강도 스테인리스강.
  7. 청구항 1에 있어서,
    페라이트 결정립의 종횡비가 2.0이하인, 고내식 고강도 스테인리스강.
  8. 중량 %로, C: 0.01 ~ 0.1%, N: 0.01 ~ 0.1%, Si: 0.01 ~ 1.0%, Mn: 0.01 ~ 3.0%, Cr: 10.0 ~ 20.0%, Al: 0.001 ~ 1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 1050 내지 1250℃로 재가열 하는 단계;
    열간압연 하고, 열연소둔하는 단계; 및
    냉간압연 하고, 950 내지 1100℃에서 냉연소둔하는 단계를 포함하고,
    하기 식(1)을 만족하고, 미세조직이 마르텐사이트상과 페라이트상의 2상인, 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법.
    식(1): 420C+470N+23Ni+10Mn+180-(11.5Cr+11.5Si+52Al) ≥ 10
    (식(1)에서 C, N, Ni, Mn, Cr, Si 및 Al은 각 원소의 중량%를 의미한다)
  9. 청구항 8에 있어서,
    직경이 0.5㎛ 이상인 탄화물의 분포가 단위면적당 7개/100㎛2 이하인, 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 열연소둔 하는 단계는 750 내지 900℃ 에서 수행되는, 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 냉연소둔 후 상기 마르텐사이트상이 면적률로 20%이상인, 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 냉연소둔 후 상기 마르텐사이트상의 경도가 400Hv이상인, 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    페라이트 결정립의 종횡비가 2.0이하인, 고내식 고강도 스테인리스강의 제조방법.
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