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KR101659186B1 - 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 - Google Patents

가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 Download PDF

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KR101659186B1
KR101659186B1 KR1020140191165A KR20140191165A KR101659186B1 KR 101659186 B1 KR101659186 B1 KR 101659186B1 KR 1020140191165 A KR1020140191165 A KR 1020140191165A KR 20140191165 A KR20140191165 A KR 20140191165A KR 101659186 B1 KR101659186 B1 KR 101659186B1
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Abstract

가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강이 소개된다.
본 발명의 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량 %로, Si : 0.1~0.65%, Mn : 1.0~3.0%, Ni : 6.5~10.0%, Cr: 16.5~18.5%, Cu : 6.0%이하(0은 제외), C+N : 0.13% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
하기의 수식으로 정의된 가공경화식 H1이 300 이하인 것을 특징으로 한다.
H1 = -459 + 79.8Si - 10.2Mn - 8.16Ni + 48.0Cr - 13.2Cu + 623(C+N)

Description

가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강{Austenitic stainless steels with increased flexibility}
본 발명은 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다.
종래 가정용 및 자동차용 에어컨 냉매 배관으로 스테인리스강을 적용하고자 하는 시도가 있었다. 이는 내식성이 우수할 뿐만 아니라 비교적 소재 비용이 저렴하기 때문이다.
그러나, 에어컨 냉매 배관 시공 시 설치 공간에 제약을 받기 때문에, 배관을 구부리는 등의 작업이 필수적으로 수반되는바, 일반적인 스테인리스강은 배관 시공 시 필수적으로 구비되어야 하는 가요성을 구비하지 못 한다는 문제점이 존재한다.
금속재료는 인장 또는 압축 등 변형을 받으면 가공경화가 발생하여 변형을 받을수록 더욱 강해지는 특성이 있다. 배관을 구부리는 것은 인장과 압축의 복합적인 작용으로 구부리는 정도가 심해짐에 따라 소재는 더욱 경질화된다. 특히 오스테나이트계 스테인리스강으로서 가장 널리 사용되는 304강은 가공경화의 정도가 심해 에어컨 배관 시공을 해야 하는 공간 내에서 인력으로 배관을 구부리는 것은 매우 곤란하다.
가공경화라 함은, 소재의 변형이 시작될 때의 강도를 가리키는 항복강도(YS)와 소재의 가공경화가 극대화되어 최대의 강도를 나타내는 인장강도(TS)의 차이인 TS-YS로써 표현한다. 즉 인력으로 구부리기 용이하기 위해서는 이러한 가공경화 현상을 억제하여 TS-YS가 최소화되는 소재가 요구된다.
오스테나이트계 스테인리스강에서는 Cr, Ni, Mn, Cu, C, N 원소가 주로 첨가되는데, 이러한 원소들의 함량이 다양화 되어 많은 강종이 제조되고 있지만 우수한 가요성을 위한 최적 성분제어 방법은 공개되어 있지 않은 형편이다. 본 발명에서는 이러한 원소들의 제어를 통해 가공경화의 최소화를 구현하여 우수한 가요성을 가지는 소재를 제조하고자 하였다.
상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2010-0099726 A (2010.09.13)
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 가공경화도에 영향을 미치는 성분 원소의 함량을 제어하고, 결정립의 크기를 제어함으로써 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량 %로, Si : 0.1~0.65%, Mn : 1.0~3.0%, Ni : 6.5~10.0%, Cr: 16.5~18.5%, Cu : 6.0%이하(0은 제외), C+N : 0.13% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기의 수식으로 정의된 가공경화식 H1이 300 이하인 것을 특징으로 한다.
H1 = -459 + 79.8Si - 10.2Mn - 8.16Ni + 48.0Cr - 13.2Cu + 623(C+N)
본 발명의 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강의 조직 크기(D)는 20~40㎛ 인 것을 특징으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량 %로, Si : 0.1~0.65%, Mn : 1.0~3.0%, Ni : 6.5~10.0%, Cr: 16.5~18.5%, Cu : 6.0%이하(0은 제외), C+N : 0.13% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기의 수식으로 정의된 가공경화식 H2는 300 이하인 것을 특징으로 한다.
H2 = 4.27+ 0.875(-459 + 79.8Si - 10.2Mn - 8.16Ni + 48.0Cr - 13.2Cu + 623(C+N))-287D(D : 조직의 크기)
조직의 크기(D)는 20~300㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량 %로, Si : 0.1~0.65%, Mn : 1.0~3.0%, Ni : 6.5~10.0%, Cr: 16.5~18.5%, Cu : 6.0%이하(0은 제외), C+N : 0.13% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
하기의 수식으로 정의된 Md30은 0 이하인 것을 특징으로 한다.
Md30 = 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-29(Ni+Cu)-13.7Cr
Md30은 -100 ~ 0 인 것이 바람직하다.
TS(인장강도)와 YS(항복강도)의 차이값은 300Mpa 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 원소의 함량, 결정립 크기 등을 제어함으로써 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 제조할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 가공 경화식 H1과 가공경화도 실측치의 상관 관계를 나타낸 도면,
도 2는 결정립의 크기 분포를 나타낸 도면,
도 3은 결정립 크기에 따른 가공 경화식 H1의 변화를 나타낸 도면,
도 4는 수정 가공 경화식 H2와 가공 경화도 실측치와의 상관 관계를 나타낸 도면,
도 5는 오스테나이트 안정화 지수와 가공 경화도 실측치와의 상관 관계를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강에 대하여 설명한다.
본 발명의 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량 %로, Si: 0.1~0.65%, Mn: 1.0~3.0%, Ni: 6.5~10.0%, Cr: 16.5~18.5%, Cu: 6.0%를 함유하고 C+N은 0.13% 이하로 함유하며, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하에서는 본 발명의 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 구성하는 성분들의 수치한정 이유에 대하여 설명한다.
C+N은 0.13 중량% 이하로 첨가되어야 한다.
C 와 N는 침입형 고용강화 원소로서 오스테나이트계 스테인리스강을 경질화 시킬 뿐만 아니라 그 함량이 높으면 가공 시 발생하는 변형유기 마르텐사이트를 경질화하여 소재의 가공 경화도가 증가하게 된다. 따라서, C 및 N의 함량을 제한할 필요성이 있으며, 본 발명에서는 C+N의 함량을 0.13% 이하로 제한한다.
Si는 0.1 ~ 0.65 중량% 범위 내에서 조절하여 첨가한다.
Si는 탈산을 위해 필수적으로 첨가되는 원소이므로, 0.1% 이상이 첨가된다.
그러나 과도하게 높은 함량의 Si를 첨가하는 경우 소재가 경질화되며, 산소와 결합하여 개재물을 형성함으로써 내식성이 저하되므로 상한을 0.65%로 제한한다.
Mn은 1.0 ~ 3.0 중량%의 범위 내에서 조절하여 첨가한다.
Mn은 탈산을 위해 필수적으로 첨가 될 뿐만 아니라 오스테나이트상의 안정화도를 증가시키는 원소로써 오스테나이트 밸런스 유지를 위해서는 1.0% 이상을 첨가한다. 그러나, 과도하게 높은 함량의 Mn 첨가는 소재의 내식성을 저하시키므로 그 상한은 3.0%로 제한한다.
Ni은 6.5 ~ 10.0 중량%의 범위 내에서 조절하여 첨가한다.
Ni은 Cr과 복합 첨가함으로써 내공식성과 같은 내식성의 개선에 효과적일 뿐만 아니라, 그 함유량이 증가하면 오스테나이트강의 연질화를 도모할 수 있다.
또한 오스테나이트계 스테인리스강의 상안정화도 개선에도 기여하는 원소에 해당하는바, 오스테나이트 밸런스 유지를 위하여 6.5% 이상을 첨가한다. 그러나, 과도하게 높은 함량의 Ni 첨가는 강 비용의 상승을 초래하므로 상한을 10.0%로 제한한다.
Cr은 16.5 ~ 18.5 중량% 범위 내에서 조절하여 첨가한다.
Cr은 내식성을 향상시키는 필수적인 원소로서 범용으로 사용되기 위해서는 16.5% 이상이 첨가되어야 한다. 그러나, 과도하게 높은 함량의 Cr 첨가는 오스테나이트상의 경질화를 유발하고 비용의 상승을 초래하므로 상한을 18.5%로 제한한다.
Cu는 6.0 중량% 이하 범위 내에서 조절하여 첨가한다.
Cu는 오스테나이트강의 연질화를 야기할 수 있다. 그러나 과도하게 높은 함량의 Cu 첨가는 열간 가공성을 저하시키고, 오히려 오스테나이트상을 경질화시킬 수 있으므로 그 상한을 6.0%로 제한한다.
본 발명에서 이루고자 하는 바를 달성하려면 본 발명이 제공하는 성분 제어 방법이 중요하다. 이를 구체적으로 표현하기 위하여 이하에서 본 발명의 실시예를 통하여 설명한다. 이하의 실시예에서 설명하는 소재는 150 mm 두께의 잉곳 제조하여 1250℃로 가열 후 3 mm까지 열간압연한 다음 1100℃에서 60초 이상 유지하는 열처리를 함으로써 제조하였다. 단, 이와 같은 제조 방법은 본 발명에서 제공하는 소재의 특성을 한정짓는 것이 아니며, 통상적인 오스테나이트계 스테인리스강의 제조 방법 중 하나를 차용한 것으로서 특성을 평가하기 위한 소재를 제조하는 일례를 든 것일 뿐이다. 소재의 특성은 본 발명에서 제공하는 성분 제어 방법에 의하여 변화한다. 항복강도 YS와 인장강도 TS는 소재를 1축 인장하여 얻은 값이다.
구분 Si Mn Ni Cr Cu C+N TS-YS H1
발명예1 0.4 2.7 8.0 17.3 2.7 0.019 281 292
발명예2 0.4 1.7 9.6 17.4 3.2 0.028 277 284
발명예3 0.4 1.7 9.6 17.4 3.2 0.024 273 281
발명예4 0.4 2.8 9.6 17.5 3.1 0.010 276 271
발명예5 0.4 2.7 9.6 17.4 3.2 0.011 279 267
발명예6 0.4 2.7 9.7 17.5 3.2 0.019 277 273
발명예7 0.4 2.7 9.6 17.4 3.2 0.041 280 285
발명예8 0.4 1.2 8.3 16.9 2.1 0.016 287 286
발명예9 0.4 1.2 8.4 16.9 2.2 0.033 295 294
발명예10 0.4 1.2 8.1 17.0 2.8 0.018 288 284
발명예11 0.4 1.2 8.0 17.0 2.7 0.036 293 295
발명예12 0.4 1.2 8.4 16.8 2.7 0.017 280 275
발명예13 0.4 1.2 8.4 17.0 2.7 0.036 287 293
발명예14 0.6 1.2 7.6 16.9 3.0 0.017 283 296
발명예15 0.6 1.2 7.6 16.9 4.0 0.021 286 286
발명예16 0.6 1.2 7.6 16.7 5.0 0.020 274 263
비교예1 0.6 1.2 7.6 16.9 2.1 0.056 328 329
비교예2 0.4 1.0 7.9 17.7 0.2 0.088 407 399
비교예3 0.6 1.2 7.5 16.8 2.0 0.021 309 308
표 1에 나타난 H1은 하기의 수학식으로 정의된다.
H1 = -459+79.8Si-10.2Mn-8.16Ni+48.0Cr-13.2Cu+623(C+N)
본 발명에서는 TS-YS값을 300MPa 이하로 제어하여 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 얻기 위해 본 발명을 구성하는 성분 원소를 이용하여 H1값을 정의하고, H1값과 실측된 TS-YS값 간의 상관관계를 분석하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 성분 제어를 통하여 얻어진 H1 값과 실측된 TS-YS 값의 관계를 보여 주며 상기의 설명이 구현됨을 알 수 있다. 특히 점선으로 표시한 것처럼 이 사이에는 선형적으로 원활한 관계가 성립되고 있으므로 본 발명에서 굳이 H1 값의 하한을 설정하지 않더라도 더욱 낮은 값의 H1 값을 갖는 소재의 제조를 통해 더욱 가요성이 우수한 오스테나이트계강의 제조가 가능함을 알 수 있다.
한편 통상적인 제조 공정에 의하여 제조된 오스테나이트계 스테인리스강의 결정립 크기는 30 ± 10 μm인 경우가 일반적이다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강의 결정립 크기(D) 역시 30 ± 10 μm 구간에 존재하는바, 표 2의 비교예 1에서와 같이 H1이 329로 얻어지면 실제 TS-YS 값이 328로 얻어져 가요성이 양호하지 않음을 알 수 있다.
이와 같이, 통상의 30 ± 10 μm 범위의 결정립 크기에서는 H1의 값과 실제 TS-YS값이 유사한 값을 가짐을 알 수 있는바, 이는 도 3을 통하여도 확인된다.
그러나, 결정립의 크기가 30 ± 10 μm 범위를 초과하는 경우, 비록 H1이 300MPa를 초과하더라도 실제 TS-YS값은 300MPa 보다 작음을 알 수 있는바, 이는 표 2의 발명예17, 18, 19, 20, 21 및 도 3의 타원 표시 구간에서도 확인된다.
결정립 크기가 크면 가공 시 오렌지필이라고 부르는 표면 요철 결함이 발생되지만, 표면의 매끄러움이 중요하지 않거나 연마를 통해 시정이 가능하여 이를 무시할 수 있는 정도라면 결정립 크기를 큰 경우라도 큰 문제가 되지 않는다.
본 발명에서는 결정립이 크기가 통상의 경우보다 큰 경우에도 가공 경화도가 낮은 소재를 얻을 수 있도록 수정된 가공경화식 H2를 제공한다.
H2 = 4.27 + 0.875H1-0.287D
표 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 수정 가공경화식 H2의 범위를 300 MPa 이하로 제어함으로써 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 제조할 수 있음을 알 수 있다.
구분 TS-YS H1 D H2
발명예1 281 292 29 289
발명예2 277 284 31 282
발명예3 273 281 33 279
발명예4 276 271 29 271
발명예5 279 267 31 268
발명예6 277 273 32 272
발명예7 280 285 35 282
발명예17 269 336 223 273
발명예18 247 316 218 256
발명예19 240 301 209 246
발명예20 267 333 284 253
발명예21 283 316 93 292
비교예1 328 329 33 321
비교예4 337 406 210 337
비교예5 371 406 990 372
비교예6 313 336 72 316
표 3은 표 2에 개시된 발명예 17 내지 발명예 21, 비교예 4 내지 비교예 6의 성분 함량을 나타낸 것이다.
구분 Si Mn Ni Cr Cu C+N
발명예17 0.6 1.2 7.5 16.7 3.9 0.119
발명예18 0.6 1.3 7.6 17.0 5.0 0.087
발명예19 0.6 1.3 7.9 17.1 5.8 0.075
발명예20 0.5 1.1 6.9 17.1 4.4 0.091
발명예21 0.6 1.3 7.6 17.0 5.0 0.087
비교예4 0.2 1.4 8.1 18.1 0.2 0.105
비교예5 0.2 1.4 8.1 18.1 0.2 0.105
비교예6 0.6 1.2 7.5 16.7 3.9 0.119
한편, TS-YS값은 하기의 오스테나이트 안정도 Md30을 통하여 제한할 수도 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, Md30이 0을 초과하는 경우 TS-YS값이 크게 증가하고, Md30이 0 이하인 범위에서 TS-YS값은 Md30에 민감하지 반응하지 않고, 일정하게 낮은 수준을 유지함을 알 수 있다.
Md30을 0 이하 범위로 유지하기 위해서는 주요 첨가 원소인 Si, Mn, Ni, Cu, Cr을 첨가해야 하는바, 본 발명에서는 TS-YS값을 300MPa 이하로 유지하기 위한 Md30 관련 성분 파라미터를 제시한다.
Md30 = 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-29(Ni+Cu)-13.7Cr
구분 TS-YS Md30
발명예1 281 -30
발명예2 277 -88
발명예3 273 -85
발명예4 276 -88
발명예5 279 -88
발명예6 277 -97
발명예7 280 -102
발명예8 287 -2
발명예9 295 -14
발명예10 288 -18
발명예11 293 -22
발명예12 280 -21
발명예13 287 -34
발명예14 283 -13
발명예15 286 -41
발명예16 274 -69
비교예1 328 -1
비교예2 407 20
비교예3 309 20
표 4에 나타낸 바와 같이, 값을 0이하로 유지하는 경우 TS-YS값을 300MPa 이하로 유지할 수 있는바, 가요성이 개선됨을 알 수 있었다.
한편, Md30값을 낮추기 위해서는 성분 원소 함을 더욱 증가시켜야 하는바, 원가 절감을 위해 그 하한값은 -100으로 한정하는 것이 바람직하다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (7)

  1. 중량 %로, Si : 0.1~0.65%, Mn : 1.0~3.0%, Ni : 6.5~10.0%, Cr: 16.5~18.5%, Cu : 6.0%이하(0은 제외), C+N : 0.13% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기의 수식으로 정의된 가공경화식 H1이 300 이하이며, 하기의 수식으로 정의된 가공경화식 H2는 300 이하인 것을 특징으로 하는, 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.

    H1 = -459 + 79.8Si - 10.2Mn - 8.16Ni + 48.0Cr - 13.2Cu + 623(C+N)
    H2 = 4.27+ 0.875(-459 + 79.8Si - 10.2Mn - 8.16Ni + 48.0Cr - 13.2Cu + 623(C+N))-287D
    (D : 조직의 크기)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    조직의 크기(D)는 20~300㎛인 것을 특징으로 하는, 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
  5. 청구항 1에 있어서,
    하기의 수식으로 정의된 Md30은 0 이하인 것을 특징으로 하는, 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.

    Md30 = 551-462(C+N)-9.2Si-8.1Mn-29(Ni+Cu)-13.7Cr
  6. 청구항 5에 있어서,
    Md30은 -100 ~ 0 인 것을 특징으로 하는, 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    TS(인장강도)와 YS(항복강도)의 차이값은 300Mpa 이하인 것을 특징으로 하는, 가요성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.

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