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KR101756701B1 - 가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 - Google Patents

가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강 Download PDF

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KR101756701B1
KR101756701B1 KR1020150184668A KR20150184668A KR101756701B1 KR 101756701 B1 KR101756701 B1 KR 101756701B1 KR 1020150184668 A KR1020150184668 A KR 1020150184668A KR 20150184668 A KR20150184668 A KR 20150184668A KR 101756701 B1 KR101756701 B1 KR 101756701B1
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Abstract

가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강이 개시된다. 개시된 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, 실리콘(Si): 0.1 내지 0.65%, 망간(Mn): 0.2 내지 3.0%, 니켈(Ni): 6.5 내지 10.0%, 크롬(Cr): 16.5 내지 20.0%, 구리(Cu): 6.0%이하(0은 제외), 탄소(C)+질소(N): 0.08% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 진변형률 0.15 내지 0.4 범위에서 가공경화속도가 1,500 MPa 이하이다. 따라서, 진변형률과 가공경화속도가 제어된 오스테나이트계 스테인리스강을 이용하여 싱크 보울 등으로 가공함에 있어서, 가공량이 많은 모서리 부분에서도 성형 후에 지연파괴의 발생을 방지할 수 있다.

Description

가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강{AUSTENITIC STAINLESS STEEL WITH INCREASED WORKABILITY}
본 발명은 가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 복잡한 형상으로 가공하더라도 지연파괴 등의 결함이 발생하지 않는 가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다.
본 발명은 싱크 보울 등으로 사용되는 스테인리스강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 싱크 보울로 가공함에 있어서 지연파괴가 발생하지 않도록 하는 가공성이 우수한 스테인리스강에 관한 것이다.
주방용 싱크대의 싱크 보울에는 일반적으로 스테인리스강이 사용된다. 주로 특정 범용 스테인리스강들이 사용되는데, 일반적인 싱크 보울의 형상에는 성형성에 문제가 없어 널리 사용되는 편이다.
그러나 최근 시장에서의 경쟁력 강화를 위하여 다양하고 복잡한 형상의 싱크 보울을 설계하려는 시도가 많아지고 있다. 문제는 종래에 사용되는 스테인리스강을 그대로 적용 시에는 도 1에서와 같이 싱크 보울의 성형 후 지연파괴가 발생하는 문제가 대두된다는 것이다. 도 1은 종래의 오스테나이트계 스테인리스강으로 싱크 보울 가공 후 모서리 부분을 촬영한 사진이다.
지연파괴는 강판의 가공 후 일정 시간이 지난 후 터짐이 발생하는 것으로서 가공된 형상에 따라 가공량이 많은 부분에서 주로 발생한다.
통상, 오스테나이트계 스테인리스강은 고가공성이지만, 가공율이 한계를 넘으면 시효균열이라는 지연파괴가 발생한다. 이러한 균열은 오스테나이트계 스테인리스강을 딥드로잉 가공후에 수분에서 수개월 지난후에 발생하며, 딥드로잉 방향에 직선적으로 진행하지만, 미시적으로 보면 상기 오스테나이트계 스테인리스강의 입계입내에 관계없이 지그재그 형태로 진행한다.
본 발명에서는 이와 같이 복잡한 형상으로 가공하더라도 지연파괴 등의 결함이 발생하지 않는 가공성이 우수한 스테인리스강의 제조 방법을 제공하고자 한다.
한국 공개특허문헌 제10-2014-0131214호
본 발명의 실시예들은 싱크 보울로 가공함에 있어서 지연파괴가 발생하지 않도록 하는 가공성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강관을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, 실리콘(Si): 0.1 내지 0.65%, 망간(Mn): 0.2 내지 3.0%, 니켈(Ni): 6.5 내지 10.0%, 크롬(Cr): 16.5 내지 20.0%, 구리(Cu): 6.0%이하(0은 제외), 탄소(C)+질소(N): 0.08% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 진변형률 0.15 내지 0.4 범위에서 가공경화속도가 1500 MPa 이하이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소(C)+질소(N): 0.05% 이하(0은 제외)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소(C)+질소(N): 0.03% 이하(0은 제외)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, ASTM 결정입도 번호가 8 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 강관은 페라이트 상분율 또는 마르텐사이트 상분율이 1% 미만일 수 있다.
본 발명의 실시예들은 진변형률과 가공경화속도가 제어된 오스테나이트계 스테인리스강을 이용하여 싱크 보울 등으로 가공함에 있어서, 가공량이 많은 모서리 부분에서도 성형 후에 지연파괴의 발생을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 오스테나이트계 스테인리스강으로 싱크 보울 가공 후 모서리 부분을 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강으로 싱크 보울 가공 후 모서리 부분을 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 진변형률과 가공경화속도의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, 실리콘(Si): 0.1 내지 0.65%, 망간(Mn): 0.2 내지 3.0%, 니켈(Ni): 6.5 내지 10.0%, 크롬(Cr): 16.5 내지 20.0%, 구리(Cu): 6.0%이하(0은 제외), 탄소(C)+질소(N): 0.08% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하에서는 본 발명의 주름 저항성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스 강관을 구성하는 성분들의 수치한정 이유에 대하여 설명한다.
실리콘(Si)은 0.1 내지 0.65 중량% 범위 내에서 조절하여 첨가한다.
실리콘(Si)은 탈산을 위해 필수적으로 첨가되는 원소이며, 그 함량을 너무 낮은 양으로 제어하려면 제강 공정에 있어서 비용이 많이 소요되므로 이므로, 0.1% 이상으로 한정한다.
그러나 과도하게 높은 함량의 Si를 첨가하는 경우 Si은 고용 강화 원소로서 강도가 높아져 소재가 경질화되며, 산소와 결합하여 개재물을 형성함으로써 내식성이 저하되므로 그 상한을 0.65%로 제한한다.
망간(Mn)은 0.2 내지 3.0 중량%의 범위 내에서 조절하여 첨가한다.
망간(Mn)은 탈산을 위해 필수적으로 첨가 될 뿐만 아니라 오스테나이트상의 안정화도를 증가시키며 페라이트 혹은 마르텐사이트 생성량을 줄여 주는 원소이며, 가공경화 속도를 줄여주는 효과가 있어, 0.2% 이상을 첨가한다.
그러나, Mn은 고용 강화 원소로서, 과도하게 높은 함량의 Mn 첨가는 강의 강도 증가의 우려가 있으며, 소재의 내식성을 저하시키므로 그 상한은 3.0%로 제한한다.
니켈(Ni)은 6.5 내지 10.0 중량%의 범위 내에서 조절하여 첨가한다.
니켈(Ni)은 크롬(Cr)과 복합 첨가함으로써 내공식성과 같은 내식성의 개선에 효과적일 뿐만 아니라, 그 함유량이 증가하면 오스테나이트강의 연질화 및 가공경화 속도를 줄여주는 효과가 있다. 또한, 니켈(Ni)은 오스테나이트상의 안정화도를 증가시키며 강관의 페라이트 혹은 마르텐사이트 생성량을 줄여 주는 원소로서, 오스테나이트 밸런스 유지를 위하여 6.5% 이상을 첨가한다.
그러나, 과도하게 높은 함량의 니켈(Ni) 첨가는 강 비용의 상승을 초래하므로 상한을 10.0%로 제한한다.
크롬(Cr)은 16.5 내지 20.0 중량% 범위 내에서 조절하여 첨가한다.
크롬(Cr)은 스테인리스강의 내식성을 향상시키는 필수적인 원소로서 범용으로 사용되기 위해서는 16.5% 이상이 첨가되어야 한다.
그러나, Cr은 고용 강화 원소로서, 과도하게 높은 함량의 Cr 첨가는 비용의 상승을 초래하므로 상한을 20.0%로 제한한다.
구리(Cu)는 6.0 중량% 이하(0은 제외) 범위 내에서 조절하여 첨가한다.
구리(Cu)는 오스테나이트강의 연질화 및 가공경화 속도를 줄여주는 효과가 있으며, 강의 페라이트 혹은 마르텐사이트 생성량을 줄여 주는 원소로서, 이를 첨가하는 것이 바람직하다.
그러나 과도하게 높은 함량의 구리(Cu) 첨가는 열간 가공성을 저하시키고, 오히려 오스테나이트상을 경질화시킬 수 있으며, 비용의 상승 및 제조 난이도를 상승시키므로 그 상한을 6.0%로 제한한다.
탄소(C)+질소(N)는 0.08 중량% 이하(0은 제외)로 첨가되어야 한다.
탄소(C)와 질소(N)는 침입형 고용강화 원소로서 오스테나이트계 스테인리스강을 경질화 시킬 뿐만 아니라, 그 함량이 높으면 가공 시 발생하는 변형유기 마르텐사이트를 경질화하여 소재의 가공 경화도가 증가하게 된다.
따라서, 탄소(C) 및 질소(N)의 함량을 제한할 필요성이 있으며, 본 발명에서는 C+N의 함량을 0.08% 이하로 제한한다. 소재의 경질화를 방지하기 위하여 바람직하게는, 탄소(C) 및 질소(N)의 함량은 0.05% 이하(0은 제외) 일 수 있으며, 보다 바람직하게는, 탄소(C) 및 질소(N)의 함량은 0.03% 이하(0은 제외) 일 수 있다.
또한, 상기 오스테나이트계 스테인리스강은 진변형률 0.15 내지 0.4 범위에서 가공경화속도가 1,500 MPa 이하이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강으로 싱크 보울 가공 후 모서리 부분을 촬영한 사진이다. 도 2는 도 1과 같은 형상의 싱크 보울 가공 시에 본 발명에서 제시하는 방법으로 제조된 스테인리스강 적용 시 가공량이 많은 모서리 부분에서도 성형 후 지연파괴가 발생하지 않은 것을 보여 준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 진변형률과 가공경화속도의 상관관계를 나타내는 그래프이다. 도 3은 종래의 스테인리스강과 본 발명의 스테인리스강의 1축 인장시험 후 진변형률에 따른 가공경화속도를 보여 준다. 종래의 스테인리스강은 진변형률 0.15 이상 0.4 이하 범위에서 가공경화속도가 오히려 증가하여 1,500 MPa 이상이 되는 반면, 본 발명에 따른 스테인리스강은 1,500 MPa 이하로 유지됨을 보여 준다.
일반적으로 스테인리스강을 가공하면 가공경화가 발생한다. 지연파괴는 가공량이 많을 경우 발생하므로, 본 발명에서는 진변형률로 0.15 이상 0.4 이하인 범위에서 가공경화를 살펴 보았다.
가공경화는 스테인리스강의 진변형률 변화 대비 진응력의 변화의 비인 가공경화 속도로 정량적으로 나타내었다. 도 3을 참조하면, 종래에 사용되던 스테인리스강에서는 가공경화 속도가 진변형률 0.15 이상 0.4 이하인 범위에서 1,500MPa 이상이었음을 알 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에서는 진변형률 0.15 이상 0.4 이하인 범위에서 가공경화 속도를 1,500MPa 이하로 제어함으로써, 가공 후에도 지연파괴가 발생하지 않아 가공성이 우수한 스테인리스강을 얻을 수 있었다.
가공경화 속도는 판재를 JIS13B, JIS5 규격 등에 따라 인장시편을 가공한 후 파단 시까지 1축 인장시험을 하여 얻은 진변형률과 진응력 값으로 계산하였다. 인장 규격은 무엇으로 해도 무방하며 단지 예를 든 것이다. 지연파괴는 실제로 싱크 보울 형상으로 가공하여 볼 수도 있으며, 직경 50mm, 높이 100mm의 간단한 컵 형상으로 가공 후 보는 것도 무방하다.
예를 들어, 상기 스테인리스강의 ASTM 결정입도 번호가 8 이하일 수 있다. 상기 결정입도는 상기 스테인리스 강관의 길이방향 단면에서 측정한 결정입도이다.
예를 들어, 상기 스테인리스강은 페라이트 상분율이 1% 미만일 수 있으며, 상기 스테인리스강은 마르텐사이트 상분율이 1% 미만일 수 있다. 즉, 상기 스테인리스강은 자화 방식으로 측정한 페라이트 또는 마르텐사이트 분율이 1% 미만이다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예
하기 표 1의 발명예1 내지 발명예11, 그리고 비교예1 및 비교예2의 성분을 포함하는 오스테나이트계 스테인리스강 슬라브를 연속 주조하여 제조하였다. 이후, 열간 압연 및, 50% 총압하율로 냉간 압연을 거쳐, 냉연 강판을 제조하였다.
성분(중량%)
C Si Mn Ni Cr Cu N
발명예1 0.012 0.3 0.7 7.8 16.9 3.01 0.008
발명예2 0.010 0.3 1.2 9.6 16.8 0.00 0.010
발명예3 0.010 0.3 1.2 8.7 16.9 3.00 0.010
발명예4 0.010 0.3 1.2 9.6 16.9 2.98 0.010
발명예5 0.009 0.6 1.2 7.5 17.0 2.98 0.010
발명예6 0.010 0.3 1.8 7.6 16.8 3.00 0.010
발명예7 0.010 0.3 1.1 7.6 17.2 3.03 0.010
발명예8 0.010 0.3 2.2 7.6 16.9 3.00 0.010
발명예9 0.012 0.3 0.7 7.8 16.9 3.01 0.008
발명예10 0.010 0.3 1.2 9.6 16.8 0.00 0.010
발명예11 0.010 0.6 1.2 7.6 16.9 5.00 0.010
비교예1 0.040 0.6 1.2 8.1 18.1 0.00 0.040
비교예2 0.030 0.6 1.2 7.6 16.9 5.00 0.030
이후, 냉연 강판을 이용하여 싱크 보울로의 가공을 수행하였으며, 상기 강판의 가공경화 속도를 측정하였으며, 싱크 보울로 가공후 지연파괴 유무를 육안으로 관찰하여 하기 표 2에 나타내었다.
가공경화 속도 (MPa) 지연파괴 유무
발명예1 1033 X
발명예2 1020 X
발명예3 1029 X
발명예4 1433 X
발명예5 1604 X
발명예6 961 X
발명예7 1193 X
발명예8 1204 X
발명예9 1036 X
발명예10 1013 X
발명예11 992 X
비교예1 2106 O
비교예2 1601 O
상기 표 1 및 표 2는 본 발명에서 제시하는 성분 범위와 가공경화 속도를 맞추어 제조한 스테인리스강은 지연파괴가 발생하지 않는 것을 보여 준다. 반면 종래에 사용되는 스테인리강 비교예 2종은 동 조건에서 가공경화속도가 1,500MPa 이하를 만족하지 못하고 지연파괴가 발생한 것을 알 수 있었다.
도 1은 상기 비교예1에 따른 오스테나이트계 스테인리스강으로 싱크 보울 가공 후 모서리 부분을 촬영한 사진이며, 도 2는 상기 발명예1에 따른 오스테나이트계 스테인리스강으로 싱크 보울 가공 후 모서리 부분을 촬영한 사진이다. 도 3은 상기 비교예1에 따른 오스테나이트계 스테인리스강 및 상기 발명예1에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 진변형률과 가공경화속도의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 3 및 표 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 진변형율 및 가공경화 속도의 범위 내에서 가공 후에도 지연파괴가 발생하지 않음을 알 수 있었다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 중량%로, 실리콘(Si): 0.1 내지 0.65%, 망간(Mn): 0.2 내지 3.0%, 니켈(Ni): 6.5 내지 10.0%, 크롬(Cr): 16.5 내지 20.0%, 구리(Cu): 6.0%이하(0은 제외), 탄소(C)+질소(N): 0.03% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며,
    진변형률 0.15 내지 0.4 범위에서 가공경화속도가 1,500MPa 이하이고,
    ASTM 결정입도 번호가 8 이하이며,
    페라이트 상분율 또는 마르텐사이트 상분율이 1% 미만인 가공성이 향상된 오스테나이트계 스테인리스강.

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