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KR102120700B1 - 확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 - Google Patents

확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 Download PDF

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KR102120700B1
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Abstract

5단계 이상의 확관 및 커링 공정 후에도 시효균열 또는 지연파단 등의 결함이 발생하지 않는 오스테나이트계 스테인리스강이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01 내지 0.04%, Si: 0.1 내지 1.0%, Mn: 0.1 내지 2.0%, Cr: 16 내지 20%, Ni: 6 내지 10%, Cu: 0.1 내지 2.0%, Mo: 0.2% 이하, N: 0.035 내지 0.07%, C+N: 0.1% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, Md30(℃) × Grain Size(㎛) 값이 -500 미만이다.

Description

확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 {AUSTENITIC STAINLESS STEEL WITH EXCELLENT HOLE EXPANDING WORKABILITY AND RESISTANCE OF SEASON CRACKING}
본 발명은 확관 가공성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강에 대한 것으로, 보다 상세하게는 5단계 이상의 확관 및 커링 공정 후에도 시효균열 또는 지연파단 등의 결함이 발생하지 않는 확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강에 관한 것이다.
최근 자동차 연료주입관은 경량화 및 고기능을 위해 탄소강 대비 내식성이 우수하고 강도가 높은 스테인리스강으로 전환되고 있다. 일반적으로 탄소강 1.2mm 튜브를 제작한 후 발청 방지를 위하여 도장 및 코팅 공정을 경유하지만, 스테인리스강은 우수한 내식성으로 도장 및 코팅 공정을 생략하는 장점을 가진다.
하지만, 자동차 연료주입관은 5 내지 6단계의 확관 공정 및 최종 커링 공정 등 복잡한 가공단계를 거치기 때문에 가공성이 열위한 페라이트계 스테인리스강 또는 듀플렉스 스테인리스강의 적용은 쉽지 않으며, 가공성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강 적용이 검토되고 있다. 특히, 자동차 제조사에서는 304 성분규격(KS, JIS, ASTM)을 만족하는 범위 내에서 연료주입관용 스테인리스강의 개발을 희망하고 있어, 304 재질규격(EN, KS)인 항복강도 230MPa 이상 및 인장강도 550MPa 이상을 만족함과 동시에 연료주입관의 복잡한 가공에서도 크랙이 발생하지 않는 오스테나이트계 스테인리스강 개발이 요구된다.
특허문헌 1에는 가공경화지수(n값) 0.49 이하의 오스테나이트계 스테인리스강을 소재로 하는 관으로 만들어진 것을 특징으로 급유관에 대하여 기술되어 있다. 하지만, 특허문헌 1에서 제시하는 가공경화지수(n값) 0.49 이하라는 냉연제품의 재질 특성으로는 다양하고 복잡해지는 자동차 연료주입관의 성형에 단순 적용하기에는 한계가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2003-0026330호 (2003.03.31.)
상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 304 강종의 성분규격 범위 내에서 다양하고 복잡한 형상의 가공 및 다단계 확관 가공에도 시효균열 발생을 방지할 수 있는 확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01 내지 0.04%, Si: 0.1 내지 1.0%, Mn: 0.1 내지 2.0%, Cr: 16 내지 20%, Ni: 6 내지 10%, Cu: 0.1 내지 2.0%, Mo: 0.2% 이하, N: 0.035 내지 0.07%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, C+N: 0.1% 이하를 만족하며, 하기 식 (1)로 표시되는 Md30(℃) 값과 평균 결정립 크기(㎛)의 곱이 -500 미만을 만족한다.
(1) Md30(℃) = 551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu)-18.5*Mo
여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, Mo는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, C+N은 0.06 내지 0.1% 범위를 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 진변형률 0.3 내지 0.4 범위에서의 가공경화지수 n값이 0.45 내지 0.5 범위를 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 식 (1)의 Md30 값은 -10℃ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 평균 결정립 크기는 45㎛ 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스테인리스강의 시효균열 한계 드로잉비(Limited Drawing Ratio)는 2.97 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 식 (2)으로 표시되는 구멍 확관율(HER)이 72% 이상일 수 있다.
(2) HER = (Dh-D0)/D0 × 100
여기서, Dh는 파단 후 내경, D0는 초기 내경을 의미한다.
본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 구멍 확관율 70% 이상으로 확관가공성이 우수하고 시효균열 한계 드로잉비 2.9 이상으로 내시효균열성이 우수하여, 자동차 연료주입관 성형 시 원주방향 크랙이 발생하지 않을 수 있다.
도 1은 튜브(Tube) 조관품을 이용하여 자동차 연료주입관 성형 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 Md30(℃) × Grain Size(㎛)에 따른 연료주입관의 원주방향 크랙 수의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 구멍 확관율 측정방법에 대한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시효균열 한계 드로잉비와 구멍 확관율 범위를 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.
최근 자동차 연료주입관은 내식성이 우수하고 강도가 높은 스테인리스강으로 전환되고 있다. 하지만, 자동차 연료주입관은 5 내지 6단계의 복잡한 가공단계를 거치기 때문에 확관 공정 및 최종 커링 공정에서 원주방향 크랙이 발생하게 된다. 이에 본 발명자들은 오스테나이트 스테인리스 강판을 자동차 연료주입관 용도로 냉연 제품을 제조 가능하도록 확관성이 우수하고 내시효균열성이 우수한 스테인리스강을 제시하게 되었다.
본 발명에서는 304 재질규격 범위를 만족하는 재료 강도(항복강도 230MPa 이상, 인장강도 550MPa 이상)의 확보와 동시에 우수한 구멍 확관 가공성과 내시효균열 특성을 가지는 강재를 개발하고자 하였다. 304 성분규격 및 재질규격을 만족하는 범위 내에서 자동차 연료주입관 성형 공정에서 요구되는 구멍(Hole) 확관성과 내시효균열성을 동시에 확보하는 것은 쉽지 않다. 일반적으로 304강은 TRIP(Transformation Induced Plasticity) 특징을 가지는 강으로 0.5 이상의 높은 가공경화지수(n)를 활용하여 싱크, 양식기 등에 사용되는 강종이다. 하지만, 304강은 TRIP으로 인해 발생하는 다량의 마르텐사이트 생성으로 인하여 연료주입관 성형 시 시효균열이 야기되는 문제가 있다.
도 1은 튜브(Tube) 조관품을 이용하여 자동차 연료주입관 성형 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 자동차 연료주입관 성형은 직경 28.6mm의 튜브의 일측 단부를 4 내지 5단계에 걸쳐 직경 약 50mm까지 확관 가공하며, 이를 위해 70% 이상의 확관율이 요구된다. 또한, 최종 확관된 연료주입구는 커링 공정을 통해 직경 59mm까지 성형되어 확관율 100%를 초과하게 된다.
이처럼, 일반 304강을 그대로 연료주입관 성형하게 되면, 요구되는 높은 확관율을 충족하지 못해 연료주입관의 주입구 원주방향으로 다수의 크랙(시효균열)이 발생하게 된다. 이에, 내시효균열성 확보를 위해 일반적으로 Md30(℃) 값만 낮추어 가공경화지수 n값을 0.5 이하로 관리하는 방법이 있는데, 이는 낮은 구멍 확관율로 인하여 도 1과 같은 5 내지 6단계의 확관/커링 가공단계에서 크랙이 발생하는 문제점을 나타낸다. 따라서, 본 발명에서는 높은 구멍 확관가공성과 내시효균열성을 동시에 만족하는 구체적인 냉연제품의 성분계 조성범위와 파라미터를 제시하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 중량%로, C: 0.01 내지 0.04%, Si: 0.1 내지 1.0%, Mn: 0.1 내지 2.0%, Cr: 16 내지 20%, Ni: 6 내지 10%, Cu: 0.1 내지 2.0%, Mo: 0.2% 이하, N: 0.035 내지 0.07%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 합금원소 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.01 내지 0.04%이다.
강 중 C는 오스테나이트상 안정화 원소로서 많이 첨가할수록 오스테나이트상이 안정화되는 효과가 있어 0.01% 이상 첨가할 필요는 있으나, 0.04% 이상 함유하면 변형유기 마르텐사이트를 경질화하여 성형 중에 심하게 변형된 부위에서 시효균열(season crack)을 발생시킨다.
Si의 함량은 0.1 내지 1.0%이다.
강 중 Si은 제강단계에서 탈산제로 첨가되는 성분이며, 일정량 첨가 시 광휘소둔(Bright Annealing) 공정을 거치는 경우 부동태 피막에 Si-Oxide를 형성하여 강의 내식성을 향상시키는 효과가 있다. 그러나, 1.0% 초과 함유 시 강의 연성을 저하시키는 문제가 있다.
Mn의 함량은 0.1 내지 2.0%이다.
강 중 Mn은 오스테나이트상 안정화 원소로서 많이 함유할수록 오스테나이트상이 안정화되어 0.1% 이상 첨가하나, 과도하게 첨가하면 내식성을 저해하므로 2% 이하로 제한한다.
Cr의 함량은 16.0 내지 20.0%이다.
강 중 Cr은 내식성의 개선을 위한 필수 원소로 내식성 확보를 위해 16.0% 이상 첨가하는 것이 필요하나, 과도한 첨가 시에는 소재를 경질화하고 확관가공성 등의 성형성을 불리하게 저하시키므로 20.0%로 제한한다.
Ni의 함량은 6.0 내지 10.0%이다.
강 중 니켈은 오스테나이트상 안정화 원소로서 많이 첨가할수록 오스테나이트상이 안정화되어 소재를 연질화하고, 변형유기 마르텐사이트의 발생에 기인하는 가공경화의 억제를 위하여 6.0% 이상 첨가하는 것이 필요하다. 하지만 고가의 Ni을 과도하게 첨가하게 되면 비용 상승의 문제가 발생하여 10.0%로 제한한다.
Cu의 함량은 0.1 내지 2.0%이다.
강 중 Cu는 오스테나이트상 안정화 원소로서, 첨가할수록 오스테나이트상이 안정화되어 변형유기 마르텐사이트의 발생에 기인하는 가공 경화의 억제하는 효과가 있어 0.1% 이상을 첨가한다. 그러나 2.0%를 초과하여 첨가하게 되면 내식성이 저하되는 문제 및 비용 상승의 문제가 있다.
Mo의 함량은 0.2% 이하이다.
강 중 Mo은 첨가 시 내식성과 가공성을 향상시키는 효과가 있지만, 과도한 첨가는 비용상승을 수반하므로 0.2% 이하로 제한한다.
N의 함량은 0.035 내지 0.07%이다.
강 중 N는 오스테나이트상 안정화 원소로서 많이 첨가할수록 오스테나이트상을 안정화시키는 효과 및 재료의 강도 향상을 위해 0.035% 이상 첨가할 필요는 있으나, 0.07%를 초과하여 함유하면 변형유기 마르텐사이트를 경질화하여 성형 중에 심하게 변형된 부위에서 시효균열을 발생시킨다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, C+N은 0.06 내지 0.1% 범위를 만족할 수 있다.
C+N의 함량을 0.06% 이상으로 제어함으로써 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강은 항복강도(YS) 230MPa 이상 및 인장강도(TS) 550MPa 이상을 나타낼 수 있고, 304 재질규격을 만족한다. C+N이 0.1% 초과인 경우에는 Md30 값과 가공경화지수 n값은 낮아지지만, 강도가 너무 높아져 소재가 경해지는바 오히려 시효균열 발생 가능성이 높아진다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, Md30(℃) 값과 평균 결정립 크기(Grain Size, ㎛)의 곱이 -500 미만을 만족한다.
즉, [Md30(℃) × Grain Size(㎛) < -500]을 만족하며, Md30은 아래 식 (1)과 같이 표현된다.
(1) Md30 = 551 - 462*(C+N) - 9.2*Si - 8.1*Mn - 13.7*Cr -29*(Ni+Cu)-18.5*Mo - 68*Nb
식 (1)은 Nb를 포함하고 있으나, 본 발명에서는 Nb 첨가를 목적하지 않는다. 따라서 Nb가 첨가되지 않는 경우 해당 Nb 변수에 0을 대입하며, 함량이 측정 가능한 수준의 불순물로 포함되는 경우에는 그 값을 대입할 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 Md30 값은 -10℃ 이하, 평균 결정립 크기(GS)는 45㎛ 이상일 수 있다.
준안정 오스테나이트계 스테인리스강은, 마르텐사이트 변태 개시온도(Ms) 이상의 온도에서 소성가공에 의해 마르텐사이트 변태가 발생한다. 이러한 가공에 의해 상변태를 일으키는 상한 온도는 Md값으로 나타내며, 특히 30% 변형을 부여할 때 마르텐사이트로의 상변태가 50%가 일어나는 온도(℃)를 Md30이라 칭한다. Md30 값이 높으면 가공유기 마르텐사이트상의 생성이 쉬운 것에 반해 Md30 값이 낮으면 가공유기 마르텐사이트상의 생성이 상대적으로 어려운 강종으로 판단할 수 있다. 이러한 Md30 값을 통해 통상의 준안정 오스테나이트계 스테인리스강의 오스테나이트 안정화도를 판단할 수 있는 지표로 사용된다.
Md30 값은 가공유기 마르텐사이트 생성량뿐만 아니라 가공경화지수에도 영향을 미친다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강은, 진변형률 0.3 내지 0.4 범위에서의 가공경화지수 n값이 0.45 내지 0.5 범위를 만족할 수 있다. 대부분의 300계 오스테나이트 스테인리스강 소재는 변형 초반인 진변형율 10 내지 20%에서 0.3 내지 0.4 범위의 가공경화지수(n)를 가지지만, 오스테나이트 안정화도(Md30)에 따라 변형 후반인 진변형율 30% 이상에서는 0.55 이상의 가공경화지수를 가진다.
가공경화지수 n값이 0.45 미만인 경우 충분한 가공경화가 이루어지지 못해 오히려 연신율이 저하되며, 0.5 초과의 경우 과도한 가공경화가 발생하여 가공유기 마르텐사이트상 변태에 의해 시효균열이 야기될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 오스테나이트계 스테인리스강의 시효균열 한계 드로잉비(Limited Drawing Ratio)는 2.97 이상일 수 있다. 시효균열 한계 드로잉비는 시효균열이 발생하지 않는 한계 드로잉 비를 의미하며, 드로잉 가공 시 소재의 최대 직경(D)과 펀치 직경(D')의 비(D/D')를 의미한다.
본 발명에서는 Md30 값, 최종 냉연제품의 평균 결정립 크기 및 C+N 함량 범위를 조화시킴으로써 우수한 확관가공성 및 내시효균열성을 확보할 수 있으며, 자동차 연료주입관용 확관/커링 성형시에도 크랙 발생을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 식 (2)으로 표시되는 구멍 확관율(Hole Expansion Rate, HER)이 72% 이상일 수 있다.
(2) HER = (Dh-D0)/D0 × 100
여기서, Dh는 파단 후 내경, D0는 초기 내경을 의미한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
연료주입관 성형 - 크랙 평가
아래 표 1에 나타낸 성분계의 오스테나이트계 스테인리스강을 일부는 Lab. 진공용해를 하여 잉곳(Ingot)을 제조하였고, 일부는 전기로-VOD-연주 공정을 거쳐 슬라브(Slab)를 제조하였다. 제조된 잉곳과 슬라브는 1,240℃에서 1 내지 2시간 재가열한 후 조압연기와 연속 마무리압연기에 의해 열연재로 제조하였으며, 1,000 내지 1,100℃의 온도에서 열연소둔을 행한 후 냉간압연 및 냉연소둔을 실시하였다.
구분 C N Si Mn Cr Ni Mo Cu
실시예1 0.02 0.04 0.3 1.5 18.3 8.3 0.1 1.2
실시예2 0.02 0.04 0.3 1.5 18.3 8.3 0.1 1.2
실시예3 0.056 0.04 0.39 1.01 18.1 8.07 0.101 0.82
실시예4 0.049 0.036 0.39 1.06 18.1 8.1 0.099 1.09
실시예5 0.05 0.038 0.4 1.0 18 9.2 0.096 0.102
실시예6 0.051 0.041 0.4 3.62 18.1 8.1 0.104 0.102
실시예7 0.052 0.041 0.4 4.5 18.1 8.09 0.097 0.1
비교예1 0.047 0.089 0.41 0.99 18.1 8.13 0.099 0.104
비교예2 0.054 0.108 0.4 0.97 18.2 8.12 0.103 0.1
비교예3 0.054 0.108 0.4 0.97 18.2 8.12 0.103 0.1
비교예4 0.048 0.042 0.4 2.13 18.2 8.04 0.099 0.11
비교예5 0.048 0.042 0.4 2.13 18.2 8.04 0.099 0.11
비교예6 0.051 0.041 0.4 3.62 18.1 8.1 0.104 0.103
비교예7 0.052 0.041 0.4 4.5 18.1 8.09 0.097 0.101
비교예8 0.048 0.054 0.37 1.01 18.2 8.11 0.103 0.101
비교예9 0.048 0.054 0.37 1.01 18.2 8.11 0.103 0.104
비교예10 0.047 0.089 0.41 0.99 18.1 8.13 0.099 0.1
비교예11 0.02 0.04 0.3 1.5 18.3 8.3 0.1 1.2
비교예12 0.06 0.025 0.4 0.8 18 8.1 0.3 0.8
비교예13 0.048 0.041 0.42 1.0 17.9 8.07 0.1 0.091
비교예14 0.048 0.041 0.42 1.0 17.9 8.07 0.1 0.091
비교예15 0.05 0.039 0.42 1.0 18.2 8.26 0.102 0.45
비교예16 0.05 0.039 0.42 1.0 18.2 8.26 0.102 0.45
비교예17 0.056 0.04 0.39 1.01 18.1 8.07 0.101 0.82
비교예18 0.049 0.036 0.39 1.06 18.1 8.1 0.099 1.09
비교예19 0.053 0.038 0.4 1.02 18 8.4 0.102 0.1
비교예20 0.053 0.038 0.4 1.02 18 8.4 0.102 0.1
비교예21 0.05 0.041 0.4 0.95 17.9 8.72 0.101 0.1
비교예22 0.05 0.041 0.4 0.95 17.9 8.72 0.101 0.1
비교예23 0.05 0.038 0.4 1.0 18 9.2 0.096 0.102
표 1에 기재된 실시예 및 비교예 강종을 이용하여, 도 1에 나타난 바와 같이 1~5단계의 확관 가공 및 6단계 커링 가공을 실시하였다.
구분 C+N Md30
(℃)		 Grain
Size
(㎛)		 Md30
×
Grain Size		 가공경화지수 n
(@ 진변형률
0.3~0.4)		 커링부
원주방향
크랙 수
실시예1 0.06 -19.7 45 -886.1 0.45 ~ 0.5 0
실시예2 0.06 -19.7 72 -1417.7 0.45 ~ 0.5 0
실시예3 0.10 -12.8 42 -536.3 0.45 ~ 0.5 0
실시예4 0.09 -16.8 52 -871.3 0.45 ~ 0.5 0
실시예5 0.09 -19.5 59 -1147.8 0.45 ~ 0.5 0
실시예6 0.09 -12.1 45 -545.1 0.45 ~ 0.5 0
실시예7 0.09 -19.2 46 -884.4 0.45 ~ 0.5 0
비교예1 0.14 -12.1 55 -665.2 0.40 ~ 0.45 2
비교예2 0.16 -25.0 25 -625.2 0.30 ~ 0.40 3
비교예3 0.16 -25.0 47 -1175.3 0.40 ~ 0.45 4
비교예4 0.09 1.0 27 26.1 0.50 ~ 0.55 4
비교예5 0.09 1.0 68 65.7 0.50 ~ 0.65 4
비교예6 0.09 -12.1 25 -302.8 0.30 ~ 0.45 1
비교예7 0.09 -19.2 22 -423.0 0.30 ~ 0.40 1
비교예8 0.10 3.1 20 61.4 0.50 ~ 0.55 4
비교예9 0.10 3.1 48 147.4 0.50 ~ 0.65 4
비교예10 0.14 -12.1 23 -278.2 0.30 ~ 0.40 1
비교예11 0.06 -19.7 21 -413.5 0.30 ~ 0.40 1
비교예12 0.09 -8.7 23 -199.6 0.40 ~ 0.45 2
비교예13 0.09 14.2 21 297.5 0.50 ~ 0.70 4
비교예14 0.09 14.2 47 665.9 0.50 ~ 0.70 4
비교예15 0.09 -5.9 20 -118.0 0.40 ~ 0.50 2
비교예16 0.09 -5.9 38 -224.2 0.40 ~ 0.55 2
비교예17 0.10 -12.8 24 -306.5 0.40 ~ 0.45 2
비교예18 0.09 -16.8 25 -418.9 0.40 ~ 0.45 1
비교예19 0.09 2.0 22 44.6 0.50 ~ 0.55 4
비교예20 0.09 2.0 55 111.6 0.50 ~ 0.65 4
비교예21 0.09 -5.2 24 -125.7 0.40 ~ 0.50 3
비교예22 0.09 -5.2 45 -235.7 0.40 ~ 0.55 2
비교예23 0.09 -19.5 22 -428.0 0.30 ~ 0.40 1
표 1 및 표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 C+N: 0.06 ~ 0.1% 범위, Md30(℃) × Grain Size(㎛) 값이 -500 미만에서는 5단계의 확관 가공 및 6단계 커링 가공 후에도 연료주입관 끝단의 커링부에 원주방향으로 크랙이 발생하지 않는 것을 알 수 있었다.
도 2는 Md30(℃) × Grain Size(㎛)에 따른 연료주입관의 원주방향 크랙 수의 상관관계를 나타내는 그래프이다. Md30(℃) × Grain Size(㎛)와 튜브 끝단의 원주방향 크랙 수의 상관성은 도 2에서 나타나듯이 아주 강한 상관관계를 나타낸다. Md30(℃) × Grain Size(㎛) 파라미터 값이 -500 내지 0 범위에서는 원주방향으로 많게는 4곳, 적게는 1곳에서 가공 크랙 또는 시효균열 크랙이 발생되었다. 또한 Md30(℃) × Grain Size(㎛) 파라미터 값이 0 내지 500 범위의 +값을 나타낼 때에는 원주방향 크랙 수가 5곳 이상으로 증가됨을 확인할 수 있었다.
실시예 1 내지 7은 Md30 값을 -10℃ 이하로 관리하고 평균 결정립 크기를 45㎛ 이상으로 제조하여 Md30(℃) × Grain Size(㎛) 파라미터 값을 -500 이하로 제어함으로써, 1축 인장시험에서 진변형율(true strain) 0.3 ~ 0.4 구간에서의 가공경화지수(n)가 0.45 ~ 0.5 범위를 가져 튜브 확관 가공 및 커링 가공에서 크랙이 발생되지 않는 특징을 나타내었다.
비교예 1, 2, 3, 10은 C+N 범위가 0.1%를 초과하여, Md30 값은 -10℃ 이하로 낮게 나타났지만, 진변형율 0.3 ~ 0.4 구간에서의 가공경화지수(n) 또한 0.45 이하로 낮게 나타나 튜브 확관 가공 및 커링 가공 후에 크랙이 발생하였다.
비교예 6, 7, 11, 12, 15, 16, 17, 18, 21, 23은 -5℃ 이하의 낮은 Md30 값을 가지지만 45㎛ 미만의 미세한 결정립 크기로 인하여, 진변형율 0.3 ~ 0.4 구간에서 가공경화지수(n)가 0.45 이하 구간을 포함하기 때문에 튜브 확관 가공 및 커링 가공 후에 크랙이 발생하였다.
비교예 4, 5, 8, 9, 13, 14, 19, 20은 0℃ 이상의 높은 Md30 값으로 인하여 진변형율 0.3 ~ 0.4 구간에서 가공경화지수(n)가 0.5 이상의 범위를 포함하였고, 이에 따라 튜브 확관 가공 및 커링 가공 후에 많은 가공유기 마르텐사이트를 생성하기 때문에 시효균열에 의한 크랙이 발생하였다.
한계 드로잉비 및 확관율 평가
표 1에 기재된 실시예와 비교예 강종 중 일부에 대하여 시효균열 한계 드로잉비와 구멍 확관율(Hole Expansion Rate, HER)을 측정하였다.
시효균열 한계 드로잉비는 시효균열이 발생하지 않는 한계 드로잉비로, 드로잉 가공 시 소재의 최대 직경(D)과 펀치 직경(D')의 비(D/D')를 의미한다.
도 3은 구멍 확관율 평가방법을 나타내는 모식도이다. 도 3의 평가방법을 이용하여 상술한 식 (2)에 따라 구멍 확관율을 측정하였다.
구분 Md30
(℃)		 Grain Size
(㎛)		 Md30 × Grain Size 시효균열
한계 드로잉비		 확관율
(HER, %)
실시예1 -19.69 45 -886.05 3.33 75.3
실시예2 -19.69 72 -1417.68 3.54 77.0
실시예3 -12.7695 42 -536.319 3.17 75.3
실시예4 -16.7555 52 -871.286 3.17 75.3
실시예5 -19.454 59 -1147.786 3.17 75.3
실시예6 -12.113 45 -545.085 2.97 72.0
실시예7 -19.2255 46 -884.373 3.33 75.3
비교예1 -12.0945 55 -665.1975 2.21 62.1
비교예2 -25.0065 25 -625.1625 2.34 65.2
비교예3 -25.0065 47 -1175.3055 2.50 66.5
비교예4 0.9655 27 26.0685 2.21 72.0
비교예5 0.9655 68 65.654 2.21 77.0
비교예6 -12.113 25 -302.825 2.97 62.1
비교예7 -19.2255 22 -422.961 2.97 62.1
비교예8 3.0715 20 61.43 2.21 72.6
비교예9 3.0715 48 147.432 1.97 75.3
비교예12 -8.68 23 -199.64 2.50 65.2
비교예14 14.169 47 665.943 1.91 77.0
비교예15 -5.899 20 -117.98 2.21 65.2
비교예16 -5.899 38 -224.162 2.50 72.0
비교예19 2.029 22 44.638 2.21 69.1
비교예20 2.029 55 111.595 2.50 75.3
비교예23 -19.454 22 -427.988 3.17 65.1
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시효균열 한계 드로잉비와 구멍 확관율 범위를 나타내는 그래프이다. 연료주입관 튜브의 5단계 확관 가공 및 커링부 가공 후에도 크랙이 발생하지 않는 건전한 성형성을 확보하기 위해서는 재료의 충분한 구멍 확관성 및 내시효균열 저항성이 요구된다. 실시예 1 내지 7은 Md30 값을 -10℃ 이하로 관리하고 평균 결정립 크기를 45㎛ 이상으로 제조하여 Md30(℃) × Grain Size(㎛) 파라미터 값을 -500 이하로 제어함으로써, 2.97 이상의 시효균열 한계 드로잉비와 72% 이상의 구멍 확관율(HER)를 동시에 만족하였다. 도 4의 사각형 박스 내의 실시예들은 본 발명의 시효균열 한계 드로잉비 및 구멍 확관율을 모두 만족하는 것을 알 수 있다.
비교예 2, 6, 7, 12, 15, 23은 -5℃ 이하의 낮은 Md30 값을 갖지만, 30㎛ 이하의 미세한 결정립 크기로 인하여 70% 이하의 확관율을 나타내었다.
비교예 4, 5, 8, 9, 14, 19, 20은 0℃ 이상의 높은 Md30 값으로 인하여, 2.97 미만의 시효균열 한계 드로잉비를 나타내었다.
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 (7)

  1. 중량%로, C: 0.01 내지 0.04%, Si: 0.1 내지 1.0%, Mn: 0.1 내지 2.0%, Cr: 16 내지 20%, Ni: 6 내지 10%, Cu: 0.1 내지 2.0%, Mo: 0.2% 이하, N: 0.035 내지 0.07%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    C+N: 0.1% 이하를 만족하며,
    하기 식 (1)로 표시되는 Md30(℃) 값과, 평균 결정립 크기(㎛)의 곱이 -500 미만을 만족하는 확관가공성과 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
    (1) Md30 = 551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu)-18.5*Mo
    (여기서, C, N, Si, Mn, Cr, Ni, Cu, Mo는 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다)
  2. 제1항에 있어서,
    C+N은 0.06 내지 0.1% 범위를 만족하는 확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
  3. 제1항에 있어서,
    진변형률 0.3 내지 0.4 범위에서의 가공경화지수 n값이 0.45 내지 0.5 범위를 만족하는 확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 식 (1)의 Md30 값은 -10℃ 이하인 확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 평균 결정립 크기는 45㎛ 이상인 확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스테인리스강의 시효균열 한계 드로잉비(Limited Drawing Ratio)는 2.97 이상인 확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
  7. 제1항에 있어서,
    하기 식 (2)으로 표시되는 구멍 확관율(HER)이 72% 이상인 확관가공성 및 내시효균열성이 우수한 오스테나이트계 스테인리스강.
    (2) HER = (Dh-D0)/D0 × 100
    (여기서, Dh는 파단 후 내경, D0는 초기 내경을 의미한다)
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