KR100188049B1 - 형상이 우수한 고강도 스테인레스 강 스트립 제조방법 - Google Patents

Abstract

10 ∼ 17 wt.% 의 Cr을 함유하고 C 함유량이 0.15 wt.% 이하인 저탄소 마르텐사이트계 스테인레스강으로부터 마르텐사이트상을 가진 냉간압면강 스트립 또는 냉간압연 및 어니일링강 스트립을 제조하고, 이 강 스트립을 연속 열처리로속으로 연속적으로 통과시켜 (강의 As 점 + 30℃)이상에서부터 강의 Af 점 이하까지의 온도범위 (단, 900℃ 이하의 범위) 내의 온도로 가열하여 마르텐사이트상의 일부를 역변태 오오스테나이이트상으로 변화시킨 다음 실온에서 냉각시켜 오오스테나이트상과 마르텐사이트상의 복상조직을 가진 강 스트립을 제조함을 특징으로 하는 형상이 우수한 고강도 스테인레스강 스트립을 제조하였다.

단, As점은 승온과정에서 마르텐사이트상으로부터 오오스테나이트상으로 변태가 개시하는 온도이고, 강의 Af 점은 승온과정에서 마르텐사이트상으로부터 오오스테나이트상으로 변태가 종료하는 온도이다.

Description

형상이 우수한 고강도 스테인레스강 스트립 제조방법

제1도는 열처리 전후의 스트립의 형상측정 방법중 L 방향(압연방향)의 측정방법을 나타낸 투시도.

제2도는 열처리 전후의 스트립의 형상측정 방법중 T 방향(압연 방향에 대하여 직각)의 측정방법을 나타낸 투시도.

본 발명은 형상이 우수한 고강도 스테인레스강 스트립(strip) 제조방법에 관한 것이다. 인장강도가 100 kg/㎟ 이상인 고강도 스테인레스강으로서는 기공 경화형 오오스테나이트계 스테인레스강, 저탄소 마르텐사이트계 스테인레스강 및 석출 경화형 스테인레스강 등이 공지되어 있는데, 이들 스테인레스강은 피로(疲勞) 특성, 내식성, 내열성 등이 우수하기 때문에 그 특성을 살려 스틸 벨트나 각종 스프링 제조시에 널리 사용되고 있다. 이러한 종류의 스틸벨트용 재료나 스틸 벨트 제조방법에 대해서는 예를 들자면 일본국 특허 공고 공보 제 51-1085 호와 특허 공고 공보 제 61-9903호에 개시(開示)되어 있다.

가공 겨화형 오오스테나이트계 스테인레스강 스트립은 준안정 오오스테나이트계 스테인레스강을 냉간압연하여 가공 스트레인을 부여하고 냉간압연 스트립을 고 강도화 (조질화 : tempering)하는 방법으로 제조한 것이고, 저탄소 마르텐사이트계 스테인레스강 스트립은 실온에서 마르텐사이트 조직을 나타내도록 성분 조정이 된 저탄소 Cr-Ni 계 스테인레스강을 900℃이상의 통상의 어니일링(annealing)온도로부터 담금질 처리(quenching)를 하는 방법으로 제조한 것이다. 이들 스트립은 어느 것이라도 우수한 형상을 얻기 위해서는 최종 공정에서 직경이 큰 로울이 구비된 압연기를 사용하는 형상 수정(修正)을 하기 위한 압연공정을 필요로 한다. 이러한 형상 수정 압연은 가공경화형 오오스테나이트계 스테인레스강과 마르텐사이트계 스테인레스강 모두에 있어서, 양호한 형상을 얻자면 압연율, 로울러 직경, 압연 속도, 판두께, 강재의 종류, 이전(以前) 공정에 있어서의 이력 등을 고려하여 적절히 실시할 필요가 있는데, 그 성공여부에 따라 제품 수율에 큰 영향을 미치거나 평탄한 스테인레스강 스트립을 얻을 수 없게 된다. 따라서 될 수 있는 한 이와 같은 형상수정을 위한 최종 압연 공정은 없는 쪽이 바람직하지만 위에서와 같은 스트립에서는 그 제조 이력상 이것을 피할 수 없는 것이 실상이다.

본 발명은 선행기술에서 나타나는 이와 같은 문제 해결을 목적으로 한 것으로서 형상 수정을 위한 최종 압연 공정을 생략하고 우수한 형상을 가진 100kg/㎟ 이상의 고인장 강도 스테인레스강 스트립 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명은 10 ∼ 17 wt.% 의 Cr을 함유하고 C 함유량이 0.15 wt.% 이하인 저탄소 마르텐사이트계 스테인레스강으로부터 마르텐사이트상(相)을 가진 냉연강(冷延鋼) 스트립 또는 냉연 어니일링강 스트립을 제조하고, 이 스트립을 연속 열처리로속을 연속적으로 통과시켜 강의(As 점 + 30℃)이상에서부터 강의 Af 점 이하의 온도범위 (단, 900℃ 이하의 범위) 내의 온도로 가열하여 마르텐사이트상의 일부를 역변태(逆變態) 오오스테나이이트상으로 한 다음 실온에서 냉각하여 오오스테나이트상과 마르텐사이트상의 복상조직(複相組織)을 가진 스트립을 제조함을 특징으로 하고 있는데 본 발명에 의하면 후공정에서 형상 수정 압연을 필요로 하지 않는 우수한 형상의고강도 스테인레스강 스트립을 제조할 수가 있다. 그리고 강의 As점은 승온과정에서 마르텐사이트상으로부터 오오스테나이트상으로 변태(變態)가 개시하는 온도를, 그리고 강의 Af 점은 승온과정에서 마르텐사이트상으로부터 오오스테나이트상으로 변태가 종료하는 온도를 나타낸다.

본 발명의 실시에 있어서, 연속 열처리로속을 통과하는 강 스트립에 가해지는 장력을 저온쪽에서부터 고온쪽으로 가열함에 따라 완화시키면 한층 더 양호한 결과를 얻게 된다. 이러한 장력 조절은 연속 열처리로속을 통과하는 동안 스트립의 자체 중량에 의한 장력조절, 즉 로내의 스트립을 지지하는 지지로울 사이의 거리를 조절함으로써 유리하게 실시할 수 있다. 그리고 연속 열처리로속을 통과하기전의 스트립은 마르텐사이트 단상(單相) 조직의 것외에 20 vol.%이하의 페라이트상 또는 오오스테나이트상을 가지는 것이라도 좋다.

본 발명의 제조방법에 있어서, 연속 열처리로속을 통과하는 스테인레스 강 스트립을 스트립의 세로방향(LD : longitudinal direction)으로 장력을 가하면서 연속적으로 가열한다. 이 장력을 가하면서 스트립을 열처리하는 본 발명의 연속 열처리법은 장력을 가하지 않고 코일형상의 스트립을 가열하는 뱃치식(batchwise) 열처리법과는 큰 차이가 있다. 마르텐사이트 조직을 가진 스테인레스강 스트립을 연속 열처리로에서 강의 As 점 이상의 온도로 가열하면 장력을 스트립의 세로방향으로 가해진 상태하에서 마르텐사이트가 오오스테나이트로 역변태한다. 즉, 재료가 평탄화되는 방향으로 장력이 작용하면서 역변태가 진행하기 때문에 이 역변태 진행에 따라 재료가 평탄화된다. 열처리 온도가 900℃를 초과하지 않은 온도로서 (As 점 + 30℃)이상에서부터 Af 점이하까지의 온도 범위내에 있다면 마르텐사이트상의 일부를 오오스테나이트상으로 역변태시킬수가 있고, 이 역변태에서 생긴 오오스테나이트상은 미세하고도 극히 안정한 상이기 때문에 실온까지 냉각하여도 담금질된 마르텐사이트로 재차 변태하지 않는다.

그러므로 본 발명의 방법으로 제조된 강 스트립은 마르텐사이트상과 역변태 오오스테나이트상과의 미세한 2상 조직으로 할 수가 있고 고강도를 가지게 된다.

또한 역변태 오오스테나이트가 연속 열처리 온도로부터 냉각하는 사이에 담금질 된 마르텐사이트로 재차 변태하지 않는다는 것은 담금질에 의한 스트레인이 발생하지 아니한다는 것을 의미하며, 이로 인해 열처리로에서 달성된 스트립의 양호한 평탄도를 상온까지 유지할 수 있다.

본 발명의 방법을 실시하는 연속 열처리로는 스트립의 어니일링 처리 등에 통상적으로 사용되고 있는 카테나리형 로(catenary furnace)나 직립형 로(vertical furnace)등을 사용할 수가 있다. 로의 분위기는 스트립의 산화방지를 고려할 경우에는 환원성 가스나 비활성 가스가 바람직하나, 대기 분위기어도 특히 지장은 없다. 이때의 로의 가열은 전기처럼 발열체 가열방식, 가스나 기름 등의 연소 방식 등과 같은 방식의 가열이어도 좋다. 본 발명에 의한 연속 열처리에 있어서, 필연적으로 스트립의 세로방햐으로 장력이 가해지는데, 이 장력의 정도는 강의 As 점 부근의 저온쪽에서는 0.5kgf/㎟ 이상의 높은 장력이 바람직하고, Af 점 부근의 고온쪽에서는 0.5kgf/㎟ 이하의 낮은 장력이 바람직하다. 이 장력의 조절은 앞서 나온 바와 같이 로내의 스트립을 지지하는 지지 로울 사이의 거리를 조절함으로써 편리하게 실시할 수 있다.

본 발명의 특징에 따라 이와 같이 하여 연속 열처리하는 동안 마르텐사이트상으로부터 미세한 오오스테나이트상이 역변태로 생기며 미세한 2 상 조직으로 되고, 이러한 미세한 2상 조직을 유지함으로써 형상이 우수한 고강도의 스텐레스 스트립을 제조할 수 있게 된다. 따라서 안정하고도 미세한 2상 조직을 얻는 것이 필수적이다. (강의 As 점 +30℃). 이하의 온도 영역에서의 열처리에서는 생성되는 역병태 오오스테나이트량이 불충분하고, 또한 Af 점을 초과하는 온도 도는 900℃이상의 온도 영역에서의 열처리에서는 역변태 오오스테나이트량이 많아져서 마르텐사이트량이 잔존하지 않게 되거나 잔류량이 극히 적게 되므로 안정하고도 미세한 2 상 조직을 얻을 수 없게 된다. 그러므로 이러한 연속 열처리는 (강의 As 점 +30℃)이상에서 강의 Af 점 이하의 온도범위 (단 900℃ 이하의 범위)에서 실시하여야 한다.

본 발명에서 사용하는 스테인레스강은 어니일링된 상태에서 마르텐사이트조직을 나타내는 마르텐사이트계 스테인레스강이다. 연속 열처리로를 통과하기 전의 강 스트립의 조직상태는 실질적으로 마르텐사이트 조직이어야 하고, 이 마르텐사이트 조직은 강중의 성분과도 관계가 있으며, 최종 어니일링 단계에서 마르텐사이트 조직으로 된 어니일링 강 스트립, 이 어니일링 강 스트립을 마무리 냉간 입연한 냉연강 스트립, 경우에 따라서는 냉간 압연으로 스트레인 유기(誘起) 마르텐사이트를 생성시킨 냉연강 스트립을 출발 스트립으로 사용해도 좋다. 그러나 열처리전의 강 스트립의 조직은 반드시 100% 마르텐사이트 상이어야 할 필요는 없고, 20 체적 % 까지의 페라이트상 또는 오오스테나이트상이 존재하는 것이어도 좋다. 어느 경우에서도 연속 열처리에서 생성된 복상(複相)조직의 상태에서 인장강도가 100kgf/㎟ 급 이상의 고강도를 가진 스트립을 본 발명의 한가지 목적으로 하고 있고 이러한 요건을 충족하는 범위의 강의 성분과 조직비율을 본 발명에 포함하고 있는 것이다.

강의 성분에 대해서는 10 ∼ 17 wt.% 의 크롬(Cr)과 0.15 wt.% 이하의 탄소 (C)를 함유하는 저탄소 마르텐사이트계 스테인레스강을 본 발명에서 중심으로 하고 있다. 니켈(Ni)도 주요성분의 한가지로 할 수가 있고, 또한 앞서의 요건을 충족하는 한 이러한 종류의 강에 저탄소 마르텐사이트계 스테인레스강에 통상적으로 함유된 기타 합금 원소의 첨가도 물론 가능하다.

그 대표적인 화학 성분과 함유량을 들면 다음과 같다.

C : 0.15 % 이하 (0을 포함하지 않음),

Si : 6.0 % 이하 (0을 포함하지 않음),

Mn : 10.0 % 이하 (0을 포함하지 않음),

Ni : 8.0 % 이하 (0을 포함하지 않음),

Cr : 10.0 ∼17.0 %

N : 0.3 % 이하 (0을 포함하지 않음),

Mo : 4.0 % 이하 (0을 포함함),

Cu : 4.0 % 이하 (0을 포함함),

Co : 4.0 % 이하 (0을 포함함).

더욱이 본 발명에서 사용하는 강중에는 Ti, Al, Nb, V, Zr, B 및 희토류 원소를 총량으로 1.0 % 이하와 불가피한 불순물도 함유할 수가 있다.

또한 각 합금 원소의 량을 서로 조절하여 강중의 니켈 당량(Ni_eq)이 8.0 ∼17.5의 범위내에 있도록 하는데, 강중의 니켈 당량은, 강중에 Ti, Al, Nb, V, Zr, B 및 희토류 원소를 전혀 함유하지 않을 경우에는 아래와 같이 정의되고,

강중에 Ti, Al, Nb, V, Zr, B 및 희토류 원소중 어느 한가지라도 함유할 경우에는 아래와 같이 정의된다.

이들 주요 원소의 함유량 범위를 이와 같이 수치한정한 것은 다음과 같은 이유 때문이다.

C는 오오스테나이트 생성원소로서 (강의 As 점 + 30℃)이상에서부터 강의 Af 점 이하의 온도 영역에서의 열처리시에 생성되는 역변태 오오스테나이트상의 안정화에 유효하게 작용할 뿐만 아니라 역변태 오오스테나이트상과 마르텐사이트상의 강화에 유효하게 작용한다. 그러나 다량으로 함유되면 열처리시에 Cr 탄화물이 생성되어 강의 내식성을 불량하게 하므로 그 상한을 0.15 %로 한다.

Cr 은 스테인레스강의 기본 성분이고, 양호한 내식성을 얻자면 10.0 % 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나 Cr 은 페라이트 생성원소이고 다량으로 함유되면 δ 페라이트상이 다량 생성되어 어니일링후 상온에서 마르텐사이트 단상(單相)조직을 얻기 어렵게 되므로 상한을 17.0 % 로 한다.

Ni 은 오오스테나이트 생성원소로서 (강의 As 점 + 30℃)이상에서부터 강의 Af 점 이하의 온도 영역에서의 열처리시에 생성되는 역변태 오오스테나이트상의 안정화에 유효하게 작용한다. 그러나 다량으로 함유되면 어니일링 후 상온에서 마르텐사이트 단상조직을 얻기 어렵게 되므로 8.0 % 이하의 범위로 함유시키는 것이 바람직하다.

Si는 As 점과 Af 점의 온도범위를 넓혀주므로 오오스테나이트상과 마르텐사이트상의 안정한 2 상 조직을 얻을 때에 유리하게 작용하고, 또한 열처리시에 생긴 역변태 오오스테나이트상과 마르텐사이트상의 강화에도 유효한 원소이다. 그러나 다량으로 함유되면 강 스트립의 제조성이 약화되므로 6.0 % 이하의 범위에서 함유시키는 것이 좋다.

Mn은 오오스테나이트 생성원소로서 (강의 As 점 + 30℃)이상에서부터 강의 Af 점 이하의 온도 영역에서의 열처리시에 생성되는 역변태 오오스테나이트상의 안정화에 유효하게 작용한다. 그러나 다량으로 함유되면 용제(溶製 : melting)시에 Mn 퓨움 (fume)이 생성되는 등, 제조성이 악화되므로 10.0 % 이하로 하는 것이 바람직하다.

N은 C와 마찬가지로 오오스테나이트 생성원소로서 (As 점 + 30℃)이상에서부터 강의 Af 점 이하의 온도 영역에서의 열처리시에 생성되는 역변태 오오스테나이트상의 안정화에 유효하게 작용할 뿐만 아니라 역변태 오오스테나이트상과 마르텐사이트상의 강화에도 유효하게 작용하는 원소이다. 그러나 다량으로 함유되면 용제시에 블로우 홀(blow hole)이 생성하여 건전한 잉고트를 얻을 수 없게 되므로 0.30 % 이하로 하는 것이 좋다.

Mo는 강의 내식성을 향상시킬 뿐만 아니라 열처리시에 생성되는 역변태 오오스테나이트상과 마르텐사이트상의 강화에 유효한 원소이다. 그러나 Mo 는 페라이트 생성원소이고 다량으로 함유되면 δ페라이트가 다량 생성되어 어니일링 후 상온에서 마르텐사이트 단상조직을 얻기가 어렵게 되므로 4.0 % 이하로 하는 것이 좋다.

Cu는 Ni와 마찬가지로 오오스테나이트 생성원소이고 열처리시 오오스테나이트상의 형성에 유효하지만, 다량 함유되면 열간 가공성이 저하하기 때문에 4.0 % 이하로 하는 것이 바람직하다.

Co는 Ni와 마찬가지로 오오스테나이트 생성원소이고 열처리시에 오오스테나이트상의 형성에 유효하지만 다량 함유되면 강이 고가(高價)로 되기 때문에 4.0 % 이하로 하는 것이 바람직하다.

Ti, Al, Nb, V 및 Zr은 어느 것이나 역변태 처리에 의하여 생긴 오오스테나이트과 마르텐사이트의 2 상 조직을 안정하고도 미세하며 균일한 조직으로 유지하는데 유효할 뿐만 아니라 Cr 탄화물의 생성을 억제하여 내식성을 유지하는데도 유효한 원소이다. 그러나 다량 함유되면 강 스트립의 제조가 곤란해지므로 이들 원소의 량을 각각 1.0 % 이하로 함과 아울러 그 합계량도 1 % 이하로 하는 것이 바람직하다.

Ni_eq(Ni 당량값)에 대해서는 다음과 같다.

위에 나온 바와 같이 본 발명의 방법에서는 열처리시에 마르텐사이트상으로부터 역변태하여 미세한 오오스테나이트상이 생겨 미세한 2 상 조직으로 되고, 이 미세한 2 상 조직을 유지함으로써 피로 특성이 우수한 고강도 스테인레스강을 제조하게 된다. 따라서 본 발명에서는 안정하고도 미세한 2상 조직을 얻는 것이 필수적이다. 강의 니켈 당량(Ni_eq)이 8.0 미만이면 ( As 점 + 30℃)이상에서부터 강의 Af 점 이하까지의 온도범위내의 비교적 저온에서 열처리를 하더라도 역변태 오오스테나이트 생성량이 불충분하게 되고, 또한 Ni_eq가 17.5를 초과하게 되면 역변태 오오스테나이트량이 과다하게 되므로, 어느 경우에서도 안정하고도 미세한 2 상 조직을 얻기가 어렵게 된다. 따라서 강의 Ni_eq가 8.0 ∼17.5 가 되도록 각 성분량을 조정하는 것이 바람직하다.

[실시예]

제1표에 나와 있는 조성을 가진 강을 통상의 방법에 따라 용제, 단조, 열간압연하여 6 mm 의 두께로 하고 용체화처리(容體化處理) 와 산세척을 한 후 냉간 압연과 어니일링을 한 다음 소정의 압연율로 마무리 냉간 압연하여 두께가 1 mm 인 냉가납연재를 만들었다. 냉간압연시에는 본 발명에 의한 열처리 도중 형상수정의 유익한 효과를 확인하기 위하여 고의로 압연형상이 불량하게 되는 조건을 설정하였다. 마무리 냉간압연재중 일부를 1030℃에서 어니일링한 후 산세척을 하여 공시재(公試材)로 하였다. 그리고 제1표에는 시험에 사용된 강의 As 및 AF 변태점도 아울러 나와 있는데 이들 변태점은 전기 저항 측정장치로 각 공시재를 1℃/min 의 가열속도로 승온 처리하여 얻은 온도-전기 저항의 관계곡선의 변곡점(變曲點)으로부터 구하였다.

이들 공시재를 제2표에 있는 여러 가지 조건하에서 연속 열처리로에서 처리하였다. 연속 열처리시의 강 스트립의 통과속도는 로속에서의 체류 시간이 6분이 되도록 조정하였다. 연속 열처리후 형상검사와 내력(耐力) 및 인장 시험을 하였다. 형상 검사는 열처리하기 전과 열처리한 후에 실시하였는데, 제1도에 나와있는 바와 같이 융기높이 h(mm)를 압연 방향의 거리 ℓ(mm)로 나눈값을 L 방향의 형상값으로 하였고, 또한 제2도에 나와 있는 바와 같이 융기높이 h(mm)를 강 스트립의 폭 ℓ(300mm)으로 나눈값을 T 방향의 형상값으로 하였다. 이들 측정결과는 제2표에 나와 있다. 제2표의 결과로부터 알수 있는 바와 같이 본 발명 방법에 의하면 각 공시제는 어느 것이나 내력 90 kgf/㎟ 이상의 고강도를 가지고 있고, 또한 형상값은 L 방햐으로 2/1000 이하, T 방향으로 1.5/300 이하로서 우수한 형상을 가지고 있다.

여기에 반하여 제2표 중에서 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어난 열처리 조건의 비교법(시험번호 2,6,9,14 및 15)에서 제조한 공시재는 형상이 불량하고 내력 역시 작다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 형상이 우수한 복상조직의 고감도 스테인레스강 스트립을 형상 수정 압연을 하지 않고서 제조할 수 있다. 100 kgf/㎟ 급의 고강도 스테인레스강 스트립의 제조에 있어서, 그 형상 수정 압연을 생략할 수 있다는 것은 공정단계 단축과 제조 수율 향상에 크게 공헌할 수 있다.

그리고 본 발명에서 제조한 강 스트립은 고강도 뿐만 아니라 복상조직을 가지므로 해서 피로강도가 우수하다는 점에서도 벨트재료나 스프링 재료로서 유용한 재료를 제공할 수 있다.

Claims (1)

10 ∼ 17 wt.% 의 Cr을 함유하고 C 함유량이 0.15 wt.% 이하인 저탄소 마르텐사이트계 스테인레스강으로부터 마르텐사이트상을 가진 냉간압연강 스트립 또는 어니일링강 스트립을 제조하고, 이 강 스트립을 연속 열처리로속으로 연속적으로 통과시켜 (강의 As 점 + 30℃) 이상에서부터 강의 Af 점 이하까지의 온도범위 (단, 900℃ 이하의 범위) 내의 온도로 가열하여 마르텐사이트상의 일부를 역변태 오오스테나이이트상으로 변화시킨 다음 실온으로 냉각하여 오오스테나이트상과 마르텐사이트상의 복상조직을 가진 강 스트립을 제조하고, 상기한 연속 열처리로속을 통과하는 강 스트립은 저온쪽으로부터 고온쪽으로 가열됨에 따라 그 현가(懸架) 장력이 작아지며, 이 현가장력은 강 스트립을 지지하는 로울러 사이의 거리에 따라 조정되는 것을 특징으로 하는 형상이 우수한 고강도 스테인레스강 스트립을 제조방법. 단, As점은 승온과정에서 마르텐사이트상으로부터 오오스테나이트상으로 변태가 개시하는 온도이고, Af 점은 승온과정에서 마르텐사이트상으로부터 오오스테나이트상으로 변태가 종료하는 온도이다.