[Research Paper] 대한금속･재료학회지 (Korean J. Met. Mater.), Vol. 55, No. 12 (2017), pp.880~887DOI: 10.3365/KJMM.2017.55.12.880

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쾌삭 303계 스테인레스강의 열간성형성에 미치는 균질화처리,Mn/S 비 및 델타-페라이트의 영향

정재영

경북대학교 자동차부품소재연구소

Effects of Homogenization Treatment, Mn/S ratio and -ferrite on the Hot Workability of Free-Machining 303-series Austenitic Stainless Steels

Jae-Young JungAutomobile Parts & Materials Research Center, Kyungpook National University, Daegu 41566, Republic of Korea

Abstract: To improve the hot-workability of free-machining austenitic stainless steel, we studied the effects of homogenization treatment, Mn/S ratio and the retained -ferrite on the hot-workability of 303 austenitic stainless steels. The reduction of area was measured as a function of homogenization temperature in the range of 1160-1250 ℃ and 1-50 s−1 using a Gleeble 3800. The hot-workability of the 303-series austenitic stainless steels reached a maximum value at a homogenization temperature of ~1240 ℃. The high temperature (e.g. ~1250 ℃) hot-workability increased with the Mn/S ratio and reached a constant value above ~7.0. At the same time, medium temperature (e.g. ~900 ℃) hot-workability increased linearly with the Mn/S ratio. The fraction of -ferrite decreased with increasing Mn/S ratio in STS 303-series VIM ingots. The retained -ferrite was found to seriously deteriorate hot-workability at above a critical volume fraction. The critical value was determined to be ~0.06. The Cr content in the (Mn, Cr) S compounds decreased with increasing Mn/S ratio. The hardness of (Mn, Cr) S increased with increasing Cr content. The hot ductility deteriorated with increasing Cr content within MnS. The evaluation of the harmful effects of Pbeq. on the hot workability of a STS 303 series billet was ineffective.

†(Received August 4, 2017; Accepted August 30, 2017)

Keywords: hot workability, STS303, austenitic stainless steel, free-machining stainless steel, Mn/S ratio, delta-ferrite

1. 서 론

스테인레스강(stainless steel)은 내식성이 타 합금강에 비

해 월등히 우수하여 부식환경에 노출되는 부품의 기초소재

로 사용된다. 그러나 스테인레스강은 강도와 가공 경화율이

높아 절삭가공시 변형이 쉽게 집중되고 이에 따른 과열로 인

해 재료가 절삭공구에 달라붙는 점착성(gumminess)이 나타

난다 [1]. 따라서 스테인레스강은 일반탄소강에 비해 절삭이

어려우며, 절삭표면이 깨끗하지 않은 경우가 종종 발생한다.

그러므로 기계 절삭성을 향상시키기 위하여 S를 다량 함유시

킨 쾌삭용 스테인레스강이 복잡한 형상을 갖는 기계부품 등

에 주로 사용되고 있다. 따라서 쾌삭용 303 스테인레스강에

*Corresponding Author: Jae-Young Jung[Tel: +82-53-950-7504, E-mail: jaeyjung7@knu.ac.kr, jaeyjung7@gmail.com]Copyright ⓒ The Korean Institute of Metals and Materials

대한 turning 가공 [2], 마모 [3,4], 표면처리관련 [5,6] 등 다양

한 연구들이 이루어지고 있다. 그러나 303계 스테인레스강의

열간성형성 등에 대한 연구보고는 매우 드물다.

현재 쾌삭 스테인레스강에서 피삭성의 개선은 다량으로

존재하는 MnS 개재물을 형성시키고 MnS 주위에 기공(void)

의 생성 및 성장에 의한 모재의 취화현상을 이용한다 [7]. 또

한 MnS는 절삭 가장자리(cutting edge)에서 재료의 누적

(build-up)을 최소화하고 가공 칩(chip)의 파괴를 촉진시켜 절

삭성을 향상시킨다 [1]. 그러나 절삭능 향상을 위해 형성시킨

MnS로 인하여 열간성형성이 열악해지는 문제점이 대두된

다. 또한 쾌삭용 스테인레스강의 열간성형성에 미치는 금속

학적인 인자에 대한 체계적인 연구가 정립되어 있지 않은 것

으로 알려져 있다.

쾌삭용 스테인레스강의 불량률은 다른 일반 오스테나이트

정재영 881

Table 1. The chemical composition of a STS 303 continuous cast billet.

C Si Mn P S Ni Cr MoSpecification ofSTS 303 (KS) <0.15 <1.0 <2.0 <0.2 >0.15 8-10 17-19 <0.6

STS 303 CC Billet (This Study) 0.058 0.41 1.55 0.028 0.27 8.53 17.6 0.23

Table 2. The analyzed chemical compositions of STS 303 VIM Ingots.

Alloys C Si Mn Cu S Ni Cr MoVIM01 0.055 0.54 2.01 0.3 0.14 9.17 17.67 0.45VIM02 0.060 0.56 3.48 0.3 0.26 9.30 17.27 0.48VIM03 0.061 0.45 4.62 0.28 0.41 8.62 16.96 0.41VIM04 0.061 0.47 0.63 0.31 0.34 8.82 17.65 0.59VIM05 0.060 0.47 1.48 0.31 0.32 8.98 17.44 0.57VIM06 0.058 0.47 2.48 0.3 0.29 9.16 17.49 0.45VIM07 0.057 0.47 4.30 0.3 0.23 9.36 17.56 0.43VIM08 0.064 0.46 5.13 0.31 0.34 8.95 17.56 0.43

계 스테인레스강의 0.6%(중량기준 국내 A사)에 비해 2.0%

이상으로 2배 이상 높으며 열간성형성도 나쁘다는 문제점이

있었다. 쾌삭용 스테인레스강은 열간압연시 선재 선단부에

서 갈라지는 개구(alligatoring)나 선재 표면부가 딱지 모양으

로 일어나는 스캡(scab) 현상이 발생하는 경우가 많아 작업효

율이나 품질이 크게 떨어지는 문제점이 있다. 특히 스캡 현상

이 일정 수준 이상으로 심하게 일어나는 선재 제품의 경우에

는 2급품 판정을 받으며 그 발생비율이 최고 12%까지 증가

한 경우도 있었다. 이 결과는 쾌삭 스테인레스강의 부가가치

를 낮출 뿐만 아니라 개구발생으로 인한 수율 저하로 인해 생

산성을 저하시키게 된다. 그리고 개구나 스캡 발생은 주로 지

름 9-14.5 mm 선재 작업시 사상압연 구간에서 주로 발생하

며 떨어져 나간 파편들이 롤 가이드에 잔류하여 제품표면에

흠(scratch)을 발생시키는 문제도 야기된다.

그러므로 본 연구에서는 303계 쾌삭용 스테인레스강의 투

입온도 및 열간성형속도의 영향을 조사하여 최적 열간가공

조건을 도출함으로써 압연재 생산조건을 최적화하고자 하였

다. 또한 본 연구에서는 303계 쾌삭용 스테인레스강의 고온

연성에 미치는 Mn/S 비와 잔류 -페라이트 분률의 영향을 체

계적으로 조사하여 개구발생과 표면결함 발생의 원인을 이

해하고자 하였다.

2. 실험방법

2.1 용해와 주조

본 연구에서는 2가지 형태의 잉곳(ingot)을 시험에 이용하

였다. 하나는 국내 A사에서 생산한 150SQ의 STS 303 스테

인레스강 연주 빌렛(billet)이고 화학성분은 표 1에 규격성분

과 함께 나타내었다. 연주 빌렛은 주로 균질화처리 조건과 미

세조직 변화를 관찰하는데 사용하였다. 다른 하나는 다양한

Mn/S 비를 갖는 303 오스테나이트계 스테인레스강의 잉곳

을 제조하기 위하여 50 kg급 진공유도용해로(vacuum

induction melting furnace, VIM)을 이용하였다. 주조는 용해

한 후에 역마름모꼴의 금형에 주입하여 수행하였다. 주괴의

대략적인 크기는 폭 및 두께가 140 mm 정도이며, 길이는 400

mm 정도이었다. 303계 스테인레스강의 기본성분을 바탕으

로 Mn/S 비가 다른 총 8종의 잉곳이 제조되었고 화학성분은

표 2에 나타내었다. 이 때 Mn 함량은 0.63-5.13%까지 변화시

켰으며, S 함량은 0.14-0.40%까지 변화시켰다. 이들 잉곳의

Mn/S 비는 1.85-18.70까지 다양하게 변화시킨 것이다. 이 때

8종의 잉곳중 성분 적중률이 낮아 추가 용해한 비슷한 성분

을 갖는 4개의 추가 잉곳도 실험에 활용하였다.

2.2 열처리 및 미세조직 관찰

최적의 선･봉재 압연을 위한 투입온도를 결정하기 위한 평

가는 국내 A사에서 표 1에 표시한 303계 쾌삭 스테인레스강

150SQ 연속주조 빌렛을 공급받아 주로 주조 조직과 균질화

처리에 대한 변화를 관찰함으로써 수행하였다. 균질화처리는

303계 스테인레스강을 이용하여 1160-1280 ℃의 다양한 온

도영역에서 열처리 시편 두께에 따라 1시간에서 2시간 동안

열처리한 후에 수냉하여 수행하였다. 열처리된 시편은 Gleeble

3800을 이용한 열간성형성 평가를 위한 인장시편 제작에 사

용되었다. 연속주조상태의 잉곳을 대칭으로 절단하여 1/4단

위로 부위별 시편을 채취하여 관찰하였다. 일반적으로 주조

재는 표면과 중심부의 냉각속도가 다르므로 서로 상이한 조

직을 보인다. 그러므로 본 연구에서는 표면부와 t/4, t/2을 영

역으로 구분하여 조사하였다. 균질화처리재는 주로 150SQ

연속주조 빌렛재를 대상으로 관찰하였으며 그 이유는 분괴압

연등과 같은 후속 공정의 실제 생산 설비와의 연관성을 고려

하는 차원이다. 이 때 미세조직은 고온으로 가열된 Murakami

용액을 이용하거나 질산 전해 식각(etching)을 통해 관찰하였다.

2.3 열간성형성 평가시험

열간성형시험은 앞서 언급한 다양한 온도에서 균질화 열

처리된 시편을 이용하여 측정되었으며 앞서 미세조직 관찰

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Fig. 1. Optical micrographs showing the solidification structure of a STS 303 continuous cast billet: (a) surface region, (b) t/4 region, and (c) center region.

Fig. 2. Optical micrographs showing the change of microstructure with the homogenization temperature in the surface region of a STS 303 continuous cast billet: (a) 1160, (b) 1200, (c) 1240, and (d) 1280 ℃.

에서 언급한 바와 같이 통상적으로 주조재가 3가지 영역으로

구분되므로 본 연구에서는 150SQ 연주 빌렛재의 경우에는

표면에서 약 25 mm 범위내에서 시편을 채취하여 수행되었

다. 반면에 진공유도 용해에 의해 제조된 50 kg급 잉곳재의

평가는 잉곳의 표면부(0-20 mm영역)를 제외한 중심부를 이

용하여 평가하였다. 열간성형성 평가는 주로 고온 인장시험

을 중심으로 이루어졌으며 성형온도와 성형속도를 변화시킴

으로써 광범위하게 수행되었다. 성형온도는 900-1250 ℃ 온도범위에서 성형속도는 1-50 s−1의 범위에서 각각 설정하였

다. 인장시편은 지그(jig)에 고정시키기 위하여 양끝에 나사

산을 갖는 Ø10 × 120 mm의 봉상으로 기계가공되었다. 이들

인장시편은 주로 단면감소률과 고온인장 변형곡선을 얻는데

사용되었다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 연주 빌렛의 주조 및 열처리 미세조직

그림 1은 STS 303 오스테나이트계 스테인레스강 연속주

조 빌렛의 미세조직 변화를 광학현미경 사진으로 표면부에

서 중심부까지 체계적으로 관찰한 것이다. 연주 빌렛의 표면

부 주조조직은 중심부나 t/4 부위에 비해 -페라이트가 상대

적으로 매우 작을 뿐만 아니라 MnS의 형태도 구형의 입자형

태로 균일하게 분포하는 경향을 보인다. 반면에 t/4나 중심

부위의 주조조직은 길쭉하고 날카로운 형상의 -페라이트가

현저하게 증가하고 그 크기도 증가하는 양상을 보인다. 그러

나 MnS는 둥근 입자모양을 유지하며 그 크기만 다소 증가하

는 양상을 나타난다. 그리고 t/4 부위의 -페라이트는 중심부

보다 상대적으로 조금 더 길뿐만 아니라 매우 날카롭고 조대

하게 존재하고 있음을 관찰할 수 있다.

그림 2는 303 쾌삭 스테인레스강 빌렛의 표면 부위를

1160-1280 ℃ 온도범위에서 균질화 열처리한 미세조직을 나

타낸 것으로 열처리 온도에 따라 다소 차이를 나타내고 있다.

MnS는 보통 구형에 가까운 작은 입자들로 존재하고 잔류하

는 델타-페라이트는 주조조직에서 관찰되는 들쭉날쭉한 긴

모양이 확산에 의해 오스테나이트상으로 바뀌어가므로 불규

칙하거나 다소 길쭉한 모양으로 관찰되었다. 1160 ℃에서 열

처리된 그림 2(a)의 경우에는 작고 길쭉한 -페라이트가 상당

량 잔류하고 있을 뿐만 아니라 입자 형태의 MnS도 상대적으

로 미세하게 많은 수가 존재하는 양태를 보인다. 균질화 처리

온도가 1200 ℃가 되면 거의 대부분의 -페라이트가 재고용

되어 잔류하지 않게 되며 MnS도 상대적으로 조대화되어 나

타난다(그림 2(b)). 특히 이러한 경향은 1240 ℃까지 유지되

며 보다 양호한 균질화 처리조직을 나타낸다. 반면에 1280

℃가 되면 -페라이트의 재고용 효과는 더욱 뚜렷해지지만

MnS가 보다 미세하고 균일하게 분포하는 양상을 보인다. 이

러한 결과는 고온에서 고용된 MnS가 냉각중에 재석출되는

영향으로 추정된다.

3.2 균질화 처리온도의 영향

쾌삭용 303 스테인레스강 빌렛에서 균질화 처리온도에 따

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Fig. 3. Contour maps showing the variation of the reduction of area in STS 303 continuous cast specimens heat-treated at (a) 1160 and (b) 1240 ℃.

Fig. 5. The variation of the reduction of area as a function of Mn/S ratio in STS 303-series VIM ingots.

Fig. 4. The variation of the reduction of area as a function of the volume fraction of -ferrite in STS 303-series VIM ingots.

른 열간성형성을 평가하기 위하여 다양한 온도와 성형속도

에서 인장시편의 단면수축률을 측정하였다. 그림 3은 각각

1160 ℃와 1240 ℃에서 1 s−1에서 50 s−1까지의 가공속도 범

위에서 측정된 303 스테인레스강의 단면수축률을 contour

map으로 나타낸 결과이다. 1160 ℃에서 균질화처리된 시편

의 단면수축률을 contour map으로 나타낸 그림 3(a)는 최대

70-75% 정도의 단면수축률을 나타낸다. 그리고 동일한 성형

온도에서 느린 성형속도보다는 빠른 성형속도 영역에서 상

대적으로 높은 단면수축률을 나타낸다. 반면에 1240 ℃에서

균질화처리된 시편의 단면수축률은 최대 90-95% 정도로 크

게 향상된 값을 갖는다(그림 3(b)). 그리고 동일한 성형온도

에서 성형속도에 거의 무관하게 일정한 수준의 단면수축률

을 유지한다.

이 결과는 그림 2에서 보여준 바와 같이 303계 스테인레스

강의 단면수축률이 잔류 델타-페라이트의 존재유무와 MnS

의 조대화 여부에 따라 민감하게 의존함을 알 수 있었다. 그

러므로 균질화 처리온도를 적정하게 결정함으로써 303계 스

테인레스강의 열간성형성을 크게 향상시킬 수 있음을 알 수

있었다. 특히 균질화 처리온도는 그림 4에서 보여주는 303계

스테인레스강 VIM 잉곳에서 델타-페라이트 함량에 따른 열

간성형성의 급격한 변화와도 직접적인 관련이 있다.

3.3 Mn/S 비의 영향

쾌삭용 303계 스테인레스강에서 Mn/S의 비에 따른 열간

성형성을 평가는 진공유도용해된 50 kg급 잉곳재를 이용하

여 수행되었다. 그림 5는 Mn/S 비에 따른 열간성형성을 나타

낸 결과이다. 1250 ℃와 10 s−1의 가공조건에서 고온연성은

Mn/S 비가 증가함에 따라 약 7.0정도까지는 증가하다가 그

이상에서는 거의 일정한 단면수축률을 갖는다. 그러나 상대

적으로 저온인 900 ℃와 10 s−1의 가공조건에서는 고온연성

이 Mn/S 비가 증가함에 따라 연속적으로 증가한다. 특히

Mn/S 비는 저온에서의 열간성형성에 영향을 미친다고 볼 수

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Fig. 7. The variations of the reduction of area of high temperature tensile specimens as a function of the Cr contents in MnS.

Fig. 6. The variations of (a) the element contents in MnS as a function of the Mn/S ratio and (b) the micro-Vickers hardness of constituent phases as a function of the Cr contents in MnS.

있다. 가능하면 Mn 함량이 일정 수준까지는 증가시켜야 선

재압연시에 유리할 것으로 생각된다.

그러나 통상적으로 303계 스테인레스강에서 Mn 함량은

약 2%로 제한된다. 그러므로 Mn 함량은 Mn/S 비를 증가시

키기 위하여 Mn 첨가량을 임의로 증가시킬 수 없다는 한계

가 있다. 열간압연성을 확보하기 위한 Mn/S 비는 7.0 이상을

유지하는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 열간성형성이 낮

은 Mn/S 비에서 열악해지는 주요 원인은 저융점의 FeS가 형

성되기 쉽기 때문으로 보고하고 있다 [8,9]. 이 결과는 Mn/S

비가 낮은 경우에 과잉의 S와 결합할 수 있는 Mn의 양이 부

족하기 때문에 생기는 현상으로 판단된다.

그림 6(a)은 12개 합금에 존재하는 각 MnS의 성분을 에너

지 분산형 분광분석기(energy dispersive X-ray spectroscopy,

EDS) 분석한 결과이다. MnS 내 성분변화는 Cr 함유량이

36% 수준에서 Mn/S 비가 점차 증가함에 따라 점차 감소하여

약 5% 수준으로 수렴된다. 이는 (Mn, Cr)S에서 Mn, Cr 구성

비가 변화한다는 것이다. 그림 6(b)는 (Mn, Cr)S의 경도를 측

정한 것으로 Cr 함량이 증가함에 따라 MnS 화합물의 경도가

증가하는 것이 명백하다.

MnS 단일상의 경도는 문헌에 따르면 마이크로 비커스로

130-160 수준 [10]이고 오스테나이트 조직의 경도는 100-110

수준 [11]으로 보고하고 있다. 본 연구에서 MnS와 오스테나

이트의 마이크로 비커스 경도를 12개 합금에서 측정하면 그

측정치가 각각 (Mn, Cr)S는 Hv = 160-230, 기지조직은 Hv =

125-138 범위로 측정되었다. 상대적으로 본 연구의 측정치가

다소 높은 이유는 각 구성상안으로 다른 합금원소의 고용에

의한 강화작용이 작동하기 때문으로 판단된다.

상기 결과는 그림 5의 결과가 Mn/S 비가 낮을수록 열간성

형성이 나빠지는 것은 Mn/S 비가 낮을수록 (Mn, Cr)S내 Cr 함

량이 높아서 MnS와 기지조직의 경도차이가 커지는 것과 일치

한다. 즉 다시 말하면 구성상간의 변형구배가 심화되어 계면

에서의 균열발생 가능성도 증가할 수 있는 사실과도 일치한

다. 실제로 그림 7에서 (Mn, Cr)S에서 Cr 함량 변화에 따른 열

간성형성의 변화를 도식화해보면 상당한 일치성을 보여준다.

3.4 저융점 원소의 영향

결정립과 응고계면에 농축되는 모든 불순물은 소재의 열

간성형성을 나쁘게한다. 따라서 대부분의 유해원소의 효과

를 하기와 같은 경험식을 도입하여 평가한다. 다시 말해서

Pb 등과 같은 저융점 금속에 대한 효과는 Pbeq.라는 지표로 표

현되는 하기 식을 활용한다 [12,13].

(Pbeq.) = (Pb) + 4 × (Bi) + 0.025 × (Sb) + 0.01 × (Sn)

+ 0.007 × (As) (1)

본 연구에 적용된 상용합금의 사례는 Pb는 0.0257%, Sn은

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Fig. 9. The variation of the percentage of 2nd class product as a function of (a) the volume fraction of -ferrite and (b) Mn/S ratio in STS 303-series continuous cast billets.

Fig. 8. The variation of the fraction of -ferrite as a function of Mn/S ratio in STS 303 VIM ingots.

0.013%, Sb는 0.001%, Bi와 As는 측정되지 않았다. 본 연구

에 활용된 합금의 Pbeq.는 0.026%로 매우 높은 수준이다. 또

한 Pb의 온도에 따른 용해도는 하기 수식으로 표현된다 [14].

Log(wt%Pb) = − 11100/ + 5.57 (2)

약 1300 ℃에서 Pb 고용한도는 0.033%로 계산된다. 따라

서 Pbeq.는 0.026%이므로 고용한도보다 작은 값을 갖기 때문

에 결정립계 등에 저융점 원소인 Pb이 편석되는 일은 거의

없을 것으로 추정된다. 따라서 현재 Pbeq.값은 열간성형성에

거의 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.

3.5 -페라이트의 영향

쾌삭용 303계 스테인레스강에서 -페라이트 분률에 따른

열간성형성을 평가는 진공유도용해된 50 kg급 잉곳재를 이

용하여 수행되었다. 본 연구에서는 303계 스테인레스강의 고

온연성 개선에 다소 고려하지 않은 -페라이트의 영향을 조

사하고자 하였다. 그림 8은 잉곳에서 -페라이트 분율을 측

정한 결과이다. 그림 4은 상기 잉곳을 이용하여 -페라이트

분율에 따른 303계 쾌삭 스테인레스강의 고온연성 변화를 나

타낸 결과이다. 이 결과는 대략 6.0%의 잔류 -페라이트가 존

재하는 경우에 급격한 연성감소가 예측된다. 앞서의 다른 인

자와는 달리 1250 ℃의 고온에서의 단면수축률을 급격하게

시킨다는 점이 특이하다. 약 6.0%의 잔류 -페라이트의 존재

는 약 25% 이상의 고온연성 감소를 수반한다. 그리고 본 연

구의 결과는 현장에서 집계된 자료를 토대로 하여 실제 상황

에서도 6.0%의 잔류 -페라이트가 실 제품에도 영향을 미치

는지 검증하고자 하였다.

국내 A사의 303계 스테인레스강 선재생산에서 표면 스캡

발생에 의해 2급품 판정을 받은 비율과 잔류 -페라이트 량

과의 관계를 도식화한 결과를 그림 9에 나타내었다. 일반적

으로 2급품은 303계 스테인레스강 선재표면에 미세한 스캡

의 발생빈도가 높은 제품을 지칭한다. 그림 9(a)에서 알 수 있

듯이, 2급품의 발생률은 잔류 -페라이트가 약 6.0% 이상으

로 증가할 때 급격하게 증가됨을 알 수 있다. 이 결과는 Mn/S

비가 8.4-9.6으로 거의 일정하게 정해진 상태에서 303계 스테

인레스강의 성분규격 범위내에서도 이러한 편차를 발생된다

는 점이 중요하다(그림 9(b)).

그림 4의 VIM 잉곳의 실험결과와 그림 9(a)의 현장결과가

정확하게 일치한다는 점은 매우 고무적이고 특히 그림 9(a)

의 현장결과는 4.5%을 기점으로 6% 수준까지는 점차 불량품

비율이 높아지다가 6% 이상에서는 급격한 증가를 보인다는

점이다.

그러므로 303계 스테인레스강 성분규격내에서도 잔류 -

886 대한금속･재료학회지 제55권 제12호 (2017년 12월)

Fig. 10. The variation of the percentage of 2nd class product with period in STS 303-series continuous cast billets.

페라이트가 존재하지 않는 성분규격범위로 적극적으로 성분

관리를 할 필요가 있다는 것이다. 이러한 세부관리는 앞으로

타사의 제품에 비해 불량률이나 제품의 품질을 향상시키는

데 중요한 기술로서 인식될 수 있을 것으로 사료된다. 상기의

결과를 토대로 하여, 국내 A사에서 생산되는 303계 스테인레

스강의 2급품 발생비율은 현재 1.2-3.0% 수준으로 크게 개선

되어 안정적인 조업이 이루어지고 있다(그림 10). 이 통계수

치는 예전 평균 발생률인 6.3% 그리고 최근에는 극단적으로

높아져 12.5%에 달하는 수치와 비교하면 매우 큰 개선을 보

이고 있음을 알 수 있다.

상기 연구결과를 종합해보면, STS 303 스테인레스 강에서

Mn/S 비를 증가시키면 융점이 낮은 과잉의 S가 결정립계 등

에 편석되지 않아 열간성형성이 점차 좋아진다(그림 5). 그리

고 그림 6과 7에서 보듯이 Mn/S 비의 증가는 MnS 내에 Cr 함

량도 낮추어 구성상 간의 기계적 특성이 좋아져 균열발생에

대한 가능성도 줄어들어 열간성형성이 좋아지는 것으로 추

정된다. 그리고 그림 8에서 보듯이, Mn/S 비가 증가하면 잔

류 델타-페라이트 분율도 감소하는 것으로 모델 합금의 관찰

에서도 나타난다.

STS 303 스테인레스 강에서 열간성형성을 향상시키는 모

든 방법이 Mn/S 비를 증가시키는 것과 연결되어 있어서

Mn/S 비의 조절은 매우 중요하였다. 다시 말해서 Mn/S 비의

증가는 과잉의 S를 MnS 화합물로 고정시키고, 구성상 간의

기계적 특성도 증가시키며, 효과는 작지만 Mn의 오스테나이

트 안정화 효과로 델타-페라이트도 감소시켜 전체적으로 열

간성형성 향상에 기여한다.

따라서 STS 303 스테인레스강의 성분규격에서는 Mn 함

량을 2% 이하로 지정하고 있으므로 표 2에 나타낸 Mn 함량

이 높은 모델 합금을 상업적으로 활용하기는 어렵다. 실제로

300계 스테인레스강에서 Mn 함량이 지나치게 높으면 용접

성이나 내식성이 떨어지는 문제점이 존재하는 것으로 잘 알

려져 있다. 그러므로 Mn/S 비를 증가시켜서 열간성형성을 증

가시키는 방법에는 한계가 있다. 따라서 Mn 함량을 최대한

낮추면서 열간성형성을 증가시키는 최적의 방법은 Mn/S 비

가 약 6-8정도로 조절해야되고 동시에 잔류 델타-페라이트를

균질화 열처리 등으로 적극적으로 억제해야 하는 것으로 판

단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 다양한 303계 오스테나이트 스테인레스강

을 대상으로 균질화 처리온도, Mn/S 비, 그리고 -페라이트

분률이 열간성형성에 미치는 영향을 평가하여 다음과 같은

결론을 얻을 수 있었다.

1. 균질화 처리온도는 주조조직에 존재하는 잔류 -페라

이트를 최대한 소멸시키고 MnS가 조대화될 수 있는 온

도영역에서 열처리를 수행하는 것이 가장 우수한 열간

연성을 나타내는 것으로 평가되었다.

2. Mn/S 비가 약 7.0 이하에서는 가공온도에 무관하게

303계 스테인레스강의 열간연성이 저하되는 반면에

Mn/S 비가 7.0 이상에서는 열간연성이 저온영역에서만

Mn/S 비에 크게 의존한다. 다만 고온 성형영역에서는

우수한 열간연성 거동을 보이는 동시에 Mn/S 비의 효

과는 없는 것으로 나타난다.

3. (Mn,Cr)S 화합물은 Mn/S 비가 증가함에 따라 Cr 함량

은 감소하고 Mn 함량은 증가하는 동시에 S 함량은 거

의 일정하였다. 그리고 (Mn,Cr)S의 경도는 Cr 함량이

증가함에 따라 증가하였다.

4. 그리고 유해원소의 효과를 보기 위해 Pbeq.라는 지표로

평가한 결과, 본 연구대상 소재에서는 거의 효과가 없

는 것으로 평가되었다.

5. 특히 -페라이트 분률은 임계값(~6.0%) 이상에서 급격

한 고온연성 저하를 수반하여 선재제품의 2급품 발생

률을 급격히 상승시킨다. 그러므로 상기 균질화처리 온

도, Mn/S 비, 델타-페라이트 분율 등의 인자를 최적화

함으로써 열간성형성이 열악한 303계 스테인레스강의

생산성 및 품질을 향상시킬 수 있었다.

정재영 887

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