오스테나이트계 스테인리스강의 가공 경화율: 냉간 성형에 미치는 영향 - 지식

오스테나이트계 스테인리스강(301, 304, 316) 가공은{3}}탄소강보다 약 2~4배 빠르게 경화되며, 변형-경화 지수(n{7}}값)는 약 0.40~0.55이고 연강은 0.15~0.25입니다.

높은 n-값은 301과 같은 준안정 등급에서 전위 교차-슬립과 변형-유도 마르텐사이트(TRIP 효과)를 억제하는 FCC 결정 구조의 낮은 적층 결함 에너지에서 비롯됩니다.

냉간 성형 304는 약 520MPa(75ksi) UTS에서 완전히 어닐링된 1,200~1,400MPa(175~200ksi)까지 상승할 수 있습니다. 301 전체 하드는 대략 1,275MPa(185ksi) 최소 UTS에 도달합니다.

높은 n-값은 순전히 문제가 아닙니다. 이는 국지적인 네킹을 지연시키고 신장 성형성을 향상시키지만 성형 하중, 스프링백 및 공구 마모를 증가시켜 더 높은 프레스 톤수, 더 큰 다이 간격 및 패스 간 어닐링을 요구합니다.

n-값은 ASTM E646에 따라 정량화됩니다. 등급 선택, 템퍼(ASTM A666에 따라) 및 공정 설계는 하나의 오스테나이트 등급을 기본값으로 설정하는 대신 성형 작업과 일치해야 합니다.

Hollomon 방정식 σ=Kεⁿ -의 변형률-경화 지수 n으로 정량화된 가공 경화 속도 -는 금속이 소성 변형될 때 금속의 유동 응력이 얼마나 빨리 상승하는지 측정합니다. 어닐링된 오스테나이트 스테인리스강에서 n은 일반적으로 0.40~0.55 사이에 해당하며 이는 탄소강과 페라이트강의 일반적인 0.15~0.25 범위의 대략 두 배입니다. 이는 동일한 성형 작업에서 더 많은 프레스 톤수가 필요하고 연강보다 스테인리스에서 더 강하고 단단한 마감 부품을 생산하는 이유입니다.

Work Hardening Rate of Austenitic Stainless Steel

Hollomon 방정식은 네킹이 시작되기 전 균일한 소성 변형 영역의 실제 응력-실 변형률 곡선-을 설명합니다. K는 강도 계수이고 n은 변형{3}}경화 지수입니다. n이 높을수록 주어진 변형 증가분에 대해 추가 변형에 대한 재료의 저항이 더 커집니다. n은 또한 네킹이 시작될 때의 실제 변형률과 동일하기 때문에(Considère 기준에 따라) 높은 n-값은 시트가 국부적으로 얇아지기 시작하고 파손되기 전에 시트가 얼마나 늘어나거나 그려질 수 있는지를 직접적으로 나타냅니다.

제작업체의 경우 이 단일 숫자는 작업 현장에서 관찰된 여러 가지 사항을 한꺼번에 설명합니다. 왜 스테인리스 시트가 동일한 굽힘 또는 인발에 대해 연강보다 더 많은 톤수가 필요한지, 성형된 스테인리스 부품의 표면이 -받은 시트보다 측정할 수 있을 만큼 더 단단한 이유, 중간 인발이 괜찮아 보이던 부품이 더 낮은 재료를 분할하는 깊은 작업을 통해-여전히 성공적으로 늘어날 수 있는 이유를 설명합니다.{2}}

오스테나이트계 스테인리스강은 -FCC(면심 입방체) 격자의 적층 결함 에너지가 매우 낮기 때문에 더 빨리 경화됩니다. 이는 변형 중에 다른 강철이 회복되고 부드러워질 수 있는 전위 교차{2}}슬립을 차단합니다. 준안정 등급은 변형이 오스테나이트를 마르텐사이트로 변환하고 전위 강화 외에 추가 경화를 생성하는 두 번째 메커니즘인 변태{3}}유도 소성(TRIP)을 추가합니다.

SFE(적층 결함 에너지)는 변형 중에 전위가 얼마나 쉽게 재배열될 수 있는지를 제어합니다. 오스테나이트계 스테인리스강에서는 SFE가 낮기 때문에 전위가 새 평면으로 쉽게 교차-미끄러질 수 없는 부분 전위로 분할됩니다. 더 낮은-에너지 구성으로 소멸되거나 재배열되는 대신 전위가 쌓여 엉키고 추가 흐름에 대한 재료의 저항이 변형에 따라 가파르게 올라갑니다. 페라이트강과 탄소강은 SFE가 더 높은 체심 입방체(BCC) 격자를 가지므로 전위가 더 쉽게 회복되고 경화 속도가 더 낮습니다.

준안정 오스테나이트 등급 - 특히 301 -은 TRIP 효과를 추가합니다. 재료가 변형됨에 따라 일부 오스테나이트(FCC, 비자성)는 마르텐사이트(체- 중심이 사각형이고 자성을 띠며 훨씬 더 단단함)로 변태됩니다. 이러한 변환은 에너지를 흡수하고 연성 매트릭스에 단단한 두 번째 상을 도입합니다. 이것이 바로 301이 특히 열처리 없이 냉간 가공을 통해 매우 높은 강도를 달성할 수 있는 이유입니다. 이중 등급은 그 사이에 위치합니다. 구조의 대략 절반이 이미 페라이트이기 때문에 이중 미세 구조 내의 오스테나이트 비율이 동일한 TRIP- 관련 메커니즘을 통해 여전히 경화될 수 있더라도 벌크 n-값은 일반적으로 완전 오스테나이트 등급보다 낮습니다.

비교 변형률-강 계열별 경화 지수

스틸 패밀리	대표등급	격자	일반적인 n-값	지배적인 경화 메커니즘
오스테나이트계(준안정성)	301	FCC → 긴장에 대한 부분 BCT	0.40 – 0.55(TRIP-향상됨)	전위 얽힘 + 변형-유발 마르텐사이트
오스테나이트(안정)	304 / 316	FCC	0.40 – 0.55	탈구 엉킴; 낮은 적층 결함 에너지
듀플렉스	2205	FCC + BCC (~50/50)	대략. 0.20 – 0.30, 위상-에 따라 다름	오스테나이트와 페라이트 사이의 분할 변형
페라이트계	430	숨은참조	약. 0.17 – 0.23(오스테나이트의 약 절반)	더 쉬운 교차-슬립/복원을 통한 탈구 활공
마르텐사이트	410	BCT(열-처리됨)	약. 0.10 – 0.15	제한된 추가 경화; 강도는 열처리에 달려있습니다-
탄소강(연질)	1018 / 1045	숨은참조	0.15 – 0.25	기존 탈구 강화

ASTM E646 테스트 조건에서 공개된 인장-테스트 문헌 및 공장 기술 데이터로부터 수집된 n{0}}값입니다. 실제 값은 변형률 범위, 압연 방향, 게이지 및 이전 냉간 가공에 따라 다릅니다. 이를 인증된 기계적 특성이 아닌 설계-단계 계획 범위로 취급합니다. 특정 열 및 성질에 대해서는 밀 테스트 보고서(MTR)를 통해 확인하십시오.

301 및 이와 유사한 준안정 등급에서 재료의 Md30 온도 이하의 냉간 가공은 성형이 진행됨에 따라 일부 오스테나이트를 자성 마르텐사이트로 변환합니다. 이는 비자성 및 연질로 시작된 301 부품이 강한 자성을 갖고 극적으로 더 강한 - 마무리를 할 수 있는 이유입니다. 그러나 고도로 구속된 드로우에서 변형을 너무 멀리, 너무 빠르게 밀어붙이면 마르텐사이트 분율이 제어되지 않으면 지연되거나 공정 중 균열이 발생할 수도 있습니다.-

How Does the TRIP Effect Change Work Hardening in Metastable Grades Like 301

Md30은 30%의 진 변형률이 마르텐사이트로 50%의 변형을 일으키는 온도로 정의됩니다. 이는 조성-에 따른 특성입니다. 니켈 함량이 낮고 격자간(탄소 + 질소) 함량이 낮을수록 Md30이 높아집니다. 이는 재료가 실온에서 더 쉽게 변형된다는 의미입니다. 이것이 바로 304 - 301에 비해 301의 설계 논리입니다. 특히 304에 비해 니켈이 적기 때문에 -냉간 성형 중에 더 빠르게 경화되고 강도를 얻을 수 있지만, 304에 비해 내부식성과 성형 마진이 어느 정도 희생됩니다.

성형 라인의 실제적인 의미는 두 가지입니다. 첫째, 강도와 경도는 열처리된 합금과 마찬가지로 준안정 등급의 고정된 재료 특성이 아닙니다. - 이는 변형 정도, 부품이 실제로 보는 속도 및 온도에 따라 결정됩니다. 이는 공정 반복성(블랭크 홀더 힘, 연신 속도, 다이 온도)이 공장 인증서뿐만 아니라 사양의 일부임을 의미합니다. 둘째, 딥드로잉 부품의 지연된 균열 위험은-Md30 및 (C+N) 함량의 조합과 상관관계가 있기 때문에 Md30이 더 높은 등급 및 히트에는 더 보수적인 인발 비율, 더 많은 성형 단계 및 사용 중 잔류 응력이 지속되는 부품에 대한 면밀한 검사가 필요합니다.

딥 드로잉과-다단계 스탬핑은 제한된 다이에 큰 누적 소성 변형을 가하기 때문에 가장 큰 영향을 받습니다. 단순 굽힘 및 롤 성형은 영향을 덜 받지만 동등한 탄소-강 작업에 비해 여전히 더 큰 굽힘 반경, 더 높은 힘 및 스프링백 보상이 필요합니다.

딥 드로잉 및 스탬핑

변형이 진행됨에 따라 유동 응력이 가파르게 상승하기 때문에 펀치 하중과 블랭크{0}}홀더 힘은 모두 드로우가 진행됨에 따라 증가하고 분할 위험은 변형이 먼저 집중되는 펀치 반경과 다이 코너 쪽으로 증가합니다. 다단계 인발은 표준 완화입니다. 연강에서 수행할 수 있는 한 번의 패스에서 전체 감소를 시도하는 대신 단계당 인발 비율을 줄이고 다음 감소 전에 연성을 복원하기 위해 단계 사이에 공정(용체) 어닐링을 삽입합니다.

굽힘 및 롤 성형

오스테나이트계 스테인리스를 굽히려면 외부 섬유의 표면 균열을 방지하기 위해 동일한 게이지 탄소강보다 더 큰 최소 굽힘 반경이 필요하며, 언로드 후 탄성 계수 회복이 굽힘 영역에서 이미 상당히 경화된 재료와 상호 작용하기 때문에 더 많은 스프링백이 발생합니다. 스프링백 보상 - 과도한 굽힘 또는 적용된 굽힘력 증가 -는 표준 관행이며 탄소-강 툴링 데이터에서 가정하기보다는 시험 또는 시뮬레이션을 통해 검증해야 합니다.

성형 후 가공

관련된, 종종 과소평가되는 효과는 2차 가공의 다운스트림에 나타납니다. 각 절단은 표면에 얇은 가공 경화층을 남기므로 이후의 약하거나 단속적인 절단은 경화된 재료를 절단하는 대신 경화된 재료 위에 올라와 공구 마모를 가속화할 수 있습니다. 304와 일반 중형{3}}탄소강(1045)의 가공성 데이터는 위에서 논의한 것과 동일한 n{5}}값 차이를 보여 주며, 성형을 포함한 반복되는 변형 작업에서 재료가 어떻게 반응할지에 대한 유용한 프록시입니다.-

애플리케이션이 의도적으로 냉간-가공 강화 - 스프링, 클립 및 구조적 냉간 성형 형상을 활용하는 경우 301을 선택합니다. - 내식성과 성형 마진이 최대 냉간 가공 강도보다 더 중요한 스탬핑 및 인발 부품에 대한 범용 기본값으로 304를 선택합니다.- 부품이 사용 중 염화물이나 화학물질에 노출되고 약간 더 낮은 온도를 견딜 수 있는 경우 316을 선택합니다. 작업-301에 대한 응답을 강화합니다.
기인하다	301	304	316
상대 Md30(변환 경향)	최고 - 최저 Ni 함량	보통의	낮은 - Ni 및 Mo 안정화 오스테나이트
냉간 성형의 주요 역할	통제된 냉간 작업을 통해 얻은 힘	범용-스탬프 및 드로잉 부품	부식성{0}}서비스 스탬핑, 해양/화학 부품
지배 성미 기준	ASTM A666(1/4H – 완전 단단한 성질)	ASTM A240(판/시트), 강화 스트립용 A666	ASTM A240(판/시트), 강화 스트립용 A666
대략. 전체-하드 최소 UTS	약 1,275MPa(185ksi)	일반적으로 구조적 형성을 위해 완전 하드 공급되지 않음	일반적으로 구조적 형성을 위해 완전 하드 공급되지 않음
무거운 성형 후 자기 반응	강한 자성(상당한 마르텐사이트)	가장 많이 작업하는 구역에서는 약간의 자성이 있음	세 가지 - Mo 및 Ni 중 자기가 가장 적음 변환을 억제
최적-맞춤 성형 작업	얕은 성형, 롤 성형, 스프링 스탬핑; 완전-강한 성질의 딥 드로잉에는 적합하지 않음	딥 드로잉, 일반 스탬핑, 스피닝	내식성이 중요한 요소인 딥 드로잉 및 스탬핑

ASTM A240/A666 사양 데이터와 어닐링 및 냉간 압연 템퍼에 대한 출판된 공장 기술 데이터 시트를 바탕으로 작성되었습니다. 툴링 설계를 마무리하기 전에 특정 밀 테스트 보고서를 기준으로 정확한 기계적 특성과 템퍼 지정을 확인하십시오.

스테인레스 부품에 탄소{3}}강 공정 레시피를 강제로 적용하는 대신 더 많은 성형 단계와 더 낮은 단계당 감소율, 탄소{0}}강보다 큰 다이 및 펀치 간격, 내마모성 또는 코팅 툴링, 염화물이 없는-윤활, 연신 단계 간 계획된 공정 어닐링으로 보상합니다.

더 높은 유동 응력을 수용하고 마모를 줄이기 위해 탄소-강 공구에 비해 다이 및 펀치 여유 공간을 늘립니다. 사용하는 등급, 조질, 게이지에 대해 시험을 통해 구체적인 클리어런스를 확인합니다.

재료의 연성이 냉간 가공에 의해 점차적으로 소모되므로 외부-섬유 균열을 방지하려면 탄소강과 동등한 탄소강보다 더 큰 굽힘 및 펀치 반경을 사용하세요.-

딥 드로잉에서 단계별로 수행되는 연신 비율을 줄이고 표준 오스테나이트 등급에 대한 급속 냉각을 통해 일반적으로 1,010-1,100도 범위의 공정(용액) 어닐링 -을 삽입합니다. 다음 감소 전에 연성을 복원하기 위해 단계 사이에 있습니다.

부품을 강화하는 동일한 높은 n-값이 연마 공구 마모도 가속화하므로 내마모성{0}}공구강(예: D2 또는 M2) 또는 코팅 다이를 지정하세요.

염화물-자유 형성 윤활제를 사용하세요. 인장 잔류 응력 하에서 성형된 스테인리스 부품에 갇힌 잔류 염화물은 응력-부식-균열 위험으로 인식됩니다.

탄소강 툴링 오프셋 대신 시험 부품이나 성형 시뮬레이션을 통해 스프링백을 검증하고 필요에 따라 과도하게 굽히거나 굽힘력을 증가시킵니다.

Md30 온도 근처에서 실행되는 준안정 등급의 경우 마르텐사이트 분율 -과 이에 따른 최종 강도, 연성 및 균열 위험 -이 공정에 따라 달라지며 압연 인증서만으로는 해결되지 않으므로 연신 속도와 제품 온도를 제어합니다.

ASTM E646은 변형 경화 지수(n)와 강도 계수(K)를 결정하는 데 사용되는 표준 인장-시험 방법이며, 가공 경화 거동이 성형 작업에 중요한 경우 판 및 시트에 대한 해당 재료 표준 - ASTM A240 또는 냉간 압연 강화 스트립에 대한 ASTM A666 -과 함께 지정되어야 합니다.

ASTM E646은 n-값이 지정된 플라스틱-변형 범위 내의 실제 응력-실변형 곡선에서 계산되는 방법을 정의합니다. 이는 n이 재료에 대한 단일 고정 상수가 아니기 때문에 필수적입니다. - 사용된 변형 간격, 테스트 온도 및 시트의 롤링 방향에 따라 다소 달라질 수 있습니다. 가공 경화 거동이 일반적인 예상이 아니라 중요한 설계 입력인 경우 기본 재료 및 조질 표준과 함께 구매 주문서에 E646 테스트 범위를 지정하고 게시된 일반적인 범위에만 의존하기보다는 밀 테스트 보고서(MTR)에 실제 테스트 데이터를 요청하십시오.

Q: 가공 경화율이 높다는 것은 오스테나이트계 스테인리스강이 탄소강보다 냉간 가공이 더 어렵다는 것을 의미합니까?

답: 꼭 그렇지는 않습니다. 성형 하중을 높이는 동일한 높은 n-값은 국부적인 네킹의 시작을 지연시킵니다. 이는 오스테나이트계 스테인리스강이 분할되기 전에 탄소강보다 더 많이 늘어나거나 인발될 수 있는 이유입니다. 그 대신 -필요한 프레스 톤수, 스프링백 증가, 공구 마모 속도가 빨라지지만 성형성은 낮아지지 않습니다.

Q: 301 스테인레스 스틸이 비자성 상태로 시작될 때 성형 후 자성이 되는 이유는 무엇입니까?

A: 합금의 Md30 온도 이하에서 냉간 가공하면 비자성 FCC 오스테나이트의 일부가 자성체-중심-정방정 마르텐사이트로 변환됩니다. 이러한 변형-유발 가소성(TRIP 효과)은 301에서 의도된 것이며 냉간 가공만으로도 매우 높은 강도에 도달할 수 있는 주된 이유입니다.

Q: 변형-경화 지수(n-값)를 측정하는 테스트 표준은 무엇인가요?

답변: ASTM E646은 인장 시험에서 변형-경화 지수와 강도 계수를 결정하기 위한 표준 시험 방법입니다. n-값이 중요한 성형 입력인 경우 모재 표준(판 및 시트의 경우 ASTM A240, 냉간 압연 스트립의 경우 ASTM A666)과 함께 지정되어야 합니다.

Q: 냉간 성형 후 어닐링을 통해 스테인리스강의 연성을 회복할 수 있습니까?

답: 그렇습니다. 일반적으로 1,010~1,100도 범위의 공정(용체) 어닐링과 표준 오스테나이트 등급의 급속 냉각은 탄화물을 용해하고 FCC 오스테나이트 구조를 복원하여 다음 성형 단계 전에 연성을 재설정합니다.

질문: 듀플렉스 스테인리스강은 304와 같은 오스테나이트 등급보다 가공{0}}경화성이 어느 정도 되나요?

A: 일반적으로 대량으로 보면 더 적습니다. 이중 미세 구조의 대략 절반은 페라이트이며 작업-오스테나이트보다 더 느리게 경화되므로 이중 구조 내의 오스테나이트 분율이 여전히 TRIP-관련 경화에 기여할 수 있더라도 이중 등급의 전체 n-값은 일반적으로 완전 오스테나이트 등급보다 낮습니다.

Q: 가공 경화 행동이 결정 요인이 아닐 때 어떤 오스테나이트 등급이 기본 선택입니까?

답변: 304는 스탬핑 및 그려진 부분에 대한 일반적인-기본값입니다. 특히 설계에서 냉간 가공 강화를 활용하려는 경우 301을 적용하고, 사용 중 염화물 또는 화학 물질 노출이 성형 고려 사항보다 클 경우 316을 지정합니다.

가공 경화율은 오스테나이트계 스테인리스강 냉간 성형에서 설계할 때 부작용이 아닙니다. - 처음부터 등급 선택, 템퍼 선택 및 툴링 설계를 주도해야 하는 핵심 재료 특성입니다. 낮은 적층 결함 에너지와 준안정 등급의 TRIP 효과에 의해 구동되는 0.40~0.55의 변형{2}}경화 지수는 오스테나이트 등급에 탄소강 관행과 실질적으로 다른 이점(국소화된 네킹에 대한 저항성)과 일련의 공정 요구 사항(더 높은 톤수, 더 큰 간격, 층간 어닐링, 스프링백 제어)을 제공합니다.

단일 등급 또는 탄소강 공정 레시피 -를 기본값으로 설정하는 대신 등급, 템퍼 및 공정을 특정 성형 작업 -에 맞추는 것은 깨끗하게 형성되는 부품과 사용 중 쪼개지고, 주름지고, 고장나는 부품 사이의 차이입니다.