KR100325125B1 - 내열용구상흑연주철재및그열처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내열성, 내마모성, 그리고 내산화성을 가지며, 특히 내산화성이 우수한 내열용 구상흑연주철재를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이를 위한 본 발명의 내열용 구상흑연주철재는, 중량비로, C:2.2∼3.8%, Si:3.0∼5.5%, Mn:1.0% 이하, Ni:0.5% 이하, Cr:0.5% 이하, W:0.01∼6.0%, Mo:3.0%이하를 포함하고, 나머지는 Fe, 불가피한 불순물 또는 흑연의 구상화를 위하여 첨가되는 Mg, Zr, Bi, 그리고 희토류 원소의 복합물이 각각 또는 합이 0.001∼0.6%의 조성으로 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

내열용 구상흑연주철재 및 그 열처리방법

본 발명은 선재 컨베이어 롤, 자동차 및 선박용 부품, 제철소의 이송설비, 윤활성을 요구하는 내마모 부품에 사용되는 소재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 내열성과 내마모성 그리고 내산화성을 가지는 내열용 구상흑연주철재 및 그 열처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 구상흑연주철재는 인장강도뿐만 아니라 충격강도 및 연신률이 다른 주철재에 비하여 높기 때문에 고기능을 요구하는 데 주로 이용되고 있다. 특히 구상흑연주철재는 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 다른 재질에 비하여 가격이 저렴하고 윤활성이 우수하기 때문에 제철소 설비용 부품이나 자동차 및 선박용 부품 그리고 내마모 부품의 기본 소재로 널리 사용되고 있다.

최근 선재 제조기술에서 생산효율을 증대시키기 위하여 생산속도가 증가되고 있을 뿐만 아니라 고합금강 선재 제조로 인하여, 선재 컨베이어 롤의 노출온도가증가하는 추세에 있다. 따라서 선재 컨베이어 롤에 대한 부하가 점점 가혹하게 되고 있다.

종래의 선재 컨베이어 롤 재료는 통상의 3%Si-3%C계 구상흑연주철재를 많이 사용하고 있다. 또한 다른 내열용 구상흑연주철재로는 독일특허 제 3,628,157 호에서 Fe-Si-C-Mo-Ni계 주철재에 Cu를 중량비로 1.0∼1.5%까지 다량 함유시켜 열전도도를 향상시킨 펄라이트 조직의 연소엔진용 소재를 제안하였다. 또한 최근에는 미국특허 제 4,889,687 호와 같이 Bi를 중량비로 0.0015∼0.015%를 첨가시켜 저온 충격특성을 향상시킨 기술과 Si 및 C 외에 Cr, V, Nb, Ti, Ta, Mo, W, Ni, Co 그리고 Cu 등과 같이 매우 다양한 합금 원소를 첨가시켜 주로 마르텐사이트 조직을 가지게 하여 내마모성을 향상시킨 미국특허 제 4,435,226 호가 있다.

일반적으로 선재 컨베이어 롤은 이송되는 선재의 재질, 치수, 온도, 인발속도, 냉각조건 및 사용조건에 적절한 재질을 선택해야 한다. 특히, 선재 컨베이어 롤은 롤의 측면에 냉각핀 역할을 하는 흠을 만들어 냉각효율을 향상시키고 있지만, 선재의 품질제어를 위하여 냉각장치 설치가 어려워 고온의 선재 이송에 의하여 600∼900℃의 고온에 쉽게 노출된다. 그러므로 선재 컨베이어 롤의 표면은 고온의 선재로부터 많은 열을 공급받아 산화가 촉진된다. 또한 산화된 롤 표면은 이송되는 선재에 의하여 손상되고 손상된 롤 표면에는 박리된 산화 스케일이 고착된다. 이러한 산화 스케일의 고착은 롤 표면 균열의 모양에 따라 촉진된다. 이 결과, 롤 표면을 거칠게 할뿐만 아니라 선재 표면 품질을 저해하는 원인이 된다.

그러므로 선재 컨베이어 롤용 소재는 무엇보다 내산화성이 우수해야 한다.또한 롤은 선재와 접촉할 때, 주편의 자체 하중에 의한 부하를 받기 때문에 롤 소재는 이러한 하중에 견디기 위한 고온 강도를 필요로 한다.

그러나 일반 3%Si-3%C계 선재 컨베이어 롤은 롤에 대한 부하가 가혹한 경우에 롤의 표면온도가 상승하게 되면서 내산화성이 열악해지고, 고온강도도 낮아지는 결점이 있다. 독일특허 제 3,628,157 호는 열전도도를 개선하기 위하여 첨가되는 다량의 Cu가 주조시, Cu 편석을 발생시키기 때문에 균일하고 안정된 산화피막의 형성이 어려울 뿐만 아니라 주철재의 인성 및 연성이 열악하다. 미국특허 제 4,889,687 호는 Si가 1.5∼2.3%로 낮아서 내산화성이 상대적으로 열악하다는 단점이 있다. 그리고 미국특허 제 4,435,226 호는 고가의 V, Nb, Ta, 그리고 Ni(또는 Co)를 다량 함유하기 때문에 비경제적이라는 단점이 있다. 또한 독일특허 제 3,628,157 호와 미국특허 제 4,435,226 호는 각각 펄라이트와 마르텐사이트 조직을 갖기 때문에 연성이 매우 낮을 뿐만 아니라 미세 조직의 고온 안정성이 낮아 변태유기 변형을 발생시킬 수 있다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 내열성, 내마모성, 그리고 내산화성을 가지며, 특히 내산화성이 우수한 내열용 구상흑연주철재 및 그 열처리방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 비교재와 발명재를 700℃ 대기중에 200시간 노출시켰을 때, Si 함량과 무게 증가량의 관계로 내산화성의 차이를 도시한 그래프이다.

이를 실현하기 위한 본 발명의 내열용 구상흑연주철재는 중량비로, C:2.2∼3.8%, Si:3.0∼5.5%, Mn:1.0% 이하, Ni:0.5% 이하, Cr:0.5% 이하,W:0.01∼6.0%, Mo:3.0% 이하를 포함하고, 나머지는 Fe, 불가피한 불순물 또는 흑연의 구상화를 위하여 첨가되는 Mg, Zr, Bi, 그리고 희토류 원소의 복합물이 각각 또는 합이 0.001∼0.6%의 조성으로 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명의 내열용 구상흑연주철재의 열처리방법은 중량비로, C:2.2∼3.8%, Si:3.0∼5.5%, Mn:1.0% 이하, Ni:0.5% 이하, Cr:0.5% 이하, W:0.01∼6.0%, Mo:3.0%이하를 포함하고, 나머지는 Fe, 불가피한 불순물 또는 흑연의 구상화를 위하여 첨가되는 Mg, Zr, Bi, 그리고 희토류 원소의 복합물이 각각 또는 합이 0.001∼0.6%로 조성되는 구상흑연주철재를, 700∼1200℃에서 오스테나이트화한 후에 서냉하여 페라이트 조직을 갖게 하거나, 200∼700℃에서 유지하여 잔류응력을 완화시키거나, 700∼1200℃에서 오스테나이트화한 후에 공냉 또는 급냉한 후에 300∼700℃에서 탬퍼링하여 강도를 향상시킴을 특징으로 한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

C는 구상흑연주철에서 Mg, Zr, Bi 그리고 희토류 원소의 화합물과 함께 첨가되어 주로 구형의 흑연입자로 존재하며, 회주철에서 존재하는 긴 리본 모양의 플레이크흑연에 비하여 강도, 연신률, 그리고 충격특성과 같은 기계적 특성을 향상시킨다. C 함량이 2.2% 미만인 경우에는, 흑연의 구상화가 어려워 플레이크흑연의 형성이 조장되므로 주철재의 기계적 특성이 현저히 감소한다. 또한 3.8%를 초과하면, 흑연화가 조장되어 구상화가 어렵게 된다. 따라서 C의 함량을 2.2∼3.8%로 한정한다.

Si는 구상흑연주철에서 기지조직을 형성하는 기본 합금원소로서, 기본적인내산화성을 확보하기 위하여 3.0∼5.5%로 그 범위를 한정한다. Si의 함량이 3.0% 미만이 되면 기지조직의 내산화성이 열악해지고, 5.5% 초과 시에는 파괴인성 및 충격특성이 저하되는 단점이 있다.

Mn은 강도향상을 위한 펄라이트 조장 원소로 첨가되기도 하지만, 1.0%를 초과하게 되면, 셀간 탄화물 형성을 조장하여 인성의 열화를 초래하게 되므로 그 함량을 1.0% 이하로 한정한다.

Ni은 Mn과 마찬가지로 펄라이트 조장 원소로 첨가되기도 하지만, 그 가격이 고가이어서 특별한 이유 없이는 사용하지 않으며, 0.5%를 초과하면 재료의 가격을 상승시키므로 그 함량을 0.5% 이하로 한정한다.

Cr은 탄화물 형성을 조장하는 원소로서 Cr 함유량이 0.5%를 초과하게 되면, 탄화물이 과잉 형성되어 소재의 인성을 저하시키므로 그 함량을 0,5% 이하로 한정한다.

그리고 W은 본 발명재에서 가장 중요한 원소로서 고온강도 뿐만 아니라 내산화성을 향상시킨다. W은 무거운 원소의 하나로서 고온 산화 시, W원자의 확산 속도가 느리기 때문에 산화막 형성을 억제하는 역활을 담당한다. 0.01% 이하에서는 그 효과가 미미하고 6.0%를 초과하면 셀간 탄화물이 다량 형성되어 인성이 저하되는 단점이 있다. 따라서 W의 함량을 0.01∼6.0%로 한정한다. 또한 Mo을 W과 함께 첨가시켜 W의 내산화성 향상의 효과를 극대화할 수 있으며, 이 때 셀간 탄화물이 과잉으로 형성되는 3.0%를 초과하지 않아야 한다.

불가피한 불순물 또는 흑연의 구상화를 위하여 첨가되는 Mg, Zr, Bi, 그리고희트류 원소의 복합물은 각각 또는 합이 0.001∼0.6%의 조성인 것이 바람직하다. 이들 물질의 첨가량은 하한선인 0.001%보다 적으면 탄소의 구상화 기능을 저해하고, 상한선인 0~6%보다 많으면 구상화를 오히려 어렵게 할 뿐만 아니라 기지 조직 내에 과잉으로 함유되어 기지의 특성을 나쁘게 한다. 또한, 고가의 금속인 Bi나 Zr, 희토류 원소의 복합물을 과잉으로 사용하며 경제성이 떨어지기 때문에 그 조성을 0.001~0.6%로 제한한 것이다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명에서는 표 1에 개시된 바와 같이 조성되는 구상흑연주철재를 제조하여 경도, 인장 특성 및 내산화 특성을 평가하였다.

[표 1] 구상흑연주철재의 화학조성 (단위 : 중량%)

즉, 전기로를 이용하여 여러 가지 주철재를 용해 및 접종처리한 후, 금형주조 또는 연속주조를 통하여, 표 1에 개시된 바와 같은 직경 110mm의 구상흑연주철을 제조하였다. 발명재 1, 2는 비교재 1, 2, 3과 달리 W을 함유하고 있다. 물론 비교재 1은 Si를 2.75% 함유하므로 본 발명의 범위를 벗어나고 있다. 구상흑연주철재의 경도시험은 Rockwell B등급에서 100kg 하중에서 10번 이상 측정한 후에 평균하여 평가하였다. 내산화성은, 600∼1000℃에서 200시간 동안 대기중에 노출된 상태를 유지하였으며, 노출 전, 후의 무게 차이를 측정하여 평가하였다.

[표 2] 구상흑연주철재의 경도 및 내산화 특성

고온 노출로 인한 산화량은 표 2에 개시된 바와 같이, 시험편을 600℃에 노출시키는 경우, 기존의 비교재 1, 2, 3은 산화로 인하여 0.0502∼0.575g의 무게 증가량을 보인 반면에 W을 함유한 발명재 1, 2는 0.0212∼0.0292g으로, 발명재 1, 2는 비교재 1, 2, 3보다 거의 2배 이상의 우수한 내산화성을 보인다. 또한 700℃에 노출되는 경우에도, 비교재 1, 2, 3은 0.1591∼0.2303g으로 발명재 1, 2의 0.0786∼0.0903g에 비하여 매우 열악한 내산화성을 보인다는 것을 알 수 있다. 이를 그래프로 도시한 것이 도 1이다.

또 비교재 1, 2, 3의 경도는 최소 84.8에서 최대 92.0으로 발명재 1, 2의 경도 범위인 92.6∼94.0에 비해 상대적으로 낮다. 일반적으로 경도가 높을수록 긁힘 마모에 대한 저항성이 증가하므로 발명재 1, 2의 내마모성이 비교재 1, 2, 3보다 우수하다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 W을 첨가하여 기지조직을 페라이트로 안정화시키고 산화막 형성 속도를 감소시킴으로써 내산화성을 향상시키고, W이 M₂₃C₆과 같은 조대한 탄화물의 천이를 지연시키고 M₂C를 안정화하므로 내열성, 내마모성은 물론 내산화성을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명은 상기 구상흑연주철재를 700∼1200℃에서 오스테나이트화한 후에 서냉하여 페라이트 조직을 가지게 하므로 열팽창계수를 작게 하고, 연신률과 같은 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 200∼700℃에서 유지하여 잔류응력을 완화시키므로 기계적 특성을, 700∼1200℃에서 오스테나이트화한 후에 공냉 또는 급냉한 후에 300∼700℃에서 탬퍼링하므로 강도를 각각 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 중량비로, C:2.2∼3.8%, Si:3.0∼5.5%, Mn:1.0% 이하, Ni:0.5% 이하, Cr:0.5% 이하, W:0.01∼6.0%, Mo:3.0% 이하를 포함하고, 나머지는 Fe, 불가피한 불순물 또는 흑연의 구상화를 위하여 첨가되는 Mg, Zr, Bi, 그리고 희토류 원소의 복합물이 각각 또는 합이 0.001∼0.6%의 조성으로 이루어짐을 특징으로 하는 내열용 구상흑연주철재.
2. 중량비로, C:2.2∼3.8%, Si:3.0∼5.5%, Mn:1.0% 이하, Ni:0.5% 이하, Cr:0.5% 이하, W:0.01∼6.0%, Mo:3.0% 이하를 포함하고, 나머지는 Fe, 불가피한 불순물 또는 흑연의 구상화를 위하여 첨가되는 Mg, Zr, Bi, 그리고 희토류 원소의 복합물이 각각 또는 합이 0.001∼0.6%로 조성되는 구상흑연주철재를,

   700∼1200℃에서 오스테나이트화한 후에 서냉하여 페라이트 조직을 가지게 하는 내열용 구상흑연주철재 열처리방법.
3. 중량비로, C:2.2∼3.8%, Si:3.0∼5.5%, Mn:1.0% 이하, Ni:0.5% 이하, Cr:0.5% 이하, W:0.01∼6.0%, Mo:3.0% 이하를 포함하고, 나머지는 Fe, 불가피한 불순물 또는 흑연의 구상화를 위하여 첨가되는 Mg, Zr, Bi, 그리고 희토류 원소의 복합물이 각각 또는 합이 0.001∼0.6%로 조성되는 구상흑연주철재를,

   200∼700℃에서 유지하여 잔류응력을 완화시키는 내열용 구상흑연주철재 열처리방법.
4. 중량비로, C:2.2∼3.8%, Si:3.0∼5.5%, Mn:1.0% 이하, Ni:0.5% 이하, Cr:0.5% 이하, W:0.01∼6.0%, Mo:3.0% 이하를 포함하고, 나머지는 Fe, 불가피한 불순물 또는 흑연의 구상화를 위하여 첨가되는 Mg, Zr, Bi, 그리고 희토류 원소의 복합물이 각각 또는 합이 0.001∼0.6%로 조성되는 구상흑연주철재를,

   700∼1200℃에서 오스테나이트화한 후에 공냉 또는 급냉한 후에 300∼700℃에서 탬퍼링하는 내열용 구상흑연주철재 열처리방법.