KR100382632B1 - 고탄소합금강으로제조되는연마매체 - Google Patents

Abstract

중량%로 표현할 경우 탄소가 1.1 내지 2.0%, 망간이 0.5 내지 3.5%, 크롬이 1.0 내지 4.0%, 실리콘이 0.6 내지 1.2%, 나머지는 통상의 불순물을 갖는 철의 조인 조성인 고탄소 합금강으로, 금속 조직학적 구조가 주로 비평형적인 미세 퍼얼라이트로서 경도가 47Rc 와 54Rc 사이인 것 특징으로 하는 고탄소 합금강.

Description

고탄소 합금강으로 제조되는 연마 매체

광산업에 있어서, 농도와 추출을 고려하여 유용한 광물이 함유된 암석에서 이를 분리하는 것이 필요하다.

이러한 분리를 위해서 광물은 미세하게 연마되고 분쇄되어야 한다.

연마의 단계만을 고려할 경우, 750,000 내지 1백만 톤의 연마 매체가 구형의 구나 절두 원추형 또는 원통형 실페브 (cylpeb) 의 형태로 전세계적으로 매년 사용될 것으로 추정된다.

통상 사용되는 연마 매체는:

1. 전조 또는 단조한 후 열처리에 의하여 형성되는 표면 경도가 60 - 65 Rc인 저합금 마르텐사이트강 (0.7 - 1% 탄소, 1% 이내의 합금 성분).

2. 주조와 열처리에 의하여 형성되는 모든 부분에서 경도가 60 - 68 Rc인 크롬 합금 마르텐사이트 주철 (1.7 - 3.5% 탄소, 9-30% 크롬).

3. 열처리되지 않고 주조에 의해 형성되는 경도가 45 - 55 Rc인 저합금 퍼얼라이트 백주철 (3 - 4.2% 탄소, 2% 이내의 합금 성분).

현재의 모든 해결책은 다음과 같은 단점을 가지고 있다.

- 단조된 마르텐사이트강에 있어서의 단점은 단조 또는 전조를 위한 기계에 비용이 투자되고 열처리 장치 때문에 에너지 소모가 증가된다는 점이다.

- 크롬 합금 철에 있어서의 단점은, 합금 성분 (주로 크롬) 과 열처리에 부가 비용이 지출된다는 점이다.

- 마지막으로, 저합금 퍼얼라이트 백주철에 있어서는, 제조비용은 비교적 낮지만, 내마모성이 다른 것에 비해서 별로 좋지 못하다는 단점이 있다. 또한, 통상 60mm 이하의 연마 매체만 산업적으로 생산된다.

전반적으로, 암석이 대단히 마모적인 경우 (예를 들면, 금, 구리 등), 현재의 해결책은 제품의 가격과 마모되는 물질 (연마 구 및 기타 주조물) 이 여전히 귀금속의 생산 단가에 큰 영향을 미치기 때문에 사용자를 완전히 만족시키지 못한다.

본 발명은 고탄소 합금강에 관한 것으로, 구체적으로는 마모성 부품의 제조를 위한 용도, 더욱 구체적으로는 연매 매체 (grinding media) 와 연마 구(grinding balls) 에 관한 것이다.

도 1 및 도 2 는 본 발명에 의해 얻어지는 조직을 나타내는 현미경사진이다.

본 발명의 목적은 개량된 성질을 갖는 강을 제공하는 것이며, 특히 기존의 마모성 부품 (특히, 연마 매체) 을 위한 해결책의 단점과 문제점을 극복하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 조성, 주조 및 주조 후의 냉각 조건은 특히 매우 마모가 심한 환경에서 내마모성을 갖게 하며, 이러한 내마모성은 단조강이나 크롬 주철에 필적하지만 비용이 저렴하고, 또한 퍼얼라이트 주철보다는 월등하다 (하지만 비용은 비슷하다).

본 발명의 다른 목적은 후술하는 발명의 특징과 바람직한 실시예로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 특징적 구성

본 발명은 다음의 중량% 로 표시된 조성을 특징으로 하는 고탄소 합금강을 제공한다.

탄소 : 1.1 내지 2.0%;

망간 : 0.5 내지 3.5%;

크롬 : 1.0 내지 4.0%; 및

규소 : 0.6 내지 1.2%.

나머지는 통상적인 불순물을 함유한 철로서 구성되어, 47 Rc 내지 54 Rc 의 경도를 갖는 비평형적 미세 퍼얼라이트를 갖는 금속 조직학적 구조를 제공한다.

연마 매체, 특히 연마 구에 있어서 내충격성을 유지하면서 최적의 내마모성을 가지기 위한 탄소의 함량은 1.2 내지 2.0%, 바람직하게는 1.3 내지 1.7% 이며, 이러한 탄소의 농도 한계치는 상태도에 있어서 퍼얼라이트를 갖게 되는 한계 농도에 근거하여 타나낸 것이다. 마그네슘과 크롬도 역시 상태도에 있어서 퍼얼라이트를 갖게 되는 한계 농도에 근거하여 나타낸 것으로서, 탄소와 함께 마그네슘 및 크롬은 시너지 효과를 나타내게 된다. 규소에 대하여 언급하면, 규소는 결정구조에 어떠한 영향도 미치지 않으며, 실제로 규소는 주조에 사용되는 구소의 농도로 나타낸 것이다.

실제로, 미세 퍼얼라이트 조직을 얻기 위한 망간의 함량은 하기와 같이, 연마 구의 직경과 냉각 속도의 함수로서 선택하는 것이 바람직하다.

다음의 조성은 연마 매체, 특히 약 100mm 의 직경을 갖는 연마 구를 위한 내마모성과 관련된다.

탄소 : 약 1.5%;

망간 : 약 1.5 내지 3.0%;

크롬 : 약 3.0%; 및

규소 : 약 0.8%.

약 70mm 의 직경을 갖는 연마 구를 위해서는 다음의 합금 조성이 특히 유효한 것으로 밝혀졌다.

탄소 : 약 1.5%;

망간 : 약 0.8 내지 1.5%;

크롬 : 약 3.0%; 및

규소 : 약 0.8%.

강의 조직에서 나타날 수 있는 세멘타이트, 마르텐사이트, 오스테나이트 및 거친 퍼얼라이트의 양을 최소화하기 위하여 열처리 방법이 선택된다.

본 발명에 따르면, 전술한 강은 주조 후 0.3 내지 1.9℃/s 의 평균 냉각 속도로 900℃ 이상으로부터 대략 500℃의 온도로 냉각시키는 열처리 단계를 거치게 되어, 47 내지 54 Rc의 경도를 갖는 비평형적 미세 퍼얼라이트로 주로 구성되는 전술한 바와 같은 미세 조직을 갖는 강이 제공된다.

주조에 의해 마모성 부품, 특히 연매 매체의 형상이 직접적으로 만들어지며이는 종래의 어떠한 주조 기술로도 행해질 수 있다.

퍼얼라이트 조직은 아직 식지 않은 조각을 주형에서 꺼내고, 주형에서 꺼낸 후의 냉각 속도 및 조각의 질량으로 화학적 조성을 조절함으로써 얻어진다.

이하, 본 발명이 바람직한 실시예를 참조로 하여 상세히 기술되며, 이러한 실시예는 본 발명을 예시하는 것뿐이지 제한하려는 것은 아니다.

실시예에 있어서, 퍼센트는 중량 퍼센트로 표현되어 있다.

다음의 모든 실시예에서는, 1.5% 의 탄소, 3% 의 크롬, 0.8% 의 규소, 및 통상의 불순물을 갖는 철로 구성된 나머지로 이루어지는 강의 조성이 사용되었다. 중량% 로서 표현되어 있는 특정한 망간 및 크롬 함량이 표 1 에서 다른 크기의 구에 대하여 주어져 있다.

완전히 응고된 후, 조각은 주형으로부터 그 가능한 최고의 온도에서 꺼내어지며, 이 온도는 작업하기 쉬운 온도여야 하고 900℃ 이상이 바람직하다.

그런 뒤 조각은 그 질량의 함수로서 정의되는 속도로 균일하게 냉각된다.

이러한 조절식 냉각은 더 이상 냉각이 필요 없게 되는 500℃ 에 도달할 때까지 지속된다.

표 2 에서는 1000℃ 와 500℃ 의 온도 사이에서 평균 냉각 속도를 C/s로 표현하여 전술한 두 실시예에 대하여 나타내었다.

이러한 열처리의 가장 큰 장점은 미세 퍼얼라이트 조직을 가장 용이하게 얻을 수 있다는 것이다. 또한, 주조 후의 잔류 열을 사용할 수 있어서 제조 단가를 낮출 수 있다.

도 1 은 100mm 구를 400배 확대한 현미경사진이다. 상기 구의 화학적 조성을 중량% 로 표기하면 다음과 같다.

1.5% 탄소;

1.9% 망간;

3.0% 크롬; 및

0.8% 규소.

주형에서 꺼낸 뒤, 상기 주물은 1100℃ 로부터 주변 온도로 1.30℃/s 의 냉각 속도로 균일하게 냉각되었다.

측정된 록웰 강도는 51 Rc 이다. 구조는 미세 퍼얼라이트, 8 - 10% 의 세멘타이트, 및 5 - 7% 이상의 마르텐사이트로 구성된다.

도 2 는 70mm 구를 400배 확대한 현미경사진이다. 상기 구의 화학적 조성을 중량% 로 표기하면 다음과 같다.

1.5% 탄소;

1.5% 망간;

3.0% 크롬; 및

0.8% 규소.

주형에서 꺼낸 뒤 1100℃ 에서 주변 온도로 1.50℃/s 의 냉각 속도로 균일하게 냉각된 후의 측정된 록웰 강도는 52 Rc이다. 조직은 미세 퍼얼라이트 및 5 - 7% 의 마르텐사이트로 구성된다.

도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같은 현미경사진을 갖는 연마 매체 또는 연마 구의 산업 환경 하에서의 작용과 성질을 검사하기 위하여 마모실험하였다.

본 발명에 따른 합금의 내마모성은 유표식 구 실험법 (technique of marked ball trials) 에 의하여 평가되었다. 이 기법은 본 발명에 따른 합금으로 제조된 소정 량의 구를 공업용 연마 밀 (mill) 에 삽입하는 단계를 포함한다. 먼저, 공지된 하나 이상의 합금으로 만들어진 동일한 중량의 구들과 함께 본 발명에 따른 구들이 중량에 따라 분류되고 보오링 구멍에 의하여 구분된다. 일정하게 정해진 작업 시간 후, 밀을 정지시킨 뒤 표시된 구들을 회수한다. 구의 중량을 측정하며, 중량의 차이는 시험된 여러 합금들의 성능을 비교 가능하게 한다. 이러한 검사가 통계적으로 유효한 값을 얻기 위하여 몇 번 반복된다.

첫 실험은 70% 이상의 수정을 함유한 특히 마모성이 강한 광물과 함께 밀 내에서 수행되었다. 100mm 직경의 구를 매주마다 5주 동안 계속하여 실험했다. 마르텐사이트 조직의 고크롬 백주철의 기준 구는 최초 중량 4,600Kg 으로부터 2,800Kg 으로 마모되었다. 다른 합금들의 상대적인 내마모성을 요약하면 다음과 같다.

64 Rc 의 12% 크롬 마르텐사이트 백주철은 1.00 배

51 Rc 의 본 발명에 따른 강은 0.98 배

비슷한 실험이 다른 밀에서 수행되었으며, 여기서는 취급된 광물이 동일하게 매우 마모적이지만 밀의 작업 조건에 비하여 충격 조건이 상이하였다.

본 발명에 따른 합금으로 제조된 구로부터 수득된 결과는 고크롬 백주철에 의한 결과와 매우 유사하였다(0.9 내지 1.1 배 향상됨).

이러한 본 발명에 따른 퍼얼라이트 합금의 내마모 성능은 연마과 관련된 사용자의 비용을 현저하게 감소시킨다.

실제로, 작업 과정의 단순화, 설치와 작업 비용의 감소, 및 크롬강에 비한 합금 성분의 감소는 더욱 경제적인 생산을 가능하게 한다.

Claims (7)

1. 고탄소 합금강으로 제조되는 연마 매체에 있어서,

   상기 합금강이

   1.1 내지 2.0% 의 탄소;

   0.5 내지 3.5% 의 망간;

   1.0 내지 4.0% 의 크롬; 및

   0.6 내지 1.2% 의 규소의 중량% 의 조성을 갖고, 나머지는 통상의 불순물을 갖는 철로서 구성되며, 주조 후 900℃ 이상의 온도로부터 500℃ 의 온도까지 0.30 내지 1.90℃/s 의 냉각 속도로 냉각되는 단계를 거쳐, 비평형적 미세 퍼얼라이트로 주로 구성되는 금속조직학적 구조를 가지며 47 Rc 내지 54 Rc의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 연마 매체.
2. 제 1 항에 있어서, 탄소 함량이 1.2 내지 2.0% 인 것을 특징으로 하는 연마 매체.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 탄소 함량이 1.3 내지 1.7% 인 것을 특징으로 하는 연마 매체.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 탄소 함량이 1.5% 인 것을 특징으로 하는연마 매체.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 퍼얼라이트 조직은 아직 식지 않은 조각을 주형에서 꺼내고 조형에서 꺼낸 후의 냉각 속도 및 상기 조각의 질량으로 화학적 조성을 조절함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 연마 매체.
6. 100mm 의 직경을 갖는 연마 구로서 주조되는 제 5 항에 따른 연마 매체에 있어서,

   합금의 조성이

   1.5% 의 탄소;

   1.5 내지 3.0% 의 망간;

   3.0% 의 크롬; 및

   0.8% 의 규소인 것을 특징으로 하는 연마 매체.
7. 70mm 의 직경을 갖는 연마 구로서 주조되는 제 5 항에 따른 연마 매체에 있어서,

   합금의 조성이

   1.5% 의 탄소;

   0.8 내지 1.5% 의 망간;

   3.0% 의 크롬; 및

   0.8% 의 규소인 것을 특징으로 하는 연마 매체.