KR100391897B1

KR100391897B1 - 고인성 합금주강과 그 제조방법 및 이를 이용한 이중주조물

Info

Publication number: KR100391897B1
Application number: KR10-2000-0049113A
Authority: KR
Inventors: 정재영; 안상호; 마봉열
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2000-08-24
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2003-07-16
Also published as: KR20020016028A

Abstract

본 발명은 산업설비용 내마모 부품에 사용되는 합금소재에 관한 것으로서, 크롬 합금강에 텅스텐을 첨가함으로써, 크롬 합금강에 텅스텐을 첨가함으로써, 이중주조물에서 우수한 인성을 나타낼 수 있는 고인성 합금강 및 그 제조방법, 그리고 이를 이용한 이중주조물을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로 C:0.15~0.50%, Cr:0.5~7.0%, Si:0.05~3.0%, Mn:0.05~4.0%, W:0.01~3.0%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 그 조직이 베이나이트와 마르텐사이트의 1종 또는 2종을 함유하는 조직인 것을 특징으로 하는 고인성 합금강, 및 그 제조방법을 기술적 요지로 한다.

또한, 본 발명은 고인성부와 고크롬-철계합금인 내마모부로 구성되는 이중주조물(duo cast)에 있어서, 상기 고인성부는 상기한 본 발명의 합금강을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중주조물을 기술적 요지로 한다.

Description

고인성 합금주강과 그 제조방법 및 이를 이용한 이중주조물{ALLOY STEEL CASTING HAVING HIGH TOUGHNESS AND METHOD OF MANUFACTURING IT, AND DUO CAST BY USING IT}

본 발명은 산업설비용 내마모 부품에 사용되는 합금소재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 크롬 합금강에 텅스텐을 첨가함으로써 경도, 강도 뿐 아니라 인성도 개선할 수 있는 고인성 합금강과 그 제조방법, 및 이를 이용한 이중주조물(duo cast)에 관한 것이다.

산업설비용 내마모 부품으로 사용되는 합금은 주로 크롬탄화물을 함유하는 고크롬-철계 합금으로, 내마모성을 필요로 하는 분야에 널리 이용되고 있다. 고크롬-철계 합금은 주물이나 육성용접에 의해 제조되고, 타 재질에 비해 가격이 저렴하면서 우수한 내마모성을 갖는 것이 장점이다.

그러나, 고크롬-철계 합금은, 인성이 낮아 큰 충격을 받으면 쉽게 깨지는 특성이 있기 때문에, 인성을 요하는 부품에는 적용이 어려웠다. 실제로, Caol Crusher Hammer와 같이 인성을 요하는 부품의 제조시에는, 고크롬-철계 합금에 비해 내마모성은 1/10정도로 떨어지지만 인성이 우수한 고망간계 합금을 주조하여 사용하고 있다.

최근, 이러한 단점을 보완하기 위한 노력의 하나로, 미국특허 5,238,046호는, 내마모성을 요하는 부위에서는 고크롬-철계 합금 이용하고 인성을 요하는 부위에서는 일반 합금강을 이용하여 제조된 이중복합주조물을 제안하고 있다. 상기 이중 복합주조물은, 기존의 고망간계 합금을 대체하는 것으로서, 고인성 및 우수한 내마모성을 제공한다. 이에 따라, 수명을 획기적으로 증가시키고 인건비 상승에 따른 마모설비의 유지보수비도 저감시키는 것이 가능하다. 그러나, 상기 이중주조물에서 인성을 요하는 부위에 적용되는 일반합금강은, 낮은 응고속도로 인하여 주조상태에서 펄라이트 조직을 갖기 때문에, 기존의 고망간계 합금보다 경도 및 파괴인성이 낮은 단점이 있다.

이에, 본 발명자들은 상기 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 연구와 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 크롬 합금강에 텅스텐을 첨가함으로써, 이중주조물에서 우수한 인성을 나타낼 수 있는 고인성 합금강 및 그 제조방법, 그리고 이를 이용한 이중주조물을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도1(a),(b)는 비교강(1)과 발명강(1)의 기지조직을 나타내는 조직사진

본 발명은, 중량%로 C:0.15~0.50%, Cr:0.5~7.0%, Si:0.05~3.0%, Mn:0.05~4.0%, W:0.01~3.0%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 그 조직이 베이나이트와 마르텐사이트의 1종 또는 2종을 함유하는 조직인 것을 특징으로 하는 고인성 합금강에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 합금강에 3% 이하의 Mo을 추가로 함유하여 구성되는 고인성 합금강에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기한 고인성 합금강을 300~550℃에서 템퍼링하거나 또는 850℃이상의 온도에서 소입처리한 후 300~550℃에서 템퍼링하여 보다 우수한 인성을 갖는 고인성 합금강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 고인성부와 고크롬-철계합금인 내마모부로 구성되는 이중주조물(duo cast)에 있어서, 상기 고인성부는 상기한 본 발명의 합금강을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중주조물에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명의 고인성 합금강의 성분 중 C는 Cr과 결합해 M₂₃C₆(M은 Cr, Fe와 같은 금속원소를 지칭함)과 같은 미세한 크롬 탄화물을 형성시켜 기지의 경도를 상승시키는 원소로서 재료의 강도를 증가시키고 경화능을 향상시키는데, 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.15% 이상이 첨가되어야 한다. 그러나, 그 함량이 0.5% 보다 많으면 미세 크롬계 또는 몰리브덴계 탄화물에 포함되지 않는 유리탄소를 증가시켜 기지에 고용된 탄소량을 증가시킨다. 이로 인해, 잔류 오스테나이트가 증가될 뿐 아니라, Fe₃C 형성을 조장하여 강도가 낮은 펄라이트 조직을 형성시켜 내마모성을 저하시킨다. 따라서, 상기 C는 0.15~0.5% 로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 Cr은 C 및 Fe과 복합적으로 결합하여 고경질의 미세한 크롬탄화물을 저렴하게 형성시켜 베이나이트조직 또는 마르텐사이트조직의 형성을 용이하게 하는 원소로서, 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.5% 이상 첨가되어야 하지만, 성능과 가격을 고려하여 그 상한은 7.0%로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 일반적으로 상기 Cr은, 내산화성에 대한 저항성을 증가시키는 역할을 한다.

상기 Si은 탈산원소로서, 적어도 0.05% 이상 첨가되어야 하지만, 그 함량이 3.0% 보다 많은 경우에는 파괴인성을 저하시키고 강도가 낮은 페라이트를 형성시키기 때문에, 0.05~3.0%로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 Mn은 오스테나이트 안정화 원소로서, 소입성 향상을 위해서는 0.05% 이상 첨가해야 하지만, 그 함량이 4.0%를 초과하면 인성의 열화를 초래하게 되므로, 그 함량은 0.05~4.0%로 선정하는 것이 바람직하다.

상기 W은 본 발명에 있어 핵심이 되는 원소로서, 고온의 오스테나이트가 상온으로 냉각될 때 펄라이트로 변태하는 것을 억제하는 대신에, 베이나이트 또는 마르텐사이트를 우선적으로 형성시킴으로써, 보다 질기고 단단한 조직을 만드는 역할을 한다. 특히, 이러한 역할은 냉각이 느린 대형주괴 제품에 있어 매우 효과적으로 수행될 수 있다. 상기 W의 함량은 0.01~3.0%로 설정하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 W의 함량이 0.01% 미만인 경우에는 상변태 모드개선에 대한 기여가 적고, 3.0%를 넘는 경우에는 과도한 투입으로 인해 성능 대비 가격이 상승하는 문제가 있기 때문이다.

한편, 상기 W은 M₂C(M=W, Cr, Fe)와 같은 매우 미세한 강화 탄화물을 형성시킴으로써, 경도향상에도 기여한다.

상기 Mo은 W과 함께 첨가되어 상변태 모드를 변화시킴으로써 본 발명의 장점을 보다 강화시키는 역할을 하는 원소로, 이러한 역할을 하기 위해서는 3% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 또한, Mo도 W과 같이 M₂C(M=W, Cr, Fe)와 같은 매우 미세한 강화 탄화물을 형성시킴으로써, 경도향상에 기여한다.

상기와 같이 본 발명에 따라 합금강의 성분 및 성분비를 설정함으로써, 통상의 주조방법에 의해 베이나이트와 마르텐사이트의 1종 또는 2종 조직을 포함하는 고인성 합금강을 제조할 수 있다. 본 발명 합금강의 베이나이트와 마르텐사이트의 1종 또는 2종 조직은 합금강을 보다 질기고 단단하게 하여, 냉각속도가 느린 대형주괴 제품에 있어서 우수한 경도 및 인성을 제공할 수 있다. 또한, 보다 우수한 경도 및 인성을 확보하기 위해서는 상기 베이나이트와 마르텐사이트의 1종 또는 2종의 조직분율은 50~100%가 바람직하다. 그 이유는 본 발명에서 베이나이트, 마르텐사이트의 조직분율은 W과 Cr의 함량에 의해 영향을 받는데, 이들의 조직분율이 50% 이상일때 경도와 인성이 높아지기 때문이다.

물론, 본 발명의 합금강은 주조물에 한정되는 것은 아니고, 후판 및 열연재 등에 적용될 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 고인성 합금강은, 우수한 경도 및 인성을 갖지만, 보다 우수한 경도 및 잔류응력을 완화시키기 위해서는, 300~550℃에서 템퍼링시키는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 템퍼링온도가 300℃ 미만이면, 주조물 등에 있어서 잔류응력의 완화가 미흡하게 이루어지고, 550℃보다 높으면 잔류응력은 완화되지만 경도가 오히려 저하하기 때문이다.

또한, 인성과 관련된 기계적 특성을 현저히 증가시키기 위해서, 본 발명의 합금강은, 850℃ 이상의 온도에서 소입처리한 후 300~550℃의 온도범위에서 템퍼링하는 것이 바람직하다.상기 소입처리는 주조조직의 결정립보다 작은 오스테나이트 결정립을 형성하여, 강도 및 인성을 향상시키기 위한 것이다. 본 발명의 고인성 합금강은 A_c1(오스테나이트가 형성되기 시작하는 온도)이 약 740℃ 근처이며, A_c3(오스테나이트 생성이 종료되는 온도)는 약 813℃ 근처이다. 따라서, 본 발명의 고인성 합금강의 냉각된 주조조직을 완전히 오스테나이트 조직으로 변경하기 위해서는 적어도 813℃ 이상에서 유지하는 것이 필요하며, 보다 빨리 오스테나이트 조직으로 만들기 위해서는 적어도 850℃ 이상이 요구된다.

한편, 본 발명의 고인성 합금강은 고인성부와 내마모부로 구성되는 이중주조물(duo cast)에도 적용할 수 있는데, 상기 내마모부는 고크롬-철계 합금을 사용하고, 고인성부는 본 발명의 합금강으로 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 상기 고인성부를 본 발명의 합금강으로 하면, 상기 고인성부가 베이나이트와 마르텐사이트의 1종 또는 2종을 함유하는 조직으로 되어 고망간계 합금의 경도수준으로 강도를 증가시키고, 또한 기존 재질에 비해 파괴인성도 30% 이상 향상시킬 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

(실시예1)

유도 용해로를 이용하여 하기 표1과 같은 성분의 합금강을 주조한 다음, 150×150×250mm의 금형 몰드에 주입하여 주조물을 제조하였다.

제조된 주조물의 조직분율을 하기 표1에 나타내었고, 또한 비커스경도 및 파괴인성치를 측정하여 기계적 특성을 평가하고, 그 결과를 하기 표1에 나타내었다.

상기 비커스경도는 비커스경도기를 이용하여 하중 10kg 하에서 20회 이상 측정하여 평가하였다.

상기 파괴인성시험은 두께(B):5mm, 두께(B)/폭(W)의 비: 1/4로 시편의 모든 치수비는 ASTM-E399 규정을 따라 가공된 compact tension(CT)시편을 이용하여 수행하였다.

내마모용 육성용접 합금은 대체로 취약하여 예비피로균열을 만들기 어렵고, 초고장력강, 금속복합재료 등에서는 30~50㎛ 정도의 날카로운 노치를 가진 CT 시편으로 구한 겉보기 파괴인성(Apparent Fracture Toughness)은 예비피로균열을 도입한 평면변형파괴인성(K_IC)과 거의 비슷한 값을 가진다는 것이 알려져 있으므로, 날카로운 노치를 가진 CT 시편을 사용하여 겉보기 파괴인성을 측정하였다. 약 1.3mm 길이의 날카로운 노치(반경: 36㎛)를 방전가공(electrical discharge machining; EDM)으로 CT 시편에 삽입하였다. Servo-hydaulic Instron(model 8501)을 사용하여ASTM-E399 규정에 따라 파괴인성시험하였고, 하중속도는 약 1MPa/sec로 하였다.

한편, 비교강(1)과 발명강(1)의 기지조직을 광학현미경으로 관찰하고, 그 결과를 도1에 나타내었다.

구분	화학조성(wt.%)	조직분율(%)	기계적 특성
구분	C	조직분율(%)	Si	Mn	Cr	Mo	W	비커스경도(H_V)	파괴인성치(MPam^1/2)
비교강1	0.25	0.20	0.10	1.92	－	－	펄라이트95%+페라이트5%	194.0	60.2
종래강1	1.19	0.57	11.03	1.87	－	－	오스테나이트95%이상	250.0	73.4
발명강1	0.20	0.25	0.45	1.97	－	0.48	베이나이트100%	290.2	83.1
발명강2	0.30	0.31	0.39	2.10	－	0.46	베이나이트100%	300.5	84.5
발명강3	0.25	0.38	0.42	1.96	－	0.19	베이나이트85%	277.4	82.3
발명강4	0.25	0.32	0.45	1.95	－	0.47	베이나이트100%	297.4	84.6
발명강5	0.25	0.32	0.47	1.99	－	0.77	베이나이트100%	317.8	88.5
발명강6	0.25	0.34	0.51	2.21	－	1.50	베이나이트100%	348.9	81.2
발명강7	0.25	0.28	0.30	1.85	0.50	0.30	베이나이트100%	315.2	87.6

상기 표1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 발명강(1)~(7)에는 W이 첨가되어, 주조물의 조직이 모두 베이나이트 조직인 것을 알 수 있다. 이에 따라, W이 첨가되지 않은 비교강(1) 대비 비커스 경도 및 파괴인성치가 월등히 증가하여 기계적 특성이 우수함을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 발명강(1)~(7)은, 종래 Coal Crusher Hammer 재질로 사용되고 있는 고 Mn계 합금인 종래재(1)에 비해서도 우수한 경도특성을 나타내는 것을 알 수 있다.

한편, 도1(a),(b)는 비교강(1)과 발명강(1)의 기지조직을 관찰한 사진으로, 도1(b)에 나타난 바와 같이, W이 미량 첨가된 발명강(1)은 거의 베이나이트 조직으로 이루어져 있음을 알 수 있다.

(실시예2)

실시예1에서 주조된 주조물에 대하여, 주조시 발생된 잔류응력을 완화시키고 경도향상을 도모하기 위해 열처리를 실시하였다. 이 때, 열처리 온도가 주조물의 경도 및 잔류응력 제거에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 실시예1에서 주조된 발명강(3)과 발명강(5)을 이용해 하기 표2와 같이 열처리온도를 달리하여 열처리한 다음, 비커스경도를 측정하였다.

구분	주조된 강	열처리온도(℃)	경도(H_V)
발명예1	발명강3	300	277.2
발명예2		350	295.0
발명예3		400	287.0
발명예4		450	292.4
발명예5		500	290.4
발명예6		550	267.2
비교예1		600	253.2
발명예7	발명강5	300	317.2
발명예8		350	340.0
발명예9		400	343.0
발명예10		450	345.8
발명예11		500	331.4
발명예12		550	318.4
비교예2		600	290.4

상기 표2에 나타난 바와 같이, 열처리온도를 300~550℃의 범위로 하여 템퍼링한 발명예(1)~(12)의 경우에는, 주조시 발생된 잔류응력도 완화시키면서, 경도특성도 향상된 것을 알 수 있다. 상기 템퍼링 온도가 300℃, 550℃인 발명예(1),(7)과 발명예(6),(12)는, 템퍼링 열처리를 실시하지 않은 주조상태의 발명강(3),(5)보다 경도는 향상되지 않았지만, 잔류응력이 완화된 것을 확인할 수 있다.

반면에, 템퍼링 온도가 600℃로 높은 비교예(1),(2)는 잔류응력은 완화되었으나, 경도는 오히려 저하된 것을 알 수 있다.

상기한 바와 같은, 본 발명에 의하면, 인성과 경도가 동시에 우수한 고크롬-철계 합금강을 제공할 수 있기 때문에, 내마모 관련 산업설비의 설계수명을 연장시켜 에너지 절감 및 유지보수비용의 막대한 절감이 가능한 효과가 있는 것이다.

Claims

중량%로 C:0.15~0.35%, Cr:1.5~5.5%, Si:0.05~3.0%, Mn:0.05~4.0%, W:0.01~3.0%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 그 조직이 베이나이트와 마르텐사이트의 1종 또는 2종을 함유하는 조직인 것을 특징으로 하는 고인성 합금주강
제1항에 있어서, 상기 베이나이트와 마르텐사이트의 1종 또는 2종의 조직 분율이 50~100%인 것을 특징으로 하는 고인성 합금주강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 합금주강은 1.5중량% 이하의 Mo을 추가로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고인성 합금주강
중량%로 C:0.15~0.35%, Cr:1.5~5.5%, Si:0.05~3.0%, Mn:0.05~4.0%, W:0.01~3.0%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 그 조직이 베이나이트와 마르텐사이트의 1종 또는 2종인 고인성 합금주강을 300~550℃의 온도범위에서 템퍼링하는 것을 특징으로 하는 고인성 합금주강의 제조방법
제4항에 있어서, 상기 템퍼링 전에 850℃ 이상의 온도에서 소입처리하는 것을 특징으로 하는 고인성 합금주강의 제조방법
고인성부와 고크롬-철계합금인 내마모부로 구성되는 이중주조물(duo cast)에 있어서, 상기 고인성부는 제1항 내지 제3항 중 어느 한항의 합금주강으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중주조물