KR100445890B1

KR100445890B1 - 내마모강 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR100445890B1
Application number: KR10-2002-0000975A
Authority: KR
Inventors: 이용희; 신정호; 한철호; 장병록; 정재언
Original assignee: 주식회사 세아베스틸
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2004-08-25
Also published as: KR20030060320A

Abstract

본 발명은 내마모강 및 그의 제조방법에 관한 것으로 정밀합금설계를 통하여 중탄소함량(C: 0.20∼0.35%)에 Ni-Cr-Mo-Si를 베이스로 하여 정밀합금설계를 실시하였으며, 분산 및 석출강화원소인 Ti와 V을 단독 또는 복합 첨가하여 즉, Ti 와 V 중 선택된 적어도 한종 이상을 첨가하여 특히 마모특성을 향상시킬 수 있는 강을 제조하였고, 이와 같이 제조된 강은 조질 열처리를 통하여 고강도 내마모특성을 나타낼 수 있는 열처리조건을 도출하였다.

Description

내마모강 및 그의 제조방법{A WEAR RESISTING STEEL AND A METHOD THEREOF}

본 발명은 내마모강 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중장비 등의 인장강도 140kgf/mm²급 내마모 소재로서 양호한 용접성을 가지면서 우수한 내마모성을 지닌 내마모강 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

내마모강은 그 용도상 강도, 경도, 인성(저온인성 포함) 및 내마모성 등 거의 모든 특성을 필요로 하는 소재로서, 최근 국내외 산업발달에 따라 그 수요가 증가하고 있다. 포크레인, 브르도져, 굴삭기 및 착암기 등과 같은 건설중장비나 각종 농기계류의 투스(tooth), 그리고 광산의 토사 및 암반 작업에 사용되는 장비나 관정용 장비의 드릴비트와 파쇄정(breaker chisel) 등과 같은 소모성 부품은 내마모강과 같은 마모특성이 우수한 소재를 요구하기 때문이다.

광범위한 용도에도 불구하고 내마모강에 대한 일반적인 수요는 판재 형태를 띄는 경우가 많다. 그 때문에 지금까지 대부분의 개발자들은 합금설계에 있어서 내마모성보다 오히려 용접성 향상에 주안점을 두고 있는 것이 현실이다.

그런 맥락에서 현재 국내외에서 개발되어 사용되고 있는 수십종의 내마모강들 중 대부분이 용접성을 중시한 것들이며, 이들은 주로 표면부 경도향상을 위해 약 0.3중량% 이하로 제한된 저탄소강 베이스에 보론을 첨가하고 있다.

다시 말해서 지금까지의 보편적 수요에 대응하여 개발된 기존의 내마모강은 용접성향상을 위해 저탄소 베이스에 표면경도 확보를 위해 보론을 첨가하므로써, 충분한 강도, 경도, 인성 및 내마모성을 얻기가 어려웠고, 결과적으로 다양하고 세분화된 각 용도에 정확히 대응하기가 어려웠다. 강도와 경도를 확보하기 위해 다량의 합금 원소는 필연적으로 용접성 및 인성 등을 저하시키는 결과를 초래할 수 있기 때문이다.

따라서 용도에 맞도록 특성화된 내마모강 소재의 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 인장강도 140kgf/mm²급의 내마모강으로서 포크레인,브르도져와 같은 중장비의 투스 및 광산 또는 관정용의 드릴비트와 파쇄정 등 토사 및 암반작업시 특히 마모에 강하면서 용접성이 양호한 내마모강을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상술한 본 발명의 내마모강의 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1a 내지 1c는 본 발명에 따른 발명강 F의 용접성 시험결과를 나타내는 사진으로, 1a는 JIS Z 3154 용접성 시험방법에 의해 시험용접한 상태를 나타내고, 1b는 1a에서 2번 부위 절단면 시편의 마크로 확대 관찰사진이며, 1c는 1a에서 구속용접 부위의 절단면 시편의 마크로 확대 관찰사진.

도 2는 본 발명에 따른 발명강 F의 열처리조건별 토사마모시험 결과를 나타내는 그래프.

도 3은 본 발명에 따른 발명강 F의 소재 단품제작 적용예로서, 버켓투스를 나타낸 사진.

본 발명의 내마모강은, C : 0.20∼0.35중량%, Si : 0.50∼1.50중량%, Mn : 0.30∼1.60중량%, Ni : 0.40∼1.00중량%, Cr : 1.00∼2.50중량%, Mo : 0.10∼0.80중량%, Al : 0.01∼0.04중량%, P : 0.020중량%이하, S : 0.010중량%이하, N : 30∼100ppm, O : 25ppm이하, 및 Ti와 V 중에 선택된 적어도 한 종 이상을 포함하되 Ti는 0.01∼0.10중량%이고 V는 0.05∼0.15중량%이며, 잔부가 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진다.

또한, 본 발명의 내마모강 제조방법은, (1) 상기 조성을 갖는 용강을 1100±150℃에서 열간가공하는 단계; (2) 열간가공된 강을 850±60℃에서 담금질(quench)하는 단계; 및 (3) 담금질된 강을 150∼650℃에서 템퍼링하는 단계를 포함한다. 이 경우, (1)단계와 (2)단계 사이에, 850±60℃의 온도범위에서 어닐링을 실시하는 단계를 포함할 수 있으며, 또한, (1)단계와 (2)단계를 연속공정으로 실행할 수도 있다.

본 발명은 용도상 내마모강으로서 용접성이 양호한 인장강도 140kgf/mm²급의내마모강을 제조하기 위하여 Ni-Cr-Mo-Si를 베이스로 하여 정밀합금설계를 실시하였으며, 분산 및 석출강화원소인 Ti와 V을 단독 또는 복합 첨가하여 즉, Ti 와 V 중 선택된 적어도 한 종 이상을 첨가하여 내마모성이 우수한 강을 제조하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 내마모강의 제조방법에 있어서, 담금질은 재가열하여 담금질칭하거나 열간가공후 직접 담금질 즉 열간가공과 담금질을 연속 공정으로 행할 수 있다.

이하, 본 발명의 내마모강의 합금 성분의 조성범위 설정의 이유를 설명한다.

C : 특수강에서 강도, 경도를 결정하는 원소로서, 특히 용접성 및 인성을 좌우하는 원소이다. C함량이 높을수록 강도는 증가하나 반대로 용접성 및 인성을 저하시키는 경우가 발생한다. 함량이 낮을 경우에는 인성 및 용접성은 증가하나 강도가 감소한다. 이러한 특성을 고려하여 본 발명에서는 공냉상태를 기준으로 인장강도 140kgf/㎟ 이상, 표면경도값 HB36 이상을 목표로 설정하기 위해 C함량을 0.20∼0.35%로 제한한다.

Si : 제강시 탈산작용을 하며 적정첨가시 오스테나이트 결정립성장을 억제하고 기지고용강화를 일으켜 강도를 향상시킨다. 또한 본 내마모강에서 중요시하는 마모성을 향상시키기 위해 마모성을 떨어뜨릴수 있는 탄화물 석출을 억제하여 마모특성을 한층 증가시킬수 있도록 첨가한다. 이러한 점을 고려하여 0.50∼1.50%로 제한한다.

Mn : 열처리시 경화능을 향상시켜 강도를 증가시키나 1.60%이상 과다첨가시산화에 의한 가공성이 떨어지며, 용접성을 저하시킨다. 따라서 본 발명에서는 Mn함량을 0.30%∼1.60%로 제한한다.

Ni : 경화능을 증대시키고 인성을 향상시킨다. 하지만 0.4%미만에서는 그 작용이 미미하고 또한 1.0%이상 첨가시 템퍼취성이 증대하므로 0.40∼1.00%로 제한한다.

Cr : 열처리시 경화능을 증대시키는 원소이며 또한 열처리시 탄화물을 만들기 쉽고 이들 탄화물들은 마모저항성에 영향을 미치므로 적정량을 첨가한다. 특히 Ni과 함께 첨가시 템퍼취성이 크게 될 수 있으므로 과다첨가는 삼가한다. 본 발명에서는 경화능 및 템퍼취성, 탄화물에 의한 마모성 향상을 고려하여 1.00∼2.50%로 제한한다.

Mo : Cr과 안정한 복탄화물을 만들며 템퍼취서에 대한 저항성을 증대시킨다. 특히 경화능을 증대시키고 Ni-Cr 강의 템퍼취성을 방지한다. 강도 및 인성의 향상에 효과가 크지만 0.1%이하에서는 그 효과가 발휘되지 못하고 과다첨가시 비경제적이므로 목표물성을 고려하여 0.1∼0.8%로 제한한다.

Al : 제강시 강탈산제로 강중 산소와 결합하여 개재물로 생성하며 이를 정련중에 제거하므로서 용강중에 있는 산소함량을 낮추어 청정강 제조에 유효하며, 또한 N와 결합 AlN을 형성하여 오스테나이트 입자 미세화에 유효한 성분으로 질소 함량 대비 적정량 첨가가 유효하다. 따라서 본 발명에서는 청정강 제조 및 입자미세화 목적으로 0.01∼0.04%로 제한한다.

Ti : 열처리시 강도를 증가시키고 Al 및 V 등과 함께 TiN 을 형성시켜 인성을 향상시키며 0.10%이상 첨가시 강도향상은 되지만 비경제적이며 용접성 등을 저하시키고 강중의 산소와 결합하여 산화물을 형성시킬 수 있으므로 0.01∼0.10%로 제한한다.

V : V는 석출경화형 원소로서 Al과 함께 VN등의 석출물을 형성하여 오스테나이트 결정립미세화에 유효한 원소이다. 또한 미세한 석출물을 형성시켜 내마모특성을 향상시키므로 강도 및 마모특성을 고려하여 0.05∼0.15%로 설정한다.

P 및 S : P는 편석성원소로서 특수강에서 인성을 저하시키고 충격저항을 떨어뜨리는 원소이다. 그러나 일반적으로 고철을 사용하는 전기로 제강에서는 P를 제어하기가 사실상 어렵다. 또한 S는 P와 함께 불순원소로 강중 MnS 개재물을 형성시킨다. 또한 열간가공성을 저하시킨다. 따라서 본 발명에서는 P: 0.020%이하, S: 0.010%이하로 제한한다.

O : 강중 여러합금원소와 산화물을 형성하여 기계적성질 및 열간가공성을 떨어뜨린다. 특히 본 발명강에서와 같이 Ti 첨가시 산소함량이 과다하면 TiO₂산화물을 형성하여 Ti 효과를 떨어뜨리므로 이러한 산화물을 최소화하기 위하여 산소함량을 20ppm 이하로 제한한다.

N : 일반적으로 유해가스이지만 적정량 첨가시 Al, V 및 Ti 등과 결합하여 질화물을 형성시켜 오스테나이트 결정립 미세화 효과와 마모특성을 향상시키므로 30∼100ppm으로 제한한다.

이하, 표 1 및 표 2 그리고 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 내마모강(이하, 발명강)을 종래의 내마모강(이하, 종래강)과 비교하면서 상세하게 설명한다.

표 1은 발명강과 종래강의 화학성분을 나타내는 것으로, 발명강은 A 내지 F로, 종래강은 G 내지 J로 표시한다. 또한, 표 1의 단위는 중량%(wt%)이다.

우선, 발명강 A∼D강은 진공유도용해로에서, 발명강 E 및 F는 전기로에서 용강으로 제조하였다.

본 발명의 내마모강은 중량%로 C: 0.20∼0.35%, Si: 0.50∼1.50%, Mn: 0.30∼1.60%, Ni: 0.40∼1.0%, Cr: 1.00∼2.50%, Mo: 0.10∼0.80%, Al: 0.01∼0.04%, P: 0.020%이하, S: 0.010%이하, N: 30∼100ppm 이하 및 O: 25ppm 이하를 기본조성으로 하고 각각 석출 및 분산강화원소인 V: 0.05∼0.15%와 Ti: 0.01∼0.10%를 단독 또는 복합첨가하고, 즉 Ti 와 V 중에서 선택된 적어도 한 종 이상을 첨가하여 잔부는 Fe와 전기로 제강시 필연적으로 함유될 수 있는 미량불순원소들로 이루어질 수 있으며, 표 1에 나타낸 발명강 A∼F는 상술한 조성 범위 내에서 실시예이다.

발명강 A∼D의 성분의 용탕을 1590±50℃에서 잉곳 형태의 용강으로 제작하였다.

발명강 E 및 F는 상기의 성분범위로 합금 설계하여 60Ton 전기로에서 고철과 순철을 적정량 혼합하여 용해한 후 통상적인 정련, 진공탈가스 공정을 거쳐 1590±40℃ 온도범위에서 블룸(Bloom) 형태의 용강으로 제작하였다.

여기에서 사용되는 용강은 제강 후 주조된 잉곳 등과 같은 강괴 및 슬랩(slab)·시트 바(sheet bar)·블룸·빌릿(billet)·원형강(圓形鋼) 등과 같은강편을 포함하는 용어이다. 또한, 본 발명의 제강 공정에 사용되는 로에 대해서 당업자는 상술한 진공유도로와 전기로에 제한되지 않음을 알 수 있을 것이다.

이어 발명강을 열간가공하는데, 열간가공은 1100±150℃의 범위 내에서 수행할 수 있지만 발명강 A∼D의 잉곳은 상술한 온도 범위 중 1200±20℃로 가열하여 직경 30mm 로 열간가공하였다. 다음으로, 어닐링으로 균질화 열처리를 실시하였다. 균질화열처리의 온도범위는 850±60℃의 온도범위이면 무방하지만 발명강 A∼D는 890±10℃로 실시했다. 또한 발명강 E 및 F강의 블룸은 열간가공 가능 온도범위인 1100±150℃의 온도범위 중에서 1200±20℃ 온도범위로 가열하여 열간압연을 실시한 후 발명강 A∼D 강과 같은 방법으로 어닐링의 균질화 열처리를 실시하였다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Al	V	Ti	Nb	B	O	N
발명강	A	0.26	1.00	0.60	0.011	0.003	0.54	1.90	0.50	0.017	0.076	-	-	-	22.6	30.5
	B	0.28	0.80	0.62	0.010	0.005	0.60	1.95	0.48	0.017	0.100	-	-	-	21.0	21.0
	C	0.28	1.00	0.61	0.012	0.004	0.50	1.95	0.51	0.022	0.060	0.045	-	-	24.0	31.0
	D	0.30	1.20	0.63	0.009	0.003	0.50	1.94	0.48	0.023	0.100	0.050	-	-	19.0	25.0
	E	0.30	1.01	0.64	0.012	0.002	0.49	1.87	0.50	0.020	0.099	0.044			14.0	65.4
	F	0.29	1.09	0.64	0.008	0.004	0.48	1.96	0.49	0.020	0.096	0.054	-	-	13.6	58.8
종래강	G	0.18	0.34	1.41	0.008	0.001	0.53	1.43	0.19	0.030	-	-	-	-	7.1	42.8
	H	0.12	0.43	1.41	0.013	0.003	0.03	0.02	0.01	0.037	0.012	0.026	0.031	0.001	14.9	36.4
	I	0.13	0.27	0.92	0.011	0.003	0.34	0.52	0.48	0.048	-	0.016	-	0.002	-	-
	J	0.16	0.37	1.39	0.017	0.004	0.01	0.01	0.004	0.030	-	-	-	-	-	-

표 1에서 알 수 있는 바와 같이 발명강 A∼F는, 종래강 G∼J에 비해 모두 탄소함량이 높게 설계되어 있다. 또한, 발명강 A∼F는 Ni-Cr-Mo 베이스에 마모특성을 향상시키기 위해 Si함이 다량 첨가되었으며, Ti 및 V등이 단독 또는 복합으로첨가된 합금설계의 특징을 갖고 있다.

반면에 현재 범용적으로 사용되고 있는 내마모용 강판 소재인 종래강 G 및 J강은 일반 저탄소 구조용강에 속하는 일반 범용 강종이며 H강과 I강은 보론강이다. 화학성분에서 알 수 있듯이 종래강은 내마모성을 위한 합금설계라기 보다 용접성을 향상시키는 목적으로 설계되어 있음을 알 수 있다.

표 2는 발명강 F의 열처리조건에 따른 기계적성질을 나타낸 것으로 공냉상태 및 담금질 후 150℃∼650℃ 범위까지 템퍼링한 강재의 기계적성질을 나타내고 있다.

표 2에서 T는 템퍼링을 나타내며, 본 발명에서 적용되는 템퍼링은 용도에 따라 150∼250℃ 또는 300∼650℃에서 수행할 수 있다.

표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 650℃ 템퍼링재를 제외하고는 공냉에서 500℃ 범위의 템퍼링재 까지 모두 140kgf/㎟ 이상의 고강도를 나타내고 있으며 경도 또한 HRC39이상의 수준으로 높게 나타나고 있다. 또한 충격특성을 보면 고강도임에도 불구하고 상온 및 저온충격값이 최소 19J/㎠ 이상으로 양호한 값을 나타내고 있다.

일반적으로 기존에 사용되고 있는 내마모성 강판소재의 경우 대부분 수냉 및 저온 템퍼링에서 인장강도가 110kgf/㎟ 수준이며, 또한 경도값은 저온 템퍼링임에도 불구하고 HRC 30∼40 수준으로 높지 않아 마모에 약한 상태이다.

열처리 조건	인장시험결과	충격특성(J/㎠)	표면경도(HRC)
열처리 조건	TS(kgf/㎟)	YS(kgf/㎟)	표면경도(HRC)	EL(%)	ROA(%)	-20℃	상온
No.1: 유냉+150℃T	180	136	9.9	34.9	24.1	24.7	47.2
No.2: 유냉+250℃T	177	146	11.2	44.7	22.8	27.4	47.9
No.3: 공냉	143	83	16.9	37.8	21.0	19.7	39.3
No.4: 수냉	184	134	11.8	39.3	19.0	19.7	49.5
No.5: 수냉+150℃T	190	143	11.0	33.2	24.8	19.6	48.9
No.6: 수냉+250℃T	180	132	13.2	48.1	27.4	22.1	47.9
No.7: 수냉+500℃T	147	100	15.9	53.7	22.2	39.8	43.1
No.8: 수냉+650℃T	97	61	20.4	64.8	103.4	168.4	27.6

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 표 1에서의 발명강 F의 용접시험결과를 나타내고 있다. 여기서 도 1a는 JIS Z 3154 용접성 시험방법에 의해 시험용접한 상태를 나타내고, 1b는 1a에서 2번 부위 절단면 시편의 마크로 확대 관찰사진이며, 1c는 1a에서 구속용접 부위의 절단면 시편의 마크로 확대 관찰사진을 나타낸다.

일반적으로 중장비용 내마모강은 베이스와 기계적 체결 또는 용접을 하여 사용한다. 그래서 내마모강의 개발과정 중 제한을 받는 특성은 강도인성의 향상과 용접성 향상이 동시에 이루어져야 한다는 것이다. 이러한 이유로 중장비용소재의 판재는 기본적으로 용접성을 향상시키는, 즉 탄소당량을 낮추는 것이 강재개발의 기본방향으로 되어왔다. 따라서 마모특성을 높인 본 발명강에서의 용접성을 평가하기 위하여 소재를 판재 상태로 가공하여 일반적으로 실시되고 있는 판재용접특성을 조사하고자 하였으며 그 결과는 도 1a 내지 도 1c와 같이 양호한 결과를 나타내었다.

도 1a는 시험용접이 완료된 상태를 나타내고 있으며 도 1b과 도 1c는 각각 용접부의 단면 마크로조직을 관찰한 것으로서 도 1b의 시험용접부는 150℃로 예열한후 시험용접한 부분이며, 도 1c는 예열을 하지 않은 실온상태에서 용접한 결과이다.

시험결과 모두 용접상태가 양호하였으며 용접크랙이 발생하지 않은 양호한 용접상태를 나타내고 있다. 본 발명강은 탄소 당량이 상당히 높은 편이며 합금원소가 다량 첨가되었음에도 불구하고 용접성이 양호한 특성을 나타내고 있다.

도 2는 본 발명에 따른 표 1의 발명강 F강에 대해서 표 2의 열처리조건별 토사마모시험 결과를 나타내고 있다. 토사마모시험은 ASTM G65-85의 시험규격에 준하여 실시하였다. 실제 본 발명강의 용도는 주로 토사 및 암반 작업시 이용되는 소모성 부품으로서 실제 토사마모조건과 유사한 조건하에서 실시하는 것이 중요하다. 지금까지 보고된 자료에서는 이와 같은 토사마모시험결과는 거의 전무한 상태이다. 도 2에서 나타냈듯이 본 발명강의 토사마모시험 결과 담금질한 상태에서 내마모성이 가장 우수하게 나타났으며 주사용조건인 담금질 및 저온 템퍼링(150∼250℃)조건에서 우수한 마모특성이 나타남을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 내마모강은 중장비용 투스 소재와 광산 및 관정용 비트 소재 그리고 파쇄정 소재로 사용할 수 있는 마모특성이 매우 우수한 소재이다.

도 3은 본 발명강 F강을 실제 버켓투스로 단품을 제작하여 사용한 예를 나타내고 있으며 내마모성이 아주 우수하게 나타남을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 내마모강 및 그 제조 방법은 마모특성이 향상되면서도 양호한 용접성을 갖는 내마모강을 제공하는 효과가 있다.

Claims

C : 0.20∼0.35중량%, Si : 0.50∼1.50중량%, Mn : 0.30∼1.60중량%, Ni : 0.40∼1.00중량%, Cr : 1.00∼2.50중량%, Mo : 0.10∼0.80중량%, Al : 0.01∼0.04중량%, P : 0.020중량%이하, S : 0.010중량%이하, N : 30∼100ppm 및 O : 25ppm이하를 포함하고, 0.01∼0.10중량%의 Ti와 0.05∼0.15중량%의 V 중에 선택된 적어도 한 종 이상을 포함하며, 잔부는 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 내마모강.
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