KR100524587B1

KR100524587B1 - 내마모 및 내충격성이 우수한 에프이-씨알계 합금주철 및그 제조방법

Info

Publication number: KR100524587B1
Application number: KR1020050032411A
Authority: KR
Inventors: 박명수; 이종원
Original assignee: 박명수; 이종원
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2005-11-01

Abstract

본 발명은 내마모 및 내충격성이 우수한 Fe-Cr계 합금주철 및 그 제조방법에 관한 것으로, 철을 주재로 포함하는 내마모 합금 주철에 있어서, 상기 합금 주철의 성분조성이 중량%로, C: 1.2~2.4, Si: 0.7~1.9, Mn: 0.8~2.0, Cr: 18~33, Mo: 0.2~0.8, Ni: 0.7~1.9, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진 합금주철 및 상기 성분조성으로 주조된 주철을 주조하는 단계와; 주조된 주철을 570~630℃까지 2~2.5시간에 걸쳐 1차 승온시킨 후 1시간 동안 유지시키는 단계와; 열처리된 주철을 다시 820~880℃까지 2차 승온시킨 후 2시간 동안 유지시키는 단계와; 열처리된 주철을 다시 1000~1050℃까지 3차 승온시킨 후 1시간 30분 동안 유지시킨 다음 열원을 제거하고 상온까지 진공분위기로 자연냉각시키는 어닐링 단계를 포함하여 이루어지는 합금주철 제조방법을 제공함에 기술적 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 내마모성이 급격히 향상됨으로써 부품의 교환주기가 길어져 생산성이 향상되고 제조비용을 절감시킴은 물론 유지관리가 용이하고 안전사고 발생율을 대폭 감소시키는 효과를 제공하고, 나아가 내충격성이 급격히 향상됨으로써 교체를 위한 부품 운반시 주변 공작물과의 충격에 의해서도 쉽게 파손되지 않아 그 사용수명이 극대화되는 효과도 제공한다.

Description

내마모 및 내충격성이 우수한 에프이-씨알계 합금주철 및 그 제조방법{Fe-Cr BASED ALLOY CAST IRON WITH EXCELLENT ABRASION AND IMPACT RESISTANCE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 내마모 및 내충격성이 우수한 Fe-Cr계 합금주철 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 높은 내마모성과 내충격성을 요하는 숏블라스트 머신의 임펠러 부품인 블레이드에 적용되어 그 사용수명을 연장할 수 있도록 한 내마모 및 내충격성이 우수한 Fe-Cr계 합금주철 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 주철(Cast Iron)은 1.7~6.7 중량%의 탄소함량을 갖는 Fe-C계 합금으로서, 충격하중이 약하기는 하나 내마모성이 높고 일반강(steel) 보다 비중이 작아 경량화가 가능하며 주조 및 가공이 용이하여 형상이 복잡하거나 대형의 기계류를 제조할 때 주로 사용되는 합금중 하나이다.

이러한 주철은 예컨대, 숏블라스트 머신(Shot Blast M/C)의 임펠러를 구성하는 블레이드(blade)로 제조되어 숏 또는 그릿이라고 하는 금속 혹은 비금속의 미세한 입자를 매분 약 2000회로 고속회전시켜 주물 표면에 투사시킴으로써 주물 표면을 깨끗하게 세정하는데 활용되며, 그 이외에도 토목건설기계의 트럭슈, 스프로켓, 투스, 롤러, 브레이커 포인트, 믹서 라이너를 포함한 시멘트기계의 분쇄볼, 플레이트, 해머, 격자판, 라이너; 콘크리트, 아스팔트기계의 믹서블레이드, 스크래퍼, 라이너, 펌프카용 트윈 파이프 및 트윈 엘보우; 펌프류의 케이싱, 슬리브, 링; 파쇄기계의 타격판, 충돌판; 준설기계의 케이싱라이너, 임펠러; 제철기계의 라이너, 링, 플레이트; 제지기계의 펄프유니트, 리화이너, 디스크 등에 활용되고 있다.

이중 숏블라스트 머신의 블레이드에 사용되는 합금 주철은 그 요구하는 내마모도를 가장 적절하게 반영하고 있는 미국재료시험협회(ASTM)의 규격을 따르고 있는 바, 예컨대 A532-ⅢA 및 A532-ⅡB의 규격이 그것이며 이 규격으로 제조된 후 진공열처리를 거쳐 사용되고 있다.

그런데, 이와 같은 규격을 갖는 숏블라스트용 블레이드는 내마모시간이 약 120~130시간 정도 밖에 되지 않기 때문에 그 사용수명이 짧아 잦은 부품 교환에 따른 설비의 가동중단이 발생하게 되며, 그에 따른 생산성 하락은 물론 재료비, 인건비의 급상승 뿐만 아니라 충격에 취약한 단점도 가지고 있어 부품 교환을 위해 운반 및 취급시 부주의로부터 발생되거나 혹은 공작물과의 충돌에 따른 파손, 고소에서 이루어지는 부품 교환작업에 따른 안전사고의 위험 상존 등 많은 단점과 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 니켈, 크롬, 망간, 몰리브덴 등의 원소를 적정량 함유시킨 다음 특별한 열처리를 거쳐 경도를 증대시킴으로써 내마모성 및 내충격성을 급격히 향상시키는 반면 주철 본연의 특성은 그대로 유지시킬 수 있도록 한 특수 합금 주철 및 그 제조방법을 제공함에 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 철을 주재로 포함하는 내마모 합금 주철에 있어서, 상기 합금 주철의 성분조성이 중량%로, C: 1.2~2.4, Si: 0.7~1.9, Mn: 0.8~2.0, Cr: 18~33, Mo: 0.2~0.8, Ni: 0.7~1.9, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진 내마모 및 내충격성이 우수한 Fe-Cr계 합금주철을 제공함에 그 기술적 특징이 있다.

또한, 본 발명은 상기 성분조성으로 주조된 주철을 주조하는 단계와; 주조된 주철을 570~630℃까지 2~2.5시간에 걸쳐 1차 승온시킨 후 1시간 동안 유지시키는 단계와; 열처리된 주철을 다시 820~880℃까지 2차 승온시킨 후 2시간 동안 유지시키는 단계와; 열처리된 주철을 다시 1000~1050℃까지 3차 승온시킨 후 1시간 30분 동안 유지시킨 다음 열원을 제거하고 상온까지 진공분위기로 자연냉각시키는 어닐링 단계를 포함하여 이루어지는 내마모 및 내충격성이 우수한 Fe-Cr계 합금주철 제조방법을 제공함에도 그 기술적 특징이 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 Ni, Cr, Mn, Mo, V, Ti 등의 원소가 내마모성 및 내충격성을 향상시키는 주요한 인자임에 착안하여 이들중 합금 주철이 갖는 본연의 특성은 그대로 유지하면서 요구하는 내마모성과 내충격성을 갖도록 한 적정한 성분조성을 이루도록 한 것이다.

즉, 본 발명에 따른 합금 주철의 성분조성은 중량%로 C: 1.2~2.4, Si: 0.7~1.9, Mn: 0.8~2.0, Cr: 18~33, Mo: 0.2~0.8, Ni: 0.7~1.9, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진다.

이와 같은 성분조성을 얻기 위한 본 출원인의 연구과정을 간략하게 소개한다면 다음과 같다.

본 출원인은 Ni, Cr, Mn, Mo, V, Ti 등의 성분원소를 적정량씩 첨가하면서 내마모도 및 내충격성에 대한 시험을 실시하였으나 원하는 효과를 기대할 수 없었다.

또한, Ni, W, Co가 내마모성을 향상시킨다는 것에 착안하여 이들 원소를 상술한 ASTM의 규격대로 제조된 블레이드의 표면에 용사코팅하는 시험을 실시한 결과 기존에 비해 30% 정도의 내마모시간이 연장되는 효과는 있었으나 내충격성을 동시에 만족할 수는 없었고 내마모시간이 획기적으로 증진되지는 못하였다.

이에, Cr이 내마모성을 조장한다는 사실에 착안하여 Cr을 다량 함유한 특수용접봉으로 육성용접하여 블레이드의 내마모시간을 시험하였으나 효과가 전혀 없었다.

결국, 본 출원인은 다년간의 연구 개발 끝에 전혀 새로운 성분조성을 갖는 합금 주철의 제조를 위해 상술한 Ni, Cr, Mn, Mo, V, Ti 등의 원소를 재구성하고 특수한 열처리를 거쳐 본 발명이 목적하는 바를 달성할 수 있었다.

이때, V, Ti는 본 발명에서 제외하였는데, 그 이유는 V는 시멘타이트(Cementite)를 안정화시켜 고합금 주철의 경도를 증가시키고 흑연의 분포를 균등하게 하기는 하지만 고가이므로 경제적인 차원에서 배제하였고, Ti는 흑연화를 조장하는 작용이 있어 칠(Chill)을 감소시키므로 절삭성을 양호하게 하기는 하지만 V, Cr과 병용하여야 하는 단점과 본 발명 블레이드는 절삭성이 요구되지 않으므로 배제한 것이다.

이러한 성분조성을 갖는 합금 주철의 내마모성과 내충격성을 급격히 향상시키기 위한 열처리 과정은 다음과 같다.

상술한 본 발명의 성분조성을 갖도록 주조된 합금 주철을 570~630℃까지 2~2.5시간에 걸쳐 승온한 후 동일온도, 즉 570~630℃의 온도로 1시간 동안 유지한다.

이 과정에서 합금 주철의 조대화된 조직이 미세화된 조직으로 균질화 처리되게 되며, 경도가 증가하고 내충격성이 향상되게 되는데 570℃ 이하로 유지하게 되면 균질화가 늦고, 630℃를 넘어서게 되면 과도한 균질화가 이루어지므로 상술한 온도범위가 가장 적당하다.

이후, 820~880℃의 온도조건까지 승온시킨 후 동일온도로 2시간 동안 유지시킨다.

이 과정은 조직이 변태되는 과정으로서 변형을 최소화하고 균열을 방지하게 되는데 상기 제시한 온도범위가 조직 변태에 가장 적합한 온도이다.

마지막으로, 1000~1050℃까지 승온한 후 동일온도로 1시간 30분동안 유지한 다음 열원을 제거하고 상온까지 진공분위기로 자연냉각시키는 어닐링과정을 거치게 된다.

이 과정에서는 경도를 최대한 상승시키고, 내마모성 및 내충격성을 극대화시켜 품질을 안정화시키기 작용이 일어나게 되는데 그에 최적합한 온도가 상기 온도범위이다.

이와 같은 열처리 과정을 거치게 되면 경도값이 열처리전 HRc57에서 HRc65까지 상승하게 된다.

이하, 본 발명에 따른 성분조성의 수치한정 사유에 대하여 설명한다.

C: 1.2 ~ 2.4 중량%

탄소는 중고 합금 주철에 있어 중요한 원소로서 주재인 철의 경도를 증가시켜 줄 뿐만 아니라 오스테나이트 기지상을 안정화시킴과 동시에 오스테나이트 기지상의 구역을 확장시켜 내식성 향상을 위한 크롬, 몰리브덴 등을 첨가할 수 있도록 하여 준다.

특히, 흑연생성을 촉진시키는 힘이 강하며, 또한 강도와 경도 등의 기계적 성질을 좌우하는 중요한 원소이다.

본 발명에서는 통상의 합금 주철에 함유된 탄소함량인 1.2~2.4중량%가 첨가됨이 바람직하며, 1.8중량%를 첨가하는 것이 특히 바람직하다.

단, 1.2중량% 미만으로 첨가되면 고형질의 탄화물을 형성시키는 문제가 발생되고, 2.4중량%을 초과할 경우에는 미용해 탄소가 기지조직중에 존재하게 되어 인성을 저해하고 거대한 기지조직 및 탄화물을 형성하여 취성, 내마모성 및 가공성을 급격히 저하시키므로 반드시 그 미만으로 첨가되도록 하여야 한다.

Si: 0.7 ~ 1.9중량%

실리콘은 용강중의 산소를 탈산시키는 기능을 가지고 있으며, 또한 마르텐사이트상을 강화시키고 용탕의 유동성을 개선시킴은 물론 그 함량에 따라 인장강도와 탄성은 증가시키지만 인성은 감소시키므로 탈산작용과 유동성을 감안하여 상기 성분조성비율로 첨가시키는 것이 바람직하다.

즉, 유동성 확보를 위해 최소 0.7중량% 이상, 그리고 1.9중량%를 초과되면 취성이 촉진되므로 이를 방지키 위해 1.9중량% 이하로 첨가됨이 바람직하다.

Mn: 0.8 ~ 2.0 중량%

망간은 주철의 탄화물을 안정화시켜 강도를 증가시키고 내마모성은 증대시키나 절삭성은 저하시킨다. 따라서, 보통은 0.7~0.8중량% 정도 첨가되지만 본 발명에서는 절삭성을 요구하지 않으므로 내마모성의 극대화를 위해 1.4중량%까지 다량 첨가시키도록 한다.

이때, 2.0중량%를 초과하게 되면 합금 주철의 조직이 취약하게 되어 크랙이 발생하므로 반드시 그 이하로 첨가시켜야 한다.

Cr: 18 ~ 33중량%

크롬은 내마모성, 내식성, 내열성을 위한 필수적인 원소이며, 주철의 시멘타이트를 안정시켜 칠(Chill)을 깊게 하는 작용이 강하다.

보통은 절삭성을 고려하여 0.2~1.25중량%까지 첨가시키지만 절삭성이 요구되지 않을 경우에는 최대 28중량%까지 첨가시키기도 한다.

그러나, 본 발명에서는 이를 더욱 극대화시키기 위해 최소 18중량%에서 최대 33중량%까지 첨가시키도록 함이 바람직하다.

이는, 본 발명에 따라 첨가되는 C의 최대 함량이 2.4중량%이므로 그와의 비, 즉 Cr/C의 비율이 13.0~15.0을 유지토록 하여 충격이 심하고 고내마모성을 요하지만 우수한 용접성은 필요치 않는 분야에 최적합한 성분함량을 유지하기 위함이다.

Mo: 0.2 ~ 0.8중량%

몰리브덴은 탄화물을 생성시키는 경향이 있기는 하지만 Cr이나 Mn보다 강하지 않고, 다른 합금원소와 병용하여 강도 및 경도를 증가시키는 효과가 있다.

또한, 인성이 크므로 내충격치 및 피로한도도 증가시킴은 물론 오스테나이트의 변태속도를 늦추는 효과가 있어 열처리를 용이하게 하여 준다.

따라서, 상기 조성비율로 첨가함이 바람직한데, 그 이유는 0.2중량% 미만으로 첨가하게 되면 침상조직이 나타나지 않아 내마모성 및 내충격성을 떨어뜨리게 되며, 0.8중량%를 초과하게 되면 오히려 충격성과 내식성을 저하시키므로 이 범위로 제한함이 바람직하다.

Ni: 0.7 ~1.9중량%

니켈은 흑연화를 조장시켜 칠(Chill)화를 방해하여 절삭성을 양호하게 하고 내충격성을 향상시키는 효과가 있다.

일반적으로, 내충격성을 향상시키기 위하여 1.2~1.4중량% 첨가하지만, 본 발명에서는 0.7중량% 이하로 첨가시켰을 때 경도가 저하되고 내충격성이 감소하게 되므로 상기 범위로 첨가함이 바람직하며, 특히 바람직하기로는 1.3중량%로 첨가될 때이다.

이하에서는, 본 발명에 따른 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

[실시예 1~3]

고주파 유도 용해장치를 이용하여 중량%로 C: 1.2~2.4, Si: 0.7~1.9, Mn: 0.8~2.0, Cr: 18~33, Mo: 0.2~0.8, Ni: 0.7~1.9, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진 용탕을 만든 다음 주형에 주입하여 합금을 제조하였다.

이때, C: 1.2, Si: 0.7, Mn: 0.8, Cr: 18, Mo: 0.2, Ni: 0.7의 성분조성으로 이루어진 것을 발명재1; C: 1.8, Si: 1.3, Mn: 1.4, Cr: 24, Mo: 0.8, Ni: 1.3의 성분조성으로 이루어진 것을 발명재2; C: 2.4, Si: 1.9, Mn: 2.0, Cr: 33, Mo: 0.8, Ni: 1.9의 성분조성으로 이루어진 것을 발명재3이라 하였으며, 이들과 대비되는 기존재는 ASTM 규격 A532-ⅢA에 의해 제조된 합금으로 하였다.

이어, 상기 발명재1,2,3을 600℃까지 2시간에 걸쳐 승온한 후 동일 온도로 1시간 동안 유지시켰다.

이후, 다시 850℃까지 승온시킨 후 동일 온도로 2시간 동안 유지시켰으며, 다시 1020℃까지 승온시킨 후 동일 온도로 1시간 30분 동안 유지시켰다.

이어, 열원을 제거하고 상온까지 진공분위기로 자연냉각시켜 합금 주철을 제조하였다.

이와 같이 열처리된 발명재1,2,3과 기존재가 갖는 경도, 내충격성 및 내마모량을 측정하여 하기한 표 1에 나타내었다.

이때, 경도는 시편의 표면을 그라인더로 동일하게 연마한 후 록크웰(Rockwell) 경도시험기를 이용하여 경도를 측정하였고, 내충격성은 육안으로 관찰하였으며, 내마모량은 블레이드를 제조한 다음 단위중량을 측정하고 이를 숏블라스트 머신에서 기존재는 약 120시간 정도 사용후 마모된 블레이드의 단위중량을 측정하였고, 발명재1,2,3은 약 1200시간 정도 사용후 마모된 블레이드의 단위중량을 측정하여 각 재의 마모 전, 후 중량차이 즉, 마모량(g)을 측정하여 각 재의 사용한 시간으로 나눈값(g/시간)으로 측정하였다.

구분	경도(HRc)	내충격성	마모량(g/시간)
발명재 1	65	○	0.078
발명재 2	64	◎	0.073
발명재 3	66	○	0.071
기존재	55	△	0.801

(이때, 내충격성은 일정량의 타격을 가한 후 육안으로 관찰하였는 바, 매우 우수:◎, 우수:○, 보통:△, 불량:×로 나타내었다.)

상기 표 1에서와 같이, 본 발명에 따르면 발명재1,2,3은 경도, 내충격성, 내마모성이 기존재에 비해 월등히 향상된 것을 확인할 수 있었다.

나아가, 상기 실시예에 따른 발명재1,2,3과 기존재를 실제 임펠러에 장착하여 그 부품교환주기를 테스트한 결과 발명재1,2,3은 약 1200시간 사용후 마모되어 교환하였고, 기존재는 약 120시간 정도 사용후 마모되어 교환하였으므로 기존재는 주 1회 가동을 중단하고 부품교환 작업을 실시하여야 하였으며 발명재1,2,3은 약 10주에 1회 교환작업을 실시하였다.

이를 통해, 본 발명에 따른 합금 주철은 기존재보다 내마모성은 약 10배 이상 향상되어 수명을 10배 이상 연장할 수 있음을 확인하였고, 내충격성도 발명재1,2,3이 기존재보다 우수함을 확인시켜 주었다.

나아가, 이와 같은 특성을 이용한다면 본 발명이 속한 분야인 숏블라스트 임펠러용 블레이드는 물론 본 발명의 종래 기술에서 언급하고 있는 각종 산업기계 전반에 걸쳐 그 활용도가 극대화될 수 있음을 확인할 수 있었다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 합금 조성물과 열처리 조건에 따라 제조된 주철은 내마모성이 급격히 향상됨으로써 부품의 교환주기가 길어져 생산성이 향상되고 제조비용을 절감시킴은 물론 유지관리가 용이하고 안전사고 발생율을 대폭 감소시키는 효과를 제공한다.

또한, 내충격성이 급격히 향상됨으로써 교체를 위한 부품 운반시 주변 공작물과의 충격에 의해서도 쉽게 파손되지 않아 그 사용수명이 극대화되는 장점을 가진다.

Claims

철을 주재로 포함하는 내마모 합금 주철에 있어서,

상기 합금 주철의 성분조성이 중량%로,

C: 1.2~2.4, Si: 0.7~1.9, Mn: 0.8~2.0, Cr: 18~33, Mo: 0.2~0.8, Ni: 0.7~1.9, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 내마모 및 내충격성이 우수한 Fe-Cr계 합금주철.
상기 청구항 1에 기재된 성분조성을 갖는 합금 주철을 주조하는 단계와;

주조된 합금 주철을 570~630℃까지 2~2.5시간에 걸쳐 1차 승온시킨 후 1시간 동안 유지시키는 단계와;

열처리된 합금 주철을 다시 820~880℃까지 2차 승온시킨 후 2시간 동안 유지시키는 단계와;

열처리된 합금 주철을 다시 1000~1050℃까지 3차 승온시킨 후 1시간 30분 동안 유지시킨 다음 열원을 제거하고 상온까지 진공분위기로 자연냉각시키는 어닐링 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내마모 및 내충격성이 우수한 Fe-Cr계 합금주철 제조방법.