KR100528120B1 - 주강합금 및 이를 소재로 한 고강도, 고인성의 오스템퍼드고탄소강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오스템퍼드 고탄소강이 구상흑연을 제외한 고탄소 페라이트와 고탄소 잔류 오스테나이트로 이루어지도록 하여 ADI에 비해 더 우수한 인장강도를 갖고, 주철에서 얻을 수 없는 높은 연신율을 가지며 제조시 비용절감 효과는 물론, 오스페라이트 조직을 흑연 없이 균일하게 형성시키고, 적절한 열처리를 통해 강제품에 요구되는 소요의 인성과 신율 및 강도 혹은 그 이상의 기계적 특성을 발휘할 수 있도록 한 주강합금 및 이를 소재로 한 고강도, 고인성의 오스템퍼드 고탄소강의 제조방법에 관한 것이다.

C 0.6∼1.2%, Si 1.0∼4.5%, Mn 0.1∼∼.4%를 주원소로 규정하고 이 소재만으로 고탄소강을 제조한 후 열처리를 하여도 고강도, 고인성의 오스템퍼드 고탄소강을 만들 수 있으며,

기계적 특성을 더욱 향상시키거나 경화능을 위해, Cr 1.0% 이하, Mo 1.0% 이하, Cu 2.0% 이하, Ni 2.0% 이하를 추가하여 나머지 87.8∼95%의 Fe로 조성된 주강합금의 혼합물을 전기로, 유도로, 또는 기타 용해로로 용해하여 고탄소강을 제조하도록 한다.

상기의 주강합금을 가지고 무산화 분위기 로에서 소재의 심부까지 850℃∼1000℃로 가열한 후 그 온도에 도달한 때로부터 1∼5시간 유지시킨 후 250℃∼400℃의 저온 염욕로에 넣어 급냉(quenching)시킨 후(10분∼120분) 공기 중에 냉각하여 고인성, 고강도를 특징으로 하는 오스템퍼드 고탄소강의 제조방법을 제공함을 특징으로 한다.

Description

주강합금 및 이를 소재로 한 고강도, 고인성의 오스템퍼드 고탄소강의 제조방법{compound metal and making mathod of austempered high carbon with high-intensity, high-lenacity}

본 발명은 주강합금 및 이를 소재로 한 고강도, 고인성의 오스템퍼드 고탄소강의 제조방법에 관한 것으로, 특히 오스템퍼드 고탄소강이 구상흑연을 제외한 고탄소 페라이트와 고탄소 잔류 오스테나이트로 이루어지도록 하여 ADI에 비해 더 우수한 인장강도를 갖고, 주철에서 얻을 수 없는 높은 연신율을 가지며 제조시 비용절감 효과는 물론, 오스페라이트 조직을 흑연 없이 균일하게 형성시키고, 적절한 열처리를 통해 강제품에 요구되는 소요의 인성과 신율 및 강도 혹은 그 이상의 기계적 특성을 발휘할 수 있도록 한 주강합금 및 이를 소재로 한 고강도, 고인성의 오스템퍼드 고탄소강의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 C 0.6∼1.2%, Si 1.0∼4.5% 의 성분을 가진 강재는 그 자체 및 어떤 열처리를 행하더라도 좋지 못한 특성으로 인해 흔히 사용하지 않는다는 것은 이미 주지된 사실이다.

그러나 상기의 C 0.6∼1.2%, Si 1.0∼4.5% 의 성분을 가진 강재를 적절한 방법으로 오스템퍼링 열처리를 하면 기지조직이 고탄소 페라이트와 고탄소 오스테나이트로 이루어진 오스페라이트라는 조직으로 변태되어 우수한 인장강도(1000∼2000MPa)와 연신율(∼20%)을 가지게 된다.

그리고 상기의 오스페라이트 조직을 갖는 강재는 종래에 단조강이나 합금강과 비교해도 기계적 성질이 뒤떨어지지 않거나 더 우수한 특성을 지니게 된다.

또한 이것과 비슷한 조직을 가지는 ADI(Austempered Ductile Cast Iron)는 구상흑연 주철을 오스템퍼링 열처리하여 주강이나 단조강에 필적하거나 그 이상의 기계적 성질을 나타낼 만큼 우수한 특성을 가지고 있으며 이것의 미세조직은 구상흑연, 고탄소 페라이트, 고탄소 잔류 오스테나이트로 이루어져 있다.

그러나 상기의 원소 중에서 구상흑연이 크랙의 시발점으로 작용하여 인장강도나 충격강도 등 기계적 특성에 좋지 않은 영향을 미치게 되는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 오스템퍼드 고탄소강이 구상흑연을 제외한 고탄소 페라이트와 고탄소 잔류 오스테나이트로 이루어지도록 하여 ADI에 비해 더 우수한 인장강도를 갖고, 주철에서 얻을 수 없는 높은 연신율을 가지며 제조시 비용절감 효과는 물론, 오스페라이트 조직을 흑연 없이 균일하게 형성시키고, 적절한 열처리를 통해 강제품에 요구되는 소요의 인성과 신율 및 강도 혹은 그 이상의 기계적 특성을 발휘할 수 있도록 한 주강합금 및 이를 소재로 한 고강도, 고인성의 오스템퍼드 고탄소강의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주강합금 및 이를 소재로 한 고강도, 고인성의 오스템퍼드 고탄소강의 제조방법은 C 0.6∼1.2%, Si 1.0∼4.5%, Mn 0.1∼∼.4%를 주원소로 규정하고 이 소재만으로 고탄소강을 제조한 후 열처리를 하여도 고강도, 고인성의 오스템퍼드 고탄소강을 만들 수 있으며,기계적 특성을 더욱 향상시키거나 경화능을 위해, Cr 1.0% 이하, Mo 1.0% 이하, Cu 2.0% 이하, Ni 2.0% 이하를 추가하여 나머지 87.8∼95%의 Fe로 조성된 주강합금의 혼합물을 전기로, 유도로, 또는 기타 용해로로 용해하여 고탄소강을 제조하도록 한다.

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즉, 상기의 주강합금을 가지고 무산화 분위기 로에서 소재의 심부까지 850℃∼1000℃로 가열한 후 그 온도에 도달한 때로부터 1∼5시간 유지시킨 후 250℃∼400℃의 저온 염욕로에 넣어 급냉시킨 후(10분∼120분) 공기 중에 냉각하여 고인성, 고강도를 특징으로 하는 오스템퍼드 고탄소강의 제조방법을 제공함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 금속 소재의 성분 규정의 이유를 설명하면,

C는 ADI에서 흑연을 제외한 기지조직인 오스페라이트의 탄소함량을 기준으로 한 것으로, 0.8% 이하일 경우에는 오스템퍼링 열처리 시에 도 1의 사진에서와 같이 펄라이트와 페라이트로 바뀔 뿐만 아니라 오스테나이트에 충분히 탄소를 고용하지 못해 상온에서 안정한 오스테나이트로 있지 못하게 된다. 그리고 1.2% 이상일 경우에는 도 2의 사진에서와 같이 구상흑연의 생성으로 인해 기계적 특성이 떨어지게 된다.

Si은 그 양에 따라 오스페라이트의 생성여부 및 생성범위에 큰 변화를 주므로 아주 중요한 원소라고 볼 수 있다. 주로 탄화물 석출을 억제하는 역할을 하는데, 0.9% 이하일 경우에는 탄화물의 석출을 억제하지 못해 도 3의 사진에서와 같이 강의 베이나이트를 형성시켜 기계적 특성을 떨어뜨리게 되고, 4.5% 이상일 경우에도 과 고용된 Si로 인하여 기계적 특성을 떨어뜨리게 된다.

Mn은 오스테나이트 안정화 원소로서 0.1% 이하가 되면 상온에서 오스테나이트가 존재하지 못하게 되며, 0.4% 이상일 경우에는 편석을 일으켜 도 4의 그래프에 도시한 바와 같이 기계적 특성을 떨어뜨리게 된다.

Ni, Cu, Mo 는 경화능(austemperability)을 향상시키는 역할을 한다. 두꺼운 제품일 경우 심부까지 균일하게 오스페라이트를 형성시키기 위해 사용되며 도의 그래프를 통해 그것을 확인할 수 있다. 또한 약간의 기계적 특성 향상을 가져온다. 각각의 원소 첨가만으로도 효과를 볼 수 있으나 복합적으로 사용하는 것이 더 큰 효과를 볼 수 있다.

Cr 또한 경화능을 향상시키고, 오스테나이트 안정화 역할을 가져온다. 그러나 제조비용이 상승하는 단점이 있다.

그러므로 C 0.6∼1.2%, Si 1.0∼4.5%, Mn 0.1∼0.4%를 주원소로 규정하고 이 소재에 Cr 1.0% 이하, Mo 1.0% 이하, Cu 2.0% 이하, Ni 2.0% 이하, 그리고 나머지 87.8∼95%의 Fe로 조성된 주강합금의 혼합물을 전기로, 유도로, 또는 기타 용해로로 용해할 때 고탄소강을 제조할 수 있게 된다.

상기의 주강합금을 가지고 무산화 분위기 로에서 소재의 심부까지 850℃∼1000℃로 가열하고 이 가열온도에 도달한 때로부터 1∼5시간 유지시키는 과정과,

상기의 250℃∼400℃의 저온 염욕로에 넣어 10분∼120분동안 급냉시킨 후 공기 중에 냉각하는 과정들에 의해 열처리를 하였을 때 다음의 표 1에 도시한 바와 같이 신율과 인장강도에서 강제품에 상응 및 능가하는 고인성, 고강도 오스템퍼드 고탄소강을 만들 수 있다.즉, 상기 수치한정된 온도와 시간 등은 하기에 서술될 실시예들 뿐만이 아니라 본 출원인이 다수번의 실험과 결과를 산출하여 그 최적치를 뽑아낸 경험치이다.

(표 1) : 주강합금의 합금성분

원소	C	Si	Mn	Cu	Ni	Mo	Cr
중량%	0.6∼1.2	1.0∼4.5	0.1∼0.4	2.0 이하	2.0 이하	1.0 이하	1.0 이하

(실시예 1)

주강합금 소재 제조

본 실험에 사용한 고탄소 고규소 강의 용해는 대기중의 고주파 유도로에서 실시하였다. 탄소는 ADI의 기지와 비슷하게 하려고 했으며, 별도의 가탄제를 첨가하지 않고 선철(pig iron)과 금속 조각(Steel scrap)을 이용하여 탄소함량을 조절하였다.

규소의 함량변화는 페로실리콘(Fe-75%Si)을 첨가하여 조절하였으며, 슬래그를 제거한 후 용탕중의 산소를 제거하기 위해 Al을 용탕의 0.2% 정도로 첨가하였다.

용탕 처리 후 1620℃ 까지 과열(superheating)하였으며 도 6에 도시한 바와 같이 와이-블록(Y-Block) 형상의 사형에 주입하여 냉각시켰다.

추가 특성을 위해 Mo, Ni, Cu, Cr 또한 적절한 양으로 주입하였다.

이러한 방법으로 도 7에 도시한 것과 같은 시험편을 제작하였으며, 제작한 시험편은 CS 분석과 ICP 분석을 이용하여 성분을 분석하였고, 그 결과는 다음의 표 2에 나타난 바와 같다.

여기서 표 2에는 성분 분석의 대표적인 것만 예시한 것이다.

(표 2) : 시험편의 화학조성

alloy	Element (Weight Percent, wt%)
	C	Si	Mn	Mo	Ni	Cu	Cr
A	0.9	1.3	0.30	0.02	0.01	0.01	-
B	1.2	1.4	0.31	1.0	0.01	0.02	0.01
C	0.7	2.3	0.30	0.28	0.02	1.98	-
D	0.9	2.3	0.31	0.29	0.01	0.01	1.02
E	1.2	2.4	0.32	0.29	0.01	0.03	0.001
F	0.9	2.4	0.34	0.30	1.95	0.03	-
G	1.02	2.45	0.4	0.02	0.01	0.01	0.003
H	0.55	1.7	0.27	0.01	0.01	-	-
I	1.26	1.9	0.32	0.02	0.01	0.02	0.03

(실시예 2)

오스템퍼링 열처리 - 기본 조성

상기 표 2의 합금 G는 C, Si, Mn만을 기본 조성으로 하는 소재이다. 이것을 도 7에 도시한 것과 같이 만든 시험편 다수로 도 8에 그래프로 도시한 것과 같은 열처리 사이클을 거치게 한다.

좀 더 상세히 설명하면, 시편의 고온 산화를 방지하기 위해 먼저 열처리로의 온도를 850℃∼1000℃로 가열한 후 신속하게 시편을 로의 내부로 장입한 후, 불활성 기체를 주입하여 로의 내부를 무산화 분위기로 만든다. 이때 시편을 주입하면 로의 온도가 떨어지게 되는데 다시 설정한 온도로 회복시키게 되면 이때부터를 오스테나이타이징 개시시간으로 설정하여 1∼5 시간 유지시킨 후 250℃∼400℃의 저온 염욕로에 넣어 10분∼120분 동안 급냉시켰다. 염욕에서 시간을 변화시켜 가면서 오스템퍼링을 행한 후 공기 중에서 냉각하였다.

이렇게 제작한 시험편의 물성치를 시험한 결과 물성의 평균치는 다음의 표 3에 도시한 바와 같다.

그 결과는 도 9에 그래프로 도시한 바와 같이 오스템퍼링 온도가 높을수록 인장강도는 떨어지고 연신율은 점차 증가하다가 400℃부터 떨어지기 시작하는 현상을 볼 수 있다.

이것은 오스템퍼링 온도가 높을수록 고탄소 페라이트와 고탄소 잔류 오스테나이트가 조대해지므로 인해서 생기는 현상이고, 연신율이 400℃부터 떨어지는 이유는 온도가 높을수록 탄소확산이 급속히 진행되기 때문에 오스템퍼링 반응이 빨라져서 고탄소 오스테나이트로부터 탄화물이 생성되었기 때문이다. 또한 250℃ 이하는 침상의 페라이트가 형성되어서 낮은 연신율을 나타내고 있다.

(표 3) : 시험편의 물성치-1

Austemperingtemperature (℃)	Yield strength(MPa)	Tensile strength(MPa)	Elongation(%)
260	1800 ±55	2100 ±61	1.8 ±0.5
288	1750±60	2090± 63	2.1 ±1.2
302	1645± 45	2010± 54	3.2 ±1.5
316	1550± 51	1930± 46	4.2± 3.5
357	1480± 36	1670± 51	5.1± 2.5
371	1310± 42	1490± 38	6.2± 1.8
385	1060± 46	1310± 26	7.0± 2.6
399	988± 31	1088± 49	2.3± 1.3

(실시예 3)

오스템퍼링 열처리 - 추가 원소 첨가 조성

상기 표 2의 A, B, C, D, E, F는 기본 조성에 Mo, Ni, Cu, Cr을 추가로 하여 만든 소재이다.

이것을 도 7에 도시한 것과 같이 만든 시험편 다수를 도 8에 도시한 바와 같은 열처리 사이클을 거치게 한다.

좀 더 상세히 설명하면, 시편의 고온 산화를 방지하기 위해 먼저 열처리로의 온도를 850℃∼1000℃로 가열한 후 신속하게 시편을 로의 내부로 장입한 후, 불활성 기체를 주입하여 로의 내부를 무산화 분위기로 만든다. 이때 시편을 주입하면 로의 온도가 떨어지게 되는데 다시 설정한 온도로 회복되면 이때부터 오스테나이타이징 개시 시간으로 설정하여 1∼5시간 유지시킨 후 250℃∼400℃의 저온 염욕로에 넣어 급냉시켰다.

염욕에서 시간을 변화시켜 가면서 오스템퍼링을 행한 후 공기 중에서 냉각하였다. 이렇게 제작한 시험편의 물성치를 시험한 결과 물성의 평균치는 다음의 표 4에 도시한 바와 같다.

합금 C의 경우, 인장강도가 1000 MPa 이상이면서 연신율이 20%까지 나오는 것을 볼 수 있으며 이외의 대부분의 물성치가 강제품의 대체소재로 만족스럽게 사용될 수 있으며, 표 5는 그 구체적인 적용제품을 예시한다.

(표 4) : 시험편의 물성치-2

Alloy	Austmeperingheat treatment		Yield strength(MPa)	Tensile strength(MPa)	Elongation(%)
A	316℃	1 hr	1151	1454	3.5
		2 hr	1323	1578	3.8
B	316℃	1 hr	1110	1461	3.6
		2 hr	1254	1530	2.5
C	357℃	0.5 hr	723	992	20.0
		1 hr	786	1041	12.8
		2 hr	772	1013	20.0
D	316℃	0.2 hr	1158	1468	10.5
		2 hr	1303	1592	7.5
E	316℃	1 hr	1116	1358	3.5
		2 hr	1116	1399	3.8
F	316℃	1 hr	1013	1516	6.5
		2 hr	1041	1392	6.0

(표 5) : 템퍼링 온도에 따른 적용제품

온도, ℃	적용 제품
250 ~ 300	내마모용품, 숏블라스트 머신용내마모판, 파쇄기 부품, 단조 및 프레스 금형, 건설용 내마모부품 등.
310 ~ 360	피니언기어 및 휠, 스프로켓, 롤, 고강도 기어, 단조 및 프레스 금형, 철도 차량용브레이크슈, 기타 내마모용품 등.
370 ~ 400	철도차량용 차륜, 각종 기어류, 지게차 및 자동차용 너클, 크랭크샤프트, 콘로드, 요크, 패드 스프링, 브라켓류, 휠 등.

이상 기술한 바와 같이 본 발명의 주강합금 및 이를 소재로 한 고강도, 고인성의 오스템퍼드 고탄소강의 제조방법에 의하여서는 Cr 1.0% 이하, Mo 1.0% 이하, Cu 2.0% 이하, Ni 2.0% 이하, 나머지 87.8∼95%의 Fe로 조성된 주강합금을 무산화 분위기 로에서 소재의 심부까지 850℃∼1000℃로 가열하고,

그 온도에 도달한 때로부터 1∼5시간 유지시킨 후 250℃∼400℃의 저온 염욕로에 넣어 10분∼120분 동안 급냉시키고,

공기 중에 냉각하여 고인성, 고강도를 특징으로 하는 오스템퍼드 고탄소강을 제조하도록 함으로써 저렴한 가격으로 기존의 강으로 된 각종 부품의 대체 및 더 향상된 부품으로 발전할 수 있어서 경제적이고도 신뢰할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 C가 8% 이하인 경우에 열처리한 후의 조직사진.

도 2는 C가 1.2% 이상인 경우에 열처리하였을 때 구상흑연이 생성된 상태의 사진.

도 3은 C가 1.0%, Si가 0.9%일 경우에 열처리한 후의 조직사진.

도 4는 Mn의 양에 따라 기계적 특성의 변화상태를 나타낸 그래프.

도 5는 오스템퍼링시 각 원소의 경화능을 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명에 따른 Y-Block 시편의 형상을 나타낸 개략도.

도 7은 본 발명에 따라 시편을 인장시킨 규격을 나타낸 개략도.

도 8은 본 발명의 열처리 사이클을 나타낸 그래프.

도 9는 본 발명의 오스템퍼링 온도와 인장강도, 연신율과의 관계를 나타낸 그래프.

Claims (3)

1. C, Si, Mn, Mo, Ni, P, S 및 Fe등의 요소로 이루어진 주강과, 강도와 연성이 높고 내마모성과 절삭성이 뛰어난 소량의 흑연을 갖는 오스템퍼 구상흑연주강에 있어서,

   C 0.6∼1.2%, Si 1.0∼3.0%, Mn 0.1∼0.4% 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 통해 전기로, 유도로로 제조하여, 높은 강도와 인성이 있으며, 수송산업, 금형, 건설용부품으로 사용되는 것을 특징으로 하는 주강합금.
2. C, Si, Mn, Mo, Ni, P, S 및 Fe등의 요소로 이루어진 주강과, 강도와 연성이 높고 내마모성과 절삭성이 뛰어난 소량의 흑연을 갖는 오스템퍼 구상흑연주강에 있어서,

   C 0.6∼1.2%, Si 1.0∼3.0%, Mn 0.1∼0.4%, Cr 0.1∼1.0%, Mo 0.2∼0.4%, Cu 0.6∼1.2%, Ni 1.2∼2.0% 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 통해 전기로, 유도로로 제조하여, 높은 강도와 인성이 있으며, 수송산업, 금형, 건설용부품으로 사용되는 것을 특징으로 하는 주강합금.
3. 고탄소강의 제조방법에 있어서,

   상기 1항 내지 2항의 주강합금을 가지고 무산화 분위기 로에서 소재의 심부까지 850℃∼1000℃로 가열하고 이 가열온도에 도달한 때로부터 1∼5시간 유지시키는 과정과,

   상기의 250℃∼400℃의 저온 염욕로에 넣어 10분∼120분동안 급냉시킨 후 공기 중에 냉각하는 과정들에 의해 수행됨을 특징으로 하는 주강합금을 소재로 한 고강도, 고인성의 오스템퍼드 고탄소강의 제조방법.