KR100615951B1 - 산화물 분산 강과 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 출원의 발명은 산화물 분산 강과 그의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 출원의 발명은 산화물이 균일하고 미세하게 분산하고, γ립의 성장을 억제할 수 있는 산화물 분산 강과 그의 제조방법에 관한 것이다.

본 출원은 γ역 온도로 가열된 때의 γ립의 성장을 억제함을 과제로 하고, 그 해결수단은 탄소강에서 산화물을 입자경 1㎛ 이하이고, 입자간격 6㎛ 이하로 미세하고도 균일하게 분산하도록 하였다.

따라서, 본 출원 발명에 의해 과산화물이 균일하고도 미세하게 분산한 산화물 분산 강이 제공된다. γ역 온도에서의 가열에 의해 γ립의 성장이 억제되고, 탄소강의 고강도화를 효율적으로 진행할 수 있다.

탄소강, 산화물 분산 강

Description

산화물 분산 강과 그의 제조방법{Oxides dispersion steel and making process thereof}

도 1은 실시예 1에서 용강의 생성에 대하여 나타낸 단면도,

도 2는 용강의 과냉응고에 대해 개념적으로 도시한 시간-온도 그래프,

도 3은 과냉응고한 시료의 조직을 도시한 도면 대용 주사형 전자현미경사진,

도 4는 제작한 시료를 1200℃에서 가열한 때의 가열온도와 γ입경의 관계를 도시한 그래프,

도 5는 제작한 시료를 가열과 함께 그 도중에 압연가공한 때의 γ입경을 가열 및 가공시간의 관계로 도시한 그래프이다.

*부호의 설명*

1 : 탄망로(爐)

2 : 슬래그(Slag)

3 : 용강(溶鋼)

4 : 도가니

5 : 흑연히터

6 : 열전대

본 출원의 발명은 산화물 분산 강과 그의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 출원의 발명은 산화물이 균일하고 미세하게 분산하고, γ립의 성장을 억제할 수 있는 산화물 분산 강과 그의 제조방법에 관한 것이다.

탄소강의 고강도화에는 페라이트(α)립의 미세화가 필요로 된다. 그 실현은 변태전의 오스테나이트(γ)립의 성장을 어떻게 억제하고, 가공시의 변태저항을 경감하는가가 1조건으로 되어 있다. γ역 온도에서의 γ립의 성장을 억제하는 한 방책으로써 압연가공에 의해 γ립을 미세화하는 것이 알려져 있다. 그렇지만, 이 경우에는 γ립을 소요입자경으로 하기에 수회의 압연가공이 필요하고, 결코 효율이 양호하다고 말하기 어렵다. 그래서, 탄소강의 조직내에 산화물을 분산시키는 것이 검토되고 있다.

탄소강의 조직내에 산화물을 분산시키는 방법으로써는 소정 입경을 갖는 산화물 분말을 용강중에 직접 첨가하던가, 금속분말을 혼합하고, 와이어(Wire)상으로 하여 첨가하는 것이 일반적이다.

그렇지만, 이들 어느 방법에 있어서도 산화물 분말의 합체·응질이 일어나기 쉽고, 조대한 2차입자로 되므로 산화물은 조직중에 균일하고도 미세하게는 분산하지 않는다.

본 출원의 발명은 이상과 같은 사정을 감안하여 된 것으로, 산화물의 균일하 고도 미세한 분산을 실현하고, γ립의 성장을 억제할 수 있는 산화물 분산 강과 그의 제조방법을 제공함을 목적으로 하고 있다.

본 출원의 발명은 상기 과제를 해결하는 것으로써, 탄소강에 있어서, 산화물은 입자경 1㎛ 이하이고, 입자간격 6㎛ 이하에서 미세하고도 균일하게 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 산화물 분산 강을 제공한다(청구항 1).

본 출원의 발명에 있어서는 산화물 분산 강은 질량%로 C를 0.8% 이하, Si를 0.5% 이하, Mn을 3.0% 이하, S를 0.02% 이하 함유하고, 게다가, Ti, Mg, Al중 어느 하나이상을 0.3% 이하 함유하는 화학조성을 가지는 것을 양호한 태양의 하나로써 하고 있다(청구항 2).

또한, 본 출원의 발명은, 상기 산화물 분산 강의 제조방법에 있어서, 용강을 그 표면을 응고핵으로 되는 물질과 접촉시키지 않고 유지·냉각하고, 과냉각상태로 된 용강에서 산화물을 정출(晶出)시키는 것을 특징으로 하는 산화물 분산 강의 제조방법을 제공하는 것에도 있다(청구항 3). 이 제조방법에 있어서는, 용강을 비접촉 용해·응고에 의해 냉각하고(청구항 4), 또는, 복수의 산화물로 되는 슬래그로 둘러싸는(청구항 5), 혹은 상기 슬래그내로 유입하는(청구항 6) 것에 의해 냉각하고, 과냉각상태로 하는 것을 양호한 태양으로 하고 있다.

[발명의 실시의 형태]

본 출원 발명의 발명자들은 상기 과제에 대하여 예의 검토한 결과, 과냉응고(過冷凝固)에 의해 급냉응고와 비교하여 응고속도가 개선되고, 2차 탈산생 성물, 즉 산화물의 정출장소인 덴드라이트수(樹)사이의 거리가 단축하는 것을 찾아내고, 정출산화물사이의 거리 및 입경의 제어가 가능하다는 것을 확인했다. 과냉응고에 의한 산화물간의 거리는 아래의 시험식에 따른다. 즉,

D = (1.15×10⁶ / (800ΔT+8000))^0.5

여기서, D : 산화물간 거리(㎛), ΔT : 과냉도(K)이다.

과냉상태란 물질이 액체상태로 있으면서 융점이하의 온도로 되어 있는 상태를 말한다. 본 출원 발명에서는, 과냉상태는 용강표면을 예컨대, 내화재, 주형(鑄型)등의 응고핵으로 되는 물질과 접촉시키지 않고 유지·냉각함에 의해 실현되고, 구체적으로는 용강의 비접촉 용해·응고 또는 용강을 복수의 산화물로 되는 슬래그로 둘러쌓고, 혹은 그 슬래그내로 유입함에 의해 실현된다. 이때, 용강온도는 융점이하로 된다. 용강을 비접촉 용해·응고하는 경우에는, 예컨대, 1㎑ 이상의 고주파 자장에 의해 발생하는 자기압에 의해 용강을 중력에 반하여 부유시켜 비접촉상태에 두고, 용강표면을 방사냉각과 함께 기체냉각하는 등으로 하여 냉각하는 것이 예시된다.

그리고, 과냉상태로 된 용강에서는 미세한 입자경을 갖는 산화물이 상기 식에 따른 간격으로 정출한다. 그 결과, 산화물이 조직중에 균일하고 미세하게 분산하게 된다.

본 출원의 발명에 있어서, 산화물의 균일하고 미세한 분산에 관하여 입자경 1㎛ 이하, 입자간격 6㎛ 이하로 규정하고 있지만, 이는 이하의 점에 기초한다.

입자경은 파괴란 관점에서 규정하고 있다. 즉, 입자경이 1㎛ 이하인 한 산화물이 파괴의 기점으로 될 염려는 없다. 입자간격은 입자물의 분산밀도를 실질적으로 의미하지만, 이는 가열에 의해 성장하는 γ립의 허용되는 입자경에 기하여 규정하고 있다. 즉, 입자간격 6㎛ 이하는 γ역 온도에서 성장하는 γ립의 입자경이 60㎛ 이하로 되는 체적율에 상당한다.

이러한 산화물 분산 강의 화학조성에 대해서는, 질량%로 C를 0.8% 이하, Si를 0.5% 이하, Mn을 3.0% 이하, S를 0.02% 이하, 게다가, Ti, Mg, Al중 어느 하나이상을 0.3% 이하 함유하는 것이 일반적으로 예시된다. 이들 원소내에 Ti, Mg, Al이 산화물 생성원소이고, 또, 탄소강에 분산시키는 산화물의 생성원소로써 통상 선택되는 원소이기도 하다. 이들 원소는 배합량의 30% 정도가 산화물로 된다. 이 때문에, 질량%로 0.3% 이하의 배합량이란 산화물이 입자경 1㎛ 이하 입자간격 6㎛ 이하로 되는 때의 양에 필적한다.

더구나, 상기 수치규정에 있어서 상한만이 명시되어 있지만, 이는 0을 포함하는 것을 의도하지는 않는다. 왜냐하면, 입자경, 입자간격 및 질량%는 한없이 0에 접근하는 것이기는 해도 0으로 되는 것은 실제로는 없기 때문이다.

예를들어, 이상에 나타내는 본 출원의 발명에 의하여 탄소강의 조직중에 산화물을 균일하고도 미세하게 분산시키는 것이 가능하고, 가열에 수반하여 γ립의 성장이 억제되고, γ입경을 축소시킬 수 있다. 페라이트립의 미세화에 과해지는 조건이 완화되어 예컨대, γ립을 보다 미세화하기 위해 압연가공할 때의 가공량(횟수)을 감소시킬 수 있다.

[실시예]

(실시예 1)

표 1

화학조성 (질량%)	C	Si	Mn	P	S	Ti
	0.15	0.19	1.51	0.019	0.02	0.08

표 1에 나타낸 화학조성을 가지는 강을 SiO₂, Al₂O₃, Na₂O 등의 혼합산화물 분말 또는 과립내에 매설하고, 무산화 분위기중에서 도 1에 도시한 탄망로(1)에 의해 용해하고, 액상선 온도보다도 50℃ 높은 온도로 가열하여 1차 탈산생성물이 유리상의 혼합산화물, 즉 슬래그(2)에 흡착될때까지 방치했다. 이어서, 용강(3)을 슬래그(2)에 둘러싼 채의 상태로 과냉응고시켰다. 이때의 용강의 온도는 융점의 차, 즉 도 2에 도시한 과냉도(ΔT)는 40K로 했다.

게다가, 도 1의 도면중 부호 4는 도가니, 5는 흑연히터, 6은 열전대를 나타내고 있다.

이렇게 하여, 과냉응고를 행한 주편(鑄片)은, 도 3에 그 주사형 전자현미경 사진을 나타낸 바와 같이, 정출한 산화물의 평균입자경은 1㎛이고, 평균입자간격은 5.4㎛이었다. 이 산화물이 평균입자경 및 평균입자간격은 두께 10㎝의 주편 중심부에서도 동일하였다. 산화물은 균일하고도 미세하게 하고 있었다.

그리고, 이 과냉응고한 주편에서 가열에 의한 γ립의 성장에 대하여 조사했다. 즉, 주편을 1200℃에서 10000초까지 각 시간으로 유지한 후에 냉각한 때의 γ입경을 측정했다. 그 결과가 도 4에 도시한 그래프이다. 후술하는 비교예 1과의 대비로부터 명확한 바와 같이, γ립의 성장이 억제되고 있는 것이 확인된다. 또한, 과냉응고한 주편을 용접 열영향부와 거의 같은 가열조건으로 되는 1400℃에서 1초간 유지후에 급냉한 경우에는 γ입경은 75㎛이고, γ립의 성장이 억제되었다.

더구나, γ립의 미세화에 유효로 되는 압연가공을 하고, 이어서 가열한 때의 γ립의 성장에 대해서도 조사했다. 즉, 1회째의 가공까지는 주편을 1200℃로 유지하고, 그 후, 4회 압연가공을 하고, 최종 가공후에는 750℃로 유지했다. 도 5에 도시한 그래프는 그 결과를 도시한 것이다. 본 도 5에서 명확한 바와 같이, 압연가공에 의해 γ립은 축소하지만, 과냉응고한 주편인 경우에는 1회의 압연가공에서 γ립은 입경 40㎛ 이하로 미세화한다. 후술하는 비교예 1에 비해 γ립의 미세화가 효율적으로 행해질 수 있는 것이 확인되었다.

(비교예 1)

표 1에 도시한 화학조성을 가지는 강을 슬래그에 둘러싸아 냉각하고 과냉각이 생기지 않는 상태에서 응고시켰다. 주편 표면에서 10㎜에 위치하는 정출한 산화물의 입자경은 1㎛ 보다 크고, 평균입자간격은 17㎛이었다.

이 주편에 관해서도 실시예 1과 동일하게 가열에 의한 γ립의 성장을 조사했다. 즉, 주편을 1200℃에서 10000초까지 각 시간으로 유지한 후에 급냉한 때의 γ입경을 측정했다. 그 결과는 도 4에 묶어서 나타냈다. γ립의 성장은 과냉응고한 주편에 비해 크다. 이렇게, 크게 성장한 γ립을 가공 열처리에 의해 변형하고, 그 입계에서 α립을 발생시키기에 필요로 되는 가공량은 상기 실시예 1에 나타낸 과냉응고재의 대략 3배로 된다. 이는 가공을 위해 보다 많은 에너지가 필요하고, 또, 대형의 가공장치를 필요로 하는 것을 의미한다.

또한, 이 주편을 용접 열영향부와 거의 같은 가열조건으로 되는 1400℃에서 1초간 유지후에 급냉한 경우에는 γ입경은 215㎛이나 되고, 실시예 1의 과냉응고재의 경우의 대략 3배이었다.

더구나, 실시예 1과 동일하게, 압연가공을 행하고 이어서 가열한 때의 γ립의 성장에 대해서도 조사했다. 그 결과는 도 5에 그래프로 묶어서 나타냈다. 본 도 5에서 명확한 바와 같이, γ립은 크게 성장하고 실시예 1의 과냉응고재에서 얻은 40㎛ 이하로 하기에는 압연가공이 4회 필요하였다.

물론, 본 출원 발명은 이상의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 탄소강 및 슬래그의 화학조성, 과냉도 등의 세부에 대해서는 여러가지 태양이 가능함은 말할 필요도 없다.

이상 상세히 설명한 바와 같이, 본 출원 발명에 의해 과산화물이 균일하고도 미세하게 분산한 산화물 분산 강이 제공된다. γ역 온도에서의 가열에 의해 γ립의 성장이 억제되고, 탄소강의 고강도화를 효율적으로 진행할 수 있다.

Claims (8)

1. 탄소강에 있어서 직경 1㎛ 이하의 Ti, Mg 및, Al 중 어느 하나 이상의 미세 산화물 입자가 균일하게 분산되어있으되 산화물 입자 간격이 6㎛ 이하이고 상기한 Ti, Mg 및, Al 중 어느 하나 이상이 0 질량% 보다는 크고 0.3 질량% 이하의 양으로 존재하는 γ립의 성장이 억제된 산화물 분산강.
2. 제1항에 있어서, C: 0.8 질량% 이하, Si: 0.5 질량% 이하, Mn: 3.0 질량% 이하, S: 0.02 질량% 이하로 포함하는 γ립의 성장이 억제된 산화물 분산강.
3. 용강의 표면이 응고핵으로 되는 물질과 접촉하지 않도록 유지시키면서 용강을 냉각시키고, 과냉각상태에서의 응고 중에 용강으로부터 산화물을 정출시키는 것으로 구성되는 제1항 또는 제2항에 따른 γ립의 성장이 억제된 산화물 분산강의 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기한 과냉각상태가 용강을 비접촉 상태에서 용해·응고시키는 것에 의해 달성되는 γ립의 성장이 억제된 산화물 분산강의 제조방법.
5. 제3항에 있어서, 상기한 과냉각상태가 복수의 산화물 슬래그로 용강을 둘러싸면서 달성되는 γ립의 성장이 억제된 산화물 분산강의 제조방법.
6. 제3항에 있어서, 상기한 과냉각상태가 복수의 산화물 슬래그 중에 용강을 유입시키면서 달성되는 γ립의 성장이 억제된 산화물 분산강의 제조방법.
7. 제4항에 있어서, 상기한 비접촉상태가 1 ㎑ 이상의 고주파 자기장에 의해 생성되는 자기압(magnetic pressure)에 의해 상기한 용강을 중력에 반하여 부유시키는 것에 의해 달성되는 γ립의 성장이 억제된 산화물 분산강의 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기한 용강 표면이 방사냉각 및 기체냉각을 통하여 강냉(强冷)되는 γ립의 성장이 억제된 산화물 분산강의 제조방법.

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