KR100871654B1

KR100871654B1 - 내식내마모성 철계 합금

Info

Publication number: KR100871654B1
Application number: KR1020070030758A
Authority: KR
Inventors: 김선진; 김경국; 김지희; 김기남; 김지영
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-12-02
Also published as: KR20080088181A

Abstract

본 발명은 내식내마모성 철계 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Cr: 20 내지 30 중량%, C: 0.5 내지 2 중량%, B: 0.5 내지 2 중량%, Ni: 3 내지 4 중량%, Mo: 3 내지 6 중량% 및 W: 3 내지 6 중량%를 포함하고, 잔부는 Fe을 함유하는 내식내마모성 철계 합금에 관한 것이다.

본 발명의 내식내마모성 철계 합금은 내마모성이 우수함은 물론 극한 부식환경인 해수분위기에서의 내식성이 우수하다. 따라서, 내식성과 내마모성이 동시에 요구되는 광물 및 광석 채광 장비의 소모성 채굴부품, 해수용 펌프, 임펠러 등에 용이하게 적용이 가능하다.

내마모성, 내식성, 철계 합금, 고탄소, 고붕소, 해수

Description

내식내마모성 철계 합금{FE BASED ALLOY HAVING CORROSION RESISTANCE AND ABRASION RESISTANCE}

도 1은 본 발명에 따른 발명강 1의 미세조직을 관찰한 광학현미경(100배) 사진이다.

도 2는 본 발명에 따른 발명강 2의 미세조직을 관찰한 광학현미경(100배) 사진이다.

도 3은 발명강 1, 2 및 비교강 1 내지 3을 ASTM G65에 의거하여 연삭마모 테스트를 하고 그 손실 중량을 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4는 발명강 1, 2 및 비교강 1 내지 3을 ASTM D1141에 의거하여 제조한 인공 해수용액에서 ASTM G44에 의거한 침지 테스트를 하고 그 단위 면적당 손실 중량을 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5는 발명강 1, 2 및 비교강 1 내지 3의 양극분극시험 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.

본 발명은 내식내마모성 철계 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내마모 성은 물론 해수 분위기에서의 내식성이 우수한 내식내마모성 철계 합금에 관한 것이다.

내식내마모성 철계 합금재료는 기계요소 중 마모가 쉬운 부품에 사용되는 것으로, 특히 제철소, 광산 및 석산 등지에서 사용되는 라이너, 해수용 펌프, 임펠러 및 자동차 드럼용 재료로 널리 사용된다.

이러한 내식내마모성 재료로 열처리를 통한 마르텐사이트계 강이나 고크롬고탄소 강이 주를 이루고 있다. 그러나 마르텐사이트계 강의 경우 탄소 함량이 낮기 때문에 내식성은 비교적 우수하지만 연삭 마모 특성이 열악한 단점이 있다. 또한, 열처리시 공정이 복잡하므로 제조단가가 상승하여 비경제적인 단점이 있다. 이와 반대로 고크롬고탄소 강의 경우 크롬카바이드의 형성으로 인해 내마모성은 우수하나 내식성이 취약한 단점이 있다.

따라서, 이러한 기존 내식내마모성 철계 합금의 단점을 해결하기 위한 연구가 널리 진행되고 있다. 그 예로, 철(Fe)에 몰리브덴(Mo), 탄탈륨(Ta), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 티탄(Ti), 니켈(Ni), 구리(Cu) 등의 첨가원소를 배합시켜 합금화를 통한 고경도의 금속을 얻는 방법과 철(Fe)이나 니켈(Ni) 등을 결합제를 모재로 사용하고 상기 모재에 경질의 합금, 텅스텐(W), 탄화물(carbide), 산화물(oxide)을 부착시켜 사용하는 방법이 개발되어있다.

그러나, 철(Fe)을 소지금속으로 사용하고 합금원소를 첨가하는 경우 내마모성을 유지하기 위해 탄소를 다량 함유하게 된다. 그러나, 이 경우 내식성에 중요한 영향을 미치는 크롬 등의 합금 원소의 양이 기지상 내에서 고갈되어 부동태피막을 형성하지 못하게 되어 결국 내식성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 인성이 있는 금속과 경질의 재료를 부착하게 되면 경질재료의 내식내마모성은 개선할 수 있으나 제조가 곤란해 제조단가가 필연적으로 상승하는 문제가 발생한다.

따라서, 우수한 내식성은 물론 내마모성을 갖는 소재의 개발이 요구되고 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 철을 기본조성으로 하고 고탄소와 합금 원소를 첨가하되 탄화물 형성을 위한 탄소의 양을 감소시키는 대신 붕소의 양을 증가시켜 개선된 내식성 및 우수한 내마모성을 갖는 고붕소고탄소 내식내마모성 합금을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은

Cr: 20 내지 30 중량%, C: 0.5 내지 2 중량%, B: 0.5 내지 2 중량%, Ni: 3 내지 4 중량%, Mo: 3 내지 6 중량% 및 W: 3 내지 6 중량%를 포함하고, 잔부는 Fe을 함유하는 내식내마모성 철계 합금을 제공한다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 내식내마모성 철계 합금은 기존의 고탄소 내마모성 철계 합금의 해수 분위기에서의 부식성을 개선한 합금에 관한 것으로, 고붕소고탄소를 함유하면서도 내식성이 우수하여 극한 부식 환경인 해수분위기에서 부동태피막 형성이 가능하고 부식속도가 느려 부식으로 인한 중량손실을 줄일 수 있다.

본 발명의 내식내마모성 철계 합금은 철(Fe)을 기본으로 하는 철계 합금으로, 상기 철에 첨가원소로서 크롬(Cr) 20 내지 30 중량%, 탄소(C) 0.5 내지 2 중량%, 붕소(B) 0.5 내지 2 중량%, 니켈(Ni) 3 내지 4 중량%, 몰리브덴(Mo) 3 내지 6 중량%, 텅스텐(W) 3 내지 6 중량% 및 불가피한 불순물이 포함되도록 한 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명의 내식내마모성 철계 합금 성분의 조성범위는 다음과 같은 사항에 의해 설정하였다.

크롬(Cr)은 탄소(C)와 탄화물을 형성하여(Cr₇C₃, Cr_xC_y) 경도 및 내마모성을 개선시키고, 공기 중의 산소와 반응하여 Cr₂O₃를 형성하여 내식성을 향상시키며, 기지상의 강도를 향상시키므로 적정량을 첨가한다. 이때 그 함량이 20 중량% 미만이면 높은 탄소 함량으로 인해 내식성이 저해되고, 이와 반대로 30 중량%를 초과하면 인성 및 델타 페라이트의 형성으로 인해 가공성 및 부식성이 저해되므로 본 발명에서는 탄화물에 의한 내마모성 향상 및 내식성 향상을 고려하여 상기 범위로 제한한다.

탄소(C)는 일반적으로 Fe 소지에 고용되어 강도를 향상시키며, 합금 중의 원 소와 반응하여 경한 탄화물을 만든다. 또한 오스테나이트 기지상을 안정화시킴과 동시에 오스테나이트 기지상의 구역을 확장시켜 내식성 향상을 위한 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 등을 첨가할 수 있도록 하여주고, 델타 페라이트의 생성을 억제해준다. 그러나 이때 그 함량이 0.5 중량% 미만이면 탄화물의 생성이 저하되어 적정 경도를 얻을 수 없어 내마모성이 저해되는 문제가 발생하고, 이와 반대로 2 중량%를 초과하면 다량의 탄화물로 석출되어 취약하게 되며 인성 및 부식성을 저하한다.

붕소(B)은 다른 합금 원소와 결합하여 붕화물을 형성하여 내마모성을 개선하고, 결정립을 미세화하고 경화능을 개선하여 강도를 향상한다. 만약 그 함량이 0.5 중량% 미만이면 붕화물 형성이 감소하여 내마모성이 저하되고, 이와 반대로 2 중량%를 초과하면 인성이 저하된다.

니켈(Ni)은 오스테나이트 안정화 원소로서 경화능을 증대시키고 인성을 향상시킨다. 이때 니켈의 함량이 3 중량% 미만이면 그 효과가 미미하고, 이와 반대로 4 중량%를 초과하면 취성이 증대하고, 냉간가공성이 저하되는 문제점이 있다.

몰리브덴(Mo)은 크롬(Cr)과 함께 합금의 내식성 유지에 중요한 원소로서 페라이트 상을 안정화하는 작용을 한다. 또한 탄소, 붕소와 결합하여 석출물을 형성하여 경도 유지에 큰 역할을 한다. 이때 몰리브덴의 함량이 3 중량% 미만이면 그 효과가 미미하며 이와 반대로 6 중량%를 초과하는 경우 내식성이 더 증가하지 않고 오히려 취성이 현저히 증가하는 문제점이 있다.

텅스텐(W)은 몰리브덴과 비슷한 작용을 하며 페라이트 기지조직에 고용되어 고용강화에 기여한다. 또한 페라이트 안정화 원소로서 경도 유지에 중요한 역할을 하며 내식성 중 특히 공식저항성을 향상한다. 텅스텐은 Cr₂₃C₆형 탄화물을 생성하여 Cr₂₃C₆보다 더 높은 고온열적 안정성을 갖게 한다. 또한 안정한 W₂C 형태의 탄화물을 형성하여 2차 경화에 의한 내마모성 향상에 효과적이다. 이때 텅스텐의 함량이 3 중량% 미만인 경우 그 효과가 미미하며, 이와 반대로 6 중량%를 초과하는 경우 조대한 석출물이 형성되어 취성이 증가하고 내식성이 저하된다.

이때 상기 Cr/(C+B)의 중량비가 8 내지 12인 것이 바람직하다. 만약 Cr/(C+B)의 중량비가 8 미만이면 부식저항성이 저하되는 문제가 있고, 이와 반대로 12를 초과하면 크롬 함량의 증가로 부식저항성은 향상되나 델타 페라이트의 형성으로 인해 취성이 증가하고, 강도 및 경도가 저하되는 문제가 있다.

또한, 이때 상기 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W)의 함량의 합은 9 내지 16 중량% 인 것이 바람직하다. 이러한 몰리브덴과 텅스텐은 탄소, 붕소와 결합하여 석출물을 형성함으로써 기지상 내 크롬 고갈을 방지하여 부동태피막 형성을 용이하게 한다. 한편, 니켈은 형성된 부동태피막의 특성을 향상하는 역할을 한다. 따라서 이러한 니켈, 몰리브덴 및 텅스텐의 함량의 합이 9 중량% 미만이면 이들의 첨가 효과가 미미하며, 이와 반대로 이들의 함량의 합이 상기 범위를 초과하면 제조단가가 증가하고, 상분율이 깨지는 문제가 있다.

이러한 본 발명의 내식내마모성 철계 합금은 오스테나이트 : 마르텐사이트의 상분율의 비가 95 : 5 내지 50 : 50을 갖는다.

기존의 고탄소 함유 내마모강의 경우 기지상 크롬의 고갈로 인해 내식성을 향상하는 부동태피막의 형성이 원활하지 않아 부식성이 취약한 단점이 있었다. 본 발명의 내식내마모성 철계 합금은 이러한 종래 고탄소 내마모강의 부식성을 증대시킨 것으로, 고탄소의 일부를 붕소로 대체하여 내마모성 및 내식성을 향상하였다. 그리고 합금 원소의 종류와 그 함량을 조절하고 내식성에 가장 중요한 원소인 크롬, 탄소, 붕소의 비를 조절함으로써 부동태피막의 특성을 향상하였다.

본 발명에 따른 고붕소고탄소 내식내마모성 철계 합금은 ASTM G65에 따라 측정한 손실 중량이 150mg 이하이고, ASTM D1141에 의해 제조된 인공 해수에서 ASTM G44에 의거 측정한 100시간 침지 후 단위 면적당 손실 중량이 0.05×10^-3g/cm² 이하로 내식성 및 내마모성이 우수하다. 즉, 내마모성이 우수함은 물론 극한 부식환경인 해수분위기에서의 내식성이 우수하다. 따라서, 내식성과 내마모성이 동시에 요구되는 광물 및 광석 채광 장비의 소모성 채굴부품, 해수용 펌프, 임펠러 등에 매우 적합하다.

이하 본 발명을 하기 실시예를 통해 더욱 상세히 설명하겠는 바, 이러한 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 일 예시일 뿐 이들에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

표 1은 본 발명에 따른 철계 합금과 비교예에 따른 합금에 대한 화학조성을 나타낸 것이다.

고순도를 갖는 전해철, 크롬, 몰리브덴. 텅스텐, 니켈, 탄소, 붕소를 고주파진공유도 용해로에 장입한 후, 아르곤 분위기에서 알루미나 도가니를 사용하여 용해한 후 용탕을 주형에 주입하여 1kg의 주괴를 제작하였다.

[표 1]

구분	화학조성(중량%)									Cr/(C+B)	Ni+Mo+W	비고
구분	Fe	Co	Cr	C	B	Ni	Mo	W	Si	Cr/(C+B)	Ni+Mo+W	비고
발명강 1	bal.	-	30	2	0.5	3.5	6	3	-	12	12.5
발명강 2	bal.	-	30	0.5	2	3.5	6	3	-	12	12.5
비교강 1	2.09	bal.	29	1.25	-	2.21	-	-	0.81	23.2	2.21	stellite 6
비교강 2	bal.	-	17	0.03	-	12	2.5	-	-	566.6	14.5	STS316
비교강 3	bal.	-	20	2.5	-	-	-	-	1	8	-	고탄소 내마 모강

삭제

(실험예)

실험예 1 - 광학현미경에 의한 미세조직 관찰

상기 실시예에서 제조한 발명강 1 및 발명강 2를 85% 메틸알코올+10% 염산용액+5% 질산용액의 혼합용액으로 에칭한 후 광학현미경으로 미세조직을 관찰하였다.

도 1은 본 발명에 따른 발명강 1의 미세조직을 관찰한 광학현미경 100배 사진이고, 도 2는 본 발명에 따른 발명강 2의 미세조직을 관찰한 광학현미경 100배 사진이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 내식내마모성 철계 합금인 발명강 1 및 발명강 2는 오스테나이트, 마르텐사이트 기지상에 미세한 석출물이 고르게 분산되어 있는 미세조직을 갖음을 확인할 수 있다. 그리고, 붕소에 비해 탄소를 다량 함유한 발명강 1과 탄소에 비해 붕소를 다량 함유한 발명강 2의 미세조직에 차이가 있음을 알 수 있다.

실험예 2 - 페라이트스코프를 이용한 상 분석 및 경도 측정

본 발명의 발명강 1 및 발명강 2의 상분율 분석을 위해 페라이트스코프를 이용한 자화(Magnetization) 방법으로 마르텐사이트 분율을 측정하고, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다.

[표 2]

회수	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	평균	표준편차
발명강 1	2.3	5.6	10.8	1.6	8.4	5.9	11.6	3.1	5.9	5.1	6.03	3.20
발명강 2	44.9	51.2	53.7	46.8	44.2	48.9	52.7	43.6	50.7	49.2	48.59	3.40

상기 표 2에 의거하여 측정된 평균값으로 각 상분율의 비를 계산해볼 결과, 오스테나이트 : 마르텐사이트 상분율의 비가 95 : 5 내지 50 : 50 임을 확인할 수 있었다.

본 발명의 발명강 1 및 발명강 2의 경도값을 측정하기 위해 로크웰 C스케일로 측정해본 결과 발명강 1은 46, 발명강 2는 54이었다.

실험예 3 - 연삭마모 테스트에 의한 내마모성 확인

발명강 1 내지 발명강 2 및 비교강 1 내지 비교강 3을 절단과 연마를 통해 표면가공을 하고, 미국재료시험협회 ASTM G65에 의거 연삭마모 테스트를 하여 그 손실 중량을 측정하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3을 참조하면, 해수 및 염분에 대한 내식성 향상을 위해 2~3 중량% Mo를 첨가한 스테인레스 강종으로, 해안지방이나 공업지대와 같이 염분, 철분, 그리고 유독가스 등 부식요인이 많은 환경에서 사용되는 내식성 강인 비교강 2(STS316)의 경우 내마모성은 매우 취약하였다. 이에 비해 내식내마모특성이 모두 우수한 비교강 1(stellite 6), 내마모강으로 널리 사용되는 비교강 3(고탄소 내마모강), 발명강 1 및 발명강 2는 마모저항성이 모두 우수하여 대등한 내마모 특성을 가짐을 확인하였다.

실험예 4 - 인공 해수용액 중 침지 테스트에 의한 내식성 확인

발명강 1 내지 발명강 2 및 비교강 1 내지 비교강 3을 미국재료시험협회 ASTM D1141에 의거 합성된 인공 해수용액을 부식환경으로 설정하여 ASTM G44에 의거 25, 50, 100 시간 동안 침지하여 단위 면적당 손실 중량을 측정하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4를 참조하면, 내마모강으로 널리 사용되는 비교강 3(고탄소 내마모강)의 경우 내식성이 매우 취약하였고, 이에 비해 본 발명에 따른 발명강 1 및 발명강 2는 인공 해수용액에서 100시간 침지한 후에도 내식성 강인 비교강 2(STS316), 내식내마모성 강인 비교강 1(stellite 6)과 부식 손실량이 대등하였다.

실험예 5 - 양극분극시험 의한 내식성 확인

발명강 1 내지 발명강 2 및 비교강 1 내지 비교강 3의 내식성 평가를 위해 시료의 부식 저항성을 전기화학적으로 평가하는 양극분극시험을 실시하였다. 30 ℃, 3.5 중량% NaCl에서 1mV/sec 주사속도로 전위를 부식 전위로부터 양극 방향으로 주사하면서 전위-전류 곡선을 측정하였다. 분극 곡선에서 공식 발생 전위가 높 을수록, 부동태화 전류 밀도가 낮을수록, 임계 전류밀도가 낮을수록 공식저항성이 우수하므로, 공식 발생 전위 및 부동태화 전류밀도 크기를 비교하여, 공식 저항성을 나타낼 수 있다.

도 5는 발명강 1, 2 및 비교강 1 내지 3의 양극분극시험 결과를 비교하여 나타낸 그래프이고, 아래 표 3은 그 결과를 수치로 나타낸 것이다.

[표 3]

구분	공식전위(mV)	부동태전류밀도(×10⁵A/cm²)
발명강 1	233	9
발명강 2	229	73
비교강 1	231	5
비교강 2	238	12
비교강 3	-	-

도 5 및 상기 표 3을 참조하면, 본 발명에 따른 발명강 1, 발명강 2의 공식 발생 전위 및 부동태 전류밀도는 비교강 1, 비교강 2 보다 높았다.

이상의 결과를 종합해보면, 본 발명의 내식내마모성 철계 합금은 내마모성 및 해수 분위기에서의 내식성이 모두 우수하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 내식내마모성 철계 합금은 내마모성이 우수함은 물론 극한 부식환경인 해수분위기에서의 내식성이 우수하다. 따라서, 내식성 및 내마모성이 동시에 요구되는 광물 및 광석 채광 장비의 소모성 채굴부품, 해수용 펌프, 임펠러 등에 용이하게 적용이 가능하다.

Claims

Cr: 20 내지 30 중량%, C: 0.5 내지 2 중량%, B: 0.5 내지 2 중량%, Ni: 3 내지 4 중량%, Mo: 3 내지 6 중량% 및 W: 3 내지 6 중량%를 포함하고, 잔부는 Fe을 함유하는 내식내마모성 철계 합금.
삭제
삭제
제1항에 있어서,

상기 내식내마모성 철계 합금은 오스테나이트 : 마르텐사이트의 상분율 비가 95 : 5 내지 50 : 50인 것인 내식내마모성 철계 합금.
제1항에 있어서,

상기 내식내마모성 철계 합금은 ASTM G65에 따라 측정한 손실 중량이 150mg 이하인 것인 내식내마모성 철계 합금.
제1항에 있어서,

상기 내식내마모성 철계 합금은 ASTM D1141에 의해 제조된 인공 해수용액에서 측정한 ASTM G44에 의거한 100시간 침지 후 단위 면적당 손실 중량이 0.05×10^-3g/cm²이하인 것인 내식내마모성 철계 합금.