KR101214879B1 - 고 기계적 강도 및 내마모성을 갖는 강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고 기계적 강도 및 내마모성을 갖는 강에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 조성이 중량%로 0.30% ≤ C ≤ 1.42%; 0.05% ≤ Si ≤ 1.5%; Mn ≤ 1.95%; Ni ≤ 2.9%; 1.1% ≤ Cr ≤ 7.9%; 0.61% ≤ Mo ≤ 4.4%; 선택적으로 V ≤ 1.45%, Nb ≤ 1.45%, Ta ≤ 1.45% 및 V + Nb/2 + Ta/4 ≤ 1.45%; 0.1% 미만의 붕소, 0.19%의 (S + Se/2 + Te/4), 0.01%의 칼슘, 0.5%의 희토류, 1%의 알루미늄, 1%의 구리; 잔부로서 철 및 그 제조 과정으로부터 유래하는 불순물인 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강의 편석 솔기를 감소시키는 방법에 관한 것이다. 이 조성은 또한 800 ≤ D ≤ 1150을 따르며, 여기에서 D = 540(C)^0.25 + 245(Mo + 3V + 1.5Nb + 0.75Ta)^0.30 + 125Cr^{0 .20} + 15.8Mn + 7.4Ni + 18Si이다. 본 발명에 따르면, W > 0.21%가 되도록 몰리브덴의 전부 또는 일부가 2배의 텅스텐으로 대체되고, Ti, Zr, C는 조정 후에 Ti + Zr/2 = 0.2W, (Ti + Zr/2) × C = 0.07, Ti + Zr/2 = 1.49%이고 D가 5%에서 불변이도록 조정된다. 본 발명은 또한 얻어진 강 그리고 강 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

고 기계적 강도 및 내마모성을 갖는 강{STEEL WITH HIGH MECHANICAL STRENGTH AND WEAR RESISTANCE}

본 발명은 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강에 관한 것이다.

많은 산업에서, 고 내마모성을 갖는 강이 이용된다. 이는 예를 들어, 광업용 장비 부품의 제조용으로서 마멸을 견뎌야만 하는 강이다. 이는 또한 금속 가공물(workpiece)의 냉간 성형(cold-forming) 또는 중간 온도 성형을 위한 기구 제조용으로서 금속 유형에 대한 금속의 마찰에 기인한 마모를 견뎌야만 하는 강이다. 이들 기구 적용을 위해, 강은 500℃ 또는 600℃에 달할 수 있는 온도로 가열되더라도 양호한 성질을 최소한 유지하여야만 한다.

이 내마모성뿐 아니라, 여기에서 고려되는 강은 공작 또는 용접할 수 있기 위해 적합한 성질을 가져야만 한다. 마지막으로, 강은 충격 또는 집중적 부하를 견딜 수 있어야만 한다.

일반적 조건으로서, 이들 모든 원하는 성질을 얻기 위해, 탄소 약 0.3% 내지 1.5%, 규소 2% 미만, 망간 2% 미만, 선택적으로 니켈 최대 3%, 크롬 1% 내지 12%, 몰리브덴 0.5% 내지 5%와 함께 선택적으로 바나듐 또는 니오븀 첨가를 함유하는 강을 일반적으로 이용한다.

이 강에서, 내마모성은 주로 탄화 몰리브덴의 2차 석출(precipitation)이 가져오는 경화의 결과이다. 필요하다면 내마모성은 크롬이 특히 풍부한 굵은(coarse) 레데부라이트(ledeburitic) 탄화물의 존재로 개선할 수 있다.

온도의 관점에서 안정하고 충분히 경화하는 2차 석출을 가져오는 몰리브덴 및 바나듐과 같은 고함량의 강한 탄화물 생성 원소의 필수적 존재는 그러나 이들 원소와 탄소에서 크게 편석(segregation)되는 솔기(seam)의 형성으로 이어지는 단점을 가지고, 결과적으로 매우 경질이고 매우 취성(fragile)이다. 이 편석 솔기는 공작 또는 용접을 어렵게 만든다. 더 나아가, 이들은 취성 구역을 구성하며, 이는 국부적이기는 하지만 가공물의 충격 및 집중적 굽힘 부하에 대한 내성(resistance)을 아주 상당히 감소시킬 수 있다.

본 발명의 목적은 공지강과 대등한 성질이지만 편석된 솔기와 관련된 불리한 효과가 상당히 감소된 강을 얻는 방법을 제공함으로써 이 단점을 극복하는 것이다.

이 목적을 위해, 본 발명은

조성이 중량%로:

0.30% ≤ C ≤ 1.42%,

0.05% ≤ Si ≤ 1.5%,

Mn ≤ 1.95%,

Ni ≤ 2.9%,

1.1% ≤ Cr ≤ 7.9%,

0.61% ≤ Mo ≤ 4.4%,

- 선택적으로 바나듐, 니오븀 및 탄탈륨으로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소로서 그 함량은 V ≤ 1.45%, Nb ≤ 1.45%, Ta ≤ 1.45% 및 V + Nb/2 + Ta/4 ≤ 1.45%,

- 선택적으로 최대 0.1%의 붕소,

- 선택적으로 최대 0.19%의 황, 최대 0.38%의 셀레늄 및 최대 0.76%의 텔루륨으로서 합 S + Se/2 + Te/4는 0.19% 이하로 유지,

- 선택적으로 최대 0.01%의 칼슘,

- 선택적으로 최대 0.5%의 희토류,

- 선택적으로 최대 1%의 알루미늄,

- 선택적으로 최대 1%의 구리,

잔부로서 철 및 제조 과정으로부터 유래하는 불순물을 포함하는 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강의 편석 솔기의 불리한 효과를 감소시키는 방법에 관한 것이다.

이 조성은 또한

800 ≤ D ≤ 1150을 따르며,

여기에서

D = 540(C)^0.25 + 245(Mo + 3V + 1.5Nb + 0.75Ta)^0.30 + 125Cr^{0 .20} + 15.8Mn + 7.4Ni + 18Si이다.

이 방법에 의하면:

- 텅스텐의 함량이 0.21% 이상이 되도록 몰리브덴이 2배의 텅스텐으로 전부 또는 일부 대체되고,

- 실질적으로 응고 동안에 굵은 탄화물을 형성할 것이 의도되는 티타늄 및/또는 지르코늄, 그리고 추가 탄소량 δC = Ti/4 + Zr/8이 첨가되며, 여기에서 조정 후 탄소의 함량은 C' = 조정 전 C + Ti/4 + Zr/8이 되도록 한다.

티타늄 및/또는 지르코늄의 첨가 함량은

Ti + Zr/2 ≥ 0.20 × W,

(Ti + Zr/2) × C' ≥ 0.07이 되도록,

즉 C' = (C + Ti/4 + Zr/8)을 고려하면 (C = 조정 전 탄소의 함량),

(Ti + Zr/2) ≥ 2(-C +

)

및 Ti + Zr/2 ≤ 1.49%

가 되도록 한다.

최초에 탄화 티타늄 및/또는 지르코늄을 형성하는 탄소 첨가량 δC는 더 이상 이용가능하지 않으며 따라서 탄화 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 및 2차적으로는 탄화 크롬의 2차 경화성 석출에 참여하지 않는다. 이는 조정 후 유리 탄소 C^* = C' - Ti/4 - Zr/8에 좌우된다. 이 결과, 강 제조에서의 관찰 수행에 대한 실제적 분산과 연관된 분산 이외에, 본 방법에 의해 변형되지 않는 강의 경화가 생긴다. 이 점에서, 인자 D에 대한 분산 결과는 ±5%를 넘지 않는 것이 예상되며 따라서

0.95 × 조정 전 D ≤ 조정 후 D ≤ 1.05 × 조정 전 D인 것이 바람직하고, 여기에서 조정 후 D = 540(C' - Ti/4 - Zr/8)^0.25 + 245(조정 후 Mo + W/2 + 3V + 1.5Nb + 0.75Ta)^0.30 + 125Cr^0.20 + 15.8Mn + 7.4Ni + 18Si이다.

조성은 조정 후 D = 조정 전 D가 되도록 바람직하게 조정된다.

크롬의 함량이 2.5% 내지 3.5%일 때, 그리고 탄소, 티타늄 및 지르코늄의 함량은 조정 전에 C ≥ 0.51%가 되도록 할 때, W의 함량은 바람직하게는 조정 후에

Mo < 1.21%이면 W ≤ 0.85% 그리고 Mo ≥ 1.21%이면 W/Mo ≤ 0.7

이 되도록 제한된다.

본 발명은 또한 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 가지며 선택적으로는 본 발명에 따른 방법에 의해 얻을 수 있고, 그 화학적 조성이 중량%로:

0.35% ≤ C ≤ 1.47%,

0.05% ≤ Si ≤ 1.5%,

Mn ≤ 1.95%,

Ni ≤ 2.9%,

1.1% ≤ Cr ≤ 7.9%,

0% ≤ Mo ≤ 4.29%,

0.21% ≤ W ≤ 4.9%,

0.61% ≤ Mo + W/2 ≤ 4.4%,

0% ≤ Ti ≤ 1.49%,

0% ≤ Zr ≤ 2.9%,

0.2% ≤ Ti + Zr/2 ≤ 1.49%,

- 선택적으로 바나듐, 니오븀 및 탄탈륨으로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소로서 그 함량은 V ≤ 1.45%, Nb ≤ 1.45%, Ta ≤ 1.45% 및 V + Nb/2 + Ta/4 ≤ 1.45%,

- 선택적으로 최대 0.1%의 붕소,

- 선택적으로 최대 0.19%의 황, 최대 0.38%의 셀레늄 및 최대 0.76%의 텔루륨으로서 합 S + Se/2 + Te/4는 0.19% 이하로 유지,

- 선택적으로 최대 0.01%의 칼슘,

- 선택적으로 최대 0.5%의 희토류,

- 선택적으로 최대 1%의 알루미늄,

- 선택적으로 최대 1%의 구리,

잔부로서 철 및 제조 과정으로부터 유래하는 불순물을 포함하고,

이 조성이 다음 조건들을 따르는:

(Ti + Zr/2)/W ≥ 0.20,

(Ti + Zr/2) × C ≥ 0.07,

0.3% ≤ C^* ≤ 1.42%, 그리고 바람직하게는 ≤ 1.1%,

800 ≤ D ≤ 1150,

여기에서

D = 540(C^*)^0.25 + 245(Mo + W/2 + 3V + 1.5Nb + 0.75Ta)^0.3 + 125Cr^0.20 + 15.8Mn + 7.4Ni + 18Si이고

C^* = C - Ti/4 - Zr/8이고,

또한 C^* ≥ 0.51% 이고 2.5% ≤ Cr ≤ 3.5%라면, Mo < 1.21%일 때 W ≤ 0.85% 그리고 Mo ≥ 1.21%라면 W/Mo ≤ 0.7인 강에 관한 것이다.

더 나아가, 강은 다음 조건들 가운데 하나 또는 그 이상을 바람직하게는 따를 수 있다:

Si < 0.45%, 열 전도도에 우선순위를 부여하는 것이 바람직한 경우,

또는

Si ≥ 0.45%, 열작업 적합성에 우선순위를 부여하는 것이 바람직한 경우,

또는:

Mo + W/2 ≥ 2.2%, 강의 내연화성을 증가하고 강에 고강도를 부여하기 위해;

Cr ≥ 3.5%, 담금질성 및 경화 모두에 기여하기 위해;

C ≤ 0.85%, 인성에 우선순위를 부여하는 것이 바람직한 경우,

또는

C > 0.85%, 가능한 한 높은 내마모성을 얻는 것이 바람직한 경우.

강은 또한 인성에 우선순위를 부여하기 위해

Ti + Zr/2 < 0.7%이거나,

내마모성에 우선순위를 부여하기 위해

Ti + Zr/2 ≥ 0.7%일 수 있다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 강 가공물의 제조방법에 관한 것으로, 이에 따르면:

- 용융 강의 배쓰 내 티타늄 및/지르코늄의 함량이 조정되고, 용융 강의 배쓰 내 티타늄 및/또는 지르코늄의 국부 과농도는 항상 방지되는, 원하는 조성을 갖는 액체 강을 제조하고;

- 반완제품을 얻기 위해 강을 주조하고;

- 다음으로, 반완제품에 고온 상태에서 소성 변형에 의한 성형 처리 과정, 및 선택적으로 열처리 과정을 가하여 가공물을 얻는다.

액체 배쓰 내 일시적 과농도를 제한하기 위해, 티타늄 및/또는 지르코늄의 첨가는 액체 강의 배쓰를 덮는 슬래그에 티타늄 및/또는 지르코늄을 점진적으로 첨가하고 티타늄 및/또는 지르코늄이 액체 강의 배쓰 내에서 서서히 확산하도록 함으로써 수행한다.

티타늄 및/또는 지르코늄의 첨가는 또한 티타늄 및/또는 지르코늄을 포함하는 와이어를 액체 강의 배쓰 내에 도입하고, 배쓰는 교반시켜 수행할 수도 있다.

마지막으로, 본 발명은 본 발명의 제조방법에 의해 얻을 수 있는 본 발명에 따른 강 가공물에 관한 것이다.

이제 본 발명을 보다 상세히 그러나 비제한적 방식으로 설명하며, 그리고 다양한 강에 대해 비 (Ti + Zr/2)/W에 따른 텅스텐 편석 속도를 나타내는 하나의 도면과 실시예들을 참조하여 예증할 것이다.

텅스텐은 강의 성질에 대한 효과가 몰리브덴에 필적하는 합금 원소라고 공지되어 있다. 특히, 텅스텐은 몰리브덴 1부당 텅스텐 2부의 비율로 내열연화성 및 경화와 관련하여 몰리브덴에 필적하는 효과를 갖는다고 공지되어 있다. 그러나, 텅스텐은 몰리브덴보다 훨씬 고가라는 점 때문에 특히, 본 발명이 관계되지 않는 몇몇 초고합금강을 제외하고는 거의 사용되지 않는다. 텅스텐은 몰리브덴처럼 매우 강하게 편석하고, 매우 경질 및 매우 취성인 편석 솔기를 발생시키는 단점을 더 갖는다.

본 발명자들은 신규하고도 놀라운 방식으로, 충분한 양의 티타늄 또는 지르코늄의 존재시 텅스텐의 편석이 매우 상당히 경감된다는 것을 확립하였다: 몰리브덴의 함량 역시 이미 상대적으로 높은 경우에 이 효과를 이용하는 것이 또한 특히 유리하다.

다음 가정이 이 예기치 못한 결과를 귀납적으로 명확하게 해 줄 수도 있다:

- 몰리브덴 및 텅스텐과 같은 원소는 미세 석출물 형태의 탄화물을 형성하며 이는 기질(matrix)을 경화시키고 따라서 원하는 강의 경도를 얻게 해 준다. 따라서, 과농도의 몰리브덴 또는 텅스텐으로 특히 특징지워지는 편석 솔기는 경화성 석출물 밀도의 큰 증가 그리고 따라서 경도 및 취성의 큰 국부 증가를 갖는다;

- 티타늄 또는 지르코늄도 탄화물을 형성한다. 그러나, 이들 탄화물은 상대적으로 굵고, 결과적으로 비교적 개수가 적으며 금속 기질 자체에 어떠한 유의적 경화 효과도 갖지 않는다;

- 본 발명자들은 강이 한편으로는 티타늄 및/또는 지르코늄, 그리고 또 한편으로는 텅스텐을 동시에 함유할 때, 텅스텐은 굵은 비경화성 석출물을 형성하기 위해 티타늄 및/또는 지르코늄과 함께 석출하는 경향을 갖는다는 것을 신규하고도 예기치 못한 방식으로 확립하였다.

따라서, 이들 관찰을 고려하면, 티타늄 및/또는 지르코늄의 존재시 텅스텐의 함량 그리고 따라서 탄화물을 경화시키는 미세 석출물의 밀도가 감소되고, 이는 정확히 편석 때문에 굵은 탄화 티타늄 또는 지르코늄이 훨씬 더 많은 편석 솔기 지역에서 특히 더 그러하다고 생각할 수 있다. 한 가지 결과는 편석 솔기와 비편석 구역간의 경도 차이가 따라서 실질적으로 경감되고, 편석 솔기의 불리한 효과(특히, 증가된 취성 구역의 존재, 공작과 관련한 어려움, 연마에 대한 불균일 응답, 및 용접에 의한 입상화(granulating), 재표면화(resurfacing), ...)가 그에 따라 감소될 것이라는 점이다.

이들 관찰 그리고 상기 상술한 가정을 기초로 하여, 본 발명자들은 상당한 비율의 몰리브덴을 함유하며 강의 편석 솔기의 단점이 실질적으로 감소되도록 하면서, 해당 강의 모든 필요한 이용 성질을 유지하는 방법을 상도하였다.

본 발명에 따른 방법은 방법이 수행되기 전에 주로 0.30% 내지 1.42%의 탄소, 0.05% 내지 1.5%의 규소, 1.95% 미만의 망간, 2.9% 미만의 니켈, 1.1% 내지 7.9%의 크롬, 0.61% 내지 4.4%의 몰리브덴, 선택적으로 최대 1.45%의 바나듐, 최대 1.45%의 니오븀, 1.45% 미만의 탄탈륨, V + Nb/2 + Ta/4 ≤ 1.45%를 함유하는 강에 관한 것이다. 이 강은 하기 설명할 경도값 D가 800 내지 1150이다. 이는 최대 0.1%의 붕소, 최대 0.19%의 황, 최대 0.38%의 셀레늄, 최대 0.79%의 텔루륨, 합 S + Se/2 + Te/4는 0.19% 미만으로 유지되고, 선택적으로 최대 0.01%의 칼슘, 최대 0.5%의 희토류, 최대 1%의 알루미늄 및 최대 1%의 구리를 더 함유할 수 있다.

본 방법에 따르면, 몰리브덴은 실질적으로 2배 비율의 텅스텐으로 전부 또는 일부 대체되고, 티타늄 및/또는 지르코늄은 강에 도입되는 텅스텐 양을 고려하여 충분한 양의 티타늄 및/또는 지르코늄을 얻기 위해 첨가되고, 탄소 함량은 특히 강의 경도가 실질적으로 불변으로 유지되도록 조정된다.

이 목적을 위해, 예를 들어 하기에 설명할 경도값 D을 계산하도록 해 주는 공식을 이용하여, 또는 당업계의 숙련된 자에게 공지된 임의의 다른 방법에 의해, 텅스텐이 없는 강에 필요한 조성의 이용에 필요한 특성, 특히 경도 수준을 얻기 위해 선택된다. 다음으로, 의도하는 조성은 이용을 위한 주 특성들 가운데 하나 이상, 특히 경도가 실질적으로 불변으로 유지되는 방식으로 텅스텐의 함량을 선택함으로써, 결과적으로 몰리브덴의 함량 및 티타늄 또는 지르코늄 및 탄소의 함량이 조정됨으로써 변경된다. 다음으로, 변경된 분석에 따라 강을 제조한다. "실질적으로 불변"은 예를 들어 조성이 조정된 후의 강의 경도가 조성이 조정되기 전의 강의 경도와 5% 이내로 같다는 것을 의미한다. 이 허용 오차는 앞서 정의한 성질을 정확하게 갖는 강을 제조하는 데 있어서의 실제적 어려움을 고려하고자 도입한다. 그러나, 얻어지는 특성은 조성이 조정되기 전에 강에 대해 의도되는 특성과 가능한 한 유사한 것이 바람직하다. 그러므로, 허용 오차는 단 2%인 것이 바람직하며, 그리고 의도되는 특성만이 관심인 한, 조성이 조정된 뒤에 의도되는 경도 특성은 조성이 조정되기 전에 의도되는 경도 특성과 같은 것이 더욱 더 바람직하다.

이 방법에서, 첨가되는 텅스텐의 양은 0.21% 이상, 바람직하게는 0.4% 초과, 보다 유리하게는 0.7% 초과, 그리고 더욱 더 유리하게는 1.05% 초과여야 한다. 몰리브덴의 텅스텐으로의 대체가 많을수록, 편석에 대한 효과는 더욱 두드러진다. 그러나, 이 효과는 티타늄 또는 지르코늄의 함량에 의존하며, 이는 일반적으로 최대 텅스텐 첨가의 추가적 제한으로 이어진다.

편석에 대해 원하는 효과를 얻기 위해, 티타늄과 지르코늄의 함량은 합 Ti + Zr/2가 0.2 × W 이상, 바람직하게는 0.4 × W 이상, 더욱 더 유리하게는 0.6 × W 이상이 되도록 되어야 한다. 그러나, 하기 상술할 이유로 인해, 티타늄 또는 지르코늄의 함량을 과도하게 증가하는 것은 바람직하지 않다. 이는 간접적으로는 최대 4.9%로의 텅스텐 첨가 제한으로 이어진다. 일반적으로, 텅스텐의 함량은 2.9% 미만, 보다 유리하게는 1.9% 미만 또는 심지어는 0.85% 또는 0.49% 이하로 유지된다.

더 나아가, 티타늄 및/또는 지르코늄의 함량에 따라, 유리 탄소의 함량 C^* = C' - Ti/4 - Zr/8이 실질적으로 일정하게 유지되도록, 즉 조성이 조정된 뒤의 유리 탄소의 함량 C^*이 조성이 조정되기 전의 탄소의 함량 C와 실질적으로 같도록 탄소의 함량이 조정되어야 한다(이 식에서, C'은 조성이 조정된 뒤의 강의 탄소의 함량을 나타낸다). 이 조건은 강의 내열연화성 및 경도를 실질적으로 일정하게 유지하기 위해 필요하다. 다음을 갖는 것이 의도되며, D는 하기에서 정의될 경도값이다:

0.95 × 조정 전 D ≤ 조정 후 D ≤ 1.05 × 조정 전 D,

또는 보다 유리하게는:

0.98 × 조정 전 D ≤ 조정 후 D ≤ 1.02 × 조정 전 D,

또는 더욱 더 유리하게는:

조정 후 D = 조정 전 D.

실제적으로, 조정할 함량을 선택하는 과정은 다음을 포함한다:

- 원하는 최소 편석 감소 정도에 따라, 몰리브덴 1/2부를 치환할 텅스텐의 함량을 선택(표 2, 3, 4 또는 도면이 이 측면에서 지침으로 작용할 수 있다);

- 우선순위를 내마모성 또는 인성에 부여하는지, 그리고 (Ti + Zr/2) ≥ 0.2W일 필요가 있으므로 텅스텐의 첨가와 관련하여 어느 함량이 더 충분해야 하는지에 따라 Ti 및/또는 Zr의 함량을 더 높거나 더 낮도록 선택;

- 선행 함량들에 따라 추구되는 탄소의 증가, 즉 δC = Ti/4 + Zr/8을 확립.

본 발명에 따른 강을 이제 설명하고자 한다. 이 강은 본 발명에 따른 방법으로 얻을 수 있으며, 불리한 편석 솔기를 종래 기술에 따른 동일한 경도를 갖는 강보다 덜 갖는 장점을 갖는다.

본 발명에 따른 강은 탄화물을 충분한 정도로 형성하고, 얻는 것이 바람직한 경도 수준에 도달할 수 있기 위해 0.35% 초과, 바람직하게는 0.51% 초과, 그리고 보다 유리하게는 0.65% 초과의 탄소를 함유하지만, 강의 과도한 취성화를 피하기 위해 1.47% 미만, 그리고 바람직하게는 1.1% 미만, 그리고 더욱 더 유리하게는 0.98% 미만의 탄소를 함유한다. 위에서 살펴본 바와 같이, 강은 티타늄과 지르코늄을 함유하며, 이들 원소는 1차 탄화물을 형성하기 위해 고온에서 탄소와 결합한다. 이 방식으로, 1차 탄화 티타늄 및 지르코늄의 형성 후에, 기질의 성질에 작용하도록 가용성이 유지되는 소위 "유리" 탄소는 티타늄 및 지르코늄과 결합하지 않는 유리 탄소이다. 티타늄 및 지르코늄과 결합하지 않는 이 탄소량은 C^*으로 지칭하며, C^* = C - Ti/4 - Zr/8이다(C, Ti 및 Zr은 각각 강의 탄소, 티타늄 및 지르코늄 함량이다; C는 또한 이하 본 명세서에서 "전체 탄소 함량"으로 지칭할 것이다). 이 가용성 탄소량은 2차 탄화물 그리고 특히 탄화 텅스텐 및 몰리브덴 또는 강에 첨가되는 기타 원소의 석출을 가능케 할 만큼 충분하여야 하고, 이 관점에서 유리 탄소의 함량 C^*은 0.3% 이상이어야 한다. 그러나, 이 함량은 기질 자체의 인성을 과도하게 억제하지 않기 위해 1.42%, 그리고 바람직하게는 1.1% 또는 보다 유리하게는 0.98%, 또는 더욱 더 유리하게는 0.79%를 넘지 않아야 한다.

더 나아가, 제조 과정을 용이하게 하기 위해, 특히 바(bar) 또는 슬랩(slab) 냉각을 위해 취해지는 예방 조치를 감소하기 위해 최대 전체 탄소 함량 C를 0.85%, 또는 보다 유리하게는 0.79%로 더 제한하는 것이 바람직할 수 있다; 유리 탄소의 함량 C^*은 0.60%, 또는 0.50% 미만으로 유지되는 것이 바람직하다. 반대로, 전체 탄소 함량 C는 강의 기계적 강도 및 내마모성을 개선하기 위해 0.85% 초과로 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 이 선택은 강에 예상되는 용도에 따라 사례별로 이루어진다.

강은 규소를 0.05% 초과로 함유하는데, 그 이유는 이 원소가 탈산화제(deoxidant)이기 때문이다. 더 나아가, 이는 강의 경화에 약간 기여한다. 그러나, 규소의 함량은 강의 과도한 취성화 및 예컨대 압연에 의한 고온 상태에서의 소성 변형에 대한 적합성의 과도한 감소를 피하기 위해, 1.5% 이하 그리고 바람직하게는 1.1% 이하, 보다 유리하게는 0.9%, 그리고 더욱 더 유리하게는 0.6% 이하로 유지되어야 한다. 더 나아가, 강의 공작성 개선 및 또한 내산화성 개선을 위해 규소의 최소 함량을 0.45%, 그리고 보다 유리하게는 0.6%로 제한하는 것이 바람직할 수 있다. 내산화성 개선은 충분한 내연화성을 필요로 하는 450℃ 내지 600℃ 수준의 상대적으로 높은 온도에서의 기능이 의도되는 가공물을 제조하는 데 강을 이용하는 경우 특히 바람직하다. 이러한 작업 조건을 위해 충분한 내연화성을 얻는 것이 바람직할 때, Mo + W/2의 함량은 2.2% 이상인 것이 바람직하다. 결국, 0.45% 또는 보다 유리하게는 0.6%의 규소의 최소 함량값이 몰리브덴과 텅스텐의 함량이 합 Mo + W/2가 2.2% 이상일 때 더욱 특히 유리하지만, 이것만이 독점적 특성은 아니다. 그러나, 어떤 적용의 경우에는 강의 열 전도도가 가능한 한 큰 것이 바람직하다. 이 경우, 규소의 함량은 0.45% 미만으로 유지되는 것이 바람직하고, 가능한 한 낮은 것이 바람직하다.

강은 강의 담금질성(quenchability) 개선을 위해 최대 1.95 중량%의 망간을 함유하지만, 이 함량은 열등한 단조성 및 불충분한 인성으로 이어지게 되는 편석을 제한하기 위해 바람직하게는 1.5% 이하 그리고 더욱 더 바람직하게는 0.9% 이하로 유지되어야 한다. 강은 특히 황을 고정하기 위해 수 분의 1 퍼센트의 소량의 망간을 여전히 함유하며, Mn의 함량은 0.4% 이상인 것이 바람직하다는 것에 주목하여야 한다.

강은 담금질성 조정 및 인성 개선을 위해 최대 2.9%의 니켈을 함유한다. 그러나, 이 원소는 매우 고가이다. 그러므로, 0.9% 또는 심지어는 0.7% 초과의 니켈 함량은 일반적으로 추구되지 않는다. 강은 니켈을 함유하지 않을 수도 있지만, 니켈이 의도적으로 첨가되지 않는 경우에 강은 제조 과정으로부터 유래하는 잔류물의 형태로 최대 0.2%, 또는 최대 0.4%의 니켈 양을 함유하는 것이 유리하다.

강은 충분한 담금질성 확보 및 뜨임 동안의 경화 증가를 위해 1.1% 초과, 그리고 보다 유리하게는 2.1% 초과, 그리고 더욱 더 유리하게는 3.1% 초과, 그리고 심지어는 3.5% 초과의 크롬, 하지만 2차 탄화물의 형성을 억제하지 않기 위해 7.9% 미만, 그리고 보다 유리하게는 5.9% 미만 또는 더욱 더 유리하게는 4.9% 미만의 크롬을 함유한다. 여기에서 2차 탄화물은 특히 Mo 및/또는 W를 함유하고, 따라서 경화의 관점에서 탄화 크롬보다 효과적이다.

이 2차 탄화물(즉 재오스테나이트화(re-austenitization) 후 냉각 동안 그리고 특히 뜨임 과정(들) 동안 형성된 것)은 레데부라이트 탄화물(선택적으로는 응고의 종료시에 얻어짐)보다 훨씬 더 미세하고 다량이다. 따라서, 이는 뜨임 후의 금속 기질의 경화에 높은 정도로 기여한다. 이는 기질의 내마모성을 강화하고, 따라서 강의 내마모성에 큰 추가 기여를 자체적으로 하는 매우 경질의 굵은 티타늄 및/또는 지르코늄 탄화물의 분리의 위험을 제한하는 데 또한 유리하다.

이 크롬의 함량 범위 내에서, 2개의 바람직한 하부 범위를 구분하는 것이 바람직하다. 크롬의 함량이 충분히 높으면, 이 원소는 굵고 또한 덴드라이트간 망으로 다소간 배열된 레데부라이트 유형의 탄화물을 특히 편석 솔기에 형성하는 경향이 있다. 이 탄화물은 내마모성에 대한 일정한 유리한 효과에도 불구하고, 기질의 최소한 국부 취성화에 특히 기여한다. 결국, 인성보다는 경도와 내마모성에 우선순위를 주는 것이 바람직한 경우, 3.5% 이상의 크롬 함량을 선택하여 레데부라이트 유형의 탄화물의 존재를 촉진하는 것이 바람직하다. 한편, 내마모성의 약간의 감소가 수용되면서 강의 인성을 촉진하는 것이 바람직한 경우, 2.5% 이하의 크롬 함량을 선택하는 것이 바람직하다. 그러나, 2.5 내지 3.5%의 크롬의 중간계에서는 유리 탄소의 함량을 0.51% 미만으로 제한하거나, 텅스텐의 함량을 제한하거나 몰리브덴에 대한 텅스텐의 비를 제한함으로써 인성에 우선순위를 부여하는 것이 추가로 가능하다. 왜냐하면 텅스텐은 몰리브덴보다 온도의 관점에서 더 안정한 탄화물을 형성하는 성향에 기인해, 레데부라이트 탄화 크롬의 형성을 그와 우선적으로 조합됨으로써 촉진하는 경향이 있기 때문이다.

강의 몰리브덴 및 텅스텐의 함량은 합 Mo + W/2이 0.61% 이상, 바람직하게는 1.1% 이상, 그리고 보다 유리하게는 1.6% 이상이도록 되어야 할 것이다. 이 함량은 높은 수준의 경화는 물론 보다 양호한 내열연화성을 얻기 위해, 특히 강의 이용이 대략 450℃를 초과할 수 있는 온도로의 가열을 유발할 때, 2.2% 초과인 것이 더욱 바람직하다. 이는 예컨대 중간 온도에서 강으로부터 작업 기구를 제조하는 데 쓰이는 강의 경우 그러하다. 이 경우, 합 Mo + W/2는 가공물에 대해 수행하는 것이 바람직한 뜨임의 온도 및 원하는 경도에 따라 최대 2.9% 또는 3.4% 또는 심지어는 3.9%일 수 있다. 매우 높은 수준의 기질의 내마모성에 도달하고 손상 효과를 최대한 제한하기 위해 그리고 그에 따라 Ti 및/또는 Zr의 굵은 탄화물의 분리를 가능한 한 지연시키기 위해, Mo + W/2는 심지어는 최대 4.4%일 수 있다.

(Mo + W/2)의 함량, 즉 본 방법을 적용하기 전의 몰리브덴의 함량의 증가와 관련된 장점은 이것의 고려를 더욱 더 유리하게 만드는데, 왜냐하면 본 방법의 적용 이외에 Mo 탄화물 생성 물질의 편석은 그 원소의 함량에 따라 증가하기 때문이다.

앞서 정의한 Mo + W/2의 조합된 함량 범위 내에서, 텅스텐의 함량은 텅스텐의 특정 효과를 가장 잘 이용하기 위해 최소 0.21%, 바람직하게는 0.41% 이상, 더욱 더 유리하게는 0.61% 이상이다.

텅스텐의 함량은 위에서 나타낸 바와 같은 편석의 불리한 효과 감소의 원하는 정도에 좌우하며, 합금의 비용을 포함할 수도 있다. 그 함량은 최대 4.9%일 수 있지만, 일반적으로는 1.9%를 넘지 않는다; 일반적으로, 0.90% 또는 심지어는 0.79% 이하의 함량이 충분하다.

몰리브덴의 함량은 흔적량 수준일 수 있지만, 바람직하게는 0.51% 이상, 그리고 보다 유리하게는 심지어는 1.4% 이상; 더욱 더 유리하게는 2.05% 이상이다. 더 나아가, 의도하는 수준의 내성(resistance)에 따라, 4.29%, 바람직하게는 3.4% 또는 보다 유리하게는 2.9%의 한계 함량을 초과할 필요가 없으며, 이 제한은 경화성 편석에 대한 몰리브덴의 기여의 추가 감소를 더 가능케 한다.

그러나, 크롬의 함량이 대략 2.5% 내지 3.5%일 때, 그리고 유리 탄소의 함량 C^* = C - Ti/4 - Zr/8이 0.51% 이상일 때에는 너무 높은 텅스텐의 함량은 텅스텐과 다소간 결합하는 탄화 크롬의 형성으로 이어질 수 있다. 레데부라이트 유형의, 굵고 덴드라이트간 망으로 다소간 배열된 이 탄화물은 기질의 최소한 국부 취성화에 기여한다. 이 단점을 극복하기 위해, 크롬의 함량이 2.5% 내지 3.5%이고, 유리 탄소의 함량 C^*이 0.51% 이상일 때, 텅스텐의 함량은 몰리브덴의 함량이 1.21% 미만일 때 0.85% 이하로 제한되고, 텅스텐/몰리브덴의 비는 몰리브덴의 함량이 1.21% 이상일 때 0.7 이하로 제한된다.

티타늄 및 지르코늄의 함량은, 편석 솔기의 불리한 효과의 감소와 관련한 원하는 효과를 얻기 위해 합 Ti + Zr/2이 0.21% 이상 그리고 바람직하게는 0.41% 이상, 보다 유리하게는 0.61% 이상이 되도록 조정되어야 한다. 더 나아가, 이 원소들은 내마모성을 개선하는 굵은 탄화물의 형성에 기여한다. 그러나, 이 합은 인성을 과도하게 억제하지 않기 위해 1.49% 미만 그리고 바람직하게는 1.19% 미만, 또는 0.99% 미만 또는 심지어는 0.79% 미만으로 유지되어야 한다. 더 나아가, 티타늄 및 지르코늄의 함량은 강의 인성 또는 내마모성을 우선시하는 것이 바람직한지에 따라 조정되어야 한다. 이 관점으로부터, 강의 인성을 우선시하는 것이 바람직할 때, 합 Ti + Zr/2는 바람직하게는 0.7% 미만으로 유지되어야 한다. 강의 내마모성을 우선시하는 것이 바람직할 때, 합 Ti + Zr/2는 바람직하게는 0.7% 이상이어야 한다. 마지막으로, 효과적이기 위해, 즉 굵은 탄화물의 형성으로 이어지기 위해, 티타늄 및 지르코늄의 함량은 전체 탄소 함량 C와 관련하여 충분해야 한다. 이를 위해, 곱 (Ti + Zr/2) × C는 0.07 이상, 바람직하게는 0.12 이상, 그리고 보다 유리하게는 0.2 이상이어야 한다.

Ti + Zr/2에 대해 나타낸 함량 범위에 따르기 위해, 티타늄의 최소 함량은 0% 또는 흔적 수준일 수 있지만, 바람직하게는 0.21%, 그리고 보다 유리하게는 0.41%, 더욱 더 유리하게는 0.61% 이상이다; 지르코늄의 최소 함량은 0% 또는 흔적량 수준일 수 있지만, 바람직하게는 0.06% 이상, 또는 보다 유리하게는 0.11% 이상이다. 티타늄의 최대 함량은 1.49%이지만 1.19% 또는 0.99%로, 보다 유리하게는 0.79% 또는 심지어는 0.7%로 감소될 수 있으며, 한편 지르코늄의 최대 함량은 2.9%, 바람직하게는 0.9%, 보다 바람직하게는 0.49%이다.

강은 선택적으로 최대 1.45%의 바나듐, 최대 1.45%의 니오븀, 최대 1.45%의 탄탈륨을 함유하며, 합 V + Nb/2 + Ta/4는 1.45% 미만, 보다 유리하게는 0.95% 미만 그리고 심지어는 0.45% 미만이다. 최소 함량은 0% 또는 흔적량 수준이지만, 바람직하게는 0.11% 이상 그리고 보다 유리하게는 0.21% 이상이다. V + Nb/2 + Ta/4의 첨가 수준은 D에 대한 식에서 나타나는 바와 같이 뜨임에 대한 응답 및 내성의 고정에 기여한다.

이 원소들은 MC 유형의 탄화물의 석출에 의해 내연화성을 크게 개선하는 장점이 있다. 이 원소들로부터, 바나듐을 선택하여 0.11% 내지 0.95%의 함량으로 첨가하는 것이 바람직하다. 니오븀은 쓰일 수는 있지만 바나듐보다 높은 온도에서 석출하는 단점을 가지며, 이는 강의 단조성을 크게 감소시킨다. 결국, 니오븀의 존재는 권장되지 않으며, 어떤 경우에서도 니오븀의 함량은 1% 또는 0.5% 미만, 또는 더욱 더 유리하게는 0.05% 미만으로 유지되는 것이 바람직하다.

강은 공작성 개선을 위해 최대 0.095%, 또는 심지어는 0.19%의 황을 함유한다; 그러나, 양호한 인성이 추구되는 경우에는 0.005% 미만의 함량이 바람직하다.

공작 관점에서의 응답에 대한 눈에 띌 만한 효과를 얻기 위해, 0.011% 또는 보다 유리하게는 0.051%의 최소 황 함량이 바람직하다.

황은 2배 중량의 셀레늄 또는 4배 중량의 텔루륨으로 전부 또는 일부 대체될 수 있다; 그러나, 보다 경제적인 황의 첨가가 일반적으로 바람직하다. 더 나아가, 최대 0.010% 함량으로 칼슘을 첨가함으로써 공작성에 대한 황의 이로운 작용을 보충하는 것이 유리할 수 있으며, 이는 절단 기구에 대해 보다 효과적인 Mn 및 Ca 혼합 황화물의 형성을 촉진하기 위함이다. 그러므로, 강은 최대 0.38%의 셀레늄, 최대 0.76%의 텔루륨 및 최대 0.01%의 칼슘을 함유할 수 있으며, 합 S + Se/2 + Te/4는 0.19% 이하로 유지된다.

강은 탄화물의 핵생성을 용이하게 하고 구조를 정련하기 위해 최대 0.5%의 희토류를 선택적으로, 그리고 담금질성 개선을 위해 최대 0.1%의 붕소를 선택적으로 함유한다.

강은 또한 최대 1%의 구리를 함유할 수 있다. 이 원소는 바람직하지는 않지만, 분리하기가 너무 고가인 원료에 의해 도입될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이 원소는 고온 상태에서 연성에 바람직하지 못한 효과를 나타내므로 구리의 함량은 제한되어야 한다. 이 측면에서, 구리의 함량 이상의 함량의 Ni의 존재가 바람직하며, 구리의 함량이 대략 0.5%를 초과하는 경우 최소한 그러하다. 충분한 니켈의 함량은 구리의 불리한 효과를 경감한다.

같은 방식으로, 강은 규소처럼 액체 금속의 탈산화에 기여할 수 있는 알루미늄을 함유할 수 있다. 알루미늄의 함량은 흔적량 수준이거나, 보다 유리하게는 0.006% 이상, 더욱 더 유리하게는 0.020% 이상이다. 더 나아가, 이 원소의 함량은 충분한 순도를 보장하기 위해 1% 미만으로 유지되어야 하고, 바람직하게는 0.100%를 넘지 않으며, 그리고 더욱 더 유리하게는 0.050% 미만이다.

조성의 잔부는 철 및 제조 과정으로부터 유래하는 불순물로 구성된다. 어떤 원소가 제조 과정 동안 의도적으로 첨가되지 않는 경우, 그 함량은 0% 또는 흔적량 수준, 즉 원소에 따라, 분석 방법의 검출 한계 또는 성질에 유의적 효과를 주지 않고 원료에 의해 도입되는 양에 해당하는 수준이다.

강의 뜨임 동안 얻어지는 경화는 망간, 니켈 및 규소과 같은 기질 내 용해된 원소들에 좌우되지만, 특히 탄화물을 형성할 수 있는 원소들, 예컨대 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 니오븀 및 이보다 낮은 정도로 크롬은 물론, 기질 내 유리 탄소, 즉 티타늄 및 지르코늄에 의해 고정되지 않은 탄소에 좌우된다. 위에서 표시한 바와 같이, 유리 탄소의 함량 C^* = C - Ti/4 - Zr/8이다.

본 발명자들은 강의 경화는 다음 식에 의해 화학적 조성에 따라 산출할 수 있다는 점을 확립하였다:

D = 540(C^*)^0.25 + 245(Mo + W/2 + 3V + 1.5Nb + 0.75Ta)^0.30 + 125 × Cr^0.20 + 15.8 × Mn + 7.4 × Ni + 18 × Si.

D는 경도값으로서, 표준 뜨임 조건(550℃에서 1시간 동안)에 대한 뜨임으로부터 발생하는 경화를 대표한다. D 값이 클수록, 특정 온도에서의 뜨임 후의 경도가 더 높거나, 일정 수준의 경도가 도달되도록 하는 온도가 더 높다.

더 나아가, 일정 D 값에서, 경도는 당업계의 숙련된 자에게 공지된 바와 같이 온도 및 뜨임 시간에 따라 변화한다.

이 식은 본 발명에 따른 강, 또는 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어지는 강, 및 본 발명에 따른 방법이 적용되는 최초 강 모두에 적용된다는 점을 주목하여야 한다. 모든 경우에서, 고려하여야 할 함량은 계산이 이루어지는 강의 유효 함량들이다. 이는 식이 어떠한 텅스텐, 티타늄 또는 지르코늄도 함유하지 않는 최초 강에 적용될 때, C^* = C이기 때문에 C^*은 C로 대체되고, W/2 항은 0이기 때문에 사라지는 이유이다.

일반적 조건에서, 계수 D는 800 내지 1150이다. 그러나, 이 범위는 사용자가 원하는 경도 수준 및 예견되는 뜨임 온도에 따라 하부 범위들로 나눌 수 있다. 특히, D 값은 다음 범위들 내이다:

- 800 내지 900

- 901 내지 950

- 951 내지 1000

- 1001 내지 1075

- 1076 내지 1150.

이 범위들 내에서, 550℃에서 1시간 동안의 뜨임 후에 얻어지는 경도의 전형적인 수준을 표시하자면 각각 45HRC, 52HRC, 57HRC, 60HRC 및 63HRC 수준이다.

위에서 표시한 모든 조건들을 고려하면, 본 발명에 다른 강에 대해 다음과 같이 정의된 바람직한 조성 범위를 선택할 수 있다:

0.55≤C≤1.1%

0.21%≤Ti≤1.19%

Zr : 0% 또는 흔적량 수준

0.05%≤Si≤0.9%

Mn≤0.9%

Ni≤0.9%

2.1%≤Cr≤4.9%

2.05%≤Mo≤2.9%

0.21%≤W≤0.79%

0.21%≤V≤0.45%

Nb : 0% 또는 흔적량 수준.

이 범위 내에서, 탄소 및 티타늄의 함량으로 나타낸 경계로 정의되며, 인성 또는 내마모성이 다소간 우선시되는 사실에 대응되는 하부 범위 또는 군을 확인할 수 있다.

이 군들은 다음과 같다:

군 A:

0.85%≤C≤1.1%

0.70%≤Ti≤1.19%

군 B:

0.65%≤C≤1.1%

0.61%≤Ti≤0.99%

군 C:

0.65%≤C≤0.98%

0.41%≤Ti≤0.79%

군 D:

0.51%≤C≤0.85%

0.21%≤Ti≤0.70%

이 각 군들 내에서, 경도 수준은 경도값 D의 표현으로 나타내어지는 다양한 합금 원소들의 영향을 고려하여 조정할 수 있다.

일정 수준의 경도에서, 다양한 군들은 A, B, C, D의 순서로, 내마모성의 감소를 감수하면서 인성 수준의 증가를 꾀하도록 배열된다.

인성을 선호하는 우선적 선택에 해당하는 특히 유리한 구현예는 다음을 얻기 위해 조성을 조정하는 것이다:

W = 0.2 내지 0.9%이고 (Ti + Zr/2)는 0.35% 이상 0.49% 미만이고, (Mo + W/2 + 3V + 1.5Nb + 0.75Ta)는 최소값 2.5%, 보다 유리하게는 3.0% 이상 내지 최대값 4.5%, 보다 유리하게는 3.5%이고, 유리 탄소 C^*은 또한 0.51% 내지 1%, 보다 유리하게는 0.6% 내지 0.9%.

내마모성을 선호하는 우선적 선택에 해당하는 또 하나의 특히 유리한 구현예는 다음을 얻기 위해 조성을 조정하는 것이다:

W = 0.2 내지 0.9%이고 (Ti + Zr/2)는 0.49% 이상 0.95% 미만이고, (Mo + W/2 + 3V + 1.5Nb + 0.75Ta)는 최소값 2.5%, 보다 유리하게는 3.0% 이상 내지 최대값 4.5%, 보다 유리하게는 3.5%이고, 유리 탄소 C^*은 또한 0.51% 내지 1%, 보다 유리하게는 0.6% 내지 0.9%.

본 발명에 따르면, 티타늄 및 지르코늄은 1차 탄화물의 형태인 것이 바람직하고, 질화물의 형태는 아닌 것이 바람직하다. 이 질화물은, 액체 강 내에 여전히 존재하는 용존 질소의 함량을 고려하면 첨가 직후의 액체 내 티타늄 및 지르코늄의 일시적 과농도가 과도하게 높은 경우에 특히, 액체 강 내에 형성되는 경향이 있다.

그러므로, 본 발명에 따른 강을 제조하기 위해, 티타늄과 지르코늄이 질소와는 약간만 반응하고 탄소와 실질적으로 반응하도록 두 원소를 도입할 수 있다. 이는 강의 액상 동안, Ti 및 Zr이 첨가되는 때의 Ti 또는 Zr의 일시적 과농도를 방지함으로써 이루어진다.

본 발명에 따른 강 가공물을 제조하기 위해, 다음 단계들을 수행할 수 있다:

- 먼저, 본 발명에 따른 유형의 모든 원소들의 용융으로 액체 강을 제조, 단 티타늄 및/또는 지르코늄은 예외,

- 다음, 티타늄 및 지르코늄을 용융 강의 배쓰(bath)에 첨가하되, 용융 강의 배쓰 내 티타늄 및/또는 지르코늄의 국부 과농도는 항상 방지.

다음으로, 잉곳 또는 슬랩과 같은 반완제품 형태로 강을 주조하고, 이 반완제품은 고온 상태에서 예컨대 압연에 의해 소성 변형으로 형성한 뒤, 얻어진 제품에 대해 선택적인 열처리 과정이 수행된다.

어떠한 국부 과농도도 방지하고 티타늄 및 지르코늄을 액체 강에 도입하기 위해, 다양한 방법을 수행할 수 있으며, 특히 다음이 가능하다:

- 액체 강의 배쓰를 덮는 슬래그에 티타늄 및/또는 지르코늄을 첨가하여 티타늄 및 지르코늄이 강의 배쓰 내에서 서서히 확산하도록 함;

- 액체 강의 배쓰를 기체 또는 임의의 다른 적절한 방법으로 교반하면서 티타늄 및/또는 지르코늄으로 구성된 와이어에 의해 연속식으로 티타늄 및/또는 지르코늄을 첨가;

- 배쓰를 기체 또는 임의의 다른 방법으로 교반하면서 티타늄 및/또는 지르코늄을 함유하는 분말을 액체 강의 배쓰로 불어넣어 티타늄 및/또는 지르코늄을 첨가.

본 발명에 따르면, 위에서 설명한 다양한 구현예들을 이용하는 것이 바람직하다. 그러나, 티타늄 및/또는 지르코늄의 국부 과농도를 방지하게 해 주는 어떠한 방법도 이용할 수 있다는 점을 이해하여야 한다.

그러나, Ti 및 Zr의 첨가를 위한 이 특정 방법은 여기에서의 대상 강의 제조에 필수적인 것은 아니며, 그 대신 선택적이다.

제조된 가공물에 가할 수 있는 열처리 과정은 기구용 강에 대해 전통적인 유형이다. 이러한 열처리 과정은 절단 및 가공을 용이하게 하기 위한 하나 또는 그 이상의 어닐링 과정, 다음으로 오스테나이트화, 그리고 기냉 또는 유냉과 같이 두께에 적합한 방법에 따른 냉각, 그리고 달성이 바람직한 경도 수준에 따른 하나 또는 그 이상의 선택적인 어닐링 과정을 선택적으로 포함할 수 있다.

위에서 설명한 방법에 의해, 종래 기술에 따른 강 가공물과 같은 용도를 위한 주요 특징들을 갖는 강 가공물을 얻는다. 그러나, 이 가공물은 종래 기술에 따른 가공물에서 관찰할 수 있는 것에 비해 크게 경감된 편석 솔기를 갖는다. 결국, 이 가공물은 공작 또는 용접이 더 용이하며 종래 기술에 따른 가공물보다 큰 인성을 갖는다.

예시로서 그리고 텅스텐 및 티타늄 또는 지르코늄간의 상승 효과를 예증하기 위해, 표 1에 정리한 명목(nominal) 조성의 강의 가공물을 제조할 수 있다. 이 표는 화학적 조성, 경도 계수 D 및 편석 계수 Γs를 표시하며, 이는 2차 경화를 생성할 수 있는 편석 솔기 내 몰리브덴 및 텅스텐의 누적 경화 및 취성화 편석을 고려한다. 이를 위해, 굵은 탄화 티타늄 및 지르코늄(이들은 그 자체가 몰리브덴 또는 텅스텐을 함유함으로써 혼합 탄화물 (Ti Zr Mo W)C를 형성하는 경향이 있다) 내에 고정될 수 있는 것뿐 아니라, 기질 내 몰리브덴 및 텅스텐의 함량을 올바르게 고려하기 위해 굵은 탄화 티타늄은 억제시키고 편석 솔기 내부(Mos 및 Ws) 및 외부(Moh 및 Wh)의 함량을 마이크로프로브를 이용하여 측정하였다. 이 방식으로, Mo 및 W의 경화 및 취성화 부분을 금속 기질과 관련하여 평가할 수 있을 것이다.

이 방식으로, (Mo + W/2)의 누적 함량의 편석 속도 Γs MW는 다음과 같이 정의된다:

Γs MW = ((Mos + Ws/2) - (Moh + Wh/2))/(Moh + Wh/2).

Mo + W/2라는 척도를 유지하였는데, 그 이유는 이것이 편석 솔기 내부 및 외부 모두에서의 원소 Mo 및 W의 누적 경화 기여를 대표하기 때문이다.

실시예 a₁, b₁, c₁ 및 d₁은 참조강, 즉 본 발명에 따른 방법을 수행하기 전에 선택되는 조성의 강에 해당한다. 다른 실시예들은 본 발명에 따른 방법에 의한 참조강으로부터 유래하며, 다만 실시예 a₂ 및 b₂는 예외로서 이들에 대해서는 텅스텐 및 티타늄에 관계되는 조건들을 따르지 않았다.

실시예 a₁, a₂ 및 a₃은 같은 경도를 갖는다. 실시예 a₂는 티타늄 첨가 없이 몰리브덴 0.20%를 텅스텐 0.40%로 대체함으로써 실시예 a₁으로부터 유래한다. 편석 속도가 유의적으로 변형되지 않는다는 점을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 a₃은 실시예 a₁으로부터 유래하는데, 몰리브덴 0.20%를 텅스텐 0.40%로 대체할 뿐 아니라, 티타늄 0.40%를 첨가하고 결과적으로 탄소를 조정한다. 이 강의 편석 속도는 실시예 a₁ 및 a₂에 비해 매우 실질적으로 감소한다는 점을 이해할 수 있을 것이다.

같은 방식으로, 실시예 b₁, b₂ 및 b₃은 텅스텐의 첨가가 없는 티타늄 및 지르코늄의 첨가는 어떠한 효과도 갖지 않는 반면(b₁, b₂ 비교), 원하는 효과는 몰리브덴을 일부 치환한 텅스텐의 존재하에(b₂, b₃ 비교) 나타난다는 것을 보여 준다.

실시예 c₁, c₂ 및 c₃은 동일한 텅스텐 첨가에서, 티타늄 첨가의 증가는 편석에 유망한 효과를 갖는다는 것을 보여 준다.

같은 방식으로, 실시예 d₁, d₂ 및 d₃은 티타늄 또는 지르코늄의 함량이 충분하기 때문에 텅스텐 함량의 증가가 유망한 효과를 갖는다는 것을 보여 준다.

비 (Ti + Zr/2)/W의 텅스텐의 편석에 대한 효과를 예증하기 위해, 참조 주조 5, 7, 1, 9, 6, 2, 18, 13, 17 및 3의 강에 해당하는 실시예들을 고려하는 것도 가능하며, 이들은 참조 주조를 제외하고는 모두 본 발명에 해당한다. 이 주조들의 주 원소로 나타낸 함량을 표 2에 정리하였다; 조성의 잔부는 철 그리고 제조 과정으로부터 유래하는 불순물이다.

표 3은 합 Ti + Zr/2, W의 함량, 비 (Ti + Zr/2)/W 및 명목 텅스텐 함량을 갖는 편석 솔기 내 텅스텐 함량의 관계식 Ws/W를 보여 준다.

관계식 Ws/W의 값을 관계식 (Ti + Zr/2)/W의 값에 따라 도면에 그래프로 도해하였다.

그래프는 관계식 (Ti + Zr/2)/W가 0.2를 초과하자마자 관계식 Ws/W가 실질적으로 2 미만이 된다는 것을 보여 준다. Ws/W는 (Ti + Zr/2)/W가 증가할 때 규칙적으로 감소하는 반면, 티타늄 또는 지르코늄을 함유하지 않는 참조 주조의 경우에 이 값은 2.7이라는 것을 또한 알 수 있다.

본 발명은 표 4에 표시된 분석들에 해당하는 실시예들에 의해 또한 예증되며, 이 역시 관계식 Ws/W가 모든 경우에서 1.6 미만이고 심지어는 0.67까지 작을 수 있다는 것을 시사한다.

이 실시예들은 또한 강의 열 전도도에 대한 규소 함량의 효과, 그리고 따라서 강이 양호한 열 전도도가 요구되는 기구 제조를 목적하는 경우 낮은 함량의 규소를 부과할 때의 장점을 보여 준다. 이 효과는 실시예 21 및 28, 22 및 29, 23 및 30의 쌍에 의해 예증된다. 이들 쌍 각각에서, 실시예들은 규소의 함량 측면에서만 실질적으로 상이하다. 열 전도도 수준은 다음과 같다:

실시예 21 : Si = 0.9% 열 전도도 = 20.6 W/m/K

실시예 28 : Si = 0.2% 열 전도도 = 25.1 W/m/K

실시예 22 : Si = 0.8% 열 전도도 = 21.3 W/m/K

실시예 29 : Si = 0.3% 열 전도도 = 24.4 W/m/K

실시예 23 : Si = 0.7% 열 전도도 = 20.7 W/m/K

실시예 30 : Si = 0.2% 열 전도도 = 23.6 W/m/K

이 방식으로, 낮은 수준의 규소는 열 전도도를 유의적으로 증가시킨다는 것을 알 수 있다. 실시예들의 경우, 증가는 대략 15% 내지 대략 25%이다.

Claims (18)

1. 조성이 중량%로:

   0.30% ≤ C ≤ 1.42%,

   0.05% ≤ Si ≤ 1.5%,

   0 < Mn ≤ 1.95%,

   0 < Ni ≤ 2.9%,

   1.1% ≤ Cr ≤ 7.9%,

   0.61% ≤ Mo ≤ 4.4%,

   - 선택적으로 바나듐, 니오븀 및 탄탈륨으로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소로서 그 함량은 V ≤ 1.45%, Nb ≤ 1.45%, Ta ≤ 1.45% 및 V + Nb/2 + Ta/4 ≤ 1.45%,

   - 선택적으로 최대 0.1%의 붕소,

   - 0.005% 미만의 황

   - 선택적으로 최대 0.01%의 칼슘,

   - 선택적으로 최대 0.5%의 희토류,

   - 선택적으로 최대 1%의 알루미늄,

   - 선택적으로 최대 1%의 구리,

   잔부로서 철 및 제조 과정으로부터 유래하는 불순물을 포함하고,

   이 조성이 또한

   800 ≤ D ≤ 1150을 따르며,

   여기에서

   D = 540(C)^0.25 + 245(Mo + 3V + 1.5Nb + 0.75Ta)^0.30 + 125Cr^0.20 + 15.8Mn + 7.4Ni + 18Si인

   고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강의 편석 솔기의 불리한 효과를 감소시키는 방법으로서,

   - 텅스텐의 함량이 0.21% 이상이 되도록 몰리브덴이 2배의 텅스텐으로 전부 또는 일부 대체되고,

   - 티타늄 및 지르코늄 중 적어도 하나의 함량 및 탄소의 함량이, 조정 후에

   Ti + Zr/2 ≥ 0.20 × W,

   C' = C + Ti/4 + Zr/8,

   (Ti + Zr/2) × C' ≥ 0.07,

   및 Ti + Zr/2 ≤ 1.49%

   가 되도록 조정되며, 단 여기에서 C'은 조정 후 탄소의 함량 그리고 C는 조정 전 탄소의 함량이고,

   강 제조시 상기 조정을 수행하는데 있어서 정밀도는

   0.95 × 조정 전 D ≤ 조정 후 D ≤ 1.05 × 조정 전 D가 되도록 하고,

   조정 후 D = 540(C' - Ti/4 - Zr/8)^0.25 + 245(조정 후 Mo + W/2 + 3V + 1.5Nb + 0.75Ta)^0.30 + 125Cr^0.20 + 15.8Mn + 7.4Ni + 18Si인, 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강의 편석 솔기의 불리한 효과를 감소시키는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   크롬의 함량이 2.5% 내지 3.5%일 때, 조성의 조정 전의 탄소의 함량이 C ≥ 0.51%라면, 조정 후 Mo < 1.21%이면 W ≤ 0.85% 그리고 조정 후 Mo ≥ 1.21%이면 W/Mo ≤ 0.7인 것을 특징으로 하는 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강의 편석 솔기의 불리한 효과를 감소시키는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   조정 후 D = 조정 전 D인 것을 특징으로 하는 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강의 편석 솔기의 불리한 효과를 감소시키는 방법.
4. 화학적 조성이 중량%로:

   0.35% ≤ C ≤ 1.47%,

   0.05% ≤ Si ≤ 1.5%,

   0 < Mn ≤ 1.95%,

   0 < Ni ≤ 2.9%,

   1.1% ≤ Cr ≤ 7.9%,

   0% < Mo ≤ 4.29%,

   0.21% ≤ W ≤ 4.9%,

   0.61% ≤ Mo + W/2 ≤ 4.4%,

   0% < Ti ≤ 1.49%,

   선택적으로 0% ≤ Zr ≤ 2.9%,

   0.21% ≤ Ti + Zr/2 ≤ 1.49%,

   - 선택적으로 바나듐, 니오븀 및 탄탈륨으로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소로서 그 함량은 V ≤ 1.45%, Nb ≤ 1.45%, Ta ≤ 1.45% 및 V + Nb/2 + Ta/4 ≤ 1.45%,

   - 선택적으로 최대 0.1%의 붕소,

   - 0.005% 미만의 황,

   - 선택적으로 최대 0.01%의 칼슘,

   - 선택적으로 최대 0.5%의 희토류,

   - 선택적으로 최대 1%의 알루미늄,

   - 선택적으로 최대 1%의 구리,

   잔부로서 철 및 제조 과정으로부터 유래하는 불순물을 포함하고,

   이 조성이 다음 조건들을 따르는:

   (Ti + Zr/2)/W ≥ 0.20,

   (Ti + Zr/2) × C ≥ 0.07,

   0.3% ≤ C^* ≤ 1.42%,

   800 ≤ D ≤ 1150,

   여기에서

   D = 540(C^*)^0.25 + 245(Mo + W/2 + 3V + 1.5Nb + 0.75Ta)^0.3 + 125Cr^0.20 + 15.8Mn + 7.4Ni + 18Si이고

   C^* = C - Ti/4 - Zr/8이고,

   또한 C^* ≥ 0.51% 이고 2.5% ≤ Cr ≤ 3.5%라면, Mo < 1.21%일 때 W ≤ 0.85% 그리고 Mo ≥ 1.21%라면 W/Mo ≤ 0.7인, 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강.
5. 제4항에 있어서,

   C^* ≤ 1.1%인 것을 특징으로 하는 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강.
6. 제4항에 있어서,

   C ≤ 0.85%인 것을 특징으로 하는 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강.
7. 제4항에 있어서,

   C > 0.85%인 것을 특징으로 하는 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강.
8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   W ≤ 0.85%인 것을 특징으로 하는 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강.
9. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   Si ≥ 0.45%인 것을 특징으로 하는 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강.
10. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    Si < 0.45%인 것을 특징으로 하는 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강.
11. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    Mo + W/2 ≥ 2.2%인 것을 특징으로 하는 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강.
12. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    Cr ≥ 3.5%인 것을 특징으로 하는 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강.
13. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    Ti + Zr/2 < 0.7%인 것을 특징으로 하는 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강.
14. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

    Ti + Zr/2 ≥ 0.7%인 것을 특징으로 하는 고 기계적 강도 및 고 내마모성을 갖는 강.
15. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 강을 이용한 강 가공물의 제조방법에 있어서,

    - 배쓰(bath) 내에 티타늄 및 지르코늄 중 적어도 하나의 함량을 조정하여 용융 상태의 강을 제조하고;

    - 상기 강을 주조하고;

    - 다음으로, 주조된 강에 대해 소성 변형에 의한 성형 처리 과정, 및 선택적으로 열처리 과정을 가하여 가공물을 얻는 것을 특징으로 하는 강 가공물의 제조방법.
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