KR101285107B1 - Ｔｂｍ용 고경도 디스크 커터링의 다상 복합주강 조성물 및 이를 이용한 디스크 커터링의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 커터링의 경도를 향상시켜 충격 저항성을 향상시키는 반면 마모를 저감시키기 위한 ＴＢＭ용 고경도 디스크 커터링의 다상 복합주강 조성물에 관한 것이다. 본 발명은 ＴＢＭ용 디스크 커터링의 제조를 위한 합금 조성에서, 전체 조성물의 총 중량에 대하여 Si 0.3wt％, Mn 1.3wt％, V 1.0wt％, C 0.3∼0.45wt％, Mo 2wt％에 대하여 B 0.01∼0.03wt％을 첨가하고 잔부 Fe로 조성하고 930℃를 3시간 유지하는 풀림공정, 860℃를 3시간 유지하는 소입공정 및 냉각 후 290℃를 2시간 유지한 후 재냉각하는 염욕공정을 포함하는 염욕담금질 열처리방법에 의해, 커터링의 경도, 내마모성 및 내충격성을 향상시켜 커터의 마모와 파손을 최소화할 수 있는 특징이 있다.

Description

ＴＢＭ용 고경도 디스크 커터링의 다상 복합주강 조성물 및 이를 이용한 디스크 커터링의 제조방법{A multiple phase complex cast steel composition of high hardness disc cutter ring for use in ＴＢＭ and the making method thereof}

본 발명은 터널의 기계굴착장비인 암반굴착용 TBM(Tunnel Boring Machine)에 사용되는 암석 절삭도구(cutting tool)인 디스크 커터(disc cutter)의 링(ring)을 제작하기 위한 합금 조성물에 관한 것으로서, 특히 실제 암석을 절삭하는 부분으로서 디스크 커터에서 가장 중요한 커터링(cutter ring)의 경도를 향상시켜 충격 저항성을 향상시키는 반면 마모를 저감시키기 위한 다상 복합주강 조성물 및 이를 이용하여 디스크 커터링을 제조하는 방법에 관한 것이다.

터널 기계화 굴착공법(mechanized tunnelling)에 사용되는 터널굴착기(Tunnel Boring Machine; 이하, "TBM"이라고 약칭함)는 종래의 대표적인 발파공법과는 달리 소음 및 진동 등의 환경 피해요소가 적고 굴착 직후 주변 지반의 이완을 방지하여 터널의 안정성 확보에 유리할 뿐만 아니라, 균질한 지반 조건에서 고속 굴진을 유도할 수 있으며 연장이 긴 터널에서 발파공법보다 공사기간과 공사비용을 대폭 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다. 대한민국 등록특허 제10-0981322호에는 이러한 TBM에 대해 개시되어 있다.

TBM의 가장 핵심적인 부분은, 실제 지반을 절삭하게 되는 도 1에 나타낸 바와 같은 회전식 면판(cutterhead)이다.

일반적으로 암반에 대응하기 위한 면판에는 도 2에 나타낸 바와 같은 디스크 커터가 장착되게 된다. 디스크 커터는 커터링(cutter ring), 롤러 베어링(roller bearing) 등을 포함하여 약 20개의 세부 부품들로 구성된다. 디스크 커터는 TBM의 굴착 성능을 좌우할 뿐만 아니라, 소모성 재료이기 때문에 TBM의 경제성 측면에서 매우 중요한 부품이다.

디스크 커터에는 직경별로 도 3에 나타낸 바와 같은 커터링(cutter ring)이 장착된다. 커터링은 TBM이 작동함에 따라 회전하면서 실제로 암반을 굴착하는 부분으로서 굴착과정이 진행되면서 마모 또는 파손이 될 수 있으며, 이 경우 디스크 커터를 교체해야 하기 때문에 이로 인해 시공지연 또는 시공 지체가 발생한다.

따라서 커터 마모와 교체를 최소화할 수 있는 커터링의 고경도·고강도화가 중요한 기술적 사항이다.

커터링은 합금강(alloy steel)으로서 경도와 강도의 균형이 중요하며, 인성도 중요한 물성이다. 예를 들어, 취성 강재는 충격감도와 마모도가 높기 때문에, 커터링 재료의 선정이 매우 중요하다.

대한민국 등록특허공보 제10-0981322호(2010. 09. 10. 공고) 참조.

본 발명의 목적은 전술한 점을 감안하여 안출된 것으로, 보론(Boron/B)의 미량 첨가를 통해 디스크 커터에서 가장 중요한 커터링 재질의 소입성 및 제반 기계적 특성을 향상시켜 커터의 마모와 파손을 최소화할 수 있는 다상 복합주강 조성물 및 이를 이용한 디스크 커터링의 제조방법을 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 ＴＢＭ용 고경도 디스크 커터링 제작에 적합한 다상 복합주강 조성물은, ＴＢＭ용 디스크 커터링의 제조를 위한 합금 조성물으로서, Si 0.3wt％, Mn 1.3wt％, V 1.0wt％, 및 C 0.3∼0.45wt％에 대하여 B 0.01∼0.03wt％와 Mo 2wt％를 첨가하고 잔부 Fe로 이루어진 조성을 가진다.

또한 본 발명에 따른 다상 복합주강 조성물을 이용하여 ＴＢＭ용 디스크 커터링을 제조하는 방법은, Si 0.3wt％, Mn 1.3wt％, V 1.0wt％, C 0.3∼0.45wt％ 및 Mo 2wt％에 대하여 B 0.01∼0.03wt％를 더 포함하며 잔부 Fe로 이루어진 다상 복합주강 조성물을 이용하여 주조에 의해 디스크 커터링의 형상을 만든 후 열처리에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한 위와 같은 본 발명의 방법에서, 상기 다상 복합주강 조성물의 내충격성을 향상시키기 위해, 다상 복합주상 조성물에 의해 만들어진 디스크 커터링의 제품에 수행하는 열처리는, 930℃에서 3시간 유지하는 풀림공정, 860℃에서 3시간 유지하는 소입공정, 및 냉각 후 290℃에서 2시간 유지한 후 재냉각하는 염욕공정을 포함하는 염욕담금질 열처리에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 ＴＢＭ용 고경도 디스크 커터링의 다상 복합주강 조성물은, 보론(B)의 미량 첨가로 재료의 소입성 향상 및 기계적 특성 향상을 도모하고, 바나듐(V)의 사용량 증가를 통해 바나듐(V)과 탄소(C)의 결합에 의해 미세 탄질화물 형성 및 결정립 미세화로 인성을 향상시키고, 탄화물 형성 원소인 몰리브덴(Mo)의 첨가 및 사용량 증대로 기계적 특성을 향상시켜 TBM에 사용되는 디스크 커터의 고경도 커터링을 생산할 수 있게 하는 효과를 갖는다.

도 1은 TBM의 회전식 면판(cutterhead)을 나타낸 도면 대용 사진이다.
도 2는 도 1의 면판에 장착되는 디스크 커터를 나타낸 도면 대용 사진이다.
도 3은 디스크 커터 직경별 커터링을 나타낸 도면 대용 사진이다.
도 4는 온도 변화에 따른 재료별 마찰계수를 나타내는 그래프이다.
도 5 및 도 6은 각각 국산 규격 재료와 독일산 디스크 커터 재료의 미세조직 분석 결과를 나타내는 도면 대용 사진이다.
도 7 및 도 8은 각각 국산 규격 재료와 독일산 디스크 커터 재료의 X선 회절 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 1차 및 2차 다상 복합주강의 주조 및 열처리 후의 경도값 비교 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 합금 조성물에 대해 염욕담금질 조건(열처리 조건)을 적용한 후 내충격시험을 수행한 상태의 시편 모습에 대한 도면 대용 사진이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. .

현재까지 개발 또는 상용화된 디스크 커터 가운데 성능이 뛰어난 디스크 커터는 TBM의 최대 제작사인 독일의 A사의 제품으로 알려져 있는데, 이 회사의 디스크 커터는 최대 압축강도 300㎫의 암반 굴착에도 적용될 수 있는 것으로 알려져 있다.

본 발명이 발명자들은 이러한 종래의 우수한 디스크 커터링의 재료 분석과 제반 기계적 특성들에 대한 성능평가를 실시하여 고경도 디스크 커터링 제작을 위한 합금 조성물을 개발하는 데 참고하였다.

디스크 커터의 제반 특성 평가를 위해 OE Spectrometer에 의해 성분분석을 실시하였으며 시험방법으로는 KS D 1652:2001을 이용하였다.

하기 표 1은 각각 종래의 국산 규격 재료(일본공업규격SKD11 및 SKD61에 대응되는 국산규격재료)와 독일산 디스크 커터링의 제작에 이용한 합금 조성물의 화학조성을 나타낸다.

위의 표 1에 나타낸 바와 같이, 국산 SKD11 합금 조성물에 비하여 독일 A사의 디스크 커터링을 위한 합금 조성물(이하, "독일산 합금 조성물"이라고 약칭함)은 크롬(Cr)과 탄소(C)의 함유량이 낮은 강종임을 파악하였다. 또한, 독일산 합금 조성물의 경우, 바나듐(V), 몰리브덴(Mo) 등의 인성 및 탄화 석출물을 제어하는 조성이 높기 때문에 내마모 및 내충격성 등의 물성 향상인자로 작용하였다고 할 수 있다. 또한, 상기 강종은 표 1에서 보는 바와 같이 국산 SKD61 합금 조성물과 유사한 화학조성을 가지는 것으로 파악된다. 대부분의 합금 조성이 규격 내에 있으나, 탄소(C)의 농도가 다소 높은데, 이는 강도 향상을 위한 고려라고 할 수 있다. 한편, 독일산 합금 조성물의 경우, 국산규격에 포함되지 않은 니켈(Ni)이 함유되어 있으며, 이는 니켈(Ni)을 통한 인성 향상을 기대한 것으로 보인다. 구리(Cu)의 첨가는 의도적이기 보다는 원료인 파편(scrap)에 함유된 것으로 보인다.

상기 재료들의 기계적 특성 평가를 위해 경도 측정 평가, 마찰계수 측정 평가 그리고 내마모 측정 평가를 실시하였다.

첫째로, 경도 측정 평가는 Rockwell과 Micro vickers 경도기를 사용하여 측정하였고, 경도측정은 5회를 측정 후 평균값을 내어 측정된 수치의 신뢰성을 얻고자 하였다. SKD11 합금 조성물에 대해 시험을 수행하여 물성을 측정한 결과, HRC의 평균값은 59.5 HRC로 측정되었다. 또한, Micro vickers 경도기를 이용하여 측정한 SKD11 합금 조성물에 대한 시험결과는 686.1 Hv로 측정되었다. 독일산 합금 조성물에 대한 측정결과는 SKD11 합금 조성물의 측정값보다 다소 낮게 측정되긴 하였으나 큰 차이는 아니며 비슷한 수준인 것으로 파악되었다. 이를 정리하면 다음의 표 2와 같다. 표 2에서 "독일"이라고 기재한 것은 상기한 독일산 합금 조성물을 지칭한다.

둘째로, 마찰계수 측정평가는 고온용 마찰계수 측정기를 사용하여 측정하였고, 마찰계수 측정은 각각의 조건마다 5회를 측정 후 평균값을 내어 측정된 수치의 신뢰성을 얻고자 하였다. 실험조건은 하중을 50N으로 고정시킨 후, 상온부터 300℃까지 각각의 온도변화에 따른 마찰계수 측정평가를 실시하였다. 각 시편은 2㎝ 지름과 2㎝의 길이의 바(bar)형태로 가공되었으며, 가로 5㎝, 세로 12㎝의 상대 재에 직선운동을 통해 마찰력이 측정된다. 상대재료로서 SCM440 소재를 가공하여 사용하였다.

도 4는 온도 변화에 따른 재료별 마찰계수를 측정한 그래프로, 가로축은 온도(temperature)를, 세로축은 마찰계수(friction coefficient)를 나타낸다.

도 4에 나타낸 그래프를 보면, 상온에서의 마찰계수는 국산 규격(커터링 제작용 국산 합금 조성물)의 0.13이고, 독일산 합금 조성물의 0.15로서 큰 차이는 보이지 않았다. 두 재료 모두 상온부터 200℃까지는 큰 변화를 보이지 않았으나, 200℃ 이상에서 급격하게 마찰계수가 증가하는 경향을 나타내고 있다. 200℃ 이상의 고온에서는 국산 규격의 마찰계수가 약 0.4로서 독일산 합금 조성물의 0.6보다 다소 작음을 알 수 있다. 이는 상기 표 1에서 보인 바와 같이, 국산 규격의 경우 11％의 크롬(Cr)이 함유되어 있는 바, 이로 인하여 고온 내산화성 및 윤할성이 우수한 크롬계 산화물을 형성하는 것으로 보이며, 오히려 독일산 합금 조성물의 경우보다 우수한 마찰특성을 나타낸다. 디스크 커터의 경우 커터 주변에 지하수 등으로 인한 냉각수가 공급되는 조건이므로 비교적 200℃ 이상의 높은 온도에 노출되지는 않을 것으로 사료되나, 고온 발생이 가능한 경우라면 상기 재료의 특성을 고려하여야 한다.

셋째로, 내마모 측정 평가는 Pin-on disc wear tester를 이용하여 측정하였고 국산 규격 재료와 독일산 합금 조성물의 평가 결과를 비교분석 하였다. 마모시험에서 Stroke는 ±15㎜, Load는 50N, 주파수(frequency)는 3㎐이었으며 Friction time은 3600초로 고정하였다.

상기 두 재료들의 내마모 시험을 수행한 결과, 하기 표 3에 나타낸 바와 같이, 국산 규격 재료에 대해서는 다소 편차는 있었으나 평균 0.0114g으로 독일산 재료 대비 약 15배 정도 내마모 특성이 낮은 것으로 나타났다. 아래의 표 3에서 "독일산"은 독일산 합금 조성물을 의미하며, "SKD" 및 "하이스 강"은 각각 커터링 제조를 위한 국산 규격(국내산 합성 조성물)을 의미한다. 특히 “SKD”는 커터링 제조를 위한 합금관련 일본공업규격에서의 합금식별번호로서, “SKD”라는 용어와 “국산”이라는 용어를 사용할 경우, 이는 “국내에서 생산된 SKD규격에 대응되는 것“이라는 의미이다.

이상의 결과로부터, 국산 규격 재료에 대해서는 전체적으로 내마모성의 열위가 개선되어야 하고 성능 편차에 대해서도 개선되어야 한다는 결론에 이르게 된다. 금속학적 특성을 고려한다면 국산 규격 소재에 포함된 탄화석출물의 조대화 및 입계의 편석에 따른 특성이 발현된 것으로 사료된다.

샤르피 충격흡수에너지 시험(상온시험)에 의한 상기 두 디스크 커터 재료에 대해 충격시험을 실시한 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 표 4에서도 "독일산"은 독일산 합금 조성물을 의미하며, "SKD"는 커터링 제조를 위한 국산 규격(국내산 합성 조성물)을 의미한다.

충격시험에 사용된 시험편의 크기는 KS B 0809에 의거하여 45″이며 V-notch와 U-notch는 모두 2㎜이었다. 충격에너지(striking energy)는 300J이며 마찰손실(Friction loss)로 1.2J를 고려하였다. V-notch 시험편의 경우에는 재료에 상관없이 모두 3J로 측정되었으나, U-notch 시험편의 경우에는 독일산 합금 조성물이 국산 규격 재료보다 충격흡수에너지가 3.8배 크게 나타났다. 이상과 같이 독일산 합금 조성물이 국산 규격 재료보다 충격에 대한 저항력이 훨씬 크다는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 국산 규격 재료와 독일산 합금 조성물의 금속학적 특성 분석을 위하여, 재료별로 시편을 2000번 연마지로 기계적 연마 후에 면포에서 0.3㎛의 알루미나를 이용하여 폴리싱을 실시하였다.

에칭은 4％ nital(Distilled water 96㎖ + Nitric Acid 4㎖)로 에칭 후 금속 현미경을 이용하여 미세조직분석을 실시하였다. 경질입도(Grain size)는 직경 측정법을 적용하였으며, 측정방법으로는 100배율에서 찍은 금속현미경 사진에서 라인 ㎛당 측정되는 결정립의 수를 측정 후 평균값을 내어 ASTM(American Society for Testing and Materials) 결정립도 측정 기준표에 적용하였다. 여러 조직 부분을 가로, 세로방향으로 각각 10회를 측정 후 평균값을 내어 측정된 수치의 신뢰성을 얻고자 하였다.

도 5 및 도 6은 각각 국산 규격 재료의 미세조직과 독일산 합금 조성물의 미세조직 분석결과를 나타내는 그림이다.

국산 규격 재료의 미세조직 분석 결과에서는, ASTM grain size number는 10, 경질입도는 1.7㎛로 측정되었으며 표준편차는 2.57㎛이다. 입계에 석출물이 다량 관찰되었으며 석출물이 조대함을 나타내고 있다.

독일산 합금 조성물의 미세조직 분석 결과에서는, ASTM grain size number는 11, 경질입도는 8.1㎛로 측정되었으며 표준편차는 2.57㎛이다. 경질입도(Grain size)는 국내 재료에 비해 크고 입계와 입내에 석출물이 소량 관찰되었으며 석출물이 국내 재료에 비해 미세함을 나타내고 있다.

이상과 같이 독일산 합금 조성물은 탄소의 양이 적으므로 석출물이 미세하고 입계편석이 국산 규격 재료에 비해 적음을 알 수 있다. 따라서 인성 및 내마모성이 국내 재료 보다 독일산 합금 조성물이 우수함을 파악할 수 있다.

국산재료와 독일산 합금 조성물의 시편에 대해 각각 상 분석과 결정방향을 측정하기 위하여 X선 회절 분석기(XRD: X-ray Diffraction)를 사용하였다.

도 7 및 도 8은 각각 국산 규격 재료와 독일산 합금 조성물의 X선 회절 분석 결과를 나타내는 그래프이다.

도 7을 보면, 국산 재료의 X선 회절 분석 결과에서는 결정방향이 (110), (200), (211)인 Fe-Cr인 상과 (111), (200), (220)방향인 Cr0.19Fe0.7Ni0.1상으로 측정되었으며 국산 재료는 High Cr 강종으로 Ferrite peak가 강하게 나타났다.

도 8을 보면, 독일산 합금 조성물의 X선 회절 분석 결과에서는 결정방향이 (111), (200), (220)방향인 Cr0.19Fe0.7Ni0.1와 (110), (200), (211)방향인 Fe-Cr인 상으로 측정되었다. 또한 독일산 합금 조성물는 Low Cr으로서 Austenite peak가 강하게 나타났다.

이상의 화학조성 분석결과와 같이, 두 샘플은 서로 다른 화학조성을 나타내고 있으며, 페라이트(Ferrite) 안정화 원소인 Cr과 이와 같은 특성을 나타내는 화학조성들의 수치는 아래의 식으로 나타낼 수 있다.

상기한 수학식 1을 이용하여 계산해보면, 아래와 같다.

국산규격재료(SKD11): Cr eq.=11+0.7+1.3+2.5=15.5％

독일산 합금 조성물 : Cr eq.=5+1.9+2.0+4.5=13.4％

즉, 국산 재료의 경우 체심입방격자(BCC)형 첨가 원소의 역할이 지대하여 페라이트(Ferrite)계 특성이 주로 나타났고, 독일산 합금 조성물의 경우는 고온안정상인 면심입방격자(FCC)형의 특성인 오스테나이트(Austenite)계 특성이 나타났다.

본 발명에서는 위와 같은 상기 기존 국산규격재료 및 세계최고수준인 독일 커터링 재료 분석결과를 기반으로, 내마모/내충격성이 높은 고경도 커터링의 합금 조성물을 개발하였다.

현재 국산 SKD11의 합금 조성물의 경우에는 Cr함량이 높은 반면, 독일산 합금 조성물의 경우에는 인성 향상을 위한 Ni가 함유되어 있고, Mo와 V의 함량이 상대적으로 높은 것이 특징이다.

기본적으로 본 발명이 다루는 기술적인 분야는 합금강(alloy steel)이며, 이 가운데 특히 보론강(Boron steel)에 대한 것이다.

합금강(合金鋼, alloy steel)은 철과 탄소의 합금인 강의 성질을 개량할 목적으로 크롬, 니켈, 망가니즈, 몰리브덴넘, 텅스텐 등과 같은 원소를 하나 이상 첨가해서 만든 강이다. 대표적인 것에는 크롬강, 니켈강 등이 있다.

보론강(Boron steel)은 강인강(强靭鋼)의 일종으로서 경도가 높아 내마모성(耐磨耗性)이 우수하다. 미량의 붕소(硼素; 0.001∼0.008wt％)로 담금질성이 현저하게 향상되지만 양이 지나치면 보론 카바이드가 석출(析出)하여 여리게 된다. 하지만, 적절한 소량의 보론을 첨가하면 강의 담금질이 잘되어 고가의 합금원소가 절약된다.

본 발명의 개념을 정리하면 다음과 같다.

1) 보론의 미량 첨가로 재료의 소입성 향상 및 기계적 특성 향상 도모;

2) V의 사용량 증가를 통해 V와 C의 결합에 의해 미세 탄질화물 형성 및 결정립 미세화로 인성 향상; 및

3) 기계적 특성 향상을 위해 탄화물 형성 원소인 Mo 첨가 및 사용량 증대.

이상과 같은 개념을 통해 선정한 시험대상 화학조성표는 다음의 표 5와 같으며, 1차 시험조성과 2차 시험조성에서의 열처리 조건은 다음의 표 6과 같다.

풀림(Annealing)	소입공정 및 소려공정 (Quenching& Tempering)
온도 930℃ (3시간)	온도 850℃ (2시간) 및 180℃(3시간)

2차 시험조성에서는 1차 합금설계 보다 좋은 기계적 특성 값을 얻기 위해 탄화물 형성 원소인 몰리브덴(Mo)을 첨가하였고, 망간(Mn)을 0.8wt.％에서 1.3wt.％로 증가시키면서 합금성분에 따른 기계적 특성 변화를 조사하였다.

1차 시험조성에 의한 주강(＃1, #2, #3)과 2차 시험조성에 의한 주강(#4, #5, #6, #7)에 대해 각각 주조상태의 경도값과 열처리 후 경도값을 비교한 결과는 도 9와 같다.

도 9의 경도값 비교 결과를 보면, 몰리브덴(Mo)이 2wt.％ 첨가된 2차 합금조성에서 몰리브덴(Mo)이 첨가되지 않은 1차 합금조성보다 경도값(HRc)이 15이상 증가하였으며, 특히 보론(B)이 0.03wt.％ 이하인 경우(#6)에서 경도값(HRc)이 50이상으로 높게 유지되었다.

또한, 2차 합금조성의 경우 열처리 후의 측정 경도값은 본 발명에서 목표로 설정한 경도값(HRc) 60 이상을 모두 충족하였다(독일산 합금 조성물의 경도값은 약 50HRc 수준). 따라서 본 시험대상 합금조성 가운데에서는 조성 #6의 경우가 열처리 이후의 경도가 가장 크게 나타났으며 보론(B)의 사용량이 가장 작고 탄소(C)의 함량 또한 작기 때문에 재료의 기계적 특성 발현과 경제적 측면에서 가장 유리한 것으로 판단된다(최적조성).

또한 전반적으로 본 발명에서 목표로 설정한 60HRc 이상을 만족하는 합금조성의 범위를 요약하면 다음의 표 7과 같다.

위의 표 7에 요약된 바와 같이, 본 발명의 커터링 제조용 합금 조성물은 전체 조성물의 총 중량에 대하여 B 0.01∼0.03wt％, Si 0.3wt％, Mn 1.3wt％, V 1.0wt％, C 0.3∼0.45wt％, Mo 2wt％ 및 나머지는 Fe로 이루어져 있다. 여기서 wt%는 중량%를 의미한다. 즉, 전체 합금 조성물의 총 중량을 100이라고 하였을 때, 각각의 성분이 차지하는 중량을 의미하는 것이다.

위와 같은 본 발명의 합금조성물에서, B는 재료의 소입성 향상 및 기계적 특성 향상을 도모한다. 그러나 B 함유량이 너무 과다하면 보론 카바이드가 석출하여 여리게 되기 때문에 0.01∼0.03wt％의 미량만 첨가한다. 만일 보론(B)의 함유량이 0.01중량% 미만인 경우에는 소입성의 향상 및 그에 따른 기계적 특성의 향상이 미미하게 된다. 한편, 보론이 0.03중량%를 초과하는 량으로 다량 첨가되면, 변태 특성의 영향이 발생하기 때문에 불리하게 된다. 따라서 본 발명에서는 경제적이면서도 높은 성능을 합금 조성물을 구현하기 위하여 침입형 합금원소인 B의 함유량을 위와 같은 범위로 최적화하였다. 특히, 본 발명자들은 B의 첨가량을 0.01, 0.05, 0.1 wt.%로 변화시키면서 열처리를 통해 베이나이트 상으로 변태하는 오스테나이트 상과 페라이트 상의 비율을 제어하기 위해 치환형 합금원소인 Mn의 첨가량을 최적화 하여 기계적 특성의 변화를 조사하였는 바, 표 5와 표 6에 개시된 실험에 의한 검증을 통해서 B 함유량을 0.01∼0.03wt％로 제한한다.

한편, V는 C와의 결합에 의해 미세 탄질화물을 형성하며, 특히 고온 측에 있어서의 승온 연화저항을 크게 함과 동시에 합금 조성물의 고온 강도를 향상시키고, 또한 결정입자를 미세화하여 우수한 인성을 부여한다. 특히, 결정입자의 미세화에 의한 인성 개선효과가 크다. 그러나, 첨가량이 너무 과다하면 거칠고 큰 탄화물을 생성하며 인성을 저하시키고, 반대로 너무 낮으면 상기한 바와 같은 첨가 효과를 얻을 수 없으므로 본 발명에서 V의 함유량은 1.0wt％로 한다.

또한, Mo는 탄화물을 형성하여 내마모성을 부여하고 기지(地基)에 고용(固溶)해서 담금질 성을 향상시키며, 다시 뜨임에 의해 미세한 탄화물을 석출하여 승온 연화 저항 및 고온 강도를 증가시킨다. 또한, Mo의 첨가는 결정 입자의 미세화, 적당한 산화 특성 등을 부여한다. 그러나, Mo 첨가량이 너무 과다하면 인성이 확대되어 고온에서 고경도를 유지할 수 없게 되고 반대로 너무 적게 되는 경우에는 강도가 약화되어 내마모성이 약화될 우려가 있기 때문에 본 발명에서 Mo 함유량은 2wt％로 한다.

위와 같은 조성을 가지는 합금 조성물로 TBM에 사용되는 디스크 커터링을 제작할 경우 내마모 및 내충격성이 높은 고경도의 커터링을 기대할 수 있다. 또한 위와 같은 조성물의 합금으로 주조 후 열처리과정을 통한 디스크 커터링의 제조방법에 의할 경우 경도값(HRc) 60이상의 가장 높은 경도를 가지는 커터링을 기대할 수 있다.

본 발명자들은 본 발명에 따른 합금 조성물에 대하여, 내마모성 척도인 중량감소량을 Pin-on disc wear tester에 의해 측정하였다. 다음의 표 8은 본 발명에 대한 내마모 측정결과와, 국내외 종래 재료에 대한 내마모 측정 결과를 정리한 것이다. 마모시험에서의 Stroke는 ±15mm, Load는 50N, Frequency는 3 Hz이며 Friction time은 3600초로 고정하였다. 표 8에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에 따른 합금 조성물이 발휘하는 내마모성은 종래의 국산제품보다 월등하며 종래의 외국산 제품(독일 및 이탈리아 제품)과 동등한 것으로 확인되었다.

구분	중량감소량
본 발명	0.0007 g
SKD11 (국내)	0.0265 g
독일 A사	0.0007 g
이탈리아 B사	0.0008 g

아울러, 본 발명자들은 내충격성 평가를 수행함과 동시에 최적 열처리 조건에 대해서도 연구를 수행하였는 바, 본 발명에 따른 합금 조성물에 대해 충격시험에 의해 샤르피(Sharpy) 충격흡수에너지(U-notch 시험편 기준)를 측정한 결과, 종래의 국내 SKD11의 합금조성물과 유사한 수준을 가지는 것으로 확인되었다. 아래의 표 9는 내충격성 평가 시험 결과이다.

구분	샤르피 충격흡수에너지 (U- notch 시험편)
본 발명	2 J
SKD11 (국내의 종래기술)	1.7 J

본 발명자들은, 본 발명의 합금 조성에 대해서, 최적 조성(조성 #6) 상태일 때의 내충격성을 향상시키고자 열처리방법으로서 염욕담금질 열처리방법을 적용하였다. 구체적으로 본 발명에서 적용된 염욕담금질 조건은 다음의 표 10과 같다.

풀림(Annealing)	소입공정 및 염욕공정 (Quenching & Salt bath)
온도 930℃ (3시간)	온도 860℃ 3시간 유지 + 냉각 후 290℃로 1) 0.5시간, 2) 1시간 및 3) 2시간 유지 후 냉각

위의 표 10의 염욕공정 조건에 따른 처리를 거친 본 발명에 따른 합금 조성물에 대해 샤르피 충격흡수에너지(U-notch 시험편 기준)를 측정한 결과(내충격성 평가 결과)는 다음의 표 11 및 도 10 같다.

열처리 조건	풀림	소입공정	염욕공정	샤르피 충격흡수에너지 (단위: J)
#1	온도 930℃ 3시간 유지	온도 860℃ 3시간 유지	냉각 후 290℃로 0.5시간 유지 후 냉각	5
#2			냉각 후 290℃로 1시간 유지 후 냉각	7
#3			냉각 후 290℃로 2시간 유지 후 냉각	11

구체적으로 도 10은 본 발명에 따른 합금 조성물에 대해 표 11의 염욕담금질 조건(열처리 조건)을 적용한 후 내충격시험을 수행한 상태의 시편 모습에 대한 도면 대용 사진인데, 도 10을 보았을 때 최좌측에 있는 것은 290℃로 0.5시간 유지한 시편에 대한 것이고, 중앙에 있는 것은 290℃로 1시간 유지한 시편에 대한 것이며, 최우측에 있는 것은 290℃로 2시간 유지한 시편에 대한 것이다.

이상의 결과로부터 본 발명에 따른 최적 조성을 가지는 합금조성물 #6에 대하여 열처리조건 #3을 적용할 경우 샤르피 충격흡수에너지가 11 J로서 외산(독일 및 이탈리아) 재료보다도 내충격성이 향상되었음이 확인되었다. 표 12는 내충격성 실험결과이다.

구분	샤르피 충격흡수에너지 (U-notch 시험편)
최적 조성 #6 + 열처리조건 #3	11 J
SKD11 (국내의 종래 합급조성물)	1.7 J
독일 A사의 종래 합금 조성물	9.5 J
이탈리아 B사의 종래 합금 조성물	9.8 J

Claims (3)

1. ＴＢＭ용 디스크 커터링의 제조를 위한 합금 조성에 있어서,
   전체 조성물의 총 중량에 대하여 Si 0.3wt％, Mn 1.3wt％, V 1.0wt％, C 0.3∼0.45wt％, Mo 2wt％에 대하여 B 0.01∼0.03wt％을 첨가하고 잔부 Fe로 조성한 ＴＢＭ용 고경도 디스크 커터링의 다상 복합주강 조성물.
   
2. ＴＢＭ용 디스크 커터링의 제조방법으로서,
   전체 조성물의 총 중량에 대하여 Si 0.3wt％, Mn 1.3wt％, V 1.0wt％, C 0.3∼0.45wt％ 및 Mo 2wt％에 대하여 B 0.01∼0.03wt％을 더 포함하며 잔부 Fe로 이루어진 다상 복합주강 조성물을 이용하여 주조에 의해 디스크 커터링의 형상을 만든 후 열처리에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 ＴＢＭ용 디스크 커터링의 제조방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 다상 복합주강 조성물의 내충격성을 향상시키기 위해, 다상 복합주상 조성물에 의해 만들어진 디스크 커터링의 제품에 수행하는 열처리는, 930℃에서 3시간 유지하는 풀림공정, 860℃에서 3시간 유지하는 소입공정, 및 냉각 후 290℃에서 2시간 유지한 후 재냉각하는 염욕공정을 포함하는 염욕담금질 열처리에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 ＴＢＭ용 디스크 커터링의 제조방법.

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