KR101353838B1 - 인성 및 용접성이 우수한 내마모강 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중량%로, 망간(Mn): 2.6~4.5%, (6-Mn)/50≤탄소(C)≤(10-Mn)/50, 실리콘(Si): 0.05~1.0%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하면서 표층에서의 브리넬경도가 360~440의 값을 가지는 내마모용 강재에 관한 것이고, 또한 그 성능을 보완하기 위해서 중량%로, 니오븀(Nb): 0.1% 이하(0%는 포함하지 않음), 바나듐(V): 0.1% 이하(0%는 포함하지 않음), 티타늄(Ti): 0.1% 이하(0%는 포함하지 않음) 및 보론(B): 0.02% 이하(0%는 포함하지 않음)로 구성된 군에서 적어도 한가지의 성분을 추가로 포함하는 내마모용 강재에 관한 것이다. 또한, 미세조직이 마르텐사이트를 90% 이상으로 포함하며, 마르텐사이트의 평균 패킷 크기가 20μm 이하인 것을 특징으로 하는 내마모용 강재에 관한 것이다.

Description

인성 및 용접성이 우수한 내마모강 {WEAR RESISTANT STEEL HAVING EXCELLENT TOUGHNESS AND WELDABILITY}
본 발명은 브리넬 경도 360 이상이 요구되는 건설중장비, 덤프트럭, 광산용 기계장치, 컨베이어 등에 적용되는 강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인성 및 용접성이 우수한 내마모강에 관한 것이다.
현재, 건설, 운송, 광산, 철도 등의 산업분야에서 사용되는 내마모 특성이 필요한 장치 또는 부품에는 내마모강이 사용되고 있다.
내마모강은 크게 오스테나이트계 가공경화강과 마르텐사이트계 고경도강으로 구분된다.
오스테나이트계 내마모강의 대표적인 예는 지난 100 여년 간 사용된 해드필드강(Hadfield)이다. 해드필드강은 망간(Mn) 약 12% 및 탄소(C) 약 1%를 포함하고, 그 미세조직은 오스테나이트를 가지며, 광산산업분야, 철도분야, 군수분야 등 다양한 분야에서 쓰이고 있다. 그러나 초기 항복강도가 400MPa 전후로 매우 낮아 일반적인 내마모강 또는 구조강으로서는 그 적용이 제한적이다.
이에 반해, 마르텐사이트계 고경도강은 높은 항복강도 및 인장강도를 가지고 있어 구조재 및 운송/건설기계 등에 널리 쓰이고 있다. 일반적으로 고경도강은 고탄소, 고합금원소를 포함하며, 충분한 강도를 얻을 수 있는 마르텐사이트 조직을 확보하기 위해 켄칭(Quenching) 공정이 필수적이다. 대표적인 마르텐사이트계 내마모강은 사브(SSAB)사의 하독스(HARDOX) 시리즈로서, 강도 및 경도가 우수하다.
한편, 내마모강은 그 사용환경에 따라 연마마모(Abrasive wear)에 대한 저항성이 큰 것이 요구되는 경우가 많으며, 연마마모에 대한 저항성을 확보하기 위해서는 표층부의 경도가 매우 중요하다. 통상, 높은 표층부 경도를 얻기 위해서 합금 원소를 많이 첨가하며, 이러한 내연마마모용 내마모강은 표층부 경도에 효과가 큰 탄소를 다량 함유하게 된다. 그러나, 탄소를 많이 함유하게 되면, 용접시에 용접부 등에 쉽게 균열이 발생하게 되는 문제가 생긴다. 또한, 제품의 두께가 두꺼워지면 중심부까지 높은 경도를 얻기 어려우므로, 이를 보완하기 위해 크롬(Cr)이나 몰리브덴(Mo) 등의 경화원소를 다량 첨가한다. 그러나, 이는 고가의 경화원소를 첨가해야 하므로 제조비용이 많이 드는 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 제품의 충격특성을 향상시키기 위해 고가의 니켈(Ni)을 첨가하기도 하나, 제품 두께가 두꺼워지면 필요한 Ni의 함량이 증가하게 되므로 비경제적이다.
본 발명의 일 측면은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 제조비용을 증가시키는 고가 원소인 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr) 등의 합금 성분의 함량을 상대적으로 저감시키고, 용접부 특성도 우수한 저가의 내연마마모용 내마모강에 관한 것이다.
본 발명은 중량%로, 망간(Mn): 2.6~4.5 %, 탄소(C): (6-Mn)/50 ≤ C ≤ (10-Mn)/50, 실리콘(Si): 0.05~1.0 %, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 표층부에서의 브리넬 경도가 360~440 인 것을 특징으로 하는 내마모강을 제공한다.
본 발명에 따르면, 내마모성, 용접성 및 인성이 우수한 내마모강을 제공할 수 있다.
도 1은 y-groove 시험시, 저온균열발생 방지를 위한 최소 예열온도를 망간 함량에 따라 측정하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에서 한정하는 망간과 탄소의 함량범위를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에서 도출된 탄소 함량에 따른 표층부 브리넬경도의 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 고망간 내마모강과 종래의 내마모강의 Pc값에 따른 용접성을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 고망간 내마모강과 종래의 내마모강의 두께방향 브리넬경도 변화를 나타낸 것이다.
본 발명자들은 종래의 내연마마모용 내마모강의 문제점을 해결하기 위해 깊이 연구한 결과, 적정량의 망간을 첨가시키고, 탄소의 함량을 망간의 함량에 따라 정밀 제어함으로써, 고가인 니켈, 몰리브뎀, 크롬 등의 합금성분의 함량을 상대적으로 저감시키면서, 내마모성, 인성, 용접성 등의 성능을 향상시킨 내연마마모용 내마모강을 제조할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 성분계를 제어하여 마르텐사이트를 주상으로 포함하도록 함으로써, 내마모성, 용접성, 인성 등의 성능을 향상시킨 저탄소 고망간 내마모강에 관한 것이다.
고망간강은 일반적으로 2.6 중량% 이상의 망간 함량을 갖는 강을 말하며, 이러한 고망간강의 미세조직적 특징을 이용하여 다양한 물성 조합을 구성할 수 있으며, 상술한 기존의 고탄소 고합금 마르텐사이트계 내마모강이 가지고 있는 기술적 문제점을 해결할 수 있는 장점이 있다.
고망간강에서, 망간의 함량이 2.6 중량% 이상일 경우에는, 연속냉각변태곡선(Continuous Cooling Transformation Diagram) 상에서 베이나이트 또는 페라이트 생성 곡선이 후방으로 급격하게 이동하기 때문에, 열간압연 또는 용체화 처리 후, 기존의 고탄소 내마모강에 비해 낮은 냉각속도에서도 마르텐사이트가 안정적으로 생성된다. 또한, 망간 함량이 높을 경우, 일반 고탄소 마르텐사이트강에 비해 상대적으로 낮은 탄소함량으로도 높은 경도를 얻을 수 있는 장점이 있다.
이러한 고망간강의 상변태특성을 이용해서 내마모강을 제조하면 표층부터 내부까지 경도분포의 편차가 작은 이점을 얻을 수 있다. 마르텐사이트를 얻기 위해서 수냉 등을 통해 강재를 급냉하게 되는데, 이때 강재의 표층에서 중심부로 갈수록 냉각속도가 점진적으로 감소하게 된다. 따라서 강재의 두께가 두꺼워질수록 중심부의 경도가 현저히 낮아지게 된다. 기존의 내마모강의 성분계를 이용하여 제조하는 경우에는 냉각속도가 느리면 미세조직에 베이나이트나 페라이트 등 경도가 낮은 상이 많이 형성되게 된다. 그러나 본 발명과 같이 망간의 함량이 높은 경우에는 냉각속도가 늦어지더라도 충분히 마르텐사이트를 얻을 수 있기 때문에 두꺼운 강재의 중심부까지 높은 경도를 유지할 수 있는 장점이 있다. 이러한 사실은 하기의 실시예를 통해서 보다 구체적으로 나타내었다.
그러나, 비교적 소량의 탄소 첨가에 따라 경도는 급격하게 상승하는 반면, 과도하게 첨가되면 충격인성은 현저히 저하된다. 따라서 고망간강이 고경도형 내마모강의 요구 물성을 갖기 위해서는 망간뿐만 아니라 탄소의 함량을 최적화해야 한다. 또한 니오븀, 바나듐, 티타늄, 보론 등 합금원소를 추가로 첨가할 수 있으며, 그 함량을 제어하여 경도, 용접성, 인성 등을 향상시킨 강재를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 내마모강은 중량%로, 망간(Mn): 2.6~4.5 %, 탄소(C): (6-Mn)/50 ≤ C ≤ (10-Mn)/50, 실리콘(Si): 0.05~1.0 %, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 표층부에서의 브리넬 경도가 360~440 Hv이다.
이하, 본 발명의 내마모강에서 이와 같이 성분을 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다.
이때, 성분원소의 함유량은 모두 중량%를 의미한다.
Mn: 2.6~4.5%
망간(Mn)은 본 발명에서 첨가되는 가장 중요한 원소 중 하나이다. 망간은 적정한 범위 내에서 마르텐사이트를 안정화시키는 역할을 할 수 있다. 하술하는 탄소 함량의 범위 내에서 마르텐사이트를 안정화시키기 위해서는 망간은 2.6% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 2.6% 미만인 경우에는 경화능이 너무 부족하여 페라이트 또는 베이나이트가 쉽게 형성되어 원하는 표층부 경도를 얻을 수 없다. 반면, 너무 과도하게 첨가하면 용접시 용접이 어려운 문제점이 있으며, 특히 그 함량이 4.5%를 초과하는 경우에는 마르텐사이트가 형성되는 온도가 너무 낮아져서 용접부에서 균열이 쉽게 발생하여 용접성을 현저히 저감시킬 수 있으며, 강재의 제조원가를 상승시키는 문제가 발생한다. 따라서, 본 발명은 상기와 같이 망간을 2.6~4.5%를 포함하도록 함으로써, 열간압연 또는 용체화 처리 후 냉각단계에서 안정한 마르텐사이트 조직을 용이하게 확보할 수 있다.
용접성의 확보가 가능한 망간 함량의 상한치를 구체적으로 한정하기 위해, 탄소 함량을 0.1%, 실리콘 함량을 0.3%로 고정시킨 상태에서, 망간의 함량을 1.5~6.5%의 범위로 변화시키면서 y-groove 시험을 실시하였다. 이때, 판재의 두께는 20 mm로 설정하고, 예열온도를 변화시킴으로써 예열온도가 저온균열발생에 미치는 영향을 확인하였으며, 망간 함량에 따라 용접부 균열이 발생하지 않는 최소한의 예열온도를 구하고, 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 예열온도를 실제 제품생산 공정에서 적용이 용이한 100℃ 이하로 낮추기 위해서는 망간의 함량이 4.5% 이하로 함유되어야함을 알 수 있다. 상기 실험 결과를 근거로 하여, 용접성을 확보하기 위한 망간 함량의 상한치는 4.5%로 제한할 필요가 있다.
C: (6-Mn)/50≤탄소(C)≤(10-Mn)/50
탄소(C)는 망간과 함께 강재의 표층부 경도확보를 용이하게 하거나 인성 및 용접성을 저하시키는 측면에서는 유사한 효과를 발휘하기 때문에, 최적의 탄소함량 범위는 망간의 함유량에 의존하게 되므로, 본 특허에서는 그 효능이 극대화되는 성분범위를 한정하고자 한다.
본 발명이 요구하는 표층부 경도를 충분히 확보하기 위해서는 탄소함량을 (6-Mn)/50 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 지나치게 다량 첨가할 경우 인성 및 용접성을 현저히 저하시켜 사용상 큰 제약을 야기하므로 본 발명에서 제한하는 표층부 브리넬경도가 360~440 범위를 갖도록 그 상한은 (10-Mn)/50로 한정하는 것이 필요하다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 표층부 브리넬경도를 360~440 범위로 한정하는 내연마마모용 강재에 관한 것으로, 도 2에 본 발명에서 한정하는 망간과 탄소의 범위를 나타내었다.
주어진 망간 함량에 따른 탄소 함량의 범위를 수치적으로 한정하기 위해, 망간 함량을 약 4%로 고정시키고 탄소 함량을 0.03~0.14%의 범위로 변화시키면서 열간압연 및 급냉을 통해 마르텐사이트 조직을 얻고, 탄소 함량의 변화에 따른 표층부의 브리넬경도 변화를 조사하였다. 이렇게 얻어진 결과를 도 3에 나타내었는데, 이로부터 망간 함량이 4% 정도 함유하는 경우, 브리넬경도를 360~440 범위로 얻기 위해서는 탄소 함량이 약 0.04~0.12%의 범위를 가져야 한다는 사실을 알 수 있었다. 이러한 실험결과를 근거로 해서, 망간 함량이 주어지면 목표로 하는 표층부 브리넬경도의 범위(360~440)를 얻기 위한 탄소 함량의 범위는 대체로 (6-Mn)/50 부터 (10-Mn)/50 사이의 값을 갖는 것이 필요하다는 결론을 얻을 수 있었다.
Si: 0.05~1.0%
실리콘(Si)은 탈산제로서 역할을 하고, 고용강화에 따른 강도를 향상시키는 원소이나, 제조공정상 그 하한은 0.05%이며, 그 함량이 높을 경우 용접부는 물론 모재의 인성을 저하시키므로 실리콘 함량의 상한은 1.0%로 한정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 내마모강에 있어서, 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 철강제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 철강제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
상기 성분에 더하여, 본 발명의 강재는 하기 설명하는 니오븀, 바나듐, 티타늄, 보론 중 1종 이상을 추가적으로 첨가하는 경우 본 발명의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
Nb: 0.1% 이하(0%는 포함하지 않음)
니오븀(Nb)은 고용, 석출강화 효과를 통해 강도를 증가시키고, 저온압연시 결정립을 미세화시켜 충격인성을 향상시키는 원소이다. 그 함량이 0.1%를 초과하는 경우에는 조대한 석출물이 생성되어 오히려 경도 및 충격인성을 열화시키므로 0.1% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.
V: 0.1% 이하(0%는 포함하지 않음)
바나듐(V)은 철강에 고용되어 페라이트 및 베이나이트의 상 변태속도를 지연시켜 마르텐사이트의 형성을 쉽게하는 효과가 있고, 또한 고용강화 효과를 통해 강도를 증가시킨다. 그러나, 그 함량이 0.1%를 초과하는 경우에는 효과가 포화되며, 인성 및 용접성 열화를 야기하고 강재의 제조원가를 현저히 증대시키기 때문에 0.1% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.
Ti: 0.05% 이하(0%는 포함하지 않음)
티타늄(Ti)은 소입성 향상에 중요한 원소인 B의 효과를 극대화하는 원소이다. 즉, 티타늄은 TiN 형성에 의해 BN 형성을 억제함으로써 고용 B의 함량을 증가시켜 소입성을 향상시키고, 석출된 TiN은 오스테나이트 결정립을 고정(pinning)시켜 결정립 조대화를 억제시키는 효과를 나타낸다. 그러나, 과도한 첨가시 티타늄 석출물의 조대화에 의해 인성저하 등의 문제를 발생시키므로 0.05% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.
B: 0.02% 이하(0%는 포함하지 않음)
보론(B)은 소량의 첨가로도 재료의 소입성을 효과적으로 증가시키는 원소이며, 결정입계 강화를 통한 입계 파괴의 억제효과가 있으나, 과도한 첨가시 조대한 석출물의 형성 등에 의해 인성 및 용접성을 저하시키므로 0.02% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.
상술한 성분계를 만족하는 본 발명의 강재는 열간압연 및 냉각 공정을 통해 제조되거나, 열간압연 후 재가열 및 냉각공정을 통해 제조될 수 있다. 상기에 따라 제조된 강재의 미세조직의 주상은 마르텐사이트이고, 상기 마르텐사이트가 90% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 마르텐사이트의 분율이 90% 미만인 경우 본 발명이 의도하는 경도를 확보할 수 없다. 따라서, 마르텐사이트를 90% 이상 얻기 위해서는 열간압연 또는 재가열 후 오스테나이트 상태에서 급냉하는 것이 필요한데, 이를 위한 냉각속도는 합금성분의 첨가량에 따라 달라지기 때문에 일률적으로 정의하기는 어렵지만 본 발명의 성분범위에서는 바람직하게는 초당 15℃ 이상으로 냉각하면 90% 이상의 조직이 마르텐사이트로 이루어지도록 할 수 있다.
더불어, 상기 마르텐사이트의 평균 패킷 크기가 20μm 이하인 것이 보다 바람직하다. 상기 패킷 크기가 20μm 이하인 경우 마르텐사이트 조직이 미세화되어 충격인성이 보다 향상된다. 패킷 크기는 작으면 작을수록 유리하므로, 그 하한은 특별히 제한하지 않는다 (즉, 0μm만 포함하지 않는 개념이다). 다만, 현존하는 기술적인 한계 상 상기 패킷 크기는 통상 3μm 이상으로 나타난다. 패킷 크기는 열간압연 및 냉각공정을 적용할 경우에는 마무리압연온도가 낮을수록 작아지며, 재가열 및 냉각공정을 적용할 경우에는 재가열온도가 낮을수록 작아진다. 본 발명의 성분범위에서 패킷 크기가 20μm 이하가 되도록 하기 위해서는 마무리압연온도는 900℃ 이하, 재가열 온도는 950℃ 이하를 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 성분범위의 강재를 이용하여 열간압연 및 냉각 또는 재가열 및 냉각의 제조법을 적용하게 되면 표층부에서 브리넬경도가 360~440의 범위를 갖도록 하는 것이 가능하며, 더불어 샤르피 충격에너지(-40℃) 25J 이상의 특성을 확보할 수 있다.
< 실시예 >
하기 표 1에 기재된 합금성분을 함유하는 슬라브를 재가열 및 열간압연하고, 고압의 물로 냉각하는 등의 일련의 공정을 통해 제조된 강종 1 내지 18의 미세조직 및 마르텐사이트 패킷 크기, 표층부 브리넬경도, 충격인성, 내마모성, 용접성 등을 관측하여 하기 표 2에 나타내었다. 강종 19는 본 발명에 따라 제조된 내마모강과 비교하기 위해, 기존의 방법에 의해 제조된 브리넬경도 400급 내연마마모용 내마모강의 합금성분을 나타낸 것이다.
강종 1 내지 11은 본 발명에서 한정하는 성분범위에 포함되는 강종이다. 그러나 강종 12는 망간 함량이 본 발명에서 한정하는 범위를 초과하는 강종이고, 강종 13은 망간 함량이 본 발명에서 한정하는 범위에 미달하는 강종이다. 강종 14 및 15는 탄소 함량이 본 발명에서 한정하는 범위를 초과하는 강종이고, 강종 16 및 17은 탄소 함량이 본 발명에서 한정하는 범위에 미달하는 강종이다. 또한, 강종 18은 탄소 및 망간은 본 발명에서 한정하는 범위에 포함되나 실리콘의 함량이 본 발명에서 한정하는 범위를 초과하는 강종이다. 한편, 강종 6 내지 9에는 니오븀, 바나듐, 티타늄, 보론 등의 미량합금원소가 더 함유되어 있다.
표 1에 기재된 강종의 성분을 가진 잉곳을 실험실에서 진공유도용해로에서 제조하여 열간압연을 통해 70mm 두께의 슬라브를 얻었다. 이 슬라브를 이용하여 조압연 및 사상압연을 거쳐 13mm 두께의 판재를 제조하였다. 열간압연된 소재는 곧바로 고압의 물을 분사하는 가속냉각장치를 통과시키면서 급냉되었다. 시험용도에 따라 사상압연온도를 조정하였으며, 미세조직을 변화시키기 위해서 냉각수의 압력을 조정하기도 하였다.
강종 C
(%)		 Mn
(%)		 Si
(%)		 Ni
(%)		 Cr
(%)		 Mo
(%)		 Nb
(%)		 V
(%)		 Ti
(%)		 B
(%)
1 0.13 2.8 0.3 - - - - - - -
2 0.07 3.5 0.2 - - - - - - -
3 0.08 4.4 0.1 - - - - - - -
4 0.06 3.1 0.4 - - - - - - -
5 0.14 2.9 0.8 - - - - - - -
6 0.09 3.2 0.3 - - - 0.04 - - -
7 0.08 3.8 0.2 - - - - 0.04 - -
8 0.12 2.6 0.2 - - - - - 0.02 0.0017
9 0.07 3.4 0.1 - - - 0.02 0.03 0.025 0.0028
10 0.12 3.2 0.3 - - - - - - -
11 0.13 2.9 0.2 - - - - - - -
12 0.07 4.8 0.3 - - - - - - -
13 0.13 2.4 0.2 - - - - - - -
14 0.15 2.8 0.4 - - - - - - -
15 0.17 3.0 0.5 - - - - - - -
16 0.05 3.2 0.7 - - - - - - -
17 0.04 3.3 0.3 - - - - - - -
18 0.12 2.9 1.5 - - - - - - -
19 0.16 1.5 0.35 0.2 0.6 0.3 0.02 - 0.015 0.0015
이렇게 얻어진 판재의 미세조직, 표층부 경도, 충격인성, 내마모성, 용접성 등의 평가를 위해 시험에 적당한 형태의 시편을 제조하였다. 미세조직은 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였고, 표층부 경도는 표면에서 2mm 정도의 깊이를 연삭한 후 브리넬경도기를 이용해서 측정하였다. 내마모성은 ASTM G65에 기재된 방법으로 실험하고 무게감량을 측정하여 비교하였다. 용접성 평가를 위해 y-groove 시험법을 사용하였으며, 예열은 하지 않았다. y-groove 용접을 한 후 용접부 균열의 발생여부를 현미경으로 관찰하였다.
본 실시예에서 사용한 시편제조방법은 열간압연 후 곧바로 급속냉각을 통하여 마르텐사이트를 얻는 공정인데, 설비에 따라서는 열간압연 후 일반냉각을 하고, 별도의 열처리설비를 이용하여 재가열 후 급속냉각을 통하여 마르텐사이트를 얻는 경우도 있다. 후자가 그동안 통상적으로 내연마마모형 내마모강을 제조하는 방법으로 사용되어 왔으나, 최근에는 납기를 단축하고 제조원가를 절감하기 위해 전자의 방법, 즉 직접켄칭법(Direct Quenching)에 의한 제조를 하는 경우도 있다. 본 발명은 상기 두 가지 제조방법에 공히 적용할 수 있다.
강종 미세조직
(마르텐사이트분율)		 패킷 크기 브리넬 경도 충격인성
(-40℃)		 ASTM G65
마모시험 무게감량		 y-groove
균열발생
여부		 구분
% μm Hv J g
1 M(100) 15 438 31 1.21 미발생 발명재
2 M(95) + B(5) 12 379 27 1.22 미발생 발명재
3 M(100) 12 403 28 1.25 미발생 발명재
4 M(96) + B(4) 17 370 39 1.35 미발생 발명재
5 M(100) 11 439 29 1.12 미발생 발명재
6 M(97) + B(3) 9 388 35 1.25 미발생 발명재
7 M(100) 17 398 28 1.33 미발생 발명재
8 M(100) 10 421 37 1.29 미발생 발명재
9 M(95) + B(5) 7 362 45 1.24 미발생 발명재
10 M(75) + B(25) 15 342 52 1.46 미발생 비교재
11 M(100) 28 409 12 1.23 미발생 비교재
12 M(97) + B(3) 12 398 35 1.19 발생 비교재
13 M(70) + B(30) 17 355 36 1.38 미발생 비교재
14 M(100) 14 445 15 1.16 발생 비교재
15 M(95) + B(5) 15 465 8 1.14 발생 비교재
16 M(90) + B(10) 15 352 46 1.28 미발생 비교재
17 M(97) + B(3) 12 358 51 1.43 미발생 비교재
18 M(100) 14 451 10 1.08 발생 비교재
상기 표 2에서 M은 마르텐사이트, B는 베이나이트를 나타낸다.
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 강종 1 내지 9는 발명재로서 강재 성분이 본 발명의 성분범위를 만족하고, 브리넬경도가 360~440의 범위 내에 포함되는 결과를 보임을 알 수 있다. 이 중, 니오븀이나 바나듐을 첨가한 경우(강종 6, 7, 9)에는 추가적으로 경도가 상승하였으며, 특히 니오븀을 첨가한 경우(강종 6, 9)에는 패킷 크기도 작았고, 그 결과로 상대적으로 높은 충격인성을 나타내었다. 티타늄과 보론을 복합첨가하는 경우(강종 8, 9)에도 높은 충격인성을 나타내었으며, 특히 니오븀, 바나듐, 티타늄, 보론을 모두 첨가한 강종 9의 경우에는 가장 높은 충격인성을 나타내었다.
내마모 시험결과는 대체로 브리넬경도에 의존하고 있었으며, 미세조직에 베이나이트 분율이 높은 경우에는 내마모성이 현저히 저하되었다.
강종 10 내지 18은 비교재로서 성분이나 미세조직이 본 발명의 범위에 포함되지 않아 브리넬경도, 충격인성, 용접성 등의 성능이 저하되었다.
강종 10은 성분은 본 발명의 범위를 만족하지만 압연 후 냉각속도가 늦은 경우로서, 최종 미세조직에 마르텐사이트 분율이 75%로 낮고 나머지는 베이나이트로 이루어졌다. 이 경우, 브리넬경도가 본 발명에서 한정하는 범위보다 낮은 값을 나타내었으며, 특히 내마모성이 현저히 열화되었다.
강종 11의 경우는 미세조직이 100% 마르텐사이트로 이루어져 있으나, 패킷 크기가 28μm로 조대해서 충격인성이 낮은 값을 나타내었다.
한편, 강종 12의 경우는 망간의 함량이 본 발명에서 한정하는 범위보다 많이 첨가된 경우로서, 경도 및 충격인성은 양호한 결과를 나타내었으나 y-groove 시험시 균열이 발생하였다.
강종 13은 반대로 망간 함량이 본 발명에서 한정하는 범위보다 적게 함유된 경우로서, 경화능이 낮아서 고압의 물로 가속냉각하여도 30% 정도의 베이나이트가 형성되었다. 이 결과로 표층부 경도가 본 발명의 범위보다 낮았으며 그 결과로 내마모성도 현저히 저하되는 문제를 발생시켰다.
강종 14 및 15는 탄소 함량이 본 발명에서 한정하는 범위를 초과한 경우로서, 경도값도 범위를 초과하고 특히 충격인성이 낮은 값을 나타내면서 y-groove 시험시 균열이 발생하였다.
강종 16은 탄소 함량이 본 발명의 한정범위보다 낮은 경우로서, 마르텐사이트 분율이 90%로 낮아서 경도가 낮게 나타났다.
강종 17도 탄소 함량이 본 발명의 한정범위보다 낮은 경우로서, 마르텐사이트 분율은 본 발명에서 한정하는 범위에 포함되지만, 탄소 함량이 낮아 경도가 낮게 나타났다.
강종 18은 실리콘이 본 발명의 한정범위보다 높게 첨가되어 표층부 경도가 범위를 벗어나는 높은 값을 나타내었고, y-groove 평가시 균열이 발생하였다.
그동안, 내연마마모형 내마모강에 필요한 미세조직을 얻기 위해 통상적으로 니켈, 몰리브데늄, 크롬 등을 많이 사용해 왔는데, 본 발명에서는 제조원가를 저감하기 위해 이들 합금원소와 유사한 성능을 발휘하지만 가격이 싼 망간을 주요 성분으로 선택하였다.
또한, 도 4에 나타낸 바와 같이 망간이 내마모강의 용접성을 향상시키는 탁월한 효과를 동시에 갖고 있기 때문에 본 발명에서는 망간을 가장 중요한 경화능 원소로 채택하였다.
도 4는 일반 내마모강과 본 발명에서 고안된 고망간 내마모강의 용접성을 비교한 그림이다. 일반 내마모강은 현재 시중에 판매되고 있는 내마모강을 지칭하며, 고망간 내마모강은 본 발명에 따른 성분범위 및 제조방법을 만족하는 내마모강을 지칭한다. 수많은 종류의 합금조성과 제품두께를 이용하여 y-groove 시험을 하여 용접부 균열발생 여부를 관찰하였으며, 용접시 예열의 영향도를 평가하기 위해 넓은 범위에서 예열을 실시하고 시험을 하였다.
도 4에서 가로축인 Pc 값은 합금성분과 용접봉의 수소함량, 그리고 판재의 두께에 의해서 결정되는 수치로 아래의 수식으로 표현된다.
PC = PCM + H/60 + t/600
여기서, PCM은 합금성분으로 표시되는 값으로 아래의 식으로 나타내어지며, H는 글리세린법으로 측정된 확산성 수소량 (ml/100g), 그리고 t는 판재의 두께이다.
PCM(%) = C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B
도 4에서 데이터로 나타내고 실선으로 표시한 실험결과는 본 발명에서의 고망간 내마모강에 해당하는 것이며, 점선으로 나타낸 것은 일반 내마모강의 y-groove 실험결과를 의미한다. 본 그림에서 명확히 알 수 있는 사실은 본 발명에 따른 고망간강의 경우가 일반 내마모강에 비하여 균열 미발생 영역이 오른쪽으로 치우친다는 점이다. 이는 동일한 PC 값의 경우, 고망간강이 일반 내마모강에 비해 y-groove 시험시 균열발생이 어려워진다는 것을 의미한다.
또한, 도 5에는 본 발명에 따른 성분계로 제조한 내마모강(강종 3)과 통상의 기술로 제조된 내마모강(강종 19)의 두께방향 경도분포를 측정한 결과를 나타낸 것이다. 이때, 제품두께는 모두 50 mm로 설정하였다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 내마모강은 두께방향으로 경도분포가 일정한데 반하여, 통상의 기술로 제조된 비교재의 경우에는 중심부에서 현저히 경도가 저하됨을 확인할 수 있다. 중심부로 갈수록 경도가 저하되면 내마모강의 전체적인 사용수명이 줄어드는 결과를 가져오게 된다.

Claims (4)

  1. 중량%로, 망간(Mn): 2.6~4.5 %, 탄소(C): (6-Mn)/50 ≤ C ≤ (10-Mn)/50, 실리콘(Si): 0.05~1.0 %, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직은 마르텐사이트를 90% 이상 및 잔부로 베이나이트를 포함하며, 표층부에서의 브리넬 경도가 HB 360~440 인 것을 특징으로 하는 내마모강.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 내마모강은 중량%로, 니오븀(Nb): 0.1% 이하(0%는 포함하지 않음), 바나듐(V): 0.1% 이하(0%는 포함하지 않음), 티타늄(Ti): 0.1% 이하(0%는 포함하지 않음) 및 보론(B): 0.02% 이하(0%는 포함하지 않음)로 구성되는 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모강.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 마르텐사이트의 평균 패킷 크기는 20 μm 이하인 것을 특징으로 하는 내마모강.
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