KR101439628B1

KR101439628B1 - 내마모용 강재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101439628B1
Application number: KR1020120114366A
Authority: KR
Inventors: 장우길; 최종교; 이홍주
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2014-09-11
Also published as: KR20140047959A

Abstract

본 발명은 높은 경도와 내마모성을 확보하는 동시에, 저온에서도 우수한 인성을 갖는 내마모강과 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것으로서,
중량%로, Mn: 2.6~4.5%, (11-Mn)/45≤C≤(15-Mn)/45, Si: 0.05~1.0%, 나머지는 Fe 및 불가피한 분순물을 포함하고, 미세조직이 면적분율로, 95%이상 마르텐사이트를 포함하는 내마모용 강재와 이를 제조하는 방법을 제공한다.

Description

내마모용 강재 및 그 제조방법{WEAR RESISTANT STEEL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 광산용 덤프트럭, 건설용 중장비, 토건장비 등의 산업분야에 사용되는 내마모용 강재에 관한 것이다.

최근 건설, 기계장치 및 수송기계의 고성능화 및 대형화에 따라 소재의 고강도뿐만 아니라, 내마모 특성을 갖는 내마모강이 중요하게 대두되고 있다. 상기 내마모강은 크게 오스테나이트계 가공경화강과 마르텐사이트계 고경도강으로 구분된다.

오스테나이트계 내마모강의 대표적인 예는 지난 100여 년간 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, 상기 해드필드강은 항복강도가 400MPa 전후로 매우 낮아 일반적인 내마모강 또는 구조강으로서는 그 적용이 제한적인 문제점이 있다.

이에 반하여, 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 퀀칭(Quenching) 공정이 필수적이다. 대표적인 마르텐사이트계 내마모강은 사브(SSAB)사의 하독스(HARDOX) 시리즈로서, 비교적 낮은 탄소 당량(Ceq)을 가지며, 강도 및 경도가 우수하다.

그러나, 종래의 마르텐사이트계 내마모강은 고경도 및 고강도를 확보하기 위해서 탄소 및 합금원소의 함량을 높이고, 퀀칭 등 별도의 열처리 과정을 통해 제조할 수 있으나, 탄소 및 합금원소를 많이 함유하게 되면 용접성 및 저온 취성에 악영향을 줄 뿐만 아니라, 고가의 합금원소를 첨가해야 하기 때문에 제조비용이 많이 드는 문제점이 있다.

한편, 건설, 토건 및 광산용 중장비의 주 마모 기구는 연마마모이다. 연마마모에 대한 저항성을 확보하기 위해서는 표층부의 경도가 매우 중요하다. 높은 표층부 경도를 확보하기 위해서는 통상 합금원소를 많이 첨가하게 되는데, 전술한 바와 같이 기존의 내연마마모(abrasive resistance)용 내마모강은 표층부 경도에 효과가 큰 탄소를 다량 함유하는 특징이 있다. 그러나 탄소를 많이 함유하게 되면 용접시에 용접부 등에 균열이 용이하게 발생하는 등의 문제가 있다.

또한 후물재의 경우 중심부 경화능(Hardenability)을 확보하기 위해 Cr이나 Mo 등의 경화원소를 다량 첨가하게 되나, 높은 탄소 및 경화원소에 의해 상온 및 저온 인성이 급격하게 열화된다.

최근 건설 및 토건장비, 광산채굴장비들의 사용환경이 한대지방으로 확대되면서, 저온에서 연성파괴 거동을 보이는 내마모강이 요구되므로 저온에서의 우수한 인성확보가 요구되고 있다.

본 발명의 일측면은 높은 경도와 내마모성을 확보하는 동시에, 저온에서도 우수한 인성을 갖는 내마모강과 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 중량%로, Mn: 2.6~4.5%, (11-Mn)/45≤C≤(15-Mn)/45, Si: 0.05~1.0%, 나머지는 Fe 및 불가피한 분순물을 포함하고,

미세조직이 면적분율로, 95%이상 마르텐사이트를 포함하는 내마모용 강재를 제공한다.

또한, 본 발명은 중량%로, Mn: 2.6~4.5%, (11-Mn)/45≤C≤(15-Mn)/45, Si: 0.05~1.0%, 나머지는 Fe 및 불가피한 분순물을 포함하는 강재를

Ar3 이상의 온도에서 200℃까지 3℃/s의 냉각속도로 냉각하여 제조하는 내마모용 강재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 브리넬 경도 450HB급의 높은 경도를 갖는 동시에, 저온에서도 우수한 인성을 확보할 수 있는 내마모강을 제공할 수 있는 장점이 있다. 특히, 본 발명은 기존의 내마모강에서 용접부 물성을 악화시키는 탄소 및 고가인 몰리브덴, 크롬 등의 합금성분 함량을 저감시킴에도 불구하고, 높은 경도와 인성을 갖는 내마모강을 제공할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 발명강 3의 미세조직을 관찰한 사진임.
도 2는 본 발명의 Mn 첨가에 대한 기술적 내용을 설명한 연속냉각변태곡선을 나타낸 그래프임.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명은 중량%로, Mn: 2.6~4.5%, (11-Mn)/45≤C≤(15-Mn)/45, Si: 0.05~1.0%, 나머지는 Fe 및 불가피한 분순물을 포함하고, 미세조직이 면적분율로, 95%이상 마르텐사이트를 포함하는 내마모용 강재를 제공한다.

이하, 본 발명 강재의 조성에 대해 상세히 설명한다. 하기 조성의 함량은 중량%이다.

망간(Mn): 2.6~4.5%

상기 Mn은 본 발명에서 중요한 역할을 하는 원소로서, 마르텐사이트를 안정화시키는 역할을 한다. 즉, 도 2에 나타난 바와 같이, Mn의 함량이 2.6% 이상에서는 연속냉각변태곡선(Continuous Cooling Transformation Diagram, CCT)상에서 베이나이트 또는 페라이트 생선 곡선이 후방으로 급격하게 이동하기 때문에, 비교적 낮은 냉각속도에서도 마르텐사이트가 안정적으로 생성될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Mn의 함량을 2.6% 이상으로 제어하여, 상대적으로 낮은 탄소함량으로도 높은 경도를 확보할 수 있다. 상기 Mn의 함량이 2.6% 미만인 경우에는 페라이트 또는 베이나이트가 쉽게 형성되어 본 발명에서 요구되는 표층부 경도를 확보하기 어렵다. 반면, 상기 Mn 함량이 4.5%를 초과하는 경우에는 용접성을 현저히 저감시키며, 강재의 제조원가를 상승시키는 문제가 있다.

탄소(C): (11-Mn)/45≤C≤(15-Mn)/45

상기 C는 Mn과 함께 강재의 표층부 경도확보를 확보하는 역할을 하나, 반면에 인성 및 용접성을 저하시키는 작용을 한다. 따라서, 본 발명에서는 최적의 C를 첨가하여 인성 및 용접성을 개선하며, 상기 최적의 C 함량은 망간의 함유량에 의존한다. 본 발명에서 요구되는 표층부 경도를 충분히 확보하기 위해서는 탄소가 (11-Mn)/45 이상 첨가되는 것이 필요하지만, (15-Mn)/45 를 초과하여 지나치게 첨가될 경우에는 인성을 현저히 저하시킨다. 따라서, 상기 C는 (11-Mn)/45 에서 (15-Mn)/45의 범위로 하는 것이 바람직하다.

실리콘(Si): 0.05~1.0%

상기 Si는 탈산제로서 역할을 하며, 고용강화에 따른 강도를 향상시키는 원소이므로, 0.05% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 그 함량이 1.0%를 초과하는 경우, 용접부는 물론 모재의 인성을 저하시키므로, 상기 Si의 상한을 1.0%로 하는 것이 바람직하다.

더불어, 본 발명의 강재는 니오븀(Nb), 바나듐(V), 티타늄(Ti) 및 보론(B)로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 추가적으로 포함할 수 있다.

니오븀(Nb): 0.1%이하

상기 Nb은 고용, 석출강화효과를 통해 강도를 증가시키고, 저온압연시 결정립을 미세화시켜 충격인성을 향상시키는 원소이나, 그 함량이 0.1%를 초과하는 경우에는 조대한 석출물이 생성되어 오히려 경도 및 충격인성을 열화시키므로, 0.1% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

바나듐(V): 0.1%이하

상기 V은 철강에 고용되어 페라이트 및 베이나이트의 상변태속도를 지연시켜 마르텐사이트의 형성을 쉽게하는 효과가 있고, 또한 고용강화효과를 통해 강도를 증가시킨다. 그러나, 그 함량이 0.1%를 초과하는 경우에는 효과가 포화되며, 인성 및 용접성 열화를 야기하고 강재의 제조원가를 현저히 증가시키기 때문에, 0.1%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

티타늄(Ti): 0.1%이하

상기 Ti는 소입성 향상에 중요한 원소인 B의 효과를 극대화 하는 원소이다. 상기 Ti는 TiN 형성에 의해 BN 형성을 억제함으로서, 고용 B의 함량을 증가시켜 소입성을 향상시키고, 석출된 TiN은 오스테나이트 결정립을 고정(pinning)시켜 결정립 조대화를 억제시키는 효과가 있다. 그러나, 과도한 Ti의 첨가는 티타늄 석출물의 조대화에 의해 인성저하 등의 문제를 야기할 수 있으므로, 그 함량은 0.1%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

보론(B): 0.02%이하

상기 B는 소량의 첨가로도 재료의 소입성을 효과적으로 증가시키는 원소이며, 결정립계 강화를 위한 입계파괴 억제효과가 있으나, 과도한 첨가시 조대한 석출물의 형성 등에 의해 인성 및 용접성을 저하시키므로, 0.02% 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 강재 조성의 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다. 다만, 본 발명의 강재는 다른 조성의 첨가를 배제하는 것은 아니다. 상기 불가피한 불순물은 통상의 철강제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않게 혼입될 수 있는 것으로, 이를 배제할 수는 없다. 상기 불가피한 불순물은 통상의 철강제조과정의 기술자라면 이해되는 것이다.

본 발명 강재의 미세조직은 면적분율로 95% 이상의 마르텐사이트를 포함한다. 상기 마르텐사이트 조직이 95% 미만에서는 본 발명에서 의도하는 경도를 확보하기 어렵다.

상기 마르텐사이트의 평균 패킷(유효결정립)의 크기는 25㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 패킷 크기가 25㎛를 초과하는 경우에는 조대한 마르텐사이트 조직이 형성되어, 저온 충격인성이 저하된다.

본 발명의 내마모강은 표층부 브리넬 경도과 450HB 이상인 것이 바람직하고, 샤르피 충격에너지(-40℃)가 20J 이상인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명 내마모강의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에서는 상기 조성을 만족하는 강재를 Ar3 온도에서 200℃까지 3℃/sec 이상의 냉각속도로 냉각하여 제조하는 것이 바람직하다. 상기 냉각이 Ar3 온도 이하에서 개시될 경우, 마르텐사이트 이외의 저온상(베이나이트 등)이 발생하여 본 발명에서 달성하고자 하는 경도 확보가 곤란하다. 또한, Ar3 온도 이상에서 냉각이 개시되더라도, 냉각속도가 3℃/sec 미만 또는 공냉이 될 경우에는 도 2에 나타난 바와 같이 마르텐사이트 조직을 확보하기 어렵다.

본 발명의 내마모강을 제조하는 방법은 열간압연 후 곧바로 냉각하는 방법(Direct Quenching)과 열간압연 후 일반냉각을 하고, 별도의 열처리를 설비를 이용하여 재가열한 후 냉각하는 방법 등이 사용될 수 있다.

전자의 방법에 의할 경우에는 상기 조성을 만족하는 강슬라브를 Ar3 이상으로 재가열한 다음, 열간압연을 행하여 열연강판을 제조한 후, Ar3 온도에서 200℃까지 3℃/sec 이상의 냉각속도로 냉각하는 방법에 의한다.

후자의 방법에 의할 경우에는 이미 제조된 열연강판을 재가열 설비를 이용하여 Ar3 이상의 온도로 재가열한 후, 200℃까지 3℃/sec 이상의 냉각속도로 냉각하여 제조한다. 후자의 방법이 전통적으로 내연마마모형 내마모강을 제조하는 방법으로 사용되어 왔으나, 최근에는 납기를 단축하고, 제조원가를 절감하기 위해 전자의 방법을 행하는 경우가 많다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.

(실시예)

하기 표 1의 조성(단위 중량%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물임)을 가진 잉곳을 실험실에서 진공유도용해로에서 제조하여 열간압연을 통해 70mm 두께의 슬라브를 얻었다. 이 슬라브를 이용하여 조압연 및 사상압연을 거쳐 11.8mm 두께의 판재를 제조하였다. 열간압연된 판재는 곧바로 고압의 물을 분사하는 가속냉각장치를 통과시키면서 급냉되었다. 시험용도에 따라 사상압연온도를 조정하였으며, 미세조직을 변화시키기 위해서 냉각수의 압력을 조정을 통해 하기 표 2와 같이 냉각속도를 제어하였다.

이렇게 제조된 각 시편의 미세조직, 패킷 크기, 브리넬 경도, 충격인성을 측정하여 그 결과를 도 2에 표기하였다. 미세조직은 광학현미경 및 SEM을 이용하여 관찰하였고, 표층부 경도는 표면에서 2㎜ 정도의 깊이를 연삭한 후, 브리넬 경도기를 이용해서 측정하였다.

번호	C	Mn	수식 범위	Si	V	Nb	Ti	B	구분
1	0.19	2.9	0.180~0.269	0.3	-	-	-	-	발명강
2	0.22	2.7	0.184~0.273	0.2	-	-	-	-	발명강
3	0.19	3.0	0.178~0.267	0.1	-	-	-	-	발명강
4	0.18	3.1	0.176~0.264	0.8	0.04	-	-	-	발명강
5	0.16	3.9	0.158~0.247	0.2	-	0.04	-	-	발명강
6	0.19	2.8	0.182~0.271	0.2	-	-	0.022	0.0019	발명강
7	0.2	2.6	0.187~0.276	0.1	0.03	0.02	0.032	0.0015	발명강
8	0.17	3.6	0.164~0.253	0.3	-	-	-	-	발명강
9	0.21	2.7	0.184~0.273	0.2	-	-	-	-	비교강
10	0.18	4.9	0.136~0.224	0.4	-	-	-	-	비교강
11	0.19	2.2	0.196~0.284	0.1	-	-	-	-	비교강
12	0.30	3.0	0.178~0.267	0.9	-	-	-	-	비교강
13	0.11	3.2	0.173~0.262	0.5	-	-	-	-	비교강
14	0.16	2.9	0.180~0.269	1.8	-	-	-	-	비교강

수식 범위: (11-Mn)/45 ~ (15-Mn)/45

번호	미세조직(면적%)	패킷크기(㎛)	브리넬 경도	-40℃충격인성(J)	냉각속도(℃/s)	구분
1	M(100)	10	470	31	21.7	발명예
2	M(95)+B(5)	18	486	27	4.9	발명예
3	M(100)	15	443	28	15.1	발명예
4	M(97)+B(3)	10	464	35	12.5	발명예
5	M(100)	7	459	39	15.9	발명예
6	M(100)	9	458	37	30.5	발명예
6-1	M(60)+B(36)+F(4)	19	362	65	0.8	비교예
7	M(95)+B(5)	5	474	48	11.4	발명예
8	M(75)+B(25)	24	391	52	2.4	비교예
9	M(100)	32	486	12	13.4	비교예
10	M(97)+B(3)	12	514	12	11.4	비교예
11	M(85)+B(15)	17	412	36	10.9	비교예
12	M(95)+B(5)	15	579	8	12.7	비교예
13	M(90)+B(10)	15	397	46	18.2	비교예
14	M(100)	14	504	10	14.8	비교예

상기 표 2의 미세조직에 있어서, M은 마르텐사이트, B는 베이나이트, F는 페라이트를 나타낸다.

상기 1 내지 7번 강은 본 발명의 강조성 및 제조조건을 만족하여, 브리넬 경도가 420~480HB에 포함되며, 니오븀이나 바나듐을 첨가한 경우에는 높은 경도값을 나타내었다. 특히, 니오븀을 첨가한 경우에는 패킷 크기가 더 작아져서 상대적으로 높은 충격인성을 나타내었다. 한편, 티타늄과 보론을 첨가한 경우에는 가장 높은 충격인성을 나타내었다.

특히, 도 1은 상기 발명강 3의 미세조직을 관찰한 것으로서, 마르텐사이트 조직이 주상으로 이루어져 있으며, 대표적인 저강도 저온 변태상의 증거인 탄화물(carbide)가 관찰되지 않음을 알 수 있다.

한편, 6-1 및 8번은 본 발명의 강조성은 만족하나, 냉각속도가 낮아서, 최종 미세조직은 마르텐사이트 분율이 각각 60 및 75%를 가지며, 나머지는 베이나이트, 페라이트로 이루어졌다. 이 경우, 브리넬 경도값이 본 발명에서 요구하는 값에 미치지 못하는 것을 알 수 있다.

또한, 9 내지 14번 강은 성분이나 미세조직이 본 발명의 범위에 포함되지 않아서 브리넬 경도, 충격인성 등의 성능이 본 발명에 규정하는 범위를 벗어났다.

9번 강은 미세조직이 100% 마르텐사이트로 이루어져 있으나 패킷크기가 32㎛로 조대해서 충격인성이 낮은 값을 나타내었다. 한편, 10번 강의 경우는 망간의 함량이 본 발명에서 한정하는 범위보다 많이 첨가되어 경도는 양호한 결과를 나타내었으나 충격인성이 현저하게 감소하였다. 11번 강은 망간함량이 본 발명에서 한정하는 범위보다 적게 함유되어 경화능이 낮아서 고압의 물로 가속냉각하여도 15% 정도의 베이나이트가 형성되어 표층부 경도가 본 발명의 범위보다 낮았다.

12번 강은 탄소함량이 본 발명에서 한정하는 범위를 초과하여 경도값도 범위를 초과하고 특히 충격인성이 낮은 값을 나타내었다. 이에 반해 13번 강은 탄소함량이 본 발명의 한정범위보다 낮아서 경도가 낮게 나타났다. 14번 강은 실리콘이 본 발명의 한정범위보다 높게 첨가되어 표층부 경도도 범위를 벗어나는 높은 값은 나타내었고 인성이 열화 되었다.

Claims

중량%로, Mn: 2.6~4.5%, (11-Mn)/45≤C≤(15-Mn)/45, Si: 0.05~1.0%, 나머지는 Fe 및 불가피한 분순물을 포함하고,
미세조직이 면적분율로, 95%이상 마르텐사이트를 포함하는 내마모용 강재.
청구항 1에 있어서,
상기 강재는 Nb: 0.1% 이하 (0% 제외), V: 0.1% 이하 (0% 제외), Ti: 0.1% 이하 (0% 제외), B: 0.02% 이하 (0% 제외)로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는 내마모용 강재.
청구항 1에 있어서,
상기 마르텐사이트의 평균 패킷크기가 25㎛ 이하인 내마모용 강재.
중량%로, Mn: 2.6~4.5%, (11-Mn)/45≤C≤(15-Mn)/45, Si: 0.05~1.0%, 나머지는 Fe 및 불가피한 분순물을 포함하는 강재를
Ar3 이상의 온도에서 200℃까지 3℃/s의 냉각속도로 냉각하여 제조하는 내마모용 강재의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 강재를 강슬라브로부터 열간압연하여 제조한 다음, 냉각하는 내마모용 강재의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 강재를 재가열한 다음, 냉각하는 내마모용 강재의 제조방법.