KR101482338B1 - 피삭성 및 용접 열영향부 인성이 우수한 내마모 오스테나이트계 강재 - Google Patents

Abstract

중량%로, 망간(Mn): 15~25%, 탄소(C): 0.8~1.8%, 0.7C-0.56(%)≤Cu≤5%를 만족하는 구리(Cu), 황(S): 0.03~0.1%, 칼슘(Ca): 0.001~0.01%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 용접 열영향부의 -40℃ 샤르피 충격값이 100J 이상인, 피삭성 및 용접 열영향부 인성이 우수한 내마모 오스테나이트계 강재가 제공된다.
본 발명에 따르면, 용접후 열영향부의 탄화물 생성을 억제하여 용접 열영향부의 인성이 저하를 방지할 수 있고, 내식성을 향상시킴으로써 부식환경에서 장시간 사용이 가능한 피삭성이 우수한 오스테나이트계 강재를 제공할 수 있다.

Description

피삭성 및 용접 열영향부 인성이 우수한 내마모 오스테나이트계 강재{AUSTENITIC WEAR RESISTANT STEEL HAVING SUPERIOR TOUGHNESS IN WELD HEAT-AFFECTED ZONE AND MACHINABILITY}

본 발명은 다양한 용도로 사용가능한 오스테나이트계 강재에 관한 것으로서, 특히, 피삭성 및 용접 열영향부 인성이 우수한 오스테나이트계 내마모 강재에 관한 것이다.

오스테나이트계 강재는, 그 자체가 가지고 있는 가공경화능, 비자성 등의 성질로 인하여 다양한 용도로 사용되고 있다. 특히, 기존에 주로 사용되던 페라이트 혹은 마르텐사이트를 주조직으로 하는 탄소강이 그 특성에 한계를 나타냄에 따라 이들의 단점을 극복하는 대체재로 그 적용이 증가하고 있는 추세이다.

오스테나이트계 강재의 적용분야로서는 리니어 모터카 궤도, 핵융합로 등의 초전도 응용 기기 및 일반 전기기기의 비자성 구조용 재료, 광산 산업의 채굴, 수송용 강재, 확관용 파이프용 강재, 슬러리 파이프용 강재, 내 사워(sour) 강재, 오일 및 가스 산업 (Oil and Gas Industries)에서 채굴, 수송, 저장용 강재 등 연성, 내마모성 및 내수소취성 등이 필요한 산업분야에서 오스테나이트계 강재의 수요가 꾸준히 증가하고 있다.

종래의 대표적인 비자성 강재로는 오스테나이트계 스테인레스강인 AISI304(18Cr-8Ni계)가 있다. 그러나, 항복강도가 낮아 구조 재료로 적용하기에는 문제점이 있으며 고가의 원소인 Cr, Ni을 다량 함유하여 비경제적이며 특히, 하중에 따른 비자성 특성이 안정적으로 요구되는 구조재의 경우 이러한 강재는 가공유기변태에 의해 강자성상인 페라이트상이 유기 변태되어 자성을 나타내므로 그 용도 및 적용에 한계가 존재한다.

또한, 광산 산업, 오일 및 가스 산업 (Oil and Gas Industries)의 성장에 따라 채굴, 수송, 및 정제 과정에서 사용 강재의 마모가 큰 문제점으로 대두되고 있다. 특히 최근 석유를 대체할 화석 연료로 오일 샌드 (Oil Sands)에 대한 개발이 본격화됨에 따라 오일, 자갈, 모래 등이 포함된 슬러리에 의한 강재 마모는 생산 비용의 증가를 일으키는 중요한 원인으로 지적되고 있으며 이에 따라 내마모성이 우수한 강재의 개발 및 적용에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 기존의 광산 산업에서는 내마모성이 우수한 해드필드 (Hadfield)강이 주로 사용되어 왔다. 해드필드강은 오스테나이트계 강재로서, 강재에 변형이 가해질 경우 마르텐사이트로 변태됨으로써 높은 경도를 갖추게 되는 성질을 가진다.

상기와 같은 다양한 형태의 오스테나이트계 강재의 조직을 오스테나이트로 유지하기 위해서는 망간 함량과 탄소 함량이 높아지게 되는데, 이 경우 오스테나이트 입계를 따라 네트웍 형태의 탄화물을 고온에서 생성시켜 강재의 물성, 특히 연성을 급격히 저하시킨다. 뿐만 아니라, 상기 탄화물은 모재에서 뿐만 아니라, 고온으로 가열되었다가 냉각되는 용접 열영향부에서도 더욱 심하게 형성되어 용접열영향부의 인성을 현저히 떨어뜨리게 된다.

이러한 네트웍 형태의 탄화물 석출을 억제하기 위해 고온에서 용체화 처리를 하거나 혹은 열간가공 후 상온으로 급냉시켜 고망간강을 제조하는 방법이 제시되었다. 그러나 강재의 두께가 두꺼운 경우에는 급냉에 의한 탄화물 억제의 효과가 충분하지 않을 뿐만 아니라, 열이력을 받는 용접 열영향부에서의 탄화물 석출을 방지할 수 없다는 문제가 있다.

또한, 오스테나이트계 고망간강은 높은 가공 경화로 인해 피삭성이 열위하며 이는 절삭 공구 수명을 감소시키고 이로 인한 공구 비용 증가 및 공구의 교체에 관련된 휴지 기간 증가 등 생산 비용을 감소시키는 문제가 있다.

본 발명의 일 측면은 용접 열영향부에서 발생하는 인성 저하의 문제가 해소되고 피삭성도 겸비한 오스테나이트계 강재를 제시하고자 한다.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 중량%로, 망간(Mn): 15~25%, 탄소(C): 0.8~1.8%, 0.7C-0.56(%)≤Cu≤5%를 만족하는 구리(Cu), 황(S): 0.03~0.1%, 칼슘(Ca): 0.001~0.01%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 용접 열영향부의 -40℃ 샤르피 충격값이 100J 이상인, 피삭성 및 용접 열영향부 인성이 우수한 내마모 오스테나이트계 강재를 제공한다.

본 발명에 의하면, 용접후 열영향부의 탄화물 생성을 억제하여 용접 열영향부의 인성이 저하를 방지할 수 있고, 피삭성을 향상시킴으로써 절삭 가공성이 우수하며, 내식성을 향상시킴으로써 부식환경에서 장시간 사용이 가능한 오스테나이트계 강재를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 망간과 탄소 함량의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접 열영향부 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 황 함량과 피삭성과의 관계를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 피삭성 및 용접 열영향부 인성이 우수한 내마모 오스테나이트계 강재를 상세히 설명한다.

본 발명자들은 강재의 조직을 오스테나이트계로 제어하기 위하여 망간과 탄소 등을 다량 첨가하더라도 탄화물에 의한 용접 열영향부 인성 저하의 문제를 일으키지 않으며 또한 피삭성을 향상시키기 위해서는 강재의 성분을 적절히 제어할 필요가 있음을 확인하고 본 발명에 이르게 되었다.

즉, 본 발명은 오스테나이트 조직을 확보하기 위하여 망간과 탄소를 첨가하되, 용접과 같은 열싸이클을 강재가 받을 때 탄소에 의한 탄화물 형성을 최소화하기 위하여, 망간의 함량에 따른 탄소 함량을 조절할 뿐만 아니라, 추가적인 원소 첨가에 의하여 탄화물 형성을 적극 억제함으로써 용접 열영향부의 인성을 충분히 확보함과 동시에 칼슘 및 황의 함량을 조절하여 오스테나이트계 고망간강의 피삭성을 현저히 개선시키는 강재의 조성을 도출하기에 이르렀다.

이에 본 발명의 강재는 중량%로, 망간(Mn): 15~25%, 탄소(C): 0.8~1.8%, 0.7C-0.56(%)≤Cu≤5%를 만족하는 구리(Cu), 황(S): 0.03~0.1%, 칼슘(Ca): 0.001~0.01%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가질 수 있다.

상기 각 성분의 수치 한정 이유를 설명하면 다음과 같다. 이하, 각 성분의 함량 단위는 특별히 언급하지 않은 경우에는 중량%임에 유의할 필요가 있다.

망간( Mn ): 15~25%

망간은 본 발명과 같은 고망간강에 첨가되는 가장 중요한 원소로서, 오스테나이트를 안정화시키는 역할을 하는 원소이다. 본 발명에서 주 조직으로 오스테나이트를 얻기 위해서는 망간이 도 1에 표시한 바와 같이 15% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 즉, 망간의 함량이 15% 미만인 경우에는 오스테나이트의 안정성이 감소하여 충분한 저온인성을 확보할 수 없다. 또한, 망간의 함량이 25%를 초과하는 경우에는 망간 첨가로 인한 내식성 저하, 제조 공정상의 어려움, 제조단가 상승 등의 문제점이 있으며 인장 강도를 감소시켜 가공 경화가 감소되는 단점이 있다.

탄소(C): 0.8~1.8%

탄소는 오스테나이트를 안정화시켜 상온에서 오스테나이트 조직을 얻을 수 있도록 하는 원소로서, 강재의 강도를 증가시키며, 특히 오스테나이트 내부에 고용되어 가공 경화를 증가시켜 높은 내마모성을 확보하거나 오스테나이트 상에 기인하는 비자성을 확보하기 위한 중요한 원소이다.

이를 위해서는 상기 탄소의 함량은 도 1에 표시한 바와 같이 0.8중량% 이상인 것이 바람직하다. 탄소의 함량이 너무 낮을 경우에는 오스테나이트의 안정성이 감소하고 고용 탄소의 부족으로 높은 내마모성을 얻기 어렵다. 반대로 탄소의 함량이 과다할 경우에는 특히 용접 열영향부의 탄화물 형성을 억제하기 어렵다. 따라서, 본 발명에서 탄소는 0.8~1.8중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 탄소의 범위는 1.0~1.8중량%이다.

구리( Cu ): 0.7C-0.56(%)≤ Cu ≤5%

구리는 탄화물 내 고용도가 매우 낮고 오스테나이트 내 확산이 느려서 오스테나이트와 탄화물 계면에 농축되는 경향이 있다. 그 결과 미세한 탄화물의 핵이 생성될 경우 그 주위를 둘러싸게 됨으로써 탄소의 추가적인 확산에 따른 탄화물 성장이 늦어지게 되며, 결국 탄화물 생성 및 성장이 억제되게 된다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 효과를 얻기 위하여 구리를 첨가한다. 이러한 구리의 첨가량은 독립적으로 결정되는 것이 아니라 탄화물의 생성 경향, 특히 용접시 용접 열영향부에서의 탄화물 생성 경향에 따라 결정되는 것이 바람직하다. 즉, 구리의 함량은 0.7C-0.56중량% 이상으로 설정하는 것이 탄화물 생성 억제에 유리하다. 구리의 함량이 0.7C-0.56중량%미만인 경우 탄소에 의한 탄화물 형성을 억제하기 힘든 문제점이 있으며 구리의 함량이 5중량%를 초과하는 경우에는 강재의 열간가공성을 저하시키는 문제점이 있으므로, 상한은 5중량%로 제한하는 것이 바람직하다. 특히, 본 발명에서 내마모성 향상을 위해 첨가되는 탄소 함량을 고려할 때에는 상기 탄화물 생성 억제 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.3중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2중량% 이상 첨가될 경우 상기 효과를 극대화할 수 있다.

황(S): 0.03~0.1%

황은 일반적으로 망간과 함께 첨가되어 화합물인 황화망간을 형성하여 절삭 가공시 쉽게 절단, 분리되어 절삭성을 향상시키는 원소로 알려져 있다. 절삭 가공열에 의해 용융되므로 칩과 절삭 공구와의 마찰력을 감소시킨다. 따라서 공구 표면 윤활을 통한 절삭 공구 마모 감소, 절삭 공구상에의 절삭날 축척 방지 등의 효과를 가져오므로 절삭 공구의 수명을 증가시킨다. 다만, 황의 과다 함유의 경우 열간 가공시 연신된 다량의 조대한 황화망간으로 강재의 기계적 특성을 감소시킬 수 있고 또한 황화철의 형성으로 열간 가공성을 해칠 수 있으므로 그 상한은 0.1%이 바람직하며 0.03%미만으로 첨가되면 절삭성 개선의 효과가 없으므로 그 하한은 0.03%로 제한하는 것이 바람직하다.

칼슘( Ca ): 0.001~0.01%

칼슘은 황화망간의 형상을 제어하기 위해 주로 사용되는 원소이다. 황에 대해 큰 친화력을 가지므로 칼슘황화물을 형성함과 동시에 황화망간에 고용되어 존재하며, 이러한 칼슘황화물을 핵으로 하여 황화망간이 정출하므로 열간 가공시 황화망간의 연신을 억제하여 구상의 형상을 유지하도록 하여 피삭성을 개선시킨다. 다만, 0.01%를 초과하여 함유시켜도 효과가 포화하며 칼슘은 실수율이 낮기 때문에 함유량을 많게 하기 위해서는 다량의 첨가가 필요하므로 제조 비용의 측면에서 바람직하지 않다. 0.001%미만인 경우 효과가 미미하므로 그 하한은 0.001%로 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

본 발명의 강재는 상기 성분에 더하여 크롬(Cr)을 추가로 포함할 수 있다.

크롬( Cr ): 8% 이하(0%는 제외)

일반적으로 망간은 강재의 내식성을 저하시키는 원소이며, 상기 범위의 망간 함량에서 일반 탄소강에 비해 내식성이 저하되는 단점이 있는데, 본 발명에서는 크롬을 첨가함으로써 내식성을 향상시키고 있다. 또한, 상기 범위의 크롬 첨가를 통해 강도도 향상시킬 수 있다. 다만, 그 함량이 8중량%를 초과하는 경우 제조원가의 상승을 가져올 뿐 아니라 재료 내 고용된 탄소와 함께 입계를 따라 탄화물을 형성하여 연성, 특히 유화물 응력유기 균열 저항성을 감소시키며, 페라이트가 생성되어 오스테나이트 주 조직을 얻을 수 없으므로, 그 상한은 8중량%로 한정하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 내식성 향상 효과를 극대화하기 위해서는 크롬을 2중량% 이상 첨가하는 것이 보다 바람직하다. 이와 같이, 크롬의 첨가로 내식성을 향상시킴으로써, 슬러리 파이프용 강재 또는 내 싸워(sour) 강재 등에도 널리 적용할 수 있다. 또한, 크롬을 첨가할 경우 450MPa이상의 높은 항복강도를 안정적으로 얻을 수 있다.

상술한 조성의 강재는 오스테나이트계 조직을 가지면서 용접 열영향부의 인성이 우수하다. 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면 본 발명의 강재는 용접 열영향부의 -40℃에서의 샤르피 충격값이 100J 이상일 수 있다.

상술한 본 발명의 조성의 강재는 오스테나이트계 강재로서 용접 열영향부의 미세조직은 오스테나이트가 체적분율로 95% 이상 포함된 강재를 의미한다. 또한, 본 발명에서 강재라 함은 단순히 재료로서의 강재만을 의미하는 것이 아니라, 최종제품에 용접된 상태로 포함된 강재도 같이 의미하는 것임에 유의할 필요가 있다. 상기 오스테나이트는 상술한 바와 같이 각종의 용도에 사용될 수 있다. 상기 오스테나이트 이외에는 마르텐사이트, 베이나이트, 펄라이트, 페라이트 등의 불가피하게 형성된 불순조직이 일부 포함될 수 있다. 여기서 각 조직의 함량은 탄화물 등의 석출물을 포함하지 않고, 강재의 상(phase)의 합을 합한 것을 100%로 보았을 때의 함량임에 유의할 필요가 있다.

또한, 본 발명의 강재는 용접 열영향부의 미세조직은 탄화물이 체적분율로 5% 이하(전체 체적기준)인 것이 바람직하다. 이 경우 탄화물에 의한 용접 열영향부 인성 저하문제를 최소화할 수 있기 때문이다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.

[ 실시예 ]

하기 표 1에 기재된 성분계 및 조성범위를 만족하는 슬라브를 1150℃에서 재가열 한 뒤 약 900℃에서 마무리 압연을 하고 냉각하여 열연 강판을 제조하였다.

구분(중량%)	C	Mn	Cu	Cr	0.7C-0.56	Ca	S
비교예 1	1.2	17.5	0.85		0.3
비교예 2	0.9	20	0.5		0.1		0.01
비교예 3	1.5	23	1.23		0.5
비교예 4	1.12	16	0.76		0.2		0.02
비교예 5	1.25	18.6	1.1	2	0.3
발명예 1	1.19	17.5	0.87		0.3	0.005	0.05
발명예 2	0.92	21	0.45		0.1	0.006	0.03
발명예 3	0.9	21.5	0.47		0.1	0.006	0.05
발명예 4	0.88	20.6	0.47		0.1	0.007	0.08
발명예 5	1.48	22.5	1.19		0.5	0.005	0.05
발명예 6	1.15	17.3	0.59		0.2	0.008	0.06
발명예 7	1.18	18	1.2	2	0.3	0.004	0.08

이렇게 제조된 강판을 대상으로 맞대기 용접을 실시한 후, 모재의 항복강도, 용접 열영향부(HAZ)의 탄화물 체적분율, 용접 열영향부의 -40℃에서의 샤르피 충격치를 측정하여 표 2에 기재하였다. 피삭성 평가를 위해서는 10mm 직경의 고속도 공구강 드릴을 사용하여 회전속도 130rpm, 드릴 전진속도 0.08mm/rev의 조건으로 강재에 구멍을 반복적으로 뚫어, 드릴이 마모되어 수명이 다할 때까지의 구멍 수를 측정하여 표 2에 기재하였다.

구분	모재 항복강도 (MPa)	HAZ 탄화물 분율(체적%)	HAZ 샤르피 충격치(J, -40도)	구멍수
비교예 1	379	2.1	163	0
비교예 2	322	0	173	2
비교예 3	436	1.3	282	0
비교예 4	364	2.5	130	0
비교예 5	476	0.8	207	1
발명예 1	377	2.0	161	3
발명예 2	325	0	191	6
발명예 3	322	0	197	9
발명예 4	318	0	181	12
발명예 5	432	1.3	272	2
발명예 6	369	2.7	154	3
발명예 7	469	0.7	189	5

또한, 상기 비교예 및 발명예의 강판에 대하여 ASTM G31에 의거한 침지실험에 의한 부식속도를 측정하고 그 결과를 표 3에 나타내었다.

구분(중량%)	부식속도(mm/year)
	3.5% NaCl, 50℃, 2주	0.05M H2SO4, 2주
비교예 1	0.14	0.48
비교예 2	0.17	0.49
비교예 3	0.18	0.50
비교예 4	0.17	0.47
비교예 5	0.09	0.41
발명예 1	0.14	0.47
발명예 2	0.17	0.48
발명예 3	0.16	0.48
발명예 4	0.17	0.47
발명예 5	0.18	0.51
발명예 6	0.18	0.48
발명예 7	0.08	0.42

본 실시예의 경우 탄소와 망간의 함량이 본 발명에서 제어하는 성분계 및 조성범위를 모두 만족하는 강종으로서, 구리 첨가에 의해 용접 열영향부에서의 입계 탄화물 석출이 효과적으로 억제되어, 그 체적분율이 5% 이하로 제어됨에 따라 저온 인성이 우수함을 알 수 있다. 구체적으로 높은 탄소 함량에서도 구리의 첨가에 의해 탄화물이 효과적으로 억제됨으로써 목표하는 미세조직 및 물성을 얻을 수 있었다.

특히, 비교예 5 및 발명예 7은 크롬을 추가적으로 첨가함에 따라 부식평가 실험에서 부식 속도가 느린 것으로 보아 내식성까지 향상되었음을 알 수 있다. 또한 크롬의 첨가로 인해 고용강화에 따른 항복강도도 향상되어 450MPa 이상인 것을 확인할 수 있다.

비교예 1 내지 5는 황 및 칼슘을 미첨가 또는 본 발명에서 제어하는 범위를 벗어남으로 인해 피삭성이 열위함을 확인할 수 있다.

반면, 발명예 1 내지 7은 황 및 칼슘의 첨가량이 본 발명에서 제어하는 성분계 및 조성범위를 모두 만족하는 강종으로서 비교예와 비교하여 피삭성이 우수함을 알 수 있다. 특히 발명예 2 내지 4는 황 함량을 변화시킨 경우로 황 함량의 증가로 인해 피삭성이 보다 개선됨을 알 수 있다.

도 2는 상기 발명예 2에 따라 제조된 강판의 용접 열영향부 미세조직 사진을 나타낸 것이다. 본 발명에서 제어하는 범위내의 구리 첨가에 의해 높은 탄소 함량에서도 탄화물이 존재하지 않음을 확인할 수 있다.

도 3는 황 함량에 따른 피삭성을 나타낸 것이다. 황 함량 증가에 따라 피삭성이 증가함을 확인할 수 있다.

Claims (4)

1. 중량%로, 망간(Mn): 15~25%, 탄소(C): 0.8~1.8%, 0.7C-0.56(%)≤Cu≤5%를 만족하는 구리(Cu), 황(S): 0.03~0.1%, 칼슘(Ca): 0.001~0.01%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 용접 열영향부의 -40℃ 샤르피 충격값이 100J 이상인, 피삭성 및 용접 열영향부 인성이 우수한 내마모 오스테나이트계 강재.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 강재는 8중량% 이하(0%는 제외)의 크롬(Cr)을 추가로 포함하고 항복강도가 450MPa 이상인, 피삭성 및 용접 열영향부 인성이 우수한 내마모 오스테나이트계 강재.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 용접 열영향부의 미세조직은 오스테나이트가 체적분율로 95%이상인 것인, 피삭성 및 용접 열영향부 인성이 우수한 내마모 오스테나이트계 강재.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 용접 열영향부의 미세조직은 탄화물이 체적분율로 5% 이하로 포함되는 것인, 피삭성 및 용접 열영향부 인성이 우수한 내마모 오스테나이트계 강재.

Images