KR101589929B1 - 내마모 주철합금 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 크롬 5 ∼ 30중량%, 탄소 1 ∼ 5중량%, 바나듐 0.001~ 2중량% 알루미늄 0.001~ 2중량%, 보론 0.001 ~ 3중량% 및 잔량의 철을 포함하는 내마모 주철 합금에 관한 것이다.

Description

내마모 주철합금{ABRASION RESISTANT CAST IRON ALLOY}
본 발명은 내마모 주철합금에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 탄화물 정출량을 극대화하고 주조시 형성되는 초정입자를 미세화하여 내마모 주조소재의 내충격성 및 내마모성이 향상된 내마모 주철합금에 관한 것이다.
격심한 마찰, 충격이 가해지는 환경에서 사용되는 토목, 광산, 건설분야 장비의 부품의 재료로 사용되는 주철은 내충격 특성, 인성, 내마모성과 같은 특성을 필요로 한다. 이러한 내마모 특성을 갖는 고크롬 주철은 기지 조직이 잔류 오스테나이트를 포함하는 마르텐사이트 중에 다량의 크롬탄화물 등이 석출된 구조를 가진다. 내마모 특성을 위해서는 탄화물 정출량이 많을수록 유리하나, 응고시 탄화물 형상이 편상 흑연과 같이 연결된 구조로 정출되므로 외부 충격에 의한 균열이 전파되어 탄화물과 기지조직 계면을 통해 전달되어 파괴가 쉽게 일어난다. 이러한 파괴 방지를 위해 탄화물이 기지조직으로의 연결 차단이 필요하다.
이에 따라 고크롬 주철에 있어서 아공정 조성 영역이 선호되는데, 구체적으로는 도 1에 나타나는 바와 같이 종래 A532계 고크롬 주철 합금에서 아공정 조성으로 응고시 초정 오스테나이트가 정출하고 공정온도에 도달하면 공정상의 탄화물이 정출되기 시작하며, 초정으로 정출한 오스테나이트가 변태한 마르텐사이트 기지조직이 탄화물의 연결을 단절하여 내충격성을 확보할 수 있다. 그러나 이 경우 공정 탄화물의 정출량이 상대적으로 줄어들기 때문에 내마모성을 충분히 확보할 수 없는 문제가 있다.
공개특허공보 제2006-0056177호는 크롬계 합금에 내마모 특성 달성을 위해 Mo와 Cr2O3 분말을 첨가하며, 일본특허공보 제3694732호는 고크롬 주철소결체의 내마모성 등의 향상을 위해 원심분무법, 방전플라즈마소결법과 같은 부가 공정을 도입하고 있으나 이는 첨가 원소가 고가이기 때문에 단가상승의 문제 또는 부가 공정으로 인한 경제성의 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 탄화물 정출량이 극대화된 동시에 석출물의 입도가 미세화된 내마모 주철합금을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 미소경도, 항절강도, 인장강도 및 내마모성이 우수한 내마모 주철 합금을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또다른 과제는 내충격성 및 내마모성이 우수한 내마모 주철 합금을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 관점은 크롬 5 ∼ 30중량%, 탄소 1 ∼ 5중량%, 바나듐 0.001~ 2중량% 알루미늄 0.001~ 2중량%, 보론 0.001 ~ 3중량% 및 잔량의 철을 포함하는 내마모 주철합금에 관한 것이다.
본 발명의 다른 일 관점은 상기 내마모 주철 합금으로 주조된 부품에 관한 것이다.
본 발명은 고크롬 주철의 내충격성과 내마모 특성을 동시에 구현하기 위하여 특정 조성을 통해 탄화물 정출량이 극대화 되는 동시에 석출물의 입도가 미세화되어 미소경도, 항절강도, 인장강도 및 내마모성이 뛰어난 효과를 나타낸다.
도 1은 종래 A532계 고크롬 주철 합금의 조성분포를 나타낸 그래프이다.
도 2는 실시예 1~2 및 비교예 1~2에 따라 제조된 주철 합금의 광학현미경 사진이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 출원의 구체예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 출원에 개시된 기술은 여기서 설명되는 구체예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 구체예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 출원의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 또한, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 출원의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원의 사상을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 구체예에서 내마모 주철 합금은 크롬(Cr), 탄소(C), 바나듐(V), 알루미늄(Al), 보론(B) 및 잔량의 철(Fe)을 포함할 수 있다.
상기 내마모 주철 합금 총 중량에 대하여 상기 크롬은 5 ∼ 30중량% 및 상기탄소 1 ∼ 5중량%으로 포함할 수 있으며, 구체적으로 상기 크롬을 15~28중량% 및 상기 탄소를 2~4중량%로 포함할 수 있다. 상기 함량 범위 내에서 마르텐사이트 기지조직이 공정 탄화물의 연결을 단절하여 주철 합금의 내충격성이 우수하다.
상기 크롬과 탄소의 Cr/C 비는 중량비로 4~11, 바람직하게는 6~9 이다. 상기 함량 범위 내에서 마르텐사이트 기지조직이 공정 탄화물의 연결을 단절하여 주철 합금의 내충격성이 우수하다.
상기 내마모 주철 합금 총 중량에 대하여 상기 바나듐은 0.001~ 2중량으로 포함할 수 있다. 상기 범위 내에서 주조시 용탕의 응고 온도에서 오스테나이트 영역이 감소하며, 이에 따라 공정 탄화물 양이 증가한다. 상기 바나듐이 2중량%를 초과하면 오스테나이트의 탄소량을 떨어뜨려 내마모성에 불리한 영향을 미칠 염려가 있다.
상기 내마모 주철 합금 총 중량에 대하여 상기 알루미늄은 0.001~ 2중량%, 으로 포함할 수 있다. 상기 범위 내에서 주조 조직의 석출물의 결정 입자가 미세화된다. 상기 알루미늄이 2중량%를 초과하면 고온에서 흑연화촉진제로 작용하기 때문에 오히려 탄화물의 형성을 방해할 염려가 있다.
상기 내마모 주철 합금 총 중량에 대하여 상기 보론은 0.001 ~ 3중량으로 포함할 수 있다. 상기 범위 내에서 주조 조직의 석출물(공정 탄화물)의 결정 입자가 미세화된다. 상기 보론은 비중이 가벼워 과량으로 첨가하면 용탕 중에서 부상, 산화하여 개재물 결함의 원인이 되어 주조품의 품질을 떨어뜨릴 수가 있다.
본 발명의 다른 일 구체예에서 내마모 주철 합금은 미세구조로 내마모 주철 합금 총 체적에 대하여 잔류 오스테나이트를 10체적% 이하 및 공정 탄화물 6~50 체적%을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 상기 범위 내에서 내충격성 및 내마모성이 동시에 우수한 효과를 나타낼 수 있다.
상기 내마모 주철 합금은 주조 후 당업계 통상 방법에 따라 500℃ 내지 2000℃에서 열처리할 수 있다.
본 발명의 또다른 일 구체예에서 내마모 주철 합금은 미세구조에서 금속상(metal phase)의 미소경도는 6000~9500MPa, 탄화물상(carbide phase)의 미소경도는 18000~22000MPa, 공정 탄화물상(eutectic carbide phase)의 미소경도는 750~1000MPa일 수 있다.
본 발명의 또다른 일 구체예에서 내마모 주철 합금은 항절 강도가 670~800MPa일 수 있다.
본 발명의 또다른 일 구체예에서 내마모 주철 합금은 인장 강도가 330~550MPa 일 수 있다.
본 발명의 또다른 일 구체예에서 내마모 주철 합금은 IZOD 충격 테스터로 측정한 충격강도가 5.1~6.7J/㎠ 일 수 있다.
본 발명의 또다른 일 구체예에서 내마모 주철 합금은 상대재 SiC paper로 0.2m/sec로 50N/㎠압력을 가하여 측정한 마모율이 1 ~ 1.5% 일 수 있다.
본 발명의 구체예에 따른 내마모 주철 합금은 통상의 주조법으로 제조되는 고크롬계 내마모 주철 합금의 부품에 적용될 수 있다.
이하, 실시예, 비교예 및 시험예를 들어 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예, 비교예 및 시험예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 하기 실시예, 비교예 및 시험예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
고주파 유도용해로에서 최종물에서 함량이 Cr 22중량%, C 2.8중량%, V 0.8중량%, Al 0.5중량%, B 0.3중량% 및 Fe 잔량이 되도록 강고철, 합금철 및 가탄제를 장입하여 1500℃ 이상으로 승온시킨 후 V, Al 및 B을 첨가하여 소실모형주조법으로 봉상시편을 주조하였다.
실시예 2
고주파 유도용해로에서 최종물에서 함량이 Cr 28중량%, C 3.5중량%, V 0.8중량%, Al 0.5중량%, B 0.3중량% 및 Fe 잔량이 되도록 강고철, 합금철 및 가탄제를 장입하여 1500℃ 이상으로 승온시킨 후 V, Al 및 B을 첨가하여 소실모형주조법으로 봉상시편을 주조하였다.
비교예
비교예 1
고주파 유도용해로에서 최종물에서 함량이 Cr 22중량%, C 2.8중량% 및 Fe 잔량이 되도록 강고철, 합금철 및 가탄제를 장입하여 1500℃ 이상으로 승온시킨 후 소실모형주조법으로 봉상시편을 주조하였다.
비교예 2
고주파 유도용해로에서 최종물에서 함량이 Cr 28중량%, C 3.5중량% 및 Fe 잔량이 되도록 강고철, 합금철 및 가탄제를 장입하여 1500℃ 이상으로 승온시킨 후 소실모형주조법으로 봉상시편을 주조하였다.
소재의 과냉도 평가
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 주철 합금의 입자 미세화 여부를 확인하기 위하여 시차열 분석장비(DTA)를 이용하여 평형 상태의 공정 응고 온도(TE)와 과냉시 공정 응고 온도(TN)를 측정하여 과냉도(ΔT =TE - TN)를 산출하였으며, 결과를 표 1에 나타내었다.
TE (℃) TN (℃) 과냉도 TE - TN(℃)
비교예 1 1204 1171 33
실시예 1 1200 1173 27
비교예 2 1242 1223 19
실시예 2 1245 1227 18
표 1의 결과에서 종래의 고크롬 주철 합금인 비교예 1~2에 비해 본원에 따른 내마모 주철 합금인 실시예 1~2의 경우 과냉도가 감소하여 불균질 핵생성이 촉진되며 이에 따라 결정립 크기가 미세해지는 점을 확인할 수 있다. 결정립 미세화를 통해 소재 내마모 주철 합금의 경도 및 인성이 증가할 수 있다.
소재의 미세구조 평가
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 주철 합금을 광학 현미경으로 관찰한 결과를 도 2에 나타내었다. 각 실시예 및 비교예의 사진은 배율을 달리하여 제시한 것으로 상-하 순서로 사진상에 표시된 기준길이가 각각 50㎛, 30㎛이다. 비교예 1에 비해 실시예 1에 있어서 초정 오스테나이트 상에 정출된 공정 탄화물 크기가 약 1/3 정도로 감소하였으며, 비교예 2에 비해 실시예 2에 있어서 초정 오스테나이트 상에 정출된 공정 탄화물 크기가 약 1/2 정도로 감소함을 확인할 수 있다. 또한 비교예 1~2에 비해 실시예 1~2의 경우 결정립의 입형이 둥글어진 것을 알 수 있다.
물성평가
상기 실시예 및 비교예에서 제조한 주철 합금에 대하여 미소경도, 항절강도, 인장강도, 충격강도 및 마모율을 측정하였으며, 결과는 표 2 내지 표 7에 나타내었다. 하기 물성평가에서의 열처리는 1200℃에서 수행하였다.
미소경도
주철합금 미세조직의 금속상, 탄화물상 및 공정 탄화물상의 미소경도를 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다. 미소경도는 주방상태 및 열처리 후로 나누어 측정하였다.
미소경도 (MPa)
금속상
(Metal phase, γ)		 탄화물상
(Carbide phase)		 공정 탄화물상
(Eutectic carbide phase)
주방상태 열처리 후 주방상태 열처리 후 주방상태 열처리 후
비교예 1 7130.0 9270.0 17580.0 16480.0 7230.0 9600.0
실시예 1 8250.0 9270.0 20870.0 19320.0 8440.0 9600.0
비교예 2 6320.0 6440.0 16500.0 11730.0 7690.0 7010.0
실시예 2 6120.0 6570.0 21190.0 18920.0 7690.0 8980.0
상기 표 2의 결과에서, 비교예 1에 비해 실시예 1의 경우, 비교예 2에 비해 실시예 2의 경우 미소경도가 향상되는 것을 확인할 수 있다.
항절강도
12mm지름×300mm의 항절시편을 만능인장시험기를 이용하여 절곡시켜 시편이 끊어지는 강도를 항절강도(MPa)로 하고, 이때의 변형량(sagging deflection)(mm)을 측정하였다. 항절강도 및 변형량은 주방상태 및 열처리 후로 나누어 측정하였으며 3회 반복하여 평균값을 표 3에 나타내었다.
항절강도(MPa) 변형량(Sagging deflection, mm)
주방상태 열처리 후 주방상태 열처리 후
비교예 1 631.0 700.0 3.0 3.0
실시예 1 680.0 750.0 2.0 2.5
비교예 2 610.0 660.0 2.5 2.5
실시예 2 708.0 730.0 3.0 3.0
상기 표 3의 결과에서, 비교예 1~2에 비해 실시예 1~2의 항절강도가 향상되는 것을 확인할 수 있다.
인장시험
12mm지름×300mm의 시편을 만능인장시험기를 이용하여 인장강도를 측정하여 표 4에 나타내었다. 인장강도는 주방상태 및 열처리 후로 나누어 측정하였다.
인장강도(MPa)
주방상태 열처리 후
비교예 1 327.0 445.0
실시예 1 446.0 525.0
비교예 2 270.0 420.0
실시예 2 356.0 470.0
상기 표 4의 결과에서, 비교예 1~2에 비해 실시예 1~2의 인장강도가 향상되는 것을 확인할 수 있다. 실시예의 연신율은 2.6 ~ 2.7% 범위로 나타났다.
충격강도
12mm지름×300mm의 시편을 IZOD 충격시험기를 이용하여 충격강도를 측정하였으며 결과를 표 5에 나타내었다. 충격강도는 주방상태 및 열처리 후로 나누어 측정하였다.
충격강도(resilience), J/㎠
주방상태 열처리 후
비교예 1 5.4 6.1
실시예 1 5.4 6.5
비교예 2 5.0 5.8
실시예 2 5.2 6.1
상기 표 5의 결과에서, 실시예 1~2의 내마모 주철 합금은 조성 변경에 의해종래의 고크롬 주철에 있어서의 충격강도에 비해 저하가 없이 유지되는 것을 확인할 수 있다.
마모시험
10×10×20mm의 시편에 상대재 입자크기 400 ~ 500㎛의 SiC paper로 속도0.2m/sec, 압력 50N/㎠을 가하여 10분간 진행한 후 마모량(mg)을 측정하였으며, 비교예 2의 시편의 내마모율을 1로 하였을때의 내마모율을 계산하여 도 6에 나타내었다.
마모량(mg) 내마모율
비교예 1 52.6 0.79
실시예 1 33.3 1.24
비교예 2 41.4 1
실시예 2 36.7 1.13
상기 표 6의 결과에서, 비교예 1의 경우 내마모성이 0.79인 반면 실시예 1.24로 향상되며, 비교예 2에 비해 실시예 2에서 약 13%의 내마모성의 향상을 확인할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (8)

  1. 크롬 5 ∼ 30중량%, 탄소 1 ∼ 5중량%, 바나듐 0.001~ 2중량% 알루미늄 0.001~ 2중량%, 보론 0.001 ~ 3중량%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 내마모 주철 합금.
  2. 제1항에 있어서,
    미세구조가 내마모 주철 합금 총 체적에 대한 잔류 오스테나이트가 10체적% 이하이고, 공정 탄화물이 6~50체적%를 포함하는 내마모 주철 합금.
  3. 제1항에 있어서,
    비커스 미소경도가 미세구조에서 금속상(metal phase)의 미소경도는 6000~9500MPa, 탄화물상(carbide phase)의 미소경도는 18000~22000MPa, 공정 탄화물상(eutectic carbide phase)의 미소경도는 750~1000MPa인 내마모 주철 합금.
  4. 제1항에 있어서,
    항절 강도가 670~800MPa인 내마모 주철 합금.
  5. 제1항에 있어서,
    인장 강도가 330~550MPa인 내마모 주철 합금.
  6. 제1항에 있어서,
    IZOD 충격 테스터로 측정한 충격강도가 가 5.1~6.7J/㎠인 내마모 주철 합금.
  7. 제1항에 있어서,
    상대재 SiC paper로 0.2m/sec로 50N/㎠압력을 가하여 측정한 마모율이 1 ~ 1.5%인 내마모 주철 합금.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 내마모 주철 합금으로 주조된 부품.
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