KR101642421B1 - 구조용강 조성물 - Google Patents

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KR101642421B1
KR101642421B1 KR1020150031540A KR20150031540A KR101642421B1 KR 101642421 B1 KR101642421 B1 KR 101642421B1 KR 1020150031540 A KR1020150031540 A KR 1020150031540A KR 20150031540 A KR20150031540 A KR 20150031540A KR 101642421 B1 KR101642421 B1 KR 101642421B1
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권훈
박성수
조기섭
최원석
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국민대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은, 탄소(C) 0.15~0.35중량%, 바나듐(V) 0.2~2.0중량%, 및 코발트(Co) 5.0~9.0중량%를 포함하는 구조용강 조성물에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 초고강도, 고인성 내부식성을 겸비한 친환경 구조용강은 코발트(Co)를 중량비로써 약 14중량%에서 7중량%까지 줄였음에도 불구하고, 탄소(C) 및 바나듐(V)함량을 조절함으로써 경도 및 충격인성, 인장강도 그리고 부식저항성 및 항복강도의 증가와 함께 공정을 간소화할 수 있는 매우 긍정적인 결과를 도출할 수 있었다. 이러한 결과는 고가의 전략원소인 코발트(Co)의 감소 및 공정의 간소화를 통해 국내외 초고강도 구조용강 산업에서 요구되는 원가절감을 통해 산업적으로 보다 활발한 적용이 가능할 수 있는 매우 획기적인 결과라 할 수 있겠다.

Description

구조용강 조성물{Composition of Structural Steel}
본 발명은 초고강도, 고인성, 내부식성을 겸비하는 친환경 구조용강에 관한 것으로, 보다 구체적으로 본 발명은 고강도와 높은 마멸저항 등을 요구하는 기어 및 공구강 분야 및 골프헤드와 같은 주변에서 흔히 볼 수 있는 소재로도 응용이 가능하며, 또한 크롬(Cr) 함량을 증가시켜 표면에 크롬산화피막(CrO)을 형성시켜 해수 등 부식환경에서 사용되는 대형선박 및 해군 구축함뿐만 아니라 화학물질 운반선과 같은 해양산업에 사용이 가능한 구조용강 조성물에 관한 것이다.
고함량 코발트-니켈(Co-Ni)계 이차경화형 합금강인 AerMet100은 나노크기의 M2C 탄화물의 석출을 이용하여 강도비 인성을 획기적으로 향상시킨 대표적인 합금으로서, 미국의 전투기를 중심으로 국방 및 우주항공 분야에서 사용되던 초고강도 합금인 4340, 300M, 마르에이징강 등을 대체하는 첨단 구조용 합금강이다. 이 합금은 개발제품의 성능향상이라는 관점에서 경량화 추세에 따른 부피 및 무게 감소에 매우 효과적이어서, 최근 항공 및 방위산업뿐만 아니라 첨단구조재료 분야로 그 응용처가 폭넓게 증가하고 있다.
최근에는 극초고강도 합금이 개발됨에도 불구하고 전세계적으로 친환경소재에 대한 관심이 증가하고 있으며, 환경에 유해한 독성물질을 배출하는 표면처리 소재에 대한 규제가 날로 심화되고 있다. 기존의 초고강도 합금인 고함량 코발트-니켈(Co-Ni)계 합금은 우수한 강도비 인성을 가지나 내부식성 스테인레스계 합금과 비교하여, 중량비로써 4%이하의 상대적으로 적은 크롬(Cr)을 함유하고 있기 때문에 약간의 부식환경에서 사용을 위해서도 환경 유해물질을 발생시키는 카드뮴(Cd), 크롬(Cr)등의 추가적인 표면처리가 요구되고 있다. 이러한 환경 유해물질에 대한 규제로 인해 고인성에도 불구하고 폭넓은 적용에 제한이 되고 있다.
따라서 합금조성의 전반적인 개조 및 공정설계 기술의 다변화를 통해 원천적으로 합금설계시 표면처리 공정을 생략함에도 우수한 부식저항 특성을 보이는 친환경의 초고강도 고인성 합금의 설계에 대한 새로운 패러다임의 확립이 필요한 것이다. 최근 Carpenter 사와 함께 고강도합금 분야의 기술을 선도하고 있는 QuesTek 사에서는 AerMet 100의 조성을 개조하여 동급강도에서 부식저항 특성을 향상시킨 합금인 Ferrium S53 (0.21C-2Mo-1W-0.3V-10Cr- 14Co-5.5Ni) 을 개발한 바 있다.
하지만 산업적으로 쓰이기 위해서는 Ferrium S53의 제조비용을 낮추는 방향으로의 합금설계가 필요하다.
현재까지 개발된 고강도 합금 중 강도비 인성의 조합에 있어서 AerMet 100이 가장 우수한 성질을 보이고 있으며, Ferrium S53의 경우 파괴인성보다는 부식저항성 측면에서 우수한 성질을 보이는 새로운 초고강도 스테인레스계 합금이라고 할 수 있다. 이 합금은 인장강도 1900 MPa급을 확보함으로서 기존의 고강도 석출경화형 스테인레스계 45-5PH강(UTS : 1400 MPa)보다도 훨씬 높은 강도에서 유사한 부식 저항성까지 나타내고 있다.
기존의 스테인레스강에서는 높은 부식저항성을 확보하기 위해서 크롬산화피막(CrO)의 자체피막형성을 위한 임계함량인 13 wt% 이상의 순수한 기지함량의 크롬(Cr)이 요구되므로, 안정성의 측면에서 대표적인 오스테나이트계 304의 경우 18 wt% 정도를 첨가하게 된다. Ferrium S53의 경우, 대표적인 코발트-니켈(Co-Ni)계 합금인 AerMet 100과 비교하여 유사한 강도를 가지는 것과 동시에 고강도 스테인레스계 합금인 15-5PH의 부식특성까지 겸비한 합금이다. 이 합금에서는 크롬(Cr)을 약 6 ~ 12wt% 첨가함으로써 크롬산화피막(CrO)의 안정적인 형성이 가능하다고 알려져 있다.
이러한 현상은 코발트(Co)에 의한 크롬(Cr)의 partition 효과, 5㎚ 이하의 M2C 나노탄화물의 석출이 필요하다고 하나, 아직은 이에 대한 규명은 전혀 되어있지 않은 실정이다. 합금원소의 효과 측면에서 크롬(Cr)은 자체적으로 M2C 탄화물을 형성하지는 않으나 Mo 및 W과 같이 첨가될 때 M2C를 형성하는 원소로 작용하며, 이차경화를 촉진하는 원소이다. 이러한 효과로 인해 AF1410, AerMet 100, 310, Ferrium S53 등에 크롬(Cr)은 필수적으로 첨가되고 있다.
한편, 크롬(Cr)은 마르텐사이트 형성에 대한 경화능을 증가시키지만, 또한 Ms온도를 감소시키는 효과가 크기 때문에 과도한 첨가는 상온에서 오스테나이트를 다량 잔류시켜 항복강도를 저하시키는 주된 요인이 되기도 한다. 반면에 코발트(Co)는 M2C 탄화물 석출에 대한 구동력을 증가시키고 전위의 회복을 억제함으로써, 탄화물의 핵생성 및 성장을 촉진하여 시효를 가속시키는 것으로 알려져 있다. 따라서 일반적으로 코발트(Co)의 함량을 증가시켰을 때, 항복강도의 증가로 이어질 수 있지만 코발트(Co)는 매우 고가의 전략원소이기 때문에 산업적으로 널리 쓰이기 위해선 합금설계에 있어 함량을 낮추는 방향으로의 합금설계가 필요한 실정이다.
따라서 거의 대부분 미국에 의해 선점되어온 첨단구조재료 분야의 합금설계와 관련하여 상기의 크롬(Cr) 및 코발트(Co)가 재료의 기계적성질에 미치는 영향과 더불어 합금원소들의 복합적인 영향(기계적성질, 가격 등)을 고려하여 합금조성의 원천적인 설계가 요구된다 하겠다.
대한민국 등록특허 제10-1010595호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 초고강도, 고인성, 내부식성을 겸비한 친환경 구조용강으로서, 코발트(Co)를 중량비로써 약 14중량%에서 7중량%까지 줄였음에도 불구하고, 탄소(C) 및 바나듐(V)함량을 조절함으로써 경도 및 충격인성, 인장강도 그리고 부식저항성 및 항복강도를 증가시킨 구조용강 조성물을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 친환경 구조용강의 제조공정을 간소화할 수 있는 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적인 고가의 전략원소인 코발트(Co)의 사용을 감소시키고, 공정의 간소화를 통해 국내외 초고강도 구조용강 산업에서 요구되는 원가절감을 통해 산업적으로 보다 활발한 적용이 가능한 구조용강 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 탄소(C) 0.23~0.35중량%, 바나듐(V) 0.5~2.0중량%, 및 코발트(Co) 5.0~9.0중량%를 포함하는 구조용강 조성물을 제공한다.
또한, 상기 조성물은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 중 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 탄소(C) 0.23~0.35중량%, 텅스텐(W) 0.2~2.0중량%, 몰리브덴(Mo) 1.0~3.0중량%, 크롬(Cr) 7.0~13.0중량%, 니켈(Ni) 4.0~8.0중량%, 코발트(Co) 5.0~9.0중량%, 바나듐(V) 0.5~2.0중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.04중량%, 불순물로서 인(P) 0.02중량%, 황(S) 0.02중량% 및 잔부의 철을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 탄소(C) 0.25~0.30중량%, 바나듐(V) 1.0~2.0중량%, 및 코발트(Co) 6.0~9.0중량%를 포함하는 구조용강 조성물을 제공한다.
또한, 상기 조성물은 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 중 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 탄소(C) 0.25~0.30중량%, 텅스텐(W) 0.5~2.0중량%, 몰리브덴(Mo) 1.5~3.0중량%, 크롬(Cr) 8.0~12.0중량%, 니켈(Ni) 4.0~7.0중량%, 코발트(Co) 6.0~9.0중량%, 바나듐(V) 1.0~2.0중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.03중량%, 불순물로서 인(P) 0.01중량%, 황(S) 0.01중량% 및 잔부의 철을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 초고강도, 고인성 내부식성을 겸비한 친환경 구조용강은 코발트(Co)를 중량비로써 약 14중량%에서 7중량%까지 줄였음에도 불구하고, 탄소(C) 및 바나듐(V)함량을 조절함으로써 경도 및 충격인성, 인장강도 그리고 부식저항성 및 항복강도의 증가와 함께 공정을 간소화할 수 있는 구조용강 조성물을 제공하여, 고가의 전략원소인 코발트(Co) 사용의 감소 및 공정의 간소화를 통해 국내외 초고강도 구조용강 산업에서 요구되는 원가절감을 통해 산업적으로 보다 활발하게 적용할 수 있다.
도 1은 잔류오스테나이트 함량 감소를 위한 공정계략도이다.
도 2는 오스테니타이징 공정 및 시효열처리를 통해 얻은 실시예의 경도 및 충격인성 변화를 비교예와 비교하여 나타낸 것이다.
도 3은 실시예와 비교예의 미세구조를 나타낸 이미지 사진이다.
도 4는 실시예와 비교예의 항복 및 인장강도 변화를 나타낸 것이다.
도 5는 본 개발에서 중요한 물성치로서 보다 가혹한 조건에서의 부식저항성 측정을 위해 교류 임피던스실험을 통해 부식저항성을 측정한 결과이다.
도 6은 공정조건(잔류오스테나이트)에 미치는 Co, C, V의 영향을 나타낸 그래프이다.
본 발명은, 탄소(C) 0.23~0.35중량%, 바나듐(V) 0.5~2.0중량%, 및 코발트(Co) 5.0~9.0중량%를 포함하는 구조용강 조성물에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 고인성, 내부식성을 겸비한 친환경 구조용강에 관한 것이다. 본 발명에 따른 친환경 구조용강은, 중량비로써, 탄소(C) 0.23~0.35중량%, 텅스텐(W) 0.2~2.0중량%, 몰리브덴(Mo) 1.0~3.0중량%, 크롬(Cr) 7.0~13.0중량%, 니켈(Ni) 4.0~8.0중량%, 코발트(Co) 5.0~9.0중량%, 바나듐(V) 0.5~2.0중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.04중량%, 불순물로서 인(P) 0.02중량% 이하, 황(S) 0.02중량%이하 및 잔부의 철을 함유한다. 보다 바람직하게는, 중량비로써, 탄소(C) 0.25~0.30중량%, 텅스텐(W) 0.5~2.0중량%, 몰리브덴(Mo) 1.5~3.0중량%, 크롬(Cr) 8.0~12.0중량%, 니켈(Ni) 4.0~7.0중량%, 코발트(Co) 6.0~9.0중량%, 바나듐(V) 1.0~2.0중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.03중량%, 불순물로서 인(P) 0.01중량% 이하, 황(S) 0.01중량%이하 및 잔부의 철을 함유한다.
본 발명에 따른 친환경 구조용강은 기존의 대표적인 고인성, 내부식성을 겸비하는 Ferrium S53강에서 합금원소인 코발트(Co)의 함량을 14중량%에서 7중량% 로 낮췄음에도 불구하고 탄소(C) 및 바나듐(V)의 함량을 높여 인장강도의 감소 없이 항복강도 및 부식저항성을 동시에 향상할 수 있도록 한다. 이것은 상대적으로 높은 가격을 가지는 코발트(Co)의 함량을 낮춰 산업적으로 그 쓰임에 있어 폭을 넓히는 결과를 가져올 수 있다. 본 발명으로 개발된 합금은 해수 등에 의해 부식되기 쉬운 대형선박 및 해군구축함뿐만 아니라 화학물질 운반선과 같은 해양산업, 해군용 전투기 등의 방위산업 등에서 고강도/고인성 부품을 대체하고, 더 나아가서 우주항공 분야로의 폭넓은 활용이 가능하다. 특히 독성물질을 유출하는 Cd, Cr 등의 도금을 하지 않아도 해수 등 부식환경에서 사용이 가능하여 친환경적이라는 점에 주목하여야 한다.
물의 형성원소로서 재료의 기계적 성질을 향상시킨다. 하지만 텅스텐은 고가의 합금원소이면서 다량 첨가 시 재가열 후에 조대한 M6C 탄화물을 형성을 촉진할 수 있으므로 기계적 성질 및 내식성의 측면에서 텅스텐의 함량을 0.2~2.0중량%로 첨가하였다. 적합한 텅스텐의 함량은 0.5~2.0중량%이다.
몰리브덴(Mo)
몰리브덴(Mo)은 기지에 고용하여 소입성을 향상시키며, ??칭시에 Mo2C등의 탄화물을 형성하여 이차경화능특성을 개선시키는 원소이다. 또한 뜨임 열처리 중의 경도저하를 억제하는 뜨임저항성(tempering resistance) 향상에 크게 기여하며, 고온강도, 내식성향상에 효과적이다. 하지만 몰리브덴(Mo)은 다량 첨가 시 재가열 후에 조대한 M6C 탄화물을 형성을 촉진할 수 있으므로 몰리브덴(Mo)의 함량을 1.0~3.0중량%로 한정하였다. 적합한 몰리브덴(Mo)의 함량은 1.5~3.0중량%이다.
크롬(Cr)
크롬(Cr)은 자체피막(CrO)을 형성하여 고용량이 많을수록 내식성에는 유리한 것으로 알려져 있다. 또한 탄화물의 주된 형성원소로써 탄소(C)와 결합하여 M7C3 및 M23C6 탄화물을 형성하여 고온 연화저항성과 내마모성을 향상시키는 원소이다. 그러나 크롬(Cr)의 함량이 17중량%이상 함유되면, 냉간 압연시 마르텐사이트 변태가 어려워져 마르텐사이트 단상조직을 얻기 힘들다. 반면에 크롬(Cr)의 함량이 10중량%이하일 경우에는 내식성이 크게 떨어지게 되기 때문에 크롬(Cr)의 함량을 7.0~13.0중량%로 한정하였다. 적합한 크롬(Cr)의 함량은 8.0~12.0중량%이다.
니켈(Ni)
니켈(Ni)은 강의 경화능을 증대시키고 인성을 향상시키는 효과를 가진다. 또한 시멘타이트의 안정성을 감소시켜 기지로의 용해가 촉진됨으로써 M2C 탄화물의 석출에 필요한 탄소의 공급이 낮은 온도 및 빠른 시간에 가능하게 한다. 하지만 강력한 오스테나이트 형성원소로서 니켈(Ni)의 함량이 7중량%이상이 되면 Ms온도가 감소하여 마르텐사이트가 생성되기 어렵고 고가의 합금원소이기 때문에 니켈(Ni)의 함량을 4.0~8.0중량%로 한정하였다. 적합한 니켈(Ni)의 함량은 4.0~7.0중량%이다.
코발트(Co)
코발트(Co)는 기지내 고용원소로서 오스테나이트 결정입도 조대화를 일으키지 않고 소입온도를 상승시킴으로써 내열강도를 높이는 효과를 가진다. 또한 코발트(Co)는 전위회복을 저지하여 M2C 탄화물의 핵생성자리를 증가시키고, M2C 탄화물생성의 구동력을 증가시켜 강도를 증가시키는 역할을 한다. 하지만 매우 고가의 전략원소이기 때문에 코발트(Co)의 함량을 5.0~9.0중량%로 한정하였다. 적합한 코발트(Co)의 함량은 6.0~9.0중량%이다.
바나듐(V)
바나듐(V)은 탄소(C)과 결합하여 고경도의 VC 탄화물을 형성하여 내마모성을 증가시키고, 기지에 고용하여 2차 경화능을 증대시키며, 결정립을 미세화하여 인성을 향상시키는 원소이다. 하지만 2%이상 함유 시 재가열 후 거대 탄화물이 생성 및 편석하여 미고용 탄화물로서 인성을 저하시키므로 바나듐(V)의 함량을 0.5~2.0중량%로 한정하였다. 적합한 바나듐(V)의 함량은 1.0~2.0중량%이다.
탄소(C)
탄소는 고온 열처리 시 기지 중에 고용되어 이후 냉각과정에서 마르텐사이트를 형성하며, 일부는 기지에 고용하여 경화능(hardenability) 및 강도를 향상시킨다. 또한, 대부분은 Cr, Mo, V, Ti의 탄화물 형성원소와 결합하여 공정탄화물 및 미용해 1차 탄화물을 형성과 함께 시효 시 2차탄화물을 형성하여 재료의 강도향상에 기여한다. 하지만 다량의 탄소 첨가시 합금의 취화(embrittlement)를 초래할 수 있기 때문에 탄소의 함량을 0.23~0.35중량%로 한정하였다. 적합한 탄소(C)의 함량은 0.25~0.30중량%이다.
텅스텐(W)
텅스텐은 몰리브덴과 화학적 특성이 유사한 동족 합금원소로서 고농도의 SO4 2- 및 Cl- 이온 환경에서 내식성을 향상시켜주며, 시효 시 W2C 탄화물의 형성원소로서 재료의 기계적 성질을 향상시킨다. 하지만 텅스텐은 고가의 합금원소이면서 다량 첨가 시 재가열 후에 조대한 M6C 탄화물을 형성을 촉진할 수 있으므로 기계적 성질 및 내식성의 측면에서 텅스텐의 함량을 0.2~2.0중량%로 첨가하였다. 적합한 텅스텐의 함량은 0.5~2.0중량%이다.
티타늄(Ti)
티타늄(Ti)은 결정립을 미세화하고 소입성을 약화시키며, 황(S)과 결합하여 Ti2CS를 형성하여 개재물을 제어하여 파괴인성을 향상시킨다. 또한 바나듐과 함께 MC탄화물을 형성하여 강도의 향상에 기여한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
[ 실시예 ]
아래의 표 1은 고순도 합금원료를 사용하여 진공유도 후 얻어진 강 잉곳의 성분 및 이의 조성비를 보여준다.
구분(중량%) C W Mo Cr Ni Co V Ti
비교예 0.210 1.00 2.00 10.0 5.5 14.0 0.3 0.020
실시예 0.251 1.05 2.03 10.1 5.6 7.1 1.02 0.021
※ 비교예 : 대조강(Ferrium S53)
상기 비교예 및 실시예의 잉곳은 1200℃에서 3시간 열처리 후, 1100℃ 온도에서 사이징 압연을 실시하여 강재를 제조한 후, 1100℃에서 오스테니타이징 및 유냉하여 강의 기계적 성질을 평가하였다. 제조된 판재로부터 등온시효 열처리를 위한 충격시험편 및 인장시험편을 채취하였으며, 이때 경도의 측정은 충격시험 후, 면의 하부 10mm를 절단하여 얻은 시험편으로부터 5회 측정 후 평균값을 사용하였다. 충격인성은 V-notch 시험편으로부터 3회 측정된 샤르피 충격시험값의 평균을 이용하였다. 또한 인장시험은 subsize의 판상시험편으로부터 3회 측정된 시험값의 평균을 이용하였다.
아래의 도 1은 상기에 언급한 공정에 대한 계략도로서 1100℃ 오스테니타이징 후 잔류하는 오스테나이트의 함량 감소를 위해 다단계시효(500℃ 시효 1h-심냉처리 1h-500℃ 시효 1h-심냉처리 1h)를 각각 3, 4, 5회 실시하였다.
도 1은 잔류오스테나이트 함량 감소를 위한 공정계략도이다.
도 2는 오스테니타이징 공정 및 시효열처리를 통해 얻은 실시예의 경도 및 충격인성 변화를 비교예와 비교하여 나타낸 것이다. 전반적으로 합금원소 변화 및 공정조건 변화에도 불구하고 경도 및 충격인성에는 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다.
이러한 결과는 실시예와 비교예의 미세구조적 차이에 의해 기인하는 것으로 도 3을 살펴보면, 비교예는 매우 미세한 Ti-rich MC 탄화물이 기지내에 미세하게 분포하고 있으나, 실시예의 경우 조대한 M7C3 탄화물이 다량 존재하는 것으로 나타났다. 비교예의 미세한 1차 입자와는 다르게 실시예는 조대한 1차 입자의 형성으로 균열생성에 대한 저항성이 상대적으로 취약하며, 결과적으로 인성의 저하가 있을 것으로 판단할 수 있다.
그럼에도 불구하고, 비교예과 비교하여 탄소함량을 증가시킨 실시예의 경우, 뚜렷한 인성저하를 관찰할 수 없었다. 이러한 결과는 기지형성원소인 코발트(Co) 함량 감소에 기인하는 것으로서, 탄소함량의 증가로 1차입자(MC 및 조대한 M7C3)가 크게 증가함에도 기지형성원소의 적정함량 제어를 통해 인성을 안정적으로 확보할 수 있다는 점에서 의미 있는 결과라 할 수 있다.
도 3은 실시예와 비교예의 미세구조를 나타낸 이미지 사진이다.
도 4는 실시예와 비교예의 항복 및 인장강도 변화를 나타낸 것이다. 일반적으로 코발트(Co)는 M2C 탄화물 석출에 대한 구동력을 증가시키고 전위의 회복을 억제함으로써, 탄화물의 핵생성 및 성장을 촉진하여 시효를 가속시키는 것으로 알려져 있다.
결과적으로 코발트(Co) 함량을 중량비로써, 약 7%로 감소시킨 실시예의 경우, 핵생성 속도의 감소로 M2C 탄화물의 형성을 극대화하기 어려우며 (입자수 감소), 이것은 합금의 강도, 특히 항복강도에 좋지 않은 영향을 미치게 된다. 그러나 도 3에 나타낸 기계적 성질 변화를 보면, 비교예 합금의 경우, 항복 및 인장강도는 MTCT공정 횟수 증가에 따라 각각 1190->1230->1323 MPa 및 1994->2036-> 2024 MPa을 나타내며, 이것은 실시예의 합금의 항복강도(1226->1332->1364 MPa) 및 인장강도(2012->2052->2063 MPa) 보다 오히려 낮은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
특히, 합금의 주요 강화상인 M2C 탄화물의 미세구조적 인자(입자수 및 분율, 크기 등)와 관련성이 큰 항복강도의 경우, 이러한 차이는 보다 뚜렷해지는 것을 확인하였다. 코발트(Co) 함량을 감소시킨 실시예의 경우, M2C 탄화물 형성에 대한 구동력 감소로, 입자수의 감소 및 입자 크기의 증가 등이 기대되며, 이것은 실시예의 항복강도가 비교예보다 크게 감소될 수 있음을 의미한다.
그럼에도 불구하고, 도 4에 나타낸 바와 같이 실시예가 보다 높은 항복강도를 보여주고 있다. 이것은 상기 언급한 바와 같이 잔류오스테나이트가 합금의 항복거동에 미치는 복합 효과로서 설명될 수 있다. 즉, 상대적으로 많은 양의 M7C3 탄화물을 함유하는 실시예의 경우, Ms 온도 감소에 가장 큰 영향을 주는 크롬(Cr) 함량이 기지내에 비교예과 비교하여 낮기 때문인 것으로, 비록 코발트(Co)함량감소로 M2C탄화물의 석출 극대화를 통한 항복강도 확보에는 효과적이지 못하나, 이를 보상할 수 있는 것으로 탄소증가에 따른 M7C3 탄화물의 부피분율 증가는 기지내 크롬(Cr) 함량을 감소시키는 결과를 초래하며, 결과적으로 잔류오스테나이트의 감소로 비교예보다 높은 항복강도를 나타내는 것으로 판단된다.
즉 이러한 예측은, 본 연구 합금계의 항복강도에 미치는 미세구조 변화의 효과로서, 잔류오스테나이트가 M2C탄화물 보다 지배적일 수 있음을 보여주는 결과로, 실시예의 M2C 탄화물 입자 수 감소에도 보다 향상된 항복강도를 나타낼 수 있다 하겠다.
도 5는 본 개발에서 중요한 물성치로서 보다 가혹한 조건에서의 부식저항성 측정을 위해 교류 임피던스실험을 통해 부식저항성을 측정한 결과이다. 임피던스란 전류가 흐르기 어려운 정도를 나타내는 양으로서, 전압과 전류의 비를 말하며, 단위는 옴(Ω)으로 나타낸다. 다시 말해 전류가 흐르기 어려운 정도가 저항이며, 이는 분극저항과 용액저항을 나타내며, 분극저항은 내식성과 직접적인 연관이 있기 때문에 일반적으로 부식저항성이라 말한다. 실험결과를 보면 실시예과 비교예의 부식저항성이 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 탄소(C) 함량 및 코발트(Co), 그리고 바나듐(V) 함량을 조절하였을 때 부식저항성의 증가와 함께 강도를 증가시킬 수 있는 매우 긍정적인 결과라 할 수 있겠다.
도 6은 공정조건(잔류오스테나이트)에 미치는 Co, C, V의 영향을 나타낸 그래프이다.
도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 실시예는 C 및 V의 함량조절을 통해 1차 입자를 W-rich M6C탄화물이 아닌 M7C3탄화물로 합금설계 측면에서 유도함으로서, 잔류오스테나이트 함량을 최소화할 수 있으며, 결과적으로 도 6에 나타낸 바와 같이 심냉처리 없이도 합금의 강도를 유지할 수 있는 매우 긍정적인 결과를 얻을 수 있었다.

Claims (6)

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  6. 탄소(C) 0.25~0.30중량%, 텅스텐(W) 1.0~2.0중량%, 몰리브덴(Mo) 1.5~3.0중량%, 크롬(Cr) 8.0~12.0중량%, 니켈(Ni) 4.0~7.0중량%, 코발트(Co) 6.0~9.0중량%, 바나듐(V) 1.0~2.0중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.03중량%, 불순물로서 인(P) 0.01중량% 이하, 황(S) 0.01중량% 이하 및 잔부의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조용강 조성물.
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