KR101822295B1 - 고강도 특수강 - Google Patents

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Abstract

중량%로, 탄소(C) : 0.1~0.5%, 실리콘(Si) : 0.1~2.3%, 망간(Mn) : 0.3~1.5%, 크롬(Cr) : 1.1~4.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.3~1.5%, 니켈(Ni) : 0.1~4.0%, 바나듐(V) : 0.01~0.50%, 보론(B) : 0.001~0.010%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.50%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 고강도 특수강이 소개된다.

Description

고강도 특수강 {HIGH STRENGTH SPECIAL STEEL}
본 발명은 성분 및 함량의 조절로써 탄화물 및 보라이드의 형태, 크기 및 형성량의 제어를 통해 강도 및 피로수명이 향상된 고강도 특수강에 관한 것이다.
최근 샤시모듈에 적용되는 스테빌라이저 바, 드라이브 샤프트 또는 랠리카의 샤시 서스펜션에 적용되는 서브프레임, 암류 등의 경우 부품을 중공 형태로 제조하거나 고분자 재료를 이용하는 방법 등을 통해 연비를 극대화하기 위한 경량화 기술 개발이 진행 중에 있다.
상기와 같은 부품에 적용되는 기존의 샤시강의 경우 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 바나듐(V) 등과 같은 원소의 첨가를 통해 고강도 조건을 만족시켰으나 조직 내에 비교적 단순한 형태의 탄화물이 형성되며, 형성된 탄화물의 양이 많지 않고 크기가 미세하지 않아 이는 즉 부품의 내구성이 뒷받침되지 못하는 문제가 있었다.
문헌번호 KR 10-2016-0096611에서 고강도강의 경우 탄화물 및 보라이드의 생성이 이용되는 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo)의 함량이 충분치 않고 또한, 탄화물 생성에 기여하는 니오븀(Nb)의 함량이 마찬가지로 충분하지 못하여 고강도를 만족시킴과 동시에 내구성을 증진시키기 어렵다는 문제가 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2015-0038426 KR 10-2016-0096611
본 발명은 성분 및 함량의 조절로써 탄화물 및 보라이드의 형태, 크기 및 형성량의 제어를 통해 강도 및 피로수명이 향상된 고강도 특수강을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고강도 특수강은 중량%로, 탄소(C) : 0.1~0.5%, 실리콘(Si) : 0.1~2.3%, 망간(Mn) : 0.3~1.5%, 크롬(Cr) : 1.1~4.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.3~1.5%, 니켈(Ni) : 0.1~4.0%, 바나듐(V) : 0.01~0.50%, 보론(B) : 0.001~0.010%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.50%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
조직 내에 복합 탄화물 형태로 (V,Fe)C 및 (Nb,Cr)C가 존재할 수 있다.
조직 내에 복합 탄화물 형태로 (Fe,Cr)7C3가 존재할 수 있다.
조직 내에 복합 탄화물 형태로 (Fe,Cr,Mo)23C6가 존재할 수 있다.
조직 내에 (Mo,Fe)3B2 형태의 보라이드(Boride)가 존재할 수 있다.
조직 내에 존재하는 석출물이 몰분율(Mole Fraction)로, 0.009 이상일 수 있다.
조직 내에 존재하는 석출물의 크기가 3.5nm 이하일 수 있다.
인장강도가 1563MPa 이상이고, 피로수명이 57만회 이상일 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 고강도 특수강에 따르면, 원소들의 함량을 제어하여 조직 내에 탄화물 및 보라이드를 생성시킴에 따라 강도 및 피로수명이 향상된 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 기존재의 상(Phase)에 대한 온도에 따른 몰분율의 변화를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명 실시예의 상(Phase)에 대한 온도에 따른 몰분율의 변화를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명 실시예의 석출물에 대한 시간에 따른 몰분율의 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명 실시예의 석출물에 대한 시간에 따른 크기의 변화를 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
본 발명에 따른 고강도 특수강은 중량%로, 탄소(C) : 0.1~0.5%, 실리콘(Si) : 0.1~2.3%, 망간(Mn) : 0.3~1.5%, 크롬(Cr) : 1.1~4.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.3~1.5%, 니켈(Ni) : 0.1~4.0%, 바나듐(V) : 0.01~0.50%, 보론(B) : 0.001~0.010%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.50%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명의 고강도 특수강에 있어서, 강의 성분조건을 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다.
탄소(C) : 0.1~0.5%
탄소(C)는 강도 및 경도를 상승시키는 역할을 한다. 잔류 오스테나이트를 안정화시키며 (V,Fe)C, (Fe,Cr)7C3, (Fe,Cr,Mo)23C6 등의 복합탄화물을 형성시킨다. 또한, 내템퍼링성을 증대시킨다.
탄소(C)의 함량이 0.1% 미만일 경우 강도 상승의 효과가 크지 않고 피로강도의 저하를 초래하게 된다. 반면, 탄소(C)의 함량이 0.5%를 초과할 경우 용해되지 않는 거대 탄화물이 잔존하게 되어 피로특성이 취약해지고 내구수명이 저하된다. 또한, ??칭 전 가공성이 저하되는 문제도 존재한다. 따라서 탄소(C)의 함량은 0.1~0.5% 범위로 제한한다.
실리콘(Si) : 0.1~2.3%
실리콘(Si)은 연신율을 향상시키는 역할을 한다. 또한, 페라이트 및 마르텐사이트 조직을 경화시키며 내열성 및 경화능을 증대시킨다. 내형상 불변성 및 내열성이 향상되나 탈탄에 민감하다.
실리콘(Si)의 함량이 0.1% 미만일 경우 연실율 향상의 효과가 미미하게 된다. 또한, 내열성 및 경화능 증대 효과가 크지 않다. 반면, 실리콘(Si)의 함량이 2.3%를 초과할 경우 탄소(C)와 조직 내의 상호간 침투반응으로 인해 탈탄을 발생시킨다. 또한, ??칭 전 경도의 상승으로 가공성이 저하되는 문제가 있다. 따라서 실리콘(Si)의 함량을 0.1~2.3% 범위로 제한한다.
망간(Mn) : 0.3~1.5%
망간(Mn)은 경화능 및 강도를 향상시키는 역할을 한다. 기지내 고용되어 굽힘피로강도 향상 및 소입성을 증가시키고, 산화물을 생성시키는 탈산제로서 Al2O3와 같은 개재물의 형성을 억제한다. 반면, 과량 함유 시 MnS 개재물을 형성하여 고온취성이 발생한다.
망간(Mn)의 함량이 0.3% 미만일 경우 소입성 개선이 미미하게 된다. 반면, 망간(Mn)의 함량이 1.5%를 초과할 경우 ??칭 전 가공성이 저하되는 문제가 있게 되며 중심편석 및 MnS 개재물의 석출로 피로수명이 약화된다. 따라서 망간(Mn)의 함량을 0.3~1.5% 범위로 제한한다.
크롬(Cr) : 1.1~4.0%
크롬(Cr)은 오스테나이트 조직 내에 용해되며 템퍼링 시에 CrC 탄화물을 형성시키고 경화능을 개선하며 소프트닝의 억제로 강도를 향상시키고 결정립 미세화에 기여하는 역할을 한다.
크롬(Cr)의 함량이 1.1% 미만일 경우 강도 향상 및 경화능의 개선 효과가 크지 않게 된다. 다만, 크롬(Cr)의 함량이 4.0%를 초과할 경우 다종 탄화물의 생성을 억제시키고 함량 증가에 따른 효과가 포화되어 원가의 상승만 초래하게 된다. 따라서 크롬(Cr)의 함량을 1.1~4.0% 범위로 제한한다.
몰리브덴(Mo) : 0.3~1.5%
몰리브덴(Mo)은 미세 석출물을 형성하여 강도를 향상시키고, 내열성 및 파괴인성을 향상시키는 역할을 한다. 또한, 내템퍼링성을 증대시킨다.
몰리브덴(Mo)의 함량이 0.3% 미만일 경우 강도 및 파괴인성의 향상효과가 크지 않게 된다. 반면, 몰리브덴(Mo)의 함량이 1.5%를 초과할 경우 함량 증가에 따른 강도 향상 효과가 포화되어 원가의 상승만 초래하게 된다. 따라서 몰리브덴(Mo)의 함량을 0.3~1.5% 범위로 제한한다.
니켈(Ni) : 0.1~4.0%
니켈(Ni)은 내식성 및 내열성을 향상시키고 경화능을 향상시키며 저온취성을 방지해주는 역할을 한다. 오스테나이트를 안정화시키며 고온영역을 확장시키는 원소이다.
니켈(Ni)의 함량이 0.1% 미만일 경우 내식성 및 고온 안정성의 향상 효과가 크지 않다. 반면, 니켈(Ni)의 함량이 4.0%를 초과할 경우 적열취성이 발생하게 되는 문제가 있다. 따라서 니켈(Ni)의 함량을 0.1~4.0% 범위로 제한한다.
바나듐(V) : 0.01~0.50%
바나듐(V)은 미세 석출물을 형성하여 파괴인성을 향상시키는 역할을 한다. 미세 석출물은 결정입계 이동을 억제하고 오스테나이징 시에 바나듐(V)이 용해되어 고용되고, 템퍼링시 석출되어 2차 경화를 발생시킨다. 다만, 과다하게 투입될 경우 ??칭 후 경도를 저하시키게 된다.
바나듐(V)의 함량이 0.01% 미만일 경우 강도 및 파괴인성의 향상효과가 크지 않게 된다. 반면, 바나듐(V)의 함량이 0.50%를 초과할 경우 가공성이 저하되어 이에 따라 생산성이 저하되는 문제가 발생한다. 따라서 바나듐(V)의 함량을 0.01~0.50% 범위로 제한한다.
보론(B) : 0.001~0.010%
보론(B)은 강도 및 연신을 향상시키고 부식을 방지시킨다. 내충격성 및 경화능을 향상시키며 용접성 저하 및 저온취성을 방지하는 역할을 한다. (Mo,Fe)3B2 등의 보라이드(Boride)를 형성시킨다.
보론(B)의 함량이 0.001% 미만일 경우 강도가 저하되고 보라이드의 형성이 저하된다. 반면, 보론(B)의 함량이 0.010%를 초과할 경우 인성 및 연성의 저하로 충격성이 저하되는 문제가 발생한다. 따라서 보론(B)의 함량을 0.001~0.010% 범위로 제한한다.
니오븀(Nb) : 0.05~0.50%
니오븀(Nb)은 NbC를 형성하며 강도를 향상시킨다. CrC, VC, MoC 등과 같은 다른 탄화물들의 생성 속도를 제어할 수 있다. 조직을 미세화시키고 질화를 통한 표면경화 기능을 할 수 있다.
니오븀(Nb)의 함량이 0.05% 미만일 경우 강도가 저하되고 탄화물의 불균일화가 발생될 수 있다. 반면, 니오븀(Nb)의 함량이 0.50%를 초과할 경우 다종 탄화물의 생성을 억제할 수 있어 VC의 생성이 주도될 수 있다. 따라서 니오븀(Nb)의 함량을 0.05~0.50% 범위로 제한한다.
상기한 원소들 외에도 불가피한 불순물로서 알루미늄(Al), 구리(Cu), 산소(O) 등이 포함될 수 있다.
알루미늄(Al) : 0.003% 이하
알루미늄(Al)은 강도 및 충격인성을 향상시키는 역할을 한다. 고가원소인 결정립 미세화용 바나듐, 인성 확보용 니켈의 첨가량의 절감을 가능하게 할 수 있다. 다만, 알루미늄(Al)의 함량이 0.003%을 초과할 경우 각형의 거대 개재물인 Al2O3의 생성하게 되고, 이는 피로기점으로 작용하게 되어 내구성이 약화된다. 따라서 알루미늄(Al)의 함량을 0.003% 이하로 제한함이 타당하다.
구리(Cu) : 0.3% 이하
구리(Cu)는 템퍼링 후의 강도를 높이고 니켈(Ni)과 같이 강의 내식성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 다만 구리(Cu)의 함량이 0.3%를 초과할 경우 오히려 합금 비용이 상승하게 된다. 따라서 구리(Cu)의 함량을 0.3% 이하로 제한함이 타당하다.
산소(O) : 0.003% 이하
산소(O)는 실리콘(Si)이나 알루미늄(Al)과 결합하여 경질인 산화물계 비금속 개재물을 형성하며 이에 따라 피로 수명 특성의 저하를 초래하기 때문에, 산소(O)의 함량은 가능한 한 낮게 유지하는 것이 좋다. 산소(O)의 함량이 0.003%를 초과할 경우 알루미늄(Al)과의 반응으로 인해 Al2O3를 생성하게 되고 이는 피로기점으로 작용하게 되어 내구성이 약화된다. 따라서 산소(O)의 함량을 0.003% 이하로 제한함이 타당하다.
( 실시예 및 비교예 )
하기의 표 1 및 표 2에는 조성 성분 및 함량을 달리하여 제작한 시편을 토대로 한 실시예 및 비교예가 개시된다. 열처리 시 950~1000℃에서 오일??칭 후 약 200℃ 정도에서 템퍼링한 시편을 이용하였다.
wt% 탄소
(C)		 실리콘
(Si)		 망간
(Mn)		 크롬
(Cr)		 몰리브덴
(Mo)		 니켈
(Ni)		 바나듐
(V)		 보론
(B)		 니오븀
(Nb)		 구리
(Cu)		 알루미늄
(Al)		 산소
(O)
실시예 1 0.31 0.21 0.72 1.52 0.52 2.02 0.17 0.006 0.28 0.054 0.0004 0.0002
실시예 2 0.13 0.13 0.33 1.13 0.33 0.15 0.04 0.002 0.09 0.067 0.0005 0.0018
실시예 3 0.47 2.26 1.47 3.94 1.47 3.96 0.48 0.009 0.48 0.035 0.0011 0.0005
기존재 0.15 0.15 1.00 1.50 0.90 - 0.25 - - 0.062 0.0013 0.0016
비교예 1 0.09 0.21 0.76 1.53 0.54 1.98 0.26 0.004 0.08 0.042 0.0006 0.0004
비교예 2 0.52 0.18 0.35 2.15 0.37 0.36 0.34 0.008 0.23 0.043 0.0012 0.0020
비교예 3 0.34 0.08 1.42 3.76 1.35 3.32 0.46 0.005 0.35 0.050 0.0020 0.0010
비교예 4 0.16 2.31 0.83 1.52 0.61 2.54 0.18 0.002 0.44 0.034 0.0010 0.0016
비교예 5 0.47 0.26 0.27 2.53 0.41 0.46 0.41 0.007 0.16 0.040 0.0009 0.0001
비교예 6 0.38 0.58 1.53 3.94 1.45 3.77 0.40 0.004 0.09 0.053 0.0011 0.0016
비교예 7 0.20 1.94 0.93 1.08 0.63 2.35 0.18 0.008 0.21 0.065 0.0018 0.0017
비교예 8 0.47 0.22 0.43 4.10 1.42 0.84 0.16 0.005 0.35 0.041 0.0005 0.0010
비교예 9 0.36 0.37 1.45 3.54 0.28 3.86 0.45 0.002 0.41 0.044 0.0004 0.0015
비교예10 0.14 1.75 1.26 1.15 1.53 2.64 0.21 0.008 0.16 0.051 0.0020 0.0023
비교예11 0.43 0.23 0.54 3.96 0.57 0.07 0.34 0.004 0.09 0.061 0.0010 0.0014
비교예12 0.33 1.24 1.47 1.54 0.46 4.20 0.49 0.006 0.32 0.041 0.0014 0.0002
비교예13 0.73 1.36 0.76 2.36 1.25 1.46 0.009 0.005 0.36 0.063 0.0017 0.0008
비교예14 0.46 0.26 0.78 3.98 0.77 1.93 0.51 0.002 0.42 0.062 0.0010 0.0009
비교예15 0.32 1.75 0.561 1.56 0.64 2.51 0.45 0.0008 0.09 0.065 0.0020 0.0023
비교예16 0.18 0.26 1.43 2.38 1.43 0.47 0.19 0.012 0.24 0.042 0.0008 0.0016
비교예17 0.26 0.28 1.48 1.15 0.46 0.31 0.26 0.007 0.04 0.040 0.0006 0.0010
비교예18 0.49 0.37 1.23 3.93 1.42 3.32 0.28 0.005 0.51 0.043 0.0010 0.0015
인장강도(MPa) 경도(HV) 피로강도(MPa) 피로수명
실시예 1 1563 553 1189 59만회
실시예 2 1577 543 1183 57만회
실시예 3 1565 539 1186 58만회
기존재 982 343 691 27만회
비교예 1 1162 374 859 26만회
비교예 2 1573 532 1143 24만회
비교예 3 1266 424 968 23만회
비교예 4 1521 469 1135 28만회
비교예 5 1363 454 1035 42만회
비교예 6 1418 466 1125 24만회
비교예 7 1182 401 837 25만회
비교예 8 1488 478 1105 33만회
비교예 9 1306 443 953 31만회
비교예 10 1545 512 1142 37만회
비교예 11 1285 444 834 23만회
비교예 12 1346 457 805 25만회
비교예 13 1285 436 968 28만회
비교예 14 1476 482 1104 37만회
비교예 15 1491 463 1101 31만회
비교예 16 1318 388 966 30만회
비교예 17 1418 479 1004 24만회
비교예 18 1183 443 884 21만회
상기 표 1은 실시예 및 비교예의 조성 성분 및 함량을 나타낸 것이다. 또한, 표 2는 실시예 및 비교예의 인장강도, 경도, 피로강도 및 피로수명을 나타낸 것이다.
인장강도 및 항복강도의 경우 KS B 0802 또는 ISO 6892에 따라 측정하였고 경도는 KS B 0811 또는 ISO 1143에 따라 측정하였으며 피로수명은 KS B ISO 1143에 따라 측정하였다.
비교예 1과 비교예 2의 경우 다른 성분의 함량은 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위 내에서 실시예와 동등범위로 제어한 채, 탄소(C)의 함량만을 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위에 미달하거나 초과하도록 제어하였다.
표 2에 나타난 바와 같이 범위에 미달인 경우 인장강도, 경도, 피로강도 및 피로수명은 실시예들에 비해 떨어지고, 범위를 초과하는 경우 피로수명이 실시예들에 비해 떨어짐을 확인할 수 있다.
비교예 3과 비교예 4의 경우 다른 성분의 함량은 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위 내에서 실시예와 동등범위로 제어한 채, 실리콘(Si)의 함량만을 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위에 미달하거나 초과하도록 제어하였다.
표 2에 나타난 바와 같이 범위에 미달인 경우 인장강도, 경도, 피로강도 및 피로수명은 실시예들에 비해 떨어지고, 범위를 초과하는 경우 피로수명이 실시예들에 비해 떨어짐을 확인할 수 있다.
비교예 5와 비교예 6의 경우 다른 성분의 함량은 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위 내에서 실시예와 동등범위로 제어한 채, 망간(Mn)의 함량만을 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위에 미달하거나 초과하도록 제어하였다.
표 2에 나타난 바와 같이 범위에 미달인 경우 인장강도, 경도, 피로강도 및 피로수명은 실시예들에 비해 떨어지고, 범위를 초과하는 경우 인장강도, 경도 및 피로수명이 실시예들에 비해 떨어짐을 확인할 수 있다.
비교예 7과 비교예 8의 경우 다른 성분의 함량은 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위 내에서 실시예와 동등범위로 제어한 채, 크롬(Cr)의 함량만을 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위에 미달하거나 초과하도록 제어하였다.
표 2에 나타난 바와 같이 범위에 미달인 경우 인장강도, 경도, 피로강도 및 피로수명은 실시예들에 비해 떨어지고, 범위를 초과하는 경우 인장강도, 경도 및 피로수명이 실시예들에 비해 떨어짐을 확인할 수 있다.
비교예 9와 비교예 10의 경우 다른 성분의 함량은 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위 내에서 실시예와 동등범위로 제어한 채, 몰리브덴(Mo)의 함량만을 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위에 미달하거나 초과하도록 제어하였다.
표 2에 나타난 바와 같이 범위에 미달인 경우 인장강도, 경도, 피로강도 및 피로수명은 실시예들에 비해 떨어지고, 범위를 초과하는 경우 피로수명이 실시예들에 비해 떨어짐을 확인할 수 있다.
비교예 11과 비교예 12의 경우 다른 성분의 함량은 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위 내에서 실시예와 동등범위로 제어한 채, 니켈(Ni)의 함량만을 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위에 미달하거나 초과하도록 제어하였다.
표 2에 나타난 바와 같이 범위에 미달인 경우와 범위를 초과한 경우 인장강도, 경도, 피로강도 및 피로수명은 실시예들에 비해 떨어짐을 확인할 수 있다.
비교예 13과 비교예 14의 경우 다른 성분의 함량은 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위 내에서 실시예와 동등범위로 제어한 채, 바나듐(V)의 함량만을 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위에 미달하거나 초과하도록 제어하였다.
표 2에 나타난 바와 같이 범위에 미달인 경우 인장강도, 경도, 피로강도 및 피로수명은 실시예들에 비해 떨어지고, 범위를 초과하는 경우 인장강도, 경도 및 피로수명이 실시예들에 비해 떨어짐을 확인할 수 있다.
비교예 15와 비교예 16의 경우 다른 성분의 함량은 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위 내에서 실시예와 동등범위로 제어한 채, 보론(B)의 함량만을 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위에 미달하거나 초과하도록 제어하였다.
표 2에 나타난 바와 같이 범위에 미달인 경우 인장강도, 경도 및 피로수명은 실시예들에 비해 떨어지고, 범위를 초과하는 경우 인장강도, 경도, 피로강도 및 피로수명이 실시예들에 비해 떨어짐을 확인할 수 있다.
비교예 17와 비교예 18의 경우 다른 성분의 함량은 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위 내에서 실시예와 동등범위로 제어한 채, 니오븀(Nb)의 함량만을 본 발명에 따른 고강도 특수강의 제한 범위에 미달하거나 초과하도록 제어하였다.
표 2에 나타난 바와 같이 범위에 미달인 경우와 범위를 초과한 경우 인장강도, 경도, 피로강도 및 피로수명은 실시예들에 비해 떨어짐을 확인할 수 있다.
하기에서는 도 1 내지 도 4를 참고로 하여 본 발명에 따른 고강도 특수강을 설명한다.
도 1은 기존재로서 합금성분 0.15C-0.15Si-1.0Mn-1.5Cr-0.9Mo-0.25V(원소 기호 앞의 숫자는 wt%)에 대한 열역학 기반 계산 결과를 나타낸 그래프로서 온도에 대한 몰분율의 변화를 알 수 있다.
또한, 도 2는 본 발명에 따른 고강도 특수강의 실시예로서 합금성분 0.3C-0.2Si-0.7Mn-1.5Cr-2.0Ni-0.5Mo-0.15V-0.005B-0.25Nb에 대한 열역학 기반 계산 결과를 나타낸 그래프로서 온도에 대한 몰분율의 변화를 알 수 있다.
도 1과 도 2를 비교했을 때 실시예는 기존재에 비해 탄소(C) 및 오스테나이트 안정화 원소인 니켈(Ni)이 다량 함유되어 A1, A3 온도가 낮아지고 이에 따라 오스테나이트 영역이 확장됨을 알 수 있다.
조직 내에 VC 탄화물이 존재하는 기존재와는 달리 실시예의 경우 조직 내에 (V,Fe)C 형태의 탄화물이 석출되어 복합 탄화물 형태로 형성된다. 이러한 (V,Fe)C 형태의 탄화물이 오스테나이트 영역에서부터 생성되어 탄화물의 크기가 작고 분포도가 높은 형태로 형성된다. 한편, 매우 강한 탄화물 형성 원소인 니오븀(Nb)의 첨가로 인해 크롬(Cr)과 함께 (Nb,Cr)C가 페라이트 영역에서부터 생성되어 고온에서부터 안정한 형태의 복합 탄화물이 다량으로 존재하게 된다. 석출이란 고상에서 다른 고상이 새로 생기는 것을 의미한다.
크기가 작은 형태의 복합 탄화물이 조직 내에 고르게 분포됨에 따라 강도는 물론 피로수명이 향상되는 효과를 기대할 수 있고 이러한 결과는 표 2를 통해 확인할 수 있다.
조직 내에 (Cr,Fe)7C3 형태의 탄화물이 생성되었다가 500℃ 이하의 온도에서 사라지는 기존재와는 달리 실시예의 경우 500℃ 이하의 온도에서도 조직 내에 (Cr,Fe)7C3 형태의 탄화물이 석출되어 복합 탄화물 형태로 형성된다. 기존재에 비해 생성되는 온도 영역도 고온이어서 안정한 상태로 형성되며 마찬가지로 크기가 작은 형태로서 조직 내에 고르게 분포되는바 강도는 물론 피로수명이 향상되는 효과를 기대할 수 있고 이러한 결과는 표 2를 통해 확인할 수 있다.
조직 내에 저온 영역에서 (Mo,Fe)6C 형태의 탄화물이 형성되는 기존재와는 달리 실시예의 경우 몰리브덴(Mo)의 함량이 적어 저온 영역에서 (Mo,Fe)6C와 같은 형태의 탄화물이 형성되지 않는 반면, (Fe,Cr,Mo)23C6 형태의 탄화물이 석출되어 복합 탄화물 형태로 형성된다.
저온 영역에서 형성되는 (Mo,Fe)6C와 같은 탄화물의 경우 불안정하여 오히려 강도 및 피로수명을 저하시키게 되나 실시예에서는 먼저, 몰리브덴(Mo)이 오스테나이트 영역에서부터 보라이드를 형성하고, 이후 (Fe,Cr,Mo)23C6를 형성하여 안정한 상태의 복합 탄화물을 형성한다. 이에 따라 저온 영역에서는 몰리브덴(Mo)의 부족으로 인해 (Mo,Fe)6C 형태의 탄화물의 형성을 억제시키게 되어 강도는 물론 피로수명이 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
한편, 실시예의 경우 기존재와는 달리 보론(B)이 첨가되어 조직 내에 (Fe, Cr)2B 및 (Mo,Fe)3B2 등의 보라이드가 석출될 수 있다. 열역학적 관점에서 (Fe, Cr)2B의 경우 생성되었다가 사라질 수 있다. (Mo,Fe)3B2의 경우 500℃ 이하에서도 조직 내에 잔존하여 강도와 피로수명을 향상시킬 수 있다.
도 3은 어닐링(Annealing) 시간에 따른 탄화물 및 보라이드를 포함하는 석출물의 몰분율 변화를 나타낸 그래프로서 실시예의 경우 어닐링 시간 10시간을 기준으로 a로 표시된 지점과 같이 0.009 이상 형성되어 b로 표시된 지점과 같이 0.002에 불과한 기존재에 비해 월등하게 많은 양의 석출물이 형성됨을 확인할 수 있다. 이는 상기한 바와 같이 강도는 물론 피로수명이 향상되는 효과를 기대할 수 있다. 전체 조직에 대한 석출물의 몰분율을 의미하는 것으로서 %로, 0.9%로 나타낼 수도 있다.
도 4는 어닐링(Annealing) 시간에 따른 탄화물 및 보라이드를 포함하는 석출물의 크기 변화를 나타낸 그래프로서 어닐링 시간 10시간을 기준으로 c로 표시된 지점과 같이 40nm 이상 크기의 석출물이 형성되는 기존재와는 달리 실시예의 경우 d로 표시된 지점과 같이 3.5nm 이하 크기의 석출물이 형성됨을 확인할 수 있다. 이는 마찬가지로 강도와 피로수명의 향상을 수반할 수 있다.
본 발명에 따른 고강도 특수강은 상기에서 기재한 바와 같이 원소들의 함량을 제어하여 탄화물 및 보라이드를 생성시킴에 따라 강도 및 피로수명이 향상된 효과를 기대할 수 있다.
기존재에 비해 인장강도의 경우 약 59%가 증가할 수 있으며 이에 따라 차량의 부품에 이용되어 차체에 적용될 경우 약 34%의 경량화가 가능하여 연비가 향상될 수 있다. 피로강도의 경우 약 71%가 증가할 수 있고 피로수명은 약 110%가 증가할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (8)

  1. 중량%로, 탄소(C) : 0.1~0.5%, 실리콘(Si) : 0.1~2.3%, 망간(Mn) : 0.3~1.5%, 크롬(Cr) : 1.1~4.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.3~1.5%, 니켈(Ni) : 0.1~4.0%, 바나듐(V) : 0.01~0.50%, 보론(B) : 0.001~0.010%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.50%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    인장강도가 1563MPa 이상이고, 피로수명이 57만회 이상인 것을 특징으로 하는 고강도 특수강.
  2. 청구항 1에 있어서,
    조직 내에 복합 탄화물 형태로 (V,Fe)C 및 (Nb,Cr)C가 존재하는 것을 특징으로 하는 고강도 특수강.
  3. 청구항 1에 있어서,
    조직 내에 복합 탄화물 형태로 (Fe,Cr)7C3가 존재하는 것을 특징으로 하는 고강도 특수강.
  4. 청구항 1에 있어서,
    조직 내에 복합 탄화물 형태로 (Fe,Cr,Mo)23C6가 존재하는 것을 특징으로 하는 고강도 특수강.
  5. 청구항 1에 있어서,
    조직 내에 (Mo,Fe)3B2 형태의 보라이드(Boride)가 존재하는 것을 특징으로 하는 고강도 특수강.
  6. 청구항 1에 있어서,
    조직 내에 존재하는 석출물이 몰분율(Mole Fraction)로, 0.009 이상인 것을 특징으로 하는 고강도 특수강.
  7. 청구항 6에 있어서,
    조직 내에 존재하는 석출물의 크기가 3.5nm 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 특수강.
  8. 삭제
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