KR101919835B1 - 용융 아연-알루미늄에 대한 내부식성 및 내마모성이 개선된 철계 합금 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 개시 내용에서는 철계 합금에 용융아연-알루미늄에 대한 젖음성이 낮은 텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo)을 첨가함으로써 내부식성을 현저히 개선함과 동시에 철계 기지 상에 탄화물이 형성되도록 함으로써 합금 소재의 경도가 개선된, 용융아연-알루미늄에 대한 내부식성 및 내마모성이 개선된 철계 합금의 제조방법이 기재된다.

Description

용융 아연-알루미늄에 대한 내부식성 및 내마모성이 개선된 철계 합금 및 이의 제조방법{Iron-based Alloys Having Improved Corrosion Resistance and Abrasion Resistance to Molten Zinc-Aluminum and Method for Preparing the Same}

본 발명은 용융 아연-알루미늄에 대한 내부식성 및 내마모성이 개선된 철계 합금의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 철계 합금에 용융 아연-알루미늄에 대한 젖음성이 감소되도록 소정 량의 텅스텐(W) 및 몰리브덴(Mo)을 첨가하여 양호한 내부식성을 나타냄과 동시에 철계 기지 상에 탄화물이 균일하고 치밀하게 형성되도록 함으로써 경도 특성이 현저히 개선된, 용융 아연-알루미늄에 대한 내부식성 및 내마모성이 개선된 철계 합금의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 용융 금속(또는 이의 합금)과 접촉하는 소재, 구체적으로 금속 합금은 용융 아연에 의한 침식 반응을 거치게 되는 바, 특히 장시간에 걸쳐 고압 또는 높은 하중 하에 접촉하는 경우에는 침식으로 인하여 수명이 단축되는 현상이 유발된다.

구체적으로, 전형적인 금속 합금 소재가 용융 금속과 접촉하는 대표적인 예로서, 용융금속 도금 강판의 제조 공정을 들 수 있는 바, 갈바나이즈(GI, galvanize) 또는 갈바륨(GL, galvalume) 도금 공정이 대표적이다(국내특허번호 제1429988호 등 참조). 이러한 공정은 아연-알루미늄 포트(pot) 내에 강판(steel sheet)를 침적시키는 연속적인 고온 디핑(dipping) 프로세스이다.

전형적인 용융금속 도금 강판 공정의 예는 하기 도 1과 같다.

상기 도면을 참조하면, 도금 배스(10) 내에 도금하고자 하는 금속(구체적으로 아연-알루미늄) 용융물(11)이 채워져 있고. 상측 공간의 일면으로부터 스나우트(13)로부터 공급되는 강판(12)이 경사 방향으로 도금 배스(10)의 금속 용융물(11) 내로 침지된다. 이때, 도금 배스 내 용융물은, 갈바나이즈의 경우에는 알루미늄(약 0.1 내지 0.3%) 및 아연(약 99%)을 함유하는 한편, 갈바륨의 경우에는 알루미늄(약 55%), 아연(약 43.5%) 및 실리콘(약 1.5%)을 함유하며 고온에서 부식성을 갖는다.

도금 배스(10) 내에서 공급된 스트립 형태의 강판(12)은 싱크 롤러(14)의 작동에 의하여 도금 배스 내 용융 금속을 통과하면서 도금 또는 코팅되고, 싱크 롤러(14) 상측에 배치된 한 쌍의 안정화 롤러(15)에 의하여 도금된 강판의 변형 등을 억제하고, 한 쌍의 에어 나이프(16)를 이용하여 균일한 두께의 도금층이 형성된 상태에서 도금 배스(10)의 외부로 배출된다. 이때, 금속 용융물(11)을 통과하는 강판(12)을 지지하기 위하여 싱크 롤러(sink roller; 14) 및 안정화 롤러(stabilizer roller; 15)가 침적된 상태에 있게 되며, 금속 용융물(11)과 접촉하게 된다. 이처럼, 대략 450 내지 660℃의 고온으로 유지되는 도금 배스(10) 내 금속 용융물(11)을 거치면서 연속적으로 공급된 강판이 도금될 수 있는 것이다.

상기 도면에서, 싱크 롤러(14) 및 이를 지지하는 축수 부품(베어링)은 강판을 가이드하여 금속 도금액(11) 내에서 안정적인 도금층이 형성될 수 있도록 하는데 중요한 기능을 담당하며, 특히 축수 부품 중 슬리브(sleeve) 및 부시(bush)의 정상적인 상태가 도금 품질에 중대한 영향을 미치게 된다. 따라서, 이러한 축수 부품의 재료 선정은 면밀히 고려되어야 한다.

싱크 롤러를 지지하는 축수 부품은 도금 배스 내 용융 금속(즉, 아연-알루미늄)으로부터 침식 작용 및 화학적 반응으로 인하여 금속 간 화합물이 형성된다. 또한, 싱크 롤러의 구동 과정에서 금속 간 화합물의 박리 현상이 유발되고 드로스(dross)가 생성되어 슬리브와 부시 사이에 침투함으로써 도 2에 도시된 바와 같이 마식(마모) 및 부식 현상이 급속히 진행된다. 그 결과, 싱크 롤러의 불규칙한 진동이 유발되어 아연-알루미늄 강판의 도금층의 품질 불량, 드로스 빌드-업 등이 야기된다.

상술한 이유로 인하여, 아연도금 강판 제품의 품질을 유지하기 위하여는 일정 주기마다 용융 아연 금속 설비의 작동을 중단하고 마모가 심한 축수 부품을 교환하거나 설비의 보수작업을 필수적으로 수행하여야 한다. 이처럼, 빈번한 부품 교환 및 보수 작업으로 인한 생산 효율의 저하는 불가피하다. 이에 대한 대안으로 도금설비에 스크래퍼(scrapper)를 설치하여 블레이드로 가압하면서 롤러 표면에 부착된 드로스 또는 침적 물질을 제거하나, 근본적인 해결 방안으로 보기 어렵다.

또한, 도금 배스 내 축수 부품의 마모 등의 문제점을 해결하기 위하여 싱크 롤러 및 안정화 롤러의 가동 정지 시 그리고, 강판 도금이 수행됨에 의한 롤러의 작동 과정에서도 용융 금속이 롤러 축수부 특히, 롤러 샤프트를 지지하는 베어링 부재로의 침투를 효과적으로 방지하도록 구조적으로 개선하는 기술도 알려져 있다(국내특허번호 제1429988호 등). 그러나, 상술한 종래기술의 경우, 기존의 축수 부품을 교체하거나, 이에 상당한 변경을 가해야 하기 때문에 설비 비용 증가로 인하여 생산비용이 증가하게 된다.

이와 관련하여, 전술한 도금 설비용 싱크 롤러를 지지하는 축수 부품의 소재로서 크게 코발트 합금 및 철계 합금이 알려져 있다. 이중 코발트계 합금으로서 용융 아연-알루미늄에 대한 내부식성이 우수하고 적절한 강도 특성을 갖는 코발트 합금인 상품명 Stellite 제품이 널리 사용되고 있으며, 철계 합금으로서 스테인리스 스틸 316/316L, AISI 52100 등이 사용되고 있다. 그러나, 스테인리스 스틸 재질은 내부식성은 양호하기는 하나, 경도가 낮기 때문에 드로스 입자에 의하여 용이하게 마모되므로 적용 상의 한계가 존재한다.

이에 따라 철계 합금의 내부식성 및 내마모성을 동시에 개선시키고자 하는 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.

본 발명자는 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 지속적인 연구를 수행한 결과, 전술한 종래의 철계 합금 재질에서 야기되는 기계적 물성(경도) 저하에 따른 문제점을 해결할 수 있는 방안을 개발하게 되었다.

따라서, 본 발명에서는 종래의 도금 설비 내 축수 부품의 제조에 적용되었던 철계 합금이 갖는 문제점을 극복할 뿐만 아니라, 코발트를 함유하지 않으면서도 용융 아연-알루미늄에 대한 내부식성 및 내마모성을 동시에 현저히 개선함으로써 도금 설비 내 축수 부품(특히, 싱크 롤러를 지지하기 위한 축수 부품)의 재질에 적합한 철계 합금의 제조방법을 제공하고자 한다,

더 나아가, 본 발명에서는 전술한 방법에 의하여 제조된 철계 합금강 재질의 축수 부품을 이용하여 강판 기재 상에 아연-알루미늄 도금층을 형성하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명에 따르면,

크롬(Cr), 니켈(Ni), 탄소(C) 및 규소(Si)를 함유하는 철(Fe)계 합금의 제조방법으로서,

a) 크롬 15 내지 30 중량%, 니켈 8 내지 15 중량%, 탄소 0.2 내지 0.8 중량%, 규소 1 내지 4 중량%, 망간 0.5 내지 1.5 중량%, 텅스텐(W) 2.5 내지 6.5 중량%, 몰리브덴(Mo) 3.5 내지 7.5 중량% 및 철(Fe) 밸런스를 포함하는 철계 합금 원료를 제공하는 단계;

b) 상기 철계 합금 원료의 용탕을 제조하는 단계;

c) 상기 용탕을 소정 몰딩 공간이 구비된 몰드에 주입하는 단계; 및

d) 상기 몰드에 주입된 용탕을 응고시켜 철계 기지 상에 탄화물이 석출된 철계 합금 재질의 주조물을 형성하는 단계;

를 포함하고,

여기서, 상기 철계 합금 원료 중 텅스텐 및 몰리브덴 함량의 총합은 7 내지 11 중량%이고, 텅스텐에 대한 몰리브덴의 함량 비(Mo/W)는 0.8 내지 1.5이며,

상기 철계 합금 원료는 코발트를 실질적으로 함유하지 않고, 그리고

상기 주조물의 경도(HRc)는 적어도 40인 철(Fe)계 합금강의 제조방법이 제공된다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 철계 합금 원료 중 탄소에 대한 텅스텐의 함량 비(W/C)는 8.4 내지 9.3이고, 탄소에 대한 몰리브덴의 함량 비(Mo/C)는 8.7 내지 9.5일 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 철계 합금 원료 중 크롬에 대한 텅스텐의 함량 비(W/Cr)는 0.16 내지 0.22이고, 크롬에 대한 몰리브덴의 함량 비(Mo/Cr)는 0.18 내지 0.23일 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 단계 b)는 1400 내지 1800℃의 온도 조건 하에서 수행될 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 단계 d)에서 주입된 용탕을 20 내지 40℃로 냉각시켜 응고시킬 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 주조물은 축수 부품일 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 축수 부품은 싱크 롤러의 슬리브 또는 부시일 수 있다.

본 발명에 따라 제공되는 철계 합금의 제조방법은 종래의 철계 합금을 용융 금속, 특히 용융 아연-알루미늄이 도금된 강판의 제조 설비에서 가혹한 부식 환경에 노출되는 축수 부품, 구체적으로 슬리브 및/또는 부시의 제조에 적용됨으로써 우수한 내부식성 및 내마모성을 동시에 달성할 수 있다. 더 나아가, 기존에 축수 부품용 소재로서 대표적으로 알려진 철계 합금(예를 들면, 316/316L, AISI 52100 등)은 물론, 내부식성 및 내마모성이 우수한 것으로 보고된 코발트계 합금에 비하여도 월등히 개선된 기계적 물성(특히, 경도 특성) 및 내부식성(또는 내화학성)을 구현할 수 있는 장점을 제공한다. 그 결과, 용융 금속 도금 강판의 제조 공정의 생산성 및 품질을 개선할 수 있는 바, 향후 광범위한 적용이 기대된다.

도 1은 일반적인 용융금속 도금(아연-알루미늄 도금) 강판의 제조 공정의 개략적인 구성을 도시하는 도면이고;
도 2는 도금설비용 싱크 롤을 지지하는 코발트 합금 소재인 축수 부품 중 하나인 슬리브가 도금 과정에서 마모되는 현상을 나타내는 사진이고;
도 3은 실시예 1에 따라 제조된 철계 합금 재질의 주조물 및 비교예 1에 따른 코발트 합금 재질의 주조물 각각의 미세조직을 보여주는 현미경 사진이고; 그리고
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 철계 합금 재질의 주조물 및 비교예 1에 따른 코발트 합금 재질의 주조물 각각을 470℃에서 100 시간 동안 용융 아연-알루미늄에 침지 테스트를 수행한 후 금속 간 화합물 층의 형성 정도를 보여주는 현미경 사진이다.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.

본 명세서에 있어서, 어떠한 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 별도의 언급이 없는 한, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

또한, 본 명세서에서, "상측에 위치한다" 또는 "하측에 위치한다"는 용어는 특정 대상과 접촉된 상태뿐만 아니라 접촉되지 않은 상태에서 상대적인 위치 관계를 표현하는 것으로 이해될 수 있다.

이와 유사하게, "접촉한다"는 용어 역시 반드시 직접적으로 접촉하는 경우뿐만 아니라, 다른 구성 요소 또는 부재의 개재 하에서 접촉하는 경우도 포함될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.

"부식"은 금속이 주어진 환경에서 전기화학적 또는 화학적 반응에 의하여 직접적으로 받게되는 파괴적인 현상을 의미할 수 있다.

"주조"는 금속을 로에서 액체 상태로 용융시킨 다음, 주형 내에 주입 및 냉각하여 일정 형상의 금속 제품을 제조하는 공정을 의미하는 바, 사형주조(주형으로 소모성 재질인 모래를 사용함), 금형주조, 다이캐스팅, 특수주조 등으로 구분될 수 있다.

본 발명에 따르면, 철계 합금은 크롬(Cr), 니켈(Ni), 탄소(C) 및 규소(Si)를 기본적으로 함유하되, 추가적으로 특정 량의 텅스텐 및 몰리브덴을 첨가한 합금 원료로부터 주조 방식을 통하여 철계 기지 상에 탄화물을 석출시켜 경도를 현저히 증가시킬 수 있다. 이러한 경도 개선 특성은 그 자체로 축수 부품의 수명을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 철계 합금(스테인리스 스틸) 재질이 소프트한 표면을 형성하여 축수 부품으로부터 드로스를 효과적으로 제거하기 곤란한 문제점을 해결할 수 있고, 경도 개선 효과와 동시에 용융 아연-알루미늄에 대한 젖음성을 현저히 낮춤으로써 내부식성을 개선할 수 있다. 본 발명의 세부 기술적 사항은 이하에서 상세히 설명하기로 한다.

A. 철계 합금 원료의 배합

본 발명에 있어서, 철계 합금 원료는 철을 주원료로 하되 크롬, 니켈, 탄소, 규소, 텅스텐 및 몰리브덴을 포함하며, 또한 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 이때, 원료는 파우더, 입자 또는 잉곳 형태로 사용될 수 있다.

상술한 철계 합금 원료 중 크롬은 철계 합금의 양호한 내부식성 확보에 필수적인 원소로서, 과잉 첨가될 경우에는 응고 후 과다한 델타-페라이트가 잔존하는 등의 문제점을 유발할 수 있다. 이와 관련하여, 델타-페라이트의 함량은 철계 합금의 성능(예를 들면, 내부식성, 기계적 물성 등)에 영향을 미치는 요인인 만큼, 가급적 제거하는 것이 바람직하다. 상기의 점을 고려하여, 본 발명에서는 합금 원료 중 크롬의 량은 약 15 내지 30 중량%, 구체적으로 약 18 내지 27 중량%, 보다 구체적으로 약 20 내지 25 중량% 범위 내에서 조절한다.

니켈은 경화능 및 강성을 증가시키고 합금 내 안정화 효과를 부여하는 성분으로서, 철과 연속적인 고용체를 형성하도록 하는 성분이고, 액상의 용탕을 응고시키는 과정에서 델타-페라이트 형성을 억제시키는 역할을 할 수 있다. 그러나, 환경 및 인체에 유해하기 때문에 적정 범위 내에서 사용되는 것이 바람직하다. 상기의 점을 고려하여, 본 발명에서는 합금 원료 중 니켈의 함량은 약 8 내지 15 중량%, 구체적으로 약 9 내지 13 중량%, 보다 구체적으로 약 10 내지 12 중량% 범위 내에서 조절한다.

탄소는 격자 내 침입형 사이트를 차지하고 있는 합금 원소로서 이동도 및 확산 속도가 빠른 특성을 갖는다. 본 발명에서는 고용강화 효과를 통하여 철계 합금의 강도를 향상시키는 역할을 수행하는 바, 후술하는 바와 같이 용탕의 응고 과정에서 용해도 변화에 의하여 철계 기지 상에 탄화물 형태로 석출됨으로써 경도를 증가시킨다. 이를 위하여, 철계 합금 원료 중 탄소는 약 0.2 내지 0.8 중량%, 구체적으로 약 0.3 내지 0.7 중량%, 보다 구체적으로 약 0.4 내지 0.6 중량% 범위로 사용될 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 탄소 함량은 약 0.45 내지 0.55 중량% 범위 내에서 조절될 수 있다. 만약, 탄소가 적정 범위를 초과하여 사용될 경우, 합금강의 내부식성을 저하시키는 반면, 적정 범위에 미달할 경우에는 원하는 탄화물의 석출이 불충분하여 경도 특성을 개선하는데 한계가 있다. 따라서, 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.

합금 원료 중 규소는 철계 합금 원료 중 규소는 합금 내 철 성분이 도금 배스 내 용융 아연-알루미늄과 화학적으로 반응하는 것을 억제함으로써 배스 금속과 축수 부품 사이에 금속 간 화합물 층이 과잉 생성되는 것을 제한하는 기능을 수행한다. 다만, 규소 함량이 지나치게 증가할 경우에는 탄화물 생성을 억제할 수 있음을 고려하여, 합금 원료 중 규소의 량은 약 1 내지 4 중량%, 구체적으로 약 1.5 내지 3 중량%, 보다 구체적으로 약 2 내지 2.5 중량% 범위 내에서 조절된다.

망간은 합금의 안정화 성분 중 하나로서 철계 합금에 첨가되어 재료의 강도를 증가시키는 역할을 한다. 다만, 소정 량을 초과할 경우에는 합금 원료 내에 불가피하게 함유될 수 있는 불순물(예를 들면, 산소)과 결합하여 망간산화물과 같은 비금속 혼입물을 형성하는 만큼, 합금 원료 기준으로 약 0.5 내지 1.5 중량%, 구체적으로 약 0.7 내지 1.2 중량%, 보다 구체적으로 약 0.8 내지 1.1 중량% 범위 내에서 첨가량을 조절한다.

본 발명에 따르면, 전술한 크롬, 니켈, 탄소 및 규소를 함유하는 철계 합금 원료에 용융 아연-알루미늄 도금 배스 내 싱크 롤러 등의 축수 부품 재질로서 종래에 사용된 철계 합금에 비하여 현저히 높은 내부식성 및 경도 특성을 동시에 제공할 뿐만 아니라, 종래에 내부식성 및 경도 특성이 양호한 것으로 알려진 코발트계 합금 재질보다 개선된 특성을 갖도록 하기 위하여 텅스텐 및 몰리브덴 각각을 특정 량으로 합금 원료에 도입한다.

이와 관련하여, 텅스텐 및 몰리브덴은 치환형 사이트를 차지는 합금 원소로서, 크롬 함께 철계 합금의 내부식성을 향상시킴과 동시에 고용체 내 탄소의 용해도를 변화시켜 철계 기지 상에 탄화물이 석출되도록 하는데 중대한 기능을 담당하는 성분이다. 텅스텐은 철계 합금의 고온강도를 증가시키고, 또한 비산화성 분위기에서 일반부식 저항성을 증가시킴으로써 금속의 부동태화를 촉진하고, 합금의 공식 저항성을 향상시킬 수 있다. 본 발명이 특정 이론에 구속되는 것은 아니지만, 텅스텐 및 몰리브덴을 복합 첨가하여 탄화물, 특히 HCP 구조를 갖는 M₂C(M=Cr, Mo, W) 탄화물의 형성을 유도함으로써 철계 합금 재질의 주조물의 표면 경도 특성을 개선하는 것으로 판단된다. 이를 위하여, 텅스텐은 약 2.5 내지 6.5 중량%, 구체적으로 약 3 내지 6 중량%, 보다 구체적으로 약 3.5 내지 5 중량% 범위로 사용되며, 또한 몰리브덴은 약 3.5 내지 7.5 중량%, 구체적으로 약 4 내지 7 중량%, 보다 구체적으로 약 4.5 내지 5.5 중량% 범위로 사용된다.

일 구체예에 따르면, 합금 원료 중 텅스텐 및 몰리브덴 함량의 총합은 약 7 내지 11 중량%, 구체적으로 약 8 내지 10 중량%, 보다 구체적으로 약 8.5 내지 9.5 중량% 범위인 바, 이는 종래의 스테인리스 스틸 등의 철계 합금과 대비하여 현저히 많은 량으로 혼입되는 점을 주목할 필요가 있다.

한편, 텅스텐과 몰리브덴은 2가지 성분 간의 상호 작용에 따른 상승 효과를 통하여 경도 증가 효과를 달성할 수 있는 만큼, 성분 간 비율을 조절할 필요가 있다. 상기 2가지 합금 원소 간의 비율이 적정 범위를 벗어날 경우에는 탄화물 석출의 유도에 의한 경도 개선 효과가 저하될 수 있는 만큼, 텅스텐에 대한 몰리브덴의 함량 비(Mo/W)를 약 0.8 내지 1.5, 구체적으로 약 0.9 내지 1.3, 보다 구체적으로 약 1 내지 1.2의 범위로 조절한다.

예시적 구체예에 따르면, 철계 합금 원료 중 탄화물의 소스인 탄소와 탄화물 형성을 촉진하는 텅스텐 및 몰리브덴 간에도 소정 비율을 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 관점에서, 탄소에 대한 텅스텐의 함량 비(W/C)는, 예를 들면 약 8.4 내지 9.3, 구체적으로 약 8.6 내지 9, 보다 구체적으로 약 8.7 내지 8.9 범위일 수 있다. 또한, 탄소에 대한 몰리브덴의 함량 비(Mo/C)는, 예를 들면 약 8.7 내지 9.5, 구체적으로 약 8.8 내지 9.3, 보다 구체적으로 약 9 내지 9.2 범위일 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 철계 합금 원료 중 크롬은 텅스텐 및 몰리브덴과 함께 내부식성을 향상시키는 성분인 바, 크롬 및 추가 성분(텅스텐 및 몰리브덴) 간의 밸런스를 유지하는 것이 복수의 물성을 동시에 개선하는데 유리하다. 상기의 점을 고려할 때, 크롬에 대한 텅스텐의 함량 비(W/Cr)는, 예를 들면 약 0.16 내지 2.2, 구체적으로 약 0.17 내지 2.1, 보다 구체적으로 약 0.18 내지 2의 범위이고, 또한 크롬에 대한 몰리브덴의 함량 비(Mo/Cr)는, 예를 들면 약 0.18 내지 0.23, 구체적으로 약 0.19 내지 0.22, 보다 구체적으로 약 0.2 내지 0.21 범위 내에서 조절하는 것이 바람직하다.

B. 철계 합금 원료의 용탕 제조

상술한 바와 같이 합금 원료의 선정 및 이들 간의 배합비가 결정되면, 이를 가열하여 고온 하에서 용해 또는 융융시켜 용탕을 제조한다.

이러한 용탕 제조 단계는 당업계에서 공지된 주조 또는 캐스팅 방식에서 채택하고 있는 조건 하에서 수행될 수 있는 바, 이때 금속 성분의 용해 온도는, 예를 들면 약 1400 내지 1800℃, 구체적으로 약 1500 내지 1700℃, 보다 구체적으로 약 1550 내지 1650℃ 범위 내에서 선정할 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 용탕 제조를 위한 용해 공정의 경우, 고주파 유도, 도가니(예를 들면, 흑연 도가니)를 이용한 전기저항로(전기로), AOD, 진공유도로 등에서 수행될 수 있다. 일 예로서, 텅스텐 및 칸탈 재질의 코일(Coil) 타입 발열체가 구비된 전기로를 사용하고, 이에 합금 원료를 투입하고 가열하여 용탕을 형성할 수 있다. 이때, 외부 공기가 용탕에 유입되는 것을 방지하도록 비활성 가스(예를 들면, 질소, 헬륨, 아르곤, 또는 이의 혼합가스)의 분위기를 형성하는 것이 바람직할 수 있는 바, 예를 들면 합금 원료를 완전 용해시킨 후에 비활성 가스로 탈가스 처리할 수 있다.

C. 몰드 주입 및 주조물의 형성

상술한 바와 같이 제조된 합금 원료의 용탕은 원하는 형상의 주조(성형) 제품에 대응하는 몰딩 공간(즉, 캐비티)이 구비된 몰드에 주입된다. 이때, 몰드는 대표적으로 샌드 몰드일 수 있으나, 이외에도 내화성 무기물(예를 들면, 알루미나) 재질의 몰드, 금속 재질의 금형 몰드 등을 사용할 수도 있다.

이후, 주입된 용탕은 주형 내에서 냉각되어 응고 과정을 거치게 되는 바, 그 결과 철계 기지 상에 탄화물이 석출된다. 예시적 구체예에 따르면, 냉각 과정은 공기 냉각 방식 등과 같이 당업계에서 공지된 방법을 적용할 수 있다.

다만, 주조물이 양호한 성상을 가질 수 있도록, 예시적으로 용탕 주입 후 압탕 보온 기능을 위하여 발열재(방열재)를 도포하여, 약 20 내지 40℃(구체적으로 상온)까지 서서히 냉각할 수 있다. 예시적으로, 발열재는 알루미늄 드로스 약 80 내지 90 중량%, 알루미늄 파우더 약 5 내지 10 중량% 및 밸런스 성분 약 5 내지 10 중량%를 포함할 수 있다. 상술한 절차는 합금 주조물의 조직 구조에 영향을 미쳐 경도와 같은 기계적 물성에 영향을 미칠 수 있는 만큼, 상기 절차에 따라 수행되는 것이 유리할 수 있다.

상술한 바와 같이 제조된 소정 형상의 주조물은, 고용체 상태의 철계 기지(매트릭스) 상에 탄화물이 균일하면서도 밀집된 상태로 석출된 결과, 종래의 철계 합금강인 316/316L, AISI 52100 등의 소프트한 특성이 개선되어 현저히 증가된 경도 특성을 나타낸다. 일 구체예에 있어서, 성형된 주조물의 경도(HRc)는 적어도 약 40, 구체적으로 약 41 내지 47, 보다 구체적으로 약 42 내지 45일 수 있는 바, 이는 종래의 철계 합금의 경도(예를 들면, 스테인리스 스틸 316L의 경우 약 10 정도)에 비하여 현저히 개선된 것일 뿐만 아니라, 코발트계 합금의 경도(예를 들면, 약 38)와 비교해도 월등히 높은 수준이다. 이와 같이 증가된 경도를 나타낼 경우, 슬라이딩 마찰 등에 의하여 야기되는 마모는 현저히 감소시킬 수 있다. 더욱이, 기존의 철계 합금이 고온 처리 시 니켈, 크롬 및 철의 상호 작용과 함께 상 변화가 수반되어 치수 안정성이 저하되는 반면, 본 발명에 따른 철계 합금 주조물은 그 이상의 온도에서도 우수한 치수 안정성을 나타낼 수 있다.

또한, 내부식성에 있어서도 기존에 가장 널리 사용된 코발트계 합금 재질의 주조물과 대비하는 경우, 본 발명의 주조물은 용융 아연-알루미늄에 대한 젖음성을 현저히 감소시켜 용융 금속과의 반응에 의한 금속간 화합물 층의 형성이 최대한 억제되는 한편, 코발트계 합금의 경우에는 용융 아연-알루미늄과 반응하여 주조물 표면 상에 상당 두께의 금속 간 화합물(예를 들면, FeAl₃ 및 Fe₂Al₂) 층이 형성된다.

이와 관련하여, 예시적 구체예에 따르면, 본 발명에 따라 제조된 주조물은 470℃에서 100 시간 동안 용융 아연-알루미늄(알루미늄 약 0.2% 및 아연 약 99%를 함유함)에 침적 시 기지 표면에 형성되는 금속 간 화합물 층의 두께가, 예를 들면 최대 약 10 ㎛, 구체적으로 최대 약 7 ㎛, 보다 구체적으로 최대 약 5 ㎛, 특히 구체적으로 약 최대 약 3 ㎛일 수 있다.

상술한 특성을 이용하여 본 발명에서 제조된 성형된 주조물은 특히, 용융 아연-알루미늄 도금 배스 내 싱크 롤러의 축수 부품, 보다 구체적으로 슬리브 또는 부시 형상의 철계 합금 재질의 성형물로 적용 시 특히 유리하다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예

본 실시예에서 수행된 내부식성 테스트 및 경도 측정은 하기의 절차에 따라 수행되었다.

- 경도 측정

로크웰 경도 테스트기(Rockwell Hardness Tester)를 이용하여 경도를 측정하였다. 로크웰 경도(Rockwell Hardness)는 꼭지각이 120ㅀ, 그리고 선단의 반지름 0.2 mm인 원뿔형 다이아몬드를 누르는 방식으로 측정하였다(HRc).

- 내부식성 테스트

본 실시예에서는 용융 아연-알루미늄 도금 배스의 모사를 수반하는 침적 부식 테스트를 수행하였다. 모사된 도금 배스는 10 L의 SiC/그래파이트 도가니를 구비하였고, 350 kW 출력의 전기저항 가열로 타입이었으며, 온도는 DDR 모듈을 이용하여 조절하였다. 복수의 합금 강 시편을 470℃에서 100 시간 동안 용융 아연-알루미늄 도금 배스 내에 침적시켰다.

실시예 1

하기 표 1에 기재된 조성과 같이 철계 합금 제조용 원료를 준비하였다.

원소	C	Mn	Si	Cr	Ni	W	Mo	Fe	불순물
함량(wt%)	0.5	0.95	2.0	23.1	11.4	4.4	4.6	밸런스	미량

상기 합금 원료를 흑연 도가니를 구비한 전기저항로 내에서 1620℃로 승온시켜 용해시킴으로서 용탕을 제조하였다.

그 다음, 용탕을 축수 부품인 슬리브의 성형 공간이 구비된 샌드몰드에 주입한 후, 발열재를 도포하여 서서히 상온까지 냉각시켜 시편을 제조하였다.

상술한 절차에 따라 복수의 시편을 제조하였으며, 이를 내부식성 및 경도 테스트에 사용하였다.

비교예 1

하기 표 2에 기재된 조성과 같이 코발트계 합금 제조용 원료를 준비하였다.

원소	C	Si	Cr	Ni	W	Fe	Co	불순물
함량(wt%)	1.26	0.73	30.4	1.48	5.07	2.23	밸런스	미량

상술한 합금 원료 조성을 달리하고 용탕 제조 온도를 1640℃로 조절한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 절차에 따라 코발트계 합금 재질의 시편을 제조하였다.

실시예 1 및 비교예 1 각각에서 제조된 철계 합금 시편 및 코발트계 합금 시편의 표면을 현미경으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

상기 도면에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 따른 시편 표면은 탄화물이 철계 기지 상에 석출되어 있음을 확인할 수 있다. 반면, 비교예 1의 경우, 코발트 기지 상의 탄화물이 석출되는 형태는 실시예 1에서와 유사하나 탄화물의 체적 분율에 있어서는 차이가 있다. 구체적으로, 실시예 1에 따른 철계 합금은 15 내지 17% 수준인 반면, 코발트 합금은 약 9 내지 12%로서, 이는 기계적 특성을 저하시키는 요인으로 작용하여 향후 용융 아연-알루미늄과의 접축 과정 중 드로스에 의한 손상 가능성이 높고, 도금의 불균일성을 유발할 수 있음을 시사한다.

실시예 1 및 비교예 1 각각에 대한 주조물, 그리고 종래에 사용된 철계 합금(316L) 재질의 주조물(비교예 2)에 대하여 경도 측정 테스트를 수행하였다. 이때, 비교예 2에 따른 철계 합금의 조성은 하기 표 3과 같다.

원소	C	Mn	Si	Cr	Ni	P	S	N	Fe
함량(wt%)	0.03	2.0	0.75	18.0	14.0	0.045	0.03	0.1	밸런스

실시예 1, 그리고 비교예 1 및 2 각각에서 제조된 합금에 대한 경도 측정 테스트 결과를 하기 표 4에 나타내었다.

구분	경도(HRc)
실시예 1	43
비교예 1	38
비교예 2	10

상기 표에 따르면, 실시예 1에 따라 제조된 철계 합금 재질의 주조물의 경도는 약 43으로 측정된 반면, 비교예 1에 제조된 코발트계 합금 재질의 주조물의 경도는 약 38이었다. 특히, 종래에 축수 부품으로 사용된 316L 재질의 주조물의 경도는 10이었는 바, 실시예 1에서는 약 4배의 경도 개선 효과를 달성하고 있다.

따라서, 본 발명에서와 같이 철계 합금 원료에 특정 량 및 비율로 조절된 텅스텐 및 몰리브덴을 혼입하여 제조된 주조물은 용융 아연-알루미늄의 도금 과정에서 필수적으로 사용되는 싱크 롤러의 지지용 축수 부품에 요구되는 기계적 물성, 특히 내마모성을 개선할 수 있는 것으로 판단된다.

내부식성 테스트를 수행한 결과를 도 4에 나타내었다.

상기 도면을 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 철계 합금 재질의 주조물은 용융 아연-알루미늄에 대한 젖음성이 낮기 때문에 장시간 부식 환경에 노출된다 해도 이의 표면 특성의 두드러진 변화는 관찰되지 않았다. 반면, 비교예 1에 따라 제조된 코발트계 합금 재질의 주조물은 양호한 내부식성을 나타내는 것으로 보고되었음에도 불구하고, 실시예 1과 대비하면 용융 아연-알루미늄과 주조물 간의 반응으로 인하여 상당한 두께(약 30 내지 40 ㎛)의 금속 간 화합물 층이 형성되어 있는 바, 이는 내부식성의 저하를 의미한다.

따라서, 본 발명에 따른 철계 합금은 기존에 내부식성이 양호한 것으로 알려진 코발트계 합금에 비하여 용융 아연-알루미늄에 대한 내부식성이 유의미한 수준으로 개선된 것으로 판단된다.

실시예 3

텅스텐 및 몰리브덴 혼입량 및 혼입 비에 따른 영향 분석

하기 표 5와 같이 철계 합금 원료의 조성을 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 주조물을 제조하였다(합금 1은 실시예 1과 동일하고 합금 2는 본 발명, 그리고 합금 3 내지 5는 비교 목적임).

합금	C	Mn	Si	Cr	Ni	W	Mo	Fe	W+Mo	Mo/W
1	0.5	0.95	2.0	23.1	11.4	4.4	4.6	밸런스	9.0	1.05
2	0.6	1.1	2.1	23.2	10.3	5.1	5.3	밸런스	10.4	1.04
3	0.33	0.85	2.0	17.2	11.1	2.8	3.4	밸런스	6.2	1.21
4	0.75	0.92	2.5	24.9	9.9	6.9	7.4	밸런스	14.3	1.07
5	0.35	0.91	2.1	19	11.7	3.1	7.1	밸런스	10.2	2.29

상기 표에 기재된 합금 조성을 갖는 주조물에 대하여 경도 테스트를 수행하였으며, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.

함금	경도(HRc)
1	43
2	44
3	37
4	38
5	38

상기 표에 나타난 바와 같이, 용융 아연-알루미늄에 대한 내부식성 및 기존의 합금강(철계 및 코발트계 합금)에 비하여 경도 개선 효과(적어도 HRc 40)를 동시에 달성하기 위하여는 텅스텐 및 몰리브덴이 소정 량 이상 혼입되어야 함을 알 수 있다. 또한, 텅스텐과 몰리브덴 간에도 적정 비율을 유지할 필요가 있음을 알 수 있다.

한편, 실시예 1에 따른 합금 원료 조성을 기준으로 하되, 탄소 또는 크롬의 량을 조절하여, 탄소에 대한 텅스텐 및 몰리브덴의 비율(W/C 및 Mo/C), 그리고 크롬에 대한 텅스텐 및 몰리브덴의 비율(W/Cr 및 Mo/Cr)이 경도에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과를 하기 표 7 및 표 8에 나타내었다.

합금	C	Mn	Si	Cr	Ni	W	Mo	Fe	W/C	Mo/C	경도
6	0.4	0.95	2	23.1	11.4	4.4	4.6	밸런스	11.0	11.5	40
7	0.6	0.95	2	23.1	11.4	4.4	4.6	밸런스	7.3	7.7	41

합금	C	Mn	Si	Cr	Ni	W	Mo	Fe	W/Cr	Mo/Cr	경도
8	0.5	0.95	2	18.1	11.4	4.4	4.6	밸런스	0.24	0.25	41
9	0.5	0.95	2	28.5	11.4	4.4	4.6	밸런스	0.15	0.16	42

상기 표에 나타난 바와 같이, 탄소에 대한 텅스텐 또는 몰리브덴의 비율, 그리고 크롬에 대한 텅스텐 또는 몰리브덴의 비율이 철계 합금 주조물의 경도 개선에 추가적으로 영향을 미치는 요인에 해당된다.

따라서, 탄소에 대한 텅스텐 또는 몰리브덴의 비율, 그리고 크롬에 대한 텅스텐 또는 몰리브덴의 비율 각각을 조절하여 축수 부품에 상당하는 주조물의 기계적 물성, 특히 경도를 추가적으로 증가시킬 수 있을 것으로 판단된다.

상기의 점을 고려할 때, 본 발명에 따라 제조되는 철계 합금은 기존 철계 합금의 내부식성과 동등 이상의 물성을 나타내는 한편, 경도를 현저히 증가시킬 수 있기 때문에 용융 아연-알루미늄과 지속적으로 접촉하는 축수 부품, 특히 싱크 롤러의 지지를 위한 축수 부품의 구조적 완전성을 장시간 유지할 수 있다.

따라서, 축수 부품의 교체 빈도를 감소시킬 수 있는 등, 생산성 향상은 물론, 도금 강판의 풍질 개선에도 유리하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (5)

1. 크롬(Cr), 니켈(Ni), 탄소(C) 및 규소(Si)를 함유하는 철(Fe)계 합금강 재질의 주조물을 제공하는 단계; 및
   상기 철(Fe)계 합금강 재질의 주조물을 용융 아연-알루미늄 도금 배스로 공급된 스트립 형태의 강판을 도금하기 위한 싱크 롤러의 축수 부품으로 사용하여 상기 공급된 강판에 아연-알루미늄 도금층을 형성하는 단계를 포함하는 도금 강판의 제조방법으로서,
   상기 철(Fe)계 합금강 재질의 주조물을 제공하는 단계는,
   a) 크롬 15 내지 30 중량%, 니켈 8 내지 15 중량%, 탄소 0.4 내지 0.6 중량%, 규소 1 내지 4 중량%, 망간 0.5 내지 1.5 중량%, 텅스텐(W) 2.5 내지 6.5 중량%, 몰리브덴(Mo) 3.5 내지 7.5 중량% 및 철(Fe) 밸런스를 포함하는 철계 합금 원료를 제공하는 단계;
   b) 1400 내지 1800℃의 온도 조건 하에서 상기 철계 합금 원료의 용탕을 제조하는 단계;
   c) 상기 용탕을 소정 몰딩 공간이 구비된 몰드에 주입하는 단계; 및
   d) 상기 몰드에 주입된 용탕을 20 내지 40℃로 냉각시켜 응고시킴으로써 철계 기지 상에 탄화물이 석출된 철계 합금 재질의 주조물을 형성하는 단계;
   를 포함하고,
   여기서, 상기 철계 합금 원료 중 텅스텐 및 몰리브덴 함량의 총합은 7 내지 11 중량%이고, 텅스텐에 대한 몰리브덴의 함량 비(Mo/W)는 0.8 내지 1.5이며,
   상기 철계 합금 원료는 코발트를 함유하지 않고,
   상기 철계 합금 원료 중 탄소에 대한 텅스텐의 함량 비(W/C)는 8.4 내지 9.3이고, 또한 탄소에 대한 몰리브덴의 함량 비(Mo/C)는 8.7 내지 9.5이며,
   상기 철계 합금 원료 중 크롬에 대한 텅스텐의 함량 비(W/Cr)는 0.16 내지 0.22이고, 또한 크롬에 대한 몰리브덴의 함량 비(Mo/Cr)는 0.18 내지 0.23이고, 그리고
   상기 주조물의 경도(HRc)는 적어도 40인 도금 강판의 제조방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 축수 부품은 슬리브 또는 부시인 것을 특징으로 하는 도금 강판의 제조방법.

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