KR102090743B1 - 내마모성이 우수한 고크롬 주철합금 및 이의 제조방법 - Google Patents

내마모성이 우수한 고크롬 주철합금 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

개시된 내용은 내마모성이 우수한 고크롬 주철합금 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 경도와 강도가 뛰어나 내마모성이 우수하며, 버티컬 스크류(vertical screw)용 세그먼트 스크류 플라이트(segment screw flight)로 사용될 수 있다.

Description

내마모성이 우수한 고크롬 주철합금 및 이의 제조방법 {HIGH CHROME CAST IRON ALLOY WITH EXCELLENT WEAR RESISTANCE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
개시된 내용은 내마모성이 우수한 고크롬 주철합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
지금까지 내마모 설비 부품으로 사용되고 있는 재료는 고크롬(＞20%Cr) 주철이 주류를 이루고 있는데 이것은 상기 주철중의 크롬이 주철의 고온 산화 및 내식성을 향상시키므로써 스테인레스강(Stainless Steel)에 필적하는 내열 내식성을 지니게 하기 때문이다. 또한 상기 고크롬 주철은 탄소 함량이 높기 때문에 탄화물이 많고 기계적 성질, 특히 연성이 낮은 이유로 강도를 위주로 하는 재료로는 사용에 제한이 있지만 경도가 높은 탄화물이 다량 기지 속에 존재함으로 인해 내마모 재료로서 널리 사용되고 있다. 그러나, 상기와 같은 고크롬 주철중 대표적으로 사용되는 내마모 부품용 27%Cr계 백주철의 경우 내마모성에 있어서는 AlSl 316 스테인레스강보다 2배 이상 우수하지만 부식 속도에 있어 약 3배가량 더 크게 나타나는 문제점이 있으며 그 부식 형태로는 주로 침식 부식과 공식이 발생되고, 각종 산에 대한 부식 저항성도 약한 문제점이 있었다.
한국특허등록 제10-1409877(2014.06.13) 한국특허등록 제10-1174534(2012.08.09)
개시된 내용은 경도를 증가하여 내마모성을 높여 사용시간을 늘려주며, 강도도 증가된 내마모성이 우수한 고크롬 주철합금 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
하나의 일 실시예로서 이 개시의 내용은 2.0 내지 3.0 중량%의 탄소(C), 0 초과 1.0 중량% 이하의 규소(Si), 0.5 내지 1.5 중량%의 망간(Mn), 19.0 내지 23.0 중량%의 크롬(Cr), 1.4 내지 2.4 중량%의 니켈(Ni), 1.5 내지 2.5 중량%의 몰리브덴(Mo), 철(Fe) 잔부 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 내마모성이 우수한 고크롬 주철합금에 대해 기술하고 있다.
바람직하기로는, 2.5 중량%의 탄소(C), 0.9 중량%의 규소(Si), 1.0 중량%의 망간(Mn), 21 중량%의 크롬(Cr), 1.9 중량%의 니켈(Ni), 2.0 중량%의 몰리브덴(Mo), 철(Fe) 잔부 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
다른 일 실시예로서 개시된 내용은 2.0 내지 3.0 중량%의 탄소(C), 0 초과 1.0 중량% 이하의 규소(Si), 0.5 내지 1.5 중량%의 망간(Mn), 19.0 내지 23.0 중량%의 크롬(Cr), 1.4 내지 2.4 중량%의 니켈(Ni), 1.5 내지 2.5 중량%의 몰리브덴(Mo), 철(Fe) 잔부를 포함하는 주물을 제조하는 단계와 상기 주물을 주형에 주입하여 성형체를 제조하는 단계 및 상기 성형체를 열처리하는 단계를 포함하는 내마모성이 우수한 고크롬 주철합금의 제조방법에 기술하고 있다.
바람직하기로는, 상기 주물을 제조하는 단계에서 2.5 중량%의 탄소(C), 0.9 중량%의 규소(Si), 1.0 중량%의 망간(Mn), 21 중량%의 크롬(Cr), 1.9 중량%의 니켈(Ni), 2.0 중량%의 몰리브덴(Mo), 철(Fe) 잔부를 포함하여 주물을 제조할 수 있다.
이상에서와 같은 내마모성이 우수한 고크롬 주철합금 및 이의 제조방법은 주철합금의 경도를 증가하여 내마모성을 높여 사용시간을 늘려주며, 강도도 증가된 내마모성이 우수한 탁월한 효과를 나타낸다.
도 1 및 도 2는 개시된 내마모성이 우수한 고크롬 주철합금으로 제조된 버티컬 스크류(vertical screw)용 세그먼트 스크류 플라이트(segment screw flight)를 나타낸다.
이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
개시된 내마모성이 우수한 고크롬 주철합금은 2.0 내지 3.0 중량%의 탄소(C), 0 초과 1.0 중량% 이하의 규소(Si), 0.5 내지 1.5 중량%의 망간(Mn), 19.0 내지 23.0 중량%의 크롬(Cr), 1.4 내지 2.4 중량%의 니켈(Ni), 1.5 내지 2.5 중량%의 몰리브덴(Mo), 철(Fe) 잔부 및 기타 불가피한 불순물을 포함하여 이루어진다.
탄소(C)는 경도 유지에 가장 중요한 원소이다. 즉, 다른 합금 원소와 결합하여 탄화물을 형성시키므로써 합금의 경도를 증가시킨다. 그러나 다량 첨가할 경우 내식성을 크게 해치므로 3.0 중량% 이하로 제한하며, 너무 적게 첨가하면 내식성은 향상될 수 있으나 적정 경도를 얻을 수 없으므로 2.0 중량% 이상이어야 한다. 바람직하게는 2.5 중량%이다.
규소(Si)는 페라이트 조직을 안정화시키는 원소로서 용해 정련시 탈산 효과가 있고 내산화성을 증가시키는 원소이나 1.0 중량%를 초과하여 첨가하면 강의 인성과 연성이 저하한다. 바람직하게는 0.9 중량%이다.
망간(Mn)은 오스테나이트 조직을 안정화시키는 원소이며, 질소의 고용량을 증가시키는 원소이다. 질소 함량을 증가시켜 내식성을 향상시키고자 할 때 적정한 양의 망간은 필수적인 원소이다. 또한 강 중의 황과 화합하여 황화망간을 생성시켜 열간 취성의 발생을 방지하고 용해 정련시 탈산 효과가 있다. 또한 질소와 함께 다량 첨가될 경우에 경도 증가에 큰 역할을 한다. 그러나 조직의 안정성을 고려하여 0.5 내지 1.5 중량%로 제한하며, 1.0 중량%가 바람직하다.
크롬(Cr)은 주철의 경도 및 내식성 유지에 가장 중요하고 기본이 되는 원소이며 적정한 내식성을 위해서는 19.0 중량% 이상의 크롬을 함유하여야 하며 가격과 생산 용이성을 고려하여 23.0 중량% 이하로 제한하며 21 중량%가 바람직하다. 합금 중에 첨가된 크롬은 크롬탄화물 및 질화물 등의 형상으로 경도 유지에 기여하며, 원소 상태의 크롬은 내식성 유지에 매우 큰 역할을 담당한다.
니켈(Ni)은 강력한 오스테나이트 안정화 원소로서 내식성이 측면에서 유용한 원소이므로 적어도 1.4 중량% 이상이어야 하고, 기지 조직을 오스테나이트화하려면 니켈을 다량 첨가하여야 하나 가격 문제를 고려하여 2.4 중량% 이하로 제한한다. 바람직하게는 1.9 중량%를 함유하는것이 좋다.
몰리브덴(Mo)은 크롬과 함께 본 발명 합금의 내식성 유지에 중요한 원소로서 페라이트상을 안정화시키는 작용을 한다. 경도와 강도를 상승시키면서 인성까지 상승시키는 역할을 행하며, 원소상태의 몰리브덴은 내식성 향상에 중요하다. 따라서, 최소 1.5 중량% 이상 함유하여야 하며 너무 다량 첨가되면 취성이 증가하므로 2.5 중량% 이하로 제한한다. 바람직하게는 2.0 중량%가 바람직하다.
상술한 바와 같은 원소 성분 및 조성으로 이루어진 본 발명에 따른 주철합금은 종래의 고크롬계 주철합금에 포함되는 금속원소의 성분 및 조성을 조절하여 탄화물상을 지지하는 금속기지(metallic matrix)를 부여하고, 공정탄화물의 석출형상을 제어함으로써 경도 및 강도가 향상되어 기계적 특성이 우수므로 파쇄장치 부품 등을 구성하는 재료로서 사용될 수 있다.
특히, 상기 기재된 내마모성이 우수한 고크롬 주철합금은 버티컬 스크류(vertical screw)용 세그먼트 스크류 플라이트(segment screw flight)로 사용될 수있다.
개시된 내용은 2.0 내지 3.0 중량%의 탄소(C), 0 초과 1.0 중량% 이하의 규소(Si), 0.5 내지 1.5 중량%의 망간(Mn), 19.0 내지 23.0 중량%의 크롬(Cr), 1.4 내지 2.4 중량%의 니켈(Ni), 1.5 내지 2.5 중량%의 몰리브덴(Mo), 철(Fe) 잔부를 포함하는 주물을 제조하는 단계와 상기 주물을 주형에 주입하여 성형체를 제조하는 단계 및 상기 성형체를 열처리하는 단계를 포함하는 내마모성이 우수한 고크롬 주철합금의 제조방법을 제공한다.
상기 주물을 제조하는 단계에서는 아크식 전기로, 진공 유도 용해로, 고주파 유도로 등의 용해로에서 선철 및 합금철을 용해하여 철(Fe)을 기본으로 하는 주물을 제조할 수 있다.
또한, 본 단계에서는 상기 주물을 제조하는 단계에서 2.5 중량%의 탄소(C), 0.9 중량%의 규소(Si), 1.0 중량%의 망간(Mn), 21 중량%의 크롬(Cr), 1.9 중량%의 니켈(Ni), 2.0 중량%의 몰리브덴(Mo), 철(Fe) 잔부를 포함하는 주물을 제조할 수 있다.
상기 열처리하는 단계는 상기 합금의 내마멸성 및 인장강도를 향상시키기 위하여, 담금질(quenching) 및 템퍼링(tempering)처리하여 미세조직을 제어하도록 600 내지 700℃에서 20 내지 40분간 항온유지하는 단계와 1000 내지 1100℃에서 1시간 유지 후 강냉하는 단계, 500~700℃에서 공냉하는 단계 및 200 내지 250℃에서 2.5 내지 3.5시간 동안 템퍼링(tempering)하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 주조가 완료된 합금을 600 내지 700℃에서 20 내지 40분간 항온을 유지한 뒤, 1000 내지 1100℃로 가열하고 이 가열온도에서 1시간 유지한 다음 공기 중에서 담금질 열처리하여 냉각시킨다. 이 때, 상기 가열온도가 1000℃ 미만인 경우에는 오스테나이트로의 역변태가 미완료되어 담금질 후 소재에 퍼얼라이트(pearlite)조직이 잔존하게 되고 마르텐사이트 조직을 100% 얻을 수 없게 되므로, 인장강도와 경도가 열악해지는 문제점이 있다. 반면에, 가열온도가 1100℃ 보다 높은 경우에는 열처리 비용이 높아질 뿐만 아니라 초기 결정립 크기가 커지기 때문에, 이에 따라 마르텐사이트 패킷의 크기가 증가하여 인장강도와 경도가 낮아지게 된다. 따라서, 가열온도는 1050℃인 것이 바람직하다.
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또한, 이러한 가열온도를 유지시키는 시간은 합금의 두께에 따라 조절하되 1시간 미만이면 역변태가 불충분하여100% 마르텐사이트 조직을 얻을 수 없기 때문에 인장강도가 열악하고, 1시간을 초과하면 생산성이 낮아진다. 따라서 가열온도를 1시간 동안 유지한 후 담금질하는 것이 바람직하다.
담금질 처리가 완료된 합금을 200 내지 250℃에서 2.5 내지 3.5시간 동안 템퍼링(tempering)처리할 수 있다. 담금질 후에 수행하는 템퍼링 처리의 온도가 200℃ 보다 낮은 경우에는 탄소의 확산 및 전위의 이동이 원활하지 않아 담금질된 합금의 취성이 충분히 제거되지 않으므로 템퍼링 처리 후, 소려 마르텐사이트(tempered martensite) 조직의 인장강도가 열악해지는 문제점이 있다. 반면에 템퍼링 처리의 온도가 250℃ 보다 높은 경우, 소려 마르텐사이트 조직의 연화가 과도하게 진행되어 인장강도와 경도가 낮다.
또한 템퍼링처리 시 유지시간이 2.5시간 미만이면 충분한 템퍼링 효과가 나타나지 않고 3.5시간 초과면 생산성이 떨어진다는 문제점이 있다.
상술한 바와 같은 제조방법에 의해 제조된 주철합금은 내마모성이 우수하여 버티컬 스크류(vertical screw)용 세그먼트 스크류 플라이트(segment screw flight)로 사용될 수있다.
[실시예 1]
2.5 중량%의 탄소(C), 0.9 중량%의 규소(Si), 1.0 중량%의 망간(Mn), 21 중량%의 크롬(Cr), 1.9 중량%의 니켈(Ni), 2.0 중량%의 몰리브덴(Mo), 철(Fe) 잔부 및 기타 불가피한 불순물을 포함하여 고크롬 주철합금을 제조하였다.
시편을 15×15×15cm의 크기로 절단하고 용채화 소둔을 행한 시편에 대하여 로크웰경도기(C-scale)를 이용하여 표면 경도를 측정하였다. 경도의 측정은 시편을 SiC 연마지로 600번까지 연마한 표면에 대하여 행하였다. 일반적으로 주철의 경도는 재료의 내마모성을 판단하는 기준이 되는 중요한 성질이다. 여기서, 고크롬 주철의 경우 경도값은 Cr/C의 비에 의존하며 이 값이 작을수록 경도가 증가한다. 측정결과 58 ~ 59 HRC를 나타내었다.
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  3. 2.0 내지 3.0 중량%의 탄소(C), 0 초과 1.0 중량% 이하의 규소(Si), 0.5 내지 1.5 중량%의 망간(Mn), 19.0 내지 23.0 중량%의 크롬(Cr), 1.4 내지 2.4 중량%의 니켈(Ni), 1.5 내지 2.5 중량%의 몰리브덴(Mo), 철(Fe) 잔부를 포함하는 주물을 제조하는 단계;
    상기 주물을 주형에 주입하여 성형체를 제조하는 단계; 및
    상기 성형체를 열처리하는 단계를 포함하고,
    상기 열처리하는 단계는 600 내지 700℃에서 20 내지 40분간 항온유지하는 단계와 1000 내지 1100℃에서 1시간 유지 후 강냉하는 단계, 500~700℃에서 공냉하는 단계 및 200 내지 250℃에서 2.5 내지 3.5시간 동안 템퍼링(tempering)하는 단계를 포함하는 내마모성이 우수한 고크롬 주철합금의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 주물을 제조하는 단계에서 2.5 중량%의 탄소(C), 0.9 중량%의 규소(Si), 1.0 중량%의 망간(Mn), 21 중량%의 크롬(Cr), 1.9 중량%의 니켈(Ni), 2.0 중량%의 몰리브덴(Mo), 철(Fe) 잔부를 포함하는 주물을 제조하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 고크롬 주철합금의 제조방법.
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