KR102145761B1 - 파쇄기용 고망간 주조합금강 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

C 1.0 내지 1.5 중량%, Si 0.5 내지 1.0 중량%, Mn 18 내지 25 중량%, Cr 2.0 내지 3.0 중량%, Ni 0.3 내지 1.0 중량%, P 0.03 내지 0.05 중량%, S 0.003 중량% 이하(0중량% 초과), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 파쇄기용 고망간 주조합금강 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

파쇄기용 고망간 주조합금강 및 그 제조방법{High manganese casting alloy steel for crusher and manufacturing method thereof}
본 발명은 파쇄기용 고망간 주조합금강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 에너지 자원화 시설로 유입되는 폐기물을 효율적으로 분쇄 및 파쇄하고 우수한 내구성을 갖는 파쇄기 제조를 위한 파쇄기용 고망간 주조합금강 및 그 제조방법에 대한 것이다.
최근 환경문제에 대한 관심이 증대되어 단순한 폐기물 처리가 아닌 자원 순환형 모델로써 폐기물 시장에 대한 관점이 변화되고 있다. 이에 따라 친환경적인 폐기물 처리방법이나 폐기물 처리 후 발생한 에너지를 활용하는 그린 환경 에너지에 관심이 증대되고 있으며, 대표적인 예로 폐기물 소각로를 들 수 있다.
소각로의 전처리 공정에서 중요한 요소인 분쇄기 또는 파쇄기는 소각로의 소각시간을 단축하고 소각효율 증대에 큰 역할을 수행하며, 처리되는 폐기물의 종류 및 크기에 따라 형상과 성능이 다르게 요구된다. 따라서 폐기물을 효율적으로 분쇄하며 소각로에서의 체류시간을 감소시켜 소각로의 처리량을 향상시키고, 우수한 내식성 및 내구성을 갖는 파쇄기의 소재 개발이 필요하다.
기존 파쇄기의 경우, 주강품에 Mn합금을 용접한 후 가공한 소재 또는 주조를 통한 주강품 소재를 주로 사용하고 있다. 주강품의 경우 해외 업체에 의존하여 제조단가가 높고, 주강품에 Mn합금을 용접한 후 가공한 제품의 경우 파쇄기 날을 망간용접봉으로 용접 후 가공함으로써 용접 부위를 따라 크랙이 발생하여 용접면이 이탈되는 내구성의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 파쇄 공정 중 내구성이나 내식성의 문제로 교체주기가 짧으므로, 단가가 높지만 단순한 소모품으로 취급되어오고 있다.
따라서 이를 해결하기 위해, 파쇄기 성능의 향상과 내구성을 위한 고망간 합금 소재 및 제조방법에 대한 연구와 기술개발이 필요하다.
한국공개특허 제 10-2014-0119216호(공개일: 2014. 10. 10.) 한국등록특허 제 10-1105178호(등록일: 2012. 01. 05.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 경도와 인장력 및 내마모성이 향상되어 기계적 특성이 우수한 파쇄기용 고망간 주조합금강 및 그 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 용접이나 후속 공정을 수행하지 않는 고망간 주조합금강으로 파쇄기를 제조함으로써 생산성을 높이고 제조 단가를 감소시킬 수 있는 파쇄기용 고망간 주조합금강 및 그 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 C 1.0 내지 1.5 중량%, Si 0.5 내지 1.0 중량%, Mn 18 내지 25 중량%, Cr 2.0 내지 3.0 중량%, Ni 0.3 내지 1.0 중량%, P 0.03 내지 0.05 중량%, S 0.003 중량% 이하(0중량% 초과), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 파쇄기용 고망간 주조합금강을 제공할 수 있다.
상기 파쇄기용 고망간 주조합금강은, Mn이 20 내지 22중량%인 것일 수 있다.
상기 파쇄기용 고망간 주조합금강은 오스테나이트 조직으로 결정립 평균직경이 10 내지 300㎛인 것일 수 있다.
상기 파쇄기용 고망간 주조합금강은, 결정입계를 따라 탄화물이 형성되는 것일 수 있다.
상기 탄화물은, 상기 결정입계를 따라 Fe, Mn, 또는 Cr로 이루어지는 시멘타이트(Cementite) 조직을 포함하여 형성되는 것일 수 있다.
상기 고망간 주조합금강은 ASTM 4060 시험결과 마모량이 10mg 이하일 수 있다.
또한, 상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은, C 1.0 내지 1.5 중량%, Si 0.5 내지 1.0 중량%, Mn 18 내지 25 중량%, Cr 2.0 내지 3.0 중량%, Ni 0.3 내지 1.0 중량%, P 0.03 내지 0.05 중량%, S 0.003 중량% 이하(0중량% 초과), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 고망간 주조합금강 용탕을 준비하는 단계; 상기 용탕을 몰드에 주입하는 단계; 몰드에 주입된 용탕을 냉각시키는 단계; 및 상기 냉각된 고망간 주조합금강을 균질화 처리 후 퀸칭(quenching)하여 고망간 주조합금강을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄기용 고망간 주조합금강의 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 고망간 주조합금강 용탕을 준비하는 것은, Mn이 20 내지 22중량%가 포함되도록 준비하는 것일 수 있다.
상기 고망간 주조합금강은 오스테나이트 조직으로 결정립 평균직경이 10 내지 300㎛인 것일 수 있다.
상기 파쇄기용 고망간 주조합금강은, 결정입계를 따라 탄화물이 형성되는 것일 수 있다.
상기 탄화물은, 상기 결정입계를 따라 Fe, Mn, 또는 Cr로 이루어지는 시멘타이트(Cementite) 조직을 포함하여 형성되는 것일 수 있다.
상기 용탕을 몰드에 주입하는 것은, 래들의 표면온도를 250℃ 이상 으로 유지하며 출탕의 온도를 1500℃ 내지 1550℃로 조절하여 수행하는 것일 수 있다.
상기 냉각된 고망간 주조합금강을 균질화 처리하는 것은, 오스테나이트 단상 구역인 1020℃ 내지 1080℃에서 90~150분 동안 유지하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 파쇄기용 고망간 주조합금강 및 그 제조방법은 경도와 인장력 및 내마모성이 향상되어 파쇄기 성능과 내구성을 향상시킬 수 있으며, 용접이나 후속 공정을 수행하지 않는 고망간 주조합금강으로 파쇄기를 제조함으로써 생산성을 높이고 제조 단가를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파쇄기용 고망간 주조합금강의 제조방법을 나타낸 순서도,
도 2는 본 발명의 비교예의 표면을 나타낸 광학 현미경 사진,
도 3은 본 발명의 실험예 1의 표면을 나타낸 광학 현미경 사진,
도 4는 본 발명의 실험예 2의 표면을 나타낸 광학 현미경 사진,
도 5는 본 발명의 비교예의 SEM-EDS 분석 사진,
도 6은 본 발명의 실험예 1의 SEM-EDS 분석 사진,
도 7은 본 발명의 실험예 2의 SEM-EDS 분석 사진,
도 8은 본 발명의 비교예, 실험예 1 및 실험예 2의 브리넬 경도를 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명의 비교예, 실험예 1 및 실험예 2의 인장특성을 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 비교예, 실험예 1 및 실험예 2의 내마모 특성을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파쇄기용 고망간 주조합금강의 제조방법을 나타낸 순서도, 도 2는 본 발명의 비교예의 표면을 나타낸 광학 현미경 사진, 도 3은 본 발명의 실험예 1의 표면을 나타낸 광학 현미경 사진, 도 4는 본 발명의 실험예 2의 표면을 나타낸 광학 현미경 사진, 도 5는 본 발명의 비교예의 SEM-EDS 분석 사진, 도 6은 본 발명의 실험예 1의 SEM-EDS 분석 사진, 도 7은 본 발명의 실험예 2의 SEM-EDS 분석 사진, 도 8은 본 발명의 비교예, 실험예 1 및 실험예 2의 브리넬 경도를 나타낸 그래프, 도 9는 본 발명의 비교예, 실험예 1 및 실험예 2의 인장특성을 나타낸 그래프, 도 10은 본 발명의 비교예, 실험예 1 및 실험예 2의 내마모 특성을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 파쇄기용 고망간 주조합금강은 C 1.0 내지 1.5 중량%, Si 0.5 내지 1.0 중량%, Mn 18 내지 25 중량%, Cr 2.0 내지 3.0 중량%, Ni 0.3 내지 1.0 중량%, P 0.03 내지 0.05 중량%, S 0.003 중량% 이하(0중량% 초과), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 오스테나이트 조직으로 구성되어 결정립 평균직경이 10 내지 300㎛일 수 있다. 나아가서 상기 결정립 평균직경은 도3 및 도4의 광학 현미경 사진에서 볼 수 있듯이 10 내지 200㎛일 수 있다.
C는 고망간 합금강의 안정화를 통해서 고강도를 확보하는데 유효한 성분으로 Mn 18 내지 25 중량%에 대해 1.0중량% 미만이면 경도 및 강도를 증가시키는 탄화물을 형성하는데 탄소의 농도가 너무 낮아 고강도를 확보할 수 없고 1.5 중량%를 초과하면 모재의 인성이나 내식성이 감소될 수 있으므로 1.0 내지 1.5 중량%인 것이 바람직하다. 또한, 효과적인 탈산과 인성을 부여하기 위해 Mn 18 내지 25 중량%에 대해 Si은 0.5 내지 1.0 중량%일 수 있으며, Cr은 결정립을 안정화하고 고온강도 확보를 위해 2.0 내지 3.0 중량%일 수 있다. P 및 S는 열간 가공성을 저하시키는 성분이므로 P는 0.05 중량%이하, S는 0.003 중량% 이하의 조성을 가지도록 조절해주는 것이 바람직하다.
나아가서, 상기 파쇄기용 고망간 주조합금강은, Mn이 20 내지 22중량%일 수 있다.
또한, 상기 파쇄기용 고망간 주조합금강은 도 6 및 도 7과 같이 상기 결정입계를 따라 탄화물이 형성되는 것일 수 있으며, 나아가서, 상기 탄화물은 상기 결정립의 입계를 따라 Fe, Mn, 또는 Cr로 이루어지는 시멘타이트(Cementite) 조직을 포함하여 형성될 수 있다. Mn 함량이 18 내지 25 중량%까지 증가함에 따라, 결정립의 입계(Grain Boundary)에 Fe, Mn, Cr, C 등의 원소를 기본으로 한 시멘타이트 조직이 형성될 수 있다. 상기 시멘타이트 조직은 Fe, Mn, Cr의 격자구조에 탄소가 침입형 원소를 형성한 조직으로 이러한 시멘타이트 조직 형성으로 재료의 인성은 감소될 수 있으나, 0.3 내지 1.0 중량%의 오스테나이트를 더욱 안정화시키는 원소인 Ni의 첨가로 인성을 보강시켜줄 수 있다. Ni은 기지 조직 일부에서 관찰될 수 있으며, 기지 내에 존재하여 파쇄기용 고망간 주조합금강의 고용강화 역할을 수행할 수 있다. 상기 Ni을 0.3 중량% 미만으로 첨가하는 경우에는 Ni 첨가에 따른 인성을 보강하는 효과가 미미하며, Ni을 1.0 중량% 초과하는 경우 대형주물을 제외하고는 첨가에 따른 효과가 미미하여 경제적이지 않고 Ni을 1.0 중량% 이하로 첨가하여도 점성과 인성을 달성할 수 있으므로 파쇄기용과 같이 작은 제품의 주물에는 1.0 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 파쇄기용 고망간 주조합금강은, 0.3 내지 1.0 중량%의 Ni과 18 내지 25 중량%의 Mn의 조성에 따라 오스테나이트 상을 보다 안정화시켜 결정립 입계의 크기를 조절함으로써, 브리넬 경도가 220HB 이상이 될 수 있다.
도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 파쇄기용 고망간 주조합금강의 제조방법을 설명하면, 먼저 C 1.0 내지 1.5 중량%, Si 0.5 내지 1.0 중량%, Mn 18 내지 25 중량%, Cr 2.0 내지 3.0 중량%, Ni 0.3 내지 1.0 중량%, P 0.03 내지 0.05 중량%, S 0.003 중량% 이하(0중량% 초과), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 고망간 주조합금강 용탕을 준비한다(S110).
C는 고망간 합금강의 안정화를 통해서 고강도를 확보하는데 유효한 성분으로 Mn 18 내지 25 중량%에 대해 1.0중량% 미만이면 고강도를 확보할 수 없고 1.5중량%를 초과하면 모재의 인성이나 내식성이 감소될 수 있으므로 1.0 내지 1.5 중량%인 것이 바람직하다. 또한, 효과적인 탈산과 인성을 위해 Mn 18 내지 25 중량%에 대해 Si은 0.5 내지 1.0 중량%일 수 있으며, Cr은 결정립을 안정화하고 고강도 확보를 위해 2.0 내지 3.0 중량%일 수 있다. P 및 S는 열간 가공성을 저하시키는 성분이므로 P는 0.05 중량%이하, S는 0.003 중량% 이하의 조성을 가지도록 조절해주는 것이 바람직하다. 또한, 상기에서 설명한 시멘타이트 조직으로 인한 인성 감소를 방지하기 위해 Ni은 0.3 내지 1.0 중량%의 조성으로 포함되어, 파쇄기용 고망간 주조합금강의 고용강화 역할을 수행할 수 있다. 나아가서, 상기 고망간 주조합금강 용탕을 준비하는 것은, Mn이 20 내지 22중량%가 포함되도록 준비하는 것일 수 있다.
상기 고망간 주조합금강 용탕을 준비하는 것은, 전기유도용해로를 이용하여 합금 조성에 따라 칭량되어 합금된 원소재를 다시 용해하여 준비할 수 있으며, 용탕 내에 함유될 수 있는 산소의 제거 및 양질의 용탕을 제조하기 위하여 Ca-Si 탈산제를 사용할 수 있다. 또한, 출탕 전 고망간 주조합금강 용탕의 최종 조성 분석을 수행할 수 있다.
다음으로, 상기 고망간 합금강 용탕을 몰드에 주입한다(S120). 몰드에 대한 조형은 CO2 조형으로 제조하였으며, 상기 몰드 또는 원재료에 미세하게 함유될 수 있는 수분은 용탕에서 수소로 환원되어 고망간 합금강의 표면 및 내부에 기공을 형성시킬 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 건조용 챔버(Baking Chamber)를 이용하여 상기 몰드를 건조시켜 기포 불량을 감소시킬 수 있다.
상기 용탕을 몰드에 주입하는 것은, 용탕이 담겨져 있는 래들의 표면온도를 250℃ 내지 600℃의 범위로 유지하여 용탕의 냉각 속도를 늦추어주면서 주입할 수 있으며, 이로 인해 출탕의 온도는 1500℃ 내지 1550℃로 조절되어 용탕이 몰드에 주입될 수 있다.
다음으로, 몰드에 주입된 용탕을 냉각시킨다(S130). 냉각은 12시간 이상 냉각시킬 수 있으며, 냉각 이후 주형으로부터 주물을 분리하고 표면에 부착된 모래에 대하여 탈사를 수행할 수 있다. 냉각 및 탈사를 수행함으로써 제조된 고망간 주조합금을 육안검사하여 외부 결함을 조사할 수 있다. 나아가서, 압탕부와 불순물 부분을 제거하기 위하여 가우징 절단을 수행할 수 있다.
다음으로, 고망간 주조합금의 표면에 이물질과 같은 불순물을 제거하고, 날카로운 모서리 등을 제거하기 위하여 쇼트블라스트를 수행할 수 있다(S140).
다음으로, 상기 냉각된 고망간 주조합금을 균질화 처리한다(S150). 상기 냉각된 고망간 주조합금을 균질화 처리하는 것은 고망간강의 오스테나이트 단상 구역인 1020℃ 내지 1080℃에서 90 내지 150분 동안 유지함으로써 수행되는 것일 수 있다.
마지막으로, 상기 균질화 처리된 고망간 주조합금을 퀸칭(quenching)(S160)함으로써 고망간 주조합금강을 제조한다(S170). 나아가서, 상기 균질화 처리 및 퀸칭(quenching)은 망간강의 조대화된 수지상정조직을 제거하고 탄화물을 가급적 오스테나이트 내에 용해시킨 후 담금질을 수행함으로써 고망간 합금강을 제조할 수 있다. 상기의 과정으로 제조된 파쇄기용 고망간 주조합금강은 결정립 평균직경이 10 내지 300㎛일 수 있다.
상기 파쇄기용 고망간 주조합금강은, 결정입계를 따라 탄화물이 형성되는 것일 수 있으며, 나아가서 상기 탄화물은 상기 결정입계를 따라 Fe, Mn, 또는 Cr로 이루어지는 시멘타이트(Cementite) 조직을 포함하여 형성되는 것일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 파쇄기용 고망간 주조합금강 및 그 제조방법을 하기 실험예를 통해 설명하겠는 바, 하기 실험예는 본 발명을 설명하기 위한 예시일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1
C 1.12 중량%, Si 0.62중량%, Mn 20.89중량%, Cr 2.20중량%, Ni 0.55 중량%, P 0.040중량%, S 0.001 중량%, 잔부 Fe로 고망간 합금을 설계하였다. CO2 조형으로 인장시편용 몰드 3개와 내마모 시편용 몰드 1개를 제작한 후 건조용 챔버(Baking Chamber)로 건조시켰다. 전기유도용해로를 이용하여 설계된 합금 조성에 따라 각각의 금속을 칭량한 후 용해로에 투입하여 용해하였고, 용탕 속에 함유되어 있는 산소 제거 및 양질의 용탕을 제조하기 위하여 Ca-Si 탈산제를 사용하였으며, 출탕 전, 최종 조성 분석을 수행하였다. 용해된 용탕을 몰드에 주입하기 위하여 래들을 사용하였고, 용탕의 냉각속도를 늦추기 위해 토치를 이용하여 래들 표면을 250℃ 이상으로 유지하였으며, 최종 출탕 온도는 1,500∼1,530℃로 측정되었다. 출탕 후, 주형 내에 용탕을 주입한 후 12시간 이상 충분히 냉각시켰다. 주형으로부터 합금강을 분리시킨 후, 주물 표면에 부착된 모래에 대하여 탈사를 수행하였으며, 탈사 후 시제품 육안검사 결과, 외부 결함은 발견되지 않았다. 압탕부와 불순물 부분을 제거하기 위하여 가우징 절단을 수행하였다. 시편 표면에 이물질 및 녹 등과 같은 불순물을 제거하고, 날카로운 모서리 등을 제거하기 위하여 쇼트 블라스트 공정을 수행하였으며, 1회당 약 30분 동안 수행하였다. 열처리 및 수냉은 Quenching을 수행하여, 고망간강의 오스테나이트 단상 구역인 1,050℃에서 2시간 열처리 후 수냉함으로써 고망간 주조합금강을 제조하였다.
실험예 2
C 1.22 중량%, Si 0.70중량%, Mn 22.2중량%, Cr 2.13중량%, Ni 0.54 중량%, P 0.043중량%, S 0.001 중량%, 잔부 Fe로 고망간 합금을 설계한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 과정으로 용해하고 주형에 주입하여 고망간 주조합금강을 제조하였다.
비교예
C 1.18 중량%, Si 0.60중량%, Mn 12.88중량%, Cr 2.05중량%, P 0.046중량%, S 0.004 중량%, 잔부 Fe인 JIS G 5131 규격의 SCMnH11 고망간 합금강을 비교예로 사용하였으며, 용해, 제조방법 및 열처리 방법은 동일한 과정으로 수행하였다.
시험예 1 - 결정립 크기 측정
실험예 1, 실험예 2 및 비교예에서 열처리한 시편 각각을 고속 커터(High Speed Cutter)를 이용해 절단한 후, 핫 마운팅(Hot Mounting)하여 실리콘카바이드 연마재(SiC Paper) #2000까지 연마하였다. 이후 다이아몬드 분말 연마재(Diamond Suspension) 3㎛를 이용해 관찰 영역의 연마 상을 감소시켰다. 3% 나이탈(Nital) 용액에 30∼50초간 에칭(Etching)을 수행하여 결정립 크기 측정용 시편을 제조하였으며, 광학 현미경(Optical Microscopy)을 이용하여 결정립 크기를 측정하였다.
시험예 2 - 미세조직 관찰
시험예 1의 3% 나이탈(Nital) 용액에 에칭된 시편 각각을 Pt 코팅 후, 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy; SEM)을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. SEM에 부착된 Energy Dispersive Spectrometer(EDS)를 이용하여 석출물과 개재물의 화학 조성을 측정하였다.
시험예 3 - 경도 측정
실험예 1, 실험예 2 및 비교예에서 얻은 시료를 이용하여, Brinell 경도기로 경도값을 측정하였다. 시험 하중은 3,000kgf로 하였으며, 하중 유지 시간은 15초로 하여 계측 현미경으로 직경을 측정한 후, 환산표를 참고하여 측정값을 선정하였다. 측정값은 누르개 자국의 지름을 3회 측정하여 선정하였다.
시험예 4 - 인장력 측정
실험예 1, 실험예 2 및 비교예에서 얻은 시료를 이용하여, 상온에서 수행하였다. ASTM A 370 규격과 동일한 국내 규격인 KS B 0802 시험방법에 따라 게이지 길이 50mm, 지름부 12.5mm 로 시편을 제작하였으며, 시편의 너비, 표점 길이, 평행부의 길이와 하중속도를 측정하여, 인장 특성(항복강도, 인장강도, 연신율)을 평가하였다.
시험예 5 - 내마모성 측정
실험예 1, 실험예 2 및 비교예에서 얻은 시료를 이용하여, ASTM D 4060 시험방법에 따라 CS-17 마모륜, 가압하중 1,000g, 1,000 cycles 회전 후 질량변화를 측정하였으며, Weight Loss 법(Weight Loss(mg)=전 시편무게(mg)- Abrasion 후 시편무게(mg))으로 내마모성 측정을 수행하였다.
결과 1 - 미세조직 관찰 1
도 2 내지 도 4는 비교예, 실험예 1 및 실험예 2의 광학 현미경 관찰 결과를 나타낸 것이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 비교예, 실험예 1 및 실험예 2 모두 기본 미세조직은 오스테나이트 조직인 것을 보여주고 있다. 실험예 1 및 실험예 2와 같이 Mn 함량이 증가할수록 탄화물 및 개재물로 보이는 석출 상들이 결정입계에서 관찰되었으며, Grain Boundary 크기가 작아지는 경향을 나타냈다. 또한, Ni의 소량 첨가에 따른 영향은 명확하게 광학현미경으로 관찰되지는 않았으나, 고망간강에서 Ni은 오스테나이트 상을 더욱 안정화시키고 탄화물 석출 지연과 인성을 향상시키는 역할을 하므로, Mn 함량 증가와 함께 오스테나이트 상 안정화에 기여함으로써 Grain Boundary 크기가 감소한 것으로 볼 수 있다.
결과 2 - 미세조직 관찰 2
도 5 내지 도 7은 본 발명의 비교예, 실험예 1 및 실험예 2의 SEM-EDS 분석 사진을 나타낸 것으로, 도 5 내지 도 7을 참조하면, 모두 결정립 입계(Grain Boundary)에 탄화물 및 개재물들이 관찰되었다. 비교예의 SCMnH11 은 S 원소가 다량 함유된 MnS 개재물이 관찰되었으며, 탄화물의 구성은 (Fe,Mn,Cr)으로 구성된 탄화물이 관찰되었다. 그리고, 기지조직은 (Fe,Mn,Cr,Si) 원소들을 함유하였다.
실험예 1 및 2는 결정립 입계(Grain Boundary)에 (Fe,Mn,Cr,S,Si,C) 원소를 기본으로 한 Cementite 조직이 형성되었다. 이 Cementite 조직의 조성은 탄화물과 개재물이 복합적으로 산재되어 있는 것으로 보인다. Ni 소량 첨가에 따른 탄화물 석출 지연 효과는 없었고, 탄화물 화학 조성에서 관찰되지 않았으나, 기지조직 일부에서 관찰되는 것으로 보아 기지 내에 존재하여 고망간 합금강의 고용강화 역할을 한 것으로 볼 수 있다.
결과 3 - 경도
도 8은 본 발명의 비교예, 실험예 1 및 실험예 2의 브리넬 경도를 나타낸 그래프로써, 도 8을 참조하면, 비교예 1인 SCMnH11의 경도값은 217HB, 실험예 1인 YSW01의 경도값은 229HB, 실험예 2인 YSW02의 경도값은 235HB로 측정되었으며, 실험예 1 및 실험예2의 경도값은 비교예보다 상승하였다. 이는 Ni 소량 첨가와 Mn 함량이 증가함에 따라 오스테나이트 상을 안정화시켜 결정립 입계(Grain Boundary)의 크기 감소로 인한 결과라 할 수 있다.
결과 4 - 인장력
도 9는 본 발명의 비교예, 실험예 1 및 실험예 2의 인장특성을 나타낸 그래프로써, 도 9를 참조하면, 상온에서의 인장특성은 비교예보다 실험예 1 및 2의 항복강도 및 인장강도는 증가하였으며, 연신율은 감소하는 경향이 나타났다. 항복강도, 인장강도의 증가는 Ni 소량 첨가와 Mn 함량 증가에 따른 오스테나이트 안정화로 결정립 입계 크기 감소에 기인한 것으로 볼 수 있으며, 반면, 연신율은 시멘타이트 조직 생성으로 인하여 감소된 것으로 볼 수 있다.
결과 5 - 내마모성
도 10은 본 발명의 비교예, 실험예 1 및 실험예 2의 내마모 특성을 나타낸 그래프로써, 도 10을 참조하면, 비교예 1인 SCMnH11은 11mg, 실험예 1인 YSW01은 4mg, 실험예 2인 YSW02는 3mg으로, 실험예 1 및 실험예 2에서 내마모 특성이 10mg 이하의 마모량을 보이고 있으며, 나아가서는 비교예 보다 2배 이상 향상된 5mg 이하의 마모량으로 매우 향상됨을 알 수 있다. 이는 Mn의 함량이 증가함에 따라 결정립 입계의 크기가 감소하고, 결정립 입계 크기 감소로 적층결함 에너지(Stacking Fault Energy)가 증가하여, 이에 따른 Dynamic Hall-Petch 효과로 내마모 특성이 향상된 것일 수 있다.
일반적으로 오스테나이트계 고망간강의 경우, 변형 시 쌍정 및 변형 유기 마르텐사이트 변태가 발생하는데 이들 변형 조직은 Stacking Fault Energy에 의존한다. Stacking Fault Energy는 재료 내부에 원자층의 적층 순서에 생긴 계면 에너지로 합금원소, 온도, 결정립 크기 등에 따라 달라질 수 있다. Mn 함량이 증가함에 따라 기계적 쌍정(Mechanical Twinning)의 형성에 의해 결정립 입계가 미세화되어, 오스테나이트계 고망간강의 Dynamic Hall-Petch 효과가 발생할 수 있다. Dynamic Hall-Petch 효과는 고망간강의 변형 중에 기계적 쌍정이 형성되어 전위의 이동을 방해하고 가공 경화능이 향상되는 효과로, Mn 함량이 증가할수록 결정립 입계의 크기가 작아짐에 따라 Stacking Fault Energy 증가와 이에 따른 Dynamic Hall-Petch 효과로 내마모 특성이 향상된 것이라 볼 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 파쇄기용 고망간 합금강 및 그 제조방법은 경도와 인장력 및 내마모성이 향상되어 기계적 특성이 우수하여, 파쇄기 성능과 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한 용접이나 후속 공정을 수행하지 않는 주조방식을 이용하여 고망간 합금강으로 파쇄기를 제조함으로써 생산성을 높이고 제조 단가를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. C 1.0 내지 1.5 중량%, Si 0.5 내지 1.0 중량%, Mn 18 내지 25 중량%, Cr 2.0 내지 3.0 중량%, Ni 0.3 내지 1.0 중량%, P 0.03 내지 0.05 중량%, S 0.003 중량% 이하(0중량% 초과), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 용탕을 래들의 표면온도를 250℃ 이상 으로 유지하며 출탕의 온도를 1500℃ 내지 1550℃로 조절하여 몰드에 주입하고, 오스테나이트 단상 구역인 1020℃ 내지 1080℃에서 90~150분 동안 유지하여 균질화처리를 함으로써 형성되되,
    오스테나이트 조직으로 결정립 평균직경이 10 내지 300㎛이며, ASTM D 4060 시험결과 마모량이 10mg 이하인 것을 특징으로 하는 파쇄기용 고망간 주조합금강.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 파쇄기용 고망간 주조합금강은, Mn이 20 내지 22중량%인 것을 특징으로 하는 파쇄기용 고망간 주조합금강.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 파쇄기용 고망간 주조합금강은, 결정입계를 따라 탄화물이 형성되는 것을 특징으로 하는 파쇄기용 고망간 주조합금강.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 탄화물은, 상기 결정입계를 따라 Fe, Mn, 또는 Cr로 이루어지는 시멘타이트(Cementite) 조직을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 파쇄기용 고망간 주조합금강.
  6. 삭제
  7. C 1.0 내지 1.5 중량%, Si 0.5 내지 1.0 중량%, Mn 18 내지 25 중량%, Cr 2.0 내지 3.0 중량%, Ni 0.3 내지 1.0 중량%, P 0.03 내지 0.05 중량%, S 0.003 중량% 이하(0중량% 초과), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 고망간 주조합금강 용탕을 준비하는 단계;
    상기 용탕을 몰드에 주입하되, 래들의 표면온도를 250℃ 이상 으로 유지하며 출탕의 온도를 1500℃ 내지 1550℃로 조절하여 수행하는 단계;
    몰드에 주입된 용탕을 냉각시키는 단계; 및
    상기 냉각된 고망간 주조합금강을 오스테나이트 단상 구역인 1020℃ 내지 1080℃에서 90~150분 동안 유지하여 균질화 처리 후 퀸칭하여 고망간 주조합금강을 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 고망간 주조합금강은 오스테나이트 조직으로 결정립 평균직경이 10 내지 300㎛이고, ASTM D 4060 시험결과 마모량이 10mg 이하인 것을 특징으로 하는 파쇄기용 고망간 주조합금강의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 고망간 주조합금강 용탕을 준비하는 것은, Mn이 20 내지 22중량%가 포함되도록 준비하는 것을 특징으로 하는 파쇄기용 고망간 주조합금강의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 파쇄기용 고망간 주조합금강은, 결정입계를 따라 탄화물이 형성되는 것을 특징으로 하는 파쇄기용 고망간 주조합금강의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 탄화물은, 상기 결정입계를 따라 Fe, Mn, 또는 Cr로 이루어지는 시멘타이트(Cementite) 조직을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 파쇄기용 고망간 주조합금강의 제조방법.
  12. 삭제
  13. 삭제
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