KR20040044048A - 냉열 복합소재 특수강 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소(C) 0.45 내지 0.75 중량%, 규소(Si) 0.5 내지 1.5 중량%, 망간(Mn) 0.4 내지 1.0 중량%, 텅스텐(W) 2.0 내지 4.5 중량%, 니켈(Ni) 0 내지 0.4 중량%, 크롬(Cr) 2.0 내지 4.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 2.0 내지 4.0 중량%, 코발트(Co) 1.5 내지 3.0 중량%, 바나듐(V) 0.2 내지 1.6 중량% 및 나머지 철(Fe) 그리고 기타 불가피한 불순물로 이루어지는, 냉열 복합소재로서의 특수강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 특수강은 고온, 고압, 고열충격 환경에서도 우수한 내열성, 내마모성, 내열충격성, 내식성, 내충격성 및 용접성을 나타낸다.

Description

냉열 복합소재 특수강 및 그 제조방법 {SPECIAL STEEL AS HOT-COOL COMPOSITE MATERIAL AND MANUFACTURING PROCESS THEREOF}

본 발명은 냉열 복합소재로서의 특수강, 그 용도 및 제조방법에 관한 것이다.

구체적으로 본 발명은 열간 금형 처리에 해당하는 고온 부분과 냉간 금형 처리에 해당하는 저온 부분을 동시에 가지고 있는 대상에 대해 탁월한 내열성, 내마모성, 내열충격성, 내식성, 내충격성 및 용접성을 갖는 냉열 복합소재로서의 특수강, 그 용도 및 제조방법에 관한 것이다.

보다 구체적으로, 본 발명은 용접형 파이프 제조공정에 있어서 파이프 성형 고주파 용접 부위에 사용되는 롤(roll) 소재, 무계강관의 내경을 확관시키는 다이스(dies) 금형, 철근 또는 구조용 환봉의 분할 전단 나이프 (dividing shear knife), 또는 금속 프레스형 압출 다이스 등의 소재로 사용되는 냉열 복합소재로서의 특수강, 그 용도 및 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 냉열 복합소재는 일반적으로 고온, 고압 환경이며, 열충격 정도 또한 강한 환경에서 주로 사용된다. 따라서 상기 환경에서도 우수한 내열성, 내마모성, 내열충격성, 내식성, 내충격성 및 용접성을 갖는 소재가 요구되며, 그 결과 금속 소재 중에서도 특수강이 일반적으로 사용되고 있다.

통상적으로 특수강이라 함은 탄소강에 하나 또는 둘 이상의 특수원소를 합금시켜 각각의 경우에 적합한 특수한 물성을 갖는 강을 의미한다. 이러한 합금용 특수원소에는 니켈(Ni), 크롬(Cr), 망간(Mn), 텅스텐(W), 코발트(Co), 바나듐(V), 규소(Si) 등이 있으며, 이들 원소 중 일부 또는 전부를 선택적으로 적당량 합금하면 그 본래의 성질이 향상 개선되는 동시에 미첨가 탄소강과는 다른 특수한 성질이 나타나므로 첨가 원소 및 첨가 함량을 조절함으로써 특수한 용도에 적합한 특수강을 제조할 수 있다.

즉, 특수강은 합금되는 원소에 따라 그 성질이 변화되는데 일반적인 합금용 원소의 특성을 살펴보면 니켈은 인성을 증가시키며, 내산화성, 비자성, 변태점저하 고온충격저항을 증가시키고, 크롬은 내식성, 내마모성을 증가시키며, 몰리브덴은 뜨임 성질을 방지하고, 텅스텐은 고온에 있어서 경도와 인장강도를 증가시키며, 구리는 공기 중 내산화성을 증가시키고, 규소는 전자기 특성을 가지며, 내열성이 향상되는 효과를 가져오고, 망간은 탈산소 원소의 하나로서 고용강화 효과에 유효하며, 코발트는 열간 압연성을 향상시키는 역할을 하고, 바나듐은 강한 열충격에도 견딜 수 있어 합금에 내열성 및 내식성을 부여한다. 그러나, 위와 같은 원소들의 합금량을 증가시킨다 하여 상기의 성질들이 보다 우수해지는 것은 아니며, 적당량을 합금할 때 보다 우수한 성질을 나타내게 되는 것이다.

위와 같은 원소들을 적당량 합금하여 필요한 목적에 따라 특수강을 제조하게되는데 구조용강에는 니켈-크롬강, 니켈-크롬-몰리브덴강, 크롬-몰리브덴강, 망간-크롬강이 사용되며, 침탄용 표면경화강으로는 통상적으로 저탄소강이 사용되나 보다 우수한 성능을 요구할 때에는 니켈, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐 등을 함유하는 특수강이 사용되며, 공구강으로는 고탄소강이 사용된다.

종래 사용되는 특수강에는 하기 표 1과 같은 것들이 공지되어 있다.

구분	규격기호	C	Si	Mn	Cr	Mo	W	V	용도
합금공구강	SKS11	1.2~1.3	0.35이하	0.5이하	0.2~0.5	-	3.0~4.0	0.1~0.3	바이트(bite). 냉간 인발 다이.
	SKS21	1.0~1.1	0.35이하	0.5이하	0.2~0.5	-	0.5~1.0	0.1~0.25	탭(tap). 드릴(drill). 커터(cutter). 트리밍 다이.
	SKS42	0.75~0.85	0.35이하	0.5이하	0.25~0.5	-	1.5~2.5	0.15~0.3	끌. 펀치. 나이프(knife).
	SKS7	1.1~1.2	0.35이하	0.5이하	0.2~0.5	-	2.0~2.5	-	둥근 톱.
	SKD2	1.8~2.2	0.4이하	0.6이하	12~15	-	2.5~3.5	-	신선 다이. 트리밍 다이.
	SKD4	0.25~0.35	0.4이하	0.6이하	2~3	-	5~6	0.3~0.9	프레스 다이. 다이케스팅 다이. 압출 다이스.
	SKD11	1.4~1.6	0.4이하	0.6이하	11~13	0.8~1.2	-	0.2~0.5	게이지. 트리딩다이. 나사주조다이
	SKD62	0.32~0.42	0.8~1.2	0.5이하	4.5~5.5	1.0~1.5	1.0~1.5	0.2~0.6	프레스형 압출 다이스.
	SKD61	0.32~0.42	0.8~1.2	0.5이하	4.5~5.5	1.0~1.5	-	0.8~1.2	다이케스팅 다이. 압출 다이스.
① SKS11, SKS21, SKS7 : 합금 공구강으로 절삭 공구강임.② SKS42 : 합금 공구강으로 내충격 공구강임.③ SKD2, SKD11 : 합금 공구강으로 냉간 금형용 소재임.④ SKD4, SKD62, SKD61 : 합금 공구강으로 열간 금형용 소재임.

본 발명은 위와 같은 특수강 가운데에서도 특히 파이프, 철근 또는 구조용 환봉 등의 제조기구용 냉열 복합소재에 관한 것이다.

파이프, 그 중에서도 특히 용접형 강관은 포밍 롤 (forming roll)에 의해 둥글게 말린 철판의 틈을 고주파 유도전류에 의해 용접함으로써 제조된다. 이 때 용접부위는 상기 고주파 유도전류에 의해 극히 고온으로 가열되며, 이는 용접부위를 유도하는 스키브 (schweib) 상부 롤 및 스키브 하부 롤의 원주면을 함께 가열시킨다. 따라서 롤의 사용수명 연장을 위해 용접된 부위를 냉각수 처리하는 것이 일반적이다.

상기 롤의 소재로서 종래 냉간 금형 소재인 SKD11종이 사용되었으나, 상기 소재의 내압, 내마모성에도 불구하고 롤 자체가 균열·파손되는 문제가 있었다.

한편 열간 금형 소재인 SKD61종을 사용하여 제조된 롤은 SKD11종과 같은 균열·파손 문제는 없으나, 고주파 유도전류에 의해 가열된 결과 냉각수 처리를 한다 하더라도 롤의 작업부위, 즉 원주 부분이 연화되어 마모 속도가 높은 문제점을 지닌다.

그리고 고가의 열간 금형 소재인 SKD62종이 일부 사용되고 있으나, 내마모성의 향상 정도는 그다지 높지 않은 실정이다.

한편 무계(목)강관 (seamless pipe)은 컨테이너 박스 (container box) 속에 1200 ℃로 가열된 무계(목)강관 소재를 넣고 상기 소재의 축을 따라 나 있는 원통형 공간에 내경 확관용 기구로서 다이스 (dies)의 일종인 노즈 (nose)를 순간적으로 통과시킴으로써 상기 무계(목)강관 소재를 압출시켜 제조된다.

이 경우 상기 노즈는 무계(목)강관 소재의 고열 및 통과시 고압에 의한 마찰열 때문에 그 변태점 이상인 700 내지 800 ℃까지 가열된다. 그 결과 표면의 연화가 발생하여 노즈의 가장자리가 마모되고 이로 인해 무계(목)강관 내부에 스크래치 (scratch)가 발생한다.

이는 압출시 고온, 고압에 의해 노즈 표면의 온도가 변태점 이상으로 상승하는 결과 상온에서의 마르텐사이트 (martensite) 조직이 오스테나이트 (austenite) 조직으로 변함에 따라 경도가 급격히 하락한 결과이다.

뿐만 아니라 압출시 노즈의 순간적인 가열로 인해 외경은 열팽창하고 내부는 아직 열이 전도되지 않아 노즈 표면에 균열 (crack)이 발생하는 경우도 있다.

한편, 압출할 때 무계(목)강관 소재와 노즈가 고온, 고압 때문에 소착(열로 인하여 금속이 서로 접착하는 현상)되는 것을 막기 위해 유리 소재의 윤활제를 사용하는 것이 일반적이다. 그런데 압출 후 윤활제의 제거 및 노즈 표면 경도의 재상승을 위해 고압 살수장치로 노즈 표면을 수냉시키게 되는데 이 경우 노즈 표면은 높은 열충격 환경에 노출되어 균열이 발생할 수 있다.

때문에 종래 열간 금형 소재인 SKD61종으로 제작된 노즈는 무계(목)강관 소재가 일반 탄소 구조강인 경우 10 회 정도, 그리고 무계(목)강관 소재가 SUS 계열의 스테인레스강인 경우 1 회 내지 5 회 정도 밖에 사용할 수 없었다.

그리고, 철근 또는 구조용 환봉은 종래 열간 압연 상태로 사용했으나, 압연 소재를 가열로에서 장시간 유지하면 금속 내부 조직의 하나인 펄라이트 (pearlite)가 팽창하여 조직의 경계선인 결정 입계가 커짐에 따라 연신율 및 인장강도가 저하하는 문제가 있었다. 따라서 최근에는 상기 소재를 열간 압연한 후 제품 완성 단계에서 냉각수를 뿌림으로써 제품 표면을 급냉시켜 기계적 성질을 향상시키는 소둔노멀라이징 (normalizing) 공법이 채용되고 있다.

그런데 이 경우 열간 압연에 의해 850 내지 900 ℃ 정도로 가열된 소재를 냉각수에 의해 급냉시키면 표면은 400 내지 450 ℃ 정도로 온도가 내려가지만 내부 온도는 700 내지 800 ℃ 정도로 여전히 고온 상태에 있다. 따라서 이를 일정한 길이로 연속해서 자르는 분할 전단 나이프 소재로서 종래 사용되던 열간 금형 소재인 SKD61종을 사용하면 마모 속도가 너무 높아 나이프 교체로 인한 생산성이 급격히 저하되고, 같은 열간 금형 소재인 SKD62종 역시 마모 속도의 개선 정도가 미미하다. 뿐만 아니라 냉간 금형 소재인 SKD11종의 사용시에는 나이프의 균열 및 파손으로 인해 안전사고의 위험이 있을 뿐만 아니라 생산 자체가 불가능하여 철강 업계의 개선 요구가 극히 큰 실정이다.

이상과 같이, 상기 분야와 같은 고온, 고압, 고열충격 환경에서는 종래의 어떠한 특수강도, 요구되는 수준의 내열성, 내마모성, 내열충격성, 내식성, 내충격성 및 용접성을 구비하고 있지 못하다. 이 때문에 종래의 특수강을 사용할 때에는 제조기구의 마모가 심하여 수시로 교체하여야 하며, 이를 재가공해야 하는 바 이로 인한 생산능률의 저하가 초래되었다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로서 고온, 고압, 고열충격 환경 하에서 열간 금형 처리에 해당하는 고온 부분과 냉간 금형 처리에 해당하는 저온 부분을 동시에 가지고 있는 대상에 대해, 종래 열간 금형 소재 또는 냉간 금형 소재에 비해 탁월한 내열성, 내마모성, 내열충격성, 내식성, 내충격성 및 용접성을 갖는 냉열 복합소재를 제공하는 데 그 목적이 있다.

구체적으로 본 발명의 목적은 파이프, 철근 또는 구조용 환봉 등의 제조기구 소재로 사용되며, 고온, 고압, 고열충격 환경 속에서 우수한 내열성, 내마모성, 내열충격성, 내식성, 내충격성 및 용접성을 유지하는 냉열 복합소재로서의 특수강의 제공에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 특히 용접형 파이프 제조공정에 있어서 파이프 성형 고주파 용접 부위에 사용되는 롤 소재로서의 특수강의 제공에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 특히 무계강관의 내경을 확관시키는 다이스 금형 소재로서의 특수강의 제공에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 특히 철근 또는 구조용 환봉의 분할 전단 나이프 소재로서의 특수강의 제공에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 특히 금속 프레스형 압출 다이스 소재로서의 특수강의 제공에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 특수강의 제조방법의 제공에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 제조방법에 의해 제조된 특수강의 제공에 있다.

상기 목적의 달성을 위해 본 발명자는 첨가 원소 및 그 함량을 조절하며 반복 실험한 결과 예기치 않게 종래 특수강에서는 도달할 수 없었던 초내열성, 초내식성, 초내열충격성, 초내마모성, 초내충격성 및 양호한 용접성을 가진 냉열 복합소재로서의 특수강을 발명하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 파이프 등의 제조기구용 냉열 복합소재로서의 특수강은 탄소(C) 0.45 내지 0.75 중량%, 규소(Si) 0.5 내지 1.5 중량%, 망간(Mn) 0.4 내지 1.0 중량%, 텅스텐(W) 2.0 내지 4.5 중량%, 니켈(Ni) 0 내지 0.4 중량%, 크롬(Cr) 2.0 내지 4.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 2.0 내지 4.0 중량%, 코발트(Co) 0.5 내지 3.0 중량%, 바나듐(V) 0.2 내지 1.6 중량% 및 나머지 철(Fe) 그리고 기타 불가피한 불순물로 조성됨에 그 기술적 특징이 있다.

상기 구성원소 중, 탄소의 함량은 0.60 내지 0.75 중량%인 것이 보다 바람직하고, 텅스텐의 함량은 2.0 내지 4.0 중량%인 것이 보다 바람직하며, 니켈의 함량은 0.1 내지 0.4 중량%인 것이 보다 바람직하고, 몰리브덴의 함량은 2.5 내지 3.5 중량%인 것이 보다 바람직하며, 코발트의 함량은 0.5 내지 2.0 중량%인 것이 보다 바람직하고, 또는 바나듐의 함량은 0.2 내지 1.0 중량%인 것이 보다 바람직하다.

또한 상기 특수강은 용접형 파이프 제조공정에 있어서 파이프 성형 고주파 용접부위에 사용되는 롤(roll) 소재로서 사용되거나, 무계강관의 내경을 확관시키는 다이스(dies) 금형 소재로서 사용되거나, 철근 또는 구조용 환봉의 분할 전단 나이프 소재로서 사용되거나, 기타 금속 프레스형 압출 다이스 소재 등으로서 사용될 수도 있다.

또한 본 발명은 상기 냉열 복합소재로서의 특수강의 제조방법으로서 하기 단계로 이루어진 방법을 제공한다:

합금철 등의 소재를 선별·검량하여 온도 1700 내지 2000 ℃에서 용해함;

주물사 배합 후 조형된 형틀에 상기 용해물을 주입시킴;

이를 냉각한 후 탈사 및 사붕괴 과정을 행함;

이를 연화소둔 처리한 후 기계가공을 행함;

이를 열처리한 후 정삭가공을 행함.

본 발명의 제조방법은 특히 본용해 과정 전에 용융점이 타 원소에 비해 현저히 높은 원소들을 포함한 모합금을 예비용해 제작할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조되는 파이프, 철근 또는 구조용 환봉 등의 제조기구용 특수강을 제공한다.

우선, 상기 설명한 구성원소가 본 발명이 의도하는 극한 환경에서 우수한 내열성, 내마모성, 내열충격성, 내식성, 내충격성 및 용접성을 갖는 이유를 설명하면 다음과 같다.

먼저 본원 합금의 구성성분 중 탄소와 텅스텐이 화합하여 텅스텐의 탄화물을 만들고, 별도로 탄소와 크롬 및/또는 텅스텐이 화합하여 크롬의 탄화물 및 크롬-텅스텐의 탄화물이 형성되며 이로 인해 본원 합금의 경도가 상승하게 된다. 나아가, 이러한 탄화물은 열분해가 쉽게 이루어지지 않아 내마모성이 증가하게 된다.

뿐만 아니라, 크롬 및 몰리브덴의 내열성과 니켈의 내식성은 고온 속에서 본원 합금의 침식 또는 열로 인한 산화를 방지함에 따라, 생산하고자 하는 최종제품의 정밀도를 현저하게 상승시킨다.

그리고, 니켈과 바나듐은 순간적인 열충격에 대한 내성이 강하므로, 상기 원소들은 고온, 고압 및 열충격 정도 또한 강한 환경 속에서 우수한 내마모성을 합금에 부여할 수 있다. 여기서 열충격이란 급속 가열 또는 급속 냉각시 합금의 열팽창 또는 냉각 수축으로 인하여 발생하는 금형의 균열을 가리키며, 본원 합금은 상기 니켈 및 바나듐의 첨가로 인해 순간적인 열충격에 대해서 우수한 내성을 가지게 되는 것이다.

한편, 상기 본 발명의 파이프 등의 제조기구용 냉열 복합소재로서의 특수강을 구성하는 각 성분원소의 첨가 이유와 수치한정 이유를 구체적으로 밝히면 다음과 같다.

먼저 탄소는 침입형 고용원소로서, 특수강의 집합조직 형성에 매우 큰 영향을 미친다. 그러나, 그 함량이 0.45 중량% 미만인 경우에는 목적하는 내마모성을 얻을 수 없으며, 0.75 중량%를 초과하는 경우에는 탄화물 생성을 위한 크롬 및 텅스텐의 함량이 상대적으로 높아져 경도와 내마모성은 증가하나 충격에 약하여 순간적인 급열·급냉에 의해 균열 및 파손되기 쉽다. 특히 본 발명의 내마모성, 내충격성 및 용접성을 위해 0.60 내지 0.75 중량%가 더욱 바람직하다.

강 중 규소는 전자기 특성을 가진 탈산소 원소 중의 하나이며 열팽창 계수와 강도에 영향을 미친다. 규소의 함량이 0.5 중량% 미만의 경우에는 탈산이 부족하여 타 원소의 화학반응에 문제가 있으며, 1.5 중량% 초과시 규소 성분의 과다로 인하여 인성이 저하되며 고온에서의 열팽창 계수가 과도하게 증가되고 제 물성이 현저하게 저하된다.

강 중 망간은 탈산소 원소 중의 하나이며 펄라이트 조직 강화 효과에 유용하고 탈산성 및 열간 가공성 확보를 위해 첨가한다. 그러나 그 함량이 0.4 중량% 미만에서는 목적하는 강도를 확보할 수 없을 뿐만 아니라, 소정의 탈산 효과를 얻을 수 없거나 열간 가공성도 떨어진다. 그리고 망간 함량이 1.0 중량%를 초과하는 경우에는 목적하는 강도는 확보되나 연신율이 급격히 감소하고 표면 물성이 떨어진다.

강 중 텅스텐은 일반적으로 고온에 있어서 경도와 인장강도를 증가시키며, 본 발명에서는 앞서 언급한 바와 같이 단독으로 또는 크롬과 함께 탄소에 의해 탄화되어 탄화물을 형성하며 이 탄화물에 의해 합금의 경도를 상승시킨다. 나아가, 상기 텅스텐의 탄화물 자체는 열분해가 쉽게 이루어지지 않으므로 합금의 내마모성을 현저히 상승시킨다. 그러나, 텅스텐의 함량이 2.0 중량% 미만의 경우에는 목적하는 초내마모성을 확보할 수 없고, 함량이 4.5 중량%를 초과하는 경우에는 텅스텐의 용융점이 높아 조직의 편석현상이 발생하여 급열·급냉으로 인한 균열이 일어난다. 특히, 본 발명의 제 물성 확보를 위해서는 2.0 내지 4.0 중량%가 보다 바람직하다.

강 중 니켈은 일반적으로 인성, 내산화성, 비자성, 변태점저하 고온충격저항을 증가시키며, 특히 합금에 내식성 및 내열충격성을 부여한다. 그러나, 그 함량이 0.4 중량%를 초과하는 경우 변태점 저하를 일으켜 필요한 물성을 확보할 수 없으며, 특히 목적하는 경도의 달성이 어렵다. 그리고, 본 발명의 목적 중 분할 전단 나이프를 제외한 타 목적에 있어서 니켈 함량이 0.1 중량% 미만의 경우 크랙 발생 빈도가 증가할 수 있다.

강 중 크롬은 일반적으로 합금의 강화 및 내식성, 내마모성을 증가시키기 위해 첨가하는 원소로서, 본 발명에서는 특히 텅스텐과 함께 탄화물을 형성하여 합금의 경도를 상승시키며 상기 탄화물은 열분해가 쉽게 이루어지지 않으므로 고온에서도 목적하는 내마모성을 유지할 수 있다. 나아가, 크롬의 내열성은 고온 속에서 본 소재의 침식 또는 열로 인한 산화를 막아주므로 생산하고자 하는 최종제품의 정밀도를 향상시켜 준다. 그러나, 그 함량이 2.0 중량% 미만에서는 이상과 같은 제 물성을 확보할 수 없으며, 4.0 중량% 초과시 합금의 요구 물성이 현저히 감소한다.

강 중 몰리브덴은 일반적으로 뜨임 성질을 방지하며, 합금에 강화 효과를 부여한다. 본 발명에서는 특히 크롬과 마찬가지로 내열성을 합금에 부여하여 고온 속에서 본 소재의 침식 또는 열 산화를 억제함으로써 제품의 정밀도를 향상시키는 역할을 한다. 그러나, 그 함량이 2.0 중량% 미만에서는 목적하는 내열성, 내마모성을 확보할 수 없으며, 반대로 4.0 중량% 초과의 경우 가공성이 악화되고, 선팽창 계수가 지나치게 상승한다. 본 발명의 제 물성 확보를 위해서는 2.5 내지 3.5 중량%가 특히 바람직하다.

강 중 코발트는 열간 압연성을 향상시키고, 내열성, 내식성 및 내충격성을 향상시키는 역할을 하는 것으로, 그 함량이 0.5 중량% 미만에서는 상기 압연성의 향상 효과가 미미하며, 코발트 자체의 가격이 매우 높으므로 3.0 중량% 초과에서는 합금의 제조원가를 필요 이상으로 상승시키게 된다. 본 발명의 제 물성 확보를 위해서는 0.5 내지 2.0 중량%가 더욱 바람직하다.

강 중 바나듐은 내열충격성 부여를 위해 합금에 첨가되는 원소로서 급속 가열 및 급속 냉각에 있어서도 소재의 균열을 방지한다. 그러나, 0.2 중량% 미만에서는 충분한 내열충격성을 확보할 수 없으며, 1.6 중량% 초과에서는 물성 개선 효과가 미미하다. 본 발명의 제 물성 확보를 위해서는 0.2 내지 1.0 중량% 함유하는 것이 더욱 바람직하다.

이상과 같은 원소들을 함유한 본 발명의 특수강은 고온, 고압의 가혹한 환경에서도 우수한 내열성, 내식성, 내열충격성을 가지며 특히 내마모성, 내충격성 및 용접성이 우수하여, 파이프 등의 제조기구 소재로서 탁월한 성능을 발휘한다.

특히 본 발명의 냉열 복합소재로서의 특수강은 용접형 파이프의 제조에 있어서 파이프 성형 고주파 용접부위에 사용되는 롤, 고열, 고압, 급열, 급냉의 최악의 조건 속에서 사용되는 무계강관의 내경을 확관시키는 다이스 금형, 철근이나 구조용 환봉의 분할 전단 나이프 또는 기타 금속 프레스형 압출 다이스의 소재로서 적합하다.

상기 파이프, 철근 또는 구조용 환봉 등의 제조기구용 냉열 복합소재로서의 특수강 제조방법은 다음과 같은 단계로 이루어진다:

합금철 등의 소재를 선별·검량하여 온도 1700 내지 2000 ℃에서 용해함;

주물사 배합 후 조형된 형틀에 상기 용해물을 주입시킴;

이를 냉각한 후 탈사 및 사붕괴 과정을 행함;

이를 연화소둔 처리한 후 기계가공을 행함;

이를 열처리한 후 정삭가공을 행함.

본 발명의 제조방법은 특히 본용해 과정 전에 용융점이 타 원소에 비해 현저히 높은 원소들을 포함한 모합금을 예비용해 제작할 수 있다.

일반적으로 특수강 제조시 용해 과정은 필요 원소를 모두 용해시킬 수 있는 고온까지 가열하여 각 원소를 용융시키는 단일 용해 과정을 채택하고 있으나, 텅스텐 (용융점 : 3410 ± 20 ℃) 및 몰리브덴 (용융점 : 2622 ± 10 ℃)은 타 원소에 비해 용융점이 현저하게 높아 가열비용이 필요 이상으로 상승할 뿐만 아니라, 용해시 용융점 및 비산점이 다르고 산화성이 높아져 편석현상이 발생하는 등 최종제품의 원하는 물성을 얻기가 어렵다.

따라서 본 발명은 각 필요 원소와 철을 예비용해시켜 모합금을 만드는 과정을 포함한 2중 용해 과정을 채택할 수 있으며, 필요 원소 중 특히 용융점이 높은 텅스텐과 몰리브덴의 경우 모합금을 사용한 제조방법이 특히 효율적이다.

본 발명의 제조방법 중 모합금 제조 과정을 포함한 제조방법은 다음과 같다:

필요 원소를 선별하여 온도 1700 내지 2000 ℃에서 용해함;

상기 용해물을 잉곳 (ingot) 케이스에 주입시킴;

이를 냉각시킨 후 케이스를 조개(造開)하여 모합금을 수득함;

합금철 및 모합금을 선별·검량하여 온도 1700 내지 2000 ℃에서 용해함;

주물사 배합 후 조형된 형틀에 상기 용해물을 주입시킴;

이를 냉각한 후 탈사 및 사붕괴 과정을 행함;

이를 연화소둔 처리한 후 기계가공을 행함;

이를 열처리한 후 정삭가공을 행함.

본 발명의 제조방법 중 열처리는 진공 열처리하는 것이 바람직하다.

이상의 단계에 의해 제조된 냉열 복합소재로서의 특수강으로 제작된 파이프,철근 또는 구조용 환봉 등의 제조기구는 탄소, 텅스텐 및 크롬이 내마모성을 가지며, 크롬, 몰리브덴, 코발트가 내열성이므로 고압, 고열이 닿아 순간적으로 열을 받는 경우 경화층이 연화되어 마모되는 것을 방지하고, 열충격과 고온 및 고압에 의한 마모 및 균열에 강한 소재로서 파이프, 철근 또는 구조용 환봉 등의 제조기구용 소재로서 적합하다.

본 발명의 실시예는 다음과 같다.

실시예 1

분말상 철-텅스텐 (텅스텐 함량 : 60 중량%) 20 kg, 분말상 철-몰리브덴 (몰리브덴 함량 : 60 중량%) 20 kg 및 고철 60 kg을 1800 ℃에서 용해시키고 이를 잉곳 케이스에 주입하여 냉각시킨 후 케이스를 조개하여 텅스텐 및 몰리브덴과 철의 혼합 모합금을 제조했다.

실시예 2

하기 표 2의 조성으로 합금철 및 모합금을 선별·검량한 후 온도 1800 ℃에서 용해하고, 이를 별도로 주물사 배합 후 조형된 형틀에 주입했다. 이를 냉각한 후 탈사 및 사붕괴 과정을 행하고, 2.5 ℃/분의 가열속도로 900 ℃까지 가열한 후 이를 동 온도에서 2 시간 유지 (제품 두께 30 mm 기준. 제품 두께 25 mm 증가시 상기 유지시간이 1 시간씩 증가함)시키고, 다시 0.83 ℃/분의 냉각속도로 650 ℃까지 냉각시킨 후, 동 온도에서 1 시간 유지시킨 후, 1.5 일에 걸쳐 열처리로 내에서 노냉시켜 연화소둔 처리하였다. 이를 기계가공한 후 진공 하에서 850 ℃로 100 분, 1030 ℃로 80 분 간 담금질 (quenching)한 후, 560 ℃에서 3 회 템퍼링(tempering)하여 진공 열처리를 수행하였다. 이를 공차 요구에 맞게 정삭가공을 행하여 최종제품인 용접형 파이프 제조용 롤을 수득하였다.

실시예 3 내지 8

실시예 2를 반복하되, 각 실시예의 특수강의 조성은 하기 표 2에 기재된 바와 같이 조정했다.

비교예 1 내지 10

실시예 2를 반복하되, 각 비교예의 특수강의 조성은 하기 표 2에 기재된 바와 같이 조정했다. 본 비교예 중 비교예 10은 종래 열간 금형 소재인 SKD62종을 사용했다.

실시예 9 내지 15

실시예 2를 반복하되, 각 실시예의 특수강의 조성은 하기 표 2에 기재된 바와 같이 조정하고, 템퍼링 온도는 630 ℃로 하여 최종제품인 무계(목)강관 제조용 다이스 금형 (노즈)을 수득하였다.

비교예 11 내지 20

실시예 2를 반복하되, 각 비교예의 특수강의 조성은 하기 표 2에 기재된 바와 같이 조정하고, 템퍼링 온도는 630 ℃로 하여 최종제품인 무계(목)강관 제조용 다이스 금형 (노즈)을 수득하였다. 본 비교예 중 비교예 20은 종래 열간 금형 소재인 SKD61종을 사용했다.

실시예 16 내지 23

실시예 2를 반복하되, 각 실시예의 특수강의 조성은 하기 표 2에 기재된 바와 같이 조정하고, 템퍼링 온도는 630 ℃로 하여 최종제품인 철근 또는 구조용 환봉 제조용 분할 전단 나이프를 수득하였다.

비교예 21 내지 30

실시예 2를 반복하되, 각 비교예의 특수강의 조성은 하기 표 2에 기재된 바와 같이 조정하고, 템퍼링 온도는 630 ℃로 하여 최종제품인 철근 또는 구조용 환봉 제조용 분할 전단 나이프를 수득하였다. 본 비교예 중 비교예 29는 종래 열간 금형 소재인 SKD61종을 사용했으며, 비교예 30은 종래 냉간 금형 소재인 SKD11종을 사용했다.

No.	C	Si	Mn	W	Ni	Cr	Mo	Co	V
실시예 2,9,16	0.70	1.2	0.8	3.0	0.3	3.0	3.3	1.0	0.8
실시예 3,10,17	0.50	1.2	0.8	3.0	0.3	3.0	3.3	1.0	0.8
실시예 4,11,18	0.70	1.2	0.8	4.5	0.3	3.0	3.3	1.0	0.8
실시예 5,12,20	0.70	1.2	0.8	3.0	0.3	3.0	2.0	1.0	0.8
실시예 6,13,21	0.70	1.2	0.8	3.0	0.3	3.0	4.0	1.0	0.8
실시예 7,14,22	0.70	1.2	0.8	3.0	0.3	3.0	3.3	3.0	0.8
실시예 8,15,23	0.70	1.2	0.8	3.0	0.3	3.0	3.3	1.0	1.6
실시예 19	0.70	1.2	0.8	3.0	0	3.0	3.3	1.0	0.8
비교예 1,11,21	0.40	1.2	0.8	3.0	0.3	3.0	3.3	1.0	0.8
비교예 2,12,22	0.70	0.2	0.8	3.0	0.3	3.0	3.3	1.0	0.8
비교예 3,13,23	0.70	1.2	0.1	3.0	0.3	3.0	3.3	1.0	0.8
비교예 4,14,24	0.70	1.2	0.8	1.0	0.3	3.0	3.3	1.0	0.8
비교예 5,15	0.70	1.2	0.8	3.0	0	3.0	3.3	1.0	0.8
비교예 6,16,25	0.70	1.2	0.8	3.0	0.3	1.0	3.3	1.0	0.8
비교예 7,17,26	0.70	1.2	0.8	3.0	0.3	3.0	1.0	1.0	0.8
비교예 8,18,27	0.70	1.2	0.8	3.0	0.3	3.0	3.3	0.2	0.8
비교예 9,19,28	0.70	1.2	0.8	3.0	0.3	3.0	3.3	1.0	0.1
비교예 10	0.32~0.42	0.8~1.2	0.5이하	1.0~1.5	-	4.5~5.5	1.0~1.5	-	0.2~0.6
비교예 20,29	0.32~0.42	0.8~1.2	0.5이하	-	-	4.5~5.5	1.0~1.5	-	0.8~1.2
비교예 30	1.4~1.6	0.4이하	0.6이하	-	-	11~13	0.8~1.2	-	0.2~0.5

시험예 1

실시예 2 내지 8 및 비교예 1 내지 10의 각 롤을 사용하여 실제 용접형 파이프를 제조한 결과를 하기 표 3에 나타냈다. 표 3에서 보정톤수란 롤 한 세트를 사용하여 제조된 용접형 파이프 (50) 정상 제품의 톤수를 가리킨다.

No.	보정톤수
실시예 2	1450
실시예 3	1020
실시예 4	1100
실시예 5	1050
실시예 6	1230
실시예 7	1150
실시예 8	1180
비교예 1	220
비교예 2	450
비교예 3	430
비교예 4	480
비교예 5	310
비교예 6	570
비교예 7	260
비교예 8	490
비교예 9	230
비교예 10	200

시험예 2

실시예 9 내지 15 및 비교예 11 내지 20의 각 노즈를 사용하여 실제 무계(목)강관을 제조한 결과를 하기 표 4에 나타냈다. 표 4의 각 수치는 노즈 하나를 사용하여 제조된 무계(목)강관 정상 제품의 갯수를 가리키며, 무계(목)강관 소재는 일반 구조용강인 탄소강 및 스테인레스강인 SUS 계열에 대해 각각 시험하였다.

No.	탄소강	SUS
실시예 9	73	38
실시예 10	51	30
실시예 11	57	34
실시예 12	52	31
실시예 13	59	35
실시예 14	53	31
실시예 15	57	33
비교예 11	12	3
비교예 12	23	5
비교예 13	22	5
비교예 14	24	5
비교예 15	16	4
비교예 16	23	6
비교예 17	13	4
비교예 18	20	6
비교예 19	11	3
비교예 20	10	3

시험예 3

실시예 16 내지 23 및 비교예 21 내지 30의 각 나이프를 사용하여 실제 철근을 제조한 결과를 하기 표 5에 나타냈다. 표 5에서 보정톤수란 나이프 하나를 사용하여 제조된 철근 (15) 정상 제품의 톤수를 가리킨다.

No.	보정톤수
실시예 16	1220
실시예 17	930
실시예 18	980
실시예 19	1060
실시예 20	930
실시예 21	1010
실시예 22	950
실시예 23	970
비교예 21	310
비교예 22	580
비교예 23	510
비교예 24	540
비교예 25	580
비교예 26	320
비교예 27	570
비교예 28	320
비교예 29	300
비교예 30	45 (균열 발생)

상기 표 3 내지 표 5로부터 본 발명의 특수강은 종래 열간 금형 소재인 SKD61종 및 SKD62종과 냉간 금형 소재인 SKD11종에 비해 현저한 내열성, 내마모성, 내열충격성, 내식성, 내충격성 및 용접성을 보임을 확인할 수 있다.

이는 종래 특수강이 열간 금형 환경 또는 냉간 금형 환경 중 어느 한 용도로만 사용되는 것을 목적하였으므로, 열간 금형 부위와 냉간 금형 부위 모두를 포함하는 용도에 대해서는 제 물성이 현저히 떨어지는 것에 기인한다.

이에 비해 본 발명자는 오랜 반복 실험 결과 열간 금형 부위와 냉간 금형 부위 모두를 포함하는 특수한 용도에 대해 탁월한 효과를 가지는 냉열 복합소재로서의 특수강을 제공하기에 이른 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명의 냉열 복합소재로서의 특수강은 첨가 원소의 종류 및 그 함량을 적의 선택함으로써 고온, 고압, 고열충격 환경에서도 높은 내열성, 내마모성, 내열충격성, 내식성, 내충격성 및 용접성을 나타낼 수 있으며, 따라서 본 발명은 파이프, 철근 또는 구조용 환봉 등의 제조기구용으로서 특히 적합한 소재를 제공할 수 있다.

Claims (16)

1. 탄소(C) 0.45 내지 0.75 중량%, 규소(Si) 0.5 내지 1.5 중량%, 망간(Mn) 0.4 내지 1.0 중량%, 텅스텐(W) 2.0 내지 4.5 중량%, 니켈(Ni) 0 내지 0.4 중량%, 크롬(Cr) 2.0 내지 4.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 2.0 내지 4.0 중량%, 코발트(Co) 0.5 내지 3.0 중량%, 바나듐(V) 0.2 내지 1.6 중량% 및 나머지 철(Fe) 그리고 기타 불가피한 불순물로 이루어지는, 냉열 복합소재로서의 특수강.
2. 제 1 항에 있어서, 탄소의 함량이 0.60 내지 0.75 중량%인 냉열 복합소재로서의 특수강.
3. 제 1 항에 있어서, 텅스텐의 함량이 2.0 내지 4.0 중량%인 냉열 복합소재로서의 특수강.
4. 제 1 항에 있어서, 니켈의 함량이 0.1 내지 0.4 중량%인 냉열 복합소재로서의 특수강.
5. 제 1 항에 있어서, 몰리브덴의 함량이 2.5 내지 3.5 중량%인 냉열 복합소재로서의 특수강.
6. 제 1 항에 있어서, 코발트의 함량이 0.5 내지 2.0 중량%인 냉열 복합소재로서의 특수강.
7. 제 1 항에 있어서, 바나듐의 함량이 0.2 내지 1.0 중량%인 냉열 복합소재로서의 특수강.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 특수강이 파이프, 철근 또는 구조용 환봉 등의 제조기구용 소재로서 사용되는 것을 특징으로 하는 냉열 복합소재로서의 특수강.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 특수강이 용접형 파이프 제조공정에 있어서 파이프 성형 고주파 용접부위에 사용되는 롤(roll) 소재로서 사용되는 것을 특징으로 하는 냉열 복합소재로서의 특수강.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 특수강이 무계강관의 내경을 확관시키는 다이스(dies) 금형 소재로서 사용되는 것을 특징으로 하는 냉열 복합소재로서의 특수강.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 특수강이 철근 또는 구조용 환봉의 분할 전단 나이프 (dividing shear knife) 소재로서 사용되는 것을 특징으로 하는 냉열 복합소재로서의 특수강.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 특수강이 금속 프레스형 압출 다이스 소재로서 사용되는 것을 특징으로 하는 냉열 복합소재로서의 특수강.
13. 합금철 등의 소재를 선별·검량하여 온도 1700 내지 2000 ℃에서 용해함;

    주물사 배합 후 조형된 형틀에 상기 용해물을 주입시킴;

    이를 냉각한 후 탈사 및 사붕괴 과정을 행함;

    이를 연화소둔 처리한 후 기계가공을 행함;

    이를 열처리한 후 정삭가공을 행함,

    의 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 냉열 복합소재로서의 특수강의 제조방법.
14. 필요 원소를 선별하여 온도 1700 내지 2000 ℃에서 용해함;

    상기 용해물을 잉곳 (ingot) 케이스에 주입시킴;

    이를 냉각시킨 후 케이스를 조개(造開)하여 모합금을 수득함;

    합금철 및 모합금을 선별·검량하여 온도 1700 내지 2000 ℃에서 용해함;

    주물사 배합 후 조형된 형틀에 상기 용해물을 주입시킴;

    이를 냉각한 후 탈사 및 사붕괴 과정을 행함;

    이를 연화소둔 처리한 후 기계가공을 행함;

    이를 열처리한 후 정삭가공을 행함,

    의 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 냉열 복합소재로서의 특수강의 제조방법.
15. 제 13 항의 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 냉열 복합소재로서의 특수강.
16. 제 14 항의 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 냉열 복합소재로서의 특수강.