KR20060051027A

KR20060051027A - 내열균열성이 우수한 고 Ｃｒ 주철 및 그의 열처리 방법

Info

Publication number: KR20060051027A
Application number: KR1020050082294A
Authority: KR
Inventors: 쇼고 무라카미; 히데오 하타; 시게노부 난바
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼; 고스하 파운드리 캄파니 리미티드
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2006-05-19
Also published as: JP4482407B2; JP2006070350A; KR101201647B1; CN100535158C; CN1746325A

Abstract

충격을 수반하는 열 사이클을 받는 내마모 부재용으로서 내열균열성이 우수한 고 Cr 주철 및 그의 열처리 방법을 제공한다.

질량%로 C: 2.5 내지 3.5%, Si: 0.2 내지 1.0%, Mn: 0.6 내지 2.0%, Cr: 11 내지 22%, Mo: 1.0 내지 3.0%, N: 0.01 내지 0.15%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진 고 Cr 주철에 있어서, Cr과 C의 함유량의 비 Cr/C를 4.5 내지 6.5의 범위로 하면서 Mn과 Mo의 함유량의 곱 Mn*Mo을 1.8 내지 2.5의 범위로 하고, 이 고 Cr 주철의 담금질시의 표면의 냉각 속도를 5℃/sec 이하로 함으로써 조직중의 잔류 γ를 부피율로 30% 이하로 하여 내열균열성을 향상시킨다.

Description

내열균열성이 우수한 고 Ｃｒ 주철 및 그의 열처리 방법{HIGH Cr CAST IRON WITH SUPERIOR HEAT CRACK RESISTANCE AND METHOD FOR HEAT TREATING THE SAME}

본 발명은 내마모성은 물론 내열균열성이 우수하며, 고온의 열 사이클에 노출되는 내마모 부재, 특히 고온의 강재 반송용 롤러(roller) 또는 리프터(lifter), 또는 제철소의 고로 주위나 소결 공장 등 고온의 광석이나 석탄류 등으로의 접촉이나 충돌이 발생하는 라이너(liner) 등의 부재에 적합한 고 Cr 주철에 관한 것이다.

봉강 등의 강재 압연 라인에 있어서의 고온의 강재 반송용 롤러에는 내마모성이 요구된다. 종래에는 이 종류의 롤러로서 JIS-S45C 등의 강재에 내마모성을 부여하기 위한 13 Cr 마텐자이트계 스테인레스강이나 텅스텐 탄화물, 크로뮴 탄화물계 서멧(cermet) 재료 등의 경질층을 용사한 것이 사용되었다.

그러나, 상기 강재 반송용 롤러에는 추가로 600 내지 1200℃의 적열(赤熱)한 고온의 강재가 단속적으로 접촉함에 따른 열 사이클(heat cycle)이 가해진다. 이 때문에 롤러 표면의 경질층에는 이 열 사이클에 의한 열 균열이 생기기 쉬워진다. 롤러 표면 경질층에 이 열 균열이 생겼을 경우, 롤러의 내마모성을 손상시키는 동 시에 경질층의 일부가 박리되어 반송중의 강재를 손상시킬 가능성이 있다. 이 때문에, 열균열이 생긴 롤러 표면 경질층(이하, 롤러 표층부라고도 함)의 검사와 보수에 많은 노동력을 소비할 필요가 생긴다. 또한, 이 롤러 보수를 위한 설비 중지도 강재의 생산성에 미치는 영향이 크다.

이에 반해, 조압연 후의 고온의 적열 슬래브(red-hotslab)의 반송용 테이블 롤(table roll)에 고 Cr 주철을 사용하는 것이 제안되었다(일본 특허공고 제 1990-2941호 공보 참조(특허청구범위 제 1 내지 2열)). 이 기술은 적열 슬래브에 의한 테이블 롤의 소부(燒付)를 방지하는 동시에 내마모성도 우수한 테이블 롤을 제공하고자 하고 있다. 이 때문에 7.5 내지 18%의 Cr에 Ni, W, Mo, V 등을 함유시킨 고 Cr 주철의 마텐자이트 생지(生地) 중에 탄화물을 석출 분산시킨 조직을 갖게 하는 것이다.

또한, 고 Cr 주철에 있어서, 상기 탄화물을 경도나 인성의 향상에 사용하는 기술도 제안되었다. 예컨대, 압연용 롤이나 절삭 공구 등의 용도로 고 Cr 주철의 응고시에 형성되는 탄화물의 형태에 착안하여 V를 3 내지 10% 첨가한 후에 베이스 조직(base structure)과, 형성된 1차 탄화물인 MC형 탄화물이나 M₇C₃형 탄화물과의 계면에 평균입경이 3μm 이하인 미세한 M₆C형 탄화물을 형성시켜 고경도를 얻는 기술도 제안되었다(일본 특허공개 제2001-316754호 공보 참조(특허청구범위)). 또한, 압연용 롤의 용도로 M₇C₃형 탄화물 외에 M₂₃C₆형 탄화물을 분산시켜 인성을 향상시키는 기술도 제안되었다(일본 특허공개 제1998-121635호(특허청구범위) 참조).

고 Cr 주철의 경도는 700Hv 이상, 경우에 따라서는 900Hv 이상으로 높다. 이 때문에, 내마모성이 요구되는 상기 강재 압연 라인에 있어서의 고온의 강재 반송용 롤러에는 적합하다고 할 수 있다.

그러나, 본 발명자들의 지견에 따르면, 고 Cr 주철은 상기 일본 특허공고 제 1990-2941호 공보, 일본 특허공개 제2001-316754호 공보 및 일본 특허공개 제1998-121635호 공보와 같이 고 Cr 주철 조직중의 탄화물 제어에 의해서도 상기 강재 반송용 롤러에 있어서의 열 균열이나, 이에 기초한 롤러 표층부의 박리에 따른 반송중의 강재의 손상을 충분히 억제할 수 없다.

상기 강재 반송용 롤러에서는 상기 일본 특허공고 제 1990-2941호 공보의 적열 슬래브의 반송용 테이블 롤 용도와는 달리 고온의 봉강 등의 강재가 고속으로 통과한다. 이 때문에, 상기 봉강 등의 강재 반송용 롤러에서는 봉강에 의한 충격도 열과 함께 부가되어, 상기 열 사이클이 보다 가혹한 상태에서 롤러 표면에 가해지는 것으로 추고된다. 따라서, 현상의 고 Cr 주철이나, 상기 고 Cr 주철 조직중의 탄화물 제어에 의해서는 상기 열 균열의 발생이나, 이에 기초한 롤러 표층부의 박리에 따른 반송중의 강재의 손상을 충분히 억제할 수 없다.

따라서, 상기 강재 반송용 롤러 등에 대하여 충격을 수반하는 열 사이클을 받는 내마모 부재에 있어서, 표면의 열 균열을 방지할 수 있는 고 Cr 주철은 지금까지 없었던 것이 실정이다. 이와 관련하여, 상기 일본 특허공개 제2001-316754호 공보 및 일본 특허공개 제1998-121635호 공보 등의 압연용 롤이나 절삭 공구 등의 용도로는, 원래 고 Cr 주철의 인성이 낮기 때문에 고 Cr 주철의 적용 자체가 적당하지 않다.

본 발명은 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 상기 강재 반송용 롤러 등 충격을 수반하는 열 사이클을 받는 내마모 부재용으로서 내열균열성이 우수한 고 Cr 주철 및 그 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 내열균열성이 우수한 고 Cr 주철의 요지는 질량%로 C: 2.5 내지 3.5%, Si: 0.2 내지 1.0%, Mn: 0.6 내지 2.0%, Cr: 11 내지 22%, Mo: 1.0 내지 3.0%, N: 0.01 내지 0.15%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물(unavoidable impurities)로 이루어진 고 Cr 주철에 있어서, 상기 Cr과 C의 함유량의 비 Cr/C가 4.5 내지 6.5의 범위이고, 상기 Mn과 Mo의 함유량의 곱 Mn*Mo이 1.8 내지 2.5의 범위이며, 제품 주철 표면으로부터 깊이 5 내지 10mm의 표면 부위 조직중의 잔류 γ(retained austenite)가 평균 부피율(mean volume fraction)로 30% 이하인 것으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 내열균열성이 우수한 고 Cr 주철의 열처리 방법의 요지는 상기 요지의 고 Cr 주철의 열처리 방법에 있어서, 고 Cr 주철을 담금질할 때에 담금질시의 고 Cr 주철 표면의 냉각 속도를 5℃/sec 이하로 하는 것이다.

본 발명자들은 고 Cr 주철의 성분 조성 및 조직과 내열균열성과의 관계에 대 하여 조사하였다. 그 결과, 특히 고 Cr 주철의 표면 부위 조직중에 많이 존재하는 잔류 γ가 내열균열성을 현저히 저하시킴을 알게 되었다.

이 잔류 γ가 내열균열성을 저하시키는 이유는 확실하지 않다. 다만, 잔류 γ의 조직 부분과 다른 조직 부분에서는 그 열팽창 계수의 차이가 크다. 이 때문에, 봉강 등의 압연 라인에 있어서의 강재 반송용 롤러 표면에 강재에 의한 열이 충격과 함께 부가되는 바와 같은 열 사이클이 가해졌을 때에는 고 Cr 주철 롤러 표면에서 국부적인 열팽창 차이가 크게 생기기 쉽다. 그 결과, 열 사이클, 특히 충격을 수반한 열 사이클이 지속적으로 가해졌을 경우에는 고 Cr 주철 롤러 표면의 열 균열에 이르는 것으로 추고된다.

이에 반해, 본 발명에서는 고 Cr 주철의 내열균열성에 크게 영향을 주는 표면 부위 조직중에 있어서의 잔류 γ를 평균 부피율로 30% 이하로 규제함으로써 상기 국부적인 열팽창 계수의 차이를 적게 한다. 그리고, 상기 강재 반송용 롤러 등 충격을 수반하는 열 사이클을 받는 내마모 부재의 내열균열성을 높일 뿐더러, 고 Cr 주철 본래의 내마모성을 발휘시킨다.

통상적인 고 Cr 주철의 열처리 방법에서는 고 Cr 주철을 담금질할 때에 담금질시의 고 Cr 주철 표면의 냉각 속도를 5℃/sec를 훨씬 초과하는 빠른 냉각 속도로 실시하는 경우가 있다. 이는 고 Cr 주철의 통상적인 주된 용도인 파쇄기(crusher) 등에 사용되는 내마모 부재에서는 피로 균열(fatigue crack)에 대한 저항성이 요구되고, 이 저항성을 높이기 위해 담금질시의 고 Cr 주철 표면의 냉각 속도를 빨리하고 있기 때문이다. 그러나, 이 통상적인 담금질 방법에서는 필연적으로 고 Cr 주 철 조직중의 잔류 γ량이 평균 부피율로 30%를 초과하여 내열균열성이 저하된다.

이 때문에, 고 Cr 주철을 담금질할 때에는 주철 표면의 냉각 속도를 상기 요지와 같이 5℃/sec 이하로 느리게 해야 한다. 단, 이와 같이 고 Cr 주철 표면의 냉각 속도를 느리게 했을 경우, 고 Cr 주철의 성분 조성에 따라서는 경도가 낮아지고, 내마모성이 저하된다. 또한, 고 Cr 주철 표면의 냉각 속도를 느리게 하더라도 고 Cr 주철의 성분 조성에 따라서는 확실히 고 Cr 주철 표면의 잔류 γ량을 평균 부피율로 30% 이하로 규제할 수 없는 경우가 발생한다.

따라서, 담금질시의 주철 표면의 냉각 속도를 5℃/sec 이하로 느리게 하더라도 고경도를 확보하는 동시에 확실히 고 Cr 주철 표면의 잔류 γ량을 평균 부피율로 30% 이하로 규제하여 내열균열성을 보장하도록 고 Cr 주철의 성분 조성도 동시에 조정해야 한다. 이 때문에, 본 발명에서는 상기 기본 성분 중에서 상기 Cr와 C의 함유량의 비 Cr/C와, 상기 Mn과 Mo의 함유량의 곱 Mn*Mo를 추가로 특정한 범위로 한정한다.

(고 Cr 주철 조성)

우선, 본 발명의 고 Cr 주철의 화학 성분 조성(단위: 질량%)에 대하여 각 원소의 한정 이유를 포함하여 이하에 설명한다.

발명에 있어서의 고 Cr 주철의 기본적인 화학 성분 조성은 고경도나 인성 등의 기본 특성을 확보하기 위해 C: 2.5 내지 3.5%, Si: 0.2 내지 1.0%, Mn: 0.6 내지 2.0%, Cr: 11 내지 22%, Mo: 1.0 내지 3.0%, N: 0.01 내지 0.15%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것으로 한다.

그리고, 본 발명에서는 상기한 바와 같이, 담금질시의 주철 표면의 냉각 속도를 느리게 하더라도 고경도를 확보하는 동시에 고 Cr 주철 표면 조직중의 잔류 γ을 평균 부피율로 30% 이하로 규제하기 위해, 상기 기본적인 화학 성분 조성 중, 추가로 Cr과 C의 함유량의 비 Cr/C를 4.5 내지 6.5의 범위로 하는 동시에 Mn과 Mo의 함유량의 곱 Mn*Mo을 1.8 내지 2.5의 범위로 보다 한정한다.

C: 2.5 내지 3.5%

C는 Cr, Mo, 또는 불순물인 Fe 등과, 고경도의 탄화물(MC형, M₇C₃형, M₂₃C₆형, M₃ C형 등)을 형성하는 동시에, 베이스(base) 중에 고용되어 주철의 담금질 처리(공냉 처리)에 의해 오스테나이트로부터 경도가 높은 마텐자이트로의 변태를 지배(마텐자이트 조직을 수득)하기 위한 원소로서, 필요 경도 확보를 위한 중요한 원소이다.

일반적으로 마텐자이트의 경도는 고용되는 C량이 많을수록 높아진다고 알려져 있고, C 함유량이 2.5% 미만인 경우에는 베이스중에 고용되는 C량이 부족하여 베이스 경도가 부족할 뿐 아니라, 정출(crystallization) 및 석출(precipitation)하는 상기 탄화물도 적어지기 때문에 주철 내지 내마모 부재로서의 경도도 부족하여 필요한 내마모성을 얻을 수 없다. 한편, C 함유량이 3.5%를 초과하면, 생성되는 상기 탄화물이 조대화되어 주철 내지 내마모 부재가 취약해져 취성 파괴가 발생한다. 또한, 베이스중에 고용되는 C량이 너무 많기 때문에, 경도가 낮은 오스테나이트가 다량으로 잔류하는 결과, 역시 경도 부족을 초래하여 필요한 내마모성을 얻 을 수 없다. 따라서, C량은 2.5 내지 3.5%, 바람직하게는 2.8 내지 3.3%의 범위로 한다.

Si: 0.2 내지 1.0%

Si는 주철 주조시의 용탕의 유동성을 확보하고, 또한 용해·정련시의 탈산에 유효한 원소로서, 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는 0.2% 이상의 함유량이 필요하다. 한편, Si는 페라이트 생성 원소로서, Si 함유량이 1.0%를 초과하면 페라이트 변태를 촉진하여 베이스 경도의 저하를 초래할 뿐더러 인성 저하를 가져온다. 따라서, Si 함유량은 0.2 내지 1.0%의 범위, 바람직하게는 0.3 내지 0.8%의 범위로 한다.

Mn: 0.6 내지 2.0%

Mn은 고 Cr 주철의 담금질성을 개선하고, 특히 베이스중에 고용하여 오스테나이트가 경도가 낮은 베이나이트로 변태하는 것을 억제하는 효과를 가지며, 베이스를 마텐자이트 조직으로 하기 위해 필수적이다. Mn 함유량이 0.6% 미만에서는 그 효과가 발휘되지 않기 때문에 하한은 0.6%로 한다. 한편, Mn은 오스테나이트 안정화 원소로서, 과잉으로 함유하면 베이스중의 잔류 오스테나이트가 다량으로 되어, 경도가 저하되기 때문에 Mn 함유량의 상한은 2.0%로 한다. 따라서, Mn 함유량은 0.6 내지 2.0%의 범위, 바람직하게는 0.8 내지 1.5%의 범위로 한다.

Cr: 11 내지 22%

Cr은 C와 마찬가지로 내마모성이 높은 각종 탄화물을 형성하는 동시에, 베이스중에 고용하여 오스테나이트가 경도가 낮은 페라이트로 변태하는 것을 억제하는 효과를 나타내는 필수적인 원소이다. 따라서, 필요한 경도를 얻을 수 있기에 충분한 탄화물량을 형성시키는 동시에 페라이트 변태 방지에 유효한 양의 Cr을 베이스중에 고용시킬 필요가 있다. Cr 함유량이 11% 미만인 경우에는 베이스중에 고용하는 Cr량이 부족하여 베이스의 페라이트 변태가 발생하여, 베이스 경도가 저하될 뿐 아니라, 정출 및 석출되는 탄화물도 적어져 경도 부족을 초래하여 필요한 내마모성을 얻을 수 없다.

한편, Cr 함유량이 22%를 초과하면, 생성되는 탄화물이 조대화되고 취약해져 취성 파괴가 발생하는 동시에, 베이스중에 고용하는 C량이 감소하여 베이스의 경도가 저하되어, 역시 경도 부족을 초래하여 필요한 내마모성을 얻을 수 없게 된다. 따라서, Cr 함유량은 11 내지 22%의 범위, 바람직하게는 14 내지 18%의 범위로 한다.

Cr/C: 4.5 내지 6.5

단, 본 발명에서는 상기한 바와 같이, 고 Cr 주철의 담금질시의 냉각 속도를 5℃/sec 이하로 느리게 하더라도 고 Cr 주철 표면 조직중의 잔류 γ를 평균 부피율로 30% 이하로 규제하는 동시에, 필요한 경도를 확보하기 위해 추가로 Cr과 C의 함유량의 비 Cr/C를 4.5 내지 6.5의 범위로 한정한다.

Cr/C가 6.5를 초과한 경우, 베이스중에 고용하는 C량이 부족하게 된다. 이 때문에, 고 Cr 주철의 담금질시의 냉각 속도를 5℃/sec 이하로 느리게 했을 때에, 베이스의 경도가 저하되어 필요한 내마모성을 얻을 수 없게 된다. 또한, 오스테나이트(γ)로부터 마텐자이트로의 변태량이 적어지고, 잔류 γ가 많아져 고 Cr 주철 표면 조직중의 잔류 γ를 평균 부피율로 30% 이하로 할 수 없다.

한편, Cr/C가 4.5 미만에서는 베이스중에 고용하는 Cr량이 부족하거나, 베이스중에 고용하는 C량이 너무 많다. 이 때문에, Cr량이 부족한 경우에는 고 Cr 주철의 담금질시의 냉각 속도를 5℃/sec 이하로 느리게 했을 때에, 베이스의 페라이트 변태가 생겨 베이스 경도가 저하될 뿐 아니라, 정출 및 석출하는 탄화물도 적어져 경도 부족을 초래하여 필요한 내마모성을 얻을 수 없다. 또한, 베이스중에 고용하는 C량이 너무 많은 경우에는 경도가 낮은 오스테나이트가 다량으로 잔류하는 결과, 고 Cr 주철 표면 조직중의 잔류 γ를 평균 부피율로 30% 이하로 할 수 없고, 역시 경도 부족을 초래하여 필요한 내마모성을 얻을 수 없다.

Mo: 1.0 내지 3.0%

Mo는 Cr과 마찬가지로 내마모성이 높은 각종 탄화물을 형성하는 동시에, 베이스중에 고용하여 오스테나이트가 경도가 낮은 펄라이트로 변태하는 것을 억제하는 효과를 갖고 있는 필수 원소이다. 따라서, 필요한 경도를 얻을 수 있기에 충분한 탄화물량을 형성시키는 동시에, 펄라이트 변태 방지에 유효한 양을 베이스중에 고용시킬 필요가 있다. Mo 함유량이 1.0% 미만인 경우에는 베이스중에 고용하는 Mo량이 부족하기 때문에 베이스중의 펄라이트 변태가 생겨 베이스 경도가 저하할 뿐 아니라, 정출 및 석출하는 탄화물도 적어져 경도 부족을 초래하여 필요한 내마모성을 얻을 수 없다. 한편, Mo 함유량이 3.0%를 초과하면, 베이스중에 고용하는 C량이 감소하여 베이스 경도가 저하되는 동시에, 잔류 γ량도 증대하기 때문에, 역시 경도 부족을 초래하여 필요한 내마모성을 얻을 수 없게 된다. 따라서, Mo량은 1.0 내지 3.0%의 범위, 바람직하게는 1.5 내지 3.0%의 범위로 한다.

Mn*Mo: 1.8 내지 2.5

단, 본 발명에서는 상기한 바와 같이, 고 Cr 주철의 담금질시의 냉각 속도를 5℃/sec 이하로 느리게 하더라도 고 Cr 주철 표면 조직중의 잔류 γ를 평균 부피율로 30% 이하로 규제하는 동시에, 필요한 경도를 확보하기 위해 Mn과 Mo의 함유량의 곱 Mn*Mo를 1.8 내지 2.5의 범위에 의해 한정한다.

Mn*Mo가 1.8 미만에서는 Mn이나 Mo의 함유량이 부족하게 된다. 이 때문에, 베이스중에 고용하는 Mn이나 Mo의 양이 부족하기 때문에, 담금질시의 주철 표면의 냉각 속도를 5℃/sec 이하로 느리게 했을 경우, 고 Cr 주철의 담금질성이 저하되어 필요한 경도를 확보할 수 없다.

한편, Mn*Mo가 2.5를 초과하는 경우, Mn량이 과잉인 경우에는 고 Cr 주철의 담금질시의 냉각 속도를 5℃/sec 이하로 느리게 한 경우라도 베이스(조직)중의 잔류 γ가 다량이 되어 고 Cr 주철 표면 조직중의 잔류 γ을 평균 부피율로 30% 이하로 할 수 없어, 역시 경도 부족을 초래하여 필요한 내마모성을 얻을 수 없다. 또한, Mo량이 과잉인 경우에도 고 Cr 주철의 담금질시의 냉각 속도를 5℃/sec 이하로 느리게 했을 때에 베이스중에 고용하는 C량이 감소하여 베이스 경도가 저하되는 동시에 잔류 γ량도 증대하여 역시 경도 부족을 초래하여 필요한 내마모성을 얻을 수 없게 된다.

N: 0.01 내지 0.15%

N은 충격치를 낮게 하는 정출물, 석출물을 생성시키지 않고 주철의 내마모성 을 높이는 효과가 있다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는 N을 0.01% 이상 함유시킬 필요가 있다. 한편, N 함유량이 0.15%를 초과하면 질화물 등을 형성하여 인성이 저하된다. 따라서, N은 0.01 내지 0.15%의 범위로 함유시킨다.

기타 원소

기타 원소는 기본적으로는 불순물로서, 함유량은 적은 쪽이 바람직하다. 다만, 스크랩 등의 용해 원료부터 혼입하는 경우도 있고, 함유량을 규제하는 것은 용해, 주조 비용과의 균형을 맞추기 위함이다.

불순물 중 Ti, V, Zr, Nb 등은 경도나 인성을 향상시키는 효과도 갖는다. Ti, V, Zr, Nb는 주철의 응고시에 주로 구상으로 MC형 탄화물을 우선적으로 형성시키고, 상기 평판상 또는 필름상의 M₇C₃형 탄화물의 생성을 억제하면서 탄화물의 구상화(spheroidization)를 촉진시키는 효과가 있다. MC형 탄화물의 경도는 다른 타입의 탄화물보다 경도가 높아 경도, 내마모성을 향상시킨다. 또한, 이 탄화물의 구상화에 의해 경도 레벨을 저하시키지 않고 인성을 향상시킨다. 이 때문에, Ti, V, Zr, Nb의 함유를 이들 합계의 함유량이 10% 이하가 되는 범위에서 허용한다.

(주철 조직)

본 발명에서는 주철 조직의 내열균열성에 기여하는 제품 주철 표면 부위의 조직중의 잔류 γ를 평균 부피율로 30% 이하로 규제함으로써, 상기 강재 반송용 롤러 등 충격을 수반하는 열 사이클을 받는 내마모 부재의 내열균열성을 비약적으로 높인다. 표면으로부터 깊이 5 내지 10mm의 표면 부위의 잔류 γ가 평균 부피율로 30%를 초과한 경우, 내열균열성이 저하되어 상기 강재 반송용 롤러 등 충격을 수반하는 열 사이클을 받는 내마모 부재로서 사용할 수 없다. 한편, 제품 주철 표면 부위 조직중의 잔류 γ를 평균 부피율로 30% 이하로 하면, 보다 내부 조직의 잔류 γ는 필연적으로 적어지고, 내열균열성에 있어서 양호한 쪽으로 향한다. 표면으로부터 깊이 5 내지 10mm의 표면 부위의 잔류 γ의 평균 부피율이란, 예컨대, 이 깊이 범위(5mm 범위 깊이)를 1mm 간격마다 6군데 계측한 각 잔류 γ의 부피율(volume fraction)을 평균화한 것을 말한다.

한편, 본 발명에 있어서는 고 Cr 주철 표면 부위의 잔류 γ 평균 부피율을 규정하는 위치로서, 제품 주철 표면으로부터 깊이 5 내지 10mm의 표면 부위로 하고 있다. 내열균열성에는 물론, 이보다 표면측(깊이 5mm 미만)의 제품 주철 최표면(most surface)까지의 조직중의 잔류 γ 부피율도 크게 영향을 준다. 그러나, 이보다 표면측의 제품 주철 최표면 조직은 제조 후의 소재 주철을 기계 가공하여 제품 주철로 하기 때문에, 이 기계 가공에 의한 변형 등의 영향을 받아 잔류 γ 부피율 자체가 변화될 가능성이 있어 재현성이나 신뢰성이 부족하다. 이 때문에, 본 발명에 있어서는 이들 기계 가공의 영향을 받지 않고, 더구나 내열균열성에 크게 영향을 주는 부위로서, 제품 주철 표면으로부터 깊이 5 내지 10mm의 표면 부위를 잔류 γ 평균 부피율을 규정하는 위치로 하고 있다. 한편, 표면으로부터 깊이 5 내지 10mm의 폭을 갖게 하는 것은 이 표면 부위 영역이 내열균열성에 크게 영향을 주는 동시에, 상기 강재 반송용 롤러 등의 내마모 부재 표면이 장기 사용으로 인해 마모해 가더라도 표면 마모에 의해 순차적으로 최표면이 되는 내부 조직의 내열균 열성을 보장하기 위함이다. 이에 따라, 본 발명의 고 Cr 주철은 롤러 등의 내마모 부재로서의 사용기간중의 내열균열성을 높일 수 있고, 내마모 부재로서의 수명 자체도 향상시킬 수 있다.

본 발명에서는 내마모 부재의 고경도 고인성의 요구 특성을 만족시키기 위해 고 Cr 주철의 주조직은 마텐자이트 주체의 조직으로 한다. 또한, 750 Hv 이상의 고경도와, 샤르피 충격치로 2J/cm² 이상의 고인성을 확보하기 위해서는 고 Cr 주철의 조직을 마텐자이트의 부피율(부피분률)로 50% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 내열균열성 및 경도와 인성의 특성을 저해하지 않는 범위에서 마텐자이트 중에 경도가 낮은 잔류 오스테나이트나, 펄라이트, 페라이트, 베이나이트 등을 포함하는 것을 허용한다(단, 잔류 γ는 부피율로 30% 이하).

(제조방법)

본 발명의 고 Cr 주철은 통상적 방법에 의해 제조 가능하다. 즉, 상기에서 규정한 화학 성분 조성을 갖는 주철을, 용해하여 주조한 뒤, 예컨대, 800 내지 1100℃의 온도 범위에서 0.5 내지 10시간 가열 유지하여 용체화 처리(균질화 처리)한다. 용체화 처리는 주조시에 생성한 탄화물을 오스테나이트 중으로 어느 정도 용해시킴으로써 인성 저하를 방지하는 동시에, 매트릭스(마텐자이트)중의 C 농도를 증가시킴으로써 내마모성을 높인다.

이 용체화 처리 후에 담금질 처리하고, 그 후 선택적으로 뜨임 처리를 하고, 마텐자이트를 주체로 하는 조직으로 한다. 단, 고 Cr 주철 조직중의 잔류 γ를 부 피율로 30% 이하로 규제하기 위해 공냉 또는 강제 냉각, 노냉 등의 담금질 처리에 있어서의 주철 표면의 냉각 속도를 5℃/sec 이하로 한다.

이들 열처리 후의 주철은 적당한 기계 가공을 실시하여 고온의 강재 반송용 롤러 등 적절한 용도의 내마모 부재로 할 수 있다.

(실시예)

이하에 본 발명의 실시예를 설명한다. 성분 조성, 조직을 다양하게 변경한 고 Cr 주철을 얻어 그 경도, 인성 등을 각각 평가하였다. 즉, 고주파 유도 용해로에서 하기 표 1에 나타낸 1 내지 24의 각 성분 조성의 고 Cr 주철의 원통 잉곳(외경: 270mmΦ×내경:180mmΦ×길이:250mm)을 액상선 온도(liquidus temperature)＋50 내지 150℃에서 각각 용제하였다.

상기 각 고 Cr 주철 잉곳을 공통적으로 900 내지 1000℃×6시간의 용체화 처리(solution treatment)를 실시한 후에 표 2, 3에 나타낸 고 Cr 주철 표면의 다양한 냉각 속도로 공냉하였다. 그 후, 각 고 Cr 주철을 공통적으로 150 내지 250℃×2시간 뜨임하였다.

이 열처리 후의 고 Cr 주철을 기계 가공 및 표면 연마하여 상기한 봉강 반송용 롤러를 제조하여 실조업에 있어서의 고온의 봉강 반송용 롤러에 설치하였다. 그리고, 합계 약 30만톤의 600 내지 1200℃의 고온에서 18 내지 120mmΦ의 봉강을 통과시키고, 그 동안의 실제의 롤러의 마모량과 내열균열성을 평가하였다. 이 봉강 반송용 롤러에는 상기 고온 봉강의 단속적인 접촉에 의한 열 사이클이 가해진다. 이들 결과를 표 2, 3에 각각 나타내었다.

한편, 롤러의 마모량은 사용전과 사용후의 롤러 표면의 마모량(mm)을 계측하였다. 롤러의 마모량은 2.0mm 이하가 롤러 표면의 열 균열이 문제가 되는 내마모성 부재로서 합격이다.

또한, 롤러의 내열균열성은 사용후의 봉강과 접촉한 롤러 표면을 관찰하여 육안으로 분명히 열균열이 생긴 것을 ×, 루페에 의한 관찰로 미세한 열 균열이 생겼음을 알 수 있는 것을 △, 루페에 의한 관찰으로도 미세한 열균열이 생기지 않은 것을 ○로서 평가하였다.

또한, 상기 열처리 후의 각 고 Cr 주철로부터 각각 시험편을 채취하여 기계 가공되어 있지 않은 제품 주철로 하여 표면 조직의 내열균열성에 기여하는 표면 부위(표면으로부터 깊이 5 내지 10mm)의 잔류 γ의 평균 부피율과 마텐자이트의 평균 부피율(잔류 γ와 동일한 측정 방법에 따름)을 측정하였다. 이들 결과를 표 2, 3에 나타내었다.

각 시험편의 잔류 γ와 마텐자이트의 평균 부피율은 시험편 표면으로부터 깊이 5 내지 10mm의 범위내의 1mm마다의 각 부위에 있어서의 X선 해석에 의해 공지된 리트벨트(Rietveld)법에 의해 정량 분석을 실시하였다. 즉, X선 해석에 의해 측정되는 α(마텐자이트), γ(잔류 γ)의 각 피크치의 면적율을 적산하여 각 부위에 있어서의 이들 부피율을 산출하여 평균화하였다.

또한, 상기 열처리 후의 각 고 Cr 주철로부터 채취한 각 시험편의 경도와 인성도 계측하였다. 이들 결과도 표 2, 3에 각각 나타내었다.

경도는 JIS Z2244에 준하여 비커스 경도계를 이용하여 압입 하중(시험력) 30kg(294.2N)으로 각 시험편의 표면 경도(Hv)를 5곳 측정하여 평균화한 것을 주철의 경도로 하였다. 내마모성은 이 경도가 750Hv 이상이고, 고온의 강재 반송용 롤러 또는 리프터 등 특히 상기 충격을 수반하는 열 사이클이 지속적으로 가해져 롤러 표면의 열균열이 문제가 되는 내마모성 부재로서 합격이다.

인성은 샤르피 충격 시험에 의해 2mm의 U 노치의 JIS 3호 시험편을 이용하여 해머 하중: 294.2N(30kgf), 시험 온도: 실온에서 실시하였다. 한편, 샤르피 충격치(J)는 흡수 에너지를 시험편 단면적으로 나누어 구하였다. 그리고, 인성은 샤르피 충격치가 2J/cm² 이상으로, 롤러 표면의 열균열이 문제가 되는 내마모성 부재로서 합격이다.

표 1, 2로부터 분명한 바와 같이, 발명예 1 내지 12의 주철은 표 1의 A 내지 K까지의 본 발명 성분 조성 범위내의 고 Cr 주철을 이용하고 있다. 그리고, 이들 본 발명 성분 조성 범위내의 고 Cr 주철을 담금질 처리에 있어서의 주철 표면의 냉각 속도를 5℃/sec 이하로 하여 열처리하고 있다.

그 결과, 표 2로부터 분명한 바와 같이, 발명예 1 내지 12의 주철은 마텐자이트분률이 50% 이상인 마텐자이트 주체의 조직을 갖고, 조직중의 잔류 γ가 부피율로 30% 이하이다.

그리고, 롤러로서의 실제 사용시의 평가에 있어서도, 발명예 1 내지 12의 주철은 마모량이 2.0mm 이하이며, 또한, 롤러의 내열균열성도 루페에 의한 관찰에서도 미세한 열 균열이 생기지 않았고, 롤러 표면의 열 균열이 문제가 되는 내마모성 부재로서 합격이다.

또한, 기계적인 특성에 있어서도 발명예 1 내지 12의 주철은 경도가 750Hv 이상으로 높고, 인성도 샤르피 충격치로 5J/cm² 이상을 확보하고 있다.

이에 반해, 표 3과 같이, 비교예 13, 14는 표 1의 A의 본 발명의 성분 조성 범위내의 고 Cr 주철을 사용하고 있지만, 담금질 처리에 있어서의 주철 표면의 냉각 속도가 5℃/sec를 초과하였다. 그 결과, 표 3으로부터 분명한 바와 같이, 조직중의 잔류 γ가 부피율로 30%를 초과하였다.

그 결과, 롤러로서의 실제 사용시의 평가에 있어서, 발명예에 비하여 마모량이 크고, 롤러의 내열균열성도 육안으로 열 균열이 생겨 롤러 표면의 열 균열이 문제가 되는 내마모성 부재로서 불합격이다.

또한, 표 1, 3과 같이, 비교예 15 내지 24는 표 1의 L 내지 U의 본 발명 성분 조성 범위외의 고 Cr 주철을 사용하고 있다. 비교예 15의 고 Cr 주철 L은 C 함유량이 하한을 벗어난다. 비교예 16의 고 Cr 주철 M은 C 함유량이 상한을 벗어나고, Cr/C가 하한을 벗어난다. 비교예 17의 고 Cr 주철 N은 Si 함유량이 상한을 벗어나고, Cr/C가 하한을 벗어나며, Ti, V, Zr, Nb 어떤 불순물의 합계 함유량이 10%를 초과한다. 비교예 18의 고 Cr 주철 O는 Mn 함유량이 상한을 벗어나고, Mn*Mo가 상한을 벗어난다. 비교예 19의 고 Cr 주철 P는 Cr 함유량이 상한을 벗어나고, Cr/C가 상한을 벗어난다. 비교예 20의 고 Cr 주철 Q는 N 함유량이 상한을 벗어난다. 비교예 21의 고 Cr 주철 R은 C 함유량이 하한을 벗어나고, Cr 함유량이 하한 을 벗어나며, Cr/C가 하한을 벗어난다. 비교예 22의 고 Cr 주철 S는 C, Cr 함유량은 범위내이지만, Cr/C이 상한을 벗어난다. 비교예 23의 고 Cr 주철 T은 Mn, Mo 함유량은 범위내이지만, Mn*Mo가 상한을 벗어난다.

이 때문에, 비교예 16, 18, 19, 21, 24는 담금질 처리에 있어서의 주철 표면의 냉각 속도는 5℃/sec 이하이지만, 조직중의 잔류 γ가 부피율로 30%를 초과하였다. 그 결과, 롤러로서의 실제 사용시의 평가에 있어서, 발명예에 비하여 마모량이 크고, 롤러의 내열균열성도 육안으로 열 균열이 발생하였고, 롤러 표면의 열 균열이 문제가 되는 내마모성 부재로서 불합격이다.

비교예 15, 17, 22, 23은 롤러의 내열균열성은 양호하지만, 경도가 너무 낮기 때문에 내마모성 부재로서 불합격이다. 비교예 20도 롤러의 내열균열성은 양호하지만, 인성이 너무 낮아 내마모성 부재로서 불합격이다. 이상의 실시예의 결과로부터, 본 발명의 각 요건의 임계적인 의의를 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 강재 반송용 롤러 등 충격을 수반하는 열 사이클을 받는 내마모 부재용으로서 내열균열성이 우수한 고 Cr 주철 및 그 열처리 방법을 제공할 수 있다. 또한, 고 Cr 주철제 내마모 부재의 수명 자체도 높일 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 고 Cr 주철은 충격을 수반하는 고온의 열 사이클에 노출되는 내마모 부재, 특히 고온의 강재 반송용 롤러 또는 리프터, 또는 제철소의 고로 주위나 소결 공장 등 고온의 광석이나 석탄류 등으로의 접촉이나 충돌이 생겨 열 균열이 문제가 되는 라이너 등의 내마모 부재에 적합하다.

Claims

질량%로 C: 2.5 내지 3.5%, Si: 0.2 내지 1.0%, Mn: 0.6 내지 2.0%, Cr: 11 내지 22%, Mo: 1.0 내지 3.0%, N: 0.01 내지 0.15%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진 고 Cr 주철로서, 상기 Cr과 C의 함유량의 비 Cr/C가 4.5 내지 6.5의 범위이고, 상기 Mn과 Mo의 함유량의 곱 Mn*Mo가 1.8 내지 2.5의 범위이며, 제품 주철 표면으로부터 깊이 5 내지 10mm의 표면 부위 조직중의 잔류 γ(retained austenite)가 평균 부피율로 30% 이하인 것을 특징으로 하는 내열균열성(heat crack resistance)이 우수한 고 Cr 주철.
제 1 항에 있어서,

상기 고 Cr 주철이 고온의 열사이클에 노출되는 내마모 부재용인, 내열균열성이 우수한 고 Cr 주철.
제 1 항에 있어서,

상기 내마모 부재가 고온의 강재 반송용 롤러(roller) 또는 리프터(lifter)인, 내열균열성이 우수한 고 Cr 주철.
제 1 항에 있어서,

상기 내마모 부재가 고온 경질물이 통과하는 장소에 설치되는 라이너(liner)인, 내 열균열성이 우수한 고 Cr 주철.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 고 Cr 주철의 열처리 방법으로서, 고 Cr 주철을 담금질할 때에 담금질시의 고 Cr 주철 표면의 냉각 속도를 5℃/sec 이하로 하는, 내열균열성이 우수한 고 Cr 주철의 열처리 방법.