KR20070067328A - 고 실리콘/저 합금 내충격·내마모용 고탄성 고강도강 및그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가혹한 조건하에 사용되는 산업용 부품에 적합한 특수강 소재 및 그의 제조방법에 관한 것으로, C: 0.26중량%～0.48중량%, Si: 1.4중량%～2.5중량%, Mn: 0.5중량%～1.0중량%, Cr: 1.4중량%～2.4중량%, Ni: 0.01중량%～0.1중량%, Mo: 0.01중량%～0.5중량%, Al: 0.005중량%～0.04중량%, V: 0.05중량%～0.1중량% 및 N: 0.0025중량%～0.02중량%을 포함하고, 잔부는 Fe와 불기피한 불순물로 이루어지는 내충격 및 내 마모용 고탄성 고강도강을 제공한다.

특수강, 고실리콘, 저합금

Description

고 실리콘/저 합금 내충격·내마모용 고탄성 고강도강 및 그의 제조방법{High elasticity and high strength steel in the composition of high silicon with low alloy for the purpose of impact resistance and abrasion resistance and manufacturing method of the same steel}

도 1은 본 발명에 의한 고 강도강의 소입 온도 및 소려 온도에 따른 미세조직의 변화를 나타내는 사진.

도 2는 본 발명에 의한 발명강B,F,G,P와 종래기술에 의한 종래강R,X의 조질열처리에 따른 경도 변화를 비교한 그래프.

도 3은 본 발명에 의한 발명강B.P 와 종래기술에 의한 종래강R,X의 내마모성을 비교한 그래프.

도 4는 본 발명에 의한 발명강D,Q와. 종래기술에 의한 종래강R,V,X의 경화능을 비교한 그래프.

도 5a는 본 발명에 의한 고강도강의 고철절단 브레이드 사진 및 도 5b는 종래기술에 의한 종래강X의 고철절단 브레이드 사진.

도 6은 본 발명에 의한 고강도강의 스테인레스 판재 절단 칼 사진.

도 7a는 본 발명에 의한 대표 발명강 K의 Fe-C 수직 단면 Thermo-Calc. 상도.

도 7b 는 상기 발명강 K의 연속냉각변태곡선(CCT).

본 발명은 가혹한 조건하에 사용되는 산업용 부품에 적합한 특수강 소재 및 그의 제조방법에 관한 것이며, 그 용도는 산업용 절단칼, 각종 파쇄기의 내마모성 부품, 암반 파쇄 브레이커 부품 등에 사용되는 것으로, 상세하게는 고인성 뿐만아니라 고강도·고 내마모성이 요구되는 철 스크랩(Scrap), 스테인레스 판재, 동 및 알루미늄 합금 판재 등 금속 및 비금속의 절단을 위한 산업용 절단칼(나이프, 커터, 브레이드 등), 각종(암반, 광석, 목재, 곡물, 시멘트 등)파쇄기의 내마모성 부품(커터, 라이너, 플레이트 등) 또는 암반 파쇄 브레이커 부품인 피스톤(piston), 끌(chisel), 드릴용 날(drill bit) 등에 있어 매우 우수한 성능을 발휘하면서도 낮은 제조원가의 경제적인 소재 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 중·저 함유량의 C, 고 함유량의 Si, 및 저 함유량의 주 합금원소들을 적절하게 배합한 합금조성물을 적절한 조질처리(900℃ 이상으로부터의 소입과 500℃ 이하에서의 소려, 및 제어냉각)함으로써, 내충격성 및 내마모성이 함께 확보된 고탄성· 고강도의 특수용도강 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

고철 절단 브레이드 및 스테인레스 판 절단 브레이드는 고강도와 고인성이 함께 요구되는 대표적인 산업용 부품으로서 현재 열간공구강인 SKD61(경도 HRC45 이상, 충격흡수에너지 40J 이상), 냉간공구강인 SKD11(경도 HRC56 이상, 충격흡수에너지 10J 이상) 및 그 개량강들이 주로 용도에 따라 선택적으로 사용되고 있다. 이와 관련하여 유럽 특허 EP 3218051A119830203DE 는 고강도 절단칼로서 고탄소 고니켈 Cr-Mo-V을 제시하고 있으며, 일본 특허 JP 08027540은 높은 경도와 강도 보증을 위해 탄소 0.4-0.47중량%, 티타늄 0.01-0.03중량%, 알루미늄 0.015-0.040중량%, 보론 5-30ppm을 활용한 중탄소 보론첨가를 제시 하고 있지만, 상기 종래의 강들은 고합금이기 때문에, 용도에 따른 제조원가가 높으며 제조원가에 비하여 수명이 짧은 문제점이 있다. 또한, 높은 탄소량과 합금량에 의한 높은 자경성에 의해, 자기 크랙발생이 높은 단점으로 인해 산소토치로서 모형절단이 불가능하여 형상이 복잡한 부품제작이 어렵고 고비용인 단점이 있다.

현재, 이를 극복하기 위한 중 또는 저 탄소강으로서, 저탄소 내마모강인 웰독스(Weldox) 및 중고탄소 내마모강인 하독스(Hardox)를 암반, 광석, 목재, 곡물, 시멘트 등을 파쇄하기 위한 파쇄기의 내마모성 부품(커터, 라이너, 플레이트) 등에 주로 사용하고 있다. 이와 관련하여, 대한민국 특허 특2003-0054423은 저탄소 저실리콘 비조질강을 제시하고 있으며, 대한민국 특허 출원 번호 2003-0002183은 중저탄소 저실리콘 Ni-Cr-Mo 조질처리강을 제시하고 있고, 일본 특허 JP 60033339는 중고탄소 내마모 합금강을, 일본 특허 JP 11131193은 중고탄소 저실리콘 고크롬 내마모 합금강을, 그리고 일본 특허 JP 05214485 및 JP 58153759은 중·고 탄소 저 실리콘 고 Cr-Mo-Zr-W 내마모 보론강 및 합금강을 제시하고 있지만, 상기 종래의 강들은 매우 고가인 단점이 여전히 존재하고 있다.

그리고, 국내 및 해외에서 암반 파쇄 브레이커 부품인 피스톤은 주로 SNCM26V(SNCM616V)로서 고가이며, 저 탄소 Ni-Cr-Mo강을 장시간 침탄처리(4일 이상)과 써브제로(sub-zero) 처리에 의하여 외부의 고경도 내부의 고인성을 확보하여 사용하고 있으며, 끌(Chisel)과 드릴용 날(Drill Bit)은 SCM440 또는 중·고 탄소 Ni-Cr-Mo강을 조질처리에 의하여 고 경도를 확보하여 내충격 및 내마모용으로 사용하고 있지만 그 수명은 가격 대비 만족할만하지 않으며, 그 외 개량강들은 성능이나 제조원가적인 측면에서 현재 실용화되어 널리 사용되고 있지 못한 실정이다.

또한, 종래의 내마모강에서는, 고 Mn에 의한 자기변태로서, Mn 량이 1.7중량%를 넘으면 저온 변태 생성물이 혼재하여 강도 증가율을 크게 하지만 연신율을 급격히 저하시키게 되고, 저합금강에서 Si/Mn 비가 작으면 연속냉각변태(CCT)에서 퍼얼라이트(Pearlite)/페라이트(Ferrite) 변태 개시 및 완료점을 낮추어 마르텐사이트(Martensite)/베인나이트(Bainite) 변태를 쉽게 하여 열간가공후 자경성을 강하게 하여 크랙 발생을 용이하게 함과 동시에 기계가공을 위하여 소둔(Annealing)을 필히 행하여야 하는 열처리 공정이 발생되는 문제점이 있다.

본 발명은 산업용 절단 칼(커터,브레이드), 각종 산업기계(각종 파쇄기,길로틴,쇼트기 등)의 내충격용 부품과 내마모성 부품 및 암반 파쇄 브레이커 부품 등 매우 가혹한 조건하 산업부품에 사용되고 있는 종래 강들의 상기의 제반 문제점을 극복하기 위하여, 중·저탄소/고 실리콘/저 합금의 최적 조합과 발명에 의한 조질 열처리 방법으로서 경도 HRC52에서 항복강도 1350N/mm² 이상, 인장강도 1750N/mm² 이상, 연신율 15% 이상, 단면감소율 35% 이상, 충격흡수에너지 65J 이상을 보유하는 우수한 강도 및 충격인성, 우수한 경화능 및 내마모성, 특히 산소토치에 의한 모형절단이 가능하고 우수한 용접성을 함께 보유한 내충격 또는 내마모용 고탄성 고강도강 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 기계적 특성에 악영향을 미치는 Al₂O₃, MnS 비금속개재물의 단독생성을 방지하고 응고조직을 최적화하기 위하여, 본 발명자가 오랜 연구개발과 경험으로 밝혀낸 용강 내 희토류원소(이하 REM)+Al과 황의 농도적 및 용해도적 상관관계식과 함께 칼슘과 황의 농도적인 상관관계식을 적용하여, 의도적으로 용강 내에 직경 5㎛ 이하의 RExOy or (RE,Al)xOy + RExOyS + RExSy 복합 화합물을 생성시켜, 용강이 응고하여 수지상정을 형성할 때, 불균질 핵생성 사이트를 공급하여 응고조직을 미세화 치밀화함과 동시에 C, Cr, Mo, W, Ni, Mn, Si 등 용질원소의 편석을 강력하게 제어하여 미세하게 분산시킴으로써, 기계적 특성, 물리적 특성 및 내식성이 향상된 내충격/ 내마모용 고탄성 고강도 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 내충격·내마모용 고탄성 고강도강은,

구성 1)

C: 0.26중량%～0.48중량%, Si: 1.4중량%～2.5중량%, Mn: 0.5중량%～1.0중량%, Cr: 1.4중량%～2.4중량%, Ni: 0.01중량%～0.1중량%, Mo: 0.01중량%～0.5중량%, Al: 0.005중량%～0.04중량%, V: 0.05중량%～0.1중량% 및 N: 0.0025중량%～0.02중량%을 포함하고, 잔부는 Fe와 불기피한 불순물로 이루어진다.

구성 2)

구성 2)의 내충격·내마모용 고탄성 고강도강은, 응고조직 제어를 위하여 하기 관계식 1의 범위에 있는 REM(Y,Ce,La,Nd,Pr)= 0.001중량%～0.5중량% 및 Ca: 0.0005중량%～0.01중량%를 포함한다.

[관계식 1]

농도적 :{REM중량%(Y,Ce,La,Nd,Pr)+Al중량%} /(S중량%)= 2 ~ 90 및 (Ca중량%) /(S중량%) = 1.

용해도적 :{REM,(Y,Ce,La,Nd,Pr)+Al}·(O+S)= 0.001×10^-5～30,000×10^-5 [중량%]

구성 3)

구성 3)의 상기 고 강도강은, 보다 높은 기지강화, 경화능 및 열간 특성을 보다 향상시키기 위해서, 상기 구성 1)의 N, Mn, Cr, Ni 및 Mo 각 성분범위의 상한값에, 각각 최대로, N 0.28중량%, Mn 0.5중량%, Cr 1.0중량%, Ni 0.95중량% 및 Mo 0.6중량%를 추가로 첨가되며, 바람직하게는 B: 0.0001중량%～0.005중량%, Ti: 0.001중량%～0.1중량%, W+Co:0.01중량%～0.5중량% 및 Nb :0.05중량%～0.1중량%을 선택하여 추가로 포함한다.

구성 4)

구성 1)과 구성 2) 및 구성 3)에 있어, 상기 고 강도강은 하기 관계식 2를 만족한다.

[관계식 2]

(Si중량%) /(Mn중량%) = 2.6 ~ 3.2 및 (Al중량%) : (N중량%) = 2 : 1

이는 조질 열처리강으로서 고온에서 결정입계 성장을 억제하기 위한 미립 AlN의 생성을 위한 최적인 조건 범위로 Al과 N의 함량비율을 (Al중량%) : (N중량%)= 2 : 1로 한 것이고, 또한 질소는 냉간 및 열간 사용에서 보다 높은 기지강화를 목적으로 상한 0.30중량% 까지 첨가될 수 있다. Si/Mn 비율이 크면 퍼얼라이트/페라이트 변태를 용이하게 하고 라멜라 간격을 키우며, 마르텐사이트/베이나이트 변 태를 어렵게 하여 열간 가공후 중간 제품상태에서 낮은 경도를 얻을 수 있어 기계가공성을 위한 소둔 열처리공정을 생략할 수 있어 제조원가를 절감할 수 있었던 그리고 산소절단 및 용접후에도 미세크랙 발생이 없었던 심도 있는 연구 및 실제 생산에 의한 산물로서, 최대 효과를 발휘할 수 있는 중량% 로 Si 및 Mn 함량 비율을 (Si중량%) /(Mn중량%) = 2.6 ~ 3.2로 한 것이다.

또한, 본 발명은 조질 열처리강으로서 상기 마르텐사이트/베이나이트 변태를 어렵게 함에 따른 소입 후 고경도 확보가 어려운 점을 적은 양의 Cr으로 보충하고, 고 Si, AlN, 직경 5㎛ 이하의 RExOy or (RE,Al)xOy + RExOyS + RExSy 복합 화합물 생성으로 고온에서 결정립 성장억제 시스템에 의한 석출물로 900℃ 이상 고온에서 장시간 균열이 가능함에 따른 완전 고용화와 더욱이 냉각시스템을 수냉에 의한 급냉과 수냉+염욕에 의한 급냉으로 극복함으로써 표면 HRC56 이상의 고경도 및 안정된 변태조직을 얻을 수 있다.

이하 본 발명강의 화학성분 첨가 이유와 성분범위를 중량% 로 나타내고 한정이유를 설명한다.

탄소(C): 0.26중량% - 0.48중량%

C 는 오스테나이트상을 안정화시키는 대표적인 원소로서 기지에 고용되어 강도와 소입경도를 상승시켜 내마모성을 확보하는 중요한 원소이다. 본 발명에 의 도하는 소입 후 경도를 HRC56 이상을 확보하기 위해서는 0.26중량% 이상 첨가가 필수적이고, 과량 첨가시 응고시 1차 공정탄화물 형성원소인 V, Nb, W과 결합하여 기계적 특성에 악 양향을 미치므로 0.48중량% 이하로 한정한다.

규소( Si ): 1.4중량% - 2.5중량%

Si 는 본 발명이 목적으로 하는 내충격/내마모성 고탄성 고강도강의 제조에 있어 가장 중요한 원소이며 페라이트 조직을 강화시키는 원소로서 용해 정련시 탈산제로서 유효함과 동시에 결정립성장 억제, 내산성 향상 및 300℃ 이하 저온 소려 저항성을 증가시키며, 주물품 제조시 용강 유동성을 증가시켜 표면결함을 줄이는 원소이다. 1.4중량% 이하 첨가는 본 발명이 의도하는 Si의 효과를 볼 수 없고 과량 첨가시 소성 가공성에 악영향을 미치므로 2.5중량% 이하로 한정한다.

망간( Mn ): 0.5중량% - 1.5중량%

Mn 은 탈산제로 경화능을 향상시키는 원소로서 열처리시 조직의 균질성 및 강도를 향상시키지만 소려 저항성에 나쁘며, S와 결합하여 피삭성을 높이고, 적열취성을 방지한다. 0.5중량% 이하 첨가는 N 고용도를 저하시킬 뿐만 아니라 상기 효과를 기대할 수 없고 과량첨가는 균열을 일으키기 쉬우므로 본 발명강에 있어 큰 특징으로 있는 Si/Mn 비율에 의한 범위로서 그 상한을 1.5중량% 이하로 한정한다.

Cr : 1.4중량% - 3.4중량%

Cr 은 소입성 소려 저항성을 크게 하여 강도를 증대시키고 침탄성을 좋게하며, 미세 탄화물을 형성시켜 결정립 성장억제, 인성증대 및 내마모성 증대를 가져온다. 1.4중량% 이하 첨가시 본 발명의 특징인 Si/Mn 비율 한정에 의한 소입경도 저하 보충과 상기 효과를 기대할 수 없고 3.4중량% 이상 첨가시 오히려 Cr 탄화물을 다량 형성시켜 인성을 저하시킨다.

Ni : 0.01중량% - 1.0중량%

Ni 은 충격인성 향상에 매우 중요한 원소이고 경화능을 증대시켜 대형재의 열처리를 용이하게 하며, 저온 취성을 방지하고 내식성을 개선시킨다. 소량 첨가시 인성 증대에 크게 기여하지만 다량 첨가시 고가일 뿐만 아니라 잔류오스테나이트를 형성시켜 취화한다. 따라서 첨가 범위를 0.01중량%-1.0중량%로 한정한다.

Mo : 0.01중량% - 1.1중량%

Mo 은 Cr과 안정한 복합탄화물을 만들어 소려저항성을 증대시키고 경화능을 향상시킨다. 본 발명강의 열간 소성가공후 나 소입시 변태조직 제어에 중요한 원소이다.

0.01중량% 이하 첨가는 상기 효과를 기대할 수 없고 1.1중량% 이상 첨가는 경제적이지 않을 뿐만 아니라 고용하기 어려운 1차 및 2차 복합탄화물을 생성시켜 성능에 오히려 역 효과를 가져오므로 0.01중량%-1.1중량%로 한정한다.

Al: 0.005중량% - 0.04중량%

Al 은 강력한 탈산제로서 REM과 용강내 반응에 의한 응고조직 미세화를 위한 핵생성 자리 생성에 매우 중요한 원소이고 핵생성 자리 형성 후 남은 잉여의 Al량과 N과의 결합상 AlN 의 생성 반응을 고려하여 얻어진 범위인 0.005중량%-0.04중량%로 한정한다.

V: 0.05중량% - 0.1중량%, Nb : 0.05중량% - 0.1중량%

V과 Nb 은 C 과 결합력이 강하며 미세 탄질화물에 의한 결정립 미세화를 가져오고 인성을 향상시킨다. 과량첨가는 응고시 1차 공정탄화물인 VC, NbC V₂C를 다량 형성시켜 인성을 저해하므로 V 및 Nb 각각에 대하여 0.05중량% - 0.1중량%로 한정한다.

N: 0.0025중량% - 0.3중량%

N 은 본 발명강에 있어 중요한 원소로서 Nb(CN), AlN, TiN 등의 상을 형성하여 담금질(quenching)에 의한 고온 가열시 결정립을 미세화시키고 응고시 봉상 MC형 1차 공정탄화물의 생성을 억제시킨다. 저탄소/저합금강에서 일반적으로는 인성저하를 가져오고 저온 취성을 일으키므로 하기 본 발명상 심도있는 연구에서 얻어진 관계식 3에 따라 0.0025중량%-0.02중량% 범위로 있는 것을 기본으로 하지만, 본 발명강을 실제 냉간 및 열간 사용시 질소의 고용강화에 의해 보다 높은 기지강화에 의한 수명향상을 위하여 0.3중량% 이하로 한정한다.

[관계식 3]

(Al중량%) : (N중량%) = 2 : 1

REM(Y, Ce ,La, Nd ,Pr): 0.001중량% - 0.5중량%

희토류원소인 REM 첨가는 용강 내 직경 5㎛ 이하의 RE계 복합화합물을 생성시켜 응고조직을 제어하여 건전한 주조조직을 얻기 위한 것이며, 조질 열처리시 고온에서 결정립 성장을 억제함에 따른 충격인성을 향상시키기 위하여 첨가한다. 단, 용강내 첨가량에 따라 REM, Al, O, S 와의 용해도적과 농도적 값에 따라 오히려 상기 효과가 저해되므로 관계식 1에 한정하고 그 범위를 0.001중량%-0.5중량%로 한정한다.

Ca: 0.0005중량% - 0.01중량%

Ca 은 강력한 탈산제로서 정련 마지막 공정에 반드시 첨가한다. 비금속 개재물 형상제어에도 유효한 원소이며, 열역학적으로 REM 첨가에 따른 비금속 개재물 형상제어를 고려하여 0.0005중량%-0.01중량%로 한정한다.

W+Co: 0.01중량% - 0.5중량%

W 과 Co 는 마르텐사이트 기지를 강화하고 열간강도를 향상시키는 원소로서 내마모성을 향상시킨다. 고가이므로 0.01중량%-0.5중량% 범위로 한정하며, 열간강도 향상을 위하여 선택적으로 첨가한다.

B: 0.0001중량% - 0.005중량%, Ti : 0.001중량% - 0.1중량%

B과 Ti은 사용소재가 두께와 폭이 200mm 이상일 때, 소입성 향상을 위하여 선택적으로 첨가한다. 용강내 널리 알려진 보론 효과(Boron Effect)에 의한 관계식에 의하여 B 은 0.0001중량%-0.005중량% 범위, Ti은 0.001중량%-0.1중량% 범위로 한정한다.

본발명에 따른 내충격·내마모용 고탄성 고강도강을 제조하는 방법은,

C: 0.26중량%～0.48중량%, Si: 1.4중량%～2.5중량%, Mn: 0.5중량%～1.0중량%, Cr: 1.4중량%～2.4중량%, Ni: 0.01중량%～0.1중량%, Mo: 0.01중량%～0.5중량%, Al: 0.005중량%～0.04중량%, V: 0.05중량%～0.1중량% 및 N: 0.0025중량%～0.02중량%을 포함하고, 잔부는 Fe와 불기피한 불순물로 이루어지는 용강을 용제하는 단계;

상기 용강을 1550℃± 80℃에서 응고시키는 단계;

상기 응고재를 1100℃± 150℃에서 열간가공을 실시하는 단계;

650℃～1000℃에서 소준처리 및 소둔을 실시하는 단계;

800℃～1050℃ 범위에서 소입처리를 실시하는 단계;및

80℃～700℃ 범위에서 소려를 실시하는 단계를

포함한다. 여기서, 상기의 용강 대신에 구성2, 구성 3, 구성 4의 용강을 이용할 수 도 있다.

상기 소입 처리하는 단계는 10mm 두께당 1분 이상 오스테나이트화 및 고용화 처리후 연속냉각(염,오일,물,물+냉매) 또는 180℃ 까지 다단냉각에 의한 제어냉각(염,오일,물,물+냉매)으로 이루어진다.

상기 소려 처리하는 단계는 상온～80℃의 범위내의 소재를 10mm 두께 당 3분 이상 유지 후, 공냉 또는 200℃ 이하의 염,오일,물,물+냉매에 의한 1회 이상의 소려처리로 이루어진다.

(실시예)

표 1에 본 발명에 의한 발명강과 종래기술에 의한 종래강의 화학성분을 나타낸다.

발명강 A,B,C,D,E,F 는 60톤 전기로에서 순철과 고철을 혼합 용해하여 정련과 진공에 의한 탈가스 처리를 거쳐 용강이 용제되었으며, 발명강 G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q는 3톤 전기로에서 순철과 고철을 혼합 용해하여 정련과정을 거친후 용강이 용제되었다.

발명강 B,C,G,L,M,N 은 중량% 로 C: 0.26중량%-0.36중량%, Si: 1.6중량%-2.2중량%, Mn: 0.5중량%-1.0중량%, Cr: 1.4중량%-2.4중량%, Ni: 0.01-0.05중량%, Mo: 0.01중량%-0.4중량%, Al: 0.005중량%-0.04중량%, V: 0.05중량%-0.1중량%, N: 0.0025중량%-0.02중량%, Nb :0.01중량%-0.1중량%, Ca: 0.0005중량%-0.01중량%를 포함하고, 잔부는 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 강을 발명자가 목표로 하는 목표 성분으로 하였고,

발명강 A와 E 는 상기 성분 및 조성범위로 용강 용제후 B 함유강으로 하기 위하여 B: 0.0001중량%～0.005중량%, Ti: 0.001중량%～0.1중량%의 범위에서 발명자가 목표로 하는 목표 성분으로 하고,

또한, 발명강 D,E,J,K,O,P,Q는 상기 성분 및 조성범위로 용강 용제후 희토류 원소 REM(Y,Ce,La,Nd,Pr): 0.001중량%～0.5중량%의 범위에서 최종 S 함유량과 대비하여 관계식{REM중량%(Y,Ce,La,Nd,Pr)+Al중량%} /(S중량%)= 2 ~ 90, (Ca중량%) /(S중량%) = 1, {REM,(Y,Ce,La,Nd,Pr)+Al}·(O+S)= 0.001×10^-5～30,000×10^-5 [중량%] 의 범위를 만족하는 조건으로 희토류원소를 첨가한 용강을 용제하고,

발명강 F,H,I,K,P 는 경화능 및 열간 특성을 보다 향상시키기 위해서 본 발명의 구성 및 작용중 구성 3)을 만족하는 범위내에서 N, Mn, Cr, Ni, Mo 각 성분에 대하여 그 함유량을 높히고 W과 Co를 W+Co:0.01중량%～0.1중량% 범위에서 첨가하여 용강을 용제하였다.

이후, 발명강 A,B,C,D,E,F로 용제된 용강은 1550℃± 80℃ 범위에서 6톤 잉고트를 제작하여 열간 인발후 상온으로 냉각하였으며, 다시 1200℃± 50℃ 범위 열간에서 균열처리후 1100℃± 150℃ 범위에서 열간 압연 또는 단조하여 □120*255mm 판재로 제작되었다. 또한, 발명강 G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q 로 용제된 용강은 1550℃± 80℃ 범위에서 2.6톤 잉고트를 제작하여 열간 인발후 상온으로 냉각하였으며, 다시 1200℃± 50℃ 범위 열간에서 균열처리후 1100℃± 150℃ 범위에서 열간 압연 또는 단조하여 □60*255mm 판재로 제작되었다.

그리고 종래강 R,S,T,U,V,W,X 는 각각의 고유 성분으로서 실시예와 동일한 방법으로 60톤 전기로 용강 용제후 6톤 잉고트 제작과 열간압연으로 □120*255 판재로 제작되었다.

[ 표 1 ]

( 중량% )

구 분		C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	V	Al	N	W, Co, Nb, Ca, Ti, B
실 시 예	발명강 A	0.27	1.7	0.8	0.10	2.0	0.22	0.06	0.018	0.015	Ca: 0.009, Ti: 0.01 B: 0.002
	발명강 B	0.31	1.9	0.7	0.05	1.9	0.29	0.09	0.020	0.012	Ca: 0.009, Nb: 0.01
	발명강 C	0.29	2.0	0.7	0.05	1.8	0.03	0.06	0.019	0.008	Nb: 0.04, Ca: 0.011
	발명강 D	0.30	1.8	0.8	0.09	1.9	0.25	0.10	0.025	0.012	Ca: 0.05 REM: 0.2
	발명강 E	0.35	1.6	0.5	0.22	1.5	0.02	0.06	0.022	0.010	Ca: 0.08, Ti: 0.05 B: 0.0015, REM: 0.012
	발명강 F	0.36	2.1	1.3	0.60	3.2	0.80	0.02	0.032	0.018	W+Co: 0.08 Nb: 0.08, Ca: 0.01
	발명강 G	0.46	1.8	0.7	0.05	1.9	0.29	0.05	0.035	0.140	Ca: 0.002
	발명강 H	0.32	2.0	1.4	0.60	2.6	0.50	0.05	0.022	0.035	Ca: 0.008, Nb: 0.14 W+Co: 0.46
	발명강 I	0.42	1.6	1.2	0.80	2.0	0.80	0.05	0.018	0.036	Ca: 0.002, Nb: 0.05 W+Co: 0.36
	발명강 J	0.32	1.6	0.6	0.90	1.8	0.01	0.05	0.032	0.065	Ca: 0.008, REM: 0.36
	발명강 K	0.45	1.6	0.8	0.90	1.9	0.01	0.05	0.030	0.064	Ca: 0.006, REM: 0.38 W+Co: 0.12
	발명강 L	0.30	1.8	0.7	0.06	1.9	0.30	0.05	0.032	0.086	Ca: 0.006
	발명강 M	0.38	1.9	0.8	0.08	2.0	0.28	0.10	0.016	0.0086	Ca: 0.008
	발명강 N	0.26	2.4	0.8	0.80	3.5	0.8	0.05	0.024	0.012	Ca: 0.008, Nb: 0.05
	발명강 O	0.26	2.3	0.9	1.00	3.4	0.7	0.05	0.024	0.012	Ca: 0.008, Nb: 0.05 REM: 0.26
	발명강 P	0.32	1.6	0.6	0.90	1.8	0.01	0.05	0.032	0.065	Ca: 0.008, REM: 0.36 W+Co: 0.32
	발명강 Q	0.32	1.9	0.7	0.06	1.8	0.30	0.09	0.021	0.012	Ca: 0.009, Nb: 0.01 REM: 0.24
비 교 예	종래강 R	0.40	0.22	0.86	0.20	1.16	0.25	-	0.025	-	-
	종래강 S	0.31	0.20	0.75	1.80	0.80	0.20	-	0.020	-	-
	종래강 T	0.40	2.30	1.30	-	1.25	0.35	0.20	0.015	0.012	-
	종래강 U	1.50	0.20	0.45	-	12.0	1.0	0.35	0.016	0.018	-
	종래강 V	0.35	1.50	1.25	-	1.25	0.35	0.20	0.35	0.200	-
	종래강 W	0.43	1.60	0.80	1.83	0.85	0.38	0.08	0.38	0.080	-
	종래강 X	0.38	1.00	0.40	-	5.20	1.40	0.90	0.018	0.020	-

또한, 본 발명에 따른 발명강 A, B, C, D, E, F는 열간 압연과 동시에 열간 상태에서 두 가지 방법으로 제품화되었다. 첫째, 비교예의 소준과 저온 소둔에 의한 방법과 동일한 방법으로 한 경우와, 둘째, 본 발명의 심도 있는 연구에 의하여 얻어지고 개발 설계된 실시예의 큰 특징인 열간 상태에서 일정한 온도까지 제어냉각후 급냉과 박스(BOX)에 의하여 서냉시켜 온도를 저하시킨 경우이며, 모두 제품화 상태에서 기계절단과 기계가공이 가능한 경도 HB200～HB250으로 하는 것이 가능하다. 발명강 G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q 는 둘째 방법인 개발 설게된 제어냉각후 급냉과 박스(BOX)에 의하여 서냉시켜 제품화 되었다.

종래강 R, S, T, V, W은 합금강으로서 통상적으로 알려진 소준과 저온 소둔에 의하여 그리고 종래강 U와 X은 합금 공구강으로 구상화 소둔에 의하여 기계가공성이 부여되었다.

그리고 실시예의 조질 열처리는 800℃～1050℃ 범위에서 10mm 두께당 1분 이상 오스테나이트화 및 고용화 처리후 연속냉각(염,오일,물,물+냉매) 또는 180℃ 까지 다단냉각에 의한 제어냉각(염,오일,물,물+냉매)을 실시하는 소입과 상온～80℃ 의 범위내의 소재를 80℃～700℃ 의 범위에서 10mm 두께당 3분 이상 유지 후 공냉 또는 200℃ 이하 염,오일,물,물+냉매에 하는 소려를 1회 이상 실시되었다.

도 1에 실시예중 발명강을 대표하여 탄소량 및 다른 합금원소량이 중간 정도인 발명강B에 대하여 미세조직을 나타낸 것으로 조질 열처리중 840℃와 960℃에서 소입과 180℃와 390℃ 소려를 실시한 후 미세조직을 관찰한 결과이다.

소입상태의 조직은 잔류오스테나이트 약 10% 이하를 함유한 마르텐사이트로서 소입온도에 따라 다른 기지조직을 가진다. 840℃에서 소입한 조직은 페라이트가 10% 존재하며 경도 HRC46 정도를 나타내고 저온과 고온 소려 후에도 페라이트는 변태되지 않고, 960℃에서 소입한 조직은 미세하고 완전한 마르텐사이트 변태를 하고 180℃ 소려후 조직은 미세한 템퍼드-마르텐사이트으로, 390℃ 소려후 조직은 미세한 투루스타이트로 변태를 한다.

따라서 본 실시예에서는 조직적으로나 기계적 특성적으로 성능을 발휘할 수 있는 페라이트가 10% 이하로 되는 800℃를 소입온도의 하한으로 하였고, 본 발명강의 최적인 소입온도는 860℃~1040℃이다.

도 2에는 발명강 B, F와 종래강 R, X의 소입 후 소려 온도별로 2시간 유지 후 경도분포를 비교하였다. 발명강 B는 400℃까지 경도저하는 미미하며 500℃까지 약간의 경도저하가 이루어지고, 500℃ 이상부터 경도저하가 크다. 합금 공구강인 종래강 X와 비교하면 400℃까지 거의 같은 경향을 보이지만 종래강 X에서 보이는 2차 경화는 없으나, 500℃ 이상에서 열간 특성을 부여한 발명강 F의 경우는 2차 경화가 있으며 HRC 54를 나타낸다. 합금강인 종래강 R과 비교하면 소려 온도가 증가될수록 저하되는 경도 크기가 종래강 R은 매우 크지만, 합금원소량이 종래강 R 대 비 유사한 발명강 B는 본 발명의 특징인 높은 실리콘과 합금원소의 조합에 의하여 크지 않다.

발명강 P는 본 발명강의 고유 특성을 가지고 특히, 고온특성을 향상시키는 W, Co, N이 첨가되어 열간 용도로 사용하기에 충분한 높은 템퍼링 연화저항성을 나타내고 있으며, 열간공구강인 종래강 X에 비하여도 600℃ 고온에서 높은 연화저항성을 가진다.

발명강 G는 탄소함유량이 0.46 중량%, 질소함유량이 0.14 중량%로 기본적으로 본 발명강의 고유 특성과 함께 소입경도가 HRC62가 확보되는 것으로 높은 소입경도를 가지고 있으며, 템퍼링 연화저항성은 합금강인 종래강 X에 비하여 우수하다.

표 2에 본 발명강을 대표하여 발명강 D의 소입 및 소려 온도별 또는 소준 처리 및 소준 처리를 하지 않은 상태의 충격인성을 나타낸다.

발명강의 조질 열처리 조건에 따른 미세 조직 변화를 충격인성 변화로 확인한 결과, 발명강의 조질 열처리 조건에 따른 기계적 특성은 840℃에서 980℃ 까지 소입 온도가 증가될수록 우수해지며 1000℃에서는 충격인성 값에 큰 변화가 없고 1050℃에서 충격인성은 급격히 저하된다.

발명강은 소입 온도 840℃～1000℃까지, 소려 온도 180℃ 및 400℃ 별로 충격치가 소준 처리를 상태와 처리하지 않은 상태에서 4.5 - 7.5 kgf-m/cm² 으로 나타나고, 소준 처리가 된 상태가 약간 높지만 그다지 큰 차이를 나타내지 않으며, 180 ℃ 저온 소려시 높은 충격인성을 갖는 특성을 나타낸다. 따라서, 본 발명강들은 저온 소려와 소준 처리를 하지 않아도 우수한 충격인성이 부여됨에 따라 원가절감에 매우 유리한 특성을 가지고 있다.

[ 표 2 ]

	소준처리 유(kgf-m/cm2)		소준처리 무 (kgf-m/cm2)		경도 (HRC)
	소려 180℃	소려 400℃	소려 180℃	소려 400℃
소입 820℃	4.5	4	4	3.5	42 / 40
소입 840℃	5	5	4.5	4.5	45 / 43
소입 860℃	5.5	5.5	5	5	48 / 44
소입 880℃	6	5.5	5.5	5.5	50 / 47
소입 900℃	6.5	6	5.5	5.5	51.5 / 48
소입 920℃	6.5	6.5	6.5	6	52.5 / 49
소입 940℃	6.5	6.5	6.5	6	53 / 50
소입 860℃	7.5	7	7	6.5	53 / 50.5
소입 980℃	7	6.5	6.5	6.5	53.2 / 50.3
소입 1000℃	6	6	6.3	6	53 / 50.2
소입 1050℃	2.5	2.5	2.5	2.5	54 / 56

표 3에는 발명강 A, B, C, D, E, F와 발명강 G,H,I,J,K,L,M,N,O,P,Q 및 종래강 R,S,T,U,V,W,X의 조질 열처리 후 경도와 충격특성 및 인장특성을 나타낸다. ( 발명강 A ~ 발명강 Q → 소입:960~1020℃ 소려:180~600℃, 종래강 R, S → 소입:850℃ 소려:180℃, 종래강 T, V, W → 소입:960℃ 소려:180℃, 종래강 U, X → 소입:1050℃ 소려:530℃)

표 3에서 유사 경도(HRC50~53)에서의 충격인성은 모든 발명강에 있어 종래강에 비해 6 kgf-m/cm² 이상 매우 우수한 충격 흡수에너지가 확보되어 내 충격용 부품으로서 탁월한 소재이며, 인장강도 역시 160~200 kgf/mm² 이 확보된다. 본 발명강에 있어 특별한 점은 종래강에 비해 높은 인장강도에도 불구하고 충격인성 및 연신율이 매우 높은 특징을 가지고 있으며, 인장강도와 항복강도와의 차가 종래강에 비해 보다 협소할 뿐만아니라 높은 항복강도가 확보됨에 따라 큰 외부 응력에서도 파손되지 않고 견딜 수 있는 특징을 가지고 있다.

[ 표 3 ]

강종	경도(HRC)	충격치 (kgf-m/cm2)	인장특성
			항복강도 (kgf/mm2)	인장강도 (kgf/mm2)	연신율(%)
발명강 A	50	6.5	130	160	18
발명강 B	52	7.5	140	180	13
발명강 C	51.5	7.0	135	175	15
발명강 D	51	8.5	140	170	16
발명강 E	51.5	8.0	140	185	16
발명강 F	53	6.0	148	186	15
발명강 G	52.5	6.0	148	182	12
발명강 H	52.5	8.6	168	196	12
발명강 I	53	7.6	162	194	12
발명강 J	51.5	9.0	158	186	15
발명강 K	53	9.6	176	200	12
발명강 L	51	6.8	152	182	13
발명강 M	51.5	6.6	150	185	12.5
발명강 N	50.5	6.5	148	176	16
발명강 O	51.5	8.6	156	180	14
발명강 P	53	9.2	166	196	14
발명강 Q	52	8.6	166	192	12
종래강 R	46.5	3.5	120	156	10
종래강 S	46	5.0	125	150	16
종래강 T	51.5	3.6	126	165	10
종래강 U	52	2	110	165	4
종래강 V	51.5	2.6	160	190	11
종래강 W	52	2.5	170	210	8
종래강 X	52	4	140	170	6.5

도 3은 발명강 B와 발명강 P 및 종래강 R과 종래강 X의 상온 마모량을 측정하여 마모특성을 비교하였다. 초기 경도는 발명강 종래강 모두 HRC 53 이다. 결과에서 발명강과 종래강은 모두 마모거리가 증가되면 마모량이 점차 증가되고 종래강 R은 15미터에서 마모량이 커지다가 30미터에서 급격히 마모되고 종래강 X는 25미터부터 마모량이 급격해지지만, 발명강은 모두 30미터 근처에서 마모량이 증가되며, 마모량은 종래강에 비하여 극히 미미하다.

따라서 거의 동일한 경도에서 발명강이 종래강에 비하여 거리에 따른 마모량이 현저하게 적은 결과를 보이기 때문에 발명강은 Si의 큰 기지강화 효과에 의해 종래강에 비해 거의 유사한 합금원소량에서 내마모성 역시 매우 우수하다.

도 4는 발명강 D와 발명강 Q 및 종래강 R, V, X의 지름이 180mm인 소재에 있어 소입 처리후 표면부터 중심부까지 경도 분포를 나타낸다. 도면에서 발명강이 중심부까지 경도저하 기울기가 완만하므로 종래강 R, V에 비하여 우수한 경화능이 확보되어 큰 직경의 조질 열처리에 있어서도 우수한 기계적특성이 보장된다.

도 5a, b에 본 소재 발명후 현재 본 발명강의 사용 용도중 가장 널리 사용되고 있는 용도중 하나인 고철 절단 브레이드(Scrap Shear Blade)를 형상을 보이고, 도 6에 본 발명강의 또 하나의 용도인 스테인레스강 판재 샤링용 칼 형상을 보인다.

표 4는 명강 B,D,F,G,I,J,K,L,N,P,Q와 종래강 R,X에 대하여 실제 길로틴 고철 절단 설비에 장착하여 고철절단량을 비교한 것으로 현재 가장 널리 사용되고 있는 열간공구강인 종래강 X을 기준치 100%로 하여 산출한 결과이다.

고실리콘에 부합되는 최적인 합금조성으로 구성된 내충격·내마모 고탄성 고강도인 상기 발명강들 모두 종래강 R,X 보다 사용수명이 큰 폭으로 향상되었고 특히, 국내외 고철절단 브레이드와 샤링 칼 부품으로서 대부분 사용되는 종래강 X에 대하여 최소 25%에서 최대 125% 긴 수명이 확보된다.

본 발명강에서 내열성에 강한 합금원소가 첨가된 발명강 F,I,K,P가 첨가되지 않은 발명강 D,G,J,L,N,Q 보다 약간의 제조원가 상승은 있지만, 제조원가 대비 크게 장수명화된 특징이 있다.

따라서, 가혹한 조건하 고철절단에서 현재 가장 널리 사용되고 있는 열간공구강인 종래강 X에 비해 제조원가가 50% 낮은 실시예가 원가적인 면에서 매우 높은 수익성을 가지면서도 금형 수명도 매우 우수하다.

도 7에 본 발명강을 대표하여 발명강 K에 대한 열역학/열처리 수치해석도를 보인다. 도 7a 는 Fe-C Vertical Section Thermo-Calc. Phase Diagram 으로, 본 발명강의 목표 주합금원소에 탄소함유량이 0.48 중량% 이하시 본발명이 원하는 조직 및 석출상을 얻을 수 있다. 도 7b 는 연속냉각변태곡선(CCT)으로 페라이트 Nose가 상당히 왼쪽으로 이동되어 있어 일반 공냉시 크랙발생을 야기시킬 수 있는 베이나이트와 마르텐사이트 생성 없이 연한 페라이트 조직으로 변태됨에 따라 본 발명강이 열간소성가공후 소준열처리 및 소둔열처리 없이 절단과 가공이 가능하고 산소절단을 행하더라도 크랙발생 없이 자유롭게 형상 절단하여 양질의 제품을 얻을 수 있다.

[ 표 4 ]

강 종	경도(HRC)	고철 절단량	수명 상승률
발명강 B	51	2,500 톤	125 %
발명강 D	50.5	2,600 톤	130 %
발명강 F	51	3,000 톤	150 %
발명강 G	53	2,920 톤	146 %
발명강 I	53	4,000 톤	200 %
발명강 J	51.5	3,320 톤	166 %
발명강 K	53	3,600 톤	180 %
발명강 L	51.5	3,120 톤	156 %
발명강 N	52	2,400 톤	120 %
발명강 P	52	5,000 톤	250 %
발명강 Q	52	2,700 톤	135 %
종래강 R	51	600 톤	30 %
종래강 X	51	2,000 톤	100% (기준치)

본 발명에 의하여 얻어진 고 실리콘/저 합금 내충격·내마모용 고탄성 고강도강은 적은 합금원소 함유량에도 불구하고 높은 함유량의 실리콘과 주 합금원소의 최적인 배합에 의하여 종래강에 비하여 용접성, 저온 연화저항성 및 고온 연화저항성, 경화능, 내마모성(Si에 의한 기지강화) 및 충격인성과 인장강도인 기계적 특성이 매우 우수하여 고경도, 고강도, 고인성 및 고탄성을 가진 특성으로 인하여 실제 가혹한 조건 하 금형 수명 및 부품 수명에서도 기존 종래강에 비해 그 수명이 매우 우수하다.

특히, 고 실리콘을 기반으로 낮은 합금원소의 적절한 조합과 본 발명강의 고유 합금조성에 적합하고 최적인 열처리방법의 개발로 이루어진 본 발명에 의한 고 탄성·고강도강은, 종래강이 고합금에 의존한 특성향상에 의하여 높은 제조원가를 가지고 산소토치에 의한 직접 절단이 불가능 한(크랙발생) 반면, 본 발명강은 고 실리콘을 기반으로 낮은 합금원소로서 최적인 조합으로 제조원가 면에서 50% 이상 절감되었을 뿐만아니라 또 하나의 큰 장점은 산소토치에 의한 복잡한 형상 절단이 가능하여(크랙발생 무) 가공비가 절감됨에 따라, 낮은 소재가격과 가공비절감으로 실수요자의 원가절감 욕구에 충분히 만족되고 있다.

Claims (8)

1. C: 0.26중량%～0.48중량%, Si: 1.4중량%～2.5중량%, Mn: 0.5중량%～1.0중량%, Cr: 1.4중량%～2.4중량%, Ni: 0.01중량%～0.1중량%, Mo: 0.01중량%～0.5중량%, Al: 0.005중량%～0.04중량%, V: 0.05중량%～0.1중량% 및 N: 0.0025중량%～0.02중량%을 포함하고, 잔부는 Fe와 불기피한 불순물로 이루어지는 내충격 및 내 마모용 고탄성 고강도강.
2. 제 1항에 있어서, 상기 고강도강은,

   (Si중량%) /(Mn중량%) = 2.6 ~ 3.2 및(Al중량%) : (N중량%) = 2 : 1 관계를 더 만족하는 내충격 및 내 마모용 고탄성 고강도강.
3. 제 2항에 있어서, 상기 고강도강은 응고조직 제어를 위해,

   {REM중량%(Y,Ce,La,Nd,Pr)+Al중량%} /(S중량%)= 2 ~ 90; 및

   (Ca중량%) /(S중량%) = 1, {REM,(Y,Ce,La,Nd,Pr)+Al}·(O+S)= 0.001×10^-5～30,000×10^-5 [중량%]의 관계식을 만족하며, REM(Y,Ce,La,Nd,Pr)= 0.001중량%～0.5중량% 및 Ca: 0.0005중량%～0.01중량%를 포함하는 내충격 및 내 마모용 고탄성 고강도강.
4. 제 3항에 있어서, 상기 고강도강은, 제 1항에 기재된 N, Mn, Cr, Ni 및 Mo 각 성분 범위의 상한값에, 각각 최대로, N 0.28중량%, Mn 0.5중량%, Cr 1.0중량%, Ni 0.95중량% 및 Mo 0.6중량%을 추가로 포함하는 내충격 및 내 마모용 고탄성 고강도강.
5. 제 3항에 있어서, 상기 고강도강은 B: 0.0001중량%～0.005중량%, Ti: 0.001중량%～0.1중량%, W+Co:0.01중량%～0.5중량% 및 Nb :0.01중량%～0.1중량%을 선택하여 추가로 포함하는 내충격 및 내 마모용 고탄성 고강도강.
6. 제 1항내지 제 5항으로 이루어지는 용강을 용제하는 단계;

   상기 용강을 1550℃± 80℃에서 응고시키는 단계;

   상기 응고재를 1100℃± 150℃에서 열간가공을 실시하는 단계;

   650℃～1000℃에서 소준처리 및 소둔을 실시하는 단계;

   800℃～1050℃ 범위에서 소입처리를 실시하는 단계;및

   80℃～700℃ 범위에서 소려를 실시하는 단계를

   를 포함하는 내충격 및 내마모용 고탄성 고강도강을 제조하는 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 소입 단계는 10mm 두께 당 1분 이상 오스테나이트화 및 고용화 처리후 빠르게 즉시 상온까지 냉각시키는 연속냉각 또는 180℃ 까지 다단냉각에 의한 제어냉각후 상온까지 냉각하는 시스템으로 이루어지는 것으로, 냉 각에 사용되는 냉각제는 염, 오일, 물, 또는 물+냉매인 것을 특징으로 하는 내충격 및 내마모용 고탄성 고강도강을 제조하는 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 소려는 상온～80℃ 의 범위내의 소재를 10mm 두께당 3분 이상 유지 후 공냉 또는 200℃ 이하의 냉각제에 의한 1회 이상의 소려로 이루어지는 것으로 냉각제는 염, 오일, 물, 또는 물+냉매인 것을 특징으로 하는 내충격 및 내마모용 고탄성 고강도강을 제조하는 방법.

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