KR20120071585A - 내마모성이 우수한 고강도 고망간강 - Google Patents

내마모성이 우수한 고강도 고망간강 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일측면은 중량%로, C: 0.08~0.12%, Mn: 8.0~12.0%, Si: 0.05~1.0%, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 고강도 고망간강을 제공함으로써,
탄소 및 합금원소의 함량을 낮추면서도 비교적 낮은 냉각속도에서 균일한 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있어 고망간강의 강도를 우수하게 확보할 수 있음과 동시에 생산가능한 판의 두께가 증가하여 후물재 생산에 유리할 수 있고, 고강도 고망간강의 내마모성도 향상시킬 수 있으며, 저온인성도 확보할 수 있다.

Description

내마모성이 우수한 고강도 고망간강{HIGH STRENGTH HIGH-Mn STEEL HAVING EXCELLENT CORROSION RESISTANCE}
본 발명은 내마모성이 우수한 고강도 고망간강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 성분계 또는 제조조건 제어를 통해 고강도 고망간강의 강도 및 내마모성을 동시에 확보할 수 있는 내마모성이 우수한 고강도 고망간강에 관한 것이다.
최근 건설, 기계장치 및 수송기계의 고성능화 및 대형화에 따라 소재의 고강도 뿐만 아니라 내마모 특성이 중요하게 대두되고 있다. 내마모강은 크게 오스테나이트계 가공경화강과 마르텐사이트계 고경도강으로 구분된다.
오스테나이트계 내마모강의 대표적인 예는 지난 100여 년간 사용된 해드필드강(Hadfield)이다. 해드필드강은 망간(Mn) 약 12% 및 탄소(C) 약 1%를 포함하고, 그 미세조직은 오스테나이트를 가지며, 광산산업분야, 철도분야, 군수분야 등 다양한 분야에서 쓰이고 있다. 그러나 초기 항복강도가 400MPa 전후로 매우 낮아 일반적인 내마모강 또는 구조강으로서는 그 적용이 제한적인 문제점이 있다.
이에 반하여, 마르텐사이트계 고경도강은 높은 항복강도 및 인장강도를 가지고 있어 구조재 및 운송/건설기계에 널리 쓰이고 있다. 일반적으로 고경도강은 고탄소, 고합금원소를 포함하며, 충분한 강도를 얻을 수 있는 마르텐사이트 조직을 확보하기 위해 퀀칭(Quenching) 공정이 필수적이다. 대표적인 마르텐사이트계 내마모강은 사브(SSAB)사의 하독스(HARDOX) 시리즈로서, 비교적 낮은 탄소 당량(Ceq)을 가지며, 강도 및 경도가 우수하다.
그러나, 종래의 마르텐사이트계 내마모강은 고경도 및 고강도를 확보하기 위해서 탄소 및 합금원소의 함량을 높이고, 퀀칭 등 별도의 열처리 과정을 통해 제조할 수 있으나, 탄소 및 합금원소를 많이 함유하게 되면 용접성 및 저온 취성에 악영향을 줄 뿐만 아니라, 고가의 합금원소를 첨가해야 하기 때문에 제조비용이 많이 드는 문제점이 있다. 또한, 마르텐사이트 조직을 얻기 위해 별도의 열처리를 하게 되는데, 이 때 재료내부에 높은 잔류응력이 잔존하여 제품의 형상을 악화시킬 수 있는 문제점이 있다.
따라서, 급냉을 하지 않고도 마르텐사이트를 생성할 수 있고, 또한 강도가 우수하면서도 내마모성이 확보된 고망간강에 대한 요구가 절실한 시점이라 할 수 있다.
본 발명은 비교적 낮은 냉각속도로 마르텐사이트를 얻음으로써 강도 및 내마모성을 동시에 확보할 수 있는 내마모성이 우수한 고강도 고망간강을 제공한다.
본 발명은 중량%로, C: 0.08~0.12%, Mn: 8.0~12.0%, Si: 0.05~1.0%, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 고강도 고망간강을 제공한다.
이때, 상기 강은 Nb: 0.1% 이하(0%는 제외), Ti: 0.05% 이하(0%는 제외) 및 B: 0.01% 이하(0%는 제외)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고망간강은 마르텐사이트가 95면적% 이상인 미세조직을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고망간강은 인장강도가 1350MPa 이상이고, 마모속도가 250㎥/m 이하이며, -20℃에서의 샤르피 충격 흡수 에너지가 27J 이상인 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 일측면에 따르면, 탄소 및 합금원소의 함량을 낮추면서도 비교적 낮은 냉각속도에서 균일한 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있어 고망간강의 강도를 우수하게 확보할 수 있음과 동시에 생산가능한 판의 두께가 증가하여 후물재 생산에 유리할 수 있고, 고강도 고망간강의 내마모성도 향상시킬 수 있으며, 저온인성도 확보할 수 있다.
도 1은 발명예에 따라 제조된 강판의 미세조직 사진의 일례를 나타낸 것이다.
이하, 먼저 본 발명의 고망간강에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 고망간강은 성분계를 최적화하여 마르텐사이트를 주상으로 제어함으로써, 경도, 강도, 인성 등의 기계적 물성을 향상시킨 고망간 내마모강에 관한 것으로, 특히 성분계를 제어하여 내마모성을 우수하게 확보한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일측면은 중량%로, C: 0.08~0.12%, Mn: 8.0~12.0%, Si: 0.05~1.0%, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 고강도 고망간강을 제공한다.
고망간강은 망간 함량이 매우 높은 강을 말하며, 이 고망간 강의 미세조직적 특징을 이용하여 다양한 물성 조합을 구성할 수 있으며, 앞서 기술한 기존의 고탄소 고합금 마르텐사이트계 내마모강이 가지고 있는 기술적 문제점을 해결할 수 있다.
망간의 함유량이 높을 경우 연속냉각변태곡선(Continuous Cooling Transformation Diagram) 상에서 베이나이트 또는 페라이트 생성 곡선이 후방으로 급격하게 이동하기 때문에 열간압연 또는 용체화 처리 후, 기존의 고탄소 내마모강에 비해 낮은 냉각속도에서도 마르텐사이트가 안정적으로 생성된다. 그리고 망간 함량이 높을 경우에는 일반 고탄소 마르텐사이트강에 비해 상대적으로 낮은 탄소함량으로도 높은 경도를 얻을 수 있는 장점이 있다. 특히, 본 발명자들은 망간의 함량을 8.0% 이상으로 제어하면서 다른 원소의 조성범위를 적절히 제어함으로써, 마르텐사이트의 분율을 더욱 높여 인장강도를 더 향상시키는 발명을 하기에 이른 것이다.
이하, 본 발명 강재의 성분계 및 조성범위에 대해 상세히 설명한다.(중량%)
탄소(C): 0.08~0.12%
탄소는 강재에 포함되어 강재의 항복강도 및 인장강도를 향상시키는 원소이다. 따라서, 그 함량이 증가할수록 강재의 강도는 증가시키지만, 인성은 감소시킨다. 본 발명에서 제안하는 탄소의 함량은 하기 망간 조성범위 내에서 본 발명이 요구하는 기계적 물성을 확보하기 위하여 0.08% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 다만, 지나치게 다량 첨가할 경우 연신율 및 인성을 현저히 저하시키므로 그 상한은 0.12%로 한정하는 것이 바람직하다.
망간(Mn): 8.0~12.0%
망간은 본 발명에서 첨가되는 가장 중요한 원소 중 하나이다. 또한 적정한 범위 내에서 마르텐사이트를 안정화시키는 역할을 할 수 있다. 상기 탄소 함량의 범위 내에서 마르텐사이트를 안정화시키기 위해서는 망간은 8.0% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 8.0% 미만인 경우에는 페라이트 또는 베이나이트가 주조직으로 형성될 수 있다. 그리고 12.0%를 초과하는 경우에는 준 안정상인 입실런 마르텐사이트가 형성되어 최종 제품의 기계적 특성이 열화될 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기와 같이 망간을 8.0~12.0%로 포함하여, 열간압연 또는 용체화 처리 후 냉각단계에서 퀀칭을 실시하지 않고도 안정한 마르텐사이트 조직을 용이하게 확보할 수 있다.
실리콘(Si): 0.05~1.0%
실리콘은 탈산제로서 역할을 하고 고용강화에 따른 강도를 향상시키는 원소이나, 제조공정상 그 하한은 0.05%이며, 그 함량이 높을 경우 용접부는 물론 모재의 인성을 저하시키므로 실리콘의 함량의 상한은 1.0%로 한정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 철강제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 철강제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
더불어, 본 발명의 강재는 하기 설명하는 니오븀(Nb), 티타늄(Ti) 및 보론(B)을 추가적으로 첨가하는 경우 본 발명의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 고망간강은 Nb: 0.1% 이하(0%는 제외), Ti: 0.05% 이하(0%는 제외) 및 B: 0.01% 이하(0%는 제외)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
니오븀(Nb): 0.1% 이하
니오븀은 고용, 석출강화효과를 통해 강도를 증가시키고, 저온압연시 결정립을 미세화시켜 충격인성을 향상시키는 원소이나, 그 함량이 0.1%를 초과하는 경우에는 조대한 석출물이 생성되어 오히려 경도 및 충격인성을 열화시키므로 0.1% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.
티타늄(Ti): 0.05% 이하
티타늄은 소입성 향상에 중요한 원소인 B의 효과를 극대화하는 원소로 티타늄은 TiN 형성에 의해 BN 형성을 억제함으로써 고용 B의 함량을 증가시켜 소입성을 향상 시키고, 석출된 TiN은 오스테나이트 결정립을 고정(pinning)시켜 결정립 조대화를 억제시키는 효과를 나타내나, 과도한 첨가시 티타늄 석출물의 조대화에 의해 인성저하 등의 문제를 발생시키므로 0.05% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.
보론(B): 0.01% 이하
보론은 소량의 첨가로도 재료의 소입성을 효과적으로 증가시키는 원소이며, 결정입계 강화를 통한 입계파괴의 억제효과가 있으나, 과도한 첨가시 조대한 석출물의 형성 등에 의해 인성 및 용접성을 저하시키므로 0.01% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.
상술한 성분계를 만족하는 본 발명의 강재는 일련의 열간압연 및 냉각 공정을 통해 제조되며 미세조직의 주상은 마르텐사이트이며, 상기 마르텐사이트가 95면적% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 마르텐사이트의 분율이 95% 미만인 경우 본 발명이 의도하는 강도를 확보할 수 없다.
이와 같이 제조된 본 발명의 고망간강은 인장강도가 1350MPa 이상이고, 마모속도가 250㎥/m 이하를 만족하여, 강도가 매우 우수하면서도 내마모성을 향상시킬 수 있다. 또한, -20℃에서의 샤르피 충격 흡수 에너지도 27J 이상 얻을 수 있어 저온인성도 확보할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하지만, 이는 본 발명의 보다 완전한 설명을 위한 것이고, 하기 개별실시예에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
( 실시예 )
아래 표 1에 기재된 성분계 및 조성을 갖는 강 슬라브를 통상의 조건으로 압연 및 냉각을 실시하였다.
구분(중량%) C Mn Si Nb Ti B
발명예1 0.088 8.84 0.15 - - -
발명예2 0.095 8.47 0.2 - - -
발명예3 0.082 9.23 0.1 - - -
발명예4 0.097 10.15 0.05 - - -
발명예5 0.086 9.42 0.07 - - -
발명예6 0.062 9.87 0.2 - - -
발명예7 0.084 8.65 0.18 - - -
발명예8 0.093 11.81 0.09 - - -
발명예9 0.116 9.89 0.17 0.04 0.015 0.0020
발명예10 0.085 8.25 0.21 0.043 0.020 0.0038
비교예1 0.157 9.45 0.1 - - -
비교예2 0.032 8.42 0.2 - - -
비교예3 0.097 6.21 0.3 - - -
비교예4 0.113 13.8 0.7 - - -
비교예5 0.092 8.92 1.5 - - -
상기 압연 및 냉각으로 제조된 강판에 대해 항복강도, 인장강도, 마모량, -20℃에서의 샤르피 충격 흡수 에너지, 미세조직 분율을 측정하여 아래 표 2에 나타내었다.
구분 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 마모량
(㎥/m)		 충격
에너지
(J)		 미세조직 분율(면적%)
마르텐
사이트		 베이나이트 페라이트
발명예1 1021 1385 221 41 98 2 -
발명예2 1032 1420 150 38 97 3 -
발명예3 1089 1486 142 35 99 1 -
발명예4 1104 1496 145 35 99 1 -
발명예5 1075 1465 159 34 98 2 -
발명예6 1095 1450 158 37 98 2 -
발명예7 1010 1363 215 43 97 3 -
발명예8 1120 1502 143 29 98 2 -
발명예9 1150 1589 140 45 96 4 -
발명예10 1230 1594 138 47 96 4 -
비교예1 1125 1624 112 15 96 4 -
비교예2 986 1242 310 60 96 4 -
비교예3 540 790 384 95 60 35 5
비교예4 1104 1485 280 10 97 3 -
비교예5 1088 1369 150 14 97 3 -
발명예 1 내지 10은 본 발명의 성분계 및 조성범위를 모두 만족하였으며, 이로 인하여 마르텐사이트 조직을 95면적% 이상으로 얻을 수 있었으며, 따라서 우수한 항복강도, 인장강도, 충격인성, 내마모성 등을 모두 우수하게 확보할 수 있었다. 특히 발명강 9 및 10은 니오븀, 티타늄, 보론 등을 추가로 포함함에 따라 상기 특성들이 더욱 향상되었음을 확인할 수 있다.
도 1은 상기 발명예 3에 따라 제조된 강판의 미세조직 사진을 나타낸 것인데, 미세조직이 거의 마르텐사이트만 이루어져 강도 및 내마모성이 매우 우수함을 파악할 수 있다.
이에 반해, 비교예 1은 탄소의 함량이 너무 높아 강도 및 내마모성은 매우 우수하였으나, 샤르피 충격흡수 에너지값이 15J로 너무 낮게 나와 저온에서의 충격인성이 좋지 못함을 확인할 수 있다.
반대로, 비교예 2는 탄소의 함량이 너무 낮아 저온인성은 매우 우수하였으나, 강도가 너무 낮고 이에 따라 마모량도 크게 증가하여 강도 및 내마모성이 좋지 못함을 확인할 수 있다.
또한, 비교예 3은 망간의 함량이 너무 낮아 베이나이트 및 페라이트 조직이 40면적%나 생성되어 마르텐사이트 분율이 60%로 낮았다. 이에 따라 저온에서의 충격인성은 증가하였으나, 강도 및 내마모성이 저하되었음을 알 수 있다.
또한, 비교예 4는 망간의 함량이 너무 높아 입실런 마르텐사이트가 생성되어 기계적 특성이 열화됨에 따라 마모량이 증가하여 내마모성이 좋지 못하고, 충격흡수 에너지도 크게 떨어져 저온인성도 좋지 못함을 확인할 수 있다.
또한, 비교예 5는 실리콘의 함량이 너무 높아 충격흡수 에너지 값이 14J로 매우 낮게 나타나 저온인성이 저하되었음을 확인할 수 있다.

Claims (4)

  1. 중량%로, C: 0.08~0.12%, Mn: 8.0~12.0%, Si: 0.05~1.0%, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 내마모성이 우수한 고강도 고망간강.
  2. 청구항 1에 있어서,
    Nb: 0.1% 이하(0%는 제외), Ti: 0.05% 이하(0%는 제외) 및 B: 0.01% 이하(0%는 제외)를 더 포함하는 내마모성이 우수한 고강도 고망간강.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 고망간강은 마르텐사이트가 95면적% 이상인 미세조직을 갖는 내마모성이 우수한 고강도 고망간강.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 고망간강은 인장강도가 1350MPa 이상이고, 마모속도가 250㎥/m 이하이며, -20℃에서의 샤르피 충격 흡수 에너지가 27J 이상인 내마모성이 우수한 고강도 고망간강.
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