KR20130063096A - 저비중합금 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

Fe를 주성분으로 하고, Al : 10~20wt%, Mn : 5~20wt%, C : 0.5~1wt%, Cr : 1~3wt%, Si : 1~3wt%, Mg : 2~4wt%, P : 0.02%이하(0은 불포함), S : 0.01%이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 저비중합금 및 그 제조방법이 소개된다.

Description

저비중합금 및 그 제조방법 {LOW SPECIFIC GRAVITY ALLOY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 기존의 저비중합금 대비 항복강도가 상승되고 비중이 감소된 저비중합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 기존의 Al, Si ,Cr 등 경량 치환형 합금원소의 첨가를 통해 기존 Fe 대비 비중을 10% 이상 낮춘 저비중합금에, 비중이 1.73g/㎤ 인 Mg 합금을 첨가한 석출 강화형 저비중 신 합금계를 제공하는 것이다.

종래의 저비중합금으로는, Fe를 주성분으로 하고, Al : 10~20wt%, Mn : 5~20wt%, C : 0.5~1wt%, Cr : 1~3wt%, Si : 1~3wt%를 조성으로 하고, 불순물인 P : 0.02%이하(0은 불포함), S : 0.01%이하(0은 불포함)를 제한하여 조성된 저비중합금을 들 수 있다(다만, 해당 합금이 공지된 것임을 밝히는 것은 아니다).

이러한 종래의 저비중합금은 비중이 7g/㎤에 가까웠고, 경도가 98HB 정도로서, 이러한 저비중합금의 비중은 낮추면서도 경도를 좀 더 향상시킬 수 있는 새로운 저비중합금이 필요하였다.

이를 위해, Mg를 첨가하는 방안을 고려해볼 수 있을 것이나, Mg은 Fe에 고용되지 않으며 기화점이 1091℃로 낮기 때문에 첨가원소로 사용하기가 불가한 점이 있었다.

따라서, 종래의 저비중합금 제조와는 전혀 다른 방식으로 Mg를 첨가함으로써 비중을 낮추고 강도를 향상시키는 방안이 필요하였던 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 석출 강화를 통해 기존 저비중 합금계 대비 10% 이상 항복강도를 향상시키고, 첨가원소 제한을 통해 저비중 철강 가격 상승을 억제할 수 있으며, 최소 6.8g/㎤ 이하인 저비중합금 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저비중합금은, Fe를 주성분으로 하고, Al : 10~20wt%, Mn : 5~20wt%, C : 0.5~1wt%, Cr : 1~3wt%, Si : 1~3wt%, Mg : 2~4wt%, P : 0.02%이하(0은 불포함), S : 0.01%이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함한다.

상기 저비중합금은 비중이 6.8g/㎤ 이하(0은 불포함)일 수 있다.

한편, 상기 저비중합금의 제조방법은, Fe를 주성분으로 하는 용탕을 승온하는 준비단계; 상기 용탕에 C : 0.5~1wt%를 첨가하는 제1첨가단계; 상기 용탕에 Mn : 5~20wt%, Cr : 1~3wt%, Si : 1~3wt%를 첨가하는 제2첨가단계; 상기 용탕에 Al : 10~20wt%, Mg : 2~4wt%의 조성으로 구성된 모합금을 장입하는 장입단계; 및 상기 모합금의 장입후 냉각하는 냉각단계;를 포함한다.

상기 준비단계는 용탕의 온도를 1700℃ 이상으로 승온할 수 있다.

상기 제1첨가단계는 용탕의 온도를 1500℃ 이하로 제한할 수 있다.

상기 제2첨가단계는 용탕의 온도를 1400℃ 이하로 제한할 수 있다.

상기 장입단계는 제2첨가단계의 온도조건에서 30분 이상 유지할 수 있다.

상기 냉각단계는 용탕을 600℃ 이하로 급랭한 후 공랭할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 저비중합금 및 그 제조방법에 따르면, 석출 강화를 통해 기존 저비중 합금계 대비 10% 이상 항복강도를 향상시키고, 첨가원소 제한을 통해 저비중 철강 가격 상승을 억제할 수 있으며, 최소 6.8g/㎤ 이하의 비중 합금의 제조가 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저비중합금의 제조방법을 나타낸 도면.
도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 저비중합금과 기존의 저비중합금을 비교한 그래프.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 저비중합금 및 그 제조방법에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 저비중합금은, Fe를 주성분으로 하고, Al : 10~20wt%, Mn : 5~20wt%, C : 0.5~1wt%, Cr : 1~3wt%, Si : 1~3wt%, Mg : 2~4wt%, P : 0.02%이하(0은 불포함), S : 0.01%이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함한다. 그리고, 상기 저비중합금은 비중이 6.8g/㎤ 이하(0은 불포함)일 수 있다.

합금의 비중을 7.0g/㎤ 이하로 낮추기 위해서 Al을 10~20wt% 첨가하며, 강도와 연신을 확보하고자 저비중 기본 원소인 5wt%<Mn< 20wt%, 0.5wt%<C<1wt%, 1wt%<Cr<3wt%, 1wt%<Si<3wt%, 및 기타 불순물은 P:0.02%이하,S:0.01%이하로 제어한다.

그리고, Mg은 Fe에 고용되지 않으며, 기화점이 1091℃로 낮기 때문에 첨가원소로 사용하기가 불가하나, 본 발명에서는 Al-20wt%Mg 모합금을 사용하여 Mg 함량을 2wt% ~ 4wt% 하여 저비중 극대화 및 석출 강화상을 생성하였다.

또한, Fe 의 용융점을 제어하기 위해 C,Si,Cr을 우선 첨가하여, 용탕 온도를 1400℃ 이하로 제어한 후 저비중 고강도의 핵심원소인 Al-20wt%Mg 을 첨가하여 시험편을 제조하였다.

구체적으로, Al은 비중이 2.7g/㎤로써, 저비중 필수 원소이며, 5wt% 이하는 저비중 효과가 적기 때문에 하한을 정하였으며, 20wt% 이상일 경우에는 금속간 화합물을 많이 생성하기 때문에 함량을 제한하였다.

Mn 은 오스테나이트 안정화 원소로써 강의 인성을 향상시키며,강도를 증가시키기 때문에 최소 5wt%이상 첨가하며, 20wt% 이상 첨가시 용탕품질이 저하하기 때문에 그 양을 제한한다.

Si는 Al과 마찬가지로 강의 비중을 저하시키고 강도의 향상에 도움이 되지만, 다량 첨가하는 경우에는 강의 표면에 고온산화 피막을 두껍고 불규칙하게 형성할 수 있고 연성을 크게 저하시키므로 1~3.0wt%로 제한한다.

Cr은 페라이트역 확정 원소로서 연성을 저하시키지 않고 Cr계 탄화물을 형성하는 원소로서 조직을 미세화하는 역할을 하므로 0.1% 이상 첨가할 수 있다. 그러나 지나치게 과량 함유하는 경우에는 연성이 저하되므로 3wt%이내로 투입한다.

P와 S는 강의 취성을 증가시킴으로 0.02 wt% 이하로 제어한다.

참고로, 합금 원소별 저비중 효과는 아래와 같다.

상기와 같은 본 발명의 저비중합금에 대한 비교예로서의 종래의 저비중합금은, Fe를 주성분으로 하고, Al : 10~20wt%, Mn : 5~20wt%, C : 0.5~1wt%, Cr : 1~3wt%, Si : 1~3wt%, P : 0.02%이하(0은 불포함), S : 0.01%이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성하였다.

Mg은 금속중에 가장 낮은 비중을 가지고 있어 저비중에 효과적이기 때문에 최소 3wt% 이상 포함시키나, Fe에 고용 되지 않고 금속간 화합물을 생성시켜 취성을 증대시켜 그 함량을 6wt%로 제한한다.

그리고, Mg은 Fe 에 고용되지 않으며, 기화점이 1097℃로써 기존에는 Fe의 첨가원소로는 사용되지 않았으나 본 발명에서는 Al-20wt%Mg 모합금 제조를 통해 이를 해결하고자 하였으며, 더욱이 C 첨가를 통하여 Fe 용탕온도를 낮추어 효과적인 제조를 할 수 있게 만들었다. Mg은 Al과 융점이 비슷하며, 최대 18wt% 정도 고용 효과를 가지고 있기 때문에 기존 Al 합금에 많이 사용하고 있다.

본 발명에서는 500℃ 이상의 온도에서 최대 고용한도를 10% 넘는 약 20wt% 까지 Mg을 넣어 합금을 제조하여,경량화 효과를 극대화하고자 하였으며, 합금 응고시 600℃에서 급속 냉각하여, Mg의 고용효과를 최대로 하였다.

구체적으로, 본 발명의 저비중합금의 제조방법은, Fe를 주성분으로 하는 용탕을 승온하는 준비단계; 상기 용탕에 C : 0.5~1wt%를 첨가하는 제1첨가단계; 상기 용탕에 Mn : 5~20wt%, Cr : 1~3wt%, Si : 1~3wt%를 첨가하는 제2첨가단계; 상기 용탕에 Al : 10~20wt%, Mg : 2~4wt%의 조성으로 구성된 모합금을 장입하는 장입단계; 및 상기 모합금의 장입후 냉각하는 냉각단계;를 포함한다.

그리고, 상기 준비단계는 용탕의 온도를 1700℃ 이상으로 승온할 수 있으며, 상기 제1첨가단계는 용탕의 온도를 1500℃ 이하로 제한할 수 있고, 상기 제2첨가단계는 용탕의 온도를 1400℃ 이하로 제한할 수 있으며, 상기 장입단계는 제2첨가단계의 온도조건에서 30분 이상 유지할 수 있고, 상기 냉각단계는 용탕을 600℃ 이하로 급랭한 후 공랭할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 저비중합금의 제조방법을 나타낸 도면으로서, 제조 모합금인 Mg의 최대 고용을 위해서 500℃에서 사전 예열을 수행하고, 모합금의 장입전, 0.5wt%이상 C 첨가로 Fe합금 융점을 1500℃ 이하로 낮춘다.

그리고, 1wt%이상의 Si, Cr 및 5wt% 이상의 Mn 첨가를 통해 용탕 온도를 1400℃ 이하로 제어하고, 1400℃의 용탕에 사전 500℃에서 가열된 Al-20Mg 모합금 장입 후 용탕 안정화를 위해 30 분 유지한다.

그리고, 600℃까지 급냉후 30분 유지후 공냉함으로써 저비중합금을 제조한다.

이러한 과정에 의한 본 발명의 저비중합금은 도 2 내지 3에서 볼 수 있듯이, Mg가 첨가되지 않은 종래의 저비중합금에 비하여 약 5% 이상의 경량화를 가질 수 있으며, 석출상에 의한 경도값이 증가됨을 알 수 있다. 도 2의 경우 비중을 비교한 것으로서, 2wt% Mg첨가로 비중을 0.12 이상을 낮출 수 있다.

그리고, 도 3은 경도를 나타낸 것으로서, Mg(N,C)석출에 의해 HB경도가 10%증가하였음을 알 수 있다.

따라서, 상술한 바와 같은 구조로 이루어진 저비중합금 및 그 제조방법에 따르면, 석출 강화를 통해 기존 저비중 합금계 대비 10% 이상 항복강도를 향상시키고, 첨가원소 제한을 통해 저비중 철강 가격 상승을 억제할 수 있으며, 최소 6.8g/㎤ 이하의 비중 합금의 제조가 가능해지는 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (8)

1. Fe를 주성분으로 하고, Al : 10~20wt%, Mn : 5~20wt%, C : 0.5~1wt%, Cr : 1~3wt%, Si : 1~3wt%, Mg : 2~4wt%, P : 0.02%이하(0은 불포함), S : 0.01%이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성의 저비중합금.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 저비중합금은 비중이 6.8g/㎤ 이하(0은 불포함)인 것을 특징으로 하는 저비중합금.
3. Fe를 주성분으로 하는 용탕을 승온하는 준비단계;
   상기 용탕에 C : 0.5~1wt%를 첨가하는 제1첨가단계;
   상기 용탕에 Mn : 5~20wt%, Cr : 1~3wt%, Si : 1~3wt%를 첨가하는 제2첨가단계;
   상기 용탕에 Al : 10~20wt%, Mg : 2~4wt%의 조성으로 구성된 모합금을 장입하는 장입단계; 및
   상기 모합금의 장입후 냉각하는 냉각단계;를 포함하는 저비중합금의 제조방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 준비단계는 용탕의 온도를 1700℃ 이상으로 승온하는 것을 특징으로 하는 저비중합금의 제조방법.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1첨가단계는 용탕의 온도를 1500℃ 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 저비중합금의 제조방법.
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 제2첨가단계는 용탕의 온도를 1400℃ 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 저비중합금의 제조방법.
7. 청구항 3에 있어서,
   상기 장입단계는 제2첨가단계의 온도조건에서 30분 이상 유지하는 것을 특징으로 하는 저비중합금의 제조방법.
8. 청구항 3에 있어서,
   상기 냉각단계는 용탕을 600℃ 이하로 급랭한 후 공랭하는 것을 특징으로 하는 저비중합금의 제조방법.

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