KR20160064347A

KR20160064347A - 내마모성이 우수한 고망간 경량강판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20160064347A
Application number: KR1020140167662A
Authority: KR
Inventors: 문준오; 박성준; 이창훈
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2014-11-27
Publication date: 2016-06-08
Also published as: KR101642696B1

Abstract

내마모성이 우수한 오스테나이트계 고망간 경량강판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 고망간 경량강판은 합금성분과 시효 처리 등의 제어를 통하여, 중량%로, 망간(Mn): 25~45%, 실리콘(Si): 0.2% 이하, 알루미늄(Al): 11~13%, 탄소(C): 0.85~0.95%를 포함하고, 잔부가 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 오스테나이트, 페라이트, β-Mn을 포함하는 미세조직을 가지며, 비커스 경도(Hv) 700 이상을 나타낼 수 있다.

Description

내마모성이 우수한 고망간 경량강판 및 그 제조방법 {HIGH MANGANESE LIGHT WEIGHT STEEL WITH EXCELLENT WEAR RESISTANCE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 내마모성이 우수한 강판 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 오스테나이트계로서 내마모성이 우수한 고망간 경량강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

배관재, 철도 레일, 금형부품 등 다양한 소재에 있어서 내마모 특성이 요구되고 있으며 이를 위해 다양한 내마모강들이 개발되고 있다. 기존의 내마모강은 구성상에 따라 크게 오스테나이트계와 마르텐사이트계가 있다.

대표적인 오스테나이트계 내마모강으로는 Hadfield강이 있으며 이는 중량%로 10% 이상의 망간과 1% 이상의 탄소를 함유함으로써 오스테나이트 미세조직을 가지고 있다. Hadfield강은 다양한 내마모 소재로 사용되고 있으나 낮은 항복강도로 인해 그 적용에 제한이 있다.

마르텐사이트계 내마모강은 높은 경도 뿐만 아니라 높은 항복강도와 인장강도를 동시에 가짐으로써 구조재, 운송기계, 건설기계 등에 널리 사용되고 있다. 마르텐사이트계 내마모강은 우수한 물성으로 인해 그 사용범위가 점차 확장되고 있으며 건설기계 등의 대형화에 따라 내마모강의 후물화에 대한 요구도 증가하고 있다.

한편, 이러한 운송기계 부품의 후물화는 소재의 중량을 증가시킴으로써 운송기계의 연비를 떨어뜨리며 이로 인해 에너지 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 또한 건설환경 및 건축소재들이 점차 고강도화 됨에 따라 건설기계부품 및 가공부품 등에 적용되는 내마모강의 고경도화도 지속적으로 요구되고 있다.

본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0020351호(2014.02.18. 공개)에 개시된 초-고강도 및 내마모성 강판 및 이의 제조방법이 있다.

상기 문헌에는 C: 0.205-0.25중량%, Si: 0.20-1.00중량%, Mn: 1.0-1.5중량%, P≤0.015중량%, S≤0.010중량%, Al: 0.02-0.04중량%, Ti: 0.01-0.03중량%, N≤0.006중량%, Ca≤0.005중량%를 포함하고, Cr≤0.70중량%, Ni≤0.50중량%, Mo≤0.30중량% 중 하나 이상을 더 포함하며, 나머지 철 및 불가피한 불순물로 조성되고, 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트로 이루어진 미세조직을 가지며, HB420 이상의 브리넬 경도를 갖는 고-강도 내마모성 강판이 제시되어 있다.

그러나, 상기 강판의 경우, 경량성을 발휘할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 내마모성이 우수한 오스테나이트계 고망간 경량강판 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 경도가 우수하면서도 경량성이 우수한 오스테나이트계 고망간 경량강판을 제공하는 것이다.

상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고망간 경량강판 제조 방법은 (a) 중량%로, 망간(Mn): 25~45%, 실리콘(Si): 0.2% 이하, 알루미늄(Al): 11~13%, 탄소(C): 0.85~0.95%를 포함하고, 잔부가 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강판을 열간 압연하는 단계; (b) 상기 열간압연된 강판을 균질화 처리하는 단계; 및 (c) 상기 균질화 처리된 강판을 550±10℃에서 1000분 이상 시효 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 실리콘과 알루미늄의 합산 함량이 13중량% 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 (a) 단계는 900℃ 이상의 마무리압연온도 조건으로 열간압연하는 단계와, 10℃/sec 이상의 평균냉각속도로 600℃ 이하까지 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 (b) 단계는 1000~1200℃에서 1~3시간동안 균질화 처리하는 단계와, 10℃/sec 이상의 평균냉각속도로 600℃ 이하까지 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 (c) 단계는 550±10℃에서 1000분 이상 시효 처리하는 단계와, 10℃/sec 이하의 평균냉각속도로 200℃ 이하까지 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고망간 경량강판은 중량%로, 망간(Mn): 25~45%, 실리콘(Si): 0.2% 이하, 알루미늄(Al): 11~13%, 탄소(C): 0.85~0.95%를 포함하고, 잔부가 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 오스테나이트, 페라이트, β-Mn을 포함하는 미세조직을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 강판은 면적률로, 오스테나이트 20~45%, 페라이트 5~20% 및 β-Mn 40~70%를 포함할 수 있다.

상기 강판은 비커스 경도(Hv) 700 이상을 나타낼 수 있다.

본 발명에 따른 오스테나이트계 고망간 경량강판 제조 방법에 의하면, 경도가 매우 높으면서 동시에 경량성이 우수한 강판을 제조할 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따르면 종래강 대비해서 비커스 경도가 약 250 이상 높으면서 10% 이상 경량화가 가능한 내마모성이 우수한 오스테나이트계 고망간 경량강판을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트계 고망간 경량강판 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 발명강에 있어서, 550℃에서 시효 처리 시간에 따른 경도 변화를 나타낸 것이다.
도 3은 발명강에 있어서, 550℃에서 시효 처리 시간에 따른 미세조직 변화를 나타낸 것이다.
도 4는 550℃에서 1000분동안 시효 처리 후, 발명강의 XRD 분석결과이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 고망간 경량강판 및 그 제조 방법에 관하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 내마모성이 우수한 고망간 경량강판은 망간(Mn): 25~45%, 실리콘(Si): 0.2% 이하, 알루미늄(Al): 11~13%, 탄소(C): 0.85~0.95%를 포함한다.

이때, 상기 강판은 실리콘과 알루미늄의 합산 함량이 13.0중량% 이하인 것이 보다 바람직하다.

상기 성분들 이외 나머지는 철(Fe)과, 불가피한 불순물로 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 오스테나이트계 고망간 경량강판에 포함되는 각 성분의 역할 및 함량에 대하여 설명하기로 한다.

망간(Mn)

망간은 대표적인 오스테나이트 안정화 원소로써 오스테나이트계 경량 강판 제조를 위해 유용한 원소이며 강 중에 고용강화를 통해 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 망간을 25중량% 이상 첨가할 경우, β-Mn 상을 형성시킴으로써 강의 경도를 크게 향상시킬 수 있다. 다만, 망간을 45중량%를 초과하여 과잉 첨가 시에는 연주 공정 중에 중심편석을 유발하여 물성을 저하시키므로 본 발명에서는 망간의 함량을 강판 전체 중량의 25~45중량%로 제한하였다.

실리콘(Si)

실리콘(Si)은 제강공정 중에 강의 탈산을 위해 첨가할 수 있으나, 다량 첨가 시에는 제강 중에 작업성을 저하시킬 수 있다.

이를 고려하여, 본 발명에서는 실리콘의 함량을 강판 전체 중량의 0.2중량% 이하로 제한하였다.

알루미늄(Al)

알루미늄(Al)은 경량화를 위해서 필수적인 원소로서, 본 발명에서는 기존 철강소재 대비 10% 이상 경량화 효과를 얻기 위하여 강판 전체 중량의 11중량% 이상 첨가하였다.

다만, 알루미늄은 페라이트 안정화 원소로서, 13중량%를 초과하여 과도하게 첨가될 경우 오스테나이트 상의 생성을 방해하고 페라이트 생성에 따라 연신율을 저하시킬 수 있으므로, 본 발명에서는 알루미늄의 함량을 강재 전체 중량의 13중량% 이하로 제한하였다.

한편, 실리콘과 알루미늄은 공히 페라이트 안정화 원소인 바, 그 합산 중량 역시 13중량% 이하인 것이 바람직하다.

탄소(C)

탄소(C)는 강력한 오스테나이트 안정화 원소로서, 오스테나이트계 경량 강재 제조를 위해 필요하며, 또한 고용강화 효과로 인해 인장강도 증가에 효과적인 원소이다.

상기 탄소는 강판 전체 중량의 0.85~0.95중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소의 함량이 0.85중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 탄소의 함량이 0.95중량%를 초과하는 경우, 과도한 탄화물의 생성에 따라 연성을 떨어뜨리고, 압연 시 균열발생의 원인이 될 수 있다.

황(S), 인(P)

황(S)과 인(P)은 제강 시에 편석을 유발하여 강재의 인성 및 연성을 저하시키는 요인이 되고, 또한 용접시 응고균열의 원인이 된다.

따라서, 황과 인은 포함되지 않는 것이 가장 바람직하고, 불순물로 포함되더라도 황(S) : 0.01중량% 이하, 인(P) : 0.018중량% 이하로 함량이 제한되는 것이 바람직하다.

상기 합금성분을 포함하는 본 발명에 따른 오스테나이트계 고망간 경량강판은 후술하는 제조 과정을 통하여 오스테나이트, 페라이트 및 β-Mn을 포함하는 미세조직을 갖는다. 보다 구체적으로는, 본 발명에 따른 고망간 경량강판은 면적률로, 오스테나이트 20~45%, 페라이트 5~20% 및 β-Mn 40~70%를 포함할 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 고망간 경량강판은 비커스 경도(Hv) 700이상을 나타낼 수 있어, 종래강 대비 200 Hv 이상의 경도 향상 효과가 있으며, 아울러 경량화 효과까지 제공할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 내마모성이 우수한 오스테나이트계 고망간 경량강판 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 오스테나이트계 경량 고강도 강재 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.

본 발명에 따른 오스테나이트계 경량 고강도 강재 제조 방법은 열간압연 단계(S110), 균질화 처리 단계(S120) 및 시효 처리 단계(S130)를 포함한다.

우선, 열간압연 단계(S110)에서는 중량%로, 망간(Mn): 25~45%, 실리콘(Si): 0.2% 이하, 알루미늄(Al): 11~13%, 탄소(C): 0.85~0.95%를 포함하고, 잔부가 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 열간 압연한 후 냉각한다.

열간압연 이전에 대략 1150~1250℃에서 1~3시간정도 재가열할 수 있다.

열간 압연 단계는 보다 구체적으로, 900℃ 이상, 보다 바람직하게는 900~1000℃의 마무리압연온도 조건으로 열간압연하는 단계와, 10℃/sec 이상, 바람직하게는 10~200℃/sec의 평균냉각속도로 600℃ 이하, 바람직하게는 600~400℃까지 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 마무리압연온도가 900℃ 미만일 경우, 이상립 혼립 등이 발생할 수 있다. 또한, 평균냉각속도가 10℃/sec 미만일 경우, 냉각시 다량의 조대한 탄화물이 생성될 수 있다. 또한, 냉각종료온도가 600℃를 초과하는 경우에도, 다량의 조대한 탄화물 생성될 수 있다. 본 단계에서 냉각 방식은 수냉 방식이 바람직하다.

다음으로, 균질화 처리 단계(S120)에서는 열간압연된 강재를 균질화 처리한다.

균질화 처리 단계는 보다 구체적으로, 1000~1200℃에서 1~3시간동안 균질화 처리하는 단계와, 10℃/sec 이상, 바람직하게는 10~200℃/sec 의 평균냉각속도로 600℃ 이하, 보다 바람직하게는 상온까지 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 균질화 처리가 1000℃ 미만인 경우, 균질화 효과가 불충분하고, 1200℃를 초과하는 경우, 결정립 조대화로 인하여 강도 및 인성이 저하될 수 있다. 또한, 균질화 처리 이후 평균냉각속도가 10℃/sec 미만일 경우, 냉각시 다량의 조대한 탄화물이 생성될 수 있다. 또한, 냉각종료온도가 600℃를 초과하는 경우, 다량의 조대한 탄화물 생성될 수 있다. 본 단계에서 냉각 방식은 수냉 방식이 바람직하다.

다음으로, 시효 처리 단계(S130)에서는 균질화 처리된 강재를 시효 처리한다. 시효 처리를 통하여 경도를 향상시킬 수 있다.

특히, 본 발명에서 시효 처리 단계는 550±10℃에서 1000분 이상, 보다 바람직하게는 1000~2000분동안 시효 처리하는 단계와, 10℃/sec 이하의 평균냉각속도로 200℃ 이하, 보다 바람직하게는 상온까지 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 시효처리 온도가 540℃ 미만일 경우, 그 효과가 불충분하고, 560℃를 초과하는 경우, 결정립계 석출에 따른 물성저하가 발생할 수 있다. 또한, 550℃ 부근에서 특히, 시효처리시 시효 처리시간이 1000분 부근에서 경도 변화가 급격하게 발생한다. 이에 시효처리 시간은 1000분 이상이 바람직하다.

또한, 시효 처리 이후 10℃/sec를 초과하는 평균냉각속도로 냉각을 수행하는 경우, 강재의 물성이 저하될 수 있다. 본 단계에서 냉각 방식은 공냉 방식이 바람직하다.

실시예

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

1. 시편의 제조

표 1의 화학성분을 갖는 주괴(cast ingot)를 진공유도용해로를 통하여 획득하였다. 이후, 잉곳을 1250℃에서 2시간 재가열한 후, 920℃ 마무리압연 조건으로 열간압연을 거쳐 550℃까지 50℃/sec 의 평균냉각속도로 수냉하고, 이후 상온까지 공냉하여 두께 4mm의 판재를 제조하였다. 이후, 1050℃에서 2시간 동안 균질화처리한 후 상온까지 20℃/sec의 냉각속도로 수냉하였다. 이후, 550℃에서 다양한 시간동안 시효처리한 후 상온까지 공냉하였다.

표 1에서 보듯이 실시예의 경우 12%의 Al을 첨가함으로써 종래강 대비 10% 이상의 경량화를 구현하였으며, 종래강 대비하여 Nb, V, Ti 등의 합금원소를 배제하여 설계하였다.

[표 1]

상기 표 1에서 기재한 종래강들은 고망간 내마모강으로서 알려진 화학성분 및 경도값을 나타내었으며, 여기서 경도값은 이미 알려진 브리넬 경도값을 경도 환산표에 근거하여 비커스 경도값으로 변환한 값을 나타내었다.

한편, 표 1의 발명강의 화학성분을 갖는 열간압연재에 대해서 550℃에서 다양한 시간 동안 시효 처리를 실시하였으며, 시효 처리 후의 경도값을 다음의 도 2 에 나타내었다.

도 2를 참조하면, 발명강의 경우 1,000초 이상의 시효열처리시 700 Hv 이상의 비커스 경도를 갖는 것으로 측정되었으며, 이는 표 1에서 보듯이 종래강 대비 250 HV 이상 고경도를 갖는 것으로 측정되었다.

종래강의 경우, 마르텐사이트상 생성을 통해 경도를 확보하고 있는 반면에 본 발명에서는 오스테나이트 기지 내에 β-Mn 상을 형성시킴으로써 고경도를 확보하였다.

도 3은 표 1의 발명강의 합금성분에 대해서 열간압연 후 550℃에서 시효열처리 시간 ((a) 0분, (b) 300분, (c) 1000분)에 따른 SEM 미세조직 변화를 보여주고 있다.

도 3을 참조하면, 시효 처리 시간이 증가할수록 페라이트 및 β-Mn 분율이 높아지며, 시효 처리 시간 1000분 이후에 β-Mn 상이 오스테나이트 입내에 까지 균일하게 형성되는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 1000분 이상 시효 처리시 고경도 및 우수한 내마모성을 확보할 수 있었다. 이러한 β-Mn의 형성은 도 4 XRD 분석 결과를 통해서도 확인할 수 있다.

도 4는 550℃에서 1000분동안 시효 처리 후, 발명강 시편의 XRD 분석결과이다. 한편, 도 4의 XRD 분석 결과에 따르면 β-Mn상 외에 κ-carbide 석출물이 생성되는 것을 확인할 수 있으며 이는 본 발명에서와 같이 Al을 다량 첨가하는 경우에 생성되는 석출물로서 Fe₃AlC 의 화학구조를 가지고 있으며, 오스테나이트 입내에 미세하게 생성됨으로써 석출강화에 기여한다고 알려져 있다. 이러한 κ?arbide 석출물의 생성 또한 본 발명에서 제공한 고경도를 달성하는데 기여한 것으로 보인다.

이상의 결과를 통해 확인할 수 있듯이 본 발명을 통해서 제공된 방법에 따르면 종래강 대비하여 250 HV 이상 향상된 고경도 내마모 경량강판을 제조할 수 있으며, 보다 구체적으로는 열간압연 후 550℃에서 1000분 이상 시효열처리를 할 때 생성되는 β-Mn 상에 의해 고경도 내마모 경량강판을 제조할 수 있었다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims

(a) 중량%로, 망간(Mn): 25~45%, 실리콘(Si): 0.2% 이하, 알루미늄(Al): 11~13%, 탄소(C): 0.85~0.95%를 포함하고, 잔부가 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강판을 열간 압연하는 단계;
(b) 상기 열간압연된 강판을 균질화 처리하는 단계; 및
(c) 상기 균질화 처리된 강판을 550±10℃에서 1000분 이상 시효 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간 경량강판 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 실리콘과 알루미늄의 합산 함량이 13중량% 이하인 것을 특징으로 하는 고망간 경량강판 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는
900℃ 이상의 마무리압연온도 조건으로 열간압연하는 단계와,
10℃/sec 이상의 평균냉각속도로 600℃ 이하까지 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 경량 고강도 강재 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는
1000~1200℃에서 1~3시간동안 균질화 처리하는 단계와,
10℃/sec 이상의 평균냉각속도로 600℃ 이하까지 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 경량 고강도 강재 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계는
550±10℃에서 1000분 이상 시효 처리하는 단계와,
10℃/sec 이하의 평균냉각속도로 200℃ 이하까지 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오스테나이트계 경량 고강도 강재 제조 방법.
중량%로, 망간(Mn): 25~45%, 실리콘(Si): 0.2% 이하, 알루미늄(Al): 11~13%, 탄소(C): 0.85~0.95%를 포함하고, 잔부가 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지며,
오스테나이트, 페라이트, β-Mn을 포함하는 미세조직을 갖는 것을 특징으로 하는 고망간 경량강판.
제6항에 있어서,
상기 강판은 면적률로, 오스테나이트 20~45%, 페라이트 5~20% 및 β-Mn 40~70%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간 경량강판.
제6항에 있어서,
상기 실리콘과 알루미늄의 합산 함량이 13중량% 이하인 것을 특징으로 하는 고망간 경량강판.
제6항에 있어서,
상기 강판은 비커스 경도(Hv) 700 이상을 나타내는 것을 특징으로 하는 고망간 경량강판.