KR20170041276A - 높은 내마모성, 경도 및 내식성과 낮은 열 전도성을 구비한 강, 및 이러한 강의 용도 - Google Patents

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벤네콤 안드레 반
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도이체 에델스탈베르케 스페시알티 스틸 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 높은 내마모성, 높은 경도, 양호한 내식성 및/또는 낮은 열 전도성을 요구하는 곳에 적용하기 위한 강에 관한 것이며, 상기 강은 산업적인 규모로 신뢰성 있게 제조가능하다. 본 발명에 따른 강의 경도는 경화된 상태에서 적어도 56 HRC이다. 상기 강을 얻기 위하여, 강의 전체 미세조직은 TiC 입자 이외에 추가로 탄화물 입자, 산화물 입자 또는 질화물 입자로 구성된 적어도 30 중량%의 경질상들을 포함한다. 본 발명에 따른 강의 TiC 입자 함량은 적어도 20 중량%이다. 경질상들은 매트릭스에 매립되며, 상기 매트릭스는 (중량%로), 9.0 내지 15.0% Cr, 5.0 내지 9.0% Mo, 3.0 내지 7.0% Ni, 6.0 내지 11.0% Co, 0.3 내지 1.5% Cu, 0.1 내지 2.0% Ti, 0.1 내지 2.0% Al, 잔부 철 및 불가피한 불순물로 구성된다. 특성들의 조합으로 상기 강은 구조 부품, 특히 플라스틱의 제조 및 재활용을 위해 필요한 천공된 플레이트 또는 칼날을 제조하는 데에 특히 적합하다.

Description

높은 내마모성, 경도 및 내식성과 낮은 열 전도성을 구비한 강, 및 이러한 강의 용도{STEEL WITH HIGH WEAR RESISTANCE, HARDNESS AND CORROSION RESISTANCE AND LOW THERMAL CONDUCTIVITY, AND USE OF SUCH A STEEL}
본 발명은 높은 내마모성, 높은 경도, 양호한 내식성 및/또는 낮은 열 전도성을 요구하는 곳에 적용하기 위한 강에 관한 것이다.
강 합금들의 세부적인 함량이 이하에서 설명될 때, 달리 명시적으로 언급하지 않는 한은 함량은 각 경우에 중량을 기준으로 하는 것이다.
전술한 특성을 갖는 강들은 플라스틱 가공처리 산업에서 필요로 하는 기계를 위한 절단 툴, 다이 플레이트, 시브, 몰드 및 호환가능한 부품들을 제조하기 위해 특히 적합하다.
대표적인 사용 분야는 가공처리 사이클로 되돌리기 위하여 용융물(melt)로 녹여지는 플라스틱 제품을 재생 또는 재활용하기 위한 기계이다. 용융물로부터 펠릿을 형성하기 위하여, 용융물은 다이 플레이트를 통해서 압출되어 복수의 단일 스트랜드(strand)로 상기 다이 플레이트를 빠져나간다. 단일 스트랜드는 고화되고, 그 다음에 다이 플레이트 가까이에서 회전하는 적절한 칼에 의해 개별적인 펠릿 입자들로 절단하여 크기가 감소한다.
고화 과정을 가속화하기 위하여, 다이 플레이트를 통해 플라스틱 용융물을 압출하고 작은 피스로 크기를 작게 하는 것이 수중에서 실행될 수 있다. 이 공정은 플라스틱 산업에서 "수중 펠릿화(underwater pelletizing)"로 알려져 있다.
플라스틱을 작은 조각들로 절단하기 위해 사용되는 칼과, 상기 칼에 의해 작은 조각들로 절단될 단일 스트랜드를 성형하기 위해 사용되는 다이 플레이트는 모두, 이들이 사용시에 노출되는 부식 환경 및 이와 동시에 높은 수준의 연마 마모에 노출되기 때문에 양호한 내식성을 구비하여야만 한다. 특히 '다이 플레이트' 적용을 위해, 개별적인 다이 플레이트와 접촉하게 되는 플라스틱 용융물로부터 지나치게 많은 열이 빠져나가고 다이 플레이트의 구멍들이 막히는 것을 초래할 수 있는 플라스틱 용융물의 조기 응고가 일어나지 않도록, 각 경우에 다이 플레이트를 제조하기 위한 강의 열 전도성은 동시에 낮은 것이어야 한다. 특히 다이 플레이트가 그 구멍 직경이 1 mm 미만인 "마이크로 다이 플레이트"인 경우에, 이러한 요구가 있다.
이 목적들을 위해 제공되는 공지된 강은 재료번호 1.2379(AISI 명칭 : D2)로 알려져 있다. 이것은 철과 불가피한 불순물 이외에, (중량 %로) 1.55% C, 12.00% Cr, 0.80% Mo 및 0.90% V를 포함한다.
플라스틱 재활용에 또한 널리 사용되는 다른 강은 재료번호 1.3343(AISI 명칭 : M2)으로 표준화된 것이다. 이것은 철과 불가피한 불순물 이외에, (중량 %로) 0.85 내지 0.9% C, 0.25% Mn, 4.1% Cr, 5.0% Mo, 1.9% V 및 6.4% W를 포함한다.
철과 불가피한 불순물 이외에, (중량 %로) 0.6 내지 0.75% C, 최대 1% Mn, 최대 1% Si, 0.04% P, 최대 0.03% S, 16 내지 18% Cr 및 최대 0.75% Mo를 포함하는, 재료번호 1.4110(AISI 명칭 : 440A)으로 표준화된 마르텐사이트 강은 가장 높은 마모 요구를 견딘다. 적합한 열처리 후에 이 강은 최소 60 HRC의 경도에 이른다.
연마 플라스틱을 처리할 때 사용되는 부품을 제조하기 위해 특별히 생성된 상표명 "Ferro-Titanit Nikro 128"로 공지된 강은 철과 불가피한 불순물 이외에, (중량 %로) 13.5% Cr, 4% Ni 및 5% Mo를 포함한다. 이 방식으로 조성된 강의 미세조직에서 티타늄 카바이드의 비율은 30 중량%인데, 이것은 체적 비율로 대략 40 체적% TiC에 상응한다.
분말 야금으로 제조된 강은 850℃의 진공에서 2 내지 4 시간 어닐링하고 후속해서 1 내지 4.5 바(bar) 압력의 질소 분위기에 노출되는 담금질을 거친 후에 대략 53 HRC의 어닐링 경도를 나타내는데, 480℃에서 6 내지 8시간 강이 시효 처리되는 후속 석출 경화 처리에 의해서 대략 62 HRC의 최대 경도까지 증가할 수 있다. 펌프용 부품, 충전 헤드 및 충전기(filling machine) 뿐만 아니라 다이 플레이트, 펠릿화 절단 칼, 사출 성형 노즐 및 스크루, 링 및 연마 작용 플라스틱을 처리하기 위한 다른 프레스 툴은 일반적으로 이러한 강으로 제조된다[2001년 6월 Deutshe Edelstahlwerke GmbH에 의해 발행된 브로셔 "Ferro-Titanit : Die Haerte aus Krefeld" (Ferro-Titanit : The hardness from Krefeld)에 포함된 데이터 시트 "Ferro-Titanit Nikro 128" 참조].
마지막으로, Chair for Materials Engineering, Ruhr-Univesitaet, ISBN 978-3-943063-08-0 으로 발행된, 2011년 보훔 대학, 논문 "폴리머 처리 산업에서 마모에 노출되는 툴의 수명을 증가시키기 위한 새로운 유형의 금속 매트릭스 복합재료[New Types of metal matrix composites (MMC) for increasing the service life of tools subject to wear in the polymer processing industry]"에서 호르스트 힐(Horst Hill)이 제안한 강은 (중량 %로) 13.5% Cr, 1.0% Mo, 9.0% Ni, 5.5% Co, 1.0% Cu, 2.0% Ti, 1.25% Al, 잔부 철 및 불가피한 불순물로 구성된다. 이 강의 미세조직에서 TiC 비율은 또한 30 중량%이다. 그러나, 5 중량%의 NbC가 미세조직에 경질상으로 또한 존재한다.
이러한 방식으로 조성된 강은 실험실 규모로 생산되었을 때 유망한 가능성의 희망을 보였다. 그러나, 작업적으로 신뢰할 수 있는 산업적인 규모의 생산은 문제가 있는 것으로 밝혀졌다.
이러한 배경을 감안한, 본 발명의 목적은 통상적인 방법을 적용한 산업적인 규모로 생산될 수 있고 그 특성에 관하여 최적화된 프로파일을 나타내는 강을 생성하는 것이다. 이러한 강의 실용성을 지향하는 용도가 또한 규정되어야 한다.
강과 관련하여, 이러한 목적은 청구항 1에 명시한 특징들을 구비한 본 발명에 따른 강에 의해 달성된다.
발명의 유리한 실시예들은 종속항들에 명시되어 있고, 마찬가지로 발명의 전반적인 개념이 이하에서 상세하게 설명된다.
본 발명에 의한 강은 높은 내마모성, 높은 경도, 양호한 내식성 및/또는 낮은 열 전도성을 요구하는 곳에 적용하기 위해 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 강은 경화된 상태에서 적어도 56 HRC의 경도를 나타내며 그 전체 미세조직에 TiC 입자 이외에 탄화물 입자, 산화물 입자 또는 질화물 입자로 구성되는 적어도 30 중량%의 경질상을 포함한다. 동시에, 본 발명에 따른 강에서 TiC 입자의 함량은 적어도 20 중량%이다.
본 발명에 따라 경질상은 매트릭스에 매립되어 있는데, 상기 매트릭스는 중량%로,
9.0 내지 15.0% Cr,
5.0 내지 9.0% Mo,
3.0 내지 7.0% Ni,
6.0 내지 11.0% Co,
0.3 내지 1.5% Cu,
0.1 내지 2.0% Ti,
0.1 내지 2.0% Al,
잔부 철 및 불가피한 불순물로 구성된다.
본 발명에 따른 강의 성분들은 플라스틱 처리 산업에 사용되는 강에 대한 가장 높은 요건을 충족하도록 설정된다. 상응하게, 본 발명에 따른 강은 플라스틱 제품을 재생 및 재활용하기 위한 부품들을 제조하기 위해 특히 적합하다. 따라서, 연마 플라스틱으로부터 형성된 용융물을 펠릿화 하기 위해 필요한 것 예컨대, 다이 플레이트 특히 마이크로 펠릿화 다이 플레이트는 본 발명에 따른 강으로 제조될 수 있으며, 상응하게 미세한 결정립의 펠릿을 생산하기 위하여 다이 플레이트의 구멍 개구들이 아주 미세하게 형성되더라도 최적의 용도 특성을 나타낸다. 마찬가지로, 플라스틱을 작은 조각들로 절단하기 위한 칼이 본 발명에 따른 강으로 제조될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 이러한 칼은 펠릿화 장치에서 전술한 유형의 다이 플레이트를 사용하여 제조된 용융 플라스틱 스트랜드로부터 펠릿을 생산할 경우에 또한 필요하다.
이러한 목적을 위해 필요한 특성의 프로파일을 제공하기 위하여, 본 발명에 따른 강은 매트릭스에 매립되는 적어도 20 중량%의 TiC를 함유하는데, TiC는 석출 형성을 통해 강의 경화능에 기여하는 동시에 개별적인 열처리 상태와 관계없이 35 W/mK 미만의 낮은 열 전도성이 보장되도록 선택된다.
20℃에서 칼로멜 표준전극에 대해 산소가 없는 0.5몰 황산에서 600 mV/h의 전위 변화 속도로 측정한, 본 발명에 따른 강의 부동태 전류 밀도(passive current density)는 5 ㎂/㎠ 미만이다. 그러므로, 높은 경도 및 최적의 내마모성을 갖는 본 발명에 따른 강은 통상적인 오스테나이트계 스테인리스강의 내식성에 필적하는 내식성을 갖는다.
본 발명에 따른 강 또는 그 강으로 제조된 부품이 강도와 관련하여 가장 높은 요건을 또한 확실하게 충족하도록, 소리 전달 속도에 노출된 초음파 측정기에 의해 결정되는 본 발명에 따른 강의 탄성 계수(E-modulus)는 20℃ 온도에서 270 GPa 초과, 특히 300 GPa 초과이다.
본 발명에 따른 강을 적용하기 위한 중요한 온도 범위에 놓인 팽창계에 의해 결정되는 본 발명에 따른 강의 열팽창 계수는 20℃ 내지 600℃에서 7 x 10-6/K 내지 12 x 10-6/K이다.
낮은 열 전도성과 더불어 낮은 밀도를 나타내는 극히 단단하며 열역학적으로 안정적인 충분한 양의 TiC 입자가 존재하기 때문에, 높은 경도를 또한 획득하는 본 발명에 따른 강 매트릭스와 조합하여 낮은 열 전도성과 동시에 최대화된 내마모성이 얻어진다. 최적으로, 이를 위해 본 발명에 따른 강은 대략 30 체적% TiC에 상응하는 적어도 20 중량%의 TiC, 또는 적어도 28 중량%의 TiC, 특히 적어도 30 중량%의 TiC를 포함한다. 그러나, TiC 함량은 45 중량%의 상한을 초과하지 않는다. 이 방식에서, 본 발명에 따른 강은 작업적으로 신뢰할 수 있게 제조되고 또한 처리될 수 있다는 것이 보장된다. 비록 과잉의 경질상 함량이 경도 및 내마모성 증가를 초래하지만, 강 기판을 구비한 복합재료 생산을 현저하게 방해하는 열팽창은 감소한다. 또한, 경질상 함량이 높다는 것은 그 재료가 더욱 부러지기 쉽고 균열에 민감해진다는 것을 의미한다. 동시에, 가공성은 과잉의 경질상 함량으로 실질적으로 감소한다. 여기에서 본 발명에 따른 강의 이점은 강이 또한 통상적으로 가공될 수 있다는 것이다.
강의 미세조직에서 경질상의 체적 비율이 전체적으로 적어도 30 중량%가 되도록, 본 발명에 따라 TiC 입자 이외에 추가적인 경질상이 강 매트릭스에 존재한다는 사실은 본 발명에 따른 강의 경도 및 내마모성을 최적화하는 데에 또한 기여한다. 이것은 강의 제조 중에 탄화물, 질화물 또는 산화물 입자를 별도로 추가하는 것에 의해 실행될 수 있다. 이에 대한 대안으로 또는 추가적으로, 강의 제조 중에 실행되는 제조 단계들의 과정에서 경도를 증가시키는 충분한 양의 석출물이 매트릭스에 확실하게 형성되도록, 본 발명에 따른 투입 요건 내에서 중량 비율로 석출물을 형성하는 원소 (Ni, Al, Ti)들이 설정될 수 있다.
전술한 호르스트 힐의 논문에서 공지된 강과 비교하여, 본 발명에 따른 강의 경우에 Mo 및 Co의 함량은 상당히 증가하였고 Ni 및 Ti의 함량은 상당히 감소하였다. 또한, 본 발명에 따른 합금의 Cu, Al, TiC 및 NbC에 대한 투입 요건은 공지된 강과 비교하여 변하였다. 본 발명에 따라 합금 함량을 설정함으로써, 높은 경도를 또한 갖고 있으며 매트릭스에 매립되는 경질상 비율이 높은 강이 산업적인 규모로 성공적으로 생산될 수 있었다. 공지된 강 개념들에서 출발하여, 여기에서 언급하는 유형의 강들의 경우에 개별적인 원소 및 상의 작용 및 상호작용 모드가 매우 복잡하기 때문에 이것은 광범위한 연구 및 테스트를 필요로 하였다. 높은 내마모성, 높은 경도, 양호한 내식성 및 낮은 열 전도성을 구비한, 이러한 방식으로 얻어진 본 발명에 강은 특성들의 최적화된 조합을 나타낸다.
본 발명에 따른 강의 강 매트릭스에 형성되는 석출물은, 특히 원소 Ni, Al 및 ti가 내포되어 있는 금속간 석출물이다. 이 원소들은 Ni3Al 및 Ni3Ti를 형성하거나, 또는 혼합된 것을 형성한다. 이 금속간 상들은 10 nm 수준의 결정립 크기로 미세조직에 존재하며 전체 경질상 함량에는 포함되지 않는다. 작은 크기로 인해, 금속간 석출물은 본 발명에 따른 강의 매트릭스에 본 발명에 따라 매립되는 조대한 경질상 입자들과 비교하여 연마에 대한 내마모성에 크게 기여하지는 않지만, 금속간 석출물은 금속 매트릭스의 경도 및 강도의 증가를 초래하며 이 방식에서 또한 성능 특성의 향상에 기여한다.
Cr은 필요한 내식성을 보장하기 위하여 본 발명에 따른 강에 9.0 내지 15.0 중량%의 함량으로 존재한다. 최적으로, 이러한 목적을 위해 Cr 함량은 12.5 내지 14.5 중량%이다.
Mo는 한편으로는 내식성 특히 구멍 부식에 대한 충분한 내식성을 보장하고 다른 한편으로는 경질상이 매립되는 강 매트릭스의 경도가 증가하게 되는 금속간 상들의 형성을 지원하기 위하여, 본 발명에 따른 강에 5.0 내지 9.0 중량%의 함량으로 포함된다. 최적으로, 본 발명에 따른 강의 Mo 함량은 6.5 내지 7.5 중량%이다.
Co는 한편으로는 마르텐사이트 변태개시 온도를 증가시키고 다른 한편으로는 금속 매트릭스에 Mo의 용해도를 감소시키기 위하여, 본 발명에 따른 강에 6.0 내지 11.0 중량%의 함량으로 포함된다. 이 방식에서, 본 발명에 따른 강 매트릭스에 포함된 Mo는 금속간 상들의 형성에 더욱 강하게 참여할 수 있다. 최적으로, 본 발명에 따른 강의 Co 함량은 8.0 내지 10.0 중량%이다.
Cu는 석출 경화를 촉진하기 위하여 본 발명에 따른 강에 0.3 내지 1.5 중량%의 함량으로 포함된다. 최적으로, 본 발명에 따른 강의 Cu 함량은 0.5 내지 1.0 중량%이다.
Ni는 본 발명에 따른 강에 3.0 내지 7.0 중량%의 함량으로 포함된다. 니켈은 일반적으로 대략 850℃에서 실행되는 용체화 어닐링 작업 중에 오스테나이트 상을 안정화하기 위하여 강 매트릭스에 충분한 양이 필요하다. 이것은 본 발명에 따른 재료가 용체화 어닐링 온도로부터 출발하여 담금질되는 경우에 특히 중요하다. 니켈이 존재하므로, 담금질 과정에서 마르텐사이트가 확실하게 형성되는 정도까지 오스테나이트가 안정화된다. 본 발명에 따라 제공되는 강 매트릭스에 지나치게 적게 니겔이 존재하면, 이러한 효과가 신뢰성 있게 더이상 달성되지 않는다. 다른 한편으로, 강 매트릭스에 지나치게 많은 니켈이 존재하면, 오스테나이트 상이 실온에서 또한 안정적이기 때문에 마르텐사이트가 전혀 형성되지 않는다. 본 발명에 따른 강에서 니켈의 두 번째 기능은 Al 및 Ti 원소들과 함께 금속간 상들을 형성하는 것에 의한 석출 경화이다. 그러므로, Ni, Al 및 Ti의 함량은 한편으로는 마르텐사이트의 형성이 이루어지고 다른 한편으로는 석출 경화가 가능하게 되는 방식으로, 본 발명에 따른 강의 강 매트릭스에서 서로 맞추어진다. 최적으로, 본 발명에 따른 강의 Ni 함량은 4.5 내지 5.5 중량%이다.
Ti는 이미 설명한 바와 같이 Ni와 조합하여 석출 경화가 가능하도록 본 발명에 따른 강에 0.1 내지 2.0 중량%의 함량으로 존재한다. 최적으로, 이러한 목적을 위해 본 발명에 따른 강의 Ti 함량은 0.8 내지 1.2 중량%이다.
Al은 Ni와 조합하여 석출 경화가 일어나도록 본 발명에 따른 강에 0.1 내지 2.0 중량%의 함량으로 또한 존재한다. 최적으로, 이러한 목적을 위해 본 발명에 따른 강의 Al 함량은 1.0 내지 1.4 중량%이다.
티타늄 카바이드가 낮은 열팽창을 나타내고 전혀 변형하지 않으므로, 본 발명에 따른 강은 극히 낮은 뒤틀림(warping)으로 경화될 수 있다.
본 발명에 따른 강의 내마모성은 NbC 입자들을 최대 4.5 중량% 까지 추가함으로써 증가된다. 동시에, NbC 입자들은 TiC보다 열 전도성이 낮은데, 이것은 본 발명에 따른 강의 성능 특성에 긍정적인 영향을 나타낸다. 또한, TiC 및 NbC는 같은 모양의 탄화물이고 따라서 서로 혼화성이다. 확산 반응의 경우에, 이것은 복합 탄화물의 형성을 일으킨다. 이러한 결과로, 오직 TiC 만을 사용하는 것과 비교하여, 원자가 전자 농도 및 탄소의 침입형 격자에서 공동(vacancy)의 형성에 변화가 있다. 이 방식에서도 역시, 본 발명에 따른 강의 열 전도성은 낮고 목적을 위한 적합성은 향상된다. 이러한 효과는 특히 적어도 2.0 중량%의 NbC가 본 발명에 따른 강에 존재하는 경우에 달성될 수 있다. NbC 함량이 2.0 내지 3.0 중량%인 경우에 최적의 효과가 나타난다.
분말 야금에 의한 통상적인 방식으로 본 발명에 따른 강을 제조함으로써, 그 미세조직에 편석 및 섬유상 배향이 없는 것이 보장될 수 있다. 본 발명에 따라 경질상으로 사용되는 탄화물, 질화물 및 산화물 입자들은 분말 야금 제조 과정에서 이미 "완전한" 입자로서 제공된다.
소결 및 열간 등압 성형(HIP : Hot Isostatic Pressing) 방식 모두가 분말 야금 제조를 위해 사용될 수 있다. 예시적으로, 가스 분무 강 분말에 기초한 초고체 액상 소결이 본 발명에 따른 강을 제조하기 위해 또한 적합하다.
명세서에서 논의하는 해당 유형의 강을 분말 야금 제조 중에 일반적으로 적용되는 제조 단계들의 설명은 예컨대, 1999년 오스트리아 레오벤 대학에서 9월 29일 - 10월 1일 개최된 제5차 국제 툴 컨퍼런스 행사의 학술지 1 내지 12 페이지에 개재된 Foller M., Meyer H., Lammer A.,에 의해 발표된 "다음 세기의 공구강에서 페로-티타니트 및 경쟁 재료의 마모 및 부식(Wear and Corrosion of Feffo-Titanit and Competing Material. In: Tool steels in the next century)"에서, 2011년 11월 24일 - 25일 제30차 하겐 심포지엄에서 H. Hill, S. Weber, W. Theisen, A. van Bennekom에 의해 발표된 "높은 내마모성을 구비한 최적화된 내식성의 금속 매트릭스 복합재료(Optimising corrosion-resistant MMCs with high wear-resistance)", 또는 이미 설명한 호르스트 힐의 논문에서 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 강은 그 기계적 성질을 설정하기 위해 2 내지 4 시간 동안 가열되고, 후속해서 1 내지 4.5 바 압력의 질소 분위기에서 담금질 되며, 최종적으로 480℃에서 6 내지 8시간 시효 처리되는 통상적인 열처리를 거칠 수 있다. 이러한 열처리 후에, 본 발명에 따른 강은 한결같이 62 HRC를 초과하는 경도를 나타낸다. 진공에서 실행되는 가열 및 불활성 가스 분위기에서 실행되는 담금질에 의해, 각 경우에 열처리를 위한 강으로부터 형성되는 반제품의 에지 영역에서 부정적인 영향 구역이 방지될 수 있다. 만약 열처리가 850℃에서 2 내지 4 시간의 연화 어닐링 작업으로 제한된다면, 그 후에 본 발명에 다른 강은 50 HRC를 초과하는 경도를 나타낸다.
본 발명은 예시적인 실시예들에 의해 이하에서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 샘플의 단면의 주사 전자 현미경 사진의 일부를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 강 샘플과 비교를 위해 제조된 강 샘플의 열 전도성 측정 결과가 도시되어 있는 다이어그램이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 강 샘플과 비교를 위해 제조된 강 샘플에 대해 실행된 전류 밀도 전위 측정의 결과를 나타낸 다이어그램이다.
도 4는 본 발명에 따른 강으로 제조된 샘플에 대한 팽창계 측정의 결과를 재현하는 다이어그램이다.
수중 펠릿화 기계를 위한 다이 플레이트 또는 칼을 생산하기 위해 의도된 본 발명에 따른 강의 특성을, 동일한 목적을 위해 의도한 공지된 강의 특성과 비교하기 위해, 본 발명에 따른 강(E)과 공지된 강(V)이 제조되었다. 강(E 및 V)의 조성이 표 1에 표시되어 있다.
강(V)의 조성은 예컨대 앞서 이미 설명한 문헌에 기재된 명칭 "Ferro-Titanit Nikro 128"로 공지된 강의 조성과 상응하였다. 강(E, V)의 분말 야금 제조 중에 완료된 제조 단계들은 "Ferro-Titanit Nikro 128" 강의 분말 야금 제조 중에 일반적으로 실행되는 제조 단계들과 상응하였다. 이 단계들은 전술한 기술 문헌에 설명되어 있다.
분말 야금 제조가 완료된 후에, 강(E 및 V)의 샘플(PE1, PV1)들은 Ferro-Titanit Nikro 128 강을 위한 표준 방식에서 실행되는 열처리와 마찬가지로 상응하는 열처리를 거쳤다. 이를 위해, 샘플(PE1, PV1)들은 먼저 850℃ 온도의 진공에서 2 내지 4 시간의 기간에 걸쳐 유지되었고, 다음에 1 내지 4.5 바 압력의 질소 분위기에서 담금질 되었다. 후속해서, 샘플(PE1, PV1)들은 각각 480℃ 온도에서 6 내지 8 시간 동안 시효 처리되는, 석출 경화 처리가 실행되었다.
도 1은 이와 같은 표준 방식에서 열처리한 본 발명에 따른 강(E)의 샘플(PE1) 의 단면의 주사 전자 현미경 사진의 일부를 보여준다. 금속 매트릭스는 밝은 영역으로 확인되는 반면에, 매트릭스에 의해 둘러싸인 TiC 개재물은 색상이 검게 구현되어 있다.
강(E 및 V)을 구성하는 다른 샘플(PE2, PV2)들도 850℃에서 2 내지 4 시간 동안 연화 어닐링 작업을 거쳤다.
경질상 함량은 샘플(PE1, PV1, PE2, PV2)에서 결정되었다. 본 발명에 따른 강으로부터 제조된 샘플(PE1, PE2)의 경우에 경질상 함량이 평균적으로 30 중량%를 초과하는 반면에, 비교 강으로부터 제조된 샘플(PV1, PV2)들은 평균적으로 단지 30 중량%의 경질상을 갖고 있었다.
상이한 샘플(PE1, PE2, PV1, PV2)들의 경도를 결정하기 위하여 DIN EN ISO 6508-1에 따라 5회 경도 측정이 실행되었다. 이 방식으로 샘플(PE1, PE2, PV1, PV2)에 대해 수집된 측정값들의 평균값이 표 2에 표시되어 있다. 각 경우에 본 발명에 따른 샘플(PE1, PE2)들의 경도가, 비교 샘플들의 경도보다 더욱 높았다는 것이 분명해진다.
또한, 온도 의존적인 열 전도성 λ(T)은 실온, 100℃, 200℃, 300℃에서 간접적인 방법에 의해 결정되었다:
λ(T) = a(T) x ρ(T) x cρ(T)
여기에서,
a(T) : Linseis Messgeraete GmbH, Instructon Manual LFA 1250/1600 - Laser Flash, Thermal constant analyser, 2010 또는 ASTM International E 1461-01, Standard Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method, 2011에 설명된 바와 같은 레이저플래시를 사용하여 측정한 열 확산율;
ρ(T) : 팽창계로 측정한 개별적인 샘플의 밀도;
cρ(T) : 시차 주사 열량측정법(DSC : Differential Scanning Calorimetry)에 의해 결정된 샘플의 등압 비열용량.
두 샘플(PE1 및 PV1)에 대한 연구 결과가 도 2에 도시되어 있다. 본 발명에 따른 강(E)으로부터 제조된 샘플(PE1)의 열 전도성이 각 경우에 비교 강(V)으로부터 제조된 샘플(PV1)의 열 전도성보다 낮았음이 분명해진다. 강(E 및 V)의 의도하는 목적과 관련하여, 본 발명에 따른 샘플(PE1)의 낮은 열 전도성은 유리한 것이다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 샘플(PE1, PE2)의 TiC 함량은 각 경우에 30 중량% 초과였다.
본 발명에 따른 강(E)으로부터 제조된 샘플(PE1, PE2)의 밀도는 6.55 g/㎤ 였으며, 이에 의해 이론 밀도가 도달되었다. 도 1로부터 명백해지는 바와 같이, 미세조직은 잔류 기공이 전혀 없었다.
본 발명에 따른 강(E)으로부터 제조된 샘플(PE1) 및 비교 강(V)으로부터 제조된 샘플(PV1)에 대해 실행된 전류 밀도 전위 측정의 결과가 도 3에 표시되어 있다. 이 도면에서, 샘플(PE1)에 대해 결정된 전류 밀도 전위 곡선은 실선으로 표시되어 있고 샘플(PV1)에 대해 결정된 전류 밀도 전위 곡선은 점선으로 표시되어 있다. 전류 밀도 전위 곡선은 20℃에서 칼로멜 표준전극에 대해 산소가 없는 0.5몰 황산에서 600 mV/h의 전위 변화 속도로 측정되었다. 또한, 본 발명에 따른 샘플(PE1)에 대해 결정된 부동태 전류 밀도는 각 경우에 5 ㎂/㎠ 미만이었다.
소리 전달 속도에 노출된 초음파 수단에 의해 결정된 본 발명에 따른 강(E)d으로부터 제조된 샘플(PE1)의 탄성 계수는 318 GPa 이었다. 대조적으로, 통상적인 샘플(PV1)의 탄성 계수는 294 GPa 이었다.
표 3은 강(E)의 열팽창에 대한 개요를 보여준다. 이것은 최대 온도 600℃까지 100℃의 온도 단계별로 배흐르 팽창계(Baehr dilatometer)에 의해 측정되었다. 이 온도 범위에서 열팽창 계수 αth는 7 x 10-6/K 내지 12 x 10-6/K 범위에 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 4는 이러한 결과를 확인해주는 예로서 본 발명에 따른 강으로부터 제조된 샘플(PE1)에 대한 팽창계 측정의 결과를 보여준다.
강 Cr Mo Ni Co Cu Ti Al TiC NbC
E 13.5 7.0 5.0 9.0 0.8 1.0 1.2 33 2.5
V 13.5 5.0 4.0 9.0 0.8 1.0 1.0 30 -
잔부 철 및 불가피한 불순물을 포함하며, 데이터는 중량%로 나타낸 것이다.
샘플 평균 경도 HRC
PE1 65
PV1 62
PE2 54
PV2 53
온도 [℃] αth
100 8.4
200 8.7
300 9.0
400 9.2
500 9.4
600 9.7

Claims (18)

  1. 높은 내마모성, 높은 경도, 양호한 내식성 및/또는 낮은 열 전도성을 요구하는 곳에 적용하기 위한 강으로서,
    상기 강은 경화된 상태에서 적어도 56 HRC의 경도를 나타내고,
    강의 전체 미세조직에는 TiC 입자 이외에 추가로 탄화물 입자, 산화물 입자 또는 질화물 입자로 구성된 적어도 30 중량%의 경질상들이 존재하고,
    상기 TiC 입자의 함량이 적어도 20 중량%이며,
    상기 경질상들은 매트릭스에 매립되며, 상기 매트릭스는 중량%로,
    9.0 내지 15.0% Cr,
    5.0 내지 9.0% Mo,
    3.0 내지 7.0% Ni,
    6.0 내지 11.0% Co,
    0.3 내지 1.5% Cu,
    0.1 내지 2.0% Ti,
    0.1 내지 2.0% Al,
    잔부 철 및 불가피한 불순물로 구성되는 것을 특징으로 하는 강.
  2. 제1항에 있어서,
    강의 Cr 함량이 12.5 내지 14.5 중량%인 것을 특징으로 하는 강.
  3. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    강의 Mo 함량이 6.5 내지 7.5 중량%인 것을 특징으로 하는 강.
  4. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    강의 Ni 함량이 4.5 내지 5.5 중량%인 것을 특징으로 하는 강.
  5. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    강의 Co 함량이 8 내지 10 중량%인 것을 특징으로 하는 강.
  6. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    강의 Cu 함량이 0.5 내지 1.0 중량%인 것을 특징으로 하는 강.
  7. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    강의 Ti 함량이 0.8 내지 1.2 중량%인 것을 특징으로 하는 강.
  8. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    강의 Al 함량이 1.0 내지 1.4 중량%인 것을 특징으로 하는 강.
  9. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    강의 TiC 함량이 적어도 20 체적%인 것을 특징으로 하는 강.
  10. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    강은 최대 4.5 중량%의 NbC 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 강.
  11. 제10항에 있어서,
    NbC 입자의 함량이 적어도 2.0 중량%인 것을 특징으로 하는 강.
  12. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    강의 미세조직에서 경질상들의 비율이 적어도 30 중량%인 것을 특징으로 하는 강.
  13. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    강의 TiC 함량이 최대 45 중량%인 것을 특징으로 하는 강.
  14. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    진공에서 2 내지 4 시간 동안 가열되고, 후속해서 1 내지 4.5 바 압력의 질소 분위기에서 담금질 되며, 최종적으로 480℃에서 6 내지 8시간 시효 처리되는 열처리 후에, 강의 경도가 62 HRC를 초과하는 것을 특징으로 하는 강.
  15. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    850℃에서 2 내지 4 시간의 연화 어닐링 작업이 실행된 후에, 강의 경도가 적어도 50 HRC인 것을 특징으로 하는 강.
  16. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    강은 분말 야금에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 강.
  17. 플라스틱 제품의 재활용 또는 재생 중에 사용되는 부품을 제조하기 위한, 선행 청구항들 중 어느 한 항에 따라 구성된 강의 용도.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 부품은 플라스틱을 작은 조각들로 절단하기 위한 칼 또는 다이 플레이트인 것을 특징으로 하는 강의 용도.
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