KR20180061914A - 티타늄 분말을 이용한 합금강 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 티타늄 분말을 이용하여, 기계적 합금화로 제조된 합금강에 있어서, 15중량% 내지 30중량%의 망간을 함유하는 강 기지 및 강 기지에 생성되는 티타늄 산화물을 포함하며, 티타늄 산화물의 크기는 나노 사이즈인 합금강을 제공한다.

Description

티타늄 분말을 이용한 합금강 및 이의 제조방법{AN ALLOY STEEL USING TITANIUM POWDER AND A METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 티타늄 분말을 이용한 합금강 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 티타늄 분말을 이용한, 15중량% 이상의 망간을 함유하는 합금강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근 새로운 안전규정 및 에너지 효율에 대한 소비자의 요구로 인하여, 자동차 업계를 포함한 산업 전반에서 고강도 및 고인성의 재료 개발이 요구되고 있다. 이러한 재료 개발 요구에 있어서, 고망간 합금강은 고강도 및 고연성의 특성을 동시에 만족한다는 점에서 많은 관심을 끌고 있다. 특히, 쌍정유기소성(TWIP) 현상을 이용한 자동차 강판용 고망간 합금강과 극저온용 고인성 고망간 합금강에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 이들은 사용온도에서 적절한 적층결함에너지(SFE)를 갖도록 화학조성을 조절하여 소성변형 시 오스테나이트 단상을 유지하며, 변형 쌍정 발생에 의한 고강도, 고연성 및 고인성을 가지는 것으로 알려져 있다.

한편, 합금강의 강도는 Hall-Petch 관계식에서 나타나는 바와 같이, 결정립의 크기가 작아질수록 우수한 특성을 보이고 있다. 이에, 결정립의 크기를 나노 사이즈까지 초미세화하는 것은 합금강의 강도를 강화시키는 중요한 수단 중 하나이다. 하지만, 용해법을 이용하여 제조된 합금강의 경우, 결정립의 크기가 마이크로 사이즈를 나타내며, 압연 등의 다양한 후처리 공정을 통해서도 결정립의 크기를 나노 사이즈로 미세화하기 어려운 실정이다.

이 때문에, 금속의 결정립을 나노 사이즈까지 초미세화하기 위한 수단으로 금속 분말을 기계적으로 밀링하는 공정이 사용되고 있지만, 고망간 합금강의 제조 과정에서 발생하는 망간의 산화로 인하여, 망간이 금속 기지 내에 고용되지 않고 산화 망간의 형태로 석출됨으로써 기계적 특성이 저하되는 문제가 발생하였다.

본 발명에서는 합금강 및 이의 제조방법, 구체적으로는 기계적 합금화로 제조되고, 티타늄 분말을 이용한, 15중량% 이상의 망간을 함유하는 합금강 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 티타늄 분말을 이용하여, 기계적 합금화로 제조된 합금강에 있어서, 15중량% 내지 30중량%의 망간을 함유하는 강 기지 및 강 기지에 생성되는 티타늄 산화물을 포함하며, 티타늄 산화물의 크기는 나노 사이즈인 합금강을 제공한다.

또한, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에서는 티타늄 분말을 이용한, 15중량% 내지 30중량%의 망간을 함유하는 합금강 제조방법에 있어서, 철, 망간 및 티타늄을 포함하는 혼합 분말을 준비하는 단계, 혼합 분말을 기계적 합금화하는 단계 및 기계적 합금화된 혼합 분말을 열처리하는 단계를 포함하는 합금강 제조방법을 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 티타늄 분말을 이용한 합금강 및 이의 제조방법에 의하면, 고강도 및 고연성의 모순된 특성을 동시에 구비한 재료로써, 산업 전반의 다양한 분야에 활용가능성이 높다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사전 윤활작업의 수행여부에 기초한 분말의 XRD 측정결과를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 합금강의 미세구조에 관한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 합금강과 망간 합금강 각각에 대한 주사투과전자현미경(STEM)의 이미지 및 성분분석 결과를 도시한 것이다.
도 4는 본 실시예의 따라 제1 금속혼합분말 내지 제5 금속혼합분말에 의해 제조된 합금강에 대한 XRD 측정결과를 도시한 것이다.
도 5는 본 실시예의 따라 제1 금속혼합분말 내지 제5 금속혼합분말에 의해 제조된 합금강의 경도를 도시한 것이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략할 수 있고, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, "또는", "적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 단어들 중 하나를 나타내거나, 또는 둘 이상의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나"는 A 또는 B 중 하나만을 포함할 수도 있고, A와 B를 모두 포함할 수도 있다.

본 발명은 15중량% 내지 30중량%의 망간을 함유하는 합금강에 관한 것으로, 볼밀 공정 등의 기계적 합금화 방법을 활용하여, 나노 사이즈의 결정립을 생성함으로써, 강도 특성을 증대시킬 수 있으며, 오스테나이트 기지의 안정화를 위하여 15중량% 내지 30중량%의 망간을 함유시켜, 인장강도 및 연신율 등을 증대시킬 수 있다. 망간 함량이 15중량% 미만인 경우에는 변형성을 현저히 감소시키는 마르텐사이트 상의 형성 가능성이 높으며, 망간 함량이 30중량%를 초과하면, 연성 및 가공성이 현저히 저하될 뿐만 아니라, 비용 측면에서도 불리하다. 이 때문에, 철 내 고용되는 망간 함량을 15중량% 내지 30중량% 범위로 제한할 필요성이 있다.

하지만, 산소 친화도가 높은 망간의 특성으로 인하여, 기계적 합금화 과정 중 망간이 산화 망간으로 산화됨으로써, 철 내 고용되는 망간의 함량이 15중량% 내지 30중량%의 범위를 만족하지 못하였다.

이에, 본 발명에서는 망간 대비 산소 친화도가 높은 금속을 망간과 함께 첨가하여, 기계적 합금화 과정 중 망간의 산화를 억제시켜 고용되는 망간의 함량을 유지하고, 망간 대신 산화된 망간 대비 산소 친화도가 높은 금속의 나노 산화물은 오스테나이트 결정립 계면에 분산 형성되어, 나노 산화물의 분산강화에 의해 합금강의 강도 특성 증대에 영향을 미칠 수 있다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 합금강의 제조방법 및 이에 의한 합금강에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에서는 철, 망간 및 망간 대비 산소 친화도가 높은 금속을 포함하는 금속 혼합분말을 준비한다. 망간 대비 산소 친화도가 높은 금속은 알루미늄, 티타늄, 실리콘, 마그네슘 및 칼슘을 포함할 수 있다.

금속 분말 각각은 마이크로 사이즈로 제공될 수 있으며, 밀링 공정 등을 통한 기계적 합금화 과정을 통하여 나노 사이즈로 전환될 수 있다.

준비된 금속 혼합분말을 밀링 공정 등을 통한 기계적 합금화를 진행할 수 있다. 금속 혼합분말의 밀링 공정을 수행하기 전, 밀링 공정을 위한 챔버에 윤활제를 장입하고, 일정시간 동안 밀링 공정을 수행하는 사전 윤활과정을 수행할 수 있다. 이는 챔버 내면, 볼 및 챔버에 장착된 블레이드 등에 윤활제를 골고루 확산시켜 윤활 효과를 극대화하기 위함이다. 이러한 과정은 밀링 공정에 따른 철 분말 내 망간의 고용도를 크게 증가시키는 역할을 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사전 윤활작업의 수행여부에 기초한 분말의 XRD 측정결과를 도시한 것이다. 구체적으로, 15중량% 망간, 3중량% 알루미늄 및 3중량% 실리콘을 포함하는 금속 혼합분말을 사전 윤활작업을 수행하고 밀링 공정을 진행한 분말과 사전 윤활작업을 수행하지 않고 밀링 공정을 진행한 분말에 대한 XRD 측정결과를 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 사전 윤활작업을 수행하지 않은 분말의 경우, 철 내부에 고용되지 못한 망간이 다수 검출되고 있음을 알 수 있다. 망간이 철 내 고용되지 못하고, 별도로 존재하는 기간이 늘어나면, 해당 시간만큼 산화 가능성은 높아질 수 있다. 이는 합금강 내 망간 함유량을 감소시키며, 산화 망간의 생성으로 의한 연성 및 충격인성의 저하로 인하여, 사전 윤활작업의 중요성은 크다고 할 것이다.

밀링 공정이 완료된 금속 혼합분말은 다양한 소결 공정 중 하나를 이용하여 소결될 수 있다. 소결 공정은 스파크 플라즈마 신터링(spark plasma sintering, SPS), 압연, 압출, 가압 소결, 핫 프레스 및 단조 등 다양한 방법이 있으나, 본 실시예에서는 SPS 공정을 이용할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 합금강의 미세구조를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 본 합금강(100)은 오스테나이트 결정립(110)과 오스테나이트 결정립 계면에 형성된 나노 사이즈의 금속 산화물(120)을 포함할 수 있다. 나노 사이즈의 금속 산화물(120)은 망간 대비 산소 친화도가 높은 금속의 산화물에 해당하며, 산화 알루미늄(Al₂O₃), 산화 티타늄(TiO₂), 산화 실리콘(SiO₂), 산화 마그네슘(MgO) 및 산화 칼슘(CaO) 중 적어도 하나에 해당할 수 있다.

오스테나이트 결정립(110)은 나노 사이즈의 크기를 가지며, 50nm 내지 1000nm, 바람직하게는 75nm 내지 500nm의 크기를 가질 수 있다. 결정립의 크기가 50nm 미만인 경우에는 소성 변형과 관련한 전위 밀도가 크게 낮아져, 가공성에 문제가 있으며, 1000nm를 초과하면, 전위 밀도가 크게 증가하여, 가공성에는 유리하나 강도 특성에 문제가 있다.

또한, 나노 사이즈의 금속 산화물(120)은 5nm 내지 50nm의 크기를 가질 수 있다. 금속 산화물은 기지보다 높은 강도를 지니고 있기 때문에, 전위의 움직임을 효과적으로 방해하여 분산 강화(Orowan strengthening)에 의해 합금강의 강도를 향상시키게 되는데, 이 때 강화 효율은 강화 입자(금속 산화물) 간의 거리에 반비례한다. 따라서, 같은 분율의 강화 입자가 분포해 있다고 가정하에, 금속 산화물의 크기는 5nm 내지 50nm일 때 가장 우수한 강화효율을 나타낼 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 합금강과 망간 합금강 각각에 대한 주사투과전자현미경(STEM)의 이미지 및 성분분석 결과를 도시한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 합금강은 15중량% 망간, 3중량% 알루미늄 및 3중량% 실리콘을 포함하는 금속 혼합분말에 대하여 볼밀 공정 및 소결 공정을 진행한 샘플이며, 망간 합금강은 15중량% 망간을 포함하는 금속 혼합분말에 대하여 볼밀 공정 및 소결 공정을 진행한 샘플이다. 도 3을 참조하면, 양자 모두 결정립 계면에 석출된 나노 사이즈의 금속 산화물을 확인할 수 있다. 망간 합금강의 경우, 나노 사이즈의 금속 산화물이 산화 망간으로 확인되며, 결정립 내 망간의 함유량이 15중량%에 미달되는 것을 확인할 수 있다. 이에 반하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 합금강은 나노 사이즈의 금속 산화물이 산화 알루미늄으로 확인되며, 결정립 내 망간 함유량이 15중량%를 유지하고 있음을 확인할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 실시예는 본 발명을 예시하는 것으로, 본 발명이 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

앞서 언급한 바와 같이, 합금 금속 분말을 철 79중량%, 망간 15중량%, 알루미늄 3중량%, 실리콘 3중량%의 구성을 혼합한 제1 금속 혼합분말, 합금 금속 분말을 철 79중량%, 망간 15중량% 및 알루미늄 3중량%의 구성을 혼합한 제2 금속 혼합분말, 합금 금속 분말을 철 79중량%, 망간 15중량% 및 티타늄 3중량%의 구성을 혼합한 제3 금속 혼합분말, 합금 금속 분말을 철 79중량%, 망간 15중량% 및 구리 3중량%의 구성을 혼합한 제4 금속 혼합분말과 합금 금속 분말을 철 79중량% 및 망간 15중량%의 구성을 혼합한 제5 금속 혼합분말을 이용하였다.

어트리션 밀(Attrition mill) 공정을 적용하였으며, 2g의 스테아르산(stearic acid)와 1.5Kg의 스테인리스 볼을 넣고 20분간 밀링 공정을 수행한 이후에, 각 금속 혼합분말에 대한 밀링 공정을 진행하였다. 밀링 공정은 500rpm의 속도로 24시간 진행되었다.

밀링 공정이 완료된 각각의 금속 혼합분말을 방전 플라즈마 신터링 공정을 이용하여 소결하였다. 밀링 공정이 완료된 금속 혼합분말 20g에 대하여, 10^-6 torr의 진공 상태에서 소결 공정을 진행하였으며, 70MPa의 압력 하에, 내부 온도를 750℃까지 80℃/min의 속도로 상승시키고, 15분간 유지시킨 후, 300℃까지는 챔버 내 냉각을 진행하였으며, 그 후 300℃ 이하에서는 공기 냉각을 수행하였다.

이러한 단계로 각 금속혼합분말에 의해 제조된 합금강을 표 1에 기재하였다. 표 1에서 생략된 조성의 단위는 중량%이며, 표 1에 기재되지 않은 잔부는 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

	Mn	Al	Si	Ti	Cu
제1 금속혼합분말	15	3	3	-	-
제2 금속혼합분말	15	3	-	-	-
제3 금속혼합분말	15	-	-	3
제4 금속혼합분말	15	-	-	-	3
제5 금속혼합분말	15	-	-	-	-

도 4는 본 실시예의 따라 제1 금속혼합분말 내지 제5 금속혼합분말에 의해 제조된 합금강에 대한 XRD 측정결과를 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 제1 금속혼합분말 내지 제3 금속혼합분말의 경우, 산화 망간이 생성되지 않았으며, 망간이 철 내 고용되어 오스테나이트 결정립을 형성하고 있음을 알 수 있다. 반면에, 제4 금속혼합분말 및 제5 금속혼합분말의 경우, 산화 망간의 생성을 확인할 수 있으며, 생성된 산화 망간의 비율만큼, 철 내 고용되는 망간의 비율이 줄어들어, 상대적으로 높은 비율의 페라이트 결정립의 존재를 확인할 수 있다.

한편, 각 금속혼합분말에 의해 제조된 합금강의 기계적 특성 시험 결과는 하기 표 2에 나타내었다.

	경도(HV)	항복강도(MPa)	파단 연신율(%)
제1 금속혼합분말	600	2010	27
제2 금속혼합분말	618	2150	15
제3 금속혼합분말	691	2200	10
제4 금속혼합분말	541	1750	33
제5 금속혼합분말	527	1650	43

도 5는 본 실시예의 따라 제1 금속혼합분말 내지 제5 금속혼합분말에 의해 제조된 합금강의 경도를 도시한 것이다.

도 5 및 표 2를 참조하면, 망간 대비 산소 친화도가 높은 금속을 첨가한 제1 금속혼합분말 내지 제3 금속혼합분말과 그 외의 금속혼합분말을 비교할 때, 경도 측면에서 월등한 효과를 보이는 것을 알 수 있다. 망간 이외에 추가 합금 금속을 첨가하지 않은 제5 금속혼합분말 대비 제1 금속혼합분말(Al+Si), 제2 금속혼합분말(Al)은 경도 값이 각각 14%와 17%가 향상되는 것을 알 수 있으며 특히, 제3 금속혼합분말(Ti)는 31%의 경도 향상을 볼 수 있어 그 특성이 매우 우수하다고 볼 것이다.

또한, 항복강도 측면에서는 망간 대비 산소 친화도가 높은 금속을 첨가한 제1 금속혼합분말 내지 제3 금속혼합분말과 그 외의 금속혼합분말을 비교할 때, 강도 측면의 특성이 매우 뛰어난 것을 알 수 있다. 구체적으로, 망간 이외에 추가 합금 금속을 첨가하지 않은 제5 금속혼합분말 대비 제1 금속혼합분말(Al+Si), 제2 금속혼합분말(Al)은 항복강도 값이 각각 22%, 30% 및 33%가 향상되는 것을 알 수 있다.

특히, 티타늄 금속 분말이 혼합된 제3 금속혼합분말의 경우, 경도 측면에서 31% 향상 및 항복강도 측면에서 33% 향상을 보이고 있어, 그 특성이 매우 우수하다고 할 것이다. 한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 티타늄 금속 분말의 버커스 경도 값은 650 HV 내지 720 HV의 범위에 포함된다.

경도 및 항복강도 등 강도 측면의 특성이 크게 향상되는 반면, 파단 연신율이 다소 낮아지는 경향을 보이나, 가공성 측면에서 여전히 우수한 특성을 보인다고 할 것이다.

본 발명에 의한 합금강은 고강도와 고연성의 특징을 동시에 보유하고 있어, 다양한 산업분야에 적용이 가능하다. 특히, 자동차 부품과 관련하여, 고강도 및 고가공성을 활용한 스프링, 볼트 및 타이어코드에 적용할 수 있다. 또한, 베어링 및 기어 등의 기계 부품에 있어서도, 내마모성과 인성의 모순된 성질을 동시에 요구하는 특성으로 인하여 본 합금강의 적용 가능성이 높다고 할 것이다. 또한, 절삭 공구재에 많이 사용되는 몰리브덴 계열의 고속도강의 경우, 마르텐사이트 조직으로 인한 온도 구간별 불안정성이 문제될 수 있으나, 본 합금강의 경우 오스테나이트 조직으로 인한 열적 안정성이 담보되어 공구용 재료로도 크게 활용될 수 있다.

본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 범위는 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 합금강
110: 오스테나이트 결정립
120: 나노 사이즈의 금속 산화물

Claims (10)

1. 티타늄 분말을 이용하여, 기계적 합금화로 제조된 합금강에 있어서,
   15중량% 내지 30중량%의 망간을 함유하는 강 기지; 및
   상기 강 기지에 생성되는 티타늄 산화물을 포함하며,
   상기 티타늄 산화물의 크기는 나노 사이즈인 합금강.
2. 제1항에 있어서,
   상기 합금강의 버커스 경도 값이 650 HV 내지 720 HV의 범위를 포함하는 합금강.
3. 제1항에 있어서,
   상기 강 기지는 나노 결정립을 포함하고, 오스테나이트 상인 합금강.
4. 제1항에 있어서,
   상기 티타늄 산화물의 크기는 5nm 내지 50nm인 합금강.
5. 제3항에 있어서,
   상기 나노 결정립의 크기는 75nm 내지 500nm인 합금강.
6. 티타늄 분말을 이용한, 15중량% 내지 30중량%의 망간을 함유하는 합금강 제조방법에 있어서,
   철, 망간 및 티타늄을 포함하는 혼합 분말을 준비하는 단계;
   상기 혼합 분말을 기계적 합금화하는 단계; 및
   상기 기계적 합금화된 혼합 분말을 열처리하는 단계를 포함하는 합금강 제조방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 합금화하는 단계는,
   상기 혼합 분말을 챔버에 장입하고, 진공 또는 아르곤 분위기 하에서 볼밀 공정을 수행하는 단계를 포함하는 합금강 제조방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 합금화하는 단계는
   상기 혼합 분말을 상기 챔버에 장입하기 전, 상기 챔버에 윤활제를 투입하여 일정시간 동안 볼밀공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 합금강 제조방법.
9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 의한 합금강으로 제조된 자동차 부품.
10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 의한 합금강으로 제조된 절삭공구.

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