KR20220062609A - 내마모 강판 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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나오키 다카야마
시게키 기츠야
요시아키 무라카미
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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 300∼500℃의 고온하에서 높은 내마모성을 발휘하고, 또한 저온에서의 인성을 겸비한 내마모 강판을 제공한다.
(해결 수단) C: 0.10% 이상 0.23% 이하, Si: 0.05% 이상 1.00% 이하, Mn: 0.10% 이상 2.00% 이하, P: 0.050% 이하, S: 0.050% 이하, Al: 0.050% 이하, Cr: 0.05% 이상 5.00% 이하, N: 0.0100% 이하 및 O: 0.0100% 이하를 포함하고, 또한 1.0≤0.45Cr+Mo≤2.25를 만족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 성분 조성과, 강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이에 있어서의 마르텐사이트의 체적률이 95% 이상인 조직을 갖고, 상기 강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이에 있어서, 400℃에 있어서의 비커스 경도를 288 이상, 또한 25℃에 있어서의 브리넬 경도를 360∼490HBW10/3000으로 한다.

Description

내마모 강판 및 그의 제조 방법
본 발명은, 건설 기계, 산업 기계, 조선, 토목, 건축 등의 강 구조물의 각종 부재용으로서 적합한, 내마모 강판 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 고온하에서의 용도에 제공하는 내마모 강판에 관한 것이다.
강의 내마모성은, 경도를 높게 함으로써 향상시킬 수 있는 것이 알려져 있다. 그 때문에 합금 원소를 대량으로 첨가한 합금강에 퀀칭(quenching) 등의 열처리를 실시함으로써 얻어지는 고경도강이, 내마모강으로서 폭넓게 이용되어 왔다.
예를 들면, 특허문헌 1 및 2에서는, 표층부의 경도가, 브리넬 경도(Brinell hardness)(HB)로 360∼490인 내마모 강판이 제안되어 있다. 상기 내마모 강판에서는, 소정의 양의 합금 원소를 첨가함과 함께, 퀀칭을 행하여 마르텐사이트 주체의 조직으로 함으로써, 높은 내마모성을 실현하고 있다.
여기에서, 내마모강의 용도 중에는, 강판 표면의 온도가 300∼500℃로 고온이 되는 경우가 적지 않다. 이러한 고온하에서의 사용 수명을 길게 하기 위해서는, 실온에서의 내마모성뿐만 아니라, 고온하에서의 높은 내마모성을 확보하는 것이 중요하다.
이 고온하에서의 내마모성을 향상시킨 기술로서, 예를 들면, 특허문헌 3에서는, 소정의 합금 원소를 첨가하여 복합 석출물을 분산시킴으로써, 고온하에서의 높은 내마모성을 실현하고 있다.
일본특허 제4645306호 공보 일본특허 제4735191호 공보 일본공개특허공보 평10-204575호
그러나, 일반적으로 고온하에서 사용되는 내마모강에 있어서도, 항상 고온하에 노출되어 있는 것은 아니고, 사용 상황에 따라서는 저온하에서 사용되는 경우도 있다. 따라서 고온에서의 높은 내마모성과 함께 저온에서의 인성도 요구된다. 특허문헌 3에서는, 내마모성에 아울러 저온에서의 인성의 향상에 관해서도 검토되고 있지만, 소정의 합금 원소를 첨가하여 복합 석출물을 분산시킴으로써, 고온하에서의 높은 내마모성을 실현하고 있기 때문에, 만족스러운 저온에서의 인성을 얻는 것은 어려웠다.
본 발명은, 상기의 문제를 해결하여, 300∼500℃의 고온하에서 높은 내마모성을 발휘하고, 또한 저온에서의 인성을 겸비한 내마모 강판 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해, 내마모 강판의 고온 내마모성에 영향을 주는 각종 요인에 대해서, 예의 검토를 거듭했다. 고온하에 있어서의 내마모성은 고온 경도에 크게 영향을 받는 것, 즉, 고온에서의 내마모성의 향상을 위해서는, 고온 경도의 저하를 억제하는 것이 중요하고, 구체적으로는, 시험 온도: 400℃에 있어서의 비커스 경도 HV400을 288 이상으로 함으로써, 우수한 고온 내마모성이 발휘되는 것을 인식했다.
그리고, 더 한층의 연구에 의해, 고온 경도의 저하를 억제하려면, Cr, 필요에 따라서, 추가로 Mo의 소정량 이상의 첨가가 유효하고, 상기의 시험 온도: 400℃에 있어서의 비커스 경도(Vickers hardness) HV400을 288 이상으로 하기 위해서는, 1.0≤0.45Cr+Mo를 만족하는 성분 첨가가 필요한 것을 발견했다.
우선, 본 발명의 기초가 된 실험 결과에 대해서 설명한다.
질량%로, 0.14% C-0.25% Si-0.50% Mn-0.005% P-0.002% S-0.015% Ti-0.03% Al-(0∼4.5)% Cr-(0∼2.25)% Mo를 함유하는 조성의 강 소재(슬래브(slab))를, 1150℃로 가열한 후 열간 압연하여, 판두께: 25㎜의 열연판으로 했다. 열간 압연 후의 강판을 공냉하고, 하기의 (i)식으로 나타내는 Ac3점 이상의 가열 온도에서 재가열 후, 실온까지 수냉하는 퀀칭 처리를 실시했다.
Ac3(℃)=912.0-230.5×C+31.6×Si-20.4×Mn-39.8×Cu-18.1×Ni-14.8×Cr+16.8×Mo···(i)
얻어진 강판으로부터 판두께 방향으로 1㎜의 위치가 시험편 표면(마모 시험면)이 되도록, 원기둥 형상의 시험편(지름 8㎜×길이 20㎜)을 채취하여, 고온하에서의 마모 시험을 실시했다. 마모 시험은, 도 1에 개략적으로 나타내는 마모 시험 장치를 이용했다.
즉, 마모 시험 장치를 설치한 분위기로(atmosphere furnace)의 온도를 400℃로 유지한 상태로, 시험기 내의 로터에 접속한 디스크 형상의 마모재(주성분: 알루미나)의 위에 시험편을 올려놓고, 시험편의 상부에 접속한 추에 의해 98N의 하중을 부하하면서, 마모재를 로터 회전 속도: 60m/min으로 300 회전시켜, 시험을 행했다. 이 시험 후의 마모량을 측정하고, 후술의 실시예에서의 고온하에서의 내마모성의 평가 수법에 따라, 내마모비=(연강판의 마모량)/(각 강판의 마모량)을 구하여 평가했다. 그리고, 이 내마모비가 1.8 이상인 경우를 「고온하에서의 내마모성이 우수하다」고 판정했다.
이 마모 시험의 결과를 정리하여, 도 2에 나타낸다. 도 2의 결과로부터, 고온에서의 내마모성을 향상시키기 위해서는, Cr, 필요에 따라서 함유시키는 Mo를 소정량 이상으로 첨가하는 것, 구체적으로는 점선을 경계로 하는 영역, 1.0≤0.45Cr+Mo를 만족하는, 함유량으로 하는 것이 유효하다는 것을 알 수 있다.
또한, 300∼500℃의 온도역에서는, 특히 고용 상태의 Cr, 나아가서는 Mo가 내마모성에 효과를 발휘하는 것을 인식했다. 즉, 상기 온도역보다 고온역에서 사용되는 종전의 내열강에서는, 페라이트 조직에 Cr이나 Mo를 다량으로 첨가하고 탄질화물을 석출시켜 고온 경도를 발휘시키고 있는 것이 통례이고, 본 발명에서의 상기 검토 결과는, 종전의 내열강과는 상이한 발상을 기초로 인식된 것이다.
또한, 고용 상태의 Cr, 또한 Mo는 고온에서의 내마모성에 기여하는 데에 더하여, 탄질화물을 석출시켜 저온에서의 인성을 양호하게 하는 이점이 있다.
본 발명은, 이러한 인식에 기초하여, 추가로 검토를 더하여 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.
1. 질량%로
C: 0.10% 이상 0.23% 이하,
Si: 0.05% 이상 1.00% 이하,
Mn: 0.10% 이상 2.00% 이하,
P: 0.050% 이하,
S: 0.050% 이하,
Al: 0.050% 이하,
Cr: 1.00% 이상 5.00% 이하,
N: 0.0100% 이하 및
O: 0.0100% 이하
를 포함하고, 또한 다음식 (1)을 만족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 성분 조성과, 강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이에 있어서의 마르텐사이트의 체적률이 95% 이상인 조직을 갖고,
상기 강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이에 있어서, 400℃에 있어서의 비커스 경도가 288 이상, 또한 25℃에 있어서의 브리넬 경도가 360∼490HBW10/3000인, 내마모 강판.
1.00≤0.45Cr+Mo≤2.25···(1)
단, 식 (1) 중의 원소 기호는 각 원소의 함유량(질량%)이고, 함유가 없는 원소의 함유량은 0으로 한다.
2. 상기 성분 조성은 추가로, 질량%로,
Mo: 1.80% 이하,
Cu: 5.00% 이하,
Ni: 5.00% 이하,
V: 1.00% 이하,
W: 1.00% 이하,
Co: 1.00% 이하
Nb: 0.050% 이하,
Ti: 0.100% 이하,
B: 0.0100% 이하,
Ca: 0.0200% 이하,
Mg: 0.0200% 이하 및
REM: 0.0200% 이하
중으로부터 선택된 1종 이상을 함유하는 상기 1에 기재된 내마모 강판.
3. 상기 1 또는 2에 기재된 내마모 강판을 제조하는 방법으로서,
강 소재에 열간 압연을 실시하여 열연 강판으로 하고, 당해 열연 강판에, 냉각 개시 온도가 Ar3 변태점 이상 또한 냉각 정지 온도가 Ms점 이하에서 냉각 속도가 5℃/s 이상인 직접 퀀칭, 또는, 냉각 개시 온도가 Ac3 변태점 이상 또한 냉각 정지 온도가 Mf점 이하에서 냉각 속도가 5℃/s 이상인 재가열 퀀칭을 행하는, 내마모 강판의 제조 방법.
본 발명에 의하면, 고온하에서 높은 내마모성을 발휘하는 내마모 강판을 제공할 수 있기 때문에, 산업상 각별한 효과를 가져온다.
도 1은 마모 시험 장치를 나타내는 개략도이다.
도 2는 Cr 및 Mo의 함유량과 마모 시험 결과의 관계를 나타내는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
다음으로, 본 발명의 내마모 강판에 대해서 구체적으로 설명한다. 본 발명에 있어서, 내마모 강판 및 그의 제조에 제공하는 강 소재는, 상기 성분 조성을 갖는 것이 중요하다. 그래서, 우선 본 발명에 있어서 강의 성분 조성을 상기와 같이 한정하는 이유를 설명한다. 또한, 성분 조성에 관한 「%」는, 특별히 언급하지 않는 한 「질량%」를 의미하는 것으로 한다.
[성분 조성]
C: 0.10% 이상 0.23% 이하
C는, 강판 표층의 경도를 증가시켜, 내마모성을 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. 또한, 고온에서의 경도 저하를 억제하여, 고온이 되는 환경에서 내마모성을 향상시키는, 본 발명에 있어서, 중요한 원소의 하나이다. 상기 효과를 얻기 위해, C 함유량을 0.10% 이상으로 한다. 다른 합금 원소의 함유량을 적게 하여, 보다 저비용으로 제조한다는 관점에서는, C 함유량은 0.12% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, C 함유량이 0.23%를 초과하면, 탄화물을 형성하기 쉬워져, 오히려 고온 시의 경도 저하를 초래한다. 또한, 실온에서의 표면 경도가 높아지기 때문에 인성이 저하한다. 그 때문에, C 함유량은 0.23% 이하로 한다. 또한, 고온 시의 경도 저하를 억제하는, 혹은, 인성의 저하를 억제하는 관점에서는, C 함유량을 0.21% 이하로 하는 것이 바람직하다.
Si: 0.05% 이상 1.00% 이하
Si는, 탈산제로서 작용하는 원소이다. 또한, Si는, 강 중에 고용하고, 고용 강화에 의해 기지상(matrix)의 경도를 상승시키는 작용을 갖고 있다. 이들 효과를 얻기 위해, Si 함유량을 0.05% 이상으로 한다. Si 함유량은, 0.10% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.20% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, Si 함유량이 1.00%를 초과하면, 인성이 저하하고, 또한 개재물량이 증가하는 등의 문제가 생긴다. 그 때문에, Si 함유량을 1.00% 이하로 한다. Si 함유량은 0.80% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.60% 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.40% 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
Mn: 0.10% 이상 2.00% 이하
Mn은, 강의 퀀칭성을 증가시키는 작용을 갖는 원소로서, 강판 표층의 경도를 증가시켜, 내마모성을 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. 또한, 고용 상태로 존재하여 고온에서의 경도 저하를 억제시키는 효과를 갖는다. 이들 효과를 얻기 위해, Mn 함유량을 0.10% 이상으로 한다. Mn 함유량은, 0.30% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.50% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, Mn 함유량이 2.00%를 초과하면, 인성이 저하하는 것에 더하여, 합금 비용이 과도하게 높아져 버린다. 그 때문에, Mn 함유량은 2.00% 이하로 한다. Mn 함유량은, 1.80% 이하로 하는 것이 바람직하고, 1.60% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
P: 0.050% 이하
P는, 불가피적 불순물로서 함유되는 원소로서, 입계(grain boundaries)에 편석함으로써 모재(base metal)의 인성을 저하시키는 등, 악영향을 미친다. 그 때문에, 가능한 한 P 함유량을 낮게 하는 것이 바람직하지만, 0.050% 이하이면 허용할 수 있다. 또한, P 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않고, 0%이면 좋지만, 통상, P는 불순물로서 강 중에 불가피적으로 함유되는 원소이기 때문에, 공업적으로는 0% 초과이면 좋다. 또한, 과잉의 저감은 정련 비용의 상승을 초래하기 때문에, P 함유량은 0.0005% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
S: 0.050% 이하
S는, 불가피적 불순물로서 함유되는 원소로서, MnS 등의 황화물계 개재물로서 강 중에 존재하고, 모재의 인성을 저하시키는 등, 악영향을 미친다. 그 때문에, 가능한 한 S 함유량을 낮게 하는 것이 바람직하지만, 0.050% 이하이면 허용할 수 있다. 또한, S 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않고, 0%이면 좋지만, 통상, S는 불순물로서 강 중에 불가피적으로 함유되는 원소이기 때문에, 공업적으로는 0% 초과이면 좋다. 또한, 과잉의 저감은 정련 비용의 상승을 초래하기 때문에, S 함유량은 0.0005% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
Al: 0.050% 이하
Al은, 탈산제로서 작용함과 함께, 결정립을 미세화하는 작용을 갖는 원소이다. 이들 효과를 얻기 위해서는, Al 함유량을 0.010% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Al 함유량이 0.050%를 초과하면, 산화물계 개재물이 증가하여 청정도가 저하하고, 인성이 저하한다. 그 때문에, Al 함유량은 0.050% 이하로 한다. 또한, Al 함유량은 0.040% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.030% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
Cr: 1.00% 이상 5.00% 이하
Cr은, 강판 표층의 경도를 증가시켜, 내마모성을 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. 또한, 고용 상태로 존재하여 고온에서의 경도 저하를 억제하고, 고온이 되는 환경에서 내마모성을 향상시키는 본 발명에 있어서 중요한 원소의 하나이다. 상기 효과를 얻기 위해, Cr 함유량을 1.00% 이상으로 한다. Cr 함유량은, 1.25% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1.50% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.
한편, Cr 함유량이 5.00%를 초과하면 Cr 탄화물이 석출되기 때문에, 오히려 고온 경도는 저하한다. 또한, 과잉인 Cr의 첨가는 인성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Cr 함유량은 5.00% 이하로 한다. Cr 함유량은, 4.50% 이하로 하는 것이 바람직하고, 4.00% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
N: 0.0100% 이하
N은, 불가피적 불순물로서 함유되는 원소로서 모재의 인성을 저하시키는 등, 악영향을 미치지만, 0.0100% 이하의 함유는 허용할 수 있다. 한편, N 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않고, 0%이면 좋지만, 통상, N은 불순물로서 강 중에 불가피적으로 함유되는 원소이기 때문에, 공업적으로는 0% 초과이면 좋다.
O: 0.0100% 이하
O는, 불가피적 불순물로서 함유되는 원소로서 모재의 인성을 저하시키는 등, 악영향을 미치지만, 0.0100% 이하의 함유는 허용할 수 있다. 한편, O 함유량의 하한은 특별히 한정되지 않고, 0%이면 좋지만, 통상, O는 불순물로서 강 중에 불가피적으로 함유되는 원소이기 때문에, 공업적으로는 0% 초과이면 좋다.
추가로, 본 발명의 내마모 강판에서는, 이상의 기본 성분에 있어서, 다음식 (1)을 만족하는 것이 중요하다.
1.00≤0.45Cr+Mo≤2.25 ···(1)
본 발명에서는, 고온에서의 내마모성을 향상시키기 위해, Cr, 필요에 따라서 후술의 Mo를 소정의 양 이상 첨가함으로써, 고온에서의 내마모성을 향상하고 있다. 이와 같이, Cr의 단독 첨가, 추가로 필요에 따라서 Mo를 Cr과 함께 첨가하는 복합 첨가에 있어서, 위 식 (1)을 만족하는 것이, 특히 400℃에 있어서의 경도를 확보하기 위해 중요하다. 즉, 0.45Cr+Mo<1.0에서는, 표층으로부터 1㎜의 깊이의 400℃에 있어서의 경도가 저하하여, 고온에서의 내마모성이 저하한다. 이 때문에, 1.00≤0.45Cr+Mo로 했다. 또한 고온에서의 내마모성을 향상시키기 위해서는, 1.10≤0.45Cr+Mo로 하는 것이 바람직하고, 1.20≤0.45Cr+Mo로 하는 것이 보다 바람직하다.
한편, 0.45Cr+Mo>2.25가 되면, 인성이 크게 열화하게 된다. 그 때문에, 0.45Cr+Mo≤2.25로 했다.
이상이 본 발명에 있어서의 기본의 성분 조성이지만, 임의로, Mo: 1.80% 이하, Cu: 5.00% 이하, Ni: 5.00% 이하, V: 1.00% 이하, W: 1.00% 이하, Co: 1.00% 이하, Nb: 0.050% 이하, Ti: 0.100% 이하, B: 0.0100% 이하, Ca: 0.0200% 이하, Mg: 0.0200% 이하 및 REM: 0.0200% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 이상을, 추가로 함유할 수 있다.
Mo: 1.80% 이하
Mo는, Cr과 마찬가지로 고온하에서의 내마모성을 향상시키는 작용을 갖는 원소로서, 고온하에서의 내마모성을 향상시키기 위해 임의로 첨가할 수 있다. Mo를 첨가하는 경우, 상기 효과를 얻기 위해, Mo 함유량을 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Mo 함유량이 1.80%를 초과하면, 인성의 저하나 합금 비용의 상승을 초래한다. 그 때문에, Mo를 첨가하는 경우, Mo 함유량을 1.80% 이하로 한다. 또한, Mo를 첨가하는 경우는, 상기의 식 (1)을 만족할 필요가 있다. 또한, Mo 무첨가의 강에 있어서, 화학 분석으로 미량의 Mo가 검출된 경우는, 상기의 (1)식에 분석 결과를 반영하는 것으로 한다.
Cu: 5.00% 이하
Cu는, 고온하에서의 내마모성을 향상시키는 작용을 갖는 원소로서, 고온하에서의 내마모성을 향상시키기 위해 임의로 첨가할 수 있다. Cu를 첨가하는 경우, 상기 효과를 얻기 위해 Cu 함유량을 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Cu 함유량이 5.00%를 초과하면, 용접성(weldability)의 열화나 합금 비용의 상승을 초래한다. 그 때문에, Cu를 첨가하는 경우, Cu 함유량을 5.00% 이하로 한다.
Ni: 5.00% 이하
Ni는, Cu와 마찬가지로 고온하에서의 내마모성을 향상시키는 작용을 갖는 원소로서, 고온하에서의 내마모성을 향상시키기 위해 임의로 첨가할 수 있다. Ni를 첨가하는 경우, 상기 효과를 얻기 위해 Ni 함유량을 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Ni 함유량이 5.00%를 초과하면, 용접성의 열화나 합금 비용의 상승을 초래한다. 그 때문에, Ni를 첨가하는 경우, Ni 함유량을 5.00% 이하로 한다.
V: 1.00% 이하
V는, Cu와 마찬가지로 고온하에서의 내마모성을 향상시키는 작용을 갖는 원소로서, 강판 내부의 경도를 향상시키기 위해 임의로 첨가할 수 있다. V를 첨가하는 경우, 상기 효과를 얻기 위해 V 함유량을 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, V 함유량이 1.00%를 초과하면, 용접성의 열화나 합금 비용의 상승을 초래한다. 그 때문에, V를 첨가하는 경우, V 함유량을 1.00% 이하로 한다.
W: 1.00% 이하
W는, Cu와 마찬가지로 고온하에서의 내마모성을 향상시키는 작용을 갖는 원소로서, 고온하에서의 내마모성을 향상시키기 위해 임의로 첨가할 수 있다. W를 첨가하는 경우, 상기 효과를 얻기 위해 W 함유량을 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, W 함유량이 1.00%를 초과하면, 용접성의 열화나 합금 비용의 상승을 초래한다. 그 때문에, W를 첨가하는 경우, W 함유량을 1.00% 이하로 한다.
Co: 1.00% 이하
Co는, Cu와 마찬가지로 고온하에서의 내마모성을 향상시키는 작용을 갖는 원소로서, 강판 내부의 경도를 향상시키기 위해 임의로 첨가할 수 있다. Co를 첨가하는 경우, 상기 효과를 얻기 위해 Co 함유량을 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Co 함유량이 1.00%를 초과하면, 용접성의 열화나 합금 비용의 상승을 초래한다. 그 때문에, Co를 첨가하는 경우, Co 함유량을 1.00% 이하로 한다.
Nb: 0.050% 이하
Nb는, 고온하에서의 내마모성의 향상에 기여하는 원소이다. Nb를 첨가하는 경우, 상기 효과를 얻기 위해 Nb 함유량을 0.005% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.007% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, Nb 함유량이 0.050%를 초과하면, NbC가 다량으로 석출되어, 가공성이 저하한다. 그 때문에, Nb를 첨가하는 경우, Nb 함유량을 0.050% 이하로 한다. Nb 함유량은 0.040% 이하로 하는 것이 바람직하다. 0.030% 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
Ti: 0.100% 이하
Ti는, 질화물 형성 경향이 강하고, N을 고정하여 고용 N을 저감하는 작용을 갖는 원소이다. 그 때문에, Ti의 첨가에 의해, 모재 및 용접부의 인성을 향상시킬 수 있다. 또한, Ti와 B의 양자가 첨가되는 경우, Ti가 N을 고정함으로써 BN의 석출이 억제되고, 그 결과, B의 퀀칭성 향상 효과가 조장된다. 이들 효과를 얻기 위해, Ti를 첨가하는 경우, Ti 함유량을 0.010% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.012% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, Ti 함유량이 0.100%를 초과하면, TiC가 다량으로 석출되어, 가공성을 저하시킨다. 그 때문에, Ti를 함유하는 경우, Ti 함유량은 0.100% 이하로 한다. Ti 함유량은, 0.090% 이하로 하는 것이 바람직하다. 0.080% 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
B: 0.0100% 이하
B는, 미량의 첨가로도 퀀칭성을 현저하게 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. 따라서, B를 첨가함으로써 퀀칭 시의 마르텐사이트의 형성을 조장하여, 내마모성을 더욱 향상시킬 수 있다. 상기 효과를 얻기 위해, B를 첨가하는 경우, B 함유량을 0.0001% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.0005% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.0010% 이상으로 하는 것이 보다 더욱 바람직하다. 한편, B 함유량이 0.0100%를 초과하면 용접성이 저하한다. 그 때문에, B를 첨가하는 경우, B 함유량을 0.0100% 이하로 한다. B 함유량은 0.0050% 이하로 하는 것이 바람직하다. 0.0030% 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
Ca: 0.0200% 이하
Ca는, S와 결합하여, 압연 방향으로 길게 신장하는 MnS 등의 형성을 억제하는 작용을 갖는 원소이다. 따라서, Ca를 첨가함으로써, 황화물계 개재물이 구 형상(spherical shape)을 나타내도록 형태 제어하여, 용접부 등의 인성을 향상시킬 수 있다. 상기 효과를 얻기 위해, Ca를 첨가하는 경우, Ca 함유량을 0.0005% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Ca 함유량이 0.0200%를 초과하면, 강의 청정도가 저하한다. 청정도의 저하는, 표면 흠집의 증가에 의한 표면 성상이 열화와, 굽힘 가공성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Ca를 첨가하는 경우, Ca 함유량을 0.0200% 이하로 한다.
Mg: 0.0200% 이하
Mg는, Ca와 마찬가지로, S와 결합하여, 압연 방향으로 길게 신장하는 MnS 등의 형성을 억제하는 작용을 갖는 원소이다. 따라서, Mg를 첨가함으로써, 황화물계 개재물이 구 형상을 나타내도록 형태 제어하여, 용접부 등의 인성을 향상시킬 수 있다. 상기 효과를 얻기 위해, Mg를 첨가하는 경우, Mg 함유량을 0.0005% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Mg 함유량이 0.0200%를 초과하면, 강의 청정도가 저하한다. 청정도의 저하는, 표면 흠집의 증가에 의한 표면 성상이 열화와, 굽힘 가공성의 저하를 초래한다. 그 때문에, Mg를 첨가하는 경우, Mg 함유량을 0.0200% 이하로 한다.
REM: 0.0200% 이하
REM(희토류 금속)은, Ca, Mg와 마찬가지로, S와 결합하여, 압연 방향으로 길게 신장하는 MnS 등의 형성을 억제하는 작용을 갖는 원소이다. 따라서, REM을 첨가함으로써, 황화물계 개재물이 구 형상을 나타내도록 형태 제어하여, 용접부 등의 인성을 향상시킬 수 있다. 상기 효과를 얻기 위해, REM을 첨가하는 경우, REM 함유량을 0.0005% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, REM 함유량이 0.0200%를 초과하면, 강의 청정도가 저하한다. 청정도의 저하는, 표면 흠집의 증가에 의한 표면 성상이 열화와, 굽힘 가공성의 저하를 초래한다. 그 때문에, REM을 첨가하는 경우, REM 함유량을 0.0200% 이하로 한다.
본 발명의 내마모 강판은, 상기 성분 조성을 갖는 것에 더하여, 강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이에 있어서의 마르텐사이트의 체적률이 95% 이상인 조직을 갖고, 상기 강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이에 있어서, 400℃에 있어서의 비커스 경도가 288 이상, 또한 25℃에 있어서의 브리넬 경도가 360∼490HBW10/3000이다. 강의 조직 및 경도를 상기와 같이 한정하는 이유를, 이하에 설명한다.
[조직]
본 발명의 내마모 강판의 조직에 대해서 설명한다.
[강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이에 있어서의 마르텐사이트의 체적률이 95% 이상]
강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이에 있어서의 마르텐사이트의 체적률이 95% 미만이면, 강판의 기지 조직의 경도가 저하하기 때문에, 내마모성이 열화한다. 그 때문에, 마르텐사이트의 체적률을 95% 이상으로 한다. 마르텐사이트 이외의 잔부 조직은 특별히 한정되지 않지만, 페라이트, 펄라이트, 오스테나이트, 베이나이트가 존재해도 좋다. 한편, 마르텐사이트의 체적률은 높을수록 좋기 때문에, 당해 체적률의 상한은 특별히 한정되지 않고, 100%이면 좋다. 또한, 상기 마르텐사이트의 체적률은, 내마모 강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이의 위치에 있어서의 값으로 한다. 또한, 마르텐사이트의 체적률은, 후술의 실시예에 기재한 방법으로 측정할 수 있다.
[경도]
[400℃에 있어서의 비커스 경도가 288 이상]
고온하에서의 내마모성에 대해서도, 당해 강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이(표층부라고도 함)에 있어서의 고온하의 경도를 높임으로써 향상시킬 수 있다. 강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이의 400℃에 있어서의 경도가 288 미만에서는, 충분한 내마모성을 얻을 수 없다. 바람직하게는, 306 이상이다. 또한, 상한에 대해서는 특별히 한정할 필요는 없지만, 저합금화 및 저비용화의 관점에서는, 490 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 400℃에 있어서의 경도를 규정하는 것은, 내마모 강판의 사용 환경 중에는, 강판 표면의 온도가 300℃ 이상으로 고온이 되는 경우가 적지 않은 점에서, 경도의 규정을 당해 고온역의 하한에 대하여 여유를 가진, 400℃에 있어서 규정했다.
여기에서, 상기 비커스 경도는, 비커스 경도계(가열 장치 부착)를 이용하여, 400℃로 시험편(강판)의 온도를 보존유지(保持)하고, JIS Z 2252 「고온 비커스 경도 측정 방법」의 규정에 준거하여, 하중: 1kgf(시험력: 9.8N)로, 강판 표면으로부터 1㎜의 깊이의 위치에서 측정한 값을 이용하는 것으로 한다.
[25℃에 있어서의 브리넬 경도가 360∼490HBW10/3000]
강판의 내마모성은, 당해 강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이(표층부)에 있어서의 경도를 높임으로써 향상시킬 수 있다. 강판 표층부의 25℃에 있어서의 경도가 브리넬 경도로 360HBW 미만에서는, 충분한 내마모성을 얻을 수 없다. 한편, 강판 표층부의 25℃에 있어서의 경도가 브리넬 경도로 490HBW를 초과하면, 모재의 인성이 열화한다. 그 때문에, 본 발명에서는, 강판 표층부의 25℃에 있어서의 경도를, 브리넬 경도로 360∼490HBW로 한다. 또한, 여기에서 상기 경도는, 내마모 강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이의 위치에 있어서의 브리넬 경도로 한다. 또한, 상기 브리넬 경도는, 직경 10㎜의 텅스텐 경구(tungsten hard ball)를 사용하고, 하중 3000kgf로 측정한 값(HBW10/3000)으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서의 강판의 두께는 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 판두께가 100㎜인 후강판에 대해서도 본 발명의 적용이 가능하다.
다음으로, 본 발명 내마모 강판의 제조 방법에 대해서 설명한다.
상기한 성분 조성을 갖는 강 소재를 가열하고, 열간 압연을 실시하여 열연 강판으로 하고, 당해 열연 강판에, 냉각 개시 온도가 Ar3 변태점 이상 또한 냉각 정지 온도가 Mf점 이하에서 냉각 속도가 5℃/s 이상인 직접 퀀칭, 또는, 냉각 개시 온도가 Ac3 변태점 이상 또한 냉각 정지 온도가 Mf점 이하에서 냉각 속도가 5℃/s 이상인 재가열 퀀칭을 행하여 내마모 강판으로 한다.
우선, 강 소재의 제조 방법은, 특별히 한정할 필요는 없지만, 상기한 성분 조성을 갖는 용강을, 전로 등의 공지의 용제 방법으로 용제하고, 연속 주조법 등의 공지의 주조 방법으로, 소정 치수의 슬래브 등의 강 소재로 하는 것이 바람직하다. 또한, 조괴-분해 압연법(ingot casting and blooming)에 의해, 소정 치수의 슬래브 등의 강 소재로 해도 하등 문제는 없다.
얻어진 강 소재는, 냉각하는 일 없이 직접, 혹은 냉각한 후, 바람직하게는 가열 온도: 900℃ 이상 1250℃ 이하로 재가열하고, 열간 압연하여, 소망 판두께(두께)의 강판으로 한다.
여기에서, 강 소재를 재가열하여 열간 압연을 행하는 경우, 강 소재의 재가열 온도가 900℃ 미만에서는, 가열 온도가 지나치게 낮아, 변형 저항이 높아지고, 열간 압연기로의 부하가 증대하여, 열간 압연이 곤란해질 우려가 있다. 한편, 1250℃를 초과하는 고온이 되면, 산화가 현저해져, 산화 로스가 증대하여 수율이 저하할 우려가 있다. 이러한 점에서, 재가열 온도는 900℃ 이상 1250℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 950℃ 이상 1150℃ 이하이다. 또한, 압연 종료 온도는, 열간 압연기로의 부하의 관점에서, 800℃ 이상 950℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 열간 압연 후의 강판은, Ar3 변태점 이상으로부터 직접 퀀칭 처리한다. 이는 오스테나이트 상태로부터의 퀀칭에 의해 마르텐사이트 조직을 얻기 위함이다. 이 퀀칭 처리에 의해, 강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이에 있어서의 마르텐사이트의 체적률이 95% 이상, 또한 25℃에 있어서의 브리넬 경도를 360∼490HBW10/3000 및 400℃에 있어서의 비커스 경도를 288 이상으로 한다. 이와 같이, Ar3 변태점 미만으로부터의 퀀칭에서는 충분히 퀀칭이 되지 않아, 경도가 저하하여, 내마모성이 높은 마이크로 조직은 얻어지지 않는다.
Ar3 변태점은 예를 들면,
Ar3(℃)=910-273×C-74×Mn-57×Ni-16×Cr-9×Mo-5×Cu(각 원소는 함유량(질량%))
로 구하는 것이 가능하다.
또한, 열간 압연의 종료 후 곧바로 퀀칭하는 것에 대신하여, 열간 압연 종료 후 방냉한 후, Ac3 변태점 이상의 온도로 재가열하여 퀀칭 처리를 행해도 좋다. 이는, 오스테나이트 상태로부터의 퀀칭에 의해 마르텐사이트 조직을 얻기 위함이다. Ac3 변태점 미만으로부터의 퀀칭에서는 충분히 퀀칭이 되지 않아, 경도가 저하하여, 내마모성이 높은 마이크로 조직은 얻어지지 않는다.
Ac3 변태점은 예를 들면,
Ac3(℃)=912.0-230.5×C+31.6×Si-20.4×Mn-39.8×Cu-18.1×Ni-14.8×Cr+16.8×Mo(각 원소는 함유량(질량% 이하))
로 구하는 것이 가능하다.
여기에서, 직접 퀀칭 처리 시 및 재가열 퀀칭 처리에 있어서의 냉각 속도는, 마르텐사이트상이 형성되는 냉각 속도로 할 필요가 있고, 구체적으로는 5℃/s 이상으로 한다. 또한, 냉각 속도의 상한은 특별히 규제할 필요는 없지만, 200℃/s를 초과하면, 일반적인 설비에서는 강판의 길이 방향 혹은 폭 방향에서의 조직의 불균일이 현저하게 커지기 때문에, 냉각 속도는 200℃/s 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 냉각의 정지 온도는, Mf점 이하, 바람직하게는 150℃ 이하로 한다. 왜냐하면, 정지 온도가 Mf점을 초과하면, 충분한 체적률의 마르텐사이트 조직이 얻어지지 않아, 25℃에 있어서의 경도 및 400℃에서의 경도가 저하하여, 고온하에서의 내마모성이 저하하기 때문이다.
Mf점은 예를 들면,
Mf(℃)=410.5-407.3×C-7.3×Si-37.8×Mn-20.5×Cu-19.5×Ni-19.8
×Cr-4.5×Mo(각 원소는 함유량(질량%))
로 구하는 것이 가능하다.
실시예
표 1에 나타내는 성분 조성의 용강을 용제하여, 강 소재(슬래브)로 했다. 이들 강 소재(슬래브)에, 표 2에 나타내는 조건의 가열 온도 및 압연 종료 온도에서의 열간 압연을 실시하여, 표 2에 나타내는 판두께의 열연판으로 했다. 일부의 열연판에는, 열간 압연 종료 후, 곧바로 퀀칭하는 직접 퀀칭 처리를 실시했다. 또한, 나머지의 열연판에는, 열간 압연 후 방냉하고, 재가열한 후 퀀칭하는 재가열 퀀칭 처리를 실시했다.
얻어진 강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이(표층부)에 있어서, 마르텐사이트의 체적률 및 표층부 경도(25℃에 있어서의 브리넬 경도 그리고 400℃에 있어서의 비커스 경도)를 측정함과 함께, 각 강판의 고온하에서의 내마모성에 대해서 평가를 행했다. 각각의 시험 방법은 다음과 같다.
[마르텐사이트의 체적률]
강판의 내마모성은, 주로 강판의 표층부의 경도에 의해 결정된다. 그 때문에, 표면으로부터 1㎜의 깊이의 위치가 관찰면이 되도록, 얻어진 각 강판으로부터 샘플을 채취했다. 상기 샘플의 표면을 경면 연마하고, 추가로 나이탈 부식한 후, 주사형 전자 현미경(SEM)을 이용하여 10㎜×10㎜의 범위를 촬영했다. 화상 해석 장치를 이용하여, 촬영된 상을 해석함으로써 마르텐사이트의 면적 분율을 구했다.
[표층부 경도]
우선, 얻어진 강판으로부터, 경도 측정용 시험편을 채취하고, JIS Z 2243(1998)의 규정에 준거하여, 강판의 표면으로부터 판두께 방향으로 1㎜ 위치의 브리넬 경도를 25℃에 있어서 측정했다. 즉, 강판의 표면의 스케일(scale) 및 탈탄층의 영향을 제거하기 위해, 강판의 표면으로부터 1㎜를 연삭 제거하고, 강판 표면으로부터 1㎜의 면에 있어서의 표면의 브리넬 경도를 25℃에 있어서 측정했다. 또한, 측정 시에 있어서는, 직경 10㎜의 텅스텐 경구를 사용하고, 하중은 3000kgf로 했다.
또한, 400℃에 있어서의 비커스 경도는, 비커스 경도계(가열 장치 부착)를 이용하여, 400℃로 시험편(강판)의 온도를 보존유지하고, JIS Z 2252 「고온 비커스 경도 측정 방법」의 규정에 준거하여, 하중: 1kgf(시험력: 9.8N)로, 강판 표면으로부터 1㎜의 깊이의 위치에서 측정했다. 즉, 강판의 표면으로부터 1㎜를 연삭 제거하고, 강판 표면으로부터 1㎜의 면에 있어서의 표면의 비커스 경도를 400℃에 있어서 측정했다.
[고온하에서의 내마모성]
얻어진 강판의 표면으로부터 판두께 방향으로 1㎜의 위치가 시험편 표면(마모 시험면)이 되도록, 원기둥 형상의 시험편(지름 8㎜×길이 20㎜)을 채취하여, 고온하에서의 마모 시험을 실시했다. 마모 시험은, 도 1에 개략적으로 나타낸 마모 시험 장치를 이용했다.
즉, 마모 시험 장치를 설치한 분위기로의 온도를 400℃로 유지한 상태로, 시험기 내의 로터에 접속한 디스크 형상의 마모재(주성분: 알루미나)의 위에 상기의 시험편을 설치하고, 시험편의 상부에 접속한 추에 의해 98N의 하중을 부하하면서, 마모재를 로터 회전 속도: 60m/min으로 300 회전시켜, 시험을 행했다.
이상의 시험 종료 후에, 시험편을 취출하여, 시험편의 질량을 측정했다. 시험 전후의 시험편의 질량차로부터 마모량을 산출했다. 각 강판의 고온하에서의 마모 특성은, 강판 No.31의 비교재(강종 U: 연강판)의 마모량을 기준(=1.0)으로 하여, 내마모비=(연강판의 마모량)/(각 강판의 마모량)으로 평가했다. 또한, 고온하에서의 내마모비가 1.8 이상인 경우를 「고온하에서의 내마모성이 우수하다」고 판정했다.
얻어진 결과를 표 2에 병기한다.
(3) 샤르피 충격 시험
얻어진 강판의 판두께의 1/4의 위치에서, 압연 방향에 수직인 방향(C 방향)으로부터 V 노치 시험편을 채취하고, JIS Z 2242(1998)의 규정에 준거하여, 샤르피 충격 시험을 실시했다. 시험 온도는 -40℃에서의 흡수 에너지 vE-40(J)을 구했다. 또한, 시험편 개수는 각 3개로 하고, 그의 산술 평균을 당해 강판의 흡수 에너지 vE-40으로 했다. vE-40이 27J 이상인 강판을 「모재의 인성이 우수한 강판」이라고 판정했다.
Figure pct00001
Figure pct00002
표 1 및 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 발명예는 모두, 표면으로부터 1㎜의 깊이의 25℃에 있어서의 경도가 브리넬 경도로 360∼490HBW10/3000이고, 고온하에서의 내마모비가 1.8 이상이고, -40℃에서의 흡수 에너지가 27J 이상으로, 고온하에서의 내마모성과 저온에서의 인성이 우수한 내마모 강판이 얻어지고 있다. 한편, 비교예에 상당하는 강판 No.4, 5, 6, 10, 11, 12는, 표층부 경도 혹은 마르텐사이트 조직 분율이 발명예와 상이하고, 고온하에서의 내마모성이 발명예와 비교하여 뒤떨어져 있다. 또한, 비교예에 상당하는 강판 No.24에서는, 탄소량이 낮고 마르텐사이트 조직 분율이 발명예와 상이하고, 고온하에서의 내마모성이 발명예와 비교하여 뒤떨어져 있다. 강판 No.25에서는, 탄소량이 높고, 표층부의 경도가 발명예와 상이하고, 고온하에서의 내마모성이나 저온에서의 인성이 발명예와 비교하여 뒤떨어져 있다.
강판 No.26, 27, 28, 29, 31 및 32에서는, 여러 가지의 원소의 첨가량이 발명예보다도 많고, 저온에서의 인성이 발명예와 비교하여 뒤떨어져 있다. 강판 No.30에서는, Cr의 첨가량이 발명예보다도 적고, 고온에서의 내마모성은 발명예와 비교하여 뒤떨어져 있다. 0.45Cr+Mo<1.0으로 되어 있는 강판 No.33에서는, 고온하에서의 내마모성은 발명예와 비교하여 뒤떨어져 있다. 또한, 2.25<0.45Cr+Mo로 되어 있는 강판 No.34에서는, 저온에서의 인성이 발명예와 비교하여 뒤떨어져 있다.

Claims (3)

  1. 질량%로
    C: 0.10% 이상 0.23% 이하,
    Si: 0.05% 이상 1.00% 이하,
    Mn: 0.10% 이상 2.00% 이하,
    P: 0.050% 이하,
    S: 0.050% 이하,
    Al: 0.050% 이하,
    Cr: 1.00% 이상 5.00% 이하,
    N: 0.0100% 이하 및
    O: 0.0100% 이하
    를 포함하고, 또한 다음식 (1)을 만족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 성분 조성과, 강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이에 있어서의 마르텐사이트의 체적률이 95% 이상인 조직을 갖고,
    상기 강판의 표면으로부터 1㎜의 깊이에 있어서, 400℃에 있어서의 비커스 경도가 288 이상, 또한 25℃에 있어서의 브리넬 경도가 360∼490HBW10/3000인, 내마모 강판.
    1.00≤0.45Cr+Mo≤2.25···(1)
    단, 식 (1) 중의 원소 기호는 각 원소의 함유량(질량%)이고, 함유가 없는 원소의 함유량은 0으로 한다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 성분 조성은 추가로, 질량%로,
    Mo: 1.80% 이하,
    Cu: 5.00% 이하,
    Ni: 5.00% 이하,
    V: 1.00% 이하,
    W: 1.00% 이하,
    Co: 1.00% 이하
    Nb: 0.050% 이하,
    Ti: 0.100% 이하,
    B: 0.0100% 이하,
    Ca: 0.0200% 이하,
    Mg: 0.0200% 이하 및
    REM: 0.0200% 이하
    중으로부터 선택된 1종 이상을 함유하는, 내마모 강판.
  3. 제1항 또는 제2항에 기재된 내마모 강판을 제조하는 방법으로서,
    강 소재에 열간 압연을 실시하여 열연 강판으로 하고, 당해 열연 강판에, 냉각 개시 온도가 Ar3 변태점 이상 또한 냉각 정지 온도가 Ms점 이하에서 냉각 속도가 5℃/s 이상인 직접 퀀칭, 또는, 냉각 개시 온도가 Ac3 변태점 이상 또한 냉각 정지 온도가 Mf점 이하에서 냉각 속도가 5℃/s 이상인 재가열 퀀칭을 행하는, 내마모 강판의 제조 방법.
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