KR870002074B1 - 코발트를 함유시키지 않은 마르에이징 강 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

코발트를 함유시키지 않은 마르에이징 강

본 발명은 강도와 인성(靭性)이 모두 우수한 마르에이징 강에 관한 것이다.

고강도를 주기 위하여 용이하게 시효화 처리할 수 있는 저함량의 탄소 철-니켈 또는 철-니켈-코발트 매트릭스로 특정지어지는 마르에이징 강(maraging steel)으로 알려진 새로운 부류의 합금 강이 1960년에 도입되었다.

초기에는 3가지 형태의 마르에이징 강이 개발되었으며, 이것들은 시·지·비버(C.G. Bieber)에 의해 개발된 코발트를 함유시키지 않은 20% 및 25중량% 니켈판(영국 특허 제 948,354호)과 알·에프·데커(R.F. Decker) 등에 의해 개발된 18중량% 니켈-코발트-몰리브덴으로 된 마르에이징 강이다(영국특허 제 936,557호).

코발트를 함유하지 않은 강판(鋼版)은 코발트를 함유시킨 마르에이징 강판에 비하여 필요한 항복 강도치에서 인성이 부족하기 때문에 상업성이 없다. 프랑스특허 제2127799호(히다찌회사명의)는 20% 및 25% 니켈 마르에이징 강을 개량시켜 이들의 인장강도를 약 130㎏/㎟(1275N/㎟) 그리고 연성을 9% 수준으로 향상시키는 기술에 관한 것이다. 그러나, 이 하다찌회사의 특허는 20% Ni 및 25% Ni 마르에이징 강 모두에 내재하는 연성의 문제를 다루지 아니하였으며, 이 특허의 특허청구 범위에 이 합금에 대한 인성 데이타가 기재되어 있지 않다. 히다찌회사의 합금은 실제에 있어서 연성이 부족한 것임을 발견했다.

코발트 함유 마르에이징 강은 거래량이 상당하여 상업성이 크다. 아래의 제 Ⅰ표에 18중량% Ni 마르에이징 강의 3개의 표준적인 시판물의 조성과 이들의 대략적인 항복강도치를 기재했다.

[제 Ⅰ 표]

그러나, 최근 코발트의 가격이 급격하게 상승하여 강철제조에 있어서 억제 수준까지 이르고 있다. 그리하여 코발트의 이용가능성이 불확실해지기에 이르렀다. 이와 같은 사정으로 인하여, 18중량% Ni 마르에이징 강의 상업성은 영향을 받게 되었으며, 그 결과 표준 마르에이징 강의 인성에 영향을 주는 코발트를 첨가하지 아니하고도 허용될 수 있는 인성과 인장강도, 연성 및 교축(絞縮)을 나타낼 수 있는 고강도 18중량% Ni 마르에이징 강의 개발연구가 필요하게 되었다.

본 발명자들은 합금에 있어서, 몰리브덴과 티탄함량의 상관 비율을 신중하게 조절함으로써 상기 요건을 충족시킬 수 있는 코발트가 함유되지 않는 마르에이징 강을 제조할 수 있다는 획기적인 사실을 발견하였다.

본 발명에 따른 마르에이징 강은 니켈16.5 내지 19중량% ; 몰리브덴 0.5 내지 4중량% ; 티탄 1.25 내지 2.5 중량% ; 알루미늄 최고 1중량% ; 탄소 최고 0.05중량% 및 기타 부수적인 원소와 불순물을 제외한 철의 적량으로 조성(단, 몰리브덴과 티탄 함량의 상관 비율에 있어서 몰리브덴 함량이 1.5중량% 미만일 경우에 티탄함량은 1.8중량% 이상이고, 티탄 함량이 1.4중량% 미만일 경우에 몰리브덴 함량은 2.25중량% 이상임)됨은 특징으로 한다.

또 마르에이징 강의 조성이 니켈 17 내지 19중량% ; 몰리브덴 1 내지 4중량% ; 티탄 1.25 내지 2.5중량% ; 알루미늄 최고 0.3중량% ; 탄소 최고 0.03중량% 및 기타 부수적인 원소와 불순물을 제외한 철의 적량으로 조성(단, 몰리브덴과 티탄 함량의 상관 비율에 있어서 몰리브덴 함량이 1.5중량% 미만일 경우에 티탄 함량은 1.8중량% 이상이고, 티탄 함량이 1.4중량% 미만일 경우에 몰리브덴 함량은 2.25중량% 이상임) 되는 마르에이징 강이 바람직하다.

부수적인 원소와 불순물로서는 강의 특성에 크게 영향을 주지 않으며, 마르에이징 강에 보통 소량으로 존재하는 탈산화제, 청정원소 및 불순물들이다. 산소, 수소, 유황 및 질소와 같은 원소들의 함량은 낮은 수준으로 유지시켜주어야만 제강이 양호해진다.

또 탄탈, 텅스텐 및 바나듐 같은 원소들은 각각 최고 2%까지 함유시킬 수가 있으나, 바나듐은 첨가해도 비용을 과대하게 발생시키지 아니한다.

그러나, 니오브는 강철의 인성을 저하시킴으로써 합급중에는 니오브를 실질적으로 함유시켜서는 아니된다. 또, 붕소, 지르코늄 및 칼슘은 각각 0.25중량%를 초과하지 않는 범위내에서 함유시킬 수 있으며, 망간과 규소는 각각 1%를 초과해서는 안된다.

본 발명의 합금은 시효처리 경화된 상태에서 인성이 양호하고, 즉 샤르피-V-노치(Charpy-V-Notch) 충격시험에 있어서 13.56J 이상, 흔히 20J 이상이고, 항복강도가 1665N/㎟ 이상, 보통 1724N/㎟ 이상으로 양호하고, 최종 인장강도가 1793N/㎟ 이상이고, 연신율이 8%이상이며, 교축이 35-45%인 것이 특징이다(상기 특성치들은 직경 2.54㎝봉을)기준해서 측정한 것임).

본 발명의 마르에이징 강에 있어서, 니켈 함량은 17중량% 이상인 것이 바람직하다. 종래의 마르에이징 강에 있어서는 전술한 니켈 함량치 보다 더 낮은 백분율의 함량이 사용되어 왔으나, 본 발명자들은 니켈 함량이 15중량% 경우에 인성이 현저하게 저하되는 사실을 발견하였다(이와 같은 사실은 종래의 다른 많은 마르에이징 강의 특성에 비해서 비정상적이다). 니켈 함량 16.5중량%를 특정 용도에 사용할 수 있을지라도, 목적하는 바람직한 특성이 얻어지지는 않는다. 최상의 결과를 얻기 위해서는 니켈함량이 19중량%를 초과해서는 않된다. 본 발명자들은 니켈 함량이 21 내지 24중량%일 경우에 변형되지 않는 오우스테나이트(austenite) 때문에 강도가 상당히 감소된다는 사실을 발견하였다.

종래의 코발트를 함유하는 마르에이징 강에 있어서는 이 강철의 물성을 좌우하는 상호 작용이 코발트와 몰리브덴 사이에 존재한다는 사실이 제안되었다. 코발트를 함유하지 않는 마르에이징 강에 몰리브덴을 함유시키면 인성이 부여되며, 시효화 처리후에 강도가 약간 증가된다는 사실을 발견하였다. 몰리브덴 함량이 0.5중량% 미만이나 또는 1중량% 정도로 불충분하게 함유될 경우에는 인성이 현저하게 감소된다. 또 몰리브덴 함량이 4중량% 이상으로 될 경우에는 물성에 어떠한 향상도 얻어지지 않고, 오히려 비용만 증가시키는 결과가 된다. 대부분의 용도에 있어서의 몰리브덴 함량은 2내지 3.5중량%인 것이 특히 바람직하다.

티탄은 시효화 처리후의 모텐셸 경화제로서 존재한다.

티탄함량이 1.25% 미만일 경우에는 강도에 악효과가 초래되며, 또 2.5% 이상일 경우에는 편석(偏析)현상이 일어나는 경향이 있다. 티탄함량은 몰리브덴 함량이 따라 좌우되지만 티탄함량이 1.4 내지 1.7중량%일 때에 티탄함량이 1.8 내지 2.1 중량%의 경우와 같이 양호한 결과를 준다. 몰리브덴과 티탄 함량은 서로 밀접한 관계가 있으며, 상관 관계가 있어서, 몰리부덴 함량이 1.5중량% 미만일 경우에 티탄 함량을 1.8% 이상으로, 그리고 티탄 함량이 1.5중량% 미만일 경우에는 몰리브덴 함량이 2.25중량% 이상, 바람직하기로는 2.5중량% 이상으로 사용해야 한다. 이 상관 관계는 우수한 강도 및 인성을 동시에 얻는데 특히 중요한 것이다.

탄소의 함량은 0.05중량%를 초과해서는 않되며, 0.03중량%가 적합하며, 그렇지 아니할 경우에는 강철의 인성이 악영향을 받는다. 알루미늄을 탈산화용으로 사용되는데, 최고 1중량%까지 사용할 수 있으나, 0.3중량%를 초과시키지 않는 것이 바람직하며, 대부분의 경우에 있어서 0.05중량% 내지 0.15중량%를 함유시키면 충분하다.

본 발명의 마르에이징 강은 공기 정련법을 사용하여 처리할 수 있으나 진공 정련법, 바람직하기로는 진공 유도 정련법을 사용하는 것이 바람직하다. 이 정련 조작 다음에는 진공 아아크 재정련 조작을 행할 수 있다. 탈산 및 또는 가단화(可鍛化) 목적으로 지르코늄, 붕소, 칼슘 및 마그네슘을 사용할 수 있다.

본 발명의 마르에이징 강은 시효화 처리하기 이전에 760°-871℃ 사이의 온도에서 풀림처리한 용액상태이어야 하며, 이 온도 범위는 냉각처리후 마르텐사이트 구조에 만족할 만한 효과를 준다. 우수한 결과는 454°-510℃의 온도에서 5시간 까지 시효화 처리한 후에 얻어진다.

실시예로서 여러가지 강철의 조성을 아래의 제 Ⅱ표에 기재했다.

[제 Ⅱ 표]

상기 제 Ⅱ 표에 기재된 각각의 조성물로 진공유도 용해물 13.61㎏을 각각 제조하였다. 이중 합금번호 제1-8은 본 발명의 범위내에 속하고, 합금번호 A-G는 본 발명의 범위내에 속하지 아니하며 대조용으로 제시한 것들이다. 이들 주괴(鑄塊)들을 1260℃에서 3시간 동안 첨지시킨 다음, 5.08㎝×5.08㎝ 봉으로 열간 압연처리하고, 실온까지 냉각시켰다. 다음에 이들 봉을 1093℃까지 재가열하고, 2시간 동안 방치시킨 다음, 직경 2.54㎝ 봉으로 가온 합연처리했다. 이어서, 이것을 816℃에서 1시간 동안 풀림처리하여 용액상으로 만들고, 주위 온도까지 냉각시킨 다음 482℃에서 3시간 동안 시효화 처리를 행한 후에 공냉시켰다. 이어서, 이 봉들을 시험하여, 그 결과를 아래의 제 Ⅲ표에 기재하였다.

[제 Ⅲ 표]

상기 결과로부터, 본 발명에 의한 합금들은 코발트를 함유시키지 않았음에도 불구하고 여러가지 특성들을 모두 이상적으로 구비하고 있음을 알 수가 있다. 합금 3은 인장 강도가 2000N/㎟을 초과하더라도 18J이상의 샤르피 V-형 노치 충격 에너지를 얻을 수 있으며, 이와는 대조적으로 몰리브덴을 함유하지 않은 합금 A와 B는 인성이 부족하다. 합금 B에 있어서는 니오브를 함유시켰음에도 불구하고 이와 같은 결점이 전연 해결되지 않음을 알 수가 있다. 또 상기 제 Ⅱ표로부터 니오브는 아무런 잇점이 없으며, 바나들과 텅스텐을 약간의 잇점이 있음을 알 수 있다. 니켈을 23.7중량% 함유하는 합금 D는 시효화 처리 온도로부터의 냉각시에 다량의 오우스트레나이트가 잔존하기 때문에 강도가 상당히 떨어지게 된다. 매조용으로 합금 C에 있어서 저함량(15.3중량%)의 니켈은 인성을 저하시키며, 합금 6은 현재로서 이해할 수 없는 변칙적인 결과를 나타냈다.

본 발명의 마르에이징 강은 피니언측, 비트 단조형, 냉간 헤딩다이 및 케이스, 기어, 캠, 클러치 디스크, 구동축 등의 공구 다이용에 유용하며, 또 미사일 케이스에도 유용하다.

Claims (6)

1. 강도, 연성 및 인성이 우수하며, 니켈 16.5-19중량%, 몰리브덴 0.5-4중량%, 티탄 1.25-2.5중량%, 알루미늄 최고 1중량%, 탄소 최고 005중량%. 및 부수적인 원소와 불순물을 제외한 철분 적량(단, 위 성분중 몰리브덴과 티탄의 함량은 상관관계가 있으므로, 몰리브덴 함량이 1.5중량% 미만인 경우에는 티탄함량은 1.8중량% 이상으로, 또 티탄함량이 1.4중량% 미만인 경우에는 몰리브덴 함량은 2.25중량% 이상임)으로 되는 시효화 처리로 경화시킨 코발트를 함유시키지 않는 마르에이징 강.
2. 제 1 항에 있어서, 니켈 17-19중량%, 몰리브덴 1-4중량%, 티탄 1.25-2.5중량%, 알루미늄 최고 0.3중량%, 탄소 최고 0.03중량% 및 부수적인 원소와 불순물을 제외한 철분 적량(단, 위 성분중 몰리브덴과 티탄의 함량은 상관관계가 있으므로, 몰리브덴 함량이 1.5중량% 미만인 경우에는 티탄함량은 1.8중량% 이상으로, 또 티탄함량이 1.4중량% 미만인 경우에는 몰리브덴 함량은 2.25중량% 이상임)으로 되는 마르에이징 강.
3. 제 1 항에 있어서, 알루미늄 함량이 0.05-0.15중량%인 마르에이징 강.
4. 제 1 항에 있어서, 몰리브덴 함량이 2-3.5중량%인 마르에이징 강.
5. 제 1 항에 있어서, 티탄함량이 1.8-2.1중량%인 마르에이징 강.
6. 제 1 항에 있어서, 티탄함량이 1.4-1.7중량%인 마르에이징 강.