KR910000015B1 - 초내열, 내마모 합금 - Google Patents

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내용 없음.

Description

초내열, 내마모 합금

사진 1은 본 발명의 초내열, 내마모 합금을 압연 로울러로 가공하기전, 즉 주괴의 내부 조직 사진(×300).

사진 2는 제1도의 일부 확대 사진(×700).

사진 3은 본 발명의 초내열 합금으로 제조한 압연 로울러를 일정 기간 사용한 후, 로울러의 표면 부분에 대한 내부 조직 사진(×300).

사진 4는 사진 3의 일부 확대 조직 사진(×700).

본 발명은 고온에서 높은 강도를 가지며, 상온에서는 가공이 용이하여, 광범위하게 용도를 갖는 고합금 계열(N-155)의 초내열, 내마모성 합금에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 고온의 피가공재를 고속으로 로울러의 Bottom(谷底)를 통과시키면서 선재(線材)로 열간 압연, 제조할때에 사용되는 선재 압연용 로울러의 공구강으로서 최적한 초내열, 내마모 합금에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이, 선재 압연용 로울러는 약 2,000R.P.M의 고속으로 회전하면서 각형(角形)의 피가공재를 압연하는 것으로서, 고온의 피가공재와 급격히 접촉하는 선재 압연용 로울러에 있어서는 열간 압연시 로울러 내ㆍ외부의 온도차에 의하여 발생하는 열응력에 의한 균열의 전파가 현저하므로 열 피로(Thermal fatigue)가 심각한 문제로 대두되고 있다. 동시에 고온하에서 피가공재와 접촉하면서 고속회전을 하여야 하는 연속적인 사용 조건하에서 압연 하중을 지탱할 수 있는 고온 강도는 내구성 관점에서 볼때, 보다 절실한 문제가 된다.

특히, 900-1100℃ 고온의 피가공재를, 소정 규격의 형상을 유지하면서 선재를 연속적으로 압연하기 위해서는 선재 접촉면 즉, 압연면인 로울러의 Bottom(谷底)면 마손은 선재 생산에 중대한 영향을 미치므로 내마모성 요구는 거의 절대적인 명제로 되어 있다.

따라서 선재 압연용 로울러에 사용되는 합금에는 다음과 같은 사항이 요구된다.

1. 피가공재가 최고 130m/sec, 의 고속으로 압연 로울러 사이를 통과하때, 급격한 충격 및 마찰력에 의한 로울러 표면의 마모를 견딜 수 있는 충분한 내마모성을 가질것.

2. 고온 피가공재에 대한 충분한 내열성을 가질것.

3. 고속 압연에 의한 압연 하중을 지탱할 수 있는 고온 강도 및 인성을 가질 것.

4. 고온에서 충분한 내식성을 가질것.

따라서, 선재 압연용 로우러로서의 최적한 합금강이기 위해서는 고온 인성(靭性), 고온 강도와 열피로 강도, 그리고 내마모성의 특성들이 요구되나 기계적 강도와 내마모성 관계는 대체로 상반하는 성질로서, 예를 들어 Co가 증가하면 기계적 강도 및 열피로 강도는 상승하지만 내마모성은 감소되므로 이의 적정한 조화가 요구된다.

공구강의 소재로 되는 합금에 대해서는 여러가지가 알려져 있다.

문헌에 의하면, W : 18%(중량%, 이하 같다) Cr : 4%, V : 1%, C : 0.6-0.9%로 조성되는 18-4-1형 고속도강은 적열되어도 연화하지 않으므로 고속도로 강재를 절삭할 수 있는 특징이 있다하였고, 여기에 Co를 5-16% 첨가하면 그 성능은 한층 우수해서, 이른바, 초고속도강이라고 불리워지고 있다.

그러나, 이들은 강재 절삭용으로서는 적절한 기술을 나타내고 있으나 본 발명에는 응용할 수 없다.

또, 18-8강 개량재, 고합금 오스테나이트강, Co기 합금, Ni가 합금, Cr기 합금 및 소결 합금 등, 이들은 내산화성, 고온 가스에 대한 내식성, 열팽창계수, 열전도율, 탄성율, 크리이프한, 파괴응력, 온도변화에 의한 영향, 크리이프 이완성(弛緩性), 피로응력변동, 감쇄능 등이 있으므로, 이들로부터 만족한 재질을 선택할 수도 있겠지만 이들 자체도 한계가 있고, 경제적인 측면에서도 고온 압연용 로울러로서는 부적합한 경우가 대부분이다.

현재 사용되고 있는 시판품들로서는 SKH₂공구강, SKH₄공구강, SKH₉공구강 및 NCF 670초 내열강 들이 알려져 있다.

그러나, 이들은 대체로 고온강도가 낮기 때문에 1000℃의 초고온에서 장시간 사용이 불가능할 뿐만 아니라 상온에서의 가공이 좋지 않다는 점에서 사용하는데에는 불리한 점이 있다.

나아가, 고온 피가공재에 대한 합금자체 및 합금의 피막에 불가피하게 생기는 산화물 피막의 내식성이 현저하게 낮아 압연 로울러로서의 내구성이 비교적 떨어진다는 문제점이 지적되고 있다.

본 발명은 고온에서 뛰어난 내마모성, 내열성을 가짐과 동시에 고속 압연에 의하여 생기는 높은 하중을 지탱할 수 있는 고온 강도가 종래 공구강의 로울러보다 월등히 우수하고 고온에서 충분한 내식성을 갖는 합금소재를 제공하는데에 주요 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 하기 조성을 특징으로 하는 초내열, 내마모성 합금의 제조방법을 제공하고자 함에 있다.

본 발명의 합금은 중량으로 C : 0.7-1.5%, Si : 2.0% 이하, Cr : 0.5-20%, Mo : 2.5-5%, W : 15-30%, V : 1.0-2.5%, Co : 0.5-5.0%, Ni : 0.2-10% 나머지 Fe와 불가피한 미량 불순물의 조성으로 되는 초내열, 내마모성 합금인 것을 특징으로 한다. 또한 필요에 따라 Ti : 0.4-1.0%를 첨가시킬 수 있다.

이와같은 본 발명 합금의 각 성분 범위의 한정 이유에 대하여 설명하면, C는 Cr이나 W등과 탄화물을 형성하여 고온에 있어서의 합금의 기계적 강도나 내마모성을 높이는데 공헌한다. 그러나 C함유량이 과다하면, Cr나 W등의 탄화물이 과잉 형성되어 지금(地金)중의 C 함유량이 감소될뿐 아니라 조직의 균질성이 상실되어 피가공재에 대한 내식성이 저하되므로 0.7-1.5% 범위내로 한다.

Si는 내고온 산화성과 내침탄성 및 내질화성을 향상시키기 위해 가장 중요한 원소이다. 그러나 과다하면, 합금의 인성(靭性)이 저하될뿐 아니라 합금자신 및 합금의 표면에 불가피하게 생기는 산화물 피막의 피가공재에 대한 내식성을 열화시킨다.

따라서, Si 함유량의 상한을 2.0%로 정하였다. 하한은 별로 제한하지 않으므로 때에 따라서는 0%의 경우도 있을 수 있다.

Cr은 고온에서 내산화성을 유지하기 위한 가장 기본적인 합금 원소이다. 선재 압연용 로울러는 그 자체도 1000℃ 이상의 고열에 가열되므로 이때에 산화물 피막 석출(석出)에 의한 내구성의 저하를 방지하기 위하여 Cr의 함유량은 최대 20% 필요하다. 그러나, 과다하면, 산성의 산화물 Cr₃O₃을 합금표면에 생성시킬 뿐 아니라 Cr을 다량으로 함유시키므로서 필연적으로 Ni함유량이 저하되어 피가공재에 대한 내식성을 열화시킨다. 이러한 연유에서 Cr함유량의 상한을 20%로 정하였다.

Mo은 탄화물을 형성하여 내마모성을 부여하고 기지에 고용(固溶)해서 담금질성(Hardenability)을 향상시키며, 다시 뜨임에 의해 미세한 탄화물을 석출하여 승온 연화 저항 및 고온 강도를 증가시킨다.

또한 결정 입자의 미세화, 적당한 산화 특성 부여 등의 효과를 위해 첨가하였다.

W은 고온 강도를 증가시키기 위한 유효한 원소이다. Mo과 같은 상태의 탄화물을 형성하여 내마모성을 부여하고 승온에 있어서의 연화 저항, 고온 강도의 증가 및 결정 입자의 미세화에 매우 효과적이다.

승온 연화 저항, 고온 강도 개선 효과에 있어서, W은 Mo보다 더 그 효과는 크다.

한편, 인성면에 있어서는 Mo이 유리하다.

Mo, W은 그러나,과다하면, 인성이 저하되어 본 발명 강의 특징을 손상시키는 결과를 초래하므로 따라서 Mo : 2.5-5%, W : 15-30%로 첨가하였다.

그러나 너무 낮으면 상기한 바와 같은 첨가 효과를 얻을 수 없게 된다.

V은 뜨임시 미세한 탄화물을 석출하여 특히 고온측에 있어서의 승온 연화 저항을 크게함과 동시에 고온 강도를 향상시키고, 또한 결정 입자를 미세화하여 Ni 첨가 효과와 함께 본 발명강의 특징인 대단히 우수한 인성을 부여하기 위한 불가결의 첨가 원소이다.

특히 결정 입자의 미세화에 의한 인성 개선 효과는 크다. 그러나 과다하면, 거칠고 큰 탄화물을 생성하여 반대로 인성을 저하시키기 때문에 2.5% 이하로 하고, 너무 낮으면 상기한 바와 같은 첨가 효과를 얻을 수 없으므로 1.0% 이상으로 한다.

Co는 고온에서의 강도를 강호시켜 내구성을 향상시키므로 합금에 통상 첨가하나, 과다하면, 내식성이 저하되므로 그 함량을 5.0% 이하로 한다.

Co는 산화피막의 고착성을 개선하여 열간에서의 사용시에 형면에 치밀한 보호성 산화피막을 생성하여 고온이나 내마모성을 크게 개선한다. 또한 기지에 고용하여 고온 강도의 향상 효과를 가져온다.

Co는 그 함유량이 과다하면, 인성 저하를 초래하므로 5.0% 이하로 하고, 너무 낮으면 상기한 바와 같은 함유의 효과를 얻을 수가 없으므로 0.5% 이상으로 한다. 또한, Co는 고가의 합금원소이므로 다량 함유는 경제적인 측면에서도 바람직하지 않다.

Ni은, 본 발명의 담금질성을 증대시킴과 동시에 균열의 내전파성을 개선하고 승온시에 생성되는 산화피막의 고착성을 개선하여 내마모성을 높혀주기 위한 목적으로 함유된다. 과다하면 담금질-저온 뜨임 경도를 너무 높게하여 기계 가공성을 감소시킴과 동시에 내균열성을 저하시키므로 0.2이상으로 한다.

Ti은 결정 입자를 미세화하는 작용이 있으므로 합금 강도를 더욱 향상시킬 필요가 있는 경우에 첨가한다. 이 성분은 과다하면 조대한 금속간 화합물을 형성하여 합금 용탕중에 침전함과 동시에 합금 강도의 개선 효과를 저하하게 되므로 함유량을 0.4-1.0%로 제한한다.

본 발명에 있어서의 실시예와 본 발명 합금의 특성을 설명하면 다음과 같다.

[실시예]

먼저, 본 발명의 W과 C의 함유량이 여타의 합금원소에 비하여 비교적 높으므로 상온에서 1차 용해 합금으로서의 정량의 성분을 조성하기는 곤란하다. 따라서, 65~75중량%의 W을 함유한 W-Fe 합금을 모합금으로 사용하고 여기에 합금용선철 및 합금원소 Si, Cr, Mo, V, Co, Ni 그리고 필요에 따라 Ti의 정량을 용해하여 1차로 시료(A)를 만든다. 용해작업은 상온에서 고주파 유도로(Induction furnance)를 사용하여 용해를 행하므로서 균질한 합금의 시료(A)를 얻게 되며 얻어진 시료(A)는 그 성분 분석을 거치게 된다.

시료(A)의 성분 분석에 관한 결과는 하기 표 1과 같았다.

[표 1]

얻어진 시료 A는 상기 표 1과 같이 그 성분 분석을 거쳐 필요한 성분을 재조정하고 이것을 다시 유도로에서 용해한 다음, 상온 주조하여 탕도(Cross Gate)의 압탕을 절단하여 주괴(ingot)를 만들고, 이 주괴는 A₁변태점에서 열처리하여 본 발명에 의한 초내열, 내마모 합금을 얻었다.

마찬가지 방법으로 시료(A)를 사용하여 제조한 본 발명 범위의 몇가지 합금에 대한 화학조성과 기계적 성질은 하기의 표 2, 표 3과 같다.

[표 2]

[표 3]

본 발명 합금으로 제조한 선재 압연용 로울러의 내구성은 하기 표 4와 같다.

[표 4]

상기에서 얻은 본 발명의 내마모 합금에서 시편을 절취하여 표면을 연마한 후, 3% 나이탈(Nital) 용액으로 에칭하여 합금의 내부 조직을 주사전자현미경으로 관찰한 결과, 사진 1과 사진 2와 같이 나타났다. 사진 2는 사진 1를 일부 확대하여 촬영한 것으로서, 사진에서 어두운 부분이 기지조직이고, 밝은 부분은 탄화물이다.

상기 두 사진을 면밀히 관찰하여 보면, 고립된 탄화물과 탄화물 공정이 미세하게 분산되어 있음을 알 수 있고, 특히 사진 2(×700)에서 고립 탄화물은 불규칙한 형상으로 다소 조대하게 형성되어 있으며, 탄화물 공정은 미세한 침상으로 형성되어 있음을 볼 수 있다.

또한, 합금제품의 사용시, 결정적인 파괴원으로 작용하는 기공 및 합금원소의 편석이 전혀 보이지 않음을 알 수 있다.

이와같이, 합금의 내부 조직이 균질하고, 탄화물이 전면적으로 미세하게 분산되어 있는 조직은 기존의 어떠한 공구장에서도 찾아볼 수 없는 우수한 조직임은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자이면 용이하게 알 수 있을 것이다.

또한, 본 발명의 초내열ㆍ내마모 합금을 기계가공하여 선재 압연용 로울러를 제조한 다음, 실제로 약 70,000톤 이상의 선재를 열간 압연한 후, 로울러의 압연부에서 시편을 절취하여 전술한 바와 같은 방법으로 주사전자현미경 관찰을 실시하였다. 그 결과,내부조직은 사진 3과 사진 4와 5같이 나타났다.

본 발명의 합금의 주괴로부터 절취한 시편의 조직사진(사진 1 및 사진 2)과 상기 사진 3 및 사진 4를 비교하여 고찰하여 보면 다음과 같다.

사진 3과 사진 4를 면밀히 관찰하여 보면, 사진 1과 사진 2의 경우와는 달리, 고립 탄화물이 더욱 미세하게 분해되어 있고, 침상의 탄화물은 구형, 또는 타원형, 또는 보다 짧은 길이의 침상으로 분리되어 합금기지에 면적으로 분산되므로써 합금의 조직이 더욱 치밀하고 미세하게 변태되어 있음을 알 수 있다.

이는 상기 압연 로울러를 이용하여 고온(900~1100℃)의 피가공재를 압연할때, 로울러 자체도 이에 상응하는 열을 받기때문에 내부 조직에 상변태가 일어난 때문이라고 생각된다. 이와같이, 사용시 자연적인 열처리에 의하여 조직(탄화물)이 더욱 미세하고 치밀하게 변태하게 됨으로써, 기지의 고용 강화는 물론, 탄화물의 미세화 및 바람직한 형상으로 인하여 합금의 고온 강도 및 인성과 고온 내마모성이 더욱 향상되게 된다. 따라서, 본 발명의 초내열ㆍ내마모 합금으로 제조한 압연 로울러는 기존의 여타 공구강으로 제조한 로울러 보다 그 특성이 우수하고, 수명도 월등히 연장된다.

상기 표 4의 실제 사용 결과와 본 발명 합금의 내부 조직상의 검토에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 초내열ㆍ내마모 합금은 특히 선재 압연용 로울러의 모재로 사용하는 경우, 고속 압연에 의하여 생기는 높은 하중을 지탱할 수 있는 고온 강도 및 고온 인성이 뛰어날 뿐만 아니라, 내마모성 및 내열성이 우수하고, 상온에서 가공이 용이하게 광범위하게 이용될 수 있는 탁월한 효과를 제공할 수 있다.

Claims (2)

1. 중량으로 C : 0.7-1.5%, Si : 2.0% 이하, Cr : 0.5-2.5%, Mo : 2.5-5%, W : 15-25%, V : 1.0-2.0%, Co : 0.5-2.0%, Ni : 0.2-1.2%, Ti : 0.4-1.0% 잔부 Fe 및 불가피한 미량의 불순물의 조성으로 되는 것을 특징으로 하는 초내열, 내마모성 합금.
2. 중량으로 C : 0.7-1.5%, Si : 2.0% 이하, Cr : 15-20%, Mo : 2.5-5%, W : 20-30%, V : 1.0-2.5%, Co : 2.0-5.0%, Ni : 5.0-10%, 잔부 Fe 및 불가피한 미량의 불순물의 조성으로 되는 것을 특징으로 하는 초내열, 내마모성 합금.

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