KR102348992B1

KR102348992B1 - 내마모성이 우수한 유압브레이커 로드용 강재

Info

Publication number: KR102348992B1
Application number: KR1020200013046A
Authority: KR
Inventors: 정재훈; 김기범
Original assignee: 주식회사 세아베스틸
Priority date: 2020-02-04
Filing date: 2020-02-04
Publication date: 2022-01-11
Also published as: KR20210099327A

Abstract

본 발명은 내마모 특성이 우수한 유압브레이커 로드용 강의 제조방법으로, C: 0.30~0.50 중량%, Si : 1.00 초과~1.60 중량%, Mn : 0.90~1.20 중량%, Cr : 1.00~1.50 중량%, Mo : 0.20~0.30 중량%, Al : 0.015~0.050 중량%, Ti : 0.0010~0.050 중량%, V :0.010~0.10 중량%, Nb : 0.010~0.050 중량%,　잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

내마모성이 우수한 유압브레이커 로드용 강재{Steel for Hydraulic Breaker Rod With High Wear Resistance}

본 발명은 내마모성이 우수한 유압브레이커 로드용 강재에 관한 것이다.

유압브레이커 로드는 암반이나 지반에 직접적으로 맞닿아 파쇄하는 역할을 한다. 가혹한 사용 환경으로 인하여 로드로 제작되는 강재의 내마모 특성이 중요하다. 특히, 내마모 특성은 로드의 사용 수명과 직접적인 연관이 있기 때문에 로드 제품의 가장 중요한 특성 중 하나로 볼 수 있다.

유압브레이커 로드 제품의 제조사들은 내마모 특성을 향상시키기 위하여, 일반적으로담금질 및뜨임 후 표면 경도를 약 50HRc 내외로 제작한다. 일반적인 기계구조용 강재에 비하여 고경도 조건임에도 불구하고 열악한 사용 환경으로 인하여 로드 제품 한 개의 수명은 2달 내외이다.

현재 로드용 강재는 KS 규격 강재인 SCM440과 이 강종에서 경화능 향상을 위하여 Cr, Mo 합금 성분을 높인 개량 강종이 주로 사용되고 있다. 하지만, 이러한 강재는 경화능의 한계로 인하여 담금질 및 뜨임후 표면 경도는 높게 유지되지만, 심부로 갈수록 경도가 저하되기 때문에, 마모가 시작되면 심부 쪽에서는 마모가 급속히 진행되어 수명이 저하되는 문제점이 있다.

한국등록특허 제10-0256360호에서는 탄소의 함량을 낮추어 강의 충격인성과 연성을 증가시키고, Mn과 Cr의 함량을 증가시켜 강도와 충격인성이 우수한 비조질강을 개시하고 있다.

또한, 한국등록특허 제10-1602445호에서는 Si를 0.60~0.90 중량%로 첨가하고, Mn과 Cr의 함량을 증가시켜, 경화능을 향상시키고 담금질 및 뜨임공정에 최적화된 강재를 제공하고 있다.

본 발명은 유압브레이커로드 제품의 사용 수명 향상을 위하여 로드로 제작되는 강재의 내마모 특성을 향상시키고자 하였다. 본 발명의 목적은 기존의 로드용으로 사용되는 기존 강재와 비교하여 동일한 경도에서도 우수한 내마모성을 확보하는 것이다.

상기한 과제는, C : 0.30~0.50 중량%, Si : 1.00 초과~1.60 중량%, Mn : 0.90~1.20 중량%, Cr : 1.00~1.50 중량%, Mo : 0.20~0.30 중량%, Al : 0.015~0.050 중량%, Ti : 0.0010~0.050 중량%, V : 0.010~0.100 중량%, Nb : 0.010~0.050 중량%,잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는, 유압브레이커 로드용 강재에 의해 달성된다.

바람직하게는, 상기 강재는 직경 100~230mm의 환봉으로 제조하고 담금질 및 뜨임 처리한 경우, 인장강도 150 kgf/mm²이상, 항복강도 145 kgf/mm²이상, 충격인성 15J 이상의 물성을 갖는다.

또한, 상기한 과제는, C : 0.30~0.50 중량%, Si : 1.00 초과~1.60 중량%, Mn : 0.90~1.20 중량%, Cr : 1.00~1.50 중량%, Mo : 0.20~0.30 중량%, Al : 0.015~0.050 중량%, Ti : 0.0010~0.050 중량%, V : 0.010~0.10 중량%, Nb : 0.010~0.050 중량%, 잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 연속 주조하고, 1200℃~1250℃로 가열하고 압연하여 환봉을 제조하는 단계; 및

상기 환봉을 850℃~900℃에서 25.4mm당 20분 내지 40분 유지 후 담금질하고 이어서 400~500℃에서 25.4mm 당 40분 내지 90분 유지하여 뜨임 처리를 하는 단계를 포함하는, 유압브레이커 로드용 강재의 제조 방법에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 유압브레이커 로드용강은 최적의 합금설계를 통해담금질 및 뜨임열처리 후 심부까지 고강도의 품질을 확보하고 우수한 내마모성을 확보함으로써 기존 강재에 비하여 사용 수명이 우수한 로드 부품을 제조할 수 있다.

도 1은 그라인딩 마모 시험을 통해 발명강과 비교강의 내마모 특성을 비교한 그래프이다.
도 2는 핀온디스크 마모 시험을 통해 발명강과 비교강의 내마모 특성을 비교한 그래프이다.
도 3은 발명강과 비교강의 경화능을 나타낸 경도 그래프이다.
도 4는 발명강과 비교강의 기계적 성질을 측정한 그래프이다.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다. 용어 약이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.

본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, 포함하다 및 포함하는 이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명의 유압브레이커 로드용 강재는,중량 %로 C : 0.30~0.50 중량%, Si : 1.00 초과~1.60 중량%, Mn : 0.90~1.20 중량%, Cr : 1.00~1.50 중량%, Mo : 0.20~0.30 중량%, Al : 0.015~0.050 중량%, Ti : 0.0010~0.050 중량%, V : 0.010~0.10 중량%, Nb : 0.010~0.050 중량%,　 잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

상기 구성을 갖는 본 발명의 강재는 강재 내부에 고경도 탄화물이 다량 형성되어 종래강에 비하여 우수한 내마모 특성을 갖는다. 특히, 본 발명의 강재는 Si를 1.00 중량% 초과로 포함하여 로드 사용 중 발생하는 마찰열에 의한 연화를 지연시키고, 이로 인해 내마모성을 유지할 수 있다.

또한, Si의 첨가로 인해 템퍼연화 저항성을 향상시켜 담금질 및 뜨임 열처리 시 뜨임취성 온도 구간을 상회하여 열처리를 실시함으로써 충격인성을 향상 시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명의 합금성분을 상세히 설명한다.

C : 0.30 중량% ~ 0.50 중량%

C는 강도, 경도를 결정하는 주 원소 중 하나이다. C는 강중에 첨가시 Fe₃C 탄화물 및 기타 합금 탄화물을 형성하여 내마모성 향상에 주요한 역할을 한다. C 함량이 0.30중량% 미만이면 강재의 인성은 증가하지만, 강도 및 내마모성이 저하될 수 있다. 또한, 내마모성 향상을 위하여 다른 합금 조성에 의한 탄화물 형성을 고려하여 최소 0.30 중량% 이상 첨가하여야 한다. 0.50 중량% 초과시에는강도는 증가하나 연성 및 인성에는 열악하다. 또한, 초과되는 경도로 인해 사용 중 피스톤이 함몰되는 문제점이 발생할 수 있다.

Si : 1.00 중량% 초과~ 1.60 중량%

Si는 제강시 탈산제로 사용되며, 강중에 1.00 중량% 초과 첨가시 공정 탄화물을 형성한다. 이 고경도의 공정 탄화물은 내마모성 향상에 지대한 역할을 한다. 또한, Si는 강중에 첨가시템퍼링 공정 중 C 원자의 확산을 지연시켜 연화되는 현상을 방해한다. 이러한 특성으로 인하여 사용 중 발생하는 마찰열에 의한 연화되는 현상을 예방할 수 있으며, 동시에 내마모 특성을 유지할 수 있게 된다.

또한, Si 를 1.0 중량% 초과 1.60 중량% 이하로 강 중에 첨가시 경화능 향상에 기여하여 로드 제품의 담금질시 심부까지 고경도의 미세조직 확보가 가능하다.

Si첨가에 따른 적열취성의 문제는 Al, V, Ti, Nb등의 원소를 첨가함으로써 결정립을 미세화하여 취성을 억제할 수 있다.

Mn : 0.90 중량% ~ 1.20 중량%

Mn은 고용강화 및 탄화물 석출로 인한 석출강화로 강중에 첨가시 경화능 및 강도를 증가시키는 원소중 하나이다. 로드용 강재는 심부까지 고경도를 확보하기 위해 경화능이 상당히 중요하기 때문에 0.90 중량% 이상 첨가를 하는 것이 바람직하다. Mn은 대표적인 미시 편석 조장 원소로 첨가시 경화능은 증가되지만, 반대로 미시 편석은 심해진다. 때문에 최대 함량은 1.2 중량%로 제한한다.

Ni : 0.10 중량% 이하(0 미포함)

Ni는 소입성을 높여주는 원소 중 하나이지만, 본 발명에서는 불가피한 불순물로서 포함된다.

Cr : 1.00 중량% ~ 1.50 중량%

Cr은　경화능을 증가시키고 탄화물을 만들어 내충격성을 증대시키는 원소로써 복합 탄화물 형성에 의한 템퍼 연화 저항성을 증대시키기 위해서 하한을 1.00 중량%로 하였으며 경도 상승에 의한 가공성 저하 발생 문제로 인하여 최대 함량을 1.50 중량% 이하로 제한한다.

Mo : 0.20 중량% ~ 0.30 중량%

Mo은 강재의 경화능을 증가시키며, 고경도의 탄화물을 석출한다. 특히, 템퍼링 중 고경도의 탄화물을 석출하여 템퍼 연화 저항성 및 인성 향상에 효과적이다. 상기 효과를 얻기 위해서는 0.20 중량% 이상으로 첨가하는 바람직하다. Mo은 고가의 합금 원소로 본 발명에서는 첨가 함량을 최대 0.30 중량% 이하로 규제하였다.

Al : 0.015 중량% ~ 0.050 중량%

Al은 강력한 탈산제로서 작용하는 것과 동시에 질소와 결합하여 질화물을 형성하고 결정립을 미세화시킨다. 하지만, Al 함량이 0.015 중량% 미만인 경우에는 탈산이나 결정립 미세화 작용이 작아지기 때문에 바람직하지 않고, 0.050 중량%를 초과하여 첨가하게 되면 오히려 Al₂O₃와 같은 비금속 개재물의 증가로 오히려 해로운 영향을 미칠 수 있다. 따라서 Al의 적정 함량 범위를 0.015~0.050 중량%로 한정한다.

Ti : 0.0010 중량% ~ 0.050 중량%

Ti은 첨가시 강중의 탄질화물을 형성한다. 탄질화물은 고온에서의 오스테나이트결정립계 성장을 방해하는 역할을 하여 결정립을 미세화시킨다. 하지만, Ti 함량이 0.050 중량%를 초과하게 되면 조대한 질화물을 형성하여 피로 강도를 저하시킬 수 있다.

V : 0.010 중량% ~ 0.10 중량%

V은 대표적인 석출강화 원소로서 강중에 첨가시 V(C,N) 석출물을 형성하여 강도를 향상시킨다. 본 발명강에서는 강도의 향상보다는 고경도의 탄질화물 형성에 의한 내마모 특성 향상을 위하여 0.010 중량% 이상 첨가하였으며, 고가의 원소로 최대 함량을 0.10 중량% 이하로 규제하였다.

Nb : 0.010 중량% ~ 0.050 중량%

Nb은 Ti, Al 합금원소와 유사하게 강중에 첨가 시 탄질화물을 형성한다. 특히, Nb 탄질화물의 형성은 고온에서도 미세한 결정립을 유지할 수 있게 한다. 하지만 Nb의 함량이 0.010 중량% 미만인 경우에는 결정립 미세화 역할이 미미하며, 첨가량이 0.050 중량%를 초과하게 되면 과도한 탄질화물이 형성되어 압연 시 표면 품질을 악화시킬 수 있다.

본 발명은 로드용 강의 내마모 특성 향상을 주목적으로 하며, 강의 경화능 향상을 통한심부 경도 확보, 다량의 탄질화물 형성을 통해 내마모 특성 향상의 주요 수단으로 작용한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하지만, 아래 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 조성을 갖는 발명강 1 내지 4와, 비교강 1 내지 4을 아래 표 1의 조성으로 제조하였다. 발명강과 비교강은 화학 조성 범위 내에서 주요 합금 성분을 조절하여 내마모 특성, 강도, 인성 등 기계적 물성을 비교하기 위하여 제조되었다. 비교강 1은 현재 일반적으로 사용되는 KS 규격 강재인 SCM440 강재의 성분을 나타낸 것이고, 비교강 2는 SCM440 강재에서 Cr, Mo 성분을 높인 개량 강재이다. 비교강 3은 한국등록특허 제10-1602445호 강재로써 경화능이 우수한 로드용 강재이며, 비교강 4는 고급 로드용 강재로 Ni 함량을 높인 강재이다.

(중량%)

구분	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Al	Ti	V	Nb
발명강1	0.40	1.42	1.01	0.04	1.12	0.23	0.024	0.003	0.081	0.016
발명강2	0.35	1.22	1.10	0.03	1.13	0.21	0.026	0.033	0.063	0.022
발명강3	0.31	1.05	1.14	0.03	1.21	0.24	0.021	0.022	0.009	0.018
발명강4	0.38	1.38	1.02	0.06	1.34	0.21	0.022	0.002	0.084	0.021
비교강1	0.39	0.22	0.72	0.04	0.96	0.16	0.019	0.004	0.004	0.002
비교강2	0.41	0.26	0.91	0.05	1.01	0.23	0.024	0.008	0.009	0.006
비교강3	0.40	0.71	1.03	0.06	1.21	0.03	0.034	0.034	0.003	0.001
비교강4	0.40	0.22	0.69	1.68	0.71	0.17	0.019	0.003	0.006	0.002

이하, 본 발명의 유압브레이커 로드용 강의 제조공정을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 상기 표 1의 조성을 갖는 강재를 100 톤 전기로에서 용해한 다음, 정련 및 진공 탈가스 공정을 거친 후 블룸 연속주조 공정을 거치고, 1200℃~1250℃로 가열하고 압연하여 Φ160mm 의 환봉을 제조하였다. 제조된 환봉에 대하여 담금질 및 뜨임 공정을 실시하였다. 상기 담금질 및 뜨임 공정은 제조된 환봉을 850℃~900℃의 오스테나이징 온도에서 25.4mm(1인치) 당 20분~40분, 보다 바람직하게는 30분 유지 후 담금질하고, 7% Ucon 냉각수 냉각하고, 400 ~ 500℃에서 25.4mm 당 40분~90분, 보다 바람직하게는 60분 유지하여 뜨임 처리를할 수 있다.

도 1과 도 2는 발명강 1 내지 4와 비교강 1 내지 4의 내마모 특성 비교를 위하여 그라인딩 마모시험과 핀온디스크 마모시험을 실시한 결과이다.

도 1의 그라인딩 마모시험은 동일한 하중(50N) 및 300 rpm 그라인딩 조건에서 일정 시간 마모시킨 후 시간 경과에 따른 마모량을 측정하여 비교하였다. 도 1을 보면, 발명강들이 비교강들에 비하여 그라인딩에 의한 마모량이 적은 것을 확인할 수 있으며, 특히 시험 시간이 증가할수록 편차는 증가하였다

도 2는 일반적인 마모 시험 방법인 핀온디스크 시험 결과로서, 시험된 강재의 단면 사진, 마찰계수, Wear Track 사진이다. 핀온디스크 마모시험은 고경도의 핀으로 시험재인 디스크에 하중을 부과하고 특정 하중으로 디스크 시험편을 회전시켜 마찰계수 및 마모 정도를 측정할 수 있다. 본 시험에서는 하중 10kgf, 회전속도 1m/sec(870 RPM)으로 시험하였다. 도 2를 보면, 마찰계수 및 마모 정도는 C 함량과 Si 함량이 지대한 영향을 끼치는 것을 확인하였다. C 함량과 Si 함량이 높을수록 Wear track 폭이 좁고 마찰계수가 낮은 경향을 나타내며, 이러한 결과는 고경도 탄화물의 절대량과 밀접한 연관이 있음을 유추할 수 있다.

특히 발명강 1의 경우에는 마찰계수가 0.1 미만으로 현저히 낮고, 발명강 3 역시 마찰계수가 일정시간 경과 후에서 0.2 미만을 유지하는 것을 확인할 수 있다.

도 3은 발명강들과 비교강들의 조미니 경도 곡선을 나타내었다. 규격화된 조미니 시험편(직경 25mm)으로 열처리 후 경도값을 측정하였다. 도 3에서 X 축은 조미니 시험편의 급냉된 끝단으로부터의 거리(mm)를 나타내고, Y축은 HRc 경도를 나타낸다. 도 3을 보면, 발명강과 비교강 모두 표면 강도는 50 HRc 이상이지만, 중심부로 갈수록 발명강 1 내지 4의 경화능이 비교강 1 내지 4에 비하여 월등히 높은 것을 알 수 있다.

표 2 및 도 4는 발명강들과 비교강들의 최종 제품에서의 기계적 특성을 측정한결과이다. 기계적 특성 평가는 직경의 1/4 지점에서 실시하였으며, 평가 결과 강도와 인성부분에서 발명강들이 비교강들에 비하여 우수한 특성을 나타내었다.

구분	TS(kgf/mm²)	YS(kgf/mm²)	IV(J)
발명강1	184	163	17
발명강2	175	158	21
발명강3	172	149	26
발명강4	178	151	19
비교강1	151	121	9
비교강2	161	124	10
비교강3	171	156	13
비교강4	158	126	20

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

유압브레이커 로드용 강재로서,
C : 0.30~0.50 중량%, Si : 1.00 초과~1.60 중량%, Mn : 0.90~1.20 중량%, Cr : 1.00~1.50 중량%, Mo : 0.20~0.30 중량%, Al : 0.015~0.050 중량%, Ti : 0.0010~0.050 중량%, V : 0.010~0.10 중량%, Nb : 0.010~0.050 중량%, 잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
상기 강재는 직경 100~230mm의 환봉으로 제조하고 담금질 및 뜨임 처리한 경우, 인장강도 150 kgf/mm²이상, 항복강도 145 kgf/mm²이상, 충격인성 15J 이상인, 유압브레이커 로드용 강재.
삭제
유압브레이커 로드용 강재의 제조 방법으로서,
C : 0.30~0.50 중량%, Si : 1.00 초과~1.60 중량%, Mn : 0.90~1.20 중량%, Cr : 1.00~1.50 중량%, Mo : 0.20~0.30 중량%, Al : 0.015~0.050 중량%, Ti : 0.0010~0.050 중량%, V : 0.010~0.10 중량%, Nb : 0.010~0.050 중량%, 잔부로서 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 연속 주조하고, 1200℃~1250℃로 가열하고 압연하여 직경 100~230mm의 환봉으로 제조하는 단계; 및
상기 환봉을 850℃~900℃에서 25.4mm당 20분 내지 40분 유지 후 담금질하고 이어서 400~500℃에서 25.4mm 당 40분 내지 90분 유지하여 뜨임 처리를 하는 단계를 포함하고,
상기 강재는 인장강도 150 kgf/mm²이상, 항복강도 145 kgf/mm²이상, 충격인성 15J 이상인, 유압브레이커 로드용 강재의 제조 방법.