KR20120070603A

KR20120070603A - 고인성 내마모강 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20120070603A
Application number: KR1020127012623A
Authority: KR
Inventors: 사토시 구보; 가즈키 후지와라; 가즈히사 유미노
Original assignee: 수미도모 메탈 인더스트리즈, 리미티드
Priority date: 2009-11-17
Filing date: 2009-11-17
Publication date: 2012-06-29
Also published as: AU2009355404B2; JPWO2011061812A1; AU2009355404A1; JP5423806B2; WO2011061812A1; CN102666897A; CN102666897B

Abstract

(과제) 가공성이 양호하고, 또한 제조 조건에 특성이 좌우되기 어려운 고인성 내마모강의 제공.
(해결 수단) 질량%로, C：0.15?0.25%, Si：0.1?1.0%, Mn：0.4?1.3%, P：0.015% 이하, S：0.005% 이하, Cr：0.2?0.9%, Nb：0.005?0.03%, Ti：0.005?0.03%, B：0.0003?0.004%, Al：0.005?0.08% 및 N：0.005% 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 (1)식 및 (2)식을 만족하고, 표면 경도가 브리넬 경도로 HBW400?500인 것을 특징으로 하는 고인성 내마모강 및 그 제조 방법. 또한, Cu, Ni, Mo, V의 원소 중 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
DI/t=0.5?15.0…(1)식
Ms≤430…(2)식
여기서, t는 강의 판 두께(mm), DI는 담금질성 지수, Ms는 마르텐사이트 변태 개시 온도이다.

Description

고인성 내마모강 및 그 제조 방법{HIGH－TOUGHNESS ABRASION－RESISTANT STEEL AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}

본 발명은, 예를 들면 토목, 광산용의 건설기계나 대형의 산업 기계와 같은, 내마모성이 요구되는 기계의 구성 부재로서 이용하는데 적절한, 고인성 내마모강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

기계의 구성 부재의 내마모성은 그 표면 경도에 강하게 지배되는 점에서, 예를 들면 토목, 광산용의 건설기계나 대형의 산업 기계와 같은, 내마모성이 요구되는 기계의 구성 부재에는, 고경도강이 적용된다. 근년에는, 한랭지에서의 광산 개발이 활발해져, 이에 따라 한랭지에서 사용되는 건설기계의 수요가 증가하고 있다. 이러한 한랭지에서의 사용을 고려하여, 내마모강에도 저온 인성이 요구되고 있다. 이에 더해, 우수한 가공성을 구비해 이루어지는, 이러한 내마모강의 요구도 높아지고 있다.

예를 들면, 고인성화의 과제를 해결하기 위해서, 특허 문헌 1에, 성분계와 가열 압연, 열처리의 최적화에 의해, 고경도와 고인성을 양립시키는 방법이 제안되어 있다.

또, 특허 문헌 2에는, 미재결정역의 압하를 통한 오스테나이트립의 형태 제어, 및 직접 담금질을 이용하는 것에 의한 고인성화가 제안되어 있다.

일본국 특허 공개 평 09－118950호 공보 일본국 특허 공개 2002－80930호 공보

그러나, 특허 문헌 1에서 제안된 방법은, 한랭지에서의 사용을 시야에 넣은 것이 아니라, 한랭지에서의 사용을 고려한 경우에는, 충분하다고 할 수 있는 인성을 확보할 수 있는 것은 아니다.

또, 특허 문헌 2에서 제안된 방법에서는, 미재결정역에서의 압하량을 크게 취할 필요가 있어서, 제조 조건에 큰 제약을 받는다. 또, 압하의 침투하기 어려운 후육재의 제조에는 적합하지 않다.

또한, 이러한 방법은, 모두 내마모성강의 가공성의 향상에 대해서는, 고려되어 있지 않다.

본 발명의 목적은, 이러한 상황을 감안하여, 한랭지에서도 사용이 가능한 인성을 갖고, 가공성이 양호하고, 또한 제조 조건에 특성이 좌우되기 어려운 고인성 내마모강과 그 제조 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 연구를 거듭한 결과, 다음의 (a)?(h)의 지견을 얻었다.

(a) 일반적으로 경도가 높을수록 인성은 저하하는 경향에 있는데, 내마모강의 경우에는, 내마모성을 확보하기 위해서 일정한 경도가 필요하다. 이 때문에, 내마모성, 인성, 가공성을 여러 가지 검토한 결과, 내마모성, 인성, 가공성을 병립할 수 있는 경도 범위가 존재함을 발견했다.

(b) 그리고, 경도 제어를 위해서는, C량을 제어하면 된다. 단, 보다 안정된 인성을 얻기 위해서는, 경도 제어만으로는 충분하지 않고, 담금질성도 제어해야 한다. 즉, 저렴하게 내마모강을 제조하려고 한 경우, 마르텐사이트 조직을 이용하는 것이 일반적이나, 담금질성이 부족하여 상부 베이 나이트 조직이 생성된 경우, 크게 인성이 열화하기 때문에, 일정 이상의 담금질성을 갖게 해야 한다. 그래서, 판 두께가 증가하면 담금질이 어려워지기 때문에, 단순히 일정한 담금질성을 증가시킬 뿐만 아니라, 판 두께에 따른 담금질성이 필요하게 된다.

(c) 이와 같이, 경도 및 원하는 조직을 얻기 위해서, 판 두께에 따른 담금질성을 강재에 줌으로써, 내마모성과 저온 인성과 가공성을 병립할 수 있음을 발견했다.

구체적으로는, C량을 비롯하여 강 조성을 규정함과 더불어, 표면 경도를 소정 범위로 규정하고, 담금질성의 판 두께와의 비 및 마르텐사이트 변태 개시 온도를 규정한다.

또한, 담금질성의 판 두께와의 비는, 내마모강으로서, 판 두께에 따른 적정한 담금질성을 확보하기 위해서 필요한 범위가 되도록 규정하는 것은, 판 두께 t가 커지면 판 두께 중심부의 담금질성이 저하하는 부분, 강 중의 합금 성분의 함유량이 증가함으로써 담금질성을 유지할 수 있는 것의 용접성과 가공성을 해칠 우려가 있기 때문이다.

또, 마르텐사이트 변태 개시 온도를 규정하는 것은, 마르텐사이트 변태 개시 온도가 낮을수록 마르텐사이트가 생성하는 온도를 저하시킬 수 있는 데다가, 마르텐사이트 이외의 조직으로서 베이 나이트 조직이 생성될 때에, 하부 베이 나이트 조직이 생성되기 쉬워지므로, 고인성이 쉽게 얻어지기 때문이다.

(d) 구체적인 강 조성은, 질량%로, C：0.15?0.25%, Si：0.1?1.0%, Mn：0.4?1.3%, P：0.015% 이하, S：0.005% 이하, Cr：0.2?0.9%, Nb：0.005?0.03%, Ti：0.005?0.03%, B：0.0003?0.004%, Al：0.005?0.08% 및 N：0.005% 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 또한, 임의 첨가 성분으로서, 질량%로, Cu：0.5% 이하, Ni：0.5% 이하, Mo：0.5% 이하, V：0.08% 이하의 원소 중 1종 또는 2종 이상을 함유시켜도 된다.

(e) 강의 표면 경도에 대해서는, 기계 가공이 용이하며 또한 내마모성강으로서 사용할 수 있는 경도로서, 구체적으로는, 브리넬 경도로 HBW400?500으로 할 필요가 있다.

(f) 담금질성의 판 두께와의 비 및 마르텐사이트 변태 개시 온도에 대해서는, 담금질성 지수 DI의 판 두께 t(mm)와의 비 DI/t가 하기의 (1)식을 만족함과 더불어, 마르텐사이트 변태 개시 온도 Ms가 하기의 (2)식을 만족할 필요가 있다.

DI/t=0.5?15.0…(1)식

Ms≤430…(2)식

여기서, t는 강의 판 두께(mm), DI는 담금질성 지수, Ms는 마르텐사이트 변태 개시 온도이다.

또한, 담금질성 지수 DI는, 강의 화학 성분에 의존하며, 하기의 (3)식으로 계산할 수 있다. 본래는 이상 임계 직경을 의미하며, 환봉에 이상적인 냉각에 의한 담금질을 행했을 때, 환봉의 중심부의 50%가 마르텐사이트 조직이 되는 직경이다. 따라서, 담금질성 지수로서 전용할 수 있는 것이다.

DI=9.238

(1＋0.64Si)(1＋4.1Mn)(1＋0.27Cu)(1＋0.5Ni)(1＋2.33Cr)(1＋3.14Mo)…(3)식

여기서, 식 중의 원소 기호는 강 중의 각각의 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.

또, 마르텐사이트 변태 개시 온도 Ms는 담금질 냉각시의 마르텐사이트 변태 개시 온도(℃)이며, 이것도 강의 화학 성분에 의존하고, 하기의 (4)식으로 계산할 수 있다.

Ms=521－353xC－22xSi－24xMn－27xNi－18xCr－8xCu－16xMo…(4)식

(g) 다음에, 우수한 인성을 얻으려면 마르텐사이트를 주체로 한 조직, 구체적으로는 마르텐사이트 비율을 70% 이상으로 하는 조직으로 하는 것이 바람직하다.

그러나, 마르텐사이트 조직은 가공성을 저하시키는 원인이 된다. 또, 강 중의 탄소 함유량도 가공성을 저하하는 원인이 된다. 따라서, 우수한 가공성을 갖는 고인성 내마모강으로 하기 위해서, 마르텐사이트 비율 M과 탄소 함유량의 곱을 23 이하로 하는 것이 바람직하다.

(h) 이러한 경도 및 마이크로 조직 및 판 두께에 따른 담금질성을 갖는 강은, 상술한 강 조성을 갖는 슬래브로부터, 다음의 (i) 또는 (ii) 중 어느 한 방법에 의해 제조할 수 있다.

(i) 900?1200℃의 온도로 가열하고, 계속 열간 압연을 행하고, 1000℃ 이하의 온도에서 압연을 행하고, Ar₃점－100℃ 이상 또한 Ar₃＋150℃ 이하의 온도에서 압연을 완료 후 냉각하고, 그 후 Ac₃점 이상 또한 950℃ 이하의 온도로 재가열 후, 수냉하는 「재가열 담금질」에 의한 방법.

(ii) 900?1200℃의 온도로 가열하고, 계속 열간 압연을 행하고, 1000℃ 이하의 온도에서 압연을 행하고, Ar₃점 이상 또한 Ar₃＋150℃ 이하의 온도에서 압연을 완료 후, Ar₃점 이상의 온도에서 냉각 속도 3.0℃/sec 이상으로 강판의 표면 온도로 200℃ 이하까지 냉각하는 「직접 담금질」에 의한 방법.

본 발명은 상기 지견에 의거하여 이루어진 것이며, 그 요지로 하는 부분은 하기의 (1)?(5)에 나타낸 바와 같다.

(1) 질량%로, C：0.15?0.25%, Si：0.1?1.0%, Mn：0.4?1.3%, P：0.015% 이하, S：0.005% 이하, Cr：0.2?0.9%, Nb：0.005?0.03%, Ti：0.005?0.03%, B：0.0003?0.004%, Al：0.005?0.08% 및 N：0.005% 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 (1)식 및 (2)식을 만족하고, 표면 경도가 브리넬 경도로 HBW400?500인 것을 특징으로 하는 고인성 내마모강.

DI/t=0.5?15.0…(1)식

Ms≤430…(2)식

여기서, t는 강의 판 두께(mm), DI는 담금질성 지수, Ms는 마르텐사이트 변태 개시 온도이며, DI 및 Ms는 각각, 하기의 (3)식 및 (4)식에 의거하여 계산된다. 또한, 식 중의 원소 기호는 강 중의 각각의 원소의 함유량(질량%)을 의미한다.

DI=9.238

(1＋0.64Si)(1＋4.1Mn)(1＋0.27Cu)(1＋0.5Ni)(1＋2.33Cr)(1＋3.14Mo)…(3)식

Ms=521－353xC－22xSi－24xMn－27xNi－18xCr－8xCu－16xMo…(4)식

(2) 마이크로 조직 중의 마르텐사이트 비율 M이 70% 이상이고, 또한 하기 (5) 식을 만족하는 것을 특징으로 하는, 상기 (1)의 고인성 내마모강.

M×C≤23…(5)식

여기서, M은 마르텐사이트 비율(%)을, 그리고, C는 강 중의 탄소의 함유량(질량%)을 나타낸다.

(3) 또한, 질량%로, Cu：0.5% 이하, Ni：0.5% 이하, Mo：0.5% 이하, V：0.08% 이하의 원소 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)의 고인성 내마모강.

(4) 상기 (1)?(3) 중 어느 하나에 기재된 화학 조성을 갖는 슬래브를 900?1200℃의 온도로 가열하고, 1000℃ 이하의 온도에서 압연을 행하고, Ar₃점－100℃ 이상 또한 Ar₃＋150℃ 이하의 온도에서 압연을 완료 후 냉각하고, 그 후 Ac₃점 이상 또한 950℃ 이하의 온도로 재가열 후, 수냉하는 것을 특징으로 하는 고인성 내마모강의 제조 방법.

(5) 상기(1)?(3) 중 어느 하나에 기재된 화학 조성을 가지는 슬래브를 900?1200℃의 온도로 가열하고, 1000℃ 이하의 온도에서 압연을 행하고, Ar₃점 이상 또한 Ar₃＋150℃ 이하의 온도에서 압연을 완료 후, Ar₃점 이상의 온도에서 냉각 속도 3.0℃/sec 이상으로 강판의 표면 온도로 200℃ 이하까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 고인성 내마모강의 제조 방법.

본 발명에 의해, 한랭지에서도 사용이 가능한 인성을 갖고, 가공성이 양호하며, 또한 제조 조건에 특성이 좌우되기 어려운 고인성 내마모강이 얻어진다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

1. 본 발명에 따른 고인성 내마모강의 화학 조성에 대해서

먼저, 본 발명에 따른 고인성 내마모강의 화학 조성을, 상술한 바와 같이 규정하는 이유를 상세하게 설명한다. 또한, 각 원소의 함유량을 나타내는 「%」는 「질량%」를 의미한다.

C：0.15?0.25%

C는, 표면 경도의 향상에 가장 유효한 원소이며, 저렴하다. 단, C함유량이 0.15% 미만이면, 다른 합금 원소의 함유량을 늘려, 경도를 보충할 필요가 생기기 때문에, 비용이 증가한다. 한편, C함유량이 0.25%를 넘으면 경도가 너무 높아지므로, 인성이 열화한다. 따라서, C함유량을 0.15?0.25%로 한다. C함유량의 하한은 바람직하게는 0.17%이다. 또, C함유량의 상한은 바람직하게는 0.22%이다.

Si：0.1?1.0%

Si는, 표면 경도의 향상에 기여하는 원소이다. 단, Si함유량이 0.1% 이하에서는 표면 경도의 향상 효과가 불충분하며, 한편, Si함유량이 1.0%를 넘으면 인성이 열화한다. 따라서, Si함유량을 0.1?1.0%로 한다. Si함유량의 하한은 바람직하게는 0.2%이다. 또, Si함유량의 상한은 바람직하게는 0.8%이다.

Mn：0.4?1.3%

Mn은, 담금질성의 향상을 통해서, 표면 경도를 향상시키는 원소이다. 단, Mn함유량이 0.4% 미만에서는, 다른 합금 원소의 함유량을 늘려, 경도를 보충할 필요가 생기기 때문에, 비용이 증가한다. 한편, Mn함유량이 1.3%를 넘으면 인성이 현저하게 손상된다. 따라서, Mn함유량을 0.4?1.3%로 한다. Mn함유량의 하한은 바람직하게는 0.6%이다. 또, Mn함유량의 상한은 바람직하게는 1.2%이다.

P：0.015% 이하

P는, 불순물로서 강 중에 존재하는 원소이며, 결정립계에 편석해 강의 내지연파괴성 및 인성을 열화시키기 때문에, P함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 특히, P함유량이 0.015%를 넘으면, 이러한 악영향이 현저해 지므로, P함유량은 0.015% 이하로 한정한다.

S：0.005% 이하

S는, 불순물로서 강 중에 존재하는 원소이며, 강의 연성이나 인성을 열화시키기 때문에, S함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 특히, S함유량이 0.005%를 넘으면, 이러한 악영향이 현저해지는 점에서, S함유량은 0.005% 이하로 한정한다.

Cr：0.2?0.9%

Cr은, 담금질성을 높이는 기능을 통해서, 경도 및 인성의 향상에 더불어 유효한 원소이다. 단, Cr함유량이 0.2% 미만에서는 이러한 효과가 충분하지 않다. 한편, Cr함유량이 0.9%를 넘으면 인성을 현저하게 열화시킨다. 따라서, Cr함유량을 0.2?0.9%로 한다. Cr함유량의 하한은 바람직하게는 0.3%이다. 또, Cr함유량의 상한은 바람직하게는 0.8%이다.

Nb：0.005?0.03%

Nb는, 슬래브 가열시뿐만 아니라, 담금질시에도 결정립의 조대화를 억제하는 원소이기 때문에, 파면 단위의 미세한 강재의 제조에 유효한 원소이다. 단, Nb함유량이 0.005% 미만에서는 이러한 효과가 충분하지 않다. 한편, Nb함유량이 0.03%를 넘으면 그 효과가 포화할 뿐만 아니라 용접성을 현저하게 저해한다. 따라서, Nb함유량을 0.005?0.03%로 한다. Nb함유량의 하한은 바람직하게는 0.010%이다. 또, Nb함유량의 상한은 바람직하게는 0.025%이다.

Ti：0.005?0.03%

Ti는, 탈산 원소로서 유효한 데다가, 질화물의 생성을 통해 가열시의 결정립의 세립화에 유효한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, 강 중의 Ti의 총 함유량을 0.005% 이상으로 하는 것이 필요하다. 단, Ti를 0.03%를 넘게 함유시킨 경우에는, Ti가 형성하는 탄화물에 의한 인성 열화가 현저해진다. 따라서, Ti함유량을 0.005?0.03%로 한다. Ti함유량의 하한은 바람직하게는 0.008%이다. 또, Ti함유량의 상한은 바람직하게는 0.025%이다.

B：0.0003?0.004%

B는, 담금질성을 현저하게 향상시키는 매우 중요한 원소이다. 단, B함유량이 0.0003% 미만에서는 담금질성의 향상 효과는 충분하지 않다. 한편, B함유량이 0.002%가 넘으면, 인성이 현저하게 열화한다. 따라서, B함유량을 0.0003?0.002%로 한다. B함유량의 하한은 바람직하게는 0.0005%이다. 또, B함유량의 상한은 바람직하게는 0.003%이다.

Al：0.005?0.08%

Al는, 슬래브 가열시에 AlN을 생성함으로써, 초기 오스테나이트립의 과성장을 효과적으로 억제할 수 있는 원소이다. 단, Al가 0.005% 미만에서는 이 효과가 충분하지 않다. 한편, Al함유량이 0.08% 넘게 함유하면, 인성이 현저하게 열화한다. 따라서, Al함유량을 0.005?0.08%로 한다. Al함유량의 하한은 바람직하게는 0.010%이다. 또, Al함유량의 상한은 바람직하게는 0.07%이다.

N：0.005% 이하

N은, 불순물로서 강 중에 존재하는 원소이며, 인성이 악화되는 원인이 되기 때문에, N함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 특히, N함유량이 0.005%를 넘으면, 인성에 대한 악영향이 현저하게 되므로, N함유량은 0.005% 이하로 한정한다.

본 발명에 따른 고인성 내마모강은, 상기에 나타낸 성분 외에, Fe와 불순물을 포함한다. 또한, 불순물이란, 강을 공업적으로 제조할 때에, 광석 혹은 스프랩 등과 같은 원료를 비롯하여, 제조 공정의 여러 가지의 요인에 의해 혼입되는 성분으로서, 본 발명에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 가리킨다.

본 발명에 따른 고인성 내마모강은, 또한 임의 첨가 원소로서, 하기에 나타낸 원소의 1종 또는 2종 이상을 포함해도 된다.

Cu：0.5% 이하

Cu는 임의 첨가 원소이며, 필요에 따라 함유시킬 수 있다. Cu를 함유시키면, 강도 및 내식성을 보다 향상시키는 효과를 갖는다. 그러나, Cu를 0.5%를 넘게 함유시켜도, 비용 상승에 걸맞는 성능의 개선을 볼 수 없다. 따라서, Cu를 함유시키는 경우의 상한을 0.5%로 한다. 또한, Cu에 의한 강도 및 내식성의 향상 효과를 확실하게 얻고 싶은 경우에는, Cu를 0.2% 이상 함유시키는 것이 바람직하다.

Ni：0.5% 이하

Ni는 임의 첨가 원소이며, 필요에 따라서 함유시킬 수 있다. Ni를 함유시키면, 고용상태에서 강의 매트릭스(생지)의 인성을 높이는 효과가 있다. 그러나, Ni를 0.5%를 넘게 함유시켜도, 비용 상승에 걸맞은 성능의 개선을 볼 수 없다. 따라서, Ni를 함유시키는 경우의 상한을 0.5%로 한다. 또한, Ni에 의한 인성의 향상 효과를 확실하게 얻고 싶은 경우에는, Ni를 0.2% 이상 함유시키는 것이 바람직하다.

Mo：0.5% 이하

Mo는 임의 첨가 원소이며, 필요에 따라 함유시킬 수 있다. Mo를 함유시키면, 모재의 강도와 인성을 향상시키는 효과가 있다. 그러나, Mo를 0.5%를 넘게 함유시키면, 특히 HAZ의 경도가 높아져 인성과 용접성을 해친다. 따라서, Mo를 함유시키는 경우의 상한을 0.5%로 한다. 또한, Mo에 의한 모재의 강도와 인성의 향상 효과를 확실하게 얻고 싶은 경우에는, Mo를 0.1% 이상 함유시키는 것이 바람직하다.

V：0.08% 이하

V는 임의 첨가 원소이며, 필요에 따라 함유시킬 수 있다. V를 함유시키면, 주로 뜨임시의 탄질화물 석출에 의해 모재의 강도를 향상시키는 효과가 있다. 그러나, V를 0.08%를 넘게 함유시키면, 모재의 성능 향상 효과가 포화할 뿐만 아니라, 인성 열화를 초래한다. 따라서, V를 함유시키는 경우의 상한을 0.08%로 한다. 또한, V에 의한 모재의 강도의 향상 효과를 확실하게 얻고 싶은 경우에는, V를 0.01% 이상 함유시키는 것이 바람직하다.

2. 본 발명에 따른 고인성 내마모강의 마이크로 조직에 대해서

본 발명에 따른 고인성 내마모강이 우수한 고인성을 발휘하기 위해서는, 강재의 판 두께 중심부까지 마르텐사이트를 주체로 한 마이크로 조직으로 하는 것이 필요하게 된다.

우선, 마르텐사이트를 주체로 한 마이크로 조직을 강재의 판 두께 중심부까지 얻기 위해서는, 담금질성 지수 DI의 강의 판 두께(mm)와의 비 DI/t를 0.5?15.으로 제어할 필요가 있다. DI/t가 0.5를 밑돌면, 충분한 마르텐사이트 비율을 얻지 못해 인성이 열화하는 한편, DI/t가 15.0을 넘으면, 다량으로 합금 원소를 첨가하는 것이 필요해져, 합금 비용이 뛰어오를 뿐만 아니라, 인성도 크게 열화하기 때문이다.

다음에, 담금질 상태에서 우수한 인성을 얻기 위해서는, 마르텐사이트 외에 생성되는 마이크로 조직으로서, 인성이 뒤떨어지는 상부 베이 나이트의 생성을 최대한 억제하는 것이 필요하다. 그러기 위해서는, 마르텐사이트 변태 개시 온도 Ms를 430 이하로 함으로써, 인성이 뒤떨어지는 상부 베이 나이트 조직의 생성은 억제된다. 마르텐사이트 외에 생성되는 마이크로 조직으로는, 인성이 뛰어난 하부 베이 나이트 조직이 생성되기 쉬워진다. 따라서, 마르텐사이트 변태 개시 온도 Ms를 430 이하로 함으로써, 담금질 상태에서 우수한 인성을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 고인성 내마모강은, 마르텐사이트를 주체로 한 마이크로 조직인 것이 필요하나, 다른 마이크로 조직을 포함하고 있어도 된다. 상술한 하부 베이 나이트 조직 외에, 예를 들면, 잔류 오스테나이트를 포함하고 있어도 된다. 단, 잔류 오스테나이트는 모재 인성을 악화시키는 원인이 되므로, 5% 미만으로 하는 것이 바람직하다.

3. 본 발명에 따른 고인성 내마모강의 가공성에 대해서

본 발명에 따른 고인성 내마모강을, 예를 들면 셔블 카의 셔블에 사용하는 경우에는, 강 자체를 셔블형상으로 가공할 필요가 있다. 선삭(旋削), 천공(穿孔) 등에 의한 기계 가공성이 우수하기 위해서는, 표면의 경도가 중요하게 된다.

따라서, 강의 표면 경도를 브리넬 경도로 HBW400?500으로 할 필요가 있다. HBW400 미만이면, 부드러워 내마모강으로서 사용하는 것이 어렵고, 한편, HBW500 넘으면, 너무 단단해 기계 가공이 곤란하게 되기 때문이다. 표면 경도의 바람직한 범위는 HBW410?470이다.

다음에, 우수한 인성을 얻으려면 마르텐사이트를 주체로 한 조직, 구체적으로는 마르텐사이트 비율을 70% 이상으로 하는 조직으로 하는 것이 바람직하다.

그러나, 마르텐사이트 조직은 가공성을 저하시키는 원인이 된다. 또, 강 중의 탄소 함유량도 가공성을 저하하는 원인이 된다. 따라서, 마르텐사이트 비율 M과 탄소 함유량의 양쪽이 너무 높아져, 이들의 곱이 23을 넘는 경우에는, 가공성이 현저하게 저하한다.

따라서, 우수한 가공성을 갖는 고인성 내마모강으로 하기 위해서, 하기 (5)식을 만족하는 것이 바람직하다.

M×C≤23…(5)식

여기서, M은 마르텐사이트 비율(%)을, 그리고, C는 강중의 탄소의 함유량(질량%)을 나타낸다.

4. 본 발명에 따른 고인성 내마모강의 제조 방법에 대해서

본 발명의 강은, 상술한 강 조성을 갖는 슬래브로부터, 다음의 (i) 또는 (ii) 중 어느 하나의 방법에 의해 제조할 수 있다.

(i) 900?1200℃의 온도로 가열하고, 1000℃ 이하의 온도에서 압연을 행하고, Ar₃점－100℃ 이상 또한 Ar₃＋150℃ 이하의 온도에서 압연을 완료 후 냉각하고, 그 후 Ac₃점 이상 또한 950℃ 이하의 온도로 재가열 후, 수냉하는 「재가열 담금질」에 의한 방법.

(ii) 900?1200℃의 온도로 가열하고, 1000℃ 이하의 온도에서 압연을 행하고, Ar₃점 이상 또한 Ar₃＋150℃ 이하의 온도에서 압연을 완료 후, Ar₃점 이상의 온도에서 냉각 속도 3.0℃/sec 이상으로 강판의 표면 온도로 200℃ 이하까지 냉각하는 「직접 담금질」에 의한 방법.

이하, 고인성 내마모강의 제조 방법의 각 공정을 설명한다. 또한, 공통되는 공정에 대해서는 일괄해서 설명한다.

(1) 가열 공정에 대해서

상기한 (i) 재가열 담금질 방법(RD), (ii) 직접 담금질 방법(DQ) 양쪽에서도, 상술한 조성을 갖는 슬래브를 900?1200℃의 온도로 가열한다. 슬래브 자체는 특별히 그 제조 방법은 상관없다. 통상 행해지는 제조 방법, 예를 들어 연속 주조법에 의해 제조할 수 있다.

슬래브를 900℃ 이상으로 가열하는 것은, 오스테나이트 변태시켜, 균일한 조직으로 하기 위함이다. 슬래브 가열 온도가 높아질수록 슬래브는 연화해 변형 저항이 저하되어, 다음 공정인 압연 공정에서의 압연이 용이하게 된다. 그러나, 가열 온도가 높으면 가열로에서의 에너지 소비가 커져, 제조 비용 혹은 자연 환경에도 바람직하지 않기 때문에, 가열 온도의 상한을 1200℃로 한다. 슬래브의 가열 온도의 바람직한 상한은 1150℃ 이하이며, 바람직한 하한은 1000℃이다.

또한, 슬래브의 중앙부까지 온도를 균일화하기 위해서, 상기 온도역에서의 가열 시간은, 2시간 이상으로 하는 것이 바람직하다.

(2) 열간 압연 공정에 대해서

상기한 조건으로 가열한 슬래브는 열간 가공이 실시되어 원하는 형상으로 마무리되는데, 이 때의 열간 가공은, 1000℃ 이하의 온도에서 압연을 행한다. 1000℃ 이하에서 압연을 행하는 것은, 재결정에 의한 결정립의 세립화를 촉진하기 위함이다. 슬래브 가열 온도가 높은 경우에는 슬래브 온도가 1000℃ 이하로 저하된 후 압연을 개시한다.

그리고, (i)의 재가열 담금질을 행하는 경우에는, Ar₃점－100℃ 이상 또한 Ar₃＋150℃ 이하의 온도에서 압연을 완료한다. 압연 완료 온도가 낮은 경우, 즉 압연 완료 온도가 Ar₃점을 밑도는 경우에는, 계속해서 수냉을 행했다고 해도, 담금질이 되지 않아 충분한 마르텐사이트 조직을 얻을 수 없다. 이 경우에는, 한 번 냉각한 후에 재가열하여 담금질을 행함으로써 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있다. 이렇게 함으로써, 압연 완료 온도가 Ar₃점을 밑돌아도, 한 번 냉각하고 재가열해 담금질을 행하면 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있다. 그러나, 압연 완료 온도가 너무 낮아지면 슬래브의 변형 저항이 커져 압연이 곤란하게 되므로, 압연 완료 온도의 하한은 Ar₃점－100℃로 했다. 압연 완료 온도의 바람직한 하한은 Ar₃점이다.

한편, 압연 완료 온도가 Ar₃점 이상인 경우에는, (ii)의 직접 담금질을 행할 수 있으므로, 일부러 냉각해 재가열할 필요는 없다. 그러나, 재가열한 쪽이 담금질하기 쉬워, 따라서 마르텐사이트 조직을 얻기 쉬워진다. 따라서, 재가열 담금질을 행하는 경우의 압연 완료 온도의 상한은 Ar₃점＋150℃로 했다. 또한, 압연 완료 온도가 Ar₃점 이상인 경우에는, (ii)의 직접 담금질을 행하면 되고, 재가열을 생략 할 수 있는 관점으로는, 압연 완료 온도의 바람직한 상한은 Ar₃점이다.

또, (ii)의 직접 담금질을 행하는 경우에는, Ar₃점 이상 또한 Ar₃＋150℃ 이하의 온도에서 압연을 완료한다. 하기에 나타내는 수냉 공정에서 수냉 개시 온도를 Ar₃점 이상으로 하기 위해서, 압연 완료 온도의 하한은 Ar₃점으로 한다. 압연 완료시부터 수냉까지의 사이에는 다소의 래그타임이 있어, 그 사이에 강의 온도가 저하할 수 있다. 그래서, 압연 완료 온도의 바람직한 하한은 Ar₃점＋50℃로 한다. 한편, 결정립을 세립으로 해 인성 향상을 도모하기 위해서, 압연 완료 온도의 상한은 Ar₃점＋150℃로 한다.

(3) 냉각 공정에 대해서

(i)의 재가열 담금질을 행하는 경우에는, 압연이 완료한 후, 냉각하고, 그 후 Ac₃점 이상 또한 950℃ 이하의 온도로 재가열 후, 수냉한다. 압연 완료 후의 냉각은 특히 그 방식은 불문하며, 공기 중에 방랭하면 충분하다. 또한, 압연 후의 냉각에 의해 피압연재는 실온까지 냉각할 필요는 없고, 400℃ 정도까지 냉각하면 충분하다. 냉각 후는 Ac₃점 이상 또한 950℃ 이하의 온도로 재가열 후, 수냉한다. 재가열 온도를 Ac₃점 이상으로 하는 것은, 수냉 개시 온도를 Ac₃점 이상으로 하기 위함이며, 오스테나이트 단상 영역으로부터 냉각하지 않으면 충분한 마르텐사이트 조직분율이 얻어지지 않고, 경도, 인성도 저하하기 때문이다. 재가열로에서 수냉까지의 래그타임을 고려하면, 재가열 온도의 하한은 Ac₃점＋50℃로 하는 것이 바람직하다. 한편, 가열로 인해 소비되는 에너지의 비용이나 시간의 삭감의 관점으로부터, 재가열 온도의 상한은 950℃로 한다. 또한, 수냉은 피압연재를 실온으로까지 냉각할 필요는 없고, 200℃정도 까지 냉각하면 충분하다.

또, (ii)의 직접 담금질을 행하는 경우에는, Ar₃점 이상의 온도에서 냉각 속도 3.0℃/sec 이상으로 강판의 표면 온도로 200℃ 이하까지 수냉한다. 이 경우도 Ar₃점 이상의 온도에서 냉각을 행하는 것은, (i)의 재가열 담금질을 행하는 경우와 동일하게, 오스테나이트 단상 영역부터 냉각해서 충분한 마르텐사이트 조직을 확보하기 위함이다. 냉각 속도는 담금질하는 관점에서 빠른 것이 바람직하고, 5.0℃/sec 이상으로 냉각하는 것이 바람직하다. 냉각 속도의 상한은 특별히 없으나, 현재 냉각 장치의 최대 냉각 속도를 고려하면 최대에서도 60℃/sec 정도가 된다. 또, 냉각 방식은 특별히 제한은 없고, 예를 들면, 수냉, 미스트 냉각 등을 들 수 있다. 냉각은 광범위의 표면 온도로 200℃ 이하까지라고 하는데, 이것은 충분한 담금질 조직을 얻기 위함이다.

이상, 본 발명강의 제조 방법에 대해서 나타냈는데, 각 공정 사이, 또는 각 공정 중에 탈스케일, 변형 교정, 온도 균일화 가열 등의 처리를 행해도 된다. 또, 본 발명의 강은 상술한 바와 같은 제조 방법으로 제조한 후, 뜨임없이 내마모강으로서 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 가공성, 저온 인성이 우수한 내마모강 및 그 제조 방법을, 실시예를 이용하여, 보다 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

표 1에 나타낸 화학 조성 및 특성을 갖는 슬래브에, 표 2에 나타낸 시험 조건으로, 가열 및 균열, 열간 압연, 실온으로까지의 냉각, 재가열 및 담금질을 행한 후, 판 두께가 12?50mm인 시료(No.1?32)를 얻었다. 또한, 어느 시료에 대해서도 뜨임 처리는 행하지 않았다.

이들 시료에 대해서, 브리넬 표면 경도 시험을 행함과 더불어, 강판의 표면으로부터 1/4의 판 두께 부분, 즉 판 두께 (1/4)t위치에서 －40℃로 샤르피 충격 시험을 행했다. 샤르피 충격 시험에서는, _ｖE_－40에서 27J 이상의 흡수 에너지를 나타내는 것을 저온 인성이 양호하다고 판단했다. 또한, 굽힘 시험을 행하여 가공성을 평가했다. 굽힘 시험에서는, JIS1호 시험편을 압연 방향과 평행하게 채취하고, 굽힘 반경 3t(t는 판 두께)에서 균열이 생기지 않은 것을 합격(○)이라고 판단했다. 또, 나이탈로 에칭 후, 500배로 마이크로 조직의 관찰을 행해, 마르텐사이트 분율을 측정했다. 시험 결과를 표 2에 함께 나타냈다.

그 결과, 시료 No.1?24는, 모두 본 발명의 범위 내이며, 경도, 인성, 가공성 모두 우수함을 알 수 있다.

이에 반해, 시료 No.25는 비교예로서, C량이 본 발명의 범위를 넘기 때문에, 경도가 너무 높아져, 가공성, 인성이 열화했음을 알 수 있다.

시료 No.26 및 27은 비교예로서, 각각 Si 및 Mn이 본 발명의 범위 외이며, 인성이 열화했음을 알 수 있다.

시료 No.28은 비교예로서, Cr이 본 발명의 범위 외이며, 직접 담금질(DQ) 개시 온도도 Ar₃점보다 낮기 때문에, 인성이 열화했음을 알 수 있다.

시료 No.29는 비교예로서, Ms가 높고 또한 DI/t가 낮기 때문에, 마르텐사이트분율이 낮아져, 결과적으로 인성이 열화했음을 알 수 있다.

시료 No.30은 비교예로서, 모두 Ti가 본 발명의 범위 외이며, 인성이 열화했음을 알 수 있다.

시료 No.31은 비교예로서, 직접 담금질(DQ) 개시 온도가 Ar₃점보다 낮기 때문에, 충분한 마르텐사이트 분율을 얻지 못해, 경도 및 인성이 열화했음을 알 수 있다.

시료 No.32는 비교예로서, 재가열 담금질시의 재가열 온도가 낮기 때문에, 충분한 마르텐사이트 분율을 얻지 못해, 경도, 인성이 열화했음을 알 수 있다.

[산업상의 이용 가능성]

본 발명에 의해, 한랭지에서도 사용할 수 있는 인성을 갖고, 가공성이 양호하며, 또한 제조 조건에 특성이 좌우되기 어려운 고인성 내마모강이 얻어진다. 본 발명의 강은, 예를 들면 토목, 광산용의 건설기계나 대형의 산업 기계와 같은, 내마모성이 요구되는 기계의 구성 부재로서 이용할 수 있다.

Claims

질량%로, C：0.15?0.25%, Si：0.1?1.0%, Mn：0.4?1.3%, P：0.015% 이하, S：0.005% 이하, Cr：0.2?0.9%, Nb：0.005?0.03%, Ti：0.005?0.03%, B：0.0003?0.004%, Al：0.005?0.08% 및 N：0.005% 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 (1)식 및 (2)식을 만족하고, 표면 경도가 브리넬 경도로 HBW400?500인 것을 특징으로 하는 고인성 내마모강.
DI/t=0.5?15.0…(1)식
Ms≤430…(2)식
여기서, t는 강의 판 두께(mm), DI는 담금질성 지수, Ms는 마르텐사이트 변태 개시 온도이며, DI 및 Ms는 각각, 하기의 (3)식 및 (4)식에 의거하여 계산된다. 또한, 식 중의 원소 기호는 강 중의 각각의 원소의 함유량(질량%)을 의미한다.
DI=9.238
(1＋0.64Si)(1＋4.1Mn)(1＋0.27Cu)(1＋0.5Ni)(1＋2.33Cr)(1＋3.14Mo)…(3)식
Ms=521－353xC－22xSi－24xMn－27xNi－18xCr－8xCu－16xMo…(4)식
청구항 1에 있어서,
마이크로 조직 중의 마르텐사이트 비율 M이 70% 이상이며, 또한 하기 (5)식을 만족하는 것을 특징으로 하는 고인성 내마모강.
M×C≤23…(5)식
여기서, M은 마르텐사이트 비율(%)을, 그리고, C는 강 중의 탄소의 함유량(질량%)을 나타낸다.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
또한, 질량%로, Cu：0.5% 이하, Ni：0.5% 이하, Mo：0.5% 이하, V：0.08% 이하의 원소 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 고인성 내마모강.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 화학 조성을 갖는 슬래브를 900?1200℃의 온도로 가열하고, 1000℃ 이하의 온도에서 압연을 행하고, Ar₃점－100℃ 이상 또한 Ar₃＋150℃ 이하의 온도에서 압연을 완료 후 냉각하고, 그 후 Ac₃점 이상 또한 950℃ 이하의 온도로 재가열 후, 수냉하는 것을 특징으로 하는 고인성 내마모강의 제조 방법.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 화학 조성을 가지는 슬래브를 900?1200℃의 온도로 가열하고, 1000℃ 이하의 온도에서 압연을 행하고, Ar₃점 이상 또한 Ar₃＋150℃ 이하의 온도에서 압연을 완료 후, Ar₃점 이상의 온도에서 냉각 속도 3.0℃/sec 이상으로 강판의 표면 온도로 200℃ 이하까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 고인성 내마모강의 제조 방법.