KR20170141294A

KR20170141294A - 고충격 응용분야에 사용되는 금속 합금

Info

Publication number: KR20170141294A
Application number: KR1020177036271A
Authority: KR
Inventors: 케빈 돌만
Original assignee: 위어 미네랄즈 오스트레일리아 리미티드
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2017-12-22
Also published as: ZA201206194B; AU2016203319A1; KR20170129974A; KR20170130622A; BR112012019279A2; IL221231A0; ES2692824T3; US20150267283A1; AP3200A; CL2012002140A1; MX344563B; CA2788700C; MX2012008918A; EP2531631A1; MY170019A; US20130037179A1; IL221231A; CL2016002969A1; CA2788700A1; KR20120123686A

Abstract

백주철 합금의 캐스팅 및 그 캐스팅을 제조하는 방법이 개시된다. 또한 백주철 합금이 개시된다. 상기 캐스팅은 잔류 오스테나이트를 포함하는 철계 매트릭스 및 상기 매트릭스에 분산된 크롬 탄화물들을 포함하는 용체화 처리된 미세조직을 갖되, 상기 탄화물들은 상기 합금의 15 내지 60% 체적분율을 포함한다. 상기 매트릭스의 조성은 망간 8-20 중량%; 탄소 0.8-1.5 중량%; 크롬 5-15 중량%; 및 나머지의 철(부수적인 불순물 포함)을 포함한다.

Description

고충격 응용분야에 사용되는 금속 합금{METAL ALLOYS FOR HIGH IMPACT APPLICATIONS}

본 발명은 고충격(high impact) 응용분야에서 사용하기 위한 금속 합금에 관한 것으로서, 특히, 결코 배타적인 것은 아니지만, 고인성(high toughness)을 가지는 철 합금들 및 그 합금들의 주조(casting)에 관한 것이다.

미국특허 제1,245,552호에 개시된 것과 같은 고크롬 백주철(high chromium white cast iron)은 심한 마모 및 침식성 마모를 겪는 장비들, 예를 들면, 슬러리 펌프와 파이프라인, 분쇄기 라이너(mill liner), 분쇄기, 이송 슈트(transfer chute) 및 지면결합(ground-engaging) 공구 등의 제조를 위한 광업 및 광물처리 산업분야에서 광범위하게 사용된다. 상기 미국특허에 개시된 고크롬 백주철은 25-30 중량% 크롬(Cr), 1.5 - 3 중량% 탄소(C), 3 중량% 이하의 실리콘(Si), 및 나머지 철(Fe)과 미량의 Mn, S, P 및 Cu를 포함하고 있다.

고크롬 백주철(high chromium white cast iron)의 미세조직은 약 700HV의 경도를 갖는 철계 매트릭스(ferrous matrix)에서 극도로 단단한(호주 공업표준 1817, 파트 1에 의하면 약 1500HV의) 크롬탄화물 (Fe,Cr)₇C₃를 함유한다. 이러한 탄화물은 광산업 및 광물처리 플랜트 설비에 공급되는 원광석들에서 마주치는 가장 풍부한 매개체인 실리카샌드(약 1150HV)의 마모 및 부식작용에 대해 효과적인 보호를 제공한다.

일반적 조건에서, 고크롬 백주철은 담금질(quench) 및 템퍼링(tempering) 방법을 사용하여 경화된 강보다 더 큰 내마모성을 제공하며, 그리고 스테인리스강과 비교해 중간 정도의 내부식성을 제공한다. 그러나, 백주철은 낮은 파괴인성(<30 MPa.√m)을 갖기 때문에 파쇄장치에서와 같은 고충격 상황에서 사용되기에는 적절하지 않다.

파괴인성(Fracture toughness)은 (a) 탄화물 성분 및 그의 입자 크기, 형상 및 매트릭스를 통한 분포, 그리고 (b) 철계 매트릭스의 특성, 즉 그것의 오스테나이트(austenite), 마르텐사이트(martensite), 페라이트(ferrite), 펄라이트(pearlite) 또는 이러한 상들의 둘 또는 그 이상의 조합을 포함하는지의 여부에 대한 함수이다.

더욱이, 고크롬 백주철은 낮은 열 충격저항을 가지며 매우 급격한 온도 변화에 대처할 수 없다.

고크롬 백주철에 망간과 같은 다량의 다른 성분들을 첨가함으로써 더 강인한 백주철을 만들어내기 위한 발명자들의 이전의 시도들은 성공하지 못했다. 특히, 백주철에서의 다양한 합금성분들, 말하자면 크롬, 카본, 망간, 실리콘, 니켈 및 철은 응고 중 상이하게 분배될 수 있는데, 이것은 철계 매트릭스(ferrous matrix)에 있어 광범위한 잠재적인 화학적 조성물들로 귀착된다. 예를 들면, 1.3 중량% 초과의 탄소를 함유하는 철계 매트릭스를 갖는 백주철을 획득하는 것이 가능하지만, 이것은 미세조직에서 취화 초석(embrittling proeutectoid) 탄화물의 존재로 귀착된다. 0.8 중량% 미만의 탄소를 함유하는 철계 매트릭스를 갖는 백주철을 획득하는 것도 또한 가능하지만, 이것은 낮은 가공경화(work hardening) 능력을 갖는 불안정한 오스테나이트 철계 매트릭스로 귀착될 수 있다. 또한, 낮은 크롬 성분을 함유하는 철계 매트릭스를 갖는 백주철을 획득할 수도 있는데, 이것은 취약한 내부식성(corrosion resistance)으로 귀착될 수 있다.

본 출원에 있어서의 개시는, 완전히 배타적인 것은 아니지만, 향상된 인성과 경도의 조합을 갖는 고크롬 백주철(high chromium white cast iron)을 제공하기 위한 것이다. 이러한 고크롬 백주철은 바람직하게는 파쇄기나 슬러리 펌프에 사용되는 것과 같은 고충격 마모성 장치들의 응용분야에 적절하다.

본 출원인에 의해 수행된 실험작업을 통해서 일정 범위의 고크롬 주철의 응고 중에 형성되는 철계 매트릭스의 크롬 및 탄소 농도들 간에 역관계(inverse relationship)가 존재한다는 것이 예기치 않게 발견되었다. 철계 매트릭스에서 크롬과 탄소 사이의 이러한 역관계의 정량화(quantification)를 통해서 본 출원인은, 고충격 마모성 장치의 응용분야에 사용하기에 적합한 인성, 가공 경화능, 내마모성 및 내부식성을 갖는 백주철을 산출하기 위하여 필요한 화학적 성질들을 갖는 상(phase)들을 함유하는 미세조직으로 귀착되는, 망간을 함유하는 선택된 고크롬 주철의 벌크 화학 조성물들을 제공하는 것을 가능하게 되었다.

본 출원인에 의해 수행된 실험을 통해서 크롬은 철계 매트릭스에서 탄소 성분에 대하여 현저한 영향을 갖는다는 것이 밝혀졌는데, 종전에는 이러한 효과에 대한 이해를 할 수가 없었다. 종전에는 크롬은 M₇C₃ 형태의 탄화물(여기서, "M"은 Cr, Fe, 및 Mn을 포함한다), 즉 높은 비율의 크롬 대 탄소를 갖는 탄화물들을 다량으로 형성한다고 생각되었다. 그러나 실험작업을 통해서 고용체에 상당한 양의 크롬이 유지되고 또한 철계 매트릭스에서의 크롬 성분과 고크롬 백주철의 철계 매트릭스에 유지되는 탄소의 양과의 사이에 역관계가 성립된다는 것이 확인되었으며, 이로써 고크롬 백주철의 벌크 크롬 농도가 증가함에 따라서 합금의 매트릭스에서의 크롬이 증가하고 그 매트릭스에서의 탄소는 감소한다는 것이 밝혀졌다.

본 출원인에 의해 수행된 실험작업을 통해서 고크롬 주철의 응고 중 크롬과 탄소가 일차(primary) 및 공정(共晶; eutectic) M₇C₃ 탄화물에 대해 차별적으로 분배(partition)되어 나머지 양의 크롬 및 탄소는 철계 매트릭스에 남겨둔다는 것이 밝혀졌다. 또한, 본 출원인은 12 중량% 망간이 고크롬 주철에 첨가될 때 망간은 일차근사법(first approximation)으로 M₇C₃ 탄화물과 철계 매트릭스 사이에 균일하게 분포되는바, 즉, 탄화물과 철계 매트릭스 모두 공칭 12 중량% 망간을 함유한다는 것을 밝혀냈다.

따라서 본 출원인은 응고 과정 중 이들 합금들에서 크롬과 탄소의 분리에 대한 아래의 결론들에 주목함으로써 8-20 중량% 망간을 함유하는 고크롬 주철의 철계 매트릭스에 있어서 소정의 양의 크롬 및 탄소를 획득할 수가 있다.

결론 1 약 12 중량% 망간이 고크롬 주철에 첨가될 때 망간은 어떤 특정한 상으로 차별적으로 분배되지 않고 탄화물과 철계 매트릭스 사이에서 대략 균일하게 분포된다.

결론 2 철계 매트릭스의 잔여 탄소 성분은 철계 매트릭스의 잔여 크롬 성분에 반비례한다. 예컨대, 본 출원인에 의해 수행된 실험에 따르면, Fe-20Cr-3.0C의 벌크 화학적 조성을 갖는 고크롬 주철이 응고할 때, 철계 매트릭스의 잔여 화학 조성은 대략 Fe-12Cr-1.1C인데, 이것은 Fe-10Cr-3.0C의 벌크 화학적 조성물이 응고할 때의 철계 매트릭스의 잔류 화학적 조성은 대략 Fe-6Cr-1.6C인 예에 비교되며, 또한 Fe-30Cr-3.0C의 벌크 화학적 조성물이 응고할 때의 철계 매트릭스의 잔류 화학적 조성은 대략 Fe-18Cr-0.8C인 예에 비교된다.

본 출원인은 또한 벌크 합금 Fe-20Cr-12Mn-3.0C의 철계 매트릭스의 화학적 조성이 응고 후 Fe-12Cr-12Mn-1.1C이라는 것(즉, 고용체에서 12 중량% Cr을 함유하는 12 중량% Mn 및 1.1 중량% C 철계 매트릭스)을 발견하였다.

따라서, 용체화 처리 조건(solution treated condition)에서 하기와 같은 철계 매트릭스 화학적 조성:

*망간: 8 - 20 중량%

탄소: 0.8 - 1.5 중량%;

크롬: 5 - 15 중량%; 및

철: 나머지(부수적인 불순물 포함); 그리고

(a) 매트릭스로서 잔류 오스테나이트(retained austenite); 및

(b) 매트릭스에 분산된, 캐스팅의 5 - 60% 체적분율을 포함하는 탄화물을 포함하는 미세조직을 갖는 백주철 합금(white cast iron alloy)의 캐스팅(casting)이 제공된다:

여기서, "용체화 처리 조건(solution treated condition)"이라는 용어는 합금을 일정 온도로 가열하여 탄화물을 용해하기 위해 일정 시간 동안 상기 온도에서 합금을 유지하고, 미세조직을 유지하기 위해 실온으로 상기 합금을 빠르게 냉각하는 것을 의미하는 것으로 이해된다.

백주철 합금의 벌크 화학적 성질에 있어서 크롬 농도 및/또는 탄소 농도는 크롬과 탄소 중의 하나 또는 양자의 매트릭스 농도가 전술한 범위 내에 존재하도록 매트릭스에 있어서의 크롬 농도와 탄소 농도 간의 역관계를 감안하여 선택될 수 있는데, 이렇게 함으로써 상기 캐스팅이 인성 및/또는 경도 및/또는 내마모성 및/또는 가공 경화 능력 및/또는 내부식성과 같은 필요한 특성들을 갖도록 한다.

예를 들면, 백주철 합금의 벌크 화학적 성질에 있어 크롬 농도는 0.8 중량%를 초과하고 1.5 중량% 미만으로, 전형적으로는 1.2 중량% 미만이고, 용체화 처리 조건에서 전형적으로 1 중량%를 넘도록 한 범위에서 탄소의 매트릭스 농도를 조절하도록 매트릭스에서의 크롬 농도와 탄소 농도 간의 역관계를 고려하여 선택될 수 있다. 본 예에서는 벌크 화학적 조성에서의 망간 농도는 10-16 중량%, 전형적으로는 10-14 중량%, 그리고 더 전형적으로는 12 중량%일 수 있다.

백주철 합금의 벌크 화학적 조성에서의 크롬, 탄소 및 망간의 농도들은 캐스팅의 용체화 처리 형태에서 캐스팅이 다음과 같은 기계적 성질을 갖도록 선택될 수 있다:

인장강도(Tensile strength): 적어도 650, 전형적으로는 적어도 750 MPa.

항복강도(Yield strength): 적어도 500, 전형적으로는 적어도 600 MPa.

파괴인성(Fracture toughness): 적어도 50, 전형적으로 적어도 60 MP√m.

연신율(Elongation): 적어도 1.2%.

경도(Hardness): 적어도 350, 전형적으로 적어도 400 브리넬(Brinell).

압축부하 하에서의 소성 변형능(Plastically deformability under compressive load): 적어도 10%.

고 작업 경화능(High work hardening capacity): 작업 시 적어도 550 브리넬 이하.

탄화물은 캐스팅의 5 내지 60% 체적분율을 가질 수 있는데, 전형적으로는 캐스팅의 10 내지 40% 체적분율을, 더욱 전형적으로는 15-30% 체적분율을 가질 수 있다. 미세조직은 잔류 오스테나이트 매트릭스에 분산된 10 내지 20 체적%의 탄화물을 포함할 수 있다.

상기 탄화물은 크롬-철-망간 탄화물일 수 있다.

용체화 처리 후의 상기 캐스팅의 탄화물 상은 일차 크롬-철-망간 탄화물 및/또는 공정(eutectic) 크롬-철-망간 탄화물일 수도 있고, 그리고 잔류 오스테나이트 매트릭스는 일차 오스테나이트 덴드라이트 및/또는 공정 오스테나이트일 수도 있다.

상기 탄화물은 또한 니오븀 탄화물 및/또는 니오븀 탄화물 및 티타늄 탄화물의 화학적 혼합물일 수도 있다. 이러한 탄화물들을 함유하는 금속 합금들은 본 출원인의 명의로 2011년 2월 1일자로 출원된 "Hard Metal Material"이라는 발명의 명칭의 국제출원의 특허명세서에 기술되어 있으며, 이 국제출원의 전체 명세서는 상호참고로써 본 출원에 병합된다.

전술한 단락에서 언급된 특허명세서에서는 "니오븀 탄화물 및 티타늄 탄화물의 화학적 혼합물" 그리고 "니오븀/티타늄 탄화물"이라는 용어는 동의어로 이해되는 것으로 기술하고 있다. 부가하여, 상기 특허명세서에서는 "화학적 혼합물"이라는 용어는 이러한 문맥에서 니오븀 탄화물과 티타늄 탄화물이 혼합물에서 독립적인 입자로서 존재하지 않고 니오븀/티타늄 탄화물들의 입자로서 존재한다는 것을 의미하는 것으로 이해된다고 기술하고 있다.

5% 미만의 탄화물 체적분율에 대해 탄화물은 합금의 내마모성에 대해 현저한 기여를 하지 않는다. 그러나, 60% 초과의 탄화물 체적분율에 대해서는 탄화물들을 한데 유지하기에는 불충분한 철계 매트릭스가 존재한다. 결과적으로 그러한 합금의 파괴인성은 분쇄용 기계기구에는 적합하지 않을 수도 있다.

상기 매트릭스는 실질적으로 페라이트가 없을 수도 있다.

전술한 "실질적으로 페라이트가 없는"이라는 용어는 어떤 페라이트도 없이 잔류 오스테나이트를 포함하는 매트릭스를 제공하는 것을 의도하지만, 그와 동시에 실제로 임의의 주어진 상황에서는 소량의 페라이트가 존재할 수도 있음을 인식한다는 것을 나타낸다.

캐스팅의 백주철 합금은 다음을 포함하는 벌크 조성을 가질 수 있다:

크롬: 10 - 40 중량%;

탄소: 2 - 6 중량%;

망간: 8 - 20 중량%;

실리콘: 0 - 1.5 중량%; 및

나머지의 철 및 부수적 불순물들.

상기 백주철 합금은 0.5 내지 1.0 중량% 실리콘을 포함할 수도 있다.

상기 백주철 합금은 2 내지 4 중량% 탄소를 포함할 수도 있다.

상기 캐스팅의 백주철 합금은 다음을 포함하는 벌크 조성을 가질 수 있다:

크롬: 7 - 36 중량%;

탄소: 3 - 8.5 중량%;

망간: 5 - 18 중량%;

실리콘: 0 - 1.5 중량%;

티타늄: 2 - 13 중량%; 및

나머지의 철 및 부수적 불순물들.

크롬: 7 - 36 중량%;

탄소: 3 - 8.5 중량%;

망간: 5 - 18 중량%;

실리콘: 0 - 1.5 중량%;

니오븀: 8 - 33 중량%; 및

나머지의 철 및 부수적 불순물들.

크롬: 7 - 36 중량%;

탄소: 3 - 8.5 중량%;

망간: 5 - 18 중량%;

실리콘: 0 - 1.5 중량%;

니오븀 및 티타늄: 5 - 25 중량%; 및

나머지의 철 및 부수적 불순물들.

상기 캐스팅의 백주철 합금은 크롬, 탄소, 망간, 실리콘, 및 전이금속들인 티타늄, 지르코늄, 하프늄(hafnium), 바나듐, 니오븀, 탄탈럼(tantalum), 크롬, 몰리브덴(molybdenum) 및 텅스텐 중의 하나 또는 다수와; 그리고 전이 금속 또는 금속들의 양이 캐스팅에서의 이러한 금속 또는 금속들의 탄화물들이 캐스팅의 20 체적%까지 포함하도록 선택된, 나머지의 철과 부수적인 불순물들을 포함하는 벌크 조성물을 가질 수 있다.

상기 캐스팅은 슬러리 펌프와 파이프라인들, 분쇄기 라이너(mill liner), 파쇄기(crusher), 이송용 슈트(transfer chute), 및 지면결합 공구(ground engaging tool) 등과 같은 가혹한 연마 및 침식 마모(erosion wear)를 입는 장비일 수 있다.

또한 상기한 캐스팅을 포함하는, 슬러리 펌프와 파이프라인들, 분쇄기 라이너, 파쇄기, 이송용 슈트, 및 지면결합 공구 등과 같은 가혹한 연마 및 침식 마모를 겪는 장비가 제공된다.

상기 장비는 파쇄 기계 또는 슬러리 펌프일 수도 있다.

하기와 같은 벌크 화학 조성을 포함하는 백주철 합금이 또한 제공된다:

크롬: 10 - 40 중량%;

탄소: 2 - 6 중량%;

망간: 8 - 20 중량%;

실리콘: 0 - 1.5 중량%; 및

나머지 철 및 부수적인 불순물들.

상기 백주철 합금은 12 - 14 중량% 망간을 포함할 수도 있다.

상기 백주철 합금은 0.5 - 1.0 중량% 실리콘을 포함할 수도 있다.

상기 백주철 합금은 2 - 4 중량% 탄소를 포함할 수도 있다.

크롬: 7 - 36 중량%;

탄소: 3 - 8.5 중량%;

망간: 5 - 18 중량%;

실리콘: 0 - 1.5 중량%;

티타늄: 2 - 13 중량%; 및

나머지 철 및 부수적인 불순물들.

크롬: 7 - 36 중량%;

탄소: 3 - 8.5 중량%;

망간: 5 - 18 중량%;

실리콘: 0 - 1.5 중량%;

니오븀: 8 to 33 중량%; 및

나머지 철 및 부수적인 불순물들.

크롬: 7 - 36 중량%;

탄소: 3 - 8.5 중량%;

망간: 5 - 18 중량%;

실리콘: 0 - 1.5 중량%;

니오븀 및 티타늄: 5 - 25 중량%; 및

* 나머지 철 및 부수적인 불순물들.

크롬, 탄소, 망간, 실리콘, 및 전이금속들인 티타늄, 지르코늄, 하프늄(hafnium), 바나듐, 니오븀, 탄탈럼(tantalum), 크롬, 몰리브덴(molybdenum) 및 텅스텐 중의 하나 또는 다수와; 그리고 전이 금속 또는 금속들의 양이 합금의 고체 형태에서의 이러한 금속 또는 금속들의 탄화물들이 그 고체 형태의 20 체적%까지 포함하도록 선택된, 나머지의 철과 부수적인 불순물들을 포함하는 벌크 화학조성물을 포함하는 백주철 합금이 또한 제공된다.

전술한 백주철 합금의 캐스팅을 생산하는 방법이 또한 제공되는바, 상기 방법은,

(a) 상기 백주철 합금의 용융물을 형성하는 단계;

(b) 상기 용융물을 몰드에 부어 상기 캐스팅을 형성하는 단계; 및

(c) 상기 캐스팅을 실질적으로 실온으로 냉각시키는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기한 방법 중의 단계(a)는 니오븀 탄화물의 입자들 및/또는 상기 캐스팅의 미세조직에서 니오븀 탄화물 및 티타늄 탄화물의 화학적 혼합물의 입자들을 생성하는 형태로 용융물에 니오븀 또는 티타늄을 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 본 출원인의 명의로 2011년 2월 1일자로 출원된 "Hard Metal Material"이라는 발명의 명칭의 전술한 국제출원에서 기술된 부가적인 방법 단계들을 포함할 수도 있다. 전술한 바와 같이, 상기 국제출원의 전체 명세서가 상호참조를 위해 본 출원에 병합된다.

상기 방법은 또한 상기한 단계(c) 다음에 하기의 단계들, 즉

(d) 용액 처리 온도로 캐스팅을 가열하고; 및

(e) 상기 캐스팅을 담금질(quenching)함으로써 상기 캐스팅을 열처리하는 것을 포함할 수도 있다.

상기 단계(e)는 캐스팅을 물 속에서 담금질하는 것을 포함할 수도 있다.

상기 단계(e)는 캐스팅을 실질적으로 실온(room temperature)로 담금질하는 것을 포함할 수 있다.

결과적인 미세조직은 매트릭스에 분산된 탄화물들과 잔류 오스테나이트의 매트릭스일 수도 있는데, 상기 탄화물들은 캐스팅의 5 내지 60%의 체적분율을 포함한다.

결과적인 철계 매트릭스는 그것이 실질적으로 페라이트가 없는 정도로 오스테나이트(austenitic)로 형성될 수 있다. 결과적인 철계 매트릭스는 빠른 냉각공정으로 인해 전체적으로 오스테나이트일 수도 있다.

용체화 처리(solution treatment) 온도는 900℃ 내지 1200℃, 전형적으로는 1000℃ 내지 1200℃의 범위일 수 있다.

상기 캐스팅은 적어도 한 시간 동안 상기 용체화 처리 온도에서 유지될 수 있으나, 모든 이차 탄화물들의 분해와 화학적 균질화(homogenization)를 달성하기 위해서는 적어도 두 시간 동안 상기 용액 처리 온도에 유지되어도 좋다.

이하 본 발명의 백주철 합금에 대하여 첨부된 도면들을 참조하여 단지 예시적인 방식으로 더 상세히 기술할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생주조(as-cast) 상태의 철 합금의 미세조직의 현미경 사진이다.
도 2는 열처리 후의 도 1의 생주조 상태의 철 합금의 미세조직의 현미경 사진이다.

일정 범위의 백주철 합금 조성물들이 본 발명의 영역 내에 존재할지라도 아래의 설명에서는, 설명의 편의상, 예로서 특정한 하나의 주철 합금에 대해서만 기술된다.

본 출원인은 하기의 조성을 포함하는 본 발명의 생주물(as-cast) 상태의 미세조직에서 탄화물들의 체적분율과 성분들의 범위의 상하 제한을 설정한 본 발명의 백주철 합금에 관련하여 광범위한 실험작업을 수행하였음을 주지하여야 할 것이다.

(a) 매트릭스가 하기의 조성을 갖는 잔류 오스테나이트를 포함하는 철계 매트릭스:

망간: 8 - 20 중량%

탄소: 0.8 - 1.5 중량%;

크롬: 5 - 15 중량%; 및

철: 나머지(부수적 불순물들을 포함); 및

(b) 5 to 60% 체적분율을 포함하는 크롬 탄화물들.

예시한 백주철 합금은 다음과 같은 벌크 조성을 가졌다:

크롬: 20 중량%;

탄소: 3 중량%;

망간: 12 중량%;

실리콘: 0.5 중량%; 및

나머지 철과 부수적 불순물들.

이러한 백주철 합금의 용융물이 준비되어 경도 테스트, 인성 테스트 및 금속조직학 검사(metallography)를 포함하는 야금학적 테스트 작업을 위한 샘플들로 주조되었다.

테스트 작업은 몰드에서 실온으로 냉각되도록 한 생주물 상태의 샘플들에 대해 수행되었다. 테스트 작업은 또한 2시간 동안 1200℃ 의 온도로 상기 주조된 샘플들을 재가열하는 것을 수반하는 용액 열 처리가 행하여지고 후속해서 물속에서 담금질이 이루어지는 상기한 주조된 샘플들에 대해 수행되었다.

경도 및 인성 테스트의 결과의 요약이 아래의 표1에 나타난다.

테스트 결과의 요약

합금 형태	경도(HV50)	경도(HB-변환)	파괴인성 (MPa√m )	페라이트 미터 표시
생주조 상태 (as cast)	413	393	49.85	0%
1200℃에서 처리된 용체	446	424	56.35	0%

생주물 형태의 백주철 합금의 미세조직(도 1)은 공정 오스테나이트(eutectic austenite)의 매트릭스에서 많은 오스테나이트 덴드라이트들(austenite dendrites)을 보여준다. 대조적으로, 상기 철 합금의 용체 열처리 형태는(도 2) 잔류 오스테나이트 매트릭스에 대체로 잘 분산된 오스테나이트 덴드라이트들을 보여준다. 생주조 상태의 용체 열처리 샘플들에 대한 페라이트 미터 표시(즉, 자성 수치)는 그 샘플들이 비-자성이었음을 보여준다. 따라서, 이것은 캐스팅들이 철계 매트릭스에 있어 페라이트 또는 마르텐사이트 또는 펄라이트를 포함하지 않았음을 나타낸다.

잔류 오스테나이트 매트릭스의 조성분석(compositional analysis)에 의해 약 12 중량%의 매트릭스 고용체에서 크롬 성분을 그리고 1.1 중량%의 매트릭스에서 탄소 성분이 노출되었다. 잔류 오스테나이트 매트릭스는 따라서 향상된 경도와 내부식성에 대한 고용체에서 상대적으로 높은 크롬 성분을 갖는 망간 강으로 간주될 수 있으며, 이것은 종래의 통상적인 오스테나이트 망간 강의 특징은 아니다.

부가적으로, 크롬 탄화물의 체적 퍼센트가 경도와 전반적인 내마모성에 기여하였다. 표 1에 나타난 경도 수치들이 내마모성 주철 합금의 전형적인 경도 측정치들 미만이기는 하지만, 철 합금의 경도는 가공 경화처리 후에는 기존의 내마모성 주철 합금들의 경도에 필적할만한 수준까지 증가하였음이 발견되었다.

또 다른 샘플의 같은 백주철 합금이 주조되어 2시간 동안 1200℃에서 열처리 되었다.

상기 샘플들은 일차 오스테나이트 덴드라이트에 더해 공정 탄화물 및 공정 오스테나이트를 포함하는 미세조직을 가졌다.

샘플들의 미세분석을 통해 다음과 같은 것들이 밝혀졌다:

● 크롬과 탄소의 양 성분들은 전자후방산란회절(Electron Back Scattered Diffraction: EBSD)에 의해 (Fe, Cr, Mn)₇C₃로서 식별되었던 탄화물 상에 농후하게 분배된다.

● 일차근사법으로는 망간 원소가 탄화물과 오스테나이트 상들 사이에 균일하게 분포된다.

● 미세조직의 11.3 체적%는 일차 오스테나이트 덴드라이트로 이루어졌다.

● 미세조직의 22.3 체적%는 공정(eutectic) 탄화물로 이루어졌다.

● 미세조직의 66.4 체적%는 공정 오스테나이트로 이루어졌다.

● 오스테나이트 상의 탄소 함량은 0.98 중량%이었다.

● 오스테나이트 상들의 망간 함량은 11.8 중량% 및 11.6 중량%이었다.

● 합금의 철계 매트릭스는 11.3 체적%의 일차 오스테나이트 덴드라이트와 66.4 체적%의 공정 오스테나이트로 이루어졌다.

● 철계 매트릭스의 화학적 조성은 Fe - 12Cr - 12Mn - 1.0C - 0.4Si이었으며, 이것은 본질적으로 고용체에서 12% 크롬을 함유하는 기본 망간 강이다.

Outwater, J.O. 등에 의해 저술된 간행물인 "Fracture Toughness and Slow-Stable Cracking, ASTM STP 559, American Society for Testing and Materials, 1974년)"의 페이지 127-138에서의 "Double Torsion Technique as a Universal Fracture Toughness Method" 섹션에 기술된 절차에 따라 두 개의 샘플들에 대해 파괴인성 테스트가 수행되었다.

본 출원인은 합금에서 망간의 존재로 인해 철계 매트릭스가 가동 중의 압축부하의 작용에 의해 경화된 작업 면이 되도록 함으로써 재료에 적절한 내마모성과 탁월한 인성을 제공하게 되고, 이것은 약 1200℃의 온도에서 실온으로 캐스팅의 물 담금질에 의해 형성된 준안정(metastable) 상태의 오스테나이트 조직의 존재에 기인하는 것을 발견하였다. 전체 오스테나이트 조직이 높은 망간 성분과 특정한 탄소 성분 양자의 존재로 인하여 실온으로 냉각 중 유지될 수가 있었다.

망간의 존재의 상승적 조합으로 인하여 본 발명의 백주철 합금으로 제조된 캐스팅은, (a) 높은 내마모성 및 내침식마모성, (b) 상대적으로 높은 항복강도, 및 (c)산(acidic) 환경에서 적절한 내부식성을 갖는 백주철의 장점과 조합하여, 일반적인 고크롬 백주철과 비교해 현저히 향상된 파괴인성을 제공한다.

전술한 예의 백주철 합금은 56.3 MPa√m의 평균 파괴인성을 보였다. 이 결과는 고크롬 백주철에 대한 25-30 MPa.√m.의 인성 값과 양호하게 비교된다. 이러한 파괴인성은 자갈용 펌프(gravel pump)나 슬러리 펌프를 포함하는 펌프들과 같은 고충격 환경에 이용될 경우에 적합한 합금을 제조한다. 상기 합금은 또한 일차 분쇄기와 같은 암석, 광물 또는 원광석 등을 분쇄하기 위한 기계장치에 적합하다.

본 발명에 따른 백주철 합금의 또 하나의 장점은, 바로 형성된 합금의 고온 작업은 탄화물을 분리된 탄화물들로 파쇄함으로써 그 합금의 연성을 향상시킨다는 것이다.

본 명세서에 있어 어떤 선행기술에 대한 언급은 그 선행기술이 호주 또는 임의의 타국에서 통상의 지식(common general knowledge)를 구성한다는 인정 또는 어떤 형태의 암시가 아니며, 또한 그렇게 인정되어서도 안 될 것이다.

본 발명의 정신과 영역으로부터 벗어남이 없이 전술한 본 발명의 바람직한 실시예에에 대한 수많은 변형들이 만들어질 수도 있다.

본 출원의 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 "포함(comprise)"이라는 용어 또는 그의 문법적 변형어들은 폐쇄적인 의미로서가 아니라 개방된 의미의 "포함(include)"이라는 용어와 균등하며, 다른 특징들 또는 구성요소들의 존재를 배재하는 것으로 해석되어서는 아니 될 것이다.

Claims

용체화 처리된 미세조직을 갖는 백주철 합금의 캐스팅으로서,
(a) 아래의 조성을 갖는, 잔류 오스테나이트를 포함하는 철계 매트릭스:
망간: 8 - 20 중량%
탄소: 0.8 - 1.5 중량%;
크롬: 5 - 15 중량%; 및
철: 나머지(부수적인 불순물 포함); 그리고
(b) 매트릭스에 분산된 크롬 탄화물들로서, 상기 합금의 5 내지 60% 체적분율을 포함하는 크롬 탄화물들을 포함하는, 백주철 합금의 캐스팅.
제1항에 있어서, 백주철 합금의 벌크 화학조성에 있어 크롬 농도 및/또는 탄소 농도는 크롬과 탄소 중의 하나 또는 양자의 매트릭스 농도가 제1항에 정의된 매트릭스의 범위 내에 존재하도록 조절하기 위하여 상기 매트릭스에 있어서의 크롬 농도와 탄소 농도 간의 역관계를 감안하여 선택됨으로써, 상기 캐스팅이 필요 특성들을 갖도록 한 캐스팅.
제1항에 있어서, 탄소의 매트릭스 농도는 0.8 중량%보다 크고 1.5 중량% 미만인 캐스팅.
제1항에 있어서, 탄소의 매트릭스 농도는 1 중량% 보다 큰 것인 캐스팅.
제1항에 있어서, 탄화물은 캐스팅의 15 내지 60% 체적분율을 포함하는 캐스팅.
제1항에 있어서, 미세조직은 잔류 오스테나이트 매트릭스에 분산된 15 내지 30 체적%의 탄화물을 포함하는 캐스팅.
제1항에 있어서, 탄화물들은 크롬-철-망간 탄화물을 포함하는 캐스팅.
제1항에 있어서, 용체화 처리 후, 철계 매트릭스는 일차(primary) 오스테나이트 덴드라이트 및/또는 공정(eutectic) 오스테나이트를 포함하고 그리고 탄화물 상은 일차 크롬-철-망간 탄화물 및/또는 공정 크롬-철-망간 탄화물을 포함하는 캐스팅.
제1항에 있어서, 니오븀 탄화물 및/또는 니오븀 탄화물과 티타늄 탄화물의 화학적 혼합물을 더 포함하는 캐스팅.
제1항에 있어서, 상기 매트릭스는 실질적으로 페라이트가 없는 것인 캐스팅.
제1항에 있어서, 아래와 같은 벌크 화학조성을 포함하는 캐스팅:
크롬: 10 - 40 중량%;
탄소: 2 - 6 중량%;
망간: 8 - 20 중량%;
실리콘: 0 - 1.5 중량%; 및
나머지의 철 및 부수적 불순물들.
제1항에 있어서, 하기와 같은 벌크 화학조성을 포함하는 캐스팅:
크롬: 7 - 36 중량%;
탄소: 3 - 8.5 중량%;
망간: 5 - 18 중량%;
실리콘: 0 - 1.5 중량%;
티타늄: 2 - 13 중량%; 및
나머지의 철 및 부수적 불순물들.
제1항에 있어서, 하기와 같은 벌크 화학조성을 포함하는 캐스팅:
크롬: 7 - 36 중량%;
탄소: 3 - 8.5 중량%;
망간: 5 - 18 중량%;
실리콘: 0 - 1.5 중량%;
니오븀: 8 - 33 중량%; 및
나머지의 철 및 부수적 불순물들.
제1항에 있어서, 하기와 같은 벌크 화학조성을 포함하는 캐스팅:
크롬: 7 - 36 중량%;
탄소: 3 - 8.5 중량%;
망간: 5 - 18 중량%;
실리콘: 0 - 1.5 중량%;
니오븀 및 티타늄: 5 - 25 중량%; 및
나머지의 철 및 부수적 불순물들.
제1항에 따른 캐스팅을 포함하는, 가혹한 연마 및 침식 마모에 사용되는 장치.
제1항에 따른 캐스팅을 제조하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
(a) 하기와 같은 벌크 화학조성을 포함하는 백주철 합금의 용융물을 형성하는 단계;
크롬: 7 - 36 중량%;
탄소: 3 - 8.5 중량%;
망간: 5 - 18 중량%;
실리콘: 0 - 1.5 중량%;
티타늄: 2 - 13 중량%; 및
나머지의 철 및 부수적 불순물들.
(b) 상기 용융물을 몰드에 부어 상기 캐스팅을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 캐스팅을 실질적으로 실온으로 냉각시키는 단계;
를 포함하는 캐스팅 제조방법.
제16항에 있어서, 상기 공정 (c) 단계 이후,
(d) 용체화 처리 온도로 캐스팅을 가열하고; 및
(e) 상기 캐스팅을 담금질(quenching)함으로써,
캐스팅을 열처리하는 단계를 더 포함하는 캐스팅 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 필요 특성은 인성, 경도, 내마모성, 가공 경화능력, 내부식성 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것인 캐스팅.
제15항에 있어서, 상기 장치는 슬러리 펌프와 파이프라인들, 분쇄기 라이너(mill liner), 파쇄기(crusher), 트랜스퍼 슈트(transfer chute) 및 지면 결합공구(ground engaging tool)로부터 선택되는 것인 장치.