개선된 내마모성 합금 document_id A220623038047

크롬 백주철, 특히 고 크롬 백주철은 매우 경질의 M7C3 탄화물(carbide)을 함유함으로써 내마모성을 나타내는데, 이때 상기 M은 Fe, Cr 또는 Cr, Fe이나, 조성물에 따라 Mn 또는 Ni와 같은 다른 원소를 소량 포함할 수도 있다. 상기 내마모성 고 크롬 백주철은 아공정(亞共晶; hypoeutectic), 공정(共晶; eutectic) 또는 과공정(過共晶; hypereutectic)일 수 있다. 상기 아공정 크롬 백주철은 약 3.0% 이하의 탄소를 보유하고, 그들의 마이크로구조는 M7C3 탄화물과 오스테나이트의 공정 혼합물의 매트릭스 내에 오스테나이트의 제1 수지상정(primary dendrites)을 함유한다. 상기 공정 백주철은 약 3.0% 내지 약 4.0%의 탄소를 가지며, M7C3 탄화물과 오스테나이트의 공정 혼합물의 마이크로구조를 포함한다. 상기 과공정 크롬 백주철은 약 3.5% 내지 약 5.0%의 탄소를 보유하는 반면, 그들의 마이크로구조는 M7C3 탄화물과 오스테나이트의 공정 혼합물의 매트릭스 내에 제1 M7C3 탄화물(primary M7C3 carbides)을 함유한다. 각각의 경우에 있어서, 공정 탄화물로서이건, 제1 탄화물로서이건 M7C3 탄화물의 존재에 의하여 마모 특성을 가진 합금이 제공된다. 과공정 백주철은 아공정 백주철보다 더 높은 부피 분율의 경질 내마모성 M7C3 탄화물을 보유하는 것으로 간주되고, 따라서 종종 다수의 하드페이싱 분야를 위한 바람직한 합금이다. 그러나, 상기 과공정 백주철은 일반적으로 주조에서는 바람직하지 않은데, 그 이유는 냉각 중 응력에 의하여 야기된 균열 때문이다. 당업계에서 널리 인식되고 있는 것은, 과공정 고 크롬 백주철을 이용하는 경우 내마모성은 증가되고, 상응하는 파괴 인성의 감소가 존재한다는 것이다. 고 크롬 백주철은 광업 및 광물 처리 산업, 내마모성이 요구되지만 상대적으로 낮은 파괴 인성이 허용되는 분야에서 광범위하게 사용된다. 그러나, 낮은 파괴 인성이 허용되지 않는 다른 분야도 존재한다. 이는 과공정 고 크롬 백주철은 사용가능하지 않았다는 것이며, 이를 해결하기 위한 다양한 시도가 이루어져 온 것을 의미한다. 주로 아공정 조성물 및 과공정 조성물 둘 다의 고 크롬 백주철에 관한 오스트레일리아 특허 출원 AU-A-28865/84의 배경기술 부분에는, 내마모성과 파괴 인성이 결합된 주조를 위한 만족스러운 과공정 백주철 합금을 개발하기 위한 다수의 실패한 노력들이 기재되어 있다. 또한, AU-A-28865/84는 아공정 조성물을 개발하기 위한 다양한 시도를 개시하고 있으며, 당업계에서 내마모성과 파괴 인성 딜레마에 대한 가능한 해결책을 제공함으로써 적합한 하드페이싱 합금을 개발하기 위한 시도를 끌어내고 있다. 그러나, AU-A-28865/84는 실제로 주조 조성물을 주조 복합체로서 형성함으로써, 즉 기재(substrate)에 금속학적으로 결합된 바람직한 합금을 포함하는 복합 성분을 생성함으로써 주조 합금 냉각 시 균열을 회피하는데 도움을 주어 캐스트 조성물의 균열 문제를 주로 해결하고 있다. 실제로, AU-A-28865/84는 75 마이크론 미만의 평균 단면 치수를 가지는 제1 M7C3 탄화물의 복합 주물을 형성함으로써 4.0 중량%를 초과하는 탄소를 보유하는 과공정 주조에 의하여 낮은 파괴 인성과 균열의 단점을 극복하려고 하고 있으며, 그렇게 하기 위한 다양한 메카니즘을 제안하고 있다. 따라서, AU-A-28865/84는 합금 자체 내에서 제1 M7C3 탄화물의 크기를 제한하고 복합 성분을 형성함으로써 상기 문제점을 해결하려는 목적을 갖고 있다. 또한, 미국 특허 제5,803,152호는 제1 탄화물의 핵 생성을 최대화하기 위해 특히 두꺼운 부분의 과공정 백주철 주물의 마이크로구조를 개량함으로써 파괴 인성뿐만 아니라 내마모성도 증가시키기 위한 시도들이 기재되어 있다. 상기 개량은 상기 금속이 주조공정을 위해 쏟아 부어질 때 미립자 재료를 용융된 금속의 스트림 내에 도입함으로써 달성된다. 상기 미립자 재료는 용융된 금속으로부터 열을 추출하고, 액상 온도 및 고상 온도 사이의 제1 상 고화 범위로 과냉각(undercool)하기 위한 것이다. 하드페이싱 합금에서 파괴 인성을 개선하기 위한 이전의 시도들에서, 미국 특허 제6,375,895호는 하드페이싱을 위한 대부분의 종래 고 크롬 백주철이, 이에 대한 예비적인 경고가 있었음에도 불구하고, 용접된 상태에서 항상 다소 조밀한 균열 네트웍(또는 체크 균열(check cracking))을 나타내는 것을 지적하고 있다. 미국 특허 제6,375,895호는 연질 오스테나이트 매트릭스(약 300 브리넬 경도 수(BHN) 내지 600 BHN) 내의 제1 탄화물(약 1700 BHN)의 대조적인 경도가, 용융 상태로부터의 냉각 시에 수축 균열을 야기하는 것을 나타내고 있다. 미국 특허 제6,375,895호에서 제공한 해결책은, 합금 전체를 통해 마이크로구조 내에서 실질적인 마르텐사이트의 존재와 안정된 경도(약 455 BHN 내지 512 BHN)를 보장하는 특별한 합금 조성, 하드페이싱하려는 베이스 성분의 예열 및 후속 냉각 기법이다. 본 발명의 목적은 주조될 수 있거나, 실질적으로 균열이 없는 하드페이싱 합금으로서 사용될 수 있는 내마모성 고 크롬 백주철을 제공하는 것이다. 주물을 제조하는 데 사용되는 경우, 본 발명의 백주철은 복합 성분의 형성이 불필요하거나, 또는 복잡한 주조 기법을 사용할 필요가 없다. 또한, 하드페이싱을 위한 백주철로 사용되는 경우, 고가의 예열 기법을 사용할 필요가 없다. 본 발명의 개요를 설명하기 이전에, 앞서 설명한 종래 기술들은 발명의 배경을 설명하려는 목적으로만 제공된 것으로 이해되어야 한다. 이러한 종래 기술에 대한 참고는 고려된 문헌 중 임의의 문헌의 개시가 널리 공지되어 있거나, 오스트레일리아 또는 다른 곳에서 통상적인 일반 지식의 범주 내에 들어가는 것으로 인식되어서는 안 될 것이다.