(72) 발명자 이규필 서울특별시성동구응봉동대림 1 차아파트 10 동 1407 호 최순욱 경기도고양시일산서구주엽 1 동강선마을 14 단지아파트 이발명을지원한국가연구개발사업 과제고유번호 부처명 국토해양부 연구사업명 건설기술혁신 연구과제

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로진 대
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1 (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (45) 공고일자 2013년07월17일 (11) 등록번호 (24) 등록일자 2013년07월05일 (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) C22C 38/00 ( ) C21D 6/00 ( ) E21D 9/08 ( ) (21) 출원번호 (22) 출원일자 2012 년 12 월 21 일 심사청구일자 2012 년 12 월 21 일 (65) 공개번호 (43) 공개일자 2013 년 07 월 03 일 (30) 우선권주장 년 12 월 23 일대한민국 (KR) (56) 선행기술조사문헌 KR A KR A KR A (73) 특허권자 한국건설기술연구원 경기도고양시일산서구고양대로 283( 대화동 ) (72) 발명자 배규진 경기도고양시일산동구풍동숲속마을 6 단지아파트 605 동 902 호 장수호 서울특별시마포구상암동 1643 상암월드컵파크 3 단지아파트 307 동 1201 호 ( 뒷면에계속 ) (74) 대리인 이준서 KR A 전체청구항수 : 총 3 항 심사관 : 정상익 (54) 발명의명칭 TBM 용고경도디스크커터링의다상복합주강조성물및이를이용한디스크커터링의제조방법 (57) 요약 본발명은커터링의경도를향상시켜충격저항성을향상시키는반면마모를저감시키기위한 TBM 용고경도디스크커터링의다상복합주강조성물에관한것이다. 본발명은 TBM 용디스크커터링의제조를위한합금조성에서, 전체조성물의총중량에대하여 Si 0.3wt%, Mn 1.3wt%, V 1.0wt%, C wt%, Mo 2wt% 에대하여 B wt% 을첨가하고잔부 Fe 로조성하고 930 를 3 시간유지하는풀림공정, 860 를 3 시간유지하는소입공정및냉각후 290 를 2 시간유지한후재냉각하는염욕공정을포함하는염욕담금질열처리방법에의해, 커터링의경도, 내마모성및내충격성을향상시켜커터의마모와파손을최소화할수있는특징이있다. 대표도 - 도 9-1 -

2 (72) 발명자 이규필 서울특별시성동구응봉동대림 1 차아파트 10 동 1407 호 최순욱 경기도고양시일산서구주엽 1 동강선마을 14 단지아파트 이발명을지원한국가연구개발사업 과제고유번호 부처명 국토해양부 연구사업명 건설기술혁신 연구과제명 TBM 핵심설계. 부품기술및 TBM터널의최적건설기술 (2차년도) 주관기관 한국건설기술연구원 연구기간 ~

3 특허청구의범위청구항 1 TBM용디스크커터링의제조를위한합금조성에있어서, 전체조성물의총중량에대하여 Si 0.3wt%, Mn 1.3wt%, V 1.0wt%, C wt%, Mo 2wt% 에대하여 B wt% 을첨가하고잔부 Fe로조성한 TBM용고경도디스크커터링의다상복합주강조성물. 청구항 2 TBM용디스크커터링의제조방법으로서, 전체조성물의총중량에대하여 Si 0.3wt%, Mn 1.3wt%, V 1.0wt%, C wt% 및 Mo 2wt% 에대하여 B wt% 을더포함하며잔부 Fe로이루어진다상복합주강조성물을이용하여주조에의해디스크커터링의형상을만든후열처리에의해이루어지는것을특징으로하는 TBM용디스크커터링의제조방법. 청구항 3 제2항에있어서, 상기다상복합주강조성물의내충격성을향상시키기위해, 다상복합주상조성물에의해만들어진디스크커터링의제품에수행하는열처리는, 930 에서 3시간유지하는풀림공정, 860 에서 3시간유지하는소입공정, 및냉각후 290 에서 2시간유지한후재냉각하는염욕공정을포함하는염욕담금질열처리에의해이루어지는것을특징으로하는 TBM용디스크커터링의제조방법. 명세서 [0001] 기술분야본발명은터널의기계굴착장비인암반굴착용 TBM(Tunnel Boring Machine) 에사용되는암석절삭도구 (cutting tool) 인디스크커터 (disc cutter) 의링 (ring) 을제작하기위한합금조성물에관한것으로서, 특히실제암석을절삭하는부분으로서디스크커터에서가장중요한커터링 (cutter ring) 의경도를향상시켜충격저항성을향상시키는반면마모를저감시키기위한다상복합주강조성물및이를이용하여디스크커터링을제조하는방법에관한것이다. [0002] [0003] [0004] 배경기술터널기계화굴착공법 (mechanized tunnelling) 에사용되는터널굴착기 (Tunnel Boring Machine; 이하, "TBM" 이라고약칭함 ) 는종래의대표적인발파공법과는달리소음및진동등의환경피해요소가적고굴착직후주변지반의이완을방지하여터널의안정성확보에유리할뿐만아니라, 균질한지반조건에서고속굴진을유도할수있으며연장이긴터널에서발파공법보다공사기간과공사비용을대폭절감할수있는것으로알려져있다. 대한민국등록특허제 호에는이러한 TBM에대해개시되어있다. TBM의가장핵심적인부분은, 실제지반을절삭하게되는도 1에나타낸바와같은회전식면판 (cutterhead) 이다. 일반적으로암반에대응하기위한면판에는도 2에나타낸바와같은디스크커터가장착되게된다. 디스크커터는커터링 (cutter ring), 롤러베어링 (roller bearing) 등을포함하여약 20개의세부부품들로구성된다. 디스크커터는 TBM의굴착성능을좌우할뿐만아니라, 소모성재료이기때문에 TBM의경제성측면에서매우중요한부품이다

4 [0005] [0006] [0007] 디스크커터에는직경별로도 3에나타낸바와같은커터링 (cutter ring) 이장착된다. 커터링은 TBM이작동함에따라회전하면서실제로암반을굴착하는부분으로서굴착과정이진행되면서마모또는파손이될수있으며, 이경우디스크커터를교체해야하기때문에이로인해시공지연또는시공지체가발생한다. 따라서커터마모와교체를최소화할수있는커터링의고경도 고강도화가중요한기술적사항이다. 커터링은합금강 (alloy steel) 으로서경도와강도의균형이중요하며, 인성도중요한물성이다. 예를들어, 취성강재는충격감도와마모도가높기때문에, 커터링재료의선정이매우중요하다. 선행기술문헌 [0008] 특허문헌 ( 특허문헌 0001) 대한민국등록특허공보제 호 ( 공고 ) 참조. 발명의내용 [0009] 해결하려는과제본발명의목적은전술한점을감안하여안출된것으로, 보론 (Boron/B) 의미량첨가를통해디스크커터에서가장중요한커터링재질의소입성및제반기계적특성을향상시켜커터의마모와파손을최소화할수있는다상복합주강조성물및이를이용한디스크커터링의제조방법을제공함에있다. [0010] [0011] [0012] 과제의해결수단이와같은목적을달성하기위한본발명에따른 TBM용고경도디스크커터링제작에적합한다상복합주강조성물은, TBM용디스크커터링의제조를위한합금조성물으로서, Si 0.3wt%, Mn 1.3wt%, V 1.0wt%, 및 C wt% 에대하여 B wt% 와 Mo 2wt% 를첨가하고잔부 Fe로이루어진조성을가진다. 또한본발명에따른다상복합주강조성물을이용하여 TBM용디스크커터링을제조하는방법은, Si 0.3wt%, Mn 1.3wt%, V 1.0wt%, C wt% 및 Mo 2wt% 에대하여 B wt% 를더포함하며잔부 Fe로이루어진다상복합주강조성물을이용하여주조에의해디스크커터링의형상을만든후열처리에의해이루어지는것을특징으로한다. 또한위와같은본발명의방법에서, 상기다상복합주강조성물의내충격성을향상시키기위해, 다상복합주상조성물에의해만들어진디스크커터링의제품에수행하는열처리는, 930 에서 3시간유지하는풀림공정, 860 에서 3시간유지하는소입공정, 및냉각후 290 에서 2시간유지한후재냉각하는염욕공정을포함하는염욕담금질열처리에의해이루어지는것을특징으로한다. [0013] 발명의효과본발명의 TBM용고경도디스크커터링의다상복합주강조성물은, 보론 (B) 의미량첨가로재료의소입성향상및기계적특성향상을도모하고, 바나듐 (V) 의사용량증가를통해바나듐 (V) 과탄소 (C) 의결합에의해미세탄질화물형성및결정립미세화로인성을향상시키고, 탄화물형성원소인몰리브덴 (Mo) 의첨가및사용량증대로기계적특성을향상시켜 TBM에사용되는디스크커터의고경도커터링을생산할수있게하는효과를갖는다. [0014] 도면의간단한설명 도 1 은 TBM 의회전식면판 (cutterhead) 을나타낸도면대용사진이다. 도 2 는도 1 의면판에장착되는디스크커터를나타낸도면대용사진이다

5 도 3은디스크커터직경별커터링을나타낸도면대용사진이다. 도 4는온도변화에따른재료별마찰계수를나타내는그래프이다. 도 5 및도 6은각각국산규격재료와독일산디스크커터재료의미세조직분석결과를나타내는도면대용사진이다. 도 7 및도 8은각각국산규격재료와독일산디스크커터재료의 X선회절분석결과를나타내는그래프이다. 도 9는 1차및 2차다상복합주강의주조및열처리후의경도값비교그래프이다. 도 10은본발명에따른합금조성물에대해염욕담금질조건 ( 열처리조건 ) 을적용한후내충격시험을수행한상태의시편모습에대한도면대용사진이다. [0015] [0016] [0017] [0018] [0019] 발명을실시하기위한구체적인내용이하, 첨부한도면들을참조하여본발명의바람직한실시예를상세히설명한다.. 현재까지개발또는상용화된디스크커터가운데성능이뛰어난디스크커터는 TBM의최대제작사인독일의 A 사의제품으로알려져있는데, 이회사의디스크커터는최대압축강도 300MPa의암반굴착에도적용될수있는것으로알려져있다. 본발명이발명자들은이러한종래의우수한디스크커터링의재료분석과제반기계적특성들에대한성능평가를실시하여고경도디스크커터링제작을위한합금조성물을개발하는데참고하였다. 디스크커터의제반특성평가를위해 OE Spectrometer에의해성분분석을실시하였으며시험방법으로는 KS D 1652:2001을이용하였다. 하기표 1은각각종래의국산규격재료 ( 일본공업규격SKD11 및 SKD61에대응되는국산규격재료 ) 와독일산디스크커터링의제작에이용한합금조성물의화학조성을나타낸다. 표 1 [0020] [0021] [0022] [0023] 위의표 1에나타낸바와같이, 국산 SKD11 합금조성물에비하여독일 A사의디스크커터링을위한합금조성물 ( 이하, " 독일산합금조성물 " 이라고약칭함 ) 은크롬 (Cr) 과탄소 (C) 의함유량이낮은강종임을파악하였다. 또한, 독일산합금조성물의경우, 바나듐 (V), 몰리브덴 (Mo) 등의인성및탄화석출물을제어하는조성이높기때문에내마모및내충격성등의물성향상인자로작용하였다고할수있다. 또한, 상기강종은표 1에서보는바와같이국산 SKD61 합금조성물과유사한화학조성을가지는것으로파악된다. 대부분의합금조성이규격내에있으나, 탄소 (C) 의농도가다소높은데, 이는강도향상을위한고려라고할수있다. 한편, 독일산합금조성물의경우, 국산규격에포함되지않은니켈 (Ni) 이함유되어있으며, 이는니켈 (Ni) 을통한인성향상을기대한것으로보인다. 구리 (Cu) 의첨가는의도적이기보다는원료인파편 (scrap) 에함유된것으로보인다. 상기재료들의기계적특성평가를위해경도측정평가, 마찰계수측정평가그리고내마모측정평가를실시하였다. 첫째로, 경도측정평가는 Rockwell과 Micro vickers 경도기를사용하여측정하였고, 경도측정은 5회를측정후평균값을내어측정된수치의신뢰성을얻고자하였다. SKD11 합금조성물에대해시험을수행하여물성을측정한결과, HRC의평균값은 59.5 HRC로측정되었다. 또한, Micro vickers 경도기를이용하여측정한 SKD11 합 - 5 -

6 금조성물에대한시험결과는 Hv 로측정되었다. 독일산합금조성물에대한측정결과는 SKD11 합금조성 물의측정값보다다소낮게측정되긴하였으나큰차이는아니며비슷한수준인것으로파악되었다. 이를정리 하면다음의표 2 와같다. 표 2 에서 " 독일 " 이라고기재한것은상기한독일산합금조성물을지칭한다. 표 2 [0024] [0025] [0026] [0027] [0028] [0029] 둘째로, 마찰계수측정평가는고온용마찰계수측정기를사용하여측정하였고, 마찰계수측정은각각의조건마다 5회를측정후평균값을내어측정된수치의신뢰성을얻고자하였다. 실험조건은하중을 50N으로고정시킨후, 상온부터 300 까지각각의온도변화에따른마찰계수측정평가를실시하였다. 각시편은 2cm지름과 2cm의길이의바 (bar) 형태로가공되었으며, 가로 5cm, 세로 12cm의상대재에직선운동을통해마찰력이측정된다. 상대재료로서 SCM440 소재를가공하여사용하였다. 도 4는온도변화에따른재료별마찰계수를측정한그래프로, 가로축은온도 (temperature) 를, 세로축은마찰계수 (friction coefficient) 를나타낸다. 도 4에나타낸그래프를보면, 상온에서의마찰계수는국산규격 ( 커터링제작용국산합금조성물 ) 의 0.13이고, 독일산합금조성물의 0.15로서큰차이는보이지않았다. 두재료모두상온부터 200 까지는큰변화를보이지않았으나, 200 이상에서급격하게마찰계수가증가하는경향을나타내고있다. 200 이상의고온에서는국산규격의마찰계수가약 0.4로서독일산합금조성물의 0.6보다다소작음을알수있다. 이는상기표 1에서보인바와같이, 국산규격의경우 11% 의크롬 (Cr) 이함유되어있는바, 이로인하여고온내산화성및윤할성이우수한크롬계산화물을형성하는것으로보이며, 오히려독일산합금조성물의경우보다우수한마찰특성을나타낸다. 디스크커터의경우커터주변에지하수등으로인한냉각수가공급되는조건이므로비교적 200 이상의높은온도에노출되지는않을것으로사료되나, 고온발생이가능한경우라면상기재료의특성을고려하여야한다. 셋째로, 내마모측정평가는 Pin-on disc wear tester를이용하여측정하였고국산규격재료와독일산합금조성물의평가결과를비교분석하였다. 마모시험에서 Stroke는 ±15mm, Load는 50N, 주파수 (frequency) 는 3Hz이었으며 Friction time은 3600초로고정하였다. 상기두재료들의내마모시험을수행한결과, 하기표 3에나타낸바와같이, 국산규격재료에대해서는다소편차는있었으나평균 g으로독일산재료대비약 15배정도내마모특성이낮은것으로나타났다. 아래의표 3에서 " 독일산 " 은독일산합금조성물을의미하며, "SKD" 및 " 하이스강 " 은각각커터링제조를위한국산규격 ( 국내산합성조성물 ) 을의미한다. 특히 SKD 는커터링제조를위한합금관련일본공업규격에서의합금식별번호로서, SKD 라는용어와 국산 이라는용어를사용할경우, 이는 국내에서생산된 SKD규격에대응되는것 이라는의미이다. [0030] - 6 -

7 표 3 [0031] [0032] [0033] 이상의결과로부터, 국산규격재료에대해서는전체적으로내마모성의열위가개선되어야하고성능편차에대해서도개선되어야한다는결론에이르게된다. 금속학적특성을고려한다면국산규격소재에포함된탄화석출물의조대화및입계의편석에따른특성이발현된것으로사료된다. 샤르피충격흡수에너지시험 ( 상온시험 ) 에의한상기두디스크커터재료에대해충격시험을실시한결과를하기표 4에나타내었다. 표 4에서도 " 독일산 " 은독일산합금조성물을의미하며, "SKD" 는커터링제조를위한국산규격 ( 국내산합성조성물 ) 을의미한다. 표 4 [0034] [0035] [0036] [0037] [0038] 충격시험에사용된시험편의크기는 KS B 0809에의거하여 45 이며 V-notch와 U-notch는모두 2mm이었다. 충격에너지 (striking energy) 는 300J이며마찰손실 (Friction loss) 로 1.2J를고려하였다. V-notch 시험편의경우에는재료에상관없이모두 3J로측정되었으나, U-notch 시험편의경우에는독일산합금조성물이국산규격재료보다충격흡수에너지가 3.8배크게나타났다. 이상과같이독일산합금조성물이국산규격재료보다충격에대한저항력이훨씬크다는것을확인할수있었다. 또한, 국산규격재료와독일산합금조성물의금속학적특성분석을위하여, 재료별로시편을 2000번연마지로기계적연마후에면포에서 0.3μm의알루미나를이용하여폴리싱을실시하였다. 에칭은 4% nital(distilled water 96ml + Nitric Acid 4ml ) 로에칭후금속현미경을이용하여미세조직분석을실시하였다. 경질입도 (Grain size) 는직경측정법을적용하였으며, 측정방법으로는 100배율에서찍은금속현미경사진에서라인μm당측정되는결정립의수를측정후평균값을내어 ASTM(American Society for Testing and Materials) 결정립도측정기준표에적용하였다. 여러조직부분을가로, 세로방향으로각각 10회를측정후평균값을내어측정된수치의신뢰성을얻고자하였다. 도 5 및도 6은각각국산규격재료의미세조직과독일산합금조성물의미세조직분석결과를나타내는그림이다

8 [0039] [0040] [0041] [0042] [0043] [0044] [0045] [0046] 국산규격재료의미세조직분석결과에서는, ASTM grain size number는 10, 경질입도는 1.7μm로측정되었으며표준편차는 2.57μm이다. 입계에석출물이다량관찰되었으며석출물이조대함을나타내고있다. 독일산합금조성물의미세조직분석결과에서는, ASTM grain size number는 11, 경질입도는 8.1μm로측정되었으며표준편차는 2.57μm이다. 경질입도 (Grain size) 는국내재료에비해크고입계와입내에석출물이소량관찰되었으며석출물이국내재료에비해미세함을나타내고있다. 이상과같이독일산합금조성물은탄소의양이적으므로석출물이미세하고입계편석이국산규격재료에비해적음을알수있다. 따라서인성및내마모성이국내재료보다독일산합금조성물이우수함을파악할수있다. 국산재료와독일산합금조성물의시편에대해각각상분석과결정방향을측정하기위하여 X선회절분석기 (XRD: X-ray Diffraction) 를사용하였다. 도 7 및도 8은각각국산규격재료와독일산합금조성물의 X선회절분석결과를나타내는그래프이다. 도 7을보면, 국산재료의 X선회절분석결과에서는결정방향이 (110), (200), (211) 인 Fe-Cr인상과 (111), (200), (220) 방향인 Cr0.19Fe0.7Ni0.1상으로측정되었으며국산재료는 High Cr 강종으로 Ferrite peak가강하게나타났다. 도 8을보면, 독일산합금조성물의 X선회절분석결과에서는결정방향이 (111), (200), (220) 방향인 Cr0.19Fe0.7Ni0.1와 (110), (200), (211) 방향인 Fe-Cr인상으로측정되었다. 또한독일산합금조성물는 Low Cr으로서 Austenite peak가강하게나타났다. 이상의화학조성분석결과와같이, 두샘플은서로다른화학조성을나타내고있으며, 페라이트 (Ferrite) 안정화원소인 Cr과이와같은특성을나타내는화학조성들의수치는아래의식으로나타낼수있다. 수학식 1 [0047] [0048] [0049] 상기한수학식 1 을이용하여계산해보면, 아래와같다. 국산규격재료 (SKD11): Cr eq.= =15.5% [0050] 독일산합금조성물 : Cr eq.= =13.4% [0051] [0052] [0053] [0054] [0055] [0056] 즉, 국산재료의경우체심입방격자 (BCC) 형첨가원소의역할이지대하여페라이트 (Ferrite) 계특성이주로나타났고, 독일산합금조성물의경우는고온안정상인면심입방격자 (FCC) 형의특성인오스테나이트 (Austenite) 계특성이나타났다. 본발명에서는위와같은상기기존국산규격재료및세계최고수준인독일커터링재료분석결과를기반으로, 내마모 / 내충격성이높은고경도커터링의합금조성물을개발하였다. 현재국산 SKD11의합금조성물의경우에는 Cr함량이높은반면, 독일산합금조성물의경우에는인성향상을위한 Ni가함유되어있고, Mo와 V의함량이상대적으로높은것이특징이다. 기본적으로본발명이다루는기술적인분야는합금강 (alloy steel) 이며, 이가운데특히보론강 (Boron steel) 에대한것이다. 합금강 ( 合金鋼, alloy steel) 은철과탄소의합금인강의성질을개량할목적으로크롬, 니켈, 망가니즈, 몰리브덴넘, 텅스텐등과같은원소를하나이상첨가해서만든강이다. 대표적인것에는크롬강, 니켈강등이있다. 보론강 (Boron steel) 은강인강 ( 强靭鋼 ) 의일종으로서경도가높아내마모성 ( 耐磨耗性 ) 이우수하다. 미량의붕소 ( 硼素 ; wt%) 로담금질성이현저하게향상되지만양이지나치면보론카바이드가석출 ( 析出 ) 하여 - 8 -

9 여리게된다. 하지만, 적절한소량의보론을첨가하면강의담금질이잘되어고가의합금원소가절약된다. [0057] [0058] [0059] [0060] 본발명의개념을정리하면다음과같다. 1) 보론의미량첨가로재료의소입성향상및기계적특성향상도모 ; 2) V의사용량증가를통해 V와 C의결합에의해미세탄질화물형성및결정립미세화로인성향상 ; 및 3) 기계적특성향상을위해탄화물형성원소인 Mo 첨가및사용량증대. [0061] 이상과같은개념을통해선정한시험대상화학조성표는다음의표 5 와같으며, 1 차시험조성과 2 차시험조성에 서의열처리조건은다음의표 6 과같다. 표 5 [0062] 표 6 [0063] 풀림 (Annealing) 소입공정및소려공정 (Quenching& Tempering) 온도 930 (3 시간 ) 온도 850 (2 시간 ) 및 180 (3 시간 ) [0064] [0065] [0066] [0067] [0068] 2차시험조성에서는 1차합금설계보다좋은기계적특성값을얻기위해탄화물형성원소인몰리브덴 (Mo) 을첨가하였고, 망간 (Mn) 을 0.8wt.% 에서 1.3wt.% 로증가시키면서합금성분에따른기계적특성변화를조사하였다. 1차시험조성에의한주강 (#1, #2, #3) 과 2차시험조성에의한주강 (#4, #5, #6, #7) 에대해각각주조상태의경도값과열처리후경도값을비교한결과는도 9와같다. 도 9의경도값비교결과를보면, 몰리브덴 (Mo) 이 2wt.% 첨가된 2차합금조성에서몰리브덴 (Mo) 이첨가되지않은 1차합금조성보다경도값 (HRc) 이 15이상증가하였으며, 특히보론 (B) 이 0.03wt.% 이하인경우 (#6) 에서경도값 (HRc) 이 50이상으로높게유지되었다. 또한, 2차합금조성의경우열처리후의측정경도값은본발명에서목표로설정한경도값 (HRc) 60 이상을모두충족하였다 ( 독일산합금조성물의경도값은약 50HRc 수준 ). 따라서본시험대상합금조성가운데에서는조성 #6의경우가열처리이후의경도가가장크게나타났으며보론 (B) 의사용량이가장작고탄소 (C) 의함량또한작기때문에재료의기계적특성발현과경제적측면에서가장유리한것으로판단된다 ( 최적조성 ). 또한전반적으로본발명에서목표로설정한 60HRc 이상을만족하는합금조성의범위를요약하면다음의표 7과같다

10 표 7 [0069] [0070] [0071] [0072] [0073] [0074] [0075] 위의표 7에요약된바와같이, 본발명의커터링제조용합금조성물은전체조성물의총중량에대하여 B wt%, Si 0.3wt%, Mn 1.3wt%, V 1.0wt%, C wt%, Mo 2wt% 및나머지는 Fe로이루어져있다. 여기서 wt% 는중량 % 를의미한다. 즉, 전체합금조성물의총중량을 100이라고하였을때, 각각의성분이차지하는중량을의미하는것이다. 위와같은본발명의합금조성물에서, B는재료의소입성향상및기계적특성향상을도모한다. 그러나 B 함유량이너무과다하면보론카바이드가석출하여여리게되기때문에 wt% 의미량만첨가한다. 만일보론 (B) 의함유량이 0.01중량 % 미만인경우에는소입성의향상및그에따른기계적특성의향상이미미하게된다. 한편, 보론이 0.03중량 % 를초과하는량으로다량첨가되면, 변태특성의영향이발생하기때문에불리하게된다. 따라서본발명에서는경제적이면서도높은성능을합금조성물을구현하기위하여침입형합금원소인 B의함유량을위와같은범위로최적화하였다. 특히, 본발명자들은 B의첨가량을 0.01, 0.05, 0.1 wt.% 로변화시키면서열처리를통해베이나이트상으로변태하는오스테나이트상과페라이트상의비율을제어하기위해치환형합금원소인 Mn의첨가량을최적화하여기계적특성의변화를조사하였는바, 표 5와표 6에개시된실험에의한검증을통해서 B 함유량을 wt% 로제한한다. 한편, V는 C와의결합에의해미세탄질화물을형성하며, 특히고온측에있어서의승온연화저항을크게함과동시에합금조성물의고온강도를향상시키고, 또한결정입자를미세화하여우수한인성을부여한다. 특히, 결정입자의미세화에의한인성개선효과가크다. 그러나, 첨가량이너무과다하면거칠고큰탄화물을생성하며인성을저하시키고, 반대로너무낮으면상기한바와같은첨가효과를얻을수없으므로본발명에서 V의함유량은 1.0wt% 로한다. 또한, Mo는탄화물을형성하여내마모성을부여하고기지 ( 地基 ) 에고용 ( 固溶 ) 해서담금질성을향상시키며, 다시뜨임에의해미세한탄화물을석출하여승온연화저항및고온강도를증가시킨다. 또한, Mo의첨가는결정입자의미세화, 적당한산화특성등을부여한다. 그러나, Mo 첨가량이너무과다하면인성이확대되어고온에서고경도를유지할수없게되고반대로너무적게되는경우에는강도가약화되어내마모성이약화될우려가있기때문에본발명에서 Mo 함유량은 2wt% 로한다. 위와같은조성을가지는합금조성물로 TBM에사용되는디스크커터링을제작할경우내마모및내충격성이높은고경도의커터링을기대할수있다. 또한위와같은조성물의합금으로주조후열처리과정을통한디스크커터링의제조방법에의할경우경도값 (HRc) 60이상의가장높은경도를가지는커터링을기대할수있다. 본발명자들은본발명에따른합금조성물에대하여, 내마모성척도인중량감소량을 Pin-on disc wear tester 에의해측정하였다. 다음의표 8은본발명에대한내마모측정결과와, 국내외종래재료에대한내마모측정결과를정리한것이다. 마모시험에서의 Stroke는 ±15mm, Load는 50N, Frequency는 3 Hz이며 Friction time 은 3600초로고정하였다. 표 8에서확인할수있듯이, 본발명에따른합금조성물이발휘하는내마모성은종래의국산제품보다월등하며종래의외국산제품 ( 독일및이탈리아제품 ) 과동등한것으로확인되었다. 표 8 [0076] 구분중량감소량 본발명 SKD11 ( 국내 ) 독일 A 사 이탈리아 B 사 g g g g

11 [0077] 아울러, 본발명자들은내충격성평가를수행함과동시에최적열처리조건에대해서도연구를수행하였는바, 본발명에따른합금조성물에대해충격시험에의해샤르피 (Sharpy) 충격흡수에너지 (U-notch 시험편기준 ) 를측정한결과, 종래의국내 SKD11의합금조성물과유사한수준을가지는것으로확인되었다. 아래의표 9는내충격성평가시험결과이다. [0078] 구분 샤르피충격흡수에너지 (U-notch 시험편 ) 본발명 2 J SKD11 ( 국내의종래기술 ) 1.7 J 표 9 [0079] 본발명자들은, 본발명의합금조성에대해서, 최적조성 ( 조성 #6) 상태일때의내충격성을향상시키고자열처리방법으로서염욕담금질열처리방법을적용하였다. 구체적으로본발명에서적용된염욕담금질조건은다음의표 10과같다. 표 10 [0080] 풀림 (Annealing) 소입공정및염욕공정 온도 930 (3 시간 ) (Quenching & Salt bath) 온도 860 3시간유지 + 냉각후 290 로 1) 0.5시간, 2) 1시간및 3) 2시간유지후냉각 [0081] 위의표 10 의염욕공정조건에따른처리를거친본발명에따른합금조성물에대해샤르피충격흡수에너지 (U- notch 시험편기준 ) 를측정한결과 ( 내충격성평가결과 ) 는다음의표 11 및도 10 같다. [0082] 표 11 열처리 풀림 소입공정 염욕공정 샤르피충격흡수에너지 ( 단 조건 위 : J) #1 온도 930 온도 냉각후 290 로 0.5시간유지 5 3시간유지 시간유지 후냉각 #2 냉각후 290 로 1시간유지 7 후냉각 #3 냉각후 290 로 2 시간유지후냉각 11 [0083] [0084] 구체적으로도 10은본발명에따른합금조성물에대해표 11의염욕담금질조건 ( 열처리조건 ) 을적용한후내충격시험을수행한상태의시편모습에대한도면대용사진인데, 도 10을보았을때최좌측에있는것은 290 로 0.5시간유지한시편에대한것이고, 중앙에있는것은 290 로 1시간유지한시편에대한것이며, 최우측에있는것은 290 로 2시간유지한시편에대한것이다. 이상의결과로부터본발명에따른최적조성을가지는합금조성물 #6에대하여열처리조건 #3을적용할경우샤르피충격흡수에너지가 11 J로서외산 ( 독일및이탈리아 ) 재료보다도내충격성이향상되었음이확인되었다. 표 12는내충격성실험결과이다. 표 12 [0085] 구분샤르피충격흡수에너지 (U-notch 시험편 ) 최적조성 #6 + 열처리조건 #3 SKD11 ( 국내의종래합급조성물 ) 독일 A 사의종래합금조성물 이탈리아 B 사의종래합금조성물 11 J 1.7 J 9.5 J 9.8 J

12 도면 도면 1 도면 2 도면

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Characteristic of Stainless Steel 304 vs. 316 STS 비교 스테인리스강화학성분비교 (ASTM A 479 Standard) Type UNS No. C Si 304 S S max 0.08

Characteristic of Stainless Steel 304 vs. 316 STS 비교 스테인리스강화학성분비교 (ASTM A 479 Standard) Type UNS No. C Si 304 S S max 0.08 304 vs. 316 STS 비교 304 316 스테인리스강화학성분비교 (ASTM A 479 Standard) Type UNS No. C Si 304 S30400 316 S31600 0.08 0.08 1.00 1.00 Mn P S Cr 2.00 2.00 0.045 0.045 0.050 0.050 18.00 20.00 16.00 18.00 Ni 8.00 10.5