ZGMn13 은 오스테나이트계 고망간강으로, 강한 충격과 고압 조건에 적합한 내마모성 소재입니다. 이 소재의 가장 중요한 특징은 "충격이 클수록 내마모성이 더욱 향상된다"는 점입니다. 심한 충격을 받으면 표면 경도가 초기 HB180-220에서 HB500-800으로 급격히 상승하는 반면, 중심부는 높은 인성을 유지하여 내마모성을 극대화합니다. 엔지니어와 설계자들은 이 소재를 사용하여 광산, 건축 자재, 화력 발전 설비 등에서 분쇄기 이빨판, 볼밀 라이너, 굴삭기 버킷 이빨과 같은 중요한 내마모성 부품을 제작합니다.

ZGMn13(고망간강) 생산 공정의 핵심은 "주조"와 "열처리"에 있습니다. 주조 과정에서는 높은 수축률 문제를 해결해야 하며, 최종 성능의 핵심은 수경성 강화 처리에 있습니다.

1단계: 용융 (제강) 이 단계의 목표는 순수하고 조성적으로 양호한 용융강을 얻는 것입니다. 제강에는 일반적으로 전기로 산화법이 사용됩니다.

용융 및 산화: 용광로에 투입된 재료가 완전히 용융된 후, 탈탄 및 탈인 공정을 위해 산소를 불어넣는 산화 단계가 시작됩니다. 이는 용융강에서 유해한 불순물을 제거하는 데 매우 중요한 단계이며, 인(P) 함량을 0.015% 이하의 극히 낮은 수준으로 제어해야 합니다.

환원 및 합금: 산화 슬래그를 제거한 후, 예비 탈산 공정을 수행하고, 합금을 위해 다량의 페로망간을 배치식으로 첨가하여 조성을 목표 범위로 조정합니다. 최종 탈산은 출탕 전에 수행되며, 출탕 온도는 일반적으로 1470~1490℃로 제어됩니다.

2단계: 주조(성형) 이 단계는 주조품의 품질 관리에 있어 매우 중요한 단계입니다. 고망간강은 수축률이 높고(약 6.3%, 일반 탄소강의 1.5배) 열전도율이 낮다는 특징이 있습니다.

따라서 주조 공정 설계에는 다음과 같은 구체적인 조치가 필요합니다.

공정 설계: 수축을 효과적으로 보상하고 수축 공동 및 다공성을 방지하기 위해 "순차적 응고" 원리를 적용하여 충분히 큰 상승관과 냉각관을 사용해야 합니다.

성형 재료 : 고망간강과 규사 사이의 화학 반응으로 인한 "화학적 접착"을 방지하기 위해, 금형에는 마그네슘 올리빈 모래 또는 크롬철광 모래와 같은 알칼리성 재료를 사용하는 것이 좋습니다. 규사를 사용해야 하는 경우에는 특수 망간강 코팅을 적용해야 합니다.

붓기: 복잡한 형태(예: 치아 끝)를 완벽하게 형성하려면 붓는 온도와 속도를 세심하게 조절해야 합니다.

3단계: 열처리 (수경 강화)
이는 ZGMn13이 내마모 성능을 발휘할 수 있는지 여부를 결정하는 핵심 공정입니다. 주조 상태의 고망간강은 취성이 강하여 직접 사용할 수 없습니다.

핵심 원리: 주조물을 1050~1100℃로 가열하고 일정 시간 동안 유지하여 결정립계의 취성 탄화물이 오스테나이트에 용해되도록 합니다. 그런 다음, 급속 냉각을 위해 물에 담가 상온에서 균일한 단일 오스테나이트 구조를 얻습니다.

주요 작업:

열전도율이 낮아 주물에 균열이 생기는 것을 방지하기 위해 가열 속도를 제어해야 합니다.

탄화물 재침전 가능성을 차단하려면 물에 담그는 과정은 신속하고 단호해야 합니다.

일반적으로 물 온도는 30℃ 이하이어야 하며, 물의 양도 충분해야 합니다.

참고 사항: ZGMn13은 수경도 처리 후 초기 경도가 높지 않습니다(약 HB 190-230). 이 소재의 가장 큰 특징은 "가공 경화"입니다. 강한 충격이나 압축을 받으면 표면은 즉시 HB 500 이상으로 경화되는 반면, 내부는 높은 인성을 유지합니다.

4단계: 세척 및 마무리 수경 강화 처리 후, 주조품은 라이저 절삭 및 버 제거와 같은 마무리 작업을 거칩니다. 이 단계에서는 재료가 매우 단단하기 때문에 절삭 및 연마 작업이 주조 상태보다 더 어려워집니다.

국가 표준 GB/T 5680-1998에 따르면 ZGMn13은 다양한 작업 조건에 맞추기 위해 탄소 함량과 성능에 따라 여러 하위 등급으로 나뉩니다.

화학적 조성 범위:
탄소(C): 0.95% – 1.35%
실리콘(Si): 0.30% – 0.80%
망간(Mn): 11.00% – 14.00%
황(S): ≤0.035%, 인(P): ≤0.070%

국제 등급 코드는 다음과 같습니다.
국제/EU (영어): X120Mn12
독일(DIN): 1.3404 (X120Mn12에 해당)
미국(ASTM): A128 등급 A

기계적 성능 지표

초기 경도 HB 180~230. 초기에는 부드러워 가공 및 설치가 용이합니다.

충격 후 경도 HB 500~800. 강한 충격 후 표면이 빠르게 경화되며, 이것이 내마모성의 핵심 원천입니다.

인장 강도 615~735 MPa. 강도는 탄소 함량 및 충격 등급 요구 사항에 따라 달라지며, 탄소 함량이 높을수록 강도가 높아집니다.

연신율 15%~35%, 우수한 소성; 취성 파괴는 발생하지 않습니다.

충격 인성 ≥ 147 J 매우 높은 인성을 지니며, 충격 에너지를 효과적으로 흡수합니다.

우리 회사의 품질 관리 시스템

화학 성분 관리

화학적 조성은 성능에 매우 중요하며 각 원소의 함량 범위에 대한 엄격한 관리가 필요합니다.

주요 관리 요소: ZGMn13의 탄소 함량은 0.90%~1.50%, 망간 함량은 11.0%~14.0%입니다. 규소 함량은 일반적으로 0.30%~1.00%입니다. 충격 조건에 따라 국내 표준에서는 탄소 함량에 대한 더욱 구체적인 요구 사항을 가진 네 가지 등급으로 세분화되어 있다는 점에 유의해야 합니다. ZGMn13-4(고충격 부품)는 더 나은 인성을 확보하기 위해 더욱 낮은 탄소 함량(0.90%~1.20%)을 요구합니다.

유해 원소: 인(P)과 황(S)은 균열을 유발하는 유해 원소이므로 엄격한 관리가 필요합니다. 일반적으로 인(P) 함량은 0.07%~0.09% 이하, 황(S) 함량은 0.04%~0.05% 이하이어야 합니다.

합금 및 개량 처리: 성능을 더욱 향상시키기 위해 개량 처리, 접종 처리 및 미세합금 공정을 조합하여 사용하는 경우가 많습니다. 예를 들어, 탭 가공 전에 개량 처리로 페로티타늄 및 희토류 페로실리콘 합금을 첨가하면 결정립을 미세화하고 탄화물 형상을 개선할 수 있습니다. 또한, 미세합금 처리로 Cr(2.0%-2.5%) 및 Mo(0.4%-0.6%)와 같은 원소를 첨가하면 재료의 초기 경도와 가공 경화성을 향상시킬 수 있습니다.

제련 및 주조 제어
순수하고 밀도가 높은 주물을 얻기 위해서는 적절한 제련 및 주조 공정이 필수적입니다.

제련 설비: ZGMn13은 반응성이 높은 망간(Mn)을 다량 함유하고 있어 산성 용광로 내벽과 쉽게 반응합니다. 따라서 알칼리성 또는 중성 용광로 내벽 사용을 권장합니다. 산성 용광로 내벽은 심각한 화학적 모래 부착 및 제어할 수 없는 성분 손실을 초래할 수 있습니다.

타설 온도: 타설 온도가 지나치게 높으면 균열, 모래 부착 및 수축 기공 발생 위험이 증가합니다. 실제 생산에서는 1400℃~1470℃의 타설 온도가 더 적합합니다.

강철 처리 및 주조: 출탕 전에 철저한 탈산(예: 최종 알루미늄 탈산) 및 슬래그 제거가 필수적입니다. 게이팅 시스템 설계는 난류를 방지하고 개재물 혼입을 막아야 합니다. 또한, 순차적인 응고와 효율적인 공급을 위해 발열 라이저를 활용해야 합니다.

열처리 공정 제어(핵심)
열처리는 ZGMn13의 최종 물성에 매우 중요합니다. 이 단계를 제대로 수행하지 않으면 이전의 모든 노력이 헛수고가 될 수 있습니다.

핵심 공정: 수냉식: 간단히 말해, 주조물을 고온으로 가열하여 모든 탄화물을 오스테나이트에 용해시킨 다음, "담금질"을 위해 물에 급속히 담가 이 단일하고 부드러우면서도 매우 강한 오스테나이트 구조를 실온으로 "냉동"시키는 것입니다.

주요 매개 변수 :
난방 온도 : 1050℃ ~ 1100℃. 두꺼운 주조물의 경우, 상한 온도를 권장합니다.

유지 시간: 주물이 완전히 가열되었는지 확인하십시오. 일반적으로 주물 벽 두께를 기준으로 계산하며, 두께 25mm당 약 1시간입니다.

물 이송: 이 단계가 가장 중요합니다! 용광로 문을 여는 순간부터 주물이 물에 완전히 잠길 때까지의 이송 시간은 냉각 과정에서 오스테나이트로부터 탄화물이 석출되는 것을 방지하기 위해 2분 이내로 엄격하게 관리해야 합니다.

냉각 매체: 냉각 속도를 확보하기 위해 이상적으로 30℃ 이하로 유지되는 다량의 찬물을 흐르게 하여 사용하십시오.

품질 검사 및 관리: 검사는 이전 관리 조치의 효과성을 검증합니다.

기계적 특성: 수분 강화 처리 후, 인장 강도 σb ≥ 615MPa 및 충격 인성 ak ≥ 96 J/cm²가 요구됩니다.

금속 조직 구조: 표준 검사에 따르면, 양호한 미세 구조는 단일 오스테나이트 구조여야 합니다. 결정립계에 연속적이거나 불연속적인 망상 탄화물이 존재하면 불량으로 간주됩니다.

일반적인 결함 방지: 균열, 기공, 모래 부착은 흔히 발생하는 결함입니다. 이를 방지하기 위해서는 주조 공정 최적화(예: 열 분포 제어 및 주형 모래 수분 함량 감소)와 용융 및 주입 온도의 엄격한 제어가 필요합니다. 예를 들어, 화학적 조성에 의한 모래 부착은 주입 온도가 지나치게 높을 경우 용융강 내의 MnO가 규사(실리카 모래)와 반응하여 저융점 물질을 형성하기 때문에 발생합니다.

ZGMn13 소재의 응용 분야

광업 및 야금: 볼밀 라이너, 분쇄기 조 플레이트, 굴삭기 버킷 이빨, 삽 이빨

건설 기계: 궤도판, 탱크 궤도판, 구동륜, 지지 롤러

건축 자재 및 동력: 해머, 해머 플레이트, 롤러 슬리브, 분쇄벽, 연삭 용기

교통: 철도 분기기(개구리형 분기기)

기타 분야: 발파기 라이너, 암반 드릴링 로봇 부품, 자기부상열차 부품 등