KR100343856B1 - 분말 고속도 공구강으로 만든 성형펀치의 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분말 고속도 공구강으로 만들어진 성형용 펀치의 열처리 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 1.0 내지 2.5wt%의 탄소(C), 3 내지 6wt%의 크롬(Cr), 0.2 내지 7.0wt%의 텅스텐(W), 1.0 내지 7.2wt%의 몰리브덴(Mo), 2.5 내지 11wt%의 바나듐(V), 0 내지 11wt%의 코발트(Co), 나머지가 철(Fe)로 구성된 분말 고속도 공구강으로 된 성형펀치의 열처리 방법에 있어서, 상기 성형펀치를 진공로나 불활성 가스분위기로 또는 염욕로에 장입하여 1020∼1200℃에서 3분 내지 2시간 유지한 후 급냉하고, 580∼680℃의 온도 범위에서 30분 내지 5시간씩 1회 이상 템퍼링하는 것을 특징으로 하는 분말 고속도 공구강으로 만든 성형펀치의 열처리 방법을 제공한다. 이러한 열처리 방법을 사용한 분말 고속도 공구강 펀치는 성형을 할 때, 사용 중 쉽게 파손이 되지 않아 수명이 길고 또한, 펀치의 소요량을 대폭 줄일 수 있으므로 펀치소재비, 펀치가공비, 열처리비 등 제반 비용이 대폭 절감되여 경제적 효과가 매우 크다.

Description

분말 고속도 공구강으로 만든 성형펀치의 열처리 방법{A Heat Treatment Method of Forming Punch made of P/M High-speed Steel}

본 발명은 분말 고속도 공구강으로 만들어진 성형용 펀치의 열처리 방법에 관한 것으로서, 상세히는 상기 분말 고속도 공구강 펀치를 1020∼1200℃에서 오스테나이트 처리한 후, 580∼680℃의 온도 범위에서 고온 템퍼링을 실시함으로써, 높은 압력과 반복적인 응력으로 인해 발생하는 치핑(chipping)이나 파손을 억제하도록 하여, 상기 펀치의 수명을 대폭 증가시킨 열처리 방법에 관한 것이다.

소재를 용해한 후 주조, 열간단조, 압연 등의 일련의 공정에 의해 제조되고 있는 주조 고속도 공구강은 용해 및 주조할 때의 편석으로 인한 조직의 불균일성, 조대한 결정립 및 방향성 등이 발생하여 문제가 되고 있는데, 분말야금법에 의해 제조되는 분말 고속도 공구강은 소재를 용해한 후, 용탕을 가스 분무하여 만든 분말을 금속제 캔에 충진하고, 탈가스 처리한 후 밀봉하여 열간등압성형, 열간단조나 또는 압연의 공정을 거쳐 제조된다.

이러한 분말 고속도 공구강은 종래에 주조된 고속도 공구강과는 달리 편석이 없고 균일한 미세조직을 얻을 수 있으며, 각종 탄화물 형성 및 원소의 과포화 고용에 의한 내마모성이 향상됨은 물론, 열처리의 안정성 등의 특성이 우수하여 금형, 엔드밀, 성형펀치 등에 사용되고 있다.

현재 광범위하게 사용되고 있는 분말 고속도 공구강은 1.0 내지 2.5wt%의 탄소(C), 3 내지 6wt%의 크롬(Cr), 0.2 내지 7.0wt%의 텅스텐(W), 1.0 내지 7.2wt%의 몰리브덴(Mo), 2.5 내지 11wt%의 바나듐(V), 0 내지 11wt%의 코발트(Co), 나머지가 철(Fe)로 구성되어 있다.

예를들면, 코발트가 함유되지 않은 1.28wt%의 탄소(C), 4.20wt%의 크롬(Cr), 6.4wt%의 텅스텐(W), 5.0wt%의 몰리브덴(Mo), 3.1wt%의 바나듐(V), 나머지가 철(Fe)인 분말 고속도 공구강(상품명 ASP 23)은 적절한 인성과 내마모성을 가지고 있으므로 냉간성형펀치 등에 사용되고 있다. 이 분말 고속도 공구강은 종래의 주조법으로 제조된 소재보다 고압성형펀치에 적용할 때 사용수명이 높아서 많이 사용되고 있다.

특히, 철계, 스테인레스계 및 동계의 소결기계부품을 제조하기 위하여 각종 금속 분말을 고압으로 성형할 때, 기계부품의 형상이 복잡함으로 인하여 펀치 자체가 예리한 모서리를 가지는 경우가 많다. 이러한 경우에 반복적인 하중에 의하여 예리한 부위에서 치핑형 파손이 발생하기 쉽다.

한편, 이러한 고압성형용 분말 고속도 공구강의 열처리법은 대개 1020∼1200℃에서 3분 내지 2시간 동안 유지한 후 급냉하고, 항절력이나 경도를 최대로 하는 530∼560℃의 온도 범위에서 30분 내지 3시간씩 1회 이상 템퍼링 처리하는 열처리 방법을 많이 사용하고 있다.

그러나, 고압성형펀치를 사용할 때, 사용 중 예리한 모서리 근처가 균열이생겨 파손됨으로써 수명을 다해, 잦은 교체가 불가피하게 되어 펀치의 제작비(재료비, 가공비, 열처리비)가 많이 드는 단점을 갖고 있다. 이러한 문제는 펀치에 반복적으로 고압이 걸리면 재료 내에서 피로균열이 생성되어 이 피로균열의 전파가 빠르기 때문에 발생하는 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 분말 고속도 공구강 열처리의 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 분말 고속도 공구강의 피로수명을 대폭 증가시켜 상기 분말 고속도 공구강으로 만들어진 성형용 펀치의 수명을 증가시키는 열처리 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

이하, 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 1.0 내지 2.5wt%의 탄소(C), 3 내지 6wt%의 크롬(Cr), 0.2 내지 7.0wt%의 텅스텐(W), 1.0 내지 7.2wt%의 몰리브덴(Mo), 2.5 내지 11wt%의 바나듐(V), 0 내지 11wt%의 코발트(Co), 나머지가 철(Fe)로 구성된 분말 고속도 공구강으로 된 성형펀치의 열처리 방법에 있어서, 상기 성형펀치를 진공로나 불활성 가스분위기로 또는 염욕로에 장입하여 1020∼1200℃에서 3분 내지 2시간 유지한 후 급냉하고, 580∼680℃의 온도 범위에서 10분 내지 5시간씩 1회 이상 템퍼링하는 것을 특징으로 한다.

상기에서, 오스테나이트 처리 온도 범위를 1020∼1200℃로 한정하는 것은, 오스테나이트 처리 온도가 1020℃ 이하이면 탄화물이 충분히 고용되지 않으므로,오스테나이트 처리한 후 급냉하여도 충분한 경화 열처리 효과를 얻을 수 없고, 1200℃ 이상이면 결정립 성장이 일어나 취약해지기 쉽기 때문이다.

또한, 열처리 시간을 3분 내지 2시간 사이로 한정하는 것은, 오스테나이트 처리 온도에서 열처리 시간이 3분 이하로 짧으면 노내의 온도가 균일하지 않아 펀치의 위치별 열처리 온도의 차이가 발생하고, 2시간 이상으로 길면 결정립 성장이나 탄화물의 성장이 발생하여 취약해지기 때문이다.

그러므로, 1020∼1200℃에서 3분 내지 2시간 유지하여 오스테나이트 처리를 한 후 고압가스나 냉각유로 급냉하는 것이 가장 바람직하다.

한편, 템퍼링 온도 범위도 580∼680℃로 한정하는 것은, 템퍼링 온도가 580℃ 이하로 낮으면 기지상 내에 미세한 2차 탄화물의 석출이 발생하고, 마르텐사이트의 분해가 완전히 일어나지 않아 기지상이 단단해지므로 피로균열의 전파가 용이하여, 고압성형 할 때 쉽게 피로 균열이 전파됨으로써, 펀치의 수명이 낮아지게 되며, 템퍼링 온도가 680℃ 이상으로 너무 높으면, 경도감소가 심하여 고압성형 할 때 펀치 모서리의 소성변형이 일어날 가능성이 높아 파손보다는 국부적인 변형이 발생하므로, 펀치의 치수가 변하여 좋지 않게 되기 때문이다.

또한, 템퍼링 유지시간을 10분 내지 5시간으로 한정한 이유는, 템퍼링 유지시간이 10분 이하로 너무 짧으면 기지상 내에 마르텐사이트가 분해될 시간이 불충분하고, 유지시간이 5시간 이상으로 길면 비경제적이며, 펀치표면이 탈탄 현상이 일어나기 용이하여 좋지 않기 때문이다.

이하, 여러 가지 온도로 템퍼링 및 오스테나이트 처리한 시편의 반복적 하중에 대한 파괴저항성시험(삼중점 굽힘피로시험)을 실시한 실시예 1에 대해 설명한다.

고압분말 성형펀치 소재로 주로 사용되는 분말 고속도 공구강(조성:1.2wt%의 탄소(C), 4.0wt%의 크롬(Cr), 4.9wt%의 몰리브덴(Mo), 6.2wt%의 텅스텐(W), 2.9wt%의 바나듐(V), 나머지는 철(Fe)) 성분을 가진 가스 분사된 분말을 캔에 장입하여 탈가스 처리한 후, 질소분위기 하에 1150℃에서 1시간 동안 1000기압의 압력으로 열간등압성형한 다음, 1100℃에서 열간가공하여 제조하였다.

진공열처리로에 상기의 소재로 된 분말 고속도 공구강 펀치를 장입한 후 진공상태로 만들고, 분당 10℃의 가열속도로 850℃까지 가열한 후 20분 동안 유지하고 나서, 분당 15℃의 가열속도로 오스테나이트 처리온도인 1020∼1200℃까지 가열한 다음, 10bar의 질소가스로 담금질을 하였다.

이어서, 분당 10℃의 가열속도로 템퍼링 온도 구역인 500∼620℃까지 가열하여 1시간 동안 유지한 후, 2bar의 질소가스로 냉각하고 나서, 동일한 템퍼링 조건으로 템퍼링 처리를 2회 실시하여 총 3회 템퍼링 처리를 실시하였다.

연마된 2.3×2.3×17mm 크기의 시험편을 3중점 굽힘피로 시험용 지그(시편 지점간 거리:10mm)에 장착하여 일정 하중인 215㎏을 초당 1회씩 반복적으로 가하여 시편이 파괴될 때까지의 피로수명을 구하였다. 항절력 시험편은 5.0×5.0×30.6mm으로 연삭가공을 하여 25.4mm의 지지점 위에 시편을 적재한 후 항절력을 시험하고 경도 시험도 실시하였다. 이 결과를 다음의 표 1에 나타내었다.

표 1로부터 템퍼링 온도가 500℃, 540℃와 같이 낮은 경우에 반복적 하중이 가해질 때 쉽게 치핑형 파손이 발생하고 피로수명이 낮아 실제 성형펀치에 적용할 때 균열이 쉽게 발생하여 수명이 낮아지게 되고, 템퍼링 온도가 580℃ 이상으로 증가하면 피로수명 및 펀치수명이 증가됨을 알 수 있다.

다음은 실시예 2로써 여러 가지 온도로 템퍼링 및 오스테나이트 처리한 분말성형펀치에 적용하여 시험한 결과에 대해 설명한다.

실시예 1에서 제시된 것과 동일한 방법으로 시편을 제조하여 차량용 부품인 플랜지 형상의 철계 분말야금제품을 성형하는 펀치를 제작하고, 진공열처리로에 분당 10℃의 가열속도로 850℃까지 가열하여 20분 동안 유지한 후, 분당 15℃의 가열속도로 오스테나이트 처리온도인 1175℃까지 가열하여 10분 동안 유지한 다음, 10bar의 질소가스로 담금질을 하였다.

이어서, 분당 10℃의 가열속도로 템퍼링 온도 구역인 530∼610℃까지 가열하여 1시간 동안 유지한 후 2bar의 질소가스로 냉각하고, 계속해서 동일한 템퍼링 조건으로 2회의 템퍼링를 하여 총 3회 템퍼링 하였다. 펀치의 마무리 가공 후 성형체 단면적당 6ton의 압력으로 분말 성형을 실시하였다. 분말성형 펀치의 예리한 모서리 부위에 치핑형 파손이 일어날 때까지 성형한 제품수량을 측정하여 펀치의 수명을 결정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

표 2에서 템퍼링 온도가 500℃, 530℃로 낮은 경우에, 실제 고압 성형펀치에 적용할 때 균열이 쉽게 발생하여 수명이 낮아지게 되고, 템퍼링 온도가 580℃, 610℃ 이상으로 증가하면 치핑이 발생하지 않아 펀치수명이 급격히 증가하게 됨을 알 수 있다.

이상과 같은 목적과 구성으로 이루어진 본 발명의 열처리 방법에 의하면, 분말 고속도 공구강으로 된 성형펀치를 오스테나이트 처리한 후 템퍼링 온도를 580∼680℃로 증가시켜, 사용시 하중이 반복적으로 가해지는 펀치가 쉽게 파손되지 않아 그 수명이 대폭 증가됨으로써, 동일한 생산량에 소요되는 펀치의 수량이 감소되여 펀치소재비, 펀치가공비, 열처리비 등 제반비용이 대폭 절감되는 효과가 있다.

Claims (2)

1.0 내지 2.5wt%의 탄소(C), 3 내지 6wt%의 크롬(Cr), 0.2 내지 7.0wt%의 텅스텐(W), 1.0 내지 7.2wt%의 몰리브덴(Mo), 2.5 내지 11wt%의 바나듐(V), 11wt%이하의 코발트(Co), 나머지가 철(Fe)로 구성된 분말 고속도 공구강으로 된 성형펀치의 열처리 방법에 있어서,

상기 성형펀치를 열처리로에 장입하여 1020∼1200℃에서 3분 내지 2시간 유지한 후 급냉하고, 580∼680℃의 온도 범위에서 10분 내지 5시간씩 1회 이상 템퍼링하는 것을 특징으로 하는 분말 고속도 공구강으로 만든 성형펀치의 열처리 방법.

1.0 내지 2.5wt%의 탄소(C), 3 내지 6wt%의 크롬(Cr), 0.2 내지 7.0wt%의 텅스텐(W), 1.0 내지 7.2wt%의 몰리브덴(Mo), 2.5 내지 11wt%의 바나듐(V), 나머지가 철(Fe)로 나머지가 철(Fe)로 구성된 분말 고속도 공구강으로 된 성형펀치의 열처리 방법에 있어서,

상기 성형펀치를 열처리로에 장입하여 1020∼1200℃에서 3분 내지 2시간 유지한 후 급냉하고, 580∼680℃의 온도 범위에서 10분 내지 5시간씩 1회 이상 템퍼링하는 것을 특징으로 하는 분말 고속도 공구강으로 만든 성형펀치의 열처리 방법.