KR100648070B1

KR100648070B1 - 열간가공용 공구

Info

Publication number: KR100648070B1
Application number: KR1020050031506A
Authority: KR
Inventors: 가즈타카 아사베; 도시로우 안라쿠; 스미오 이이다
Original assignee: 수미도모 메탈 인더스트리즈, 리미티드
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2006-11-23
Also published as: KR20060045772A; TW200604381A; CN1683093A; TWI302949B; JP2005305449A; CN1683093B

Abstract

본 발명에 의한 열간가공용 공구는 표면에 피막을 갖는다. 피막은, 전이금속 또는 전이금속을 주로 하는 합금인 매트릭스금속과, 피막 중의 체적율이 25%∼70%인 경질입자를 함유한다. 경질입자는, 피막 중의 체적율이 5%∼30%이고, 입경이 20μm 이하인 미세경질입자와, 피막 중의 체적율이 20%∼60%이고, 입경이 50μm 이상인 조대경질입자를 포함한다. 그 때문에, 본 발명의 열간가공용 공구는, 내마모성이 우수하다.

Description

열간가공용 공구{TOOL FOR HOT WORKING}

도 1은 경질입자를 함유하는 피막의 마모의 메카니즘을 설명하기 위한 개략도이다.

도 2는 본 발명의 열간가공용 공구에 형성되는 피막의 단면도이다.

도 3은 실시예 중의 공시재(供試材)의 형상을 도시하는 사시도이다.

도 4는 실시예 중의 마모시험을 설명하기 위한 개략도이다.

도 5는 도 4의 마모시험후의 공시재를 도시하는 사시도이다.

도 6은 실시예 1에 의한 열간가공용 공구의 피막 중의 조대(粗大)경질입자의 체적율과 마모량과의 관계를 도시하는 도면이다.

도 7은 실시예 1에 의한 열간가공용 공구의 피막 중의 미세경질입자의 체적율과 마모량과의 관계를 도시하는 도면이다.

도 8은 실시예 2의 열간가공용 공구의 제조방법을 설명하기 위한 개략도이다.

본 발명은, 열간가공용 공구에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 금속을 열간 가공하는 공정에서 사용되는 열간가공용 공구에 관한 것이다.

철강재료로 대표되는 금속을 열간에서 가공하는 공정에서는, 열간가공용 공구가 사용된다. 열간가공용 공구는, 예를들면, 이음매 없는 관을 제조하는 천공압연기에 사용되는 경사 로울이나 가이드 슈(guide shoe)나 디스크 로울이나 플러그 등이다. 강판이나 형강이나 조강을 열간 압연하는 공정에서 사용되는 가이드 슈 등도 열간가공용 공구에 해당한다.

이들의 열간가공용 공구는, 1273K∼1523K의 피가공재와 접촉 또는 충돌하기 때문에, 피가공재로부터 높은 부하를 받는다. 그 때문에, 열간가공용 공구의 표면에 마모나 눌어붙기가 발생하기 쉽고, 경우에 따라서는 표면에 균열이나 결락(缺落)이 발생한다. 예를들면, 천공압연기에 설치되는 플러그는, 피압연재인 고온의 둥근 빌렛(billet)의 축심부에 가압 접촉되고, 둥근 빌렛에 구멍을 개방한다. 이 때, 플러그의 표면은 둥근 빌렛으로부터 미끄럼 마찰을 받는다. 이 미끄럼 마찰에 의해, 플러그의 표면에 편마모가 발생하거나, 눌어붙기가 발생하기도 한다.

열간가공용 공구의 표면이 크게 마모하거나, 표면에 눌어붙기가 발생한 경우, 열간가공용 공구는 교환된다. 결국, 표면의 마모나 눌어붙기는 열간가공용 공구의 수명을 짧게 한다. 그 때문에, 열간가공용 공구의 내마모 대책 및 내눌어붙기 대책은 중요하다.

최근, 내마모 및 내눌어붙기 대책으로서, 플라즈마 분체 육성(肉盛) 용접법(Plasma Transferred Arc: PTA법)에 의해 열간가공용 공구의 표면에 피막(PTA 육성층)을 형성하는 기술이, 일본국 특개평3-207510호 공보, 일본국 특개평1-148405호 공보, 일본국 특개소63-90307호 공보 및 특개소63-14849호 공보에 보고되어 있다. PTA 육성층은, Co기(基)나 Fe기의 매트릭스금속 중에 WC나 NbC의 경질입자를 포함하고, 이들의 경질입자가 피막의 내마모성 및 내눌어붙임성을 향상시킨다. 그 때문에, 종래 열간가공용 공구로서 사용되고 있던 고C - 고Cr강이나 SKD 상당 강 등과 비교하여, PTA 육성층을 갖는 열간가공용 공구의 수명은 향상한다.

그렇지만, 열간가공용 공구의 수명은 한층 더 향상이 필요하다. 수명이 길면 열간가공용 공구의 교환의 빈도도 적어진다. 그 때문에, 교환을 위해 가공장치 등을 정지하는 시간이 적게 되어, 생산성이 향상된다. 또한, 통상, 공장의 작업원 등이 열간가공용 공구의 교환을 행하기 위해서, 작업 부담을 고려하면, 교환 빈도는 적은 쪽이 좋다. 열간가공용 공구의 수명을 향상시키기 위해서는, 내마모성의 향상이 한층 더 필요하다.

본 발명의 목적은, 내마모성이 뛰어난 열간가공용 공구를 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 매트릭스금속 중에 경질입자를 함유한 피막의 마모의 메카니즘에 관해서 조사하였다. 조사 결과, 본 발명자들은, 피막의 마모의 메카니즘이 2개의 단계로 이루어지는 것을 찾아내었다.

도 1(a)을 참조하여, 피막은 경질입자와 매트릭스금속을 함유한다. 경질입자의 몇 개는, 피막의 표면에 노출되어 있다. 피막이 피가공재와 접촉할 때, 노출된 경질입자와 매트릭스금속이 피가공재와 접촉하여, 피가공재로부터 부하를 받는다. 매트릭스금속은, 경질입자보다 낮은 강도 및 낮은 경도를 갖기 때문에, 피가공재와 접촉되는 매트릭스금속이 경질입자보다 더 마모된다. 매트릭스금속이 마모될수록 경질입자가 피가공재로부터 받는 부하가 증대한다. 매트릭스금속이 마모에 의해 피가공재와 접촉하지 않게 되기 때문이다. 경질입자가 피가공재로부터 받는 부하가, 소정의 크기를 넘었을 때, 경질입자는 마멸하기 전에 파괴된다. 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 경질입자가 파괴된 경우, 경질입자와 매트릭스금속과의 접촉 면적이 작게 된다. 그 때문에, 경질입자가 매트릭스금속으로부터 받는 구속력은 저하되어, 경질입자가 매트릭스금속으로부터 누락된다. 이것이 제1 단계이다.

경질입자가 누락된 후, 매트릭스금속이 피가공재와 접촉한다. 매트릭스금속은 경질입자보다 강도 및 경도가 저하하기 때문에, 용이하게 마모한다. 또한, 피가공재로부터 충격을 받아, 용이하게 균열을 발생하거나, 결락하기도 한다. 그 때문에, 도 1(c)에 도시하는 바와 같이, 피막은 표면에 경질입자가 노출할 때까지 마모한다. 이것이 제2의 단계이다. 제1의 단계와 제2의 단계를 반복함으로써, 피막의 마모가 진행한다.

이상의 지견에 근거하여, 본 발명자들은, 제1 단계에서의 경질입자의 누락을 방지하기 위해 매트릭스금속은 부드러운 쪽이 유효하다고 생각하였다. 환언하면, 매트릭스금속에 높은 인성 및 연성이 필요하다고 생각하였다. 표면에 노출된 경질입자는, 피가공재와 접촉 또는 충돌하여, 높은 부하를 받는다. 매트릭스금속의 인성 및 연성이 낮은 경우, 매트릭스금속은 경질입자가 받은 부하를 흡수할 수 없다. 그 때문에, 경질입자는 파괴된다. 매트릭스금속의 인성 및 연성이 높은 경우, 매트릭스금속은, 경질입자가 받은 부하를 흡수할 수 있다. 경질입자가 부하를 받았을 때, 매트릭스금속이 소성변형 또는 탄성변형할 수 있기 때문이다. 따라서, 경질입자는 파괴되지 않고, 매트릭스금속으로부터 누락되기 어렵게 된다. 더욱이, 매트릭스금속의 인성이 우수하면, 경질입자가 파괴되더라도, 파괴된 경질입자를 구속할 수 있다. 또한, 연성이 우수하면, 파괴된 경질입자 주변의 매트릭스금속이 변형함으로써, 경질입자를 구속할 수 있다. 그 때문에, 경질입자의 누락을 억제할 수 있다. 경질입자의 누락을 억제할 수 있으면, 경질입자의 존재에 의해, 피막의 마모를 억제할 수 있다.

더욱이, 제2의 단계에서의 매트릭스금속의 마모를 억제하기 위해서, 내마모성 및 내충격성을 향상시킬 필요가 있다고 생각하였다. 구체적으로는, 매트릭스금속의 강도, 경도를 향상시킬 필요가 있다고 생각하였다.

본 발명자들은, 매트릭스금속의 강도를 높이고, 또, 매트릭스금속에 인성 및 연성을 높이기 위해서는, 매트릭스금속을 고용강화시키는 것보다, 분산 강화시키는 쪽이 좋다고 생각하였다. 고용강화에서는 매트릭스금속의 강도를 올릴 수 있지만, 강도의 상승에 동반하여 연성 및 인성이 저하하는 것에 반하여, 분산 강화에서는, 매트릭스금속 원래의 연성 및 인성을 유지하면서, 매트릭스금속 중에 분산한 미세한 입자에 의해 강도를 올릴 수 있기 때문이다.

이상의 검토 결과, 본 발명자들은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 매트릭스금속 중에, 분산 강화에 기여하는 정도로 미세한 경질입자(미세경질입자)를 포함시키는 것을 생각해 내었다. 매트릭스금속을 분산 강화시키기 위해서는, 입경이 20μm 이하의 경질입자를 미세경질입자로서 매트릭스금속에 포함시키는 것이 효과적이다. 그 효과를 얻기 위해서는, 피막 중의 미세경질입자의 체적율을 적어도 5% 이상으로 할 필요가 있다. 한편, 미세경질입자를 지나치게 함유하면, 매트릭스금속의 연성 및 인성을 유지할 수 없게 되어, 체적율이 30%를 넘으면, 연성 및 인성이 현저히 저하한다. 그 때문에, 본 발명의 열간가공용 공구의 피막에 포함되는 미세경질입자의 체적율을 5%∼30%로 하였다.

또한, 내마모성 및 내눌어붙임성을 향상시키기 위해서 조대(粗大)경질입자도 필요하다. 내마모성 및 내눌어붙임성을 고려하면, 입경이 50μm 이상의 경질입자를 조대 경질입자로서 피막에 포함시키는 것이 효과적이다. 또한, 내마모성을 고려하면, 피막 중의 조대경질입자의 체적율을 20% 이상으로 할 필요가 있다. 한편, 조대 경질입자의 지나친 첨가는 피막의 인성을 저하시켜, 체적율이 60%를 초과하면 인성이 현저히 저하한다. 그 때문에, 본 발명의 열간가공용 공구의 피막에 포함되는 조대 경질입자의 체적율을 20%∼60%로 하였다.

더욱이, 피막 중의 경질입자의 총체적율도 피막의 수명에 크게 영향을 준다. 상술한 대로, 피막의 수명을 향상시키기 위해서는, 피막 중의 미세 경질입자는 5%이상, 조대 경질입자는 20% 이상 필요하다. 즉, 피막 중의 경질입자의 총체적율은 적어도 25% 이상 필요하다. 한편, 피막 중의 경질입자의 총량이 지나치게 되면, 인성이 저하하여, 마모 및 표면의 결락이 다발(多發)한다. 경질입자의 총체적율이 70%를 넘으면, 인성이 현저히 저하한다. 그 때문에, 피막 중의 경질입자의 총체적율은 25%∼70%로 하지 않으면 안된다.

더욱이 본 발명자들은, 열간가공용 공구에 피막을 형성하는 경우, 석출에 의해 미세 경질입자를 피막에 함유시킴으로써, 피막의 마모를 보다 억제할 수 있다고 생각하였다. 용사법이나 HIP 처리 등의 분말야금법에 의해 피막을 형성하는 경우, 피막의 원료에 미리 20μm 이하의 미세경질입자를 포함시킨다. 이들의 방법에서는, 원료의 미세경질입자가 그대로 피막 중에 포함된다. 한편, PTA법, MIG 용접법, TIG 용접법 등의 용접법에 의해 피막을 형성하는 경우, 경질입자를 일단 용융시켜, 미세경질입자로서 석출시킬 수 있다. 미세경질입자를 석출시킨 쪽이, 미세경질입자와 매트릭스금속과의 계면의 밀착성이 높기 때문에, 매트릭스금속의 강도, 인성, 연성 등의 기계적 성질이 양호하게 된다. 그 때문에, 피막의 마모를 보다 억제할 수 있다고 생각된다.

이상의 지견에 따라서, 본 발명자들은 이하의 본 발명을 완성시키었다.

본 발명에 의한 열간가공용 공구는, 표면에 피막을 갖고, 피막은, 전이금속 또는 전이금속을 주로 하는 합금인 매트릭스금속과, 피막 중의 체적율이 25%∼70%인 경질입자를 함유한다. 경질입자는, 피막 중의 체적율이 5%∼30%이고, 입경이 0 μm 내지 20μm 이하인 미세 경질입자와, 피막 중의 체적율이 20%∼60%이고, 입경이 50μm 이상 100 μm 이하인 조대 경질입자를 포함한다.

여기서, 전이금속을 주로 하는 합금이란, 예를들면, 질량%로 전이금속이 50% 이상 함유되어 있는 합금을 말한다. 피막 중의 입경 및 체적율은, 이하의 방법으로 구할 수 있다. 열간가공용 공구의 표면의 피막의 단면 중, 복수의 영역을 선택한다. 이 때, 선택한 영역의 면적의 합계가 3mm × 3mm보다 커지도록 영역을 선택한다. 광학현미경 또는 주사형전자현미경(SEM)을 이용하여, 선택한 영역 중의 모든 경질입자에 관해서 입경과 면적율을 측정한다. 각 경질입자의 장경(長徑)과 단경(短俓)을 측정하여, (장경+단경)/2를 입경으로 한다. 각 경질입자의 입경 및 면적율의 측정에는, 예를들면 화상해석을 이용한다.

측정한 입경 및 면적율로부터, 체적율을 이하와 같이 산출한다. 어느 상의 체적율은 단면에서의 면적율과 같은 것이 증명되어 있다(예를들면, 일본금속학회지 Vo1. 10, No. 5, 279∼289 페이지 참조). 그 때문에, 50μm 이상 100 μm 이하의 입경의 경질입자의 면적율을 합계한 값을 조대 경질입자의 체적율로 한다. 또한, 0 μm 내지 20μm 이하의 입경의 경질입자의 면적율을 합계한 값을 미세경질입자의 체적율로 한다. 더욱이, 모든 경질입자의 면적율을 합계한 값을 경질입자의 체적율로 한다.

바람직하게는, 조대 경질입자는, 탄화물, 산화물, 질화물, 붕화물, 이들의 혼합물, 및 이들의 복합화합물로 이루어지는 군에 의해 선택된 적어도 1개이다.

바람직하게는, 매트릭스금속은, Co기합금, Ni기합금, 및 Fe기합금으로 이루어지는 군에 의해 선택된 적어도 1개이다.

바람직하게는, 피막은 용접법에 의해 형성된다. 여기서, 용접법이란, 예컨대, PTA법, MIG 용접법, TIG 용접법 등을 말한다.

바람직하게는, 미세경질입자는 석출물이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태를 자세히 설명한다. 도면에서 동일 또는 상당부분에는 동일부호를 붙여 그 설명은 반복하지 않는다.

1. 피막의 조성

본 발명의 제1의 실시 형태에 의한 열간가공용 공구는, 피가공재와 접촉하는 표면에 피막을 갖는다. 피막은 매트릭스금속과 경질입자를 함유한다.

1. 1. 매트릭스금속

매트릭스금속은, 전이금속 또는 전이금속을 주로 하는 합금이다. 매트릭스금속은, 예를들면 Co기합금, Ni기합금, Fe기합금 등이다. Co기합금은, 예를들면 스텔라이트이다. 스텔라이트는 내열성 및 연성이 우수하다. Ni기합금은, 예를들면 IN625, C276, 50Cr-50 Ni, 코르모노이 등이다. Fe기합금은, 예를들면 스테인레스강, 공구강, 탄소강, Cr 강이다.

열간가공용 공구가 사용되는 환경은, 내부식 마모성을 필요로 한다. 이 점을 고려하면, 내부식 마모성이 우수한 Co기합금 및 Ni기합금을 매트릭스금속으로 하는 것이 바람직하다.

1. 2. 경질입자

경질입자는 피막의 내마모성을 향상시킨다. 경질입자 중, 입경이 50μm 이상인 조대 경질입자는 피가공재와 접촉한다. 그 때문에, 내마모성 및 인성이 우수한 것이 좋다. 조대 경질입자는, 예를들면 탄화물, 산화물, 질화물, 붕화물, 또는 이들의 혼합물, 혹은 이들의 복합화합물이다.

탄화물은, 예를들면 NbC, TiC, VC, WC, W₂C, Cr₃C₂, Mo₂C, ZrC, TaC, HfC, Fe₃C 등이다. (Nb, Cr) C 등의 복합탄화물이라도 좋다.

산화물은, 예를들면 Al₂O₃, MgO, ZrO₂, SiO₂, TiO₂, Cr₂O₃ 등이다. 3Al₂O₃· 2SiO₂등의 복합산화물이라도 좋다.

질화물은, 예를들면 TiN, ZrN, VN, NbN, TaN, Si₃N₄, BN, AlN 등이다. (Ti, Cr)N 등의 복합질화물이라도 좋다.

붕화물, 예를들면 TiB₂, ZrB₂, HfB₂, VB₂, NbB₂, TaB₂, CrB, CrB₂, Mo₂B, MoB, Mo₂B₅, WB, W₂B₅, LaB₆등이다. (Nb, Cr)B 등의 복합붕화물이라도 좋다.

복합화합물은, 탄화물, 산화물, 질화물, 붕화물 등 중의 2종류 이상의 화합물이다. 예를들면 Nb (C, N), SiAlON 등이다.

한편, 입경이 0μm 내지 20μm 이하인 미세 경질입자는, 매트릭스금속을 분산 강화한다. 즉, 매트릭스금속은 미세경질입자에 의해, 연성 및 인성을 유지하면서, 강도를 올릴 수 있다. 이것에 의해 매트릭스금속의 내마모성은 향상하고, 또한 조대경질입자가 매트릭스금속으로부터 누락되는 것을 방지한다.

미세경질입자는 그 종류를 불문한다. 미세경질입자는, 예를들면 탄화물, 산화물, 질화물, 붕화물, 또는 이들의 혼합물, 혹은 이들의 복합화합물이다. Ti-Al계, Ni-Al계, Ni-Si계의 금속간 화합물이어도 좋다.

2. 제조방법

본 발명의 열간가공용 공구의 제조방법을 이하에 설명한다. 열간가공용 공구를 준비하고, 그 열간가공용 공구의 표면에 피막을 형성한다. 표면에 피막을 형성하는 열간가공용 공구의 재질에 특히 제한은 없고, 예를들면 탄소강, 공구강, 스테인레스강, Ni기 내열합금 등이다.

피막의 형성방법은 PTA법이나 MIG 용접법이나 TIG 용접법의 용접법이어도 좋고, 대기 플라즈마 용사법이나 감압 플라즈마 용사법이나 HVOF법 등의 용사법이나, HIP 처리와 같은 분말야금법 등이어도 좋다. 더욱이, 열간공구강을 주조할 때에, 경질입자 및 매트릭스금속을 첨가하여 피막을 형성하여도 좋다.

예를들면 PTA법에서는, 매트릭스금속의 분말과 경질입자분말을 원료로 하여, 육성용접(肉盛溶接)을 실시한다. 이 때, 형성되는 피막에 함유되는 경질입자의 합계의 체적율이 25%∼70%이고, 또, 조대 경질입자의 피막에 대한 체적율이 20%∼60%이고, 또, 미세경질입자의 피막에 대한 체적율이 5%∼30%로 되도록, 원료를 조정한다.

한편, 미세경질입자를 미리 원료에 포함시키지 않고, 미세경질입자를 석출시킴으로써, 피막을 형성하여도 좋다. 이 경우, 제조방법에, PTA법, MIG 용접법, TIG 용접법의 용접법을 이용한다. 미세경질입자로서 석출시키는 경질입자는 융점이 낮은 것이 바람직하다. 용접 중에 일단 용융할 필요가 있기 때문이다. 예를들면, 탄화물로서는 VC, Cr₃C₂, Mo₂C 등이 바람직하다. 질화물로서는 VN, NbN 등이 바람직하다. 붕화물로서는 VB₂, CrB, CrB₂등이 바람직하다. 이들은 융점이 3000K 이하이다.

또, PTA법, MIG 용접법, TIG 용접법 중 어느 하나의 용접법에서도 미세경질입자를 석출시킬 수 있지만, 그 중에서도 PTA법으로 미세경질입자를 석출시키는 것이 바람직하다. PTA법은 플라즈마 아크를 이용하여 피막을 형성하기 때문에, 고융 점의 경질입자를 용융할 수 있기 때문이다. 또한, 미세경질입자를 석출시키는 경우, 석출시키는 미세경질입자에 산화물을 선택하는 것은 바람직하지 못하다. 산화물을 용융하는 경우, 매트릭스금속의 연성 및 인성이 저하하기 때문이다.

이상의 공정에 의해, 열간가공용 공구의 표면에 피막을 형성함으로써, 본 발명의 열간가공용 공구를 완성한다.

[실시예 1]

피막 중의 조대경질입자 및 미세경질입자의 체적율이 다른 열간가공용 공구를 제조하여, 내마모성 및 내눌어붙임성에 관해서 조사하였다.

표 1중의 공시재 1∼11은 아래와 같이 제조하였다. 열간가공용 공구인 탄소강(S45C)의 블록의 1면에 PTA법에 의해 육성용접을 실시하여, 피막인 PTA 육성층을 형성하였다. PTA 육성층은 2층으로 하여, 두께를 약 6mm로 하였다. PTA법에 의한 육성용접의 여러 가지 조건을 표 2에 도시한다.

피막의 원료는, 이하의 것을 사용하였다. 매트릭스금속에는, Co기합금인 스텔라이트#6의 질소가스 미립화분말(스텔라이트#6분말)을 사용하였다. 스텔라이트# 6분말의 입경은 63μm∼150μm이었다. 조대 경질입자에는, 입경이 75μm∼100μm의 NbC 분말을 사용하였다. 또, 미세 경질입자에는, 입경이 15μm 이하의 NbC 분말을 사용하였다. 이들의 분말중, 조대 경질입자 및 미세경질입자의 NbC 분말의 사용량을 공시재마다 변화시키었다. PTA 육성층에 포함되는 조대경질입자 및 미세경질입자의 체적율을 공시재마다 변화시키기 때문이다. 또, 이 때, 공시재 1∼5에 관해서는, PTA 육성층 중의 미세경질입자의 체적율이 같게 되도록 원료를 조정하고, 공시재 6∼10에 관해서는, PTA 육성층 중의 조대 경질입자의 체적율이 같게 되도록 원료를 조정하였다.

PTA 육성을 형성후, 기계가공 및 연마에 의해 도 3에 도시하는 10mm × 20mm × 25 mm의 공시재를 얻었다.

작성한 각 공시재의 PTA 육성층 중의 입경 및 체적율을 측정하였다. 또한, 측정한 결과에 기초로, 조대 경질입자의 체적율과, 미세경질입자의 체적율과, 경질입자의 총체적율을 산출하였다. 구체적으로는, 열간가공용 공구의 표면의 피막의 단면 중, 복수의 임의의 영역을 선택하였다. 이 때, 선택한 영역의 면적의 합계는 3mm ×3 mm보다 커졌다. 광학현미경 또는 주사형전자현미경(SEM)을 이용하여, 선택한 영역중의 모든 경질입자의 각각에 관해서 입경과 면적율을 측정하였다. 각 경질입자의 장경과 단경을 측정하고, (장경+단경)/2 를 입경으로 하였다. 각 경질입자의 입경 및 면적율의 측정에는, 화상 해석을 이용하였다. 입경이 50μm 이상의 경질입자의 면적율을 합계한 값을 조대경질입자의 체적율로 하였다. 또한, 입경이 20μm 이하의 경질입자의 면적율을 합계한 값을 미세경질입자의 체적율로 하였다. 측정한 모든 경질입자의 면적율을 합계한 값을 경질입자의 총체적율로 하였다. 공시재 중의 경질입자는, EDX(에너지 분산형 X선 마이크로 분석기)에 의해 동정(identification)하였다.

더욱이, PTA 육성층 중의 매트릭스금속의 비커스 경도를 JISZ2244에 준하여 측정하였다.

표 1을 참조하여, 모든 공시재 1∼11의 조대경질입자는 NbC이었다. 한편, 미세경질입자는 NbC 및 WC이었다. PTA법에 의한 육성용접시에 스텔라이트#6 중의 W 및 C가 결합하여, WC로서 석출한 것으로 생각된다.

공시재 1∼5에서는, PTA 육성층 중의 미세경질입자의 체적율이 5%로 일률적이었다. 공시재 2∼4는, 조대경질입자의 체적율과 미세경질입자의 체적율과 경질입자의 총체적율이 모두 본 발명의 규정범위 내이었다. 한편, 공시재 1은, 조대경질입자의 체적율이 본 발명의 규정범위의 하한치(20%) 미만으로 되었다. 또한, 공시재 5는, 조대경질입자의 체적율이 본 발명의 규정범위의 상한치(60%)를 넘었다.

또, 공시재 1∼5의 매트릭스금속의 경도는, 조대경질입자의 체적율이 증가할수록 커지게 되었다. 조대경질입자의 체적율이 본 발명의 규정범위의 상한치(60%)를 넘은 공시재 5에서는, 매트릭스금속의 경도가 Hv500을 넘었다. 조대경질입자의 체적율이 증가할수록, 매트릭스금속 중에 녹아 드는 탄화물량이 증가하여, 매트릭스금속의 경도가 높게 되었다고 생각된다.

공시재 6∼10에서는, PTA 육성층 중의 조대경질입자의 체적율이 30%로 일률적이었다. 공시재 7∼9는, 조대경질입자의 체적율과 미세경질입자의 체적율과 경질입자의 총체적율이 모두 본 발명의 규정범위 내이었다. 한편, 공시재 6은, 미세경질입자의 체적율이 본 발명의 규정범위의 하한치(5%) 미만으로 되었다. 또한, 공시재 10은, 미세경질입자의 체적율이 본 발명의 규정범위의 상한치(30%)를 초과하였다.

또, 공시재 6∼10의 매트릭스금속의 경도는, 미세경질입자의 체적율이 증가할수록 높게 되었다. 미세경질입자의 체적율이 본 발명의 규정범위의 하한치(5%) 미만인 공시재 6에서는, 매트릭스금속의 경도가 낮고, Hv280이었다. 미세경질입자의 체적율이 본 발명의 규정범위의 상한치(30%)를 넘은 공시재 10에서는, 매트릭스금속의 경도가 Hv500을 초과하였다. 미세경질입자의 체적율이 증가할수록, 매트릭스금속 중에 녹아 드는 탄화물량이 증가하여, 매트릭스금속의 경도가 높게 되었다고 생각된다.

공시재 11은, 조대경질입자의 체적율과 미세경질입자의 체적율이 본 발명의 규정 범위 내이었지만, 경질입자의 총체적율이 본 발명의 규정범위의 상한치(70%)를 초과하였다. 공시재 11의 매트릭스금속의 경도는 높고, Hv500이었다.

또, 각 공시재에서는, 조대경질입자의 체적율과 미세경질입자의 체적율과의 합계보다도, 경질입자의 총체적율쪽이 높은 수치를 나타내었다. PTA 육성층 중에 20μm보다도 크고 50μm보다도 작은 경질입자가 존재하기 때문이다. PTA법에 의한 육성용접 중에, 원료의 조대경질입자의 일부가 용융하여, 입경이 작게 됨으로써 이러한 경질입자가 발생하였다고 생각된다.

[마모시험]

공시재 1∼11을 이용하여 마모시험을 실시하였다. 마모시험은 아래와 같이 실시하였다. 도 4을 참조하여, 회전축을 중심으로 한 외경이 100mm에서, 원주면의 폭이 30mm이고, 재질이 S25C의 실린더를 고주파 가열에 의해 1027K로 가열하고, 1027K로 유지한 실린더를 100rpm(원주속도 약 0.52m/sec)으로 회전하였다. 회전 중의 실린더의 원주면에 공시재의 PTA 육성층 표면을 50kgf로 가압 접촉하여, 그대로 1시간 유지하였다. 시험후의 슬라이드 거리는 1885m로 되었다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 마모시험후의 PTA 육성층의 표면에는 오목부가 형성되었다.

시험후, 공시재의 PTA 육성층 표면의 마모량을 산출하였다. 마모량의 산출은 아래와 같이 행하였다. 각 공시재에 관해서, 마모시험 전후의 중량을 측정하여, 시험전의 중량으로부터 시험후의 중량을 감산하였다. 감산치를 PTA 육성층의 밀도로 제한 값을 마모량(mm³)으로 하였다.

더욱이, 마모시험후의 공시재에 눌어붙기가 발생하는지 여부를 조사하였다. 구체적으로는, SEM(주사형 전자현미경)을 이용하여 50배의 배율로 시험후의 공시재의 마모한 면(PTA 육성층 표면의 오목부)을 관찰하고, S25C(실린더)의 이착(移着)의 유무를 판단하였다. 이착이 없는 경우에는 합격(표 1 중의 0)이라 평가하고, 이착이 확인된 경우에는 불합격(표 1 중의 ×)이라 평가하였다.

[시험결과]

도 6에 표 1 중의 공시재 1∼5에 있어서의 조대경질입자의 체적율과 마모량과의 관계를 나타낸다. 표 1 및 도 6을 참조하여, 공시재 2∼4는, 마모량이 3.5 mm³미만으로 적고, 눌어붙기도 발생하지 않았다. 한편, 공시재 1은 조대경질입자의 체적율이 15%로 낮기 때문에, 육성층의 마모량이 많고, 4mm³을 초과하였다. 또한, 조대입자의 체적율이 낮기 때문에, 눌어붙기도 발생하였다. 더욱이, 조대경질입자의 체적율이 65%인 공시재 5의 마모량도 많고, 4mm³을 초과하였다.

도 7에 표 1 중의 공시재 6∼10에 있어서의 미세경질입자의 체적율과 마모량과의 관계를 도시한다. 표 1 및 도 7을 참조하고, 공시재 7∼9는, 마모량이 3.5 mm³미만으로 적고, 눌어붙기도 발생하지 않았다. 한편, 공시재 6은 미세경질입자의 체적율이 2%로 낮았기 때문에, PTA 육성층의 마모량이 많고, 4 mm³을 초과하였다. 또한, 미세경질입자의 체적율이 35%인 공시재 10도, PTA 육성층의 마모량이 많고, 4 mm³을 초과하였다.

표 1중의 공시재 11은, 경질입자의 총체적율이 70%를 넘었기 때문에, PTA 육성층의 마모량이 많았다.

또, 마모량이 3.5mm 미만으로 된 공시재 2∼4 및 7∼9의 매트릭스금속의 비커스 경도는, 모두 300∼490의 범위 내이었다.

[실시예 2]

피막 중의 조대경질입자의 종류가 다른 열간가공용 공구를 제조하여, 실시예1과 같은 마모시험을 실시하였다.

표 3중의 공시재 12∼22는 아래와 같이 제조하였다. 열간가공용 공구인 탄소강(S45C)의 블록의 1면에 HIP(Hot Isostatic Processing: 열간등방가압처리)법에 의해 피막을 형성하였다. 이하, 상세히 설명한다.

먼저, 도 8에 도시하는 연강 캡슐의 밑바닥부에 재질이 S45C의 블록을 고정하였다. 고정후, 연강 캡슐내에서, 블록 상면의 공간에 피막의 원료를 충전하였다.

피막의 원료는, 이하의 것을 사용하였다. 매트릭스금속에는, Co기합금인 스텔라이트#21의 질소가스 미립화분말(스텔라이트#21 분말)을 사용하였다. 스텔라이트#21분말의 입경은 63μm∼150μm 이었다. 미세경질입자에는, 입경이 15μm 이하의 TiC 분말을 사용하였다. 조대경질입자에는, 입경이 75μm∼100μm의 조대경질입자분말을 사용하였다. 각 공시재에 사용한 조대경질입자분말의 종류는 표 3의 조대경질입자의 주성분의 란에 나타낸 바와 같다. 구체적으로는, 공시재 12 및 13에서는, 조대경질입자에 탄화물(NbC, WC)을 선택하였다. 공시재 14 및 15에서는, 산화물(Al₂O₃, ZrO₂)을 선택하였다. 공시재 16 및 17에서는, 붕화물(TiB₂, MoB)을 선택하였다. 공시재 18∼20에서는, 질화물(Si₃N₄, TiN, BN)을 선택하였다. 공시재 21로서는, 산화물과 질화물과의 복합화합물인 SiAlON을 선택하였다. 공시재 22로서는, 탄화물과 질화물의 혼합물인 Nb(C, N)를 선택하였다.

원료를 충전후, 로터리 펌프를 이용하여 탈기관으로부터 진공 탈기를 실시한 후, 연강 캡슐을 진공 봉입하였다. 이 연강 캡슐을 이용하여 표 4의 조건에서 HIP 처리를 실시하였다.

실시후의 피막의 두께는 약 3 mm로 되었다. 기계가공 및 연마에 의해 도 3에 도시하는 10mm × 20mm × 25mm의 공시재 12∼22를 얻었다.

공시재 12∼22를 작성후, 각 공시재의 피막 중의 경질입자의 입경 및 체적율과, 피막 중의 매트릭스금속의 비커스 경도를 실시예 1과 같은 방법으로 측정하였다. 또한, 경질입자를 EDX에 의해 동정하였다.

공시재 12∼22의 조대경질입자의 체적율은 40%이고, 본 발명의 규정범위 내이었다. 또한, 미세경질입자의 체적율은 10%이고, 본 발명의 규정범위 내이었다. 더욱이, 경질입자의 총체적율은 50%이고, 본 발명의 규정범위 내이었다.

또한, 각 공시재의 매트릭스금속의 비커스경도는 340∼390의 범위내이고, 공시재 2∼4, 7∼9의 비커스 경도와 같은 정도이었다.

공시재 12∼22를 이용하여, 실시예 1과 같은 마모시험을 실시하여, 마모량 및 눌어붙기에 관해서 평가하였다.

[평가결과]

표 3을 참조하여, 모든 공시재의 마모량은 3.5mm³미만으로 적고, 눌어붙기도 발생하지 않았다. 조대경질입자로서, 탄화물, 산화물, 질화물, 붕화물, 또는 이들의 혼합물, 혹은 이들의 복합화합물 중 어느 것을 선택하더라도, 본 발명의 열간가공용 공구는 우수한 내마모성을 갖는 것을 알았다.

[실시예 3]

피막 중의 매트릭스금속의 종류가 다른 열간가공용 공구를 제조하여, 실시예 1과 같은 마모시험을 실시하였다.

실시예 1과 같은 제조방법으로 공시재 23∼31을 제조하였다. 각 공시재의 PTA 육성층의 원료는, 이하의 것을 사용하였다.

매트릭스금속에는 표 5에 나타내는 조성의 분말을 사용하였다. 구체적으로는, 공시재 23∼25의 매트릭스금속에 Co기합금을 선택하였다. 공시재 26∼28의 매트릭스금속에 Ni기합금을 선택하였다. 공시재 29∼31의 매트릭스금속에 Fe기합금을 선택하였다.

조대경질입자에는, 입경이 75μm∼100μm의 NbC 분말을 사용하였다. 또한, 미세경질입자에는, 입경이 15μm 이하의 NbC 분말을 사용하였다. 원료 중의 조대경질입자의 체적율은 31∼33%로 하고, 미세경질입자의 체적율은 7∼8%로 하였다.

공시재를 작성후, 각 공시재의 PTA 육성층 중의 경질입자의 입경 및 체적율과, PTA 육성층 중의 매트릭스금속의 비커스경도를 실시예 1과 같은 방법으로 측정하였다. 또한, 경질입자를 EDX에 의해 동정하였다.

공시재 23∼31의 조대경질입자의 체적율은 30%로 일률적이고, 본 발명의 규정범위 내이었다. 또, 미세경질입자의 체적율은 10%로 일률적이고, 본 발명의 규정범위 내이었다. 더욱이, 경질입자의 총체적율은 50%로 일률적이고, 본 발명의 규정범위 내이었다. 또, 공시재 23∼27 및 31에서는, NbC 이외의 미세경질입자가 약간 존재하였다. 이들의 미세경질입자는, 매트릭스금속 중의 성분이 미세경질입자로서 석출한 것이었다.

또, 각 공시재의 매트릭스금속의 비커스경도는 320∼490의 범위 내이고, 공시재 2∼4, 7∼9, 12∼22의 비커스경도와 같은 정도이었다.

이들의 공시재 23∼31을 이용하여, 실시예 1과 같은 마모시험을 실시하여, 마모량 및 눌어붙기에 관해서 평가하였다.

[평가결과]

모든 공시재 23∼31의 마모량은 3.5mm³미만으로 적고, 눌어붙기도 발생하지 않았다. 매트릭스금속으로서 Co기합금, Ni기합금, Fe기합금 중 어느 것을 선택한 경우에도, 본 발명의 열간가공용 공구는 뛰어난 내마모성을 갖는 것을 알았다.

[실시예 4]

석출시킨 미세경질입자를 함유하는 피막을 형성한 열간가공용 공구를 제조하여, 실시예 1과 같은 마모시험을 실시하였다.

실시예 1과 같은 제조방법으로 공시재 32∼37을 제조하였다. 각 공시재의 PTA 육성층의 원료는, 이하의 것을 사용하였다. 매트릭스금속에는, 실시예 1과 같은 스텔라이트#6 분말을 사용하였다. 조대 경질입자에는, 입경이 75μm∼100μm의 NbC 분말을 사용하였다.

더욱이, 미세경질입자를 석출시키기 위한 경질입자분말에는, 입경이 75μm∼100μm 인 제2 경질입자분말을 사용하였다. 각 공시재에 사용한 제2 경질입자분말을 표 6에 나타낸다. 원료 중의 조대경질입자의 체적율은 33%로 하고, 제2 경질입자의 체적율은 12%로 하였다.

공시재를 작성후, 각 공시재의 PTA 육성층 중의 경질입자의 입경 및 체적율과, PTA 육성층 중의 매트릭스금속의 비커스 경도를 실시예 1과 같은 방법으로 측정하였다. 또한, 경질입자를 EDX에 의해 동정하였다.

공시재 32∼37 중, 공시재 32 및 33은, 석출한 미세경질입자의 체적율이 5% 미만으로 되었다. 제2 경질입자인 NbC 및 WC이 고융점이기 때문에, PTA 육성용접 중의 제2 경질입자의 용융량이 적고, 미세경질입자의 석출량이 적기 때문인 것을 알았다. 제2 경질입자의 용융량이 적은 공시재 32 및 33의 매트릭스금속의 비커스 경도는 낮고, 300미만이었다.

한편, 공시재 34∼37에서는, 제2 경질입자가 미세경질입자로서 다수 석출하고, 석출한 미세경질입자의 체적율이 5% 이상으로 되어, 본 발명의 규정범위를 만족하였다. 공시재 34∼37의 제2 경질입자인 VC, Mo₂C, VN, CrB₂은 모두 융점이 3000K 미만이고, 다른 경질입자와 비교하여 융점이 낮다. 그 때문에, PTA법에 의한 육성 용접시에 용융하여, 미세경질입자로서 석출한 것을 알았다. 또, 제2 경질입자가 용융하여, 미세경질입자로서 석출한 공시재 34∼37의 매트릭스금속의 비커스경도는 420∼450이고, 공시재 2∼4, 7∼9, 12∼22, 23∼31의 비커스경도와 동일 정도이었다. 또한, 모든 공시재에서 미세경질입자로서 NbC가 약간 존재하였다. PTA법에 의한 육성용접 중에, 원료중의 조대경질입자인 NbC 분말의 일부가 용융하여, 미세경질입자로서 석출한 것을 알았다.

공시재 34∼37의 조대경질입자의 체적율은 30%이고, 본 발명의 규정범위 내이었다. 또, 공시재 34∼37의 경질입자의 총체적율은 45%이고, 본 발명의 규정범위 내이었다. 이들의 공시재를 이용하여 실시예 1과 같은 마모시험을 실시하였다.

[결과 평가]

공시재 32 및 33의 마모량은 많고, 4mm³을 초과하였다. 한편, 공시재 34∼37의 마모량은 적고, 3 mm³미만이었다.

더욱이, 공시재 34∼37과 실시예 1중의 공시재 7∼9를 비교하면, 공시재 34∼37의 마모량쪽이 적었다. 석출한 미세경질입자를 함유하는 피막을 포함하는 열간가공용 공구쪽이, 내마모성이 우수한 것을 알았다.

이상, 본 발명의 실시 형태를 설명하였지만, 상술한 실시 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 불과하다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않은 범위내에서 상술한 실시 형태를 적절히 변형하여 실시하는 것이 가능하다.

본 발명에 의한 열간가공용 공구는, 금속을 열간가공하는 공정에 이용가능하다. 예를들면, 마르텐사이트(martensite)계나 오스테나이트계나 2상계 등의 스테인레스강, Ni기 고합금, 일반의 탄소강 등의 열간가공공정에서 이용가능하다. 특히, 천공압연에 이용되는 플러그나 경사 로울, 디스크 로울, 가이드 슈 등에 이용가능하다.

Claims

표면에 피막을 갖고,

상기 피막은, 전이금속 또는 전이금속을 주로 하는 합금인 매트릭스금속과,

상기 피막 중의 체적율이 25%∼70%인 경질(硬質)입자를 함유하고,

상기 경질입자는,

상기 피막 중의 체적율이 5%∼30%이고, 입경이 0μm 내지 20μm 이하인 미세경질입자와,

상기 피막 중의 체적율이 20%∼60%이고, 입경이 50μm 이상 100 μm 이하인 조대(粗大)경질입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 열간가공용 공구.
제1항에 있어서, 상기 조대경질입자는, 탄화물, 산화물, 질화물, 붕화물, 이들의 혼합물, 및 이들의 복합화합물로 이루어지는 군에 의해 선택된 적어도 1개인 것을 특징으로 하는 열간가공용 공구.
제2항에 있어서, 상기 매트릭스금속은, Co기합금, Ni기합금, 및 Fe기합금으로 이루어지는 군에 의해 선택된 적어도 1개인 것을 특징으로 하는 열간가공용 공구.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피막은 PTA법, MIG용접법, TIG용접법 중의 어느 하나의 용접법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 열간가공용 공구.
제4항에 있어서, 상기 미세경질입자는 상기 용접법에 의해 석출되는 석출물인 것을 특징으로 하는 열간가공용 공구.