KR20020001933A

KR20020001933A - 인성 및 강도가 우수한 열간·온간 겸용 저합금고속도공구강 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20020001933A
Application number: KR1020000033966A
Authority: KR
Inventors: 송치복; 서영식; 최회진; 정재언
Original assignee: 전선기; 기아특수강 주식회사
Priority date: 2000-06-20
Filing date: 2000-06-20
Publication date: 2002-01-09
Also published as: KR100368540B1

Abstract

본 발명은 각종 산업부품 특히, 자동차 부품 제조업체의 제조원가 절감을 위하여 열간, 온간(600℃∼900℃), 냉간에서의 소성가공용 금형소재로서 우수한 금형수명이 보장되고 열간, 온간, 냉간에서의 금속 및 비금속의 절단 칼 금형으로서 높은 수명이 확보된 고인성, 고강도, 고내마모성 및 우수한 고온특성을 가진 고속도공구강 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명의 고속도공구강은 중량 %로서, C 0.40∼0.55%, Si 1.0% 이하, Mn 0.1∼1.0%, Ni 0.1∼0.5%, Cr 2.8∼4.8%, Mo 1.0∼3.0%, W 0.1∼2.0%(W+1/2Mo＝0.6∼3.5%), V 0.5∼2.0%, Nb 0.01∼0.5%(V, Nb은 1종류 이상이며 2종류일 경우 Nb+1/2V＝0.26∼1.5%), Co 0.1∼1.5%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.05%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하를 함유하고, 희토류금속(REM: Ce, La, Nd, Y, Fe)을 REM 형태 또는 각 원소를 1종류 이상 0.001∼0.25%의 범위로 함유하고 이때, 최종 S 함유량과 대비하여 REM%/S%=2∼90, [REM%][S%]=3×10^-5∼100×10^-5을 만족하며, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

인성 및 강도가 우수한 열간·온간 겸용 저합금 고속도공구강 및 그의 제조방법{ A low alloyed high speed tool steel for hot and warm working having good toughness and high strength and manufacture method thereof}

본 발명은 인성 및 강도가 우수한 열간·온간 겸용 저합금 고속도공구강 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 1100℃이상 열간가공 공정 및 600℃∼900℃ 범위의 온간가공 공정 또는 높은 인성이 요구되는 냉간가공 공정에 의하여 생산되는 각종 산업부품 제조(단조, 압출, 압조, 절단, 주조 등) 특히, 자동차 부품의 제조에 사용되는 금형강에 있어, 기존 각 소성가공 공정별(열간, 온간, 냉간)로 이용된 범용 공구강(또는 개량형 공구강) 및 고속도공구강 소재에 비하여, 현저히 우수한 물리적 또는 기계적 특성 확보에 의한 금형의 긴 수명이 보장된 고인성, 고강도, 고 내마모성 및 우수한 고온 특성을 갖는 저합금 고속도공구강 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

현재 열간, 온간, 냉간 소성가공 공정 및 이들의 조합으로 이루어지는 산업부품 및 자동차부품의 제조에 있어 가공 기술은 고속화, 자동화, 단축화되어 점차 가혹한 조건으로 되어 가고 있으며, 피 가공재는 점점 고강도화 및 난가공성화 되어 금형에의 열적부하, 응력부하 및 높은 면압과 마찰작용이 증대되고 이것이 금형수명의 단축으로 연결됨으로서 수요자의 작업성 저하 및 제조원가 상승을 가져온다. 따라서 수요자는 국제 경쟁력 증진과 작업 효율성면에서 보다 고성능화된 금형소재를 요구하고 있다.

국내 및 외국에서는 냉간 및 온간가공용 금형소재로 STC1(∼7), STD61(62), STD11(12), SKH51(55,59)등을 대표 강종으로 또는 이들의 개량강을 널리 사용하고 있으며, 열간가공용 금형소재로는 STD61(62)과 이들의 개량강을 주로 사용하고 있지만, 수요자의 금형수명에 대한 만족도는 극히 낮은 편이다.

종래에는 냉간 가공공정에 저가의 탄소공구강인 STC1(∼7)과 냉간 합금공구강인 STD11(12) 및 고가의 고합금 고속도공구강인 SKH51(55,59)등과 이들의 개량 강을 사용하고 있었다. 그러나, 소재 특성상 고경도(HRC58 이상)와 거대한(10㎛ 이상) 1차 공정탄화물의 다량생성과 응집에 의한 내마모성은 확보되나 높은 인성이 요구되는 가공공정에서 인성부족(충격인성 3.0kgfm/㎠ 이하)에 의하여 금형이 조기에 파손 또는 절손되고, STD61(62)과 그 개량강은 인성에의 문제점은 크지 않으나 낮은 경도(HRC48 이하)로 인하여 금형이 조기에 마모되어 자주 교체해야 하는 작업성 저하와 금형 제작비 상승에 의한 제조원가에 대한 부담이 큰 문제점으로 되어 있었다.

또한, 온간 가공공정에는 주로 STD61(62)와 그 개량강이 사용되고 있었다. 그러나, HRC48 이하의 낮은 경도 및 기대 이하의 고온특성과 열간보다 피가공재의 높은 강도가 맞물려 금형의 조기마모, 조기연화, 빠른 열피로크랙 발생 및 진전으로 인하여 빈번한 금형 교체의 문제점이 있었으며, 본 발명자는 이를 개선한 600℃∼900℃ 범위의 온간 가공공정 전용 고인성·고강도 저합금 고속도공구강의 제조방법 및 그 발명강을 이미 특허출원 (10-1999-0013858)로 출원한 바 있다.

또한, 종래의 열간 가공공정에는 STD61(62)와 그 개량강이 주로 사용되었고, 특히 고온에서 극한 내마모성이 문제시 되는 공정에서는 고가의 스텔라이트 및 초내열합금이 이용되고 있었다. 그러나 STD61(62)과 그 개량강은 기대 이하의 고온특성과 낮은 경도에 의해 현재 수요자의 만족도가 극히 낮으며, 스텔라이트 및 초내열합금은 고가로 수요자에 가격적인 부담이 있고 사용 용도 또한 국한되어 있었다.

본 발명강 및 그의 제조방법은 상기 각 공정별 기존 금형소재들의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 상기 기존 금형강의 문제점으로 있는 열간에서의 조기마모와 고온특성 부족, 온간에서의 조기마모, 인성부족 및 고온특성 부족과 냉간에서의 인성부족에 의한 조기파손을 해결하기 위하여 새로운 합금설계와 제조공정 설계로서 기지(matrix)는 Mo-W계 고속도공구강으로서 조질열처리(Quenching/Tempering)후 경도 HRC58 이상의 고경도에 의한 높은 내 마모성을 가지고, 첨가원소의 적정 제어와 개발된 제조공법에 의하여 1차 공정탄화물(MC, M₂C)의 미세생성 및 균일생성을 가능하게 함으로서 인성저하를 극복함과 동시에 기존 STD61보다 우수한 충격인성을 가지고, 특히 우수한 고온특성(강도, 인성, 연화저항성 및 열피로 크랙성 등)에 의한 금형의 장수명화가 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 열간, 온간, 냉간 소성가공용 금형소재에 있어서 인성과 강도(경도)라는 상반되는 특성을 동시에 만족시키고 우수한 고온특성을 확보하기 위한 새로운 합금설계와 제조공정 설계를 통하여 조질열처리후 경도 HRC56∼58에서 충격인성 40kgfm/㎠(무노치) 이상, 굽힘강도 500kgf/㎟ 이상 및 인장강도 250kgf/㎟ 이상이 확보되고, 특히 고온 내연화저항성 및 고온 내열피로 크랙성은 STD61(62) 대비 2배∼5배에 달한다.

본 발명은 이러한 특성을 만족시키기 위하여 먼저 적정 C 함유량과 Si, Mn, Cr, Mo, V, W, Co, Nb 등의 주요 첨가원소의 적절한 조합 및 각 성분당 적정 함유량의 선택에 의한 새로운 합금설계로서 기지를 Mo-W계 저합금 고속도공구강의 성분조성으로 하여 조질열처리후 고경도(HRC58 이상)에 의한 높은 내 마모성과 고강도에 의한 높은 인장강도 및 굽힘강도가 부여되고, 합금원소의 적정제어와 고속도공구강계의 응고시 필연적으로 정출되는 MC, M₂C 1차 공정탄화물 생성 제어가 함께 이루어짐으로서 고인성이 부여되었으며, W, Co 등 고온특성에 유효한 첨가원소의 적정 함유에 의해 우수한 고온특성 역시 확보할 수 있다.

또한, 응고, 균열처리 및 열간압연(단조)의 조합으로 개발된 공정탄화물 생성제어 및 파괴 공법에 의하여 1차 공정탄화물의 미세생성 및 균일생성을 가능하게 함으로서 인성저하를 극복함과 동시에 기존 STD61보다 우수한 충격인성의 확보가 가능하다

그리고 금형제작시 우수한 가공성 부여를 위한 페라이트 기지내 2차 석출탄화물의 구상화와 균일분산을 위하여 개발된 어닐링 열처리와 발명강의 물리적특성 및 기계적특성 향상을 배가시키기 위하여 개발된 조질열처리 조건 및 개발된 표면처리 조건에 의하여 한층 우수한 금형수명이 보장된다.

도 1a 및 도 1b는 조질 열처리된 발명강의 미세조직 사진(소입 조직(X 150) 및 (소려 조직 x 400)).

도 2는 발명강과 종래강의 조질 열처리후 경도 비교 그래프.

도 3은 발명강과 종래강의 경도 대비 충격인성 평가 그래프.

도 4는 발명강과 종래강의 고온 연화저항성 평가 그래프.

도 5는 발명강과 종래강의 수명평가에 적용된 금형 형상도.

상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 열간·온간용 고속도공구강 소재의 일 실시예는 중량 %로서, C 0.40∼0.55%, Si 1.0% 이하, Mn 0.1∼1.0%, Ni 0.1∼0.5%, Cr 2.8∼4.8%, Mo 1.0∼3.0%, W 0.1∼2.0%(W+1/2Mo＝0.6∼3.5%), V 0.5∼2.0%, Nb 0.01∼0.5%(V, Nb은 1종류 이상이며 2종류일 경우 Nb+1/2V＝0.26∼1.5%), Co 0.1∼1.5%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.05%, S 0.015% 이하, O 30ppm 이하를 함유하고, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 열간·온간용 고속도공구강의 소재의 다른 실시예는 중량 %로서, C 0.40∼0.55%, Si 1.0% 이하, Mn 0.1∼1.0%, Ni 0.1∼0.5%, Cr 2.8∼4.8%, Mo 1.0∼3.0%, W 0.1∼2.0%(W+1/2Mo＝0.6∼3.5%), V 0.5∼2.0%, Nb 0.01∼0.5%(V, Nb은 1종류 이상이며 2종류일 경우 Nb+1/2V＝0.26∼1.5%), Co 0.1∼1.5%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.05%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하를 함유하고, 희토류금속(REM: Ce, La, Nd, Y, Fe)을 REM 형태 또는 각 원소를 1종류 이상 0.001∼0.25%의 범위로 함유하고 이때, 최종 S 함유량과 대비하여 REM%/S%=2∼90, [REM%][S%]=3×10^-5∼100×10^-5을 만족하며, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고속도공구강의 제조방법의 실시예는 중량 %로서, C 0.40∼0.55%, Si 1.0% 이하, Mn 0.1∼1.0%, Ni 0.1∼0.5%, Cr 2.8∼4.8%, Mo 1.0∼3.0%, W 0.1∼2.0%(W+1/2Mo＝0.6∼3.5%), V 0.5∼2.0%, Nb 0.01∼0.5%(V, Nb은 1종류 이상이며 2종류일 경우 Nb+1/2V＝0.26∼1.5%), Co 0.1∼1.5%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.05%, S 0.015% 이하, O 30ppm 이하를 함유하고, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어진 용강을 제조하는 단계; 상기 용강을 1500±100℃에서 응고(잉고트, 연속주조)시키는 단계; 1100±150℃에서 열간가공(압연, 단조)을 실시하면서 개발된 1차 공정탄화물 파괴공법으로 열간가공을 실시하는 단계; 850±60℃에서 구상화 어닐링을 실시하는 단계; 조질열처리로서 1000∼1180℃ 범위에서의 소입과 80∼700℃에서 소려를 1회 이상 실시하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고속도공구강의 제조방법의 다른 실시예는 중량 %로서, C 0.40∼0.55%, Si 1.0% 이하, Mn 0.1∼1.0%, Ni 0.1∼0.5%, Cr 2.8∼4.8%, Mo 1.0∼3.0%, W 0.1∼2.0%(W+1/2Mo＝0.6∼3.5%), V 0.5∼2.0%, Nb 0.01∼0.5%(V, Nb은 1종류 이상이며 2종류일 경우 Nb+1/2V＝0.26∼1.5%), Co 0.1∼1.5%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.05%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하를 함유하고, 희토류금속(REM: Ce, La, Nd, Y, Fe)을 REM 형태 또는 각 원소를 1종류 이상 0.001∼0.25%의 범위로 함유하고 이때, 최종 S 함유량과 대비하여 REM%/S%=2∼90, [REM%][S%]=3×10^-5∼100×10^-5을 만족하며, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어지는 용강은 제조하는 단계; 용제된 용강을 1500±100℃ 범위에서 잉고트재 또는 연속주조재로 응고시키는 단계; 응고된 잉고트재 또는 연속주조재를 1100±150℃ 범위에서 통상적인 열간가공(압연,단조)과 1차 공정탄화물의 파괴기술로서 개발된 공법(열간가공전 1100±150℃ 범위에서 균열처리+열간가공+소성 압하량+냉각속도의 4 요소 순서의 적절한 조합)에 의하여 열간가공되는 단계; 그리고 열간가공된 소재를 850±60℃ 범위에서 오스테나이트화 한 후 1시간당 50℃이하의 속도로 연속냉각하거나 다단냉각하는 방법으로 구상화 어닐링을 실시하는 단계; 조질열처리중 소입을 1000∼1180℃ 범위에서의 10mm 두께당 1분 이상 오스테나이트 및 탄화물 고용화처리후 연속 또는 다단냉각에 의한 제어냉각(가압,염욕,수냉,유냉,공냉)을 실시하고, 소려는 상온∼80℃의 범위내의 소재를 80∼700℃의 범위에서 10mm두께당 3분 이상 유지후 공냉하는 작업을 1회 이상 실시하는 단계를 특징으로 한다.

이하 본 발명강의 화학성분 첨가이유와 성분범위를 중량 %로 나타내고 한정이유를 설명한다.

C : C은 본 발명강이 목적으로 하는 고인성·고강도의 성능을 결정함에 있어 큰 역할을 담당하는 원소로서 일부는 기지에 고용하여 경도 및 강도를 향상시키고, 대부분은 Cr, Mo, W, V, Nb의 탄화물 형성원소와 결합하여 1차 공정탄화물 생성 및 2차 석출탄화물을 형성함으로서 내마모성을 부여하며, 소입/소려 열처리후 2차경화를 얻기 위한 필수적인 첨가원소이다. 본 발명이 의도하는 소입후 HRC60∼65를 확보하기 위해서는 0.40% 이상 첨가가 필수적이며, 0.55%를 초과하면 열간가공성 및 기계가공성을 저하시키고 응고시 1차 공정탄화물의 과다 생성에 의한 인성저하를 가져오며, 융점이 낮아져 오스테나이트화 열처리시 오스테나이트 결정립 성장이 촉진되고 첨가된 W과 V의 고용량을 저감시켜 WC와 VC 탄화물의 1차 정출을 촉진하여 내마모성은 부여하지만 충격인성에 악영향을 미치므로 0.40%∼0.55%로 한정한다.

Si : Si는 기지에 고용하고 고용강화에 의해 경도를 높이는 효과가 있으며, 소려 연화저항성 증대, 오스테나이트 결정립 성장억제, 소입성 향상, 고온에서 표면산화 방지 및 탄화물의 석출반응을 촉진시켜 탄화물 미세화에 기여하는 효과가 있다. 또한 적정한 Si 함유량은 낮은 C, Cr, W, Mo, V 함유량에서도 소려후 2차경화를 얻는데 효과적으로 작용한다.

과잉 첨가시 기계가공성, 열간가공성, 열전도성 및 인성을 저하시키므로 1.0%이하로 한정한다.

Mn : Mn은 주로 탈산제로서 첨가되는 원소이고 기지에 고용하여 강도 및 경화능에 기여하는 원소로서 0.1% 이하 첨가시 상기 효과를 기대할 수 없고, 1.0% 이상 첨가시 잔류 오스테나이트를 안정화 하여 인성을 저하시키므로 0.1%∼1.0%로 한정한다.

Cr : Cr은 본 발명에 있어서 매우 중요한 첨가원소이다. 기지에 고용하여 경화능을 향상시키고 소려 과정에서 M₇C₃, M₂₃C₆를 형성하여 고온 연화저항성과 내마모성을 향상시키는 원소이며, W의 오스테나이트로의 용해속도를 증가시켜 탄화물로의 형성을 억제한다. C 0.40%∼0.55%에서 4.8% 이상 첨가시 인성이 급격히 저하되며, 2.8% 이하 첨가시 소려 연화저항성, 경화능 및 내마모성을 저하시킨다. 따라서 상기 효과를 확보하고 거대 공정탄화물의 생성 및 편석을 억제하기 위해서 2.8%∼4.8%로 한정한다.

Mo, W(W+1/2Mo : 0.6%∼3.5%) :

Mo은 기지에 고용하여 소입성을 향상시키는 동시에 Mo₂C와 M₇C₃, M₂₃C₆의 복합 탄화물을 형성하여 소려 2차경화능 및 내마모성을 개선시키지만 기지의 인성 개선 효과는 적다.

1.0% 이하 첨가시 상기 효과를 기대할 수 없을 뿐만아니라 오스테나이트 결정입도가 조대화 하기 쉽고 인성이 저하하며, 3.0% 이상 첨가시 열간가공성을 해칠 뿐만아니라 공정탄화물 생성량 증가로 인성이 저하한다. 따라서 1.0%∼3.0%로 한정한다.

W은 본 발명강의 가장 중요한 첨가원소로서 기지에 고용하여 소려시 고경도의 WC 및 W₂C 탄화물을 형성하고 Mo 보다는 소려 2차경화능이 작으나 기지의 인성을 향상시키는 효과가 크며, 오스테나이트 결정입도를 미세화하는 효과가 있다. 0.1% 이하 첨가시 상기 효과를 기대할 수 없고 2.0% 이상 첨가시 미고용 M₆C 탄화물의 생성이 쉬워 소입열처리후 미고용 M₆C 탄화물이 편석하고 다량 존재하여 내마모성에는 효과가 있지만 인성을 급격히 저하시킨다. 따라서 0.1%∼2.0%로 한정한다.

이와 같이, W과 Mo는 C, Fe와 결합하여 복합 탄화물을 형성하고 내마모성을 향상시키고 일부는 기지에 고용하여 연화저항성을 부여하는 유효한 원소로 작용하는 동시에 거대 1차 공정탄화물의 생성을 조장하고 편석을 유발하여 인성을 저해하는 원소이기도 하다. 따라서 발명효과를 극대화 할 수 있는 W과 Mo의 첨가방법은 한정 범위내 단독첨가도 유효하지만 복합첨가가 보다 중요하므로 그 한정 범위를 W+1/2Mo=0.6%∼3.5%로 한다.

V, Nb(Nb+1/2V : 0.26%∼1.5%) :

V은 C과 결합하여 고경도의 VC 탄화물을 형성하여 내마모성을 증가시키고, 기지에 고용하여 2차 경화능을 증대시키며, 결정립을 미세화하여 인성을 향상시키는 원소이다.

C과 친화력이 가장 강하고 W, Mo계 탄화물보다 고경도의 안정한 탄화물을 형성한다. 하한인 0.5%이하에서는 연화저항성과 내마모성에의 기여가 적고, 상한인 2.0% 이상에서는 거대 탄화물이 생성 및 편석하여 미고용 탄화물로서 인성을 저하시키므로 0.5%∼2.0%로 한정한다.

Nb은 V과 같이 C과 결합하기 쉽고 본 발명에서 V과 복합 탄화물 (Nb·V)C의 경한 탄화물과 (Nb)CN의 탄질화물을 만들어 내마모성을 향상시키고 고온에서의 오스테나이트 결정립 성장을 억제하여 인성을 향상시키는 것에서 유효한 원소이므로 0.01%∼0.5%로 한정한다.

또한, 본 발명에서 Nb과 V은 단독첨가도 하지만 복합첨가하여 거대탄화물의 생성 억제 효과를 극대화하기 위하여 Nb+1/2V : 0.26%∼1.5%로 한정한다.

Co : Co는 본 발명강의 가장 중요한 첨가원소이고 기지내 완전 고용원소로서 오스테나이트 결정입도 조대화를 일으키지 않고 소입온도를 상승시키는 것이 가능하기 때문에 내열강도를 높이고 고속 마모영역에서의 내마모성 개선에 효과가 있으며, 고경도에서 높은 충격인성을 확보하는 것이 가능하다. 그러나 고가원소이고 과잉 첨가시 오히려 충격인성이 저하되며, 특히 열간가공성 및 기계가공성을 해치므로 0.1%∼ 1.5%로 한정한다.

Al : 탈산 및 결정립 미세화 효과가 있는 Al은 본 발명에서 용강정련 초기 탈산제로 첨가한다. 또한, 본 발명의 특성상 희토류금속을 이용한 탈산 및 탈황, 비금속개재물 형상제어 및 응고조직 제어의 특성을 가지고 있으므로 희토류금속 첨가효과를 해치지 않는 범위인 상한 0.01% 이하로 한정한다.

N : N는 (Nb)CN, AlN에 의한 오스테나이트 결정입도 미세화 및 봉상 MC형 공정탄화물의 조대화 억제에 유효한 원소로서 0.002%∼0.05%로 한정하며, 하한인 0.002% 이하면 상기 효과를 기대할 수 없고 0.05% 이상이면 오히려 공정탄화물의 조대화 및 저온 취성을 발생시킬 가능성이 높아진다.

S, O : S는 희토류금속 첨가을 첨가하지 않을 경우, 가공성부여를 위하여 0.015% 이하로 하지만, 희토류금속 첨가시 S와 O는 RE-산화물의 단독생성을 방지하고 희토류금속 첨가 효과 극대화에 필요한 RE₂O₂S 및 RExSy를 생성시키기 위하여 S 0.008% 이하, O 30ppm 이하로 규제한다.

희토류금속(REM: Ce, La, Nd, Y, Fe) : 희토류금속은 발명강의 청정도 향상, 비금속개재물 형상제어 및 응고시 수지상정의 핵생성 사이트로서 작용하여 수지상정 미세화 및 용질원소 편석부를 미세화하고, 특히 1차 공정탄화물(MC형)의 미세화 및분산도를 향상시킬 목적으로 0.0002%∼0.25%의 범위에서 희토류금속(REM) 형태로 첨가하거나 희토류원소 각각에 대하여 1종류 이상 단독첨가한다. 단, 최종 S 함유량과 대비하여 REM%/S%=2∼90, [REM%][S%]=3×10^-5∼100×10^-5으로 제한한다. 제한범위 이하일 경우 비금속개재물 형상제어, MC형 탄화물 미세화 및 분산도 향상효과를 기대할 수 없으며, 제한범위 이상일 경우 첨가량 만큼 충격인성, 충격인성의 이방성, 절삭성 및 고온 열피로특성 향상 효과를 볼 수 없고 경제적이지 않다.

나머지는 Fe와 전기로 제강시 필연적으로 함유될 수 있는 미량 불순물들이다

{실시예}

표 1에 발명강과 종래강의 화학성분을 나타낸다.

발명강 A, B, D, E는 60 Ton 전기로에서 순철과 고철을 혼합 용해하여 정련과 진공과정을 거쳐 중량 %로서 C 0.40∼0.55%, Si 1.0% 이하, Mn 0.1∼1.0%, Ni 0.1∼0.5%, Cr 2.8∼4.8%, Mo 1.0∼3.0%, W 0.1∼2.0%, V 0.5∼2.0%, Nb 0.01∼0.5%, Co 0.1∼1.5%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.05%, S 0.015% 이하, O 30ppm 이하를 함유하고, 이때 W+1/2Mo＝0.6∼3.5%, Nb+1/2V＝0.26∼1.5%로 구성되었으며, 또한 발명강 C, F, G는 상기 성분 및 조성범위외에 희토류금속 0.001∼0.25%의 범위에 해당하는 조성을 함유하고 있고, 단 최종 S 함유량과 대비하여 REM%/S%=2∼90, [REM%][S%]=3×10^-5∼100×10^-5을 만족하고, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어지는 용강을 용제한 후, 1500±20℃ 범위에서 2.5톤 잉고트로 제작되었다. 그리고 종래강인 기존 합금공구강(H:STD61, I:STD11) 및 고속도공구강(J:SKH51, K:SKH55) 역시 발명강과 동일한 방법으로 용강을 용제후 동일 중량 및 형상의 잉고트로 제작되었다.

표 1 (wt%)

구분	C	Si	Mn	S	Ni	Cr	Mo	W	V	Nb	Co	Al	Nppm	Oppm	REM
발명강	A	0.45	0.60	0.80	0.005	0.50	4.05	2,6	1.8	1.7	0.38	1.3	0.002	400	18	-
	B	0.49	0.10	0.40	0.01	0.35	3.80	2.0	1.2	1.0	0.17	0.7	0.004	150	15	-
	C	0.50	0.08	0.50	0.006	0.32	3.60	1.8	1.1	0.9	0.02	0.8	0.008	80	13	0.08
	D	0.55	0.11	0.30	0.001	0.12	4.60	3.0	1.3	0.9	-	0.1	0.001	50	20	-
	E	0.56	0.30	0.70	0.003	0.50	3.60	3.0	1.0	1.4	-	2.0	0.010	100	18	-
	F	0.42	0.90	0.90	0.004	0.20	4.60	2.8	1.7	1.8	0.1	1.5	0.002	180	12	Ce 0.12Nd 0.08
	G	0.55	0.12	0.40	0.006	0.10	4.50	2.9	1.4	1.0	-	0.09	0.003	140	14	Ce 0.15
종래강	H	1.50	0.40	0.40	0.007	-	12.0	1.1	-	0.3	-	-	0.010	85	20	-
	I	0.38	1.00	0.35	0.008	-	5.30	1.1	-	1.0	-	-	0.011	74	19	-
	J	0.85	0.30	0.25	0.005	-	4.20	5.2	6.0	2.1	-	-	0.012	100	15	-
	K	0.90	0.32	0.28	0.005	-	4.00	5.1	6.2	2.0	-	5.1	0.010	120	15	-

발명강 A-F의 잉고트는 표 2에서의 ○표시와 같이 1100±150℃로 통상적인 열간 압연에 의하여 압연재로 생산되고, ◎표시의 본 발명의 큰 특징중의 하나인 공정탄화물의 크기와 분산도를 효과적으로 제어하기 위하여 1180±40℃ 범위에서 균질화 처리된 잉고트를 목표치수 대비 20∼80% 범위의 압하량으로 1차 소성가공을 가하고 1190±40℃ 범위에서 균질화 처리후 1100±100℃ 온도범위에서 목표치수 ψ140mm로 마무리 압연을 실시하고 50℃/시간 이하의 냉각속도로 제어냉각하여 압연재로 생산되었다

압연된 소재는 850±50℃ 범위에서 10mm 두께당 10분 이상 오스테나이트화 한 후 1시간당 50℃이하의 속도로 연속냉각하거나 다단냉각하는 방법으로 구상화 어닐링을 실시되고, 어닐링 경도는 HB180∼HB210 이다.

그리고 발명강의 조질열처리는 1000∼1180℃ 범위에서의 10mm 두께당 1분 이상 오스테나이트화 및 탄화물 고용화처리후 연속 또는 다단냉각에 의한 제어냉각(염,오일,물)을 실시하고, 상온∼80℃의 범위내의 소재를 80∼700℃의 범위에서 10mm 두께당 3분 이상 유지후 공냉하는 소려를 1회 이상 실시된다.

종래강인 H-K는 합금공구강 및 고합금 고속도공구강으로서 통상적으로 알려진 열간압연, 구상화 어닐링 및 조질열처리가 실시되었다.

도 1a 및 도 1b에 발명강의 조질열처리 조건중 1120℃ 소입과 580℃ 소려를 실시한, 발명강 B의 미세조직을 나타낸다. 소입상태의 기지는 잔류오스테나이트를 함유한 마르텐사이트로서 고속도공구강인 SKH51과 동일한 조성을 가지고, 경도 역시 HRC64로 유사하지만 1차 공정탄화물은 5㎛ 이하로 미세한 특징을 가지며, 오스테나이트 결정입도가 ASTM법으로 No.10 이상을 나타낸다. 소려 상태의 기지는 충격인성에 도움이 되는 점성을 가진 솔바이트를 나타내고, 내마모성에 도움이 되는 미세한 MC형 공정탄화물 및 Mo₂C, M₇C₃, M₂₃C₆의 석출탄화물이 공존되어 있다.

도 2에 발명강 B강 및 C강과 종래강인 J강(SKH51), H강(STD11), I강(STD61)의 조질열처리후 경도를 비교하였다. 발명강은 525℃ 근방에 2차 경화구역을 가지고 소려 경도는 J강보다 낮고, H강 및 I강보다 높은 경도 분포를 가진다.

도 3은 발명강 C강 및 B강과 종래강 H강, I강, J강의 경도 대비 충격인성을 그래프화 한 것으로 종래강 H강에 비하여 동일 경도에서 시험편이 파단되지 않을 정도로 충격인성이 현저히 우수하고, J강에 비하여 경도는 낮으나 인성은 비교되지 않을 정도로 높으며, I강에 비해서는 높은 경도와 높은 충격인성이 함께 보유된 큰 특징이 있다.

도 4에 발명강 B강과 종래강 I강의 600℃ 고온 연화저항성을 분석한다. 발명강은 600℃에서 초기경도 HRC57.6에서 12시간이 지난후 HRC54의 경도를 유지하고, 종래강은 초기경도 HRC50에서 12시간이 지난후 HRC40으로 됨에 따라 발명강의 내연화저항성이 현저히 우수하다.

표 2에 실시예의 방법으로 용해, 용강제조, 잉고트 제작, 열간압연 및 구상화 어닐링이 실시된 발명강 및 종래강 소재에 대하여 조질열처리후 경도, 충격인성, 굽힘강도, 인장강도, 열피로특성 및 마모특성을 비교한다.

발명강의 조질열처리후 경도는 HRC55∼61로서 종래강인 J강(SKH51), K강(SKH55)보다는 조금 낮고 H강(STD11)과는 유사하며, I강(STD61) 보다는 매우 높다. 이에 따른 내마모성 역시 발명강은 H강, J강, K강과는 유사하고 H강 보다는 2배 이상 우수하다.

발명강의 충격인성은 새로운 합금조성 및 제조공법으로 인하여 15kgfm/㎠ 부터시험상 파단되지 않을 정도로 우수하고, 종래강인 H강, J강, K강에 비하여 10배 이상 우수한 충격인성을 가진다.

굽힘강도는 400∼540kgf/㎟ 로서 400kgf/㎟의 H강, 300kgf/㎟의 I강, 490kgf/㎟의 J강, 380kgf/㎟의 K강에 비하여 매우 우수하다. 또한 발명강의 700℃ 인장강도는 80∼122kgf/㎟ 로서 64kgf/㎟의 I강보다 우수하고, 120kgf/㎟의 J강과 유사하다.

발명강의 700℃↔20℃의 열피로특성은 열피로 Crack발생의 관점에서 평균길이는 기존 열간공구강인 H강에 비하여 5배 이상 짧아지고 발생빈도는 6배 이상 현저히 낮아졌다.

또한, 표 2에서 발명강이 종래강에 비하여 모든 기계적특성이 우수하지만 본 발명법의 큰 특징중의 하나인 새로운 열간압연법을 적용한 경우, 통상적인 열간압연을 실시한 경우보다 더욱 우수한 기계적특성을 나타낸다.

표 3에 발명강과 종래강인 H강(STD11), I강(STD61) 및 J강(SKH51)에 대하여 열간 단조, 온간단조 및 압출과 냉간 절단공정의 금형수형을 나타낸다.

열간 단조 금형수명은 종래강에 비하여 4∼6배 우수하고, 온간 압출 금형수명은 종래강에 비하여 3배 우수하며 온간 단조 금형수명은 종래강에 비하여 4∼5배 우수하다.

또한, 냉간 절단(특수강,스크랩) 금형수명은 종래강에 비하여 4∼10배 우수하다.

도 4는 자동차부품 크랭크샤프트 및 리어엑슬샤프트 제조 금형 형상을 나타낸 것이다.

표 2

구 분	조질열처리 조건	경도(HRC)	충격치(kgfm/㎠)	굽힘강도(kgf/㎟)	700℃인장강도(kgf/㎟)	열피로 Crack	마모량(10^-4g)
구 분	소입(℃)	경도(HRC)	충격치(kgfm/㎠)	굽힘강도(kgf/㎟)	700℃인장강도(kgf/㎟)	소려(℃)	마모량(10^-4g)	총수	평균길이(㎛)
발명강	A ◎	1050	580	55	★(27)	420	80	28	85	24
	A ◎	1080	580	55.5	★(28)	428	85	29	87	23
	B	○	1120	570	57.5	35	450	105	25	80	20
		◎	1120	570	57.5	41	460	110	22	79	19
		◎	1110	580	58	★(26)	455	102	20	76	21
	C	○	1120	570	57.5	40	470	111	20	76	19
		◎	1120	570	57.5	★(27)	482	115	18	72	19
		◎	1110	580	58	★(30)	475	106	14	74	20
	D ◎	1130	570	60	17	500	90	30	90	17
	E ○	1140	570	60.5	15	520	122	32	94	16
	F ◎	1040	580	55	★(30)	437	90	26	82	23
	G	○	1130	570	60	25	520	96	28	88	17
		◎	1120	570	59	30	518	94	26	86	18
		◎	1140	570	59	30	540	100	26	88	16
종래강	H ○	1050	560	58	2.2	400	-	-	-	18
	I ○	1030	560	52	23.0	300	64	184	400	40
	J ○	1210	580	62	2.0	490	120	-	-	12
	K ○	1220	580	64	1.8	380	-	-	-	13

1) 열간가공 방법 : ◎ 발명법에 의해 압연된 발명강 , ○ 일반압연법에 의하여 압연된 발명강 및 종래강

2) 충격치: 무노치 (★는 고인성으로 인하여 시험시편 파단되지 않음) , ( )내의 수치 2mm 10R노치

표 3

공정	적용방식	제조부품	온도	금형	종래강	발명강	종래강 대비 발명강의금형수명
열간	자동차부품프레스단조	P.D.기어기어-프라이너트크랭크샤프트	1200℃	상형,하형다이	I강	B강	5∼6배
	자동차부품업-셋 단조	리어엑슬샤프트스핀들	1200℃	펀치다이	I강	C강	4∼6배
	특수강형상 단조	특수강	1000℃∼1200℃	상형,하형엔빌	I 개량강	A강	4배
온간	알루미늄압출	알루미늄 봉알루미늄 관	550℃	압출 공구압출 다이	I강	D강	3배
	황동압출	황동 봉황동 관	650℃	압출 공구압출 다이	I 개량강	G강	3배
	자동차부품프레스단조	등속조인트(C-V Joint)	850℃	펀치다이	I강	C강	4배
	자동차부품프레스단조	등속조인트(C-V Joint)	850℃	펀치다이	I 개량강	B강	5배
냉간	고철 절단나이프	고철 절단	상온	브레이드	I강	B강	4배
	고철 절단나이프	고철 절단	상온	브레이드	I 개량강	C강	3.5배
	특수강 절단나이프	특수강 절단	상온	브레이드	I강	C강	4배
					H강	D강	10배
					J강	F강	9배

이상의 실시예로부터, 본 발명강은 기존 고합금 고속도공구강보다 C 함유량과 고가의 W 및 Co 함유량을 현저히 낮게 유지하고, Si, Mn, Cr, Mo, V, Nb 등의 합금원소의 고유특성을 적절히 이용하고, 최종 S 함유량 대비 희토류금속을 1종류 또는2종류 이상 함유시키는 합금설계와 내마모성에는 도움을 주지만 충격인성등 기계적특성에 악 영향을 미치는 응고시 생성되는 1차 공정탄화물의 적절한 제어가 가능한 본 발명의 열간압연(단조) 방법에 의하여 제조되었다.

이러한 발명법에 의하여 제조된 발명강은 기존 고합금 고속도공구강과 동일한 기지 조성을 가지며, SKH51, SKH55, STD11과 경도 및 내마모성은 유사하게 가져가면서 충격인성, 굽힘강도 및 인장강도를 현저히 향상시켰으며, 기존 열간공구강인 STD61보다 충격인성, 굽힘강도 및 인장강도는 물론이거니와 내마모성, 내연화저항성 및 내열피로특성을 현저히 향상시킨 특징이 있다. 또한 발명강의 실제 금형수명은 열간 단조, 온간 단조 및 온간 압출과 냉간 절단공정에서 기존 고합금 고속도공구강이나 냉간공구강 및 열간공구강에 비하여 3∼10배 우수하여 수요자의 작업성 향상 및 제조원가 절감에 기여할 수 있다.

Claims

중량 %로서, C 0.40∼0.55%, Si 1.0% 이하, Mn 0.1∼1.0%, Ni 0.1∼0.5%, Cr 2.8∼4.8%, Mo 1.0∼3.0%, W 0.1∼2.0%(W+1/2Mo＝0.6∼3.5%), V 0.5∼2.0%, Nb 0.01∼0.5%(V, Nb은 1종류 이상이며 2종류일 경우 Nb+1/2V＝0.26∼1.5%), Co 0.1∼1.5%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.05%, S 0.015% 이하, O 30ppm 이하를 함유하고, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열간·온간 겸용 저합금 고속도공구강.
중량 %로서, C 0.40∼0.55%, Si 1.0% 이하, Mn 0.1∼1.0%, Ni 0.1∼0.5%, Cr 2.8∼4.8%, Mo 1.0∼3.0%, W 0.1∼2.0%(W+1/2Mo＝0.6∼3.5%), V 0.5∼2.0%, Nb 0.01∼0.5%(V, Nb은 1종류 이상이며 2종류일 경우 Nb+1/2V＝0.26∼1.5%), Co 0.1∼1.5%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.05%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하를 함유하고, 희토류금속(REM: Ce, La, Nd, Y, Fe)을 REM 형태 또는 각 원소를 1종류 이상 0.001∼0.25%의 범위로 함유하고 이때, 최종 S 함유량과 대비하여 REM%/S%=2∼90, [REM%][S%]=3×10^-5∼100×10^-5을 만족하며, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물을 포함하는 열간·온간 겸용 저합금 고속도공구강.
제 1항 또는 제 2항의 조성범위의 용강을 제조하는 단계; 상기 용강을 1500±100℃에서 응고시키는 단계; 상기 응고재를 1100±150℃에서 열간가공을 실시하는 단계; 850±60℃에서 구상화어닐링을 실시하는 단계; 및 조질열처리로서 1000∼1180℃ 범위에서의 소입과 80∼700℃에서 소려를 1 회 이상 실시하는 단계를 포함하는 열간·온간 겸용 저합금 고속도공구강을 제조하는 방법.
제 1항 또는 제 2항의 조성범위의 용강을 제조하는 단계; 상기 용강을 1500±100℃ 범위에서 응고시키는 단계; 1180±40℃ 범위에서 균질화 처리된 잉고트를 목표치수 대비 20∼80% 범위의 압하량으로 1차 열간소성가공을 가하고 1190±40℃ 범위에서 균질화 처리후 1100±100℃ 온도범위에서 목표치수로 열간 마무리 압연을 실시하고 50℃/시간 이하의 냉각속도로 제어냉각하는 단계를 포함하는 열간·온간 겸용 저합금 고속도공구강을 제조하는 방법.
제 4항에 있어서, 상기 열간가공후 제어냉각된 소재를 850±60℃ 범위에서 오스테나이트화 한 후 1시간당 50℃이하의 속도로 연속냉각하거나 다단냉각하는 방법으로 구상화 어닐링을 실시하여 경도를 HB≤230으로 하는 단계; 조질열처리중 소입을 1000∼1180℃ 범위에서의 10mm 두께당 1분 이상 오스테나이트화 및 탄화물 고용화처리후 연속 또는 다단냉각에 의한 제어냉각(가압,염욕,수냉,유냉,공냉)을 실시하고, 소려는 상온∼80℃의 범위내의 소재를 80∼700℃의 범위에서 10mm 두께당 3분 이상 유지후 공냉하는 작업을 1회 이상 실시하는 단계를 포함하는 열간·온간 겸용 저합금 고속도공구강을 제조하는 방법.