KR20050077008A

KR20050077008A - 합금 공구용 강

Info

Publication number: KR20050077008A
Application number: KR1020050000067A
Authority: KR
Inventors: 코조 오자키
Original assignee: 다이도 토쿠슈코 카부시키가이샤
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2005-01-03
Publication date: 2005-07-29
Also published as: JP2005206913A; US7494618B2; CN1648276A; US20050161125A1; TW200525045A; HK1080120A1; CN100500909C

Abstract

종래의 매트릭스 고속 공구용 강의 상온강도를 유지하면서 그 사용 온도인 700℃ 정도에서의 고온 강도도 높은 합금 공구용 강을 제공한다. 본 발명에 따른 합금 공구용 강은 C : 0.45 wt% 이상 0.65 wt% 이하, Si : 0.10 wt% 이상 1.00 wt% 이하, Mn : 0.20 wt% 이상 2.00 wt% 이하, P : 0.020 wt% 이하, S : 0.015 wt% 이하, Cu : 1.00 wt% 이하, Ni : 1.00 wt% 이하, Cr : 3.50 wt% 이상 5.00 wt% 이하, Mo : 0.00 wt% 이상 3.00 wt% 이하, W : 0.00 wt% 이상 10.00 wt% 이하, V : 1.00 wt% 이상 2.00 wt% 이하, Co : 0.00 wt% 이상 8.00 wt% 이하, Al : 0.10 wt% 이하, O : 0.01 wt% 이하, 및 N : 0.02 wt% 이하를 포함하고, 잔여물이 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되며, 또한 Weq : 2.0 이상 10.0 이하, 2Mo/Weq : 0.60 이하, △C : -0.3 이상 0.0 이하인 것을 요지로 한다.

Description

합금 공구용 강{Alloy tool steel}

본 발명은 합금 공구용 강에 대한 것으로 더욱 상세하게는 열간 소성 가공용금형(hot plastic working dies), 온간 소성 가공용 금형(warm plastic working dies) 등의 각종 공구에 이용할 수 있는 합금 공구용 강에 대한 것이다.

종래 과도한 조건(고면압 + 고온도)에서 사용되는 열간,온간 금형에는 연화저항을 중시한 JIS-SKD8같은 W-Cr계 열간 다이스강이나 JIS-SKT4를 시작으로 하는 단조용형강이 적용되고 있다.

또한 일부의 열간, 온간 가공의 분야에서는 상온에서의 고강도가 확보가능하고 고온에서의 강도도 확보가능한 이유로 매트릭스 고속 공구강도 이용할 수 있다. 예를 들면, 일본 특개평 2-8347호 공보의 3번째 칼럼 8 제1행 내지 제14행 및 표1, 및 일본 특개평 3-11736호 공보의 3번째 칼럼 8 제 1행 내지 제 14행 및 표 1은 C, Si, Mn, Cr, V, Co 등의 원소에 더해서 0.98wt% 내지 1.61wt%의 W와 1.98wt% 내지 2.55wt%의 Mo를 포함하는 열간가공용공구강이 개시되어 있다. 동 문헌에서는 W 및 Mo 중 하나 또는 둘다를 1/2W + Mo가 2.00% 이상 3.50%이하가 되도록 하면 인성을 저하시키지 않고 연화저항 및 고온강도를 증가시킬 수 있는 점이 개시되어 있다.

또한, 일본 특개평 7-207414호 공보의 단락 번호 [0014] 및 표 1에서는 C, Si, Mn, Cr, V, Co 등의 원소에 더해서 0.42wt% 내지 3.21wt%의 W와 0.35wt% 내지 3.70wt%의 Mo를 포함하는 알루미늄 단조 금형용 강이 개시되어 있다. 동문헌에는 W와 Mo 중에서 하나 또는 둘다를 1/2W + Mo가 0.2%이상 4.0%이하가 되도록 하면 인성열화를 방지할 수 있는 점이 개시되어 있다.

또한, 일본 특개2003-268499호 공보의 단락 번호 [0034]에서는 매트릭스 고속 공구용 강은 아니지만 C, Si, Mn, Cr, V, Co 등의 원소에 더해서 2.0wt% 내지 9.5wt%의 Mo와 1.0wt% 내지 16.0wt%의 W를 포함하고, 또한 2Mo + W가 5wt% 내지 20wt%인 고속 공구용 강이 개시되어 있다. 동 문헌에는 2Mo/(2Mo + W)를 0.9이하로 하면 고온에 있어서 연화저항이 향상되는 것에 더해서 저온 경화에 있어서 열처리에 대한 경도를 확보할 수 있는 점이 기재되어 있다.

열간 다이스 강으로서 가장 넓게 이용될 수 있는 JIS-SKD61은 W대신에 Mo를 함유함으로써 인성이 커지고 열공격(thermal shock)에 대해서 안정한 특징이 있다. 반면에, SKD61은 최고 경도가 50HRC정도이고 연화저항이 불충분하므로 과격한 조건하에서 사용되는 열간, 온간 소성 가공용 금형에는 적용할 수 없다.

한편, JIS 강 중에서 W-Cr계 열간 다이스 강(예를 들면, SKD8)은 고강도, 고연화 저항을 나타낸다. 반면에, W-Cr계 열간 다이스 강도 최고 경도가 55HRC정도이고, 과격한 조건에서 사용되는 압조(press forging) 금형에의 적용은 곤란하다. 또한 단조용 금형(예를 들면, SKT4)는 (1)경화성이 부족하므로 대형 제품에의 적용이 곤란하고, (2) 최고 경도도 55HRC정도여서 고강도가 확보되지 않는 것과 같은 문제가 있다.

반대로 매트릭스 고속 공구용 강은 고강도를 확보할 수 있고, 종래의 열간 다이스 강이나 단조 금형용 강보다 우월하다. 반면, 종래의 매트릭스 고속 공구용 강은 700℃에 있어서 강도가 여전히 불충분하므로 최외각 층의 온도가 700℃ 정도에 달하는 열간, 온간 소성 가공에 적용하는 경우에는 충분한 내구성을 얻을 수 없는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해서 종래의 매트릭스 고속 공구용 강이 갖는 상온 강도를 유지하면서 그 사용 온도가 700℃정도인 고온 강도도 확보하는 합금 공구용 강을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 또다른 목적은 금형을 백업하는 것이 가능한 상온 강도를 유지하면서 최외각 층의 강도 저하를 억제하는 재료를 제공함으로써 열간, 온간 소성 가공용 금형의 수명향상을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 합금 공구용 강은 C:0.45 wt% 이상 0.65 wt% 이하, Si:0.10 wt% 이상 1.00 wt% 이하, Mn:0.20 wt% 이상 2.00 wt% 이하, P:0.020 wt% 이하, S:0.015 wt% 이하, Cu:1.00 wt% 이하, Ni:1.00 wt% 이하, Cr:3.50 wt% 이상 5.00 wt% 이하, Mo:0.00 wt% 이상 3.00 wt% 이하, W:0.00 wt% 이상 10.00 wt% 이하, V:1.00 wt% 이상 2.00 wt% 이하, Co:0.00 wt% 이상 8.00 wt% 이하, Al:0.10 wt% 이하, O:0.01 wt% 이하, 및, N:0.02 wt% 이하를 포함하고, 잔여물이 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되며, 또한 Weq:2.0 이상 10.0 이하, 2Mo/Weq:0.60 이하, △C:-0.3 이상 0.0 이하인 것을 요지로 한다.

다만, Weq = 2Mo(wt%) + W(wt%).

△C = C(wt%) - (0.06 × Cr(wt%) + 0.063 × Mo(wt%) + 0.033 × W(wt%) + 0.2 × V(wt%).

본 발명에 따른 합금 공구용 강은 매트릭스 고속 공구용 강을 기본으로 하고 Mo와 W의 비율(2Mo/Weq)을 최적화하므로 상온에서의 강도(통상 강도)를 유지하면서 고온에서의 강도(고온 강도) 저하를 억제하는 것이 가능하다. 또한, 이에 더해서 △C량을 최적화하였으므로 높은 경도와 높은 인성을 병립시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해서 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 합금 공구용 강은 이하와 같은 원소를 포함하고 잔여물이 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 구성된 것을 특징으로 한다. 첨가원소의 종류, 그 성분의 범위 및 그 한정이유는 이하에서 설명하는 바와 같다.

(1) C : 0.45 wt% 이상 0.65 wt% 이하.

C는 경도와 내마모성을 확보하기 위하여 필요한 원소이다. 경화 및 단련(tempering) 후에 최고 경도 60HRC이상을 확보하기 위해서는 C의 첨가량이 0.45%이상일 필요가 있다. 한편, C를 다량으로 첨가하면 탄화물 형성원소(Cr, Mo, W, V)와 결합해서 탄화물을 형성한다. 이 때문에 경화시에 탄화물이 다량으로 잔류해서 인성 저하를 일으킨다. 따라서 C첨가량은 0.65%이하가 바람직하다. 경도를 확보하면서 연화 저항 및 인성을 확보하기 위해서 C첨가량은 더 바람직하게는 0.50wt%이상 0.60wt%이하이다.

(2) Si : 0.10 wt% 이상 1.00 wt% 이하.

Si는 탈산원소로서 첨가되는 것이면서 탄화물과 매트릭스 둘다를 용해하여 경도 증대에 기여한다. 따라서 Si의 첨가량은 최저 0.10wt% 이상이다. 반면, Si를 과량 첨가하면 열간 가공성을 저하하거나 인성의 저하를 유발한다. 따라서 Si첨가량은 1.00wt%이하가 바람직하다. 재료의 인성 저하를 억제하기 위해서 Si첨가량은 더 바람직하게는 0.5wt%이하이다.

(3) Mn : 0.20 wt% 이상 2.00 wt% 이하.

Mn은 탈산원소로서 필요한 성분이고 또한 경화성 및 경도의 확보를 위해서 필요한 성분이다. 따라서 Mn의 최저한의 첨가량으로 0.20wt%를 첨가한다. 반면, Mn을 과량 첨가하면 열간 가공성이 저하한다. 따라서 Mn첨가량은 2.00wt%이하가 바람직하다.

(4) P : 0.020 wt%이하.

P는 용해된 원재 중에 불가피하게 존재하는 성분이다. P량의 상한에 대해서는 입계 포화(intergranular embrittlement)를 초래한다. 따라서 P의 첨가량은 0.020wt%이하가 바람직하다. P의 첨가량은 더 바람직하게는 인성 열화가 거의 생기지 않는 0.010wt%이하이다.

(5) S : 0.015 wt%이하.

S는 용해된 원재 중에 불가피하게 존재하는 성분이다. 또한, 피삭성(machinability)을 향상시키기 위해 S를 Mn과 동시에 첨가하는 방법도 많이 적용되고 있다. 그러나 유화물(sulfide)의 형성량이 증가하면 재료의 인성 열화가 현저해진다. 따라서 S의 첨가량은 0.015wt% 이하가 바람직하다. 더 바람직하게는 S의 첨가량은 0.010wt%이하이다.

(6) Cu : 1.00 wt%이하.

Cu를 다량 첨가하면 적열포성(red shortness)이 나타나고, 열간 가공성이 저하된다. 따라서 Cu의 첨가량은 1.00wt%이하가 바람직하다. Cu첨가량은 더 바람직하게는 0.50wt%이하이다.

(7) Ni : 1.00wt%이하.

Ni는 경화성의 향상 및 매트릭스의 강화에 유효하므로 Ni를 첨가하는 것이 가능하다. 다만 과도한 첨가는 가공성을 저하시킨다. 따라서 Ni의 첨가량은 1.00wt% 이하가 바람직하다. Ni의 첨가량은 더 바람직하게는 0.50wt%이하이다.

(8) Cr : 3.50wt% 이상 5.00wt% 이하.

Cr은 경화시에 매트릭스를 용해시키고 경화성을 확보한다. 경화성을 확보하기 위해 필요한 최저한의 첨가량이 3.50wt%이다. 높은 경화성을 확보하기 위해서 Cr의 첨가량은 더 바람직하게는 4.00wt%이상이다. 한편, Cr을 과도하게 첨가하면 경화 온도에서 Cr계 탄화물이 잔류하거나 또는 연화 저항을 저하시킨다. 따라서 Cr의 첨가량은 5.00wt%이하가 바람직하다. 연화 저항의 향상이 요구되는 경우에는 Cr의 첨가량은 더 바람직하게는 4.50wt%이하이다.

(9) Mo : 0.00wt% 이상 3.00wt% 이하.

Mo는 탄화물을 형성해서 매트릭스의 강화 및 내마모성을 향상시키고 또한 경화성을 확보한다. 강도, 내마모성 및 경화성이 우수한 합금 공구용 강을 얻기 위해서 Mo의 첨가량은 0.20wt%이상인 것이 바람직하다. 다만 과도하게 첨가하면, 경화시에 Mo가 탄화물로서 잔류하고 인성의 저하를 초래한다. 따라서 Mo의 첨가량은 3.00wt%이하가 바람직하다. Mo의 첨가량은 더 바람직하게는 2.00wt%이하이다.

(10) W : 0.00 wt% 이상 10.00 wt% 이하.

W는 탄화물을 형성해서 매트릭스의 강화 및 내마모성을 향상시키고 또한 경화성을 확보한다. 강도, 내마모성, 및 경화성이 우수한 합금 공구용 강을 얻기 위해서는 W의 첨가량은 1.00wt%이상이 바람직하다. 다만, 과도하게 첨가하면, 경화 시에 W가 탄화물서 잔류하고 인성의 저하를 초래한다. 따라서, W의 첨가량은 10.00wt% 이하가 바람직하다. W의 첨가량은 더 바람직하게는 8.00wt%이하이다.

한편, W는 단독으로 첨가해도 좋지만 W와 Mo는 동등의 효과를 가져오므로 W와 Mo를 동시에 첨가해도 좋다. 이 경우, W당량(Weq) 및 Mo-W비율(2Mo/Weq)이 소정의 범위내로 되도록 W와 Mo의 첨가량을 결정하는 것이 바람직하다. 이 점에 대해서는 후술한다.

(11) V : 1.00 wt% 이상 2.00 wt% 이하.

V는 C와 결합해서 안정적인 MC형 탄화물을 형성하는 원소이다. V는 탄화물로서 경화시에 매트릭스에 분산되어 결정입자의 조대화를 방지하는 효과 및 경화시에 매트릭스를 용해시키며, 단련시에 미세하게 단련된 탄화물로서 석출되고, 단련 경도를 향상시키는 효과가 있다. 경화시에 매트릭스에 탄화물로서 잔류하고 결정입자의 조대화를 방지하기 위해서 V의 첨가량은 1.00wt% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

한편, 조대한 탄화물로서 V의 결정화에 의한 인성 열화를 억제하기 위해서 V의 첨가량은 2.00wt%이하로 하는 것이 바람직하다.

(12) Co : 0.00 wt% 이상 8.00 wt% 이하.

Co는 매트릭스를 용해시키고 강도 향상에 기여한다. 또한 Co는 탄화물의 조대화를 방지하고 연화 저항 향상에 기여하므로 적극적으로 첨가하는 것이 바람직하다. Co는 반드시 첨가하지 않아도 좋지만 스크랩(scrap)으로부터 1wt%이하의 레벨에서 혼입될 수 있다. 다만, 첨가원소로서의 Co는 가격이 비싸므로 과도한 첨가는 고비용화를 초래한다. 또한 Co를 과도하게 첨가하면 매트릭스의 강화 및 탄화물의 조대화 방지의 효과가 없어진다. 따라서 Co의 첨가량은 8.00wt% 이하가 바람직하고, 더 바람직하게는 5.00wt%이하이다.

(13) Al : 0.10 wt% 이하.

Al은 탈산제로서 사용되므로 불가피하게 강 중에 포함된다. Al의 첨가량이 과하면 산화물을 형성해서 개재물로 되고 강의 인성을 현저하게 저하시킨다. 따라서 Al의 첨가량은 0.10wt%이하가 바람직하다.

(14) O : 0.01 wt% 이하.

O는 용해된 강중에 포함되어 있는 원소이고 불가피하게 강중에 포함되어 있다. O의 함류량이 높으면 Al, Si, Mg 등과 반응하고 산화물계 개재물을 생성시킨다. 따라서, O의 함유량은 0.01 wt% 이하가 바람직하다.

(15) N : 0.02 wt% 이하.

N은 용해 중에 용해된 강을 용해하고,불가피하게 존재한다. N의 함유량이 높으면 질화물이 생성되고 재료 특성이 열화한다. 따라서, N의 함유량은 0.02wt%이하가 바람직하다.

이어서 성분 밸런스에 대해서 설명한다.

(A) Weq : 2.0 이상 10.0 이하.

Mo 및 W는 어떤 것이라도 M6C형 탄화물을 형성하는 원소이다. 또한, W의 원자량은 Mo의 약 2배이므로 M6C형탄화물의 형성량은 그 원자량의 비율에 근거해서 다음의 (1)식로 표현되는 Weq(W당량)으로 표시된다.

Weq=2Mo(wt%) + W(wt%)

이 값이 작으면 경화시에 탄화물의 용해양이 불충분하고, 충분한 2차 경화를 얻을 수 없다. 따라서 Weq는 2.00이상이 바람직하다. Weq는 더 바람직하게는 4.00이상이다. 한편, W 및/또는 Mo의 과도한 첨가는 탄화물 형성량을 증가시켜서 인성 확보가 곤란하게 된다. 따라서 Weq는 탄화물 잔류가 현저하게 되는 10.00이하가 바람직하다. Weq는 더 바람직하게는 8.00이하이다.

(B) 2Mo/Weq : 0.60 이하.

2Mo/Weq는 Mo - W비율을 표시한다. 이 값이 작으면 W를 주로 첨가하고 있는 것으로 된다. 연화 저항을 가능한 높게 유지하기 위해서는 Mo를 주성분으로 하는 탄화물보다 W를 주성분으로하는 탄화물이 보다 효과적이다. 따라서 실온 강도에 대한 고온 강도의 비(이하, 단순히 '강도비'라 한다)를 향상시키기 위해서는 2Mo/Weq는 0.60이하가 바람직하다. 안정한 강도비를 얻기 위해서는 2Mo/Weq는 더 바람직하게는 0.50이하이다. 한편, 2Mo/Weq의 하한은 0인데 이는 W만을 첨가한 강을 나타낸다. 안정한 강도비와 동시에 높은 인성을 확보하기 위해서는 2Mo/Weq는 더 바람직하게는 0.1 이상이다.

(C) △C : -0.3 이상 0.0 이하

△C량은 각 탄화물 형성원소가 완전히 탄화물로 된 경우에 매트릭스에 잔류하는 C량이고 다음의 식 (2)에 의해서 표시된다.

△C = C(wt%) - (0.06×Cr(wt%) + 0.063×Mo(wt%) + 0.033×W(wt%) + 0.2×V(wt%))

일반적으로 고속 공구용 강(파이스)에서 △C량은 C의 용해량을 기준으로해서 이용되고 있다. 이 값이 큰 경우에는 C의 용해량이 많고, 높은 경도를 가지면서 인성이 떨어진 강종을 의미한다. 한편, 이 값이 작은 경우에는 경도를 확보하기 어렵지만 인성이 높은 강종으로 된다. 본 발명에 따른 합금 공구용 강은 Cr량이 약간 높지만 Cr, Mo, W 및 V를 주로 하는 탄화물 형성 원소로 구성되어 있으므로 △C량은 경도 및 인성의 지표, 및 적정 C량을 계산하기 위한 지표로서 이용된다.

즉, △C량이 너무 작으면 경도 확보가 곤란하게 된다. 따라서 △C량은 -0.3 이상이 바람직하다. 한편, △C량이 너무 많으면 인성이 심하게 열화한다. 따라서 △C량은 0.0이하가 바람직하다.

각종 첨가원소의 첨가량을 이와 같은 범위로 한 경우에 있어서, 소정 온도에서 경화시키고 500℃이상에서 단련시키는 것에 의해서 실온에 있어서 경도(실온 경도)가 53HRC이상, 실온 강도가 1800MPa이상, 또한 700℃에서의 고온 강도가 450MPa이상인 합금 공구용 강을 얻을 수 있다. 또한, 조성을 최적화하면 실온 강도가 1900MPa이상, 또한 700℃에서의 고온 강도가 600MPa이상인 합금 공구용 강을 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 따른 합금 공구용 강은 상술한 각종 원소에 더해서 이하의 원소를 1종 또는 2종 이상 더 포함할 수 있다.

(16) Nb : 0.50wt% 이하.

Nb는 V와 유사하게 C와 결합해서 안정한 MC탄화물을 형성하는 원소이다. Nb를 중심으로 하는 탄화물은 V를 중심으로 하는 MC탄화물보다 안정하고 경화시에 매트릭스를 거의 용해시키지 않는다. 이 때문에, 경화시의 결정입자의 조대화를 방지하므로 유효하고 필요한 경우에 첨가할 수 있다. 다만, Nb를 과하게 첨가하면 조대한 탄화물을 생성하고 인성을 저하시킨다. 따라서 Nb의 첨가량은 0.50wt%이하가 바람직하다.

(17) Ti : 0.10 wt% 이하.

Ti는 C, N과 결합해서 고온 강도의 향상, 결정입자의 미세화에 기여하는 원소이고, 필요한 경우 첨가할 수 있다. 다만, Ti의 과도한 첨가는 강 중에 다량의 산화물 및 질화물을 잔재시킨다. 이 잔재하는 산화물이나 질화물은 가공성을 저하시킨다. 따라서 Ti의 첨가량은 0.10wt% 이하가 바람직하다.

(18) B : 0.01 wt% 이하.

B는 결정입계(crystal grain boundary)의 강도를 증가시키고 충격값의 향상, 열간 인성 확보에 기여하는 원소이며, 필요한 경우 첨가할 수 있다. 다만, B의 과도한 첨가는 입계 근방에서 B의 농도가 짙어지는 영역을 형성하고 1200℃ 이하에서 용해상이 나타나며, 열간 가공성을 저하시킨다. 따라서 B의 첨가량은 0.01wt%이하가 바람직하다.

본 발명에 따른 합금 공구용 강은 상술한 조성 가운데서도 특히 C, Si, Cr, Mo, W 및 Co, 및 Weq, 및 2Mo/Weq의 함유량이 이하의 범위에 있는 것이 바람직하다. 즉,

C : 0.50wt% 이상 0.60 wt% 이하,

Si : 0.10wt% 이상 0.50 wt% 이하,

Cr : 4.00 wt%이상 4.50 wt%이하,

Mo : 0.20 wt% 이상 2.00 wt%이하,

W : 1.00 wt% 이상 8.00 wt%이하,

Co : 5.00wt%이하,

Weq : 4.0 이상 8.0 이하, 및

2Mo/Weq : 0.10 이상 0.50 이하.

각종 첨가원소의 첨가량을 상술한 범위로 한 경우에 있어서, 소정의 조건하에서 경화 및 단련을 행하면 상온(25℃)에서의 강도에 대한 고온(700℃)에서의 강도의 비(강도비)가 0.25이상인 합금 공구용 강을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 합금 공구용 강은 상술한 각종 원소에 더해서 이하와 같은 원소를 1종 또는 2종 이상 더 포함할 수도 있다.

(19) Ta 및/또는 Zr : 0.10 wt% 이하.

Ta 및 Zr은 둘 다 매우 강력한 질화물 및 탄화물 형성 원소이다. 이 종류의 탄질화물은 결정입자를 미세하게 하는 작용이 있다. 그러나 Ta 및/ 또는 Zr 첨가량이 과하게 많으면 큰 덩어리의 탄질화물이 형성되어서 인성 열화의 요인이 된다. 따라서 Ta 및/또는 Zr의 첨가량은 그 총량(Ta + Zr)에서 0.10wt%이상이 바람직하다.

(20) Ca, Te, 및/또는 Se : 0.10 wt%이하.

Ca, Te 및 Se는 S, Mn과 함께 사용하고 MnS의 형태 제어에 적용되고 있다. 불가피하게 외부로부터 혼입되어 안정한 산화물, 황화물을 형성해서 연성 열화의 원인이 된다. 따라서, Ca, Te 및/또는 Se의 첨가량은 그 총량(Ca + Te + Se)에서 0.10wt%이하가 바람직하다.

(21) Pb 및/또는 Bi : 0.10wt% 이하.

Pb 및 Bi는 둘다 낮은 녹는점을 갖는 금속이고 강 중에 개재물로서 존재한다. 녹는점이 낮기 때문에 강의 열간 가공성을 저하시킨다. 따라서 Pb 및/또는 Bi의 첨가량은 그 총량(Pb + Bi)에서 0.10wt%이하가 바람직하다.

(22) Mg : 0.01 wt% 이하.

Mg는 강력한 산화물 형성 원소이고 강 중의 산소와 반응해서 산화물을 형성한다. 이 때문에 Mg는 산화물계의 개재물로서 잔류하고 품질을 저하시킬 가능성이 있다. 따라서 Mg의 첨가량은 0.01wt%이하가 바람직하다.

(23) REM : 0.010wt% 이하.

REM은 주로 La, Ce, Pr 로 구성되어 있다. REM은 강력한 질화물 형성능력을 갖고 있기 때문에 이를 강중에 첨가하면 고체화 초기에 질소 고정이 거행되어 Nb, V 등으로 구성되는 질화물의 형성을 지연시키는 작용이 있다. 또한, 이에 의해서 고체 조직 중의 MC 탄화물을 미세화시켜서 조직의 균일화에 기여한다. 다만, REM을 과도하게 첨가하면 산화물을 다량으로 형성하므로 개재물의 생성의 원인으로 된다. 따라서 REM의 첨가량은 0.010wt%이하가 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 합금 공구용 강에 있어서, 상술한 범위에서 Ta 및/또는 Zr, Ca, Te 및/ 또는 Se, Pb 및/또는 Bi, Mg, 및/또는 REM을 첨가하는 경우에는 강중에 포함되는 성분 가운데 P, S, Cu, 및 Ni의 첨가량은 이하의 범위에 있는 것이 바람직하다. 즉,

P : 0.010wt%이하,

S : 0.010wt%이하,

Cu : 0.50wt%이하, 및

Ni : 0.50wt%이하이다.

각종 첨가원소의 첨가량을 상술한 범위로 한 경우에 있어서, 소정의 조건하에서 경화 및 단련을 행하면 실온(25℃)에서의 강도에 대한 고온(700℃)에서의 강도의 비(강도비)가 0.30이하인 합금 공구용 강을 얻을 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 합금 공구용 강은 상술한 각종 첨가원소의 조성을 최적화하는 것에 의해서 강도비가 0.25이상, 또는 0.30이상을 얻을 수 있다.

또한, 이 조성을 최적화하면 700℃에서의 고온 강도가 600MPa이상, 650MPa이상, 또는 700MPa이상인 합금 공구용 강을 얻을 수 있다.

또한, 이 조성을 최적화하면 실온에서 경도가 55HRC이상, 실온 강도가 1900MPa 이상, 또한 강도비가 0.27이상인 합금 공구용 강을 얻을 수 있다.

또한, 조성을 더 최적화하면 실온에서 경도가 55HRC이상, 실온 강도가 2000MPa 이상, 또한 강도비가 0.29이상인 합금 공구용 강을 얻을 수 있다.

또한, 조성을 더 최적화하면 실온에서 경도가 55HRC이상, 실온 강도가 2100MPa 이상, 또한 강도비가 0.30이상인 합금 공구용 강을 얻을 수 있다.

또한, 조성을 더 최적화하면 실온에서 경도가 55HRC이상, 실온강도가 2200MPa이상, 또한 강도비가 0.31이상인 합금 공구용 강을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 합금 공구용 강은 경화 및 단련을 행한 후 그대로 사용해도 좋지만 경화 및 단련 후의 합금 공구강에 대해서 표면 처리를 행할 수 있다. 표면 처리 방법은 특히 한정되는 것 없이 여러 종류의 방법을 이용할 수 있다. 표면 처리 방법으로는 구체적으로 탄화처리, 질화처리, 탄화 및 질화처리, CVD 처리, PVD 처리, TD 처리 등이 바람직한 일례로 거론될 수 있다.

본 발명에 따른 합금 공구용 강은 통상의 합금 공구용 강과 동일한 순서에 따라 열처리한 후 사용될 수 있다.

즉, 소정의 조성을 갖는 원재료를 용해, 주형한 후, 소정의 단조비로 단조(forge)시킨다. 이어서 소정의 온도에서 경화를 행한다. 그 결과, 단련비, 경화 온도, 단련 온도 등은 합금 공구용 강의 조성, 용도, 요구 특성 등에 대해서 최적의 조건을 선택하는 것이 좋다.

이어서, 본 발명에 따른 합금 공구용 강의 작용에 대해서 설명한다. 본 발명에 따른 합금 공구용 강은 각종 첨가원소의 조성을 최적화하는 것에 더해서 Weq, 2Mo/Weq, 및 △C의 범위를 최적화므로 상온에서의 높은 강도를 유지하면서 고온에서 강도 강도가 저하되는 것을 억제할 수 있다.

Weq는 단련 중에 석출되는 탄화물의 2차 석출량을 표시한다. 또한, △C는 C의 용해량을 나타낸다. 따라서, Weq 및/또는 △C가 증가할 수록 2차 석출량은 커지는 경향이 있다. 한편, W-Mo 비율(2Mo/Weq)의 값은 단련(tempering) 중에 석출되는 탄화물의 종류와 그 석출 상태에 형향을 미쳐서 2Mo/Weq가 클수록 Mo를 주로 하는 탄화물이 석출되는 것을 의미한다.

또한 고온에서의 강도 저하는 단련시에 석출된 탄화물의 응집, 조대화에 의해서 야기되므로 이를 방지함으로써 고온에서의 강도 유지를 꾀하는 것이 가능하게 된다. 한편, 탄화물의 응집과 조대화는 Mo, W 등의 확산에 의해서 일어나지만 확산 속도는 Mo보다 W 쪽이 느리다. 따라서 확산 속도가 빠른 Mo를 확산 속도가 느린 W로 치환함으로써 탄화물의 응집 및 조대화를 제어하고 고온에서의 강도를 확보하는 것이 가능하다.

구체적으로는 각종 원소의 첨가량, Weq 및 △C의 값을 최적화하는 것에 더해서, 2Mo/Weq가 0.6이하로 되도록 W를 첨가하는 것에 의해서 고온 강도/실온 강도비가 향상된다. 또한, 2Mo/Weq를 0.5이하로 하면 더 안정한 고온강도/실온 강도비를 얻을 수 있다.

{실시예}

표 1에는 본 발명에 따른 합금 공구용 강(개발강1, 2-1~3, 및 3~16)의 성분을 나타내었다. 또한, 표 2에는 비교예로서 종래의 매트릭스 고속 공구용 강계 강종(1~6), 및 열간 다이스 강계 강종(1,2,SKD61, SKD7, SKD4, SKD5, SKD8, DH42, 2-4, 및 2-5)의 성분을 나타낸다.

표 1에 나타낸 개발강 및 표 2에 나타낸 매트릭스 고속 공구용 강계 강종 및 열간 다이스 강계 강종(이하, 이를 "비교예"라 칭함)에 대해서, 150kg의 진공 유도로(vacuum induction furnace)에서 용해, 단조한 후 소킹(soaking)처리(1230℃ × 10hr이상)를 실시하였다. 이어서 주괴(ingot)를 단조비 8S로 단조시켰다. 또한, 각 강종에 대해서 최적 온도에서 경화 및 단련을 거행하였다.

한편, 경화는 중간 온도(800℃ ~ 850℃)에서 10분간 유지한 다음, 경화 온도에서 소정 시간 유지하고, 유냉(oil-cooling)을 하였다. 경화 온도에서 유지 시간은 경화 온도가 1100℃미만의 경우에는 30분으로 하고, 경화 온도가 1100℃이상의 경우는 5분으로 하였다. 또한, 단련은 소정의 경화 온도에서 1시간 유지하고, 공기중 냉각 조작을 2회 반복하여 실행하였다.

얻어진 개발강 및 비교강에 대해서 특성 조사를 실시하였다. 한편, 특성조사는 경화 및 단련 후 실온(25℃)에서의 경도와 인장 강도 및 고온(700℃)에서의 인장 강도에 대해서 실행하였다. 또한, 얻어진 실온에서의 인장 강도 및 700℃에서의 인장 강도로 부터 강도비를 계산하였다. 표 3 및 표 4에 각각의 개발강 및 비교강에 대해서 얻어진 특성 조사의 결과를 표시하였다.

열간 다이스 강계의 비교강 중에서 SKD4, SKD5, SKD8 각각은 강도비가 3.0을 초과하였다. 그러나 이들의 실온에서 경도는 52HRC이하이고 실온강도도 1900MPa미만이었다.

한편, 열간 다이스 강계의 비교강 중에서 강종 2-4 및 2-5는 실온 경도가 55HRC를 초과하고 실온 강도도 2000MPa를 초과하였다. 또한, 매트릭스 고속 공구용 강계 강종은 어느 것이라도 높은 실온 경도와 높은 실온 강도를 갖고, 이 값은 강종 2-4 및 2-5를 초과하고 있다. 반면, 이들의 비교강은 강도비가 0.231~0.263이고, 어느 것이라도 고온 강도가 크게 저하하였다.

이에 대해서 개발강은 어느 것이라도 실온 경도가 53HRC이상이었다. 또한, 실온 강도는 어느 것이라도 1900MPa이상이었다. 또한, 강도비는 어느 것이라도 2.80이상이고, 안정적으로 높은 값을 얻을 수 있었다. 표 3에 의해 본 발명에 따른 합금 공구용 강은 실온 강도가 높고 동시에 고온 강도도 높으므로 고온에서 사용되는 금형 재료로서 유용하다.

도 1에 표 1 및 표 2에 나타낸 각 강종의 실온 강도와 700℃에서의 고온 강도와의 관계를 나타내었다. 도 1은 본 발명에 따른 합금 공구용 강(개발강)이 비교강에 비해서 실온 강도가 더 높고(1900MPa이상), 또한, 강도비도 더 높은(0.27이상) 것을 나타낸다.

또한, 도 2에서 개발강(강종2-1 내지 2-3) 및 비교강(강종2-4, 2-5)의 2Mo/Weq와 강도비와의 관계를 나타내었다. 도 2는 2Mo/Weq가 적어질 수록 강도비가 높아지는 것을 나타낸다. 이는 W의 비율 증가가 탄화물의 응집, 조대화를 억제하였기 때문인 것으로 이해된다.

이상, 본 발명의 실시의 형태에 대해서 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시의 형태에 한정되는 것은 아니며 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 각종의 개량, 변화가 가능하다.

본 발명에 따른 합금 공구용 강은 열간 소성 가공용 금형, 온간 소성 가공용 금형 등의 각종 공구용 재료로서 이용될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 종래의 매트릭스 고속 공구용 강의 상온 강도를 유지하면서도 그 사용 온도인 700℃ 정도에서의 고온 강도도 높은 합금 공구용 강을 제공할 수 있는 효과가 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 개발강 및 비교강의 실온 강도와 700℃에서의 고온 강도와의 관계를 도시한 도면, 및

도 2는 2Mo/Weq와 고온 강도/실온 강도비와의 관계를 도시한 도면이다.

Claims

C : 0.45 wt% 이상 0.65 wt% 이하,

Si : 0.10 wt% 이상 1.00 wt% 이하,

Mn : 0.20 wt% 이상 2.00 wt% 이하,

P : 0.020 wt% 이하,

S : 0.015 wt% 이하,

Cu : 1.00 wt% 이하,

Ni : 1.00 wt% 이하,

Cr : 3.50 wt% 이상 5.00 wt% 이하,

Mo : 0.00 wt% 이상 3.00 wt% 이하,

W : 0.00 wt% 이상 10.00 wt% 이하,

V : 1.00 wt% 이상 2.00 wt% 이하,

Co : 0.00 wt% 이상 8.00 wt% 이하,

Al : 0.10 wt% 이하

O : 0.01 wt% 이하, 및

N : 0.02 wt% 이하

를 포함하고, 잔여물이 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로서 구성되며, 상기에서,

Weq : 2.0 이상 10.0 이하,

2Mo/Weq : 0.60 이하,

△C : -0.3 이상 0.0 이하이고,

상기에서,

Weq = 2Mo(wt%) + W(wt%), 및

△C = C(wt%) - (0.06 × Cr(wt%) + 0.063 × Mo(wt%) + 0.033 × W(wt%) + 0.2 × V(wt%)

인 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.
제 1항에 있어서,

Nb : 0.50 wt% 이하,

Ti : 0.10 wt% 이하, 및

B : 0.01 wt% 이하

로 구성된 그룹 중에서 선택되는 원소를 적어도 하나 이상 더 포함하는 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.
제 2항에 있어서,

C : 0.50 wt% 이상 0.60 wt% 이하,

Si : 0.10 wt% 이상 0.50 wt% 이하,

Cr : 4.00 wt% 이상 4.50 wt% 이하,

Mo : 0.20 wt% 이상 2.00 wt% 이하,

W : 1.00 wt% 이상 8.00 wt% 이하, 및

Co : 0.00 wt% 이상 5.00 wt%이하

를 포함하고, 상기에서,

Weq : 4.0 이상 8.0 이하, 및

2Mo/Weq : 0.10 이상 0.50 이하

이며, 고온 강도/ 실온 강도비가 0.25 이상인 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.
제 3항에 있어서,

P : 0.010 wt% 이하,

S : 0.010 wt% 이하,

Cu : 0.50 wt% 이하, 및

Ni : 0.50 wt% 이하

를 포함하고,

(Ta + Zr) : 0.10 wt% 이하,

(Ca + Te + Se) : 0.10 wt% 이하,

(Pb + Bi) : 0.10 wt% 이하,

Mg : 0.010 wt% 이하, 및

REM : 0.010 wt% 이하

로 구성된 그룹 중에서 선택되는 원소를 적어도 하나 이상 더 포함하며,

상기 고온 강도/ 실온 강도비가 0.30이상인 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.
제 4항에 있어서,

상기 실온 경도가 55HRC이상, 상기 실온 강도가 1900MPa이상, 및 상기 고온강도/실온 강도비가 0.27이상인 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.
제 3항에 있어서,

상기 실온 경도가 55HRC이상, 상기 실온 강도가 1900MPa이상, 및 상기 고온강도/실온 강도비가 0.27이상인 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.
제 2항에 있어서,

P : 0.010 wt% 이하,

S : 0.010 wt% 이하,

Cu : 0.50 wt% 이하, 및

Ni : 0.50 wt% 이하

를 포함하고,

(Ta + Zr) : 0.10 wt% 이하,

(Ca + Te + Se): 0.10 wt% 이하,

(Pb + Bi) : 0.10 wt% 이하,

Mg : 0.010 wt% 이하, 및

REM : 0.010 wt% 이하

로 구성된 그룹 중에서 선택되는 원소를 적어도 하나 이상 더 포함하며, 상기 고온 강도/ 실온 강도비가 0.30이상인 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.
제 7항에 있어서,

상기 실온 경도가 55HRC이상, 상기 실온 강도가 1900MPa이상, 및 상기 고온강도/실온 강도비가 0.27이상인 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.
제 2항에 있어서,

상기 실온 경도가 55HRC이상, 상기 실온 강도가 1900MPa이상, 및 상기 고온강도/실온 강도비가 0.27이상인 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.
제 1항에 있어서,

C : 0.50 wt% 이상 0.60 wt% 이하,

Si : 0.10 wt% 이상 0.50 wt% 이하,

Cr : 4.00 wt% 이상 4.50 wt% 이하,

Mo : 0.20 wt% 이상 2.00 wt% 이하,

W : 1.00 wt% 이상 8.00 wt% 이하, 및

Co : 0.00 wt% 이상 5.00 wt%이하

를 포함하고, 상기에서

Weq : 4.0 이상 8.0 이하, 및

2Mo/Weq : 0.10 이상 0.50 이하

이며, 상기 고온 강도/ 실온 강도비가 0.25 이상인 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.
제 10항에 있어서,

P : 0.010 wt% 이하,

S : 0.010 wt% 이하,

Cu : 0.50 wt% 이하, 및

Ni : 0.50 wt% 이하

를 포함하고,

(Ta + Zr) : 0.10 wt% 이하,

(Ca + Te + Se): 0.10 wt% 이하,

(Pb + Bi) : 0.10 wt% 이하,

Mg : 0.010 wt% 이하, 및

REM : 0.010 wt% 이하

로 구성된 그룹 중에서 선택되는 원소를 적어도 하나 이상 더 포함하며, 상기 고온 강도/ 실온 강도비가 0.30이상인 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.
제 11항에 있어서,

상기 실온 경도가 55HRC이상, 상기 실온 강도가 1900MPa이상, 및 상기 고온강도/실온 강도비가 0.27이상인 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.
제 10항에 있어서,

상기 실온 경도가 55HRC이상, 상기 실온 강도가 1900MPa이상, 및 상기 고온강도/실온 강도비가 0.27이상인 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.
제 1항에 있어서,

P : 0.010 wt% 이하,

S : 0.010 wt% 이하,

Cu : 0.50 wt% 이하, 및

Ni : 0.50 wt% 이하

를 포함하고,

(Ta + Zr) : 0.10 wt% 이하,

(Ca + Te + Se): 0.10 wt% 이하,

(Pb + Bi) : 0.10 wt% 이하,

Mg : 0.010 wt% 이하, 및

REM : 0.010 wt% 이하

로 구성된 그룹 중에서 선택되는 원소를 적어도 하나 이상 더 포함하며, 상기 고온 강도/ 실온 강도비가 0.30이상인 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.
제 14항에 있어서,

상기 실온 경도가 55HRC이상, 상기 실온 강도가 1900MPa이상, 및 상기 고온강도/실온 강도비가 0.27이상인 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.
제 1항에 있어서,

상기 실온 경도가 55HRC이상, 상기 실온 강도가 1900MPa이상, 및 상기 고온강도/실온 강도비가 0.27이상인 것을 특징으로 하는 합금 공구용 강.