KR20090069608A - 냉간 공구강 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온도변화에 따른 치수안정성이 향상된 냉간 공구강에 관한 것으로, 본 발명의 합금조성은 중량%로서, C 0.8~1.7%, Si 0.1~1.2%, Mn 0.2~1.0%, Cr 5.0~12.0%, Mo 1.3~3.0% 를 포함하고, V 와 Nb 중 1종 또는 2종 0.3~3.0%, N 0.010~0.030%, 탈산제용 원소로 사용되는 Al, Ti, B 중에서 1종 또는 2종 이상을 합하여 0.05% 이하, 잔량은 Fe로 이루어진 잉곳을 제조하여, 1150℃ ~ 1210℃에서 균열을 실시하고, 10℃/분 이상의 냉각속도로 1050℃까지 냉각시킨 후 단조 또는 열간압연을 실시하는 것이다.

본 발명은 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하고, 탄화물을 균일하게 분산시킬 수 있고, 잉곳 열간압연 공정에 있어서 균열온도 및 냉각속도를 제어함으로써 높은 경도, 인성 및 내마모성을 증가시키고 담금질·뜨임 열처리에 의해 발생되는 치수변화를 현저히 감소시킴으로써 각종 금형이나 펀치, 등의 치수정밀도를 향상시킬 수 있고 상기 금형이나 펀치로 가공되는 각종 부품의 치수정밀도를 향상시켜 주는 효과가 발생한다.

냉간공구강, 치수변화, 단조, 열간압연, 열처리

Description

냉간 공구강 및 그 제조방법{Cold work tool steel and method of preparing thereof}

본 발명은 냉간단조 펀치·다이스, 고장력 강판 성형 금형, 냉간단조 금형, 나사 전조용 다이스, 에이징 다이스, 냉간 성형 롤, 박판성형 롤, 인발 다이스, 강판절단용 칼날, 등으로 사용되는 냉간 공구강에 관한 것으로, 합금성분 중에서 V 및 Nb 그리고 N 농도를 한정하여 포함하고, 탈산제용 원소로 사용되는 Al, Ti, B 중에서 1종 또는 2종 이상을 포함하여 열간가공 공정에 있어서 가열할 때 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하고, 탄화물을 균일하게 분산시키고, 상기 조성을 갖는 잉곳을 M₇C₃ 형 공정탄화물이 응집되는 것을 방지하고 균일하게 분포될 수 있도록 1150℃ ~ 1210℃에서 균열을 실시한 후, 10℃/분 이상의 냉각속도로 1050℃까지 냉각시킨 후 단조 또는 열간압연을 실시함으로써 열처리에 따른 치수변화가 적고, 인성, 내마모성이 우수한 냉간 공구강 및 그 제조방법을 제공한다

종래의 냉간공구강은 고합금 함유라는 특성상, 응고시 용질원소의 편석부에 10㎛이상의 고경질의 1차 공정 탄화물이 생성되고, 이 공정탄화물들은 소입 또는 소려 열처리후에도 기지에 다량 분산되어 잔존됨으로써 내마모성에는 유효한 작용을 하지만, 외부 충격 및 외압에 의하여 공정탄화물과 기지사이에 응력이 집중되어 쉽게 파손 또는 절손되는 단점을 가지고 있었다. 또한 KS 규격 STD 11로 대표되는 냉간 공구강은 높은 경도의 탄화물을 다량으로 정출 또는 석출 분산시켜 내마모성을 높인 것으로 내마모성이나 내부식성이 요구되는 각종 금형에 이용되고 있다. 그러나 인성이 부족하고, 와이어 방전 가공시 정출탄화물에 의해 와이어가 절단되는 문제가 발생되기도 한다.

한편, 금형의 비용 절감 및 짧은 납기화와 더불어 치수 정밀도가 높은 냉간 금형에 대응하기 위해서는 소입 또는 뜨임 열처리에 따라 발생되는 치수변화를 최소화하는 것이 무엇보다 중요하다. 또한 열처리 과정에서 재료의 방향에 따라 치수변화율이 다르기 때문에 금형용 소재를 절단하는 방향도 중요하다. 그리고, 휨이나 비틀림 같은 변형이 발생되기도 하는데 열처리방법에 의해 해결할 수 있다.

그러나 담금질 및 뜨임 열처리를 할 때 치수변화는 물리적 또는 야금적으로 피할 수 없는 현상이다. 즉 치수변화는 열응력과 상변태 응력에 의해 일어나며, 그 치수변화량은 냉각속도, 탄성변형한계, 열전도율, 잔류 오스테나이트량, 탄화물 분포, 금형의 형상에 의해 좌우된다.

종래에는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 STD 11 이나 그 개량 합금에 대해 약 1000℃에서 담금질처리 후 종래보다 높은 온도인 480~550℃ 에서 뜨임 열처리를 2~3회 반복하는 열처리가 실시되고 있다. 상기와 같이 뜨임 열처리를 높은 온도에서 실시하면, Mo, V, W 등의 탄화물 석출경화에 의한 2차 경화 효과가 얻어짐으로써 HRC 58 이상의 높은 경도를 확보할 수 있다(JIS G4404).

한편 JP 1992-116122 에서는 탄소량이나 탄화물 형성원소를 제어함과 동시에 열간가공온도를 900~1150℃ 범위로 하고 압하율을 3 이상으로 한정하는 것에 의해 1차 탄화물을 분산시켜 조직을 균일화함으로써 절삭성이 크게 향상한다고 제시한다. 또한 JP 1981-169751 에서는 알루미늄과 질소의 농도를 적정범위로 제어하는 것에 의해 종래와 동일한 담금질 경화능을 가지면서 열처리 변형을 감소시키는 기술이 제시되어 있다.

종래와 같이 높은 온도에서 뜨임 처리를 하는 경우에는 열처리 과정 중, 또는 열처리 후 시간이 경과됨에 따라 치수가 변화되어 치수정밀도가 떨어진다. 즉 종래에는 열처리 조건 설정은 공구강의 경도와 인성만을 고려하고 치수안정성은 상대적으로 고려되지 않았다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 냉간 공구강에 있어서, 열처리에 따른 치수변화가 적고, 경도, 인성 및 내마모성이 우수한 냉간 공구강 및 그 제조방법을 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.

본 발명의 합금조성은 중량%로서, C 0.8~1.7%, Si 0.1~1.2%, Mn 0.2~1.0%, Cr 5.0~12.0%, Mo 1.3~3.0% 를 포함하고, V 와 Nb 중 1종 또는 2종 0.3~3.0%, N 0.010~0.030%, 탈산제용 원소로 사용되는 Al, Ti, B 중에서 1종 또는 2종 이상을 합하여 0.05% 이하, 잔량은 Fe로 이루어진 잉곳을 제조해서 탄화물이 균일하고 미세하게 분포되도록 함으로써 높은 경도와 인성을 충분히 확보한다. 또한 1150 ~ 1210℃에서 균열을 실시하여 M₇C₃형 공정탄화물이 응집되는 것을 방지하고 균일하게 분포될 수 있도록 10℃/분 이상의 냉각속도로 1050℃까지 냉각시킨 후 단조 또는 열간압연을 실시하는 것이다.

본 발명에 의해 제조된 냉간 공구강은 탄화물 형성 합금원소로써 Cr, Mo 외에 V, Nb, N 을 적절하게 첨가시켜서 질화물을 석출시키고, 탈산제 원소인 Al, Ti, B 을 포함하여, 열간가공 공정시 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하고, 탄화물을 균일하게 분산시킬 수 있다. 또한 잉곳 열간압연 공정에 있어서 균열온도 및 냉각속도를 제어함으로써 높은 경도, 인성 및 내마모성을 충분히 확보함과 동시에 담금질·뜨임 열처리에 의해 발생되는 치수변화를 현저히 감소시킴으로써 각종 금형이나 펀치, 등의 치수정밀도를 향상시킬 수 있고, 상기 금형이나 펀치로 가공되는 각종 부품의 치수정밀도를 향상시켜 주는 효과가 발생한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 중량%로서, C 0.8~1.7%, Si 0.1~1.2%, Mn 0.2~1.0%, Cr 5.0~12.0%, Mo 1.3~3.0% 를 포함하고, V 와 Nb 중 1종 또는 2종 0.3~3.0%, N 0.010~0.030%, 탈산제용 원소로 사용되는 Al, Ti, B 중에서 1종 또는 2종 이상을 합하여 0.05% 이하, 잔량은 Fe로 이루어진 잉곳을 제조하여, 1150℃ ~ 1210℃에서 균열을 실시하고, 10℃/분 이상의 냉각속도로 1050℃까지 냉각시킨 후 단조 또는 열간압연을 실시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서 그 성분조성을 한정한 이유를 검토한다.

C는 0.8 ~ 1.7 wt%를 첨가하는데, Cr, Mo, V 과 결합해서 1차 탄화물을 형성하여 내마모성을 증가시키고, 마르텐사이트의 경도를 증가시켜 고온 뜨임 열처리시 탄화물을 형성하여 2차 경화에 기여한다. 0.8 wt% 미만에서는 내마모성이 저하됨과 동시에 담금질·뜨임 처리 후 경도가 감소되고, 1.7 wt% 를 초과하면 1차 탄화물이 과도하게 증가되어 인성 및 가공성이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다.

Si은 0.1 ~ 1.2 wt%를 첨가하는데, 고온에서 뜨임 열처리시 경도를 증가시키면서 인성을 향상시킨다. 0.1 wt% 미만에서는 효과가 별로 나타나지 않으며, 1.2 wt% 초과하여 첨가하면 열간가공성과 인성을 저하시키기 때문에 상기와 같이 성분범위를 한정하였다.

Mn은 0.2 ~ 1.0 wt%를 첨가하는데, 탈산 및 탈황제로써 강의 청정성을 향상시키고, 담금질 경화능을 증가시킨다. 0.2 wt% 미만으로 첨가하면 상기 효과가 불 충분하며, 2.0 wt% 를 초과하여 첨가하면 가공성을 해칠 수 있다.

Cr은 5.0 ~ 12.0 wt%를 첨가하는데, 담금질시 기지 중에 고용되어 담금질 경화능을 증대시킴과 동시에 탄화물을 형성시켜 내마모성을 향상시킨다. 5.0 wt% 미만에서는 상기 효과가 적고, 12.0 wt% 를 초과하면 인성 및 가공성이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

Mo은 1.3 ~ 3.0 wt%를 첨가하는데, 담금질시 기지 중에 고용되어 담금질 경화능을 증가시키고 뜨임 열처리에 의한 연화를 감소시키며 탄화물을 형성시킴으로써 내마모성을 향상시킨다. 1.3 wt% 미만에서는 상기 효과가 적고, 3.0 wt% 를 상회하면 망상 편석을 조장해서 열간가공시 1차 탄화물의 분산효과가 감소되어 인성 및 가공성을 저하시킨다.

V 와 Nb 중 1종 또는 2종을 0.3 ~ 3.0 wt%로 첨가하는데, V 및 Nb은 탄화물을 형성하여 내마모성을 증가시키고, 담금질시 기지에 고용해서 뜨임 열처리시 미세한 탄화물을 석출시킴으로써 고온에서의 연화저항성을 증가시킨다. 또한 질화물을 형성해서 열간가공 공정에 있어서 가열시 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하고, 1차 탄화물을 미세하고 균일하게 분산시킴으로써 인성, 내마모성을 향상시킬 뿐만 아니라 열처리에 따라 발생되는 치수변화량을 크기와 편차를 크게 감소시키는 효과가 있다.

0.3 wt% 미만으로 첨가되면 오스테나이트의 조대화를 방지하는 효과 및 탄화물 형성량이 적어진다. 1.0 wt% 보다 많이 첨가되면 거대 탄질화물을 형성시키거나 기지 중의 탄소량이 감소되면서 목표로 하는 경도를 얻을 수 없다.

N는 0.010 ~ 0.030 wt%로 첨가하는데, V 또는 Nb과 함께 탄화물을 형성해서 열간가공 공정에 있어서 가열시 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하고, 더욱이 1차 탄화물을 미세하고 균일하게 분산시킴으로써 인성, 내마모성을 향상시킬 뿐만 아니라 열처리에 따라 발생되는 치수변화량을 크기와 편차를 크게 감소시키는 효과가 있다.

0.010 wt% 미만으로 첨가되면 오스테나이트 조대화 방지 효과 및 탄화물 형성량이 적어지기 때문에 하한치를 설정하였다. 0.030 wt% 보다 많이 첨가되면 기지 중의 탄소량이 감소되면서 목표로 하는 경도를 얻을 수 없다.

Al, Ti, B 중 1종 또는 2종 이상을 합하여 0.05 wt% 이하로 첨가하는데, Al, Ti, B 은 탈산제로 사용되는 원소로 Nb이나 V보다 질소와 친화력이 강하기 때문에 열처리시 니오븀 탄질화물 석출을 억제해서 M₂₃C₆ 형 탄화물이 미세하게 석출되는 것을 방해함으로써 강도 및 비틀림 파단 내구성을 저하시키므로, 이들 원소 중에서 1종 또는 2종 이상을 합계한 농도를 0.05% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 또한 탈산제용 원소로 다른 원소도 가능하나, Al, Ti, B를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 균열 온도를 1150℃ ~ 1210℃로 제어하는 것은 거대 탄화물을 고용시켜 탄화물 구성성분을 기지로 확산시켜 탄화물의 분포를 개선하는 효과가 있다.

그리고 본 발명의 합금은 다량의 탄화물 원소를 함유하기 때문에 제조공정 중의 열이력에 따라 조직이 크게 변화될 수 있다. 따라서 냉간 공구강의 성능을 향상시키기 위해서는 열이력을 제어하여야 한다. 균열 후 10℃/분 이상의 냉각속도로 1050℃까지 냉각시킴으로써 탄화물을 미세하게 석출시키고 또한 균열 후 강괴 냉각 중에 고온에서 유지되는 시간을 감소시켜 조대한 탄화물의 석출을 방지할 수 있다.

이와 같이 탄화물이 기지에 미세하고 균일하게 분산되는 것에 의해 냉간 공구강의 치수변화를 감소시킬 수 있고, 인성과 가공성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

이하 실시예를 이용해서 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

실시예

본 발명의 실시예에서는 용해(잉곳 제조)-단조(슬라브)-열간 압연(평강)-구상화 소둔-시편 가공-초기 치수 측정-담금질 및 뜨임 열처리-최종 치수 측정을 거쳐 HRC 경도, 샤르피 충격치, 내마모성, 열처리 후 치수변화량을 평가하였다. 표 1에 나타낸 본 발명의 실시예와 비교예의 화학성분으로 잉곳을 용해한 후 1160℃로 재가열해서 단조해서 슬라브를 제조하였으며, 슬라브 두께는 150 mm 로 하였다.

또한 표 2에 나타낸 균열온도로 가열한 후 10℃/분 이상의 냉각속도로 1050℃까지 냉각시킨 후 각각의 온도에서 단조 또는 열간압연을 실시하여 최종두께 30 mm 의 평강(Flat Bar)를 제조하였다. 상기 제조된 평강에 대하여 870℃에서 3시간 동안 구상화 소둔을 실시한 후 치수변화 평가용 시편을 제작하였으며, 시편 치수는 두께 25 mm, 폭 100 mm, 길이 110 mm로 하였다. 시편가공 후 치수정밀도 1 micrometer를 갖는 정밀 측정기를 이용해서 담금질 및 뜨임 열처리 전 초기치수를 측정하였다.

담금질 및 뜨임 열처리는 진공열처리로를 이용해서 실시하였다. 담금질은 1030℃로 가열 후 질소 가스로 강제 냉각해서 실시하였다. 뜨임은 2단계로 실시하였는데, 1단계는 500℃로 가열 후 공냉, 2단계는 480℃로 가열 후 공냉하였다. 담금질 및 뜨임 열처리 후 열처리 과정에서 발생되는 치수변화량을 측정하기 위해 상기 정밀 측정기를 이용해서 열처리 후 최종치수를 측정하였다.

상기 시편 치수 측정시 측정위치는 두께, 폭, 길이를 균등 분할해서 5개소씩 측정해서 평균값을 구했다. 상기 측정된 담금질 및 뜨임 열처리 전,후 치수로부터 다음 식과 같이 두께, 폭, 길이에 대한 각각의 치수변화율을 계산하였다.

그리고, 위와 같이 두께, 폭, 길이에 대하여 얻어진 치수변화율을 이용해서 다음 식과 같이 평균 치수 변화율(%)을 계산하였다.

한편, 비마모량은 대월식 마모시험기를 이용해서 평가하였는데, 상대재는 SCM 415(HB 190), 마찰속도는 3.0 m/sec, 마찰거리는 200 mm, 부가하중은 6.5 kg으로 하였다.

표 1 합금조성비(중량%)

표 2 물리적 특성

표 2로부터 알 수 있듯이 본 발명의 실시예에 의해 제조된 냉간공구강은 어느 경우에도 HRC 60 이상의 경도를 나타내었으며, 비교예에 비해 충격치가 높을 뿐만 아니라 담금질·뜨임 열처리 전,후에 측정된 치수변화율이 0.024 % 이하로 비교예에 비교해서 현저히 작은 값을 나타내었다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명의 범위안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (5)

1. 중량%로서, C 0.8~1.7%, Si 0.1~1.2%, Mn 0.2~1.0%, Cr 5.0~12.0%, Mo 1.3~3.0%, V 와 Nb 중 1종 또는 2종 0.3~3.0%, N 0.010~0.030%, 탈산제용 원소0.05% 이하 및 잔량은 Fe로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간 공구강.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 탈산제용 원소는 Al, Ti, B 중에서 1종 또는 2종 이상이고, 그 함량은 0.05 중량% 이하로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간 공구강.
3. 잉곳을 1150℃ ~ 1210℃에서 균열을 실시하는 단계;

   상기 균열 실시 후 10℃/분 이상의 냉각속도로 1050℃까지 냉각시키는 단계; 및

   상기 냉각된 잉곳에 대하여 단조 또는 열간압연을 실시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉간 공구강의 제조방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 잉곳은 중량%로서, C 0.8~1.7%, Si 0.1~1.2%, Mn 0.2~1.0%, Cr 5.0~12.0%, Mo 1.3~3.0%, V 와 Nb 중 1종 또는 2종 0.3~3.0%, N 0.010~0.030%, 탈산제용 원소 0.05% 이하 및 잔량은 Fe로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉간 공구강의 제조방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 탈산제용 원소는 Al, Ti, B 중에서 1종 또는 2종 이상이고, 그 함량은 0.05 중량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉간 공구강의 제조방법.