KR100206354B1 - 냉간 및 열간 겸용 소형 단조형 금형공구강 및그의제조방법 - Google Patents

냉간 및 열간 겸용 소형 단조형 금형공구강 및그의제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고수명화를 위한 냉간 및 열간 겸용 소형 단조용 금형공구강을 개시한다.
본 발명의 냉간·열간 겸용 소형 단조용 금형공구강은 중량%로 C : 0.50~0.60%, Si : 0.3~1.2%, Mn : 0.5~1.1%, Ni : 0.001~0.1%, Cr : 2.5~4.5%, Mo : 0.1~1.0%, V : 0.1~1.0%, W : 0.1이하, Nb : 0.1%이하, Al : 0.001~0.002%, Ca : 0.001~0.1%를 함유하고, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하며, 성분범위로 용제된 용강내 최종 O량을 40ppm이하, 최종 S량을 60ppm이하를 포함하고, 특허청구범위내열처리방법을 실시하는 것을 특징으로 한다.

Description

냉간 및 열간 겸용 소형 단조형 금형공구강 및 그의 제조방법
제1도는 금형수명 평가에 사용된 발명강의 실제 금형형상과 단조된 스테인레스 주방제품의 사진.
제2도는 본 발명강과 비교강의 퀀칭 및 템퍼링 열처리후 충격치를 비교한 그래프.
제3도는 본 발명강과 비교강의 퀀칭 및 템퍼링 열처리후 경도를 비교한 그래프.
제4도는 본 발명강과 비교강의 퀀칭 및 템퍼링 열처리후 변형량을 비교한 그래프.
[발명의 분야]
본 발명은 단조용 금형공구강에 관한 것으로, 특히, 소형 스테인레스 주방 단조제품 생산을 위한 고수명화된 냉간 및 열간 겸용 소형 단조용 금형공구강에 관한 것이다.
최근 소형 단조제품 생선업체에서는 금형강의 소재로서 냉간단조의 경우 탄소공구강계열(KS규격:STC××)과 냉간공구강계열(KS규격:STD××)이 사용되고 있으며, 열간단조의 경우 열간공구강계열(KS규격:STD××)이 주로 사용되고 있다.
그러나, 종래의 금형강의 소재는 금형수명과 금형제작비면에서 문제점을 안고 있어서 제품 생산 원가에 큰 부담이 된다. 열간공구강계열은 퀀칭/템퍼링처리후에 1010℃이상의 고온 퀀칭과 550℃이상의 고온 템퍼링으로 우수한 충격특성이 확보되지만 HRC55이상의 경도를 얻을 수 없으므로 저경도에 의한 금형의 조기마모가 발생되고, HRC60이상의 표면경도를 얻기 위해서는 고가의 이온질화처리가 필수불가결 하게 되었다.
또한, 400~600℃의 2차 경화구역에서 잔류 오스테나이트 조직이 베이나이트 및 탬퍼드 마르텐사이트로 변태하기 때문에 큰 변형이 발생된다.
탄소공구강계열은 800℃이하의 저온 퀀칭과 200℃이하의 저온 템퍼링 및 수냉처리로 고경도를 얻을 수 있지만, 이러한 고경도에 반하여 우수한 충격치를 얻을 수 없으므로 금형이 조기에 파손되는 문제점이 있고, 0.9%이상의 고탄소에 의한 잔류오스테나이트량 증가로 인하여 퀀칭시 금형의 변형량이 큰 문제점이 있었다.
[발명이 이루고자 하는 과제]
상기에서 언급된 바와 같이, 종래의 탄소공구강은 고경도를 갖는 것에 비하여 우수한 충격특성을 확보하기 어렵고 변형량이 크며, 열간 및 냉간공구강은 고온 퀀칭/템퍼링처리, 이온질화처리 및 서브제로처리로 고경도 및 우수한 충격특성을 얻을 수 있는 반면, 후 처리비용의 상승에 따라 금형제작비가 고가인 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 새로운 성분함량을 갖는 합금설계와 이에 따른, 퀀칭/템퍼링처리를 변경함으로써, 탄소공구강의 고경도와 열간공구강의 우수한 충격특성은 유지되면서, 소형 단조제품 및 소형 스테인레스 주방제품 생산용 금형소재의 조기마모와 조기파손의 문제점을 개선시켜 고수명화된 냉간 및 열간 금형공구강을 실 사용업체에 제공하는 것을 목적으로 한다.
[발명의 구성 및 작용]
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 냉간·열간 겸용 소형 단조용금형공구강은 중량%로 C : 0.50~0.60%, Si : 0.3~1.2%, Mn : 0.5~1.1%, Ni : 0.001~0.1%, Cr : 2.5~4.5%, Mo : 0.1~1.0%, V : 0.1~1.0%, W : 0.1이하, Nb : 0.1%이하, Al : 0.001~0.02%를 함유하고, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉간·열간 겸용 소형 단조용금형공구강의 제조방법은 중량%로 C : 0.50~0.60%, Si : 0.3~1.2%, Mn : 0.5~1.1%, Ni : 0.001~0.1%, Cr: 2.5~4.5%, Mo : 0.1~1.0%, W : 0.1이하, Nb : 0.1%이하, Al : 0.001~0.02%, Ca : 0.001~0.01%를 함유하고, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물을 포함하며, 성분 범위로 용제된 용강내 최종 O량을 40ppm이하로 하는 예비탈산과 최종 S량을 60ppm이하로 하는 예비 탈황을 기본으로 하는 용강을 1600℃±50℃에서 6톤 잉고트를 제작하는 단계; 제조된 잉고트를 1000~1200℃에서 열간가공을 실시하는 단계; 열간 가공으로 잉고트를 어닐링처리 하는 단계; 어닐링처리된 잉고트를 유냉 또는 수냉을 병행하여 퀀칭처리하는 단계; 및 퀀칭처리된 소재를 템퍼링처리 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명강의 화학성분 첨가 이유와 성분범위를 중량%로 나타내고, 한정 이유를 설명한다.
C : C는 기지에 고용되어 경도와 강도를 상승시키고 이에 따라, 내마모성 및 연화저항성을 확보하기 위한 필수적인 첨가원소이다. 상기 효과들을 확보하기 위해서는 0.1%이상 첨가시키는 것이 필수적이며, 과량첨가시 탄화물량 증가에 의한 내마모성 향상은 기대할 수 있으나, 충격특성 및 절삭성이 저하된다. 0.6%이상에서는 탄소량이 증가되어도, 더 이상의 퀀칭경도 상승은 기대할 수 없으므로 0.50%~0.60%로 한정한다.
Si : Si은 탈산제로서 유효하게 작용됨과 동시에 A1변태점을 높이고 내산화성 및 저온템퍼링에서도 충격특성을 향상시킨다. 과량첨가시 세멘타이트를 흑연화시켜 가공성을 해치며, 절삭성 및 충격특성을 저하시킨다. 소량첨가시 약간의 경도 및 강도상승은 있으나, 결정립 성장억제 및 내산성 확보가 어렵다. 따라서, 0.3%~1.2%로 한정한다.
Mn : Mn은 제강시 탈산, 탈황효과외에 소입성확보 및 S에 의한 취성방지에 효과적이다. 그러나 과량첨가시 A1변태점을 저하시켜 어닐링 경도가 높아지고 절삭성이 저하되며, 잔류 오스테나이트가 증가하여 열간 가공성을 해치고 템퍼링후 잔류오스테나이트 분해에 의해 열변형을 조장한다. 또한, 소량첨가시에는 소입성이 저하되므로 0.5%~1.1%로 한정한다.
Ni : 기지조직을 강화시키고 소입성을 높이는 원소로서 소량첨가시 균일 경도 및 소입성 확보가 어렵고, 과량첨가시 충격특성과 절삭성을 해치므로 0.001~0.1%로 한정한다.
Cr : 미세탄질화물을 형성하고 금형용 공구강에 필요한 소입성, 내산화성을 부여하는 원소로서 내마모성, 연화저항성 및 강도를 높이지만, 과량첨가시 Cr 탄화물이 과도하게 형성되어 절삭성 및 강도가 저하되고, 소량첨가시 위의 여러효과들을 기대할 수 없으므로 2.5~4.5%로 한정한다.
Mo : 베이나이트 변태를 촉진하고 인정한 잔류 오스테나이트를 생성시키며 탄화물을 형성시키는 원소로서, 템퍼링 취성방지, 소입성 증대 및 연화저항성과 내마모성을 높이지만, 과량첨가시 절삭성 및 충격인성을 해치고 소량첨가시 위 효과들을 기대할 수 없으므로 0.1~1.0%로 한정한다.
V : 결정립을 미세화시키고 600℃까지 고온 경도를 높이며 C, N과 결합하여 내마모성, 연화저항성 및 충격특성을 향상시키는 원소로서, 과량첨가시 그 효과에 비하여 경제적이지 못하고 거대탄화물(VC)을 형성시켜 충격특성과 강도를 저하시키므로 1.0%이하로 하고, 소량첨가시 위 효과들의 확보가 어려우므로 0.1%이상으로 한정한다.
W, Nb : 모두 탄화물형상원소로서 내마모성, 연화저항성 확보를 위해 중요하기 때문에 1종류이상 첨가된다. 단, 탄화물 과다 석출에 의한 절삭성 및 충격특성의 저하를 방지하기 위하여 각각 0.1%이하로 한정한다.
Al : 탈산 및 결정립미세화 효과에 우수한 원소이고, Ca 첨가효과를 극대화시키기 위하여 첨가된다. 과량첨가시 Al2O3를 다량 형성시켜 오히려 Ca 첨가효과를 저하시키고, 소량첨가시 예비탈산 효과 및 결정립미세화 효과가 저하되므로 0.001~0.2%로 한정한다.
Ca: 비금속개재물 형상제어와 청정도 향상에 효과적인 원소이고 특히, 비금속개재물을 구상화시켜 절삭성을 향상시키는 주요한 원소로서 0.001%∼0.01%로 한정한다. 0.001%이하일 때는 비금속개재물 형상제어에 의한 절삭성 효과를 볼 수 없고, 0.01%이상일 때는 오히려 첨가효과가 저해되므로 한계치를 둔다. 단, 최종 S량과 대비하여 Ca%/S%=0.8∼1.2, 최종 O량과 대비하여 Ca%/O%=0.8∼1.2범위로 하여야 하며, Ca%/S%=0.8∼1.2, Ca%/O%=0.8∼1.2를 벗어날때에는 우수한 기계적특성을 얻을 수 없으므로 그 범위를 규정한다. Ca첨가에 의한 비금속개재물 형상제어의 주된 반응은 다음과 같다.
Ca +(x+1/3)Al2O3=CaOxAl2O3+2/3Al
CaO +2/3Al+S =CaS +1/3Al2O3
이하, 본 발명의 냉간, 열간 겸용 소형 단조용 금형공구강의 제조방법에 대해 설명한다.
본 발명강은 C : 0.50~0.60%, Si : 0.3~1.2%, Mn : 0.5~1.1%, Ni : 0.001~0.1%, Cr : 2.5~4.5%, Mo : 0.1~1.0%, V : 0.1~1.0%, W : 0.1이하, Nb : 0.1%이하, Al : 0.001~0.002%를 함유하고, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어진 용강을 용제하고 래들정련후 최종 O량이 40ppm이하, S량을 60ppm이하가 되는 예비탈산 및 예비 탈황을 기본으로 실시하고, Ca을 첨가하여 용강내 비금속개재물을 형상제어하는 제강 프로세스 및 1000℃이상에서의 압연과 단조, 어닐링처리, 퀀칭처리, 템퍼링처리를 순차적으로 실시하여 제조한다.
어닐링은 기지의 완전한 페라이트화 및 양호한 탄화물 구상화에 의한 우수한 절삭성을 보장하기 위하여 830∼870℃에서 소재직경 25.4mm당 60분이상 유지후, 60분당 25℃이하로 500±100℃까지 제어냉각하고, 이후 상온까지 공냉시키는 것이 기본이다. 퀀칭은 소재 내, 외부의 온도 불균일에 의한 열균열을 방지하기 위하여 660∼680℃에서 30분 이상 예열하고, 900∼965℃에서 25.4mm당 30분 유지후, 공냉은 아니고, 유냉 또는 수냉을 실시한다. 유냉방법에서 유조온도는 90±10℃를 유지하고, 소재는 유조에 완전히 침적시키며 교반은 필수적이다. 수냉방법은 900∼965℃로 가열된 소재에 물을 고압으로 15∼16초 분사한 후에 90±10℃로 유지된 수조내에 신속하게 완전히 침적후 교반을 실시한다. 템퍼링 실시전 소재온도는 38℃이하로 하며, 수냉재, 유냉재 모두 150∼350℃ 범위내에서 25.4mm당 60분 이상 유지후 공냉시키는 것이 기본이다. 탬퍼링은 1회 이상 실시한다.
[실시예]
표1에 발명강과 비교강의 화학성분과 최종 Ca%/S%, Ca%/O%를 나타내었다. 비교강은 탄소강인 STC4(E강)와 열간공구강인 STD61(F강)을 6톤 잉코트로 제작하고, 1150℃에서 80×160mm로 압연하고, 각 강종별로 일반화되어 있는 어닐링처리를 실시한 후, 압연상태 그대로 또는 충격, 경도, 변형량 평가를 위하여 1/2R부에서 시험편은 채취하여 비교강 고유의 퀀칭/템퍼링처리를 실시하였다.
발명강은 특허청구범위내 성분범위내에서 Ca를 제외한 성분으로 성분조정을 행한 다음, 진공도 1×10 torr이하에서 용강내 O량을 40pp이하로 예비탈산과 S량을 60ppm이하로 하는 예비탈황을 행하고, 용강내 Ca을 성분함량이 중량%로 0.001∼0.01%이 되도록 첨가한다. 이후, 용강주입시 용강온도를 1600℃±50℃로 하여 6톤 잉고트를 제작한 후, 1000∼1200℃에서 80×160mm로 압연을 실시한다. 다음으로, 어닐링은 기지의 완전한 페라이트화 및 양호한 탄화물 구상화에 의한 우수한 절삭성을 보장하기 위하여 830∼870℃에서 소재직경 25.4mm당 60분 이상 유지후, 60분당 20℃이하로 500℃±100℃까지 제어냉각한 후, 1/2R부 또는 압연상태 그대로를 시험편으로 준비하였다. 이후, 퀀칭처리는 소재 내,외부의 온도 불균일에 의한 열균열을 방지하기 위하여 660∼680℃에서 30분이상 예열하고 900∼965℃에서 25.4mm당 30분 이상 유지후, 공냉을 제외한 유냉 또는 수냉을 병행하여 실시하였고, 유냉에서의 유조온도는 90℃±10℃를 유지하여 소재를 유조에 완전히 침적시켜 교반은 실시하였다. 또한, 수냉은 900∼965℃로 가열된 소재에 물을 고압으로 15∼16초 동안 분사한 후, 90℃±10℃로 유지된 수조내에 신속하게 완전히 침적후 교반을 실시하였다. 이후, 100∼650℃에서 60분/25.4mm이상 유지후 공냉하는 템퍼링처리를 1회 또는 2회 실시하였다.
제2도는 발명강 및 비교강의 충격특성 평가를 나타낸 것으로, 충격특성 평가는 시험재의 압연방향에서 시험편을 채취하여 KS 3호 충격시험편을 제작한 후에 상온에서 시험을 행하여 충격치로서 판정한 것이다. 이후, 시험재의 표면을 2mm정도 연마한 후, 경도를 측정하였고 결과를 제3도에 나타내었다. 또한, 퀀칭과 템퍼링처리에 의한 변형량평가는 25ψmm×50mm시험편의 길이방향 변화로 측정하고, 제4도에 나타내었다. 금형수명 평가는 발명강과 비교강 모두 70×150×300mm로 금형을 제작한 후, 150톤 프레스를 사용하여 형타하고, 단조압은 동일하게 하였다.
제1도에 금형수명평가에 사용된 발명강의 실제 금형형상과 단조된 스테인레스 주방제품을 나타내고, 표2에 금형수명을 비교하였다.
제2도 내지 제4도는 930℃에서 수냉한 발명강 A와 915℃에서 수냉한 발명강 C, 750에서 수냉한 비교강 E와 1030℃에서 공냉한 비교강 F를 템퍼링처리후 충격치, 경도 및 변형량을 평가한 것이다.
온도에 따른 충격치를 나타낸 제2도에서 발명강(A,C)은 600℃이상 고온연화구역을 제외한 200∼300℃ 부근에서 최고 충격치를 나타내고, 비교강 E에 비하여 350℃까지, 비교강 F에 비하여 600℃까지 충격치가 높다.
온도에 따른 경도(Hardness : HRC)를 나타낸 제3도에서 발명강(A,C)의 경도치는 비교강 E에 대하여 150℃까지는 낮지만, 200℃이상에서 높고, 비교강 F에 비하여 400℃까지 높은 경도를 나타낸다.
결과적으로 본 발명강의 고경도와 우수한 충격치를 함께 보장하는 템퍼링 온도는 150∼350℃이다. 보다 엄밀하게는 200∼300℃이다.
템퍼링온도에 따른 부피 변형량을 나타낸 제4도에서 발명강(A,C)은 비교강(E,F)에 비하여 퀀칭/템퍼링처리후, 그 변형량 폭이 극히 작다. 이것은 비교강 E에 비하여 C량을 저감시켜 퀀칭상태의 변형량을 감소시키고, 잔류오스테나이트의 마르텐사이트 변태에 의한 체적증가를 새로운 합금설계로서 최소화 시킨 결과이다. 변형량 변화가 거의 없는 구간은 200-350℃이다.
표2는 제1도에 나타낸 스테인레스 주방제품 생산용 실제 금형을 수명테스트한 결과를 나타낸 것으로, 표2에 나타낸 바와 같이, 발명강(A,B,C,D)은 25,000타 이상의 열간, 냉간 단조작업에서도 금형상태가 비교적 양호한 반면에, 비교강 E는 10,000타 이하에서 금형이 파손되었으며, 비교강 F는 이온질화상태에서는 25,000타를 보이지만 이온질화처리를 하지 않은 상태에서는 15.00타를 넘지 못했다.
따라서, 본 발명법으로 제조되고 열처리된 발명강은 비교강에 비하여 930℃이하 저온 퀀칭과 150∼350℃범위의 저온템퍼링에 의하여 HRC56이상의 고경도와 최소 3.5kgf-m/㎠ 이상의 충격치를 얻을 수 있고, 그 변형량 역시 ±0.05%범위에 있다.
결과적으로 본 발명법에 의한 새로운 합금설계와 저온 퀀칭/템퍼링 열처리후 우수한 충격특성, 작은 변형량 및 고경도를 보장하여 소형의 냉간 열간작업 모두에서 기존 STC4와 STD61보다 고수명화된 금형공구강을 제조하게 되었다.
[발명의 효과]
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 냉간 및 열간 겸용 소형 단조형 금형공구강 및 그 제조방법은 새로운 합금조성과 새로운 어닐링, 퀀칭/템퍼링 열처리 방안에 의하여 금형의 변형량을 감소시키고, 우수한 충격특성 및 고경도를 확보하여 우수한 금형수명과 후 처리비용의 감소로 인한 금형제작비를 감소시키는 효과를 제공한다.

Claims (4)

  1. 중량%로, C : 0.50~0.60%, Si : 0.3~1.2%, Mn : 0.5~1.1%, Ni : 0.001~0.1%, Cr : 2.5~4.5%, Mo : 0.1~1.0%, V : 0.1~1.0%, W : 0.1이하, Nb : 0.1%이하, Al : 0.001~0.02%를 함유하고 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간·열간 겸용 소형 단조용 금형공구강.
  2. 제1항에 있어서, 상기 조성원소에 Ca:0.001∼0.01을 더 포함하고, 최종 Ca량은 최종 S량과 대비가 Ca%/S%=0.8∼1.2, 최종 O량과의 대비는 Ca%/O%=0.8-1.2범위를 만족하는 것을 특징으로 냉간·열간 겸용 소형 단조용 금형공구강.
  3. 중량%로 C : 0.50~0.60%, Si : 0.3~1.2%, Mn : 0.5~1.1%, Ni : 0.001~0.1%, Cr: 2.5~4.5%, Mo : 0.1~1.0%, V : 0.1~1.0%, W : 0.1이하, Nb : 0.1%이하, Al : 0.001~0.02%, Ca : 0.001~0.01%를 함유하고, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물을 포함하며, 성분 범위로 용제된 용강내 최종 O량을 40ppm이하로 하는 예비탈산과 최종 S량을 60ppm이하로 하는 예비 탈황을 기본으로 하는 용강을 1600℃±50℃에서 잉고트를 제작하는 단계; 제조된 잉고트를 1000~1200℃에서 열간압연 또는 단조를 실시하는 단계; 열간가공된 소재를 어닐링처리 하는 단계; 어닐링된 소재를 유냉 또는 수냉을 병행하여 퀀칭처리하는 단계; 및 퀀칭처리된 소재를 템퍼링처리 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉간·열간 겸용 소형 단조용 금형공구강.
  4. 제3항에 있어서, 상기 어닐링 단계는 830℃∼870℃의 온도범위에서 소재직경 25.4mm당 60분이상 유지후, 60분당 25℃이하로 500±100℃까지 제어냉각후 상온까지 공냉하는 것을 특징으로 하고, 상기 퀀칭처리 단계는 660∼680℃의 온도로 30분 이상 예열한 후, 900℃∼965℃의 온도범위에서 소재직경 25.4mm당 30분 이상 유지한 후, 공냉은 실시하지 않고 유조온도 90℃±10℃에서 완전 침적시켜 교반하여 유냉하거나 또는 900∼965℃의 소재에 15∼16초 동안 물을 고압으로 분사한 후, 90℃±10℃로 유지된 수조내에 신속하게 완전히 침적시켜 교반하는 수냉을 실시 하는 것을 특징으로 하며,
    상기 템퍼링처리는 수냉재, 유냉재 모두 용도에 따라 100℃∼700℃범위내 또는 150∼350℃ 범위내에서 25.4mm당 60분 이상 유지한 후 공냉시키며, 이를 1회이상 실시하는 것을 특징으로 하는 냉간·열간 겸용 소형 단조용 금형 공구강의 제조방법.
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