KR100256363B1 - 몰리브데늄계 고속도공구강 - Google Patents

몰리브데늄계 고속도공구강 Download PDF

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Abstract

탄화물을 형성하는 합금원소의 함량에 따라 탄소량을 조절하여 종래와는 달리 응고시 생성되는 공정탄화물로서 안정상인 M6C 보다는 준안정상인 M2C가 생성되게 함으로써 단조성과 인성 등 기계적 성질이 보다 우수한 몰리브데늄계 고속도공구강을 제조한다.

Description

몰리브데늄계 고속도공구강
제1도는 탄소량에 따라 제조된 몰리브데늄계 고속도공구강의 미세조직을 보여주는 광학현미경 사진으로서, a도는 탄소량이 1.45%인 경우의 몰리브데늄계 고속도공구강의 미세조직, b도는 탄소량이 1.25%인 경우의 몰리브데늄계 고속도공구강의 미세조직을 나타낸다.
본 발명은 몰리브데늄계 고속도공구강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄화물을 형성하는 합금원소의 함량에 따라 탄소량을 조절함으로써 종래보다 단조성과 인성이 뛰어난 몰리브데늄계 고속도공구강에 관한 것이다.
초창기의 고속도공구강은 대개 텅스텐이 18% 이상 첨가된 텅스텐계였으나, 1.0%의 몰리브데늄계 2.0%이 텅스텐 역할을 수행한다는 사실이 알려지면서 생산단가를 절감하기 위해 고가인 텅스텐의 일부를 저가인 몰리브데늄으로 치환한 몰리브데늄계 고속도공구강이 개발되고 있다.
그러나, 종래의 주조법으로 몰리브데늄계를 제조할 경우 빌렛의 내부에 로드 (rod) 상 M2C 탄화물의 조대한 생성과 편석을 일으키며 이로 인하여 단조, 압연 등의 2차 가공성이 열악해지며 또한 공구의 인성이 크게 떨어져 충격에 대해 매우 취약한 결점을 가지고 있어 몰리브데늄계 고속도공구강을 사용하는데 문제점으로 대두되고 있었다.
일본공개특허 소59-37741은 이를 해결하기 위해 몰리브데늄계 고속도공구강을 제조하는데 있어서 텅스텐의 함량을 제한하고 분말야금법으로 제조함으로써 M2C 탄화물의 생성을 억제시키는 대신에 MC와 M6C 탄화물의 생성을 유도하여 인성과 내마모서을 향상시켰다. 그러나, 분말야금법은 분말의 제조, 입도분류, 캐닝(canning), 탈가스처리, 성형공정, 소결공정 등 많은 제조공정을 거치기 때문에 제조공정상의 제어가 어려우며 제조단가가 매우 비싸다는 단점이 있었다. 또한 탄화물을 형성하는 합금 원소의 함량을 제한할 경우 탄화물의 부피분율의 감소와 함께 소재의 경도와 마모성을 떨어뜨리는 결과를 초래하였다.
한편, 본 발명자는 기존 M2C 탄화물이 생성되어 있는 고속도공구강을 1150-1200℃의 온도에서 열처리를 통하여 M2C를 분해한 후 2차 열간가공을 행함으로써 최종제품의 기계적 성질을 향상시키는 방법을 제안한 바 있다. (특허 출원번호 94-38977). 이와 같은 방법을 통하여 응고시 M6C 탄화물이 생성된 고속도공구강의 굽힘강도보다 약 40-50%의 강도향상을 얻을 수 있었다.
본 발명의 목적은 몰리브데늄계 고속도공구강을 분무주조법으로 제조하는데 있어서 생성되는 공정탄화물을 안정상인 M6C보다는 준안정상인 M2C로 제한하는 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 인성 또는 굽힘강도 등 기계적 성질이 우수한 몰리브데늄계 고속도공구강을 제공함에 있다.
본 발명에 의하면, 탄화물을 형성하는 합금원소의 양에 따라 탄소량이 0.06316W(중량%)+0.06744Mo(중량%)+0.09323V(중량%)+0.04616Cr(중량%)+0.2%로 조절되어 공정탄화물로 안정상인 M6C을 억제하고 준안정상인 M2C을 생성된 몰리브데늄계 고속도공구강이 제공된다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
탄소는 경화능의 고속도공구강에서 가장 중요한 합금원소이다. 응고시 탄화물 석출을 유도하고 용체화처리 및 급냉시 마르텐사이트 변태를 통해서 강화에 기여한다. 또한 템퍼링시 미세한 탄화물을 형성하여 2차 경화현상을 야기시킨다. 탄소가 다른 합금원소와 반응하여 탄화물을 형성할 때 필요한 탄소의 양은 합금설계 및 열처리 기술을 이해하는데 매우 중요하다.
탄소의 양을 계산하기 위해서는 먼저 생성된 탄화물의 금속성분의 조성을 알아야만 한다. 정확한 분석을 위하여 빌렛내의 탄화물을 전해 추출법에 의하여 추출한 후, 투과전자현미경으로 정량분석을 행하였다. 이때 사용된 시편은 빌렛내에 MC+M23C6+M2C인 것과 MC+M23C6+M6C인 경우의 것이다.
측정된 각 탄화물의 금속성분의 원자비를 중량비로 환산하여 표 1에 나타내었다. 이로부터 각 탄화물을 이루는 M의 평균원자가를 계산할 수 있으며 또 M의 1g당 요구되는 탄소량을 알 수 있다. (표 2)
[표 1]
[표 2]
즉, 공정탄화물인 M2C 또는 M6C가 생성될 때 요구되는 탄소의 양이 다름을 알 수 있다. 만약 다음과 같은 조성의 고속도공구강을 제조할 때 요구되는 탄소량을 계산하여 보자.
*y=a+b+c+d+x
여기서 고속도공구강의 구성원소중 W, Mo, Cr, V는 100% 탄화물을 형성한다는 가정하에 각 탄화물을 이루고 있는 합금원소의 각각이 요구하는 탄소량은 다음과 같다.
가. 공정탄화물로 M2C를 생성시키고자 할 때 먼저 빌렛내부에 공정탄화물로 M2C를 생성시킬 경우에 대하여 살펴본다.
이때 생성되는 탄화물은 MC, M23C6그리고 M2C이다.
즉, MC 탄화물의 W이 요구하는 탄소량
=MC 생성에 소요되는 W양×단위 중량당 필요한 탄소량
=(a×MC에 포함된 W/전체탄화물의 W)×(C/1gM)
=a×21.98/(36.691+21.98+20.89)×0.10389=0.02870a
MC 탄화물의 Mo이 요구하는 탄소량
=MC 생성에 소요되는 Mo양×단위 중량당 필요한 탄소량
=(b×MC에 포함된 Mo/전체탄화물의 Mo)×(C/1gM)
=b×14.334/(29.541+114.334+3.071)×0.10389=0.03172b
MC 탄화물의 V이 요구하는 탄소량
=MC 생성에 소요되는 V양×단위 중량당 필요한 탄소량
=(c×MC에 포함된 V/전체탄화물의 V)×(C/1gM)
=c×54.865/(13.652+54.865+0.602)×0.10389=0.08247c
MC 탄화물의 Cr이 요구하는 탄소량
=MC 생성에 소요되는 Cr양×단위 중량당 필요한 탄소량
=(d×MC에 포함된 Cr/전체탄화물의 Cr)×(C/1gM)
= d×8.517/(5.93+8.517+70.586)×0.10389=0.01041d
공정탄화물이 M2C일 때 MC 탄화물의 생성에 요구되는 탄소량
= 0.02870a+0.03172b+0.08247c+0.01041d ----(1)
이를 M2C와 M23C6에도 적용하여 계산을 하면 다음과 같다.
공정탄화물이 M2C일때 M2C탄화물의 생성에 요구되는 탄소량
=0.02432a+0.03319b+0.01042c+0.00368d ----(2)
공정탄화물이 M2C일때 M23C6탄화물의 생성에 요구되는 탄소량
=0.01014a+0.00253b+0.00034c+0.03207d ----(3)
따라서 공정탄화물로 M2C를 생성시키고자 할때 고속도공구강 빌렛 전체에 요구되는 탄소의 양은 식(1)+(2)+(3)이다.
탄소함량 = 0.06316a+0.06744b+0.09323c+0.04616d ----(4)
나. 공정탄화물로 M6C를 생성시키고자 할때
이 경우도 앞의 방법과 동일하게 계산하면 다음과 같다.
공정탄화물이 M2C일 때 MC 탄화물의 생성에 요구되는 탄소량
=0.02909a+0.0406b+0.09686c+0.01007d ----(5)
공정탄화물이 M6C일때 M6C탄화물의 생성에 요구되는 탄소량
=0.00835a+0.00967+0.00106c+0.00183d ----(6)
공정탄화물이 M6C일때 M23C6탄화물의 생성에 요구되는 탄소량
=0.01028a+0.00323b+0.0004c+0.03104d ----(7)
따라서 공정탄화물로 M6C를 생성시키고자 할때 고속도공구강 빌렛 전체에 요구되는 탄소의 양은 식(5)+(6)+(7)이다.
탄소함량 = 0.04772a+0.0535b+0.09832c+0.04294d ----(8)
이상의 결과에서 고속도공구강의 응고시 생성되는 공정탄화물의 종류가 M2C 또는 M6C이냐에 따라 요구되는 탄소량은 식(4)와 식(8)에 의해 결정될 수 있다.
본 발명자는 선행실험에서 공정탄화물의 종류에 따른 소재의 기계적특성을 조사하였으며, 이로부터 고속도공구강 제조시 공정탄화물로 M6C보다 M2C 탄화물이 생성되는 것이 소재의 특성에 유리함을 확인하였다. 그러므로 주어진 합금성분계에서 M2C 탄화물의 생성을 조장시키기 위해서는 식(4)의 결과에 따라 탄소량을 결정하여야 한다. 그러나 실제 첨가되는 탄소량은 기지금속에 고용되는 탄소량을 합쳐야 하며, 대개 0.2%정도를 식(4)에 첨가하여야 한다. 이때 기지금속의 탄소량을 0.2%로 규정한 이유는 일반적으로 사용되는 구조용강의 탄소함량이기 때문이다. 만약 탄소량이 식 (4)+0.2% 이상일 경우에는 고속도공구강의 응고가 시작되는 용융시작점이 낮게 되어 제조후 충분한 경화능처리를 할 수 없게 되므로 최고치의 경도를 얻을 수 없다. 또한 탄소량이 식(4)+0.2%이하일 경우 응고시에 공정탄화물로 M2C의 생성을 완전히 얻지 못하고, M6C 탄화물이 생성될 수 있다. 만약 M6C 탄화물이 생성될 경우 이의 망조직을 제거하기 위해서는 상당량의 이차가공이 필요하며, 또한 조대한 M6C의 생성으로 소재의 기계적 성질을 저하시키는 원인이 된다.
이상의 결과로 부터 고속도공구강을 제조할 때 탄화물을 형성하는 합금원소(W, Mo, V, Cr)의 함량에 따라 탄소량을 0.06316W(중량%)+0.06744Mo(중량%) +0.09323V(중량%)+0.04616Cr(중량%)같이 제어함으로써 공정탄화물로 M2C의 생성을 조장하여 최종제품의 기계적성질을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 중량%로 C-W-Mo-V-Cr의 탄화물 형성원소가 함유된 통상의 몰리브덴계 고속도공구강을 대상모재로 하는데, 이 강은 통상 중량%로 C:0.8-2.0%, W:3-7%, Mo:3-8%, V:1-5%, Cr:4-5%를 포함하여 이루어진다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세히 설명한다.
[실시예 1]
몰리브데늄계 고속도공구강(6.5W/5Mo/4Cr/3.1V/8Co/Fe)을 제조함에 있어서, M2C 공정탄화물을 생성시키기 위하여 요구되는 탄소량은 식(4)에 의해 계산하면 다음과 같다.
탄소량 = (0.06316×6.5)+(0.06744×5)+(0.09323×3.1)+(0.04616×4) = 1.2213%
이 결과에 0.2%를 합하면 요구되는 탄소량은 1.42%이다.
반면에 M6C 공정탄화물을 생성시키기 위해 필요한 탄소량은 식 (8)+0.2%, 즉 1.25%이다.
도 1은 분무주조법에 의해 제조된 탄소량이 1.45%와 1.25%인 경우의 고속도공구강의 미세조직이다. 도시된 바와 같이 탄소량이 1.45% 일때 고속도공구강의 미세조직은 미세한 구형의 MC와 침상 M2C 탄화물의 망조직으로 이루어져 있는 반면, 1.25%일때에는 MC와 함께 다소 조대하고 균일한 M6C 탄화물의 망상조직을 이루고 있음을 알 수 있다. 각각의 두 시편을 단조비 6으로 열간단조후 경화능 처리를 하여 소재의 굽힘 성질을 측정하였다. 그 결과 빌렛 제조시 M2C 탄화물이 생성되어 있는 것이 M6C가 생성되어 있는 것보다 월등히 높은 굽힘강도와 변형량을 나타내었다.
상술한 바와 같이 본 발명의 방법에 의하면, 탄화물을 형성하는 합금원소의 양에 따라 탄소량을 적절히 조절하여 공정탄화물로서 준안정상인 M2C가 생성되게 함으로써 종래보다 단조성과 인성이 뛰어난 몰리브데늄계 고속도공구강을 제조할 수 있다.

Claims (1)

  1. 중량%로 C:0.8-2.0%, W:3-7%, Mo:3-8%, V:1-5%, Cr:4-5%를 포함하여 이루어지는 몰리브덴계 고속도공구강에 있어서, 상기 C가 탄화물을 형성하는 합금원소의 양에 따라 0.06316W(중량%)+0.06744Mo(중량%)+0.09323V(중량%)+ 0.04616Cr(중량%)+0.2%로 함유되어 공정탄화물로 안정상인 M6C을 억제하고 준안정상인 M2C가 생성된 몰리브데늄계 고속도공구강.
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