KR100263426B1 - 균일경도를 갖는 대형금형강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 균일경도를 갖는 대형 금형강에 관한 것으로, 특히, 0.15내지 0.45중량%의 탄소, 0.10내지 0.35중량%의 규소, 0.85내지 1.50중량%의 망간. 0.20내지 0.50중량%의 니켈, 0.85내지 1.5중량%의 크롬, 0.20내지 0.50중량%의 몰리브덴, 0.04내지 0.25중량%의 바나듐, 0.0005내지 0.005중량%의 보론, 0.03내지 0.07중량%의 알루미늄, 0.002내지 0.01중량%의 질소, 잔부는 철과 미량의 불순물(인, 유황, 산소 등)로 구성된 TV세트 하우징, 복사기 하우징, 자동차 범퍼 등에 사용되는 두께 300㎜ 이상의 대형 금형 소재 및 가전제품과 자동차부품 등에 사용되는 두께 300㎜ 이하의 소형 금형 소재로써 정의됨을 특징으로 하며, 이러한 본 발명은 종래에 사용되어왔던 강들에 비하여 미량의 보론, 질소와 소량의 알루미늄을 첨가하고, 세원소의 완충작용에 의해 입계편석 보론을 확보하여 소입성이 향상됨으로 대형 금형소재의 문제점인 질량효과에 따른 내외부 경도편차를 저감시킴은 물론 조직의 균질화에 성공하였으며, 최종 금형 제작시 발생되는 보수 및 폐기되는 경제적 손실을 줄이고, 두께 300㎜ 이하의 소형 금형소재의 경우에는 합금량을 감소시켜 제조비용을 저감할 수 있을 뿐만 아니라, 대형 금형소재의 개발로 부수적인 수입 대체 효과를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

균일경도를 갖는 대형 금형강

본 발명은 플라스틱 사출 금형 소재의 내외부 경도편차를 저감시킴은 물론 조직을 균질하게 한 균일경도를 갖는 대형 금형강에 관한 것으로, 특히, 다품종 소량 생산품인 가전제품이나 자동차부품 등과 대형의 금형 소재인 텔레비젼 하우징, 복사기 하우징, 자동차범퍼 등과 같이 소형에서부터 대형에 이르기까지 다양한 금형 소재로 이용되는 균일경도를 갖는 대형 금형강에 관한 것이다.

주지하다시피, 플라스틱 사출 금형 소재의 내외부 경도편차를 저감 시킴은 물론 조직을 균질하게 한 균일경도를 갖는 대형 금형강이 이용되는 기타의 관련 기술분야로써는 철강(저탄소강, 아공석강, 합금강 등)의 소입성의 개선이 요구되는 열간압연 제품에도 이용될 수 있다.

종래의 플라스틱 사출 금형강은 합금 원소의 종류와 함량 및 열처리 조건에 따라 금형 소재의 성질이 크게 좌우되어 왔으며, 일반적인 금형 소재의 요구 성질로는 공공(Porosity)이 없어야 하고 청정하며 균질한 조직이어야 하고, 요구 특성으로는 열간가공성, 기계가공성, 경면가공성 등이 우수해야 하며, 수지와 플라스틱 사출시 요구되는 성질인 내압축강도, 열간강도, 고온내충격성, 내마모성 등이 우수하여야 한다.

따라서, 상기에서 언급한 요구를 만족시키기 위하여 종래에 행해진 플라스틱 사출 금형강의 개선 방법으로는 JIS SM443, SCM440, AISI P20 계열과 같이 수지와 플라스틱 사출시 요구되는 성질에 주안점을 맞추기 위해 망간(Mn), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo) 둥을 첨가하여 피로강도 및 피로수명을 향상시키는 경우와 요구 특성에 주안점을 맞추기 위해 칼슘(Ca), 테레리움(Te), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 세슘(Ce), 니오븀(Nb), 바나듐(V), 란탄(La), 납(Pb), 비스무스(Bi), 셀레니움(Se) 등을 첨가하여 조합하므로 산화물, 황하물 등의 비금속개재물을 구상화하거나 복합화합물화하고 불순물을 감소시켜 절삭저항을 낮춤으로써 기계가공성, 경면가공성 및 부식가공성 등을 개선하는 경우의 JIS SUM계와 미국특허 3973950호, 4115111호 및 대한민국 특허 36172호, 79360호 등에 게재된 특허 관련 기술이 등재되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 기술만으로는 대형 금형 소재에서 두께에 따른 질량 효과로 인하여 내외부의 경도편차가 심하고 조직이 불균질함으로써 야기되는 플라스틱 사출 금형강의 요구 특성(균일경도 및 조직의 균질성 등)에 문제들이 발생되는 것을 막을 수 없었다.

상기와 같은 주요 이유로는 기존의 금형강 중에 함유된 합금 원소들만으로는 소입시 내외부의 냉각속도의 차로 인하여 내외부의 조직이 달라지며 소입후의 뜨임 처리에도 불구하고 소입시 형성되는 조직에서 뜨임 조직으로만 변화할 뿐 변태 조직 자체가 동일 조직으로 되지 않음으로써 야기되는 내외부의 단면 경도 편차가 크게 되는 문제점을 해결할 수 없어서, 금형 소재로서 만족할 만한 결과를 얻지 못하고, 상기와 같은 문제들로 인하여 최종 금형 제작시 금형의 보수 또는 폐기가 불가피하게 되므로 막대한 경제적 손실이 발생하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문재점을 해소하기 위한 것으로, 두께 300mm이상의 금형소재를 사용자 요구특성에 맞추어 사용될 수 있도록 상기 공지된 금형 소재의 합금 성분에 보론(B)과 알루미늄(Al) 및 질소(N)를 적정 비율로 첨가시키고, 보론의 영향을 극대화시키기 위하여 탄소(C)의 함량을 낮추어 소입성을 향상시킴으로써 내외부가 균일한 경도를 갖음은 물론 조직이 균질한 균일경도를 갖는 대형 금형강을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 또다른 목적은 내외부 경도편차의 감소를 통하여 금형의 수명을 연장시키고, 최종 금형 제작시 발생되는 보수 및 폐기되는 경제적 손실을 줄이며, 게다가 두께 300㎜ 이하의 소형 금형소재의 경우에는 합금량을 감소시켜 제조비용을 저감할 수 있도록 하는 균일경도를 갖는 대형 금형강을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 균일경도를 갖는 대형 금형강은, 0.15내지 0.45중량%의 탄소, 0.10내지 0.35중량%의 규소, 0.85내지 1.50중량%의 망간, 0.20내지 0.50중량%의 니켈, 0.85내지 1.5중량%의 크롬, 0.20내지 0.50중량%의 몰리브덴, 0.04내지 0.25중량%의 바나듐, 0.0005내지 0.005중량%의 보론, 0.03내지 0.07중량%의 알루미늄, 0.002내지 0.01중량%의 질소, 잔부는 철과 미량의 불순물(인, 유황, 산소 등)로 구성된 TV세트 하우징, 복사기 하우징, 자동차 범퍼 등에 사용되는 두께 300㎜ 이상의 대형 금형 소재 및 가전제품과 자동차부품 등에 사용되는 두께 300mm 이하의 소형 금형 소재로써 정의됨을 특징으로 한다.

도1은 종래의 금형강으로 사용되었던 JIS SCM44(비교강 A) 대한민국 특허 79360호(비교강 B), 미국특허 4115111호(비교강 C)등과 본 발명의 균일경도를 갖는 대형 금형강의 화학조성을 나타낸 도면.

도2는 동일 조건하에서 본 발명의 합금과 종래의 합금과의 특성을 비교하기 위하여 각 합금 종류별로 동일하게 진공유도용해로를 이용하여 제조하고, 단조한 다음 소준 처리한 시편으로 AISI 규격에 맞추어 죠미니시험을 행한 결과를 나타낸 도면이다.

이하, 상술한 내용을 본 발명에 따른 실시예를 통해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명 균일경도를 갖는 대형 금형강의 화학조성은 도1에 도시한 바와 같이, 탄소는 0.15내지 0.45중량%, 규소는 0.10내지 0.35중량%, 망간은 0.85내지 1.50중량%, 니켈은 0.20내지 0.50중량%, 크롬은 0.85내지 1.5중량%, 몰리브덴은 0.20내지 0.50중량%, 바나듐은 0.25중량%이하, 보론은 0.0005내지 0.005중량%, 알루미늄은 0.03내지 0.07중량%, 질소는 0.002내지 0.01중량%, 인은 0.020 중량% 이하, 유황은 0.010 중량%이하, 산소는 0.005중량%이하이며, 잔부는 철과 미량의 불순물로 구성됨으로써 본 실시예를 구성한다.

이하, 상기와 같이 구성된 균일경도를 갖는 대형 금형강의 성분을 상기와 같이 한정한 이유에 대하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 탄소는 경도 및 내마모성을 증대시키는 원소로써 0.15중량% 이하로 되면 경화능이 급감하여 강도가 생기는 특성이 적어지게 되고, 0.45중량% 이상으로 되면 보론 첨가에 의한 소입성 향상 효과가 저감한다.

또한, 규소는 제강과정에서 필수적인 탈산제로 사용되고, 그 일부가 잔류하게 되는데 0.10중량% 이하이면 탈산이 부족하여 강의 성질이 불량하게 되므로 그하한으로 설정하였고, 0.35중량% 이상으로 되면 세덴타이트를 흑연화시키며 취화시키기도 하고 단조성을 저하시키기 때문에 그 상한으로 설정하였다.

한편, 망간은 소입성을 증대시키고 내마모성을 높이는 원소로써 0.85 중량%이하이면 유화에 의해 유화철이 형성되어 적열취성을 발생시키며 경화능이 감소하므로 그 하한으로 설정하엿고, 1.50 중량% 이상으로 되면 가열시 해로움을 일으키고 잔류오스테나이트를 생성시켜 인성을 저해하는 취화가 일어나기 때문에 그 상한으로 설정하였다.

그리고, 니켈은 인성을 증대시키고 흑연화를 조장하는 원소로써 0.20중량%이하로 첨가되면 인성의 증대를 얻을 수 없으므로 그 하한으로 설정하였으며, 0.50 중량% 이상으로 첨가되면 비경제적이고 잔류오스테나이트를 발생시켜 취화하므로 그 상한으로 설정하였다.

또한, 크롬은 소임성을 증가시키고 탄화물을 만들어 내충격성을 증대시키는 원소로써 0.85 중량% 이하로 되면 소임성 증대 효과가 급감하며 몰리브덴, 바나듐 등과 복합화합물을 형성하여 뜨임저항을 증대시키는 효과가 저하하므로 그 하한으로 설정하였고, 1.5 중량% 이상으로 되면 내부식성이 증대하여 부식하기 어려워지므로 그 상한으로 설정하였다.

한편, 몰리브덴은 탄화물을 형성하여 고온경도와 강도를 부여하고 몰리브덴 카바이드 중에 포함된 몰리브덴이 입계의 인과 결합하여 인에 의한 뜨임취성을 크게 완화하며 몰리브덴에 의해 뜨임 2차 경화성을 크게 향상시키는 효과가 있는 원소로써 0.50중량% 이상이 되면 비경제적이고 이러한 효과가 크게 감소하므로 그 상한으로 설정하였다.

또한, 바나듐은 철에 고용되어 인장강도를 증가시키고 불용성 탄화물을 만들어 고온경도를 높이며 뜨임 저항성을 증대시키는 원소로써 그 상한을 0.25중량%로 설정하였는데, 그 이유로는 상기의 함량 이상으로 증가하면 결정립 이세화가 촉진되어 소입성을 저하시키고 불용성 탄화물이 증가하여 내마모성은 향상하지만 연마가 곤란해지기 때문이다.

한편, 보론은 극미량의 첨가로 입계편석에 의해 소입성을 급격하게 향상시키며 함유 합금 원소인 망간, 크롬, 니켈 등과 같은 강의 기본 성분의 소입성에 배가된 증대 효과가 있는 반면 보론의 소입성 향상 효과는 탄소량의 증가와 더불어 감소하는 경향을 보이는 원소로써, 0.0OO5중량% 이하로 되면 보론의 입계편석이 어려워서 소입성 향상 효과가 없어지므로 그 하한으로 설정하였고, 0.005중량% 이상이 되면 결정입계에서 보론의 석출물인 보론나이트라이드 및 철탄소붕화물이 형성되어 열간단조시 적열취성을 일으키며 기계적성질(특히 충격인성의 저하)에 악영향을 미치므로 그 상한으로 정하였다.

또한, 알루미늄과 질소는 제강중에 함유되는 불순물로써 최대한 저감시켜야 하지만 보론을 첨가하여 입계편석을 얻기 위한 경우에는 강의 성질에 해를 끼치지않는 범위 이하에서 적량을 첨가하면 알루미늄-질소-보론간의 완충작용이 일어나므로 소입성 향상에 기여하는 결정입계에 편석하는 고용 보론양이 확보되고, 따라서 질소와 알루미늄의 함량 범위를 상기와 같이 그 하한과 상한으로 설정하였다.

한편, 인, 유황, 산소 및 수수 등은 제조공정중 제강과정에서 기본적으로 함유되는 불순물로써 인의 경우는 충격저항을 저하시키며, 유황의 경우는 열간가공성을 해치고, 망간이나 몰리브덴 등과 결합하여 가공성을 증대시키지만 너무 많으면 인성저하를 초래한다.

또한, 산소와 수소의 경우는 산화물, 수소화물 및 분지상 수소를 형성하여 재료를 취약하게 하므로 현재의 제강과정에서 용이하게 관리할 수 있는 한도를 각각 그 상한으로 설정하였다.

한편, 종래의 금형강으로 사용되었던 JIS SCM44(비교강 A), 대한민국 특허 79360호(비교강 B), 미국특허 4115111호(비교강 C)등과 본 발명의 플라스틱 사출 금형강의 화학조성을 도1에 각각 나타내었다.

그리고, 동일 조건하에서 본 발명의 합금과 종래의 합금과의 특성을 비교하기 위하여 각 합금 종류별로 동일하게 진공유도용해로를 이용하여 제조하고, 단조한 다음 소준 처리한 시편으로 AISI 규격에 맞추어 죠미니시험을 행한 결과를 도2에 나타내었으며, 도2에서 알 수 있는 것과 같이 본 발명 강의 소입 특성은 종래의 비교강에 비하여 매우 우수하였다.

다시 말하면, 종래 비교강의 내외부 경도편차는 크며 경도값의 경사도가 급한 반면 본 발명 강은 내외부 경도편차가 거의 없고 경도값의 경사도가 완만한 일직선이었다.

따라서, 본 발명 강이 내외부 경도편차가 거의 없는 균일경도를 나타내며 대형 금형 소재로써 사용할 수 있는 강임을 나타낸다.

상기와 같이 언급한 결과에 근거하면 본 발명 강은 종래에 사용되어 왔던 비교강에 미량의 보론과 질소 및 알루미늄의 소량 첨가로 대형 금형소재의 가장 큰 문제점이었던 질량효과에 따른 내외부 경도편차를 저감 시킴은 물론 조직의 균질화에 성공한 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명 균일경도를 갖는 대형 금형강은, 종래에 사용되어왔던 강들에 비하여 미량의 보론, 질소와 소량의 알루미늄을 첨가하고, 세원소의 완충작용에 의해 입계편석 보론을 확보하여 소입성 향상 효과를 얻음으로써대형 금형소재의 문제점인 질량효과에 따른 내외부 경도편차를 저감 시킴은 물론 조직의 균질화에 성공하는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

또한, 최종 금형 제작시 발생되는 보수 및 폐기되는 경제적 손실을 줄이고, 두께 300m 이하의 소형 금형소재의 경우에는 합금량을 감소시켜 제조비용을 저감할 수 있을 뿐만 아니라, 대형 금형소재의 개발로 부수적인 수입 대체효과를 얻는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 균일강도를 갖는 대형금형강은, 0.15내지 0.45중량%의 탄소, 0.10내지 0.35중량%의 규소, 0.85내지 1.50중량%의 망간, 0.20내지 0.50중량%의 니켈, 0.85내지 1.5중량%의 크롬, 0.20내지 0.50중량%의 몰리브덴, 0.04내지 0.25중량%의 바나듐, 0.0005내지 0.005중량%의 보론, 0.03내지 0.07중량%의 알루미늄, 0.002내지 0.01중량%의 질소이며, 잔부는 철과 미량의 불순물(인, 유황, 산소 등)로 구성된 것을 특징으로 하는 균일강도를 갖는 대형금형강.