KR100299463B1 - 인성및내마모성이우수한냉간가공용공구강제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 냉간가공용 공구강의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 분무성형법에 의한 공구강의 제조공정에 있어 Mo의 탄화물형성거동에 대한 연구에 근거하여 공구강의 인성 및 내마모성을 현저하게 개선할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 갖는 본 발명은, 분무성형에 의해 공구강을 제조하는 방법에 있어서, C_aV_bCr_CMo_XFe를 기본조성으로 하고, 그 함량은 중량%를 기준으로 1.5≤a≤3.0, 8.0≤b≤12.0, 4.0≤c≤6.0, 1.6≤x≤10.0이고, 나머지는 Fe의 조성을 갖도록 합금을 용해한 다음, 상기 용융물을 가스분사에 의해 모재(bulk material)를 얻고, 이 모재를 열간가공하는 것을 포함하여 구성되는 인성 및 내마모성이 우수한 공구강의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

인성 및 내마모성이 우수한 냉간가공용 공구강 제조방법{A METHOD OF MANUFACTURING COLD WORK TOOL STEEL WITH SUPERIOR TOUGHNESS AND WEAR RESISTANCE}

본 발명은 각종 냉간가공용 공구강의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 분무성형법에 의한 냉간가공용 공구강의 제조방법에 속한다. 보다 상세하게는, 분무성형법에 의한 공구강의 제조공정에 있어 Mo의 탄화물형성거동에 대한 연구에 근거하여 공구강의 인성 및 내마모성을 개선하는 방법에 관한 것이다.

공구강이라 함은 탄화물 형성원소가 다량으로 첨가된 고탄소 합금강으로서 그 기계적 성질은 합금 내에 분포하는 탄화물의 형상, 크기 및 분포경향에 의해 좌우되며, 일반적으로 구형의 탄화물이 균일하게 분포하여야 우수한 공구강이라 할 수 있다.

공구강의 제조방법으로는 크게 주조법, 분말야금법, 그리고 분무성형(Spray Forming) 법으로 구분된다. 주조법으로 공구강을 제조하면 공정탄화물이 조대하게 형성되어 합금 내에 불균일하게 분포되므로, 첨가할 수 있는 합금원소의 종류 및 그 함량이 제한되며, 또한 조대한 공정탄화물들의 불균일한 분포로 인해 내마모성, 가공성, 인성, 충격특성 등이 저조하다는 단점이 있다.

분말야금법은 주조법과는 달리, 다양한 합금원소를 첨가할 수 있으며 이 방법으로 제조된 공구강 내에는 미세한 탄화물이 균일하게 분포되어 뛰어난 가공성과 우수한 기계적 특성(인성, 내마모성, 충격인성)을 나타낸다(R.B.Dixon:"Advances in the development of wear resistant high vanadium tool steels for both tooling and nontooling applocations" in Metals/Materials Technology Series, St. Louis, Mo., ASM, 1982, pp25). 그러나, 분말야금법을 이용하여 공구강을 제조하기 위해서는 분말의 제조, 입도분류, 캐닝, 탈가스처리, 성형공정, 소결공정 등 복잡한 제조공정을 거쳐야하며, 각 제조공정 조건의 제어가 까다로워 분말야금법으로 제조된 공구강은 제조단가가 매우 높다는 단점을 가지고 있다.

한편, 분무성형법은 분말야금법과 주조법의 이점을 동시에 지닌 신합금 제조공정으로서, 탄화물이 균일하게 분포된 공구강을 제조할 수 있다는 특징이 있어 다양한연구가 진행되고 있다. 그런데, 분무성형법에 의해 공구강을 제조하는 경우 탄화물의 편석정도가 심하여 특정조성에만 적용되고 있어 아직은 상용화단계에 이르지 못하고 있는 실정이다.

이에 본 발명자들은 균일한 탄화물조직을 갖는 Fe-C-V-Mo계 공구강의 제조방법을 대한민국 특허출원 97-70164호에 제안한 바 있다. 이 방법은, 바나듐과 탄소의 함량을 조절하여VC탄화물을균일하게 갖는 공구강을 제조공정이 간단한 분무성형법에 의해 제조하는 기술을 처음으로 제안하고 있다고 평가할 수 있다. 그러나, 선행기술에 의해 제공되는 최종 열간가공재 내에 분포하는MC탄화물(M은 금속)의 크기는 대략 5㎛ 정도로, 기계적 특성을 보다 개선시키기 위해서는 탄화물이 보다 작고 미세화 되는 것이 요구된다.

본 발명은 선행기술에 의해 제안된 공구강보다 더 미세하고 균일한 탄화물조직을 갖는 공구강을 제조공정이 간단한 분무성형방법에 의해 제조하는 방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 분무성형에 의해 제조된 고바나듐계 공구강의 미세조직사진으로,

도 1(a)는 Mo:1.3%의 탄화물 조직(비교재)

도 1(b)는 Mo:1.6%이상의 탄화물조직(발명재)

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제조방법은, C_aV_bCr_CMo_XFe를 기본조성으로 하고, 그 함량은 중량%를 기준으로 1.5≤a≤3.0, 8.0≤b≤12.0, 4.0≤c≤6.0, 1.6≤x≤10.0이고, 나머지는 Fe의 조성을 갖도록 합금을 용해한 다음, 상기 용융물을 가스분사에 의해 모재(bulk material)를 얻고, 이 모재를 열간가공하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명에 대해 설명한다.

본 발명자들은 공구강의 기계적 성질에 유효한 MC탄화물을 보다 미세하고 균일하게 분포시키기 위해 탄화물형성원소에 대해 다각적으로 검토하던 중, Mo의 작용을 새롭게 인식하고 그 해결방안을 도출할 수 있었다. 즉, 고바나듐계 공구강에 있어 Mo은 W과 함께 대표적인 M₂C 및 M₆C탄화물 형성원소로 인식되고 있었고, 이에 따라 분말 야금법으로 제조된 고바나듐계 냉간공구용 공구강의 경우에는 M₂C 및 M₆C탄화물의 형성을 억제하고자 몰리브덴 함량을 최대 1.5% 이내로 제한하고 있었다. 그러나, Mo이 함유된 고바나듐계 공구강을 분무성형법으로 제조하는 경우 M₂C나 M₆C 탄화물이 거의 형성되지 않고 (V,Mo)C의 MC탄화물이 합금내에 균일하게 형성되는 것을 확인할 수 있었고, 이를 야금학적으로 규명한 연구에 근거하여 본 발명을 완성하게 이르렀다. 이러한 본 발명을 합금조성과 제조방법으로 구분하여 설명한다.

[합금성분]

우선, 본 발명의 냉간가공용 공구강은 C-V-Cr-Mo-Fe계 합금으로 이루어지는 공구강이며, 기본적으로 C_aV_bCr_CMo_XFe의 형태를 이루는데 여기서, 각 성분조성은 편석을 방지하고 탄화물이 기지내에 균일하게 분포되도록 조성하는 것이 필요하다. 이를 위해 각 성분조성은 중량%를 기준으로 1.5≤a≤3.0, 8.0≤b≤12.0, 4.0≤c≤6.0, 1.6≤x≤10.0이고, 나머지는 Fe로 조성된다.

구체적으로 상기 탄소(C)는 탄화물형성 및 경화능 향상에 필수적인 원소로서 탄소량이 부족하면 세멘타이트(Fe₃C)탄화물이 형성될 수 있으며, 탄소 함량이 과다하면공정(eutectic)MC 탄화물이 형성될 수 있으므로 탄소 함량을 1.5~3.0% 범위로 조절하여야 한다.

상기 바나듐(V)은 본 발명재의 대표적인 탄화물 형성원소로써 바나듐 함량이 부족하면 세멘타이트(Fe₃C)탄화물이 형성될 수 있으며, 바나듐 함량이 과다하면 공정 MC 탄화물이 형성될 수 있으므로 바나듐 함량은 8.0~12.0% 범위로 조절하여야 한다.

상기 크롬(Cr)은 공구강의 경화능 향상에 요구되는 합금원소로 4.0-6.0%범위로 유지되면 인성 및 내마모성에는 별다른 차이가 발생되지 않는다.

상기 몰리브덴(Mo)은 MC탄화물을 형성하는데, 이 탄화물은 Mo이 함유되지 않은 MC탄화물에 비해 고온에서의 성장속도가 2배 이상 느리므로 분무성형법으로 제조하는 경우 열간가공후 보다 미세하고 균일한 MC탄화물 분포를 나타내는 역할을 한다. 이와 같이 규명된 Mo의 역할에 근거하여 Mo을 첨가하는데, 그 함량은 1.6-10.0%로 한다. 이는 Mo의 첨가량이 1.6%보다 적으면 MC탄화물 내에 고용되는 몰리브덴 양이 적게 되므로 열간가공재 내에 조대한 MC 탄화물이 분포되고, 몰리브덴 함량이 너무 증가하면 합금내에 MC탄화물 외에 M₂C나 M₆C 탄화물이 형성될 수 있기 때문이다.

[제조방법]

상기와 같은 조성을 갖도록 합금을 용해한 다음, 이 용융물을 가스분사에 의해 모재를 얻는데, 이때 주조방법은 분무성형법을 이용한다. 분무성형은 턴디쉬 내의 용탕을 가스제트로 분무하여 일정한 기판에 충돌시키므로서 약 50-70%정도의 액상상태를 유지하면서빌렛(billet)과같이 일정한 형태를 갖는 모재(bulk material)의 제조방법이다. 이러한 분무성형 조건은 대한민국 특허출원 97-70164에 자세히 기재되어 있으며, 본 발명에서도 가스분무 직전의 용융물의 온도를 제외하고는 그 조건을 적용할 수 있다.

본 발명에 따라 MC탄화물을 갖는 모재를 얻기 위해 가스분무 직전의 용융물 온도는 액상선온도 +(50∼150)℃범위로 조절한다. 용탕온도가 액상선온도+50℃미만이면 조업도중 노즐이 막혀 벌크(bulk)재 제조가 불가능하며, 용탕온도가 액상선온도 +150℃이상이면 과다한 열량유입에 의한 온도상승으로 인해 조대한공정MC탄화물이나 공정 M₂C 및 M₆C 탄화물이 형성될 수 있다.

여기서, 합금조성에 따른 액상선온도는 다음의 식 1로 구할수 있다.

액상선온도(℃)=1536-{0.1+83.9[%C]+10[%C]²+1.5[%Cr]+3.3[%Mo]+2[%V]}……(1)

(여기서 모든 원소함량은 무게중량%임)

예를들면,본 발명에서 몰리브덴 함량이 1.6~10.0%일 때의 용융물의 액상선 온도는 1284.9∼1257.2℃범위이며, 그에 따른 용탕온도 범위는 1284.9+(50~150℃)∼1257.2+(50~150℃)의 범위로 유지되어야 한다.

상기와 같이 분무성형법으로 제조된 모재는 고온에서 열간가공되는데, 이때의 열간가공은 열간단조, 열간압연, 열간압출 등 어느 것이나 무방하다. 다만, 모재의 미세조직이 결정립계를 따라 분포된 초정 MC 탄화물과 결정립 내에 미세하게 석출된 MC탄화물로 구성된 불균일한 탄화물 조직을 나타내므로 열간가공시 열간가공온도를 적절하게 설정하여야 한다.

본 발명에 의하면 열간가공온도는 950℃∼1150℃가 바람직하다. 그 이유는 열간가공온도가 950℃미만일 경우에는 열간가공시 결정립계를 따라 심한 균열이 발생되어 원할한 열간가공이 불가능하며, 이때 시편에 무리한 하중을 가하면 모재에서 균열이 발생하게 된다. 그리고, 열간가공온도가 1150℃를 넘으면 몰리브덴 함량에 관계없이 탄화물과 결정립 크기가 증가되어 물성에 악영향을 미친다.

상기와 같이 가열된 모재의 열간가공방법으로 열간단조를 이용하는 경우 단조비는 6이상으로 실시하여야 한다. 그 이유는 불균일한 탄화물 조직을 가지는 모재의 미세조직을 균일하게 분포시키기 위해서는 단조비를 6이상으로 하여야 한다. 또한, 열간압연의 경우 압하율을 80% 이상으로 하고, 또한 압출의 경우 압출비를 10:1이상으로 행하면 그 효과가 비슷해진다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

표 1과 같이 조성된 합금계를 대기유도용해로에서 용해한 후, 분무성형장치를 이용하여 빌렛으로 제조하였다. 이렇게 제조된 각 합금은 950, 1050, 1150℃에서 단조비 8로 열간단조한 다음, 최종적으로 경화처리하여 MC탄화물의 크기 및 기계적 특성을 측정하고, 그 결과를 아래 표 1에 나타내었다. 상기 경화처리는 각 합금을 1176℃에서 10분간 오스테나이징처리한 후 유냉한 다음, 540℃에서 2시간씩 2번 소려처리하였다.

상기와 같이 경화처리된 합금에 대한 MC 탄화물 크기를 측정하기 위해 영상분석기가 이용되었으며, 경도는 20x20x20(mm)규격의 경도시편을 가공하여 로크웰 경도기로 측정되었으며, 내마모성 평가는 30x30x5(mm) 규격의 마모시편을 가공하고 SKD61합금강을 상대재로 하여 100kgf에서 행하였다. 그리고, 굽힘성질은 6.35×6.35×40.68(mm)규격의 굽힘시편을 가공하여3점 굽힘(3 point bend)시험조건으로 평가되었다.

구분시편No	합금조성(중량%)	액상선온도(℃)	용탕온도(℃)	MC 탄화물크기(㎛)
	C			V	Cr	Mo	Fe	950℃	1050℃	1150℃
발명재1	2.1	9.5	4.3	1.7	나머지	1284.6	1380	3.5	3.6	3.8
발명재2	2.1	9.5	4.3	2.9	나머지	1280.6		3.1	3.3	3.6
발명재3	2.1	9.5	4.3	5.5	나머지	1272.0		2.8	2.9	3.1
발명재4	2.1	9.5	4.3	7.2	나머지	1266.4		2.2	2.3	2.5
발명재5	2.1	9.5	4.3	9.6	나머지	1258.5		1.7	1.8	2.1
비교재	2.1	9.5	4.3	1.3	나머지	1285.87		4.1	4.4	4.8

구분시편No	합금조성(중량%)	경도(HRc)	굽힘강도(GPa)	내마모성(하중감량)/(mg/km)
	C				V	Cr	Mo	Fe
발명재1	2.1	9.5	4.3	1.7	나머지	63.9	2.4	56
발명재2	2.1	9.5	4.3	2.9	나머지	64.1	2.8	52
발명재3	2.1	9.5	4.3	5.5	나머지	65.2	3.2	49
발명재4	2.1	9.5	4.3	7.2	나머지	65.4	3.8	47
발명재5	2.1	9.5	4.3	9.6	나머지	65.9	4.3	42
비교재	2.1	9.5	4.3	1.3	나머지	63.7	2.3	55

표 1과 표 2에서, 비교재는 분무성형법으로 제조된 공구강으로서 몰리브덴이 1.5%이하로 첨가된 고바나듐계 공구강이다. 이 비교재는발명재와동일한 조건으로 열간가공 및 경화처리된 후, 탄화물의 크기 및 기계적 특성을 발명재와 비교하였다.

표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명재를 몰리브덴이 1.5%미만 첨가된 비교재와 비교해 보면, 탄화물 크기는 2배정도 감소하였고, 기계적 성질에 있어서 경도, 내마모성, 인성이 모두 증가하였으며, 특히, 인성은 2배 가량 증가하였다. 도 1에는 본 발명에 따라 제조된 분무성형재(도 1(b))와 몰리브덴이 1.5%미만으로 첨가된 비교재(도 1(a))의 열간가공 후의 미세조직을 보여주고 있다. 도 1에서 알 수 있듯이 , 발명재의 탄화물 조직은 비교재에 비해 미세하고 균일한 탄화물조직을 나타냈다.

이상의 결과를 볼 때, 본 발명재는 비교재에 비해 미세하고 균일한 탄화물 조직을 갖음에 따라 월등히 향상된 기계적 성질을 나타내었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 미세한 탄화물의 균일한 분포를 갖는 고인성, 고내마모성 냉간가공용 공구강을 제조할 수 있어서 고가의 분말야금 소재가 응용되던 고품위 냉간가공용 공구강 부품을 기계적 특성이 동등한 저가의 소재로 대체할 수 있고, 동시에 고품위 공구강 소재의 응용분야를 더욱 확대시킬 수 있는 효과를 꾀할 수 있다.

Claims (4)

1. 분무성형에 의해 공구강을 제조하는 방법에 있어서,

   C_aV_bCr_CMo_XFe를 기본조성으로 하고, 그 함량은 중량%를 기준으로 1.5≤a≤3.0, 8.0≤b≤12.0, 4.0≤c≤6.0, 1.6≤x≤10.0이고, 나머지는 Fe의 조성을 갖도록 합금을 용해한 다음, 상기 용융물을그 액상선온도+(50∼150)℃의 범위로 유지한 후,가스분사에 의해 모재(bulk material)를 얻고, 이 모재를950℃-1150℃의 온도범위에서열간가공하는 것을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 인성 및 내마모성이 우수한 공구강의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 열간가공은 단조비 6이상으로 행하는 열간단조임을 특징으로 하는 제조방법
3. 제 1항에 있어서, 상기 열간가공은 압하율이 80%이상인 열간압연에 의해 행함을 특징으로 하는 제조방법
4. 제 1항에 있어서, 상기 열간가공은 압출비가 10:1이상인 열간압출에 의해 행함을 특징으로 하는 제조방법