KR100309729B1 - 인성 및 강도가 우수한 냉간, 온간용 고속도공구강 및 그의 제조방법 - Google Patents

인성 및 강도가 우수한 냉간, 온간용 고속도공구강 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각종 산업부품, 특히 자동차 부품의 제조원가를 절감하기 위하여 냉간, 온간에서의 소성가공용 소재로서 우수한 금형수명이 보장되고, 금속 및 비금속의 절단 칼로서 높은 수명이 확보된 고강도·고인성·고내마모성의 고속도공구강 및 그의 제조방법을 개시한다.
본 발명의 고속도공구강은 중량 %로서, C 0.55∼0.75%, Si 1.0∼2.0%, Mn 0.2∼0.8%, Cr 3.8∼5.8%, Mo 2.0∼4.0%, W 0.08∼0.5%(W+1/2Mo=1.1∼2.5%), V 0.6∼2.6%, Nb 0.01∼0.1%(V, Nb은 1종류 이상이며 2종류일 경우 Nb+1/2V=0.3∼1.4%), Co 0.01∼0.2%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.02%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하, 희토류금속(REM: Ce, La, Nd, Y, Fe)을 REM 형태 또는 각각의 원소를 1종류 또는 2종류 이상 0.001∼0.25%의 범위로 함유하고, 이때 최종 S함유량과 대비하여 REM%/S%=2∼90, [REM%][S%]=3 X 10-5∼100 X 10-5을 만족하며, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

인성 및 강도가 우수한 냉간, 온간용 고속도공구강 및 그의 제조방법{A HIGH SPEED TOOL STEEL FOR COLD AND WARM WORKING HAVING GOOD TOUGHNESS AND HIGH STRENGTH AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 고충격인성, 고강도, 고내마모성 및 우수한 열피로특성을 갖는 냉간,온간 소성가공용 고속도공구강 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
종래에는 냉간,온간 가공용 금형 및 절단 칼에 STD11,STD12,SKH51, SKH55를 대표 강종으로서 널리 사용하여 왔으며, 현재에도 금형분야의 주요 범용 강종으로 사용되고 있다.
냉간, 온간단조를 이용한 산업부품 및 자동차부품의 제조에 있어, 단조 공정기술은 고속화, 자동화되어 점차 가혹한 조건으로 되어 가고 있으며, 피가공재는 점점 고강도화 및 난가공화되어 감에 따라 금형에의 열부하, 응력부하 및 높은 면압과 마찰작용이 증대되고 이것이 금형수명의 단축으로 연결되므로써, 수요자들은 작업성이나 제조원가 절감측면에서 보다 고성능 금형재료를 요구하게 되었다. 또한, 현재 가공공정의 단축화에 의한 원가절감등이 강하게 요구되어 복잡성형 및 고정밀 성형등에 사용되는 온간, 냉간 단조 병용 조업 비율이 늘고 있는 실정이다.
종래 냉간공구강 및 고속도공구강은 고합금함유라는 특성상, 응고시 용질원소 편석부에 10㎛이상의 고경질의 1차 공정 탄화물이 생성되고, 이 공정탄화물들은 소입/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 냉간공구강인 STD11,STD12는 높은 C, Cr 함유량에 의하여 HRC 60 이상의 고경도를 가지지만, 충격인성은 3.0 ㎏㎙/㎠이하로 극히 낮으며, 고속도공구강인 SKH51, SKH55 역시 높은 C, Cr, W, Co 함유량에 의하여 HRC 62이상의 고경도를 가지지만, 충격인성은 3.0 ㎏㎙/㎠이하로 매우 낮으며, 제조원가가 고가라는 단점을 또한 가지고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 냉간,온간 소성가공용 공구강에 있어서, 신규한 합금설계를 통한 인성과 강도(경도)의 서로 상반되는 물성을 동시에 만족시킬 수 있는 HRC 60 이상의 소려 경도, 14 ㎏㎙/㎠이상의 충격인성 및 630 3.0 ㎏f/㎟이상의 굽힘강도의 고속도공구강을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 신규한 조성의 고속도공구강을 이용하여 1차 공정탄화물의 크기 및 그의 생성량을 감소시키고 편석을 최소화함과 동시에 접종제 첨가에 의한 비금속 개재물 형상제어를 통하여 충격인성, 기계적 파괴강도 및 열피로특성이 우수한 고속도공구강의 제조방법을 제공하는 것을 특성으로 한다.
도 1은 소입/소려 열처리된 본 발명강의 미세조직 사진.
도 2는 본 발명강과 종래강의 소입/소려 열처리후의 경도비교 그래프.
도 3은 본 발명강과 종래강의 경도 대비 충격인성 그래프.
도 4는 본 발명강과 종래강의 수명평가에 적용된 펀치 및 절단 칼의 사시사진.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 냉간,온간 고속도공구강의 소재는 중량 %로서, C 0.55∼0.75%, Si 1.0∼2.0%, Mn 0.2∼0.8%, Cr 3.8∼5.8%, Mo 2.0∼4.0%, W 0.08∼0.5%(W+1/2Mo=1.1∼2.5%), V 0.6∼2.6%, Nb 0.01∼0.1%(V, Nb은 1종류 이상이며 2종류일 경우 Nb+1/2V=0.3∼1.4%), Co 0.01∼0.2%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.02%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하를 함유하고, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 냉간, 온간 고속도공구강의 다른 소재는 중량 %로서, C 0.55∼0.75%, Si 1.0∼2.0%, Mn 0.2∼0.8%, Cr 3.8∼5.8%, Mo 2.0∼4.0%, W 0.08∼0.5%(W+1/2Mo=1.1∼2.5%), V 0.6∼2.6%, Nb 0.01∼0.1%(V, Nb은 1종류 이상이며 2종류일 경우 Nb+1/2V=0.3∼1.4%), Co 0.01∼0.2%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.02%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하, 희토류금속(REM: Ce, La, Nd, Y, Fe)을 REM 형태 또는 각각의 원소를 1종류 또는 2종류 이상 0.001∼0.25%의 범위로 함유하고, 이때 최종 S함유량과 대비하여 REM%/S%=2∼90, [REM%][S%]=3 X 10-5∼100 X 10-5을 만족하며, 잔량은 Fe와 제강시 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고속도공구강의 제조방법은 중량 %로서, C 0.55∼0.75%, Si 1.0∼2.0%, Mn 0.2∼0.8%, Cr 3.8∼5.8%, Mo 2.0∼4.0%, W 0.08∼0.5%(W+1/2Mo=1.1∼2.5%), V 0.6∼2.6%, Nb 0.01∼0.1%(V, Nb은 1종류 이상이며 2종류일 경우 Nb+1/2V=0.3∼1.4%), Co 0.01∼0.2%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.02%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하를 함유하고, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어진 용강을 제조하는 단계; 상기 용강을 1500±100℃로부터 냉각하여 잉고트를 제조하는 단계; 1100±150℃에서 열간가공을 실시하는 단계; 850±60℃에서 10㎜두께당 10분 이상 구상화 어닐링을 실시하는 단계; 조질열처리로서 1100∼1200℃범위에서 소입을 실시하고 80∼700℃에서 소려를 2회 이상 실시하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고속도공구강의 다른 제조방법은 중량 %로서, C 0.55∼0.75%, Si 1.0∼2.0%, Mn 0.2∼0.8%, Cr 3.8∼5.8%, Mo 2.0∼4.0%, W 0.08∼0.5%(W+1/2Mo=1.1∼2.5%), V 0.6∼2.6%, Nb 0.01∼0.1%(V, Nb은 1종류 이상이며 2종류일 경우 Nb+1/2V=0.3∼1.4%), Co 0.01∼0.2%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.02%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하, 희토류금속(REM: Ce, La, Nd, Y, Fe)을 REM 형태 또는 각각의 원소를 1종류 또는 2종류 이상 0.001∼0.25%의 범위로 함유하고, 이때 최종 S함유량과 대비하여 REM%/S%=2∼90, [REM%][S%]=3 X 10-5∼100 X 10-5을 만족하며, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어지는 용강을 제조하는단계; 제조된 용강을 1500 ±100℃ 범위로부터 냉각하여 잉고트를 제조하는 단계; 1180±40℃의 온도범위에서 1 차 균질화처리후, 20내지 80%의 범위의 압하량으로 열간압연을 실시하는 단계; 1190±30℃의 온도범위에서 2차 균질화처리후, 마무리 압연을 실시하는 단계; 및 1190±30℃의 온도범위로부터 50℃/시간이하의 냉각속도로 냉각하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제조단계이외에 850±60℃ 범위에서 10㎜두께당 10분이상 오스테나이트화 한 후 50℃/시간이하의 속도로 냉각하는 단계;1100∼1200℃ 범위에서의 10mm 두께당 1분이상 오스테나이트화 및 탄화물 고용화처리후 제어냉각하는 소입단계; 및 상온∼80℃의 범위내의 소재를 80∼700℃의 범위에서 10mm 두께당 3분 이상 유지후 공냉하는 작업을 2회 이상실시하는 소려단계가 추가되는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명강의 화학성분 첨가이유와 성분범위를 중량 %로 나타내고 한정이유를 설명한다.
C: C은 본 발명강이 목적으로 하는 고인성ㆍ고강도의 성능을 결정함에 있어 큰 역할을 담당하는 원소로서 일부는 기지에 고용하여 경도 및 강도를 향상시키고, 대부분은 Cr, Mo, W, V, Nb의 탄화물 형성원소와 결합하여 1차 공정탄화물 생성 및 2차 석출탄화물을 형성함으로서 내마모성을 부여하며, ??칭/소려 열처리후 2차경화를 얻기위한 석출탄화물을 형성함으로서 내마모성을 부여하며, ??칭/소려 열처리후 2차경화를 얻기 위한 필수적인 첨가원소이다. 본 발명이 의도하는 ??칭후 HRC64 이상을 확보하기 위해서는 0.55% 이상 첨가가 필수적이며, 0.75%를 초과하면 열간가공성 및 기계가공성을 저하시키고 응고시 1차 공정탄화물의 과다 생성에 의한 인성저하를 가져오며, 융점이 낮아져 오스테나이트화 열처리시 오스테나이트 결정립 성장이 촉진되고 첨가된 W과 V의 고용량을 저감시켜 WC와 VC 탄화물의 1차 정출을 촉진하여 내마모성은 부여하지만 충격인성에 악영향을 미치므로 0.55%∼0.75%로 한정한다.
Si: Si는 기지에 고용하고 고용강화에 의해 경도를 높이는 효과가 있으며, 소려 연화저항성 증대, 오스테나이트 결정립 성장 억제, 소입성 향상, 고온에서 표면산화 방지 및 탄화물의 석출반응을 촉진시켜 탄화물 미세화에 기여하는 효과가 있다. 또한 적정한 Si 함유량은 낮은 C, Cr, W, Mo, V 함유량에서도 소려후 2차경화를 얻는데 효과적으로 작용한다. 1.0% 이하 첨가시 상기 효과가 충분히 발휘될 수 없고, 2.0% 이상 과잉 첨가시 기계가공성, 열간가공성, 열전도성 및 인성을 저하시키므로 1.0%∼2.0% 로 한정한다.
Mn: Mn은 주로 탈산제로서 첨가되는 원소이고 기지에 고용하여 강도 및 경화능에 기여하는 원소로서 0.2% 이하 첨가시 상기 효과를 기대할 수 없고, 0.8% 이상 첨가시 잔류 오스테나이트를 안정화하여 인성을 저하시키므로 0.2∼0.8%로 한정한다.
Cr: Cr은 본 발명에 있어서 매우 중요한 첨가원소이다. 기지에 고용하여 경화능을 향상시키고 소려 과정에서 M7C3, M23C6를 형성하여 고온 연화저항성과 내마모성을 향상시키는 원소이며, W의 오스테나이트로의 용해속도를 증가시켜 탄화물로의 형성을 억제한다. C 0.55%∼0.75%에서 5.8% 이상 첨가시 인성이 급격히 저하되며,3.8%이하 첨가시 소려 연화 저항성, 경화능 및 내마모성을 저하시킨다. 따라서 상기 효과를 확보하고 거대 공정탄화물의 생성 및 편석을 억제하기 위해서 3.8%∼5.8%로 한정한다.
Mo, W(W + 1/2Mo : 1.1%∼2.5%):
Mo은 기지에 고용하여 소입성을 향상시키는 동시에 Mo2C와 M7C3, M23C6의 복합 탄화물을 형성하여 소려 2차경화능 및 내마모성을 개선시키지만 기지의 인성 개선 효과는 적다. 2.0% 이하 첨가시 상기 효과를 기대할 수 없을 뿐만아니라 오스테나이트 결정입도가 조대화하기 쉽고 인성이 저하하며, 4.0% 이상 첨가시 열간가공성을 해칠 뿐만 아니라 공정 탄화물 생성량 증가로 인성이 저하한다. 따라서 2.0%∼4.0%로 한정한다.
W은 본발명강의 중요한 첨가원소로서 기지에 고용하여 소려시 고경도의 WC 탄화물을 형성하고 Mo 보다는 소려 2차경화능이 작으나 기지의 인성을 향상시키는 효과가 크며, 오스테나이트 결정입도를 미세화하는 효과가 있다. 0.08% 이하 첨가시 상기 효과를 기대할 수 없고 0.5% 이상 첨가시 미고용 M6C 탄화물의 생성이 쉬워 ??칭열처리후 미고용 M6C 탄화물이 편석하고 다량 존재하여 내마모성에는 효과가 있지만 인성을 급격히 저하시킨다. 따라서 0.08%∼0.5%로 한정한다.
이와같이 W과 Mo는 C, Fe와 결합하여 복합 탄화물을 형성하고 내마모성을 향상시키고 일부는 기지에 고용하여 연화저항성을 부여하는 유효한 원소로 작용하는 동시에 거대 1차 공정 탄화물의 생성을 조장하고 편석을 유발하여 인성을 저해하는원소이기도 하다. 따라서 발명 효과를 극대화 할 수 있는 W과 Mo의 첨가방법은 한정 범위내 단독첨가도 유효하지만 복합첨가가 보다 중요하므로 그 한정 범위를 W+1/2Mo= 1.1%∼2.5%로 한다.
V, Nb(Nb + 1/2V : 0.3%∼1.4%):
V은 C과 결합하여 고경도의 VC 탄화물을 형성하여 내마모성을 증가시키고, 기지에 고용하여 2차 경화능을 증대시키며, 결정립을 미세화하여 인성을 향상시키는 원소이다. C과 친화력이 가장 강하고, W, Mo계 탄화물보다 고경도의 안정한 탄화물을 형성한다. 하한인 0.6%이하에서는 연화 저항성과 내마모성에의 기여가 적고, 상한인 2.6% 이상에서는 거대 탄화물이 생성 및 편석하여 미고용 탄화물로서 인성을 저하시키므로 0.6%∼2.6%로 한정한다.
Nb는 V과 같이 C과 결합하기 쉽고 본 발명에서 V과 복합 탄화물(NbㆍV)C의 경한 탄화물을 만들어 내마모성을 향상시키며, ??칭열처리시 서열과정에서 오스테나이트 결정립을 미세화하여 인성을 향상시키는 것에서 유효한 원소이므로 0.01%∼0.1%로 한정한다.
또한, 본 발명에서 Nb과 V은 단독첨가도 하지만 복합첨가하여 거대탄화물의 생성 억제 효과를 극대화하기 위하여 Nb+1/2V : 0.3%∼1.5%로 한정한다.
Co: Co는 기지에 고용하여 오스테나이트 결정입도 조대화를 일으키지 않고 ??칭온도를 상승시키는 것이 가능하기 때문에 내열강도를 높이고 고속 마모영역에서의 내마모성 개선에 효과가 있으며, 고경도에서 높은 충격인성을 확보하는 것이 가능하다. 그러나 고가원소이고 과잉 첨가시 오히려 충격 인성이 저하되며, 열간가공성 및 기계 가공성을 해치므로 0.01%∼0.2%로 한정한다.
Al: 탈산 및 결정립 미세화 효과가 있는 Al은 본 발명에서 용강정련 초기 탈산제로 첨가한다. 또한, 본 발명의 특성상 희토류금속을 이용한 탈산 및 탈황, 비금속개재물 형상제어 및 응고조직 제어의 특성을 가지고 있으므로 희토류금속 첨가효과를 해치지 않는 범위인 상한 0.01% 이하로 한정한다.
N: N는 AlN에의한 오스테나이트 결정입도 미세화 및 봉상 MC형 공정탄화물의 조대화 억제에 유효한 원소로서 0.002%∼0.02%로 한정하며, N/Al비가 0.5% 이상인 것을 기본으로 한다. 하한인 0.002% 이하면 상기 효과를 기대할 수 없고 0.02% 이상이면 오히려 저온 취성을 발생시킬 가능성이 높아지며, N/Al비가 0.5% 이하면 오스테나이트 결정입도 미세화 기여도가 낮아진다.
S,O :S 와 O는 RE-산화물의 단독 생성을 방지하고 희토류 금속 첨가 효과 극대화에 필요한 RE2O2S 및 RExSy를 생성시키기 위하여 S 0.008% 이하, O 30ppm 이하로 규제한다.
희토류금속(REM: Ce, La, Nd, Y, Fe) : 희토류금속은 발명강의 청정도 향상, 비금속개재물 형상 제어 및 응고시 수지상정의 핵상성 사이트로서 작용하여 수지상정 미세화 및 용질원소 편석부를 미세화하고, 특히 1차 공정탄화물(MC형)의 미세화 및 분산도를 향상시킬 목적으로 0.0002%∼0.25%의 범위에서 희토류금속(REM) 형태로 첨가하거나 희토류원소 각각에 대하여 1종류이상 단독첨가한다. 단, 최종 S 함유량과 대비하여 REM%/S%=2∼90, [REM%][S%]=3 X 10-5∼100 X 10-5으로 제한한다.제한범위 이하일 경우 비금속개재물 형상제어, MC형 탄화물 미세화 및 분산도 향상 효과를 기대할 수 없으며, 제한범위 이상일 경우 첨가량 만큼 충격 인성, 충격인성의 이방성, 절삭성 및 고온 열피로특성 향상 효과를 볼 수 없고 경제적이지 않다.
나머지는 Fe와 전기로 제강시 필연적으로 함유될 수 있는 미량 불순물들이다.
실시예
표 1에 발명강과 종래강의 화학성분을 나타낸다.
발명강 A-B는 60Ton 전기로에서 순철과 고철을 혼합 용해하여 정련과 진공 과정을 거쳐 중량%로서 C 0.55∼0.75%, Si 1.0∼2.0%, Mn 0.2∼0.8%, Cr 3.8∼5.8%, Mo 2.0∼4.0%, W 0.08∼0.5%, V 0.6∼2.6%, Nb 0.01∼0.1%, Co 0.01∼0.2%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.02%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하를 함유하고, 이때 W+1/2Mo=1.1∼2.5%, Nb+1/2V=0.3∼1.4%로 이루어지며, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 불가피한 불순물로 구성되며, 발명강 C-F은 상기 조성이외에 또한 희토류금속 0.001∼0.25%의 범위에 해당하는 조성을 함유하고 있고, 단 최종 S함유량과 대비하여 REM%/S%=2∼90, [REM%][S%]=3 X 10-5∼100 X 10-5을 만족한다. 이러한 조성범위를 갖는 용강을 용제한 후, 1500 ±20℃ 범위에서 2.6톤 잉고트로 제작하였다. 그리고 종래강인 기존 합금공구강(G, H) 및 고속도공구강(IJ) 역시 발명강과 동일한 방법으로 용강을 용제후 동일 중량 및 형상의 잉고트로 제작하였다.
발명강 A-F의 성분으로 제조된 잉고트중에서 표2에서 ◎으로 표시된 잉고트는 본 발명의 큰 특징중의 하나인 응고시 생성된 1차 공정탄화물의 크기와 분산도를 효과적으로 제어할 수 있는 열간소성가공으로 압연재를 제조하였다. 이를 구체적으로 설명하면, 우선 1180±40℃의 온도범위에서 1차 균질화처리를 한 후, 그 온도범위에서 목표치수대비 20내지 80%의 범위의 압하량으로 1차 열간압연을 실시한다. 여기서, 1190±30℃의 범위에서 2차 균질화 처리후, 목표치수 ψ100mm로 마무리 열간압연을 실시한다. 열간압연실시후, 50℃/시간이하의 냉각속도로 서냉한다.
본 발명강중 일부의 잉고트(D, E강중 표2에서 ○로 표시된 강)는 통상적인 열간압연방법으로 압연재를 제조하였다. 즉 1100±150℃에서 열간압연을 실시하였다.
압연된 소재는 850±60℃ 범위에서 10㎜두께당 10분이상 오스테나이트화 한후 1시간당 50℃이하의 속도로 연속 냉각하거나 다단냉각하는 방법으로 구상화 어닐링을 실시하였으며, 어닐링후의 경도는 HBI95∼HB210이었다.
이하, 본 발명의 조질열처리를 설명한다. 우선,1100∼1180℃ 범위에서의 10mm 두께당 1분 이상 오스테나이트화 및 탄화물 고용화처리후 연속 또는 다단냉각에 의한 제어냉각(염욕)을 하는 소입단계를 실시한다. 그리고, 상온∼80℃의 범위내의 소재를 80∼700℃의 범위에서 10mm 두께당 3분이상 유지후 공냉하는 소려단계를 실시한다. 본 실시예에서는 소려단계를 2회 이상 실시하였다. 종래강인 G-J는 합금공구강 및 고속도공구강으로서 통상적으로 알려진 열간압연, 구상화 어닐링 및 조질열처리를 실시하였다.
상기의 공정 이외에 다음과 같은 공정을 실시할 수 있음은 물론이다.
중량 %로서, C 0.55∼0.75%, Si 1.0∼2.0%, Mn 0.2∼0.8%, Cr 3.8∼5.8%, Mo 2.0∼4.0%, W 0.08∼0.5%(W+1/2Mo=1.1∼2.5%), V 0.6∼2.6%, Nb 0.01∼0.1%(V, Nb은 1종류 이상이며 2종류일 경우 Nb+1/2V=0.3∼1.4%), Co 0.01∼0.2%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.02%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하를 함유하고, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어진 용강을 제조한 후, 상기 용강을 1500±100℃로부터 냉각하여 잉고트를 제조한다.1100±150℃에서 열간가공을 실시한 후, 850±60℃에서 10㎜두께당 10분 이상 구상화 어닐링을 실시한다. 이어서, 조질열처리로서 1100∼1200℃범위에서 소입을 실시하고 80∼700℃에서 소려를 2회 이상 실시한다.
또한, 중량 %로서, C 0.55∼0.75%, Si 1.0∼2.0%, Mn 0.2∼0.8%, Cr 3.8∼5.8%, Mo 2.0∼4.0%, W 0.08∼0.5%(W+1/2Mo=1.1∼2.5%), V 0.6∼2.6%, Nb 0.01∼0.1%(V, Nb은 1종류 이상이며 2종류일 경우 Nb+1/2V=0.3∼1.4%), Co0.01∼0.2%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.02%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하, 희토류금속(REM: Ce, La, Nd, Y, Fe)을 REM 형태 또는 각각의 원소를 1종류 또는 2종류 이상 0.001∼0.25%의 범위로 함유하고, 이때 최종 S함유량과 대비하여 REM%/S%=2∼90, [REM%][S%]=3 X 10-5∼100 X 10-5을 만족하며, 잔량은 Fe와 전기로 제강시 함유될 수 있는 미량 불순물로 이루어진 용강을 제조한후, 상기 용강을 1500±100℃로부터 냉각하여 잉고트를 제조한다.1100±150℃에서 열간가공을 실시한 후, 850±60℃에서 10mm두께당 10분 이상 구상화 어닐링을 실시한다. 이어서, 조질열처리로서 1100∼1200℃범위에서 소입을 실시하고 나서, 80∼700℃에서 소려를 2회 이상 실시한다.
도 1에 발명강의 조질처리 조건중 1150℃ 소입과 580℃ 소려를 실시한, 발명강 B의 미세 조직을 나타내었다. 소입상태의 기지는 잔류오스테나이트를 함유한 마르텐사이트로서 고속도 공구강인 SKH51과 동일한 조성을 가지고, 경도 역시 HRC64로 유사하지만 1차 공정탄화물의 거대상은 거의 나타나지 않는 특징으로 가지며, 오스테나이트 결정입도가 ASTM법으로 No. 12이상을 나타낸다. 소려 상태의 기지는 충격인성에 도움이 되는 점성을 가진 솔바이트를 나타내고, 내마모성에 도움이 되는 미세한 MC형 공정탄화물 및 Mo2C, M7C3, M23C6의 석출탄화물이 공존되어 있다.
도 2에 발명강 D와 종래강인 I강(SKH51), G강(STD11), H강(STD61)의 소입/소려 열처리후 경도를 비교하였다. 발명강은 525℃ 금방에 2차 경화구역을 포함하는 것으로 I강보다 고온에서 경도가 약간 낮고, G강 및 H강보다 높은 경도 분포를 가진다.
도 3은 발명강 D, E 및 종래강 I, G의 경도 대비 충격 인성을 그래프화한 것으로 종래강에 비하여 동일 경도에서 충격인성이 현저히 우수하고, I강 및 G강에 비하여 그 선택 범위가 넓은 특성으로 인하여 높은 경도가 요구되는 절단 칼용으로는 경도를 중시하는 소입/소려 조건을 선택하고, 경도보다는 외부 충격이 중시되는 단조 및 압조용일 때는 인성이 중시하는 소입/소려 조건을 선택할 수 있는 특징이 있다.
실시예 1의 방법으로 용해, 용강제조, 잉고트 제작, 열간압연 및 구상화 어닐링이 실시된 발명강 및 종래강 소재에 대하여 표 2와 같은 소입/소려 열처리후 경도, 충격인성, 굽힘강도, 열피로특성 및 마모특성을 비교하였다.
발명강의 경도는 청구범위내 합금조정에 의하여 종래강인 I강(SKH51), J강(SKH55)과는 유사하고 G강(STD11), H강(STD61)보다는 높으며, 이에 따른 내마모성 역시 발명강은 I강, J강, G강과 유사하고 H강에 비하여 현저히 향상되었다.
발명강의 충격인성은 뛰어난 합금조성 및 새로운 제조공정으로 인하여 7.5∼17.5kgfm/㎠를 나타내고 종래강인 I강, J강, G강에 비하여 5배 이상 향상되었다.
굽힘강도 역시 580∼630kgf/㎟을 나타내어 종래강인 400kgf/㎟의 G강, 490kgf/㎟의 J강, 380kgf/㎟의 I강에 비하여 매우 향상되었다.
발명강의 700℃와 20℃사이의 열사이클에 의한 열피로 특성을 시험하였다. 그 결과, 열피로특성은 열피로 균열발생의 관점에서 평균길이는 기존 열간공구강인H강에 비하여 3배 이상 짧아지고 발생빈도 역시 현저히 낮아졌다.
또한, 표 2에서 발명강이 종래강에 비하여 모든 기계적 특성이 우수하지만 본 발명법의 큰 특징중의 하나인 새로운 열간 압연법을 적용한 경우, 통상적인 열간압연을 실시한 경우보다 더욱 우수한 기계적특성을 나타낸다.
표 3에 발명법에 의하여 제조된 B강, D강, F강과 종래강인 I강(SKH51) 및 G강(STD11)에 대하여 실제 자동차 부품인 C-V Joint 제조용 온간ㆍ냉간 펀치금형 및 열간소재 절단용 칼에 적용하였을 때의 소재 수명을 나타내었으며, 열간절단용 칼에 적용한 결과를 종래강인 H강(STD61)과 함께 나타내었다. 도 4는 적용된 펀치금형 및 절단칼의 형상을 나타낸 것이다.
표 3에서 온간 및 냉간 펀치금형에 적용한 결과, 발명강 B강, D강, F강은 종래강인 I강 및 G강에 비하여 5배 이상의 탁월한 금형수명을 나타내었고, 열간소재 절단용 칼의 경우 역시 종래강인 H강에 비하여 2배 이상의 수명을 나타내었다.
이상의 실시예로부터 본 발명강은 기존 고속도공구강보다 C함유량과 고가의 W 및 Co함유량을 현저히 낮게 유지하고, Si, Mn, V, Nb 원소를 3종류 이상 첨가하여 이들 원소의 고유 특성을 적절히 이용하고, 최종 S 함유량 대비 희토류금속을 1종류 또는 2종류 이상 함유시키는 합금 설계와 내마모성에는 도움을 주지만 충격인성 및 강도에는 악영향을 미치는 응고시 생성되는 MC형 공정탄화물의 적절한 제어가 가능한 본 발명의 열간압연 방법에 의하여 제조되었다.
이러한 발명법에 의하여 제조된 발명강은 기존 고속도공구강과 동일한 기지 조성을 가지며, SKH51, SKH55, STD11과 경도 및 내마모성은 유사하게 가지면서 충격인성, 굽힘강도 및 인장강도를 현저히 향상시켰으며, 기존 열간공구인 STD61보다 내마모성 및 내열피로 특성을 현저히 향상시킨 특성이 있다. 또한 발명강을 실제 자동차 부품인 C-V Joint 제조용 온간ㆍ냉간 펀치 금형 및 열간조새 절단용 칼에 적용하였을 때, 수명면에서 기존 고속도공구강이나 냉간공구강 및 열간공구강에 비하여 탁월한 성능이 보장되었다.

Claims (8)

  1. 중량 %로서, C 0.55∼0.75%, Si 1.0∼2.0%, Mn 0.2∼0.8%, Cr 3.8∼5.8%, Mo 2.0∼4.0%, W 0.08∼0.5%(W+1/2Mo=1.1∼2.5%), Co 0.01∼0.2%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.02%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하를 포함하고, 또한 V 0.6∼2.6%와 Nb 0.01∼0.1%중 1종 또는 2종(2종인 경우 Nb+1/2V=0.3∼1.4%),잔량은 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간, 온간용 고속도공구강.
  2. 중량 %로서, C 0.55∼0.75%, Si 1.0∼2.0%, Mn 0.2∼0.8%, Cr 3.8∼5.8%, Mo 2.0∼4.0%, W 0.08∼0.5%(W+1/2Mo=1.1∼2.5%), Co 0.01∼0.2%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.02%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하를 포함하고, 또한 V 0.6∼2.6%와 Nb 0.01∼0.1%중 1종 또는 2종(2종인 경우 Nb+1/2V=0.3∼1.4%),잔량은 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 제조하는 단계; 상기 용강을 1500±100℃로부터 냉각하여 잉고트를 제조하는 단계; 1100±150℃에서 열간가공을 실시하는 단계; 850±60℃에서 10㎜두께당 10분 이상 구상화 어닐링을 실시하는 단계; 조질열처리로서 1100∼1200℃범위에서 소입을 실시한 후, 80∼700℃에서 소려를 2회 이상 실시하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간, 온간용 고속도공구강의 제조방법.
  3. 중량 %로서, C 0.55∼0.75%, Si 1.0∼2.0%, Mn 0.2∼0.8%, Cr 3.8∼5.8%, Mo 2.0∼4.0%, W 0.08∼0.5%(W+1/2Mo=1.1∼2.5%), Co 0.01∼0.2%, Al 0.01% 이하, N0.002∼0.02%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하를 포함하고, 또한 V 0.6∼2.6%와 Nb 0.01∼0.1%중 1종 또는 2종(2종인 경우 Nb+1/2V=0.3∼1.4%),잔량은 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 제조하는 단계; 상기 용강을 1500 ±100℃ 범위로부터 냉각하여 잉고트를 제조하는 단계; 1180±40℃의 온도범위에서 1 차 균질화처리후, 20내지 80%의 범위의 압하량으로 열간압연을 실시하는 단계; 1190±30℃의 온도범위에서 2차 균질화처리후, 마무리 압연을 실시하는 단계; 및 1190±30℃의 온도범위로부터 50℃/시간이하의 냉각속도로 냉각하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간,온간용 고속도공구강의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 850±60℃ 범위에서 10㎜두께당 10분이상 오스테나이트화 한 후 50℃/시간이하의 속도로 냉각하는 단계;1100∼1200℃ 범위에서의 10mm 두께당 1분이상 오스테나이트화 및 탄화물 고용화처리후 제어냉각하는 소입단계; 및 상온∼80℃의 범위내의 소재를 80∼700℃의 범위에서 10mm 두께당 3분 이상 유지후 공냉하는 작업을 2회 이상 실시하는 소려단계가 추가되는 것을 특징으로 하는 냉간, 온간용 고속도공구강의 제조방법.
  5. 중량 %로서, C 0.55∼0.75%, Si 1.0∼2.0%, Mn 0.2∼0.8%, Cr 3.8∼5.8%, Mo 2.0∼4.0%, W 0.08∼0.5%(W+1/2Mo=1.1∼2.5%), Co 0.01∼0.2%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.02%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하를 포함하고, 또한 V 0.6∼2.6%와 Nb 0.01∼0.1%중 1종 또는 2종(2종인 경우, Nb+1/2V=0.3∼1.4%)을 포함하며,희토류금속(REM: Ce, La, Nd, Y, Fe)을 REM 형태 또는 각각의 원소를 1종류 또는 2종류 이상 0.001∼0.25%의 범위로 함유하고, 이때 최종 S함유량과 대비하여 REM%/S%=2∼90, [REM%][S%]=3 X 10-5∼100 X 10-5을 만족하며, 잔량은 Fe와 제강시 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉간, 온간용 고속도공구강.
  6. 중량 %로서, C 0.55∼0.75%, Si 1.0∼2.0%, Mn 0.2∼0.8%, Cr 3.8∼5.8%, Mo 2.0∼4.0%, W 0.08∼0.5%(W+1/2Mo=1.1∼2.5%), Co 0.01∼0.2%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.02%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하를 포함하고, 또한 V 0.6∼2.6%와 Nb 0.01∼0.1%중 1종 또는 2종(2종인 경우, Nb+1/2V=0.3∼1.4%)을 포함하며,희토류금속(REM: Ce, La, Nd, Y, Fe)을 REM 형태 또는 각각의 원소를 1종류 또는 2종류 이상 0.001∼0.25%의 범위로 함유하고, 이때 최종 S함유량과 대비하여 REM%/S%=2∼90, [REM%][S%]=3 X 10-5∼100 X 10-5을 만족하며, 잔량은 Fe와 제강시 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 제조하는 단계; 상기 용강을 1500±100℃로부터 냉각하여 잉고트를 제조하는 단계; 1100±150℃에서 열간가공을 실시하는 단계; 850±60℃에서 10㎜두께당 10분 이상 구상화 어닐링을 실시하는 단계; 1100∼1200℃범위로부터 소입을 실시하는 단계; 및 80∼700℃에서 소려를 2회 이상 실시하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간, 온간용 고속도공구강의 제조방법
  7. 중량 %로서, C 0.55∼0.75%, Si 1.0∼2.0%, Mn 0.2∼0.8%, Cr 3.8∼5.8%, Mo2.0∼4.0%, W 0.08∼0.5%(W+1/2Mo=1.1∼2.5%), Co 0.01∼0.2%, Al 0.01% 이하, N 0.002∼0.02%, S 0.008% 이하, O 30ppm 이하를 포함하고, 또한 V 0.6∼2.6%와 Nb 0.01∼0.1%중 1종 또는 2종(2종인 경우, Nb+1/2V=0.3∼1.4%)을 포함하며,희토류금속(REM: Ce, La, Nd, Y, Fe)을 REM 형태 또는 각각의 원소를 1종류 또는 2종류 이상 0.001∼0.25%의 범위로 함유하고, 이때 최종 S함유량과 대비하여 REM%/S%=2∼90, [REM%][S%]=3 X 10-5∼100 X 10-5을 만족하며, 잔량은 Fe와 제강시 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 제조하는 단계; 상기 용강을 1500 ±100℃ 범위로부터 냉각하여 잉고트를 제조하는 단계; 1180±40℃의 온도범위에서 1 차 균질화처리후, 20내지 80%의 범위의 압하량으로 열간압연을 실시하는 단계; 1190±30℃의 온도범위에서 2차 균질화처리후, 마무리 압연을 실시하는 단계; 및 1190±30℃의 온도범위로부터 50℃/시간이하의 냉각속도로 냉각하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간,온간용 고속도공구강의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 850±60℃ 범위에서 10㎜두께당 10분이상 오스테나이트화 한 후 50℃/시간이하의 속도로 냉각하는 단계;1100∼1200℃ 범위에서의 10mm 두께당 1분이상 오스테나이트화 및 탄화물 고용화처리후 제어냉각하는 소입단계; 및 상온∼80℃의 범위내의 소재를 80∼700℃의 범위에서 10mm 두께당 3분 이상 유지후 공냉하는 작업을 2회 이상실시하는 소려단계가 추가되는 것을 특징으로 하는 냉간, 온간용 고속도공구강의 제조방법.
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