KR100316342B1

KR100316342B1 - 분말야금 고속도공구강

Info

Publication number: KR100316342B1
Application number: KR1019990024710A
Authority: KR
Inventors: 배종수; 김용진; 임태수; 홍성현; 정형식
Original assignee: 황해웅; 한국기계연구원
Priority date: 1999-06-28
Filing date: 1999-06-28
Publication date: 2001-12-20
Also published as: KR20010004102A

Abstract

본 발명은 분말야금 고속도공구강에 관한 것으로서, 가스분사법에 의해 바나듐과 니오븀이 함유된 분말을 제조한 후 캔닝(canning), 고온등압성형, 열간가공 및 열처리를 하되, C 1.5∼2.5wt%, Cr 3∼5wt%, W 5∼7wt%, Mo 3∼6wt%, Co 4∼6wt%, V 4∼6wt%, Nb 1∼2wt%, Si 1wt%이하, Mn 0.6wt%이하, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성되도록 하고, W+2Mo은 13∼19wt%, Nb+V은 6∼8wt%, Nb/V 비가 0.2∼0.4이 되도록 함으로써, 내부조직 중의 탄화물의 크기가 1㎛이하로 미세하게 조절되고, 고온 경도 및 내마모성이 향상되는 바나듐과 니오븀이 함유된 분말야금 고속도공구강을 제공하는 것이다.

Description

분말야금 고속도공구강{high speed steel produced by powder metallurgy}

본 발명은 고속도공구강의 고온특성 및 내마모성을 향상시키기 위하여 분말야금공정에 의해 제조되는 바나듐(V)과 니오븀(Nb)을 복합으로 함유하는 고속도공구강에 관한 것이다.

고속도공구강은 각종 금형, 절삭공구 및 압연롤의 소재로 널리 사용되고 있는 철계(鐵系) 합금이다. 이 고속도공구강 중의 바나듐은, 강을 오스테나이트화한 후 담금질(quenching)시 생성되는 MC형(여기서 M은 임의의 금속을 지칭함)의 1차 탄화물과 템퍼링 시에 생성되는 2차 탄화물의 주요 구성성분이며 내마모 특성을 향상시키는 역할을 한다. 한편 니오븀은 바나듐과 함께 MC형 1차 탄화물의 주요 구성성분으로서 담금질 시 M₆C탄화물의 생성을 억제하고, MC형 탄화물의 생성을 촉진시키는 역할을 한다. 그러므로 바나듐과 니오븀을 적절한 조성으로 동시에 함유하게 하면 고온특성, 고온안정성 및 내마모 특성이 우수한 소재를 얻을 수 있다. 그러나 니오븀은 바나듐과는 달리 상온에서 철 기지(matrix) 내의 고용도가 0.5wt% 이하이기 때문에 일반적인 용해주조법에 의해 고속도공구강을 제조할 때는 첨가시키기 매우 어려운 문제점이 있었다. 분말야금법을 이용한 종래의 기술도 탄화물 형성 원소인 바나듐과 니오븀 등을 많은 양 첨가시켜서 많은 탄화물을 형성시키는 것이 대부분이었다.

본 발명의 목적은 분말야금법에 의해 적절한 조성의 니오븀과 바나듐을 동시에 함유하도록 하며, 니오븀과 바나듐의 양을 종래 소재에 비해 최소한으로 조절하는 한편, 니오븀과 바나듐의 비를 적절히 조화시킴으로써, 탄화물이 미세화되고, 고온 경도 및 고온 안정성이 우수한 분말야금 고속도공구강을 제공하는 것이다.

도 1은 바나듐과 니오븀을 복합함유한 분말야금 고속도공구강의 제조공정도,

도 2는 본 발명의 공구강의 특성을 비교하기 위한 실험에 사용된 시료의 화학 조성도,

도 3은 시료 1∼8의 열처리 후 내부 탄화물의 양 및 그 평균 크기를 비교하여 나타내는 도면,

도 4는 시료 1∼8의 열처리 후 경도를 비교하여 나타내는 도면,

도 5는 시료 1∼8의 열처리 후 굽힘강도를 비교하여 나타내는 도면,

도 6은 시료 1∼8의 열처리 후 마모량을 비교하여 나타내는 도면,

도 7은 600℃의 염욕로에서 800동안 유지한 후, 시료 1∼8의 경도 변화를 비교하여 나타내는 도면.

상기 목적을 달성하기 위한 분말야금법을 적용함에 있어서, 먼저 가스분사법에 의해 바나듐과 니오븀이 함유된 분말을 제조한 후 캔닝(canning), 고온등압성형, 열간가공 및 열처리를 하되, C 1.5∼2.5wt%, Cr 3∼5wt%, W 5∼7wt%, Mo 3∼6wt%, Co 4∼6wt%, V 4∼6wt%, Nb 1∼2wt%, Si 1wt%이하, Mn 0.6wt%이하, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성되도록 하고, W+2Mo은 13∼19wt%, Nb+V은 6∼8wt%, Nb/V 비가 0.2∼0.4 되도록 하여 본 발명의 고속도공구강을 얻는다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1에 본 발명의 바나듐과 니오븀을 복합함유한 분말야금 고속도공구강의 제조공정이 도시되어 있다.

제1단계는 분말제조 공정으로서, 본 발명의 분말야금 고속도공구강을 구성하는 철(Fe), 탄소(C), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 코발트(Co), 바나듐(V) 및 니오븀(Nb)을 혼합하여 1600∼1700℃사이에서 용해한 후에 질소(N₂)나 아르곤(Ar) 가스를 이용한 가스분사법에 의해 둥근 형상의 분말을 제조하는 공정이며, 이 때 최종 기계적 특성(경도, 굽힘강도, 마모량 등)의 저하를 방지하기 위해 분말의 산소함유량은 300ppm이하로 조절되어야 한다.

제2단계는 캔닝(canning)공정으로서, 철이나 스테인레스 캔(stainless can)내에 상기 제조된 분말을 상대밀도 70%이상 충진시킨 후 10^-2torr이하의 진공도에서 500∼600℃로 가열하여 최소 1시간 이상 탈가스처리한 후 밀봉하는 공정이다.

제3단계는 고온등압성형(HIP)공정으로서, 상기 캔닝된 분말을 아르곤가스 분위기에서 1050∼1200℃의 온도 및 1000∼1500bar의 압력으로 1시간 이상 유지하여 진밀도화된 빌렛으로 성형하는 공정이다.

제4단계는 열간가공 및 열처리(풀림 포함)공정으로서, 고온등압성형에 의해제조된 바나듐과 니오븀을 함유한 고속도공구강 빌렛의 기계적 특성(경도, 굽힘강도, 마모량 등)을 향상시키고 원하는 형상을 얻기 위해 재결정온도 이상인 900∼1150℃로 가열한 상태에서 단조나 압연가공으로 판재 및 봉재를 제조(열간가공)하고, 이 열간가공 후 내부응력을 제거하고 조직을 균일화하기 위해 700∼900℃로 재가열한 후 서냉하는 공정(풀림)이다. 그 후, 경도를 상승시키기 위해 담금질 및 템퍼링처리를 할 수 있다.

이상의 공정에 의해 제조되는 본 발명의 분말야금 고속도공구강의 주성분은 Fe, C, Cr, W, Mo, Co, V, Nb이며 구성원소의 함량 제한범위는 C가 1.5∼2.5wt%, Cr이 3∼5wt%, W이 5∼7wt%, Mo이 3∼6wt%, Co가 4∼6wt%, V이 4∼6wt%, 그리고 Nb이 1∼2wt%이며, 나머지는 Fe이다. 그 외에 미량원소로 Si가 1wt%이하, Mn이 0.6wt%이하 포함되어 있다. 또한 열처리 후 적정량의 탄화물이 생성되기 위해서는 W+2Mo은 13∼19wt%, Nb+V은 6∼8wt%, Nb/V 비는 0.2∼0.4로 구성되어야 한다.

본 발명의 공구강에서 상기 각 구성원소의 역할을 설명하면 다음과 같다.

C는 W, Mo, V, Nb, Cr등과 결합하여 MC, M₆C, M₂₃C₆형의 탄화물을 형성하며 기지(matrix)에 고용되어 기지경도도 향상시킨다. 여기서 C의 함량이 1.5wt%보다 적을 경우에는 탄화물의 절대적인 생성량이 적어지고 기지경도도 낮아지는 반면, C의 함량이 2.5wt%보다 많을 경우에는 탄화물이 과도하게 석출되어 기계적 특성과 가공성 등이 저하된다. 따라서 1.5∼2.5wt% 범위가 적절하다.

Cr은 열처리시 경화능을 증가시키고 내산화성을 증가시키는 역할을 하는 금속원소로서, 3wt%보다 작으면 이 역할을 충분히 발휘할 수 없으며 5wt%보다 크면 M₂₃C₆탄화물이 과도하게 생성되어 인성, 기계가공성 및 열전도성이 저하하게 되므로 3∼5wt%가 적당하다.

W은 결정립을 미세화시키고 고온경도를 향상시키며 템퍼링시 연화에 대한 저항성을 향상시키는 원소로서 C와 결합하여 M₆C탄화물을 생성시킨다. W이 5wt%보다 적으면 충분한 탄화물이 생성되지 않아 상기 역할을 충분히 할 수 없고 W이 7wt%보다 많게 되면 생성되는 탄화물의 양이 과도하게 증가하고 탄화물의 크기도 지나치게 커지기 때문에 좋지 않다. 따라서 본 발명의 고속도공구강은 적정량의 1차 및 2차 탄화물을 형성시키기 위해 5∼7wt%를 포함한다.

Mo은 W과 함께 M₆C탄화물을 형성하는 원소이며 열처리시 경화능을 향상시켜주고 템퍼링시 2차 탄화물을 형성시키는 역할을 한다. 포함되는 양이 3wt%보다 적게 포함되면 충분한 탄화물 생성이 되지 않아 그 효과를 나타내지 못하고 6wt%보다 크게 되면 탄화물의 양이 지나치게 많아지고 크기 또한 커지게 되는 문제점이 있다. 따라서 본 발명의 공구강은 적정량의 1차 및 2차 탄화물을 형성시키기 위해 3∼6wt%의 Mo을 함유한다.

Co는 고속도공구강의 고온경도 및 경화능을 향상시키는 역할을 한다. 고온가공 및 절삭용으로 사용되는 대부분의 분말야금 고속도공구강은 고온특성 향상을 위해 8wt%이상 함유하고 있다. 일반적으로 Co함량이 증가할수록 고온경도는 향상되지만 고가이므로 제조비용이 증가하는 문제점이 있다. 본 발명의 공구강에서는 적정량의 Nb 첨가로 고온특성을 향상시킬 수 있기 때문에 Co함량을 6wt% 이하의 범위로 제한하여 제조비용을 절감하였고 최소한의 고온경도 향상효과를 충분히 발휘하기 위해 4wt%이상 포함하였다.

V은 열처리 후 MC형 1차 및 2차 탄화물을 형성시켜 고속도공구강의 내마모 특성을 향상시키는 역할을 한다. V의 함유량이 4wt%미만 포함되면 충분한 탄화물이 생성되지 않고, 6wt%보다 많이 포함되면 내마모 특성은 향상되지만 탄화물의 크기가 커지고 인성이 감소하기 때문에 본 발명의 공구강에서는 4∼6wt%로 제한한다.

Nb는 V와 함께 MC형 탄화물을 형성시키는 원소이며 V함유 MC형 탄화물보다 고온경도 및 열적 안정성이 우수하고 열처리 후 생성된 탄화물의 크기가 미세하다. 그러나 Nb가 2wt%보다 높게 포함될 경우 기지 내의 Nb 고용한계와 V과의 함량 조화가 깨져 절삭성능이 저하된다. 그리고 1wt% 미만 포함되면 충분한 탄화물이 형성되지 않아, Nb 첨가의 영향이 거의 없다. 따라서 본 발명의 공구강에서는 1∼2wt%로 한정된다.

기타, 용해과정 중에 첨가될 수 있는 Si 및 Mn은 본 발명의 공구강에서 최종 기계적 특성에 영향을 미치지 않는 범위인 1wt%이하 및 0.6wt%이하로 각각 제한된다.

또한, Fe은 본 발명의 공구강의 기본요소로서 전술한 원소의 조성외의 나머지를 구성하고 있다.

또한 본 발명의 공구강은 열처리 후 생성되는 탄화물의 양을 적절히 하여 열적, 기계적 특성을 최적화시키기 위해서 W+2Mo는 13∼19wt%, Nb+V는 6∼8wt%을 함유하여야 한다. 이하, 이 조성범위에 대한 근거에 관해서 설명한다.여기서, Mo과 W은 V과 Nb와는 달리 M₆C탄화물을 형성시키는 원소이며 열처리 시 2차 경화를 나타내게 하는 주요 원소이다. 또한, 일반적으로 공구강에서 W은 Mo의 2배의 첨가효과를 나타내는 것으로 알려져 있으므로, 공구강 내에 생성되는 총 M₆C의 양은 W+2Mo에 비례한다. 이 때, W+2Mo가 13wt%보다 작으면 열처리 후 생성되는 M₆C 양이 적고 열처리 시 2차 경화효과가 적게 나타나기 때문에 공구강의 경도가 낮아지며, 19wt%를 초과하면 탄화물(M₆C)의 크기가 지나치게 커지기 때문에 굽힘강도, 절삭 성능이 좋지 않다.한편, V와 Nb는 MC화합물을 형성시키는 주요 원소이다. MC탄화물은 M₆C탄화물보다 고온에서 안정하기 때문에 주로 고온 특성을 향상시키는 역할을 한다. 이 때, Nb+V의 함량이 6wt%보다 작은 경우에는 고속도공구강에서 생성되는 전체 탄화물(M₆C+MC) 중 MC 탄화물이 차지하는 비율이 60% 이하가 되기 때문에 고온 특성 및 공구의 절삭성이 낮아지게 되며, 8wt%를 초과하는 경우에는 전체 탄화물 중 MC 탄화물이 차지하는 비율이 90% 이상이 되어 M₆C탄화물에 의한 2차 경화효과가 낮아지게 된다. 또한, 전체 탄화물 양의 증가로 절삭가공소재로 사용할 시에는 열 방출이 원활치 않아 절삭 성능 등이 감소된다.

한편, V 없이 Nb만 내재한 경우 또는 V에 비하여 Nb를 과다하게 첨가한 경우에는 Nb의 탄화물의 입계석출이 일어나고 V을 주성분으로 하는 2차 탄화물이 생성되지 않으므로 기계적 특성은 오히려 감소한다. 따라서, Nb/V의 비를 0.4이하로 하였다. 한편, Nb/V의 비가 0.2보다 작으면, 절삭시 고온 하에서 V이 기지(Fe) 내로 확산되는 현상이 발생되어 경도가 낮아지게 된다. 그러므로 본 발명의 고속도공구강은 전술한 바와 같은 조성의 V와 Nb을 적절히 복합 함유한 구성을 갖는다.

이하, 상기한 본 발명의 내용을 명확히 뒷받침하는 실험내용에 대하여 설명한다.

도 2에 본 발명의 공구강의 기계적ㆍ열적 특성을 비교하기 위한 실험에서 사용된 시료의 조성을 나타내는 표가 도시되어 있다. 시료 중 1∼7번은 질소 가스분사법에 의해 고속도공구강 분말을 제조한 후 캔닝, 고온등압성형, 열간가공 공정을 거쳐 제조된 것이며 시료 8번은 종래의 분말야금 고속도공구강 중 절삭용 소재로 사용되는 대표적인 제품의 조성이다. 시료 1∼7번의 조성을 갖는 합금을 제조하기 위한 실험조건 및 공정은 다음과 같다.

1) 분말제조

시료 1∼7번의 조성을 가진 모재를 1600∼1650℃로 가열, 용해 후 질소를 이용한 가스분사법에 의해 평균입도 150∼200㎛, 산소함유량 140∼200ppm 범위를 가진 둥근 형상의 분말을 제조하였다.

2) 캔닝 및 고온등압성형

직경 30mm, 길이 120mm의 원통 스테인레스 캔내에 상기 1)공정에 의해 제조된 분말을 상대밀도 70∼75%로 충진시킨 후 탈가스처리하여 밀봉하였다. 이 때 상기 탈가스처리는 500℃에서 5시간, 10^-2torr이하의 진공도에서 실시하였다. 고온등압성형은 캔닝 후 1150℃에서 3시간 동안 아르곤 가스 분위기에서 1200bar로 가압하여 실시하였다.

3) 열간가공 및 풀림처리

고온등압성형된 소형 빌렛을 1100℃로 가열한 후 스웨이징기(swaging machine)를 사용하여 직경 13mm인 봉재로 제조하였다(열간가공). 제조된 봉재는 다시 870℃에서 2시간 가열한 후 서냉하였다(풀림처리).

4) 열처리

우선 선반가공으로 굽힘강도 측정용, 경도시험용 및 조직관찰용으로 나누어 시료(시편)를 제작하였다. 그리고 이 시편을 진공담금질로(vacuum quenching furnace) 내에서 1170℃로 10분간 유지한 후, 5bar의 질소가스로 담금질하고 다시 550℃로 가열하여 1시간씩 3회에 걸쳐 템퍼링하였다.

도 3은 상기 시료 1∼8를 열처리한 후, 주사 전자현미경과 상분석기를 사용하여 탄화물 부피와 평균크기를 측정한 결과를 나타낸다. 탄화물 형성원소가 다른 시료에 비해 상대적으로 많이 함유되어 있는 시료 6를 제외한 모든 시료의 탄화물 부피분율은 20.9∼21.8%로서 거의 유사하다는 것을 알 수 있다. 한편, 탄화물의 크기는 니오븀 함량이 높을수록 더욱 미세하다. 또한 니오븀 함량이 비슷한 시료 6 및 7에 있어서는 바나듐 함량이 적은 시료 7에서 탄화물 크기가 더 미세함을 알 수 있다. 이는 일반적인 고속도공구강에서 바나듐을 단독으로 첨가했을 때 바나듐 함량이 증가하면 탄화물의 크기가 증가하는데 반하여, 본 실험에서와 같이 니오븀을 첨가하면 탄화물이 미세해진다는 것을 의미하는 것이다.

도 4는 조성이 다른 시료 1∼8의 열처리 후의 경도치를 나타낸다. 동일한 열처리 조건하에서의 경도는 니오븀을 첨가하지 않은 시료 1과 바나듐 함량이 상대적으로 적은 시료 7보다 바나듐과 니오븀이 적절히 첨가된 시료 2∼6에서 높게 나타나며 상용 분말고속도공구강인 시료 8도 높게 나타난다. 그러나 같은 바나듐 함량에서는 니오븀 함량이 증가하면 경도는 낮아진다.

도 5는 조성이 다른 시료에 따른 열처리 후의 굽힘강도를 나타낸다. 굽힘강도는 시료 1보다 니오븀이 첨가된 시료 2∼6에서 다소 낮게 나타난다. 일반적으로 고속도공구강에서 경도가 상승하면 굽힘강도는 감소한다. 도 4에 나타난 바와 같이 열처리 경도가 상대적으로 높게 나타난 시료 2∼6이 니오븀을 포함하지 않은 시료 1 이나 바나듐 함량이 적은 시료 7에 비해 높게 나타났기 때문에 굽힘강도는 다소 감소하였다. 특히 시료 6은 시료 2나 3보다 경도가 낮음에도 불구하고 굽힘강도가 낮게 나타났음을 알 수 있다. 이는 일정량 이상의 니오븀을 첨가하면 기계적 특성이 오히려 저하된다는 것을 의미한다.

다음, 도 2의 시료 1∼8번을 열처리하여 핀 온 디스크(pin on disc)형 마모시험기에서 마모시험(마찰 마모시험)을 하였다. 시험조건으로서, 마모속도 6m/sec, 하중 480g중, 총 마모거리 6km, 상대 마모재는 로크웰 경도치(HRC) 62의 M2 고속도공구강 디스크를 사용하였다. 도 6은 조성이 다른 시료에 따른 마모량을 나타낸 것으로서 니오븀을 첨가하지 않은 시료 1이나 Nb/V 비가 높은 시료 5보다 시료 2∼6의 마모량이 작게 나타나기 때문에 내마모 특성이 우수하다는 것을 알 수 있다.

또한, 고온에서 경도가 저하되는 정도를 비교하기 위해, 도 2의 시료 1∼8을 상기 열처리 조건 하에서 열처리한 후 600℃의 염욕로에서 일정시간 유지한 후 상온에서 경도를 측정하였다. 도 7은 염욕에서 800분 동안 유지한 후, 경도변화를 나타낸 것이다. 본 발명의 공구강인 시료 2∼4 및 니오븀이 상대적으로 많이 함유된 시료 5, 6의 경도가 니오븀을 포함하지 않은 시료 1이나 8 및 바나듐을 상대적으로 적게 함유하고 있는 시료 7보다 낮게 나타남을 알 수 있는데, 이는 니오븀과 바나듐의 적절한 조합에 의해 니오븀과 바나듐을 동시에 포함하고 있는 MC형 탄화물이 바나듐에 의한 MC형 탄화물 또는 텅스텐이나 몰리브덴에 의해 형성된 M₆C형 탄화물보다 고온에서 안정된 특성을 가지기 때문이다.

상기와 같은 조성 및 공정을 통해 얻은 본 발명의 분말야금 고속도공구강은, 용해주조법으로는 함유시키기 어려운 원소인 니오븀을 바나듐과 함께 적절하게 복합함유시킴으로써, 생성되는 탄화물의 크기가 1㎛이하로 미세하게 되며 절삭성능, 경도, 고온안정성 및 내마모성등 기계적 특성이 우수하다는 효과가 있다. 따라서 고온절삭용 공구, 금형소재 및 내마모용 소재로서의 응용이 가능하고, 전체적인 특성을 저하시키지 않는 한도 내에서 값싼 니오븀이 고가의 코발트를 대체할 수 있으므로 염가로 분말야금 고속도공구강을 얻을 수 있다는 또 다른 효과가 있다.

Claims

분말제조, 캔닝, 고온등압성형, 열간가공 및 열처리의 공정에 의해 제조되는 분말야금 고속도공구강에 있어서, C 1.5∼2.5wt%, Cr 3∼5wt%, W 5∼7wt%, Mo 3∼6wt%, Co 4∼6wt%, V 4∼6wt%, Nb 1∼2wt%, Si 1wt%이하, Mn 0.6wt%이하, 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성되며, W+2Mo은 13∼19wt%, Nb+V은 6∼8wt%, Nb/V의 비가 0.2∼0.4로 구성되는 분말야금 고속도공구강.