KR100321062B1 - 내마모성이 우수한 냉간가공용 공구강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 냉간가공용 공구강의 제조방법에 관한 것이며; 그 목적은 제조공정이 간단한 분무성형방법에 의해 균일한 탄화물조직을 갖고, 우수한 기계적특성을 갖도록 개선된 공구강의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 분무성형(spray forming)에 의해 고속도공구강을 제조하는 방법에 있어서, Mo_aCr_bC_xV_yFe_z를 기본조성으로 하고, 그 함량은 중량%를 기준으로 1.1%≤a≤1.5%, 5.0%≤b≤5.6%, 1.7%≤x≤2.5%, 8.0%≤y≤12.0%, 78.9%≤z≤83.7%의 조성을 갖도록 합금을 용해한 다음, 상기 용융물을 가스분사에 의해 모재(bulk material)를 얻고, 이 모재를 열간가공하는 것을 포함하여 이루어지는 내마모성이 우수한 냉간가공용 공구강의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

내마모성이 우수한 냉간가공용 공구강의 제조방법

본 발명은 각종 냉간가공용 공구강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 제조공정으로 균일한 탄화물조직을 갖고, 우수한 기계적특성을 갖는 공구강의 제조방법에 관한 것이다.

공구강이라 함은 탄화물 형성원소가 다량으로 첨가된 고탄소 합금강으로, 그 기계적 성질은 합금내에 분포하는 탄화물의 형상 및 크기, 분포경향에 의해 좌우되며 5μm 이하의 탄화물이 구형으로 균일하게 분포하여야 우수한 공구강이라 할 수 있다.

종래의 공구강 제조방법은 주조에 의한 방법과 분말야금에 의한 방법으로 구분된다. 주조에 의해 제조되는 공구강용 빌렛은 주조시 합금내에 탄화물이 조대하게 형성되고, 이 조대한 탄화물이 빌렛내 불균일하게 분포되어 취약한 내마모성, 가공성, 저인성 및 저충격 특성 등의 단점이 있다. 또한, 주조에 의한 방법은 조대한 탄화물의 생성과 미세조직의 심한 편석으로 인하여 첨가할 수 있는 합금원소의 종류 및 함량이 제한되는 단점을 가지고 있다.

반면에 분말야금법으로 제조된 경우 매우 빠른 냉각속도로 인하여 미세하고 균일한 탄화물을 얻을 수 있으며, 합금원소의 양을 증가시킬 수 있기 때문에 우수한 내마모성을 갖는 재료를 제조할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 분말야금법을 이용하여 공구강을 제조하기 위해서는 분말의 제조, 입도분류, 캐닝(canning), 탈가스처리, 성형공정, 소결공정 등 매우 복잡한 제조공정을 거쳐야 하므로 각 제조공정 조건의 제어가 어려우며, 이에 따라 제조단가가 매우 비싼 단점이 있다.

최근, 기존의 일반 주조 또는 분말야금에 의한 공구강의 제조방법과는 달리 공정상 많은 장점이 있는 분무성형(spray forming)에 의한 제조방법이 알려져 있다(대한민국 특허출원 94-38977호). 그러나, 현재까지의 분무성형(spray forming)에 의한 방법은 탄화물의 편석정도가 심하여 특정조성에만 적용되고 있을 뿐 아직은 상용화 단계에 이르지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기 종래문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 종래 대비 제조공정이 간단한 분무성형방법에 의해 균일한 탄화물조직을 갖고, 우수한 기계적특성을 갖도록 개선된 공구강의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 빌렛의 미세조직을 나타내는 사진이다;

도 2는 도 1의 빌렛을 열간가공한 후의 미세조직을 나타내는 사진이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제조방법은, 분무성형(spray forming)에 의해 고속도공구강을 제조하는 방법에 있어서, Mo_aCr_bC_xV_yFe_z를 기본조성으로 하고, 그 함량은 중량%를 기준으로 1.1%≤a≤1.5%, 5.0%≤b≤5.6%, 1.7%≤x≤2.5%, 8.0%≤y≤12.0%, 78.9%≤z≤83.7%의 조성을 갖도록 합금을 용해한 다음, 상기 용융물을 가스분사에 의해 모재(bulk material)를 얻고, 이 모재를 열간가공하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명의 냉간가공용 공구강은 Mo-Cr-C-V-Fe 계 합금으로 이루어지는 공구강이며 기본적으로 Mo_aCr_bC_xV_yFe_z의 형태를 이루는데, 여기서 각 성분조성은 편석을 방지하고 탄화물이 기지내에 균일하게 분포되도록 제어된다. 이를 위해 각 성분조성은 중량% 기준으로 1.1% ≤ a ≤1.5%, 5.0% ≤ b ≤5.6%, 1.7% ≤ x ≤ 2.5%, 8.0% ≤ y ≤12.0%, 78.9% ≤ z ≤83.7%의 범위를 갖는다.

구체적으로 Mo은 공구강의 대표적인 탄화물 형성원소로 그 조성이 1.1∼1.5중량%(이하, '%'라 함)의 범위로 유지되면 경도 및 내마모성에는 별다른 차이가 발생되지 않는다.

상기 Cr은 공구강의 경화능 향상에 요구되는 합금원소로 그 조성이 5.0 ∼5.6%의 범위로 유지되면 경도 및 내마모성에는 별다른 차이가 발생되지 않는다.

상기 탄소는 탄화물형성 및 경화능 향상에 필수적인 원소로서 그 첨가량이 부족하면 세멘타이트(Fe₃C) 탄화물이 형성될 수 있으며, 탄소함량이 과다하면 공정 MC 탄화물이 형성될 수 있으므로 탄소 함량을 1.7 ∼ 2.5%의 범위로 조절하여야 한다.

상기 V은 그 함량이 부족하면 세멘타이트(Fe₃C) 탄화물이 형성될 수 있으며, 그 함량이 과다하면 공정 MC 탄화물이 형성될 수 있으므로 V의 함량은 8.0 ∼ 12.0%의 범위로 조절하는 것이 필요하다.

이와 같이 본 발명의 공구강은 합금내에 형성되는 탄화물 종류를 MC 탄화물로 제어하기 위해 C를 1.7 ∼ 2.5%로, V를 8 ∼ 12%로 제어한다.

상기와 같은 조성을 갖도록 합금을 용해한 다음, 이 용융물을 가스분사에 의해 모재(bulk material)를 얻는데, 이때 주조방법은 분무성형를 이용한다.

분무성형(spray forming)는 턴디쉬(tundish)내의 용탕을 가스제트로 분무하여 일정한 기판에 충돌시키므로서 약 50∼70% 정도의 액상상태를 유지하면서 빌렛과 같은 일정한 형태를 갖는 모재(bulk material)로 제조하는 방법이다.

여기서, 중요한 것은 MC 탄화물을 갖는 모재를 얻기 위해 가스분사직전의 용융물의 온도를 액상선온도+(50∼150℃)의 범위로 유지하는 것이다. 만일 용융물의 온도가 액상선온도+50 미만이면 조업도중 노즐이 막혀 모재의 제조가 불가능하며, 액상선온도+150℃를 넘으면 과다한 열량유입에 의한 온도상승으로 인해 조대한 공정(Eutectic) MC탄화물이 형성될 수 있다.

여기서, 합금조성에 따른 액상선온도는 다음의 식(1)로 구할 수 있다.

[식 1]

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

(여기서 모든 원소함량은 무게중량% 임)

본 발명의 용물물의 조성과 같이 탄소와 바나듐 함량이 1.7∼2.5%, 8.0∼12.0% 일 때의 액상선 온도는 1349.3∼1227.4℃ 범위이며, 그에 따른 용탕온도 범위는 1399.3℃∼1277.4+(50∼150℃)의 범위에서 유지되어야 한다.

상기와 같이 용탕온도를 조절한 다음에 분무를 실시하는데, 이때 분무조건은 통상의 분무조건이면 가능하다. 바람직한 분무성형조건을 예로들면, 턴디쉬의 용탕유출내경은 3-9mm정도로 하고, 이때 액적의 비행거리는 400-700mm정도, 가스노즐의 1차가스압 및 2차가스압은 각각 1.5-4bar 및 5-10bar의 범위로, 그리고 상기 각 노즐의 스캐닝빈도는 약 12-18cycle/sec의 범위로 하는 것이다.

상기와 같이 분무성형로 제조된 모재는 열간가공하는데, 이때의 열간가공은 열간단조, 열간압연 및 열간압출등 어느 것이나 무방하다. 다만, 모재의 미세조직이 결정립계를 따라 분포된 초정 MC탄화물과 결정립내에 미세하게 석출된 MC탄화물로 구성된 불균일한 탄화물조직을 나타내므로 열간가공시 열간가공온도를 적절하게 설정하여야 한다.

본 발명에 의하면 열간가공온도는 950-1150℃가 바람직하다. 그 이유는 열간가공온도가 950℃미만의 경우 열간가공온도가 낮아 열간가공시 결정립계를 따라 심한 균열이 발생되어 원활한 열간가공이 불가능하며, 이때 모재에 무리한 하중을 가하면 모재에서 균열이 발생하게 된다. 그리고, 열간가공온도가 1150℃를 넘으면 탄화물과 결정립크기가 증가되어 물성에 악영향을 미치기 때문이다.

상기와 같이 가열된 모재의 열간가공방법으로 열간단조를 이용하는 경우 단조비는 6이상으로 하는 것이 필요하다. 그 이유는 불균일한 탄화물조직을 가지는 모재의 미세조직을 균일하게 분포시키기 위해서는 단조비를 6이상 하여야 하기 때문이다.

이때, 열간압연의 경우 압하율을 80%이상으로 하고, 압출의 경우 압출비를 10:1이상으로 행하면 그 효과가 비슷해진다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

아래 표 1과 같이 조성된 합금계를 대기유도용해로에서 용해한 후, 분무성형 장치를 이용하여 빌렛으로 제조하였다.

이렇게 제조된 각 합금은 1050℃에서 단조비 8로 하여 열간단조한 다음, 최종적으로 경화처리하여 기계적특성을 측정하고, 그 결과를 하기표 1에 나타내었다.

상기 경화처리는 각 합금을 모두 1176℃에서 10분간 오스테나이징처리한 후 유냉한 다음, 540℃에서 2시간씩 2번 소려처리하였다.

상기와 같이 경화처리된 합금에 대한 기계적특성은 경도와 내마모성으로 평가하였다. 먼저, 경도는 20×20×20(mm) 규격의 경도시편을 가공하여 로크월 경도기로 측정하였으며, 내마모성 평가는 30×30×5(mm) 규격의 마모시편을 가공하고, SKD61 합금강을 상대재로 하여 하중 100kgf에서 행하였다.

하기 표 1에서의 비교재중 비교재(1)는 통상의 주조에 의한 방법으로 제조된 것이며, 비교재(2)는 분말야금에 의한 방법으로 제조된 CPM10V 공구강이다. 이들은 모두 본 발명예와 동일한 열간가공 및 경화처리를 거쳐 동일한 방법으로 기계적 특성이 비교되었다.

	합금조성(중량%)	액상선온도(℃)	용탕온도(℃)	경도(HRc)	내마모성(하중감량)(mg/km)
	Mo					Cr	V	C	Fe
발명예1	1.3	4.3	8.1	1.72	bal.	1333.6	1420	61.2	63
발명예2	1.3	4.3	9.5	2.15	bal.	1278.1		63.7	55
발명예3	1.3	4.3	10.1	1.87	bal.	1311.6		63.4	54
발명예4	1.3	4.3	11.0	2.05	bal.	1287.6		64.2	52
발명예5	1.3	4.3	11.8	2.45	bal.	1234.5		66.8	41
비교예1	1.3	4.3	9.8	2.31	bal.	통상주조법으로 제조된 합금	63.2	113
비교예2	1.3	4.3	9.8	2.42	bal.	분말야금법으로 제조된 CPM10V 합금	64.3	51

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명예(1-5)의 경우 통상의 방법으로 주조된 비교예(1)과 경도는 유사하나 내마모성은 약 2배이상 증가하였다.

그리고, 분말야금에 의해 제조된 비교예(2)와 견주어 볼 때, 경도 및 내마모성에 있어 90∼110%로 거의 동등이상 수준의 기계적 성질을 나타내었다. 특히, 내마모성에 있어서는 본 발명재가 분말야금재에 비하여 우수한 특성을 나타내었다.

참고로, 도 1은 본 발명에 따라 제조된 빌렛의 분무성형후의 미세조직을 관찰하고, 나타낸 것으로서 분무성형후 빌렛은 탄화물조직을 갖음을 알 수 있다. 이와 같은 탄화물조직을 갖는 빌렛을 열간가공한 후의 미세조직을 도 2에 나타내었는데, 도 2에서 알 수 있듯이, 균일한 MC탄화물조직이 나타났다.

이상의 결과를 볼 때, 본 발명재는 주조재에 비해서는 월등히 향상된 물성을 나타내었으며, 분말야금재와는 동등이상의 특성을 나타내었다.

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

Claims (6)

1. 분무성형(spray forming)에 의해 고속도공구강을 제조하는 방법에 있어서,

   Mo_aCr_bC_xV_yFe_z를 기본조성으로 하고, 그 함량은 중량%를 기준으로 1.1%≤a≤1.5%, 5.0%≤b≤5.6%, 1.7%≤x≤2.5%, 8.0%≤y≤12.0%, 78.9%≤z≤83.7%의 조성을 갖도록 합금을 용해한 다음, 상기 용융물을 가스분사에 의해 모재(bulk material)를 얻고, 이 모재를 열간가공하는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 냉간가공용 공구강의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 가스분사직전의 용융물의 온도는 그 용융물의 액상선온도+(50∼150)℃의 범위로 유지함을 특징으로 하는 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 열간가공은 950-1150℃의 온도범위에서 행함을 특징으로 하는 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 열간가공은 단조비를 6이상으로 행하는 열간단조임을 특징으로 하는 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 열간가공은 압하율이 80%이상인 열간압연에 의해 행함을 특징으로 하는 제조방법.
6. 제 1항에 있어서, 상기 열간가공은 압출비가 10:1이상으로 행하는 열간압출임을 특징으로 하는 제조방법.

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