KR100368541B1 - 용접성, 피삭성 및 열처리 특성이 우수한 공구강 및 이를이용한 금형 - Google Patents

용접성, 피삭성 및 열처리 특성이 우수한 공구강 및 이를이용한 금형 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피삭성과 열처리 특성이라는 상반된 성질을 가지는 우수한 공구강을 제공하는 것이다.
중량%로, (Cr + 5.9 X C)의 값이 9.1이상 12.5이하가 되고 또한 (Cr-4.2 X C)가 5이하로 (Cr-6.3 X C)가 2.2이상이 되는 관계식을 만족시키는 공구강이다. 바람직하게는 이들에 더해, Si: 0.1 내지 0.6%, Mn:0.1 내지 1.2%, Mo 또는 W의 1종 또는 2종을 (Mo +1/2W): 0.6 내지 1.25%, V:0.5미만, 또한 S:0.12%이하, Ca: 100ppm이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 공구강이다. 추가하여 소입후의 Cr의 매트릭스 편석폭이 중량으로 1%이하, 또는 500℃이상의 소려에 의해 그 최고 소려 경도가 57HRC이상, 또는 500℃이상의 소려에 의해 발생되는 열처리 치수변형값이 소려전 기준, 선팽창률 환산으로 0.1%이하이며 또한 490℃의 소려로 열치리 치수변형값이 0이하인 공구강으로, 이들 본 발명의 공구강을 55HRC이상의 경도로 조절하여 절삭 가공을 수행함으로써 제작한 금형이다.

Description

용접성, 피삭성 및 열처리 특성이 우수한 공구강 및 이를 이용한 금형{Tool steel having excellent welding, machinability, and heat treatment properties and a metal mold made from the same}
본 발명은 자동차, 가전 제품, 농기구 등에 사용되는 강판의 펀칭, 굽힘, 디이프 드로우잉, 스피닝 또는 트리밍용의 금형 등에 사용되는 공구강에 관한 것이다.
자동차 제조회사 등에서는 가격 경쟁에서 살아남아 수익을 확보하기 위하여, 지금까지 모든 분야에서 비용 저감을 실시하였다. 이 분야는 금형 관련 분야에서도 비용 저감을 위하여 프레스 금형으로 성형되는 제품의 제작 공정의 단축이나 금형 제작 수의 삭감, 나아가 금형의 가공 방법과 공구의 개발 등, 각종 절감 시책이 실시되었다.
이와 같은 금형에 있어서, 종래부터 사용되는 금형재, 특히 냉간 가공용 금형재에는 내마모성을 부여하기 위하여 탄화물을 다량 함유하고, 더욱이, 소입성(hardenability)에서 우수하고 또한 인성을 확보하기 위하여 Cr 함유량이 많은 재료가 요구되었으며, 예를 들면 JIS G 4404 규정의 합금 공구강 강재인 SKD 11 등의 고C-고Cr계 강이 사용되고 있다.
그러나, 최근의 경향으로는, 절삭 가공 공수를 압축시킨 다양한 움직임이 활발하게 일어나고 있다. 본래의 조형(forming) 기술중에서도, 고비용이 드는 절삭 가공은 소성 가공의 진보에 의하여 더욱 그 높은 비용성이 선명하게 되고, 이에 대항하는 형태로, CBN, 코딩 공구의 개발, 고속 절삭기의 출현, NC 알고리즘의 진보 등 신기술의 개발이 진행되었다. 이러한 흐름에 호응하여, 피삭성이 개선된 공구강으로서는 SKD 11 유사 조성에 S를 첨가하는 쾌삭 공구강(free cutting tool steel)이 존재한다. 그러나, 절삭 형태는 다양하여, 간단한 S 첨가만으로는 엔드밀, 프라이스, 드릴 등 다양한 절삭 형태나 절삭 조건에 대응할 수 없다.
또한, 고속 절삭기의 출현으로 60 HRC의 소입-소려상태에서의 가공을 할 수 있다는 보고가 잇따르고 있다. 그러나, 아직까지 거친(荒)가공 등에서의 절삭은 문제점으로 되어 있다. 상기와 같은 고경도재의 피삭성은 SKD 11에 S만을 첨가한 것만으로는 향상되지 않고, 탄화물의 존재 자체를 감소시킬 필요가 있기 때문이다.
또한, 절삭과 마찬가지로, 열처리 시의 치수 변화도 문제점이 된다. 이 열처리에 의한 치수 변이(size variation due to heat treatment)가 크면, 가공 허용 공차를 크게 하지 않으면 아니 되고, 그 결과 다듬질 가공 공수를 증가시키기 때문이다. SKS 3은 저합금 공구강으로 SKD 11보다 현저하게 피삭성이 양호하지만, 소입성이 불량하게 기름이 소입되기 때문에 비틀림이 발생되기 쉽다. 또한, 1980년대에 개발된 8%Cr계 다이스강은 소입성은 좋으나, 열처리 치수 변형이나 경년변형(secular deformation)이 일어나기 쉽고, 결과적으로 절삭이 어려운 SKD 11의 열처리 치수변이가 양호하게 되었다.
또한, 강판의 펀칭, 굽힘, 디이프 드로우잉 또는 트리밍 등에 사용되는 금형으로는 3차원적으로 변화하는 펀칭 물품의 형상을 성형하는 금형으로 균열이 빈발함으로써 용접 보수성 등의 요구가 높아지게 되었다. 결국, 최근의 동향을 보면, 금형 가공 공정의 착수 단계를 단기화하기 위한 설계 변경에 의한 형상 수정이나, 금형 사용중의 가혹한 조건 등에 의한 파손이나 균열이 발생하여도, 구제에 의해 재사용할 수 있기 위한 용접성(weldability)이 중요하게 되었던 것이다.
즉, 각각의 일장일단이 있고, 열처리 특성이 SKD 11 정도이고, 바람직한 피삭성은 SKS 3 정도의 공구강인 것이 현상황이다. 특히, 열처리성에 있어서는 SKD 11과 동일한 열처리로에 혼재할 수 있는 것이 열처리 작업의 합리화라는 점에서 크게 바람직하다.
본 발명자들은 인성이나 내마모성이라는 기본적인 기계적 특성의 유지를 감안하면서, 용접성, 피삭성과 열처리성의 개선에 요구되는 기본 조건을 재고하였다.
우선, 이와 같은 금형재는 현재로는 내마모성 중시 때문에 취성의 탄화물을 다량으로 함유하는 성분 설계를 행하고 있지만, 최근의 내마모성 부여 수단으로서표면 처리의 기술이 발달하였기 때문에, 금형재 자체의 내마모성 확보는 현상황만큼 중시될 필요성이 없게 되었다. 그리고, 내균열성 및 용접성이라는 점에서 보면, 이와 같은 탄화물은 균열 현상을 촉진시키는 요인이라는 점에서, 적절한 양까지 낮게 할 필요가 있다.
다음에, 공구강을 절삭할 때의 다양한 절삭 형태를 검토하여, 탭핑(tapping)타입의 손상과 열적 손상의 2가지로 구분될 수 있는 것이 판명되었다. 그리고, 이 양자가 1개의 공구의 개별 부위에 동시에 형성되는 방법으로서, 특정 조건 하에서의 정방형 엔드 밀(end mill)로 실현할 수 있는 것을 알았다. 구체적으로는, 날끝(tool edge)은 기계적 손상, 피삭재와 접하는 것이 끝나는 경계부에 열적 손상이 발생하는 것을 알았다. 이러한 방법으로 양자의 손상 메커니즘을 저감화시키는 쾌삭화 수단을 다양하게 검토하였다.
그 결과, 공구강을 구성하는 기본 성분인 C함유량이 감소되어도 바람직한 기계적 성질, 특히 단단함과 인성을 얻기 충분한 성분 및 조성 범위를 알았다. 또한, 공구강에 존재하는 일차 탄화물의 저감음 기계적 손상을 방지하는 것을 알았다. 그리고, 이 양자의 효과를 동시에 발현시키는 것으로써 광범위한 절삭 형태, 절삭 조건에 대응할 수 있는 것을 고려하여, 그 효과의 달성에 최적인 공구강을 찾기에 이르렀다.
도 1은 본 발명의 효과를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 효과를 설명하는 도 1의 상세도이다.
도 3은 열처리 변형의 거동을 설명하는 도면이다.
본 발명의 공구강은 중량%로 (Cr + 5.9 ×C)의 값이 9.1 이상 12.5로 되며, 또한 (Cr - 4.2 × C)가 5 이하로 (Cr - 6.3 ×C)가 2.2 이상으로 되는 관계식을 만족시키고, Si : 0.1 내지 0.6%, Mn : 0.01 내지 1.2%, Mo 또는 W의 1종 또는 2종을 (Mo + 1/2W) : 0.44 내지 1.25%, V : 0.5% 미만, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진다.
상기 성분 범위에서, C는 0.55 내지 0.75%, Cr은 6.8 내지 8.0%, 공정치 Z[= 8 ×(C%) + 0.6 × (Cr%)]는 10.8 이하인 것이 바람직하다. 또한, 조직 단면에 차지하는 단면적 20㎛2이상의 탄화물의 단면률은 3% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 조직 단면에 차지하는 단면적 1㎛2이상의 황화물의 면적률은 0.2% 이상인 것이 바람직하다.
그리고, 소입후 Cr의 매트릭스 편석폭이 중량으로 1% 이하, 또는 500℃ 이상의 소려에 의하여 그 최고 소려 경도가 57HRC 이상인 공구강이다. 또한 본 발명의 금형은 500℃ 이상의 소려에 의하여 발생하는 열처리 치수 변화가 소입전 기준 선팽창율 환산으로 0.1% 이하이고, 또한 490℃의 소려로 열처리 치수 변화가 0 이하인 공구강을 55HRC 이상의 경도로 소준(normalizing)하여, 절삭 가공을 행함으로써 제작하였다.
본 발명의 공구강은 JIS-SKD 11 즉, 중량%(이하 동일)로 1.40 내지 1.60% C, 0.40% 이하의 Si, 0.60% 이하의 Mn, 0.030% 이하의 P, 0.030% 이하의 S, 11.00 내지 13.00%의 Cr, 0.80 내지 1.20%의 Mo, 0.20 내지 0.50%의 V, 및 잔부 Fe로 이루어진 JIS-SKD 11와 유사한 열처리 특성과, 또한 0.90 내지 1.00%의 C, 0.35% 이하의 Si, 0.90 내지 1.20% Mn, 0.030% 이하의 P, 0.030%이하의 S, 0.50 내지 1.00%의Cr, 0.50 내지 1.00%의 W 및 잔부 Fe로 이루어진 JIS-SKS 3 정도의 피삭성을 동시에 가진다.
이하, 이 피삭성의 향상을 상세하게 설명한다.
탄화물이 감소된 영역에서, 결함 표준(defect standard)의 공구강인 SKD 11와 거의 동일한 열처리가 가능한 성분 설계를 행하였다. 동일한 열처리 특성을 얻는 데에는, 소입시에 기지에 용접시키는 조성을 SKD 11에 근사하게 하는 것을 기본 방침으로 하였다. 도 1은 열 계산계에 의해 결정된 성분 설계선도의 전체이며, 도 2는 본 발명에 상당하는 영역을 확대한 성분 설계선도이다. (A) 선은 소입시의 SKD 11과 동일한 고용C량이 얻어지는 첨가 성분 평면상의 선을 나타낸다. 마찬가지로, (B)선은 SKD 11과 동일한 고용Cr량 선을 나타낸다. 양선 모두 도중에 굴곡이 있는 것은 (C)선 이상으로부터 탄화물이 잔류하기 때문에 합금 원소가 탄화물로 취해 버리고, 첨가 성분을 많게 하지 않으면 매트릭스의 고용 원소를 동일하게 유지할 수 없기 때문이다.
(A),(B)의 2개의 선은 기본적으로 SKD 11의 조성으로밖에 변하지 않으므로, 동일한 소입 온도에서 매트릭스 조성을 SKD 11과 동일하게 하는 것은 불가능하다. 그러나, 이것에서도 (C)선 이상에서는 (A),(B) 선이 근접하고 있으므로 SKD 11에 근사한 기지 조성으로 된다. 다만, 이 선을 더욱 근접시키도록 하여 첨가 C, Cr량을 높이면, 잔류 탄화물량이 많게 되고, 탭핑 형태의 공구 마모가 촉진되어 피삭성이 열화된다. 또한, 내구성 면에서도 피로 파괴가 일어나기 쉽기 때문에, 응력 집중이 일어나기 쉬운 금형으로의 사용은 제한된다. 이러한 상반 관계를 실험적으로명확히 하여 피삭성이 우수하고 열처리 특성이 SKD 11에 근사한 영역이야말로 도 2에 도시된 본 발명의 공구강이다.
또한, 최근에 열처리 특성 중에서 특히 중요시되는 것이 열처리 변형이다. 금형의 품질은 내구성도 그렇지만, 최근에는 형상 정밀도가 특히 주목되고 있으며, SKD 11은 이 점에서도 평가가 높다. 이 열처리 변형의 제어에 관한 생각을 이하에 기술한다.
이 열처리 변형의 거동 원리도를 도 3에 나타낸다. 소입 그대로는 주체로 되는 마르텐사이트 조직중에 고용하는 C에 의해 결정 격자가 밀려 펴져 팽창한다. 소려 온도를 올리면, 저, 중온(中溫) 영역(도 3의 (A)영역)에서는 시멘타이트가 석출하여 치수 변화가 수축 경향을 보인다. 고온 영역에서는 2차 경화와 거의 동일한 온도에서 치수 변화율이 최대로 된다. 이러한 최대값이 발생하는 것은 이 최대값의 저온측(도 3의 (B)영역)과 고온측(도 3의 (C) 영역)에서 주로 일어나는 2개의 기구에 의한다. 저온측에서는 잔류 오스테나이트의 분해가 온도를 상승시키면 보다 많게 되고, 팽창 경향이 발생한다. 최대값보다도 고온측에서는 M7C3, M23C6계의 탄화물의 석출, 응집에 의해 마르텐사이트 중의 고용 C량이 저하되기 때문에 수축 경향이 발생한다.
이 (A), (B) (C)의 기구를 이용하여 SKD 11은 경도를 유지하면서, (B), (C) 사이에서 일어나는 치수 변화를 억제하는 조성으로 되며, 매트릭스 조성을 SKD 11에 근사화한 본 발명의 발상의 원천은 여기에 있다. 이 때문에, SKD 11의 주요 합금 원소중 C, Cr뿐만 아니라, 도 3에도 도시된 바와 같은, 시멘타이트 석출을 제어하는 Si, M7C3, M23C6계 탄화물의 석출을 제어하는 Mo, W의 최적화도 행해지고 있다.
또한, 본 발명의 성분계에서는 평형 상태도상에서는 일차 탄화물이 정출(晶出)되기 어려운 성분 영역이기 때문에, 급냉응고, 또는 1100 내지 1400℃정도의 확산 소둔을 행하고, 일차 탄화물을 소실 또는 감소시키는 처리를 행하면 새로운 피삭성으로 이어진다.
이에 더하여, S 첨가에 의한 열처리 변형의 작용을 검토하였다. 그 결과, S 첨가가 0.2%를 초과하면, 열처리 변형이 크게 되는 것을 알았다. 바람직하게는, S는 0.005 내지 0.12%이다. 종래는 이와 같은 보고가 없었지만, 그 원인은 S 첨가를 많이 사용하는 쾌삭강계에서는, 열처리 변형이 문제시되기 어렵기 때문으로 생각된다. 한편, 공구강계에서는 잔류 탄화물이 많기 때문에, 치수 변화를 억제하는 작용이 일어나 S의 치수 변화에 대한 효과를 검출할 수 없었던 것으로 추정된다. 이것에 의해, 치수 변화가 적은 0.2% 이하의 S의 조성으로 조정할 필요성이 있는 것을 알았다.
다음에, 본 발명의 열처리, 표면 처리 특성에 대하여 기술한다.
본 발명은, C 함유량의 제어에 의한 내마모성의 부족이 발생하는 경우에도 대처할 수 있고, 표면 처리성도 충분히 확보하는 것이다. 표면 처리에는 침탄, 질화, PVD, CVD 처리가 있지만, 이 중에서 처리 모재의 성질에 따라서는 처리가 곤란하게 되는 것은 CVD 처리이다. 이 처리는 1000℃ 정도의 상태에서 기화된 막형성원소(成膜元素)를 화학적으로 재료 표면에 석출시킨다. 이 때문에, 실질적으로는 재료의 열처리와 동일한 소입부족, 열처리 변형 크기 등의 문제가 부상한다.
즉, 열처리성의 대표적 지표인 소입성은 모든 표면 처리 장치로의 적용을 가능하게 하도록 부여하는 것이지만, 소입성이 양호한 SKD 11에 근사하여 조성을 이용하고 있기 때문에, 충분히 만족하는 것으로 되어 있다. 이 외에, 소입 소려시의 열처리 변형량을 SKD 11과 동일한 특성으로 하는 것이 공업상의 편리성을 높임으로서, 매트릭스의 C, Cr 조성을 SKD 11에 가깝게 하기 위하여, 도 2에 도시한 영역을 채용하는 것이 중요하다. SKD 11은 열처리 변형이 적으므로 게이지 강에도 채용된다.
SKD 11이 낮은 열처리 변형 특성을 가지는 것은 고온 소려 영역에서의 경도의 유지를 거의 고용 Cr 만으로 시멘타이트 석출을 억제시키는 방법을 채용하는 것에 기인한다. 즉, 고온 소려가 가능한 고속도 공구강 등의 Mo, W, V를 적극적으로 첨가하는 2차 경화강은, 2차 경화시에 발생되는 잔류 오스테나이트의 분해에 의해 생성되는 프레쉬 마르텐사이트가 좀처럼 소려되어 수축을 일으키지않기 때문에, 높은 열처리 변형이 발생되어 버린다.
그러나, Cr으로 동일한 효과를 목표로 한 경우, 프레쉬 마르텐사이트 중에 M7C3등의 Cr계 탄화물이 신속히 석출되고, 템퍼드 마르텐사이트화가 빠르게 일어나기 때문에, 마르텐사이트 중의 고용 C량을 감소시켜 극단적인 팽창을 억제할 수 있고, 이러한 것이 SKD 11의 낮은 열처리 변형성의 원인이다. 열처리 변형은 열처리전의 다듬질 가공되는 양을 좌우하기 때문에 피삭성과 마찬가지로 가공 능률을 좌우하는 중요한 인자로 된다.
어느 쪽이든, 고용 C, Cr량을 SKD 11에 근사시킴으로써, CVD 등의 열처리 변형이 문제로 되는 표면 처리의 치수 변화나, 소입성, 경도, 경년 치수 변화와 함께 SKD 11과 실용상 동일한 것으로 간주되는 특성이 된다. 이것에 의해, SKD 11과 동일한 로에서의 혼재(混載)가 가능하게 되기 때문에, 표면 처리 작업 비용의 대폭적인 합리화가 이루어질 수 있다.
CVD 등의 표면 처리 온도에서의 오스테나이트 조직 중에 고용되는 C량은 충분한 막 두께를 가지는 MX형 화합물(TiC, VC 등)의 생성에 중요하다. 즉, 고용 C는 특히 CVD 표면처리로 MX형 화합물을 생성하기 위하여, 이 강재로부터 공급하여야 할 필요가 있으며, 그 최적량은 표면 처리 온도로 유지되기 전의 마르텐사이트 조직중에 고용되는 C량에 따른다. 본 발명의 공구강은 그 고용 C량이 0.4% 이상을 달성하고 있기 때문에 충분한 막형성이 가능하다.
이러한 것에 기초하여, 본 발명의 공구강을 구성하는 원소 및 그 함유량의 한정 이유에 대하여 기술한다.
C, Cr은 SKD 11과의 유사성, 소입 직후의 잔류 탄화물량이 5(질량%) 이하라는 관점으로부터 도 1, 도 2에 나타낸 영역을 채용하고 있다. 구체적으로는 1000℃내지 1050℃의 소입 직후의 조직중에, 예를 들면 열 계산계에 의한 계산으로 미고용의 탄화물의 존재량이 5(질량%) 이하인 것이 피삭성의 향상이 바람직한 것이다.
SKD 11의 열처리 특성은 소려 온도가 490℃ 이하의 영역에서는 압연 방향으로의 열처리 변형이 마이너스(-)로 되며, 이 보다도 높은 소려 온도에서는 플라스(+)로 역전되는 특징을 가진다. 또한 , 490℃ 보다도 높은 소려 온도에서의 최대의 열처리 변형량이 0.1% 이하에서 플러스의 값으로 되는 것이 특징이지만, 이러한 소려 영역에서 57 내지 60 HRS의 경도를 확보할 수 있는 열처리 조건이 존재한다는 특징도 가지고 있다.
이러한 모든 특징을 만족시킬 수 있는 성분 영역이 도 1과 도 2에 나타난 성분 영역이다. 490℃ 이하에서 반드시 마이너스의 치수 변화를 경험하고, 그 보다도 높은 온도에서 플러스로 역전되는 특징은 소려 온도를 조금씩 올려 처리하면, 어떠한 조건에도 반드시 열처리 변형이 0이 되는 조건이 존재하는 것이므로, 치수 변화가 0에 가까운 처리를 열처리 조건으로 생각할 수 있다. 이것도 SKD 11이 기술이 높은 열처리업자에 의해 지지되어, 결함 표준화되는 배경이며, 여기에서 도시한 C, Cr의 밸런스가 특히 중요하게 된다.
기본적으로는 Si도 SKD 11(Si = 0.25(질량%))과의 유사성을 기본으로 설정하였다. 단, Si는 본래 탈산제 및 주조성 개선을 목적으로 함유하지만, 이것을 감소화시키면 인성이 향상된다. 그러나, 피삭성도 열화되기 때문에, 0.1% 이상이 필요하다. 한편, 과다한 함유는 시멘타이트 석출을 억제하기 때문에, 결과적으로 500 내지 550℃의 소려 영역에서 열처리 변형이 크게 되는 원인이 된다. 이 때문에, Si의 함유량은 0.1 내지 0.6%로 하였다.
기본적으로는 Mn도 SKD 11(Mn = 0.4(질량%))과의 유사성을 기본으로 설정하였고, 구체적으로 실시한 조성 범위에 따라 0.01 내지 1.2%로 하였다. 그러나 바람직하게는, Mn은 소입성 향상을 위하여 함유하지만, 0.1% 미만에서는 소입경도를 안정하게 얻기에는 불충분하다. 한편, 너무 많게 되면 용접성을 열화시키는 원인으로 되고, 또한 Si도 마찬가지로 매트릭스의 성분 편석도 심하게 되므로, 0.1 내지 1.2%로 하였다. 단, Mn은 고가인 Cr이나 Mo등과 치환할 수 있는 경제적인 원소이지만, Cr이나 Mo등의 효과가 충분히 발휘되고, S이 첨가되지 않은 경우에는 Mn을 첨가하지 않아도 좋다.
Mo 및 W도 SKD 11(Mo=0.85(질량%))와 동등한 것을 기본으로 하고 있다. Mo 및 W은 소입성을 향상시킨다. 더구나, 소려를 고온측에서 행하여도 연화가 급히 일어나지 않게 된다. 그 때문에, 경도의 조정이 간단하게 된다. W의 원자량은 Mo의 약 2 배이기 때문에, Mo 1%의 함유량은 W 2%의 함유량과 등등한 효과를 가지며, (Mo+1/2W)량으로 그 효과를 표시하는 것이 가능하다. 본 발명에서는 Mo, W의 1 종 또는 2종을 함유시키는 것이 가능하고, 결국, Mo의 전체 함유량을 2배의 W 함유량으로 치환하여 사용하여도 좋고, Mo의 일부를 그것에 상당하는 W량으로 치환하여 사용하여도 좋다. (Mo+1/2W)량으로 어느 쪽의 성분을 우선하여 사용하는가는 경제성을 고려하여 판단하면 좋다. 그러나, 기본적으로 W 치환은 프레임 하드성을 열화시키므로 Mo를 첨가하는 것이 바람직하다.
(Mo+1/2W) 역시 상술한 바와 같이 SKD 11(Mo=0.85(질량%))와 동등한 것을 기본으로 하고 있고, 구체적으로 실시하였던 조성범위에 따라 0.44 내지 1.25%로 하였다. 바람직하게는 첨가량이 0.6%미만에서는 고온소려에서의 경도의 저하가 급격하게 되고, 경도의 조절이 어렵게 된다. 한편, 과다한 첨가량에서는 마르텐사이트중의 탄화물의 석출·응집을 지연시켜 500 내지 550℃에서의 소려로 열처리 치수 변화가 크게 되든지 또는 마르텐사이트의 소려의 지체화를 수반한다. 오스테나이트 분해의 지체화로인해 충분히 소려하였다고 생각되더라도 불안정한 오스테나이트가 잔류하고, 형제작후의 사용중에 경년 치수 변화가 발생되기 때문에, 0.6 내지 1.25%로 하였다. 보다 바람직하게는 0.6 내지 1.10%이다.
본 발명의 공구강은, 기타 추구되는 효과에 있어, 상기의 성분 조성에 V을 함유해도 좋다. V도 기본적으로는 SKD11(V=0.25%(질량%))과 동등하게 하는 것을 기본으로 하였다. V는 공구강에 필요한 연화 저항을 증대시키는 원소이지만, V계 탄화물을 형성하여 피삭성을 저하시키는 원인이 되기 때문에, 0.5%미만으로 하였다.
S는 취화 원소의 대표로서 용접, 고경도강의 분야에서는 매우 싫어하는 원소이지만, 쾌삭효과가 있기 때문에, 탄화물량을 감소시켜 인성을 향상시키고 있는 양만큼 첨가가 가능하게 된다. 그 때문에 열처리 치수 변화가 크게 되는 것을 고려하여, 0.2% 까지라면 허용된다.
Ca는 기계적 성질의 저하나 조직의 변질을 수반하지 않는다. 이상적인 쾌삭원소이다. 그 쾌삭 기구는, 강중에 미량으로 분산되어 있는 산화물을 저용점화시키고, 이것이 절삭열로 녹여 내며, 날끝에 보호막을 형성하기 위함이다. 그러나, 증기압이 높아 용강중으로부터 빠져 나오기 쉽고, 첨가 기술상 1000 ppm 정도까지가 현상황의 기술적인 레벨이다.
기타 희토류는 본 발명의 공구강에 있어서의 피삭성을 향상시킬 목적의 것으로, 0.2 % 이하의 함유가 가능하다. 또 불가피한 불순물의 총량은 0.5% 이하가 바람직하다. 다만, 인성·용접성이 필요한 Ni는 5.0%이하 첨가하고, 내마모성부여가 더구나 필요한 경우 Al를 1.0%이하 첨가하여, 질화경도를 상승시키는 것도 가능하다. 더하여, 기타 요구되는 효과에 따라서, Pb, Se, Te, Bi, In, Be, Ce, Zr, Ti중1종 또는 2종이상을 0.2%이하로 함유하여도 기본특성을 변화시키는 것은 아니다.
더구나, 본 발명에서는 본 효과의 새로운 향상에 있어서, 소입후의 상태를 조정하는 것이 유효하다. 결국, 소입후의 마르텐사이트의 조직중에 고용하는 C 및 Cr 함유량을 SKD11과 근사시키는 것, 그리고, 소입직후의 잔류탄화물 중량을 5(질량%)이하로 하는 것이다. 이 소입직후의 잔류탄화물량은, 강재 제조공정에 의하여도 저감이 가능하다. 분말법, 용해직후의 강괴에 1100℃이상으로 1 내지 10시간정도의 열처리를 행한다. 즉, 소킹법, 강괴의 소형화나, 급냉응고법을 채용하는 것도 소입직후의 잔류탄화물량을 5(질량%)이하로 하는 것이 가능하다. 더하여, 소입후의 Cr의 메트릭스 편석폭을 중량%로 1%이하로 하는 것도 피삭성의 향상에 바람직한 것이다.
이상에 설명한 본 발명의 공구강이라면, 우수한 용접성의 부여에 더하여, 종래의 SKD11과 동등한 열처리조건인 1000 내지 1050℃로부터의 소입, 500℃이상의 소려에 의하여도 57 HRC이상의 경도가 확보될 수 있다. 그리고, 이 57 HRC이상의 경도로 우수한 피삭성의 달성에 더하여, 염욕법이나 CVD처리는 표면처리성에서도 우수한 것이다.
또, 본 발명의 공구강을 금형등에 사용한 경우는, 그의 요구되는 기능에 따라서 필요한 부위만에 프레임 하드등을 실시하여도 좋고, 제작공수 또는 필요한 특성을 고려하여 경도를 얻기 위한 열처리방법을 선택하면 좋다. 예를 들면, 본 발명의 공구강을 55 HRC 이상의 경도로 조질하고, 절삭을 행하여 제작한 금형도 있다.
본 발명의 다른 특성은, 공구강을 구성하는 기본 성분인 C 함유량을 JIS-SKD11과 비교하여, 감소시켜도 양호한 기계적 성질, 특히 경도 및 인성을 얻는 데 충분한 성분구성 및 조성을 얻을 수 있고, 더구나 용접성이나 피삭성, 표면처리 특성 즉, 열처리특성에도 우수한 공구강을 달성한 데에 있다.
결국, 본 발명의 공구강은, C의 함유량을 억제하여 우수한 용접성을 확보하는 것으로, 금형에 사용하면, 그 우수한 인성과 함께, 사용중의 파손이나 균열, 마모가 생겨도 용접에 의한 보수로 용이하게 재사용이 가능하다. 그리고, C 함유량의 억제에 의한 내마모성의 부족이 생긴 경우에도 대처할 수 있고, 우수한 표면 처리성도 확보된 것이다.
본 발명에 있어서, 용접성이 우수하거나 또는 용접가능하다라는 것은, 규정의 예열, 후열처리를 행하는 JIS Z 3158의 Y 형상시험으로 용접균열이 인정되지 않는 것을 나타낸다. 용접을 행함에 있어서는, 그 때의 용접균열을 방지하기 위하여, 통상은 예열, 후열을 행한다. 일반적으로 예열은 용접시의 고온균열방지를 위하여 행하고, 후열은 저온균열의 방지를 목적으로 하며, 특히 용접열 영향부의 경도를 낮추는 일종의 소려이다.
일반적으로 금형은, 그 제조도중 또는 사용중의 상황에 의해 형상변경이나 보수의 목적으로, 용접이 실시되지만, 합금강은 용접시의 균열을 방지하기 위하여 고온으로 예열된 상태에서 실시된다. 특히, Cr등을 함유한 경우는, 450 내지 550℃이상으로 예열후 실시하는 것이 일반적이지만, 본 발명에서는, 이 예열온도를 낮추더라도, 구체적으로는 250℃까지 낮추더라도, JIS Z 3158의 Y형상시험에 의한 용접균열이 인정되지 않는 공구강이 제공될 수 있다. 이로써, 용접에 관한 작업성이 향상되고, 경제적이기도 하다.
다음으로, 고C, Cr강에서는 용접후의 후열도 중요하게 되지만, 용접열 영향부의 경도를 낮추는 것으로, 후열에 있어서의 가열온도, 시간을 낮추는 것이 가능
하다. 특히 용접 영향부의 조정에는 C량을 0.75%이하로 하는 것과, 바람직하게는 Cr량을 6.8%이상으로 하는 것이 유효하고, 이것은 용접성을 좌우하는 마르텐사이트조직중의 고용 C, Cr량을 최적으로 조정하는 데 유효하다.
실시예
다음으로, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하면, 본 발명은 이것들의 실시예에 의해 어떠한 한정이 이루어지는 것은 아니다.
실시예 1
우선, 100 kg 고주파로를 사용하여 재료를 용해하고, 표 1에 제시된 화학조성을 가진 잉곳트를 제작하였다. 또한, 비교재 1은 SKD11 상당재이다. 다음으로, 단조비가 5 정도가 되도록 열간 압연을 하고, 냉각후, 850℃에서 4 시간 유지의 소둔을 실시하였다.
화학성분(중량%)
C Si Mn S Cr Mo W V Ca(ppm) Fe
발명재1 0.43 0.40 0.40 0.001 6.73 0.91 〈0.01 0.10 - 잔량
2 0.57 0.32 0.35 0.011 6.02 0.65 〈0.01 〈0.01 - 〃
3 0.81 0.10 0.40 0.062 7.49 1.01 〈0.01 〈0.01 - 〃
4 0.74 0.25 0.40 0.072 8.02 0.81 〈0.01 〈0.01 - 〃
5 0.71 0.24 0.01 0.059 7.32 1.12 〈0.01 0.26 55 〃
6 0.69 0.68 0.35 0.060 7.15 0.89 〈0.01 0.25 25 〃
7 0.71 0.24 1.16 0.058 7.73 0.78 〈0.01 〈0.01 - 〃
8 0.68 0.25 0.44 0.020 7.03 1.24 〈0.01 0.23 - 〃
9 0.60 0.60 0.46 0.021 6.89 0.44 〈0.01 0.42 - 〃
10 0.65 0.15 0.50 0.015 7.25 〈0.01 2.4 〈0.01 - 〃
비교재1 1.47 0.25 0.4 0.002 11.95 0.90 〈0.01 0.35 - 〃
2 0.95 0.30 1.05 0.001 0.75 - 0.75 - - 〃
3 0.51 0.25 0.40 0.002 5.98 0.85 〈0.01 0.25 - 〃
4 0.80 0.22 0.40 0.002 8.00 1.10 〈0.01 0.25 - 〃
5 0.59 0.31 0.38 0.002 7.69 0.95 〈0.01 0.25 - 〃
6 0.75 0.24 0.25 0.001 6.51 0.91 〈0.01 0.24 - 〃
다음으로, 압연방향과 장축방향이 일치하도록, 직경 10mm, 길이 80mm의 시험편을 각 21개 제작하고, 각각 길이측정을 행하였다. 다음에 그중 각 10개를 진공가열로를 이용하여 1025℃에 가열유지후, 불활성가스로 가스냉각 소입을 실시하였다. 추가적으로 530℃, 1 시간으로 소려를 2회 실시하였다. 얻어진 시험편의 경도를 측정한 바, 비교예 2, 3은 57 HRC 이상은 나타나지 않았다. 다음으로 57 HRC이상 나타난 재료의 장축 방향의 길이를 측정하고, 미리 계산해 놓았던 소입전의 길이를 기준으로 하여 치수 변화율을 산출하고, 0.1%를 초과한 것이 몇 개 발생하였는 가를 조사하였다. 결과를 표 2에 나타낸다.
0.1%를 초과하는 치수변화 발생 수
발명재 1 0 개
〃 2 〃
〃 3 〃
〃 4 〃
〃 5 〃
〃 6 〃
〃 7 〃
〃 8 〃
〃 9 〃
〃 10 〃
비교재 1 〃
〃 4 3 개
〃 5 2 개
〃 6 5 개
표 2에 의해, 본 발명은 모두 치수 변화가 0.1%이하이었다. 비교예에 있어서는, 4, 5, 6에서 0.1%를 초과한 것이 발생하였다.
다음으로, 530℃에서의 치수 변화가 0.1%이하였던 것에 더하여, 비교예 4, 5에 대하여, 나머지의 소둔상태의 것을 이용하여, 각 10 개를 진공가열로에서 1025℃로 가열유지후, 불활성가스로 가스냉각소입을 실시하였다. 추가적으로, 490℃, 1 시간으로 소려를 2회 실시하였다. 그 후, 시험편의 길이방향의 길이를 측정하고, 미리 계산해 놓은 소입전의 길이를 기준으로 하여 치수변화율을 산출하였다. 그것들중에서 치수변화가 플러스 측으로 팽창한 것이 몇 개 발생하였는 가를 조사하였다. 결과를 표 3에 나타낸다.
치수변화율이 플러스측으로 팽창한 개수
발명재 1 0 개
〃 2 〃
〃 3 〃
〃 4 〃
〃 5 〃
〃 6 〃
〃 7 〃
〃 8 〃
〃 9 〃
〃 10 〃
비교재 1 〃
〃 4 〃
〃 5 7 개
이로써, 비교예 5는 플러스측으로 팽창하기 때문에 치수 변화 조정이 곤란하게 되어 버리지만, 본 발명예 1 내지 2와 비교예 1은 상기 표 2의 결과에 더하여, 플러스측으로 팽창하지 않기 때문에 치수변화를 조정하기 용이하고, SKD11과 동등한 열처리 취급이 가능하게 되는 것을 알 수 있다.
실시예 2
다음으로, 피삭성의 평가를 행하였다.
우선, 표 1에 보여진 소재중에서 실시예 1에서 치수변화거동이 SKD 11과 동등하다고 보여질 수 있는 재료(본 발명예 1∼12 및 비교예 1)에 비교예 4를 더한 것을, 경도 24HRC이하의 thens 상태로 하고, 정방형 엔트밀로의 피삭성의 평가를 행하였다. 또한, 절삭시험은 표 4에 나타낸 조건으로 행하였다. 표 5에 보여진 결과에 의해, 본 발명예 1 내지 12는 공구수명(날끝 마모 0.3mm)가 10m이상의 높은 피삭성을 나타낸다. 그러나, 비교예 1, 4는 크롬계 탄화물이 원인으로 피삭성이 나쁘다.
항목 조건
공구 2 NKR 10(하이스)
절삭속도 25m/분
송부량 0.08mm/회전수
절입 0.8×1.5mm
절삭방향 다운커트
냉각방식 건식
날끝마모0.3mm때의 절삭길이(수명)
발명재 1 18m
발명재 2 18m
발명재 3 〉20m
발명재 4 〉20m
발명재 5 18m
발명재 6 〉20m
발명재 7 〉20m
발명재 8 18m
발명재 9 20m
발명재 10 18m
비교재 1 〈2m
비교재 4 8m
다음으로, 치수거동이 SKD11과 동등하다고 보여지는 재료(본 발명예 1 내지 12 및 비교예 1)에 비교예 4를 가한 것으로서, 1030℃의 소입과 500℃이상의 소려에 의해 경도 57 내지 60 HRC로 조질한 공시재를 제작하고, 정방형 엔드밀로의 피삭성의 평가를 행하였다. 절삭조건은 표 6에 나타낸다. 표 7에 보여진 시험결과에 의해, 본 발명예 1 내지 12는 공구수명(날끝 마모 0.1mm)이 양호하고 피삭성도 높지만, 비교예 1, 4는 피삭성이 나쁜 것을 알았다.
항목 조건
공구 HES2100-C(초경코팅)
절삭속도 75m/분
송부양 0.05mm/날
절입 0.2 X 15mm
절삭 방향 다운커트
냉각 방식 건식
날끝 마모폭이 0.1mm에서의 절삭길이 (수명)
발명재 1 16m
발명재 2 14m
발명재 3 28m
발명재 4 24m
발명재 5 18m
발명재 6 26m
발명재 7 26m
발명재 8 22m
발명재 9 16m
발명재 10 16m
비교재 1 〈2m
비교재 4 4m
실시예 3
표 1에 보여진 재료중, 본 발명재에서 피삭성이 비교적 열등한 본 발명재 1, 2와 열처리특성에서는 양호한 비교재 1, 그리고 비교재 4에 대하여, 그 잉곳트상태로 1160℃에서 10시간의 소킹을 행하고, 소둔후, 1030℃의 소입, 500℃이상의 소려로 57HRC로 조정한 것에 있어, 피삭성 시험을 행하였다. 조건은 표 8에 보여진 조건으로 날끝 마모가 0.1mm가 되는 절삭거리를 수명으로 하였다. 또, 메트릭스의 편석상태를 평가하기 위해 소입 그대로의 재료로 EPMA로 1mm의 선상 Cr의 특성 X선을 검출하고, 탄화물이 아닌 장소의 Cr 변화폭을 2σ로서 통계 해석도 행하였다. 양자의 결과를 표 9에 나타낸다.
항목 조건
공구 HES2100-C(초경코팅)
절삭속도 75m/분
송부량 0.05mm/인
절입 0.2 X 15mm
절삭방향 다운커트
냉각방식 건식
날끝 마모폭이 0.1mm로의 절삭길이(수명) Cr매트릭스 편석폭
발명재 1 28m 0.8%
발명재 2 28m 0.8%
비교재 1 〈2m 1.8%
비교재 4 5m 2.5%
표 9에 의해, 소입그대로의 Cr 편석폭(이 편석폭은 which is defined by a range(%) of content variation with respect to the average value of the content of Cr in solid solution state) 이 1%이하인 본 발명재는, 앞서의 실시예 2보다도 더욱더 수명이 향상되고 있지만, 비교재 1, 4는 Cr 편석폭이 1%를 초과한 것도 있어, 공구의 수명 향상이 크게 바람직하지 않은 결과로 되었다.
실시예 4
50kg 고주파로를 사용하여 재료를 용해하고, 표 10에 보여진 화학조성을 갖는 잉곳트를 제작하였다. 또한, 비교재 7은 SKD11 상당재이다. 다음으로, 단조비가 5 정도가 되도록 열간압연을 하고, 냉각후, 850℃에서 4시간 유지의 소둔을 실시하였다.
화학성분(중량%) ※발명재 12는 Ca;71ppm을 함유한다.
C Si Mn S Ni Cr Mo W V 공정값Z
발명재11 0.55 0.25 0.41 0.005 0.2 6.52 0.93 - 0.25 8.31
발명재12 0.75 0.30 0.35 0.100 0.004 7.91 0.35 1.05 0.25 10.35
발명재13 0.70 0.25 0.56 0.072 0.01 7.41 1.05 - 0.25 10.05
발명재14 0.71 0.59 0.71 0.030 0.21 7.01 1.01 - 0.25 9.89
발명재15 0.69 0.25 0.23 0.030 2.51 6.83 0.93 - 0.24 9.16
발명재16 0.73 0.24 0.41 0.025 0.11 7.12 0.61 - 0.21 10.11
발명재17 0.71 0.26 0.39 0.025 0.12 7.21 1.19 - 0.26 10.01
발명재18 0.68 0.27 0.40 0.024 0.10 7.42 1.01 - 0.49 9.89
비교재7 1.48 0.25 0.46 0.005 0.02 12.11 0.99 - 0.38 19.11
비교재8 0.98 1.20 0.57 0.005 0.003 7.43 1.85 - 0.76 12.33
비교재9 0.75 0.10 0.29 0.006 0.05 9.63 1.43 - 0.57 11.86
비교재10 0.58 0.82 0.35 0.004 0.10 11.81 1.43 - 0.38 11.73
비교재11 0.53 0.55 0.38 0.006 0.15 12.50 0.58 - 0.25 11.74
비교재12 0.35 0.70 0.36 0.007 0.003 4.01 2.31 - 0.11 5.21
비교재13 0.28 1.10 0.12 0.006 0.002 6.35 2.01 - 0.71 6.05
비교재14 0.44 0.92 1.75 0.006 0.004 8.23 0.75 - 0.25 8.45
비교재15 0.45 0.43 0.81 0.004 0.018 4.68 2.27 3.10 0.42 6.41
비교재16 0.39 0.56 0.75 0.006 0.010 9.58 2.58 - 0.01 8.87
비교재17 0.55 1.24 0.20 0.005 0.2 6.50 1.20 1.01 0.31 8.30
비교재18 0.50 1.00 0.35 0.100 0.004 6.30 1.40 1.05 0.25 7.78
다음으로, 상기 소둔재를 JIS Z 3158의 Y형 시험편으로 준비하고, 진공가열로를 이용하여 1025℃에서 가열 유지후, 불활성 가스로 가스냉각 소입을 실시하였다. 추가적으로 계속하여 각 시험편의 목표경도가 HRC57이상으로 되도록, 500 내지 550℃에서 소려를 실시하였다. 이와 같이 하여 제작된 시험편을 표 2에 보여진 조건으로 용접하고, 용접성의 평가를 행하였다. 여전히, 비교재 10 내지 16은 500℃이상의 소려에서 57 HRC이상의 경도를 얻을 수 없었다.
항목 내 용
예열방법 소정속도로 가열유지된 전기로에 삽입후, 1시간 유지
용접방법 아크용접
용접봉 피복 아크 용접봉 JIS Z3251 DF3B상당, 봉직경4mm
용접전류 110A
용접후의 후열방법 예열과 동일한 요령으로, 450℃로 1시간 유지
냉각시간 7시간
용접균열판정방법 염색 침투탐상검사 및 내부 절단면의 현미경 관찰
용접성의 평가는, 용접후의 균열의 유무에 의하여 행해지고, 그 결과를 소입, 소려 열처리에 의한 경도와 함께 표 3에 나타낸다. 본 발명재 11 내지 18, 비교재 17, 18에서는 350℃의 예열 온도에서도 용접균열이 발생하지 않았지만, 비교재 7, 8, 9에서는 예열 온도가 350, 450℃중 어느 한 쪽에서 균열이 생겼다.
경도(HRC) 예열온도(℃) 용접성(균열)
발명재 11 59.9 350 없음
발명재 12 60.1 350 없음
발명재 13 59.5 350 없음
발명재 14 58.5 350 없음
발명재 15 59.7 350 없음
발명재 16 60.3 350 없음
발명재 17 60.2 350 없음
발명재 18 58.9 350 없음
비교재 7 60.3 350 균열
비교재 8 59.8 450 균열
비교재 9 57.0 450 균열
비교재17 59.0 350 없음
〃 58.0 350 없음
비교재18 58.7 350 없음
〃 60.0 350 없음
비교재17 59.9 450 없음
비교재18 60.1 450 없음
실시예 5
다음으로, 피삭성의 평가를 행하였다.
우선, 표 10에 보여진 소재로, 경도 24 HRC이하의 thens 상태에 있는 공시재를 제작하고, 정방형 엔드밀로의 피삭성의 평가를 행하였다. 또한, 절삭시험은 표 13에 보여진 조건으로 행하였다. 표 14에 나타낸 결과로부터, 본 발명재 11 내지 18과 비교재 17, 18은 SKD11 상당하는 비교재 17에 비하여, 3배 또는 그 이상의 공구 수명이 얻어지는 것이 밝혀졌다.
항목 조 건
공구 2NKR10(하이스)
절삭속도 40m/분
송부량 0.08mm/회전수
절입 0.8 X 1.5mm
절삭방향 다운커트
냉각방향 건식
날끝마모 0.4mm의 절삭길이 (수명)
발명재 11 18m
발명재 12 〉20m
발명재 13 20m
발명재 14 18m
발명재 15 16m
발명재 16 14m
발명재 17 18m
발명재 18 14m
비교재 7 2m
비교재 8 3m
비교재 9 3m
비교재 17 8m
비교재 18 16m
다음으로, 표 10에 보여진 소재로, 본 발명의 열처리조건에 의해 경도 57 내지 60 HRC로 소입 소려한 공시재를 제작하여,정방형 엔드밀로의 피삭성의 평가를 행하였다. 절삭 조건은 표 15에 나타낸다. 표 16에 보여진 시험결과에 의해, 본 발명재 11 내지 18은 비교재 17, 18는 SKD11 상당하는 비교재 7에 비하여, 6배 또는 그것 이상의 공구 수명이 얻어지는 것이 밝혀졌다.
항목 조건
공구 HES2100-C (초경코팅)
절삭 속도 25m/분
송부량 0.05mm/날
절입 0.2 X 15mm
절삭 방향 다운커트
냉각 방향 건식
날끝마모폭이 0.08mm로의 절삭 길이(수명)
발명재 11 22m
발명재 12 32m
발명재 13 20m
발명재 14 18m
발명재 15 20m
발명재 16 16m
발명재 17 18m
발명재 18 20m
비교재 7 3m
비교재 8 10m
비교재 9 12m
비교재 17 22m
비교재 18 32m
실시예 6
다음으로, 용접전의 예열온도와 용접후의 냉각 시간이 용접성에 미치는 영향을 조사하였다. 조사에 있어서는, 상기 소둔재를 진공 가열로를 이용하여 1025℃로 가열유지후, 불활성가스로 가스냉각 소입을 실시하고, 계속해서 500 내지 550℃에서 소려하여 소정의 경도로 한 것을 공시재로 하고, 용접후의 후열은 450℃에서 1시간 유지후, 3시간 또는 7시간에 걸쳐 상온까지 냉각하는 것으로 하였다. 이 조건에 의해 균열의 발생 유무를, 조정 경도 및 예열 온도와 함께, 표 17에 나타낸다.
경도(HRC) 예열온도(℃) 냉각시간(Hr) 용접성(균열)
발명재 11 57.3 250 3 없음
발명재 12 60.2 250 3 없음
발명재 13 59.5 350 3 없음
발명재 14 58.6 350 3 없음
발명재 15 59.3 350 3 없음
발명재 16 58.9 350 3 없음
발명재 17 58.0 350 3 없음
발명재 18 58.7 350 3 없음
비교재 7 59.9 450 7 균열
비교재 15 54.8 450 7 균열
비교재 16 53.2 450 7 균열
비교재 17 59.2 250 3 없음
〃 58.3 250 3 없음
〃 58.7 350 3 없음
비교재18 60.0 350 3 없음
〃 59.7 350 3 없음
〃 58.2 350 3 없음
표 17에 의해, 본 발명재 11 내지 18과 비교재 17, 18에서는, 냉각 시간이 3 시간인 경우라도 균열이 발생하지 않았음에 대하여, 비교재 7, 15, 16에서는 7시간의 냉각시간에서도 균열이 생겼다.
실시예 7
다음으로, 발명재 11 내지 18과 비교재 7 내지 9 및 17, 18의 소둔재로부터 장축 방향이 압연 방향이 되도록 10mmψ×80 mmL의 시험편을 10개씩 제작하였다. 그것들 소입전의 시험편의 장축방향 치수를 미리 계산하고 나서, 1030℃×1시간 유지하여 공냉소입하고, 500℃이상의 소려를 행하여 60 HRC±1에 들어오도록 경도 조정을 하였다. 실온에서 충분히 냉각한 후, 다시 치수를 측정하고, 소입전을 기준으로 한 치수변화율을 각각 구하고, 변화율이 0.1%를 초과한 것의 개수를 조사하였다. 표 18에 그 결과를 나타낸다.
0.1%를 초과하는 치수 변화가 발생된 갯수
발명재 11 0
발명재 12 0
발명재 13 0
발명재 14 1
발명재 15 0
발명재 16 0
발명재 17 1
발명재 18 0
비교재 7 0
비교재 8 10
비교재 9 4
비교재 17 10
비교재 18 10
이로써, 본 발명재 11, 12, 13, 15, 16, 18과 SKD11에 상당하는 비교재 7은 한도 오버의 치수변화가 보여지지 않았다. Si가 약간 높은 본 발명재 14, Mo가 약간 높은 본 발명재 17의 경우에도 0.1%를 초과하는 치수변화의 발생수는 1 개로 작은 것이었다. 그것에 대하여, 비교재 8, 17, 18은 Si, Mo 당량이 높기 때문에, 10개 모두 한도 오버의 치수변화가 발생하고 있다. 또한, 비교재 15는 예를 들면, 일본 특허 공개 평11-181548호에서 제안된 것과 같은 공구강에 대해 Si를 적게 한 것이지만, 그것도 Mo 당량이 높기 때문에 4개의 치수변형 오버가 발생하고 있다.
본 발명은, 용접성이나 피삭성을 향상시키기 위하여 탄화물을 저감하고 있기 때문에, 경우에 따라서는 내마모성이 열화되는 문제점이 있다. 그러나, 본 발명의 치수변화의 저감적 효과에 의해, 표면처리의 자유도는 확보되어 있기 때문에, 공구, 금형으로의 제작의 용이함과, 그 공구성능의 양자를 만족시킬 수 있다.
실시예 8
다음으로, 발명재 11 내지 18과 비교예 7, 8, 9, 17, 18의 소둔재로부터 절단하여 낸 25×100×100(mm)의 판재에 대하여, 실제로, TD 처리를 행한 때의 압연방향의 치수변화율을 조사하였다. 전열처리는 소입 1020℃에서, 소려는 530℃를 2회 행하고, 그 후 다듬질 가공을 행하고 나서, 5점의 압연방향 치수를 각각의 장소를 변경하여 측정하였다. 다음으로, 목표 막두께를 3㎛으로 설정한 VC를 생성시키는 조건으로서 1020℃×7 시간으로 TD처리하고, 소려는 530℃에서 2회 행하였다. 이어서 후열처리라도 동일하게 소입을 1020℃에서 행하고, 소려를 530℃에서 행하였다. 그 후 압연 방향의 치수측정을 행하고, 치수 변화율을 산출하였다. 그 결과를 표 19에 나타낸다.
압연방향의 치수변화율(%, 5회측정의 평균값)
발명재 11 0.062
발명재 12 0.054
발명재 13 0.052
발명재 14 0.081
발명재 15 0.042
발명재 16 0.051
발명재 17 0.079
발명재 18 0.071
비교재 7 0.059
비교재 8 1.521
비교재 9 1.623
비교재 17 1.539
비교재 18 1.605
발명재 11 내지 18과 비교재 7(SKD 11 상당재)는 치수변화율이 0.1%이하로 만족되는 치수변화율로 되어 있지만, 비교재 8, 9, 17, 18의 치수변화율은 0.1%를 크게 넘어 실용적으로는 받아들이기 곤란한 치수 변화율로 되어 있다. SKD11이 종래 다이스강으로서 범용성을 가지는 것은, 이와 같은 열처리 특성이 양호한 것이 커다란 요인임과 동시에, 본 발명재도 이와 같은 범용성을 갖는 데에 어울리는 특징을 구비하고 있다는 것이 밝혀졌다. 단, SKD11 상당재는 실시예 4, 5에 보여진 바와 같이 용접성, 피삭성에 부족하기 때문에, 이점을 대폭적으로 개량한 본 발명의 공구강이면, 공구 재료로서 공업적 가치가 극히 높은 것으로 밝혀졌다.
※본 발명강 No. 6은 0.6%의 Ni를 함유한다.
No. 화학조성(중량%) ※Ca만 (ppm) ≥20μm2탄화물량(면적%) ≥1μm2황화물량(면적%)
본발명강 C Si Mn S Cr Mo W V Ca Fe
21 0.64 0.58 0.61 0.048 7.02 1.20 〈0.01 0.22 - Bal. 1.6 0.26
22 0.56 0.34 0.45 0.001 7.29 0.84 〈0.01 0.34 - Bal. 1.0 -
23 0.62 0.33 0.31 0.064 7.50 0.63 〈0.01 0.37 - Bal. 2.3 0.35
24 0.65 0.33 0.37 0.072 6.92 0.91 0.6 0.25 19 Bal. 1.5 0.32
25 0.68 0.23 0.36 0.063 7.24 1.13 〈0.01 0.28 32 Bal. 2.1 0.26
26 0.72 0.25 0.29 0.135 7.37 1.25 〈0.01 0.35 - Bal. 2.6 0.61
비교 강 21 1.42 0.24 0.39 0.001 11.78 0.83 〈0.01 0.23 - Bal. 10.6 -
22 0.72 1.05 0.45 0.061 8.19 1.22 〈0.01 0.35 - Bal. 4.6 0.27
23 0.51 0.36 0.61 0.216 7.73 1.14 〈0.01 0.37 - Bal. 1.4 0.98
24 0.63 0.39 0.42 0.029 7.03 0.62 〈0.01 1.53 - Bal. 2.0 0.11
25 0.70 0.18 0.87 0.086 5.79 1.29 〈0.01 0.18 - Bal. 1.9 0.36
26 0.43 0.31 0.12 0.058 6.90 0.74 〈0.01 0.29 - Bal. 0.8 0.27
27 0.73 0.07 0.43 0.026 7.84 1.40 〈0.01 0.36 - Bal. 2.3 0.11
28 0.70 0.27 0.39 0.053 8.03 1.71 0.92 0.22 25 Bal. 3.5 0.25
29 0.81 0.23 0.34 0.062 7.26 0.88 〈0.01 0.29 - Bal. 3.7 0.28
실시예 9
고주파로에 의해 표 20에 보여지는 화학조성의 합금을 용해하고, 소정의 강괴를 제작하였다. 표 20에서는 비교강 21은 JIS SKD 11 상당재이다. 이들 강괴를 단조비 5로 단조하여 강재에 다듬질하고, thens을 행하였다.
다음으로, 상기 소둔재를 진공로에서 1030℃로 가열 유지후, 가스가압 냉각소입을 행하고, 목표 경도가 57 HRC 이상이 되도록 소려 500 내지 550℃의 열처리를 행하였다. 여전히, 비교강 26은 57HRC이상의 경도에 도달하지 않았다. 그리고, 열처리후의 이들 강재의 탄화물량 및 황화물량의 측정을 행하였다. 탄화물량은 강재의 단면을 연마후, 10% 나이탈 액에서 부식하고, 현미경(×200배)으로 2mm2의 시야 범위 화상을 컴퓨터로 취하고, 화상 해석 소프트를 이용하여 단면적 20 ㎛2이상의 탄화물량을 구하였다. 황화물도 탄화물과 동일한 해석을 행하였지만, 강재의 단면을연마후, 무부식으로 단면적 1㎛2이상의 황화물에 대하여 해석을 행하였다. 결과는 함께 표 20에 나타낸다.
본 발명강은 어느 것도 단면적 20㎛2이상의 탄화물 단면율이 3%이하이고, 본 발명강 22 이외의 본 발명강은 단면적 1㎛2이상의 황화물 면적율이 0.2%이상이 되어 있다. 그것에 대해, SKD11상당의 비교강 21이나 비교강 22, 28, 29는 20㎛2이상의 탄화물 면적율이 3%를 초과하고 있다.
표 21에는, 표 20에서 이용한 소재에 대해, 단조비가 25의 것에 대하여 행한 단면적 1㎛2이상의 황화물의 장축/단축비의 측정결과 및 10 R 노치 샤르피(notch Charpy) 충격 시험 결과를 나타낸다. 열처리 조건은 상기와 동일하다. 황화물의 장축/단축비는 표 20에서의 황화물 측정과 동일한 방법을 활용하고, 해석을 행하였다. 본 발명강 24, 25는 Ca 함유의 효과에 의해 장축/단축비가 4.5이하가 되고, 충격치의 단신(鍛伸) 수직방향/단신방향의 비가 크고, 비교강 22, 29에 비해 단신수직방향의 인성저하가 억제되어 있다.
No. 단면적이1μm2이상의 황화물의 장축/단축비 10R노치샤르피충격치의 단신수직방향/단신방향의비
본발명강 24 3.8 0.71
25 4.1 0.63
비교강 22 4.7 0.49
29 5.1 0.39
실시예 10
다음으로, 표 20에서 이용한 소재에 대하여 열처리후, JIS Z 3158의 Y 형 시험편을 제작하고, 표 22에 보여진 조건으로 용접하여 용접성의 평가를 행하였다. 또한, 소입 소려 조건은 실시예 1에 준하고, 표 23에 그의 소입 소려 경도와 용접성 결과를 나타낸다.
항목 내용
예열방법 소정온도로 가열유지된 전기로에 삽입후, 1시간 유지
용접방법 아크용접
용접봉 피복 아크용접봉 JISZ3251 DF3B 상당, 봉직경 4mm
용접전류 110A
용접후의 후열방법 예열과 동일 요령으로 450℃로 1시간유지
냉각시간 7시간
용접균열판정방법 염색 침투탐상 검사 및 내부 절단면의 현미경 관찰
No. 소입소려경도(HRC) 용접성시험결과
예열온도(℃) 용접성(균열)
본발명강 21 58.5 350 없음
22 58.3 350 없음
23 58.2 350 없음
24 58.4 350 없음
25 57.9 350 없음
26 58.5 350 있음
26 58.5 450 없음
비교강 21 58.8 450 있음
22 58.1 450 있음
23 58.4 450 있음
24 57.9 450 있음
25 58.6 450 있음
26 55.7 450 없음
27 58.0 450 없음
28 58.7 450 있음
29 58.1 450 있음
본 발명강은 어느 것도 500℃이상의 소려로 57HRC의 경도가 얻어지고, SKD11과 거의 동등한 열처리 특성이 있음에 대하여, 비교강 6은 57HRC 이상의 경도에 도달하지 않았다. 용접성은 본 발명강이 예열온도가 450℃에서는 균열이 없음에 대하여, SKD11인 비교강 21은 C, Cr이, 비교강 22는 Si가, 비교강 23은 S가, 비교강 24는 V가, 비교강 28은 (Mo+1/2W)이, 그리고 비교강 29는 C가 높기 때문에 용접 균열이 생겼다. 반대로 비교강 25는 Cr이 낮기 때문에 용접 균열이 생겼다.
실시예 11
다음으로, 피삭성의 평가를 행하였다. 표 20의 성분의 thens 상태(경도 약 15 HRC)의 소재로부터 50mm×100mm×200mm의 시험편을 제작하고, 표 24의 조건으로 정방형 엔드밀의 평가를 행하였다. 평가는 공구의 날끝부의 마모가 0.3mm에 도달할 때까지의 절삭 길이를 공구 수명으로 하여 평가하였다. 결과를 표 25에 나타낸다.
항목 내 용
공구 하이스2장날엔드밀, 공구지름 10mm
절삭속도 16.5m/분
송부속도 0.08mm/날
절입 0.8mm X 10mm
절삭방향 다운커트
윤활 습식
No. 날끝부마모가 0.3mm에 달하는 절삭 길이(m)
본발명강 21 〉20
22 20
23 18
24 〉20
25 〉20
26 20
비교강 21 2
22 6
23 18
24 12
25 〉20
26 〉20
27 10
28 8
29 8
SKD11에 상당하는 비교강 21에 비해 본 발명강이 우수한 피삭성을 나타내는 것을 알 수 있다. C 또는 Cr 함유량이 높고, 소입 소려후의 단면적 20 ㎛2이상의 탄화물면적율이 3%이상을 초과하는 비교강 21이나 비교강 22, 28, 29는 그 소둔 상태에 대하여도 탄화물의 면적율이 크기 때문에 피삭성이 열화한다. 비교강 24는 V가 높은 것에 가하여, 그의 소둔 상태로도 황화물의 면적율은 적기 때문에 피삭성이 열화하고, 반대로 비교강 27은 Si가 적고, 황화물의 면적율도 적기 때문에 피삭성이 열화한다.
더구나, 표 20의 성분의 thens 상태의 소재를 진공로에 의해 1030℃로 가열유지후, 가스 가압 냉각소입을 행하고, 500℃이상의 소려에 의해, 약 58 HRC로 조질하여, 표 26의 조건으로 피삭성평가를 행하였다. 또한, 피삭성은 공구의 날끝부의 마모가 0.1mm에 도달할 때까지의 절삭 길이를 공구 수명으로 하여 평가하였다. 결과를 표 27에 나타낸다.
항목 내 용
공구 초경2장날코팅엔드밀, 공구지름10mm
절삭속도 75m/분
송부속도 0.05mm/날
절입 0.2mm X 15mm
절삭방향 다운커트
윤활 건식
No. 경도(HSC) 날끝부마모가 0.1mm에 달하는 절삭 길이(m)
본발명강 22 58.1 〉20
24 57.9 18
비교강 21 58.0 2
22 58.3 10
표 27로부터, 본 발명강은 소입 소려재지만 양호한 피삭성을 가지며, SKD11상당재의 비교강21에 비해 수단 피삭성이 향상되어 있음을 알 수 있다. 비교강 22도 Cr함유량이 높고, 단면적 20㎛2이상의 탄화물의 면적율이 3%를 초과하고 있기 때문에, 본 발명강에 비하여, 피삭성이 낮은 것이다.
실시예 12
다음으로, 열처리 치수변화의 시험을 행하였다. 표 20의 성분을 갖는 소둔 상태의 소재로부터 직경 10mm, 길이 60mm의 시험편을 각 20개 제작하고, 진공로에서 1030℃로 가열유지후, 가스 가압 냉각 소입를 행하고, 530℃×1 시간의 소려를2 회 실시하였다. 그 후 장축 방향의 치수를 측정하여, 소입전 기준에서의 치수변화를 평가하였다. 표 28에 0.2%이상의 치수변화가 발생한 개수를 나타낸다.
No. 0.2%이상의 변수의 갯수
본발명강 21 0
22 0
23 0
비교강 21 0
22 11
28 8
본 발명강은 열처리 치수변화가 전부 0.2% 미만이고, JIS SKD11인 비교강 21과 거의 동등한 열처리 특성을 나타낸다. 그러나, 비교강 21은 실시예 10, 11과 같이 용접성이나 피삭성이 열화하고, 본 발명강이 우수한 특성을 겸비하고 있다는 것을 알 수 있다. 한편, 비교강 22는 Si량이 높기 때문에, 그리고 비교강 28은 Mo 당량이 높기 때문에 0.2%이상의 열처리 치수 변화가 다수 발생하고 있다.
이상, 본 발명에 의하면, SKD11에 비해 thens 상태의 피삭성이 우수하고, 소입 소려시의 재료 성능상에 있어서도, 인성, 용접성이 높은 강재를 제공할 수 있다. 또한, 열처리변형이나, 소입성, 소려 온도에 대한 경도의 변화가 SKD11과 근사한 특성을 가지기 때문에, SKD11와 동일한 로에 혼재할 수 있고, 생산성, 조건수단이 불필요하게 된다.
또한, 소입 소려후의 피삭성도 SKD11에 비해 현저하게 높고, CVD와 같은 강중의 고용 C량에 좌우되는 표면 처리로도 막특성의 열화가 없기 때문에, 내마모성이 우수한 금형기재로서도 높은 제조 용이성이 있기 때문에, 본 발명에 의한 공업성 가치는 크다.

Claims (30)

  1. 중량%로, (Cr+5.9×C)의 값이 9.1이상 12.5이하로 되고, 또한 (Cr-4.2×C)가 5이하이고, (Cr-6.3×C)이 2.2이상으로 되는 관계식을 만족시키고, Si:0.1 내지 0.6%, Mn: 0.01 내지 1.2%이하, Mo 또는 W의 1종 또는 2종을 (Mo+1/2·W): 0.44 내지 1.25%이하, V: 0.5%미만을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  2. 제 1 항에 있어서,(Mo+1/2·W)함유량은 0.6 내지 1.10%이고, Mn은 0.1 내지 1.2%이며, Si 함유량은 0.1 내지 0.3%이고, V 함유량은 0.05 내지 0.5%미만인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  3. 제 1 항에 있어서, 공정값 Z[=8×(C%)+0.6×(Cr%)]가 10.8이하인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  4. 제 1 항에 있어서, 중량%로, C: 0.55 내지 0.75%, Cr: 6.8 내지 8.0%인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  5. 제 1 항에 있어서, 중량%로, C: 0.55 내지 0.75%, Cr: 6.8 내지 8.0%이고, 공정값 Z가 9이상 10.5이하인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이우수한 공구강.
  6. 제 1 항에 있어서, 조직단면에 차지하는 단면적 20㎛2이상의 탄화물의 면적율이 3%이하인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서, 중량%로, Ca: 100ppm이하인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서, 중량%로 Ni:5.0%이하인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  14. 제 13 항에 있어서, Ni의 함유량은 1.0%이하인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  15. 제 1 항에 있어서, 소입후의 Cr의 매트릭스 편석폭이 중량%로 1%이하인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  16. 제 1 항에 있어서, 1000∼1050℃에서의 소입, 500℃이상의 소려에 의해, 그의 최고 경도가 57HRC이상인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  17. 제 1 항에 있어서, 500℃이상의 소려에 의해 발생하는 열처리 치수변화가, 소입전 기준, 선팽창율 환산으로 0.1%이하이며, 또한 490℃의 소려로 열처리 치수변화가 0 이하인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  18. 제 1 항에 있어서, 중량%로, Al: 1.0이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  19. 제 18 항에 있어서, Al 함유량은 0.6%이하인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  20. 제 1 항에 있어서, 1000 내지 1400℃의 소킹 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  21. 삭제
  22. 중량%로, (Cr+5.9×C)의 값이 9.1이상 12.5이하로 되고, 또한 (Cr-4.2×C)가 5이하이고, (Cr-6.3×C)이 2.2이상으로 되는 관계식을 만족시키고, Si:0.1 내지 0.6%, Mn: 0.01 내지 1.2%이하, Mo 또는 W의 1종 또는 2종을 (Mo+1/2·W): 0.44 내지 1.25%이하, V: 0.5%미만, S: 0.2% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  23. 중량%로, (Cr+5.9×C)의 값이 9.1이상 12.5이하로 되고, 또한 (Cr-4.2×C)가 5이하이고, (Cr-6.3×C)이 2.2이상으로 되는 관계식을 만족시키고, Si:0.1 내지 0.6%, Mn: 0.01 내지 1.2%이하, Mo 또는 W의 1종 또는 2종을 (Mo+1/2·W): 0.44 내지 1.25%이하, V: 0.5%미만, Ni: 5.0%이하, S:0.2%이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  24. 중량%로, (Cr+5.9×C)의 값이 9.1이상 12.5이하로 되고, 또한 (Cr-4.2×C)가 5이하이고, (Cr-6.3×C)이 2.2이상으로 되는 관계식을 만족시키고, Si:0.1 내지 0.6%, Mn: 0.01 내지 1.2%이하, Mo 또는 W의 1종 또는 2종을 (Mo+1/2·W): 0.44 내지 1.25%이하, V: 0.5%미만, Al: 1.0%이하, S: 0.2%이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  25. 중량%로, (Cr+5.9×C)의 값이 9.1이상 12.5이하로 되고, 또한 (Cr-4.2×C)가 5이하이고, (Cr-6.3×C)이 2.2이상으로 되는 관계식을 만족시키고, Si:0.1 내지 0.6%, Mn: 0.01 내지 1.2%이하, Mo 또는 W의 1종 또는 2종을 (Mo+1/2·W): 0.44 내지 1.25%이하, V: 0.5%미만, Ca: 100ppm이하, S: 0.2%이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  26. 제 22 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 S의 함유량은 0.005 내지 0.12%인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  27. 제 22 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 조직단면에 차지하는 단면적 1㎛2이상의 황화물의 면적율이 0.2%이상인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  28. 제 27 항에 있어서, 조직단면에 차지하는 단면적 1㎛2이상의 황화물의 면적율이 0.7%이하인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  29. 제 22 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 조직단면에 차지하는 단면적 1㎛2이상의 황화물에 대하여, 그의 길이의 장축/단축비가 4.5이하인 것을 특징으로 하는 용접성, 피삭성 및 열처리특성이 우수한 공구강.
  30. 상기 제 22 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항의 공구강을 55 HRC 이상의 경도로 조질처리를 하고, 절삭가공을 하여 제작한 것을 특징으로 하는 금형.
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