KR100374980B1

KR100374980B1 - 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강

Info

Publication number: KR100374980B1
Application number: KR10-1999-0055663A
Authority: KR
Inventors: 히데시 나카쯔; 야스시 타무라; 요시유키 무라카와
Original assignee: 히다찌긴조꾸가부시끼가이사
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 1999-12-08
Publication date: 2003-03-06
Also published as: EP1783238A3; EP1036852A1; EP1783238A2; CN1263170A; US20020044880A1; KR20000057043A; TW580518B; CN1102965C; US6413329B1

Abstract

중량%로, 0.005 내지 0.1% C, 1.5 이하 Si, 2.0% 이하 Mn, 3.0 내지 8.0% 미만 Cr, 4.0% 이하 Ni, 0.1 내지 2.0% Al, 3.5 이하 Cu, 및 Fe 잔량, N와 O를 포함하는 불가피한 불순물을 포함하고, 기본 미세조직이 마르텐사이트인 금속조직을 가지며, 불순물로서 N와 O가 0.02% 이하의 N와 0.003% 이하의 O의 범위로 제한되는 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강이 제시된다.

본 발명에서, 중절삭에서의 기계가공성의 개선 및 정밀 방전가공성과 고등급 연마성의 개선은, 상기 고장력강이 (7.7×C(wt%))+(2.2×Si(wt%))+(271.2×S(wt%))의 값이 바람직하게는 2.5 이상이고, 보다 바람직하게는 6 이하인 화학조성을 가질 때, 이루어질 수 있다.

Description

우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강{HIGH STRENGTH STEEL FOR DIES WITH EXCELLENT MACHINABILITY}

본 발명은 고강도와 우수한 기계가공성을 갖는 마르텐사이트 미세조직을 갖는 다이스용 강에 관한 것이다.

전통적으로, 예를 들면 플라스틱을 성형하기 위해 사용되는 다이스용 예비경화강(pre-hardened steel)이 알려져 있다. 다이스용 예비경화 강은 예정된 경도를 부여하기 위하여 조절되며, 강도(또는 경도)를 증가시키기 위하여 소둔, 기계가공 및 소입공정을 거치는 다이스용 보통강과 대조적으로, 어떠한 추가 소입공정없이 최종 제품으로서 다이 등을 얻기 위하여 기계가공된다.

그래서, 예비경화 강이 다이 등의 제품에 적용될 수 있도록, 고강도와 고 내마모성을 보장하는 고경도가 예비경화 강에 부여될 수 있지만, 상기 성질들과 상반되는 우수한 기계가공성(machinability)을 가져야 할 필요가 있다.

예를 들면 JP-A-5-70887, JP-A-7-278737에 기재된 바와 같이, 상기 성질들을 갖는 공지 재료들이 있어왔으며, 그것들은 첨가물 Ni, Al, Cu 등의 석출효과에 의하여 고경도를 제공하도록 개선되고 우수한 기계 가공성을 갖는 베이나이트 미세조직을 갖도록 조절되었다.

기본 미세조직이 베이나이트인 금속 조직을 갖는 예비경화 강은 고경도와 비교적 우수한 기계가공성을 실현하는 데 효과적이다.

그래서, 예비경화 강은 가공후에 소입처리를 거칠 필요가 없어 다이 제조업자가 사용하는 데 편리하다.

그러나, 강제품을 제조하는 동안에 강이 베이나이트 조직을 갖도록 조절하기 위한 열처리 공정에서 냉각율을 제어하여야 하고, 이러한 베이나이트 미세조직으로 조절하기 위하여 불리하게 여러 열처리 단계들은 필요로 한다. 또한, 근래에는 다이스에 고강도와 내구성뿐만 아니라 내식성이 요구되는 경향이다.

한편, 조직상 기본 미세조직이 마르텐사이트인 강들은 강의 성질들을 최대한 이용하는 다양한 용도로 사용되어 왔으며, 이 성질들은 초정 페라이트, 퍼얼라이트 또는 베이나이트의 상이 존재하지 않으면서, 오스테나이트를 마르테사이트로 변태시키는 비교적 높은 율의 냉각처리를 하여 얻어질 수 있다.

다이스에 적용되는 이러한 형태들의 강이 공지되어 있으며, 이것들의 하나의 예가 JP-A2-3-501752에 보여지며, 이는 0.01 내지 0.1% C, 2% 이하 Si, 0.3 내지 3.0% Mn, 1 내지 5% Cr, 0.1 내지 1% Mo, 및 1.0 내지 3.0% Al과 1.0 내지 4.0% Cu중 적어도 하나를 포함하는 화학조성을 가진다.

그것은 시효이전에 래스-마르텐사이트(lath-martensite)의 미세조직과 30 내지 38 HRC의 경도값을 가지며, 경도를 개선하기 위하여 차후 열처리가 용이하게 행해질 수 있다.

그러나, 또한 JP-A2-3-501752의 경우에는 38 HRC를 초과하는 더 높은 경도를 가지는 마르텐사이트 강을 기계가공하는 것을 고려하지 않았다.

이것은 마르텐사이트 미세조직이 기계가공성에 문제점을 가지고 있는 것으로 여겨지며 증가된 경도를 가진 마르텐사이트로 조절하고 나서 기계가공을 행하는 것을 생각할 수 없었기 때문이다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 강도와 연성사이의 우수한 균형의 바람직한 성질에 대해 해로운 영향을 미치지 않고, 기계가공성이 개선된 고장력강을 제공하는 데에 있으며, 그러므로 이 강은 예비경화 강으로서 다이스용, 특히 플라스틱 성형용 다이스로 사용될 수 있다.

강에 관련하여, 본 발명가들은 기계가공성, 인성 및 내식성사이의 관계를 실험하고, 강이 최적의 화학조성을 갖도록 조절하여 소입과 소려동안에 금속간화합물과 탄화물의 소입과 석출거동시 오스테나이트로부터 변태된 마르텐사이트 미세조직을 조절함으로써 인성에 해를 주지 않고 기계가공성을 크게 향상시킬 수 있다는 것을 발견하고, 본 발명을 제안하였다.

본 발명에 따른, 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강이 제공되며, 이 강은 중량%로, 0.005 내지 0.1% C, 1.5% 이하 Si, 2.0% 이하 Mn, 3.0 내지 8.0% 미만 Cr, 1.0 내지 4.0% 이하 Ni, 0.1 내지 2.0% Al, 0.3 내지 3.5%이하 Cu, 0.1 내지 1.0% Mo 및 잔부 Fe, 및 질소와 산소를 포함하는 불가피한 불순물을 포함하며, 기본 미세조직이 마르텐사이트인 금속조직을 가지며, 여기서 불순물로서의 질소와 산소는 0.02%이하 질소의 양으로, 0.003%이하 산소의 양으로 제한된다.

본 발명강에 따라, 다음식으로 정의되는 값이 달성되도록 강을 만들므로써, 중절삭 기계가공성(heavy cutting machinability), 정밀 방전 가공성(precision electro-spark machining property) 및 고등급 연마성을 개선할 수 있다:

값=(7.7×C(wt%))+(2.2×Si(wt%))+(271.2×S(wt%))≥2.5,

여기서, 값은 6이하인 것이 바람직하다.

본 고장력강은 임의적으로, 1%이하 Co, 0.5%이하 V과 Nb중 적어도 하나 및 0.2%이하 S를 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명강의 금속 미세조직을 개략적으로 보여준다.

도 2A는 본 발명강의 일 실시예의 금속 미세조직의 광학 현미경사진을 보여준다.

도 2B는 도 2A의 사진의 개략적인 예시도이다.

도 3A는 고탄소량을 갖는 비교강의 전형적인 금속 미세조직의 사진의 일 실시예이다.

도 3B는 도 3A의 사진의 개략적인 예시도이다.

도 4는 도 2A의 사진의 개략적인 예시도와 비교되는 저Cr량을 갖는 비교강의 전형적인 금속 미세조직의 사진의 한 실시예를 보여준다.

도 5는 결정립계들에 있는 탄화물들이 뚜렷하게 보이는 본 발명강의 금속 미세조직의 사진의 한 실시예를 보여준다.

도 6은 결정립계들에 있는 탄화물들이 뚜렷하게 보이는 Mo가 첨가된 본 발명강의 금속 미세조직의 사진의 한 실시예를 보여준다.

도 7은 결정립계들에 있는 탄화물들이 뚜렷하게 보이는 Co가 첨가된 본 발명강의 금속 미세조직의 사진의 한 실시예를 보여준다.

도 8은 결정립계들에 있는 탄화물들이 뚜렷하게 보이는 Mo와 Co가 결합하여 첨가된 본 발명강의 금속 미세조직의 사진의 한 실시예를 보여준다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 래스-마르텐사이트 2: 블록

3: 패킷 4: 구오스테나이트 결정립계

위에서 언급한 바와 같이, 경하고 고강도의 마르텐사이트 미세조직을 가지면서, 강이 최적 화학조성을 갖도록 조절함으로써, 우수한 기계가공성과 내식성 및, 보다 바람직하게는 중절삭성, 방전가공성 및 연마성을 갖는 다이스용 강이 제공된다.

통상, 마르텐사이트 미세조직은 소입처리에 의해 얻어질 수 있다. 그러나, 본 발명강은 3%이상 Cr으로 되어있기 때문에, 본 발명강은 마르텐사이트로 용이하게 변태될 수 있다. 그래서, 직접소입에 의해 마르텐사이트를 얻을 수 있으며, 여기서 강은 고온 가공후에 공냉의 냉각율보다 높은 냉각율로 냉각된다.

본 발명강의 화학조성의 명세는 다음과 같다:

C: 0.005 내지 0.1%

선택된 상당한 저 탄소량이 본 발명강의 기계가공성에서의 기본적인 개선을 보장하기 위하여 중요하다.

탄소량을 낮추는 것이 패킷(packet)을 크게 만드는 데 유효하며, 패킷은 마르텐사이트 미세조직의 단위이며, 강이 경한 마르텐사이트 미세조직을 가지면서 기계가공성을 증가시키기 위한 중요한 인자이다.

구체적으로, 본 발명강은 도1에 보여진 바와 같은 미세조직을 가지며 (1)은 래스 마르텐사이트, (2)는 블록, (3)은 패킷 및 (4)는 구 오스테나이트 결정립계(prior austenite grain boundary)를 나타내며, 여기서 하나의 오스테나이트 결정립은 여러개의 패킷들로 분할되며 각 패킷은 다시 여러개의 전체적으로 평행한 스트립-형 블록들로 나누어진다.

패킷은 많은 래스들의 그룹(래스-마르텐사이트)으로 이루진 구역이며, 많은 래스들은 서로에 대하여 평행하게 배열된다(즉, 래스들은 동일한 해빗 평면들(habit planes)을 가진다). 블록은 서로에 대하여 평행하며, 동일한 결정방위를 가지는 래스들의 그룹(래스-마르텐사이트)으로 이루어지는 구역이다.

그래서, 패킷들 또는 블록들은 마르텐사이트의 인성에 대하여 기여하는 기본 구조 단위들이다. 본 발명강에서, 인성은 블록들의 성장이 불충분하기 때문에 주로 패킷들에 의해 결정된다. 구체적으로는, 본 발명강은 도1에 보여진 조직을 가진다.

탄소량이 더 낮을 때는, 용질 탄소의 양이 감소되며, 변태변형이 감소되며, 변형은 오스테나이트로부터 마르텐사이트로 변태하는 동안에 일어나서, 변형이완기구로서 형성된 패킷들의 결합체를 감소시킨다. 큰 패킷들은 절삭과 같은 가공동안에 파괴응력을 더 낮추기 때문에 패킷들은 내절삭성을 감소시키고 절삭공구상의 부하를 증가시킨다. 그래서 조직이 경한 마르텐사이트일지라도 우수한 기계가공성이 확보될 수 있다.

또한, 탄소는 페라이트의 형성을 억제하고 경도와 강도를 증가시키는 데 유효하다. 탄소는 0.005%이상의 양이 필요하다. 탄소량이 0.1%를 초과할 때, 탄소는 탄화물을 형성하며, 이 탄화물은 절삭시 공구 마모를 증가시키며, 기지내의 Cr량의 감소때문에 내식성을 저하시킨다. 그러므로, 탄소량은 0.1%이하이어야 하며, 보다 바람직하게는 상기 기능을 열화시키지 않으면서 더욱더 기계가공성을 증가시키기 위하여 0.05%이하이어야 한다.

Cr: 3.0 내지 8.0% 미만

Cr은 강에 내식성을 부여하는 데 유효하며, 우수한 기계가공성을 갖는 금속조직을 얻기 위하여 제한된 양이 필요하다. Cr양이 3%미만이거나 8%이상일 때는 마르텐사이트 변태이전의 초정 페라이트 석출물때문에 기계가공성이 저하된다. 또한, 초정 페라이트가 석출될 때 용질 탄소가 기지내로 도입되기 때문에 용질 탄소가 기지내에서 증가하여, 잔류 오스테나이트의 마르텐사이트로의 차후의 변태동안에 변태변형을 증가시킨다.

이 이유때문에, 위의 패킷 크기가 작아져서, 기계가공성을 저하시킨다.

그래서, 본 발명강에서, Cr 량은 3.0 내지 8.0% 미만의 범위로 하고, 마찬가지 이유로 적정한 패킷 크기를 안정하게 확보하기 위해서 보다 바람직하게는 3.5 내지 7.0%의 범위로 제한된다.

N: 0.02%이하

본 발명강은 3.0%이상의 비교적 많은 양의 Cr을 포함한다. Cr량의 증가는 용융강에서 질소의 용해도를 증가시킨다. 예를 들면, Cr량이 약 2%이면, 질소의 용해한은 1500℃에서 약 220ppm이다. 약 3% Cr의 경우에, 용해한은 280ppm으로 증가한다. 5%Cr의 경우에, 고용한은 300ppm을 초과한다.

질소(N)는 강에서 질화물을 형성한다. 특히, 본 발명강으로서 Al 등으로 이루어진 강의 경우에, 강은 그것으로부터 만들어지는 다이스의 인성, 기계가공성 및 연마성에 있어서 AlN에 의해 크게 열화된다. 그러므로, Cr으로 이루어진 본 발명강에서, 질소량을 낮은 레벨로 제한하는 것이 중요하다.

본 발명강에서, 더욱더 인성, 기계가공성 및 연마성을 증가시키기 위하여, 질소량은 0.02%이하, 바람직하게는 0.005%이하, 보다 바람직하게는 0.002%이하로 제한된다.

O: 0.003%이하, 바람직하게는 0.001%이하

산소(O)는 강에서 산화물을 형성한다. 산소량이 0.003%를 초과할 때는, 저온소성가공성과 연마성이 크게 열화된다. 그러므로, 산소량의 상한치는 0.003%이다. 연마성을 개선하기 위하여, 산소량은 바람직하게는 0.001%이하이다.

Si: 1.5%이하

Si는 탄산제로서 통상 사용된다. Si은 또한 인성을 저하시키면서 기계가공성을 증가시킨다. 양 기능들사이의 균형을 고려하여, 상기의 두 기능들사이의 균형에 해악이 없이 기지의 경도를 증가시키기 위하여 Si량은 바람직하게는 1.5%이하, 보다 기계가공성의 증가를 위해서는 보다 바람직하게는 0.05%이상 1.5%이하의 양이다.

Mn: 2.0%이하

Mn은 Si과 유사한 탈산제이며 소입성을 향상시킴으로써 페라이트의 형성을 억제하는 기능을 한다. 그러나, Mn의 과도한 양은 기계가공성을 감소시키기 위하여 연성을 증가시킨다. 그래서, Mn량은 2.0%이하로 제한된다.

Ni: 1.0 내지 4.0%

Ni는 냉각시 변태온도를 낮추어 기본 마르텐사이트 미세조직을 균일하게 형성하는 기능과 Ni과 금속간화합물을 형성하고 석출시켜 경도를 증가시키는 기능을 갖는다. Ni량이 1.0%이하이면, 이러한 기능은 기대할 수 없다. Ni량이 4.0%을 초과할 지라도, Ni의 효과는 그 양만큼 크게 되지 않는다. 또한, 4.0%를 초과하는 Ni은 과도한 인성을 갖는 오스테나이트를 형성하여 기계가공성을 열화시킨다. 그래서, Ni량은 1.0 내지 4.0%로 제한된다.

Al: 0.1 내지 2.0%

Al은 Ni와 결합하여 NiAl의 금속간화합물을 형성하고 석출시켜, 경도를 증가시키는 역할을 한다. 이 역할의 효과를 확보하기 위하여, Al량은 0.1%이상일 필요가 있다. 그러나, Al량이 2.0%을 초과할지라도 석출경화의 효과는 Al과 Ni사이의 균형의 관점에서는 예측될 수 없다. 게다가, 2.0%를 초과하는 Al은 경한 산화물계 게재물들을 형성하여, 공구마모를 일으키고 경면 가공성(mirror finishing property), 오렌지 피일 표면 등을 제공하기 위한 가공성을 열화시킨다. 그러므로, Al량은 0.1 내지 2.0%의 범위로 제한된다. 안정한 경도를 확보함으로써 연화 저항성의 감소를 억제하기 위하여, Al량은 바람직하게는 0.5 내지 2.0%이다.

Cu: 0.3 내지 3.5%이하

Cu는 소량의 Fe로 이루어지는 ε상의 고용체를 형성하는 것으로 여겨진다. Cu는 Ni과 유사하게 석출경화에 기여한다. 한편, Cu는 고온에서 기지금속의 결정립계들에 침입함으로써 인성을 감소시키며 고온가공성을 저하시킨다. 그러므로, 상술한 석출경화에 기여하되 인성 및 고온가공성의 저하를 피하기 위해 Cu량을 0.3 내지 3.5%이하로 제한한다. 본 발명강의 상기 기본 조성범위에서, 통상 엔드 밀 등에 의한 기계가공성에 어떠한 문제도 없다. 본 발명자들은 본 발명강의 중절삭에의 적용을 염두에 두고 연구를 계속하고 “(7.7×C(wt%))+ (2.2×Si(wt%)) + (271.2×S(wt%))”의 값이 바람직하게는 2.5이상 6이하라는 것을 발견하였다.

실질적으로 발명자들은 중절삭 조건들하에서 본 발명강에 대한 성능시험을 실시하고, 위의 식의 값이 2.5%이상일 때 중절삭에서 우수한 인성과 기계가공성의 조합을 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 발명자들은 또한 위 식의 값이 6이하일 때는 정밀 방전가공성과 연마성에 적합한 성질의 추가 조합을 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. 식의 인자들은 실험값의 회귀분석으로부터 얻어졌다.

보다 구체적으로, 발명자들은 중절삭에서 예를 들면 절삭날당 절삭될 재료의 절삭면적이 50 ㎟ 이상인 절삭조건하에서, 공구에의 늘어붙음현상이 발생하여, 본 발명의 특정 조성범위내에서도 공구수명이 만료되는 특이한 현상이 있다는 것을 확인하였다. 이유는 알려지지 않았지만, 이러한 현상은 절삭온도의 상승에 의해 발생된다고 여겨진다.

발명자들의 반복실험의 결과로, 중절삭까지도 확보할 수 있는 바람직한 조성들은 C,Si,S량을 조절하여 얻어졌다. 상기 식은 이들 량의 관계를 나타낸다.

상기 식에 나타낸 C, Si, 및 S량은 중절삭에 대하여 다음의 의미를 갖는 것으로 여겨진다.

중절삭의 경우에, 절삭온도는 상당히 높게 상승하고, 그러므로, Si은, 공구와 칩들사이의 접촉경계면에서 낮은 용융점을 갖는 산화물을 형성하고, 절삭 칩들의 윤활효과에 의해 절삭 칩들이 공구에 늘어붙은 현상을 방지한다.

황은 낮은 용융점을 갖는 황화물을 형성함으로써, 절삭 칩들의 윤활효과를 개선하고, 또한 MnS에 의해 주어진 분할성을 개선하는 데 기여한다. 게다가, 중절삭에서 절삭온도가 상당히 높기 때문에, 절삭될 재료의 연성과 인성이 높으며 재료를 절삭하기가 매우 어렵다. 고온에서 연성과 인성을 약간 낮추는 황은 기계가공성을 향상시킬 수 있다.

탄소와 관련하여, 칩들은 쉽게 분리되어 공구에 부착되는 현상이 방지된다.

상기 범위들은 중절삭에서 부착현상을 방지하는 데 바람직하지만, 인성은 Si량이 많을 때 약간 감소한다. 이를 보상하기 위하여, 탄소량을 약간 높은 레벨로 설정하는 것이 바람직하다. 이 점을 고려하여 중절삭이 적용될 때 바람직한 탄소량은 0.03중량%이상이고 Si량을 0.8 내지 1.5%의 범위의 약간 높은 범위에 설정할 필요가 있다.

게다가, 중절삭이 적용되는 경우에, 황의 량이 0.001%이하일 때는 중절삭에서의 기계가공성이 그다지 양호하지 않고, 황의 량이 0.01%이상일 때 정밀 방전가공에 적합한 성질은 양호하지 않으며(MnS에 의한 인성의 저하와 스트라이프 결함들), 또한 MnS에 의한 피트들의 발생때문에 고등급 연마성이 양호하지 않다. 그러므로, 황이 첨가될 때 황의 량이 바람직하게는 0.001 내지 0.01%이다. 또한, 황이 균열예민도를 증가시키기 때문에, 특히 방전가공을 행할 때 황의 량을 바람직하게는 0.006%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Mo: 1.0%이하

Mo는 부동막을 강화시킴으로써 내식성을 개선하는 데 매우 유효하게 하기 위해서 기지에 용해된다. 게다가, Mo는 탄소와 결합하여 미세한 혼합 탄화물을 형성하고 주로 Cr으로 형성된 M₇C₃형 탄화물의 조대화를 억제하는 데 매우 유효하다. 따라서, 인성이 개선되고 핀홀들의 형성에 기여하는 인자들이 감소된다. 그러나, Mo의 과도한 량은 다량의 탄화물들을 형성하여 공구마모를 증가시킨다. 그러므로, Mo량의 상한치는 1.0%이다. 보다 상세하게는, 상기 효과가 유효하게 일어나도록 확보하기 위하여 0.1%이상의 Mo를 첨가하는 것이 바람직하다.

Co: 1.0%이하

Co는 2차 경화성과 내식성을 개선하기 위하여 기지내에 용해된다. Co는 또한 주로 Cr로 형성된 M₇C₃형 탄화물의 조대화를 억제하며, 기재내에 이들 탄화물과 금속간화합물들(Ni-Al)을 미세하게 석출시켜, 인성을 개선시킨다. 그러나, 과량의 Co은 강의 인성, 기계가공성 및 소입성을 저하시킨다. 이 이유와 경제적인 고려때문에, Co량의 상한치를 1.0%로 설정하였다. 보다 바람직하게는, 상기 효과들이 유효하게 확보하기 위하여 Co은 0.1%이상의 양으로 첨가된다.

V 과 Nb: 0.5%이하

V과 Nb은 결정립을 미세화시킴으로써 강의 인성을 증가시켜, 본 발명강의 성질들을 개선하는 데 유효하다. 그러므로, 이 원소들은 선택적으로 첨가될 수 있다.

게다가, V과 Nb은 질소와 결합하여 미세한 질화물을 형성하는 경향이 있기 때문에, 그것들은 AlN의 형성에 의한 조대화 화합물들에 의해 기계가공성, 인성 및 연마성에 저하를 억제할 수 있다. 그것들의 다량은 탄화물들을 형성하여, 공구마모를 증가시킨다. 그러므로, V과 Nb의 총량의 상한치는 0.5%로 설정되며, 보다 바람직하게는 0.01 내지 0.1%이다.

S: 0.20%이하

황은 Mn과 결합하여 MnS의 게재물들을 형성하여 기계가공성을 개선시킨다. 그러나, 황은, MnS가 핏팅 부식(pitting corrosion)의 트리거 점(trigger point)이 되기 쉬워서 내식성을 저하시키기 때문에, 선택적으로 첨가될 수 있다. 그러나, 황량의 상한치는, 내식성의 감소에 상응하는 기계가공성의 증가를 황의 량이 0.20%를 초과할지라도 예상할 수 없기 때문에, 0.20%로 설정된다. 게다가, 황은 위에 언급한 바와 같이 방전가공성과 연마성을 열화시키기 때문에, 강에 용도에 따라 황의 량을 제한할 필요가 있다.

본 발명강에 의하면, 인성 또는 기계가공성을 증가시키기 위한 원소들이 언급된 금속조직과 화학조성으로부터 생기는 기본 기능들을 손상시키지 않는 범위로 첨가될 수 있다.

예를 들면, 본 발명강은 연성을 증가시키는 원소들로서, 0.5%이하 Ti, 0.5%이하 Zr 및 0.3%이하 Ta로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종의 요소를 포함할 수 있다. 본 발명강은 또한 기계가공성을 증가시키는 원소들로서, 0.003 내지 0.2% Zr, 0.0005 내지 0.01% Ca, 0.03 내지 0.2% Pb, 0.03 내지 0.2% Se, 0.01 내지 0.15% Te, 0.01 내지 0.2% Bi, 0.005 내지 0.5% In, 및 0.01 내지 0.1% Ce로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종의 원소를 포함할 수 있다. 본 발명강은 또한 Y, La, Nd, Sm 및 다른 희토류금속들(REMs)의 0.0005 내지 0.3%의 총량을 포함할 수 있다.

실시예:

본 발명은 실시예들을 통하여 아래에 상세히 설명될 것이다.

우선, 시편들의 표준제조방법을 기재할 것이다. 시편강들을 30-Kg 고주파 진공용해로에서 용해하고 그리고나서 40㎜×40㎜의 사각형 바아로 단조한다. 마르텐사이트는 사각형 바아를 열처리하여 얻어졌다. 열처리는 40 HRC±5의 경도를 얻기 위하여 1,000℃에서 1시간동안 가열하고나서 공냉함으로써 소입이 행해지고 그 후 520 내지 580 ℃의 적절한 온도에서 ±20℃의 증감분을 가지고 열처리함으로써 소려가 행해진다. 그 후 공냉을 실시한다.

마르텐사이트의 광학 미세조직과 ASTM에서 정의한 100배의 표준크기 다이어그램을 비교하고 각 시편에 대한 6개의 사진에 대하여 이들 측정을 행함으로써 실제 측정과 평가에서의 마르텐사이트의 패킷 크기를 우선 그의 사이즈로 결정하여 평균 패킷 사이즈로 결정한다. 패킷 사이즈의 수값이 높을 수록, 패킷을 더 미세하다.

기계가공성을 평가하기 위하여, 엔드 밀 절삭 테스트를 행하고 6㎜의 절삭길이에서 공구플랭크상에서의 최대 마모 폭(Vbmax(mm))을 측정하였다. 절삭은 23m/min의 절삭속도와 0.06mm/절삭날의 공급율에서 직경 10mm의 고속강 블레이드를 갖는 엔드 밀상에서 절삭을 습식으로 수행하였다.

인성을 측정하기 위하여, 2-mm U-노치 시험편들을 사용하여 샤르피 충격 테스트를 수행하였고(JIS No. 3 시험편들), 실온에서의 샤르피 충격값을 측정하였다.

(1) 염욕분무시험(5% NaCl, 35℃, 1시간)과 (2) 탭-워터 침액 시험(실온, 1시간동안 침액후 공기에 시편들을 방치함)이 내식성 시험들로서 수행되었다. 녹슬기 조건(rusting condition)을 외관 관찰에 의해 비교하고, 녹의 정도에 따라서 아주 우수(녹이 없음, ◎), 우수(녹슨 면적의 %: 10%미만, ○), 불량(녹슨 면적의 %: 30%이상, ×) 및 중간(녹슨 면적:10 부터 30미만, △)으로 등급을 매겼다.

연마성을 평가하기 위하여, 경도를 조절하였다. 5㎟의 시편들을 소입 및 소려하고, 그 후에 경면 연마를 그라인더-페이퍼-다이어몬드 화합물 방법으로 수행하였으며, 발생된 미세 피트들의 수를 10 배의 확대경을 가지고 측정하였다. 시편들은 피트들의 수가 10미만일 때 우수(○), 피드들의 수가 10 내지 20일 때 중간(△), 및 피트들의 수가 20이상일 때는 불량(×)으로 등급을 메겼다.

실시예 1

표 1에 보여진 주요 성분들을 가지며 표 2에 보여진 미량원소들이 검출될 수 있는 강들을 상기 제조방법에 의해 제조하고 그 강들의 물성을 평가하였다. 평가의 결과들이 표 3에 보여진다.

본 발명의 시편 Nos. 1 내지 6에서, Cr량은 본 발명의 특정범위내에서 변화하였다. 내식성은 Cr량이 본 발명의 범위내로 증가되었을 때 약간 개선되는 경향이 있었다. 기계가공성은 Cr량이 5%부근일 때 최상이었다. 인성과 연마성은 어떠한 커다란 차이도 관찰되지 않았다.

한편, Cr량이 본 발명의 특정범위이하인 비교예 시편 C3와 Cr량이 본 발명의 특정범위이상인 비교예 시편 C4에서, 페라이드 조직이 나타났고 이 시편들의 기계가공성은 본 발명의 시편들의 기계가공성보다 훨씬 열등하였다.

본 발명 시편 Nos. 7 내지 12에서, 탄소량은 본 발명의 특정범위내에서 변화되었다. 기계가공성은 탄소량이 본 발명의 범위내에서 증가되었을 때 약간 열화되는 경향이 있다. 내식성, 인성 또는 연마성에서는 어떠한 커다란 차이도 없었다.

한편, 탄소량이 본 발명의 특정범위보다 더 큰 비교예 시편 C1에서 내식성이 본 발명 시편들과 비교하여 열화되었고, 동시에 기계가공성이 크게 열화되었다.

도 2A는 본 발명강의 전형적인 조직으로서 400 배로 취해진 시편 3의 조직에 대한 광학 현미경사진을 보여준다. 비교 실시예로서, 도 3A는 400 배의 배율로 취해진 시편 C1의 조직의 광학 현미경사진을 보여준다. 탄소량이 높은 시편 C1에서, 패킷 크기는 뚜렷하게 작다. 달리 말하면, 기계가공성의 열화는 표 3에 보여진 패킷 크기와 상호관련성이 있고, 패킷 크기는 고탄소량을 가진 비교예 시편 C1에서 감소하여, 기계가공성의 열화를 초래한다고 결론을 내릴 수 있다.

질소량이 본 발명의 특정범위보다 높은 비교예 시편 C1에서 다이 강들에 중요한 성질인 연마성은 본 발명의 시편들보다 열화되었고 기계가공성 시험에서 원하지 않는 치핑(chipping)이 또한 발생하였다.

도 4는 낮은 Cr량을 갖는 비교예 시편 C3의 조직의 400배율의 사진을 보여준다. 도4에 보여진 바와 같이, 페라이트 조직은 Cr량이 본 발명의 특정범위보다 더 낮은 경우에 생긴다. 페라이트의 생성은 기계가공성을 열화시킨다.

측정치에 근거한 불순물의 상한치

0.001 Mg, 0.001 Ca, 0.001 Ag, 0.001 Zn, 0.006 Sn, 0.001 Pb, 0.004 As,

0.001 Sb, 0.01 Bi, 0.01 Se, 0.001 Te, 0.01 Y, 0.01 Ce 및 0.01 Ta

실시예 2

표 4에 보여진 주요 성분들을 가지며 표 5에 보여진 미량원소들이 검출될 수 있는 강들이 상기 제조방법에 의해 제조되고 그것들의 성질이 평가되었다. 평가 결과를 표 6에 보여진다.

시편 Nos. 21 내지 24에서, 본 발명의 바람직한 특정 범위에서 Mo과 Co의 첨가의 효과가 확인되었다. Mo 및/또는 Co가 첨가된 시편 Nos. 22 내지 24는 Co이 실질적으로 첨가된 시편 No 21과 비교하여 극적으로 증가된 인성을 나타내었으며, 그것들의 기계가공성은 거의 열화되지 않았다. 다시 말하면, Co와 Mo의 첨가는 인성의 증가에 매우 효과적이라는 것이 분명하다.

게다가, 시편 No. 24와 같이 Mo와 Co의 조합된 첨가는 또한 인성을 향상시킬 수 있으며 유리하다.

Mo 및/또는 Co가 본 발명의 원하는 조성범위를 초과하여 첨가된 비교 강들 C5 내지 C7에서 인성이 증가하지만 기계가공성은 열화된다는 것을 확인하였다.

결정립계들에서의 탄화물들이 뚜렷하게 보이게 만들기 위하여 에칭처리를 한 후 관찰된, 본 발명의 시편 No. 21(Mo와 Co가 첨가되는 않는다), 시편 No. 22(Mo가 첨가된다), 시편 No. 23(Co이 첨가된다) 및 시편 No. 24(O와 Mo의 조합되어 첨가된다)의 금속 미세조직들이 도5, 도6, 도7, 및 도8의 각각에 보여진다.

도 5에 보여진 Mo와 Co를 포함하지 않는 강에서 낮은 탄화물에도 불구하고 탄화물(M₇C₃)이 구 오스테나이트 결정립계들과 마르텐사이트의 패킷 경계들에서 다량으로 석출된다는 것이 명백하다. 다른 한편, 도6과 8에 보여진 Mo 및/또는 Co를 포함하는 강들에서 구 오스테나이트 결정립계들과 마르텐사이트의 패킷 경계들에서 석출하는 탄화물(M₇C₃)의 양은 크게 감소한다는 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 본 발명에서 Mo 및/또는 Co의 첨가가 구 오스테나이트 결정립계들과 마르텐사이트의 패킷 경계면들에서 탄화물(M7C3)의 석출을 억제하는 데 효과가 있으며, 그 탄화물들은 인성의 열화을 일으킨다는 것이 분명하다.

측정치에 근거한 불순물의 상한치

0.001 Mg, 0.001 Ca, 0.001 Ag, 0.001 Zn, 0.006 Sn, 0.001 Pb, 0.004 As,

0.001 Sb, 0.01 Bi, 0.01 Se, 0.001 Te, 0.01 Y, 0.01 Ce 및 0.01 Ta

실시예 3

표 7에 보여진 주요 성분들을 가지며 표8에 보여진 미량원소들이 검출될 수 있는 강들이 상기의 방법으로 제조되고 그 강들의 성질이 평가되었다. 평가의 결과들은 표9에 보여진다.

시편 Nos. 31 내지 35에서, 본 발명의 원하는 특정 범위들에서 V과 Nb의 첨가의 효과들이 확인되었다. V 및/또는 Nb이 첨가된 시편 Nos. 32 내지 35은 V 또는 Nb이 실질적으로 첨가되지 않은 시편 No. 31과 비교하여 극적으로 증가된 인성을 보여주며 그것들의 기계가공성은 거의 열화되지 않았다. 다시 말하면, V과 Nb의 첨가는 인성을 개선하는 데 매우 유효하다는 것이 분명하다. 게다가, 시편 No. 34와 같이 V과 Nb의 복합 첨가가 가능하다.

V 및/또는 Nb이 본 발명의 원하는 조성범위들을 초과하여 첨가된 비교강들에서, 인성은 크게 향상되지 않았으며, 기계가공성이 열화되고 내식성이 또한 열화되었다는 것이 확인되었다.

측정치에 근거한 불순물의 상한치

0.001 Mg, 0.001 Ca, 0.001 Ag, 0.001 Zn, 0.006 Sn, 0.001 Pb, 0.004 As,

0.001 Sb, 0.01 Bi, 0.01 Se, 0.001 Te, 0.01 Y, 0.01 Ce 및 0.01 Ta

실시예 4

표 10에 보여진 주요 성분들을 가지며 표 11에 보여진 미량원소들이 검출될 수 있는 강들이 상기의 제조방법으로 제조되며, 그것들의 성질이 평가되었다. 평가의 결과들이 표 12에 제시되었다.

본 발명의 시편 Nos. 41 내지 51에서, 그것들의 조성은 본 발명의 특정 범위내에서 변화되었다. 본 발명의 시편들과 대조적으로, 비교강 C11은 원하는 조성범위를 초과하는 Si량을 가지며, 그러므로, 기계가공성이 약간 증가함에도 불구하고 인성이 약화되었다. 비교강 C12에서, 과량의 Ni때문에 인성이 크게 증가하지 않았음에도 불구하고 기계가공성은 크게 열화되었다.

비교강 C13에서, 불충분한 석출경화 원소때문에 Al량이 너무 적고 경도는 증가될 수 없었다. 비교강 C15에서, Cu량이 과량이었고 고온가공동안에 균열들이 발생하여 가공을 불가능하게 만들었다. 황량이 원하는 조성범위를 초과하는 비교강C15에서, 기계가공성이 개선되지만 황량때문에, 인성이 크게 열화되었다. 게다가, 황화물이 다량으로 생성되기 때문에, 강은 녹이 슬기 쉽고 연마성이 또한 열화되었다.

측정치에 근거한 불순물의 상한치

0.001 Mg, 0.001 Ca, 0.001 Ag, 0.001 Zn, 0.006 Sn, 0.001 Pb, 0.004 As,

0.001 Sb, 0.01 Bi, 0.01 Se, 0.001 Te, 0.01 Y, 0.01 Ce 및 0.01 Ta

실시예 5

표 13에 보여진 주요 성분들을 가지며 표 14에 보여진 미량원소들이 검출될 수 있는 강들이 상기 제조방법에 의해 제조되었고 그것들의 물성이 평가되었다. 평가의 결과가 표 15에 보여진다. 엔드 밀의 도움을 받아 상기의 평가이외에, 중절삭에서의 기계가공성이 또한 평가되었다.

중절삭에서 기계가공성을 평가하기 위하여, 정면 밀링 절삭 시험이 행해지고 공구가 손상될 때까지 절삭길이가 측정되었다. 절삭은 120m/min의 절삭속도와 0.1mm/절삭날의 공급율로 단일 절삭날을 사용하는 건식법에 의해 수행되었다. 중앙 절삭 방법이 채택되고 공구절삭날당 절삭될 재료안으로 절삭되는 면적은 240 ㎟이었다.

방전가공성을 평가하기 위하여, 광학 현미경을 사용한 직접 관찰과 표면 거칠기 측정이, ± 1㎛의 마무리 표면(표면 거칠기)이 얻어질 수 있는 조건들하(피이크 전류: 1 내지 4A, 펄스폭: 2 내지 10 ㎲, 케로신 사용)에서 직경 10 내지 20 mm의 Cu 전극들을 가지고 시험이 행해지고 나서, 행해졌다. 방전가공성을 평가할 때, 균열들이 광학현미경으로 직접관찰된 시편들(×)을 우선 제거하였다. 그 후에, 나머지 시편들이 다음과 같이 등급이 메겨졌다. 2㎛이하의 표면거칠기를 갖는 시편들은 우수(○)한 것으로, 2 에서 3 ㎛의 표면거칠기를 갖는 시편들을 중간등급(△)으로, 3㎛이상의 표면거칠기를 갖는 시편들을 불량(×)한 것으로서 등급을 메겼다.

도 15에 보여진 바와 같이, 본 발명식에 의해 얻어진 적절한 범위를 만족시키고 0.001 내지 0.01%의 범위의 황량을 갖는 본 발명강의 시편 Nos. 52 내지 62은 중절삭을 보장하며, 정밀 방전가공에서 조차도 육안으로 관찰할 수 있는 줄무늬 패턴을 발생시키지 않고 또한 고등급 연마성의 평가에서 조차도 피트들을 발생시키지 않았다. 그래서, 이 샘플들은 우수하다는 것이 확인되었다. 게다가, 0.006%이하의 황량을 가지는 시편들 Nos. 52, 54, 55, 57, 58, 60 및 61은 정밀 방전가공성과 고등급 연마성에 적합한 더 우수한 성질을 제공한다는 것이 확인되었다.

측정치에 근거한 불순물의 상한치

0.001 Mg, 0.001 Ca, 0.001 Ag, 0.001 Zn, 0.006 Sn, 0.001 Pb, 0.004 As,

0.001 Sb, 0.01 Bi, 0.01 Se, 0.001 Te, 0.01 Y, 0.01 Ce 및 0.01 Ta

본 발명에 의하면, 주 미세조직이 마르텐사이트인 금속조직을 갖는 강의 열처리후에 가공성을 극적으로 증가시키기 위하여, 제조비 감소와 소요 시간의 단축의 관점에서 절삭 다이스에 요구되는 공수에서의 감소에 필수적인 다이스용 고장력강이 제공된다.

특히, 본 발명의 원하는 조성 범위들이 만족되었을 때, 강은 플라스틱 성형의 다이스에 매우 유용하다. 그 이유는 강은 강도와 연성사이의 우수한 균형에 악영향을 미치지 않고 38 내지 45 HRC의 범위의 경도를 가지며 내식성이 우수하고 현저하게 증가된 기계가공성을 가지기 때문이다.

Claims

중량%로, 0.005 내지 0.1% C, 1.5 이하 Si, 2.0% 이하 Mn, 3.0 내지 8.0% 미만 Cr, 1.0 내지 4.0% 이하 Ni, 0.1 내지 2.0% Al, 0.3 내지 3.5 이하 Cu, 0.1 내지 1.0% Mo, 및 Fe 잔량, 질소와 산소를 포함하는 불가피한 불순물을 포함하며, 기본 미세조직이 마르텐사이트인 금속조직을 가지며, 불순물로서 질소와 산소가 0.02% 이하의 질소와 0.003% 이하의 산소의 범위로 제한되는 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강.
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중량%로, 0.005 내지 0.05% C, 1.5 이하 Si, 2.0% 이하 Mn, 3.5 내지 7.0% Cr, 1.0 내지 4.0% 이하 Ni, 0.5 내지 2.0% Al, 0.3 내지 3.5 이하 Cu, 및 Fe 잔량, 질소와 산소를 포함하는 불가피한 불순물을 포함하며, 기본 미세조직이 마르텐사이트인 금속조직을 가지며, 불순물로서 질소와 산소가 0.02% 이하의 질소와 0.003% 이하의 산소의 범위로 제한되는 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강.
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제 5 항에 있어서, 1% 이하 Mo를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강.
제 1 항에 있어서, 1% 이하 Co를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강.
제 1 항에 있어서, 상기 질소와 산소는 0.005% 이하 질소와 0.001% 이하 산소인 것을 특징으로 하는 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강.
제 5 항에 있어서, 1% 이하 Co를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강.
제 5 항에 있어서, 상기 질소와 산소는 0.005% 이하 질소와 0.001% 이하 산소인 것을 특징으로 하는 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강.
제 1 항, 제 5 항, 제 12항, 제 13 항, 제 14 항, 제 15 항 및 제 16 항 중 어느 한항에 있어서, V과 Nb중 적어도 하나를 추가로 포함하고, 상기 V과 Nb의 총량이 0.5% 이하인 것을 특징으로 하는 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강.
제 1 항, 제 5 항, 제 12항, 제 13 항, 제 14 항, 제 15 항 및 제 16 항 중 어느 한항에 있어서, 0.20% 이하 S를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강.
제 1 항, 제 5 항, 제 12항, 제 13 항, 제 14 항, 제 15 항 및 제 16 항 중 어느 한항에 있어서, 0.05% 이상 1.5% 이하의 Si인 것을 특징으로 하는 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강.
제 1 항, 제 5 항, 제 12항, 제 13 항, 제 14 항, 제 15 항 및 제 16 항 중 어느 한항에 있어서, 화학조성이 다음식:

(7.7×C(wt%))+(2.2×Si(wt%))+(271.2×S(wt%))≥ 2.5을 만족시키는 것을 특징으로 하는 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강.
제 20 항에 있어서, 상기 식의 값이 “6”이하인 것을 특징으로 하는 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강.
제 20 항에 있어서, C는 0.03%이상이고, Si은 0.8 내지 1.5%인 것을 특징으로 하는 우수한 기계가공성을 갖는 다이스용 고장력강.