KR100412644B1 - 프레스 금형용 주조 합금강 - Google Patents

Abstract

프레스 금형용 주조 합금강이 개시된다. 개시된 프레스 금형용 주조 합금강은, C; 0.55∼0.70wt%, Si; 0.70∼1.10wt%, Mn; 0.70∼1.00wt%, P; 최대 0.03wt%, S; 최대 0.03wt%, Cr; 1.00∼1.50wt%, Mo; 0.20∼0.50wt%, 및 V; 0.07∼0.15wt%와, 잔부 Fe와, 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 그 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 가공성이 향상되어 경제적이다.

Description

프레스 금형용 주조 합금강{CAST ALLOY STEEL FOR A PRESS MOULD}

본 발명은 프레스 금형용 주조 합금강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가공성이 우수하고 코스트다운(cost-down)이 이루어질 수 있도록 개선된 프레스 금형용 주조 합금강에 관한 것이다.

일반적으로 금형 및 절단용 공구강으로 SKD 단조합금이 사용되고 있다. 이 SKD 단조합금의 경우에는 약 13%의 Cr을 함유한 것으로, 정밀 금형 소재로 널리 적용되고 있으나, 플라스틱 금형이나 절단용 구조용 강으로 사용되기에는 코스트 측면에서 보면 적용하기 어렵다.

특히, 금형 및 공구강의 경우 단조된 합금을 구입하여 가공에 따른 가공비 및 재료의 손실 등의 경제적 손실이 큰 문제점이 있다.

이와 같은 단조합금의 일례가 아래의 표 1 및 2에 기재되어 있다. 여기서, 표 1 및 표 2는 KY870A의 단조합금의 성분 및 기계적 성질을 나타내 보인 것이다.

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Cu	V	Fe
0.45∼0.55	0.30∼0.60	1.00∼1.20	0.04max	0.04max	1.00∼1.25	0.35∼0.45	0.10∼0.70	0.15max	잔부

인장강도(Kg/㎟)	소재경도(HB)	화염경도(HRc)
75min	190∼235	58±2

그런데, 이와 같은 종래의 프레스 금형용 단조합금은, 표 1에서와 같이 가공중 열에 의한 Cu가 석출 경화로 가공성이 매우 나쁘고, 표 2에서와 같이 화염경도 및 강도 등의 전반적인 기계적 특성이 낮고, 가공성이 좋지 않다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 가공성이 향상되고, 전반적인 기계적 특성이 높으며, 가격이 저렴한 프레스 금형용 주조 합금강을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 100% 마르텐사이트로 열처리한 강의 최대 획득 경도를 나타내 보인 그래프.

도 2는 본 발명에 따른 프레스 금형용 주조 합금강의 성분 분석 결과 비교표.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 프레스 금형용 주조 합금강은, C; 0.55∼0.70wt%, Si; 0.70∼1.10wt%, Mn; 0.70∼1.00wt%, P; 최대 0.03wt%, S; 최대 0.03wt%, Cr; 1.00∼1.50wt%, Mo; 0.20∼0.50wt%, 및 V; 0.07∼0.15wt%와, 잔부 Fe와, 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 프레스 금형용 주조 합금강은, C; 0.55∼0.70wt%, Si; 0.70∼1.10wt%, Mn; 0.70∼1.00wt%, P; 최대 0.03wt%, S; 최대 0.03wt%, Cr; 1.00∼1.50wt%, Mo; 0.20∼0.50wt%, 및 V; 0.07∼0.15wt%와, 잔부 Fe와, 기타 불가피한 불순물을 포함하여 이루어진다.

이를 아래의 표 3으로 정리하면 다음과 같다.

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Cu	V	Fe
0.55∼0.70	0.70∼1.10	0.70∼1.00	0.03max	0.03max	1.00∼1.50	0.2∼0.5		0.07∼0.15	잔부

그리고 이와 같은 성분을 이루는 본 발명에 따른 프레스 금형용 주조 합금강의 기계적 특성을 아래의 표 4에 나타내 보였다.

인장강도(Kg/㎟)	소재경도(HB)	화염경도(HRc)
600이상	210∼240	60±2

상기의 표 3과 같이 Cu가 석출되지 않아 기계 가공성이 향상되어 금형 제작이 수월해 졌고, 열처리성(소입성) 및 기계 가공성(피삭성)이 우수해진 것을 알 수 있다. 그리고 기계 가공성을 저해하는 Cu 대신에 탄화물을 생성시키는 Cr, V량을 증가시켜 열처리성 및 내마모성을 향상시켰다.

또한 강도를 높이기 위해 C를 0.55∼0.70wt%로 높였고, Si도 0.70∼1.10wt%로 높였다.

그리고 열처리는 기계가공이 쉽도록 900℃에서 8시간 노냉시켜 열처리전 경도가 HB210∼240이 되도록 했다.

이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 프레스 금형용 주조 합금강은 금속절삭을 위한 것으로, 이 합금강의 성분 중에서 C는 열처리에 의해 높은 경도를 얻기 위한 가장 중요한 원소이다.한편, 프레스 금형용 주조 합금강의 용도는 강판을 절단하는 공정의 인부(날부)로 사용 되어지는 소재로서 화염 열처리성이 우수하다. 열처리 전에는 가공성을 좋게 하기 위하여 경도가 HB 210 ~ 240을 요구하고, 열처리후에는 HRC 60±2를 요구한다.따라서 표 3 및 표 4와 같이 소재의 성분 및 성질을 나타내는 소재를 개발하였고, 이를 위해 각 성분을 변화 시켜가면서 현장 사용시 문제점을 최소화하기 위해 여러가지 테스트를 실시하였다.도 2를 보면 대분류로 A1 ~ A5로 실험 방법을 나누고 세부항목으로 성분을 바꾸어가면서 2 ~ 3가지로 분류하여 실험하였다. 총 실험 방법은 14가지를 실험하였으며 각 시편마다 가공성, 열처리성, 용접성을 실험하여 최종 합금 설계를 상기와 같은 표 3으로 정하였다.표 3에서 C(탄소)량은 소재 열처리시 강도를 결정지우며 화염 열처리시 탄소량이 0.55 ~ 0.70wt%이 되어야 요구강도를 쉽게 얻을수 있으며, 탄소량이 많아지면 열처리 후 균열이 발생하기 쉽기 때문에 표 3과 같은 데이터를 구하였다.그리고 Si량을 증가시키면 주조성을 향상시키고 탈산효과를 높일수 있으나, 그 양이 너무 많으면 충격치 및 가공성을 저하시키는 원인이 된다. 따라서 Si량을 0.70 ~ 1.10wt%로 정하였다.또한 Mn은 경화능을 높이고 S과 결합하여 피삭성을 향상 시키는 효과가 있다. P, S는 첨가량이 많은 경우 취성의 원인이 됨으로 일반적으로 0.03 %이하로 관리하고 있어 표 3과 같이 상한치로 하였다.그리고 Cr, V은 탄화물 형성원소로서 금형의 내마모성을 증가시키는 성분이다. V은 고가 이기 때문에 유사한 성질을 갖는 Cr량을 더 많이 함유시켰다. 또한 V은 결정립 미세화 원소로서 0.25wt%까지는 경화능을 향상시키고 인성을 증가시킨다. 0.3wt%를 초과할시에는 역으로 경화능이 감퇴시키는 작용을 할수 있기 때문에 표 3과 같이 상하한치를 정하였다.상하한치가 각성분마다 범위의 차이가 나는 것은 소재를 초기에 설계할 때 각 성분이 너무 많은 차이를 나타내면 얻고자 하는 물성치를 제대로 구할수 없고, 용접성 및 열처리시 문제가 발생하기 때문에 표 3과 같이 정하였다.그리고 후술하는 도 2의 의미는 총 5회(A1 ~ A5)의 실험 중에 각 성분을 달리하여 주조한 것을 의미한다. A1실험에서 실험1, 실험2, 실험3은 기존에 사용했던 표준 성분을 바꾸고 추가원소를 첨가하여 실험1을 정하고 실험2는 Si, Mn, Cr, Mo량을 바꾸어서 테스트한 것을 의미한다. 실험3은 실험1보다 탄소량을 낮추고 기타 성분을 미량 변화시키며 시편을 만든 경우이다.총 실험은 14가지로 성분에 따른 용접성, 열처리성, 내마모성을 실험하여 최적안을 도출한 것이다.다른 한편으로, 표면경화시 경화층의 경도를 높이기 위해 마르텐사이트 조직이 되도록 열처리되어야 하며, 마르텐사이트의 경도는 C함량에 비례하여 증가되는데 C함량에 의한 최대 가능 경도가 도 1에 도시되어 있다.

따라서 본 발명에 따른 프레스 금형용 주조 합금강에서는 표면경화시 최대 경도를 얻을 수 있는 C함량을 고탄소강 수준인 0.6∼0.7wt%로 제어하였다. 그리고 Si는 용강중의 구소 산화물은 Mn 산화물과 결합하여 슬래그로 부상하므로 탈산제로 유효한 원소로서 주조성 향상 및 탈산효과를 가진다. 페라이트상을 강화시키며 뜨임 저항성을 크게 하나 Si 함량이 2wt% 이상 첨가시 충격치 및 가공성을 저하시키므로 0.7∼1.2wt%까지 제어하였다.

또한 Mn은 경화능 및 강도를 증가시키며 탈산제 역할을 하며, S와 결합하여 MnS를 형성시켜 절삭성을 향상시키며 적열취성을 방지한다. 이를 과다 첨가할 경우 용해중 금형의 침식을 가중시키며 내충격성을 저하시키므로 탄소강에서는 일반적으로 약 1.2wt% 이하로 사용되고 있다. 따라서 본 발명에 따른 프레스 금형용 주조 합금강에서 Mn 함량은 0.7∼1.2wt% 정도로 제어되었다.

그리고 Cr은 일반적으로 공구강에서 0.2∼12wt% 정도 포함하고 있으며 탄화물 강화 원소로서 내식성 및 내마모성을 향상시키며 강의 경화능을 증가시키는 중요한 합금원소이다. 그런데, 종래의 SKD 단조합금에서는 11∼13wt% 정도 Cr을 포함시켜 Cr 탄화물 형성에 의한 고온 강도 및 내마모성을 향상시켰다.

그러나, Cr은 코스트 면에서 고가의 첨가 원소이기 때문에 본 발명에서는 요구되는 경화능 향상에 따른 경도를 만족할 최저 함량인 0.9∼2.2wt%로 제어하여 첨가하였다. 그리고 Mo, V, Ni, Nb은 경화능을 향상시키며 결정립을 미세화 시키는 역할을 하며 결정립 조대화를 억제하는 강화 원소로서 본 발명에서는 이들 합금원소를 표 3과 같이 첨가하였다.

아래의 표 5에는 본 발명에 따른 프레스 금형용 주조 합금강의 물성에 미치는 각 원소의 영향을 나타내 보였다.

첨가원소	물성에 미치는 영향
C	-. 오스테나이트에 고용하여 Quenching시 마르텐사이트를 생성시킴.-. 탄소량의 증가와 함께 마르텐사이트의 왜곡률(歪曲率)을 상승시킴.-. 담금질 경도 증가.-. 탄소량의 증가와 함께 인장강도는 증가하나 용융점은 내려감.
Si	-. 용강중의 Si는 규소산화물 형성, 부상이탈(浮上脫離)이 용이하여 탈산제로 가장 유효.-. 페라이트(Ferrite)를 강화하여 300℃ 이하의 템퍼링(Tempering) 저항성 향상.-. 2wt% 이상 첨가시 소성가공성을 해치므로 첨가에 한계.
Mn	-. 경화능 향상, 강도 향상되나 템퍼링 저항성은 향상되지 않음.-. 탈산제로 유효.-. S와 결합(MnS)하여 피삭성 향상, 적열취성 방지.
Cr	-. 경화능 향상, 내식성 향상.-. 탄화물 형성 원소이며, 고 Cr강은 Cr 탄화물을 형성시켜 내마모성 향상.
Mo	-. 경화능 향상, 템퍼링 저항성 향상. (Cr과 병용하면 효과 증대)-. 결정립 미세화 원소(결정립 조대화 온도 상승시킴)
Ni	-. 경화능 향상, 대형재(大型材)의 열처리를 용이하게 함.-. 저온취성 방지, 내식성 향상.
V	-. 0.25% 이하에서는 경화능향상, 0.3%이상에서는 경화능 감퇴.-. 결정립 미세화.-. 템퍼링 저항성 향상되어 기계적성질 향상, 특히 인성개선.
Cu	-. 시효성을 가져 강도 증가.-. 덴드라이트 수지(樹枝) 사이나 결정립계에 석출하여 적열취성을 일으킴.
Ti	-. 결정립을 미세화시키며, 강고(强固)한 탄화물 형성.-. 강력한 탈산제 탈질제로 사용.
Nb	-. 강력한 결정립 미세화 원소.
P	-. 편석을 일으켜 충격저항을 감소시키며, 템퍼링 취성촉진.-. 쾌삭강에서는 피삭성을 개선하나 일반적으로 불순물로 취급.
S	-. 철과의 화합물은 열간 가공성을 해침.-. Mn을 가하여 융점이 높은 MnS를 형성시킴.

그리고 도 2에는 본 발명에 따른 프레스 금형용 주조 합금강과 종래의 성분 분석 결과표가 도시되어 있다.

도 2에서, A1 내지 A5는 본 발명에 따른 프레스 금형용 주조 합금강의 각 시편을 나타낸 것이다. 이를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 프레스 금형용 주조 합금강의 성분은 예컨대, Y-블록 시편으로부터 50X50X50mm의 큐빅 형태로 시편이 준비되어 분광 분석하였고, 시편을 전자현미경의 EPMA(electron probe micro analysis)를 이용하여 성분 분석하였다.

상기 EPMA는 미세한 조직 및 탄화물 등 미세한 예컨대, 약 2-3마이크론 크기 이상의 상을 분석하는데 유용한 분석법으로 활용되는 방법으로 전반적인 성분 및 종래의 SKD 단조합금에서 탄화물의 성분 분석에 활용되었다. 성분분석 결과 전자현미경에 의한 분석결과와도 잘 일치하는 것으로 나타났다. 그리고 본 발명에서는 C함량이 0.6wt%로 C함량이 약간 높으나 다른 합금 성분에서는 큰 차이가 없이 거의 비슷한 조성으로 이루어 있는 것으로 나타났다.

그리고 Micro 조직 분석을 실시하였는데, 어닐링(Annealing)한 시편과 화염열처리한 시편(50x50x25mm)을 경면(鏡面)을 만들어 나이탈 5%의 부식액으로 5∼10초 동안 부식한 다음 어닐링한 시편과, 화염경화 처리 후 경화층과 비경화층을 관찰하였는데, 화염경화된 시편에서 열을 받지 않은 비경화층은 어닐링한 시편의 조직과 같았다. 따라서 현미경 조직관찰 사진은 화염 열처리한 시편에서 경화층과 비경화층을 각각 예컨대 광학현미경으로 미세조직을 관찰하였다.

미세 조직은 탄소강에서 볼 수 있는 전형적인 조직으로 비경화층은 펄라이트, 경화층은 마르텐사이트 조직으로 이루어진 반면, 종래의 SKD 주조합금의 경우에는 펄라이트 기지에 크롬탄화물로 보이는 조대한 탄화물이 기지내 분포되어 있었다. 펄라이트 및 마르텐사이트 조직이 미세하여 예컨대, 400배의 광학현미경상으로 미세조직의 변화를 분석할 수 없어 전자현미경에서 높은 배율에서 조직의 변화를 관찰하였다.

또한 전자현미경(SEM) 조직 분석에서는, 광학 현미경상에서는 경화층의 마르텐사이트조직과 비경화층의 펄라이트 조직의 변화를 구별할 수 있었고, 특히, A1시편의 경우 어닐링된 조직인 비경화층 조직은 균일한 펄라이트 조직으로 부분적으로 탄화물이 구상화된 조직을 보여주고 있으며 경화층에서는 펄라이트와 마르텐사이트 조직이 약 50% 정도씩 혼합된 조직을 보여 주었다.

그리고 A3시편에서는 비경화층은 펄라이트에서 탄화물이 구상화된 조직을 보여주었고 경화층에서는 조대화된 구상화 탄화물과 마르텐사이트로 보이는 조직이 망상으로 형성되어 있었다. 또한 A4시편은 비경화층은 펄라이트와 구상화된 탄화물이 함께 존재하였고 경화층은 전체적으로 균일하게 거의 마르텐사이트조직을 형성하고 있었다. A5시편의 경우 비경화층은 구상화 탄화물이 거의 없는 펄라이트로 형성되었고 경화층은 A4와 비슷하게 균일한 마르텐사이트 조직을 보여주었다. 조직상으로 볼 때 A4 및 A5 합금의 열처리가 가장 적절히 이루어진 것으로 판단된다.

그리고 화염경화된 전체 시편에서 전체적인 조직 및 결함을 분석하기 위하여 마크로 에칭하여 전체 시편을 관찰하였는데, 화염 열처리한 시편을 鏡面을 만들어 부식액(50mlHCl + 50mlH2O2)에 30분 이상 마크로 에칭(Macro-etching) 시킨 후, 표면층의 스케일을 제거하고, 산화를 방지하기 위해 산화방지제(WD-40)를 뿌린 후, 전체적인 결함 및 조직, 수지상 조직의 분포를 관찰하였고 마크로 에칭에서 전체적인 색의 변화로부터 경화층 깊이를 측정했다.

이 경화층 깊이는 예컨대 1㎝ 간격으로 시편에서 직접 측정하여 경화층의 평균깊이로 경화층 깊이를 결정하였다. 마크로 에칭된 시편은 개발된 주강시편에서 전체적으로 수지상 조직이 잘 나타나 있었으며 경화된 부분은 마크로 에칭 후, 검게 나타났다.

그리고 어닐링(Annealing) 상태 및 경화처리 후, 표면 경도는 각각 브르넬(Brinell) 및 로크웰(Rockwell) 경도계로 10회 측정한 후 평균값으로 경도값을 결정하였고, 이 경도측정은 50x50x50mm 시편에서 어닐링 및 화염열처리 후 실시하였다.

경도시험 결과의 데이터에서 조금씩 차이를 보여 주고 있으며 이는 경도 시험 방법에서 약간의 오차가 있겠지만, 열처리공정에서 정확한 열처리 온도가 제어되지 않은데서 오는 결과로 생각된다. 경도시험결과는 전술한 바와 같은 금속조직 분석결과와 거의 일치한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 프레스 금형용 주조 합금강은 다음과 같은 효과를 갖는다.

종래의 0.6∼0.7wt%의 C 함량을 기본으로 합금 원소를 제어하여 여러 종류의 주조 합금강을 개발이 가능하므로 원가절감이 이루어질 수 있고, 가공성이 향상되어 가공비가 절감되었으며, 금속 절삭을 위한 공구강으로 사용에 적합하다.

그리고 열처리성, 내마모성, 및 금형품질이 향상되어 예컨대, 공구강의 칼날 부위의 프레임 경화 열처리시 최대 표면경도를 얻을 수 있고, 경화층과 비경화층에서 크랙을 방지할 수 있다.

종래의 단조강을 주강으로 대체함으로써 가공량이 감소되고, 생산량에 따른 금형재질 등급을 다양화할 수 있으며, 유지비용이 감소될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (1)

1. C; 0.55∼0.70wt%, Si; 0.70∼1.10wt%, Mn; 0.70∼1.00wt%, P; 최대 0.03wt%, S; 최대 0.03wt%, Cr; 1.00∼1.50wt%, Mo; 0.20∼0.50wt%, 및 V; 0.07∼0.15wt%와, 잔부 Fe와, 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 프레스 금형용 주조 합금강.