KR100449942B1

KR100449942B1 - 플라스틱용금형의제조를위한,용접으로수선가능한강철

Info

Publication number: KR100449942B1
Application number: KR1019970016099A
Authority: KR
Inventors: 쟝 베귀노; 질베르 쁘리몽; 프레데릭 쉐누
Original assignee: 끄뢰소 루와르 앵뒤스트리 소시에떼아노님
Priority date: 1996-04-29
Filing date: 1997-04-29
Publication date: 2005-01-17
Also published as: AU708257B2; JPH1096048A; JP4154623B2; CN1073642C; CZ293493B6; ATE219527T1; FR2748037A1; AU1903797A; CA2203487A1; MX9703091A; TW430691B; US5855846A; DE69713451T2; CA2203487C; KR970069321A; PT805221E; EP0805221A1; CN1170047A; EP0805221B1; ES2176636T3

Abstract

금형의 제조를 위한 강철로서,

하기의 화학적 조성 (중량%)을 가지며:

0.17 % ≤ C ≤ 0.27 %,

0 % ≤ Si ≤ 0.5 %,

0 % ≤ Mn ≤ 2 %,

0 % ≤ Ni ≤ 2 %,

0 % ≤ Cr ≤ 3 %,

0 % ≤ Mo + W/2 ≤ 1.5 %,

0 % ≤ V + Nb/2 + Ta/4 ≤ 0.5 %,

0.002 % ≤ B ≤ 0.015 %,

0.005 % ≤ Al ≤ 0.2 %,

- 경우에 따라, 황, 셀레늄 및 텔루륨으로부터 선택된 하나 이상의 원소를, 상기 원소의 함량의 합이 0.2 % 이하가 되도록 함유,

- 경우에 따라, 티탄 및 지르코늄으로부터 선택된 하나 이상의 원소를, 지르코늄 함량의 절반과 티탄 함량의 합이 0.3 % 이하가 되는 함량으로 함유,

- 경우에 따라, 납 및 비스무트로부터 선택된 하나 이상의 원소를, 상기 원소의 함량의 합이 0.2 % 이하가 되도록 함유,

- 경우에 따라, 칼슘을 0.1 % 이하의 함량으로 함유,

- 나머지는 철 및 금형 제조 시 발생하는 불순물;

상기 화학적 조성이 추가로 하기의 관계식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 강철:

Cr + 3 ×(Mo + W/2) + 10 ×(V + Nb/2 + Ta/4) ≥2.1

Cr ≤1.5 % 인 경우, Mo + W/2 > 0.7 %

Qu= 3.8 ×C + 1.1 ×Mn + 0.7 ×Ni + 0.6 ×Cr + 1.6 ×(Mo + W/2) + 0.6 ≥3

R= 3.8 ×C + 10 ×Si + 3.3 ×Mn + 2.4 ×Ni + 1.4 ×(Cr + Mo + W/2) ≤11.

Description

플라스틱용 금형의 제조를 위한, 용접으로 수선 가능한 강철 {STEEL REPAIRABLE BY WELDING FOR THE MANUFACTURE OF MOULDS FOR PLASTICS}

본 발명은, 특히 플라스틱 또는 고무용 금형의 제조에 사용되며, 용접에 의한 수선에 있어 우수한 성질을 나타내는 저합금 (low alloy) 강철에 관한 것이다.

플라스틱 또는 고무용 금형은 두께가 1500 ㎜를 초과할 수도 있는 대형 블록의 금속을 기계가공 함으로써 제조된다. 기계가공의 목적은, 특히 주조법(moulding)에 의해 수득될 물품의 형상을 갖는 공동(cavity)을 형성시키는 것이다. 대부분의 경우, 상기 공동의 표면은 주조법에 의해 수득된 물품에 원하는 표면 외관이 부여되도록 연마되거나 화학적으로 요철표면처리 (graining; 표면을 가죽 표면과 같이 오톨도톨하게 되도록 처리)된다. 주조 공정은 가압 하에 고온의 플라스틱을 사출함으로써 수행되므로, 금형은, 비틀리지 않고 플라스틱의 압력으로 인한 힘을 견뎌내야 하며, 공동의 표면상의 플라스틱의 마찰로 인한 마모에 대한 내성을 가지면서, 플라스틱으로부터의 열을 제거해야 한다. 이러한 금형의 제조에 사용되는 강철은 상기 요구조건을 충족시키는 특성을 가져야 한다. 또한, 상기 강철의 특성은 금형이 사용되는 중에도 안정하게 유지되어야 한다. 즉, 주조 공정에 기인하는 열 사이클에 민감하지 않아야 한다.

상술한 성질 외에도, 금형용 강철은 금형이 너무 닳아서 수선을 하거나 공동의 형상을 재손질할 수 있도록, 어느 정도 용접성을 가질 필요가 있다. 일반적으로, 새로운 물품을 주조하기 위한 금형을 제조할 때, 첫 번째 물품을 제조하는 데 사용되는 첫 번째 금형이 제조되는데, 상기 물품의 고안자가 이를 검사하고, 물품의 형상, 및 따라서 금형 공동의 형상을 다소 수정하도록 종종 요구한다. 비용이 많이 드는, 완전한 금형을 다시 제조하는 것을 피하기 위해, 금형 공동 상에 용접함으로써 재충진물(refill)을 제조하고, 이어서 새로운 기계가공을 수행한 후, 종종 연마 및 경우에 따라 요철표면처리를 수행한다. 따라서, 용접에 의해 재충진되는 영역 및 용접 열에 의해 영향을 받는 구역 (ZAH)은 초기 금속의 성질과 매우 유사한 성질을 가져야 한다.

이러한 모든 조건을 만족시키기 위해서는, 플라스틱의 사출성형용 금형의 제조를 위해, 특히 그리고 동시에 매우 높은 경도, 매우 우수한 기계가공성, 매우 우수한 연마성 또는 화학적 요철표면처리 가능성(grainability), 우수한 열 전도성, 가장 두꺼운 두께에 있어서도 상기의 모든 특성에 대한 매우 높은 균일성, 및 최종적으로 우수한, 용접에 의한 수선가능성을 갖는 강철을 사용할 수 있을 필요가 있다. 그러한 이상적인 강철은 알려져 있지 않다.

금형을 제조하는 데는, 담금질(quenching) 및 어닐링(annealing) 후에도 충분한 경도, 높은 항복점 및 우수한 인성을 갖는 마텐사이트(martensite) 또는 베이나이트(bainite) 구조를 얻기 위해 충분히 담금질된 저합금 강철의 블록을 일반적으로 사용한다.

가장 광범위하게 사용되는 강철은 AISI 표준에 따른 강철 P20, 및 German Werkstoff 표준에 따른 강철 W1.2311 또는 W1.2738 이다.

강철 P20 은 탄소 0.28 중량% 내지 0.4 중량%, 규소 0.2 중량% 내지 0.8 중량%, 망간 0.6 중량% 내지 1 중량%, 크롬 1.4 중량% 내지 2 중량% 및 몰리브덴 0.3 중량% 내지 0.55 중량%, 및 나머지는 철 및 제조에 관련된 불순물이다.

강철 W1.2311 및 W1.2738 은 탄소 0.35 중량% 내지 0.45 중량%, 규소 0.2 중량% 내지 0.4 중량%, 망간 1.3 중량% 내지 1.6 중량%, 크롬 1.8 중량% 내지 2.10 중량% 및 몰리브덴 0.15중량% 내지 0.25 중량%를 함유하는데; 강철 W1.2738 은 추가적으로 니켈 0.9 중량% 내지 1.2 중량%를 함유하고, 나머지는 철 및 제조에 관련된 불순물이다.

상기 강철은 우수한 마모 거동 및 우수한 기계적 특성을 가지나, 용접성이 좋지 않아 용접에 의한 수선을 어렵게 한다는 단점을 갖는다.

이러한 단점을 극복하기 위하여, 플라스틱의 사출성형용 금형의 제조를 위한 강철이 특히 유럽 특허출원 EP 0 431 557 호에 의해 제안되었으며, 이의 화학적 조성은 탄소 0.1 중량% 내지 0.3 중량%, 규소 0.25 중량% 미만, 망간 0.5 중량% 내지 3.5 중량%, 니켈 2 중량% 미만, 크롬 1 중량% 내지 3 중량%, 몰리브덴 0.03 중량% 내지 2 중량%, 바나듐 0.01 중량% 내지 1 중량%, 및 유해한 불순물로 여겨지는 원소인 붕소 0.002 중량% 미만을 함유하며, 나머지는 실질적으로 철이고, 상기 화학적 조성은 또한 하기의 관계식을 만족시킨다:

BH= 326 + 847.3 ×C 18.3 ×Si - 8.6 ×Mn - 12.5 ×Cr ≤ 460

상기 식의 관점에서, 최대 허용가능한 탄소 함량은 실제로 0.238 % 이다.

상기 강철은, 예열 또는 후열(postheating)을 하지 않더라도 용접에 의해 재충진하는 동안의 균열에 대한 내성이 우수하다는 장점이 있지만, 특히 수선의 ZAH 와 기재 금속간의 경도차가 크기 때문에 (100 내지 150 BH) 용접에 의한 수선 이후의 처리가 어렵다는 단점을 갖는다. 또한, 상기 강철은 비교적 열전도도가 낮은데, 이는 주조법을 사용하는 제조 라인의 생산 효율을 제한한다.

사실상, 본 발명자들은, 보통 사용되는 용접성의 개념이 금형용 강철의 용접에 의한 수선가능성을 부분적으로만 나타낸다는 것을 알아내었다. 사실상, 용접성의 개념의 통상적 의미 내에서는, 용접가능한 강철은 용접 작업 중에는 특별히 주의를 기울이지 않더라도 균열하지 않는 강철이다. 용접에 의해 금형용 강철을 수선하는 경우에는, 균열이 없어야 하는 것이 당연하지만, 이것만으로는 충분하지 않다. 용접에 의해 수선된 영역뿐만 아니라 거기에 인접한, 열에 의해 영향을 받는 구역 또한 기계가공, 연마 및 요철표면처리 되어야 할 필요가 있다. 더욱이, 종종 용접에 의한 수선 작업이 반드시 예열 또는 후열 없이도 수행될 수 있는 것은 아니다.

본 발명의 목적은, 금형의 제조를 위한 강철에서 요구되는 주요 특성들을 동시에 가지며, 공지의 강철에 비해 더 나은 열전도도를 가지면서 용접에 의해 용이하게 수선가능한, 즉 특히 용접에 의한 재충진 후에도 우수한 연마성 및 요철표면처리 가능성을 유지하는 강철을 제안하는 것이다.

이러한 목적 하에, 본 발명의 주제는 플라스틱의 사출성형용 금형의 제조를 위한 강철로서, 하기의 화학적 조성 (중량%)을 가지며:

0.17 % ≤ C ≤ 0.27 %,

0 % ≤ Si ≤ 0.5 %,

0 % ≤ Mn ≤ 2 %,

0 % ≤ Ni ≤ 2 %,

0 % ≤ Cr ≤ 3 %,

0 % ≤ Mo + W/2 ≤ 1.5 %,

0 % ≤ V + Nb/2 + Ta/4 ≤ 0.5 %,

0.002 % ≤ B ≤ 0.015 %,

0.005 % ≤ Al ≤ 0.2 %,

- 경우에 따라, 티탄 및 지르코늄(zirconium)으로부터 선택된 하나 이상의 원소를, 지르코늄 함량의 절반과 티탄 함량의 합이 0.3 % 이하가 되는 함량으로 함유,

- 경우에 따라, 칼슘을 0.1 % 이하의 함량으로 함유,

- 나머지는 철 및 금형 제조 시 발생하는 불순물;

상기 화학적 조성이 추가로 하기의 관계식 (함량은 중량%로 표시)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 강철이다:

Cr + 3 ×(Mo + W/2) + 10 ×(V + Nb/2 + Ta/4) ≥2.1

Cr ≤1.5 % 인 경우, Mo + W/2 > 0.7 %

Qu= 3.8 ×C + 1.1 ×Mn + 0.7 ×Ni + 0.6 ×Cr + 1.6 ×(Mo + W/2) + 0.6 ≥3

R= 3.8 ×C + 10 ×Si + 3.3 ×Mn + 2.4 ×Ni + 1.4 ×(Cr + Mo + W/2) ≤11.

탄소 함량은 바람직하게는 0.2 % 내지 0.24 % 이고; 마찬가지로, 크롬 함량은 1.5 % 내지 2.5 % 인 것이 바람직하며; 또한 몰리브덴 함량이 0.5 % 내지 1.2 % 인 것이 바람직하다.

화학적 조성은 하기가 되도록 선택될 수 있는데:

BH = 326 + 847.3 ×C + 18.3 ×Si - 8.6 ×Mn - 12.5 ×Cr > 460,

이는 용접에 의한 수선가능성을 손상시키지 않고 공동의 마모 거동을 개선시키면서, 강철의 열전도도를 증가시킬 수 있다는 장점을 갖는다.

바람직하게는, 그리고 매우 우수한 열전도성을 수득하기 위하여, 규소 함량은 0.2 % 이하, 보다 바람직하게는 0.1 % 이하이어야 한다.

강철이 티탄 또는 지르코늄을 함유하는 경우 (이것은 바람직한 바이다), 티탄, 지르코늄 및 질소 (적어도 불순물로서 항상 존재하는 원소)의 함량 (중량%)이 하기와 같은 것이 바람직하다:

0.00003 ≤(N) ×(Ti + Zr/2) ×0.0016.

이러한 조건 하에서, 티탄 또는 지르코늄이 산화된 상을 용해시킴으로써 서서히 도입된다면, 고체 상태의 강철의 현미경용 단면 1 ㎟ 면적에 대해 계수된, 크기가 0.1 ㎛ 초과인 질화티탄 또는 질화지르코늄의 침전물의 수는, 질화물의 형태로 침전된 티탄의 총 함량과 질화물의 형태로 침전된 지르코늄의 총 함량의 절반의 합 (중량%의 1000 분의 1로 표시됨)의 4 배보다 적다. 매우 미세한 질화물 침전물은 ZAH 의 미세구조를 정련하고 인성을 향상시킨다는 장점이 있으며, 우수한 용접에 의한 수선가능성을 부여한다. 굵은 질화물 침전물의 수가 적으면, 기계가공성 및 연마성에 추가적으로 유리하다.

본 발명에 따른 강철은 주강(cast steel)으로 이루어진 플라스틱용 금형의 제조에 유리하게 사용될 수 있다. 상기의 경우, 이러한 금형은 주물 기법(foundry technique)에 의해 제조된다.

실시예

이제 본 발명을 보다 정확히 설명하고 하기의 실시예를 통해 예시한다.

플라스틱의 사출성형용 금형의 제조에 필요한 특성의 조합을 만족시키기 위해, 강철은 특히, 두께가 1500 ㎜에 달하고, 500℃ 초과의 온도에서 어닐링된 후에도 250 BH를 초과하는 경도를 갖는, 블록 형태의 마텐사이트 또는 베이나이트 구조를 수득할 수 있게 해야 한다. 이를 위해서는, 강철은 충분한 담금질성(quenchability)을 가져야 하고, 따라서 충분한 합금 원소들을 함유해야 한다. 그러나, 이러한 합금 원소는 열전도성을 손상시킨다. 또한, 이들의 함량은 열전도도를 최대화시키면서 (또는 열전도 저항을 최소화시키면서) 충분한 담금질성을 수득하도록 조정되어야 한다. 또한, 강철의 화학적 조성은 용접에 의한 수선가능성에 대해 현저한 효과를 가지고, 조성은 이러한 제약을 염두에 두고 선택되어야 한다.

용접에 의한 수선가능성은, 특히 ZAH (ZAH: 용접 비드 근처의, 가열에 의해 영향받는 구역)와 기재 금속간의 경도차에 의해 평가될 수 있다. 이러한 차이가 적을수록, 정밀 기계가공 및 우수한 연마를 수행하기가 더욱 쉬워진다. 선행기술에 따른 강철의 경우에는 ZAH 와 기재 금속간의 경도차가 100 BH를 초과하는 반면, 본 발명자들은 강철의 화학적 조성을, 충분한 담금질성을 유지하면서 상기 경도차가 50 BH 미만으로 유지되도록 조정할 수 있음을 발견하였다. 또한, 요철표면처리를 좋은 조건 하에서 수행할 수 있게 하기 위해서는, ZAH 의 미세구조가 가능한 한 미세해야 한다. 최종적으로, 용접은 균열이 나타나지 않으면서 수행될 수 있어야 한다. 이 점들을 고려하여, 한편으로는 ZAH 가 베이나이트 구조를 가지고, 다른 한편으로는 상기 베이나이트 구조가 가능한 한 가장 낮은 기재 금속과의 경도차를 갖도록 하는 화학적 조성을 연구하였다.

상기의 모든 조건을 동시에 만족시키기 위해서는, 특히 카바이드를 형성하지 않는 원소 (예를 들면 망간, 니켈 및 규소)의 함량을 제한하고, 담금질성을 부여하는 붕소를 첨가하고, 카바이드-형성 원소, 예컨대 바나듐, 니오븀(niobium) 및 탄탈, 및 더 적은 정도로 몰리브덴 및 텅스텐의 함량을 증가시킬 필요가 있다.

보다 정확하게는, 강철의 화학적 조성은 하기를 함유해야 한다 (중량%):

- 공동의 충분한 내마모성을 얻기 위해, 0.27 % 미만 그러나 0.17 % 초과의 탄소; 탄소 함량은 바람직하게는 0.2 % 내지 0.24 % 이어야 한다;

- 0.005 % 내지 0.2 %의 알루미늄과 함께 0.002 % 내지 0.015 %의 붕소, 및 경우에 따라 티탄 및 지르코늄으로부터 선택된 하나 이상의 원소, 티탄 함량과 지르코늄 함량의 절반의 합은 0.3 % 미만이다; 붕소는 ZAH 와 기재 금속간의 경도차를 증가시키지 않으면서 담금질성을 증가시키는데; 0.015 % 초과 시 담금질성에 대해서는 더 이상 현저한 효과를 갖지 않지만, 반면 약간의 취성(brittleness)을 야기하고; 알루미늄, 티탄 및 지르코늄은 강철을 탈산화시키고, 적어도 불순물로서 항상 존재하는 원소인 질소와 결합하여 질소가 붕소와 반응하지 않도록 하는 목적을 갖는다;

- 0 % ≤Mo + W/2 ≤1.5 %, 바람직하게는 0.5 % ≤Mo + W/2 ≤1.2 %의 함량이 되도록 텅스텐으로 완전히 또는 부분적으로 치환되고, 0 % 내지 3 %, 바람직하게는 1.5 % 내지 2.5 %의 크롬이 수반된 몰리브덴; 몰리브덴 및 텅스텐은 열전도 저항에는 별로 영향을 미치지 않으면서, 담금질성에 대해 매우 유익한 영향을 미치며, 담금질성은 붕소와의 시너지 효과에 의해 증대된다; 더욱이, 상기 원소는 어닐링 시 연화풀림(softening)을 지연시키는데, 이는 ZAH 와 기재 금속간의 경도차를 줄이고 500℃ 초과에서의 어닐링 후에도 충분한 경도를 얻기에 유리하다; 반면, 1.5 %를 초과하는 양에서는, 몰리브덴 및 텅스텐이 강하게 분리되는데, 이는 기계가공성 및 연마성에 대해 불리하다; 이것이 상기 함량이 1.5 %, 바람직하게는 1.2 % 로 제한되어야 하는 이유이다; 크롬은 담금질성에 대한, 그리고 어닐링 시의 연화풀림에 대한 몰리브덴의 효과를 보충하기 위한 것이다.

이러한 조성의 부분적 영역 내에서, 그리고 크롬, 몰리브덴 및 텅스텐이 부분적으로 보완적인 효과를 가짐에 따라, 크롬 함량이 1.5 % 미만이면, 몰리브덴 함량 및 텅스텐 함량의 절반의 합이 0.7 %를 초과하는 것이 바람직하다. 이는 담금질성을 감소시키지 않고도 열전도도를 증가시키고 어닐링 시의 연화풀림에 대한 충분한 내성을 유지하게 한다.

다른 특성은 열화시키지 않으면서 어닐링 시 추가로 경화시키기 위해서는, 강철은 경우에 따라 바나듐, 니오븀 및 탄탈로부터 선택된 하나 이상의 원소를, 바나듐 함량, 니오븀 함량의 절반 및 탄탈 함량의 1/4의 합이 0 % 내지 0.5 %, 바람직하게는 0 % 내지 0.15 %가 되도록 하는 함량으로 함유할 수 있다. 이러한 첨가는 또한 ZAH 와 기재 금속간의 경도차를 감소시키는 데 기여한다.

담금질 및 500℃ 초과의 온도에서의 어닐링 (이는 충분한 응력-완화를 수행할 수 있게 하거나 공동 상에 표면 처리를 수행할 수 있게 하는 데 필요하다) 후, 250 BH 초과의 경도를 수득할 수 있게 하기 위해서는, 강철의 화학적 조성이 하기의 조건을 만족시켜야 하고:

Cr + 3 ×(Mo W/2) + 10 ×(V + Nb/2 + Ta/4) ≥2.1,

바람직하게는, 어닐링 온도를 증가시키고 마모 거동을 강화시키기 위해, 하기의 조건을 만족시켜야 한다:

Cr + 3 ×(Mo W/2) + 10 ×(V + Nb/2 + Ta/4) ≥3.6.

최종적으로, 용접에 의한 수선가능성은, 산화된 티탄 또는 지르코늄 상을 용해시킴으로써, 티탄 또는 지르코늄이 액상 강철 내로 서서히 도입되어 존재하도록 함으로써 상당히 향상될 수 있다. 상기와 같은 경우, 티탄 또는 지르코늄은 미세구조를 정련시키는 매우 미세한 질화물 침전물을 형성하며, 이는 요철표면처리 가능성을 향상시키고, ZAH, 그리고 또한 기재 금속의 인성을 증가시키는 장점이 있다. 인성의 증가는 용접으로 인한 균열의 위험성을 감소시키는 장점이 있다.

티탄 또는 지르코늄을 서서히 도입시키기 위해서는, 예를 들면 티탄 또는 지르코늄을 탈산화되지 않은 액상 강철에 첨가한 후, 알루미늄과 같은 강한 탈산화제를, 형성된 티탄 또는 지르코늄 산화물을 감소시키기에 충분한 양으로 첨가할 수 있다. 티탄, 지르코늄 및 질소 함량은 중량%로 표시하여 하기와 같아야 한다:

0.00003 ≤(Ti + Zr/2) ×(N) ×0.0016.

강철의 제조 조건에 따라 달라지는 질소 함량은 수 ppm 내지 수 백 ppm이다.

이러한 방식으로 진행함으로써, 액상 강철 내에 침전하는 굵은 티탄 또는 지르코늄 질화물의 형성은 제한된다. 이어서, 수득된 강철은, 고체 상태의 강철의 현미경용 단면 1 ㎟ 면적에 대해 계수되는, 크기가 0.1 ㎛ 초과인 질화티탄 또는 질화지르코늄의 침전물의 수에 의해 특성화되는데, 상기 수는 질화물의 형태로 침전된 티탄의 총 함량과 질화물의 형태로 침전된 지르코늄의 총 함량의 절반의 합 (중량%의 1000 분의 1로 표시됨)의 4 배보다 적다. 따라서, 상기와 같이 수득된 강철은 매우 미세한 질화물의 존재에 의해서 뿐만 아니라 소량의 굵은 질화물 (이는 기계가공성 및 연마성에 유리하다)에 의해서도 특징지어진다.

상술한 원소 이외에도, 화학적 조성은 하기의 원소를 또한 함유한다:

- 강철을 탈산화시키도록 의도되는, 그러나 특히 강철의 열전도도에 매우 바람직하지 않은 효과를 갖는 원소인 규소; 이의 함량은 가능한 한 낮아야 하며, 어떠한 경우에도 0.5 % 미만, 바람직하게는 0.2 % 미만, 보다 바람직하게는 0.1 % 미만이어야 한다;

- 담금질성을 증가시키고 황에 결합하나, 열전도도에 바람직하지 않은 효과를 갖는 망간; 이의 함량은 0 % 내지 2 %로 조정되는데, 특히 강철이 기계가공성을 향상시키기 위해 재황화(resulphurize)되는 경우에는 바람직하게는 0.2 % 초과로 유지되어야 하고, 기계가공성을 손상시키는 국소적 분리를 제한하기 위해서는 1.8 %를 초과하지 않아야 한다;

- 경우에 따라, 담금질성을 증가시키기 위해 니켈 0 % 내지 2 %; 그러나, 상기 원소는 고가이고 우수한 열전도성에 그리 바람직하지 못하지만, 그럼에도 불구하고 종종 고철로부터 제조된 강철에 잔류물로서 존재한다; 이의 함량은 바람직하게는 0.5 %로 제한된다;

- 불순물로서 소량으로 항상 존재하나, 기계가공성을 향상시키기 위해 첨가될 수도 있는, 경우에 따라 셀레늄 또는 텔루륨이 수반되는 황; 황, 셀레늄 및 텔루륨 함량의 합은, 특히 연마성을 악화시키지 않기 위해 0.2 % 미만으로 유지되어야 한다;

- 경우에 따라, 납 및 비스무트로부터 선택된 하나 이상의 원소, 이들의 함량의 합이 0.2 % 이하가 되는 함량으로, 및 0.1 % 이하의 함량의 칼슘; 이들의 첨가는 모두 기계가공성을 향상시키도록 의도된다.

조성의 나머지는 철 및 제조에서 발생하는 불순물이다. 불순물에는 특히 구리가 포함되는데, 이의 함량은 1 %에 이를 수 있고, 니켈의 존재 하에서 유리한 경화 효과를 제공할 수 있다.

조성이 상술한 바로 제한되는 것 이외에, 본 발명에서 추구하는 목적에 부합하기 위해, 강철의 화학적 조성은 두 가지 관계식, 즉 담금질성에 관한 하나 및 열전도 저항 (전도도의 역수)에 관한 하나를 만족시켜야 한다.

충분한 담금질성을 나타내기 위해서는, 강철의 화학적 조성은 하기의 관계식을 만족시켜야 한다:

Qu= 3.8 ×C + 1.1 ×Mn + 0.7 ×Ni + 0.6 ×Cr + 1.6 ×(Mo + W/2) + 0.6 ≥kQu

[식 중, kQu = 3 이고, 바람직하게는 kQu = 4 이다].

우수한 열전도성을 나타내기 위해서는, 강철의 화학적 조성은 하기의 관계식을 만족시켜야 한다:

R= 3.8 ×C + 10 ×Si + 3.3 ×Mn + 2.4 ×Ni + 1.4 ×(Cr + Mo + W/2) ≤kR

[식 중, kR = 11이고, 바람직하게는 kR = 9 이다]; (R은 열전도 저항과 동일한 방향으로, 따라서 열전도도와는 반대 방향으로 변하는 수이다).

상기 두 식을 검토하면, 실제로 담금질성 수 Qu 및 열전도 저항 수 R 이 전체적으로 동일한 방향으로 변한다는 것을 나타내지만, 화학적 조성을 적절하게 선택함으로써, 동일한 담금성으로 열전도도를 최대화하는 것이 가능하다는 것을 나타낸다. 그러나, 화학적 조성이 하기의 방식:

R≤1.5 + 1.83Qu

으로 조정될 수 있고 이것이 매우 바람직하다는 본 발명자들의 발견의 결과를 바탕으로, 다른 제한조건을 고려해야 한다.

상기와 같이 우수한 용접에 의한 수선가능성을 갖는 것으로 정의된 강철에 대해서는, 그의 화학적 조성이 하기의 관계식을 만족시키는 것이 유용하지 않다:

BH= 326 + 847.3 ×C + 18.3 ×Si - 8.6 ×Mn - 12.5 ×Cr ≤460.

이는, 상기 조건이 공동의 우수한 마모 거동에 별로 유리하지 않은 낮은 탄소 함량, 및 열전도성 및 ZAH 와 기재 금속간의 경도의 유사성에 대해 바람직하지 못한 크롬, 및 무엇보다도 망간의 높은 함량을 동시에 부여하기 때문에, 그리 바람직하지 못하다. 따라서, 강철의 조성은 하기와 같은 것이 바람직하다:

BH = 326 + 847.3 ×C + 18.3 ×Si - 8.6 ×Mn - 12.5 ×Cr > 460.

금형 제조에 사용되기 전에, 압연 또는 단조(forging)로써 수득된 강철 블록은 두께에 따라 공기 또는 물로써 담금질 열 처리된 후, 500℃ 초과, 바람직하게는 550℃ 초과의 온도, 그러나 Ac₁점 미만의 온도에서의 어닐링 처리된다. 상기 처리는, 강철에 실질적으로 페라이트가 없는 (페라이트가 전혀 없어야 하는 것이 바람직하나; 상기 성분의 소량의 잔류물은 여전히 유지될 수 있다) 마텐사이트 또는베이나이트 구조 (상기 구조는 혼합 마텐시토-베이나이트(martensito-bainitic) 구조일 수 있다)를 부여하고, 응력-완화를 보장하기에 충분하고, 경우에 따라 비교적 고온에서 표면 처리를 수행할 수 있게 하기에 충분한 온도에서의 어닐링을 제공하도록 의도된다. 어닐링 온도는 특히 경도가 어느 경우에나 250 BH 내지 370 BH, 바람직하게는 270 내지 350 BH 가 되도록 조정된다.

본 발명에 따른 강철은 특히, 주강으로 이루어진 (상술한 바와 같이 연강(wrought steel)은 아닌) 금형을 수득할 수 있게 하는 기술인 주물 기법에 의한 금형의 제조에 있어 장점을 제공한다. 본 방법에 따르면, 물 순환에 의한 냉각을 위해 채널이 뚫린 평행 육면체의 대형 블록으로 금형의 공동을 기계가공 하는 대신, 금형 공동, 및 대형 블록으로부터 공동을 기계가공 하는 기술에 의해 수득된 것보다 훨씬 덜 두꺼운 벽을 가지면서 충분한 기계적 강도를 갖도록 하는 적합한 형상을 갖는 외부 부분의 블랭크(blank)를 포함하는 금형 블랭크가 주물 기법에 의해 제조된다. 금형 자체는, 블랭크의 마감 가공 및 열처리에 의해 수득된다. 상기 가공은, 대형 블록으로부터 출발할 때 필요한 것에 비해 훨씬 규모가 적다는 장점이 있는 반면; 주강은 용접에 의해 수선되어야 하는 공극을 포함한다. 이로써, 본 발명에 따른 강철의 매우 우수한 용접성은 매우 가치있는 장점을 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 강철의 우수한 열전도성이 부가적 장점인데, 이는 금형의 벽의 적은 두께를 이용하여, 금형의 벽에 뚫린 채널 내에서의 물 순환에 의한 냉각을 감소시키거나 심지어는 제거할 수 있게 하기 때문이다. 실제로, 사용 중에 냉각이 기체 순환에 의해 금형의 외부 부분 주위로 이루어지는 금형을 제조하는 것이가능하다. 열처리는 연강으로 이루어진 금형 상에 수행되는 열처리와 동일하다; 그러나, 이는 요철표면(grain)을 정련하기 위한 오스테나이트화가 1 회 이상 선행되어야 한다.

예로서, 선행기술에 따른 강철 F, G, H, I, J 및 K와 비교될 수 있는 본 발명에 따른 강철 A, B, C, D 및 E를 제조하였다. 이들 강철의 화학적 조성 (중량%)이 표 1 에 나타나있다. 베이나이트 또는 마텐사이트 구조를 갖는 어닐링된 담금질된 블록을 상기 강철로부터 압연에 의해 또는 단조에 의해 제조하였다; 이들의 두께, 열처리 조건 및 수득된 특성을, 강철 F, G, H, I, J 및 K 로써 수득된 특성과 비교하여 표 2 에 기재하였다. 상기 표에서는, 두께는 ㎜ 로 표시되고, 담금질성 수Qu는 무차원 계수이며, 열전도 저항 수R은 무차원 계수이고, 열전도도는 W/m/K 로 표시되며, 경도 및 ZAH 와 기재 금속간의 경도차, ΔH 는 브리넬(Brinell)로 표시되고,BH는 무차원 계수이다.

강철 A, B, C, D 및 E 는 대략 0.020 %의 알루미늄을 추가 함유하며, 티탄은 서서히 도입되었다.

이들 결과는, 본 발명을 따르고 예시로서 제공된 모든 강철은 45 W/m/K 이상의 열전도도 및 45 브리넬 이하의 ZAH 와 기재 금속간의 경도차 ΔH를 모두 갖는 반면, 선행기술에 따른 강철은 43 W/m/K 이하의 열전도도 및 50 브리넬 이상의 ZAH 와 기재 금속간의 경도차 ΔH를 가짐을 보여준다. 특히, ZAH 와 기재 금속간의 적은 경도차로 인해, 강철 A 내지 E 는 강철 F 내지 K 보다 상당히 더 우수한 용접에 의한 수선가능성을 갖는다.

동일한 담금질성 및 따라서 최대의 가능한 두께의 비교는, Qu = 4.6 인 경우에 강철 A 및 E (본 발명에 따른 것)는 40 W/m/K 이상의 열전도도 및 31 브리넬 이하의 ΔH를 가지는 반면, 강철 I, H 및 K (선행기술에 따른 것)는 42 W/m/K 이하의열전도도 및 50 브리넬 이상의 ΔH를 가지고; Qu > 5 인 경우에 강철 B 및 C (본 발명에 따른 것)는 45 W/m/K 이상의 열전도도 및 48 브리넬 이하의 ΔH를 갖는 반면, 강철 J 및 G (선행기술에 따른 것)는 39 W/m/K 이하의 열전도도를 갖고 76 브리넬 이상의 ΔH를 가지므로, 본 발명에 따른 강철의 장점을 보다 명백하게 나타낸다. 양 경우에 있어서, 열전도도의 이득은 9 %를 초과하고, ΔH 의 감소는 37 %를 초과한다.

용접에 의한 수선은 바람직하게는 기재 금속과 동일한 조성의 첨가된 금속을 이용하여 수행되어야 함을 유념해야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 강철은 블록 형태로 뿐만 아니라, 용접용 와이어의 형태로 또는 용접용 전극의 제조용으로 제조될 수 있다.

상기 강철은 보다 구체적으로 플라스틱 또는 고무로 이루어진 물품의 주조를 위해, 특별히 온도가 500℃를 초과하지 않는 물질을 위한 것이다.

Claims

금형의 제조를 위한 강철로서,

하기의 화학적 조성 (중량%)을 가지며:

0.17 % ≤C ≤0.27 %

0 % ≤Si ≤0.5 %

0 % ≤Mn ≤2 %

0 % ≤Ni ≤2 %

0 % ≤Cr ≤3 %

0 % ≤Mo + W/2 ≤1.5 %

0 % ≤V + Nb/2 + Ta/4 ≤0.5 %

0.002 % ≤B ≤0.015 %

0.005 % ≤Al ≤0.2 %,

- 경우에 따라, 황, 셀레늄, 및 텔루륨으로부터 선택된 하나 이상의 원소를, 상기 원소의 함량의 합이 0.2 % 이하가 되도록 함유,

- 경우에 따라, 티탄 및 지르코늄으로부터 선택된 하나 이상의 원소를, 지르코늄 함량의 절반과 티탄 함량의 합이 0.3 % 이하가 되는 함량으로 함유,

- 경우에 따라, 납 및 비스무트로부터 선택된 하나 이상의 원소를, 상기 원소의 함량의 합이 0.2 % 이하가 되도록 함유,

- 경우에 따라, 칼슘을 0.1 % 이하의 함량으로 함유,

- 나머지는 철 및 금형 제조 시 발생하는 불순물;

상기 화학적 조성이 추가로 하기 관계식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 강철:

Cr + 3 ×(Mo + W/2) + 10 ×(V + Nb/2 + Ta/4) ≥2.1

Cr ≤1.5 % 인 경우, Mo + W/2 > 0.7 %

Qu = 3.8 ×C + 1.1 ×Mn + 0.7 ×Ni + 0.6 ×Cr + 1.6 ×(Mo + W/2) + 0.6 ≥3

R = 3.8 ×C + 10 ×Si + 3.3 ×Mn + 2.4 ×Ni + 1.4 ×(Cr + Mo + W/2) ≤11.
제 1 항에 있어서,

0.2 % ≤C ≤0.24 % 인 것을 특징으로 하는 강철.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

1.5 % ≤Cr ≤2.5 % 인 것을 특징으로 하는 강철.
제 3 항에 있어서,

0.5 % ≤Mo + W/2 ≤1.2 % 인 것을 특징으로 하는 강철.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 화학적 조성이 하기 관계식을 만족시키는것을 특징으로 하는 강철:

BH= 326 + 847.3 ×C + 18.3 ×Si - 8.6 ×Mn - 12.5 ×Cr > 460.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 화학적 조성이 하기 관계식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 강철:

Cr + 3 ×(Mo + W/2) + 10 ×(V + Nb/2 + Ta/4) ≥3.6.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, Si ≤0.2 % 인 것을 특징으로 하는 강철.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, Si ≤0.1 % 인 것을 특징으로 하는 강철.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 티탄, 지르코늄 및 질소 함량이:

0.00003 ≤(N) ×(Ti + Zr/2) ≤0.0016 이며,

고체 상태에서, 고체 상태의 강철의 현미경용 단면 1 ㎟ 면적에 대해 계수된, 크기가 0.1 ㎛ 초과인 질화티탄 또는 질화지르코늄의 침전물의 수가, 질화물의 형태로 침전된 티탄의 총 함량과 질화물의 형태로 침전된 지르코늄의 총 함량의 절반의 합 (중량%의 1000 분의 1로 표시됨)의 4 배보다 적은 것을 특징으로 하는 강철.
제 1 항에 있어서, 하기의 화학적 조성 (중량%)을 가지며:

0.2 % ≤C ≤0.24 %

0 % ≤Si ≤0.1 %

0 % ≤Mn ≤2 %

0 % ≤Ni ≤0.5 %

1.5 % ≤Cr ≤2.5 %

0.5 % ≤Mo + W/2 ≤1.2 %

0 % ≤V + Nb/2 + Ta/4 ≤0.15 %

0.002 % ≤B ≤0.015 %

0.005 % ≤Al ≤0.2 %,

- 경우에 따라, 티탄 및 지르코늄으로부터 선택된 하나 이상의 원소를, 지르코늄 함량의 절반과 티탄 함량의 합이 0.3 % 이하가 되는 함량으로 함유,

- 경우에 따라, 황, 셀레늄, 및 텔루륨으로부터 선택된 하나 이상의 원소를, 상기 원소의 함량의 합이 0.2 % 이하가 되도록 함유,

- 경우에 따라, 납 및 비스무트로부터 선택된 하나 이상의 원소를, 상기 원소의 함량의 합이 0.2 % 이하가 되도록 함유,

- 경우에 따라, 칼슘을 0.1 % 이하의 함량으로 함유,

- 나머지는 철 및 금형 제조 시 발생하는 불순물;

상기 화학적 조성이 추가로 하기 관계식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 강철:

Cr + 3 ×(Mo + W/2) + 10 ×(V + Nb/2 + Ta/4) ≥3.6

Qu≥3

R≤1.5 + 1.83Qu.
제 10 항에 있어서, 티탄, 지르코늄 및 질소 함량이:

0.00003 ≤(N) ×(Ti + Zr/2) ≤0.0016 이며,

고체 상태에서, 고체 상태의 강철의 현미경용 단면 1 ㎟ 면적에 대해 계수된, 크기가 0.1 ㎛ 초과인 질화티탄 또는 질화지르코늄의 침전물의 수가, 질화물의 형태로 침전된 티탄의 총 함량과 질화물의 형태로 침전된 지르코늄의 총 함량의 절반의 합 (중량%의 1000 분의 1로 표시됨)의 4 배보다 적은 것을 특징으로 하는 강철.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 플라스틱의 사출성형용 금형의 제조에 사용되는 강철.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 주물 기법을 사용한 플라스틱용 금형의 제조에 사용되는 강철.
제 1 항 또는 제 2 항에 따른 강철로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 용접용 또는 용접 전극의 제조용 와이어.