KR100476505B1 - 냉간가공 합금강 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부품의 분말야금학적 제조용 냉간가공 합금강, 특히 사용 품질이 개선된 공구의 분말야금학적 제조용 냉간가공 합금강에 대한 것이다. 본 발명에서는 휨 파괴 강도, 충격 휨 능력 및 내마모성과 같은 중요한 특성들을 높은 수준으로 끌어 올리기 위하여, 2.05 내지 2.65 중량 %의 C, 6.10 내지 9.80 중량 %의 Cr, 0.50 내지 2.40 중량 %의 W, 2.15 내지 4.70 중량 %의 Mo, 7.05 내지 9.0 중량 %의 V, 0.25 내지 2.45 중량 %의 Nb, 0.04 내지 0.22 중량 %의 N 및 2.6 중량 % 이하의 불순물 및 잔존물로서 제조시 발생되는 철(Fe)을 함유한 오염물을 포함하며, 부품의 분말야금학적 제조용 재료로서, 100ppm 보다 적은 산소(O) 함량 및 DIN 50 602의 테스트에 따라서 최대 3 K0-값에 해당하는 비금속 개재물의 함량 및 분자 배열을 갖는 합금이 사용된다.

Description

냉간가공 합금강 및 그 제조 방법{COLD WORK ALLOY STEEL AND METHOD FOR MAKING THE SAME}
본 발명은 부품을 분말야금학적으로 제조하기 위한 냉간가공 합금강, 특히 우수한 인성 및 경도, 내마모성 및 피로 저항력을 갖는 공구를 분말야금학적으로 제조하기 위한 냉간가공 합금강에 대한 것이다.
일반적으로 공구 및 공구부품은 여러 가지 방식으로 응력을 받으며, 그에 따라 그에 대응하는 특성 프로파일을 가질 필요가 있다. 그러나 재료의 한가지 응력에 따른 매우 우수한 적합성의 창출은 필연적으로 또 다른 응력에 대하여 해당 재료의 내성이 약화되는 것과 결부되어 있기 때문에, 공구의 사용 품질을 높이기 위해서는 높은 수준의 훨씬 더 많은 특성이 전제되어야 한다. 다시 말해서 한가지 공구의 사용 특성들은 각각의 개별적인 재료의 특성 값들이 절충된 것이다. 그럼에도 불구하고 경제적인 차원에서, 재료특성이 총체적으로 개선된 공구 또는 부품을 원하는 것이 통상적이다.
고성능 공구강 제품은 예외없이 탄화물로 이루어진 경질상(hard phase) 부분 및 상기 탄화물의 경질상을 수용하는 기지상(matrix phase) 부분을 가지며, 특히 상기 상들의 재료내 비율은 합금의 화학적인 조성에 의하여 좌우된다.
주형에서 합금을 응고시키는 종래의 생산공정에서는 응고 운동학적인 이유로 하여 해당 합금의 탄소 함량 및 탄화물을 형성하는 성분의 함량이 제한되는데, 그 이유는 함량이 높은 경우에는 최초에 용융물로부터 석출된 탄화물이 조대(coarse)하고 불균일한 물질구조를 야기함으로써, 기계적으로 좋지 못한 특성을 갖게 되고, 재료의 가공성에 불리한 영향을 끼치거나, 결국에는 재료의 가공이 불가능해지기 때문이다.
한편으로는, 높은 탄화물 비율과 관련하여 탄화물을 형성하는 성분의 농도 및 탄소 비율 그리고 이에 따른 재료의 개선된 내마모성을 높이기 위하여, 다른 한편으로는, 이러한 방식으로 제조된 공구 또는 부품에 있어서 충분한 가공성, 균일성 및 인성이 보장되도록 하기 위하여, 분말야금학적인 제조방식이 제공될 수 있다.
근본적으로 재료의 분말야금학적(PM) 제조에는, 강철 용융물을 가스 분사 내지는 질소 분사 또는 분산 시켜 높은 응고속도에서 금속분말로 경화되는 미세한 방울로 제조하는 공정, 상기 금속분말을 하나의 캡슐내에 주입하여 압축하는 공정, 상기 캡슐을 밀봉하는 공정, 상기 캡슐내에 있는 분말을 가열 및 고온 등압 압축 성형(HIP)하여 조밀(dense)하고 균질한 물질로 제조하는 공정이 포함된다. 상기 PM 물질은 고온 등압 압축 성형된 것으로서 부품 또는 공구의 제조에 바로 사용될 수 있거나, 또는 그 이전에 예를 들면 단조 및/또는 압연에 의하여 열간 성형될 수 있다.
예를 들어 나이프, 펀치 및 다이(die) 등과 같이 높은 응력을 받는 공구 또는 부품은 재료의 마찰에 대한 내마모성, 우수한 인성 및 피로 저항력을 필요로 한다. 마모를 줄이기 위해서는 경질의, 경우에 따라서는 조대한 탄화물, 바람직하게는 모노 탄화물(monocarbide)에 대한 높은 비율이 요구되며, 이 경우에 물질의 인성은 탄화물 비율이 올라감에 따라서 낮아진다. 또한, 매트릭스 경도가 높고 탄화물 입자 및 비금속 개재물(inclusion)에 의한 균열개시가 미미하기 때문에, 피로 저항력이 높아진다. 근본적으로 피로 저항력은 물질의 기계적인 부하가 과도하게 요동(pulsating)되거나 또는 변동되는 경우에도 균열이 형성되지 않는 것을 의미한다.
언급한 바와 같이, 부품 또는 공구의 사용 품질이란 급냉 및 뜨임된 상태에서 재료의 내마모성, 인성 및 피로 저항력간의 절충을 의미한다. 냉간가공 강철의 품질을 전반적으로 끌어 올린다는 점에서, 오래전부터 해당 기술 분야에서는, 강철의 특성 프로파일을 총체적으로 높이기 위한 시도가 이루어져 왔다.
본 발명의 목적은, 상기 요구조건을 참작하여, 급냉 및 뜨임된 상태에서 공구강 재료의 품질을 보장하는 동시에 기계적인 특성 그리고 휨 파괴 강도, 충격 휨 강도 및 내마모성을 향상시키는데 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 높은 인성 및 경도, 내마모성 및 피로 저항력을 갖는 부품, 특히 100ppm 미만의 산소(O) 함량 및 DIN 50 602의 테스트에 따른 3 이하의 K0-값에 해당하는 비금속 개재물의 함량 및 형태(configuration)를 갖는 공구를 분말야금학적으로 제조하기 위해서, 2.05 내지 2.65 중량 %의 탄소(C), 2.0 중량 % 이하의 실리콘(Si), 2.0 중량 % 이하의 망간(Mn), 6.10 내지 9.80 중량 %의 크롬(Cr), 0.50 내지 2.40 중량 %의 텅스텐(W), 2.15 내지 4.70 중량 %의 몰리브덴(Mo), 7.05 내지 9.0 중량 %의 바나듐(V), 0.25 내지 2.45 중량 %의 니오븀(Nb), 10.0 중량 % 이하의 코발트(Co), 0.3 중량 % 이하의 황(S), 0.04 내지 0.22 중량 %의 질소(N), 1.50 중량 % 이하의 니켈(Ni), 2.6 중량 % 이하의 기타 수반(accompanying) 원소, 제조시 발생되는 잔류 불순물 및 나머지 철(Fe)을 포함하는 냉간가공 합금강에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 재료의 품질은 표면구조의 최적화와 입자 상의 개별특성 및 전체특성을 고려한 합금기술적인 조치 및 방법기술적인 조치에 의하여 현저하게 개선될 수 있다.
재료의 인성을 위해서는 단지 탄화물의 분량만이 중요한 것이 아니라, 분량이 동일한 경우에는 탄화물의 형태도 중요하다는 것이 인지되어 있는데, 그 이유로서 탄화물의 형태는 매트릭스내 탄화물간의 자유경로 길이, 즉 결함 크기에 좌우되기 때문이다. 사용하기 위하여 완성된 공구내에 있는 탄화물은 내마모성을 고려하여 실제로는 모노 탄화물이어야 하고, 매트릭스내에 균일하게 분포되어야 하며, 직경이 10㎛ 미만, 바람직하게는 4㎛ 미만이어야 한다.
바나듐 및 니오븀은 가장 강력한 탄화물 형성물이며, 합금 기술상 바나듐은 7.05 내지 9.0 중량 %, 니오븀은 0.25 내지 2.45 중량 %의 농도 범위로 제공될 수 있다. 그 결과로 한편으로는 모노 탄화물, 바람직하게는 (VNb)-복합 탄화물이 형성되고, 다른 한편으로는 바나듐 및 니오븀에 기인하여 상기 함량 범위내에서 재료의 탄소 친화력이 높게 나타남으로써, 본 발명에 따른 농도를 갖고 탄화물을 형성하는 다른 원소인 크롬, 텅스텐 및 몰리브덴이 잔류 탄소와 함께 이용되어 혼합 결정 강화를 달성하며, 매트릭스 경도를 향상시킨다. 9.0 중량 % 보다 높은 바나듐 함량 및/또는 2.45 중량 % 보다 높은 니오븀 함량은 매트릭스 강도를 약화 시키고, 특히 물질의 피로 저항력을 감소시킨다. 반면에, 7.05 중량 % 보다 낮은 바나듐 함량 및/또는 0.25 중량 % 보다 낮은 니오븀 함량은 M7C3-탄화물과 같이 보다 약한 탄화물 상의 형성을 증대시키는데, 이것은 결과적으로 강철의 내마모성을 약화시킨다.
2.05 내지 2.65 중량 %의 좁은 범위의 탄소 함량 및 본 발명에 따른 모노 탄화물 형성제의 농도에서, 특히 0.5 내지 2.4 중량 %의 텅스텐 및 2.15 내지 4.70 중량 %의 몰리브덴에 의하여, 열처리시에 합금의 2차 경도 포텐셜이 최대한 활용되고, 템퍼링 안정성이 개선될 수 있다. 공구강의 2차 경도 및 매트릭스 경도를 향상시키기 위하여 본 발명에 따라 질소의 비율이 0.04 내지 0.22 중량 %인 가운데, 혼합 결정을 강화시키기 위하여 6.10 내지 9.80 중량 %의 크롬이 제공될 수 있다.
텅스텐, 몰리브덴 및 크롬 원소의 함량이 본 발명에 따른 제한 범위 보다 높거나 또는 낮은 경우에는, 상승 작용이 저해되고, 공구강의 특성들 중 적어도 하나가 줄어들 수 있으며, 또한 부분적으로는 공구강의 사용 가능성에 부정적인 영향을 끼치게 된다.
서두에서 언급한 바와 같이, 부품 또는 공구의 사용 품질을 높이기 위해서는 합금기술상의 전제 조건 이외에도 제조기술상의 조치가 필수적이다. 물질의 인성을 높이는 것과 관련하여 결함 크기를 최소화함으로써, 경우에 따라서는 보다 조대한 탄화물의 국부적인 증가, 소위 탄화물의 덩어리(cluster) 형성이 고온 등압 압축 성형된 물질에서 회피될 수 있기 때문에, 방법기술상 분말야금학적 제조 내지는 분말 생산에 있어서 분말입자의 크기 분포는 60 % 이상의 분말입자가 100㎛ 이하의 입자크기로 이루어져야 한다. 밝혀진 바와 같이, 작은 금속분말 입자와 관련된 용융물 액적(droplet)의 높은 응고 속도는 미세한 모노 탄화물을 균일하게 분포시키며, 탄소 함량과 관련하여, 분말입자내에 과포화를 초래한다.
고온 등압 압축 성형 동안에 및 경우에 따라서는 제공된 압착 가공품의 열간 변형 동안에는, 고온에서의 확산으로 인하여 매트릭스의 과포화 정도가 줄어들어 미세한 원형 모노 탄화물이 원하는 바와 같이 10㎛ 미만의 크기까지 성장하고, 그 밖의 합금 원소는 목적에 맞게 혼합 결정내에 석출되어, 마침내 매트릭스가 경화된다. 상기 제조기술에 의하여, 본 발명에 따라 주어진 재료 조성에서, 2차 경도 포텐셜을 극대화하는 방향으로 결함 크기의 최소화 및 매트릭스 조성과 관련하여 탄화물 형태가 조정된다. 이 경우에 재차 중요성이 강조되는 것은, 입자 성장의 조절을 위한 니오븀의 제공 농도이다.
본 발명에 따른 재료의 산소관련 순도(oxidic purity)는 매우 중요한데, 그 이유는 비금속 개재물로 인해 재료의 기계적 특성이 약화될 수 있을 뿐만 아니라, 재료의 응고 및 열처리시에 상기 비금속으로 인하여 치명적인 시드 형성(seeding) 효과가 발생할 수도 있기 때문이다. 그러므로 적어도 99.999 %의 순도를 갖는 질소를 이용하여 고순도의 합금을 분무(atomize)함으로써, 캡슐내에 밀봉될 때까지 분말입자 표면에 산소가 물리적으로 흡착되지 못하도록 하는 것은 본 발명에서 필수적이며, 그럼으로써 상기 고온 등압 압축 성형된 재료는 100ppm 미만의 산소 함량 및 DIN 50 602의 테스트에 따른 3 이하의 K0-값에 해당하는 비금속 개재물의 함량 및 형태를 갖게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 종속항에서 설명된다.
본 발명은 비교 실험에 따른 결과를 참조하여 보다 상세하게 설명된다.
표 1에서는 본 발명에 따른 합금강(합금 A)의 화학적인 조성 및 비교 합금강(B 내지 J)의 화학적인 조성을 볼 수 있다.
표 2에서는 본 발명에 따른 합금(A) 및 비교 합금(B 내지 J)에 있어서, 휨 파괴 강도, 충격 휨 강도 및 내마모성에 대한 테스트 결과를 볼 수 있다.
합금강의 휨 파괴 강도는 도 1에 따른 장치에서 61 HRC로 급냉 및 뜨임된 둥근 표본(Rd=5.0mm)을 이용하여 측정되었다. 초기에 가해진 힘(Fr)은 200N 이었으며, 상기 힘까지의 속도는 2mm/min이며, 테스트 속도는 5mm/min에 달했다.
도 2에 따른 형태의 표본에서는 각 합금강의 충격 휨 강도 실험이 실시되었다.
도 3은 내마모성 측정장치에 대한 개략도이다.
도 4에서는 본 발명에 따른 합금(A)의 휨 파괴 강도와 비교합금(B 내지 J)의 휨 파괴 강도의 비교(표 2)가 막대 그래프로 도시되며, 비교합금(E,F,H 및 I)이 동일하게 높은 수치를 나타낸다. 비교합금(I)은 가장 높은 휨 파괴 강도를 갖는다.
도 5에서는 각 냉간가공 합금강의 충격 휨 강도가 비교 도시되며, 역시 합금(I)이 가장 높은 수치를 갖는다. 본 발명에 따른 합금(A) 및 비교합금(F)은 상기 기계적인 특성에 있어서 비교합금(I) 보다 아주 근소하게 낮은 수치를 나타낸다.
도 6에서는 합금들의 내마모성 시험 결과가 비교 도시되며, 비교합금(H) 및 본 발명에 따른 합금(A)이 가장 높은 수치를 나타낸다.
실험 결과에서 알 수 있는 점은, 본 발명에 따른 냉간가공 합금강의 휨 파괴 강도, 충격 휨 강도 및 내마모성과 같은 중요한 특성들이 모두 높은 수준에 있어, 새로운 합금으로서 취급될 수 있다는 점이다.
본 발명에 의하여, 휨 파괴 강도, 충격 휨 능력 및 내마모성이 동시에 향상된, 부품을 분말야금학적으로 제조하기 위한 우수한 품질의 냉간가공 합금강의 제조가 보증된다.
도 1은 휨 파괴 강도 검출용 측정장치를 도시한 도면이며,
도 2는 충격 휨 능력의 검출을 위한 표본 형태를 도시한 도면이며,
도 3은 내마모성 측정장치의 개략도이며,
도 4는 합금강의 휨 파괴 강도 비교표이며,
도 5는 충격 휨 능력 비교표이며,
도 6은 각 합금강의 내마모성 비교표이다.

Claims (5)

100ppm 미만의 산소(O) 함량 및 DIN 50 602의 테스트에 따른 3 이하의 K0-값에 해당하는 비금속 개재물의 함량 및 형태를 갖고, 높은 인성 및 경도 그리고 내마모성 및 피로 저항력을 갖는 부품을 분말야금학적으로 제조하기 위한 냉간가공 합금강으로서,
2.05 내지 2.65 중량 %의 탄소(C), 2.0 중량 % 이하의 실리콘(Si), 2.0 중량 % 이하의 망간(Mn), 6.10 내지 9.80 중량 %의 크롬(Cr), 0.50 내지 2.40 중량 %의 텅스텐(W), 2.15 내지 4.70 중량 %의 몰리브덴(Mo), 7.05 내지 9.0 중량 %의 바나듐(V), 0.25 내지 2.45 중량 %의 니오븀(Nb), 10.0 중량 % 이하의 코발트(Co), 0.3 중량 % 이하의 황(S), 0.04 내지 0.22 중량 %의 질소(N), 1.50 중량 % 이하의 니켈(Ni), 2.6 중량 % 이하의 기타 수반(accompanying) 원소, 제조와 관련된 불순물, 그리고 나머지 철(Fe)을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉간가공 합금강.
제 1 항에 있어서,
2.30 내지 2.59 중량 %의 C, 0.80 내지 1.50 중량 %의 Si, 0.30 내지 1.40 중량 %의 Mn, 6.12 내지 7.50 중량 %의 Cr, 1.0 중량 % 이하의 Ni, 0.60 내지 1.45 중량 %의 W, 2.40 내지 4.40 중량 %의 Mo, 7.40 내지 8.70 중량 %의 V, 0.50 내지 1.95 중량 %의 Nb, 0.06 내지 0.25 중량 %의 N 중 하나 이상의 원소를 포함하며, (Mn-S)의 값이 0.19 이상인 것을 특징으로 하는 냉간가공 합금강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
0.85 내지 1.30 중량 %의 Si, 0.40 내지 0.80 중량 %의 Mn, 6.15 내지 6.95 중량 %의 Cr, 0.90 중량 % 이하의 Ni, 3.55 내지 4.40 중량 %의 Mo, 7.80 내지 8.59 중량 %의 V, 0.75 내지 1.45 중량 %의 Nb, 0.06 내지 0.15 중량 %의 N 중 하나 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉간가공 합금강.
2.05 내지 2.65 중량 %의 C, 2.0 중량 % 이하의 Si, 2.0 중량 % 이하의 Mn, 6.10 내지 9.80 중량 %의 Cr, 0.50 내지 2.40 중량 %의 W, 2.15 내지 4.70 중량 %의 Mo, 7.05 내지 9.0 중량 %의 V, 0.25 내지 2.45 중량 %의 Nb, 10.0 중량 % 이하의 Co, 0.3 중량 % 이하의 S, 0.04 내지 0.32 중량 %의 N, 1.50 중량 % 이하의 Ni, 2.6 중량 % 이하의 기타 수반(accompanying) 원소, 제조와 관련된 불순물, 그리고 나머지 철(Fe)을 포함하는 냉간가공 합금강으로 제조된 부품 또는 공구의 분말야금학적 제조 방법으로서,
순도 99.999%의 질소를 이용하여 액상 합금을 분사(atomizing)하여 입자 크기가 100㎛ 이하인 입자가 60% 이상인 입자 크기 분포를 가지는 금속 분말을 제조하는 단계;
이어서, 질소 분위기 내에서 유지하여 입자 표면에 산소가 물리적으로 흡착되는 것을 방지하는 단계;
상기 분말을 캡슐내에 채우는 단계;
상기 캡슐을 밀봉하는 단계; 및
균일하게 분포된 모노 탄화물이 온도로 인해 10㎛ 미만까지 성장한 상태의 조밀한(dense) 재료를 형성하기 위해, 상기 분말을 고온 등압 압축 성형 처리하는 단계를 포함하는 분말야금학적 제조 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 고온 등압 압축 성형 처리 단계에서 고온 등압 압축 성형 처리된 분말을 열간 성형하는 단계를 더 포함하는 분말야금학적 제조 방법.
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