KR100600618B1

KR100600618B1 - 고속도 공구강 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100600618B1
Application number: KR1020040024248A
Authority: KR
Inventors: 후쿠모토시호; 이노우에게이지
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2006-07-13
Also published as: DE602004011136T2; ATE383453T1; JP4179024B2; KR20040087956A; CN1258611C; US7229507B2; US7754032B2; EP1469094A1; DE602004011136D1; US20070199630A1; CN1540023A; EP1469094B1; JP2004307963A; US20040200552A1

Abstract

본 발명은 충격치가 높고, 편차가 없는 안정된 고속도 공구강과 그 제조 방법을 제공한다.

이를 해결하기 위하여, 본 발명은 질량%로 C: 0.4∼0.9%, Si: 1.0% 이하, Mn: 1.0% 이하, Cr: 4∼6%, W 및 Mo 중 1종 또는 2종을 (1/2W+ Mo)로 1.5∼6%(단, W: 3% 이하), V 및 Nb 중 1종 또는 2종을 (V+ Nb)로 0.5∼3%를 함유하고, Ni: 1% 이하, Co: 5% 이하를 포함할 수 있는 고속도 공구강으로서, 매트릭스 중에 분산되는 석출 탄화물의 평균입경이 0.5μm 이하이며 또한, 탄화물의 분포 밀도가 80×10³개/mm² 이상인 고속도 공구강을 제공한다. 본발명에 의한 고속도 공구강은 재용해법에 의해서 제작된 강괴를 1200∼1300℃에서 가열하여 소킹한 후, 적어도 표면 온도를 3℃/min 이상의 냉각 속도로 900℃ 이하까지 냉각한 후, 분괴, 열간 성형을 거쳐 담금질 템퍼링을 한다.

공구강, 고속도, 석출, 탄화물, 입경, 매트릭스, 재용해법, 냉각 속도, 강괴

Description

고속도 공구강 및 그 제조 방법{HIGH SPEED TOOL STEEL AND ITS MANUFACTURING METHOD}

도 1은 담금질 템퍼링재의 충격치와 석출 탄화물의 입경의 관계를 도시한 도면이다.

도 2는 칭 템퍼링재의 충격치와 석출 탄화물의 분포 밀도의 관계를 도시한 도면이다.

도 3은 소킹 시험에서의 가열온도와 조직의 변화를 나타내는 400배의 광학 현미경 사진에 의한 마이크로 조직 사진의 일례이다.

도 4는 석출 탄화물의 관찰 위치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5는 소킹 후의 냉각 속도의 영향을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 6은 도 5의 300℃/h에서 900℃까지 냉각한 시료의 입경분포의 그래프이다.

도 7은 도 5의 30℃/h에서 900℃까지 냉각한 시료의 입경분포의 그래프이다.

도 8은 생산 시험에서의 히트 패턴의 예를 나타내는 도면이다.

도 9는 생산 시험에서의 본 발명 방법과 비교 방법의 석출 탄화물을 비교한 현미경 사진이다.

도 10은 생산 시험에서의 본 발명 방법과 비교 방법의 석출 탄화물을 비교한 SEM 사진이다.

도 11은 충격치의 측정에 이용되는 10RC노치 샤르피 시험편의 형상을 도시한 도면이다.

본 발명은 양호한 상온 강도, 내마모성과 충분한 담금질성을 구비하고, 특히 고온 강도와 인성이 우수하고, 공구 성능의 편차가 적은 고속도 공구강, 예를 들면 다이스, 펀치 등의 압축제조 공구나 금형용 고속도 공구강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

[종래의 기술]

종래, 열간 정밀 프레스 가공용 펀치나 금형 등의 공구에는 고온 강도가 강한 열간 공구강 JIS·SKD8이나 고속도 공구강계의 SKH51 등이 사용되었다. 그러나, 상기 열간 공구강은 탄소(C) 함유량이 작고 상온 강도가 작기 때문에 붕괴, 마모나 파손이 생기는 경우가 있었다. 또, 종래의 고속도 공구강계 재료는 인성이 부족하여 갈라짐이나 히트 크랙(heat crack)이 발생하기 쉽다고 하는 문제점이 있었다.

그래서 본 출원인은 이들 문제점을 해결하고, 상온·고온 강도와 인성을 개선하여, 고온에서의 피로(fatigue)에 강하며, 또한 크랙의 발생에 강한 강재를 제안했다(예를 들면, 일본 특개평2-8347호 공보).

또, 강재의 불순물을 감소시키고, 방향성을 저감하여 공구 수명을 증대하기 때문에, 전기 슬래그 용해에 의한 제조법이 종래부터 적용되어 왔다(예를 들면, 일본 특개평4-111962호 공보)

상기 일본 특개평2-8347호 공보에 기재된 발명은 우수한 공구 성능을 가지는 강철 종류의 제공에 유효하다. 그러나, 고속도 공구강은 양산화를 위해 강괴를 크게 하면 탄화물 조직의 변동이 발생되기 쉽기 때문에, 상기 강철 종류로 충분한 공구 성능을 달성했다고 해도, 그들의 공구 성능에 편차가 발생되는 일이 없도록 관리하는 것이 필요하다.

그래서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하고, 공구 성능을 향상시켜 성능에 편차가 적은 고속도 공구강 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명자들은 연구의 결과, 공구 성능의 편차는 탄화물 조직의 변동에 있는 것을 발견하고, 이것을 개선함으로써 공구 수명을 향상시키는 것을 연구하여 본 발명에 도달했다.

즉, 통상, 금형 등의 공구는 공구강 소재를 어닐링 상태에서 제품 형상으로 기계 가공하고, 그 후에 담금질·템퍼링하여 경도의 조정을 행하고, 마무리 가공을 거쳐 제품공구로 된다. 이 제품공구의 공구 성능은 담금질·템퍼링 후의 강철의 탄화물 상태에 크게 영향을 받고, 이 담금질·템퍼링 후의 강철의 탄화물 상태는 상기 소재의 제조 과정에서의 제조 조건에 크게 영향을 받는 것을 발견하게 되었다.

즉, 본 발명의 고속도 공구강은 질량%로 C: 0.4∼0.9%, Si: 1.0% 이하, Mn: 1.0% 이하, Cr: 4∼6%, W 및 Mo 중 1종 또는 2종을 (1/2W+ Mo)로 1.5∼6%(단, W: 3% 이하), V 및 Nb 중 1종 또는 2종을 (V+ Nb)로 0.5∼3%를 함유하는 고속도 공구강으로서,

매트릭스 중에 분산되는 석출 탄화물의 평균입경이 0.5μm 이하이며 또한, 상기 탄화물의 분포 밀도가 80×10³개/mm² 이상인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 고속도 공구강의 제조 방법은 질량%로 C: 0.4∼0.9%, Si: 1.0% 이하, Mn: 1.0% 이하, Cr: 4∼6%, W 및 Mo 중 1종 또는 2종을 (1/2W+ Mo)로 1.5∼6%(단, W: 3% 이하), V 및 Nb 중 1종 또는 2종을 (V+ Nb)로 0.5∼3%를 함유하는 고속도 공구강의 제조 방법으로서,

재용해법에 의해서 제작된 강괴를 1200∼1300℃로 가열하여 소킹하고, 상기 소킹 후, 적어도 표면 온도를 3℃/min 이상의 냉각 속도로 900℃ 이하까지 냉각하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 고속도 공구강의 제조 방법은, 상기 소킹 후에 적어도 표면 온도를 3℃/min 이상의 냉각 속도로 900℃ 이하까지 냉각한 후, 분괴, 열간 성형을 거쳐, 담금질·템퍼링하는 것을 특징으로 하거나, 또는 분괴, 열간 성형을 거쳐 기계 가공하고, 상기 기계 가공 후에 담금질·템퍼링하는 것을 특징으로 한다.

상기 고속도 공구강은 질량%로 Ni: 1% 이하를 가져도 되고, 또 질량%로 Co: 5% 이하를 가져도 된다.

즉, 상기 고속도 공구강의 조성은 탄화물에 작용하는 탄소(C)량과 탄화물 형성 원소의 밸런스를 고려하여, 탄화물의 줄무늬형 분포를 감소시켜 초미세, 또한 적량의 탄화물을 분산 분포시키고, 또는 또 적량의 Ni와 Nb를 첨가하여 결정입자의 미세화와 연화 저항을 높여, 공구 성능을 향상시킨 것이다.

이하, 우선 본 발명이 적용되는 상기 고속도 공구강의 성분 범위를 한정한 이유에 대하여 설명한다.

C는 Cr, W, Mo, V, Nb 등의 탄화물 형성 원소와 결합하여 경화 복탄화물을 생성하고, 공구로서 필요한 내마모성의 향상에 효과가 있으며, 또한 일부 기지(基地) 중에 고용하여 기지를 강화한다. 그러나, 과량의 탄소(C)는 탄화물의 편석을 증대하고, 부족한 경우에는 공구로서 적절한 경도가 얻어지지 않는다. 따라서, C: 0.4∼0.9%로 했다.

Si는 탈산재로서 불가피하게 함유하지만, 1.0%을 넘으면 어닐링 경도가 높아져 냉간 가공성을 저하시키기 때문에 Si: 1.0% 이하로 했다. 한편, Si는 M₂C형의 막대형 1차 탄화물을 구형 미세화하는 효과가 있는 것으로, 0.1% 이상 함유시키는 것이 바람직하다.

Mn은 담금질성을 증대시키지만 지나치게 많으면 A1 변태점을 과도하게 저하시켜, 어닐링 경도를 높게 하여 절삭성을 저하시키기 때문에 Mn: 1.0% 이하로 한다. 또, Mn은 담금질성 부여를 위해 0.1% 이상 함유시키는 것이 바람직하다.

Cr는 C와 결합하여 탄화물을 형성하고, 내마모성을 향상시키는 동시에 담금 질성의 향상에도 기여한다. 그러나, 지나치게 많으면 줄무늬형 편석을 조장하여 냉간 가공성을 저하시키고, 적으면 효과가 없다. 그래서 Cr: 4∼6%로 했다.

W 및 Mo는, C와 결합하여 탄화물을 형성하고, 또 기지 중에 고용하여 열처리경도를 증대하여 내마모성을 향상시킨다. 그러나, 지나치게 많으면 줄무늬형 편석을 조장하고, 냉간 가공성을 저하시킨다. 그래서 W 및 Mo 중 1종 또는 2종을 (1/2W+ Mo)로 1.5∼6%로 했다. 여기서 W는 3%을 넘으면 줄무늬형 편석을 현저하게 발생시켜 인성을 손상시키기 때문에 3% 이하로 한다.

V 및 Nb는 탄화물을 형성하여 내마모성과 소성 내성을 향상한다. 또한 담금질 시에 기지에 고용하여 템퍼링 시에 미세하고 응집되기 어려운 탄화물을 석출하고, 고온역에서의 연화 저항을 크게 하여 큰 고온 내력을 부여한다. 또한 결정입자를 미세화하여 인성을 향상시키는 동시에 A1 변태점을 높여, 우수한 고온 내력과 동시에 히트 크랙 내성을 향상시킨다. 또한 Nb는 연화 저항, 고온 강도를 높여, 담금질 시의 결정입자의 조대화(粗大化)를 억제한다. 그러나, 지나치게 많으면 거대 탄화물을 생성하고, 열간 성형 방향을 따르는 크랙의 신장을 조성한다. 또, 지나치게 낮으면 형표면부의 조기연화를 초래하는 등 상기 효과가 얻어지지 않는다. 그래서 V 및 Nb 중 1종 또는 2종을 (V+ Nb)로 0.5∼3%로 했다.

또, 본 발명의 고속도 공구강은 상기 원소 이외에 Ni 및 Co를 첨가할 수 있다.

Ni는 C, Cr, Mn, Mo, W 등과 함께 우수한 담금질성을 부여하고, 마르텐사이트 주체의 조직을 형성하고, 기지의 본질적인 인성을 개선한다. 그러나 지나치게 많으면 A1점을 과도하게 저하시키고, 내 피로 수명을 저하시키고, 템퍼링 경도가 높아져 기계 가공성을 저하시킨다. 그래서 Ni: 1% 이하로 한다. 바람직하게는 0.05% 이상이다.

Co는 공구 사용중의 온도 상승 시에 매우 치밀하고 밀착성이 양호한 보호 산화피막을 형성하여 상대재와의 금속접촉을 감소시키고, 표면의 온도 상승을 저감하여 우수한 내마모성을 갖게한다. 이 보호 산화피막의 형성에 따라 단열효과, 보호작용에 의해 히트 크랙 내성을 향상시키고, 크랙 발생의 기점의 생성의 억제의 효과가 얻어진다. 그러나, 지나치게 많으면 인성을 저하시키기 때문에 Co: 5% 이하로 한다. 바람직하게는 0.3% 이상이다.

상기 고속도 공구강의 조성은, 잔여부를 실질적으로 Fe로 할 수 있고, 청구항 이외의 원소에 관해서는 예를 들면 10% 이하, 바람직하게는 5% 이하로 하면 된다. 이것에 관해서는 잔여부 Fe 및 불순물로 구성되는 강철도 포함된다.

그리고 발명자들은 금형 등의 공구의 파손에 대해 조사한 결과, 조기 파손이 생기는 원인이 탄화물 분포에 있는 것을 발견했다. 즉, 탄화물이 응집하여 제품강재에 입경이 큰 탄화물이 석출되면, 이것이 조기 파괴의 원인이 되는 것을 발견했다.

따라서, 본 발명의 고속도 공구강은 매트릭스 중에 분산되는 석출 탄화물의 평균입경이 0.5μm 이하이며 또한, 상기 탄화물의 분포 밀도가 80× 10³개/mm² 이상이며, 매트릭스 중에 미세하며 또한 다수의 탄화물을 분산시키고, 탄화물을 응집시 키지 않는 다는 특징이 있다. 여기서 말하는 매트릭스 중에 분산된다고는 응집한 탄화물을 포함하지 않는 것을 말한다. 이것은 후술하는 실시예에서 상세하게 설명한다.

그리고, 이러한 본 발명의 고속도 공구강을 달성하기 위하여는, 상기 성분의 강괴를 전기 슬래그 용해나 진공 아크 용해 등 재용해를 거쳐 얻는 것이 바람직하고, 대형 강괴의 강괴 편석을 개선할 수 있다. 특히 불순물 원소의 저감에 유리한 전기 슬래그 재용해가 바람직하다.

또한, 상기 강철 종류의 강괴를 1200∼1300℃의 고온 소킹을 행함으로써, 거대 탄화물을 고용시켜 조성 성분을 고용 확산하여 탄화물의 분포를 개선할 수 있다. 이 소킹 조건은 1260∼1300℃×10∼20h 행하는 것이 바람직하다. 고속도 강철의 일반적인 소킹 온도가 1150℃ 전후인 데 대하여, 이와 같이 본 발명의 소킹을 일반적인 고속도 강철보다 높은 온도로 행하는 것은, 상기 설명한 조성의 본 발명 고속도 강철의 특징이다.

종래의 고속도 공구강의 제조 공정에서는, 에너지 절감을 위해 상기 소킹 후에 될 수 있는 한 냉각하지 않도록 하여, 그대로, 또는 재가열하여, 압연, 단조의 열간 가공에 의해 분괴 후, 소정의 치수의 강재로 열간 성형되었다.

이것에 대하여, 본 발명은 종래와 상이하고 상기 소킹 후에 적어도 표면 온도를 3℃/min 이상의 냉각 속도로 900℃ 이하까지 냉각한 후, 열간 가공 온도로 재가열하여, 분괴, 열간 성형한 것을 특징으로 한다.

상술한 조성의 고속도 공구강은 C, W, Mo, V를 함유하기 때문에, 그 조직은 제조 공정중의 열이력(heat history)에 대단히 영향을 받기 쉽다. 그 때문에, 공구 성능을 향상시키기 위해서는 열이력을 컨트롤해야 한다. 그래서 본 발명자들은 상기 조성의 고속도 공구강에 대응한 소킹의 가열온도, 냉각 조건을 연구하여, 소킹 후의 냉각 조건이 조직의 컨트롤에 가장 영향을 미치는 것을 하는 것을 발견하고, 이것에 의해 공구 성능을 향상시켰다.

즉, 소킹 후에 적어도 표면 온도를 3℃/min 이상의 냉각 속도로 900℃ 이하까지 냉각함으로써, 미세 탄화물을 석출시키고, 소킹 후의 강괴의 냉각시의 고온의 유지 시간을 감소하여, 입경이 큰 탄화물의 석출을 감소시키고, 매트릭스 중에 미세하게 분산된 입경이 작은 탄화물을 석출시키는 것이 가능하고, 공구 성능의 향상을 꾀하고 편차를 방지할 수 있다.

또, 상기 담금질·템퍼링된 고속도 공구강재의 샤르피 충격치(Charpy impact value)은 100J/cm² 이상을 얻을 수 있고, 200J/cm² 이상도 편차를 억제하여 얻을 수 있다.

즉, 종래의 제조 방법으로 얻어지는 고속도 공구강은 매트릭스 중의 탄화물이 응집하여, 상기 담금질 템퍼링했을 때의 매트릭스 중에 분산되는 석출 탄화물이 감소되고, 매트릭스 중에 분산되는 0.5μm 이하의 탄화물의 분포 밀도는 10× 10³개/mm² 이하였다. 이 때문에 충격치가 저하되고, 열처리된 강재의 샤르피 충격치가 50∼80J/cm²의 낮은 것이 발생되고, 펀치 공구 등에 조기 파손이 원인이 되는 적이 있었다.

본 발명에 의하면, 상기 소킹 후의 급냉에 의해 탄화물의 응집 석출을 방지하여 샤르피 충격치의 편차를 억제함으로써, 고속도 공구강의 샤르피 충격치를 100J/cm² 이상으로 할 수 있고, 펀치 공구 등의 조기 파손이 방지되어 공구 수명이 연장된다.

이하 본 발명의 제1 실시예에 대해 구체적으로 기재한다. 본 발명에 있어서, 먼저 공구의 조기 파괴의 원인을 구명했다. 그리고, 그 원인의 해소에 바람직한 소킹 조건을 연구했다. 그 경과의 실시예를, 이하의 순서를 따라서 설명한다.

[공구의 조기 파괴의 원인의 조사]

공구의 조기 파괴의 원인을 조사하기 위해, 강재의 석출 탄화물의 평균입경 및 분포 밀도와 충격치의 관계를 조사했다. 시료를 강재로부터 채취하여 1140℃에서 담금질하고, 560℃에서 템퍼링하고, C노치 샤르피 시험에 의해 충격치를 측정했다. C노치 샤르피 시험은 도 11에 도시된 형상의 10R 시험편을 사용했다. 그 시험 결과를 도 1 및 도 2에 나타낸다. 이들 도면으로부터 충격치와 석출 탄화물의 평균입경 및 분포 밀도와의 사이에 상관관계가 있는 것이 발견되었다. 즉 공구 특성으로부터 요구되는 100J/cm² 이상의 충격치를 얻기 위해서는, 평균입경이 0.5μm 이하로 분포 밀도는 80× 10³개/mm² 이상의 석출 탄화물을 응집하지 않도록 분산시키는 것이 유효한 것을 발견했다. 그리고, 이러한 석출 탄화물의 조정에 따라 바 람직하게는 150J/cm² 이상, 200J/cm² 이상의 충격치도 편차를 억제하고 달성할 수 있다.

여기서 석출 탄화물이란, 응고, 소킹(soaking), 열간 가공의 공정에서 고체상역으로 석출하거나, 또는 고용하지 않은 탄화물을 말하고, 대개 담금질 시에 기지에 고용하지 않은 (미고용)탄화물을 말하는 것이며, 템퍼링 때에 석출하는 SEM상이나 광학현미경으로 관찰할 수 없는 탄화물은 제외한 것이다. 그 형태는 도 9의 현미경 사진으로 볼 수 있고, 도 4에 개략적으로 도시된다.

상기 결과로부터 공구의 조기 파괴를 방지하기 위해서 충격치를 개선함에는, 조직을 컨트롤하는 것이 중요하다는 것을 알았기 때문에, 조직을 컨트롤하기 위한 소킹의 조건에 대해 시험했다.

[소킹 조건의 시험]

표1의 성분의 조성의 450mmφ의 3t 강괴를 전기로에서 용융제조하여, 전기 슬래그 용해에 의해 재용해하여 580mmφ의 강괴를 얻었다.

[표1]

이 전기 슬래그 재용해된 강괴에 대해, 온도를 1200∼1300℃로 바꿔 유지 시간을 10h로 하여 소킹 시험을 행하였다. 본 시험에서의 소킹 후의 냉각 조건은 강 괴의 표면 온도로 900℃까지를 40min(7.5∼10℃/min)으로 냉각했다. 이 강괴로부터 시료를 채취하여, 현미경 시험에 의해 탄화물의 고용 상태를 조사했다. 그 각 온도의 현미경 사진을 도 3에 나타낸다.

도 3(a)는 주조 상태(AS CAST)의 조직의 현미경 사진, 도 3(b)는 1200℃, 도 3(c)는 1260℃, 도 3(d)는 1280℃, 도 3(e)는 1300℃에서 각각 10h 소킹한 조직의 현미경 사진이다. 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 소킹 가열온도에 관해서는 1200∼1300℃의 고온 소킹이 거대 탄화물의 고용에 효과를 발휘하고, 계속되는 냉각 공정에서의 미세하며 또한 다수의 탄화물의 석출을 달성하는 데 유리하다. 특히 소킹 가열 조건은 1260∼1300℃가 바람직하고, 1280℃×10h를 바람직한 작업 표준으로 했다.

[소킹 후의 냉각 조건의 시험]

다음에 소킹 후의 냉각 조건의 영향을 조사했다. 상기 시험 결과로부터 소킹 가열 조건을 1280℃× 10h로 하고, 상기 강괴를 이 조건으로 소킹한 후, 표면 온도로 300℃/h∼30℃/h로 냉각 속도를 바꿔 1000℃ 및 900℃까지 냉각한 후 공기 냉각한 시료를 제작했다.

이 시료를 SEM에 의해 석출 탄화물을 관찰했다. 관찰 위치는 전술한 도 4에 개략적으로 나타내는 매트릭스의 석출 탄화물을 관찰했다. 그 결과를 도 5에 개략적으로 나타낸다. 도 5로부터, 냉각 속도가 작아지는 동시에 석출 탄화물의 입자가 성장하여 커지는 것을 알았다. 도 6 및 도 7에, 냉각 속도가 300℃/h 및 30℃/h에서 900℃의 표면 온도까지 냉각한 시료에 대해 탄화물을 카운트한 분포를 나타낸다. 즉, 300℃/h(5℃/min)로 급냉한 시료는 0.3μm 이하의 미세한 탄화물이 대부분을 차지하고, 대략 전부가 0.5μm 이하이지만, 30℃/h(0.5℃/min)와 냉각 속도가 내려가면 0.8μm의 큰 탄화물이 석출되고 있다.

이 시험 결과로부터, 상기 조성의 고속도 공구강의 공구 성능을 향상시키는 조직의 개선에는 소킹 후의 냉각을 컨트롤하는 것이 가장 중요하다는 것을 알았다. 또, 급냉 종료 온도가 1000℃와 900℃에서는 차이가 인식되지 않았다.

그래서 실제의 강괴의 경우는 중심부의 온도차를 고려하고, 표면 온도로 적어도 3℃/min(180℃/h) 이상의 냉각 속도로 900℃ 이하까지 냉각하는 것을 표준으로 했다. 이 냉각 속도는 바람직하게는 5℃/min(300℃/h) 이상이다. 또, 본 발명 방법의 냉각 속도는 700℃ 이하까지 유지하는 것이 바람직하다. 본 발명 방법은 원 상당 직경으로 1500mm까지의 재용해 강괴에 적용할 수 있고, 1000mm까지의 재용해 강괴에 있어서 현저한 효과를 발휘한다.

[생산 규모의 시험]

상기 효과를 확인하기 위해, 생산 규모로 본 발명 방법과 비교 방법에 대하여 소킹 조건의 확인시험을 행하였다. 도 8(a)에 본 발명의 방법, 도 8(b)에 비교 방법의 히트 패턴(heating pattern)을 나타낸다. 즉, 도 8(b)의 비교 방법에서는, 전기 슬래그 재용해 강괴를 1280℃에서 소킹 후에 될 수 있는 한 냉각되지 않도록 하여 가열로로 이동하고, 1100℃의 열간 가공 온도로 가열하여 프레스, 압연 등에 의해 분괴 압연 가공했다. 이것에 대하여 도 8(a)의 본 발명 방법에서는, 소킹 후에 팬냉각 등에 의해 3℃/min(180℃/h) 이상의 냉각 속도로 900∼800℃의 표면 온 도까지 냉각하여 유지한 후, 1100℃의 열간 가공 온도로 재가열하여 프레스, 압연 등에 의해 분괴 압연 가공했다. 그 후 모두 열간 압연에 의해 80mmφ의 강철막대로 마무리했다.

다음에, 상기의 80mmφ의 강재로부터 시료를 채취하여 1140℃에서 담금질하고, 560℃에서 템퍼링한 시료를 제작했다. 이 시료를 현미경과 SEM 상(像)으로 관찰했다. 도 9에 그 현미경 사진(×400)을 도시하며, 도 10에 그 SEM 사진(×10000)을 도시한다. 양 도면의 (a)가 본 발명 방법이며, (b)가 비교 방법이다. 그리고, 10000배의 SEM 상으로 관찰하여 탄화물의 형상을 전사하고, 화상해석을 행하여 탄화물의 상태를 관측했다.

그 결과, 본 발명 방법(a)에서는, 매트릭스 중의 석출 탄화물은 평균입경이 0.43μm에서, 탄화물의 분포 밀도가 220×10³개/mm²가 분산되었다. 또, 400배 현미경 사진에서 15mm 원 면적내의 1∼20μm 직경의 점상 탄화물의 수가 20개 이하였다.

이것에 대하여, 비교 방법(b)에서는, 매트릭스 중의 석출 탄화물의 평균입경은 1.0μm에서, 탄화물의 분포 밀도는 50×10³개/mm²가 분산되었다. 그리고, 400배 현미경 사진에서 15mm 원 면적내의 1∼20μm 직경의 점상 탄화물의 수는 30∼40개였다.

상기의 시료에 대해 충격 시험을 행한 결과의 일례를 표2에 나타낸다

[표2]

표로부터 알 수 있는 바와 같이 비교 강철에서는 110J/cm²정도의 충격치가 달성되지만 수치의 편차가 크다. 이것에 대하여 본 발명 강철에서는, 200J/cm² 이상의 충격치가 얻어지며, 또한 편차가 억제되고 있다. 이에 따라, 단조 펀치 등에서는 대폭적인 수명 증가가 얻어졌다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 고속도 공구강 및 그 제조 방법은, 질량%로 C: 0.4∼0.9%, Si: 1.0% 이하, Mn: 1.0% 이하, Cr: 4∼6%, W 및 Mo 중 1종 또는 2종을 (1/2W+ Mo)로 1.5∼6%(단, W: 3% 이하), V 및 Nb 중 1종 또는 2종을 (V+ Nb)로 0.5∼3%를 함유하는 고속도 공구강으로서, 재용해법에 의해서 제작된 강괴를 1200∼1300℃로 가열하여 소킹한 후, 적어도 표면 온도를 3℃/min 이상의 냉각 속도로 900℃ 이하까지 냉각하고, 그 후, 분괴, 열간 성형한다.

상기 원소로는, 또 질량%로 Ni: 1% 이하, Co: 5% 이하를 첨가할 수도 있다.

즉, 상기 고속도 공구강의 조성은, 탄화물에 작용하는 탄소량과 탄화물 형성 원소의 밸런스가 양호하게 되고, 탄화물의 줄무늬형 분포가 감소하여 적량의 탄화물이 미세하게 분산 분포된다. 또한 적량의 Ni와 Nb를 첨가함으로써 결정입자의 미세화와, 연화 저항이 높아져 공구 성능이 향상된다.

이로 인해, 담금질 템퍼링 상태에서 매트릭스 중에 분산되는 석출 탄화물의 평균입경이 0.5μm 이하이며 또한, 탄화물의 분포 밀도가 80×10³개/mm² 이상의 강재가 얻어지기 때문에, 200J/cm² 이상의 충격치가 편차없이 얻어진다.

이로 인해, 성형 공구에서의 조기 파손이 방지되어, 공구 수명을 연장하고, 생산비용을 대폭 저감할 수 있었다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 고속도 공구강 및 그 제조 방법에 의하면, 종래에 비하여 담금질 템퍼링 후의 충격치가 향상되며, 또한 편차가 개선되기 때문에, 공구의 조기 파괴가 방지되어, 공구 수명이 신장되어 가공비용을 저감할 수 있다.

Claims

질량%로 C: 0.4∼0.9%, Si: 1.0% 이하, Mn: 1.0% 이하, Cr: 4∼6%, W 및 Mo 중 1종 또는 2종을 (1/2W+ Mo)로 1.5∼6%(단, W: 3% 이하), V 및 Nb 중 1종 또는 2종을 (V+ Nb)로 0.5∼3%를 함유하는 고속도 공구강으로서,

매트릭스 중에 분산되는 석출 탄화물의 평균입경이 0.5μm 이하이며 또한, 상기 탄화물의 분포 밀도가 80× 10³개/mm² 이상인 것을 특징으로 하는 고속도 공구강.
제1항에 있어서,

질량%로 Ni: 1% 이하를 함유하는 것을 특징으로 고속도 공구강.
제1항 또는 제2항에 있어서,

질량%로 Co: 5% 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 고속도 공구강.
질량%로 C: 0.4∼0.9%, Si: 1.0% 이하, Mn: 1.0% 이하, Cr: 4∼6%, W 및 Mo 중 1종 또는 2종을 (1/2W+ Mo)로 1.5∼6%(단, W: 3% 이하), V 및 Nb 중 1종 또는 2종을 (V+ Nb)로 0.5∼3%를 함유하는 고속도 공구강의 제조 방법으로서,

재용해법에 의해서 제작된 강괴를 1200∼1300℃로 가열하여 소킹(soaking)하 고, 상기 소킹 후, 적어도 표면 온도를 3℃/min 이상의 냉각 속도로 900℃ 이하까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 고속도 공구강의 제조 방법.
제4항에 있어서,

상기 소킹 후에 적어도 표면 온도를 3℃/min 이상의 냉각 속도로 900℃ 이하까지 냉각한 후, 분괴, 열간 성형을 거쳐, 담금질·템퍼링하는 것을 특징으로 하는 고속도 공구강의 제조 방법.
제4항에 있어서,

상기 소킹 후에 적어도 표면 온도를 3℃/min 이상의 냉각 속도로 900℃ 이하까지 냉각한 후, 분괴, 열간 성형을 거쳐 기계 가공하고, 상기 기계 가공 후에 담금질·템퍼링하는 것을 특징으로 하는 고속도 공구강의 제조 방법.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

질량%로 Ni: 1% 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 고속도 공구강의 제조 방법.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

질량%로 Co: 5% 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 고속도 공구강의 제조 방법.
제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

질량%로 Ni: 1% 이하, 및 질량%로 Co: 5% 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 고속도 공구강의 제조 방법.