KR100693666B1 - 분말 야금학적으로 제조된 고속도강 - Google Patents

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Abstract

합금화된 금속 분말의 압분을 통해 형성된 몸체 형태의 고함량의 질소를 갖는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강은 중량%로 1 내지 2.5 C, 1 내지 3.5 N, 0.05 내지 1.7 Mn, 0.05 내지 1.2 Si, 3 내지 6 Cr, 2 내지 5 Mo, 0.5 내지 5 W, 6.2 내지 17 (V + 2Nb), 그 나머지로 철과 표준 양의 불가피한 불순물을 포함하며, 한편으로 식(Ⅰ)으로 표현된 탄소 당량 Ceq의 양과 Veq = V + 2Nb로 표현된 바나듐 당량의 양이 서로 균형을 이루어 상기 당량으로 표현된 상기 원소들의 양이 도 1의 좌표에서 A1-B1-C1-D1-A1 영역 내에 있으며, Ceq/Veq 좌표의 A1 내지 D1점이 A1 : 4.5/17, B1 : 5.5/17, C1 : 2.5/6.2, D1 : 1.5/6.2이이다. 상기 강의 경화 및 뜨임 조건에서 상기 강의 조직은 상기 강의 기질 내에 균일하게 분포된 MX형 입자로 구성된 12 내지 40부피%의 경질상 입자를 함유하며, 상기 MX형 경질상 입자 내의 M은 일반적으로 바나듐 및/또는 니오븀으로 구성되며, X는 30 내지 50중량%의 탄소와 50 내지 70중량%의 질소로 구성된다.

Description

분말 야금학적으로 제조된 고속도강{POWDER METALLURGY MANUFACTURED HIGH SPEED STEEL}
본 발명은 합금화된 금속 분말의 응고를 통해 형성된 몸체 형태의 고함량의 질소를 갖는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강에 관한 것이며, 보다 구체적으로 냉간 가공 공구가 작업 재료와 공구 사이에서 심각하게 마찰되는 부착 마모(adhesive wear)의 위험이 있는 응용 분야에서 냉간 가공용 공구로 적절한 고속도강에 관한 것이다.
냉간 가공은 일반적으로 상온에서 금속 가공 재료의 블랭킹, 펀칭, 디프 드로잉, 및 다른 성형법을 종종 포함하며, 상기 금속 가공 재료는 일반적으로 시이트 또는 플레이트 형태를 갖는다. 이러한 형태의 가공을 위해 냉간 가공 공구가 사용되고 있으며, 이러한 냉간 가공 공구에는 조합하기 곤란한 요구사항을 필요로 한다. 즉, 상기 공구의 재료는 부착 마모에 대해 높은 저항을 가져야 하며, 이는 상기 공구의 재료가 적절한 경도와, 특정 용도에서 부착 마모에 대한 양호한 저항과, 사용 조건에서 적절한 인성을 가져야한다는 것을 의미한다.
상기 용도 및 다른 용도에 있어서, 1.55 C, 0.3 Si, 0.3 Mn, 12.0 Cr, 0.8 Mo, 0.8 V, 그 나머지가 표준 양의 철 및 불순물인 조성을 갖는 통상적으로 제조된 강인 상표명 스베커(Sverker) 21(등록 상표)로 공지된 냉간 가공용 강이 광범위하게 사용된다. 냉간 가공 공구에 있어서, 1.5 C, 1.0 Si, 0.4 Mn, 8.0 Cr, 1.5 Mo, 4.0 V, 그 나머지가 표준 양의 철 및 불순물을 함유하는 상표명 바나디스(Vanadis) 4(등록 상표)로 공지된 분말 야금학적으로 제조된 공구용 재료가 사용된다. 또한, 상표명 에이에스피(ASP) 2023(등록 상표)와 에이에스피(ASP) 2053(등록 상표)로 공지된 고속도강이 사용된다. ASP 2023은 1.28 C, 4.2 Cr, 5.0 Mo, 6.4 W, 3.1 V의 표준 조성을 가지며, ASP 2053은 2.45 C, 4.2 Cr, 3.1 Mo, 4.2 W, 8.0 V의 표준 조성을 가지며, 여기서 그 나머지는 철이며, Mn과 Si의 표준 양이 불순물로 존재한다.
시장에서 이용될 수 있는 전술한 및 다른 강은 부착 마모 저항, 인성 및 다른 특성에 대한 높은 요구 사항을 만족시킨다. 그러나, 이들은 시이트의 프레스, 파이프 벤딩, 및 냉간 압출과 같은 다른 형태의 냉간 성형 공구의 응용과 관련된 주요 문제점인 부착 마모에 대한 높은 요구 사항을 만족시키지 못한다. 이러한 문제점은 오스테나이트 및 페라이트 스테인레스 강, 구리, 황동, 알루미늄 등의 시이트의 냉간 가공과 관련하여 발생할 수 있다. 이러한 문제점은 PVD 또는 CVD 기술, 표면 질화처리(surface nitriding), 또는 경질 크롬 도금에 의한 마찰 감소 세라믹 층, 예를 들어 TiN으로 공구의 표면을 윤활 및/또는 표면 코팅함으로써 감소될 수 있다. 게다가, 증착물의 손상 및/또는 박리 위험이 크다. 연마 또는 부착 마모 손상이 발생하면, 소정의 결함이 공구의 응력이 집중된 부분 상에 존재할 수 있기 때문에 보수 작업은 복잡할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 MX형 고속도강의 주성분인 강의 원소의 함량을 도시하는 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 두 가지 강에 대한 경도 대 뜨임 온도를 도시하는 그래프이다.
도 3은 열간 가공 후 경화 전의 본 발명에 따른 강의 미세 조직을 도시하는 현미경 사진이다.
본 발명의 목적은 적절한 인성, 경도, 및 연마 마모에 대한 저항과 같은 냉간 가공 공구의 다른 바람직한 특성과 함께 부착 마모에 대한 매우 높은 저항을 갖는 냉간 가공 공구용 고속도강을 제공하고자 하는 것이다. 열간 정수압 소결법(HIP)을 통해 압분된 몸체를 형성하도록 분말을 프레스한 후, 강은 단련, 롤링, 및 압출을 통해 열간 가공될 수 있거나 HIP 조건에서 사용될 수 있다.
이러한 목적은 다음의 고속도강에 의해 달성될 수 있는데, 상기 고속도강은 중량%로 1 내지 2.5 C, 1 내지 3.5 N, 0.05 내지 1.7 Mn, 0.05 내지 1.2 Si, 3 내지 6 Cr, 2 내지 5 Mo, 0.5 내지 5 W, 6.2 내지 17 (V + 2Nb), 그 나머지로 철과 표준 양의 불가피한 불순물을 포함하는 화학적 조성을 가지며, 한편으로 Ceq = C + (12/14)N으로 표현된 탄소 당량 Ceq의 양과 Veq = V + 2Nb로 표현된 바나듐 당량의 양이 서로 균형을 이루어 상기 당량으로 표현된 상기 원소들의 양이 도 1의 좌표에서 A1-B1-C1-D1-A1 영역 내에 있으며, Ceq/Veq 좌표의 A1 내지 D1점이 A1 : 4.5/17, B1 : 5.5/17, C1 : 2.5/6.2, D1 : 1.5/6.2이며, 상기 강이 경화 및 뜨임 처리된 상태에서 상기 고속도강은 조직학적 측면에서 상기 강의 기질 내에 균일하게 분포된 MX형 입자로 구성된 12 내지 40부피%의 경질상 입자(hard phase particle)를 포함하며, 상기 MX형 경질상 입자 내의 M은 필수적으로 바나듐 및/또는 니오븀으로 구성되며, X는 30 내지 50중량%의 탄소와 50 내지 70중량%의 질소로 구성된다.
다음, 많은 한정된 영역이 정의되며, 이들 영역은 탄소 당량과 바나듐 당량 사이의 관계와 관련하여 본 발명의 다른 실시예와 변형예를 정의한다. 아래의 표에서, 도 1에 도시된 모든 점에 대한 Ceq/Veq 좌표가 표시된다.
본원에서 다른 언급이 없다면, %는 중량 %를 지칭한다.
도 1에 표시된 점의 Ceq/Veq 좌표
Veq 가 6.2 내지 17 (V + 2Nb)인 전체 범위 내에서 강의 탄소 및 바나듐 당량 사이의 관계와 관련하여 본 발명의 많은 바람직한 또는 고안된 실시예가 종속항 2 내지 5항에 기술된다.
다음, 상이한 합금 원소와 함량을 선택하여 보다 자세히 설명된다.
탄소는 본 발명에 따른 강에서 두 가지 중요한 작용을 갖는다. 하나는 탄소가 질소와 함께 그리고 바나듐 및/또는 니오븀과 함께 바나듐 및/또는 니오븀 탄질화물을 형성해야 하며, 다른 하나는 경화 및 뜨임 후에 얻어지는 소정 경도의 마르텐사이트를 제공하도록 탄소가 강 기질 내에 충분한 양으로 존재해야 한다. 보다 구체적으로 기질 내에 용해된 탄소의 함량은 0.40 내지 0.60%, 바람직하게 0.47 내지 0.54%이어야 한다. 이러한 이유로부터, 1 중량% 이상 및 최대 2.5 중량%의 탄소가 존재해야 한다.
상기 MX형 경질상 입자, 즉 바나듐 및/또는 니오븀 탄질화물에서, X는 30 내지 50 중량%의 탄소와 50 내지 70 중량%의 질소를 포함하며, 상기 MX형 탄질화물 내에 존재하는 질소와 탄소의 양의 중량% N/중량% C의 비는 다음의 조건을 만족시켜야 한다.
가스 원자화 처리(gas atomization) 전에 용융 상태에서 강 내에 존재하는 질소의 양과, 가스 원자화 처리된 강 분말을 질화처리함으로써 강에 첨가되는 보다 많은 질소의 양이 기본적으로 바나듐 및/또는 니오븀과 결합되어 상기 탄질화물을 형성한다. 강의 기질 내에 존재하는 질소의 양 및/또는 다른 존재 원소와 함께 질화물을 형성할 수 있는 질소의 양은 상기 탄질화물 내의 질소의 양과 비교할 때 실제적으로 무시할 수 있다. MX형의 바람직한 탄질화물을 달성하기 위해, 질소의 함량은 1 중량% 이상 및 최대 3.5 중량%이다.
규소는 용융된 강의 탈산으로부터의 잔류 생성물로서 0.05 이상, 바람직하게 0.1% 존재하며, 1.7%, 바람직하게 최대 1.2%, 일반적으로 최대 0.7%까지 허용될 수 있다.
망간은 우선 용융 금속 공정 기술로부터의 잔류 생성물로서 0.05% 이상, 바람직하게 0.1% 이상 존재하며, 망간은 공지된 방법으로 황화망간의 형성을 통해 무해한 황화합물을 제조하기 위해 중요하다. 최대 허용될 수 있는 망간의 함량은 1.7%, 바람직하게 최대 1.0%, 일반적으로 최대 0.5%이다.
강의 기질의 충분한 경화능의 달성에 기여하기 위해 강 내에 존재하는 크롬의 함량은 3% 이상, 바람직하게 3.5% 이상이어야 한다. 그러나, 너무 많은 크롬은 변태하기 곤란한 잔류 오스테나이트의 위험을 야기하며, 바람직하지 않은 M7C3-탄화물의 형성을 야기한다. 그러므로 크롬의 함량은 최대 6%, 바람직하게 최대 5%, 가장 바람직하게 최대 4.5%로 제한된다.
몰리브덴과 텅스텐은 뜨임 중에 2차 경화를 제공하고 경화능에 기여하기 위해 강 내에 존재해야 한다. 다른 합금 원소에 적용되는 상기 원소가 경화 및 뜨임 후에 적절한 경도를 제공하고 또한 소량의 경질 M6C 입자를 제공하도록 상기 한계가 정해진다. 몰리브덴의 함량은 2% 이상, 바람직하게 2.5% 이상 및 적절하게 3.0% 이상이어야 한다. 텅스텐의 함량은 0.5% 이상, 바람직하게 2.0% 이상, 및 적절하게 2.5% 이상 그리고 가장 통상적으로 3.0% 이상이어야 한다. 몰리브덴과 텅스텐 각각의 함량은 5%, 바람직하게 4.0%를 초과해서는 않된다. 몰리브덴과 텅스텐이 관련되는 한, Moeq = Mo + W/2는 2.25 내지 7.5%, 바람직하게 4 내지 6% 범위 내에 있어야 한다. M6C-탄화물의 함량은 (MX + M6C) 상의 총 부피 함량의 3.5 부피% 또는 10 내지 30%이어야 하며, 여기서 M은 실질적으로 몰리브덴과 텅스텐으로 구성된다.
바나듐은 경질의 바나듐 탄질화물, 즉 경질의 MX형 물질을 형성하기 위해, 탄소 및 질소와 함께 강 내에 최저 6.2% 및 최대 17%로 존재해야 하며, 여기서 M은 기본적으로 바나듐이며 X는 전술한 중량비의 탄소와 질소이다. 가능하게, 바나듐은 전체적으로 또는 부분적으로 니오븀으로 교체될 수 있다. 니오븀의 최대 허용 함량은 1.0%, 바람직하게 최대 0.5%이다. 그러나, 적절하게 니오븀은 강의 가공에서 스크랩 처리를 더 복잡하게 할 수 있으며, 무엇보다도 일반적인 MX형의 바나듐 탄질화물보다 바람직하지 않으며 보다 날카로운 탄화물 구조로 인해 강의 인성을 손상시킬 수 있기 때문에, 강은 의도적으로 첨가된 니오븀을 포함하지 않는다.
전술한 것처럼, 본 발명의 목적은 우선 냉간 가공 공구용으로 적절한 신규한 고속도강을 제공하는 것이다. 냉간 가공용 강은 상온에서 사용될 수 있기 때문에, 강은 고가이며 강이 보다 작은 인성을 나타내게 하는 코발트를 포함해서는 않된다. 그러나, 본 발명의 일 측면에 따라, 강은 고온에서 사용될 수 있어야 하며, 이러한 경우 코발트가 최대 20%, 바람직하게 최대 12% 포함될 수도 있다. 그러나 우선 냉간 가공용 강의 분야에 있어서, 강은 고속도강을 제조하는 강의 가공에 사용되는 원료로부터 잔류 성분으로 일반적으로 발생되는 불순물의 함량보다 많은 양의 코발트, 즉 최대 1% 코발트, 바람직하게 최대 0.5% 코발트를 포함해서는 않된다.
본 발명의 제 1변형예에 따라, 바나듐의 함량은 6.2 내지 9.5%이어야 한다. 제 1 변형예의 측면에 따라, 이는 탄소와 바나듐 당량의 좌표가 도 1의 좌표축에서 영역 G1-H1-C1-D1-G1 내에 있어야 함을 의미한다.
상기 제 1 변형예의 제한 측면이 종속항 7 내지 12 항에 나타난다. 상기 제 1 변형예의 가장 제한적인 실시예가 다음의 바람직한 표준 조성 : 1.3 C, 1.4 N(약 2.5의 Ceq), 0.5 Si, 0.3 Mn, 4.2 Cr, 3.0 Mo, 4.0 W, 8.0 V, 그 나머지는 철과 표준 양의 불순물로 구성된 강에 관한 것이다. 이러한 강은 강이 사용되도록 의도된 분야에 사용될 수 있다.
본 발명의 제 2 변형예에 따라, 강은 13.5 내지 17의 (V + 2Nb)를 함유해야 한다. 제 2 변형예의 측면에 따라, 이는 탄소와 바나듐 당량의 좌표가 도 1의 좌표축에서 영역 A1-B1-E1-F1-A1 내에 있어야 함을 의미한다. 상기 제 2 변형예의 제한 측면이 종속항 14 내지 19 항에 나타난다. 상기 제 2 변형예에 따른 가장 제한적이고 바람직한 조성물 내에 2.0 C, 3.0 N(약 4.6의 Ceq), 0.5 Si, 0.3 Mn, 4.2 Cr, 3.0 Mo, 4.0 W, 15.0 V, 그 나머지는 철과 일반적으로 존재하는 불순물로 구성된 바람직한 표준 조성을 갖는 강이 있다. 상기 조성을 갖는 강은 특히 과중한 부착 마모를 받는 공구의 제조에 적합하며, 바나듐, 탄소, 및 질소의 높은 함량에 의해 MX 상의 분율이 약 2배가 된다는 점에서 상기 바람직한 조성과 상이하다.
본 발명의 제 3 변형예에 따라, 강은 9.5 내지 13.5의 (V + 2Nb)를 함유하며, 여기서 탄소 및 바나듐 당량의 함량의 계수는 영역 F1-E1-H1-G1-F1 내에 있다. 상기 제 3 변형예의 제한 측면이 청구항 제 21 항 내지 제 26 항에 나타난다. 상기 제 3 변형예에 따른 가장 제한적이고 바람직한 조성물 내에 1.5 C, 2.0 N(약 3.2의 Ceq), 0.5 Si, 0.3 Mn, 4.2 Cr, 3.0 Mo, 4.0 W, 11.0 V, 그 나머지는 철과 일반적으로 존재하는 불순물로 구성된 바람직한 표준 조성을 갖는 강이 있다. 이러한 종류의 강은 상기 제 2 변형예에 따른 고합금강보다 양호한 열간 가공성과 상기 제 1 변형예에 따른 저합금강보다 양호한 내마모성을 제공한다.
상기 강의 기술적 특징은 다음과 같다.
- 본 발명에 따른 강은 분말 야금학적으로 제조된 고속도강으로 구성되며, 상기 강의 합금 조성은 우선 매우 높은 바나듐 함량에 의해 구별된다. 조직학적 측면에서 강은 실질적으로 페라이트 기질을 가지며, 상당한 양의 탄질화물, 우선 강 내에 미립자로 균일하게 분포된 바나듐 탄질화물을 함유한다.
- 1000 내지 1180℃ 범위, 바람직하게 1050 내지 1150℃ 범위에서 용해 처리하고 상온에서 냉각한 후, 강의 기질은 주로 마르텐사이트 조직을 갖지만 높은 함량의 잔류 오스테나이트를 갖는다. 강 내에 존재하는 탄질화물과 탄화물의 일부는 용해되지만, 15 내지 30 부피%의 미립자로 균일하게 분포된 바나듐 탄질화물은 강 내에 잔류한다.
- 잔류 오스테나이트는 우선 바나듐 탄질화물의 2차 석출에 의해 기본적으로 제거되고 마르텐사이트로 변태되기 때문에 경도는 500 내지 600℃ 범위 내의 온도로 뜨임되어 58 내지 66HRC(상기 범위 내의 경도는 오스테나이트화 온도에 의존함)로 증가된다.
- 우선 높은 함량의 바나듐 탄질화물 때문에, 경화되고 뜨임된 강은 상온에서 매우 높은 내마모성을 가지며, 합금 원소의 조합으로 인해, 다른 관점에서 강은 본원에서 전술된 냉간 가공용 공구의 형태에 적절한 경도와 인성의 조합을 갖는다.
본 발명에 따른 고속도강은 다음의 방법으로 제조될 수 있다. 용융물은 통상적인 용융 야금학적 방법으로 준비되며, 상기 용융물은 용융 강 내에 용해될 수 있는 질소의 최대 함량을 초과하지 않는 질소 함량을 갖지만, 다른 합금 성분은 청구항 1 항에 기재된 함량 또는 종속항에 기재된 소정의 특정 함량으로 조절된다. 상기 용융물로부터 질소 및/또는 아르곤의 가스 분사에 의해, 즉 소위 ASP 공정(Asea Stora Process)의 초기 부분을 형성하는 기술에 따라 용융 금속 흐름의 원자화 처리를 통한 공지된 방법으로 수행되는 금속 분말이 형성된다. 분말은 적절한 분말 크기, 예를 들어 최대 250㎛로 체가름된다. 분말의 일부는 질소 수송 가스, 예를 들어 공지된 소정의 기술에 따라 질소 및/또는 암모니아 가스에 의해 고상 질화 처리를 통해 질소와 합금화된다. 사용될 수 있는 공지된 기술 중 예를 들어 SE-C-462837호에 개시된 기술 또는 1986년 7월의 MPR 527 내지 530에 개시된 기술이 언급될 수도 있다. 바람직하게 550 내지 600℃에서 회전 반응기 내에 있는 고온 분말 베드를 통해 유동되는 암모니아와 수소 가스의 가스 혼합물이 사용된다. 상기 온도에서 암모니아는 반응식 2NH3 →3H2 +2N(강)에 따라 강 분말의 표면에서 반응한다. 그 후 용해된 질소는 표면으로부터 분말 그레인 내로 확산할 것이다. 반응기의 출구에서 가스는 질소, 수소, 및 소량의 잔류 암모니아로 구성된다. 상기 방법은 질소 함량의 정확한 제어로 질화처리된 재료를 제조한다. 상기 방법 또는 다른 방법으로 질소와 합금화된 분말은 질소와 합금화되지 않지만 다른 측면에서 질소와 합금화된 분말과 바람직하게 동일한 조성을 갖는 분말과 혼합되며, 상기 혼합물은 본 발명에 따른 소정의 평균 질소 함량을 가질 것이다. 이러한 혼합물은 본 발명에 따른 압분된 몸체의 질소가 합금화된 고속도강을 달성하기 위해 공지된 기술, 바람직하게 전술된 ASP(Area Stora Process)라고 공지된 기술에 따라 밀폐된 시이트 캡슐 내로 장입되고 열간 정수압적으로 소결된다. 이러한 몸체는 압연 및/또는 단조를 통해 소정의 치수로 열간 가공될 수 있다. 압분 공정 중에 그리고 후속하는 열간 가공에서, 열간 가공용 초기 재료 내의 질소 함량과 관련한 편차가 해소되어, 몸체의 모든 부분이 기본적으로 동일한 높은 질소 함량을 갖게 될 것이다.
조사된 강의 화학적 조성이 아래의 표 1에 중량%로 주어진다. 상기 표에 주어진 원소 외에, 강 합금은 강의 제조에서 일반적으로 발생하는 양의 불순물을 함유한다. 1 내지 6번 강 합금이 실험적인 합금으로서, 3 내지 6번 합금은 본 발명에 따른 강의 실시예이다. 7 및 8번 강 합금, 보다 구체적으로 상업적으로 이용되고 있는 강 ASP(등록 상표) 2023 및 ASP(등록 상표) 2053 각각은 참조용 재료로 분석된 조성물이다.
실험적인 1 내지 6번 합금의 초기 재료는 실험적 수준에서 제조된 강 용융물의 가스 원자화(gas atomization)을 통해 제조된 분말로 구성된다. 용융물은 분말 제조 공구 내에서 질소 가스에 의해 원자화(atomize)되어, 250㎛ 보다 작은 분말 입도를 갖는 분말 부분을 얻도록 체가름된 미세 분말을 생산한다. 상이한 분말 합금으로 제조된 분말의 일부는 질화 처리 가스가 유동하는 반응기 내의 분말 베드에서 암모니아와 질소 가스의 혼합물에 의해 배치 방식으로(batchwise) 질화처리된다. 반응기 내의 온도는 약 570℃이다. 상기 온도에서 반응된 암모니아는 베드를 통해 수송되어 분말 베드를 통해 유동하는 암모니아, 질소, 및 수소 가스의 혼합물이 달성된다. 질소의 활성도는 이러한 조건 중에 매우 높으며, 강 분말 내의 질소 보유력도 매우 양호하다.
그 후 질소 합금화된 분말은 다양한 질소 함량을 갖는 혼합 분말을 형성하기 위해 질소와 합금화되지 않은 대응하는 강 분말과 혼합된다. 이러한 혼합 분말은 캡슐 내에 충전되며 압분된 몸체의 질소 합금화된 고속도강을 형성하기 위해 1150℃와 1000bar의 압력에서 열간 정수압적으로 소결된다.
열간 정수압 소결 후에 블랭크는 약 130㎜의 직경과 약 600㎜의 길이를 갖는다. 이 재료는 단조되고, 그후 연화풀림되며, 경화 및 뜨임된다. 그후 이 재료는 표 1에 도시된 것처럼 그 화학적 조성을 참조하여 분석된다.
초기 연구 중에 1 및 2번 강은 소정의 특성을 달성하지 못했는데, 이는 보다 자세히 연구되지 않았기 때문이다. 반면, 초기 연구는 3 내지 6번 강이 관련되는 한 우수한 결과를 나타낸다. 이러한 강 중에, 5 및 6번 강 합금으로 제조된 재료는 보다 자세히 연구되며 기계적 시험, 마모 시험, 노치 없는 충격 시험, 및 금속 분석 구조 연구를 거친다. 또한 7 및 8번 강 합금으로 제조된 참조용 재료도 상기 재료 시험을 거친다.
단조 시험의 결과가 표 2에 주어진다.
5번 강은 문제 없이 단조될 수 있지만, 실질적으로 보다 더 합금화된 6번 강은 상당히 좋지 않은 단조성을 나타낸다. 제 2 단계에서, 상기 재료는 크랙이 생겨 부분적으로 부서진다. 이러한 이유는 재료 중의 MX형 경질상 입자의 함량이 높기 때문이다. 다시 말해, 재료 부피의 약 1/3 정도로 다량 포함하기 때문이다.
심냉(deep cooling)을 거친 것과 거치지 않은 5 및 6번 강의 경도에 대한 오스테나이트화 온도의 영향이 조사되었다. 다음의 결과가 얻어졌다.
상기 표로부터 분명한 것처럼, 1000℃로부터 경화 후 심냉 후에 경도가 상당히 증가한 것은 6번 강뿐이다.
상이한 뜨임 온도에 의존하는 경도를 조사하기 위해 30분동안 1000℃로부터 경화되어 상온으로 냉각되는 재료가 선택된다. 그 결과가 도 2에 도시된다. 도 2로부터 분명한 것처럼, 6번 뿐만 아니라 5번 강의 경도도 500 내지 520℃ 범위의 뜨임온도까지 약간 감소되지만 더 높은 뜨임 온도에서 상당히 감소된다.
그 후 충격 인성이 노치 없는 시편에 대한 충격 에너지에 의해 조사되었다. 시편은 단조된 재료의 길이 방향으로 취해진다. 상기 재료는 1000℃/30분에서 오스테나이트화에 의해 경화되어 상온에서 냉각되며, 중간 공냉을 거쳐 2시간 동안 525℃에서 2번 뜨임된다. 실험 재료의 경도와 충격 에너지가 표 4에 주어진다. 1100℃/30분 및 1075℃/30분으로부터 각각 경화되고 560℃/3 ×1시간 동안 뜨임된 후 참조용 재료인 7 및 8번 강의 측정값이 상기 표에 주어진다.
5 및 6번 질화 처리된 실험 재료는 완전 생산된 제품인 7 및 8번 참조용 재료와 비교할 때 낮은 파괴 에너지를 나타낸다. 이에 대한 이유는 실험 재료 내의 보다 높은 경질상 입자의 함량 때문이며, 또한 실험실에서 제조된 실험 재료가 생산된 재료 내의 보다 일반적인 산소 함량인 50ppm과 비교할 때, 각 각 495ppm 및 570ppm의 이례적인 높은 산소 함량을 갖기 때문이다. 그러나, 측정된 실험 재료의 충격 에너지는 본 발명에 따른 고속도강이 의도된 응용 분야의 관점에서, 특히 완전히 생산된 재료에서 기대되는 더 높은 충격 에너지를 고려할 때 허용될 수도 있다.
강의 내마모성, 특히 부착 마모에 대한 재료의 저항성에 대한 평가를 위해, 공구는 펌프 하우징용 오스테나이트 스테인레스 강 시이트의 냉간 가공을 위한 공구, 보다 구체적으로 펌프, 로터 슬리브의 디프 드로잉을 위한 공구가 제조된다. 공구가 장착된 프레스는 많은 분리된 프레스 스테이션을 가지며, 여기서는 스테이션 1 및 2로 지칭된다. 스테이션(2)은 경험에 의해 부착 마모가 스테이션(1)보다 약 3배 큰 응력을 나타내는 스테이션이다. 조사된 재료로 제조된 작동부는 90㎜의 외측 직경, 64㎜의 내측 직경, 및 46.5㎜의 높이를 갖는 링으로 구성된다. 상기 결과는 표 5에 나타난다.
본 발명에 따른 질소가 합금화된 5번 강의 프레스 결과는 참조용 재료인 7번 강과 비교할 때 30배 이상의 공구의 작동 수명의 연장을 의미한다. 공구는 프레스 내에서 여전히 작동되며 수명 시험이 계속된다. 또한 본 발명에 따른 6번 재료는 우수한 내마모성, 즉 참조용인 7번 재료보다 40배 이상 긴 수명을 갖는다. 이러한 관점에서 참조용 재료와 비교할 때 본 발명에 따른 낮은 충격 에너지는 요구된 응용분야에서 소정의 문제도 야기하지 않는다는 것을 주목해야 한다.
재료의 미세조직은 주사 전자 현미경(SEM)에 의해 조사되었다. 도 3은 열간 정수압 소결 및 연속 단조 후 6번 강의 미세조직을 도시한다. 바나듐 탄질화물은 도면에서 회색의 오스테나이트 내에 검은 색의 균일하게 분포된 섬모양으로 보인다. 5번 강의 조직 시험은 바나듐 탄질화물과 유사한 분포를 나타낸다. 조직적 관점에서 본 발명에 따른 두 재료 5 및 6이 서로 다른 점은 6번 강이 5번 강보다 많은 MX상인 약 70%를 함유한다는 것이다. 대부분의 탄질화물은 1 내지 2㎛의 직경을 갖는다. 더욱이, 4 및 5번 강에서, 약 2 내지 3㎛ 연장되고 매우 작은 두께, 즉 약 0.1㎛의 두께를 갖는 층상 석출물 형태를 갖는 소량의 M6C 탄화물상이 발견되었다.

Claims (47)

  1. 합금화된 금속 분말의 압분을 통해 형성된 몸체 형태의 고함량의 질소를 갖는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강에 있어서,
    상기 고속도강은 중량%로 1 내지 2.5 C, 1 내지 3.5 N, 0.05 내지 1.7 Mn, 0.05 내지 1.2 Si, 3 내지 6 Cr, 2 내지 5 Mo, 0.5 내지 5 W, 6.2 내지 17 (V + 2Nb), 그 나머지로 철과 표준 양의 불가피한 불순물을 포함하는 화학적 조성을 가지며, Ceq = C + (12/14)N으로 표현되는 탄소 당량 Ceq 과 Veq = V + 2Nb로 표현되는 바나듐 당량이 서로 균형을 이루어 상기 당량으로 표현된 상기 원소들의 양이 도 1의 좌표에서 A1-B1-C1-D1-A1 영역 내에 있으며, Ceq/Veq 좌표의 A1 내지 D1점이 A1 : 4.5/17, B1 : 5.5/17, C1 : 2.5/6.2, D1 : 1.5/6.2이며,
    상기 강이 경화 및 뜨임 처리된 상태에서 상기 고속도강은 조직학적 측면에서 상기 강의 기질 내에 균일하게 분포된 MX형 입자로 구성된 12 내지 40부피%의 경질상 입자를 포함하며, 상기 MX형 경질상 입자 내의 M은 바나듐과 니오븀 중 하나 이상으로 구성되며, X는 30 내지 50중량%의 탄소와 50 내지 70중량%의 질소로 구성된 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐의 당량 계수가 도 1의 좌표에서 A2-B1-C1-D2-A2 영역 내에 있으며, Ceq/Veq 좌표의 A2 및 D2점이 A2 : 4.6/17, D2 : 1.6/6.2인 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 도 1의 좌표에서 A3-B1-C1-D3-A3 영역 내에 있으며, Ceq/Veq 좌표의 A3 및 D3점이 A3 : 4.75/17, D3 : 1.75/6.2인 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 도 1의 좌표에서 A2-B2-C2-D2-A2 영역 내에 있으며, Ceq/Veq 좌표의 B2 및 C2점이 B2 : 5.3/17, C2 : 2.3/6.2인 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 도 1의 좌표에서 A3-B2-C2-D3-A3 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 도 1의 좌표에서 A3-B2-C2-D3-A3 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고속도강이 6.2 내지 9.5 (V + 2Nb)를 함유하며, 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 G1-H1-C1-D1-G1 영역 내에 있으며, Ceq/Veq 좌표의 G1 및 H1점이 G1 : 2.4/9.5, H1 : 3.4/9.5인 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 도 1의 좌표에서 G2-H1-C1-D2-G2 영역 내에 있으며, Ceq/Veq 좌표의 G2 모서리점이 2.5/9.5인 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  9. 제 8 항에 있어서,
    탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 도 1의 좌표에서 G2-H2-C2-D2-G2 영역 내에 있으며, Ceq/Veq 좌표의 H2 모서리점이 3.2/9.5인 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  10. 제 8 항에 있어서,
    탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 도 1의 좌표에서 G3-H1-C1-D3-G3 영역 내에 있으며, Ceq/Veq 좌표의 G3 모서리점이 2.65/9.5인 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  11. 제 9 항에 있어서,
    탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 도 1의 좌표에서 G3-H1-C1-D3-G3 영역 내에 있으며, Ceq/Veq 좌표의 G3 모서리점이 2.65/9.5인 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 도 1의 좌표에서 G3-H2-C2-D3-G3 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 도 1의 좌표에서 G3-H2-C2-D3-G3 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  14. 제 7 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고속도강이 7 내지 9 (V + 2Nb)를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  15. 제 7 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고속도강이 7.4 내지 8.6 (V + 2Nb)를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 고속도강이 13.5 내지 17 (V + 2Nb)를 함유하며, 상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 도 1의 좌표에서 A1-B1-E1-F1-A1 영역 내에 있으며, Ceq/Veq 좌표의 E1 및 F1 모서리점이 E1 : 4.55/13.5, F1 : 3.55/13.5인 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 도 1의 좌표에서 A2-B1-E1-F2-A2 영역 내에 있으며, Ceq/Veq 좌표의 F2 모서리점이 3.65/13.5인 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 도 1의 좌표에서 A3-B1-E1-F3-A3 영역 내에 있으며, Ceq/Veq 좌표의 F3 모서리점이 3.8/13.5인 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 A2-B2-E2-F2-A2 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 A2-B2-E2-F2-A2 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 A3-B2-E2-F3-A3 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 A3-B2-E2-F3-A3 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 A3-B2-E2-F3-A3 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  24. 제 16 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고속도강이 14 내지 16.5 (V + 2Nb)를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  25. 제 16 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고속도강이 14.5 내지 16 (V + 2Nb)를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  26. 제 1 항에 있어서,
    상기 고속도강이 9.5 내지 13.5 (V + 2Nb)를 함유하며, 상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 F1-E1-H1-G1-F1 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 F2-E1-H1-G2-F2 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 F3-E1-H1-G3-F3 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 F2-E2-H2-G2-F2 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 F2-E2-H2-G2-F2 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 F3-E2-H2-G3-F3 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  32. 제 30 항에 있어서,
    상기 탄소 및 바나듐 당량의 함량 계수가 F3-E2-H2-G3-F3 영역 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  33. 제 26 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고속도강이 10 내지 12.5 (V + 2Nb)를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  34. 제 26 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고속도강이 10.5 내지 12 (V + 2Nb)를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  35. 제 1 항에 있어서,
    상기 고속도강이 0.1 내지 1.2% Si을 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  36. 제 1 항에 있어서,
    상기 고속도강이 최대 1.0Mn을 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  37. 제 1 항에 있어서,
    상기 고속도강이 3.5 내지 5 Cr을 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  38. 제 1 항에 있어서,
    상기 고속도강이 2.5 이상의 Mo과 2.0 이상의 W을 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  39. 제 1 항에 있어서,
    Mo과 W 각각의 함량이 5%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  40. 제 38 항에 있어서,
    %Moeq = %Mo + 5W/2가 2.25 내지 7.5% 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  41. 제 39 항에 있어서,
    %Moeq = %Mo + 5W/2가 2.25 내지 7.5% 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  42. 제 7 항에 있어서,
    경화 및 뜨임 처리된 상태에서 상기 강이 상기 강의 기질 내에 균일하게 분포된 MX형 입자로 구성된 14 내지 23 부피%의 경질상 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  43. 제 16 항에 있어서,
    경화 및 뜨임 처리된 상태에서 상기 강이 상기 강의 기질 내에 균일하게 분포된 MX형 입자로 구성된 23 내지 38 부피%의 경질상 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  44. 제 26 항에 있어서,
    경화 및 뜨임 처리된 상태에서 상기 강이 상기 강의 기질 내에 균일하게 분포된 MX형 입자로 구성된 18 내지 27 부피%의 경질상 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  45. 제 1 항에 있어서,
    경화 및 뜨임 처리된 상태에서 상기 강이 3 내지 5 부피%의 M6C-탄화물을 함유하며, 여기서 M은 Mo 및 W인 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  46. 제 1 항에 있어서,
    상기 강이 M이 V인 MX형 탄질화물 외에도 M6C형 탄화물을 포함하며, 여기서 M은 Mo 및 W이며, M6C형 탄화물의 총량은 (MX + M6C)의 총량의 10 내지 30%인 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
  47. 제 1 항에 있어서,
    경화 및 뜨임 처리된 상태에서 상기 강이 상기 기질 내에 용해된 0.40 내지 0.60%의 탄소를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금학적으로 제조된 고속도강.
KR1020017016102A 1999-06-16 2000-06-15 분말 야금학적으로 제조된 고속도강 KR100693666B1 (ko)

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