KR100846815B1

KR100846815B1 - 강화된 내구성 공구강, 이들의 제조 방법, 및 상기 강으로만들어지는 부재의 제조 방법, 및 그러한 방법으로얻어지는 부재

Info

Publication number: KR100846815B1
Application number: KR1020037013556A
Authority: KR
Inventors: 베귀노쟝; 비알르도미니끄
Original assignee: 아르셀러미탈 프랑스
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2002-04-16
Publication date: 2008-07-16
Also published as: SK286725B6; DE60201984T2; RU2003133465A; PL363285A1; CN1503852A; PT1379706E; HUP0303947A2; CN1226441C; HUP0303947A3; DE60201984D1; HK1062460A1; WO2002083966A1; SK12992003A3; CZ297762B6; CZ20032755A3; JP4523230B2; CA2444175C; ATE282721T1; AU2002257862B2; ZA200307900B

Abstract

본 발명은 하기 조성의 공구강에 관한 것이다:

0.8 ≤ C ≤ 1.5

5.0 ≤ Cr ≤ 14

0.2 ≤ Mn ≤ 3

Ni ≤ 5

V ≤ 1

Nb ≤ 0.1

Si+Al ≤ 2

Cu ≤ 1

S ≤ 0.3

Ca ≤ 0.1

Se ≤ 0.1

Te ≤ 0.1

1.0 ≤ Mo+½W ≤ 4

0.06 ≤ Ti+½Zr ≤ 0.15

0.004 ≤ N ≤ 0.02

(여기서, 분율은 중량% 단위임)

을 포함하고, 나머지 부분은 제련 시 발생하는 불순물 및 철로 이루어지며, 따라서 2.5×10^-4%² ≤ (Ti+½Zr)×N임.

본 발명은 또한 상기 강으로 만들어지는 부재의 제조 방법, 및 이를 통해 얻어지는 부재에 관한 것이다.

Description

강화된 내구성 공구강, 이들의 제조 방법, 및 상기 강으로 만들어지는 부재의 제조 방법, 및 그러한 방법으로 얻어지는 부재 {REINFORCED DURABLE TOOL STEEL, METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF, METHOD FOR PRODUCING PARTS MADE OF SAID STEEL, AND PARTS THUS OBTAINED}

본 발명은 종래의 등급보다 높은 인성(toughness)을 가지는 공구강(tool steel)용 조성물, 상기 조성물의 제조 방법, 및 이를 통해 얻어질 수 있는 부재에 관한 것이다.

공구강은 다양한 용도, 특히 금속 부재들이 서로 접촉된 상태에서 금속 부재들 사이에 상대적인 이동을 수반하고, 금속 부재들 중 하나가 가능한 한 장기간 동안 본래의 형태(geometrical integrity)를 유지해야 하는 경우에 널리 사용된다. 실례로서 기계 및 절단용 공구 및 계측기를 들 수 있다.

이들 부재의 본래의 형태를 보존하는 데에는 정적 또는 동적 부하 하에서의 양호한 내마모성, 양호한 내변형성, 및 양호한 강도가 요구되며, 이는 사용되는 강이 높은 인성 및 높은 경도를 가져야 함을 의미한다.

또한, 그러한 등급은 그 구조가 경화 후 넓은 두께 전반에 걸쳐 가능한 한 균등하도록 하는 양호한 담금질성(hardenability)을 나타내어야 한다.

그러나, 이러한 다양한 요건들은 흔히 양립하지 못하는 것으로 판명되어 있다. 따라서, 소위 AISI D2라고 불리는 저온 작업을 위한 공구강의 등급이 알려져 널리 사용되고 있으며, 이 강은 Mo 또는 V와 같은 카바이드-형성 원소 성분을 경화시키는 다소의 다른 첨가물과 함께 1.5 중량%의 탄소 및 12 중량%의 크롬을 함유한다. 고함량의 탄소 및 크롬은 고화(solidification) 말기의 고온에서 형성되는 M₇C₃ 유형의 공정(eutectic) 카바이드의 다량의 석출을 초래하고, 결과적으로 조립질이 되어, 금속 매트릭스 내에서 비균질하게 분포하게 된다.

강 내에는 경질의 카바이드가 큰 부피 분율로 존재하는 것이 내마모성을 증가시키는 데 있어 유리하지만, 그들의 불충분한 분포는 인성을 저하시킨다.

따라서, 이 문제를 완화하기 위하여, 이러한 등급 유형의 탄소 및 크롬의 함량을 각각 약 1% 및 8%로 감소시키고, 그에 대한 보상으로서 몰리브덴의 함량을 대략 2.5%로 높이는 방법이 제안되었다(EP 0 930 374). 탄소 함량의 감소는 공정 카바이드의 부피 분율을 감소시키며, 이는 인성에 유리하다. 한편, 그들의 경도를 증대시키는 이러한 몰리브덴 카바이드의 강화는 강의 경도 및 내마모성을 유지시킬 수 있도록 한다.

그러나, 강의 경도 및 내마모성을 저하시키지 않으면서 인성를 증가시키기 위해서는, 이들 카바이드의 분포를 좀더 미세화시킬 필요가 남아있다.

본 발명자들은 충분한 함량의 질소와 함께, 상기 질소 함량에 따라 좌우되는 최소 함량의 티탄 및/또는 지르코늄과 병용함으로써 인성 및 기계적 강도 및 내마모성 사이의 절충점을 개선하는 새로운 방법을 발견하였다.

보다 구체적으로, 본 발명자들은 다음과 같은 경우 인성 증가와 연계하여 크롬, 몰리브덴 및 텅스텐 카바이드가 미세화하는 것을 관찰하였다:

- 한편으로는, N≥0.004%, 바람직하게는 ≥0.006%이고;

- 다른 한편으로는, (Ti + ½Zr)×N ≥ 2.5×10^-4%²,

여기서, T, Zr, 및 N 함량은 중량%로 나타낸 것임.

질소 및 티탄 또는 지르코늄 측면에서의 이러한 연계 요건은 활성 인자가 티탄 및/또는 지르코늄 나이트라이드의 존재임을 시사하며, 이들은 크롬, 몰리브덴 및 텅스텐 카바이드의 크기를 미세화하는 기능을 가지는 것으로 추측된다. 따라서, 조립질 크롬, 몰리브덴 및 텅스텐 카바이드의 평균 크기는 종래의 약 10 ㎛의 통상적인 값에서 본 발명의 약 4 ㎛의 값이 된다.

본 발명의 제1 대상은 하기 조성의 공구강으로 이루어진다:

0.8 ≤ C ≤ 1.5

5.0 ≤ Cr ≤ 14

0.2 ≤ Mn ≤ 3

Ni ≤ 5

V ≤ 1

Nb ≤ 0.1

Si+Al ≤ 2

Cu ≤ 1

S ≤ 0.3

Ca ≤ 0.1

Se ≤ 0.1

Te ≤ 0.1

1.0 ≤ Mo+½W ≤ 4

0.06 ≤ Ti+½Zr ≤ 0.15

0.004 ≤ N ≤ 0.02

(여기서, 분율은 중량% 단위임)

본 발명의 바람직한 구현형태에서, 상기 강은 하기 조성을 갖는다:

0.8 ≤ C ≤ 1.2

7.0 ≤ Cr ≤ 9

0.2 ≤ Mn ≤ 1.5

Ni ≤ 1

0.1 ≤ V ≤ 0.6

Nb ≤ 0.1

Si+Al ≤ 1.2

Cu ≤ 1

S ≤ 0.3

Ca ≤ 0.1

Se ≤ 0.1

Te ≤ 0.1

2.4 ≤ Mo+½W ≤ 3

0.06 ≤ Ti+½Zr ≤ 0.15

0.004 ≤ N ≤ 0.02

(여기서, 분율은 중량% 단위임)

본 발명에 따르는 강의 티탄 및/또는 지르코늄의 함량은 0.06 내지 0.15 중량%이어야 한다. 이는 0.15 중량%를 초과하는 함량에서는 티탄 및/또는 지르코늄 나이트라이드의 석출이 유착해 그 효과를 상실하는 경향이 있기 때문이다. 한편, 상기 함량이 0.06 중량% 미만인 경우에는, 존재하는 티탄 및/또는 지르코늄의 양이 원하는 인성 및 내마모성의 개선을 달성하기 충분한 티탄 및/또는 지르코늄 카바이드를 형성하는 데 불충분하기 때문이다. 지르코늄은 1부의 티탄에 대해 2부의 지르코늄의 비율로 티탄과 완전히 또는 부분적으로 대체될 수 있다.

본 발명에 따르는 강의 질소 함량은 0.004 내지 0.02 중량%, 바람직하게는 0.006 내지 0.02 중량%이어야 한다. 이들은 함량은 0.02 중량%로 제한되는 데, 이는 상기 함량을 초과하는 경우에는 인성이 감소하는 경향이 있기 때문이다.

본 발명에 따르는 강의 탄소 함량은 0.8 내지 1.5 중량%, 바람직하게는 0.8 내지 1.2 중량%이어야 한다. 탄소는 카바이드를 형성하여 원하는 등급이 얻어지는 인성 수준을 달성하기에 충분한 양으로 존재해야 한다.

다른 바람직한 구현형태에서, 본 발명에 따르는 강의 탄소 함량은, 동일한 열처리를 위하여 개선된 경도를 보장하고, 경질 카바이드의 부피비를 증가시킴으로써 내마모성을 증가시키도록 하기 위하여 0.9 중량% 내지 1.5 중량%이어야 한다.

본 발명에 따르는 강의 크롬 함량은 5 내지 14 중량%, 바람직하게는 7 내지 9 중량%이어야 한다. 이 원소 성분은 한편으로는 상기 등급의 담금질성을 증가시키고, 다른 한편으로는 경화용 카바이드를 형성시킬 수 있다.

본 발명에 따르는 강의 망간 함량은 0.2 내지 3 중량%, 바람직하게는 0.2 내지 1.5 중량%이어야 한다. 망간은 경화 성분으로서 본 발명에 따르는 등급에 첨가되나, 저조한 단조성 및 지나치게 낮은 인성을 초래하는 편석(segregation)을 제한하기 위하여 그 함량이 제한된다.

상기 강은 5 중량% 이하의 니켈을 함유할 수 있다. 이 원소 성분의 함량은 1 중량% 미만으로 유지되는 것이 바람직하다. 니켈은 경화 성분으로서 본 발명에 따르는 등급에 첨가되며, 이는 편석 문제를 일으키지 않는다. 그러나, 이러한 니켈은 잔류 오스테나이트의 형성에 유리한 감마상을 형성하는 성분이기 때문에 그 함량이 제한된다.

흔히 사용 전에 강을 템퍼링하는 경우에 연화 내성을 향상시키기 위하여, 강한 카바이드-형성 성분을 조성물에 첨가하는 것이 유용하며, 이들은 템퍼링 시에 MC 유형의 미세한 카바이드를 형성한다.

이들 중 바나듐이 바람직하고, 이 경우 그 함량은 적어도 0.1 중량% 이상으로 1 중량%를 초과하지 않으며, 바람직하게는 0.6 중량% 미만이다.

니오븀은 고온에서 침전되는 경향이 있고, 그 결과로서 강의 단조성을 크게 손상시키므로 그 사용이 기피되고 있으며, 어떠한 경우에도 0.1 중량%를 초과하지 않도록 해야 하며, 0.02 중량% 미만의 함량으로 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르는 강의 규소 및/또는 알루미늄 함량은 2 중량% 미만이어야 한다. 이들 원소 성분은 상기 등급을 환원시키는 작용과는 별개로, 템퍼링 온도에서 카바이드의 유착 속도를 저하시킬 수 있고, 결과적으로 템퍼링 시 연화 속도를 감소시킬 수 있다. 이들은 2 중량%를 초과하는 경우 상기 등급을 취화하기 때문에 그 함량이 제한된다.

본 발명에 따르는 강의 몰리브덴 및/또는 텅스텐 함량은 1 내지 4 중량%, 바람직하게는 2.4 내지 3 중량%이어야 한다. 텅스텐은 1부의 몰리브덴에 대해 2부의 지르코늄의 비율로 몰리브덴으로 완전히 또는 부분적으로 대체될 수 있다. 이들 두 원소 성분은 상기 등급의 경화성을 개선시키고, 경화용 카바이드를 형성시킬 수 있다. 이들은 편석을 초래하기 때문에 그 함량이 제한된다.

강 내에는 구리가 존재할 수 있으나, 상기 등급의 단조성을 손상시키지 않기 위하여 1 중량% 미만의 함량으로 존재한다.

나아가, 강의 기계 가공성을 개선시키기 위하여, 0.3 중량%를 초과하지 않는 함량의 황이 첨가될 수 있으며, 이는 가능하면 각각 0.1 중량% 미만 함량의 칼슘, 셀레늄, 또는 텔루륨과 병용된다.

티탄 및/또는 지르코늄의 첨가 단계를 포함하는 본 발명에 따르는 강 등급의 제련은 통상의 방법으로 실시될 수 있으나, 본 발명의 제2 대상을 구성하는 본 발명에 따르는 방법에 의해 실시되는 것이 유리하다.

이러한 부재의 제조 방법은 티탄 및/지르코늄을 제외한 상기 조성의 모든 원소 성분들을 용융시킨 뒤, 용탕(molten steel)의 조 내에서 티탄 및/또는 지르코늄의 국부적인 고농도화를 방지하면서 티탄 및/또는 지르코늄을 용탕의 조에 첨가함으로써 용강(liquid steel)을 제련하는 공정으로 이루어지는 제1 단계를 포함한다.

이는 본 발명자들이 고형 철-합금 또는 금속 원소 형태로 티탄 및/또는 지르코늄을 첨가하는 종래 기술에 따르는 통상의 방법이 조립질로서, 결과적으로 티탄 및/또는 지르코늄 나이트라이드를 거의 생성하지 못하며, 이들 중 일부는 심지어 침착되는 것이 발견되었기 때문이다. 이러한 상태는 그러한 첨가 공정이 첨가된 성분 구역 내의 액체 중에서 티탄 및/또는 지르코늄의 현저한 국부적 고농도화를 초래한다는 사실과 관련이 있는 것으로 여겨진다.

본 발명에 따르는 방법의 제1 단계를 실시하는 한가지 방법은 티탄 및/또는 지르코늄을 용강(liquid steel)의 조를 덮고 있는 슬래그에 연속적으로 첨가한 뒤, 티탄 및/또는 지르코늄을 상기 강의 조 내로 점진적으로 유출시키는 것으로 이루어진다.

본 발명에 따르는 방법의 제1 단계를 실시하는 다른 방법은 버블링 또는 그 밖의 적합한 방법을 이용해 상기 강의 조를 교반하면서, 티탄 및/또는 지르코늄으로 이루어진 와이어를 강의 조 내로 연속적으로 도입함으로써 티탄 및/또는 지르코늄을 첨가하는 것으로 이루어진다.

본 발명에 따르는 방법의 제1 단계를 실시하는 또 다른 방법은 버블링 또는 그 밖의 적절한 방법을 이용해 용탕(molten steel)의 조를 교반하면서, 티탄 및/또는 지르코늄을 함유하는 분말을 용탕의 조로 블로우하여 티탄 및/또는 지르코늄을 첨가하는 것으로 이루어진다.

본 발명의 범위 내에서는 이상에 제시한 다양한 실시 방법을 이용하는 것이 바람직하나, 티탄 및/또는 지르코늄의 국부적인 고농도화를 방지할 수 있는 어떠한 방법이든 사용될 수 있음을 이해할 것이다.

제련은 일반적으로 아크로(arc furnace) 또는 유도로 내에서 실시된다.

이러한 제련 작업 후, 용강(liquid steel)은 잉곳 또는 슬래브로 주조된다. 그 구조를 미세화하기 위하여, 주형내(in-mould) 교반이 실시되거나, 그 밖에도 소모성 전극을 이용하는 일렉트로슬래그 재용융 공정이 사용될 수도 있다.

그런 뒤, 이들 잉곳 또는 슬래브는 예를 들면 단조 또는 롤링과 같은 고온 가소성 변형을 통한 적절한 성형 처리에 의해 전환될 수 있다.

이어서, 상기 강은 공구 강을 위한 통상의 수단을 이용해 열처리될 수 있다. 그러한 열처리는 절단 및 기계 가공을 보다 용이하게 하기 위하여 선택적으로 어닐링하는 단계, 및 오스텐화(austenization) 단계에 이어, 두께에 따라 좌우되는 방법, 예를 들면 공기 냉각 또는 오일 냉각을 이용하는 냉각 단계, 및 가능하면 이어서 원하는 경화 수준에 따라 좌우되는 어닐링 단계를 포함한다.

본 발명의 제3 대상은 본 발명에 따르는 조성을 가지는 강 또는 본 발명에 따르는 방법에 의해 얻어지는 강으로 만들어지는 부재이며, 여기서 고화에 의해 얻어지는 크롬, 몰리브덴 또는 텅스텐 침전물의 평균 크기는 2.5 내지 6 ㎛, 바람직하게는 3 내지 4.5 ㎛이다.

본 발명은 하기 실험 결과 및 실시예에 의해 예시되며, 표 1은 테스트된 강의 화학 조성을 나타내고, 여기서 Heat 1은 본 발명에 따르는 것이고, Heat 2는 비교를 위한 것이다.

조성(중량%)	Heat 1	Heat 2
C	0.98	0.96
Cr	8.40	8.20
Mn	0.79	0.83
Ni	0.35	0.31
Cu	0.26	0.22
V	0.37	0.40
Nb	0.01	0.09
Si	0.97	0.94
Al	0.03	0.03
Mo	2.60	2.50
W	-	-
Ti	0.11	0.004
Zr	-	-
N	0.011	0.009

사용된 약어:

VL: 부피 손실, mm³ 단위;

K_V: 파쇄 에너지, J/cm² 단위;

T: 인성, J/cm² 단위.

실시예 1 - 인성

1150℃에서, 상기 조성으로 제조된 잉곳을 롤링하여 본 발명에 따르는 Heat 1, 및 Heat 2로부터 2개의 부재를 제조하였다. 이어서, 견본을 1050℃에서 1시간 동안 오스텐화하고, 오일-냉각시킨 뒤, 525℃에서 1시간 동안 2회 단련하여 60의 록웰(Rockwell) C 경도를 얻었다.

그런 다음, 상이한 인성 측정 방법을 이용해 일련의 2가지 테스트를 실시하였다.

- NF EN 10045-2 표준에 따르는 V자형 눈금이 새겨진 막대 형태를 가지는 Charpy 테스트 조각에 대한 충격 벤딩 테스트: 파쇄 에너지(K_V)가 얻어짐; 및

- 눈금이 없는 막대(10 mm 막대)에 대한 충격 벤딩 테스트: 인성(T)가 얻어짐.

얻어진 결과를 하기 표에 나타낸다:

	K_V (J/cm²)	T(J/cm²)
Heat 1	14.0	59
Heat 2	10.5	47

이상으로부터, 어떠한 방법이 사용되든, 본 발명에 따르는 Heat 1은 비교용 Heat 2보다 양호한 인성를 갖는다는 것을 알 수 있다.

실시예 2 - 내마모성

실시예 1에 사용된 방식과 동일한 방식으로 2개의 부재를 제조하고, 테스트된 견본의 부피 손실이 측정되는 ASTM G52 표준에 따라 내마모성을 측정하였다. 이 테스트는 고무-코팅된 휠과 정지 상태의 견본 사이에 제공되는 보정된 입경을 가지는 석영 모래 스트림의 연마성 마모에 노출된 견본의 중량 손실을 측정하는 것으로 이루어진다.

얻어진 결과를 하기 표에 나타낸다:

	VL(mm³)
Heat 1	17.5
Heat 2	18.5

이상으로부터, 본 발명에 따르는 Heat 1은 비교용 Heat 2보다 다소 양호한 내마모성을 갖는다는 것을 알 수 있다.

Claims

0.8 ≤ C ≤ 1.5

5.0 ≤ Cr ≤ 14

0.2 ≤ Mn ≤ 3

Ni ≤ 5

V ≤ 1

Nb ≤ 0.1

Si+Al ≤ 2

Cu ≤ 1

1.0 ≤ Mo+½W ≤ 4

0.06 ≤ Ti+½Zr ≤ 0.15

0.004 ≤ N ≤ 0.02

(여기서, 분율은 중량% 단위임)

을 포함하되, 잔분은 제련 시 발생하는 불순물 및 철로 이루어진 조성을 가지며, 2.5×10^-4%² ≤ (Ti+½Zr)×N을 만족하는 공구강.
제1항에 있어서,

0.8 ≤ C ≤ 1.2

7.0 ≤ Cr ≤ 9

0.2 ≤ Mn ≤ 1.5

Ni ≤ 1

0.1 ≤ V ≤ 0.6

Si+Al ≤ 1.2

2.4 ≤ Mo+½W ≤ 3

인 것을 특징으로 하는 공구강.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 니오븀 함량이 0.02 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 공구강.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 질소 함량이 0.006 내지 0.02 중량%인 것을 특징으로 하는 공구강.
제1항 또는 제2항에 따르는 조성의 강으로 만들어지는 부재의 제조 방법으로서,

- 티탄 또는 지르코늄, 또는 티탄 및 지르코늄을 제외한 상기 조성의 모든 원소 성분들을 용융시킨 뒤, 용탕(molten steel)의 조 내에서의 티탄 또는 지르코늄, 또는 티탄 및 지르코늄의 국부적인 고농도화를 방지하면서 티탄 또는 지르코늄, 또는 티탄 및 지르코늄을 용탕(molten steel)의 조에 첨가함으로써 용강(liquid steel)을 제련하는 단계;

- 상기 용강(liquid steel)을 주조하여 잉곳 또는 슬래브를 얻는 단계; 및

- 상기 잉곳 또는 슬래브를 고온 가소성 변형에 의해 성형 처리한 뒤, 선택적으로 열처리하여 상기 부재를 얻는 단계

를 포함하는 제조 방법.
제5항에 있어서,

상기 티탄 또는 지르코늄, 또는 티탄 및 지르코늄을 용강(liquid steel)의 조를 덮고 있는 슬래그에 연속적으로 첨가한 뒤, 티탄 또는 지르코늄, 또는 티탄 및 지르코늄을 상기 강의 조 내로 점진적으로 유출시키는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제5항에 있어서,

상기 티탄 또는 지르코늄, 또는 티탄 및 지르코늄의 첨가가 상기 강의 조를 교반하면서 티탄 또는 지르코늄, 또는 티탄 및 지르코늄으로 구성된 와이어를 강의 조 내로 연속적으로 도입하는 것에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제5항에 있어서,

상기 티탄 또는 지르코늄, 또는 티탄 및 지르코늄의 첨가가 상기 강의 조를 교반하면서 티탄 또는 지르코늄, 또는 티탄 및 지르코늄을 함유하는 분말을 용탕(molten steel)의 조 내로 블로우하는 것에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 따른 조성을 가지는 강 부재로서,

고화(solidification) 결과로 얻어지는 크롬, 몰리브덴 또는 텅스텐 카바이드 침전물의 평균 입경이 2.5 내지 6 ㎛인 것을 특징으로 하는 강 부재.
제9항에 있어서,

고화 결과로 얻어지는 크롬, 몰리브덴 또는 텅스텐 카바이드 침전물의 평균 입경이 3 내지 4.5 ㎛인 것을 특징으로 하는 강 부재.
제5항에 따른 제조 방법에 의해 얻어지는 강 부재로서,

고화(solidification) 결과로 얻어지는 크롬, 몰리브덴 또는 텅스텐 카바이드 침전물의 평균 입경이 2.5 내지 6 ㎛인 것을 특징으로 하는 강 부재.
제11항에 있어서,

고화 결과로 얻어지는 크롬, 몰리브덴 또는 텅스텐 카바이드 침전물의 평균 입경이 3 내지 4.5 ㎛인 것을 특징으로 하는 강 부재.