KR101010505B1 - 강 및 상기 강으로 제조된 플라스틱 재료용 금형 공구 - Google Patents
강 및 상기 강으로 제조된 플라스틱 재료용 금형 공구 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 중량%로 다음의 화학 조성, 즉 0.43-0.60 C, 트레이스로부터 1.5까지의 Si, 트레이스로부터 1.5까지의 (Si + Al), 0.1-2.0 Mn, 3.0-7.0 Cr, 1.5-4.0(Mo + W/2), 여기서 W은 최대 1.0이며, 0.30-0.70 V, Nb, Ti 및 Zr 각각 최대 0.1, 최대 2.0 Co, 최대 2.0 Ni, 그리고 그 나머지가 필수적으로 철 및 불가피한 불순물을 함유한 강, 특히 플라스틱 조형을 위한 금형 공구용 강에 관한 것이다.
Description
본 발명은 먼저 소정 종류의 몰딩 방법에 의해 플라스틱 재료의 소성 상태 또는 조형된 상태로 플라스틱 제품을 제조하는데 이용되는 금형 공구의 제조를 위해 사용되도록 의도된 강, 즉 합금에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 강으로 제조된 공구 및 공구 상세(tool details), 및 플라스틱 재료용 금형 공구를 제조하기 위한 강 합금의 시이트 및 이러한 공구의 상세에 관한 것이다.
플라스틱 재료용 금형 공구는 마르텐사이트, 중합금강(medium alloyed steel)을 포함하는 수많은 다양한 강 합금으로 제조된다. 상기 강 합금 그룹에는 일반적으로 0.6% C, 4.5% Cr, 0.5% Mo 및 0.2% V을 함유하고 플라스틱 재료용 냉간 가공 공구 및 금형 공구로 사용되는 통상적으로 이용가능한 강이 존재한다. 또한 상기 동일한 그룹에는 특히 플라스틱 재료를 조형하기 위한 금형 공구로 종종 사용되는 표준 강 AISI S7과, 일반적으로 0.55% C, 2.6% Cr, 2.25% Mo 및 0.9% V을 함유하는 또다른 상업적으로 이용가능한 공구 강이 존재한다. 먼저 언급된 두 개의 강은 저온 뜨임 후에만 바람직한 경도를 달성했으며, 이는 열처리 후에 강 내에 잔류 인장을 초래할 위험이 있다. 마지막에 언급된 강이 고온 뜨임, 즉 약 550℃에 서의 뜨임 후에 적절한 경도를 달성할 수도 있는 반면 상기 강의 경화능이 특별히 양호하지 않음은 사실이다.
본 발명의 목적은 현재 상업적으로 이용가능한 공구 강 보다 플라스틱 재료용 금형 공구를 제조하기 위해 강을 이용하는 보다 양호한 특성 조합을 갖는 플라스틱 재료를 조형하는 금형 강을 제공하고자 하는 것이다. 특히, 상기 강은 다음의 특징,
- 양호한 연성/인성,
- 적어도 350mm 이하 두께를 갖는 제품의 진공로 내에서의 종래 경화와 관련하여 경화를 통해 허용하는 양호한 경화능,
- 적어도 소정의 기술분야가 관련되는 한, 경화 및 고온 뜨임 후에 소성 변형에 대해 큰 내성을 제공하는 적절한 경도, 적어도 54HRC, 바람직하게 적어도 56HRC 및 예를 들어 PVD- 또는 CVD- 기술에 의해 티탄 탄화물 및/또는 티탄 질화물 등에 의한 표면 코팅 또는 질화처리 없이 적절한 내마모성,
- 특히 공구의 양호한 내마모성을 요구하는 기술분야에서 재료의 경도 감소 없이, 예를 들어 소정의 상기 기술에 의해 티탄 탄화물 및/또는 티탄 질화물 등에 의한 표면 코팅 또는 질화처리를 허용하기 위한 양호한 내뜨임성,
- 양호한 열처리 특성,
- 양호한 연삭성, 절삭 작업에 의한 기계가공성, 방전 기계가공성, 및 연마성.
다른 중요한 제품 특징은;
- 열처리 중에 양호한 치수 안정성,
- 장기간의 피로 수명.
특히, 본 발명은 플라스틱 재료용 금형 공구의 재료로서 사용될 수 있는 매트릭스 강, 즉 필수적으로 1차 탄화물이 없고 그 사용 조건에서 뜨임된 마르텐사이트로 구성된 매트릭스를 구비한 강을 제공하고자 하는 것이다.
전술한 본 발명의 목적 및 특징은 청구범위에 기재된 것을 특징으로 하는 강에 의해 달성될 수 있다.
강 합금의 개개 원소 및 그들의 상호 작용이 관련되는 한, 다음이 적용된다. 본원에서 사용되는 %는 달리 표현되지 않는 한 항상 중량%를 나타낸다.
본 발명의 강은 전술한 것처럼 소정의 1차 탄화물을 함유하지 않아야 하지만, 그럼에도 불구하고 대부분의 적용분야에서 적절한 내마모성을 가진다. 이는 강이 매우 양호한 인성을 가짐과 동시에 강의 경화된 및 고온 뜨임된 조건에서 54-59HRC, 적절하게 56-58HRC 범위의 적절한 경도에 의해 달성된다. 이를 달성하기 위해, 강은 잘 조절된 양으로 탄소와 바나듐을 함유한다. 그러므로 강은 0.43% 이상, 바람직하게 0.44% 이상, 및 적절하게 0.46% 이상의 C를 함유해야 한다. 또한 강은 강의 경화된 및 뜨임된 조건에서 마르텐사이트 매트릭스가 상기 경도를 매트릭스에 제공하기 위해 고용체 내에 충분한 양의 탄소를 함유하는 것을 보장하고, 또한 적절한 양의 2차적으로 석출된 매우 작은 경도를 향상시키는 바나듐 탄화물이 강의 매트릭스 내에 형성되도록 0.30% 이상, 바람직하게 0.40% 이상, 및 적절하게 0.45% 이상의 V을 함유해야 한다. 더욱이, 매우 작은 1차 석출된 바나듐 탄화물이 강 내에 존재하여, 열처리 중에 입자 성장의 방지에 기여한다. 바나듐 탄화물과 다른 소정의 탄화물은 존재해선 안된다. 상기 조건을 달성하기 위해, 강은 0.60% 이상, 바람직하게 최대 0.55%, 적절하게 최대 0.53% C, 및 최대 0.70%, 바람직하게 최대 0.65%, 및 적절하게 최대 0.60% V을 포함해선 안된다. 일반적으로, 강은 0.49% C 및 0.52% V을 함유한다. 강의 경화된 및 고온 뜨임된 조건에서 고용체 내의 탄소 함량은 약 0.45%에 달한다.
실리콘은 강의 제조로부터 잔류 원소로서 적어도 측정 가능한 양으로 존재하고 흔적(trace)으로부터 최대 1.5%까지의 양으로 존재한다. 그러나, 실리콘은 강의 인성을 손상시켜 1.0% 이상, 바람직하게 최대 0.5%를 초과하는 양으로 존재해서는 안된다. 일반적으로, 실리콘은 적어도 0.05%의 최소 양으로 존재해야 한다. 실리콘의 효과는 실리콘이 강 내에서 탄소의 활성도를 증가시켜 강의 경도 향상에 기여한다는 것이다. 그러므로 강이 적어도 0.1%의 양의 실리콘을 함유하는 것은 유리하다. 일반적으로 강은 0.2%의 실리콘을 함유한다.
소정 정도의 알루미늄은 적어도 본 발명의 강에서 실리콘과 동일한 또는 유사한 효과를 가질 수도 있다. 이들 모두는 강의 제조와 관련하여 산화제로서 이용될 수 있다. 이들 모두는 페라이트 포머이고 강의 매트릭스에 용해 경화(dissolution hardening) 효과를 제공할 수도 있다. 그러므로 실리콘은 부분적으로 최대 1.0%의 양까지 알루미늄으로 대체될 수도 있다. 그러나 강 내에 알루미늄이 존재하면, 알루미늄 산화물 및 알루미늄 질화물이 형성되어 강의 연성/인성을 상당히 감소시키기 때문에, 강이 매우 잘 탈산되고 매우 낮은 질소 함량을 가질 필요가 있다. 그러므로, 강은 일반적으로 최대 1.0% Al, 바람직하게 최대 0.3% 이상의 Al을 함유해선 안된다. 바람직한 실시예에서, 강은 최대 0.1% 및 가장 통상적으로 최대 0.03% Al을 함유한다.
강에 적절한 경화능을 제공하기 위해 망간, 크롬 및 몰리브덴이 강 내에 충분한 양으로 존재해야 한다. 망간은 또한 망간 황화물을 형성하기 위해 존재할 수도 있는 매우 낮은 함량의 황과 결합하는 기능을 갖는다. 그러므로 망간은 0.1-2.0%, 바람직하게 0.2-1.5%의 양으로 존재해야 한다. 적절하게, 강은 적어도 0.25% 및 최대 1.0%의 망간을 함유한다. 일반적인 망간 함량은 0.50%이다.
크롬은 강이 강에 있어서 특징적인 양의 망간 및 크롬을 함유할 때 강에 소정의 경화능을 제공하기 위해 3.0%, 바람직하게 적어도 4.0% 및 적절하게 적어도 4.5%의 최소 양으로 존재해야 한다. 강은 최대한 7.0%, 바람직하게 최대 6.0% 및 적절하게 최대 5.5%의 크롬을 함유할 수도 있다.
또한 몰리브덴은 우선 크롬과 함께 강에 소정의 경화능을 제공하고 소정의 2차 경화를 제공하기 위해 강 내에 적절한 양으로 존재해야 한다. 그러나 너무 많은 함량의 몰리브덴은 바람직하게 강 내에 존재해서는 안되는 M6C 탄화물의 석출을 야기시킨다. 이러한 배경에서, 강은 적어도 1.5% 및 최대 4.0%의 Mo을 함유해야 한다. 바람직하게, 강이 바람직한 양의 MC 탄화물의 양을 희생하고 및/또는 상기 양에 부가하여 바람직하지 않은 M6C를 함유하지 않도록 강은 적어도 1.8% 및 최대 3.2% Mo, 적절하게 적어도 2.1% 및 최대 2.6% Mo을 함유한다. 몰리브덴은 원칙적으로 완전히 또는 부분적으로 소정의 경화능을 달성하기 위해 텅스텐으로 대체될 수도 있지만, 이는 몰리브덴 보다 2배의 텅스텐을 요구하여 단점이 된다. 또한 강의 제조와 관련하여 생성되는 스크랩의 재순환은 강이 상당한 양의 텅스텐을 함유한다면 보다 어렵게 된다. 그러므로, 텅스텐은 최대 1.0%, 바람직하게 0.3%, 적절하게 최대 0.1% 이상의 양으로 존재해서는 안된다. 가장 적절하게, 강은 소정의 의도적으로 추가된 텅스텐을 함유해서는 안되며, 이 경우 텅스텐은 강의 가장 바람직한 실시예에서 강의 제조를 위해 사용된 원료로부터 야기되는 잔류 원소 형태의 불순물 이상으로 허용되어서는 안된다.
상기 원소 외에, 강은 일반적으로 또다른 부가적으로 의도된 추가 합금 원소를 함유할 필요는 없다. 예를 들어, 코발트는 일반적으로 강의 소정 특성의 달성에 요구되지 않는 원소이다. 그러나, 코발트는 내뜨임성을 더 개선시키기 위해 선택적으로 최대 2.0%, 바람직하게 최대 0.7%의 양으로 존재할 수도 있다. 그러나 일반적으로, 강은 불순물 수준 이상의 코발트를 함유하지 않는다. 일반적으로 강 내에 존재할 필요가 없지만, 선택적으로 존재할 수도 있는 또다른 원소는 강의 연성을 개선하기 위한 니켈이다. 그러나 너무 많은 니켈 함량은 잔류 오스테나이트를 형성할 위험이 있다. 그러므로 니켈 함량은 최대 2.0%, 바람직하게 최대 1.0%, 적절하게 최대 0.7%를 초과해서는 안된다. 강 내에 존재하는 유효 함량의 니켈이 바람직하다고 고려되어 진다면, 그 함량은 예를 들어 0.30-0.70%, 적절하게 약 0.5%일 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 강이 니켈 없이 충분한 연성/인성을 가 질 때, 강은 비용적인 측면에서 강이 사용된 원료로부터 불순물 형태로 불가피하게 함유할 니켈의 함량, 즉 0.30% 이하의 함량을 초과하는 니켈을 함유해서는 안된다. 또한, 강은 선택적으로 다양한 측면에서 강의 특성, 예를 들어 경화능을 개선시키거나 강의 제조를 용이하게 하기 위해 매우 소량의 상이한 원소와 공지된 방식으로 합금화될 수 있다. 예를 들어, 강은 선택적으로 강의 고온 연성을 개선하기 위해 약 30ppm 이하의 함량의 보론과 합금화될 수도 있다.
반면 다른 원소들은 명백히 바람직하지 않다. 그러므로 강은 바나듐 보다 강한 소정의 다른 탄화물 포머를 함유하지 않는다. 예를 들어 니오븀, 티탄, 및 지르코늄은 명백히 바람직하지 않다. 이들 탄화물은 바나듐 탄화물 보다 안정하고 경화 작업에서 용해되기 위해 바나듐 탄화물 보다 높은 온도를 요구한다. 바나듐 탄화물은 1000℃에서 용해되기 시작하고 1100℃에서 효과적으로 완전히 용해되지만, 니오븀 탄화물은 약 1050℃까지 용해되지 않는다. 티탄 탄화물 및 지르코늄 탄화물은 심지어 보다 안정하고 약 1200℃의 온도에 도달할 때까지 용해되지 않으며 강의 용융 조건때까지 완전히 용해되지 않는다. 그러므로 바나듐 보다 강한 탄화물 및 질화물 포머, 특히 티탄, 지르코늄 및 니오븀은 0.1% 이상, 최대 0.03%, 적절하게 최대 0.010% 이상의 양으로 존재해서는 안된다. 가장 적절하게, 강은 상기 원소들 각각에 대해 최대 0.005% 이상 함유하지 않는다. 또한 인, 황, 질소 및 산소의 함량은 강의 연성 및 인성을 최대화하기 위해 강 내에 매우 낮은 정도로 유지된다. 그러므로, 인은 불가피한 불순물로서 최대 0.035%, 바람직하게 최대 0.015%, 적절하게 최대 0.010%로 존재할 수도 있다. 산소는 최대 0.0020%(20ppm), 바람직하게 최대 0.0015%(15ppm), 적절하게 최대 0.0010%(10ppm)로 존재할 수도 있다. 질소는 최대 0.030%, 바람직하게 최대 0.015%, 적절하게 최대 0.010%로 존재할 수도 있다.
강이 강의 기계가공성을 개선하기 위해 침황(sulphurize)처리되지 않는다면, 강은 최대 0.03%, 바람직하게 최대 0.010%, 적절하게 최대 0.003%(30ppm)의 황을 함유한다. 그러나, 강의 기계가공성을 개선하기 위해 0.03% 이상, 바람직하게 0.10% 이상 최대 0.30%의 황을 의도적으로 추가할 수도 있다. 강이 침황처리된다면, 강은 공지된 방식으로 5-73ppm Ca 및 50-100ppm 산소, 바람직하게 5-50ppm Ca 및 60-90ppm 산소를 함유할 수도 있다.
강의 제조 중에, 100kg을 초과하여, 바람직하게 10톤 이하의 질량과 약 200mm를 초과하여 바람직하게 적어도 350mm 이하의 두께를 갖는 잉곳 또는 블랭크가 제조된다. 바람직하게, 통상적인 용융 야금학적 제조법(melt metallurgical manufacturing)이 잉곳 주조(ingot casting), 적절하게 바닥 주조(bottom casting)를 통해 사용된다. 또한 상기 방법에 따라, 예를 들어 ESR 재용융에 의해 소정의 치수로의 재주조가 수행된다면, 연속 주조가 사용될 수도 있다. 분말 야금학적 제조 또는 용사성형은 불필요하게 고가의 공정이며 가격 측면에서 장점을 제공하지 못한다. 제조된 잉곳은 주조된 구조물이 파괴될 때 소정의 치수로 열간 가공된다.
열간 가공된 재료의 구조물은 재료의 균질성을 최적화하기 위해 열처리, 예를 들어 고온, 적절하게 1200-1300℃에서 균질화처리에 의해 상이한 방식으로 불림처리될 수 있다. 강은 일반적으로 강의 연화 풀림된 조건, 약 160-220HB, 일반적 으로 190HB에서 강 제조업자에 의해 소비자에게 전달된다. 공구는 일반적으로 강의 연화 풀림된 조건에서 기계가공 작업에 의해 제조되지만, 강의 경화된 및 뜨임된 조건에서 통상적인 기계가공 작업 또는 방전 기계가공에 의해 공구를 제조할 수도 있다.
제조된 공구의 열처리는 일반적으로 소비자에 의해 바람직하게 진공로 내에서 존재하는 탄화물의 완전 용해를 위해 15분 내지 2시간, 바람직하게 15-60분 동안 950-1100℃, 적절하게 1020-1050℃ 범위의 온도로부터 경화하고, 20-70℃로 냉각하고 500-600℃, 적절하게 520-560℃에서 고온 뜨임함으로써 수행된다. 강의 연화 풀림된 조건에서, 강은 상이한 종류일 수도 있는 매우 균일하게 분포된 작은 탄화물을 함유하는 페라이트 매트릭스를 가진다. 경화되고 비뜨임된(untempered) 조건에서, 강은 비뜨임된 마르텐사이트로 구성된 매트릭스를 갖는다. 공지된 이론적 계산에 의한 계산에 의해, 강은 평형 상태에서 약 0.6 부피%의 MC 탄화물을 함유한다. 고온 뜨임에서, MC 탄화물의 추가적인 석출이 얻어져, 강에 소정의 경도를 제공한다. 이러한 탄화물들은 초미세 크기(a sub microscopic size)를 갖는다. 그러므로 탄화물의 양은 종래의 현미경 연구에 의해 표현할 수 없다. 온도가 너무 많이 증가되면, MC 탄화물이 보다 조대해지고 불안정하게 되어, 대신에 형성될 크롬 탄화물을 급속히 성장시켜 바람직하지 않다. 이러한 이유 때문에, 본 발명의 강의 합금 조성이 관련되는 한 뜨임이 전술한 온도 및 유지 시간에서 수행되는 것이 중요하다.
본 발명의 또다른 특징 및 측면들은 수행된 실시예의 설명과 후속하는 설명 으로부터 그리고 청구범위로부터 명백할 것이다.
수행된 실시예의 설명에서, 첨부도면이 참조된다.
도 1은 조사된 강의 경도 대 오스테나이트화 온도를 도시하는 챠트이며,
도 2는 경도 대 제한된 온도 범위 내에서의 뜨임 온도를 도시하는 챠트이며,
도 3은 조사된 강의 경화능을 도시하는 챠트이며,
도 4는 약 55HRC로 뜨임을 수반하는 진공로 내에서 경화된 샘플에 대한 충격 에너지에 의한 연성 대 냉각 시간을 도시하는 도면이며,
도 5 및 도 6은 고배율로 두 개의 조사된 강의 파단면을 도시하는 조직 사진이다.
재료
8 개의 강 합금이 50kg의 질량을 갖는 실험실 잉곳 형태로 제조되었다. 실험실 수준에서 제조된 이들 잉곳의 화학 조성은 표 1에 강 1A-8A로 주어진다. 강 1A-6A는 실험 강이고, 강 7A 및 8A는 기준 재료이다. 표 1에서 실험 강의 목적 조성이 1R-6R로 주어지고, 기준 재료의 일반 조성이 강 7N 및 8N으로 주어지며, 전제부에서 언급된 상업적인 강 중 하나가 강 9N으로 주어진다. 50kg 잉곳의 황 함량은 제조 기술의 제한 때문에 대부분의 실험실 용융물 내에 바람직하게 낮은 정도로 유지될 수 없다. 모든 실험 강에서, 티탄의 함량은 30ppm 정도이고 니오븀의 함량은 10ppm 정도이었다. 지르코늄의 함량은 10ppm 이하이었다. 다음의 공정이 적용 되었다. 1270℃/공기에서 10시간 동안 균질화처리, Φ60 ×60mm로 단조, 1050℃/2h/공기에서 재차 처리(regeneration treatment), 및 850℃/2h에서 연화 풀림, 10℃/h로 600℃에서 냉각, 공기 중에서 자유 냉각.
상기 재료는 연화 풀림 후의 경도, 상이한 열처리 후의 미세조직, 상이한 오스테나이트화 온도로부터의 경화 후의 경도, 상이한 뜨임 온도에서의 뜨임 후의 경도, 경화능, 충격 인성, 및 내마모성과 관련하여 조사되었다. 이러한 조사는 다음에 기록된다. 더욱이, 표 2에 따라 각각 목적 조성 1R-6R과 기준 재료의 일반 조성 7N-9N을 갖는 강에 대해 표시된 오스테나이트화 온도에서 용해된 탄소의 함량 및 탄화물 분율에 대해 이론적 평형 계산은 열역학적 계산(Thermo-Calc) 방법에 의해 수행되었다.
연화 풀림된 경도
합금 1A-8A의 연화 풀림된 경도, 브리넬 경도(HB)가 표 3에 표시된다. 표 1 및 3은 낮은 실리콘 함량이 연화 풀림된 경도를 감소시킴을 나타낸다.
미세조직
미세조직은 합금 1R-8R의 연화 풀림된 조건에서 그리고 55 내지 58HRC 범위의 경도로 열처리 후에 조사되었다. 미세조직은 강의 경화된 및 뜨임된 조건에서 뜨임된 마르텐사이트로 구성되었다. 1차 탄화물은 존재하지 않았다. 소정의 티탄 탄화물, 질화물 및/또는 탄질화물은 어떠한 합금에서도 발견되지 않았다.
경화 및 뜨임
강 1A-6A는 1000 내지 1050℃ 범위의 상이한 온도에서 30분동안 가열됨으로써 오스테나이트화되었고, 기준 강 7A 및 8A는 각각 이들 공지된 강들의 최적의 오스테나이트화 온도인 960℃ 및 1050℃에서 30분 동안 오스테나이트화되었다. 강 1A-6A의 경도에 대한 오스테나이트화 온도의 영향은 도 1에 도시되며, 상기 오스테나이트화 처리 후에 기준 재료 7A 및 8A의 경도 또한 도시된다.
강 1A-6A에 대해 1025℃에서, 강 7A에 대해 960℃에서, 그리고 강 8A에 대해 1050℃에서 30분 동안 오스테나이트화 후에 강 1A-8A의 경도에 대한 뜨임 온도의 영향이 조사되었다. 강 7A를 제외한 모든 강에서 일반적인 2차 경화가 450℃ 내지 600℃ 범위의 온도에서 관찰되었다. 도 2는 경도 대 500℃ 내지 600℃ 범위의 관심 온도 범위 내의 뜨임 온도를 도시한다. 모든 강들은 표시된 온도에서 2×2h로 뜨임되었다. 강 6A는 550℃의 뜨임 온도까지 조사된 재료들 중 최상의 내뜨임성을 나타냈다. 강 2A는 525℃까지 기준 재료 8A와 동일하게 양호한 내뜨임성을 갖는 반면, 강 1A 및 3A-5A는 강 8A의 내뜨임성 보다 낮은 정도의 내뜨임성을 갖지만 강 7A의 내뜨임성 보단 상당히 크다. 그러므로 실험 강 1A-6A의 내뜨임성은 양호하다고 고려되어 지며, 이는 소정의 공구 분야에서 필요한 내마모성을 얻기 위해 약 500℃까지의 온도에서 표면 코팅을 요구할 수도 있는 매트릭스 강에 중요하다. 즉, 450℃ 내지 600℃, 보다 정확하게 500℃ 내지 560℃ 범위의 온도에서, MC 탄화물의 석출에 의해 현저한 2차 경화가 달성된다. 높은 실리콘 함량에 의해 내마모성이 바람직하지만, 또한 실리콘 함량이 강 5A에서와 같이 낮으면, 56HRC 이상의 경도가 약 540℃까지의 고온 뜨임 후에 유지될 수 있다. 이는 공구의 경도가 너무 낮아짐이 없이 보다 넓은 온도 범위 내에서 표면 코팅을 수행할 수 있기 때문에 유리하다.
경화능
냉각 변태 곡선(CCT-diagram)으로부터 플롯 데이타를 이용하여, 조사된 합금 1A-8A에 대해 비커스 경도(HV 10)에 의한 경화능 대 800-500℃로부터의 냉각에 필요한 시간의 비교가 도 3에 도시된다. 챠트로부터 명백한 것처럼, 모든 실험 강 1A-6A는 기준 강 7A 및 8A 보다 양호한 경화능을 갖는다. 특히 강 5A는 매우 양호 한 경화능을 갖지만, 기준 재료 8A는 t8-5 = 1000s에서의 경화된 조건에서 단지 52HRC를 달성한다. 기준 강 7A는 55HRC를 달성하지만, 모든 실험 합금 1A-6A는 상기 냉각 속도에서 56HRC 보다 큰 경도를 달성한다.
연성
20℃에서 노치 없는 테스트 로드에 대해 흡수된 충격 에너지에 의한 연성 대 800℃로부터 500℃까지의 냉각 시간이 진공로 내에서 냉각된 합금 로드에 대해 도 4에 도시된다. 도시된 냉각 시간은 플라스틱 조형을 위한 완전 크기의 금형 공구에 대한 실질적인 냉각 시간이다. 모든 강은 목적된 값 55HRC로 뜨임된다. 최상의 연성이 약 0.1% 내지 약 0.2% Si 및 약 0.5% V을 함유하는 실험 합금 3A, 4A, 및 5A에 의해 얻어졌다. 이는 또한 표 4에 나타나며, 표 4는 20℃에서 진공로 내에서 경화되고 t8-5 =1190s에 대응하는 속도로 냉각되고 55±0.8HRC의 경도로 뜨임되는 노치 없는 테스트 로드에 대해 흡수된 충격 에너지에 의한 연성을 나타낸다. 보다 낮은 함량의 바나듐을 갖는 대응 변형예는 보다 낮은 연성을 갖는다. 파단면의 비교 연구는 보다 작은 바나듐 함량을 갖는 변형예가 보다 큰 오스테나이트 입자 크기를 가짐을 나타내며, 이는 도 5에서 이들 합금들이 약간 많은 함량의 바나듐을 갖는 변형예 보다 매트릭스 내에 보다 작은 함량의 오스테나이트 입자 성장 방지 바나듐 탄화물을 함유한다는 사실에 의해 설명될 수 있다. 도 5 및 도 6은 합금 1A 및 3A 각각에 의해 제조된 테스트 로드의 파단면을 도시한다. 도 6의 현미경 사진은 본 발명에 따른 적절한 합금 조성을 갖는 강으로 제조된 테스트 로드 의 연성 파단을 도시하며, 이는 양호한 연성에 필요조건인 미세한 오스테나이트 입자 크기를 갖는다.
내마모성
아브레시브 마모제로서의 SiO2를 이용하여 핀-어게인스트-핀(pin against pin) 테스트가 조사된 합금 1A-8A에 대해 수행되었다. 강 7A는 최하의 내마모성을 가졌다. 비교가능한 경도에서, 다른 강들은 동일하게 양호한 내마모성을 가졌다. 그러나, 보다 많은 실리콘 함량을 갖는 이들 합금들은 어느정도 양호한 내마모성을 가졌다.
논의
본 발명의 개선점과 관련되어 수행된 가공의 의도는 표 5의 좌측 컬럼에 표시된 특징의 바람직한 조합을 갖는 강을 달성하고자 하는 것이다. 표 5에서 점수 1-3이 이용되며, 여기서 1=최하, 그리고 3=최상이다. 이상상태에 가장 가까운 실험 합금은 강 5A이다. 상기 강은 기준 재료 8A와 비교되었다. 플라스틱 조형을 위한 금형 공구로 사용되는 용도의 견지에서 심각한 단점이 아닌 많은 장점이 상기 비교에서 강 5A에 대해 기록될 수 있다. 기준 재료 7A와 비교하여, 강이 고온 뜨임될 수 있다는 것은 중요한 장점이지만, 강 7A는 공지된 단점과 함께 저온 뜨임을 요구하며, 이는 방전 기계가공과 관련하여, 열처리 후에 높은 잔류 인장과, 표면 처리의 선택이 관계되는 한 제한을 제공한다. 피로 수명에 대한 점수는 강의 청정도와 관련하여 계산된다. 압력 강도는 뜨임 온도 및 뜨임 후 재료의 경도에 기초해서 계산된다. 연삭성, 기계가공성, 및 연마성은 연성, 연화 풀림된 경도, 및 재료의 탄화물 함량에 기초하여 계산되었다. 용접성은 탄소 함량과 합금 원소의 함량에 관계된다. 생산 비용은 문제점 없이 통상적인 방식으로 강을 제조하는 가능성과 관련되어 고려되어졌다.
이상적인 특징 조합과 비교하면, 강 5A는 경화 및 고온 뜨임 후에 다소 낮은 경도를 갖는다. 실험에 의해 얻어진 경험에 기초하여, 최적의 강 조성의 실리콘 함량은 약 0.2%이어야 하고 1020℃에서 이러한 강 내에 용해된 탄소 함량은 약 0.45%이어야 한다. 그러나, 실리콘 함량은 합금에 최적의 연성/인성을 제공하기 위해 최적의 조성에서 0.25%를 초과해서는 안된다. 이러한 경우에 강의 목적된 탄소 함량 값은 경화 및 고온 뜨임 후에 57-58HRC의 목적된 경도를 제공하기 위해 0.49%이어야한다. 최적의 조성의 적절한 바나듐 함량은 열처리와 관련된 입자 성장에 대해 보다 넓은 오차를 제공하기 위해 0.52%라고 평가된다. 인, 황, 질소, 및 산소의 함량은 연성 및 인성을 최대화하기 위해 매우 낮은 정도로 유지된다. 강은 바나듐과 다른 소정의 의도적으로 첨가된 탄화물 포머를 함유해선 안된다. 티탄, 지르코늄, 및 니오븀과 같은 다른 탄화물 포머는 각각 최적의 합금에서 최대 0.005%로 제한된다. 알루미늄은 강의 제조로부터 잔류물로서 존재할 수도 있고 최대 0.030%, 바람직하게 최대 0.015%로 제한된다.
그러므로 플라스틱 조형을 위해 금형 강에 대한 최적의 합금은 표 6에 주어진 조성을 가져야 한다.
대량 생산 규모의 실험
본 발명에 따른 강 10P가 전기아크로 내에서 제조되었다. 목적된 조성은 표 6에 따른 조성이었다. 용융물은 65톤의 중량을 가졌다. 분석된 조성은 목적된 조성으로부터 매우 조금 벗어난다. 주어진 형태 외의 원소는 황과 질소이며, 그 함량은 최대 0.010% 대신 각각 0.011% 및 0.013%에 달했다. 강 10P의 완전한 조성은 표 7에 주어지며, 여기서 가장 중요한 불순물의 함량이 표시된다. 표 7에서, 본 출원인의 제품으로부터 취해진 3 개의 조사된 기준 재료 7P, 8P, 및 9P의 조성이 표시된다. 이들 강들은 표 1에 표시된 일반 조성을 갖는 강 7N, 8N, 및 9N에 대응한다. 또한 기준 재료는 전기아크로 내에서 65톤 용융물로서 제조되었다. 모든 용융물은 잉곳 형태로 바닥 주조되었다. 강 9P로 제조된 잉곳은 ESR 재용융에 의해 정련되었다. ESR 잉곳을 포함하는 잉곳은 상이한 치수를 갖는 바아 형태로 단조되었다. 바아들은 테스트 샘플로 취해지기 전에 상이한 열처리를 거친다. 조사된 바아의 치수와 열처리는 표 8에 주어진다.
그 후 각각 65톤의 본 발명에 따른 화학 조성을 갖는 또다른 3개의 생산 용융물이 전기아크로 내에서 제조되었다. 상기 강들로부터 전극들이 제조되고, ESR(Electro Slag Refining)을 거친다. ESR 잉곳은 상이한 치수를 갖는 바아 형태로 단조되었다. 이들 바아들은 테스트 샘플로 취해지기 전에 상이한 열처리를 거친다. 강 11P, 12P, 및 13P의 바아들의 화학 조성은 표 7에 주어지고 이들의 치수 및 열처리는 표 8에 주어진다.
표 8에 따른 바아로부터 취해진 샘플들은 경도 및 충격 인성과 관련하여 테스트되었으며, 충격 인성은 ASTM A370에 규정된 샤르피 브이 노치 충격 테스트(Charpy v notch impact test)에 의해 측정되었다. 그 결과가 표 9에 표시된다. 표 9에서 테스트 로드의 종류(모든 테스트 로드는 노치가 없음)와 바아 내의 테스트 로드의 위치가 표시된다.
CL2는 바아의 종방향에서 바아의 중심으로부터 취해지고, 바아의 정방형 방향에서 충격 방향을 갖는 둥근 바아로부터의 테스트 로드를 의미하며, CR2는 CL2와 동일하지만 바아의 종방향에서 충격 방향을 가지며(가장 바람직하지 않은 조건),
TL2는 편평한 바아로부터 그리고 CR2에 따른 다른 측면에서의 테스트 로드를 의미하며,
LT2는 편평한 바아로부터 그리고 CL2에 따른 다른 측면에서의 테스트 로드를 의미하며,
ST2는 최단 정방향 방향에서 바아의 중심으로부터 취해지고, 종방향에서 충격 방향을 갖는 편평한 바아로부터의 테스트 로드를 의미한다.(가장 바람직하지 않은 조건)
표 9에 나타난 것처럼, 조사된 강의 경도는 동일하게 양호하지만, 강 7P 및 8P가 관련되는 한 공지된 단점을 갖는 저온 뜨임을 요구했다. 그러나 먼저 강 8P의 상당히 양호한 충격 인성은 상기 강으로 제조되어 조사된 편평한 바아의 보다 얇은 치수에 기여해야 한다. 강 9P에 있어서, 강이 ESR 정련됨에도 불구하고 적당히 양호한 충격 인성이 달성된다. 강 10P의 둥근 바아의 측정된 충격 인성 값, 58J은 바람직하지 않은 충격 방향에도 불구하고 강 9P의 둥근 바아의 측정된 충격 인성 값 60J 보다 약간 작았다. 강 9P 및 10P의 편평한 바아의 동일한 충격 인성 테스트의 경우에, 명백히 최상의 충격 인성, 196J이 본 발명에 따른 강 10P에 기록되며, 이는 강 9P에 대해 159J인 것과 비교됨이 관찰될 수 있다. 상기 비교에서, 특히 9P 강이 일반적으로 인성을 개선시키는 ESR 정련됨이 고려되어야 한다. 마지막으로 본 발명의 강 11P, 12P, 및 13P의 충격 인성이 ESR 재용융되지 않은 재료, 강 10P와 비교할 때 ESR 재용융에 의해 상당히 개선되었음을 주목해야 한다.
Claims (55)
- 중량%로, 다음의 화학 조성, 즉0.41-0.60 C0.1-0.25 Si0.1-0.25 (Si + Al)0.1-2.0 Mn3.0-7.0 Cr1.5-4.0(Mo + W/2), 여기서 W은 최대 1.0이며,0.30-0.70 V각각이 최대 0.1인 Nb, Ti 및 Zr최대 2.0 Co최대 2.0 Ni나머지가 필수적으로 철 및 불가피한 불순물을 함유하는 것을 특징으로 하는 강.
- 제 1항에 있어서,2.1-4.0(Mo + W/2), 여기서 Mo은 2.1이상인,강.
- 제 1 항에 있어서,0.44 이상의 C를 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 3 항에 있어서,최대 0.55의 C를 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,0.40 이상의 V을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 5 항에 있어서,최대 0.65의 V을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,0.49의 C 및 0.52의 V을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,0.2의 Si을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,최대 3.2의 Mo을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 12 항에 있어서,최대 2.6의 Mo을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 12 항에 있어서,최대 0.3의 W을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 14 항에 있어서,불순물 수준을 초과하는 텅스텐을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,최대 0.7의 Co를 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 16 항에 있어서,불순물 수준을 초과하는 코발트를 함유하지 않는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,최대 1.0의 Ni을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 18 항에 있어서,최대 0.7의 Ni을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 19 항에 있어서,0.3 내지 0.7의 Ni을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 20 항에 있어서,불순물 수준을 초과하는 니켈을 함유하지 않는 것을 특징으로 하는,강.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,티탄, 지르코늄 및 니오븀 원소 각각의 함량이 0.01% 이하인 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,최대 0.035%의 P을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,최대 20ppm의 O를 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,최대 30ppm의 N를 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,최대 0.03%의 S을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,0.10 내지 0.30%의 S을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 29 항에 있어서,5 내지 75ppm의 Ca 및 50 내지 100ppm의 O를 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,경화 및, 500 내지 570℃에서의 고온 뜨임 후에 54 내지 59HRC의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,ESR 재용융되는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 따른 강으로 제조된 플라스틱 조형용 금형 공구.
- 제 33 항에 있어서,경화 및, 500-570℃에서의 고온 뜨임 후에 54-59HRC의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는,플라스틱 조형용 금형 공구.
- 제 1 항에 있어서,0.46 이상의 C를 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 3 항에 있어서,최대 0.53의 C를 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,0.45 이상의 V을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 5 항에 있어서,최대 0.60의 V을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,최대 0.03의 Al을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 12 항에 있어서,최대 0.1의 W을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,티탄, 지르코늄 및 니오븀 원소 각각의 함량이 0.005% 이하인 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,최대 0.015%의 P을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,최대 0.010%의 P을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,최대 10ppm의 O를 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,최대 15ppm의 N를 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,최대 10ppm의 N를 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,최대 0.01%의 S을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,최대 30ppm의 S을 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 29 항에 있어서,5 내지 50ppm의 Ca 및 60 내지 90ppm의 O를 함유하는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 1 항에 있어서,경화 및, 520 내지 560℃에서의 고온 뜨임 후에 56 내지 58HRC의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는,강.
- 제 33 항에 있어서,경화 및, 520 내지 560℃에서의 고온 뜨임 후에 56 내지 58HRC의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는,플라스틱 조형용 금형 공구.
- 제 1 항에 있어서,상기 강은 195-336J의 충격 인성을 가지는,강.
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