KR101290457B1

KR101290457B1 - 마르텐사이트 주강재 및 마르텐사이트 주강품의 제조 방법

Info

Publication number: KR101290457B1
Application number: KR1020117019482A
Authority: KR
Inventors: 도시타카 와타나베; 도루 야마다; 노보루 사토; 사토시 나카노; 도시로 마츠키
Original assignee: 유겐가이샤와타나베츄조쇼; 야마가타켄
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2013-07-26
Also published as: JPWO2010098256A1; KR20110115588A; JP4811692B2; US20120014626A1; US8394319B2; WO2010098256A1

Abstract

질량％로 Ni; 5~10％, Si; 0.5~5％, Mn; 0.01~1％, C; 0.2~2％, Cr; 1~10％를 함유하고, 원하는 바에 따라 추가로 Cr; 1~10％를 함유하며, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 주강재로서, 마르텐사이트 변태 완료 온도(Mf점)가 빙점하이고, 습윤 환경 하에서의 내식성이 개선되어 각종 금형이나 기계 부품 등에도 바람직한 주강재.

Description

마르텐사이트 주강재 및 마르텐사이트 주강품의 제조 방법{MARTENSITIC-STEEL CASTING MATERIAL AND PROCESS FOR PRODUCING MARTENSITIC CAST STEEL PRODUCT}

본 발명은 소입강(quenched steel)이나 프리하든강(pre-hardened steel)에 필적하는 경도를 갖고, 습윤 환경 하에서의 내식성도 뛰어난 특성을 발휘하는 저렴한 마르텐사이트 주강재(鑄鋼材, martensitic-steel casting material) 및 마르텐사이트 주강품(鑄鋼品, martensitic cast steel product)의 제조 방법에 관한 것이다.

각종 장치류 및 기계류 등의 구성재, 구조재, 가동 부재 등에는 인성을 높인 주철(鑄鐵)이나 주강재 등의 소재가 널리 이용된다. 예를 들면, 높은 정도가 요구되는 정밀 장치류인 가대, 지지재, 구동부 구성재, 주조용 금형, 플라스틱류의 사출 성형용 금형, 알루미늄 다이캐스트용 금형 등에 있어서는 열팽창 계수가 낮은 안정된 특성의 주강재가 필요해진다. 특히, 한랭지나 고온 지역에서 사용되는 정밀 장치류에서는 열팽창의 영향을 최소한으로 중지시킬 것이 요구된다. 이 때문에 적어도 부분적으로 마르텐사이트 변태를 거친 재료가 요구되고 있다.

이와 같은 기술적 요구에 따르기 위해서, 특허문헌 1은 내마모성 및 내식성이 뛰어난 실린더 라이너로서의 용도에 적절한 주철을 개시하고 있다. 이 주철은 인(P) 및 붕소(B)를 고농도로 함유시켜, 경화상(스테다이트 조직)을 분산시킴으로써 목적을 달성하고 있다. 그러나, 이 재료가 마르텐사이트화 될 일은 없어 충분한 경도, 예를 들면 30 HRC 이상의 충분한 경도를 얻는 것은 곤란한 것으로 해석된다. 특허문헌 2는 고온이면서 부식성 가스 분위기 하에서 뛰어난 내열성 및 내식성을 발현하고, 나아가 내마모성도 뛰어난 주철을 개시하고 있다. 이 재료는 크롬 Cr을 30~50 mass%와 같이 많이 포함하고 있어 매우 딱딱하고, 그리고 무른 성질을 가지고 있다. 이 문헌 2의 기술에 따르면 소각로의 화격자를 용례로 하고 있어, 기계류의 구성 부품이나 금형을 형성하기 위한 소재로는 적합하지 않다. 또한, 이 모재의 경도를 높이려면 종래부터 관용인 고온 열처리(소입(燒入, quenching))가 필요하다.

특허문헌 3의 기재에 따르면, 니켈 Ni, 망간 Mn, 규소 Si, 탄소 C를 소정 비율로 포함하고, 잔부가 철 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 마르텐사이트 변태 개시 온도가 실온 부근에 있고 마르텐사이트 변태 완료 온도가 빙점하인 마르텐사이트 주조재를 개시하며, 나아가 이와 같은 마르텐사이트 주조재를 용해하여 최종 제품에 가까운 형상의 주조품을 제작하는 제조 방법을 개시하고 있다. 이와 같이 제작된 주조품에 대하여 0℃ ~ -200℃에 의한 심랭 처리(sub-zero treatment)를 실시하고, 그 후 소정의 온도에 의한 소려(燒戾, tempering) 처리를 실시하며, 용도에 따라 심랭 처리 전 또는 소려 처리 후 마무리 처리를 실시하는 마르텐사이트 주조품의 제조 방법을 개시하고 있다. 이와 같이 형성되는 마르텐사이트 주조품은 심랭 처리만으로 경도를 높일 수 있어 엘리베이터용 시브나 각종 산업 기계용 휠 등의 용도에 적절한 소재이다. 그러나, 습윤 환경하에서의 사용에도 적합한 바와 같은 내식성에 관해서 개량의 여지가 있었다. 한편, 철계 소재에 크롬 Cr을 첨가하면 내식성의 개선에 유효하다는 것은 인식되고 있었다. 그러나, 주철이나 주강재에 크롬을 첨가하면 딱딱하고 무른 탄화물이 발생하기 때문에 기계류의 구조재로서의 중요한 특성, 예를 들면 연성, 인성 등을 해칠 우려가 있어 실용화되어 있지 않았다.

일본 공개특허 2006-206986호 공보 일본 공개특허 2004-270002호 공보 일본 공개특허 2006-104573호 공보

본 발명의 과제는 본 출원인에게 있어서 상술한 선행 특허문헌 3에 의해서 얻어지는 마르텐사이트 주조재 및 마르텐사이트 주조품에서 문제시되고 있던 습윤 환경 하에서의 내식성을 개선해, 사출 성형용 금형, 프레스 금형, 알루미늄 다이캐스트용 금형 등에도 적용 가능한 마르텐사이트 주강재 및 마르텐사이트 주강품의 제조 방법을 제공하는 것이다.

청구항 1에 기재된 발명은 니켈 Ni; 5~10 질량%, 크롬 Cr; 1~10 질량%, 규소 Si; 0.5~5 질량%, 망간 Mn; 0.01~1 질량%, 탄소 C; 0.2~2 질량%, 잔부가 철 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되고, 마르텐사이트 변태 완료 온도(Mf점)가 빙점하인 마르텐사이트 주강재인 것을 특징으로 한다. 또한 청구항 2에 기재하는 바와 같이, 이와 같은 마르텐사이트 주강재에 대해서 바나듐; 0.1~5 질량%를 함유시킨 마르텐사이트 주강재인 것을 특징으로 한다. 이와 같은 주강재는 청구항 3에 기재하는 바와 같이, 마르텐사이트 변태가 심랭 처리만으로 완료되는 특성을 가지는 것을 특징으로 한다.

청구항 4에 기재된 발명은 상기 심랭 처리 온도가 0℃ ~ -200℃의 온도 범위이며, 록웰 경도 C 스케일에서 20~60 HRC의 주방(鑄放) 주강재로부터 상기 심랭 처리에 의해 45~65 HRC의 경도로 변화되는 특성을 가지는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 하여 얻어지는 마르텐사이트 주강재는 청구항 5에 기술하는 바와 같이, 심랭 처리 후에 실시되는 소려 처리에 의해 40~60 HRC의 범위의 원하는 경도가 되도록 조정 가능한 특성을 가지는 것이다.

청구항 6에 기재된 발명은 심랭 처리된 주강재를 가공하여 원하는 형상으로 한 후, 이 가공품에서 질소의 표면부화를 발생시키는 분위기 중에서 소려 처리를 실시함으로써, 제품 표면을 700~1200 HV 범위의 원하는 경도가 되도록 조정 가능한 특성을 가지는 마르텐사이트 주강재인 것을 특징으로 한다.

청구항 7에 기재된 발명은 상술과 같은 성분에 조정된 원재료를 용해하여 제품에 가까운 형상으로 주조하고, 얻어진 주조품에 대하여 마무리 가공을 실시하며, 이 마무리 가공이 실시된 주조품에 대하여 온도 0℃ ~ -200℃의 심랭 처리를 실시하고, 그 후 소정의 온도에서 소려 처리를 실시하는 마르텐사이트 주강품의 제조 방법인 것을 특징으로 한다. 또, 청구항 8에 기재된 발명은 상술과 같은 성분에 조정된 원재료를 용해하고, 얻어진 주강재 잉곳에 대하여 온도 0℃ ~ -200℃의 심랭 처리를 실시하며, 그 후 소정의 온도에서 소려 처리를 실시하고, 이 소려된 주강재를 가공하여 원하는 제품을 얻는 마르텐사이트 주강품의 제조 방법인 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 9에 기재된 발명은 상술과 같은 성분에 조정된 원재료를 용해하고, 얻어진 주강재 잉곳에 대하여 온도 0℃ ~ -200℃의 심랭 처리를 실시하며, 이 심랭 처리된 주강재를 가공하여 원하는 형상으로 한 후, 이 가공품에서 질소의 표면부화를 발생시키는 분위기 중에서 소려 처리를 실시함으로써 원하는 제품을 얻는 마르텐사이트 주강품의 제조 방법인 것을 특징으로 한다.

청구항 7 또는 청구항 8에 기재된 마르텐사이트 주강품의 제조 방법에 있어서, 청구항 10에 기재된 발명은 상기 심랭 처리 온도가 -50℃ 이하로 설정되는 것을 특징으로 하고, 또 청구항 11에 기재된 발명은 상기 소려 처리 온도가 100℃~700℃의 온도 범위 내에서 제품의 종류, 필요한 특성 등에 따라 선정되는 것을 특징으로 한다. 또한 청구항 12에 기재된 발명은 청구항 9에 기재된 마르텐사이트 주강품의 제조 방법에 있어서, 상기 질소의 표면부화를 발생시키는 분위기 중에서 소려 온도가 400℃~600℃의 온도 범위 내에서 제품의 종류, 필요한 특성 등에 따라 선정되는 것을 특징으로 한다.

청구항 13에 기재된 발명은 상술한 마르텐사이트 주강재를 용해하고, 완성품에 근사하는 형상으로 하여 거푸집에 붓고, -50℃ 이하의 심랭 처리 후에 마무리 기계 가공을 실시하며, 그 후에 질소의 표면부화를 발생시키는 분위기 중에서 소려 처리를 실시함으로써 완성품 표면의 경도가 700 HV~1200 HV로 조정되는 강판 프레스 가공시에 사용되는 로케이트핀인 것을 특징으로 한다.

청구항 14에 기재된 발명은 상술한 마르텐사이트 주강재를 용해하여 원하는 형상의 주형에 의해 금형을 주조할 때에 캐비티 전면에 대해 온도 편차를 발생시키지 않는 원하는 형상의 금속제 온조관(溫調管)을 주형 내에 미리 배치하고 동시에 거푸집에 부은 후에, -50℃ 이하의 심랭 처리 및 소려 처리를 실시함으로써 원하는 경도가 얻어지는 온조관 부착 플라스틱 성형용 금형인 것을 특징으로 한다. 또, 청구항 15에 기재된 발명은 상술한 마르텐사이트 주강재를 용해하여 원하는 형상의 주형에 의해 금형을 주조할 때에, 캐비티 전면에 대해 온도 편차를 발생시키지 않는 원하는 형상의 금속제 온조관을 주형 내에 미리 배치하고 동시에 거푸집에 부은 후에, -50℃ 이하의 심랭 처리 및 소려 처리를 실시함으로써 원하는 경도가 얻어지는 온조관 부착 알루미늄 다이캐스트용 금형인 것을 특징으로 한다.

청구항 16에 기재된 발명은 상술한 마르텐사이트 주강재를 용해하고, 완성품에 근사하는 형상으로 하여 거푸집에 부어질 때에 원하는 형상의 용융 수지 유로 및 원하는 형상의 금속제 온조관을 주형 내에 미리 배치하고 동시에 거푸집에 부은 후에, -50℃ 이하의 심랭 처리 및 소려 처리를 실시함으로써 원하는 경도가 얻어지는 수지 유로 및 온조관 부착 핫 러너용 매니폴드 블록인 것을 특징으로 한다.

청구항 17에 기재된 발명은 상술한 마르텐사이트 주강재를 용해하고, 완성품에 근사하는 형상으로 하여 거푸집에 붓고, -50℃ 이하의 심랭 처리 후에 마무리 기계 가공을 실시하며, 그 후에 질소의 표면부화를 발생시키는 분위기 중에서 소려 처리를 실시함으로써 완성품 표면의 경도가 700 HV~1200 HV로 조정되는 미끄럼 베어링인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해 특정된 성분비에 의해서 얻어지는 마르텐사이트 주강재는 종래의 수법에 의해서 필수라고 여겨졌던 고온 가열에 의한 소입 처리를 거치지 않고 0℃ 이하의 온도에서 실시되는 심랭 처리만으로 마르텐사이트 조직에 대한 변태가 가능하다. 심랭 처리에 의한 마르텐사이트 변태는 처리 온도에만 의존하고 유지 시간과는 직접 관계되지 않는 것이라고 해석되어, 대상물의 실태 온도가 마르텐사이트 변태 완료 온도(Mf점) 이하로 되어 있으면 그 이상의 변태 진행은 없다. 또, 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재에 있어서는 소요량의 크롬 Cr이 첨가되어 있지만, 첨가량을 충분히 검토한 결과, 딱딱하고 무른 탄화물의 발생이 억제되고 있어 기계류의 구성 재료로서 중요한 특성, 예를 들면 연성, 인성 등의 저하를 초래하는 일 없이, 특히 습윤 환경 하에서의 내식성이 큰 폭으로 개선되고 있다.

마르텐사이트 변태는 대상이 되는 주강품이 Mf점에 이르면 완료하게 되어, 주강품의 두께의 차이나 냉각 속도의 차이 등에 의한 경도의 편차는 거의 생기지 않는다. 따라서, 미리 예상되는 형상 및 치수에 근사하는 형상으로 하여 거푸집에 부은 후의 간결한 마무리 가공에 의해 완성품 형상으로 하는 이른바 니어 네트 셰이프(near net shape) 조형이 적용 가능하다. 따라서, 경미한 마무리 처리에 의해 원하는 제품을 얻을 수 있게 되어 공정수 삭감 및 제품 수율 향상 등의 관점으로부터 유리하다. 또, 800℃~1200℃와 같은 높은 온도에 의한 소입 처리가 불필요해지기 때문에 대폭적인 에너지 절약 효과를 기대할 수 있다. 이와 같은 소입을 위한 고온 가열에 필요로 하는 에너지는 특히 대형 부재를 대량으로 제조하는 경우에 있어서는 방대한 것이 되기 때문에 본 발명이 에너지 절약에 이바지하는 효과는 크다. 화석 연료 소비량 저감이 실현되는 결과, 지구 온난화의 원흉으로 여겨지는 이산화탄소 배출량 삭감에도 크게 기여할 것으로 기대된다.

종래부터의 고온 가열에 의한 소입 처리는 제품에 대해서 예측을 넘는 열 뒤틀림이나 열 변형을 가져올 가능성이 크며, 소입 처리 후에서의 대폭적인 마무리 가공이나 추가 수정이 필요해질 가능성이 높았다. 그러나, 본 발명에서 채용하는 심랭 처리에 있어서는 이와 같은 문제점은 거의 생기지 않는다. 이 때문에, 주조 및 마무리 가공을 한 후에 심랭 처리에 의해 마르텐사이트 변태가 완료되기 때문에, 그 후의 수정 가공은 불필요하든가 또는 극히 경미한 작업으로 충분하여 공정수 및 소요 공정수의 삭감, 나아가서는 제조 비용의 대폭적인 삭감이 가능해진다. 또한, 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재는 마르텐사이트 변태시킨 후 소려를 실시하고, 필요한 가공을 실시하는 것도 가능하다.

본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재에 의해 소려 처리 후에 가공을 실시하는 「처리 후 가공」의 용도예로서 구리 합금의 플레이트나 접동부에 이용되는 웨어플레이트, 반도체 웨이퍼 연마용 랩판, 가위, 닙퍼, 면도칼 칼날, 부엌칼·나이프 등 범용 칼날, 슈레더·재단기 등의 사무용 기계 칼날, 리드선용 커터, 플라스틱 스트랜드 절단 가공용 펠리타이저 회전 칼날, 분쇄기·종이 가공기 등의 산업용 기계의 칼날, 사출 성형용 금형, 토목·건설 기계 부품, 물방아·펌프 등 유체 기계의 임펠러나 러너 등을 들 수 있다.

또, 심랭 처리 이전에 가공을 실시하는 「처리 전 가공」의 용도예를 들면, 프레스용 금형, 사출 성형용 금형, 알루미늄 다이캐스트용 금형, 소정 레벨 이상의 경도나 정도가 요구되는 치구류, 톱니바퀴류, 차량용 바퀴 부분이나 그 주변 부품이나 샤프트 등의 단조 제품, 궤도 주행 차량용의 부품, 아이볼트, 공작 기계의 베드 및 접동 부재, 정미기나 탈곡기 등 농업용 기계 기구류의 부품, 건설 기계류의 래칫부 및 절삭부 등, 풀베기기, 제설기 등의 칼날 또는 고정 칼날, 무한 궤도(캐터필러)용 부품 등에 응용할 수 있다.

또, 보호관 부착 전열 히터, 각종 센서류, 온도 조절 배관 등의 소요 부재를 주포(鑄包)하는 용도로는 플라스틱의 용융 혼련용 압출기의 배럴, 스크류, 가열 또는 냉각에 의해 정확한 온도 제어를 필요로 하는 사출 성형용 금형 등에 이용 가능하다. 또한, 직관(直管)은 물론 곡절(曲折)된 온도 조절용 배관을 거푸집에 붓는 용도로는 흑체로, PVD·CVD·드라이 에칭·웨트 에칭 등의 로체(爐體), 플라스마 발생 장치, 반도체 가공 장치용 로체, 반도체 마스크 제조용 스테퍼, 얼라이너, 정밀 가공 장치의 접동면의 정밀 온도 조절 기구, 실린더 라이너, 엔진 블록 등의 각종 엔진 부품의 온조 배관 또는 윤활유 배관 등이 있다. 이들 냉각, 온도 조절, 윤활 등의 각종 배관을 용이하게 거푸집에 부을 수 있기 때문에 제조 및 가공의 각 공정에서 대폭적인 공정수 저감, 수율의 향상, 사용 에너지의 절감이 가능해지는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강품의 제조 방법의 주요 공정을 나타내는 플로우도이다.
도 2는 마르텐사이트 주강품에 대한 니켈 배합량의 변화에 수반되는 심랭 처리 온도와 록웰 경도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 마르텐사이트 주강품에 대한 크롬 배합량의 변화에 수반되는 심랭 처리 온도와 록웰 경도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 마르텐사이트 주강품에 대한 규소 배합량의 변화에 수반되는 심랭 처리 온도와 록웰 경도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 마르텐사이트 주강품에 대한 탄소 배합량의 변화에 수반되는 심랭 처리 온도와 록웰 경도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 마르텐사이트 주강품에 대한 바나듐 배합량의 변화에 수반되는 심랭 처리 온도와 록웰 경도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 마르텐사이트 주강품에 대한 니켈 배합량의 변화에 수반되는 소려 처리 온도와 록웰 경도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 마르텐사이트 주강품에 대한 크롬 배합량의 변화에 수반되는 소려 처리 온도와 록웰 경도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 마르텐사이트 주강품에 대한 규소 배합량의 변화에 수반되는 소려 처리 온도와 록웰 경도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 마르텐사이트 주강품에 대한 탄소 배합량의 변화에 수반되는 소려 처리 온도와 록웰 경도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 마르텐사이트 주강품에 대한 바나듐 배합량의 변화에 수반되는 소려 처리 온도와 록웰 경도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 시판되는 금형용 강재 A 및 시판되는 금형용 스테인리스 강재 B에 대한 수도물 유수에 의한 부식 시험 결과를 나타내는 강재 표면 사진이다.
도 13은 크롬 배합량을 2% 및 3%로 한 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재에 대한 수도물 유수에 의한 부식 시험 결과를 나타내는 주강재 표면 사진이다.
도 14는 시판되는 금형용 스테인리스 강재 B의 표면에 생성된 산화 피막의 XPS에 의한 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 15는 크롬 배합량을 2%로 한 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재의 표면에 생성된 산화 피막의 XPS에 의한 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재(개발재)와 시판되는 금형용 강재 A의 마모 시험에 의한 마모흔폭의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재(개발재)와 시판되는 금형용 강재 A의 마모 시험에 의한 마모량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재(질화 처리됨)와 시판되는 금형용 스테인리스 강재 B의 경도 분포의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재의 내용 및 특성, 및 이와 같은 마르텐사이트 주강품의 제조 방법에 대해서 개시한다. 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재는 도 1에 나타내는 플로우도에서의 단계 S1과 같이 원재료의 성분 조정 및 용해를 실시한다. 조성비는 니켈 Ni; 5~10 질량%, 바람직하게는 5~9 질량%, 크롬 Cr; 1~10 질량%, 바람직하게는 2~8 질량%, 규소 Si; 0.5~5 질량%, 바람직하게는 1~2.5 질량%, 망간 Mn; 0.01~1 질량%, 바람직하게는 0.05~0.5 질량%, 탄소 C; 0.2~2 질량%, 바람직하게는 0.3~0.8 질량%, 잔부가 철 Fe이 되는 바와 같이 성분 조정한 것(청구항 1에 대응), 나아가 이것들에 대해 바나듐 V; 0.1~2 질량%를 가한 것(청구항 2에 대응)으로 하여, 예를 들면 고주파 유도로 등의 주지의 용해 장치에 의해 용해한다(단계 S1).

이와 같이 성분 조정 및 용해 공정을 거쳐 얻어지는 용탕은 미리 준비되어 있는 잉곳용 주형에 소정량 주탕(注湯)되고, 주방에 있어서 20~60 HRC의 주강재가 얻어진다(단계 S2). 얻어진 주강재에 대해서는 어느 하나의 단계에서 경도를 높이기 위한 심랭 처리 및 최종 제품에서 바람직한 경도로 하기 위한 소려 처리를 실시할 필요가 있다. 따라서, 먼저 심랭 처리 및 소려 처리를 실시한 후에 설계 치수 및 사양에 따라서 기계 가공을 실시하는 「처리 후 가공 1」을 실시할지, 먼저 심랭 처리 및 설계 치수 및 사양에 따라서 기계 가공을 실시한 후에 소려 처리를 실시하는 「처리 후 가공 2」를 실시할지, 또는 설계 치수 및 사양에 따라서 미리 기계 가공을 실시한 후에 심랭 처리를 실시하는 「처리 전 가공」을 실시할지가 선택된다(단계 S3).

「처리 후 가공 1」이 선택되었을 경우에는 주강재 잉곳에 대하여 0℃ ~ -200℃의 온도, 바람직하게는 -50℃ ~ -80℃에서의 심랭 처리(단계 S4)를 실시해 마르텐사이트 변태를 발생시키고, 그 후 소려에 의해 기계 가공에 적절한 경도 40~60 HRC의 주강재로 한다(단계 S5). 이와 같이 경도가 조정된 주강재를 설계 사양에 맞추어 기계 가공을 실행한다(단계 S6).

단계 S3에 있어서 「처리 후 가공 2」가 선택되었을 경우에는 주강재 잉곳에 대하여 0℃ ~ -200℃의 온도, 바람직하게는 -50℃ ~ -80℃에서의 심랭 처리(단계 S7)를 실시해 마르텐사이트 변태를 발생시킨다. 이와 같이 하여 얻어진 주강재를 설계 사양에 맞추어 기계 가공을 실행한다(단계 S8). 그 후, 400℃~600℃에서 소려 처리를 실시한다(단계 S9). 또한, 400℃~600℃에서 질화 처리를 실시함으로써 경도 700~1200 HV 주강품을 얻는다(단계 S13). 이때, 단계 S9 및 단계 S13의 처리를 동시에 실시하는 것이 가능하다. 또, 단계 S6 혹은 단계 S12의 처리 후에 상기 단계 S13의 질화 처리를 실시하는 것은 임의이다.

또, 단계 S3에 있어서 니어 네트 셰이프인 「처리 전 가공」이 선택되었을 경우에는 설계 사양에 맞추어 최종 제품에 가까운 형상으로 하는 기계 가공(단계 S10)을 가한 후에 열처리가 실시된다. 이 경우에는 기계 가공을 한 주강품에 대해서 0℃ ~ -200℃의 온도 범위에서의 심랭 처리를 실시해 원하는 경도(예를 들면, 45~65 HRC)로 한다(단계 S11). 그 후, 필요에 따라서 최적 경도(예를 들면, 40~60 HRC)가 되도록 경도 조정을 실시하는 동시에 인성을 부여하기 위한 소려 처리를 한다(단계 S12).

상술한 조성비 범위에 의해 얻어지는 주강재는 마르텐사이트 변태 완료 온도(Mf점)가 빙점하가 되고 있다. 따라서, 공업상 용이하게 실현 가능한 냉열원인 통상의 냉동기에 의해 달성 가능한, 예를 들면 -50℃ ~ -80℃의 온도 범위에서의 심랭 처리가 가능하고, 간단하고 쉬운 공정 및 저감된 에너지 소비와도 더불어서 저비용에 의한 마르텐사이트 주강품을 얻을 수 있다. 또, 종래 기술에서의 통상의 소입 처리는 800℃~1200℃ 정도의 고온에서 실시할 필요가 있기 때문에 주조품의 열용량에 따라 다대한 열에너지가 필요해지고, 특히 대형 제품에 있어서는 방대한 열량을 필요로 하고 있었다. 그러나, 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재에서는 소입 처리에 필요로 하는 대량의 열에너지를 절감할 수 있다는 효과가 있다.

본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재의 조성에 대해서 다시 검토한다. 하기의 표 1은 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재의 심랭 처리 및 소려 처리를 실시했을 때의 경도 (HRC) 변화예를 나타내는 데이터이다. 가장 왼쪽끝 란은 니켈 Ni, 크롬 Cr, 규소 Si, 탄소 C, 바나듐 V 각각의 배합비를 나타내고 있다. 또, 가장 위쪽 란 가로 방향에서는 왼쪽으로부터 주방(20℃; 1열), 심랭(처리) 온도(-50, -80, -196℃의 3열), 소려(처리) 온도(200℃, 400℃, 500℃, 600℃, 700℃의 5열)를 나타낸다. 그리고 오른쪽 끝 5열은 왼쪽 끝에 나타낸 각 성분에 대한 다른 성분의 배합 비율을 각각 나타내는 것이다.

도 2는 크롬 Cr; 2.0 질량%, 규소 Si; 1.5 질량%, 탄소 C; 0.5 질량%, 바나듐 V; 0.0 질량%로 고정하고, 니켈 Ni; 6.5 질량% (◇가 붙은 그래프), 니켈 Ni; 7.5 질량%(□ 표시가 붙은 그래프, 이하, 「□ 그래프」와 같이 약기), 니켈 Ni; 8.5 질량%(△ 그래프) 및 니켈 Ni; 10.0 질량%(○ 그래프)로 했을 경우의 심랭 처리 온도와 경도의 관계를 도시한 그래프이다.

도 3은 니켈 Ni; 7.5 질량%, 규소 Si; 1.5 질량%, 탄소 C; 0.5 질량%, 바나듐 V; 0.0 질량%로 고정하고, 크롬 Cr; 0.0 질량%(◇ 그래프), 크롬 Cr; 1.0 질량%(□ 그래프), 크롬 Cr; 1.5 질량%(△ 그래프), 크롬 Cr; 2.0 질량%(○ 그래프), 크롬 Cr; 3.0 질량%(◆ 그래프), 크롬 Cr; 5.0 질량%(■ 그래프), 크롬 Cr; 7.0 질량%(▲ 그래프), 크롬 Cr; 9.0 질량%(● 그래프), 크롬 Cr; 11.0 질량%(米 표시 그래프)로 했을 경우의 심랭 처리 온도와 경도의 관계를 도시한 그래프이다.

도 4는 니켈 Ni; 7.5 질량%, 크롬 Cr; 2.0 질량%, 탄소 C; 0.5 질량%, 바나듐 V; 0.0 질량%로 고정하고, 규소 Si; 0.15 질량%(◇ 그래프), 규소 Si; 1.0 질량%(□ 그래프), 규소 Si; 1.5 질량%(△ 그래프), 규소 Si; 2.0 질량%(○ 그래프), 규소 Si; 2.5 질량%(◆ 그래프)로 했을 경우의 심랭 처리 온도와 경도의 관계를 도시한 그래프이다.

도 5는 니켈 Ni; 7.5 질량%, 크롬 Cr; 2.0 질량%, 규소 Si; 1.5 질량%로 고정하고, 바나듐 V를 0.5 질량% 함유시킨 탄소 C; 0.4질량%(◇ 그래프), 바나듐 V를 0.5 질량% 함유시킨 탄소 C; 0.5 질량%(□ 그래프), 바나듐 V를 0.2 질량% 함유시킨 탄소 C; 0.6 질량%(△그래프), 바나듐 V를 0.5 질량% 함유시킨 탄소 C; 0.65 질량%(○ 그래프) 및 바나듐 V를 0.5 질량% 함유시킨 탄소 C; 0.8 질량%(◆ 그래프)로 했을 경우의 심랭 처리 온도와 경도의 관계를 도시한 그래프이다.

도 6은 크롬 Cr; 2.0 질량%, 규소 Si; 1.5 질량%로 고정하고, 니켈 Ni를 7.5 질량%, 탄소 C를 0.6 질량% 함유시킨 바나듐 V; 0.2 질량%(◇ 그래프), 니켈 Ni; 8.0 질량%, 탄소 C; 0.5 질량% 함유시킨 0.3 질량% 바나듐 V(□ 그래프) 및 니켈 Ni; 7.5 질량%, 탄소 C; 0.5 질량% 함유시킨 바나듐 V; 0.5 질량%(△ 그래프)로 했을 경우의 심랭 처리 온도와 경도의 관계를 도시한 그래프이다.

도 7은 크롬 Cr; 2.0 질량%, 규소 Si; 1.5 질량%, 탄소 C; 0.5 질량%, 바나듐 V; 0.0 질량%로 고정하고, 니켈 Ni; 6.5 질량%(◇ 그래프), 니켈 Ni; 7.5 질량%(□ 그래프), 니켈 Ni; 8.5 질량%(△ 그래프) 및 니켈 Ni; 10.0 질량%(○ 그래프)로 했을 경우의 소려 처리 온도와 경도의 관계를 도시한 그래프이다. 본 주강재는 소려 처리 전에 미리 -80℃의 심랭 처리를 실시하고 있다.

도 8은 니켈 Ni; 7.5 질량%, 규소 Si; 1.5 질량%, 탄소 C; 0.5 질량%, 바나듐 V; 0.0 질량%로 고정하고, 크롬 Cr; 0.0 질량%(◇ 그래프), 크롬 Cr; 1.0 질량%(□ 그래프), 크롬 Cr; 1.5 질량%(△ 그래프), 크롬 Cr; 2.0 질량%(○ 그래프), 크롬 Cr; 3.0 질량%(◆ 그래프), 크롬 Cr; 5.0 질량%(■ 그래프), 크롬 Cr; 7.0 질량%(▲ 그래프), 크롬 Cr; 9.0 질량%(● 그래프) 및 크롬 Cr; 11.0 질량%(米표 그래프)로 했을 경우의 소려 처리 온도와 경도의 관계를 도시한 그래프이다. 본 주강재는 소려 처리 전에 미리 -80℃의 심랭 처리를 실시하고 있다.

도 9는 니켈 Ni; 7.5 질량%, 크롬 Cr; 2.0 질량%, 탄소 C; 0.5 질량%, 바나듐 V; 0.0 질량%로 고정하고, 규소 Si; 0.15 질량%(◇ 그래프), 규소 Si; 1.0 질량%(□ 그래프), 규소 Si; 1.5 질량%(△ 그래프), 규소 Si; 2.0 질량%(○ 그래프) 및 규소 Si; 2.5 질량%(◆ 그래프)로 했을 경우의 소려 처리 온도와 경도의 관계를 도시한 그래프이다. 본 주강재는 소려 처리 전에 미리 -80℃의 심랭 처리를 실시하고 있다.

도 10은 니켈 Ni; 7.5 질량%, 크롬 Cr; 2.0 질량%, 규소 Si; 1.5 질량%로 고정하고, 바나듐 V를 0.5 질량% 함유시킨 탄소 C; 0.4 질량%(◇ 그래프), 바나듐 V를 0.5 질량% 함유시킨 탄소 C; 0.5 질량%(□ 그래프), 바나듐 V를 0.2 질량% 함유시킨 탄소 C; 0.6 질량%(△ 그래프), 바나듐 V를 0.5 질량% 함유시킨 탄소 C; 0.65 질량%(○ 그래프) 및 바나듐 V를 0.5 질량% 함유시킨 탄소 C; 0.8 질량%(◆ 그래프)로 했을 경우의 소려 처리 온도와 경도의 관계를 도시한 그래프이다. 본 주강재는 소려 처리 전에 미리 -80℃의 심랭 처리를 실시하고 있다.

도 11은 크롬 Cr; 2.0 질량%, 규소 Si; 1.5 질량%로 고정하고, 니켈 Ni; 7.5 질량%, 탄소 C; 0.6 질량% 함유시킨 바나듐 V; 0.2 질량%(◇ 그래프), 니켈 Ni; 8.0 질량%, 탄소 C를 0.5 질량% 함유시킨 바나듐 V; 0.3 질량%(□ 그래프) 및 니켈 Ni; 7.5 질량%, 탄소 C; 0.5 질량%를 함유시킨 바나듐 V; 0.5 질량%(△ 그래프)로 했을 경우의 소려 처리 온도와 경도의 관계를 도시한 그래프이다. 본 주강재는 소려 처리 전에 미리 -80℃의 심랭 처리를 실시하고 있다.

본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재의 우위성을 검증하기 위해서, 거의 동일한 용도에 적용되는 시판재와의 대비를 동일 조건 하에서 실시했다. 도 12는 시판되는 금형용 강재 A(Ni-Cu-Al계)(도 A) 및 시판되는 금형용 스테인리스 강재 B(13% Cr계)(도 B)를 각각 수도물에 의한 유수 중에 100시간 침지한 후의 외관을 나타내는 사진이다. 금형용 스테인리스 강재 B에서는 부착물 유래의 얼마 안되는 녹이 관찰되는데 것에 반해, 금형용 강재 A에서는 표면 전체에 발녹이 확인되었다.

도 13은 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재에 의한 시료의 표면 사진이다. 조성은 니켈 Ni; 7.5 질량%, 규소 Si; 1.5 질량%, 탄소 C; 0.5 질량%, 바나듐 V; 0.0 질량%로 고정하고, 도 (A)가 크롬 Cr; 2.0 질량%, 도 (B)가 크롬 Cr; 3.0 질량%가 되도록 용제(溶製)한 마르텐사이트 주강재를 미리 -80℃의 심랭 처리를 실시한 후에 절단하고, 수도물에 의한 유수 중에 100시간 침지한 시료의 표면 사진이다. 주조시에 발생하는 산화층이 존재하는 측면에 녹이 발생하고 있지만, 주강재 중심부의 발녹은 보여지지 않는다. 따라서, 본 발명에 관한 크롬 Cr 함유된 마르텐사이트 주강재에서는 원래 내식성이 뛰어나다고 여겨지는 금형용 스테인리스 강재 B와 동등한 양호한 내식성을 가지는 것이라고 해석된다.

본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재의 특성과 대비하기 위해서 시판재인 금형용 스테인리스 강재 B에 생성된 산화 피막에 대해서 X선 광전자 분광 분석(XPS 또는 ESCA) 분석을 실시한 결과는 다음과 같다. 도 14는 금형용 스테인리스 강재 B에 대해서, 아르곤 Ar 스퍼터에 의해 재료 표면으로부터 중심부를 향해 에칭을 반복하면서 XPS에 의해 분석한 결과를 탄소 C, 산소 O, 철 Fe, 크롬 Cr, 규소 Si 및 구리 Cu의 순서로 늘어놓은 출력 도면이다. 극표면층에 양호한 내식성을 나타내는 크롬 Cr의 산화물이 생성되고 있는 것이 관찰할 수 있다.

본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재 표면에 형성되는 산화 피막을 관찰한 결과는 다음과 같다. 도 15는 니켈 Ni; 7.5 질량%, 크롬 Cr; 2.0 질량%, 규소 Si; 1.5 질량%, 탄소 C; 0.5 질량%, 바나듐 V; 0.0 질량%를 포함하도록 용제한 주강재 에 대해서, 미리 -80℃의 심랭 처리를 실시한 후에, 아르곤 Ar 스퍼터에 의해 재료 표면으로부터 중심부를 향해 에칭을 반복하면서 XPS에 의해 분석한 결과를 탄소 C, 산소 O, 철 Fe, 크롬 Cr, 니켈 Ni 및 규소 Si의 순서로 늘어놓은 출력 도면이다. 전술한 금형용 스테인리스 강재 B의 경우와 마찬가지로 극표면층에 양호한 내식성을 나타내는 크롬 Cr의 산화물이 생성되고 있는 것이 관찰할 수 있다. 도 14와 도 15의 비교로부터, 크롬 Cr를 2 질량% 첨가한 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재는 양호한 내식성을 나타내는 금형용 스테인리스 강재 B와 동등한 양호한 내식성을 나타내는 피막이 생성되고 있는 것이라고 해석된다.

또, 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재의 내마모성을 확인하기 위해서 볼 온 디스크 마모 시험기에 의한 마모 시험을 실시했다. 시료 주강재(개발재)는 각 성분의 함유량을 니켈 Ni; 7.5 질량%, 크롬 Cr; 2.0 질량%, 규소 Si; 1.5 질량%, 탄소 C; 0.5 질량%, 바나듐 V; 0.0 질량%가 되도록 용제한 후, -80℃의 심랭 처리, 또한 600℃의 소려 처리를 실시했다. 비교 대상으로서 전술한 금형용 강재 A를 사용해 동일한 마모 시험을 실시했다. 도 16은 양 시료 표면에 형성되는 마모흔폭(단위 ㎛)을 세로축, 온도 변화를 가로축으로 하여 상온으로부터 약 700℃의 온도 범위에 걸쳐 측정한 그래프이다. 이 시험 결과로부터, 상온 범위로부터 400℃까지는 마모흔폭이 작아지는 뛰어난 내마모성을 나타내고, 또한 600℃ 정도까지의 고온 범위에서도 거의 동등한 내마모성을 가지는 것이 확인되었다.

도 17은 비교 대상인 금형용 강재 A와 본 발명에 관한 시료 주강재(개발재)를 볼 온 디스크 마모 시험에 의해 마모량[㎎]을 측정해, 세로축을 마모량, 가로축을 온도로 하여 시험 결과를 나타낸 그래프이다. 이 시험 결과에 따르면, 피시험 주강재는 상온으로부터 400℃까지의 온도 범위에서 분명하게 마모량이 적다는 것을 나타내고 있다. 이와 같은 마모 시험으로부터, 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재는 시판재인 금형용 강재 A보다 부분적으로 뛰어나고, 약 500℃ 이상보다 고온 범위에서도 안정되어 있다는 것이 확인되었다.

도 18은 시판재인 금형용 스테인리스 강재 B에 대해서 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재(질화 처리됨)의 경도 분포의 관계를 경도(HV 0.05)를 세로축, 표면으로부터의 거리(㎜)를 가로축으로 하여 도시한 그래프이다. 본 발명에 관한 주강재의 조성을 니켈 Ni; 7.5 질량%, 규소 Si; 1.5 질량%, 탄소 C; 0.5 질량%, 바나듐 V; 0.5 질량%로 고정하고, 크롬 Cr; 2.0 질량%(● 그래프), 크롬 Cr; 5 질량% (○ 그래프), 크롬 Cr; 7 질량%(▲ 그래프), 크롬 Cr; 9 질량%(△ 그래프)로 했을 경우에서의 각각의 질화 처리 후의 경도 분포를 나타내고 있다.

이 그래프로부터 분명한 바와 같이, 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재(하기 조건에 의해 질화 처리됨)는 시판재인 금형용 스테인리스 강재 B에는 약간 뒤떨어지지만, 실용에 있어서 충분한 표면 경도가 얻어지고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재에 대해서는 미리 -80℃의 심랭 처리를 실시한 후에, 시판재인 금형용 강재와 함께 분위기 가변(可變)의 진공 챔버 내에 설치하고, 로내 혼합 가스비(질소 N₂;수소 H₂ = 1;1) 및 798Pa(6Torr)의 가스 압력의 분위기로 유지하면서, 520℃에서 3시간, 원하는 전압을 인가하는 표면 처리, 즉 글로 방전에 의해 가열과 이온 주입을 실시하는 이온 질화 처리를 실시했다.

실시예 1

강판 프레스용 로케이트핀

자동차 보디(body) 등 두께가 있는 강판에 의해 대형 부재를 프레스 가공할 때에는 미리 강판의 위치 결정을 실시하고, 또한 고정하기 위한 로케이트핀이 불가결이 된다. 이 로케이트핀의 경도는 45~55 HRC가 요구된다. 아울러, 프레스 가공시에 발생하는 분말화된 강판재 등에 의한 더러움을 세정하기 위해서 사용하는 분류수(噴流水)에 기인하는 부식에 견딜 수 있는 내식성이 요구된다.

종래에는 강재를 기계 가공 후 소입 및 소려한 후, 내식 내마모성이 뛰어난 표면 처리를 실시함으로써 요구 성능을 만족시키는 로케이트핀을 제조하고 있었다. 그러나, 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재에서는 니어 네트 셰이프를 채용함으로써 기계 가공이 저감되어 경화시키기 위한 소입 처리가 불필요하게 되고 심랭 처리만된다. 또한, 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재 자체가 내식 내마모성을 겸비하는 것에 더해 질소 분위기 중에서 소려 처리를 실시함으로써 표면을 추가로 경화시키는 것도 가능하기 때문에, 종래 제품에 대해서 대폭적인 비용 절감이 가능해진다.

실시예 2

내식성이 뛰어난 플라스틱 성형용 가열 냉각관 부착 온조 금형

본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재는 완성품의 원하는 형상에 가까운 형상의 주형을 이용한 거푸집 붓기를 실시하는, 이른바 니어 넷 셰이프 조형에 의해 플라스틱의 사출 성형용 금형을 얻을 수 있다. 이런 종류의 금형에서는 원하는 범위의 온도 조절이 가능하면 성형품의 표면 성상을 큰 폭으로 개선시킬 수 있다는 것이 알려져 있다. 이와 같은 온도 조절은 통상 금형 내에 설치된 온조용 배관에 대해서 외부의 온조기로부터 물 도는 열매체유를 순환시킴으로써 실시된다. 그러나, 종래의 강재를 사용하는 금형에 있어서는 제작된 금형에 대해서 외부로부터 드릴 가공을 실시하는, 이른바 후 가공에 의해 온조용 배관을 형성해야 했다. 따라서, 직선 모양의 온조 배관만 되고 캐비티에 따라서 정밀한 온도 조절을 실시하는 임의 형상의 온조 배관을 얻지 못해 온도 편차를 적확하게 해소할 수 없었다.

또한, 플라스틱 성형용 금형 재료는 플라스틱 재료를 고온에서 용융시키는 것에 기인하는 플라스틱 재료의 분해 가스에 의한 부식에도 견딜 수 있는 내식성도 겸비할 필요가 있다. 예를 들면, 성형 가공시의 용융 온도가 300℃ 이상이 되는 비교적 높은 융점을 가지는 수지 재료, 혹은 용융시에 부식성 가스가 발생하는 수지 재료, 혹은 용융 온도와 열분해 온도가 근접하는 수지 재료 등의 성형용 금형에서는 강도나 인성으로 대표되는 기계적 특성, 표면 성상이나 가공 정도로 대표되는 기계 가공성뿐만 아니라 내식성이 뛰어난 금형용 강재를 사용할 필요가 있었다.

이것과는 대조적으로, 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재는 주형 내에 배치된 금속관을 거푸집에 붓도록 하여 임의 형상의 온조 배관을 형성할 수 있어 캐비티 전면에 대해 온도 편차가 발생하지 않는 사출 성형용 금형을 얻을 수 있다. 또한, 본 주강재를 이용함으로써 시판되는 내식성이 뛰어난 금형용 강재를 금형 재료로서 이용했을 경우와 동등 이상의 내식성을 구비한 사출 성형용 금형을 얻을 수 있다. 본 실시예에서는 원하는 형상으로 휨 가공된 온조 배관을 주형 내에 배치하고, 주강 용탕(Ni; 7.5 질량%, Cr; 2 질량%, Si; 1.5 질량%, C; 0.5 질량%)를 주탕함으로써, 원하는 부위에 온조관이 매설된 사출 성형용 금형을 얻을 수 있었다. 온조관의 소재는 당연히 이러한 주탕에 의해 손상이나 변형을 입지 않는 재질을 선택할 필요가 있다. 본 실시예에서는 원하는 형상의 내부 구조 혹은 원하는 치수의 내경을 가지는 강관을 사용했지만, 상기 조건을 고려해 그 외 적당 재질의 금속관을 사용할 수 있다.

실시예 3

내산화성이 뛰어난 알루미늄 다이캐스트용 금형

본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재는 완성품의 원하는 형상에 가까운 형상의 주형을 이용한 거푸집 붓기를 하는, 이른바 니어 네트 셰이프 조형에 의해 알루미늄 다이캐스트용 금형을 얻을 수 있다. 이런 종류의 금형에서는 원하는 범위의 온도 조절이 가능하면 성형품의 치수 정도나 생산성, 나아가 금형 수명을 큰 폭으로 개선시킬 수 있다는 것이 알려져 있다. 이와 같은 온도 조절은 통상 금형 내에 설치된 온조용 배관에 대해서 외부의 온조기로부터 물 또는 열매체유를 순환시킴으로써 실시된다. 그러나, 종래의 강재를 사용하는 금형에 있어서는 제작된 금형에 대해서 외부로부터 드릴 가공을 실시하는, 이른바 후 가공에 의해 온조용 배관을 형성해야 했다. 따라서, 직선 모양의 온조 배관만 되고 캐비티에 따라서 정밀한 온도 조절을 실시하는 임의 형상의 온조 배관을 얻지 못해 원하는 온도를 유지하면서 냉각 온도 편차를 적확하게 해소할 수 없었다.

이와 같은 온조용 배관에 의한 개선 이외로는 대체로 700℃라는 알루미늄 합금 용탕과의 반응성을 저하시키는 내식성 및 내산화성이 뛰어난 금형용 강재를 이용하는 방법, 혹은 내식성 및 내산화성이 뛰어난 표면 처리를 실시함으로써 금형 수명을 늘리는 시도가 다수 행해지고 있다. 또한, 근래의 재료 기술의 진보에 의해 원하는 범위의 온도 조절을 실시함으로써 사이클 타임의 단축으로 대표되는 생산성의 향상뿐만 아니라, 알루미늄 다이캐스트 성형품의 금속 조직을 보다 한층 치밀하게 하는 것이 가능해지고, 아울러 대체로 700℃라는 알루미늄 합금 용탕과 상기 금형 표면이 접촉함으로써 생기는 알루미늄 용탕 측에 금형 표면이 용해하는 현상, 즉 용손(溶損)을 억제하는 것이 가능해진다는 보고가 이루어지고 있다. 상기 보고와 함께, 종래의 금형용 강재와 비교해 2배의 열전도율을 부여함으로써 원하는 범위의 온도 조절을 가능하게 하는 금형용 강재의 제품화가 도모되고 있다.

이것과는 대조적으로, 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재는 주형 내에 배치된 금속관을 거푸집에 붓도록 하여 임의 형상의 온조 배관을 형성할 수 있어 원하는 온도를 유지하면서 캐비티 전면에 대해 온도 편차가 발생하지 않는 알루미늄 다이캐스트용 금형을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재를 이용함으로써, 시판되는 내식성 및 내산화성이 뛰어난 금형용 강재 혹은 내식성 및 내산화성이 뛰어난 표면 처리와 동등한 특성을 겸비하는 알루미늄 다이캐스트용 금형을 얻을 수 있다. 본 실시예에서는 원하는 형상으로 휨 가공된 온조관을 주형 내에 배치하고, 주강 용탕(니켈 Ni; 7.5 질량%, 크롬 Cr; 3 질량%, 규소 Si; 1.5 질량%, 탄소 C; 0.5 질량%)를 주탕함으로써 원하는 부위에 대해서 원하는 형상의 온조관이 매설된 알루미늄 다이캐스트용 금형이 얻어졌다. 온조관의 소재는 당연히 용융 알루미늄 소재의 주탕에 의해 손상이나 변형을 입지 않는 재질을 선택할 필요가 있다. 본 실시예에서는 원하는 형상의 내부 구조 혹은 원하는 치수의 내경을 가지는 강관을 사용했지만, 상기 조건을 고려해 다른 금속관을 사용할 수 있다.

실시예 4

핫 러너용 매니폴드 블록

본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재는 주형 내에 원하는 형상의 배관류를 배치함으로써 원하는 내부 구조를 가지는 제품이 제조 가능해진다. 본 발명에 관한 제조 방법에 의해, 원하는 형상의 용융 수지 유로 및 온조 배관 등을 내장한 핫 러너용 매니폴드 블록을 얻을 수 있다. 플라스틱 성형 가공에 의해 생산되는 성형품에는 목적하는 형상을 가지는 제품부 이외에도 사출시에 용융 수지의 유로로서 기능하고 있던 스풀 및 러너로 불리는 불요 부분이 발생한다. 이 불요 부분을 제품부와 함께 고화물로서 꺼낸 후, 재이용하든가 혹은 폐기하는 방식을 콜드 러너라고 부르고 있다. 이 콜드 러너 금형에서는 용융 수지 유로의 형상 및 배치의 자유도가 큰 반면, 불요물을 배출함으로써 환경 부하의 증대에 대한 대응이 과제가 되고 있다. 이와 같은 불요 부분을 발생시키지 않는 방법으로서 용융 수지의 유로 전체를 상기 수지의 용융 온도로 유지하면서 용융 수지를 제품부와 분리하기 위한 기구를 내장시킨 금형 부품, 이른바 핫 러너-시스템을 보급하고 있어, 플라스틱 성형 가공 분야에서의 저비용화, 자원 절약화에 기여 가능하다.

이 핫 러너-시스템의 주요 구성 부품인 매니폴드 블록은 고점도의 용융 수지를 고속으로 통과시킴으로써 압력 손실을 저감시키는 것이 가능한 원하는 형상의 유로 가공이 필요해진다. 그러나, 기계 가공에 의한 유로 형성에서는 직선을 기본으로 하는 단순 형상의 가공으로 그치든가, 혹은 원하는 형상으로 미리 가공한 부재를 접합하는 고비용의 방법을 선택하는 것이 요구되고 있었다. 또한 핫 러너용 매니폴드 블록은 플라스틱 재료를 고온에서 용융시키는 것에 기인하는 플라스틱 재료의 분해 가스에 대한 내식성도 구비하고 있을 필요가 있다. 예를 들면, 성형 가공시의 용융 온도가 300℃ 이상이 되는 비교적 높은 융점을 가지는 수지 재료, 용융시에 부식성의 가스가 발생하는 수지 재료, 혹은 용융 온도와 열분해 온도가 근접하는 수지 재료 등을 가공하는 금형 내에 조립되는 경우에는 강도나 인성으로 대표되는 기계적 특성, 표면 성상이나 가공 정도로 대표되는 기계 가공성뿐만 아니라 내식성이 뛰어난 강재를 사용할 필요가 있었다.

이것과는 대조적으로, 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재는 주형 내에 배치된 금속관을 거푸집에 붓도록 하여 압력 손실을 저감시킬 수 있는 원하는 형상의 용융 수지 유로를 형성할 수 있고, 나아가 온도 조절용 배관 및 가열 히터 등의 기능 부재를 동시에 거푸집에 부음으로써 온조 기능을 내장하는 온도 편차가 발생하지 않는 핫 러너용 매니폴드 블록을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재를 이용함으로써, 시판되는 내식성이 뛰어난 강재를 이용했을 경우에 필적하는 내식성을 겸비하는 핫 러너용 매니폴드 블록을 얻을 수 있다.

실시예 5

프레스 금형용 미끄럼 베어링

자동차 보디 등 두께가 있는 강판에 의해 대형 부재를 프레스 가공하는 금형에는 금형 내의 가동부 및 금형의 동작 방향을 규제하기 위한 미끄럼 베어링이 사용되고 있다. 이 미끄럼 베어링은 강판 가공시에 발생하는 프레스 압력 등에 기인하는 각종 응력에 견딜 만한 강도와 함께, 특히 접동면에서의 내식 내마모성으로 대표되는 총합적인 내구성이 강하게 요구된다. 종래에는 비용도 포함한 모든 요구 성능을 단일 재료로 만족시키는 것이 곤란하기 때문에, 구리 합금 표면에 흑연을 매립한 전용 부재를 조합하는 등 접동면에만 내마모성 및 내식성이 뛰어난 부재를 조합함으로써 요구에 응하고 있었다. 이것과는 대조적으로, 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재에서는 본 주강재 자체가 내식 내마모성을 겸비하는 것에 더해 질소 분위기 중에서 소려함으로써 표면을 추가로 경화시키는 것이 가능하게 되는 것으로부터 접동 전용 부재가 불필요해진다. 나아가 본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재에서는 심랭 처리만으로 바람직한 내마모성을 얻을 수 있기 때문에 종래의 부재에서의 내마모성 발현에 필요했던 경화 처리로서의 소입 처리가 불필요해지기 때문에 대폭적인 비용 절감이 가능해진다.

산업상 이용 가능성

본 발명에 관한 마르텐사이트 주강재는 소정 비율 조성비의 주강재를 이용해 제품을 주조하고, 마무리 가공 후 소입 처리를 실시하는 일 없이 빙점하의 온도로 냉각하는 심랭 처리에 의해 충분한 경도를 얻을 수 있다. 또, 상기 조성비에 의해 얻어지는 주강재 잉곳을 소려한 후 제품으로서 가공하고, 그 후 심랭 처리를 실시하는 것도 가능하다.

따라서, 주조품으로서 소정 범위 이상의 경도를 필요로 하는 광범위한 용도, 예를 들면 프레스형, 사출 성형용 금형, 소정 레벨 이상의 경도나 정도가 요구되는 치구류, 톱니바퀴류, 차량용 바퀴 부분이나 그 주변 부품이나 샤프트 등의 단조품, 궤도 주행용 차량의 차바퀴, 아이볼트, 공작 기계의 베드 및 접동 부재, 정미기나 탈곡기 등 농업용 기계 기구류의 부품, 건설 기계류의 래칫부 및 절삭부 등, 풀베기기, 제설기 등의 고정 칼날 등에 응용할 수 있다.

또, 소려 처리 후에 가공하는 용도로는 구리 합금의 플레이트나 접동부에 이용되는 웨어플레이트, 물방아·펌프 등 유체 기계의 임펠러나 러너 등을 들 수 있다. 또, 보호관 부착 전열 히터, 열전대(thermocouple)나 측온 저항 그 외의 각종 센서류, 온도 조절 배관 등을 주포하는 용도로는 플라스틱의 용융 혼련용 압출기의 배럴, 스크류, 냉각 및 과열의 조합에 의해 정확한 온도 제어를 실시하는 사출 성형용 금형 등에 대한 활용을 기대할 수 있다. 이들 응용 범위에 있어서 종래에는 방대한 열에너지를 필요로 하고 있던 소입 처리가 불필요해져, 대폭적인 에너지 절감이 가능해진다. 따라서, 환경 파괴에 큰 영향을 미친다고 여겨지는 이산화탄소 배출 삭감에도 큰 효과를 기대할 수 있다.

Claims

니켈 Ni; 5~10 질량%, 크롬 Cr; 4~10 질량%, 규소 Si; 0.5~5 질량%, 망간 Mn; 0.01~1 질량%, 탄소 C; 0.2~2 질량%, 잔부가 철 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되고, 마르텐사이트 변태 완료 온도(Mf점)가 빙점하(氷点下)인 것을 특징으로 하는 마르텐사이트 주강재(鑄鋼材, martensitic-steel casting material).
니켈 Ni; 5~10 질량%, 크롬 Cr; 4~10 질량%, 규소 Si; 0.5~5 질량%, 망간 Mn; 0.01~1 질량%, 바나듐 0.1~5 질량%, 탄소 C; 0.2~2 질량%, 잔부가 철 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되고, 마르텐사이트 변태 완료 온도(Mf점)가 빙점하인 것을 특징으로 하는 마르텐사이트 주강재.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 마르텐사이트 변태가 심랭 처리(sub-zero treatment)만으로 완료되는 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트 주강재.
청구항 3에 있어서,
상기 심랭 처리 온도가 0℃ ~ -200℃의 온도 범위이며, 록웰 경도 C 스케일에서 20~60 HRC의 주방(鑄放) 주강재로부터 상기 심랭 처리에 의해 45~65 HRC의 경도로 변화되는 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트 주강재.
청구항 4에 있어서,
심랭 처리 후에 실시되는 소려(燒戾, tempering) 처리에 의해 40~60 HRC의 범위의 원하는 경도가 되도록 조정 가능한 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트 주강재.
청구항 4에 있어서,
심랭 처리가 실시된 주강재를 가공하여 원하는 형상으로 한 후, 이 가공품에서 질소의 표면부화(表面富化)를 발생시키는 분위기 중에서 소려 처리를 실시함으로써 제품 표면을 700~1200 HV 범위의 원하는 경도가 되도록 조정 가능한 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트 주강재.
청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 성분에 조정된 원재료를 용해하여 제품에 가까운 형상으로 주조하고, 얻어진 주조품에 대하여 마무리 가공을 실시하며, 이 마무리 가공이 실시된 주조품에 대하여 온도 0℃ ~ -200℃의 심랭 처리를 실시하고, 그 후 100℃~700℃의 온도 범위 내에서 소려 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트 주강품의 제조 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 성분에 조정된 원재료를 용해하여 얻어진 주강재 잉곳(ingot)에 대하여 온도 0℃ ~ -200℃의 심랭 처리를 실시하고, 그 후 100℃~700℃의 온도 범위 내에서 소려 처리를 실시하며, 이 소려된 주강재를 가공하여 원하는 제품을 얻는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트 주강품의 제조 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 성분에 조정된 원재료를 용해하여 얻어진 주강재 잉곳에 대하여 온도 0℃ ~ -200℃의 심랭 처리를 실시하고, 이 심랭 처리된 주강재를 가공하여 원하는 형상으로 한 후, 이 가공품에서 질소의 표면부화를 발생시키는 분위기 중에서 소려 처리를 실시함으로써 원하는 제품을 얻는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트 주강품의 제조 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 심랭 처리 온도가 -50℃ 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트 주강품의 제조 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 소려 처리 온도가 100℃~700℃의 온도 범위 내에서 제품의 종류, 40~60 HRC의 제품 경도에 따라 선정되는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트 주강품의 제조 방법.
청구항 9에 있어서,
상기 질소의 표면부화를 발생시키는 분위기 중에서 소려 처리 온도가 400℃~600℃의 온도 범위 내에서 제품의 종류, 700 HV~1200 HV의 제품 경도에 따라 선정되는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트 주강품의 제조 방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 마르텐사이트 주강재를 용해하고, 완성품에 근사하는 형상으로 하여 거푸집에 붓고, -50℃ 이하의 심랭 처리 후에 마무리 기계 가공을 실시하며, 그 후에 질소의 표면부화를 발생시키는 분위기 중에서 소려 처리를 실시함으로써 완성품 표면의 경도가 700 HV~1200 HV로 조정되는 것을 특징으로 하는 강판 프레스 가공시에 사용되는 로케이트핀.
청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 마르텐사이트 주강재를 용해하여 원하는 형상의 주형에 의해 금형을 주조할 때에 캐비티 전면에 대해 온도 편차를 발생시키지 않는 원하는 형상의 금속제 온조관(溫調管)을 주형 내에 미리 배치하고 동시에 거푸집에 부은 후에, -50℃ 이하의 심랭 처리 및 소려 처리를 실시함으로써 40~60 HRC의 경도가 얻어지는 것을 특징으로 하는 온조관 부착 플라스틱 성형용 금형.
청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 마르텐사이트 주강재를 용해하여 원하는 형상의 주형에 의해 금형을 주조할 때에, 캐비티 전면에 대해 온도 편차를 발생시키지 않는 원하는 형상의 금속제 온조관을 주형 내에 미리 배치하고, 동시에 거푸집에 부은 후에, -50℃ 이하의 심랭 처리 및 소려 처리를 실시함으로써 700 HV~1200 HV의 경도가 얻어지는 것을 특징으로 하는 온조관 부착 알루미늄 다이캐스트용 금형.
청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 마르텐사이트 주강재를 용해하고, 완성품에 근사하는 형상으로 하여 거푸집에 부어질 때에 원하는 형상의 용융 수지 유로 및 원하는 형상의 금속제 온조관을 주형 내에 미리 배치하고, 동시에 거푸집에 부은 후에, -50℃ 이하의 심랭 처리 및 소려 처리를 실시함으로써 40~60 HRC의 경도가 얻어지는 것을 특징으로 하는 수지 유로 및 온조관 부착 핫 러너용 매니폴드 블록.
청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 마르텐사이트 주강재를 용해하고, 완성품에 근사하는 형상으로 하여 거푸집에 붓고, -50℃ 이하의 심랭 처리 후에 마무리 기계 가공을 실시하며, 그 후에 질소의 표면부화를 발생시키는 분위기 중에서 소려 처리를 실시함으로써 완성품 표면의 경도가 700 HV~1200 HV로 조정되는 것을 특징으로 하는 미끄럼 베어링.
청구항 8에 있어서,
상기 심랭 처리 온도가 -50℃ 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트 주강품의 제조 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 소려 처리 온도가 100℃~700℃의 온도 범위 내에서 제품의 종류, 40~60 HRC의 제품 경도에 따라 선정되는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트 주강품의 제조 방법.