KR101315663B1

KR101315663B1 - 마레이징강 물품 및 제조방법

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Publication number: KR101315663B1
Application number: KR1020087008257A
Authority: KR
Inventors: 조셉 에프. 무하; 안드르제즈 엘. 워즈시에스진스키; 브라이언 제이. 맥티어난
Original assignee: 에이티아이 파우더 메탈스 엘엘씨
Priority date: 2005-09-06
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2013-10-08
Also published as: KR20080049097A; UA89842C2; CA2620209C; JP5289956B2; HK1119207A1; PL1920079T3; WO2007030256A1; MX2008003062A; CN101258259A; PT1920079E; DK1920079T3; DE602006006844D1; JP2009507132A; EP1920079B1; CA2620209A1; EP1920079A1; ATE431437T1; US20120230859A1; ES2357612T3; US20070053784A1

Abstract

고온 용도용 공구로 사용되는 충분히 치밀한(fully dense), 분말 야금술로 제조된 프리알로이 분말(prealloyed powder)의 마레이징강 합금 물품이 개시된다. 미가공(as-produced) 조건에서 상기 물품은 기계 가공성을 제공하도록 40HRC 미만의 경도를 가지며, 이후 마레이징 열처리시 상기 물품은 45HRC 보다 큰 경도를 갖는다. 이러한 물품을 제조하는 방법은, 프리알로이 분말(prealloyed powder)을 압축하여(compacting) 40HRC 미만의 경도를 갖는 충분히 치밀한 물품을 제조하는 단계 및 이후 45HRC 보다 큰 경도로 마레이징 열처리하는 단계를 포함한다.

Description

마레이징강 물품 및 제조방법{A maraging steel article and method of manufacture}

본 발명은 분말 야금 공정법(powder metallurgy processing method)을 사용하여 특정 조성을 갖는 마레이징강 물품을 제조하는 것에 관한 것이다. AS-HIP 조건 또는 HIP 되고 및 열간 가공되는 조건(hot worked condition)에서, 본 발명을 실시하여 생산된 강철은, 고온 또는 주기적인 가열 및 냉각을 포함하는 용도에 적당하다. 본 발명의 강 물품은 제조 후 및 용체화 열 처리(solution heat treating) 후 40HRC 미만의 경도를 가져서, 물품을 기계가공하는 것이 가능해진다. 그러나, 물품의 제조 및 잇따른 마레이징 처리 후에는, 상기 물품의 경도가 45 HRC 보다 크다.

본 발명의 강 물품의 용도는 플라스틱, 또는 액체나 고온 고체 금속(liquid or hot solid metal)의 가공을 포함하고, 이는 이에 한정되는 것은 아니지만 액체 금속의 주조용 몰드다이(mold die), 플라스틱용 다이(die), 기타 금속의 단조용 다이(die), 및 압출용 다이(die)를 포함한다. 이러한 용도에 사용되는 공구의 주기적인 가열 및 냉각은 이러한 용도를 특징짓는다. 이러한 주기적인 가열 및 냉각은 또한 히트체킹(heat checking)으로 알려진 열피로 균열(thermal fatigue cracking)을 일으키기에 충분한 스트레스를 강철에 생성시킨다. 서로 다른 용도는 서로 다른 양의 히트체킹을 감내할 수 있다. 고품질의 장식적인 외관(cosmetic appearance)을 필요로 하는 몇몇 제품의 경우에, 다이는 매우 제한된 히트체킹만이 발생한 후에도 교체되어야 한다. 이러한 고품질의 장식적인 외관을 필요로 하지 않는 다른 제품의 경우에는, 다이는 심지어 심각한 히트체킹이 있더라도 사용될 수 있다. 모든 경우에, 대다수의 다이는 결국 파괴(fail) 되고 열피로 균열 때문에 교체된다.

기존의 열간 공구강(hot work tool steel)은 덜 엄격한 장식적인 요건 또는 짧은 라이프사이클을 갖는 제품에 충분할 수 있다. 그러나, 높은 장식적인 요건을 갖는 제품의 경우에는, 제조 관행의 요구를 충족시키는 길고 유용한 사용 수명을 갖는 공구에 대한 요구가 있다.

공구는 뜨거운 금속(hot metal)의 가공을 포함하는 몇가지 용도에 사용된다. 이러한 금속은 다이 캐스팅에서와 같이 액체 형태로 존재하거나, 열간 압출 및 열간 단조에서와 같이 고체 형태로 존재할 수 있다. 모든 이러한 공구 재료의 내용연수는 통상 열피로 균열에 의해 제한된다. 즉, 공정이 진행됨에 따라, 더 많은 열피로 균열이 공구의 표면상에서 개시되고, 기존의 열피로 균열은 성장한다. 다이는 열피로 균열의 정도가 제조된 부품이 용인할 수 없는 품질을 갖게 할 때 교체된다. 고온 사용에 사용되는 강(steel)의 요건은 하기를 포함한다:

재료는 45HRC 보다 크게 열처리되는 능력을 가져야 하는데, 이는 종래 기술의 대부분의 공구가 형상을 유지하도록 하는 통상의 최소 가공 경도(working hardness)이다.

재료는 또한 양호한 고온 강도를 나타내어야 한다. 열피로 균열은 재료의 강 도와 관련된다. 따라서, 높은 강도는 내 열피로 균열성(resistance to thermal fatigue cracking)을 향상시킬 수 있는 한 요인이다.

다이는 고온에 노출되기 때문에, 다이 재료의 연화(softening)가 일어날 수 있다. 이러한 재료의 연화는 또한 재료의 강도를 저하시키고, 이는 재료가 열피로 균열에 더욱 취약하도록 만든다. 따라서 공구 재료는, 양호한, 또한 템퍼 저항성(temper resistance)으로 알려진 내연화성(resistance to softening)을 나타내어야 한다.

상기 작업에 사용되는 많은 공구는 열피로 균열의 존재 때문에 사용불능이 된다. 열피로 균열은 종래의 열피로 균열과 유사점을 갖는다. 그러나, 열피로 균열의 경우에, 스트레스는 주기적인 가열 및 냉각에 의해 공구에 도입된다. 따라서, 그와 같은 공구용 재료가 양호한 내 열피로 균열성을 나타내는 것이 중요하다.

가열 및 냉각 사이클 동안의 공구의 열팽창은 공구에 스트레스를 도입시킨다. 따라서, 상기 재료는 가능한 낮은 열팽창계수, 또는 최소한 사용 중인 기존 재료 보다 낮은 열팽창 계수를 가져야 한다.

많은 공구가 내부식성을 위해 코팅된다. 따라서, 다이 재료는 PVD(물리적 기상증착) 또는 다른 적절한 코팅물에 의해 코팅될 수 있어야 한다.

몇몇 용도는 AS-HIP(as hot isostatically pressed) 조건에서 본 발명을 사용할 수 있을지라도, 대부분의 용도는 고객에 적합한 보다 작은 부분(section)으로의 재료의 열간 가공을 필요로 할 것이다. 따라서, 재료는 양호한 열간 가공성을 가져야 한다.

몇몇 재료는 기존에 열간 가공 용도에 사용되고 있다. H계 공구강이 이러한 용도를 위해 개발되었는데, 가장 일반적인 것은 5Cr 열간 가공 공구강이다. 이는 미국에서 H13 및 H11로 알려진 강을 포함한다. H13 강 등급은 공칭상 중량%로 0.38 탄소, 5.25 크롬, 1.25 몰리브덴, 1.0 규소 및 1.0 바나듐이다. H11 강 등급은 본질적으로 H13 등급과 같지만 0.5wt% 바나듐을 갖는다. 보다 가혹한 용도의 경우에, H11 또는 H13 강은 일반적으로 일렉트로 슬래그 재용융(ESR: electro slag remelting)법 또는 진공 아크 재용융(VAR: vacuum arc remelting)법을 사용하여 가공된다.

이러한 5 Cr 공구강의 몇가지 변종이 또한 사용되어 왔다. 가장 주목할 만한 것들 중에 증가된 인성(toughness)을 위해 저 규소 함량을 갖는 H11이 있다. 다른 것으로는 향상된 템퍼 저항성을 위해 저 규소 및 증가된 몰리브덴을 갖는 H11이 있다. 표 1은 몇가지 표준 및 몇가지 비표준의 상업적으로 입수가능한 공구강의 공칭 화학 조성을 보여준다.

표 1

선택된 표준 및 비표준 열간 가공 공구강의 공칭 화학 조성

합금 명칭	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Co	Fe
H10	0.32	0.25	0.30	3.00	2.80	0.50	-	나머지
H10A	0.32	0.25	0.30	3.00	2.80	0.50	3.00	나머지
H11	0.40	1.00	0.25	5.30	1.60	0.40	-	나머지
H13	0.40	1.00	0.40	5.30	1.40	1.00	-	나머지
H19	0.45	0.40	0.40	4.50	3.00	2.00	4.50	나머지
com. 1	0.36	0.20	0.50	5.25	1.65	0.50	-	나머지
com. 2	0.36	0.20	0.50	5.00	2.35	0.60	-	나머지
com. 3	0.36	0.20	0.40	5.20	1.95	0.60	-	나머지
1.2367	0.38	0.40	0.40	5.00	3.00	0.60	-	나머지
com. 4	0.38	0.20	0.25	5.00	3.00	0.60	-	나머지

과거에 열간 가공 용도에 사용되어온 다른 재료들 중에는 마레이징강이 있다. 그들의 대부분은 약 18%의 니켈 및 얼마간의 티타늄을 함유하며 Ni-Mo 및 Ni-Ti 입자의 침전에 의해 경도(hardness)를 얻는다. 많은 이러한 강은 비교적 낮은 온도, 일반적으로 1000℉ 미만의 온도를 사용하여 에이징되는데, 이는 보다 높은 온도에 노출될 때 재료의 효용성을 제한할 수 있다. 표 2는 몇가지 상업적으로 입수가능한 마레이징강의 공칭 화학 조성을 보여준다.

표 2

선택된 마레이징강의 공칭 화학 조성

합금	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	Co	Cu	Ti	Al	B
Com. 1	0.008	0.15	0.05	17.5	0.10	4.90	11.00	0.20	0.13	-	0.003
Com. 2	0.02	0.04	0.03	18.5	0.05	4.80	7.50	-	0.40	0.10	0.003
Com. 3	0.02	0.05	0.03	18.5	0.10	4.90	9.00	-	0.60	0.10	0.003
Com. 4	0.02	-	-	12.0	-	8.00	8.00	-	0.50	0.05	-

몇몇 종래의 마레이징강은 양호한 열피로 저항성 및 강도를 갖도록 과거에 개발되었지만, 종래의 방법에 의해 제조될 경우 잉곳(ingot) 단계에서부터 완성 형태까지의 가공 동안에 나쁜 열간 가공성을 나타내었다. 이러한 나쁜 열간 가공성은 불량한 최종제품 또는 제품을 상업적으로 경쟁력있게 하기에는 잉곳단계에서부터 완성 단계에 이르기까지 불충분한 수율(50% 미만)을 초래한다.

본 발명은 상술한 요건을 충족하는 고온 용도용 공구로 사용되는, 새로운 분말 야금술에 의해 제조된 마레이징강 합금 물품을 제공한다. 상기 물품은 충분히 치밀(fully dense)하며, 프리알로이 분말 입자(prealloyed powder particle)를 갖는다.

표 3

본 발명의 합금의 화학 조성 범위

	C	Mn	Si	Cr	Mo	Ni	Co	S
넓은 범위	0.00-0.08	0.00-1.00	0.00-1.00	2.50-6.00	6.00-10.00	1.00-4.00	9.00-14.00	0.00-0.30
바람직한 범위	0.00-0.5	0.10-0.50	0.010-0.50	4.00-5.75	7.00-9.00	1.50-3.00	10.00-13.00	0.005-0.05
보다 바람직한 범위	0.01-0.04	0.20-0.40	0.15-0.40	4.70-5.30	7.50-8.50	1.70-2.30	10.75-12.00	0.01-0.03

본 발명은 뜨거운 금속(hot metal)의 가공에 사용하는 물품을 제조하는 방법으로서,
마레이징강의 프리알로이 분말(prealloyed powder)을 압축하여(compacting), 기계 가공성을 제공하도록 40HRC 미만의 경도를 갖는 충분히 치밀한(fully dense) 물품을 제조하는 단계; 및
이후 열피로 저항성 및 45HRC 보다 큰 경도를 달성하도록 상기 물품을 마레이징 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 프리알로이 분말은, 중량%로, C 0.08 이하, Mn 1.0 이하, Si 1.0 이하, Cr 2.5-6.0, Mo 6.0-10.0, Ni 1.0-4.0, Co 9.0-14.0, 황 0.3 이하 및 나머지로서 철과 부가적인 원소 및 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 또한 제공한다.
상기 방법에 있어서, 상기 프리알로이 분말은, 중량%로, C 0.05 이하, Mn 0.1-0.5, Si 0.01-0.5, Cr 4-5.75, Mo 7-9, Ni 1.5-3, Co 10-13, S 0.005-0.05 및 나머지로서 철과 부수적인 원소 및 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방법에 있어서, 상기 프리알로이 분말은, 중량%로, C 0.01-0.04, Mn 0.2-0.4, Si 0.15-0.4, Cr 4.7-5.3, Mo 7.5-8.5, Ni 1.7-2.3, Co 10.75-12, S 0.01-0.03 및 나머지로서 철과 부수적인 원소 및 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 방법에 있어서, 마레이징 열처리는 540 내지 700℃ 범위 이내의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

재료의 경화(hardening)는 용체화 어닐링(solution annealing) 및 에이징, 즉 소정의 시간 동안 소정의 온도에서의 가열에 의해 달성된다. 이는 작은 침전 입자가 형성되는 것을 가능하게 하고, 차례로 재료의 저탄소 마르텐사이트 구조를 경화시킨다.

다음에, 개개의 합금 원소 및 그들의 상호작용의 중요성이 설명될 것이다. 명세서 및 청구항에서 화학 조성과 관련된 모든 백분율은 중량%이다.

합금을 경화시키는 원인이 되는 침전물이 Fe₂Mo이기 때문에, 몰리브덴은 이러한 마레이징강을 강화시키는데 있어서 핵심 원소이다. 몰리브덴은 또한 합금의 템퍼 저항성을 향상시키는데 있어서 핵심 원소이다. 과량의 몰리브덴은 유해한 델타 페라이트의 형성을 허용할 수 있다.

코발트는 바람직하지 않은 상(phase)을 방지하고 에이징 공정에 영향을 주기 위하여 적당한 함량(balance)으로 요구된다. 코발트는 고온에서 델타 페라이트의 형성을 방지하는 동시에 오스테나이트 형성 원소이며 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변형 온도에 최소의 영향을 미친다. 코발트는 또한 마르텐사이트 매트릭스에서 몰리브덴의 용해도를 낮추고, 이에 따라 몰리브덴이 침전에 더 많이 이용될 수 있게 한다.

크롬은 내고온산화성(resistance to high temperature oxidation)을 위해 얼마간의 양이 바람직하다. 과량의 크롬은 델타 페라이트의 형성을 초래할 수 있다.

니켈은 또한 내산화성에 얼마간의 잇점을 제공하며 기계적 특성에 유리하다. 과잉 니켈은 통상의 사용 온도(service temperature)에서 오스테나이트의 형성을 야기할 수 있다.

탄소는 이러한 재료의 강화 메커니즘(strengthening mechanism)에 있어서 중요한 원소가 아니다.

규소는 합금의 특성에 있어서 중요한 원소가 아니다. 규소는 용융(melting) 중 탈산소(deoxidizing)를 위해 사용될 수 있다. 규소는 강력한 페라이트 안정제이다.

망간은 이러한 합금의 특성에 중요하지 않다. 망간은 황화망간(manganese sulfide)을 형성하기 위해 사용될 수 있고 따라서 그 함량은 향상된 기계 가공성(machinability)을 위해 황의 양 증가와 함께 증가되어야 한다.

황은 기계 가공성을 증진시키기 위해 존재할 수 있다.

바나듐, 니오븀, 티타늄, 텅스텐, 지르코늄, 알루미늄 및 기타 강력한 탄화물(carbide) 및/또는 질화물(nitride) 형성제는 바람직하지 않은 원소들이고 따라서 부수적인 불순물 레벨(incidental impurity level) 이상의 양으로 존재하지 않아야 한다.

본 발명의 합금 물품은, 1740℉ 및 1925℉ 사이에서 재료를 가열함에 의해 수행되는, 용체화 어닐링된 상태로 제공된다. 마레이징에 의한 경화는 1050℉ 및 1360℉ 사이에서 재료를 가열함에 의해 달성된다.

도 1은 연성과 관련하여, 분말 야금술에 의해 제조된 본 발명의 조성 한도내의 합금 시편 및 ESR에 의해 제조된 합금 시편의 비교를 보여주는 그래프이고;

도 2는 본 발명에 따른 시편과 H13 합금 시편의 열피로 저항성을 비교하는 그래프이고;

도 3은 본 발명에 따른 시편과 H13 합금 시편의 경도를 비교하는 그래프이다.

수행된 실험 및 구체적인 실시예

본 발명의 합금 물품의 성공적인 성능에 중요하다고 고려된 다양한 특성들을 측정하기 위하여 실험을 수행하였다. 이 실험은 열간 가공성의 척도로서의 고속 변형 인장 시험(rapid strain tensile testing), 열피로 균열, 템퍼 저항성, 실온 및 1000℉에서의 인장 시험, 열팽창계수의 결정 및 코팅 시험을 포함한다.

다음은 시험 시편인 본 발명의 강 조성 및 H13 조성이다:

원소	마레이징 합금	ESR H13
C	0.019	0.40
S	0.011	0.002
Mn	0.32	0.27
Si	0.27	1.05
Cr	4.92	5.46
Mo	7.87	1.22
V	<0.005	0.91
Co	11.17	0.04
Ni	1.89	0.15
P	0.015	0.009
Al	<0.005	0.01
Nb	<0.005	<0.01
Ti	<0.005	<0.01
W	0.007	<0.01
O	0.011	0.0017
N	0.023	0.005

고속 변형 인장 시험

분말 야금술에 의해 제조된 본 발명의 합금 물품 및 이와 동일한 조성의 일렉트로 슬래그 재용융 재료를 사용하여 고속 변형 인장 시험을 수행하였다. 고속 변형 시험에 있어서, 직접 저항 가열(direct resistance heating)에 의하여 시편을 가열하였다. 원하는 시험 온도에 도달시켜 이 온도에서 평형을 이룬 후, 하중을 가하여 550 in/in/min의 변형율을 얻었다. 이 시험은 재료의 열간 가공 동안에 존재하는 조건을 시뮬레이션하는데 있어서 유용하다.

시험 온도는 1800℉, 1900℉, 2000℉, 2100℉, 2150℉, 2200℉ 및 2250℉이었다. 도 1은 본 발명의 합금 및 이와 동일한 조성의 ESR 재료의 제조된 시편에 대한 고속 변형률 인장 시험의, 면적 감소를 보여준다. 이는 분말 야금 재료의 경우에 실질적인 연성 잇점을 분명하게 보여준다. ESR 재료의 연성은 열간 가공을 허용하기에는 불충분하였다.

고속 변형 시험은 또한 풀사이즈 시험(full size trial)상의 경험과 일치한다. 본 발명의 분말 야금 합금 조성의 두 개의 풀사이즈 압축물(full size compact)를 열간 정수압 프레스(hot isostatic pressing)법에 의해 제조하여 강화(consolidated)시켰다. 다음에, 각 압축물을 중간 크기로 가공하고 이어서 열간 압연(hot rolling)에 의해 최종 크기로 가공하였다. 어떠한 압축물도 열간 가공성 곤란을 나타내지 않았고 공정 수율은 다른 공구강에 대한 표준 가공 수율의 범위이내이었다. 반면에, ESR 또는 다른 종래의 방법에 의해 제조된 풀사이즈 잉곳으로 실시한 시험은 상업강 제조 설비에서 가공 중 나쁜 열간 가공성을 나타내었고, 이는 완전히 폐기된 2회의 시험을 포함하여, 표준에 훨씬 못미치는 공정 수율을 초래하였다.

열피로 저항성

열간 가공 공구강의 또 다른 중요한 특성은 열피로 저항성이다. 열피로 균열을 측정하는데 이용될 수 있는 몇가지 시험이 있지만, 이러한 시험들 중 어느 것도 표준 방법(예를 들어 ASTM)이 아니다. 몇몇 시험은 가열용 유도 코일을 사용하여 시편을 고온으로 가열하고, 이어서 시편을 냉각시킴에 의해 수행된다. 이를 많은 사이클에 걸쳐 수행하고, 시험 도중에 시편을 주기적으로 평가한다. 또 다른 방법은 냉각수용 내부 냉각 공동(internal cooling cavity)을 갖는 시편을 시험하는 것을 포함한다. 이 시편을 액체 알루미늄조에 여러 차례 담근다. 다시, 시험 도중 크래킹을 주기적으로 평가한다.

열간 정수압 프레스법 및 열간 가공에 의해 제조된 1/2 평방 인치×길이 6 인치의 고체 시편을 사용하여 본 발명의 합금에 대한 시험을 수행하였다. 같은 절차 동안에 5개 이하의 다른 시편과 함께 동시에 시험 시편을 시험할 수 있다. 이 실험을 위한 다른 시편은 알루미늄 다이캐스팅 다이에 가장 빈번히 사용되는 합금인, ESR H13 재료이었다. 다양한 시험 사이클 전단계에 걸쳐, 시편을 이동시키는 기계팔의 끝에 부착된 지지 플레이트에, 시편을 볼트 고정하였다. 상기 팔은 시편을 용융 알루미늄내에 약 5인치의 깊이로 7초 동안 담갔다. 이어서 용융 알루미늄 밖으로 시편을 들어올리고, 이를 물탱크 위의 위치로 이동시킨 다음 물에 12초 동안 담갔다. 이어서 물 밖으로 시편을 들어올리고, 상기 팔을 5초 동안 용융 알루미늄 위의 위치로 이동시켜 시편을 건조시켰다. 이어서, 상기 사이클을 반복하였다.

시험 도중에, 상기 시편에 대하여 주기적으로, 일반적으로 매 5,000 사이클마다 열피로 균열을 평가하였다. 시편의 마주보는 두면을 화강암 표면 플레이트 상에서 규소 카바이드 페이퍼를 사용하여 세정하였다. 이어서, 입체 현미경(stereo microscope) 하에서 90×의 배율로 각 시편의 네 개의 세정된 모서리를 조사하였다. 말단 효과(end effect)를 방지하기 위하여 길이가 1-3/8인치이고, 시편의 하단부로부터 약 1-3/8인치 떨어진 지역에서 조사를 수행하였다.

네 개의 모서리 각각을 1-3/8인치 길이를 따라 주의 깊게 관찰하(traversed), 균열의 수 및 그의 길이를 기록하였다. 이러한 데이터를 정규화(normalize)할 수 있는 많은 방법이 있지만, 시험에 따른 경험은 시편의 순위에 있어서 편차를 거의 보여주지 않았다. 따라서, 간단히 균열의 총수를 모서리의 수(4)로 나눠 모서리당 균열의 수를 얻었다. 도 2는 분말 야금술에 의해 제조된 본 발명의 시편 대 ESR H13 강 시편의 시험 결과의 그래픽 표현이다. 이전에 논의된 바와 같이, 열피로 균열은 공구 파괴(tool failure)의 가장 빈번한 원인이다. 이러한 이유 때문에, 열피로 시험은 본 발명의 합금의 향상된 성능 중 가장 중요한 지표를 제공한다고 믿어진다.

템퍼 저항성

본 발명의 합금 물품의 템퍼 저항성을 측정하는 시험을 또한 수행하였다. 본 발명의 PM 합금 시편 및 H13 강 시편 모두를, 각 재료에 대한 통상의 열처리 사이클을 사용하여, 비슷한 경도 레벨까지 열처리하였다. 초기 경도를 측정하고 기록하였다. 이어서, 상기 시편을 1200℉의 가열로(furnace)에 위치시켰다. 시편 한 세트를 상기 온도에서 50시간 유지한 후 제거하고 경도 레벨을 시험하여 이를 기록하였다. 또 다른 시편 한 세트를 상기 온도에서 100시간 유지한 후 제거하고 경도 레벨을 시험하여 이를 기록하였다. 도 3은 1200℉에서 유지 시간의 함수로서의 경도 레벨의 그래픽 표현이다. 본 발명의 합금이 H13 강 보다 우수한 템퍼 저항성을 갖는다는 것을 알 수 있다.

인장 특성

표 4는 본 발명의 PM 합금 물품의 인장 시험 결과 대 ESR H13 강에 대한 결과를 보여준다. 시험한 시편을 1.0인치의 게이지 길이(4D)를 갖는 직경 0.250인치로 가공하였다. 결과를 보면 본 발명의 합금이 실온 및 1000℉ 모두에서 보다 높은 수율 및 인장 강도를 갖는다는 것을 알 수 있다. 이러한 보다 높은 강도는 본 발명의 합금 물품이 열피로 균열에 덜 취약하도록 만든다.

표 4

인장 특성

	본 발명의 마레이징 물품 (47 HRC)	ESR H13 강 (45 HRC)
72℉
UTS	261	206
YS	207	185
%EI	10	12
RA	25	55
1000℉
UTS	161	145
YS	138	116
%EI	23	15
RA	62	75

열팽창계수

열팽창은 공구의 내 열피로 균열성 및 공구의 최종 제품 품질 모두에 있어서 중요한 요인이다. 두 경우에 있어서, 열팽창계수가 작을수록 바람직하다. 열팽창계수가 낮다는 의미는 작은 치수 변화와 함께, 공구가 큰 치수 변화를 갖는 재료 보다 낮은 열적 스트레스를 받게 된다는 것이다. 존재하는 스트레스가 낮을수록 공구는 더 큰 내 열피로 균열성으로 된다. 열팽창계수는 열팽창분석(TDA)법에 의해 측정되었다. 본 발명의 PM 합금 물품의 열팽창계수는 72℉ 내지 1110℉의 온도 범위에서 6.6×10^-6 in./in./℉로 측정되었다. ESR H13 다이 강은 72℉ 내지 1110℉의 전 온도 범위에서 7.3×10^-6 in./in./℉의 계수를 가졌다.

현장 코팅 시험( Field Coating Trials )

현장 시험은, PM 발명 합금 물품이 물리증착(PVD) 공정이나, 또는 PVD 공정 보다 고온을 사용하는 화학증착(CVD)으로 쉽게 코팅된다는 사실을 보여주었다. TiN, TiAlN 및 CrN PVD 코팅물로 본 발명의 합금 물품을 코팅시켰다. 상기 코팅물들은 본 발명의 물품 및 ESR H13 강 모두에 대하여 750-850℉의 온도 범위에서 빠른 증착 속도로 증착되었다. 많은 다른 마레이징강과는 달리, 이 온도는 본 발명의 합금 물품의 에이징 온도에 훨씬 못미치는 것이다.

비슷하게, 화학증착공정을 사용하여 본 발명의 합금 물품 및 종래의 공구강 재료 모두에 상기 코팅물들을 증착시켰다. 종래의 공구강은 CVD에 아주 적합하지는 않았는데, 왜냐하면 상기 코팅 공정은 일반적으로 이러한 합금의 임계 온도 위의 온도에서 일어나기 때문이다. 본 발명의 물품에 의해 제공된 잇점은 CVD 공정이 필수 열처리, 즉 용체화 어닐링을 초래한다는 것이다. 코팅 후, 본 발명의 물품은 단지 1회의 에이징 처리만을 필요로 한다. 상기한 마레이징 공정의 성질은 공구의 치수 변화가 매우 작아서, 기재에의 양호한 코팅 부착을 가능하게 한다는 것이다.

Claims

고온 용도용 공구로 사용되는, 충분히 치밀한(fully dense), 분말 야금술로 제조된 프리알로이 분말(prealloyed powder)의 마레이징강 합금 물품으로서,

중량%로,

Cr 2.5-6.0, Mo 6.0-10.0, Ni 1.0-4.0, Co 9.0-14.0 및 나머지로서 철과 부수적인 원소 및 불순물을 포함하고,

상기 물품은 미가공 상태(as-produced)로는 40HRC 미만의 경도를 가져서 기계 가공성을 제공하고,

이후 상기 물품은 마레이징 열처리에 의해 45HRC 보다 큰 경도를 갖는 것을 특징으로 하는 물품.
제1항에 있어서, 중량%로, 0 초과이면서 0.05 이하의 C, Mn 0.1-0.5, Si 0.01-0.5, Cr 4-5.75, Mo 7-9, Ni 1.5-3, Co 10-13, S 0.005-0.05 및 나머지로서 철과 부수적인 원소 및 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
제1항에 있어서, 중량%로, C 0.01-0.04, Mn 0.2-0.4, Si 0.15-0.4, Cr 4.7-5.3, Mo 7.5-8.5, Ni 1.7-2.3, Co 10.75-12, S 0.01-0.03 및 나머지로서 철과 부수적인 원소 및 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품은 용체화 어닐링된 상태인 것을 특징으로 하는 물품.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품은 다이(die)의 형태인 것을 특징으로 하는 물품.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 물품은 액체 금속용 용기의 형태인 것을 특징으로 하는 물품.
뜨거운 금속(hot metal)의 가공에 사용하는 물품을 제조하는 방법으로서,

마레이징강의 프리알로이 분말(prealloyed powder)을 압축하여(compacting), 기계 가공성을 제공하도록 40HRC 미만의 경도를 갖는 충분히 치밀한(fully dense) 물품을 제조하는 단계; 및

이후 열피로 저항성 및 45HRC 보다 큰 경도를 달성하도록 상기 물품을 마레이징 열처리하는 단계를 포함하고,

상기 프리알로이 분말은, 중량%로, Cr 2.5-6.0, Mo 6.0-10.0, Ni 1.0-4.0, Co 9.0-14.0 및 나머지로서 철과 부가적인 원소 및 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 프리알로이 분말은, 중량%로, 0 초과이면서 0.05 이하의 C, Mn 0.1-0.5, Si 0.01-0.5, Cr 4-5.75, Mo 7-9, Ni 1.5-3, Co 10-13, S 0.005-0.05 및 나머지로서 철과 부수적인 원소 및 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 프리알로이 분말은, 중량%로, C 0.01-0.04, Mn 0.2-0.4, Si 0.15-0.4, Cr 4.7-5.3, Mo 7.5-8.5, Ni 1.7-2.3, Co 10.75-12, S 0.01-0.03 및 나머지로서 철과 부수적인 원소 및 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마레이징 열처리는 540 내지 700℃ 범위 이내의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 중량%로, 0 초과이면서 0.08 이하의 C, 0 초과이면서 1.0 이하의 Mn, 0 초과이면서 1.0 이하의 Si, 2.5-6.0의 Cr, 6.0-10.0의 Mo, 1.0-4.0의 Ni, 9.0-14.0의 Co, 0 초과이면서 0.3 이하의 황 및 나머지로서 철과 부수적인 원소 및 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 물품.
제7항에 있어서, 상기 프리알로이 분말은, 중량%로, 0 초과이면서 0.08 이하의 C, 0 초과이면서 1.0 이하의 Mn, 0 초과이면서 1.0 이하의 Si, 2.5-6.0의 Cr, 6.0-10.0의 Mo, 1.0-4.0의 Ni, 9.0-14.0의 Co, 0 초과이면서 0.3 이하의 황 및 나머지로서 철과 부수적인 원소 및 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.