KR101319695B1 - W-Mo-Cr-V-(Co)계 고속도공구강의 탄화물의 미세 석출 및 균일 분포에 의한 인성 향상 및 경도 증가 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은

공구, 금형등의 내구력 즉 성능은 열처리후의 인성,경도에 의하여 크게 좌우 된다

이들 경도, 인성은 열처리 후의 조직의 가장 중요한 구성요소인 탄화물의(carbide) 형상, 분포에 의하여 크게 영향을 받는다

본 방법은 공구, 금형의 내구력에 절대적 영향을 미치는 고인성 및 고경도 확보를 위하여

담금질 열처리후, 탄화물 석출의 핵 수를 증가 하고, 이를 미세 균일 분포 시키며, 경도 증가를 위하여

뜨임공정에서 통상적인 고온뜨임을 하지 않고 일차적으로 저온가열 뜨임을 실시하여 탄화물 석출의 핵 수를 증가하고, 탄화물을 미세하고 균일하게 분포 시키며

2차가열 고온뜨임에서 탄화물의 석출을 촉진하고 이를 미세하고 균일하게 분포시키며, 잔유오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시키며

3차가열의 응력제거 처리를 통하여 내부응력을 제거 하고 조직을 안정화 하여 인성향상 및 경도 증가의 특성을 부여토록 한 것이다

즉 금형의 인성, 경도는 조직 특히 탄화물의 형상, 분포, 내부응력에 의하여 크게 좌우 되므로 이를 제어하는 열처리 방법이다

[색인어]

공구, 금형, 탄화물(carbide), 결정립, 핵, 담금질(

Description

W-Mo-Cr-V-(Co)계 고속도공구강의 탄화물의 미세 석출 및 균일 분포에 의한 인성 향상 및 경도 증가 열처리 방법{Heat treatment Method of toughness improvement and hardness increasement for use in such fine carbide precipation and uniform distribution of W-Mo-Cr-V-(Co)type high speed steel}

본 발명은 강도, 내마모성, 인성의 확보를 위해 열처리 작업을 하는 공구, 금형제품에 적용되는 방법으로

고속도공구강 제품에 대하여 담금질 열처리 작업 후 통상적인 고온뜨임을 실시하지 않고, 1차적으로 저온가열을 실시하여 탄화물 석출의 핵 수를 증가하고, 미세 탄화물을 균일 분산 시킨 후

2차적으로 고온뜨임 가열시 기지에 미세 탄화물을 균일 분포 시켜며, 잔유오스테나이트를 마르텐사이트조직으로 변태 시키고

3차적으로 고온가열에 의하여 내부응력을 제거 하고 조직을 안정화 하여 인성 향상 및 경도 증가의 특성을 갖게 한 것 이다

W-Mo-Cr-V-(Co)계 고속도공구강의 열처리는 담금질 열처리를 1200∼1280℃에서 실시 하고, 뜨임 열처리를 540∼600℃의 의 고온에서 2∼3회 실시 하여 탄화물 을 석출 시키고, 잔유오스테나이트를 분해 시킨다

이 때 석출되는 탄화물의 형상, 분포, 균일성 및 내부응력은 고속도공구강의 성능에 절대적 영향을 미친다

석출 탄화물은 미세 하고 균일 분포 하는 것이 강도가 높고, 특히 인성이 우수하다

그러나 담금질 열처리 후 고온뜨임 하는 통상적인 열처리 방법의 경우 탄화물의 핵수 증가, 미세, 균일 분포의 확보가 미흡하여 인성 부족으로 금형파손 및 내구력 저하로 심각한 문제가 되고 있다

따라서 본 발명의 목적은 제반 문제점을 해소하여 공구, 금형등이 사용중 인성부족에 의한 파손 방지 및 내마모성의 향상의 특성을 부여하기 위하여

1차적으로 저온가열처리에 의하여 석출 탄화물의 핵수를 증가 하고, 미세 균일 분포 시키며, 2차적으로 고온가열을 하여 탄화물의 석출을 촉진하고, 미세 탄화물을 균일 분포 시키고, 3차적으로 고온가열로 응력을 제거하고 조직을 안정화 하여 고경도에서 인성을 향상하는 방법을 제공 하는데 있다

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 청구항 1 기재의 공구, 금형의 제품에 대하여 담금질 열처리 후의 조직인 마르텐사이트와 잔유오스테나이트 조직에 대하여

1차적으로 저온가열뜨임에 의하여 탄화물 석출의 핵의 수를 증가하고, 미세 균일 분포 시키므로

2차적으로 고온뜨임시 탄화물의 석출을 촉진하고, 탄화물이 미세 균일 분포 하며, 경도가 증가 하고

3차적으로 고온가열로 응력을 제거하고 조직을 안정화 하여 고경도에서 높은 인성의 특성을 부여되게 한 것이다

또한 본 발명은 청구항 2기재의 청구항 1에 있어서의, 상기 공구 금형제품의 인성향상 및 경도증가는

하기 ㉠ 내지 ㉤단계들로 이루어지는 1단계

㉠ 입고되는 강 제품에 대한 데이터 입수를 위하여 그 강제품의 재질, 성분 및 경도 여부를 확인하기 위한 단계; ㉡ 그 제품의 표면에 묻은 이물질을 제거하기 위한 세정 단계; ㉢세정 단계를 거친 금형용 공구강 제품을 진공로에 장입(裝入)후, 진공 분위기로 유지하기 위한 단계; ㉣ 공구, 금형용 제품이 장입된 진공로를 서서히 단계적으로 가열하여 1210℃ 까지 가열 후 유지하는 단계; ㉤ 상기 진공로의 진공 해제와 아울러 그 내부에 질소 가스를 주입 가압 냉각하는 단계;

또한 하기 ㉥ 단계들로 이루어지는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 한다

㉥ 석출 탄화물의 핵수를 증가하고, 탄화물을 미세 균일 분포 시키기 위하여 330℃로 저온가열 하는 단계

또한 하기 ㉦단계들로 이루어지는 제3단계를 포함 하는 것을 특징으로 한다

㉦ 상기 제품에 대하여 Cr₂₃C₆ Mo₂C, V₄C₃ 탄화물의 석출을 촉진하고, 미세 하 고 균일 하게 분포 시키며, 잔유오스테나이트의 마르텐사이트로의 변태를 위하여 560℃로 고온뜨임 하는 단계

또한 하기 ㉧단계들로 이루어지는 제4단계를 포함 하는 것을 특징으로 한다

㉧ 상기 제품에 대하여 응력을 제거하고 조직안정화를 위하여 540℃로 가열하는 단계

본 발명에 의하면, 공구, 금형제품의 담금질 열처리 작업후의 마르텐사이트, 잔유오스테나이트 조직에 대하여

저온가열에 의하여 일차적으로 석출 탄화물의 핵수를 증가 하고 탄화물을 미세, 균일 분포 시키며

또한 560℃에서 가열에 의하여 Cr₂₃C₆, Mo₂C, V₄C₃탄화물의 석출을 촉진하고, 미세 하고 균일 하게 분포 시키며, 잔유오스테나이트를 마르텐사이트로 변태 시키며

또한 540℃ 가열에 의하여 응력을 제거 하고 조직을 안정화하여 공구, 금형제품의 인성을 향상 하고 경도를 증가하여, 금형의 사용중 파손을 방지하고, 내마모성을 향상하여 금형의 내구력, 사용수명을 증대하는 효과가 있다

이하 본 발명의 보다 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다

구체적인 제조방법은 다음과 같다

단계1 : 하기 ㉠ 내지 ㉤ 단계들

㉠ 재질여부 확인단계

먼저 입고되는 공구, 금형등의 제품에 대하여 재질, 성분, 경도, 이력을 사전 확인한다

㉡ 세정단계

금형제품의 열처리후 표면상태, 경도 불균일을 방지하기 위하여 제품의 표면에 묻어 있는 수분, 기름을 세정제에 의하여 제거한다

㉢ 진공로에 의한 진공단계

제품을 진공로에 장입후 공기 제거 작업을 하여 진공로의 내부를 10^-3∼10^-5 Torr 의 진공 분위기를 유지한다

이는 제품표면의 품질을 확보 하기 위함이다

㉣ 금형용강용 제품을 담금질 열처리 하기 위하여 가열하는 단계

제품을 진공로에 장입후 서서히 가열하여 1차 530℃의 온도로 가열하여 표면과 내부가 공히 530℃의 온도가 되도록 유지한 후, 2차적으로 850℃의 온도로 승온 후 표면과 내부가 공히 850℃의 온도가 되도록 유지한 후, 다시 승온 하여 1210℃의 온도로 가열하여 표면과 내부가 균일한 온도가 되도록 한 후 이 온도에서 일정시간 보지한다

가열을 단계적으로 하는 이유는 내,외부를 균일하게 가열하고, 응력발생을 적게 하여 내,외부 균일한 조직변태와 변형을 방지하기 위함이다.

필요시 무산화가열로를 이용하며 가열패턴은 동일하게 한다

㉤ 냉각하는 단계

진공로의 진공 해제 및 강 제품의 온도를 급냉 하기 위하여 질소가스로 가압 냉각하여 50℃까지 냉각한 후 진공로에서 외부로 취출한다. 경우에 따라 염욕이나, 기름에 냉각한다

취출 후 표면상태 및 경도를 검사하여 품질을 확인한다

단계2 : 하기 ㉥ 단계들

상기 단계1을 거친 공구, 금형제품은 본 발명의 1차 특징 기술인 단계 2의

하기 ㉥의 단계들을 통한 저온가열에 의하여 인성향상 및 경도증가 특성이 1차적으로 부여된다

㉥ 저온가열 단계

단계1의 공정을 거친 강 제품은 330℃로 가열 한다

이는 석출 탄화물의 핵수를 증가 하고, 탄화물을 미세하고 균일하게 분포 시키며, 고온뜨임에서 탄화물의 석출을 촉진하기 위함이다

단계3 ; 상기 단계2을 거친 공구, 금형용 강제품은 본 발명의 2차 특징 기술인 단계 3의 하기 ㉦ 단계를 통한 방법에 의하여 인성향상 및 경도증가 특성이 2차적으로 부여된다

㉦ 단계2의 공정을 거친 강 제품은 560℃로 가열 한다

이는 560℃에서 가열에 의하여 Cr₂₃C₆, Mo₂C, V₄C₃의 탄물을 석출 시키고, 잔유오스테나이트를 마르텐사이트로 변태 시키기 위함이다

이때 탄화물은 단계2의 영향으로 미세하고 균일하게 분포하며, 경도가 증가 한다

단계4 ; 상기 단계3을 거친 공구, 금형용 강제품은 본 발명의 3차 특징 기술인 단계 4의 하기 ㉧ 단계를 통한 방법에 의하여 인성향상 및 경도증가 특성이 3차적으로 부여된다

㉧ 단계3의 공정을 거친 강 제품은 540℃로 가열 한다

이는 단계3에 의하여 생긴 내부응력을 제거하고 조직을 안정화 하기 위함이다

＜ 실험예 ＞

통상적(일반적용)인 방법과 상기와 같은 각 단계를 경유한 본 발명품의 강을 비교시험 하였으며 그 결과는 하기의 표1과, 통상(일반)품과 본 발명품의 열처리 완료 조직, 표2, 표3과 같다

1. 시험에 이용된 공시재 성분(시험편)

시험편의 화학성분규격 및 실 분석치는 다음과 같다

표1 화학성분규격 및 분석치

2. 통상(일반)품과 본 발명품의 열처리 완료 조직

1) 광학현미경 조직

기지는 뜨임마르텐사이트(tempered martensite), 굵은 입자는 공정탄화물 MC, M6C, 미세 입자는 석출탄화물 Cr23C6, Mo2C, V4C3

2) 주사전자현미경 조직

기지는 뜨임마르텐사이트(tempered martensite), 굵은 입자는 공정탄화물 MC, M6C, 미세 입자는 석출탄화물 Cr23C6, Mo2C, V4C3 이며

본 발명품의 탄화물이 보다 확연하게 미세, 균일 분포하고 있다

4) 통상(일반)품과 본 발명품의 충격치

통상(일반)열처리품과 본 발명품에 대한 충격시험을 하였으며 그 결과는 다음과 같다

표2 통상(일반)품과 본 발명품의 충격치

5) 통상(일반)품과 본 발명품의 경도

통상(일반)열처리품과 본 발명품에 대한 경도시험을 하였으며 그 결과는 다음과 같다

표3 통상(일반)품과 본 발명품의 경도

이상의 통상(일반)품과 본 발명품의 열처리 조직, 표2)의 통상(일반)품과 본 발명품의 충격치 비교, 표3 통상(일반)품과 본 발명품의 경도비교에서 확인되는 봐와 같이 본 발명의

W-Mo-Cr-V-(Co)계 고속도공구강의 탄화물의 미세 석출 및 균일 분포에 의한 인성 향상 및 경도 증가 열처리 방법은

경도 HRC 65.5로 공구, 금형의 기능발휘를 위한 경도 HRC 64이상 이며, 통상의 열처리방법 보다 경도가 높은 상태에서 인성이 우수함이 입증 되었다

따라서 본 발명품은 공구, 금형의 고경도하에서 고인성을 확보하는데 효과적임을 충분히 알 수 있다

본 발명은 전자, 자동차, 각종 산업부품에 사용되는 공구, 금형에 필요한 고 경도를 확보하며, 사용중 인성부족에 의한 파손을 방지하여 금형의 내구력증가 및 수명을 증대하는 산업상의 이점이 있다

Claims (2)

1. 공구, 금형용 고속도공구강 제품에 대한 담금질 열처리 작업 후 본 제품에 대하여

   1차적으로 330℃의 저온뜨임 가열에 의하여 탄화물의 석출 핵의 수를 증가하고, 미세, 균일 분포 시키며

   2차적으로 560℃ 고온뜨임 가열에 의하여 Cr₂₃C₆, Mo₂C, V₄C₃의 2차 탄화물을 미세 하고 균일하게 석출 시키고, 잔유오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시켜 경도를 증가 하며

   또한 상기 저온 및 고온뜨임 과정을 거친 강제품에 대하여 3차적으로 보다 낮은 540℃의 뜨임 가열에 의하여, 마르텐사이트 변태에 의한 내부응력을 제거 하고

   마르텐사이트에 인성을 부가함으로써 인성의 향상과 HRC65이상의 고경도의 특성이 부여되게한

   W-Mo-Cr-V-(Co)계 고속도공구강의 탄화물의 미세 석출 및 균일 분포에 의한 인성 향상 및 경도 증가 열처리 방법
2. 청구항1에 있어서 상기 공구, 금형용 고속도공구강 강제품의 탄화물의 미세 석출 및 균일 분포에 의한 인성 향상 및 경도 증가 특성은

   하기 ㉠ 내지 ㉤ 단계들로 이루어지는 제1 단계

   ㉠ 단계 : 입고되는 공구, 금형등의 제품에 대한 자료입수를 위하여 재질, 성분, 경도, 이력을 확인하기 위한 단계

   ㉡ 단계 : 제품의 표면에 묻은 이물질을 제거하기 위한 세정단계

   ㉢ 단계 : 상기 제품을 진공로에 장입후 내부를 10^-3∼10^-5 Torr 의 진공 분위기 를 유지하고, 혹은 무산화 분위기로에서 열처리시 분위기를 유지 하는 단계

   ㉣ 단계 : 고속도 공구강 제품이 장입된 진공로를 1차적으로 강재가 탄성체에서 소성체로 변하는 온도구간인 530℃에서 가열 유지하여, 내,외부의 온도가 균일하게 530℃로 되도록 하여 열변형을 최소화 하며

   2차적으로 변태점 직하의 온도인 850℃에서 예열하여 내,외부 온도가 균일화 되도록 하여, 변태점 이상으로 가열시 변태온도에서의 체심입방격자(BCC)의 면심입방격자(FCC)로의 변태에 의한 수축현상에 따른 내,외부의 열변형을 최소화 하고, 제품의 온도가 내,외부 균일화 되도록 하며

   담금질 가열온도인 1210℃로 가열, 유지하여 내, 외부 균일하게 탄화물을 고용 시키고, 균일한 오스테나이트 조직으로 하는 단계

   ㉤ 단계 : 상기 진공로의 진공해제와 아울러 그 내부에 질소가스를 투입 가압 냉각하는 단계

   혹은 기름이나 염욕에 냉각하는 단계

   하기 ㉥ 단계로 이루어지는 제2 단계

   ㉥ 단계 : 1차적으로 330℃의 저온뜨임 가열에 의하여 탄화물의 석출 핵의 수를 증가하고, 미세, 균일 분포 시키며,

   또한 2차적인 560℃ 고온뜨임 가열에서의 탄화물의 석출을 촉진 시키기 위하여

   제1 단계의 공정을 거친 강 제품을 330℃로 저온뜨임 가열하는 단계

   하기 ㉦ 단계로 이루어지는 제3 단계

   ㉦ 단계 : 제2 단계의 공정을 거친 강 제품에 대하여 2차적으로 560℃로 고온뜨임 가열 하여, Cr₂₃C₆, Mo₂C, V₄C₃ 의 탄화물을 미세하고 균일하게 석출 시키고,

   잔유오스테나이트를 마르텐사이트로 변태 시켜, 종래의 열처리 방법에 의한 경도 HRC64.7 보다 더 높은 HRC65.5의 고경도를 확보 하는 단계

   하기 ㉧ 단계로 이루어지는 제4 단계

   ㉧ 단계 : 제3 단계의 공정을 거친 강 제품의 마르텐사이트 조직의 생성에 의한 내부응력을 제거 하고, 마르텐사이트 조직에 인성을 부여하기 위하여 3차적으로 540℃로 뜨임 가열하는 제4 단계를 포함하는

   W-Mo-Cr-V-(Co)계 고속도공구강의 탄화물의 미세 석출 및 균일 분포에 의한 인성 향상 및 경도 증가 열처리 방법