KR101475885B1 - 금형강 및 열처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 금형강은 중량 %로 C:0.07~0.4%, Si:0.2~1.5%, Mn:0.4~3.0%, Cr:0.5~6.0%, Mo:1.5이하, Ni:3.5%이하, Cu:1.5% 이하, Al:1.5% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 하기의 식 1을 만족하며,
15*C - 0.2*Si + (Mn + Ni) > 5 (여기서, C, Si, Mn, Ni은 각 성분의 중량%를 의미한다) ···· (식 1)
잔류 오스테나이트의 함량이 적어도 3%이다.

Description

금형강 및 열처리 방법{MOLD STEEL AND HEAT TREATMENT METHOD}
본 발명은 금형강 및 열처리 방법에 관한 것이다.
금형강은 금형으로 사용시 마모 및 변형을 방지하기 위하여 높은 경도가 요구된다. 뿐만 아니라 금형 사용 수명을 향상시키기 위하여 충격 인성이 우수해야 한다. 충격 인성의 향상은 금형의 사용시 상하형의 단락시 발생하는 파손을 방지하여 금형 사용 수명을 연장 시킬 뿐만 아니라, 금형 가공 및 사용시 발생하는 열응력에 의한 균열을 최소화할 수 있어 보다 정밀한 금형 가공을 수행하는데 있어서도 중요하다.
그러나 경도와 인성은 서로 상반되는 성질이기 때문에 우수한 경도와 인성을 동시에 확보하는 것이 용이하지 않은 문제가 있다. 특히 마르텐사이트를 함유하는 금형강에서 인성 향상을 위한 템퍼링 공정은 충격 인성의 향상과 동시에 경도의 저하를 야기하므로, 이를 동시에 개선하는 것은 용이하지 않다.
또한 내식성 향상을 위하여 크로, 몰리브덴 등의 합금 원소가 다량 첨가된 경우, 경화에 의한 충격 인성 저하가 크게 나타나므로 금형의 사용 수명이 감소한다.
따라서, 일본국 공개특허 공보 제1993-255732호, 제1995-278743호, 제1997-021351호는 탄소 함량 및 크롬, 황 등의 함량 조절을 통하여 경도 및 충격 인성을 향상시키고자 하였으나, 절삭 가공성, 경면성 등의 다른 특성이 저하되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금형강의 경도 및 충격 인성을 향상시키면서도, 절삭 가공성, 경면성과 같은 특성이 저하되지 않는 금형강의 열처리 방법을 제공하는 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 금형강은 중량 %로 C:0.07~0.4%, Si:0.2~1.5%, Mn:0.4~3.0%, Cr:0.5~6.0%, Mo:1.5이하, Ni:3.5%이하, Cu:1.5% 이하, Al:1.5% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 하기의 식 1을 만족하며,
15*C - 0.2*Si + (Mn + Ni) > 5 (여기서, C, Si, Mn, Ni은 각 성분의 중량%를 의미한다) ···· (식 1)
잔류 오스테나이트의 함량이 적어도 3%이다.
충격 인성이 적어도 50(J/cm2) 이상일 수 있다.
상기한 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 금형강의 열처리 방법은 중량 %로 C:0.07~0.4%, Si:0.2~1.5%, Mn:0.4~3.0%, Cr:0.5~6.0%, Mo:1.5이하, Ni:3.5%이하, Cu:1.5% 이하, Al:1.5% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 하기의 식 1을 만족하는 강재를 제공하는 단계;
15*C - 0.2*Si + (Mn + Ni) > 5 (여기서, C, Si, Mn, Ni은 각 성분의 중량%를 나타낸다) ···· (식 1)
강재를 열간가공한 후 변태 완료점(Ac3) 이상의 온도까지 가열후 유지하는 단계; 상기 강재를 하기의 식 2에 표시된 온도 이하까지 냉각하는 단계;
T = 950*C -120*Si + 80*Mn + 40(Ni + Mo) (여기서, C, Si, Mn, Ni, Mo는 각 성분의 중량%를 나타낸다.) ···· (식 2)
냉각된 강재를 마르텐사이트 변태개시온도(Ms) 이상으로 승온 후 유지하는 단계; 및 승온 후 유지된 강재를 상온까지 냉각시키는 단계를 포함한다.
상기 냉각하는 단계에서, 강재는 냉각 변태 종료 온도(Mf) 이상의 온도까지 냉각할 수 있다.
상기 강재의 가열은 상기 변태 완료점(Ac3) 보다 10℃~30℃ 높은 온도로 가열할 수 있다.
상기 강재의 냉각은 1℃/sec 이상의 속도로 이루어질 수 있다.
상기 강재의 승온은 500℃ 이상의 온도로 이루어질 수 있다.
본 발명에서와 같이 금형강을 제조하면 충격 인성 및 경도가 증가한 금형강을 용이하게 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 금형강 강재의 열처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열처리 온도를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 4는 냉각 속도에 따른 충격 인성을 나타낸 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 냉각 온도에 따른 충격 인성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 잔류 오스테 나이트 크기에 따른 충격 인성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 금형강 강재의 열처리 조건에 따른 미세 조직의 개략적으로 도시한 그래프이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 따른 금형강은 중량 %로 C:0.07~0.4%, Si:0.2~1.5%, Mn:0.4~3.0%, Cr:0.5~6.0%, Mo:1.5이하, Ni:3.5%이하, Cu:1.5% 이하, Al:1.5% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 하기의 식 1을 만족하며, 잔류 오스테나이트의 함량이 적어도 3%이다고, 충격 인성이 적어도 50(J/cm2) 이상일 수 있다.
15*C - 0.2*Si + (Mn + Ni) > 5 (여기서, C, Si, Mn, Ni은 각 성분의 중량%를 나타낸다) ···· (식 1)
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 금형강에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 금형강 강재의 열처리 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 열처리 온도를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조를 위한 재료를 혼합 비율에 맞춰 혼합하여 금형강 강재를 제조하는 단계(S100), 금형강 강재를 용체화 처리하는 단계(S102), 금형강 강재를 열처리하는 단계(S104)를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면 금형강 강재는 중량 %로 C:0.07~0.4%, Si:0.2~1.5%, Mn:0.4~3.0%, Cr:0.5~6.0%, Mo:1.5이하, Ni:3.5%이하, Cu:1.5% 이하, Al:1.5% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 하기의 식 1을 만족하며, 잔류 오스테나이트의 함량이 적어도 3%이다고, 충격 인성이 적어도 50(J/cm2) 이상일 수 있다.
15*C - 0.2*Si + (Mn + Ni) > 5 (여기서, C, Si, Mn, Ni은 각 성분의 중량%를 나타낸다) ···· (식 1)
C(탄소)는 가열 후 냉각에 의한 담글질 성을 높이고, 강도와 경도를 상승시키며, 석출에 의한 시효 경화에 기여하는 원소로서, C 함량이 높으면 경도는 증가하고, 충격 인성은 감소한다. 본 발명에서는 재가열시 C의 재분포에 따라 잔류 오스테나이트의 안정화가 나타나고, 이에 따라 최종 냉각 후 잔류 오스테나이트를 미세하게 분산시켜, 충격 인성을 크게 향상시킬 수 있으므로 가장 중요한 원소이다. C의 함량이 0.07%에 미달하면 오스테나이트 안정화가 충분하지 않아 잔류 오스테나이트의 형성이 나타나지 않기 때문에 0.07% 이상을 함유하는 것이 바람직하다.
Si(규소)는 제강 과정에서 탈산제로 첨가되며, 강중에 고용되어 담금질성 및 경도를 향상시키는 원소로서, 시효 처리시 조대 탄화물의 형성을 억제하고, 입계 탄화물 석출에 의한 충격 인성의 급격한 저하를 방지한다. 소재의 경화능에도 중요한 영향을 미치며, 소재의 질량이 큰 경우 Mn 단독으로는 용체화 처리시 경도 확보가 곤란하기 때문에 강중에 0.5% 이상 첨가가 바람직하다. 다만, Si의 함량이 1.5%를 초과하면 편석이 발생하거나 장시간동안 시효 처리시 탄화물의 흑연화를 조장하여 인성이 크게 저하되는 문제가 있고, 특히 기계 가공성의 열화를 초래하기 때문에, Si의 함량은 0.2 ~ 1.5%로 한정한다.
Mn(망간)은 C와 함께 담금질성을 높이고 시효 처리후 경도와 내마모성을 향상시키는 원소로서, 페라이트의 형성을 억제하고 마르텐사이트의 형성을 조장한다. 본 발명에서 목표로 하는 경도 및 내마모성을 얻기 위해서는 0.4% 이상 첨가가 바람직하다. Mn의 함량이 증가하면 피삭성 및 열간가공성이 감소하므로, Mn의 함량은 0.4 ~ 3.0%로 한정한다.
Cr(크롬)은 내식성 향상, 특히 내녹청성 개선에 필수 불가결한 원소로, 첨가시 담금질성을 높이고, 경도, 내식성 향상시키는 원소로서, 일반적으로 냉각시 페라이트 및 펄라이트의 형성을 억제하고 저온조직인 마르텐사이트와 베이나이트의 형성을 조장하며, 심부 경도를 향상시키는 효과가 있다. 그러나 6%이상 첨가될 경우 초정 페라이트가 마르텐사이트 변태전 형성되기 때문에 기지의 C 함량이 증가하게 되고, 이는 조대한 탄화물을 형성하여 절삭성이 저하된다. 때문에, Cr의 함량은 0.5 ~ 6.0%로 한정한다.
Mo(몰리브덴)은 강의 내식성을 향상 시키고 충격 인성을 증가시키는 원소로, 기지 고용에 의한 조직의 경도 및 시효 처리시 탄화물 석출에 의한 경화 목적, 나아가 고인성을 얻기 위해 첨가하는 원소이다. 다만, 1.5%를 초과하면 제조 비용이 증가되고, 급격한 경도 저하를 나타내므로 Mo의 함량은 1.5% 이하로 한정한다.
Ni(니켈)은 경도, 인성 및 포토에칭성(photoetching) 향상 원소로서, 특히 변태점을 내리고, 냉각시 마르텐사이트 기지 조직을 균일하게 생성되도록 하는 효과가 있다. 그러나 3.5%를 초과 할 경우 오스테나이트 안정도를 크게하여 조대한 잔류 오스테나이트를 형성하므로, 기계적 특성을 저하시킨다. 따라서 Ni의 함량은 3.5% 이하로 한정한다.
Cu(구리)은 결정립을 미세화 시키는 효과가 있다. 또한 고용강화를 일으켜 강도 증가에 효과적이다. 다만, 다량 첨가할 경우 결정립계에 침투하여 인성을 저하시키고, 열간가공성을 저하시키며, 탄화물을 형성하여 절삭 가공성을 저해하므로, 상한치는 1.5%로 설정한다.
Al(알루미늄)은 질화물을 형성하여 용체화 처리시 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제하고, 하부 베이나이트의 형성을 조장하여 인성을 증가시키는 원소이다. 다만, Al의 함량이 1.5 %를 초과하면 산화 개재물 형성으로 인해 표면 결함을 발생시킬 뿐만 아니라 경한 개재물로 인하여 절삭가공시 공구 마모가 가속화된다. 또한 그 밖의 원소의 탄화물과의 밸런스가 무너지게 되어 인성, 피삭성 및 경면성이 저하되기 때문에, Al의 함량은 1.5% 이하로 한정한다.
다음, 용체화 처리하는 단계(S102)는 금형강 강재를 열간가공한 후 변태 완료점(Ac3)이상의 온도까지 가열한 후 유지하는 단계와 하기 식2에 표시된 온도 이하까지 냉각하는 단계를 포함한다.
가열은 변태 완료점 보다 10℃ ∼ 30℃높은 온도까지 가열한다. 그리고 냉각하는 단계는 1℃/sec 이상의 속도로 냉각 변태 종료 온도(Mf) 이상이면서, 식 2 이하의 온도로 냉각한다.
T = 950*C -120*Si + 80*Mn + 40(Ni + Mo) (여기서, C, Si, Mn, Ni, Mo는 각 성분의 중량%를 나타낸다.) ···· (식 2)
냉각에 의해서 마르텐사이트(martensite)로 변태되지 않은 잔류 오스테나이트(austenite)가 형성되고, 냉각 온도에 따라서 잔류 오스테나이트의 양 및 크기가 결정되고, 이에 따라서 충격 인성도 변화한다. 즉, 식 2로 나타나는 온도 이하로 냉각할 경우 잔류 오스테나이트의 크기가 5㎛이하로 미세화 되고, 충격 인성 향상 효과가 증가한다.
다음, 열처리하는 단계(S104)는 냉각된 재료를 마르텐사이트 변태개시온도(Ms) 이상으로 승온 후 유지한다. 그런 다음, 금형강 강재를 상온까지 냉각시킨다.
이처럼 본 발명에 따른 열처리를 실시할 경우 충격 인성이 증가하는 것에 대해서 설명한다.
표 1은 본 발명에 따른 금형강 강재에 포함되는 각 물질의 중량비를 나타낸 표이고, 표 2는 표 1의 금형강 강재의 열처리 조건을 나타낸 표이고, 표 3은 표 2의 실시예에 따른 각각의 경도, 충격 인성 및 잔류 오스테나이트를 나타낸 표이다.
표 1의 금형강 강재 1 내지 4는 표 1의 조성 비율로 혼합된 금형강 강재들로, 각각은 진공 용해로에서 용해하고, 1,260℃에서 열처리 후 열연 공정을 거쳐 두께 15mm의 판재로 제조하였다.
금형강 강재 C Si Mn Al Cr Ni Mo Cu
1 0.09 0.3 1.52 1.01 0.79 3.06 0.80 1.03
2 0.21 1.5 2.55 0.02 1.00 1.48 0.04 0.02
3 0.21 1.7 2.81 0.30 1.03 2.91 0.31 0.03
4 0.39 1.0 0.36 0.50 5.09 0.12 1.03 0.12
표 2의 실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4는 각각 표 1의 조성비를 가지는 금형강 강재 1 내지 4를 각각 표 2의 열처리 조건으로 열처리하였다.
금형강 강재 용체화 처리 재열처리 템퍼링 처리
열처리 냉각온도
실시예 1 1 900℃/30min 280℃ 500℃ -
실시예 2 2 900℃/30min 280℃ 500℃ -
실시예 3 3 9000℃/30min 280℃ 500℃ -
실시예 4 4 1000℃/30min 280℃ 500℃ -
비교예 1 1 900℃/30min 25℃ - 550℃/5시간
비교예 2 2 900℃/30min 25℃ - 500℃/5시간
비교예 3 3 900℃/30min 25℃ - 500℃/5시간
비교예 4 4 1020℃/30min 25℃ - 650℃/5시간
표 1 및 2에 의해서 제조된 실시예 1 내지 4, 비교예 1 내지 4는 표 3에서와 같은 경도, 충격 인성 및 잔류 오스테 나이트 비율을 얻을 수 있다.
경도 (HRC) 충격 인성 (J/cm2) 잔류 오스테나이트 (%)
실시예 1 36 98 4.6
실시예 2 42 58 7.2
실시예 3 39 72 8.0
실시예 4 44 50 8.3
비교예 1 41 79 0
비교예 2 36 16 0
비교예 3 38 24 0
비교예 4 34 25 0
표 3을 참조하면, 본 발명에 따른 열처리를 실시한 실시예 1 내지 4에서는 경도가 36, 42, 39 및 44으로 종래 기술에 따른 열처리를 실시한 비교예 1 내지 4와 비슷한 경도를 나타냈다.
그러나 실시예 1 내지 4는 충격 인성이 각각 98, 58, 72 및 50으로 비교예1 내지 4의 79, 16, 24, 25에 비해서 향상된 것을 알 수 있었다.
이처럼, 동일한 조성비를 가질 경우 본 발명에 따른 열처리를 실시할 때 잔류 오스테나이트의 비율이 증가하고, 충격 인성이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 종래 기술에서와 같은 템퍼링 공정을 생략할 수 있어 공정 시간이 감소된다.
그리고 본 발명에 따른 식 1에 따른 조성비를 만족할 때 충격 인성이 증가한다.
표 4는 본 발명에 따른 금형강 강재에 포함되는 각 물질의 중량비를 나타낸 표이고, 표 5는 표 4의 금형강 강재의 열처리 조건, 경도 및 충격 인성을 나타낸 표이고, 도 3은 본 발명에 따른 식 1의 값에 따른 충격 인성 값을 나타낸 그래프이다.
표 4의 금형강 강재 5 내지 16은 표 4의 조성 비율로 혼합된 금형강 강재들로 각각은 진공 용해로에서 용해하고, 1,260℃에서 열처리 후 열연 공정을 거쳐 두께 15mm의 판재로 제조하였다.
표 4의 금형강 강재 5 내지 12는 본 발명에 따른 식 1을 만족하는 조성비를 가지는 금형강 강재고, 금형강 강재 13 내지 16은 종래 기술에 따른 조성비를 가지는 금형강 강재다.
금형강 강재 C Si Mn Al Cr Ni Mo Cu 식1
5 0.09 0.3 1.52 1.01 0.79 3.06 0.80 1.03 5.87
6 0.21 1.7 2.81 0.30 1.03 2.91 0.31 0.03 8.53
7 0.19 0.3 0.80 0.80 1.01 2.80 0.31 0.91 6.39
8 0.32 1.2 0.82 0.04 0.80 2.89 0.35 0.98 8.27
9 0.39 1.0 0.36 0.50 5.09 0.12 1.03 0.12 6.13
10 0.21 1.5 2.55 0.02 1.00 1.48 0.04 0.02 6.88
11 0.20 0.3 0.80 0.03 1.01 1.48 0.30 0.89 5.22
12 0.19 1.2 0.80 0.91 0.81 2.71 0.30 0.98 6.60
13 0.05 0.4 1.22 0.94 4.95 3.00 0.98 1.02 4.89
14 0.12 0.8 0.20 0.02 0.30 3.03 0.30 1.00 4.86
15 0.14 0.3 1.20 0.03 0.30 1.40 0.31 1.00 4.67
16 0.18 0.8 0.40 0.02 0.31 0.22 0.30 0.90 3.13
표 5의 실시예 5 내지 12, 비교예 5 내지 8은 각각 표 4의 조성비를 가지는 금형강 강재 5 내지 16을 표 5의 열처리 조건으로 열처리하였다.
금형강 강재 용체화 처리 재열처리 경도 (HRC) 충격 인성 (J/cm2)
열처리 냉각 온도
실시예 5 5 900℃/30min 280℃ 500℃ 36 98
실시예 6 6 900℃/30min 280℃ 500℃ 39 72
실시예 7 7 900℃/30min 280℃ 500℃ 41 73
실시예 8 8 1000℃/30min 280℃ 500℃ 45 52
실시예 9 9 1000℃/30min 280℃ 500℃ 44 50
실시예 10 10 900℃/30min 280℃ 500℃ 42 58
실시예 11 11 900℃/30min 280℃ 500℃ 41 52
실시예 12 12 900℃/30min 280℃ 500℃ 42 68
비교예 5 13 900℃/30min 280℃ 500℃ 40 43
비교예 6 14 900℃/30min 280℃ 500℃ 38 24
비교예 7 15 900℃/30min 280℃ 500℃ 41 32
비교예 8 16 900℃/30min 280℃ 500℃ 41 17
표 5에서와 같이, 본 발명에 따른 열처리를 실시한 실시예5 내지 12와 비교예5 내지 비교예 8은 경도가 36 내지 42 범위로 비슷한 값을 가진다.
그러나 실시예 5 내지 12는 충격 인성이 50이상으로 비교예 5 내지 8의 최대 충격 인성인 43보다 높은 것을 알 수 있다.
도 3을 참조할 때, 식 1의 값이 5보다 큰 값인 실시예5 내지 실시예12는 충격 인성이 50(J/cm2)보다 큰 것을 알 수 있다. 그러나 식 1의 값을 만족하지 않는 비교예 5 내지 8의 충격 인성은 50(J/cm2)보다 작은 것을 알 수 있다.
이처럼, 본 발명에서와 같이 탄소, 규소, 망간, 니켈을 식 1을 만족하도록 혼합할 때 충격 인성이 증가하는 것을 알 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 냉각 속도가 1℃/sec이상일 때 충격 인성이 증가한다.
표 6은 본 발명에 따른 금형강 강재의 냉각 속도를 나타낸 표이고, 도 4는 냉각 속도에 따른 충격 인성을 나타낸 그래프이다.
표 6의 금형강 강재는 표 4에 나타낸 금형강 강재 5 내지 12를 표 5의 열처리 조건으로 열처리하였다. 이때, 냉각 온도는 280℃로, 표 6의 냉각 속도로 냉각하였다.
표 6 및 도 4를 참조할 때, 실시예 13 내지 28에서와 같이 냉각 속도를 1℃/sec으로 냉각할 때 충격 인성이 50(J/cm2)보다 큰 것을 알 수 있다.
그러나 표 6 및 도 4를 참조할 때, 비교예 9 내지 24에서와 같이 냉각 속도를 1℃/sec보다 느린 0.1℃/sec, 1℃/min로 하면 충격 인성이 50(J/cm2)보다 작은 것을 알 수 있다.
금형강 강재 냉각 속도
실시예13 내지 20 5 내지 12 20℃/sec
실시예21 내지 28 5 내지 12 1℃/sec
비교예9 내지 16 5 내지 12 0.1℃/sec
비교예17 내지 24 5 내지 12 1℃/min
이처럼, 본 발명의 실시예에서와 같이 냉각 속도를 1℃/sec이상으로 할 때 충격 인성이 50(J/cm2)이상으로 증가하는 것을 알 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 냉각 온도가 식 2에 의해 얻어진 값 이하로 내려갈 때 충격 인성이 증가한다.
표 7은 표 4의 금형강 강재 5 내지 12의 열처리 조건, 냉각 온도, 충격 인성 및 잔류 오스테 나이트의 분율 및 크기를 나타낸 표이고, 도 5a 내지 도 5c는 냉각 온도에 따른 충격 인성을 나타낸 그래프이고, 도 6은 잔류 오스테 나이트 크기에 따른 충격 인성을 나타낸 그래프이다.
금형강 강재 용체화 처리 재열처리 충격 인성 (J/cm2) 잔류 오스테나이트
열처리 냉각온도 분율(%)
 크기(㎛)
실시예 29 5 900℃/30min 280℃ 500℃ 98 4.6 0.3
실시예 30 6 900℃/30min 280℃ 500℃ 72 8.0 0.2
실시예 31 7 900℃/30min 280℃ 500℃ 73 7.1 0.3
실시예 32 8 1000℃/30min 280℃ 500℃ 52 6.8 0.4
실시예 33 9 1000℃/30min 280℃ 500℃ 50 8.3 0.4
실시예 34 10 900℃/30min 280℃ 500℃ 58 7.2 0.3
실시예 35 11 900℃/30min 280℃ 500℃ 52 8.1 0.3
실시예 36 12 900℃/30min 280℃ 500℃ 68 7.6 0.2
실시예 37 5 900℃/30min 320℃ 500℃ 58 7.5 0.4
실시예 38 6 900℃/30min 320℃ 500℃ 57 8.1 0.3
실시예 39 7 900℃/30min 320℃ 500℃ 54 7.6 0.3
실시예 40 8 1000℃/30min 320℃ 500℃ 56 8.2 0.4
실시예 41 9 1000℃/30min 320℃ 500℃ 51 9.6 0.5
비교예 25 10 900℃/30min 320℃ 500℃ 32 5.2 0.9
비교예 26 11 900℃/30min 320℃ 500℃ 36 7.1 0.7
비교예 27 12 900℃/30min 320℃ 500℃ 42 7.2 0.7
비교예 28 5 900℃/30min 360℃ 500℃ 31 8.6 1.0
비교예 29 6 900℃/30min 360℃ 500℃ 42 8.2 1.1
비교예 30 7 900℃/30min 360℃ 500℃ 38 8.1 1.3
비교예 31 8 1000℃/30min 360℃ 500℃ 47 9.2 1.8
비교예 32 9 1000℃/30min 360℃ 500℃ 45 9.5 1.7
비교예 33 10 900℃/30min 360℃ 500℃ 18 7.1 1.3
비교예 34 11 900℃/30min 360℃ 500℃ 27 8.2 1.8
비교예 35 12 900℃/30min 360℃ 500℃ 34 7.5 1.1
표 7, 도 5a 내지 도 5c에서와 같이, 금형강 강재 5 내지 12는 냉각 온도가 280℃, 320℃, 360℃로 냉각 온도가 증가할수록 충격 인성이 떨어지는 것을 알 수 있다.
한편, 표 8은 도 5a 내지 도 5c의 그래프에서, 충격 인성이 50(J/cm2)인 지점의 냉각 온도를 나타낸 표이다.
금형강 강재 냉각 온도 식 2에 의한 온도
5 330 327
6 340 347
7 330 333
8 350 355
9 330 327
10 290 287
11 285 289
12 305 301
표 8에서와 같이, 충격 인성이 50(J/cm2) 지점의 냉각 온도는 본 발명에 따른 식 2에 의해서 구한 값의 오차범위 내에 위치한다.
따라서, 본 발명에서와 같이 금형강 강재를 식 2에 따른 냉각 온도 이하로 냉각하면 충격 인성이 50(J/cm2) 이상의 금형강을 제조할 수 있다.
표 7 및 도 6을 참조할 때 잔류 오스테나이트의 크기가 0.5㎛이하로 미세하게 형성 될 때 충격 인성이 50(J/cm2) 이상의 값을 가진다. 즉, 본 발명에서와 같이 식 2에 의한 온도 이하로 냉각한 후 재열처리 실시하여 오스테나이트를 미세하게 형성하면 충격 인성이 50(J/cm2) 이상인 금형강을 제조할 수 있다.
도 7은 금형강 강재의 열처리 조건에 따른 미세 조직의 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 7에서와 같이 각각의 열처리 조건에 따라서 형성되는 마르텐 사이트의 크기는 달라진다.
즉, 본 발명에서와 같이 식 2의 온도 이하이며 냉각시 변태 종료 온도(Mf) 이상으로 냉각하는 단계를 포함하여 열처리를 실시한 실시예의 경우, 마르텐사이트의 크기가 0.5㎛이하로 형성(표 7 참조)되고, 비교예 A 및 B에서와 같이 식 2를 만족하지 않도록 냉각하는 경우 비교예A에서는 마르텐 사이트가 형성되지 않으며(표3 참조), 비교예 B에서는 마르텐 사이트의 크기가 0.5㎛를 초과(표 7 참조)하는 것을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에서와 같이 열처리를 실시하면 미세 크기의 마르텐 사이트가 형성되어 금형강의 충격 인성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

  1. 중량 %로 C:0.07~0.4%, Si:0.2~1.5%, Mn:0.4~3.0%, Cr:0.5~6.0%, Mo:1.5이하, Ni:3.5%이하, Cu:1.5% 이하, Al:1.5% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 하기의 식 1을 만족하며,
    15*C - 0.2*Si + (Mn + Ni) > 5 (여기서, C, Si, Mn, Ni은 각 성분의 중량%를 의미한다)……(식 1)
    평균입도가 0.5㎛ 이하인 오스테나이트의 잔류 함량이 적어도 3%인 것을 특징으로 하는 금형강.
  2. 제 1 항에 있어서,
    충격 인성이 적어도 50(J/cm2) 이상인 것을 특징으로 하는 금형강.
  3. 중량 %로 C:0.07~0.4%, Si:0.2~1.5%, Mn:0.4~3.0%, Cr:0.5~6.0%, Mo:1.5이하, Ni:3.5%이하, Cu:1.5% 이하, Al:1.5% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 하기의 식 1을 만족하는 강재를 제공하는 단계;
    15*C - 0.2*Si + (Mn + Ni) > 5 (여기서, C, Si, Mn, Ni은 각 성분의 중량%를 나타낸다) ···· (식 1)
    상기 강재를 열간가공한 후 변태 완료점(Ac3)보다 10℃~30℃ 높은 온도까지 가열후 유지하는 단계;
    상기 강재를 하기의 식 2에 표시된 온도 이하까지 냉각하는 단계;
    T = 950*C -120*Si + 80*Mn + 40(Ni + Mo) (여기서, C, Si, Mn, Ni, Mo는 각 성분의 중량%를 나타낸다.) ···· (식 2)
    상기 냉각된 강재를 500℃ 이상으로 승온 후 유지하는 단계; 및
    상기 승온후 유지된 강재를 상온까지 냉각시키는 단계를 포함하는 금형강의 열처리 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉각하는 단계에서,
    상기 강재는 냉각 변태 종료 온도(Mf) 이상의 온도까지 냉각하는 금형강의 열처리 방법.
  5. 삭제
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 강재의 냉각은 1℃/sec 이상의 속도로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금형강의 열처리방법.
  7. 삭제
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