KR101711889B1 - 내마모성이 우수한 냉간 가공용 합금 공구강 - Google Patents

Abstract

내마모성이 우수한 냉간 가공용 합금 공구강이 제공된다.
본 발명은, 중량%로, C: 0.8 초과 ~ 1.0%, Si: 0.15 ~ 0.25%, Al: 0.15 ~ 0.25%, Mn: 0 초과 0.5% 이하, Cr: 4.5 ~ 5.5%, Mo: 2.45 ~ 2.65%, W: 0.15 ~ 0.25%, V: 0 초과 0.4% 미만, Nb: 0.5 초과 1.50% 이하, Ni: 0 초과 0.3% 이하, Cu: 0.02 초과 1.3% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
그 기지조직의 내부에는,
직경 0.1㎛를 초과하는 불용해 탄화물이 있으며,
상기 불용해 탄화물은 그 탄화물을 구성하는 금속원자 중 [수학식 1]에 의해 정의되는 Nb 원자비가 35% 이상인 반면, [수학식 2]에 의해 정의되는 V 원자비가 30% 미만인, Nb를 주성분으로 하는 MC 불용해 탄화물을 포함하며, 그리고
[수학식 3]에 의해 정의되는 상기 MC 불용해 탄화물의 전체 불용해 탄화물 중 개수비(number fraction)가 5% 이상인 내마모성이 우수한 냉간 가공용 합금 공구강에 관한 것이다.

Description

내마모성이 우수한 냉간 가공용 합금 공구강{Alloy tool steels having excellent wear resistance in cold-working}

본 발명은 금속 소재의 부품 성형에 사용하는 다양한 금형과 기타 공구용 소재인 합금 공구강의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기지 조직에 Nb를 포함하는 MC 불용해 탄화물을 분산시키고, 주로 M₂₃C₆로 구성되는 미세한 2차 탄화물의 조대화를 억제함으로써 얻을 수 있는 내마모성이 우수한 냉간 가공용 합금 공구강에 관한 것이다.

합금 공구강은 일반 구조용 강재에 비하여 다량의 탄소 및 기타 합금원소를 함유한 제품으로서, 주로 철로 구성된 기지(matrix) 조직에 매우 높은 경도를 가지는 탄화물(carbide) 또는 금속간 화합물(intermetallic compound)과 같은 강화상을 분산시킴으로써 내마모성을 확보하고 있다. 그리고 이들은 다양한 금속 및 플라스틱 부품의 성형에 필요한 금형, 절삭/가공 공구의 제작에 널리 사용되고 있으며, 그 사용 용도에 따라서 매우 넓은 폭의 물성과 미세조직 유형, 화학조성 차이를 가진다.

일반적으로 합금 공구강은 그 제조 공정 중 다양한 형태의 미세조직이 발달하나, 담금질(quenching)과 뜨임(tempering) 열처리로 구성된 경화(hardening) 열처리 후, 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)로 지칭하는 기지 조직을 가지며, 여기에 직경이 수백 nm에서 수십 ㎛ 까지도 이르는 비교적 조대한 탄화물이 분산된 형태의 복합상 미세조직을 보인다. 이러한 미세조직의 형태가 합금공구강의 가장 중요한 특징인 내마모성을 결정하며, 특히, 기지 중에 분산된 다양한 탄화물이 내마모성 확보에 매우 중요한 역할을 한다. 합금공구강 중의 탄화물은 제조 공정 중 생성과 소멸(기지 조직 중 용해)을 반복하며, 그 종류 또한 변화한다. 최종 경화열처리 후에는 크게 두 가지 형태의 탄화물을 관찰할 수 있으며, 이들은 상대적으로 조대한 불용해 탄화물(undissolved carbide)과 매우 미세한 2차 탄화물(secondary carbide)로 구분한다.

경화열처리 중 담금질은 보통 950~1100℃에서 유지하는 오스테나이트화 열처리(austenitization)와 이후의 냉각 공정으로 구성되며, 고온 가열과 유지 중 기존 미세조직 중의 탄화물이 다수 기지 중에 용해된다. 그러나 일부 탄화물은 이러한 고온 가열과 유지 후에도 용해되지 않으며, 또한 냉각 중 새로운 탄화물이 기지 중에 석출(precipitation)하기도 하여, 담금질 후에도 일정 비율의 탄화물을 관찰할 수가 있으며, 이들을 불용해 탄화물로 지칭한다.

불용해 탄화물은 일반적으로 해당 합금 공구강의 제조를 위한 주조(casting) 과정에서부터 생성된 일차탄화물(primary carbide)을 포함하는 경우가 많으며, 이들은 보통 직경이 작게는 수백 nm에서 크게는 수십 ㎛ 수준에 이르는 매우 조대한 탄화물이다. 한편 불용해 탄화물을 구성하는 탄화물 중 일부는 오스테나이트화 열처리 후의 냉각 과정에서 석출하며, 이들은 전자에 비해서는 직경이 상대적으로 미세한 수백 nm에서 수 ㎛ 수준이며, 전자에 비해서는 보다 구형 혹은 등방형(equiaxed)에 가까운 형상을 보인다. 이러한 불용해 탄화물은 담금질 이후의 뜨임 열처리 후에도 유지되며, 따라서 경화열처리 후의 최종 제품 상태에서 뜨임 열처리 중 석출한 매우 미세한 이차탄화물과 쉽게 구분이 된다.

경화열처리한 금형 표면에 분포한 불용해 탄화물은 피성형재(work-material)와 접촉 시 그 높은 경도와 마찰 특성에 기인하여 기지에 부과되는 하중과 마모를 경감시키는 역할을 하며, 따라서 내마모성 확보에 일차적으로 기여하는 것으로 알려져 있다. 뜨임 열처리 중 석출하는 직경이 수에서 수십 nm에 불과한 이차탄화물 역시 이와 같은 역할을 할 수 있으나, 보통은 그 효과가 크지 않은 것으로 알려져 있으며, 이들은 오히려 기지의 소성변형(plastic deformation) 저항성을 높여주는 석출경화(precipitation hardening) 효과에 의해, 불용해 탄화물을 지지하는 기지를 강화시키는 역할을 하며, 이를 통해 간접적으로 내마모성 확보에 기여하는 것으로 볼 수 있다. 따라서 합금공구강의 내마모성 제어에는 불용해 탄화물의 분포와 종류, 특성의 제어가 큰 역할을 하며, 이들은 기타의 기계적 특성에도 적지 않은 영향을 미친다.

통상의 다양한 합금 공구강 중 냉간 성형용 범용 소재인 STD11(제품명: JIS-SKD11 또는 AISI-D2)과 그 개량 소재인 8-9% Cr강 기반의 다양한 합금들의 불용해 탄화물은 주로 M₇C₃로 구성되며, Mo 첨가량에 따라서 M₂₃C₆가 추가되기도 한다. 해당 탄화물들은 Cr 및 Fe를 주로 함유한다. 이러한 불용해 탄화물을 보다 높은 경도, 혹은 우수한 내마모성을 가지는 다른 형태의 탄화물로 대체하여 기존 소재보다 높은 수준의 내마모성을 부여할 수 있다면, 금형 및 공구류의 가동 수명 및 성형품의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 따라서 피성형재의 강도가 증가하는 추세에 대응하여, 이러한 신규 금형 소재에 대한 개발 필요성이 부각되어 왔으며, 그 수요가 증가할 것으로 예상하고 있다.

따라서 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 기지 조직에 Nb를 주성분으로 하는 MC 불용해 탄화물을 분산시키고, Cu의 첨가로 뜨임 열처리 중 생성되는 2차 탄화물의 조대화를 억제함으로써, 기존 소재들과 비교하여 내마모성이 개선된 냉간 가공용 합금 공구강을 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명의 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, C: 0.8 초과 ~ 1.0%, Si: 0.15 ~ 0.25%, Al: 0.15 ~ 0.25%, Mn: 0 초과 0.5% 이하, Cr: 4.5 ~ 5.5%, Mo: 2.45 ~ 2.65%, W: 0.15 ~ 0.25%, V: 0 초과 0.4% 미만, Nb: 0.5 초과 1.50% 이하, Ni: 0 초과 0.3% 이하, Cu: 0.02 초과 1.3% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,

그 기지조직의 내부에는,

직경 0.1㎛를 초과하는 불용해 탄화물이 있으며,

상기 불용해 탄화물은 그 탄화물을 구성하는 금속원자 중 하기 [수학식 1]에 의해 정의되는 Nb 원자비가 35% 이상인 반면, 하기 [수학식 2]에 의해 정의되는 V 원자비가 30% 미만인, Nb를 주성분으로 하는 MC 불용해 탄화물을 포함하며, 그리고

하기 [수학식 3]에 의해 정의되는 상기 MC 불용해 탄화물의 전체 불용해 탄화물 중 개수비(number fraction)가 5% 이상인 내마모성이 우수한 냉간 가공용 합금 공구강에 관한 것이다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

또한 상기 합금 공구강은, P: 0.02% 이하, S: 0.1% 이하, N: 0.1% 이하, Ca: 0.02% 이하 및 B: 0.02% 이하 중 적어도 1 종 이상을 더 포함할 수도 있다.

또한 본 발명의 합금 공구강은 상기 Cu를 0.15~0.81% 범위로 포함함이 보다 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 일반적인 경화 열처리를 구성하는 담금질 및 뜨임 열처리 후 템퍼드 마르텐사이트 기지 사이에 M₇C₃나 M₂₃C₆에 더하여, 경도를 포함한 기계적 특성이 보다 우수한 것으로 알려진 MC가 불용해 탄화물로 추가되며, 뜨임 열처리 중의 2차 탄화물 조대화가 억제된 미세조직을 얻게 되므로, 이로 인하여 내마모성이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합금 공구강 시험재의 disk-on-plaste 형 마모시험 후 마모량의 역수로부터 산출한 내마모성을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 Cu 첨가에 따른 합금공구강의 내마모성을 도시한 그래프로서, 내마모성의 산출은 도 1의 경우와 같다.
도 3은 도 2에 나타낸 합금공구강의 충격 인성을 도시한 그래프이다.
도 4는 Cu 첨가가 미세조직에 미치는 영향을 보여주는 전자현미경 상 미세조직 사진이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 본 발명을 설명한다.

먼저, 본 발명의 합금 공구강은, 중량 %로, C: 0.8 초과 1.0% 이하, Si: 0.15 ~ 0.25%, Al: 0.15 ~ 0.25%, Mn: 0 초과 0.5% 이하, Cr: 4.5 ~ 5.5%, Mo: 2.45 ~ 2.65%, W: 0.15 ~ 0.25%, V: 0 초과 0.4% 미만, Nb: 0.5 초과 1.50% 이하, Ni: 0 초과 0.3% 이하, Cu: 0.02 초과 1.3% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

이하, 상기 합금 공구강의 강 조성성분 및 그 제한사유를 설명한다.

[C: 0.8 초과 1.0 중량% 이하]

탄소(C)는 미세조직 중 탄화물을 형성하며, 일부는 기지 중에 고용되어 마르텐사이트를 형성하고 강도를 높이는 역할을 한다. 특히 본 발명에서는 Nb와 반응하여 충분한 수의 MC를 형성하여야 하므로 0.8 중량% (이하, 단지 "%"라 한다)를 초과하여 첨가할 것이 요구된다. 소재에 경도와 내마모성, 경화능(hardenability)을 부여하지만, 일반적으로 과잉 첨가 시 취화(embrittlement)를 초래할 수 있으므로 그 상한은 1.0%로 제한함이 바람직하다.

[Si: 0.15 ~ 0.25%]

실리콘(Si)은 기지의 고용 강화 효과가 크며, 피삭성 향상에 기여한다. 또한 경화능과 연화저항성 향상에도 기여할 수 있다. 그러나 그 첨가량이 0.15% 미만이면 전술한 효과를 기대할 수 없으며, 0.25%를 초과하여 첨가하면 고온 가공 공정 후 표면 품질 저하를 초래할 수 있다.

[Al: 0.15 ~ 0.25%]

알루미늄(Al)은 고용 강화 및 결정립과 탄화물을 미세화하는 효과로 경도를 향상시키고, 뜨임 열처리 중의 탄화물 조대화를 지연시켜 경도 저하를 억제한다. 만일 알루미늄의 첨가량이 0.15% 미만이면 전술한 효과를 기대할 수 없으며, 0.25%를 초과하여 첨가하면 소재 중에 불순물로 존재하는 소량의 N과도 반응하여 AlN을 형성함으로써 취화를 초래할 수 있다.

[Mn: 0 초과 0.5% 이하]

망간(Mn)은 저렴한 비용으로 고용 강화와 경화능 향상 효과를 얻을 수 있으나, 0.5%를 초과하는 과잉 첨가 시 고온 유지 후의 표면 품질과 인성 저하를 초래하며, 담금질 후 다량의 오스테나이트를 잔류시켜 경도 저하와 열처리 및 금형 가동 중 형상 변화를 초래할 수 있다.

[Cr: 4.5 ~ 5.5%]

크롬(Cr)은 탄화물의 주된 형성 원소 중 하나로써, C와 결합하여 다양한 탄화물을 형성함으로써 소재에 경도와 내마모성을 부여하며, 경화능을 부여하고, 내식성 향상에도 기여한다. 합금 공구강에서 해당 원소가 형성하는 탄화물은 주로 M₇C₃와 M₂₃C₆이며, 적어도 4.5% 이상을 첨가해야 전술한 효과를 기대할 수 있다. 5.5%를 초과하는 과다첨가 시에는 탄화물의 조대화를 초래하여 인성 저하를 가져오며, 또한 전기로를 이용한 제강 공정에서는 Fe-Cr 모합금에 불순물로 첨가된 P가 소재의 취성을 유발하므로 다량 첨가를 지양하는 추세이다.

[Mo: 2.45 ~ 2.65%]

몰리브덴(Mo)은 탄화물 중에 고용되어 탄화물의 물성을 개선하고, 특히, 뜨임 열처리 중의 경도 저하를 억제하는 뜨임저항성(tempering resistance) 향상에 크게 기여한다. 그러나 그 첨가량이 2.45% 미만이면 전술한 효과를 기대할 수 없으며, 2.65%를 초과하는 과잉 첨가 시 편석으로 인한 탄화물의 불균일 분포와 소재 중심부 탄화물의 지나친 조대화를 유발하여 인성을 저하시킬 수 있다. 또한 높은 원소재 가격으로 제품의 경제성을 약화시킨다.

[W: 0.15 ~ 0.25%]

텅스텐(W)은 Mo와 유사한 효과를 가진다. 그러나 Mo와 복합 첨가 시, 200℃부근의 저온에서 뜨임열처리 한 경우, 경도와 내마모성을 향상시키는 경향이 있다. 본 발명에서 텅스텐의 첨가량이 0.25%를 초과하면 편석으로 인한 미세조직 불균일화와 인성 저하 경향이 Mo 보다 크며, 원소재 가격이 높을 뿐 아니라, 그 수급에 있어서의 불안정성도 높게 된다.

[V: 0 초과 0.4% 미만]

바나듐(V)은 500℃ 이상의 고온에서 뜨임열처리 시 매우 미세한 VC 탄화물을 형성하여 기지를 강화시킴으로써 경도 및 내마모성 향상에 크게 기여한다. 그러나 고온 가공 공정 중 과도한 입계 석출에 기인한 취화를 초래하며, 높은 원소재 가격으로 제품의 경제성을 저하시킬 수 있다. 또한 본 발명에서 0.40% 이상의 비율로 첨가시, 2차 탄화물의 조대화를 촉진하여 연화저항성 및 뜨임 열처리 후의 인성 저하를 야기한다. 또한 이는 Nb와 함께 MC 1차 탄화물 형성을 촉진함으로써 MC 중의 V 비율을 높인다. 비록 MC 중의 V 함량 증가가 1차 탄화물의 경도 향상에는 기여할 수 있으나, Nb와는 달리 MC 1차 탄화물의 조대화를 급격히 진행하고, 이에 의한 기지 경도의 저하와 소재 전반의 충격인성 및 절삭가공성 저하를 가져온다. 또한 MC 1차 탄화물 중의 V 함량 증가는 해당 탄화물의 미끄럼 특성 저하를 가져와서 내마모성 향상에의 효과가 감소하게 된다.

[Nb: 0.5 초과 1.50% 이하]

니오븀(Nb)은 기지 중에 MC 1차 탄화물을 형성시키는 효과를 가진다. 1차탄화물과 결합하지 않은 일부 Nb는 뜨임 열처리 중 미세한 MC 2차 탄화물을 석출시켜 기지조직의 강화에 기여한다. MC 1차 탄화물은 마모 상황에서 기지로의 하중 전파를 경감하고 피성형재와 소착 경향을 줄여주며, 미세한 MC 2차 탄화물은 기지의 강도를 향상시켜 내마모성 향상에 크게 기여한다. 그러나 그 첨가량이 0.5% 이하이면 전술한 효과를 기대할 수 없으며, 1.50%를 초과하는 과잉 첨가 시 MC 탄화물의 조대화를 초래하여 인성을 저하할 뿐만 아니라 높은 원소재 가격으로 제품의 가격 경쟁력을 약화시킨다.

[Ni: 0초과 0.3% 이하]

니켈(Ni)은 철강 제품의 인성을 증가시키는 효과를 가지며, 본 발명에서는 구리(Cu)와 결합하여 미세한 클러스터(cluster)나 석출물을 형성하는 과정에서 2차 탄화물의 성장에 영향을 줌으로써 내마모성 확보에 기여한다. 그러나 한편으로 금형강에서는 잔류 오스테나이트 증가에 의한 경도 저하를 초래할 수 있다. 그러므로 본 발명에서는 상기 니켈 첨가량의 상한을 0.3%로 제한한다.

[Cu: 0.02 초과 1.3% 이하]

구리(Cu)는 뜨임 열처리 시, 극히 미세한 Cu 클러스터나 석출물을 형성하여 기지의 강도를 높여주고, 연화 저항성을 개선함으로써 내마모성 향상에 이바지한다. 특히, 이러한 미세 입자의 형성은 뜨임 열처리 중의 2차 탄화물 형성과 경쟁적인 관계에 있음으로써 2차 탄화물의 급격한 조대화를 억제하는 효과를 가지며, 따라서 2차 탄화물의 조대화에 의한 내마모성 저하와 인성 저하를 억제해준다. 또한 Cu의 첨가는 결정립 미세화 효과도 가지며, 이 역시 내마모성과 인성 향상에 기여한다. 그러나 1.3%를 초과하여 첨가할 경우 잔류 오스테나이트 증가에 의한 경도 및 내마모성 저하 효과가 커지며, 2차 탄화물에 비해 기지 경화 효과가 떨어지는 Cu 석출물의 생성과 성장이 본격화함으로써 내마모성 향상에의 효과가 감소하고, 인성이 저하하는 부작용이 발생한다.

한편 일반적으로 Cu의 첨가는 고온 가공 공정 중 표면 부근 입계에서의 Cu 편석과 산화에 기인하여 표면 균열을 초래할 수 있다. 그러므로 뚜렷한 미세조직 및 물성 제어 효과를 위하여, Cu를 최소 0.15% 이상을 첨가하는 한편, 고온 가공 공정 중의 균열 발생 억제를 위해서 물성을 최적화시키는 것으로 판단되는 첨가량인 0.81% 이하로 제어하는 것이 보다 바람직하다.

나아가, 본 발명의 합금 공구강은, 0.02 중량% 이하의 P, 0.1 중량% 이하의 S, 0.1 중량% 이하의 N, 0.02 중량% 이하의 Ca, 및 0.02 중량% 이하의 B 중 적어도 1 종 이상을 더 포함할 수도 있다. 이들 성분원소들의 성분 제한사유 등은 아래와 같다.

[P: 0.02 % 이하]

인(P)은 보통 결정립계에 편석(segregation)되어 강의 취화를 야기한다. 따라서 P는 바람직하지 못한 불순물로서, 그 저감을 위한 정련 공정이 강의 제조 공정에 추가되는 것이 일반적이다. 합금공구강의 제조 과정에서 일반적인 정련 과정을 거친 후에도 P는 보통 수백 ppm 수준의 질량비로 잔존한다.

[S: 0.1 % 이하]

황(S)은 결정립계 편석에 의한 취화, FeS 형성에 의한 열간가공성 저하 등을 야기하는 불술물로서 일반적으로 P와 함께 정련을 통해 그 함량을 최소화한다. 그러나 합금공구강에서는 Mn과 함께 첨가 시, 생성되는 MnS가 절삭가공성을 개선하는 효과가 있으며, 따라서 일정량을 의도적으로 첨가하기도 한다. 첨가량 증가 시의 취화 효과를 고려하여, 본 발명에서는 0.1 % 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

[N: 0.1 % 이하]

합금공구강 중의 질소(N)는 특히 Al이 합금 원소로서 첨가되는 경우 AlN을 형성하여 취화를 초래한다. N 역시 제조 과정 중 함량을 최소화하는 것이 일반적이다.

[Ca: 0.02 % 이하]

칼슘(Ca)은 제조과정에서 불가피하게 강 중에 포함되는 산화성 개재물들의 형상을 제어하는 효과가 있어서, 개재물에 대한 응력 집중을 완화시키는 효과를 가진다. 그러나 다량 첨가 시 산화성 개재물의 양을 증가시키므로, 0.02% 이하로 제한한다.

[B: 0.02 % 이하]

붕소(B)는 입계를 강화하고, 경화능을 증가시키며, 탄화물의 열적 안정성을 향상시켜, 탄화물의 조대화를 억제하는 효과를 가진다. 그러나 과도한 양을 첨가 시 질소 화합물을 형성하여 기계적 특성의 저하를 가져온다.

기타 본 발명의 합금 공구강은 잔여 Fe와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 합금 공구강은 경화열처리 후 템퍼드 마르텐사이트 기지 조직을 가질 수 있으며, 그 기지 조직의 내부에는 Nb 첨가에 의해 불용해 탄화물로서 MC 일차 탄화물이 포함되어 있다.

상기 MC 불용해 탄화물은 전자현미경을 활용한 전자회절(electron diffraction)을 통해 규명되며, 다양한 금속 원소와 C(일부분 N, B로 치환 가능) 등으로 구성된 화합물이다. 즉, 화학식 MC 중 M은 다양한 금속 원소가 혼합된 것을 나타내며, 본 발명에서는 주로 Nb를 포함하나 소재의 제조 공정, 열처리 상태에 따라서 V, Mo, W, Cr, Fe 등의 다양한 원소가 혼합되어 Nb의 혼합비가 큰 폭으로 변할 수 있다. 그리고 C는 주로 C로 구성되나, N, B 등의 침입형 원소가 혼합될 수도 있다.

따라서 본 발명에서는 상기 MC 일차 탄화물은, M을 구성하는 원소와 C를 구성하는 원소들이 원자비(atomic fraction)로 (M 구성원소)/(C 구성원소)= 0.8~1.2를 만족하도록 이루어져 있음이 바람직하다. 상기 원자비를 벗어나는 경우는 해당 탄화물이 MC가 아님을 의미하며, 상기 원자비가 0.8 미만인 경우는 Sc₂C₃, LaC₂와 같이 철강 소재에서 매우 드물게 관찰되는 탄화물의 경우에 해당하며, 상기 탄화물을 형성하는 Sc, La 등은 본 발명의 대상 강 종에는 포함되지 않거나, 극히 미량으로(30ppm 이하) 검출되는 불순물이어서 이상의 경우는 본 발명의 고려 대상이 아니다. 한편 상기 원자비가 1.2를 초과하면 해당 탄화물이 M₂C, M₆C, M₇C₃, M₂₃C₆ 등의 탄화물에 해당함을 의미하며, 이들 탄화물은 하기 M₇C₃의 경우처럼, 일반적으로 MC에 비해 경도가 낮아서 내마모성 향상에 기여하는 바가 적은 것으로 알려져 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 불용해 탄화물은 뜨임 열처리 중 석출하는 2차탄화물에 비해 매우 조대하며, 따라서 경화열처리 후의 미세조직에서 양자를 쉽게 구분할 수 있다. 그러나 불용해 탄화물을 구성하는 1차 탄화물과 냉각 중 고온에서 석출된 탄화물의 구분에는 어려움이 따른다. 1차 탄화물이 고온 석출 탄화물에 비해 평균적으로 보다 조대하며 부정형한 모양을 가지나, 일부 1차 탄화물은 고온가공 공정 중 미세하게 조각나고(fragmented) 구상화되어 고온 석출 탄화물과 형상 측면에서 구분하기 모호한 경우도 발생한다. 불용해 탄화물의 구분은 주사전자현미경(scanning electron microscope) 상의 미세조직에서, 편의상 직경이 특정한 값을 초과하는 탄화물을 선별함으로써 가능하다. 본 발명에서는 해당 직경을 0.1㎛로 하며, 초과하는 경우는 불용해 탄화물로, 이하인 경우는 2차 탄화물로 구분하였다. 여기서 직경은 완전한 구형이 아닌 탄화물의 형상을 고려하여 ECD(equivalent circle diameter)로 평가하며, 이는 아래의 수학식 4으로 계산된다.

[수학식 4]

일부 2차 탄화물의 경우 직경이 0.1㎛ 이상인 경우가 있을 수 있으나, 매우 극소수이다. 만약 직경 0.1㎛ 이상인 2차 탄화물이 다수 발견된다면, 이는 해당 소재를 지나치게 고온에서 혹은 장시간 동안 뜨임 열처리함으로써 발생하는 바람직하지 못한 경우로서 본 발명에서 의도하는 내마모성과 기타의 기계적 물성을 확보할 수 없게 된다.

본 발명의 합금 공구강은 불용해 탄화물로서 M₇C₃와 M₂₃C₆ 외에도 Nb가 주요 구성 원소인 MC를 포함하는 것을 핵심적인 특징으로 볼 수 있다. 따라서 미세조직 상에서 불용해 탄화물을 구분하고, 이들에 대한 조성 분석 시 불용해 탄화물 중 Nb를 일정 함량 이상 포함하며, 이들 탄화물이 또한 일정 비율 이상으로 발견되어야 한다. Nb와 V는 동시에 불용해 탄화물을 구성하는 주 원소가 될 수 있으나, 본 발명에서는 V계 MC 탄화물의 부정적 효과, 즉 미끄럼 특성 저하나 급격한 조대화에 의한 인성 저하, 절삭가공성 저하 등을 고려하여 MC 탄화물 중의 V 함량이 낮게 유지되는 것을 또한 중요한 특징으로 한다. 불용해 탄화물의 구분은 앞서 언급한 방식을 따르면 되며, 관찰된 불용해 탄화물의 화학조성은 주사전자현미경 상에서 에너지분광분석법(energy dispersive spectroscopy, EDS) 혹은 파장분광분석법(wavelength dispersive spectroscopy, WDS)을 활용하여 얻을 수 있다. 이때 탄화물의 조성에서 C를 구성하는 B, C, N 등의 원소 비율은 그 정밀도에 한계가 있으므로, M을 구성하는 금속원소의 비율만을 고려하며, 따라서 하기 수학식 1에 의해 정의되는 Nb의 원자비율(atomic fraction)

[수학식 1]

이 35% 이상이며, 동시에 하기 수학식 2에 의해 정의되는 V의 원자비율

[수학식 2]

은 30% 미만인 경우 해당 탄화물을 Nb를 포함하는 MC 일차탄화물로 구분할 수 있다. 이러한 Nb 계열의 MC 일차탄화물이 일정 비율 이상으로 발견되어야만 본 발명의 합금 공구강이 제대로 구현될 수 있다.

상기 수학식 1에서 볼 수 있는 바와 같이, MC 불용해 탄화물 중 M을 구성하는 원소는 Nb 외에도 V, Cr, Fe, Mo, W 등이 가능하며, 특히 형성 초기의 MC 중에는 이들의 총 함량이 Nb 보다 큰 경우도 가능하다. 본 발명의 합금 공구강 중에 포함되는 V, Mo, W 등도 주도적으로 MC 탄화물을 형성하는 것이 가능하나, 이 경우 해당 합금 원소에 대해 Nb 함량을 초과하는 수준의 첨가량이 요구된다. Nb가 합금 원소로 존재하는 경우에는 Nb가 주로 M을 구성하며, 이들은 나머지 금속원소인 Cr, Fe 등과 함께 Nb를 주(major) 성분으로 하는 MC 중의 부(minor) 성분으로 존재하게 된다. X_Nb가 35% 이상인 경우, 기타 금속 원소 중 Nb의 원자비를 초과하는 것은 없을 것으로 판단되나, V의 첨가량이 Nb 첨가량에 근접해 감에 따라서 MC 탄화물 중의 V 함량 X_V가 X_Nb에 근접할 가능성이 있고, 이로 인한 부작용이 있을 수 있다. 본 발명이 제시하는 합금 원소 함량 범위 내에서 X_V는 30% 미만이 되며, 이 경우 우려되는 부작용은 없는 것으로 판단된다. 따라서 제시된 X_Nb 및 X_V 수치로써 불용해 탄화물이 Nb를 주성분으로 하는 MC인가의 여부를 판단할 수 있다. 이상의 탄화물 화학조성 조건을 충족시키지 못하는 경우 해당 탄화물은 유사한 구조를 가지는 다른 종류의 MC 탄화물 혹은 M₇C₃나 M₂₃C₆와 같은 별개의 탄화물로 볼 수 있다.

본 발명에 따른 합금 공구강 중에도 M₇C₃, M₂₃C₆, M₆C, M₂C 등의 탄화물이 불용해 탄화물로서 존재하며, Nb를 주성분으로 하는 MC 불용해 탄화물은 전체 불용해 탄화물 중 일부에 해당한다. Nb의 첨가량이 증가함에 따라서 전체 불용해 탄화물 중 이들의 비율이 높아지며, 본 발명에서는 하기 수학식 3에 의해 정의되는 비율이 5% 이상이 됨이 바람직하다.

[수학식 3]

이때, 상기 수학식 3에서 탄화물의 관찰 개수는 주사전자현미경 상 미세조직에서 임의로 선택한 불용해 탄화물의 개수를 의미한다. 예를 들어, 20개의 탄화물을 관찰자가 임의로 선택하고 해당 탄화물들의 조성 분석을 행하였을 때, X_Nb가 35% 이상이며 X_V는 30% 미만인 탄화물이 1개 이상 관찰되는 것을 의미한다. Nb가 중량비 0.1 % 이하로 미량 첨가되는 경우에도 Nb를 주성분으로하는 불용해 탄화물을 관찰할 수 있으나, 이 경우 X_{Nb , car}는 5% 미만이며, 따라서 내마모성 향상에 큰 기여가 없게 된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 합금 공구강은 일반적인 냉간 성형용 합금 공구강 중에 존재하는 M₇C₃ 일차 탄화물을 C 및 Nb 첨가량의 제어를 통해 MC 일차 탄화물로 대체함으로써 보다 우수한 내마모성을 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 따른 합금공구강은 Cu의 함유를 통해 뜨임 열처리 중 생성되는 2차 탄화물의 성장이 제어되는 특징을 가지며, 미세하게 제어된 2차 탄화물의 분산을 통해 추가적인 내마모성과 충격 인성의 향상 효과가 있다.

다음으로, 본 발명의 내마모성이 우수한 냉간 가공용 합금 공구강 제조과정을 설명한다.

본 발명에 따른 냉간 공구강은 일반적인 주조 공정을 통해 제조되며, 제조된 소재는 일정온도(일반적으로 950~1100℃)의 오스테나이트 영역에서 유지 후 대기중 또는 다양한 냉매 중에서 담금질하는 단계를 거친다. 이후, 일정온도, 예를 들면, 660℃ 이하의 온도에서 유지 및 냉각하는 뜨임 열처리 단계를 거침으로써, 템퍼드 마르텐사이트 기지에 일차 탄화물이 분산된 형태의 조직을 얻을 수 있다. 이때 분산된 일차 탄화물의 50% 이상은 주로 Nb를 포함하는 MC 탄화물에 해당한다.

후술할 바와 같이, 본 발명에 따른 합금 공구강은, 예를 들면, 범용 냉간공구강(STD11)의 일반적 열처리 조건인 1030℃ 담금질에 180℃ 혹은 520℃ 뜨임 열처리를 한 경우, STD11 및 그 개량 강 종들인 8-9% Cr 강에 비해 우수한 내마모성을 가질 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 합금공구강의 내마모성은 담금질 및 뜨임 열처리 조건의 변화를 통해 다양하게 변화를 주는 것이 가능하며, 새로운 합금 조성의 개발 결과로써, 전반적인 열처리 조건에서 우수한 내마모성을 얻을 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

합금 공구강의 합금 조성에 따른 기계적 물성을 비교하기 위하여, 제조된 시험재들을 동일한 제조방법을 이용하여 합금 공구강을 제조하였으며, 대략, 응력해소 열처리 단계→열간 단조 공정 단계→구상화 열처리 단계→담금질 단계→뜨임 열처리 단계를 거쳐 합금 공구강을 제조하였다. 이를 상술하면 아래와 같다

No.	합금 공구강 조성성분											비고
	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	W	V	Nb	Al	Cu
1	1.00	0.69	0.36	0.20	9.04	2.54	0.21	0.52	0.10	0.30	0.14	비교예1
2	0.69	0.19	0.41	0.20	5.24	2.46	0.22	0.41	0.01	0.17	0.18	비교예2
3	0.95	0.21	0.43	0.20	5.10	2.50	0.22	0.31	0.96	0.21	0.02	비교예3
4	0.95	0.21	0.42	0.20	5.11	2.54	0.22	0.30	0.97	0.20	1.38	비교예4
5	0.81	0.21	0.42	0.20	5.03	2.52	0.22	0.31	0.51	0.21	0.16	발명예1
6	0.95	0.21	0.43	0.19	5.10	2.59	0.22	0.30	0.96	0.21	0.15	발명예2
7	0.96	0.21	0.43	0.20	5.04	2.49	0.22	0.25	1.43	0.21	0.16	발명예3
8	0.93	0.21	0.42	0.20	5.05	2.50	0.21	0.30	1.00	0.20	0.81	발명예4
9	0.93	0.20	0.43	0.20	5.07	2.48	0.22	0.29	0.92	0.20	1.01	발명예5

먼저 진공유도용해로를 이용하여 상기 표 1과 같은 조성성분을 갖는 약 30Kg 중량의 주괴(Cast Ingot)를 각각 획득하였으며, 이후, 응고 후 소재에 발생할 수 있는 균열을 방지하기 위하여 870℃에서 4시간 유지 후, 680℃까지 시간당 30℃의 속도로 제어 냉각 후 서냉하였다.

또한 소재의 균질화와 응고 조직 내 결함 제거를 위해 단조 작업을 실시하였으며, 구체적으로, 200~300℃로 가열된 예열로에서 소재를 1시간 유지하였으며, 이어, 400~500℃로 가열된 예열로에서 3시간, 이후 1130℃로 가열된 열처리로에서 2시간 유지한 후, 한 변이 40 ~ 50mm 길이의 각 봉으로 단조 가공 후 공냉하였다.

후속하여, 열처리 작업 지연으로 인한 균열 방지를 위하여, 680℃에서 5시간 유지 후, 시간당 20℃의 속도로 500℃까지 제어 냉각 후 서냉하였다.

다음으로, 구상화 열처리는 870℃에서 4시간 유지 후, 시간당 30℃의 속도로 680℃까지 제어 냉각 후 서냉하였다. 이어, 담금질은 1030℃에서 30분 유지 후 공냉하여 시행하였고, 뜨임 열처리는 180℃ 혹은 520℃에서 2시간 유지 후 상온까지 공냉하고, 다시 동일 온도에서 2시간 유지 후 공냉하는 작업을 반복하여 시행하였다.

상기와 같은 제조공정을 통하여 제조된 합금 공구강 시험재들에 대하여 각 조성 대비 직경이 0.1㎛를 초과하는 불용해 탄화물의 조성을 분석하였다. 이를 위해 주사전자현미경과 그에 장착된 에너지 분광 분석장치를 활용하였다.

또한 제조된 합금 공구강 시험재들에 대하여 내마모성 평가를 하였으며, 그 결과를 도 1과 2에 나타내었다. 또한 일부 시험재들에 대한 충격 인성치를 평가하여 도 3에 나타내었다. 한편, 본 실시예에서 내마모성은 disk-on-plate 방식의 마모성 평가 시험을 통해 평가하였으며, 시험재들에 초경 소재의 디스크를 접촉 회전시킬 시 발생하는 마모량의 역수로 내마모성을 표현하였다. 그리고 충격 인성의 평가는 기본적으로 취성이 강한 소재의 특징을 고려하여 노치(notch)를 적용하지 않은 Charpy 충격 시험(시험 방식은 ASTM E23에 의거하나 시험편에서 노치 가공을 생략하여 진행)에 의하여 평가하였다.

상기 표 1의 비교예 1은 고탄소-고크롬으로 대표되는 냉간 공구강의 화학조성 상의 특징을 잘 나타내는 예로써, 최근 금형소재 시장에서 기존 범용 강재인 STD11을 대체하는 고급 소재로써 소개되는 다양한 제품들과 유사한 화학 조성을 가진다. 이러한 비교예 1은 M₇C₃와 M₂₃C₆를 주된 불용해 탄화물로 가지며 비교적 높은 V 및 소량의 Nb 첨가로 일부 V 함량이 높은 불용해 MC 탄화물이 추가되었다 (분석 탄화물의 개수를 증가시킬 경우 관찰도 가능하나, 이들의 개수비는 5%를 넘지 않음).

비교예 2는 C 함량과 특히, Cr 함량의 저감을 통해 조대한 일차 탄화물을 거의 제거하여, 대부분의 불용해 탄화물이 오스테나이트화 후 냉각 중 고온에서 석출한 탄화물로 구성되는 강 종이다. 해당 시험재에서도 X_Nb 35% 이상을 충족하는 불용해 탄화물은 발견할 수 없었으며, 일부 X_V 30% 이상의 불용해 탄화물이 발견되었다. (역시 분석 탄화물의 개수를 증가시킬 경우 관찰도 가능하나, 개수비 5%를 넘지 않음).

한편 발명예 1-3은 비교예 2에 Nb를 주성분으로 하는 MC 불용해 탄화물을 부여하기 위하여 C와 Nb를 추가 첨가한 것이다. 발명예 1-3에서 발견되는 불용해 탄화물 중 X_Nb가 35% 이상인 것들이 발견되었으며, 이들의 평균 X_Nb는 각각 75.4, 76.6, 79.9%로 측정되었다. 위 측정된 값은 시험재의 제조 공정 및 열처리 상태에 의존하여 큰 폭으로 변할 수 있으나, X_Nb가 35% 이상이며, X_V는 30% 미만인 조건은 항상 충족시킨다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합금 공구강 시험재의 disk-on-plate 형 마모시험 후 마모량의 역수로부터 측정한 내마모성을 도시한 그래프이다.

도 1에 나타난 바와 같이, M₇C₃와 M₂₃C₆ 등이 주로 불용해 탄화물을 구성하는 비교예 1과 비교예 2에 비해, Nb를 주성분으로 하는 MC 불용해 탄화물이 추가된 발명예 1-3에서 내마모성이 향상되는 것을 볼 수 있다. 따라서 Cr 함량을 저감하고, 대신 Nb를 첨가하여 일차 탄화물을 MC로 변경할 경우, 보다 우수한 내마모성이 얻어지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 Nb를 주성분으로 하는 MC 불용해 탄화물은 금형에 지속적으로 가해지는 높은 하중에 의해 기지와의 계면을 따라서 균열을 발생시킬 수 있으며, 결국 충격인성 저하를 가져올 수 있다. 따라서 단순히 내마모성만의 확보를 위한 과도한 Nb 첨가는 지양되어야 함을 파악할 수 있다.

도 2-3은 발명예 2를 중심으로 Cu 함량에 따른 내마모성과 충격 인성의 변화를 보여주고 있다. 비교예 3과 비교예 4, 발명예 4와 발명예 5는 발명예 2와 Cu를 제외한 모든 조성이 거의 동일한 수준으로 제어되어, Cu 첨가 효과를 잘 나타내주고 있다. Cu를 거의 첨가하지 않은 비교예 3에서 Cu가 과다 첨가된 비교예 4까지 Cu 함량의 증가에 따라서 내마모성이 향상되고, 일정 수준까지는 충격 인성도 향상되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 효과의 주된 원인은 Cu가 거의 첨가되지 않은 비교예 3과 최적의 첨가량을 가지는 것으로 판단되는 발명예 4의 미세조직을 비교한 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 미세한 2차 탄화물들의 조대화가 Cu가 첨가된 경우 억제되기 때문이다.

도 4는 위에서 상세히 설명한 동일한 열처리 과정을 거친 후, 밝은 색의 미세한 입자로 나타나는 2차 탄화물이 비교예 3에서는 식별 가능한 수준으로 성장한 반면, 발명예 4에서는 매우 미세하여 관찰하기 힘든 수준인 것을 보여준다. 이러한 2차 탄화물의 성장 제어를 통해 Cu의 첨가는 내마모성과 동시에 충격 인성도 향상시키는 효과가 있음을 알 수 있다. 그러나 비교예 4에서와 같은 과도한 Cu의 첨가는 미세조직 중 Cu 석출물의 형성을 본격화하며, 이들이 비록 내마모성에는 소폭의 향상 효과를 가질 수도 있으나 충격 인성을 급격히 저하하는 것을 알 수 있다. 또한 Cu의 첨가는 열간 가공성을 저하하고, 사용 후 폐기된 소재의 재활용에 있어서 어려움을 야기하므로 본 발명에서 제시된 수준 내에서 적절히 조절하여야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 주로 Nb를 포함하는 MC 일차 탄화물을 가짐으로써, 주로 M₇C₃를 일차 탄화물로 가지는 냉간 성형용 합금 공구강에 비해 내마모성이 향상되며, 추가적으로 Cu 함량의 제어를 통해 이러한 특성이 최적화됨으로써 금형 및 공구의 수명 향상이 예상되는 새로운 합금 공구강을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (3)

1. 중량%로, C: 0.8 초과 ~ 1.0%, Si: 0.15 ~ 0.25%, Al: 0.15 ~ 0.25%, Mn: 0 초과 0.5% 이하, Cr: 4.5 ~ 5.5%, Mo: 2.45 ~ 2.65%, W: 0.15 ~ 0.25%, V: 0 초과 0.4% 미만, Nb: 0.5 초과 1.50% 이하, Ni: 0 초과 0.3% 이하, Cu: 0.15 ~ 1.01% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
   그 기지조직의 내부에는,
   직경 0.1㎛를 초과하는 불용해 탄화물이 있으며,
   상기 불용해 탄화물은 그 탄화물을 구성하는 금속원자 중 하기 [수학식 1]에 의해 정의되는 Nb 원자비가 35% 이상인 반면, 하기 [수학식 2]에 의해 정의되는 V 원자비가 30% 미만인, Nb를 주성분으로 하는 MC 불용해 탄화물을 포함하며, 그리고
   하기 [수학식 3]에 의해 정의되는 상기 MC 불용해 탄화물의 전체 불용해 탄화물 중 개수비(number fraction)가 5% 이상인 내마모성이 우수한 냉간 가공용 합금 공구강.
   [수학식 1]
   

   

   
   [수학식 2]
   

   

   
   
   [수학식 3]
   

   

   
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 합금 공구강은, P: 0.02% 이하, S: 0.1% 이하, N: 0.1% 이하, Ca: 0.02% 이하 및 B: 0.02% 이하 중 적어도 1 종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 냉간 가공용 합금 공구강.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 합금 공구강은 상기 Cu를 0.15~0.81% 범위로 포함함을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 냉간 가공용 합금 공구강.
   

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