KR101828228B1

KR101828228B1 - 냉간 공구 재료 및 냉간 공구의 제조 방법

Info

Publication number: KR101828228B1
Application number: KR1020177007878A
Authority: KR
Inventors: 다츠야 쇼지; 세츠오 미시마; 도루 다니구치; 가츠후미 구로다
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2015-09-02
Publication date: 2018-02-09
Also published as: KR20170036125A; JP6057141B2; JPWO2016047396A1; EP3199656A4; US9890435B2; WO2016047396A1; CN105637108B; EP3199656A1; TR201909240T4; CN105637108A; JP2017025413A; TW201615862A; EP3199656B1; US20170204486A1; TWI592502B

Abstract

광범위한 템퍼링 온도에서 고경도가 얻어지는 냉간 공구 재료와, 그것을 사용한 냉간 공구의 제조 방법을 제공한다. 탄화물을 포함하는 어닐링 조직을 갖고, 질량％로, C: 0.80 내지 2.40％, Cr: 5.0 내지 15.0％, Mo 및 W는 단독 또는 복합으로 (Mo+1/2W): 0.50 내지 3.00％, V: 0.10 내지 1.50％를 포함하고, ??칭에 의해 마르텐사이트 조직으로 조정할 수 있는 성분 조성을 갖고, 단면의 어닐링 조직의, 원 상당 직경이 5.0㎛를 초과하는 탄화물을 포함하지 않는 세로 90㎛ 가로 90㎛의 영역에 있어서, 원 상당 직경이 0.1㎛를 초과하고 2.0㎛ 이하인 탄화물 A의 개수에 차지하는, 원 상당 직경이 0.1㎛를 초과하고 0.4㎛ 이하인 탄화물 B의 개수의 비율이, 80.0％를 초과하는 냉간 공구 재료이다. 그리고, 상기의 냉간 공구 재료에, ??칭 템퍼링을 행하는 냉간 공구의 제조 방법이다.

Description

냉간 공구 재료 및 냉간 공구의 제조 방법{COLD TOOL MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING COLD TOOL}

본 발명은 프레스 금형이나 단조 금형, 전조 다이스, 금속 칼날과 같은 다종의 냉간 공구에 최적인 냉간 공구 재료와, 그것을 사용한 냉간 공구의 제조 방법에 관한 것이다.

냉간 공구는, 경질의 피가공재와 접촉하면서 사용되기 때문에, 그 접촉에 견딜 수 있는 경도를 구비하고 있을 필요가 있다. 그리고, 종래, 냉간 공구 재료에는, 예를 들어 JIS 강종인 SKD10이나 SKD11계의 합금 공구강이 사용되고 있었다(비특허문헌 1). 또한, 추가적인 경도 향상의 요구에 따라, 상기의 합금 공구강의 성분 조성을 개량한 합금 공구강이 제안되어 있다(특허문헌 1).

냉간 공구 재료는, 통상, 강괴 또는 강괴를 분괴 가공한 강편으로 이루어지는 소재를 출발 재료로 하고, 이것에 다양한 열간 가공이나 열처리를 행하여 소정의 강재로 하고, 이 강재에 어닐링 처리를 행하여 마무리된다. 그리고, 냉간 공구 재료는 통상, 경도가 낮은 어닐링 상태에서, 냉간 공구의 제작 메이커에 공급된다. 제작 메이커에 공급된 냉간 공구 재료는, 냉간 공구의 형상으로 기계 가공된 후에, ??칭 템퍼링에 의해 소정의 사용 경도로 조정된다. 그리고, 이 사용 경도로 조정된 후에, 마무리 기계 가공을 행하는 것이 일반적이다. 또한, 경우에 따라서는, 어닐링 상태의 냉간 공구 재료에, 먼저 ??칭 템퍼링을 행하고 나서, 상기의 마무리 기계 가공도 더해서, 냉간 공구의 형상으로 기계 가공되는 경우도 있다. ??칭이란, 냉간 공구 재료를(또는, 기계 가공된 후의 냉간 공구 재료를) 오스테나이트 온도 영역으로까지 가열하고, 이것을 급랭함으로써, 조직을 마르텐사이트 변태시키는 작업이다. 따라서, 냉간 공구 재료의 성분 조성은, ??칭에 의해 마르텐사이트 조직으로 조정할 수 있는 것으로 되어 있다.

그런데, 냉간 공구의 경도는, ??칭 시의 마르텐사이트 조직을 적당히 조작해 둠으로써, 향상시킬 수 있는 것이 알려져 있다. 예를 들어, ??칭 시의 기지(매트릭스) 중의 잔류 오스테나이트양을 적절하게 조정하는 수법(특허문헌 2)이나, ??칭 시의 기지 중에 고용되어 있는 Cr양이나 Mo양을 적절하게 조정하는 수법(특허문헌 3, 4)이 제안되어 있다.

일본 특허 공개 평05-156407호 공보 일본 특허 공개 제2000-73142호 공보 일본 특허 공개 제2005-325407호 공보 일본 특허 공개 제2014-145100호 공보

「JIS-G-4404(2006) 합금 공구강 강재」, JIS 핸드북(1) 철강 I, 일반 재단 법인 일본 규격 협회, 2013년 1월 23일, p.1652-1663

특허문헌 2 내지 4의 냉간 공구 재료에 ??칭 템퍼링을 행함으로써, 냉간 공구의 경도를 향상시킬 수 있다. 그러나, 템퍼링 온도를 변경하면 경도가 저하되고, 광범위한 템퍼링 온도에서 고경도를 얻지 못하는 경우가 있었다. 템퍼링 온도는, 냉간 공구의 경도 이외에, 열처리 치수 변동이나 잔류 오스테나이트양을 조정하는 점으로부터도 결정된다. 따라서, 냉간 공구 재료에 있어서, 광범위한 템퍼링 온도에서 고경도가 얻어지는 것은, 템퍼링 온도의 선택 범위를 확장할 수 있는 점에서 유효하다.

본 발명의 목적은, 광범위한 템퍼링 온도에서 고경도가 얻어지는 냉간 공구 재료와, 그것을 사용한 냉간 공구의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 탄화물을 포함하는 어닐링 조직을 갖고, ??칭 템퍼링되어 사용되는 냉간 공구 재료에 있어서,

이 냉간 공구 재료는, 질량％로, C: 0.80 내지 2.40％, Cr: 5.0 내지 15.0％, Mo 및 W는 단독 또는 복합으로 (Mo+1/2W): 0.50 내지 3.00％, V: 0.10 내지 1.50％를 포함하고, 상기의 ??칭에 의해 마르텐사이트 조직으로 조정할 수 있는 성분 조성을 갖고,

이 냉간 공구 재료 단면의 어닐링 조직의, 원 상당 직경이 5.0㎛를 초과하는 탄화물을 포함하지 않는 세로 90㎛ 가로 90㎛의 영역에 있어서, 원 상당 직경이 0.1㎛를 초과하고 2.0㎛ 이하인 탄화물 A의 개수에 차지하는, 원 상당 직경이 0.1㎛를 초과하고 0.4㎛ 이하인 탄화물 B의 개수의 비율이, 80.0％를 초과하는 냉간 공구 재료이다.

바람직하게는 상기한 세로 90㎛ 가로 90㎛의 영역에 있어서, 탄화물 A의 개수 밀도가 9.0×10⁵개/㎟ 이상이며, 탄화물 B의 개수 밀도가 7.5×10⁵개/㎟ 이상인 냉간 공구 재료이다.

그리고, 본 발명은 상기한 본 발명의 냉간 공구 재료에, ??칭 템퍼링을 행하는 냉간 공구의 제조 방법이다.

본 발명에 따르면, 광범위한 템퍼링 온도에서 고경도가 얻어지는 냉간 공구 재료를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 냉간 공구 재료의 단면 조직의 일례를 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 냉간 공구 재료의 단면 조직의 일례에 있어서, 원 상당 직경이 5.0㎛를 초과하는 탄화물을 포함하지 않는 영역을 EPMA(전자선 마이크로 애널라이저)로 분석했을 때의 C(탄소)의 원소 맵핑 화상을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2를, 탄화물을 형성하고 있는 C양에 기초하여 2치화 처리한 화상을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명예 및 비교예의 냉간 공구 재료의 단면 조직의 일례에 있어서, 원 상당 직경이 5.0㎛를 초과하는 탄화물을 포함하지 않는 영역의 탄화물 분포를, 탄화물의 원 상당 직경 범위마다(횡축)로 정리한 탄화물의 개수(종축)로 나타낸 그래프도이다.
도 5는 본 발명예 및 비교예의 냉간 공구 재료를 ??칭 후, 저온(100 내지 300℃)에서 템퍼링하여 제작한 냉간 공구의 일례에 대해서, 그 템퍼링 온도마다의 경도를 나타내는 그래프도이다.
도 6은 본 발명예 및 비교예의 냉간 공구 재료를 ??칭 후, 고온(450 내지 540℃)에서 템퍼링하여 제작한 냉간 공구의 일례에 대해서, 그 템퍼링 온도마다의 경도를 나타내는 그래프도이다.

본 발명자는, ??칭 템퍼링 시의 경도에 영향을 미치는, 냉간 공구 재료의 어닐링 조직 중의 인자를 조사하였다. 그 결과, 어닐링 조직 중에 존재하는 탄화물 중에서, 다음의 ??칭 시에 기지 중에 고용되는 "고용 탄화물"의 분포 상태가, ??칭 템퍼링 시의 경도에 크게 영향을 미치고 있는 것을 발견하였다. 그리고, 상기의 고용 탄화물의 분포 상태를 조정함으로써, 특정한 템퍼링 온도에 관계없이, 광범위한 템퍼링 온도에서 고경도를 유지할 수 있음을 알아내어, 본 발명에 도달하였다. 이하에, 본 발명의 각 구성 요건에 대하여 설명한다.

(1) 본 발명의 냉간 공구 재료는, 탄화물을 포함하는 어닐링 조직을 갖고, ??칭 템퍼링되어 사용되는 것이다.

어닐링 조직이란, 어닐링 처리에 의해 얻어지는 조직이며, 바람직하게는 경도가, 예를 들어 브리넬 경도로 150 내지 230HBW 정도로 연화된 조직이다. 그리고, 일반적으로는, 페라이트 상이나, 이 페라이트 상에 펄라이트나 시멘타이트(Fe₃C)가 혼합된 조직이다. 또한, 냉간 공구 재료의 경우, 통상, 이 어닐링 조직에는 C와, Cr, Mo, W, V 등이 결합하여 이루어지는 탄화물이 포함되어 있다. 그리고, 이들 탄화물에는, 다음 공정의 ??칭에서 기지 중에 고용되지 않는 "미고용 탄화물"과, 다음 공정의 ??칭에서 기지 중에 고용되는 "고용 탄화물"이 있다.

(2) 본 발명의 냉간 공구 재료는, 질량％로, C: 0.80 내지 2.40％, Cr: 5.0 내지 15.0％, Mo 및 W는 단독 또는 복합으로 (Mo+1/2W): 0.50 내지 3.00％, V: 0.10 내지 1.50％를 포함하고, ??칭에 의해 마르텐사이트 조직으로 조정할 수 있는 성분 조성을 갖는 것이다.

어닐링 조직을 갖는 냉간 공구 재료는, 통상, 강괴 또는 강괴를 분괴 가공한 강편으로 이루어지는 소재를 출발 재료로 하고, 이것에 다양한 열간 가공이나 열처리를 행하여 소정의 강재로 하고, 이 강재에 어닐링 처리를 실시하여, 블록 형상으로 마무리된다. 그리고, 종래, 냉간 공구 재료에, ??칭 템퍼링에 의해 마르텐사이트 조직을 발현하는 소재가 사용되고 있는 것은, 상술한 바와 같다. 마르텐사이트 조직은, 각종 냉간 공구의 절대적인 기계적 특성의 기초를 다지는 데 필요한 조직이다. 이러한 냉간 공구 재료의 소재로서, 예를 들어 각종 냉간 공구강이 대표적이다. 냉간 공구강은, 그 표면 온도가 대략 200℃ 이하까지의 환경 하에서 사용되는 것이다. 그리고, 이들 냉간 공구강의 성분 조성에는, 예를 들어 JIS-G-4404의 「합금 공구강 강재」에 있는 규격 강종이나, 기타 제안되고 있는 것을 대표적으로 적용할 수 있다. 또한, 상기의 냉간 공구강에 규정되는 것 이외의 원소종도, 필요에 따라 첨가가 가능하다.

그리고, 본 발명의 "광범위한 템퍼링 온도에서 고경도가 얻어진다"는 효과(이하, 「경도의 안정성 효과」라고 함)는 어닐링 조직이 ??칭 템퍼링되어서 마르텐사이트 조직을 발현하는 소재이면, 그 외에는, 이 어닐링 조직이 후술하는 (3)의 요건을 충족시킴으로써, 바람직하게는 이것에 (4)의 요건도 충족된으로써, 달성이 가능하다. 그리고, 본 발명의 경도의 안정성 효과를 높은 레벨로 얻기 위해서는, 마르텐사이트 조직을 발현하는 성분 조성 중에서, 냉간 공구의 경도의 「절댓값」의 향상에 기여하는 C 및 Cr, Mo, W, V의 탄화물 형성 원소의 함유량을 정해 두는 것이 효과적이다. 구체적으로는, 질량％로, C: 0.80 내지 2.40％, Cr: 5.0 내지 15.0％, Mo 및 W는 단독 또는 복합으로 (Mo+1/2W): 0.50 내지 3.00％, V: 0.10 내지 1.50％를 포함하는 성분 조성이다.

냉간 공구의 경도의 절댓값을 높여 둠으로써, 이것에 본 발명의 경도의 안정성 효과가 상승적으로 작용하고, 「고경도」와 「안정된 경도」라는 2가지 면에서 기계적 특성이 우수한 냉간 공구를 얻을 수 있다. 본 발명의 냉간 공구 재료의 성분 조성을 구성하는 각종 원소에 대해서 이하와 같다.

·C: 0.80 내지 2.40질량％(이하, 간단히 「％」라 표기)

C는, 일부가 기지 중에 고용되어 기지에 경도를 부여하고, 일부는 탄화물을 형성함으로써 내마모성이나 내시징성을 높이는, 냉간 공구 재료의 기본 원소이다. 또한, 침입형 원자로서 고용된 C는, Cr 등의 C와 친화성이 큰 치환형 원자와 함께 첨가한 경우에, I(침입형 원자)-S(치환형 원자) 효과(용질 원자의 드래그 저항으로서 작용하고, 냉간 공구를 고강도화하는 작용)도 기대된다. 단, 과도한 첨가는, 미고용 탄화물의 과도한 증가에 의한 인성의 저하를 초래한다. 따라서, 0.80 내지 2.40％로 한다. 바람직하게는 1.00％ 이상이다. 보다 바람직하게는 1.30％ 이상이다. 또한, 바람직하게는 2.10％ 이하이다. 보다 바람직하게는 1.80％ 이하이다. 더욱 바람직하게는 1.60％ 이하이다.

·Cr: 5.0 내지 15.0％

Cr은 ??칭성을 높이는 원소이다. 또한, 탄화물을 형성하고, 내마모성의 향상에 효과를 갖는 원소이다. 그리고, 템퍼링 연화 저항의 향상에도 기여하는, 냉간 공구 재료의 기본 원소이다. 단, 과도한 첨가는, 조대한 미고용 탄화물을 형성하여 인성의 저하를 초래한다. 따라서, 5.0 내지 15.0％로 한다. 바람직하게는 14.0％ 이하이다. 보다 바람직하게는 13.0％ 이하이다. 또한, 바람직하게는 7.0％ 이상이다. 보다 바람직하게는 9.0％ 이상이다. 더욱 바람직하게는 10.0％ 이상이다.

·Mo 및 W는 단독 또는 복합으로 (Mo+1/2W): 0.50 내지 3.00％

Mo 및 W는, 템퍼링에 의해 미세 탄화물을 석출 또는 응집시켜서, 냉간 공구에 강도를 부여하는 원소이다. Mo 및 W는, 단독 또는 복합으로 첨가할 수 있다. 그리고, 이 때의 첨가량은, W가 Mo의 약 2배의 원자량인 점에서, (Mo+1/2W)의 식으로 정의되는 Mo당량으로 함께 규정할 수 있다(당연히, 어느 한쪽만의 첨가로 해도 되고, 양쪽을 모두 첨가할 수도 있음). 그리고, 상기한 효과를 얻기 위해서는, (Mo+1/2W)의 값으로 0.50％ 이상의 첨가로 한다. 바람직하게는 0.60％ 이상이다. 단, 너무 많으면 피삭성이나 인성의 저하를 초래하므로, (Mo+1/2W)의 값으로 3.00％ 이하로 한다. 바람직하게는 2.00％ 이하이다. 보다 바람직하게는 1.50％ 이하이다. 더욱 바람직하게는 1.00％ 이하이다.

·V: 0.10 내지 1.50％

V는 탄화물을 형성하고, 기지의 강화나 내마모성, 템퍼링 연화 저항을 향상시키는 효과를 갖는다. 그리고, 어닐링 조직 중에 분포된 V의 탄화물은, ??칭 가열 시의 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제하는 "핀 고정 입자"로서 작용하고, 인성의 향상에도 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서 V는 0.10％ 이상으로 한다. 바람직하게는 0.20％ 이상이다. 보다 바람직하게는 0.40％ 이상이다. 그리고, 본 발명의 경우, 후술하는 고용 탄화물로서도 기여시키기 위해, 0.60％ 이상의 V를 첨가할 수도 있다. 단, 너무 많으면 피삭성이나, 탄화물 자신의 증가에 의한 인성의 저하를 초래하므로, 1.50％ 이하로 한다. 바람직하게는 1.00％ 이하이다. 보다 바람직하게는 0.90％ 이하이다.

본 발명의 냉간 공구 재료의 성분 조성은, 상기한 원소종을 포함한 강의 성분 조성으로 할 수 있다. 또한, 상기한 원소종을 포함하고, 잔부를 Fe 및 불순물로 한 성분 조성으로 할 수 있다. 그리고, 상기한 원소종 이외에는, 하기의 원소종의 함유도 가능하다.

·Si: 2.00％ 이하

Si는 제강 시의 탈산제이지만, 너무 많으면 ??칭성이 저하된다. 또한, ??칭 템퍼링 후의 냉간 공구의 인성이 저하된다. 따라서, 2.00％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1.50％ 이하이다. 더욱 바람직하게는 0.80％ 이하이다. 한편, Si에는, 공구 조직 중에 고용되고, 냉간 공구의 경도를 높이는 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위해서는 0.10％ 이상의 첨가가 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.30％ 이상이다.

·Mn: 1.50％ 이하

Mn은 너무 많으면 기지의 점도를 올리고, 재료의 피삭성을 저하시킨다. 따라서, 1.50％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1.00％ 이하이다. 더욱 바람직하게는 0.70％ 이하이다. 한편, Mn은, 오스테나이트 형성 원소이며, ??칭성을 높이는 효과를 갖는다. 또한, 비금속 개재물의 MnS로서 존재함으로써, 피삭성의 향상에 큰 효과가 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.10％ 이상의 첨가가 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.20％ 이상이다.

·P: 0.050％ 이하

P는 통상, 첨가를 행하지 않아도, 각종 냉간 공구 재료에 불가피하게 포함되는 원소이다. 그리고, 템퍼링 등의 열처리 시에 구오스테나이트 입계에 편석되고, 입계를 취화시키는 원소이다. 따라서, 냉간 공구의 인성을 향상시키기 위해서는, 첨가하는 경우도 포함하여 0.050％ 이하로 규제하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.030％ 이하이다.

·S: 0.0500％ 이하

S는 통상, 첨가를 행하지 않아도, 각종 냉간 공구 재료에 불가피하게 포함되는 원소이다. 그리고, 열간 가공 전의 소재 시에 있어서 열간 가공성을 열화시키고, 열간 가공 중에 깨짐을 발생시키는 원소이다. 따라서, 소재 시에 있어서의 열간 가공성을 향상시키기 위해, 0.0500％ 이하로 규제하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.0300％ 이하이다. 더욱 바람직하게는 0.0100％ 미만이다.

한편, S에는 상기의 Mn과 결합하고, 비금속 개재물의 MnS로서 존재함으로써, 피삭성을 향상시키는 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위해서는 0.0300％를 초과하는 첨가를 행해도 된다.

·Ni: 1.00％ 이하

Ni는 기지의 점도를 높여서 피삭성을 저하시키는 원소이다. 따라서, Ni의 함유량은 1.00％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.50％ 미만, 더욱 바람직하게는 0.30％ 미만이다. 이 0.30％ 미만의 Ni는, 본 발명의 냉간 공구 재료의 성분 조성이 Ni를 불순물로서 함유하는 경우의, 바람직한 규제 상한이기도 하다.

한편, Ni는, 공구 조직 중의 페라이트의 생성을 억제하는 원소이다. 또한, 냉간 공구 재료에 우수한 ??칭성을 부여하고, ??칭 시의 냉각 속도가 완만할 경우에도 마르텐사이트 주체의 조직을 형성하고, 인성의 저하를 방지할 수 있는 효과적인 원소이다. 또한, 기지의 본질적인 인성도 개선하므로, 본 발명에서는 필요에 따라 첨가해도 된다. 첨가하는 경우, 상기한 1.00％를 상한으로 하고, 0.10％ 이상의 첨가가 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.30％ 이상이다. 또한, 보다 바람직하게는 0.80％ 이하이다.

·Nb: 1.50％ 이하

Nb는 피삭성의 저하를 초래하므로, 1.50％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.90％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.30％ 미만이다. 이 0.30％ 미만의 Nb는, 본 발명의 냉간 공구 재료의 성분 조성이 Nb를 불순물로서 함유하는 경우의, 바람직한 규제 상한이기도 하다.

한편, Nb는 탄화물을 형성하고, 기지의 강화나 내마모성을 향상시키는 효과를 갖는다. 또한, 템퍼링 연화 저항을 높임과 함께, V와 마찬가지로, 결정립의 조대화를 억제하고, 인성의 향상에 기여하는 효과를 갖는다. 따라서, Nb는, 필요에 따라서 첨가해도 된다. 첨가하는 경우, 상기한 1.50％를 상한으로 하고, 0.10％ 이상의 첨가가 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.30％ 이상이다. 또한, 보다 바람직하게는 1.00％ 이하이다.

Cu, Al, Ca, Mg, O(산소), N(질소)은 불가피적 불순물로서 강 중에 잔류할 가능성이 있는 원소이다. 본 발명의 냉간 공구 재료의 성분 조성에 있어서, 이들 원소는 가능한 한 낮은 편이 바람직하다. 그러나 한편으로, 이들 원소는, 개재물의 형태 제어나, 기타 기계적 특성, 그리고 제조 효율의 향상과 같은 부가적인 작용 효과를 얻기 위해, 소량을 함유해도 된다. 이 경우, Cu≤0.25％, Al≤0.25％, Ca≤0.0100％, Mg≤0.0100％, O≤0.0100％, N≤0.0300％의 범위라면 충분히 허용할 수 있고, 본 발명의 바람직한 규제 상한이다.

(3) 본 발명의 냉간 공구 재료는, 그 단면의 어닐링 조직의, 원 상당 직경이 5.0㎛를 초과하는 탄화물을 포함하지 않는 세로 90㎛ 가로 90㎛의 영역에 있어서, 원 상당 직경이 0.1㎛를 초과하고 2.0㎛ 이하인 탄화물 A의 개수에 차지하는, 원 상당 직경이 0.1㎛를 초과하고 0.4㎛ 이하인 탄화물 B의 개수의 비율이, 80.0％를 초과하는 것이다.

냉간 공구 재료는 통상, 강괴 또는 강괴를 분괴 가공한 강편으로 이루어지는 소재를 출발 재료로 하고, 이것에 다양한 열간 가공이나 열처리를 행하여 소정의 강재로 하고, 이 강재에 어닐링 처리를 실시하여, 블록 형상으로 마무리된다. 이때, 상기의 강괴는, 일반적으로 소정의 성분 조성으로 조정된 용강을 주조하여 얻어진다. 따라서, 강괴의 주조 조직 중에는, 응고 개시 시기의 차이 등에 기인해서(덴드라이트의 성장 거동에 기인해서), 큰 탄화물이 집합된 부위와, 그에 비해 작은 탄화물이 집합된 부위(소위, 「부편석」의 부위)가 존재한다.

이러한 강괴를 열간 가공함으로써, 상기의 탄화물의 집합은, 열간 가공의 연신 방향(즉, 재료의 길이 방향)으로 연장되고, 또한, 그 수직 방향(즉, 재료의 두께 방향)으로 압축된다. 그리고, 이 열간 가공 후의 강재를 어닐링 처리하여 얻어진 냉간 공구 재료의 어닐링 조직에 있어서, 상기의 탄화물의 분포 양태는, 큰 탄화물의 집합으로 이루어지는 층과, 작은 탄화물의 집합으로 이루어지는 층으로 이루어지는, 대략 줄무늬상의 양태가 된다(도 1을 참조). 도 1에 있어서, 농색의 기지 중에 확인되는 "담색의 분산물"이 탄화물이다.

그리고, 상기의 어닐링 조직에 있어서, 큰 탄화물은, 오로지 "미고용 탄화물"로서 기능하고, ??칭 시의 기지 중에 고용되지 않고, ??칭 템퍼링 후의 조직 중에 남아, 냉간 공구의 내마모성의 향상에 기여한다. 그러나, 작은 탄화물은, "고용 탄화물"로서 기능하고, ??칭 시의 기지 중에 고용되기 쉽다. 그리고, 기지 중에 고용된 탄화물은, ??칭 템퍼링 후의 기지 중의 고용 탄소량을 증가시키고, 냉간 공구의 경도를 향상시킨다. 따라서, 본 발명에서는, 냉간 공구 재료 단면의 어닐링 조직에 있어서, 편의상, 원 상당 직경이 5.0㎛를 초과하는 탄화물을 미고용 탄화물로서 취급함으로써, 원 상당 직경이 5.0㎛ 이하인 고용 탄화물만으로 구성되는 「세로 90㎛ 가로 90㎛」의 영역에 주목했다(예를 들어, 도 1 중에 나타낸 실선에 의해 둘러싸인 부분). 즉, 이 「세로 90㎛ 가로 90㎛」의 영역이, 상기의 「작은 탄화물의 집합으로 이루어지는 층」의 영역에 상당한다. 그리고, 이 영역의 탄화물 분포가, 본 발명의 「경도의 안정성 효과」의 확인에 이용할 수 있음을 알아내었다.

본 발명자는, ??칭 템퍼링 후의 냉간 공구의 경도에 미치는, 원 상당 직경이 5.0㎛ 이하인 탄화물의 영향을 조사하였다. 그 결과, 이들 탄화물 중에서도, 원 상당 직경이 더 작은 「2.0㎛ 이하」의 탄화물(이하, 탄화물 A라 표기함)은 보다 고용되기 쉬운 것을 발견하였다. 그리고, 원 상당 직경이 「0.4㎛ 이하」인 매우 미세한 탄화물(이하, 탄화물 B라 표기함)은 특히 고용되기 쉬운 것을 발견하였다. 그리고, 이러한 작은 탄화물은, 상기의 강괴를 제작할 때의 주조 공정 등을 조작함으로써, 어닐링 조직 중에 균일하게 분포시키기 쉬운 것을 알아내었다. 어닐링 조직에 있어서, 고용되기 쉬운 탄화물이, 게다가 균일하게 분포되어 있으면, ??칭 템퍼링 후의 냉간 공구에 있어서, 그 조직 중의 고용 탄소량도, 치우침 없이 전체적으로 증가시킬 수 있다. 그 결과, 경도의 절댓값을 끌어올릴 수 있고, 템퍼링 온도를 변경해도 고경도를 유지할 수 있다.

그렇다면, 원 상당 직경이 5.0㎛를 초과하는 탄화물을 포함하지 않는 영역에서, 이 영역에 포함되는 원 상당 직경이 2.0㎛ 이하인 탄화물 개수 중에서도, 원 상당 직경이 0.4㎛ 이하인 탄화물 개수를 증가시키는 것이야말로, 본 발명의 「경도의 안정성 효과」의 달성에 효과적이다. 그리고, 본 발명의 경우, 세로 90㎛ 가로 90㎛의 상기의 영역에서, 원 상당 직경이 0.1㎛를 초과하고 2.0㎛ 이하인 탄화물 A의 개수에 차지하는, 원 상당 직경이 0.1㎛를 초과하고 0.4㎛ 이하인 탄화물 B의 개수의 비율이, 80.0％를 초과하는 조직으로 함으로써, 본 발명의 「경도의 안정성 효과」를 달성할 수 있다. 또한, 탄화물 A, B의 크기에 대해서, 그 원 상당 직경의 하한값을 0.1㎛로 한 것은, 0.1㎛ 이하인 탄화물의 특정이, 계측상 정확성이 부족할 수 있기 때문이다.

상술한 탄화물 A의 개수에 차지하는, 탄화물 B의 개수의 비율에 대해서, 바람직하게는 81.0％ 이상이다. 보다 바람직하게는 82.0％ 이상이다. 더욱 바람직하게는 83.0％ 이상이다. 또한, 이 비율에 대해서, 상한은 특별히 요하지 않지만, 95.0％ 이하가 현실적이다.

(4) 바람직하게는 본 발명의 냉간 공구 재료는, 세로 90㎛ 가로 90㎛의 상기한 영역에 있어서, 탄화물 A의 개수 밀도가 9.0×10⁵개/㎟ 이상이고, 탄화물 B의 개수 밀도가 7.5×10⁵개/㎟ 이상인 것이다.

상술한 (3)에 있어서, 어닐링 조직의, 원 상당 직경이 5.0㎛를 초과하는 탄화물을 포함하지 않는 영역에 분포시킨 미세한 탄화물 A 및 B는, 그 수가 많을수록 본 발명의 「경도의 안정성 효과」의 달성에 더욱 유리하다. 그리고, 본 발명의 경우, 이들 탄화물 A 및 B 각각에 있어서, 탄화물 A의 개수 밀도를 9.0×10⁵개/㎟ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 탄화물 B의 개수 밀도를 7.5×10⁵개/㎟ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 탄화물 A 및 B의 양쪽의 개수 밀도가, 상기의 값을 만족하는 것이다.

또한, 탄화물 A의 개수 밀도에 대해서, 보다 바람직하게는 9.5×10⁵개/㎟ 이상이다. 더욱 바람직하게는 10.0×10⁵개/㎟ 이상이다. 특히 바람직하게는 11.0×10⁵개/㎟ 이상이다. 또한, 탄화물 B의 개수 밀도에 대해서, 보다 바람직하게는 8.0×10⁵개/㎟ 이상이다. 더욱 바람직하게는 8.5×10⁵개/㎟ 이상이다. 특히 바람직하게는 9.0×10⁵개/㎟ 이상이다. 이때, 탄화물 B의 개수 밀도가, 탄화물 A의 개수 밀도를 초과하는 일은 없다. 그리고, 탄화물 A 및 B의 개수 밀도에 대해서, 상한은 특별히 필요하지 않지만, 상술한 개수의 비율이 95.0％ 이하가 되는 관계가 현실적이다.

탄화물 A 및 B의 원 상당 직경 및 개수(개수 밀도)의 측정 수법의 일례에 대하여 설명해 둔다.

먼저, 냉간 공구 재료의 단면 조직을, 예를 들어 배율 200배의 광학 현미경으로 관찰한다. 이때, 관찰하는 단면은, 냉간 공구를 구성하게 되는 냉간 공구 재료의 중심부로 할 수 있다. 그리고, 관찰하는 단면은, 열간 가공의 연신 방향(즉, 재료의 길이 방향)에 대하여 평행한 단면이며, 구체적인 한가지로는, 이 평행한 단면 중에서, TD 방향(Transverse Direction; 연신 직각 방향)에 수직인 단면(소위, TD 단면)이다. 그리고, 이 단면에 있어서, 예를 들어 단면적이 15㎜×15㎜의 절단면을 다이아몬드 슬러리와 콜로이달 실리카를 사용하여 경면으로 연마한 단면으로 할 수 있다. 도 1(실시예에서 평가한 본 발명예의 「냉간 공구 재료 1」임)은 본 발명의 냉간 공구 재료의 일례에 대해서, 상술한 요령으로 얻은 단면 조직의 배율 200배에서의 광학 현미경 사진이다(시야 면적 0.58㎟).

그리고, 상기의 단면 조직으로부터, 원 상당 직경이 5.0㎛를 초과하는 탄화물을 포함하지 않는 세로 90㎛ 가로 90㎛의 영역을 추출한다. 이때, 원 상당 직경이 5.0㎛를 초과하는 큰 탄화물은, 광학 현미경의 시야로부터 용이하게 확인할 수 있다(도 1을 참조). 그리고, 이 확인한 탄화물의 원 상당 직경은, 기지의 화상 해석 소프트웨어 등에 의해 구할 수 있다.

이어서, 상기에서 추출한 세로 90㎛ 가로 90㎛의 영역(도 1 중에 나타낸 실선에 의해 둘러싸인 부분)을 주사형 전자 현미경(배율 3000배)으로 관찰하고, 이 관찰한 시야를 EPMA로 분석하여, C(탄소)의 원소 맵핑 화상을 얻는다. 그리고, 이 C의 원소 맵핑 화상에 의한 분석 결과에, 탄화물을 형성하고 있는 C양에 기초하여, 25카운트(cps) 이상의 C의 검출 강도를 역치(임계값)로 한 2치화 처리를 행하고, 단면 조직의 기지 중에 분포하는 탄화물을 나타낸 2치화 화상을 얻는다.

도 2는, 도 1 중에 나타낸 실선에 의해 둘러싸인 부분의 영역 내에 대해서, 상술한 요령에서 얻은, C의 원소 맵핑 화상이다(시야 면적 30㎛×30㎛). 그리고, 도 3은, 도 2를 2치화 처리하여 얻은, 상기 영역의 탄화물 분포를 도시하는 도면이다. 도 2, 3에 있어서, C 및 탄화물은 담색의 분포로 나타나 있다.

그리고, 「원 상당 직경이 5.0㎛를 초과하는 탄화물을 포함하지 않는다」는 도 3의 탄화물 분포로부터, 각 원 상당 직경의 탄화물을 추출하고, 상술한 탄화물 A의 개수나, 탄화물 B의 개수, 그리고, 이들 탄화물 A 및 B의 존재 비율을 구하면 된다. 탄화물의 원 상당 직경이나 개수는, 기지의 화상 해석 소프트웨어 등에 의해 구할 수 있다.

본 발명의 냉간 공구 재료의 경우, 상술한 세로 90㎛ 가로 90㎛의 「작은 탄화물의 집합으로 이루어지는 층」의 영역에서, 원 상당 직경이 2.0㎛ 이하와 같은 작은 탄화물은, 대략 균일한 개수 밀도로 분포되어 있다(도 3을 참조). 따라서, 본 발명의 「경도의 안정성 효과」를 확인하는 데 있어, 상술한 세로 90㎛ 가로 90㎛의 영역으로부터 채취하는 원소 맵핑 화상은, 1화상이며, 또한, 30㎛×30㎛의 면적이 있으면 충분하다(화소수: 530×530). 그리고, 이 원소 맵핑 화상의 채취 위치는, 상술한 영역으로부터 임의로 선택하면 된다. 그리고, 이러한 일련의 측정 작업을, 상술한 「세로 90㎛ 가로 90㎛」의 영역과는 다른, 적어도 2개의 「세로 90㎛ 가로 90㎛」의 영역에서도 행하고(총 3영역), 수치의 결과를 평균하면, 본 발명의 「경도의 안정성 효과」를 확인하기에 충분하다.

본 발명의 냉간 공구 재료의 어닐링 조직은, 출발 재료가 되는 강괴의 제작 단계에 있어서, 그 응고 공정의 진행 상태를 적절하게 관리함으로써, 달성이 가능하다. 예를 들어, 주형에 주입하기 직전의 「용강의 온도」의 조정이 중요하다. 용강의 온도를 조금 낮게 관리함으로써, 예를 들어 냉간 공구 재료의 융점+100℃ 전후까지의 온도 범위 내에서 관리함으로써, 주형 내의 각 위치에 있어서의 응고 개시 시기의 차이에 의한 용강의 국부적인 농화를 경감하고, 덴드라이트의 성장에 기인하는 탄화물의 조대화를 억제할 수 있다. 그리고, 예를 들어 상기의 주형에 주입된 용강을, 그 고상-액상의 공존 영역을 빠르게 통과하도록 냉각함으로써, 예를 들어 60분 이내의 냉각 시간으로 함으로써, 정출한 탄화물의 조대화를 억제할 수 있다.

(5) 본 발명의 냉간 공구의 제조 방법은, 상술한 본 발명의 냉간 공구 재료에 ??칭 및 템퍼링을 행하는 것이다.

상술한 본 발명의 냉간 공구 재료는, ??칭 및 템퍼링에 의해 소정의 경도를 가진 마르텐사이트 조직으로 조제되어, 냉간 공구의 제품으로 마련된다. 그리고, 냉간 공구 재료는, 절삭이나 천공과 같은 각종 기계 가공 등에 의해, 냉간 공구의 형상으로 마련된다. 이 기계 가공의 타이밍은, ??칭 템퍼링 전의, 재료의 경도가 낮은 상태(즉, 어닐링 상태)에서 행하는 것이 바람직하다. 또한, 이 경우, ??칭 템퍼링 후에 마무리의 기계 가공을 행해도 된다. 또한, 경우에 따라서는, ??칭 템퍼링을 행한 후의 프리하든강의 상태에서, 상기한 처리의 기계 가공도 함께, 냉간 공구의 형상으로 기계 가공해도 된다.

이 ??칭 및 템퍼링의 온도는, 소재의 성분 조성이나 목적 경도 등에 따라 상이하지만, ??칭 온도는 대략 950 내지 1100℃ 정도, 템퍼링 온도는 대략 150 내지 600℃ 정도인 것이 바람직하다. 예를 들어, 냉간 공구강의 대표 강종인 SKD10이나 SKD11의 경우, ??칭 온도는 1000 내지 1050℃ 정도, 템퍼링 온도는 180 내지 540℃ 정도이다. ??칭 템퍼링 경도는 58HRC 이상으로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 60HRC 이상이다. 또한, 이 ??칭 템퍼링 경도에 대해서, 상한은 특별히 요하지 않지만, 66HRC 이하가 현실적이다.

[실시예]

소정의 성분 조성으로 조정한 용강(융점: 약 1400℃)을 주조하고, 표 1의 성분 조성을 갖는 소재 1 내지 4를 준비하였다. 이때, 주형으로의 주탕 전에 있어서, 소재 1 내지 4의 용강의 온도는 1500℃로 조정하였다. 그리고, 소재 1 내지 4 각각에서 주형의 치수를 변경함으로써, 주형으로의 주탕 후에 있어서, 고상-액상의 공존 영역의 냉각 시간을, 소재 1: 28분, 소재 2: 45분, 소재 3: 106분, 소재 4: 168분으로 하였다. 또한, 소재 1 내지 4는 JIS-G-4404의 규격 강종인 냉간 공구강 SKD10이다.

이어서, 이들 소재를 1160℃로 가열하여 열간 가공을 행하고, 열간 가공을 행한 후에 방랭하여, 두께 25㎜×폭 500㎜×길이 100㎜의 강재를 얻었다. 그리고, 이 강재에 860℃의 어닐링 처리를 행하여, 냉간 공구 재료 1 내지 4를 제작했다(경도 190HBW).

냉간 공구 재료 1 내지 4의 중심부의, 열간 가공의 연신 방향(즉, 재료의 길이 방향)에 대하여 평행한 TD면으로부터, 단면적이 15㎜×15㎜인 절단면을 채취하고, 이 절단면을 다이아몬드 슬러리와 콜로이달 실리카를 사용하여 경면으로 연마하였다. 이어서, 이 연마한 절단면의 어닐링 조직으로부터, 원 상당 직경이 5.0㎛를 초과하는 탄화물을 포함하지 않는 세로 90㎛ 가로 90㎛의 영역을, 각각 3영역 추출하였다. 도 1에, 냉간 공구 재료 1의, 상기 영역의 일례를 나타내 둔다(실선에 의해 둘러싸인 부분).

그리고, 상기한 개개의 영역에 대해서, 상술한 요령에 따라, 원 상당 직경이 0.1㎛를 초과하고 2.0㎛ 이하인 탄화물 A의 개수, 원 상당 직경이 0.1㎛를 초과하고 0.4㎛ 이하인 탄화물 B의 개수 및, 탄화물 A의 개수에 차지하는 탄화물 B의 개수의 비율을 구하였다. 탄화물의 원 상당 직경이나 개수를 구하기 위한 화상 처리 및 해석에는, 미국 국립 위생 연구소(NIH)가 제공하고 있는 오픈 소스 화상 처리 소프트웨어 ImageJ(http://imageJ.nih.gov/ij/)를 사용하였다. 도 2에, 냉간 공구 재료 1의, 상기한 영역 내에 있어서의 C의 원소 맵핑 화상을 나타내 둔다. 도 2의 시야 면적은 30㎛×30㎛이다. 그리고, 그 시야는, 상기의 세로 90㎛ 가로 90㎛의 영역을 종횡 3등분으로 해서, 9개의 구획으로 분할했을 때의, 그 한가운데의 구획인 것이다. 그리고, 도 3에, 도 2의 원소 맵핑 화상을, 25카운트(cps)의 C의 검출 강도의 역치로 2치화 처리한 화상을 나타내 둔다.

그리고, 개개의 영역에서 구한 탄화물 A, B의 개수를, 추출한 3영역에서 평균하여, 냉간 공구 재료 1 내지 4의 탄화물 A, B의 개수로 하고, 이들 값으로부터 탄화물 A, B의 개수 밀도 및, 탄화물 A, B의 개수 비율을 구하였다. 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 도 4에는, 추출한 3영역에서 평균하여 구한 냉간 공구 재료 1 내지 4의 탄화물 개수(종축)를, 그 탄화물의 원 상당 직경 범위마다(횡축)에 통합하여 플롯한 도면을 나타낸다. 냉간 공구 재료 1 내지 4에서 추출한 상기의 영역에는, 「원 상당 직경이 5.0㎛를 초과하는 탄화물」은 포함되어 있지 않았다.

단면 조직을 관찰한 후의 냉간 공구 재료 1 내지 4에, 1030℃로부터의 ??칭과, 100 내지 540℃의 템퍼링을 행하고, 마르텐사이트 조직을 가진 냉간 공구 1 내지 4를 얻었다. 템퍼링 온도는, 100℃, 150℃, 200℃, 300℃의 저온 템퍼링 조건과, 450℃, 480℃, 490℃, 500℃, 520℃, 540℃의 고온 템퍼링 조건의, 총 10조건으로 하였다. 그리고, 냉간 공구 1 내지 4 각각에 대해서, 템퍼링 온도마다, 관찰한 단면 조직을 포함하는 위치의 로크웰 경도 시험(C 스케일)을 실시하였다. 경도는, 각 시료에 대하여 5점 측정하고, 그 평균값을 구하였다. 그리고, 얻어진 경도와, 이 경도의 템퍼링 온도에 대한 의존성(경도의 안정성)을 평가하였다. 결과를 도 5(저온 템퍼링 조건), 도 6(고온 템퍼링 조건)에 나타낸다.

도 5, 6으로부터, 저온 템퍼링(100 내지 300℃) 및 고온 템퍼링(450 내지 540℃) 중 어느 것을 실시했을 경우에 있어서도, 본 발명예에 의한 냉간 공구 1, 2는, 비교예의 냉간 공구 3, 4에 비하여, 넓은 온도 범위에서 경도가 높았다. 특히, 고온 템퍼링에 있어서는, 냉간 공구에 요구되고 있는 60HRC 이상이나 되는 고경도를, 비교예의 냉간 공구 3, 4에서는, 490℃ 부근의 템퍼링 온도에서밖에 달성되지 않은 것에 비해, 본 발명예의 냉간 공구 1, 2에서는, 450 내지 510℃의 넓은 템퍼링 온도의 범위에서 달성하여, 유지할 수 있었다. 그리고, 본 발명예의 냉간 공구 1, 2는, 냉간 공구강 SKD10의 표준적인 템퍼링 온도인 200℃ 및 500℃의 두 조건에 대해서, 60HRC 이상의 고경도를 달성하고 있었다.

Claims

탄화물을 포함하는 어닐링 조직을 갖고, ??칭 템퍼링되어 사용되는 냉간 공구 재료에 있어서,
상기 냉간 공구 재료는 질량％로, C: 0.80 내지 2.40％, Si : 0.10% 이상 2.00% 이하, Mn : 0.10% 이상 1.5% 이하, P : 0.050% 이하, S : 0.0500% 이하, Cr: 5.0 내지 15.0％, Mo 및 W는 단독 또는 복합으로 (Mo+1/2W): 0.50 내지 3.00％, V: 0.10 내지 1.50％를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, 상기 ??칭에 의해 마르텐사이트 조직으로 조정할 수 있는 성분 조성을 갖고,
상기 냉간 공구 재료 단면의 어닐링 조직의, 원 상당 직경이 5.0㎛를 초과하는 탄화물을 포함하지 않는 세로 90㎛ 가로 90㎛의 영역에 있어서, 원 상당 직경이 0.1㎛를 초과하고 2.0㎛ 이하인 탄화물 A의 개수에 대한, 원 상당 직경이 0.1㎛를 초과하고 0.4㎛ 이하인 탄화물 B의 개수의 상대적인 비율인 B/A가, 80.0％를 초과하는 것을 특징으로 하는 냉간 공구 재료.
제1항에 있어서,
상기 성분 조성이 질량 %로, Ni : 1.00% 이하 및 Nb : 1.50% 이하 중 1종 혹은 2종을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉간 공구 재료.
제1항에 있어서,
상기 영역에 있어서, 상기 탄화물 A의 개수 밀도가 9.0×10⁵개/㎟ 이상이고, 상기 탄화물 B의 개수 밀도가 7.5×10⁵개/㎟ 이상인 것을 특징으로 하는 냉간 공구 재료.
제2항에 있어서,
상기 영역에 있어서, 상기 탄화물 A의 개수 밀도가 9.0×10⁵개/㎟ 이상리고, 상기 탄화물 B의 개수 밀도가 7.5×10⁵개/㎟ 이상인 것을 특징으로 하는 냉간 공구 재료.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 냉간 공구 재료에, ??칭 템퍼링을 행하는 것을 특징으로 하는 냉간 공구의 제조 방법.