KR101862962B1

KR101862962B1 - 열간 공구 재료 및 열간 공구의 제조 방법

Info

Publication number: KR101862962B1
Application number: KR1020167020523A
Authority: KR
Inventors: 유스케 나카노
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2015-05-26
Publication date: 2018-05-30
Also published as: US10119174B2; JPWO2015182586A1; EP3150735A4; CN105960475A; KR20160104028A; EP3150735B1; CN105960475B; EP3150735A1; WO2015182586A1; JP5991564B2; US20160348202A1

Abstract

열간 공구로 하였을 때의 켄칭 템퍼링 조직의 미세화에 유효한 어닐링 조직을 가진 열간 공구 재료와, 열간 공구의 제조 방법을 제공한다. 어닐링 조직을 갖고, 켄칭 템퍼링되어 사용되는 열간 공구 재료에 있어서, 이 열간 공구 재료는, 상기의 켄칭에 의해 마르텐사이트 조직으로 조정할 수 있는 성분 조성을 갖고, 이 열간 공구 재료의 어닐링 조직의 단면 중의 페라이트 결정립은, 페라이트 결정립의 단면적을 기준으로 한 오버 사이즈의 누적 분포에 있어서, 누적 단면적이 전체 단면적의 90％일 때의 입경이 원 상당 직경으로 25㎛ 이하인 입경 분포를 갖는 열간 공구 재료이다. 그리고, 상기의 열간 공구 재료에, 켄칭 템퍼링을 행하는 열간 공구의 제조 방법이다.

Description

열간 공구 재료 및 열간 공구의 제조 방법{HOT WORK TOOL MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING HOT WORK TOOL}

본 발명은 프레스 금형이나 단조 금형, 다이캐스트 금형, 압출 공구와 같은 다종의 열간 공구에 최적의 열간 공구 재료와, 그것을 사용한 열간 공구의 제조 방법에 관한 것이다.

열간 공구는, 고온의 피가공재나 경질의 피가공재와 접촉하면서 사용되기 때문에, 충격에 견딜 수 있는 인성을 구비하고 있을 필요가 있다. 그리고, 종래, 열간 공구 재료에는, 예를 들어 JIS 강종인 SKD61계의 합금 공구강이 사용되고 있었다. 또한, 최근의 한층 더한 인성 향상의 요구에 부응하여, SKD61계의 합금 공구강의 성분 조성을 개량한 합금 공구강이 제안되어 있다(특허문헌 1∼3).

열간 공구 재료는, 통상, 경도가 낮은 어닐링 상태에서, 열간 공구의 제작 메이커측에 공급된다. 그리고, 제작 메이커측에 공급된 열간 공구 재료는, 열간 공구의 형상으로 기계 가공된 후에, 켄칭 템퍼링에 의해 소정의 사용 경도로 조정된다. 또한, 이 사용 경도로 조정된 후에, 마무리의 기계 가공을 행하는 것이 일반적이다. 경우에 따라서는, 어닐링 상태의 열간 공구 재료에, 먼저 켄칭 템퍼링을 행하고 나서, 상기의 마무리의 기계 가공도 아울러, 열간 공구의 형상으로 기계 가공되는 경우도 있다. 켄칭이란, 어닐링 상태의 열간 공구 재료를(또는, 이 열간 공구 재료가 기계 가공된 후의 열간 공구 재료를) 오스테나이트 온도 영역으로까지 가열하고, 이것을 급냉함으로써, 조직을 마르텐사이트 변태시키는 작업이다. 따라서, 열간 공구 재료의 성분 조성은, 켄칭에 의해 마르텐사이트 조직으로 조정할 수 있는 것으로 되어 있다.

그런데, 열간 공구의 인성은, 마르텐사이트 변태 후의 열간 공구의 조직을 미세하게 함으로써 향상시킬 수 있는 것이 알려져 있다. 구체적으로는, 열간 공구의 조직 중에 확인되는 구오스테나이트 입경을 미세하게 하는 것이다. 그리고, 이 구오스테나이트 입경을 미세하게 하는 방법으로서, 켄칭 전의 열간 공구 재료의 시점에서, 그 어닐링 조직을 조작해 두는 것이 유효하고, 예를 들어 어닐링 조직을 「10000배로 관찰하였을 때, 100㎛² 중에 원 상당 직경 0.1∼0.5㎛의 탄화물 개수가 300개 이상 형성되어 있는 탄화물이 밀한 영역 A와, 당해 영역 A에 대하여 100㎛²중에 원 상당 직경 0.1∼0.5㎛의 탄화물 개수가 100개 이상 적은 탄화물이 소한 영역 B가 혼재하는 금속 조직」으로 하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 4).

일본 특허 공개 평2-179848호 공보 일본 특허 공개 제2000-328196호 공보 국제 공개 제2008/032816호 팸플릿 일본 특허 공개 제2007-056289호 공보

특허문헌 4는 열간 공구의 조직의 미세화에 유효한 방법이다. 특허문헌 4의 열간 공구 재료를 켄칭하면, 열간 공구의 조직 중의 구오스테나이트 입경을 JIS-G-0551(ASTM-E112)에 준거한 입도 번호로 No.9.0(평균 입경으로 18㎛ 정도)으로까지 미립화할 수 있다(입도 번호가 커질수록, 입경은 작아진다). 단, 이 미립화의 달성을 위해서는, 켄칭 전의 금속 조직에 있어서, 복잡한 탄화물 분포를 가진 어닐링 조직으로의 조정을 필요로 한다.

본 발명의 목적은, 어닐링 조직 중의 탄화물 분포와는 다른 인자를 조정함으로써, 열간 공구로 하였을 때의 조직 미세화에 유효한 어닐링 조직을 가진 열간 공구 재료와, 열간 공구의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 어닐링 조직을 갖고, 켄칭 템퍼링되어 사용되는 열간 공구 재료에 있어서, 이 열간 공구 재료는, 상기의 켄칭에 의해 마르텐사이트 조직으로 조정할 수 있는 성분 조성을 갖고, 이 열간 공구 재료의 어닐링 조직의 단면 중의 페라이트 결정립은, 페라이트 결정립의 단면적을 기준으로 한 오버 사이즈의 누적 분포에 있어서, 누적 단면적이 전체 단면적의 90％일 때의 입경이 원 상당 직경으로 25㎛ 이하인 입경 분포를 갖는 열간 공구 재료이다.

그리고, 본 발명은 상기한 본 발명의 열간 공구 재료에, 켄칭 템퍼링을 행하는 열간 공구의 제조 방법이다. 바람직하게는, 본 발명의 열간 공구 재료에 켄칭 템퍼링을 행하여, 열간 공구의 조직 중의 구오스테나이트 입경을 JIS-G-0551에 준거한 입도 번호로 No.9.0 이상으로 하는 열간 공구의 제조 방법이다.

본 발명에 따르면, 열간 공구의 조직 중에 확인되는 구오스테나이트 입경을 미세하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명예의 열간 공구 재료 A의 단면 조직의 광학 현미경 사진 (a)와, 전자선 후방 산란 회절(이하, EBSD로 기재함)에 의해 얻어진 결정립계도 (b)이다.
도 2는 비교예의 열간 공구 재료 B의 단면 조직의 광학 현미경 사진 (a)와, EBSD에 의해 얻어진 결정립계도 (b)이다.
도 3은 열간 공구 재료 A, B의 단면 조직에 분포하는 페라이트 결정립의 입경 분포를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명예의 열간 공구 재료 C의 단면 조직의 광학 현미경 사진 (a)와, EBSD에 의해 얻어진 결정립계도 (b)이다.
도 5는 비교예의 열간 공구 재료 D의 단면 조직의 광학 현미경 사진 (a)와, EBSD에 의해 얻어진 결정립계도 (b)이다.
도 6은 열간 공구 재료 C, D의 단면 조직에 분포하는 페라이트 결정립의 입경 분포를 도시하는 도면이다.

본 발명자는, 열간 공구의 켄칭 템퍼링 조직 중에 있는 구오스테나이트 입경에 영향을 미치는, 열간 공구 재료의 어닐링 조직 중의 인자를 조사하였다. 그 결과, 이 인자에는, 어닐링 조직 중의 탄화물의 분포 상태 외에, 페라이트 결정립의 분포 상태가 있는 것을 발견하였다. 그리고, 이 페라이트 결정립을 소정의 입경 분포로 함으로써, 열간 공구의 켄칭 템퍼링 조직 중의 구오스테나이트 입경을 미세하게 할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명에 도달하였다. 이하에, 본 발명의 각 구성 요건에 대하여 설명한다.

(1) 본 발명의 열간 공구 재료는, 어닐링 조직을 갖고, 켄칭 템퍼링되어 사용되는 열간 공구 재료이며, 상기의 켄칭에 의해 마르텐사이트 조직으로 조정할 수 있는 성분 조성을 갖는 열간 공구 재료이다.

어닐링 조직이란, 어닐링 처리에 의해 얻어지는 조직이며, 바람직하게는 경도가, 예를 들어 브리넬 경도에서 150∼230HBW 정도로 연화된 조직이다. 그리고, 일반적으로는, 페라이트상이나, 이 페라이트상에 펄라이트나 시멘타이트(Fe₃C)가 혼합된 조직이다. 그리고, 상기의 페라이트상이, 어닐링 조직 중의 「페라이트 결정립」을 구성하고 있다. 열간 공구 재료의 경우, 예를 들어 SKD61계의 합금 공구강과 같이, 상기의 페라이트 결정립의 입내나 입계에는, Cr, Mo, W, V 등의 탄화물이 존재하고 있는 것도 있다. 본 발명에 있어서는, 펄라이트나 시멘타이트가 적은 어닐링 조직인 것이 바람직하다. 펄라이트나 시멘타이트는, 열간 공구 재료의 기계가공성을 적지 않게 열화시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 열간 공구 재료는, 예를 들어 그 단면 조직 중의 80면적％ 이상이 페라이트 결정립으로서 확인되는 어닐링 조직을 갖고 있는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 90면적％ 이상이다. 이때, 페라이트 결정립의 입내나 입계에 존재하는 상기의 Cr, Mo, W, V 등의 탄화물은, 펄라이트나 시멘타이트 등에 비해, 기계 가공성에의 영향이 작아, 페라이트 결정립의 면적에 포함시키는 것으로 한다.

어닐링 조직을 가진 열간 공구 재료는, 통상 강괴 또는 강괴를 분괴 가공한 강편으로 되는 소재를 출발 재료로 하여, 이것에 다양한 열간 가공이나 열처리를 행하여 소정의 강재로 하고, 이 강재에 어닐링 처리를 실시하여, 블록 형상으로 마무리된다. 그리고, 종래, 열간 공구 재료에, 켄칭 템퍼링에 의해 마르텐사이트 조직을 발현하는 소재가 사용되고 있는 것은 상술한 바와 같다. 마르텐사이트 조직은, 각종 열간 공구의 절대적인 인성을 기초로 하는 데 있어서 필요한 조직이다. 이와 같은 열간 공구 재료의 소재로서, 예를 들어 각종 열간 공구강이 대표적이다. 열간 공구강은, 그 표면 온도가 대략 200℃ 이상으로 승온되는 환경 하에서 사용되는 것이다. 그리고, 열간 공구강의 성분 조성에는, 예를 들어 JIS-G-4404의 「합금 공구강 강재」에 있는 규격 강종이나, 그 밖에 제안되어 있는 것을 대표적으로 적용할 수 있다. 또한, 상기의 열간 공구강에 규정되는 이외의 원소종도, 필요에 따라서 첨가가 가능하다.

그리고, 본 발명의 열간 공구 조직의 미세화 효과는, 어닐링 조직이 켄칭 템퍼링되어 마르텐사이트 조직을 발현하는 소재이면, 이 어닐링 조직이 후술하는 (2)의 요건을 충족시킴으로써, 달성이 가능하다. 따라서, 본 발명의 열간 공구 조직의 미세화 효과의 달성을 위해서, 소재의 성분 조성을 특정할 필요는 없다.

단, 열간 공구의 절대적인 기계적 특성을 뒷받침하는 데 있어서, 예를 들어 마르텐사이트 조직을 발현하는 성분 조성으로서, 질량％로, C:0.30∼0.50％, Cr:3.00∼6.00％를 포함하는 열간 공구강의 성분 조성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 더욱이 열간 공구의 절대적인 인성을 향상시키는 데 있어서, V: 0.10∼1.50％를 포함하는 열간 공구강의 성분 조성을 갖는 것이 바람직하다. 그리고, 일 구체예로서는, C:0.30∼0.50％, Si:2.00％ 이하, Mn:1.50％ 이하, P:0.0500％ 이하, S:0.0500％ 이하, Cr:3.00∼6.00％, (Mo+1/2W)의 관계식에 의한 Mo 및 W 중 1종 또는 2종:0.50∼3.50％, V:0.10∼1.50％, 잔부 Fe 및 불순물의 성분 조성을 갖는 것이 바람직하다.

ㆍC:0.30∼0.50질량％(이하, 간단히 「％」로 표기)

C는 일부가 기지 중에 고용되어 강도를 부여하고, 일부는 탄화물을 형성함으로써 내마모성이나 내시징성을 높이는, 열간 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, 열간 공구를 고강도화하는 작용)도 기대된다. 단, 과도한 첨가는 인성이나 열간 강도의 저하를 초래한다. 따라서, 0.30∼0.50％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.34％ 이상이다. 또한, 보다 바람직하게는 0.40％ 이하이다.

ㆍSi:2.00％ 이하

Si는 제강 시의 탈산제이지만, 너무 많으면 켄칭 템퍼링 후의 공구 조직 중에 페라이트의 생성을 초래한다. 따라서, 2.00％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1.00％ 이하이다. 더욱 바람직하게는 0.50％ 이하이다. 한편, Si에는 재료의 피삭성을 높이는 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위해서는, 0.20％ 이상의 첨가가 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.30％ 이상이다.

ㆍMn:1.50％ 이하

Mn은, 너무 많으면 기지의 점도를 상승시켜, 재료의 피삭성을 저하시킨다. 따라서, 1.50％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1.00％ 이하이다. 더욱 바람직하게는 0.75％ 이하이다. 한편, Mn에는, 켄칭성을 높이고, 공구 조직 중의 페라이트의 생성을 억제하여, 적합한 켄칭 템퍼링 경도를 얻는 효과가 있다. 또한, 비금속 개재물인 MnS로서 존재함으로써, 피삭성의 향상에 큰 효과가 있다. 이들 효과를 얻기 위해서는, 0.10％ 이상의 첨가가 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.25％ 이상이다. 더욱 바람직하게는 0.45％ 이상이다.

ㆍP:0.0500％ 이하

P는, 통상, 첨가하지 않아도, 각종 열간 공구 재료에 불가피적으로 포함될 수 있는 원소이다. 그리고, 템퍼링 등의 열처리 시에 구오스테나이트 입계에 편석하여 입계를 취화시키는 원소이다. 따라서, 열간 공구의 인성을 향상시키기 위해서는, 첨가하는 경우도 포함시켜, 0.0500％ 이하로 규제하는 것이 바람직하다.

ㆍS:0.0500％ 이하

S는, 통상, 첨가하지 않아도, 각종 열간 공구 재료에 불가피적으로 포함될 수 있는 원소이다. 그리고, 열간 가공 전의 소재 시에 있어서 열간 가공성을 열화시켜, 열간 가공 중의 소재에 균열을 발생시키는 원소이다. 따라서, 상기의 열간 가공성을 향상시키기 위해서는, 0.0500％ 이하로 규제하는 것이 바람직하다. 한편, S에는, 상술한 Mn과 결합하여, 비금속 개재물인 MnS로서 존재함으로써, 피삭성을 향상시키는 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위해서는, 0.0300％ 이상의 첨가가 바람직하다.

ㆍCr:3.00∼6.00％

Cr은, 켄칭성을 높이고, 또한 탄화물을 형성하여, 기지의 강화나 내마모성, 인성의 향상에 효과를 갖는 열간 공구 재료의 기본 원소이다. 단, 과도한 첨가는, 켄칭성이나 고온 강도의 저하를 초래한다. 따라서, 3.00∼6.00％로 하는 것이 바람직하다. 그리고, 보다 바람직하게는 5.50％ 이하이다. 더욱 바람직하게는 5.00％ 이하이다. 특히 바람직하게는 4.50％ 이하이다. 또한, 보다 바람직하게는 3.50％ 이상이다. 본 발명에서는, 열간 공구 조직의 미세화에 의한 인성 향상의 효과를 얻고 있으므로, 그 효과만큼의 Cr을 낮추는 것이 가능하다. 이 경우, 예를 들어 Cr을 5.00％ 이하로 함으로써, 나아가 4.50％ 이하로 함으로써, 열간 공구의 고온 강도의 한층 더한 향상을 달성할 수 있다.

ㆍ(Mo+1/2W)의 관계식에 의한 Mo 및 W 중 1종 또는 2종:0.50∼3.50％

Mo 및 W는, 템퍼링에 의해 미세 탄화물을 석출 또는 응집시켜 강도를 부여하고, 연화 저항을 향상시키기 위해 단독 또는 복합으로 첨가할 수 있다. 이때의 첨가량은, W가 Mo의 약 2배의 원자량이기 때문에, (Mo+1/2W)의 관계식에 의해 정의되는 Mo당량으로 함께 규정할 수 있다(당연히, 어느 한쪽만의 첨가로 해도 되고, 양쪽을 모두 첨가할 수도 있다). 그리고, 상기의 효과를 얻기 위해서는, (Mo+1/2W)의 관계식에 의한 값으로, 0.50％ 이상의 첨가가 바람직하다. 보다 바람직하게는 1.50％ 이상이다. 더욱 바람직하게는 2.00％ 이상이다. 단, 너무 많으면 피삭성이나 인성의 저하를 초래하므로, (Mo+1/2W)의 관계식에 의한 값으로, 3.50％ 이하가 바람직하다. 보다 바람직하게는 3.00％ 이하이다. 더욱 바람직하게는 2.50％ 이하이다.

ㆍV:0.10∼1.50％

V는, 탄화물을 형성하여, 기지의 강화나 내마모성, 템퍼링 연화 저항을 향상시키는 효과를 갖는다. 그리고, 어닐링 조직 중에 분포한 V의 탄화물은, 켄칭 가열 시의 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제하는 "핀 고정 입자"로서 작용하여, 인성의 향상에 기여한다. 이들 효과를 얻기 위해서는 0.10％ 이상의 첨가가 바람직하다. 그리고, 본 발명에 있어서는, 열간 공구 조직의 미세화를 더욱 진행시키는 데 있어서, V를 첨가하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.30％ 이상이다. 더욱 바람직하게는 0.50％ 이상이다. 단, 너무 많으면 피삭성이나, 탄화물 자체의 증가에 의한 인성의 저하를 초래하므로, 1.50％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1.00％ 이하이다. 더욱 바람직하게는 0.80％ 미만이다.

그리고, 상기 원소종 외에는, 하기 원소종의 함유도 가능하다.

ㆍNi:0∼1.00％

Ni는 기지의 점도를 상승시켜 피삭성을 저하시키는 원소이다. 따라서, Ni의 함유량은 1.00％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.50％ 미만, 더욱 바람직하게는 0.30％ 미만이다. 한편, Ni는 공구 조직 중의 페라이트의 생성을 억제하는 원소이다. 또한, C, Cr, Mn, Mo, W 등과 함께 공구 재료에 우수한 켄칭성을 부여하고, 켄칭 시의 냉각 속도가 완만한 경우라도 마르텐사이트 주체의 조직을 형성하여, 인성의 저하를 방지하기 위한 효과적 원소이다. 또한, 기지의 본질적인 인성도 개선하므로, 본 발명에서는 필요에 따라서 첨가해도 된다. 첨가하는 경우, 0.10％ 이상의 첨가가 바람직하다.

ㆍCo:0∼1.00％

Co는 인성을 저하시키므로, 1.00％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, Co는, 열간 공구의 사용 중에 있어서, 그 승온 시의 표면에 매우 치밀하고 밀착성이 좋은 보호 산화 피막을 형성한다. 이 산화 피막은, 상대재와의 사이의 금속 접촉을 방지하여, 공구 표면의 온도 상승을 억제함과 함께, 우수한 내마모성을 가져온다. 따라서, Co는 필요에 따라서 첨가해도 된다. 첨가하는 경우, 0.30％ 이상의 첨가가 바람직하다.

ㆍNb:0∼0.30％

Nb는 피삭성의 저하를 초래하므로, 0.30％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, Nb는, 탄화물을 형성하여, 기지의 강화나 내마모성을 향상시키는 효과를 갖는다. 또한, 템퍼링 연화 저항을 높임과 함께, V와 마찬가지로, 결정립의 조대화를 억제하여, 인성의 향상에 기여하는 효과를 갖는다. 따라서, Nb는 필요에 따라서 첨가해도 된다. 첨가하는 경우, 0.01％ 이상의 첨가가 바람직하다.

Cu, Al, Ca, Mg, O(산소), N(질소)은 불가피적 불순물로서 강 중에 잔류할 가능성이 있는 원소이다. 본 발명에 있어서, 이들 원소는 가능한 한 낮은 편이 바람직하다. 그러나 한편, 개재물의 형태 제어나, 그 밖의 기계적 특성, 그리고 제조 효율의 향상 등의 부가적인 작용 효과를 얻기 위해서, 소량을 함유해도 된다. 이 경우, Cu≤0.25％, Al≤0.040％, Ca≤0.0100％, Mg≤0.0100％, O≤0.0100％, N≤0.0300％의 범위이면 충분히 허용할 수 있고, 본 발명의 바람직한 규제 상한이다. Al에 대하여, 보다 바람직하게는 0.025％ 이하이다.

(2) 본 발명의 열간 공구 재료는, 어닐링 조직의 단면 중의 페라이트 결정립이, 페라이트 결정립의 단면적을 기준으로 한 오버 사이즈의 누적 분포에 있어서, 누적 단면적이 전체 단면적의 90％일 때의 입경이 원 상당 직경으로 25㎛ 이하인 입경 분포를 갖는 것이다.

본 발명자는, 어닐링 조직을 갖는 열간 공구 재료가 켄칭 온도(오스테나이트 온도 영역)로 가열되고, 급냉된다고 하는 일련의 켄칭 공정에 있어서, 어닐링 조직으로부터 마르텐사이트 조직이 생성되어 갈 때까지의 거동을 확인하였다. 먼저, 열간 공구 재료가 켄칭 온도를 향하여 가열되어 가는 과정에서, 온도가 A₁점에 도달하였을 때부터, 어닐링 조직 중의 페라이트 결정립의 입계에 우선적으로 「새로운 오스테나이트 결정립」이 석출되기 시작한다. 다음에, 열간 공구 재료가 켄칭 온도에 도달하여, 소정 시간 유지되는 과정에서, 어닐링 조직 모두는, 실질적으로, 새로운 오스테나이트 결정립으로 교체된다. 그리고, 켄칭 온도로 유지된 후의 열간 공구 재료를 냉각함으로써, 금속 조직이 마르텐사이트 변태하여, 상기의 새로운 오스테나이트 결정립의 입계가 「구오스테나이트 입계」로서 확인되는 마르텐사이트 조직으로 되어, 켄칭이 완료된다. 이 구오스테나이트 입계에서 형성되는 「구오스테나이트 입경」의 분포 상황(입경의 값)은 다음에 템퍼링된 후의 금속 조직(즉, 완성된 열간 공구의 조직)에 있어서도, 실질적으로 유지되고 있다.

따라서, 열간 공구의 조직을 미세하게 하기 위해서는, 즉, 조직 중의 구오스테나이트 입경을 작게 하기 위해서는, 상기의 켄칭 공정에 있어서, 페라이트 결정립의 입계에 석출되는 새로운 오스테나이트 결정립을 미세하게 유지하면 된다. 그리고, 그를 위해서는, 새로운 오스테나이트 결정립이 석출된 후에 있어서, 그것이 크게 성장하지 않도록 억제하면 된다. 따라서, 본 발명자는, 예의 연구의 결과, 켄칭 가열 전의 시점에서, 열간 공구 재료의 어닐링 조직의 페라이트 결정립을 미세하게 조정해 두면, 상기의 켄칭 공정에 있어서, 새로운 오스테나이트 결정립의 성장을 억제할 수 있는 것을 발견하였다. 즉, 이 원리는, 켄칭 가열 전의 어닐링 조직 중의 페라이트 결정립을 미세하게 해 둠으로써, 페라이트 결정립의 입계 밀도를 크게 해 두는 것에 의한다. 페라이트 결정립의 입계 밀도를 크게 해 두면, 켄칭 가열 시에 오스테나이트 결정립이 석출되는 입계(석출 사이트)가 많고, 또한, 밀하게 된다. 그리고, 이것에 의해, 많이, 또한, 밀하게 석출된 오스테나이트 결정립은, 그들끼리의 거리가 충분히 가깝기 때문에, 서로의 성장을 서로 억제한다. 그 결과, 켄칭 온도로 유지된 후의 열간 공구 재료를 냉각할 때에는, 상기의 오스테나이트 결정립은 미세한 채로의 상태로 냉각되므로, 켄칭 후의 조직 중에 확인되는 구오스테나이트 입경은 미세하여, 미세한 조직을 얻을 수 있다.

그리고, 본 발명자는, 열간 공구 재료의 어닐링 조직 중의 페라이트 결정립의 미세화에 대하여, 검토를 더욱 거듭하였다. 그 결과, 이 어닐링 조직의 단면 중의 페라이트 결정립의 입경을, 페라이트 결정립의 단면적을 기준으로 한 오버 사이즈의 누적 분포에 있어서, 누적 단면적이 전체 단면적의 90％일 때의 원 상당 직경에 의한 입경으로, 25㎛ 이하의 입경 분포로 될 때까지 미세화함으로써, 상기의 석출 사이트를 충분히 많이, 또한, 밀하게 할 수 있는 것을 발견하였다. 바람직하게는 20㎛ 이하의 입경 분포이다. 그리고, 이것에 의해, 켄칭 후의 조직 중의 구오스테나이트 입경을, No.9.0의 입도 번호에 그치지 않고, No.10.0(평균 입경으로 13㎛ 정도) 등의 No.9.0을 초과하는 입도 번호로까지 미립화할 수 있는 것을 알아냈다. 그리고, 이 미세화된 구오스테나이트 입경은, 다음의 템퍼링 후에 있어서도, 실질적으로 유지되는 것을 확인하였다.

여기서, 본 발명이 페라이트 결정립의 입경 평가에 사용하는, 상술한 「입경 분포」의 측정 방법에 대하여 설명한다. 먼저, 열간 공구 재료의 단면 조직을 현미경 관찰하여, 이 단면에 있는 페라이트 결정립의 집합체로부터 개개의 페라이트 결정립을 식별할 필요가 있다. 이 식별 방법에는, 예를 들어 EBSD(전자선 후방 산란 회절 분석)를 이용할 수 있다. EBSD란, 결정성 시료의 방위 해석을 행하는 방법이다. 이에 의해, 단면 조직 중의 개개의 결정립이 "동일한 방위를 갖는 단위"로서 식별되고, 즉, 결정립의 결정립계를 두드러지게 할 수 있다. 그 결과, 페라이트 결정립의 집합체를 개개의 페라이트 결정립으로 구별할 수 있다. 도 1의 (b)는 후술하는 실시예에서 평가한 열간 공구 재료 A의 단면 조직에 대하여, 그 EBSD에 의해 얻어진 결정립계도의 일례이다. 이때, 도 1의 (b)는 EBSD의 회절 패턴을 해석하여, 방위차 15° 이상의 대각 입계를 도시한 것이다. 그리고, 도 1의 (b)에 있어서, 미세한 선으로 복수개로 구획된 하나하나의 구획이 페라이트 결정립이다.

다음에, 결정립계도에서 얻어진 상기의 페라이트 결정립에 대하여, 화상 해석 소프트를 사용하여, 그 개개의 페라이트 결정립의 입경(단면적)을 구하고, 그 값을 원 상당 직경으로 환산한다. 그리고, 이 환산에 의해 얻은 개개의 페라이트 결정립의 원 상당 직경을 사용하여, 그들의 존재 비율에 의한 입경 분포를 작성한다. 이때, 존재 비율의 기준은, 결정립의 단면적을 기준으로 한다. 그리고, 입경 분포는, 결정립의 입경이 작은 측을 제로로 한 「오버 사이즈」의 누적 분포를 채용한다. 즉, 본 발명이 평가에 사용하는 입경 분포는, 결정립의 누적 단면적(％)을 종축으로 하고, 결정립의 원 상당 직경을 횡축으로 한 「우상향의 누적 분포도」로 표시된다. 도 3은 이 오버 사이즈의 누적 분포에 의한 입경 분포의 일례이다.

그리고, 상술한 요령에 의해 페라이트 결정립의 입경 분포를 파악한 후에, 이 입경 분포로부터, 누적 단면적이 전체 단면적의 90％일 때(소위, d₉₀)의 페라이트 결정립의 원 상당 직경을 확인한다. 도 3의 경우, 상기의 d₉₀의 값은 19㎛ 및 31㎛이다. 그리고, 본 발명의 경우, 이 d₉₀의 값이 25㎛ 이하이면, 켄칭 가열 시에 있어서의 새로운 오스테나이트 결정립의 석출 사이트가 충분히 많고, 또한, 밀하다. 그리고, 켄칭 템퍼링 후에는, 이미 설명한 원리에 의해, 구오스테나이트 입경이, 예를 들어 No.9.0 이상의 미세한 조직을 안정적으로 얻을 수 있다.

또한, 상기의 d₉₀의 값에 대해서는, 본 발명의 열간 공구 조직의 미세화 효과를 얻는 점에서, 작을수록 좋고, 그 하한을 설정하는 것을 요하지 않는다. 단, 실조업에서 달성이 가능한 값으로 하고, 그 하한은 예를 들어 10㎛ 정도이다.

통상, 어닐링 조직을 가진 열간 공구 재료는, 강괴 또는 강괴를 분괴 가공한 강편으로 되는 소재를 출발 재료로 하여, 이것에 다양한 열간 가공이나 열처리를 행하여 소정의 강재로 하고, 이 강재에 어닐링 처리를 행하여 마무리된다. 그리고, 본 발명의 열간 공구 재료의 어닐링 조직은, 예를 들어 상기의 열간 가공 시의 가공비를 높게 하는 것 외에(예를 들어, 5 이상의 가공비), 그 열간 가공 시의 실가공 시간을 짧게 하는 것(예를 들어, 20분 이내)이나, 열간 가공 도중에 행하는 재가열의 횟수를 줄이는 것(예를 들어, 재가열 자체를 행하지 않는 것) 등을, 소재의 크기에 따라서 적용함으로써, 달성이 가능하다. 그리고, 열간 가공 후의 강재에 행하는 어닐링 처리는, 그 처리 온도를, 오스테나이트 변태점 이상이나, 또는, 오스테나이트 변태점 근방의 온도로 하는, 통상의 조건으로 할 수 있다.

(3) 본 발명의 열간 공구의 제조 방법은, 상술한 본 발명의 열간 공구 재료에 켄칭 및 템퍼링을 행하는 것이다.

본 발명의 열간 공구 재료에 켄칭을 행함으로써, 그 마르텐사이트 변태 후의 켄칭 조직 중의 구오스테나이트 결정립의 입경을 작게 할 수 있다. 그리고, 이 구오스테나이트 결정립의 입경은, 다음의 템퍼링 후에 있어서도, 실질적으로 유지된다. 따라서, 본 발명의 열간 공구 재료에 켄칭 템퍼링을 행함으로써, 열간 공구의 인성을 향상시킬 수 있다. 인성의 향상의 정도에 대해서는, 예를 들어 L 방향, 2㎜ U노치의 조건에 의한 샤르피 충격 시험에서, 50(J/㎠) 이상의 샤르피 충격값을, 안정적으로 달성할 수 있다.

그리고, 구오스테나이트 결정립의 입경에 대해서는, 예를 들어 JIS-G-0551에 준거한 입도 번호로 No.9.0 이상으로 할 수 있다. 바람직하게는 No.9.5 이상이다. 보다 바람직하게는 No.10.0 이상이다. JIS-G-0551에 준거한 입도 번호는, 국제 규격인 ASTM-E112에 준거한 입도 번호와 등가로 취급할 수 있다.

켄칭 템퍼링 후의 조직 중의 구오스테나이트 결정립을 확인함에 있어서는, 그 확인을, 템퍼링 전의 「켄칭 시」의 조직에 의해 행할 수 있다. 이 이유는, 켄칭 시의 조직의 경우, 미세한 템퍼링 탄화물이 석출되어 있지 않아, 구오스테나이트 결정립의 확인이 용이하기 때문이다. 그리고, 이 켄칭 시에 있어서의 구오스테나이트 결정립의 입경은, 템퍼링 후에 있어서도 유지된다.

본 발명의 열간 공구 재료는, 켄칭 및 템퍼링에 의해 소정의 경도를 가진 마르텐사이트 주체의 조직(예를 들어, 일부에 베이나이트를 포함하는 조직을 포함함)으로 제조되어, 열간 공구의 제품으로 갖추어진다. 그리고, 이 사이, 상기의 열간 공구 재료는, 절삭이나 천공과 같은 각종 기계 가공 등에 의해, 열간 공구의 형상으로 갖추어진다. 이 기계 가공의 타이밍은, 켄칭 템퍼링 전의, 경도가 낮은 열간 공구 재료의 상태(즉, 어닐링 상태)에서 행하는 것이 바람직하다. 이 경우, 켄칭 템퍼링 후에 마무리의 기계 가공을 행해도 된다. 또한, 경우에 따라서는, 이 마무리의 기계 가공도 아울러, 켄칭 템퍼링을 행한 후의 프리하든 상태에서, 상기의 기계 가공을 일괄적으로 행해도 된다.

켄칭 및 템퍼링의 온도는, 소재의 성분 조성이나 목표 경도 등에 따라 상이하지만, 켄칭 온도는 대략 1000∼1100℃ 정도, 템퍼링 온도는 대략 500∼650℃ 정도인 것이 바람직하다. 예를 들어, 열간 공구강의 대표 강종인 SKD61의 경우, 켄칭 온도는 1000∼1030℃ 정도, 템퍼링 온도는 550∼650℃ 정도이다. 켄칭 템퍼링 경도는 50HRC 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 48HRC 이하이다. 또한, 40HRC 이상으로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 42HRC 이상이다.

실시예 1

표 1의 성분 조성을 갖는 소재 A, B(두께 50㎜×폭 50㎜×길이 100㎜)를 준비하였다. 또한, 소재 A, B는, JIS-G-4404의 규격 강종인 열간 공구강 SKD61이다. 다음에, 이들 소재를, 열간 공구강의 일반적인 열간 가공 온도인 1000℃로 가열하여, 열간 가공을 행하였다. 이때, 소재 A에 대해서는, 열간 가공 시의 가공비(단면적비)를 7S의 실체 단련으로 하고, 소재 B에 대해서는, 동 가공비를 3S의 실체 단련으로 하였다. 그리고, 소재 A, B 모두에, 열간 가공 중의 재가열은 행하지 않고, 5분의 실가공 시간으로 열간 가공을 종료하였다. 그리고, 이 열간 가공을 종료한 강재에 860℃의 어닐링을 행하여, 소재 A, B의 순번에 대응한, 열간 공구 재료 A, B를 제작하였다(경도 190HBW).

어닐링 처리 후의 열간 공구 재료 A, B의 단면 조직을 관찰하였다. 관찰한 단면은, 열간 공구 재료의 중심부로 하고, 그 열간 가공 방향(즉, 재료의 길이 방향)과 평행한 면으로 하였다. 관찰은 광학 현미경(배율 200배)으로 행하고, 관찰한 단면적은 0.16㎟(400㎛×400㎛)로 하였다. 관찰의 결과, 열간 공구 재료 A, B의 단면 조직은, 거의 전체가 페라이트상으로 점유되어 있고, 페라이트 결정립이 관찰한 단면의 99면적％ 이상을 점유하고 있었다.

다음에, 열간 공구 재료 A, B의 단면 조직 중의 페라이트 결정립의 분포 상황을 확인하였다. 먼저, 상기의 단면적이 0.16㎟인 단면 조직에 대하여, 배율이 200배인 EBSD 패턴을 해석하여, 방위차 15° 이상의 대각 입계로 구획된 결정립계도를 얻었다. 이 EBSD 패턴의 해석에는, 주사형 전자 현미경(Carl Zeiss ULTRA55)에 부속한 EBSD 장치(측정 간격 1.0㎛)를 사용하였다. 열간 공구 재료 A의 결정립계도를 도 1의 (b)에 도시한다. 열간 공구 재료 B의 결정립계도를 도 2의 (b)에 도시한다. 도 1, 도 2에는, 단면 조직의 광학 현미경 사진 (a)도 도시해 둔다(배율은 200배). 그리고, 전술한 요령에 따라서, 화상 해석 소프트를 사용하여, 상기의 결정립계도에 의해 얻어진 개개의 페라이트 결정립의 입경(단면적)을 구하고, 원 상당 직경으로 환산하였다. 그리고, 이 원 상당 직경에 의한 페라이트 결정립의 입경 분포를 확인하였다.

열간 공구 재료 A, B의 입경 분포를 도 3에 도시한다. 도 3에 있어서, 종축이 페라이트 결정립의 누적 단면적(％)이고, 횡축이 페라이트 결정립의 원 상당 직경이다. 그리고, 도 3의 결과로부터, 누적 단면적이 전체 단면적의 90％(d₉₀)인 원 상당 직경은, 열간 공구 재료 A가 19㎛, 열간 공구 재료 B가 31㎛이었다.

그리고, 단면 조직을 관찰한 후의 열간 공구 재료 A, B에, 1030℃로부터의 켄칭과, 630℃의 템퍼링을 행하여(목표 경도 43HRC), 열간 공구 재료 A, B의 순번에 대응한, 마르텐사이트 조직을 가진 열간 공구 A, B를 얻었다. 그리고, 열간 공구 A, B의 각각에 대하여, 그 중심 위치이며, 상기의 열간 가공 방향(즉, 재료의 길이 방향)과 평행한 면의 조직 중의 구오스테나이트 입경을 측정하고, JIS-G-0551(ASTM-E112)에 준거한 입도 번호로 평가하였다. 그 결과, 열간 공구 B의 입도 번호가 No.8.0이었던 것에 대하여, 열간 공구 A의 그것은 No.10.0의 미립이었다. 그리고, 열간 공구 A, B에 대하여, 샤르피 충격 시험(L 방향, 2㎜ U노치)을 실시한 바, 열간 공구 B의 충격값이 48J/㎠이었던 것에 대하여, 열간 공구 A의 충격값은 53J/㎠이며, 인성이 향상되었다. 이상의 결과를, 표 2에 통합하여 나타낸다.

실시예 2

표 3의 성분 조성을 갖는 열간 공구강의 소재 C, D(두께 50㎜×폭 50㎜×길이 100㎜)를 준비하였다. 다음에, 이들 소재를 1000℃로 가열하여, 열간 가공을 행하였다. 이때, 소재 C에 대해서는, 열간 가공 중의 재가열은 행하지 않고, 소재 D에 대해서는, 도중 1회의 재가열을 행하였다. 그리고, 소재 C, D 모두에, 열간 가공 시의 가공비(단면적비)는 7S의 실체 단련으로 하고, 5분의 실가공 시간(재가열 시간을 제외함)으로 열간 가공을 종료하였다. 그리고, 이 열간 가공을 종료한 강재에 860℃의 어닐링을 행하여, 소재 C, D의 순번에 대응한, 열간 공구 재료 C, D를 제작하였다(경도 190HBW).

그리고, 열간 공구 재료 C, D의 단면 조직을, 실시예 1과 동일한 요령으로 관찰하고, EBSD 해석에 의한 결정립계도를 얻었다. 열간 공구 재료 C의 결정립계도를 도 4의 (b)에 도시한다. 열간 공구 재료 D의 결정립계도를 도 5의 (b)에 도시한다. 도 4, 도 5에는, 단면 조직의 광학 현미경 사진 (a)도 도시해 둔다(배율은 200배). 열간 공구 재료 C, D의 단면 조직에 있어서, 거의 전체가 페라이트상으로 점유되어 있고, 페라이트 결정립이 관찰한 단면의 99면적％ 이상을 점유하고 있었다. 그리고, 열간 공구 재료 C, D의 페라이트 결정립의 입경 분포를 도 6에 도시한다. 도 6의 결과로부터, 누적 단면적이 전체 단면적의 90％(d₉₀)인 원 상당 직경은, 열간 공구 재료 C가 22㎛, 열간 공구 재료 D가 44㎛이었다.

그리고, 단면 조직을 관찰한 후의 열간 공구 재료 C, D에, 1030℃로부터의 켄칭과, 650℃의 템퍼링을 행하여(목표 경도 43HRC), 열간 공구 재료 C, D의 순번에 대응한, 마르텐사이트 조직을 가진 열간 공구 C, D를 얻었다. 그리고, 열간 공구 C, D의 각각에 대하여, 그 중심 위치이며, 상기의 열간 가공 방향(즉, 재료의 길이 방향)과 평행한 면의 조직 중의 구오스테나이트 입경을 측정하고, JIS-G-0551(ASTM-E112)에 준거한 입도 번호로 평가하였다. 그 결과, 열간 공구 D의 입도 번호가 No.6.5이었던 것에 대하여, 열간 공구 C의 그것은 No.10.0의 미립이었다. 그리고, 열간 공구 C, D에 대하여, 샤르피 충격 시험(L 방향, 2㎜ U노치)을 실시한 바, 열간 공구 D의 충격값이 47J/㎠이었던 것에 대하여, 열간 공구 C의 충격값은 51J/㎠이며, 인성이 향상되었다. 이상의 결과를, 표 4에 통합하여 나타낸다.

Claims

어닐링 조직을 갖고, 켄칭 템퍼링되어 사용되는 열간 공구 재료에 있어서,
상기 열간 공구 재료는 질량%로, C:0.30 내지 0.50%, Si:2.00% 이하, Mn:1.50% 이하, P:O.0500% 이하, S:0.0500% 이하, Cr:3.00 내지6.00%, (Mo+1/2W)의 관계식에 의한 Mo 및 W 중 1종 또는 2종:0.50 내지 3.50%, V:0.10 내지 1.50%, Ni:0 내지 1.00%, Co:0 내지 1.00%, Nb:0 내지 0.30%를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물인 성분 조성을 갖고,
상기 어닐링 조직의 단면 중의 페라이트 결정립은, 당해 페라이트 결정립의 단면적을 기준으로 한 오버 사이즈의 누적 분포에 있어서, 누적 단면적이 전체 단면적의 90%일 때의 입경이 원 상당 직경으로 25㎛ 이하인 입경 분포를 갖는 것을 특징으로 하는, 열간 공구 재료.
제1항에 기재된 열간 공구 재료에, 켄칭 템퍼링을 행하는 것을 특징으로 하는, 열간 공구의 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 켄칭 템퍼링을 행하여, 열간 공구의 조직 중의 구오스테나이트 입경을 JIS-G-0551에 준거한 입도 번호로 No.9.0 이상으로 하는 것을 특징으로 하는, 열간 공구의 제조 방법.