KR101909501B1 - 굽힘강도가 우수한 주강 및 이를 이용한 금형 및 공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 소재의 부품 성형에 사용하는 다양한 금형과 기타 공구 및 그 구성품에 대한 것으로 보다 상세하게는, 이들 금형 및 공구의 구성품에 합금공구강의 주조를 통해 제작된 부품이 적용되며, 해당 합금공구강의 경화 열처리 후 굽힙강도 향상을 위해 주조 중 적절량의 Ca 첨가를 통해 미세조직이 제어되는 것을 특징으로 한다.

Description

굽힘강도가 우수한 주강 및 이를 이용한 금형 및 공구 {CAST STEEL WITH EXCELLENT FLEXURAL STRENGTH AND TOOL AND DIE USING THE SAME}

본 발명은 금속 소재의 부품 성형에 사용하는 다양한 금형과 기타 공구에 관한 것으로, 보다 상세하게는 굽힘강도가 우수한 주강 및 이를 이용한 금형 및 공구의 구성품과 같은 강 부품에 관한 것이다.

합금공구강은 일반 구조용 강재에 비하여 다량의 탄소 및 기타 합금원소를 함유함으로써 높은 경도와 내마모성을 얻을 수 있는 것이 특징이다. 따라서, 합금공구강은 다양한 금형 및 공구의 주요 부품에 적용되고 있다.

합금공구강은 일반적으로 다음의 과정을 거쳐 최종 제품으로 완성된다.

(1) 주조: 특정 조성의 주괴(cast ingot)를 제작.

(2) 열간가공(단조, 압연 등): 수축공, 편석 등 주조 결함의 최소화와 중간제품 (판재, 각재, 봉재 등) 형상 성형.

(3) 구상화 열처리: 중간제품의 절삭가공을 용이하게 하기 위한 열처리.

(4) 1차 형상 가공(황삭, rough milling): 금형 및 공구 부품의 형상을 절삭 가공.

(5) 경화열처리: 담금질(quenching) 및 뜨임(tempering) 열처리를 통해 1차 가공된 부품의 경도 등 제반 물성을 용도에 맞게 제어.

(6) 2차 형상 가공(정삭, fine milling): 금형 및 공구의 부품의 최종 치수, 형상에 맞게 정밀 절삭 가공.

하지만, 합금공구강은 기본적으로 절삭 저항성이 높은 소재로서, 상기와 같은 과정들 중 1차 형상 가공에 많은 시간과 비용이 소모될 수 밖에 없다. 따라서 상기와 같은 단조·압연 소재(wrought alloy)를 절삭 가공하는 대신에, 금형 및 공구 부품의 1차 형상을 주조 과정에서 바로 형성하는 것이 고려될 수 있다. 이 경우, 상기 (2) 열간단조 과정이 생략되며, (3) 구상화 열처리 과정 및 (4) 1차 형상 가공 과정의 생략 혹은 최소화에 의한 비용 절감이 가능하다. 특히 (4) 1차 형상 가공 과정의 최소화, 즉 절삭량의 최소화는 공정 비용의 절감 외에도 원소재 손실량의 절감을 의미하여, 높은 비용 절감 효과를 가진다.

또한, 제한된 크기와 형태로 공급되는 단조·압연 소재의 경우, 대형 금형 및 공구의 구성시 다수의 부품으로 개별 가공 후 접합, 조립 등의 추가 공정이 증가하는 반면, 주강(cast steel)을 활용하는 경우 금형 및 공구의 크기나 형상에 대해 보다 높은 자유도를 가질 수 있다. 따라서 소재 및 가공 비용 절감, 공정 및 소재 유통 과정 단축에 의한 납기 단축, 제품 설계 및 설계 변경에 대한 유동적 대응 등의 많은 장점을 가진다.

그러나 동일한 합금조성에서 주조재는 높은 결함 밀도에 기인하여 단조·압연재에 비해 내구성이 낮을 수 밖에 없으며, 따라서 고강도 금속 소재의 성형에서와 같이 성형 조건이 가혹한 경우에 적용하기에는 한계가 있다. 통상적으로 금속 소재의 냉간 프레스 성형 용 금형에 대표적인 냉간금형강인 AISI-D2 (KS-STD11)에 기반한 조성의 주강(특허문헌 1)이 적용되어 왔다.

그러나, 특허문헌 1에 기재된 주강으로 제작된 금형 및 공구 부품은 근래의 고강도 금속 부품의 성형에 적용하기에는 부족한 내구성을 가지고 있으며, 따라서 차츰 그 적용량이 감소하고, 경제성이 낮은 단조·압연 소재로 대체되고 있다. 이는 금형 제조 비용의 상승으로 이어져, 해당 금형을 활용하여 제품을 생산하는 자동차, 전자 및 가전 등 제조업 전반의 가격 경쟁력 저하로 이어지게 되며, 따라서 보다 우수한 특성을 가지는 새로운 주강을 필요로 하게 되었다.

특허문헌 1 : 공개특허공보 제10-2002-0091375호(2002.12.06. 공개)

본 발명의 목적은 금형·공구 제작의 경제적 효율성을 제고하기 위해, 종래의 문제점을 해결할 수 있는 주강을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 구성품에 상기 주강이 적용된 금형 또는 공구를 제공하는 것이다.

상기 목적의 달성을 위해 본 발명에 따른 주강은 중량 %로, C: 0.9% 초과 내지 1.0% 이하, Cr: 5.0% 초과 내지 5.3% 미만, Mo: 1.2% 초과 내지 1.3% 미만, V: 0.4% 이상 내지 0.5% 미만, Si: 0.4% 이상 내지 0.5% 이하, Mn: 0.4% 이상 내지 0.5% 이하, Ni: 0.2% 이상 내지 0.25% 미만을 포함하고, Ca 또는 Ca 함유 화합물이 추가로 포함되되, 상기 Ca 함량이 주조 이전 원소재 중의 중량%로 0.02~0.2중량%이며, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 Ca 첨가량은 주조 이전 원소재 중의 중량%로 0.05~0.1%인 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 주강은 O의 함량이 120ppm 이하일 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 금형 또는 공구는, 그 구성품이 중량 %로, C: 0.9% 초과 내지 1.0% 이하, Cr: 5.0% 초과 내지 5.3% 미만, Mo: 1.2% 초과 내지 1.3% 미만, V: 0.4% 이상 내지 0.5% 미만, Si: 0.4% 이상 내지 0.5% 이하, Mn: 0.4% 이상 내지 0.5% 이하, Ni: 0.2% 이상 내지 0.25% 미만을 포함하고, Ca 또는 Ca 함유 화합물이 추가로 포함되되, 상기 Ca의 첨가량은 주조 이전 원소재 중의 중량%로 0.02~0.2%이며, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 주강 재질인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 합금 조성을 갖는 본 발명에 따른 주강은 합금 성분 제어, 특히 Ca 함량 제어를 통하여 기존 주강에 비해 굽힘 강도가 90% 이상 크게 향상될 수 있다.

이를 통하여, 본 발명에 따른 주강은 주조재임에도 우수한 내구성을 가질 수 있으며, 이에 따라, 금형 및 공구의 구성품에 적용될 수 있다.

도 1은 Ca 첨가량에 따른 굽힘강도의 변화를 나타낸 것이다.
도 2는 Ca 첨가에 의한 조직 미세화 효과를 나타낸 것으로, (a)는 Ca가 첨가되지 않은 비교예 1의 미세조직을, (b)는 Ca 첨가비가 0.05중량%인 발명예 2의 미세조직을 나타낸다.
도 3은 Ca 첨가에 의한 실시예 중의 산소 함량 변화를 나타낸 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 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 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 굽힘강도가 우수한 주강 및 이를 이용한 금형 및 공구에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

주강

본 발명에 따른 주강은 중량 %로, C: 0.9% 초과 내지 1.0% 이하, Cr: 5.0% 초과 내지 5.3% 미만, Mo: 1.2% 초과 내지 1.3% 미만, V: 0.4% 이상 내지 0.5% 미만, Si: 0.4% 이상 내지 0.5% 이하, Mn: 0.4% 이상 내지 0.5% 이하, Ni: 0.2% 이상 내지 0.25% 미만을 포함한다. 또한 본 발명에 따른 주강은 Ca 또는 Ca 함유 화합물이 추가로 포함되되, 상기 Ca의 첨가량은 주조 이전 원소재 중의 중량%로 0.02~0.2%이다. 상기 합금 성분들 외 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 주강에 포함되는 각 성분의 역할 및 함량에 대하여 설명하기로 한다.

[C: 0.9% 초과 1.0 중량% 이하]

탄소(C)는 미세조직 중 탄화물을 형성하며, 일부는 기지 중에 고용되어 마르텐사이트를 형성하고 강도를 높이는 역할을 한다. 따라서 소재에 경도와 내마모성, 경화능 (hardenability)을 부여하지만, 일반적으로 과잉 첨가 시 취화 (embrittlement)를 초래한다. 충분한 강화 효과를 위해 0.9중량%를 초과하는 함량이 요구되지만, 1.0중량%를 초과하는 함량에서는 비교예 1에서와 같이 취화에 의해 오히려 낮은 굽힘강도를 보이게 된다.

[Cr: 5.0% 초과 5.3% 미만]

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, 충분한 탄화물 형성을 위해 5.0중량%를 초과하는 함량이 필요하지만, 과다 첨가될 경우, 비교예 1에서와 같이 탄화물의 조대화에 의한 취화가 발생하는 원인이 되기도 하므로 5.3중량% 미만으로 제한한다.

[Mo: 1.2% 초과 1.3% 미만]

몰리브덴(Mo)은 탄화물 중에 고용되어 탄화물의 물성을 개선하고, 특히, 뜨임 열처리 중의 경도 저하를 억제하는 뜨임저항성(tempering resistance) 향상에 크게 기여한다. 특히 비교예 1에 비해 강화 원소인 C와 Cr 함량이 낮은 비교예 2-4, 실시예 1-3에서는 부족할 수 있는 강화 효과를 보충해 주는 중요한 원소이다. 그러나 그 우수한 효과에 반해 주조 후의 편석 경향이 강한 원소로서 재질의 불균일이나 주조재의 중심부 결함을 야기하는 원소이기도 하다.

따라서 본 발명에서는 상대적으로 낮은 C, Cr 함량을 고려하여 Mo의 함량이 1.2중량%를 초과하나, 편석에 의한 부정적 효과 및 Mo가 고가의 원소라는 점을 고려하여 1.3중량% 미만이 되게 첨가한다.

[V: 0.4% 이상 0.5% 미만]

바나듐(V)은 주조 과정에서 형성되는 일차탄화물(primary carbide) 형성을 촉진하여 내마모성을 강화하며, 500℃ 이상의 고온에서 뜨임 열처리 시 매우 미세한 VC 탄화물을 형성하여 기지를 강화시킴으로써 경도 및 내마모성 향상에 크게 기여한다. 따라서 비교예 1을 제외한 실시예에서와 같이 C 및 Cr 함량이 낮은 강종에서는 강화 효과의 보완을 위해 0.4중량% 이상의 V 첨가량이 필요하다. 그러나 V 함량의 증가는 탄화물의 조대화에 의한 취화의 문제점을 야기하므로 본 발명에서는 V 함량을 0.5중량% 미만으로 제한하였다.

[Si: 0.4% 이상 0.5% 이하]

실리콘(Si)은 기지의 고용 강화 효과가 크며, 피삭성 향상에 기여한다. 또한 Si는 Mo나 W 등과 함께 경화능과 연화저항성 향상에도 기여할 수 있다. 따라서 0.4중량% 이상의 Si 첨가가 바람직하지만, 과잉 첨가시에는 취화 및 과도한 잔류 오스테나이트 생성에 의한 조직 및 형상 불안정을 초래하므로 본 발명에서는 Si의 함량을 0.5중량% 이하로 제한하였다.

[Mn: 0.4% 이상 0.5% 이하]

망간(Mn)은 저렴한 비용으로 고용 강화와 경화능 향상 효과를 얻을 수 있기에 0.4중량% 이상의 첨가량이 긍정적인 효과를 가진다. 그러나 Mn의 함량이 0.5중량%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.

[Ni: 0.2% 이상 0.25% 미만]

니켈(Ni)은 철강 제품의 인성을 증가시키는 효과를 가지므로 0.2중량% 이상의 Ni 첨가는 주강의 내구성 향상에 기여할 수 있다. 그러나 한편으로 금형강에서는 잔류 오스테나이트 증가에 의한 경도 저하를 초래할 수 있는 바, 그 상한을 0.25중량% 미만으로 제한하였다.

[Ca: 0.02% 이상 0.2% 이하]

Ca는 MnS 개재물 구상화, 탈산 효과와 더불어 조직 미세화를 통하여 굽힘강도를 향상시키는 역할을 한다. 이러한 Ca는 Ca 자체로 또는 Ca-Si 와 같이 다른 원소와의 화합물의 형태로 첨가될 수 있다.

이때, Ca 함량은 주조 이전 원소재 중의 중량%로 0.02~0.2%가 바람직하다. 여기서, Ca 함량을 주조 이전의 원소재 중의 함량으로 정한 이유는, Ca의 경우, O와 결합하여 주조 후 최종 제품 상태에서는 Ca 함량이 일부 감소하는 것을 고려한 것이다. Ca 함량이 0.02중량% 이상부터 탈산 등에 의한 굽힘강도 향상 효과가 현저해진다. 그러나, Ca 함량이 0.2중량%를 초과하는 경우, 더 이상의 탈산이 이루어지지 않으며, 오히려 목표하는 굽힘강도가 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 도 1을 참조하면, Ca 함량은 주조 이전 원소재 중의 중량%로 0.05~0.1%인 것이 보다 바람직하다.

한편, 텅스텐(W)의 경우, Mo와 유사한 효과를 가지나 상대적인 첨가 효과는 Mo 보다 높은 것으로 알려져 있다. 즉, W는 보다 우수한 강화 효과를 가질 수 있다. 그러나, W의 경우, 편석에 의한 부정적 효과 역시 더욱 강화되므로, 본 발명에서는 W가 불순물 이외 의도적으로 첨가되지는 않는다.

주강 제조 방법

본 발명에 따른 주강은 이하 예와 같은 주조 공정으로 제조될 수 있으며, 공정 조건은 필요에 따라 변화될 수 있다.

이를 위해, 상기 조성을 만족시키기 위한 원소재를 고온에서 용해하여 용탕을 형성한다. Ca 또는 Ca 함유 화합물을 원소재 중에 미리 첨가해 두거나, 용탕의 형성 과정에 추가 첨가하며, 사용하는 첨가재의 종류에 상관없이 Ca의 원소재에 대한 중량비가 상기 조건을 만족시킬 수 있도록 한다.

금형 및 공구 구성품의 최종 형상에 근접하는 틀 (사형, 세라믹형 등)에 용탕을 주입하고 응고함으로써 제품의 1차 형상을 구현하며, 응고가 완료된 후 해당 중간 제품에 대해 최종 제품 형상과 치수에 보다 근접하기 위한 부가적인 절삭가공을 행해줄 수도 있다. 이때, 절삭 저항성을 감소시키기 위하여 구상화 열처리를 행해줄 수도 있으며, 해당 열처리는 700℃ 이상 900℃ 이하의 온도 범위에서 제품을 유지한 후 대기 중에서 냉각하는 경우보다 느린 속도로 상온까지 냉각해주는 과정이다.

이후, 제품에 대한 경화열처리를 행해주며, 이는 담금질과 뜨임 열처리로 구성된다. 담금질은 900℃ 이상 1100℃ 이하의 온도에서 제품을 유지한 후 600℃ 이하의 온도로 냉각하며, 뜨임은 담금질된 제품을 150℃ 이상 600℃ 이하의 온도에서 유지한 후 상온까지 냉각하는 과정이다. 상기의 뜨임 열처리는 제품의 물성 제어를 위해 2 회 이상 반복 수행하는 것이 가능하다.

상기 열처리 공정들에서 제품의 고온 유지 시간은 제품의 크기에 의존하며, 일반적으로 1 인치 (25.4 mm) 당 1 시간 정도로 환산하여 설정하나, 제품의 형상과 열처리로의 종류, 열처리 분위기(atmosphere) 등의 상황에 따라서 제조자가 결정할 수 있다. 이는 승온 및 냉각 속도에 대해서도 적용되는 사항이며, 최종 제품에 요구되는 특성을 만족시키는 선에서는 특별한 제약을 두지 않는다.

실시예

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

표 1에 본 실시예에서의 합금 조성과 원소재 중 Ca의 첨가비를 나타내었고, 1030℃에서 담금질, 520℃에서 뜨임 열처리 후 굽힘강도를 나타내었다.

담금질 및 뜨임 열처리에는 진공 열처리로를 활용하였으며, 이 때 시험편들은 대략 5℃/min의 속도로 승온하였으며, 또한 유사한 속도로 냉각하였다. 담금질 시 고온 유지 시간은 30분 이었고, 뜨임 열처리 시는 120분 이었으며, 동일한 뜨임 열처리를 2회 반복 수행하였다. 굽힘강도는 상기의 과정을 통해 제작된 시험편을 ASTM C1161 혹은 KS L 1591에 따른 4-점굽힘시험을 통해 측정하였다.

표 1은 실시예 조성(질량비, %), Ca 첨가비와 굽힘강도, 산소 함량(질량비, ppm)를 나타낸 것이다.

[표 1](단위 : 중량%, 단 Ca의 경우 원소재 기준)

비교예 1은 기존의 냉간금형용 주강으로서, 비교예 2-4, 발명예 1-3에 해당하는 합금조성의 적용을 통해 굽힘강도가 90% 이상 향상되는 것을 볼 수 있다. 비교예 2-4, 발명예 1-3에서 Ca 첨가재의 효과를 확인할 수 있으며, 이는 도 1을 통해 보다 뚜렷히 확인된다.

Ca의 추가 첨가를 통해 발명예 1-3에서 굽힘강도의 뚜렷한 향상 효과를 확인할 수 있다. 또한, 도 1을 참조하면, Ca 함량이 0.05~0.1중량%인 발명예 2~3의 경우 보다 높은 굽힘강도를 나타내었다. 그러나 Ca의 첨가량이 0.1%를 초과하면서부터는 굽힘강도가 감소하는 것을 볼 수 있다. Ca의 첨가에 의한 굽힘강도의 향상은 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 일차적으로는 조직의 미세화에 기인하는 것으로 볼 수 있다.

또 한편으로 Ca는 대부분의 강재에서 불가피하게 검출되는 MnS 개재물을 구상화하며, 탈산제로서의 역할도 수행하므로 주조재의 물성 개선에 기여한 것으로 판단된다.

Ca 첨가에 의한 탈산 효과를 도 3에서 확인할 수 있으며, 탈산 효과가 발명예 2를 중심으로 극대화되는 것을 볼 수 있다. Ca가 첨가되지 않은 비교예 2에 비해 발명예 2에서 주강 중의 O 함량은 40% 수준 감소하는 것을 볼 수 있으며, 해당 요인 역시 굽힘강도 및 내구성 향상에 기여하는 것으로 판단된다.

비교예 2-4 및 발명예 1-3에서 Ca 외에 발명예 중의 합금원소 함량 차이는 제조공정에서 충분히 발생할 수 있는 오차 수준으로 볼 수 있다. 사실상 이들의 합금조성은 거의 동일한 수준으로 판단되며, 따라서 Ca 첨가량 및 그에 의한 O 함량을 제외한 해당 실시예들 간의 미세한 조성 차이가 그 특성에 미치는 효과는 무시할 수 있는 것으로 판단된다.

그러나 기존의 범용 소재인 비교예 1에 비해서는 조성 상에 상당한 차이를 보이며, 그 효과로서 굽힘강도에 큰 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다.

본 발명은 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (6)

1. 중량 %로, C: 0.9% 초과 내지 1.0% 이하, Cr: 5.0% 초과 내지 5.3% 미만, Mo: 1.2% 초과 내지 1.3% 미만, V: 0.4% 이상 내지 0.5% 미만, Si: 0.4% 이상 내지 0.5% 이하, Mn: 0.4% 이상 내지 0.5% 이하, Ni: 0.2% 이상 내지 0.25% 미만을 포함하고, Ca 또는 Ca 함유 화합물이 추가로 포함되되, 상기 Ca의 첨가량은 주조 이전 원소재 중의 중량%로 0.02~0.15%이며, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 주강.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 Ca 첨가량이 주조 이전 원소재 중의 중량%로 0.05~0.1%인 것을 특징으로 하는 주강.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 주강은 O의 함량이 120ppm 이하인 것을 특징으로 하는 주강.
   
4. 금형 또는 공구로서,
   그 구성품이 중량 %로, C: 0.9% 초과 내지 1.0% 이하, Cr: 5.0% 초과 내지 5.3% 미만, Mo: 1.2% 초과 내지 1.3% 미만, V: 0.4% 이상 내지 0.5% 미만, Si: 0.4% 이상 내지 0.5% 이하, Mn: 0.4% 이상 내지 0.5% 이하, Ni: 0.2% 이상 내지 0.25% 미만을 포함하고, Ca 또는 Ca 함유 화합물이 추가로 포함되되, 상기 Ca 첨가량이 주조 이전 원소재 중의 중량%로 0.02~0.15%이며, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 주강 재질인 것을 특징으로 하는 금형 또는 공구.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 Ca 첨가량이 주조 이전 원소재 중의 중량%로 0.05~0.1중량%인 것을 특징으로 하는 금형 또는 공구.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 주강은 O의 함량이 120ppm 이하인 것을 특징으로 하는 금형 또는 공구.

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