KR101989665B1 - 금형 강 및 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질량%로 환산하여, 0.220%≤C≤0.360%; 0.65%≤Si<1.05%; 0.43%≤Mn≤0.92%; 0.43%≤Ni≤0.92%; 0.67%≤0.5Mn+Ni≤1.30%; 10.50%≤Cr<12.50%; 0.05%≤Mo<0.50%; 0.002%≤V<0.50%; 0.001%≤N≤0.160%; 및 0.300%≤C+N≤0.420%와 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는, 금형 강에 관한다.

Description

금형 강 및 금형{MOLD STEEL AND MOLD}

본 발명은 금형 강 및 그의 금형에 관한 것으로, 특히 경도 및 내식성이 우수한 금형 강 및 그의 금형에 관한 것이다.

최근에 고강도를 달성하기 위해 경질 유리 섬유가 혼합된 플라스틱 제품이 증가하고 있다. 이러한 플라스틱 제품의 사출 성형에서, 금형의 마모가 발생된다. 금형이 마모되면, 그 마모가 제품으로 전달되어 제품의 표면 품질이 악화된다. 표면 품질이 열화된 제품은 시장성이 없어 폐기된다. 따라서 금형이 마모되지 않는 것이 중요하며, 내마모성을 확보하기 위해서는 금형에 높은 경도가 필요하다.

종래에는, 경질 유리 섬유가 혼합된 플라스틱의 사출 성형에 사용된 금형의 경도는 주로 45 내지 55 HRC(작업성의 관점에서, 일부 경우에는 경도가 상기 보다 낮은 상태로 조절된 금형을 사용하는 경우도 있음).

플라스틱 제품 성형용 금형에서는, 일반적으로 그 내부에 온도 조정용의 유로가 설치되고, 이 유로에 냉수, 온수, 증기 등을 유통시켜 금형의 온도를 제어한다. 그러나 내식성이 낮은 금형에서는 녹(rust)으로 인해 유로가 좁아져서 소정의 유속(냉수, 온수, 증기 등)을 확보할 수 없게 되어 온도 제어에 지장을 주게 된다.

또한, 녹이 증가하면 유로가 녹에 의해 막히게 되어 유로가 소용없게 된다.

또한, 내식성이 낮은 금형에서는, 녹 발생부를 기점으로 하여 균열이 발생하고, 그 균열의 발생으로 인해 금형이 파손되거나 냉수, 온수, 증기 등이 균열로부터 디자인 표면으로 침투하여 누출되고, 때로는 수지 제품에 악영향을 미친다.

또한, 금형의 표면은 성형될 수지로부터 생성된 가스에 의해 때로는 부식된다. 부식된 부분이 제품으로 옮겨지면 표면 품질이 저하된다. 이러한 이유로 금형에 높은 내식성이 요구된다.

또한, 금형으로서 사용하는 동안, 열 응력 또는 기계적 응력이 그에 반복적으로 가해진다. 이러한 가혹한 사용 환경하에서의 파손을 피하기 위해서, 금형에 대해서는 결정 입자의 미세성이 요구된다.

경도 및 내식성이 요구되는 플라스틱 사출 성형용 금형(또한 금형의 일부를 구성하는 부품들을 포함)은 일반적으로 용융 → 정련 → 주조 → 균질화 열처리 → 열간 가공 → 중간 열처리 → 어닐링(annealing) → 가공 작업 1(황삭 가공:rough machining) → ?칭(quenching) → 템퍼링(tempering) → 가공 작업 2(마감 가공) → 경면 연마(mirror polishing) 또는 텍스쳐링(texturing) 단계들을 통해 제조된다.

또한 일부 경우에 필요에 따라 표면 개질(PVD, CVD, 질화, 쇼트 블라스팅(shot blasting) 또는 쇼트 피닝(penning))이 적용된다.

이 제조 공정에서,(1) 열간 가공 후의 결정 입자 경계(grain boundary) 탄화물의 무석출,(2) 양호한 어닐링성 및(3) ?칭하는 동안의 펄라이트(pearlite)의 무석출이 금형 강에 요구된다.

열간 가공에서, 강철은 γ 단상(single phase)의 상태에 있으며, 원소를 형성하는 모든 탄소와 탄화물은 매트릭스에서 용해되는 고체이다. 열간 가공 후의 냉각 중에는 원소들의 고체 용해성이 온도의 감소에 의해 감소되고, 종종 γ 입자 경계에 탄화물이 석출되는 경우가 있다. 열간 가공 후에 석출된 입자 경계 탄화물은 후속 열처리(어닐링, ?칭 또는 템퍼링)에 의해 제거될 수 없다. 입자 경계 탄화물은 매트릭스 중에 분산된 이물질이 되어, 경면 연마에 의해 균일하고 평활한 표면을 얻는데 장해가 된다. 또한, 입자 경계 탄화물은 금형으로서 사용하는 동안 반복되는 응력에 기인한 파단의 기점이 된다. 따라서 "(1) 입자 경계 탄화물 석출의 어려움"이 요구된다.

어닐링성이 나쁜 경우, 연화를 위해 장시간에 걸친 복잡한 어닐링 조건들이 요구되고, 이는 재료비를 증가시킨다. 따라서, 상기 가공 작업 1을 수행할 수 있는 상태로의 연화는 단순한 열처리, 즉, "(2) 양호한 어닐링성"에 의해 달성되어야 할 필요가 있다.

또한 ?칭 중에 석출된 펄라이트는 후속하는 템퍼링에 의해 제거될 수 없다. 펄라이트는 매트릭스 중에 분산되어있는 이물질이 되어, 경면 연마에 의해 균일하고 매끄러운 표면을 얻기 위한 장해가 된다. 또한, 펄라이트는 금형으로서 사용하는 동안 반복되는 응력으로 인해 파손의 기점이 된다. 따라서 "(3) 펄라이트 석출의 어려움"이 요구된다.

종래에는, JIS SUS420J2가 내식성 및 약 52 HRC의 경도를 요구하는 금형 또는 그의 부품에 주로 사용되었다. 그 성분은 C가 0.4%, Si가 0.9%, Mn이 0.4%, Ni이 0.2%, Cr이 13%, N가 0.015%이다. SUS420J2는 상술한(2) 양호한 어닐링성의 조건을 만족하고, 15~60℃/Hr에서 850~950℃로부터 650℃ 까지 냉각시키는 간단한 어닐링 처리만 행한 후 자연 냉각에 의해 87~96 HRB로 연화한다.

그러나 SUS420J2는 상기(1) 및(3)의 조건을 만족시키지 못한다.

특히, 1,030℃의 ?칭 온도로부터 50℃/min의 고속으로 ?칭 냉각하더라도, 펄라이트의 석출을 피할 수 없다.

금형 내부의 ?칭 냉각 속도는 일반적으로(펄라이트가 석출되는 550 내지 850℃의 온도 범위에서) 10 내지 40℃/min이며, 따라서 펄라이트의 석출이 SUS420J2의 금형 내부에서 피할 수 없게 되어 금형으로서 사용하는 동안 파손의 위험이 증가한다.

상기 문제점에 대하여, SUS420J2의 성분을 크게 변화시킨 고 N 스테인레스 강이 사용되는 경우가 종종 있다. 이 강에서는 C 함량을 감소시킴으로써 상술한(1)의 문제점을 회피한다. N 함량이 증가함으로써 C 함량의 감소로 인한 강도의 감소를 보상할 수 있다. 또한,이 강에서는 C 함유량을 감소시키면서 Mn 함유량 또는 Ni 함유량을 증가시킴으로써 상기(3)의 문제점을 회피할 수 있다. 또한, 이 강에서는, C 함량을 감소하면서 Mn 함량 또는 Ni 함량을 증가시킴으로써, 상기(3)의 문제점을 회피 할 수 있다.

그러나 이러한 성분 조정의 결과로서, ?칭성이 과도하게 증가하고, 그에 따라서 상기(2)의 조건을 달성할 수 없다. 결과적으로 어닐링 또는 가공 작업 1(조 가공) 비용이 증가하거나 납품 시간이 지연 강제된다. 또한, 어닐링성이 나쁘기 때문에 ?칭하는 동안에 γ 메모리 효과가 발현하여, 열간 가공하는 동안 거친 입자가 ?칭 시에도 인계되어 금형으로서 사용하는 동안 균열이 발생하기 쉽다.

상기한 바와 같이, (1)플라스틱 사출 성형용 금형은 열간 가공 후의 결정 입자 경계 탄화물의 무석출,(2) 양호한 어닐링성,(3) ?칭하는 동안 펄라이트의 무석출 이외에도 높은 경도와 고 내식성을 요구한다. 그러나 이러한 특성을 만족시키는 금형 강 및 금형이 지금까지 제공되지 않았다.

다음의 특허 문헌 1 내지 7은 본 발명의 범위 내에 있은 10.5 내지 12.5%의 Cr을 함유하는 강을 개시한다. 그러나 이들 모든 강은 플라스틱 사출 성형용 강이 아니며, 하기와 같이 사용에서 본 발명과는 다르다. 또한, 이 강들은 고려해야 할 필수 원소와 특성이 다르다.

특허 문헌 1은 40 내지 47 HRC의 무절삭 공구 강을 개시한다. 그러나 특허 문헌 1에 기재된 강재는 경도가 높고 내식성이 높은 플라스틱 사출 성형 금형에 대해서는 침묵하고, 본질적으로 무 절단용으로 S가 첨가되어 있고, 경도 레벨이 본 발명의 레벨보다 낮은 점들에서 본 발명과 다르다. 이 강을 플라스틱 사출 성형 금형에 적용하면, 무절삭 부품의 영향으로 인하여 소정의 경면 마감 특성을 확보할 수 없고, 내마모성이 나쁘다고 추정하기 쉽다.

또한, 7.05 내지 15.0%의 범위에서 Cr을 함유하는 예는 개시되어 있지 않으므로, Cr을 상기 범위로 함유하는 효과는 발휘되지 않는다. 또한 입자 경계 탄화물 및 펄라이트의 어닐링성 또는 석출에 관심이 없다.

특허 문헌 2는 45 내지 63 HRC의 무절삭 공구 강을 개시한다. 그러나 특허 문헌 2에 기재된 강은 경도가 높고 내식성이 높은 플라스틱 사출 성형 금형에 대해서는 침묵하고, 본질적으로 무절삭용으로 S를 첨가하고, 경도 레벨이 본 발명의 경도보다 낮다는 점들에서 본 발명과 상이하다. 이 강을 플라스틱 사출 성형 금형에 적용한 경우, 무절삭 부품의 영향으로 인하여 소정의 경면 마감성을 확보할 수 없음을 용이하게 추측할 수 있다. 또한 입자 경계 탄화물 및 펄라이트의 어닐링성 또는 석출에 관심이 없다.

특허 문헌 3은 열간 가공용 합금 강을 개시한다. 그러나 특허 문헌 3에 기재된 강은 경도가 높고 내식성이 높은 플라스틱 사출 성형 금형에 대해 침묵하고 있으며, 기본 성분은 일부 경우에 C, Si, REM 및 N이다. 따라서, ?칭이 달성되지 않고, 또한 내식성이 얻어지지 않음을 쉽게 추정한다. 또한, 선택 원소로서의 Cr에 관해서는, 2.5~13.0%의 범위에서 Cr을 함유하는 예가 개시되어 있지 않으므로, Cr을 상기 범위로 함유하는 효과는 발휘되지 않았다. 또한 입자 경계 탄화물 및 펄라이트의 어닐링성 또는 석출에 관심이 없다.

특허 문헌 4는 탄화물 면적율이 5.5 내지 30%이고, 내식성이 우수한 다이 캐스트용 강을 개시한다. 그러나 특허 문헌 4에 기재된 강은, Ni를 필수성분으로 하지 않고, 첨가한 경우에도 고 Ni 함량의 효과를 발휘하지 않는 0.2%(실시예)만큼 낮은 양으로 첨가되고, 또한 Mo+0.5W는 필수이지만, 1.95% 이상(실시예)만큼 큰 양으로 첨가하여 낮은 Mo 함량의 효과를 발휘하지 않는다는 점에서 본 발명과 다르다. 또한, 탄화물이 다량으로 형성되기 때문에, 매우 다량의 C가 함유된다. 강을 플라스틱 사출 성형 금형에 적용하면, 탄화물의 영향으로 인하여 경면 마감성과 내식성이 감소되고, 기점 역할하는 탄화물로 인한 파손이 발생하는 것을 쉽게 추측한다. 또한 입자 경계 탄화물 및 펄라이트의 어닐링성 또는 석출에 관심이 없다.

특허 문헌 5는 직경 4.5 내지 20 mm의 스프링 강선을 개시한다. 그러나 특허 문헌 5에 기재된 강선은 플라스틱 사출 성형 금형에 대해서 침묵하고 V가 필수적이지 않다는 점에서 본 발명과 다르다.

V를 선택적으로 첨가한 경우에도, 0.5%(실시 예)의 큰 첨가량으로 저 V 함유의 효과를 발휘하지 않는다. 말할 필요도 없이, 직경 4.5 내지 20 mm의 강선은 금형에 적용할 수 없다. 또한 입자 경계 탄화물 및 펄라이트의 어닐링성 또는 석출에 관심이 없다.

특허 문헌 6 및 특허 문헌 7은 유정(oil well) 스테인리스 강관을 개시한다. 이들 특허 문헌에 기재된 스테인레스 강관은 플라스틱 사출 성형 금형에 대해서 침묵하고, Ni, Mo 및 V는 필수적이지 않다는 점에서 본 발명과 다르다. 또한, Si의 함량은 0.31% 이하로 낮고(실시예), 높은 Si 함량의 효과를 나타내지 않는다. 선택적으로 첨가된 Ni의 양은 적어도 1.63%(실시예)만큼 높고, 이는 낮은 Ni 함량의 효과를 나타내지 않는다. 선택적으로 첨가된 Mo의 양은 0.75%(실시예) 이상의 높은 수치이며, 이는 Mo 함량이 낮은 효과를 나타내지 않는다. 말할 필요도 없이, 강관을 금형에 적용할 수 없다. 또한 입자 경계 탄화물 및 펄라이트의 어닐링성 또는 석출에 관심이 없다.

다른 한편, 하기의 특허 문헌 8 및 특허 문헌 9는 플라스틱 사출 성형용의 고 크롬 강을 개시하고 있다. 그러나 이들 특허 문헌에 기재된 강재에서는, Cr 첨가량이 1.25% 이상으로 높기 때문에, 본 발명과는 상이하다.

또한, 특허 문헌 10은 Cr 첨가량에서 본 발명과 중첩되는 플라스틱 사출 성형용 금형 강을 개시한다. 그러나 본 발명은 특허 문헌 10의 실시 예로서 개시되어 있지 않은 Si, Mn 및 Ni의 성분 범위에 관한 것이며, 본 특허 문헌에 개시된 기술에 의해 얻을 수 없는 효과를 발견한다.

특허 문헌 1: 일본 공개 특허 공보 소 57-73171 호

특허 문헌 2: 일본 공개 특허 공보 소 57-73172 호

특허 문헌 3: 일본 공개 특허 공보 소 58-113352 호

특허 문헌 4: 일본 공개 특허 공보 2007-197784 호

특허 문헌 5: 일본 특허 공개 공보 2007-314815 호

특허 문헌 6: 일본 공개 특허 공보 2008-297602 호

특허 문헌 7: 일본 특허 공개 제2009-167476 호

특허 문헌 8: 일본 특허 공개 평성 8-253846 호

특허 문헌 9: JP-T-2004-503677

특허 문헌 10: JP-T-2010-539325

본 발명은 상술한 바와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그의 목적은 입자 경계화 탄화물의 석출이 어려우며, 어닐링성이 양호하고, 금형 제작 시에 펄라이트의 석출이 곤란하고, 금형 강 및 그의 금형으로 성형했을 때, 고 경도, 우수한 내식성 및 우수한 이전의 오스테나이트 결정 입자를 갖는 금형 강을 제공하기 위한 것이다.

즉, 본 발명은 하기(1)항 내지(8)항에 관한 것이다.

(1) 질량%로 환산하여,

0.220%≤C≤0.360%;

0.65%≤Si<1.05%;

0.43%≤Mn≤0.92%;

0.43%≤Ni≤0.92%;

0.67%≤0.5Mn+Ni≤1.30%;

10.50%≤Cr<12.50%;

0.05%≤Mo<0.50%;

0.002%≤V<0.50%;

0.001%≤N≤0.160%; 및

0.300%≤C+N≤0.420%

와 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되는, 금형 강.

통상적으로, 금형 강에 있어서, 하기의 성분이 불가피한 불순물로서 이하와 같은 범위 내에서 함유된다.

P≤0.05%, S≤0.006%, Cu≤0.30%, Al≤0.10%, W≤0.30%, O≤0.01%, Co≤0.30%, Nb≤0.004%, Ta≤0.004%, Ti≤0.004%, Zr≤0.004%, B≤0.0001%, Ca≤0.0005%, Se≤0.03%, Te≤0.005%, Bi≤0.01%, Pb≤0.03%, Mg≤0.02%, REM≤0.10%, 등.

(2) (1)항에 있어서, 질량%로 환산하여, 하기 것들 중 적어도 하나를 더 포함하는, 금형 강.

0.30%<W≤5.00%; 및

0.30%<Co≤4.00%.

(3) (1) 또는(2)항에 있어서, 질량%로 환산하여, 하기 것들 중 적어도 하나를 더 포함하는, 금형 강.

0.004%<Nb≤0.100%;

0.004%<Ta≤0.100%;

0.004%<Ti≤0.100%; 및

0.004%<Zr≤0.100%

(4) (1) 내지(3)항 중 어느 한 항에 있어서, 질량%로 환산하여, 하기 것을 더 포함하는, 금형 강.

0.10%<Al≤1.20%

(5) (1) 내지(4)항 중 어느 한 항에 있어서, 질량%로 환산하여, 하기 것을 더 포함하는, 금형 강.

0.30%<Cu≤3.0%

(6) (1) 내지(5)항 중 어느 한 항에 있어서, 질량%로 환산하여, 하기 것을 더 포함하는, 금형 강.

0.0001%<B≤0.0050%

(7) (1) 내지(6)항 중 어느 한 항에 있어서, 질량%로 환산하여, 하기 것들 중 적어도 하나를 더 포함하는, 금형 강.

0.006%<S≤0.050%;

0.0005%<Ca≤0.2000%;

0.03%<Se≤0.50%;

0.005%<Te≤0.100%;

0.01%<Bi≤0.50%; 및

0.03%<Pb≤0.50%

(8) (1) 내지(7)항 중 어느 한 항에 기재된 금형 강을 포함하는, 금형

본 발명에서, "금형"은 금형 본체뿐만 아니라 조립되어 사용되는 핀과 같은 금형 부품을 포함한다. 또한, "금형"은 본 발명의 강을 포함하며 표면 처리가 실시된 금형을 포함한다.

상기한 바와 같은 본 발명은, C 함량을 감소, Cr 함량을 감소, Mn 함량을 증가, Ni 함량을 증가 및 SUS420J2에 Mo를 첨가함에 의해 입자 경계 탄화물 및 펄라이트의 석출을 억제하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명에 의하면, 경도, 내식성 및 어닐성이 SUS420J2와 동일하게 확보되고, 또한 입자 경계 탄화물 및 펄라이트의 석출이 억제될 수 있다.

SUS420J2에서는 석출되는 탄화물이 Cr계 탄화물이기 때문에, 탄화물의 석출을 억제하기 위해서는 Cr 함량을 감소하는 것이 유효하다. 그러나 다른 한편, Cr 함량을 과도하게 감소시키면, 내식성 또는 어닐링성이 악화된다.

그 다음, 본 발명에서는, Cr 함량을 과도하게 감소시키지 않고 10.50%≤Cr<12.50%를 만족시키고, 이 Cr 함량하에서 Mn, Ni, Mo를 적당량 첨가함으로써 양호한 어닐성을 확보하면서 입자 경계 탄화물 및 펄라이트의 석출을 억제하고 있다.

본 발명에서는 C 함량의 감소로 인한 경도 감소를 보완하기 위해 N 함량을 증가시켰다. 또한, Mo의 첨가에 의해 Mo의 2차 경화에 의한 경도 보상 효과가 제공된다.

또한, Mn, Ni 및 Mo 함량을 과도하게 증가시키지 않음으로써 SUS420J2와 동일한 어닐링성을 확보하고, C 함량을 감소시키고, Cr 함량을 지나치게 감소시키지 않고, Ni 및 Mo 함량을 증가시킴으로써 SUS420J2와 동일한 내식성을 확보할 수 있었다.

또한, 본 발명에서는, ?칭하는 동안에 오스테나이트(γ) 결정 입자 경계를 탄화물로 고정하고, 미세한 결정 입자를 유지하기 위해서 V 함량을 증가시켰다. 이것은 V계 탄화물로 ?칭하는 동안 C 및 Cr 함량이 감소함으로 인한 Cr계 탄화물의 감소를 보상하기 위한 것이다. ?칭 중에 고체 용융된 V의 일부는 2차 경화에 의해 경도를 보상하는 효과를 발휘한다.

상기한 본 발명은 특히 사출 성형을 포함하는 플라스틱 사출 성형 금형 강 또는 고무 성형 금형 강으로서 적합하다. 그러나 본 발명은 냉간 프레스 성형 금형, 강판용 열간 스탬프 금형 또는 약물 분말을 정제로 응고시키기 위한 정제 봉형 금형과 같은 금형용 강으로서도 적합하다.

본 발명에 의하면, 금형 제작 시에 입자 경계 탄화물의 석출 어려움, 양호한 어닐링성 및 펄라이트 석출 어려움을 만족하고, 금형을 얻을 때의 금형 강 및 금형을 제공할 수 있으며, 금형은 높은 경도 및 우수한 내식성을 가지며, 미세한 오스테나이트 결정 입자를 갖는다.

도 1은 Si 함량이 가공성에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
도 2는 Si 함량이 열 전도율에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
도 3은 펄라이트 석출에 대한 Mn 함량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 4는 Mn 함량이 어닐링성에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
도 5는 펄라이트 석출에 대한 Mn 함량 및 Ni 함량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 6은 어닐링성에 대한 Mn 함량 및 Ni 함량의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 7은 델타 페라이트 석출에 대한 Mo 함량의 영향을 나타내는 그래프이다.

본 발명에서 각 화학성분의 한정 이유를 이하에 설명한다.

[상기(1)항의 화학성분에 대하여]

0.220%≤C≤0.360%

C<0.220%의 경우, 높은 내마모성을 확보하기 위해 필요한 높은 경도(45 HRC 이상)를 안정적으로 얻는 것이 어렵다. 0.360%<C의 경우, 내식성 또는 용접성이 감소된다. 또한, 0.360%<C의 경우, 입자 경계의 탄화물 또는 펄라이트가 석출되기 쉽다. 또한, 0.360%<C의 경우, ?칭 중에 잔류 오스테나이트가 증가하여 템퍼링 시에 경도 또는 크기를 조절하기가 어렵다.

C 함량의 바람직한 범위는 0.230%≤C≤0.350%이며, 각종 특성의 균형이 우수하고, N 함량이 많으면 0.230%≤C≤0.290%이고, N 함량이 적으면 0.290%≤C≤0.350%이다.

0.65%≤Si<1.05%

Si<0.65%의 경우, 가공 작업 중 가공성이 감소된다. 또한, Si<0.65%의 경우, 어닐링된 상태의 금속 조직 내의 탄화물 분포의 불균일성이 증가한다는 단점도 있다.

반면, 1.05%≤Si의 경우 열 전도율이 크게 감소한다. 사출 성형의 생산성을 향상시키기 위해서는, 금형에 주입되는 플라스틱의 경화 시간을 단축할 필요가 있고, 그 때문에, 높은 열 전도율을 갖는 금형 재료가 요구된다. Si는 강으로부터 C를 방출하는 작용을 가지므로, 1.05%≤Si의 경우 입자 경계 탄화물 또는 펄라이트가 쉽게 석출된다. 또한 델타 페라이트가 쉽게 생성된다. 델타 페라이트가 잔류하면, 경면 연마 특성에 악영향을 미쳐서 금형 파손의 시작점으로 작용할 수도 있다. 온도가 높을수록 쉽게 델타 페라이트가 석출된다. 따라서, 델타 페라이트를 피하기 위해, 높은 Cr 함량 및 높은 Si 함량의 강은 균일한 열처리 또는 저온에서의 열간 가공을 받게 된다. 온도를 낮춤으로써, 편석(segregation)을 감소시키는 것이 어렵게되어, 경면 연마 특성 또는 텍스쳐성(texturability)에 악영향을 미친다.

바람직한 Si 함량 범위는 이들 특성의 균형이 우수한 0.68%≤Si≤1.02%이고, 보다 바람직하게는 0.72%≤Si≤0.98%이다.

도 1은 Si 함량이 가공성에 미치는 영향을 보여준다.

기본 성분으로서 C: 0.32%, Mn: 0.67%, Ni: 0.71%, Cr: 12.2%, Mo: 0.22%, V: 0.24%, N: 0.040%를 포함하고, Si 함량을 변화시킨 재료를 97 HRB 미만으로 15℃/Hr에서 915℃ 내지 650℃ 까지 냉각한 후 자연 냉각하여 어닐링함으로써 연화시켰다. 이 성분 계는 SUS420J2에 비해 C 함량 및 Cr 함량이 적고 탄화물이 더 소량 함유되어 있다. 따라서 동일한 Si 함량이 1%의 경우에 비해 성분 계는 SUS420J2보다 우수한 가공성을 갖는다. 0.65%≤Si의 경우 가공성은 SUS420J2 시스템과 동등 또는 그 이상이다. 따라서, 본 발명에서는, Si 함량을 0.65%≤Si로 규정한다.

도 2는 Si 함량이 열 전도율에 미치는 영향을 나타낸다.

기본 성분으로서, C를 0.32%, Mn을 0.67%, Ni를 0.71%, Cr을 12.2%, Mo를 0.22%, V를 0.24%, N을 0.0.40%를 포함하며, Si 함량을 변화시킨 재료를 1,030℃로 ?칭하고, 505℃에서 템퍼링하였다. 그 후, 실온에서 열 전도율을 측정하였다. 이 성분 계는 C 함량 및 Cr 함량은 낮지만, SUS420J2보다 Mn 함량 및 Ni 함량이 높다. 따라서, 증가된 내용물 및 감소된 내용물의 영향이 상쇄되고, 그 열 전도율은 SUS420J2에 가깝다. 1.05%≤Si의 경우 열 전도율이 SUS420J2보다 더 감소된다. 따라서, 본 발명에서는, Si 함량을 Si<1.05%로 규정한다.

0.43%≤Mn≤0.92%

Mn<0.43%의 경우, 오스테나이트를 안정화시켜 펄라이트의 석출을 억제하는 효과가 작다. 또한, Mn<0.43%의 경우, 델타 페라이트의 석출 위험이 증가한다.

다른 한편, 0.92%<Mn의 경우, 어닐링성이 악화된다. 또한, 0.92%<Mn의 경우에는 열 전도율도 크게 감소된다. 또한, 0.92%<Mn의 경우, ?칭하는 동안의 잔류 오스테나이트가 많아져서, 템퍼링 시의 경도 또는 사이즈의 조정이 곤란하다.

Mn 함량의 바람직한 범위는 0.46%≤Mn≤0.90%이고, 각종 특성의 균형이 우수하고, 보다 바람직하게는 0.50%≤Mn≤0.88%이다.

높은 Cr 함유 강철의 경우, Ni의 첨가는 오스테나이트의 안정화(펄라이트의 석출 억제)에 매우 효과적이다. 그러나 다량의 Ni를 첨가하면 비용이 상당히 증가한다. 따라서, Ni와 같은 값싼 오스테나이트를 안정화시키는 원소인 Mn을 사용함으로써 재료 비용의 증가가 억제된다.

도 3은 펄라이트 석출에 대한 임계 냉각 속도에 대한 Mn 함량의 영향을 도시한다.

기본 성분으로서, C: 0.31%, Si: 0.93%, Ni: 0.72%, Cr: 12.3%, Mo: 0.23%, V: 0.22%, N: 0.039%를 함유하고, Mn 함량을 변화시키면서 1,030℃에서의 냉각 속도를 변화시켰을 때, 펄라이트의 석출이 정지된 최저 냉각 속도를 임계 냉각 속도로서 평가하였다. 임계 냉각 속도가 낮을수록 펄라이트가 거의 석출되지 않는다. 따라서 이것이 선호된다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 임계 냉각 속도는 Mn 함량의 증가에 따라 감소하고, Mn 함량은 0.43%에서 10℃/min에 도달한다. 금형 내부의 ?칭 속도는 펄라이트가 석출되는 550 내지 850℃의 온도 범위에서 일반적으로 10 내지 40℃/min이다. 따라서, 펄라이트 석출에 대한 임계 냉각 속도가 10℃/min의 경우, 금형 내에서 실제로 ?칭하는 동안에 펄라이트를 생성할 위험이 대폭 감소한다. 따라서, 본 발명에서는 Mn 함량을 0.43%≤Mn으로서 규정한다.

도 4는 어닐링성에 대한 Mn 함량의 영향을 나타낸다.

기본 성분으로서, C: 0.31%, Si: 0.93%, Ni: 0.72%, Cr: 12.3%, Mo: 0.23%, V: 0.22% 및 N: 0.039%를 함유하고, Mn 함량을 변화시킨 재료가 15℃/Hr에서 915℃에서 650℃까지 냉각한 후 자연 냉각시킨 결과, 재료의 경도가 Mn 함량으로 표시된다. 경도가 97 HRB 미만일 때, 그 재료는 부드럽고 가공 작업이 용이하기 때문에 바람직하다. 경도는 Mn 함량이 증가함에 따라 증가하여 Mn 함량이 0.92%에서 97 HRB에 도달한다. 따라서, 본 발명에서는, Mn 함량을 Mn≤0.92%로서 규정한다.

0.43%≤Ni≤0.92%

Ni<0.43%의 경우, 오스테나이트를 안정화시켜 펄라이트의 석출을 억제하는 효과가 작다. 또한, 델타 페라이트의 석출 위험이 증가한다.

다른 한편, 0.92%<Ni의 경우, 어닐링성이 악화된다. 또한, 0.92%<Ni의 경우, 열 전도율도 크게 감소된다. 또한 ?칭 중 잔류 오스테나이트가 증가하여 템퍼링 시에 경도 또는 크기를 조절하기가 어렵다. Ni의 효과는 Mn의 효과와 유사하다.

Ni 함량의 바람직한 범위는 0.45%≤Ni≤0.90%이고, 여기서 각종 특성의 균형이 우수하고, 보다 바람직하게는 0.48%≤Ni≤0.88%이다.

0.67%≤0.5Mn+Ni≤1.30%

어닐링성 및 ?칭성을 높은 레벨로 달성하기 위해, 0.5Mn+Ni의 값은 상술한 바와 같이 규정된다. 0.5Mn+Ni<0.67%의 경우, 어닐링성은 양호하지만, ?칭성은 불충분하다. 또한, 0.5Mn+Ni<0.67%의 경우, 델타 페라이트의 석출 위험성도 증가한다.

다른 한편, 1.30%<0.5Mn+Ni의 경우에는, ?칭성은 양호하지만, 어닐링성은 불충분하다. 1.30%<0.5Mn+Ni의 경우, ?칭 중 잔류 오스테나이트가 증가하여 템퍼링 시에 경도 또는 크기를 조절하기가 어렵다.

도 5는 10℃/min의 퀀칭 시의 펄라이트 석출 상태를 나타낸다. C: 0.32%, Si: 0.91%, Cr: 12.2%, Mo: 0.23%, V: 0.23%, N: 0.038%를 기본성분으로 하고, Mn 함량 및 Ni 함량을 변화시켰다. 10℃/min으로 1,030℃에서 냉각하여 펄라이트가 석출한 영역을 “×”로 나타내고, 펄라이트가 석출하지 않은 영역을 “o”로 나타냈다. 이둘 사이의 경계는 0.5Mn+Ni=0.67%이고, 이보다 더 큰 경우 금형 내에서의 실제 ?칭 시에 펄라이트 석출의 위험이 상당히 감소될 수 있다. 따라서, 0.5Mn+Ni는 0.67%≤0.5Mn+Ni로 규정된다.

도 6은 15℃/Hr에서의 어닐링 시에 연화 상태를 나타낸다. C: 0.32%, Si: 0.91%, Cr: 12.2%, Mo: 0.23%, V: 0.23%, N: 0.038%를 기본성분으로 하고, Mn 함량 및 Ni 함량을 변화시켰다. 915℃로부터 15℃/min의 냉각 속도로 어닐링링 시에 경도가 97 HRB를 초과하는 영역을 “×”로 나타내고, 경도가 97 HRB 미만인 영역을 “o”로 나타낸다. 이 둘 간의 경계는 0.5Mn+Ni=1.30%이며, 이보다 작은 경우 단순 어닐링으로 재료를 연화시킬 수 있다. 따라서, 0.5Mn+Ni는 0.5Mn+Ni≤1.30%로 규정된다.

위에서 설명한 바와 같이, 0.5Mn+Ni는 ?칭성과 어닐링성의 균형을 연구할 때 매우 유용한 지표이다.

10.50%≤Cr<12.50%

Cr<10.50%의 경우, 내식성이 악화된다. 또한, Cr<10.50%의 경우, 어닐링성도 악화된다.

다른 한편, 12.50%≤Cr의 경우, 입자 경계 탄화물 또는 펄라이트가 쉽게 석출된다. 또한, 델타 페라이트도 쉽게 석출된다. 또한 12.50%≤Cr의 경우 열 전도율이 크게 감소한다. 12.50%≤Cr의 경우, ?칭 중 잔류 오스테나이트가 증가하여 템퍼링 시에 경도 또는 크기를 조절하기가 어렵다.

Cr 함량의 바람직한 범위는 다양한 특성의 균형이 우수한 10.70%≤Cr≤12.45%이며, 더 바람직하게는 10.90%≤Cr≤12.40%이다.

0.05%≤Mo<0.50%

M<0.05%의 경우, 펄라이트의 석출을 억제하는 효과가 약하다. 또한, M<0.05%의 경우, 2차 경화의 기여가 작고, 고온에서의 템퍼링 시에 45 HRC 이상의 경도를 안정적으로 얻는 것이 어려워진다.

다른 한편, 0.50%≤Mo의 경우, 어닐링성이 악화된다. 또한, 델타 페라이트는 쉽게 석출된다.

Mo 함량의 바람직한 범위는 다양한 특성의 균형이 우수한 0.07%≤Mo≤0.46%이고, 보다 바람직하게는 0.09%≤Mo≤0.43%이다.

도 7은 델타 페라이트의 면적 비에 대한 Mo 함량의 영향을 나타낸다.

C: 0.23%, Si: 1.0.4%, Mn: 0.45%, Ni: 0.44%, Cr: 12.47%, V: 0.46%, N: 0.004%를 기본 성분으로 하고, Mo 함량을 변화시켰다. 편석을 줄이기 위한 균질화 온도인 1,280℃로 가열한 후 급속 냉각에 의해 ?칭하였다. 델타 페라이트의 구조 내의 면적 비를 평가하였다.

도 7에 도시된 바와 같이, Mo 함량이 감소하면 델타 페라이트는 거의 석출되지 않는다. Mo 함량이 0.50% 이하의 경우, 면적 비는 0이다. 따라서, 본 발명에서는, Mo 함량을 Mo<0.50%로 한다.

0.002%≤V<0.50%

V<0.002%의 경우, ?칭 중에 미세한 오스테나이트 결정 입자를 유지하는 효과가 나쁘고, 인성의 감소에 의해 사용 중 금형이 파단될 위험성이 높아진다. 또한, V<0.002%의 경우, 2차 경화의 기여는 거의 없다. 따라서, 고온에서의 템퍼링 시에 45 HRC 이상의 경도를 안정적으로 얻는 것이 어렵다.

다른 한편, 0.50%≤V의 경우, 미세한 결정 입자를 유지하는 효과가 포화될 뿐만 아니라, 비용이 상승하게 된다. 또한, V의 탄화물은 쉽게 석출되어 오히려 금형이 쉽게 깨지는 원인이 된다. 0.50%≤V 의 경우 델타 페라이트는 쉽게 석출된다.

V 함량의 바람직한 범위는 다양한 특성의 균형이 우수한 0.005%≤V≤0.45% 이고, 보다 바람직하게는 0.008%≤V≤0.40%이다.

0.001%≤N≤0.160%

N<0.001%의 경우, 경도를 증가시키는 효과가 낮고, 45 HRC 이상의 경도를 안정적으로 얻는 것이 어렵다. 또한, N은 V계 탄화물의 고용융 온도에 큰 영향을 미친다. N 함량이 낮을수록 V계 탄화물이 고체 용융되는 온도가 낮아진다. 따라서, N<0.001%의 경우에는 ?칭 중에 미세한 오스테나이트 결정 입자를 유지하는 효과도 나빠진다.

다른 한편, 0.160%<N의 경우, 강도를 높이거나 미세 결정 입자를 유지하는 효과가 포화된다. 또한, 0.160%<N의 경우, N의 첨가에 필요한 정련의 시간 및 비용이 증가하여 재료 비용이 증가하게 된다. 또한, 0.160%<N의 경우에는, V의 탄화물이 석출되기 쉽고, 금형이 깨지기 쉽다.

N 함량의 바람직한 범위는 다양한 특성의 균형이 우수한 0.003%≤N≤0.155%이며, 보다 바람직하게는 0.005%≤N≤0.150%이다.

0.300%≤C+N≤0.420%

C+N<0.300%의 경우, 경도를 높이는 효과가 나빠지며, 45 HRC 이상의 경도를 안정적으로 얻는 것이 어렵다. 또한, V계 탄화물은 ?칭 중에 감소하기 때문에, 미세한 오스테나이트 결정 입자를 유지하는 효과도 나빠진다.

다른 한편, 0.420%<C+N의 경우, 미세 결정 입자를 유지하는 효과가 포화된다. 또한, 0.420%<C+N의 경우, V계 탄질화물이 증가하여 금형이 쉽게 부서지기 쉽다. 0.420%<C+N의 경우, ?칭 중에 잔류 오스테나이트가 증가하여 템퍼링의 경도 또는 크기를 조절하기가 어렵다.

C 함량+N 함량의 바람직한 범위는 각종 특성의 균형이 우수한 0.303%≤C+N≤0.415%이며, 보다 바람직하게는 0.306%≤C+N≤0.410%이다.

[상기(2)항의 화학성분에 대하여]

본 발명의 강은 Cr이 다량으로 함유되어 있기 때문에 연화 저항성이 낮다. 템퍼링 온도가 높으면 45 HRC의 경도를 확보하기가 어렵다. 이 경우 강도를 확보하기 위해 W 또는 Co를 선택적으로 첨가할 수도 있다. W는 탄화물의 석출로 강도를 증가시킨다. Co는 매트릭스 내로의 고체 용해에 의해 강도를 증가시키며, 동시에 카바이드 형태학으로 변화를 통해 경화하는 석출에 대해 기여한다. 특히 다음 것들 중 적어도 하나(하나의 원소)를 포함하면 된다.

0.30%<W≤5.00%; 및

0.30%<Co≤4.00%.

두 원소는 그 함량이 소정 량을 초과하면 특성의 포화 및 비용의 뚜렷한 증가를 초래한다.

[상기(3)항의 화학성분에 대하여]

예기치 않은 기기 고장 등에 의해 ?칭 가열 온도를 증가하거나 ?칭 가열 시간을 길게 하면, 결정 입자의 조 대화(coarsening)에 의해 여러 가지 특성이 감소될 우려가 있다. 이러한 경우, Nb, Ta, Ti 및 Zr이 선택적으로 첨가되고, 이들 원소에 의해 형성된 미세한 석출물에 의해 오스테나이트 결정 입자의 조 대화가 열화될 수 있다. 특히 다음 중 적어도 하나만 포함하면 된다.

0.004%<Nb≤0.100%;

0.004%<Ta≤0.100%;

0.004%<Ti≤0.100%; 및

0.004%<Zr≤0.100%.

모든 원소가 그 탄화물, 질화물 또는 산화물을 과도하게 형성하여, 그 함량이 소정 량을 초과하면 충격 값이나 경면 연마성이 감소된다.

[상기(4)항의 화학성분에 대하여]

마찬가지로, 오스테나이트 결정 입자의 조 대화를 억제하기 위해서,

0.10%<Al≤1.20%

가 포함될 수 있다. Al은 N과 결합하여 AlN을 형성하고, 오스테나이트의 결정 입자 경계의 이동(즉, 입자 성장)을 억제하는 효과를 가지며, 미세 입자의 유지에 효과적이다.

또한, Al은 강 중에 질화물을 형성하여 석출 강화에 기여하기 때문에, 질화 처리한 강재의 표면 경도를 높이는 작용도 갖는다. 보다 더 내마모성을 추구하기 위해 질화 처리를 실시하는 금형에는 Al 함유 강재를 사용하는 것이 유효하다.

그러나 소정 량을 초과하는 Al의 함량은 열 전도율 또는 인성을 감소시킨다.

[상기(5)항의 화학성분에 대하여]

최근에 부품의 대형화 또는 그의 집적화에 의해 금형의 크기가 커지는 경향이 있다. 대형 금형은 거의 냉각되지 않는다. 이 때문에, ?칭성이 낮은 강재의 대형 금형이 ?칭하면, ?칭하는 동안에 페라이트, 펄라이트 또는 거친 베이나이트(bainite)가 석출되어 각종 특성이 감소된다. 본 발명의 강은 상당히 높은 ?칭성을 가지므로, 그러한 열화에 대해 약간의 우려가 있다. 그러나 매우 큰 금형이 약한 냉각 강도의 ?칭 기획에 의해 처리되는 경우, Cu가 첨가되어 ?칭성을 추가로 증가시킬 수 있다. 구체적으로는 다음을 포함해야 한다.

0.30%<Cu≤3.0%

Cu는 또한 시효 석출(age precipitation)에 의해 경도를 증가시키는 효과를 갖는다. Cu 함량이 소정량을 초과하면 편석이 뚜렷해져서 경면 연마성 또는 텍스쳐성(texturability)이 감소된다.

[상기(6)항의 화학성분에 대하여]

?칭성을 향상시키는 수단으로서, B를 첨가하는 것도 효과적이다. 구체적으로는,

0.0001%<B≤0.0050%가 함유되는 것을 허용한다.

B는 BN이 형성될 때 ?칭성을 향상시키는 효과를 상실한다. 그러므로 B가 강재에 단독으로 존재할 필요가 있다. 구체적으로는, N과 B와의 친화성이 강한 원소로 질화물을 형성함으로써, B가 N과 조합하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 원소로서는, 상기(3)항에 기재한 원소를 예로들 수 있다.(3)항에 기술된 원소는 N이 불순물 레벨로 존재하더라도 N을 고정시키는 효과를 갖지만 N 함량에 따라 (3)항에 명시된 범위 내에서 첨가되는 경우가 있다. B가 강 중의 N과 결합하여 BN을 형성하는 경우에도 강에 과도한 B가 존재하는 경우, ?칭성을 증가시킨다.

B는 또한 가공성의 개선에 효과적이다. 가공성을 향상시키는 경우, BN 만을 형성하면 된다. BN은 성질이 흑연과 유사하고 가공 저항성을 감소시키며 동시에 칩 파괴성을 향상시킨다. 강재에 B 및 BN이 존재하면, 동시에 ?칭성 및 가공성이 향상된다.

[상기(7)항의 화학성분에 대하여]

가공성을 향상시키기 위해서는 S, Ca, Se, Te, Bi 및 Pb를 선택적으로 첨가하는 것도 효과적이다. 특히 다음 것들 중 적어도 하나만 포함하면 된다.

0.006%<S≤0.050%;

0.0005%<Ca≤0.2000%;

0.03%<Se≤0.50%;

0.005%<Te≤0.100%;

0.01%<Bi≤0.50%; 및

0.03%<Pb≤0.50%.

모든 원소는 그 함량이 소정 량을 초과하면, 가공성의 포화, 열간 가공성의 열화, 충격 값 또는 경면 연마성의 감소를 야기한다.

실시예

표 1에 나타낸 20 종류의 강의 경우, 입자 경계 탄화물의 석출 곤란성, 어닐링성, 펄라이트의 석출 곤란, ?칭하는 동안의 입자 크기, ?칭 템퍼링 경도 및 내식성을 조사하였다.

5 종류의 비교용 강은 모두 경도 또는 내식성이 요구되는 용도에 사용된다. 비교 강 1은 JIS SUS420J2이고, 비교 강 2는 JIS SUS403이고, 비교 강 3은 JIS SUH1이고, 비교 강 4는 JIS SUH600이고, 비교 예 5는 시판되는 강이다.

표 1에 나타낸 20 종류의 강재의 재료들이 각각 아래와 같은 순서로 제작되었다. 먼저, 용융 강을 50kg의 잉고트(ingot)로 주조한 후, 1,240℃에서 12시간 동안 균질화 처리하였다. 이어서, 60 mm×45 mm의 직사각형 단면을 갖는 봉 형상으로 성형하였다. 이어서, 1,020℃로 가열함에 의한 정상화, 급속 냉각, 620℃에서 가열에 의한 템퍼링을 수행하였다. 또한, 860℃ 또는 915℃로 가열한 후, 15℃/Hr에서 서서히 냉각하여 어닐링을 수행하였다. 이 봉 형상의 강으로부터 시험편을 절취하여 각종 시험에 사용하였다. 표 1의 화학 성분(질량%)은 아래와 같다.

	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	V	N	C+N	0.5Mn+Ni	기타
본 발명 강 1	0.318	0.93	0.65	0.65	12.33	0.23	0.23	0.040	0.358	0.975
본 발명 강 2	0.321	0.92	0.65	0.65	12.35	0.24	0.35	0.015	0.336	0.975
본 발명 강 3	0.269	0.92	0.65	0.65	12.34	0.23	0.23	0.090	0.359	0.975
본 발명 강 4	0.272	0.94	0.65	0.65	12.36	0.23	0.35	0.065	0.337	0.975
본 발명 강 5	0.311	0.66	0.44	0.91	10.51	0.06	0.003	0.009	0.320	1.130	W:3.94
본 발명 강 6	0.290	0.71	0.53	0.87	10.81	0.11	0.011	0.021	0.311	1.135	Co:2.02
본 발명 강 7	0.248	0.76	0.73	0.73	11.11	0.16	0.024	0.073	0.321	1.095	Nb:0.03
본 발명 강 8	0.304	0.68	0.82	0.82	11.32	0.21	0.06	0.030	0.334	1.230	Al:0.23
본 발명 강 9	0.337	0.86	0.91	0.44	11.48	0.26	0.17	0.048	0.385	0.895	Cu:0.98
본 발명 강 10	0.348	0.91	0.59	0.50	11.64	0.31	0.29	0.057	0.405	0.795	Ti:0.04, B:0.004
본 발명 강 11	0.359	0.97	0.64	0.63	11.80	0.36	0.11	0.003	0.362	0.950	S:0.013
본 발명 강 12	0.240	1.04	0.77	0.77	11.94	0.41	0.41	0.081	0.321	1.155	W:2.96, Co:1.03
본 발명 강 13	0.221	0.83	0.87	0.54	12.07	0.45	0.48	0.099	0.320	0.975	Ta:0.02, Zr:0.02
본 발명 강 14	0.227	0.74	0.44	0.46	12.21	0.49	0.44	0.114	0.341	0.680	Bi:0.18
본 발명 강 15	0.292	0.81	0.90	0.84	12.49	0.33	0.38	0.127	0.419	1.290	Bi:0.10, Pb:0.15
비교 강 1	0.400	0.90	0.40	0.20	13.00	0.01	0.002	0.015	0.415	0.400
비교 강 2	0.120	0.35	0.75	0.20	12.00	0.01	0.002	0.013	0.133	0.575
비교 강 3	0.470	3.20	0.45	0.20	9.30	0.01	0.002	0.012	0.482	0.425
비교 강 4	0.170	0.35	0.75	0.20	12.00	0.45	0.25	0.075	0.245	0.575	Nb:0.40
비교 강 5	0.250	0.28	0.60	1.40	13.30	0.35	0.35	0.110	0.360	1.700

<입자 경계 탄화물의 석출의 어려움>

시험편으로서 상기 재료로부터 잘라낸 15 mm x 15 mm x 25 mm 블록을 사용하여 공장에서의 열간 가공을 시뮬레이팅하는 실험에 의해 평가했다. 열간 가공 후 800℃ 까지 냉각되는 동안 입자 경계 탄화물이 석출된다. 따라서 시험편의 블록을 열간 가공을 시뮬레이팅하는 1,180℃에서 가열한 다음 5℃/min으로 800℃까지 냉각시킨 후 급속 냉각에 의해 탄화물 상태를 동결시켰다.

그 후, 상기 시험편을 부식하고, 입자 경계 탄화물을 착색하였다. 그 구조를 광학 현미경으로 1000배로 관찰하였다. 입자 경계 탄화물이 뚜렷하게 관찰되었을 때, 석출의 어려움은 받아들일 수 없는 것으로 판단되었고 "x"로 표시되었다. 입자 경계 탄화물이 약간 관찰되었을 때, 석출의 어려움은 "Δ"로 표시되었다. 입자 경계 탄화물이 거의 관찰되지 않았을 때, 석출의 난이도는 수용가능하고 "o"로 표시되었다.

그 결과를 표 2에 나타낸다. C 및 Cr이 다량으로 함유된 비교 강 1은 "×"로 평가된다. C 함량은 높지만 Cr 함량이 약 9% 정도로 낮은 비교 강 3은 "Δ"로 평가되고, 나머지는 "o"으로 평가된다. 비교 강 1에서는, 실제의 금형 제작 공정에서도 입자 경계 탄화물의 석출이 뚜렷해지고, 금형 사용시의 경면 연마성 또는 균열의 열화가 우려된다. 또한, 비교 강 3에서도, 열간 가공 후의 냉각 속도가 한층 더 느리거나 또는 오스테나이트 결정 입자 경계가 큰 경우에는, 입자 경계 탄화물이 뚜렷하게 석출되는 우려가 있다.

다른 한편, 본 발명 강을 비롯한 다른 강은 실제의 금형에서도 입자 경계 탄화물이 거의 석출되지 않는 것으로 판단된다. 즉, 경면 연마성 또는 크랙의 열화의 위험성은 낮다고 생각된다.

	시험 항목						전체 판정
	입자 경계 탄화물의 석출의 존재 또는 부존재	어닐링링성	펄라이트 석출의 존재 또는 부존재	입자 크기	경도	내식성
본 발명 강 1	○	○	○	○	○	○	○
본 발명 강 2	○	○	○	○	○	○	○
본 발명 강 3	○	○	○	○	○	○	○
본 발명 강 4	○	○	○	○	○	○	○
본 발명 강 5	○	○	○	○	○	○	○
본 발명 강 6	○	○	○	○	○	○	○
본 발명 강 7	○	○	○	○	○	○	○
본 발명 강 8	○	○	○	○	○	○	○
본 발명 강 9	○	○	○	○	○	○	○
본 발명 강 10	○	○	○	○	○	○	○
본 발명 강 11	○	○	○	○	○	○	○
본 발명 강 12	○	○	○	○	○	○	○
본 발명 강 13	○	○	○	○	○	○	○
본 발명 강 14	○	○	○	○	○	○	○
본 발명 강 15	○	○	○	○	○	○	○
비교 강 1	x	○	x	○	○	○	x
비교 강 2	○	○	○	x	x	○	x
비교 강 3	△	x	x	○	○	x	x
비교 강 4	○	○	○	x	x	○	x
비교 강 5	○	x	○	x	○	○	x

<어닐링성>

15 mm × 15 mm × 25 mm의 블록을 시험편으로 하여, 공장에서의 어닐링 처리를 모의한 실험에 의해 평가하였다. 시험편을 860℃(비교 강 2, 비교 강 3 및 비교 강 4) 또는 915℃(다른 강)에서 가열하고, 120분간 유지하였다. 그 후, 15℃/Hr로 650℃까지 냉각하고, 자연 냉각시켰다. 이어서, 시험편의 HRB 경도를 측정하고 기계 작업이 용이한 경도까지 연화되었는지 여부를 확인하였다. 경도가 97 HRB 이하의 경우, 어닐링성은 수용 가능하고, "o"로 표시 하였다. 경도가 97 HRB를 초과하는 경우, 어닐링성은 수용 불가능하고, "x"로 나타냈다.

결과는 표 2에 나타낸 바와 같다. 비교 강 3 및 비교 강 5는 어닐링 후의 경도가 97 HRB를 초과하고, 충분히 연화되지 않는다. 따라서 그들은 "x"로 평가된다. 비교 강 3에서는, Si 함량이 높기 때문에 고체 용융 경화의 기여가 크고, 어닐링 후에도 경도는 높았다. 비교 강 5는 Ni 함량이 높고 어닐링성이 좋기 때문에 구형 탄화물 및 페라이트를 포함하는 구조를 형성하지는 않았지만 베이나이트를 형성하였다. 따라서, 그의 경도가 높았다.

비교 강 3 및 비교 강 5의 경우에도, 실제의 금형 제작 시에, 금형의 조면 가공에서 공구 수명을 단축시키거나 또는 가공 효율을 감소시킬 가능성이 높다.

반대로, 본 발명 강을 비롯한 다른 강의 경우, 어닐링 후의 경도가 97 HRB 이하이다. 따라서 이러한 문제가 발생하지 않는 것으로 간주된다.

<펄라이트 석출의 어려움>

4 mm(직경) × 10 mm의 시험편을 1,030℃에서 가열한 후, 10℃/min에서 100℃ 까지 냉각시켰다. 냉각 후, 400배의 배율로 금속 조직을 관찰하여 펄라이트의 석출 유무를 확인하였다. 펄라이트가 석출되지 않을 때, 석출의 어려움은 허용가능하고 "o"로 표시되었고, 펄라이트가 조금이라도 석출될 때 석출의 어려움은 받아 들여지지 않고 "x"로 표시되었다.

그 결과는 표 2에 나타낸 바와 같다. 비교 강 1 및 비교 강 3은 "x"로 평가된다. 금형 내부의 냉각 속도는 펄라이트가 석출되는 550 내지 850℃의 온도 범위에서 일반적으로 10 내지 40℃/min이며, 따라서 펄라이트가 석출되는 온도 범위에서 펄라이트의 석출은 피할 수 없게 된다. 비교용 강 1 또는 비교용 강 3을 사용하여 금형으로 사용하는 경우 파단의 위험성을 증가시킨다.

다른 한편, 본 발명 강을 비롯한 다른 강은 펄라이트가 석출되지 않고 실제로 ?칭되는 경우에도 펄라이트의 석출이 발생하지 않는 것으로 판단할 수 있다.

<?칭 중의 입자 크기>

실제 금형 퀸칭 시에 금형이 약 5시간 동안 유지되는 경우가 있다. 이러한 조건에서 오스테나이트의 결정 입자 크기를 조사하였다. 15 mm × 15 mm × 25 mm의 블록을 시험편으로 사용하여 1,030℃에서 5시간 유지한 후 급냉하여 마르텐사이트(martensite)를 생성한다. 이 조직은 부식되어 이전의 오스테나이트 결정 입자 경계를 형성하고, 입도 번호를 평가하였다. 입도가 5 이상의 경우에는 입도를 “o”으로 하고, 입도가 5 미만의 경우에는 입도를 불량으로 하고 “×”로 나타내었다.

그 결과는 표 2에 나타낸 바와 같다. 소량의 C를 함유하는 비교 강 2, 비교 강 4에서는 오스테나이트 결정 입자 경계의 이동을 억제하기 위한 탄화물도 감소한다. 그러므로 그 결과는 "x"로 평가된다. 비교강 5에서는, 어닐링성이 좋지 않아 퀘칭 중에 g 메모리효과가 발생함에 따라 그 결과는 "x"로 평가된다. 비교 강 2, 비교 강 4 및 비교 강 5의 경우에는, 실제의 금형 ?칭 시에도, 결정 입자가 거칠어져서 금형으로서 사용 시 쉽게 균열이 생길 우려가 있다.

다른 한편, 본 발명 강을 비롯한 다른 강은 그 결과가 “o”로 평가되고, 결정 입자의 조 대화가 발생하지 않는 것으로 생각된다.

<?칭 템퍼링 경도>

상기한 "?칭 중의 입자 크기"의 평가에 사용된 시험편(마르텐사이트가 제조 되었음)은 470 내지 520℃에서 2 시간에 템퍼링되었다. 이 템퍼링 온도 범위에서 얻어진 최대 경도를 평가하였다. 내마모성을 확보하기 위해서는 ?칭 템퍼링 경도가 45 HRC 이상인 것이 바람직하다. 경도가 45 HRC 이상의 경우에는 수용가능한 것으로 판정하여 “o”으로 표시되고, 경도가 45 HRC 미만의 경우에는 수용가능 하지 않은 것으로 판정하여 “×”로 표시하였다.

그 결과는 표 2에 나타낸 바와 같다. 비교 강 2 및 비교 강 4에서는, C 함량이 적기 때문에 45 HRC 이상의 경도가 얻어지지 않고, 나머지 강은 모두 45 HRC 이상의 경도를 가졌다. 즉, 본 발명 강은 내마모성 확보에 필요한 45 HRC 이상의 경도가 얻어졌다. 말할 필요도 없이, 템퍼링 조건을 조정함으로써 경도를 감소시키는 것도 가능하다.

<내식성>

상기 언급된 "?칭 템퍼링 경도"의 평가에 사용된 시험 견본은 시험 견본으로서 전환되었다. 경도 측정 후의 시험편을 경면 연마하고, 습도 98%, 온도 50℃의 환경에 24시간 방치한 후, 부식 상황을 육안으로 관찰하였다. 점 형태의 부식 부분을 발생시키지 않은 경우에는 내식성을 “o”으로 표시하고, 한 곳이라도 부식성 부분이 발생하는 경우에는 내식성을 인정하지 않아 "x"로 표시하였다. 평가된 모든 강에서, 이 조건 하에서 그 전체 표면이 부식되지 않았으며, 높은 Cr 함량으로 인해 점 형태의 국부적인 부식된 부분의 생성과 비생성 간에 차이가 발생하지 않았다.

그 결과는 표 2에 나타낸 바와 같다. 비교 강 3은 C 함량이 높고 Cr 함량이 낮기 때문에 내식성이 나쁘고, 그 결과는 "×"로 평가된다. 다른 비교 강 및 본 발명 강은 높은 Cr 함량 때문에 높은 내부식성을 가지고 있다.

<종합 판정>

이상의 검토 결과를 정리하면, 비교 강 1에서는, 특히 큰 금형에 입자 경계의 탄화물 또는 펄라이트가 석출되기 쉽다고 판단할 수 있고, 경면 연마성 또는 균열의 열화의 위험성이 커지는 문제가 있다.

비교 강 2, 비교 강 3 및 비교 강 4는 고경도 및 고 내식성과 같은 기본 성능 중 어느 하나에 어려움이 있다. 다른 결점은 비교 강 2의 입도, 비교 강 3의 펄라이트의 어닐링 및 석출, 비교 강 4의 입자 경계를 포함한다.

비교 강 5는 ?칭하는 동안 어닐링성 및 결정 입자 크기가 어려우며, 공구 수명 또는 기계 작업에서의 생산성이 감소되거나 또는 수득된 금형이 쉽게 깨질 수 있는 우려가 있다. 앞서 설명한 바와 같이 각 비교 강은 적어도 두 항목에 문제가 있다.

대조적으로, 본 발명 강의 15 종류는 모든 항목에 문제가 없다. 본 발명 강은 결정 입자 경계 탄화물의 석출, 열처리성, 펄라이트의 석출 어려움 및 결정 입자의 섬세함에 어려움이 있으며, 높은 경도 및 높은 내식성과 같은 기본적인 성능을 보장한다. 따라서, 실제의 금형에서도 높은 경도 및 높은 내식성 이외에, 높은 경면 연마 특성 및 균열의 어려움을 나타낼 것으로 기대될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명 강은 입자 경계 탄화물 또는 펄라이트의 석출을 억제하기 위해, SUS420J2(C: 0.4%, Mn: 0.4%, Ni: 0.2%, Cr: 13%, Mo: 0.01% 및 N: 0.015%)를 기준으로 C 함량을 감소시키고, Cr 함량을 감소시키며, Mn 함량을 증가시키고, Ni 함량을 증가시키고, Mo를 첨가한다. 또한, C 함량의 감소에 의한 경도 감소를 보완하기 위해 N 함량을 증가시켰다. Mo의 첨가는 펄라이트의 석출을 억제하거나 2차 경화량을 확보하는 효과도 있다.

Mn, Ni 및 Mo 함량을 과도하게 증가시키지 않으면서 SUS420J2와 동일한 어닐링성을 확보할 수 있었고, C 함량을 줄임과 동시에 SUS420J2와 동일한 내식성을 확보할 수 있었고, Cr 함량 또한 오스테나이트 결정 입자 경계를 ?칭하는 동안에 탄화물로 고정하고, 미세 결정 입자를 유지하기 위해 V를 첨가하였다. 이것은 V계 탄화물로 ?칭하는 동안 C 및 Cr 함량이 감소함에 따라 Cr계 탄화물의 감소를 보상하기 위한 것이다.

?칭 중에 고체 용융된 V의 일부금는 2차 경화에 의해 경도를 보상하는 효과를 발휘한다. 이와 같은 수단에 의해, 형 제작 시에, 본 발명의 강은 입자 경계 탄화물의 석출, 어닐링성 및 펄라이트의 석출 어려움이 있고, 금형으로 성형한 경우, 높은 경도 및 우수한 내식성을 가지며, 이전의 오스테나이트 결정 입자는 양호하게 유지된다. 따라서, 플라스틱 제품 성형용 금형에 적합하게 적용할 수 있다.

본 발명의 실시 예들이 이상에서 상세히 설명되었지만, 이들은 단지 예로서 제시된 것임을 이해해야 한다.

예를 들어, 본 발명의 강재에 표면 블라스팅, 질화 처리, PVD 처리, CVD 처리, 도금 처리 또는 다른 표면 개질 처리를 실시한 후 사용하는 것도 효과적이다.

또한, 본 발명의 강은 분말 또는 판 적층 성형에 의해 성형용의 분말 또는 판에 적용할 수 있고, 또한 금형의 본체 또는 부분들의 용접 보수를 위해 봉과 같은 형상으로 사용할 수도 있다. 따라서, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변경이 가능하다.

또한, 본 출원은 2016년 3월 11일자로 출원된 일본 특허 출원 제2016-048581호 및 2017년 3월 2일자로 출원된 일본 특허 출원 제2017-39355에 기초하고, 그 내용을 본원에 참고로 포함한다.

Claims (4)

1. 질량%로 환산하여, 다음의 것들:
   0.220%≤C≤0.360%;
   0.65%≤Si<1.05%;
   0.43%≤Mn≤0.92%;
   0.43%≤Ni≤0.82%;
   0.795%≤0.5Mn+Ni≤1.23%;
   10.50%≤Cr<12.50%;
   0.05%≤Mo<0.50%;
   0.002%≤V<0.50%;
   0.001%≤N≤0.048%; 및
   0.300%≤C+N≤0.420%와,
   나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는, 금형 강.
2. 제1항에 있어서, 질량%로 환산하여, 하기 것들 중 적어도 하나를 더 포함하는, 금형 강.
   적어도 하나의 0.30%<W≤5.00%; 및 0.30%<Co≤4.00%,
   적어도 하나의 0.004%<Nb≤0.100%; 0.004%<Ta≤0.100%; 0.004%<Ti≤0.100%; 및 0.004%<Zr≤0.100%,
   0.10%<Al≤1.20 범위의 Al,
   0.30%<Cu≤3.0% 범위의 Cu,
   0.0001%<B≤0.0050% 범위의 B, 및
   적어도 하나의 0.006%<S≤0.050%; 0.0005%<Ca≤0.2000%; 0.03%<Se≤0.50%; 0.005%<Te≤0.100%; 0.01%<Bi≤0.50%; 및 0.03%<Pb≤0.50%.
3. 제1항에 기재된 금형 강을 더 포함하는, 금형.
4. 제2항에 기재된 금형 강을 더 포함하는, 금형.

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