KR102072606B1 - 충격인성이 우수한 초고강도 공구강 및 이의 제조 방법 - Google Patents

충격인성이 우수한 초고강도 공구강 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초고강도 공구강으로서 중량%로서, C: 0.7~0.9%, Si: 0.4~0.6%, Mn: 0.4~0.6%, Cr: 7.0~9.0%, Mo: 1.5~2.5%, V: 1.0% 이하(0% 제외)에, Ti: 0.1% 이하(0% 제외) 및 Ce: 0.1% 이하(0% 제외) 중 1종 이상을 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 충격인성이 우수한 초고강도 공구강에 관한 것이다.
본 발명에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 공구강은 Ti 와 Ce 중 1종 이상을 첨가하여 주조 상태에서 1차 탄화물을 감소시키고 용체화 처리(Solution treatment) 및 템퍼링(Tempering) 후 우수한 경도 수준에서 충격인성이 향상된 초고강도 공구강을 제공할 수 있다. 또한, 우수한 경도 수준에서 충격인성이 향상된 초고강도 공구강의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

충격인성이 우수한 초고강도 공구강 및 이의 제조 방법{SUPER HIGH STRENGTH TOOL STEEL STRIP WITH HIGH IMPACT TOUGHNESS AND PREPARING METHOD THEREOF}
본 발명의 기술적 사상은 충격인성이 우수한 초고강도 공구강에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, Ti 와 Ce 중 1종 이상을 첨가하여 주조 상태에서 1차 탄화물을 감소시키고 용체화 처리(Solution treatment) 및 템퍼링(Tempering) 후 우수한 경도 수준에서 충격인성이 향상된 충격인성이 우수한 초고강도 공구강 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
기존 나이프로 고장력강을 절단 시 나이프 수명의 급격한 감소로 인한 막대한 생산 비용 증가, 피절단재(고장력강) 절단면의 품질저하, 원천적으로 절단이 되지 않아 고장력 강판 생산불가 등의 문제가 발생하여, 철강업계의 어려움뿐만 아니라 자동차 및 선박 등의 국내 관련 산업 발전을 저해하고 있으며 나아가 세계적으로 고유가 및 에너지고갈의 문제 해결의 걸림돌이 되고 있고 있다. 이에 고장력강 절단에 사용이 가능한 철강 절단용 나이프 개발에 대한 요구가 절실하다.
기존의 공구강은 응고 시 용질원소의 편석부에 고경질의 1차 공정 탄화물이 생성되고, 이 공정탄화물들은 소입 또는 소려 열처리 후에도 기지에 다량 분산되어 잔존됨으로써 내마모성에는 유리 하지만, 외부 충격 및 외압에 의하여 공정탄화물과 기지사이에 응력이 집중되어 쉽게 파손되는 문제를 가지고 있다.
산업용 기반소재를 가공하기 위한 경도(Hardness) 60HRC, 충격인성(Impact toughness) 20J/cm2, 인장강도(Tensile strength) 210kgf/mm2 (2058MPa) 이상의 초고강도, 고경도, 고인성 가공용 공구강(tool 소재)을 제조하기 위한 조성 및 제조방법이 필요한 실정이다.
1. 일본 공개특허 제2000-366145호 2. 일본 등록특허 제4257640호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, Ti 와 Ce 중 1종 이상을 첨가하여 주조 상태에서 1차 탄화물을 감소시키고 용체화 처리(Solution treatment) 및 템퍼링(Tempering) 후 우수한 경도 수준에서 충격인성이 향상된 초고강도 공구강을 제공하는데 것이다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 용체화 처리(Solution treatment) 및 템퍼링(Tempering) 후 우수한 경도 수준에서 충격인성이 향상된 초고강도 공구강을 제조 가능한 제조방법을 제공하는데 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 공구강은 중량%로서, C: 0.7~0.9%, Si: 0.4~0.6%, Mn: 0.4~0.6%, Cr: 7.0~9.0%, Mo: 1.5~2.5%, V: 1.0% 이하(0% 제외)에, Ti: 0.1% 이하(0% 제외) 및 Ce: 0.1% 이하(0% 제외) 중 1종 이상을 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 Ti 및 Ce 1종 이상 중 상기 Ti: 0.1% 이하(0% 제외)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 Ti: 0.005~0.05%를 포함하고, 59 내지 65 HRC의 경도와 23 내지 35 J/cm2의 충격인성을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 Ti: 0.01~0.03%를 포함하고, 용체화 온도가 1000℃ 이상으로, 59 내지 65 HRC의 경도와 30 내지 35 J/cm2의 충격인성을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 Ti 및 Ce 1종 이상 중 상기 Ce: 0.1% 이하(0% 제외)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 Ce: 0.06%이하(0% 제외)를 포함하고, 59 내지 65 HRC의 경도와 16 내지 42 J/cm2의 충격인성을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 Ce: 0.01~0.06%를 포함하고, 59 내지 65 HRC의 경도와 30 내지 42 J/cm2의 충격인성을 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 공구강의 제조방법은 중량%로서, C: 0.7~0.9%, Si: 0.4~0.6%, Mn: 0.4~0.6%, Cr: 7.0~9.0%, Mo: 1.5~2.5%, V: 1.0% 이하(0% 제외)에, Ti: 0.1% 이하(0% 제외) 및 Ce: 0.1% 이하(0% 제외) 중 1종 이상을 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 잉곳을 주조하는 단계, 상기 잉곳을 1100~1200℃에서 균질화 처리(Homogenization) 하여 열간 압연(Hot Rolling)을 수행하는 단계, 850~900℃에서 구상화 처리(Spheroidization)하는 단계, 950~1100℃에서 유지한 후 공냉하는 용체화 처리(Solution treatment) 단계 및 480~570℃에서 유지한 후 공냉하는 템퍼링(Tempering) 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 용체화 처리(Solution treatment) 단계는 1000~1100℃에서 수행할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 템퍼링(Tempering) 단계를 2회 이상 반복 수행할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 공구강은 Ti 와 Ce 중 1종 이상을 첨가하여 주조 상태에서 1차 탄화물을 감소시키고 용체화 처리(Solution treatment) 및 템퍼링(Tempering) 후 우수한 경도 수준에서 충격인성이 향상된 초고강도 공구강을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 공구강의 제조 방법은 우수한 경도 수준에서 충격인성이 향상된 초고강도 공구강을 제조할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 공구강의 열처리 순서를 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 공구강의 열처리 온도 및 시간을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공구강의 경도(Hardness)에 따른 인장강도(UTS)를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공구강의 경도(Hardness)에 따른 충격인성(Toughness)를 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공구강의 1차 탄화물 분율 감소를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공구강의 1차 탄화물 분율 감소로 인한 주조재의 경도 저하를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
Q&T(Quenching & Tempering) 방법은 고강도 철강 소재를 확보하기 위한 열처리로서 오스테나이트화 처리(또는 용체화 처리) 후 급냉, 냉각 종료 및 후속 재가열을 그 주요 공정상 특징으로 한다. 용체화 처리(Solution treatment)는 강이 오스테나이트화되는 온도인 Ac3온도 이상으로 가열한 후 급냉하는 공정으로서, 강의 내부조직을 일정의 무확산 변태에 의해 오스테나이트로부터 경질인 마르텐사이트로 하기 위한 것이다. 상기 용체화 처리(Solution treatment)에 의해 생성되는 마르텐사이트는 경도는 매우 높으나 인성이 매우 취약한 성질을 가지기 때문에 바로 사용할 수 없다. 따라서, 인성을 개선하기 위해 상기 템퍼링(Tempering)이 용체화 처리(Solution treatment)에 후속된다. 상기 템퍼링(Tempering)은 무확산 변태에 의해 형성된 마르텐사이트에 대한 분해 석출과정으로서, 일정한 온도에서 유지함으로써 마르텐사이트 내에 과포화되어 존재하는 탄소를 탄화물로 석출시킴으로써 담금질로 인해 유발된 잔류응력을 경감 또는 제거하고 경직된 미세조직을 풀어주는 처리를 말한다. 즉, 템퍼링(Tempering)에 의할 경우 마르텐사이트 내에 미세한 탄화물이 석출하며, 또한 마르텐사이트가 템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite)로 바뀐다는 점이 큰 특징이다.
본 발명에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 공구강은 중량%로서, C: 0.7~0.9%, Si: 0.4~0.6%, Mn: 0.4~0.6%, Cr: 7.0~9.0%, Mo: 1.5~2.5%, V: 1.0% 이하(0% 제외)에, Ti: 0.1% 이하(0% 제외) 및 Ce: 0.1% 이하(0% 제외) 중 1종 이상을 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
C는 0.7~0.9wt%를 첨가하며, Cr, Mo, V 과 결합해서 1차 탄화물을 형성하여 내마모성을 향상시킨다. 고온 열처리 시 기지 중에 고용되어 경질의 마르텐사이트를 형성한다. 또한 고온 템퍼링(Tempering)에 의해 탄화물을 형성하여 2차 경화에 기여한다. 0.7wt% 미만에서는 용체화 처리(Solution treatment) 및 템퍼링(Tempering) 이후 경도와 강도가 낮고, 0.9wt% 초과시 1차 탄화물이 과도하게 증가되어 경도는 높지만 인성 및 가공성이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다.
Si는 0.4~0.6wt%를 첨가하며, 탈산원소로서 첨가되고 0.4wt% 이상 첨가하여 고온 템퍼링(Tempering) 후 경도 향상에 기여하나, 0.6wt% 초과 첨가 시 인성을 저하시킬 수 있다.
Mn은 0.4~0.6wt%를 첨가하며, 탈산원소로서 첨가되고 0.4%wt% 이상 첨가하여 기지에 고용하여 강도 및 경화능에 기여한다. 0.6%wt%를 초과하면 가공성이 저하된다.
Cr은 7.0~9.0wt%를 첨가하며, 7.0wt% 이상 첨가하여 용체화 처리(Solution treatment) 시 기지 중에 고용되어 경화능을 증대시킴과 동시에 탄화물을 형성시켜 내마모성을 향상시킨다. 9.0wt%를 초과하는 경우 탄화물의 조대화를 초래하여 충격인성이 저하된다.
Mo은 1.5~2.5wt%를 첨가하며, 1.5wt% 이상 첨가하여 용체화 처리(Solution treatment) 시 기지 중에 고용되어 담금질 경화능을 증가시키고 Tempering에 의한 연화를 감소시키며 탄화물을 형성시킴으로써 내마모성을 향상시킨다. 2.5wt%를 초과하는 경우 인성 및 가공성을 저하시킨다.
V는 1.0wt% 이하를 첨가하며, 안정한 탄화물을 형성하여, 결정입자의 조대화 방지에 효과가 있다. 또한, 탄화물의 형성에 의해 내마모성이나 경도향상에 기여한다. 1.0wt%를 초과하는 경우 가공성이 저하된다.
Ti: 0.1% 이하(0% 제외) 및 Ce: 0.1% 이하(0% 제외) 중 1종 이상을 포함하며, Ti은 미세한 탄화물 형성하여, 결정입자를 미세화시켜 인성을 향상시키는 효과가 있다.
특히, 상기 Ti 및 Ce 1종 이상 중 상기 Ti: 0.1% 이하(0% 제외)를 포함할 수 있다. 0.1wt%를 초과하면 고용되지 않은 1차 탄화물이 증대되어, 인성의 저하가 일어난다.
바람직하게는 0.005 내지 0.05wt%를 포함하여 59 내지 65 HRC의 경도와 23 내지 35 J/cm2의 충격인성을 가질 수 있다. 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.03wt%를 포함하고 용체화 온도가 1000℃ 이상으로, 59 내지 65 HRC의 경도와 30 내지 35 J/cm2의 충격인성을 가질 수 있다.
Ce는 기지 중의 산소량을 저감시키고 1차 탄화물의 함량과 크기를 줄여 충격인성을 향상시키는 효과가 있다.
특히, 상기 Ti 및 Ce 1종 이상 중 상기 Ce: 0.1% 이하(0% 제외)를 포함할 수 있다. 0.1wt%를 초과하면 고용되지 않은 1차 탄화물이 증대되어, 인성의 저하가 일어난다.
바람직하게는 Ce는 0.06%이하를 포함하고, 59 내지 65 HRC의 경도와 16 내지 42 J/cm2의 충격인성을 가질 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 선택된 1종은 Ce로 0.01~0.06%를 포함하고, 59 내지 65 HRC의 경도와 30 내지 42 J/cm2의 충격인성을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 공구강은 상용 SKD11종보다 낮은 수준의 C과 Cr을 함유하여 응고 중 일차 탄화물의 생성을 최대한 억제하고, 부족한 물성을 Mo, V 첨가를 통해 보완하는 방향으로 설계되었으며 열역학 시뮬레이션 데이터(ΔT)를 분석한 결과는 －181로 매우 높은 수준의 데이터를 나타내었으며, 이를 통해 우수한 수준의 강도와 충격인성을 나타낼 수 있다.
위와 같이, 상기 충격인성이 우수한 초고강도 공구강은 Ti, Ce를 첨가하여 주조 상태에서 1차 탄화물을 감소시키고 이를 통해 최종 용체화 처리(Solution treatment) 및 템퍼링(Tempering)된 압연재가 동일 열처리 조건 또는 동일 경도 수준에서 향상된 충격인성을 나타낸다. 조대한 정출 탄화물(주조상태에서 형성된 1차 탄화물로 주로 M7C3) 생성을 억제하여 인성 향상시키고, 템퍼링(Tempering) 시 경질의 미세한 석출 탄화물(M7C3, M23C6 등, 주로 M23C6)을 생성시켜 경도를 증가시킨다.
특히, 상기 충격인성이 우수한 초고강도 공구강은 Ti와 Ce 첨가에 따라 첨가하지 않은 강에 비하여 경도는 약간 감소하나 1차 탄화물(M7C3)의 분율이 감소하고 이로 인해서 충격 인성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 공구강의 열처리 순서를 나타낸 순서도이다. 본 발명에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 공구강의 제조방법은 주조(Casting) 단계, 균질화 처리(Homogenization) 단계, 열간 압연(Hot Rolling) 단계, 구상화 처리(Spheroidization) 단계, 용체화 처리(Solution treatment) 단계 및 템퍼링(Tempering) 단계를 포함한다.
상기 주조(Casting) 단계는 중량%로서, C: 0.7~0.9%, Si: 0.4~0.6%, Mn: 0.4~0.6%, Cr: 7.0~9.0%, Mo: 1.5~2.5%, V: 1.0% 이하(0% 제외)에, Ti: 0.1% 이하(0% 제외) 및 Ce: 0.1% 이하(0% 제외) 중 1종 이상을 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 잉곳을 주조하는 단계이다.
높은 순도를 갖는 Fe, C, Cr, Mo, V 등의 합금 원소를 목적 조성으로 평량하여 진공용해한 후 대기 중에서 금형에 주조하였다.
제조된 잉곳의 크기는 14(T)×70(W)×120(H)mm3이었다. 이로부터 미세조직 및 기계적 특성 평가용 시편을 제조하기 위한 압연용 소재를 마련하기 위해 ~20mm 두께의 각재로 절단하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 공구강의 열처리 온도 및 시간을 나타낸 그래프이다.
상기 균질화 처리(Homogenization) 단계는 상기 잉곳을 1100~1200℃에서 균질화 처리(Homogenization) 하는 단계이다. 균질화 온도를 1100℃~1200℃로 제어하는 것은 거대 탄화물을 고용시켜 탄화물 구성성분을 기지로 확산시켜 탄화물의 분포를 개선할 수 있다. 일 실시예로 절단된 각재는 1150℃에서 1시간 동안 균질화 처리하였다.
상기 열간 압연(Hot Rolling) 단계는 열간 압연(Hot Rolling)을 수행하는 단계로 미세조직 관찰 및 인장시편용은 약 90%, 경도 및 충격시편용은 약 50% 수준으로 열간 압연하였다.
상기 구상화 처리(Spheroidization) 단계는 경도를 낮춰 시편 가공을 원활하게 하기 위하여 850~900℃에서 구상화 처리(Spheroidization)하는 단계이다. 870℃에서 4시간 동안 구상화 열처리를 진행할 수 있다.
구상화 열처리한 소재로부터 (i) 25mm의 게이지 길이를 갖는 ASTM-E8 서브사이즈 크기의 판상 인장시편, (ii) 10R의 곡률반경을 갖는 10×10×55mm3 크기의 C-노치 충격시편, (iii) 경도시편 및 (iv) 미세조직 관찰용 시편 등을 기계적 가공을 통해 마련하였다.
상기 용체화 처리(Solution treatment) 단계는 950~1100℃에서 유지한 후 공냉하는 용체화 처리(Solution treatment) 단계이다. 모든 시편은 986℃, 1036℃ 및 1086℃에서 30분간 유지한 후 공냉하였다. 특히, 상기 용체화 처리(Solution treatment) 단계는 1000~1100℃에서 수행한 공구강은 우수한 경도 및 향상된 충격인성 값을 가질 수 있다.
상기 템퍼링(Tempering) 단계는 480~570℃에서 유지한 후 공냉하는 템퍼링(Tempering) 단계이다. 상기 템퍼링(Tempering) 단계를 2회 이상 반복 수행할 수 있다. 500℃ 및 550℃에서 2시간 동안 유지한 후 공냉하는 템퍼링(Tempering) 처리를 2회 반복 수행하였다. 템퍼링(Tempering) 온도는 480℃ 이상으로 하여 용체화 처리(Solution treatment) 시의 잔류응력이 제거되어 안정조직으로 됨과 동시에, Mo, V 등의 MC 탄화물 석출경화에 의한 2차 경화 효과를 얻어 우수한 경도를 확보할 수 있다. 템퍼링(Tempering) 온도가 570℃ 이상으로 너무 많이 증가되면, MC 탄화물이 보다 조대해지고 불안정하게 되어 바람직하지 않다.
인장시험은 상온에서 1×10-3/s의 속도로 수행하였고, 경도는 Rockwell C-scale로 측정하였으며, 충격시험은 상온에서 Charpy impact법으로 진행하였다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명 과정의 세부 사항을 설명하고자 한다.
표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 공구강 조성을 나타낸 표이다. 아래 표1과 같은 높은 순도를 갖는 Fe, C, Cr, Mo, V 등의 합금 원소를 목적 조성으로 평량하여 진공용해한 후 대기 중에서 금형에 주조하였다.
강종 C
(Wt%) 		Si
(Wt%) 		Mn
(Wt%) 		Cr
(Wt%) 		Mo
(Wt%) 		V
(Wt%) 		Ti
(Wt%) 		Ce
(Wt%)
A-1 K73 0.800 0.500 0.470 7.960 2.020 0.510 0 0
A-2 K73 0.800 0.500 0.470 7.960 2.020 0.510 0 0
A-3 K73 0.800 0.500 0.470 7.960 2.020 0.510 0 0
B1-1 K73_Ti 0.800 0.510 0.470 7.900 2.000 0.510 0.017 0
B1-2 K73_Ti 0.800 0.510 0.470 7.900 2.000 0.510 0.017 0
B1-3 K73_Ti 0.800 0.510 0.470 7.900 2.000 0.510 0.017 0
B2-1 K73_Ti_M 0.800 0.470 0.440 7.880 1.960 0.490 0.039 0
B2-2 K73_Ti_M 0.800 0.470 0.440 7.880 1.960 0.490 0.039 0
B2-3 K73_Ti_M 0.800 0.470 0.440 7.880 1.960 0.490 0.039 0
C1-1 K73_Ce 0.800 0.500 0.470 7.860 1.990 0.500 0 0.019
C1-2 K73_Ce 0.800 0.500 0.470 7.860 1.990 0.500 0 0.019
C1-3 K73_Ce 0.800 0.500 0.470 7.860 1.990 0.500 0 0.019
C2-1 K73_Ce_M 0.800 0.470 0.460 7.940 2.000 0.500 0 0.039
C2-2 K73_Ce_M 0.800 0.470 0.460 7.940 2.000 0.500 0 0.039
C2-3 K73_Ce_M 0.800 0.470 0.460 7.940 2.000 0.500 0 0.039
C2-4 K73_Ce_M 0.800 0.470 0.460 7.940 2.000 0.500 0 0.039
C2-5 K73_Ce_M 0.800 0.470 0.460 7.940 2.000 0.500 0 0.039
D1-1 K73_TiCe 0.800 0.500 0.470 7.980 2.010 0.500 0.030 0.019
D1-2 K73_TiCe 0.800 0.500 0.470 7.980 2.010 0.500 0.030 0.019
D1-3 K73_TiCe 0.800 0.500 0.470 7.980 2.010 0.500 0.030 0.019
D2-1 K73_TiCe_M 0.800 0.480 0.460 7.910 1.980 0.500 0.038 0.045
D2-2 K73_TiCe_M 0.800 0.480 0.460 7.910 1.980 0.500 0.038 0.045
D2-3 K73_TiCe_M 0.800 0.480 0.460 7.910 1.980 0.500 0.038 0.045
E1 K1 0.550 1.000 0.350 5.000 1.000 1.000 0 0
E2 K3 0.600 1.500 0.400 4.500 2.500 1.500 0 0
E3 K5 0.800 0.600 0.600 6.000 2.500 1.000 0 0
E4 K11 0.850 0.500 0.400 5.500 2.500 1.000 0 0
E5 SKD11 1.500 0.400 0.600 12.00 1.200 0.350 0 0
표 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공구강 조성에 따른 용체화 온도(℃), 템퍼링 온도(℃), 항복강도(MPa), 인장강도(MPa), 연신율(%), 경도(HRC)의 측정값을 나타낸 표이다.
강종 Q/T 조건 항복강도
(MPa) 		인장강도
(MPa) 		연신율
(%) 		경도
(HRC)
용체화
온도(℃) 		템퍼링
온도(℃)
A-1 K73 1036 500 1980 2551 3.3 62.1
A-2 K73 1086 500 1972 2446 3.9 64.4
A-3 K73 1086 550 1957 2259 5.1 59.5
B1-1 K73_Ti 986 500 1886 2291 3.7 59.6
B1-2 K73_Ti 1036 500 2063 2587 5.7 63.5
B1-3 K73_Ti 1086 550 1987 2257 4.9 59.6
B2-1 K73_Ti_M 986 500 1863 2305 6.4 60.2
B2-2 K73_Ti_M 1036 500 2019 2560 6.5 62.9
B2-3 K73_Ti_M 1086 500 1893 2338 4.2 64.1
C1-1 K73_Ce 986 500 1851 2274 5.0 60.1
C1-2 K73_Ce 1036 500 2007 2609 7.9 62.1
C1-3 K73_Ce 1086 550 1932 2255 6.1 59.4
C2-1 K73_Ce_M 986 500 1852 2267 6.0 59.7
C2-2 K73_Ce_M 1036 500 2046 2507 3.8 62.9
C2-3 K73_Ce_M 1036 550 1810 2467 3.4 62.0
C2-4 K73_Ce_M 1086 500 1742 2183 4.1 64.4
C2-5 K73_Ce_M 1086 550 1999 2288 5.8 59.8
D1-1 K73_TiCe 986 500 1850 2314 7.4 59.3
D1-2 K73_TiCe 1036 500 2085 2469 3.7 62.0
D1-3 K73_TiCe 1086 550 1957 2245 5.9 58.5
D2-1 K73_TiCe_M 986 500 1852 2246 5.6 59.9
D2-2 K73_TiCe_M 1036 500 2066 2361 3.0 62.8
D2-3 K73_TiCe_M 1086 550 2002 2291 4.9 59.9
E1 K1 1030 520 1526 1823 8.2 53.0
E2 K3 1030 520 1688 1834 1.6 54.7
E3 K5 1030 520 1601 2054 6.6 55.0
E4 K11 1030 520 1645 1962 4.9 52.0
E5 SKD11 1030 520 1620 1850 2.3 60.0
표 3은 본 발명의 실시예에 따른 공구강 조성에 따른 경도(HRC) 및 충격인성(J/cm2)의 측정값을 나타낸 표이다.
강종 경도
(HRC) 		충격인성
(J/cm 2 )
A-1 K73 62.1 8.2
A-2 K73 64.4 13.7
A-3 K73 59.5 24.1
B1-1 K73_Ti 59.6 24.2
B1-2 K73_Ti 63.5 30.7
B1-3 K73_Ti 59.6 34.1
B2-2 K73_Ti_M 62.9 25.6
B2-3 K73_Ti_M 64.1 23.7
C1-3 K73_Ce 59.4 34.1
C2-2 K73_Ce_M 62.9 30.5
C2-3 K73_Ce_M 62.0 41.0
C2-4 K73_Ce_M 64.4 31.0
C2-5 K73_Ce_M 59.8 39.4
D1-1 K73_TiCe 59.3 25.7
D1-2 K73_TiCe 62.0 24.4
D1-3 K73_TiCe 58.5 16.0
D2-1 K73_TiCe_M 59.9 28.2
D2-2 K73_TiCe_M 62.8 23.2
D2-3 K73_TiCe_M 59.9 17.7
E1 K1 53.0 66.0
E2 K3 54.7 26.4
E3 K5 55.0 23.0
E4 K11 52.0 26.0
E5 SKD11 60.0 13.0
본 발명에 따른 공구강은 중량%로서, C: 0.7~0.9%, Si: 0.4~0.6%, Mn: 0.4~0.6%, Cr: 7.0~9.0%, Mo: 1.5~2.5%, V: 1.0% 이하(0% 제외)에, Ti: 0.1% 이하(0% 제외) 및 Ce: 0.1% 이하(0% 제외) 중 1종 이상을 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 상기 Ti 및 Ce 1종 이상 중 상기 Ti: 0.1% 이하(0% 제외)를 포함할 수 있다. 상기 Ti로 0.005~0.05%를 포함하고, 59 내지 65 HRC의 경도와 23 내지 35 J/cm2의 충격인성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공구강의 Cr 첨가로 인한 경도, 인장강도, 충격인성 향상효과를 확인하여 보면 상기 표 2 및 3과 같이, Cr 함량이 본 발명의 조성범위를 벗어난 실시예 E1 내지 E5는 본 발명이 목적으로 하는 경도, 인장강도, 충격인성을 가지지 못한다. E1 내지 E4는 Cr 함량이 부족해서 경도와 인장강도가 낮고, E5는 Cr 함량이 과다하여 충격인성이 낮은 결과를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공구강의 TI 첨가로 인한 충격인성 향상 효과를 표 3의 용체화 온도 1036℃, 템퍼링 온도 500℃ 조건의 실시예로 확인하여 보면 Ti 함량이 0wt%인 A-1은 8.2J/cm2, 0.019wt%인 B1-2은 30.7J/cm2, 0.039wt%인 B2-2은 25.6J/cm2의 충격인성 측정값을 가져 Ti 함량 0.02 wt% 근처에서 충격인성이 최고값을 보인다. 하지만 표 2와 같이 Ti 함량에 따른 인장강도의 경우, Ti 함량이 0wt%인 A-1은 2551MPa, 0.019wt%인 B1-2은 2587MPa, 0.039wt%인 B2-2은 2560MPa의 인장강도 측정값을 가져 유의미한 차이가 있다고 보기 어렵다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공구강의 제조된 공구강의 Ce 첨가로 인한 충격인성 향상 효과를 용체화 온도 1086℃, 템퍼링 온도 550℃ 조건의 실시예로 확인하여 보면 Ce 함량이 0wt%인 A-3는 24.1J/cm2, 0.019wt%인 C1-3은 34.1J/cm2, 0.039wt%인 C2-5는 39.4J/cm2의 충격인성 측정값을 가져 Ce 함량에 따라 충격인성이 증가한다. 0.019wt% 이상이면 충격인성이 30J/cm2 초과하여 우수한 효과를 나타낸다. 표 2와 같이, 용체화 온도 1036℃, 템퍼링 온도 500℃ 조건의 실시예로 인장강도는 Ce 함량이 0wt%인 A-1는 2551MPa, 0.019wt%인 C1-2는 2609MPa, 0.039wt%인 C2-2는 2507MPa의 인장강도 측정값을 가져 Ce 0.019wt%에서 비교적 높은 값을 보이나, 큰 차이를 보이지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 Ti 첨가 강의 용체화 온도에 따른 충격인성 향상 효과를 확인하여 보면, Ti 0.039wt% 첨가 강(K73_Ti_M)에서, 1036℃인 B2-2는 25.6J/cm2, 1086℃인 B2-3은 23.7J/cm2의 충격인성 측정값을 가져 용체화 처리 온도(Quenching 온도)에 따라 충격인성은 차이를 보이고, 1036℃에서 최고값을 나타낸다.
또한 제조된 Ti 첨가 강의 용체화 온도에 따른 인장강도 향상 효과를 확인하여 보면, Ti 0.039wt% 첨가 강(K73_Ti_M)에서, 986℃인 B2-1은 2305MPa, 1036℃인 B2-2는 2560MPa, 1086℃인 B2-3은 2338MPa의 인장강도 측정값을 가져 용체화 처리 온도에 따라 인장강도는 차이를 보이고, 1036℃에서 최고값을 나타낸다.
따라서 Ti 0.039wt% 첨가 강(K73_Ti_M)에서는 용체화 온도에 따라 충격인성과 인장강도가 변화하며 1036℃에서 최고값을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 Ce 첨가 강의 용체화 온도에 따른 충격인성 향상 효과를 확인하여 보면, Ce 0.039wt% 첨가 강(K73_Ce_M)에서, 1036℃인 C2-2는 30.5J/cm2, 1086℃인 C2-4은 31.0J/cm2의 충격인성 측정값을 가져 용체화 처리 온도 증가에 따라 충격인성은 증가하는 경향을 보인다.
또한 제조된 Ce 첨가 강의 용체화 온도에 따른 인장강도 향상 효과를 확인하여 보면, Ce 0.019wt% 첨가 강(K73_Ce)에서 986℃인 C1-1은 2274MPa, 1036℃인 C1-2는 2609MPa, 1086℃인 C1-3는 2255MPa의 인장강도 측정값을 가져 용체화 온도 증가에 따라 인장강도가 증가하다가 감소하여 1036℃에서 최고값을 가진다.
Ce 0.039wt% 첨가 강(K73_Ce_M)에서, 986℃인 C2-1은 2267MPa, 1036℃인 C2-2는 2507MPa, 1086℃인 C2-4는 2183MPa의 인장강도 측정값을 가져 Ce 0.019wt% 첨가 강과 유사하게 용체화 처리 온도에 따라 인장강도는 차이를 보이고, 1036℃에서 최고값을 가진다.
본 발명에 따른 공구강은 중량%로서, C: 0.7~0.9%, Si: 0.4~0.6%, Mn: 0.4~0.6%, Cr: 7.0~9.0%, Mo: 1.5~2.5%, V: 1.0% 이하(0% 제외)에, Ti: 0.1% 이하(0% 제외) 및 Ce: 0.1% 이하(0% 제외) 중 1종 이상을 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 표 2 및 3과 같이, 상기 Ti 및 Ce 1종 이상 중 상기 Ti: 0.1% 이하(0% 제외)를 포함할 수 있다. 상기 Ti로 0.005~0.05%를 포함하고, 59 내지 65 HRC의 경도와 23 내지 35 J/cm2의 충격인성을 가질 수 있다. 특히, 상기 선택된 1종은 Ti로 0.01~0.03%를 포함하고 용체화 온도가 1000℃ 이상으로, 59 내지 65 HRC의 경도와 30 내지 35 J/cm2의 충격인성을 가질 수 있다.
상기 표 2 및 3과 같이, 상기 Ti 및 Ce 1종 이상 중 상기 Ce: 0.1% 이하(0% 제외)를 포함할 수 있다. 상기 Ce는 0.06%이하(0% 제외)를 포함하고, 59 내지 65 HRC의 경도와 16 내지 42 J/cm2의 충격인성을 가질 수 있다. 특히, 상기 선택된 1종은 Ce로 0.01~0.06%를 포함하고, 59 내지 65 HRC의 경도와 30 내지 42 J/cm2의 충격인성을 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공구강의 경도(Hardness)에 따른 인장강도(UTS)를 나타낸 그래프이다. 인장강도는 공구강의 경도와 아래 식과 같은 관계를 가지고, 인장강도 측정값의 경우 Ti 첨가 및 Ce 첨가에 따른 유의미한 차이가 있다고 보기 어렵다.
인장강도(전체) = -1.017.8 + 54.5 × 경도
상기 관계식에서 상기 관계식에서 인장강도는 MPa, 경도는 HRC로 나타낸 값이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공구강의 경도(Hardness)에 따른 충격인성(Impact toughness)을 나타낸 그래프이다. 경도에 따른 충격인성은 아래와 같은 관계식을 가진다.
충격인성(전체) = 69.4 - 0.759 × 경도
상기 관계식에서 상기 관계식에서 충격인성은 ℃J/cm2, 경도는 HRC로 나타낸 값이다.
본 발명에서 경도에 따른 충격인성은 Ti, Ce 함유 여부에 따라 다른 경향을 나타낸다. Ti와 Ce을 포함하지 않는 강종(A)은 경도에 따른 충격인성이 아래와 같은 관계식을 가진다.
충격인성(A 강종) = 152.28 － 2.21 × 경도
반면에 Ti 첨가 강과 Ce 첨가 강은 아래와 같은 관계식을 가진다.
관계식 1: 충격인성(B 강종) = 168.86 － 2.32 × 경도
관계식 2: 충격인성(C 강종) = 107.24 － 1.17 × 경도
Ti 첨가 강 및 Ce 첨가 강의 경도에 따른 충격인성의 상관관계인 기울기가 상이하나, 동일 경도에서 충격인성이 향상되는 결과를 나타낸다. Ti 첨가 강(B 강종)은 기본 K73 강(A 강종)과 비교하여 동일 경도에서 충격인성이 약 10 J/cm2 정도 향상되고, Ce 첨가 강(C 강종)은 기본 K73 강(A 강종)과 비교하여 동일 경도에서 충격인성이 17~23 J/cm2 정도 향상되며, Ce 첨가 강(C 강종)은 Ti 첨가 강(B 강종)과 비교하여 동일 경도에서 충격인성이 7~13 J/cm2 정도 향상되었고 높은 경도에서 충격인성 향상 효과가 더 큰 것으로 확인되었다.
Ti 첨가 강보다 Ce 첨가 강이 동일 경도 수준에서 충격인성이 더 향상된 결과를 나타내며, 또한 Ti와 Ce을 함께 첨가한 경우보다 Ce만 첨가한 공구강에서 우수한 특성을 가진다. REM 중에서 임의의 성분을 선택한다고 해서 Ce 첨가한 공구강과 같은 효과가 얻어지지 않음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공구강의 1차 탄화물 분율 감소를 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 공구강의 1차 탄화물 분율 감소로 인한 주조재의 경도 저하를 나타낸 그래프이다.
1차 탄화물의 분율은 아래와 같은 관계식으로 나타낼 수 있다.
1차 탄화물 분율(vol%) = 4.90 － 99.2 × Ti 함량(wt%)
1차 탄화물 분율(vol%) = 4.83 － 71.0 × Ce 함량(wt%)
동일 경도 수준에서 Ti 나 Ce이 1차 탄화물을 감소시켜 충격인성을 향상시킬 수 있으나 과다 첨가 시 경도를 감소시키는 것을 확인할 수 있다.
위와 같이, 본 발명에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 공구강은 Ti 와 Ce 중 1종 이상을 포함하여 주조 상태에서 1차 탄화물을 감소시키고 용체화 처리(Solution treatment) 및 템퍼링(Tempering) 후 우수한 경도 수준에서 충격인성이 향상된 초고강도 공구강을 제공할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 충격인성이 우수한 초고강도 공구강 및 제조방법을 제공하여 특수합금강 또는 초고장력 강판 등을 사용하는 철강, 자동차, 선박, 중공업, 플랜트 산업용 제품에 적용 가능 하며, 세계적으로 우수한 산업 기반소재 가공용 TOOL 소재 및 부품 소재로 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술 분야 에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (10)

  1. 중량%로서, C: 0.7~0.9%, Si: 0.4~0.6%, Mn: 0.4~0.6%, Cr: 7.0~9.0%, Mo: 1.5~2.5%, V: 1.0% 이하(0% 제외), Ce: 0.01~0.06% 및 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지며, 59 내지 65 HRC의 경도와 30 내지 42 J/㎠의 충격인성을 가지는 것을 특징으로 하는 충격인성이 우수한 초고강도 공구강.
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  8. 중량%로서, C: 0.7~0.9%, Si: 0.4~0.6%, Mn: 0.4~0.6%, Cr: 7.0~9.0%, Mo: 1.5~2.5%, V: 1.0% 이하(0% 제외), Ce: 0.01~0.06% 및 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 잉곳을 주조하는 단계;
    상기 잉곳을 1100~1200℃에서 균질화 처리(Homogenization)하여 열간 압연(Hot Rolling)을 수행하는 단계:
    850~900℃에서 구상화 처리(Spheroidization)하는 단계;
    950~1100℃에서 유지한 후 공냉하는 용체화 처리(Solution treatment) 단계; 및
    480~570℃에서 유지한 후 공냉하는 템퍼링(Tempering) 단계를 포함하며,
    59 내지 65 HRC의 경도와 30 내지 42 J/㎠의 충격인성을 가지는 것을 특징으로 하는 충격인성이 우수한 초고강도 공구강 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 용체화 처리(Solution treatment) 단계는 1000~1100℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 충격인성이 우수한 초고강도 공구강 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 템퍼링(Tempering) 단계를 2회 이상 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 충격인성이 우수한 초고강도 공구강 제조방법.
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