KR102145259B1 - 탄소공구강 열처리 방법과 이를 이용한 탄소공구강 - Google Patents

탄소공구강 열처리 방법과 이를 이용한 탄소공구강 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소공구강 열처리 방법과 이를 이용한 탄소공구강에 관한 것으로, 열처리품(S)을 올케이스로(All Case Furnace)에 장입한 후 750℃까지 승온하는 제 1단계와 상기 제 1단계 후 750℃에 도달 시 변성가스의 흡열형 가스인 RX가스를 상기 올케이스로에 투입하는 제 2단계와 열처리품(S)을 780℃~850℃ 범위 내에서 60분간 유지하고 이후 DMF(Dimethyl Formamide)용액을 상기 RX가스의 투입량의 10% 내에서 상기 올케이스로에 투입하여 6~10시간 동안 유지하는 제 3단계와 상기 제 3단계에서 유지되는 온도를 6~10시간 유지한 후 750℃까지 노냉(가열로 속에서 열처리품을 서서히 냉각)시키는 제 4단계와 상기 제 4단계에서 노내 온도가 750℃에서 30분을 유지한 후 변성가스(RX가스)와 DMF용액 투입을 차단하고, 60℃~80℃의 유조에 급속 유냉처리하는 제 5단계와, 상기 제 5단계를 거친 후 뜨임처리를 200℃에서 2시간 뜨임처리를 한 후 공냉처리하는 제 6단계로 이루어지는 제조 방법을 통해 열처리품 표면에 원자상태의 질소를 확산 침투시켜 임계 냉각속도를 지연시켜 담금질성을 개선할 수 있고 이를 통해 기름을 이용하여 냉각하여도 고경도를 얻을 수 있게 된다. 또한 상기 제조 방법을 통해 획득되는 탄소공구강을 이용하여 철판 타공용 펀치로 이용될 수 있다. 이는 합금 원소를 첨가하지 않고 이와 견줄 수 있도록 담금질성을 향상 시키는 것으로 제조 단계의 단순화와 비용 절감을 기대할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

탄소공구강 열처리 방법과 이를 이용한 탄소공구강{Method for heat treatment of carbon tool steel and carbon tool steel using this method}
본 발명은 탄소공구강 열처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 담금질성 개선을 통한 표면경도 향상으로 합금강과 같은 고경도를 획득하여 우수한 품질의 탄소공구강을 획득할 수 있는 탄소공구강 열처리 방법과 이를 이용한 탄소공구강에 관한 것이다.
일반적으로 공구강이라 함은 가공용 공구 제작에 사용되는 강철로 탄소공구강이라 함은 특별한 합금 원소를 첨가하지 않고 철과 0.6 ~ 1.5%의 탄소를 함유하여 공구용으로 사용되는 고탄소강을 지칭하고 황·인·비금속 개재물이 적고 담금질과 뜨임해서 사용한다. 탄소량이 적은 것은 인성이 좋고, 많은 것은 내마모성과 절삭능력이 높다. 이밖에 합금공구강은 탄소공구강에 0.5∼1.0%의 크로뮴(Cr), 4∼5%의 텅스텐(W)을 가한 절삭용과 0.07∼1.3%의 니켈(Ni)에 소량의 크로뮴(Cr)을 가한 톱용이 대표적이며, 역시 담금질 및 뜨임해서 사용한다. 이 밖에도 망가니즈(Mn)·몰리브데넘(Mo)·바나듐(V)·실리콘(Si) 등을 첨가해서 인성과 내마모성 등을 높여 주기도 한다. 상기 탄소공구강은 상온 및 고온에서 경도가 높고 내마모성이 크며, 인성이 크고 열처리가 용이한 특징이 있고 또한 상대적으로 제작 비용이 저렴하고 형상의 가공이 용이한 이점이 있다.
이같은 탄소강을 사용하기 위하여 대한민국 등록특허 제10-1467053호에서는 (a)탄소(C) : 0.30 ~ 0.40 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.6 ~ 0.8 중량%, 인(P) : 0 중량% 초과 ~ 0.025 중량% 이하, 황 (S) : 0 중량% 초과 ~ 0.005 중량% 이하, 니오븀(Nb) : 0.025 ~ 0.040 중량%, 질소(N) : 0 중량% 초과 ~ 0.006 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 강 슬라브를 SRT(Slab Reheating Temperature): 1150 ~ 1250℃로 재가열하는 단계; (b) 상기 재가열된 강을 단상 오스테나이트 구간에서부터 공석변태온도 구 간까지 열간 압연하는 단계; 및 (c) 상기 마무리 열간 압연된 강을 CT(Coiling Temperature) : 550 ~ 600℃까지 냉각하여 권취하는 단계;를 포함하는 탄소강 제조 방법이 게시되어 있다.
그러나 종래 기술은 고경도의 탄소강을 획득하기 위하여 합금원소가 추가되고 이를 첨가하는 단계가 필수적이며 또한 이를 위해 소재 가격이 높아져 비용이 올라가는 한계가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1467053호(2014.11.24)
상술한 바와 같은 단계적 복잡성과 높은 비용 문제를 해결하기 위하여, 본원발명에서는 합금원소를 첨가하지 않고 철에 탄소를 함유한 탄소강의 담금질성 개선을 통한 표면경도 향상으로 합금강과 유사한 고경도를 갖는 탄소공구강 열처리 방법과 이를 이용한 탄소공구강을 제공하는 것을 목적으로 한다.
목적을 달성하기 위한 구성으로는 탄소공구강 열처리 방법에 있어서,
열처리품(S)을 올케이스로(All Case Furnace)에 장입한 후 750℃까지 승온하는 제 1단계와 상기 제 1단계 후 750℃에 도달 시 변성가스의 흡열형 가스인 RX가스를 상기 올케이스로에 투입하는 제 2단계와 열처리품(S)을 780℃~850℃ 범위 내에서 60분간 유지하고 이후 DMF(Dimethyl Formamide)용액을 상기 RX가스의 투입량의 10% 내에서 상기 올케이스로에 투입하여 6~10시간 동안 유지하는 제 3단계와 상기 제 3단계에서 유지되는 온도를 6~10시간 유지한 후 750℃까지 노냉(가열로 속에서 열처리품을 서서히 냉각)시키는 제 4단계와 상기 제 4단계에서 노내 온도가 750℃에서 30분을 유지한 후 변성가스(RX가스)와 DMF용액 투입을 차단하고, 60℃~80℃의 유조에 급속 유냉처리하는 제 5단계와, 상기 제 5단계를 거친 후 뜨임처리를 200℃에서 2시간 뜨임처리를 한 후 공냉처리하는 제 6단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소공구강 열처리 방법이다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소공구강 열처리 방법은 열처리품 표면에 원자상태의 질소를 확산 침투시켜 임계 냉각속도를 지연시켜 담금질성을 개선할 수 있고 개선된 열처리품은 기름을 이용하여 냉각하여도 고경도를 얻을 수 있게 된다. 이는 합금 원소를 첨가하지 않고 이와 견줄 수 있도록 담금질성을 향상 시키는 것으로 제조 단계의 단순화와 비용 절감을 기대할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소강 열처리 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시간과 온도에 따른 공정 순서 도식도.
철판 타공용으로 사용되는 금속 펀치의 제작을 위해서는 탄소강이 사용되고 펀치의 수명은 펀치의 경도에 따라 좌우된다. 이는 탄소강의 경도가 높을수록 내마모성이 우수하여 사용 수명이 길어진다. 철판 타공용 펀치는 사용경도가 HRC 58 ~ HRC 65 정도이며 사용재질은 목적하는 타공 횟수에 따라 선택될 수 있다. 이를 위해 제작되는 공구강은 탄소강과 합금원소를 첨가한 합금강이 사용될 수 있고 합금원소가 첨가된 고합금강일수록 소재비용은 높아지게 된다.
일반적으로 제조되는 탄소강을 이용한 탄소공구강은 합금강보다 제작 비용이 상대적으로 저렴하지만 낮은 경도로 사용 수명에 한계가 있다. 세부적으로 탄소강은 담금질성이 좋지 않아 수냉 처리시 HRC 60의 사용경도를 얻을 수 있으나 유냉처리 시에는 HRC 50 ~ HRC 55의 경도를 얻을 수 있다. 하지만 고경도를 얻기 위해 수냉처리 시에는 제품 변형 및 담금질 균열이 발생되기 때문에 일반적으로 유냉처리를 함으로써 낮은 경도의 탄소강을 생성하고 이를 이용하는 탄소공구강의 사용 수명은 현격히 낮아지게 된다. 상기 수냉처리 시 발생되는 담금질 균열 문제점은 급냉에 의해 마르텐사이트조직이 표면에 생성되게 되고 동시에 냉각에 의한 열수축으로 인해 탄소강 표면에 인장응력이 발생되어 균열이 생기게 된다. 탄소강의 담금질 조직인 마르텐사이트조직을 얻기 위해 임계 냉각속도 이상으로 냉각하여야 하지만 균열을 방지하기 위해 기름을 이용한 유냉시에는 냉각속도가 느리기 때문에 탄소강 내부에 마르텐사이트조직 외 퍼얼라이트 등 혼합조직이 발생되기 때문에 높은 경도를 얻을 수 없게 되는 한계가 발생된다.
이에 하기와 같이 본원발명의 탄소공구강 열처리 방법을 이용하여 담금질성 개선을 통한 표면경도가 향상된 고경도 탄소공구강을 획득할 수 있다. 이는 철판을 타공할 수 있는 타공용 펀치로 사용될 수 있고 구멍을 내고자 하는 형상에 따라 선택적으로 제작될 수 있다.
본원발명의 탄소공구강 열처리 방법에 있어서 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소공구강 열처리 방법을 나타낸 공정 순서도이고 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시간과 온도에 따른 공정 순서 도식도로 이를 참고하여 본원발명의 상세 구성을 설명하면 하기와 같다.
탄소공구강 열처리 방법에 있어서, 열처리품(S)을 올케이스로(All Case Furnace)에 장입한 후 750℃까지 승온하는 제 1단계(S10);와 상기 제 1단계(S10) 후 750℃에 도달 시 변성가스의 흡열형 가스인 RX가스를 상기 올케이스로에 투입하는 제 2단계(S20);와 열처리품(S)을 780℃~850℃ 범위 내에서 60분간 유지하고 이후 DMF(Dimethyl Formamide,
Figure 112020037442826-pat00005
)용액을 상기 RX가스의 투입량의 10% 내에서 상기 올케이스로에 투입하여 6 ~ 10시간 동안 유지하는 제 3단계(S30);와 상기 제 3단계(S30)에서 유지되는 온도를 6 ~ 10시간 유지한 후 750℃까지 노냉(가열로 속에서 열처리품을 서서히 냉각)시키는 제 4단계(S40);와 상기 제 4단계(S40)에서 노내 온도가 750℃에서 30분을 유지한 후 변성가스(RX가스)와 DMF용액 투입을 차단하고 60℃~80℃의 유조에 급속 유냉처리하는 제 5단계와, 상기 제 5단계를 거친 후 뜨임처리를 200℃에서 2시간 뜨임처리를 한 후 공냉처리하는 제 6단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 상기 열처리품(S)은 STC 1종, STC 2종, STC 3종, STC 4종, STC 5종 중에서 선택적으로 사용될 수 있다.
또한 상기 RX가스는 가스 침탄을 할 때 침탄용 가스의 침탄 능력인 평형 탄소 농도(Carbon Potential) 0.95±0.1% 에서 분위기 열처리 되어 원자 상태의 질소를 확산침투 시켜 담금질성 향상을 도모할 수 있다. 원자상태의 질소를 제품표면에 확산 침투시키으로써 열처리품(S)으로 원자상태의 질소가 고용되어 임계냉각속도를 지연시키며 담금질성을 향상시키게 된다. 또한 상기 제 5단계에서의 급속 유냉처리 시 사용되는 열처리유제는 Cold Quenching Oil(KS 1종 1,2호)을 투입하여 고품질 탄소공구강을 획득할 수 있게 된다. 상기 열처리 방법을 통해서 얻어지는 탄소공구강 표면경도는 HRC 60 이상이며, 경화층 깊이는 0.5 ~ 1.5mm에 형성된다.
이를 이용하여 상기 탄소공구강 열처리 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 탄소공구강을 획득할 수 있고 상기 탄소공구강을 이용하여 철판을 타공할 수 있는 타공용 펀치로 사용된다. 이는 직경 50mm이하로 제작되되, 원형 또는 사각형, 그 외 구멍을 내고자 하는 형상에 따라 선택적으로 제작될 수 있다.
상기 내용과 같이 탄소공구강 열처리 방법을 통해 열처리품 표면에 원자상태의 질소를 확산 침투시켜 임계 냉각속도를 지연시켜 담금질성을 개선할 수 있고 기름에서 냉각하여도 고경도(HRC 60 이상)를 얻을 수 있게 된다. 이는 합금 원소를 첨가하지 않고 이와 견줄 수 있도록 담금질성을 향상 시키는 것으로 제조 단계의 단순화와 비용 절감을 기대할 수 있는 효과를 제공한다.
본 발명은 특정의 실시 예 및 적용 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
S. 열처리품
S10. 제 1단계 S20. 제 2단계
S30. 제 3단계 S40. 제 4단계
S50. 제 5단계 S60. 제 6단계

Claims (6)

  1. 탄소공구강 열처리 방법에 있어서,
    열처리품(S)을 올케이스로(All Case Furnace)에 장입한 후 750℃까지 승온하는 제 1단계(S10);와
    상기 제 1단계(S10) 후 750℃에 도달 시 변성가스의 흡열형 가스인 RX가스를 상기 올케이스로에 투입하는 제 2단계(S20);와
    열처리품(S)을 780℃~850℃ 범위 내에서 60분간 유지하고 이후 DMF(Dimethyl Formamide,
    Figure 112020037442826-pat00006
    )용액을 상기 RX가스의 투입량의 10% 내에서 상기 올케이스로에 투입하여 6~10시간 동안 유지하는 제 3단계(S30);와
    상기 제 3단계(S30)에서 유지되는 온도를 6~10시간 유지한 후 750℃까지 노냉(가열로 속에서 열처리품을 서서히 냉각)시키는 제 4단계(S40);와
    상기 제 4단계(S40)에서 노내 온도가 750℃에서 30분을 유지한 후 변성가스(RX가스)와 DMF용액 투입을 차단하고 60℃~80℃의 유조에 급속 유냉처리하는 제 5단계와,
    상기 제 5단계를 거친 후 뜨임처리를 200℃에서 2시간 뜨임처리를 한 후 공냉처리하는 제 6단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소공구강 열처리 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열처리품(S)은 STC 1종, STC 2종, STC 3종, STC 4종, STC 5종 중에서 선택적으로 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소공구강 열처리 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 RX가스는 평형 탄소 농도(Carbon Potential) 0.95±0.1% 에서 분위기 열처리 되는 것을 특징으로 하는 탄소공구강 열처리 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 5단계에서의 급속 유냉처리 시 사용되는 열처리유제는 Cold Quenching Oil(KS 1종 1,2호)을 투입하는 것을 특징으로 하는 탄소공구강 열처리 방법.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항의 열처리 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 탄소공구강에 있어서,
    철판을 타공할 수 있는 타공용 펀치로 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소공구강.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 타공용 펀치는 직경 50mm이하로 제작되되,
    구멍을 내고자 하는 형상에 따라 선택적으로 제작되는 것을 특징으로 하는 탄소공구강.

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