KR102213977B1 - 플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강은 탄소(C): 0.12 ~ 0.18중량%, 실리콘(Si): 0.34 ~ 0.38중량%, 망간(Mn): 1.48 ~ 1.52중량%, 인(P): 0 초과 0.01중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 구리(Cu): 0.8 ~ 1.2중량%, 알루미늄(Al): 0.8 ~ 1.2중량%, 니켈(Ni): 2.5 ~ 3.5중량%, 크롬(Cr): 0.28 ~ 0.32중량%, 몰리브덴(Mo): 0.28 ~ 0.32중량%, 바나듐(V): 0.035 ~ 0.045중량%, 질소(N): 0.006 ~ 0.01중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 최종 미세조직은 템퍼드 베이나이트 조직이다.

Description

플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조방법{STEEL FOR PLASTIC INJECTION MOLD AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 경도 및 경면 사상능이 향상된 플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차 산업과 기술의 발전에 따라 자동차 금형의 요구되는 형상이 점점 더 복잡해지고, 요구 물성이 높아져 가고 있다. 전조등 및 후미등용 플라스틱은 램프로부터 조사되는 빛 투과율이 높아야 하기 때문에 고 투명성이 요구되며, 이에 따라 사출용 금형강의 고경면 사상능이 요구된다. 금형강의 고경면 사상능 특성을 나타내기 위해, 최종 열처리 후 균일 및 고경도가 요구된다. 종래 투명 플라스틱 사출용 금형강의 경면사상능을 확보하기 위해, 상변화를 동반하는 열처리를 수행하는데, 이는 소재 중심부와 표면의 경도 차이를 초래하게된다. 한편, 고합금 성분계 제강시 인고트(ingot) 내에 상대적으로 무거운 원소(heavy element)들의 편석이 심해진다.
관련 선행기술로는 대한민국 출원번호 제10-2013-0151250호, 발명의 명칭 : 플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조방법)가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 ESR 설비를 적용하여 편석을 억제함과 동시에 균일 및 고경도를 갖는 고경면 플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강은 탄소(C): 0.12 ~ 0.18중량%, 실리콘(Si): 0.34 ~ 0.38중량%, 망간(Mn): 1.48 ~ 1.52중량%, 인(P): 0 초과 0.01중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 구리(Cu): 0.8 ~ 1.2중량%, 알루미늄(Al): 0.8 ~ 1.2중량%, 니켈(Ni): 2.5 ~ 3.5중량%, 크롬(Cr): 0.28 ~ 0.32중량%, 몰리브덴(Mo): 0.28 ~ 0.32중량%, 바나듐(V): 0.035 ~ 0.045중량%, 질소(N): 0.006 ~ 0.01중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 최종 미세조직은 템퍼드 베이나이트 조직이다.
상기 플라스틱 사출용 금형강의 상기 미세조직은 NiAl계 금속간 화합물과 바나듐 카바이드(VC)가 분산 석출되어 있을 수 있다.
상기 플라스틱 사출용 금형강은 1000MPa 이상의 항복강도, 1100MPa 이상의 인장강도 및 11% 이상의 연신율을 가질 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 제조방법은 (a) 탄소(C): 0.12 ~ 0.18중량%, 실리콘(Si): 0.34 ~ 0.38중량%, 망간(Mn): 1.48 ~ 1.52중량%, 인(P): 0 초과 0.01중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 구리(Cu): 0.8 ~ 1.2중량%, 알루미늄(Al): 0.8 ~ 1.2중량%, 니켈(Ni): 2.5 ~ 3.5중량%, 크롬(Cr): 0.28 ~ 0.32중량%, 몰리브덴(Mo): 0.28 ~ 0.32중량%, 바나듐(V): 0.035 ~ 0.045중량%, 질소(N): 0.006 ~ 0.01중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 1차 인고트(ingot) 전극을 제공하는 단계; (b) 상기 1차 인고트 전극을 700 ~ 800℃에서 어닐링하는 단계; (c) 상기 1차 인고트 전극을 이용하여 ESR(Electro Slag Remelting) 공정으로 ESR 인고트를 형성하는 단계; (d) 상기 ESR 인고트를 어닐링한 후 900 ~ 1100℃에서 가열하는 단계; (e) 가열된 상기 ESR 인고트를 900℃ 내지 1100℃에서 단조하는 단계; (f) 단조된 상기 ESR 인고트를 800 ~ 1000℃에서 균질화 열처리하고 공냉시키는 단계; (g) 공냉시킨 상기 ESR 인고트를 800 ~ 1000℃에서 가열 및 유지한 후 급냉(quenching)시키는 단계; 및 (h) 급냉시킨 상기 ESR 인고트를 500 ~ 650℃에서 템퍼링하고 공냉시키는 단계;를 포함한다.
상기 플라스틱 사출용 금형강의 제조방법의 상기 (g) 단계에서 상기 급냉은 1.5 ~ 5℃/s의 냉각속도로 300 ~ 350℃까지 냉각하는 것을 포함할 수 있다.
상기 플라스틱 사출용 금형강의 제조방법에서, 상기 단조는 원기둥 형상을 육면체 형상으로 단조하되, 단조비가 4S 이상인 수 있다.
상기 플라스틱 사출용 금형강의 제조방법에서, 상기 금형강은 1000MPa 이상의 항복강도, 1100MPa 이상의 인장강도 및 11% 이상의 연신율을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 편석을 억제함과 동시에 균일 및 고경도를 갖는 고경면 플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 플라스틱 사출용 금형강의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실험예의 플라스틱 사출용 금형강에서 두께 방향의 경도 분포를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예 중에서 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실험예 중에서 비교예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 미세조직을 관찰한 사진이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 적절하게 선택된 용어들로서, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
플라스틱 사출용 금형강
본 발명의 일 실시예에 따르는 플라스틱 사출용 금형강은 탄소(C): 0.12 ~ 0.18중량%, 실리콘(Si): 0.34 ~ 0.38중량%, 망간(Mn): 1.48 ~ 1.52중량%, 인(P): 0 초과 0.01중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 구리(Cu): 0.8 ~ 1.2중량%, 알루미늄(Al): 0.8 ~ 1.2중량%, 니켈(Ni): 2.5 ~ 3.5중량%, 크롬(Cr): 0.28 ~ 0.32중량%, 몰리브덴(Mo): 0.28 ~ 0.32중량%, 바나듐(V): 0.035 ~ 0.045중량%, 질소(N): 0.006 ~ 0.01중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강에 포함되는 각 성분의 역할 및 함량에 대하여 설명한다.
탄소(C)
탄소(C)는 플라스틱 사출용 금형강의 강도를 향상시키고, 용접성에 가장 큰 영향을 미치는 원소이다. 탄소(C)는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0.12 ~ 0.18중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 탄소의 함량이 전체 중량의 0.12중량% 미만일 경우에는 상술한 첨가 효과를 구현하기 어렵다. 반대로, 탄소의 함량이 전체 중량의 0.18중량%를 초과할 경우에는 모재의 충격 인성을 저하시킬 수 있으며, 성형성 및 용접성의 저하를 가져오는 문제점이 있을 수 있다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 페라이트 안정화 원소로 잘 알려져 있어 냉각 중 페라이트 분율을 높여 연성을 증가시키는 원소로 잘 알려져 있다. 한편, 실리콘은 알루미늄과 함께 제강공정에서 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가되며, 고용강화 효과도 가질 수 있다. 상기 실리콘은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0.34 ~ 0.38중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 실리콘의 함량이 전체 중량의 0.34중량% 미만인 경우 상술한 첨가 효과를 구현하기 어려우며, 실리콘의 함량이 전체 중량의 0.38중량%를 초과하여 다량 첨가시 강의 용접성을 저하시키며, 재가열 및 열간압연 시에 붉은 스케일(red scale)을 생성시킴으로써 표면품질에 문제를 줄 수 있다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 오스테나이트 안정화 원소로 저온상의 분율을 증가시키고 고용 강화 효과로 강의 강도를 증가시키는 원소로 사용된다. 즉, 망간은 고용 강화에 효과적이며, 강의 경화능을 증가시킬 수 있다. 망간은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 1.48 ~ 1.52중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 망간의 함량이 1.48중량% 보다 작을 경우, 목표로 하는 강도 및 물성을 확보하는 것이 어렵다. 또한, 망간의 함량이 1.52중량%를 초과할 경우, 연신율이 저하되며, 용접성이 저하되고, MnS 개재물 및 중심 편석(center segregation)이 발생하여 플라스틱 사출용 금형강의 연성이 저하되고 내부식성이 저하될 수 있다.
인(P)
인(P)은 고용 강화에 의해 강도의 강도를 높이며, 탄화물의 형성을 억제하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 인은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0 초과 0.01중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 인의 함량이 0.01중량%를 초과하는 경우에는 슬라브 중심 편석에 의한 내부식성 저하 문제가 있으며 석출거동에 의해 저온 충격치가 저하되는 문제가 있다.
황(S)
황(S)은 미세 MnS의 석출물을 형성하여 가공성을 향상시킬 수 있다. 상기 황은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0 초과 0.002중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 황의 함량이 0.002중량%를 초과할 경우, 표면 결함 및 가공균열의 원인이 되며 인성 및 용접성을 저해하고, 저온 충격치를 저하시킬 수 있다.
구리(Cu)
구리(Cu)는 시효경화 특성이 있으며, 적열취성을 야기하기는 하지만 황산이온에 대한 내식성이 있는 원소이다. 구리는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0.8 ~ 1.2중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 구리의 함량이 0.8중량% 보다 작을 경우, 고용체 석출에 따른 석출경화 정도 및 기지강화 정도가 낮아 고경도 확보가 어렵고, 내식성 개선효과를 기대하기 어렵게 된다. 또한, 구리의 함량이 1.2중량%를 초과할 경우, 인성저하가 생기고, 고온에서 Fe로의 고용도가 거의 없기 때문에 결정입계로 침윤이 발생하여 열간 가공성이 급격히 저하되고, 열간 균열이 발생하게 되는 문제점이 있다.
알루미늄(Al)
알루미늄(Al)은 실리콘과 같이 페라이트 안정화 및 탄화물의 형성을 억제하는 원소이다. 즉, 알루미늄은 소둔시 고온역 열처리가 가능하게 함으로써 초기 존재하는 페라이트의 성장을 유도하여 연신율 향상시키는데 유효한 원소이다. 또한, 알루미늄은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 제강 공정에 첨가되며, AlN으로 강 중에 석출하여 결정립 미세화에 기여할 수 있다. 상기 알루미늄은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강 중량의 0.8 ~ 1.2중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 알루미늄의 함량이 0.8중량% 미만이면 상술한 알루미늄 첨가 효과가 미흡하고, 1.2중량%를 초과하면 제강 및 소둔 온도 증가 등 공정 부하가 발생하며 연주에 어려움이 있어 생산성을 떨어뜨리며, 비금속개재물인 알루미나(Al2O3)를 형성하여 연성 및 인성이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
니켈(Ni)
니켈(Ni)은 인성을 증가시키고 흑연화를 조장하는 원소이다. 상기 니켈은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강 중량의 2.5 ~ 3.5중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 니켈의 함량이 2.5중량% 미만이면 상술한 니켈 첨가 효과가 미흡하고 인성감소가 크고, 3.5중량%를 초과하면 비경제적이고 잔류오스테나이트를 발생시켜 취화를 발생시킨다.
크롬(Cr)
크롬(Cr)은 소입성을 향상시켜 항복강도 하향효과를 형성하는 원소이다. 또한, 크롬은 페라이트 및 펄라이트의 고온 상변태 억제 효과가 높은 원소이다. 또한, 크롬은 페라이트 안정화 원소로 C-Mn강에 첨가시 용질 방해 효과로 탄소의 확산을 지연하여 입도 미세화에 영향을 미친다. 상기 크롬은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0.28 ~ 0.32중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 크롬의 함량이 전체 중량의 0.28중량% 미만일 경우에는 상술한 크롬 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 크롬의 함량이 전체 중량의 0.32중량%를 초과하여 다량 첨가시 인성 및 경화성의 관점에서 강의 특성이 저하되는 문제를 줄 수 있다.
몰리브덴(Mo)
몰리브덴(Mo)은 모재 강도 및 고온 강도의 확보에 유효한 원소이다. 상기 몰리브덴은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0.28 ~ 0.32중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 몰리브덴의 함량이 전체 중량의 0.28중량% 미만인 경우 상술한 효과를 구현하지 못하며, 전체 중량의 0.32중량%를 초과하여 다량 첨가시 켄칭성이 지나치게 상승하여 모재 및 용접 열 영향부의 인성이 열화되는 문제점이 발생한다.
바나듐(V)
바나듐(V)은 탄소와 결합하여 강도 증가에 영향을 끼치는 탄화물을 형성하는 원소이다. 상기 바나듐은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0.035 ~ 0.045중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 바나듐의 함량이 전체 중량의 0.035중량% 미만인 경우 상술한 첨가 효과가 나타나지 않으며, 0.045중량%를 초과하여 다량 첨가시 탄소 당량이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
질소(N)
질소(N)는 AlN 등의 질화물계 석출물을 형성하여 결정립 미세화에 기여하고, 고온 강도를 확보하는 데 기여할 수 있다. 상기 질소는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉연 도금 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0.006 ~ 0.01중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 상기 질소의 함량이 0.006중량% 미만인 경우 상술한 첨가 효과가 나타나지 않으며, 0.01중량%를 초과하면 충격특성과 연신율을 낮추고, 용접부 인성이 저하될 수 있다.
상술한 바와 같은, 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강은 1000MPa 이상의 항복강도, 1100MPa 이상의 인장강도 및 11% 이상의 연신율을 가질 수 있다.
또한, 상술한 바와 같은 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 플라스틱 사출용 금형강의 최종 미세조직은 템퍼드 베이나이트 조직이며, 상기 미세조직은 NiAl계 금속간 화합물과 바나듐 카바이드(VC)가 분산 석출된 것을 특징으로 할 수 있다.
이하에서는 상술한 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 제조 방법을 설명한다.
플라스틱 사출용 금형강의 제조 방법
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 플라스틱 사출용 금형강의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다. 본 발명의 일 실시예에 의한 플라스틱 사출용 금형강의 제조방법은 연신율 및 소성변형비(r값)를 향상시키는데 특징이 있는 것으로 제조공정은 열간압연 공정과 냉간압연 그리고 연속소둔공정으로 구성된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 플라스틱 사출용 금형강의 제조 방법은 (a) 탄소(C): 0.12 ~ 0.18중량%, 실리콘(Si): 0.34 ~ 0.38중량%, 망간(Mn): 1.48 ~ 1.52중량%, 인(P): 0 초과 0.01중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 구리(Cu): 0.8 ~ 1.2중량%, 알루미늄(Al): 0.8 ~ 1.2중량%, 니켈(Ni): 2.5 ~ 3.5중량%, 크롬(Cr): 0.28 ~ 0.32중량%, 몰리브덴(Mo): 0.28 ~ 0.32중량%, 바나듐(V): 0.035 ~ 0.045중량%, 질소(N): 0.006 ~ 0.01중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 1차 인고트(ingot) 전극을 제공하는 단계(S100); (b) 상기 1차 인고트 전극을 700 ~ 800℃에서 어닐링하는 단계(S200); (c) 상기 1차 인고트 전극을 이용하여 ESR(Electro Slag Remelting) 공정으로 ESR 인고트를 형성하는 단계(S300); (d) 상기 ESR 인고트를 어닐링한 후 900 ~ 1100℃에서 가열하는 단계(S400); (e) 가열된 상기 ESR 인고트를 900℃ 내지 1100℃에서 단조하는 단계(S500); (f) 단조된 상기 ESR 인고트를 800 ~ 1000℃에서 균질화 열처리하고 공냉시키는 단계(S600); (g) 공냉시킨 상기 ESR 인고트를 800 ~ 1000℃에서 가열 및 유지한 후 급냉(quenching)시키는 단계(S700); (h) 급냉시킨 상기 ESR 인고트를 500 ~ 650℃에서 템퍼링하고 공냉시키는 단계(S800);를 포함한다.
상기 플라스틱 사출용 금형강의 제조방법의 상기 (g) 단계(S700)에서 상기 급냉은 1.5 ~ 5℃/s의 냉각속도로 300 ~ 350℃까지 냉각하는 것을 포함할 수 있다.
상기 플라스틱 사출용 금형강의 제조방법에서, 단조하는 단계(S500)에 단조는 원기둥 형상을 육면체 형상으로 단조하되, 단조비가 4S 이상인 수 있다. 단조비가 4S 이상이라 함은 단조 후의 단면 면적이 최초 단면적의 1/4 이하로 감소함을 의미한다. 최종적으로 구현된 상기 금형강은 1000MPa 이상의 항복강도, 1100MPa 이상의 인장강도 및 11% 이상의 연신율을 가질 수 있다.
본 발명은 목표 경도 HRC: 38~42 의 값을 갖는 플라스틱 사출용 금형공구강을 생산하기 위한 성분 및 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 플라스틱 사출용 금형강은 석출경화형 경도 향상을 위하여 니켈(Ni): 2.5 ~ 3.5중량%, 알루미늄(Al): 0.8 ~ 1.2중량%, 및 구리(Cu): 0.8 ~ 1.2중량%를 첨가하는 것을 특징으로 한다. 니켈(Ni)과 알루미늄(Al)을 3:1 비율로 첨가하여 템퍼링(tempering) 시 NiAl계 금속간 화합물의 형성을 통한 석출 경화 효과를 얻을 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 플라스틱 사출용 금형강은 NiAl계 금속간 화합물 형성 이외에도 바나듐(V) 첨가에 따른 바나듐 카바이드(VC) 형성 효과를 확보할 수 있다. 바나듐 카바이드는 템퍼링 중 형성되는 석출물로서, 소재 경도를 향상시킴으로써 높고 균질한 경도를 갖는 소재를 구현함에 역할을 한다.
본 발명은 구리(Cu)를 첨가하여 Cu-alloy/Fe 계면에서 NiAl계 금속간 화합물의 형성을 촉진시킨다. 이 때, 구리의 녹는점이 약 1085℃ 이므로, 구리가 고온 영역에서 오스테나이트에 충분히 고용되지 않을 경우 정출되어 소재의 물성을 저하시킨다. 따라서 구리(Cu)의 첨가량을 0.8 ~ 1.2중량% 범위로 제한한다.
본 발명은 NiAl계 금속간 화합물의 균질 석출이 필수적임에 따라, Ni, Al, Cu 등 무거운 합금원소의 편석이 억제되어야 하고, 경면 사상능에 유해한 요소인 비금속 개재물의 형성을 억제해야 한다. 따라서, 상기 목적을 위해, 2차 용해 공정 ESR(Electro Slag Remelting) 공법을 적용하였다. ESR 공정은 첫째, conventional type ingot 제조를 통해 2차 용해의 전극을 제조하고, 둘째, Ar 분위기 하에서, 전극에 최적 전압 및 냉각공정을 적용하는 ESR 인고트(ingot) 제조 과정으로 구성된다. 본 발명은 니켈(Ni): 2.5 ~ 3.5중량%, 구리(Cu): 0.8 ~ 1.2중량% 첨가하게 되는데, conventional type의 인고트(ingot)의 경우 니켈 및 구리의 낮은 확산계수로 인해, 인고트 내 편석이 심각해져서 금형의 인성을 저하시키고, 열피로 수명을 저하시키는 중요한 원인이 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 플라스틱 사출용 금형강의 경우 단조 공정 전에 1100℃의 균질화 열처리 공정을 추가시켜 줌으로서 편석을 제거시키는 공정이 추가되게 된다. 본 발명의 일 실시예에 의한 플라스틱 사출용 금형강의 성분계의 경우 해당 열처리 공정이 필수적으로 수반되어야만 필요한 물성에 도달할수 있다. 본 발명강의 경도 향상 결과는 열처리 실험을 통해 그 효과를 입증하였다
실험예
이하 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
구분(%) C Si Mn P S Cu Al Ni Cr Mo V N
비교예 0.12 0.30 1.45 0.013 0.002 1.00 1.00 3.00 0.25 0.25 0.008 0.004
실시예 0.15 0.36 1.50 0.009 0.001 1.00 1.00 3.00 0.30 0.30 0.040 0.008
표 1은 본 발명의 실험예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 조성을 나타낸 것이다. 표 1의 실시예의 조성은 탄소(C): 0.12 ~ 0.18중량%, 실리콘(Si): 0.34 ~ 0.38중량%, 망간(Mn): 1.48 ~ 1.52중량%, 인(P): 0 초과 0.01중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 구리(Cu): 0.8 ~ 1.2중량%, 알루미늄(Al): 0.8 ~ 1.2중량%, 니켈(Ni): 2.5 ~ 3.5중량%, 크롬(Cr): 0.28 ~ 0.32중량%, 몰리브덴(Mo): 0.28 ~ 0.32중량%, 바나듐(V): 0.035 ~ 0.045중량%, 질소(N): 0.006 ~ 0.01중량% 및 나머지 철(Fe)의 조성범위를 만족한다.
이에 반하여, 표 1의 비교예의 조성은 실리콘(Si): 0.34 ~ 0.38중량%의 조성범위를 벗어나며, 망간(Mn): 1.48 ~ 1.52중량%의 조성범위를 벗어나며, 인(P): 0 초과 0.01중량% 이하의 조성범위를 벗어나며, 크롬(Cr): 0.28 ~ 0.32중량%의 조성범위를 벗어나며, 몰리브덴(Mo): 0.28 ~ 0.32중량%의 조성범위를 벗어나며, 바나듐(V): 0.035 ~ 0.045중량%의 조성범위를 벗어나며, 질소(N): 0.006 ~ 0.01중량%의 조성범위를 벗어난다.
본 발명의 실험예의 플라스틱 사출용 금형강은 상술한 각각의 조성으로 이루어진 1차 인고트(ingot) 전극을 720℃에서 가열 및 유지한 후 노냉(furnace cooling)하는 단계; 상기 1차 인고트 전극을 이용하여 ESR(Electro Slag Remelting) 공정으로 ESR 인고트를 형성하는 단계; 상기 ESR 인고트를 720℃ 어닐링한 후 가열하는 단계; 가열된 상기 ESR 인고트를 1100℃에서 단조하는 단계; 단조된 상기 ESR 인고트를 900℃에서 균질화 열처리하고 공냉시키는 단계; 공냉시킨 상기 ESR 인고트를 900℃에서 가열 및 유지한 후 300℃까지 급냉(quenching)시키는 단계; 급냉시킨 상기 ESR 인고트를 550℃에서 템퍼링하고 공냉시키는 단계;를 순차적으로 수행하여 구현한다.
도 2는 본 발명의 실험예의 플라스틱 사출용 금형강에서 두께 방향의 경도 분포를 비교하여 나타낸 그래프이다. 가로축은 플라스틱 사출용 금형강의 두께 방향으로의 위치를 나타내며, 중심부는 30mm에 해당하는 위치에 해당한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 비교예에 따른 플라스틱 사출용 금형강은 중심부-표면 경도 편차가 상대적으로 큰 반면에, 본 발명의 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강은 중심부-표면 경도 편차가 상대적으로 작음을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 본 발명의 실시예에서 편석이 최소화되고 금속간 화합물 형성 효과에 기인하는 것으로 이해된다.
구분 항복강도 (MPa) 인장강도 (MPa) 연신율 (%) CVN (J)
비교예 993.3 1218.0 11.2 11.0
실시예 1027.3 1164.3 11.9 11.3
표 2는 본 발명의 실험예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 기계적 물성을 측정하여 나타낸 것이다.
표 2와 도 2를 함께 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강은 비교예에 따른 플라스틱 사출용 금형강과 기계적 물성은 동등한 수준을 가지면서 균질한 경도가 구현됨을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실험예 중에서 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 미세조직을 관찰한 사진이고, 도 4는 본 발명의 실험예 중에서 비교예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 비교강(비교예) 대비 개발강(실시예)의 입내에 미세 석출물 분율이 증가하고 비교강 대비 개발강의 입도가 감소하여 경도가 향상됨을 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 탄소(C): 0.12 ~ 0.18중량%, 실리콘(Si): 0.34 ~ 0.38중량%, 망간(Mn): 1.48 ~ 1.52중량%, 인(P): 0 초과 0.01중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 구리(Cu): 0.8 ~ 1.2중량%, 알루미늄(Al): 0.8 ~ 1.2중량%, 니켈(Ni): 2.5 ~ 3.5중량%, 크롬(Cr): 0.28 ~ 0.32중량%, 몰리브덴(Mo): 0.28 ~ 0.32중량%, 바나듐(V): 0.035 ~ 0.045중량%, 질소(N): 0.006 ~ 0.01중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지며,
    최종 미세조직은 템퍼드 베이나이트 조직이고,
    니켈(Ni)과 알루미늄(Al)이 3:1 비율로 첨가되어 상기 미세조직은 NiAl계 금속간 화합물과 바나듐 카바이드(VC)가 분산 석출되며, ESR 공정으로 편석이 제거되는 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 사출용 금형강.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금형강은 1000MPa 이상의 항복강도, 1100MPa 이상의 인장강도 및 11% 이상의 연신율을 가지는 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 사출용 금형강.
  4. (a) 탄소(C): 0.12 ~ 0.18중량%, 실리콘(Si): 0.34 ~ 0.38중량%, 망간(Mn): 1.48 ~ 1.52중량%, 인(P): 0 초과 0.01중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.002중량% 이하, 구리(Cu): 0.8 ~ 1.2중량%, 알루미늄(Al): 0.8 ~ 1.2중량%, 니켈(Ni): 2.5 ~ 3.5중량%, 크롬(Cr): 0.28 ~ 0.32중량%, 몰리브덴(Mo): 0.28 ~ 0.32중량%, 바나듐(V): 0.035 ~ 0.045중량%, 질소(N): 0.006 ~ 0.01중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 1차 인고트(ingot) 전극을 제공하는 단계;
    (b) 상기 1차 인고트 전극을 700 ~ 800℃에서 어닐링하는 단계;
    (c) 상기 1차 인고트 전극을 이용하여 ESR(Electro Slag Remelting) 공정으로 ESR 인고트를 형성하는 단계;
    (d) 상기 ESR 인고트를 어닐링한 후 900 ~ 1100℃에서 가열하는 단계;
    (e) 가열된 상기 ESR 인고트를 900℃ 내지 1100℃에서 단조하는 단계;
    (f) 단조된 상기 ESR 인고트를 800 ~ 1000℃에서 균질화 열처리하고 공냉시키는 단계;
    (g) 공냉시킨 상기 ESR 인고트를 800 ~ 1000℃에서 가열 및 유지한 후 급냉(quenching)시키는 단계;
    (h) 급냉시킨 상기 ESR 인고트를 500 ~ 650℃에서 템퍼링하고 공냉시키는 단계;를 포함하고,
    니켈(Ni)과 알루미늄(Al)이 3:1 비율로 첨가되어 최종 미세조직은 NiAl계 금속간 화합물과 바나듐 카바이드(VC)가 분산 석출되며, ESR 공정으로 편석이 제거되는 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 사출용 금형강의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 (g) 단계에서 상기 급냉은 1.5 ~ 5℃/s의 냉각속도로 300 ~ 350℃까지 냉각하는 것을 포함하는,
    플라스틱 사출용 금형강의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 단조는 원기둥 형상을 육면체 형상으로 단조하되, 단조비가 4S 이상인 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 사출용 금형강의 제조방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 금형강은 1000MPa 이상의 항복강도, 1100MPa 이상의 인장강도 및 11% 이상의 연신율을 가지는 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 사출용 금형강의 제조방법.
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