KR102228280B1

KR102228280B1 - 금형용 강, 및 금형

Info

Publication number: KR102228280B1
Application number: KR1020190036992A
Authority: KR
Inventors: 마사미치 가와노
Original assignee: 다이도 토쿠슈코 카부시키가이샤
Priority date: 2018-04-02
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2021-03-15
Also published as: TW201942384A; TWI687524B; EP3550051A1; EP3550051B1; CN110343947A; US20190300991A1; JP2019183187A; US11319621B2; JP7144717B2; CN110343947B; KR20190115423A

Abstract

본 발명은, 질량 % 기준으로, 0.35%≤C≤0.40%, 0.003%≤Si≤0.20%, 0.72%≤Mn≤0.94%, 5.65%≤Cr≤6.00%, 1.65%≤Mo≤2.00%, 0.71%≤V≤0.90%, 및 0.001%≤N≤0.080%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물인 조성을 갖는 금형용 강에 관한 것이다.

Description

금형용 강, 및 금형{STEEL FOR MOLD, AND MOLD}

본 발명은 다이 캐스팅(die-casting), 플라스틱 및 고무용 사출 성형, 단조 등에서의 금형으로서 적합하게 적용되는 금형용 강 및 금형에 관한 것이다.

다이 캐스팅 제품을 제조하기 위해 이용되는 다이 캐스팅 금형의 재료로서, JIS SKD61로 대표되는 열간 가공 금형강이 사용된다. 그러나, 종래의 열간 가공 금형강은 다이 캐스팅 금형의 재료에 요구되는 다양한 특성을 충분히 만족할 수 없었다.

예를 들어, 다이 캐스팅 금형(금형의 일부를 구성하는 부품을 포함)은, 용융, 정련, 주조, 균질화 열처리(homogenization heat treatment), 열간 가공, 노멀라이징, 어닐링, 조가공(rough processing), ??칭 및 템퍼링, 그리고 마무리 가공의 단계를 순서대로 거쳐 제조된다.

또한, 필요에 따라 표면 개질(PVD, CVD, 질화, 샷 피닝(shot peening) 등)이 다이 캐스팅 금형에 적용될 수 있다.

여기서, 다이 캐스팅 금형에 사용되는 재료는 "(1) 우수한 어닐링 특성"을 가질 필요가 있다. 금형을 제조하기 위한 상기 공정에서, 어닐링은, 이어지는 "조가공"에 있어서 용이한 경도를 갖도록 재료를 연화시키는데 사용된다. 더 많은 어닐링이 단시간에 완료될수록, 생산성이 바람직하게 더 좋아진다.

5Cr계 금형강의 일종이고 다이 캐스팅 강의 대표적인 강인 SKD61은, SKD61이 15℃/h 내지 30℃/h의 속도로 870℃ 내지 900℃의 온도 범위에서 645℃로 냉각되는 간이 어닐링(simple annealing)에 의해, 약 85 내지 94 HRB로 연화된다. SKD61의 우수한 점 중 하나는 그의 우수한 어닐링 특성이다.

어닐링 처리된 재료가 97 HRB를 초과하는 경도를 갖는 경우, ??칭 전 조가공을 충분히 실시하기 어렵다. 따라서, 어닐링 후 97 HRB를 초과하는 경도를 나타내는 강종은, 어닐링 후 600℃ 내지 750℃에서 장시간 동안 추가적으로 가열되어야 하고, 그로 인해 경도가 감소된다. 결과적으로, 생산성이 감소하여 납기의 지연과 비용의 증가를 야기한다. SKD61에 비해 더 많은 Mn, Ni, Cu, Mo 등을 함유하는 다른 5Cr계 금형강은, 높은 경화능(hardenability)의 역효과인 열악한 어닐링 특성을 갖는다. 따라서, 이러한 5Cr계 금형강은 어닐링 후 장시간 가열로 인한 생산성의 감소 문제를 갖는다.

또한, 다이 캐스팅 금형에 사용되는 재료는 "(2) ??칭 중 큰 결정 입도(crystal grain-size number)(미세한 결정립)"를 가질 필요가 있다. 이는 재료가 ??칭 및 템퍼링 후 금형으로서 사용될 때, 균열 성장을 방지하여 금형의 파단을 피하기 위함이다. 균열 성장에 저항을 갖는 것은 입계이다. 따라서, 더 미세한 결정립(같은 부피 내에 더 많은 입계가 있음)은, 같은 외형 하에서 균열의 길이가 더 짧고, 금형이 파단하기 더 어렵다. 결정립이 특정 온도에서 유지될 때, 결정립이 장시간 동안 유지됨에 따라 결정립이 성장하고 조대해진다(결정 입도가 감소함).

우수한 어닐링 특성에 더하여, SKD61의 다른 우수한 점은, ??칭 중 결정 입도가 크다(결정립이 미세함)는 점이다. 다이 캐스팅 금형은 ??칭 중 약 5시간 동안 1,030℃에서 유지된다. 그러나, 이러한 장시간 유지 동안에도, SKD61의 오스테나이트 결정립은 7 이상의 입도를 가지며, 오스테나이트 결정립은 미세하다. SKD61에 비해 더 적은 C, Si 및 V를 함유하는 다른 5Cr계 금형강은, ??칭 동안 오스테나이트 결정립의 움직임을 방지하는 소량의 탄화물을 함유한다. 따라서, 이러한 5Cr계 금형강에서는, 결정립은 성장하고 입도는 감소하는 경향이 있다. ??칭 중 오스테나이트 결정립의 입도가 5 미만인 경우, 당해 재료가 ??칭 및 템퍼링 후 금형으로서 사용될 때, 사용 중 균열이 발생하는 경향이 있다.

또한, 다이 캐스팅 금형에 사용되는 재료는 "(3) 낮은 ??칭 속도로도 높은 충격값"을 가질 필요가 있다. 이는 재료가 ??칭 및 템퍼링 후 금형으로 사용될 때, 균열 성장을 방지하여 금형의 파단을 피하기 위함이다. 25℃에서 32 J/cm² 이상이 되는 충격값을 갖는 금형(U 노치 반경: 1 mm, 노치 아래 높이: 8 mm, 노치 아래 단면적: 0.8 cm²)은 파단하기 어렵다. 대형 금형(250 kg 이상의 무게를 가짐)에 있어서의 1,030℃로부터의 ??칭에서, 400℃ 이하의 온도 영역에서, 금형 내부에서 ??칭 속도는 약 3℃/min으로 현저하게 감소한다(금형의 내부는 질량 효과로 인해 냉각되기 매우 어려움). 강재가 열악한 경화능을 갖고, ??칭 속도가 느린 경우(소위 "저속 ??칭"), 고온에서 마르텐사이트 변태보다 베이나이트 변태가 일어나고, 결정립 내 조직(래스(lath), 블록(block) 또는 패킷(packet))이 조대하게 된다. 결과적으로, ??칭 중 오스테나이트 결정립이 미세한 경우에도, 균열이 입자 내 조대한 조직을 따라 전파되는 경향이 있다. 따라서, 이러한 강재는 소량의 흡수 에너지를 나타낸다. 400℃ 이하의 온도 영역에서 ??칭 속도가 약 3℃/min인 경우, 열악한 경화능을 갖는 SKD61은, 고온에서 베이나이트 변태를 야기할 수 있다. 따라서, SKD61이, 금형으로서 사용되기에 필요한 43 HRC의 경도를 갖도록 템퍼링 될 때, 32 J/cm²을 초과하는 충격값을 달성하기 어렵다.

SKD61의 단점 중 하나는 그의 열악한 경화능이다. SKD61에 비해 더 많은 Mn을 함유하는 다른 5Cr계 금형강은 높은 경화능을 갖는다. 따라서, 이러한 5Cr계 금형강은 낮은 ??칭 속도로도 높은 충격값을 부여할 수 있다.

또한, 사이클 타임을 줄이고, 주조 제품의 품질을 향상시키고, 열피로 균열(thermal fatigue cracking)을 감소시키고, 솔더링(soldering)을 감소시키기 위해, 다이 캐스팅 금형에 사용되는 재료는 "(4) 높은 열전도율(thermal conductivity)"을 가질 필요가 있다. 높은 열전도율을 갖는 금형은 우수한 냉각 효율을 가질 뿐만 아니라, 작은 열충격을 겪는다. 결과적으로, 이러한 금형은 줄어든 사이클 타임과, 향상된 다이 캐스팅 제품의 품질과, 감소된 금형 손상의 장점을 달성할 수 있다.

43 HRC의 경도를 갖도록 템퍼링된 후의 SKD61은, 25℃에서 23.0 W/m/K 내지 24.5 W/m/k의 열전도율(레이저 섬광법(laser flash method)에 의해 측정됨)을 가지며, 이는 다이 캐스팅 금형으로서는 낮아 바람직하지 않다. 열악한 경화능에 더하여 SKD61의 다른 단점은 그의 낮은 열전도율이다. SKD61에 비해 더 적은 Si을 함유하는 다른 5Cr계 금형강은, SKD61의 열전도율에 비해 더 높은 열전도율을 나타낸다.

아래의 표 1은 상기한 종래의 5Cr계 금형강의 특성을 A, B 및 C로 나타낸다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 종래의 금형강 중 어느 것도 (1) 우수한 어닐링 특성, (2) ??칭 중 큰 결정 입도, (3) 낮은 ??칭 속도로도 높은 충격값, 그리고 (4) 높은 열전도율 모두를 만족하지는 않았다.

금형용 강이 다이 캐스팅 금형에 사용되는 경우를 참조로 하여 문제점이 설명되었으나, 이들 문제점은 금형용 강이 플라스틱용 사출 성형 금형 등 다른 분야에서의 금형에 사용되는 경우에도 일어날 수 있다.

이하의 특허문헌 1은 SKD61에 비해 향상된 열전도율 및 충격값을 갖는 열간 가공 공구강을 개시하고 있다. 그러나, 특허문헌 1에 기재된 열간 가공 공구강은, 0.7% 미만인 낮은 V 첨가량을 가지며, 이는 본 발명과 상이하다.

또한, 특허문헌 1은 원소 C, Mn, Cr 및 Mo의 조합이 본 발명에 따른 강의 성분 범위를 만족하는 어떠한 실시예도 개시하고 있지 않다. 본 발명의 강은 0.35%≤C≤0.40%가 되는 C 함유량을 필수로 하지만, 특허문헌 1의 실시예들 중 상기 C 함유량의 필수조건을 만족하는 실시예는 발명강 A11과 비교강 A10 뿐이다. 특허문헌 1의 발명강 A11은, 본 발명에 따른 강의 성분 범위를 각각 벗어나는 Mn, Mo 및 V를 함유하고 있다. 특허문헌 1의 비교강 A10은, 함유량이 본 발명에 따른 강의 성분 범위를 각각 벗어나는 Si, Mn, Cr, Mo 및 V를 함유하고 있다.

이하의 특허문헌 2는 SKD61에 비해 더 우수한 경화능과 크립 특성(creep property)을 갖는 열간 단조강을 개시하고 있다. 특허문헌 2에 기재된 열간 단조강은 경화능을 향상시키는 인식에 있어서, 본 발명에 따른 강과 유사하다. 그러나, 특허문헌 2는 어닐링 특성은 고려하고 있지 않으며, 본 발명에 따른 강의 Mn 및 Cr의 성분 범위를 만족하는 어떠한 실시예도 개시하고 있지 않다. 또한, 특허문헌 2에 기재된 열간 단조강은 높은 열전도율을 갖도록 의도되어 있지 않다. 따라서, 특허문헌 2의 실시예 1의 Si 함유량은 0.20% 정도로 높고(본 발명의 상한과 동일), 특허문헌 2의 실시예 2의 Si 함유량은 본 발명의 상한을 초과하고 있다.

이하의 특허문헌 3은, SKD61에 비해 향상된 경화능을 갖는 열간 가공용 공구강을 개시하고 있다. 그러나, 특허문헌 3은 어닐링 특성과 열전도율에 대해서는 언급하고 있지 않으며, 본 발명에 따른 강의 성분 범위를 만족하는 어떠한 실시예도 개시하고 있지 않다. 특허문헌 3의 실시예에서, 6개의 원소 C, Si, Mn, Cr, Mo 및 V 중 적어도 4개의 원소가 본 발명의 강의 성분 범위를 벗어나고 있다. 또한, 특허문헌 3에 기재된 열간 가공용 공구강은, Ni이 필수 원소로서 0.5% 이상 첨가된다는 점에서 본 발명의 강과 상이하다.

일본공개특허공보 제2011-1572호 일본공개특허공보 평06-322483호 일본공개특허공보 소62-161942호

상기한 상황 하에서, 본 발명의 목적은, 우수한 어닐링 특성을 갖고, ??칭 중 장시간 가열에 있어서도 미세한 오스테나이트 결정립의 생성을 가능하게 하고, 느린 ??칭에서도 높은 충격값의 발휘를 가능하게 하며, 높은 열전도율을 갖는 금형용 강 및 금형을 제공하는 것이다.

본 발명은, 질량 % 기준으로,

필수적으로,

0.35%≤C≤0.40%,

0.003%≤Si≤0.20%,

0.72%≤Mn≤0.94%,

5.65%≤Cr≤6.00%,

1.65%≤Mo≤2.00%,

0.71%≤V≤0.90%, 및

0.001%≤N≤0.080%, 그리고

선택적으로,

W≤5.00%,

Co≤4.00%,

Cu≤1.50%,

Ni≤1.50%,

B≤0.0050%,

Nb≤0.100%,

Ta≤0.100%,

Ti≤0.100%,

Zr≤0.100%,

Al≤1.00%,

S≤0.0500%,

Ca≤0.2000%,

Se≤0.50%,

Te≤0.100%,

Bi≤0.50%, 및

Pb≤0.50%,

잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 금형용 강을 제공한다.

상기 금형용 강에서, 이하에 나타낸 성분이, 불가피적 불순물로서 이하의 범위로 함유될 수 있다:

P≤0.050%,

S≤0.0080%,

Cu≤0.30%,

Ni≤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.

본 발명에 따른 금형용 강은, 질량 % 기준으로, 이하 중 적어도 어느 하나를 함유할 수 있다:

0.30%<W≤5.00%, 및

0.30%<Co≤4.00%.

0.30%<Cu≤1.50%, 및

0.30%<Ni≤1.50%.

본 발명에 따른 금형용 강은, 질량 % 기준으로,

0.0001%<B≤0.0050%

를 함유할 수 있다.

0.004%<Nb≤0.100%,

0.004%<Ta≤0.100%,

0.004%<Ti≤0.100%, 및

0.004%<Zr≤0.100%.

본 발명에 따른 금형용 강은, 질량 % 기준으로,

0.10%<Al≤1.00%

를 함유할 수 있다.

0.0080%<S≤0.0500%,

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%.

또한, 본 발명은 전술한 금형용 강으로 이루어진 금형을 제공한다.

본 발명에서, "금형"은 금형의 본체뿐만 아니라 본체에 조립되어 사용되는 핀 등과 같은 금형 부품도 포함한다. 또한, 표면 처리를 거친, 본 발명에 따른 강으로 이루어진 금형도 포함된다.

전술한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명자는 SKD61로 대표되는 5Cr계 금형강의 특성과 성분들의 관계를 자세히 재검토했다. 상기한 4개의 특성에 더하여, 피삭성(machinability), 파괴 인성값(fracture hardness value) 등도 충분히 고려되었다. 결과적으로, 본 발명자는 다양한 원소의 함유량이 각각의 좁은 범위 내로 한정되는 경우, 전술한 문제점들이 해결될 수 있음을 발견했다. 도 1a, 1b 및 1c에서, 본 발명에 따른 금형용 강의 주요 원소의 성분 범위를, 대표적인 5Cr계 금형강인 SKD61과 비교하여 나타낸다.

도 1a는 본 발명에 따른 강의 성분 범위(C 함유량 및 Si 함유량)를 SKD61과 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 1b는 본 발명에 따른 강의 성분 범위(Mn 함유량 및 Cr 함유량)를 SKD61과 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 1c는 본 발명에 따른 강의 성분 범위(Mo 함유량 및 V 함유량)를 SKD61과 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 2는 Si 함유량과 열전도율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 Mn 함유량과 어닐링 경도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 Cr 함유량과 임계 냉각 속도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 Mn+Cr 함유량과 충격값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 Mo 함유량과 파괴 인성값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 V 함유량과 오스테나이트 결정립의 결정 입도의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 1a는 C 및 Si의 함유량을 나타낸다. 도 1a로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 강에서는, Si의 함유량이 SKD61에 비해 현저히 적다. 본 발명의 특성 중 하나인 "높은 열전도율"은 주로 적은 함유량의 Si에 의해 얻어진다.

도 1b는 Mn 및 Cr의 함유량을 나타낸다. 도 1b로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 강에서는, 높은 경화능을 확보하기 위해, 이들 두 원소의 함유량은 SKD61의 두 원소의 함유량보다 많다.

일반적으로, 경화능이 향상될수록 어닐링 특성이 열화한다. 보통, Mn 함유량은 경화능을 향상시키기 위해 증가되나, 이것만으로는 어닐링 특성의 현저한 열화를 야기한다. 본 발명자는, Mn과 유사하게 경화능을 향상시키는 Cr이, 어닐링 특성의 관점에서 Mn과 반대의 효과(즉, 어닐링 특성을 향상시키는 효과)를 갖는 것을 발견했다. 따라서, 본 발명에 따른 강에서, Mn 및 Cr의 함유량은 동시에 증가된다. 상기한 바와 같이, 경화능 및 어닐링 특성 양쪽을 달성하기 위해, Mn과 Cr 간의 균형이 중요하다. 또한, 어닐링 특성은, 후술하는 바와 같이, 본 발명에서 Mo 등의 함유량을 최적화함으로써도 보장된다.

도 1c는 Mo 및 V의 함유량을 나타낸다. 도 1c로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 강에서, Mo의 함유량은 SKD61보다 많고, V의 함유량은 SKD61보다 적다. 본 발명에 따른 강은, 금형에서 큰 균열을 야기하는 조대한 VC를 형성하는 V를 감소시키고, V+0.5Mo의 함유량을 SKD61에서의 수준이 되도록 조정함으로써, 2차 경화능(secondary hardenability)을 보장한다. V의 함유량의 관점에서, 본 발명의 강에서 V 함유량의 범위는 SKD61과 V 함유량과 중복되는 영역을 갖는다. 그러나, 상업적으로 이용가능한 SKD61의 V 함유량은, 표준의 중간값인 1%일 가능성이 높다. 반면, 본 발명에 따른 강에서 V 함유량은 0.9% 이하이다. 따라서, SKD61과 본 발명의 강은 Mo 함유량과 V 함유량 양쪽에 있어서 실질적으로 상이하다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는, 주요 원소의 성분 범위를, 대표적인 열간 가공 금형강인 SKD61의 주요 원소와는 현저히 다르게 함으로써, 전술한 4개의 문제점이 해결된다. 물론, 금형강으로서 기본적인 특성도 악화되지 않는다. 본 발명에서, 주요 원소의 함유량이 도 1a, 1b 및 1c에 나타낸 각각의 매우 좁은 범위 내에 있는 한, 다양한 특성이 높은 수준으로 조합될 수 있음을 발견했다.

상기한 본 발명의 강은, 다이 캐스팅 금형용 강으로서 특히 적합하다. 본 발명의 강은 플라스틱용 사출 성형에서의 금형용 강, 사출 성형을 포함하는 고무 성형에서의 금형용 강, 온간 단조, 열간 단조 또는 열간 스탬핑(hot-stampping)(핫 프레싱(hot-pressing) 또는 프레스 ??칭(press-quenching)으로도 불림)의 금형용 강 등으로서도 적합하다.

본 명세서에서 인용된 JIS 규격과 ASTM 규격은 최신 정보(2018년 4월 2일자)에 기초한다.

다음, 본 발명의 강에서의 각각의 화학 성분의 함유량을 한정하는 이유를 이하에서 설명한다. 본 발명에 따른 금형용 강은 필수 원소로서 C, Si, Mn, Cr, Mo, V, N 및 Fe를 함유한다. 후술하는 화학 성분들 중, 필수 성분 외의 나머지는 선택 성분이다. 각각의 화학 성분의 함유량의 값은 질량 % 기준으로 주어진다.

0.35%≤C≤0.40%

C<0.35%인 경우, 많은 Cr 함유량, 적은 Mo 및 V 함유량과, 높은 템퍼링 온도로 50 HRC 이상의 높은 경도를 안정적으로 얻기 어렵다.

0.40%<C인 경우, 조대한 탄화물의 양이 증가해, 균열의 시작점을 제공하여 인성의 열화를 야기한다. 또한, 0.40%<C인 경우, Ms점(Ms point)이 너무 낮아지고, 잔류하는 오스테나이트의 양이 증가되고, 템퍼링에 의해 잔류 오스테나이트가 조대한 베이나이트로 변태하여, 마찬가지로 인성의 열화를 야기한다. 또한, 0.40%<C인 경우, 용접성이 열화한다. 0.40%<C인 경우, 탄화물의 증가에 의해 어닐링 후 경도가 증가하는 단점도 있다.

C 함유량의 범위는, 바람직하게는 0.35%≤C≤0.39%이고, 보다 바람직하게는 0.36%≤C≤0.39%이다.

0.003%≤Si≤0.20%

Si<0.003%인 경우, 기계 가공(machining) 중 피삭성이 현저하게 열화한다. 또한, Si 함유량이 적은 고가의 원료를 사용할 필요가 있어, 비용의 증가를 야기한다.

반면, 0.20%<Si인 경우, 열전도율이 매우 감소한다. 0.20%<Si인 경우, Si의 고용 경화(solid-solution hardening)에 의해 어닐링 후 경도가 증가하는 단점도 있다.

Si 함유량의 범위는 바람직하게는 0.005%≤Si≤0.18%이고, 보다 바람직하게는 0.01%≤Si≤0.16%이고, 더욱 바람직하게는 0.03%≤Si≤0.15%이다.

도 2는 Si 함유량과 열전도율의 관계를 나타낸다.

사용된 강재는 기본 성분으로서 0.40C-0.99Mn-5.99Cr-1.70Mo-0.78V-0.014N를 함유하고, Si 함유량이 상이하다. 상기한 성분을 갖는 이들 강재에 어닐링 처리를 실시했다. 어닐링된 재료로부터 준비한 시험편을, 1,030℃로 가열하고, 5시간 동안 1,030℃에서 유지하고, 이어서 20℃/min의 속도로 1,030℃에서 550℃로 냉각하고, 3℃/min의 속도로 550℃에서 150℃로 냉각하여 ??칭을 실시했다. 이 ??칭 공정은 냉각하기 어려운 대형 금형의 내부의 ??칭을 시뮬레이션한다. ??칭된 재료는 43.3 HRC의 경도를 갖도록 추가로 템퍼링했다.

이들 템퍼링된 재료의 25℃에서의 열전도율을 레이저 섬광법으로 측정했다. 금형의 수명을 연장하고 주조 품질을 향상시키는 관점에서, 열전도율은 바람직하게 25.5 W/m/K 이상만큼 높다. 도 2에 나타낸 바와 같이, Si≤0.20%인 경우, 열전도율이 25.5 W/m/K 이상이기 때문에, 본 발명에서 Si 함유량의 상한은 0.20%로 설정된다. 같은 조건 하에서 조질(thermal refining)이 실시된 SKD61의 열전도율은 약 23.0 W/m/K 내지 24.5 W/m/K로 낮았다. 따라서, 본 발명에 따른 강은 SKD61보다 더 높은 열전도율을 갖는다.

0.72%≤Mn≤0.94%

Mn<0.72%인 경우, 경화능이 불충분해져, 베이나이트의 혼입(incorporation)으로 인해 인성에 열화를 야기한다.

반면, 0.94%<Mn인 경우, 어닐링 특성이 현저하게 열화한다. 이러한 많은 Mn 함유량으로 인한 어닐링 특성의 열화는, 적은 Cr 함유량, 많은 Cu 함유량, 많은 Ni 함유량, 그리고 많은 Mo 함유량의 경우에 특히 현저하다. 또한, 0.94%<Mn의 경우, 열전도율도 매우 감소한다. 0.94%<Mn인 경우, Si 또는 P의 함유량이 많을 때, 템퍼링 후 충격값이 증가하지 않는 문제점이 발생한다.

Mn 함유량의 범위는, 바람직하게는 0.72%≤Mn≤0.92%이고, 보다 바람직하게는 0.73%≤Mn≤0.90%이다.

도 3은 Mn 함유량과 어닐링 경도의 관계를 나타낸다.

사용된 강재는 기본 성분으로서 0.38C-0.09Si-5.65Cr-1.97Mo-0.76V-0.026N을 함유하고, Mn의 함유량이 상이하다. 이하와 같이 시험편을 얻었다. 초기 조직으로서 현저하게 조대한 결정립을 가지며, 상기한 성분을 갖는 열간 가공 직후의 강재를 초기 재료로서 사용했다. 초기 재료를 680℃로 가열하고 6시간 동안 680℃에서 유지했다. 재료를 실온 근처가 되도록 한번 냉각하고, 이어서 870℃로 재가열하고, 2시간 동안 870℃에서 유지한 다음, 15℃/h의 속도로 600℃로 냉각했다.

기계 가공을 용이하게 하는 관점에서, 어닐링 경도는 바람직하게 97 HRB 이하이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, Mn≤0.94%인 경우, 어닐링 경도가 97 HRB 이하이기 때문에, 본 발명에서 Mn 함유량의 상한은 0.94%로 설정된다. 같은 조건 하에서 조질이 실시된 SKD61의 어닐링 경도는 약 88 HRB 내지 94 HRB이다. 본 발명에 따른 강은 SKD61과 동등한, 우수한 어닐링 특성을 갖는다.

5.65%≤Cr≤6.00%

Cr<5.65%인 경우, ??칭 특성이 불충분하다. 또한, Cr<5.65%인 경우, 내식성이 열화하고, 수냉공(water cooling hole) 상의 녹으로부터 시작되어 금형이 내부로부터 균열하기 쉽다. Cr<5.65%인 경우, 많은 함유량의 Mn의 경우, 어닐링 특성이 현저하게 열화한다. 어닐링 특성의 열화는 많은 Cu 함유량과 많은 Ni 함유량의 경우에 특히 현저하다.

반면, 6.00%<Cr인 경우, 열전도율이 매우 감소한다. 6.00%<Cr인 경우, 내연화성(softening resistance)도 현저하게 저하하고, 본 발명의 강이 금형으로서 사용될 때, 사용 중 표면의 경도가 감소하는 경향이 있다. 경도의 감소는 강도의 감소를 의미하고, 금형에 필요한 강도가 보장될 수 없다. Cr의 바람직한 함유량 범위는 5.67%≤Cr≤5.90%이고, 보다 바람직하게는 5.69%≤Cr≤5.88%이다.

도 4는 Cr 함유량과 임계 냉각 속도의 관계를 나타낸다.

사용된 강재는 기본 성분으로서 0.36C-0.09Si-0.73Mn-1.65Mo-0.81V-0.020N을 함유하고, Cr 함유량이 상이하다. 임계 냉각 속도는 CCT 특성을 검사하는 실험으로 판정했다. 상기한 성분을 갖는 이들 강재에 열처리를 실시했다. 어닐링된 재료로부터 준비된 시험편을 1,030℃에서 유지한 다음, 소정의 냉각 속도로 1,030℃에서 실온으로 냉각했다. 임계 냉각 속도(마르텐사이트 단상이 형성되는 최소 냉각 속도)를 이러한 일련의 실험으로부터 추정하고, Cr의 함유량에 대해 표시했다. 마르텐사이트에 가까운 조직은 높은 충격값을 가지며 균열하기 어렵기 때문에, 임계 냉각 속도는 낮은 것이 바람직하다. 대형 금형의 내부에서 ??칭 중 냉각 속도는 약 3℃/min으로 감소된다. 그러나, 강재의 임계 냉각 속도가 7℃/min 이하인 한, 3℃/min의 속도에서의 느린 ??칭의 경우에도, 매우 높은 충격값이 보장될 수 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 5.65%≤Cr인 경우, 임계 냉각 속도가 7℃/min 이하이기 때문에, 본 발명에서의 Cr 함유량의 하한은 5.65%로 설정된다. SKD61의 임계 냉각 속도는 약 12℃/min이고, 본 발명에 따른 강은 SKD61보다 높은 경화능을 갖는다.

도 5는 서냉된 재료에서의 Mn+Cr의 함유량과 충격값의 관계를 나타낸다.

사용된 강재는 기본 성분으로서 0.38C-0.08Si-1.68Mo-0.77V-0.020N을 함유하고, Mn 함유량이 0.45%에서 1.2%, Cr의 함유량이 5.2%에서 6.8%로 상이하다. 상기한 성분을 갖는 강재를 어닐링 처리했다. 어닐링 처리된 재료로부터 준비한 시험편을 1,030℃로 가열하고, 이어서 5시간 동안 1,030℃에서 유지하고, 20℃/min의 속도로 1,030℃에서 550℃로 냉각하고, 10℃/min의 속도로 550℃에서 400℃로 냉각하고, 3℃/min의 속도로 400℃에서 200℃로 냉각하여 ??칭을 실시했다. 또한, ??칭된 재료를 43±0.5 HRC의 경도를 갖도록 템퍼링했다. 템퍼링된 재료의 25℃에서의 충격값을 평가했다. 충격값이 32 J/cm² 이상인 경우, 금형이 균열하기 어렵다. 도 5에 나타낸 바와 같이, Mn+Cr의 함유량이 6.37(0.72Mn+5.65Cr) 이상인 경우, 충격값은 32 J/cm² 이상이다. 즉, 본 발명의 강이, 내부가 서냉되는 대형 금형에 사용되는 경우, Mn 함유량과 Cr 함유량 양쪽이 상기한 범위의 하한에 있는 경우에도, 금형의 내부로부터의 균열의 위험이 거의 없다.

여기서, 충격값은, 충격 시험(U 노치 하부 반경: 1 mm, 노치 아래 높이: 8 mm, 노치 아래 단면적: 0.8 cm²)에서 흡수된 에너지[J]를 시험편의 단면적(0.8 cm²)으로 나눠 계산되며, 10개의 충격 시험편의 충격값의 평균값이다.

1.65%≤Mo≤2.00%

Mo<1.65%인 경우, 많은 Cr 함유량, 적은 C 및 V 함유량과, 높은 템퍼링 온도로 50 HRC 이상의 높은 경도를 안정적으로 얻기 어렵다. Mo<1.65%인 경우, 고온 강도가 충분하지 않다는 단점도 있다.

반면, 2.00%<Mo인 경우, 파괴 인성이 현저하게 감소하여, 금형의 균열이 우려된다. 2.00%<Mo인 경우, 재료 비용도 현저하게 증가한다.

오스테나이트로부터 탄화물의 방출을 지연시키는 것에 대한 큰 효과 때문에, Mo의 첨가는 어닐링 특성을 열화시킨다. 그러나, 높은 Mo 함유량에서 어닐링 특성이 향상되는 Mo 함유량의 범위가 있다. 그 이유는, 이하의, 오스테나이트 결정립이 미세해질수록, 반응이 오스테나이트 입계로부터 입자로 진행되는 어닐링이 촉진되고(어닐링 특성이 우수함), 고용 Mo이 오스테나이트 결정립의 성장을 방지하는 효과를 갖는 두 점에 기인한다. Mo<1.65%인 경우, 결정립의 성장을 방지하는 효과는 작다. 반면, 2.00%<Mo인 경우, 결정립의 성장을 방지하는 효과는 더욱 증가되지만, 오스테나이트로부터의 탄화물 배출을 지연시키는 효과가 현저하게 강해져, 어닐링 특성이 열화한다. 이러한 메커니즘을 고려하여, 1.65%≤Mo≤2.00%가 Mo의 첨가에 의해 어닐링 특성이 향상되는(적어도 열화시키지 않는) 범위이다. 특히 바람직한 범위는 1.67%≤Mo≤1.90%이고, 보다 바람직하게는 1.68%≤Mo≤1.89%이다.

도 6은 Mo 함유량과 파괴 인성값의 관계를 나타낸다.

사용된 강재는 기본 성분으로서 0.38C-0.09Si-0.82Mn-5.75Cr-0.78V-0.020N을 포함하고, Mo 함유량이 상이하다. 이하와 같이 시험편을 얻었다. 상기한 성분을 갖는 강재에 어닐링 처리를 실시했다. 어닐링된 재료를 1,030℃로 가열하고, 이어서 5시간 동안 1,030℃에서 유지하고, 20℃/min의 속도로 1,030℃에서 550℃로 냉각하고, 10℃/min의 속도로 550℃에서 400℃로 냉각하고, 3℃/min의 속도로 400℃에서 200℃로 냉각하여 ??칭을 실시했다. 또한, ??칭된 재료를 43.3 HRC의 경도를 갖도록 템퍼링했다. 템퍼링된 재료의 25℃에서의 파괴 인성값을 ASTM E 399에 따라 평가했다. 금형의 균열을 피하기 위한 관점에서, 파괴 인성값은 바람직하게 40 MPa·m^0.5 이상이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, Mo≤2.00%인 경우, 파괴 인성값이 40 MPa·m^0.5 이상이기 때문에, 본 발명에서 Mo 함유량의 상한은 2.00%로 설정된다. 같은 조건 하에서 SKD61의 파괴 인성값은 약 38 MPa·m^0.5이고, 본 발명에 따른 강은 SKD61보다 높은 파괴 인성값을 갖는다.

0.71%≤V≤0.90%

V<0.71%인 경우, ??칭 중 소량의 VC 입자 때문에 오스테나이트 결정이 조대해지기 쉽다(결정 입도가 감소함). 이러한 경향은, C, Si 및 N의 함유량이 작은 경우에 특히 현저하다. V<0.71%인 경우, 많은 Cr 함유량, 적은 C 및 Mo 함유량과, 높은 템퍼링 온도로 50 HRC 이상의 높은 경도를 안정적으로 얻기 어렵다.

반면, 0.90%<V인 경우, 오스테나이트 결정립의 성장을 방해하는 효과가 거의 포화할 뿐만 아니라, 비용이 증가한다. 또한, 균열의 기점이 되는 조대한 정출(crystallized) 탄화물(고용 중 석출되는 것들)이 증가하기 때문에 충격값이 감소한다. 특히 바람직한 범위는 0.73%≤V≤0.88%이고, 보다 바람직하게는 0.73%≤V≤0.87%이다.

도 7은 V 함유량과 ??칭 중 오스테나이트 결정립의 결정 입도의 관계를 나타낸다.

사용된 강재는 기본 성분으로서 0.13Si-0.81Mn-5.74Cr-1.68Mo-0.020N을 함유하고, C 함유량이 0.35% 또는 0.40%, V 함유량이 0.40%에서 0.90%로 상이하다. 이하와 같이 시험편을 얻었다. 상기한 성분을 갖는 강재에 어닐링 처리를 실시했다. 어닐링된 재료를 5시간 동안 1,030℃에서 유지하고, 20℃/min의 속도로 1,030℃에서 550℃로 냉각하고, 3℃/min의 속도로 550℃에서 150℃로 냉각하여 ??칭을 실시했다. 상기한 바와 같이 얻은 ??칭된 재료를 산으로 부식하여, 변태 전 오스테나이트 결정립(구(prior) 오스테나이트 결정립이라고 칭함)의 입계를 노출시켜, 결정 입도를 평가했다. 결정 입도의 평균값이 5 이상인 경우, 부식된 조직에서의 결정립을 "바람직한 미세한 결정립"으로 취급한다. 도 7에 나타낸 바와 같이, C의 함유량이 본 발명에 따른 C의 하한인 0.35%이더라도, V의 함유량이 0.71% 이상인 경우, 결정 입도가 5 이상으로 보장될 수 있다. 따라서, 본 발명에서 V의 하한은 0.71%로 설정된다.

0.001%≤N≤0.080%

N<0.001%인 경우, ??칭 중 소량의 VC 입자 때문에 오스테나이트 결정이 조대해지기 쉽다(결정 입도가 감소). 이러한 경향은 C 및 Si의 함유량이 적은 경우에 특히 현저하다.

0.080%<N인 경우, N 첨가에 필요한 정련의 시간과 비용이 증가하여, 재료 비용의 증가를 야기한다. 또한, 0.080%<N인 경우, 균열의 기점이 되는 조대한 질화물 또는 탄질화물이 증가하기 때문에, 충격값이 감소한다.

다양한 특성의 균형에 있어서 우수한, N의 바람직한 범위는 0.003%≤N≤0.070%이고, 보다 바람직하게는 0.005%≤N≤0.060%이고, 더욱 바람직하게는 0.006%≤N≤0.055%이다.

본 발명에 따른 강은, W 및/또는 Co를 그에 선택적으로 첨가하여 높은 강도를 달성할 수 있다. W는 탄화물의 석출에 의해 강도를 증가시킨다. Co는 매트릭스(matrix) 내로의 고용체에 의해 강도를 증가시키고, 동시에 탄화물 형태의 변화를 통해 석출 경화에 기여한다.

또한, 이들 원소는 ??칭 중 고용체로서 오스테나이트에 용해되어, 결정립계의 움직임(결정립의 조대화)을 방지하는 효과를 갖는다. 특히, 이들 효과를 얻기 위해, 이하의 원소 중 적어도 하나(1개의 원소)가 포함될 수 있다.

0.30%<W≤5.00%, 및

0.30%<Co≤4.00%.

소정의 함유량을 초과하는 상기 원소 중 어느 하나는, 효과의 포화, 열전도율의 감소, 비용의 현저한 증가 등을 야기한다.

0.30%<Cu≤1.50%

Cu≤0.30%인 경우, ??칭 중 γ 입계의 움직임을 방지하는 용질 견인 효과(solute drag effect)가 열악하고, 결정립의 조대화를 방해하는 효과가 얻어질 수 없다. 또한, Cu≤0.30%인 경우, 경화능을 향상시키는 효과도 열악하고, 시효 경화(age hardening)에 의해 경도를 증가시시키는 효과도 열악하다. Cu≤0.30%인 경우, 피삭성을 향상시키는 효과도 열악하다. 따라서, 이들 효과를 얻기 위해 Cu가 함유되는 경우, Cu의 함유량은 0.30%<Cu로 설정된다.

반면, 1.50%<Cu인 경우, 열간 가공 중 균열이 분명해지고, 어닐링 특성이 현저하게 열화하며, 열전도율도 현저하게 감소한다. 또한, 1.50%<Cu인 경우, 비용이 현저하게 증가하고, 피삭성을 향상시키는 효과가 거의 포화한다. 따라서, Cu가 함유되는 경우, Cu의 상한은 Cu≤1.50%로 설정된다.

다양한 특성의 균형에 있어서 우수한 Cu의 바람직한 범위는, 0.35%≤Cu≤1.35%이고, 보다 바람직하게는 0.40%≤Cu≤1.20%이다.

0.30%<Ni≤1.50%

Ni≤0.30%인 경우, 많은 Cu를 함유하는 경우 열간 가공 중 균열을 피하는 효과가 열악하고, 경화능을 향상시키는 효과도 열악하다. Al이 존재할 때, Ni은 Al과 결합하여 금속간 화합물(intermetallic compound)을 형성하여 강도를 증가시킨다. Ni≤0.30%인 경우, 이 효과는 열악하다. 따라서, 이들 효과를 얻기 위해 Ni이 함유되는 경우, Ni의 함유량은 0.30%<N로 설정된다.

반면, 1.50%<Ni인 경우, 어닐링 특성이 현저하게 열화하고, 또한 열전도율도 현저하게 감소한다. ??칭 및 템퍼링이 실시된 후, Ni이 고용체로서 매트릭스 내에 용해된다. 따라서, Si와 유사하게, 열전도율에 대한 Ni의 역효과가 크다. 1.50%<Ni인 경우, Ni의 Al과의 결합에 의해 얻어진 금속간 화합물의 석출에 의해 인성이 현저하게 감소한다. 따라서, Ni이 함유되는 경우, Ni의 상한은 Ni≤1.50%로 설정된다.

B의 첨가는 경화능을 향상시키는 조치로서 효과적이다. 구체적으로, B는 바람직하게,

0.0001%<B≤0.0050%

포함된다.

B가 BN을 형성할 때, 경화능을 향상시키는 효과는 얻어질 수 없다. 따라서, B는 강 중에 단독으로 존재할 필요가 있다. 구체적으로, 이는 B보다 강한 N과 친화도를 갖는 원소와 질화물을 형성하여 B의 N과의 결합을 방지함으로써 달성될 수 있다. 이러한 원소의 예는 Nb, Ta, Ti 및 Zr을 포함한다. 이들 원소는 불순물 수준의 함유량에서도 N을 고정하는 효과를 가지지만, 이들 원소는 N의 함유량에 따라, 이하와 같이 한정된 각각의 범위로 의도적으로 첨가될 수 있다.

과잉의 B가 강 중에 단독으로 존재하면, B가 강 중에서 N과 결합하여 BN을 형성하는 경우에도, 과잉의 B는 경화능을 향상시킨다.

B는 피삭성을 향상시키는 데에도 효과적이다. 피삭성을 향상시키는 경우, BN이 형성될 수 있다. BN은 그래파이트(graphite)와 유사한 특성을 갖기 때문에, 절삭 저항(cutting resistance)이 감소하고 칩 파쇄성(chip breakability)이 향상된다. B와 BN 양쪽이 강 중에 존재하는 경우, 경화능과 피삭성이 동시에 향상된다.

예상 못한 설비 문제 등으로 인해 ??칭 중 가열 온도가 증가되거나 ??칭 중 가열 시간이 연장되는 경우, 결정립의 조대화가 우려된다. 이러한 경우에 대비하여, Nb, Ta, Ti 및/또는 Zr이, 이들 원소에 의해 형성된 미세한 석출물에 의해 오스테나이트 결정립계의 움직임을 방지함으로써, 미세한 조직을 유지하도록 선택적으로 첨가될 수 있다. 구체적으로, 바람직하게 이하의 원소 중 적어도 하나(1개의 원소)가 포함된다.

0.004%<Nb≤0.100%,

0.004%<Ta≤0.100%,

0.004%<Ti≤0.100%, 및

0.004%<Zr≤0.100%.

상기 원소 중 어느 하나의 함유량이 소정의 함유량을 초과하는 경우, 탄화물, 질화물, 또는 산화물이 과도하게 생성되어, 인성의 감소를 야기한다.

비슷하게, 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하기 위해, Al이 0.10%<Al≤1.00%의 범위로 함유될 수 있다. Al은 N과 결합되어 AlN을 형성함으로써 오스테나이트 결정립계의 움직임(즉, 입자 성장)을 방지하는 효과를 갖는다. Al은 N과 높은 친화도(affinity)를 가져, N의 강으로의 침투가 가속화된다. 따라서, Al을 함유하는 강이 질화되는 경우, 표면 경도가 높아지는 경향이 있다. 더 높은 내마모성을 얻기 위해, 금형에 있어서, 질화 처리된 Al을 함유하는 강재를 사용하는 것이 효과적이다.

그러나, Al이 소정의 함유량을 초과하는 경우, 열전도율과 인성이 감소한다. N의 함유량에 따라서는, 본 발명에 따른 불순물 수준의 함유량의 Al으로도 상기한 효과가 발현된다.

피삭성을 향상시키기 위해, S, Ca, Se, Te, Bi, 및/또는 Pb의 선택적 첨가도 효과적이다. 구체적으로, 바람직하게 이하의 원소 중 적어도 하나(1개의 원소)가 포함된다.

0.0080%<S≤0.0500%,

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%.

이들 원소 중 어느 하나가 소정의 함유량을 초과하는 경우, 피삭성의 포화 및 열간 가공성의 열화, 충격값 및 경면 연마 특성(mirror polishing property)의 감소가 야기된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 우수한 어닐링 특성을 갖고, ??칭에서의 장시간 가열에도 미세한 오스테나이트 결정립의 생성을 가능하게 하고, 느린 ??칭에서도 높은 충격값의 발휘를 가능하게 하고, 높은 열전도율을 갖는 금형용 강 및 이를 이용하는 금형을 제공할 수 있다.

실시예

표 2에 나타낸 발명예 및 비교예(총 20개의 강종)를 시험하여, 그의 어닐링 특성, 결정립 크기, 충격값 그리고 열전도율을 평가했다.

비교예 1은 범용 열간 가공 금형강 SKD61을 제공한다. 비교예 2 내지 5는 SKD61에 있어서의 변형강으로서, 시중에서 이용 가능한 열간 가공 금형강을 제공한다. 비교예 6과 7은 비교예 1 내지 5의 조성보다 본 발명의 조성과 비슷한 조성을 갖는 강을 제공한다.

비교예 1 내지 5에서, 7개의 주 원소 C-Si-Mn-Cr-Mo-V-N 중 4 내지 6개의 원소가 본 발명의 범위 밖이다. 비교예 6과 7에서, Mn-Cr-Mo 중 적어도 1개의 원소가 본 발명의 범위 밖이다.

표 2에 나타낸 이들 20개의 강종을, 각각 50kg의 중량을 갖는 잉곳으로 각각 주조하여 강괴를 제조했다. 상기 강괴에 24시간 동안 1,250℃에서 균질화 처리를 실시한 다음, 열간 가공에 의해, 강괴를 직사각형 단면을 갖는 45 mm×60 mm×2,000 mm의 봉 형상으로 형성했다. 상기 봉강을 6시간 동안 750℃에서 템퍼링하여 연화했다. 상기 봉강으로부터 4가지 타입(어닐링 특성, 결정립 크기, 충격값, 열전도율)의 시험편을 준비했다.

어닐링 특성과 결정립 크기를 평가한 시험편은, 각각 12 mm×12 mm×20 mm의 작은 블록이었다. 충격값을 평가한 시험편은 11 mm×11 mm×55 mm의 작은 정사각봉(이어서 미세 가공(fine processing)에 의해 충격 시험편으로서 완성됨)이었다. 열전도율을 평가한 시험편은 직경 15 mm×길이 55 mm의 작은 원통(이어서 미세 가공에 의해 열전도율 시험편으로서 완성됨)이었다.

어닐링 특성의 평가:

12 mm×12 mm×20 mm의 작은 블록인 시험편을, 다이 캐스팅 금형 재료의 제조에서의 어닐링 조건으로 처리했고, 시험편을 연화시키는지 검사했다. 먼저, 열간 가공에서의 조대한 결정립을 재현하기 위해, 작은 블록을 2시간 동안 1,240℃에서 유지한 다음, 실온으로 냉각했다. 이어서, 작은 블록을 8시간 동안 670℃에서 유지한 다음, 870℃로 가열하고, 2시간 동안 870℃에서 유지한 다음, 15℃/h의 속도로 870℃에서 600℃로 냉각하고, 방랭하여 작은 블록에 어닐링을 실시했다. 이들 열처리는 다이 캐스팅 금형을 위한 재료를 제조하는 공정에서 이용되는 조건을 기초로 했다. 이후, 시험편(어닐링된 재료)의 HRB 경도를 측정했다. 97 HRB 이하인 경우, 어닐링 특성은 우수하며 "A"(통과)로 판정했다. 반면, 97 HRB를 초과하는 경우, 어닐링 특성은 열악하며 "C"(탈락)로 판정했다.

결과를 표 3에 나타낸다. 표에 "A" 또는 "C"로서의 평가와 함께, 측정된 실제 HRB 경도도 괄호 안에 나타낸다.

비교예 3과 7의 강은 "C"(탈락)로 평가되었다. 비교예 3에서 강의 열악한 어닐링 특성의 이유는, Mn 함유량이 약 1.1%로 많았던 것이다. Mn은 경화능을 향상시키지만, 어닐링 특성을 현저하게 악화시키며, 이는 역효과이다. 반면, 비교예 7에서 강의 열악한 어닐링 특성의 이유는, Mn 함유량이 0.9%로 많았던 것과, 탄화물의 응집을 느리게 하는 Mo 함유량이 과도하게 많았던 것이다.

결정립 크기의 평가:

12 mm×12 mm×20 mm의 작은 블록인 시험편을, 다이 캐스팅 금형의 ??칭에서의 가열 조건으로 처리하고, 결정립 크기를 검사했다. 구체적으로, 시험편을 1,030℃로 가열하고, 5시간 동안 1,030℃에서 유지하고, 1,030℃로부터 냉각하여 ??칭을 실시했다. 대형 금형의 ??칭에 있어서의 가열 중, 느리게 가열되는 금형 내부를 충분히 그리고 균일하게 가열하기 위해, 느린 가열과 장시간 유지를 실시한다. 결과적으로, 급속하게 가열되는 금형 표면은 매우 긴 시간 동안 고온에서 유지된다. 이러한 다이 캐스팅 금형용 강은, 이러한 가혹한 환경 하에서도 5 이상이 되는 결정 입도(결정립이 미세)를 가질 필요가 있다. 몇몇 경우에, 금형의 실제 제조 공정에서, 1,030℃의 ??칭 온도에서 강을 유지하는 시간이 5시간으로 연장될 수 있다. 따라서, 시험에서, 1,030℃에서 유지하는 시간은 5시간으로 설정한 다음, 금형 표면을 상정하여, 시험편의 표면을 50℃/min의 속도로 550℃까지 냉각하고, 25℃/min의 속도로 550℃에서 400℃로 냉각하고, 10℃/min의 속도로 400℃에서 200℃로 냉각했다.

시험편(??칭된 재료)의 표면을 경면 연마하고 산으로 부식하여 ??칭에 있어서의 가열(5시간 동안 1,030℃에서 유지되는 상태)에서 오스테나이트 결정립계가 드러나도록 했다. 오스테나이트 결정립계의 조직을 현미경으로 관찰하고, JIS G0551에 따라 구 오스테나이트 결정립의 결정 입도를 평가했다.

평가되는 결정 입도는 3 시야에서 얻어진 결정 입도의 평균값이었다. 입도가 5 이상인 경우, 구 오스테나이트 결정립은 미세한 입자로서 "A"(통과)로 판정했다. 반면, 입도가 5 미만인 경우, 구 오스테나이트 결정립은 조대한 입자로서 "C"(탈락)로 판정했다.

결과를 표 3에 나타낸다. 표에 "A" 또는 "C"의 평가와 함께, 측정된 실제 결정 입도도 괄호 안에 나타낸다.

비교예 2, 3, 4와 5에서의 강은 "C"(탈락)로 평가됐다. 이들 탈락된 강은 낮은 V 함유량을 가졌다. 따라서, VC 입자(??칭 중 확산되어 오스테나이트 결정립계의 성장을 방지하는 입자)의 양도 적고, 결정립이 성장하기 쉬웠다.

충격값의 평가:

11 mm×11 mm×55 mm의 작은 정사각봉에 대형 다이 캐스팅 금형에 있어서의 ??칭 공정을 실시하고, 그 충격값을 평가했다. 구체적으로, 작은 정사각봉을 5시간 동안 1,030℃에서 유지하고, 20℃/min의 속도로 1,030℃에서 550℃로 냉각하고, 10℃/min의 속도로 550℃에서 400℃로 냉각하고, 3℃/min의 속도로 400℃에서 200℃로 추가로 냉각했다. 대형 금형의 ??칭에서의 냉각 중, 금형의 내부는 천천히 냉각된다. 이 시험의 ??칭 공정에서 냉각 공정은, 250 kg 내지 2,000 kg의 대형 다이 캐스팅 금형을 블래스트(blast) 또는 고온 오일로 ??칭한 공정에 대응된다. 이러한 느린 ??칭(저속 ??칭)에서도, 높은 충격값을 가질 필요가 있다.

??칭된 작은 정사각봉을 600℃ 내지 620℃에서 복수의 템퍼링으로 조질하여 43±0.5 HRC의 경도를 갖도록 하고, 10 mm×10 mm×55 mm의 충격 시험편(U 노치 하부 반경: 1mm, 노치 아래 높이: 8mm, 노치 아래 단면적: 0.8cm²)으로 가공했다. 충격값은 충격 시험에서의 흡수된 에너지[J]를, 시험편의 단면적(0.8cm²)으로 나눠서 얻은 값을 의미한다. 충격값은 10개의 시험편의 평균값으로 평가했다. 시험편이 32 J/cm² 이상의 충격값을 갖는 경우, 강이 금형으로서 사용될 때, 균열하기 어렵다. 따라서, 충격값이 평균으로 32 J/cm² 이상인 경우, 충격값은 높은 것으로서 "A"(통과)로 판정했다. 반면, 충격값이 32 J/cm² 미만인 경우, 충격값은 낮은 것으로서 "C"(탈락)로 판정했다.

결과를 표 3에 나타낸다. 표에 "A" 또는 "C"로서의 평가와 함께, 측정된 실제 충격값(단위: J/cm²)도 괄호 안에 나타낸다.

비교예 1, 2, 4, 5 및 6에서의 강이 "C"(탈락)로 평가되었다. 비교예 2, 4, 및 5에서의 강은 표 3에 나타낸 바와 같이 작은 결정 입도를 가져, 균열이 성장하기 쉬웠다. 결과적으로, 충격값이 감소했다. 특히, 비교예 5에서의 강은 낮은 Mn 함유량과 낮은 Cr 함유량을 갖고, 충격값에서의 현저한 감소를 야기하는, 더 낮은 경화능을 가졌다. 비교예 1 및 6에서의 강은, 5 이상의 현저하게 큰 결정 입도(결정립이 미세함)를 가지나, 낮은 경화능을 가졌다. 따라서, 비교예 1 및 6에서의 강의 조직은 조대한 베이나이트를 형성하여, 충격값이 감소했다. 비교예 3 및 7에서의 강은 비교예들 중 "A"(통과)로 평가되었다. 비교예 3에서의 강은 작은 결정 입도를 가지나, 1.06%(1.1Mn)의 많은 Mn 함유량으로 인해, 매우 높은 경화능을 가졌다. 따라서, 비교예 3에서의 강은, 높은 충격값을 야기하는, 마르텐사이트에 가까운 미세한 조직을 가졌다. 비교예 7에서의 강은 "A"(통과)로 평가되었으나, 지나치게 많은 Mo 함유량으로 인해 낮은 충격값을 가졌다. 도 6에 나타낸 바와 같이, Mo의 과잉의 첨가는 파괴 인성의 관점에서 바람직하지 않고, 또한, 재료 비용을 현저하게 증가시키는 단점을 갖는다.

열전도율의 평가:

직경 15 mm×높이 55 mm의 작은 원통에, 충격 시험편과 동일한 ??칭 및 템퍼링 공정을 실시하고, 43±0.5 HRC의 경도를 갖도록 조질했다. 다음, 열전도율 측정을 위해, 작은 원통으로부터 직경 10 mm×길이 2 mm의 시험편을 준비했다. 레이저 섬광법으로 25℃에서의 시험편의 열전도율을 측정했다. 금형의 수명을 연장하고 주조 품질을 향상시키는 관점에서, 열전도율은 더 높은 것이 바람직하다. 열전도율이 25.5 W/m/K 이상인 경우, 열전도율은 높은 것으로서 "A"(통과)로 판정했다. 반면, 열전도율이 25.5 W/m/K 미만인 경우, 열전도율은 낮은 것으로서 "C"(탈락)로 판정했다.

결과를 표 3에 나타낸다. 표에 "A" 또는 "C"의 평가와 함께, 측정된 실제 열전도율(단위: W/m/K)도 괄호 안에 나타낸다.

비교예 1 및 2에서의 강은 "C"(탈락)로 평가됐다. 비교예 1에서의 강은, 1.02%의 매우 높은 Si 함유량을 가졌으며, 이는 특히 낮은 열전도율을 야기한다. 비교예 2에서의 강은 "A"(통과)에 가까웠으나, Si 함유량이 높아 열전도율이 충분히 증가될 수 없었다. 비교예 4에서의 강은 0.40%의 상대적으로 높은 Si 함유량을 가졌으나, 낮은 Cr 함유량을 가져, 높은 열전도율을 확보했다. 또한, 낮은 Cr 함유량과 낮은 Si 함유량을 갖는 비교예 5에서의 강은 매우 높은 열전도율을 가졌다.

표 3에 나타낸 4개의 항목의 평가 결과로부터 이하를 알 수 있다.

종래의 강인 비교예 1 내지 5에서의 강은 적어도 2개의 항목에서 문제가 있다.

본 발명의 각각의 하한보다 낮은 Mn 함유량과 Cr 함유량을 갖는 비교예 6에서의 강은, 충격값의 항목에서 문제가 있다.

본 발명의 상한보다 높은 Mo 함유량을 갖는 비교예 7에서의 강은, 어닐링 특성의 항목에서 문제가 있다.

반대로, 발명예 1 내지 13에서의 강은 어느 항목에서도 문제가 없다. 발명예의 강재의 경우, 강재의 우수한 어닐링 특성에 의해, 강재용 재료가 낮은 비용으로 신속하게 제공될 수 있다. 또한, 발명예의 강은, 장시간 동안 ??칭에서 강이 가열되는 경우에도 미세한 오스테나이트 결정립을 생성할 수 있고, 저속 ??칭에서도 높은 충격값을 얻을 수 있다. 따라서, 대형 금형에서의 균열이 만족스럽게 방지될 수 있다. 또한, 높은 열전도율을 갖는 금형이 얻어질 수 있어, 주조 사이클의 단축이 기대될 수 있고, 주조 제품의 높은 품질이 달성될 수 있다.

이상, 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하였으나, 이는 실시예에 불과하다. 예를 들어, 샷 피닝, 질화 처리, PVD 처리, CVD 처리, 도금 처리, 그리고 다른 표면 개질 처리를 강에 적용하여, 본 발명에 따른 강을 사용하는 것도 유효하다. 또한, 본 발명에 따른 강은, 분말 및 플레이트의 추가적인 제조에 의해, 금형 형성을 위해 사용되는 분말 및 플레이트에 적용될 수 있고, 다이의 본체 또는 부품의 보수 용접용 로드(rod)로서 사용될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 요지를 벗어나지 않으면서 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

본 발명은 2018년 4월 2일에 출원된 일본특허출원 제2018-071149호에 기초하고, 그 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.

Claims

질량 % 기준으로,
필수적으로,
0.35%≤C≤0.40%,
0.003%≤Si≤0.20%,
0.72%≤Mn≤0.94%,
5.65%≤Cr≤6.00%,
1.65%≤Mo≤2.00%,
0.71%≤V≤0.90%, 및
0.001%≤N≤0.080%, 그리고
선택적으로,
W≤5.00%,
Co≤4.00%,
Cu≤1.50%,
Ni≤1.50%,
B≤0.0050%,
Nb≤0.100%,
Ta≤0.100%,
Ti≤0.100%,
Zr≤0.100%,
Al≤1.00%,
S≤0.0500%,
Ca≤0.2000%,
Se≤0.50%,
Te≤0.100%,
Bi≤0.50%, 및
Pb≤0.50%,
잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖고,
열전도율이 25.5 W/m/K 이상이고, 1,030℃에서 5시간 ??칭 후의 구(prior) 오스테나이트 결정 입도 번호가 5 이상인 금형용 강.
제1항에 있어서,
질량 % 기준으로,
이하 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금형용 강:
0.30%<W≤5.00%, 및
0.30%<Co≤4.00%.
제1항에 있어서,
질량 % 기준으로,
이하 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금형용 강:
0.30%<Cu≤1.50%, 및
0.30%<Ni≤1.50%.
제1항에 있어서,
질량 % 기준으로,
0.0001%<B≤0.0050%
를 포함하는 금형용 강.
제1항에 있어서,
질량 % 기준으로,
이하 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금형용 강:
0.004%<Nb≤0.100%,
0.004%<Ta≤0.100%,
0.004%<Ti≤0.100%, 및
0.004%<Zr≤0.100%.
제1항에 있어서,
질량 % 기준으로,
0.10%<Al≤1.00%
를 포함하는 금형용 강.
제1항에 있어서,
질량 % 기준으로,
이하 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금형용 강:
0.0080%<S≤0.0500%,
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%.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 금형용 강으로 이루어진 금형.