KR102356521B1

KR102356521B1 - 균일한 강 합금 및 공구

Info

Publication number: KR102356521B1
Application number: KR1020187029775A
Authority: KR
Inventors: 프레드릭 샌드베르크; 델핀 레보이스; 슈테판 선딘
Original assignee: 에라스틸 에스에이에스
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2022-01-27
Also published as: JP2019512595A; SE539733C2; EP3430179A1; JP7026629B2; US11293083B2; WO2017158056A1; KR20180125527A; SE1650353A1; CN108779531A; EP3430179B1; US20190078184A1

Abstract

절삭 적용들 및 열간 가공 공구들을 위해 의도된 강 합금으로서, 중량 퍼센트(중량%)로, C: 0.40 내지 1.2중량%, Si: 0.30 내지 2.0중량%, Mn: 최대 1.0중량%, Cr: 3.0 내지 6.0중량%, Mo: 0 내지 4.0중량%, W: 0 내지 8.0중량%, 여기서 (Mo+W/2) ≥ 3.5중량%, Nb: 0 내지 4.0중량%, V: 0 내지 4.0중량 %, 여기서 1.0중량% ≤ (Nb+V) ≤ 4.0중량%, Co: 25 내지 40중량%, S: 최대 0.30중량%, N: 최대 0.30중량%을 포함하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물들이다.

Description

균일한 강 합금 및 공구

본 발명은 절삭 적용들을 위해 적합한 강 합금 및 이러한 강 합금을 포함하는 공구에 관한 것이다. 강 합금은 바람직하게는 분말 야금학(powder metallurgy)을 사용하여 제작된다.

강 합금은 경도 및 강도, 특히 고온 경도 및 열 안정성과 조합하여 높은 인성을 요구하는 적용들에서의 사용에 대해 적합하다. 이러한 적용들은 칩 제거 기계가공(chip removing machining)용 절삭 공구들, 예컨대 엔드 밀들(end mills), 기어 절삭 공구들(gear cutting tools) 또는 가공물들의 호빙(hobbing)을 위해 형성된 밀링 공구들, 스레드-절삭 탭들(thread-cutting taps), 보링(boring) 공구들, 드릴링(drilling) 공구들, 선삭(turning) 공구들 등을 포함한다. 강 합금은 또한, 열간 가공 공구들, 예컨대 압출 다이들(extrusion dies), 열간 압연을 위한 롤러들(rollers), 금속에서 패턴들의 스탬핑(stamping)을 위한 프레스 롤러들 등에 대해 적합하다. 공구들에는 PVD(physical vapour deposition) 또는 CVD(chemical vapour deposition)를 사용하여 도포되는 코팅이 제공될 수 있다.

절삭 및 열간 가공 적용들에 대해 적합한 강 합금은 WO9302818로부터 공지되어 있다. 강 합금은 분말 야금학을 사용하여 제작되는 고속 강 합금이다. 강 합금은 통상적으로, 중량 퍼센트(중량%)로, 0.8중량%의 C, 4중량%의 Cr, 8중량%의 Co, 3중량%의 Mo, 3중량%의 W, 1중량%의 Nb, 1중량%의 V, 0.5중량%의 Si, 0.3중량%의 Mn, 잔부(balance) Fe 및 불가피한 불순물들을 포함한다. 이러한 강 합금은 높은 인성 및 우수한 연삭성(grindability)을 갖는다. 그러나, 고온 경도, 즉 상승된 온도에서의 경도, 및 열 안정성(thermal stability), 즉 상승된 온도에서 시간에 걸쳐 그 성질들 및 미세구조를 유지하는 합금의 능력은 위에서 언급된 적용들을 위한 개선에 대한 가능성을 나타낸다. 이는 바람직하게는, 고온들에서 양호한 열 전도도를 유지하면서, 달성되어야 하는데, 왜냐하면 양호한 열 전도도는 절삭 공구를 통해 절삭날로부터 멀어지게 열을 전도하기 위해 절삭 공구들을 위해 바람직하기 때문이다. 더욱이, 강 합금이 경화 전에 적합한 기계가공성(machinability)을 가지는 것이 바람직하다.

본 발명의 주요 목적은, 개선되거나 적어도 유사한 열 전도도와 조합하여 위에서 논의된 종래 기술의 강 합금과 비교하여 개선된 열 안정성 및 고온 경도를 가지는 강 합금을 제공하는 것이다. 2차 목적은 양호한 열 전도도와 조합하여 우수한 열 안정성 및 고온 경도를 가지는 공구를 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 양태에 따라, 주요 목적은 제1 항에 따른 강 합금에 의해 달성된다. 강 합금은:

C: 0.40 내지 1.2중량%,

Si: 0.30 내지 2.0중량%,

Mn: 최대 1.0중량%,

Cr: 3.0 내지 6.0중량%,

Mo: 0 내지 4.0중량%,

W: 0 내지 8.0중량%, 여기서 (Mo+W/2) ≥ 3.5중량%,

Nb: 0 내지 4.0중량%,

V: 0 내지 4.0중량 %, 여기서 1.0중량% ≤ (Nb+V) ≤ 4.0중량%,

Co: 25 내지 40중량%,

S: 최대 0.30중량%,

N: 최대 0.30중량%을 포함하며,

잔부가 Fe 및 불가피한 불순물들이다.

본 발명에 따른 강 합금에 의해, 개선된 고온 경도 및 열 안정성은, 전술된 것과 같이, 코발트의 더 낮은 양을 갖는 유사한 강 합금과 비교하여 달성될 수 있다. 비록 본 발명에 따른 강 합금이 제한된 양의 비싼 합금 원소들, 예컨대 몰리브덴 및 텅스텐을 포함하지만, 경화 및 템퍼링 후에 열간 가공 조건들에서 강 합금의 바람직한 성질들을 달성하는 것이 여전히 가능하다. 강 합금은, 따라서, 절삭 기계가공 및 열간 가공 적용들에 대해 적합하며, 여기서, 예컨대, 양호한 열 안정성은 중요하다. 본 발명에 따른 강 합금은 또한, 소프트 어닐링된 조건, 즉 강 합금이 공구를 형성하기 위한 기계가공을 겪는 조건에서 적합한 기계가공성을 가지도록 판명되어 있다. 강 합금은 또한, 상대적으로 높은 열 전도도를 가져, 따라서 절삭 적용들에 대해 적합하며, 여기서 절삭날로부터 멀어지게 생성된 열을 전도하는 것이 바람직하다.

일 실시예에 따라, 강 합금은 27 내지 33중량%의 Co를 포함한다. 이는 강 합금을 경화하는 경우 문제들을 갖지 않고 양호한 고온 경도 및 열 안정성을 달성하는 것을 돕는다.

다른 실시예에 따라, 강 합금은 28 내지 30중량%의 Co를 포함한다. 이러한 구간 내에서, 고온 경도 및 열 안정성이 최적화된다.

다른 실시예에 따라, 강 합금은 0.60 내지 0.90중량%의 C를 포함한다. 이러한 범위 내에서, 미세 입자 구조 및 양호한 내마모성이 취성을 유발하지 않고 달성될 수 있다.

다른 실시예에 따라, 강 합금은 0.30 내지 1.1중량%의 Si를 포함한다. 이는, 용융 야금학적 공정 동안 강 합금의 유동성을 여전히 유지하면서, 큰 M6C 탄화물들 및 손상된 경도를 형성하는 위험을 감소시킨다.

다른 실시예에 따라, 강 합금은 3.5 내지 5.0중량%의 Cr를 포함한다. 이러한 범위에서, Cr은, 강 기질에서의 잔류(retained) 오스테나이트의 발생 우려없이, 경화 및 템퍼링 후에 충분한 경도 및 인성에 기여할 것이다.

다른 실시예에 따라, 강 합금은 0.10 내지 0.50중량%의 Mn을 포함한다. 이러한 레벨들에서, Mn은 망간 황화물들의 형성에 의한 작용에서 유황 불순물들을 제거할 수 있어, 강 합금의 기계가공성을 개선시킨다.

다른 실시예에 따라, 강 합금은 2.0 내지 4.0중량%의 Mo 및 2.0 내지 4.0중량%의 W를 포함한다. 이러한 양들에서, MO 및 W은 경화 및 탬퍼링 후에 강 기질의 적합한 경도 및 인성에 기여한다.

다른 실시예에 따라, 강 합금은 0.90 내지 1.3중량%의 Nb 및 0.90 내지 1.3중량%의 V를 포함한다. 강 합금의 연삭성은 이에 의해 최적화될 수 있다.

다른 실시예에 따라, 강 합금은 최대 0.080중량%의 S를 포함한다. 이러한 실시예에서, 강 합금은 의도적으로 황으로 합금되는 것이 아니라, S가 강 합금의 기계적 성질들에 대한 효과 없이 불순물로서 존재할 수 있다.

다른 실시예에 따라, 합금 강은 1.0중량% 미만의 불가피한 불순물들, 바람직하게는 0.75중량% 미만의 불가피한 불순물들, 및 더 바람직하게는, 0.50중량% 미만의 불가피한 불순물들을 포함한다. 이러한 레벨들 미만으로, 불순물들은 강 합금의 성질들에 대한 매우 작은 효과를 갖는다.

다른 실시예에 따라, 합금 강은 분말 야금학 강 합금이다. 바람직하게는, 강 합금은 가스 미립자화(gas atomisation)에 의해 제조되는 분말 야금학 강 합금의 형태이다. 가스 미립자화를 사용하여, 높은 순도, 낮은 레벨의 개재물들 및 분산된 매우 미세한 탄화물들을 갖는 분말 야금학 강 합금을 획득하는 것이 가능하다. 가스 미립화된 분말은 구형이고 그리고 예를 들어, HIP(hot isostatic pressing)를 사용하여 균질한 재료로 치밀화될(densified) 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라, 위에서 언급된 2차 목적이 제안된 강 합금을 포함하는 공구에 의해 달성된다. 이러한 공구는 양호한 열 안정성, 고온 경도 및 열 전도도를 가지고 그리고, 따라서 열간 가공 및 절삭 적용들에 대해 적합하다.

본 발명의 이러한 양태의 일 실시예에 따라, 공구는 칩 제거 기계가공을 위해 구성되는 절삭 공구이다.

본 발명의 이러한 양태의 일 실시예에 따라, 공구에는 물리적인 증기 증착 또는 화학적인 증기 증착을 사용하여 도포되는 코팅(coating)이 제공된다. PVD 또는 CVD 코팅은 내마모성 외부 층을 형성한다.

본 발명의 추가의 이점들 및 유익한 특징들이 본 발명의 다음의 설명 및 이의 실시예들로부터 나타날 것이다.

본 발명의 실시예들은 이제 첨부 도면들을 참조로 하여 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 예시적인 합금들에 대한 시효 시간에 따른(as a function of) 경도를 도시한다.
도 2는 예시적인 합금들에 대한 시효 시간에 따른 경도의 감소를 도시한다.
도 3은 예시적인 합금들에 대한 온도에 따른 열 전도도를 도시한다.
도 4는 예시적인 합금들에 대한 온도에 따른 고온 경도를 도시한다.
도 5는 상이한 Co 함량을 갖는 다수의 합금들에 대한 경화 온도에 따른 경도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 합금들에 대한 시효 전 그리고 시효 후의 경도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 합금들에 대한 시효 전 그리고 시효 후의 경도를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 예시적인 합금들에 대한 경화 온도에 따른 경도를 도시한다.
도 9는 도 8의 합금들에 대한 경화 온도에 따른 경도를 도시한다.

다양한 합금 원소들의 중요성이 이제 더 상세하게 설명될 것이다.

탄소(C)는 강 합금에서 수개의 기능들을 갖는다. 무엇보다, 소정량의 탄소가, 용해 온도로부터 냉각함으로써 마르텐사이트의 형성을 통해 적합한 경도를 제공하기 위해 기질(matrix)에서 요구된다. 탄소의 양은 석출 경화(precipitation hardening)가 탄화물들의 형성에 의해 달성될 수 있도록, 한편으로는 몰리브덴/텅스텐, 그리고 다른 한편으로는 바나듐/니오븀과 탄소의 조합을 위해 충분해야 한다. 탄화물들은 마모에 대한 내성을 제공하고 그리고 또한 입자 성장을 제한하며, 이에 의해 강 합금의 미세 입자 구조에 기여한다. 따라서, 강에서의 탄소 함량은 적어도 0.40중량% 및 바람직하게는 적어도 0.60중량%, 적합하게는 적어도 0.70중량%일 수 있다. 그러나, 탄소 함량은, 이 탄소 함량이 취성(brittleness)을 유발시킬 정도로 높지는 않아야 한다. 따라서, 탄소 함량은 1.2중량%을 초과하지 않아야 하고 그리고 바람직하게는 0.90중량%을 초과하지 않아야 한다.

실리콘(Si)은 강 멜트(melt)의 탈산소화로부터의 잔여물로서 강에서 존재할 수 있다. 실리콘은 액체 강의 유동성을 개선시키며, 이는 용융 야금학적인 공정에서 중요하다. 실리콘의 증가된 추가에 의해, 용융된 강은 더 많은 유체일 것이며, 이는 과립화와 연결되는 막힘(clogging)을 회피하기 위해 중요하다. 실리콘 함량은 이러한 목적을 위해 적어도 0.30중량%이고 그리고 심지어 더 바람직하게는 적어도 0.40중량%이어야 한다. 실리콘은 또한, 증가된 탄소 활성에 기여하며, 그리고, 실리콘 합금된 실시예에서, 실리콘은 최대 2.0중량%의 양들로 존재할 수 있다. 취성을 갖는 문제들은 2.0중량% 초과의 함량들에서 일어날 것이고, 그리고 이미 보다 낮은 함량들에서 기계적 성질들에 영향을 줄 수 있다. 이에 따라, 강 합금은, 큰 M6C 탄화물들의 형성의 우려로서, 적절하게는 1.2중량% 초과의 Si를 적합하게 포함하지 않아야 하며, 그리고 경화된 조건에서의 손상된 경도는 이러한 레벨을 초과하는 실리콘 함량들에서 더 클 수 있다. 실리콘 함량을 1.1중량% 이하로 제한하는 것이 훨씬 더 바람직하다.

망간(Mn)은 또한, 강 합금에, 주로 야금학적 용융 공정으로부터의 잔여 생성물로서 존재할 수 있다. 이러한 공정에서, 망간은 망간 황화물들(manganese sulfides)의 형성에 의한 작용으로부터 유황(sulfuric) 불순물들을 제거하는 공지된 효과를 갖는다. 이러한 목적을 위해, 망간은 바람직하게는, 적어도 0.10중량%의 함량으로 강에서 존재해야 한다. 강에서의 망간의 최대 함량은 1.0중량%이지만, 바람직하게는 망간의 함량은 최대 0.50중량%로 제한된다. 바람직한 실시예에서, 강은 0.20 내지 0.40중량%의 Mn을 포함한다.

크롬(Cr)은, 경화 및 템퍼링 후에 강 기질의 충분한 경도 및 인성에 기여하기 위해, 강 합금에서 적어도 3.0중량%, 바람직하게는 적어도 3.5중량%의 양으로 존재할 수 있다. 크롬은 또한, 주로 침전된 탄화물, 주로 M6C 탄화물들에 포함됨으로써 강 합금의 내마모성에 기여할 수 있다. 그러나, 매우 많은 크롬은, 변형하기에 어려울 수 있는 잔류 오스테나이트(retained austenite)에 대한 위험을 유발할 것이다. 따라서, 크롬 함량은 최대 6.0중량%, 바람직하게는, 최대 5.0중량%로 제한된다.

몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W)은 경화 및 탬퍼링 후에 강 기질의 적합한 경도 및 인성에 기여한다. 몰리브덴 및 텅스텐은 또한, 주로 침전된 M6C 탄화물들에 포함될 수 있고 그리고 이와 같이, 강의 내마모성에 기여할 것이다. 또한, 다른 주로 침전된 탄화물들은, 비록 동일한 정도는 아니지만, 몰리브덴 및 텅스텐을 포함한다. 몰리브덴 및 텅스텐의 함량들에 대한 제한들은, 다른 합금 원소들에 대한 적응에 의해 적합한 성질들을 초래하기 위해 선택된다. 원리적으로, 몰리브덴 및 텅스텐은 서로를 부분적으로 또는 완전히 대체할 수 있으며, 이는 텅스텐이 절반의 양의 몰리브덴으로 대체될 수 있거나, 몰리브덴이 2배 양의 텅스텐으로 대체될 수 있다는 것을 의미한다. 경험에 의해, 그러나, 대략 동일한 양들의 몰리브덴 및 텅스텐들이 바람직한데, 왜냐하면 이는 이러한 동일한 양들이 제조 기술에서, 또는 더 구체적으로는 열 처리 기술에서 소정의 이점들을 초래하기 때문이라는 것이 공지되어 있다. 스크랩 강의 형태의 원 재료를 사용할 때, 대략적으로 동일한 양들의 몰리브덴 및 텅스텐이 바람직한데, 왜냐하면 이는 사용되는 스크랩 강의 유형에 대해 보다 적은 제한들을 부여하기 때문이다. 본 목적을 위해 적합한 성질들은, (Mo + W/2)가 적어도 3.5중량%와 동일하지만, 8.0중량%를 초과하지 않도록 몰리브덴 및 텅스텐 함량에서 다른 합금 원소들과 조합하여 달성될 것이다. 몰리브덴의 함량은 0중량% 내지 4.0중량%의 범위 내에 있어야 하며, 그리고 텅스텐의 함량은 0중량% 내지 8.0중량%의 범위 내에 있어야 한다. 바람직하게는, 강 합금은 몰리브덴 및 텅스텐의 각각의 2.0중량% 내지 4.0중량%의 범위 내에 있는 것을 각각 포함한다.

바나듐(V) 및 니오븀(Nb)은 어느 정도로 상호교환가능하고 그리고 작은 양들로 탄화물들의 크기를 작게 유지시키는 것에 기여한다. 니오븀 및 바나듐의 양들을 적합하게 밸런싱함으로써, 주로 침전된 MC 탄화물들의 크기가 제한될 수 있으며, 이에 의해 강 합금의 연삭성(grindability)을 개선시킨다. 니오븀 및 바나듐의 총 함량은 1.0중량% ≤ (Nb+V) ≤ 4.0중량%, 바람직하게는, 1.5중량% ≤ (Nb+V) ≤ 3.0중량%의 조건을 충족해야 한다. 바람직한 실시예에서, 강은 0.90중량% 내지 1.3중량%의 Nb 및 0.90중량% 내지 1.3중량%의 V를 포함해야 한다. 원소들 Nb 및 V의 각각의 함량은 0중량% 내지 4.0중량%의 범위 내에 있어야 하며, 즉, 원소들 중 하나를 생략하고 그리고 이 원소를 다른 원소와 대체되는 것이 가능하다.

코발트(Co)는 절삭 적용들 위해 필요한 강 합금의 고온 경도 및 열 안정성에 기여한다. 코발트는 강 합금들의 인성을 감소시키는 것으로 공지되어 있고 그리고 따라서, 강 합금들에서 많은 양들의 코발트는 사전에 회피되고 있다. 그러나, 본 발명에 따라, 코발트의 양이 WO9302818에서 개시되는 것과 같은 사전에 공지된 강 합금들에서 존재하는 양에 대해 증가될 수 있는 것이 발견되어 있다. 코발트는 적어도 25중량%, 바람직하게는 적어도 27중량%, 그리고 가장 바람직하게는, 적어도 28중량%의 양으로 존재하는 본 강 합금에 있다. 이는 요구되는 고온 경도 및 열 안정성을 제공한다. 코발트의 양은 최대 40중량%으로 제한되어야 하는데, 왜냐하면 이러한 레벨 초과로는, 강 합금이 잔류 오스테나이트로 인해 바람직한 경도로 경화하기에 매우 어려워지기 때문이다. 바람직하게는, 코발트의 양은 이러한 이유 때문에, 최대 33중량%, 또는 더 바람직하게는 최대 31중량%, 및 훨씬 더 바람직하게는 최대 30중량%으로 제한된다.

황(S)은 제작 공정으로부터의 잔여 생성물로서 강 합금에서 존재할 수 있다. 대략적으로 800ppm, 즉 0.080중량%보다 더 작은 양들에서, 강 합금의 기계적 성질들은 크게 영향을 받지 않는다. 황이 또한, 강 합금의 피삭성(machinability)을 개선시키기 위해 합금 원소로서 의도적으로 추가될 수 있다. 그러나, 황은 용접성을 감소시키고 그리고 취성을 또한 유발시킬 수 있다. 황과 함께 합금된다면, 황의 양은 최대 0.30중량%, 바람직하게는 최대 0.2중량%로 제한되어야 한다. 황 합금된 실시예들에서, 강의 망간 함량은 바람직하게는, 강 합금의 비-유황(non-sulfured) 실시예들에서보다 다소 더 높아야 한다. 비-유황 실시예들에서, 0.080중량%의 S를 초과하지 않도록 주의해야 한다.

질소(N)는 강 합금에서 어느 정도로 탄소를 대체할 수 있고 그리고 최대 0.3중량%의 양으로 존재할 수 있지만, 바람직하게는 최대 0.1중량%로 제한되어야 한다. 탄소 및 질소의 양들은 탄화물들, 질화물들 및 탄질화물들(carbonitrides)의 바람직한 양을 달성하고, 강 합금의 내마모성에 기여하도록 밸런싱되어야 한다.

위에서 언급된 원소들뿐만 아니라, 강 합금은, 강 합금의 용융-야금학적 처리로부터 유도되는, 일반적인 양들의 불가피한 불순물들 및 다른 잔여 생성물들을 포함할 수 있다. 다른 원소들이 강 합금의 합금 원소들 사이에서 의도된 상호작용들을 불리하게 변경시키지 않는 경우 그리고 또한 다른 원소들이 강 합금의 의도된 특징들 및 의도된 적용들을 위한 그 적합성을 손상시키지 않는 경우, 이 다른 원소들은 더 작은 양들로 강 합금에 의도적으로 공급될 수 있다. 불순물들, 예컨대 오염 원소들은 최대 1.0중량%, 바람직하게는 최대 0.75중량%, 및 더 바람직하게는 최대 0.5중량%의 양으로 강 합금에 존재할 수 있다. 존재할 수 있는 불순물들의 예들은 티타늄(Ti), 인(P), 구리(Cu), 주석(Sn), 납(Pb), 니켈(Ni), 및 산소(O)이다. 산소의 양은 바람직하게는, 200ppm을 초과하지 않아야 하고, 그리고 더 바람직하게는 100ppm을 초과하지 않아야 한다. 불순물들은 강 합금을 제조하는 데 사용되는 원 재료에서 저절로 발생할 수 있거나, 제조 공정으로부터 발생할 수 있다.

본 발명에 따른 강 합금은 분말 야금학적 공정에 의해 제조될 수 있으며, 이 분말 야금학적 공정에서, 고순도의 금속 분말이 미립자화(atomisation), 바람직하게는 가스 미립자화를 사용하여 제조되는데, 왜냐하면 이는 낮은 양들의 산소를 갖는 분말을 초래하기 때문이다. 분말은 이후에, 예를 들어, HIP(hot isostatic pressing)을 사용하여 치밀화된다(densified). 통상적으로, 낮은 합금된 강의 캡슐은 가스 미립자화된 분말로 채워진다. 캡슐은 밀봉되고, 그리고 고압 및 고온 하에서 최대 밀도(full density)로 빌릿(billet)으로 통합된다. 빌릿은 강 바(steel bar) 내로 단조되고(forged) 그리고 압연되고(rolled) 그리고 최종 형상의 컴포넌트들/공구들은 이후에, 단조(forging) 및 기계가공에 의해 제조된다. 컴포넌트들은 또한, 가까운 니어 넷 형상 기술(near net shape technique)을 사용하여 강 합금 분말로 제조될 수 있으며, 여기서 강 합금 분말은 금속 캡슐들에서 캐닝되고(canned) 그리고 고압 및 고온 하에서 바람직한 형상을 갖는 컴포넌트들로 통합된다. 컴포넌트들은 추가적으로, 적층 가공(additive manufacturing) 기술들을 사용하여 제조될 수 있다.

본 발명에 따른 강 합금은 통합식 절삭 원소들을 갖는 칩 제거 기계가공을 위한 절삭 공구들을 형성하기 위해 특히 적합하다. 바람직하게는, 마무리된(finished) 공구에는 면심 입방 구조 및 20㎛ 또는 그 미만, 통상적으로 5 내지 10㎛의 두께를 가지는 PVD 또는 CVD 코팅이 제공된다. 당 분야에서 사용되는 일반적인 코팅들은 산화물들 및 질화물들의 상이한 조합들, 예컨대 TiN, TiAlN, AlCrN, AlCrON, 등이다.

예 1

표 1에서 열거되는 바와 같은 합금 원소 조성들을 갖는 다수의 합금 강 검사 샘플들이 제조되고 검사되었다. 열거된 조성들의 잔부는 0.5중량% 미만의 총량들의 Fe 및 불가피한 불순물들이었다. 불가피한 불순물들은 이러한 경우에, 예컨대 산소를 포함한다. 합금(A)는 본 발명의 일 실시예에 따른 강 합금인 반면, HSS1, HSS2 및 HSS3은 본 발명의 범주를 넘어 속하는 비교의 합금들이다. HSS1은 WO9302818에서 개시되는 바와 같은 고속 강 합금인 반면, HSS2 및 HSS3은 더 큰 양의 C뿐만 아니라 더 큰 양들의 V, Mo 및 W을 포함하는 더 높은 합금화된 강 합금들이다. HSS2 및 HSS3은 절삭 적용들을 위한 최고의 고성능 분말 야금학 고속 강 합금들의 예들이다.

열거된 강 합금들은 분말 야금학에 의해 제조되었다. 우선적으로, 강 합금 분말들은 가스 미립화를 사용하여 제조되었고, 그리고 이후, 분말들은 캡슐들에 에워싸여져 있고 그리고 HIP(hot isostatic pressing)에 의해 고형물 샘플들 내로 치밀화된다. 치밀화된 샘플들은 670℃로의 -10℃/h의 냉각 속도의 느린 냉각으로 이어지는 온도의 3시간의 유지 시간 동안 910℃의 노(furnace)에서 소프트 어닐링되었다(soft annealed). 샘플들은 이후, 실온으로 천천히 냉각되었다.

소프트 어닐링 후의 브리넬 경도(Brinell hardness), 즉, 소프트 어닐링된 경도는 샘플 마다 2개의 인덴트들(indents)을 사용하여 합금(A)를 위해 판정되었다. 합금(A)의 소프트 어닐링된 경도는 450HB, 즉 대략적으로 47HRC였다. 소프트 어닐링 후에 샘플의 냉각 동안 진공 노에서 신속한 담금질(quenching)을 부가함으로써, 소프트 어닐링된 경도를 390HB로 감소시키는 것이 가능하였다.

소프트 어닐링된 샘플들의 기계가공성은 합금(A)에 대해 그리고 HSS2에 대해 검사되었다. 검사되는 샘플들에 대한 소프트 어닐링된 경도는 합금(A)에 대해서는 425HB였고, 그리고 HSS2에 대해 355HB였다. 소프트 기계가공은 코팅 초경합금 밀링 인서트(coated cemented carbide milling insert)로의 밀링에 의해 실행되었다. 2mm 깊은 절삭부들이 공구의 밀링 헤드에서 장착되는 하나의 밀링 인서트에 의해 형성되었다. 이송물(feed)은 1회전당 0.15mm로 일정하게 유지되었으며, 그리고 절삭 속도는 80 내지 120rpm으로 변화되었다. 밀링 인서트가 고장날 때까지의 절삭들의 수는 기록되었고 그리고 표 2에서 도시되었다.

표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 위에서 논의된 바와 같이, 비록 합금(A)의 소프트 어닐링된 경도가 더 높을지라도, 소프트 어닐링된 조건에서의 기계가공성은 본 발명에 따른 합금(A)에 대해 그리고 HSS2에 대해 비교가능하다. 더 높은 소프트 어닐링된 경도로부터, 감소된 기계가공성은 일반적으로 예상될 것이다. 70HB의 소프트 어닐링된 경도에서의 증가를 위해, 가능한 절삭 속도가 50% 감소될 것인 것이 일반적으로 예상될 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 합금(A)에 대해, 가능한 절삭 속도는 HSS2의 절삭 속도와 비교가능하다.

합금(A), HSS1 및 HSS3으로부터의 소프트 어닐링된 샘플들은 또한, 상이한 온도들로 경화 및 템퍼링을 겪었다. 샘플들은 3x1 시간 동안 템퍼링되었다.

열 처리된 샘플들의 10kg 로드를 갖는 비커스 경도(Vickers hardness)(HV10)는 합금 및 열 처리의 각각의 조합으로부터 하나의 샘플 상에서 측정되었다. 5개의 인덴트들이 샘플마다 제조되었다. 30kg 로드(HV30)를 갖는 비커스 경도는 샘플 당 10개의 인덴트들을 갖는 열 처리된 샘플들 중 일부에 대해 추가적으로 측정되었다. 다공도(porosity)에 의해 명백하게 영향을 받았던 인덴트들은, 30kg 로드를 갖는 비커스 경도를 측정할 때, 무시되었다. 비커스 경도 검사의 결과들은 표 3에서 도시된다. 도시된 경도 값들(HV10 및 HV30)은 평균 경도 값들이다.

합금(A)를 위해, SEM(scanning electron microscopy) 영상들의 영상 분석을 사용하여 측정되는 바와 같이, 1150℃에서의 경화는, 대략적으로 0.5㎛의 평균 크기를 가지는, MC 유형 및 M6C 유형의 탄화물들을 갖는 미세구조를 초래하며, 여기서 MC 탄화물은 전체 구조의 약 2체적 퍼센트(체적%)로 구성하며, 그리고 여기서 M6C 탄화물들은 전체 구조의 약 2 내지 3체적%로 구성된다. HSS1에 대한 대응하는 값들은 0.25㎛ 및 1.9체적%(MC) 및 1.7체적%(M6C) 각각이다. HSS3에 대해, 대응하는 값들은 1.1㎛ 및 17체적%(MC) 및 5.4체적%(M6C) 각각이다.

표 1에서 열거된 합금들의 각각으로부터의 샘플들은 템퍼링 노에서 시간의 상이한 지속기간들 동안 600℃의 상승된 온도 상태를 겪었다. 이러한 온도에서 유지되기 전에, 샘플들은, 1180℃의 경화 온도 및 560℃의 템퍼링 온도들(모든 샘플들) 및 580℃(오직 합금(A) 샘플들)과 함께, 전술된 바와 같은 템퍼링을 포함하는 열 처리들을 겪었다. 샘플들은 1시간, 3시간, 5시간 및 22시간 각각 동안 600℃의 온도로 유지되었다. 또한, 합금 및 열 처리의 조합마다 하나의 샘플이 기준점을 얻기 위해 상승된 온도를 겪지 않았다. 600℃로 유지된 후에, 모든 샘플들은 플라스틱 몰드들(plastic moulds) 및 그라운드(ground)에서 주조되었다(cast). 10개의 비커스 경도 인덴트들이 30kg 로드로 실온에서 샘플마다 제조되었다. 재료들에서 다공도에 의해 명백하게 영향을 받았던 인덴트들은 무시되었다.

시험들의 결과들은 도 1에서 도시되며, 여기서 600℃로 유지된 시간에 따른 경도 값들(HV30)은 상이한 샘플들에 대해 플로팅된다(plotted). 상이한 샘플들의 템퍼링 온도들은 범례(legend)에서 도시된다. 알 수 있는 바와 같이, 합금(A)은 HSS1보다 명확하게 더 높은 강도를 갖는다.

도 2는 상이한 샘플들에 대해 600℃로 유지되는 시간에 따라 경도(HV30)에서 감소를 도시하며, 여기서 감소는 600℃에서 유지되지 않은 대응하는 샘플들의 경도에 대한 것이다. 상이한 샘플들의 템퍼링 온도들은 범례에서 도시된다. 결과들로부터 알 수 있는 바와 같이, 템퍼링 온도들 양자 모두에 대해, 경도의 감소는 비교의 합금들(HSS1, HSS2 및 HSS3)에 대해서보다 본 발명에 따른 합금(A)에 대해 상당히 더 작다. 본 발명의 이러한 실시예에 따른 합금은, 따라서, 비교의 합금들 모두에 대해 개선된 열 안정성을 도시한다.

경화를 겪었던 샘플들의 고온 경도가 또한 측정되었다. 합금, 열 처리 및 검사 온도의 각각의 조합에 대해, 2개의 비커스 경도 인덴트들은 5kg 로드로 제조되었다. 고온 경도 검사의 결과들은, 상이한 온도들에서의 비커스 경도(HV5)를 도시하는 표 4에 도시된다. 모든 샘플들은 1180℃에서 경화되었지만, 템퍼링은 합금(A)에 대해 580℃로 그리고 HSS1 및 HSS2에 대해 560℃로 수행되었다. 알 수 있는 바와 같이, 합금(A)은 모든 온도들에서 HSS1에 대한 증가된 고온 경도, 및 650℃의 온도에서 그리고 HSS2에 대해 초과의 고온 경도에서의 약간의 개선을 나타낸다. 고온 경도는 도 4에서 또한 도시되며, 여기서 경도는 3개 합금들 모두에 대해 온도에 따라 플로팅된다.

합금(A 및 HSS2)으로부터 샘플들의 열 전도도들은 레이저 플래시 기술을 사용하여 판정되었다. 측정들로부터의 결과들은, 본 발명에 따른 합금(A)의 열 전도도가 합금(HSS2)에 대해 개선된 것을 도시하는 도 3에서 도시된다.

1.3중량%의 C, 4.2중량%의 Cr, 5.0중량%의 Mo, 6.4중량%의 W, 3.1중량%의 V, 및 30중량%, 40중량%, 및 50중량%의 Co 함량, 및 잔부 Fe를 각각 포함하는 합금들로의 실험들은, 40중량% 및 그 초과의 Co 함량이 강 합금이 요구되는 경도로 경화하는 것을 어렵게 또는 불가능하게 만드는 것을 도시하였다. 이러한 실험들로부터의 결과들은, 3개의 상이한 합금들에 대한 섭씨 온도의 경화 온도에 따라 HRC의 경도를 도시하는 도 5에서 도시된다. 경화능(hardenability)에서의 대응하는 감소가 본 발명에 따르지만, 더 높은 Co 함량을 갖는 조성을 초래할 것이라는 점이 예상된다.

예 2

표 5에서 열거되는 바와 같은 합금 원소 조성들을 갖는 추가의 세트의 합금 강 검사 샘플들이 제조되고 검사되었다. 열거된 조성들의 잔부는 0.5중량% 미만의 총량들의 Fe 및 불가피한 불순물들이었다. 불가피한 불순물들은, 예컨대, 산소, 구리 및 니켈을 포함한다. 열거된 검사 샘플들이 예1에서 전술된 바와 같이 제조되었다.

상이한 합금들(MS1 내지 MS5)의 바들의 형태의 소프트 어닐링된 샘플들은 표 6에 따른 상이한 온도들 및 시간들의 경화 및 템퍼링을 겪었다. 예1로부터의 합금(HSS2)은 또한, 기준으로 포함된다.

합금(MS3)으로부터 샘플들의 충격 인성(impact toughness), 다시 말해, 샘플들(MS3-2, MS3-4 및 MS3-6)은 연구되었고 그리고 예 1에서 전술된 HSS2의 충격 인성과 비교되었다. 이러한 목적을 위해, 7x10mm의 치수를 가지는 샘플들은 바들의 길이 방향으로 절취되었다(cut out). 결과들은 표 7에서 도시된다. 알 수 있는 바와 같이, 합금(M3)의 충격 인성은 유사한 경도 값들에 대한 합금(HSS2)의 충격 인성과 동등한 것으로 발견되었다.

3개의 샘플들(MS3-2, MS3-4 및 MS3-6) 모두는 상대적으로 높은 충격 인성을 가지며, 이 때, 샘플(MS3-2)은 1050℃으로 경화되어, 16J의 가장 높은 값을 나타낸다. 상대적으로 높은 충격 인성은 절삭 적용들에 대해, 특히 단속 절삭(nterrupted cutting)에 대해 이익이 있으며, 여기서 절삭날은 가공물 내로 그리고 가공물 밖으로 이동한다. 절삭날은, 이에 의해, 주기적으로 로딩되고 언로딩되며, 그리고 따라서, 날의 강도 및 인성이 요구된다. 낮은 강도 또는 인성은 사용될 수 있는 이송 속도를 제한할 수 있으며, 그리고 낮은 강도 또는 인성은 또한, 절삭날의 갑작스런 그리고 예상치 못한 고장으로 이어질 수 있다. 큰 공구들, 예컨대 기어 절삭 공구들은 또한, 조작 손상들에 대해 특별히 민감할 수 있으며, 그리고 양호한 강도 및 충격 인성은 또한 이러한 이유들로 유리하다.

합금(MS3)으로부터의 샘플들, 다시 말해 샘플들(MS3-1, MS3-2, MS3-3, MS3-4 및 MS3-5)의 굽힘 강도는 또한, 연구되었고 그리고 HSS2의 굽힘 강도와 비교되었다. 이러한 목적을 위해, 4.7mm의 직경을 가지는 원통형 샘플들은 절취되었고 그리고 4개의 지점 굽힘 검사를 사용하여 검사되었다. 결과들은 표 7에서 도시된다. 굽힘 강도가 합금(HSS2)의 굽힘 강도와 동등하였던 것이 발견되었다. 모든 샘플들은 상대적으로 높은 굽힘 강도를 나타내며, 이 때 샘플(MS3-1)은 1000℃으로 경화되어, 가장 높은 값을 나타낸다. 높은 굽힘 강도는 절삭 적용들에 대해 특히 유용하다.

표 6에서 열거되는 유형(MS1-7, MS3-7, MS5-7, MS1-8, MS3-8 및 MS5-8)의 샘플들은 템퍼링 노에서 22시간 동안 600℃의 상승된 온도에서 시효처리하는 것을 겪었으며, 그리고 10kg 로드 경우의 비커스 경도(HV10)가 시효처리 전후에 측정되었다. 도 6 및 도 7은 560℃ 및 580℃ 각각으로 템퍼링된 샘플들에 대한 시효처리 전후에 경도(HV10)에 대한 코발트 함량의 영향을 도시한다. 도 1로부터의 HSS2의 경도(HV30)가 기준으로 포함된다. 24.8중량%, 즉, 대략적으로 25중량%의 Co 함량을 가지는 합금(MS1)은, 대략적으로 29중량%의 Co 함량을 양자 모두가 가지는 합금들(MS3 및 MS5)보다 시효 전에 그리고 후 양자 모두에서 더 낮은 경도를 갖는다는 것을 알 수 있다. 합금들(MS1, MS3 및 MS5) 모두는 HSS2보다 시효 후에 더 높은 경도를 갖는다. 시효 후의 높은 경도는 양호한 열 안정성 및 상승된 온도에서 긴 시간 동안 사용되는 능력을 나타낸다. 합금으로 제조되는 절삭날을 위해, 이는 절삭날이 높은 절삭 속도로 상대적으로 긴 시간 동안 사용될 수 있는 것을 의미한다.

게다가, 경화 온도에 따른 경도에 대한 합금의 탄소 함량의 영향이 2개의 상이한 템퍼링 온도들에 대해 연구되었다. 이러한 목적을 위해, 합금들(MS2(0.53중량%의 C), MS3(0.77중량%의 C), MS4(0.60중량%의 C) 및 MS5(0.75중량%의 C)의 샘플들이 1100℃, 1150℃, 또는 1180℃로 경화되었다. 샘플들은 이후, 560℃ 또는 580℃에서 3x1시간 동안 템퍼링되었다. 결과적인 경도(HV10)는 도 8 및 도 9 각각에서 도시된다. 탄소 함량이 합금의 경도에 영향을 주며, 여기서 더 높은 탄소 함량은, 일반적으로 더 높은 경도가 특히 1180℃의 경화, 그 이후에 560℃의 템퍼링에 대해 적합한 경화 및 템퍼링으로 달성될 수 있는 것을 초래하는 것을 알 수 있다. 더 양호한 열 안정성을 달성하기 위해 580℃으로 템퍼링하는 것이 바람직하다면, 탄소 함량은 바람직하게는, 0.60중량% 초과로 설정되어야 한다. 0.60중량% 초과의 탄소 함량들이 높은 경도를 달성하는 데 유용한 것으로 보인다. 절삭 적용들을 위해, 적어도 900의 시효 전에 경도(HV10)는 보통 바람직하다.

본 발명은, 물론, 개시된 실시예들에 제한되는 것이 아니라, 다음의 청구항들의 범주 내에서 변경되고 수정될 수 있다.

Claims

균일한(homogenous) 강 합금으로서,
중량 퍼센트(중량%)로,
C: 0.40 내지 1.2중량%,
Si: 0.30 내지 2.0중량%,
Mn: 최대 1.0중량%,
Cr: 3.0 내지 6.0중량%,
Mo: 2.0 내지 4.0중량%,
W: 2.0 내지 4.0중량%, 여기서 6.0중량% ≥ (Mo+W/2) ≥ 3.5중량%,
Nb: 0 내지 4.0중량%,
V: 0 내지 4.0중량%, 여기서 1.0중량% ≤ (Nb+V) ≤ 4.0중량%,
Co: 25 내지 40중량%,
S: 최대 0.30중량%,
N: 최대 0.30중량%를 포함하고,
잔부 Fe 및 불가피한 불순물들을 포함하는,
균일한 강 합금.
제1 항에 있어서,
27 내지 33중량%의 Co를 포함하는,
균일한 강 합금.
제1 항에 있어서,
28 내지 30중량%의 Co를 포함하는,
균일한 강 합금.
제1 항에 있어서,
0.60 내지 0.90중량%의 C를 포함하는,
균일한 강 합금.
제1 항에 있어서,
0.30 내지 1.1중량%의 Si를 포함하는,
균일한 강 합금.
제1 항에 있어서,
3.5 내지 5.0중량%의 Cr을 포함하는,
균일한 강 합금.
제1 항에 있어서,
0.10 내지 0.50중량%의 Mn을 포함하는,
균일한 강 합금.
삭제
제1 항에 있어서,
0.90 내지 1.3중량%의 Nb 및 0.90 내지 1.3중량%의 V를 포함하는,
균일한 강 합금.
제1 항에 있어서,
최대 0.080중량%의 S를 포함하는,
균일한 강 합금.
제1 항에 있어서,
1.0중량% 미만의 불가피한 불순물들을 포함하는,
균일한 강 합금.
제1 항에 있어서,
상기 강 합금은 분말 야금학(powder metallurgy) 강 합금인,
균일한 강 합금.
제1 항 내지 제7 항, 제9 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 따른 균일한 강 합금을 포함하는 공구.
제13 항에 있어서,
상기 공구는 칩 제거 기계가공(chip removing machining)을 위해 구성되는 절삭 공구인,
균일한 강 합금을 포함하는 공구.
제13 항에 있어서,
상기 공구에는 물리적 증기 증착 또는 화학적 증기 증착을 사용하여 도포되는 코팅(coating)이 제공되는,
균일한 강 합금을 포함하는 공구.