KR102436462B1

KR102436462B1 - 냉간 가공 공구강

Info

Publication number: KR102436462B1
Application number: KR1020167031604A
Authority: KR
Inventors: 토마스 힐스코그; 셸 벵츠슨; 피터 댐; 안니카 엥스트룀 스완슨; 리카르드 로버트슨; 크리스토퍼 스티너; 아만다 포르스베르크; 매그너스 티데스텐; 패르 엠마누엘슨
Original assignee: 우데홀름스 악티에보라그
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2022-08-24
Also published as: RU2016136909A; CN106164312A; DK3132066T3; AU2015246667A1; CA2940641C; JP2021011637A; CA2940641A1; EP3132066B1; BR112016023887A2; MX2016012254A; US20170016099A1; JP2018159133A; RU2016136909A3; ES2745199T3; AU2015246667B2; EP3132066A1; JP2017514016A; JP6979927B2; CN106164312B; EP2933345A1

Abstract

본 발명은 냉간 가공 공구강에 관한 것이다. 강은 (중량 %로) 하기 주요 성분들을 포함한다
C 2.2 - 2.4
Si 0.1 - 0.55
Mn 0.2 - 0.8
Cr 4.1 - 5.1
Mo 3.1 - 4.5
V 7.2 - 8.5,
나머지 선택 원소들, 철 및 불순물들

Description

냉간 가공 공구강{COLD WORK TOOL STEEL}

본 발명은 냉간 가공 공구강에 관한 것이다.

바나듐 합금 분말 야금(PM: powder metallurgy) 공구강들은 수십년 동안 시판중이며 상당한 관심을 받고 있는데, 이는 이 공구강들이 높은 내마모성과 탁월한 치수 안정성을 결합한다는 사실 때문이며 그리고 이 공구강들이 양호한 인성을 갖기 때문이다. 이들 강들은 블랭킹(blanking), 피어싱(piercing) 및 냉간 압출( cold extrusion)을 위한 칼들, 펀치들 및 다이들을 위한 것과 같은 광범위한 적용들을 갖는다. 강들은 분말 야금에 의해 생산된다. 기본 강 조성물이 먼저 원자화되고 이후에 분말이 캡슐에 채워지며 열간 정수압 프레싱(HIP: hot isostatic pressing)되어 등방성 강을 생산한다. 강들의 성능은 바나듐의 함량을 증가시킴으써 증가하는 경향이 있다. 이렇게 하여 생산된 고성능 강은 CPM^®10V이다. 이는 US 4,249,945에 설명된 바와 같이 높은 탄소 및 바나듐 함량들을 갖는다. 이러한 종류의 다른 강이 EP 1 382 704 A1에 개시된다.

공지된 분말 야금 강이 종래에 생산된 공구강들보다 더 높은 인성을 갖지만, 치핑 및 파단과 같은 공구 손상의 우려를 감소시키고 절삭성을 추가로 개선하기 위해서 추가의 개선들에 대한 요구가 존재한다. 지금까지, 치핑을 상쇄시키기 위한 표준 조치는 공구의 경도를 감소시키는 것이다.

본 발명의 목적은 공구의 개선된 수명을 유도하는 개선된 특징 프로파일을 갖는 분말 야금(PM)으로 생산된 냉간 가공 공구강을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 특징들을 최적화하면서 여전히 양호한 내마모성을 유지하고 동시에 절삭성을 개선하는 것이다.

특별한 목적은, 냉간 가공을 위한 개선된 특징 프로파일을 갖는 마르텐사이트계 냉간 가공 공구강 합금을 제공하는 것이다.

전술한 목적들 뿐만 아니라 추가의 이점들이 합금 청구항들에서 설명된 바와 같은 조성을 갖는 냉간 가공 공구강을 제공함으로써 중요한 조치로 성취된다.

본 발명의 청구항들에서 규정된다.

개별 원소들의 중요성 및 이들 서로의 상호작용 뿐만 아니라 청구된 합금의 화학적 내용물들의 제한이 하기에서 간단히 설명된다. 강의 화학적 조성에 대한 모든 백분율들은 명세서 도처에서 중량 %(wt%)로 부여된다.

탄소 (2.2 내지 2.4 %)

탄소는 2.2 %, 바람직하게는 적어도 2.25%의 최소 함량으로 제공되어야 한다. 탄소의 상한은 2.4 % 또는 2.35 %로 설정될 것이다. 바람직한 범위들은 2.25 내지 2.35 % 그리고 2.26 내지 2.34 %이다. 어떠한 경우라도, 탄소의 양은 강에서 M₂₃C₆ 및 M₇C₃ 유형의 탄화물들의 양이 5 체적 %(vol. %) 미만으로 제한되도록, 바람직하게는 강이 상기 탄화물들을 갖지 않도록 제어되어야 한다.

크롬(4.1 내지 5.1 %)

크롬은 열처리 동안 더 큰 횡단면들에서 양호한 경화능을 제공하기 위해서 적어도 4.1 %의 함량으로 제공되어야 한다. 크롬 함량이 너무 높다면, 이는 고온 페라이트의 형성을 유발할 수 있으며 이는 열간 가공성을 감소시킨다. 따라서, 크롬 함량은 바람직하게는 4.5 내지 5.0 % 이다. 하한은 4.2 %, 4.3 %, 4.4 % 또는 4.5 %일 수 있다. 상한은 5.1 %, 5.0 %, 4.9 % 또는 4.8 %일 수 있다.

몰리브덴(3.1 내지 4.5 %)

Mo는 경화능에 매우 유리한 효과를 갖는 것으로 공지되어 있다. 몰리브덴은 양호한 2차 경화 반응을 성취하는데 필수이다. 최소 함량은 3.1 %이며, 3.2 %, 3.3 %, 3.4 % 또는 3.5 %로 설정될 수 있다. 몰리브덴은 강력한 탄화물 형성 원소 그리고 또한 강한 페라이트 포머이다. 따라서, 몰리브덴의 최대 함량은 4.5 %이다. 바람직하게, Mo는 4.2 %, 3.9 % 또는 심지어 3.7 %로 제한된다.

텅스텐(≤ 2 % )

원칙적으로, 몰리브덴은 2 배의 텅스텐으로 교체될 수 있다. 그러나, 텅스텐은 고가이며, 이는 또한 스크랩 금속의 핸들링을 복잡하게 한다. 따라서, 최대량은 2 %, 바람직하게는 1 %로, 더 바람직하게는 0.3 %로 제한되며, 그리고 가장 바람직하게는, 어떠한 의도적인 추가도 이루어지 않는다.

바나듐(7.2 내지 8.5 %)

바나듐은 강의 매트릭스에서 M(C,N) 타입의 균일하게 분포되는 1차 석출된 탄화물들 및 탄질화물들을 형성한다. 현재의 강들에서, M은 주로 바나듐이지만, 상당한 양의 Cr 및 Mo가 제공될 수 있다. 따라서, 바나듐은 7.2 내지 8.5%의 양으로 제공될 것이다. 상한은 8.4 %, 8.3 % 또는 8.25 %로 설정될 수 있다. 하한은 7.3 %, 7.4 %, 7.5 %, 7.6 %, 7.7 %, 7.75 %, 그리고 7.8 % 일 수 있다. 상한 및 하한은 청구항 1에서 설명된 제한들 내에서 자유롭게 조합될 수 있다. 바람직한 범위들은 7.7 내지 8.3 %를 포함한다.

질소(0.02 내지 0.15 %)

질소는, 선택적으로, 0.02 내지 0.15 %, 바람직하게는 0.02 내지 0.08 % 또는 0.03 내지 0.06 %의 양으로 강에 도입될 수 있다. 질소는 M(C,N)을 안정화시키는 것을 돕는데, 이는 왜냐하면 바나듐 탄질화물들의 열 안정성이 바나듐 탄화물들의 열 안정성보다 양호하기 때문이다.

니오븀(≤ 2 % )

니오븀은 M(C,N) 유형의 탄질화물들을 형성한다는 점에서 바나듐과 유사하며, 원칙적으로 바나듐을 대체하기 위해서 사용될 수 있지만, 이는 바나듐에 비해서 2 배의 니오븀을 요구한다. 따라서, Nb의 최대 추가는 2.0 %이다. (V + Nb/2)의 결합된 양은 7.2 내지 8.5 %이어야 한다. 그러나, Nb는 M(C,N)의 보다 각진 형상(angular shape)을 유발한다. 따라서, 바람직한 최대량은 0.5 %이다. 바람직하게는, 니오븀이 추가되지 않는다.

규소(0.1 내지 0.55 %)

규소는 탈산을 위해 사용된다. Si는 용해된 형태로 강에 존재한다. Si는 탄소 활동도(carbon activity)를 증가시키며 절삭성에 유용하다. 따라서, Si는 0.1 내지 0.55 %의 양으로 제공된다. 양호한 탈산을 위해서, Si 함량은 적어도 0.2 %로 조절되는 것이 바람직하다. Si는 강력한 페라이트 포머이며, 바람직하게는, ≤ 0.5 %로 제한되어야 한다.

망간(0.2 내지 0.8 %)

망간은 강의 경화능을 개선하는데 기여하고, 그리고 황과 함께, 망간은 황화망간(manganese sulphides)을 형성함으로써 절삭성을 개선하는데 기여한다. 따라서, 망간은 0.2 %, 바람직하게는 적어도 0.22%의 최소 함량으로 제공되어야 한다. 황의 함량이 높을수록, 망간은 강의 적열 취성(red brittleness)을 방지한다. 강은 최대 0.8 %, 바람직하게는 최대 0.6 %를 포함해야 한다. 바람직한 범위들은 0.22 내지 0.52 %, 0.3 내지 0.4 %, 그리고 0.30 내지 0.45 %이다.

니켈(≤ 3.0 %)

니켈은 선택적이며, 3 % 이하의 함량으로 제공될 수 있다. 니켈은 양호한 경화능 및 인성(toughness)을 강에 부여한다. 비용 때문에, 강의 니켈 함량은 가능한 한 제한되어야 한다. 따라서, Ni 함량은 1 %, 바람직하게는 0.3 %로 제한된다. 가장 바람직하게는, 니켈 첨가들이 이루어지지 않는다.

구리(≤ 3.0%)

Cu는 강의 경도 및 내식성을 증가시키는데 기여할 수 있는 선택적 원소이다. 사용된다면, 바람직한 범위는 0.02 내지 2 %이고, 가장 바람직한 범위는 0.04 내지 1.6 %이다. 그러나, 구리가 추가되었다면 강으로부터 구리를 추출하는 것은 불가능하다. 이는, 대폭으로, 스크랩 핸들링을 훨씬 어렵게 만든다. 이러한 이유로, 구리는 정상적으로는, 의도적으로 추가되지 않는다.

코발트 (≤ 5 % )

Co는 선택적 원소이다. 이는 마르텐사이트의 경도를 증가시키는데 기여한다. 최대 함량은 5 %이고, 추가된다면, 효과적인 양은 약 4 내지 5 %이다. 그러나, 스크랩 핸들링과 같은 실용적인 이유들로, Co의 의도적인 추가는 존재하지 않는다. 바람직한 최대 함량은 1 %이다.

황(≤0.5%)

S는 강의 절삭성을 개선하는데 기여한다. 더 높은 황 함량들에서, 적열 취성(red brittleness)의 우려가 존재한다. 게다가, 높은 황 함량은 강의 피로 특징들에 부정적인 영향을 가질 수 있다. 따라서, 강은, ≤ 0.5 %, 바람직하게는 ≤ 0.03 %를 포함할 것이다.

인(≤0.05%)

P는 템퍼 취성(temper brittleness)을 유발할 수 있는 불순물 원소이다. 이는 따라서 ≤0.05%로 제한된다.

Be, Bi , Se, Ca, Mg , O 및 REM(희토류 금속들)

이들 원소들은 절삭성, 열간 가공성(hot workability) 및/또는 용접성을 더 개선하기 위해서 청구된 양들로 강에 추가될 수 있다.

붕소(≤ 0.6 %)

상당량의 붕소가 경질상(MX)의 형성을 돕기 위해서 선택적으로 사용될 수 있다. 더 낮은 B의 양들은 강의 경도를 증가시키기 위해서 사용될 수 있다. 이후, 그 양은, 0.01%, 바람직하게는 ≤0.004%로 제한된다. 일반적으로, 붕소의 추가들이 이루어지지 않는다.

Ti , Zr , Al 및 Ta

이들 원소들은 탄화물 포머들이며, 경화상들의 조성을 변경시키기 위해서 청구된 범위들로 합금에 존재할 수 있다. 그러나, 정상적으로, 이들 원소들 중 어느것도 추가되지 않는다.

강 생산(Steel production)

청구된 화학적 조성을 갖는 공구 강은 종래의 가스 분무화(gas atomizing)에 의해 생산될 수 있다. 보통, 강은 사용되기 이전에 경화 및 템퍼링되게 된다.

오스테나이트화처리(austenitizing)는 950 내지 1200 ℃, 통상적으로 1000 내지 1100 ℃ 범위의 오스테나이트화 온도(T_A)에서 수행될 수 있다. 통상적인 처리는 30분 동안 1020 ℃에서의 경화, 2×2 시간 동안 550 ℃에서의 가스 담금질(gas quenching) 및 템퍼링이다. 이는, 59 내지 61 HRC의 경도를 유발한다.

예시

이 예시에서, 본 발명에 따른 강은 공지된 강 CPM^®10V과 비교된다. 양자 모두의 강들은 분말 야금에 의해 생산되었다.

기본 강 조성이 용융되었으며 가스 분무화되었다.

이렇게 얻어진 강들은 (중량 %로) 하기 조성들을 갖는다.

강은 30분 동안 1100 ℃에서 오스테나이트화되었으며, 2 시간 동안 540℃로 2회 (2×2h) 가스 담금질 및 템퍼링에 의해 경화되었으며, 이후 공냉되었다. 이는 양자 모두의 재료들에 대해 63 HRC의 경도를 유발한다.

3 개의 상이한 오스테나이트화 온도들에서의 매트릭스의 조성 및 1차 Mx의 양은 소프트웨어 버전 S-build-2532을 사용하여 Thermo-Calc 시뮬레이션에서 계산되었다. 그 결과들은 표 1에 도시된다.

표 1은 본 발명의 강의 경화상의 양이 비교강의 양보다 단지 약 1.5 % 미만이었음을 보여준다. 게다가, 이 시뮬레이션은 매트릭스가 비교 강보다 상당히 더 많은 탄소 및 몰리브덴의 양들을 포함하였음을 나타낸다. 따라서, 개선된 템퍼링 반응 뿐만 아니라 더 높은 경도가 이러한 시뮬레이션으로부터 예상된다. 이는, 계산된 값들에 의해서 또한 확인되며, 이는 본 발명의 강에 대해 더 높은 경도임을 나타내었다. 게다가, 본 발명의 강은 고온 템퍼링이 경도를 손상시키지 않으면서 잔류 오스테나이트를 제거하는데 사용될 수 있도록 고온에서의 경도 감소에 덜 민감한다.

놀랍게도, 본 발명의 강은 또한 훨씬 양호한 인성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 횡방향의 언노치드 충격 에너지(un-notched impact energy)는 비교 강에 대해 11 J인 것에 비해서 41 J이었다. 이러한 개선에 대한 이유는 충분히 명확해지지 않았지만, 높은 Mo 함량과 낮은 Si 함량의 조합이 결정입계(grain boundaries)의 강도를 개선하는 것처럼 보일 수 있다. 따라서, 본 발명의 강의 개선된 인성은 치핑의 문제들을 갖지 않고 높은 경도를 유지하며 이에 따라 냉간가공 공구들의 내구성 및 수명을 개선하는 것을 가능케 한다.

절삭성 시험

절삭성은 복잡한 문제이며, 상이한 특성들을 위한 다수의 상이한 시험들에 의해서 평가될 수 있다. 주요한 특성들은 공구 수명, 제한된 재료 제거의 속도, 절삭력들, 기계가공된 표면 및 칩 브레이킹이다. 본 경우에, 열간 가공 공구 강의 절삭성은 드릴링에 의해서 검사되었다.

선삭 절삭성 시험(turning machinability test)이 NC Lathe Oerlikon Boehringer VDF 180C에서 실행되었다. 가공물 치수들은

115x600 mm이었다.

V30 값이 강들의 절삭성을 비교하기 위해 사용되었다. V30 값은 절삭 속도로서 지정되며, 이는 30 분의 선삭 이후에 0.3 mm의 플랭크 마모를 부여한다. 1977로부터 V30은 ISO 3685에서 설명된 표준 시험 방법이다. 선삭 작업은 플랭크 마모가 0.3 mm가 될 때까지 3 개의 상이한 절삭 속도들로 수행되었다. 플랭크 마모는 광학 현미경을 사용하여 측정되었다. 0.3 mm 플랭크 마모에 도달하는 시간이 언급되었다. 절삭 속도들 및 대응하는 선삭 시간들의 값들을 사용하여, 테일러 이중 대수 그래프(Taylor double logarithmic graph)-시간 대 절삭 속도 V × T^α=일정(constant)가 플롯화되었으며, 이로부터 요구되는 30분의 공구 수명에 대한 절삭 속도를 추정하는 것이 가능하였다. 선삭 절삭성 시험은 Coromant S4 SPGN 120304 경질 금속 인서트, 0.126 mm/회전(revolution)의 피드 및 1.0 mm의 절삭 깊이를 사용하여 냉각 없이 실행되었다.

51 m/분의 V30 값을 갖는 본 발명의 강은 단지 39 m/분의 V30 값을 갖는 비교 강보다 훨씬 양호하게 수행되는 것으로 공지되었다.

본 발명의 냉간 가공 공구강은 특히, 치핑에 대한 높은 저항성과 조합하여 양호한 내마모성을 필요로 하는 적용들에서 유용하다.

Claims

중량 %(wt. %)로,
C 2.2 - 2.4
Si 0.1 - 0.55
Mn 0.2 - 0.8
Cr 4.1 - 5.1
Mo 3.1 - 4.5
V 7.2 - 8.5,
N 0.02 - 0.15
선택적으로,
P ≤ 0.05
S ≤ 0.5
Cu ≤ 3
Co ≤ 5
Ni ≤ 3
W ≤ 0.3
Nb ≤ 2
Al ≤ 0.1
Ti ≤ 0.1
Zr ≤ 0.1
Ta ≤ 0.1
B ≤ 0.6
Be ≤ 0.2
Bi ≤ 0.2
Se ≤ 0.3
Ca 0.0003 - 0.009
O 0.003 - 0.01
Mg ≤ 0.01
REM ≤ 0.2 중 하나 이상,
불순물들 이외에 잔부 Fe로 구성되고,
경화 및 템퍼링 상태에서 60 HRC의 경도로 25 ℃에서 LT 방향으로 30 내지 80 J의 언노치드 충격 인성(unnotched impact toughness)을 갖는,
분말 야금으로 제조되며 향상된 인성을 가지는 냉간 가공용 공구 강.
제 1 항에 있어서,
다음 요건들,
C 2.25 - 2.35
Si 0.2 - 0.5
Mn 0.2 - 0.6
Cr 4.5 - 5.0
Mo 3.5 - 3.7
V 7.7 - 8.3,
N 0.02 - 0.08
P ≤ 0.03
S ≤ 0.03
Cu 0.02 - 2
Co ≤ 1
Ni ≤ 1
Nb ≤ 0.5
Al ≤ 0.06
Ti ≤ 0.01
Zr ≤ 0.01
Ta ≤ 0.01
B ≤ 0.01
Be ≤ 0.02
Se ≤ 0.03
Mg ≤ 0.001
중 적어도 하나를 충족하는,
분말 야금으로 제조되며 향상된 인성을 가지는 냉간 가공용 공구 강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
다음 요건들
C 2.26 - 2.34
Si 0.22 - 0.52
Mn 0.22 - 0.52
Cr 4.58 - 4.98
Mo 3.51 - 3.69
V 7.75 - 8.25,
Cu ≤ 0.5
Ni ≤ 0.3
중 적어도 하나를 충족하는,
분말 야금으로 제조되며 향상된 인성을 가지는 냉간 가공용 공구 강.
제 1 항에 있어서,
C 2.2 - 2.4
Si 0.1 - 0.55
Mn 0.2 - 0.8
Cr 4.1 - 5.1
Mo 3.1 - 4.5
V 7.2 - 8.5,
N 0.02 - 0.08
불순물들 이외에 잔부 Fe을 포함하는,
분말 야금으로 제조되며 향상된 인성을 가지는 냉간 가공용 공구 강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
하기 요건들,
C 2.26 - 2.34
Si 0.22 - 0.52
Mn 0.22 - 0.52
Cr 4.58 - 4.98
Mo 3.51 - 3.69
V 7.75 - 8.25,
N 0.03 - 0.06
중 적어도 하나를 충족하는,
분말 야금으로 제조되며 향상된 인성을 가지는 냉간 가공용 공구 강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
하기 요건들,
C 2.26 - 2.34
Si 0.22 - 0.52
Mn 0.22 - 0.52
Cr 4.58 - 4.98
Mo 3.51 - 3.69
V 7.75 - 8.25,
를 충족하는,
분말 야금으로 제조되며 향상된 인성을 가지는 냉간 가공용 공구 강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 Mo 및 V의 함량은 요건: Mo/V 0.4 - 0.5을 충족시키도록 조정되는,
분말 야금으로 제조되며 향상된 인성을 가지는 냉간 가공용 공구 강.
삭제
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
60 HRC에서 적어도 2400 Mpa의 압축 항복 강도(compression yield strength)를 갖는,
분말 야금으로 제조되며 향상된 인성을 가지는 냉간 가공용 공구 강.
제 7 항에 있어서,
상기 Mo 및 V의 함량은 요건: Mo/V 0.42 - 0.48을 충족하도록 조정되는,
분말 야금으로 제조되며 향상된 인성을 가지는 냉간 가공용 공구 강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
경화 및 템퍼링 상태에서 60 HRC의 경도로 25 ℃에서 LT 방향으로 35 내지 55 J의 언노치드 충격 인성을 갖는,
분말 야금으로 제조되며 향상된 인성을 가지는 냉간 가공용 공구 강.