KR19980081135A - 유리모울딩 작업용 공구 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유리모울딩 작업, 특히 텔레비젼 튜브용 공구에 관한 것으로, 이공구는 고내산화성을 가져서 성형된 제품상인 표면흠결은 제거 또는 급감되며, 공구는 무게비 (wt %) 로 다음과 같은 조성을 갖는다 : 0.23 - 0.38C, 0.40 - 1.0OMn, 최대 0.040P, 최대 0.030 S, 0.00 - 1.20 Si, 1.0 - 3.0 Ni, 14.0 - 20.0 Cr, 0.25 - 1.00 Mo, 최대 0.10 V,0.50 - 1.50 Cu, 0.50 - 1.50 AI, 공구의 제조방법 및 성능에 큰 해악을 끼치지 않는 부수적인 불순물이나 다른 원소를 갖는 잔여 Fe.

Description

유리모울딩 작업용 공구 및 그 제조방법
본 발명은 유리조주용 공구와 다른 공구작업응용 및 그 제조방법에 관한 것으로, 이 공구작업은 플라스틱 주조 및 비철다이주조응용을 포함한 부식성 및/또는 고온환경에서 실행된다. 본 발명은 특히 작업중 산화상태에 노출되어서 산하에 따른 작업면의 열화가 생기는 공구에 관한 것이다.
산화분위기에서 보다 오래 사용가능한 공구에 대한 요구가 있다. 이런 공구는 흔히 공구작업으로부더 제거후 제품이 부드럽고 오점없는 표면을 갖도록 오랜 제조중 고정마를 유지할 필요가 있다. 엄밀한 마무리사양으로 특징지워지는 유리산업은 이런 응용분야의 주요예로서, 본 발명은 플라스틱 주조, 비철다이주조 및 다른 부식환경과 고온분야에도 응용가능하지만 유리산업과 관련하여 설명될 것이다.
유리산업, 특히 TV 튜브제조와 관련하여서 장기간 용융유리와 접촉시 내산화성인 모울드 재료에 대한 요구가 있다. 이는 유리의 시청스크린이 형성된 후, 흔히 세부품으로된 모울드에서 적어도 하나의 부품은 형성된 스크린과 적어도 짧은 접촉후, 즉 금방 형성된 제품과 다부품 모울드의 적어도 한 부품사이에 활주접촉이 있는 후, 부분세척위치로 절첩되어야 한다는 사실로부터 온다.
모울드의 모든 부품은 평활한 고정마면을 가져서 스크린을 투사된 빛의 왜곡을 초래하는 표면홈이나 불규칙부분이 없어야 한다. 다부분 모울드의 어느부품, 특히 금방 형성된 제품과 활주접촉을 하는 절첩부품이 거친표면을 가질 경우, 금방 형성됐지만 여전히 변형가능한 부분의 표면은 모울드의 표면불연속성을 반영하게될 것0|고 형성된 제품은 사용할수 없게 될 것이다.
공구에 형성되는 산화물은, 요구되는 것보다 짧은 사용기간 후, 형성된 제품에 거친면을 만들기에 충분하며 제품은 사용불가가 된다.
현재, 유리업계에서 모울드 부품용 재료로는 마르텐사이틱 스테인레스 강이 사용된다. 420 타입이 유리업계에 사용되는 모울드 재료로 선호되는바, 이는 내산화 및 내식성외에 강도 및 내마모성 때문이다.
불행히도, 420 타입 스테인레스강의 내산화 및 내식성은 장기간 유리업계의 온도와 산화분위기를 충분히 견디어낼 수 없다. 이런 한계로 인해, 420 타입 스테인레스 강으로 제조된 유리모울드 부품은 시간에 따라 그 위에 형성되는 산화적층을 제거하기위해 주기적으로 사용중단되어야 한다.
본 발명은 유리모울드 공구(또는 부분, 이 용어는 여기서 상호교환 사용된다)로서 내산화, 내식성, 고강도 및 내마모성면에서 유리모울드 부품에 요구되는 조건에 맞는다. 본질적으로, 발명은 고크롬, 구리를 함유하는 마르텐사이틱 스테인레스 강으로 만들어진 주조립패널프레스에 사용되는 플런저, 하부모울드 및 쉘을 포함하는 세부분모울드 조립체의 모울드 부품이다.
공구는 고크롬과, 현업계기준으로 볼 때, 저니켈을 갖지만 양호한 열간가공성을 갖는다. 또한 공구는 모울드 부품이 장기간에 걸쳐 고정마상태를 유지하도록 무엇보다도 내산화성이고 필요한 강도 및 내마모성을 유지하며 뛰어난 내식성을 갖는다.
특히, TV 튜브용 모울드조립의 일부분(플린저, 쉘, 하부모울드)인 본 발명의 공구는 고정마를 달성할 수 있는 고크롬, 구리함유 마르텐사이틱 스테인레스강으로 만들어 진다. 통상의 고크롬 마르텐사이틱 스테인레스강은 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태를 허용할 정도로 오스테나이트를 안정화시키기 위해 니켈에 의존한다.
본 발명의 공구는 상대적으로 낮은 니켈양을 가지나 마르텐사이트로의 오스테나이트 변태는 구리의 사용 및 탄소함량의 증가로 얻어진다. 구리는 석출경화뿐만아니라 내산화 및 내식성을 증가시킨다.
구리와 니켈첨가는 양호한 열가공성 및 상온이상에서 마르텐사이트 변태를 허용하는 폭넓은 오스테나이트 상구간을 제공한다. 또한 공구는 고온에서 420 타입 스테인레스강보다 좋은 연화저항 및 고정마를 얻을 수 있다.
공구는 그 내용이 참고로 여기에 포함되어 있는 미국 특허 제 3,501,289 : 3,635,694 : 4,069,039 : 4,541,862 및 4,600,427 호에 예시된 것처럼 전기아크로 용해, 진공아크탈가스 및 다이단조에 의해 만들어진다. 그 내용이 참고로 여기에 포함되어있는 이중진공공정 (미국특허 제 5,252,120 호) 이 성형상태에서 렌즈표면마무리 정도를 요구하는 유리접촉응용을 위한 특급품질재료를 만들기 위해 사용될 수 있다. 또한 공구는 플라스틱 모울드, 비철다이주조 및 부식 및/또는 고온분위기에서 사용되는 부품을 위한 분야에도 유리할 것이다.
예시된 도면은 이동축의 왼쪽에 만들어진 제품 및 오른쪽에 구멍이 있는 것을 보여주는 고해상도 TV 튜브 제조용 세부분 공구단면도이다.
제 1 도를 참조하면, 공구 여기서는 고해상 TV 튜브용 세부분 모울드는 참조번호 10 으로 나타내었다. 단면상태로 도시된 공구는 하부모울드 (11), 상부모울드 또는 플런저(12) 및 쉘 (13) 로 구성된다.
하부모울드, 플런저 및 쉘은 통상 덩어리형태로 고온의 용융유리가 위치되는 캐비티(14)를 형성한다. 모울드 밀폐시, 연한 유동성 유리는 공지수단에 의해 캐비티(14)에 의해 예시된 구성으로 가압되며 성형 제품의 절반이 참조번호 15에 도시되어 있다.
성형후, 제품이 자립할 정도로 냉각되고 공구가 개방되며 계속되는 공정을 위해 제품이 취출된다. 이 상태에서 취출공정중 (a) 플런저(12)나 하부모울드 (11) 및 (b) 성형된 제품사이에 활주작용은 없음에 유의해야 하며,
이는 플런저(12) 와 하부모울드(11)의 운동방향이 운동축 (16)을 따라 놓여있기 때문이다.
특히 제품의 플랜지 (17,18) 는 각각 후방, 외방으로 테이퍼되는 면 (19,20) 을 가지므로, 플랜저 (12) 이동의 제 1증가는 플랜저와 제품을 분리시킬 수 것이다.
그렇게 심하진 않으나 유사한 테이퍼가 플랜지와 제품의 외측주시청영역(21) 사이의 모서리근방의 플랜지 (17,18) 외측면에 존재할 것이며, 모울드와 제품간 상대운동의 제 1 증가이후 제품과 하부모울드(11)사이의 심한 활주접촉은 다시 없을 것이다.
외측의 주시청영역(21) 에 존재하는 어떤 미소한 결점도 후속의 간단한 정마작업으로 제거될 것이다. 외측의 주시청영역(22)는 성형상태로 사용된다.
그러나 쉘 (13) 이 성형된 제품에 대해 예시된 위치로부터 절첩될 때, 플랜지 (17,18) 의 외측면 (24)과 쉘의 캐비티형성영역(23) 사이에 긁힘 또는 활주 작용이 있게될 것이다. 산화불규칙물 형태의 쉘상의 어떤 결점도 쉘의 캐비티형성영역(23)의 산화물 형태에 따라 통상 긴 긁힘이나 리지 형태로 제품의 외측면 (24) 에 반영될 것이다.
주시청영역(21) 을 형성하는 모울드부품면(25) 상의 산화물집적은 상기 영역(21)에 불연속부를 초래할 것이라는 것 역시 유의해야 한다.
플랜지(17,18) 의 모울딩 결점은 특별재료로 적어도 쉘을 형성시킴으로써 급감 또는 제거될 수 있음이 밝혀졌으며, 이에따른 모울딩 불량률은 고생산성에서 수용가능수준으로 감소 또는 제거되었다. 특별재료는 무게비로 다음 조성을 갖는 스테인레스 강이다.
개략적인 화학조성범위, X-최대
C Mn P S Si Ni Cr Mo V Cu Al
0.23/0.38 0.40/1.00 0.040x 0.030x 0.00/1.20 1.0/3.0 14.0/20.0 0.25/1.00 .10x 0.50/1.50 0.030x
바람직한 조성은 다음과 같다.
바람직한 조성범위, X - 최대
C Mn P S Si Ni Cr Mo V Cu Al
0.28/0.35 0.40/0.60 0.030x 0.010x 0.20/0.50 1.50/1.80 14.0/18.0 0.35/0.55 0.02/0.08 0.85/1.15 0.02x
앞의 조성을 참조하여,이 재료인 개발근거를 설명하면 다음과 같다
공구조성을 위한 상기 범위를 얻기위해 실험과 함께 열역학 상 모델링0| 사용됐다. 특 상모델링은 내식성을 향상시키도록 적어도 14w/o인 크롬을 유지하며 단조 및 열처리공정온도에서 폭넓은 오스테나이트상영역을 제공하기 위해 오스테나이트 안정화제 (C, Mn, Ni 및 Cu) 와 훼라이트 안정화 합금원소 (Cr, Si 및 Mo) 를 균형시키기 위해 사용됐다.
다른 합금제한은 내산하, 내식성, 고온에서의 내연화 및 양호한 열간가공성을 최적화하도록 부여되었다. 각 원소는 공구의 최종성능에 공헌한다. 각 원소는 효과는 다음과 같다.
탄소는 소입경도를 결정하고, 공구의 경화능을 증가시키며 유력한 오스테나이트 안정화제이다. 또한 탄소는 Cr, Mo, Vi, Ti, Nb 및 W 과 같은 다른 원소와 결합하며 많은 탄화물상을 형성한다.
금속탄화물입자는 내마모성을 증가시키며 MC 형 탄화물은 입자핀닝(Pinning) 을 통해 입자미세화를 제공한다.
내마모성과 입자미세화를 위한 적절한 금속 탄화물 형성을 보장하고 필요한 소입경도를 부여하도록 0.23w/o의 최소탄소함량이 요구된다. 그러나 0.38w/o 이상으로 탄소량 증가시 세이유로 바람직하지 않다.
첫째, 탄소량이 높을수록 공구정마성을 감소시키는 탄화물상의 과잉을 초래하고, 둘째, 크롬탄화물 석출은 훼라이트 기지에 유익한 크롬을 고갈시겨서 내식성 및 내산화성을 감소시기고, 셋째, 탄소양이 많을수록 오스테나이트상을 과안정화시킨다. 불완전변태는 과안정화된 오스테나이트가 마르텐사이트 개시 및 종료온도를 상온이하로 억제하여서 일어날 수 있다.
망간은 적당한 고용강화를 제공하고 합금의 경화능을 증가시킨다. 충분히 존재하는 경유, 망간은 황과 비금속간 화합물을 형성하여서 공구재료의 연신성에 해를 끼치는 유리황의 해를 감소시킨다. 또한 망간은 오스테나이트 안정화이며 1.0O w/o 이상은 고탄소에서 발견되는 것과 유사한 과안정화 문제를 초래한다.
실리콘은 제강중 탈산제로 사용된다. 또화 실리콘은 내산화성을 증가시키고 고용강하에 의해 적절화 강도증가를 부여하며, 공구의 경화능력을 증가시킨다. 실리콘은 훼라이트를 안정화시키며 0.20 w/o와 0.50 w/o 사이의 함량은 공구의 상안정하 및 탈산에 바람직하다.
니켈은 약간의 고용강화를 부여하고 소입성을 향상시키며, 강화 오스테나이트 안정화제이다. 1.00 w/o와 3.00 w/o 사이의 양은 마르텐사이트 변태온도를 수용가능한 한계이하로 억제하지 않으며 양호한 열간가공성을 위한 넓은 오스테나이트 상구역을 제공한다.
크롬은 어느정도의 경화능을 증가시키고 고용강화를 제공하며, 금속탄화물을 형성하도록 탄소와 결합시 내마모성을 크게 증가시킨다. 12 w/o 이상으로 크롬존재시 높은 내산화 및 내식성을 제공한다. 보다 큰 내산화 및 내식성 제공을 위해, 최소 14 w/o 의 크롬이 요구되며, 오스테나이트 상영역의 안정도 감소없이 열간가공성이 조화될 수 있을 정도로 20 w/o 까지 첨가될 수 있다.
몰리브데늄은 경화능을 크게 향상시키고, 내식성을 증가시키며, 풀림 취성경향을 감소시키고, 미세한 금속탄화물 (M2C) 석출로 1OOO° - 12OO° F 범위에서 가열시 경화된 공구를 얻게한다. 몰리브데늄이 많은 금속화물은 내마모성을 증가시기고, 고온강도를 증가시키며 A1아래에서의 조대화를 억제한다. 1.0O w/o 까지의 몰리브데늄은 열가공성의 희생없이 이들 장점이 실현될 수 있게한다.
구리는 경화능을 약간 증가시키며, 내산화 및 내식성을 증가시키고, 구리함유입자의 석출을 통해 경도를 증가시킨다. 0.50 w/o 와 1.50 w/o사이의 구리는 마르텐사이트 변태온도를 크게 감소시키지 않고 석출경화 및 내산화, 내식성을 부여한다.
알루미늄은 제강중 효과적으로 탈산시키며 미세한 알루미늄 질화물 형성하도록 질소와 결합시 입자 미세화를 제공한다. 알루미늄은 잉고트주입중 바람직한 유동성을 얻기위해 0.3 w/o 이하로 유지되어야 한다.
황 및 인은 유익원소가 아니며 불순물로 여겨진다. 황은 절삭성을 크게 증가시키나, 그대가로 정마성, 연성 및 인성을 감소시킨다. 정마성 및 인성에 대한 악영향으로, 황은 최대 0.01O w/o 까지 허용된다. 인은 700°와 90O° F 사이서 뜨임시 입계에 편석되어서 연성을 감소시키기 때문에 0.030 w/o 까지 허용된다.
바나듐은 경화능을 크게 증가시키며, 탄소와 질소와 결합하여 M(C,N)형 탄질화물을 생성한다. 바나듐 탄질화물은 입계를 핀닝시켜 입자를 미세화시키고 1000° 에서 1200°F 범위에서 석출시 강도를 부여한다.
시험히트(trial heat)가 표 3 의 조성으로 용해됐다. 제 1 시험히트의 주입중, 나쁜 유동성으로 잉고트를 완전히 채울수 없었다.
히트번호 260664의 조성
C Mn P S Si Ni Cr Mo V Cu Al
0.35 0.51 0.023 0.006 0.34 2.08 15.27 0.44 0.05 0.87 0.035
경화능 시험재료는 입간잉고트 (short poured ingot) 로부터 얻었으며, 표4에 나타냈다. 경화능은 봉이 경화되는 깊이를 정의하며, 통상 소입면하부 깊이의 함수로 경도를 측정한다. 이때 경화능은 표준단부소입시험방법에 인해 ASTM A255에 따라 측정되었다.
히트번호 260664 에 대한 단부소입시험데이타.
'J' 거 리(일인치의 십육분값) 경 도(Rockwell, Cscale) 'J' 거 리(일인치의 십육분값) 경 도(Rockwell, Cscale)
1 51 13 49
2 50 14 49
3 50 15 49
4 50 16 49
5 50 18 49
6 50 20 49
7 50 22 48
8 49 24 48
9 49 26 48
10 49 28 48
11 49 30 48
12 49 32 48
또다른 히트가 표5의 조성에 따라 용해되었다. 알루미늄 함량은 잉고트 주출중 유동성 향상을 위해 최대 0.020 질량 퍼센트 (w/o)로 감소되었다. 알루미늄 함량 변경은 유동성 문제를 성공적으로 해결하였으며, 이번 히트는 어려움없이 네개의 31인치 Ø X 159인치 길이 잉고트로 주출되었다.
히트번호 260686 의 화학조성
C Mn P S Si Ni Cr Mo V Cu Al
0.37 0.55 0.024 0.006 0.43 1.96 15.70 0.44 0.05 0.98 0.018
잉고트는 다이 단조를 통해 3 X 24 X 100 인치판의 유리패널링모울드 소재로 변환되었다. 판은 표6 에 의한 소입 및 이중소루에 의해 구상화되어 300 브리넬 경도 (BHN) 로 되었다.
구상화 처리
단 계 번 호 공 정 온 도(。F) 시 간(hr.)
1 균질화(공냉) 1850 20
2 소 루(공냉) 1200 20
3 소 루(공냉) 1300 20
재료는 기계시험 및 조직측정을 위해 두개의 판으로부터 제거되었으며, 경화능, 소루응답, 연화저항 및 인장데이타가 이 재료로부터 얻어졌다.
경화능 데이터는 표7에 있으며, 역시 표준 단부소입시험방법에 의해 ASTM A255에 따라 측정되었다.
히트번호 260686 에 대한 단부소입시험데이타
'J' 거 리(일인치의 십육분값) 경 도(Rockwell, Cscale) 'J' 거 리(일인치의 십육분값) 경 도(Rockwell, Cscale)
1 50 13 47
2 49 14 46
3 48 15 46
4 48 16 46
5 48 18 45
6 48 20 45
7 48 22 45
8 48 24 45
9 47 26 45
10 47 28 44
11 47 30 44
12 47 32 44
소루응답은 등시강도 (isochronal hardness) 에 온도데이타를 통해 얻어졌으며 그래프 1 과 표 8 에 나타내었다. 실험은 공구의 최대경화능 및 경화에 대한 소루효과를 입증하였다.
데이터는 1850°F 에서 공구재료의 1 인치 육면체를 수냉하고 네시간동안 Ale 이하 온도의 선택온도서 각각을 소루시켜 얻었다. 경도측정은 시편이 상온으로 냉각된 후 얻었다.
수냉된 260686 히트에 대한 등시강도 대 소루온도 데이타
소 루 온 도(。F) 경 도(브리넬 경도번호, 3000kg 하중)
소 입 상 태 522
700 503
800 507
900 499
1000 375
1100 321
1200 293
1300 298
1350 323
1400 335
연화저항은 그래프 2 및 표 9에 나타낸 등온경도 대 시간곡선을 만들어서 결정되었다. 1300°F 에 온도가 선택되었는바, 이는 이온도가 1325°F로 계산된 공구의 Ale 근방이기 때문이며, 이때 연화상태가 가장 심하다. 등온곡선은 소입상태가 25시간후에도 1300°F 에서 연화저항을 갖음을 보여준다
수냉된 히트번호 260686 에 대한 등온경도 대 시간데이타
시 간(hour) 경도(브리넬 경도번호)
2 290
4 298
8 304
16 293
24 293
두 세트의 상온인장데이타는 구상화상태에서 공구의 강도 및 연성을 측정하기 위해 짧은 횡판방향에서 얻어졌다. 항복강도, 인장강도, 연신 및 단면감소데이타는 표10에 있다.
히트번호 260686 의 인장성질. 응력은 ksi, 연신 및 단면감소는 % 임
0.2% 항복강도(ksi) 인장강도(ksi) 2.0인치 게이지길이에서의 인장% 0.5인치 게이지직경에서의 단면감소%
시 험 1 101.5 138.5 15.0 39.4
시 험 2 102.0 140.0 15.5 36.0
공구 11, 12 와 13, 특히 공구 13은 상기 조성을 가질때 장기 사용중 고정마를 유지하여서 공구상의 산하에 따른 불량이 장기간에 걸쳐 수용가능수준으로 급감 또는 제거될 것이다.
본 발명의 특정실시예가 설명되었으나 당업자라면 여러변형이 본 발명의 범위내에서 가능할 것이다. 따라서 상기 설명이 특정용어에 의해가 아니라 첨부된 청구범위의 범위만에 의해 발명의 범위가 제한된다.
상기의 식별자가 없습니다.

Claims (6)

  1. 공구가 흠이 없는 자유표면을 가지며 (a) 고내산화성, (b)고내식성, (c) 양호한 열간가공성, (d) 고강도 및 (e) 고내마모성을 가져서 산화분위기에 특히 적합한 마르텐사이틱 스레인레스강이되,
    무게비(wt %)로 0.23 - 0.38 C, O.4O - 1.O0 Mn, 최대 0.040 P,최대 0.030 S, 0.0 - 1.20 Si, 1.0 - 3.0 Ni, 14.0 - 20.0 Cr, 0.25 - 1.00 Mo, 최대 0.10 V, 0.50 - 1.50 Cu, 최대 0.030 AI, 부수적인 불순물을 포함하는 잔여 Fe인 조성을 가짐을 특징으로 하는 유리성형작업용 유리 모울딩 공구
  2. 제1항에 있어서, 공구가 무게비로 0.28 - 0.35 C, 0.40 - 0.60 Mn, 최대 0.030 P, 최대 0.01O S, 0.20 - 0.50 Si , 1.50 - 1.80 Ni, 14.0 - 18.0 Cr, 0.35 - 0.55 Mo, 0.02 - 0.08V, 0.85 - 1.15 Cu, 최대 0.02 AI ,부수적인 불순물을 포함하는 잔여 Fe의 조성을 가짐을 특징으로 하는 공구.
  3. 전기로에서 융체를 형성시키는 단계, S,H,O 및 N 함량을 극저수준으로 낮추기위해 상기 융체를 진공처리하는 단계, 융체의 진공처리시간의 적어도 일부동안 융체를 상방으로 관통하는 퍼징 가스 (purging gas)를 통과시켜서 표면으로부터 멀리있는 융체 부분을 진공에 노출시키는 단계, 상기융체와 비소모형 전극수단사이에서 직접 작용하는 교류전기가열로의 가열효과에 상기 융체를 또한 노출시키는 단계, 유리모울딩 작업을 위한 공구로 상기 융체의 제품을 형성시키는 단계 및 상기 공정단계의 제품을 처리하는 단계로 구성되되, 공구가 (a) 고내산화성, (b) 고내식성, (c)양호한 열간가공성, (d) 고강도, (e) 고내마모성 및 (f) 무게비 (wt %) 로 0.23 - 0.38 C, 0.40 - 1.00 Mn, 최대 0.040 P, 최대 0.030 S, 0.0 - 1.20 Si, 1.0 - 3.0 Ni, 14.0 - 20.0 Cr, 0.25 - 1.00 Mo, 최대 0.10 V, 0.50 - 1.50 Cu, 최대 0.030 AI, 부수적인 불순물을 포함하는 잔여 Fe 의 조성을 가져서 산화분위기에서 유리모울딩 작업에 적합한 마르텐사이틱 스테인레스강 임을 특징으로하는 유리모울딩 작업용 유리 모울딩 공구의 제조방법
  4. 제3항에 있어서, 융체의 진공, 퍼징가스 및 교류가열 공정에 뒤이어 융체를 전극으로 응고시키는 단계, 구리도가니에서 잉고트를 형성시키기 위해 극저압 분위기에서 전극을 재용해시키는 단계를 또한 포함하여서 잉고트는 낮은 O,H 및 N 함량 및 극저 S 함량을 가짐을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 잉고트가 0.005 S 보다 적은 황을 가짐을 특징으로 하는 방법 .
  6. 제4항에 있어서, 전극의 재용해가 100 미크론 Hg 보다 작은 작업압력에서 일어나며, 상기 잉고트가 약 1ppm H, 약 80ppm N, 약 0.003 S 보다 적은 조성물 가짐을 특징으로 하는 방법.
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