KR20010017845A

KR20010017845A - 다이캐스팅용 열간공구강

Info

Publication number: KR20010017845A
Application number: KR1019990033568A
Authority: KR
Inventors: 황남철; 원종철; 김동수
Original assignee: 윤영석; 한국중공업 주식회사
Priority date: 1999-08-16
Filing date: 1999-08-16
Publication date: 2001-03-05

Abstract

본 발명은 다이캐스팅용 열간공구강에 관한 것으로서, 경도, 담금질성, 연화저항성, 내열충격성, 질화경도 및 내마모성 등을 개선시키기 위해 탄소(C)가 0.3∼0.5%, 규소(Si)가 0.2∼0.4%, 망간(Mn)이 0.4∼0.7%, 불순물인 인(P)과 황(S)이 0.03% 이하, 크롬(Cr)이 4.5∼5.5%, 몰리브덴(Mo)이 1.5∼2.5%, 바나듐(V)이 0.7∼0.9%, 알루미늄(Al)이 0.02∼0.03%, 칼슘(Ca)이 0.001∼0.006% 함유되고 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 구성된 다이캐스팅용 열간공구강을 제공한다.

Description

다이캐스팅용 열간공구강{Hot-working tool steel for die-casting }

본 발명은 다이캐스팅용(Die Casting用) 열간공구강에 관한 것으로서, 구체적으로는 자동차 엔진케이스등 복잡한 형상의 제작 및 용융금속의 가혹한 주입조건하에서 고온강도, 인성 및 연화저항성이 부족해서 발생되는 초기 열체크(heat-check) 및 마모현상을 최소화하여 금형수명의 향상 및 품질의 안정화를 현저히 개선시킨 다이캐스팅용 열간공구강에 관한 것이다.

자동차와 전자 관련산업 등에서의 새로운 요구에 따라 다이캐스팅 산업은 크게 발전하고 있으며, 그 연관기술이 계속 고도화 및 다양화 되고 있다. 금형의 소재개발, 제조기술 및 열처리기술의 가속적 발전이 그 한 예이다.

다이캐스팅용 열간공구강은 사용조건에 따라 부가되는 온도 및 응력이 상이하여 파손양상도 다양하므로 용도에 적합한 특성을 가질 것이 요구된다.

일반적으로, 고성능, 장수명용 다이캐스팅용 열간공구강에 요구되는 특성은 다음과 같다.

1) 담금질성이 우수하고, 열처리변형이 작을 것

2) 내열체크(HEAT-CHECK)성이 우수할 것

3) 인성이 클 것

4) 연화저항성이 크고, 내마모성이 우수할 것

5) 가공성(피삭성, 방전가공성 등)이 양호할 것

특히, 전륜구동형 자동차에 적용되는 대형금형에는 담금질성이 우수한 금형재가, 형상이 복잡하고 제품표면이 우수하며 고정밀성이 요구되는 OA기기 부품용 정밀 다이캐스팅 금형에는 고온강도, 인성, 내열충격성 및 내용손성(耐溶損性)이 우수한 금형재가 요구된다.

다이캐스팅용 소재로 KS STD61이 통상 사용된다.

본 발명의 목적은 상기 종래 강종인 STD61보다 우수한 고온강도, 인성, 연화저항성, 내열충격성 및 내마모성을 갖는 고품질의 다이캐스팅용 열간공구강을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 다이캐스팅용 열간공구강의 제조공정도,

도 2는 본 발명의 다이캐스팅용 열간공구강의 제강 및 조괴 공정도,

도 3은 본 발명의 열간공구강의 단조작업 조건을 도시하는 선도,

도 4는 본 발명의 열간공구강의 구상화 열처리 조건을 도시하는 선도,

도 5는 본 발명의 열간공구강 및 STD61을 구상화 열처리 및 담금질한 후 각기 다른 온도에서 템퍼링처리 했을 경우 경도치를 도시한 선도,

도 6은 본 발명의 열간공구강 및 STD61의 담금질 및 템퍼링 한 후 600℃에서 시간에 따른 경도변화를 비교 도시한 선도,

도 7은 본 발명의 열간공구강의 연속냉각곡선을 도시한 선도,

도 8은 본 발명의 열간공구강 및 STD61의 급열, 급냉 반복시 크랙의 길이 및 빈도수를 비교 도시한 선도,

도 9는 본 발명의 열간공구강 및 STD61의 이온질화처리 후 단면경도를 비교 도시한 선도,

도 10은 본 발명의 열간공구강 및 STD61의 내마모시험 결과를 비교 도시한 선도.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 열간공구강은, 탄소(C)가 0.3∼0.5%, 규소(Si)가 0.2∼0.4%, 망간(Mn)이 0.4∼0.7%, 불순물인 인(P)과 황(S)이 0.03% 이하, 크롬(Cr)이 4.5∼5.5%, 몰리브덴(Mo)이 1.5∼2.5%, 바나듐(V)이 0.7∼0.9%, 알루미늄(Al)이 0.02∼0.03%, 칼슘(Ca)이 0.001∼0.006% 함유되고 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 구성되어 있다.

탄소(C)는 열간공구강에서 담금질성을 증가시키고 탄화물을 석출시켜 고온강도와 경도를 향상시키는 중요한 원소로서, 0.3% 미만에서는 상기 특성(담금질성, 고온강도, 경도)이 충분히 얻어지지 않으며 0.5%를 초과하면 탄소(C)량을 증가시켜도 담금질성이 증가하지 않으므로 0.3∼0.5%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

규소(Si)는 결정립성장의 억제와 내산화성을 향상시키는 효과가 있으나, 0.4%를 초과하면 소재를 취화(脆化)시키거나 단조성을 저하시키며, 함량이 낮을수록 인성은 향상되지만 0.2% 미만에서는 상기 장점(결정립성장의 억제, 내산화성 향상)을 충분히 발휘할 수 없어 0.2∼0.4%가 적당하다.

망간(Mn)은 베이나이트(Bainite) 변태온도를 장시간측으로 이동시켜 소재의 담금질성을 개선하는 효과가 큰 원소로서, 0.4% 미만에서는 원하는 상기 효과를 얻을 수 없고, 0.7%를 초과하게 되면 재질이 지나치게 경해지므로 가공성이 악화될 수 있으므로 0.4∼0.7%가 적당하다.

크롬(Cr)은 내산화성을 향상시키고, 탄화물을 형성하여 인성을 향상시키며 결정립의 성장을 억제하고, 베이나이트 변태온도를 장시간측으로 이동시켜 담금질성의 향상에 기여하는 원소로서, 4.5% 미만이면 상기 역할을 충분히 수행할 수 없고 5.5%를 초과하면 경화(硬化)되어 가공성이 나빠지므로 4.5∼5.5%의 범위가 적당하다.

인(P)과 황(S)은 그 함유량이 적을수록 소재의 충격특성과 내열충격성이 현저하게 향상되고 소재의 이방성이 현저히 감소하므로 0.03%이하로 설정한다.

몰리브덴(Mo)은 몰리브덴 카바이드(Mo Carbide)를 형성하여 인성의 향상에 기여하므로 몰리브덴(Mo) 함유량을 1.5%이상으로 한다. 그러나 지나치게 커지면 가공성이 악화되므로 2.5%이하로 유지한다.

바나듐(V)은 불용성(不溶性) 탄화물을 형성하여 내마모성을 향상시키고 결정립 미세화에 의해 연화저항성을 향상시키며 고온경도를 높이는 요소로서, 0.7%이상에서 효과를 발휘한다. 그러나 지나치게 함유량이 많으면 담금질성을 저하시키므로 0.9%이하로 유지한다.

알루미늄(Al)은 강력한 탈산작용을 하기 때문에 강(鋼)중의 산소함량을 감소시키고, 결정립을 미세화시켜 인성을 향상시키므로 0.02% 이상 함유하도록 한다. 그러나 과도하면 강중에 산화알루미늄(Al₂O₃)이 잔류하여 열간가공성을 해칠 수 있으므로 0.03%이하가 적당하다.

칼슘(Ca)은 열간가공성을 해치는 상기 알루미늄 탈산생성물(Al₂O₃)을 산화칼슘(CaO)으로 결합시켜, 열간소성가공시 형상이 변화하지 않는 구상(球狀)의 복합산화물인 칼슘알루미네이트(xCaO_yAl₂O₃:12CaOㆍ7Al₂O₃, 3CaOㆍAl₂O₃, CaOㆍAl₂O₃)를 생성하여 강도와 인성의 이방성을 감소시키는 역할을 하므로 0.001%이상 포함되도록 한다. 그러나 지나치게 많으면, 가공저항성이 높아지기 쉬우므로 0.006% 이하로 유지한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 제조공정 및 물리적 특성을 상세히 설명한다.

1. 제조공정

가) 제강 및 조괴

도 1에서 첫째 공정인 제강공정은, 도 2에 도시된 바와 같이, 전기로(EAF, Electric Arc Furnace) ⇒ 2차정련로(LRF, Ladle Refining Furnace) ⇒ 강괴주입 의 공정을 거친다.

불순물원소(Cu,As,Sb,Sn 등)가 적은 고품질의 고철을 선별하여 전기로에서 용해작업, 탈인작업 및 산화정련을 거쳐 불순물을 제거한 후, 레이들(ladle)에 출강하여 ASEA-SKF 2차정련로에서 비금속개재물을 부상시켜 제거하고, 균일한 화학조성 및 온도로 조절하며, 진공탈가스 조업으로 가스성분(H₂, N₂, O₂)을 최대한 낮춘 상태로 강괴를 제조한다.

이 때, 상기 화학조성은 탄소(C)가 0.3∼0.5%, 규소(Si)가 0.2∼0.4%, 망간(Mn)이 0.4∼0.7%, 불순물인 인(P)과 황(S)이 0.03% 이하, 크롬(Cr)이 4.5∼5.5%, 몰리브덴(Mo)이 1.5∼2.5%, 바나듐(V)이 0.7∼0.9%, 알루미늄(Al)이 0.02∼0.03%, 칼슘(Ca)이 0.001∼0.006% 함유되고 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 구성되도록 한다.

특히, 상기 2차정련로의 진공탈가스 처리에 있어서, 가스함량을 낮추어 고온인성을 증가시키고 용강의 산소함량을 낮춤(Free Oxygen)과 동시에, 아르곤(Ar)가스의 취입과 자기교반(Magnetic Stirring)의 작업을 실시함으로써 비금속개재물을 부상 및 분리시킨다. 또한 칼슘선 공급작업(Ca-wire feeding)을 통해 잔존하는 비금속개재물의 형성을 제어하고, 적정 탈산으로 청정도를 높이기 위해 규소(Si)와 알루미늄(Al) 함량을 상한치 쪽으로 조정한다.

이와 같이, 진공탈가스 처리하여 제조된 다이캐스팅용 열간공구강은 재질의 청정도가 높고, 기공이나 편석 및 유해결함이 최대한 저감된다.

나) E.S.R 공정

특히, 본 발명의 공구강은 고청정강 제조에 최적의 공정인 E.S.R(Electro-Slag-Remelting) 공정을 거치도록 함으로써 청정도, 내마모성, 내열충격성에 있어서 종래 강종(STD61)보다 우수한 특성을 가질 수 있다. 즉, 본 발명의 공구강은 E.S.R 공정의 장점을 최대한 이용하여 전극표면의 산화스케일(scale)이 제거된다. 또한, 금속-슬래그(slag) 사이의 계면반응에 의한 정련효과를 극대화시키기 위해서, 형석(CaF₂) 40∼60%, 생석회(CaO) 20∼30%, 알루미나(Al₂O₃) 20%, 규사(SiO₂) 2∼5% 의 슬래그 조성을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.

다) 단조

품질의 균일성 및 기공(氣孔)등의 내부결함을 제거하기 위해 E.S.R 강괴를 도 3과 같은 형식으로 가열하여 강괴의 중심부까지 충분한 단련효과가 미치도록 1차와 2차로 구분하여 단조작업을 실시한다.

라) 열처리

단조상태에서의 조직 불균일을 제거하고, 결정립 미세화 및 가공성을 향상시킴과 동시에, 고온강도, 인성, 연화저항성, 담금질성, 내열충격성 및 내마모성 등이 우수한 성질을 얻기 위해 도 4에 도시된 바와 같은 구상화 열처리를 실시한다. 도면에서 U+30 분/인치는, 내부와 외부의 온도를 같게 유지한 상태에서 두께 인치당 860∼880℃에서 30분간 유지한다는 의미이다.

2. 제반특성의 비교예

가) 화학조성

다음 표 1에 본 발명강과 종래 공구강(STD61)의 화학조성을 나타내었다.

나) 열처리 특성

구상화 열처리상태로 출하되는 제품을 금형 가공후 품질 열처리로서 담금질과 템퍼링(tempering)처리한다. 담금질은 1030℃에서 30min/inch 유지시킨 후 가스냉각시키고 다시 템퍼링처리로서 400∼700℃ 에서 1hour/inch로 유지하고 공냉한 후, 경도변화를 조사하여 이를 도 5에 나타내었다. 본 발명강은 전형적인 2차경화를 일으키는 열간공구강으로서 550℃부근의 템퍼링온도에서 최대 경도값을 나타내며, 종래 공구강(STD61)보다 우수함을 알 수 있다.

다) 연속냉각곡선(CCT)

도 7은 열간가공 재현시험기(Thermac Master-Z, HUJI 전파, JAPAN)를 사용하여 측정한 본 발명강의 연속냉각곡선(Continuous Cooling Transformation Diagram)이다. 시험편으로 본 발명강의 구상화 어닐링(annealing) 열처리상태의 소재를 사용하여 열간가공 재현시험기에서 2℃/sec의 가열속도로 1030℃ 까지 가열하여 오스테나이징(austenizing)을 15분간 실시한 후, 5∼0.005℃/sec 범위의 다양한 냉각속도로 시편을 냉각하여 연속냉각곡선을 구하였다. 여기서 A_C1온도는 약 845℃이고, A_C3온도는 924℃이며, 또한 마르텐사이트 변태가 개시되는 M_S온도는 292℃인 것으로 나타났다.

금형이 대형화됨에 따라, 담금질 냉각속도의 차이에 의해 내외부를 통해 균일한 기계적, 물리적 특성을 갖지 못하게 되어 최종적으로 금형수명이 단축된다. 이러한 문제가 해결되기 위해서는 소재의 담금질성이 개선되어야 한다. 본 발명강의 연속냉각곡선은 베이나이트의 형성시간이 STD61의 것보다 장시간측으로 이동되어져서 담금질성이 향상됨을 알 수 있다.

라) 열팽창계수

본 발명강의 가열시 열팽창계수를 열간가공 재현시험기로 시험하여 측정한 값을 다음 표 2에 나타내었다. 열간공구강은 실제 금형사용 중, 고온에서 반복적인 기계적, 열적 응력을 받게 되므로 열팽창계수가 높으면 재료의 표면에 열균열등의 결함이 발생될 가능성이 높아진다. 표에서 알 수 있듯이 본 발명의 공구강은 매우 우수한 열팽창계수의 범위를 갖고 있다.

마) 연화저항성

STD61과 본 발명강을 담금질 및 템퍼링하여 경도를 일정하게 유지한 후, 600℃에서 시간에 따른 경도변화를 측정하였다. 도 6의 측정결과에서 도시된 바와 같이, STD61보다 본 발명강이 약 1.5배 정도 우수한 연화저항성을 나타냄을 알 수 있다.

바) 내열충격성

열체크(Heat-Check)는 반복적인 가열/냉각으로 인해 금형의 표면에 발생되는 거북이 등모양의 크랙(crack)이다. 열체크는 적합한 금형재의 선택, 금형구조, 금형냉각 및 주조조건등, 여러 인자에 의해 영향을 받아 발생된다.

시험방법으로서, 통전가열방식으로 급가열(600℃)⇒급수냉(상온)을 반복적으로 실시한 경우, 크랙의 길이와 갯수를 측정하였다. 도 8에 그 시험결과를 나타내었는데, 본 발명강이 STD61에 비해 크랙길이가 작고 그 갯수가 적으므로 내열충격성이 우수함을 알 수 있다.

사) 질화특성

질화처리는 내마모성, 내부식성, 피로강도 및 내소착성 등을 부여하기 위해 실시하는 표면처리의 한 방법으로서, 그 특징으로는 다른 표면경화법에 비해 변형이 적고, 우수한 내마모성과 내식성을 부여하며, 침탄법보다 낮은 온도에서 처리하여도 높은 표면강도를 얻을 수 있고, 질화처리 후 열처리가 필요없다는 점을 들 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 담금질 및 템퍼링처리한 강재에 대하여 N2:H2=1:1, 530℃ ×5시간 동안 이온질화한 시편의 단면 경도분포가 나타나 있다. 본 발명강이 STD61보다 이온질화능이 우수한 것을 알 수 있다.

아) 내마모성

내마모성 시험은 본 발명강과 STD61을 디스크(disk) 및 핀(pin) 형태로 만든 핀 온 디스크 형식(pin-on-disk type)의 내마모시험기를 사용하였다. 각 강종에 대하여 플라즈마 이온질화처리를 한 것과 하지 않은 것에 대해서 시험하였으며, 동일 경도의 STD61 핀을 사용하였다. 하중을 430N, 최대속도(Vmax)를 0.3mm/sec의 시험조건에서 600초간 시험하였다.

상기한 내마모성시험의 결과를 도 10에 나타내었다. 어느 경우에도 본 발명강이 STD61보다 우수하고, 질화처리한 시편이 그렇지 않은 경우보다 월등한 것으로 나타났다.

상기한 바와 같은 화학조성을 갖는 본 발명의 다이캐스팅용 열간공구강에 의하면, 경도, 담금질성, 연화저항성, 내열충격성, 질화경도 및 내마모성 등이 종래 다이캐스팅용 열간공구강에 비해 현저히 우수하므로, 우수한 제품표면 및 고정밀도의 제품을 얻을 수 있고 금형자체의 수명이 길다는 효과가 있다.

Claims

다이캐스팅용 열간공구강에 있어서, 탄소(C) 0.3∼0.5%, 규소(Si) 0.2∼0.4%, 망간(Mn) 0.4∼0.7%, 인(P)과 황(S) 0.03% 이하, 크롬(Cr) 4.5∼5.5%, 몰리브덴(Mo) 1.5∼2.5%, 바나듐(V) 0.7∼0.9%, 알루미늄(Al) 0.02∼0.03%, 칼슘(Ca) 0.001∼0.006% 함유되고 잔부는 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 구성되는 다이캐스팅용 열간공구강.