KR20010052220A - 강 재료 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

용탕으로부터 강괴 또는 주물을 제조하는 방법을 포함하는 비-분말야금학적 방법으로 제조된 강 재료는 중량% 단위로, 탄소 : 2.0 - 4.3%, 실리콘 : 0.1 - 2.0%, 망간 : 0.1 - 2.0%, 크롬 : 5.6 - 8.5%, 니켈 : 최대 1.0%, 몰리브덴 : 1.7 - 3%(여기서 Mo는 2배의 W로 완전 또는 부분적으로 대체가능), 니오븀 : 최대 2.0%, 바나듐 : 6.5 - 15%(여기서 V는 최대 2% Nb, Nb의 두 배에 의해 완전 또는 부분적으로 대체가능), 질소 : 최대 0.3%을 포함하는 화학조성을 갖는 합금으로 구성되며, 상기 탄소의 함량, 다른 한편으로 바나듐의 함량 및 어떤 존재 가능한 니오븀의 함량이 서로에 대해 균형이 맞춰져, 상기 원소들의 함량이 도 2의 공동 좌표계에서 A, B'', E, F, B', B, C, D, A 영역내에 놓이며, 상기 지점들에 대한 V + 2 Nb/C + N 공동 좌표가 A : 9/3.1, B'' : 9/2.85, E : 15/4.3, F : 15/3.75, B' : 9/2.65, B : 9/2.5, C : 6.5/2.0, D : 6.5/2.45가 된다.

Description

강 재료 및 그의 제조방법 {STEEL MATERIAL AND METHOD FOR ITS MANUFACTURING}
주로, 종래의 10 % 이상의 크롬을 함유하는 공구강이 경도 및 내마모성을 중요시하는 냉간가공 공구용 재료로서 사용되어 왔다. 오늘날 연마 냉간가공 분야에 사용되는 표준강, AISI D2, D6, 및 D7은 이러한 종류의 강의 통상적인 예이다. 이러한 공지된 강의 표준 조성이 표 1에 제시되어 있다.
종래의 냉간 가공강의 표준 조성(중량 %)
C Si Mn Cr Mo W V
AISI D2 1.5 0.3 0.3 12.0 1.0 - 1.0
AISI D6 2.1 0.3 O.8 12.5 - 1.3 -
AISI D7 2.35 0.3 O.5 12.0 1.0 - 4.0
모든 레데부라이트 강(ledeburite)과 같이, 전술한 형태의 강은 오스테나이트의 원리에 따라 고화된 후에, M7C3-탄화물이 잔류 액상영역 내에 형성된다. 이는 냉간 가공강에 중요한 몇몇 제조특성, 즉 양호한 인성과 조합된 양호한 내연마 마모성에 대한 높은 요건을 만족시킬 수 없는 재료를 제공한다. 또한, 이러한 종래의 레데부라이트 공구강의 단점은 다소 나쁜 열간가공성을 갖는다는 점이다.
냉간 가공강용 재료로서는 분말야금학적으로 제조된 높은 함량의 바나듐을 갖는 공구강도 사용된다. 이러한 종류의 강의 예로는 바나디스(Vanadis;등록상표) 4 및 바나디스(등록상표 )10의 상표명을 갖는 강들이 공지되어 있다. 이들 강들의 표준조성은 표 2에 제시되어 있다.
분말야금학적으로 제조된 냉간 가공강의 표준 조성(중량%, 나머지 Fe 및 불순물)
C1 Si Mn Cr Mo V
바나디스 4 1.5 1.0 0.4 8.0 1.5 4.0
바나디스 10 2.9 1.0 0.5 8.0 1.5 9.8
전술한 분말야금학적으로 제조된 강은 내마모성과 인성이 극히 양호하나 제조비용이 고가이다.
본 발명은 용융강으로부터 강괴 또는 주물을 제조하는 방법을 포함하는, 비-분말 야금학적 방법으로 제조되는 강 재료에 관한 것이다. 강 재료는 철 및 탄소 이외에, 실질적인 합금원소로서 크롬, 바나듐, 및 몰리브덴을 함유하는데, 이들 합금원소들의 함량은 경화 및 템퍼링 후에 주로 냉간가공 공구에 적합한 재료로서뿐만 아니라, 세라믹 물품의 성형 및 가공을 위한 재료와 같은 내마모성 및 상당히 큰 인성을 중요시하는 예를들어 벽돌 제조산업(brick-making industrial)에 사용될 수 있는 공구에 적합한 성질을 갖도록 선택 및 조합된다. 본 발명은 또한, 강 재료의 사용 및 강 재료의 열처리 방법을 포함한 강의 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 강 대 크롬 함량에 대한 상태도이며,
도 2는 한편으론 바나듐과 니오븀, 다른 한편으론 탄소와 질소 사이의 관계를 공동 좌표계에 나타낸 도면이며,
도 3은 경화 및 템퍼링 상태(주조 및 단조된)의 본 발명에 따른 강의 미세구조를 나타내는 현미경 사진이며,
도 4는 시험된 강의 경도에 대한 오스테나이트 온도의 영향을 나타내는 도면이며,
도 5는 525 ℃/2 × 2시간의 템퍼링 후에 시험된 강의 경도에 대한 오스테나이트 온도의 영향을 나타내는 도면이며,
도 6은 시험된 합금 강의 경도에 대한 템퍼링 온도의 영향을 나타내는 도면이며,
도 7a은 몇몇 시험된 재료에 대한 800 내지 500℃ 사이에서의 경도 대 냉각시간를 나타내는 도면이며,
도 7b는 상이한 직경과 냉각제에 대한 냉각시간을 나타내는 도면이다.
본 발명의 목적은 용융강의 제조를 통한 종래의 방법으로 제조되어, 주조 강괴로 제조되고, 공구 또는 기타 물품제조되도록 바아, 평판 등의 형상으로 열간가공되며, 소정의 조합특성을 갖는 최종 제품을 얻을 수 있는 합금 강으로 된 강 재료를 제공하고자 하는 것이다. 종래의 강괴 제조법은 예를들어, 전기-슬래그-정련법(ESR)과 같은 몇몇 연속적인 용융물-금속야금학적 방법이나, 오스프레이(Osprey)로 공지된 방법에 따른 고화되는 용탕의 낙하에 의한 강괴제조법을 통해서 완료될 수 있다.
본 발명의 재료는 예를들어 채광산업의 마모부품으로부터 블랭킹 및 성형 공구를 제조하기 위한 종래의 냉각가공 분야의 공구, 압분, 디이프 드로잉 등과 같은 냉간 압출공구, 및 예를들어 벽돌 제조산업에 있어서의 세라믹 부품을 성형 또는 가공하기 위한 공구 또는 기계 부품 분야에 사용될 수 있다. 이와 관련한 본 발명의 목적은 AISI D2, 또는 D7와 같은 종래의 레데부레이트 냉간가공 강보다도 양호한 내마모성과 인성의 조합특성을 갖는 재료를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전술한 종래의 레데부레이트 냉간 가공 강보다 양호한 열간가공성을 가지며 단조 및 압연 공장에 있어서의 생산성이 개선되어 제조 효율이 개선될 수 있는 합금 재료를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 양호한 열처리 특성을 갖는 재료를 제공하고자 하는 것이다. 따라서, 1200℃ 이하, 바람직하게 900 내지 1150℃, 통상 950 내지 1100℃의 오스테나이트 온도에서 강을 경화시킬 수 있어야 하며, 또한 강은 양호한 경화능, 열처리시의 양호한 칫수 안정성, 및 2차적인 경화공정을 통해서 55-66 HRC, 바람직하게 60-66 HRC의 경도를 얻을 수 있어야 한다.
허용가능한 절삭성 및 연삭성은 다른 바람직한 특성이다.
이들 및 기타의 목적들은 첨부된 독립 청구항에 기재된 것을 특징으로 하는 본 발명에 의해 달성된다.
도 1은 본 발명에 따른 바나듐, 탄소 및 몰리브덴 함량을 가지며 크롬의 함량이 변화된 합금에 대한 통상적인 상태도이다. 상기 상태도는 상이한 온도에서 평형상태에 있는 상들을 도시한다. 강괴나 주물이 천천히 고화되기 시작하면, 상기 합금은 용융상태로 있는 MX-형태의 경질 입자의 1차 석출을 통해 고화되며, 여기서 M은 V 및/또는 Nb이나 바람직하게는 V이며, N은 C 및/또는 N이나 바람직하게는 C이다. 나머지 잔류 용탕은 상당히 낮은 함량의 합금원소를 가지며 오스테나이트 및 MX(상태도에 있어서 γ+MX 영역)를 형성하도록 고화될 것이다. 연속적인 냉각중에, 상기 γ+ MX + M7C3-영역은 다소 급속히 통과하는데, 상기 영역에서는 보다 작은 양의 M7C3형태의 탄화물이 석출될 수 있으며 M은 실질적으로 크롬이다.
따라서, 본 발명의 재료에 있어서 평형상태의 1100 ℃ 온도에서의 미세구조는 용융 상태의 오스테나이트와 액상에서 석출된 MX 형태의 경질 입자로 구성되며, 상기 M은 V 및/또는 Nb이나 바람직하게는 V이며, X는 C 및 N이다. 또한, 본 발명의 재료는 소량의 2차 석출된 경질 입자, 주로 M이 Cr인 MC-탄화물을 체적비로 보통 최대 2%, 바람직하게 최대 1%를 함유하는 것도 가능하다.
따라서, 통상적으로 층상 구조인 종래의 레데부라이트 냉간 가공강의 고화 구조는 3 내지 20 의 입도와 통상 다소 둥근거나 긴 형상을 갖는 50 체적% 이상의 균일하게 분포된 MX 형태의 경질 성분에 의해 대체되거나, M7C3-탄화물로 구성된 미소량의 층상 고화 구조로 대체된다. 열간가공 후에, 균일하고 미세하게 분산된 탄화물 분포가 달성되며, 이러한 탄화물 분포는 비-분말야금학적 방식으로 제조된 종래의 레데부레이트 냉간가공 강 보다 양호한 열간가공성을 얻을 수 있는 이유이다.
경화 및 템퍼링을 포함한 열처리와 관련하여, 상기 재료는 존재하는 M7C3-탄화물이 용해되고 오스테나이트 및 상기 오스테나이트에 분포된 MX형 경질 입자로 구성된 구조가 다시 얻어지는 상태도의 γ+ MX + M7C3-영역으로 가열된다. 주위온도로의 급속한 냉각시, 상기 오스테나이트는 마르텐사이트로 변태된다. γ+ MX + M7C3-영역은 상당히 빠르게 통과되어 M7C3-탄화물의 형성이 억제된다. 그러므로, 본 발명의 강 재료는 주위온도에서 마르텐사이트와, 이러한 기질내에 10 내지 40 체적%, 몇몇 양호한 실시예, 예를들어 냉간가공 공구용 강에서 바람직하게 10 내지 25 체적%, 벽돌 제조산업에서의 세라믹 부품의 가공을 위한 공구 또는 기계 부품과 같은 본 발명의 몇몇 다른 양호한 실시예에서 가장 바람직하게 10 내지 25 체적%, 가장 일반적으로는 20 내지 40 체적%의 MX형 1차 경질 입자를 포함하며, 상기 경질 입자는 액상내에 석출되며 통상 둥근 형상을 가진다. 게다가, 서브-마이크론 크기의 2차 석출된 경질 입자들이 존재할 수 있다. 2차 석출된 입자들의 크기가 미세하므로, 매우 진보된 장비를 사용하지 않고는 화학적 조성과 함유량을 결정하는 것이 어렵다. 그러나, M이 각각 실질적으로 바나듐 및 크롬인 MC-탄화물 및 M7C3-탄화물 형태의 성분들이 일정한 범위로 존재하는 함량을 미리 제안할 수 있다. 경화 및 템퍼링 후에, 본 발명의 재료는 55 내지 66 HRC의 경도를 가지며, 상기 미세 구조와 경도는 상기 재료를 900 내지 1150℃ 사이의 온도로 가열하고, 15분 내지 2시간의 주기동안에 상기 재료를 상기 온도로 가열하고, 주위온도에서 상기 재료를 냉각하고, 상기 재료를 150 내지 650℃의 온도에서 한 번 또는 여러 번 템퍼링함으로써 달성될 수 있다.
별도의 합금원소 및 이들의 상호작용과 관련이 있는 한 다음 사항이 적용된다.
바나듐, 탄소 및 질소는 상기 재료가 10 내지 40체적%, 몇몇 양호한 실시예, 예를들어 열간가공 공구용 강에서 바람직하게 10 내지 25 체적%, 벽돌 제조산업에서의 세라믹 부품의 가공을 위한 공구 또는 기계 부품과 같은 본 발명의 몇몇 다른 양호한 실시예에서 가장 바람직하게 20 내지 40 체적%의 MX형 경질입자와 이러한 기질내에 고상의 0.6 내지 0.8% 탄소를 함유할 수 있도록 충분한 양이 존재해야 하며, 약간의 탄소 및 질소가 상기 2차 석출된 경질 입자, 주로 M7C3-탄화물 형태로 계면을 형성하고 있다는 사실도 주목해야 한다. 질소는 강 제조시 불가피한 원소로서 상기 불순물 수치 이상, 즉 최대 3%, 보통 최대 0.1%로 상기 강 내부에 존재되어서는 않되므로, 질소는 보통 1차 또는 2차 석출물의 형성에 실질적으로 관여하지 않는다.
바나듐은 최대 2% 까지의 니오븀에 의해 부분적으로 대체될 수 있으나 이는 이용하지 않는 것이 바람직하다. 통상적으로, 상기 기질에 대한 경질 입자은 MC-탄화물, 더 바람직하게는 V4C3-탄화물로 구성된다. 상기 경질 입자들은 상당히 커다랗고 경질 입자들의 적어도 50 체적%는 3 내지 20 ㎛범위를 크기를 갖는 기질내에 최종 분산된 별도의 입자로서 존재한다. 통상적으로, 상기 입자들은 다소 둥근 형상을 가진다. 이러한 조건들은 강의 양호한 열간-가공성을 제공하는 역할을 한다. 또한, 상기 MX 형태의 경질입자들의 높은 경도 및 상기 입자들의 크기로 인해, 상기 재료의 소정의 내연마 마모성을 제공하는데 크게 기여한다.
상기 바나듐의 함량은 적어도 6.5%, 최대 15% 및 바람직하게는 최대 13%이다. 본 발명의 일면에 따라서, 상기 바나듐 함량은 최대 11%이다. 본 발명의 다른 일면에 있어서, 바나듐의 함량은 적어도 7.5%가 바람직한 동시에, 최대 함량이 9%가 되어야 한다. 그러나, 본 발명의 또다른 일면에 있어서, 가장 바람직하게 선택된 함량은 6.5 내지 7.5% 범위가 되어야 한다. 본 명세서에서 바나듐이라 지칭한 것은 니오븀 양의 두배에서 최대 2% 니오븀까지 부분 또는 완전히 대체될 수 있다고 이해해야 한다.
상기 탄소 함량은 10 내지 40 체적%, 전술한 본 발명의 몇몇 일면에 따라서는 바람직하게 10 내지 25 체적% 또는 20 내지 40 체적%의 MX-형태의 1차 석출된 경질 입자와 템퍼링 처리된 마르텐사이트내에 0.6 내지 0.8, 바람직하게 0.64 내지 0.675% 탄소를 함유하도록 바나듐 및 어떤 존재하는 니오븀의 함량에 맞춰져야 하며, 주로 MC-탄화물 및 M7C3-탄화물의 2차 석출이 약간 발생될 수 있으며 그러한 2차 석출은 약간의 탄소를 소모한다는 사실을 주목해야 한다. 한편으로 바나듐 및 니오븀과 다른 한편으로 탄소 사이의 관련성에 적용하는 상기 조건들은 탄소 함량 대 V + 2 Nb의 함량비를 나타내는 도 2로부터 알수 있다. v + 2 Nb의 함량이 횡좌표로 탄소 함량이 종좌표로 표시된 도 2의 좌표계에서, 도면의 코너-지점은 표 3에 언급된 공동 좌표들을 가진다.
V + 2 Nb C + N
A 9 3.1
B 9 2.5
B' 9 2.65
B" 9 2.85
C 6.5 2.0
C' 6.5 2.1
C'' 6.5 2.25
C''' 7.5 2.5
D' 6.5 2.45
D' 7.5 2.7
E 15 4.3
E' 13 3.83
E'' 11 3.35
F 15 3.75
F' 13 3.4
F'' 11 3.05
본 발명의 제 1 특징에 따라서, 바나듐, 니오븀, 탄소 + 질소의 함량은 상기 공동 좌표가 코너 지점(A,B",E,F,B',B,C,D,A)에 의해 한정된 영역의 범위내에 놓일 수 있도록 서로 채택되어야 한다.
본 발명의 제 2 특징에 따라서, 바나듐, 니오븀, 탄소 + 질소의 함량은 상기 공동 좌표가 코너 지점(A,B,C,D,A)에 의해 한정된 영역의 범위내에 놓일 수 있도록 서로 채택되어야 한다.
본 발명의 제 3 특징에 따라서, 바나듐, 니오븀, 탄소 + 질소의 함량은 상기 공동 좌표가 도 2 좌표계에서 코너 지점(A,B',C',D,A)에 의해 한정된 영역의 범위내에 놓일 수 있도록 서로 채택되어야 한다.
본 발명의 제 4 특징에 따라서, 상기 공동 좌표는 코너 지점(A,B",C",D,A)에 의해 한정된 영역의 범위내에 놓여야 한다.
본 발명의 제 5 특징에 따라서, 상기 공동 좌표는 코너 지점(A,B",C''',D',A)에 의해 한정된 영역의 범위내에 놓여야 한다.
본 발명의 제 6 특징에 따라서, 상기 공동 좌표는 코너 지점(A,B',C',C",C''',D',A)에 의해 한정된 영역의 범위내에 놓여야 한다.
본 발명의 제 7 특징에 따라서, 상기 공동 좌표는 코너 지점(B",B',C',C",B'')에 의해 한정된 영역의 범위내에 놓여야 한다.
본 발명의 제 8 특징에 따라서, 상기 공동 좌표는 코너 지점(D',C''',C'',D,D')에 의해 한정된 영역의 범위내에 놓여야 한다.
전술한 제 2 내지 제 5 특징 및 상기 바람직한 실시예는 특히 냉간 가공공구용 강의 사용에 관한 것이다. 예를들어, 벽돌 제조산업에 있어서 세라믹 물품을 가공하기 위한 공구 또는 기계 부품용 강의 사용에 관한 본 발명의 제 6 특징에 따라, 바나듐, 니오븀 및 탄소 + 질소의 함량은 도 2 공동 좌표계에 있어서 코너 지점(E,F,B',B'',E)에 의해 한정된 영역의 범위내에 놓이도록 서로 채택되어야 한다.
본 발명의 제 7 특징에 따라서, 상기 공동 좌표는 코너 지점(E,F,F',E',E)에 의해 한정된 영역의 범위내에 놓일 수 있다.
본 발명의 제 8 특징에 따라서, 상기 공동 좌표는 코너 지점(E',F',F'',E'',E')에 의해 한정된 영역의 범위내에 놓여야 하며, 본 발명의 또다른 특징에 따라서 코너 지점(E'',F'',B',B'',E'')에 의해 한정된 범위내에 놓여야 한다.
크롬은 강이 양호한 경화능, 즉 두꺼운 강판의 경우에도 완전 경화될 수 있는 능력을 갖도록 적어도 5.6%, 바람직하게 적어도 6%, 가장 바람직하게는 6.5%의 양을 가져야 한다. 크롬의 가능한 상한은 용탕 고화 중의 편석으로 인한 바람직하지 않은 M7C3-탄화물의 형성위험에 따라 결정된다. 그러므로, 크롬 함량은 8.5% 초과해서는 않되며 바람직하게는 8% 이하, 더 바람직하게는 최대 7.5% 이하여야 한다. 바람직한 경화능의 측면에서 상당히 낮은 통상적인 크롬의 함량은 7%이다.
그럼에도 불구하고, 상기 재료가 심각한 편석의 위험성 없이 바람직한 경화능을 얻기 위해서, 상기 합금강은 적어도 1.7% 몰리브덴, 바람직하게 1.7 내지 3% 몰리브덴, 더 바람직하게 2.1 내지 2.8 몰리브덴을 함유해야 한다. 통상적으로, 상기 강은 2.3% 몰리브덴을 함유해야 한다. 원리상으로, 몰리브덴은 2배의 텅스텐으로 완전 또는 부분적으로 대체될 수 있다. 그러나, 바람직하게 상기 강은 불순물 수치 이상으로 텅스텐을 함유하지 않는다.
실리콘 및 텅스텐은 공구강을 위해 정상적인 양을 함유한다. 그러므로, 상기 각각의 원소들은 0.1 내지 2% 범위, 바람직하게 0.2 내지 1.0% 범위의 양으로 강내부에 존재한다. 나머지 원소는 철과 불순물이며 부수적인 원소들이 정상적으로 포함된다. 여기서, 부수적인 원소들이란 강의 제조와 관련하여 정상적으로 첨가되어 잔류 원소들로서 존재하는 무해한 원소들을 의미한다.
본 발명에 따라 고려될 수 있는 바람직한 조성은 2.55 C, 0.5-1.0 Si, 0.5-1.0 Mn, 7.0 Cr, 8.0 V, 2.3 Mo, 나머지 철과 불가피한 불순물 및 부수적인 원소들로 이루어진다.
본 발명의 고려될 수 있는 바람직한 다른 조성은 2.7 C, 0.5-1.0 Si, 0.5-1.0 Mn, 7.0 Cr, 8.0 V, 2.3 Mo, 나머지 철과 불가피한 불순물 및 부수적인 원소들로 이루어진다.
본 발명의 고려될 수 있는 바람직한 또다른 조성은 2.45 C, 0.5-1.0 Si, 0.5-1.0 Mn, 7.5 Cr, 8.0 V, 2.3 Mo, 나머지 철과 불가피한 불순물 및 부수적인 원소들로 이루어진다.
본 발명에 따른 전술한 바람직한 조성은 냉각 가공강에 특히 적합하다. 세라믹 물품을 가공하기 위한 공구 또는 기계용 강의 용도에 적합한 조성은 3.5 C, 0.5-1.0 Si, 0.5-1.0 Mn, 7.0 Cr, 12.0 V, 2.3 Mo, 나머지 철과 불가피한 불순물 및 부수적인 원소들로 이루어진다.
상기 용도에 적합한 다른 바람직한 조성은 3.9 C, 0.5-1.0 Si, 0.5-1.0 Mn, 7.0 Cr, 14.0 V, 2.3 Mo, 나머지 철과 불가피한 불순물 및 부수적인 원소들로 이루어진다.
상기 용도에 적합한 또다른 바람직한 조성은 3.0 C, 0.5-1.0 Si, 0.5-1.0 Mn, 7.0 Cr, 10.0 V, 2.3 Mo, 나머지 철과 불가피한 불순물 및 부수적인 원소들로 이루어진다.
본 발명의 강재료의 제조에 있어서, 본 발명의 특징적인 화학 조성을 갖는 용탕이 먼저 제조된다. 이러한 용탕은 강괴나 주물로 제조되며, 용탕은 10 내지 40 체적%, 바람직하게 강의 의도적인 용도에 따라 10 내지 25 체적% 또는 20 내지 40 체적%의 MX형태의 경질 입자가 고화공정 중에 석출될 정도로 늦게 고화되며, 여기서 M은 바나듐 및/또는 니오븀, 바람직하게 바나듐이며, X는 탄소 및 질소, 바람직하게 탄소와 3 내지 20 의 크기를 갖는 50 체적%의 상기 경질 입자이며, 상기 강재료의 열처리와 관련하여, 가능하다면 소정의 제품 형상으로 열간가공 및/또는 기계가공 후에 상기 재료는 900 내지 1150 ℃의 온도 범위로 가열되며, 평형시 합금강의 미세 구조는 오스테나이트와 MX형태의 경질 입자로 구성되며, 상기 재료는 상기 온도에서 15분 내지 2시간의 주기동안 유지되며, 상기 온도로부터 상기 재료는 실온으로 냉각되며, 상기 강재료의 오스테나이트 기질은 고상용액내의 탄소와 1차 석출된 경질 입자를 함유하는 마르텐사이트로 변태되며, 계속해서 상기 재료는 150 내지 650 ℃의 온도에서 한 번 또는 여러 번 템퍼링 처리된다.
본 발명의 다른 특징 및 장점과 본 발명을 통해 달성될 수 있는 효과들은 첨부된 특허청구의 범위와 다음의 양호한 실험 및 그 데이타로부터 분명해 진다.
재료 및 실험의 수행
50 ㎏ 정도의 9개의 시험 합금이 제작되었으며 번호 1 내지 9로 나타냈다. 조성은 표 3에 제시되어 있다. 표 3에서, 몇몇 참조재료, 즉 AISI D2, 강 번호 10, AISI D6, 강 번호 11로 나타냈으며, 분말 야금학적으로 제조되고 상표명 바나디스 10 및 바나디스 4로 공지된 강을 번호 12 및 13으로 나타냈다.
AISI D2, 강 번호 10의 강에 대한 정상적인 실행에 따라 모든 강괴를 크기 60 × 60 ㎜로 단조하였으며, 바아는 베어미클라이트(vermiculate)로 냉각되었다. AISI D2에 대한 정상적인 실행에 따라 소프트 어닐링이 수행되었다.
명세서와 도면에 있어서, 다음과 같이 정의된 지정번호 및 약어가 사용되었다.
HB = 브리넬 경도
HV10 = 비커스 10 ㎏에 따른 경도
HRC = 로크웰에 따른 경도
t8-5= 800 ℃로부터 500℃로 냉각시키는데 필요한 초 단위로 표시된 냉각속도
TA= 템퍼링 온도 ℃
h = 시간
MC = MC 탄화물(여기서, M은 실질적인 바나듐)
M7C3= M7C3탄화물(여기서, M은 실질적인 크롬)
M7C3(층상조직-공정조직 변화) = 탄화물이 필수적으로 층상구조인 오스테나이트에서 M7C3탄화물의 공정 석출물
MS = 마르텐사이트 초기 형성온도
AC1= 오스테나이트로의 초기 변태온도
AC3= 오스테나이트로의 최종 변태온도
다음과 같은 실험이 수행되었다.
1. 소프트 어닐링 후의 경도(HB)
2. 주물 및 단조 상태에서 경화 및 템퍼링된 미세 구조
3. 1000, 1050 및 1100 ℃/30 분/공기에서의 오스테나이트화 후의 경도(HRC)
4. 200, 300, 400, 500, 525, 600 및 650 ℃/2 ×2시간에서의 템퍼링 후의 경도(HRC)
5. 3 개의 냉각속도 t8-5= 1241,2482 및 4964 초에서의 경화능
6. TA= 1050 ℃/30분/공기 및 TA= 1050 ℃/30QNS + 500℃/2 ×2시간 후의 나머지 오스테나이트 결정도
7. 실온 T = 1050 ℃/30분 + 525°/2 ×2시간에서 비압입 충격시험
8. 마모 실험, TA= 1050℃/30분 + 525℃/2 × 2시간
* 결과 *
소프트 어닐링된 상태에서의 경도
소프트 어닐링된 상태에서 실험된 합금의 경도가 표 5에 제시되어 있다.
〈 소프트 어닐링된 상태에서 실험 합금의 경도 〉
합금 강 번호 경도(HB)
2 237
3 249
5 275
6 277
7 295
8 311
9 319
11 240
12 275
미세-구조
주조 및 단조 상태에서의 경화 및 템퍼링 후의 미세-구조가 연구되었다. 가장 낮은 바나듐 함량을 갖는 강 번호 1 및 2의 두 합금에서, 탄화물은 길다란 형상에서 둥근 형상으로 변화되었으며 편석영역에서 열을 지어 배열되었다. 다른 합금은 균일한 분포의 둥근 형상의 MC 탄화물, 체적비로 주요 성분을 차지하며 템퍼링된 마르텐사이트에서 5 내지 20 ㎛ 크기를 갖는 특징적인 미세구조를 가진다. 또한 상당한 부분의 M7C3(층상의 공정조직)가 발생되었다. 그 결과가 표 6 및 도 2에 도시되어 있으며, 강 번호 8의 템퍼링 및 경화 상태(주조 및 단조)에서의 미세구조를 나타내며, TA= 1050℃/30분 + 525℃/2 × 2시간, 65.6 HRC였다.
〈 MC 및 M7C3(층상의 공정조직)로서 분리된 탄화물(체적%) 〉
합금 강 번호 측정된
MC M7C3 전체
2 1.6 5.4 7.0
3 3.7 6.0 9.7
5 10.2 5.8 16.0
7 13.9 6.2 20.1
8 9.5 12.9 22.4
9 14.4 13.1 27.6
20 ℃로의 30분 공냉 및 1000 내지 1100℃ 범위의 오스테나이트화 후의 경도가 도 4에 도시되어 있다. 도 5에 있어서, 525℃/2 ×2 시간 템퍼링 이후에 30분간 공냉 및 1000 내지 1100 ℃ 범위로의 오스테나이트화 대 경도를 나타낸다. 도 6은 실험된 합금에 대한 1050℃에서의 오스테나이트화 후의 템퍼링 곡선을 나타낸다. 모든 도면에 있어서, 강 번호 10은 참조예이다. 몰리브덴 및/또는 텅스텐을 함유하지 않는 상기 합금들은 강 번호 10(AISI D2)과 유사한 템퍼링 저항성을 가지는 반면에, 다른 합금들은 고속강과 유사한 템퍼링 저항성을 가진다. 경도는 1050 내지 1100℃ 사이의 오스테나이트화 및 500 내지 550℃에서의 템퍼링 후에 60 내지 66 HRC 범위로 변화된다.
경화능
강 번호 2, 7, 및 10의 경화능이 도 7a 및 도 7b에서 1050 ℃의 오스테나이트화 온도(30분)로부터 다수의 상이한 냉각속도에 대해 팽창계로 비교되었다. 강 번호 2에서와 같이 몰리브덴 및/또는 텅스텐을 함유하지 않으면, 경화능이 강 번호 10, AISI D2 보다 상당히 낮아진다. 그러나, 강 번호 7에서와 같이 약 3%의 몰리브덴을 첨가하면, 경화능이 강 번호 10의 경화능에 필적하거나 그 이상으로 된다.
Ms, Ac1, 및 Ac3는 실험된 합금의 일부에 대해 표 7에 나타냈다.
〈 전이 온도 〉
합금 강번호 Ms(℃) Ac1(℃) Ac3(℃)
2 180 800 860
7 150 780 900
10 180 810 880
11 220 795 835
12 245 860 920
인성
충격 에너지가 표 8에 주어진 강에 대해서 실온에서 측정되었다. 인성은 탄화물 함량 및 바나듐 함량이 증가하면서 감소되나 강 번호 10, AISI D2의 인성과 동일한 수치에서 약 9% V을 함유하는 강 번호 5 및 7의 함량에 대응하는 합금 함량을 나타내는 지점에서 유지되었다. 이는 6 내지 9% V의 함량 범위에서 본 발명의 강이 표 8의 레데부라이트 강 번호 10 보다 양호한 인성을 얻을 있다는 것을 나타낸다.
〈 실온에서 미압입 시편에 대한 충격 에너지; 실험 위치, 중심, 길이방향 〉
합금강번호 강도(HRC) 미압입충돌 에너지
2 56.5 12
3 56.5 11
5 58.5 8
6 58.5 7
7 65.5 8
8 64.5 7
9 65 6
10 59.5 8
연마 마모 저항성
연마 마모 저항성은 슬립 나녹스-디스크, SGB46HVX에 대해 수행된 내마모성 실험을 통해 평가되었다(표 9 참조). 일반적으로 내마모성은 탄화물의 크기와 수의 증가, 경도의 증가 및 더욱 경질의 MC 탄화물의 형성을 위한 V/Nb의 첨가에 의해 증가된다. 상기 표에서, 낮은 값은 높은 내마모성을 나타낸다(또는 그 반대).
〈 마모 실험 결과 〉
합금 강번호 경도(HRC) G 번호SGB46HVX
2 56.5 3.5
3 56.5 1
5 58.5 0.5
7 65.5 0.9
11 58 0.3
12 62 2
13 60.0 3.8

Claims (27)

  1. 용탕으로부터 강괴 또는 주물을 제조하는 방법을 포함하는 비-분말야금학적 방법으로 제조된 강 재료에 있어서,
    상기 강 재료는 중량% 단위로,
    탄소 : 2.0 - 4.3%
    실리콘 : 0.1 - 2.0%
    망간 : 0.1 - 2.0%
    크롬 : 5.6 - 8.5%
    니켈 : 최대 1.0%
    몰리브덴 : 1.7 - 3%, 여기서 Mo는 2배의 W로 완전 또는 부분적으로 대체가능
    니오븀 : 최대 2.0%
    바나듐 : 6.5 - 15%, 여기서 V는 최대 2% Nb, Nb의 두 배에 의해 완전 또는 부분적으로 대체가능
    질소 : 최대 0.3%
    나머지 성분으로서 철과 불순물 및 부가적인 원소들을 포함하는 화학조성을 갖는 합금으로 구성되며,
    상기 탄소의 함량, 다른 한편으로 바나듐의 함량 및 어떤 존재 가능한 니오븀의 함량이 서로에 대해 균형이 맞춰져, 상기 원소들의 함량이 도 2의 공동 좌표계에서 A, B'', E, F, B', B, C, D, A 영역내에 놓이며, 상기 지점들에 대한 V + 2 Nb/C + N 공동 좌표가,
    A : 9/3.1
    B'' : 9/2.85
    E : 15/4.3
    F : 15/3.75
    B' : 9/2.65
    B : 9/2.5
    C : 6.5/2.0
    D : 6.5/2.45가 되며,
    경화 및 템퍼링 후에 실온에서의 상기 강 재료는 55 내지 66 HRC 사이의 경도와, 실질적으로 마르텐사이트로 구성된 기질과 상기 기질내에 M이 바나듐 및/또느 니오븀이고 X가 탄소 및 질소인 MX 형태의 10 내지 40 체적%의 경질 입자로 구성되는 미세구조를 가지며,
    상기 경도와 미세구조는 비-분말야금학적 제조방법 및 900 내지 1150 ℃범위의 온도로 상기 강 재료를 가열하는 공정과, 15분 내지 2시간의 시간 주기동안에 상기 온도에서 상기 재료를 완전 가열하는 공정과, 상기 강 재료를 실온으로 냉각하고 150 내지 650 ℃의 온도에서 한 번이상 템퍼링하는 공정에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 + 질소의 함량과 바나듐의 함량 및 존재가능한 니오븀의 함량은 서로에 대해 균형이 맞춰져, 상기 원소들의 함량이 도 2의 공동 좌표계에서 A, B, C, D, A 영역내에 놓이며, 상기 지점들에 대한 V + 2 Nb/C + N 공동 좌표가
    A : 9/3.1
    B : 9/2.5
    C : 6.5/2.0
    D : 6.5/2.45로 되며,
    상기 기질은 MX 형태의 10 내지 25 체적%의 경질 입자를 함유하는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 탄소 + 질소의 함량과 바나듐의 함량 및 존재가능한 니오븀의 함량은 서로에 대해 균형이 맞춰져, 상기 원소들의 함량이 도 2의 공동 좌표계에서 A, B', C', D', A 영역내에 놓이며, 상기 지점들에 대한 V + 2 Nb/C + N 공동 좌표가
    A : 9/3.1
    B' : 9/2.65
    C' : 6.5/2.1
    D : 6.5/2.45로 되는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 탄소 + 질소의 함량과 바나듐의 함량 및 존재가능한 니오븀의 함량은 서로에 대해 균형이 맞춰져, 상기 원소들의 함량이 도 2의 공동 좌표계에서 A, B'', C'', D, A 영역내에 놓이며, 상기 지점들에 대한 V + 2 Nb/C + N 공동 좌표가
    A : 9/3.1
    B'' : 9/2.85
    C'' : 6.5/2.25
    D : 6.5/2.45로 되는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 탄소 + 질소의 함량과 바나듐의 함량 및 존재가능한 니오븀의 함량은 서로에 대해 균형이 맞춰져, 상기 원소들의 함량이 도 2의 공동 좌표계에서 A, B'', C''', D', A 영역내에 놓이며, 상기 지점들에 대한 V + 2 Nb/C + N 공동 좌표가
    A : 9/3.1
    B'' : 9/2.85
    C''' : 7.5/2.5
    D' : 7.5/2.7로 되는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 탄소 + 질소의 함량과 바나듐의 함량 및 존재가능한 니오븀의 함량은 서로에 대해 균형이 맞춰져, 상기 원소들의 함량이 도 2의 공동 좌표계에서 A, B', C', C'', C''', D', A 영역내에 놓이며, 상기 지점들에 대한 V + 2 Nb/C + N 공동 좌표가
    A : 9/3.1
    B' : 9/2.65
    C' : 6.5/2.1
    C'' : 6.5/2.25
    C''' : 7.5/2.5
    D' : 7.5/2.7로 되는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 탄소 + 질소의 함량과 바나듐의 함량 및 존재가능한 니오븀의 함량은 서로에 대해 균형이 맞춰져, 상기 원소들의 함량이 도 2의 공동 좌표계에서 B'', B', C', C'', B'' 영역내에 놓이며, 상기 지점들에 대한 V + 2 Nb/C + N 공동 좌표가
    B'' : 9/2.85
    B' : 9/2.65
    C' : 6.5/2.1
    C'' : 6.5/2.25로 되는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 탄소 + 질소의 함량과 바나듐의 함량 및 존재가능한 니오븀의 함량은 서로에 대해 균형이 맞춰져, 상기 원소들의 함량이 도 2의 공동 좌표계에서 D', C''', C'', D, D' 영역내에 놓이며, 상기 지점들에 대한 V + 2 Nb/C + N 공동 좌표가
    D' : 7.5/2.7
    C''' : 7.5/2.5
    C'' : 6.5/2.25
    D : 6.5/2.45로 되는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 탄소 + 질소의 함량과 바나듐의 함량 및 존재가능한 니오븀의 함량은 서로에 대해 균형이 맞춰져, 상기 원소들의 함량이 도 2의 공동 좌표계에서 B'', E, F, B', B'' 영역내에 놓이며, 상기 지점들에 대한 V + 2 Nb/C + N 공동 좌표가
    B'' : 9/2.85
    E : 15/4.3
    F : 15/3.75
    B' : 9/2.65로 되는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 탄소 + 질소의 함량과 바나듐의 함량 및 존재가능한 니오븀의 함량은 서로에 대해 균형이 맞춰져, 상기 원소들의 함량이 도 2의 공동 좌표계에서 B'', E'', F'', B', B'' 영역내에 놓이며, 상기 지점들에 대한 V + 2 Nb/C + N 공동 좌표가
    B'' : 9/2.85
    E'' : 11/3.35
    F'' : 11/3.05
    B' : 9/2.65로 되는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 탄소 + 질소의 함량과 바나듐의 함량 및 존재가능한 니오븀의 함량은 서로에 대해 균형이 맞춰져, 상기 원소들의 함량이 도 2의 공동 좌표계에서 E'', E', F', F'', E'' 영역내에 놓이며, 상기 지점들에 대한 V + 2 Nb/C + N 공동 좌표가
    E'' : 11/3.35
    E' : 13/3.85
    F' : 13/3.4
    F'' : 11/3.05로 되는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 탄소 + 질소의 함량과 바나듐의 함량 및 존재가능한 니오븀의 함량은 서로에 대해 균형이 맞춰져, 상기 원소들의 함량이 도 2의 공동 좌표계에서 E', E, F, F', E' 영역내에 놓이며, 상기 지점들에 대한 V + 2 Nb/C + N 공동 좌표가
    E' : 13/3.85
    E : 15/4.3
    F : 15/4.0
    F' : 13/3.4로 되는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 강 재료는 적어도 6% 크롬, 바람직하게는 적어도 6.5% 크롬을 함유하는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 강 재료는 8% 이하의 크롬, 바람직하게는 최대 7.5%의 크롬을 함유하는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  15. 제 1 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 강 재료는 2.1 내지 2.8% 몰리브덴을 함유하는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  16. 제 1 항 내지 제 8 항 또는 제 13 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 강 재료는 중량비로, 2.25 C, 0.5 내지 1.0 Si, 0.2 내지 1.0 Mn, 7.0 Cr, 8.0 V, 2.3 Mo를 함유하는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  17. 제 1 항 내지 제 8 항 또는 제 13 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 강 재료는 중량비로, 2.7 C, 0.5 내지 1.0 Si, 0.2 내지 1.0 Mn, 7.0 Cr, 8.0 V, 2.3 Mo를 함유하는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  18. 제 1 항 내지 제 8 항 또는 제 13 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 강 재료는 중량비로, 2.45 C, 0.5 내지 1.0 Si, 0.2 내지 1.0 Mn, 7.0 Cr, 7.0 V, 2.3 Mo를 함유하는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  19. 제 1 항 또는 제 9 항 또는 제 12 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 강 재료는 중량비로, 3.0 C, 0.5 내지 1.0 Si, 0.2 내지 1.0 Mn, 7.0 Cr, 10 V, 2.3 Mo를 함유하는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  20. 제 1 항 또는 제 9 항 또는 제 12 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 강 재료는 중량비로, 3.5 C, 0.5 내지 1.0 Si, 0.2 내지 1.0 Mn, 7.0 Cr, 12 V, 2.3 Mo를 함유하는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  21. 제 1 항 또는 제 9 항 또는 제 12 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 강 재료는 중량비로, 3.9 C, 0.5 내지 1.0 Si, 0.2 내지 1.0 Mn, 7.0 Cr, 14 V, 2.3 Mo를 함유하는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 MS 형태의 경질 입자의 적어도 50 체적%는 3 내지 20 ㎛, 바람직하게는 5 내지 20 ㎛범위의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 강 재료.
  23. 강 재료의 제조방법으로서,
    제 1 항 내지 제 21 항에 따른 화학 조성을 갖는 합금을 강괴 또는 주물로 주조되도록 용탕으로 제조하는 단계, 및
    MX 형태의 10 내지 40 체적%의 경질 입자들을 고화 공정중 상기 용탕내에 석출할 수 있도록 늦게 상기 용탕을 고화시키는 단계를 포함하며,
    상기 M은 바나듐 및/또는 니오븀, 바람직하게는 바나듐이며, 상기 X는 탄소 및 질소, 바람직하게는 탄소이며, 상기 경질 입자의 적어도 50 체적%는 3 내지 20 ㎛, 바람직하게는 5 내지 20 ㎛범위의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 강 재료의 제조방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    제 1 항 내지 제 8 항 또는 제 13 항 내지 제 18 항중 어느 한 항에 따른 화학 조성을 갖는 합금의 용탕이 먼저 제조되며, 상기 용탕은 강괴 또는 주물로 주조되며 MX 형태의 10 내지 25 체적%의 경질입자가 고화공정중에 석출되도록 늦게 고화되는 것을 특징으로 하는 강 재료의 제조방법.
  25. 제 23 항에 있어서,
    제 1 항 또는 제 9 항 내지 제 12 항 또는 제 19 항 내지 제 21 항중 어느 한 항에 따른 화학 조성을 갖는 합금의 용탕이 먼저 제조되며, 상기 용탕은 강괴 또는 주물로 주조되며 MX 형태의 20 내지 40 체적%의 경질입자가 고화공정중에 석출되도록 늦게 고화되는 것을 특징으로 하는 강 재료의 제조방법.
  26. 냉간가공 공구의 제조를 위한 제 1 항 내지 제 25 항중 어느 한 항에 따른 강 재료의 용도.
  27. 대량 연마 마모되는 마모 부품, 즉 제품을 위한 제 1 항 내지 제 25 항중 어느 한 항에 따른 강 재료의 용도.
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