KR20010111566A - 고경도의 분말 야금 공구강 및 이 공구강으로 제조되는 제품 - Google Patents

고경도의 분말 야금 공구강 및 이 공구강으로 제조되는 제품 Download PDF

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Abstract

경도와 인성이 특유하게 조합된 공구강 합금이 개시되어 있다. 이 합금은, 중량%로, 약 1.85 ~ 2.30의 탄소와, 약 0.15 ~ 1.0의 망간과, 약 0.15 ~ 1.0의 규소와, 최대 약 0.030의 인과, 약 0 ~ 0.30의 황과, 약 3.7 ~ 5.0의 크롬과, 합량이 최대 약 0.75인 니켈 및 구리와, 최대 약 1.0의 몰리브덴과, 약 6 ~ 12의 코발트와, 약 12.0 ~ 13.5의 텅스텐과, 약 4.5 ~ 7.5의 바나듐을 주성분으로 한다. 잔부는 주로 철과 일반 불순물이다. 합금 내에서, 상기 탄소, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 및 바나듐은 ΔC = ((0.033 W) + (0.063 Mo) + (0.06 Cr) + (0.2 V)) - C 로부터 계산되는 ΔC가 -0.05 ≤ ΔC ≤-0.42의 범위에 있도록 평형을 이룬다. 전술한 중량%의 조성을 갖는 고화된 합금 분말로부터 제조되는 분말 야금 공구강 제품은 열처리되면 적어도 약 69.5의 로크웰 C 경도를 제공한다.

Description

고경도의 분말 야금 공구강 및 이 공구강으로 제조되는 제품{HIGH-HARDNESS POWDER METALLURGY TOOL STEEL AND ARTICLE MADE THEREFROM}
AISI T15형 합금은 공지의 텅스텐 고속강 합금이다. T15형 합금은 우수한 고속 공구강 등급 중 하나로 고려되는데, 이는 상기 합금이 M2형 및 M4형과 같은 기타 고속 공구강 합금보다 양호한 조합의 경도 및 내마모성을 갖추었기 때문이다. T15형 합금은 실온에서 약 66 내지 67 HRC의 경도를 제공한다. 67 내지 68 HRC의 실온 경도를 제공할 수 있는 T15형 합금의 보다 고탄소의 것이 미국에서 시판되고 있다. 그러나, 공구 업계에는 T15형과 같은 공지 등급의 고속강 합금보다 우수하게 조합된 수준의 고온 경도를 포함한 경도와 내마모성을 제공하는 고속 공구강 합금에 대한 요구가 생기고 있다.
현재, 금속 절삭 공구 및 기어 호브와 같이 보다 많이 요구되고 있는 공구 용례에 유용한 물질에는 주로 2가지 종류, 즉 통상의 고속 공구강 및 초경 합금(cemented carbide) 물질이 있다. 공지의 고속강 합금은 분말 야금 기술에의해 제조될지라도 폭넓은 공구 용도에 요구되는 것이 있는데, 이는 그들 물질로 제조된 공구가 충분한 내마모성, 실온 경도 및 고온 경도가 부족하기 때문이다. 종래의 절삭유와 관련한 잠재적 환경상의 위험 때문에 절삭유를 이용하는 대신에 건식 가공을 이용하는 경향이 산업계에 현존한다. 금속 절삭 공구는 건식 가공 작업에 이용될 때 현저하게 높은 작동 온도에 직면하게 되는 경향이 있다. 공지의 고속강 합금의 대부분은 건식 절삭 작업에 이용하기에 적당하지 않은데, 그 이유는 내마모성과 경도가 극도의 온도 조건 하에서는 매우 급속하게 열화되기 때문이다.
공지의 고속 공구강의 한계를 극복하기 위하여, 초경질의 표면 코팅을 갖는 절삭 공구를 제조하여 이들 절삭 공구의 유효 수명을 향상시키는 한 가지 방법이 있었다. 이러한 코팅은 통상적으로 물리적 증착(PVD) 또는 화학적 증착(CVD)에 의하여 피복된다. 이러한 코팅은 통상적으로 약 HRC 70 보다 경질이며, 이는 기초 공구강보다 훨씬 경질이다. 매우 높은 경도의 코팅을 지지하도록 증가된 경도를 갖는 공구강 합금을 제공하는 것이 유리하다.
전술한 바와 같은 공지의 고속강 합금과 관련한 단점 때문에, 초경 합금 물질이 절삭 공구를 제작하는 데에 매우 매력적인 것으로 되었다. 초경 합금 물질은 실온 및 고온에서의 매우 큰 경도와, 매우 우수한 내마모성을 제공한다. 초경 공구 물질이 우수한 경도 및 내마모성을 제공하기는 하지만, 이들 물질은 몇가지 단점이 있다. 예컨대, 초경 공구는, 초경 블랭크(carbide blank)를 제조하는 비용과, 이 블랭크로부터 절삭 공구를 성형하는 추가의 비용 때문에, 제조하는 데 비용이 많이 든다. 추가로, 초경 공구는 매우 낮은 인성을 가지므로, 사용 중의 파손을 방지하도록 특히 주의해야 한다. 또한, 초강성의 기계가 초경 공구와 이용되어야만 하며, 따라서 현재의 절삭 기계의 대부분은 초경 공구와 안전하게 작동할 수 없다.
본 발명은 공구강 합금에 관한 것으로, 구체적으로 말하면 고속 공구강 합금과, 이 합금으로부터 제조되어 경도와 인성이 특유하게 조합된 분말 야금 제품에 관한 것이다.
본 발명에 따른 합금과, 이 합금으로 제조되는 강화된 분말 야금 제품은 공지의 고속 공구강 및 초경 합금 물질과 관련한 여러 가지 문제를 상당 부분 해결한다. 일반적으로, 본 발명은 경도, 고온 경도 및 인성이 특유하게 조합된 고경도의 고속 공구강 합금을 제공한다. 본 발명에 따른 합금의 넓은 범위, 중간 범위 및 바람직한 범위의 중량% 조성이 표 1에 기재되어 있다.
원소 광의의 범위 중간 범위 바람직한 범위
탄소 1.85 ~ 2.30 1.90 ~ 2.20 1.90 ~ 2.20
망간 0.15 ~ 1.0 0.15 ~ 0.90 0.15 ~ 0.90
규소 0.15 ~ 1.0 0.50 ~ 0.80 0.55 ~ 0.75
인 최대 0.030 최대 0.030 최대 0.030
황 0 ~ 0.30 0 ~ 0.30 0 ~ 0.30
크롬 3.7 ~ 5.0 4.0 ~ 5.0 4.25 ~ 5.00
니켈 + 구리 최대 0.75 최대 0.50 최대 0.50
몰리브덴 최대 1.0 최대 1.0 최대 1.0
코발트 6 ~ 12 7 ~ 11 7.5 ~ 10.5
텅스텐 12.0 ~ 13.5 12.25 ~ 13.5 12.5 ~ 13.5
바나듐 4.5 ~ 7.5 5.0 ~ 7.0 5.0 ~ 6.5
합금의 잔부는 주로 철과, 유사한 형태의 용도로 쓰이는 시판 등급의 고속 공구강에서 발견되는 통상의 불순물이다. 본 발명에 따른 합금의 탄소 함량은 매개변수 ΔC가 약 -0.05 ~ -0.42, 보다 양호하게는 -0.10 ~ -0.35, 바람직하게는 -0.15 ~ -0.25가 되도록 제어된다. 매개변수 ΔC는 ΔC = ((0.033 W) + (0.063 Mo) + (0.06 Cr) + (0.2 V)) - C 로부터 계산되고, 여기서 〔(0.033 W) + (0.063 Mo) +(0.06 Cr) + (0.2 V)〕는 합금의 탄소 평형용(carbon balance)이고, C는 합금의 실제 탄소 함량이고, W, Mo, Cr, V 및 C는 중량%로 제공된다.
본원 명세서 전체에 걸쳐서, "퍼센트" 또는 기호 "%"는 달리 지시하지 않으면 중량%를 의미한다.
경화 처리되고 템퍼링된 상태의 합금의 높은 경도에 유리하도록 합금에는 적어도 약 1.85%의 탄소가 존재한다. 탄소는, 합금의 우수한 내마모성에 기여하는 카바이드를 생성하도록 상기 합금 내의 카바이드 형성 원소와 결합한다. 합금은 적어도 약 1.90%의 탄소를 함유하는 것이 바람직하다. 탄소가 너무 많으면, 합금의 인성에 악영향을 끼치며, 너무 높은 수준에서는 합금의 달성 가능한 경도에 악영향을 끼칠 수 있다. 그러므로, 탄소는 합금에서 최대 약 2.30%, 바람직하게는 최대 약 2.20%로 제한된다. 합금에 카바이드가 형성될 때에 탄소가 소진되기 때문에, 탄소의 양은 요구되는 내마모성을 제공하도록 적절한 용적의 경질 카바이드 입자가 형성되게 할 뿐 아니라 합금의 요구되는 경도를 달성할 수 있게 충분한 탄소가 존재하도록 제어된다. 이를 위하여, 전술한 매개변수 ΔC가 이용되며, 이에 의하여 합금에 존재하는 탄소의 양은 상기 합금의 특징인 특유한 조합의 성질을 제공하도록 제어될 수 있다.
이 합금은 합금의 경화능(hardenability)에 유리하도록 적어도 약 0.15%의 망간을 함유한다. 본 발명에 따른 합금의 재가황된 예에서, 망간은 합금의 절삭성에 매우 유리한 망간 농후 황화물을 형성하도록 황과 결합된다. 망간이 너무 많으면, 합금에 취성을 야기한다. 그러므로, 망간은 최대 약 1.0%, 바람직하게는 최대 약 0.90%로 제한된다.
합금의 경화능과 경도 응답(hardness response)에 유리하도록 합금에는 적어도 약 0.15%, 보다 양호하게는 적어도 약 0.50%, 바람직하게는 적어도 약 0.55%의 규소가 존재한다. 규소는 용융 상태의 합금의 유동성에도 기여하는데, 이러한 유동성은 분말 야금 용도를 위한 합금의 미립화를 촉진한다. 규소가 너무 많으면, 합금의 양호한 인성에 악영향을 끼친다. 그러므로, 규소의 양은 최대 약 1.0%, 보다 양호하게는 최대 약 0.80%, 바람직하게는 최대 약 0.75%로 제한된다.
이 합금은 전술한 바와 같이 합금의 절삭성에 유리한 망간 농후 황화물을 형성하도록 약 0.30%에 이르는 황을 함유할 수 있다. 적어도 약 0.06%의 황이 그러한 목적에 효과적인 것으로 판명되었다. 절삭성에 유리하게 충분한 양의 황 화합물을 형성하기 위하여, 합금에 존재하는 망간 및 황의 양은 망간 대 황의 비율이 약 2:1 내지 4:1, 바람직하게는 약 2.5:1 내지 3.5:1이 되도록 선택된다. 황이 합금의 인성에 악영향을 끼치므로, 황은 이 합금의 절삭성이 증진된 예에서 최대 약 0.30%로 제한된다. 증진된 절삭성을 요하지 않는 경우, 황은 가능한 한 적게 유지되어야 한다. 그러므로, 재가황되지 않은 합금의 예에서, 황은 최대 약 0.06%, 보다 양호하게는 최대 약 0.030%, 바람직하게는 최대 약 0.020%로 제한된다.
합금의 경화능에 유리하도록 적어도 약 3.7%의 크롬이 존재한다. 이를 위하여, 합금은 적어도 약 4.0%, 보다 양호하게는 적어도 약 4.25%의 크롬을 함유하는 것이 바람직하다. 크롬은 크롬 카바이드를 형성하도록 이용할 수 있는 탄소와 결합된다. 그렇게 함으로써, 합금의 탄소가 소진된다. 이러한 탄소의 소진은 ΔC의 값을 증가시키고, 이는 합금의 경도와 인성에 악영향을 끼친다. 그러므로, 크롬은 이 합금에서 최대 약 5.0%로 제한된다.
코발트는 합금의 실온 경도 및 고온 경도 모두에 유리하기 때문에, 합금에 존재한다. 이러한 목적상, 합금은 적어도 약 6%, 보다 양호하게는 적어도 약 7%, 바람직하게는 적어도 약 7.5%의 코발트를 함유한다. 코발트가 너무 많으면, 합금의 양호한 인성에 악영향을 끼칠 수 있다. 그러므로, 코발트는 합금 내에 최대 약 12%, 보다 양호하게는 최대 약 11%, 바람직하게는 최대 약 10.5%로 제한된다.
이 합금은 합금의 2차 경도, 내마모성 및 고온 경도에 유리하도록 적어도 약 12.0%의 텅스텐을 함유한다. 텅스텐의 양이 너무 적으면, ΔC의 값이 너무 음의 값으로 되고, 이는 합금의 경도 및 인성에 악영향을 끼친다. 따라서, 합금은 적어도 약 12.25%, 더 양호하게는 적어도 약 12.5%의 텅스텐을 함유하는 것이 바람직하다. 합금에 텅스텐이 너무 많이 있으면, ΔC의 값은 너무 양의 값으로 되고, 이는 합금의 경도 성능에 악영향을 끼친다. 그러므로, 텅스텐은 이 합금에 최대 약 13.5%로 제한된다.
바나듐은 이 합금의 특징인 2차 경화 응답 및 템퍼링 저항(temper resistance)에 기여한다. 바나듐은 합금의 양호한 내마모성에 기여하는 바나듐 카바이드를 형성하도록 이용 가능한 탄소와 결합된다. 바나듐 카바이드는 결정립계(grain boundaries)를 피닝(pinning)함으로써 오스테나이트화 열처리 중에 합금의 결정 입도를 제어하는 것도 돕는다. 이러한 이유로, 합금에는 적어도 약4.5%의 바나듐이 존재한다. 적어도 약 5.0%의 바나듐이 존재하고 ΔC가 전술한 범위 내에서 유지될 때, 합금은 합금의 특징인 높은 경도 수준에서 예상외의 개선된 인성을 제공하는 것도 알아내었다. 바나듐이 너무 많으면, 합금의 인성과 경도에 악영향을 끼친다. 보다 구체적으로, 과도한 바나듐은 이 합금에 취성을 야기할 수 있다. 또한, 바나듐이 이 합금 내의 탄소와 적절하게 평형을 이루지 않으면, 바나듐과 결합되는 탄소가 불충분한 경우 합금의 경도가 악영향을 받는다. 그러므로, 바나듐은 최대 약 7.5%, 보다 양호하게는 최대 약 7.0%, 바람직하게는 최대 약 6.5%로 제한된다.
일부의 텅스텐을 대신하여 합금에는 소량의 몰리브덴이 존재할 수 있다. 바람직하게는, 몰리브덴은 최대 약 1.0%로 제한되는데, 그 이유는 몰리브덴이 너무 많으면 ΔC가 보다 양으로 되어, 합금의 높은 경도에 악영향을 끼치기 때문이다.
합금의 잔부는 유사한 용도 또는 용례를 위한 시판 등급의 고속 공구강 합금에 존재하는 소량의 일반 불순물을 제외하고는 철이다. 보다 구체적으로, 합금 내에서 니켈 및 구리는 고온 오스테나이트화 열처리 후에 합금에 남아있는 오스테나이트를 최소화하도록 제한된다. 0.75%에 이르는 니켈 또는 0.75%에 이르는 구리가 이 합금에 존재할 수 있으며, 모두 존재하는 경우 니켈과 구리의 합량은 최대 약 0.75%로 제한된다. 바람직하게는, 합금에는 니켈과 구리의 합량이 최대 약 0.50% 존재한다. 이 합금에는 약 0.1%에 이르는 마크네슘과 약 0.1%에 이르는 티타늄이 존재할 수 있다. 추가로, 합금은 질소 가스로 미립화될 때 질소가 유입될 수 있다. 그러나, 최대 약 0.12%, 바람직하게는 최대 약 0.08%의 질소가 상기 합금으로형성된 질소-미립화 금속 분말에 존재하는 것으로 예상된다. 인은 최대 약 0.030%로 제한된다.
이 합금은 고속 공구강 제조용으로 알려진 어떠한 종래의 공정에 의해서도 제조될 수 있다. 바람직하게는, 합금은 분말 야금 기술에 의해 성형된다. 예컨대, 바람직하게는 질소 가스로 시편을 용융 및 미립화하여 금속 분말을 형성한다. 금속 분말을 요구되는 메시 크기로 체질(screen)하고, 혼합하며, 거의 전체적으로 조밀한 강편(billet) 또는 그 외의 형상으로 고화한다. 고화는 고온 등압 압축 성형, 급속 등압 압축 성형, 또는 다짐(compaction)과 분쇄(reduction)의 동시 작용과 같은 어떠한 공지의 공정에 의해서도 수행된다. 뒤이어, 그에 따른 압축물은 프레스 단조, 회전 단조 또는 롤링과 같은 추가의 기계 가공이 이루어진다.
예
본 발명에 따른 합금에 의해 제공되는 특유한 조합의 성질을 설명하기 위하여, 11개의 실험용 시편을 준비하였다. 각 시편의 중량% 조성을 이하의 표 2에 기재하였다.
원소 예 1 예 2 예 3 예 4 예 5 예 6 시편 A 시편 B 시편 C 시편 D 시편 E
탄소 1.96 2.11 1.95 2.18 2.18 2.26 1.85 2.12 1.93 2.13 2.31
망간 0.60 0.65 0.61 0.62 0.63 0.62 0.60 0.65 0.60 0.60 0.60
규소 0.65 0.64 0.67 0.66 0.65 0.65 0.63 0.63 0.64 0.64 0.65
인 0.008 0.006 0.008 0.008 0.007 0.006 0.010 0.005 0.010 0.010 0.010
황 0.24 0.23 0.23 0.24 0.25 0.24 0.23 0.24 0.24 0.24 0.24
크롬 4.74 4.80 4.77 4.81 4.87 4.89 4.69 4.87 4.74 4.73 4.81
니켈 0.26 0.20 0.24 0.21 0.20 0.20 0.27 0.20 0.26 0.25 0.25
몰리브덴 0.19 0.22 0.20 0.22 0.22 0.22 0.20 0.24 0.20 0.20 0.20
구리 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.06 0.07 0.06 0.06 0.07
코발트 7.54 10.12 10.10 7.62 10.15 10.14 4.99 5.10 5.00 4.98 5.04
텅스텐 13.18 13.02 13.32 12.99 12.87 12.95 12.87 12.78 12.82 12.97 13.17
바나듐 4.95 6.15 5.13 5.19 5.29 5.76 5.02 6.09 5.04 4.97 5.08
질소 0.069 0.080 0.082 0.072 0.075 0.083 0.07 0.089 0.08 0.075 0.07
ΔC -0.24 -0.15 -0.19 -0.41 -0.39 -0.37 -0.13 -0.17 -0.20 -0.41 -0.56
각각의 경우에, 잔부는 철과 일반 불순물이다.
예 1 내지 6은 본 발명의 범위 내에 있는 합금을 표시하며, 시편 A 내지 E는 비교 합금이다. 공칭 300lb(136kg)의 시편을 질소 가스의 부분 압력 하에서 유도 용융하고, 뒤이어 질소 가스로 미립화하였다. 각 시편의 최종 금속 분말을 40 메시로 체질하고, 혼합하고, 뒤이어 원주 8인치 ×길이 23인치(20.3㎝ ×58.4㎝)의 연강 캔에 충전하였다. 그 캔을 400℉(703℃)에서 진공 배기시키고, 뒤이어 2050℉(1121℃)의 온도에서 4~5시간 동안 15ksi(103.4 MPa)로 고온 등압 압축 성형(HIP'd)하였다. 상기 고온 등압 압축 성형한(HIP'd) 캔을 2100℉(1149℃)의 단조 온도로부터 5 1/2 인치(14㎝)의 이중 팔각형 강편으로 단조하였다. 이 이중 팔각형 강편을 버미큐라이트(vermiculite) 냉각하고, 1400℉(760℃)에서 6시간 동안 응력 완화하고, 뒤이어 공냉시켰다. 응력 완화된 강편을 2100℉(1149℃)의 단조 온도로부터 4인치(10.2㎝)의 원형 바로 회전 단조하였다. 이와 같이 단조된 바를 1400℉(760℃)로 4시간 동안 응력 완화하고, 뒤이어 공냉시켰다. 다음에, 바를1616℉(880℃)에서 8시간 동안 더 어닐링하고, 18℉/hr(10℃/hr)로 1202℉(650℃)까지 냉각하고, 뒤이어 로 냉각하였다.
각 시편의 애닐링된 바(bar)로부터 로크웰 경도의 시험을 위한 표준 크기의 큐브 시편을 절삭하였다. 큐브 시편을 1600℉(871℃)의 염에서 5분간 예열하고, 2250℉(1232℃)의 염에서 3분간 오스테나이트화하고, 뒤이어 오일에서 담금질하였다. 한 세트의 큐브를 1000℉(538℃)에서 2시간 동안 템퍼링하고, 다른 세트의 큐브를 1025℉(552℃)에서 2시간 동안 템퍼링하였다. 템퍼링 후에, 모든 큐브를 -100℉(-73.3℃)에서 1시간 동안 냉각 처리하고, 뒤이어 공기 중에서 실온으로 가열하였다. 그 다음에, 제1 세트의 큐브를 1000℉(538℃)에서 2시간씩 2번 템퍼링하고, 제2 세트의 큐브를 1025℉(552℃)에서 2시간씩 2번 동안 템퍼링하였다. 여전히 상용되는 공정 중에 합금의 최대 용융을 제공하도록 2250℉(1232℃)의 오스테나이트 처리 온도를 선택하였다. 오스테나이트화 후에 합금에 유지되는 오스테나이트의 양을 최소화하도록 냉각 처리와 세 번의 템퍼링을 이용한다. 이 합금에 최대의 경도를 제공하도록 1000℉(538℃)의 템퍼링 온도를 선택하는 한편, 경도는 약간 낮은 수준이지만 합금에 보다 양호한 인성을 제공하도록 1025℉(552℃)의 템퍼링 온도를 선택하였다.
각 시편으로부터 전술한 바와 같이 템퍼링된 샘플에 대한 실온 경도 시험의 결과를 표 3에 기재한다. 이들 결과는 로크웰 C-스케일(HRC)로 표시되고 각 샘플에 대한 5번 실험의 평균치를 나타낸다.
템퍼링 온도 예 1 예 2 예 3 예 4 예 5 예 6 시편 A 시편 B 시편 C 시편 D 시편 E
1000℉(538℃) 69.5 69.5 70.0 69.5 70.0 70.5 68.0 69.0 69.0 68.5 67.5
1025℉(552℃) 69.5 69.5 69.5 69.5 70.0 70.0 68.5 69.0 69.0 68.5 68.5
고온 경도 시험을 위하여 각 시편의 어닐링된 바로부터 1인치 ×2인치 ×3인치(2.5㎝ ×5.1㎝ ×7.6㎝)의 시험 샘플을 잘라내었다. 이들 샘플을 실온 경도 시험 샘플에 대하여 사용한 것과 동일한 열처리를 활용하여 경화 및 템퍼링하였다. 그러나, 이 시험을 위한 시편은 단지 1025℉(552℃)에서만 템퍼링하였다. 각 시편에 대한 고온 경도 시험의 결과를 이하의 표 4에 기재한다. 시편을 1000℉(538℃)의 온도로 유지하면서 경도 값을 측정하였다. 이 시험을 위하여 브리넬 경도 시험을 이용하였고, 그 브리넬 경도 값을 HRC로 변환하였다. 결과는 로크웰 C-스케일(HRC)로 표시되며, 각 샘플에 대한 2번 실험의 평균치를 나타낸다.
예 1 예 2 예 3 예 4 예 5 예 6 시편 A 시편 B 시편 C 시편 D 시편 E
HRC 61.0 63.0 61.0 60.0 62.0 62.5 58.0 58.0 62.5 62.0 62.0
기계 공구 산업에서 보다 많이 요구되는 조건을 위한 고속 공구 물질로서 유용하도록, 고속 공구강 합금은 적어도 약 70 HRC의 경도를 제공해야 한다. 실질적인 목적을 위하여, 요구되는 경도 수준에서 공지의 시험 기계의 정확도와 시험 블록의 예상 편차를 고려할 때 약 69.5 HRC의 경도가 받아들일 만한 것으로 고려된다. 표 3의 데이터는, 본 발명에 따른 합금의 예 1 내지 예 6이 각 템퍼링 온도에서 요구되는 수준의 실온 경도를 제공하는 반면, 시편 A 내지 E는 어느 것도 요구되는 수준의 경도를 얻을 수 없다는 것을 보여준다. 표 4의 데이터는, 본 발명에 따른 합금의 예가 60 HRC 이상의 고온 경도를 지속적으로 제공하는 반면, 비교예 중 일부는 그렇지 않다는 것을 보여준다.
본 발명에 따른 합금의 다른 중요한 특징은 합금의 특징인 현저하게 높은 경도에서 받아들일 만한 인성을 제공한다는 것이다. 이러한 합금의 양호한 인성을 나타내기 위하여, 각 시편의 바로부터 절삭한 표준의 노치가 없는 아이조드 시편에 대하여 아이조드 시험(Izod testing)을 수행하였다. 시편을 종방향으로 정향되게 잘랐다. 아이조드 시편을 전술한 실온 경도 시편과 동일한 방식으로 경화 및 템퍼링하였다. 각 시편의 경도도 측정하였다.
각 시편의 로크웰 경도(HRC)와 아이조드 충격 인성〔ft.-lbs(J)〕을 포함한 실온 시험의 결과를 표 5A 및 표 5B에 기재한다. 표 5A는 1000℉(538℃)에서 템퍼링한 시편의 결과를 보여주고, 표 5B는 1025℉(552℃)에서 템퍼링한 시편의 결과를 보여준다. 각 조성에 대해 3배의 시편을 시험하여 개별적인 충격 인성을 그들의 평균치와 함께 조사한다. 아이조드 시험은 개별적인 판독치 사이에 현저한 편차가 있을 수 있다. 그러므로, 결과를 비교할 때에는 평균값을 고려하는 것이 적당하다.
충격 인성
예/시편 HRC 개별값 평균값
1 69.5 12.0, 11.0, 11.5(16.3, 14.9, 15.6) 11.5(15.6)
2 69.5 7.5, 5.5, 6.5(10.2, 7.5, 8.8) 6.5(8.8)
3 69.5 4.0, 1.0, 7.5(5.4, 1.4, 10.2) 4.2(5.7)
4 69.5 3.0, 6.0, 7.0(4.1, 8.1, 9.5) 5.3(7.2)
5 70.0 6.5, 8.0, 5.5(8.8, 10.8, 7.5) 6.7(9.1)
6 70.0 6.0, 7.0, 4.0(8.1, 9.5, 5.4) 5.7(7.7)
A 68.5 19.0, 20.0, 13.5(25.7, 27.1, 18.3) 17.5(23.7)
B 69.0 7.5, 16.5, 17.0(10.2, 22.4, 23.0) 13.7(18.6)
C 69.0 7.5, 14.5, 8.5(10.2, 19.7, 11.5) 10.2(13.8)
D 68.0 7.0, 8.0, 8.0(9.5, 10.8, 10.8) 7.7(10.4)
E 67.5 7.0, 3.5, 7.0(9.5, 4.7, 9.5) 5.8(7.8)
충격 인성
예/시편 HRC 개별값 평균값
1 69.5 9.0, 8.0, 8.0(12.2, 10.8, 10.8) 8.3(11.3)
2 69.5 13.0, 8.0, 10.5(17.6, 10.8, 14.2) 10.5(14.2)
3 69.5 5.0, 6.0, 11.5(6.8, 8.1, 15.6) 7.5(10.2)
4 69.5 8.0, 8.0, 13.5(10.8, 10.8, 18.3) 9.8(13.3)
5 70.0 5.0, 5.0, 5.5(6.8, 6.8, 7.5) 5.2(7.1)
6 70.0 6.5, 4.0, 4.5(8.8, 5.4, 6.1) 5.0(6.8)
A 68.5 16.5, 16.0, 20.0(22.4, 21.7, 27.1) 17.5(23.7)
B 69.0 11.5, 12.0, 12.0(15.6, 16.3, 16.3) 11.8(16)
C 69.0 9.5, 4.0, 6.5(12.9, 5.4, 8.8) 6.7(9.1)
D 68.0 8.0, 5.5, 6.0(10.8, 7.5, 8.1) 6.5(8.8)
E 67.5 4.0, 6.0, 4.0(5.4, 8.1, 5.4) 4.7(6.4)
본 발명에 따른 것과 같은 고경도의 고속 공구강 합금을 위한 적절한 인성은 1000℉(538℃)에서 템퍼링된 물질에 대해서는 적어도 6 ft-lbs(8.1J)의 아이조드 충격 인성 값, 또는 1025℉(552℃)에서 템퍼링된 물질에 대해서는 적어도 7 ft-lbs(9.5J)의 값으로 표시된다. 이들 임계값은 공지의 고속 공구강 합금에 의해 제공되는 충격 인성의 수준보다 어느 정도 낮지만, 공지의 합금은 본 발명의 합금의 매우 높은 경도를 제공하지 못하는 것을 인식하는 것이 중요하다. 더욱이, 임계값은 매우 높은 경도 수준을 제공하는 초경 공구 물질에 의해 제공되는 인성보다 훨씬 양호한 값이다. 산업상의 관점에서 보면, 공구에서 보다 우수한 인성을 얻거나 공구에 대하여 보다 높은 작업 온도 범위를 얻기 위하여 일반적으로 대부분의 공구제작자가 1025℉(552℃) 또는 그 이상의 템퍼링 온도를 이용하므로, 1025℉(552℃)에서 템퍼링된 후의 고속 공구강 합금의 인성이 훨씬 크다는 것은 중요하다.
전체적으로 고려해보면, 표 5A 및 표 5B의 데이터는 본 발명에 따른 합금의 예는 다른 합금 조성의 시편에 비해서 우수한 조합의 경도와 인성을 제공하는 것을 보여준다. 표 5A의 데이터는 예 1, 2 및 5가 비교 시편 A 내지 D 중 어느것 보다도 현저하게 높은 경도 수준에서 6 ft-lbs(8.1J)의 최소 아이조드 충격 인성 기준을 충족하거나 초과하는 것을 보여준다. 높은 경도가 고속 공구 물질의 주요 요구 조건이므로, 예 3, 4, 6은 인성이 중요한 관심사가 아닌 용구의 용도에 대해서는 적절한 조성이다. 시편 E는 최소 경도 기준과 최소 인성 기준 모두를 만족시키지 못한다. 표 5B의 데이터는 예 1, 2, 3, 4가 비교 시편 A 또는 B보다 현저하게 높은 경도 수준에서 7 ft-lbs(9.5J)의 최소 아이조드 충격 인성 기준을 만족하거나 초과하는 것을 보여준다. 시편 C, D, E는 최소 경도 기준과 최소 인성 기준 모두를 만족시키지 못한다.
본원 명세서에 채용된 용어나 표현은 설명의 의도로 사용된 것이며, 한정의 의도는 없다. 이러한 용어나 표현은 본원 명세서에 기재되고 표시된 특징부 또는 요소의 어떠한 등가물도 배제하고자 사용한 것은 아니다. 그러나, 청구된 본원 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것을 인지해야 한다.

Claims (30)

  1. 경도와 인성이 특유하게 조합된 공구강 합금으로서,
    중량%로, 약 1.85 ~ 2.30의 탄소와, 약 0.15 ~ 1.0의 망간과, 약 0.15 ~ 1.0의 규소와, 최대 약 0.030의 인과, 약 0 ~ 0.30의 황과, 약 3.7 ~ 5.0의 크롬과, 합량이 최대 약 0.75인 니켈 및 구리와, 최대 약 1.0의 몰리브덴과, 약 6 ~ 12의 코발트와, 약 12.0 ~ 13.5의 텅스텐과, 약 4.5 ~ 7.5의 바나듐을 주성분으로 하며, 잔부는 주로 철과 일반 불순물이며, 상기 탄소, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 및 바나듐은 ΔC = ((0.033 W) + (0.063 Mo) + (0.06 Cr) + (0.2 V)) - C 로부터 계산되는 ΔC가 -0.05 ≤ ΔC ≤-0.42의 범위에 있도록 평형을 이루는 것을 특징으로 하는 공구강 합금.
  2. 제1항에 있어서, 약 1.90% 이상의 탄소를 함유하는 것을 특징으로 하는 공구강 합금.
  3. 제1항에 있어서, 약 4.0% 이상의 크롬을 함유하는 것을 특징으로 하는 공구강 합금.
  4. 제1항에 있어서, 약 7% 이상의 코발트를 함유하는 것을 특징으로 하는 공구강 합금.
  5. 제1항에 있어서, 약 12.25% 이상의 텅스텐을 함유하는 것을 특징으로 하는 공구강 합금.
  6. 제1항에 있어서, 약 5.0% 이상의 바나듐을 함유하는 것을 특징으로 하는 공구강 합금.
  7. 제1항에 있어서, 최대 약 0.06%의 황을 함유하는 것을 특징으로 하는 공구강 합금.
  8. 경도와 인성이 특유하게 조합된 공구강 합금으로서,
    중량%로, 약 1.90 ~ 2.20의 탄소와, 약 0.15 ~ 0.90의 망간과, 약 0.50 ~ 0.80의 규소와, 최대 약 0.030의 인과, 약 0 ~ 0.30의 황과, 약 4.0 ~ 5.0의 크롬과, 합량이 최대 약 0.50인 니켈 및 구리와, 최대 약 1.0의 몰리브덴과, 약 7 ~ 11의 코발트와, 약 12.25 ~ 13.5의 텅스텐과, 약 5.0 ~ 7.0의 바나듐을 주성분으로 하며, 잔부는 주로 철과 일반 불순물이며, 상기 탄소, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 및 바나듐은 ΔC = ((0.033 W) + (0.063 Mo) + (0.06 Cr) + (0.2 V)) - C 로부터 계산되는 ΔC가 -0.10 ≤ ΔC ≤-0.35의 범위에 있도록 평형을 이루는 것을 특징으로 하는 공구강 합금.
  9. 제8항에 있어서, 약 4.25% 이상의 크롬을 함유하는 것을 특징으로 하는 공구강 합금.
  10. 제8항에 있어서, 약 7.5% 이상의 코발트를 함유하는 것을 특징으로 하는 공구강 합금.
  11. 제8항에 있어서, 약 12.5% 이상의 텅스텐을 함유하는 것을 특징으로 하는 공구강 합금.
  12. 제8항에 있어서, -0.15 ≤ ΔC ≤-0.25인 것을 특징으로 하는 공구강 합금.
  13. 제8항에 있어서, 최대 약 0.06%의 황을 함유하는 것을 특징으로 하는 공구강 합금.
  14. 경도와 인성이 특유하게 조합된 공구강 합금으로서,
    중량%로, 약 1.90 ~ 2.20의 탄소와, 약 0.15 ~ 0.90의 망간과, 약 0.55 ~ 0.75의 규소와, 최대 약 0.030의 인과, 약 0 ~ 0.30의 황과, 약 4.25 ~ 5.00의 크롬과, 합량이 최대 약 0.50인 니켈 및 구리와, 최대 약 1.0의 몰리브덴과, 약 7.5 ~ 10.5의 코발트와, 약 12.5 ~ 13.5의 텅스텐과, 약 5.0 ~ 6.5의 바나듐을 주성분으로 하며, 잔부는 주로 철과 일반 불순물이며, 상기 탄소, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 및 바나듐은 ΔC = ((0.033 W) + (0.063 Mo) + (0.06 Cr) + (0.2 V)) - C 로부터 계산되는 ΔC가 -0.15 ≤ ΔC ≤-0.25의 범위에 있도록 평형을 이루는 것을 특징으로 하는 공구강 합금.
  15. 제14항에 있어서, 최대 약 0.06%의 황을 함유하는 것을 특징으로 하는 공구강 합금.
  16. 경도와 인성이 특유하게 조합된 분말 야금 공구강 제품으로서,
    중량%로, 1.85 ~ 2.30의 탄소와, 0.15 ~ 1.0의 망간과, 0.15 ~ 1.0의 규소와, 최대 0.030의 인과, 0 ~ 0.30의 황과, 3.7 ~ 5.0의 크롬과, 합량이 최대 0.75인 니켈 및 구리와, 최대 1.0의 몰리브덴과, 6 ~ 12의 코발트와, 12.0 ~ 13.5의 텅스텐과, 4.5 ~ 7.5의 바나듐을 함유하고, 잔부는 주로 철과 일반 불순물인 고화된 합금 분말로부터 제조되며,
    상기 탄소, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 및 바나듐은 ΔC = ((0.033 W) + (0.063 Mo) + (0.06 Cr) + (0.2 V)) - C 로부터 계산되는 ΔC가 -0.05 ≤ ΔC ≤-0.42의 범위에 있도록 평형을 이루며, 열처리되면 약 69.5이상의 로크웰 C 경도를 제공하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 공구강 제품.
  17. 제16항에 있어서, 상기 합금 분말은 약 1.90 ~ 2.20%의 탄소를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 공구강 제품.
  18. 제16항에 있어서, 상기 합금 분말은 약 4.0 ~ 5.0%의 크롬을 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 공구강 제품.
  19. 제16항에 있어서, 상기 합금 분말은 약 7 ~ 11%의 코발트를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 공구강 제품.
  20. 제16항에 있어서, 상기 합금 분말은 약 12.25 ~ 13.5%의 텅스텐을 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 공구강 제품.
  21. 제16항에 있어서, 상기 합금 분말은 약 5.0 ~ 7.0%의 바나듐을 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 공구강 제품.
  22. 제16항에 있어서, 상기 합금 분말은 최대 약 0.06%의 황을 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 공구강 제품.
  23. 경도와 인성이 특유하게 조합된 분말 야금 공구강 제품으로서,
    중량%로, 1.90 ~ 2.20의 탄소와, 0.15 ~ 0.90의 망간과, 0.50 ~ 0.80의 규소와, 최대 0.030의 인과, 0 ~ 0.30의 황과, 4.0 ~ 5.0의 크롬과, 합량이 최대 0.50인 니켈 및 구리와, 최대 1.0의 몰리브덴과, 7 ~ 11의 코발트와, 12.25 ~ 13.5의텅스텐과, 5.0 ~ 7.0의 바나듐을 함유하고, 잔부는 주로 철과 일반 불순물인 고화된 합금 분말로부터 제조되며,
    상기 탄소, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 및 바나듐은 ΔC = ((0.033 W) + (0.063 Mo) + (0.06 Cr) + (0.2 V)) - C 로부터 계산되는 ΔC가 -0.10 ≤ ΔC ≤-0.35의 범위에 있도록 평형을 이루며, 열처리되면 약 69.5 이상의 로크웰 C 경도를 제공하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 공구강 제품.
  24. 제23항에 있어서, 상기 합금 분말은 약 4.25 ~ 5.00%의 크롬을 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 공구강 제품.
  25. 제23항에 있어서, 상기 합금 분말은 약 7.5 ~ 10.5%의 코발트를 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 공구강 제품.
  26. 제23항에 있어서, 상기 합금 분말은 약 12.5 ~ 13.5%의 텅스텐을 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 공구강 제품.
  27. 제23항에 있어서, 상기 합금 분말은 약 5.0 ~ 6.5%의 바나듐을 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 공구강 제품.
  28. 제23항에 있어서, 상기 합금 분말은 최대 약 0.06%의 황을 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 공구강 제품.
  29. 경도와 인성이 특유하게 조합된 분말 야금 공구강 제품으로서,
    중량%로, 1.90 ~ 2.20의 탄소와, 0.15 ~ 0.90의 망간과, 0.55 ~ 0.75의 규소와, 최대 0.030의 인과, 0 ~ 0.30의 황과, 4.25 ~ 5.00의 크롬과, 합량이 최대 0.50인 니켈 및 구리와, 최대 1.0의 몰리브덴과, 7.5 ~ 10.5의 코발트와, 12.5 ~ 13.5의 텅스텐과, 5.0 ~ 6.5의 바나듐을 함유하고, 잔부는 주로 철과 일반 불순물인 고화된 합금 분말로부터 제조되며,
    상기 탄소, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐 및 바나듐은 ΔC = ((0.033 W) + (0.063 Mo) + (0.06 Cr) + (0.2 V)) - C 로부터 계산되는 ΔC가 -0.15 ≤ ΔC ≤-0.25의 범위에 있도록 평형을 이루며, 열처리되면 약 69.5 이상의 로크웰 C 경도를 제공하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 공구강 제품.
  30. 제29항에 있어서, 상기 분말 합금은 최대 0.06%의 황을 함유하는 것을 특징으로 하는 분말 야금 공구강 제품.
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