KR20060083142A

KR20060083142A - 냉간공구강

Info

Publication number: KR20060083142A
Application number: KR1020060003210A
Authority: KR
Inventors: 다까유끼 시미즈; 야스다까 이께우찌; 도시미쯔 후지이
Original assignee: 다이도 도꾸슈꼬 가부시끼가이샤
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2006-07-20
Also published as: TW200624570A; US20060157163A1; CN100564569C; CN1811004A; JP2006193790A

Abstract

본 발명은 저경도화를 실현하여, 냉간가공(단조, 프레스 등)과 절삭가공(밀링커터, 드릴, 엔드밀, 연삭, 선삭)을 실행하기 쉬운 냉간공구강을 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기과제를 해결하기 위해, 본 발명의 냉간공구강은, 중량%로서, 0.6% C 1.60%, 0.10% Si 1.20%, 0.10% Mn 0.60%, 5.5% Cr 13.0%, 0.80% Mo+0.5W 2.10%, 0.10% V 0.40%, 0.0002% 0 0.0080%, 0.001 A1 0.10을 포함하고, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되고, 변태점 Ar3이 750℃ 이상 850℃ 이하이고, (Ar3+50℃) 이하 1050℃ 이하의 온도로 가열유지하는 구상화 풀림처리 후의 조직단면에서 관찰되는 원상당지름 범위 0.1㎛ 이상 3㎛ 이하에 속하는 탄화물의 평균 원상당지름이 0.25㎛ 이상 0.8 ㎛ 이하이고, 상기 구상화 풀림처리 후의 브리넬 경도가 HB179 이상 HB235 이하이고, 또한, JIS G 0555로 규정되는 B계 개재물 및 C계 개재물에 대한 강의 청정도가 (dB+dC)60×400

Description

냉간공구강 {Cold working die steel}

본 발명은 냉간에 있어서, 단조, 프레스에 의해 가공되는 냉간금형과 구조부재, 내마모성이 요구되는 기계부품, 냉간단조펀치ㆍ다이스, 고장력강판의 성형형(成形型), 벤딩형(型), 냉간단조금형, 스웨이징다이스, 나사전조다이스, 펀치부재, 슬리터나이프, 리드프레임펀칭형(型), 게이지, 딥드로오잉펀치, 벤딩형펀치, 쉬어블레이드(shear blade), 스테인리스강의 벤딩형, 드로오잉형, 압연단조 등의 소성가공공구, 기어용펀치, 캠부품, 프레스펀칭형, 순차이송펀칭형, 토사송급장치의 실플레이트, 스크류부재, 콘크리트분사기용 로터리플레이트, IC봉지형(封止型), 높은 치수의 정밀도가 요구되는 정밀프레스형, CVD처리ㆍPVD처리ㆍTD처리 등의 표면처리를 실행한 후에 사용되는 상기 용도의 금형 등에 사용되는 냉간공구강에 관한 것이다.

냉간금형용강으로서는 종래부터 JIS 4404의 고합금냉간다이스의 대표적 강종인 SKD11이나 SKD12 등이 사용되어 왔다. 이들 냉간금형용강은 열간가공 후(단조ㆍ압연 등), 오오스테나이트화 온도인 Ar3점에서 Ar3점＋50℃까지의 온도범위로 가열하여 서냉시키는 풀림(annearing)처리가 연화처리로 실시되어 냉간가공에 공급된다. 이러한 풀림처리 조건에 의해 얻어지는 풀림 경도는 브리넬 경도로 HB241 ∼ HB255 정도이다.

또한, 특허문헌1(특개평6-322439호 공보)에서는 풀림 온도를 종래보다도 고온으로 함으로써 종래의 풀림과 비교하여 저경도가 되는 경우가 개시되어 있다. 이러한 저경도화에 의해 절삭가공이 용이하게 되는 것으로 되어 있지만, 표2 중의 발명강의 경도는 HV262 ∼ 278 (HB 환산으로 약 250 ∼ 265)로 저경도라고는 말하기 어렵다. 또한, 풀림 온도를 담금질(quenching) 온도보다도 높은 온도로 실시하면, 담금질, 뜨임(tempering) 후의 경도가 통상보다도 저하하는 문제가 있는 데도 불구하고, 담금질, 뜨임 후의 경도에 대해서는 어떤 언급도 되고 있지 않는 실정이다.

근년에 제조과정의 납기단축ㆍ코스트 삭감이 점점 강하게 요구되고 있으며, 니어넷쉐이프화와, 구조부재ㆍ기계부품의 제작시간 단축을 도모해야 하고, 풀림재로서의 피삭성이 보다 우수하고, 냉간가공이 실시되기 쉽고, 기계가공성이 우수한 냉간공구강이 요구되고 있다. 그러나, 냉간공구강은 그 성분 상, 풀림에 의해 저경도화가 되기 어렵다.

또, 특히 금형이나 치공구, 기계부품의 내마모성을 필요로 하는 용도로서는, 그 마모성의 관점에서, 정출된 조대한 탄화물이 많이 함유된 재료가 이용되고 있지만, 내마모성을 중시한 나머지, 인성 저하라는 재료 특성의 열화를 피할 수 없게 된다. 한편, 피삭성을 향상시켜야 하는 공구강은 정출된 조대한 탄화물을 감소하거나, 다량인 S 등의 쾌삭화원소를 첨가하면, 공구강으로서의 내마모성 저하를 초래해 버린다. 여기서, 정출된 조대한 탄화물(1차탄화물)이란, 원상당지름(원에 상응하는 지름)으로 약 10㎛ 이상의 것을 지칭한다.

본 발명은 상기 문제를 감안하여 발명된 것이며, 풀림에 의한 저경도화가 현실가능하고, 냉간가공(단조, 프레스 등)이나 절삭가공(밀링커터, 드릴, 엔드밀, 연삭, 선삭)이 용이한 냉간공구강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한, 본 발명의 청구항1에 관한 냉간공구강은,

중량%로, 0.6% C 1.60%, 0.10% Si 1.20%, 0.10% Mn 0.60%, 5.5% Cr 13.0%, 0.80% Mo+0.5W 2.10%, 0.10% V 0.40%, 0.0002% 0 0.0080%, 0.001 A1 0.10을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되고,

변태점 Ar3이 750℃ 이상 850℃ 이하이고, (Ar3+50℃) 이상 1050℃ 이하의 온도로 가열유지하는 구상화 풀림처리 후에 있어서, 조직단면으로 관찰되는 원상당지름범위 0.1㎛ 이상 3㎛ 이하에 속하는 탄화물의 평균 원상당지름이 0.25㎛ 이상 0.8㎛ 이하이고, 상기 구상화 풀림처리 후에 관한 브리넬경도가 HB179 이상 HB235 이하이다. 또한, JIS G 0555에 규정된 B계 개재물 및 C계 개재물에 관한 강의 청정도가 (dB + dC) 60×400 0.05%이고, K값=Cr(%)-6.8×C(%)로 한 경우, 상기 K값이 0.1 이상 3.5 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명은 주로 다음과 같은 특징을 가진다.

(1) 풀림 후의 경도 저하

풀림 후의 경도는 원상당지름범위 0.1㎛ 이상 3㎛ 이하에 속하는 탄화물(이하, 2차탄화물이라고 칭함)의 분포상태에 의해서, 주로 결정되기 때문에, 상기 2차탄화물의 평균 원상당지름을 0.2㎛ 이상 0.8㎛ 이하로 함으로써, 저경도화를 실현한다. 상기 평균 원상당지름의 범위는 2차탄화물의 사이즈를 크게한 것에 상응한다. 즉, 풀림에 의해 생기는 2차탄화물의 절대량은 같기 때문에, 평균 원상당지름이 크게되면, 비교적 큰 2차탄화물이 드문드문 존재하게 되어 경도는 낮게 된다. 역으로 평균 원상당지름이 작게 되면, 비교적 작은 2차탄화물이 조밀하게 존재하게 되어 경도가 높게 된다. 구체적으로는 2차탄화물의 평균원상당지름을 상기의 범위로 함으로써, 브리넬경도 HB179 이상 HB235 이하인 저경도가 얻어져 (종래의 재료는 브리넬경도 HB241∼HB255정도), 절삭가공 및 냉간가공의 효율을 각별히 향상시키는 것이 가능하다.

(2) 2차탄화물의 크기를 풀림조건에 의해 제어

2차탄화물의 크기는 (Ar3+50℃) 이상 1050℃ 이하인 온도로 가열유지하는 구상화 풀림처리에 의해 제어된다. 상세히는 우선, 종래의 풀림온도(Ar3∼Ar3+50℃) 보다도 고온(Ar3+50℃∼담금질 온도(1050℃정도))으로 가열유지하므로, 2차탄화물을 보다 많이 매트릭스 중에 고용시킨다. 또한, 가열유지 온도를 담금질 온도(1050℃정도) 보다도 낮은 온도로 하는 것은, 담금질, 뜨임 후의 경도를 저하시키지 않기 위함이다. 이후, 고용된 2차탄화물을 크게 성장시켜야 하기에, 60℃/h 보다도 느린 냉각속도로 750℃ 이하까지 서냉한다(냉각법). 이 외의 처리방법으로서는 650℃∼변태점 Ar1과 변태점 Ar3∼1050℃와의 온도 사이에 서 2회 이상 가열냉각을 반복하는 「반복가열냉각법」, Ar3 보다도 낮은 온도로 장시간 유지하는 「장시간가열법」, 서냉법에 대한 서냉 도중에 일정 온도로 유지하는 「등온변태법」등을 들 수 있다. 어느 방법을 이용해도 2차탄화물의 크기를 제어할 수 있다. 또, 상기 구상화 풀림을 실시하기 전에 Ar1 이하의 온도로 저온풀림을 실시하므로 풀림 후, 경도가 고르지 않은 현상을 저감시키거나, 보다 낮은 경도를 얻는 것이 가능하다. 그리고, 금형이나 치공구용도로서 필요하게 되는 내마모성에 영향을 미치는 조대한 정출탄화물(1차탄화물)에 대해서는 상기 구상화 풀림처리를 실시하여도 그 크기나 개수에 큰 변화는 나타나지 않는다.

여기서, 변태점 「Ar3」은 냉각시의 A3 변태점(오오스테나이트화 온도)을 나타내는 것이고, “r”은 냉각(refroidissement)을 의미한다. 구상화 풀림처리에 있어서, 2차탄화물을 매트릭스에 충분히 고용시키기 위해 가열유지 온도를 종래 보다도 고온으로 하고, 또한, 그 온도가 담금질 온도 이하이기 위해서는, 변태점 Ar3이 충분히 낮은 것이 요청된다. 바꾸어 말하면, 변태점 Ar3과 담금질 온도와의 차가 충분히 큰 것이 요구된다. 따라서, 변태점 Ar3이 750℃∼850℃가 되도록 성분을 조정하는 것이 필요하게 된다. Ar3이 너무 높으면, 통상의 담금질 온도(1050℃ 정도)와의 차가 적게 되며, 풀림온도를 높게 할 수 없고, 2차탄화물을 충분히 고용시킬 수 없다(종래의 풀림과 변화없게 된다). 한편, Ar3이 너무 낮게 되면, 2차탄화물의 석출ㆍ성장에 아주 많은 시간을 필요로 한다. 또한, 풀림온도에 대해서는, 변태점 Ar3을 DTA(Differential Thermal Analysis) 등의 장치를 사용하여 측정하고, 이것에 의해 바람직한 온도 (Ar3 + 50℃∼담금질온도(1050℃))를 결정한다.

(3) 피삭성으로의 산화물계 개재물의 영향에 관해서

B계 및 C계(특히 산화물계)의 개재물(JIS G 0555에 준거)은 그 양이 증가하면 피삭성을 저하시킨다. 이들 개재물은 자신의 경도가 매우 높고, 매트릭스의 경도를 크게 초월하고 있다. 따라서, 절삭가공 시에 공구인선과 접촉하면, 공구인선의 치핑을 발생시키고, 공구수명을 현저하게 저하시킨다. B계 및 C계 개재물은 0에 가까우면 가까울수록 피삭성에 주는 영향이 작게 되므로, 종래보다도 충분한 피삭성을 얻기 위해서는 B계 및 C계 개재물에 대한 강의 청정도를 (dB + dC) 60×400 0.05% 로 할 필요가 있다. 또한, 이런 청정도는 주로 O 및 A1의 함유량을 후술하는 범위로 하므로 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 각 수치의 한정 이유에 대해서 설명한다.

(4) 0.6% C 1.60%

C는 담금질 시의 마르텐사이트(martensite)의 경도를 높이기 위한 필수원소이다. CrㆍMoㆍV 등의 탄화물형성원소와 결합하여 탄화물을 형성하므로, 결정립을 미세화한다. 또, 탄화물에 의해 내마모성의 향상에 기여한다. 담금질, 뜨임 경도에 관해서 HRC55 이상을 실현하기 위해서는, 하한이상의 첨가가 필요하다. 한편, 지나친 첨가는 탄화물의 양이 너무 많아져서 인성저하를 초래해 버리기 때문에 상한이하로 첨가한다.

(5) 0.10% Si 1.20%

Si는 탈산원소로서 첨가된다. 또, 고온뜨임 경도의 향상에 기여하기 때문에, 이 효과를 얻기 위해서는 하한이상으로 첨가한다. 한편, 지나친 첨가는 열간가공성이 저하됨과 동시에, 담금질, 뜨임 후의 인성이 저하되기 때문에, 상한이하로 첨가한다.

(6) 0.10% Mn 0.60%

Mn은 탈산원소로서 첨가된다. 또, 담금질성을 높이고, 경도향상 및 강도향상에 기여하기 때문에, 이들 효과를 얻기 위해서는 0.10% 이상으로 첨가한다. 한편, 지나친 첨가는 열간가공성이 저하하기 때문에, 상한을 0.60%로 한다.

(7) 5.5% Cr 13.0%

Cr은 매트릭스 중에 고용하여 담금질성을 높이고, 경도의 향상에 기여함과 동시에, 탄화물을 형성하여 내마모성을 향상시킨다. 이들 효과를 얻기 위해서는 하한이상의 첨가가 필요하다. 한편, 지나친 첨가는 필요이상의 탄화물을 형성하여, 담금질, 뜨임 후의 인성ㆍ피삭성이 저하하기 때문에, 상한이하로 첨가한다.

(8) 0.80% Mo + 0.5W 2.10%

Mo 및 W은 매트릭스 중에 고용되고 담금질성을 높이고, 경도향상에 기여함과 동시에, 탄화물을 형성하여 내마모성을 향상시킨다. 또, 담금질, 뜨임에 대한 연화저항성을 높이는 효과도 가진다. 이들 효과를 얻기 위해서는, Mo(%) + 0.5W(%)로 기술되는 Mo당량으로 하한이상의 첨가가 필요하다. 한편, 지나친 첨가는 열간가공성, 인성, 피삭성이 저하되기 때문에, 상한이하로 첨가한다.

(9) 0.10% V 0.40%

V는 안정된 탄화물을 형성하고, 결정립의 조대화 방지에 효과가 있다. 또, 미세한 탄화물을 형성하여 내마모성이나 경도향상에 기여한다. 이들 효과를 얻기 위해서는, 0.10% 이상의 첨가가 필요하다. 한편, 지나친 첨가는 탄화물량의 증가에 의해 피삭성ㆍ열간가공성이 저하되기 때문에 상한을 0.40%로 한다.

(10) 0.0002% O 0.0080%, 0.001 A1 0.10

O 및 A1은 강 중에 불가피하게 포함된다. B계 및 C계 개재물의 구성원소이고, 강 중에 다량으로 포함되면 인성을 저하시키기 때문에 상한이하로 할 필요가 있다. 또, 제조 코스트와의 균형맞춤에 있어서, 이들 원소를 적극적으로 저감시키는 것으로, 안정되고 높은 인성을 유지하는 것이 가능하지만, 지나치게 저하시켜도 제조코스트의 상승을 초래할 뿐이고, 인성에 주어지는 영향은 포화되기 때문에, 하한이상으로 한다.

(11) 변태점 Ar3이 750℃ 이상 850℃ 이하

변태점 Ar3이 상기 범위인 경우, 구상화 풀림처리를 하는 Ar3 + 50℃로부터 담금질 온도(1050℃ 정도)까지의 온도범위가 커지기 때문에, 2차탄화물을 충분히 고용시키기 위한 풀림 온도가 확보된다. 그러나, Ar3이 과도하게 높은 경우, Ar3 + 50℃로부터 담금질 온도(1050℃ 정도)까지의 온도범위가 작게 되고, 풀림온도가 확보되지 않게 된다. 그 결과, 2차탄화물의 고용량이 너무 작게 되고, 피삭성 향상에 필요한 저경도가 얻어지지 않는다. 또한, Ar3이 과도하게 낮으면, Ar3 이하의 온도까지 서냉하여 2차탄화물을 석출·성장시키는 데 시간이 걸리고, 공업적으로는 코스트가 매우 높게 되어 버린다. 그리고, Ar3의 측정은 DTA 등으로 실시하지만, 측정조건에 의해 Ar3의 온도는 변화하기 때문에, 냉각속도 5℃/h 이상 60℃/h에서 측정한 경우로 한다.

(12) 구상화 풀림처리 후의 조직단면에서 관찰되는 원상당지름 범위0.1㎛ 이상 3㎛ 이하에 속하는 탄화물의 평균 원상당지름이 0.25㎛ 이상 0.8㎛ 이하

탄화물의 평균 원상당지름은 강의 연마표면에서, 조직단면을 화상해석하므로 산출한다. 구체적으로는 주사형 전자현미경 또는 광학현미경으로 확대관찰한 때의 시야 중에 존재하는 원상당지름범위 0.1㎛ 이상 3㎛ 이하의 탄화물 전체에 대하여 각각 원상당지름을 산출하고, 그 평균값에 의해 평균원상당지름을 구한다. 확대관찰은 재료표면과 중심부를 제거하여 무작위로 선정한 위치에 있어서, 적어도 1㎟ 이상의 면적을 평가할 필요가 있다. 또는, 1시야 중에 원상당지름 0.1㎛ 이상 3㎛ 이하에 속하는 탄화물이 20개로부터 500개 존재하고, 그 시야를 20시야 이상 측정에 사용한 경우라도 좋다. 0.1㎛ 이상 3㎛ 이하에 속하는 탄화물이란 다시 말해서, 경도에 기여하는 탄화물(2차탄화물)이다. 이것에 속하는 탄화물의 평균입경이 0.25㎛ 미만이면, 경도가 높고, 피삭성 향상의 효과가 얻어지지 않는다(종래의 풀림처리를 실시한 경우는 이것에 상응한다). 한편, 과도하게 크면, 풀림의 서냉 시에 성장하는 탄화물의 개수가 극히 작아지기 때문에, 냉각과정에서 재생 퍼얼라이트(pearlite)가 석출하기 쉽게 되고, 역으로 경도가 높게 되어 버리기 때문에, 탄화물의 평균 원상당형이 0.8㎛를 상한으로 하는 것이 필요하다.

(13) 구상화 풀림처리 후의 브리넬 경도가 HB179 이상 HB235 이하

구상화 풀림처리 후의 브리넬 경도를 HB235 이하로 하는 것으로, 종래 보다도 우수한 피삭성 및 냉간가공성을 얻을 수 있다. 한편, 너무 낮게되면, 공업적으로 코스트가 높게 되므로, HB179 이상이면 바람직하다.

(14) JIS G 0555에 규정된 B계 개재물 및 C계 개재물에 대한 강의 청정도가 (dB + dC) 60 × 400 0.05%

B계 개재물이란, 가공방향에 집단을 이루어 불연속적으로 입상 개재물이 나란히 형성된 것(주로 알루미나 등)을 지칭하고, C계 개재물이란, 점성변형을 하지 않고 불규칙적으로 분산하는 것(입상산화물 등)을 가리킨다. 상기 개재물은, 과도하게 많으면 피삭성을 저하시키기 때문에, JIS G 0555로 규정된 시험방법에 의해 정해지는 B계 및 C계 개재물에 대한 강의 청정도를 (dB + dC) 60 × 400 0.05%로 하므로 양호한 피삭성을 얻을 수 있다.

(15) K값=Cr(%)－6.8×C(%)로 한 경우, 상기 K값이 0.1 이상 3.5 이하

K값은 적정한 담금질 온도 시에 매트릭스에 고용되어 있는 Cr량을 나타낸다.

상기 범위 내에 관해서는, 담금질, 뜨임에 의해 얻어지는 경도가 거의 동등하고, 냉간공구강에 요구되는 내마모성과 인성, 피삭성에 따라서 정출탄화물량을 조정하는 것이 가능하다. 그러나, K값이 상기 범위를 벗어나면, 뜨임에서 석출하여 경도에 기여하는 2차탄화물의 양이 충분하지 않게 되기 때문에, 냉간공구강으로서의 경도를 유지할 수 없게 돼 버린다. 도 1에 C함유량과 Cr함유량의 관계를 나타낸다. 지면 좌측 하부에서 우측 상부로 향하는 직선이 K값에 관한 것이고, 지면 좌측 상부에서 우측 하부로 향하는 직선이 후술하는 L값에 관한 것이다.

또, 본 발명의 냉간공구강은 강의 성분으로서, 0.0030% N 0.0500%, 0.001% P 0.040% 중 1종 또는 2종을 함유시킬 수 있다.

이들 원소는 강중에 불가피하게 포함된다. 강 중에 다량으로 포함되면 인성을 저하시키기 때문에, 상한이하로 하는 것이 바람직하다. 또, 제조코스트와의 균형에 있어서, 이들 원소를 적극적으로 저감하는 것으로, 안정되고 높은 인성을 유지하는 것이 가능하지만, 과도하게 저하시켜도, 제조코스트의 상승을 초래할 뿐이고, 인성에 미치는 영향은 포화되기 때문에, 하한이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 냉간공구강은 강의 성분으로서 0.01% Cu 1.0%, 0.01% Ni 1.0%, 0.2% Co 1.0%, 0.0003% B 0.010% 중 1종 또는 2종 이상을 함유시킬 수 있다.

상기 원소는 매트릭스 중에 고용하여 담금질성을 향상시키는 효과가 있다. 인성에 관해서는, 충격천이온도를 저하시키는 것에 의해 인성의 향상 및 이것에 의해 용접성의 열화를 방지하는 효과도 있다. 아울러, Co에 관해서는 고온강도를 향상시키는 효과를 가진다. 상기 효과를 얻기 위해서는, 하한이상의 첨가가 바람직하다. 한편, 과도한 첨가는 효과가 포화되기 때문에, 상한이하로 하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명의 냉간공구강은 강의 성분으로서 0.001% S 0.20%, 0.005% Se 0.10%, 0.005% Te 0.10%, 0.0002% Ca 0.010%, 0.005% Pb 0.10%, 0.005% Bi 0.10% 중 1종 또는 2종 이상을 함유시킬 수 있다.

S은 쾌삭화원소로서 첨가할 수 있다. Cr, Mo, V 등의 탄화물 형성원소와의 균형에 있어서, 쾌삭성 향상효과를 얻기 위해서는 0.04% 이상의 첨가가 바람직하다. 과도한 첨가는 인성의 저하와 방전가공ㆍ절삭가공 후의 면조도의 열화 등 기계적 특성도 크게 저하시키므로, 상한을 0.20%로 하는 것이 바람직하다. 이렇게, 피삭성이 중시되는 용도에 대해서는, 기계적 특성과의 밸런스를 고려하면서 첨가된다. 한편, 피삭성 보다도 기계적 특성이 중시되는 용도에 대해서는, 제조코스트와의 밸런스인 데, S첨가량을 0.02% 이하, 더 바람직하게는 0.01% 이하로 한다. 실제 조업상 0.001% 이상 0.02% 이하이면, 기계적 특성은 만족된다. 이상에 의해, 상기 S첨가량이 얻어진다.

SeㆍTeㆍCaㆍPbㆍBi에 대해서도, 피삭성을 향상시킬 목적으로 첨가할 수 있다. SeㆍTe은 Mn유화물에 관한 S의 대체원소로서 이용하는 것이 가능하다. Ca은 산화물의 형성 또는 Mn유화물 중으로의 고용에 의해, 절삭가공 시에 공구표면에 보호막을 형성하므로 피삭성을 향상시킨다. PbㆍBi은 입계로 편석하고, 입계강도를 저하시켜 피삭성을 향상시킨다. 상기 효과를 얻기 위해서는, 하한이상의 첨가가 필요하다. 한편, 과도한 첨가는 기계적 특성의 열화를 초래하기 때문에, 상한이하로 한다.

아울러, 본 발명의 냉간공구강은 강의 성분으로서, 0.01% Nb 0.12%, 0.005% Ta 0.10%, 0.005% Ti 0.10%, 0.005% Zr 0.10%, 0.005% Mg 0.10%, 0.005% REM 0.10% 중 1종 또는 2종 이상을 함유시킬 수 있다.

상기 원소는 탄화물의 미세화와 결정립의 미세화에 의한 인성향상 효과를 얻기 위해, 첨가할 수 있다. 또, Mg와 REM은 산화물을 형성하고, 저산소화에 기여하여 조대한 산화물을 감소시켜, 인성ㆍ피삭성의 향상에 효과가 있다. 상기 효과를 얻기 위해서는 하한이상의 첨가가 바람직하다. 한편, 과도한 첨가는, 인성과 용접성이 저하하기 때문에, 상한이하로 하는 것이 바람직하다. 나아가서, REM에는 희토류원소 중의 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다.

다음으로, 청구항 2에 관한 냉간공구강은 상기 강 성분을 0.60% C 0.80%, 0.10% Si 1.20%, 0.10% Mn 0.60%, 5.5% Cr 8.5%, 0.80% Mo + 0.5W 2.10%, 0.10% V 0.40%, 0.0002% Al 0.0080%으로 할 수 있다. 즉, 청구항1에 관한 강 성분 중, CㆍSiㆍCrㆍMo에 대해서 한정을 가하고 있다.

냉간공구강으로서 특히 인성과 미세한 가공이 필요하게 되는 금형에 있어서는, 정출탄화물을 적게 하는 것이 필수사항이다. 즉, CㆍSiㆍCrㆍMo을 상기 범위로 조정하므로써, 을 주체로 하는 정출탄화물을 최대한 형성시키지 않도록 할 필요가 있다(M은 CrㆍMoㆍV). 정출탄화물의 양은 중량%로 0.01∼5%에 상응한다. 아울러, 정출탄화물의 양을 표시하는 지표로서, L값=Cr(%) + 15.5×C(%)로 한 경우에, 14.9 L값 21.0에 상응한다(도 1참조).

다음으로, 청구항 3에 관한 냉간공구강은 상기 강의 성분을 0.90% C 1.10%, 0.8% Si 1.20%, 0.10% Mn 0.60%, 7.0% Cr 9.0%, 1.50% Mo + 0.5W 2.10%, 0.10% V 0.40%, 0.0002% Al 0.0080%로 할 수 있다. 즉, 청구항1에 관한 강의 성분 중, CㆍSiㆍCrㆍMo에 대해서 한정을 가하고 있다.

냉간공구강으로서 내마모성과 인성의 밸런스가 필요한 금형에 있어서는, 정출탄화물을 어느 정도의 양을 확보하는 것이 필요하다. 즉, CㆍSiㆍCrㆍMo을 상기 범위로 조정하므로, 을 주체로 하는 정출탄화물을 형성시킨다. 정출탄화물의 양은 중량%로 5∼10%에 상응한다. 또, 21.0 ＜ L값 27.0에 상응한다(도1참조).

다음으로, 청구항4에 관한 냉간공구강은 상기 강의 성분을 1.40% C 1.60%, 0.10% Si 0.40%, 0.10% Mn 0.60%, 11.0% Cr 13.0%, 0.80% Mo + 0.5W 1.20%, 0.10% V 0.40%, 0.0002% Al 0.0080%로 할 수 있다. 즉, 청구항1에 관한 강의 성분 중, CㆍSiㆍCrㆍMo에 관하여 한정을 가하고 있다.

냉간공구강으로서 특히 내마모성이 필요한 금형에서는 정출탄화물을 많이 함유할 필요가 있다. 즉, CㆍSiㆍCrㆍMo을 상기 범위로 조정하므로, 을 주체로℃ 하는 정출탄화물을 많이 형성시킨다. 정출탄화물의 양은 중량%로 10 ∼ 15%에 상응한다. 또한, 27.0 ＜ L값 37.8에 상응한다(도 1참조).

실시예

표1에 나타내는 발명강ㆍ비교강의 성분조성에 의한 200kg의 강재를 고주파진공용해로에서 용해한 후, 괴로 형성한 강괴를 열간단조하여 한변이 70mm인 각봉으로 형성한 후, 표2에 나타내는 온도로 풀림처리(서냉속도 18℃/h)하였다.

또한, 표1 중의 비교강의 조성에 있어서, 본 발명에서 규정하는 조성범위를 일탈하고 있을 때, 하한을 밑도는 경우에는 하향화살표(↓), 상한을 상회하는 경우에는 상향화살표(↑)로 표시하였다.

표 1

발명강ㆍ비교강에 대하여, 이하의 시험 및 평가를 하였다. 결과를 표2에 나타낸다.

(a) 탄화물의 측정평가

재료의 연마표면으로 화상해석을 실행하고, 탄화물의 평균입경을 측정하였다. 화상해석은 SEM 관찰사진을 사용하여 실행하고, 500∼5000 중의 적절한 배율로 합계 1㎟의 면적을 관찰하였다. 그리고, 표시되는 시야 중에 존재하는 0.1㎛ 이상 3.0㎛ 이하의 탄화물 전체에 대하여, 각각의 원상당지름을 산출하여 그 평균을 구했다. 아울러, 연마표면은 피크린산 에탄올용액에 의해, 0.1㎛ 정도의 탄화물을 박리하지 않고, 관찰되는 정도의 깊이까지 에칭되어 있다.

(b) B계 및 C계 개재물량

JIS G 0555로 측정된 시험방법에 의해 (dB + dC) 60×400을 측정하였다.

(c) 피삭성시험

제조된 발명강, 비교강에서 시험편을 잘라내어, 이하의 조건에서 피삭성 시험을 하였다.

ㆍ엔드밀가공 시험조건

공구: 초경솔리드엔드밀(ø10mm), 6날

속도: 120m/min, 이송: 0.06mm/rev

절입폭 0.5mm, 높이 10mm

절삭유: 에어블로우, 절삭거리: 60000mm 절삭길이까지 실시

판정: 절삭 도중에 공구절손이 없으면 ○, 절손 또는 불꽃이 도중에 발생한 경우는 ×

(d) 냉간가공성

제조된 발명강, 비교강으로부터의 12×18mm의 시험편을 잘라내고, 600t 유압프레스로 단숨에 유압가공을 시험편의 높이 60%까지 실시하였다. 10개 가공 후, 시험편을 관찰하고, 균열이 몇 개 있었는지를 조사했다.

(e) 최고경도

담금질, 뜨임의 열처리 조건을 변화시켜, 로크웰 C 스케일로 경도측정을 실시하였다.

(f) 비마모량(比摩耗量)

핀온디스크 마찰마모시험기로 실시하였다. 핀 ø8mm×2개를 제조한 발명강과 비교강으로부터 잘라내었다. 디스크는 S45C로부터 잘라내었다. 발명강ㆍ비교강 함께 최고 경도가 얻어지는 담금질, 뜨임을 실시하였다. 시험조건은 슬라이드 속도 1.6m/s, 슬라이드 거리 5000m, 프레스 하중 10.5 ㎏_f을 윤활유 없이 실시하였다. 시험전후의 핀의 중량을 측정하고, 마모중량을 측정하였다. 비교강1의 마모중량을 1로 한 때에, 다른 발명강, 비교강의 마모중량을 비마모량(比摩耗量)으로 하여 평가하였다.

(g) 샬피 충격값

제조된 발명강ㆍ비교강에서 10R노치샬피 시험편을 잘라냈다. 재료의 긴방향이 샬피 시험편의 길이방향이 되도록 방향을 맞추었다. 열처리는 최고경도가 얻어지는 조건으로 JIS Z 2242에 기재된 방법으로 실시하였고, 시험은 실온에서 실행하였다.

표 2

표2에 표현한 시험결과에 의하면, 비교강1은 성분이 본 발명에서 규정하는 조성범위를 벗어나기 때문에, Ar3 온도가 너무 낮게 되어 있다. 종래와 같은 풀림조건에서 열처리를 실시한 경우, 탄화물을 충분히 고용시킬 수 없는 결과, 탄화물을 서냉에 의해 크게 할 수 없기 때문에, 탄화물의 사이즈도 작고, 경도도 높다. 따라서, 냉간가공성이 나쁘고, 10개 중 8개의 시험편에서 균열이 발생하였다. 비교강3은 성분이 본 발명에서 규정하는 조성범위를 벗어나므로, Ar3 온도가 너무 낮게 되어 있다. 아울러, 풀림온도를 너무 고온으로 하고 있기 때문에, 탄화물의 사이즈가 크고, 경도도 꽤 낮게 되어 냉간가공성은 평가가 좋지만, 경도가 너무 낮아서, 재료의 연성이 증가하여 피삭성은 역으로 낮게 되었다. 비교강4는 성분 상은 본 발명에서 규정하는 조성범위 내에 있지만, K값이 크게 벗어나 있다. 따라서, 담금질, 뜨임의 열처리로 최고경도가 HRC60 이상을 달성할 수 없고, 냉간공구강으로서 필요한 경도를 얻을 수 없다. 아울러, 경도가 낮기 때문에 비마모량(比摩耗量)도 크다. 비교강14, 15, 25, 26은 동일하게 K값이 벗어나 있다. 따라서, 최고경도가 낮고, 비마모량(比摩耗量)도 크다.

이상과 같은 본 발명은 풀림에 의한 저경도화가 현실가능하고, 냉간가공(단조, 프레스 등)이나 절삭가공(밀링커터, 드릴, 엔드밀, 연삭, 선삭)이 용이한 냉간공구강을 제공하는 등의 효과를 가진다.

도 1은 C 함유량과 Cr 함유량의 관계(K값, L값)를 나타내는 도면.

Claims

중량%로, 0.6% C 1.60%, 0.10% Si 1.20%, 0.10% Mn 0.60%, 5.5% Cr 13.0%, 0.80% Mo+0.5W 2.10%, 0.10% V 0.40%, 0.0002% 0 0.0080%, 0.001 A1 0.10을 포함하고, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되고,

변태점 Ar3이 750℃ 이상 850℃이하이고, (Ar3 + 50℃) 이상 1050℃ 이하의 온도로 가열유지하는 구상화 풀림처리 후에 있어서, 조직단면에서 관찰되는 원상당지름 범위 0.1㎛ 이상 3㎛ 이하에 속하는 탄화물의 평균 원상당 지름이 0.25㎛ 이상 0.8㎛ 이하이고, 상기 구상화 풀림처리 후에 대한 브리넬 경도가 HB179 이상 HB235 이하이고, 또한, JIS G 0555에 규정된 B계 개재물 및 C계 개재물에 대한 강이 청정도가 (dB + dC)60×400 0.05%이고, K값=Cr(%)-6.8×C(%)로 했을 때, 상기 K값이 0.1 이상 3.5 이하인 것을 특징으로 하는 냉간공구강.
제 1 항에 있어서,

상기 강의 성분이 0.60% C 0.80%, 0.10% Si 1.20%, 0.10% Mn 0.60%, 5.5% Cr 8.5%, 0.80% Mo+0.5W 2.10%, 0.10% V 0.40%, 0.0002% O 0.0080%, 0.001 Al0.10인 것을 특징으로 하는 냉간공구강.
제 1 항에 있어서,

상기 강의 성분이 0.90% C 1.10%, 0.8% Si 1.20%, 0.10% Mn 0.60%, 7.0% Cr 9.0%, 1.50% Mo+0.5W 2.10%, 0.10% V 0.40%, 0.0002% O 0.0080%, 0.001 Al 0.10인 것을 특징으로 하는 냉간공구강.
제 1 항에 있어서,

상기 강의 성분이 1.40% C 1.60%, 0.10% Si0.40%, 0.10% Mn 0.60%, 11.0% Cr 13.0%, 0.80% Mo+0.5W 1.20%, 0.10% V 0.40%, 0.0002% O 0.0080%, 0.001 Al 0.10인 것을 특징으로 하는 냉간공구강.
제 1 항 내지 제 4 항 기재의 어느 한 항에 있어서,

강의 성분으로서 0.0030% N 0.0500%, 0.001% P 0.040% 중 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 냉간공구강.
제 1 항 내지 제 5 항 기재의 어느 한 항에 있어서,

강의 성분으로서 0.01% Cu 1.0%, 0.01% Ni 1.0%, 0.2% Co 1.0%, 0.0003% B 0.010% 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 냉간공구강.
제 1 항 내지 제 6 항 기재의 어느 한 항에 있어서,

강의 성분으로서 0.001% S 0.20%, 0.005% Se 0.10%, 0.005% Te 0.10%, 0.0002% Ca 0.010%, 0.005% Pb 0.10%, 0.005% Bi 0.10% 중, 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 냉간공구강.
제 1 항 내지 제 7 항 기재의 어느 한 항에 있어서,

강의 성분으로서 0.01% Nb 0.12%, 0.005% Ta 0.10%, 0.005% Ti 0.10%, 0.005% Zr 0.10%, 0.005% Mg 0.10%, 0.005% REM 0.10% 중, 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 냉간공구강.
제 1 항 내지 제 8 항 기재의 어느 한 항에 있어서,

상기 구상화 풀림처리는 가열 유지 후에 60℃/h 보다도 느린 냉각속도로 750℃ 이하까지 서냉하는 것을 특징으로 하는 냉간공구강.