KR20070053147A - 고경도 고인성 열간공구강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

열간공구용 공구나 금형으로 사용되는 열간공구강의 제조방법이 제공된다. 이 열간공구강의 제조방법은, 중량%로, C: 0.25~0.5%, Si: 0.2~1.5%, Mn: 0.2~1.5%, Cr: 2.5~9.5%, Ni: 2.5%이하, Mo: 0.3~2.5%를 포함하고 여기에 W: 5.0%이하와 V: 1.5% 이하의 1종 또는 2종, 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 조성되는 강 빌렛을 950~1150℃의 범위에서 오스테나이징 처리한 후, 3~100℃/분의 속도로 냉각한 다음 180~420℃의 범위에서 템퍼링 처리하는 것이다.

본 발명에 따르면 목표에 맞는 안정된 경도를 확보하는 동시에 충분한 인성을 가진 열처리재를 생산함으로써, 열간공구강으로 제조된 공구 및 금형제품의 품질을 향상시키고 생산단가를 낮추는 효과가 있다.

열간공구강, 고경도, 고인성, 저온템퍼링, 크롬계, 내산화성

Description

고경도 고인성 열간공구강의 제조방법{Method for manufacturing high hardness and high toughness of hot-work tool steels}

도 1은 종래의 템퍼링 처리법에 의한 열간공구강의 충격에너지 변화를 나타내는 그래프이다.

도 2는 종래의 템퍼링 처리법에 의한 열간공구강의 경도 변화를 나타내는 그래프이다.

도 3은 본 발명의 템퍼링 처리법에 의한 열간공구강의 충격에너지 변화를 나타내는 그래프이다.

도 4는 본 발명의 템퍼링 처리법에 의한 열간공구강의 경도 변화를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 열간가공용 공구나 금형으로 사용되는 열간공구강의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 고경도를 유지하면서 균열 등과 같은 결함발생 방지를 위하여 고인성을 부여할 수 있는 열간공구강의 제조방법에 관한 것이다.

많은 열간 가공용 부품 제조공정에는 고온에서의 천공(punching), 전단(shearing) 또는 성형(forming) 등이 포함된다. 열간공구강은 이러한 고온공정과 관련된 열, 압력, 그리고 마모의 복합적인 작용을 견딜 수 있도록 개발되었다.

상기 열간공구강은 크롬계, 텅스텐계, 그리고 몰리브덴계 열간공구강으로 크게 나뉜다. 이 중 크롬계 열간공구강은 크롬과 탄화물 형성원소의 첨가로 인해 열에 의한 연화저항성이 매우 좋은 것으로 알려져 있다. 일반적으로, 상기 크롬계 열간공구강은 550℃ 부근까지 열 연화(heat softening) 저항성이 유지된다. 또한, 탄소 함량과 총 합금원소 함량이 낮아 일반적인 작업 경도인 40~55 HRc에서의 인성도 우수한 편이므로 공구나 금형뿐만 아니라 열간 구조용으로도 널리 사용되고 있다.

통상적으로, 상기 크롬계 열간공구강은 오스테나이징 처리한 후, 500~650℃의 범위에서 템퍼링 처리한다. 템퍼링 처리를 통해 인성을 확보하여 표면균열을 방지하고자 하는 것이다. 그러나, 550℃를 기준으로 템퍼링 처리 온도를 높이면 인성은 증가하나 경도가 확보되지 못하고, 템퍼링 처리 온도를 낮추면 경도는 확보되나 인성이 급격히 저하되는 문제점이 있다. 현재 인성과 경도를 적정한 선에서 확보할 수 있는 템퍼링 처리 온도를 경험적으로 선택하여 사용하고 있으나 재질편차나 열처리로내의 온도편차 등으로부터 초래되는 경도 및 인성의 저하로 인하여 일정수준의 불량을 피할 수 없는 실정이다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명에 따르면 고경도와 함께 고인성을 확보할 수 있는 열간공구강의 제조방법이 제공된다. 나아가, 열간공구강으로 제조된 공구 및 금형제품의 수명에 큰 영향을 주는 내산화성을 향상시킬 수 있는 열간공구강의 제조방법이 추가적으로 제공된다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열간공구강의 제조방법은,

중량%로, C: 0.25~0.5%, Si: 0.2~1.5%, Mn: 0.2~1.5%, Cr: 2.5~9.5%, Ni: 2.5%이하, Mo: 0.3~2.5%를 포함하고 여기에 W: 5.0%이하와 V: 1.5% 이하의 1종 또는 2종, 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 조성되는 강 빌렛을 950~1150℃의 범위에서 오스테나이징 처리한 후, 3~100℃/분의 속도로 냉각한 다음 180~420℃의 범위에서 템퍼링 처리하는 것을 포함하여 구성된다.

본 발명에 따르면, 상기 Cr의 함량이 6.0~9.5%의 범위를 가질 때, 내산화성특성이 크게 개선된다. 이때 내산화성은 바람직하게는 550~620℃에서 확보되는 것이다. 따라서, 열간공구강의 사용온도에서 내산화성이 획기적으로 개선된다.

또한, 본 발명에 따라 얻어진 공구강은 상기 템퍼링 처리후 이온질화 또는 가스질화 처리를 행하여 강표면에 100~500㎛의 질화층을 형성시키는 것이 바람직하 다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명자들은 크롬계 열간공구강에서 경도와 인성을 동시에 확보하기 위한 연구를 진행하던 중, 다음의 사항을 확인하였다.

(1) 일반 열간공구강에서 50 HRc 이상을 얻을 수 있는 템퍼링 처리 온도인 500~550℃ 보다 낮은 온도에서 템퍼링 처리할 경우 특정 온도범위에서 충격에너지의 상승이 나타난다는 것과, (2) 충격에너지의 상승이 나타나는 온도범위에서는 경도가 50 HRc 이상으로 유지된다는 것이다.

이러한 연구결과에 기반하여 본 발명은, 통상적인 열간공구강의 고경도가 나타나는 템퍼링 처리 온도인 500~550℃보다 낮은 180-420℃에서 템퍼링 처리하여 열간공구강의 고경도와 함께 고인성을 확보하는데 특징이 있다. 본 발명이 적용될 수 있는 열간공구강은 중량%로, C: 0.25~0.5%, Si: 0.2~1.5%, Cr: 2.5~9.5%, Ni: 2.5% 이하와, Mo: 0.3~2.5%, W: 5.0% 이하, Mo: 0.3~2.5%를 포함하고, 여기에 W: 5.0% 이하와 V: 1.5%의 1종 또는 2종과, 불가피한 불순물 및 나머지 Fe로 조성되는 것이다. 이러한 성분조성은 열간공구강의 통상적인 성분범위이다.

나아가 , 본 발명의 연구에 따르면, 이러한 저온템퍼링을 적용하는 본 발명에서 Cr 함량이 중량%로 6.0~9.5%의 범위를 만족할 때, 내산화성이 더욱 개선된다 는 것이다. 즉, 상기한 통상의 열간공구강의 성분범위에서 Cr의 함량을 6.0~9.5%로 하면서 저온템퍼링을 적용하는 경우에는 고경도, 고인성의 특성과 함께 내산화성도 더욱 개선된다는 것이다. Cr의 함량을 6.0~9.5%로 하면서 저온템퍼링을 적용하여 제조된 열간공구는 열간공구강의 사용온도인 550~620℃ 범위에서 내산화성이 확보되어 더욱 바람직하다.

본 발명의 열간공구강의 제조방법은 상기 강성분을 갖는 빌렛을 오스테나이징 처리한 후, 급냉하고 이어 템퍼링 처리하는 것을 포함하여 이루어진다.

상기 오스테나이징 처리시 온도범위는 950~1150℃로 제한하는 것이 바람직하다. 상기 오스테나이징 온도가 950℃ 미만이면 완전한 오스테나이트상으로 변태하는데 필요한 유지시간이 너무 길어지고, 1150℃를 초과하면 오스테나이트 결정립 크기가 짧은 시간에서도 급격하게 커질 수 있기 때문이다. 그리고, 이때 최종 오스테나이징 처리온도에 도달한 후의 유지시간은 오스테나이트 결정립의 과도한 성장을 막기 위하여 1시간 이내로 하는 것이 보다 바람직하다. 오스테나이트징 처리시간은 온도조건이 정해지면 그에 따라 처리시간이 정해진다. 통상적으로 상기한 오스테나이징처리온도에서는 빌렛의 인치당 적어도 약 30분이상 처리하면 충분하나, 본 발명이 여기에 제한되는 것은 아니다.

또한, 상기 급냉시 냉각속도는 3~100℃/분으로 제한하는 것이 바람직하다. 상기 냉각속도가 3℃/분 미만으면 Cr함량이 낮은 합금의 경우 미변태 오스테나이트가 잔류할 수 있는 가능성이 있고, 100℃/분을 초과하면 과도한 급냉으로 인하여 잔류응력이 심해지는 문제점이 있기 때문이다.

또한, 상기 템퍼링 처리는 통상의 경우 500~550℃에서 실시하나, 본 발명에서는 이보다 낮은 180~420℃의 온도범위에서 실시하게 된다. 그 이유는 상기 템퍼링 온도가 180℃ 미만이면 소재의 충격인성이 감소할 수 있고, 420℃를 초과하면 마찬가지로 충격인성이 감소할 수 있기 때문이다. 이와 같이 본 발명의 저온 템퍼링 처리는 50 HRc 이상의 높은 경도를 확보하는 동시에 종래에 비하여 3~5배 이상의 충격에너지를 얻을 수 있게 한다. 또한, 통상적인 열처리재의 경우와 같이 재질편차나 열처리로 내의 온도편차 등에 의하여 심각한 불량을 초래할 수 있는 가능성을 최소화할 수 있고, 보다 넓은 온도범위에서 안정적으로 작업할 수 있는 이점을 갖는다. 템퍼링 처리시간은 약 30분이상이면 충분하다. 또한, 통상적으로 템퍼링처리시간은 50시간을 넘기지 않는데, 이는 경제성과 함께 석출물이 조대화되어 물성의 열화가 나타날 우려가 있기 때문이다. 본 발명에서 템퍼링시간이 상기한 조건에 제한되는 것은 아니다.

통상적으로, 상기 열간공구강의 일반적인 최대노출온도는 500~650℃로 높은 경우가 많아 180~420℃의 온도범위에서 템퍼링 처리를 행함으로 인해, 실제 작업시에 템퍼링 처리의 효과가 사라질 수 있는 위험요소를 생각할 수 있으나, 실제 작업 시 고온노출에 의해 영향을 받는 부위는 공구나 금형의 표면부의 1~2㎜ 범위에 국한되고 나머지 영역은 고경도-고인성 특성을 유지하므로 오히려 작업중 표면에서의 균열발생을 억제하고 이를 통해 공구나 금형의 수명을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기와 같이 템퍼링 처리된 열간공구강은 통상의 방법에 따라 공구로서 성형된다. 경우에 따라서는 성형한 열간공구는 표면처리되어 표면경도를 보다 증가시킬 수 있다. 그러한 예로는 이온질화 또는 가스질화 처리를 행하여 강표면에 100~500㎛의 질화층을 형성시키는 방안이 있다. 상기와 같이 질화층이 형성된 열간공구는 60 HRc 이상으로 표면경도를 보다 증가시킬 수 있다. 본 발명에서 이온질화나 가스질화처리는 통상의 방법에 따라 행하면 되는 것이기 때문에 특별히 제한하지는 않는다. 일례로서, 가스질화는 약 500~550℃에서 암모니아 가스분위기에서 약 1시간이상 행하고 있다. 또한, 이온질화의 일례로는 용기내 압력을 약 0.1~2.5Mpa로 조절하고 질소와 수소의 혼합가스 분위기에서 소재를 음극으로 하여 300~1000V의 전압을 걸어주어 이온질화를 행해주는 방법이 있다.

본 발명에 따라, 상기한 열간공구강의 성분계에서 Cr 함량이 6.0~9.5중량%의 범위를 만족할 때, 내산화성이 더욱 개선된다. Cr의 함량을 6.0~9.5%로 하면서 저온템퍼링을 적용하여 제조된 열간공구는 열간공구강의 사용온도인 550~620℃ 범위에서 내산화성이 확보되어 더욱 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하나 이러한 실시예는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

[실시예]

하기 표 1과 같은 조성을 갖는 직경 250㎜ 이상의 단조빌렛을 마련하였다. 이후 상기 단조빌렛을 950~1150℃의 열처리로에서 오스테나이징 처리한 다음 평균 4.5℃/분의 냉각속도로 냉각하였다. 이후 하기 표 2의 템퍼링 온도로 템퍼링 처리하였다. 상기와 같이 제조된 시편의 로크웰 경도치와 샤피 V-노치 충격에너지값을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 2와 같다. 오스테나이징처리는 대략 1시간, 템퍼링처리는 대략 2시간 행하였다.

구분	성분(중량%)
	C	Si	Mn	Cr	Ni	P	S	Mo	W	V	Fe
강A	0.37	0.6	0.4	4.7	0.08	0.009	0.003	1.6	-	0.53	나머지
강B	0.36	0.4	0.4	9.0	0.02	0.027	0.005	1.2	1.2	0.35	나머지
강C	0.34	1.0	0.5	5.2	0.02	0.029	0.004	1.3	1.2	0.35	나머지
강D	0.39	1.0	0.4	5.4	0.01	0.018	0.003	1.2	-	0.62	나머지
강E	0.42	0.9	0.5	3.2	0.02	0.026	0.005	2.2	-	0.34	나머지
강F	0.40	1.0	0.3	5.3	0.01	0.027	0.005	1.3	4.9	-	나머지
강G	0.36	0.4	0.4	6.5	0.02	0.027	0.005	1.2	1.2	0.35	나머지

구분	템퍼링 온도
	300℃		500℃
	충격치(J)	경도(HRc)	충격치(J)	경도(HRc)
강A	17.2	51.4	4.4	52.6
강B	20.9	52.6	5.2	53.6
강C	21.3	53.5	5.2	55.6
강D	20.5	52.0	4.5	53.9
강E	14.5	56.2	2.4	56.8
강F	17.6	51.5	3.7	52.0
강G	21.1	52.6	5.2	54.5

구분	600℃에서 200시간 유지 후, 무게증가량(g)
강A	0.037
강B	0.0064
강G	0.011

상기 강A와 강B는 인성을 부여하는 템퍼링 처리의 효과를 조사하기 위하여, 100~650℃ 온도범위에서 2회이상 반복 수행한 후에 로크웰 경도와 샤피 V-노치(Charpy V-notch) 충격에너지를 측정하였다.

도 1은 통상적인 템퍼링 처리 온도에서의 강A의 충격에너지 변화를 나타낸 그래프이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 통상적인 템퍼링 처리 온도인 550℃ 이상에서 충격에너지가 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다. 반면에 도 2에서 보듯이 경도는 크게 감소하는 것을 알 수 있었다.

그러나 본 발명의 템퍼링 처리를 적용하면 도 3 및 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 고경도를 유지함은 물론이고 충격에너지는 반대로 증가하여 500~550℃에서의 충격에너지의 3~5배를 나타냄을 알 수 있다.

상기 표 2는 강A~F의 통상적인 템퍼링 처리 온도인 500℃와 본 발명의 템퍼링 처리온도인 300℃에서 측정된 로크웰 경도치와 샤피 V-노치(Charpy V-notch) 충격에너지값을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 본 발명의 템퍼링 처리 온도에서는 경도 값이 50 HRc 이상의 값을 유지할 뿐만 아니라 높은 인성을 나타냄을 알 수 있었다. 그러나. 통상적인 템퍼링 처리 온도에서의 경우 경도값은 50 HRc 이상으로 유지되었으나 인성값은 매우 열악하게 나타났다.

상기 표 3은 각 시험재를 600℃에서 200시간 동안 유지한 후, 산화에 의한 무게증가량을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 시험재 B와 시험재 F는 시험재 A에 비해서 각각 3.5~6.0배 내산화성이 우수하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 목표에 맞는 안정된 경도를 확보하는 동시에 충분한 인성을 가진 열처리재를 생산함으로써, 열간공구강으로 제조된 공구 및 금형제품의 품질을 향상시키고 생산단가를 낮추는 효과가 있다.

또한 본 발명을 통해 얻어지는 열간공구강은 내산화성의 특성 또한 개선되므로, 열간공구강으로 제조된 공구 및 금형제품의 품질을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 중량%로, C: 0.25~0.5%, Si: 0.2~1.5%, Mn: 0.2~1.5%, Cr: 2.5~9.5%, Ni: 2.5%이하, Mo: 0.3~2.5%를 포함하고 여기에 W: 5.0%이하와 V: 1.5% 이하의 1종 또는 2종, 기타 불가피한 불순물과 나머지 Fe로 조성되는 강 빌렛을 950~1150℃의 범위에서 오스테나이징 처리한 후, 3~100℃/분의 속도로 냉각한 다음 180~420℃의 범위에서 템퍼링 처리하는 것을 포함하는 고경도 고인성 열간공구강의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 Cr: 6.0~9.5%임을 특징으로 하는 고경도 고인성 열간공구강의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 열간공구강은 550~620℃에서 내산화성의 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 고경도 고인성 열간공구강의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 템퍼링 처리후 이온질화 또는 가스질화 처리를 행하여 강표면에 100~500㎛의 질화층을 형성시킴을 특징으로 하는 고경도 고인성 열간공구강의 제조방법.

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