KR20090010187A - 열간 가공 강 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중량%로 이하의 화학 조성을 갖는 열간 가공 강에 관한 것으로서, 0.30-0.50% C, 0-1.5% Si, 0-1.8% Mn, 1.5-3.5% Cr, 0.3-0.9% (Mo + W/2), 0.4-0.8% (V + N/2), 나머지 철 및 피할수 없는 불순물의 조성을 갖는다.

Description

열간 가공 강 {HOT WORKING STEEL}
본 발명은 가공 물질의 열 조건에서의 가공에서 이용되는 강과 같은 열간 가공 강에 관한 것이다. 이러한 강의 이용의 일반적인 예는 주로 알루미늄과 같은 가벼운 금속의 사출 성형(extrusion pressing)을 위한 도구들이다. 다른 형태의 이용은 단조 도구들이다. 또한, 본 발명은 열간 가공 도구의 제조에서의 강의 이용과 강으로부터 제조된 도구들에 관한 것이다.
열간 마모에 대한 뛰어난 저항성과 템퍼링 저항(tempering resistance), 인성, 경화성, 및 강도와 같은 다른 성질들의 유익한 조합과 같은 고품질 열간 가공 도구들에 관한 많은 요구가 있다. 이러한 성질들을 만족시키는 최적의 도구 성능이 중요하다. 알루미늄과 같은 금속의 사출 성형을 위한 도구는 온도, 압력 및 연마적 마모의 관점에서 힘든 작동 조건들에 노출된다. 사출 성형은 가소화된 조건의 물질이 제한/노즐을 통해 프레스되고 여기서 사출 성형된 물질의 사출된 형상/형태가 형성된다. 따라서, 사출 성형 노즐은 고온에서의 템퍼링에 대한 좋은 저항뿐만 아니라 열간 마모에 대한 좋은 저항과 함께 높은 강도를 가져야 하는데, 왜냐 하면 알루미늄과 같은 물질이 약 500-600℃의 온도에서 일반적으로 사출되기 때문이다. 잘 알려지고 오래 이용된 열간 가공 강은 AISI에 따르면 H13(대안적으로 H11)으로 표시된 것이고, 이하의 공칭 조성(nominal composition)을 중량%로 갖는다: 0.30-0.40 C, 0.20-0.40 Mn, 0.80-1.20 Si, 4.75-5.50 Cr, 1.25-1.75 Mo, 0.80-1.20 V, 나머지 철 그리고 피할수 없는 불순물이고, H11의 경우에는 중량%로 0.30-0.50 V이고 나머지는 H13과 동일하다. 수년 동안 상이한 라인의 개발이 종래의 강인 H13의 일정한 성질을 향상시킬 목적으로 연구되어 왔다. 이러한 예들은 EP 632139, US 4,886,640, 및 US 4,853,181이다.
상기 언급된 모든 강들에 대한 공통적인 단점은 이러한 강들이 값비싼 합금 물질의 비교적 높은 함유량을 가진다는 점이다. 이를 최소화할 수 있는 바램은 오랫동안 이러한 강에 대한 본질적인 문제점으로 인식되었다.
수십년의 실험에 기초하여 본 출원인은 중량%로 이하의 화학 조성을 갖는 강에 의해 상기 언급된 문제점들을 최소화하는데 성공하였다:
0.30-0.50% C
0-1.5% Si
0-1.8% Mn
1.5-3.5% Cr
0.3-0.9% (Mo + W/2)
0.4-0.8% (V + N/2)
나머지 철 및 피할 수 없는 불순물.
본 발명의 덕택으로, 대부분의 이용에 있어서 종래의 H13 강과 대등한 성질을 가지나 그 합금 비용이 거의 절반인(오늘날의 금속 가격으로) 열간 가공 강을 제공할 수 있게 됐다. H13 유형의 상이한 강이 오랜 시간 동안 판매되어 왔다는 사실에 기초하여, 특히 알루미늄에 대한 열 마모에 대한 저항 및 열 전도도의 중요한 성질이 종래의 H13 합금과 비교하여 향상된 점을 고려할 때, 본 출원인이 상기 언급된 문제점들을 효과적으로 해결하는 합금을 발견할 수 있었다는 것은 매우 놀라운 것으로 취급되어야만 한다. 경화성이 다소 감손되지만 시장에서 대부분의 사출 도구로서 상당히 작은 치수로 이용되고, 현존하는 생산의 약 70-80%가 이러한 새로운 합금의 이용일 수 있으며, 이에 따라 나머지에 대해 유지되는 기능성(functionality)에서 상당히 감소된 비용을 초래한다.
다른 언급이 없을 때, 본 명세서는 강의 구조적 성분의 관점에서 부피 퍼센트를 그리고 강의 화학적 조성의 관점에서 중량 퍼센트를 나타내는 것이다.
이하의 내용은 강의 열처리 및 구조를 위해 그리고 개별적인 합금 물질 및 그들의 상호 관계에 대해 사실이다.
탄소는 열처리 이후 강에 원하는 경도를 주고 경화성에 기여하기에 적절한 양으로 존재해야 한다. 따라서, 적어도 0.3%가 존재해야 하고 최고의 결과를 위해서는 약 0.4%가 존재해야 한다. 너무 많은 탄소는 인성에 악영향을 미치고 따라서 그 상한은 약 0.45%이어야 한다.
실리콘은 강의 제조에 있어서 잔류 원소로서 존재하고, 일반적으로 적어도 0.2%, 가장 빈번하게는 약 1% 함유된다. 실리콘은 강에서의 탄소의 활성도를 증가시키고 따라서 이는 강에 적절한 경도를 제공하는데 기여한다. 또한, 이는 산화 및 템퍼링에 대한 적절한 저항에 기여한다. 너무 높은 함유량은 용액 경화(solution hardening)에 의해 취성 문제를 일으킬 수 있고, 따라서 강에서 실리콘의 최대 함유량은 1.5%, 바람직하게는 1.2%를 초과하지 않는다.
망간, 크롬, 및 몰리브덴은 강에 적절한 경화성을 주기에 충분히 많은 양으로 강에 존재해야 한다.
몰리브덴은 경화성에 기여할 뿐만 아니라 또한 좋은 템퍼링 저항에도 기여하는 성질을 갖는다. 따라서, 몰리브덴은 적어도 0.3% 그러나 0.8%를 넘지 않는 함유량이 필요하다고 증명되었다. 바람직하게는 몰리브덴 0.6%가 이용된다.
경화성뿐만 아니라, 또한 크롬은 합금의 산화 저항에 기여하고 이는 적어도 1.5% 그러나 3.0%를 넘지 않는 함유량으로 존재해야 한다. 크롬의 공칭 함유량은 바람직하게는 2.6%이다.
망간은 적어도 0.7%의 함유량으로 존재해야 하고, 이에 의해 강을 특징짓는 몰리브덴 및 크롬의 제한된 함유량으로 원하는 경화성을 강에 제공하는데 기여한다. 이 강은 망간을 1.8%를 넘게 함유해서는 안된다. 망간의 공칭 함유량은 바람직하게 1.4%이다.
바나듐은 적어도 0.4% 그리고 0.7%를 넘지 않는 함유량으로 강에 존재해야 한다. 또한, 바나듐은 강에 좋은 템퍼링 저항, 마모에 대한 좋은 저항을 제공하는데 기여하고, 비교적 미세한 결정 구조의 형성에 기여하는 바나듐 카바이드를 형성함에 의해 좋은 강도에도 기여한다.
종래 알려진 생산 기술은 이러한 강의 제조에 이용될 수 있다.
실행된 실험의 이하의 설명에서, 첨부된 도면들에 대한 참고가 이루어질 것이다.
도 1은 4hr 시험에서 가스 질화된 샘플에 대한 열간 마모에 대한 바람직한 저항의 그래프를 도시한다.
도 2는 8hr에서 상응하는 시험 결과를 도시한다.
3개의 합금은 이하의 프로세스에 의해 50kg의 중량을 가진 실험실용 스케일의 잉곳 형태로 만들어진다: 60x60mm의 치수로 1270℃에서 단조. 850℃/2h으로 소프트-어닐링(soft-annealing), 600℃로 10℃/h씩 냉각, 이후 공기에서 자유 냉각.
조사된 투입량(investigated charges)의 화학 조성은 이하의 표 1에서 도시된다.
표 1. 조사된 투입량, 나머지 철 및 불순물의 화학적 조성(중량%)
잉곳 No. C Si Mn P S Cr Mo V Al N O ppm
2 0.37 1.06 0.41 0.019 0.001 5.16 1.47 0.82 0.001 0.04 40
6 0.42 0.93 1.25 0.004 0.007 2.53 0.60 0.57 0.001 0.047 50
7 0.38 0.59 1.34 0.005 0.006 2.29 0.55 0.52 0.53 0.023 32
이 합금들은 이하의 표 2에 따라 열처리된다.
표 2. 오스테나이트화 및 템퍼링 온도, 그리고 다양한 합금의 기대되는 경도(hardness)
합금 TA(℃) 30분 TTemp(℃) 2x2h HRC
2 1020 580 48
6,7 1020 560 48
5x10x30mm의 치수를 갖는 플레이트 샘플은 표 2에 따라 각각의 종으로 만들어진다. 샘플의 일 표면, 5x30mm의 측부는 약 0.10-0.15μm의 RA로 미세하게 폴리싱된다.
상이한 샘플들은 알루미늄에 대한 열간 마모를 비교하도록 조사되었다. 도 1은 가스 질화된 샘플(gas nitrided samples)에 대한 약 4h 이후의 마모 부피를 도시한다. 이 그래프는 본 발명에 따라 만들어진 샘플 둘 모두, 즉 샘플 6 및 7이 참고적인 강(샘플 no.2)과 비교할 때 마모에 대한 향상된 저항을 가짐을 나타낸다.
도 2는 상응하는 8hr 시험에 대한 결과를 도시하고, 이는 마모에 대한 향상된 저항이 이러한 실험에서도 본 발명에 대해 유효할 수 있음을 도시한다. 일 경우에(샘플 no.6), 이러한 향상은 종래의 H13 강(샘플 2)과 비교할 때 마모에 대한 저항의 관점에서 50%를 넘는다.
본 발명에 따른 강은 중량%로 0.4 C, 0.5-1.0 Si, 1.2-1.4 Mn, 2.2-2.5 Cr, 0.5-0.6 Mo, 0.5-0.6 V의 조성을 가지고, 이러한 본 발명에 따른 강을 0.30-0.40 C, 0.20-0.40 Mn, 0.80-1.20 Si, 4.75-5.50 Cr, 1.25-1.75 Mo, 0.80-1.20 V, 나머지 철 그리고 피할수 없는 불순물을 갖는 종래의 H13 강(샘플 2)과 비교할 때, 낮은 비용 및 합금 물질의 적은 함유량에도 불구하고 마모 저항의 매우 중요한 성질에서의 큰 향상이 이루어짐이 분명하다. 본 기술 분야에서 종래 기술의 이해를 고려할 때, 크롬 및/또는 몰리브덴 및/또는 바나듐의 함유량을 낮추는 것은 감손된 질산화 포텐셜(impaired nitrification potential)을 초래한다는 것이 우세한 내용이기 때문에, 이러한 결과는 놀라운 것이다. 우세한 내용의 이해에 따르면, 종래의 H13 강과 비교할 때 본 발명에 따른 강에서 만들어진 변화는 상대적으로 나타난 감손된 질산화 포텐셜을 초래할 것이고 따라서 마모에 대한 감손된 저항을 초래할 것이다. 분명하게, 일정한 유형의 메커니즘이 본 발명에 따른 강에서 나타나고, 이는 크롬, 몰리브덴, 및 바나듐의 감소된 함유량에도 불구하고 뛰어난 질산화 포텐셜과 마모에 대한 좋은 저항을 얻기 위한 능력을 초래한다.
본 발명은 상기 언급된 바람직하고 좁은 범위에 제한되는 것은 아니고 많은 변형이 청구항 제 1 항에서 정의된 것과 같은 본 발명의 범위 내에서 수용되며, 이 경우에도 필요한 좋은 성질을 계속 보유한다. 본 발명에 따른 특히 바람직한 태양은 종속항들에서 설명된다.
이하의 표(표 3)로부터, 본 발명에 따른 강은 H13 강에 대해 바람직한 성질 을 충족시키고, 이는 중요한 성질의 과중한(weighted) 비교를 제공하며, 여기서 10은 최고의 시험 결과에 대응하는 가장 높은 등급(rating)이고(종래의 H13 강 및 본 발명 사이의 비교를 위해) 비교 샘플의 등급은 최고 등급과의 관계에서 과중한 부담을 진다(weighted).
표 3.
본 발명 H13
질산화 포텐셜 동일 동일
합금 비용 10 5
수득률 % 동일 동일
공정성(processability) 동일 동일
열적 피로 강도 7 10
연성(20℃, 44HRC) 동일 동일
샤르피(Charpy)-V (20℃, 48HRC) 동일 동일
경화성 6 10
알루미늄에 대한 마모에 대한 저항(550℃) 10 7
템퍼링 저항 8 10
강도(550℃) 9 10
열 전도도 10 9
상기 표로부터, 본 발명의 등급은 H13 강에 대해 중요한 성질의 관점에서 매우 뛰어나고, 합금 비용은 거의 50% 만큼 낮아지지만 열 전도도 및 알루미늄에 대한 마모에 대한 저항과 같은 매우 중요한 성질의 관점에서 향상된 등급을 얻을 수 있음이 명백하다.

Claims (17)

  1. 열간 가공 강으로서,
    중량%로
    0.30-0.50% C
    0-1.5% Si
    0-1.8% Mn
    1.5-3.5% Cr
    0.3-0.9% (Mo + W/2)
    0.4-0.8% (V + N/2)
    나머지 철 및 피할수 없는 불순물의 화학 조성을 갖는 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (Mo + Cr)의 함유량이 중량%로 3.5% 미만인 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 Mn의 함유량이 중량%로 1% 초과인 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 C의 함유량이 중량%로 0.38-0.46%, 바람직하게는 0.40-0.44%인 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Si의 함유량이 중량%로 0.3-1.35%, 바람직하게는 0.5-1.2%인 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Mn의 함유량이 중량%로 0.3-1.5%, 바람직하게는 0.5-1.35%인 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Cr의 함유량이 중량%로 0.7-3.0%, 바람직하게는 2.2-2.8%인 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Mo의 함유량이 중량%로 0.45-0.8%, 바람직하게는 0.5-0.7%인 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 V의 함유량이 중량%로 0.45-0.7%인 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Mo의 함유량에 대한 상기 Cr의 함유량이 중량%로 %Cr/%Mo > 3인 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Mo의 함유량 및 상기 V의 함유량이 모두 중량%로 0.7% 미만인 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 V의 함유량이 중량%로 0.5-0.6%인 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 열간 가공강이 중량%로 0.05% 이하의 Al을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  14. 제 1 항에 있어서,
    Al의 함유량이 중량%로 0.3-1.0%, 바람직하게는 약 0.7%인 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  15. 열간 가공 강으로서,
    제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 화학 조성을 갖는 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  16. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    200℃에서 26W/m℃를 넘는 열 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는,
    열간 가공 강.
  17. 사출 성형, 바람직하게는 알루미늄의 사출 성형을 위한 도구의 생산을 위한, 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 강의 용도.
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