KR20090045093A

KR20090045093A - 공구용 강과 그 제조방법

Info

Publication number: KR20090045093A
Application number: KR1020080107298A
Authority: KR
Inventors: 타카유키 시미즈
Original assignee: 다이도 토쿠슈코 카부시키가이샤
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2008-10-30
Publication date: 2009-05-07
Also published as: EP2055798A1; US20090107587A1; US8012272B2; EP2055798B1; KR101138043B1

Abstract

본 발명은 0.55 내지 0.85 질량%의 C, 0.20 내지 2.50 질량%의 Si, 0.30 내지 1.20 질량%의 Mn, 0.50 질량% 또는 그 보다 적은 양의 Cu, 0.01 내지 0.50 질량%의 Ni, 6.00 내지 9.00 질량%의 Cr, 0.1 내지 2.00 질량%의 Mo + 0.5W, 및 0.01 내지 0.40 질량%의 V와 Fe 및 피할 수 없는 불순물을 포함하고, 단조 방향과 평행한 단면에서 2㎛ 또는 그 이상의 원의 등가 직경을 갖는 입자가 큰 카바이드(coarse cabide)의 면적비는 L(%)로 나타내고, 단조 방향과 수직한 단면에서의 입자가 큰 카바이드의 면적비는 T(%)로 나타낼때, 면적비 L은 0.001% 또는 그 이상, 면적비 T는 0.001% 또는 그 이상이고 L/T의 비는 0.90 내지 3.00의 범위 안에 있는 것을 특징으로 하는 공구용 강을 제공하는 것이다. 본 발명의 상기 공구용 강은 퀀칭(quenching)과 템퍼링(tempering) 과정에서 등방성(isotropic)의 크기 변화를 보인다.

공구용 강, 등방성, 카바이드

Description

공구용 강과 그 제조방법{TOOL STEELS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 공구용 강, 특히 퀀칭(quenching)과 템퍼링(tempering)시에 등방성으로 팽창하는 공구용 강과 상기 강의 제조 방법에 관한 것이다.

지금까지, 공구용 강은 냉간 단조(cold forging), 정밀 단조(precision forging), 프로그레시브 프레스(progressive press), 플라스틱 성형(plastic molding), 온간 단조(warm forging), 파우더 성형(powder molding), 자석 성형(magnet molding)을 위한 몰드(mold)를 만드는 것과 몰드에 덧붙혀진 몰드부분에 사용되어 왔다.

공구용 강은 높은 경도가 요구되는 재료이므로, 공구용 강의 구조는 원하는 강도를 얻기 위한 퀀칭과 템퍼링에 의하여 마텐자이트(martensite)로 변화되고, 이러한 공구용 강은 상기 언급된 몰드와 같은 것들에 사용된다.

공구용 강은 퀀칭과 열처리에 의해 부피가 팽창한다. 비록 팽창이 등방성 팽창인 경우 아무런 문제를 일으키지 않지만, 지금까지의 상온 가공된 공구용 강은 몰드와 같은 것들의 생산에 심각한 문제를 일으키는 이방성(anisotropic) 및 불균일 팽창에 의하였다.

이러한 공구용 강의 이방성 및 불균일 팽창은 많은 양의 카바이드(carbide)를 포함하는 공구용 강에서 특히 눈에 띄게 일어날 수 있다. 그러나, 그런 현상의 원인은 아직까지 명확하게 밝혀지지 않았다.

공구용 강의 이방성 및 불균일 팽창은 예를 들어 몰드의 생산에서 다음과 같은 문제를 일으킨다.

몰드(mold)의 생산에서, 공구용 강은 초기의 열처리에 의해 변화될 크기를 더해져 측정된 모양과 크기를 갖는 미완성 몰드를 형성하고, 그 이후 미완성 몰드에 퀀칭과 템퍼링 과정이 실시되고 마지막으로, 원하는 모양의 몰드를 형성하기위해 마무리 작업이 행해진다.

몰드의 재료(공구용 강)는 퀀칭과 열처리에 의하여 등방성 팽창으로 생산되는 경우, 몰드는 거의 모든 방향으로 같은 정도의 팽창을 고려한 크기와 모양으로 형성될 수 있다.

그러나, 몰드 재료가 퀀칭과 템퍼링 과정에 의해 다른 쪽으로는 거의 늘어나지 않거나 수축되는 동안 한쪽 방향으로 크게 늘어나는(팽창하는) 경우, 다른 방향으로의 크기 변화를 고려하여 퀀칭과 열처리 전에 몰드 재료의 크기를 결정할 것이 요구된다.

그러나, 퀀칭과 템퍼링 과정에 의해 몰드 재료가 늘어나는 방향은 또한 몰드가 될 재료의 원료에 따라 다르다. 따라서, 퀀칭과 열처리 후에는 크기의 재생능력(reproducibility)이 없고, 몰드의 크기는 원하는 정밀도로 제어할 수 없다.

따라서, 예를들어, 일반적인 사용자들을 만족시키기 위해 요구되는 몰드 크 기 정밀도가 ±0.03%(몰드의 길이가 100 mm일때 ±3㎛의 크기 정밀도)인 것과 비교해서, 열처리 전의 몰드는 퀀칭과 열처리(+0.06±0.03% = 0.03% 내지 0.09%)에서 크기를 제어할 수 없고 충분한 기계가공 여유분(+0.03% 또는 그 이상, 그리고 기계 또는 그와 같은 것들의 강도(rigidity)의 관점에서 어려운 커팅(cutting)에 의한 기계가공 여유분이 0.03% 미만일때 제거되는 1 내지 30 ㎛)이 보장되어야 하는 문제로 지금까지는 균일하게 크게(거의+0.06%) 만들어졌다.

그러나 이 경우 마무리 작업의 기계가공 여유분이 최대 0.09%가 되고, 동시에 공구용 강은 기본적으로 높은 강도를 갖는 재료이므로 열 처리 이후의 작업은 오랜 시간이 요구된다.(커팅이 매 0.03% 마다 수행된다고 가정하면, 세번의 커팅이 필요하다.)

선택적으로, 여기에는 또한 커팅 도구가 받는 부하가 과도하게 증가되어 커팅 도구의 손상을 일으키는 심각한 결점을 초래한다(한번의 작업에서 0.09%의 작업 여유분일때).

따라서, 기계가공의 여유분의 감소가 강하게 요구되어 왔다. 그러나 열처리에 의한 팽창의 불균일을 제어하는 요소는 아직 밝혀지지 않았고, 따라서 대응책도 지금까지 찾지 못했다.

JP-A-2005-113161은 뜨거운 도구용 강에서의 온도 팽창 비의 이방성의 문제점을 해결하기위한 목적을 지닌 기술을 밝히고 있다. 상기 문헌에서, 온도 팽창비는 퀀칭과 템퍼링과정의 (상 변화가 없는)열처리가 된 재료가 온도에 대응하여 팽창하는 비이다.

본 발명은 퀀칭과 템퍼링시 열처리에 관한 것으로, 즉 상변화가 일어날 때 도구용 강의 크기 변화의 이방성에 관한 것이다. 그러므로, 본 발명은 기본적으로 JP-A-2005-113161에서 공개된 기술과는 상변화 유무의 측면에서 기본적으로 다른 발명이다. 따라서, 상 변화가 일어날때의 본 발명의도구용강의 크기 변화의 이방성은 상기의 문헌에서는 평가되지 않았다.

나아가, JP-A-2003-226939에서는 입자 크기와 카바이드와 비금속 함유물(non-metallic inclusions)의 양을 제한함에 의해 가공능(machinability)을 향상시킨 기술을 공개하고 있다.

그러나, 상기 문헌은 본 발명에서 해결한 문제점을 제시하지 못하고 있고, 또한 본 발명은 상기 문헌의 공개 기술과는 문제점을 극복하는 기술의 면에서 상이하다.

따라서 본 발명은 상기 언급되어진 상황에서 만들어진 것으로 본 발명의 목적은 55HRC 또는 그 이상의 만족스러운 사용 강도를 얻기 위한 퀀칭과 어닐링에 따른 상 변화를 수반하는 등방성의 크기 변화를 보이는 공구용 강과, 그 생산방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

1.상기한 목적 달성을 위해, 본 발명의 일구현예는

0.55 내지 0.85 질량%의 C,

0.20 내지 2.50 질량%의 Si,

0.30 내지 1.20 질량%의 Mn,

0.50 질량% 또는 그 보다 적은 양의 Cu,

0.01 내지 0.50 질량%의 Ni,

6.00 내지 9.00 질량%의 Cr,

0.1 내지 2.00 질량%의 Mo + 0.5W, 및

0.01 내지 0.40 질량%의 V,

와 Fe 및 피할 수 없는 불순물을 포함하고, 여기서 단조 방향과 평행한 단면에서 2㎛ 또는 그 이상의 원의 등가 직경을 갖는 입자가 큰(coarse) 카바이드의 면적비는 L(%)로 나타내고, 단조 방향과 수직한 단면에서의 입자가 큰(coarse) 카바이드의 면적비는 T(%)로 나타낼때, 면적비 L은 0.001% 또는 그 이상, 면적비 T는 0.001% 또는 그 이상, 그리고 L/T의 비는 0.90 내지 3.00의 범위 안에 있는 공구용 강을 제공하는 것이다.

2. 본 발명의 다른 일구현예는 상기 항목 1에 따른 공구용 강에 있어서, 면적비 L은 0.5 % 또는 그 이하이고, 면적비 T는 0.5 % 또는 그 이하인 것을 특징으로 하는 공구용 강을 제공하는 것이다.

3. 본 발명의 다른 일구현예는 상기 항목 1 또는 2에 따른 공구용 강에 있어서,

0.040 내지 0.100 질량%의 S,

0.040 내지 0.100 질량%의 Se, 및

0.040 내지 0.100 질량%의 Te로 이루어진 그룹으로 부터 선택된 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공구용 강을 제공하는 것이다.

4. 본 발명의 다른 일구현예는 상기 항목 3에 따른 공구용 강에 있어서, 0.001 내지 0.0150 질량%의 Ca를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공구용 강을 제공하는 것이다.

5. 본 발명의 다른 일구현예는 상기 항목 1 내지 4 중 어느 하나에 따른 공구용 강에 있어서, Al,O 및 N는 각각 0.5 % 또는 그 이하, 0.0050% 또는 그 이하 및 0.0200% 또는 그 이하로 제한된 것을 특징으로 하는 공구용 강을 제공하는 것이다.

6. 본 발명의 다른 일구현예는 상기 항목 1 내지 5 중 어느 하나에 따른 공구용 강에 있어서,

0.01 내지 0.15 질량%의 Nb,

0.01 내지 0.15 질량%의 Ta,

0.01 내지 0.15 질량%의 Ti, 및

0.01 내지 0.15 질량%의 Zr로 이루어진 그룹으로 부터 선택된 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로하는 공구용 강을 제공하는 것이다.

7. 본 발명의 다른 일구현예는 단조 방향과 평행한 단면에서 2㎛ 또는 그 이상의 원의 등가 직경을 갖는 입자가 큰(coarse) 카바이드의 면적비율을 L(%)로 나타내고, 단조 방향과 수직한 단면에서 입자가 큰(coarse) 카바이드의 면적비는 T(%)로 나타낼때, 면적비 L은 0.001% 또는 그 이상, 면적비 T는 0.001% 또는 그 이상이고 L/T의 비는 0.90 내지 3.00의 범위 안에 있고 단조 비율이 0.85 내지 30의 범위에 있는 열간 단조를 수행하는 것을 포함하는 공구용 강의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기에서 나타난 것처럼, 본 발명에 따르면, 공구용 강은 상기 언급된 단조 방향과 평행한 단면에서 2㎛ 또는 그 이상의 원의 등가 직경을 갖는 입자가 큰(coarse) 카바이드의 면적비율을 L(%)로 나타내고, 단조 방향과 수직한 단면에서의 입자가 큰(coarse) 카바이드의 면적비는 T(%)로 나타낼때, 면적비 L은 0.001% 또는 그 이상이고, 면적비 T는 0.001% 또는 그 이상이고 L/T의 비는 0.90 내지 3.00의 범위 안에 있는 구성을 가진다. 상기의 구성에 의하여 공구용 강이 퀀칭과 어닐링 될때의 공구용 강의 팽창은 등방성팽창이 될 수 있다.

부수적으로, 본 명세서에서 단조는 롤링(rolling)을 포함하는 개념이다.

공구용 강이 퀀칭과 어닐링 과정에서 이방성 팽창, 불균일 팽창되는 현상을 해결하기위한 연구 과정에 있는 본 발명의 발명자는 카바이드의 분포 상태에 초점을 맞추고 카바이드의 분포 상태와 공구용 강의 팽창과의 관계를 조사해왔고, 카바이드의 분포 상태와 공구용 강의 팽창은 밀접한 관련성이 존재한다는 것을 찾아냈다.

조금 더 자세하게는, 퀀칭과 어닐링 과정 후의 공구용 강의 팽창은 단조 방향으로 크게 일어나고 단조 방향과 수직한 방향으로는 적게 일어난다는 사실에 기초하여, 발명자는 단조 방향과 평향한 단면의 카바이드 분포 상태와 단조 방향과 수직한 단면의 카바이드 분포 상태를 조사하였다.

조사의 결과에 따르면, 발명자는 단조 방향과 평행한 단면에서 2㎛ 또는 그 이상의 원의 등가 직경을 갖는 입자가 큰 카바이드가 집합체를 형성하고, 그 집합체가 단조 방향으로 늘어나는데 상태로 분포하고, 또한 카바이드의 면적 비도 커지게 됨을 발견하였다. 단조 방향과 수직한 방향의 단면에서는 상기 언급된 상태와 다르게 카바이드는 상대적으로 균일하게 집합체를 형성하지 않은 상태로 분포하고 카바이드의 면적비 또한 적다.

나아가, 본 발명의 발명자가 카바이드의 분포 상태와 퀀칭과 어닐링에 의한 공구용 강의 팽창과의 관계에 대한 연구 중, 팽창의 크기와 카바이드의 면적비는 면적비가 클수록 팽창의 크기도 커지게 되는 상호 관련성을 발견하였다.

퀀칭과 어닐링에 의한 팽창이 입자가 큰 카바이드의 면적비 증가에 따라 증 가하는 현상과 카바이드의 면적비 감소에 따라 감소하는 현상의 원인이 아직 명확히 밝혀지진 않았을 지라도 다음의 원인들이 추정된다.

카바이드의 강도와 카바이드를 둘러싼 기초 재료의 강도, 즉 금속 매트릭스(metal matrix)와 비교 할때, 실온에서 담금질 온도까지의 범위에서 카바이드는 기초 재료와 비교하여 극히 높은 강도를 나타낸다. 따라서, 열처리에 의해 초래된 열 스트레스(thermal stress), 특히 가열시의 오스테나이트(austenite) 변형 또는 냉각시의 마텐자이트(martensite) 변형에 의하여 초래된 스트레스(transformation stress) 때문에 기초 재료, 즉 금속 매트릭스는 스트레스를 완화시키기 위하여 변형된다.

카바이드의 면적비가 공구용 강의 단조 방항과 단조 방향과 수직인 방향 사이에서 다를 때, 기초 재료 즉 금속 매트릭스의 변형은 또한 방향에 의존하여 달라지는 것으로 간주되고, 이러한 현상은 공구용 강의 이방성 팽창의 원인이 되는 것으로 생각된다.

따라서, 단조 방향으로의 퀀칭과 어닐링에 의한 공구용 강의 팽창과 단조 방향과 수직한 방향으로의 퀀칭과 어닐링에 의한 공구용 강의 팽창을 균일하게 하기 위하여, 즉 공구용 강의 팽창이 등방성으로 일어나게 하기 위해서는 입자가 큰 카바이드의 분포가 단조 방향 뿐만아니라 단조 방향과 수직한 방향에서도 균일하여야 한다.

사실, 본 발명의 발명자가 상기의 착상을 확인하기 위한 실험을 실시해오던 중, 단조 방향과 평행한 단면에서 입자가 큰 카바이드의 면적비 L과 단조 방향과 수직한 단면의 면적비 T가 감소함에 따라 퀀칭과 어닐링에 의한 공구용 강의 팽창이 더욱 등방적으로 일어나는 것을 발견하였다.

비록 면적 비의 비율 L/T에 대한 이상적인 수치는 1 이지만, 몰드 또는 그와 같은 것의 제조과정에서는 면적비의 비율 L/T가 0.9 내지 3.00의 범위의 값을 가지는 경우, 공구용 강은 충분히 균일한 크기 변화(퀀칭과 어닐링에 의한)를 얻을 수 있다.

본 발명은 이와 같은 연구 결과에 기초하여 달성되었다.

여기서, 충분히 균일한 크기 변화는 단조방향의 크기 변화율(%)과 단조 방향과 수직한 방향의 크기 변화율(%)이 -0.03 내지 0.03 의 범위에 있는 것을 포함한다.

차이가 상기의 범위에 있지 않은 때, 그러한 공구용 강은 일반적으로 요구되는 ±0.03% 몰드 크기 정밀도를 만족할 수 없다(이는 크기 정밀도가 단조 방향으로는 만족할때, 단조 방향과 수직한 방향에서의 크기 정밀도가 만족하지 못하기 때문이다).

상기 언급된 카바이드의 분포를 실현하기 위한 방법으로써, 다음의 단계 (1)과 (2)를 포함하는 제조방법이 보다 바람직하게 적용될 수 있다.

단계 (1): 강 소재를 주조 시작시부터 응고(solidification)가 완료 될때 까지 냉각 비율이 0.1 내지 5.0 ℃/min의 범위에 있는 조건에서 주조하는 단계.

이 단계에서, 주조 재료는 재용해(re-melting)(2차 용해)되고, 뒤이어 녹은 주조 소재가 재응고되어도 무방하다(일반적으로, VAR(vacuum arc remelting) 또는 ESR(electro slag remelting)의한 2차 용해와 주조 기술). 나아가, 파우더(powder) 소재가 사용되어도 무방하고, 공구용 강이 HIP(hot isostatix pressing)에 의하여 제조되어도 무방하다.

단계 (2): 적어도 한번은 1100에서 1250℃ 까지 10시간 또는 그 이상 소킹(soaking) 처리를 수행과 0.85 에서 30의 단조 비(ratio)가 얻어지는 900 내지 1250℃ 범위의 온도 내에서 열간 단조(hot forging)의 시작을 포함하는 단계.

상기 단계 (1)은 주조에 의해 생성된 입자가 큰 카바이드가 미세하게 되는 단계이다. 주조의 시작에서 응고가 완결될 때까지의 냉각 비가 더 높아질수록 입자가 큰 카바이드의 크기가 더욱 작아지게 된다. 단계 (2)에서의 소킹처리에 의한 적당한 범위의 입자가 큰 카바이드의 크기, 양과 분포 상태를 조절하기위해, 주조시의 냉각비를 0.1 ℃/min 또는 그 이상으로 하는 것이 필요하다. 그러나, 실제 공정에서의 냉각비가 5.0 ℃/min을 초과하는 급속 냉각은 주조 양 또는 그와 같은 것들을 어렵게 하므로 따라서 단조는 상기 언급된 범위에서 수행되어야한다.

추가적으로, 2차 용해의 적용시, 용해와 응고가 짧은 시간에 일어나므로, 짧은 시간의 용해와 응고는 냉각 비의 속도 향상에 대응한다. 파우더 원료가 사용되는 경우, 주조 재료 안의 카바이드는 일반적인 주조재와 비교하여 미세한 입자 크기를 가진다. 그러나, 제조 비용이 비싸므로, 따라서 파우더를 사용하는 것은 비용상의 결점을 지닌다.

단계 (2)는 적합한 범위에서 입자가 큰 카바이드를 제어하는데 최적의 단계이다. 소킹 처리를 퀀칭 온도보다 높은 온도와 녹는점 이하의 온도에서 실시하는 것이 필요하다. 적합하게 소킹 처리가 수행됨에 의하여, 주조재가 단계 (1)에 의해 만들어진다면, 입자가 큰 카바이드의 크기를 더 작게 만드는 것, 카바이드의 양을 줄이는 것, 그리고 카바이드의 분포를 균일하게 하는 것이 가능하다. 적합한 소킹 온도와 시간은 구성성분에 따라 다르다.

적합한 온도는 단계 (1)에 의해 제조된 주조재를 녹는점부터 -50 내지 -10℃의 범위까지의 값( 또한 부분적으로 분리된 구성성분이 국부적으로 녹는 온도를 포함한다)으로 가열함에 의해 얻어진다. 주조재가 소킹에 의해 부분적으로 용해될 때, 주조재에서 틈(crack)이 발생한다. 반면에, 온도가 적합한 값보다 낮은 경우에는 입자가 큰 카바이드의 용해가 불충분하게 되고 따라서, 카바이드의 분포를 적절한 범위로 제어하는 것이 불가능하다.

비록 적합한 소킹 시간은 소킹 온도에 따라 다르지만, 공장임을 고려하면 주조재의 제조에 10시간 또는 그 이상이 걸리는 것이 바람직하다.

단조 온도는 소킹 온도와 동일하거나 그보다 낮은 온도이다. 단조 온도가 열간 단조가 가능한 온도인 900℃이거나 그 보다 높은 경우라면, 단조는 어느 온도를 선택하여 실시해도 무방하다.

그러나, 소킹에 의해 고용체(solid-solution) 상태에 녹은 카바이드가 낮은 단조 온도에서 재촉진될 때, 본 발명 범위의 카바이드 분포를 얻을 수 없다. 따라서, 가능한한 단조 시작 온도는 소킹 온도와 가까울 것이 요구된다(소킹 온도에 대하여 50℃ 이내).

단조 비율은 (단조 전의 단면적)/(단조 후의 단면적)으로 정의 되는 값을 가 지고, 일반적으로 단조 비율이 클수록 카바이드는 단조 방향으로 더 늘어난다.

단계 (1)과 단계 (2)를 포함하는 제조 방법의 적용에 따라, 기초적인 입자가 큰 카바이드는 고용체 상태에 녹을 수 있고 제어가 가능하며, 따라서 단조 비율의 크기와 카비이드 분포 상태의 면적비 비율(L/T)사이의 상호관련이 항상 발견되는 것은 아니다.

그러나, 단조 비율이 극단적으로 증가할때, 기초재(base material)의 구조, 즉, 금속 매트릭스는 강한 위치 확정 상태를 얻게되고(임의의 방향이 아닌 특유의 방향으로 정렬된 결정 방위(crystal azimuth)), 따라서 열처리에 의한 크기 변화의 비등방성은 그러한 열처리에 의해 초래된다.

등방성은 본 발명에 있어서 필수적이므로, 단조 비율이 30 또는 그 보다 적은 값을 갖도록 억제하여야한다. 반면에, 1 이하의 단조 비율은 단조 후의 단면적이 주조재의 단면적 보다 증가되는 것을 포함하고, 따라서 일반적으로 상기 단조는 이른바 업셋 단조(upset forging)로 알려져있다. 업셋 단조에서, 일반적으로, 입자가 큰 카바이드는 주조시에 많은 양이 남아 있고 따라서, 합금은 이 상태에서 사용될 수 없다. 그러나, 단계 (1)과 단계 (2)를 포함하는 제조 방법의 적용은 특히 본 발명의 유리한 효과를 얻는데 효과적이다.

게다가, 상기 항목 2에 따라 면적비 L과 T가 0.5% 또는 그 이하인 경우, 크기 변화율 차이는 극단적으로 높은 ±0.01%의 몰드 크기 정확도를 만족시킬 수 있다.

상기에서 설명된 것처럼, 단조 방향과 평행한 단면의 카바이드 면적비 L과 단조 방향과 수직한 단면의 카바이드 면적비 T 사이의 비를 1/1로 설정하는 것은 이상적이다.

면적비 L과 T가 상기 항목 2에 따라 0.5% 또는 그 이하로 설정되는 경우, 단조 방향과 평행한 단면의 면적비와 단조방향과 수직한 단면의 면적비는 작은 값이라고 간주할 수 있다. 즉, 카바이드 자체의 분포는 극도로 작아지고, 따라서 카바이드의 집합은 근본적으로 거의 형성될 수 없다. 따라서, 단조 방향에서 카바이드 그 자체의 집합의 늘어남에 의한 카바이드 분포의 불균일성은 거의 발생하지 않고, 따라서 단조 방향에서의 카바이드 분포와 단조 방향과 수직한 방향에서의 카바이드 분포는 서로 충분히 같게 된다.

즉, 면적비 L과 T 사이의 비가 1/1에 가까워지기 위한 수단으로서, 상기 항목 2에 설면된 방법은 효과적인 수단이다.

나아가, S를 포함하는 그룹 중에서 선택된 하나 이상의 구성요소, Se와 Te는 상기 항목 3에 따라 선택적인 구성 요소로 추가될 수 있다. 여기서, 상기 항목 4에 따라 Ca는 S, Se 또는 Te와 함께 첨가될 수 있다. 게다가, Al, O 또는 N의 첨가량은 상기 항목 5에 따라 제한할 수 있다. 또한, Nb, Ta, Ti와 Zr으로 이루어진 그룹 중 선택되어진 하나 이상의 구성 요소는 상기 항목 6에 따라 추가적으로 첨가될 수 있다.

다음으로, 상기 항목 7에 따라서, 공구용 강은 열간 단조가 단조비율이 0.85 내지 30의 범위 내에서 수행되는 것에 의해 만들어지고, 여기서 단조 방향과 평행한 단면의 입자가 큰 카바이드의 면적비 L과 단조 방향과 수직한 단면의 면적비 T 사이의 비 L/T는 0.90 내지 3.00의 범위안에 놓인 값으로 설정된다. 상기의 제조방법에 의하여, 단조 방향뿐만아니라 단조 방향과 수직한 방향에서도 퀀칭과 템퍼링 의한 균일한 팽창을 보이는 공구용 강이 유리하게 제조될 수 있다.

다음으로, 본 발명에서 화학적 구성 요소 또는 그와 같은 것의 제한의 이유는 이하에서 상세하게 설명된다. 이 점에 있어서는, 다른 지적이 없으면, 다음의 모든 퍼센티지는 중량(weight)에 정해지는 것과 같이 질량(mass)에 의해 정의되는 것을 가리킨다.

"단조 방향과 평향한 단면에서 2㎛ 또는 그 이상의 직경을 갖는 입자가 큰 카바이드의 면적비 L과 단조방향과 수직한 단면의 입자가 큰 카바이드의 면적비 T는 0.001% 또는 그 이상의 값으로 설정되고, L/T 비는 0.90 내지 3.00의 범위 안에 있는 값으로 설정된다."

단조 방향에서 팽창과 단조 방향과 수직한 방향에서의 팽창을 대체로 등방성 팽창이 되도록하여 두 방향 모두에서 요구되는 크기의 허용 오차를 만족게 함으로써, 크기 변화율의 차이가 -0.03 내지 0.03의 범위 안에 있는 값을 가지도록 설정하는 것이 바람직하다.

상기 크기 변화율 차이를 만족하기 위해, L/T 비가 0.90 내지 3.00의 범위안에 있는 값으로 설정하는 것이 요구된다.

미세한 카바이드는 고용체 상태에 녹거나 또는 퀀칭과 템퍼링에 의해 촉진되고 따라서 크기 변화율에 미치는 미세한 카바이드의 영향은 거의 인지되지 않는다.

따라서, 열 처리시 고용체 상태 또는 촉진을 거의 일으키지 않는 2㎛ 또는 그 이상의 원의 등가 직경을 갖는 입자가 큰 카바이드를, 목적으로써(카바이드) 다루는 것이 필요하다.

여기서, 상기 원의 등가 직경(circle equivalent diameter)이란 관찰을 위해 처음으로 얻어지는 카바이드의 면적과 면적을 원의 면적으로 변환한 것에 의해 얻어지는 등가 직경이다.

C: 0.55 내지 0.85 %

C는 55 HRC의 사용 경도를 얻기위해 필요한 구성요소이다. 공구용 강은 0.55 % 또는 그 이상의 C를 포함하지 않을 때, 55 HRC의 또는 그 이상의 경도는 얻을 수 없다. 반면에, C가 0.85%를 초과한 양이 첨가된 경우, 카바이드의 증가 또는 경도의 증가에 대한 기여가 포화된다.

적정한 C 함유량의 범위는 0.60 내지 0.70%이다.

Si:0.20 내지 2.50 %

Si는 산소 제거 요소로써 첨가된 구성 요소이다. 실제의 제조에 있어서, 0.20% 이하로의 Si 양의 감소는 비용적 측면에서 문제가 있다. 반면에, Si를 2.50%를 초과한 양을 첨가하는 것은 카바이드의 상태가 그래뉼형상(granular shape)에서 막대형상(rod shape)으로 변화되고 따라서, 입자가 큰 카바이드가 자칫하면 쉽게 남아있게 되므로, 상한과 같은 값이 낮은 값을 갖는 것으로 정하여 Si의 첨가량을 제한하는 것이 필요하다.

바람직한 Si 양의 범위는 0.90 내지 2.20% 이다.

Mn: 0.30 내지 1.20%

큰 몰드, 파트(part) 또는 그와 같은 것들에 공구용 강을 적용하기 위하여, 높은 경도능(hardenability)이 필요하다. 경도능의 관점으로부터, 0.30% 또는 그 이상의 Mn의 첨가가 확보되지 않은 경우에 퀀칭은 건식 냉각에 의하여 수행될 수 없다. 반면에, 1.20%를 초과하는 양의 Mn이 첨가되는 경우, 충분한 경도능을 얻는 것이 가능하다. 그러나, 유지된 오스테나이트 양은 증가되고, 따라서 경도는 크게 낮아진다. 따라서, Mn의 첨가량을 상한 값과 같거나 낮은 값으로 제한하는 것이 필요하다.

바람직한 Mn 양의 범위는 0.70 내지 1.20%이다.

Cu≤0.50%

Cu는 강(steel)에서 필수적인 구성 요소이다. Cu의 함유량이 0.50%를 초과할 때, 적열취성(red shortness)이 단조시에 발생하고 따라서, 공구용 강이 제조될 수 없다. 따라서, 0.50% 또는 그 이하로 Cu 첨가량을 제한하는 것이 필요하다.

그러나, 실제 공구용 강의 제조에 있어서, 0.01% 이하로의 Cu의 감소는 매우 큰 비용적인 부담을 가지고 따라서 0.01% 또는 그 이상의 Cu가 허용되는 것으로 간주된다.

Ni: 0.01 내지 0.50%

공구용 강을 큰 몰드, 파트(part) 또는 그와 같은 것들에 공구용 강을 적용하기 위하여, 높은 경도능이 요구된다. 경도능의 관점에서, 0.01% 또는 그 이상의 Ni의 첨가가 확보되지 않은 경우에 퀀칭은 건식 냉각에 의하여 수행될 수 없다. 반면에, Ni가 0.50%를 초과하여 첨가될때, 충분한 경도능을 얻는 것이 가능하다. 그러나, 유지된 오스테나이트 양이 증가하고 따라서, 경도가 크게 낮아진다. 따라서, Mn의 첨가량을 상한 값과 같거나 낮은 값으로 제한하는 것이 필요하다.

Cr: 6.00 내지 9.00%

Cr은 탄소와 카바이드의 형태로 묶여 있고 따라서, Cr은 높은 퀀칭과 템퍼링 경도를 얻기위한 필수 구성요소이다. 6.00% 또는 그 이상의 Cr을 충분히 경도에 도움이 되도록 카바이드의 형태를 형성하기위해서 첨가하는 것이 필요하다. 반면에, Cr이 9.00%를 초과하여 첨가되는 경우, 경도에 도움이 되지 않는 카바이드가 많은 양이 형성되고 따라서, Cr의 첨가량을 상한 값과 같거나 낮은 값을 가지도록 제한하는 것이 필요하다.

바람직한 Cr의 양의 범위는 6.50 내지 8.00% 이다.

MO+0.5W: 0.1 내지 2.00%

Mo와 W는 탄소와 카바이드의 형태로 묶여 있고 따라서 Mo와 W는 높은 퀀칭과 템퍼링 경도를 얻기위한 필수적인 구성 요소이다. 경도에 도움이 되는 카바이드를 충분히 형성하기 위하여 0.1% 또는 그 이상의 Mo + 0.5W의 첨가가 요구된다. 반면에, Mo + 0.5W가 2.00%를 초과하여 첨가되는 경우, 과도하게 많은 양의 카바이드가 공구용 강에 포함되고 따라서, 공구용 강의 내구성(toughness)을 두드러지게 저하시키므로 Mo + 0.5W의 첨가량을 상한값과 같거나 낮은 값을 가지도록 제한하여야 한다.

V: 0.01 내지 0.40%

V는 탄소와 카바이드의 형태로 결합되어 있어 퀀칭과 템퍼링 경도를 얻기위한 필수적인 구성요소이다. 경도에 도움이 되기 위한 카바이드를 충분히 형성하기 위하여 0.01% 또는 그 이상의 V를 첨가하는 것이 필요하다. 반면에, 0.40%를 초과하는 V를 첨가하는 경우, 극도로 입자가 큰 카바이드가 형성되고 따라서 공구용 강의 내구성을 현저하게 저하시키므로 V의 첨가량을 상한값과 같거나 낮은 값을 가지도록 제한하여야 한다.

바람직한 V의 범위는 0.03 내지 0.20%이다.

0.040 내지 0.100%의 S, 0.040 내지 0.100%의 Se와 0.040 내지 0.100%의 Te로 이루어진 그룹 중 선택된 하나 이상의 구성요소

이들 구성 요소 S, S 및 Te 중 어떤 것으로도 같은 효과를 얻을 수 있으므로, 어떠한 구성 요소가 선택되어도 무관하다(적어도 하나의 구성 요소). 이들 구성 요소 중 어느 하나는 재료에서 Mn과 묶여 있고 이에 의하여 MsS, MnSe, MnTe 또는 그와 같은 것들을 형성한다.

MnS, MnSe 또는 MnTe의 존재에 의하여, 드릴 절삭성(drill machinability)과 같은 유리한 효과를 얻는 것이 가능하다. 즉, 커팅에 의한 공구 마모량(tool wear quantity)이 줄어드는 것이 가능하거나 커팅 속도가 종래의 커팅 속도에 비하여 향상될 수 있다. S 또는 그와 같은 것들의 첨가에 대하여, 재료에서 Mn의 사용때문에, 0.100%를 초과하는 많은 S 또는 그와 같은 것들의 양이 공구 재료에 더하여 질때, 매트릭스의 Mn양은 낮아진다. 반면에, 자유 커팅 효과(free cutting effect)를 얻기위하여 0.040% 또는 그 이상의 S 또는 그와 같은 것들을 첨가하는 것이 필요하다. Sn 또는 그와 같은 것들은 양, 크기와 카바이드의 분포에 전혀 기여하지 않으므로, S 또는 그와 같은 것들은 공구용 강에 자유롭게 첨가될 수 있다.

Ca: 0.0001 내지 0.0150%

Ca가 S와 동시에 첨가될 때, Ca는 Mns에서 Ca 산화물 또는 용해된 Ca형태로 존재한다. 이 경우, 자유 커팅 효과는 MnS 단독으로 사용될 때와 비교하여 향상되 는 것이 알려져 있다. 자유 커팅 효과를 얻기 위해서, 0.0001% 또는 그 이상의 Ca의 적극적인 첨가가 필요하다. 그러나, Ca가 0.0150% 이상 첨가될 때, 자유 커팅 효과는 포화되고 따라서, Ca 양의 추가는 상한 또는 그 이하로 제한된다. S와 같은 방식으로, Ca도 양, 크기 및 카바이드의 분포에 전혀 기여하지 않으므로 Ca는 자유롭게 첨가될 수 있다.

Al: ≤0.50%

O: ≤0.0050%

N: ≤ 0.0200%

이들 구성 요소는 강(steel)에 피할수 없는 불순물로 포함된다. 그러나, 이들 구성 요소가 저마다 그들의 상한을 초과할때, 많은 양의 Al 산화물 또는 Al 질화물이 형성된다. 그런 많은 양의 산화물 또는 질화물이 형성될 때, 이것은 많은 양의 입카가 큰 카바이드의 보유력에 에 대응하고 따라서, 크기 변화의 등방성의 관점에서 상기 구성 요소의 양을 가능한한 많이 줄이는 것이 요구된다. 그러나, 상기 구성 요소의 양을 감소하는 것은 제조 비용을 증가시키는 긴 정제(refining) 시간 또는 그와 같은 것이 요구되고 따라서, 상기의 구성 요소의 첨가량은 각각 그들의 상한과 같은 값 또는 그 이하의 값으로 제한된다.

0.01 내지 0.015%의 Nb, 0.01 내지 0.015의 Ta, 0.01 내지 0.015%의 Ti, 및 0.01 내지 0.015%의 Z로 이루어진 그룹 중 선택된 하나 이상의 구성 요소

상기의 구성 요소들은 산화물, 질화물 또는 카바이드를 형성한다. 상기 구성요소의 적극적인 첨가와 함께, 비금속의 함유물은 공구용 강의 내구성을 향상시키기위한 퀀칭시에 입자의 커짐을 제한하기위해 형성된다. 비록 입자가 큰 카바이드가 본 발명의 강에서 균일하게 분포되어도, 이들 구성 요소는 카바이드의 양이 퀀칭 시의 입자가 커지게 되는 것을 위해 감소한다.

본 발명에 따른 공구용 강은 주로 몰드를 형성하는데 사용된다. 공구용 강, 상온 가공 공구용 강(cold work tool steel) 및 고속 공구용 강(high speed tool steel)은 입자가 큰 비결정질(amorphous) 카바이드를 많은 양 포함하고 따라서 본 발명에 따른 공구용 강은 상온 가공 공구용 강으로 사용되는 것이 바람직하다.

실시예

다음으로, 본 발명의 구체예는 이후에서 보다 자세히 설명된다.

구성 요소의 조성이 표 1에서 보는 보이는 바와 같은 강 재료 30kg을 높은 진동수의 진공 용해로(high frequency melting furnace)에 녹였고, 그 후 잉곳(ingot)이 형성되었다. 이 주조에서의 냉각 속도는 1.2℃/min 이었다. 이러한 점에서, 대조 강2는 히터에 의한 가열 제어의 수행과 주조시 냉각비를 0.01℃/min으로 설정한 것에 의한 제조되었다. 그리고 나서, 강 잉곳은 표 2에서 보이는 플라스틱 형성 온도(단조 가열 온도)에서 10 시간 또는 그 이상 동안을 유지시키고, 그 이후 열간 단조(hot forging)가 500t-hammer-type 단조 머신, 예를 들어 상온 가공 공구용 강에 의해 이루어지게 된다.

여기서, 단조는 표 1에서 보이는 단조 비율에서 이루어 진다. 상기 단조 비율은 단조 전의 단면적과 단조 후의 단면적 사이의 비이다(단조 전의 단면적/단조 후의 단면적).

단조 후에, 상온 가공 공구용 강은 점진적으로 냉각되고, 이후에 상온 가공 공구용 강은 구상화(spheroidize)되었다.

상기와 같이 얻어진 발명에 따른 강과 대조 강은 다음 테스트와 평가의 대상이 되었다.

<카바이드의 면적비>

상온 가공 공구용 강은 단조 방향과 평행한 15 mm²의 표면을 얻기위해 잘렸다(L방향). 상기 표면은 final diamond polishing에 이를 때까지 연마되었고, 그 이후 상기 표면은 NITAL 또는 BILELLA로 부식되었다. 마찬가지로 단조 방향과 수직한 표면(T 방향)은 또한 잘렸고, 연마되고 부식되었다. 부식 이후에, 100 확대의 광학 현미경에서 시야 10으로 (100 magnifications of an optical field of view)관찰되었고, 카바이드의 면적비는 각각 시야 10으로 측정되었다. 2㎛ 또는 그이상의 원의 등가 직경을 갖는 카바이드를 타겟으로 설정함에 따라, 카바이드의 면적비는 각각 하나의 시야에서 측정되었고, 시야 10에서 면적비의 평균을 얻었다. 상기 평균 값은 카바이드의 면적비로서 설정되었다.

<열 처리 조건>

퀀칭과 템퍼링은 표2에서 보이는 온도에서 수행된다.

<오스테나이트(austenite) 보유량의 결정>

표본은 제조된 본 발명의 강과 대조 강으로 부터 잘라 내었다.

퀀칭은 표본이 표 2에서 보이는 온도에서 30 분 동안 유지되도록 수행되었고, 그이후 평균 냉각비 50℃/min으로 냉각되었다. 그리고 난후, 표본의 표면은 갈고(ground) 연마되었고, 0.05㎛ 두께의 표면은 최종 마무리처럼 전해 연 마(electrolytic polishing)에 의해 제거되었다. 보유한 오스테나이트의 양은 X-ray 회절 기구를 이용하여 마텐자이트 구조의 피크와 오스테나이트 구조의 피크 사이의 비로부터 평균 비로써 구해졌다.

여기서, 표 2에서 보이는 보유한 γ 양은 퀀칭과 템퍼링 이후에 강(steel)내에 보유한 오스테나이트의 양의 부피비(%)를 가리킨다.

<크기 변화율 차이>

10㎛의 직경과 50mm의 길이를 갖는 표본은 제조된 본 발명의 강과 대조 강으로 부터 잘라 내었고 가공의 대상이 되었다. 여기서, 표본의 세로 방향은 단조 방향과 평행이 되게 추출된 표본과 표본의 세로 방향이 단조 방향과 수직이 되게 추출된 표본에 관하여는, 상기의 표본의 길이는 매 1㎛마다 현미결을 사용하여 측정되었고, 이 상기 길이는 대조(reference)값으로 설정되었다. 퀀칭과 템퍼링은 표 2에서 보이는 온도에서 상기 표본에 적용되었다. 상기 열처리는 표본이 산화되는 것을 막기위해 진공 열처리로(vaccum heat treatment furnace)에서 수행되었다.

상기 표본의 길이는 퀀칭이후와 템퍼링 이후에 각각 측정되었고, 대조 값에 대한 길이의 변화가 얻어졌다. 그 다음에, 각각의 단조 방향과 평향한 방향의 표본(L 방향)과 단조 방향과 수직한 방향(T 방향)의 변화율( 즉, L 방향의 크기 변화율-T 방향의 크기 변화율) 사이의 차이는 크기 변화차이로써 구해졌다.

각각의 결과는 표 1과 도 1과 도 2에 나타나있다.

도 1과 도 2에서, 다른 샘플의 비슷한 테스트의 결과가 표2에서 보이는 결과에 덧붙여 나타나있다(도 안에 ●와 ▲로 나타난 표2의 일부).

도 1은 면적비의 비율(L/T)과 크기 변화 비 차이 간의 관계를 보여주는 것이다.

도 2는 단조 방향과 평행한 단면의 카바이드 면적비 L과 크기 변화율의 차이 간의 관계를 보여주는 것이다.

Claims

0.55 내지 0.85 질량%의 C,

0.20 내지 2.50 질량%의 Si,

0.30 내지 1.20 질량%의 Mn,

0.50 질량% 또는 그 이하의 Cu,

0.01 내지 0.50 질량%의 Ni,

6.00 내지 9.00 질량%의 Cr,

0.1 내지 2.00 질량%의 Mo + 0.5W, 및

0.01 내지 0.40 질량%의 V,

와 Fe 및 피할 수 없는 불순물을 포함하고, 단조 방향과 평행한 단면에서 2㎛ 또는 그 이상의 원의 등가 직경을 갖는 입자가 큰(coarse) 카바이드의 면적비는 L(%)로 나타내고, 단조 방향과 수직한 단면에서의 입자가 큰(coarse) 카바이드의 면적비는 T(%)로 나타낼때, 면적비 L은 0.001% 이상, 면적비 T는 0.001% 이상이고 L/T의 비는 0.90 내지 3.00의 범위 안에 있는 공구용 강.
제1항에 있어서, 면적비 L이 0.5% 이하이고 면적비 T는 0.5% 이하인 것을 특징으로하는 공구용 강.
제1항에 있어서,

0.040 내지 0.100 질량%의 S,

0.040 내지 0.100 질량%의 Se, 및

0.040 내지 0.100 질량%의 Te로 이루어진 그룹으로 부터 선택된 하나 이상을 더 포함하는 공구용 강.
제2항에 있어서,

0.040 내지 0.100 질량%의 S

0.040 내지 0.100 질량%의 Se, 및

0.040 내지 0.100 질량%의 Te로 이루어진 그룹으로 부터 선택된 하나 이상을 더 포함하는 공구용 강.
제3항에 있어서, 0.0001 내지 0.0150 질량%의 Ca를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공구용 강.
제4항에 있어서, 0.0001 내지 0.0150 질량%의 Ca를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공구용 강.
제1항에 있어서, Al, O, 및 N의 함유량은 각각 0.50% 또는 그 이하, 0.0050% 이하, 및 0.0200% 이하로 조절된 것을 특징으로하는 공구용 강.
제2항에 있어서, Al, O, 및 N의 함유량은 각각 0.50% 이하, 0.0050% 이하, 및 0.0200% 이하로 제한되는 것을 특징으로 하는 공구용 강.
제3항에 있어서, Al, O, 및 N의 함유량은 각각 0.50% 이하, 0.0050% 이하 및 0.0200% 이하로 제한되는 것을 특징으로하는 공구용 강.
제4항에 있어서, Al, O, 및 N의 함유량은 각각 0.50% 이하, 0.0050% 이하 및 0.0200% 이하로 제한되는 것을 특징으로하는 공구용 강.
제5항에 있어서, Al, O, 및 N의 함유량은 각각 0.50% 이하, 0.0050% 이하 및 0.0200% 이하로 제한되는 것을 특징으로하는 공구용 강.
제6항에 있어서, Al, O, 및 N의 함유량은 각각 0.50% 이하, 0.0050% 이하 및 0.0200% 이하로 제한되는 것을 특징으로하는 공구용 강.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

0.01 내지 0.15 질량%의 Nb,

0.01 내지 0.15 질량%의 Ta,

0.01 내지 0.15 질량%의 Ti, 및

0.01 내지 0.15 질량%의 Zr로 이루어진 그룹으로 부터 선택된 하나 이상을 더 포함하는 공구용 강.
단조 방향과 평행한 단면에서 2㎛ 이상의 원의 등가 직경을 갖는 입자가 큰(coarse) 카바이드의 면적비율을 L(%)로 나타내고, 단조 방향과 수직한 단면에서 입자가 큰(coarse) 카바이드의 면적비는 T(%)로 나타낼 때, 면적비 L은 0.001% 이상, 면적비 T는 0.001% 이상이고 L/T의 비는 0.90 내지 3.00의 범위 안에 있고, 단조 비율이 0.85 내지 30의 범위에 있는 열간 단조를 수행하는 것을 포함하는 공구용 강의 제조 방법.