KR20100135205A

KR20100135205A - 열간가공 공구강 및 이를 이용한 철강제품

Info

Publication number: KR20100135205A
Application number: KR1020100057288A
Authority: KR
Inventors: 마사미치 카와노
Original assignee: 다이도 토쿠슈코 카부시키가이샤
Priority date: 2009-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2010-12-24
Also published as: EP2270246A1; JP2011001572A; CN101921959A

Abstract

본 발명은 0.20≤C≤0.50 질량%, 0.01≤Si<0.25 질량%, 0.50<Mn≤1.50 질량%, 5.24<Cr≤9.00 질량%, 1.24<Mo<2.95 질량%, 및 0.30<V<0.70 질량%를 함유하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 열간가공 공구강; 및 상기 열간가공 공구강을 이용한 철강제품을 제공한다. 본 발명의 열간가공 공구강은 금형 형상으로 산업적 가공을 위한 확실한 절삭성을 가지며 범용의 금형강(예를 들면, JIS SKD61)에 비해 열전도도와 충격값이 향상된다.

Description

열간가공 공구강 및 이를 이용한 철강제품{HOT WORK TOOL STEEL AND STEEL PRODUCT USING THE SAME}

본 발명은 열간가공 공구강 및 이를 이용한 철강제품에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 금형 형상으로의 가공을 산업적으로 가능하게 하는 확실한 절삭성(machinability)을 가지며 범용의 금형강(예를 들면, JIS SKD61)에 비해 열전도도와 충격값이 향상된 열간가공 공구강 및 이를 이용한 철강제품에 관한 것이다.

다이캐스팅(die casting), 열간단조 및 온간단조에 이용되는 금형 재료와 관련하여, 절삭성이 우수한 JIS SKD61이 일반적인 용도로 사용된다. 그러나, JIS SKD61은 열전도도가 낮아서 결국 금형 온도가 높아지기 쉬우며 솔더링이나 히트 체킹(heat checking)의 잦은 발생으로 인하여 금형의 수명이 감소되는 문제를 수반한다. 또한, 금형의 크기가 커짐과 함께, 작은 냉각 속도(이른바 경화능이라 함)의 조건하에서 베이나이트 변태(bainitic transformation)의 높은 변태 온도(transformation temperature) 때문에 JIS SKD61의 미세구조의 정제(refinement)가 어려워지고, 이는 인성(toughness)의 상당한 감소를 초래한다. 그러므로, JIS SKD61은 히트 체킹이 촉진되고 금형 수명이 더 짧아지는 단점이 있다. 이러한 상황하에서, JIS SKD61보다 열전도도 및 충격값이 우수한 열간가공 공구강이 산업계에 요구된다.

이와 관련하여, 이러한 적용에 적합한 여러 강들이 제안되어 왔다.

예를 들면, 특허문헌 1에는 변태 동작(transformation behavior)(경화능(hardenability))과 크리프성(creep property)이 우수하며 JIS SKD61을 대체할 수 있는 열간가공 공구강이 기재되어 있고, 상기 열간가공 공구강은 필수 성분으로서, C: 0.30 내지 0.38 중량%, Si: 0.10 내지 0.40 중량%, Mn: 0.60 내지 0.80 중량%, Cr: 5.40 내지 5.70 중량%, Mo: 1.50 내지 1.70 중량%, 및 V: 0.70 내지 0.85 중량%를 함유하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강이다.

특허문헌 2에는 열충격 계수 K를 도입함으로써 내마모성 및 내열균열성(heat crack resistance)이 향상된 열간 슬래브의 폭 사이징용 금형강이 기재되어 있고, 상기 금형강은 중량%로, C: 0.1 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 1.5%, Mn: 0.2 내지 1.5%, Ni: 5.0% 이하, Cr: 0.5 내지 5.0%, Mo: 1.5% 이하, V: 1.0% 이하, 및 Cu: 0.2% 이하를 함유하고, 나머지는 Fe 및 불순물로 이루어진 강이다.

특허문헌 3에는 전해슬래그 재용해에 의해 얻어진 우수한 저주파 피로성을 갖는 열간가공 공구강이 기재되어 있고, 상기 열간가공 공구강은 중량%로, C: 0.32에서 0.42%, Si: 0.10 내지 1.20%, Mn: 0.10 내지 0.50%, Cr: 4.50 내지 5.50%, Mo: 1.00 내지 1.50%, V: 0.30 내지 0.80%, P: 0.010% 이하, S: 0.003% 이하, Ni: 1.00% 이하, Co: 1.00% 이하, 및 W: 1.00% 이하를 함유하고, 나머지는 Fe 및 불순물로 이루어진 강이다.

특허문헌 4에는 실제 금형의 내마모성, 내균열성, 및 내치핑성(chipping resistance)을 모두 향상시킨 열간가공 공구강이 기재되어 있고, 상기 열간가공 공구강은 중량%로, C: 0.15 내지 0.80%; Si: 0.10% 미만; Mn: 3.0% 이하; Ni: 4.0% 이하, Cr: 10.0% 이하 및 Cu: 3.0% 이하 중에서 하나의 원소나 둘 또는 그 이상의 원소; Mo: 5.0% 이하, W: 5.0% 이하, V: 3.0% 이하, Ti: 1.0% 이하, Nb: 1.0% 이하, Zr: 1.0% 이하 및 Co: 5.0% 이하 중에서 하나의 원소나 둘 또는 그 이상의 원소; S: 0.005% 이하; P: 0.015% 이하; 및 O: 0.0030% 이하를 함유하고, 나머지는 Fe 및 불순물로 이루어진 강이다.

특허문헌 5에는 열간가공성 및 피로성이 우수한 합금 공구강이 기재되어 있고, 상기 합금 공구강은 중량%로, C: 0.35 내지 1.50%; Si: 0.1 내지 2.0%; Mn: 0.1 내지 1.5%; Cr: 2.0 내지 10.0%; 2Mo+W: 1.5 내지 30.0% 및 V: 0.5 내지 5.0% 중에서 하나의 원소나 둘 또는 그 이상의 원소; REM: 0.001 내지 0.60%; 및 Co: 1.0 내지 20.0%, Ni: 0.01 내지 2.0%, Cu: 0.25 내지 1.0% 및 B: 0.001 내지 0.050% 중에서 하나의 원소나 둘 또는 그 이상의 원소를 함유하고; S: 0.0020% 이하, O: 0.0030% 이하, N: 0.020% 이하, Al: 0.020% 이하, 및 P: 0.020% 이하를 한도로 포함되며, 나머지는 실질적으로 Fe로 이루어진 강이다.

특허문헌 6에는 열피로성과 내연화성을 향상시켜 히트 체킹 및 냉각수 홀의 균열을 억제하고 금형의 수명을 향상시키는 금형강이 기재되어 있고, 상기 금형강은 질량%로, C: 0.1 내지 0.6%; Si: 0.01 내지 0.8%; Mn: 0.1 내지 2.5%; Cu: 0.01 내지 2.0%; Ni: 0.01 내지 2.0%; Cr: 0.1 내지 2.0%; Mo: 0.01 내지 2.0%; V, W, Nb 및 Ta 중 하나의 원소나 둘 또는 그 이상의 원소를 총 0.01 내지 2.0%; Al: 0.002 내지 0.04%; N: 0.002 내지 0.04%; 및 O: 0.005% 이하를 함유하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강이다.

특허문헌 7에는 절삭성 및 열전도도를 모두 만족시키는 비싸지 않은 플라스틱 몰딩용 금형강이 기재되어 있고, 상기 금형강은 C: 0.25 내지 0.45%; Si: 0.3% 미만; Mn: 0.5 내지 2%; S: 0.01 내지 0.05%; 및 가용성 Al: 0.02% 이하를 함유하고, 나머지는 Fe 및 불순물로 이루어진 강이고, 0.5% 이하의 Cr 및 0.2% 미만의 V 중 하나 이상이 함유될 수 있다.

특허문헌 8에는 다이캐스팅 금형의 수명이 연장될 수 있는 다이캐스팅 금형용 프리하든 강(prehardened steel)이 기재되어 있고, 상기 프리하든 강은 질량 함유의 면에서, 0.15 내지 0.35%의 C; 0.05% 이상 0.20% 미만의 Si; 0.05 내지 1.50%의 Mn; 0.020% 이하의 P; 0.013% 이하의 S; 0.10% 이하의 Cu; 0.20% 이하의 Ni; 0.20 내지 2.50%의 Cr; 0.50 내지 3.00%의 Mo; 총 0.05 내지 0.30%의 V와 Nb; 0.020 내지 0.040%의 Al; 0.003% 이하의 O; 및 0.010 내지 0.020%의 N을 함유하고, 나머지는 실질적으로 Fe로 이루어진 강이다.

특허문헌 9에는 높은 열피로성을 갖는 프레스 금형용 강이 기재되어 있고, 상기 강은 C: 0.10 내지 0.45 중량%; Si: 0.10 내지 2.0 중량%; Mn: 0.10 내지 2.0 중량%; Mo: 0.50 내지 3.0 중량%; 및 V: 0.50 내지 0.80 중량%를 함유하고, Cr: 3.0 내지 8.0 중량% 및 Ni: 0.05 내지 1.2 중량%를 더 함유하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강이다.

특허문헌 10에는 충분한 담금질과 원하는 충격값이 얻어지며 금형의 수명이 향상될 수 있고, 우수한 구상화 어닐링성과 절삭성을 갖는 금형강이 기재되어 있고, 상기 금형강은 질량%로, C: 0.2 내지 0.6%; Si: 0.01 내지 1.5%; Mn: 0.1 내지 2.0%; Cu 0.01 내지 2.0%; Ni: 0.01 내지 2.0%; Cr: 0.1 내지 8.0%; Mo: 0.01 내지 5.0%; V, W, Nb 및 Ta 중에서 하나의 원소나 둘 또는 그 이상의 원소: 총 0.01 내지 2.0%; Al: 0.002 내지 0.04%; 및 N: 0.002 내지 0.04%를 함유하는 조성을 갖고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강이다.

그러나, 특허문헌 1 내지 10에 기재된 강은 본 발명이 달성하고자 하는 열전도도 및 충격값 모두를 만족하는 강은 아니다.

예를 들어, 특허문헌 1에서, 열전도도는 전혀 제시되지도 개시되지도 않고, 과도한 V로 인한 충격값의 감소가 우려될 수 있다.

특허문헌 2에서, 과도한 Si로 인한 열전도도의 감소 또는 너무 적은 Mn이나 Cr로 인한 충격값의 감소가 우려될 수 있다.

또한, 특허문헌 3 내지 5에서, 열전도도는 전혀 제시되지도 개시되지도 않고 있다. 특허문헌 3에서, 불충분한 변태 동작(경화능) 및 너무 적은 Mn으로 인한 충격값의 감소가 우려될 수 있다. 특허문헌 4에서, 너무 적은 Cr 또는 너무 적거나 과도한 V로 인한 충격값의 감소가 우려될 수 있다. 특허문헌 5에서, 불충분한 변태 동작(경화능)과 너무 적은 Mn으로 인한 충격값의 감소, 너무 적은 Mo로 인한 고온 강도의 감소, 또는 너무 적거나 과도한 V로 인한 충격값의 감소가 우려될 수 있다.

특허문헌 6 내지 8에서, 불충분한 변태 동작(경화능)의 악화 또는 너무 적은 Cr로 인한 경도나 충격값의 감소가 우려될 수 있다.

특허문헌 9 및 10에서, 과도한 Si로 인한 열전도도의 감소 또는 너무 적은 Cr로 인한 충격값의 감소가 우려될 수 있다.

JP-A-06-322483(본원에서 사용된 "JP-A"란 용어는 "일본 특허공개 공보"를 의미한다) JP-A-03-000402 JP-A-07-062494 JP-A-60-059053 JP-A-08-100239 JP-A-2008-056982 JP-A-2004-183008 JP-A-2005-307242 JP-A-64-062444 JP-A-2008-121032

본 발명은 이러한 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 금형 형상으로 산업적 가공을 위한 확실한 절삭성을 가지며 범용의 금형강(예를 들면, JIS SKD61)에 비해 열전도도와 충격값이 향상된 열간가공 공구강 및 이를 이용한 철강제품을 제공하는 것이다.

범용의 금형강(JIS SKD61)은 우수한 절삭성을 갖지만 열전도도와 충격값이 낮다. 그래서, 본 발명자들은 금형 형상으로 산업적 가공을 위한 절삭성을 유지하면서도 범용의 금형강보다 열전도도 및 충격값을 더 증가시킬 수 있도록 연구하였다. 그 결과, 열전도도는 Si 함량을 적게 설정함으로써 증가될 수 있고, 동시에 충격값은 Mn 함량, Cr 함량, Mo 함량, 및 V 함량을 조절함으로써 증가될 수 있다는 것을 알았다. 본 발명은 이러한 발견하에 기초하여 달성된 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 0.20≤C≤0.50 질량%, 0.01≤Si<0.25 질량%, 0.50<Mn≤1.50 질량%, 5.24<Cr≤9.00 질량%, 1.24<Mo<2.95 질량%, 및 0.30<V<0.70 질량%를 함유하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 열간가공 공구강을 제공한다.

여기에서, 상기 불가피한 불순물의 예로는 W<0.30 질량%, Co<0.30 질량%, Nb<0.004 질량%, Ta<0.004 질량%, Ti<0.004 질량%, Zr<0.004 질량%, Al<0.004 질량%, N<0.004 질량%, Cu<0.15 질량%, Ni<0.15 질량%, B<0.0010 질량 %, S<0.010 질량%, Ca<0.0005 질량%, Se<0.03 질량%, Te<0.005 질량%, Bi<0.01 질량%, Pb<0.03 질량%, Mg<0.005 질량%, 및 O<0.0080 질량%를 포함한다.

본 발명에 따른 열간가공 공구강은 0.30≤W≤4.00 질량%를 더 함유한다.

본 발명에 따른 열간가공 공구강은 0.30≤Co≤3.00 질량%를 더 함유한다.

본 발명에 따른 열간가공 공구강은 다음으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 더 함유한다: 0.004≤Nb≤0.100 질량%, 0.004≤Ta≤0.100 질량%, 0.004≤Ti≤0.100 질량%, 0.004≤Zr≤0.100 질량%, 0.004≤Al≤0.050 질량%, 및 0.004≤N≤0.050 질량%.

본 발명에 따른 열간가공 공구강은 다음으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 더 함유한다: 0.15≤Cu≤1.50 질량%, 0.15≤Ni≤1.50 질량%, 및 0.0010≤B≤0.0100 질량%.

본 발명에 따른 열간가공 공구강은 다음으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 더 함유한다: 0.010≤S≤0.500 질량%, 0.0005≤Ca≤0.2000 질량%, 0.03≤Se≤0.50 질량%, 0.005≤Te≤0.100 질량%, 0.01≤Bi≤0.30 질량%, 및 0.03≤Pb≤0.50 질량%.

본 발명에 따른 열간가공 공구강은 실온에서 28 W/m/K 이상의 열전도도를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 철강제품은 본 발명에 따른 열간가공 공구강을 이용한다.

본원에서 사용된 "철강제품(steel product)"이란 용어는, 예를 들어 다이캐스팅 금형, 열간단조 금형, 또는 온간단조 금형을 나타내지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 열간가공 공구강 및 이를 이용한 철강제품은 전술한 성분의 조성을 갖고 있어, 이에 따라 금형 형상으로 산업적 가공을 위한 절삭성을 유지하면서도 범용의 금형강(예를 들어, JIS SKD61)에 비해 높은 열전도도 및 높은 충격값을 확보할 수 있는 효과를 가져온다.

즉, 본 발명의 열간가공 공구강에서, 상기 Si 함량은 최적화되어, 이는 금형 형상으로 산업적 가공을 위한 절삭성을 유지하면서도 범용의 금형강(예를 들어, JIS SKD61)보다 더 높은 열전도도를 확보할 수 있는 효과를 가져온다. 또한, 상기 열간가공 공구강에서, 상기 Mn 함량, Cr 함량, Mo 함량, V 함량 등은 최적화되어, 이는 작은 냉각속도(이른바 경화능이라 함)의 조건하에서 베이나이트 변태의 낮은 변태 온도 및 높은 충격값을 확보할 수 있는 효과를 가져온다. 따라서, 본 발명의 열간가공 공구강은 솔더링이나 히트 체킹을 거의 발생시키지 않아서, 금형의 수명이 길어지고, 생산비용의 감소 및 다이캐스팅이나 열간단조 및/또는 온간단조에서 생산성의 향상이 이루어질 수 있다.

도 1은 절삭성과 Si 함량 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 열전도도와 Si 함량 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 충격값과 Mn 함량 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 열전도도와 Mn 함량 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 충격값과 Cr 함량 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 열전도도와 Cr 함량 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7은 600℃에서의 강도(고온 강도)와 Mo 함량 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 충격값과 V 함량 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 열간가공 공구강 및 이를 이용한 철강제품을 설명한다.

(열간가공 공구강의 성분 조성 및 그 내에서 제한에 대한 이유)

본 실시예에 따른 열간가공 공구강은, 필수 원소로서 C(탄소), Si(규소), Mn(망간), Cr(크롬), Mo(몰리브덴), 및 V(바나듐)를 함유하고, 나머지는 Fe(철) 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 본 실시예에 따른 열간가공 공구강은, 예를 들어 불가피한 불순물로서 W(텅스텐), Co(코발트), Nb(니오브), Ta(탄탈럼), Ti(티타늄), Zr(지르코늄), Al(알루미늄), N(질소), Cu(구리), Ni(니켈), B(붕소), S(황), Ca(칼슘), Se(셀레늄), Te(텔루륨), Bi(비스무트), Pb(납), Mg(마그네슘), 및 O(산소)를 함유한다. 여기의 본 명세서에서, 질량으로 정의된 모든 퍼센티지는 중량으로 정의된 것과 각각 같다.

(1) 0.20≤C≤0.50 질량%

C는 강의 강도를 조절하는데 필요한 필수 원소이다. 상기 C 함량이 0.20 질량%보다 작으면 필요 경도인 36HRC 이상이 얻어질 수 없고, 반면에 상기 C 함량이 0.50 질량%를 초과하면 경도가 포화되기 쉽고, 동시에 탄화물 양은 과도하게 되어 피로 강도 및 충격값을 악화시킨다. 이 때문에, 상기 C 함량은 0.20≤C≤0.50 질량%로 설정된다. 경도, 피로 강도, 및 충격값의 탁월한 밸런스를 위해, 상기 C 함량은 0.24≤C≤0.46 질량%가 바람직하고, 더 바람직하게는 0.28<C≤0.42 질량%이다.

(2) 0.01≤Si<0.25 질량%

Si는 강의 절삭성 및 열전도도를 조절하는데 필요한 필수 원소이다. 상기 Si 함량이 0.01 질량%보다 작으면, 절삭성의 악화가 나타나서 금형 형상으로의 가공이 매우 어렵게 된다. 상기 Si 함량이 0.25 질량% 이상이면, 상기 열전도도는 크게 감소된다. 이 때문에, 상기 Si 함량은 0.01≤Si<0.25 질량%로 설정된다. 상기 Si 함량은 Si≤0.20 질량%가 바람직하고, Si<0.10 질량%가 더 바람직하며, 이 경우 높은 열전도도가 얻어진다.

(3) 0.50<Mn≤1.50 질량%

Mn은 변태 동작(경화능)을 향상시키기 위한 필수 원소이다. 상기 Mn 함량이 0.50 질량% 이하이면, 변태 온도 감소 및 미세구조 정제의 효과가 불충분하여 경도나 충격값을 확보하기가 어렵다. 상기 Mn 함량이 1.50 질량%를 초과하면, 충격값이 더 감소될 뿐만 아니라 높은 열전도도도 거의 유지될 수 없다. 이 때문에, 상기 Mn 함량은 0.50<Mn≤1.50 질량%로 설정된다. 상기 Mn 함량은 0.66<Mn≤1.20 질량%가 바람직하고, 이 경우 경도와 충격값이 확보되고, 동시에 높은 열전도도가 얻어질 수 있다.

(4) 5.24<Cr≤9.00 질량%

Cr은 변태 동작(경화능)을 향상시키며 동시에 탄화물을 형성함으로써 강의 강도를 증가시키기 위한 필수 원소이다. 상기 Cr 함량이 5.24 질량% 이하이면, 변태 온도 감소 및 미세구조 정제의 효과가 불충분하여 경도나 충격값을 충분히 얻을 수 없다. 또한, 부식 환경에 노출된 다이캐스팅 금형에 필요한 내부식성은 Cr 함량이 많아짐에 따라 커지게 된다. 한편, 상기 Cr 함량이 9.00 질량%를 초과하면, 높은 열전도도를 유지하기가 어렵게 된다. 이 때문에, 상기 Cr 함량은 5.24<Cr≤9.00 질량%로 설정된다. 또한, 상기 Cr 함량은 5.40<Cr≤7.00 질량%가 바람직하고, 5.55≤Cr≤6.50 질량%가 더 바람직하며, 이 경우 경도, 충격값 및 내부식성이 확보되고, 동시에 높은 열전도도가 얻어진다.

(5) 1.24<Mo<2.95 질량%

Mo는 변태 동작(경화능)을 향상시키고, 탄화물을 형성함으로써 강의 강도를 증가시키기 위한, 특히 고온 강도를 향상시키기 위한 필수 원소이다. 상기 Mo 함량이 1.24 질량% 이하이면 충분한 고온 강도가 얻어지지 않으며, 반면에 상기 Mo 함량이 2.95 질량% 이상이면 고온 강도가 포화되고 동시에 비용에 대한 상당한 증가가 이루어져 수익성을 악화시킨다. 이 때문에, 상기 Mo 함량은 1.24<Mo<2.95 질량%로 설정된다. 또한, 상기 Mo 함량은 1.37<Mo≤2.80 질량%가 바람직하고, 1.50≤Mo≤2.50 질량%가 더 바람직하다.

(6) 0.30<V<0.70 질량%

V는 변태 동작(경화능)을 향상시키고, 탄화물을 형성함으로써 강의 강도를 증가시키기 위한, 특히 고온 강도를 향상시키기 위한 필수 원소이다. 상기 V 함량이 0.30 질량% 이하이면 충격값을 증가시키기 위한 담금질에서 오스테나이트 그레인이 급속히 거칠어지고, 반면에 상기 V 함량이 0.70 질량% 이상이면 거친 탄화물 양이 과도하게 되어 이는 충격값을 악화시킨다. 이 때문에, 상기 V 함량은 0.30<V<0.70 질량%로 설정된다. 또한, 상기 V 함량은 0.40≤V≤0.67 질량%가 바람직하고, 0.50≤V≤0.64 질량%가 더 바람직하며, 이 경우 내연화성이 확보될 수 있으며 동시에 피로 강도 및 충격값이 만족스럽게 얻어질 수 있다.

(7) 불가피한 불순물

W<0.30 질량%, Co<0.30 질량%, Nb<0.004 질량%, Ta<0.004 질량%, Ti<0.004 질량%, Zr<0.004 질량%, Al<0.004 질량%, N<0.004 질량%, Cu<0.15 질량%, Ni<0.15 질량%, B<0.0010 질량 %, S<0.010 질량%, Ca<0.0005 질량%, Se<0.03 질량%, Te<0.005 질량%, Bi<0.01 질량%, Pb<0.03 질량%, Mg<0.005 질량%, O<0.0080 질량% 등.

W, Co, Nb, Ta, Ti, Zr, Al, N, Cu, Ni, B, S, Ca, Se, Te, Bi, Pb, Mg, O 등의 양이 전술한 범위에 각각 있는 경우, 이러한 원소는 불가피한 불순물로서 포함된다.

본 실시예에 따른 열간가공 공구강은 선택적인 원소로서 다음을 더 함유할 수 있다: (a) W, (b) Co, (c) Nb, Ta, Ti, Zr, Al 및 N으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소, (d) Cu, Ni, 및 B로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소, 그리고/또는 (e) S, Ca, Se, Te, Bi 및 Pb로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소.

(8) 0.30≤W≤4.00 질량%

W는 탄화물의 석출(석출 경화)로 강도를 증가시키기 위하여 첨가될 수 있는 선택적 원소이다. 상기 W 양이 0.30 질량%보다 작으면 상기 강도 증가의 효과가 작아지고, 반면에 상기 W 양이 4.00 질량%를 초과하면 이는 효과의 포화와 비용의 상당한 상승을 일으킨다. 이 때문에, 상기 W 양은 0.30≤W≤4.00 질량%로 설정된다.

(9) 0.30≤Co≤3.00 질량%

Co는 매트릭스에서 고용체(solid solution)(고용체 경화)로 강도를 증가시키기 위하여 첨가될 수 있는 선택적 원소이다. 상기 Co 양이 0.30 질량%보다 작으면 상기 강도 증가의 효과가 작아지고, 반면에 상기 Co 양이 3.00 질량%를 초과하면 이는 효과의 포화와 비용의 상당한 상승을 일으킨다. 이 때문에, 상기 Co 양은 0.30≤Co≤3.00 질량%로 설정된다.

(10) 다음으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소: 0.004≤Nb≤0.100 질량%, 0.004≤Ta≤0.100 질량%, 0.004≤Ti≤0.100 질량%, 0.004≤Zr≤0.100 질량%, 0.004≤Al≤0.050 질량%, 및 0.004≤N≤0.050 질량%.

Nb, Ta, Ti, Zr, Al, 및 N은 담금질에서 오스테나이트 그레인(그레인 정제)으로 강도와 인성을 증가시키기 위하여 첨가될 수 있는 선택적 원소이다. 이러한 모든 원소와 관련하여, 상기 첨가된 양이 소정 양보다 작으면 상기 강도와 인성을 향상시키기 위한 효과가 작아지고, 반면에 소정 양을 초과하면 탄화물, 질화물, 또는 산화물이 과도하게 생성되고, 이는 오히려 인성의 감소를 야기한다.

(11) 다음으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소: 0.15≤Cu≤1.50 질량%, 0.15≤Ni≤1.50 질량%, 및 0.0010≤B≤0.0100 질량%.

Cu, Ni, 및 B는 변태 동작(경화능)을 증가시키기 위하여 첨가될 수 있는 선택적 원소이다. 이러한 모든 원소와 관련하여, 상기 첨가된 양이 소정 양보다 작으면 상기 변태 동작(경화능)을 향상시키는 효과가 작아지고, 반면에 소정 양을 초과하면 효과가 포화되며 실제적인 이익은 빈약하게 된다. 특히, Cu 및 Ni에 대한 과도한 첨가는 열전도도의 감소를 일으킨다.

(12) 다음으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소: 0.010≤S≤0.500 질량%, 0.0005≤Ca≤0.2000 질량%, 0.03≤Se≤0.50 질량%, 0.005≤Te≤0.100 질량%, 0.01≤Bi≤0.30 질량%, 및 0.03≤Pb≤0.50 질량%.

S, Ca, Se, Te, Bi 및 Pb는 절삭성(절삭성 강화)을 향상시키기 위하여 첨가될 수 있는 선택적 원소이다. 이러한 모든 원소와 관련하여, 상기 첨가된 양이 소정 양보다 작으면 상기 절삭성을 향상시키는 효과가 작아지고, 반면에 소정 양을 초과하면 열간 가공성이 상당히 악화되어 소성 가공에서 균열의 잦은 발생을 일으키고, 이에 따라 생산성 및 수율이 감소된다.

이와 관련해서, 본 발명의 강에 함유된 각 원소에 대하여, 일 실시예에 따라, 강에 존재하는 각 원소의 최소량은 표 1 및 2에 요약된 바와 같이 개발된 강의 예에 이용된 제로가 아닌(non-zero) 가장 작은 양이다. 다른 실시예에 따라, 강에 존재하는 각 원소의 최대량은 표 1 및 2에 요약된 바와 같이 개발된 강의 예에 이용된 최대량이다.

(제작 방법)

본 실시예에 따른 강은, 예를 들어 다음의 절차에 의해 얻어질 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

(1) 캐스팅

전술한 소정 성분을 제공하도록 혼합된 원료는 용융되고, 이러한 용융은 주괴를 얻기 위하여 캐스팅 몰드에서 주조된다.

(2) 균질화 열처리/열간가공

균질화 열처리 및 열간가공은 얻은 주괴의 성분을 균질화하고 주조 구조를 부수기 위하여 수행된다. 상기 균질화 열처리 및 열간가공의 조건에 대해서, 각 공정을 위한 최적 조건은 성분에 따라 선택되는 것이 바람직하다.

상기 균질화 열처리는 통상 상기 주괴를 약 10 내지 30시간 동안 1,100 내지 1,500℃에서 유지시킴으로써 수행된다.

상기 열간가공은 통상 1,000 내지 1,300℃에서 수행되고, 가공의 완료 후에 상기 주괴를 공냉시킨다.

(3) 템퍼링/구상화 어닐링/거친 기계가공

본 실시예에 따른 강은 비교적 우수한 변태 동작(경화능)을 갖고 있어서, 베이나이트 변형 또는 마르텐사이트 변태의 발생으로 인한 열간가공 후에 공냉으로 종종 경화된다. 따라서, 상기 재료는 가공 후 템퍼링과 구상화 어닐링을 수행하여 연화된 후에 거친 기계가공을 받는 것이 바람직하다.

템퍼링 조건과 관련하여, 최적 조건은 성분에 따라 선택되는 것이 바람직하다. 상기 템퍼링은 통상 상기 재료를 약 1 내지 10시간 동안 600 내지 750℃에서 유지시킴으로써 수행된다.

상기 구상화 어닐링은 약 90 내지 97 HRB의 강의 경도를 제공하기 위하여 수행되는 것이 바람직하다. 상기 구상화 어닐링은 통상 상기 재료를 약 1 내지 10시간 동안 800 내지 950℃에서 유지시켜서 수행한 후에 1시간당 5 내지 30℃의 속도로 상기 재료를 냉각시킨다.

상기 거친 기계가공은 연화된 재료를 소정 형상으로 기계적 가공을 함으로써 수행된다.

(4) 열처리(담금질/템퍼링)

상기 열처리는 거칠게 기계가공된 재료를 원하는 경도로 조절하기 위하여 수행된다. 담금질 조건 및 템퍼링 조건과 관련하여, 각 공정에 대한 최적 조건은 성분 및 요구되는 특성에 따라 선택되는 것이 바람직하다.

상기 담금질은 통상 상기 재료를 0.5 내지 5시간 동안 1,000 내지 1,050℃에서 유지시켜서 수행한 후에 상기 재료를 급속히 냉각시킨다. 급속 냉각방법은 특별히 제한되지 않고, 최적방법은 목적에 따라 선택되는 것이 바람직하다. 급속 냉각방법의 예로는 수냉, 오일 냉각, 및 공기분사식 냉각을 포함한다.

상기 템퍼링은 통상 상기 재료를 1 내지 10시간 동안 500 내지 650℃에서 유지시킴으로써 수행된다.

이러한 단계 (1) 내지 (4)를 거침으로써, 금형 형상으로 산업적 가공을 위한 절삭성을 유지하면서도 범용의 금형강(예를 들어, JIS SKD61)에 비해 확실히 높은 열전도도 및 높은 충격값을 갖는 강이 얻어지게 된다.

(5) 마무리 기계가공

원하는 경도로 열처리된 재료는 마무리 기계가공을 받게된다.

상기 단계 (5)를 거침으로써, 본 실시예에 따른 열간가공 공구강을 이용한 철강제품이 얻어진다.

(작동 모드)

본 실시예에 따른 열간가공 공구강에서, 상기 Si 함량은 최적화되어, 상기 강은 금형 형상으로 산업적 가공을 위한 절삭성을 유지하면서도 범용의 금형강(예를 들어, JIS SKD61)보다 더 높은 열전도도를 가질 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 열간가공 공구강에서, 상기 Mn 함량, Cr 함량, Mo 함량, V 함량 등은 최적화되어, 상기 강은 향상된 변태 동작 및 높은 충격값을 가질 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 열간가공 공구강은 솔더링이나 히트 체킹을 거의 발생시키지 않는다. 그 결과, 금형의 수명이 길어지고, 생산비용의 감소 및 다이캐스팅이나 열간단조 및/또는 온간단조에서 생산성의 향상이 이루어질 수 있다.

예들

(예 A)

후술할 예 B에서 각 발명의 강을 생산하기 위하여, 예 1 내지 5가 바람직한 Si 함량, Mn 함량, Cr 함량, Mo 함량, 및 V 함량을 조사하도록 수행되었다.

(예 1: Si 함량의 조사)

바람직한 Si 함량이 조사되었으며, 이하 도 1 및 2를 참조하여 설명한다.

도 1은 0.33 질량%의 C, 0.82 질량%의 Mn, 5.73 질량%의 Cr, 1.63 질량%의 Mo, 0.62 질량%의 V, 및 x 질량%의 Si로 구성된 강을 컷팅하는 경우에 Si 함량에 대하여 절삭공구로 공구의 수명이 다할 때까지 가공된 거리를 나타낸 것이다. 도 1에서, 각 표시점에서의 수치값 중 상측에서의 수치값은 x값(질량%)를 나타내며 하측에서의 수치값은 가공된 거리(mm)를 나타낸다. 절삭성의 평가를 위한 시료는 (예 B에서와 같은 절차로 생산되며 구상화 어닐링으로 90 내지 97 HRB의 경도로 연화된) 55mm × 55mm × 200mm의 각철봉이었고, 절삭공구의 측부 간극 면에서의 최대 마모 체적이 300㎛에 도달된 때는 수명이 끝난 것으로 판단하였다. 크게 가공된 거리는 우수한 가공을 나타낸 것이며 바람직한 것이다.

도 1에 따르면, 상기 가공 거리는 Si 함량의 증가와 함께 증가되고, 이에 따라 절삭성 강화의 관점에서 볼 때, 상기 Si 함량이 늘어나는 것이 바람직하다. 도 1에 따르면, 상기 Si 함량이 0.01 질량%보다 작은 경우에 상기 가공 거리는 매우 작기 때문에, 상기 Si 함량은 절삭성 강화를 위해 0.01 질량% 이상이 적절하다. 도 1에 따르면, 상기 절삭성을 향상시키기 위한 효과는 상기 Si 함량이 0.01 내지 0.24 질량%(0.25 질량% 미만)인 경우에 현저하며, 상기 Si 함량이 0.24 질량%를 초과하는 경우에는 심하지 않게 된다.

도 1에서와 같은 재료를 이용한 φ 11mm × 50mm의 원형봉이 1,030℃에서 가열된 후에 급속한 냉각 및 템퍼링을 통해 48HRC로 처리되었다. 이러한 원형봉으로부터, 열전도도의 측정을 위한 φ 10mm × 2mm의 시료가 제작되었다. 도 2는 Si 함량에 대하여 레이저 플래시 방법으로 실온에서 측정된 열전도도를 나타낸 것이다. 도 2에서, 각 표시점에서의 수치값 중 상측에서의 수치값은 x값(질량%)를 나타내며 하측에서의 수치값은 열전도도(W/m/K)을 나타낸다. 큰 열전도도는 형성된 금형의 냉각 성능이 크다는 것을 나타낸 것이며 바람직한 것이다.

도 2에 따르면, 상기 열전도도는 Si 함량의 증가와 함께 감소되지만, 상기 Si 함량이 대략 0.09 질량%(0.10 질량% 미만)를 초과하는 경우에 범용의 금형강(JIS SKD61(열전도도: 24 W/m/K))에 비해 냉각 성능의 현저한 향상을 이끄는 28 W/m/K 이상의 열전도도가 얻어진다. 그런데, 도 2에 따르면, 상기 Si 함량이 0.007 내지 0.09 질량%인 경우에 30.7 W/m/K 이상의 높은 열전도도가 얻어지며, 상기 Si 함량이 0.09 내지 0.24 질량%인 경우에 28.1 W/m/K 이상의 적절한 열전도도가 얻어진다.

금형 형상으로 산업적 가공을 위한 절삭성을 유지하는 관점에서, 상기 Si 함량은 0.25 질량%보다 작을 수 있다.

(예 2: Mn 함량의 조사)

바람직한 Mn 함량이 조사되었으며, 이하 도 3 및 4를 참조하여 설명한다.

도 3은 Mn 함량에 대하여, 0.33 질량%의 C, 0.08 질량%의 Si, 5.75 질량%의 Cr, 1.60 질량%의 Mo, 0.60 질량%의 V, 및 x 질량%의 Mn으로 구성된 강의 실온에서의 충격값을 표시한 것이다. 도 3에서, 각 표시점에서의 수치값 중 상측에서의 수치값은 x값(질량%)를 나타내며 하측에서의 수치값은 충격값(J/㎠)을 나타낸다. 충격값의 평가를 위한 시료는 (예 B에서와 같은 절차로 생산되며 구상화 어닐링으로 90 내지 97 HRB의 경도로 연화된) 11mm × 11mm × 55mm의 각철봉이었고, 이는 1,030℃에서 가열된 후에 급속한 냉각 및 템퍼링을 통해 49HRC로 처리되었다. 10mm × 10mm × 55mm의 JIS No. 3 충격값 테스트 시료는 전술한 각철봉으로부터 제작되었으며 충격값을 위해 측정되었다. 큰 충격값은 형성된 금형의 높은 내균열성을 나타낸 것이며 바람직한 것이다.

도 3에 따르면, 상기 Mn 함량이 0.45 질량% 및 0.55 질량%인 경우에 30 J/㎠ 이상의 충격값이 얻어진다는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 Mn 함량이 0.45 질량%와 0.55 질량% 사이에서의 0.50 질량%의 값은 Mn 함량의 하한치로서 받아들여진다. 또한, 도 3에 따르면, 상기 Mn 함량이 0.7 질량% 이상인 경우에 34.5 J/㎠ 이상의 충격값이 얻어진다. 따라서, 상기 Mn 함량이 0.55 질량%와 0.7 질량% 사이에 있는 0.66 질량%를 초과하여 이 원소를 함유하는 경우는 바람직한 실시예로서 선택될 수 있다. 그러나, 도 3에 따르면, 상기 Mn 함량이 1.50 질량%를 초과하는 경우, 상기 충격값은 적절한 정도로 유지되지만 상기 충격값은 감소된다.

도 4는 Mn 함량에 대하여 실온에서 도 3에서와 같은 재료의 열전도도를 표시한 것이다. 도 4에서, 각 표시점에서의 수치값 중 상측에서의 수치값은 x값(질량%)를 나타내며 하측에서의 수치값은 열전도도(W/m/K)을 나타낸다. 상기 열전도도의 측정은 예 1과 유사한 레이저 플래시 방법으로 수행되었다.

도 4에 따르면, 상기 열전도도는 Mn 함량의 증가와 함께 감소되지만, 상기 Mn 함량이 1.50 질량%를 초과하는 경우에 JIS SKD61(열전도도: 24 W/m/K)에 비해 냉각 성능의 현저한 향상을 이끄는 28 W/m/K 이상의 열전도도가 얻어진다. 도 4에 따르면, 28 W/m/K 이상의 열전도도를 얻기 위한 상기 Mn 함량은 1.50 질량% 이하일 수 있으며, 29 W/m/K 이상의 열전도도를 얻기 위한 상기 Mn 함량은 1.20 질량% 이하일 수 있다.

(예 3: Cr 함량의 조사)

바람직한 Cr 함량이 조사되었으며, 이하 도 5 및 6을 참조하여 설명한다.

도 5는 Cr 함량에 대하여, 0.33 질량%의 C, 0.08 질량%의 Si, 0.84 질량%의 Mn, 1.62 질량%의 Mo, 0.61 질량%의 V, 및 x 질량%의 Cr로 구성되며 49HRC로 처리된 강의 실온에서의 충격값을 표시한 것이다. 도 5에서, 각 표시점에서의 수치값 중 상측에서의 수치값은 x값(질량%)를 나타내며 하측에서의 수치값은 충격값(J/㎠)을 나타낸다. 시료의 제작 및 충격값의 측정은 예 2에서와 같은 방법으로 수행되었다.

도 5에 따르면, 상기 Cr 함량의 증가와 함께 상기 충격값은 증가된다. 특히, 상기 Cr 함량이 5 질량%를 초과하는 경우, 이러한 원소의 효과는 현저하다. 도 5에 따르면, 27.8 J/㎠ 이상의 충격값을 얻기 위한 상기 Cr 함량은 5.24 질량%보다 클 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 충격값을 확보하는 관점에서, 상기 Cr 함량의 하한치는 5.24 질량% 이상으로 설정된다. 또한, 도 5에 따르면, 상기 Cr 함량이 5 질량%보다 작은 경우, 충격값의 감소가 나타난다.

도 6은 Cr 함량에 대하여, 0.22 질량%의 C, 0.22 질량%의 Si, 0.52 질량%의 Mn, 1.62 질량%의 Mo, 0.61 질량%의 V, 및 x 질량%의 Cr로 구성된 강의 실온에서의 열전도도를 표시한 것이다. 도 6에서, 각 표시점에서의 수치값 중 상측에서의 수치값은 x값(질량%)를 나타내며 하측에서의 수치값은 열전도도(W/m/K)을 나타낸다. 상기 열전도도의 측정은 예 1과 유사한 레이저 플래시 방법으로 수행되었다.

도 6에 따르면, 상기 열전도도는 Cr 함량의 증가와 함께 감소된다. 도 6에 따르면, JIS SKD61(열전도도: 24 W/m/K)에 비해 냉각 성능의 향상을 이끄는 27.5 W/m/K 이상의 열전도도를 얻기 위한 상기 Cr 함량은 9.00 질량% 이하일 수 있고, 냉각 성능의 현저한 향상을 이끄는 30.1 W/m/K 이상의 열전도도를 얻기 위한 상기 Cr 함량은 7.00 질량% 이하일 수 있고, 31 W/m/K 이상의 열전도도를 얻기 위한 상기 Cr 함량은 6.50 질량% 이하일 수 있다.

(예 4: Mo 함량의 조사)

바람직한 Mo 함량이 조사되었으며, 이하 도 7을 참조하여 설명한다.

도 7은 Mo 함량에 대하여, 0.33 질량%의 C, 0.07 질량%의 Si, 0.83 질량%의 Mn, 5.74 질량%의 Cr, 0.59 질량%의 V, 및 x 질량%의 Mo로 구성된 강의 고온 강도(600℃에서 변형저항)를 나타낸 것이다. 도 7에서, 각 표시점에서의 수치값 중 상측에서의 수치값은 x값(질량%)를 나타내며 하측에서의 수치값은 고온 강도(MPa)를 나타낸다. 변형저항의 측정을 위한 시료는 (예 B에서와 같은 절차로 제작되며 구상화 어닐링으로 90에서 97 HRB의 경도로 연화된) φ 15mm × 50mm의 원형봉이었고, 이는 1,030℃에서 가열된 후에 급속한 냉각 및 템퍼링을 통해 45HRC로 처리되었다. 이러한 원형봉으로부터, 변형저항의 측정을 위한 φ 14mm × 21mm의 시료가 제작되었다. 상기 시료는 5℃/s에서 600℃로 가열되었으며 100s 동안 유지한 후에, 10s^-1의 변형율(strain rate)로 상기 시료를 가공하여 변형저항(deformation resistance)을 위해 측정되었다.

본원에서 사용되는 "변형저항(deformation resistance)"이란 용어는 재료를 변형하는데 필요한 단위 면적당 힘을 의미한다. 보다 구체적으로, "변형저항"은 K_f=p_w/a_w로 결정된 K_f를 나타내고, p_w는 변형율 10s^-1로 가공하는 동안의 힘이고, a_w는 상기 힘에 수직한 접촉면적이다(이하, "변형저항"은 동일한 의미로 이용된다).

이러한 방식으로 측정된 변형저항은 600℃에서의 강도(고온 강도)로 정의되며 Mo 함량에 대하여 표시된다(도 7 참조). 큰 변형저항은 높은 강도를 나타낸 것이며 마모가 적다는 것을 나타낸 것이고 이는 바람직한 것이다.

도 7에 따르면, 상기 Mo 함량의 증가와 함께 상기 고온 강도는 증가된다. 특히, 상기 Mo 함량이 1.24 질량%보다 큰 경우, 고온 강도의 증가로 인하여 비교적 높은 정도의 고온 강도(>970MPa)를 얻을 수 있다. 도 7에 따르면, 상기 Mo 함량이 1.24 질량% 초과 내지 3 질량%인 경우에 상기 고온 강도의 증가는 심하지 않게 되고, 상기 Mo 함량이 3 질량% 이상인 경우에 상기 고온 강도의 증가는 포화된다. 도 7에 따르면, 971MPa 이상의 고온 강도를 얻기 위한 상기 Mo 함량은 1.24 질량%보다 클 수 있고, 974MPa 이상을 얻기 위한 상기 Mo 함량은 1.37 질량%보다 클 수 있고, 977MPa 이상을 얻기 위한 상기 Mo 함량은 1.50 질량% 이상일 수 있다. 그러나, 2.95 질량% 이상의 Mo 함량은 상당한 비용의 상승을 발생시킨다. 따라서, 비용 감소의 관점에서, 상기 Mo 함량은 2.99 질량%보다 작은 것이 바람직하고, 2.80 질량% 이하인 것이 더 바람직하고, 2.50 질량% 이하인 것이 더욱더 바람직하다.

(예 5: V 함량의 조사)

바람직한 V 함량이 조사되었으며, 이하 도 8을 참조하여 설명한다.

도 8은 V 함량에 대하여, 0.34 질량%의 C, 0.09 질량%의 Si, 0.82 질량%의 Mn, 5.75 질량%의 Cr, 1.63 질량%의 Mo, 및 x 질량%의 V로 구성되며 48HRC로 처리된 강의 충격값을 나타낸 것이다. 도 8에서, 각 표시점에서의 수치값 중 상측에서의 수치값은 x값(질량%)를 나타내며 하측에서의 수치값은 충격값(J/㎠)을 나타낸다. 시료의 제작 및 충격값의 측정은 예 2에서와 같은 방법으로 수행되었다.

도 8에 따르면, 상기 V 함량이 0.1 내지 1 질량%의 범위에서 변화되는 경우, 함량과 상관없이 양호한 충격값(20 J/㎠ 이상)이 얻어진다. 도 8에 따르면, V 함량이 0.30 질량% 부근 및 V 함량이 0.70 질량% 부근에서 굴절점(deflection point)이 존재한다. 따라서, 상기 V 함량이 0.30 질량보다 크면서 0.70 질량%보다 작게 설정되는 경우, 이는 변태 동작(경화능)의 향상에 기여하게 되며 탄화물의 형성에 의해 강의 강도가 높아지도록 실현된다. 한편, 도 8에 따르면, 상기 V 함량이 0.30 질량% 이하인 경우에 충격값의 감소가 나타나고, 상기 V 함량이 0.70 질량% 이상인 경우에 재료 비용의 상승이 충격값의 감소에 부가해서 문제점이 된다. 따라서, 상기 V 함량은 0.30<V<0.70 질량%인 것이 바람직하다. 도 8에 따르면, 31 J/㎠ 이상의 충격값을 얻기 위한 상기 V 함량은 0.40 질량% 이상일 수 있고, 34 J/㎠ 이상을 얻기 위한 상기 V 함량은 0.50 질량% 이상일 수 있다.

(예 B)

예 A의 조사결과에 기초하여, 본 발명에 따른 강과 비교 강이 제작 및 평가되었고, 이하 이를 설명한다.

(시료 및 다이캐스팅 금형의 제작)

표 1 및 2에 나타낸 예와 비교 예(비교 강 A10은 JIS SKD61임)에 대하여, 각 강의 종류는 진공에서 용해되었고, 이러한 용해는 6톤의 주괴를 얻기 위하여 캐스팅 몰드로 주조되었다.

얻어진 주괴는 1,240℃에서 균질화 처리를 받았다. 이후, 310mm × 660mm의 단면적을 갖는 직사각형 블럭이 열간단조에 의해 제작되었다.

그 뒤, 상기 직사각형 블럭은 700℃에서 템퍼링된 후에 900℃로 가열되고 점차 냉각되었으며, 이에 의해 상기 직사각형 블럭은 90 내지 97 HRB의 경도로 연화되었다. 이러한 결과에 따른 직사각형 블럭으로부터, 약 700kg의 다이캐스팅 금형이 가공되었다.

이러한 다이캐스팅 금형은 진공에서 1,030℃로 가열되었으며 1시간 동안 유지시킨 후에 질소 가스를 분무시킴으로써 담금질되었다. 이때, 상기 다이캐스팅 금형은 580 내지 610℃에서의 템퍼링을 통해 약 42HRC로 처리되었다.

열처리 후, 여러 시료가 다이캐스팅 금형으로부터 컷팅되었다. 또한, 상기 다이캐스팅 금형은 마무리 기계가공을 받았고, 이에 의하여 약 650kg의 다이캐스팅 금형이 제작되었다

(기본 물성의 측정 및 조사)

상기 다이캐스팅 금형으로부터 컷팅된 시료를 이용하여, 기본 물성(고온 강도, 열전도도, 충격값, 내부식성, 비용)이 측정 및 조사되었다.

상기 고온 강도는 다음과 같이 측정되었다. φ 14mm × 21mm의 시료가 다이캐스팅 금형으로부터 컷팅되었다. 얻게 된 시료는 5℃/s에서 600℃로 가열되었으며 100s 동안 유지시킨 후에 10s^-1의 변형율로 가공하여 변형저항을 위해 측정되었다. 그 결과를 표 3에 나타내었다.

상기 열전도도는 다음과 같이 측정되었다. φ 10mm × 2mm의 시료가 다이캐스팅 금형으로부터 컷팅되었고, 얻게 된 시료의 열전도도는 실온에서 레이저 플래시 방법으로 측정되었다. 그 결과를 표 3에 나타내었다.

상기 충격값은 다음과 같이 측정되었다. 10mm × 10mm × 55mm의 JIS No. 3 충격 테스트 시료가 다이캐스팅 금형으로부터 컷팅되었으며, 상기 시료의 충격값은 실온에서 측정되었다. 그 결과를 표 3에 나타내었다.

상기 내부식성은 다음과 같이 측정되었다. 시료는 다이캐스팅 금형으로부터 컷팅되었으며, 상기 시료에 홀이 제공되었고, 45℃의 공업용수가 72시간 동안 3.5liter/min로 상기 홀의 내부로 통과하였다. 용수가 통과한 후에 상기 홀 내면에서 부식의 발생 상태가 육안으로 평가되었다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.

(기본 물성의 평가)

상기 고온 강도가 970MPa 이상일 경우에 "양호(good)"(표 3에서 "A"로 나타냄)로 평가되었고, 그 외에는 "불량(bad)"(표 3에서 "B"로 나타냄)으로 평가되었다. 상기 열전도도가 28 W/m/K 이상일 경우 "양호"(표 3에서 "A"로 나타냄)로 평가되었고, 그 외에는 "불량"(표 3에서 "C"로 나타냈지만, 상기 값이 28 W/m/K에 가까울 경우에는 "B"로 나타냄)으로 평가되었다. 상기 충격값이 20 J/㎠보다 클 경우에 "양호"(표 3에서 "A"로 나타냄)로 평가되었고, 그 외에는 "불량"(표 3에서 "B"로 나타냄)으로 평가되었다.

본 발명에 따른 강은 모든 항목에서 양호한 특성을 나타내었다. 또한, 본 발명에 따른 강의 절삭성은 범용의 금형강(JIS SKD61)보다 약간 낮았지만, 금형 형상으로 산업적 가공할 수 있는 정도이었으며 문제가 없었다. 그런데, 상기 절삭성은 효율적인 가공 및 다이캐스팅 금형의 실제적인 컷팅에서 절삭공구의 마모 손상으로부터 절삭성을 판단함으로써 평가되었다. 좋지 않은 절삭성을 갖는 강이 컷팅되는 경우, 상기 절삭공구는 국부적으로 비정상적인 마모나 치핑을 일으키기가 쉽고, 이는 절삭공구의 잦은 대체로 인한 효율적인 가공의 감소 및 다수의 절삭공구의 이용으로 인한 비용의 증가를 피할 수 없게 된다. 본 발명에 따른 강의 컷팅에서 효율적인 가공이나 절삭공구의 마모 손상은 범용의 금형강에 비해 약간 부족하지만, 악화의 정도는 나타나지 않았고, 실제적인 금형 가공에서 본 발명에 따른 강의 절삭성은 산업계에서 문제가 없는 것으로 확인되었다.

열전도도가 30 W/m/K를 초과한 본 발명에 따른 강에서, 상기 Si 함량은 0.04 내지 0.09 질량%이었고, 상기 Mn 함량은 0.70 내지 1.15 질량%(본 발명에 따른 강 A12를 제외하고는 0.70 내지 0.95 질량%)이었으며, 상기 Cr 함량은 5.55 내지 6.06 질량%(본 발명에 따른 강 A08을 제외하고는 5.55 내지 5.89 질량%, 본 발명에 따른 강 A12를 더 제외하고는 5.64 내지 5.89 질량%)이었다.

상기 충격값이 35 J/㎠ 이상인 본 발명에 따른 강에서, 상기 Mn 함량은 0.52 내지 1.31 질량%(본 발명에 따른 강 A05를 제외하고는 0.70 내지 1.31 질량%)이었고, 상기 Cr 함량은 5.25 내지 6.28 질량%(본 발명에 따른 강 A05를 제외하고는 5.71 내지 6.28 질량%)이었으며, 상기 V 함량은 0.61 내지 0.69 질량%(본 발명에 따른 강 A05를 제외하고는 0.61 내지 0.66 질량%)이었다.

한편, 비교 강 A10의 경우에, 평가는 비용을 제외한 모든 항목에서 "불량"이었다. 이용된 시료는 큰 다이캐스팅 금형으로부터 컷팅된 시료이었으며 담금질 비율의 감소가 나타났다. 따라서, 상기 충격값은 비교 강 A10에서 특히 낮았다.

다른 비교 강은 일부 평가 항목에서 비교 강 A10(JIS SKD61)보다 좋았지만, 모든 항목에서 평가가 "양호"로 나타난 강의 종류는 없었다.

예를 들어, 비교 강 A01에서, 상기 고온 강도는 너무 적은 C로 인하여 감소되었다. 또한, 오스테나이트 그레인은 너무 적은 V로 인하여 담금질에서 거칠어졌고, 상기 충격값은 감소되었다.

비교 강 A02에서, 상기 열전도도는 과도한 Si로 인하여 감소되었다. 또한, 비교 강 A02에서, 탄화물의 양은 과도한 C 또는 과도한 V로 인하여 지나치게 커졌고, 상기 충격값은 감소되었다.

비교 강 A03에서, 상기 열전도도는 과도한 Si로 인하여 감소되었다.

비교 강 A04에서, 소입성(quenchability)은 너무 적은 Mn으로 인하여 불충분하고, 상기 충격값은 감소되었다. 비교 강 A04의 열전도도는 본 발명에 따른 강에 비해 약간 낮았다. 이러한 이유는 비교 강 A04에서의 Si 함량이 비교적 컸으며 전체로서 비교 강 A04의 성분의 밸런스가 부적절했기 때문이라고 고려된다.

비교 강 A05에서, 상기 열전도도는 과도한 Mn으로 인하여 감소되었다.

비교 강 A06에서, 작은 냉각 속도의 조건하에서 변태 온도 감소 및 미세구조 정제의 효과는 너무 적은 Cr로 인하여 불충분하였고, 상기 충격값은 감소되었다.

비교 강 A07에서, 상기 열전도도는 과도한 Cr로 인하여 감소되었다.

비교 강 A08에서, 상기 고온 강도는 너무 적은 Mo로 인하여 감소되었다.

비교 강 A09에서, 과도한 Mo로 인하여 상당한 비용의 상승이 발생되었다.

비교 강 A10에서, 상기 열전도도는 과도한 Si로 인하여 감소되었다. 또한, 비교 강 A10은 너무 적은 Mo로 인하여 고온 강도에서 감소되었다. 또한, 비교 강 A10에서, 침탄질화는 과도한 V로 인하여 지나치게 되었고, 상기 충격값은 감소되었다.

(다이캐스팅 금형을 이용한 실제 기계 테스트)

다이캐스팅 금형을 이용한 실제 기계 테스트가 다음과 같이 수행되었다. 생상된 다이캐스팅 금형은 기계에 장착되었고, 알루미늄 합금이 주조되었다. ADC12는 알루미늄 합금에 사용되었고, 용융 및 보온로의 온도는 680℃로 설정되었다. 다이캐스팅 제품의 무게는 약 7kg이었으며 한 사이클은 60s이었다. 캐스팅 10,000 시도한 후, 금형 표면에서의 히트 체킹 및 내부 냉각회로의 부식 균열을 평가하였다. 또한, 내부 냉각회로의 균열로 인하여 뚜렷한 솔더링이나 용수 누출이 10,000 캐스팅 시도가 완료될 때까지 발생되었는지를 평가하였다. 실제 기계 테스트의 결과를 표 4에 나타낸다. 표 4에서, 표 3에 나타낸 열전도도 및 충격값을 직접 삽입하였다.

(실제 기계 테스트의 평가)

상기 히트 체킹, 솔더링, 마모, 및 용수 홀의 균열은 육안으로 평가되었으며, 각각이 발생되지 않은 경우에 "양호"로 평가되었고(표 4에서 "A"로 나타냄), 약간 발생된 경우에 "약간 불량"으로 평가되었고(표 4에서 "B"로 나타냄), 발생된 경우에 "불량"으로 평가되었다(표 4에서 "C"로 나타냄).

본 발명에 따른 강은 모든 항목에서 양호한 특성을 나타내었고, 반면에 비교 강은 임의의 항목에서 평가 기준을 만족시키지 못했다. 이는 본 발명에 따른 강이 상기 성분 조성을 갖추고 있어서 확실하게 높은 열전도도 및 높은 충격값을 갖지만, 상기 비교 강은 전술한 성분 조성을 갖추고 있지 않아서 열전도도 및/또는 충격값이 낮기 때문이다.

즉, 본 발명에 따른 강에서는 높은 열전도도로 인하여 열적 스트레스가 작고 히트 체킹이 거의 발생하지 않는다. 또한, 본 발명에 따른 강의 경우, 높은 열전도도는 금형의 과열을 억제하고, 알루미늄 합금과 금형 사이의 솔더링은 크게 감소된다. 또한, 고속으로 주입된 알루미늄 합금에 의한 마모는 무시될 수 있으며 고온 강도의 높음에 대응한다. 본 발명에 따른 강의 경우, 내부 냉각회로의 부식은 그렇게 크지 않고, 부식된 부분에서 비롯된 균열의 침투로 인한 용수 누출은 발생되지 않는다.

한편, 비교 강 A01 내지 A09는 JIS SKD61(비교 강 A10)에 비해 향상되었지만, 본 발명에 따른 강보다는 떨어진다. 열전도도 및 충격값 모두가 낮은 강의 종류(비교 강 A02, A04, 및 A10)에서, 히트 체킹은 쉽게 발생된다. 또한, 낮은 열전도도를 갖는 강의 종류(비교 강 A02, A03, A05, A07, 및 A10)에서, 솔더링은 빈번하게 발생된다. 고온 강도가 낮은 강의 종류(비교 강 A01 및 A08)에서, 마모는 뚜렷하다. 비교 강 A09는 높은 금형 성능을 확보하지만, Mo 함량이 높기 때문에 이러한 재료는 비용이나 자원절약의 관점에서 추천할만한 것이 아니다.

특히, 비교 강 A10(JIS SKD61)은 기본 물성의 평가와 유사하게, 비용을 제외하고는 모든 항목에서 "불량"으로 평가되었다. 비교 강 A10은 낮은 열전도도로 인하여 금형의 과열을 발생시키며 알루미늄 합금과 금형 사이에서 솔더링을 자주 발생시킨다. 또한, 많은 히트 체킹이 발생되었고, 열전도도가 낮기 때문에, 결국 열적 스트레스가 커졌다. 고속으로 주입된 알루미늄 합금에 의한 마모는 뚜렷하며 고온 강도의 낮음에 대응한다. 또한, 내부 냉각회로의 부식은 꽤 심각하고, 부식 부분에서 비롯된 균열은 넓게 산재된다.

실제 기계 테스트에서 이용된 금형은 큰 크기의 금형이다. 이러한 테스트의 결과는 큰 크기에도 불구하고, 본 발명에 따른 강을 이용하는 금형이 높은 충격값을 가질 수 있으며 높은 열전도도와 고온 강도를 가질 수 있다는 것을 드러낸다.

본 발명을 앞서 설명하였지만, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.

본 발명의 열간가공 공구강 및 이를 이용한 철강제품은 높은 열전도도 및 높은 충격값을 갖고, 이에 따라 금형 제조업자 및 금형 사용자에게 산업적으로 매우 가치가 크다.

Claims

0.20≤C≤0.50 질량%,
0.01≤Si<0.25 질량%,
0.50<Mn≤1.50 질량%,
5.24<Cr≤9.00 질량%,
1.24<Mo<2.95 질량%, 및
0.30<V<0.70 질량%를 포함하고,
나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열간가공 공구강.
제1항에 있어서,
0.30≤W≤4.00 질량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열간가공 공구강.
제1항 또는 제2항에 있어서,
0.30≤Co≤3.00 질량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열간가공 공구강.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
0.004≤Nb≤0.100 질량%,
0.004≤Ta≤0.100 질량%,
0.004≤Ti≤0.100 질량%,
0.004≤Zr≤0.100 질량%,
0.004≤Al≤0.050 질량%, 및
0.004≤N≤0.050 질량%로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 더 포함하는 특징으로 하는 열간가공 공구강.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
0.15≤Cu≤1.50 질량%,
0.15≤Ni≤1.50 질량%, 및
0.0010≤B≤0.0100 질량%로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열간가공 공구강.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
0.010≤S≤0.500 질량%,
0.0005≤Ca≤0.2000 질량%,
0.03≤Se≤0.50 질량%,
0.005≤Te≤0.100 질량%,
0.01≤Bi≤0.30 질량%, 및
0.03≤Pb≤0.50 질량%로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열간가공 공구강.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
실온에서 28 W/m/K 이상의 열전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 열간가공 공구강.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 열간가공 공구강을 포함하는 것을 특징으로 하는 철강제품.