KR20130004591A

KR20130004591A - 압출 공구용 강

Info

Publication number: KR20130004591A
Application number: KR1020127026298A
Authority: KR
Inventors: 셀수 안토니우 바르보사; 하파엘 아그넬리 메스퀴타
Original assignee: 빌라리스 메타우스 에스/에이
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2013-01-11
Also published as: JP2013521411A; ZA201207378B; BRPI1003185A2; WO2011109881A1; MX2012010394A; RU2012142660A; US20130243639A1; EP2546374A1; CA2792615A1; CN103097562A; EP2546374A4

Abstract

본 발명은 종래의 H13 강에 비해 더 낮은 비용 및 더 높은 템퍼링 저항을 특징으로 하는 압출용 강에 관한 것으로서, 그 화학 조성은, 질량 백분율로, 다음을 포함한다: 0.40 ~ 0.60 의 탄소; 1.0 미만의 규소; 0.030 미만의 인; 2.5 ~ 4.5 의 크롬; 0.5 ~ 0.7 의 몰리브덴 (몰리브덴은 2W /1Mo 의 비율로 텅스텐에 의해 치환될 수 있다고 가정); 0.10 ~ 1.0 의 바나듐; 1.0 미만의 망간; 잔부는 Fe 및 불가피한 유해 물질들로 본질적으로 구성된다. 질화 후의 높은 경도를 제공하기 위한 옵션으로서, 본 발명의 강의 Al 함량은 1.0 이하일 수 있으나, 더 높은 인성의 목적을 위해 이 Al 함량은 0.10 미만으로 유지되어야 한다.

Description

압출 공구용 강{STEEL FOR EXTRUSION TOOLS}

본 발명은 다양한 열간 성형 공구 및 다이에 사용하기 위한 목적의 강, 특히 알루미늄 합금 또는 다른 비철 금속의 압출용 강에 관한 것이다. 이 재료는 초기에는 압출 공정용으로 설계되었으나, 성형 대상의 금속이 600℃ 를 초과하는 온도를 견디는 다른 열간 성형 공정에서도 사용될 수 있고, 상기 강은 더 낮은 온도나 상온에서의 공정에서도 사용될 수 있다. 문제의 강 조성은 열간 가공 공구강으로 분류될 수 있고, 그 주요 특징은 종래 기술의 개념의 종래의 강에 비해 몰리브덴 및 바나듐과 같은 고가의 합금 원소의 함량은 더 낮지만 템퍼링 저항 (또는 경도 손실에 대한 저항) 은 더 크다는 것이다. 질화 후에 경도를 증대시키기 위해 본 발명의 강에 대한 추가의 대안이 제공되고, 그 결과 종래의 강의 성능 수준에 비해 훨씬 더 큰 성능 수준을 얻을 수 있고, 동시에 더 간단한 화학 조성에 기인하여 비용이 낮게 유지된다. 이와 같은 효과는 합금을 신중하게 설계하고, 원소, 즉 탄소, 크롬, 몰리브덴 및 알루미늄의 최적의 범위를 설정함으로써 가능해진다.

열간 가공 공구라는 용어는 산업에 사용되고 기계적 적용을 위한 부품, 특히 자동차 부품의 생산에 집중되는 다수의 열간 성형 작업에 적용된다. 가장 평판이 좋은 열간 성형 공정은 강의 단조 및 비철 합금의 압출 또는 주조이다. 통상적으로 500/600℃ 를 초과하는 고온에서 실행되는 다른 적용들도 열간 가공으로서 또한 분류될 수 있다. 이들 적용에서 몰드, 다이, 펀치, 인서트 및 다른 성형 장치는 일반적 용어인 열간 가공 공구로 분류된다. 이들 공구는 일반적으로 강으로 제작되고, 이 강은 이들 공구가 사용되는 공정의 높은 온도 및 기계적 진행력을 견디기 위한 특수한 특성이 요구된다.

열간 가공 강의 주요 특성 중에서, 다음과 같은 고온 템퍼링 후의 저항, 템퍼링 저항으로 부르는 경도 손실에 대한 저항, 인성, 경화능, 및 열 전도성 및 비열과 같은 물리적 특성이 현저하다.

비철 합금, 특히 알루미늄 합금용으로 사용되는 압출 다이는 본 발명의 강을 적용하기 위한 주요 열간 가공 대상이다. 이들 전형적인 다이는 브라질 및 해외의 공구강 시장의 중요 부분을 포함한다. 이와 같은 적용에서, 강은 다른 적용, 예컨대 압력 다이 캐스팅의 품질 요건만큼 엄격하지 않은 품질 요건을 가지지만 더 낮은 생산 비용이 강조되는 ABNT H13 (표 1 참조) 과 같은 강을 기초로 하는 매우 표준화된 것이다.

금속 합금, 특히 Mo 및 V 의 높아진 비용은 이 부분을 상당히 약화시켰고, 저가의 대안을 열망하게 되었다. DIN 1.2714 (표 1 에 주어진 화학 조성) 와 같은 저합금 강이 사용되어 왔다. 그러나, 이 강은 감소된 고온 강도 및 질화 후에 더 낮은 경도에 기인하는 낮은 내마모성으로 인해 적용이 억제된다.

US 2009/0191086 과 같은 최근의 개발은 감소된 Cr, Mo 및 V 함량에 의한 합금 원소의 감소에 초점을 맞추었다. 그러나, Cr 함량의 감소에 의해 부정적 효과가 발생하였다. 첫째, 합금 조성이 템퍼링 후에 높은 경도 (600℃ 에서의 템퍼링 후에 적어도 45HRC) 를 달성할 수 있을 만큼 충분하지 않다. 둘째, 감소된 Cr 함량은 질화 후에 더 낮은 경도를 또한 생성할 수 있고, 이 낮은 경도는, 이 적용에서 질화에 의해 생산되는 명백한 이득 (사실상 모든 압출 다이는 현재 질화되어 있다) 을 고려할 때, 압출 적용에 부적합하다.

표 1: 종래 기술의 개념의 강의 통상적인 화학 조성. Mo, V 및 Co 는 최고가이고 공구강의 최종 비용에 밀접하게 관련되므로, Mo + V + Co 의 합계가 기재되어 있다. 질량 백분율로 표시된 함량 및 Fe 잔부. 모든 압출 적용에 대해 W 함량은 낮고, 일반적으로 0.1% 미만이다.

US 2009/0191086 발명의 셋째 문제는 다이 코어의 경도에 관한 것으로, 이것은 감소된 Cr 및 Mo 함량의 결과인 감소된 경화능에 기인하여 더 낮아질 수 있다. 이것을 회피하기 위해, US 2009/0191086 발명의 합금은 더 높은 Mn 함량을 갖고, 이것은 더 높은 경화능, 잠재적인 편석 (밴딩 (banding)) 의 문제 및 과도한 오스테나이트 잔류를 유발한다. 이 양자의 영향은 최종 경도 및 인성, 따라서 공구의 수명을 손상시킬 수 있다. 높은 Mn 함량에 관련하여, 최종 관점, 즉 이 강으로부터의 스크랩은 종래의 낮은 Mn 함량의 열간 가공 강의 생산에 거의 편입될 수 없다는 것이 또한 언급될 수 있다.

이들 모든 결점을 고려하여, 본 발명자들은 US 2009/0191086 발명이 비용을 감소시키는 해결책이기는 하지만 열등한 특성을 갖는 것으로 생각한다. 이 특허의 본문 중에서, 본 발명자들은 H13 강에 비해 약 20 ~ 30% 더 낮은 기대 효율 손실을 정량화한다. 다이와 관련되는 기계가공 및 열처리 비용을 고려하면, 이 효율 손실은 극히 중대한 것으로 생각될 수 있고, 따라서 치환을 보상하도록 30% 를 초과하는 만큼의 재료비 감소가 필요하다. 예를 들면, 최종 다이 비용의 60% 만이 사용되는 공구강에 관련된다는 것을 고려하면, 30% 더 낮은 수명은 새로운 재료비가 종래의 재료비의 절반인 경우에만 존립이 가능하다. 2005 년 ~ 2008 년에 원재료의 비용이 최고치였을 때, (요구되는 비용의 차이가 너무 크므로 여전히 발생하기 곤란하지만) 이것은 사실이었다. 그러나, 현 상황에서 Mo 및 Cr 함량의 감소만을 고려하면, 이와 같은 비용 절감은 H13 강에 대해서 거의 달성될 수 없다. 따라서, US 2009/0191086 특허의 합금의 효율 손실과 관련되는 비용 절감은 이와 같은 적용에 대해 실익이 없는 것으로 현재 생각될 수 있다.

이 상황을 고려하면, H13 강과 동등한 성능이지만 더 낮은 비용으로 공구 수명에 미치는 긍정적인 효과를 효과적으로 갖는 공구강의 필요성이 명백하다. 이것은 문제의 강이 600℃ 에서 템퍼링 후에 H13 강과 동등한 템퍼링 저항 및 경도를 갖고, 더 낮은 함금 원소의 함량 및 질화 후에 적절한 경도를 갖는 경우에만 가능하다. 또한, 사용되는 재료는 높은 경화능을 가져야 하지만 높은 Mn 함량과 관련된 문제가 없어야 하고, 그 결과 압출 다이보다 큰 공구에 적용될 수 있어야 한다.

그러므로, 본 발명의 강은 이들 모든 요구를 만족시킬 것이다.

비용 절감/품질 무손실 목표를 달성하기 위해, 고온 강도에 관련되는 주요 원소인 Cr 및 Mo 의 효과는 별도로 연구되었다. 중요한 발견을 떠나, 이 연구는 이들 원소의 함량 변화가 요구되는 고온 강도를 증진하는데 충분하지 않다는 것을 또한 보여주었다. 따라서, C 함량은, 특히 낮은 P 및 Si 함량을 수반하여 인성에 영향을 주지 않는 수준까지 증대시킬 수 있었다. 마지막으로, Al 효과는 Cr 의 감소, 그러므로 질화 후의 잠재적인 더 낮은 경도를 보상하기 위해 사용되었다. 질화된 층은 다양한 열간 성형 공구, 특히 압출 및 열간 단조 공구에 내마모성을 제공하는데 중요하기 때문에, 이 가공은 또한 이 문제에 초점을 맞추었다.

그러므로, 상기 조건을 만족시키기 위해, 본 발명의 강은, 질량 백분율로, 이하의 원소로 구성되는 합금 원소의 조성을 갖는다:

- 0.40 ~ 0.60 의 C, 바람직하게는 0.45 ~ 0.55 의 C, 통상적으로 0.50 의 C.

- 2.5 ~ 4.5 의 Cr, 바람직하게는 3.0 ~ 4.2 의 Cr, 통상적으로 3.8 의 Cr.

- 0.30 ~ 0.90 의 Mo, 바람직하게는 0.50 ~ 0.70 의 Mo, 통상적으로 0.60 의 Mo. W 에 대한 그 화학적 유사성을 전제로 하여, 2W :1Mo 의 질량비로, Mo 는 W 로 치환될 수 있다.

- 0.1 ~ 1.0 의 V, 바람직하게는 0.3 ~ 0.8 의 V, 통상적으로 0.4의 V; 1Nb:0.5V 의 질량비로, V 은 부분적으로 또는 전체적으로 Nb 로 치환될 수 있다.

- 최대 1.0 의 Si, 바람직하게는 최대 0.50 의 Si, 통상적으로 0.30 의 Si.

- 최대 1.0 의 Mn, 바람직하게는 최대 0.80 의 Mn, 통상적으로 최대 0.50 의 Mn.

후술되는 바와 같이, Al은 질화 후의 경도의 관점에서 이득을 제공하기 위해 본 발명의 합금에 동시에 첨가될 수 있으나, 제강 공정의 복잡성 및 인성의 관점에서 부정적 효과도 또한 있다. 따라서, Al 함량은, 질량 백분율로, 이하와 같이 첨가되어야만 한다.

- 최대 1.0 의 Al, 바람직하게는 최대 0.80 의 Al, 통상적으로 최대 0.60 의 Al. Al 의 효과가 목적이 아닌 조성에 대해서는, 이 원소는 0.10, 통상적으로 0.05 미만으로 한정되는 잔류 불순물로서 취급되어야 한다.

이 조성은 제강 공정에 불가피한 잔부의 Fe (철) 및 금속 또는 비금속 유해 물질을 특징으로 하고, 상기 비금속 유해 물질은, 질량 백분율로, 이하의 원소를 포함하지만, 이들 원소에 한정되지 않는다.

- 최대 0.030 의 P, 바람직하게는 최대 0.015 의 P, 통상적으로 최대 0.010 의 P.

- 최대 0.10 의 S, 바람직하게는 최대 0.030 의 S, 통상적으로 최대 0.008 의 S.

- 최대 1.5 의 Ni 또는 Co, 바람직하게는 최대1.0 의 Ni 또는 Co, 통상적으로 0.5 미만의 Ni 및 Co.

다음은, 새로운 재료의 조성의 명세의 비율을 설명한다. 기재된 백분율은 질량 백분율을 말한다.

C: 탄소는 저온 조건 하에서 마르텐사이트 경화에 주로 관여한다. 그러나, 합금 원소와 함께, 탄소는 고온에서의 경화를 위해 중요한 2 차 경화에서 역할을 한다. 이들 경우에서, 경도가 여전히 마르텐사이트 경도 또는 시멘타이트 또는 탄화물의 형성에 의존하는 경우, C 함량은 600℃ 미만의 온도에서의 경도를 위해 보다 중요하다. 더욱, 탄소는 중요한 경화능 촉진 원소이고, 비용의 증가의 원인이 되지 않는다. 이는 45HRC 이상까지 경도를 증대시키는 것이 중요한 것으로 또한 생각되고, 최소 0.40% 이상의 탄소 함량, 바람직하게는 0.45% 를 초과하는 탄소 함량이 추천된다. 다른 한편, 매우 높은 C 함량은 (특히 Mo 및 V 의 함량이 높은 경우) 퀀칭 시에 입자 형상의 탄화물의 과도한 석출의 원인이 될 뿐 아니라, 2 차 탄화물의 경도 및 체적의 증대를 유발한다. 따라서, 인성은 일반적으로 약화되고, C 함량은 0.60% 의 최대 값, 바람직하게는 0.55% 미만으로 한정되어야 한다. 이 한정은 잔류 오스테나이트의 양을 감소시키는 역할을 함으로써 치수 불안정성 및 취화 (embrittlement) 에 관련되는 문제를 방지한다.

Cr: 크롬 원소는 대형 공구에서의 적용에 중요한 경화능에 유리하므로, 크롬 함량은 2.5% 보다 높아야 하고, 바람직하게는 3.0% 보다 높아야 한다. 그러나, 이 Cr 함량은 한정되어야 한다. 본 발명은 템퍼링 저항을 개선하기 위해 Cr 함량을 감소시키는 개념을 포함하였다. 이 효과의 기구는 완전히 이해되지 않지만, 이 기구는 Mo 및 V 를 용해하고, 형성될 최초의 탄화물인 M₇C₃ 형의 2 차 Cr 탄화물의 형성에 관련될 수 있다. 그러므로, Cr 함량이 더 낮아지면 M₇C₃ 탄화물의 양이 더 낮아지고, 따라서 2 차 경화에 또한 중요한 미세 탄화물인 M₂C 및 MC의 형성을 위해 이용할 수 있는 Mo 및 V 의 양이 더 많아진다. 최종 결과는 더 낮은 Cr 함량을 갖는 강에서 현저하게 더 높은 템퍼링 저항이고, 따라서 종래 기술의 개념의 강에 비교했을 때 Mo 함량의 감소가 가능하다.

Mo 및 W : 비용 절감의 목적을 위해서 뿐만 아니라, Cr 및 C 함량과 관련되는 H13 강과 동등하거나 더 큰 템퍼링 저항 및 최고의 2 차 경도를 촉진하기 위해 저 농도의 Mo 가 본 발명에 사용되었다. 이와 같이 하기 위해, 본 발명의 합금은 최소 0.30% 이상, 바람직하게는 0.50% 초과하는 양을 함유해야만 한다. 다른 한편, 극히 높은 Mo 함량은 퀀칭 단계 중에 초정 탄화물의 퇴적에 기인하여 인성을 손상시킬 수 있고, 본 발명의 비용 절감 목표에 대해 반대의 방향으로 합금의 비용을 현저하게 증가시킬 수 있다. 그러므로, Mo 함량은 0.90% 으로, 바람직하게는 0.70% 미만으로 한정해야 한다. 텅스텐 및 몰리브덴은 본 발명의 공구강에서 유사한 효과를 초래하고, M₂C 또는 M₆C 2 차 탄화물을 형성한다. 따라서, 텅스텐과 몰리브덴은 합계 W + 2Mo 에 의해 주어지는 텅스텐 당량 관계 (Weq) 를 통해 연대하여 명시될 수 있고, 이는 두 원소들 사이의 원자량의 차이를 표준화한다.

V : 바나듐은 MC 2 차 탄화물의 형성을 위해 제일 중요하다. 이들 탄화물이 매우 얇기 때문에, 전위선의 이동을 봉쇄하고 기계적 강도를 증대시킨다. V 는 입자 성장을 또한 향상시키므로, 높은 오스테나이트화 온도 (1000 ℃를 초과) 를 허용한다. 이와 같은 효과를 위해, V 는 0.1% 를 초과해야만 하고, 바람직하게는 0.3% 를 초과해야만 한다. 그러나, 과도하게 높은 V 등급은 주로 용해가 곤란한 탄화물을 생성할 수 있고, 따라서 인성을 감소시키고, 또한 비용의 현저한 증가를 촉진한다. 그러므로, V 함량은 1.0% 미만이어야 하고, 바람직하게는 0.6% 미만이어야 한다.

Si: 규소는 2 차 경화 및 인성에 강한 효과를 초래한다. 낮은 Si 농도가 사용되는 경우, 2 차 탄화물의 분산이 더 우수해지므로 인성이 향상된다. 그러므로, 본 발명의 재료의 Si 함량은 1.0% 미만이어야 하고, 통상적으로는 0.5% 미만이다.

Mn: 높은 Mn 함량은 다양한 경도에서 밴딩을 생성하는 강한 미세 편석을 촉진하고, 잔류 오스테나이트 함량을 증가시키므로 바람직하지 않은 것으로 생각될 수 있으며, 따라서 Mn 은 본 발명에서 유해 원소로 생각된다. 따라서, Mn 함량은 1.0%, 바람직하게는 0.8% 미만, 통상적으로는 0.50% 미만으로 한정되어야 한다.

Al: 질화층의 경도를 더 향상시키기 위해, 합금의 Al 함량은 높게 할 수 있다. 그러나, 이 조건 하의 Al 함량은 인성의 감소를 유발하므로 1.0% 로 한정되어야 한다. 따라서, 0.40% ~ 0.60% 의 Al 함량은 이 목적에 대해 관심을 가질 수 있다. 그러나, 질화층의 경도가 H13 강의 경도에 비해 약간 낮지만 높은 인성을 요구하는 적용을 위해, 본 발명의 합금의 Al 함량은 0.1% 미만, 통상적으로는 0.05% 미만일 수 있다.

잔류 원소: Ni 및 Co 와 같은 다른 원소는 제강 탈산 공정에 관련되거나 제조 공정에 내재한 유해 물질로서 고려되어야 한다. 그러므로, Ni 및 Co 함량은 1.5% 로, 바람직하게는 1.0% 미만으로 한정되어야 한다. 개재물의 형성의 관점에서, 황과 같은 개재물이 작업 중에 균열을 유발할 수 있으므로, 황 함량은 제어되어야 하고, 그러므로 S 함량은 0.050% 미만, 바람직하게는 0.0 20% 미만으로 유지해야 한다. 또한, 높은 인성의 목적을 위해, P 와 같은 취화 원소는 회피되어야 하고, P < 0.030% 가 바람직하고, 바람직하게는 P < 0.015% , 통상적으로 P < 0.010% 이다. 실제로, 낮은 Cr 함량은 전기 아크로 제강 공정에서 P 함량을 감소시키는데 또한 도움을 주므로, 원하는 비용 절감 방침에 모순되지 않는다는 결론에 도달한다.

전술한 바와 같이, 이 합금은 와이어 로드, 바, 와이어, 시트 및 스트립과 같은 연속 주조법 또는 용사 성형법, 분말 야금법과 같은 종래의 또는 특수한 공정을 통해 압연 또는 단조 제품으로서 생산될 수 있다.

실시된 실험들이 이하에서 설명되고, 이하의 첨부된 도면에 관하여 설명된다.

도 1a 는 600℃ 에서 템퍼링 후의 경도에 대한 Mo 함량의 효과를 보여주고, 도 1b 및 도 1c 는 통상의 C 함량에 대한 (도 1b) 그리고 더 높은 C 함량에 대한 (도 1c) 0.60% 의 Mo 에서의 Cr 함량의 효과를 보여주고, 도 1a, 도 1b 및 도 1c 의 수평 파선은 사용하기에 적합한 최소 경도를 표시한다.
도 1 과 마찬가지로, 도 2a, 도 2b 및 도 2c 는 템퍼링 저항에 대한 몰리브덴의 효과 (도 2a) 및 크롬의 효과 (도 2b 및 도 2c) 를 보여준다. 고온에서 경도가 높을수록 합금의 템퍼링 저항은 커진다. 모든 경우에서, 이 합금은 우선 600℃ 에서 어닐링된다.
도 3a 및 도 3b 는 2 가지의 Cr 함량을 고려하여 본 발명의 조성의 CCT 곡선을 보여준다. 정량적 경화능의 결과는 형성된 상 (펄라이트 및 베이나이트) 의 수로부터, 가장 중요하게는, 속도당 얻어지는 최종 경도로부터 얻어질 수 있다. 조성은 비교 목적을 위해 3% 및 4% 의 Cr 함량을 고려하여 표 1 의 베이스 3 에 요약되어 있다. 도 3a 는 0.50% 의 C 및 3.00% 의 Cr 조성에 대한 CCT 곡선을 도시하고, 도 3b 는 0.50% 의 C 및 4.00% 의 Cr 조성에 대한 CCT 곡선을 도시한다.
도 4 는, 종래 기술의 개념의 H13 강의 CCT 곡선을 도시하고, 그 데이터는 본 발명의 강의 결과와 비교될 수 있다. 도 3 에 도시된 상의 수 및 경도를 고려한 동일한 데이터는 상이한 냉각 속도에 대해 평가될 수 있다.
도 5a 및 도 5b 에서, 본 발명의 최종 조성을 가진 합금 (PI 1 ~ PI 3) 은 템퍼링 후의 경도 (도 5a) 의 관점 및 600℃ 에서의 시간에 대한 경도의 손실 (템퍼링 저항이라 함)(도 5b) 의 관점에서 비교되었다.
도 6 은 2 가지 유형의 횡방향 시편, 즉 노치가 없는 시편 (NADCA 에 따른 7 mm x 10 mm 단면) 또는 10 mm x 10 mm 단면 및 V 노치를 갖춘 샤르피 V 에 대해 실시된 충격 인성 시험의 결과를 비교한다. 모든 재료는 도 5a 의 매개변수에 따라 45HRC 의 경도까지 처리되었다.
도 7 은 PI 1, PI 2 및 PI 3 의 합금 대 H13 강의 질화층의 경도 곡선을 보여준다. 플라즈마 질화 공정은 H13 강에 대해 실시되었다. 질화 전에, 모든 샘플 합금은 45HRC 에 도달하도록 퀀칭 및 템퍼링되었다.

실시예 1: 몰리브덴, 크롬 및 탄소의 효과

이 가공을 위해, 약 200g 의 샘플들은 동일한 열처리 합금에 대해 다양한 조성을 갖는 VIM 로 내에서 채취되었다. 그러므로, 3 개의 열처리 합금은 이하의 표 1 (상세: 부록 1) 에 기재된 바와 같이 Cr, Mo 및 C 함량을 변화시킴으로써 생산되었다. H11 강은 V 함량의 절반을 이미 가지고 있으므로 이들 합금에 대한 베이스로서 역할을 하였다. 이 재료들은 특수 어닐링 (1010℃ 에서의 오스테나이트화, 오일 가용화 및 810℃ 에서의 과도한 어닐링) 후에 항상 특징이 부여되었다. 이 공정에서 발명자들은 1020℃ 에서의 어닐링 및 400 ~ 650℃ 에서의 템퍼링을 사용하였다. 전형적인 공업용 조성의 H13 강은 베이스로서 사용되었다.

650℃ 에서의 템퍼링 후의 경도는 도 1 에 도시되어 있고, 이는 감소된 Mo 및 Cr 함량의 효과가 강조되고, 증가된 C 함량의 효과가 또한 강조되어 있다. Mo 함량에 관련하여, 더 낮은 Mo 농도는 템퍼링 후에 더 낮은 경도를 얻는다. 그러나, Cr 함량이 낮아지면, 템퍼링 후의 경도는 높아진다. 더 낮은 Cr 함량은, 차례로 Mo 를 용해시키는 M₇C₃의 양을 감소시킨다. 따라서 더 높은 함량의 유리된 Mo 는 더 낮은 Cr 함량의 합금에 존재해야 하고, 이것은 템퍼링에 대한 더욱 강한 반응을 설명해 준다.

이와 같은 중요한 Cr 효과에 불구하고, 단순히 Cr 의 함량을 감소시키는 것은 필요한 경도 (약 45HRC) 를 촉진하기에 불충분하다. 경우에 따라, 필요한 경도는 더 낮은 온도에서의 템퍼링에 의해 달성될 수 있다. 그러나, 이상적인 템퍼링 온도는 적절한 템퍼링 저항을 제공하기 위해 가공 온도가 50 내지 80℃ 를 초과해야 하므로, 이런 실시는 때때로 열간 가공에 대해서는 실현 불가능하다. 따라서, 압출 및 주조된 알루미늄을 포함하는 열간 가공을 위해, 전형적인 템퍼링 온도는 600℃ 이어야 한다.

표 1: 단일 원소의 변량을 갖는 동일한 열처리 합금으로부터의 샘플에 적용된 화학 조성. 이하의 표의 Cr 및 Mo 항목에 사용된 별표는 이 베이스를 사용하는 수개의 조성이 동일한 열처리 합금에 대해 생산되었다는 것을 나타내고, 이는 이 원소의 함량을 증가시키지만, 열처리 합금의 베이스 조성을 유지시킨다.

그러므로, 600℃ 에서의 템퍼링 후의 경도를 증가시키기 위해, 발명자들은 C함량을 증가시켰다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 그 결과는 효과적이었고, H13 의 경도보다 훨씬 더 높은 경도가 얻어졌다. 이 경우, C 의 효과는 2 차 탄화물의 증가된 형성에 관련되고, Cr 이 더 낮아지는 경우, 더 낮은 Mo 함량 (H13 강의 절반) 의 합금에서도 가공의 개시에 필요한 경도를 제공한다. 더 높은 C 함량의 합금에서, 유사한 Cr 효과는 관찰될 수 있다.

템퍼링 후의 경도 외에도, 경도의 손실은 문제의 합금에 의해 고온에 대한 합금의 적절한 반응을 촉진시키기 위한 주요 요인이다. 도 2 에 도시된 결과는 이 점에서 중요한 Mo 효과 (도 2a) 를 입증하고, 및 Cr 함량의 감소는 경도의 손실을 감소시키기 위한 흥미있는 선택이라는 것을 입증하며, 이것은 더 높은 경도 수준으로 곡선을 재작도하는 것을 의미한다 (도 2b 참조). 더 높은 C 함량을 갖는 합금 (도 2c) 에서, 이 효과는 더 강력하다. 따라서, 낮은 Cr/높은C 의 조합은 흥미로워 보인다.

다른 한편, Cr 함량은 지나치게 낮게 할 수 없고, 그 결과 경화능은 감소되지 않는다. 이 효과는 도 3 의 곡선에서 검토되었고, 도 4 에서 H13 강과 비교되었다. 정량적으로, 0.3 및 0.1℃/초 후에 도달되는 경도는 635 HV 및 521 HV 를 갖는 H13 강 (도 4) 에 대응하고, 반면에 3% 의 Cr 합금은 동일한 조건 하의 595 HV 및 464 HV 에 대응한다 (도 3a). 이 상황은 4% 의 Cr 합금에 대해 변하고, H13 이상의 경도, 즉 0.3 및 0.1℃/초의 속도에 대해 696 HV 및 523 HV 에 도달한다 (도 3b). 그러므로, 4% 의 Cr 에 근접하는 Cr 함량은 더 흥미로워 보인다. 이 값보다 크게 작은 값, 즉 3% 이하의 Cr 에서, 템퍼링 후의 베이나이트의 체적 및 경도는 이 적용을 방해할 수 있다. 따라서, 모든 다른 시험, 파일럿 (pilot) 규모의 빌렛의 생산 및 기계적 특성의 평가를 위해 3.8% 의 Cr 함량이 선택되었다.

실시예 2: Al 함량의 효과

합금 대상을 확정한 후, 4 개의 열처리 합금 (50kg 의 주조 빌렛, 140mm 의 평균 단면) 이 생산되었고, 65mm x 165mm 의 치수를 갖는 플레이트로 단조되었다 (표 2). 그런 다음, 이 재료들은 실시예 1 에 기재된 동일한 공정 후에 어닐링되고, 이 재료의 특성은 이하에서 설명되는 바와 같이 평가되었다.

이 결과는 도 5 에 도시된 바와 같이 도 1 및 도 2 에 도시된 초기의 결과를 추인하였다. 따라서, 이 새로운 합금은 H13 강에 비교했을 때 600℃ 에서의 경도의 관점에서 유사한 결과에 도달할 수 있고 (도 5a), 템퍼링 저항의 관점에서는 더 우수한 결과에 도달할 수 있다 (도 5b).

표 2: 본 발명 및 H13 강의 합금을 위해 생산된 실험용 50 kg 빌렛.

다른 중요한 점이 인성의 관점으로 도 6 에서 비교될 수 있다. 본 발명의 합금의 인성은 낮은 Al 함량을 포함하는 경우 H13 강의 인성과 동등하다. 이것은 PI 1 의 합금의 낮은 Si 및 P 의 함량 DL H13 강에 관련되어 C 함량이 증가 할 때 발생할 수 있는 인성의 손실을 보상한다는 것을 입증한다. 도 6 은 인성이 Al 함량에 반비례함을 또한 보여준다.

Al 함량은, 도 7 에 도시된 바와 같이, 질화 후의 경도의 현저한 증가에 관여한다. 따라서, 질화 층의 높은 경도가 인성보다 더 관련있는 것으로 고려되는 적용에 대해, PI 2 의 합금은 질화 층의 극히 높은 경도 (거의 1400 HV) 및 200J 를 초과하는 인성을 가지므로 흥미로워진다. PI 3 의 합금은 질화층의 관점에서 이득을 보이지 않으나, 인성은 훨씬 더 낮다.

다른 한편, 관의 압출 다이와 같은 균열에 극히 민감한 적용에 대해, 인성은 주요 특성으로서 고려될 수 있다. 이 경우에 대해, PI 1 의 합금은 더 적합한 것으로 보이고, 또 압출 공구를 위한 전형적인 제원인 표면 상에서 1000HV 를 초과하는 H13 강의 경도와 유사한 질화 후의 경도를 나타낸다. 더욱, 이전에 도시된 도 5 와 같이, PI 1 의 합금은 또한 개선된 고온 강도 특성을 발현한다.

그러므로, 열간 가공 적용을 위해 필요한 특성을 고려하면, 본 발명의 합금은 H13 강과 동등하거나 더 우수한 결과를 보여준다. 이와 같은 결과는 비철 합금, 예컨대 Al 합금의 압출 다이 또는 열간 단조 다이에 대해 상당한 관련성이 있다. PI 1 의 합금은 개선된 템퍼링 저항을 가지지만, H13 강과 동등한 인성 및 질화 후의 경도를 갖고, PI 2 의 합금은 더 낮은 인성을 가지지만, H13 강보다 상당히 높은 질화 후의 경도 및 템퍼링 저항을 갖는다. 이 합금은 이 적용을 위해 필요한 가장 중요한 특성들에 기초하여 선택되어야 한다. 그러나, 모든 경우, 현저한 비용 절감은 본 발명의 합금의 낮은 Mo 및 V 함량에 기인하여 얻어질 수 있다.

Claims

압출 공구용 강에 있어서,
합금 원소의 조성이, 질량 백분율로, 0.40 ~ 0.60 의 C, 1.0 미만의 Si, 0.030 미만의 P, 2.5 ~ 4.5 의 Cr, 0.5 ~ 0.7 의 Mo, 0.10 ~ 1.0 의 V, 1.0 미만의 Mn, 최대 1.0 의 Al 로 본질적으로 이루어지고, 잔부는 Fe 및 불가피한 유해 물질들로 구성된 압출 공구용 강.
압출 공구용 강에 있어서,
합금 원소의 조성이, 질량 백분율로, 0.40 ~ 0.60 의 C, 0.50 미만의 Si, 0.030 미만의 P, 3.0 ~ 4.2 의 Cr, 0.55 ~ 0.65 의 Mo, 0.30 ~ 0.8 의 V, 0.8 미만의 Mn, 최대 0.80 의 Al 로 본질적으로 이루어지고, 잔부는 Fe 및 불가피한 유해 물질들로 구성된 압출 공구용 강.
압출 공구용 강에 있어서,
합금 원소의 조성이, 질량 백분율로, 0.45 ~ 0.55 의 C, 0.5 미만의 Si, 0.030 미만의 P, 3.5 ~ 4.2 의 Cr, 0.55 ~ 0.65 의 Mo, 0.30 ~ 0.50 의 V, 0.50 미만의 Mn, 최대 0.60 의 Al 로 본질적으로 이루어지고, 잔부는 Fe 및 불가피한 유해 물질들로 구성된 압출 공구용 강.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
질량 백분율로, 0.10 로 한정되는 Al 함량을 특징으로 하는 압출 공구용 강.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
질량 백분율로, 0.05 이하의 Al 함량을 특징으로 하는 압출 공구용 강.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
질량 백분율로, 1.0 미만의 Co 및 Ni 함량을 특징으로 하는 압출 공구용 강.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
질량 백분율로, 0.030 미만의 P 및 S 함량을 특징으로 하는 압출 공구용 강.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
질량 백분율로, 0.010 미만의 P 함량을 특징으로 하는 압출 공구용 강.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
1Mo = 2W 의 비율로, W 로 치환된 Mo 의 존재를 특징으로 하는 압출 공구용 강.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
1V = 2Nb 또는 1V = 1Ti 의 비율로, Nb 또는 Ti 로 치환된 V 의 존재를 특징으로 하는 압출 공구용 강.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
30 ~ 60 HRC 의 경도를 위해 퀀칭 (quenching) 및 템퍼링을 실시하고, 그 후 최대 0.50 mm 의 두께까지 800 ~ 1500 HV 의 표면 경도를 얻기 위해 질화 열처리를 실시한 후에 사용되는 것을 특징으로 하는 압출 공구용 강.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
실온 또는 최대 1300℃ 의 온도에서, 고체 및 액체 재료를 성형하기 위한 몰드, 다이 및 일반 용도의 공구에 적용되는 것을 특징으로 하는 압출 공구용 강.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
철 또는 비철 합금의 단조, 압출 또는 주조의 적용에 있어서, 300 ~ 1300℃ 의 온도에서 금속을 성형하기 위한 공구에 적용되는 것을 특징으로 하는 압출 공구용 강.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
비철 합금, 특히 알루미늄 합금의 열간 압출 공구 및 솔리드 형상 (solid shape) 또는 파이프 (pipe) 의 압출 다이에 적용되는 것을 특징으로 하는 압출 공구용 강.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
빌렛의 주조, 열간 및 냉간 성형을 포함하는 공정용으로 생산되거나, 심지어 전체 용융 구조 (gross structure of melting) 와 함께 사용되는 것을 특징으로 하는 압출 공구용 강.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
분말 야금, 분말 분사 (injection) 또는 용사에 의한 성형 공정과 같은 액체 금속의 파쇄 (fragmentation) 를 포함하는 공정용으로 생산되는 것을 특징으로 하는 압출 공구용 강.