KR20140080917A - 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강 및 그 제조방법. - Google Patents

충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강 및 그 제조방법. Download PDF

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Abstract

충격 인성, 경도, 절삭 가공성 및 내식성 기준을 동시에 만족하는 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강 및 그 제조방법이 소개된다.
본 발명의 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강은, 중량 %로, C : 0.03 ~ 0.09%, Si : 1.0 ~ 1.5%, Mn : 0.1 ~ 1.0%, Cr : 3.0 ~ 4.5%, Ni : 2.5 ~ 3.5%, Al : 0.6 ~ 1.0%, Mo : 1.0 ~ 2.0%, V : 0.5% 이하(0% 제외), 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하되, 70J/cm2 이상의 충격 인성과, HRC 38 이상의 경도 및 80cm3 이상의 절삭 가공성을 동시에 만족하는 것을 특징으로 한다.

Description

충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강 및 그 제조방법.{PRECIPITATION HARDENING TYPED DIE STEEL WITH EXCELLENT TOUGHNESS AND CUTTING CHARATERISTIC AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 크롬 첨가로 인해 발생하는 충격 인성을 저하 방지를 위해 몰리브덴을 첨가하되, 몰리브덴 첨가로 인한 절삭 가공성 저하를 방지함과 동시에 내식성 향상까지 도모할 수 있는 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
금형으로 사용되는 금형강은 마모 및 변형을 방지하기 위하여 높은 경도가 요구된다.
일반적으로 플라스틱 제품 제작시 사용되는 금형강은, 원하는 형태로 가공한 후에 열처리해야 하는 강종과, 금형강 생산시에 경도를 확보하고 가공한 후에 바로 사용하는 강종(석출 경화형 강종)으로 구분된다.
과거에는 전자에 해당하는 탄소강이나 저합금강을 사용하여 왔으나, 열처리 공정에 따라 금형 제작 시기가 길어지고, 열처리 후에 변형이 자주 발생하여 치수 정밀도가 저하되므로, 최근에는 후자에 해당하는 석출 경화형 금형강이 주로 사용되고 있다.
석출 경화형 금형강은 경도, 인성 등 기본적인 기계적 특성이 요구되는 것은 물론, 부식에 대한 저항성 또한 요구된다.
금형강은 제품 생산 과정에서 발생하는 다량의 수증기에 의하여 금형 표면에 녹이 발생하는 것은 물론, 냉각수가 흐르는 홀 주변으로 두꺼운 녹이 발생하는 문제점이 존재한다.
냉각수 홀에 녹이 발생하면 냉각능 저하로 인하여 제품 불량이 발생하며, 특히 제품 표면에 녹이 발생하면 금형 표면의 미관이 저하되는 것은 물론, 발생한 녹에 의해 플라스틱 제품 표면에 광택이 저하, 최종적으로 제품 결함이 발생하는 문제점이 존재한다.
또한, 녹 제거 작업이라는 별도의 작업 공정이 추가되기 때문에 생산성이 감소하고, 제조 비용이 상승되는 문제점이 존재한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 다양한 연구, 개발이 진행되고 있는바, 그 중 몇 가지를 소개하면 아래와 같다.
일본공개특허 제2004-091840호(2004.3.25.)에는 "피삭성 및 연마성이 우수한 금형용 강재"가 개시되어 있다.
이는 산화물 형성때문에 발생하는 핀홀 발생을 억제하고, 피삭성 및 연마성을 구비한 금형용 강재를 제공하기 위한 것으로, 중량%로 C: 0.005 ∼ 0.1% ,Si ≤ 1.5%, Mn ≤ 1.0%, Cr : 3.0 ∼ 8.0%, Ni ≤ 4.0%, Al: 0.1 ∼ 1.5%, S: 0.003 ∼ 0.05%, Mg: 0.001 ~ 0.02%, N: 0.01% 이하, O ≤ 0.003%를 포함하고, Cu ≤ 3.5%, Mo ≤ 1.0%, Co ≤ 1.0% 중 1종 이상의 원소를 함유하되, 마르텐사이트 조직을 주조직으로 하며, 표면 경도가 38HRC 이상인 금형용 강재이다.
한국공개특허 제2000-0057043호(2000.9.15.)에는 "우수한 기계 가공성을 갖는 다이스용 고장력강"이 개시되어 있다.
이는 중량%로, C : 0.005 ~ 0.1%, Si : 1.5% 이하, Mn 2.0% 이하, Cr : 3.0 ~ 8.0%, Ni : 4.0% 이하, Al : 0.1 ~ 2.0%, Cu : 3.5% 이하, 및 잔부는 Fe, N, O를 포함하는 불가피한 불순물이고, 기본 미세조직은 마르텐사이트 금속조직이며, 불순물로서 0.02% 이하의 N와 0.003% 이하의 O를 포함하는 고장력강에 관한 것이다.
한국공개특허 제2012-0072499호(2012.7.4.)는 "고경도 및 고인성 석출 경화형 금형강 및 그 제조방법"에 관한 것으로, 중량%로 C:0.05~0.13%, Si:0.2~1.2%, Mn:1.3~1.7%, Cr:0.2~1.0%, Mo:0.2~1.0%, Ni:2.5~3.5%, Cu:0.7~1.5%, Al:0.7~1.5%, Nb:0.01~0.1%, S:0.006%이하, 잔부Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 조성을 가지며, 베이나이트와 마르텐사이트의 혼합 조직으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고경도 및 고인성 석출경화형 금형강과, 상기 성분들로 조성된 강을 열간 가공한 후, 재가열시 오스테나이트 변태 완료점(Ac3)보다 10~30℃ 높은 온도까지 가열하여 일정 시간동안 유지하고, 0.5℃/분~20℃/초의 냉각속도로 상온까지 냉각한 다음에, 530~560℃의 온도에서 시효처리하는 것을 특징으로 하는 고경도 및 고인성 석출경화형 금형강의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 합금성분의 조정과, 용체화 처리, 시효처리 등의 공정 조건을 제어하여 HRC 38 이상의 고경도와 20J 이상의 높은 수준의 V 놋치 샤르피 충격값을 동시에 확보함으로써, 금형의 사용수명을 크게 연장시킬 수 있고, 인성이 우수하여 플라스틱 재료의 맞물림에 의해 형합면 등에 생기는 흠 발생이나 성형기에의 금형의 장착, 탈착 및 보관 등과 같은 금형의 취급시에 발생될 수 있는 코너부의 균열이 저감되며, 이로 인하여 플라스틱의 성형을 고속으로 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 고경도, 청정성, 균일조직이 함께 어울려 우수한 경면성을 갖고, 더불어 제반 성질도 구비한 금형강을 얻을 수 있다.
그러나, 종래 이러한 금형강에서 내식성을 증가시키기 위하여 Cr이 첨가되고 있는바, Cr이 첨가되는 경우 기존 금형강 대비 충격 인성이 저하되는 문제점이 존재한다. 또한, Mo을 추가로 첨가하는 경우 내식성 향상뿐만 아니라 충격 인성의 향상을 가져올 수는 있지만, Mo의 과도한 첨가는 절삭 가공성을 저하시키므로 통상 1% 이하로 한정하여 첨가하여 왔었다.
즉, Mo을 제한 범위 이상 첨가하는 경우 Mo 탄화물을 석출시키는바, 이는 공구강의 마모성을 증가시켜, 공구강의 절삭 가공성을 저하시키게 문제를 가지고 있는 것이다.
상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
일본공개특허 제2004-091840호(2004.3.25.) 한국공개특허 제2000-0057043호(2000.9.15.) 3)한국공개특허 제2012-0072499호(2012.7.4.)
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 Cr 첨가에 의한 충격 인성 저하를 위해 최적화된 Mo을 첨가하되, Mo 첨가에 따른 절삭 가공성 저하를 방지하기 위해 최적화된 V을 첨가함으로써, 충격 인성은 물론, 절삭 가공성까지 개선된, 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강은, 중량 %로, C : 0.03 ~ 0.09%, Si : 1.0 ~ 1.5%, Mn : 0.1 ~ 1.0%, Cr : 3.0 ~ 4.5%, Ni : 2.5 ~ 3.5%, Al : 0.6 ~ 1.0%, Mo : 1.0 ~ 2.0%, V : 0.5% 이하(0% 제외), 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하되, 70J/cm2 이상의 충격 인성과, HRC 38 이상의 경도 및 80cm3 이상의 절삭 가공성을 동시에 만족하는 것을 특징으로 한다.
Mo(%)/V(%)은 5.2 ~ 7.0 인 것을 특징으로 한다.
상기 Mo : 1.0 ~ 2.0%, 상기 V : 0.5% 이하(0% 제외)인 것을 특징으로 한다.
25℃ 항온조에 담긴 수돗물에서 24시간 침지한 상태에서 그 부식 면적율이 70% 이상을 만족하는 것을 특징으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강 제조방법은, 중량 %로, C : 0.03 ~ 0.09%, Si : 1.0 ~ 1.5%, Mn : 0.1 ~ 1.0%, Cr : 3.0 ~ 4.5%, Ni : 2.5 ~ 3.5%, Al : 0.6 ~ 1.0%, Mo : 1.0 ~ 2.0%, V : 0.5% 이하(0% 제외), 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 이용하되, Mo 및 V의 성분비를 조절하여 중간재를 제조하고 이를 가열하여 오스테나이트 형성이 완료되는 변태 완료점 이상의 온도에서 용체화 처리한 후 소둔하는 것을 특징으로 한다.
Mo(%)/V(%)은 5.2 ~ 7.0의 범위에서 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 용강을 열간 압연하여 제조된 중간재를 870 ~ 910℃ 범위에서 30분 이상 용체화 처리하고, 1℃/min 속도 이상으로 상온까지 냉각한 후, 530 ~ 560℃에서 3 ~ 15시간 시효 경화 열처리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기한 기술적 구성으로 인해 이점이 있다.
첫째, Mo 함량을 증가시킴으로써 Cr 첨가에 따른 충격 인성 저하를 방지할 수 있는 이점이 있다.
둘째, V 함량을 증가시킴으로써 Mo 함량 증가에 따른 절삭 가공성 저하를 방지할 수 있는 이점이 있다.
셋째, 충격 인성, 절삭 가공성, 경도 및 내식성을 동시에 만족하는 금형강을 제조할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 경도 및 충격 분포를 나타낸 도면,
도 2는 Mo 함량에 따른 부식 면적율 변화를 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강 및 그 제조방법을 설명한다.
본 발명의 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강은, C, Si, Mn, Cr, Mo, Ni, Al 및 V 및 기타 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
충격 인성 및 절삭 가공성을 동시에 개선하기 위한 상기 합금 원소들의 함량을 설명한다.
C는 가열 후 냉각에 의한 담금질 성을 높이고, 강도와 경도를 상승시키며, 석출에 의한 시효 경화에 기여하는 원소이다.
본 발명에서는 Cr, Mo, V 등과 탄화물을 형성하는 원소로써의 역할을 하는바, C의 함량이 0.09를 초과하면 냉각시 조대한 탄화물을 형성하여 인성을 저하시키게 되는바, 이러한 조대한 탄화물은 절삭시 공구 마모를 증가시킨다. 또한 내녹청성 확보에 가장 중요한 Cr, Mo과의 결합은 Cr, Mo 고용양을 감소시켜 금형강의 내녹청성을 저하시키게 된다.
C의 함량이 0.05% 미만이면 냉각 후 경도가 낮기 때문에, 시효에 의한 석출경화가 이루어지더라도 목표로 하는 HRC 38 이상의 경도를 얻을 수 없다는 문제점이 존재한다.
따라서, C의 함량은 0.05 ~ 0.09%의 범위 내에서 조절하여야 한다.
Si는 제강 과정에서 탈산제로 첨가되며, 강중에 고용되어 담금질성 및 경도를 향상시키는 원소로서, 시효 처리시 조대 탄화물의 형성을 억제하고, 입계 탄화물 석출에 의한 충격 인성의 급격한 저하를 방지한다.
Si는 소재의 경화능에도 중요한 영향을 미치는바, 소재의 질량이 큰 경우 Mn 단독으로 용체화 처리시 경도 확보가 곤란하기 때문에, 강중에 1% 이상 첨가시켜야 한다.
다만, Si 함량이 1.5%를 초과하면 편석이 발생하거나 장시간 시효 처리시 탄화물의 흑연화를 조장하여 인성이 크게 저하되는 문제가 있고, 특히 기계 가공성의 열화를 초래하게 된다.
따라서, Si의 함량은 1.0 ~ 1.5%의 범위 내에서 조절하여야 한다.
Mn은 C와 함께 담금질성을 향상시키고, 시효 처리후 경도와 내마모성을 향상시키는 원소로서, 페라이트의 형성을 억제하고 마르텐사이트의 형성을 조장한다.
본 발명에서 목표로 하는 경도 및 내마모성을 얻기 위해서 Mn은 0.1% 이상 첨가해야 하지만, Mn의 함량이 1.0%를 초과하면 피삭성 및 열간가공성이 감소하는바, 그 함량은 0.1 ~ 1.0%로 한정한다.
Cr은 내식성 향상, 특히 내녹청성 개선에 필수 불가결한 원소로, 첨가시 담금질성을 높이고, 경도, 내식성 향상시키는 원소로서, 일반적으로 냉각시 페라이트 및 펄라이트의 형성을 억제하고, 저온조직인 마르텐사이트와 베이나이트의 형성을 조장하며, 심부 경도를 향상시키는 효과가 있다.
특히 강의 내녹청성의 확보를 위해서 Cr은 적어도 3.0% 이상 첨가되어야 하지만, 그 함량이 4.5%를 초과하면 충격 인성의 저하를 나타내고, 경도의 균일성 저하를 초래하게 된다.
특히 기계적 가공시 불균일한 경도로 인해 가공성의 저하를 야기하므로, Cr 함량은 3.0 ~ 4.5%의 범위에서 조절해야 한다.
Ni은 경도, 인성 및 포토에칭성(photoetching)을 개선하기 위한 원소로서, 그 일부가 Cu와 균질한 고용체를 형성함으로써 열간가공에 있어, 적열취성을 방지하고, 시효 처리시 Ni-Al 금속간 화합물(Ni3Al 등)을 석출시키며, Cu와 함께 Ni-Al 금속간 화합물 석출시 핵으로 작용하는 ε-상을 구성하므로, 2.5% 이상 첨가해야 한다. 다만, Ni의 함량이 3.5%를 초과하면 피삭성이 저하되고, 열전도율 저하 및 사출 성형 사이클이 증가하는 문제가 있기 때문에, Ni의 함량은 2.5 ~ 3.5%로 한정한다.
Mo은 강의 내식성을 향상 시키고 충격 인성을 증가시키는 원소로, 기지 고용에 의한 조직의 경도 및 시효 처리시 탄화물 석출에 의한 경화 목적, 나아가 고인성을 얻기 위해 첨가하는 원소이다.
Cr, W와 함께 내녹청성, 고용 강화에 의한 경도, 및 인성 등의 개선 위해서는 0.5% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.
특히 본 발명에서 충격인성의 향상을 위하여 1% 이상을 첨가한 것이 바람직하다. 다만, 2.0%를 초과하면 제조 비용을 증가시키고, 급격한 경도 저하를 나타내므로 Mo의 함량은 1.0 ~ 2.0%로 한정한다.
Al은 시효 처리시 Ni과 결합하여 Ni-Al 금속간 화합물을 형성하는 원소이다. 석출경화를 통하여 경도를 증가시키고, Al 질화물을 형성하여 용체화 처리시 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제하고, 하부 베이나이트의 형성을 조장하여 인성을 증가시키므로 0.6% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, Al의 함량이 1.0%를 초과하면 산화 개재물 형성으로 인해 표면 결함을 발생시키고, 그 밖의 원소의 탄화물과의 밸런스가 무너지게 되어 인성, 피삭성 및 경면성이 저하되기 때문에, Al의 함량은 0.6 ~ 1.0%로 한정한다.
V은 결정립을 미세화 시키는 효과가 있다.
특히 본 발명에서는 Mo 탄화물의 형성을 제어하여 Mo 첨가시 저하되는 절삭 가공성을 개선하는 효과가 있다. 다만, 다량 첨가할 경우 탄화물을 형성하여 오히려 절삭 가공성을 저해하므로, 상한치는 0.5%로 설정한다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 Mo 함량을 최적화하고, Mo 함량 최적화에 따른 절삭 가공성 저하를 방지하기 위하여 V의 함량을 최적화함으로써, 충격 인성 및 절삭 가공성은 물론, 내식성이 향상된 금형강을 얻을 수 있었다.
표 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 금형강의 합금 조성 범위에 해당하는 발명강들과 이와 비교하기 위한 비교강을 선정하였다.
본 발명의 금형강은 진공 용해로에서 용해하고, 1260℃에서 열처리한 후에 열연 공정을 거쳐 두께 15mm로 제조한 판재이다.
이를 가열하여 오스테나이트 형성이 완료되는 변태 완료점인 870℃ 이상의 온도에서 30분 이상 용체화 처리한 후, 공냉으로 냉각하고, 다시 550℃에서 소둔하여 시편을 제작하였다.
이를 이용하여 경도, 충격 인성 평가를 수행하였는바, 충격 인성 평가를 위하여 2mm-U 노치 시험편을 이용, 샤르피 충격 테스트를 수행하였으며, 상온 충격 인성을 상호 비교하였다.
구분 C Si Mn Cr Mo Ni Al V
발명강1 0.063 1.13 0.515 3.73 1.31 3.35 0.74 0.251
발명강2 0.056 1.16 0.501 3.91 1.41 3.16 0.78 0.243
발명강3 0.056 1.17 0.500 3.85 1.48 3.17 0.72 0.241
발명강4 0.052 1.16 0.506 3.94 1.50 2.99 0.70 0.243
발명강5 0.052 1.20 0.500 3.83 1.72 3.15 0.70 0.245
비교강1 0.058 1.17 0.503 3.80 0.98 3.16 0.74 0.004
비교강2 0.059 1.20 0.514 3.90 1.01 3.23 1.08 0.002
비교강3 0.057 1.16 0.505 5.06 0.52 2.98 1.03 0.004
비교강4 0.049 1.16 0.506 4.95 0.98 3.00 0.94 0.004
비교강5 0.054 1.14 0.505 3.94 2.49 2.99 0.70 0.003
비교강6 0.049 1.17 0.500 3.90 2.47 2.98 0.72 0.255
표 1에 나타난 바와 같이, 발명강 1 내지 발명강 5, 비교강 1 내지 비교강 6의 경도 및 충격 인성 실험 효과를 표 2에 나타내었다.
구분
 경도
(HRC)		 충격 인성(J/cm2)
발명강1 40.1 105.9
발명강2 40.6 74.3
발명강3 39.2 76.3
발명강4 38.8 95.3
발명강5 38.5 130.2
비교강1 38.4 33.3
비교강2 38.4 22.2
비교강3 38.0 16.6
비교강4 41.9 52.9
비교강5 36.5 70.1
비교강6 36.7 75.4
표 2(도 1참조)에 나타낸 바와 같이, 발명강 1 내지 발명강 5, 비교강 5 및 비교강 6에서 Mo 첨가 효과가 확인되었다. Mo이 첨가된 합금에서 Mo 함량이 상대적으로 적은 비교강 1 내지 비교강 4와 비교하여 충격 인성이 증가되는 것을 확인할 수 있있으며, Mo 함량이 2.5% 수준인 비교강 5 및 비교강 6에서는 충격 인성은 증가하나, 경도가 크게 저감되는 것으로 확인되었다.
한편, 표 1의 발명강 1, 발명강 4, 비교강 1, 비교강 5 및 비교강 6의 조성을 갖는 합금 원소를 진공 용해로에서 용해하고, 1260℃에서 열처리한 후에 열연 공정을 거쳐 두께 15mm로 제조하였다.
이를 가열하여 오스테나이트 형성이 완료되는 변태 완료점인 870℃ 이상의 온도에서 30분 이상 용체화 처리한 후, 공냉으로 냉각하고, 다시 550℃에서 소둔하여 시편을 제작하였으며, 수돗물 침지법을 이용하여 부식 평가를 하였다.
스테인리스강의 내식성 대표지수는 하기의 PREN값이 사용되는바, 이러한 PREN은 Cr, Mo 함량이 내식성 향상에 영향을 미치는 인자임을 의미한다.
PREN = Cr + 3.3(Mo + 0.5W)
본 발명에서는 이러한 점을 착안하여, Mo의 함량을 최적화, 내식성을 향상켰는바, 이 과정에서 후술하는 V과의 관계를 고려하였다.
부식 평가에 사용된 시편은 50*50mm 시편으로 경면 연마 후 25℃ 항온조에서 수돗물에서 24 시간 침지한 후, 표면 부식 면적율을 이미지 분석법을 이용하여 측정하였는바, 그 결과를 표 3(도 2참조)에 나타내었다.
구분 부식 면적율(%)
발명강1 72.1
발명강4 74.3
비교강1 82.3
비교강10 60.7
비교강11 61.0
표 3에 나타난 바와 같이, Mo 함량이 증가함에 따라 부식 저항성은 개선되는 것으로 확인되었는바, 발명강 1 및 발명강 4의 경우도 70% 이상의 우수한 부식 저항성이 나타나는 것으로 확인되었다.
다만, 비교강 10 및 비교강 11의 경우, 높은 부식 저항성을 나타내었지만, 상술한 바와 같이, 경도 저감의 문제를 갖는다.
한편, Cr, Mo는 탄화물을 형성하여 밀링 가공시 툴의 마모를 야기하는바, 금형강에서 Cr, Mo 등의 원소가 탄화물을 형성하고, Cr의 경우 M23C6의 형태로, Mo의 경우 M6C 형태로 탄화물을 형성한다
1% 이상의 Mo이 첨가될 경우, 이러한 Mo계 탄화물이 과대 형성되어 절삭 가공성을 저하시키며, V 첨가는 Mo 탄화물을 제어하는 효과를 나타내는바, 적절한 V 첨가량을 조절하여 절삭 가공성을 최대화할 수 있었다.
하기의 표 4에 나타낸 합금 원소의 조성을 갖는 강을 진공 용해로에서 용해하고, 1260℃에서 열처리한 후에 열연 공정을 거쳐 두께 15mm로 제조하였다.
이를 가열하여 오스테나이트 형성이 완료되는 변태 완료점인 870℃ 이상의 온도에서 30분 이상 용체화 처리한 후, 공냉으로 냉각하고, 다시 550℃에서 소둔하여 시편을 제작하였다.
구분 C Si Mn Cr Mo Ni Al V
발명강1 0.063 1.13 0.515 3.73 1.31 3.35 0.74 0.251
발명강2 0.056 1.16 0.501 3.91 1.41 3.16 0.78 0.243
발명강3 0.056 1.17 0.500 3.85 1.48 3.17 0.72 0.241
발명강4 0.052 1.16 0.506 3.94 1.50 2.99 0.70 0.243
발명강5 0.052 1.20 0.500 3.83 1.72 3.15 0.70 0.245
비교강5 0.054 1.14 0.505 3.94 2.49 2.99 0.70 0.003
비교강6 0.049 1.17 0.500 3.90 2.47 2.98 0.72 0.255
비교강7 0.056 1.16 0.501 3.85 1.46 3.15 0.69 0.004
비교강8 0.050 1.18 0.500 2.95 1.49 2.00 0.49 0.244
발명강 1 내지 발명강 5, 비교강 5 내지 비교강 8의 경도, 충격 인성 및 절삭 가공성을 평가하여 표 5에 나타내었다.
구분 Mo/V 경도(HRC) 충격인성(J/cm2) 절삭량(cm3)
발명강1 5.2 40.1 105.9 96.7
발명강2 5.8 40.6 74.3 89.1
발명강3 6.1 39.2 76.3 98.0
발명강4 6.2 38.8 95.3 96.8
발명강5 7.0 38.5 130.2 87.2
비교강5 365.0 40.1 142.9 67.4
비교강6 6.1 32.8 175.0 87.6
비교강7 830.0 36.5 70.1 124.2
비교강8 9.7 36.7 75.4 132.7
절삭 가공성 평가는 직경 32mm의 절삭 공구를 사용하여 정면 밀링 가공을 수행하는 방식으로 진행하였다.
절삭 속도 180mm/min, feed 0.1mm/날, axial depth 2mm 가공 조건으로 각각의 금형강으로 절삭 가공하였다.
무윤활 조건에서 밀링 가공을 수행하였으며, 툴 팁 마모를 측정하여 툴 팁 마모 한계인 400㎛ 마모시 최대 절삭량을 비교 평가하였다.
일반적으로 절삭 가공성은 밀링 가공을 통하여 동일한 가공량에 대해 툴 마모 정도를 측정하거나, 툴 마모 한계 내에서 최대 가공량을 평가하는 방법으로 진행된다. 소재의 표면 조도, 절삭 하중과 같이 다양한 평가 방법이 존재하나, 실질적으로 툴의 마모는 품질과 관련 있으므로, 절삭 가공성을 평가하는 중요한 지표로 사용될 수 있다.
표 5에 나타난 바와 같이,비교강 5에서 절삭량이 최대로 저감되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 비교강 6과 같이, Cr, Ni 함량이 낮거나, 비교강 7 및 비교강 8에서와 같이 Mo 함량이 2% 이상인 경우 우수한 절삭 가공성을 가지지만, 경도가 저하되는 것으로 확인되었다.
이와 같이, Mo 첨가에 따른 절삭 가공성 저하는 Mo 탄화물 형성에 의한 것이며, V 첨가를 통하여 Mo 탄화물 형성을 억제, Mo 및 V 함량을 특정 비율로 제한하는 경우 절삭 가공성 저하를 방지할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (6)

  1. 중량 %로, C : 0.03 ~ 0.09%, Si : 1.0 ~ 1.5%, Mn : 0.1 ~ 1.0%, Cr : 3.0 ~ 4.5%, Ni : 2.5 ~ 3.5%, Al : 0.6 ~ 1.0%, Mo : 1.0 ~ 2.0%, V : 0.5% 이하(0% 제외), 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하되, 70J/cm2 이상의 충격 인성과, HRC 38 이상의 경도 및 80cm3 이상의 절삭 가공성을 동시에 만족하는, 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강.
  2. 청구항 1에 있어서,
    Mo(%)/V(%)은 5.2 ~ 7.0 인 것을 특징으로 하는, 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강.
  3. 청구항 2에 있어서, 25℃ 항온조에 담긴 수돗물에서 24시간 침지한 상태에서 그 부식 면적율이 70% 이상을 만족하는 것을 특징으로 하는, 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강.
  4. 중량 %로, C : 0.03 ~ 0.09%, Si : 1.0 ~ 1.5%, Mn : 0.1 ~ 1.0%, Cr : 3.0 ~ 4.5%, Ni : 2.5 ~ 3.5%, Al : 0.6 ~ 1.0%, Mo : 1.0 ~ 2.0%, V : 0.5% 이하(0% 제외), 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 이용하되,
    Mo 및 V의 성분비를 조절하여 중간재를 제조하고 이를 가열하여 오스테나이트 형성이 완료되는 변태 완료점 이상의 온도에서 용체화 처리한 후 소둔하는 것을 특징으로 하는, 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    Mo(%)/V(%)은 5.2 ~ 7.0의 범위에서 조절하는 것을 특징으로 하는, 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 용강을 열간 압연하여 제조된 중간재를 870 ~ 910℃ 범위에서 30분 이상 용체화 처리하고, 1℃/min 속도 이상으로 상온까지 냉각한 후, 530 ~ 560℃에서 3 ~ 15시간 시효 경화 열처리하는 것을 특징으로 하는, 충격 인성 및 절삭 가공성이 우수한 석출 경화형 금형강 제조방법.
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