KR20150125608A

KR20150125608A - 주형용 강철, 및 주형

Info

Publication number: KR20150125608A
Application number: KR1020150061105A
Authority: KR
Inventors: 마사미치 카와노
Original assignee: 다이도 토쿠슈코 카부시키가이샤
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2015-11-09
Also published as: CA2888695A1; CN105018851A; US10173258B2; JP6645725B2; JP2015209588A; EP2939763A2; CN105018851B; US20150314366A1; EP2939763A3

Abstract

본원발명은 질량%에 근거하여 0.25% < C < 0.38%, 0.01% < Si < 0.30%, 0.92% < Mn < 1.80%, 0.8% < Cr < 2.2%, 0.8% < Mo < 1.4%, 및 0.25% < V < 0.58%, 나머지는 Fe, 그리고 불가피한 불순물을 함유하는 조성을 갖는 주형용 강철 및 주형용 강철을 사용하여 적층 가공에 의해 제작된 주형에 관한 것이다.

Description

주형용 강철, 및 주형{STEEL FOR MOLD, AND MOLD}

본 발명은 금형 강철 및 주형 강철, 및 고온 강도 및 열전도 성능 모두에서 우수한 주형에 관한 것이다.

사출 성형용 주형, 금형 주조용 주형, 및 고온 압축용 주형(열 스탬핑 또는 금형 담금질(quenching)로도 불림)과 같은, 수지, 고무 등에 대해서 사용되는 주형은, 강철을 용융하여 잉곳을 형성한 뒤, 잉곳을 단조 및 압연을 통해 블록 또는 평평한 직사각형 재료로 형성하고, 이 재료를 주형의 형상으로 절삭한 뒤, 담금질 및 정련과 같은 열처리를 행하는 것에 의해 일반적으로 종래에 제조되어 왔다.

이러한 주형과 관련해 일반적으로 사용된 기술은 주형의 벽 내에 냉각 회로(수냉각 라인)를 형성하고, 주형을 냉각하기 위하여 냉각수를 통과시키는 것이다.

이러한 주형에서, 냉각수를 이용한 냉각의 효율을 높이기 위한 결과 순환시간을 감소시키고, 즉, 제품의 빠른 순환 생산(몰딩)을 하고, 이는 생산 효율의 향상 결과를 가져온다.

그러나, 이 방법은 다음의 문제점을 가진다. 냉각 회로와 몰딩 표면 사이의 감소된 거리 그리고 더 강한 열응력의 발생 때문에, 주형은 심각한 균열을 발생시키기 쉽고(수냉각 회로로부터 몰딩 표면으로의 균열 전파를 통함), 이는 주형 수명감소의 원인이 된다.

따라서, 냉각 회로가 몰딩 표면에 인접하여 배치되는 경우에, 이러한 제한점이 있다.

또 다른 가능한 방법은, 냉각 회로의 전체 형상, 레이아웃 등을 조절하여 냉각 능력을 높이기 위하여 복잡하고 구불구불하게 모든 방향으로 진행하는 냉각 회로를 주형의 벽 내부에 형성시키는 것일 수 있다. 그러나, 절삭을 통해 주형이 제조되는 임의의 방법에 있어서, 이러한 복잡한 형상을 갖는 냉각 회로를 형성하는 것이 기술적으로 불가능하다.

이러한 상황하에서, 적층 가공(3차원 적층 가공)에 의해 주형을 가공하기 위한 기술이 현재 주목받고 있다.

적층 가공은 3차원 모델 데이터를 물질의 축적을 통해 실제 물건으로 전환하기 위한 공정의 기술이다. 적층 가공에서, 3차원 컴퓨터 이용 설계(CAD) 데이터에 의해 표현된 형상은 우선 기결정된 축에 대해 수직인 복수의 평면들을 따라 슬라이스되고, 결과로 얻은 슬라이스의 단면 형상은 계산된다. 이러한 슬라이스들의 형상은 실제로 형성되고, 형성된 슬라이스는 쌓이고 함께 결합되어서, 컴퓨터로 표현된 형상을 실제 물건으로 전환한다.

적층 가공에서, 분말이 재료로서 사용된 경우 및 플레이트가 재료로서 사용된 경우가 있다.

분말이 재료로서 사용되는 방법에서, 분말은 층으로 균일하게 분사되고(각각의 층은 예컨대 수십 마이크로미터의 두께를 가짐), 그리고 분말층의 특정 영역은 열 에너지로 조사되는데, 예컨대 전자 빔의 레이저 빔으로 조사되어 분말층을 용융/고형화 또는 소결한다. 따라서, 층들은 전체 형상을 제작하기 위하여 하나 하나가 중첩된다.

한편, 플레이트가 재료로서 사용되는 적층 가공에 있어서, CAD에서 3차원 모델의 슬라이싱으로부터 얻은 개별적인 부분(플레이트)은 절삭 등에 의해 실질적으로 제조되고, 이러한 부분은 적층되고 예컨대 확산 접합에 의해 함께 결합되어서, 전체 3차원 형상을 제조한다.

이러한 적층 가공 기술에 의해 제조된 주형의 예는 예컨대 특허문헌 1 및 2에 개시된다.

구체적으로, 특허문헌 1은 "선택적 레이저 소결을 위한 금속 분말, 이를 사용하여 3차원 형상의 물건을 제작하는 방법, 및 그로부터 얻은 3차원 형상의 물건"에 관한 발명을 개시한다. 여기에 개시된 것은 석출-경화 금속 조성물을 포함하는 분말형 재료의 층의 기결정된 부분에 광 빔을 조사함으로써, 기결정된 부분의 분말을 소결하거나 용융하고 이어서 이를 고형화하여 고형화된 층을 형성하는 특징, 및 고형화된 층 상에 분말 층을 새롭게 형성한 후, 새로운 분말 층의 또 다른 기결정된 부분에 광 빔을 조사하여 또 다른 고형화된 층을 형성하는 특징이며, 이러한 단계는 반복적으로 수행되어 3차원 형상의 물건을 제조한다.

특허문헌 2는 "주형용 공동 삽입체, 주형용 삽입체를 제조하는 방법, 및 수지 몰딩 주형"에 관한 발명을 개시한다. 여기서는, 나선형 냉각 통로를 내부에 갖는 공동이 냉각 통로의 슬라이스 데이터에 기초하여 복수의 금속 플레이트 각각에 냉각 통로를 형성하는 홈(groove)을 가공되고, 홈-가공된 금속 플레이트를 규정된 순서로 라미네이팅하고, 라미네이트된 금속 플레이트를 확산-접합하고, 확산 접합에 의해 얻어진 금속 블록을 형상-가공하는 것에 의해 제조되는 특징을 개시한다.

전술한 적층 가공의 기술은 재료를 적층하는 것에 의해 전체 형상을 제작하고, 모든 방향으로 구불구불하게 진행하고 절삭에 의해 절대 형성될 수 없는 복잡한 냉각 회로를 쉽게 형성할 수 있는 기술인 것이다. 그 결과, 냉각의 효율은, 주형의 몰딩 표면에 불필요하게 인접하여 냉각 회로를 배치할 필요 없이, 종래의 절삭에 의해 제조된 주형에 비해 더 효과적으로 높일 수 있다.

지금까지, 마르에이징 강철 및 석출 경화형 스테인레스 강철은 고온 강도를 갖기 위한 주형의 재료로서 사용되어 왔다.

특허문헌 1에서도, 마르에이징 강철 또는 석출 경화형 스테인레스 강철의 분말이 주형에 대한 재료로서 사용된다.

마르에이징 강철 및 석출 경화형 스테인레스 강철을 포함하는 이러한 강철이 주형에 대해 충분한 고온 강도를 가짐에도 불구하고, 이러한 강철들의 매트릭스 상이 고용체를 다량 형성하기 쉬운 Si, Cr, Ni 및 Co와 같은 원소들을 함유하기 때문에 낮은 열 전도 성능을 갖는다는 문제점이 있다.

적층 가공에 의해 제조된 주형은, 자유롭게 설계된 복잡한 형상을 갖는 냉각 회로가 그 안에 배치될 수 있고, 마르에이징 강철 또는 석출 경화형 스테인레스 강철을 재료로서 사용하여 제조될 주형에서도 냉각 효율이 적층 가공에 의해 복잡한 형상을 갖도록 형성된 냉각 회로의 형상 효과에 의해 강화되도록 만들어질 수 있다는 장점을 가진다. 그러나, 재료 자체가 낮은 열 전도 효율을 갖기 때문에, 냉각의 효율을 충분한 수준에까지 높이는 것이 어렵다.

주형이 적층 가공에 의해 제조되지 않고 종래의 일반적인 생상 방법에 의해 제조되는 경우에, 냉각 효율(열 교환)은 더 불충분해진다.

한편, 높은 열 전도 성능(높은 열전도 효율)을 갖는 강철로서 탄소강, 기계적 구조 용도를 위한 강철 등이 있다. 이러한 강철들은, 매트릭스 상에서 고용체를 형성하기 쉬운 Si, Cr, Ni 및 Co와 같은 원소의 함량이 낮기 때문에 그리고 이러한 강철들이 저-합금 강철이기 때문에, 높은 열 전도 성능을 보인다.

그러나, 이러한 강철들은 낮은 고온 강도를 갖고, 그로부터 제조된 주형들이 짧은 수명을 갖는 문제점을 가진다.

즉, 주형이 적층 가공에 의해 제작되는지 여부에 불문하고, 고온 강도 및 열 전도 성능 모두에 관점에서 충분한 성능을 갖는 주형을 제공할 수 있는 주형을 위해 제공된 강철이 현재까지 존재하지 않는다.

본원발명과 관련될 수 있는 선행기술로서, 특허문헌 3은 "우수한 열 피로 특성을 갖는 금형 강철"에 관한 발명을 개시한다. 여기에서는 합금 원소인 Si 및 Cr의 첨가량이 감소되고, 나머지가 다른 합금 성분들로 이루어져서, 열 전도 계수의 증가 및 내연화성의 증가를 얻는 특징을 개시한다.

또 다른 선행기술로서, 특허문헌 4는 "금형용 강철"에 관한 발명을 개시한다. 여기에서는 Si, Mn 및 Cr의 첨가량이 적절히 균형되어서 강철의 열전도 계수가 소정의 값 이상의 값으로 효율적으로 조절되고 절삭성 및 충격값을 충분히 보장하는 것의 특징을 개시한다.

추가적인 또 다른 선행기술로서, 특허문헌 5는 "구상화 어닐링 특성 및 경화능이 우수한 금형 강철"에 관한 발명을 개시한다. 여기에서는, 강철에 첨가될 원소를 조절하는 것에 의해서, 500kg 이상의 큰 주형에 요구되는 경화능 및 구상화 어닐링 특성이 모두 강철에 부여되는 특징을 개시한다.

특허문헌 3 내지 5에서 설명된 강철들 각각의 성분들은 청구항들에서 구체화된 화학 성분들의 범위와 관련하여 본원발명의 주형용 강철의 성분들이 일부 겹칠 수 있다. 그러나, 본원발명의 임의의 청구항들을 만족하는 것에 대해 예로서 개시하고 있지 않고, 특허문헌 3 내지 5의 강철은 본원발명과 실질적으로 다른것이다.

또한, 특허문헌 3 내지 5에 설명된 강철은 적층 가공에서 사용되는 것으로 의도되지 않고, 이런 용도는 여기서 전혀 언급되지 않는다.

WO 2011/149101 JP-A-2010-194720 일본특허번호 4,992,344 JP-A-2011-94168 JP-A-2008-121032

전술한 상황하에서, 본원발명의 목적은, 주형이 적층 가공에 의해 제조되는 경우에 높은 고온 강도 및 열 전도 성능 모두를 보유할 수 있는 주형용 강철을 제공하는 것이다. 본원발명의 또 다른 목적은, 주형이 적층 가공에 의하지 않지만 잉곳을 가공하는 것에 의해 얻어진 재료를 절삭하는 것에 의해서 생산되어도, 높은 고온 강도 및 열 전도 성능을 보유할 수 있는 주형용 강철을 제공하는 것이다.

본원발명에 따른 주형용 강철은 질량%에 근거하여 하기 성분을 함유하는 조성물을 갖는 주형용 강철이다:

0.25% < C < 0.38%,

0.01% < Si < 0.30%,

0.92% < Mn < 1.80%,

0.8% < Cr < 2.2%,

0.8% < Mo < 1.4%, 및

0.25% < V < 0.58%,

나머지는 Fe, 그리고 불가피한 불순물임.

본원발명에 따른 주형용 강철은 질량%에 근거하여 하기 성분을 더 함유할 수 있다:

0.1% < Al < 1.2%.

본원발명에 따른 주형용 강철은 질량%에 근거하여 하기 성분들 중 적어도 어느 하나를 더 함유할 수 있다:

0.30% < Ni ≤ 3.5%,

0.30% < Cu ≤ 1.5%.

0.0001% < B ≤ 0.0050%.

본원발명에 따른 주형용 강철은 질량%에 근거하여 하기 성분들 중 적어도 하나를 더 함유할 수 있다:

0.003% < S ≤ 0.250%,

0.0005% < Ca ≤ 0.2000%,

0.03% < Se ≤ 0.50%,

0.005% < Te ≤ 0.100%,

0.01% < Bi ≤ 0.50%, 및

0.03% < Pb ≤ 0.50%.

0.004% < Nb ≤ 0.100%,

0.004% < Ta ≤ 0.100%,

0.004% < Ti ≤ 0.100%, 및

0.004% < Zr ≤ 0.100%.

본원발명에 따른 주형용 강철은 하기 성분들 중 적어도 어느 하나를 더 함유할 수 있다:

0.10% < W ≤ 4.00%, 및

0.10% < Co ≤ 3.00%.

본원발명에 따른 주형용 강철은, 레이저 섬광법에 의해 평가된, 25℃에서 28 W/m/K 이상의 열 전도 계수를 가질 수 있다.

본원발명에 따른 주형용 강철은 적층 가공에 의해 주형을 제작하기 위한 재료로서 사용될 수 있다.

본원발명에서, 재료는 분말 또는 플레이트일 수 있다.

본원발명에 따른 주형은 본원발명에 따른 주형용 강철을 사용하고 적층 가공에 의해 제작된 주형이다.

본원발명의 주형용 강철은, Si, Cr, Ni 및 Co와 같은 원소들이 첨가되지 않거나 이러한 원소들이 마르에이징 강철 및 석출 경화형 스테인레스 강철과 같은 종래의 고-합금 강철과 비교할 때 더 적은 양으로 첨가되어, 강화된 열전도 계수를 달성한다. 한편, 본원발명의 주형용 강철은 기계적 구조화 용도용 강철과 비교할 때 Mn, Mo 및 V와 같은 원소의 함량이 더 높아서, 향상된 고온 강도를 달성한다. 본원발명의 주형용 강철은 높은 고온 강도 및 높은 열전도 계수를 겸비한다.

또한, 본원발명의 주형용 강철은, 합금 원소의 첨가량이 전체로서 감소되는 저-합금 강철로서 잔류한다.

적층 가공에 의한 주형 생산에서 사용한다고 가정하는 경우에, 본원발명의 주형용 강철에서 경화능을 개선하기 위한 원소들인 Cr 및 Mo의 함량은 스크레이핑(scarping)에 의한 주형 생산의 경우에 적합한 함량들에 비해 감소되었다. 따라서, 본원발명의 주형용 강철은 낮은 합금 상태에 있다.

예를 들어, JIS SKD61은 5Cr 및 1.5Mo를 함유하고, JIS SKD7은 3Cr 및 3MO를 함유한다. 이와 대조적으로, 본원발명의 주형용 강철은 질량%에 근거하여 Cr<2.2% 및 Mo<1.4%를 함유한다.

더 나아가, 본 발명에서 Si + Mn + Cr + Mo + V의 총 함량은 6.2 질량% 미만이며, 이는 JIS SKD61 및 JSI SKD7 중의 Si + Mn + Cr + Mo + V의 함량에 비해 약 3 내지 4% 낮다.

적층 가공에서 특히, 분말이 사용되는 적층 가공에서 열 에너지는, 용융/고형화를 통해 또는 소결을 통해 분말을 경화시키기 위하여 균일하게 분사된 분말의 층에 가해진다.

이런 조작에서, 고온 상태에서의 분말(예, 용융 상태)는 신속히 냉각되고 자동적으로 담금질을 겪는다. 이런 담금질은 높은 냉각율로 신속히 진행된다. 즉, 담금질은 순차적으로 그리고 분말 적층 가공의 각 단계와 동시에 진행한다.

담금질은 전술한 바와 같이 높은 냉각율로 진행되기 때문에, 사전에 강철이 강철 성분으로서 감소된 함량의 경화능-향상 성분을 갖도록 혼합되는 경우에도, 강철은 적층 가공에 의한 제작 과정에서 충분한 담금질이 된다.

또한, 본원발명의 주형용 강철은 높은 열전도 계수를 갖는데, 그 이유는 강철이 저-합금 강철이기 때문이다.

적층 가공을 위한 재료로서 사용하기에 적합함에도 불구하고, 본원발명의 주형용 강철은, 강철 잉곳으로부터 주형의 형상을 절삭하여 강철 잉곳으로부터 주형이 형성되는 경우에도 사용될 수 있다. 이 경우에, 담금질 등을 위한 열 처리 조건은 함유된 원소들에 따라 세팅될 수 있다.

이로 부터 얻은 주형은, 강철의 조성의 특징 때문에 고온 강도 및 높은 열전도 성능 모두를 갖는다.

본원발명에 따르면, 주형용 강철 및 높은 고온 강도 및 높은 열전도 계수 모두를 보유할 수 있는 주형을 제공할 수 있다.

도 1은 본원발명의 일 실시예로서, 스풀 코어(spool core)를 갖는 금형 주조용 주형의 횡단면도이다.
도 2는 스풀 코어의 마모 상태를 보여주는 도면이다.

이하에서, 본원발명에 따른 주형용 강철은 구체적으로 설명될 것이다. 본원발명의 실시예에 따른 주형용 강철은 필수 원소로서 하기 설명된 원소들을 함유하고, 나머지는 Fe 및 불가피적 불순물로 형성된다. 본원발명에서 각각의 화학 성분의 함량을 한정하는 이유는 하기에서 설명된다. 각각의 화학 성분의 함량의 값은 질량%에 근거하여 주어진다.

0.25% < C < 0.38%

0.25%<C를 만족하는 경우에서, 잉곳을 가공하는 것에 의해 얻어진 재료를 절삭하여 제조한 주형은, 열 처리를 통해서, 주형에 요구되는 30-57 HRC의 경도를 달성할 수 있다. 적층 가공에 의해 제조된 상태에서의 주형도 30-57 HRC의 경도를 가진다. 더 나아가, 적층 가공에 의해 얻어진 주형이 열-처리되는 경우에서, 30-57 HRC의 경도는 달성된다. C≤0.25%의 경우에서, 임의의 생산 공정에 의해 제조된 주형에서는 경도가 불충분하다. 반면에, 0.38≤C의 경우에서, 열전도 계수는 감소한다.

0.01% < Si < 0.30%

Si≤0.01%인 경우에, 절삭성은 상당히 저하된다. 반면에, 0.30%≤Si의 경우에, 열전도 계수는 상당히 감소한다.

0.92% < Mn < 1.80%

Mn≤0.92%의 경우에, 잉곳을 가공하여 얻은 재료를 절삭하여 제조한 주형이 담금질되거나 또는 적층 가공에 의해 제조된 주형이 담금질되는 경우 경화능은 불충분하다. 반면에, 1.80%≤Mn의 경우에 열전도 계수는 감소한다. 또한, 1.80≤Mn의 경우에, P의 함량이 높은 경우 정련 취화(temper embrittlement)는 발생한다. 더 바람직한 범위는 0.92% < Mn < 1.50%이다.

0.8% < Cr < 2.2%

Cr≤0.8%의 경우에, 내후성은 불충분하다. 더 나아가, Cr≤0.8%의 경우에, 강철은 청열 취성(blue shortness) 특성을 갖고 200℃ 내지 350℃에서의 연성을 감소한다. 또한, Cr≤0.8%의 경우에, 잉곳을 가공하여 얻은 재료를 절삭하여 제조한 주형이 담금질되거나 또는 적층 가공에 의해 제조된 주형이 담금질되는 경우 경화능은 불충분하다. 반면에, 2.2%≤Cr의 경우에, 열전도 계수는 감소한다.

0.8% < Mo < 1.4%

Mo≤0.8%의 경우에, 잉곳을 가공하여 얻은 재료를 절삭하여 제조한 주형이 담금질되고 정련되거나 또는 적층 가공에 의해 제조된 주형이 정련되는 경우에(담금질 후에 또는 담금질 없이), 2차 경화에 의해 경도를 보장하기 어렵고, 고온 강도도 불충분하다. 반면에, 1.4%≤Mo의 경우에, 파괴 인성 값은 상당히 감소한다.

0.25% < V < 0.58%

V≤0.25%의 경우에서, 잉곳을 가공하여 얻은 재료를 절삭하여 제조한 주형이 담금질되거나 또는 적층 가공에 의해 제조된 주형이 담금질되는 경우 오스테나이트 결정립의 조대화는 문제시된다. 또한, V≤0.25%의 경우에, 잉곳을 가공하여 얻은 재료를 절삭하여 제조한 주형이 담금질되고 정련되거나 또는 적층 가공에 의해 제조된 주형이 정련되는 경우에(담금질 후에 또는 담금질 없이), 2차 경화에 의해 경도를 보장하기 어렵고, 고온 강도도 불충분하다. 반면에, 0.58%≤V의 경우에, 이러한 효과들은 더이상 향상되지 않는 경향이 있고 비용은 증가한다.

또한, 0.58%≤V의 경우에, 주형용 재료가 일상적인 공정(용융, 정제, 주조 및 열간 가공)에 의해 제조되는 경우에, 조립 VC 입자는 주조에서 고형화 과정 중에 잉곳에서 다량으로 결정화될 수 있어서, 주형 파괴의 시작 지점의 역할을 할 가능성이 더 커진다.

본원발명의 강철의 경우에, 하기 성분들은 불가피한 불순물로서 하기 양만큼 보통 함유된다.

0 ≤ N ≤ 0.05%

0 ≤ P ≤ 0.05%

0 ≤ S ≤ 0.003%

0 ≤ Cu ≤ 0.30%

0 ≤ Ni ≤ 0.30%

0 ≤ Al ≤ 0.10%

0 ≤ W ≤ 0.10%

0 ≤ O ≤ 0.01%

0 ≤ Co ≤ 0.10%

0 ≤ Nb ≤ 0.004%

0 ≤ Ta ≤ 0.004%

0 ≤ Ti ≤ 0.004%

0 ≤ Zr ≤ 0.004%

0 ≤ B ≤ 0.0001%

0 ≤ Ca ≤ 0.0005%

0 ≤ Se ≤ 0.03%

0 ≤ Te ≤ 0.005%

0 ≤ Bi ≤ 0.01%

0 ≤ Pb ≤ 0.03%

0 ≤ Mg ≤ 0.02%

본원발명에 따른 주형용 강철은 전술한 필수 성분들 외에 하기 설명된 원소들로부터 선택된 하나 이상의 원소들을 임의적으로 함유할 수 있다. 즉, 본원발명에 따른 주형용 강철은 질량%로서: 0.25 < C < 0.38, 0.01 < Si < 0.30, 0.92 < Mn < 1.80, 0.8 < Cr < 2.2, 0.8 < Mo < 1.4, 및 0.25 < V < 0.58, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 구성될 수 있지만, 하기 설명된 함량을 갖는 원소들로부터 선택된 하나 이상을 임의적으로 함유할 수 있다.

0.1 < Al < 1.2%

본원발명의 강철이 적층 가공에 의한 주형 제작 후에 담금질을 겪는 경우가 있다. 담금질 과정에서 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제하기 위하여 0.1 < Al < 1.2 질량%의 양으로 Al을 포함할 수 있다.

Al은 N과 혼합하여 AlN을 형성하고 오스테나이트 결정립 경계의 움직임(입자의 성장)을 억제하는 효과를 발생시킨다.

Al은 강철 중에 나이트라이드를 형성하여 석출 보강에 기여하기 때문에, Al은 질화 강철 재료가 강화 표면 경도를 갖도록 하는 기능을 가진다. 더 높은 내마모성을 부여하기 위하여 질화될 주형(주형의 일부를 구성하는 성분들을 포함함)에 있어서, Al을 함유하는 강철 재료의 사용이 효과적이다.

0.30 < Ni ≤ 3.5%, 및 0.30 < Cu ≤ 1.5%

최근에, 주형의 크기는 주형 성분의 크기의 증가 및 그의 통합에 의해 증가하는 경향이 있다. 큰 주형은 냉각하기 어렵다. 이 때문에, 나쁜 경화능을 갖는 강철 재료로 구성된 큰 주형이 담금질되는 경우에, 페라이트, 펄라이트 또는 조대 바이나이트의 석출은 담금질 과정에서 발생하여 다양한 특성을 악화시킨다. 이런 문제점의 가능성은 Cu 및/또는 Ni를 선택적으로 첨가하여 경화능을 향상시켜서 제거될 수 있다. 구체적으로, 문제는 하기 중 적어도 하나를 포함하는 것에 의해 극복될 수 있다:

0.30 < Ni ≤ 3.5%, 및

0.30 < Cu ≤ 1.5%.

Ni는 Al과 혼합하여 금속간 화합물을 석출하는 것에 의해 경도를 강화하는 효과를 가진다. Cu는 노화 석출(age precipitation)을 통해 경도를 강화하는 효과를 가진다. 바람직한 범위는 다음과 같다:

0.50 ≤ Ni ≤ 3.0%, 및

0.50 ≤ Cu ≤ 1.2%.

주어진 값을 초과하는 양으로 함유된 각각의 원소는 많이 분리될 수 있어서, 경면 연마에 대한 적합성이 감소되는 결과를 가져온다.

0.0001 < B ≤ 0.0050%

B의 첨가는 경화능을 향상시키기 위한 방책으로서 효과적이다. 구체적으로, B는 하기 양에서 필요한 만큼 포함될 수 있다:

0.0001 < B ≤ 0.0050%

BN의 형성에 따라, B는 경화능을 향상시키는 효과를 보여주지 않는다. 따라서, 강청 중에 B가 홀로 존재하도록 하는 것이 필요하다. 구체적으로, B 보다 N에 더 높은 친화도를 갖는 원소가 사용되어 나이트라이드를 형성하도록 하여, B가 N과 결합하는 것을 방지하는 방법이 사용될 수 있다. 이러한 원소의 예는 Nb, Ta, Ti 및 Zr을 포함한다. 이러한 원소들이 불순물-수준의 양으로 존재하는 경우에도 N을 고정하는 효과를 갖지만, 하기 설명된 범위 내의 양으로 이러한 원소들을 첨가하는 것이 N의 함량에 따라 바람직한 경우가 존재한다.

0.003 < S ≤ 0.250%, 0.0005 < Ca ≤ 0.2000%, 0.03 < Se ≤ 0.50%, 0.005 < Te ≤ 0.100%, 0.01 < Bi ≤ 0.50%, 및 0.03 < Pb ≤ 0.50%

본원발명의 강철은 낮은 Si 함량을 갖기 때문에, 이런 강철은 약간 나쁜 절삭성을 보인다. 절삭성을 향상시키위해 사용할 수 있는 방책은 S, Ca, Se, Te, Bi 및 Pb를 선택적으로 첨가하는 것일 수 있다. 구체적으로, 하기 원소들 중 적어도 하나가 첨가될 수 있다:

0.003 < S ≤ 0.250%,

0.0005 < Ca ≤ 0.2000%,

0.03 < Se ≤ 0.50%,

0.005 < Te ≤ 0.100%,

0.01 < Bi ≤ 0.50%, 및

0.03 < Pb ≤ 0.50%.

이러한 원소 각각을 주어진 값을 초과하는 양으로 첨가하는 것은, 절삭성의 추가적인 향상, 열간 가공에서의 악화, 및 충격 값과 경면 연마에 대한 적합성의 감소를 가져오지 않는다.

0.004 < Nb ≤ 0.100%, 0.004 < Ta ≤ 0.100%, 0.004 < Ti ≤ 0.100%, 및 0.004 < Zr ≤ 0.100%

예상치 못한 장비 문제 등이 발생하여 담금질에 있어서 승온된 가열 온도가 초래되거나 또는 담금질에 있어서 연장된 가열 기간이 초래되는 경우에, 결정립의 조대화에 따른 다양한 특성의 악화에 관한 걱정이 존재한다. 이러한 경우를 대비하여, Nb, Ta, Ti 및 Zr이 선택적으로 첨가되는 방법이 사용될 수 있고, 오스테나이트 결정립의 조대화는 이러한 원소들에 의해 형성된 미세한 석출물의 작용에 의해 억제된다. 구체적으로, 하기 원소들 중 적어도 하나는 포함될 수 있다:

0.004 < Nb ≤ 0.100%,

0.004 < Ta ≤ 0.100%,

0.004 < Ti ≤ 0.100%, 및

0.004 < Zr ≤ 0.100%.

주어진 값을 초과한 양으로 첨가된 이러한 원소들 각각은 탄화물, 질화물 및 산화물을 과량으로 수율하여서, 충격값 및 경면 연마에 대한 적합성을 감소시키는 결과를 가져온다.

0.10 < W ≤ 4.00%, 및 0.10 < Co ≤ 3.00%

C의 함량을 높이는 것이 강도를 향상시키는데에 효과적이지만, C 함량의 과도한 증가는 카바이드 양의 증가에 의해 특성(충격값 및 기계적 파괴 특성)에 악화를 가져온다. 이러한 문제를 발생시키지 않고 강도를 향상시키기 위하여, W 및 Co가 선택적으로 첨가되는 방법을 사용할 수 있다.

W는 미세한 카바이드의 석출물을 형성하는 것에 의해 강도를 강화한다. Co는 기자재에서 고용체를 형성하는 것에 의해 강도를 강화하고, 이와 동시에, 카바이드의 형태로 변하는 것을 통해 석출 경화에 기여한다. 구체적으로, 하기 중 적어도 어느 하나는 포함될 수 있다:

0.10 < W ≤ 4.00% 및

0.10 < Co ≤ 3.00%.

어느 원소를 주어진 값을 초과하는 양으로 첨가하는 것은 추가적인 특성 향상을 가져오지 않고 상당한 비용 증가를 가져온다. 바람직한 범위는 다음과 같다:

0.30 ≤ W ≤ 3.00% 및

0.30 ≤ Co ≤ 2.00%.

실시예

본원발명의 실시예는 하기에서 구체적으로 설명된다.

표 1에 제시된 화학 조성을 갖는 개별적인 17개의 강철 유형들 각각의 분말은 가스 분무법 방법에 의해 제조되었다. 이 분말은, 레이저 조사에 기반한 3차원 적층 가공에 의해 도 1에서 도해된 금형 주조 주형(10)의 일부로서 스풀 코어(12)를 제조하도록 사용되었다. 이런 스풀 코어(12)는 그 안에 형성된 냉각 회로(14)를 갖는다. 이런 냉각 회로(14)는 3차원, 나선형, 복잡한 형상을 가진다.

표 1에서, 비교예 1은 열간 가공 SKD61을 위한 금형 주조 강철이며, 비교예 2는 18Ni 마르에이징 강철이고, 비교예 3은 마텐자이트 스테인레스 강철 SUS420J2이고, 비교예 4는 기계적 구조화 용도 SCM435를 위한 강철이다.

본원발명에 따른 실시예들 각각이 불순물 성분을 불가피한 양으로 함유하지만, 불순물 성분은 표에 제시되지 않는다.

도 1에서, 금형 주조 주형(10)은 고정 절반(16) 및 가동 절반(18)을 포함한다. 제품-주조 및 진행부(22)을 위한 공간으로서 공동(20)은 절반들(16, 18) 사이에 배치되고, 공동(20) 및 진행부(22)는 좁은 게이트(24)에서 서로간에 연결된다.

스풀 코어(12) 및 플런저(26)는, 주물이 마지막으로 고형화되는 위치에 놓인 원통의 비스킷부(28)가 그들 사이에서 샌드위치되도록 하는 위치에서 배치되었다. 진행부(22)는 이런 비스킷부(28)로부터 연장한다.

스풀 코어(12)는 그 안에 형성된 홈을 가지고, 이런 홈은 일부 진행부(22)를 구성한다.

전술한 과정에 의해 얻어진 스풀 코어(12)는 350℃ 내지 650℃(정련 또는 노화)의 범위의 온도에서 가열되었고, 이에 의하여 43 HRC로 정련되었다. 그 후에, 가공은 최종 스풀 코어 형상으로 절삭하여 마무리 했다. 이런 스풀 코어(12)는 135-톤 금형 주조 기계에 대한 스풀 코어이다. 주형 구조에서 스풀 코어(12)의 위치는 도 1에서 도해된다. 도 1은 측면에서 바라본 금형 주조 주형의 구조의 횡단면도이다.

금형 주조의 순환은 주형 폐쇄, 사출, 금형 시간(die timer), 주형 개방, 제품 제거, 공기 취입, 방출제 분무, 및 공기 취입을 이 순서대로 반복한다(도 1은 금형 시간의 단계를 도해한다).

먼저, 가동 절반(18)은 고정 절반(16)과 접촉하여, 주형이 폐쇄 상태가 되도록 만든다. 그 결과, 제품-주조를 위한 공간으로서 공동(20)이 형성된다. 주형을 그 상태로 유지하면서, 알루미늄 합금의 용융물은 슬리브(30) 안으로 국자로 부어졌고, 고속으로 움직이는 플런저(26)로 사출된다.

사출된 용융물은 진행부(22)를 통해 이동하고, 게이트(24)를 통과하여 액체, 액적, 및/또는 안개의 형태로 공동(20)안으로 흘러들어간다. 이는 물총 또는 분무기를 상상하는 경우에 쉽게 이해될 수 있다. 공동(20)은 용융물로 이내 채워진다. 압력은 용융물에 지속적으로 가해지고, 공동(20)은 용융물로 채워지며, 용융물이 고형화될 때까지 압력이 지속적으로 가해진다.

이것은 금형 시간으로 칭하는 단계이고, 도 1은 이 단계를 도해한다. 용융물이 제품으로 고형화된 후, 가동 절반(18)은 주형을 개방하도록 이동된다. 제품은 푸시-아웃 핀(push-out pin) 또는 조작기를 사용하여 꺼내진다. 고온 알루미늄 합금과 접촉하는 주형이 고온을 갖기 때문에, 이 주형은 공기 취입 및 방출제 분무에 의해 냉각된다. 전술한 과정은 금형 주조의 1 순환이다.

연구는 이러한 단계들 중 금형 시간(용융물이 주형 내에서 고형화되는 단계)의 단축에 이루어졌다. 스풀 코어(12)가 높은 냉각 능력을 갖는 경우에, 비스킷부(28)는 빠르게 고형화하고, 따라서 금형 시간은 단축될 수 있다. 그 결과, 전체 순환 시간은 단축될 수 있다. 순환 시간의 감소는 생산 효율을 향상시키는 관점에서 대단히 바람직하다.

시험에서는 135톤의 클램프 힘을 갖는 금형 주조 기계를 사용했다. 충분히 긴 금형 시간(비스킷부(28)가 완전히 경화된 상태가 되는데 걸리는 시간)은 1초씩 단축되었고, 금형 시간은 비스킷부(28)가 주형 개방 시에 고형화되었다면 용인되는 것으로 평가되고, 비스킷부(28)가 고형화되지 않았다면 용인되지 않은 것으로 평가되었다. 가장 짧은 용인되는 금형 시간은 평가되었다.

비스킷부(28)의 형상은 50mm(직경) x 40mm의 치수를 가졌고, 수냉각 구멍(14) 및 표면 사이에서 스풀 코어(12)의 거리는 15mm 였다. 용융물은 730℃의 온도를 갖는 ADC12이었고, 주조 생성물은 660g의 중량을 가졌다. 스풀 코어(12)는 10,000번의 주조 후에 상당한 마모가 내부에서 관찰되었는지에 대해 평가되었다. 스풀 코어가 불충분한 고온 강도를 갖는 경우에, 용융물 흐름에 의한 마모는 충분한 주형 수명이 보장될 수 없을 정도로 분명했다.

시험의 결과는 도 2에 제시된다. 금형 시간은 10[초] 이하이고, 10,000회의 주조 후에 마모는 깊이 손실의 관점에서 0.2mm 미만인 것이 바람직하다.

비교예 1 내지 비교예 3에서 금형 시간은 12-14[초] 만큼 길었다. 이는, 강철들 각각이 23[W/m/K] 이하 만큼 낮은 열전도 계수를 가지며 그 안에서 열교환이 어렵기 때문이다. 반면에, 이러한 스풀 코어(12)는 10,000회의 주조 후에 뚜렷한 마모를 갖지 않았다. 이는 이러한 강철이 충분한 고온 강도를 갖기 때문이다.

열전도 계수가 38[W/m/K] 만큼 높은 비교예 4의 경우에서, 금형 시간은 8[초]만큼 짧았고, 이는 바람직한 결과이다. 그러나, 낮은 고온 강도 때문에, 10,000회의 주조 후에 뚜렷한 마모가 관찰되었다. 따라서, 주형 수면을 보장하는 것이 어렵다고 여겨진다. 이러한 스풀 코어의 상태는 도 2에 보여진다. 진행부(22)의 일부를 구성하는 홈(M)에서, 마모에 의한 시어 드루프(shear droop) 표면 질감은 용융물의 흐름 방향이 갑자기 바뀌는 코너(k) 주변에서 관찰된다.

본원발명에 따른 13개의 실시예들 각각에서, 금형 시간은 9[초]이하 만큼 극도로 짧다. 이는, 강철들이 31[W/m/K] 이상 만큼 높은 열전도 계수를 가지며 열교환이 쉽기 때문이다. 더 나아가, 이러한 강철들이 충분한 고온 강도를 갖기 때문에, 10,000회의 주조 후에 스풀 코어(12)에서 뚜렷한 마모는 관찰되지 않았다. 비교예 및 본원발명에 따른 실시예에서, 수냉각 구멍으로부터의 균열은 관찰되지 않았다.

다음으로, 비교예 1 내지 비교예 3에 관련해서도, 연구는 금형 시간이 절반으로 감소될 수 있는지에 대해 이루어졌다. 구체적으로, 열교환을 가속하기 위하여, 수냉각 구멍(14) 및 표면 사이의 거리가 7.5mm로 감소된 스풀 코어(12)는 제조되었고, 시험은 표 2에 제시된 시험에 관하여 동일한 조건 하에서 수행했다. 그의 결과는 표 3에 제시된다. 금형 시간은 표 2에 제시된 본원발명에 따른 실시예와 동일한 수준으로 감소되었다. 수냉각 구멍(14)이 표면에 인접하여 배치된 주형 구조는 금형 시간을 단축하기에 충분히 효과적이다.

그러나, 수냉각 구멍(14)으로부터의 균열은 10,000회의 주조의 완료 전에 표면에 도달하여 수명을 종료시켰다. 이는 균열이 벽을 관통하는 거리가 짧아지는 것 뿐만 아니라 열응력이 증가되기 때문이다. 금형 시간의 감소는 달성되지만, 금형 주조 생산의 효율에서의 향상은 이러한 주형 구조에서 어렵다(연장된 기간이 주형 교체에 소요되기 때문). 그런데, 표 2에 제시된 시험에서의 이러한 스풀 코어에서는, 10,000회에 도달하지 않았음에도 불구하고 뚜렷한 마모가 관찰되지 않았다.

상기 주어진 결과로부터 알수 있듯이, 본원발명에 따른 실시예는 마모 및 수냉각 구멍 균열을 방지하여 주형 수명을 보장하면서도 금형 시간을 단축하는 것을 가능하게 만든다. 비교예에서, 주형 수명을 보장하기 위해서는 연장된 금형 시간을 가져야 하고, 금형 시간을 단축하는 것은 주형 수명의 보장을 불가능하게 만든다. 본원발명에 따른 실시예가 보장된 주형 수명 및 금형 시간의 단축을 동시에 보유할 수 있는 이유는 강철들이 높은 고온 강도 및 높은 열전도 계수를 갖기 때문이다.

본원발명에 따른 실시예는 앞서 구체적으로 설명했지만, 이들은 예시일 뿐인다.

높은 열전도 계수 및 높은 고온 강도를 겸비한 본원발명의 강철은 금형 주조용 주형 외에 사출 성형 수지용 주형에도 적합하다. 본원발명의 강철은 예컨대 강철-플레이트 열간 압연(핫 스탬필(hot stamping) 또는 금형 담금질로도 불림)용 주형으로서 사용되는 경우에도 높은 성능을 보인다. 이 경우에 있어서, 본원발명의 강철이 적층 가공에 의한 주형 생산에 적용되지 않고 통상의 절삭 및 열 처리에 의한 주형 생산에 적용되는 경우에도, 이 주형은 주형 수명을 보장함에 있어서 더 효과적이며, 동일한 형상을 갖고 동일한 방법에 의해 제작된 임의의 종래의 강철의 주형에 비해 순환 시간을 단축한다.

본원발명의 강철로부터 형성된 주형과 표면 개질(숏 블라스팅(shot blasting), 샌드 블라스팅(sand blasting), 질화, PVD, CVD, 플레이팅(plating) 등)을 혼합하는 것도 효율적이다.

본원발명의 강철은 막대 또는 전선의 형태로 용접 재료로서도 사용될 수 있다. 구체적으로, 증착 가공에 의해 제조된 주형 또는 잉곳을 가공하여 얻은 재료를 절삭하는 것에 의해 제조된 주형은, 본원발명에 따른 주형용 강철로 구성된 용접 재료를 사용하여 용접하는 것에 의해 보수될 수 있다. 이 경우에서, 보수될 주형의 화학 성분은 본원발명의 강철에 대한 범위와 다를 수 있거나, 본원발명의 강철에 대한 범위 내에 있을 수 있다. 어떤 경우에서도, 본원발명의 강철로 구성된 용접 재료로 보수된 부분은, 본원발명의 강철의 성분에 의해 나타나는 높은 고온 강도 및 높은 열전도 특성을 가진다.

다른 다양한 변형은 본원발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 본원발명에서 이루어질 수 있다.

본워 출원은 2014년 4월 30일에 출원된 일본특허출원 제2014-093742에 기초하며, 그의 내용은 참조로서 본원에 포함된다.

10 금형 주조용 주형
12 스풀 코어
14 냉각 회로

Claims

질량%에 근거하여, 하기 성분들을 하기 조성으로 갖는 것을 특징으로 하는 주형용 강철:
0.25% < C < 0.38%,
0.01% < Si < 0.30%,
0.92% < Mn < 1.80%,
0.8% < Cr < 2.2%,
0.8% < Mo < 1.4%, 및
0.25% < V < 0.58%,
나머지는 Fe와 불가피한 불순물임.
제 1 항에 있어서,
질량%에 근거하여, 하기 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주형용 강철:
0.1% < Al < 1.2%.
제 1 항에 있어서,
질량%에 근거하여, 하기 성분들 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주형용 강철:
0.30% < Ni ≤ 3.5%, 및
0.30% < Cu ≤ 1.5%.
제 1 항에 있어서,
질량%에 근거하여, 하기 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주형용 강철:
0.0001% < B ≤ 0.0050%.
제 1 항에 있어서,
질량%에 근거하여, 하기 성분들 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주형용 강철:
0.003% < S ≤ 0.250%,
0.0005% < Ca ≤ 0.2000%,
0.03% < Se ≤ 0.50%,
0.005% < Te ≤ 0.100%,
0.01% < Bi ≤ 0.50%, 및
0.03% < Pb ≤ 0.50%.
제 1 항에 있어서,
질량%에 근거하여, 하기 성분들 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주형용 강철:
0.004% < Nb ≤ 0.100%,
0.004% < Ta ≤ 0.100%,
0.004% < Ti ≤ 0.100%, 및
0.004% < Zr ≤ 0.100%.
제 1 항에 있어서,
질량%에 근거하여, 하기 성분들 중 어느 하나를 적어도 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주형용 강철:
0.10% < W ≤ 4.00%, 및
0.10% < Co ≤ 3.00%.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
레이저 섬광법에 의해 평가된, 25℃에서 28 W/m/K 이상의 열 전도 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 주형용 강철.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
적층 가공에 의해 주형을 제작하기 위한 재료로서 사용되는 것을 특징으로 하는 주형용 강철.
제 9 항에 있어서,
상기 재료는 분말 또는 플레이트인 것을 특징으로 하는 주형용 강철.
제 9 항에 따른 주형용 강철을 사용하여 적층 가공에 의해 제작된 주형.