KR20160010930A - (High wear-resistant cold work tool steels with enhanced impact toughness - Google Patents

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KR20160010930A
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조기섭
권훈
박성수
최원석
김상일
백승원
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국민대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a high wear-resistant cold work tool steel with enhanced impact resistance, which also has impact resistance in order to be applied to not only a knife mold to cut a steel such as a hot coiled and a cold rolled steel coil and/or a plate; a high-strength stainless steel sheet and an iron scrap, which are steel products, but also a mold liner; a short blast liner; a special mold material; and a rolling roll. The high wear-resistant cold work tool steel of the present invention comprises: 1.8-2.4 wt% of carbon (C); 11.0-14.0 wt% of chrome (Cr); 0.5-2.5 wt% of molybdenum (Mo); 2.0-6.0 wt% of vanadium (V); 0.1-0.7 wt% of silicon (Si); 0.1-0.5 wt% of manganese (Mn); 0.1-1.0 wt% of titanium (Ti); and the remaining of iron by weight ratio and having coarse primary particles and eutectic carbides which are not decomposed during dissolution, and cooling of an alloy remained with a tempered martensite group as a primary base.

Description

우수한 내충격성을 겸비한 고내마모성 냉간공구강{(High wear-resistant cold work tool steels with enhanced impact toughness}[0001] The present invention relates to a high wear-resistant cold work tool steels with enhanced impact toughness,

본 발명은 냉간공구강에 관한 것으로, 특히 철강제품인 열연 및 냉연 후판, 고강도 스텐레스 강판, 고철스크랩 등과 같은 철강절단용 나이프 금형뿐만 아니라 몰드 라이너, 쇼트 블라스트 라이너, 특수 금형소재 및 압연 롤에 적용 가능하도록 내충격성을 겸비한 고내마모성 냉간공구강에 관한 것이다.
The present invention relates to a cold tool steel, and more particularly to a cold tool steel which can be applied to a mold liner, a shot blast liner, a special mold material and a rolling roll, as well as a steel cutting knife mold such as a hot rolled or cold rolled steel plate, a high strength stainless steel plate, To a high wear-resistant cold tool steel having impact resistance.

일반적으로, 열악한 환경에서 요구되는 고경도, 내충격성(인성), 내마모 특성이 동시에 겸비되어야 하는 소재로 고강도 고철스크랩 절단용 나이프 금형 및 쇼트 블라스트 라이너가 대표적이라 할 수 있다.In general, knife molds for cutting high-strength scrap metal and shot blast liners are typical materials that are required to have both high hardness, impact resistance (toughness) and abrasion resistance required in harsh environments.

그러나 이러한 고철스크랩 절단 및 쇼트 블라스트 라이너에 있어서 고내마모성 특수공구소재의 사용은 우수한 경도 및 마모 특성에도 불구하고 내충격성이 낮아 사용수명이 크게 저하된다는 치명적인 단점을 지닌다. However, the use of a high wear-resistant special tool material in such scrap metal cutting and shot blast liner has a fatal disadvantage that the impact resistance is low despite its excellent hardness and abrasion characteristics, resulting in a significant reduction in service life.

반면에 미리 합금화된 분말을 활용하여 미세 구조적 균질성 및 합금 탄화물의 분포 특성을 개선한 CPM 합금은 비록 60 HRC 이상의 고경도 수준에서 내충격 특성의 개선이 가능하나 상대적으로 높은 제조단가로 인해 다양한 제품으로 폭넓게 적용하기에는 한계가 있었다. On the other hand, the CPM alloy improved the microstructural homogeneity and the distribution characteristics of the alloy carbide by using the pre-alloyed powders, but it is possible to improve the impact resistance at the high hardness level of 60 HRC or more. However, There were limitations to apply.

한편, 적열경도가 높고, 열균열(heat cracking) 및 마모저항이 우수하여 주로 열간 다이용 공구강으로 사용되고 있는 SKD-61은 내충격성 및 내마모성을 동시에 요구하는 절단용 금형공구소재로 사용하기 위해서는 기계적 성질, 특히 경도가 미흡한 것으로 알려져 있다(54~56 HRC). 경도수준을 60 HRC 수준으로 향상시킨 SKD-11의 경우, 인성이 약 2J(Charpy-V-notch) 미만으로 소형 절단 공구소재로만 사용이 가능할 뿐, 비교적 대형에는 충격인성이 낮아 사용이 제한된다. On the other hand, SKD-61, which has high heat hardness, excellent heat cracking and abrasion resistance and is mainly used as hot tool tool steel, is required to be used as a cutting tool tool material requiring both impact resistance and abrasion resistance. (54-56 HRC), especially for hardness. SKD-11, which has a hardness level of 60 HRC, has a toughness of less than about 2J (Charpy-V-notch) and can only be used as a small cutting tool material.

특히 63 HRC 수준의 보다 향상된 경도를 가지는 D7의 경우, 매우 열악한 마멸/마모 환경 하에서 사용이 가능한 대표적인 고내마모성 특수공구소재로 알려져 있으나, 기본적으로 취약한 내충격 특성으로 이를 대체할 수 있는 합금개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
In particular, D7, which has a hardness level of 63 HRC, is known as a typical high abrasion-resistant special tool material which can be used under very poor wear / abrasion environment. However, development of an alloy capable of replacing it with a weak impact resistance characteristic is desperately required .

한국공개특허 제1998-0081249호(1998.11.25)Korean Patent Publication No. 1998-0081249 (November 25, 1998)

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 63 HRC에 달하는 고경도 수준에서 내마모 및 내충격 특성을 획기적으로 향상시켜 철강제품인 열연 및 냉연 후판, 고강도 스텐레스 강판, 고철스크랩 등과 같은 철강절단용 나이프 금형뿐만 아니라 몰드 라이너, 쇼트 블라스트 라이너, 특수 금형소재 및 압연 롤에 적용 가능하도록 내충격성을 겸비한 고내마모성 냉간공구강을 제공하는 데 있다.
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a hot-rolled and cold-rolled steel plate, a high-strength steel plate, and a high-strength steel plate, which have remarkably improved abrasion resistance and impact resistance at a hardness level of 63 HRC, Abrasion resistant cold tool steel which has impact resistance so as to be applicable to mold liner, shot blast liner, special mold material and rolling roll as well as knife mold for steel cutting such as stainless steel plate and scrap steel scrap.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 고내마모성 냉간공구강은, 중량비로서, 탄소(C) 1.8~2.4%, 크롬(Cr) 11.0~14.0%, 몰리브덴(Mo) 0.5~2.5%, 바나듐(V) 2.0~6.0%, 실리콘(Si) 0.1~0.7%, 망간(Mn) 0.1~0.5% 티타늄(Ti) 0.1~1.0% 및 잔부의 철을 함유하고, 템퍼드 마르텐사이트 조직을 주요 기지로 하여 합금의 용해 및 냉각시 분해되지 않고 잔류하는 조대한 1차 입자 및 공정 탄화물을 갖는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the high wear-resistant cold tool steel according to the technical idea of the present invention comprises 1.8 to 2.4% of carbon (C), 11.0 to 14.0% of chromium (Cr), 0.5 to 2.5% of molybdenum (Mo) , Vanadium (V) in an amount of 2.0 to 6.0%, silicon (Si) in an amount of 0.1 to 0.7%, manganese (Mn) in an amount of 0.1 to 0.5%, titanium in an amount of 0.1 to 1.0% And having coarse primary particles and process carbides remaining as a matrix and not decomposed upon dissolution and cooling of the alloy.

한편, 본 발명에 의한 고내마모성 냉간공구강은, 중량비로서, 탄소(C) 1.8~2.4%, 크롬(Cr) 11.5~13.5%, 몰리브덴(Mo) 0.8~1.5% 바나듐(V) 3.0~5.0%, 실리콘(Si) 0.2~0.6%, 망간(Mn) 0.3~0.5% 티타늄(Ti) 0.1~0.7% 및 잔부의 철을 함유하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 할 수 있다. On the other hand, the high wear-resistant cold tool steel according to the present invention comprises 1.8 to 2.4% of carbon (C), 11.5 to 13.5% of chromium (Cr), 0.8 to 1.5% of molybdenum (V) 0.2 to 0.6% of silicon (Si), 0.3 to 0.5% of manganese (Mn), 0.1 to 0.7% of titanium (Ti), and the balance of iron.

또한, 본 발명의 의한 고내마모성 냉간공구강은, 중량비로서, 탄소(C) 1.8~2.4%, 크롬(Cr) 12.0~13.0%, 몰리브덴(Mo) 1.0~1.4%, 바나듐(V) 3.5~4.5%, 실리콘(Si) 0.3~0.5%, 망간(Mn) 0.35~0.45% 티타늄(Ti) 0.15~0.55% 및 잔부의 철을 함유하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 할 수도 있다. The high wear-resistant cold tool steel according to the present invention is characterized by comprising 1.8 to 2.4% of carbon (C), 12.0 to 13.0% of chromium (Cr), 1.0 to 1.4% of molybdenum (Mo), 3.5 to 4.5% 0.3 to 0.5% of silicon (Si), 0.35 to 0.45% of manganese (Mn) of 0.15 to 0.55% of titanium (Ti), and the balance of iron.

여기서, 본 발명은 오스테나이트 결정립 크기가 8μm 이하인 것을 특징으로 할 수 있다. Here, the present invention can be characterized in that the austenite grain size is 8 μm or less.

또한, 상기 고내마모성 냉간공구강은 Ti을 함유한 채, 기존 고내마모성 냉간공구강인 D7의 대체제가 되는 것을 특징으로 할 수 있다. In addition, the high wear-resistant cold tool steel may be characterized by containing Ti and being a substitute for D7 which is a conventional high wear-resistant cold tool steel.

또한, 상기 고내마모성 냉간공구강은 조대한 공정탄화물인 M7C3 중 일부를 MC탄화물로 대체하여 기존 고내마모성 냉간공구강인 D7의 대체제가 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
Also, the high wear-resistant cold tool steel may be a substitute for D7, which is a conventional high wear-resistant cold tool steel, by replacing a part of M7C3, which is a rough process carbide, with MC carbide.

본 발명에 의한 고내마모성 냉간공구강은, 티타늄을 첨가하여 기존 티타늄을 함유하지 않는 고탄소 공구강의 고질적 문제점인 고경도 수준에서의 내충격성 저하를 해결한 것으로써, 제품의 고경도 수준(61~65 HRC)에서 14J 이상의 충격인성 확보가 가능하며 이를 통해 다양한 제품에 적용할 수 있다.The high wear resistance cold tool steel according to the present invention solves the deterioration in impact resistance at a high hardness level, which is a chronic problem of a high-carbon tool steel containing no titanium, by adding titanium, HRC), it can be applied to various products.

또한, 본 발명은 바나듐계 합금보다 결정립크기를 크게 미세화 한 동시에 조대한 공정탄화물인 M7C3을 MC로 효과적으로 대체하여 대조 강 대비 최대 45%가량 충격인성을 증대시킴으로써, 경도, 내마모, 내충격 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 제품을 얻을 수 있다. The present invention also provides a method for manufacturing a magnetic steel sheet which is capable of effectively reducing the grain size of a vanadium-based alloy and effectively replacing M7C3, which is a coarse process carbide, with MC to increase impact toughness up to 45% A product that can be improved can be obtained.

나아가, 본 발명은 전술된 효과를 통해 다양한 공구산업에서 요구되는 제품의 사용수명 연장을 가능케 함으로써 국내 공구산업의 전반적인 성능향상에 기여할 것으로 기대된다.
Furthermore, the present invention is expected to contribute to the overall performance improvement of the domestic tool industry by enabling the extension of the service life of the products required in various tool industries through the above-described effects.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 냉간공구강의 경도 및 충격인성 변화를 설명하기 위한 그래프
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 냉간공구강에서 경도 및 내마모 특성에 미치는 Ti 첨가 효과를 설명하기 위한 그래프
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 냉간공구강에서 내충격 특성에 미치는 Ti 첨가 효과를 설명하기 위한 그래프
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 냉간공구강에서 초기 오스테나이트 결정립을 보여주는 광학현미경 사진
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 냉간공구강에서 공정 탄화물 및 미용해 1차 입자에 미치는 Ti 첨가 효과를 설명하기 위한 광학현미경 사진 및 그래프
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 냉간공구강에서 경도비 충격인성 변화를 설명하기 위한 그래프
1 is a graph for explaining hardness and impact toughness change of a cold tool steel according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a graph for explaining the effect of Ti addition on hardness and wear resistance characteristics in a cold tool steel according to an embodiment of the present invention
3 is a graph for explaining the effect of addition of Ti on impact resistance in cold tool steel according to an embodiment of the present invention
FIG. 4 is an optical microscope photograph showing the austenite grains in a cold tool steel according to an embodiment of the present invention.
5 is an optical microscope photograph and graph for explaining the Ti addition effect on the process carbide and the un-dissolved primary particles in the cold tool steel according to the embodiment of the present invention
6 is a graph for explaining hardness non-impact toughness change in a cold tool steel according to an embodiment of the present invention

첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 고내마모성 냉간공구강에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예를 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.A high wear-resistant cold tool steel according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and are herein described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged to illustrate the present invention, and are actually shown in a smaller scale than the actual dimensions in order to understand the schematic configuration.

또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Also, the terms first and second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. On the other hand, unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

통상의 티타늄(Ti)은 첨단구조재료용 고합금계에 미량 첨가되어 합금의 인성을 저하시키는 개재물을 효과적으로 제어하기 위해 첨가된다. 또한 저합금 공구강의 경우, 주로 미세한 탄화물/탄질화물의 형태로 고온 오스테니타이징 처리시 초기 결정립을 효과적으로 미세화시키기 위해 첨가되고 있다. Conventional titanium (Ti) is added in a small amount to a high alloy system for advanced structural materials to effectively control inclusions that degrade the toughness of the alloy. Also, in the case of low alloy tool steels, it is mainly added in order to effectively refine the initial grains during the high temperature austenitizing treatment in the form of fine carbides / carbonitrides.

티타늄 첨가효과는 일반적으로 강의 용해 및 냉각중 합금 내에 열적으로 안정한 미세한 입자(Ti-rich carbide/carbo nitride)를 석출시켜, 강의 오스테니타이징 처리시 결정립의 성장을 효과적으로 억제할 수 있다. 이러한 초기오스테나이트 결정립의 미세화는 변태 후 최종 미세조직인 마르텐사이트 패킷 및 블록의 미세화를 가능하게 하여 강의 기계적 성질, 특히 인성향상에 기여하게 된다. The titanium addition effect can effectively suppress the growth of crystal grains during the austenitizing treatment of steel by precipitating thermally stable fine particles (Ti-rich carbide / carbo nitride) in the alloy during melting and cooling of the steel. Minimization of the initial austenite grains enables finer martensite packets and blocks, which are the final microstructures after transformation, to contribute to the mechanical properties of steel, particularly toughness.

또한 티타늄은 바나듐(V)과 함께 MC-type 1, 2차 입자를 형성시키는 주된 탄화물 형성원소로 바나듐을 주된 탄화물형성원소로 하는 강의 석출량, 열적 안정성, 핵생성 구동력 등을 증가시키는데 효과적인 합금원소이다. In addition, in addition to vanadium (V), titanium is an important carbide-forming element for forming secondary particles of MC-type 1, and is an effective element for increasing precipitation amount, thermal stability, nucleation driving force, to be.

본 발명의 실시예에서는 고경도 뿐만 아니라 내충격 특성을 동시에 요구하는 고내마모성 냉간공구강에 있어서 기본적인 합금경도 확보를 위한 오스테니타이징 온도를 설정하였으며, 티타늄을 이용하여 공정탄화물 및 미용해 1차입 자를 제어하는 것과 함께, 최종 기지조직인 마르텐사이트의 미세화를 극대화하였다. 이것은 기존강의 문제점인 고경도 수준에서 낮은 인성에 대한 근본적인 해결방안으로, 고가의 P/M 공정의 도입 없이 기존강의 문제를 합금설계 측면에서 해결할 수 있는 유일한 방안이라 할 수 있으며 우수한 내충격성을 겸비하는 고내마모성 냉간공구강을 제공하기 위한 것이다.In the embodiment of the present invention, the austenitizing temperature for securing the basic alloy hardness is set in a high-wear-resistant cold tool steel which requires not only hardness but also impact resistance, and titanium carbide and un- And maximized the miniaturization of martensite, which is the final base structure. This is a fundamental solution to low toughness at the level of hardness, which is the problem of existing steel. It is the only way to solve the existing steel problem in terms of alloy design without introduction of expensive P / M process. And to provide a high wear resistance cold tool steel.

이를 위해 본 발명의 실시예에 의한 고내마모성 냉간공구강은, 중량비로써, 탄소(C) 1.8~2.4%, 크롬(Cr) 11.0~14.0%, 몰리브덴(Mo) 0.5~2.5%, 바나듐(V) 2.0~6.0%, 실리콘(Si) 0.1~0.7%, 망간(Mn) 0.1~0.5% 티타늄(Ti) 0.1~1.0%, 불순물로서 인(P) 0.01%이하, 황(S) 0.009% 이하 및 잔부의 철을 함유한다. To this end, the high wear-resistant cold tool steel according to the embodiment of the present invention comprises 1.8 to 2.4% of carbon (C), 11.0 to 14.0% of chromium (Cr), 0.5 to 2.5% of molybdenum (Mo) 0.1 to 0.7% of silicon (Si), 0.1 to 0.5% of manganese (Mn), 0.1 to 1.0% of titanium (Ti), 0.01% or less of phosphorus (P), 0.009% or less of sulfur (S) Contains iron.

더욱 바람직하게는, 중량비로서, 탄소(C) 1.8~2.4%, 크롬(Cr) 11.5~13.5%, 몰리브덴(Mo) 0.8~1.5% 바나듐(V) 3.0~5.0%, 실리콘(Si) 0.2~0.6%, 망간(Mn) 0.3~0.5% 티타늄(Ti) 0.1~0.7%, 불순물로서 인(P) 0.01%이하, 황(S) 0.009% 이하 및 잔부의 철을 함유하며, 가장 바람직하게는, 중량비로서, 탄소(C) 1.8~2.4%, 크롬(Cr) 12.0~13.0%, 몰리브덴(Mo) 1.0~1.4%, 바나듐(V) 3.5~4.5%, 실리콘(Si) 0.3~0.5%, 망간(Mn) 0.35~0.45% 티타늄(Ti) 0.15~0.55%, 불순물로서 인(P) 0.01%이하, 황(S) 0.009% 이하 및 잔부의 철을 함유한다.More preferably, as the weight ratio, 1.8 to 2.4% of carbon (C), 11.5 to 13.5% of chromium (Cr), 0.8 to 1.5% of molybdenum (Mo), 3.0 to 5.0% of vanadium (V) (P) of not more than 0.01%, sulfur (S) of not more than 0.009%, and the balance of iron, and most preferably, a weight ratio (Si), 0.3 to 0.5% of vanadium (V), 0.3 to 0.5% of vanadium (V), 0.3 to 0.5% of manganese (Mn) 0.15 to 0.55% of 0.35 to 0.45% titanium (Ti), 0.01% or less of phosphorus (P) and 0.009% or less of sulfur (S) as impurities,

본 발명의 실시예에 의한 고내마모성 냉간공구강에 사용되는 첨가원소 성분에 대해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.The additional element components used in the high wear-resistant cold tool steel according to the embodiment of the present invention will be described in more detail as follows.

탄소(C)Carbon (C)

탄소는 고온 열처리 시 기지 중에 고용되어 이후 냉각과정에서 마르텐사이트를 형성하며, 일부는 기지에 고용하여 경화능(hardenability) 및 강도를 향상시킨다. 또한, 대부분은 Cr, Mo, V, Ti의 탄화물 형성원소와 결합하여 공정탄화물 및 미용해 1차 탄화물을 형성함으로서 합금의 내마모성 향상에 큰 기여를 한다. 하지만 다량의 탄소 첨가시 합금의 취화(embrittlement)를 초래할 수 있기 때문에 탄소의 함량을 1.8~2.4%로 한정하였다. Carbon is dissolved in the matrix during the high-temperature heat treatment, forming martensite in the cooling process, and some of it is solidified in the matrix to improve hardenability and strength. In addition, most of them combine with the carbide forming elements of Cr, Mo, V and Ti to form process carbides and un-dissolved primary carbides, thereby contributing to improvement of wear resistance of the alloy. However, carbon content is limited to 1.8 ~ 2.4% because it may cause embrittlement of alloys when a large amount of carbon is added.

크롬(Cr)Chromium (Cr)

크롬은 재가열 시 표면탈탄을 억제하며, 기지에 고용하여 경화능을 향상시키고 흑연발생을 저해하는 원소이다. 또한 탄화물의 주된 형성 원소로써 C와 결합하여 M7C3 및 M23C6 탄화물을 형성하여 고온 연화저항성과 내마모성을 향상시키는 원소이다. 따라서 기본적인 경도 및 마모 특성을 확보하기 위해 크롬을 11.0~14.0%로 첨가하였다. 보다 적합한 크롬의 함량은 11.5~13.5%%이다. 가장 적합한 크롬의 함량은 12.0~13.0% 이다.Chromium inhibits surface decarburization during reheating and improves hardenability and hinders generation of graphite by employing it in the base. It is also the main element of carbide, which combines with C to form M7C3 and M23C6 carbides, which improves high temperature softening resistance and abrasion resistance. Therefore, chromium was added at 11.0 ~ 14.0% in order to secure basic hardness and wear characteristics. The more suitable chromium content is 11.5 ~ 13.5%. The most suitable chromium content is 12.0 ~ 13.0%.

몰리브덴(Mo)Molybdenum (Mo)

몰리브덴은 기지에 고용하여 소입성을 향상시키며, ??칭시에 Mo2C등의 탄화물을 형성하여 이차경화능 및 내마모 특성을 개선시키는 원소이다. 또한 뜨임 열처리 중의 경도저하를 억제하는 뜨임저항성(tempering resistance) 향상에 크게 기여하며, 고온강도, 내식성향상에 효과적이다. 비록 크롬 및 텅스텐보다 저온영역에서의 이차경화발생으로 열처리시 열적열화 정도에 대한 저항성을 감소시키나 바나듐, 티타늄과 함께 MC 탄화물에 의한 이차경화 효과를 극대화하는데 효과적이기 때문에 몰리브덴의 함량은 0.5~2.5%로 한정하였다. 보다 적합한 몰리브덴의 함량은 0.8~1.5%이다. 가장 적합한 몰리브덴의 함량은 1.0~1.4%이다.Molybdenum is an element which improves the incombustibility by employing it in the base and improves the secondary hardenability and the wear resistance by forming carbide such as Mo2C in? In addition, it contributes greatly to improvement of tempering resistance which suppresses decrease in hardness during tempering, and is effective in improving high temperature strength and corrosion resistance. Although molybdenum content is 0.5 ~ 2.5% because it is effective to reduce the resistance to thermal degradation in heat treatment due to occurrence of secondary hardening at lower temperature than chromium and tungsten, but to maximize secondary hardening effect of MC carbide together with vanadium and titanium, Respectively. A more suitable content of molybdenum is 0.8 to 1.5%. The most suitable molybdenum content is 1.0 to 1.4%.

바나듐(V)Vanadium (V)

바나듐은 Ti과 유사하게 결정립의 조대화 방지에 효과적이며, Mo와 결합할 시 강재의 내템퍼링성을 향상시키는 역할을 한다. 특히 탄소와 친화력이 강하고 내마모특성 확보에 효과적인 고경도 MC 탄화물을 형성하는 주된 합금원소로 적정함량으로의 탄화물 석출을 위해 바나듐의 함량을 2.0~6.0%로 한정하였다. 보다 적합한 바나듐의 함량은 3.0~5.0% 이다. 가장 적합한 바나듐의 함량은 3.5~4.5%이다. Similar to Ti, vanadium is effective in preventing coarsening of crystal grains and enhances the resistance to tempering of steel when combined with Mo. Especially, the content of vanadium was limited to 2.0 ~ 6.0% in order to precipitate carbide in a proper amount as a main alloy element forming high hardness MC carbide which is strong in affinity with carbon and effective in securing abrasion resistance. The more suitable content of vanadium is 3.0 to 5.0%. The most suitable vanadium content is 3.5 to 4.5%.

실리콘(Si)Silicon (Si)

실리콘은 기지에 고용하고 고용강화에 의해 경도를 높이는 효과가 있으며, 소입성 향상, 고온에서 표면산화방지 및 탄화물의 석출반응을 촉진시켜 탄화물 미세화에 기여하는 효과가 있다. 그러나 Si을 과도하게 첨가할 경우 열간가공성의 저하 및 담금질, 뜨임 후의 인성이 저하되기 때문에 실리콘의 함량을 0.3~0.6%로 한정하였다. 보다 적합한 실리콘의 함량은 0.2~0.6%이다. 가장 적합한 실리콘의 함량은 0.3~0.5%이다.Silicon has an effect of increasing the hardness by solid-solidifying the solid solution in the base, enhancing the incombustibility, preventing surface oxidation at high temperature, and promoting the precipitation reaction of carbide, thereby contributing to refinement of carbide. However, when Si is added excessively, the content of silicon is limited to 0.3 to 0.6% because the hot workability is lowered and the toughness after tempering and toughness are lowered. A more suitable silicon content is 0.2 to 0.6%. The most suitable silicon content is 0.3 to 0.5%.

망간(Mn)Manganese (Mn)

망간은 경화능을 향상시키는 원소이며, 고탄소강의 소둔 시 흑연의 발생을 저해하는 효과가 있다. 또한 탈산 및 탈황제로서 강의 청정도를 향상 시키며, ??칭성을 증가시킨다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.1이상의 첨가가 필요하며, 1.0%이상 첨가 시 잔류 오스테나이트를 안정화 하여 인성을 저하시키므로 망간의 함량을 0.1~0.5%로 제한하였다. 보다 적합한 망간의 함량은 0.3~0.5%이다. 가장 적합한 망간의 함량은 0.35~0.45%이다. Manganese is an element that improves hardenability and has the effect of inhibiting the generation of graphite when annealing high carbon steels. It also improves the cleanliness of the steel as a deoxidizing and desulfurizing agent and increases the quenching. In order to obtain such an effect, it is necessary to add 0.1 or more, and when 1.0% or more is added, the residual austenite is stabilized and toughness is lowered, so that the content of manganese is limited to 0.1 to 0.5%. A more suitable content of manganese is 0.3 to 0.5%. The most suitable content of manganese is 0.35 ~ 0.45%.

티타늄(Ti)Titanium (Ti)

결정립을 미세화하고 소입성을 약화시키지만 소입온도가 높아지면 반대로 증가시킨다. 강력한 탈산 및 탈질화제로 탄화물 및 탄질화물을 형성하는 주된 합금원소이다. 또한 바나듐과 함께 MC 탄화물 내 포함되어 석출구동력을 크게 증가시키는 역할을 한다.
Fine grain size and weakness of the ingot are reversed when the quench temperature is high. It is a major alloying element that forms carbides and carbonitrides with strong deoxidation and denitrification agents. It is also included in the MC carbide together with vanadium, thereby greatly increasing the precipitation driving force.

본 발명의 실시예에 의한 고내마모성 냉간공구강은 불순물의 영향을 최소화하기 위해 합금원소의 순도를 99.9% 이상의 원료를 사용하여 1550~1650℃ 범위에서 진공유도용해(VIM)하고 잉곳으로 만든다. 이 때 기포ㅇ편석된 부분은 절단하여 버리고, 1200℃에서 50%이상 사이징 압연 및 단조 후 공랭한다. 이 후 1000 ~ 1150℃의 온도범위에서 오스테니타이징을 실시하며, 이 후 150~250℃ 또는 500~550℃에서 등온 시효처리를 실시하여 각각 내마모 또는 충격인성을 극대화할 수 있도록 한다. In order to minimize the influence of impurities, the high wear-resistant cold tool steel according to the embodiment of the present invention is made into an ingot by vacuum induction melting (VIM) in the range of 1550 to 1650 ° C. using raw material of 99.9% or more of purity of the alloy element. At this time, the bubble o segregated part is cut and discarded, followed by sizing rolling by 50% or more at 1200 ° C and air cooling after forging. Thereafter, the steel sheet is subjected to austenitizing in a temperature range of 1000 to 1150 ° C, and then subjected to isothermal aging treatment at 150 to 250 ° C or 500 to 550 ° C to maximize abrasion resistance or impact toughness.

아래의 표 1은 고순도 합금원료를 사용하여 진공유도 용해 후 얻어진 강 잉곳의 성분 및 이의 조성비를 보여준다.Table 1 below shows the composition of a steel ingot obtained by vacuum induction melting using a high purity alloy raw material and its composition ratio.

구분division CC SiSi MnMn CrCr MoMo VV TiTi 대조 강
(D7-HiCV)
Contrast river
(D7-HiCV)
2.32.3 0.40.4 0.40.4 12.512.5 1.11.1 44
개발된 강-1
(KD7)
Developed River-1
(KD7)
2.312.31 0.390.39 0.400.40 12.4812.48 1.31.3 4.24.2 0.230.23
개발된 강-2
(K2D7)
Developed River-2
(K2D7)
2.292.29 0.420.42 0.380.38 12.4812.48 1.21.2 4.14.1 0.470.47

이 강 잉곳은 1200℃에서 1시간 열처리 후, 900~1000℃ 온도범위에서 사이징압연을 실시하여 강재를 제조한 후, 1000~1150℃에서 오스테니타이징 및 공랭하여 강의 기계적 성질을 평가. 제조된 판재로부터 등온시효 열처리를 위한 충격시험편을 채취하였으며, 이 때 경도의 측정은 충격시험 후, 파면의 하부 10mm를 절단하여 얻은 시험편으로부터 5회 측정 후 평균값을 사용하였다. 이 때 충격인성은 노치를 함유하지 않는 시험편으로부터 3회 측정된 샤르피 충격시험 값의 평균을 이용하였다.The steel ingots were heat treated at 1200 ° C for 1 hour and then subjected to sizing rolling at 900-1000 ° C to produce steels. The steel ingots were then subjected to austenitizing and air cooling at 1000 ~ 1150 ° C to evaluate the mechanical properties of the steel. Impact test specimens for isothermal aging heat treatment were taken from the manufactured plate. The hardness was measured after 5 tests from the test specimens obtained by cutting the bottom 10 mm of the wave front after the impact test. The impact toughness was the average of the Charpy impact test values measured three times from the test piece not containing the notch.

첨부된 도 1 및 도 2는 상기 오스테니타이징 공정 및 열처리를 통해 얻은 개발된 강-1(KD7), 강-2(K2D7)의 경도 및 충격인성 변화를 대조 강(D7)과 비교하여 나타낸 것이다. 1 and 2 show changes in the hardness and impact toughness of the developed steel-1 (KD7) and steel-2 (K2D7) obtained through the austenitizing and heat treatment in comparison with the control steel (D7) .

시험결과와 같이 개발된 강-1(KD7), 강-2(K2D7)의 경우, as-quenched 뿐만 아니라 각각 150 및 500℃에서 열처리된 조건에서 대조 강 보다 향상된 마모 특성을 나타내는 것으로 나타났다. 특히 충격인성의 경우, 티타늄을 함유하는 KD7과 티타늄 함량을 보다 증가시킨 K2D7에서 향상된 경도 및 내마모 저항성에도 불구하고 크게 증가하는 것을 보여준다(도 3 참조).In the case of the steel-1 (KD7) and steel-2 (K2D7) developed as the test results, it was found that the as-quenched as well as the improved wear characteristics were superior to the control steel in the heat treated condition at 150 and 500 ° C, respectively. In particular, impact toughness shows a significant increase in KD7 with titanium and increased K2D7 with higher titanium content, despite improved hardness and wear resistance (see FIG. 3).

이러한 결과는 티타늄 첨가 합금에서 최종 미세구조의 미세화가 가능하였기 때문인 것으로, 도 4에 나타낸 바와 같이 대조 강과 비교하여 개발된 강들에서 약 70~80% 결정립이 미세화 된 것을 확인하였다. 이것은 보다 열적으로 안정한 미세 티타늄 탄화물 및 탄질화물의 석출로 합금의 응고 및 냉각, 그리고 고온 재가열시 밑에 언급될 공정탄화물(eutectic carbide) 이외에 오스테나이트 상의 성장을 효과적으로 억제하였기 때문인 것으로 판단된다. This result is attributable to the fact that the final microstructure of the titanium-containing alloy can be miniaturized. As shown in FIG. 4, it was confirmed that about 70 to 80% of grain grains were refined in the steels developed in comparison with the control steels. It is believed that this is because coagulation and cooling of alloys by deposition of more thermally stable fine titanium carbides and carbonitrides, and effective suppression of austenitic phase growth in addition to the eutectic carbides mentioned below during high temperature reheating.

일반적으로 결정립이 조대한 강은 충격인성 및 경도 기타 기계적 성질에 있어서 미세한 결정립을 가지는 강에 비해 상당히 저하된다. 결정립이 조대한 강은 내충격성뿐만 아니라 내마멸 특성 및 경도, 기타 기계적 성질이 미세한 결정립을 가지는 강에 비해 상대적으로 낮기 때문에 고장력 철강제품의 절단 및 쇼트피닝 블레이드와 같은 다양한 고내마모성 냉간공구강의 신뢰성과 수명 안전성의 보증이 불가능하다.In general, the coarse grained steel is significantly degraded in impact toughness and hardness and other mechanical properties compared to steels having fine grains. Since the coarse grained steel has relatively low impact resistance, as well as wear resistance, hardness and other mechanical properties compared to steels with fine grains, the reliability of various high wear-resistant cold tool steels such as high- It is impossible to guarantee the safety of life.

한편, 티타늄 첨가는 상기의 결정립 미세화 효과 이외에도 합금기지에 조대하게 분포하는 공정 탄화물(eutectic carbides) 및 미용해 1차 탄화물의 조질을 가능하게 한다. 일반적으로 고내마모성 냉간공구강에서의 조대한 탄화물은 합금의 외부 충격시 발생되는 균열의 우선적인 핵생성 장소로 합금의 내충격성을 결정하는 주된 인자가 되기 때문에 이의 조질에 반드시 요구된다 하겠다. On the other hand, titanium addition enables the tempering of eutectic carbides and un-dissolved primary carbides which are distributed in the alloy base in addition to grain refining effect. In general, coarse carbides in high abrasion resistance cold tool steels are the primary nucleation sites of cracks generated during the external impact of alloys, and they are therefore essential for the tempering of these alloys because they are the main determinant of the impact resistance of alloys.

티타늄 첨가가 조대한 공정 탄화물 및 미용해 1차 탄화물에 미치는 효과는 도 5에 나타낸 바와 같이 2가지로 분류하여 설명할 수 있다. 첫 번째는 개발된 강 내에 다량 존재하여 합금의 기계적 성질에 주된 영향을 미치는 M7C3 및 MC 탄화물의 상대적인 분율 변화이다. 즉, 티타늄을 0 → 0.2 → 0.5wt.%로 증가함에 따라 M7C3 탄화물 함량이 17.9 → 14.1 → 13.2wt.%로 감소하였으며, 반대로 MC 탄화물은 2 →3.8 → 5wt.%로 증가하였다. 주목할 점으로는 전체 탄화물의 총 함량은 대조 강, 개발된 강-1, 강-2에서 각각 19.9, 17.9, 18.2wt.%로 큰 변화를 보이지 않으나, 상대적인 탄화물의 함량이 변화고 있다는 것이다. 이는 XRD 실험결과를 리트벨트 분석한 결과로서, 시험편 표면의 SEM-BSE의 이미지 분석결과와 일치함을 보여준다. The effect of titanium addition on coarse process carbides and unsolvated primary carbides can be categorized into two as shown in FIG. The first is the relative fractional change of M7C3 and MC carbides that are present in abundance in the developed steel and have a major impact on the mechanical properties of the alloy. In other words, the content of M7C3 carbide decreased from 17.9 → 14.1 → 13.2wt.% As titanium increased from 0 → 0.2 → 0.5wt.%, While MC carbide increased from 2 → 3.8 → 5wt.%. It should be noted that the total content of total carbides does not change as much as 19.9, 17.9, 18.2 wt.% In the control steel, the developed steel-1 and steel-2, respectively, but the relative content of carbide is changed. This is the result of Rietveld analysis of the XRD test results, which is consistent with the image analysis of SEM-BSE on the specimen surface.

두 번째로 조대한 M7C3 탄화물의 크기 감소라 하겠다. 약 1μm 이하 탄화물의 경우, 티타늄 첨가에 따라 MC탄화물 크기가 증가하는 것으로 나타났으며, 이것은 MC탄화물의 전체적인 분율 증가와 관련된다 하겠다. 특히 개발된 강의 경우, 외부충격에 따른 균열 형성에 가장 취약한 것으로 고려되는 1μm 이상의 조대한 공정탄화물(M7C3) 크기가 감소한다는 것이라 하겠다. Second, the size of the coarse M7C3 carbide is reduced. For carbides below 1 μm, the size of MC carbide increases with the addition of titanium, which is related to the increase in the overall fraction of MC carbide. Especially, the developed steel is considered to be the most vulnerable to crack formation due to external impact, and the size of the coarse process carbide (M7C3) of 1μm or less is reduced.

결과적으로 개발된 강에서의 티타늄 첨가는 조대한 M7C3의 함량을 MC로 대체할 뿐만 아니라, 이의 미세화를 가능하게 하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 대조 강과 비교하여 개발된 강에서의 티타늄 첨가는 결정립 미세화 효과 이외에도 조대한 탄화물의 개선을 통해 전반적인 미세 구조적 조질이 가능하며, 그 결과 도 6에 나타낸 바와 같이 우수한 내마모성 확보는 물론, 경도비 인성을 획기적으로 향상시킬 수 있었다.As a result, it can be confirmed that the titanium addition in the developed steel not only replaces the crude M7C3 content with MC, but also makes it possible to miniaturize it. Therefore, the addition of titanium in the steel which is developed in comparison with the control steel enables the overall microstructural tempering by improving the coarse carbide in addition to the grain refinement effect. As a result, as shown in FIG. 6, It was able to improve dramatically.

앞서 설명한 바와 같이, 표 1(화학성분), 도 1 및 도 2(경도 및 내마모 특성에 미치는 Ti 첨가 효과), 도 3(내충격 특성에 미치는 Ti 첨가 효과), 도 4(초기 오스테나이트 결정립을 보여주는 광학현미경 사진), 도 5(공정 탄화물 및 미용해 1차 입자에 미치는 Ti 첨가 효과), 도 6(경도비 충격인성 변화)에서 알 수 있는 바와 같이, 약 0.2~0.5wt.% 티타늄이 첨가된 강이 티타늄을 함유하지 않는 강과 동일하거나 우수한 경도 수준에서 향상된 내마멸 및 내충격 특성을 나타내며, 고내마모성 냉간공구강(SKH-51을 포함하여 SKD-11, D2 등)을 대체하여 사용 가능함을 보여준다.
As described above, Table 1 (chemical composition), Figs. 1 and 2 (Ti addition effect on hardness and abrasion resistance characteristics), Fig. 3 (Ti addition effect on impact resistance characteristics), Fig. 4 (Initial austenite grains As can be seen from FIG. 5 (Ti addition effect on process carbide and un-dissolved primary particles) and FIG. 6 (hardness non-impact toughness change), about 0.2 to 0.5 wt.% Titanium was added (SKD-11, D2, etc., including SKH-51), exhibiting improved wear resistance and impact resistance at the same or superior hardness level as the steel containing no titanium.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It is clear that the present invention can be suitably modified and applied in the same manner. Therefore, the above description does not limit the scope of the present invention, which is defined by the limitations of the following claims.

Claims (6)

중량비로서, 탄소(C) 1.8~2.4%, 크롬(Cr) 11.0~14.0%, 몰리브덴(Mo) 0.5~2.5%, 바나듐(V) 2.0~6.0%, 실리콘(Si) 0.1~0.7%, 망간(Mn) 0.1~0.5% 티타늄(Ti) 0.1~1.0% 및 잔부의 철을 함유하고, 템퍼드 마르텐사이트 조직을 주요 기지로 하여 합금의 용해 및 냉각시 분해되지 않고 잔류하는 조대한 1차 입자 및 공정 탄화물을 갖는 고내마모성 냉간공구강.(Si), 0.1 to 0.7% of vanadium (V), 0.1 to 0.7% of vanadium (V), 0.1 to 0.7% of molybdenum (Mo) Mn, 0.1 to 0.5% of titanium (Ti) and 0.1 to 1.0% of iron, and the remaining primary iron particles are retained without decomposition upon melting and cooling of the alloy with the tempered martensite structure as a main base, High wear - resistant cold tool steel with carbide. 중량비로서, 탄소(C) 1.8~2.4%, 크롬(Cr) 11.5~13.5%, 몰리브덴(Mo) 0.8~1.5% 바나듐(V) 3.0~5.0%, 실리콘(Si) 0.2~0.6%, 망간(Mn) 0.3~0.5% 티타늄(Ti) 0.1~0.7% 및 잔부의 철을 함유하는 것을 특징으로 하는 고내마모성 냉간공구강.(Si) and 0.2 to 0.6% of vanadium (V), 0.8 to 1.5% of vanadium (V), 0.2 to 0.6% of manganese (Mn) ) 0.3-0.5% titanium (Ti) 0.1-0.7% and the remainder being iron. 중량비로서, 탄소(C) 1.8~2.4%, 크롬(Cr) 12.0~13.0%, 몰리브덴(Mo) 1.0~1.4%, 바나듐(V) 3.5~4.5%, 실리콘(Si) 0.3~0.5%, 망간(Mn) 0.35~0.45% 티타늄(Ti) 0.15~0.55% 및 잔부의 철을 함유하는 것을 특징으로 하는 고내마모성 냉간공구강.(Si), 0.3 to 0.5% of vanadium (V), 0.3 to 0.5% of vanadium (V), 0.3 to 0.5% of manganese (Si) Mn) 0.35 to 0.45% titanium (Ti) 0.15 to 0.55% and the balance iron. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
오스테나이트 결정립 크기가 8μm 이하인 것을 특징으로 하는 고내마모성 냉간공구강.
4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the austenite grain size is less than or equal to 8 占 퐉.
제4항에 있어서,
상기 고내마모성 냉간공구강은 Ti을 함유한 채, 기존 고내마모성 냉간공구강인 D7의 대체제가 되는 것을 특징으로 하는 고내마모성 냉간공구강.
5. The method of claim 4,
Wherein the high wear-resistant cold tool steel is a substitute for D7, which is a conventional high wear-resistant cold tool steel, containing Ti.
제1항에 있어서,
상기 고내마모성 냉간공구강은 조대한 공정탄화물인 M7C3 중 일부를 MC탄화물로 대체하여 기존 고내마모성 냉간공구강인 D7의 대체제가 되는 것을 특징으로 하는 고내마모성 냉간공구강.
The method according to claim 1,
Wherein the high wear-resistant cold tool steel is a substitute for D7, which is a conventional high wear-resistant cold tool steel, by replacing a part of M7C3, which is a coarse process carbide, with MC carbide.
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