KR20170029008A - 냉간 가공 공구 강 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 냉간 가공 공구 강에 관한 것이다. 강은 (중량 %로) 하기 주요 성분들을 포함한다:
C 0.5 - 2.1
N 1.3 - 3.5
Si 0.05 - 1.2
Mn 0.05 - 1.5
Cr 2.5 - 5.5
Mo 0.8 - 2.2
V 6 - 18
잔부 선택 원소들, 철 및 불순물들.
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잔부 선택 원소들, 철 및 불순물들.
Description
본 발명은 질소 합금된 냉간 가공 공구 강(cold work tool steel)에 관한 것이다.
질소 및 바나듐 합금된 분말 야금(PM: powder metallurgy) 공구 강들은 이들의 고 경도, 고 내마모성 및 탁월한 마손 내성(galling resistance)의 특유의 조합 때문에 상당한 관심을 받고 있었다. 이들 강들은 우세한 파손 매커니즘들이 접착 마모 또는 마손인 광범위한 적용들을 갖는다. 전형적인 적용 분야들은 블랭킹(blanking) 및 포밍(forming), 파인 블랭킹(fine blanking), 냉간 압출(cold extrusion), 디프 드로잉(deep drawing) 및 분말 프레싱(powder pressing)을 포함한다. 기본 강 조성물이 먼저 원자화되고, 질화(nitrogenation)되게 되며 이후에 분말이 캡슐에 채워지며 그리고 열간 정수압 소결(HIP: hot isostatic pressing)되어 등방성 강(isotropic steel)을 생산한다. 이렇게 하여 생산된 고성능 강은 VANCRON®40이다. 이는 높은 탄소, 질소 및 바나듐 함량들을 가지며, 그리고 또한 상당량의 Cr, Mo 및 W로 합금화되며, 이는 MX 타입(14 체적 %) 및 M6C(5 체적 %)의 경화상들(hard phases)을 포함하는 미세조직을 야기한다. 이 강은 WO 00/79015 A1에서 설명된다.
VANCRON®40이 매우 매력적인 특징 프로파일을 갖지만, 생산된 제품들의 표면 품질을 추가로 개선하기 위해서뿐만 아니라 특히 가혹한 작업 조건들(마손이 주된 문제인 곳) 하에서 공구 수명을 연장시키기 위해서 공구 재료의 개선들을 위한 연속적인 노력이 존재한다.
본 발명의 목적은 진보된 냉간 가공을 위해 개선된 특징 프로파일을 갖는 질소 합금된 분말 야금(PM)으로 생산된 냉간 가공 공구 강을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 생산된 부품들의 표면 품질의 개선들을 유도하는 조성물 및 미세조직을 갖는 분말 야금(PM)으로 생산된 냉간 가공 공구 강을 제공하는 것이다.
전술한 목적들, 뿐만 아니라 추가의 이점들은 청구항들에서 설명된 바와 같은 조성물을 갖는 냉간 가공 공구 강을 제공함으로써 상당한 정도로 성취된다.
본 발명의 청구항들에서 규정된다.
상세한 설명
개별 원소들의 중요성 및 이들 서로의 상호작용뿐만 아니라 청구된 합금의 화학적 내용물들의 제한들이 하기에서 간단히 설명된다. 강의 화학적 조성에 대한 모든 백분율들은 명세서 도처에서 중량 %(wt %)로 부여된다. 개별 원소들의 상한 및 하한은 청구항 1에서 설명된 제한들 내에서 자유롭게 조합될 수 있다.
탄소(0.5 내지 2.1 %)
탄소는 0.5 %, 바람직하게는 적어도 1.0 %의 최소 함량으로 제공되어야 한다. 탄소의 상한은 1.8 % 또는 2.1 %로 설정될 수 있다. 바람직한 범위들은 0.8 내지 1.6 %, 1.0 내지 1.4 %, 그리고 1.25 내지 1.35 %를 포함한다. 탄소는 MX의 형성 및 경화를 위해 중요한데, 여기서 금속(M)은 주로 V이지만, Mo, Cr 및 W가 또한 제공될 수 있다. X는 C, N 및 B 중 하나 또는 그 초과이다. 바람직하게는, 탄소 함량은 오스테나이트화 온도에서 기지(matrix)에 용해되는 0.4 내지 0.6 % C를 얻도록 조절된다. 어떠한 경우라도, 탄소의 양은 강에서 M23C6, M7C3 및 M6C 유형의 탄화물들의 양이 제한되고, 바람직하게는 강은 상기 탄화물들로부터 자유롭도록 제어되어야 한다.
질소(1.3 내지 3.5 %)
질소는 본 발명에서 MX 타입의 경질 탄질화물들의 형성을 위해 필수이다. 따라서, 질소는 적어도 1.3 %의 양으로 제공되어야 한다. 하한은 1.4 %, 1.5 %, 1.6 %, 1.7 %, 1.8 %, 1.9 %, 2.0 %, 2.1 % 또는 심지어 2.2 %일 수 있다. 상한은 3.5 %이며, 이는 3.3 %, 3.2 %, 3.0 %, 2.8 %, 2.6 %, 2.4 %, 2.2 %, 2.1 %, 1.9 % 또는 1.7 %로 설정될 수 있다. 바람직한 범위들은 1.6 내지 2.1 % 그리고 1.7 내지 1.9 %를 포함한다.
크롬(2.5 내지 5.5 %)
크롬은 충분한 경화능을 제공하기 위해서 적어도 2.5 %의 함량으로 제공되어야 한다. Cr은 바람직하게는 열 처리 동안 큰 횡단면들에서 양호한 경화능을 제공하기 위해서 더 높다. 크롬 함량이 너무 높다면, 이는 원치않는 탄화물들, 이를테면 M7C3의 형성을 유발할 수 있다. 게다가, 이는 또한 미세조직 내의 잔류 오스테나이트(retained austenite)의 경향을 증가시킬 수 있다. 하한은 2.8 %, 3.0 %, 3.2 %, 3.4 %, 3.6 %, 3.8 %, 4.0 %, 4.2 %, 4.35 %, 4.4 % 또는 4.6 %일 수 있다. 상한은 5.2 %, 5.0 %, 4.9 %, 4.8 % 또는 4.65 %일 수 있다. 크롬 함량은 바람직하게는, 4.2 내지 4.8 %이다.
몰리브덴(0.8 내지 2.2 %)
Mo는 경화능에 매우 유리한 효과를 갖는 것으로 공지되어 있다. 몰리브덴은 양호한 2차 경화 반응을 성취하는데 필수이다. 최소 함량은 0.8 %이며, 그리고, 1 %, 1.25 %, 1.5 %, 1.6 %, 1.65 %, 또는 1.8 %로 설정될 수 있다. 몰리브덴은 강력한 탄화물 형성 원소이다. 그러나, 몰리브덴은 또한 강력한 페라이트 포머(ferrite former)이다. Mo는 MX와 다른 경화상들의 양을 제한하는 이유를 위해서 또한 제한될 필요가 있다. 특히, M6C-탄화물들의 양은 제한되어야 하는데, 바람직하게는 3 체적 % 이하이어야 한다. 가장 바람직하게는, M6C-탄화물들이 미세조직 내에 존재하지 않아야 한다. 따라서, 몰리브덴의 최대 함량은 2.2 %이다. 바람직하게는, Mo는 2.15 %, 2.1 %, 2.0 % 또는 1.9 %로 제한된다.
텅스텐(≤ 1 %)
텅스텐의 효과는 Mo의 효과와 유사하다. 그러나, 동일한 효과를 얻기 위해서, 중량 % 기반으로 W의 2 배 만큼의 Mo를 추가할 필요가 있다. 텅스텐은 고가이며, 또한 스크랩 금속의 핸들링을 복잡하게 한다. Mo와 마찬가지로, W는 또한 M6C-탄화물들을 형성하고 있다. 따라서, 최대량은 1 %, 바람직하게는 0.5 %로, 더 바람직하게는 0.3 %로 제한되며, 그리고 가장 바람직하게는, W는 결코 의도적으로 추가되지 않는다. 상기 설명된 바와 같이, W를 추가하지 않고 Mo를 제한함으로써, M6C-탄화물들의 형성을 완벽하게 회피하는 것을 가능케 한다.
바나듐(6 내지 18 %)
바나듐은 MX 타입의 균일하게 분포되는 1차 석출된 탄화물들 및 탄질화물들을 형성한다. 석출물들은 포뮬러 M(N,C)에 의해 나타내어질 수 있으며, 이 석출물들은 높은 질소 함량으로 인해, 보편적으로 또한 니트로카바이드들(nitrocarbides)로 불린다. 본 발명의 강에서, M은 주로 바나듐이지만, Cr 및 Mo가 어느 정도 제공될 수 있다. 바나듐은 소망하는 양의 MX를 얻기 위해서 6 내지 18 %의 양으로 제공될 것이다. 상한은 16 %, 15 %, 14 %, 13 %, 12 %, 11 %, 10.25 %, 10 %, 또는 9 %로 설정될 수 있다. 하한은 7 %, 8 %, 8.5 %, 9 %, 9.75 %, 10 %, 11 %, 또는 12 %일 수 있다. 바람직한 범위들은 8 내지 14 %, 8.5 내지 11.0 %, 그리고 9.75 내지 10.25 %를 포함한다.
니오븀(≤2 %)
니오븀은 MX 또는 M(N,C) 타입의 탄질화물들을 형성한다는 점에서 바나듐과 유사하다. 그러나, Nb는 M(C,N)의 보다 각진 형상(angular shape)을 유발한다. 따라서, Nb의 최대 추가는 2.0 %로 제한되며, 바람직한 최대량은 0.5 %이다. 바람직하게는, 니오븀이 추가되지 않는다.
규소(0.05 내지 1.2 %)
규소는 탈산을 위해 사용된다. Si는 또한 탄소 활동도(carbon activity)를 증가시키며 절삭성에 유용하다. 따라서, Si는 0.05 내지 1.2 %의 양으로 제공된다. 양호한 탈산을 위해서, Si 함량은 적어도 0.2 %로 조절되는 것이 바람직하다. 하한은 0.3 %, 0.35 % 또는 0.4 %로 설정될 수 있다. 그러나, Si는 강력한 페라이트 포머이며, 1.2 %로 제한되어야 한다. 상한은 1.1 %, 1 %, 0.9 %, 0.8 %, 0.75 %, 0.7 %, 또는 0.65 %로 설정될 수 있다. 바람직한 범위는 0.3 내지 0.8 %이다.
망간(0.05 내지 1.5 %)
망간은 강의 경화능을 개선하는데 기여하고, 그리고 황과 함께, 망간은 황화망간(manganese sulphides)을 형성함으로써 절삭성을 개선하는데 기여한다. 따라서, 망간은 0.05 %, 바람직하게는 적어도 0.1 % 그리고 더 바람직하게는 적어도 0.2 %의 최소 함량으로 제공될 것이다. 황의 함량이 높을수록, 망간은 강의 적열 취성(red brittleness)을 방지한다. 강은 Mn을 최대 1.5 % 포함해야 한다. 상한은 1.4 %, 1.3 %, 1.2 %, 1.1 %, 1.0 %, 0.9 %, 0.8 %, 0.7 %, 0.6 %, 또는 0.5 %로 설정될 수 있다. 그러나, 바람직한 범위들은 0.2 내지 0.9 %, 0.2 내지 0.6 %, 그리고 0.3 내지 0.5 %이다.
니켈(≤ 3.0 %)
니켈은 선택적이며, 3 % 이하의 양으로 제공될 수 있다. 니켈은 양호한 경화능 및 인성(toughness)을 강에 부여한다. 비용 때문에, 강의 니켈 함량은 가능한 한 제한되어야 한다. 따라서, Ni 함량은 1 %, 바람직하게는 0.3 %로 제한된다. 가장 바람직하게는, 니켈 첨가들이 이루어지지 않는다.
구리(≤ 3.0 %)
Cu는 강의 경도 및 내식성을 증가시키는데 기여할 수 있는 선택적 원소이다. 사용된다면, 바람직한 범위는 0.02 내지 2 %이고, 가장 바람직한 범위는 0.04 내지 1.6 %이다. 그러나, 구리가 추가되었다면 강으로부터 구리를 추출하는 것은 불가능하다. 이는, 대폭으로, 스크랩 핸들링을 훨씬 어렵게 만든다. 이러한 이유로, 구리는 정상적으로는, 의도적으로 추가되지 않는다.
코발트(≤ 12 %)
Co는 선택적 원소이다. Co는 철(페라이트 및 오스테나이트)에 용해되고 철을 강화하는 동시에 고온 강도를 부여한다. Co는 Ms 온도를 증가시킨다. 용체화 열처리(solution heat treatment) 동안, Co는 결정립 성장(grain growth)을 저지시키는 것을 도와, 더 높은 백분율의 탄화물들이 용해되어 개선된 2 차 경화 반응을 유발하는 것을 보장하는 더 높은 용융 온도들이 사용될 수 있다. 또한, Co는 탄화물들 및 탄질화물들의 응집을 지연시키며, 그리고 2 차 경화가 더 높은 온도들에서 발생하는 것을 유발하는 경향이 있다. Co는 마르텐사이트의 경도를 증가시키는데 기여한다. 최대량은 12 %이다. 상한은 10 %, 8 %, 7 %, 6 %, 5 %, 또는 그리고 4 %로 설정될 수 있다. 하한은 1 %, 2 %, 3 %, 4 %, 또는 5 %로 설정될 수 있다. 그러나, 스크랩 핸들링과 같은 실용적인 이유들로, Co의 의도적인 추가는 존재하지 않는다. 바람직한 최대 함량은 1 %이다.
인(≤ 0.05)
P는 고용강화(solid solution strengthening) 원소이다. 그러나, P는 결정립계들(grain boundaries)을 분리하는 경향이 있으며 응집 및 이에 의해 인성을 감소시킨다. P는 따라서 ≤0.05 %로 제한된다.
황(≤0.5 %)
S는 강의 절삭성을 개선하는데 기여한다. 더 높은 황 함량들에서, 적열 취성(red brittleness)의 우려가 존재한다. 게다가, 높은 황 함량은 강의 피로 특징들에 부정적인 영향을 가질 수 있다. 따라서, 강은, ≤ 0.5 %, 바람직하게는 ≤ 0.03 %를 포함할 것이다.
Be,
Bi
, Se, Ca,
Mg , O
및 REM(희토류 금속들)
이들 원소들은 청구된 강의 절삭성, 열간 가공성(hot workability) 및/또는 용접성을 더 개선하기 위해서 청구된 양들로 강에 첨가될 수 있다.
붕소(≤ 0.6 %)
상당량의 붕소가 경화상(MX)의 형성을 돕기 위해서 선택적으로 사용될 수 있다. B는 강의 경도를 증가시키기 위해서 사용될 수 있다. 그 다음에, 양은 0.01 %, 바람직하게는 ≤0.004 %로 제한된다.
Ti
,
Zr
, Al 및
Ta
이들 원소들은 탄화물 포머들이며, 경화상들의 조성물을 변경시키기 위해서 청구된 범위들로 합금에 제공될 수 있다. 그러나, 정상적으로, 이들 원소들 중 어느 것도 추가되지 않는다.
강 생산(Steel production)
청구된 화학적 조성물을 갖는 공구 강들은 종래의 가스 분무화(gas atomizing) 이후에 질화 처리(nitrogenation treatment)에 의해 생산될 수 있다. 질화는 분무 분말이 500 내지 600 ℃로 암모니아계 가스 혼합물에 있게 됨으로써 실행될 수 있으며, 이에 의해 질소가 분말 내로 확산하고 바나듐과 반응하여 극미한 탄질화물들을 핵생성한다(nucleate). 보통, 강은 사용되기 이전에 경화 및 템퍼링되게 된다.
오스테나이트화처리(austenitizing)는 950 내지 1150 ℃, 통상적으로 1020 내지 1080 ℃ 범위의 오스테나이트화 온도(TA)에서 수행될 수 있다. 통상적인 처리는 30분 동안 1050 ℃에서의 오스테나이트화처리, 1 시간 동안 530 ℃에서 3 회의 가스 담금질(gas quenching) 및 템퍼링(tempering) 그 이후에 공냉(air cooling)을 포함한다. 이는, 60 내지 66 HRC의 경도를 야기한다.
도 1은 본 발명의 강의 미세조직을 도시하며, 강 기지에 작고 균일하게 분포된 MX(흑색 상)이 있다.
도 2는 비교 강인 VANCRON®40의 미세조직을 도시하며, 강 기지에 MX 입자들(흑색 상) 및 M6C-입자들(백색 상)이 있다.
도 2는 비교 강인 VANCRON®40의 미세조직을 도시하며, 강 기지에 MX 입자들(흑색 상) 및 M6C-입자들(백색 상)이 있다.
예시
이 예시에서, 본 발명에 따른 강은 공지된 강과 비교된다. 양자 모두의 강들은 분말 야금에 의해 생산되었다.
기본 강 조성물들이 용융되었으며 가스 분무화(gas atomization), 질화(nitrgogenation), 캡슐화(capsuling) 및 HIP화(HIPing)되었다.
이렇게 얻어진 강들은 (중량 %로) 하기 조성물들을 가졌다:
본 발명 강
VANCRON®40
C
1.3
1.2
N
1.8
1.8
Si
0.5
0.5
Mn
0.4
0.4
Cr
4.5
4.6
Mo
1.8
3.25
W
0.1
3.8
V
10.0
8.5
잔부 철 및 불순물들.
2 개의 강들의 미세조직이 검사되었으며, 본 발명의 강은, 도 1에 개시된 바와 같이 입자들이, MX(흑색 상)를 약 20 체적 % 포함하고 여기서 입자들이 크기가 작으며 기지 내에 균일하게 분포되는 것으로 발견되었다.
다른 한편으로, 비교 강은, 도 2에 도시된 바와 같이, MX를 약 15 체적 % 포함하고 M6C(백색 상)를 약 6 체적 % 포함하였다. 이 도면으로부터, M6C 탄화물들은 MX-입자들보다 더 크며, M6C 탄화물들의 입도분포(article size distribution)에서 소정의 분산이 존재하는 것이 자명하다.
강들은 30분 동안 1050 ℃에서 오스테나이트화되었으며, 1 시간 동안 550℃로 가스 담금질 및 템퍼링(3 × 1h)에 의해 경화되었으며, 그 이후에 공냉되었다. 이는 본 발명의 강에 대해 63 HRC의 경도를 그리고 비교 재료에 대해 62 HRC의 경로를 유발하였다. 오스테나이트화 온도(1050 ℃)에서의 기지의 평형 조성 및 1 차 MX 및 M6C의 양은 소프트웨어 버전 S-build-2532 및 데이터베이스 TCFE6를 사용하여 Thermo-Calc 시뮬레이션에서 계산되었다. 계산들은 본 발명의 강이 M6C 탄화물을 갖지 않으며, MX를 16.3 체적 % 포함하는 것을 나타내었다. 다른 한편으로, 비교 강은 M6C를 5.2 체적 % 그리고 MX를 14.3 체적 % 포함하는 것이 발견되었다.
2 개의 재료들이 스테인리스 강의 냉간 압연을 위한 롤들에서 사용되었으며, 이는 본 발명의 재료가 냉간 압연된 강의 개선된 표면 미세 인성(surface micro-roughness)을 야기하며, 이는 보다 균일한 미세조직 그리고 큰 M6C-탄화물들의 부재 덕분일 수 있음이 발견되었다.
산업상 이용가능성
본 발명의 냉간 가공 공구 강은 특히, 오스테나이트계 스테인리스 강의 블랭킹 및 포밍과 같은 매우 높은 마손 내성을 필요로 하는 적용들에서 유용하다. Mx-탄질화물들의 균일한 분배와 함께 이의 작은 크기는 또한 개선된 마손 내성을 유발하는 것으로 예상된다
Claims (10)
- 중량 %(wt. %)로,
C 0.5 - 2.1
N 1.3 - 3.5
Si 0.05 - 1.2
Mn 0.05 - 1.5
Cr 2.5 - 5.5
Mo 0.8 - 2.2
V 6 - 18
선택적으로,
P ≤ 0.05
S ≤ 0.5
W ≤ 1.0
Cu ≤ 3
Co ≤ 12
Ni ≤ 3
Nb ≤ 2
Ti ≤ 0.1
Zr ≤ 0.1
Ta ≤ 0.1
B ≤ 0.6
Be ≤ 0.2
Bi ≤ 0.2
Se ≤ 0.3
Ca 0.0003 - 0.009
Mg ≤ 0.01
REM ≤ 0.2
중 하나 또는 그 초과,
불순물들 이외에 잔부 Fe로 구성되는,
냉간 가공용 강. - 제 1 항에 있어서,
하기 요건들,
C 0.6 - 1.8
N 1.4 - 3.3
Si 0.2 - 1.1
Mn 0.1 - 1.1
Cr 2.8 - 5.2
Mo 1.25 - 2.15
W ≤ 0.5
V 7 - 16
P ≤ 0.03
S ≤ 0.03
Cu 0.02 - 2
Co ≤ 1
Ni ≤ 1
Nb ≤ 1
Ti ≤ 0.01
Zr ≤ 0.01
Ta ≤ 0.01
B ≤ 0.005
Be ≤ 0.02
Se ≤ 0.03
Mg ≤ 0.001
중 적어도 하나를 충족하는,
냉간 가공용 강. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
하기 요건들
C 0.8 - 1.6
N 1.6 - 3.2
Si 0.25 - 0.85
Mn 0.2 - 0.9
Cr 3.2 - 5.0
Mo 1.5 - 2.1
W ≤ 0.45
V 8 - 14
Co ≤ 1
Cu ≤ 0.5
Ni ≤ 0.3
Nb ≤ 0.5
중 적어도 하나를 충족하는,
냉간 가공용 강. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
하기 요건들
C 1.0 - 1.4
N 1.6 - 2.1
Si 0.3 - 0.8
Mn 0.2 - 0.6
Cr 4.2 - 4.8
Mo 1.6 - 2.0
W ≤ 0.40
V 8.5 - 11.0
중 적어도 하나를 충족하는,
냉간 가공용 강. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
하기 요건들
C 1.25 - 1.35
N 1.7 - 1.9
Si 0.35 - 0.65
Mn 0.3 - 0.5
Cr 4.35 - 4.65
Mo 1.65 - 1.95
W ≤ 0.30
V 9.75 - 10.25
중 적어도 하나를 충족하는,
냉간 가공용 강. - 제 4 항에 있어서,
C 1.0 - 1.4
N 1.6 - 2.1
Si 0.3 - 0.8
Mn 0.2 - 0.6
Cr 4.2 - 4.8
Mo 1.6 - 2.0
W ≤ 0.40
V 8.5 - 11.0
불순물들 이외에 잔부 Fe로 구성되는,
냉간 가공용 강. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강에 제공된 탄화물들 및 탄질화물들의 양은 체적 %로 하기 요건들,
MX 15 - 35
M6X ≤ 3
M7X3 ≤ 1
M23X6 ≤ 1
을 충족하며,
M은 V, Cr 및 Mo중 하나 또는 그 초과이며, X는 C 및/또는 N 그리고 선택적으로 B인,
냉간 가공용 강. - 제 7 항에 있어서,
하기 요건들
MX 15 - 30
M6X ≤ 1
M7X3 ≤ 0.2
M23X6 ≤ 0.2
을 충족하는,
냉간 가공용 강. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
탄화물들 및 탄질화물들의 양은 체적 %로 하기 요건들
MX 15 - 30
M6X ≤ 0.1
을 충족하며,
상기 미세조직은 M7X3 및 M23X6이 없으며, 바람직하게는 상기 미세조직은 M6X가 없는,
냉간 가공용 강. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 미세조직에서의 탄화물들 및 탄질화물들의 등가 원 직경(ECD: Equivalent Circle Diameter)은 1.5 ㎛ 미만, 바람직하게는 1.0 ㎛ 미만인,
냉간 가공용 강.
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