KR20170105138A - 열간 가공 공구 강 및 열간 가공 공구 강 제조를 위한 방법 - Google Patents

열간 가공 공구 강 및 열간 가공 공구 강 제조를 위한 방법 Download PDF

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KR20170105138A
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죄르겐 안데르손
헨릭 제스퍼슨
한스-올로프 안드렌
라스-에릭 스벤슨
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우데홀름스 악티에보라그
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Abstract

본 발명은, 중량 %로, C: 0.08 - 0.40, N: 0.015 - 0.30, C + N: 0.30 - 0.50, Cr: 1 - 4, Mo: 1.5 - 3, V: 0.8 - 1.3, Mn: 0.5 - 2, Si: 0.1 - 0.5, 선택적으로, Ni: 3 미만, Co: 5 이하, B: 0.01 미만, 및 Fe: 불순물을 제외한 잔부(balance)로 구성된, 저크롬 열간 가공(hot-work) 공구강 및 증가된 템퍼링 내성을 갖는 저크롬 열간 가공 공구강 제품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

열간 가공 공구 강 및 열간 가공 공구 강 제조를 위한 방법 {HOT-WORK TOOL STEEL AND A PROCESS FOR MAKING A HOT-WORK TOOL STEEL}
본 발명은 저크롬 열간 가공 공구 강 및 저크롬 열간 가공 공구 강 제품 제조를 위한 방법에 관한 것이다.
용어 "열간 가공 공구(hot-work tool)들"은 비교적 고온들에서 금속들의 가공(working) 또는 형성(forming)을 위한 다수의 상이한 유형의 공구들, 예컨대, 다이들, 인서트들 및 코어들, 인렛 부품들, 노즐들, 이젝터 요소들, 피스톤들, 압력 챔버들 등과 같은 다이 캐스팅용 공구들; 다이들, 다이 홀더들, 라이너들, 압력 패드들 및 스템들, 스핀들들 등과 같은 압출 툴링(extrusion tooling)용 공구들; 알루미늄, 마그네슘, 구리, 구리 합금들 및 강의 열간 프레싱용 공구들과 같은 열간 프레싱용 공구들; 사출(injection) 성형, 압축 성형 및 압출용 몰드들과 같은 플라스틱들용 몰드들; 이와 함께 고온들에서 작업시 사용을 위해 의도된 열간 전단, 쉬링크(shrink)-링들/칼라들 및 마모 부품들을 위한 공구들과 같은 다양한 다른 유형의 공구들에 적용된다. 저합금 열간 가공 공구 강은, 템퍼링 내성 및 열피로에 대한 요구들이 높은 적용분야들에서 작은 크기 공구 내지 중간 크기 공구들에서 사용된다. 템퍼링 내성은, 지속된 기간 동안 상승된 온도로 강의 경도를 유지하기 위한 열간 가공 공구 강의 능력이다. 열간 가공 공구 강들은 상승된 온도들로 지속된 노출 동안 강도 및 경도를 위해 개발되며, 일반적으로 상당량의 탄화물 형성 합금들을 사용한다.
다른 유형의 공구 강들은 고속도 공구 강(high speed steel)들이며, 이들은 강도 및 경도가 760℃ 이하 또는 초과하는 온도로 유지되어야만 하는 절삭 공구(cutting tool)들을 위해 사용된다. 텅스텐 및 크롬의 요구량, 예컨대, 18 중량 % 및 4 중량 %을 각각 감소시키기 위해서, 몰리브덴(5 - 10 중량 %)을 사용하는 변형예들이 개발되었다. 고속도 공구 강은 조성 및 가격에서 열간 가공 공구 강과 상이하며, 열간 가공 공구 강을 위한 대체물로서 사용될 수 없다.
본 발명의 일 목적은, 개선된 특성 프로파일, 특히 개선된 템퍼링 내성을 갖는 저크롬 열간 가공 공구 강을 제공하는 것이다.
본 발명의 강들은, 특히 이들의 제작을 위해 높은 경화능(hardenability)을 갖는 강 조성을 필요로 하지 않는 소형 공구들에 적합하다.
상기 목적은, 제 1 항에서 규정된 바와 같은 저크롬 열간 가공 공구 강, 즉,
중량 %로,
C: 0.08 - 0.40
*N: 0.015 - 0.30
C + N: 0.30 - 0.50
Cr: 1 - 4
Mo: 1.5 - 3
V: 0.8 - 1.3
Mn: 0.5 - 2
Si: 0.1 - 0.5,
선택적으로,
Ni: 3 미만
Co: 5 이하
B: 0.01 미만, 및
Fe: 불순물을 제외한 잔부(balance)로 구성된 강을 제공함으로써 얻어진다.
추가의 목적들은, 하나 또는 그 초과의 하기 조건들을 만족하는, 본 발명에 따른 저크롬 열간 가공 공구 강에 의해 얻어질 수 있다:
중량 %로,
C: 0.20 - 0.38, 바람직하게는, 0.30 - 0.35
N: 0.03 - 0.30, 바람직하게는, 0.03 - 0.10
C + N: 0.30 - 0.50, 바람직하게는, 0.36 - 0.44
Cr: 1 - 3, 바람직하게는, 1.2 - 2.6
Mo: 1.9 - 2.9, 바람직하게는, 2.2 - 2.8
V: 1.0 - 1.3, 바람직하게는, 1.15 - 1.25
Mn: 1 - 2, 바람직하게는, 1.1 - 1.9
Si: 0.1 - 0.5, 바람직하게는, 0.2 - 0.4
Ni: 1 미만, 바람직하게는, 0.25 미만
Co: 4 미만, 바람직하게는, 0.20 미만
B: 0.001 - 0.01, 바람직하게는, 0.001 - 0.005.
저크롬 열간 가공 공구 강의 바람직한 실시예들은, 하나 또는 그 초과의 하기 조건들을 만족할 수 있다:
중량 %로,
C: 0.25 내지 0.35, 바람직하게는, 0.27 - 0.34
N: 0.04 - 0.30, 바람직하게는, 0.04 - 0.10
C + N: 0.38 - 0.42
Cr: 1.3 - 2.5, 바람직하게는, 1.4 - 2.3.
저크롬 열간 가공 공구 강의 더 바람직한 실시예들은, 하나 또는 그 초과의 하기 조건들을 만족할 수 있다:
중량 %로,
N: 0.042 - 0.15, 바람직하게는, 0.045 - 0.12
C + N: 0.39 - 0.41
Cr: 1.3 - 2.3, 바람직하게는, 1.4 - 2.1
저크롬 열간 가공 공구 강의 더욱더 바람직한 실시예들은, 하나 또는 그 초과의 하기 조건들을 만족할 수 있다:
중량 %로,
C: 0.20 - 0.35, 바람직하게는, 0.30 - 0.34
N: 0.042 - 0.12, 바람직하게는, 0.045 - 0.12
C + N: 0.39 - 0.41
Cr: 1.4 - 1.9, 바람직하게는, 1.5 - 1.7
Mo/V: 1.8 - 2.3, 바람직하게는, 1.9 - 2.1
Cr/V: 2 미만, 바람직하게는, 1.8 미만
본 발명의 개념에 따르면, 저크롬 열간 가공 공구 강은 하기의 예시들에 따른 조성(중량 %임)을 가질 수 있다:
C: 0.20 - 0.40
N: 0.03 - 0.30
C + N: 0.30 - 0.50
Cr: 1.2 - 2.3
Mo: 1 - 3
V: 0.8 - 1.3
Mn: 1 - 2
Si: 0.1 - 0.4
Ni: 1 미만,
선택적으로,
Co: 3 내지 5
B: 0.001 - 0.01
Mo/V: 1.8 - 2.3
Cr/V: 2 미만
Fe: 불순물을 제외한 잔부(balance), 또는
C: 0.20 - 0.40
N: 0.03 - 0.30
C + N: 0.30 - 0.50
*Cr: 1.2 - 2.3
Mo: 1.5 - 3
V: 0.8 - 1.3
Mn: 1 - 2
Si: 0.1 - 0.4
Ni: 1 미만
선택적으로,
Co: 3 내지 5
B: 0.001 - 0.01
Mo/V: 1.8 - 2.3
Cr/V: 2 미만
Fe: 불순물을 제외한 잔부(balance), 또는
C: 0.20 - 0.40
N: 0.04 - 0.30
C + N: 0.30 - 0.50
Cr: 1.2 - 2.3
Mo: 1 - 3
V: 0.8 - 1.3
Mn: 1 - 2
Si: 0.1 - 0.4
Ni: 1 미만
Co < 0.2
선택적으로,
B: 0.001 - 0.01
Mo/V: 1.8 - 2.3
Cr/V: 2 미만
Fe: 불순물을 제외한 잔부(balance), 또는
C: 0.20 - 0.38
N: 0.04 - 0.30
C +N 0.36 - 0.44
Cr: 1.2 - 2.3
Mo: 1.9 - 2.9
V: 0.8 - 1.3
Mn: 1 - 2
Si: 0.1 - 0.4
Ni: 0.25 미만
Co: 0.20 미만
선택적으로,
B: 0.001 - 0.01
Mo/V: 1.8 - 2.3
Cr/V: 2 미만
Fe: 불순물을 제외한 잔부(balance), 또는
C: 0.30 - 0.34
N: 0.04 - 0.09
C + N: 0.37 - 0.43
*Cr: 1.4 - 1.9
Mo : 2.2 - 2.8
V: 1.0 - 1.3
Mn: 1 - 2
Si: 0.2 - 0.4
Ni: 0.25 미만
Co: 0.20 미만
선택적으로,
B: 0.001 - 0.005
Mo/V: 1.8 - 2.3
Cr/V: 2 미만
Fe: 불순물을 제외한 잔부(balance).
다른 목적은, 개선된 특성 프로파일, 특히 개선된 템퍼링 내성을 갖는 저크롬 열간 가공 공구 강 제품을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이 목적은, 제 11 항에서 규정된 바와 같은 방법, 즉
a) 청구항들 중 어느 한 항에서 규정된 바와 같은 저크롬 열간 가공 공구 강을 제공하는 단계,
*b) 상기 강 조성으로부터 강 제품을 포밍하는 단계,
c) 상기 b) 단계에서 얻어진 강 제품을 담금질(quenching)이 후속되는 대략 30분의 시간 동안 1200℃ 이하(at most)의 온도로 오스테나이트화하는 단계, 및
d) 500℃ 내지 700℃ 사이의 온도에서 대략 2 시간 동안 담금질된 강 제품을 적어도 2 회 템퍼링하는 단계를 포함하는, 방법에 의해 이루어질 수 있다.
이 방법의 바람직한 실시예들은, 종속항인 제 12 항 내지 제 15 항에서 설명되고 있다.
고크롬 함량, 즉 9 - 12 중량 %를 갖는 내크리프성 강(creep resistant steel)에서, 비교적 저온, 즉 1020 - 1050℃에서 곧바로(already) 바나듐 탄질화물들을 용해시키는 것이 가능하다. 그러나, 크롬 함량이 낮다면, 약 4 - 5 중량 % 미만이라면, 1차 바나듐 탄질화물들이 용탕(melt) 내에 형성될 것이며, 이들은 사실상 나중에(afterwards) 용해시키기 불가능하다.
본 발명의 강에서, 탄소 및 질소의 총량은 0.30 ≤ (C+N) ≤ 0.50, 바람직하게는, 0,36 ≤ (C+N) ≤ 0.44로 조절되어야 할 것이다. 명목상 함량은, 0.40 중량 % 정도이어야 할 것이다. 이와 동시에, 질소 함량은, 0.015 내지 0.30 N, 바람직하게는, 0.015 내지 0.15 N, 그리고 더 바람직하게는 0.015 - 0.10 N으로 조절되는 것이 유리하며, 탄소는 바람직하게는 적어도 0.20 중량 %로 조절될 수 있다. 바람직한 범위들은 생성물(product) 청구항들에서 설명된다.
질소 함량이 약 0.05 내지 0.10 중량 %에서 밸런스될 때, 바나듐 탄질화물들이 형성될 것이며, 이는 오스테나이트화 단계 중 부분적으로 용해될 것이며, 이후 나노미터 크기의 입자들로서 템퍼링 단계 중 석출될 것이다. 바나듐 탄질화물들의 열안정성은, 바나듐 탄화물들의 열안정성보다 더 양호하며, 그 결과, 저크롬 열간 가공 공구 강 제품의 템퍼링 내성이 훨씬 개선될 것이다. 게다가, 2 회 이상의 템퍼링에 의해, 템퍼링 곡선(템퍼링 온도에 따른 경도를 도시함)은 더 높은 2차 피크를 가질 것이다.
본 발명의 가장 바람직한 실시예에서, 질소 함량은, 바람직하게는, 0.05 중량 % 정도이다. 이러한 값은 보다 높은 값들보다 더 양호한 성능(performance)을 부여한다. 0.05 중량 % 정도의 질소 함량은, 더 높은 함량들에서 행해지는 담금질 중의 2차 경화에 대해 더 높은 포텐셜을 부여하며, 이로써 강에 높은 경도를 부여한다. 그러나, 0.10 중량 % 정도의 양은, 긍정적인 다소 더 높은 템퍼링 온도들로의 2차 경화 피크의 시프트를 부여하는 것으로 나타난다. 바람직한 범위들은 생성물 청구항들에서 설명된다. 또한, 실행된 시험들 및 모델링 연산들은, 증가된 오스테나이트화 온도가 증가된 질소 함량들과 관련하여 요구되는 것을 나타낸다.
크롬은 강들의 경화능 및 내부식성을 증진시킨다. 너무 낮은 함량들에서는, 내부식성에 악영향을 미칠 것이다. 따라서, 강에서의 최소 크롬 함량은, 1 중량 %로 설정된다. 최대 함량은, 크롬 풍부 탄화물들/탄질화물들, 예컨대 M23C6의 소망하지 않는 형성을 회피하기 위해서 4 중량 %로 설정된다. 크롬 함량은 바람직하게는, 3 중량 %를 초과하지 않을 것이며, 더욱 더 바람직하게는, 2.6 중량 %를 초과하지 않을 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 크롬 함량은 1.5 - 1.7 중량 %이다. 바람직한 범위들은 생성물 청구항들에서 설명된다. 저크롬 함량은 보다 열적으로 안정적인 바나듐 풍부 탄질화물을 위해서(in favor of) 미세조직 내의 크롬 탄화물들의 석출을 지연한다. 이로써, 재료에서의 회복이 느려지고, 탬퍼링 내성이 개선되게 된다.
강은, 충분한 석출 포텐셜, 그리고 이로써 적당한 템퍼링 내성 및 소망하는 고온 강도 특징들을 제공하기 위해서 적어도 0.8 중량 %의 양으로 바나듐을 포함할 것이다. 열처리후 기지 내에 큰 미용해 석출물들이 남아있을 우려 및 기지 내의 탄소 및 질소의 고갈(depletion)의 추가 우려를 증가시킬 수 있는 M(C,N) 석출물들의 과도한 형성을 회피하기 위해서, 바나듐의 상한은 1.3 중량 %이다. 바람직하게는, 바나듐은 1.0 내지 1.3 중량 %이다. 바람직한 범위들은 생성물 청구항들에서 설명된다.
비율(ration) Cr/V은, 소망하는 MC 상을 얻기 위해서, 바람직하게는, 2 미만, 더 바람직하게는 1.8 미만이어야 한다. 그 이유는 Cr이 MC 상에 대해 유해물(poison)로서 고려될 수 있기 때문이다.
규소는, 강에서, 0.1 - 0.5 중량 %, 바람직하게는, 0.2 - 0.4 중량 % 사이의 양으로 존재할 것이다. 규소의 함량을 낮게 유지함으로써, 준안정 M3C 탄화물들의 초기 석출을 얻는 것이 가능하다. 이들 탄화물들은, 소망하는 M(C,N) 입자들의 후속 석출을 위한 탄소 저장소로서 작용할 것이다. 또한, 결정립계들 및 격자 경계(lattice boundary)들에서의 소망하지 않는 크롬 풍부 M23C6 입자들의 석출이 회피된다. 바람직한 범위들은 생성물 청구항들에서 설명된다.
망간은 강에 적절한 경화능을 부여하기 위해서 존재하며, 특히 강에 크롬 및 몰리브덴의 비교적 낮은 함량이 부여된다. 강에서 망간의 함량은, 0.5 내지 2 중량 %, 바람직하게는, 1.0 내지 2.0 중량 %이다. 바람직한 범위들은 생성물 청구항들에서 설명된다.
몰리브덴은, 템퍼링 중 2 차 경화를 제공하고 경화능에 대한 기여를 부여하기 위해서, 강에서 1.5 내지 3 중량 %, 바람직하게는 2.2 - 2.8 중량 %의 양으로 존재할 것이다. 바람직한 범위들은 생성물 청구항들에서 설명된다. 몰리브덴의 일부는, 그 자체로 공지된 방식으로 텅스텐으로 치환될 수 있지만, 강은, 바람직하게는 임의의 의도적으로 추가된 양의 텅스텐을 포함하지 않을 것이며, 즉 이 원소의 존재와 관련된 소정의 단점들 때문에, 불순물 수준을 초과하는 양들로 텅스텐을 함유하지 않을 것이다.
*비율 Mo/V은, 2차 탄화물들의 소망하는 석출 시퀀스 및 석출 포텐셜을 얻기 위해서, 바람직하게는, 1.8 - 2.3, 더 바람직하게는, 1.9 - 2.1의 범위 내에 놓인다. Mo는 M2C를 안정화하며, Mo 및 V의 함량들을 1.8 - 2.3의 범위 내에 놓이도록 조정함으로써, 또한 몰리브덴 풍부 M2C가 형성될 수 있으며, 이 상은 바나듐 풍부 MC 상에 비해서 보다 높은 조대화 속도(coarsening rate)를 갖는 것으로 공지되어 있다.
니켈 및 코발트는, 강에서, 각각 3 중량 % 및 5 중량 % 이하의 양들로 포함될 수 있는 원소들이다. 코발트는 강의 일부 적용분야들을 위해 유리할 수 있는 고온들에서 경도를 증가시킬 수 있다. 코발트가 첨가된다면, 유효한 양은 약 4 중량 %이다. 니켈은 강의 내부식성, 경화능 및 인성(toughness)을 증가시킬 수 있다. 바람직한 범위들은 생성물 청구항들에서 설명된다.
원칙적으로는, 오스테나이트화는, 820℃의 연화 소둔 온도와 1200℃의 최대 오스테나이트화 온도 사이의 온도에서 실행될 수 있지만, 바람직하게는 강 제품의 오스테나이트화는, 1050 - 1150℃ 정도, 바람직하게는 1080 - 1150℃, 전형적으로 1100℃의 온도에서 실행된다. 인하우스 테스트(In-house test)들은, 보다 높은 오스테나이트화 온도들이 보다 높은 온도들로 템퍼링 경도를 시프트시키며, 즉 2차 경화 피크는 보다 높은 온도들로 시프트될 수 있으며, 이는 소망하는 경도는 보다 높은 템퍼링 개시 온도에서 도달될 것임을 의미한다. 이로써, 재료는 개선된 템퍼링 내성을 얻을 것이며, 공구들의 작업 온도는 상승될 것이다.
바람직하게는, 담금질된 강 제품의 템퍼링은, 500 내지 700℃, 바람직하게는550 내지 680℃의 온도에서 2 시간의 유지 시간(retention time)으로 2회 이상 실행된다. 강 조성의 가장 바람직한 실시예에서, 템퍼링은 600 내지 650℃, 바람직하게는, 625 내지 650℃의 온도에서 실행된다.
0.05 - 0.10 중량 % 범위 내의 질소 함량들은, 용탕을 형성하기 위해서 종래의 주조 방법들에 의해 질소를 포함시키고, 잉곳을 형성하도록 용탕을 주조하며, 열처리에 의해 잉곳을 균질화함으로써 얻어질 수 있다. 질소 첨가물들은 큰(large) 1차 바나듐 풍부 M(C,N) 석출물들을 발생시킬 것이며, 이는 이에 따라 재료에 불균일한 경도를 부여할 것이다. 그러나, 질소 함량이 저하되고 후속 단조(subsequent forging) 이전에 균질 열처리가 존재한다면, 큰 1차 탄질화물들이 발생하지 않을 것이다.
강의 변형예에서, 바람직한 실시예들에 대해 나타낸 것보다 더 높은 질소 함량들이 또한 가능할 것이다. 이러한 변형예에서, 질소는 0.30 중량 % 이하(up to)의 양일 수 있다. 더 높은 질소 함량들을 얻기 위해서, 종래의 주조 방법들은 불충분하다. 대신에, 질소는, 질소를 제외하고 본질적으로 소망하는 조성의 강 분말을 우선 제작하고, 이후 질소 함유 유체, 예를 들어, 질소 가스에 의해 고상의 이 분말을 질화하고, 그후 잉곳을 형성하기 위해서 1150℃ 정도의 온도 및 76 MPa 정도의 압력으로 분말을 등압식으로(isostatically) 열간 프레싱함으로써 포함될 수 있다. 분말 야금법(powder metallurgy)에 의해 공구 강을 제작함으로써, 큰 1차 탄화물 발생의 문제가 회피된다.
잉곳은, 바람직하게는 1270℃ 정도의 온도로 단조되고, 이후 820℃ 정도의 온도로 연화 소둔되며, 650℃의 온도로 시간당 10℃의 속도(rate)로 냉각 및 오스테나이트화를 위한 준비를 갖추도록 자유 공냉(free cooling in air)이 후속된다.
본 발명의 강은, 열간 가공(hot-work) 적용 분야들에서 제품의 장수명을 허용하는 훨씬 개선된 템퍼링 내성을 갖는다. 상기에서 이미 나타낸 바와 같이, 질소 함량은, 바람직하게는, 0.05 중량 % 정도이며, 크롬 함량은, 바람직하게는, 3 중량 % 미만, 즉 1.2 - 2.6 중량 % 또는 1.3 - 2.3 중량 %이다.
본 발명의 강 제품은, 바람직하게는, 또한 하기 요구사항들의 일부를 만족시킬 것이다:
- 양호한 템퍼링 내성,
- 양호한 고온 강도,
- 양호한 열전도도,
- 허용불가능하게 큰 열팽창계수를 갖지 않음.
이하, 본 발명은 바람직한 실시예들 및 첨부 도면들을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 질소를 함유하지 않는 예시적인 종래 기술의 저크롬 열간 가공 공구 강의 경도 대 템퍼링 온도를 도시하는 다이어그램이다.
도 2는 상이한 템퍼링 온도들에서 Cr: 15, Mo: 1, C: 0.6 및 Cr: 15, Mo: 1, C: 0.29, N: 0.35(중량 %의 함량)인 종래 기술의 강들의 경도를 도시하는 다이어그램이다.
도 3은 오스테나이트에서 M(C,N)의 안정성에 대한 저크롬 함량의 효과를 예시하는 다이어그램이다.
도 4는 온도에 따라 M6C, M(C,N) 및 bcc 기지(matrix)의 몰분율(mole fraction)을 도시하는 다이어그램이다(잔부 상: 오스테나이트 기지).
도 5는 온도에 따라 M(C,N) 상 및 준안정 M2C의 양을 도시하는 다이어그램이다(잔부 상: 페라이트).
도 6은 시험 합금들(N0.05, N0.10 및 N0.30)을 위한 경도 대 템퍼링 온도 곡선들을 도시하는 다이어그램이다.
도 7은 NO.05에서 작은 미용해(undissolved) M(C,N) 석출물들 및 구상 혼합된(globular mixed) 산화물-황화물 입자를 도시하는 후방 산란식(back-scattered) SEM 이미지이다.
도 8은 합금 NO.10에서 포머(former) 오스테나이트 결정립계들에서 미용해된 1차 M(C,N)을 드러내는 후방 산란식 SEM 이미지이다.
도 9는 연화 소둔된(soft annealed) NO.10에서 1차 입자들을 도시하는 후방 산락식 SEM 이미지이다.
도 10은 NO.30에서 미용해된 M(C,N) 입자들의 균일 분포를 드러내는 후방 산란식 SEM 이미지이다.
도 11은 N0.30에서 발견된 미용해된 M(C,N)의 일부 클러스터들을 드러내는 후방 산란식 SEM 이미지이다.
몰리브덴 및 바나듐 매체로 합금된 열간 가공 공구 강(hot-work tool steel)들은 열피로(thermal fatigue), 연화(softening) 및 고온 크리프(high-temperature creep)에 대해 양호한 내성을 갖는다. 이러한 종래 기술의 강의 예시적인 명목상의 화학적 조성은, 표 1(중량 %)에 제공된다.
Figure pat00001
상기 표 1에 기재된 각각의 수치는 소수점 셋째 자리에서 반올림된 것이다. 표 1은, 표 1의 강이 템퍼링 중 나노미터 크기의 바나듐 탄화물들의 석출(precipitation)에 대한 그의 고온 특징들을 갖는 것을 제안하고 있다. 이러한 MC 타입의 경질(hard) 탄화물들(2900 HV)은 재료의 2 차 경화(hardening)를 부여한다. 도 1은 예시적인 종래 기술의 공구 강을 위한 템퍼링 곡선(경도 대 템퍼링 온도)을 제공한다. 시료들은 1030℃에서 오스테나이트화되었으며, 이후 상이한 온도로 2 회 템퍼링되었다; 2 시간 + 2 시간의 템퍼링 시간 동안 200℃ 내지 700℃임. 알 수 있는 바와 같이, 500℃ 내지 650℃의 간격에서, 550℃에서 확연한(pronounced) 2 차 경화 피크가 존재한다. 또한, 후기 작업(later work)은, 625℃에서 템퍼링 중 예시적인 종래 기술의 공구 강에서 준안정 몰리브덴 풍부(rich) M2C의 상당한 석출이 존재하는 것을 보여주며, 이는 2 차 경화 효과에 기여한다.
지속된 기간 동안 상승된 온도에서 열간 가공 공구 강의 경도, 템퍼링 내성을 유지하기 위한 열간 가공 공구 강의 능력은, 보통은 템퍼링 개시 온도와 연결될 수 있으며; 재료가 템퍼링 개시 온도보다 훨씬 낮은 온도로 유지된다면, 재료는 연화될 수 없을 것이다. 템퍼링 개시 온도에 보다 근접하거나 이 온도를 초과하는 유지 온도들에서는, 연화가 보다 확연해질 것이다.
2 차 경화 피크가 보다 높은 온도들로 쉬프트될 수 있다면, 이는 소망하는 경도(예컨대, 44 내지 46 HRC)가 보다 높은 템퍼링 개시 온도에 도달될 수 있음을 의미할 것이다. 이에 따라, 재료는 개선된 템퍼링 내성을 가질 것이며, 공구들의 작업 온도는 상승될 것이다.
고크롬 강들에서의 초기 작업(earlier work)은, 질소가 강에 첨가될 때, 템퍼링 동안 보다 높은 경도를 획득할 수 있음을 제안한다. Cr: 15, Mo: 1, C: 0.6 및 Cr: 15, Mo: 1, C: 0.29, N: 0.35의 시료들은 1050℃에서 처리된 용체(solution)였으며, 수냉(water quenching) 및 액체 질소로의 냉각이 후속되고, 이후 이들 시료들은 2 시간 동안 상이한 온도들로 템퍼링되었다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 피크 경도는 질소를 첨가할 때 상당히 더 높아졌다. 마르텐사이트의 개시 경도는, 질소 함유 강보다 더 낮지만, 템퍼링 동안, 이 강은 질소를 함유하지 않는 강보다 더 높은 경도를 획득한다.
이에 대한 설명은, 질소가 오스테나이트 상(austenitic phase)에서 크롬의 증가된 용해도(solubility)에 기인하여 기지(matrix) 내에 크롬이 보다 균질하게 분포되게 한다는 것이다. 담금질(quenching) 이후, 마르텐사이트상은 오스테나이트로부터 균일하게 분포된 크롬을 물려받게 되었으며, 템퍼링 동안, 크롬 질화물들의 아주 미세하게 분포된 석출이 발생하며, 이에 따라 재료에 더 강한 경화 효과를 부여한다.
게다가, 탄소의 부분에 대한 질소의 치환(substitution)이 마르텐사이트 강 기지의 보다 높은 경도를 획득하기 위해서 사용된다. 질소 첨가는 초기에 대량의 잔류 오스테나이트(retained austenite)를 유발한다. 그러나, 이러한 오스테나이트는 이후, 냉간 가공에 의해 마르텐사이트로 변태(transformed)될 수 있으며, 이는 이러한 방식으로 68 HRC만큼 높은 경도를 획득할 수 있게 한다.
저크롬 함량은, 템퍼링 내성에 긍정적인 효과를 가질 수 있는 것으로 나타난다. 1.5 질량% 및 5.0 질량%의 크롬을 갖는 2 개의 상이한 열간 가공 공구 강들의 비교는, 크롬 함량이 낮을수록 보다 열적으로 안정적인 바나듐 풍부 MC를 위하여 미세조직(microstructure) 내의 크롬 탄화물들의 석출을 지연시키는 것으로 도시된다. 이에 따라, 재료 내에서 회복(recovery)이 느려지고, 템퍼링 내성이 개선되게 된다.
그러나, 0.06 중량 %의 N를 함유하는 9 중량 % 내지 12 중량 %의 크롬강의 전형적인 크리프 내성에 대한 연구들은, 저크롬 함량들이 MX(X는 C + N임) 입자들을 극적으로 안정화시키는 것으로 나타내고 있다(도 3 참조). 오스테나이트화가 1100℃에서 실행되었다면, 이후 M(C,N) 입자들 모두는 10 중량 % 크롬을 함유하는 강 내에 용해될 수 있을 것이다. 크롬 함량이 2.5 중량 % (참조: 도 1의 예시적 저크롬 공구 강)로 낮아졌다면, 이후, 다량의 M(C,N)이 여전히 오스테나이트로 존재할 것이다. 명확하게는, 저크롬 함량의 결과는, 단지 소량의 개재물(interstitial)들이 오스테나이트화 처리 중에 오스테나이트 내로 용해될 것이라는 점이다.
본 발명에 따르면, 증가된 템퍼링 내성을 갖는 저크롬 열간 가공 공구 강 제품은 하기 방법 단계들을 실행함으로써 만들어진다:
a) 저크롬 열간 가공 공구 강 용탕(melt) 조성에 질소를 포함시켜 이에 의해 전술한 항들 중 어느 한 항에서 규정된 바와 같은 강 조성을 제공하는 단계,
b) 상기 강 조성으로부터 강 제품을 포밍하는 단계,
c) 상기 b) 단계에서 얻어진 강 제품을 담금질(quenching)이 후속되는 대략 30분의 시간 동안 1200℃ 이하(at most)의 온도로 오스테나이트화하는 단계, 및
d) 500℃ 내지 700℃ 사이의 온도에서 대략 2 시간의 시간 동안 적어도 2 회 담금질된 강 제품을 템퍼링하는 단계.
본 기술 분야에서의 종래의 이해를 고려하면, 이러한 결과들은, 크롬 함량의 저하는 감소된 경화능(hardenability) 및 1차 M(C,N) 입자들을 용해하기 위한 어려움들을 유발할 것이라는 점이 우세한 교시이기 때문에, 놀라운 일이다.
고크롬 함량, 즉 9 ~ 12 중량 %를 갖는 내크리프성 강(creep resistant steel)에 있어서, 비교적 저온들, 즉 1020 - 1050℃에서 곧바로(already) 바나듐 탄질화물(carbo-nitride)들을 용해시킬 수 있다. 그러나, 크롬 함량이 낮다면, 약 4 - 5 중량 % 미만이라면, 1차 바나듐 탄질화물들이 용탕 내에 형성될 것이며, 이들은 사실상 나중에(afterwards) 용해시키기 불가능하다.
본 발명자들은, 질소 함량이 저크롬 강에서 약 0.015 내지 0.30 중량 %에서 밸런스될 때, 바나듐 탄질화물들이 형성될 것이며, 이는 오스테나이트화 단계 중 부분적으로 용해될 것이며, 이후 나노미터 크기의 입자들로서 템퍼링 단계 중 석출될 것이라는 점을 발견하였다. 입자들은 약 1 ㎛ 내지 약 10 ㎛ 정도이다. 질소 함량이 낮은, 통상적으로 0.05 중량 %인 일부 경우들에 있어서, 입자들의 평균 크기는, 1 ㎛ 미만이다. 바나듐 탄질화물들의 열안정성은, 바나듐 탄화물들의 열안정성보다 더 양호하며, 그 결과, 저크롬 열간 가공 공구 강 제품의 템퍼링 내성이 훨씬 개선될 것이다. 게다가, 2 회 이상의 템퍼링에 의해, 템퍼링 곡선(템퍼링 온도에 따른 경도를 도시함) 은 더 높은 2차 피크를 가질 것이다.
강의 바람직한 실시예에서, 질소 함량은, 바람직하게는, 0.05 중량 % 정도이다. 이러한 값은 보다 높은 값들보다 더 양호한 성능(performance)을 부여한다. 0.05 중량 % 정도의 질소 함량은, 더 높은 함량들에서 행해지는 담금질 중의 2차 경화에 대해 더 높은 포텐셜을 부여한다.
바람직한 실시예에서, 크롬 함량은, 바람직하게는 1.5 - 1.7 중량 %이다. 저크롬 함량은 보다 열적으로 안정적인 바나듐 풍부 탄질화물을 위해서 미세조직 내의 크롬 탄화물들의 석출을 지연한다. 이로써, 재료에서의 회복이 느려지고, 템퍼링 내성이 개선되게 된다.
원칙적으로는, 오스테나이트화는, 820℃의 연화 소둔 온도와 1200℃의 최대 오스테나이트화 온도 사이의 온도에서 실행될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 즉 0.05 중량 % 정도의 질소 함량 및 1.5 내지 1.7 중량 % 정도의 크롬 함량을 갖는 조성에서 바람직하게는, 강 제품의 오스테나이트화는, 1050 - 1150℃ 정도, 바람직하게는 1100℃의 온도에서 실행된다. 인하우스 테스트(In-house test)들은, 보다 높은 오스테나이트화 온도들이 보다 높은 온도들로 템퍼링 경도를 시프트시키며, 즉 2차 경화 피크는 보다 높은 온도들로 시프트될 수 있으며, 이는 소망하는 경도는 보다 높은 템퍼링 개시 온도에서 도달될 것임을 의미한다. 이로써, 재료는 개선된 템퍼링 내성을 얻을 것이며, 공구들의 작업 온도는 상승될 것이다.
바람직하게는, 담금질된 강 제품의 템퍼링은, 500 내지 700℃, 바람직하게는550 내지 680℃의 온도에서 2 시간의 유지 시간(retention time)으로 2회 이상 실행된다. 강 조성의 가장 바람직한 실시예에서, 템퍼링은 600 내지 650℃, 바람직하게는, 625 내지 650℃의 온도에서 실행된다.
0.05 - 0.10 중량 % 내의 질소 함량들은, 용탕을 형성하기 위해서 종래의 주조 방법들에 의해 질소를 포함시키고, 잉곳을 형성하도록 용탕을 주조하며, 열처리에 의해 잉곳을 균질화함으로써 얻어질 수 있다. 질소 첨가물들은 큰(large) 1차 바나듐 풍부 M(C,N) 석출물들을 발생시킬 것이며, 이는 이에 따라 재료에 불균일한 경도를 부여할 것이다. 그러나, 질소 함량이 저하되고 후속 단조(subsequent forging) 이전에 균질 열처리가 존재한다면, 큰 1차 탄질화물들이 발생하지 않을 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 질소 함량은 바람직하게는, 0.05 중량 % 정도이다. 이 값은 더 높은 값들보다 더 양호한 성능을 부여한다. 0.05 중량 % 정도의 질소 함량은 더 높은 함량들에서 행해지는 것보다 담금질 중 2차 경화를 위해 보다 높은 포텐셜을 부여하며, 이에 의해 강에 높은 경도를 부여한다. 그러나, 0.10 중량 % 정도의 양은, 긍정적인(positive) 다소 보다 높은 템퍼링 온도들에 대해 2차 경화 피크의 시프트를 부여하는 것으로 도시되어 있다. 추가로, 실행된 시험들 및 모델링 연산(modelling calculation)들은 증가된 오스테나이트화 온도가 증가된 질소 함량들과 관련하여 요구된다는 점을 나타낸다.
강의 변형예에서, 나타낸 것보다 더 높은 질소 함량들을 갖는 바람직한 실시예가 또한 가능할 것이다. 이러한 변형예에서, 질소는 0.30 중량 % 이하(up to)를 함유할 수 있다. 더 높은 질소 함량들을 얻기 위해서, 종래의 주조 방법들은 불충분하다. 대신에, 이후 질소가 포함되며, 바람직하게는 질소를 제외하고 본질적으로 소망하는 조성의 강 분말을 우선 제작하고, 이후 질소 가스에 의해 고상의 이 분말을 질화하고, 그후 잉곳을 형성하기 위해서 1150℃ 정도의 온도 및 76 MPa 정도의 압력으로 분말을 등압식으로(isostatically) 열간 프레싱함으로써 포함된다. 분말 야금법(powder metallurgy)에 의해 공구 강을 제작함으로써, 1차 탄화물 발생의 문제가 회피된다.
잉곳은, 바람직하게는 1270℃ 정도의 온도로 단조되고, 이후 820℃ 정도의 온도로 연화 소둔되며, 650℃의 온도로 시간당 10℃의 속도(rate)로 냉각 및 오스테나이트화를 위한 준비를 갖추도록 자유 공냉(free cooling in air)이 후속된다.
실시예 1
하기 표 2에서, 3 개의 상이한 합금(NO.05, NO.10 및 NO.30)의 화학적 조성들이 중량 %로 제공된다. NO.05는 0.05 중량 % 등의 질소 함량을 갖는 재료를 나타낸다. 이들이 시험 잉곳들의 실제 조성들임에 주목한다.
탄소 및 질소를 제외한 모든 합금 원소들의 수준을 일정하게 유지하는 것이 목적이었다. 표 1의 표준 저크롬 열간 가공 공구 강과 비교하면, 또한 크롬이 약간 감소되었다. 몰리브덴 함량은 약간 감소되었으며 망간 함량은 증가되었다. 탄소 및 질소에 대해서, 이들 원소들을 대략 0.40 중량 %의 일정한 합(sum)을 갖도록 하는 것이 목적이었으며, 이는 비교적 양호하게 성취되었다.
Figure pat00002
상기 표 2에 기재된 각각의 수치는 소수점 셋째 자리에서 반올림된 것이다. 템퍼링 단계(stage)는, 주로 준안정상(meta-stable phase)들을 고려하며, 이전의 전자 현미경 작업은, 이들 준안정상들이 템퍼링 온도 간격들, 즉 400 내지 700℃로 표준 저크롬 열간 가공 공구 강 내에 존재하는 것을 보여준다. 이러한 탄화물상들은, 주로 바나듐 풍부 MC(FCC) 및 몰리브덴 풍부 M2C(HCP)이다. 또한, 어느 정도(some amount)의 크롬 풍부 M7C3 이 표준 저크롬 열간 가공 공구 강 내에서 발견되고 있다.
하기 연산들은, 이러한 질소 함유 합금들이 경화(harden) 가능한지의 여부, 즉 충분한 합금 원소들이 오스테나이트화 온도에서 오스테나이트 기지 내로 용해될 수 있어 마르텐사이트가 담금질 중 형성될 수 있는지의 여부를 결정하기 위해서 만들어졌다. 이로써, 관심 온도 간격은, 연화 소둔 온도인 820℃와 설정된 실제로 사용가능한 최대 오스테나이트화 온도인 1200℃ 사이였다.
이들 평형 연산(equilibrium calculation)들의 결과들은, 도 4에 제공된다. 여기서, M6C, M(C,N) 및 bcc 기지의 몰 분율(mole fraction)은 온도에 따라 도시된다. 잔부 상(balance phase)은 오스테나이트이다. 완전(full) 곡선들은 NO.05를 대표하며; 대시 곡선들은 NO.10을 대표하고, 점선 곡선들은 NO.30을 대표한다. NO.30 합금에서의 M(C,N)의 높은 함량은, 1200℃까지 균일함에 주목한다. 예상되는 바와 같이, bcc 상은 850℃ 초과시 불안정하다. M(C,N)의 양을 대표하는 평형 곡선의 기울기는 질소 함량이 증가함에 따라 감소된다는 점을 보여주는 것이 흥미롭다. 이는, NO.05에 비해서 NO.30에서 M(C,N)을 용해시키기가 더 어렵다는 것을 의미한다. 이로써, 탄소, 질소 및 바나듐의 양은 N0.05 기지에서 보다 1100℃에서 오스테나이트화후의 NO.30 기지에서 저하될 것으로 예상된다.
몰리브덴 풍부 M6C 상이 단지 탄소 탄소를 용해시키고 질소를 용해시키지 않기 때문에, NO.10 및 NO.30에서 탄소 함량이 보다 낮아지게 되며, 이로써, 탄소 함량이 감소함에 따라 M6C의 양이 감소한다. 또한, 모든 M6C가 사용된 오스테나이트화 온도에서 용해된다는 점에 주목해야 한다.
템퍼링 온도 구역(region)에서 실행된 연산들은, 단지 NO.05, NO.10 및 NO.30에서 2차 석출을 위한 포텐셜을 추정하기 위해서 실행되었다. 발견된 평형(equilibria)은 충분히 긴 시간 이후에 재료에 어떠한 상들이 존재하는 지를 가장 잘 나타낼 수 있다. 이전 작업은, 실제로, 표준 저크롬 열간 가공 공구 강에서 일부 오토-템퍼링이 존재함을 나타내고 있다. 이는 M3C(세멘타이트)가 오스테나이트화 프로세스 이후에 석출될 것임을 의미한다.
템퍼링 온도 구역에서의 연산들로부터의 결과들은 도 5에 제공된다. 완전 곡선들은 NO.05를 대표하고, 대시 선 곡선들은 NO.10을 대표하고 그리고 점선 곡선들은 NO.30을 대표한다. 2차 경화는, 보통은, 500℃ 내지 650℃ 사이에서 발생하며, 이 온도 간격에서, M(C,N)의 양과 관련하여 NO.05와 NO.10 사이에는 큰 차이가 존재하지 않으며, 다른 한편으로, NO.30은, 아마도 높은 바나듐 및 질소 함량들에 기인하여, 높고 거의 일정한 양의 M(C,N)을 갖는다.
NO.05에서 탄소 함량이 더 높을수록 NO.10에 비해 기지와 평형한(in equilibrium with) M2C 상을 더 발생시킨다. NO.30 에서는 M2C가 훨씬 적게 존재한다.
*이전의 연산들에 기초하여, 소정 온도에서의 오스테나이트화 이후에 이들 합금들에서의 2차 석출을 위한 포텐셜을 추정하는 것이 가능해야 한다. 이 포텐셜은, 오스테나이트화 온도에서의 평형과 템퍼링 온도에서의 준안정 평형 사이에서 M(C,N) 상과 M2C 상의 양의 차이에 의존한다. 표 3에서, 이러한 차이들은 3 개의 상이한 합금들을 위한 2차 석출 포텐셜로서 제공된다. 이 값들은 몰 퍼센트(mole percent)로 부여된다.
Figure pat00003
상기 표 3에 기재된 각각의 수치는 소수점 셋째 자리에서 반올림된 것이다. 표 3에 제공된 결과들은, NO.05가 1100℃에서 존재하는 낮은 양의 M(C,N)상에 기인하여 최적의 경화 응답(best hardening response)을 갖는 것, 즉 많은 합금 원소들이 오스테나이트 기지 내로 용해될 수 있음을 나타낸다. 또한, NO.05는 625℃에서 템퍼링 중 양호한 2차 경화를 위한 최적의 포텐셜을 가짐을 나타낸다.
실시예 2
2 개의 합금(NO.05 및 NO.10)들이 50 kg의 작은 잉곳들로서 종래 방식으로 주조되었다. NO.10은 제 1 시험이었으며, 단조 프로세스 이전에 이 잉곳 상에서 행해진 균질 처리는 존재하지 않았다. 2차 시험, NO.05에는, 단조 이전에 15 시간 동안 1300℃에서 균질 처리가 적용되었다. 제 3 합금, NO.30은 종래의 주조에 의해 제작되기에는 너무 높은 질소 함량을 가졌다. 따라서, 이러한 합금은 분말 야금법을 사용하여 제조되었다. 먼저, 강 분말이 제작되었으며, 이후 이 분말은 가압된(pressurized) N2 가스에 의해 고상(solid state)으로 질화되었다. 이후, 분말은 76 MPa의 압력으로 1150℃에서 열간 등압 프레싱(hot isostatically pressed, HIP)되었다.
3 개의 모든 잉곳들은 1270℃에서 단조되었으며, 이후 시료들은 15×15×8 mm의 치수들에 의해 컷아웃되었다. 샘플들은 먼저 820℃에서 연화 소둔되었으며, 소둔 이후에 냉각을 위한 시퀀스는 650℃에서 시간당 10℃이며, 이후 자유 공냉된다. 연화 소둔 이후에, NO.05는 30분 동안 1100℃에서 오스테나이트화되었다. 석출을 위한 보다 저급한(poorer) 포텐셜을 보상하기 위해서, NO.10은 30분 동안 1150℃에서 오스테나이트화되었으며, NO.30은 30분 동안 1200℃에서 오스테나이트화되었다. 3 개의 합금들 중 각각으로부터 9 개의 시료들이 하기 온도들에서 템퍼링되었다: 450℃, 525℃, 550℃, 575℃, 600℃, 625℃, 650℃, 675℃ 및 700℃. 가열유지(soaking) 시간은 2 시간이었으며, 이는 이중 템퍼링(double tempering)이었으며, 즉 총 템퍼링 시간은 4 시간이었다. 열처리 후에, 시료들의 경도가 측정되었다. 주사 전사 현미경(SEM)이 시료들 내의 미용해 입자들의 모폴로지, 분포 및 크기를 추가로 조사하기 위해 실행되었다. 사용된 SEM 도구는 FEI Quanta 600 F였다.
경도 측정(Hardness measurement)들
경도 측정들로부터의 결과들이 도 6에 제공된다. 알 수 있는 바와 같이, 3 개 합금들 모두 500℃ 내지 650℃의 온도 간격에서 2차 경화 피크를 갖는다. 모든 템퍼링은 2 시간 + 2 시간 동안 행해졌다. NO.05는 담금질 방치(as-quenched) 조건(53FIRC)에서 가장 높은 경도를 갖지만, NO.10 및 NO.30은 다소 더 낮은 경도를 가졌다. 그러나, 3 개 합금들 모두는 경화 가능한 것으로 간주된다. NO.05의 경화 곡선은 도 1에 도시된 바와 같이 대략 54 HRC에서 최대인 표준 저크롬 열간 가공 공구 강의 곡선과 매우 유사하다.
NO.10의 2차 경화 피크는, 600℃에서 피크 경도를 갖는 보다 높은 온도로 다소 시프트될 것이다. NO.05 및 NO.30 양자에 대한 피크 경도는 550℃에서였다.
주사 전자 현미경(Scanning electron microscopy)
*종래 기술로 주조된 NO.05에서의 미용해 M(C,N) 입자들, 가장 낮은 질소 함량을 갖는 합금은, 1 ㎛ 보다 작은 평균 크기를 갖는다. 이는, 강 내에서 보통의(ordinary) 미용해 탄화물들에 필적한다. NO.05에서 쉽게 발견되는 다른 상은, 산화 알루미늄(aluminium-oxide) 및 황화 망간(manganese-sulphide)의 혼합물(도 7 참조)이며, 도 7은 NO.05에서 구상 혼합된 산화물- 황화물 입자(1) 및 작은 미용해 M(C,N) 석출물(2)들을 도시하는 SEM 이미지(후방 산란식)이다. 시료는 30 분 동안 1100℃에서 오스테나이트화되었으며, 2 시간 + 2 시간 동안 625℃에서 템퍼링되었다.
NO.05(및 NO.10)에서 비금속 개재물(inclusion)들이 많은 이유는, 모든 시험 잉곳들이 개방 대기(open atmosphere) 중에서 제작 및 주조되었기 때문이다.
NO.10에서 M(C,N) 입자들의 가장 보편적인 크기는, 30 분 동안 1150℃에서 오스테나이트화되고 2 시간 + 2 시간 동안 625℃에서 템퍼링된 후에 5 ㎛ 내지 10 ㎛의 원 상당 직경(Equivalent Circle Diameter, ECD)이다. 더 큰 1차 탄화물(3)들(용탕(melt)에서 석출됨)이 포머 오스테나이트 결정립계들에서 빈번하게 발견되고 있으며(도 8 참조), 도 8은 합금 NO.10에서 포머 오스테나이트 결정립계에서 미용해, 1차 M(C,N)을 드러내는 후방 산란식 SEM 이미지이다. 시료는 30 분 동안 1150℃에서 오스테나이트화되며, 2 시간 + 2 시간 동안 625℃에서 템퍼링된다.
도 9는 NO.10에서 1차 M(C,N) 입자(4)들의 상세한 SEM 현미경 사진이다. 이들 입자들은 Oxford Instruments로부터의 INCA 피처 소프트웨어(Feature software)를 사용하여 SEM에서 자동으로 발견(discover)되었다. 입자들의 날카로운 에지들은 이들 입자들이 용탕으로부터 석출되었었음을 나타내었다. 이미지 내에서 백색 영역들은, 몰리브덴 풍부 M6C 입자(5)들이다. 이 경우, 시료는 연화소둔된 NO.10이었음에 주목한다.
분말 야금학적으로 제작된 NO.30에서, 미용해 M(C,N) 입자(6)들은, 1 내지 5 ㎛ 사이의 크기 분포(ECD)를 가졌으며, 가장 보편적인 크기는 2㎛이며, 이로써 심지어 질소 함량이 높을지라도, 입자들은 작았다. 입자들은 미세조직에 균질하게 분포되었다(도 10 참조). 그러나, 도 11에 도시된 바와 같이, M(C,N)의 일부 클러스터(7)들이 발견되었다.
3 개의 합금들 모두에서 M(C,N) 상의 미용해 입자들의 화학적 조성은, EDS에 의해 측정되었으며, 그 결과는 표 4에 제공되고, 이 표 4는 합금(NO.05, NO.10 및 NO.30)들에서의 M(C,N) 입자들의 화학적 조성을 나타낸다. 이 값들은 원자%(atomic percent)로 부여된다. 탄소 및 질소와 같은 경원소(light element)들에 관한 EDS 내의 정확성이 그렇게 높지 않을지라도, M(C,N) 상에서의 탄소 및 질소의 잔부(balance)가 명목상 조성들에 기초하여 예상될 수 있는 것임을 알 수 있을 것이다. 표에 부여된 ± 값들은 INCA 프로그램(Oxford instruments)에서 부여된 것들이다. 기록된 철의 일부는, 아마 주변(surrounding) 기지, 특히 합금 NO.05에 대해 유래한다.
Figure pat00004
[산업상 이용가능성]
본 발명의 방법 및 저크롬 열간 가공 공구 강들은, 연장된 시간 주기 동안 증가된 온도들에서 활용될 수 있는 열간 가공 공구 강들을 얻는 것이 요망되는 곳에 적용가능하다.

Claims (15)

  1. 중량 %로,
    C: 0.08 - 0.40
    N: 0.015 - 0.30
    C + N: 0.30 - 0.50
    Cr: 1 - 4
    Mo: 1.5 - 3
    V: 0.8 - 1.3
    Mn: 0.5 - 2
    Si: 0.1 - 0.5,
    선택적으로,
    Ni: 3 미만
    Co: 5 이하
    B: 0.01 미만, 및
    Fe: 불순물을 제외한 잔부(balance)로 구성된,
    저크롬 열간 가공 공구강.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하나 또는 그 초과의 하기 조건들을 만족하는, 저크롬 열간 가공 공구강:
    중량 %로,
    C: 0.20 - 0.38, 바람직하게는, 0.30 - 0.35
    N: 0.03 - 0.30, 바람직하게는, 0.03 - 0.10
    C + N: 0.30 - 0.50, 바람직하게는, 0.36 - 0.44
    Cr: 1 - 3, 바람직하게는, 1.2 - 2.6
    Mo: 1.9 - 2.9, 바람직하게는, 2.2 - 2.8
    V: 1.0 - 1.3, 바람직하게는, 1.15 - 1.25
    Mn: 1 - 2, 바람직하게는, 1.1 - 1.9
    Si: 0.1 - 0.5, 바람직하게는, 0.2 - 0.4
    Ni: 1 미만, 바람직하게는, 0.25 미만
    Co: 4 미만, 바람직하게는, 0.20 미만
    B: 0.001 - 0.01, 바람직하게는, 0.001 - 0.005.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    하나 또는 그 초과의 하기 조건들을 만족하는, 저크롬 열간 가공 공구강:
    중량 %로,
    C: 0.25 내지 0.35, 바람직하게는, 0.27 - 0.34
    N: 0.04 - 0.30, 바람직하게는, 0.04 - 0.10
    C + N: 0.38 - 0.42
    Cr: 1.3 - 2.5, 바람직하게는, 1.4 - 2.3.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 또는 그 초과의 하기 조건들을 만족하는, 저크롬 열간 가공 공구강:
    중량 %로,
    N: 0.042 - 0.15, 바람직하게는, 0.045 - 0.12
    C + N: 0.39 - 0.41
    Cr: 1.3 - 2.3, 바람직하게는, 1.4 - 2.1.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 또는 그 초과의 하기 조건들을 만족하는, 저크롬 열간 가공 공구강:
    중량 %로,
    C: 0.20 - 0.35, 바람직하게는, 0.30 - 0.34
    N: 0.042 - 0.12, 바람직하게는, 0.045 - 0.12
    C + N: 0.39 - 0.41
    Cr: 1.4 - 1.9, 바람직하게는, 1.5 - 1.7
    Mo/V: 1.8 - 2.3, 바람직하게는, 1.9 - 2.1
    Cr/V: 2 미만, 바람직하게는, 1.8 미만.
  6. 제 1 항에 있어서,
    중량 %로,
    C: 0.20 - 0.40
    N: 0.03 - 0.30
    C + N: 0.30 - 0.50
    Cr: 1.2 - 2.3
    Mo: 1 - 3
    V: 0.8 - 1.3
    Mn: 1 - 2
    Si: 0.1 - 0.4
    Ni: 1 미만,
    선택적으로,
    Co: 3 내지 5
    B: 0.001 - 0.01
    Mo/V: 1.8 - 2.3
    Cr/V: 2 미만
    Fe: 불순물을 제외한 잔부(balance)로 구성된,
    저크롬 열간 가공 공구강.
  7. 제 1 항에 있어서,
    중량 %로,
    C: 0.20 - 0.40
    N: 0.03 - 0.30
    C + N: 0.30 - 0.50
    Cr: 1.2 - 2.3
    Mo: 1.5 - 3
    V: 0.8 - 1.3
    Mn: 1 - 2
    Si: 0.1 - 0.4
    Ni: 1 미만,
    선택적으로,
    Co: 3 내지 5
    B: 0.001 - 0.01
    Mo/V: 1.8 - 2.3
    Cr/V: 2 미만
    Fe: 불순물을 제외한 잔부(balance)로 구성된,
    저크롬 열간 가공 공구강.
  8. 제 1 항에 있어서,
    중량 %로,
    C: 0.20 - 0.40
    N: 0.04 - 0.30
    C + N: 0.30 - 0.50
    Cr: 1.2 - 2.3
    Mo: 1 - 3
    V: 0.8 - 1.3
    Mn: 1 - 2
    Si: 0.1 - 0.4
    Ni: 1 미만
    Co: 0.2 미만,
    선택적으로,
    B: 0.001 - 0.01
    Mo/V: 1.8 - 2.3
    Cr/V: 2 미만
    Fe: 불순물을 제외한 잔부(balance)로 구성된,
    저크롬 열간 가공 공구강.
  9. 제 1 항에 있어서,
    중량 %로,
    C: 0.20 - 0.38
    N: 0.04 - 0.30
    C +N 0.36 - 0.44
    Cr: 1.2 - 2.3
    Mo: 1.9 - 2.9
    V: 0.8 - 1.3
    Mn: 1 - 2
    Si: 0.1 - 0.4
    Ni: 0.25 미만
    Co: 0.20 미만,
    선택적으로,
    B: 0.001 - 0.01
    Mo/V: 1.8 - 2.3
    Cr/V: 2 미만
    Fe: 불순물을 제외한 잔부(balance)로 구성된,
    저크롬 열간 가공 공구강.
  10. 제 1 항에 있어서,
    중량 %로,
    C: 0.30 - 0.34
    N: 0.04 - 0.09
    C + N: 0.37 - 0.43
    Cr: 1.4 - 1.9
    Mo : 2.2 - 2.8
    V: 1.0 - 1.3
    Mn: 1 - 2
    Si: 0.2 - 0.4
    Ni: 0.25 미만
    Co: 0.20 미만,
    선택적으로,
    B: 0.001 - 0.005
    Mo/V: 1.8 - 2.3
    Cr/V: 2 미만
    Fe: 불순물을 제외한 잔부(balance)로 구성된,
    저크롬 열간 가공 공구강.
  11. a) 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에서 규정된 바와 같은 강을 제공하는 단계,
    b) 상기 강으로부터 강 제품을 포밍하는 단계,
    c) 상기 b) 단계에서 얻어진 강 제품을 담금질(quenching)이 후속되는 대략 30분의 시간 동안 1200℃ 이하(at most)의 온도로 오스테나이트화하는 단계, 및
    d) 500℃ 내지 700℃의 온도에서 2 시간 동안 담금질된 강 제품을 적어도 2 회 템퍼링하는 단계를 포함하는,
    증가된 템퍼링 내성을 갖는 저크롬 열간 가공 공구강 제품을 제조하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    1050 - 1150℃, 바람직하게는, 1080 - 1150℃의 온도에서 강 제품의 오스테나이트화를 실행하는 단계를 포함하는,
    증가된 템퍼링 내성을 갖는 저크롬 열간 가공 공구강 제품을 제조하기 위한 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    550 - 680℃, 바람직하게는, 600 - 650℃ 및 더 바람직하게는 625 - 650℃의 온도에서 담금질된 강 제품의 템퍼링을 실행하는 단계를 포함하는,
    증가된 템퍼링 내성을 갖는 저크롬 열간 가공 공구강 제품을 제조하기 위한 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    질소를 제외하고 본질적으로 소망하는 조성의 강 분말을 우선 제작(manufacturing)하고, 이후 소망하는 조성을 제공하기 위해서 질소 가스에 의해 고상으로(solid state) 이 분말을 질화하고, 그 후에 잉곳을 형성하기 위해서 이 분말을 열간 프레싱(hot pressing)함으로써 질소를 포함시키는 단계를 더 포함하는,
    증가된 템퍼링 내성을 갖는 저크롬 열간 가공 공구강 제품을 제조하기 위한 방법.
  15. 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    오스테나이트화 단계 이전에, 잉곳의 균질화(homogenizing), 단조(forging) 및 연화 소둔(soft annealing) 단계들을 더 포함하는,
    증가된 템퍼링 내성을 갖는 저크롬 열간 가공 공구강 제품을 제조하기 위한 방법.
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