KR20180044663A

KR20180044663A - 공구강 제조용 물질

Info

Publication number: KR20180044663A
Application number: KR1020160138457A
Authority: KR
Inventors: 정진호; 배광현
Original assignee: (주)싸이언스텐
Priority date: 2016-10-24
Filing date: 2016-10-24
Publication date: 2018-05-03

Abstract

본 발명의 공구강의 제강 시에 첨가물질로 첨가되어, 공구강의 충격인성과 내마모성을 현저하게 향상시킬 수 있는 물질에 관한 것이다.
본 발명에 따른 물질은, Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu의 함량의 합이 0.06중량% 이상인 광물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

공구강 제조용 물질 {MATERIAL FOR MANUFACTURING TOOL STEEL}

본 발명의 공구강의 제강 시에 첨가물질로 첨가되어, 공구강의 충격인성과 내마모성을 현저하게 향상시킬 수 있는 물질에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 공구강 제조시 용탕에 첨가되어, 일반적으로 사용되고 있는 금형강에 비해 기계적 인장특성은 동등하면서, 내충격성과 내마모성을 현저하게 향상시킬 수 있는 물질에 관한 것이다.

공구강은 금속, 플라스틱 또는 목재 등을 원하는 형태로 가공 및 성형하는데 사용되는 강종으로 내마모성, 상온 및 고온경도, 내열성, 강도 및 인성 등이 용도에 맞게 갖추어져 있어야만 한다.

이와 같이 공구강은 금형용에 주로 사용되기 때문에, 금형의 수명을 연장시키기 위해서는 내마모성과 내충격성을 향상시키는 것이 필수적으로 요구된다.

이를 위해, 하기 특허문헌 1을 비롯한 다수의 선행문헌에는 공구강에 포함되는 Si, Mn, Cr, Mo, V와 같은 주요 합금원소의 조성을 제어함으로써, 내충격성을 향상시키는 방법이 개시되어 있다.

또한, 하기 특허문헌 2와 같이, 자연에서 산출되는 감람석을 주성분으로 하며 희토류 성분을 일정 이상 포함하는 광석을 공구강 제강용 첨가제로 사용함으로써, 공구강의 물성을 향상시키고자 하는 방법이 제안되기도 하였다.

그러나 특허문헌 1의 방법으로는 물성의 향상이 이루어지기는 하나 제한적이고, 첨가되는 원료가 고가여서 경제성이 낮은 문제점이 있다.

또한, 특허문헌 2와 같이, 자연적으로 산출되는 감람석을 주성분으로 하는 광석을 추가적인 가공 없이 그대로 사용하는 것은 정제된 합금원소를 첨가하는 것에 비해 매우 경제적이나, 감람석을 주성분으로 하는 원료의 경우 물성의 향상이 높지 않아 실 조업에 적용되는 단계에 이르지 못한 실정이다.

대한민국 공개특허공보 제2010-0135206호 대한민국 특허공보 제1980-0000589호

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 공구강의 제강시에 첨가될 경우, 제조된 공구강의 내충격성과 내마모성을 현저하게 향상시키면서 경제성도 우수한 공구강 제조용 물질을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Pd, Pt, Rh, Ru, Ir, Au의 함량의 합이 0.06중량% 이상인 광물로 이루어진, 공구강 제조용 물질을 제공한다.

본 발명에 따른 공구강 제조용 물질은 그 메커니즘은 명확하지 않으나, 상기 성분들의 함량의 합이 0.06중량% 이상인 광물을 공구강 제조 시 첨가제로 사용할 경우, 내충격성과 내마모성이 각각 50% 이상 현저하게 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 물질은 자연적으로 산출되는 광물을 그대로 첨가제로 사용하기 때문에 저렴하므로, 고품질의 공구강을 매우 경제적으로 제조할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공구강 제조용 물질을 사용하여 제조한 공구강의 미세조직 이미지이다.
도 2는 첨가제를 사용하지 않고 제조한 공구강의 미세조직 이미지이다.
도 3은 감람석을 주성분으로 하는 공구강 제조용 물질을 사용하여 제조한 공구강의 미세조직 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공구강 제조용 물질을 사용하여 제조한 공구강의 탄화물 분포 이미지이다.
도 5는 첨가제를 사용하지 않고 제조한 공구강의 탄화물 분포 이미지이다.
도 6은 감람석을 주성분으로 하는 공구강 제조용 물질을 사용하여 제조한 공구강의 탄화물 분포 이미지이다.

본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 의미이다. 그리고 포함한다의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소 및/또는 성분을 구체화하며 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작. 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미이다. 또한, 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술 문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 갖는 것으로 추가 해석되고 정의되지 않는 한, 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지는 않는다.

본 발명자들은 국내 일부 지역에서 산출되는 광물이 합금 공구강과 같은 특수강의 제조 시 첨가제로 사용될 경우, 공구강의 다른 물성에 영향을 미치지 않으면서 작용 기구(메커니즘)는 명확하지 않으나 공구강의 내충격성과 내마모성을 획기적으로 향상시킬 수 있음을 확인하고 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명에 따른 물질은, Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu의 함량의 합이 0.06중량% 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 성분의 함량의 합이 0.06중량% 미만일 경우, 내충격성 및 내마모성의 향상이 충분하지 않고, 바람직하게는 상기 성분의 함량의 합이 0.08중량% 이상이고, 가장 바람직하게는 상기 성분의 함량의 합이 0.09중량% 이상인 것이다.

또한, 상기 광물은 Si 산화물, Al 산화물, Mg 산화물, Ca 산화물 및 Fe 산화물을 포함할 수 있다.

또한, 상기 광물은 공구강 제조 시, 5~20중량% 포함될 수 있는데, 5중량% 미만으로 첨가될 경우, 내마모성과 내충격성의 향상이 충분하지 않고, 20중량% 첨가될 경우, 슬래그의 양이 지나치게 많아질 뿐 아니라, 공구강에 요구되는 기본 물성에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.

또한, 상기 공구강은 예를 들어 냉간 합금 공구강의 하나인 STD 11강에 적합하게 사용될 수 있다.

[실시예]

본 발명의 실시예에서는, 국내에서 산출되는 광석 중에서 희토류 원소의 함량이 다량 포함된 광석을 합금 공구강 첨가용 물질로 사용하였다.

아래 표 1은 상기 광석의 희토류 성분을 분석한 결과를 나타낸 것이다.

성분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO
함량(wt%)	75.0	10.2	3.8	2.0
성분	MgO	K₂O	Na₂O	TiO₂
함량(wt%)	0.3	4.6	2.8	0.2
성분	희토류 원소	-	-	-
(wt%)	0.093	-	-	-

위 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 사용된 광물은 SiO₂를 주성분으로 하며, 이트륨(Y), 란탄(La) 및 세륨(Ce) 등의 희토류 원소의 총 함유량이 0.093중량%로 일반적인 광석에 비해 상대적으로 많이 포함되어 있음을 알 수 있다.

이러한 기능성 광물을 아래 표 2에 나타난 바와 같은 KS 규격 STD 11 공구강의 제강에 사용하였으며, STD 11 공구강용으로 제강 성분은 아래 표 2에 기초하여 준비하였다.

성분	함량 (wt%)
성분	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	V	Fe
STD 11	1.40~ 1.60	0.40 이하	0.60 이하	0.0300 이하	0.0300 이하	0.500	11.0~13.0	0.80~1.20	0.20~0.50	bal.

상기와 같은 조성이 되도록 용탕을 30kg 준비한 후, 본 발명의 실시예에 따른 광물을 용탕의 10중량%가 되도록 첨가하여 용해한 후, 캐스팅 몰드를 사용하여 주괴를 얻었다.

이와 같이 얻어진 주괴의 미세조직을 균질화하기 위하여, 1100~1500℃ 범위에서 약 1~30시간 동안 균질화 열처리를 수행하였다.

균질화 열처리 후에는 단면이 40mm×40mm인 사각봉 형태로 단조공정을 수행하고, 통상적으로 STD 11강에 적용되는 구상화 열처리를 수행하였다. 구상화 열처리는 800~900℃에서 2~10시간 유지한 후 서서히 냉각하는 방법을 사용하였다.

아래 표 3은 본 발명의 실시예에서 사용된 광물에 포함된 희토류 원소의 함량을 분석한 결과이다.

성분	조성 (wt%)
성분	Y	Sc	La	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	합계
실시예	0.016	-	0.014	0.042	0.001	0.010	-	0.002	-	0.093
	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu	-
	0.002	0.001	0.002	0.001	0.001	-	0.001	-	-

위 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광석은 희토류 원소의 함량의 총량이 0.093중량% 정도로 상당히 많이 포함되어 있음을 알 수 있다.

[비교예 1]

본 발명의 실시예에 따라 제조된 공구강과의 비교를 위하여, 실시예에서 사용된 STD 11 조성을 갖도록 용탕을 30kg 제조한 후, 상기와 같은 기능성 광물의 첨가 없이, 실시예와 동일하게 주조, 균질화 열처리, 단조 및 구상화 어닐링 처리를 수행한 후, 물성을 평가하기 위한 시편을 제조하였다.

[비교예 2]

본 발명의 실시예에 따라 제조된 공구강과의 비교를 위하여, 실시예에서 사용된 STD 11 조성을 갖도록 용탕을 30kg 제조한 후, 아래 표 4와 같이 합금 공구강에 첨가시 효과가 있다고 알려진 감람석을 주성분으로 하는 광물을 첨가한 후, 실시예와 동일하게 주조, 균질화 열처리, 단조 및 구상화 어닐링 처리를 수행한 후, 물성을 평가하기 위한 시편을 제조하였다.

아래 표 4는 비교예 2에서 사용된 감람석을 주성분으로 하는 광석에 포함된 희토류 원소의 함량을 분석한 결과이다.

성분	조성 (wt%)
성분	Y	Sc	La	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	합계
비교예2	0.002	0.003	0.001	0.004	-	0.001	-	-	-	0.015
	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu	-
	0.001	-	-	0.001	-	-	0.001	-	-

위 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예와 달리 감람석을 주성분으로 하는 광석에 포함된 희토류 원소의 총 함량이 0.015중량% 정도로 상대적으로 적게 포함되어 있음을 알 수 있다.

공구강의 조성

이상과 같이 제조된 3종류의 공구강에 대해 스파크 에미션(spark emission) 성분 분석결과, Fe를 제외한 주요 합금성분의 조성은 아래 표 5와 같다.

성분	함량 (wt%)
성분	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	V
비교예1	1.39	0.16	0.25	0.0214	0.0018	0.31	11.16	0.84	0.23
비교예2	1.43	0.22	0.22	0.0316	0.0016	0.31	10.94	0.84	0.23
실시예	1.28	0.23	0.23	0.0220	0.0016	0.26	10.67	0.80	0.23

위 표 5에 나타난 바와 같이, 3종류의 공구강 모두 STD 11 스펙에 비해 탄소 및 크롬의 함량이 다소 낮게 나타났으나, 다른 성분의 조성은 STD 11 스펙에 포함되며, 유사한 조성을 갖는 것을 알 수 있다.

미세조직

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공구강 제조용 물질을 사용하여 제조한 공구강의 미세조직 이미지이고, 도 2는 첨가제를 사용하지 않고 제조한 공구강의 미세조직 이미지이며, 도 3은 감람석을 주성분으로 하는 공구강 제조용 물질을 사용하여 제조한 공구강의 미세조직 이미지이다.

도 1 내지 도 3에 나타난 바와 같이, 모두 실질적으로 동일한 수준의 구상화 조직이 관찰되었다. 즉, 광학현미경을 이용한 미세조직의 관찰에 있어서, 실시예와 비교예 1 및 2의 차이는 실질적으로 관찰되지 않았다.

또한, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공구강 제조용 물질을 사용하여 제조한 공구강의 탄화물 분포 이미지이고, 도 5는 첨가제를 사용하지 않고 제조한 공구강의 탄화물 분포 이미지이며, 도 6은 감람석을 주성분으로 하는 공구강 제조용 물질을 사용하여 제조한 공구강의 탄화물 분포 이미지이다.

도 4 내지 도 6에 나타난 바와 같이, 실시예 및 비교예 1 및 2에 따라 제조된 공구강의 탄화물 분포 상태는 모두 양호한 상태이며, 실시예와 비교예 1에 따라 제조된 공구강의 탄화물 분포 상태가 보다 균일한 상태를 나타낸다.

인장특성

상기와 같이 제조된 3종류의 공구강의 기본적인 물성을 평가하기 위하여, 인장시편을 제조하여 인장시험을 수행하고 경도를 측정하였으며, 아래 표 6은 그 결과를 나타낸 것이다.

	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	연신율 (%)	단면수축율 (%)	경도 (HRc)
비교예 1	300	770	19	35	55
비교예 2	310	775	18	33	55
실시예	290	755	20	37	55

위 표 6에 나타난 바와 같이, 인장특성의 측면에서는 실시예, 비교예 1 및 비교예 2 사이에 큰 차이가 없는 것으로 확인되었다. 실시예의 항복강도 및 인장강도가 다소 낮은 것은, 탄소, 니켈, 크롬의 함량이 비교예 1 및 2에 비해 약간 적게 포함된 것에 기인하는 것으로 추정된다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 광물을 첨가하더라도 인장특성의 측면에서는 실질적인 영향을 미치지 않는다고 할 수 있다.

내충격성 및 내마모성

내충격성 및 내마모성 시험은, 상기 구상화 열처리를 한 시편에 대하여, 담금질(Quenching) 및 템퍼링(tempering) 처리(즉, QT 처리)를 수행하였다. 이때, 담금질 온도는, 950℃ 이상 1080℃ 이하가 바람직하고, 템퍼링 온도는 100~500℃ 범위로 수행할 수 있으며, 3종류 시편에 대한 담금질 및 템퍼링 조건은 동일하게 하였다.

이와 같이 열처리된 시편으로 C-노치(10R-C) 시편을 제조한 후 상온 샤르피 충격시험을 통해 상기 3종류의 공구강에 대해 충격인성을 평가하였다.

또한, 마모시험은 지름 30mm, 두께 4mm인 디스크 형상의 공구강을 1020℃에서 40분간 유지하여 유냉한 후, 지름 30mm, 두께 3mm인 WC 재질의 상대재를 이용하여, 동일한 시간 동안 마모시험을 한 후 마모량의 차이를 비교 평가하였다.

아래 표 7은 내충격성과 내마모성을 평가한 결과를 나타낸 것이다.

	충격인성 (J)	마모량 (mg)
비교예 1	10.0	2.24
비교예 2	10.3	1.44
실시예	19.0	1.13

위 표 7에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광물을 사용한 공구강은 충격인성에 있어서, 비교예 1 및 비교예 2에 비해 거의 2배 정도 향상된 물성을 나타내었다. 또한, 내마모성의 관점에서도 비교예 1에 비해서는 2배 정도 내마모성이 향상되었고, 비교예 2에 비해서도 내마모성이 현저하게 증대함을 보여준다.

이와 같이 내마모성과 내충격성이 향상될 경우, 공구강으로 제조된 금형의 수명을 현저하게 연장시킬 수 있게 된다.

Claims

Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu의 함량의 합이 0.06중량% 이상인 광물로 이루어진, 공구강 제조용 물질.
제1항에 있어서,
Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu의 함량의 합이 0.08중량% 이상인 광물로 이루어진, 공구강 제조용 물질.
제1항에 있어서,
상기 광물은 Si 산화물, Al 산화물, Mg 산화물, Ca 산화물, Fe 산화물을 포함하는, 공구강 제조용 물질.
제1항에 있어서,
상기 광물은 공구강 제조 시, 5~20중량% 포함되는, 공구강 제조용 물질.
제1항에 있어서,
상기 공구강은 KS 규격 STD 11인, 공구강 제조용 물질.