KR20190054979A - 다이용 보수 용접재 - Google Patents

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테츠야 마스다
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다이도 토쿠슈코 카부시키가이샤
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Abstract

질량%로, 0.18%≤C≤0.35%, 0.01%≤Si≤0.20%, 1.30%≤Mn≤1.90%, 0.50%≤Cr≤1.50%, 1.50%≤Mo≤2.50%, 0.30%≤V≤1.00%, N≤0.020% 및 O≤0.0050%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물인 조성을 갖는 다이용 보수 용접재가 제공된다.

Description

다이용 보수 용접재{REPAIR-WELDING MATERIAL FOR DIE}
본 발명은 다이용 보수 용접재에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 공구강으로 이루어진 다이의 보수 용접을 실시하기 위한 다이용 보수 용접재에 관한 것이다.
금속 재료를 성형하기 위해 이용되는 다이를 구성하는 금속 재료로서, JIS SKD61 또는 SKD11로 대표되는 공구강이 널리 이용되고 있다. 복수회의 성형을 실시한 후에도 다이에서의 마모를 억제하기 위한 관점에서, 다이를 구성하는 금속 재료는 높은 경도를 가질 것이 요구된다.
그러나, 높은 경도를 갖는 금속 재료로 구성된 다이에 있어서도, 복수회 이용되었을 때, 다이에서의 마모와 같은 손상이 불가피하게 발생한다. 손상이 발생하면, 손상된 부분은 다이용 보수 용접재를 이용하는 용접에 의해 보수된다. 다이용 보수 용접재로서, SKD61, SKD11 또는 이들과 유사한 성분 조성을 갖는 금속 재료가 자주 이용되고 있다. 마모의 억제는 보수된 부분에서도 중요하며, 이러한 관점에서, 예를 들어, 특허문헌 1에 개시된 다이용 보수 용접재와 같이 우수한 경도를 갖는 다이용 보수 용접재가 제안되어 있다.
일본공개특허공보 2014-147965
다이용 보수 용접재를 이용하여 보수 용접이 실시된 다이에서의 마모를 억제하기 위해, 다이를 구성하는 모재와 보수 용접재 모두 높은 경도를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 보수된 다이에서의 마모를 야기하는 요인으로서, 표면의 불충분한 경도에 기인하여, 형성되는 물질과 다이 간의 마찰에 의해 야기된 마모뿐만 아니라, 다이 모재 또는 보수 용접재의 표면상에 생성된 산화물이나 질화물에 의한 스크래치 마모(scratch wear)도 중요하다. 특히, 보수 용접재를 이용하여 보수된 부분에서는, 용접 중의 고온으로 인해, 금속 재료의 산화 또는 질화가 진행되기 쉽다. 보수된 다이에 있어서, 보수된 부분의 표면상에 생성된 산화물이나 질화물이 보수된 부분의 표면으로부터 떨어져(dropped), 보수된 부분 또는 다이 모재의 표면상에 스크래치 마모를 야기하는 경우가 있다.
특히, 강재의 핫 스탬핑(hot-stamping) 성형에 이용되는 다이에 있어서, 다이의 표면은, 700℃ 이상과 같은 고온으로 가열되는 피가공재와 접촉하게 되고, 다이의 표면은 피가공재의 표면을 구성하는 금속 산화물에 의해 마찰을 받기 쉬워진다. 피가공재의 표면을 구성하는 금속 산화물은, 피가공재가 도금이 실시되지 않은 강재로 이루어진 경우에는 주로 Fe 산화물이고, 피가공재의 표면상에 도금이 행해지는 경우에는 주로 Al 또는 Mg과 같은 도금 금속의 산화물이다. 또한, 핫 스탬핑 성형에서, 다이의 표면은 피가공재로부터의 열전달에 의해, 300℃ 근처까지 가열되기 쉽다. 이러한 경우, 보수 용접재를 이용하여 보수된 부분을 포함하는 다이 표면은, 산화를 촉진하기 쉬운 환경에 노출된다. 상기한 바와 같이 핫 스탬핑 성형에 이용되는 다이에서, 스크래치 마모는, 피가공재의 표면상의 산화물뿐만 아니라, 피가공재와의 접촉에 의해 다이의 표면상에 생성되는 산화물 때문에도 생성되기 쉽다.
상기한 바와 같이, 보수 용접재를 이용하여 보수된 다이에서, 다이 모재와 보수된 부분이 높은 경도를 갖는 경우에도, 보수된 부분의 표면상에 형성되는 산화물 또는 질화물에 의한 스크래치 마모 때문에 다이 모재 또는 보수된 부분이 마모되기 쉬운 경우가 있다. 이러한 경우, 다이가 보수 용접재를 이용하여 보수된 경우에도, 이후의 마모가 단시간 안에 일어날 수 있다.
본 발명에서 달성하고자 하는 목적은, 보수 용접재를 이용하여 보수 용접이 실시된 다이에서의 스크래치 마모를 억제할 수 있는 다이용 보수 용접재를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 다이용 보수 용접재는, 질량%로:
0.18%≤C≤0.35%,
0.01%≤Si≤0.20%,
1.30%≤Mn≤1.90%,
0.50%≤Cr≤1.50%,
1.50%≤Mo≤2.50%,
0.30%≤V≤1.00%,
N≤0.020% 및
O≤0.0050%
를 함유하고,
잔부는 Fe 및 불가피적 불순물인 조성을 갖는다.
여기서, 상기 다이용 보수 용접재는 바람직하게, 상온에서 30W/(m·K) 이상의 열전도율을 갖는 용접부를 제공한다.
또한, 상기 용접부는 바람직하게, 상온에서 45HRC 이상 60HRC 이하의 경도를 갖는다.
또한, 상기 다이용 보수 용접재의 조성은, 질량%로:
Ni≤0.50%,
Cu≤0.50% 및
Co≤0.10%
를 함유할 수 있다.
또한, 상기 다이용 보수 용접재는, 질량%로:
P≤0.030% 및
S≤0.050%
를 함유할 수 있다.
또한, 상기 다이용 보수 용접재는, 상온에서 52HRC 이하의 경도를 갖는 다이의 보수 용접재로 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 다이용 보수 용접재에 따르면, 특히, Si, Cr 및 Mo의 함유량이 낮은 수준으로 억제된다. 따라서, 다이용 보수 용접재가 다이의 보수 용접에 이용되는 경우, 높은 경도를 갖는 산화물 및 질화물이, 보수된 부분의 표면상에 쉽게 형성되지 않는다. 또한, 다이용 보수 용접재에서의 O 및 N의 함유량을 낮은 수준으로 억제함으로써도, 보수된 부분에서 산화물 또는 질화물의 형성이 억제된다.
또한, 본 발명에 따른 다이용 보수 용접재는, 상기 합금 원소들의 함유량이 낮은 수준으로 억제되기 때문에, 높은 열전도율을 갖는다. 따라서, 다이용 보수 용접재를 이용하여 보수 용접이 실시된 다이가 고온의 피가공재와 접촉할 때, 보수된 부분의 표면이 고온에 쉽게 이르지 않고, 금속 재료의 산화가 보수된 부분에서 쉽게 진행되지 않는다.
상기한 각각의 효과에 의해, 경질의 금속 산화물 또는 금속 질화물은, 다이용 보수 용접재를 이용하여 보수 용접이 실시된 부분의 표면상에 쉽게 생성되지 않는다. 결과적으로, 보수된 부분 또는 보수된 부분이 아닌 다이 모재의 표면에서의 산화물 또는 질화물에 의한 스크래치 마모의 발생이 억제될 수 있다.
여기서, 용접부가 상온에서 30W/(m·K) 이상의 열전도율을 갖는 경우, 용접부는 충분히 높은 열전도율을 갖는다. 따라서, 다이용 보수 용접재를 이용하여 보수 용접이 실시된 다이가 고온의 피가공재와 접촉할 때 발생하는 금속 재료의 산화나, 그에 따른 다이 표면의 스크래치 마모가 효과적으로 억제될 수 있다.
여기서, 용접부가 상온에서 45HRC 이상 60HRC 이하의 경도를 갖는 경우, 용접부는 다이로서 요구되는 경도뿐만 아니라, 절삭 또는 연삭을 위한 가공성도 확보할 수 있다. 용접부의 경도는 스크래치 마모의 억제에 강한 영향을 미치지 않는다. 경도가 60HRC 이하로 억제되는 경우에도, 스크래치 마모를 야기하는 높은 경도를 갖는 산화물 또는 질화물의 형성이 상기한 바와 같이 억제될 수 있기 때문에, 용접부의 표면의 마모가 충분히 억제될 수 있다.
또한, 다이용 보수 용접재가, 질량%로, Ni≤0.50%, Cu≤0.50% 및 Co≤0.10%를 만족하는 경우, 용접부의 열전도율의 감소와 같은, 다이용 보수 용접재의 특성에 대한 이들 원소의 영향이, 스크래치 마모의 억제에 영향을 주지 않는 범위 내로 억제될 수 있다.
또한, 다이용 보수 용접재가, 질량%로, P≤0.030% 및 S≤0.050%를 만족하는 경우, 용접부의 용접 결함의 생성과 같은, 다이용 보수 용접재의 특성에 대한 이들 원소의 영향이, 스크래치 마모의 억제에 영향을 주지 않는 범위 내로 억제될 수 있다.
또한, 다이용 보수 용접재가 상온에서 52HRC 이하의 경도를 갖는 다이의 보수 용접에 이용되는 경우, 보수된 부분에서 높은 경도를 갖는 산화물 또는 질화물의 형성이, 상기한 바와 같이 억제된다. 따라서, 다이 모재의 경도가 그렇게 높지 않은 경우에도, 보수된 부분의 표면상에 생성되는 산화물 또는 질화물에 의한 다이 모재의 스크래치 마모가 쉽게 발생하지 않는다.
도 1은 다이용 보수 용접재에서의 합금 원소의 함유량과, 산화물의 경도의 관계를 나타내는 시험 결과를 나타낸다.
도 2는 다이용 보수 용접재에서의 산화물의 경도와, 마모에 의한 오목부(recessed portion)의 최대 깊이의 관계를 나타내는 시험 결과를 나타낸다.
도 3은 다이용 보수 용접재에서의 산화물의 두께와, 마모에 의한 오목부의 최대 깊이의 관계를 나타내는 시험 결과를 나타낸다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 따른 다이용 보수 용접재를 상세하게 설명한다. 본 실시 형태에 따른 다이용 보수 용접재는, 핫 스탬핑 성형용 다이와 같은 다이를 용접에 의해 보수하기 위한 재료로서, 이하의 성분 조성과 특성을 갖는다.
본 명세서에서, 열전도율이나 경도와 같이, 보수 용접재를 이용하여 형성되는 용접부나, 다이 모재와 관련하여 설명하는 특성값은 상온에서의 값이다. 또한, 용접부의 특성값은 소위 「용접 그대로(as-welded)」의 상태(용접 후에, 열처리와 같은 처리가 더 이상 실시되지 않은 상태)에서 얻어진 값이다. 용접부의 특성은, 보수 용접재를 이용한 다이의 실제 보수를 시뮬레이션하는 용접 조건 하에서 제조된 용접부를 이용하여 평가될 수 있다. 예를 들어, TIG 용접 하에서 제조된 용접부가 바람직하게 이용된다. 또한, 용접부의 표면상에 형성된 산화물 또는 질화물 때문에, 용접부를 구성하는 금속 재료의 특성을 정확하게 평가하기 어려운 경우, 용접부 표면상의 산화물 또는 질화물이 연삭 등에 의해 적절히 제거된 후에 특성이 평가될 수 있다.
(다이용 보수 용접재의 성분 조성)
본 실시 형태에 따른 다이용 보수 용접재(이하, 간단히 「보수 용접재」라고 하는 경우가 있다)는, 필수 원소로서 C, Si, Mn, Cr, Mo 및 V를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물을 갖는다. 또한, N 및 O의 함유량은 소정의 함유량 이하로 제한된다. 각각의 성분 원소의 함유량과 제한의 이유를 아래에서 설명한다. 이하, 각각의 성분 원소의 함유량의 단위는 질량%이다.
(1) 0.18%≤C≤0.35%
C의 함유량은 보수 용접재의 경도에 중대한 영향을 미친다. C의 함유량이 증가할수록, 경도가 증가한다. 0.18% 이상의 C 함유량은 용접 그대로의 상태에서, 45HRC 이상과 같은 높은 경도를 용이하게 제공하게 하며, 이는 본 보수 용접재를 이용하여 형성된 용접부에 있어서, 핫 스탬핑용 다이와 같이, 금속 재료를 성형하기 위해 이용되는 다이에 일반적으로 요구되는 경도이다.
보수 용접재의 경도를 특히 증가시키는 관점에서, C의 함유량은 바람직하게 0.27% 이상이고, 이는 용접부에서의 48HRC 이상의 경도를 용이하게 제공하게 한다.
반면, C의 함유량이 지나치게 큰 경우, 용접부의 경도를 향상시키는 효과가 포화한다. 또한, 다이용 보수 용접재의 특성으로서 후술하는 바와 같이, 합금 원소의 함유량의 감소 등으로부터 기인하고, 높은 경도를 갖는 산화물 또는 질화물에 의해 야기된 스크래치 마모를 억제하는 효과를 효과적으로 누리기 위한 관점에서, 용접부의 경도는 마모를 억제하는 목적을 위해 과도하게 증가될 필요는 없다. 또한, C의 함유량이 지나치게 큰 경우, 용접부의 열전도율이 감소한다. 이러한 관점에서, C의 함유량은 0.35% 이하로 설정한다. 이러한 C의 함유량은 용접 그대로의 상태에서 용접부에서의 경도를 60HRC 이하로 용이하게 억제하게 하고, 또한, 30W/(m·K) 이상과 같이 높은 열전도율을 용이하게 얻게 한다.
C의 함유량은 보다 바람직하게 0.33% 이하이고, 이는 용접부의 경도가 과도하게 높아지는 것을 방지하고, 경도를 약 58HRC 이하로 용이하게 억제하게 한다.
(2) 0.01%≤Si≤0.20%
Si는 매우 경질의 산화물을 형성하는 원소이다. 또한, 다량의 Si가 산화철에 포함되는 경우, 산화철의 경도가 증가한다. 또한, Si의 함유량이 증가하는 경우, 보수 용접재의 열전도율이 감소한다. 따라서, 높은 경도를 갖는 산화물의 형성을 억제하고, 보수 용접재에서의 열전도율을 향상시키기 위한 관점에서, Si의 함유량은 가능한한 적게 하는 것이 바람직하고, 0.20% 이하로 제한된다.
상기한 관점에서, Si의 함유량은 가능한한 적게 하는 것이 바람직하지만, Si은 강재의 제조 단계에서 성분 조정 또는 정련을 위한 순서에서 불가피하게 포함되는 원소이다. 보수 용접재에서 Si의 함유량을 0.01% 미만으로 줄이는 것은 산업적으로 매우 어렵기 때문에, Si의 함유량은 0.01% 이상으로 설정한다.
(3) 1.30%≤Mn≤1.90%
Mn의 포함은 보수 용접재의 경화능(hardenability)을 향상시킨다. Cr 및 Mo도 경화능을 향상시키는 원소이지만, 본 실시 형태에 따른 보수 용접재에 있어서 다량의 Cr 및 Mo의 포함은, 후술하는 바와 같이 경질의 산화물의 생성을 억제하는 점에서 바람직하지 않다. 따라서, Mn의 포함으로 충분한 경화능이 확보된다. ?칭된 보수 용접재를 이용하여 형성된 용접 그대로의 상태의 용접부에서, 45HRC 이상의 경도를 얻는 관점에서, Mn의 함유량은 1.30% 이상으로 설정한다. Cr 및 Mo과 달리, Mn은 경질의 산화물을 쉽게 형성하지 않는다.
반면, 지나치게 많은 양의 Mn이 첨가된 경우, 보수 용접재의 열전도율이 감소한다. 열전도율을 확보하기 위한 관점에서, Mn의 함유량은 1.90% 이하로 설정한다.
(4) 0.50%≤Cr≤1.50%
(5) 1.50%≤Mo≤2.50%
Cr 및 Mo은 보수 용접재의 경도를 향상시키는 원소이다. 용접 그대로의 상태의 용접부에 있어서, 45HRC 이상과 같이, 다이로서의 용도를 견디기에 충분히 높은 경도를 얻기 위한 관점에서, Cr의 함유량은 0.50% 이상으로 설정하고, Mo의 함유량은 1.50% 이상으로 설정한다.
반면, Si과 비슷하게, Cr 및 Mo도 매우 경질의 산화물을 형성하는 원소이다. 또한, 산화철 속의 다량의 Cr 또는 Mo의 포함은 산화철의 경도를 증가시킨다. 또한, Cr이나 Mo의 함유량의 증가는 보수 용접재의 열전도율의 감소를 야기한다. 따라서, 보수 용접재에 있어서, 높은 경도를 갖는 산화물의 형성을 억제하고, 열전도율을 향상시키기 위한 관점에서, Cr 및 Mo의 함유량은 가능한한 적게 하는 것이 바람직하다. 따라서, Cr의 함유량은 1.50% 이하로 제한되고, Mo의 함유량은 2.50% 이하로 제한된다. Cr 및 Mo은 또한 강재의 경화능을 향상시키는 원소이다. 그러나, 본 보수 용접재에 있어서, Cr 및 Mo의 함유량이 제한되어, 이들 원소로부터 기인한, 경화능을 향상시키는 효과는 충분히 발현되지 못한다. 그러나, 상기한 바와 같이, 경화능은 Mn에 의해 보장된다. Cr의 함유량은 바람직하게 0.8% 이상 1.3% 이하이고, Mo의 함유량은 바람직하게 1.7% 이상 2.2% 이하이다.
(6) 0.30%≤V≤1.00%
V는 보수 용접재에서 결정립을 소형화하는 효과를 갖는다. 보수 용접재를 이용하여 용접이 실시되는 경우, 금속 재료는 용접부에서 액체 상태로부터 급속하게 냉각되고, 따라서, 결정립이 조대해지기 쉬운 경항이 있다. V의 포함은 결정립을 조대화로부터 억제할 수 있다. 보수 용접재에서, 결정립의 소형화는 용접 작업 동안 용접부에서 생성되는 크랙을 억제하는 효과를 제공할 수 있다. 결정립을 소형화하는 효과를 충분히 얻기 위한 관점에서, V의 함유량은 0.30% 이상으로 설정한다.
반면 V가 과도하게 포함된 경우, 예를 들어, 10㎛ 초과의 입경을 갖는 조대한 질화물이 형성되기 쉽다. 용접부에서의 질화물에 의한 스크래치 마모를 억제하기 위한 관점에서, V의 함유량은 1.00% 이하로 설정한다.
본 실시 형태에 따른 보수 용접재는, 상기한 소정의 양의 C, Si, Mn, Cr, Mo 및 V를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다. 여기서, 불가피적 불순물과 관련하여, 후술하는 원소 및 상한량이 상정된다.
(7) N≤0.020%
(8) O≤0.0050%
N 및 O는, 강재의 산업적인 제조 중에 대기로부터 Fe로 용해되어, 보수 용접재 내로 불가피하게 포함된다. 그러나, 지나치게 많은 양의 N 및 O는 용접 시에 블로우홀(blowhole)(용접 결함)의 생성을 야기한다. 또한, N 및 O는 각각 보수 용접재에서의 금속 원소의 질화물 및 산화물을 형성한다. 특히, 큰 입경을 갖는 금속 질화물 및 금속 산화물이, 다이에서 용접에 의해 보수된 부분의 표면에 형성된 경우, 스크래치 마모가, 보수된 부분 또는 보수된 부분이 아닌 다이 모재의 표면에 일어나기 쉽다.
따라서, N 및 O의 함유량은 가능한한 줄이는 것이 바람직하다. N 함유량을 0.020% 이하로 감소하고, O 함유량을 0.0050% 이하로 감소하여, 조대한 질화물 및 산화물의 형성을 효과적으로 억제할 수 있다. 반면, 보수 용접재의 제조 단계에서, N 및 O의 함유량이 감소할수록, 제조 비용은 증가한다. 따라서, N 및 O의 함유량은, 제조 비용의 과도한 증가를 피하기 위한 관점에서, 상기한 상한 이하의 범위로 바람직하게 조절된다.
(9) Ni≤0.50%
(10) Cu≤0.50%
(11) Co≤0.10%
Ni, Cu 및 Co는 철 스크랩 또는 철 합금과 같은 원료로부터 보수 용접재로 불가피하게 혼입된다. 그러나, 이들이 함유되는 경우에도, 상기한 각각의 상한값 이하의 상기 원소들은, 조대한 질화물 및 산화물의 형성의 억제, 충분한 열전도율의 확보 및 그에 따른 스크래치 마모의 억제와 같은, 보수 용접재의 특성에 중대한 영향을 쉽게 미치지 않는다.
(12) P≤0.030%
(13) S≤0.050%
P 및 S도, 원료 등으로부터 기인하여, 보수 용접재로 불가피하게 혼입된다. 그러나, 이들이 함유되는 경우에도, 상기한 각각의 상한값 이하의 상기 원소들은, 조대한 질화물 및 산화물의 형성의 억제, 충분한 열전도율의 확보 및 그에 따른 스크래치 마모의 억제와 같은, 보수 용접재의 특성에 중대한 영향을 쉽게 미치지 않는다.
상기한 N, O, Ni, Cu, Co, P 및 S에 더하여, 상정되는 불가피적 불순물로서 이하의 원소들이 예시될 수 있다.
Al<0.050%,
W<0.10%,
Nb<0.10%,
Ta<0.01%,
Ti<0.10%,
Zr<0.01%,
B<0.010%,
Ca<0.010%,
Se<0.03%,
Te<0.01%,
Bi<0.01%,
Pb<0.03%,
Mg<0.02%,
REM<0.10% 등.
(다이용 보수 용접재의 특성)
본 실시 형태에 따른 다이용 보수 용접재는 상기한 성분 조성을 갖는다. 특히, Si, Cr 및 Mo의 함유량이 낮은 수준으로 억제되고, N 및 O의 함유량이 낮은 수준으로 억제되기 때문에, 높은 경도를 갖는 금속 산화물 또는 금속 질화물이 쉽게 생성되지 않는다.
강재로 이루어진 용접 재료를 이용하여 용접이 실시될 때, 용융 용접 재료는 용접 중에 대기로부터 질소 또는 산소를 흡수하거나 방출한다. 용접 재료가 높은 질소 또는 산소 농도를 갖는 경우, 질소 또는 산소는 용접 중 기체로 방출되어, 블로우홀을 형성하거나, 강재의 합금 원소와 결합하여 질화물 또는 산화물을 형성하기 쉽다. 이때, 용접 재료가 Si, Cr 및 Mo과 같은 합금 원소를 다량 함유하는 경우, 고농도의 이들 합금 원소를 함유하는, 높은 경도를 갖는 산화물이 형성되기 쉽다. 또한, 이들 합금 원소는 산화철에 함유된다. 이들 합금 원소를 함유하는 산화철은, 산화철만(FeO, Fe2O3 또는 Fe3O4)의 경도보다 높은 경도를 갖는다.
보수 용접재를 이용하여 보수가 실시된 다이의 보수된 부분의 표면에 금속 산화물 또는 금속 질화물이 형성된 경우, 산화물 또는 질화물은, 다이를 이용한 금속 재료의 성형 중 피가공재와의 마찰에 의해 보수된 부분의 표면으로부터 떨어지기 쉽다. 떨어진 산화물 또는 질화물은, 보수된 부분의 표면 또는 보수된 부분이 아닌 다이 모재의 표면과 마찰을 겪어, 보수된 부분의 표면 또는 다이 모재의 표면상에 스크래치 마모를 야기할 가능성이 있다. 더 높은 경도를 갖는 산화물 또는 질화물은 보수된 부분 또는 다이 모재의 표면에 그 입자를 더 깊숙히 묻기 쉬워, 마모량을 증가시킨다.
특히, 용접 공정에서 보수된 부분에 형성되는 산화물 또는 질화물은, 다이 모재의 표면의 산화 또는 질화에 의해 형성되는 산화물 또는 질화물보다 자주 큰 입경을 갖는다. 통상적으로, 보수된 부분에서 형성되는 산화물 또는 질화물은 약 1 내지 10㎛의 입경을 갖는다. 큰 입경을 갖는 산화물 또는 질화물은 보수된 부분 또는 다이 모재의 표면의 마모에 기여하기 쉽다.
그러나, 본 실시 형태에 따른 보수 용접재는 Si, Cr 및 Mo을 포함하는 합금 원소의 제한된 함유량과, N 및 O의 제한된 함유량을 갖고, 이는 모두 낮은 수준으로 억제된다. 따라서, 용접 전 보수 용접재 그 자체는 낮은 수준으로 억제된 산화물 또는 질화물의 제한된 양을 가진다. 또한, 용접 스텝에서의 재료의 용융 후에도, 산화물 또는 질화물의 양은 쉽게 증가하지 않는다. 같은 온도에서 용접이 실시된 경우에도, 적은 함유량의 Si, Cr 및 Mo과, 적은 함유량의 N 및 O는 용접 중 형성되는 산화물층의 두께 또는 질량을 감소시킨다. 또한, 후술하는 실시예에서 설명하는 바와 같이, 핫 스탬핑 성형을 위한 다이를 포함하는 다이의 표면상에서, 보수된 부분에서 형성되는 산화물의 경도는, 스크래치 마모의 마모량에 있어서, 산화물의 양이 갖는 영향보다 더 큰 영향을 미친다. 산화물의 경도는 Si, Cr 및 Mo과 같은 합금 성분의 함유량을 억제함으로써 낮춰진다. 따라서, 보수된 다이에서, 보수된 부분의 표면상에 형성되는 산화물 또는 질화물의 양이나 경도가 감소한다. 따라서, 보수된 부분 또는 다이 모재의 표면의 산화물 또는 질화물에 의한 스크래치 마모가 억제될 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 용접 보수재는 상기한 성분 조성을 갖는다. 특히, C, Si, Cr 및 Mo의 함유량이 낮은 수준으로 억제되기 때문에, 높은 열전도율이 얻어질 수 있다. 예를 들어, 본 실시 형태에 따른 보수 용접재를 이용하여 보수 용접이 실시된 용접부는, 30W/(m·K) 이상의 열전도율을 제공할 수 있다. 다이의 일반적인 보수 용접에 이용되는 SKD61 또는 SKD11은 용접재로서 최적화되지 않은 성분을 갖고, 18 내지 25W/(m·K)의 열전도율을 갖는다. 본 실시 형태에 따른 보수 용접재는 SKD61과 SKD11의 열전도율보다 높은 열전도율을 나타낸다. 열전도율의 상한은 특별히 제한되지 않는다.
일반적으로, 강재의 표면의 온도가 증가할수록 표면에서의 산화가 더 잘 진행되고, 표면상의 산화물의 두께 또는 질량이 증가한다. 다이에서, 고온의 피가공재가 다이 표면과 접촉하고, 이에 따라 피가공재로부터의 열전달에 의해 다이 표면의 온도가 즉시 상승하며, 산화물의 형성이 진행되기 더 쉽다. 산화물의 형성은 약 100℃ 이상의 온도에서 현저해진다. 특히, 핫 스탬핑 성형에서, 피가공재로부터의 열전달에 의해, 다이 표면의 산화가 일어나기 쉽다.
그러나, 본 실시 형태에 따른 보수 용접재를 이용하여 보수가 진행된 다이에서, 용접부는 높은 열전도율을 갖는다. 따라서, 피가공재로부터 보수된 부분의 표면으로 전달된 열이, 금속 재료의 내부로의 열전달에 의해, 단시간 내에 소멸된다. 따라서, 보수된 부분의 표면의 온도는 쉽게 증가하지 않고, 증가한 경우에도, 온도는 단시간 내에 감소하기 쉽다. 따라서, 보수된 부분의 표면의 산화물의 형성은, 성형 중에 쉽게 진행되지 않는다. 상기한 바와 같이, 용접부가 높은 열전도율을 갖기 때문에, 상기한 보수 용접재의 성분 조성의 효과와 함께, 다이의 보수된 부분에서의 높은 경도를 갖는 산화물의 형성과, 그에 따른 보수된 부분 및 다이 모재의 표면에서의 스크래치 마모가 더 효과적으로 억제될 수 있다.
본 실시 형태에 따른 보수 용접재는 바람직하게, 45HRC 이상의 경도를 갖도록 형성된 용접부를 제공한다. 용접부의 경도가 45HRC 미만인 경우, 보수된 다이는 다이로서의 용도를 견디기 어려운 경우가 있다. 특히, 핫 스탬핑 성형에서, 용접부의 경도가 45HRC 미만인 경우, 다이 표면상의 보수된 부분에 있어서, 표면 압력이 국부적으로 높아지는 부분에서 소성 변형이 발생할 수 있고, 성형된 제품의 치수 정밀도가 유지될 수 없는 경우가 있다. 용접부의 경도는 보다 바람직하게 48HRC 이상이다.
반면, 용접부가 지나치게 경질인 경우, 다이의 보수에 있어서, 덧살올림 용접(building-up welding)이 실시된 부분의 다이 형상을 조정하기 위한 절삭 가공 또는 연삭 가공을 실시하기 어려워 진다. 따라서, 용접부의 경도는 바람직하게 60HRC 이하이고, 보다 바람직하게는 58HRC 이하이다. 보수 용접재로 형성되는 용접부의 경도는, 보수 용접재의 성분 조성에 의해 결정된다.
일반적으로, 금속 재료의 마모는, 금속 재료가 경질일수록 더 억제될 수 있는 것으로 생각된다. 그러나, 용접부의 표면상에 형성된 산화물 또는 질화물과의 마찰에 의한 다이의 스크래치 마모와 관련하여, 특히, 핫 스탬핑 성형 중 스크래치 마모와 관련하여, 이하의 실시예에서 설명하는 바와 같이, 용접부의 경도는 큰 영향을 갖지 않는다. 그보다는, 형성된 산화물 또는 질화물의 양이나 경도, 특히, 경도가 큰 영향을 갖는다. 따라서, 용접부의 경도가 60HRC 이하로 상대적으로 낮은 경우에도, 상기한 바와 같이, 성분 조성과 높은 열전도율의 영향에 의해, 경질의 산화물 또는 질화물의 생성이 억제된다. 따라서, 보수된 부분의 표면상의 스크래치 마모는 심각한 문제가 되지는 않는다.
(다이용 보수 용접재의 제조 방법)
본 실시 형태에 따른 보수 용접재는, 예를 들어, 소정의 성분이 소정의 조성비로 용해된 용강으로부터 잉곳을 제조하고, 단조와 압연을 실시하기 위해 900℃에서 1,250℃의 온도에서 잉곳을 가열하여, 와이어 로드(wire rod)(용접봉)로서 제조될 수 있다. 또한, 와이어 드로잉(wire drawing) 등이 압연 재료상에서 실시될 수 있다. 용강의 준비와 잉곳의 제조가 감압 하에서 실시되는 경우, 제조된 보수 용접재에 있어서, N 및 O의 농도를 억제하기 쉽다.
또한, 본 보수 용접재는 바람직하게, 열처리 스텝으로서 어닐링을 실시함으로써 제조된다. 어닐링 조건과 관련하여, 재료를 3시간 이상 동안 800℃에서 950℃의 온도에서 가열하고, 50℃/시간 이하의 냉각 속도로 700℃ 이하로 천천히 냉각하는 구상화 어닐링(spheroidizing annealing)과, 재료를 5시간 이상 동안 600℃에서 780℃의 온도에서 가열하고, 공냉 또는 수냉하는 저온 어닐링(low-temperature annealing)을 예로 할 수 있다.
(다이의 보수 용접 방법)
본 실시 형태에 따른 보수 용접재는 바람직하게, 다이의 보수 용접에 이용될 수 있다. 본 보수 용접재는 또한 바람직하게 TIG 용접과 레이저 용접 모두에 적용될 수 있다.
덧살올림 용접은 다이에서 마모 등에 의해 보수가 필요한 부분에, 본 보수 용접재를 이용하여 실시될 수 있다. 또한, 절삭이나 연삭 등의 기계 가공에 의해 용접부의 부풀어오른 부분(swollen part)을 제거하여, 용접부를 다이 표면과 같은 표면으로 조정할 수 있다. 필요에 따라 후 열처리(post-thermal treatment)도 용접부에 실시될 수 있다.
본 보수 용접재를 이용하여 보수가 실시되는 다이의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 그 실시예는, 핫 스탬핑(열간 프레스), 냉간 프레스, 압연과 같은, 금속 재료의 다양한 가공에 이용되는 다이들, 다이캐스팅용 다이 등을 포함한다. 이들 중, 본 보수 용접재는 바람직하게, 핫 스탬핑 성형용 다이에 이용된다. 핫 스탬핑 성형에서는, 가열된 피가공재와 다이 간의 접촉 때문에, 다이 표면상의 산화물 또는 질화물의 형성, 산화물 또는 질화물의 떨어짐 및 떨어진 산화물 또는 질화물에 의한 마찰이 발생하기 쉽다. 그러나, 이들 현상은 본 실시 형태에 따른 보수 용접재를 이용하여 보수가 실시됨으로써 억제될 수 있다.
용접의 대상이 되는 다이를 구성하는 금속 재료(다이 모재)는 특별히 제한되지 않는다. 그러나, 다이 모재는 바람직하게 45HRC 이상의 경도를 갖는다. 보수 용접재가 이용되는 용접부의 경도와 관련하여 상기한 바와 비슷하게, 다이 모재의 경도가 45HRC 미만인 경우, 보수된 다이는 핫 스탬핑 성형용 다이를 포함하는 다이로서의 이용을 견디기 어려운 경우가 있다.
반면, 다이 모재의 경도는 바람직하게 52HRC 이하이다. 상기한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 보수 용접재의 이용에 의해 용접이 실시되는 보수된 부분에서, 높은 경도를 갖는 산화물 또는 질화물의 생성은, 보수 용접재의 성분 조성과 높은 열전도율의 영향 때문에 억제된다. 따라서, 다이 모재의 경도가 예를 들어, 52HRC 이하로 상대적으로 높지 않은 경우에도, 보수된 부분으로부터 기인한, 산화물 또는 질화물에 의한 다이 모재 표면의 스크래치 마모는 쉽게 발생하지 않는다.
다이 모재는 바람직하게 18W/(m·K) 이상의 열전도율을 갖는다. 이는, 보수 용접재가 이용되는 보수된 부분뿐만 아니라 다이 모재도 높은 열전도율을 갖는 경우, 가열된 피가공재로부터 전달된 열이 보수된 부분의 표면으로부터 쉽게 소멸되기 때문이다. 반면, 다이 모재의 열전도율은 바람직하게 25W/(m·K) 이하이다. 대형 다이의 경우에도, 다이 모재는 열처리 후 필요한 경도를 얻기 위해 우수한 경화능을 가질 필요가 있다. C, Mn, Cr 및 Mo 등 경화능을 향상시키는 원소가, 충분한 경화능을 부여하기 위해 충분할 정도로 안정된 방법으로 첨가된 경우, 열전도율은 25W/(m·K) 이하에 이를 수 있다.
상온에서 45 내지 52HRC의 경도 및 18 내지 25W/(m·K)의 열전도율을 갖는 다이 모재의 예로서, SKD61, SKD11, SKH51, SKD6, SKD7, SKD12, SKT4 등을 포함한다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 설명한다. 한편, 본 발명은 이들 실시예로 제한하여 해석되지 않는다. 이하, 특별히 다르게 설명하지 않는 한, 시험은 모두 대기 중 상온(25℃)에서 실시되었다.
시험 1: 합금 원소의 함유량과 산화물의 경도의 관계
보수 용접재의 합금 원소의 함유량과 용접부 표면상에 형성되는 산화물의 관계를 밝히기 위해, 모델로서 다른 Si, Cr 및 Mo 함유량을 갖는 보수 용접재를 제조했고, 산화물의 경도를 평가했다.
(시료의 제조)
표 1에 나타낸 성분 원소를 각각 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 보수 용접재를 이하의 방법으로 준비했다. 먼저, 용강 30kg을 진공 유도로(vacuum induction furnace)에서 준비하고, 이어서 주조를 실시하여 잉곳을 제조했다. 얻어진 잉곳을 5시간 동안 1,200℃에서 가열한 다음, 직경이 30mm에 이를 때까지 열간 단조했다. 단조 후, 잉곳을 공기 중에서 냉각했다. 실온에 이른 후, 잉곳을 3시간 동안 900℃에서 재가열하고 천천히 냉각시켜 구상화 어닐링을 실시했다.
상기 얻어진 보수 용접재로부터, 직경 20mm×높이 10mm의 시험편을 제조했다. 시험편을 10시간 동안 700℃에서 유지하고 공기 중에서 냉각하여 시험편을 산화시켰다. 실제 용접부에서의 산화 조건은 보통, 상기한 산화 조건보다 가벼우나(milder), 산화의 영향을 이해하기 쉽도록 하기 위해, 산화가 용이하게 진행되는 상기 조건을 채용했다.
(산화물의 경도의 측정)
상기 얻어진 산화된 시험편의 표면 경도를 마이크로 비커스 시험기(디지털 마이크로 경도 시험기, FM-800, FUTURE-TECH Corportaion 제조)를 이용하여 측정했다. 측정 하중은 100g으로 설정했다. 측정은 시험편 표면상의 20개소에서 실시했고, 평균값을 계산하여 산화물의 경도로 정의했다.
(시험 결과)
표 1은 각각의 시료의 성분 조성과 산화물의 경도의 측정값(평균값)을 나타낸다. 또한, 도 1은 Si 함유량(시료 A1 내지 A3), Cr 함유량(시료 A1, A4 및 A5), Mo 함유량(시료 A1, A6 및 A7)과 산화물의 경도의 관계를 나타낸다.
Figure pat00001
표 1 및 도 1에 따르면, 산화물의 경도는 합금 원소의 함유량에 따라 현저하게 변화했다. 특히, 도 1에 나타낸 바와 같이, Si, Cr 및 Mo 각각의 함유량이 증가할수록, 산화물의 경도가 증가했다. 도 1에서 점선으로 도시한 근사선으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 산화물의 경도는 이들 각각의 합금 원소의 함유량에 따라 거의 선형적으로 증가했다. 특히, 산화물의 경도는 Si의 양에 현저한 의존성을 가졌다.
이들 결과로부터, 보수 용접재에서, Si, Cr 및 Mo 각각의 함유량은, 높은 경도를 갖는 산화물의 생성을 억제하기 위해, 낮은 수준으로 억제하는 것이 바람직한 것을 발견했다.
시험 2: 산화물의 경도와 마모량의 관계
용접부의 표면상에 형성되는 산화물의 경도와 용접부의 마모량의 관계를 밝히기 위해, 모델로서, 다른 경도를 갖는 산화물이 형성된 보수 용접재에 있어서 마모의 정도를 평가했다.
(마모 시험)
마모 시험은 시험 1에서 이용된 시료 A1 내지 A7의 보수 용접재를 이용하여 실시했다. 시험편은 시료 A1 내지 A7의 각각의 보수 용접재의 일부를 잘라 얻었다. 각 시험편을 1시간 동안 1,030℃에서 가열한 다음, 공기 분사 냉각(air blast cooling)으로 ?칭하고, 1시간 동안 550℃ 내지 650℃에서 가열하여 템퍼링을 실시하여, 시험편의 경도를 55HRC±1HRC로 조정했다. 마지막으로, 시험편을 직경 25mm×높이 10mm의 원판 형상으로 가공했다.
상기한 바와 같이 얻어진 각 시험편상에, 볼 온 디스크(ball-on-disc) 방법으로 마모 시험을 실시했다. 이때, 원판의 온도는 500℃로 설정했고, 볼로서는 S40C 재료로 이루어진 볼을 이용했다. 마모 시험은 1분 동안 60rpm의 원판 회전 속도로 실시한 다음, 시험편을 5분간 그대로 두어 원판의 표면을 산화했다. 이 사이클을 100회 반복한 다음, 접촉식 스텝 프로파일러(contact-type step profiler)(형상 측정 장치, SURFCOM 2000SD2, TOKYO SEIMITSU CO., LTD. 제조)를 이용하여 원판의 표면상에 형성된 오목부의 최대 깊이를 측정했다. 이 마모 시험에서의 산화 조건에서, 산화는 실제 용접부에서의 산화 조건에서보다 더 용이하게 진행된다.
(시험 결과)
표 2와 도 2는 시료 표면상의 산화물의 경도(평균값)와 오목부의 최대 깊이의 관계를 나타낸다.
Figure pat00002
표 2와 도 2에 나타낸 결과로부터, 형성되는 산화물의 경도가 증가할수록, 마모에 의해 형성되는 오목부의 최대 깊이가 증가, 즉, 마모량이 증가하는 것을 알 수 있었다. 도 2의 점선으로 도시한 근사선으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 오목부의 최대 깊이는 산화물의 경도에 따라 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있었다.
이들 결과로부터, 보수 용접재에 있어서, 용접부에서의 마모를 억제하기 위해, 높은 경도를 갖는 표면 산화물의 형성을 억제하는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다. 시험 1의 결과는, Si, Cr 및 Mo 각각의 함유량은, 높은 경도를 갖는 표면 산화물의 형성을 억제하기 위해, 각각 낮은 수준으로 억제하는 것이 바람직함을 나타낸다.
시험 3: 산화물의 두께와 마모량의 관계
용접부의 표면상에 형성되는 산화물의 두께와 용접부의 마모량의 관계를 밝히기 위해, 모델로서 다른 두께를 갖는 산화물이 형성된 보수 용접재에 있어서의 마모량을 평가했다.
(시료의 제조)
표 3에 나타낸 성분 원소를 각각 함유하고 잔부로서 Fe 및 불가피적 불순물을 갖는 보수 용접재를, 시험 1에서 이용한 보수 용접재와 같은 방법으로 제조했다.
(마모 시험)
상기 얻은 보수 용접재에, 시험 2의 경우와 같은 방법으로, 절삭, ?칭 및 템퍼링을 실시하고, 시험편의 경도를 55HRC±1HRC로 조정했다. 시험편 표면을 산화하는 동안, 시험 2에서의 경우와 같은 방법으로 마모 시험을 실시했고, 오목부의 최대 깊이를 측정했다.
(산화물의 두께의 측정)
마모 시험을 실시한 시험편으로부터, 마모되지 않은 부분을 잘라냈다. 그 다음, 잘라낸 부분의 단면을 관찰하고, 광학 현미경을 이용하여 산화물층의 두께를 측정했다. 두께는 단면 이미지에서의 4개소에서 측정했고, 평균값을 계산하여 산화물의 두께로 정의했다.
(시험 결과)
표 3은 각각의 시료의 성분 조성, 산화물의 두께의 측정값(평균값) 및 오목부의 최대 깊이를 나타낸다. 또한, 도 3은 산화물의 두께의 측정값(평균값)과 오목부의 최대 깊이의 관계를 나타낸다.
Figure pat00003
표 3과 도 3에 따르면, 성분 조성의 변화에 의해 생성되는 산화물의 두께가 증가할수록, 마모에 의해 형성되는 오목부의 최대 깊이가 증가했다. 산화물의 두께는 주로 O 와 N의 함유량에 따라 변했다.
도 3에서 점선으로 도시한 근사선으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 오목부의 최대 깊이는 산화물의 두께에 따라 거의 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있었다. 그러나, 오목부의 최대 깊이의 산화물의 경도에 대한 의존성을 나타내는 도 2에서, 산화물의 경도가 300HV에서 600HV로 2배가 되었을 때, 오목부의 최대 깊이는 약 0.1mm에서 약 0.4mm로 약 4배로 증가했다. 반면, 오목부의 최대 깊이의 산화물의 두께에 대한 의존성을 나타내는 도 3에서, 산화물의 두께가 60㎛에서 120㎛로 2배가 되었을 때도, 오목부의 최대 깊이는 2배가 되지 못했다. 즉, 약 0.15mm에서 약 0.25mm로 증가할 뿐이었다. 이러한 사실로부터, 마모의 정도는 산화물의 두께보다 산화물의 경도에 더 현저하게 의존함을 알 수 있었다.
이들 결과로부터, 보수 용접재에 있어서, 표면 산화물의 두께는 용접부의 마모를 억제하기 위해 낮은 수준으로 억제하는 것이 바람직함을 알 수 있었다. 그러나, 마모의 억제를 위해서는, 산화물의 두께(질량)보다는 산화물의 경도를 억제하는 것이 더 효과적이다.
시험 4: 보수 용접재의 성분 조성과 다양한 특성의 관계
보수 용접재의 성분 조성과 용접부의 경도 또는 열전도율 등의 특성의 관계, 용접부에서의 결함의 형성 및 마모의 정도를 조사했다.
(시료의 제조)
표 4 내지 7에 각각 나타낸 성분 원소를 함유하고, 잔부로서 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하는 보수 용접재를, 이하의 방법으로 준비했다. 먼저, 용강 50kg을 진공 유도로에서 준비하고, 이어서 주조를 실시하여 잉곳으로 제조했다. 얻은 잉곳을 5시간 동안 1,200℃에서 가열한 다음, 열간 단조하고, 압연하고, 직경이 2.0mm에 이를 때까지 와이어 드로잉했다. 열간 가공 후, 잉곳을 10시간 동안 700℃에서 유지한 다음, 천천히 냉각하여 저온 어닐링을 실시했다.
상기 제조된 재료를 용접봉으로 이용하고, 열간 공구강 SKD61(경도: 50HRC, 열전도율: 23W/(m·K))을 이용하여 제조한, 직경 30mm×높이 15mm의 용접 모재의 직경 30mm의 표면에 TIG 용접을 실시했다. 용접 중 조건으로서, 용접 전류는 100A에서 150A로 설정했고, 5개의 층을 형성하기 위해 10패스(path) 용접을 실시했다. 위빙(weaving)은 실시하지 않았고, 예열(pre-heating)과 후열(post-heating) 모두 실시하지 않았다. 패스 간 온도는 300℃ 이하로 설정했고, 용접은 백스텝(backstep) 용접의 조건에서 실시했으며, 덧살올림 용접은 높이 약 5mm까지 실시했다.
(다양한 특성의 평가)
용접부의 경도
상기 제조된 시료에 대해서, 연삭에 의해 덧살올림 용접부의 표면으로부터 약 1mm의 부분을 제거하고, 로크웰 C 스케일을 이용하여 덧살올림 용접부의 표면의 경도를 측정했다.
용접부의 열전도율
상기 제조된 시료에서, 회전에 의해 덧살올림 용접부로부터 직경 10mm×높이 1mm의 시험편을 잘라냈다. 열상수 측정 장치(thermal constant measurement apparatus)(TC-7000H, ULVAC-RIKO, Inc. 제조)를 이용하여 시험편에 대해 레이저 플래시 타입(laser flash-type)의 열전도율 측정을 실시하여 열전도율을 얻었다.
용접 결함의 결정
상기 제조된 시료에서, 덧살올림 용접부의 외관상의 표면 크랙의 존부를, 컬러 체크 방법(color check method)으로 결정했다. 또한, 시료의 직경 30mm의 표면을 반으로 자르고, 자른 표면을 경면 연마한 다음, 광학 현미경을 이용하여 관찰했다. 또한, 블로우홀의 존부 및 5mm×3mm 시야에서 형성된, 5㎛를 초과하는 길이를 갖는 산화물 또는 질화물이 10개 이상인지 여부를 판정했다.
내마모성의 평가
상기 제조한 시료에 대해서, 연삭에 의해 덧살올림 용접부의 표면으로부터 약 1mm의 부분을 제거한 다음, 시험 2와 비슷하게, 볼 온 디스크 방법으로 산화를 수반한 마모 시험을 실시했다. 그 다음, 형성된 오목부의 최대 깊이를 측정했다.
오목부의 최대 깊이가 약 0.15mm 이하인 경우, 내마모성이 우수한 것으로 평가할 수 있다. 반면, 오목부의 최대 깊이가 0.15mm 초과인 경우, 내마모성이 열악한 것으로 평가할 수 있다. 특히, 오목부의 최대 깊이가 0.3mm 초과인 경우, 내마모성이 현저하게 열악한 것으로 평가할 수 있다.
(시험 결과)
표 4 내지 7은 각각의 실시예와 각각의 비교예에 따른 보수 용접재의 성분 조성과 각각의 특성의 평가 결과를 요약한다. 성분 조성에 있어서, 「-」 표시는 대응되는 원소가 불순물로서의 포함을 제외하고는 포함되지 않음을 나타낸다. 또한, 용접 결함의 평가 결과에 있어서, 「-」 표시는 용접 결함이 관찰되지 않음을 나타낸다.
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
표 4 및 5에 따르면, 본 발명의 실시 형태에서 특정된 범위의 성분 조성을 갖는 각각의 실시예에 따른 보수 용접재는, 용접부에서 30W/(m·K) 이상의 열전도율을 가졌다. 또한, 보수 용접재는 용접부에서 45HRC 이상 60HRC 이하의 경도를 가졌다. 또한, 각각의 실시예에 따른 보수 용접재는 용접 결함을 야기하지 않았고, 내마모성과 관련하여, 최대 마모 깊이는 0.15mm 이하로 억제됐다. 각각의 실시예에 따른 보수 용접재는 우수한 내마모성을 갖는 것으로 판정됐다.
각각의 실시예에서 높은 내마모성을 달성한 것은, 용접부가 성분 조성의 효과로부터 기인된 높은 열전도율을 갖는 사실에 의해, 그리고 성분 조성 그 자체, 즉, 특히, Si, Cr 및 Mo과 같은 합금 원소의 함유량이 낮은 수준으로 억제되고, O 및 N의 함유량도 제한되는 효과에 의해, 높은 경도를 갖는 산화물 또는 질화물의 형성이 용접부에서 억제되기 때문인 것으로 이해된다. 또한, 성분 조성의 효과에 의해 질화물의 형성과 같은 용접 결함은 쉽게 생성되지 않았다.
또한, C에 주목하면, C의 함유량이 0.27% 이상인 실시예는, 용접부에서 48HRC 이상의 특히 높은 경도를 제공할 수 있었다. 이들 중에서, C의 함유량이 0.33% 이하인 실시예는 48HRC 이상 58HRC 이하의 범위인 용접부의 경도를 만족했다.
반면, 표 6 및 7은, 각각의 비교예에 따른 보수 용접재는 본 발명의 실시 형태에 의해 특정된 범위의 성분 조성을 갖지 않음을 나타낸다. 따라서, 비교예는 마모 시험에 있어서 실시예보다 더 큰 최대 깊이를 나타냈고, 더 열악한 내마모성을 가졌다.
비교예 1 내지 4의 성분 조성은 SKD61, SKD11, SUH11 및 SKH51에 각각 대응된다. 이들 재료는 TIG 용접 재료로서 널리 확산되어 있다. 비교예 1 내지 4 모두에서, Si 및 Cr의 함유량은 본 발명의 실시 형태에 의해 특정된 상한값보다 컸다. 따라서, 용접부의 열전도율은 30W/(m·K)보다 낮았다. 또한, 오목부의 최대 깊이는, 열악한 내마모성을 나타내는 0.3mm를 초과했다. 또한, 비교예 1 내지 3에서는, 표면 크랙도 용접 결함으로서 생성되었다. 표면 크랙의 생성은 C 또는 Cr의 많은 함유량으로부터 비롯되었다.
Si 또는 Cr의 함유량이 큰 경우는 높은 경도를 나타냈다. 특히, 비교예 1, 3 및 4에서, 본 발명의 실시 형태에 따른 보수 용접재를 위해 요구되지 않는 60HRC 초과의 경도가 관찰되었다. 그러나, 용접부는, 이러한 높은 경도를 얻을 수 있었음에도 불구하고, 매우 열악한 내마모성을 나타냈다. 이러한 사실은 용접부의 스크래치 마모 억제의 관점에서, 용접부의 경도의 향상이 큰 효과를 갖지 않음을 나타낸다. 반대로, Si 및 Cr을 포함하는 합금 원소의 함유량의 감소와, 용접부의 표면상의 높은 경도를 갖는 산화물 또는 질화물의 형성의 억제는, 스크래치 마모의 억제의 관점에서 큰 효과를 갖는다고 할 수 있다.
비교예 5의 성분 조성은 저합금 용접 재료로서 널리 확산되어 있으나, Si 및 Cr의 함유량이 본 발명의 실시 형태에 의해 특정된 상한값보다 많았다. 따라서, 비록 용접부의 열전도율이 30W/(m·K)를 근소하게 초과하지만, 오목부의 최대 깊이는, 열악한 내마모성을 나타내는 0.15mm를 초과했다. 또한, 주로 C의 함유량이 작기 때문에, 경도가 45HRC에 이르지 않았다.
비교예 6 및 7에서는, Si의 함유량이 본 발명의 실시 형태에 의해 특정된 상한값을 초과했다. 비교예 8 및 9에서는, Cr의 함유량이 본 발명의 실시 형태에 의해 특정된 상한값을 초과했다. 비교예 10에서는, Mo의 함유량이 본 발명의 실시 형태에 의해 특정된 상한값을 초과했다. 따라서, 이들 비교예 모두에서, 용접부의 열전도율은 30W/(m·K)보다 작았다. 또한, 오목부의 최대 깊이는, 열악한 내마모성을 나타내는 0.15mm를 초과했다.
비교예 11 및 12에서는, Cr 및 Mo의 각각의 함유량이 본 발명의 실시 형태에 의해 특정된 하한값보다 작았다. 따라서, 용접부의 경도가 다이로서의 이용에 요구되는 하한값, 즉, 45HRC를 달성할 수 없었다.
비교예 13에서는, C의 함유량이 지나치게 작았다. 따라서, 용접부가 45HRC 이상의 경도를 달성할 수 없었다.
비교예 14에서는, C의 함유량이 지나치게 컸다. 따라서, 용접부의 열전도율이 30W/(m·K)보다 작아졌다.
비교예 15에서는, N 및 O의 함유량이 본 발명의 실시 형태에 의해 특정된 상한값보다 커졌다. 따라서, 높은 경도를 갖는 산화물 또는 질화물이 용접부의 표면상에 생성되기 쉬웠고, 오목부의 최대 깊이는, 열악한 내마모성을 나타내는 0.3mm를 초과했다. 용접 결함으로서, 질화물의 생성도 확인되었다.
지금까지 본 발명의 실시 형태를 상세히 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 요지의 범위 내에서 여러 가지의 변경이 가능하다.
본 출원은 2017년 11월 14일자로 출원된 일본특허출원 제2017-218923호를 기초로 하며, 그 내용은 본원에 참고로 포함된다.

Claims (8)

  1. 질량%로,
    0.18%≤C≤0.35%,
    0.01%≤Si≤0.20%,
    1.30%≤Mn≤1.90%,
    0.50%≤Cr≤1.50%,
    1.50%≤Mo≤2.50%,
    0.30%≤V≤1.00%,
    N≤0.020% 및
    O≤0.0050%
    를 포함하고,
    잔부는 Fe 및 불가피적 불순물인 조성을 갖는 다이용 보수 용접재.
  2. 제1항에 있어서,
    상온에서 30W/(m·K) 이상의 열전도율을 갖는 용접부를 제공하는 다이용 보수 용접재.
  3. 제1항에 있어서,
    상온에서 45HRC 이상 60HRC 이하의 경도를 갖는 용접부를 제공하는 다이용 보수 용접재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 조성은, 질량%로,
    Ni≤0.50%,
    Cu≤0.50% 및
    Co≤0.10%
    를 포함하는 다이용 보수 용접재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 조성은, 질량%로,
    P≤0.030% 및
    S≤0.050%
    를 포함하는 다이용 보수 용접재.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상온에서 52HRC 이하의 경도를 갖는 다이의 보수 용접을 위해 이용되는 다이용 보수 용접재.
  7. 모재와 용접부를 포함하는 다이로서,
    상기 모재는 상온에서 52HRC 이하의 경도를 갖고,
    상기 용접부는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 다이용 보수 용접재로 형성되는 다이.
  8. 질량%로,
    0.18%≤C≤0.35%,
    0.01%≤Si≤0.20%,
    1.30%≤Mn≤1.90%,
    0.50%≤Cr≤1.50%,
    1.50%≤Mo≤2.50%,
    0.30%≤V≤1.00%,
    N≤0.020%,
    O≤0.0050%,
    Ni≤0.50%,
    Cu≤0.50%,
    Co≤0.10%,
    P≤0.030%,
    S≤0.050%,
    Al<0.050%,
    W<0.10%,
    Nb<0.10%,
    Ta<0.01%,
    Ti<0.10%,
    Zr<0.01%,
    B<0.010%,
    Ca<0.010%,
    Se<0.03%,
    Te<0.01%,
    Bi<0.01%,
    Pb<0.03%,
    Mg<0.02% 및
    REM<0.10%
    로 이루어지고,
    잔부는 Fe 및 불가피적 불순물인 조성을 갖는 다이용 보수 용접재.
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