KR20190071746A - 분말 야금 제조된 강재, 이러한 유형의 강재로 부품을 제조하는 방법 및 상기 강재로 제조된 부품 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실제 사용 중에 높은 기계적, 부식성, 열적 및 마모성 응력을 받는 부품의 제조를 위해 최적화된 특성의 조합을 제공하는 강재를 제공한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 강재는 분말 야금을 통해 제조되며, 중량%로, C : 3.9 - 5.0%, Si : 0.3 - 2.0%, Mn : 0.3 - 2.0%, P : 0 - 0.035% 미만, S : 0 - 0.35% 미만, N : 0 - 0.12% 미만, Cr : 11.0 - 15.0%, Mo : 0.5 - 2.0%, V : 13.5 - 16.5%, 선택적으로 "Nb, Ni, Co, W"의 그룹으로부터 선택되는 하나의 원소 또는 복수의 원소를 포함하고, "Nb, Co, W"의 함량은 각각 1.0% 이하이고 Nb의 함량은 2.0% 이하이며, 잔부 철 및 불가피한 불순물로 구성되며, 이렇게 구성된 강 매트릭스에 경질 재료 입자가 30 중량% 이하의 함량으로 존재할 수 있다. 이러한 방식으로 합금화된 강 합금 분말로부터 소결 공정 또는 애디티브 공정에 의해 형성된 고체 반제품은 열처리를 거치고 각각의 부품을 형성하도록 마무리 가공된다.
Description
본 발명은 분말 야금을 통해 제조되는 강재에 관한 것이다.
본 발명은 또한 이러한 강재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
마지막으로, 본 발명은 또한 본 발명에 따른 유형의 강재로부터 제조되는 부품에 관한 것이다.
본 발명은 특히 실제 사용 중에 매우 높은 표면 응력을 받는 동시에 신속하게 이동되는 부품을 제조하기에 적합한 강재를 목표로 한다. 이러한 부품의 예로는 와이어 압연을 위한 기계에 사용되는 롤링 가이드 롤러가 있다. 고속 이송 속도로 압연 및 이동되는 와이어는 1000℃ 이상의 고온 상태에서 이들 롤러로 안내된다. 고온으로 인해 스케일 층이 와이어에 형성된다. 와이어의 높은 이송 속도와 관련된 고속 회전 속도로 인해 받게되는 고온 및 높은 동적 응력 이외에, 롤링 안내 롤러는 와이어와 접촉하게 되는 표면에서 높은 마모 응력을 또한 받게된다.
일련의 응력들을 견뎌낼 수 있도록 내마모성, 특히 내마모성, 내식성, 열충격 응력에 대한 내성 그리고 롤링 베어링 롤러 및 실제 사용 중에 유사한 방식으로 응력을 받게 되는 다른 부품들은 제조되는 강의 중량에 대한 높은 요건이 있다.
이러한 요건 프로파일을 충족시키는 상이한 시험들이 알려져 있다. 강화 플라스틱 및 다른 마모성 및 부식성 재료를 처리하기 위해 사용되는 부품을 제조하도록 의도한, 내마모성 및 내식성 분말 야금 공구 강이 EP 0773305 B1에 기술되어 있다. 상기 강은 철 이외에 (중량%로) 0.2 내지 2.0%의 Mn, 최대 0.1%의 P, 최대 0.1%의 S, 최대 2.0%의 Si, 11.5 내지 14.5%의 Cr, 최대 3.0%의 Mo, 8.0 내지 15.0%의 V, 0.03 내지 0.46%의 N, 및 1.47 내지 3.77%의 C를 포함한다. 한편으로 상기 강으로 제조된 부품의 조직에서 페라이트의 형성을 방지하고, 다른 한편으로 부품이 그 생산 과정에서 받는 열처리 중에 잔류 오스테나이트가 과도하게 생성되는 것을 방지하기 위하여, C, Cr, Mo, V 및 N 함량은 두 가지 수식에 의해 서로 결부된다. 금속 내마모성, 내마멸성 및 내식성의 최적 조합은 수식에 의해 결정되는 조성에 의해서 또한 얻어져야 한다.
여기서 논의되는 유형의 부품의 생산을 위해 분말 야금을 통해 제조된 강재의 다른 그룹이 예를 들어 미국특허 4249945 A에 기술되어 있다. 바람직한 실시예에서, 이들 강은 0.1 내지 1 중량%의 Mn, 2 중량% 이하의 Si, 4.5 내지 5.5 중량%의 Cr, 0.8 내지 1.7 중량%의 Mo, 0.14 중량% 이하의 S, 8 내지 10.5 중량%의 V, 2.2 내지 2.6 중량%의 C, 잔부 철 및 불가피한 불순물로 구성되며 13.3 내지 17.3 체적%의 바나듐 카바이드를 포함하는 강 매트릭스를 가지고 있다. 상기 강은 최대 63 HRC의 경도에 도달한다.
전술한 종래 기술을 감안하여, 본 발명의 목적은 실제 사용 중에 기계적, 부식성, 열적 및 마모성의 높은 응력을 받게 되는 부품의 제조를 위한 특성의 더욱 최적화된 조합을 제공하는 강재를 제공하는 것이다.
이러한 강으로부터 부품을 제조하는 방법도 설명된다.
마지막으로, 본 발명의 목적은 본 발명에 따른 강으로 제조하기 특히 적합한 부품을 제공하는 것이다.
강과 관련하여, 본 발명은 제1항에 따라 얻어진 강에 의해 상기 목적을 달성하였다.
방법과 관련하여 전술한 목적의 본 발명에 따른 해결책은 본 발명에 따른 강으로 만들어진 부품을 제조할 때 수행되는 제12항에 언급된 적어도 작업 단계들로 구성된다.
마지막으로, 본 발명에 따른 강은 실제 사용 중에 고가속 또는 고속으로 이동을 수행하고 그러면서 특히 높은 표면 응력 및 온도 응력을 받게 되는 부품을 제조하는데 특히 적합하다. 이러한 부품의 예로는 와이어 생산용 기계를 위한 롤링 가이드가 있고, 또한 기계적 응력, 내마모성 및 고강도 뿐만 아니라 높은 동적 힘의 영향하에서 최적의 거동을 요구하는 다른 공구 및 다른 부품들이 있다. 대표적인 예로는 피스톤 핀과 플런저 로드(plunger rod)가 있다.
본 발명의 유리한 실시예는 종속항에 나타내고 있으며, 전반적인 발명 개념과 마찬가지로 이하에서 상세하게 설명된다.
본 발명에 따른 강재는 분말 야금을 통해 제조되며 중량%로,
C : 3.9 - 5.0%,
Si : 0.3 - 2.0%
Mn : 0.3 - 2.0%
P : 0 - 0.035% 미만
S : 0 - 0.35% 미만
N : 0 - 0.12% 미만
Cr : 11.0 - 15.0%
Mo : 0.5 - 2.0%
V : 13.5 - 16.5%
선택적으로 "Nb, Ni, Co, W"의 그룹으로부터 선택되는 하나의 원소 또는 복수의 원소를 포함하고 "Nb, Co, W"의 함량은 각각 1.0% 이하이고 Nb의 함량은 2.0% 이하이며,
잔부 철 및 불가피한 불순물로 구성된다.
이 경우에 전술한 본 발명에 따른 방식으로 구성되는 강 매트릭스에는 기계적 성질을 최대화하기 위해 선택적으로 경질 재료 입자들이 최대 30 중량%의 함량으로 존재할 수 있다.
관련된 경질 재료 입자들은 특히 티타늄 카바이드 입자일 수 있다.
본 발명에 따른 강은 최소화된 밀도로, 극단적인 온도 변화에 대해 최대화된 저항성과 최적화된 내식성 및 우수한 내마모성을 구비하고 결과적으로 긴 수명을 갖도록 구성된다.
본 명세서에서 강 및 강재의 합금 함량에 대한 정보가 제시되는 경우, 달리 명시적으로 나타내지 않는 한은 중량을 의미한다.
본 발명에 따른 강재에서, 최적화된 경도, 결과적으로 최대 강도 및 내마모성이 달성되도록 C, Cr 및 V의 함량은 특히 서로 조합된다.
강에 또한 존재하는 바나듐, 크롬, 몰리브덴과 함께 경질의 내마모성 탄화물의 형성을 가능하게 하기 위해, 그리고 마르텐사이트 형성에 의해 본 발명에 따른 강으로 형성된 부품의 베이스 매트릭스 구조에서 금속 매트릭스의 경도를 증가시키기 위해, 탄소는 본 발명에 따른 강에 3.9 내지 5.0 중량%의 함량으로 존재한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 최소 3.9 중량%의 탄소가 필요하다. 본 발명에 따른 강에서 탄소의 긍정적인 효과는, 적어도 4.2 중량%의 C가 존재할 때 특히 안전하게 이용될 수 있다. C 함량이 5.0 중량%를 초과하면 내식성이 현저하게 저하될 수 있다. 이것은 C 함량을 최대 4.6 중량%로 제한하는 것에 의해 특히 안전하게 방지될 수 있다. 또한, 5 중량%를 상당히 초과하는 C 함량은 경화 후에 잔류 오스테나이트의 안정화를 나타낼 수도 있다. 이 상들은 마르텐사이트보다 현저히 연질이며, 그에 따라 내마모성이 감소된다. 따라서, 본 발명에 따른 목적에 특히 적합한 본 발명에 따른 강의 C 함량은 최대 4.5 중량%이다.
실리콘은 한편으로는 본 발명에 따라 합금되고 본 발명에 따른 부품을 제조하기 위해 제공되는 강 합금 분말의 일부인 기본 재료를 용융시킬 때 탈산을 위해 사용된다. 탄소 활성도는 또한 실리콘의 존재를 통해 증가되고 따라서 용융 온도를 감소시킨다. 0.3 중량% 이상의 Si, 특히 0.7 중량% 이상의 Si를 선택적으로 첨가하지 않을 경우, 더욱 높은 C 함량이 필요하다. 무화 공정(atomisation)은 감소한 융점에 의해 용이하게 된다. 또한 실리콘은 금속 용융물의 점도를 낮추는데, 이것이 또한 무화 공정을 단순화하는 데 기여한다. 동시에, TTT 다이어그램에서 전환 노우즈가 더 긴 시간쪽으로 이동되기 때문에 실리콘은 강재의 담금질성을 증가시킨다. 경화 온도에서 오스테나이트의 강도는 Si의 용해 비율에 의해 증가되며, 이에 의해 오스테나이트의 더 높은 안정성이 설명될 수 있고 보다 긴 냉각 기간이 가능해진다. 이러한 효과는 최대 2.0 중량%, 특히 최대 1.5 중량%의 Si 함량으로 달성된다. 과도한 Si 함량은 페라이트의 안정화로 이어질 수 있고, 이에 의해 경화 후에 강의 조직에 존재하는 마르텐사이트의 비율이 감소될 수 있으며, 따라서 본 발명에 따른 강재의 경도 및 내마모성이 감소될 수도 있다.
망간은 강 분말의 제조 중에 무화 능력 및 강재의 경도를 최적화하기 위하여 본 발명에 따른 강재에 존재한다. 따라서 Si의 존재에 의한 것과 마찬가지로 Mn의 충분한 함량의 존재에 의해 강의 융점은 감소하며 Mn의 선택적 첨가가 무화 공정을 단순화시키는 데 기여하도록 금속 용융물의 점도는 감소한다. 동시에, 망간은 또한 강재의 담금질성을 증가시킨다. Mn의 용해 비율은 또한 오스테나이트의 안정화에 기여한다. 또한 Mn은 황과 결합하여 MnS를 형성하며, 이에 의해 고온 균열의 위험을 줄이고 피삭성이 향상된다. 이러한 효과는 0.3 중량% 이상, 특히 0.7 중량% 이상의 Mn 함량 및 최대 2.0 중량%, 특히 최대 1.5 중량%의 Mn 함량에 의해 작동적으로 안전한 방식으로 달성된다. 과도한 망간 함량은 한편으로는 연화 어닐링 기간이 현저히 증가할 정도로 오스테나이트 상을 안정화시킨다. 다른 한편으로, 오스테나이트 상은 잔류 오스테나이트가 경화 후에 조직에 유지되는 정도의 과도한 Mn 함량에 의해 안정화될 수 있다. 이 미세조직은 마르텐사이트보다 상당히 연질이어서 경도 및 내마모성이 감소할 것이다. 본 발명에 따른 강재의 약 1.2 중량% Mn 함량이 특히 실용적인 것으로 밝혀졌다.
크롬은 본 발명에 따른 강에서 Mo 및 V와 함께 작용하여 목표하는 높은 내열성, 내식성 및 담금질성을 충족시키는 역할을 한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 강재에 11.0 중량% 이상, 특히 12.0 중량% 이상의 Cr이 제공되며, Cr의 유리한 효과는 Cr 함량을 12.5 중량% 이상으로 설정하는 것에 의해 특히 작동적으로 안전한 방식으로 이용될 수 있다. 과도한 Cr 함량은 Cr 탄화물이 많이 생성되는 것을 초래할 수 있다. 그러나, C가 Cr 탄화물의 형성을 통해 결합될 수 있어, 목표하는 높은 경도의 마르텐사이트가 더 이상 달성될 수 없도록 마르텐사이트 형성이 감소될 수 있다. Cr 함량이 본 발명에 따라 미리 규정된 상한을 크게 초과하여 증가하는 경우, 페라이트 상이 또한 안정화될 것이며, 그에 따라 요구되는 경도 및 내마모성이 달성되지 않을 것이다. 따라서, Cr의 최대 함량은 본 발명에 따라 15.0 중량%로, 특히 최대 14.0 중량%로 제한되며, 13.5 중량% 이하의 Cr 함량이 실제로 특히 적합하다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 본 발명에 따른 목적에 특히 적합한 본 발명에 따른 강재의 Cr 함량은 13.0 중량%의 범위이다.
크롬과 마찬가지로 몰리브덴은 Mo 함량이 0.5 중량% 이상, 특히 0.9 중량% 이상일 경우 본 발명에 따른 강으로부터 제조된 부품의 내식성, 담금질성 및 내열성을 증가시킨다. 그러나 과도한 함량의 Mo는 페라이트 상을 또한 안정화시킨다. 따라서, Mo의 최대 함량은 본 발명에 따른 강에서 2.0 중량% 이하, 특히 1.5 중량% 이하로 제한된다. 그러므로, 본 발명에 따른 목적을 위해 특히 적합한 본 발명에 따른 강의 Mo 함량은 바람직하게는 1.2 중량%의 범위이다.
바나듐은 바나듐이 풍부한 탄화물 또는 탄질화물을 다량 형성하는 것에 의해 최적의 내마모성을 달성하기 위하여 13.5 중량% 내지 16.5 중량%의 함량으로 본 발명에 따른 강에 존재한다. 또한 바나듐은 2차 최대 경화에서 템퍼링할 때 탄화물의 형성에 더욱 관여한다. V 존재의 최적 효과는 본 발명에 따른 강에 최소 14.5 중량% V가 존재함으로써 달성될 수 있다. V 함량을 16.5 중량%로, 특히 최대 16.0 중량%로, 또는 최대 15.5 중량%로 제한함으로써, 과도한 탄소가 작동적으로 안전한 방식으로 탄화물 형성에 의해 결합되는 것을 방지할 수 있다. 마르텐사이트의 비율이 경화 후에 감소될 수 있게, 이러한 과도한 결합으로 인해 마르텐사이트를 형성하기 위한 C의 결핍이 있을 수 있다. 경도 및 내마모성은 상응하게 감소할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 목적을 위해 적합한 본 발명에 따른 강의 V 함량은 전형적으로 15.0 중량%이다.
니오븀은 본 발명에 따른 강에 2.0 중량% 이하의 함량으로 선택적으로 존재한다. Nb는 바나듐과 매우 유사한 작용 방식을 가지고 있다. 특히 경질의 내마모성인 모노 카바이드의 형성에 관여한다. 따라서, Nb 및 V는 예를 들어 이들 합금 원소의 유용성과 관련하여 바람직한 경우, 원자%의 함량을 기준으로 1:1의 비율로 서로 교환될 수 있다.
니켈은 Mn과 유사하게 오스테나이트 분율을 안정화시키며 담금질성을 향상시키기 위해 본 발명에 따른 강재에 1.0 중량% 이하의 함량으로 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서 Ni의 존재는 각각의 경화 온도에서 오스테나이트가 실제로 형성되고 강재의 조직에 원하지 않는 페라이트가 발생하지 않도록 한다. 그러나, 과도한 Ni 함량은 마르텐사이트 형성에 필요한 냉각 기간을 증가시킨다. 동시에, 경화 후의 조직에 잔류 오스테나이트가 존재하는 위험이 있기 때문에, 과도한 Ni 함량은 회피되어야 한다. Ni가 첨가되는 경우, Ni 함량은 바람직하게는 적어도 0.2 중량%이고, Ni 존재의 최적화된 효과는 최대 0.4 중량%의 Ni 함량에서 나타난다.
코발트는 또한 본 발명에 따른 강재에 최대 1.0 중량%의 함량으로 선택적으로 존재할 수 있다. 니켈과 유사하게, Co는 오스테나이트 생성 및 경화 온도에 대한 안정화 효과를 나타낸다. 그러나 니켈이나 망간과는 달리 Co는 마르텐사이트의 종료 온도를 낮추지 않으므로, 잔류 오스테나이트 형성과 관련하여 Co가 존재하는 것은 덜 중요하다. 코발트는 또한 내열성을 증가시킨다. 이러한 긍정적인 효과가 Co의 첨가에 의해 이용되려면 적어도 0.3 중량%의 Co 함량이 특히 유리한 것으로 확인되었고, Co 함량이 최대 0.5 중량%인 경우 최적화된 효과가 나타난다.
텅스텐은 Co 및 Ni와 마찬가지로, 최대 1.0 중량%의 함량으로 강에 선택적으로 첨가될 수 있다. 텅스텐은 주로 내열성을 증가시키고 2차 최대 경화에서 템퍼링할 때 탄화물 형성에 주로 관여한다. 템퍼링 온도는 W의 존재에 의해 보다 고온으로 이동된다. 코발트와 마찬가지로, 내열성이 W에 의해 또한 증가한다. 그러나 과도한 W 함량은 페라이트 상을 또한 안정화시킨다. W의 긍정적인 효과가 이용되려면 적어도 0.3 중량%의 W 함량이 특히 유리한 것으로 확인되었고, W 함량이 최대 0.5 중량%인 경우에 최적화된 효과가 나타난다.
강의 잔부는 철 및 불가피한 불순물인데, 이러한 불순물은 제조 방법 또는 강 합금 분말의 성분이 얻어지는 출발 재료로 인해 철에 들어가는 것이지만 특성과 관련하여 영향을 미치지 않는다.
황은 피삭성을 향상시키기 위해 강재에 최대 0.35 중량%의 함량으로 존재할 수 있다. 보다 높은 S 함량의 경우에, 본 발명에 따라 구성된 강재의 특성은 반대로 손상된다. S 존재의 유리한 효과를 안전하게 이용할 수 있도록 하기 위하여, 적어도 0.035 중량%의 S가 본 발명에 따른 강재에 존재할 수 있다. 반대로, S의 선택적인 첨가에 의해 피삭성을 향상시키는 것이 아니라면, S 함량은 0.035 중량% 미만으로 억제될 수 있다.
불가피하게 존재하는 불순물은 최대 0.035 중량%의 P 함량을 또한 포함한다.
질소는 또한 본 발명에 따른 강재와 선택적으로 합금되는 것이 아니고, 무화 공정 동안 합금 성분의 질소 친화성으로 인해 강재에 들어간다. 강재의 특성에 대한 N의 부정적인 영향을 회피하기 위해, N의 함량은 0.12 중량% 미만, 특히 최대 0.1 중량%로 제한되어야 한다.
본 발명에 따른 강재의 밀도는 일반적으로 6.6 - 7.2g/cm3이고, 경질 재료 입자가 존재하는 경우에는 7.0 - 7.2g/cm3이며, 경질 재료 입자의 첨가에 의해 6.6 - 7.0 g/㎤로 설정될 수 있다. 그로 인해 최소화된 밀도 및 그에 의해 야기된 낮은 중량은 본 발명에 따른 강을 실제 사용 중에 반복적으로 높은 가속도를 반복적으로 받으며 결과적으로 낮은 질량 관성이 특히 유리한 영향을 나타내는 그러한 부품을 제조하기 위해 특히 적합한 것이 되게 한다.
분말 야금 제조는 본 발명에 따른 강의 밀도 및 내마모성이 원하는 특성과 관련하여 바람직한 저밀도의 경질 상의 선택적인 첨가에 의해서 각각의 적용에서 선택적으로 더욱 최적화될 수 있게 한다. 본 발명에 따른 강의 사용 특성은 30 중량% 이하의 경질 재료 입자가 첨가됨으로써 추가로 증가 될 수 있으며, 상기 경질 재료 입자는 완전히 제조된 강에서 전술한 방식으로 구성된 강 매트릭스에 매립된다. 경질 재료는 강 매트릭스를 형성하는 강 합금 분말과 마찬가지로 출발 상태에서 분말로서 존재한다.
기술 용어에서 "경질 상"이라고도 지칭하는 경질 재료는 탄화물, 질화물, 산화물 또는 붕화물일 수 있다. 따라서 적절한 경질 재료의 그룹은 Al2O3, B4C, SiC, ZrC, VC, NbC, TiC, WC, W2C, Mo2C, V2C, BN, Si3N4, NbN 또는 TiN을 포함한다.
TiC는 본 발명에 따른 목적을 위해 특히 적합한 것으로 밝혀졌다. 티타늄 카바이드는 3200 HV의 경도를 나타내고 따라서 강의 경도와 내마모성을 특히 효과적으로 증가시킨다. 동시에, TiC는 내화학성이며 내식성에 부정적인 영향을 미치지 않는다. 마찬가지로, 저밀도의 TiC는 유리한 효과를 갖는다.
경질 재료 입자의 유리한 존재를 이용하기 위해, 본 발명에 따른 강재에 적어도 2.5 중량%, 특히 적어도 5.0 중량%의 경질 재료 입자가 존재할 수 있다. 최대 25 중량%의 경질 재료 함량이 원하는 특성과 관련하여 특히 유리한 것으로 입증되었다. 여기에서 언급한 본 발명에 따른 강재에 경질 재료 입자의 함량은 특히 경질 재료가 티타늄 카바이드(TiC)일 때 특히 유리하다.
본 발명에 따른 강은 경질 재료가 존재하지 않더라도 경화 및 템퍼링 후에 적어도 60 HRC의 경도 값에 도달하며, 전형적인 경도 값은 62 내지 65 HRC의 범위이다.
경도는 본 발명에 따른 강에 경질 재료 입자의 존재로 더욱 증가될 수 있다. 그러면 일반적으로 63 - 68 HRC 범위이다.
특히 실제 시험 중에 그 값이 입증되고 상기 강에 대해 전형적인 것으로 앞서 언급한 합금 성분을 갖는 본 발명에 따른 강은, 예를 들어 경질 재료 입자를 첨가하지 않고 71 g/cm3의 밀도 및 63 HRC의 경도를 가지며, 경질 재료 입자의 존재하에서 그 밀도는 6.9 g/cm3이고 경도는 65 HRC이다.
일반적으로 기계적인 가공을 위해 실행되는 연화 어닐링 후, 경질 재료 입자를 함유하지 않는 본 발명에 따른 강재의 전형적인 연화 어닐링 경도는 43 - 53 HRC인 반면, 경질 재료 입자의 존재 하에서의 연화 어닐링 경도는 전형적으로 46 - 55 HRC이다.
본 발명에 따른 강으로 만들어진 본 발명에 따른 부품을 제조하기 위해 적어도 다음의 작업 단계들이 실행된다.
a) (중량%로) 3.9 - 5.0%의 C, 0.3 - 2.0%의 Si, 0.3 - 2.0%의 Mn, 0.035% 이하의 P, 0.35% 이하의 S, 0.12% 이하의 N, 12.0 - 15.0%의 Cr, 0.5 - 2.0%의 Mo, 13.5 - 16.5%의 V, 선택적으로 "Nb, Ni, Co, W "그룹으로부터 임의로 하나의 원소 또는 복수의 원소로서 "Ni, Co, W" 원소들의 함량은 최대 1.0%이고 Nb의 함량은 최대 2.0%이며, 잔부 철 및 불가피한 불순물로 구성되는 강 합금 분말이 제공된다.
b) 얻어진 강 합금 분말/경질 재료 입자 혼합물의 경질 재료 입자 함량이 30 중량% 이하인 조건으로 강 합금 분말이 경질 재료 입자와 선택적으로 혼합된다.
c) 강 합금 분말 또는 강 합금 분말/경질 재료 혼합물은 선택적으로 건조된다.
d) 강 합금 분말 또는 강 합금 분말/경질 재료 혼합물로부터 소결 공정, 특히 열간 등압 성형 또는 애디티브 공정에 의해 고체 반제품이 형성된다.
e) 상기 반제품은 부품을 형성하기 위해 마무리된다.
본 발명에 따른 방법의 작업 단계 a) 내지 e)의 실제 실행 및 구성과 관련하여 다음의 것들이 적용된다.
작업 단계 a)
분말 제조는 예를 들어 가스 무화 또는 임의의 다른 적합한 방법에 의해 통상적으로 일어날 수 있다. 이를 위해, 합금 분말은 예를 들어 가스 또는 물 무화, 또는 이들 두 무화 공정의 조합에 의해서 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 방식으로 합금된 용융물을 합금 분말로 무화하는 것이 고려될 수 있다.
그러나, 대안적으로 강 합금 분말의 합금 원소를 각각의 합금 원소에 대해 제공되는 함량 비율에 해당하는 양의 분말 형태로 우선 개별적으로 제공하고, 그 다음에 이들 분말 양을 본 발명에 따라 조성되는 강 합금 분말에 혼합하는 것도 가능하다.
필요한 경우, 분말 입자는 본 발명에 따른 추가 처리를 위해 분말 입자로부터 체질(sieving)하여 선택되고, 상기 분말 입자는 500 ㎛ 미만의 평균 직경을 가지며, 평균 입자 크기가 250 ㎛ 미만, 특히 180 ㎛ 미만인 분말이 특히 적합한 것으로 판명되었다.
그 제조 방법에 관계없이, 본 발명에 따라 제공되는 합금 분말은 최적으로 2 내지 6 g/cm3의 벌크 밀도 (DIN EN ISO 3923-1에 따라 결정됨) 및 3 내지 8 g/cm3의 탭 밀도(DIN EN ISO 3953에 따라 결정됨)를 갖는다.
작업 단계 b)
이 단계가 제공되는 경우, 작업 단계 a)에서 제조된 강 합금 분말은 선택된 경질 재료 분말과 혼합된다. 혼합된 경질 재료 입자의 양은 경질 재료의 함량의 최적화된 선택과 관련하여 미리 주어진 지시를 고려하여 결정된다.
작업 단계 c)
필요하다면, 작업 단계 a) 및 및 선택적으로 실행되는 작업 단계 b)에서 얻어진 합금 분말은 후속 성형 공정을 방해할 수 있는 유체 및 다른 휘발성 성분의 잔류물을 제거하기 위해 통상적으로 건조될 수 있다.
작업 단계 d)
블랭크(반제품)가 이제 경질 재료 입자를 선택적으로 함유하는 합금 분말로부터 형성된다. 이를 위해, 합금 분말 또는 자체 공지된 방식에서 합금 분말은 적절한 소결 공정, 특히 열간 등압 성형("HIP")에 의해 각각의 형태가 될 수 있다. 일반적으로 열간 등압 성형이 실행된다. 열간 등압 성형 동안의 전형적인 압력은 1050 - 1250 ℃, 특히 1080 - 1200 ℃의 온도에서 900 - 1500 바의 범위, 특히 1000 바 이다. 경화 과정 중에 강재의 조직에 오스테나이트, VC 및 Cr 카바이드가 형성된다.
대안적으로, 각각의 부품은 또한 본 발명에 따라 얻어지고 제공되는 합금 분말로부터 애디티브 공정으로 제조될 수 있다. "애디티브(additive)"라는 용어는 부품을 제조하기 위해 물질이 추가되는 모든 제조 방법을 포함하며, 이러한 추가는 일반적으로 층으로 일어난다. 기술적인 언어에서 "생성 프로세스"라고도 종종 지칭되는 "애디티브 제조 프로세스"는 제조될 부품에 형태를 부여하기 위하여 재료가 제거되는 가공 프로세스(예를 들어 밀링, 드릴링 및 회전)와 같은 고전적인 삭감 제조 프로세스와 대비된다. 애디티브 제조 프로세스 원리는 전술한 기계 가공 공정 또는 일차적인 성형 공정(주조, 단조)과 같은 종래의 제조 공정을 사용하여 구현할 수 없거나 어렵게 구현될 수 있는 기하학적으로 복잡한 구조를 만드는 것을 가능하게 한다[2014 년 9월 Verein Deutscher Ingenieure e.V. (독일 엔지니어 협회)에서 발행한 VDI 현황 보고서 "Additive Fertigungsverfahren", 생산 기술 및 제조 프로세스의 전문 분야, www.vdi.de/statusadditiv 참조]. "애디티브 프로세스(additive process)"의 일반적인 용어로 작성된 프로세스의 추가적인 정의는 예컨대 VDI 표준 3404 및 3405에서 확인할 수 있다.
작업 단계 e)
작업 단계 d)에 따라 얻어진 반제품은 한편으로는 원하는 사용 특성을 제공하고 다른 한편으로는 요구되는 최종 형태를 부여하기 위해 마무리가 필요하다. 마무리는 예를 들어 기계 가공, 특히 반제품의 기계 가공 및 경화와 템퍼링으로 구성될 수 있는 열처리를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 강재의 단면을 촬영한 전자 현미경 사진이다.
본 발명은 예시적인 실시예에 기초하여 이하에서 더욱더 상세하게 설명된다.
앞서 설명한 방식으로 본 발명에 따라 구성된 합금 분말은 예를 들어 열간 등압 성형 또는 다른 적합한 소결 공정에 의해 블랭크(반제품)로 형성된다. 이를 위해, 각각의 합금 분말은 적절한 주형, 예를 들어 원통형 캡슐에 충전될 수 있으며, 그 후 1050 - 1250 ℃, 특히 1150 ℃의 온도 및 900 - 1500 바(90 - 150 MPa), 특히 1000 바(100 MPa)의 전형적인 압력에서 고체 본체가 될 때까지 충분한 시간 동안 유지될 수 있다. 열간 등압 성형을 위한 압력은 전형적으로 102 - 106.7 MPa의 범위이며, 전형적으로 200 내지 300 분, 특히 245 분 동안 유지되는 전형적으로 1150 내지 1153 ℃의 목표 온도로의 가열은 전형적으로 3 K/분 - 10 K/분의 가열 속도로 또한 일어난다.
반제품의 생산 후에 열처리가 뒤따른다. 각각의 반제품은 전형적으로 5 K/분의 가열 속도로 1080 - 1200 ℃, 전형적으로 1125 ℃의 경화 온도(오스테나이트화 온도)로 가열되며, 이 온도에서 반제품이 전체적으로 가열될 때까지 유지된다. 이를 위한 소요 시간은 일반적으로 30 - 60 분이다. 이 방식으로 가열된 반제품은 담금질된다. 그렇게 할 때, 반제품은 예를 들어 물, 기름, 폴리머 욕(bath), 이동 또는 고정 공기의 적합한 담금질 매질로, 또는 냉각이 진공로에서 실행되는 경우 가스 질소로 5 - 30 분 이내에 실온으로 냉각된다. 특히, 대형 반제품의 경우 전체적으로 균일한 가열을 보장하기 위하여 예를 들어 400 ℃, 600 ℃ 및 800 ℃의 복수의 예비 가열 단계로 경화 온도까지 가열이 실행되거나 또는 600 - 800 ℃ 범위의 예열 온도에서 경화 온도까지 가열이 실행될 수 있다.
주위 분위기와 반응을 회피하기 위해, 경화는 진공로에서 자체 공지된 방식으로 실행될 수 있다. 그러나, 이것이 본 발명에 따른 접근 방법의 성공을 위한 필수 조건은 아니다.
경화 후, 반제품은 전형적으로 490 - 510 ℃의 각각의 템퍼링 온도에서 예를 들어 90 분 동안 유지되는 템퍼링이 실행될 수 있다. 템퍼링 조건은 각각의 경화 온도 및 원하는 경화 레벨, 즉 원하는 강도의 함수로서 그 자체로 공지된 방식으로 선택된다. 가열 및 냉각 속도는 일반적으로 템퍼링 동안 10 K/분의 크기이다. 경화와 달리 가열 및 냉각 속도는 템퍼링에 중요하지 않다. 취성의 마르텐사이트는 탄소 확산을 통한 템퍼링에 의해 느슨해진다. 상기 마르텐사이트는 예를 들어 V, Cr 및 Mo와 함께 소위 "템퍼링 탄화물"을 형성한다. 결과적으로 인성이 증가한다. 동시에, 강재의 강도 및 경도는 단지 약간만 감소하는데 그 이유는 탄화물 형성에 의해 강도 및 경도가 다시 증가하기 때문이다.
이러한 합금 시스템의 경우 일반적으로 좁은 온도 범위(대략 450 ℃ - 650 ℃ 사이의 약 50 ℃)가 있기 때문에, 이 온도보다 높거나 낮은 온도는 더욱 낮은 경도를 나타내므로 2차 최대 경화라는 용어가 사용된다.
본 발명에 따른 강재 및 그로부터 제조된 부품의 실제 제조에 대해 전술한 일반적인 접근법을 사용하여 다음과 같은 시험들이 실행되었다.
샘플 부품의 제조를 위해, 본 발명에 따른 V15 및 V15_MMC의 2 가지 합금이 제조되었으며, 그 조성은 표 1에 나타내었다. 강재 V15는 경질 재료 입자를 함유하지 않은 반면에, 강재 V15_MMC에는 5 중량%의 TiC 경질 재료 입자가 강재 V15와 동일하게 구성되는 강재 매트릭스에 포함되어 있다.
강재 V15 및 V15_MMC는 분말 야금에 의해 제조되었다.
이를 위해, 강재 V15에 대해서 표 1에 나타낸 조성을 갖는 강 합금 분말을 그 자체가 공지되어 있고 이미 전술한 방식으로 무화하여 제조하였다. 합금 분말 입자의 평균 직경은 250 ㎛ 미만이었다.
강재 V15_MMC에서는, 강재 V15를 위해 제조된 합금 분말이 분말 형태로 또한 존재하며 더 작은 입자 크기에 해당하는 TiC 경질 재료 입자와 추가로 혼합된다.
상응하게 구성된 V15 및 V15_MMC 합금 분말은 열간 등압 성형에 의해 원통형 본체로 고화되었다. 이를 위해 각 합금 분말은 원통형 캡슐 내에 충전되었다. 그 후, 캡슐에 충전된 분말을 3 - 10 K/분의 가열 속도 및 102 - 106.7 MPa의 압력에서 각각 1150 - 1153 ℃의 목표 온도까지 가열하였고, 이들 온도에서 245 분의 유지 시간 동안 각각 유지되었다. 유지 시간 종료 후, 반제품으로서 얻어진 고체 원통형 피스는 3 - 10 K/분의 냉각 속도로 실온까지 냉각되었다.
강재 V15로 이루어지는 2 개의 반제품 샘플 V15a 및 V15b와 강재 V15_MMC로 이루어지는 2 개의 반제품 샘플 V15_MMC_a 및 V15_MMC_b에 대하여, 표 2에 나타낸 파라미터의 열처리를 실시하였다.
이 예에서, 샘플 V15_a 및 V15_MMC_a는 진공로에서 약 5 K/분의 가열 속도로 경화 온도(오스테나이트화 온도) AT까지 가열 되었으며, 경화 온도에서 샘플들은 각각 60 분의 유지 기간 동안 유지되었다.
유지 기간 후, 샘플 V15_a 및 V15_MMC_a는 여전히 진공로에서 3.5 바로 공급된 가스 질소로 담금질되었다.
경도에 대한 템퍼링 처리의 영향을 시험하기 위해, 이러한 방식으로 경화된 샘플 V15_a 및 V15_MMC_a에 대해 템퍼링 이전에 존재하던 경도 HRC("HRC_v")가 결정되었다. 상기 경도의 평균값을 표 2에 나타내었다.
이어서, 샘플 V15_a 및 V15_MMC_a에는 템퍼링 처리를 실시하였다. 이를 위해, 샘플은 각각 약 10 K/분의 가열 속도로 템퍼링 온도 ST까지 가열되었으며, 이 온도에서 St의 기간 동안 유지된 후에 마찬가지로 약 10 K/분 냉각 속도로 실온까지 냉각되었다. 다음에, 최적의 템퍼링 결과를 얻기 위하여 이러한 템퍼링 처리를 한번 반복하였다.
대조적으로, 샘플 V15_b 및 V15_MMC_b에는 연화 어닐링을 실시하였는데, 샘플은 10 K/분의 가열 속도로 900 ℃의 연화 어닐링 온도까지 가열되었으며 이 온도에서 8 시간 동안 유지되었다. 다음에, 전원을 차단한 노에서 실온으로 서냉되었다.
템퍼링 후에 존재하는 경도 HRC("HRC_n")는 이러한 방식으로 템퍼링 어닐링 또는 연화 어닐링된 샘플 V15_a, V15_b와 V15_MMC_a 및 V15_MMC_b에 대해 결정되었다. 경도의 평균값을 표 2에 또한 나타내었다.
강재 V15로 이루어지는 샘플의 밀도 ρ는 평균 7.1 g/cm3이었던 반면에, 강재 V15_MMC로 이루어지는 샘플의 밀도 ρ는 6.9 g/cm3이었다.
도 1에 전자 현미경으로 얻은 강재 V15_MMC로 구성된 샘플의 마이크로 섹션의 이미지가 재현되어 있다. 이 도면은 C 및 V 함량에 기인하며 강 매트릭스에 균일하게 분포된 방식으로 매립되어 있는 명확하게 두드러진 바나듐 카바이드(중간 회색)와 조합하여, 별도로 첨가된 티타늄 카바이드(짙은 회색) 및 마찬가지로 합금 및 열처리에 기인하는 크롬 카바이드(밝은 회색)를 보여준다.
합금 V15 및 V15_MMC에서, 경도는 V 및 C 함량을 변화시키는 것에 의해 설정될 수 있다.
보다 연질의 변형예 V14 및 V14_MMC의 경우, C 함량을 각각 4.0 - 4.4 중량%로 하고 V 함량을 13.5 - 14.5 중량%로 설정하였다. 실시예 V15_a 및 V15_MMC_a에 대해 앞서 설명한 방식으로 분말 야금을 통해 제조된, 변형예 V14 및 변형예 V14_MMC로부터의 반제품은 실시예 V15_a 및 V15_MMC_a에 대해 또한 전술한 방식으로 실행된 경화(1125 ℃에서 60 분 동안 오스테나이트화, 3.5 바 압력에서 N2 가스로 담금질) 후에 평균적으로 66.0 HRC(변형예 V14) 및 67 HRC(변형예 V14_MMC)의 경도를 가졌다. 실시예 V15_a 및 V15_MMC_a에 대해 전술한 방식으로 실행된 템퍼링 처리(500 ℃에서 90 분 동안 템퍼링, 한번 반복됨) 후에, 변형예 V14 및 V14_MMC로 이루어진 반제품은 평균적으로 62.5 HRC(변형예 V14) 및 64.5 HRC(변형예 V14_MMC)의 경도를 가졌다.
또한, 앞서 설명한 방식으로 분말 야금을 통해 제조된 변형예 V14 및 V14_MMC로부터의 반제품 샘플을 500 ℃에서 8 시간 동안 연화 어닐링 하였다. 평균적으로, 연화 어닐링 후에 경도는 44 HRC(변형예 V14) 및 46 HRC(변형예 V14_MMC)였다.
보다 경질의 변형예 V16 및 V16_MMC의 경우, C 함량을 각각 4.5 - 4.9 중량% 범위로 설정하고 V 함량을 15.5 - 16.5 중량% 범위로 설정하였다. 실시예 V15_a 및 V15_MMC_a에 대해 앞서 설명한 방식으로 분말 야금을 통해 제조된, 변형예 V16 및 변형예 V16_MMC로부터의 반제품은 실시예 V15_a 및 V15_MMC_a에 대해 전술한 방식으로 실행된 경화(1125 ℃에서 60 분 동안 오스테나이트화, 3.5 바 압력에서 N2 가스로 담금질) 후에 평균적으로 69.0 HRC(변형예 V16) 및 69.5 HRC(변형예 V16_MMC)의 경도를 가졌다. 실시예 V15_a 및 V15_MMC_a에 대해 전술한 방식으로 실행된 템퍼링 처리(500 ℃에서 90 분 동안 템퍼링, 한번 반복됨) 후에, 변형예 V16 및 V16_MMC로 이루어진 반제품은 평균적으로 65.5 HRC(변형예 V16) 및 66.5 HRC(변형예 V16_MMC)의 경도를 가졌다.
마지막으로, 앞서 설명한 방식으로 분말 야금을 통해 제조된 변형예 V16 및 V16_MMC로부터의 반제품 샘플을 또한 500 ℃에서 8 시간 동안 연화 어닐링 하였다. 평균적으로, 연화 어닐링 후에 경도는 47.5 HRC(변형예 V16) 및 52.0 HRC(변형예 V16_MMC)였다.
따라서, 본 발명은 실제 사용 중에 높은 기계적, 부식성, 열적 및 마모성 응력을 받는 부품의 제조를 위해 최적화된 특성의 조합을 제공하는 강재를 제공한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 강재는 분말 야금을 통해 제조되며, (중량%로) C: 3.9 - 5.0%, Si: 0.3 - 2.0%, Mn: 0.3 - 2.0%, P: 0 - 0.035% 미만, S: 0 - 0.35% 미만, N: 0 - 0.12% 미만, Cr: 11.0 - 15.0%, Mo: 0.5 - 2.0%, V: 13.5 - 16.5%, 선택적으로 "Nb, Ni, Co, W"의 그룹으로부터 선택되는 하나의 원소 또는 복수의 원소로서 "Nb, Co, W"의 함량은 각각 1.0% 이하 및 Nb의 함량은 2.0% 이하이고, 잔부 철 및 불가피한 불순물을 포함하며, 이러한 방식으로 구성되는 강 매트릭스에 경질 재료 입자들이 최대 30 중량%의 함량으로 존재할 수 있다. 이러한 방식으로 합금된 강 합금 분말로부터 소결 공정 또는 애디티브 공정에 의해 고체 반제품이 형성되고, 상기 고체 반제품은 개별적인 부품을 형성하기 위해 마무리된다.
Claims (15)
- 분말 야금으로 제조되며 중량%로,
C : 3.9 - 5.0%,
Si : 0.3 - 2.0%,
Mn : 0.3 - 2.0%,
P : 0 - 0.035% 미만,
S : 0 - 0.35% 미만,
N : 0 - 0.12% 미만,
Cr : 11.0 - 15.0%,
Mo : 0.5 - 2.0%,
V : 13.5 - 16.5%,
선택적으로 "Nb, Ni, Co, W"의 그룹으로부터 선택되는 하나의 원소 또는 복수의 원소를 포함하고, "Nb, Co, W"의 함량은 각각 1.0% 이하이고 Nb의 함량은 2.0% 이하이며, 잔부 철 및 불가피한 불순물로 구성되며,
이렇게 구성된 강 매트릭스에 경질 재료 입자가 30 중량% 이하의 함량으로 존재하는 것을 특징으로 하는 강재. - 제1항에 있어서,
C 함량은 4.2 중량% 이상 또는 4.6 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 강재. - 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
Si 함량은 0.7 중량% 이상 또는 1.5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 강재. - 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
Mn 함량은 0.7 중량% 이상 또는 1.5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 강재. - 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
S 함량은 0.035 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 강재. - 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
Cr 함량은 12.5 중량% 이상 또는 13.5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 강재. - 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
Mo 함량은 0.9 중량% 이상 또는 1.5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 강재. - 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
V 함량은 14.5 중량% 이상 또는 15.5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 강재. - 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
"Ni, Co, W" 그룹으로부터의 하나의 원소 또는 복수의 원소를 포함하며, 각각의 원소 Ni, Co 또는 W의 함량은 중량%로,
Ni : 0.2 - 0.4%
Co : 0.3 - 0.5%
W : 0.3 - 0.5%인 것을 특징으로 하는 강재. - 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
경질 재료 입자의 함량은 2.5 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 강재. - 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
경질 재료 입자는 50 ㎛ 이하의 평균 입자 크기로 존재하는 것을 특징으로 하는 강재. - 선행 청구항들 중 어느 한 항에 따라 얻어지는 강으로 구성된 부품을 제조하는 방법으로서,
a) 중량%로 3.9 - 5.0%의 C, 0.3 - 2.0%의 Si, 0.3 - 2.0%의 Mn, 0.035% 이하의 P, 0.35% 이하의 S, 0.12% 이하의 N, 11.0 - 15%의 Cr, 0.5 - 2.0%의 Mo, 13.5 - 16.5%의 V, 선택적으로 "Nb, Ni, Co, W" 그룹으로부터의 하나의 원소 또는 복수의 원소로서 "Ni, Co, W" 원소들의 각각의 함량은 최대 1.0%이고 Nb의 함량은 최대 2.0%이며, 잔부 철 및 불가피한 불순물로 구성되는 강 합금 분말을 제공하는 단계,
b) 얻어진 강 합금 분말/경질 재료 입자 혼합물의 경질 재료 입자 함량이 30 중량% 이하인 조건으로 강 합금 분말이 경질 재료 입자와 선택적으로 혼합되는 단계,
c) 강 합금 분말 또는 강 합금 분말/경질 재료 혼합물이 선택적으로 건조되는 단계,
d) 강 합금 분말 또는 강 합금 분말/경질 재료 혼합물로부터 소결 공정, 특히 열간 등압 성형 또는 애디티브 공정에 의해 고체 반제품이 형성되는 단계,
e) 얻어진 반제품은 부품을 형성하기 위해 마무리 가공되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부품 제조 방법. - 제12항에 있어서,
작업 단계 a)에서, 강 합금 분말의 합금 성분들은 개별적으로 분말 형태로 제공되고 상기 강 합금 분말에 혼합되는 것을 특징으로 하는 부품 제조 방법. - 제12항 또는 제13항에 있어서,
마무리 가공[작업 단계 e)]은 반제품을 기계 가공하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 부품 제조 방법. - 실제 사용 중에 고가속 또는 고속으로 이동을 실행하는 부품으로서,
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따라 얻어지는 강으로 제조된 것을 특징으로 하는 부품.
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