KR20200041809A

KR20200041809A - 금형용 강

Info

Publication number: KR20200041809A
Application number: KR1020190126369A
Authority: KR
Inventors: 마사미치 가와노
Original assignee: 다이도 토쿠슈코 카부시키가이샤
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2020-04-22
Also published as: JP2020063508A; TWI706849B; JP7392330B2; KR102280084B1; TW202023783A

Abstract

본 발명은, 질량％로 0.045≤C≤0.090, 0.01≤Si≤0.50, 0.10≤Mn≤0.60, 0.80≤Ni≤1.10, 6.60≤Cr≤8.60, 0.01≤Mo≤0.70, 0.001≤V≤0.200, 0.007≤Al≤0.150, 0.0002≤N≤0.0500을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물의 조성을 갖는 금형용 강에 관한 것이다.

Description

금형용 강 {STEEL FOR MOLD}

이 발명은, 플라스틱의 사출 성형 등에 이용하는 금형에 적용하면 적합한 금형용 강 및 금형에 관한 것이다.

예를 들면, 플라스틱 제품을 사출 성형하는 금형(금형의 일부를 구성하는 부품도 포함함)은, 순서대로 용해, 정련, 주조, 균질화 열 처리, 열간 가공, 노말라이징, 어닐링(템퍼링), 퀀칭·템퍼링, 절삭 가공 및, 경면 연마의 공정을 거쳐 제조된다. 금형용의 재료에는 여러 가지 특성이 요구되지만, 특히 플라스틱 제품을 사출 성형하는 금형에 이용되는 재료에는 경면 연마성이 높을 것이 요구된다. 또한, 금형이 방치되어도 녹슬지 않을 만큼의 내식성과, 사용 중에 깨지기 어려운 고(高)충격값이 요구된다.

(경면 연마성에 대해서)

금형은 표면의 형상이나 성상(표면 거칠기나 모양 패턴)을 제품에 전사하는 역할을 진다. 그 중에서도, 제품의 표면에 매끄러움이 요구되는 경우는, 표면을 매끄럽게 연마해 둘 필요가 있다. 이를 경면 연마라고 한다.

경면 연마성을 나쁘게 하는 요인 중 하나로 「핀홀」이 있다. 핀홀이란, 연마한 금형의 표면에 발생하는 작은 구멍이나 흠집이다. 핀홀이 발생한 금형을 그대로 사용하면, 제품의 표면에 핀홀의 부분이 전사되어 표면 품질이 나빠져, 상품 가치를 잃는다. 따라서, 경면 연마에 있어서는 핀홀을 발생시켜서는 안 된다.

핀홀에는, 연마의 지립(abrasives)이 박힌 것(연마 기인)과, 강재 내부의 이물이 탈락한 것(강재 기인)의 2종류가 있다. 강재 기인의 핀홀을 줄이기 위해, 이물(탄화물이나 산화물이나 질화물)이 적은 금형용 강이 요구된다. 강재의 정련이나 주조에 있어서는, 이러한 이물을 줄이는 궁리가 열중되고 있다. 또한, 금형의 경도가 낮으면 핀홀이 발생하기 쉽기 때문에, 어느 정도 이상의 경도를 확보할 수 있는 화학 성분(특히, C)의 조정도 필수가 된다. 그러나, C량이 지나치게 많으면 이물이 되는 탄화물도 증가하기 때문에, 경도와의 균형 잡기가 어렵다.

(내식성에 대해서)

경면 연마한 금형을 사용하기 시작할 때까지의 기간, 혹은 생산의 중단 기간과 같이 방치되는 기간이 있으면, 금형 표면에 녹이 발생하는 경우가 있다. 녹이 발생한 금형을 그대로 사용하면, 제품의 표면에 녹의 부분이 전사되어 표면 품질이 나빠져, 상품 가치를 잃는다. 그래서, 녹슨 금형은 재연마가 필요하지만, 이 연마에 필요로 하는 비용과 공수(工數)는 막대하다. 금형에는, 방치되어도 녹슬지 않을 만큼의 내식성이 필요하다.

금형의 내식성은 Cr량으로 거의 결정된다. 사출 성형 금형에는, Cr량이 0.2∼3％인 저Cr강이 사용되고 있는 경우가 많다. 저Cr강은 내식성이 매우 낮기 때문에, 이러한 강의 금형은 방치되면 녹슬기 쉽다. 그래서, 5％ Cr 다이스강(SKD61 등)을 이용하는 경우도 있지만, 5％ Cr강에서는 고온 습윤인 환경하에서의 내식성이 부족하다. 충분한 내식성을 확보하고 싶은 경우는, 금형에 스테인리스강(12％ ≤Cr)이 이용된다. 예를 들면, SUS420J2나 SUS630과 같은 고가의 강이다. 그러나 대부분의 경우, Cr량 12％ 이상의 높은 내식성은 불필요하다. 스테인리스강을 사용하면, 과도한 내식성에 높은 비용을 지불하게 된다.

이와 같이, Cr량이 5％에서는 부족하지만 12％ 이상에서는 과다하다. 고경도를 얻기 위해 C량이 많은 8∼17％ Cr강도 있지만, 이러한 강은 탄화물이 매우 많아져, 경면 연마성이나 충격값이 내려가는 폐해도 있다. 또한, C량이 많은 스테인리스강은 탄화물로서 Cr을 소비하기 때문에, Cr량으로부터 기대되는 만큼 내식성도 높지 않다.

(충격값에 대해서)

금형에는, 사출 성형 중에 깨지지 않을 것도 요구된다. 이 이유는, 깨진 금형의 교환에 의한 생산 중단, 새롭게 금형을 제작하는 것에 의한 제조 비용의 상승을 피하기 위해서이다. 충격값이 높아지면, 사출 성형 중에 금형이 깨지는 위험성은 저하한다. 그래서, 강재 성분이나 퀀칭 방법의 적정화에 의해 금형의 고충격값화가 도모되고 있다. 실온(21∼27℃)에 있어서의 충격값(U노치, 노치 바닥 반경 1㎜, 노치 아래 높이 8㎜)이 50J/㎠ 이상이면, 금형이 사출 성형 중에 깨지는 위험성은 매우 낮아진다. 그런데, 사출 성형 금형의 충격값은 38HRC에서 10∼80J/㎠인 경우가 많다. 이 때문에, 깨짐의 위험성을 안정적으로 충분히 내릴 수 없다. 또한, 여기에서 충격값이란, 흡수 에너지[J]를 시험편의 단면적[0.8㎠]으로 나눈 값이다.

이상과 같이, 경면 연마성이 좋고, 5％ Cr강과 12％ Cr강의 중간의 내식성을 갖고, 고충격값이라는 금형용 강은 개발되어 있지 않았다. 이 때문에, 표면을 깨끗하게 닦을 수 있고, 사용하지 않는 기간 중의 보관에 있어서도 녹슬기 어렵고, 사용 중에 깨지기 어렵다는 금형을 저렴하게 입수하는 것이 과제였다.

또한, 하기 특허문헌 1에는, 금형용 강재에 있어서, 핀홀 생성의 원인이 되는 산화물을 개질하여 소형화하도록 합금 성분을 균형시켜, 연마성 및 피삭성을 개선시킨 점이 개시되어 있다. 그러나, 이를 구체화한 인용문헌 1에 기재된 실시예에 있어서의 성분 조성은, 본 발명의 금형용 강에 비해, 저C 또한 고Al이고, 본 발명과는 상이하다.

일본공개특허공보 2004-91840호

본 발명은 이상과 같은 사정을 배경으로 하여, 소정의 경도로 조질된 후에, 양호한 경면 연마성과, 5％ Cr강과 12％ Cr강의 중간의 내식성을 갖고, 추가로 고충격값을 달성하는 금형용 강 및 금형을 제공하는 것을 목적으로 하여 이루어진 것이다.

그리고 본 발명의 일 측면은, 금형용 강에 관한 것으로, 질량％로 0.045≤C≤0.090, 0.01≤Si≤0.50, 0.10≤Mn≤0.60, 0.80≤Ni≤1.10, 6.60≤Cr≤8.60, 0.01≤Mo≤0.70, 0.001≤V≤0.200, 0.007≤Al≤0.150, 0.0002≤N≤0.0500을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물의 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 금형용 강에 있어서, 하기에 나타내는 성분이 하기 범위에서 불가피적 불순물로서 포함될 수 있다.

P≤0.10, S≤0.008, Cu≤0.30, W≤0.30, O≤0.05, Co≤0.30, Nb≤0.004, Ta≤0.004, Ti≤0.004, Zr≤0.004, B≤0.0001, Ca≤0.0005, Se≤0.03, Te≤0.005, Bi≤0.01, Pb≤0.03, Mg≤0.02, REM≤0.10 등이다.

상기 금형용 강은, 질량％로 0.30＜Cu≤1.50을 추가로 함유하는 것이 바람직하다.

상기 금형용 강은, 질량％로 0.30＜W≤4.00, 0.30＜Co≤3.00의 적어도 1종을 추가로 함유하는 것이 바람직하다.

상기 금형용 강은, 질량％로 0.004＜Nb≤0.200, 0.004＜Ta≤0.200, 0.004＜Ti≤0.200, 0.004＜Zr≤0.200의 적어도 1종을 추가로 함유하는 것이 바람직하다.

상기 금형용 강은, 질량％로 0.0001＜B≤0.0050을 추가로 함유하는 것이 바람직하다.

상기 금형용 강은, 질량％로 0.008＜S≤0.050, 0.0005＜Ca≤0.2000, 0.03＜Se≤0.50, 0.005＜Te≤0.100, 0.01＜Bi≤0.50, 0.03＜Pb≤0.50의 적어도 1종을 추가로 함유하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면은, 금형에 관한 것으로서, 상기 금형용 강으로 이루어지고, 경도가 32∼44HRC인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서 「금형」에는 금형 본체는 물론, 이에 장착되어 사용되는 핀 등의 금형 부품도 포함된다. 또한, 본 발명의 강으로 이루어지는 금형에서, 표면 처리나 표면 가공이 실시된 것도 포함된다.

본 발명자는, 상기 과제를 해결하기 위해, 경면 연마성, 내식성 및 충격값에 미치는 강재 성분의 영향을 조사한 결과, C-Si-Mn-Ni-Cr-Mo-V-Al-N의 조정으로 소망하는 특성이 얻어지는 것을 발견했다. 본 발명은 이러한 인식하에 이루어진 것으로, 극저C이고 또한 대략 7∼8％의 Cr을 함유시켜 내식성을 효과적으로 높임과 함께, 특히, 충격값의 고위 안정화에 있어서의 Al량의 중요성을 발견하고, Al량을 특정의 범위(0.007∼0.150％)로 규정한 점에 특징을 갖는 것이다. 이러한 본 발명의 금형용 강에 의하면, 소정의 경도로 조질된 후에, 양호한 경면 연마성과, 5％ Cr강과 12％ Cr강의 중간의 내식성을 갖고, 추가로 고충격값을 실현할 수 있다. 또한, 경면 연마성이 요구되는 수지 성형용 금형에 이용되고 있던 종래의 강과 비교하여 염가이다.

또한, 본 발명의 강으로 이루어지고, 경도를 32∼44HRC로 조정된 본 발명의 금형에 의하면, 퀀칭·템퍼링 처리 후의 프리하든(pre-hardened) 상태로 절삭 및 연마의 가공이 가능해지기 때문에, 제조 공정의 간략화를 실현할 수 있다. 또한, 금형 사용 시에 있어서는, 수지 성형 시의 마모나 깨짐의 발생이 억제되어, 금형의 수명을 높일 수 있다. 한편, 금형이 일정 기간 방치된 경우에서도 금형 표면은 녹슬기 어렵기 때문에, 저Cr강으로 이루어지는 금형의 경우에 행해지고 있던 재연마를 폐지 또는 경감할 수 있다.

이상과 같은 본 발명의 금형용 강 및 금형은, 수지(플라스틱이나 비닐)의 사출 성형이나 블로우 성형, 고무의 성형이나 가공, 탄소 섬유 강화 플라스틱의 성형이나 가공 등의 용도에 이용하면 적합하다.

도 1a는, Al량과 충격값의 관계를 나타낸 그래프이다(가로축은 Al량이 0∼0.05mass％의 범위).
도 1b는, Al량과 충격값의 관계를 나타낸 그래프이다(횡축은 Al량이 0∼0.16mass％의 범위).
도 2는, Al량을 변화시킨 경우의 강재의 조직을 나타낸 현미경 사진이다.

(실시 형태)

다음으로 본 발명에 있어서의 각 화학 성분의 한정 이유를 이하에 설명한다. 또한, 각 화학 성분의 값은 모두 질량％이다.

0.045≤C≤0.090

제(諸)특성의 균형을 취하기 위해, C량의 범위를 매우 좁게 규정한 것이 본 발명의 특징 중 하나이다. C＜0.045에서는, 퀀칭 시의 미(未)고용 탄화물이 감소하여, 결정립이 조대화(coarsened)하기 쉽다. 템퍼링 온도가 높은 경우나, 분말의 적층 조형(additive manufacturing)에 적용한 경우에 32HRC 이상을 얻는 것이 어렵다. C＜0.045에서는, 델타페라이트가 석출하여 경면 연마성이나 충격값에 악영향을 미친다. 또한 마르텐사이트 변태점이 높아져 조대한 퀀칭 조직이 되기 때문에, 충격값이 저하한다.

한편, 0.090＜C에서는, 용접성이 저하한다. 또한 열 전도율의 저하도 크다. 경도의 템퍼링 온도 의존성이 현재화하여, 템퍼링 경도의 조정이 어려워진다. 또한, 탄화물이 증가하여, 경면 연마성에 악영향을 미친다.

0.01≤Si≤0.50

Si＜0.01에서는, 기계 가공 시의 피삭성이 현저하게 열화한다. 퀀칭 시의 미고용 탄화물이 VC인 경우, 그 양이 감소하여 결정립이 조대화하기 쉽다. 템퍼링 온도가 높은 경우에 32HRC 이상을 안정적으로 얻기 어렵다.

한편, 0.50＜Si에서는, 열 전도율의 저하가 크다. 델타페라이트가 석출하여 경면 연마성이나 충격값에 악영향을 미친다.

바람직한 Si의 범위는, 0.05≤Si≤0.46이고, 보다 바람직하게는 0.10≤Si≤0.42이다.

0.10≤Mn≤0.60

Mn＜0.10에서는, 퀀칭성이 부족하여, 페라이트의 혼입에 의한 경도 부족을 초래한다. 또한 퀀칭성이 부족하여, 베이나이트의 혼입에 의한 인성의 저하를 초래한다. 마르텐사이트 변태점이 높아져 조대한 퀀칭 조직이 되기 때문에, 충격값이 저하한다. 특히 실온 이하에서의 충격값이 저하한다.

한편, 0.60＜Mn에서는, 어닐링성이 매우 열화하여, 연질화시키는 열 처리가 복잡하고 장시간이 되어 제조 비용을 증가시킨다. 또한 열 전도율의 저하도 크다. 템퍼링 온도가 높은 경우에, 실온에서의 충격값이 저하한다(Si나 P가 높은 경우에 현저함).

바람직한 Mn의 범위는, 0.15≤Mn≤0.55이고, 보다 바람직하게는 0.20≤Mn≤0.50이다.

0.80≤Ni≤1.10

Ni＜0.80에서는, 퀀칭성이 부족하여, 페라이트의 혼입에 의한 경도 부족을 초래한다. 또한 퀀칭성이 부족하여, 베이나이트의 혼입에 의한 인성의 저하를 초래한다. 마르텐사이트 변태점이 높아져 조대한 퀀칭 조직이 되기 때문에, 충격값이 저하한다. 특히 실온 이하에서의 충격값이 저하한다. Al과의 화합물의 석출에 의한 경도 상승의 효과가 작다.

한편, 1.10＜Ni에서는, 어닐링성이 매우 열화하여, 연질화시키는 열 처리가 복잡하고 장시간이 되어 제조 비용을 증가시킨다. 열 전도율의 저하도 크다. 또한 비용 상승이 크다.

바람직한 Ni의 범위는, 0.84≤Ni≤1.08이고, 보다 바람직하게는 0.88≤Ni≤1.06이다.

6.60≤Cr≤8.60

Cr＜6.60에서는, 2차 경화량이 부족하여, 32HRC 이상을 안정적으로 얻기 어렵다. 고온 강도가 낮아진다. 퀀칭성이 부족하여, 베이나이트의 혼입에 의한 인성의 저하를 초래한다. 마르텐사이트 변태점이 높아져 조대한 퀀칭 조직이 되기 때문에, 충격값이 저하한다. 내식성이 나빠지기 때문에, 금형을 방치했을 때에 녹슬기 쉽다. 또한, 금형 내부의 수냉공이 현저하게 녹슬어, 거기로부터의 깨짐을 유발한다.

한편, 8.60＜Cr에서는, 열 전도율의 저하가 크다. 경도의 템퍼링 온도 의존성이 현재화하여, 템퍼링 경도의 조정이 어려워진다. 델타페라이트가 석출하여 경면 연마성이나 충격값에 악영향을 미친다.

바람직한 Cr의 범위는, 7.20≤Cr≤8.40이고, 보다 바람직하게는 7.80≤Cr≤8.20이다.

0.01≤Mo≤0.70

Mo＜0.01에서는, 퀀칭성이 부족한 점에서, 페라이트가 석출하여, 경면 연마성이나 충격값에 악영향을 미친다. 2차 경화의 기여가 작아, 템퍼링 온도가 높은 경우에 32HRC 이상을 안정적으로 얻는 것이 곤란해진다. 고온 강도가 부족하다. 내식성을 개선하는 효과가 부족하다.

한편, 0.70＜Mo에서는, 어닐링성이 매우 저하하여, 연질화시키는 열 처리가 복잡하고 장시간이 되어 제조 비용을 증가시킨다. 또한, 파괴 인성이 저하하여, 금형이 깨지기 쉬워진다. 또한, 소재 비용의 상승이 현저해진다.

바람직한 Mo의 범위는, 0.10≤Mo≤0.65이고, 보다 바람직하게는 0.20≤Mo≤0.60이다.

0.001≤V≤0.200

V＜0.001에서는, 질화물이나 탄질화물이 적어지기 때문에, 퀀칭 시에 결정립의 조대화를 억제하는 효과가 부족하여, 조립화에 의한 충격값의 저하를 초래한다. 2차 경화의 기여가 작아, 템퍼링 온도가 높은 경우에 32HRC 이상을 안정적으로 얻는 것이 곤란해진다.

한편, 0.200＜V에서는, 다량의 V와 결합하는 데에 충분한 C량이 없기 때문에, 과첨가는 실익이 없고, 비용 증가를 초래할 뿐이다. C량이 전술의 상한에 가까운 경우에는, 조대한 질화물이나 탄질화물이 증가하여, 그것이 깨짐의 기점이 되기 때문에 충격값이 저하한다.

바람직한 V의 범위는, 0.008≤V≤0.180이고, 보다 바람직하게는 0.015≤V≤0.150이다.

0.007≤Al≤0.150

Al량의 범위를 좁게 규정한 것이 본 발명의 특징 중 하나이다. Al＜0.007을 회피하는 최대의 이유는, 충격값의 고위 안정화이다. Al량이 과소하면 충격값이 현저하게 낮아진다. 또한, AlN이 적어지기 때문에 퀀칭 시의 결정립의 조대화를 억제하는 효과가 부족하여, 조립화에 의한 충격값의 저하를 초래한다.

한편, 0.150＜Al에서는, AlN이 과도하게 증가하여 조대화하기 때문에, 파괴의 기점이 증가하여 충격값이 50J/㎠ 미만이 된다. 또한 경면 연마 시에 탈락하는 큰 이물이 증가하여 핀홀이 생기기 쉽다. 또한, 열 전도율의 저하가 크다.

바람직한 Al의 범위는, 0.050＜Al≤0.150이고, 보다 바람직하게는 0.050＜Al≤0.120이다.

종래, 수지(플라스틱이나 비닐)의 사출 성형이나 블로우 성형, 고무의 성형이나 가공, 탄소 섬유 강화 플라스틱의 성형이나 가공에 사용되는 금형용 강은, Al이 적은 쪽이 좋다고 생각되고 있었다. 이 이유는, Al량이 과다하면 산화물이나 질화물이 다량으로 생성되어, 경면 연마성이나 충격값을 저하시키기 때문이다. 그런데, 특수한 성분계인 본 발명의 강에 있어서는, Al량이 과소하면 충격값이 현저하게 낮아진다는 특이한 현상이 발현한다. 이 발견을 기초로, 본 발명에서는 Al량을 좁은 범위에서 규정하고 있다.

도 1a 및 도 1b는, 24℃에서의 충격값(U 노치, 노치 바닥 반경 1㎜, 노치 아래 높이 8㎜)에 미치는 Al량의 영향을 나타낸다. 0.060C-0.30Si-0.35Mn-0.95Ni-7.95Cr-0.45Mo-0.10V-0.012N의 강을 기본 성분으로 하여, Al량을 변화시켰다. 이들 강을 870℃로부터 퀀칭, 템퍼링하여 36.5HRC로 조질했다. 도 1a에 나타내는 바와 같이, Al＝0.003에서는, 충격값은 14∼27J/㎠로 매우 낮다. Al＝0.007에서는, 불균일은 눈에 띄기는 하지만 50J/㎠를 거의 확보할 수 있다. 또한, 과도하게 Al이 많은 경우에는, 도 1b에 나타내는 바와 같이, 개재물의 증가에 의해 충격값은 감소로 바뀐다. 이러한 데이터로부터, 0.007≤Al≤0.150을 본원 발명의 범위로 했다. 또한, 0.050＜Al≤0.150으로 하면, 충격값을 안정적으로 50J/㎠ 이상으로 할 수 있다.

도 2는, Al량을 변화시킨 경우의 강재의 조직을 나타낸 현미경 사진의 도면이다. 0.063C-0.29Si-0.31Mn-0.96Ni-7.98Cr-0.45Mo-0.088V-0.0274N의 강을 기본 성분으로 하여, Al량을 변화시켰다. 이들 강을 870℃로부터 퀀칭, 템퍼링하여 36.5HRC로 조질했다. 동(同)도에 나타내는 바와 같이, Al＝0.056에서는, Al＝0.008보다도 결정립이 미세하다는 것을 알 수 있다. 결정립이 미세하면, 경면 연마에서 매끄러운 표면을 얻을 수 있다.

즉, 충격값 및 경면 연마성을 고려한 바람직한 Al의 범위는, 0.050＜Al≤0.150이다.

0.0002≤N≤0.0500

N＜0.0002에서는, AlN이 적어지기 때문에, 퀀칭 시의 결정립의 조대화를 억제하는 효과가 부족하여, 조립화에 의한 충격값의 저하를 초래한다.

0.0500＜N에서는, N 첨가에 필요로 하는 정련의 시간과 비용이 증가하여, 소재 비용의 상승을 초래한다. 조대한 AlN이 증가하고, 그것이 깨짐의 기점이 되기 때문에 충격값이 저하한다. 또한, 조대한 AlN은 경면 연마성도 저하시킨다.

바람직한 N의 범위는, 0.0010≤N≤0.0400이고, 보다 바람직하게는 0.0020≤N≤0.0300이다.

0.30＜Cu≤1.50

저C강인 본 발명강은, 결정 입계의 이동을 억제하는 탄화물도 적기 때문에, 퀀칭 시의 결정립이 조대화하기 쉽다. 그래서 solute drag 효과가 우수한 Cu를 첨가하여, 퀀칭 시의 조립화를 방지하는 것이 유효하다. 본 발명강은, Mn-Ni-Cr이 적은 경우에는 퀀칭성이 약간 부족하지만, Cu는 퀀칭성을 높이는 효과도 있다. 또한, 본 발명은 2차 경화에 기여하는 C-Mo-V와 같은 원소가 적기 때문에, 템퍼링 경도도 극단으로 높아지지 않지만, Cu의 석출 경화를 이용하여 템퍼링 경도를 상당히 높일 수 있다.

한편, Cu가 과다하면, 비용 증가나 열간 가공 시의 깨짐이 문제가 된다.

공구강으로서는 Mo나 V가 적은 본 발명강은, 고온 강도가 그다지 높지 않다. 고온 강도의 확보에는, W나 Co의 선택적인 첨가가 유효하다. W는 탄화물의 석출이나 고용에 의해 강도를 올린다. Co는 모재로의 고용에 의해 강도를 올림과 동시에, 탄화물 형태의 변화를 통하여 석출 경화에도 기여한다. 또한, 이들 원소는 solute drag 효과에 의해 퀀칭 시의 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하는 효과도 있다. 구체적으로는,

0.30＜W≤4.00

0.30＜Co≤3.00

의 적어도 1종(1원소)을 함유시키면 좋다.

어느 원소도 소정량을 초과하면 특성의 포화와 현저한 비용 증가를 초래한다.

퀀칭 시의 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하려면, Nb-Ta-Ti-Zr의 선택적인 첨가도 유효하다. 이들 원소와의 결합에 의해 생성된 탄화물이나 질화물이나 탄질화물이 결정 입계의 이동을 억제한다. 구체적으로는,

0.004＜Nb≤0.200

0.004＜Ta≤0.200

0.004＜Ti≤0.200

0.004＜Zr≤0.200

의 적어도 1종을 함유시키면 좋다.

어느 원소도, 소정량을 초과하면 탄화물이나 질화물이나 산화물이 과도하게 생성되고, 그것이 금형의 파괴 기점이 된다.

B에는, 퀀칭성 향상과 입계 강화의 효과가 있다. 이 결과, 충격값이 고위 안정화한다. 구체적으로는,

0.0001＜B≤0.0050

을 함유시키면 좋다.

또한, 첨가한 B가 BN을 형성하면, B 첨가의 본래의 목적을 완수할 수 없다. 그래서, B보다도 N과의 친화력이 강한 원소로 질화물을 형성시켜 N을 고정하고, B와 N을 결합시키지 않으면 좋다. 그러한 원소의 예로서는, Nb, Ta, Ti, Zr을 들 수 있다. 이들 원소는 불순물 레벨로 존재해도 N을 고정하는 효과가 있다.

또한, B 첨가는 피삭성의 개선에도 유효하다. 피삭성을 개선하는 경우에는 BN을 형성시키면 좋다. BN은 성질이 흑연에 유사하고 있어, 절삭 저항을 내림과 동시에 절삭 찌꺼기 파쇄성을 개선한다. 또한, B, Fe와 B의 화합물, BN 등이 강 중에 공존하고 있어도 좋다. 그 경우는, 강 중에 B가 어떠한 상태인가에 따라, 퀀칭성이나 충격값이나 피삭성 등이 개선된다.

피삭성의 개선에는, S-Ca-Se-Te-Bi-Pb를 선택적으로 첨가하는 것도 유효하다. 구체적으로는,

0.008＜S≤0.050

0.0005＜Ca≤0.2000

0.03＜Se≤0.50

0.005＜Te≤0.100

0.01＜Bi≤0.50

0.03＜Pb≤0.50

의 적어도 1종을 함유시키면 좋다.

어느 원소도, 소정량을 초과하면 열간 가공성이나 충격값이 크게 저하한다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 소정의 경도로 조질된 후에, 양호한 경면 연마성과, 5％ Cr강과 12％ Cr강의 중간의 내식성을 갖고, 추가로 고충격값인 금형용 강 및 금형을 제공할 수 있다. 본 발명의 금형은, 상기 본 발명의 금형용 강으로 이루어지고, 경도가 32∼44HRC이다.

실시예

표 1에 나타내는 발명강 및 비교강(합계 22강종)에 대해서, 경면 연마성·내식성·충격값을 평가하는 시험을 행했다.

또한, 비교강 1은 시판품이고, 수지(플라스틱이나 비닐)의 사출 성형이나 블로우 성형에 범용적으로 이용되는 금형용 강이다. 비교강 2는, 5Cr계 다이스강인 JIS SKD61이다. 비교강 3은, 고강도 스테인리스강인 JIS SUS420J2이다. 비교강 4는, 고강도 스테인리스강이고, JIS SUS630으로서 알려져 있다. 이들 비교강은, 적어도 4종의 주요 원소에 있어서 본 발명의 청구 범위를 벗어나고 있다.

표 1에 나타내는 22강종을 각각 150㎏의 잉곳에 주입(cast)하여, 강괴를 제조했다. 이 강괴에 1240℃에서 24시간의 균질화 처리를 실시한 후, 강괴를 열간 단조에 의해 60㎜×45㎜의 직사각형 단면의 봉 형상으로 성형하고, 이 봉강을 100℃ 이하까지 냉각했다. 계속해서, 봉강을 1020℃로 가열하여 100℃ 이하까지 냉각하는 노말라이징을 행했다. 추가로, 봉강에는 템퍼링을 실시했다. 템퍼링 조건은, 비교강 1과 비교강 4가 600℃에서 12시간 보존유지(保持), 그 외의 강은 680℃에서 8시간 보존유지이다. 이 템퍼링재로 각종의 시험편을 제작했다.

<경면 연마성에 대한 평가>

템퍼링재로부터, 51㎜×31㎜×101㎜의 판을 잘라내고, 진공 중에서의 퀀칭 템퍼링 처리에 의해 36∼38HRC로 조질했다. 퀀칭 온도는, 발명강 18종과 비교강 1이 870℃, 비교강 2와 비교강 3이 1030℃, 비교강 4가 1050℃이다. 각 퀀칭 온도에서 1시간 보존유지한 후, 6bar의 질소 가스 냉각에 의해 퀀칭을 행했다. 템퍼링으로서는, 500∼650℃에서 3시간 보존유지하는 처리를 복수회 행했다.

템퍼링 후의 판을 연삭 가공으로 50㎜×30㎜×100㎜로 하고, 50㎜×100㎜의 면의 표면 거칠기는 ▽▽▽G로 했다.

경면 연마성의 평가로서, 50㎜×100㎜의 면을 지립의 번수를 올려 연마해 가고, 최종적으로 #8000의 번수에서 경면으로 마무리했다. 연마면을 육안 관찰하여, 핀홀의 유무를 이하의 기준에 따라 평가했다.

이물(탄화물, 산화물, 질화물)의 탈락에 의한 핀홀이 없는 경우를 「S」라고 평가하고, 핀홀이 1∼2개소인 경우를 「A」라고 평가하고, 핀홀이 3개소 이상인 경우를 「B」라고 평가했다.

평가의 결과는, 발명강 18종과 비교강 1과 비교강 4가 「S」, 비교강 2가 「A」, 비교강 3이 「B」였다. 비교강 2보다도 비교강 3의 쪽이, 핀홀이 많은 이유는, 조대한 Cr계 탄화물이나 알루미나(Al₂O₃)가 많기 때문이다.

이상으로부터, 발명강의 경면 연마성은, 수지(플라스틱이나 비닐)의 사출 성형이나 블로우 성형의 금형에 범용적으로 이용되는 비교강 1과 동등하다는 것을 확인할 수 있었다. 발명강은 매우 우수한 경면 연마성을 갖고 있다. 또한, 비교강 2와 비교강 3에 핀홀이 발생하기 쉽다는 시장 평가도, 이 실험에 의해 뒷받침되었다.

<내식성에 대한 평가>

템퍼링재로부터, 41㎜×26㎜×13㎜의 판을 잘라내고, 진공 중에서의 퀀칭 템퍼링에 의해 36∼38HRC로 조질했다. 퀀칭 템퍼링 조건은, 경면 연마성의 시험편과 동일하다. 템퍼링 후의 판을 연삭 가공으로 40㎜×25㎜×12㎜로 하고, 6면 모두를 연마하여 경면 상태로 마무리했다.

내식성은 습윤 시험으로 평가했다. 온도 50℃에서 습도 98％의 환경 중에 경면 연마한 시험편을 40시간 정치하고, 녹의 발생 상황을 비교하여, 이하의 기준에 따라 평가했다.

녹슨 개소가 없는 경우를 「S」라고 평가하고, 녹슨 개소가 1∼3개소인 경우를 「A」라고 평가하고, 녹슨 개소가 4∼10개소인 경우를 「B」라고 평가하고, 녹슨 개소가 10개소를 초과하고 있는 경우를 「C」라고 평가했다.

내식성의 결과는, 비교강 4가 「S」, 발명강 18종과 비교강 3은 「A」, 비교강 2는 「B」, 비교강 1은 「C」였다. 발명강은, 저C의 17％ Cr 스테인리스강(비교강 4)에는 미치지 않기는 하지만, 고C의 12％ Cr 스테인리스강(비교강 3)과 동등하다. 또한, 발명강은 5％ Cr 다이스강(비교강 2)보다도 우수하다. 이상으로부터, 발명강의 내식성은 5％ Cr강과 12％ Cr강의 사이에 위치하여, 상당히 스테인리스강에 가까운 것을 확인할 수 있었다.

<충격값에 대한 평가>

템퍼링재로부터, 11㎜×11㎜×55㎜의 각봉(square bar)을 잘라내고, 진공 중에서의 퀀칭 템퍼링에 의해 36∼38HRC로 조질했다. 퀀칭 템퍼링 조건은, 경면 연마성의 시험편과 동일하다. 템퍼링 후의 각봉으로부터, 10㎜×10㎜×55㎜의 충격 시험편을 잘라냈다. 노치 형상은 U자, 노치 바닥 반경 1㎜, 노치 아래 높이 8㎜이다. 시험은 실온(21∼27℃)에서 행하고, 흡수 에너지를 단면적인 0.8㎠로 나누어 충격값으로 하고, 이하의 기준에 따라 평가했다.

충격값이 100J/㎠를 초과하고 있는 경우를 「S」라고 평가하고, 충격값이 50J/㎠를 초과하고 100J/㎠ 이하인 경우를 「A」라고 평가하고, 충격값이 50J/㎠ 이하인 경우를 「B」라고 평가했다.

충격값의 결과는, 발명강 18종이 「S」, 비교강 2와 비교강 4는 「A」, 비교강 1과 비교강 3은 「B」였다. 비교강 1은 Ni와 Al의 금속간 화합물을 석출하는 타입으로 깨지기 쉽다. 비교강 3은 조대한 탄화물이 많기 때문에 충격값이 낮다.

이상으로부터, 발명강의 충격값은, 수지(플라스틱이나 비닐)의 사출 성형이나 블로우 성형의 금형에 범용적으로 이용되는 비교강 1보다도 더욱 높은 것을 확인할 수 있었다.

<특성의 정리>

얻어진 결과를 하기표 2에 총괄하여 나타낸다. 또한, 표 2에서 나타내는 비용은, 수지(플라스틱이나 비닐)의 사출 성형이나 블로우 성형의 금형에 범용적으로 이용되는 비교강 1을 기준의 「A」라고 하고, 그보다도 저렴한 것을 「S」라고 평가하고, 비교강 1보다 높은 것을 「B」라고 평가했다.

표 2에 나타내는 바와 같이, 발명강의 평가 결과는 「S」와 「A」이고, 「B」 이하는 없다. 한편으로, 비교강의 평가 결과에는 「B」나 「C」가 포함된다. 이상으로부터 발명강에 있어서는, 경면 연마성이 우수하고, 내식성이 높고, 충격값이 높은 것을 확인했다. 또한, 발명강은, Cu, Ni, Al과 같은 고가의 원소의 첨가량이 적게 억제되어 있어, 비용을 상승시키는 일 없이 상기의 우수한 특성을 실현시키고 있는 것을 알 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예를 상술했지만 이는 어디까지나 일 예시이다. 예를 들면, 본 발명의 강 및 금형은, 쇼트 피닝(shot peening), 질화 처리, PVD 처리, CVD 처리, PCVD 처리, 도금 처리, DLC 코팅 처리 등의 표면 개질 처리와 조합하여 사용하는 것도 유효하다. 본 발명의 금형(부품을 포함함)의 표면에, 기계 가공이나 부식에 의해 특정의 모양(요철)을 형성하는 표면 가공을 추가하는 것도 본 발명의 부가 가치를 높이는 수법으로서 유효하다. 또한, 본 발명의 강을 봉 형상이나 선 형상으로 하여, 금형이나 부품의 용접 보수재로서 사용하는 것도 가능하다. 혹은, 본 발명의 강을 판이나 분말로 하여, 그들의 적층 조형에 의해 금형이나 부품을 제조하는 것도 가능한 등, 본 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지 변경을 더한 실시 형태로 실시 가능하다.

본 출원은, 2018년 10월 12일 출원의 일본특허출원 2018-193634 및 2019년 8월 27일 출원의 일본특허출원 2019-155011에 기초하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 취입된다.

Claims

질량％로
0.045≤C≤0.090
0.01≤Si≤0.50
0.10≤Mn≤0.60
0.80≤Ni≤1.10
6.60≤Cr≤8.60
0.01≤Mo≤0.70
0.001≤V≤0.200
0.007≤Al≤0.150
0.0002≤N≤0.0500
을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제1항에 있어서,
질량％로
0.30＜Cu≤1.50
을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제1항에 있어서,
질량％로
0.30＜W≤4.00
0.30＜Co≤3.00
의 적어도 1종을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제2항에 있어서,
질량％로
0.30＜W≤4.00
0.30＜Co≤3.00
의 적어도 1종을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제1항에 있어서,
질량％로
0.004＜Nb≤0.200
0.004＜Ta≤0.200
0.004＜Ti≤0.200
0.004＜Zr≤0.200
의 적어도 1종을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제2항에 있어서,
질량％로
0.004＜Nb≤0.200
0.004＜Ta≤0.200
0.004＜Ti≤0.200
0.004＜Zr≤0.200
의 적어도 1종을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제3항에 있어서,
질량％로
0.004＜Nb≤0.200
0.004＜Ta≤0.200
0.004＜Ti≤0.200
0.004＜Zr≤0.200
의 적어도 1종을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제4항에 있어서,
질량％로
0.004＜Nb≤0.200
0.004＜Ta≤0.200
0.004＜Ti≤0.200
0.004＜Zr≤0.200
의 적어도 1종을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제1항에 있어서,
질량％로
0.0001＜B≤0.0050
을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제2항에 있어서,
질량％로
0.0001＜B≤0.0050
을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제3항에 있어서,
질량％로
0.0001＜B≤0.0050
을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제4항에 있어서,
질량％로
0.0001＜B≤0.0050
을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제5항에 있어서,
질량％로
0.0001＜B≤0.0050
을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제6항에 있어서,
질량％로
0.0001＜B≤0.0050
을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제7항에 있어서,
질량％로
0.0001＜B≤0.0050
을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제8항에 있어서,
질량％로
0.0001＜B≤0.0050
을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
질량％로
0.008＜S≤0.050
0.0005＜Ca≤0.2000
0.03＜Se≤0.50
0.005＜Te≤0.100
0.01＜Bi≤0.50
0.03＜Pb≤0.50
의 적어도 1종을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.