KR20200077041A - 플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강은 탄소(C): 0.2 ~ 0.4중량%, 실리콘(Si): 0.2 ~ 0.4중량%, 망간(Mn): 0.7 ~ 1.0중량%, 인(P): 0 초과 0.015중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 0.1중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.05중량% 이하, 니켈(Ni): 0.2 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 1.5 ~ 2.0중량%, 몰리브덴(Mo): 0.2 ~ 0.4중량%, 바나듐(V): 0.02 ~ 0.04중량%, 칼슘(Ca): 0 초과 50ppm 이하, 붕소(B): 10 ~ 30ppm 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 최종 미세조직은 베이나이트 조직이다.

Description

플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조방법{Plastic mold steel and method for producing the same}
본 발명은 플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 경도 및 경면 사상능이 향상된 플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차 산업과 기술의 발전에 따라 자동차 금형의 요구되는 형상이 점점 더 복잡해지고, 요구 물성이 높아져 가고 있다. 전조등 및 후미등용 플라스틱은 램프로부터 조사되는 빛 투과율이 높아야 하기 때문에 고 투명성이 요구되며, 이에 따라 사출용 금형강의 고경면 사상능이 요구된다. 금형강의 고경면 사상능 특성을 나타내기 위해, 최종 열처리 후 균일 및 고경도가 요구된다. 종래 투명 플라스틱 사출용 금형강의 경면사상능을 확보하기 위해, 상변화를 동반하는 열처리를 수행하는데, 소재 중심부와 표면부의 경도 차이를 극복하지 못하고 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 출원번호 제10-2013-0151250호, 발명의 명칭 : 플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조방법)가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 표면부로부터 중심부까지 균일한 기계적 물성을 가지는 플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강은 탄소(C): 0.2 ~ 0.4중량%, 실리콘(Si): 0.2 ~ 0.4중량%, 망간(Mn): 0.7 ~ 1.0중량%, 인(P): 0 초과 0.015중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 0.1중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.05중량% 이하, 니켈(Ni): 0.2 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 1.5 ~ 2.0중량%, 몰리브덴(Mo): 0.2 ~ 0.4중량%, 바나듐(V): 0.02 ~ 0.04중량%, 칼슘(Ca): 0 초과 50ppm 이하, 붕소(B): 10 ~ 30ppm 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 최종 미세조직은 베이나이트 조직이다.
상기 플라스틱 사출용 금형강의 상기 미세조직은 바나듐 카바이드(VC)가 분산 석출되어 있을 수 있다.
상기 플라스틱 사출용 금형강은 표면의 경도가 32 ~ 34 HRc이며, 상기 금형강의 표면으로부터 중심부까지의 최대 경도 편차가 1 ~ 2 HRc일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 제조방법은 (a) 탄소(C): 0.2 ~ 0.4중량%, 실리콘(Si): 0.2 ~ 0.4중량%, 망간(Mn): 0.7 ~ 1.0중량%, 인(P): 0 초과 0.015중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 0.1중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.05중량% 이하, 니켈(Ni): 0.2 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 1.5 ~ 2.0중량%, 몰리브덴(Mo): 0.2 ~ 0.4중량%, 바나듐(V): 0.02 ~ 0.04중량%, 칼슘(Ca): 0 초과 50ppm 이하, 붕소(B): 10 ~ 30ppm 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 제공하는 단계; (b) 상기 강재를 어닐링한 후 900 ~ 1100℃에서 단조하는 단계; (c) 단조된 상기 강재를 850 ~ 950℃에서 균질화 열처리하고 공냉시키는 단계; (d) 공냉시킨 상기 강재를 850 ~ 950℃에서 가열 및 유지한 후 급냉(quenching)시키는 단계; 및 (e) 급냉시킨 상기 강재를 550 ~ 650℃에서 템퍼링하고 공냉시키는 단계;를 포함한다.
상기 플라스틱 사출용 금형강의 제조방법의 상기 (d) 단계에서 상기 급냉은 2 ~ 4℃/min의 냉각속도로 100℃가 될 때까지 냉각하는 것을 포함할 수 있다.
상기 플라스틱 사출용 금형강의 제조방법에서, 상기 단조는 원기둥 형상을 육면체 형상으로 단조하되, 단조비가 4S 이상인 수 있다.
상기 플라스틱 사출용 금형강의 제조방법에서, 상기 (e) 단계를 수행한 금형강의 최종 미세조직은 베이나이트 조직을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 표면부로부터 중심부까지 균일한 기계적 물성을 가지는 플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 플라스틱 사출용 금형강의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실험예에서 연속냉각곡선(CCT curve)을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실험예에서 열처리 후 단면 경도 및 편차를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실험예에서 열처리 후 단면 미세조직을 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명의 실험예의 소재의 가공성 평가를 위한 드릴링 테스트 장치를 촬영한 사진이다.
도 9는 본 발명의 실험예에서 드릴링 테스트를 수행한 후 나타난 드릴 홀을 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 실험예에서 드릴링 테스트를 수행한 후의 드릴 홀 수를 비교한 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 적절하게 선택된 용어들로서, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
플라스틱 사출용 금형강
본 발명의 일 실시예에 따르는 플라스틱 사출용 금형강은 탄소(C): 0.2 ~ 0.4중량%, 실리콘(Si): 0.2 ~ 0.4중량%, 망간(Mn): 0.7 ~ 1.0중량%, 인(P): 0 초과 0.015중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 0.1중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.05중량% 이하, 니켈(Ni): 0.2 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 1.5 ~ 2.0중량%, 몰리브덴(Mo): 0.2 ~ 0.4중량%, 바나듐(V): 0.02 ~ 0.04중량%, 칼슘(Ca): 0 초과 50ppm 이하, 붕소(B): 10 ~ 30ppm 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
본 발명은 목표 경도 32 ~ 34 HRc의 값을 갖는 플라스틱 사출용 금형강을 생산하기 위한 성분 및 제조법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강재 내에 Cr: 1.5 ~ 2.0중량%, Mo: 0.2 ~ 0.4중량%, 그리고 B: 10 ~ 30ppm 을 포함하여 열처리 시 소입성을 증가시킨 강이다. 또한 플라스틱 사출용 금형은 대형 잉곳을 필요로 하기 때문에, 잉곳 내부의 비금속 개재물의 형성을 억제해야할 필요가 있다. 이를 위해, 강재의 제강 공정에서 Al과 Ca를 각각 최대 0.05중량%, 최대 50ppm 첨가하여, 탈산 작용을 이용한 비금속 개재물 제어를 실시한다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강에 포함되는 각 성분의 역할 및 함량에 대하여 설명한다.
탄소(C)
탄소(C)는 플라스틱 사출용 금형강의 강도를 향상시키고, 용접성에 가장 큰 영향을 미치는 원소이다. 탄소(C)는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0.2 ~ 0.4중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 탄소의 함량이 전체 중량의 0.2중량% 미만일 경우에는 상술한 첨가 효과를 구현하기 어렵다. 반대로, 탄소의 함량이 전체 중량의 0.4중량%를 초과할 경우에는 모재의 충격 인성을 저하시킬 수 있으며, 성형성 및 용접성의 저하를 가져오는 문제점이 있을 수 있다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 페라이트 안정화 원소로 잘 알려져 있어 냉각 중 페라이트 분율을 높여 연성을 증가시키는 원소로 잘 알려져 있다. 한편, 실리콘은 알루미늄과 함께 제강공정에서 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가되며, 고용강화 효과도 가질 수 있다. 상기 실리콘은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0.2 ~ 0.4중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 실리콘의 함량이 전체 중량의 0.2중량% 미만인 경우 상술한 첨가 효과를 구현하기 어려우며, 실리콘의 함량이 전체 중량의 0.4중량%를 초과하여 다량 첨가시 강의 용접성을 저하시키며, 재가열 및 열간압연 시에 붉은 스케일(red scale)을 생성시킴으로써 표면품질에 문제를 줄 수 있다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 오스테나이트 안정화 원소로 저온상의 분율을 증가시키고 고용 강화 효과로 강의 강도를 증가시키는 원소로 사용된다. 즉, 망간은 고용 강화에 효과적이며, 강의 경화능을 증가시킬 수 있다. 망간은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0.7 ~ 1.0중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 망간의 함량이 0.7중량% 보다 작을 경우, 목표로 하는 강도 및 물성을 확보하는 것이 어렵다. 또한, 망간의 함량이 1.0중량%를 초과할 경우, 연신율이 저하되며, 용접성이 저하되고, MnS 개재물 및 중심 편석(center segregation)이 발생하여 플라스틱 사출용 금형강의 연성이 저하되고 내부식성이 저하될 수 있다.
인(P)
인(P)은 고용 강화에 의해 강도의 강도를 높이며, 탄화물의 형성을 억제하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 인은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0 초과 0.015중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 인의 함량이 0.015중량%를 초과하는 경우에는 슬라브 중심 편석에 의한 내부식성 저하 문제가 있으며 석출거동에 의해 저온 충격치가 저하되는 문제가 있다.
황(S)
황(S)은 미세 MnS의 석출물을 형성하여 가공성을 향상시킬 수 있다. 상기 황은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0 초과 0.015중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 황의 함량이 0.015중량%를 초과할 경우, 표면 결함 및 가공균열의 원인이 되며 인성 및 용접성을 저해하고, 저온 충격치를 저하시킬 수 있다.
구리(Cu)
구리(Cu)는 시효경화 특성이 있으며, 적열취성을 야기하기는 하지만 황산이온에 대한 내식성이 있는 원소이다. 구리는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0 초과 0.1중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 구리를 함유하지 않을 경우, 고용체 석출에 따른 석출경화 정도 및 기지강화 정도가 낮아 고경도 확보가 어렵고, 내식성 개선효과를 기대하기 어렵게 된다. 다만, 구리의 함량이 0.1중량%를 초과할 경우, 인성저하가 생기고, 고온에서 Fe로의 고용도가 거의 없기 때문에 결정입계로 침윤이 발생하여 열간 가공성이 급격히 저하되고, 열간 균열이 발생하게 되는 문제점이 있다.
알루미늄(Al)
알루미늄(Al)은 실리콘과 같이 페라이트 안정화 및 탄화물의 형성을 억제하는 원소이다. 즉, 알루미늄은 소둔시 고온역 열처리가 가능하게 함으로써 초기 존재하는 페라이트의 성장을 유도하여 연신율 향상시키는데 유효한 원소이다. 또한, 알루미늄은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 제강 공정에 첨가되며, AlN으로 강 중에 석출하여 결정립 미세화에 기여할 수 있다. 상기 알루미늄은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강 중량의 0 초과 0.05중량% 이하의 함량비로 첨가될 수 있다. 알루미늄의 함량이 0.05중량%를 초과하면 제강 및 소둔 온도 증가 등 공정 부하가 발생하며 연주에 어려움이 있어 생산성을 떨어뜨리며, 비금속개재물인 알루미나(Al2O3)를 형성하여 연성 및 인성이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
니켈(Ni)
니켈(Ni)은 인성을 증가시키고 흑연화를 조장하는 원소이다. 상기 니켈은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강 중량의 0.2 ~ 0.5중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 니켈의 함량이 0.2중량% 미만이면 상술한 니켈 첨가 효과가 미흡하고 인성감소가 크고, 0.5중량%를 초과하면 비경제적이고 잔류오스테나이트를 발생시켜 취화를 발생시킨다.
크롬(Cr)
크롬(Cr)은 소입성을 향상시켜 항복강도 하향효과를 형성하는 원소이다. 또한, 크롬은 페라이트 및 펄라이트의 고온 상변태 억제 효과가 높은 원소이다. 또한, 크롬은 페라이트 안정화 원소로 C-Mn강에 첨가시 용질 방해 효과로 탄소의 확산을 지연하여 입도 미세화에 영향을 미친다. 상기 크롬은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 1.5 ~ 2.0중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 크롬의 함량이 전체 중량의 1.5중량% 미만일 경우에는 상술한 크롬 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 크롬의 함량이 전체 중량의 2.0중량%를 초과하여 다량 첨가시 인성 및 경화성의 관점에서 강의 특성이 저하되는 문제를 줄 수 있다.
몰리브덴(Mo)
몰리브덴(Mo)은 모재 강도 및 고온 강도의 확보에 유효한 원소이다. 상기 몰리브덴은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0.2 ~ 0.4중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 몰리브덴의 함량이 전체 중량의 0.2중량% 미만인 경우 상술한 효과를 구현하지 못하며, 전체 중량의 0.4중량%를 초과하여 다량 첨가시 켄칭성이 지나치게 상승하여 모재 및 용접 열 영향부의 인성이 열화되는 문제점이 발생한다.
바나듐(V)
바나듐(V)은 탄소와 결합하여 강도 증가에 영향을 끼치는 탄화물을 형성하는 원소이다. 상기 바나듐은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 0.02 ~ 0.04중량%의 함량비로 첨가될 수 있다. 바나듐의 함량이 전체 중량의 0.02중량% 미만인 경우 상술한 첨가 효과가 나타나지 않으며, 0.04중량%를 초과하여 다량 첨가시 탄소 당량이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
칼슘(Ca)
칼슘(Ca)은 황(S)과의 높은 친화도를 가진다. 이를 통하여 칼슘의 첨가는 구형의 CaS를 형성시켜 강중의 황의 함량을 낮추고, 또한, MnS 개재물의 생성을 방해하여 가공성 향상에 기여한다. 상기 칼슘(Ca)은 본 발명에 따른 플라스틱 사출용 금형강 전체 중량의 0 초과 50ppm 이하의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 칼슘(Ca)의 함량이 50ppm을 초과하는 경우 과도한 CaS가 생성되거나, 또는 원하지 않는 CaO가 생성되는 문제점이 있다.
붕소(B)
붕소(B)는 담금질성을 확보하기 위한 중요한 원소이다. 상기 붕소는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 전체 중량의 10 ~ 30ppm의 함량비로 첨가될 수 있다. 붕소의 함량이 전체 중량의 10ppm 미만인 경우 상술한 효과를 기대하기 어려우며, 30ppm을 초과하여 다량 첨가시 첨가 효과는 포화되며 연신율이 감소할 수 있으므로 상한치를 30ppm 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
그 외에도, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강은 불가피한 불순물을 함유할 수 있다. 예를 들어, 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강은 불가피한 불순물로서 질소(N), 산소(O) 또는 수소(H)를 함유할 수 있다.
질소(N)
질소(N)는 불가피한 불순물이며 질화물을 형성시켜 경면연마성을 저하시키는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 질소의 함량을 금형강 전체 중량의 0.010중량% 미만의 함량비로 조절하는 것이 바람직하다.
산소(O)
산소(O)는 불가피한 불순물이며 산화물을 형성하여 재료를 취약하게 한다. 따라서, 본 발명에서는 산소의 함량을 금형강 전체 중량의 0.003중량% 미만의 함량비로 조절하는 것이 바람직하다.
수소(H)
수소(H)는 불가피한 불순물이며 수소화물을 형성하여 재료를 취약하게 한다. 따라서, 본 발명에서는 수소의 함량을 금형강 전체 중량의 0.001중량% 미만의 함량비로 조절하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은, 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 최종 미세조직은 베이나이트 조직일 수 있다. 상기 미세조직은 바나듐 카바이드(VC)가 분산 석출된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 금형강은 표면의 경도가 32 ~ 34 HRc이며, 상기 금형강의 표면으로부터 중심부까지의 최대 경도 편차가 1 ~ 2 HRc일 수 있다.
이하에서는 상술한 합금 원소 조성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 제조 방법을 설명한다.
플라스틱 사출용 금형강의 제조 방법
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 플라스틱 사출용 금형강의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 플라스틱 사출용 금형강의 제조 방법은 (a) 탄소(C): 0.2 ~ 0.4중량%, 실리콘(Si): 0.2 ~ 0.4중량%, 망간(Mn): 0.7 ~ 1.0중량%, 인(P): 0 초과 0.015중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 0.1중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.05중량% 이하, 니켈(Ni): 0.2 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 1.5 ~ 2.0중량%, 몰리브덴(Mo): 0.2 ~ 0.4중량%, 바나듐(V): 0.02 ~ 0.04중량%, 칼슘(Ca): 0 초과 50ppm 이하, 붕소(B): 10 ~ 30ppm 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 제공하는 단계(S100); (b) 상기 강재를 어닐링한 후 900 ~ 1100℃에서 단조하는 단계(S200); (c) 단조된 상기 강재를 850 ~ 950℃에서 균질화 열처리하고 공냉시키는 단계(S300); (d) 공냉시킨 상기 강재를 850 ~ 950℃에서 가열 및 유지한 후 급냉(quenching)시키는 단계(S400); 및 (e) 급냉시킨 상기 강재를 550 ~ 650℃에서 템퍼링하고 공냉시키는 단계(S500);를 포함한다.
상기 강재를 제공하는 단계(S100)에서 제강 공정은 알루미늄(Al)과 칼슘(Ca) 첨가를 통해 용강 내 산소(O)와 결합하여 구상화 및 부상분리 현상을 통해 비금속 개재물을 제거하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 강재를 제공하는 단계(S100)는 상기 조성을 가지는 인고트(ingot) 전극을 제공하는 단계, 상기 인고트 전극을 어닐링하는 단계, 상기 인고트 전극을 이용하여 ESR(Electro Slag Remelting) 공정으로 ESR 인고트를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 사출용 금형강은 균질 석출이 필수적임에 따라, Ni, Al, Cu 등 무거운 합금원소의 편석이 억제되어야 하고, 경면 사상능에 유해한 요소인 비금속 개재물의 형성을 억제해야 한다. 따라서, 상기 목적을 위해, 2차 용해 공정 ESR(Electro Slag Remelting) 공법을 적용할 수 있다. ESR 공정은 첫째, conventional type ingot 제조를 통해 2차 용해의 전극을 제조하고, 둘째, Ar 분위기 하에서, 전극에 최적 전압 및 냉각공정을 적용하는 ESR 인고트(ingot) 제조 과정으로 구성될 수 있다.
상기 강재를 어닐링한 후 900 ~ 1100℃에서 단조하는 단계(S200)는 제강 공정을 통해 생산된 인고트를 약 1100 ~ 1200℃에서 인치(inch) 당 1시간 가열 및 유지를 하고, 가열된 인고트를 900 ~ 1100℃에서 자유단조를 실시하는 단계를 포함한다. 상기 단조는 원기둥 형상을 육면체 형상으로 단조하되, 단조비가 4S 이상인 수 있다. 본 발명은 니켈(Ni): 0.2 ~ 0.5중량%, 구리(Cu): 0 초과 0.1중량% 이하를 첨가하게 되는데, conventional type의 인고트(ingot)의 경우 니켈 및 구리의 낮은 확산계수로 인해, 인고트 내 편석이 심각해져서 금형의 인성을 저하시키고, 열피로 수명을 저하시키는 중요한 원인이 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 플라스틱 사출용 금형강의 경우 단조 공정 전에 1100 ~ 1200℃의 열처리 공정을 추가시켜 줌으로서 편석을 제거시키는 공정이 추가되게 된다.
계속하여, QT(Quenching & Tempering) 열처리를 수행한다. 구체적으로, 단조된 상기 강재를 850 ~ 950℃에서 균질화 열처리하고 공냉시키는 단계(S300); 공냉시킨 상기 강재를 850 ~ 950℃에서 가열 및 유지한 후 급냉(quenching)시키는 단계(S400); 및 급냉시킨 상기 강재를 550 ~ 650℃에서 템퍼링하고 공냉시키는 단계(S500);를 수행한다.
상기 균질화 열처리 공정은 850 ~ 950℃에서 인치(inch) 당 1시간 가열 및 유지 후 공냉시키는 공정을 포함한다. 균질화 열처리 후 850 ~ 950℃에서 인치(inch) 당 1시간 가열 및 유지 후 소재온도가 약 100℃가 될 때까지 급냉(quenching)시킨다. 이 때, 냉각속도는 2 ~ 4℃/min일 수 있다. 상기 급냉(quenching) 후, 550 ~ 650℃에서 인치(inch) 당 1시간 가열 및 유지 후 공냉시키는 템퍼링 공정을 수행한다.
실험예
이하 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
구분 C
(wt.%)		 Si
(wt.%)		 Mn
(wt.%)		 P
(wt.%)		 S
(wt.%)		 Cu
(wt.%)		 Al
(wt.%)		 Ni
(wt.%)		 Cr
(wt.%)		 Mo
(wt.%)		 V
(wt.%)		 Ca
(ppm)		 B
(ppm)
비교예1 0.30 0.28 0.85 0.010 0.005 0.01 0.02 0.35 1.75 0.30 0.03 20 0
비교예2 0.30 0.28 0.85 0.010 0.005 0.01 0.02 0.35 2.15 0.30 0.03 20 0
비교예3 0.30 0.28 0.85 0.010 0.005 0.01 0.02 0.35 2.15 0.30 0.03 20 20
실시예1 0.30 0.28 0.85 0.010 0.005 0.01 0.02 0.35 1.75 0.30 0.03 20 20
표 1은 본 발명의 실험예에 따른 플라스틱 사출용 금형강의 조성을 나타낸 것이다. 표 1을 참조하면, 실시예1 조성은 탄소(C): 0.2 ~ 0.4중량%, 실리콘(Si): 0.2 ~ 0.4중량%, 망간(Mn): 0.7 ~ 1.0중량%, 인(P): 0 초과 0.015중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 0.1중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.05중량% 이하, 니켈(Ni): 0.2 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 1.5 ~ 2.0중량%, 몰리브덴(Mo): 0.2 ~ 0.4중량%, 바나듐(V): 0.02 ~ 0.04중량%, 칼슘(Ca): 0 초과 50ppm 이하, 붕소(B): 10 ~ 30ppm 및 나머지 철(Fe)의 조성범위를 만족한다.
이에 반하여, 비교예1의 조성은 붕소(B): 10 ~ 30ppm의 조성범위를 만족하지 못하며, 비교예2의 조성은 붕소(B): 10 ~ 30ppm의 조성범위를 만족하지 못하며, 크롬(Cr): 1.5 ~ 2.0중량%의 조성범위를 만족하지 못한다. 또한, 비교예3의 조성은 붕소(B): 10 ~ 30ppm의 조성범위를 만족하지만, 크롬(Cr): 1.5 ~ 2.0중량%의 조성범위를 만족하지 못한다.
한편, 표 1의 실시예1, 비교예1 내지 비교예3의 시편은 각각의 조성을 가지는 강재를 제공하는 단계(S100); 상기 강재를 어닐링한 후 900 ~ 1100℃에서 단조하는 단계(S200); 단조된 상기 강재를 850 ~ 950℃에서 균질화 열처리하고 공냉시키는 단계(S300); 공냉시킨 상기 강재를 850 ~ 950℃에서 가열 및 유지한 후 급냉(quenching)시키는 단계(S400); 및 급냉시킨 상기 강재를 550 ~ 650℃에서 템퍼링하고 공냉시키는 단계(S500);를 동일한 조건으로 각각 수행한다.
구분 비교예1 비교예2 비교예3 실시예1
냉각속도 (℃/min.) 12 6 2.4 2.4
표 2는 본 발명의 실험예에서 베이나이트 확보를 위한 최소 냉각속도를 나타낸 것이다. 도 2 내지 도 5는 본 발명의 실험예에서 연속냉각곡선(CCT curve)을 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 2는 비교예1에 해당하고, 도 3은 비교예2에 해당하고, 도 4는 비교예3에 해당하고, 도 5는 실시예1에 해당한다.
표 2와 도 2 내지 도 5를 참조하면, QT(Quenching & Tempering) 열처리를 통해 생산하는 소재는 급냉(quenching) 시 냉각속도가 중요한 요소이다. 그 이유는 빠른 냉각속도가 요구될수록 강의 내/외부 열응력 및 표면부의 급격한 마르텐사이트 변태에 의한 응력으로 인해 소재가 파괴될 수 있기 때문이다. 따라서, 비교적 느린 냉각속도 하에서 베이나이트 조직을 얻을 수 있는 합금 설계 공정이 필요하다.
비교예1에 따른 소재는 베이나이트 확보를 위한 최소 냉각속도는 12℃/min이고, 비교예2에 따른 소재는 베이나이트 확보를 위한 최소 냉각속도는 6℃/min이고, 비교예3에 따른 소재는 베이나이트 확보를 위한 최소 냉각속도는 2.4℃/min이고, 실시예1에 따른 소재는 베이나이트 확보를 위한 최소 냉각속도가 2.4℃/min임을 확인할 수 있다. 즉, 비교예1 내지 비교예3에 비해 실시예1은 상대적으로 빠르지 않은 냉각속도 하에서도 베이나이트 조직을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
이로부터, 비교예1 및 비교예2에 따른 소재는 상대적으로 빠른 냉각속도가 요구되므로 강의 내/외부 열응력 및 표면부의 급격한 마르텐사이트 변태에 의한 응력으로 인해 소재가 파괴될 수 있음을 보여준다. 상기 결과는 베이나이트 조직을 얻기 위해, 경화능 원소로 알려진 크롬(Cr)의 단독 첨가보다는 오히려 적정량의 크롬(Cr)과 더불어 붕소(B) 원소 첨가가 더욱 효과적이라는 것을 나타낸다.
따라서, 이하에서는, 비교예3 및 실시예1의 기계적/미세조직적 평가를 통해 물성과 경제성을 고려한 최적 합금성분 설계를 수행하고자 한다.
도 6은 본 발명의 실험예 중 비교예3 및 실시예1에서 열처리 후 단면 경도 및 편차를 나타낸 그래프이다. 즉, 비교예3 및 실시예1의 소재에서 표면으로부터 중심부까지의 경도 편차를 나타내었다. 앞에서 살펴본 것처럼, 비교예3의 강재는 크롬의 함량이 2.15중량%이고, 붕소의 함량이 20ppm임에 반하여, 실시예1의 강재는 크롬의 함량이 1.75중량%이고, 붕소의 함량이 20ppm이다.
도 6을 참조하면, 비교예3 및 실시예1의 강재 모두 32 ~ 34 HRc의 표면경도를 나타내었으며, 상기 금형강의 표면으로부터 중심부까지의 최대 경도 편차는 1 ~ 2 HRc임을 확인할 수 있다. 이는 붕소(B)를 약 20ppm 첨가한 경우, 크롬(Cr) 함량이 증가(1.75중량%에서 2.15중량%로 증가)하더라도 경도 특성이 크게 달라지지 않음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실험예 중 비교예3(a) 및 실시예1(b)에서 열처리 후 단면 미세조직을 촬영한 사진이다.
도 7을 참조하면, 비교예3의 열처리 후 단면 미세조직과 실시예1의 열처리 후 단면 미세조직은 유의차가 거의 없음을 확인할 수 있다. 즉, 붕소(B)를 약 20ppm 첨가한 경우, 크롬(Cr) 함량이 증가(1.75중량%에서 2.15중량%로 증가)하더라도 미세조직은 크게 달라지지 않음을 확인할 수 있다. 도 6에서 경도 편차가 거의 비슷한 현상은 이러한 미세조직의 양상에서 그 이유를 찾을 수 있다.
도 8은 본 발명의 실험예의 소재의 가공성 평가를 위한 드릴링 테스트 장치를 촬영한 사진이고, 도 9는 본 발명의 실험예 중 비교예3(a) 및 실시예1(b)에서 드릴링 테스트를 수행한 후 나타난 드릴 홀을 촬영한 사진이고, 도 10은 드릴링 테스트를 수행한 후의 드릴 홀 수를 비교한 그래프이다.
플라스틱 사출금형은 플라스틱 형상에 따라 복잡한 금형가공이 요구된다. 이러한 이유로 플라스틱 사출용 금형강에 대한 가공성 시험이 필요하다. 도 8을 참조하면, 드릴링 테스트의 가공 조건은 초경 공구(Φ9)의 이송속도는 0.035mm/rev이며, 공구 회전 속도는 1600 RPM이며, 가공깊이는 15mm이며, 건식 가공을 수행하여 공구 파손으로 가공이 불가능할 때까지 테스트하였다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 비교예3의 강재는 드릴 홀 수가 100개 정도임에 반하여, 실시예1의 강재는 드릴 홀 수가 110개에 이르는 정도임을 확인할 수 있다. 즉, 붕소(B)를 약 20ppm 첨가한 경우, 크롬(Cr) 함량이 2.15중량%에서 1.75중량%로 감소하는 경우 가공성이 오히려 약 10% 정도 더 양호해짐을 확인할 수 있다. 상술한 결과들에 따르면, 경화능 원소로 잘 알려진 크롬(Cr)의 추가적인 첨가보다 붕소(B)의 첨가가 경도 균질성 확보에 유리하며, 붕소(B)를 약 20ppm 첨가한 경우, 크롬(Cr) 함량이 2.15중량%에서 1.75중량%로 감소하더라도 가공성은 오히려 더 양호해짐을 확인할 수 있다. 즉, 붕소(B) 첨가 개발강에 크롬(Cr) 함량이 일정함량 이상 증가되면 오히려 가공성을 악화시킨다는 것을 시사한다고 할 수 있다. 따라서 균질 경도와 가공성 향상을 위해, 크롬(Cr) 함량은 2중량%를 초과하지 않는 1.5 ~ 2.0중량% 가 적절하다고 할 수 있다.
지금까지 본 발명의 다양한 실험예들에 따른 플라스틱 사출용 금형강을 설명하였다. 붕소(B)의 첨가를 통해 경화능이 우수한 플라스틱 사출강의 합금성분을 제시하였다. 경화능 향상원소로 알려진 크롬(Cr)의 경우, 붕소(B)를 포함하는 강재에서, 1.75 ~ 2.15중량%에서는 미세조직 및 기계적 물성에 큰 영향을 나타내지 못한다. 경화능 향상원소로 알려진 크롬(Cr)의 추가 첨가는 오히려 가공성 악화시키는 결과를 초래하였다. 따라서, 본 발명에서는 약 20ppm의 붕소(B)와 1.5 ~ 2.0중량%의 크롬(Cr)을 함유하는 합금성분을 포함하는 강이 가장 적절하다는 결론을 도출할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 탄소(C): 0.2 ~ 0.4중량%, 실리콘(Si): 0.2 ~ 0.4중량%, 망간(Mn): 0.7 ~ 1.0중량%, 인(P): 0 초과 0.015중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 0.1중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.05중량% 이하, 니켈(Ni): 0.2 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 1.5 ~ 2.0중량%, 몰리브덴(Mo): 0.2 ~ 0.4중량%, 바나듐(V): 0.02 ~ 0.04중량%, 칼슘(Ca): 0 초과 50ppm 이하, 붕소(B): 10 ~ 30ppm 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지며,
    최종 미세조직은 베이나이트 조직인 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 사출용 금형강.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 미세조직은 바나듐 카바이드(VC)가 분산 석출된 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 사출용 금형강.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금형강은 표면의 경도가 32 ~ 34 HRc이며, 상기 금형강의 표면으로부터 중심부까지의 최대 경도 편차가 1 ~ 2 HRc인 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 사출용 금형강.
  4. (a) 탄소(C): 0.2 ~ 0.4중량%, 실리콘(Si): 0.2 ~ 0.4중량%, 망간(Mn): 0.7 ~ 1.0중량%, 인(P): 0 초과 0.015중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015중량% 이하, 구리(Cu): 0 초과 0.1중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.05중량% 이하, 니켈(Ni): 0.2 ~ 0.5중량%, 크롬(Cr): 1.5 ~ 2.0중량%, 몰리브덴(Mo): 0.2 ~ 0.4중량%, 바나듐(V): 0.02 ~ 0.04중량%, 칼슘(Ca): 0 초과 50ppm 이하, 붕소(B): 10 ~ 30ppm 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 제공하는 단계;
    (b) 상기 강재를 어닐링한 후 900 ~ 1100℃에서 단조하는 단계;
    (c) 단조된 상기 강재를 850 ~ 950℃에서 균질화 열처리하고 공냉시키는 단계;
    (d) 공냉시킨 상기 강재를 850 ~ 950℃에서 가열 및 유지한 후 급냉(quenching)시키는 단계; 및
    (e) 급냉시킨 상기 강재를 550 ~ 650℃에서 템퍼링하고 공냉시키는 단계;를 포함하는,
    플라스틱 사출용 금형강의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 상기 급냉은 2 ~ 4℃/min의 냉각속도로 100℃가 될 때까지 냉각하는 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 사출용 금형강의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 단조는 원기둥 형상을 육면체 형상으로 단조하되, 단조비가 4S 이상인 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 사출용 금형강의 제조방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 (e) 단계를 수행한 금형강의 최종 미세조직은 베이나이트 조직인 것을 특징으로 하는,
    플라스틱 사출용 금형강의 제조방법.




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