KR20230017943A - 내마모성이 우수한 냉간공구강 - Google Patents

Abstract

내마모성이 우수한 냉간공구강이 제공된다.
본 발명의 냉간공구강은, 중량%로, C: 1.4~1.8%, Si: 0.5~1.0%, Mn: 0.4~0.8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Cr: 11~13%, Mo: 0.2~0.5%, V: 0.1~0.2%, B: 0.0010~0.0040%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

내마모성이 우수한 냉간공구강{Cold work tool steel with excellent wear resistance}

본 발명은 내마모성이 우수한 합금공구강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 OA/가전 금형, 자동차 금형 등에 사용되며 종래의 STD11 강종보다 내마모성을 향상하기 위하여 M7C3형 공정 탄화물 분포를 개선한 합금 냉간공구강에 관한 것이다.

공구강은 일반 구조용 강재에 비하여 다량의 탄소 및 기타 합금원소를 함유한 제품으로, 주로 철로 구성된 기지조직에 매우 높은 경도를 가지는 탄화물 또는 금속간 화합물과 같은 강화상을 분산시킴으로써 전체적으로 높은 경도와 내마모성을 얻는 소재이다.

또한, 공구강은 다양한 금속 및 플라스틱 부품의 성형에 필요한 금형, 절삭/가공 공구의 제작에 가장 널리 사용되고 있으며, 따라서 그 사용 용도에 따라서 매우 넓은 물성과 미세조직, 화학조성 범위를 가진다. 이때, 자동차 및 가전, 전자 제품을 구성하는 상당수의 부품은 상온에서의 프레스포밍(press forming) 또는 스탬핑을 통해 제작되고 있으며, 이를 위한 금형 소재로서 냉간공구강으로 분류되는 제품이 주로 사용되고 있다.

이러한 냉간 공구강으로 종래부터 KS D3753 STD11 등이 사용되고 있다. 이러한 냉간공구강은 열간 소성가공 이후, 구상화 풀림열처리로 연화처리 되어 냉간가공을 위해 공급되며, KS규격에서 요구하는 구상화풀림열처리 경도는 HB255이하이다. 또한 높은 경도의 탄화물을 다량으로 정출 또는 석출 분산시켜 QT열처리 이후 내마모성을 높인 것으로 내마모성이나 내부식성이 요구되는 각종 금형에 이용되고 있다.

다만 STD11은 고가인 Mo, V함량이 높아 제조 원가가 상승되는 문제가 있어, 고온 템퍼링 시 HRC57 이상과 동일한 내마모성을 유지하는 신규의 금형 개발에 대한 요구가 계속되어 오고 있는 실정이다.

대한민국 공개특허 2014-0087279호 공보(2014.07.09 공개)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로서, 기존 STD11에 합금 원소 등을 조정하여 새로운 합금 성분계를 도출하기 위한 것으로서, 금형의 제작 비용이 저감되고 내마모성이 우수한 냉간 공구강을 제공함에 그 목적이 있다.

또한 템퍼링한 후의 경도가 HRC57이상이고, 내마모성과 경제성이 뛰어난 냉간 공구강을 제공함을 목적으로 한다.

또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면은,

중량%로, C: 1.4~1.8%, Si: 0.5~1.0%, Mn: 0.4~0.8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Cr: 11~13%, Mo: 0.2~0.5%, V: 0.1~0.2%, B: 0.0010~0.0040%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 내마모성이 우수한 냉간 공구강에 관한 것이다.

상기 C을 1.6~1.8% 범위로 포함하는 것이 바람직하다.

상기 Si을 0.7~0.9% 범위로 포함하는 것이 바람직하다.

상기 B 함량을 0.0028~0.0040%로 포함하는 것이 바람직하다.

상술한 구성의 본 발명에 따르면, 종래의 STD11 강종에 비해 내마모성이 우수하여 장시간 사용 시 금형 표면의 품질이 안정적이며, 금형제작 비용 절감으로 경제적으로 유익한 냉간 공구강을 효과적으로 제공할 수 있다.

도 1는 본발명의 일 실시예에 따른 합금 공구강 시험재의 QT열처리 후 경도 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 2은 본발명의 일 실시예에 따른 합금 공구강 시험재의 Pin - On- Plate형 마모시험 결과를 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 기존 STD11 냉간공구강 조성에서 내마모성을 향상시킨 냉간공구강을 제공한다.

본 발명자는 STD1의 내마모성과 경제성을 개선하기 위한 연구를 행한 결과, 고가의 함금 원소인 Mo, V 함량을 제어하고, 저가의 C, Mn, Si함량과 B을 첨가함으로써 종래의 냉간 공구강이 가지는 QT열처리 후 고경도와 내마모성을 확보하고, 금형 제작비 저감으로 경제성에 효과적임을 발견하고 본 발명을 제시하는 것이다.

이러한 본 발명의 내마모성이 우수한 냉간 공구강은, 중량%로, C: 1.4~1.8%, Si: 0.5~1.0%, Mn: 0.4~0.8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Cr: 11~13%, Mo: 0.2~0.5%, V: 0.1~0.2%, B: 0.0010~0.0040%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

이하, 본 발명의 냉간공구강의 합금 성분 및 그 함량 제한사유를 설명하며, 여기에서 "%"는 다른 언급이 없으면 "중량%"임을 밝혀둔다.

·C: 1.4 ~ 1.8%

C는 마르텐사이트의 경도를 높게 하고 고온템퍼링에 의해 탄화물을 형성하여 2차 경화에 기여하고, Cr, Mo, V와 탄화물을 형성하여 내마모성을 향상시키는 원소이다. 1.4%미만에서는 공정탄화물의 분율이 적으며, 1.8%를 초과하면 인성이 저하할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 C 함량을 1.6~1.8% 범위로 제어하는 것이다.

·Si: 0.5 ~ 1.0%

Si는 주로 탈산제로서 사용하는 원소이고, 고온템퍼링 경도의 증대에 유효하므로 0.5% 이상 첨가를 요한다. 그러나 다량으로 함유되면 열간 가공성 및 인성을 저하하기 때문에 상한치를 1.0%로 제한한다. 보다 바람직하게는, 상기 Si 첨가량을 0.7~0.9% 범위로 제어하는 것이다.

·Mn: 0.4 ~ 0.8%

Mn은 탈산 및 탈황제로서 작용하고, 강의 청정도를 향상시킴과 동시에 ??칭성을 양호하게 한다. 그를 위해서는 0.4% 이상 함유시킬 필요가 있지만, 0.8%를 초과하여 첨가하면 가공성이 저하될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 Mn 첨가량을 0.5~0.8% 범위로 제어하는 것이다.

·P: 0.03% 이하

인(P)은 보통 결정립계에 편석(segregation)되어 강의 취화를 야기한다. 따라서 P는 바람직하지 못한 불순물로서, 0.03%이하로 제한한다.

·S: 0.03%이하

강중에 있어서의 S 함유량을 저감함으로써 매트릭스의 결함 발생이 억제되고, 충격치를 높게 할 수 있기 때문에 0.03%이하로 제한한다.

·Cr: 11 ~ 13%

Cr은 담금질시 기지 중에 고용되어 담금질 경화능을 증대시킴과 동시에 탄화물을 형성시켜 내마모성을 향상시킨다. 11%미만에서는 내마모성이 저하되며, 13%를 초과하면 인성 및 가공성이 저하될 수 있다.

·V: 0.1 ~ 0.2% 미만

V은 탄화물을 형성하여 내마모성을 증가시키고, 담금질시 기지에 고용해서 뜨임 열처리시 미세한 탄화물을 석출시키기 때문에 0.1%이상 첨가하는 것이 필요하다. 반면 0.2%를 초과하는 경우 입자가 큰 카바이드가 형성되고 내구성을 저하시키기 때문에 V의 첨가량을 0.2%이하로 제한한다.

·Mo: 0.2 ~ 0.5%

Mo은 기지중에 고용되어 ??칭성을 높이고 경도향상에 기여한다. 또한 탄화물을 형성하여 내마모성을 향상시킨다. 한편 지나친 첨가는 열간가공성, 인성, 피삭성을 저하시키기 때문에 0.5% 이하로 그 첨가량을 제한한다.

·B: 0.0010 ~ 0.0040%

B은 기지 내에 고용되어 ??칭성을 향상시키는 효과가 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.0010% 이상으로 첨가하는 것이 바람직하다. 단 0.0040%를 초과할 경우 기계적 특성이 저하되기 때문에 상한 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 보론의 함량을 0.0028~0.0040%범위로 제어하는 것이다.

기타 본 발명의 냉간공구강은 잔여 성분으로서 Fe와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

(실시예)

강종	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	B
발명강1	1.70	0.85	0.60	0.025	0.002	11.5	0.33	0.15	0.001
발명강2	1.70	0.85	0.60	0.025	0.002	11.5	0.33	0.15	0.003
발명강3	1.70	0.85	0.50	0.025	0.002	11.5	0.50	0.20	0.003
비교강1	1.50	0.30	0.30	0.025	0.002	11.5	0.83	0.22	-
비교강2	1.50	0.30	0.40	0.025	0.002	11.5	0.83	0.90	-
비교강3	1.60	0.35	0.30	0.025	0.002	11.5	0.45	0.25	-
비교강4	2.10	0.25	0.30	0.025	0.002	11.5	0.01	0.01	-
비교강5	1.80	1.00	0.40	0.025	0.002	11.5	0.03	0.25	-
비교강6	1.70	0.85	0.60	0.025	0.002	11.5	0.33	0.15	-
비교강7	1.30	0.85	0.60	0.025	0.002	11.5	0.33	0.15	0.003
비교강8	1.70	0.30	0.60	0.025	0.002	11.5	0.33	0.15	0.003
비교강9	1.70	0.85	0.30	0.025	0.00	11.5	0.33	0.15	0.003

상기 표 1과 같은 합금 조성을 갖는 각각의 강종을 진공유도용해로에서 용해한 후 30kg 잉고트(Ingot)로 주조하였다.

구체적으로, 상기 표 1에서 비교강 1-2는 고탄소-고크롬으로 대표되는 냉간공구강의 화학조성을 나타내는 예로써 비교적 높은 Mo 및 V 함량을 포함하고 있으며, 일반적으로 M7C3 공정 탄화물로 인하여 내마모성이 우수한 것으로 알려져 있다. 또한 비교강 3-5는 비교강 1-2 대비 C를 상향함으로써 고가의 Mo 및 V 함량을 다소 저감한 저가형 냉간공구강으로 저강도의 피가공재를 성형하는 금형으로 사용되는 강종들이다. 그리고 비교강 6은 본 발명의 합금조성 성분 범위이나 보론이 첨가되지 않은 경우를, 비교강 7-9는 각각 C, Si 및 Mn 함량이 본 발명의 범위를 벗어난 경우를 나타낸다.

상기와 같이, 주조된 각각의 잉고트(Ingot)를 균질화하고, 이어, 응고조직 내 결함제거를 위하여 열간에서 □55의 각봉으로 단조하였다. 그리고 구상화열처리를 870℃에서 4시간 행한 후, 시간당 30℃의 속도로 650℃까지 제어 냉각하고, 이어, 공냉하였다. 담금질은 1030℃에서 30분 유지한 후 공냉하였으며, 템퍼링 열처리는 180℃ 또는 520℃에서 2시간 유지 후 상온까지 공냉하였다.

상기와 같이 제조된 각각의 합금공구강 시험재들에 대하여 구상화 열처리 경도, QT열처리 경도, 충격인성과 내마모성을 평가하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 본 실시예에서 구상화열처리 경도는 □55의 각봉의 중심부를 브리넬 경도기로 측정하였으며, QT경도는 25x25mm의 시험편을 제작하여 상기에 서술된 열처리 후 표면을 연마하여 로크웰 경도기를 활용하여, 3포인트 측정 후 평균값으로 하였다. 충격인성의 평가는 기본적으로 취성이 강한 소재의 특성을 고려하여 노치(Notch)를 적용하지 않은 Charpy 충격 시험에 의하여 평가하였으며, 충격값은 3개의 시험편의 평균값으로 하였다. 내마모성은 Disc-on-Plate방식으로 시험재들을 초경 소재의 디스크(HRC77)에 접촉 회전시켜 발생하는 마모량으로 측정하였으며, 냉간공구강으로 대표되는 비교강1의 내마모를 기준으로 하여 각 발명강과 비교강의 내모량의 비율을 표현하였다.

강종	구상화열처리후 경도(HB)	QT경도(HRC)		충격치(J) 520(℃)	내마모성 520℃ (비교강1=1.00)
		180(℃)	520(℃)
발명강1	250	61.4	57.5	18.0	0.90
발명강2	250	61.5	57.6	17.5	0.90
발명강3	250	61.8	58.5	17.3	0.88
비교강1	240	62.2	59.8	23.0	1.00
비교강2	245	62.5	60.0	22.2	0.98
비교강3	245	62.0	54.9	30.5	1.18
비교강4	250	61.5	51.5	15.0	1.25
비교강5	248	61.8	51.8	20.0	1.20
비교강6	248	61.5	57.0	17.5	0.93
비교강7	238	60.5	53.5	30.0	1.15
비교강8	250	61.3	56.2	23.0	1.10
비교강9	250	61.5	56.5	18.5	0.95

상기 표 1-2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 합금조성을 갖는 냉간공구강은 180℃ 저온템퍼링 열처리 후 경도는 HRC 60 이상을 나타내었으며, 520℃ 고온템퍼링 열처리 후에도 경도가 HRC 57 이상을 확보할 수 있었다. 아울러, M7C3 공정탄화물의 분율 증가와 고른 분포로 인하여 비교강 1 대비 10%의 내마모성 향상을 꾀할 수 있음을 알 수 있다.

이에 반하여, 비교강 1~2는 180℃ 저온템퍼링 열처리 후 경도는 HRC 60 이상이고, 520℃ 고온템퍼링 열처리 후에도 경도가 HRC 57 이상을 확보하였다. 그리고 상온 인성치는 우수하였으나, 내마모특성은 발명강 대비 좋지 않음을 알 수 있다. 더욱이, 값비싼 Mo 및 V 이 과다 함유되어 비경제적이다.

비교강 3~5는 충분한 2차 경화를 얻지 못하였으며 고온템퍼링 중 모재의 경도 연화로 인하여 HRC 51.5 ~ 54.9를 나타내어 내마모특성이 나빠졌다.

또한 비교강 6은 B이 미첨가된 것으로 QT열처리 이후 발명강 1~3과 유사한 경도, 충격 인성을 확보하였으나, 경화능의 부족으로 대형재 금형 적용 시 균일한 경도를 확보 할 수 없었다.

그리고 비교강 7-9는 C, Si 및 Mn 함량이 본 발명 대비 적어 비교강 3~5와 동일하게 고온템퍼링 이후 충분한 경도를 확보하지 못하였다. 고온템퍼링 경도가 HRC57를 만족하지 못하면 피가공재를 성형하는 금형재질로는 적용이 가능하나, 쉐어 나이프 및 블랭킹 금형 적용 시 날부위 손상으로 인하여 충분한 수명을 얻지 못한다.

한편 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉간공구강 시험재의 고온템퍼링 열처리후, 경도 분포를 도시한 그래프이다. 대표적인 냉간공구강의 비교강 1과 비교하여 경도는 낮지만 저가형 냉간공구강으로 사용되는 비교재 3과 비교하여 높은 경도 확보가 가능함을 알 수 있다.

도 2는 발명강 2와 비교강 1의 내마모성 평가 결과를 도시한 그래프로서, 발명강 2는 M7C3 공정탄화물의 분율 증가와 고른 분포로 인하여 비교강 1 대비 10% 내마모성이 향상된 것을 볼 수 있다. 다만 C-Cr을 주성분으로 하는 공정탄화물은 금형에 지속적으로 가해지는 하중에 의하여 충격인성 저하를 초래하기 때문에, 내마모성만 확보하기 위한 과도한 탄화물 분율 증가는 지양함이 바람직하다.

한편 냉간금형으로 사용되는 강재는 QT열처리 전 금형의 형상 가공이 이루어지며, 이를 위하여 원소재는 낮은 경도가 요구된다. KS, JIS 규격에서 요구하는 통상의 모재 경도는 HB 255 이하이며, 발명강 및 비교강의 모재경도는 이를 만족하였다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구 범위 및 발명의 상세한 설명의 범위안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

Claims (4)

1. 중량%로, C: 1.4~1.8%, Si: 0.5~1.0%, Mn: 0.4~0.8%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Cr: 11~13%, Mo: 0.2~0.5%, V: 0.1~0.2%, B: 0.0010~0.0040%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 내마모성이 우수한 냉간 공구강.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 C을 1.6~1.8% 범위로 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 냉간 공구강.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 Si을 0.7~0.9% 범위로 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 냉간 공구강.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 B를 0.0028~0.0040% 범위로 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 냉간공구강.
   

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