KR20240029270A - 열간 공구강 및 이의 제조방법 - Google Patents

열간 공구강 및 이의 제조방법 Download PDF

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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 강도 및 인성 특성이 우수하여 다이캐스팅용 금형에 적용할 수 있는 열간 공구강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 열간 공구강의 제조방법은 주조된 잉곳을 준비하는 주조단계와; 상기 잉곳을 서로 수직한 3방향으로 각각 업셋팅(upsetting)하여 단조재를 준비하는 단조단계와; 상기 단조재를 용체화 처리하는 제1차 열처리단계와; 용체화 처리된 단조재를 구상화 어닐링 처리하는 제2차 열처리단계를 포함한다.

Description

열간 공구강 및 이의 제조방법{HOT-WORKING TOOL STEEL AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 열간 공구강 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강도 및 인성 특성이 우수하여 다이캐스팅용 금형에 적용할 수 있는 열간 공구강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
공구강은 주로 금속을 성형하기 위한 금형 소재로 사용된다.
금형은 성형 온도에 따라서 냉간 금형과 열간 금형으로 구분되며, 성형 소재의 형태에 따라 벌크(bulk) 소재를 성형하는 단조 금형, 박판 소재를 성형하는 프레스 금형, 주로 액상 알루미늄 합금을 성형하는 다이캐스팅 금형으로 구분된다.
금형은 높은 압력 및 고온에 반복적으로 노출되기 때문에 이러한 금형을 제작하는데 사용되는 공구강은 강도 및 인성과 같은 기계적 물성 측면에서 높은 물성값이 요구된다.
일반적으로 금형을 제작하는 공정은 공구강을 제작하는 공정과 공구강을 이용하여 금형을 제작하는 공정으로 구분된다.
그래서, 공구강을 제작하는 공정은 소정의 합금 소재를 주조하여 벌크 형태로 준비한 다음 주조재를 단조하여 소정의 형태로 제작한 다음 어닐링과 같은 열처리를 실시한다.
그리고, 금형을 제작하는 공정은 어닐링 상태의 단조재를 원하는 형태로 가공한 다음 열처리 및 표면처리를 통해 금형을 완성한다.
이때 공구강을 제작하는 공정에서 어닐링 된 소재의 상태는 금형을 제작하는 공정에서 실시되는 열처리 후 물성에 영향을 미치므로 공구강을 제작하는 공정에서 단조재의 조직을 미세화하는 것이 중요하다.
일반적으로 실시되고 있는 공구강을 제작하는 공정에 대하여 부연하자면, 공구강은 잉곳(ingot)을 열간 단조하여 제작한다.
잉곳은 주조를 통해서 제작되므로 조대한 주조 조직과 응고 과정에서 발생하는 수축결함 또는 편석이 존재한다.
그리고, 종래의 열간 단조는 통상 업셋팅(upsetting)과 코깅(cogging)의 두가지 공정으로 구성된다.
업셋팅(upsetting)은 주조 조직을 파괴하고 결함을 제거하기 위해 잉곳을 축방향(L방향)으로 한번에 가압하는 공정으로 단조비가 충분히 확보된다면 생략할 수 있다.
코깅(cogging)은 업셋팅을 통해서 확대된 단면적을 최종 소재 사이즈로 줄여나가면서 소재에 단련효과를 부여하는 공정이다. 단련 효과가 증가할수록 조직은 미세화되고 금형의 물성을 향상시킬 수 있다.
한편, 공구강을 이용하여 제작되는 대표적인 금형인 다이캐스팅 금형이나 압출 금형은 주로 내부를 가공하여 사용하는 금형으로써, 금형 내부의 물성이 중요하다.
하지만, 종래의 일반적인 단조기술은 단조재의 내부, 즉 심부가 단조재의 표면에 비하여 단련 효과가 감소하는 문제점이 있다. 그리고, 더 높은 단조비를 얻기 위해서 대형의 잉곳을 사용하는 경우에는 편석(segregation)이 증가하는 문제점이 발생한다.
한편, 단조 후에는 단조재를 어닐링(annealing)하는 열처리를 실시하는데, 이때 실시되는 어닐링은 공구강의 인성을 향상시키기 위한 구상화 어닐링이다. 하지만, 단조재로 사용되는 공구강은 일반강 대비 다량의 합금 성분이 함유되어 있기때문에 어닐링시 서냉하는 과정에서 입계 탄화물(network carbide)이 석출되는 문제가 발생된다.
이렇게 석출된 입계 탄화물은 금형 사용시 균열의 경로(crack path)로 작용하여 금형의 수명을 단축시키는 요인이 된다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
공개특허공보 제10-2012-0006091호 (2012.01.17)
본 발명은 단조 방식과 열처리 방식을 개선하여 강도 및 인성 특성이 우수하여 다이캐스팅용 금형에 적용할 수 있는 열간 공구강 및 이의 제조방법을 제공한다.
특히, 본 발명은 공구강의 표면과 더불어 심부까지 강도 및 인성 특성이 우수한 열간 공구강 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 열간 공구강의 제조방법은 주조된 잉곳을 준비하는 주조단계와; 상기 잉곳을 서로 수직한 3방향으로 각각 업셋팅(upsetting)하여 단조재를 준비하는 단조단계와; 상기 단조재를 용체화 처리하는 제1차 열처리단계와; 용체화 처리된 단조재를 구상화 어닐링 처리하는 제2차 열처리단계를 포함한다.
상기 주조단계에서, 상기 잉곳은 C: 0.34 ~ 0.36wt%, Si: 0.71 ~ 0.79wt%, Mn: 0.39 ~ 0.43wt%, Cr: 5.0 ~ 5.2wt%, Mo: 1.55 ~ 1.65wt%, V: 0.8 ~ 0.9wt%, N: 0.01 ~ 0.02wt%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 단조단계는, 상기 잉곳을 잉곳의 축방향(L방향)으로 업셋팅하는 제1차 업셋팅과정과; 상기 잉곳을 축방향과 수직인 방향(X방향)으로 업셋팅하는 제2차 업셋팅과정과; 상기 잉곳을 잉곳의 축방향과 수직인 방향의 수직인 방향(Y방향)으로 업셋팅하는 제3차 업셋팅과정을 포함하고, 상기 제1차 업셋팅과정, 제2차 업셋팅과정 및 제3차 업셋팅과정은 순차적으로 실시하고, 상기 제1차 업셋팅과정, 제2차 업셋팅과정 및 제3차 업셋팅과정은 각각 20 ~ 40%의 압하율로 실시하는 것을 특징으로 한다.
상기 단조단계에서, 상기 제1차 업셋팅과정, 제2차 업셋팅과정 및 제3차 업셋팅과정은 적어도 1회 이상 순차적으로 반복하여 실시하는 것을 특징으로 한다.
상기 단조단계는, 상기 제1차 업셋팅과정, 제2차 업셋팅과정 및 제3차 업셋팅과정이 완료된 단조재를 코깅(cogging)하여 단조재를 원하는 길이로 신장시키는 코깅과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1차 열처리단계는, 상기 단조재를 950 ~ 1050℃의 온도에서 가열하는 제1차 가열과정과; 가열된 단조재를 공냉시키는 제1차 냉각과정을 포함한다.
상기 제1차 가열과정은 0.5 ~ 1.5 hour/inch 동안 실시하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2차 열처리단계는, 상기 제1차 냉각과정에서 냉각된 단조재를 750 ~ 950℃의 온도에서 가열하는 제2차 가열과정과; 가열된 단조재를 서냉시키는 제2차 냉각과정을 포함한다.
상기 제2차 가열과정은 0.5 ~ 1.5 hour/inch 동안 실시하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2차 열처리단계 이후에, 어닐링 처리된 단조재를 ??칭 처리한 다음 템퍼링 처리하는 제3차 열처리단계를 더 포함한다.
상기 제3차 열처리단계는, 상기 단조재를 1000 ~ 1040℃의 온도에서 가열한 다음 급냉시시키는 ??칭 과정과; 상기 ??칭된 단조재를 500~650℃의 온도에서 가열한 다음 냉각시키는 템퍼링 과정을 포함한다.
상기 제3차 열처리단계에서 상기 템퍼링 과정은 적어도 1회 이상 반복하여 실시하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열간 공구강은 C: 0.33 ~ 0.38wt%, Si: 0.71 ~ 0.79wt%, Mn: 0.38 ~ 0.44wt%, Cr: 5.0 ~ 5.2wt%, Mo: 1.55 ~ 1.65wt%, V: 0.8 ~ 0.9wt%, N: 0.01 ~ 0.02wt%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 열간 공구강은 600℃에서 인장강도가 800MPa 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 열간 공구강은 라스 마르텐사이트(Lath martensite) 단일 조직과 구상화된 탄화물로 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 단조 단계에서 3방향으로 각각 업셋팅을 함에 따라 공구강의 표면과 함께 심부까지 조직을 미세화시킬 수 있고, 이에 따라 공구강의 강도 및 인성 특성의 향상을 기대할 수 있다.
또한, 열처리 단계에서 구상화 열처리 전에 용체화 처리를 위한 열처리를 실시함으로써, 조직 내에 탄화물이 석출되는 것을 최소화하고, 석출된 탄화물은 구상화 열처리를 통하여 구상화시킴으로써 금형을 제작하기 위하여 실시되는 가공 공정을 용이하게 하는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 공구강의 제조방법 중 단조단계를 보여주는 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 공구강의 제조방법 중 열처리 단계를 보여주는 도면이며,
도 3은 비교예와 실시예에 따른 열간 공구강의 미세조직을 보여주는 SEM 이미지이고,
도 4는 종래와 실시예에 따른 단면 유효 변형율을 비교한 결과를 보여주는 도면이고,
도 5는 단조 단계의 사이클 회수에 따른 단면 유효 변형율을 비교한 결과를 보여주는 도면이며,
도 6a 및 도 6b는 단조 공법에 따른 열처리 후 미세조직을 보여주는 도면이고,
도 7은 단조 공법에 따른 Cr 편석을 비교한 결과를 보여주는 도면이며,
도 8은 공구강의 열처리 방법에 따른 미세조직 및 결정입도를 비교한 결과를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 공구강의 제조방법 중 단조단계를 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 공구강의 제조방법 중 열처리 단계를 보여주는 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 공구강의 제조방법은 주조된 잉곳을 준비하는 주조단계와; 상기 잉곳을 서로 수직한 3방향으로 각각 업셋팅(upsetting)하여 단조재를 준비하는 단조단계와; 상기 단조재를 용체화 처리하는 제1차 열처리단계와; 용체화 처리된 단조재를 구상화 어닐링 처리하는 제2차 열처리단계를 포함한다.
주조단계는 열간 공구강을 제작하기 위하여 합금 성분 및 함량이 조정된 용탕을 주조하여 단조를 위한 잉곳을 준비하는 단계이다. 이때 단조를 위하여 합금을 주조하여 잉곳 형태로 준비하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되지 않고, 연속주조를 통하여 슬라브, 블룸 또는 빌렛 형태로 합금을 준비하여도 무방할 것이다.
본 실시예에서는 열간 공구강의 강도 및 인성 특성을 우수하게 유지하여 히트체크에 대한 저항성을 향상시킴으로써 다이캐스팅 금형과 같은 금형에 적용될 수 있도록 합금의 성분 및 함량을 조정한다.
예를 들어 합금의 성분 및 함량이 조정된 잉곳은 탄소(C): 0.33 ~ 0.38wt%, 규소(Si): 0.71 ~ 0.79wt%, 망간(Mn): 0.38 ~ 0.44wt%, 크롬(Cr): 5.0 ~ 5.2wt%, 몰리브덴(Mo): 1.55 ~ 1.65wt%, 바나듐(V): 0.8 ~ 0.9wt%, 질소(N): 0.01 ~ 0.02wt%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다. 그리고, 불순물 중에는 인(P)이 0.01wt% 이하로 함유되고, 황(S)이 0.002wt% 이하로 함유되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 합금 성분 및 그 조성범위를 한정하는 이유는 아래와 같다. 이하, 특별한 언급이 없는 한 조성범위의 단위로 기재된 %는 wt%를 의미한다.
탄소(C)는 강재의 강도를 결정하는 원소로서, 공구강에서는 합금 탄화물을 형성하고, 금형의 제작시 열처리에서 강도와 경도를 결정하는 중요한 원소이다. 만약, 탄소(C)의 함량이 0.33%보다 낮을 경우에는 경도 및 강도가 낮아지고, 0.38%보다 높을 경우에는 입계탄화물 형성량이 많아져서 인성을 떨어뜨린다. 따라서, 탄소(C)는 요구하는 강도와 인성을 모두 만족시키기 위하여 0.33 ~ 0.38%를 함유하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.34 ~ 0.36%를 함유하는 것이 좋다.
규소(Si)는 탄화물을 미세화 시키고 강도 및 내마모성에 영향을 주는 원소이다. 만약, 규소(Si)의 함량이 0.71%보다 낮을 경우에는 경화능 부족으로 경도 및 강도확보가 어렵고, 0.79%를 초과할 경우에는 조대 탄화물이 석출하여 인성을 저하시킨다. 따라서, 규소(Si)는 0.71 ~ 0.79%를 함유하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.74 ~ 0.77%를 함유하는 것이 좋다.
망간(Mn)은 강재의 경화능을 향상시키고 고용강화 효과를 일으키는 원소이다. 그래서 망간(Mn)은 0.38% 이상의 첨가가 필요하고, 만약 망간(Mn)의 함량이 0.44%를 초과할 경우에는 편석으로 인성의 감소를 일으킨다. 따라서, 망간(Mn)은 0.38 ~ 0.44%를 함유하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.39 ~ 0.43%를 함유하는 것이 좋다.
크롬(Cr)은 강재의 경화능과 강도 향상에 기여하고 연화저항성과 내마모성을 향상시키는 원소이다. 그래서 크롬(Cr)은 5.0% 이상의 첨가가 필요하고, 만약 크롬(Cr)의 함량이 5.2%를 초과할 경우에는 Cr탄화물이 조대하게 형성되어 인성을 저하시킨다. 따라서 크롬(Cr)의 함량은 5.0 ~ 5.2%를 함유하는 것이 바람직하다.
몰리브덴(Mo)은 강재에 M2C와 M6C의 미세탄화물을 형성하여 고온경도와 강도를 증가시키는 원소이다. 그래서 몰리브덴(Mo)은 1.5% 이상의 첨가가 필요하고, 고가의 합금원소이므로 너무 많이 첨가될 경우 원소재 가격 상승으로 경제성이 저하된다. 따라서, 몰리브덴(Mo)은 1.55 ~ 1.65%를 함유하는 것이 바람직하다.
바나듐(V)은 고용강화 원소로서, 강재의 강도를 향상시키고 고온에서 연화저항성을 향상시키고, 미세탄화물 형성 및 결정립 미세화 효과를 준다. 그래서 바나듐(V)은 0.83% 이상의 첨가가 필요하고, 과다 첨가될 경우 탄화물이 결정립계에 형성되어 인성을 저하시킨다. 따라서, 바나듐(V)은 0.8 ~ 0.9%를 함유하는 것이 바람직하다.
질소(N)는 바나듐(V)과 함께 석출물을 형성하여 석출강화 효과로 강도를 향상시킨다. 그래서 질소(N)는 0.1% 이상의 첨가가 필요하고, 과다 첨가될 경우 미용해되어 인성을 저하시킨다. 따라서 질소(N)는 0.01 ~ 0.02%를 함유하는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 성분 이외의 잔부는 철(Fe) 및 불가피하게 함유되는 불순물이다.
이때 불순물로는 함유되는 인(P)은 0.01wt% 이하로 조정하고, 황(S)은 0.002wt% 이하로 조정하는 것이 바람직하다.
주조단계는 상기와 같은 조건으로 합금 성분 및 함량이 조정된 용탕을 잉곳(ingot)으로 주조한다.
한편, 단조단계는 준비된 잉곳을 서로 수직한 3방향(L방향, X방향, Y방향)으로 각각 업셋팅(upsetting)하여 단조재를 준비하는 단계이다. 이때 L방향, X방향 및 Y방향은 각각 서로 직각을 이루는 방향으로써 잉곳의 축방향을 L방향으로 정의하고, L방향에 각각 수직인 방향으로 X방향과 Y방향으로 정의한다.
단조단계에서는 잉곳을 L방향, X방향 및 Y방향 순으로 순차적으로 업셋팅(upsetting)한다.
부연하자면, 단조단계는 도 1에 도시된 바와 같이 잉곳을 잉곳의 축방향인 L방향으로 업셋팅하는 제1차 업셋팅과정과; 제1차 업셋팅된 잉곳을 축방향과 수직인 방향인 X방향으로 업셋팅하는 제2차 업셋팅과정과; 제2차 업셋팅된 잉곳을 잉곳의 축방향과 수직인 방향의 수직인 방향인 Y방향으로 업셋팅하는 제3차 업셋팅과정을 순차적으로 실시한다.
이때 제1차 업셋팅과정, 제2차 업셋팅과정 및 제3차 업셋팅과정은 각각 20 ~ 40%의 압하율로 실시하는 것이 바람직하다.
그리고, 단조단계에서는 제1차 업셋팅과정, 제2차 업셋팅과정 및 제3차 업셋팅과정을 적어도 1회 이상 순차적으로 반복하여 실시함으로써 원하는 수준으로 잉곳의 내부 단련 효과를 달성할 수 있다.
또한, 단조단계에서는 제1차 업셋팅과정, 제2차 업셋팅과정 및 제3차 업셋팅과정을 순차적으로 반복하여 실시함으로써 원하는 수준의 단조비를 얻으면서도 잉곳이 단조된 단조재의 내부에 편석이 발생하거나 증가하는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어 제1차 업셋팅과정, 제2차 업셋팅과정 및 제3차 업셋팅과정으로 실시되는 사이클을 1회 실시한 단조재는 직육면체 형태를 갖게 되는데, 이때 단조재의 형태 및 치수는 업셋팅과정 전의 초기 단조재의 형태 및 치수와 유사하게 된다. 이렇게 제1차 업셋팅과정, 제2차 업셋팅과정 및 제3차 업셋팅과정으로 실시되는 사이클을 반복하더라도 단조재의 형태 및 치수에 큰 변화가 없기때문에 제1차 업셋팅과정, 제2차 업셋팅과정 및 제3차 업셋팅과정으로 실시되는 사이클을 반복할 수 있으며 반복 회수의 증가에 따라 단련 효과를 향상시킬 수 있다.
그리고, 단조단계에서는 원하는 단면적 및 길이를 얻기 위하여 제1차 업셋팅과정, 제2차 업셋팅과정 및 제3차 업셋팅과정이 완료된 단조재에 대하여 코깅(cogging)을 실시하는 코깅과정을 더 실시할 수 있다. 이렇게 단조재에 코깅과정을 실시하여 단조재를 원하는 길이로 신장시키면서 단면적을 줄일 수 있다.
한편, 단조단계가 완료되면 단조재를 열처리한다. 본 실시예에서는 종래에 일반적으로 실시되는 구상화 어닐링 처리 전에 용체화 처리를 먼저 실시하여 단조재 내부에 석출되는 입계 탄화물의 형성을 억제하거나 최소화시킨다.
부연하자면, 본 실시예에서 실시되는 열처리는 도 2에 도시된 바와 같이 제1차 열처리단계와 제2차 열처리단계로 구분하여 실시된다.
제1차 열처리단계는 단조재를 용체화 처리하는 단계로서, 단조재를 용체화 처리하여 입계 탄화물을 용해시키고 조직을 미세화 시키는 효과를 기대할 수 있다.
한편, 제1차 열처리단계는 단조재를 950 ~ 1050℃의 온도에서 가열하는 제1차 가열과정과; 가열된 단조재를 공냉시키는 제1차 냉각과정으로 구분할 수 있다.
제1차 가열과정에서 실시되는 용체화 처리시 온도는 소입 온도와 유사한 950 ~ 1050℃의 온도 범위에서 실시하는 것이 바람직하다. 제1차 가열과정에서 온도, 즉 용체화 처리시 온도가 950℃ 미만인 경우에는 합금원소의 성분들이 완전한 용해되지 않고 편석이 발생되며, 1050℃를 초과하는 경우에는 과도한 온도 상승으로 인해 단조재의 표면 산화 및 투입되는 에너지가 낭비가 된다. 따라서, 제1차 가열과정에서의 온도 범위는 950 ~ 1050℃가 바람직하다.
이때 단조재는 크기에 따라 인치당 0.5 ~ 1.5 시간(hour/inch) 가열하는 것이 바람직하다.
제1차 냉각과정에서는 가열된 단조재를 공냉시키는 것이 바람직하다. 다만, 단조재의 크기에 따라서 빠른 냉각 속도를 얻기 위하여 강제 통풍냉각을 실시할 수 있다.
제2차 열처리단계는 용체화 처리된 단조재를 구상화 어닐링 처리하는 단계로서, 제1차 열처리단계, 즉 용체화 처리에서 미용해된 탄화물을 구상화시켜서 이후에 실시되는 가공이나 절삭 등과 같은 공정을 용이하게 하는 효과를 기대할 수 있다.
한편, 제2차 열처리단계도 제1차 열처리단계와 마찬가지로 제1차 냉각과정에서 냉각된 단조재를 750 ~ 950℃의 온도에서 가열하는 제2차 가열과정과; 가열된 단조재를 서냉시키는 제2차 냉각과정으로 구분할 수 있다.
제2차 가열과정에서 실시되는 구상화 어닐링시 온도는 제1차 가열과정의 온도보다는 낮은 750 ~ 950℃의 온도 범위에서 실시하는 것이 바람직하다. 제2차 가열과정에서 온도, 즉 구상화 어닐링 처리시 온도가 750℃ 미만인 경우에는 탄화물이 구상화되지 않으며, 950℃를 초과하는 경우에는 탄화물들이 조대화되거나 고온에서 형성되는 오스테나이트에 용해되어 냉각시에 펄라이트 조직이 최종 형성됨에 따라 가공성을 저해한다. 따라서, 제2차 가열과정에서의 온도 범위는 750 ~ 950℃가 바람직하다.
이때 단조재는 크기에 따라 인치당 0.5 ~ 1.5 시간(hour/inch) 가열하는 것이 바람직하다.
제2차 냉각과정에서는 충분한 어닐링 효과를 기대하기 위하여 가열된 단조재를 서냉시키는 것이 바람직하다.
이렇게 제2차 열처리단계까지 완료되면 최종 생산물의 형태에 따라 황삭과 같은 가공을 실시한 다음 요구되는 강도와 경도를 맞추기 위한 제3차 열처리단계를 더 실시할 수 있다.
제3차 열처리단계는 준비된 단조재를 ??칭 처리한 다음 템퍼링 처리하는 단계로서, 단조재를 1000 ~ 1040℃의 온도에서 가열한 다음 급냉시시키는 ??칭 과정과; ??칭된 단조재를 500~650℃의 온도에서 가열한 다음 냉각시키는 템퍼링 과정으로 구분할 수 있다.
이때 템퍼링 과정은 적어도 1회 이상 반복하여 실시할 수 있다.
상기와 같은 제조방법에 따라 제조되는 열간 공구강은 고온 인장강도, 특히 다이캐스팅 금형이 주로 사용되는 600℃ 온도에서 인장강도가 800Mpa 이상인 것이 바람직하다.
그리고, 열간 공구강은 인성의 향상을 위하여 라스 마르텐사이트(Lath martensite) 단일 조직과 구상화된 탄화물로 형성되는 것이 바람직하다.
이하, 비교예와 실시예를 사용하여 본 발명을 설명한다.
하기의 표 1과 같이 각 성분의 함량을 변경하면서 준비된 용탕을 이용하여 잉곳을 준비하였다.
그리고, 준비된 비교예 및 실시예에 따른 잉곳에 대하여 본 발명의 실시예에 따라 3방향으로 각각 업셋팅하여 단조를 실시한 후, 제1차 열처리단계와 제2차 열처리단계를 실시하여 각각의 시편을 준비하였다. 그리고, 준비된 시편에 대하여 제3차 열처리단계를 실시하였다.
그래서, 준비된 비교예 및 실시예에 따른 시편에 대하여 제3차 열처리단계 이전과 이후에 표면경도, 초음파탐상검사(UT), 편석 상태, 청정도, 충격강도 및 온도별 인장강도를 측정하였고, 그 결과를 표 2 및 표 3에 나타내었다.
구분 C Si Mn Cr Mo V N
실시예 0.36 0.77 0.4 5.1 1.6 0.85 150ppm
비교예 1 0.36 0.85 0.4 5.25 1.45 0.8 -
비교예 2 0.36 1 0.4 5.35 1.2 0.9 100ppm

구분		 제2차 열처리단계 이후 시편
표면경도
(HB)		 UT
(A388		 편서
(NADCA #229)		 청정도
(ASTM E 45)
실시예 167 ~ 170 만족 만족 만족
비교예 1 165 ~ 168 만족 만족 만족
비교예 2 165 ~ 168 만족 만족 만족


구분		 제3차 열처리단계 이후 시편

표면경도
(HRC)		 상온
인장강도
(MPa)		 충격강도(J) 고온 인장강도
(MPa)
표면 심부
L방향 W방향 L방향 W방향 200℃ 400℃ 600℃
실시예 43~45 1446 23 20 19 13 1353 1228 834
HRC 43 ~ 44
비교예1 43~45 1431 19 18 13 12 1332 1211 798
HRC 43 ~ 44.5
비교예2 43~45 1422 20 20 14 12 1317 1200 785
HRC 43 ~ 44.5
상기의 표 2 및 표 3에서 알 수 있듯이, 인장강도 측면에서 실시예는 비교예 1 및 비교예 2 보다 상온 및 고온강도가 높고 다이캐스팅 금형이 주로 사용되는 600℃ 온도에서 강도가 800Mpa 이상으로 매우 좋은 물성치를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
그리고, 충격강도 측면에서 실시예가 비교예 1 및 비교예 2 보다 표면 뿐만아니라 심부에서 충격강도가 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 비교예 2와 비교예 1를 보면, Si함량을 1.0%(비교예 2)에서 0.85%(비교예 1)로 낮추었지만 충격강도가 거의 변화하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 하지만, Si함량을 0.77%(실시예)로 낮추었을때 충격강도가 높아지는 효과가 나타났다.
특히, 심부 L방향에서도 표면과 유사한 충격강도값을 확보할 수 있어서 금형의 심부에서 냉각홀에서 발생되는 열충격을 완화시키는 효과를 기대할 수 있다.
다음으로, 제3차 열처리단계를 실시한 이후의 시편에 대하여 조직 내 탄화물의 생성 및 크기의 비교를 위하여 SEM 이미지를 촬영하여 도 3에 나타내었다.
도 3에서 알 수 있듯이, 실시예의 경우 탄화물 크기가 전체적으로 작고, 특히 결정립 입계에 분포된 탄화물의 크기가 작은 것을 확인할 수 있었다.
외부 충격하중이 가해질 때 결정을 구성하는 에너지가 가장 낮은 곳이 결정립계인데, 이 결정립계에 탄화물이 분포하면 결정립간의 결합에너지를 낮추는 원인이 되어 작은 충격에도 쉽게 파손날 수 있다.
따라서 충격강도 평가에서 실시예가 비교예 1 및 비교예 2보다 높은 물성치를 보인 것은 도 3에서 확인할 수 있듯이, 탄화물의 분포와 크기의 차이때문에 발생한 것으로 유추할 수 있다. 미세한 탄화물은 고온에서도 성장하여 고온물성에 영향을 주기 때문에 실시예와 같이 미세한 탄화물을 고르게 분포시키는 것이 중요하다.
다음으로, 종래의 1축 단조와 본 발명에 따른 3축 단조에 따른 내부 유효 변형율을 비교하였고, 그 결과를 도 4 및 기존 단조와 3축 단조의 내부 유효 변형율을 비교하여 도 4 및 도 5에 나타내었다.
도 4는 종래와 실시예에 따른 단면 유효 변형율을 비교한 결과를 보여주는 도면이고, 도 5는 단조 단계의 사이클 회수에 따른 단면 유효 변형율을 비교한 결과를 보여주는 도면이다.
도 4에서 확인할 수 있듯이, 동일 최종 사이즈에 대하여 종래의 1축 단조와 본 발명에 따른 3축 단조의 내부 유효 변형율을 비교한 결과, 종래의 1축 단조의 경우 심부 유효 변형율이 표면 대비 감소하나 본 발명에 따른 3축 단조의 경우 표면과 심부에서 균일한 유효 변형율 분포를 확보할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
그리고, 도 5에서 확인할 수 있듯이, 3축 단조를 2 사이클을 수행한 경우 심부 유효 변형율이 2배 정도 향상됨을 알 수 있다. 이는 소재 내부를 주로 사용하는 다이캐스팅 금형 및 압출 금형의 내부 물성 향상에 기여할 수 있다는 것을 확인하였다.
다음으로, 종래의 1축 단조가 적용된 시편과, 본 발명에 따라 3축 단조를 실시한 시편의 열처리 후 조직을 비교하였고, 그 결과를 도 6a 및 도 6b에 나타내었다. 이때 도 6a는 종래의 1축 단조가 적용된 시편의 열처리 후 SEM 이미지이고, 도 6b는 본 발명에 따라 3축 단조를 실시한 시편의 열처리 후 SEM 이미지이다.
도 6a에서 알 수 있듯이, 종래예의 경우 저인성 조직인 플레이트 마르텐사이트(plate martensite)와 고인성 조직인 라스 마르텐사이트(lath martensite)의 혼합 조직이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
반면에, 도 6b에서 알 수 있듯이, 실시예의 경우 고인성 조직인 라스 마르텐사이트(lath martensite)로 단일 조직인 형성된 것을 확인할 수 있었고, 이에 따라 인성의 향상을 기대할 수 있다.
다음으로, 단조 공법에 따른 Cr편석을 비교하였고, 그 결과를 도 7 및 표 4에 나타내었다.
구분 종래예(1축 단조) 실시예(3축 단조)
편석 면적분율(%) 33 15
편석간 간격(㎛) 277 167
도 7 및 표 4에서 확인할 수 있듯이, 편석 면적분율은 종래예 대비 실시예에서 50% 정도 감소한 것을 확인할 수 있었고, 편석간 간격도 종래예 대비 실시예에서 감소한 것을 확인할 수 있었다.
다음으로, 공구강의 열처리 방법에 따른 미세조직 및 결정입도를 비교하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8에서 확인할 수 있듯이, 종래예 대비 실시예에서 입도 향상, 즉 조직 미세화 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
특히, 종래예의 경우 미세조직이 페라이트(흰색)와 펄라이트 조직(검은색)으로 구성된 것을 확인할 수 있었다. 페라이트 조직은 경도가 낮지만 펄라이트 조직은 Fe3C의 시멘타이트 조직이 층상으로 형성되어 가공성이 저하될 것으로 유추할 수 있다.
반면에, 실시예의 경우 페라이트 기지조직(흰색)에 구상화된 탄화물(검은색)로 구성된 것을 확인할 수 있었다. 페라이트 기지조직은 경도가 낮고, 구상화된 탄화물들이 미세하고 고르게 분포되어 가공성이 양호해질 것으로 유추할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims (15)

  1. 주조된 잉곳을 준비하는 주조단계와;
    상기 잉곳을 서로 수직한 3방향으로 각각 업셋팅(upsetting)하여 단조재를 준비하는 단조단계와;
    상기 단조재를 용체화 처리하는 제1차 열처리단계와;
    용체화 처리된 단조재를 구상화 어닐링 처리하는 제2차 열처리단계를 포함하는 열간 공구강의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 주조단계에서,
    상기 잉곳은 C: 0.33 ~ 0.38wt%, Si: 0.71 ~ 0.79wt%, Mn: 0.38 ~ 0.44wt%, Cr: 5.0 ~ 5.2wt%, Mo: 1.55 ~ 1.65wt%, V: 0.8 ~ 0.9wt%, N: 0.01 ~ 0.02wt%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 공구강의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 단조단계는,
    상기 잉곳을 잉곳의 축방향(L방향)으로 업셋팅하는 제1차 업셋팅과정과;
    상기 잉곳을 축방향과 수직인 방향(X방향)으로 업셋팅하는 제2차 업셋팅과정과;
    상기 잉곳을 잉곳의 축방향과 수직인 방향의 수직인 방향(Y방향)으로 업셋팅하는 제3차 업셋팅과정을 포함하고,
    상기 제1차 업셋팅과정, 제2차 업셋팅과정 및 제3차 업셋팅과정은 순차적으로 실시하고,
    상기 제1차 업셋팅과정, 제2차 업셋팅과정 및 제3차 업셋팅과정은 각각 20 ~ 40%의 압하율로 실시하는 것을 특징으로 하는 열간 공구강의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 단조단계에서,
    상기 제1차 업셋팅과정, 제2차 업셋팅과정 및 제3차 업셋팅과정은 적어도 1회 이상 순차적으로 반복하여 실시하는 것을 특징으로 하는 열간 공구강의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 단조단계는,
    상기 제1차 업셋팅과정, 제2차 업셋팅과정 및 제3차 업셋팅과정이 완료된 단조재를 코깅(cogging)하여 단조재를 원하는 길이로 신장시키는 코깅과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 공구강의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1차 열처리단계는,
    상기 단조재를 950 ~ 1050℃의 온도에서 가열하는 제1차 가열과정과;
    가열된 단조재를 공냉시키는 제1차 냉각과정을 포함하는 열간 공구강의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1차 가열과정은 0.5 ~ 1.5 hour/inch 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 열간 공구강의 제조방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2차 열처리단계는,
    상기 제1차 냉각과정에서 냉각된 단조재를 750 ~ 950℃의 온도에서 가열하는 제2차 가열과정과;
    가열된 단조재를 서냉시키는 제2차 냉각과정을 포함하는 열간 공구강의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2차 가열과정은 0.5 ~ 1.5 hour/inch 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 열간 공구강의 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2차 열처리단계 이후에,
    어닐링 처리된 단조재를 ??칭 처리한 다음 템퍼링 처리하는 제3차 열처리단계를 더 포함하는 열간 공구강의 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제3차 열처리단계는,
    상기 단조재를 1000 ~ 1040℃의 온도에서 가열한 다음 급냉시시키는 ??칭 과정과;
    상기 ??칭된 단조재를 500~650℃의 온도에서 가열한 다음 냉각시키는 템퍼링 과정을 포함하는 열간 공구강의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제3차 열처리단계에서 상기 템퍼링 과정은 적어도 1회 이상 반복하여 실시하는 것을 특징으로 하는 열간 공구강의 제조방법.
  13. C: 0.33 ~ 0.38wt%, Si: 0.71 ~ 0.79wt%, Mn: 0.38 ~ 0.44wt%, Cr: 5.0 ~ 5.2wt%, Mo: 1.55 ~ 1.65wt%, V: 0.8 ~ 0.9wt%, N: 0.01 ~ 0.02wt%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 공구강.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 열간 공구강은 600℃에서 인장강도가 800MPa 이상인 것을 특징으로 하는 열간 공구강.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 열간 공구강은 라스 마르텐사이트(Lath martensite) 단일 조직과 구상화된 탄화물로 형성된 것을 특징으로 하는 열간 공구강.
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