KR20240042117A - 핫 스탬프용 금형용 강, 핫 스탬프용 금형 및 그 제조 방법 - Google Patents

핫 스탬프용 금형용 강, 핫 스탬프용 금형 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20240042117A
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Abstract

고경도와 고열전도율을 겸비하는 핫 스탬프용 금형을 제작할 수 있는 금형용 강과, 핫 스탬프용 금형 및 그 제조 방법을 제공한다. 질량%로, C: 0.45~0.65%, Si: 0.1~0.6%, Mn: 0.1~0.3%, Cr: 2.5~6.0%, Mo: 1.2~2.6%, V: 0.4~0.8%, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성을 갖는 핫 스탬프용 금형용 강이다. 또한, 상기 성분 조성을 갖는 핫 스탬프용 금형과, 그 제조 방법이다.

Description

핫 스탬프용 금형용 강, 핫 스탬프용 금형 및 그 제조 방법{STEEL FOR HOT STAMP DIE, HOT STAMP DIE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 핫 스탬프용 금형용 강, 핫 스탬프용 금형 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 자동차의 경량화와 충돌 안전성 향상을 목적으로, 인장강도가 1㎬를 초과하는 초고장력 강판의 니즈가 높아지고 있다. 그러나, 인장강도가 1.2㎬ 이상인 강판을 냉간 프레스로 성형하려고 하면, 성형 하중이나 스프링백의 증대, 성형성 등의 문제가 발생한다. 그래서, 최근에는 핫 스탬프(핫 프레스, 또는 핫 스탬핑이라고도 칭한다) 공법이 주목받고 있다. 핫 스탬프 공법에서는, 강판을 오스테나이트 온도 이상으로 가열 후, 프레스 성형하고, 금형을 하사점으로 유지하여 급랭해서 담금질한다.
핫 스탬프 공법의 이점으로서, 금형으로 급랭하는 다이??칭에 의한 담금질에 의해, 1.5㎬ 정도의 인장강도를 가지는 초고장력 강판의 성형품이 얻어지는 것을 들 수 있다. 또한, 스프링백이 거의 발생하지 않는 등 성형성이 우수하다는 이점도 들 수 있다.
그러나, 핫 스탬프 공법은 생산성이 낮다는 문제가 있다. 즉, 다이??칭을 위한 하사점 유지 등에 시간이 필요하게 되기 때문에 생산성이 낮아진다. 그 대책으로서 고열전도율의 금형이 요구되고 있다. 이것은, 다이??칭에서는 강판의 열을 금형에 흡수시키고 있지만, 금형의 열전도율이 높을수록 하사점 유지의 시간이 단축되어서 생산성이 높아지기 때문이다.
또한, 핫 스탬프용 금형에서는 내마모성을 높이기 위해서 고경도가 요구되고 있다.
따라서, 핫 스탬프용 금형용 강에서는, 금형으로 했을 때에 고경도와 고열전도율을 겸비하는 것이 요구된다. 일반적으로, 고경도의 금형을 얻기 위해서는 금형용 강의 합금량을 늘릴 필요가 있지만, 합금량이 많아지면 금형의 열전도율이 떨어진다고 하는 문제가 있어, 경도와 열전도율은 트레이드오프의 관계에 있다. 그래서, 합금량을 제어함으로써 최적인 성분 조성이 검토되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1~3에서는, 경도와 열전도율을 겸비하는 금형용 강의 성분 조성이 제안되어 있다. 또한 특허문헌 4에도, 온열간 프레스, 다이 캐스트, 또는 온열간 단조 등에 사용되는 금형의 소재로서 유용하고, 열전도율이 우수해 내마모성도 우수한 열간 공구강에 대해서 개시되어 있다.
일본 특허공개 2017-43814호 공보 일본 특허공개 2017-53023호 공보 일본 특허공개 2018-24931호 공보 일본 특허 제 5744300호 공보
특허문헌 1~3의 금형용 강, 및 특허문헌 4의 열간 공구강은 핫 스탬프용으로서 유용하다. 그러나, 금형용 강이나 열간 공구강의 담금질 뜨임 특성이나, 핫 스탬프용 금형의 작업면이 질화 처리되어서 사용되는 것 등을 생각했을 때에, 종래의 금형용 강이나 열간 공구강의 경우, 경도가 부족할 경우가 있었다. 구체적으로는, 최근에는 핫 스탬프용 강으로서 52HRC 이상의 고경도화가 요구되어 오고 있지만, 특허문헌 1~4에서는 52HRC 이상의 고경도는 안정적으로 얻어지지 않는다.
본 발명의 목적은, 핫 스탬프 공법에 적합한, 고경도와 고열전도율을 겸비하는 금형을 제작할 수 있는 금형용 강과, 핫 스탬프용 금형 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
이러한 실상을 감안하여, 본 발명자는 예의 연구를 행한 결과, 합금량을 제어함으로써 핫 스탬프용에 최적인 금형용 강을 찾아냈다. 그리고, 상기 금형용 강을 사용함으로써, 고경도 및 고열전도율을 달성할 수 있는 핫 스탬프용 금형과 그 제조 방법을 찾아냈다.
즉, 본 발명의 일형태는, 질량%로, C: 0.45~0.65%, Si: 0.1~0.6%, Mn: 0.1~0.3%, Cr: 2.5~6.0%, Mo: 1.2~2.6%, V: 0.4~0.8%, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 핫 스탬프용 금형용 강이다.
본 발명의 다른 일형태는, 질량%로, C: 0.45~0.65%, Si: 0.1~0.6%, Mn: 0.1~0.3%, Cr: 2.5~6.0%, Mo: 1.2~2.6%, V: 0.4~0.8%, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 핫 스탬프용 금형이다.
바람직하게는, 경도가 45HRC 이상, 또한 열전도율(λ(W/(m·K)))이 하기 식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 청구항 2에 기재된 핫 스탬프용 금형이다.
λ≥-0.5H+53…식 (1)
H: 금형의 로크웰 경도(HRC)
보다 바람직하게는, 경도가 52HRC 이상이다. 그리고, 이 때, 더 바람직하게는, 열전도율(λ)이 25W/(m·K) 이상이다.
또한, 바람직하게는 작업면에 질화층을 갖는다.
본 발명의 다른 일형태는, 상기 핫 스탬프용 금형용 강에, 1020~1080℃의 담금질 온도 및 500~625℃의 뜨임 온도에 의한 담금질 뜨임을 행하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬프용 금형의 제조 방법이다.
바람직하게는, 상기 뜨임 온도가 540~600℃이다.
바람직하게는, 상기 담금질 뜨임을 행한 후에, 작업면에 질화 처리를 더 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 핫 스탬프용에 최적인 금형용 강이 얻어진다. 또한, 이 금형용 강을 사용함으로써, 고경도와 고열전도율을 겸비하는 핫 스탬프용 금형과 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명예 및 비교예의 금형용 강을 1030℃로부터 담금질 후, 500~650℃에서 뜨임해서 제작한 금형의 일례에 대해서, 그 뜨임 온도마다의 경도를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명예 및 비교예의 금형용 강을 1030℃로부터 담금질 후, 45HRC, 50HRC, 55HRC의 경도로 뜨임해서 제작한 금형의 일례에 대해서, 그 열전도율을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명예 및 비교예의 금형용 강을 1030℃로부터 담금질 후, 55HRC의 경도로 뜨임해서 제작한 금형의 일례에 대해서, 600℃로 유지했을 경우의 연화 저항을 나타내는 도면이다.
본 발명의 특징은, 핫 스탬프용 금형이, 금형용 강에 담금질 뜨임을 행해서 제작되는 것이나, 그 작업면에 질화 처리를 행해서 제작되는 것을 생각했을 때에, 핫 스탬프용 금형의 고경도와 고열전도율을 동시에 달성하는 것에 최적인 금형용 강의 성분 조성이 있는 것을 밝혀낸 점에 있다. 특히 52HRC 이상의 고경도와, 25W/(m·K) 이상의 고열전도율을 동시에 달성하는 것에 최적인 금형용 강의 성분 조성이 있는 것을 밝혀낸 점에 있다. 또한, 상기 고경도와 고열전도율을 동시에 달성하는 것에 최적인 담금질 뜨임 조건을 밝혀낸 점에 있다. 이하에, 본 발명의 각구성 요건에 대하여 설명한다.
본 발명의 핫 스탬프용 금형용 강은, 질량%(이하, 단지 「%」로 표기한다.) 로, C: 0.45~0.65%, Si: 0.1~0.6%, Mn: 0.1~0.3%, Cr: 2.5~6.0%, Mo: 1.2~2.6%, V: 0.4~0.8%, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성을 갖는다.
·C: 0.45~0.65%
C는 담금질에 의해 소지(매트릭스)에 고용(固溶)해서 금형의 경도를 향상시키는 원소이다. 또한, 후술하는 Cr이나 Mo, V 등의 탄화물 형성 원소와 탄화물을 형성해서, 금형의 경도를 향상시키는 원소이다. 그러나, C량이 지나치게 많으면, 1차 탄화물의 조대화 등에 의해 금형의 인성이 저하된다. 따라서, C는 0.45~0.65%로 한다. 바람직하게는 0.47% 이상이다. 보다 바람직하게는 0.49% 이상이다. 또한, 바람직하게는 0.63% 이하이다. 보다 바람직하게는 0.60% 이하이다. 더 바람직하게는 0.58% 이하이다.
·Si: 0.1~0.6%
Si는 용제 공정에서 탈산제로서 사용된다. 그리고, 소지에 고용해서 금형의 경도를 향상시키는 원소이다. 그러나, Si가 지나치게 많으면, 용제 후에 있어서 강 중의 편석 경향이 강해지고, 또한 응고 조직도 조대해져서 금형의 인성 저하로 연결된다. 그리고, 담금질 뜨임 후의 금형의 열전도율을 현저하게 떨어뜨리는 원소이다. 따라서, Si는 0.1~0.6%로 한다. 바람직하게는 0.14% 이상이다. 보다 바람직하게는 0.17% 이상이다. 또한, 바람직하게는 0.45% 이하이며, 보다 바람직하게는 0.4% 이하이다. 더 바람직하게는 0.35% 이하이다. 보다 더 바람직하게는 0.3% 이하이다.
·Mn: 0.1~0.3%
Mn은 용제 공정에서 탈산제나 탈황제로서 사용된다. 그리고, 소지의 강화나, 담금질성, 담금질 뜨임 후의 인성의 향상에 기여하는 원소이다. 그러나, Mn이 지나치게 많으면, 금형의 열전도율이 현저하게 저하된다. 따라서, Mn은 0.1~0.3%로 한다. 바람직한 Mn의 하한은 0.15% 이상이다. 또한, 바람직한 Mn의 상한은 0.28% 이하이다. 보다 바람직한 Mn의 상한은 0.26% 이하이다.
·Cr: 2.5~6.0%
Cr은 소지에 고용해서 경도를 상승시키는 원소이다. 또한, 탄화물을 형성함으로써도 경도를 상승시키는 원소이며, 후술하는 Mo, V와 마찬가지로 뜨임시에 있어서의 2차 경화에 기여하는 원소이다. 특히 Cr은 Mo, V에 비하여, 뜨임 연화 저항을 크게 할 수 있는(뜨임 온도를 높게 해도, 2차 경화로 얻어진 경도의 저하 비율을 작게 할 수 있는) 원소이다. 통상, 금형은, 금형용 강에 담금질 뜨임을 행해서 사용 경도로 조정되는 경우, 핫 스탬프용 금형의 열전도율을 높이기 위해서는, 뜨임 온도를 높게 하는 것이 효과적이다. 그리고, 본 발명에 있어서는, Cr의 함유량을 2.5% 이상으로 함으로써, 뜨임 온도를 높게 해서 해도(예를 들면, 600℃를 초과해도), 45HRC 이상과 같은 충분한 경도를 유지할 수 있으므로, 동시에, 열전도율을 높게 할 수도 있다. 그리고, 뜨임 온도를, 예를 들면, 540℃ 이상으로 해도, 52HRC 이상의 경도를 달성할 수 있고, 또한, 열전도율이 25W/(m·K) 이상인 핫 스탬프용 금형을 얻을 수 있다. 그리고, 상기 경도를 유지한 후에, 열전도율이 28W/(m·K) 이상이나, 30W/(m·K) 이상으로까지 더 향상된 핫 스탬프용 금형을 얻을 수 있다. 또한, 상기 경도 및 열전도율은 실온(상온)에서 측정했을 때의 값이다.
또한, Cr의 함유량을 높게 함으로써 금형용 강의 질화 특성을 향상시킬 수 있으므로, 예를 들면, 담금질 뜨임 후의 금형의 작업면에 질화 처리를 더 행함으로써 금형의 내마모성(작업면의 경도)을 향상시킬 수 있다.
단, Cr의 함유량이 지나치게 많으면, 금형용 강의 합금량이 많아진다는 것 자체에 의해서 금형의 열전도율을 높게 하는 것이 어려워진다. 따라서, Cr은 2.5~6.0%로 한다. 바람직하게는 2.8% 이상이다. 보다 바람직하게는 3.0% 이상이다. 또한, 바람직하게는 5.5% 이하이며, 보다 바람직하게는 4.8% 이하, 더 바람직하게는 4.5% 미만이다. 그리고, 특히 열전도율의 향상을 중시하고 싶을 경우, Cr은 4.0% 이하나 3.5% 이하로 할 수도 있다.
·Mo: 1.2~2.6%
Mo는, Cr과 마찬가지로, 소지에 고용해서 경도를 상승시키는 원소이며, 또한, 탄화물을 형성함으로써도 경도를 상승시키는 원소이며, 뜨임시에 있어서의 2차 경화에 기여하는 원소이다. 또한, 담금질성을 향상시키는 원소이기도 하다. 단, Mo량이 지나치게 많으면, 금형용 강의 합금량이 많아진다는 것 자체에 의해서 금형의 열전도율이 낮아진다. 따라서, Mo는 1.2~2.6%로 한다. 바람직하게는 1.5% 이상이다. 보다 바람직하게는 1.7% 이상이다. 더 바람직하게는 1.9% 이상이다. 또한, 바람직하게는 2.5% 이하이다. 보다 바람직하게는 2.3% 이하이다. 더 바람직하게는 2.1% 이하이다.
·V: 0.4~0.8%
V는 Cr과 마찬가지로, 탄화물을 형성함으로써도 경도를 상승시키는 원소이며, 뜨임시에 있어서의 2차 경화에 기여하는 원소이다. 단, V량이 지나치게 많으면, 금형용 강의 합금량이 많아진다는 것 자체에 의해서 금형의 열전도율이 낮아진다. 따라서, V는 0.4~0.8%로 한다. 바람직하게는 0.5% 이상이다. 또한, 바람직하게는 0.75% 이하이며, 보다 바람직하게는 0.65% 이하, 더 바람직하게는 0.6% 이하이다.
·잔부 Fe 및 불가피적 불순물
금형용 강의 합금량이 많아지면, 금형의 열전도율이 낮아지는 것을 생각하면, 상기 원소종 이외의 잔부는 실질적으로 Fe로 이루어지는 것이 바람직하다. 단, 여기에 명시하지 않는 원소종(예를 들면 P, S, Cu, Al, Ca, Mg, O(산소), N(질소)등의 원소종)은, 불가피적으로 강 중에 잔류할 가능성이 있는 원소이며, 이들 원소를 불순물로서 포함하는 것은 허용된다. 이 때, P는, 지나치게 많으면, 뜨임 등의 열처리시에 구오스테나이트 립계에 편석되어 금형의 인성이 열화된다. 따라서, P는 0.05% 이하로 규제하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.03% 이하로 규제한다. 그리고, S는, 지나치게 많으면, 강괴를 분괴할 때 등에 있어서 열간 가공성이 열화된다. 따라서, S는 0.01% 이하로 규제하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.008% 이하로 규제한다.
또한, Ni는, 금형의 인성 향상에 기여하는 원소종으로서 유용하기는 하지만, 금형용 강의 합금량의 증가에 의한 금형의 열전도율의 저하를 억제하는 점에서, 역시, 그 함유량을 낮게 억제하는 것이 바람직하다. 그리고, Ni량의 규제 상한으로서, 바람직하게는 0.25%가 허용된다.
상기 성분 조성을 가진 금형용 강에 담금질 뜨임을 행함으로써, 경도와 열전도율이 우수한 본 발명의 핫 스탬프용 금형을 얻을 수 있다. 본 발명의 핫 스탬프용 금형의 경도는, 실온(상온)에서 측정한 값이고, 예를 들면 45HRC 이상과 같은 충분한 경도를 달성하는 것이 용이하다. 그리고, 뜨임 온도를 조정함으로써, 금형의 경도를 바람직하게는 52HRC 이상으로 할 수 있고, 사용시에 있어서의 금형이 우수한 내마모성을 부여할 수 있다. 금형의 경도는, 보다 바람직하게는 53HRC 이상이며, 더 바람직하게는 55HRC 이상이다.
또한, 본 발명에 있어서, 금형의 경도의 상한을 규정하는 것은 요하지 않는다. 단, 상기 성분 조성을 가진 금형용 강의 경우, 그 2차 경화의 피크 경도(대강 500~600℃의 뜨임 온도의 범위에 있다)로부터 60HRC 정도인 것이 현실적이다. 그리고, 이 경도의 상한에 대해서, 58HRC 이하로 하는 것이, 상기 피크 경도를 초과해서 뜨임 온도를 높게 할 수 있는 점에서(즉, 열전도율을 높게 할 수 있는 점에서), 바람직하다.
그리고, 상기 성분 조성을 가진 금형용 강에 담금질 뜨임을 행함으로써, 금형의 경도를 45HRC 이상으로 조정한 후에, 또한, 하기 식 (1)을 만족하는 열전도율(λ(W/(m·K)))을 갖는 것을 특징으로 한다.
·λ≥-0.5H+53…식 (1)
여기에서, 식 (1)의 H는 금형의 로크웰 경도(HRC)이다. 예를 들면, 본 실시형태의 금형의 경도가 45HRC일 경우, 열전도율은 30.5W/(m·K) 이상이다. 또한, 금형의 경도가 52HRC일 경우, 열전도율은 27W/(m·K) 이상이다. 그리고, 바람직하게는 「λ≥-0.5H+54」이다. 또한, 이 열전도율은 실온(상온)에서 측정한 값이다.
본 발명의 금형용 강은, 담금질 뜨임에 의해 식 (1)의 관계를 만족하는 점으로부터, 열전도율의 저하가 과제였던 고경도역(예를 들면 52HRC 이상)의 뜨임 경도의 때에도, 25W/(m·K) 이상의 열전도율을 유지할 수 있다. 금형의 경도가 52HRC 이상일 때, 바람직한 열전도율은 28W/(m·K) 이상이다. 보다 바람직한 열전도율은 30W/(m·K) 이상이다. 그리고, 저경도역(예를 들면 52HRC 미만)의 뜨임 경도의 때이면, 30W/(m·K) 이상의 열전도율의 달성도 가능하고, 그것이야말로, 45HRC 부근의 경도이면 32W/(m·K) 이상의 열전도율의 달성도 가능하다. 이 것에 의해, 핫 스탬프 공법에 사용 중(예를 들면, 100~400℃)의 금형에서 높은 열전도율을 유지할 수 있다.
이와 같은 열전도율은 상기 금형용 강의 성분 조성에 추가해서, 뜨임 온도를 높게 함으로써 달성이 용이하다. 예를 들면, 뜨임 온도를 피크 경도가 얻어지는 온도 이상으로 높게 함으로써 열전도율 30W/(m·K) 이상으로 조정하는 것이 가능하다.
본 발명의 경우, 금형의 열전도율의 상한을 특정할 필요는 없다. 단, 뜨임 온도를 높게 해 나가서(예를 들면, 600℃를 초과하는 온도로 조정해서), 금형의 경도가 저하되어 가는 것을 생각하면, 금형의 경도가 45HRC를 밑돌 때의 열전도율이 50W/(m·K)를 상회하는 점으로부터, 45HRC 이상의 경도를 유지하고 있을 때이며, 대충 50W/(m·K) 정도인 것이 현실적이다. 바람직하게는 47W/(m·K) 이하이다. 보다 바람직하게는 45W/(m·K) 이하이다. 그리고, 금형이 52HRC 이상인 경도를 유지하고 있을 때이면, 열전도율의 상한은 대강 40W/(m·K) 정도인 것이 현실적이다. 바람직하게는 38W/(m·K) 이하이다. 보다 바람직하게는 35W/(m·K) 이하이다. 그리고, 이들 열전도율의 상한으로부터, 상술한 열전도율(λ(W/ (m·K))과 로크웰 경도(H (HRC))의 관계는, 대강 「λ≤-0.5H+70」의 식 (2)의 관계인 것이 현실적이다. 바람직하게는 「λ≤-0.5H+66」이며, 보다 바람직하게는 「λ≤-0.5H+61」이다.
본 발명의 핫 스탬프용 금형은, 바람직하게는, 그 작업면에 질화층을 갖는 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 핫 스탬프용 금형은 고경도 및 고열전도율을 겸비한 것이다. 그리고, 이 금형의 작업면이 질화층을 더 가짐으로써 금형의 내마모성(작업면의 경도)을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 작업면이란, 핫 스탬프 중의 강판과 접하는 금형의 면이다.
본 발명의 핫 스탬프용 금형의 제조 방법은 상기 금형용 강에 담금질 뜨임을 행하는 것이다.
상기 성분 조성을 가진 금형용 강에 담금질 뜨임을 행할 때, 담금질 온도는 목적 경도 등에 따라 다르지만, 예를 들면, 대강 1020~1080℃로 할 수 있다. 바람직하게는 1050℃ 이하이다.
그리고, 이 담금질 온도에 의한 담금질을 행한 금형용 강에, 예를 들면, 500~625℃의 뜨임 온도에 의한 뜨임을 행함으로써 45HRC 이상의 충분한 경도를 유지할 수 있다. 이 때의 담금질 온도 및 뜨임 온도는, 담금질 뜨임 후의 금형의 경도와 열전도율이, 상술한 식 (1)의 관계를 충족시키도록 선택할 수 있다.
그리고, 고온에 의한 뜨임을 행함으로써도, 충분한 금형의 경도를 유지하고,또한, 금형의 열전도율을 높게 하는 것에 효과적이며, 예를 들면 540℃ 이상의 뜨임 온도에서, 52HRC 이상의 경도를 달성할 수 있기 때문에, 열전도율이 25W/(m·K) 이상의 금형을 얻을 수 있다. 이 때, 52HRC 이상의 경도를 유지하는데 있어, 뜨임 온도의 상한은 600℃ 정도로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 595℃ 이하이다. 더 바람직하게는 590℃ 이하이다.
본 발명의 금형용 강은 담금질 뜨임에 의해 소정의 경도를 가진 핫 스탬프용 금형으로 조절된다. 그리고, 이 사이에서, 금형용 강은, 절삭이나 천공과 같은 각종 기계 가공 등에 의해, 핫 스탬프용 금형의 형상으로 조절된다. 이 기계 가공의 타이밍은, 담금질 뜨임 전의 경도가 낮은 상태(즉, 소둔 상태)에서 행할 수 있다. 그리고, 이 경우, 담금질 뜨임 후에 마무리 가공을 행해도 좋다. 또한, 경우에 따라서는, 상기 마무리 가공도 모두, 담금질 뜨임을 행한 후의 프리하든 상태에서 상기 기계 가공을 행해도 좋다.
본 발명의 핫 스탬프용 금형의 제조 방법은, 바람직하게는, 상기 담금질 뜨임을 행한 후의 금형의 작업면에 질화 처리를 더 행하는 것이다.
상술한 바와 같이, 상기 성분 조성을 가진 금형용 강에 담금질 뜨임을 행함으로써, 예를 들면, 경도가 45HRC 이상, 또한 열전도율이 식 (1)을 만족하는 금형을 얻을 수 있다. 그리고, 상기 성분 조성을 가진 금형용 강은 질화 특성도 우수하므로, 이 담금질 뜨임을 행한 후의 금형의 작업면에 질화 처리를 더 행함으로써, 금형의 내마모성(작업면의 경도)을 향상시킬 수 있다. 이 때, 질화 처리의 조건에는, 예를 들면, 가스 질화 처리나 염욕 질화 처리와 같은 기지의 각종 질화 처리의 것을 적용할 수 있다.
(실시예 1)
표 1의 성분 조성을 갖는 10㎏의 강괴를 용제했다. 그리고, 이 강괴를 1160℃로 가열해서 해머 단신(鍛伸)한 후에 방랭하고, 이 방랭 후의 강재에 870℃의 소둔 처리를 행해서, 본 발명예인 No. 1~8의 강, 및 비교예인 No. 9~11의 강을 제작했다.
<뜨임 경도의 평가>
No. 1~11의 금형용 강에 1030℃의 담금질 온도에 의한 담금질을 실시했다. 이 때, 냉각 조건은, 본 발명강 및 비교강과 같은 금형용 강이 실제의 핫 스탬프용 금형의 크기일 때의 냉각 속도를 상정해서, 반랭 시간을 40분으로 했다(반랭 시간이란, 담금질 온도로부터 (담금질 온도+실온)/2의 온도까지의 냉각에 요하는 시간이다). 그리고, 이 담금질 후의 금형용 강에 500~650℃의 뜨임 온도에 의한 뜨임을 행했다. 뜨임은 2회 실시하고, 각각의 온도에서 2시간 유지했다. 뜨임 온도는 25℃마다의, 계 7 조건으로 했다. 그리고, No. 1~11의 각각에 대해서, 뜨임 온도 마다 그 중심부의 실온에 있어서의 로크웰 경도(C 스케일)를 측정했다. 결과를 도 1에 나타낸다.
본 발명예인 No. 1~8은 500~625℃의 뜨임 온도의 전반에 걸쳐서 45HRC 이상의 뜨임 경도를 유지했다. 그리고 특히, 어느 것이나 540~600℃의 뜨임 온도의 범위에서 대강 52HRC 이상이 얻어졌다. 또한, 뜨임 온도를, 금형의 열전도율을 높이는 것에 효과적으로 되는 600℃ 초과로 높여도, 대강 45HRC 이상의 뜨임 경도를 달성했다.
이것에 대하여, 비교예인 No. 9도, 500~600℃의 뜨임 온도 범위에서는 45HRC 이상의 뜨임 경도를 유지했지만, No. 10은, 뜨임 온도가 575℃인 시점에서, 이미, 뜨임 경도가 45HRC를 밑돌고 있었다. No. 11은 뜨임 온도가 500~625℃인 범위에서 뜨임 경도가 45HRC 이상이었지만, 50HRC 이상의 경도는 얻어지지 않았다.
<열전도율의 평가>
상기 <뜨임 경도의 평가>의 결과를 근거로 해서, No. 1~6, 9에 대해서 뜨임 경도가 45HRC, 50HRC, 55HRC일 때의 열전도율을 측정했다. 측정 요령은, 우선, 금형을 직경 10㎜×두께 2㎜의 원반형상의 시험편으로 가공해서, 이 시험편의 열확산율 및 비열을 레이저 플래시법에 의해 측정했다. 그리고, 이 측정한 열확산율 및 비열의 값을 사용하여, 하기 식 (3)으로부터 실온에 있어서의 열전도율을 산출했다. 결과를 도 2에 나타낸다.
열전도율(λ(W/ (m·K)))=ρ·α·Cp…식 (3)
(ρ: 실온 밀도, α: 열확산율, Cp: 비열)
도 2의 결과로부터, 본 발명예인 No. 1~6은, 45HRC, 50HRC, 55HRC의 모든 경도에 있어서, 열전도율이 λ≥-0.5H+53의 식을 만족하고, 경도를 52HRC로 높였을 때라도, 30W/(m·K) 이상의 높은 열전도율을 유지하고 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 경도 55HRC라는 고경도에 있어서도 25W/(m·K) 이상의 높은 열전도율을 갖고 있었다.
이것에 대하여, 비교예인 No. 9에서는, 45HRC 및 50HRC의 낮은 경도로 조정한 시점에서 열전도율이 작고(λ≥-0.5H+53의 식을 만족하고 있지 않고), 경도를 52HRC으로 높여도, λ≥-0.5H+53을 만족하지 않는 것을 알 수 있었다.
No, 7, 8의 시료에 대해서는, 뜨임 경도가 52HRC일 때의 열전도율을 측정했다. 측정 요령은 상술한 No. 1~6, 9의 때와 마찬가지이다. 그 결과, No. 7의 열전도율은 31W/(m·K), No. 8의 열전도율은 37W/(m·K)와, 경도 52HRC라도 30W/(m·K) 이상의 높은 열전도율을 갖고 있는 것을 확인했다.
<연화 저항의 평가>
핫 스탬프 공법에서의 금형은 고온에서 사용되기 때문에, 금형용 강의 연화 저항이 중요해진다. 그래서, 본 발명예 No. 1~6 및 비교예 No. 9를 55HRC로 뜨임한 상태에서 600℃로 유지하여, 경도의 변화를 측정했다. 결과를 도 3에 나타낸다. 본 발명예인 No. 1~6에서는, 뜨임 온도를 높게 할 수 있었기 때문에, 4시간 유지 후라도 50HRC 이상의 경도를 유지했다. 한편, 비교예 No. 9에서는, 뜨임 온도가 낮았기 때문에 4시간 유지 후의 경도가 50HRC를 밑돌았다. 그리고, 이것 이후, 유지 시간이 길어짐에 따라, 본 발명강과 비교강의 경도의 차는 커졌다. 본 발명강에서는 연화 저항이 크고, 핫 스탬프 공법에 있어서 유효하다.

Claims (5)

  1. 질량%로, C: 0.45~0.65%, Si: 0.1~0.6%, Mn: 0.1~0.3%, Cr: 4.22~4.8%, Mo: 1.2~2.6%, V: 0.4~0.8%, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성을 갖고,
    경도가 52HRC 이상, 또한 열전도율(λ(W/ (m·K)))이 하기 식 (1)을 만족하면서, 25W/(m·K) 이상인 것을 특징으로 하는 핫 스탬프용 금형.
    λ≥-0.5H+53…식 (1)
    H: 금형의 로크웰 경도(HRC)
  2. 제 1 항에 있어서,
    작업면에 질화층을 갖는 것을 특징으로 하는 핫 스탬프용 금형.
  3. 제 1 항에 기재된 핫 스탬프용 금형용 강에, 1020~1080℃의 담금질 온도 및 500~625℃의 뜨임 온도에 의한 담금질 뜨임을 행하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬프용 금형의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 뜨임 온도를 540~600℃로 하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬프용 금형의 제조 방법.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 담금질 뜨임을 행한 후에, 작업면에 질화 처리를 더 행하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬프용 금형의 제조 방법.
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