KR950007790B1

KR950007790B1 - 열간 금형 공구강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR950007790B1
Application number: KR1019930017086A
Authority: KR
Inventors: 남철우; 소진왕; 장준섭
Original assignee: 기아특수강주식회사; 서순화
Priority date: 1993-08-31
Filing date: 1993-08-31
Publication date: 1995-07-18
Also published as: KR950006016A

Abstract

내용 없음.

Description

열간 금형 공구강 및 그 제조방법

제1도는 본 발명강 및 비교강의 고온경도시험 결과 그래프.

본 발명은 알루미늄 압출용 금형, 다이캐스팅용 금형, 단조 금형의 소재가 되는 열간 금형 공구강에 관한 것이다.

탄소(C) : 0.32-0.42%, 실리콘(Si) : 0.80-1.20%, 망간(Mn) : 0.5% 이하, 인(P) : 0.030% 이하, 황(S) : 0.030% 이하, 크롬(Cr) : 4.5-5.5%, 몰리브덴(Mo) : 1.0 -1.5%, 바나듐(V) : 0.8-1.2% 등의 화학성분을 보유한 STD61강(KS 규격)으로 대표되는 열간금형 다이강은 전자 및 자동차 등의 표면이 미려하고 정밀한 고급 플라스틱 부품 제조용 금형 및 알루미늄 다이캐스팅 금형의 주 소재가 되나, 최근 급증하는 고부가가치 금형강의 품질 요구조건인 우수한 강도, 고온경도 그리고 기계적 성질의 등방성이 보장되고 있지 않다.

따라서 본 발명의 목적은 STD61강의 화학성분을 기본으로 하여 Si 및 Cr함량을 낮추고, Mn 및 Mo함량을 높임으로서 우수한 강도, 고온경도, 내열성을 얻으며 강중 알루미나(Al₂O₃) 및 황간망간(MnS) 개재물의 형상제어원소인 칼슘(Ca)을 첨가하여 비금속 개재물의 구상화, 미세화 그리고 균일화를 실현시킴으로서 내충격성과 인성의 등방성을 향상시킨 열간 금형 공구강을 제조하는 것이다.

즉 본 발명은 C : 1.00% 이하, Si : 0.60% 이하, Mn : 0.40-1.00%, Cr : 1.5-3.5%, Mo : 1.3-3.0%, V : 0.5-1.0%, P : 0.020% 이하, S : 0.015% 이하, 총 Al(T.Al) : 0.040% 이하, 용존 Al(S.Al) : 0.032% 이하, 총산소(T.O) : 0.0030% 이하, Ca : 0.01% 이하를 함유하고, Ca/총산소=0.5-1.5 그리고 용존 Al/총 Al≥0.80으로 구성되고 잔량은 대부분 Fe이며 나머지는 전기로 제강에서 불가피하게 포함될 수 있는 극소량의 불순원소로 조성된 열간 금형 공구강 제조방법을 제공하는 것이다.

이와 같이 본 발명의 구성요소중 Si, Mn, Cr, Mo의 함량을 한정한 이유는 다음과 같다.

(1) Si : A₁변태점을 높이고 내산화성을 부여하지만 과량 첨가시 소재 사용중 승온에 의한 보호성 산화피막을 형성시키기 어렵고 가공성, 내열성, 인성, 열전도율을 저하시키므로 0.60% 이하로 한다.

(2) Mn : 제강의 탈산 및 탈황 효과외에 소입성 확보를 위해 적극적으로 함유하고 있는 것이 바람직하고 단열성 산화피막 생성을 향상시킨다. 그러나 과량 첨가시 A₁변태점을 저하시켜 어닐링(annealing)경도가 높아져 가공성을 저하시키므로 0.40-1.00% 범위로 한다.

(3) Cr : 공구로서 필요한 소입성을 부여하고 내산화성과 A₁변태성을 상승시키며 내마모성과 연화저항 그리고 고온강도를 높이나, 과량 첨가시 Cr탄화물을 과도하게 형성시켜 고온강도의 저하를 초래하므로 1.5-3.5%로 한다.

(4) Mo : 베이나이트(bainite)변태를 촉진하고 안정한 잔류 오스테나이트 (austenite)를 생성시키고 탄화 몰리브덴(Mo₂C) 탄화물의 석출에 의해 고온에서의 템퍼링(tempering) 연화 저항성을 높이나, 과량 첨가시 가공성, 인성이 저하되므로 1.3-3.0%로 한다.

Ca의 첨가 및 타 원소와의 함량비를 한정한 이유는 다음과 같다.

(1) 제강시 강력한 Al 탈산을 수행한 용강에는 A1₂O₃와 MnS개재물이 존재한다. Al₂O₃개재물은 제강조업시 노즐폐색을 유발하여 조업중단의 우려가 있고 강괴의 단조시 수지상정간에 파쇄되어 연신된 개재물을 형성하므로 강재표면의 심각한 결함이 되고 강의 가공성을 저하시킬 뿐만 아니라 강의 기계적 성질을 크게 저하시킨다. S는 강중에서 MnS개재물 형태로 존재하는데, MnS개재물은 융점이 낮아 단조시 단조방향 (longitudinal)으로 연신하여 이른바 스트링어(stringer)형의 개재물을 형성한다. 이러한 개재물은 강의 횡축방향(transverse) 기계적 성질을 크게 손상시켜 기계적 성질의 이방성을 초래한다. 또한 MnS개재물은 수소취성에 대단히 민감하여 강재의 크랙을 유발시킨다. 그러므로 Al탈산강에 Ca을 첨가하면 Al₂O₃개재물이 칼슘-알루미네이트(Ca-aluminate) 개재물로 변환된 후 그 표면에 황화칼슘(CaS)과 MnS개재물의 고용채가 석출된 이중 개재물(duplex type inclusion)이 형성되므로 비금속 개재물의 구상화, 균일화 그리고 미세화를 실현한다. 이러한 개재물은 단조시 단조방향으로 연신하지 않으므로 내충격성, 가공성 그리고 인성 및 연성의 등방성을 현저하게 향상시킨다.

(2) Ca첨가에 의한 비금속 개재물의 형상제어를 수행하기 위한 선결조건은 총산소 함량이 0.0030% 미만이고 황함량이 0.015% 미만인 청정강을 제조하는 것이다. 용존 Al과 총 Al의 함량비는 0.80이상이어야 한다. 칼슘-알루미네이트(Ca-aluminate) 개재물의 조성은 12CaO·7Al₂O₃가 선호되므로 가장 효과적인 비금속 개재물의 형상제어를 만족시킬 수 있는 Ca과 산소와의 함량비는 Ca/총산소=0.1-1.5이다.

강괴의 열간단조온도는 1100-1200℃이고 단조후 구상화 어닐링 처리는 830-870℃이며 1020±20℃에서 물에 의한 담금질을 행하고 550±20℃에서 템퍼링을 수행한다.

[실시예]

진공용해로에서 탈산을 수행하고 합금원소를 첨가한 후 무산화 분위기 주입을 통하여 Ca을 첨가한 것과 첨가하지 않은 두 종류의 강괴를 제조하였으며, 1100-1200℃에서 6S 이상으로 단조를 행하였고 단조마무리 온도는 850℃로 하였다. 단조후 830-870℃에서 1hr/inch로 구상화 어닐링 처리와 1020℃에서 물에 의한 담금질을 행하고 550℃에서 템퍼링하여 경도(HRC) 52-58을 얻은 열간 금형 공구강을 제조하였다.

본 발명강을 비교강인 STD61강과 대비하여 실시한 예를 나타내었다. 표 1은 시험편의 화학조성이다.

[표 1]

표 1의 A, B강은 본 발명강으로서 A강은 Ca을 적정량 첨가한 것이고, B강은 Ca을 첨가하지 않은 강이며, C강은 비교강인 STD61강이다. 이러한 시험재에 대하여 비금속 개재물, 기계적 성질, 고온경도, 그리고 내열성 시험을 행하였다.

[표 2]

표 2는 발명강 A, B강과 비교강 C강의 비금속 개재물을 JIS G 0555법에 의거 조사하여 나타낸 도표이다. 총 개재물량(dT)은 세 강종 모두 비슷한 수준의 우수한 청정도를 나타내어 표 1의 총 산소함량과 잘 일치하였으나, Ca을 첨가한 발표강 A강이 Ca을 첨가하지 않은 발명강 B강과 비교강 C강 보다 황화물(sulphide) 개재물과 알루미나 (alumina) 개재물량이 크게 적으며 구상화(globular) 개재물량이 현저하게 많은데, 이는 Ca첨가로 비금속 개재물의 형상제어가 실현됐기 때문이다.

[표 3]

표 3은 발명강과 비교강의 기계적 성질을 비교한 도표이다. 발명강 B강이 비교강 C강보다 Si, Cr함량이 낮은 반면, Mn, Mo함량이 높기 때문에 인장강도와 항복강도는 우수하고, 연신율, 단면수축율 그리고 충격 에너지는 비교강 C강과 대등한 수준이었다. 그러나, Ca을 첨가한 발명강 A강은 비금속 개재물이 구상화, 균일화 그리고 미세화되어 인장강도와 항복강도가 우수한 상태에서 연신율, 단면수축율 그리고 충격에너지가 비교강 C강보다 우수하게 나타났다. 이와 더불어 발명강 A강은 횡축 충격에너지와 종축 충격에너지의 비가 0.88로 B강과 C강보다 기계적 성질의 등방성이 상당히 개선되었다.

제1도는 발명강과 비교강의 고온경도를 Union사의 HM100기종으로 시험하여 나타낸 도표이다. 합금원소 조정에 의해 발명강 A강과 B강의 고온경도가 비교강 C강보다 현저하게 우수한 열간금형용 공구강으로서의 특성을 나타내었다.

[표 4]

표 4는 발명강과 비교강을 단면 직경이 14mm인 시편으로 가공한 뒤 20℃와 600℃ 온도 범위내에서 가열 및 수냉을 1000회 반복하는 내열성을 시험한 결과를 나타낸 것이다.

내열성 시험은 열첵크시험유니트, 제어유니트, 버어너유니트등이 구비된 내열성 시험기(도시하지 않음)를 사용하였다.

발명강 A강과 B강의 내열크랙성이 비교강 C강보다 현저하게 우수한 열간금형 공구강으로서의 특징을 나타내었다.

Claims

중량비로서 C : 1.00% 이하, Si : 0.60% 이하, Mn : 0.40-1.00%, Cr : 1.5-3.5%, Mo : 1.3-3.0%, V : 0.5-1.0%, P : 0.020% 이하, S : 0.015% 이하, 총 Al : 0.040% 이하, 용존 Al : 0.032% 이하, 총산소 : 0.0030% 이하, Ca :0.01% 이하를 함유하고, Ca/총산소=0.5-1.5 그리고 용존 Al/총 Al≥0.80으로 구성되고 잔량은 대부분 Fe이며 나머지는 불소원소인 것을 특징으로 하는 열간 금형 공구강.
강괴의 열간단조온도는 1100-1200℃ 범위이고 구상화 어닐링처리는 830-870℃ 범위이며, 1020±20℃에서 물에 의한 담금질과 550±20℃에서 템퍼링하여 경도(HRC) 52-58을 얻는 것을 특징으로 하는 제1항의 성분을 갖는 열간 금형 공구강의 제조방법.