KR101312822B1

KR101312822B1 - 금형강 및 그의 제조방법

Info

Publication number: KR101312822B1
Application number: KR1020110126840A
Authority: KR
Inventors: 최점용; 이선국; 오상훈; 황호순
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-09-27
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: KR20130060659A

Abstract

본 발명은 금형강에 내녹청성을 부여하고, 더불어 HRC 38 이상의 경도와, 11J/cm² 이상 수준의 V노치 샤르피 충격값(CVN impact energy)을 동시에 확보함으로써, 금형의 사용수명과 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 금형강 및 그의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 금형강은 중량%로, C : 0.03~0.09%, Si : 0.2~0.9%, Mn : 1.3~1.7%, Cr : 4.5~6.0%, Mo : 0.5~2.5, W : 0.5~2.0%, Ni : 2.5~3.5%, Cu : 0.7~1.5%, Al : 0.7~1.5%, Nb : 0.01~0.1%, S : 0초과~0.006%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 베이나이트와 마르텐사이트의 혼합 조직으로 이루어지고, 하기 식을 만족한다.
7.5≤[Cr]+2{[[Mo]+0.5[W]}
이러한 구성에 의하여, 금형의 사용수명을 크게 연장시킬 수 있고, 인성이 우수하여 금형의 취급 시에 발생될 수 있는 코너부의 균열이 저감될 수 있다.

Description

금형강 및 그의 제조방법{Die steel and manufacturing method using the same}

본 발명은 금형강 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 내녹청성이 우수한 금형강 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 플라스틱의 성형 등에 사용되는 금형강은 금형으로 가공한 후에 열처리하는 강종과, 금형강을 열처리한 후에 금형으로 가공하는 강종으로 크게 대별된다. 과거에는 전자에 해당하는 탄소강이나 저합금강이 다수 사용되어 왔으나, 경도, 인성 등의 물성이 떨어져 수명이 짧은 문제로 인하여 최근에는 후자에 해당하는 석출경화형 금형강이 주로 사용되고 있다.

이와 같이, 플라스틱 성형용 금형에 주로 사용되는 석출경화형 금형강은 금형의 제작기간의 단축과 사용수명을 향상시키기 위하여, 피삭성 뿐만 아니라 경도와 인성이 우수해야 하지만, 이러한 경도와 인성은 서로 상반되는 성질이기 때문에 우수한 경도와 인성을 동시에 확보하는 것이 용이하지 않은 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 일본공개특허 제1993-255732호, 제1995-278743호 및 제1997-021351호 및 한국공개특허 제2000-0057043호 등에 개시된 바와 같이 많은 연구가 진행되어 왔다.

이와 같이, 비록 경도 및 인성이 충분할 경우에도 플라스틱 금형강의 사용 환경에 의한 단점, 즉 금형을 냉각시키기 위하여 사용하는 냉각수에 의한 다량의 수증기에 의한 습한 환경으로 인한 금형 표면에 발생하는 녹(rust), 그리고 냉각수가 흐르는 냉각 구멍(hole)에 두꺼운 녹이 발생됨에 의해 금형의 냉각능 저하가 발생하는 경우가 빈번하다. 녹 발생으로 인한 냉각능 저하에 의한 제품 불량 발생, 그리고 특히 표면에 발생한 녹은 금형의 표면 미관을 해친다. 뿐만 아니라, 발생한 녹에 의한 플라스틱 재료의 표면 광택 저하 및 제품의 결함 등을 초래한다. 특히 표면에 발생한 녹 제거를 위한 수작업에 의한 잉여 작업의 필요성은 생산성 증대에 큰 장애가 되고, 제조 비용 상승의 원인이 되고 있다.

본 발명은 합금성분의 조정과, 용체화 처리, 시효 처리 등의 공정 조건을 제어하여 금형강에 내녹청성을 부여하고, 더불어 HRC 38 이상의 경도와, 11J/cm² 이상 수준의 V노치 샤르피 충격값(CVN impact energy)을 동시에 확보함으로써, 금형의 사용수명과 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 금형강 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 금형강은 중량%로, C : 0.03~0.09%, Si : 0.2~0.9%, Mn : 1.2~1.7%, Cr : 4.5~6.0%, Ni : 2.5~3.5%, Cu : 0.7~1.5%, Al : 0.5~1.5%, Nb : 0.01~0.1%, S : 0초과~0.006%이하, 및 Mo : 0.5~2.5%와 W : 0.5~2.0% 중 적어도 1종, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 베이나이트와 마르텐사이트의 혼합 조직으로 이루어지고, 하기 식을 만족한다.

7.5≤[Cr]+3.3{[[Mo]+0.5[W]}

그리고, 상기 금형강은 [Mo]+[W] 값이 1.0~4.5 범위를 만족할 수 있다.

또한, 상기 금형강은 중량%로, B : 0.001~0.01%를 더 포함할 수 있다.

더욱이, 상기 금형강은 중량%로, Sn:0.001~0.06%를 더 포함할 수 있다.

게다가, 상기 금형강은 중량%로, Co:0초과~0.01%이하를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 금형강은 중량%로, Ca:0초과~0.01%이하 및 Mg:0초과~0.005%이하에서 선택된 적어도 1종을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 금형강의 제조방법은 중량%로, C : 0.03~0.09%, Si : 0.2~0.9%, Mn : 1.2~1.7%, Cr : 4.5~6.0%, Ni : 2.5~3.5%, Cu : 0.7~1.5%, Al : 0.5~1.5%, Nb : 0.01~0.1%, S : 0초과~0.006%이하, 및 Mo : 0.5~2.5%와 W : 0.5~2.0% 중 적어도 1종, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 베이나이트와 마르텐사이트의 혼합 조직으로 이루어지고, 하기 식을 만족하는 슬라브를 전기 슬래그 용해(ESR)를 통해 재용해시키는 단계; 상기 슬라브를 열간 가공하는 단계; 상기 슬라브를 서냉한 후 용체화 처리를 통해 가열하는 단계; 및 상기 용체화 처리 후 공냉하는 단계;를 포함한다.

7.5≤[Cr]+3.3{[[Mo]+0.5[W]}

이때, 상기 용체화 처리를 통해 가열하는 단계에서, 오스테나이트 영역까지 가열하고, 재가열 시 오스테나이트 변태 완료점(Ac3)보다 높은 온도까지 가열하여 유지할 수 있다.

본 발명에 의하면, 합금성분의 조정과, 용체화 처리, 시효 처리 등의 공정 조건을 제어하여 HRC 38 이상의 경도와 11J/cm² 이상 수준의 V노치 샤르피 충격값을 동시에 확보함으로써, 금형의 사용수명을 크게 연장시킬 수 있고, 인성이 우수하여 금형의 취급 시에 발생될 수 있는 코너부의 균열이 저감될 수 있다.

특히 합금 성분 조정에 의한 내녹청성 개선에 의한 금형 표면의 청정성, 그리고 냉각능의 향상으로 인하여 플라스틱의 성형을 고속으로 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 전기 슬래그 용해(ESR, Electro Slag Remelting)에 의한 청정성과, 균일조직이 함께 어울려 우수한 경면성을 가지며, 더불어 제반 성질도 구비한 금형강을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 제조방법의 열처리 패턴을 나타낸 도면.
도 2는 [Cr]+3.3{[[Mo]+0.5[W]}에 따른 발명강과 비교강의 경도와 인성의 변화를 나타낸 그래프.
도 3은 [Cr]+3.3{[[Mo]+0.5[W]}에 따른 발명강과 비교강의 수돗물 침지 시험 시 녹 발생 분율 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 발명강과 비교강의 수돗물 침지 시험 시 발생한 녹을 나타내는 사진.
도 5는 발명강과 비교강의 시효 열처리 후 미세조직을 나타낸 사진.

이하 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다.

본 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 금형 제조를 위해 사용되는 재료인 금형강 및 그 제조방법에 관한 것이고, 특히 플라스틱 제품을 성형하는 금형을 만들기 위한 금형강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 금형강 표면 및 금형 내부의 냉각 구멍(hole)에 녹이 발생하는 것을 방지하는 내녹청성을 부여하고, 동시에 충분한 경도 및 인성을 확보하여, 금형강의 수명의 대폭 연장이 가능한 내녹청성이 우수한 석출경화형 금형강에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 금형강에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명자들은 금형강의 제반 성질이 우수하면서, 특히 냉각수로 사용하는 수돗물에서 내녹청성이 우수하며, HRC 38 이상의 경도와 11J/cm² 이상의 V노치 샤르피 충격값(CVN absorbed energy)을 동시에 확보하기 위한 연구 및 실험을 거듭하여 본 발명을 완성시켰다.

그 결과로 본 발명은 저탄소를 포함하고, 내녹청성을 확보하기 위하여 일정량 이상의 Cr을 포함하고, Cr의 내녹청성 향상을 보조해주는 역할로 내녹청성에 우수한 Mo, W를 포함한다. 그리고, 경도 확보를 위해서 Ni-Al 금속간 화합물과 첨가된 Cr, Mo의 일부를 탄화물을 분산 석출시키며, Nb 탄질화물 석출에 의해 결정립 성장을 억제하여 미세화시킨다. 또한, 용체화 처리와 시효 처리 등의 공정 조건을 최적화하여 베이나이트와 마르텐사이트의 혼합 조직을 생성함으로써, 내녹청성이 우수한 석출경화형 금형강을 제조할 수 있다.

이에 의하여 금형의 사용 또는 보관 중 표면에서의 녹의 발생을 크게 억제함으로써, 표면 녹으로 인한 플라스틱 사출품의 표면 품질 문제를 크게 감소시키고, 금형 관리 비용을 크게 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 제조 비용 절감 및 경도, 충격인성의 확보에 의한 사용수명을 크게 향상시키고, 플라스틱의 성형을 고속으로 수행할 수 있다.

먼저, 본 발명의 성분 한정 이유에 대하여 설명한다.(이하, 중량%는 간단히 %로 표기함)

탄소(C)는 가열 후 강제 냉각에 의해 담금질성을 높이고, 강도와 경도를 상승시키며, 석출에 의한 시효 경화에 기여하는 원소로서, 본 발명에서는 Cr, Mo, Nb 등과의 탄화물 형성을 위한 반응에 의해 주로 소비된다. C의 함량이 0.09를 초과하면 냉각 시 조대한 탄화물을 형성하여 인성을 저하시키거나, 이들 형성된 조대 탄화물은 절삭시 공구 마모를 증가시키며, 특히 내녹청성 확보에 가장 중요한 Cr과 결합하여 기지 내의 Cr 고용량을 감소시켜 내녹청성을 저하시킨다. C의 함량이 0.03% 미만이면 강제 냉각 후 경도가 낮기 때문에 시효에 의한 석출경화가 이루어지더라도 목표로 하는 HRC 38 이상의 경도를 얻을 수 없는 제약이 있다. 따라서, C의 함량은 0.03~0.09%로 한정한다.

규소(Si)는 제강 과정에서 탈산제로 첨가되어, 일부가 강 중에 고용되어 담금질성 및 경도를 향상시키는 원소로서, 시효 처리 시 조대 탄화물의 형성을 억제하여 입계 탄화물 석출에 의한 충격인성의 급격한 저하를 방지한다. 소재의 질량이 큰 경우에는 Mn 단독으로는 용체화 처리 시 경도 조절이 곤란하기 때문에, 강 중에 0.2% 이상 첨가시켜야 한다. 다만, Si의 함량이 0.9%를 초과하면 편석이 발생하거나 장시간동안 시효 처리시 탄화물의 흑연화를 조장하여 인성이 크게 저하되는 문제가 있고, 특히 기계 가공성의 열화를 초래하기 때문에, Si의 함량은 0.2~0.9%로 한정한다.

망간(Mn)은 C와 함께 담금질성을 높이고 시효 처리 후 경도와 내마모성을 향상시키는 원소로서, 페라이트의 형성을 억제하고 마르텐사이트의 형성을 조장한다. 본 발명에서 목표로 하는 경도 및 내마모성을 얻기 위해서는 1.2% 이상 첨가해야 하나, Mn의 함량이 1.7%를 초과하면 베이나이트의 과도한 미세화로 인하여 피삭성 및 열간가공성이 감소하므로, Mn의 함량은 1.2~1.7%로 한정한다.

크롬(Cr)은 내식성 향상 특히 내녹청성 개선이 필수 불가결한 원소로, 첨가 시 담금질성을 높이고, 경도, 내식성 향상시키는 원소이다. 일반적으로 냉각 시 페라이트 및 펄라이트의 형성을 억제하고, 저온조직인 마르텐사이트와 베이나이트의 형성을 조장하며, 심부 경도를 향상시키는 효과가 있다. 특히 강의 내녹청성의 확보를 위해서는 적어도 4.5% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 다만, Cr의 함량이 6.0%를 초과하면 고온에서 페라이트상을 형성하여, 용체화 열처리 시 오스테나이트와 페라이트의 2상역 구간에서 용체화 열처리가 되어, 상온까지 냉각이 되어도 상온에 페라이트상이 형성되어 금형강의 필수 요소 중 하나인 경도의 균일성 저하를 초래하고, 특히 기계적 가공시 불균일한 경도로 인한 가공성의 저하를 야기시키기 때문에, Cr의 함량은 4.5~6.0%로 한정한다.

몰리브덴(Mo)은 강의 내식성을 향상시키는 원소로, 기지 고용에 의한 조직의 경도 및 시효 처리 시 탄화물 석출에 의한 경화 목적, 나아가 고인성을 얻기 위해 첨가하는 원소이다. 이러한 Cr, W와 함께 내녹청성, 고용 강화에 의한 경도, 및 인성 등의 개선을 위해서는 0.5% 이상 첨가하는 것이 바람직하지만, Mo의 함량이 2.5%를 초과하면 Cr과 동일하게 고온에서의 페라이트 형성으로 강의 경도 불균일 및 가공성 저하를 초래하고, 또 과도한 첨가는 제조 비용이 증가시키므로 Mo의 함량은 0.5~2.5로 한정한다.

텅스텐(W)은 Cr, Mo등과 더불어 대표적인 내식성 향상원소, 그 효과를 나타내기 위해서는 0.5% 이상 첨가하는 것이 바람직하지만, W의 함량이 2.0%를 초과하는 경우, 탄소와 결합하여 텅스텐 카바이드를 형성하여 가공성을 저해한다. 또한, 고온 용체화 처리시 페라이트 상을 형성하여, 상온에서 조직의 불균일을 초래한다. 따라서, W의 함량은 0.5~2.0%로 한정한다.

니켈(Ni)은 경도, 인성 및 포토에칭성(photoetching) 향상 원소로서, 그 일부가 Cu와 균질한 고용체를 형성함으로써 열간가공에 있어 적열취성을 방지하고, 시효 처리시 Ni-Al 금속간 화합물(Ni₃Al 등)을 석출시키며, 상기 Ni-Al 금속간 화합물 석출시 핵으로 작용하는 ε-상을 Cu와 함께 구성하므로, 2.5% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, Ni의 함량이 3.5%를 초과하면 피삭성이 저하되고, 열전도율 저하 및 사출 성형 사이클이 증가하는 문제가 있기 때문에, Ni의 함량은 2.5~3.5%로 한정한다.

구리(Cu)는 시효 처리시 ε-Cu 금속간 화합물로 석출되어 석출경화를 가져오는 동시에 내식성 및 피삭성 향상에 유효한 원소이다. Cu는 0.7% 이상 첨가하는 것이 바람직하나, Cu의 함량이 1.5%를 초과하면 열간 가공성이 저하되어 입자계 균열의 원인이 되고, 표면 결함을 유발시키므로, Cu의 함량은 0.7~1.5%로 한정한다.

알루미늄(Al)은 시효 처리시 Ni와 결합하여 Ni-Al 금속간 화합물을 형성하여 석출경화를 현저하게 하여 경도를 증가시키고, Al 질화물을 형성하여 용체화 처리 시 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제하고, 하부 베이나이트의 형성을 조장하여 인성을 증가시키므로 0.5% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, Al의 함량이 1.5%를 초과하면 산화 개재물 형성으로 인해 표면 결함을 발생시키고, 그 밖의 원소의 탄화물과의 밸런스가 무너지게 되어 인성, 피삭성 및 경면성이 저하되기 때문에, Al의 함량은 0.5~1.5%로 한정한다.

니오븀(Nb)은 탄소 또는 질소와 결합하여 탄질화물을 형성하여 경도 및 내마모성을 향상시킬 뿐만 아니라, 이러한 Nb 탄질화물 분산에 의해 오스테나이트 결정립을 미세화시켜 인성을 향상시키고, 경질의 조대한 AlN 개재물 형성을 억제하여 경면성을 개선시키므로 0.01% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 다만, Nb의 함량이 0.1%를 초과하면 시효 처리시 과다한 Nb 탄질화물 석출에 의해 피삭성이 저하되고, 중심부에 편석되어 Nb 질화물의 군집대를 형성하여 경면성이 저하되기 때문에, Nb의 함량은 0.01~0.1%로 한정한다.

황(S)은 MnS계 개재물을 생성시켜 피삭성을 향상시키는 원소이지만, 연마 시 MnS계 개재물의 탈락에 의해 표면 결함을 초래하거나, 염소계 플라스틱의 경우 표면부식의 기점으로 작용한다. 그리고, 조대한 유화물계 개재물 형성으로 인해 인성 및 경면성을 저하시키므로, 본 발명에서는 0초과~0.006% 이하로 관리한다.

보론(B)은 담금질성 향상 원소로서, 냉각시 강의 미세조직을 균일화하고, 경도를 향상시키며, 본 발명의 낮은 S함량에 기인한 피삭성의 부족을 개선시켜 주므로, 0.001% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 다만, B의 함량이 0.01%를 초과하면 열간가공시 입계에 B 질화물이나 금속간 화합물의 다량 석출로 인해 열간 가공성 및 보수 용접성을 저하시키며, 베이나이트 변태를 지연시킬 수 있기 때문에, B의 함량은 0.001~0.01%로 한정한다.

주석(Sn)은 본 발명이 목표로 하는 내녹청성을 확보하기 위해 필수 원소로, 0.001% 이상이 필요하다. 다만, 첨가량이 0.06%를 초과하면 내식성이 저하된다. 또한, 담금질 가열 시에 표면 산화가 불균일하게 되어, 연마성을 악화시키기 때문에, 0.06% 이하로 한다.

코발트(Co)는 인성 및 내식성을 향상시키는 원소로서, 탄소 또는 질소와 결합하여 탄질화물을 형성하여 경도 및 내마모성을 향상시킬 뿐만 아니라, 이러한 Co 탄질화물 분산에 의해 오스테나이트 결정립을 미세화시켜 인성을 향상시킨다. 다만, 과다 함유되면 고가의 비용이 소요되고, 최종 조직에 잔류 오스테나이트를 증가시켜 경도의 편차를 초래할 수 있으므로, 본 발명에서는 0초과~0.01% 이하로 관리하는 것이 바람직하다.

칼슘(Ca)은 열간가공에 의한 가공방향으로의 MnS계 개재물의 연신을 방지하여 피삭성을 향상시키는 원소로서, MnS 개재물은 고온에서 점성이 크기 때문에 열간 가공을 거친 강재의 경우 MnS계 개재물이 그 가공 방향으로 연신되어 피삭성 열화 및 기계적 특성의 이방성이 생기는 원인이 되는 바, Ca이 첨가되는 경우 MnS계 개재물의 형상 변형에 대한 저항성이 높아져 구형을 유지하고, MnS계 개재물이 균일하고 미세화되기 때문에 연마시 응력 집중에 의한 균열 발생이 저감되어 피삭성이 향상되고 절삭 공구의 수명이 연장되는 것이다. 다만, Ca의 함량이 0.01%를 초과하면 CaS 개재물이 다량 생성되어 인성이 저하될 수 있고, 산화물의 형성으로 경면성이 저하될 수 있기 때문에, 본 발명에서는 MnS계 개재물의 형상을 최적 제어하여 피삭성, 인성을 향상시키기 위하여 0초과~0.01% 이하로 관리하는 것이 바람직하다.

마그네슘(Mg)은 Al보다 산소 친화력이 크기 때문에 강중에 Al₂O₃와 같은 산화물의 생성을 억제하고, MgO계 산화물을 형성하며, 이때, MgO계 산화물은 응집되기 어렵고, 강중에 잔류해도 조대화되기 쉬운 Al 산화물에 비해 개재물의 미세화를 도모하여 경면성을 향상시킬 뿐만 아니라, 절삭시 공구의 표면에 보호 피막을 형성하여 피삭성도 향상시키는 원소로서, Mg의 함량이 0.005%를 초과하면 열간 가공성 및 경면성이 감소될 수 있으므로, 본 발명에서는 0초과~0.005% 이하로 관리하는 것이 바람직하다.

이때, 본 발명에 따른 금형강은 7.5≤[Cr]+3.3{[[Mo]+0.5[W]}의 관계식을 만족시키는 것이 바람직하다. 이는 상기 관계식의 값이 7.5 미만이면 내식성이 불충분하여 수돗물에서 쉽게 녹이 발생한다. 하지만, 상기의 값이 증가할수록 내식성은 증가하나, 고합금으로 인하여 기계 가공성이 저하되고 인성이 감소할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 금형강은 1.0≤[Mo]+[W]≤4.5 관계식을 만족시키는 것이 바람직한 바, 이는 상기 관계식의 값이 1.0 이하의 경우, Cr의 함량이 4.5~6%이면, Cr 단독에 의한 내식성 향상의 효과가 불충분하여 녹이 쉽게 발생할 수 있다. 그리고, 상기 관계식의 값이 증가할수록 내식성에 증가하는 효과는 있으나, 그 값이 4.5을 초과하는 경우, 고온에서 페라이트상이 형성되어 용체화 처리가 2상역, 즉, 오스테나이트와 페라이트 역에서 열처리가 되어 금형강의 미세조직 불균일이 발생된다. 다시 말하면, 시효 처리 후에서 잔류 페라이트가 존재하여 경도의 편차를 초래하고, 특히 기계 가공시 위치에 따른 가공성의 편차가 발생한다.

본 발명의 금형강은 상기 성분들을 포함하면서 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진다. 그리고 필요에 따라 본 발명의 금형강의 특성 향상을 위해 합금원소가 더 첨가될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서 밝히지 않은 합금원소가 첨가되었다고 하여 본 발명의 범위에서 제외되는 것으로 해석되지 않음은 물론이다.

한편, 시효경화 열처리 전에는 마르텐사이트 조직의 경우 변태 시 형성된 마르텐사이틱 페라이트가 탄소 및 합금원소를 고용하여 경도는 높으나 매우 취화되어 있다. 하지만, 베이나이트 조직은 마르텐사이트와 동일한 페라이트가 기지 조직이나, 베이나이트 형성 시 마르텐사이트와 다르게 내부에 고용된 탄소나 합금원소가 미세한 탄화물의 형태로 석출된 조직으로, 템퍼링이 진행된 마르텐사이트와 유사한 조직이다. 비록 마르텐사이트보다는 경도의 감소가 발생하지만, 베이나이트에서 형성된 페라이트는 마르텐사이트에서 보다 쉽게 변형될 수 있어 외부 충격을 쉽게 흡수할 수 있다. 이에 따라, 기본 미세조직이 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합 조직에 의해 시효 경화 후에도 경도의 손실 없이 인성이 향상될 수 있다. 그리고, 용체화 처리 후 냉각 시 제품의 크기에 관계없이 냉각에 의한 균열을 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 고경도 및 고인성 석출경화형 금형강의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 제조방법은 상술한 성분계와 같이 조성되는 강괴를 전기 슬래그 용해(ESR, Electro Slag Remelting)에 의해 고청정 특수 재용해하여 청정도를 확보하고, 분괴압연을 하거나 열간단조 후 평압연을 실시하는 등 열간 가공한다. 이후, 재가열 시 오스테나이트 변태 완료점(Ac3) 이상인 높은 온도까지 가열하여, 용체화 처리를 수행하고, 상온까지 냉각한 후에 다시 석출물이 형성되는 온도에서 적절한 시간 시효 열처리를 행하면, 내녹청성이 우수한 석출경화형 금형강을 제조할 수 있다.

먼저, 금속을 전기로 또는 진공유도로나 대기유도로를 이용하여 상술한 성분계와 같이 조성되는 강괴를 주조하고, 상기 주조된 강괴를 청정도 확보를 위해 재용해시키는 전기 슬래그 용해(ESR) 과정을 수행한다. 그리고, 분괴압연을 하거나 열간단조후 평압연을 실시하여 열간 가공을 수행하게 된다. 열간 가공에 의해 일정 크기의 제품을 제조한 후에 냉각 시 열응력 및 변태응력에 의한 균열을 방지하기 위하여 서냉을 한다.

그리고, 서냉하여 제조된 제품의 경도와 인성을 부여하기 위하여, 석출 경화형 금형강의 경우 통상적으로 도 1에 나타낸 것과 같이 용체화 처리를 통해 오스테나이트 영역까지 가열하는 바, 이때, 도 1에 도시된 바와 같이, 재가열 시 오스테나이트 변태 완료점(Ac3)보다 높은 온도까지 가열하여 유지하게 된다. 상기 용체화 처리 후에는 공냉하여 상온까지 냉각한다. 이는 상기 금형강의 경우, 경화능이 우수하여 공냉하여도 페라이트의 형성없이 마르텐사이트와 베이나이트 혼합 조직이 형성되기 때문이다. 상기 냉각 후에는 도 1에 표시한 바와 같이 석출 경화형 금형강의 합금원소인 Ni, Al이 금속간 화합물로 석출하는 적절한 온도에서 시효 처리를 하여 석출경화형 금형강에서 요구하는 38 이상이 경도와 11J/cm² 이상의 인성을 동시에 확보한다.

이하, 본 발명의 실시예에 관하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

하기 표 1과 같이 조성되는 석출경화형 금형강을 제조한 후, 이를 가열하여 오스테나이트의 형성이 완료되는 변태 완료점(Ac3)인 870℃ 이상의 온도에서 30분 이상 용체화 처리한 후, 공냉 및 수냉으로 냉각하여 시편을 제작하고, 이들 시편을 10mm 두께의 표준 샤르피 V노치(Charpy V-Notch) 시편의 형상으로 가공하였다. 그리고, 시효 처리시 발생 가능한 시편의 재질 편차를 최소화하기 위하여 시효에 의하여 석출 경화가 발생하는 온도인, 300~650℃에서 정밀 제어가 가능한 염욕(온도제어범위:±3℃)을 이용하여 1~30시간의 시효 처리 후, 최종적으로 V노치 샤르피 시편을 재가공하여 상온에서 충격시험을 행하였으며, 로크웰 경도(HRC)를 측정하였다. 여기서, 상기 충격시험은 동일 온도에서 3번씩 하였고, 경도 측정은 5번 측정하여, 그 값들의 평균치를 구하였다.

도 2는 발명강과 비교강을 도 1의 방법으로 시효 열처리를 한 후 측정한 경도(HRC), V노치 샤르피 충격값을 나타내었다. 비교강과 발명강의 경도 및 V노치 샤르피 충격값을 PREN 지수로 나타내었다. 비교강과 발명강의 경우 대부분 경도는 38HRC 이상의 값을 얻을 수 있고, V노치 샤르피 충격값도 11J/cm² 이상의 값을 나타낸다(도 2에 표시한 화살표는 비교강을 표시). 이는 석출 경화형 금형강에서 요구하는 기본 조건을 충족한 것으로 금형강으로 사용 가능함을 의미한다.

본 발명에서 강조하는 내녹청성은 다음의 방법으로 측정하였다. 발명강과 비교강을 금형강 제조 공정에 맞게 열처리-시효 경화 열처리를 행한 후 시편을 적절한 두께를 갖는 50㎜x50㎜의 크기로 절단한 후, 1㎛까지 정밀 연마하였다. 연마 후 상온의 수돗물에 24시간 침적 후 표면에 발생한 녹(rust)의 면적을 단위 면적으로 환산하여 측정하였다.

도 3은 내녹청성을 나타내는 지수인 Cr+3.3{[Mo]+0.5[W]} (단위 중량 %)에 따른 녹 발생 면적을 나타낸 것이다. 녹 발생 분율은 PREN 지수 값이 증가할수록 크게 감소한다. 그 값이 7.5 이상을 나타내는 발명강의 경우 비교강 2보다 녹 발생 분율이 50% 감소한 우수한 내녹청성을 나타낸다.

도 4는 수돗물에서 24시간 침지한 후 녹이 발생한 표면을 나타낸 대표적인 사진(화살표 녹)이다. 일부 비교강의 경우 유사 경도 수준에서 우수한 V노치 샤르피 충격값을 보이나, 내녹청성은 매우 열위함을 알 수 있다.

그리고, 도 5는 비교강과 발명강의 미세조직으로 PREN 지수 값이 매우 높아 내녹청은 매우 우수하나, 비교강의 경우, 고온에서 페라이트와 오스테나이트 2상 영역의 확장에 의한 시효 열처리 후에서 페라이트 상이 잔존함(화살표 표시)을 알 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.

Claims

중량%로, C : 0.03~0.09%, Si : 0.2~0.9%, Mn : 1.2~1.7%, Cr : 4.5~6.0%, Ni : 2.5~3.5%, Cu : 0.7~1.5%, Al : 0.5~1.5%, Nb : 0.01~0.1%, S : 0초과~0.006%이하, 및 Mo : 0.5~2.5%와 W : 0.5~2.0% 중 적어도 1종, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 베이나이트와 마르텐사이트의 혼합 조직으로 이루어지고, 하기 식을 만족하되, [Mo]+[W] 값이 1.0~4.5 범위를 만족하는 금형강.
7.5≤[Cr]+3.3{[[Mo]+0.5[W]}
삭제
제1항에 있어서,
상기 금형강은 중량%로, B : 0.001~0.01%를 더 포함하는 금형강.
삭제
제1항에 있어서,
상기 금형강은 중량%로, Co:0초과~0.01%이하를 더 포함하는 금형강.
제1항에 있어서,
상기 금형강은 중량%로, Ca:0초과~0.01%이하 및 Mg:0초과~0.005%이하에서 선택된 적어도 1종을 더 포함하는 금형강.
중량%로, C : 0.03~0.09%, Si : 0.2~0.9%, Mn : 1.2~1.7%, Cr : 4.5~6.0%, Ni : 2.5~3.5%, Cu : 0.7~1.5%, Al : 0.5~1.5%, Nb : 0.01~0.1%, S : 0초과~0.006%이하, 및 Mo : 0.5~2.5%와 W : 0.5~2.0% 중 적어도 1종, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 베이나이트와 마르텐사이트의 혼합 조직으로 이루어지고, 하기 식을 만족하되, [Mo]+[W] 값이 1.0~4.5 범위를 만족하는 슬라브를 전기 슬래그 용해(ESR)를 통해 재용해시키는 단계;
상기 슬라브를 열간 가공하는 단계;
상기 슬라브를 서냉한 후 용체화 처리를 통해 가열하는 단계; 및
상기 용체화 처리 후 공냉하는 단계;를 포함하는 금형강의 제조방법.
7.5≤[Cr]+3.3{[[Mo]+0.5[W]}
제7항에 있어서,
상기 용체화 처리를 통해 가열하는 단계에서, 오스테나이트 영역까지 가열하고, 재가열 시 오스테나이트 변태 완료점(Ac3)보다 높은 온도까지 가열하여 유지하는 금형강의 제조방법.