KR20000076093A

KR20000076093A - 통합 분말 야금 공정에 의해 제조된 강과 이를 열처리한 공구 및 강을 사용한 공구

Info

Publication number: KR20000076093A
Application number: KR1019997008181A
Authority: KR
Inventors: 카린 욘손; 헨리 비젤; 라이프 베스틴
Original assignee: 인게마르 슈코크; 에라스텔 클로스터 악티에볼락
Priority date: 1997-03-11
Filing date: 1998-02-25
Publication date: 2000-12-26
Also published as: DE69814896D1; JP2001514703A; EP1024917B1; AU6426598A; JP4652490B2; US6162275A; SE9700862L; SE9700862D0; ATE240810T1; SE508872C2; WO1998040180A1; ES2198049T3; KR100500772B1; EP1024917A1; DE69814896T2; DK1024917T3

Abstract

본 발명은 중량%로, 1.4 - 1.6(C + N), 최대 0.6Mn, 최대 1.2Si, 3.5 - 4.3Cr, 1.5 - 3Mo, 1.5 - 3W, 여기서 6 ＜ W_eq＜ 9이고 W_eq= %W + 2× %Mo, 3.5 - 4.5V, 최대 0.3S, 최대 0.3Cu, 최대 1 Co, Nb + Ta + Ti + Zr + Al의 전체량 최대 1.0, 불순물과 정상량의 부수적인 원소를 포함하는, 다른 원소의 전체량 0.5, 및 나머지 철로 되어 있는 합금 조성물을 가지며, 마르텐사이트 매트릭스로 대부분 이루어져 있는 미세 구조물을 가지며, 매트릭스내에 2 - 15, 적합하게 5 - 10 체적% 불용해된 강성 생성물은 0.1 - 3㎛ 입자 크기를 가지며, 강성 생성물은 MX-형이며, 여기서 M은 V이고 X는 C 및/또는 N이며, 합금의 C와 N의 함량 40 -60%은 탄화물 및/또는 탄소-질화물처럼 바나듐과 결합되며, 강성 생성물의 작용량은 1000과 1225℃사이의 온도에서 용체화 처리와 190과 580℃사이의 온도에서 0.5h 이상동안 두 번 이상의 템퍼링후 마르텐사이트 매트릭스내에 석출되는 강에 관한 것이고 이런 강을 사용한 성형 및/또는 절단 작업을 하기 위한 공구에 관한 것이다.

Description

통합 분말 야금 공정에 의해 제조된 강과 이를 열처리한 공구 및 강을 사용한 공구{A STEEL AND A HEAT TREATED TOOL THEREOF MANUFACTURED BY AN INTEGRATED POWDER METALLURGICAL PROCESS AND USE OF THE STEEL FOR TOOLS}

앞서 언급한 형태의 강은 냉간 가공 강(스틸)으로서 불린다. 금속의 냉간 압출용 다이; 디프 드로잉과 분말 압축 카운터 다이; 전단 및 절단을 위한 나이프 및 다른 공구는 냉간 가공강의 통상적인 분야이다. 1.28 C, 약 0.3 Si, 약 0.5 Mn, 4.2 Cr, 5.0 Mo, 6.4 W, 3.1 V, 나머지 Fe와 불순물의 조성물을 가진 분말 야금으로 제조된 고속강은 이 형태의 분야에서 잘 알려진 강이다. 이 강의 결점은 최상의 요구를 만족하는 인성을 가지고 있지 않다는 것이다. 이 분야에서 알려진 또 다른 분말 야금으로 제조된 강은 1.5 C, 약 1.0 Si, 0.4 Mn, 8.0 Cr, 1.5 Mo, 4.0 V, 나머지 Fe와 불순물의 조성물을 가진다. 이 강은 또한 템퍼링후 비교적으로 높은 잔류 오스텐나이트 함량을 가지며, 이것은 경도를 감소하는 높은 크롬 함량에 영향을 준다. 그러므로, 상기 강의 최상의 특성과 조합하는 것이 재료의 오랜 동안 요망된 과제이다. 특히, 다시 말하면 합금 원소의 전체 함량, 특히 가장 배타적인 합금 원소를 비용면으로부터 재료를 양호하게 만들기 위해서 상당히 낮은 레벨에서 유지하는 동시에 사용의 특정 분야에 맞는 인성, 내마모성과 경도에 관심을 갖고 최상의 특성을 제공하는 강을 필요로 한다.

본 발명은 성형 및/또는 절단 작업을 위해서, 특히 소위 냉간 가공 공구와 같은 공구용 분말야금으로 제조된 강에 관한 것이다. 또한 본 발명은 강으로 만들고 합금 조성물을 적합하게 적용한 열처리를 통해서 특정 소망의 특성을 가진 공구와, 분말 야금 제조 기술에 관한 것이다. 본 발명은 또한 강, 공구의 제조와 공구의 열처리용 통합 공정에 관한 것이다. 여기서 사용된 "통합" 표현은 분말 야금 제조 기술뿐만 아니라 공구의 열처리가 최종 공구의 소망의 조합한 특성을 얻는데 기여한다는 의미이다.

본 발명은 실험과 그로 인해 얻은 결과를 참고로 보다 상세히 설명될 것이다. 여기서 첨부도면을 참고로 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 강과 기준 재료의 고온 템퍼링 후의 경도 대 경화 온도를 도시하는 그래프.

도 2는 두 변경 템퍼링 온도에서의 본 발명의 강과 또한 기준 재료의 굽힘강도-인장강도 대 경화 온도를 도시하는 그래프.

도 3은 도 2와 동일한 재료와 동일한 상태동안 굽힘강도-편차 대 경화 온도를 도시하는 그래프.

도 4는 다수의 실험된 강의 내마성을 도시하는 그래프.

도 5는 다수의 실험된 강의 충격 강도에 대한 인성을 도시하는 그래프.

도 6은 여러 용체화 처리 온도에서의 템퍼링후 다른 재료내의 MC-탄화물과 M₆C-탄화물의 함량과 본 발명의 강내의 MC-탄화물의 함량을 도시하는 그래프.

도 7은 열처리후 본 발명의 강의 미세구조를 도시하는 사진.

도 8은 본 발명의 강이 사용될 수 있는 통상적인 공구를 도시하는 도면.

본 발명의 목적은 상술한 요망을 만족하는 것이다. 본 발명의 목적은 첨부의 특허청구범위에서 언급한 바와 같은 발명에 의해서 달성될 수 있다. 본 발명을 어느 특정 이론에 결합하지 않고, 특성의 소망의 조합을 달성하기 위한 다양한 합금 원소와 다양한 구성 요소의 중요성은 보다 상세히 설명하겠다. 퍼센테이지가 사용되는 한, 특별히 다른 말이 없으면 합금 함량은 항상 중량 %를 나타내고 구성 요소는 체적 %를 나타낸다.

탄소와 질소

탄소와 질소는 1.4%이상 1.6% 이하, 양호하게 1.44% 이상 1.56% 이하, 통상적으로 1.5%의 량으로 존재한다. 정상적으로, 질소 함량은 0.1% 이하이지만, 분말 야금 제조 기술은 탄소 함량이 너무 낮은 경우에 약 1% 질소 만큼 용해할 수 있어 탄소와 질소의 전체량을 1.4 - 1.6% 으로 할 수 있다. 그러므로 강은 변화성은 강이 제조 분말의 고상 질화를 통해서 얻을 수 있는 질소의 높은 함량, 최대 1.0%, 예 0.3 - 0.1% N을 포함하며, 여기서 질소가 최종 공구내에 존재하게 되는 이들의 강성 성분으로 탄소와 교체될 수 있는 것을 특징으로 한다. 그러므로, 40 - 60%의 탄소와 질소는 MX-형, 즉 주 탄화물 또는 탄소-질화물의 불용해된 강성 성분내에 포함될 수 있으며, 여기서 M은 대부분 바나듐이고 X는 카본 및/또는 질소이며, 반면에 나머지는 주로 매트릭스 내에 용해되거나 석출된 강성 성분으로써 존재한다. 1.4% 탄소+ 질소보다 낮은 함량은 충분한 경도와 내마모성을 제공하지 못하며, 반면에 1.6% 보다 높은 함량은 취성 문제를 야기할 수 있다.

망간

망간은 이 형태의 강에서 통상적인 량, 0.1% 이상으로부터 약 0.6 이하까지 존재한다. 통상적인 망간은 약 0.3%이다.

실리콘

실리콘은 0.1% 이상의 량으로 존재하고 실리콘 합금 변형예에서 약 1% 까지 또는 1.2% 이하 량으로 존재할 수 있지만, 정상적으로 강은 0.6% 실리콘 또는 통상적으로 약 0.5% 실리콘 이상을 함유하지 않는다.

황

황은 정상적으로 강의 불순물로서 많이는 존재하지 않는다. 즉 0.03% 이하의 량으로 존재한다. 그러나, 강의 절단성을 개선하기 위해서 0.3% 황은 황 합금 변경예에서 추가될 수 있다. 이 경우, 강은 0.1 -0.3% 황을 함유한다.

크롬

크롬은 강에 충분한 경도를 제공하기 위해서 3.5% 이상의 량으로 존재할 수 있다. 그러나 크롬의 함량은 4.3%를 초과하지 않는다. 크롬 함량이 보다 높은 면, 특히 상당히 낮은 용해 온도에서 강내에 존재하는 크롬탄화물이 용해되지 않을 위험이 있다. 이와 관련있는 크롬탄화물은 바람직하지 않은 M₇C₃-과 M₂₃C₆-형태이다. 더욱이, 본 발명에 따라서 바람직한, 템퍼링 온도로부터 냉각시 형성되는 마르텐사이트에서의 M₂C-탄화물 또는 이의 대응물의 석출물은 잔류 오스텐나이트가 마르텐사이트로 변태될 때 크롬 함량에 의해 나쁜 영향을 받게 된다. 크롬 함량이 높으면, 잔류 오스텐나이트 함량이 소망의 것보다 높게 될 위험이 있다. 이 잔류 오스텐나이트는 M₂C-탄화물 또는 이의 대응물의 석출물시 충돌하게 될 뿐만 아니라 그 자체로서도 바람직하지 않게 된다. 이는 경도를 감소시켜 공구가 사용될 때 소성 변형, 예를 들어 공구상의 뽀쪽한 코너 또는 에지의 변형을 일으킬 수 있기 때문이다.

몰리브덴과 텅스텐

각 몰리브덴과 텅스텐은 1.5% 이상이지만 3% 이하의 량으로 강에 존재하게 된다. 적합하게 상기 원소의 각각은 1.8 - 2.8%, 적합하게 2.1 - 2.7%, 통상적으로 2.5%의 량으로 존재한다. 그러나, W_eq= %W + 2×%Mo는 6 이상 9 이하, 적합하게 6.5 이상 8.5 이하, 아주 적합하게 7 이상 8 이하, 통상적으로 7.5이다. W_eq의 가장 낮은 함량은 아래에 기술되어지는 고온 템퍼링 온도와 연결하여 M₂C-탄화물 또는 이의 대응물( 질소, 탄소-질화물)의 소망의 석출물을 얻기 위해서 요구되지만, 최대의 함량은 본 발명에 따라서 바람직하지 않은 1차 M₆C-탄화물, 즉, W, Mo-탄화물의 형성을 피하기 위해서 선택된다. 이 방법으로 몰리브덴과 텅스텐의 전체 함량을 최대화함으로써, M₆C-탄화물 또는 이의 대응물의 함량을 최대로 2%, 적합하게 최대로 1%까지 할 수 있다. 실제로, 어떠한 검출가능한 M₆C-탄화물 또는 이의 대응물도 정상적으로 본 발명의 강내에서 존재하지 않는다.

바나듐

바나듐은 강이 높은 함량의 MC-탄화물 또는 대응 탄소-질화물을 통해서 소망의 내마모성을 얻기 위해서 3.5% 이상의 량으로 존재한다. 최대 함량은 4.5%까지 일 수 있다. 바나듐 함량이 보다 높다면 인성은 너무 낮게 될 것이다.

다른 탄화물 및 질화형성재

본 발명의 강은 상술한 탄화물와 질화형성재 및 철을 제외하고는 어느 의도적으로 추가된 탄화물 또는 질화형성재를 포함하지 않을 것이다. 니오븀, 탄탈, 티타늄, 지르코늄 및 알루미늄과 가능하게 추가로 강한 탄화물 및/또는 질화형성재의 전체 량은 전체적으로 최대 1.0%이다.

코발트

코발트는 강의 경도를 일반적으로 증가시키는 원소이다. 본 발명의 강에 의도적으로 추가하지 않지만 사용된 원재료내의 성분으로써 존재할 수 있고, 코발트는 특히 강이 고속강을 주로 생산하는 플랜트내에서 제조될 때의 경우일 수 있고, 최대 1%까지 포함될 수 있다.

다른 원소

본 발명의 강은 어떠한 추가의, 의도적으로 추가된 합금 원소를 포함하지 않을 것이다. 구리는 최대 0.3%까지, 주석은 최대 0.1% 까지 납은 0.005% 까지 존재할 수 있다. 철을 제외한 강내의 이들 및 다른 원소의 전체 함량은 최대 0.5%로 할 수 있다.

강의 제조와 처리 및 강의 미세구조

본 발명의 합금 조성물을 가진 용융물을 준비한다. 용융 금속의 스트림을 아르곤 또는 질소일 수 있는 불활성 가스에 의해서 매우 작은 방울로 나눈다. 질소를 특히 강이 질소와 의도적으로 합금되어지는 경우에 사용한다. 방울이 불활성 가스를 통해 떨어지고 미세 분말로 고체화될 때 방울을 냉각한다. 각 개별 분말 입자내의 조성물은 고체화 과정동안 편석을 만들 시간을 가지지 못하기 때문에 매우 균질화게 될 것이다. 그러나, 분말 입자에는 분말 입자가 고함량의 질소를 함유할 때 석출된 1차 MC-탄화물, 또는 탄소-질화물이 존재한다. 탄소 및 질소의 전체 함량의 약 반 또는 40 - 60%는 MC-탄화물, 또는 대응 탄소-질화물내에 수집되며, 여기서 M은 바나듐이다. 이들 탄화물 또는 탄소-질화물은 3㎛을 초과하지 않은 입자 크기를 가지고, 이들 강성 생성물의 전체량은 0.1 - 3㎛의 크기 범위의 크기를 가진다.

분말을 체로 거르고 가스가 없는 금속 시이트 캡슐내에 충전하고 그 다음 밀봉하며, 이 때에 이들 내용물을 가진 캡슐을 먼저 냉간 압축하고 그 다음 900℃ 이상, 통상적으로 900 - 1200℃에서, 90 MPa이상의 압력, 통상적으로 50 - 150MPa에서 소위 HIP으로 불리는 열간 정수압 프레스를 한다. 그리고 나서 재료를 종래 방법으로 소망의 형상과 치수로 단조하고 압연한다. 최종 열간 가공후, 재료를 약 900℃의 온도에서 소프트 어닐링하고 그 다음 서냉한다.

재료를 소프트 어닐링된 상태로 여러 방향으로 공구 제조기로 전달한다. 공구 제조기는 다시 말하면 제조자의 불균일한 그룹이다. 제 1 장소에서는 매우 다른 최종 공구의 열처리용 설비가 있다. 이들 설비는 공구 제조기의 특화정도, 플랜트의 년수 등과 같은 요소와 관련이 있다.

기본적으로, 플랜트의 두 개의 주 형태가 있으며, 즉, 하나는 높은 1100 - 1225℃범위내의 용체화 처리 온도로부터 강을 경화시키는 것이 가능하고 편리한 플랜트이고, 다른 하나는 용체화 처리에 맞은 1000 - 1100℃보다 높은 온도를 허용하지 않은 로(furnace)를 가진 플랜트이다. 제 1 장소에서 고속강 공구 제조기는 제 1 그룹에 속하지만, 종래의 냉간 가공 강 공구의 제조기는 나중의 그룹에 속한다. 본 발명의 목적은 이들 양 카테고리를 만족하는 것이다. 본 발명의 가장 넓은 특성에 따라서, 제조된 공구를 퍼얼라이트 및/또는 바나이트의 형성을 방지하기 위해서, 1000 - 1225℃의 온도에서 용체화 처리를 통해서 경화하고 그 다음에 500℃ 아래로 급냉하며, 그런 후, 냉각을 공냉에 의해 보다 느린 속도로 실온 또는 50℃이하 까지 진행할 수 있다. 그 다음에, 재료를 190과 580℃사이의 온도에서 2번 이상 템퍼링하며, 매번 반시간 이상동안 실시하지만 정상적으로 각 템퍼링 작업과 연관하여 4h보다 긴 시간동안은 하지 않는다.

재료의 미세구조 그러므로 또한 재료의 기계적 특성 면에서의 결과는 공구 제조기를 작동하는 용체화 처리와 템퍼링에 맞는 상기 온도 범위의 부분에 달려 있다. 첫번째 경우- 높은 온도 변경예의 경우, 템퍼링후 소망의 최종 제품의 경도를 좌우하는 비교적 넓은 온도 범위, 대개 1050 - 1250℃내의 경화 온도(용체화 처리 온도)를 선택할 수 있다. 그러나, 템퍼링 작업동안, 보다 좁은 온도 범위, 즉 520과 580℃사이의 온도는 목적한 두 번째 경화 효과를 얻기 위해서 적용된다. MC-탄화물 및/또는 대응 탄소-질화물은 용체화 처리동안 단지 부분적으로 용해되지만 주로 모든 다른 탄화물과 질화물은 완전히 용해된다. MC-탄화물의 불용해성 정도는 용체화 처리 온도에 달려 있다. 강화 냉각에서, 마르텐사이트가 형성되며, 마르텐사이트는 매트릭스의 주요 구성요소이다. 매트릭스내에는 1 -15, 적합하게 5 -10 vol% 불용해된 MC-탄화물 또는 대응 탄소-질화물이 있다. 그러나, 또한 냉각 작업후 약간의 량의 잔류 오스텐나이트가 남아 있다. 520 - 580℃, 정상적으로 550 - 560℃에서의 템퍼링은 잔류 오스텐나이트를 마르텐사이트로 변태하여 마르텐사이트내의 M₂C-탄화물 및/또는 대응 탄소-질화물의 석출물을 제공하는 것을 목적으로 한다. 주로 모든 잔류 오스텐나이트를 마르텐사이트로 변태하는 것을 보장하기 위해서, 템퍼링은 두번 이상 실시된다. 석출된 M₂C-탄화물 또는 대응물은 100nm보다 작은 크기를 가진다. 통상적인 크기는 이미 만들어지고 공개된 연구에 따라서 5 -10nm 크기 범위에 있다. 다시 말하면 초현미경적 크기이며 그렇기 때문에 종래의 현미경에 의해서 관찰되지 않는다. 이들 크기는 템퍼링 작업에 의해서 얻어지는 2차 경화를 통해서 인식되며, 2차 경화는 이 형태의 석출물에 대한 약간의 특성이다. 그러므로, M₂C-탄화물이 본 발명의 재료의 마르텐사이트 매트릭스내에 많은 량으로 존재할 수 있는 것을 넌지시 설정할 수 있다. 그러나, 본 발명의 개발 가공의 프레임내에서 석출된 M₂C-탄화물의 량을 정하지 못하며, 여기서 M은 텅스텐, 몰리브덴, 크롬, 철 및 바나듐과 같은 합금내의 어느 탄화물 형성 금속을 나타낼 수 있지만, 통상적으로 말하면 작은 M₂C-탄화물의 수가 크게 초과, 예 1000 탄화물/㎛²을 초과한다고 말할 수 있다. 텅스텐 및 몰리브덴외의 다른 금속은 M₂C-탄화물의 일부분일지라도, 상기 원소는 필수 성분이다. 이것은 W_eq가 강내에 6이상, 적합하게 6.5 이상, 아주 적합하게 7% 이어야 한다는 이유중 하나이다. 불용해된 MC-탄화물 및/또는 대응 탄소-질화물과 2차 석출된 M₂C-탄화물 및/또는 탄소-질화물을 제외하고는, 템퍼링된 재료는 어느 정도까지 어떠한 다른 탄화물도 포함하지 않는다. 그러므로, 재료는 크롬 탄화물을 없애고, M₆C-탄화물은 현저할 정도로 존재하지 않는다.

저온 변경예가 관계되는 한, 용체화 처리는 1000과 1100℃ 사이의 온도에서 수행되지만, 템퍼링은 통상적으로 190과 250℃사이, 특히 190과 220℃사이의 온도에서 수행된다. 용체화 처리는 높은 온도 변경예에서, 상술한 바와 같은 보다 넓은 하한값내에서의 용체화 처리에 해당되며, 이것은 M₂C-탄화물의 소량의 불용해와 모든 다른 탄화물의 거의 전체 용해가 달성되는 것을 나타낸다. 냉각은 상술한 변경예에 따라서 동일한 모드에서 실행된다. 템퍼링은 매번 반시간 이상동안 두 번 이상 실행된다. M₂C-탄화물은 석출되지 않고 저온 템퍼링에서 동일한 2차 경화 효과를 얻지 못한다. 대신에 대부분 세멘타이트로 구성하는 M₂C-탄화물가 석출된다. 약간의 잔류 오스텐나이트의 최대 20%, 적합하게 15%의 량은 마르텐사이트로 변태되지 않지만 이 변경예에 따라서 마무리 공구내의 매트릭스의 일부로서 존대한다. 이것은 재료의 경도를 약간 감소하지만, 한편으로 남아 있는, 불용해된 MC-탄화물의 량은 고온 템퍼링후 보다 크며, 이것은 내마모성을 개선한다. 낮은 용체화 처리 온도와 낮은 템퍼링 온도를 포함하는 변경예는 사용 분야에 따라서 약간의 형태의 공구에 보다 양호한 열처리가 될 수 있거나, 또는 가능한 가장 높은 온도로서 약 1100℃로 로에 제한 억세스에 따라서 바람직할 수 있다.

첫 번째 일련의 실험에서, 7개의 합금 변경예를 표 1내의 스틸 No. 1-7로 만든다. 분말을 본 발명의 명세서에서 간략히 상술한 기술에 따라서 용융 합금으로 만든다. 분말을 직경 46mm, 길이 약 0.5m의 소형 금속 시이트 캡슐내에 채워넣는다. 캡슐을 폐쇄하고 가스를 빼고, 그런 후 이들 함유물을 가진 캡슐을 1150℃의 온도와 100MPa의 압력에서 열간 정수압 프레스법으로 완전히 조밀하게 압축한다.

열간 정수압 프레스후 샘플은 완전한 스케일 생산에 규격맞는 것과 구별될 때 어떠한 열처리도 받지 않는다. 대신에 각 HIP된 캡슐을 표 2에 따라서 열처리용 피이스로 절단한다.

경화되고 템퍼링된 샘플의 경도와 입도를 측정한다. 입도는 가장 낮은 1150℃에서 부터 경화되어지는 이들 샘플에 대해서 7과 10㎛사이로 변한다. 경도는 탄소 함량에 따라서 변한다. 탄소 함량 1.5% C를 선택함으로써, 템퍼링후 약 64HRC의 최대 경도를 성취한다. 그러나, 이런 석출 경화에 최적인 약 560℃의 템퍼링 온도에서 고온 열처리후 M₂C-탄화물의 석출을 통해서 2차 경화를 바람직한 정도로 얻을 수 있기 위해서는, 몰리브덴과 텅스텐의 전체량이 너무 작다고 판정된다. 그러므로, 추가의 연구에서, 목적한 분석물(통상적인 조성물) 1.50C, 4.2Cr, 2.5Mo, 2.5W, 4.0V, 정상적인 량의 Mn 및 Si, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물에 열을 가한다. 분석한 조성물은 표 1에 스틸 No. 8에 나타나 있다. 또한, 다수의 기준 재료의 전형적인 조성물, 스틸 No. 9-13은 표 1에 포함되어 있다.

약 6톤의 분말을 스틸 No. 8로 만든다. 분말은 각각이 약 1500kg 분말을 함유하는 캡슐들내에 채워넣는다. 캡슐을 폐쇄하고, 가스를 빼고, 1150℃의 온도와 100MPa의 압력에서 냉각 및 열간 정수압 압축하고, 로드 형상으로 단조 및 압연하며, 로드중 약간은 약 6.2mm 직경으로 줄어든다. 테스트 시편을 6mm 직경 크기로 가공한다. 동일한 테스트 시편을 또한 스틸 No. 9로 만든다.

테스트 시편을 1000과 1200℃ 사이로 변하는 여러 용체화 처리 온도로부터 경화하고 560℃에서 3 ×1h 템퍼링한다. 결과는 도 1에 나타나 있으며, 여기서 대부분 보다 높게 합금된 기준 재료 No. 9가 가장 높은 경도를 가지지만 본 발명의 스틸 No. 8도 의도한 적용 분야에 충분한 경도를 얻은 것을 보여준다.

그런 후, 한편으로 560℃에서 3 ×1h 템퍼링후, 다른 한편으로 200℃에서 2 ×2h 템퍼링후 본 발명의 스틸 No. 8의 여러 용체화 처리 온도 후에 인성을 실험한다. 기준 재료와 스틸 No. 9에 대해서도 경도 테스트때와 마찬가지로 동일한 템퍼링한 후, 즉 530℃에서 3 ×1h 템퍼링후 실험한다. 인성을 굽힘강도/인장강도의 면과 굽힘강도/편차의 면에서 측정한다. 그 결과는 도 2 및 도 3에 도시되어 있다. 굽힘강도 테스트는 용체화 처리온도에도 불구하고 본 발명의 강이 가장 높은 인성을 가지는 것을 보여준다. 더욱이, 도 2는 1050과 1200℃이상 사이의 온도에서 용체화 처리후 가장 좋은 인성이 고온 템퍼링 처리후, 즉 560℃에서의 예에 따라서 얻어지지만, 보다 낮은 온도 1000 - 1050℃에서의 용체화 후, 가장 좋은 인성은 200℃에성 예에 따라서, 즉 보다 낮은 온도 범위내에서 템퍼링 처리후 얻어지는 것을 보여준다.

또한, 동일한 경향을 도 3에서 도시하지만 여기서는 가장 좋은 인성이 고온 어닐링 처리후 본 발명의 강에서 얻어지는 것을 보다 분명히 나타내고 있다.

내마모성 테스트를 위해서, 테스트 시편은 직경 15mm의 크기로 사용된다. 테스트를 입자 크기 150메시, 하중 20N, 2분 동안 "Pin on disc, dry SiO₂flint paper" -테스트로서 종래에 알려진 방법에 따라서 실행한다. 또한, 표 1에서 스틸 No. 11, 12와 13으로 명명된 스틸을 본 발명의 스틸 No. 8과 기준 스틸 No. 9와 함께 테스트한다. 스틸 No. 11은 분말 야금 제조된 냉간 가공 스틸이고; 스틸 No. 12는 종래에 제조된 고속강, 형태 M2이고; 스틸 No. 13은 종래의 냉간 가공 스틸, 형태 D2이다. 내마모성은 도 4에 나타나 있다. 본 발명의 스틸 No. 8을 한편으로는 560℃에서의 고온 템퍼링후 테스트하고 다른 한편으로는 200℃에서의 저온 템퍼링후 테스트한다.

도 4의 막대 그래프의 해석에 대해서, 내마모성은 막대의 높이에 비례한다. 가장 좋은 결과는 1060℃로부터의 경화와 200℃에서 2 ×2h 템퍼링 후 스틸 No. 8에서 얻고, 다음 양호한 결과는 1150℃로부터의 경화와 560℃에서 3 ×1h 템퍼링 후 본 발명의 스틸 No. 8이다. 이와 동일한 내마모성은 내마모성을 촉진하는 대량의 크롬 탄화물을 가진 종래 제조된 고크롬강인 냉간 가공 스틸 No. 13에서 나타난다. 그러나, 고크롬강에서는 다른 중요한 특성, 특히 인성에 해를 준다.

그 다음 VW법(Volkswagen)에 따른 충격강도를 시편 크기를 7 ×10 ×55m로 하고 스틸 No. 8-13에서 실험한다. 적용된 열처리와 얻어진 결과는 표 3에 나타나 있다. 이 결과는 또한 도 5에 도시되어 있으며, 여기서 본 발명의 스틸 No. 8이 테스트한 스틸중 충격강도면에서 가장 좋은 인성을 가진 것을 보여준다.

끝으로, 본 발명의 강내의 탄화물 함량을 여러 용체화 처리 온도로부터 냉각후 실험한다. 참고로 종래 밸브 스틸 - 표 1의 스틸 No. 10내의 탄화물 함량을 결정하며, 상기 강은 본 발명의 강보다 낮은 탄소 함량와 다소 낮은 바나듐 함량을 가진다. W_eq로 표현된 몰리브덴과 텅스텐의 전체량은 본 발명에 따른 가장 넓은 W_eq에 따라 최대로 수용될 수 있는 것에 대응한다. 도 6에 도시한 바와 같이, 단지 MC-탄화물만 본 발명의 강에서 검출되며, 특히 전체 테스트한 온도 영역내에서 5와 10%사이이다. 스틸 No. 10은 5% 이하의 MC-탄화물을 포함하지만 또한 약 1150℃ 이상까지의 온도로부터의 경화후 M₆C-탄화물을 포함한다.

도 7은 1100℃부터의 경화, 560℃에서 3 ×1h 템퍼링후 본 발명의 스틸 No. 8의 미세구조를 도시한다. 선명하고, 둥글거나 거의 타원형 입자는 불용해된 MC-탄화물로 이루어져 있다. 매트릭스는 템퍼링된 마르텐사이트로 이루어져 있다. 마르텐사이트 매트릭스내에 대량으로 존재하는 2차 석출된 MC-탄화물은 실제 확대에서도 볼 수 없다. 이는 이들이 5 내지 10nm 정도의 크기로 너무 작기 때문이다.

도 8에서는 본 발명의 강이 양호하게 사용될 수 있는 펀칭 공구의 부품을 형성하고자 하는 공구 및 상부 다이(a)를 도시하고 있다.

Claims

성형 및/또는 절단 작업 공구용 분말 야금 제조된 강에 있어서,

상기 강이 중량%로,

1.4 - 1.6(C + N),

최대 0.6Mn,

최대 1.2Si,

3.5 - 4.3Cr,

1.5 - 3Mo,

1.5 - 3W, 여기서 6 ＜ W_eq＜ 9이고 W_eq= %W + 2× %Mo,

3.5 - 4.5V,

최대 0.3S,

최대 0.3Cu,

최대 1 Co,

Nb + Ta + Ti + Zr + Al의 전체량 최대 1.0,

불순물과 정상량의 부수적인 원소를 포함하는, 다른 원소의 전체량 0.5, 및

나머지 철로 되어 있는 합금 조성물을 가지는 것을 특징으로 하는 강.
제 1항에 있어서, 상기 강은 1.44 이상 1.56 이하의 C + N을 가지는 것을 특징으로 하는 강.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, C와 N의 40 -60%가 1차 탄화물 또는 탄소-질화물을 의미하는, MX-형의 불용해된 강성 생성물내에 존재하며, 여기서 M은 V이고 X는 C 및/또는 N인 것을 특징으로 하는 강.
제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 강은 최대 0.03S를 함유하는 것을 특징으로 하는 강.
제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 강은 최대 0.1 - 0.3S를 함유하는 것을 특징으로 하는 강.
제 1항 내지 제 5항중 어느 한 항에 있어서, 상기 강은 3.8 - 4.2Cr를 함유하는 것을 특징으로 하는 강.
제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서, 6.5 ＜ W_eq＜ 8.5, 적합하게 7 ＜ W_eq＜ 8인 것을 특징으로 하는 강.
제 1항 내지 제 7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 강은 3.8 - 4.2V를 포함하는 것을 특징으로 하는 강.
제 1항 내지 제 8항중 어느 한 항에 따른 조성물을 가지는 강으로 만든 공구에 있어서,

상기 공구 재료는 마르텐사이트 매트릭스로 대부분 이루어져 있는 미세 구조물을 가지고, 매트릭스내에 2 - 15, 적합하게 5 - 10 체적% 불용해된 강성 생성물은 0.1 - 3㎛ 입자 크기를 가지며, 상기 강성 생성물은 MX-형이며, 여기서 M은 V이고 X는 C 및/또는 N이며, 합금의 C와 N의 함량 40 -60%은 탄화물 및/또는 탄소-질화물처럼 바나듐과 결합되며, 강성 생성물의 작용량은 1000과 1225℃사이의 온도에서 용체화 처리와 190과 580℃사이의 온도에서 0.5h 이상동안 두 번 이상의 템퍼링후 마르텐사이트 매트릭스내에 석출되는 것을 특징으로 하는 공구.
제 9항에 있어서, 상기 마르텐사이트 매트릭스는 M₂X-형의 강성 생성물의 작용량을 포함하며, 여기서 M은 Cr, Mo, W, V 및 Fe, 특히 Mo 및 W로 이루어지는 그룹에 속하는 금속이고, X는 C와 N이며, 상기 강성 생성물은 100nm보다 작은 크기를 가지며 520과 570℃사이의 온도에서 강을 템퍼링함으로써 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 공구.
제 9항에 있어서, 상기 공구 재료는 M₃X-형의 강성 생성물의 작용량을 포함하며, 여기서 M은 Fe 및 Cr이고, X는 C 및/또는 N이며, 상기 강성 생성물은 1000과 1100℃ 사이의 온도에서 용체화 처리후 190과 250℃사이의 온도에서 강을 템퍼링함으로써 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 공구.
제 9항 내지 제 11항중 어느 한 항에 있어서, 상기 공구 재료는 1000과 1100℃ 사이의 온도에서 용체화 처리와 190과 250℃사이의 온도에서 템퍼링 후 62 HRC이상의 경도와 5.5kN/mm²의 굽힘 강도를 가지는 것을 특징으로 하는 공구.
강과 이로 만든 공구를 제조하기 위한 통합 방법에 있어서,

- 제 1항 내지 제 8항에 따른 합금 조성물로 강용융물을 제공하는 단계와,

- 상기 용융물로 방울을 형성하며, 상기 방울을 냉각하여 강합금의 분말을 형성하는 단계와,

- 열간 정수압 압축을 포함하는 조밀화 공정을 통해서 완전히 조밀한 바디로 조밀화하는 단계와,

- 상기 바디를 단조 및/또는 압연을 통해서 열간 가공하는 단계와,

- 상기 단조 및/또는 압연된 생성물을 소프트 어닐링 후 소망의 형상한 공구를 만드는 단계와,

- 상기 공구를 상기 공구 재료가 제 9항 내지 제 12항의 특징부에 다른 미세 구조를 얻을 수 있도록, 1000과 1225℃ 사이의 온도에서 용체화 처리(오스텐나이트화), 500℃ 아래까지 강화 냉각과 50℃ 아래까지 연속 냉각, 190과 580℃ 사이의 온도에서 템퍼링을 통해서 경화하는 단계를 포함하며,

상기 강합금의 분말을 형성하는 단계에서, 상기 강합금에서 입자로 이루어지는 MX형의 강성 생성물이 존재하며, 여기서 M은 대부분 V이고, X는 C 및/또는 N이며, 상기 강성 생성물의 90% 이상이 0.1과 3㎛ 사이의 입자 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
강을 사용한 성형 및/또는 절단 작업을 하기 위한 공구로서,

상기 강이 중량%로,

1.4 - 1.6(C + N),

최대 0.6Mn,

최대 1.2Si,

3.5 - 4.3Cr,

1.5 - 3Mo,

1.5 - 3W, 여기서 6 ＜ W_eq＜ 9이고 W_eq= %W + 2× %Mo,

3.5 - 4.5V,

최대 0.3S,

최대 0.3Cu,

최대 1 Co,

Nb + Ta + Ti + Zr + Al의 전체량 최대 1.0,

불순물과 정상량의 부수적인 원소를 포함하는, 다른 원소의 전체량 0.5, 및

나머지 철로 되어 있는 합금 조성물을 가지며,

마르텐사이트 매트릭스로 대부분 이루어져 있는 미세 구조물을 가지며,

상기 매트릭스내에 2 - 15, 적합하게 5 - 10 체적% 불용해된 강성 생성물은 0.1 - 3㎛ 입자 크기를 가지며, 상기 강성 생성물은 MX-형이며, 여기서 M은 V이고 X는 C 및/또는 N이며, 합금의 C와 N의 함량 40 -60%은 탄화물 및/또는 탄소-질화물처럼 바나듐과 결합되며, 강성 생성물의 작용량은 1000과 1225℃사이의 온도에서 용체화 처리와 190과 580℃사이의 온도에서 0.5h 이상동안 두 번 이상의 템퍼링후 마르텐사이트 매트릭스내에 석출되는 강을 사용한 성형 및/또는 절단 작업을 하기 위한 공구.