KR20130010874A

KR20130010874A - 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 예비 경화된 강철

Info

Publication number: KR20130010874A
Application number: KR1020120078846A
Authority: KR
Inventors: 모토히로 이부끼; 마사미치 카와노; 마코토 호보
Original assignee: 다이도 스틸 코오퍼레이션 리미티드
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2013-01-29
Also published as: CN102888567A; JP5713195B2; EP2551367B1; JP2013023708A; EP2551367A1

Abstract

본 발명은 질량에 의한 %의 단위로서, C: 0.09-0.13%, Si: 0.20-0.40%, Mn: 0.40-0.60%, P: 최대 0.100%, Cr: 2.00-3.00%, Cu: 0.60-0.90%, Ni: 2.00-2.45%, Mo: 0.20-0.40%, Mo/Ni: ≥0.09, Al: 0.60-0.90%, O: 최대 0.0100%, 및 N: 최대 0.0100%를, 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물들인 것과 함께, 함유하는, 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 예비 경화된 강철에 관한 것이다. 본 발명의 예비 경화된 강철이 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용 재료로서 사용될 때에, 시효 처리 후에 경도에 있어서의 미미한 비평탄성을 가지고 또한 거울 표면 피니싱 특성들, 부식 저항성, 열 전도성, 및 충격 저항성의 관점에서 우수한 몰드들이 얻어질 수 있다.

Description

플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 예비 경화된 강철{PREHARDENED STEEL FOR MOLD FOR PLASTIC MOLDING}

본 발명은 예를 들면, TV, 개인용 컴퓨터, 휴대폰 등에서의 사용되는 부품들을 몰딩하기 위하여 사용되는 플라스틱 몰딩을 위한 몰드(mold)용의 예비 경화된 강철에 관한 것이다.

몰드된 플라스틱 물품들은 근래에 다양한 분야에서 사용되어져 오고 있다. 일반적으로, 몰드된 플라스틱 물품은, 그에 의해 바람직한 형상으로 수지를 몰드하기 하기 위하여 예로서, 가열된 및 플루이드화된 된 수지를 플라스틱 몰딩을 위한 몰드(mold), 예를들면 주입 몰드(injection mold)의 공동(cavity) 내부로 도입하고, 또한 다음으로 냉각하고, 또한 상기 수지를 고체화하는 것에 의하여 생산된다.

그러한 몰딩된 플라스틱 물품들의 생산 과정 동안, 상기 몰딩 온도가 높을 때에 또는 난연제(flame retardant)를 포함하는 수지가 사용될 때에 부식성 가스(corrosive gas)가 발생하기 쉽다. 이에 더하여, 컷팅 및 다른 프로세싱에서 사용되는 윤활유들(lubricating oils), 작업자의 손으로부터의 지방질 물질(sebaceous matter) 등은 플라스틱 몰딩용의 몰드에 대해 들러붙기 쉽다. 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 강철은 따라서 부식 저항성(corrosion resistance)을 가질 것이 요구되며 이에 따라 상기 강철은 상기 부식 저항성이 그로 인하여 몰드 생산에 있어서의 곤란성을 일으키지 않을 만큼의 수준으로까지 녹스는 것(rusting)으로부터 방지될 수 있다.

이에 더하여, 몰딩된 플라스틱 물품들을 생산하는 관점으로부터, 짧은 기간 내에 많은 수의 생산품들을 몰드하는 것이 바람직하다. 결과적으로, 짧은 사이클 시간에서의 몰딩을 위하여 가열/냉각의 공정을 반복하는 관점으로부터, 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 강철은 높은 열전도성 계수(coefficient of thermal conductivity)를 가질 것이 요구된다.

나아가, 일반적으로, 상기 언급된 바와 같이 짧은 기간 내에 많은 수의 생산품들을 몰딩하기 위하여, 냉각수 채널(cooling water channel) 및 몰드의 디자인 표면(design surface of a mold) 사이에서의 거리가 감소된 기술이 사용된다. 이러한 경우에서, 상기 냉각수 채널(cooling water channel)로부터 상기 디자인 표면 까지를 포함하는(ranges) 몰드의 영역이 감소된 두께를 갖기 때문에, 상기 몰드는 몰딩 과정에서의 쇼크(shocks) 등으로 인하여 깨어지게(cracking) 될 우려가 존재한다. 결론적으로, 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 강철은 상기 몰드가 몰딩되는 플라스틱 물품들의 생산의 과정 동안의 쇼크(shocks)를 견딜 수 있도록 하는 높은 충격 값(impact value)(충격 저항성(impact resistance))을 가질 것이 요구된다.

나아가, 코팅을 포함하지 않고 또한 그 표면 텍스쳐(texture)가 상기 몰드 공동 표면에 의해 직접적으로 결정되어지는 플라스틱 생산품들이 존재한다. 상기 생산품들은 높은 표면 퀄리티를 가질 적이 요구되기 때문에, 상기 몰드 공동 표면의 거울 표면 피니싱 특성들(mirror surface finishing properties)은 중요한 요소이다. 일반적으로 몰드용 강철의 경도가 높아질수록, 그것의 거울 표면 피니싱 특성들이 더 좋아지는 것으로 알려져 있다. 결론적으로, 우수한 거울 표면 피니싱 특성들(mirror surface finishing properties)을 보장하기 위한 관점으로부터 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 강철에 대하여 높은 경도가 요구된다.

한편, 특허 문서 1은 몰드용의 시효 경화(age hardening) 타입의 강철을 개시하며, 이것은 중량에 의한 %의 단위로서, 0.01-0.15%의 C, 0.1-2.0%의 Si, 0.5-2.0%의 Mn, 2.1-5.0%의 Cr, 2.0-3.5%의 Ni, 0.7-1.5%의 Cu, 최대 0.09%의 Mo, 및 0.4-1.5%의 Al를, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물들과 함께 함유한다. 특허 문서 1에 기재된 발명은, 상기 언급된 합금 조성을 가지며 또한 따라서 고온 작업에 의한 스캐브(scabs)를 가지게 되는 것으로부터 방지되며, 시효 처리(aging treatment)를 통하여 HRC 단위로서 35-45의 경도(hardness)를 가지게 되고, 또한 우수한 압인 가공성(embossability), 우수한 부식 저항성, 및 만족할 만한 질화 특성(nitriding characteristics)을 갖는 몰드용의 시효 경화 타입의 강철이다.

특허 문서 2는 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용 강철을 개시하며, 이것은 질량에 의한 %의 단위로서, 0.09-0.13%의 C, 0.10-0.40%의 Si, 0.30-0.80%의 Mn, 최대 0.030%의 P, 0.80-1.20%의 Cu, 2.50-3.50%의 Ni, 2.0-3.0%, 3.0%를 제외하는 Cr, 0.10-0.40%의 Mo, 0.50-1.50%의 Al, 최대 0.0200%의 N, 및 최대 0.0100%의 O를, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물들과 함께 함유한다. 특허 문서 2에 기재된 발명은, 상기 언급된 합금 조성을 가지며 또한 C, Mn, 및 Cr에 대한 특정한 요구들을 만족시키고, 이에 따라 그것은 부식 저항성 및 열전도성을 가지며 또한 피니싱 폴리싱(finishing polishing)에서 흔들리게 되는 것(undulated)으로부터 억제될 수 있다.

특허 문서 1: JP-A-63-76855

특허 문서 2: JP-A-2010-242147

부수적으로, 특허 문서 1 및 특허 문서 2에 기재되어 있는 몰드용 강철들은 일반적으로 석출 경화 타입(precipitation hardening type)(또는 시효 경화 타입(age hardening type))으로 불리는 강철들이다. 이러한 석출 경화 타입의 강철은 그에 의해 상기 강철이 심지어 마텐자이트(martensitic) 또는 베이네이트(bainitic) 구조를 가지도록 하기 위한 용액 열 처리(solution heat treatment) 하에 놓여지고 또한 그 후에는 미세 침전물(fine precipitate)을 형성하기 위한 시효 처리(aging treatment) 하에 놓여지며, 그에 의해 석출 경화를 유발한다. 특히, 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 강철의 경우에 있어서, 기재(base)에 용해되어 있는 Ni, Al, 및 Cu는 상기 강철이 약 500℃로 까지 가열되는 시효 처리의 실행에 의하여 상기 기재 내에서의 금속간 화합물들(intermetallic compounds)로서 침전된다. 상기 기재는 이에 따라 그에 의해 HRC 단위로서 약 40의 경도를 획득하도록 강화된다.

도 1은 일반적인 석출 경화 타입의 강철에서의 경도 및 시효 온도(aging temperature) 사이의 관계가 커브에 의하여 보여지는 도시이다. 이 커브(이제부터 시효 커브(aging curve)로서 참조되는)는 시효 온도가 상승함에 따라. 경도에 가장 많이 기여하는 Ni가, Al과 결합하여 미세한 침전물을 형성하고, 경도의 피크 P의 결과를 가져오는 것을 나타낸다. 그 이후부터, 상기 피크 P 이후에 시효 온도가 상승함에 따라 그 침전물 결정들이 성장하고 또한 그 경도는 감소한다. 즉, 도 1에서의 시효 커브는 오른쪽 방향으로 내려가는 기울기가 된다. 상기 몰드가 플라스틱 생산품들의 몰딩(molding)(생산(production))의 과정 동안 겪게되는 열적 히스토리에 의해 유발되는 몰드 경화(mold hardening)으로 인한 몰드 브레이크(mold breakage)(깨어짐(cracking))를 방지하기 위한 관점으로부터, 공정적인 시효 온도는 상기 경도 피크 P 이후에 놓여지는 시효 커브의 소위 과잉 시효-측 영역(overaging-side region)에 대해서 결정된다. 도 1은 500-510℃의 시효 온도가 HRC 단위로서 36-42의 경도를 획득하기 위하여 사용되어야 한다는 관계를 보여준다.

그러나, 공정의 특성들 때문에 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용 강철에 대하여 시효 경화 온도를 정확하게 조절하는 것은 매우 어렵다. 구체적으로, 석출 경화 타입에서의 일반적인 강철들은 상기 경사가 과잉 시효 측 상에서 가파른 시효 커브를 보여주기 때문에 적합한 경도를 획득하기 위한 시효 온도의 범위가 좁다. 실질적인 필드 공정들에서, 열-처리되는 몰드의 사이즈, 열 처리 용광로(heat treatment furnace) 등과 같은 환경적인 요소들에 의존하여 시효 처리를 균일하게 수행하는 것이 어렵고, 또한 상기 좁아진 시효 온도 범위는 따라서 상기 시효 처리를 통해서 얻어지는 몰드의 경도의 비평탄성(unevenness)의 결과를 가져올 수 있다. 결과적으로, 플라스틱 몰딩을 위한 통상적인 몰드용의 강철들은 시효 처리를 통하여 그로부터 생산되는 몰드가 경도에 있어서 비평탄성을 가지게 되기 쉽다는, 안정한 경도를 얻는 것을 어렵게 만드는, 문제점을 가져 왔다.

본 발명은 상기 기재된 문제점의 관점에서 달성 되어졌다. 본 발명의 목적은 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 예비 경화된 강철이, 시효 처리를 통하여, 경도에 있어서 미미한 비평탄성(unevenness)을 가지고, 한편 거울 표면 피니싱 특성들(mirror surface finishing properties), 저항 부식성(corrosion resistance), 열 전도성(thermal conductivity), 및 충격 저항성(impact resistance)을 유지하는 몰드를 제공하는 것을 가능하게 하는 것이다.

본 발명자들은 연구를 성실하게 수행하였고, 또한 그 결과로서 상기 문제점이 극복될 수 있다는 것을 발견하였다. 따라서 구체적인 수단들은 하기의 아이템들 1 내지 3과 같다:

1. 질량에 의한 %의 단위로서,

C: 0.09-0.13%,

Si: 0.20-0.40%,

Mn: 0.40-0.60%,

P: 최대 0.100%,

Cr: 2.00-3.00%,

Cu: 0.60-0.90%,

Ni: 2.00-2.45%,

Mo: 0.20-0.40%,

Mo/Ni: ≥0.09,

Al: 0.60-0.90%,

O: 최대 0.0100%, 및

N: 최대 0.0100%와,

나머지가 Fe 및 불가피한 불순물들인 것을 함유하는, 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 예비 경화된 강철.

2. 상기 번호 1에 있어서, 질량에 의한 %의 단위로서,

S: 0.001-0.10%,

Se: 0.001-0.3%,

Te: 0.001-0.3%,

Ca: 0.0002-0.10%,

Pb: 0.001-0.20%, 및

Bi: 0.001-0.30% 로부터 선택되는 하나 이상의 원소들을 추가적으로 함유하는, 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 예비 경화된 강철.

3. 상기 번호 1 또는 2에 있어서, 질량에 의한 %의 단위로서,

V: 0.01-0.10%,

Nb: 0.001-0.30%,

Ta: 0.001-0.30%,

Ti: 최대 0.20%, 및

Zr: 0.001-0.30% 로부터 선택되는 하나 이상의 원소들을 추가적으로 함유하는, 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 예비 경화된 강철.

본 발명에 따르면, 몰리브덴(molybdenum(Mo))의 부가 및 니켈(nickel(Ni))의 부가는 석출 경화 타입의 강철이 그 경사가 과잉 시효 측 상에서 완만한(gentle) 시효 커브를 보이도록 하고, 그에 따라 적합한 경도(hardness)를 획득하기 위하여 사용 가능한 시효 온도의 범위를 넓게 할 수 있는 상승 작용적인 효과를 생성한다. 그 결과로서, 시효 처리를 통하여 획득되는 몰드는 경도에 있어서 미미한 비평탄성을 갖는다. 이에 더하여, 본 발명에 따르면, 니켈은 통상적인 강철과 비교하여 작은 양으로 부가되며, 몰리브덴은 요구되는 경도를 얻기 위하여 필요한 양으로 부가되고, 또한 Mo/Ni의 비율은 니켈 부가량 및 몰리브덴 부가량 사이에서의 최적의 밸런스에 도달하기 위하여 0.09 이상으로 조절된다.

도 2는 본 발명에 따르는 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 예비 경화된 강철에서 경도 및 시효 온도 사이의 관계가 커브로서 보여지는 도시이다. 도 2에서 보여지는 바와 같이, 본 발명에 따르는 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 예비 경화된 강철에서, 니켈(Ni)은 알루미늄(Al)과 결합하여 미세한 침전물을 형성하고 또한 이에 의해 도 1에서 보여지는 경우에서와 같은, 경도 피크 P(hardness peak P)의 결과를 가져온다. 그러나, 본 발명에 따르는 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 예비 경화된 강철이 통상적인 강철들보다 낮은 니켈 함량을 갖기 때문에, 상기 경도 피크 P 이후 바로 놓여있는 그것의 시효 커브의 경사는 완만하다. 이에 더하여, 상기 경도 피크 P 이후에 바로 놓여있는 영역을 후속하는 시효 커브의 중간 영역은 부가된 니켈(Ni)의 양 및 부가된 몰리브덴(Mo)의 양 사이에서의 밸런스가 최적화되기 때문에 완한만 경사를 갖는다. 이러한 완만한 경사에 대한 원인은 몰리브덴의 카바이드가 니켈 및 알루미늄의 침전물로 인하여 상기 경도 피크 P 어느 정도 후에 침전되고, 또한 이러한 몰리브덴 카바이드 침전이 과잉 시효 측 상에서의 경도에 있어서의 감소를 가져다 주는 것으로 생각된다. 즉, 니켈 및 몰리브덴의 침전물들이, 그것은 경도에 기여하는, 서로 다른 온도들에서 형성된다는 사실을 이용하는 것 또한 그에 의해 상기 공정에서 이용 가능한 시효 온도들의 범위를 넓히는 것이 가능하다. 이에 더하여, 다른 원소들이 적당한 범위들 내에서의 양들로서 부가되기 때문에, 거울 표면 피니싱 특성들(mirror suface finishing properties), 저항 부식성(corrosion resistance), 열 전도성(thermal conductivity), 및 충격 저항성(impact resistance)을 유지하는 것이 가능하다.

도 3은 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 본 발명에 따른 예비 경화된 강철에 부가되는 니켈의 양 및 부가되는 몰리브덴의 양 사이에서의 관계를 보여준다. 도 3에서의 범위 R은 본 발명에 따른 니켈 및 몰리브덴 첨가 양들의 범위들을 나타낸다.

따라서, 본 발명에 따르는 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 예비 경화된 강철은, 시효 처리를 통하여, 경도에서의 미미한 비평탄성을 갖는 몰드를 제공할 수 있고 한편 거울 표면 피니싱 특성들(mirror suface finishing properties), 저항 부식성(corrosion resistance), 열 전도성(thermal conductivity), 및 충격 저항성(impact resistance)을 유지할 수 있다.

도 1은 석출 경화 타입의 일반적인 강철에서의 경도 및 시효 온도 사이의 관계가 커브에 의해 보여지는 도시이다.
도 2는 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 본 발명의 예비 경화된 강철에서의 경도 및 시효 온도 사이의 관계가 커브에 의해 보여지는 도시이다.
도 3은 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 본 발명의 예비 경화된 강철에 부가되는 니켈의 양 및 부가되는 몰리브덴의 양 사이에서의 관계를 보여주는 도시이다.
도 4는 개발된 강철들 및 비교 강철들에서의 부가된 니켈의 양 및 시효 온도들의 폭(width of aging temperatures) 사이의 관계를 보여주는 도시이다.
도 5는 비교 강철 6, 비교 강철 10, 및 개발된 강철 10의 경도 값들(hardness values) 및 테스트 번호들이 보여지는 도시이다.
도 6은 비교 강철 6, 비교 강철 10, 및 개발된 강철 10의 충격 값들(impact values) 및 테스트 번호들이 보여지는 도시이다.

본 발명의 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 예비 경화된 강철(이후로는 "본 예비 경화된 강철"로서 또한 참조될 것이다)의 실시예가 하기에 상세하게 설명된다. 본 예비 경화된 강철에 대한 적용의 예들은 매일의 사용을 위한 잡다한 물건들(miscellaneous goods)을 몰딩하기 위한 몰드들, 가정용 전기 기구들을 위한 외부 또는 내부 부품들 또는 성분들, OA 기구들을 위한 외부 또는 내부 부품들, 휴대폰의 외부 부품들, 및 자동차(motor vehicles), 모터사이클(motorcycles) 등과 같은 것을 위한 내부 또는 외부 부품들 및 구조적 부재들을 포함한다. 본 발명의 예비 경화된 강철이, 시효 처리를 통하여, 경도에서의 미미한 비평탄성을 갖는 몰드를 제공하기 때문에, 본 예비 경화된 강철은, 예로서, 큰 자동차들의 헤드 램프들(head lamps)을 위한 렌즈들을 몰딩하기 위한 몰드들과 같이, 거대한 몰드들(실질적으로, 40 kg 또는 초과의 몰드들) 에 대해서도 적용 가능하다.

본 예비 경화된 강철은 하기의 원소들을 함유한다. 부가되는 원소들의 종류, 그들의 함량들의 범위들, 및 그들의 제한에 대한 이유들은 하기와 같다.

C: 0.09-0.13%

탄소(C)는 강도(strength) 및 마모 저항성(wear resistance)를 위해 요구되는 성분이다. 탄소는 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 바나듐(V), 및 니오븀(Nb)과 같은, 카바이드-형성 원소들(carbide-forming elements)과 결합하여 카비이드를 형성한다. 탄소는, 담금질-경화(quench-hardening)의 과정 동안에, 매트릭스 상(marix phase)에 용해되고 또한 이에 의해 마텐자이트(martensitic) 구조를 형성하며, 또한 따라서 경도를 보장하기 위하여 또한 요구된다. 이러한 효과들을 얻기 위한 관점으로부터, 탄소 함량의 하한은 0.09%이다. 다른 한편으로, 탄소의 함량이 너무 높은 경우에는, 카바이드-형성 원소들은 상기 탄소와 결합하여 크롬 및 몰리브덴을 함유하는 카바이드들을 형성한다. 그 결과로서, 상기 매트릭스 상에 용해되는 크롬 및 몰리브덴의 양은 감소되고, 감소된 부식 저항성의 결과를 가져온다. 결론적으로, 탄소 함량의 상한은 0.13%이다.

Si: 0.20-0.40%

실리콘(Si)은 탈산소제(deoxidizer)로서 또는 몰드 생산을 위하여 요구되는 절삭성 (machinability) 을 향상시키기 위한 성분으로서 주로 부가된다. 이러한 효과들을 얻기위한 관점으로부터, 실리콘 함량의 하한은 0.20%이다. 다른 한편으로, 실리콘의 함량이 너무 높은 경우에는, 감소된 열 전도성의 결과를 가져온다. 이러한 문제점을 방지하기 위한 관점으로부터, 실리콘 함량의 상한은 0.40%이다. 나아가 열 전도성 계수(coeeficient of thermal conductivity) 등을 향상시키는 관점으로서, 실리콘 함량의 상한은 바람직하게 0.30%, 더욱 바람직하게 0.25%이다.

Mn: 0.40-0.60%

망간(Mn)은 담금질-경화를 위한 적합성을 향상시키거나 또는 오스테나이트(austenite)를 안정화하기 위하여 부가된다. 특히, 담금질-경화를 위한 적합성에서의 감소는 미시적인 수준(microscopic level)에서 경도에서의 비평탄성을 증진시키는 결과를 가져오기 때문에, 망간 함량의 하한은 0.40%이다. 다른 한편으로, 망간의 함량이 너무 높은 경우에는, 진공 용해(vacuum melting)가 열화된 수율의 결과를 가져온다. 결론적으로, 망간의 상한은 0.60%이다.

P: 최대 0.100%

인(P)은 상기 강철 내에 불가피하게 함유된다. 인은 결정립계들에서 분리하여 인성의 감소를 유발한다. 결론적으로, 인 함량의 상한은 0.100%이다.

Cr: 2.00-3.00%

크롬(Cr)은 부식 저항성을 향상시키는 성분이다. 이러한 효과를 얻는 관점으로부터, 크롬 함량의 하한은 2.00%, 바람직하게는 2.60%이다. 크롬의 함량이 너무 높은 경우에는, 감소된 열 전도성의 결과를 가져온다. 이러한 문제점을 방지하는 관점으로부터, 크롬 함량의 상한은 3.00%, 바람직하게는 2.90%이다.

Cu: 0.60-0.90%

구리(Cu)는 침전함으로써 경도를 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 얻는 관점으로부터, 구리 함량의 하한은 0.60%이다. 다른 한편으로, 구리의 함량이 너무 높은 경우에는, 감소된 열 가공성(hot workability)의 결과를 가져온다. 이러한 문제점을 방지하는 관점으로부터, 구리 함량의 상한은 0.90%이다.

Ni: 2.00-2.45%

니켈(Ni)은 알루미늄과 함께 화합물의 침전물을 형성하는 금속간 화합물(intermetallic compound)을 형성하고 또한 그에 의해 경도를 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 얻는 관점으로부터, 니켈 함량의 하한은 2.00%이다. 다른 한편으로, 니켈의 함량이 너무 높은 경우에는, 침전물이 너무 빠르게 성장하고 또한 상기 과잉 시효 측 상에서 발생하는 경도에서의 감소가 급속하다. 이러한 문제점을 방지하는 관점으로부터, 니켈 함량의 상한은 2.45%이다.

Mo: 0.20-0.40%

몰리브덴(Mo)은 펄라이트 노우즈(pearlite nose)를 더 긴-시간 측(longer-time side)으로 이동시키고 또한 카바이드와 결합하여 침전물을 형성하며 또한 그에 의해 경도에 기여하는 성분이다. 이러한 효과를 얻는 관점으로부터, 몰리브덴 함량의 하한은 0.20%이다. 다른 한편으로, 몰리브덴의 함량이 과량으로 증가할 때에도, 상기 효과들은 더 이상 높아지지 않는다. 이에 더하여, 몰리브덴은 값비싼 원소이기 때문에, 많은 양의 부가는 강철 재료 비용의 증가를 가져온다. 결론적으로, 몰리브덴 함량의 상한은 0.40%이다.

Mo/Ni:≥0.09

알루미늄과 니켈의 결합의 결과로서 침전하는 Ni-Al 금속간 화합물 및 탄소와 몰리브덴의 결합의 결과로서 침전하는 몰리브덴 카바이드는 침전 온도에서 차이가 난다. 결론적으로, 그러한 비율로서의 조합으로 니켈 및 몰리브덴을 부가하는 것에 의하여, 상기 시효 커브는 과잉 시효 측 상에서 완만한 경사를 가지게 되고 또한 공정에서 사용 가능한 시효 온도들의 범위는 넓어진다. 결과적으로, 강철은, 시효 처리 후에, 경도에서의 미미한 비평탄성을 갖는다.

Al: 0.60-0.90%

알루미늄(Al)은 석출 경화를 통하여 경도를 향상시키기 위해 니켈과 결합하는 원소이다. 이러한 효과를 얻는 관점으로부터, 알루미늄 함량의 하한은 0.60%이다. 알루미늄의 함량이 너무 높은 경우에는, 감소된 충격 저항성의 결과를 가져오고 또한 몰드 크랙킹이 발생하기 쉽다. 이러한 문제점을 방지하는 관점으로부터, 알루미늄 함량의 상한은 0.90%이다.

O: 최대 0.0100%

산소(O)는 용해된 강철 내에 불가피하게 함유되는 성분이다. 그러나, 산소가 과량으로 함유되는 경우에는, 산소는 실리콘 및 알루미늄과 결합하여 거친 산화물들(coarse oxides)을 생성하며, 또한 이러한 산화물들은 인성 및 거울 표면 피니싱 특성들(mirror suface finishing properties)을 감소시키는 함유물로서 작용한다. 이러한 문제점을 방지하는 관점으로부터, 산소 함량의 상한은 0.0100%이다.

N: 최대 0.01000%

질소(Ni)는 용해된 강철 내에 불가피하게 함유되는 성분이다. 그러나, 질소는 알루미늄과 결합하여 AlN을 형성하고, 그에 의해 거울 표면 피니싱 특성들(mirror suface finishing properties)을 감소시킨다. 이러한 문제점을 방지하는 관점으로부터, 질소 함량의 상한은 0.0100%이다.

본 예비 처리된 강철은 상기 기재된 성분들 외에, 추가적으로 하기의 성분들로부터 선택되는 어떤 바람직한 하나 이상의 성분들을 함유한다. 각 성분들의 비율, 제한에 대한 이유들 등은 하기와 같다.

0.001-0.10%의 S, 0.001-0.3%의 Se, 0.001-0.3%의 Te, 0.0002-0.10%의 Ca, 0.001-0.20%의 Pb, 및 0.001-0.30%의 Bi.

황(S), 셀레늄(Se), 텔루늄(Te), 칼슘(Ca), 납(Pb), 및 비스무스(Bi)의 각각이 절삭성(machinability)을 향상시키기 위해서 부가될 수 있다. 이러한 효과를 얻는 관점으로부터, 황 함량의 하한은 0.01%이다. 동일한 관점으로부터, 셀레늄 함량의 하한은 0.001%이다. 텔루늄 함량의 하한은 0.001%이다. 칼슘 함량의 하한은 0.0002%이다. 납 함량의 하한은 0.001%이다. 비스무스 함량의 하한은 0.001%이다.

황, 셀레늄, 텔루늄, 칼슘, 납, 및 비스무스의 각각의 함량이 너무 높은 경우에는, 절삭성에서의 감소의 결과를 가져온다. 이러한 문제점을 방지하는 관점으로부터, 황 함량의 상한은 0.10%이다. 동일한 관점으로부터, 셀레늄 함량의 상한은 0.3%이다. 텔루늄 함량의 상한은 0.3%이다. 칼슘 함량의 상한은 0.10%이다. 납 함량의 상한은 0.20%이다. 비스무스 함량의 상한은 0.30%이다.

0.01-0.10%의 V, 0.001-0.30%의 Nb, 0.001-0.30%의 Ta, 최대 0.20%의 Ti, 및 0.001-0.30%의 Zr.

바나듐(V), 니오븀(Nb), 탄탈룸(Ta), 티타늄(Ti), 및 지르코늄(Zr)은 탄소(C) 및 질소(N)와 결합하여 탄화 질화물(carbonitride)을 형성하고 또한 그에 의해 결정립이 거칠어지는 것을 억제한다. 이러한 원소들은 따라서 거울 표면 피니싱 특성들(mirror suface finishing properties)을 향상시키는데 있어서 효과적이다. 이러한 효과를 얻기 위한 관점으로부터, 바나듐 함량의 하한은 0.01%이다. 동일한 관점으로부터, 니오븀 함량의 하한은 0.001%이다. 탄탈룸 함량의 하한은 0.001%이다. 지르코늄 함량의 하한은 0.001%이다. 티타늄의 함량에 있어서는 특별한 하한이 존재하지 않는다.

바나듐, 니오븀, 탄탈룸, 티타늄, 및 지르코늄의 각각의 함량이 너무 높은 경우에는, 절삭성에서의 열화의 결과를 가져온다. 이러한 문제점을 방지하는 관점으로부터, 바나듐 함량의 상한은 0.10%이다. 동일한 관점으로부터, 니오븀 함량의 상한은 0.30%이다. 탄탈룸 함량의 상한은 0.30%이다. 티타늄 함량의 상한은 0.20%이다. 지르코늄 함량의 상한은 0.30%이다.

본 예비 경화된 강철은 36-42 HRC의 범위 내에서의 경도(락웰 경도(Rockwell hardness))를 가지도록 조절되는 것이 바람직하다. 이것의 이유는 하기와 같다. 36 HRC 보다 작은 경도를 갖는 예비 경화된 강철은 불충분한 경도, 또한 이에 따라 향상된 표면 거칠기(surface roughness)를 가지게 되고, 감소된 거울 표면 피니싱 특성들(mirror suface finishing properties)의 결과를 가져온다. 다른 한편으로, 상기 강철이 42 HRC를 초과하는 경도를 가지는 경우에는, 이러한 강철은 너무 단단하여, 예로서 HSS 드릴로 보링(boring)하는 것과 같은 몰드 작업성(processability)에서의 감소의 결과를 가져온다.

실시예

본 발명은 실시예를 참조하는 것에 의하여 하기와 같이 좀 더 상세하게 설명될 것이다.

표 1(나중에 주어짐)에서 보여지는 화학적 조성들(질량의 의한 %)을 같는 강철들 각각은 진공 유도 용광로(vacuum induction furnace)로의 용해로서 생산되었고 또한 다음으로 50-kg 잉곳(ingot)을 얻기 위하여 캐스트되었다(cast). 캐스팅에 의해 얻은 잉곳은 60 mm 스퀘어의 크기를 갖는 바 재료(bar material)를 생산하기 위하여 열-단조(hot-gorged)되었다. 이러한 바 재료는 표 2에서 보여지는 열 처리 조건들(용액 열 처리 온도(Solution heat treatment temperature)) 하에 유지한 뒤 담금질되었다(quenched)(담금질-경화됨(quench-hardened). 다양한 테스트 조각들이 상기 열-처리된 바 재료들로부터 컷팅되었고 또한 하기의 다양한 테스트들 하에 놓여졌다.

<시효 온도 폭(Aging Temperature Width)을 결정하기 위한 테스트>

10 mm의 모서리 길이를 갖는 큐빅형의 테스트 조각들이 각 열-처리된 바 재료로부터 컷팅되었고 또한 다양한 온도들에서의 8-시간의 시효 처리 하에 놓여졌다. 그 다음으로, 각 테스트 조각의 테스트 표면(test surface) 및 그라운딩 표면(grounding surface)이 #400으로 까지 폴리싱 되었다. 후속적으로, 상기 테스트 조각들은 36-42 HRC의 경도의 결과를 가져왔던 온도를 결정하기 위하여 락웰 스케일 C(Rockwell scale C)로 평가되었다. 이러한 온도들의 범위(온도 폭)가 결정되었다. 상기 온도 폭은 시효 커브 내에서의 과잉 시효 측 온도 폭(overaging-side temperature width)을 의미한다. 상기 테스트 조각들이 이러한 테스트에서 20℃ 이상의 온도 폭을 가졌던 경우에 있어, 이 강철은 사용 가능한 시효 온도들의 범위를 넓히는데 있어서 효과적인 것으로서 평가되었다.

<경도 측정 테스트(Hardness Measurement Test)>

10 mm의 모서리 길이를 갖는 큐빅형의 테스크 조각이 각 열-처리된 바 재료로부터 컷팅되었고 또한 표 2에서 보여지는 바와 같은 열 처리 조건들(시효 온도 및 시효 주기) 하에서 처리되었다. 그 다음으로, 상기 테스트 표면(test surface) 및 그라운딩 표면(grounding surface)이 #400으로까지 폴리싱 되었다. 이 테스트 조각의 경도가 락웰 스케일 C(Rockwell scale C)로 측정되었다.

<거울 표면 피니싱 특성들(mirror suface finishing properties)을 평가하기 위한 테스트>

50 mm x 45 mm x 12 mm의 치수들을 갖는 편평한 테스트 조각이 각 열-처리된 바 재료로부터 생산되었고, 또한 이 테스트 조각은 기계적 폴리싱에 의하여 #8000으로까지 폴리싱되었다. 이 테스트 조각의 폴리싱된 표면은 JIS B0633과 일치하는 표면 거칠기(surface roughness) Ry에 대하여 평가되었다.

<부식 저항성(Corrosion Resistance)을 결정하기 위한 테스트>

10 mm의 직경 및 50 mm의 길이를 갖는 라운드-바(round-bar) 테스트 조각이 각각의 열-처리된 바 재료로부터 생산되었다. 이 테스트 조각은 지붕 아래에 있어서 비로부터 피하지만 외부 공기(약 10-15℃)와 접촉하도록 3일 동안 테스트 조각을 방치하는 식으로 노출 테스트 하에 놓여졌다. 상기 테스트 조각의 표면 내에 생긴 녹(rust)의 면적 비율이 결정되었다.

<열 전도성 계수(coeeficient of thermal conductivity) 를 결정하기 위한 테스트>

열 전도성 계수(coeeficient of thermal conductivity)가 후속하는 레이저 플래쉬 방법(laser flash method)에 의하여 결정되었다. 구체적으로, 열 전도성 계수 λ는 샘플의 고유 열 Cp(Specific heat Cp) 및 열 확산율 α(thermal diffusivity α)를 측정하는 것 및 별도로 결정되어진 밀도 ρ를 사용하여 하기의 방법으로 열 전도성 계수 λ를 계산하는 것에 의하여 결정될 수 있다. 즉, 그것에 대하여 열 에너지 Q를 부여하기 위하여 레이저 광선이 상기 샘플(샘플 중량, M; 샘플 두께, L)의 전방 표면에 대하여 조사되고, 또한 상기 샘플의 후방 표면의 온도에서의 결과적인 변화 ΔT가 열전지(thermocouple)에 의해 결정되었다. 상기 샘플의 고유 열 Cp(Specific heat Cp)는 Cp=Q/(M x ΔT) [J/(kgㆍK)]를 사용하여 계산된다. 나아가, 상기 샘플이 샘플의 최대 온도 변화의 절반(t1/2)으로까지 가열되기 위해 요구되는 시간 주기가 상기 샘플의 전방-표면 측 상에 장착된 적외선 검출기(infrared ray detector)의 수단에 의하여 측정되었다. 상기 샘플의 열 확산율 α(thermal diffusivity α)는 α=0.1388 x L2/(t1/2) [m²/s]를 사용하여 계산된다. 이에 따라, 상기 샘플의 열 전도성 계수 λ는 λ=Cp x α x ρ [W/mㆍK]를 사용하여 계산될 수 있다. 표 3에서의 열 전도성 계수의 값들은, 이들은 후에 주어질 것이다, 비교 강철 1에 대하여 밝혀졌던 열 전도성 계수의 값이 100으로서 취해졌을 때에 얻어지는 값들이다.

<충격 값(Impact Value)을 측정하기 위한 테스트>

테스트가 JIS Z 2242에 기재되어 있는 방법에 의하여 수행되었다. 구체적으로, 테스트 조각이 10 mm x 10 mm x 55 mm의 치수들을 갖는 정사각형의 바 재료에서 2-mm의 U-형태의 노치(notch)를 형성하는 것에 의하여 생산되었고, 또한 실온에서 충격 값에 대하여 평가되었다.

표 1에는 개발된 강철들(본 발명의 강철들) 및 비교 강철들의 화학적 조성들이 보여진다. 표 2에는 개발된 강철들 및 비교 강철들에 대하여 사용된 열 처리 조건들이 보여진다. 표 3에는 다양한 테스트들의 결과들이 보여진다. 도 4에는 부가된 니켈의 양 및 개발된 강철들 및 비교 강철들에서의 시효 온도들의 폭 사이의 관계들이 보여진다.

도 4에서 보여지는 바와 같이, 부가된 니켈의 양이 2.00-2.45%의 범위 내에 있을 때에, 36-42 HRC의 경도의 결과를 가져왔던 온도들의 폭은 20℃ 이상이었다는 것이 확인될 수 있다. 즉, 부가된 니켈의 양이 2.00-2.45%일 때에, 사용 가능한 시효 온도들의 범위를 넓히는 효과가 얻어진다.

하기의 사항들이 표 1 내지 3 및 도 4로부터 확인되었다. 비교 강철 1은 본 발명에서 특정된 범위의 상한 보다 높은 탄소 함량을 갖는다. 이것으로 인하여, 비교 강철 1은 너무 높은 경도를 및 낮은 충격 값을 갖는다. 이에 더하여, 비교 강철 1은 본 발명에서 특정된 범위의 상한들 보다 높은 실리콘 및 크롬 함량을 갖는다. 비교 강철 1은 따라서 상대적으로 낮은 열 전도성 계수를 갖는다. 부수적으로, 비교 강철 1이 극히 낮은 니켈 및 몰리브덴 함량을 가지기 때문에, 상기 온도 폭은 결정될 수 없었다.

비교 강철 2는 본 발명에서 특정된 범위의 상한 보다 높은 실리콘 함량을 가지며, 또한, 따라서 낮은 열 전도성 계수를 갖는다. 나아가, 비교 강철 2가 본 발명에서 특정된 범위의 상한들 보다 높은 니켈 및 알루미늄 함량을 갖기 때문에, 그들의 충격 값은 낮다.

비교 강철 3은 본 발명에서 특정된 범위의 하한 보다 낮은 크롬 함량을 가지며, 또한, 따라서 부식 저항성에 관하여 열악한 결과들을 갖는다.

비교 강철 4는 본 발명에서 특정된 범위의 상한 보다 높은 크롬 함량을 가지며, 또한, 따라서 낮은 열 전도성 계수를 갖는다.

비교 강철 5 내지 7은 본 발명에서 특정된 범위의 하한 보다 낮은 니켈 함량을 가지며, 또한, 따라서 사용 가능한 시효 온도들의 범위를 넓히는 효과를 가져오지 않았다.

비교 강철 8 내지 10은 본 발명에서 특정된 범위의 상한 보다 높은 니켈 함량을 갖는다. 결과적으로, 사용 가능한 시효 온도들의 범위를 넓히는 효과가 얻어지지 않았다.

비교 강철 11은 상기 강철이 본 발명에서 특정된 범위들 내에서의 니켈 및 몰리브덴 함량들을 가짐에도 불구하고, 본 발명에서 특정된 범위를 벗어난 Mo/Ni 의 값을 갖는다. 결과적으로, 사용 가능한 시효 온도들의 범위를 넓히는 효과가 얻어지지 않았다.

비교 강철 12는 상기 강철이 본 발명에서 특정된 범위들 내에서의 니켈 함량을 가짐에도 불구하고, 본 발명에서 특정된 범위들을 벗어난 몰리브덴 함량 및 Mo/Ni의 값을 갖는다. 결과적으로, 사용 가능한 시효 온도들의 범위를 넓히는 효과가 얻어지지 않았다.

이러한 비교 강철들과 반대로, 모든 상기 개발된 강철들은 각각의 거울 표면 피니싱 특성들, 부식 저항성, 열 전도성, 및 충격 저항성에 있어서 만족할 만한 결과를 가져왔다. 나아가, 사용 가능한 시효 온도들의 범위를 넓히는 효과가 얻어졌다. 따라서 적합한 경도를 얻기 위하여 사용 가능한 시효 온도들의 범위가 넓다는 것이 확인되었다.

상기 기재된 테스트들과 별도로, 비교 강철 6, 비교 강철 10, 및 개발된 강철 10에서 수행되었던 테스트는 시효 처리를 통하여 그로부터 얻어지는 몰드들의 경도에 있어서 비평탄성에 대하여 평가되었다. 구체적으로, 10 mm의 모서리 길이를 갖는 30 개의 테스트 조각들이 각 열-처리된 바 재료로부터 컷팅되었고, 또한 목표 값으로서 39 HRC의 경도를 얻기 위하여 8-시간의 시효 처리 하에 놓여졌다. 각 시효된(aged) 테스트 조각의 테스트 표면 및 그라운딩 표면은 #400으로 까지 폴리싱되었고, 또한 이러한 테스트 조각은 락웰 스케일 C(Rockwell scale C)로서 평가되었다. 도 5는 그 경도 값들 및 테스트 번호들을 보여준다. 도 5에서의 가로 좌표(abscissa)는 테스트 조각들의 테스트 번호들을 나타낸다. 도 5가 보여주는 바와 같이, 비교 강철 6 및 비교 강철 10은 상기 시효 처리 후에 경도에 있어서 높은 비평탄성을 갖는다. 이와 반대로, 개발된 강철 10은 상기 시효 처리 후에 경도에 있어서 낮은 비평탄성을 갖는다.

나아가, 비교 강철 6, 비교 강철 10, 및 개발된 강철 10이 시효 처리를 통하여 그로부터 얻어지는 몰드들의 충격 값에 있어서의 비평탄성에 대해 평가되는 테스트가 별도로 수행되었다. 구체적으로, 30 개의 테스트 조각들이 생산되었고 또한 상기 충격 값 테스트에서와 동일한 방법으로 충격 값에 대하여 평가되었다. 도 6은 충격 값들 및 테스트 번호들을 보여준다. 도 6에서의 가로 좌표는 테스트 조각들의 테스트 번호들을 나타낸다. 도 6이 보여주는 바와 같이, 비교 강철 6 및 비교 강철 10은 상기 시효 처리 후에 충격 값에 있어서 높은 비평탄성을 갖는다. 이와 반대로, 개발된 강철 10은 상기 시효 처리 후에 충격 값에 있어서 낮은 비평탄성을 갖는다.

상기 주어진 결과들로부터, 본 발명의 예비 경화된 강철에 따르면, 시효 처리 후에 경도 및 충격 값 양자에서 감소된 비평탄성을 갖는 몰드가 얻어진다는 것이 확인되었다. 결과적으로, 이러한 개발된 강철들이 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용 재료로서 사용될 때에, 시효 처리 후에 경도에 있어서 미미한 비평탄성을 가지며 또한 거울 표면 피니싱 특성들, 부식 저항성, 열 전도성, 및 충격 저항성에 있어서 우수한 몰드들이 얻어지는 것으로 간주될 수 있다.

본 발명의 실시예들 및 예들이 상기과 같이 설명되었다. 본 발명은 상기 실시예들 및 예들에 특히 제한되는 것으로 추론되어서는 안되며, 또한 다양하게 변형될 수 있다.

Claims

C: 0.09-0.13 질량%,
Si: 0.20-0.40 질량%,
Mn: 0.40-0.60 질량%,
P: 최대 0.100 질량%,
Cr: 2.00-3.00 질량%,
Cu: 0.60-0.90 질량%,
Ni: 2.00-2.45 질량%,
Mo: 0.20-0.40 질량%,
Mo/Ni: ≥0.09,
Al: 0.60-0.90 질량%,
O: 최대 0.0100 질량%, 및
N: 최대 0.0100 질량%를 함유하며,
그 나머지로서 Fe 및 불가피한 불순물들을 함유하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 예비 경화된 강철.
제1항에 있어서,
S: 0.001-0.10 질량%,
Se: 0.001-0.3 질량%,
Te: 0.001-0.3 질량%,
Ca: 0.0002-0.10 질량%,
Pb: 0.001-0.20 질량%, 및
Bi: 0.001-0.30 질량%로부터 선택되는 하나 이상의 원소들을 추가적으로 함유하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 예비 경화된 강철.
제1항 또는 제2항에 있어서,
V: 0.01-0.10 질량%,
Nb: 0.001-0.30 질량%,
Ta: 0.001-0.30 질량%,
Ti: 최대 0.20 질량%, 및
Zr: 0.001-0.30 질량%로부터 선택되는 하나 이상의 원소들을 추가적으로 함유하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 몰딩을 위한 몰드용의 예비 경화된 강철.