KR100836699B1

KR100836699B1 - 금형용 강

Info

Publication number: KR100836699B1
Application number: KR1020060102393A
Authority: KR
Inventors: 히데시 나카쓰; 요시유키 이노우에; 후미오 도야마; 야스시 다무라; 야스히로 호소다; 미쓰히로 안도
Original assignee: 히타치 긴조쿠 가부시키가이샤
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2006-10-20
Publication date: 2008-06-10
Anticipated expiration: 2026-10-20
Also published as: KR20070045921A; CN100451158C; CN1955328A

Abstract

본 발명은, 0.10∼0.25질량%의 탄소, 1.00%질량 이하의 Si, 2.00질량% 이하의 Mn, 0.60∼1.50질량%의 Ni, 1.00질량% 초과 2.50질량% 이하의 Cr, 식 (Mo+(W/2))≤1.00질량%를 만족시키는 Mo 및 W 중 적어도 하나, 0.03∼0.l5질량%의 V(vanadium), 0.50∼2.00질량%의 Cu, 0.05질량% 이하의 S(sulfur), 0.10질량% 이하의 Al, 0.06질량% 이하의 N(nitrogen), 0.005질량% 이하의 O(oxygen), 및 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 잔부를 포함하는 금형용 강을 제공한다. 본 발명의 금형용 강은 주상이 하부 베이나이트 금속 조직을 가지며, HRC 34∼45의 경도를 가진다.

금형, 베이나이트, 성형, 하부

Description

금형용 강{DIE STEEL}

도 1은 본 발명의 금형용 강의 전형적인 금속 조직을 나타내는 현미경 사진의 일례이다.

도 2는 종래의 금형용 강의 전형적인 금속 조직을 나타내는 현미경 사진의 일례이다.

도 3은 종래의 금형용 강의 전형적인 금속 조직을 나타내는 현미경 사진의 일례이다.

본 발명은, 높은 경도를 가지며, 주로 플라스틱 성형 금형으로 사용되며, 우수한 인성, 피절삭성, 연마성 및 내마모성을 가진 금형용 강에 관한 것이다.

플라스틱 성형 금형용 강으로서는 아래의 특성이 요구된다:

(1) 거울면 마감 작업성이 양호하고, 핀홀 및 매우 미세한 피트(pit)가 잘 발생하지 않아야 한다;

(2) 무광택 가공성(satinizing workability)이 양호해야 한다;

(3) 내식, 방청성이 양호해야 한다;

(4) 강도, 내마모성, 인성이 양호해야 한다;

(5) 피절삭성이 양호해야 한다.

종래, 플라스틱 성형 금형용 강으로서는 JIS SCM440과 같은 중(medium) C-Mn-Cr-Mo-Fe계가 사용되었지만, 상기 특성에 대한 요구가 커지고, 그 중에서도 최근에는, 고객의 요구를 만족시키기 위하여 제조 납기를 단축시킬 필요성이 강하게 제기되고 있다. 이러한 요구에 부응하기 위하여, 가공 단계를 감소시키기 위하여, 예를 들면, 저 C-Mn-Cr-Mo-S-Fe계 강(JP-A-48-093518 참조)이나, 이 강(즉, JP-A-48-093518)에 담금질성을 향상시키기 위해서 Ni를 첨가한 변형 강(JP-A-52-065557 참조), 및 황을 첨가하지 않고 Cu를 함유시켜서 피절삭성을 향상시킨 강(JP-A-58-067850 또는 JP-A-60-204869 참조)이 일반적으로 사용되고 있다.

또한, 거울면 마감 가공성, 피절삭성 및 용접성이 향상된 저 탄소, 저 황 및 저 Al Mn-Cr-Mo계의 강이 알려져 있다(JP-A-03-115523). 게다가, 매트릭스 조직 및 석출물이 적절히 조합되고, 열처리를 통하여 경도를 약 HRC 30으로 조절함으로써, 다량의 절삭 원소를 첨가하지 않아도 우수한 피절삭성 나타내며, 우수한 방청성, 내마모성 및 연마성을 가지는 저 C-Mn-Cr-Mo(W)-V-Cu-Fe 합금 또는 저 C-Mn-Ni-Cr-Mo(W)-V-Cu-Fe 합금이 제안되어 있다(JP-A-48-062491 참조).

최근, 강도, 내마모성, 내열성 등을 개선하기 위하여, 유리 섬유나 탄소 섬유 등을 첨가한 엔지니어링 플라스틱 재료가 널리 사용되고 있다. 이에 따라, 플 라스틱 성형 금형 재료도, 내마모성, 인성, 피절삭성에 대한 요구가 엄격해지고 있다. 따라서, Cu를 미세 석출시켜서 경도를 HRC 40 수준으로 하고, 인성 및 피절삭성이 우수한 저 C-Mn-Ni-Cr-Mo-Cu-A1계 강이 제안되어 있다(JP-A-02-182860 참조). 또한, 금형의 수명을 연장하기 위하여, 더욱 인성이 높은 하부 베이나이트(bainite) 조직을 가지도록 조절된 저 C-Mn-Ni-(Mo,W)-Cu-A1계 플라스틱 성형용 프리하든 강(preharden steel)이 제안되어 있다(JP-A-07-278737 참조).

상기 저 C-Mn-Cr-Mo-S-Fe계, 또는 저 C-Mn-Ni-Cr-Mo-S-Fe계 플라스틱 성형용 강은, 이를 사용하여 최대 길이 약 2m인 대형 금형을 제조할 경우, 황화물 등의 편석(segregation) 등에 의해 연마성, 내마모성 및 인성 등이 저하되기 때문에, 만족스러운 금형 수명을 얻을 수 없는 문제가 있었다. 또한, JP-A-58-067850에 개시된, 저 탄소 및 황을 첨가하지 않은 Mn-Cr-Cu-Fe계 강은, 담금질 및 템퍼링(tempering)에 있어서의 연화 저항이 작아서, 550℃ 근처에서 질화 처리했을 경우에 경도가 저하된다. JP-A-48-093518에 개시된 저 C-Mn-Ni-Cr-Mo(W/2)-Cu-Fe계 강은, 탄소 함량이 낮아서 충분한 석출 강화 효과를 얻을 수 없으므로, 반드시 만족스럽다고는 할 수 없다.

JP-A-03-115523에 개시된 저 탄소, 저 황, 저 Al 및 저 산소 Mn-Cr-Mo계 강에서는, 모재의 경도를 약 HRC 30까지 낮추어서 피절삭성을 향상시킴으로써, 비금속 개재물의 생성을 억제해서 거울면 마감 작업성이 향상되었지만, 경도가 낮고, 연마성, 내마모성이 만족스럽지 않다. JP-A-07-062491에 개시된 저 C-Mn-Cr- Mo(W)-V-Cu-Fe 강, 또는 저 C-Mn-Ni-Cr-Mo(W)-V-Cu-Fe 강은, 대형 금형을 제조할 경우에도, 상기 플라스틱 성형용 금형에 필요한 상기 요구를 만족시키며, Cr, Mo(W/2), Cu 및 V에 의한 충분한 석출 강화에 의해, 높은 강도와 우수한 피절삭성을 가진다. 하지만, 엔지니어링 플라스틱 재료가 널리 사용되는데 따른 연마성 및 내마모성을 만족시키지는 못한다.

JP-A-02-182860에 개시된 저 C-Mn-Ni-Cr-Mo-Cu-A1계 강은, A1 및 Ni에 의한 금속간 화합물의 석출에 의하여 HRC 40 수준의 경도를 가지며, 탄소 함량을 낮추어서 균일한 상부 베이나이트 조직을 가지도록 조절됨으로써, 우수한 피절삭성을 가지지만, 충분한 인성을 얻을 수 없는 문제가 있다.

JP-A-07-278737에 개시된 저 C-Mn-Ni-(Mo,W)-Cu-A1계 플라스틱 성형용 프리하든 강은, 피절삭성을 강화하기 위해서 필수적인 조직으로 생각되었던 상부 베이나이트 조직이 아닌, 하부 베이나이트 조직으로 제조됨으로써 피절삭성과 인성을 모두 가진다. 그러나, 최근에는 금형의 사용 비용을 절감하고, 종래의 금형 성능을 유지하면서, 금형 수명을 연장시켜야 할 필요성으로 인하여, 이러한 인성도 반드시 만족스러운 것이라고는 할 수 없다.

본 발명의 목적은, 상기 요구를 감안한 것으로서, 종래의 금형의 성능을 유지하면서, 금형 등의 공구의 수명을 연장할 수 있는, 지극히 우수한 인성 및 피절삭성을 가지며, 또한 연마성 및 내마모성을 모두 가진, 주로 플라스틱 성형에 사용되는 금형용 강을 제공하는 것이다.

본 발명자는, 화학 조성 및 금속 조직, 피절삭성, 인성 및 연마성의 관계에 대하여 연구를 거듭한 결과, 성분을 적절하게 조합함으로써, 특히, (l) Ni 및 Cu의 함량을 상호 조절함으로써, 종래에 피절삭성을 향상하기 위해서는 필수적인 것으로 생각되었던 상부 베이나이트 조직이 아니라 하부 베이나이트 조직을 가지도록 강을 제조하고, (2) HRC 40 수준의 경도에서 인성과 피절삭성을 겸비하기 위해서는 필수적인 강화 메커니즘으로 생각되었던 A1 및 Ni의 금속간 화합물의 석출 강화 및 Cu의 석출 강화를 채용하는 것 대신에, Cr, Mo (W/2), Cu, 및 V를 최적으로 조절하는 석출 강화 메커니즘을 채용함으로써, 지극히 우수한 인성, 및 피절삭성과 경도를 가지며, 또한 우수한 연마성 및 내마모성도 가지는, 주로 플라스틱 성형에 사용되기에 최적인 금형용 강을 발견했다.

즉, 본 발명에 의하면, 0.10∼0.25질량%의 탄소, 1.00%질량 이하의 Si, 2.00질량% 이하의 Mn, 0.60∼1.50질량%의 Ni, 1.00질량% 초과 2.50질량% 이하의 Cr, 식 (Mo+(W/2))≤1.00질량%를 만족시키는 Mo 및 W 중 적어도 하나, 0.03∼0.l5질량%의 V(vanadium), 0.50∼2.00질량%의 Cu, 0.05질량% 이하의 S(sulfur), 0.10질량% 이하의 Al, 0.06질량% 이하의 N(nitrogen), 0.005질량% 이하의 O(oxygen), 및 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 잔부를 포함하며, 주상(primary phase)이 하부 베이나이트 금속 조직을 가지며, HRC 34∼45의 경도를 금형용 강이 제공된다.

상기 금형용 강은 하기 화학 조성(질량%)을 만족시키는 것이 바람직하다.

(1) %Ni+1.2(%Cu)=1.30∼2.70, 및

(2) 60(%C)+1.5(%Si)+%Ni+6(%Cr)+2(%Mo+1/2(%W))+20(%V)+0.2%(Cu)

=21.00∼28.70.

또한, Mo 및 W 중 적어도 하나의 전체 량이 Mo+(W/2)=0.10∼1.00질량%인 것이 바람직하다.

또한 상기 황의 함량이 0.003∼0.05질량%인 것이 바람직하다.

본 발명의 금형용 강은 하기한 것 중 하나 이상을 만족시킨다.

0.05질량% 이하의 Al;

0.001질량% 초과 0.005질량% 이하의 산소;

0.60∼l.20질량%의 Ni;

0.60∼1.50질량%의 Cu;

0.13∼0.20질량% 탄소; 및

1.40∼2.20질량%의 크롬

본 발명에 의하면, 성분을 적절히 조합함으로써, 특히 Ni와 Cu 함량을 상호 조절하여 조직을 최적화하고, Cr, Mo(W/2), Cu, 및 V의 함량을 최적화하여 석출을 강화하는 메커니즘을 채용함으로써, S(sulfur) 등의 절삭 원소를 다량으로 첨가하지 않아도, 지극히 우수한 인성, 피절삭성 및 경도뿐만 아니라 우수한 연마성 및 내마모성도 부여할 수 있다. 또한, 대형 금형의 제조에 있어서 문제가 되는 편석도, S(sulfur)의 함량을 적정화(황화물의 균일 분산화)시켜 현저하게 경감시킬 수 있다. 본 발명의 금형용 강은, 템퍼링 연화 저항이 크므로, 금형의 작업면을 질화 처리해도 경도의 저하가 적다. 또한, 충분한 강도와 내마모성을 가지므로, 특히 대형 플라스틱 성형 금형에 적용하면 아주 효과적이다.

본 발명의 주요한 특징 중 하나는, 저 C-Mn-Ni-Cr-Mo(W)-V-Cu-Fe계 합금을 본 발명의 강으로 사용하고, 강에서의 구성 원소, 특히 Ni와 Cu의 함량을 최적으로 조절함으로써, 상기 강이 하부 베이나이트상의 금속 조직을 가지도록 한 것이다. 그리고, Cr, Mo(W/2), Cu, 및 V의 함량을 최적화하여 석출을 강화하는 메커니즘을 채용함으로써, 황과 같은 절삭 원소를 다량으로 첨가하지 않아도, 지극히 우수한 인성, 피절삭성 및 경도뿐만 아니라 우수한 연마성 및 내마모성도 가진다.

상술한 바와 같이, 종래의 저 C-Mn-Cr-Mo(W)-V-Cu-Fe계 합금 강, C-Mn-Ni-Cr-Mo(W)-V-Cu-Fe계 합금 강 및 저 C-Mn-Ni-Cr-Mo-Cu-A1계 합금 강은, 피절삭성을 확보하기 위해서 상부 베이나이트 조직을 가지도록 조절되어 있었다. 그러나, 상부 베이나이트 조직은 피절삭성이 우수하지만, 인성이 낮다. 인성을 확보하기 위해서는 경도를 약 HRC 30으로 조절할 필요가 있었다. 따라서, 본 발명자는, 조성을 적절히 조합하여, 특히 Ni와 Cu의 함량을 상호 조절함으로써, 금속 조직이 하부 베이나이트 조직을 가지도록 조절하는 방법을 채용했다.

종래의 금형용 강의 경우, 금속 조직이 상부 베이나이트상이 되도로 조절되었으며, 이러한 조직으로 하기 위해서 제조시의 열처리 공정에 있어서 엄격한 관리가 필요했다. 즉, 냉각 속도를 미세하게 조절해야만 했기 때문에, 열처리 공정이 엄청나게 많아지는 결점이 있었다. 그러나, 본 발명의 강은, 화학 조성을 적절하게 조절함으로써, 목적으로 하는 하부 베이나이트 조직을 달성하기 위한 열처리 공정에 있어서의 관리의 어려움이 대폭 개선되었다. 즉, 본 발명의 강이 열간 가공 후에 냉각 속도가 공냉 이상인 직접 담금질에 적용되어도, 하부 베이나이트 조직을 얻을 수 있다.

일반적으로, 베이나이트 강 조직은, 오스테나이트를 냉각했을 때에 생기게 하는 변태 생성물의 하나이며, 펄라이트 생성 온도와 마텐자이트 생성 온도의 중간 온도 범위에서 생성되는 상이다. 미세하게 살펴보면, 펄라이트 변태온도 근처에서 생성되는 상은 깃털 형태이며, 마텐자이트 생성 온도 근처에서 생성되는 상은 바늘 형태이다. 전자가 상부 베이나이트 조직, 후자가 하부 베이나이트 조직이라 지칭된다. 본 발명으로 규정하는 하부 베이나이트 조직은, 구체적으로는 예를 들면 도 1에 나타낸 조직이다. 그리고, 비교를 위하여, 종래 강의 마텐자이트(도 2; 저 C-Mn-Ni-Cr-Mo(W)-Fe계 합금), 상부 베이나이트 조직(도 3; 저 C-Mn-Ni-Cr-Mo(W)-V-Cu-Fe계 합금), 상부 베이나이트 조직(도 4; 저 C-Mn-Ni-Cr-Mo-Cu-Al-Fe계 합금)을 나타낸다.

본 발명에서 "주상"이 하부 베이나이트 조직이라고 한 것은, 상기 조직을 얻기 위한 열처리(즉, 냉각) 과정에서, 다소 불균일한 조성과 다소 불균일한 온도에 의한 불균일한 조직이 발생하는 것을 고려한 것이다. 하부 베이나이트 조직에 포함될 수도 있는 다소의 상부 베이나이트 조직, 마텐자이트 조직과 그 밖에 포함될 수 있는 것도 고려하여, 본 발명의 경우, 도 1에 따른 현미경 시야 영역(600배 확대)에 있어서, 7O면적% 이상의 하부 베이나이트 조직이 확보되면 문제없다. 하부 베이나이트 조직의 양은 75면적% 이상인 것이 바람직하고, 80면적% 이상인 것이 더 바람직하다. 도 1은 실질적으로 하부 베이나이트 조직의 양이 80면적%로 조절된 강을 나타낸다.

또한, 본 발명에서는, 황의 함량을 적절하게 억제하고 Cu를 첨가함으로써, 황화물의 균일 분산화를 목표로 하고 있다. 본 발명 강은 담금질에 의해 균일한 하부 베이나이트 조직이 생성된다. 그리고, 550℃ 이상의 고온 템퍼링에 적용시킴으로써 Fe-Cu 고용체 및 Cr, Mo(W), V 탄화물을 석출시켜서 HRC 34∼45의 경도를 얻을 수 있다. 또한, 템퍼링에 의해 상기 석출물을 응집시켜서 강의 강도를 향상시키는 동시에, 상기 강을 적절하게 취약화시켜서 강의 매트릭스 자체에 지극히 양호한 피절삭성을 부여한다. 따라서, 통상, 강에 절삭성을 부여하는 수단으로서 다량으로 첨가되는 S(sulfur)를 소량으로 한정해도, 지극히 우수한 피절삭성을 얻을 수 있다. 본 발명 강은, S를 첨가할 경우에도, 0.05% 이하로 할 수 있다. 황화물의 편석에 의한, 용접시의 핀홀 발생이나 방전-가공면의 러핑(roughing), 연마성, 내마모성 및 러핑 등의 여러 문제를 방지할 수 있고, Cr, Mo, W, Cu 또는 Ni를 함께 사용함으로서 우수한 내식성, 방청성을 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 강은, 매트릭스 자체에 양호한 피삭성을 부여함으로써, 황의 함량을 감소시킨 것이 특징이다. 그리고, 본 발명의 강에는 Mo와 텅스텐(W)이 단독 또는 조합하여 사용될 수 있으며, 이 경우, Mo의 함량은 W/2의 함량과 동일한 효과를 나타낸다. 그리고, 본 발명의 강의 Mo 및 텅스텐(W)은, 담금질 및 템퍼링시의 연화 저항을 높이고, 금형 표면의 Fe-Cr 산화 피막, 또는 Cr 산화 피막 중에 고용되어, 피막을 강화하고, 금형의 내식성을 향상시키는 데에도 중요한 원소이다.

본 발명의 강은, HRC 34∼45의 경도를 가지는 프리하든 상태(일반적으로, 담 금질 후, 550℃ 이상에서 템퍼링된 상태)로 공급되어, 직접 금형 성형 가공되고, 마감 연마 가공되어 사용된다. 즉, 상기 템퍼링된 상태에서, 상기 강은 양호한 피절삭성과 우수한 연마성을 가지므로, 금형 성형 가공 후의 열처리가 필요 없다. 또한, 본 발명의 강은, 황 등의 절삭 원소를 소량만을 사용하므로, 상기 강으로 제조된 금형의 대형화에 따른 현저한 편석을 걱정할 필요가 없다. 따라서, 본 발명 강은, 소형 물품용 금형뿐만 아니라, 특히 대형 금형, 예를 들면 한 변의 최대 길이가 2000mm 정도의 금형에 적용되어도 대단한 효과를 나타내며, 따라서 마모의 염려 없이, 긴 수명을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 강의 성분을 한정한 이유를 기재한다.

탄소(C)는, 담금질된 조직을 피절삭성이 양호한 하부 베이나이트 조직으로 유지하고, 템퍼링에 있어서는, Cr, Mo(W), V의 탄화물을 석출시켜 강화시키기 위하여 요구되는 기본적인 첨가 원소이다. 탄소 함량이 지나치게 많으면 매트릭스를 마텐자이트로 변태시켜 피절삭성을 감소시키고, 동시에 과도한 탄화물을 형성해서 피절삭성을 저하시킨다. 따라서, 탄소의 함량은 0.25% 이하로 한다. 한편, 탄소의 함량이 지나치게 적으면 페라이트의 석출을 초래하므로, 0.10% 이상으로 한다. 바람직한 탄소 함량은 0.13%∼0.20%이다.

Si는, 금형 사용시의 분위기에서의 내식성을 강화하는 원소이다. Si의 함량이 지나치게 많으면 페라이트의 생성을 초래하므로, 1.00% 이하로 한다. 또한, Si의 함량을 낮추면, 기계적 특성의 이방성이 작아지며, 또 줄무늬 편석을 감소시켜서 우수한 거울면 마감 작업성을 얻을 수 있다. 따라서, Si의 함량은 0.60% 이하 로 한다. 한편, 상기 내식성을 부여하기 위한 규소(Si)의 첨가량은 0.10% 이상, 보다 바람직하게는 0.20% 이상이다.

Mn은, 본 발명의 강의 하부 베이나이트 담금질성을 강화하고, 페라이트의 생성을 억제하고, 적당한 담금질 및 템퍼링 경도를 부여하는 원소이다. 그러나, Mn의 함량이 지나치게 많으면 하부 베이나이트 조직을 유지하기 위한 열처리 관리가 어려워지고, 마텐자이트 변태를 촉진시키며, 또한 매트릭스의 인성을 향상시켜서 피절삭성을 저하시킨다. 따라서, Mn의 함량은 2.00% 이하로 한다. 상기 담금질성을 부여하기 위한 Mn의 첨가량은 l.00% 이상, 보다 바람직하게는 1.20% 이상이다.

Cr은, 템퍼링 처리에 있어서 미세 탄화물을 석출 및 응집시켜서, 본 발명의 강의 강도를 향상시키기 위하여 첨가된다. 또한, Cr은 본 발명 강의 내식성을 향상시키고, 연마 가공시 또는 금형의 보관시의 녹의 발생을 억제한다. 게다가, 질화 처리가 행해질 경우, 질화층의 단단함을 향상시키는 효과가 있다. 하지만, Cr의 함량이 지나치게 많으면, 하부 베이나이트 조직을 미세화시켜서 마텐자이트 변태를 촉진하고, 매트릭스의 인성을 향상시켜서 피절삭성을 저하시킨다. 한편, Cr의 함량이 지나치게 적으면, 상기 첨가의 효과가 얻을 수 없다. 따라서, Cr의 함량은 l.00% 초과 2.50% 이하로 한다. Cr의 함량은 1.40∼2.20%인 것이 바람직하고, 1.60∼2.00%인 것이 더 바람직하다.

상기와 같이, 금형의 강도를 향상시키기 위해서, Cr을 다량으로 첨가할 수도 있지만, Cr의 함량이 증가하면, 피절삭성도 감소되므로, Cr의 첨가에는 한계가 있다. 따라서, Cr의 첨가에만 의존하지 않는 방법으로 금형의 강도를 향상시킬 필요 가 있다. 금형이 질화 처리된 후 사용된다면, 550℃ 이상의 템퍼링 연화 저항성이 보증되어야 한다. 이러한 점에서 Cr의 첨가만으로는 충분하지 않다. 따라서, 본 발명의 강에서는, 상기 과제를 해결하기 위하여 Mo 및 W의 함유가 중요해진다.

Mo 및 텅스텐(W)은 단독 또는 조합되어 첨가되며, 템퍼링 처리시에 미세 탄화물을 석출 및 응집시켜서, 본 발명의 강의 강도를 향상시키고, 담금질 템퍼링에 있어서의 연화 저항을 증가시킨다. 또한, Mo 및 텅스텐(W)은, 금형 표면의 산화 피막에 부분적으로 고용되기 때문에, 금형의 사용 중에, 예를 들면 플라스틱에서 발생하는 부식성 가스에 대한 내식성을 향상시키는 장점도 있다. 이러한 용도의 경우, Mo 및 W를 강에 다량으로 첨가할 필요는 없다. Mo 및 W의 함량이 지나치게 많으면 피절삭성을 저하시키므로, Mo+1/2(W)로 1.00% 이하로 한다. 0.10∼1.00%의 범위가 바람직하고, 0.10∼0.70%의 범위가 더 바람직하다.

바나듐(V)은, 템퍼링 연화 저항을 증가시키고, 결정 입자의 조대화를 억제하고, 인성의 향상에 기여한다. 또한, 바나듐은 경질 탄화물을 미세 형성하고, 내마모성을 향상시키는 효과가 있다. 이를 위해서는 바나듐의 함량을 0.03% 이상으로 할 필요가 있지만, 지나치게 많으면 피절삭성이 저하된다. 따라서, 바나듐의 함량은 0.15% 이하로 한정되며, 0.05∼0.12%가 바람직하다.

Cu는, 본 발명의 강의 템퍼링 처리에 있어서, Fe-Cu 고용체를 석출 및 응집시키기에 적절하다. 특기할 사항은, Cu와 Ni(후술 함)의 첨가량을 적절히 조절함으로써, 조직을 하부 베이나이트 조직으로 조절하는 것이다. 이들 고용체의 석출 및 응고, 하부 베이나이트로의 조직 조절로 인하여, 본 발명의 강에는 우수한 피절 삭성이 부여된다. 또한, Cu는 우수한 내식성을 부여하는 효과도 있으므로, 0.50% 이상으로 하는 것이 중요하다. Cu의 함량이 지나치게 많으면 열간 가공성을 저하시켜서, 조직의 마텐자이트 변태에도 작용하여, 오히려 피절삭성을 저하시킨다. 따라서, Cu의 함량은 2.00% 이하로 하며, 0.60∼1.50%가 바람직하다.

Ni는, 본 발명의 강의 하부 베이나이트 담금질성을 향상시키고, 페라이트의 생성을 억제하기 위한 원소이다. 상기한 바와 같이, Ni 및 Cu를 적절하게 조절함으로써, 조직을 하부 베이나이트 조직으로 조절하는데 중요한 원소이며, 본 발명의 강에 우수한 피절삭성을 부여하기 위해서는, Ni의 함량을 0.60% 이상으로 한다. Ni의 함량이 지나치게 많으면 하부 베이나이트 조직을 과도하게 미세화시키고, 마텐자이트 변태를 촉진하고, 매트릭스의 인성을 증가시켜서 피절삭성을 저하시킨다. 따라서, Ni의 함량은 1.50% 이하로 하며, 1.20% 이하가 바람직하다.

황(S)은, 비금속 개재물인 MnS의 형태로 존재함으로써, 피절삭성의 향상에 큰 효과가 있다. 그러나, MnS가 다량으로 존재하면, 용접시의 핀홀 발생, 연마 공정에서의 핀홀 발생, 방전-가공면의 러핑 등과 같은, 금형 가공시의 폐해뿐만 아니라, 녹의 기점으로도 되고, 기계적 성질의 이방성을 조장하는 등과 같이 금형 자체의 성능을 저하시키는 요인이 된다. 특히, 대형 금형에서는, MnS의 편석에 의한 상기폐해가 현저해진다. 따라서, 상기 효과를 얻기 위해서는 S의 함량을 0.003% 이상으로 하는 것이 바람직하지만, 이러한 문제를 억제하기 위해서, 0.05% 이하로 한정 할 필요가 있다.

A1은 통상적으로, 용용시의 탈산소 원소로서 이용할 수 있지만, 본 발명의 강 상태에 있어서는, 강 중에 존재하는 A1₂O₃가 거울면 마감 가공성을 저하시키므로, Al의 함량을 0.10% 이하로 한정할 필요가 있다. Al의 함량은 0.05% 이하가 바람직하며, 0.01% 이하가 더 바람직하고, 그리고 0.002% 이하가 더 바람직하다.

산소(O)는, 강에 있어서 산화물을 형성하는 원소이며, 냉간 소성 가공성 및 연마성을 현저하게 열화시키는 요인이 된다. 특히 본 발명에 있어서는, 상기 A1₂O₃의 형성을 억제하는 것이 중요하므로, Al 함량의 상한을 0.005%로 하며. 바람직하게는 0.003% 이하이다. 한편, 연마성을 향상시키기 위해서는, 예를 들면 0.001% 이하로까지 한정하는 것도 바람직한 조건이다. 하지만, A1₂O₃를 감소켜야만 하는 본 발명에 있어서는, Al의 함량이 이미 낮게 조절되어 있으므로, O의 함량 자체를 낮은 범위로 특히 엄격하게 조절할 필요는 없다. 따라서, Al의 함량이 0.001%를 초과하는 것이 허용된다.

질소(N)는, 강에 있어서 질화물을 형성하는 원소이다. 질화물이 과도하게 형성되면, 금형의 인성, 피삭성 및 연마성이 현저하게 열화된다. 따라서, 강 중의 질소(N)를 낮은 수준으로 한정하는 것이 바람직하고, 본 발명에서는 질소(N)의 함량을 0.06% 이하로 한정한다. 질소(N)의 함량은 0.02% 이하가 바람직하고, 0.005% 이하가 더 바람직하다.

본 발명에서 목적으로 하는, 실질적으로 하부 베이나이트상으로 이루어진 조직을 실현하고, 본 발명의 강의 피삭성 및 인성을 모두 우수하게 하기 위해서는, 상기 성분의 조성 범위가 보다 효과적이고, 정밀하고, 명확하게 한정되어야 한다.

보다 구체적으로는, 본 발명의 기본 성분에 대한 상기 영역에서의 연구를 거듭한 결과, 본 발명자는 하기 식과 같은 정밀한 성분 범위를 발견했다.

식 1: (%Ni)+1.2(%Cu)=1.30∼2.70, 및

식 2: 60(%C)+1.5(%Si)+%Ni+6(%Cr)+2(%Mo+1/2(%W)(단독 또는 조합으로))+20(%V)+0.2%(Cu)=21.00∼28.70.

보다 구체적으로는, 본 발명의 강의 목표는, 조직이 실질적으로 하부 베이나이트상으로 이루어지는 것이다. 식 1: (%Ni)+1.2(%Cu)에 의한 값이 1.30보다 작으면, 페라이트 및 상부 베이나이트 조직이 생성될 수 있으며, 상기 값이 2.70을 초과하면, 하부 베이나이트 조직을 미세화시키고 마텐자이트가 생성될 수 있다. 또한, 식 1에 의한 값이 1.3 내지 2.70을 만족시키고, 식 2: 60(%C)+1.5(%Si)+%Ni+6(%Cr)+2(%Mo+1/2(%W)(단독 또는 조합으로))+20(%V)+0.2%(Cu)에 의한 값이 21.00보다 작으면, 소정의 경도를 달성하기 어렵거나 인성이 저하되는 경향이 있으며, 상기 값이 28.70을 초과하면, 피절삭성이 저하되고, 인성이 감소되는 경향이 있다.

본 발명에 있어서는, 상기 작용 효과를 손상시키지 않는 범위 이내에서, 추가적으로 인성 향상 원소나 피절삭성 향상 원소를 첨가할 수 있다. 예를 들면, 인성 향상 원소로서는, Nb: 0.5% 이하(바람직하게는 0.01∼0.1%), Ti: 0.15% 이하, Zr: 0.15% 이하, Ta: 0.15% 이하 중의 하나 이상을 첨가할 수 있다. 피절삭성 향상 원소로서는, Zr: 0.003∼0.2%, Ca: 0.0005∼0.01%, Pb: 0.03∼0.2%, Se: 0.03∼0.2%, Te: 0.01∼0.15%, Bi: 0.01∼0.2%, In: 0.005∼0.5%, Ce: 0.01∼0.1% 중의 하나 이상을 첨가할 수 있다. 게다가, Y, La, Nd, Sm 및 기타 REM 원소를 전체에 대하여 0.0005∼0.3% 함유시킬 수도 있다.

우선, 30kg 고주파 진공 용해로에서, 표 l에 나타낸, 잔부의 철 및 불가피한 불순물로 구성되는 조성을 가진 여러 종류의 강을 용해했다(본 발명의 식 1 및 2로 표시되는 값은 표 2에 나타냄). 이어서, 이들 각 강을 50mm×100mm의 각봉 형태로 단조한 후, 열처리하고, 하기 평가를 실시했다. 열처리는 소정의 경도를 얻기 위하여 하기 방식으로 수행되었다: 각 강을 900℃의 오스테나이트 영역까지 가열하고, 이 온도에서 1시간 동안 유지하고, 실제 잉곳(ingot)을 상정한 냉각 속도로 냉각한다. 이어서, 상기 강을 520℃ 내지 590℃ 사이의 적정 온도에서 1시간 동안 템퍼링 한 후, 공냉했다.

[표 1]

드릴 가공 시험을 통하여 피삭성을 평가했다. 구체적으로는, 고속도 강으로 제조된 φ2mm 드릴로, 절삭 속도 15m/min, 이송 속도 120mm/min, 가공 구멍 깊이 20mm의 가공 조건으로, 시편 강에 50개의 구멍을 가공한 후의, 공구 외주 말단의 최대 마모폭을 측정했다.

인성의 평가는, 2mm U-notch 시편(JIS 3호 시편)을 이용해서, Charpy 충격 시험을 실시하고, 실온에서의 Charpy 충격값을 측정했다.

연마성의 평가는 아래 방식으로 행해졌다: 50mm²의 평가면을 가진 시편을 준비한 후, 상기 열처리 조건에 의한 담금질 및 템퍼링 처리하여 경도를 조절한 후, 각 시편을 그라인더→페이퍼→다이아몬드 컴파운드 방식으로 거울면 가공했다. 이어서, 확대경(10배)을 이용해서 미세한 피트 발생 개수를 세고, 피트 수가 6개 미만인 시편을 A, 피트 수가 6∼10개의 시편을 B, 피트 수가 11∼20개의 시편을 C, 피투 수가 20개를 초과하면 D로 했다. 결과를 표 2에 나타낸다. 시편 16 내지 18을 제외한 표 2에 나타낸 각 시편의 조직은 실질적으로 단일상 조직으로서, 표 2에 나타낸 상이 90면적% 이상을 차지했다.

[표 2]

본 발명 강

본 발명의 화학적 조성을 만족시키는 시편 1∼12는, 실질적으로 하부 베이나이트 단일상으로 이루어진 금형용 강으로서, 식 1 및 2의 값이 상기 영역 이내이므로 본 발명의 경도를 만족시킨다. 이들 각 시편의 피절삭성은, 공구 외주 말단의 최대 마모폭이 0.16mm 이하인 최선의 결과를 보여준다. 게다가, 인성은 약 60J/cm² 이상으로 대단히 양호한 결과를 나타내며, 연마성도 양호하다.

비교예의 강

본 발명의 성분 범위보다 탄소(C)가 적은 시편 13은, 식 1의 값이 1.30 미만이므로, 상부 베이나이트 조직을 가지며, 경도가 낮으므로 피절삭성 및 인성이 양호하지만, 연마성이 충분하지 않다. Si가 많은 시편 14 및 Ni가 적은 시편 16, 그리고 Cr이 적은 시편 18은, 식 1 및 2의 값이 본 발명의 영역 이내이므로 본 발명의 경도를 만족시키지만, 페라이트 조직 또는 상부 베이나이트 조직에 5면적% 이상의 페라이트가 혼합되어 있으므로, 피절삭성 및 연마성이 다소 낮다.

황이 0.05%를 초과하는 시편 15는, 본 발명의 경도를 만족시키는 하부 베이나이트 조직이며, 황화물계의 비금속 개재물이 많이 포함되어 있으므로 피절삭성도 최선이다. 하지만, 식 2의 값이 28.70을 초과하므로 인성이 낮다. 그리고, 황화물은 매트릭스에 비하여 대단히 부드럽고, 연마시에는 황화물로부터 피트가 발생하기 쉬워서, 연마성도 떨어진다. Ni가 많은 시편 17은, 식 1의 값이 2.70을 초과하므로, 과도하게 미세화된 하부 베이나이트 조직에 마텐자이트(약 6O면적%)가 혼합 된 조직을 가진다. 따라서, 상기 시편은 연마성이 양호하며, 인성도 어느 정도 양호하지만, 피절삭성이 다소 낮다.

본 발명의 성분 범위보다 Cr이 적고, 다량의 N을 함유하는 시편 19는, 과도하게 미세한 마텐자이트를 가진다. Mo가 많고, 다량의 산소(O)를 함유하는 시편 20은, 실질적으로 하부 베이나이트 단일상이다. 하지만, 이들 시편은 식 2의 값이 28.70을 초과하고, 조직에 탄화물이 많이 포함되어 있으므로 피절삭성이 다소 낮다. 게다가, 이들 시편은, 시편 l9가 과다한 질화물을 포함하고, 시편 20이 과다한 산화물을 포함하기 때문에 연마성이 현저하게 낮다.

시편 21 내지 24는 실실적으로 하부 베이나이트 단일상이다. 하지만, 본 발명의 성분 범위보다 바나듐이 적은 시편 21은, 식 2의 값이 21.00 미만이므로 경도가 다소 낮고, 따라서 피절삭성은 양호하지만 연마성이 다소 낮다. 반면, 바나듐(V)이 많은 시편 22는, 식 1 및 2의 값이 본 발명에서 정의한 영역을 만족시키지 않으며, 탄화물을 많이 함유하고 있으므로 피절삭성이 다소 낮다. 또한, Cu가 많은 시편 23은, 식 1의 값이 2.70을 초과하며, 미세 조직이 과도하게 미세화된 하부 베이나이트 조직을 유지하고 있지만, 피절삭성이 다소 뒤떨어진다. A1이 많은 시편 24는, 식 2의 값이 본 발명에서 정의한 영역을 만족시키지만, A1과 Ni의 금속간 화합물의 석출 강화에 의하여 인성이 감소되었다. 게다가, 질화물도 많이 함유되는 경향이 있어서, 연마성도 다소 낮다.

종래의 강

모든 종래의 강의 시편이 식 1 및 2의 본 발명의 성분 범위를 만족시키지 않 으며, 본 발명의 성분 범위보다 탄소(C)가 많고, 바나듐(V)과 Cu가 적은 시편 25는, 본 발명의 경도를 만족시키고 있지만, 마텐자이트 미세 조직이기 때문에, 인성 및 연마성은 좋지만 피절삭성이 낮다. Cu가 적은 시편 26 및 Ni가 적은 시편 27은, 본 발명의 경도를 만족시키고, 연마성도 좋지만, 상부 베이나이트 조직을 가지고 있으므로 인성이 다소 뒤떨어지고, 피절삭성이 낮다.

본 발명의 성분 범위보다 Ni와 Cu가 적은 시편 28은, 상부 베이나이트 조직이며, 경도가 낮기 때문에 피절삭성 및 인성이 양호하다. 하지만, 상기 시편은 연마성이 충분하지 않다. Ni와 A1이 많고, Cr이 적은 시편 29는, 본 발명의 경도를 만족시키는 상부 베이나이트 조직이다. 게다가, 상기 시편은 A1과 Ni의 금속간 화합물의 석출 강화 및 Cu의 석출 강화를 모두 채용한 것이기 때문에, 피절삭성 및 연마성이 최선이지만, 인성이 현저하게 낮다.

종래의 플라스틱-성형 프리하든 강에서는 찾아볼 수 없는 우수한 인성을 가진 본 발명의 강은, 금형을 가공 또는 처리하는 경우에, 열 응력에 의한 크래킹이 발생하기 어려우므로, 보다 정밀한 금형 가공을 수행하기 위한 금형의 제조에 특히 적합하다.

Claims

0.10∼0.25질량%의 탄소, 1.00%질량 이하의 Si, 2.00질량% 이하의 Mn, 0.60∼1.50질량%의 Ni, 1.00질량% 초과 2.50질량% 이하의 Cr, 식 (Mo+(W/2))≤1.00질량%를 만족시키는 Mo 및 W 중 적어도 하나, 0.03∼0.l5질량%의 V(vanadium), 0.50∼2.00질량%의 Cu, 0.05질량% 이하의 S(sulfur), 0.10질량% 이하의 Al, 0.06질량% 이하의 N(nitrogen), 0.005질량% 이하의 O(oxygen), 및 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 잔부

를 포함하며, 주상(primary phase)이 하부 베이나이트 금속 조직을 가지며, HRC 34∼45의 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제1항에 있어서,

하기 화학 조성(질량%)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 금형용 강:

(1) %Ni+1.2(%Cu)=1.30∼2.70, 및

(2) 60(%C)+1.5(%Si)+%Ni+6(%Cr)+2(%Mo+1/2(%W))+20(%V)+0.2%(Cu)

=21.00∼28.70.
제1항에 있어서,

Mo 및 W 중 적어도 하나의 전체 량이 Mo+(W/2)=0.10∼1.00질량%인 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제1항에 있어서,

상기 황의 함량이 0.003∼0.05질량%인 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제1항에 있어서,

0.05질량% 이하의 Al, 0.001질량% 초과 0.005질량% 이하의 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제1항에 있어서,

0.60∼1.20질량%의 Ni, 0.60∼1.50질량%의 Cu를 포함하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.
제1항에 있어서,

0.13∼0.20질량%의 탄소, 1.40∼2.20질량%의 Cr을 포함하는 것을 특징으로 하는 금형용 강.