KR100373169B1

KR100373169B1 - 고충격인성및내마모성을갖는분말야금냉간공구강및그제조방법

Info

Publication number: KR100373169B1
Application number: KR10-1998-0012648A
Authority: KR
Inventors: 케네스 이 핀노우; 윌리엄 스타스코
Original assignee: 크루서블 메터리얼즈 코포레이션
Priority date: 1997-04-09
Filing date: 1998-04-09
Publication date: 2003-06-18
Also published as: CA2231133A1; US5989490A; ES2207793T3; HU9800590D0; CA2231133C; CZ95898A3; EP0875588A2; HUP9800590A3; HU220558B1; ATE250150T1; TW363000B; MY120438A; US5830287A; BR9803298A; SK45698A3; SK284795B6; PL186709B1; AR012350A1; KR19980081249A; PL325752A1

Abstract

본 발명에 따른 분말야금 냉간공구강은 열간가공되어 고밀도, 내마모성 및 바나듐-풍부의 조직을 갖고 있으며, 따라서 충격인성도 보다 개선되었다. 이러한 결과는 경화 및 탬퍼링처리후에 잔존하는 나머지 모든 1차 카바이드가 MC-형 바나듐-풍부의 카바이드가 되도록 1차 카바이드의 양, 조성 및 크기를 조절함으로써 얻어진다. 이러한 공구강은 질소분사된 분말입자를 고온 이소스태틱(hot isostatic)한 압축에 의해 얻을 수 있다.

Description

고충격인성 및 내마모성을 갖는 분말야금 냉간공구강 및 그 제조방법

본 발명은 내마모성의 분말야금 냉간공구강 및 질소 분무, 예비합금된 분말입자의 압축하여 이들을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 강재는 고충격 인성은 물론 우수한 내마모성을 지니고 있어 펀치, 다이스 및 이러한 성질을 필요로 하는 금속세공 공구에 응용하는 데에 특히 유용하다.

공구 성능은 복합적인 문제로써, 공구디자인과 함께 공구제작방법, 효과적인 표면처리 또는 코팅의 존부, 실제 작업조건, 그리고 공구재의 기초적인 물성 등과 같은 많은 인자에 따라 서로 상이하다. 냉간가공의 경우, 공구강재의 내마모성, 인성 및 강도는 코팅 또는 표면처리의 존부여하에 관계없이 일반적으로 내용(耐用)연수에 영향을 끼치는 매우 중요한 인자이다. 여러 가지 많은 경우에 있어서, 공구강의 내용(耐用)연수를 조절하는 데에는 좋은 내마모성을 필요로 하는데 반하여, 최적 성능을 발휘하기 위해서는 좋은 내마모성은 물론 높은 인성도 함께 요구된다.

냉간공구강의 내마모성, 인성 및 강도를 조절하는 야금학적인 인자는 이미 잘 알려져있다. 예를 들면, 공구강을 열처리하여 경도를 증가시키면 내마모성 및 압축강도도 증가된다. 그러나, 일정한 경도 수준에서라도 공구강이 다르면 그들의 미세구조내 1차(용해되지 않은) 카바이드의 조성, 크기 및 함량에 따라 충격 인성 및 내마모성도 다양하게 나타난다. 공구강내에 함유되어 있는 크롬, 텅스텐, 몰리브덴 및 바나듐의 함량에 따라 비록 상이하지만, 고탄소 합금공구강들은 그들의 미세구조내에서 M₇C₃, M₆C 및/또는 MC-형 1차 카바이드를 형성한다. 고합금공구강중에서 바나듐-풍부 MC-형 카바이드는 1차 카바이드중 경도 및 내마모성이 가장 강하며, 다음으로 텅스텐 및 몰리브덴이 풍부한 카바이드(M₆C-형)와 크롬-풍부 카바이드(M₇C₃-형)가 경도 및 내마모성에 있어서 차례로 감소한다. 이러한 이유로 내마모성을 증가시키기 위하여 통상적인 공구강(주괴 주조) 및 분말야금 공구강 둘 다의 경우 모두 바나듐을 합금처리하여 1차 MC-형 카바이드를 얻는 방법이 다년간 수행되어 왔다.

공구강의 인성은 주로 미세구조 내에서의 1차 카바이드의 함량, 크기 및 분포 뿐만 아니라 매트릭스의 경도 및 조성에 따라 매우 상이하다. 이러한 점에서, 주괴주조 공구강이 종종 포함하고 있는 1차 카바이드 및 무겁게 분리된 미세구조 때문에 통상적인(주괴주조) 공구강의 충격인성은 일반적으로 유사한 조성을 갖는 분말야금으로 제조된(PM) 강의 충격인성보다 낮다. 따라서, 고성능의 바나듐-풍부 다수의 냉간공구강은 PM 8Cr4V강[미국특허 제4,863,515호], PM 5Cr10V강[미국특허 제4,249,945호] 및 PM 5Cr15V[미국특허 제5,344,477호]에서의 경우와 같이 분말야금법에 의해 제조되어 왔다. 그러나, 이러한 PM강의 경우 내마모성, 인성, 또는 이들 둘 다의 물성이 크게 개선되었음에도 불구하고, 이들 중 어느것도 많은 컷팅, 블랭킹 및 펀칭을 적용하는 경우에 충분한 매우 높은 인성 및 내마모성 둘다를 지니고 있지 못하는 문제점이 있다.

본 발명과 관련하여 냉간공구강의 인성을 개선시키기 위한 또다른 방법으로, 경화와 템퍼링후 미세구조내에 잔존하는 MC-형 바나듐-풍부 카바이드가 1차 카바이드가 되도록 그들의 미세구조내에 잔존하는 1차 카바이드의 양, 조성 및 가공성을조절하여 내마모성 및 바나듐-함유 분말야금 냉간공구강의 충격인성을 현저하게 개선시킬 수 있다. 본 발명에 따른 강재는 일정한 경도를 나타내는 분말야금 냉간공구강의 경우 특히 카바이드 종류와는 관계없이 1차 카바이드의 전체 함량이 증가함에 따라 그들의 충격인성이 감소한다는 사실과 내재하는 모든 1차 카바이드가 MC-형 바나듐-풍부 카바이드가 되도록 조성 및 가공성을 조절하므로써 목적으로 하는 일정 수준의 내마모성을 얻는 데 필요한 1차 카바이드의 양을 최소화시킬 수 있다는 사실에 근거하여 현저하게 충격인성을 향상시킬 수 있는 것이다. 본 발명에 따른 질소분무, 예비합금된 분말입자의 고온 이소태틱 압축하여 결과된 강재는 이와 비슷한 조성을 가지고 있는 통상의 주괴주조공구강과 비교하여 1차 카바이드의 크기와 분포 뿐만아니라, 그 조성에서 중요한 변화가 나타나 있음을 알 수 있다. 전자의 이러한 효과는 냉간공구강의 분말야금공정에 대한 이하에서 명확히 규명되지는 않은 잇점이며, 또한, 본 발명의 강재에 있어서 1차 MC-형 바나듐-풍부 카바이드의 형성을 최대화하고, MC-형 카바이드와 더불어 본 발명의 강재와 유사한 조성을 갖는 주괴주조 공구강내에 보다 많은 양이 존재하는, 완화된 M₇C₃카바이드의 형성을 주로 제거할 수 있기 때문에 상당히 중요하다.

따라서, 본 발명은 대체로 충격인성이 향상된 내마모성, 바나듐-함유, 분말야금 냉간공구강 및 이러한 공구강을 제조하는 방법을 제공하는 데 1차적인 목적이 있다.

이러한 목적은 강재를 경화하고 템퍼링한 후에 그 내부에 잔존하는 모든 1차 카바이드는 MC형의 바나듐-풍부 카바이드가 되도록 상기와 같은 강재내의 조성과 가공성을 조절하여 강재내 1차 카바이드의 함량, 조성 및 크기를 조절하므로써 가능해진다.

도 1은 바나듐 2.82 %(Bar 90 ∼ 80)을 포함하고 있는 본 발명에 따른 경화처리 및 템퍼링처리된 바나듐-풍부 분말야금 공구강재에 있어서, 1차 MC-형 바나듐-풍부 카바이드의 분포와 크기를 나타내는 광학현미경사진이고,

도 2는 Bar 90 ∼ 80과 유사한 조성을 가지고 있는 종래의 주괴주조 공구강(85 CrVMo)에 있어서, 1차 바나듐-풍부 MC-형과 크롬-풍부 M₇C₃-형 카바이드의 분포와 크기를 나타내는 광학현미경사진이고,

도 3은 60 ∼ 62 HRC의 경도에서 경화처리 및 템퍼링처리되고, 바나듐-풍부 분말야금 냉간공구강의 충격인성에 대해 1차 카바이드의 함량이 미치는 효과를 나타내는 그래프이고[롱지투디날 테스트 방법;Longitudinal test direction],

도 4는 60 ∼ 62 HRC의 경도에서 경화처리 및 템퍼링처리되고, 바나듐-풍부 분말야금 냉간공구강의 금속대 금속의 내마모성에 대해 1차 바나듐-풍부 카바이드의 함량이 미치는 효과를 나타내는 그래프이다.

본 발명에 따른 질소분산, 예비합금된 분말로부터 얻어진 분말야금 냉간공구강은 열간가공되어 고밀도, 내마모성 및 바나듐-풍부의 조직을 갖고 있어 보다 개선된 충격인성을 나타낸다. 이러한 공구강의 조성은 탄소 0.60 ∼ 0.95 %, 바람직하기로는 0.70 ∼ 0.90 %; 망간 0.10 ∼ 2.0 %, 바람직하기로는 0.2 ∼ 1.0 %; 인 0.1 % 이하, 바람직하기로는 0.05 % 이하; 황 0.15 % 이하, 바람직하기로는 0.03 %이하; 실리콘 2 % 이하, 바람직하기로는 1.5 %이하; 크롬 6 ∼ 9 %, 바람직하기로는 7 ∼ 8.5 %; 몰리브덴 3 % 이하, 바람직하기로는 0.5 ∼ 1.75 %; 텅스텐 1 % 이하, 바람직하기로는 0.5 % 이하; 바나듐 2 ∼ 3.20 %, 바람직하기로는 2.25 ∼ 2.90 %; 질소 0.15 % 이하, 바람직하기로는 0.10 % 이하, 그리고 철을 주성분으로 하며, 불순물을 부수적으로 함유하고 있다. 상기 공구강을 적어도 58 HRC의 경도로 경화 및 탬퍼링처리하면, 모든 MC 형 카바이드는 약 4 ∼ 8 부피%의 범위에서 분산도를 나타내게 되며, 그 최대 크기는 약 6 ㎛ 이하가 된다. 그리고, 이들의 최대 탄소함량은 다음 수학식 1에 주어진 양 이하이다.

[수학식 1]

%C_maximum= 0.60 + 1.77(%V-1.0)

본 발명에 따른 공구강의 샤르피 C-노치 충격강도는 50 ft-lb를 초과한다.

본 발명에 따른 이들의 제조방법에 따르면, 2,800 ∼ 3,000℉(= 1537 ∼ 1649℃), 바람직하기로는 2,850 ∼ 2,950℉(= 1567 ∼ 1621℃)에서 용융된 공구강합금에 질소가스를 분무시켜 분말화 한 뒤, 결과된 분말을 상온으로 급속냉각시킨 후, 약 16메쉬(미국표준) 크기의 분말을 선별하여 13 ∼ 16 ksi(= 914 ∼ 1124 Kgf/cm²)의 압력, 2,000 ∼ 2,150℉(= 1093 ∼ 1177℃)의 온도 조건에서 고온 이소스태틱(hot isostatic)하게 압축하여 상기에서 한정한 조성범위내의 공구강을 제조한다. 이상에서와 같이 열간가공, 어닐링, 다음으로 적어도 58 HRC로 경화시킨 후에 결과된 본 발명에 따른 강재는 모든 MC-형 바나듐-풍부 1차 카바이드의 경우 약 4 ∼ 8 부피%의 범위내의 분산도를 나타내며, 1차 카바이드의 최대크기가 6 ㎛이하이고, 또한 본 발명에서 정의된 바와 같이 적어도 50 ft-lb(= 6.92 m-Kgf)의 C-노치 충격 강도를 갖는다.

본 발명에 따른 강재의 경우, 그들의 화학적 조성은 아래에서 정해진 넓은 그리고 적절한 범위내에서 유지되어야만 한다. 또한, 경화와 템퍼링공정동안에 페라이트와 과도한 양의 오스테나이트가 형성되는 방지하기 위해 상기 범위내에서 조성물을 조절할 필요가 있다. 게다가, 경화 및 템퍼링처리후에 상기 강재내의 미세구조내에 잔존하는 거의 모든 1차 카바이드가 바나듐-풍부 MC-형 카바이드가 되도록 조성물의 조성을 조절하는 것은 특히 중요하다. 이와 같은 이유로, 다음 수학식1의 강재내 바나듐 함량에 따라 최대 탄소함량을 조절한다.

수학식 1

%C_maximum= 0.60 + 1.77(%V-1.0)

주로, 조성의 변경, 즉 경화처리 및 템퍼링처리후의 미세구조내에 잔존하는 1차 카바이드의 양을 증가시켜 상기와 같은 관계식 범위보다 많은 양의 탄소를 함유시켜 사용하게 되면, 본 발명에 따른 강재의 인성이 감소하게 된다. 그러나, 바나듐과 결합시켜 견고한 내마모성을 갖는 카바이드를 얻고, 또한 공구강 매트릭스의 경도를 실제 응용시 과도한 변형 및 마모를 회피할 수 있을 수준까지 증가시키기 위해서는 충분한 탄소가 존재하여야 한다. 본 발명에 따른 강재에 있어서 질소의 합금효과는 다소 탄소의 합금효과와 유사하다. 질소는 마르텐사이트의 경도를 증가시키며, 또한 강재의 내마모성을 증가시킬 수 있는 탄소, 크롬, 몰리브덴, 그리고 바나듐과 결합하여 견고한 질화물 또는 침탄질화물을 형성할 수 있다.

그러나, 질소는 바나듐-풍부 강재내에서는 바나듐 질화물 또는 침탄질화물의 경도가 바나듐 카바이드의 경도보다 상당히 작기 때문에 탄소만큼 상기와 같은 유효한 효과를 나타내지는 못한다. 이러한 이유 때문에, 질소는 본 발명에서 약 0.15 증량%이하로 또는 용융 및 본 발명에 따른 강재를 만들 목적으로 분말을 질소 분산 중에 도입된 잔여량까지 최적으로 한정되어야 한다.

본 발명은 적당한 담금질성, 내템퍼링, 절삭성 및 연삭성은 물론 높은 인성과 내마모성을 갖는 바람직한 조성을 얻기 위해서는 상기 범위내로 크롬, 몰리브덴 및 바나듐의 함량을 조절할 필요가 있다.

바나듐은 내마모성을 증가시키는데 매우 중요한 성분으로서 MC-형 바나듐-풍부 카바이드 또는 침탄질화물을 형성한다. 만일, 상기한 최소량보다 적게 첨가할 경우 카바이드를 충분히 형성시킬 수 없는 문제점이 발생하며, 반면에 상기한 최대량을 초과하여 함유시키는 경우 과도한 카바이드의 형성으로 인해 인성이 너무 낮게 되는 문제점이 발생한다. 또한, 본 발명에 따른 강재의 내템퍼링성을 향상시키기 위해서는 상기 바나듐을 몰리브덴과 결합시킬 필요가 있다.

망간은 담금질성을 향상시키기 위해 첨가되는 것으로, 망간-풍부 황화물을형성하여 열간가공시 황에 의한 부정적인 효과를 제거하는 데에 유용하게 사용된다. 그러나, 만일 망간의 첨가량이 과도한 경우에는 열처리동안 부당하게 많은 양의 오스테나이트가 발생하며, 또한 우수한 절삭성을 나타내는 데에 필요한 낮은 경도를 얻기 위한 어닐링공정의 곤란성이 증가된다.

실리콘은 본 발명에 따른 강재의 열처리 특성을 개선시키는 데 유용하다. 그러나, 실리콘을 과도하게 첨가하는 경우에는 인성을 감소시키고, 또한 본 발명의 분말야금 강재의 미세구조내 페라이트의 형성을 방해하는 데에 필요한 탄소 또는 질소의 양을 과도하게 증가시킨다.

크롬은 본 발명에 의한 강재의 담금질성과 내템퍼링성을 증가시키는 데 매우 중요한 성분이다. 그러나, 만일 크롬을 과도하게 첨가할 경우에는 열처리동안에 페라이트의 형성을 부추기고, 또한 1차 크롬-풍부 M₇C₃카바이드의 형성을 촉진시켜 본 발명에 따른 강재가 지녀야 할 우수한 내마모성 및 인성을 해롭게 한다.

크롬과 마찬가지로 몰리브덴은 본 발명에 따른 강재의 담금질성 및 내템퍼링성을 향상시키는 데 매우 중요한 성분이다. 그러나, 만일 몰리브덴을 과도하게 첨가할 경우에는 열간가공성을 감소시키고, 또한 1차 카바이드의 부피비를 수용불가능한 수준으로 증가시킨다. 잘 알려진 바와 같이, 텅스텐은 2 : 1의 비율 예를들면, 약 1 % 미만의 양으로 일부분의 몰리브덴과 대체될 수 있다.

황은 0.15 % 이하의 양으로 망간황화물의 형성을 통해서 강재의 절삭성과 연삭성을 향상시키는데 유용한 성분이다. 그러나, 최대 인성을 목적으로 하는 경우에는 최대 0.03% 이하로 황을 함유시킨다.

본 발명에 따른 강재를 제조하는 데에 사용되는 질소 분무, 바나듐-풍부 예비합금처리된 분말을 얻는데 사용되는 합금은 다양한 방법으로 용융시키나, 대부분 공기 또는 진공에 의해 유도된 용융기술을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 본 발명은 합금의 용융 및 분무에 사용되는 온도와 분말을 고온 이소스태틱(hot isostatic)하게 압축하는 데에 사용되는 온도를 미세하게 조절하여 적당히 작은 크기의 카바이드를 얻음으로써 높은 인성과 연삭성을 갖는 본 발명에 따른 강재를 얻을 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

본 발명에 따른 원리를 설명하기 위해서, 일련의 분말야금 합금을 유도 용해된 강재의 질소분무화에 의하여 실험적으로 생산하였다. 이러한 합금에 적용할 수 있는 분무온도와 %로 표시된 화학적 조성들을 다음 표 2a ∼ 2c에 나타내었다.

또한, 본 발명과 비교하기 위하여 상업화된 여러개의 주괴주조와 분말야금 내마모성 합금들을 제조하여 이들을 테스트하였고, 다음 표 2a ∼ 2c에 상기한 상업화된 합금들의 조성을 나타내었다. 이때, 실제 상업화된 합금의 화학조성이 아닌 명목상의 화학 조성들을 나타내었다.

상기 표 2a ∼ 표 2c에 나타낸 실험용 합금은 (1) 16메쉬 크기(미국기준)를 갖는 예비합금분말을 선별하고, (2) 선별된 분말을 5인치 직경을 갖는 6인치 높이의 연강 용기에 채워 넣고, (3) 500℉에서 용기로부터 가스방출하여 진공상태로 조정하고, (4) 용기들을 봉합시키고, (5) 약 15 ksi에서 작동하는 고압멸균기에서 4시간동안 2,065℉의 온도로 용기를 가열하고, 그런 다음 (6) 상온으로 서서히 냉각시켰다. 모든 압축물들을 2,050℉의 온도로 재가열하여 바(bars)로 용이하게 고온단조하였다. 단조된 바(bars)의 고온감량은 약 70 ∼ 95 %의 범위에서 이루어진다. 테스트 시편들은 통상적인 공구강의 어닐링 사이클을 이용하여 어닐링 처리한 바(bars)로부터 얻었다. 여기서, 통상적인 공구강의 어닐링 사이클이란 2시간동안 1,650℉에서 가열하고, 시간당 25℉ 이하의 냉각속도로 1,200℉까지 천천히 냉각한 다음, 상온까지 공냉시키는 것이다.

본 발명에 따른 PM 공구강재의 장점과 그들 조성 및 제조방법의 중요성을 알아보기 위해 여러번의 조사와 실험을 수행하였다. 특히, 이러한 조사와 실험은 그들의 (1) 미세구조, (2) 열처리 조건에서의 경도, (3) 샤르피 C-노치 충격강도, (4) 그리고 십자 실린더 마모테스트에서의 금속과 금속간의 내마모성을 평가하기 위해 수행하였다. 인성과 마모성 테스트를 위해 대부분의 강재들을 60 ∼ 62 HRC의 목적경도로 경화처리 및 템퍼링처리하였다.

위의 사항은 시험변수로서의 경도를 제거하고 많은 냉간공구강의 전형적인 경도를 반영하기 위해 수행하였다.

실험예 1 : 미세 구조

상기한 바와 같이, 다른 공구강과 마찬가지로 본 발명의 분말야금 공구강의 내마모성과 충격강도는 그들 미세구조내에서의 1차 카바이드의 양, 형태, 크기 및 분포에 따라 크게 좌우된다. 이러한 관점에서 볼 때, 본 발명에 따른 PM 강재내의 1차 카바이드의 특성과 다른 분말 야금 또는 종래의 주괴주조 냉간공구강의 특성간에 중요한 차이점이 있다.

본 발명에 따른 경화 및 템퍼링처리된 PM 강재내에 존재하는 1차 카바이드(Bar 90 ∼ 80)와 역시 경화 및 템퍼링처리되어 유사한 조성을 지닌 종래의 주괴주조공구강내의 1차 카바이드(Bar 85 ∼ 65)사이의 중요한 차이점으로는 도 1 및 도 2의 광학현미경사진에 나타낸 바와 같다. 이러한 현미경사진에서 1차 카바이드들간의 차이점들을 강조하기 위하여, 특별한 에칭(etching)기술을 사용하여 어두운 검은 색을 배경으로하여 흰색입자로 1차 카바이드입자를 나타나게 하였다. 도 1에서, Bar 90 ∼ 80의 1차 카바이드는 일반적으로 거의 6 ㎛ 이하이고, 실제로도 4 ㎛ 이하이며 매트릭스를 전체에 고르게 분포되어 있다. 이러한 PM 공구강재내의 1차 카바이드에 대한 X-선 분산 분석을 통해 볼 때, 1차 카바이드로는 본 발명이 나타내는 바와 같이, 본질적으로 모두 바나늄-풍부 MC-형 카바이드임을 알 수 있다.

도 2는 Bar 85 ∼ 65의 1차 카바이드의 불규칙적인 크기와 분포를 나타낸다. 이러한 강재내에서의 1차 카바이드의 X-선 분산분석을 통해볼 때, 매우 큰 각 카바이드가 모두는 아니지만 대다수가 M₇C₃-형 크롬-풍부 카바이드라는 것을 나타낸다. 이에 반하여, 보다 작고 보다 잘 분산된 1차 카바이드는 Bar 90 ∼ 80에 존재하는 것들과 비슷한 MC-형 바나듐-풍부 카바이드이다. 이러한 관찰결과들은 본 발명에 따른 강재에 사용되는 분말야금 방법이 1차 카바이드의 크기와 분포 뿐만 아니라 형태와 조성에서도 중요한 차이점을 만들어낸다는 사실을 뒷받침해준다.

표 3a ∼ 3c는 표 2a ∼ 2c에 나타낸 몇몇의 PM 공구강과 주괴주조 공구강(85CrMoV)에 대해 수행된 스캐닝 전자현미경(SEM)과 화상 분석시험들의 결과를 요약하여 나타내고 있다. 상기와 같이, 이러한 강재내에서 측정된 1차 카바이드의 총 함량은 PM 3V(Bar 90 ∼ 80)의 경우 대략 5 부피%부터 PM 18V(Bar 89 ∼ 192)의 경우 30 부피%의 범위까지 나타났다. MC, M₇C₃및 M₆C로 표시되는 1차 카바이드의 형태는 대체로 모든 MC-형 카바이드인 단지 PM 3V(Bar 90 ∼ 80), PM 10V(Bar 95 ∼ 154), PM 15V(Bar 89 ∼ 169), PM 18V(Bar 89 ∼ 182)와의 가공성 및 합금평형에 따라 다양하게 나타난다.

탄소 또는 탄소와 합금 용량의 상대적으로 작은 차이로 인해 분말야금 강재내의 1차 카바이드의 양과 형태에 미치는 중요한 차이점은 MC-형 카바이드와 약 5.1 부피%를 함유하며 그 조성이 청구항의 범위내에 드는 PM 3V(Bar 90 ∼ 80), 약 3.4 부피%의 MC-형 카바이드와 5.9 부피%의 M₇C₃-형 카바이드를 함유하며, 1 %의 텅스텐과 Bar 90 ∼ 80보다 약간 많은 탄소를 함유하는 PM 110CrMoV(Bar 91 ∼ 65), 그리고 약 6.6 부피%의 MC-형 카바이드와 5.7 부피%의 M₇C₃-형 카바이드를 함유하고 있고, Bar 90 ∼ 80보다 상당히 많은 양의 탄소와 바나듐을 함유하는 PM 8Cr4V(Bar 89 ∼ 19)에 대한 결과를 상호 비교함으로써 알 수 있다. 주괴주조에 대비하여 분말야금 가공의 효과들은 약 5.1 부피%의 MC-형 카바이드를 함유하는 PM 3V(Bar 90 ∼ 80)와 Bar 90 ∼ 80와 거의 같은 조성인, 약 2.8 부피%의 MC-형 카바이드와 1.7 부피%의 M₇C₃카바이드를 함유하는 85CrMoV(Bar 85 ∼ 65)의 결과를 상호 비교함으로써 알 수 있다.

실험예 2 : 경도

경도는 냉간가공을 수행하는 동안에 공구강의 내변형척도로서 이용될 수 있다. 일반적으로 그와 같이 적용하는 공구강은 56 ∼ 58 HRC 범위의 최소경도를 필요로 한다. 60 ∼ 62 HRC의 높은 경도는 약간의 인성을 손실하는 반면에 강도와 내마모성을 향상시킨다.

PM 3V(Bar 96 ∼ 267)상에서 경화와 템퍼링처리의 결과는 다음 표 4에 나타내었으며, 그 결과로부터 본 발명의 PM 냉간 공구강재가 넓은 조건의 범위에 걸쳐서 경화와 템퍼링처리를 하는 경우에 56 HRC보다 높은 경도를 용이하게 얻을 수 있다는 사실을 알 수 있다.

실험예 3 : 충격인성

본 발명에 따른 강재의 충격인성을 평가 및 비교하기 위해서, 0.5 인치의 노치 반지름을 갖는 열처리된 시편을 이용하여 상온에서 샤르피 C-노치 충격 테스트를 수행하였다. 낮은 V-노치 인성값을 나타낼 것이라고 일반적으로 기대되는 고합금화 및 열처리된 공구강에 대한 비교 노치충격실험은 이러한 시편 형태를 이용함으로써 용이하게 수행할 수 있다. 본 발명의 범위내에서 만들어진 세 개의 다른 PM 강재와 여러개의 상업성 내마모성 합금에 대하여 얻어진 결과를 상기 표 3a ∼ 3c에 나타내었다. 그 결과, 본 발명에 따른 강재의 충격인성은 비교실험을 수행한 다른 모든 전형적인 주괴주조 및 PM 냉간공구강들보다 확실히 더 뛰어남을 알 수 있다.

본 발명의 중요한 점은 도 3에 나타내었으며, 그것은 거의 똑같은 경도에서 통상적으로 생산된 여러 개의 공구강으로부터 얻은 테스트 결과 뿐만아니라 60 ∼ 62 HRC로 열처리된 PM 공구강에 대한 총 카바이드 함량대 샤르피 C-노치 충격테스트의 결과를 보여준다. 그 결과, PM공구강의 인성은 카바이드의 종류와는 별개로 그 함량이 증가함에 따라 감소한다는 사실을 알 수 있다.

이러한 점에 있어서, 본 발명에 따른 청구범위내에 드는 PM 3V재(Bar 90 ∼ 80)는 대체로 4 ∼ 8 부피%의 MC-형 바나듐-풍부 1차 카바이드를 지니고 있다. 본 발명과 관련하여 이러한 재료의 내마모성은 본 발명의 범위내에 들지 않는 합금 PM 110CrVMo(Bar 91 ∼ 65)의 내마모성과 동일하며, 또한 상당히 많은 양의 1차 카바이드 함량을 지니고 있다. 이러한 사실로부터 본 발명에 따른 합금이 거의 두 배의 1차 카바이드를 함유하고 있음에도 불구하고, 본 발명의 범위밖에 존재하는 합금과 동일한 내마모성을 지닐수 있음을 알 수 있다. 게다가, 본 발명에 따른 합금은 PM 110 CrVMo 합금이 지니고 있는 충격인성보다 기대하지 못할 만큼의 향상된 충격 인성을 지니고 있다. 특히, 본 발명의 합금은 비발명인 합금이 갖는 44 ft-lbs와 비교하여 54 ft-lbs의 샤르피 C-노치 충격강도를 갖는다. 이러한 자료로부터 본 발명은 여지껏 얻을 수 없었던 충격인성과 내마모성 모두를 동시에 얻을 수 있음을 알 수 있다.

본 발명에 따른 합금과 유사하게 단지 MC-형 카바이드만을 함유하고 있으나, 보다 많은 양을 함유하고 있는 PM 10V, PM 15V 및 PM 18V 합금에 있어서, 그들의 충격인성은 본 발명에 따라 결과된 것에 대하여 상당히 감소한다. 여기서, 본 발명의 결과를 얻기 위하여서는 1차 카바이드는 MC-형 카바이드이어야 할 뿐만아니라 이들의 부피함량도 가령, 4 ∼ 8 부피%의 본 발명에 따른 한정범위만큼 함유하고 있어야 한다.

실험예 4 : 금속 대 금속의 내마모성

실험재료에 대한 금속 대 금속의 내마모성은 ASTM G83에서 설명된 바와 유사하게 윤활제로 처리되지 않은 십자 실린더 마모테스트법을 이용하여 측정하였다.

이 테스트에서, 특정 충전량을 지닌 수직방향의 고정 시편에 대하여 카바이드 실린더를 압축하고 회전시켰다. 선택적으로 마모된 상기 시편의 부피손실은 규칙적인 간격으로 측정한 후, 그 측정결과로부터 충전량과 총 마모이동거리에 기초한 내마모성변수를 계산하였다. 이러한 결과들은 상기 표 3a ∼ 3c에 나타내었다.

도 4는 표 2a ∼ 2c에 명시된 PM 합금강과 종래 통상적인 방법으로 제조한 냉간공구강에 대한 금속 대 금속의 내마모시험을 수행하였고, 그 결과 그들이 함유하는 총 1차 카바이드 함량 및 MC-형 카바이드의 양에 대한 내마모성과의 관계를 나타내고 있다. 이러한 테스트에 의해 측정된 내마모성은 MC-형(바나듐-풍부) 1차 카바이드의 부피%가 증가할수록 월등히 증가하며, 이는 실제 금속가공처리시와 잘일치하는 결과이다. 비록 2.82%의 바나듐을 함유하는 합금 PM 3V(Bar 90 ∼ 80)로 나타내지는 본 발명에 따른 PM 강재는 4% 이상의 바나듐을 함유하는 PM 강재의 경우보다 내마모성이 다소 적지만, 1 % 미만의 바나듐을 함유하는 A-2 또는 D-2보다 큰 내마모성을 갖는다.

이번 테스트에서 4%의 바나듐을 함유하고 있는 PM M4는 PM 8Cr4V와 PM 12Cr4V보다 상당히 좋은 성능을 발휘한다. 이렇게, PM M4가 PM 12Cr4V의 약 반정도와 PM 8Cr4V와 비교될 수 있는 카바이드 함량을 지니고 있음에도 불구하고, 비교적 좋은 내마모성을 갖는 이유는 다른 두 개의 4%의 바나듐함유 강재에 존재하는 M₇C₃-형(크롬-풍부) 카바이드보다 더 경화된 약 4%의 MC-형 카바이드와 9%의 M₆C-형(텅스텐과 몰리브덴이 풍부한) 카바이드로 이루어진 조성 때문이다. 비록 종래의 통상적인 방법으로 제조된 D-2와 D-7 역시 상대적으로 높은 총 카바이드 함량을 지니고 있지만, 이들 강재의 상대적으로 낮은 MC-형 카바이드 함량 때문에 이들 강재는 PM 3V 및 유사한 카바이드 함량과 훨씬 높은 바나듐함량을 지닌 PM 10V, PM 15V 및 PM 18V과 비교해서 상당히 낮은 내마모성 수치를 갖게 된다.

이를 요약하면, 이들 강재에 대한 인성 및 내마모성 시험 결과, 이들의 미세구조내에 존재하는 1차 카바이드의 양을 제한하고, 경화 및 템퍼링처리후에 그들의 미세구조내에 잔존하게 되는 유일한 1차 카바이드는 MC-형 바나듐-풍부 카바이드가 되도록 그 조성과 가공성을 조절함으로써 내마모성, 바나듐-함유 분말야금 냉간공구강재의 충격인성을 현저히 개선하였음을 알 수 있다. 본 발명에 따른 PM강재가 지니고 있는 금속대 금속간의 우수한 내마모성 및 높은 인성은 확실히 AlSI A-2와 D-2와 같은 종래의 주괴 주조 냉간공구강이 지니고 있는 내마모성 및 인성을 훨씬 능가한다. 또한, 본 발명에 따른 PM강재가 지니고 있는 높은 인성은 여러 상황에 적용해본 결과 충분한 인성을 나타내지는 못하나 금속대 금속간의 내마모성은 약간 개선된 PM 8Cr4V와 같은 기존의 PM 냉간공구강이 지니고 있는 인성보다 훨씬 향상되었다.

그 결과, 상기와 같은 특성을 지니고 있기 때문에 본 발명에 따른 PM강재는 절단공구(펀치, 다이스), 블랭킹과 펀칭 공구, 경량 재료를 절단하기 위한 전단 블레이드 및 매우 높은 인성을 필요로 하는 공구재의 냉간가공시에 특히 유용하게 응용할 수 있다.

여기서, "MC-형 카바이드"라 함은 입방결정구조로 이루어진 바나듐-풍부 카바이드를 말하며, 또한 "M"은 카바이드 형성 바나듐, 그리고 카바이드내에 함유될 수 있는 또다른 몰리브덴, 크롬 및 철과 같은 소량의 요소들을 말한다. 또한, 상기 용어는 바나듐-풍부 M₄C₃카바이드와 일부 탄소가 질소로 치환된 침탄질화물로 알려진 변환물을 포함한다.

그리고, "M₇C₃-형 카바이드"라 함은 6방 결정구조로 이루어진 크롬-풍부 카바이드를 나타내며, 여기서 "M"은 카바이드 형성 원소 크롬과 카바이드에 또한 함유될 수 있는 소량의 몰리브덴, 크롬 및 철과 같은 다른 요소들을 나타낸다. 또한,상기 용어는 역시 일부 탄소가 질소로 치환된 침탄질화물로 알려진 변환물을 포함한다.

또한, "M₆C-형 카바이드"라 함은 면심입방격자로 이루어진 텅스텐 또는 몰리브덴이 풍부한 카바이드를 나타내며, 이 카바이드는 또한 적당량의 Cr, V 및 Co를 포함한다.

본 발명에서 사용된 "대체로 모두"라 함은 본 발명에 따른 장점, 즉 인성과 내마모성에 별다른 영향을 주지않으면서도 MC-형 바나듐-풍부 카바이드이외에 소량의 1차 카바이드(1% 미만)가 존재할 수도 있음을 의미한다.

본 명세서상에서 별다른 표시가 없는한 모든 "%"는 중량%를 의미한다.

Claims

탄소 0.60 ∼ 0.95%; 망간 0.10 ∼ 2.0%; 인 0.1% 이하; 황 0.15% 이하; 실리콘 최고 2%; 크롬 6.00 ∼ 9.00%; 몰리브덴 3% 이하; 텅스텐 1% 이하; 바나듐 2.00 ∼ 3.20%; 질소 0.15% 이하; 철을 주성분으로 하고 부수적으로 불순물이 함유되어 있고, 이때 최대 탄소함량은 다음 수학식 1로 표시되는 양을 초과하지 않도록 조성되어 있으며, 상기 조성에 질소로 분산시켜 고강도를 유지하도록 한 예비합금분말로 이루어진 강재(steel article)로서,

상기한 강재는 적어도 58 HRC의 경도로 경화 및 탬퍼링처리하여 MC-형 카바이드가 4 ∼ 8 부피% 함유되고, MC-형 카바이드의 최대 크기가 약 6 ㎛를 초과하지 않으며, 샤르피 C-노치 충격강도(a Charpy C-notch impact strength)가 6.92 m-Kgf(= 50 ft-lb)를 초과하도록 열간가공된 것임을 특징으로 하는 고밀도 및 내마모성이 우수하고 바나듐이 풍부한 분말야금 냉간공구강.

수학식 1

%C_maximum= 0.60 + 1.77(%V-1.0)
제 1 항에 있어서, 탄소 0.70 ∼ 0.90%; 망간 0.20 ∼ 1.00%; 인 0.05% 이하; 황 0.03% 이하; 실리콘 최고 1.50%; 크롬 7.00 ∼ 8.50%; 몰리브덴 0.5 ∼ 1.75% 이하; 텅스텐 0.50% 이하; 바나듐 2.25 ∼ 2.90%; 질소 0.10% 이하; 철을 주성분으로 하고 부수적으로 불순물이 함유되어 있고, 이때 최대 탄소함량은 다음 수학식 1로 표시되는 양을 초과하지 않도록 조성되어 있으며, 이를 열간가공시켜 얻은 것임을 특징으로 하는 고밀도 및 내마모성이 우수하고 바나듐이 풍부한 분말야금 냉간공구강.

수학식 1

%C_maximum= 0.60 + 1.77(%V-1.0)
탄소 0.60 ∼ 0.95%; 망간 0.10 ∼ 2.0%; 인 0.1% 이하; 황 0.15% 이하; 실리콘 최고 2%; 크롬 6 ∼ 9%; 몰리브덴 3% 이하; 텅스텐 1% 이하; 바나듐 2 ∼ 3.20%; 질소 0.15% 이하; 철을 주성분으로 하고 부수적으로 불순물이 함유되어 있고, 이때 최대 탄소함량은 다음 수학식 1로 표시되는 양을 초과하지 않도록 조성되어 있는 공구강재(tool steel article)를 1537 ∼ 1649℃(= 2800 ∼ 3000°F) 범위에서 용융시켜 얻은 공구강합금의 합금 증기를 분출시키며, 분출되는 합금증기를 질소에 분산시켜 합금분말을 얻고,

그 분말을 상온까지 급속냉각시킨 후 -16 메쉬크기(U.S. standard)의 분말만을 선별하고, 그런 다음 상기 분말을 1093 ∼ 1177℃(= 2000 ∼ 2150℉)의 고온 및 914 ∼ 1124 Kgf/cm²(= 13 ∼ 16 ksi)의 압력 조건으로 고온 이소스태틱하게 압축시키는 열간가공, 어닐링 및 경화공정으로 구성되어 있고, 그 결과된 강재는 58 HRC 초과 경도와 4 ∼ 8 부피%의 MC-형 바나듐-풍부 카바이드 부피분율을 지니며, 1차카바이드의 최대크기가 6 ㎛를 초과하지 않으며, 샤르피 C-노치 충격강도(a Charpy C-notch impact strength)가 6.92 m-Kgf(= 50 ft-lb)를 초과하도록 하는 것을 특징으로 하는 고밀도 및 내마모성이 우수하고 바나듐이 풍부한 분말야금 냉간공구강의 제조방법.

수학식 1

%C_maximum= 0.60 + 1.77(%V-1.0)
제 3 항에 있어서, 상기 고밀도 및 내마모성이 우수하고 바나듐이 풍부한 분말야금 냉간공구강은 탄소 0.70 ∼ 0.90%; 망간 0.20 ∼ 1.00%; 인 0.05% 이하; 황 0.03% 이하; 실리콘 최고 1.50%; 크롬 7.00 ∼ 8.50%; 몰리브덴 0.5 ∼ 1.75% 이하; 텅스텐 0.50% 이하; 바나듐 2.25 ∼ 2.90%; 질소 0.10% 이하; 및 철을 주성분으로 하고 부수적으로 불순물이 함유되어 있고, 이때 최대 탄소함량은 다음 수학식 1로 표시되는 양을 초과하지 않도록 조성되어 있는 것을 특징으로 하는 제조방법.

수학식 1

%C_maximum= 0.60 + 1.77(%V-1.0)
제 3 항에 있어서, 상기 분산은 1565 ∼ 1621℃(= 2850 ∼ 2950℉)의 온도범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 제조방법.