KR100502193B1 - 고경도 코발트 미량함유 고속도공구강 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절삭기계의 공구로 사용되는 고속도공구강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

이 고속도공구강은 중량%로, C: 0.75~1.1%, Si: 0.1~1.0%, Mn: 0.5% 이하, Cr: 3.7~4.5%, Ni: 0.30% 이하, Co: 0.3~0.8%, Mo: 4.5~5.5%, W: 5.5~6.8%, V: 1.7~2.2%, Cu: 0.6% 이하, 나머지 Fe및 기타 불가피한 불순물로 조성된다. 또한, 이 고속도공구강의 제조방법 역시 제공된다.

이 고속도공구강은 M2 고속도공구강의 열간가공성을 가지면서 목표 경도치를 갖는다. 따라서, 선재 및 봉재의 생산이 용이하며, M2 고속도공구강의 품질이 향상된다.

Description

고경도 코발트 미량함유 고속도공구강 및 그 제조방법{High speed tool steel having superior hardness and method for manufacturing the same}

본 발명은 절삭기계의 공구로 사용되는 고속도공구강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Co 함량을 제어하여 경화온도에 따라 경도를 제어하는 동시에 Si을 첨가하여 경도를 향상시킨 코발트 미량함유 고속도공구강에 관한 것이다.

고속도공구강은 타 강종에 비해 경도가 높아 기계부품을 가공하는 가공용 공구의 기본 소재로 널리 사용되고 있다. 이중 가장 널리 사용되고 있는 고속도공구강은 M2 고속도공구강으로, 로크웰(Rockwell) 경도로 최대 63~65의 경도를 갖는다. 그런데, 상기 M2 고속도공구강은 로크웰 경도 64수준을 안정적으로 확보하는 것이 요구되나, 실제로 64이상의 경도를 확보하는 것은 매우 어렵다.

M2 고속도공구강은 고탄소계 M2 고속도공구강과 저탄소계 M2 고속도공구강으로 나뉜다. 상기 고탄소계 M2 고속도공구강은 64 이상의 로크웰 경도를 안정적으로 확보하는 것이 가능하지만, 탄소 함량과 탄화물 형성원소의 함량이 높아 열간가공성이 열악한 문제점이 있어 봉상압연에 의해 선재나 봉재를 생산하는 대량생산 체계에는 부적합하다. 따라서, 저탄소계 M2 고속도공구강이 상업적으로 널리 사용되고 있는 실정이다. 그러므로, 저탄소계 M2 고속도공구강의 로크웰 경도를 64 이상으로 확보하는 것이 당 기술분야에서의 핵심과제이다.

고속도공구강의 경도를 향상시키기 위한 종래기술로는 미국 특허번호 3,859,081호가 있다. 상기 종래기술은 코발트(Co)를 5~7중량%정도 첨가하여 기지조직의 경도와 미세한 2차 탄화물의 양을 증가시키는 것으로, 로크웰 경도가 최대 66~69 수준 까지도 달성 가능하다. 이러한 계열의 고속도공구강은 주로 고품위용으로 사용되며, 코발트의 높은 가격때문에 경제적으로 부담이 있는 문제점이 있다.

또 다른 종래기술로는 미국 특허번호 5,435,827호가 있으며, 이는 분말야금법에 의해 고속도공구강을 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 분말야금법은 미세한 합금 분말입자를 이용하기 때문에 일반적으로 주조 잉곳을 이용하여 제조하는 경우에 발생되는 잉곳 중심부의 편석이나 조대한 공정탄화물의 발생을 억제할 수 있다. 따라서, 상대적으로 균일한 금속조직을 갖는 고속도공구강을 제조할 수 있다는 장점이 있지만, 일반 주조 및 압연공정을 이용하는 방법에 비해 성형공정이 복잡하여 그 제조단가가 너무 비싼 문제점이 있다.

또 다른 종래기술로는 일본 공개특허공보 소57-198250호가 있으며, 이는 희토류 원소를 첨가하여 경도 및 기계적 특성을 향상시키는 것이다. 그러나, 상기 종래기술은 Co보다도 몇 배나 고가인 희토류 원소를 첨가하여야 하기 때문에 실제 제품에는 거의 적용되지 못하고 있는 문제점이 있다.

또 다른 종래기술로는 대한민국 공개특허공보 2002-76723호가 있는데, 상기 종래기술은 Si 함량을 0.32~1.0%로 제어함으로써 Si의 탄화물 미세화와 석출량 증가 효과로 경도를 향상시키는 것에 관한 것이다. 그러나, 상기 종래기술은 경화온도가 낮은 영역에서는 경도 상승효과가 있지만, 경화온도가 높은 경우에는 더 이상 경도가 향상되지 않는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, Co 함량을 제어하여 경화온도에 따라 경도를 제어하는 동시에 Si을 첨가하여 경도를 향상시킨 코발트 미량함유 고속도공구강 및 그 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로, C: 0.75~1.1%, Si: 0.1~1.0%, Mn: 0.5% 이하, Cr: 3.7~4.5%, Ni: 0.30% 이하, Co: 0.3~0.8%, Mo: 4.5~5.5%, W: 5.5~6.8%, V: 1.7~2.2%, Cu: 0.6% 이하, 나머지 Fe및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 것을 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 고속도공구강의 제조방법은, 상기와 같이 조성되는 강을 1100~1150℃에서 균질화처리하여 열간가공하는 것을 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명자들은 저탄소계M2 고속도공구강을 사용하여 열간가공성을 기본적으로 확보하면서 로크웰 경도를 높이기 위한 연구를 진행하던 중, 다음 2가지 사실을 확인하였다.

(1) 특정 Co의 함량에서 경화처리온도가 증가함에 따라 경도상승효과가 있다는 것.

(2) 특정 Si의 함량에서 경화처리온도가 낮은 영역에서만 경도상승효과가 있다는 것.

따라서, 상기 2가지 사실에 주목하여 Co와 Si의 함량을 적절하게 제어하면, 단지 미량의 Co만으로 높은 경화처리온도에서도 경도상승을 도모할 수 있을 뿐만 아니라 Si을 동시에 제어하여 경화처리온도 전영역에서 경도를 상승시키며 동시에 희망하는 경도로 경도를 제어하는 것이 가능한 것이다.

본 발명은 M2고속도 공구강에서 Co와 Si의 함량을 복합제어 하는데 특징이 있는 것으로, 이하 강조성과 제조방법을 나누어서 설명한다.

[강조성]

C: 0.75~1.1중량%

고속도공구강에서의 탄소 함량은 탄화물 형성원소인 W, Mo, V 및 Cr의 함량에 의해 결정되는 인자로서, (W+Mo+V+Cr)/C의 비율에 따라 저탄소계 고속도공구강 및 고탄소계 고속도공구강으로 나뉘어진다. 상기 고탄소계 고속도공구강은 0.95~1.10중량% 정도의 탄소를 함유하며, 저탄소계 고속도공구강은 0.75~0.90중량% 정도의 탄소를 함유한다.

상기 C는 V, Cr, Mo, W등과 같은 여러가지 탄화물 형성원소와 결합하여 다양한 탄화물을 형성하는데 필요한 기본 성분으로, 0.75중량% 미만 첨가되면 충분한 양의 탄화물 형성이 어렵고, 1.1중량%를 초과하여 첨가되면 과잉의 탄소가 기지에 잔류되어 과잉의 오스테나이트 상을 형성시켜 경도를 저하시킨다. 또한, 과잉의 탄소는 고상선을 크게 낮춤으로써 오스테나이징 처리시에 국부 용융이 발생시킬 수 있으므로, 그 함량을 0.75~1.1중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Si: 0.1~1.0중량%

상기 Si은 탈산제로 첨가되는 성분으로, 탄화물 석출을 보다 증대시켜 경도 향상에도 기여한다. 상기 Si의 함량이 0.1중량% 미만이면 Si 고유의 탈산효과가 거의 없으며, 1.0중량%를 초과하여 첨가되면 소재의 인성이 감소하는 문제점이 있을 뿐만 아니라 탈산효과도 포화되므로, 그 함량을 0.1~1.0중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Si의 함량범위에서 경화처리온도가 낮은 경우에는 경도상승효과가 뚜렷하지만, 경화처리온도가 높은 경우에는 더 이상 경도상승이 이루어지지 않는다. 따라서, 상기 Si의 함량과 함께 Co의 함량을 복합적으로 제어하여 경화처리온도가 증가함에 따라 지속적으로 경도상승효과가 나타나도록 하여야 한다.

특히, 상기 Si의 함량을 0.32~1.0중량%로 관리하면 0.32중량% 이상에서 얻을 수 있는 Si 고유의 탄화물 석출증대효과를 동반할 수 있게 되어 낮은 경화처리온도에서도 보다 높은 경도를 유지할 수 있으므로, 보다 바람직하다.

Mn: 0.5중량% 이하

상기 Mn은 오스테나이트 안정화 원소로, 0.5중량%를 초과하여 첨가되면 잔류 오스테나이트를 증가시켜 경도를 급격하게 감소시키므로, 그 함량을 0.5중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Cr: 3.7~4.5중량%

상기 Cr은 고온 내산화성을 제어하고 템퍼링시에 탄화물 석출을 지연함으로써 경화능을 제공하는 성분으로, 3.7중량% 미만 첨가되면 이 두가지의 역할을 충분히 달성하기 어렵고, 4.5중량%를 초과하여 첨가되면 과잉의 오스테나이트를 잔류시키므로, 그 함량을 3.7~4.5중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Ni: 0.30중량% 이하

상기 Ni은 Mn과 마찬가지로 오스테나이트 안정화 원소로, 0.30중량%를 초과하여 첨가되면 잔류 오스테나이트를 증가시켜 경도를 급격하게 감소시키므로, 그 함량을 0.30중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Co: 0.3~0.8중량%

상기 Co는 고속 기계가공에 따른 공구의 온도상승에 견디는 내열성 확보와 기지경도 향상을 위해 주로 첨가되며, 그 함량이 적어도 3중량% 이상에서만 그 효과가 나타나는 것으로 알려져 있다.

하지만, Co의 함량을 본 발명의 범위인 0.3~0.8중량%로 관리하면 경화처리온도가 높은 영역에서 경도증가 효과가 나타나게 된다.

상기 Co의 함량이 0.3중량% 미만이면 경화처리온도가 낮은 영역이나 높은 영역에 상관없이 경도증가 효과가 거의 없으며, 0.8중량%를 초과하면 경화온도가 높은 영역에서 열처리하는 경우에 오스테나이트의 안정성을 높여 급냉시 오스테나이트를 상온까지 잔류시켜 경도를 감소시키므로, 그 함량을 0.3~0.8중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Mo: 4.5~5.5중량%

상기 Mo는 M2 고속도공구강에서 M₆C형태의 탄화물 형성을 위해 첨가되는 성분으로, 4.5중량% 미만 첨가되면 과잉의 탄소를 발생시켜 열간가공성 등의 인성과 관련된 물성을 저해하고, 5.5중량%를 초과하여 첨가되면 기지의 인성을 떨어뜨려 물성을 낮추는 문제점을 야기하므로, 그 함량을 4.5~5.5중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

W: 5.5~6.8중량%

상기 W은 상기 Mo과 마찬가지로 M2 고속도공구강에서 M₆C형태의 탄화물 형성을 위해 첨가되며, 5.5중량% 미만 첨가되면 과잉의 탄소를 발생시켜 열간가공성 등의 인성과 관련된 물성을 저해하고, 6.8중량%를 초과하여 첨가되면 기지의 인성을 떨어뜨려 물성을 낮추는 문제점을 야기하므로, 그 함량을 5.5~6.8중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

V: 1.7~2.2중량%

상기 V은 MC형태의 탄화물 형성을 위해 첨가되며, 1.7중량% 미만 첨가되면 충분한 탄화물의 확보가 어려울 뿐만 아니라 과잉의 탄소잔류로 인성을 떨어뜨리고, 2.2중량%를 초과하여 첨가되면 기지에 잔류하여 기지의 인성을 떨어뜨리므로, 그 함량을 1.7~2.2중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Cu: 0.6중량% 이하

상기 Cu는 주로 스크랩등에서 유입되는 성분으로, 0.6중량%를 초과하여 첨가되면 파괴인성을 저하시키므로, 그 함량을 0.6중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기한 조성 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

[제조방법]

상기와 같이 조성되는 강을 1100~1150℃에서 균질화처리한다. 상기 균질화처리는 뾰족한 형태의 M₂C 공정탄화물을 둥글고 미세한 MC 및 M₆C 탄화물로 분해하는 효과가 있다.

상기 균질화처리 온도가 1100℃ 미만이면 M₂C 공정탄화물을 미세한 MC 및 M₆C 탄화물로 분해시키는데 걸리는데 필요한 유지시간이 길어지며, 1150℃를 초과하면 열간압연 초기 투입온도에 비해 높아지는 문제점이 있으므로, 상기 균질화처리 온도는 1100~1150℃로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 균질화처리 후, 같은 온도에서 적절한 형상으로 열간가공한다. 상기 열간가공 온도가 1100℃ 미만이면 열간압연시 온도강하로 인하여 롤의 부하가 증가될 뿐만 아니라 열간가공성도 열화되고, 1150℃를 초과하면 열간취성에 의해 소재가 쉽게 깨지는 문제점을 야기하므로, 상기 열간가공 온도는 1100~1150℃로 제한하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 고속도공구강에 Co를 미량 첨가하여 경화처리온도에 따라 지속적인 경도향상을 얻는 것이다. 덧붙여 Si을 복합적으로 관리함으로써 원하는 경도를 경화처리온도의 제어를 통하여 얻어내는데 특징이 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같은 조성을 갖는 강을 진공용해로를 이용하여 50kg의 잉곳으로 제조하였다. 상기 제조된 잉곳을 열처리로에서 1100~1150℃로 2시간 동안 균질화처리한 후에 약 12mm로 열간압연하여 판재로 제조하였다. 상기 제조된 판재를 실제 제품과 동일한 구상화 열처리, 경화처리(오스테나이징 처리) 및 템퍼링 처리 등의 열처리 공정에 적용한 후에 로크웰 경도를 측정하였다.

상기 구상화 열처리는 840℃에서 4.2시간동안 유지한 후, 660℃까지 21℃/시간의 냉각속도로 냉각한 후에 취출하였다.

상기 오스테나이징 처리는 1190~1220℃ 구간에서 5분간 유지한 후에 유냉하였다.

상기 템퍼링 처리는 535℃에서 2시간동안 유지한 후에 유냉하고 다시 한번 더 535℃에서 2시간동안 유지한 후에 유냉하는 과정을 반복하여 수행하였다.

도1은 Co 함량과 경화처리온도에 따른 비교재(1~3) 및 발명재(1)의 경도변화를 나타낸 그래프이다. 도 1에 나타난 바와 같이, Co의 함량이 0.3중량% 미만인 비교재(1~2)는 경화처리온도에 따라서 경도상승이 거의 이루어지지 않고 있다. 또한, Co의 함량이 0.8중량%를 초과한 비교재(3)은 고가의 Co가 보다 많이 첨가됨에도 불구하고 1220℃의 경화처리온도에서 경도가 저하됨을 알 수 있다.

그러나, Co가 0.610중량% 첨가된 발명재(1)의 경우, 1220℃의 경화처리온도에서 1.0 이상의 경도상승이 나타나고 있다.

도 2는 Si 함량과 경화처리온도에 따른 비교재(1, 4~5)의 경도변화를 나타낸 그래프이다. 도 2에 나타난 바와 같이, Si의 함량이 본 발명의 범위를 만족하더라도 Co의 함량이 본 발명의 범위를 만족하지 않는 비교재(1, 4~5)의 경우, 낮은 경화처리온도에서는 경도상승이 이루어지나 1220℃ 정도의 높은 경화처리온도에서는 경도상승이 더 이상 유지되지 않는 것을 알 수 있다.

도 3은 Co와 Si을 복합적으로 제어함에 따른 비교재(1) 및 발명재(2~3)의 경도변화를 나타낸 그래프이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에서는 도 3에 나타난 바와 같이 Co함량과 Si함량을 복합제어함으로써 경도의 절대값을 상승시키는 동시에 경화처리온도가 상승함에 따라 경도상승이 지속적으로 이루어지는 고속도공구강을 제공할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 발명재는 경화처리온도 제어에 의해 원하는 공구의 경도를 제어하는 것이 가능할 뿐만 아니라 공구메이커에서 합격기준인 로크웰 경도 64 이상을 전 경화처리온도 구간에서 확보할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 M2 고속도공구강의 열간가공성을 확보하는 동시에 목표 경도치를 쉽게 달성하게 함으로써, 선재 및 봉재의 생산을 용이하게 하고 M2 고속도공구강의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 Co함량 및 경화처리온도에 따른 M2 고속도공구강의 경도변화를 나타내는 그래프

도 2는 Si함량 및 경화처리온도에 따른 M2 고속도공구강의 경도변화를 나타내는 그래프

도 3은 Co와 Si 복합첨가에 따른 M2 고속도공구강의 경도변화를 나타내는 그래프

Claims (5)

1. 중량%로, C: 0.75~1.1%, Si: 0.1~1.0%, Mn: 0.5% 이하, Cr: 3.7~4.5%, Ni: 0.30% 이하, Co: 0.3~0.8%, Mo: 4.5~5.5%, W: 5.5~6.8%, V: 1.7~2.2%, Cu: 0.6% 이하, 나머지 Fe및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 것을 포함하여 이루어지는 고경도 코발트 미량함유 고속도공구강.
2. 제1항에 있어서, 상기 Si은 0.32~1.0중량%임을 특징으로 하는 고경도 코발트 미량함유 고속도공구강.
3. 제1항에 있어서, 상기 고속도공구강은 로크웰 경도가 64이상임을 특징으로 하는 고경도 코발트 미량함유 고속도공구강.
4. 중량%로, C: 0.75~1.1%, Si: 0.1~1.0%, Mn: 0.5% 이하, Cr: 3.7~4.5%, Ni: 0.30% 이하, Co: 0.3~0.8%, Mo: 4.5~5.5%, W: 5.5~6.8%, V: 1.7~2.2%, Cu: 0.6% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강을 1100~1150℃에서 균질화처리하여 열간가공하는 것을 포함하여 이루어지는 고경도 코발트 미량함유 고속도공구강의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 Si은 0.32~1.0중량%임을 특징으로 하는 고경도 코발트 미량함유 고속도공구강의 제조방법.