[논문]공구강의 열처리 조건에 빠른 기계적 성질

박지환; 이종권; 류근걸; 이윤배

공구강의 열처리 조건에 빠른 기계적 성질
Effect of Heat Treatment on Mechanical Properties of STD11 and STS3 원문보기

금형부품으로 사용되는 STD11과 STS3의 열처리에 따른 물리적 특성을 비교하여 금형부품으로 사용시 약점으로 지적되어온 물성을 개선시키고자 하였다. STS3와 STD11의 잔류 austenite의 측정과 촉진시효변형시험, Charpy 충격시험결을 실시한 결과 목표경도를 얻기 위한 심냉처리의 효과, 작업안정성과 칫수안정성면에서 STD11이 STS3보다 우수한 것으로 나타났다. STS3에서는 심냉처리에 의한 잔류 austenite의 감소량은 크게 나타나지 않았으며 또한, 변형을 최소화시켜야 하는 금형에서는 심냉처리가 필수적이라는 것을 확인하였다.

Using STD11 and STS3 as a mold set, accuracy of a mold product could be improved by heat treatment. Results of Charpy impact test and measurement of retained austenite in STS3 and STD11, STD11 was superior than STS3 in effect of sub-zero treatment and stability of working and measure. Decrease of retain austenite by sub-zero treatment in STS3 did not occured.

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문제 정의

특히 냉간 단조용 금형 에서는 압축강도가 크고 경도 및 내마모성이 양호하여 야하며 적당한 인성을 가지는 재료가 요구된다.[1] 본 연구는 STS3와 STD11의 열처리 조건에 따른 물성변화를 비교하여 금형부품으로 사용 시 약점으로 지적되 어온 물성을 개선시키는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 STS3와 STD11의 열처리 공정후의 경도 및 충격 흡수에너지, 잔류 오스테나이트의 양을 측정하여 금형 재료로서의 물성평가를 하였다.

제안 방법

모두 full-annealing한 시편 들에 대하여 quenching을 하여 심냉처리 한 것과 심냉 처리를 하지 않은 것에 대하여 각각 tempering 하였다. RIGAKU사의 XRD(DMAX 2200PC)를 이용하여 잔류 austenite의 양을 측정하였다. 각각의 시편에 대한 열처리 공정올 Fig 1, 2에 나타내었다.
STS3와 STD11 재료를 충격시험을 위한 size로 총 80개의 시편을 제작하였다. 모두 full-annealing한 시편 들에 대하여 quenching을 하여 심냉처리 한 것과 심냉 처리를 하지 않은 것에 대하여 각각 tempering 하였다. RIGAKU사의 XRD(DMAX 2200PC)를 이용하여 잔류 austenite의 양을 측정하였다.
5 kgfm이라는 수치는 취성파괴가 발생하는 극히 작은 값이므로 시편의 연성- 취성 특성의 평가를 하는 충격시험으로서 큰 의미를 둘 수는 없을 것으로 판단된다. 이러한 사실을 확인하기 위하여 SEM을 사용하여 시편의 파단면을 관찰하였다. Fig.
[1] 본 연구는 STS3와 STD11의 열처리 조건에 따른 물성변화를 비교하여 금형부품으로 사용 시 약점으로 지적되 어온 물성을 개선시키는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 STS3와 STD11의 열처리 공정후의 경도 및 충격 흡수에너지, 잔류 오스테나이트의 양을 측정하여 금형 재료로서의 물성평가를 하였다. 이러한 연구결과를 토대로 채택 한 금형재료의 물성평가와 엄격한 열처리 공 정에 대한 중요성 인식 등을 통하여 금형부품의 수명 및 생산효율의 증가, 제품 품질의 향상을 기대할 수 있을 것으로 생각된다.
제작한 시편 중, 각 조건에 따라 열처리된 STS3(8개 ), STD11(8개) 그리고 각각 full annealing된 각각의 시편 1개, 총 18개 시편의 잔류 오스테나이트양을 알아보기 위하여 XRD로 측정을 하였다. 이때 시편의 선택은 목 표경도의 범위를 만족하는 시편으로 선택하였다.
환경시험기를 이용하여 STD11 강의 크기를 20x 25x100 mm 시편으로 제작하여 -30℃, 8시간 유지한 후 100℃, 16시간을 1주기로 총 10주기 시험하여 변형 정도를 측정한 뒤, 변형효과를 크게 하기 위해 실리콘 오일에 담근 채로 250℃로 72시간 가열 후 변형을 측정하였다. [5, 6]

대상 데이터

STS3와 STD11 재료를 충격시험을 위한 size로 총 80개의 시편을 제작하였다. 모두 full-annealing한 시편 들에 대하여 quenching을 하여 심냉처리 한 것과 심냉 처리를 하지 않은 것에 대하여 각각 tempering 하였다.

성능/효과

1) STD11의 금형재료로서의 사용은 가능하나 STD11 을 금형재료로서 사용시에는 반드시 균질화처리, 혹은 구상화 풀림처리를 하는 것이 품질 안정화를 위하여 좋 을 것으로 사료된다.
2) STD11에서 심냉처리 효과는 매우 크게 나타났으 며 심냉처리시 잔류 오스테나이트는 거의 검출되지 않았다. 이로 보아 변형을 최소화시켜야 하는 금형에서는 심냉처리가 필수적이다.
3) STS3에서는 심냉처리 효과가 거의 나타나지 않았다.
4) 열처리 결과 목표경도인 62±2, 53±2를 얻는 작 업안정성은 STD11 이 STS3보다 우수한 것으로 평가되어 열처리 작업의 안정적인 품질관리를 위하여 STS3보다 STD11 을 선택하는 것이 좋을 것으로 판단된다.
5) STD11 강의 치수 변형에 대한 안정성을 알아보기 위한 내후성 시험, 시효변형 시험 결과 목표경도가 높을수록, 심냉처리를 시행한 경우 수축이 크게 나타났다.
공석탄소강의 tempering에 의하면 250℃라는 시효처리 온도는 잔류 오스테나이트가 베이 나이트로 변태되면서 체적이 팽창되는 230~280℃의 범위에 포함되긴 하나 반응의 초기단계이므로 팽창은 거의 일어나지 않은 것으로 생각된다. 목표경도가 55이 하인 시편에서는 250℃에서 장시간 시효하여도 거의 수축이나 팽창이 일어나지 않았거나 목표경도 62로 열 처리한 시편보다 훨씬 작은 크기의 변형이 나타났다. 이것은 이 시편들은 이미 370℃ 이상의 높은 온도에서 tempering 되었기 때문에 250℃의 온도에서 가열하여 도 큰 변형이 추가로 일어나지 않은 것으로 생각된다.
열처리후의 미세조 직etempered martensite 기지에 탄화물이 분포되어 있음 이 관찰되었다. 탄화물은 STD11 강종에서 1020~1030℃ 에서 열처리시 발생하는 (Cr, Fe)7C₃ 탄화물로 생각되며, 목표경도 53+2 시편은 62+2 시편의 미세조직에 비하여 탄화물의 크기가 더 크다는 것을 확인할 수 있다.
이것은 이 시편들은 이미 370℃ 이상의 높은 온도에서 tempering 되었기 때문에 250℃의 온도에서 가열하여 도 큰 변형이 추가로 일어나지 않은 것으로 생각된다. 특기할 만한 사실은 심냉처리한 시편에서는 심냉처리를 하지 않은 시편보다 수축변형이 더 크게 나타났다는 것이다. 보통 심냉처리를 통하여 칫수 안정화를 고려할 수 있으나 이와 같이 심냉처리한 시편에서 더 큰 변형 이 일어난 것은 기대했던 결과와 반대의 결과가 나타난 것이다.

후속연구

이를 위하여 STS3와 STD11의 열처리 공정후의 경도 및 충격 흡수에너지, 잔류 오스테나이트의 양을 측정하여 금형 재료로서의 물성평가를 하였다. 이러한 연구결과를 토대로 채택 한 금형재료의 물성평가와 엄격한 열처리 공 정에 대한 중요성 인식 등을 통하여 금형부품의 수명 및 생산효율의 증가, 제품 품질의 향상을 기대할 수 있을 것으로 생각된다.

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