[논문]열간단조 금형 육성용접부 내균열성 및 내열충격성 평가방법에 관한 연구

조상명; 김성호; 정연호; 백승희; 장종훈; 박철규; 우희철; 정병호

doi:10.5781/kwjs.2010.28.3.079

열간단조 금형 육성용접부 내균열성 및 내열충격성 평가방법에 관한 연구
A Study on Assessment Method of Crack Resistance and Thermal Shock Resistance in Hardfacing for Hot Forging Die 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.28 no.3, 2010년, pp.79 - 85

조상명 (부경대학교 신소재공학부) , 김성호 (부경대학교 대학원 조선시스템관리공학 협동과정) , 정연호 (부경대학교 대학원 조선시스템관리공학 협동과정) , 백승희 (효성웰딩) , 장종훈 , 박철규 () , 우희철 , 정병호 (부경대학교 금속공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Hardfacing is one of the frequently applying method to increase surface hardness in hot forging die. Recently, hardfacing receives great attention due to it's repair availability and low cost. In hot forging die, crack resistance and thermal shock resistance have been considered as major properties, However there are few studies for the assessment of these properties. So, it is necessary to establish the assessment method for crack resistance and thermal shock resistance in hardfacing for hot forging die. In this study, flux cored arc welding was applied to make hardfacing welds. Three point bending test was carried out to assess hardfacing weld's crack resistance, and high temperature bending test using salt bath was developed for thermal shock resistance. Consequently, it was possible to assess crack resistance and thermal shock resistance of hardfacing welds for hot forging die quantitatively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Song 등에²⁾ 의하면 열충격과 열피로 시험에서 균열의 진전은 냉각 중에 발생한다고 한다. 본 연구 에서 냉각 및 굽힘의 단계에서 냉각 중에 의도적으로 균열을 생성/전파시키는 방법으로 통상적인 열충격시 시편의 거동을 유사하게 재현할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 고온 굽힘시험에서 극한 변형량이 크다면 내열충격성이 우수한 것으로 평가하였다. 즉, 소재 내에 미세균열 또는 비금속개재물과 같은 용접결함이 작아야 되며, 소재가 저온에 이르기까지 충분한 소성변형을 할 수 있으면 내열충격성이 우수하다고 보았다.
본 연구에서는 열간단조 금형 육성용접부의 내균열성을 평가하기 위해 상온 굽힘시험을 실시하였고, 내열충격성을 평가하기 위해 염욕로를 이용한 고온 굽힘시험을 실시하여 경제적인 방법으로 육성용접부를 평가할 수 있는 시험법을 제안하고자 하였다.
본 연구에서는 이러한 원리를 이용하여 내열충격성을 간편하고 빠르게 실험할 수 있는 방법을 고안하였다.

제안 방법

1) 열간단조 금형에 기계적 응력의 반복으로 발생되는 균열에 대한 저항력 평가를 위해 상온 굽힘시험을 실시하여, 내균열성을 평가할 수 있는 방법을 확립하였다.
그 중 균열 발생지점과 극한 굽힘하중을 결합한 파단부 극한 굽힘응력 (σbf)과 극한 변형량이 클수록 내균열성이 우수한 것으로 평가되는데, 두 와이어가 비슷한 값을 가짐에 따라 내균열성은 벤치마킹 와이어와 동등한 것으로 평가하였다.
본 연구에서는 이러한 용접결함을 간접적으로 평가하기 위해서 Mmax(최대 모멘트)가 걸리는 위치에서 벗어난 경우를 고려하여 파단부 극한 굽힘응력 σbf를 사용하였고, σbf가 높으면 용접결함의 가능성 또한 낮을 것으로 판단하였다.
가 높으면 용접결함의 가능성 또한 낮을 것으로 판단하였다. 시편에 노치가 없는 상온 굽힘시험의 경우, HRc 50 근방인 고경도 육성용접부의 내균열성을 평가하기 위해 연성과 극한 응력을 측정하였으며, 극한 변형량이 크다면 연성이 우수하여 내균열성이 우수하고, 파단부 극한 응력이 클수록 내균열성이 우수한 것으로 평가하는 방법을 채택하였다.
염욕로에는 자체적으로 온도를 확인할 수 있게 K형 열전대가 부착 되었다. 염욕로를 이용하여 염욕로 내에서 850℃로 시험편이 가열될 수 있도록 하였고 시편을 5분간 가열하여 취출(取出)하였다. 이를 3점 굽힘시험할 수 있게 준비한 후 취출 1분 후 상온 굽힘시험과 동일하게 변위속도 2 mm/min인 변위제어 방식으로 시험하였다.
염욕로를 이용하여 염욕로 내에서 850℃로 시험편이 가열될 수 있도록 하였고 시편을 5분간 가열하여 취출(取出)하였다. 이를 3점 굽힘시험할 수 있게 준비한 후 취출 1분 후 상온 굽힘시험과 동일하게 변위속도 2 mm/min인 변위제어 방식으로 시험하였다.
즉, 시편이 가열, 유지, 냉각 및 굽힘의 단계를 거치도록 실험하여 재료의 변위로 열충격을 평가하는 방법을 채택하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 SKT-4 기판 위에 육성용접을 실시하여 전용착금속(All deposited metal)에서 폭 10 × 길이 100 × 두께 10(mm)의 시편을 채취하였다.
본 실험에서는 SKT-4 기판 위에 육성용접을 실시하여 전용착금속(All deposited metal)에서 폭 10 × 길이 100 × 두께 10(mm)의 시편을 채취하였다. 상온 굽힘시험, 고온 굽힘시험은 각각 3 종류의 개발 와이어와 3 종류의 벤치마킹 와이어 총 6 종류의 와이어가 사용되었다.

이론/모형

상온 굽힘시험은 KS B 0804 금속재료 굽힘시험 방법을 참고하였다. 시편에 걸리는 하중 및 변위는 Instron 만능 인장 시험기에서 자동 측정되며, 시험기의 변위속도는 2 mm/min으로 하였으며 파단시의 변위를 시편의 극한 변형량으로 하였다.

성능/효과

(b)와 같이 가열, 유지, 냉각과 동시에 인장을 실시하여 열충격을 평가하는 시험을 시행하여, 유지온도와 파단시의 온도 차이 ΔT가 클수록 열충격 특성이 우수하다고 판단하였다.
2) 열간단조 금형에 중요한 내열충격성을 간편하게 측정하기 위해 염욕로를 이용하여 고온 굽힘시험을 하는 방법을 검토하여 고온 극한 변형량으로 내열충격성을 평가할 수 있다.
3) 개발 와이어 “KA”는 내마모성이 “KB”, “KC”보다는 부족하지만 내균열성이 우수하므로, 금형에서 반복적인 응력이 작용하는 부분에 사용하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
4) 개발 와이어 “KC”는 내균열성 및 내열충격성은 “KA”, “KB”보다는 부족하지만 내마모성이 우수하므로 금형의 표면에 사용하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
5) 개발 와이어를 실제 열간단조 금형의 육성용접에 적용한 결과 금형의 수명이 벤치마킹 와이어로 만든 경우와 유사하였다.
개발 와이어 “KC”는 벤치마킹 와이어 “CC”보다 고온 극한 변형량이 크므로 내열충격성이 우수한 특성을 가진 것으로 평가되었다.
개발 와이어 “KA”는 벤치마킹 와이어 “CA”와 거의 유사한 기계적 특성을 보이고 있다. 극한 굽힘하중, 인장부위 파단위치, 극한 변형량, 파단부 극한 굽힘응력의 4가지 값 모두 유사하며 큰 차이를 나타내지 않았다. 그 중 균열 발생지점과 극한 굽힘하중을 결합한 파단부 극한 굽힘응력 (σ_bf)과 극한 변형량이 클수록 내균열성이 우수한 것으로 평가되는데, 두 와이어가 비슷한 값을 가짐에 따라 내균열성은 벤치마킹 와이어와 동등한 것으로 평가하였다.
“KC”는 벤치마킹 와이어 “CC”보다 우수한 기계적 특성을 보이고 있다. 극한 굽힘하중, 인장부위 파단위치, 극한 변형량, 파단부 극한 굽힘응력의 4가지의 값 모두 우수하였으며 벤치마킹 와이어보다 크므로 내균열성이 우수한 것으로 평가되었다.
본 연구에서 채택한 평가방법에 의해 개발 와이어의 성질이 벤치마킹 제품과 유사하거나 우수한 것으로 평가되었으며, 벤치마킹 와이어보다 부족한 금형 수명을 보여준 기존의 와이어보다 개선된 것으로 평가되었다. 이러한 평가방법의 정확성을 뒷받침하기 위해서 개발 와이어 “KC”로 육성용접하여 제작된 금형을 현장에 적용한 결과 기존의 700타점에서 8000타점으로 증가된 금형수명을 보였고, 다른 타점을 요구하는 현장에 적용한 결과 11400타점의 수명을 보였으며, 양호한 금형 수명을 나타내었다.
본 연구에서는 이러한 원리를 이용하여 ΔT가 크다면 시간이 더 경과한 것으로 판단하여 2 mm/min의 변위속도를 가지는 변위제어 방식에서 극한변형량이 크다면 유지온도와 파단시의 온도 차이 ΔT 가 크며 내열충격성이 우수한 것으로 평가하였다.
이러한 평가방법의 정확성을 뒷받침하기 위해서 개발 와이어 “KC”로 육성용접하여 제작된 금형을 현장에 적용한 결과 기존의 700타점에서 8000타점으로 증가된 금형수명을 보였고, 다른 타점을 요구하는 현장에 적용한 결과 11400타점의 수명을 보였으며, 양호한 금형 수명을 나타내었다.
개발 와이어 “KB”는 벤치마킹 와이어 “CB”보다 우수한 기계적 특성을 보인다. 인장부위 파단 위치를 제외한 극한 굽힘 하중, 극한 변형량, 파단부 극한 굽힘응력의 3가지의 값이 벤치마킹와이어보다 양호하여 내균열성이 우수한 것으로 평가되었다.
Kim 등은^5-6) 노치를 가진 시편을 일정한 냉각속도에서 일정한 변위속도로 인장을 하면서 유지온도와 파단시의 온도차이 ΔT가 클수록 내열충격성이 우수 하다고 평가하였다. 즉, 노치의 선단부가 저온이 될 때까지 충분한 소성변형이 가능하면 내열충격성이 우수하다고 보았다. 앞서 2장의 내열충격성 평가방법에서 설명한 바와 같이 이러한 방법도 고가의 시험장치가 요구되며, 또한 환봉형의 시편에 노치를 가공해야 하므로 가공비와 노치의 반복성 및 재현성이 부족하게 되는 단점이 존재한다.
본 연구에서는 고온 굽힘시험에서 극한 변형량이 크다면 내열충격성이 우수한 것으로 평가하였다. 즉, 소재 내에 미세균열 또는 비금속개재물과 같은 용접결함이 작아야 되며, 소재가 저온에 이르기까지 충분한 소성변형을 할 수 있으면 내열충격성이 우수하다고 보았다. 선행연구들과 비교하였을 때 저가의 장치를 이용하며 노치가공 시간 및 시험시간을 줄일 수 있다는 장점을 가지고 있다.
이때 열응력 때문에 생기는 stress intensity factor 가 크면 균열은 잘 생길 수 있지만, 재료의 인성이 우수하면 균열의 성장을 저지하는 특성을 갖게 되므로 두 가지의 조합에 의해 균열성장 특성이 변한다고 보았다. 즉, 예비균열이 있는 재료에 열전도성에 의해 결정되는 열응력이 작고 소재의 인성이 크면 내균열성이 우수하다고 보았다. 이러한 방법도 기존의 열충격 특성보다는 간단하지만 균열의 성장특성을 보기 위하여 현미경 관찰 등의 정밀한 방법으로 인해 시간이 많이 걸리며 비커스 압흔이 예비균열로 작용할 수 있는 소재에 대해서만 적용가능하다는 단점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	육성용접용 FCW의 단점은 무엇인가?	현재 열간단조 금형을 제작함에 있어 육성용접을 하여 기계가공 후 제작하는 방법이 금형강인 STD61, STD11 등으로 제작하는 방법에 비해 금형의 보수, 저가의 제작비용 등의 이점을 가지고 있기 때문에 점차적으로 증가하고 있는 추세이다1). 하지만 육성용접용 FCW (Flux Cored Wire)는 대부분 고가의 수입품이다. 이를 개선하기 위해 국내에서는 육성용접용 FCW를 개발하여 실제 금형에 적용하였으나, 수입 와이어로 제작한 열간단조 금형의 수명인 8,000 타점의 약 1/10 수준에 불과한 700 타점 전후에서 금형에 균열과 마모가 발생하는 문제점이 발생하였다.
	열간단조 금형제작에 있어 육성용접을 하여 기계가공 후 제작하는 방법이 점차적으로 증가하는 이유는 무엇인가?	현재 열간단조 금형을 제작함에 있어 육성용접을 하여 기계가공 후 제작하는 방법이 금형강인 STD61, STD11 등으로 제작하는 방법에 비해 금형의 보수, 저가의 제작비용 등의 이점을 가지고 있기 때문에 점차적으로 증가하고 있는 추세이다1). 하지만 육성용접용 FCW (Flux Cored Wire)는 대부분 고가의 수입품이다.
	육성용접을 하여 기계가공 후 제작하는 방법의 가격적인 면을 해결하기 위한 방안의 문제점은 무엇인가?	하지만 육성용접용 FCW (Flux Cored Wire)는 대부분 고가의 수입품이다. 이를 개선하기 위해 국내에서는 육성용접용 FCW를 개발하여 실제 금형에 적용하였으나, 수입 와이어로 제작한 열간단조 금형의 수명인 8,000 타점의 약 1/10 수준에 불과한 700 타점 전후에서 금형에 균열과 마모가 발생하는 문제점이 발생하였다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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원문보기 상세보기
Y. H. Moon, J. W. Kim, C. J. Van Tyne : Thermal shock resistance of electroslag cast steel for hot-working tools, Journal of Materials Processing Technology 155-156 (2004), 2122-2126

상세보기
吳世鎭, 硬質크롬 鍍金에서 硬度와 耐磨耗性과의 關係, 金屬表面處理第5卷第2號, 技術報告 (in Japanese)
대한용접.접합학회 : 용접.접합 편람, 2007, 27-29 (in Korean)
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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