[논문]열간 금형강의 기계적 성질에 미치는 진공열처리와 염욕열처리 조건의 영향

김제돈; 김경식; 박기호

[국내논문] 열간 금형강의 기계적 성질에 미치는 진공열처리와 염욕열처리 조건의 영향
Effect of Vacuum Heat Treatment and Salt Bath Heat Treatment Conditions on Mechanical Properties of Hot Work Die Steel 원문보기

김제돈 (공주대학교 공과대학 신소재공학부) , 김경식 (공주대학교 공과대학 신소재공학부) , 박기호 ((주)한국금형열처리 생산기술연구소)

Salt bath heat treatment is usually used but recently vacuum heat treatment is increased for the heat treatment of hot work die steels. The differences in two heat treatment processes were compared by testing the mechanical properties of heat treated products. With two different features of processes, mechanical properties such as hardness, tensile strength and impact strength of products show very different results. In this study salt bath heat treated products showed higher tensile strength and impact strength than vacuum heat treated products but hardness was not much different. These lower mechanical properties of vacuum heat treated products are due to differences in heating and quenching process.

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문제 정의

이에 본 연구에서는 산업현장에서 활용하고 있는 그대로의 진공열처리와 염욕열처리 설비를 활용하여 각각 조건에 따라 열처리 실험 후 상호간 기계적 성질에 미치는 경도, 인장강도, 충격인성 및 미세조직 관찰을 통하여 진공열처리와 기존의 염욕열처리에 대한 차이점을 분석하고자 하였다.
따라서 국내 열처리 업계의 경우 열간공구강에 대한 진공열처리 자료가 부족한바 진공열처리 하느냐, 염욕열처리 하느냐의 의사 결정에 어려움이 많은 실정이다. 이에 본 연구에서는 진공열처리와 기존의 염욕열처리에 대한 차이점은 없는지에 대하여 큰 관심을 갖고 연구하게 되었다.

제안 방법

15×Ø25 미세현미경시험편을 나이탈 5%을 사용하여 부식 후 동일한 배율 5000배의 10Ɇm 입도 크기로 비교 관찰하였다.
실험에 사용한 강종은 국내기업에서 생산된 것으로 시중의 특수강 업체에서 구매하여 제작 사용하였다. 별도의 규격은 없으나 STD61 강재의 조성은 구매처에 의뢰하여 비교 자료로 활용하였으며 간단한 조성을 확인하고자 그라인더 불꽃 시험과 정확한 데이터를 활용하고자 분광분석실험 결과를 종합하여 볼 때 STD61 강재의 조성은 Table 1과 같다.
본 연구는 산업현장에서 활용되고 있는 그대로의 진공열처리와 염욕열처리 조건을 활용하여 열간공구강인 STD61 강종을 열처리하여 경도, 인장강도, 충격인성 등의 기계적 성질 시험 및 미세조직관찰을 실시하여 비교한 결과 얻은 결론은 다음과 같다.
경도와 인장강도가 정비례하는 최대점을 갖는 공구강이 내구력이 가장 양호한 반면 최대점 이상이 되는 경우는 경도와 인장강도가 역비례하기 때문에 경도가 높은 재료라고 하여 기계적 성질이 좋은 것은 아니다. 이번 인장강도 시험편, 충격인성 시험편, 미세조직 관찰시험편 모두에 경도시험을 실시하였으며 평균 산출 시험편 기준은 충격인성 시험편을 활용하였다.
최대 용량 15ton(150kN), Cross Speed 0.001~750mm/min로 15쥮Ø7시험편에 인장하중을 가하여 시험편이 파단 될 때 까지 시험한 후 강도와 변형률을 산출하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 진공열처리로와 염욕열처리로는 산업체에서 사용되고 있는 그대로의 설비를 활용하였으며 STD61의 정해진 인장강도시험편, 충격인성시험편, 미세조직관찰시험편 즉, 진공열처리 시험편 6개, 염욕열처리 시험편 6개의 시험편을 조건에 따라 로에 각각 장입하여 열처리 실험을 한다. 공열처리 로에서 오스테나이트화 한 후 질소가스담금질한 상태 그대로의 시험편을 (A)그룹으로 나타내고, 질소가스담금질한 후 1차 뜨임한 시험편을 (B)그룹으로 구분한다.
본 연구에 활용된 강종은 STD61이며 사용된 소요 시험편은 Fig. 1 ~ Fig. 3과 같이 인장강도 시험편, 충격인성 시험편, 미세조직관찰 시험편으로 나눌 수 있다. 실험에 사용한 강종은 국내기업에서 생산된 것으로 시중의 특수강 업체에서 구매하여 제작 사용하였다.
3과 같이 인장강도 시험편, 충격인성 시험편, 미세조직관찰 시험편으로 나눌 수 있다. 실험에 사용한 강종은 국내기업에서 생산된 것으로 시중의 특수강 업체에서 구매하여 제작 사용하였다. 별도의 규격은 없으나 STD61 강재의 조성은 구매처에 의뢰하여 비교 자료로 활용하였으며 간단한 조성을 확인하고자 그라인더 불꽃 시험과 정확한 데이터를 활용하고자 분광분석실험 결과를 종합하여 볼 때 STD61 강재의 조성은 Table 1과 같다.

이론/모형

경도시험기는 태원사가 제작한 TW-D500 모델로 최대 시험하중이 150kgf으로 120ȋG원뿔형 다이아몬드 콘 끝의 압자가 시료 표면을 밀고 들어간 깊이를 경도로 나타내는 기기로써 수치형 디지털 방식의 로크웰경도 시험기를 활용하였다.

성능/효과

(B)그룹의 충격인성시험 결과는 474kJ/m² 이 관찰된 반면 (b)그룹의 충격인성시험 측정 결과는 504 kJ/m² 가 관찰되어 염욕뜨임 된 것의 충격인성시험 결과가 30kJ/m² 높게 나타난 것을 알 수 있다.
1) 진공가열 및 염욕가열로 오스테나이트화 한 후 담금질한 상태의 경우 경도, 인장강도, 충격인성 모두 염욕열처리 한 것이 높게 나왔다.
2) 담금질 후 뜨임 처리한 경우 경도는 거의 동일 하였지만 인장강도 및 충격인성 모두 염욕열처리 된 것이 우수하였다.
3) 미세조직 관찰 결과 염욕열처리 된 것 보다 진공열처리 된 것이 입계탄화물이 많이 관찰 된 것으로부터 위와 같은 결과가 도출된 것으로 판단된다.
(B)그룹의 충격인성시험 결과는 474kJ/m² 이 관찰된 반면 (b)그룹의 충격인성시험 측정 결과는 504 kJ/m² 가 관찰되어 염욕뜨임 된 것의 충격인성시험 결과가 30kJ/m² 높게 나타난 것을 알 수 있다. 결과적으로 뜨임 된 열간금형강은 (B)그룹 진공 열처리 한 것보다 염욕열처리 한 (b)그룹이 충격에 더 잘 견딘다는 것을 알 수 있다.
결과적으로 진공열처리 된 (B)그룹이 HRC 0.9 만큼 2차 경화가 일어났으며, 염욕열처리 된 (b)그룹도 HRC 0.9 만큼 2차 경화가 일어났지만 2차 경화는 거의 일어나지 않았다고 생각할 수 있다.
열간금형강을 진공로에서 1020℃오스테나이트화 한 후 80~60℃까지 질소가스담금질 한 뒤 550℃에서 150min 1차 뜨임을 실시한 그룹(B)의 로크웰경도시험 결과는 HRC 53.8을 나타났다.
염욕담금질 된 (a)그룹보다 질소가스분사담금질된 (A) 그룹 조직은 결정입계에 탄화물이 많이 형성되어 있고 M2C침상 탄화물이 많이 형성되어 있는 반면, (a) 그룹 조직은 결정입계에 탄화물이 적게 형성되어 있고 구름 같은 MC석출탄화물이 많이 석출 되어 있음을 알 수 있다.
이상과 같은 결과로 부터 가열과 냉각을 정확하게 제어할 수 있는 열처리가 보다 우수한기계적 특성을 얻을 수 있으며 본 연구에서는 염욕열처리한 경우가 진공열처리 한 경우보다 우수한 결과를 얻었다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

Al, Mg 등의 다이캐스팅 제품의 수요가 증대됨에 따라 요구되는 것은 무엇인가?

현재 Al, Mg 등의 다이캐스팅 제품은 자동차부품의 경량화 또는 고강도 부재에의 적용 및 전자기기, 컴퓨터 케이스, 휴대전화 등의 관련 산업의 급속한 발전과 진보에 따라 수요가 증대하고 있다. 그러나 고기능성 다이케스팅 제품에 요구되는 정밀도나 품질 및 기능성은 점점 더 높은 수준이 요구되고 있는 상황이다1).

안정된 특성을 지닌 금형이란 무엇인가?

이들 제품의 엄격한 기술적 요구에 대응하여 보다 안정된 특성을 지닌 금형에 대한 요구가 증대하고 있다. 안정된 특성을 지닌 금형이란 보다 강하고 튼튼한 기계적 성질과 열적 특성을 지닌 금형이라 할 수 있다2).

현재 Al, Mg 등의 다이캐스팅 제품의 수요가 증대되고 있는 이유는 무엇인가?

현재 Al, Mg 등의 다이캐스팅 제품은 자동차부품의 경량화 또는 고강도 부재에의 적용 및 전자기기, 컴퓨터 케이스, 휴대전화 등의 관련 산업의 급속한 발전과 진보에 따라 수요가 증대하고 있다. 그러나 고기능성 다이케스팅 제품에 요구되는 정밀도나 품질 및 기능성은 점점 더 높은 수준이 요구되고 있는 상황이다1).

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