[논문]매트릭스(matrix)형 냉간금형강의 기계적 특성에 미치는 NbC 탄화물 첨가의 영향

강전연; 김호영; 손동민; 이재진; 윤효윤; 이태호; 박성준; 박순근

doi:10.12656/jksht.2015.28.5.239

[국내논문] 매트릭스(matrix)형 냉간금형강의 기계적 특성에 미치는 NbC 탄화물 첨가의 영향
Effect of NbC Carbide Addition on Mechanical Properties of Matrix-Type Cold-Work Tool Steel 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.28 no.5, 2015년, pp.239 - 249

강전연 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 김호영 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 손동민 (세아창원특수강) , 이재진 (신화ST) , 윤효윤 (신화ST) , 이태호 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 박성준 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 박순근 (세아창원특수강)

Abstract ▼ AI-Helper

Various amount of NbC carbide was intentionally formed in a matrix-type cold-work tool steel by controlled amount of Nb and C addition. And the effect of NbC addition on the mechanical properties was investigated. Four alloys with different Nb and C contents were cast by vacuum induction melting, then hot forging and spheroidizing annealing were conducted. The machinability of the annealed specimens was examined with 3 different cutting tools. And tensile tests at room temperature were conducted. After quenching and tempering, hardness and impact toughness were measured, while wear resistance was evaluated by disk-on-plate type wear test. The increasing amount of NbC addition resulted in degraded machinability with increased strength, whereas the absence of NbC also led to poor machinability due to high toughness. After quenching and tempering, the additional NbC improved wear resistance with increasing hardness, whereas it deteriorated impact toughness. Therefore, it could be found that a moderate addition of NbC was desirable for the balanced combination of mechanical properties.

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문제 정의

이에 본 논문에서는 대표적인 매트릭스형 냉간금형강에 강력한 탄화물 형성원소인 Nb[19]를 C와 함께 추가 첨가함으로써, NbC를 일차탄화물로서 미세조직 중에 분산시킨 합금들을 제조하였다. 이로부터 해당 탄화물의 첨가가 주요한 기계적 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하였고, 냉간금형강의 기계적 특성과 미세조직 간의 상관관계에 대해 논하고자 한다.
본 연구에서는 조대한 일차탄화물을 거의 포함하지 않는 매트릭스형 냉간 금형강에 Nb와 C 함량의 제어를 통해 경질의 NbC 탄화물을 추가하였고, 이 때의 다양한 기계적 특성의 변화를 조성 및 미세조직 특징과 연계하여 고찰하였다. 이로부터 얻은 주요한 결론을 다음과 같이 요약할 수 있다.

가설 설정

9, 10 등에서 관찰 되는 밝은색 탄화물은 고온(1030˚C)에서의 오스테나이트화 열처리에 의해서 대부분 고온 안정성이 높은 NbC로 구성되며, 따라서 Fig. 12(b) 상의 측정치는 대부분 NbC의 부피 분율로 볼 수 있다. N0 합금에서의 매우 낮은 측정치는 이 부분을 반영하고 있다.

제안 방법

그러나 경질의 일차탄화물 저감은 내마모성의 확보에는 불리한 요소로 작용할 수도 있다. 이에 본 논문에서는 대표적인 매트릭스형 냉간금형강에 강력한 탄화물 형성원소인 Nb[19]를 C와 함께 추가 첨가함으로써, NbC를 일차탄화물로서 미세조직 중에 분산시킨 합금들을 제조하였다. 이로부터 해당 탄화물의 첨가가 주요한 기계적 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하였고, 냉간금형강의 기계적 특성과 미세조직 간의 상관관계에 대해 논하고자 한다.
구상화열처리 후의 시험재로부터 다양한 기계적 특성의 평가를 위한 시험편들을가공하였고, 이들 중 일부를 상용 진공열처리로 중에서 경화(hardening) 열처리 하였다. 이 때 담금질(quenching) 중의 오스테나이트화 열처리(austenitization) 온도는 1030˚C였다.
절삭가공성 평가에는 3 종류의 절삭공구를 활용하여 100 mm × 50 mm × 10 mm 크기의 판상 시험편을 절삭가공하면서 공구동력계에 부과되는 하중을 측정하여 평가하였다.
25 mm × 45 mm × 10 mm 크기의 판상 시험편의 25 mm ×45 mm 단면을 회전하는 초경 소재의 디스크와 접촉 시킨 후 마모된 흔적(wear track)의 폭을 측정하고, 이로부터 아래 수식 (1)을 이용하여 시험편의 마모 질량(W)을 계산하였다.
담금질 이후의 뜨임열처리(tempering)는 180 혹은 520˚C의 온도에서 행하였으며, 동일한 뜨임열처리 과정을 2회 반복 수행하였다. 이후 열처리 중 발생할 수 있는 표면의 산화 및 탈탄층의 제거를 위해 시험편 표면을 연삭 가공하였다.
상기 시험재의 기계적 특성으로서 구상화열처리 후의 절삭가공성(machinablility)과 인장특성, 경화열처리 후의 경도와 충격인성, 내마모성을 평가하였다. 절삭가공성 평가에는 3 종류의 절삭공구를 활용하여 100 mm × 50 mm × 10 mm 크기의 판상 시험편을 절삭가공하면서 공구동력계에 부과되는 하중을 측정하여 평가하였다.
경화열처리 후의 경도와 충격인성 및 내마모성은 두 가지 뜨임열처리 온도(180 및 520˚C)에 대해 개별 평가하였다. 경도와 충격인성의 평가에는 10 mm × 10 mm × 55 mm의 장방형 시험편을 사용하였으며, 이는 Charpy 충격시험[22]에서의 표준 시험편에 해당한다.
경도와 충격인성의 평가에는 10 mm × 10 mm × 55 mm의 장방형 시험편을 사용하였으며, 이는 Charpy 충격시험[22]에서의 표준 시험편에 해당한다. 그러나 본 연구에서는 일반적으로 낮은 냉간금형강의 충격인성 수준을 고려하여 노치(notch)를 가공하지 않은 상태에서 충격시험을 진행하였다. 경도는 상기 시험편의 10 mm × 10 mm 단면의 중심부에서 R˚Ckwell C-scale(HRC)로 측정하였다.
58 m/s였다. 내마모성 비교 시의 편의를 위해 내마모성의 지표로서 위 수식에서 계산된 마모량의 역수를 활용하였다.
구상화열처리 및 경화열처리 후의 시험재 미세조직을 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 활용하여 관찰하였다. 이를 위해 연마된 시험편의 표면은 0.6 g의 피크르산(picric acid)과 3 mL의 염산(hydrochloric acid), 97 mL의 에탄올(ethanol) 혼합액에 10-20초간 침지하여 에칭(etching)하였다. 일부 탄화물의 조성 분석에는 에너지분산분광법(energy dispersive spectrometry, EDS)을 활용하였다.
일부 탄화물의 조성 분석에는 에너지분산분광법(energy dispersive spectrometry, EDS)을 활용하였다. 상기의 미세조직 관찰 및 탄화물 조성 분석에는 JEOL 사의 JSM-7001F 주사전자현미경과 이에 장착된 Oxford instrument사의 X-max^N EDS 검출기 및 AZTEC 소프트웨어를 활용하였다. 뜨임열처리 후에 잔류하는 오스테나이트의 부피 분율을 X-선 회절을 이용해 측정하였고[24], 이 때 마르텐사이트의 (200) 및 (211), 오스테나이트의(200), (220) 및 (311) 면의 회절강도를 이용하였다.
상기의 미세조직 관찰 및 탄화물 조성 분석에는 JEOL 사의 JSM-7001F 주사전자현미경과 이에 장착된 Oxford instrument사의 X-max^N EDS 검출기 및 AZTEC 소프트웨어를 활용하였다. 뜨임열처리 후에 잔류하는 오스테나이트의 부피 분율을 X-선 회절을 이용해 측정하였고[24], 이 때 마르텐사이트의 (200) 및 (211), 오스테나이트의(200), (220) 및 (311) 면의 회절강도를 이용하였다.
해당 주조재는 1140˚C로 재가열하여 2시간 유지 후, 열간단조를 통해 장방형으로 가공하였고, 이 때의 가공비는 단면적 비율로 75%였다. 단조 후의 시험재는 시험편 가공을 위해 구상화열처리(spheroidizing annealing)를 수행하였으며, 이 때 해당소재는 870˚C로 재가열하여 4시간 유지 후 노냉(furnace cooling)하였다. Table 1의 화학조성은 구상화열처리 후 발광분석법(optical emission spectroscopy)을 이용해 얻은 결과이다.
이 때 담금질(quenching) 중의 오스테나이트화 열처리(austenitization) 온도는 1030˚C였다. 담금질 이후의 뜨임열처리(tempering)는 180 혹은 520˚C의 온도에서 행하였으며, 동일한 뜨임열처리 과정을 2회 반복 수행하였다. 이후 열처리 중 발생할 수 있는 표면의 산화 및 탈탄층의 제거를 위해 시험편 표면을 연삭 가공하였다.
9에서 밝게 나타나는 조대한 탄화물의 분율이 증가하는 것을 뚜렷하게 관찰할 수 있다. 이들 탄화물에 대해 EDS를 활용한 대략적인 조성 분석을 행하였고, 대표적인 결과를 Fig. 10과 Table 3에 나타내었다. Fig.

대상 데이터

Table 1의 화학조성을 갖는 4개의 주조재를 진공 유도용해(vacuum induction melting, VIM)를 이용해 제작하였다. 해당 주조재는 1140˚C로 재가열하여 2시간 유지 후, 열간단조를 통해 장방형으로 가공하였고, 이 때의 가공비는 단면적 비율로 75%였다.
경도와 충격인성의 평가에는 10 mm × 10 mm × 55 mm의 장방형 시험편을 사용하였으며, 이는 Charpy 충격시험[22]에서의 표준 시험편에 해당한다.
4가 이러한 경향을 대표하고 있다. 관찰되는 탄화물은 이미지 상의 밝기로부터 두 가지 종류로 구분할 수 있으며, 밝은(흰색) 탄화물은 Mo나 Nb와 같은 중원소를 주요 구성 원소로 가지는 탄화물이며, 비교적 어두운(회색) 탄화물은 Cr, Fe 등이 주요 구성 원소인 탄화물이다[15]. 전자는 MC, M₂C, M₆C 등에 해당하며, 후자는 M₇C₃, M₂₃C₆ 등에 해당한다[15].

이론/모형

경도는 상기 시험편의 10 mm × 10 mm 단면의 중심부에서 R˚Ckwell C-scale(HRC)로 측정하였다. 내마모성의 평가에는 plate-on-disk 형 마모시험기(Ogoshi wear testing machine)[23]를 활용하였다. 25 mm × 45 mm × 10 mm 크기의 판상 시험편의 25 mm ×45 mm 단면을 회전하는 초경 소재의 디스크와 접촉 시킨 후 마모된 흔적(wear track)의 폭을 측정하고, 이로부터 아래 수식 (1)을 이용하여 시험편의 마모 질량(W)을 계산하였다.
구상화열처리 및 경화열처리 후의 시험재 미세조직을 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 활용하여 관찰하였다. 이를 위해 연마된 시험편의 표면은 0.
6 g의 피크르산(picric acid)과 3 mL의 염산(hydrochloric acid), 97 mL의 에탄올(ethanol) 혼합액에 10-20초간 침지하여 에칭(etching)하였다. 일부 탄화물의 조성 분석에는 에너지분산분광법(energy dispersive spectrometry, EDS)을 활용하였다. 상기의 미세조직 관찰 및 탄화물 조성 분석에는 JEOL 사의 JSM-7001F 주사전자현미경과 이에 장착된 Oxford instrument사의 X-max^N EDS 검출기 및 AZTEC 소프트웨어를 활용하였다.
경도는 상기 시험편의 10 mm × 10 mm 단면의 중심부에서 R˚Ckwell C-scale(HRC)로 측정하였다.

성능/효과

이상의 기계적 특성 평가용 시험편들의 길이 방향은 열간단조 시의 연신 방향과 일치하게 가공하였다.
Fig. 3(a) 및 (b)에서 Nb와 C의 증가에 따라서 항복 및 인장강도가 대체적으로 증가하나, N10에서 최대값을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이와는 반대로 Fig.
1. NbC 탄화물의 증가는 구상화 열처리 후에 절삭가공 저항성을 증가시키는 경향을 관찰할 수 있으나, NbC 탄화물이 거의 존재하지 않는 경우에서도 높은 인성에 의해서 가공 저항성이 높아질 수 있음을 확인하였다.
2. 경질의 NbC 탄화물 증가는 경화열처리 후에 인성의 저하를 수반하지만 경도및 내마모성 향상에 기여하는 것으로 판단할 수 있었다.
3. 이상으로부터 비록 인성의 저하가 예상되지만 일정 수준 이상의 경질 탄화물(본 연구에서는 NbC에 해당)을 형성시켜 주는 것이 가공성과 내마모성을 확보하는데 도움이 됨을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	합금공구강의 사용처 및 요구되는 바는 무엇인가?	이들은 일반적인 구조용 합금강에 비해 다량의 C를 함유하며 그 용도에 따라서 Cr, Mo, W, V 등의 합금 원소를 다양한 비율로 포함한다[1-4]. 합금공구강은 높은 하중 및 마찰에 의한 전단 응력에 반복적으로 노출되는 환경에서 사용되며, 따라서 우수한 내마모성(wear resistance)과 인성(toughness)을 통해 장기적인 내구성을 확보하도록 요구된다.
	매트릭스형 냉간금형강의 특징은 무엇인가?	매트릭스형 냉간금형강은 균열의 시발점으로 작용하는 조대한 탄화물이 극히 적으므로 다량의 일차탄 화물을 포함하는 STD11이나 8%Cr 계열의 강종에 비해 매우 우수한 인성을 가진다[16]. 그러나 경질의 일차탄화물 저감은 내마모성의 확보에는 불리한 요소로 작용할 수도 있다.
	피성형재의 강도의 상승 및 성형된 부품의 치수,형상의 높은 정밀도 요구는 무엇을 의미하는가?	전반적인 제조업의 발전과 더불어 피성형재의 강도는 지속적으로 상승해왔으며, 성형된 부품의 치수나 형상에 있어서도 보다 높은 정밀도를 요구하고 있다[5-7]. 이는 금형 및 공구의 사용 조건이 점점 가혹해져 왔음을 의미하고, 따라서 기존의 합금공구강보다 우수한 성능을 갖는 다양한 합금들이 개발되어 왔다. 대표적으로 냉간성형용 금형·공구에서는 기존의 범용 강종인 STD11(JIS SKD11, AISI D2에 해당)[2-5]을 대체하는 보다 고성능의 소재들이 최근 도입되고 있다[6-17].

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표제어: PCR

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