[논문]고성능 냉간금형강의 미세조직과 기계적 특성: 레데부라이트(ledeburitic) 및 매트릭스(matrix)형 강종의 비교

강전연; 김호영; 손동민; 이재진; 윤효윤; 이태호; 박순근

doi:10.12656/jksht.2015.28.4.181

[국내논문] 고성능 냉간금형강의 미세조직과 기계적 특성: 레데부라이트(ledeburitic) 및 매트릭스(matrix)형 강종의 비교
Microstructures and Mechanical Characteristics of Advanced Cold-Work Tool Steels: Ledeburitic vs. Matrix-type Alloy 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.28 no.4, 2015년, pp.181 - 189

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

Abstract ▼ AI-Helper

Two types of advanced cold-work tool steels were characterized and compared. A higher-alloyed ledeburitic steel with primary carbides (denoted as 9Cr) and a lower-alloyed steel without primary carbides (5Cr) were fabricated by vacuum induction melting and subsequent hot forging. They were spheroidizing-annealed at $870^{\circ}C$, quenched at $1030^{\circ}C$ and tempered at 180 or $520^{\circ}C$. Their machinability after annealing and hardness, impact toughness, wear resistance after tempering were compared and interpreted in association with their characteristic microstructures. After annealing, 5Cr showed higher resistance to machining due to higher ductility and toughness in spite of lower strength and smaller carbide volume. Owing to smaller carbide volume fraction and the absence of coarse primary carbides, 5Cr showed even better impact toughness although the hardness was lower. The improved toughness of 5Cr resulted in excellent wear resistance, while smaller volume fraction of retained austenite also contributed to it.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문은 최근 냉간금형강 시장에 도입되고 있는 대표적인 고성능 냉간금형강의 기계적 특성과 미세조직 상 특징에 대한 정보 제공을 목적으로 한다. 대상 강종은 STD11의 대표적인 개량 소재로 알려진 8%Cr강[10-14]에 기반한 합금과 매트릭스형 강종으로 알려진 합금으로, 이들은 최근의 고성능 냉간금형강에 있어서 가장 대표적인 두 가지 유형에 해당한다.
전자는 STD11과 같이 높은 C 및 Cr 함량에 기인하여 오스테나이트(austenite)와 탄화물의 공정(eutectic) 조직인 레데부라이트(ledeburite)에서 유래한 조대한 일차탄화물(primary carbide)을 미세조직 중에 포함하는 강종(ledeburitic alloy)인 반면, 후자는 상대적으로 낮은 C와 Cr 함량으로 일차탄화물이 거의 존재하지 않는 강종(matrix-type alloy)이다. 본 논문에서는 이 두 강종의 대표적인 기계적 특성으로서, 금형 제작을 위한 절삭 가공의 용이함을 의미하는 가공성(machinability)과 경화열처리 후 기초 물성인 경도와 충격인성, 그리고 가장 핵심적인 성능지표인 내마모성을 상호 비교하고, 두 강종의 차이를 각각의 특징적인 미세조직과 관련하여 설명하고자 한다.

제안 방법

이때 열간 가공 전의 균질화 열처리 온도와 유지 시간은 각각 1140℃, 2시간이었다. 단조한 시험재들을 870℃로 재가열하여 4시간 유지한 후, 30℃/hr 속도로 서냉하는 구상화열처리(spheroidizing annealing)를 수행하였고, 이로부터 미세조직 관찰 및 다양한 기계적 특성 평가를 위한 소형 시험편들을 가공하였다. 경화열처리에는 상용 진공열처리로를 활용하였고, 이 때 담금질 중의 오스테나이트화(austenitization) 열처리 온도는 1030℃였고, 뜨임 열처리는 180 혹은 520℃에서 2회 반복 수행하였다(double tempering).
단조한 시험재들을 870℃로 재가열하여 4시간 유지한 후, 30℃/hr 속도로 서냉하는 구상화열처리(spheroidizing annealing)를 수행하였고, 이로부터 미세조직 관찰 및 다양한 기계적 특성 평가를 위한 소형 시험편들을 가공하였다. 경화열처리에는 상용 진공열처리로를 활용하였고, 이 때 담금질 중의 오스테나이트화(austenitization) 열처리 온도는 1030℃였고, 뜨임 열처리는 180 혹은 520℃에서 2회 반복 수행하였다(double tempering).
구상화열처리 후의 소재 중에서 100 mm × 200 mm × 10 mm의 판상 시험편과 표준 인장 시험편[10, 16]을 채취하고, 각각에 대해 가공성과 인장 특성을 평가하였다.
따라서 금형 소재별로 최적의 절삭 공구 선택을 위해서는 다양한 공구에 대해 개별 평가할 필요가 있다. 이를 위해, 국내 금형 제조 현장의 요구를 반영하여, 금형 가공에 통상적으로 많이 활용 하는 5 종류의 절삭 공구를 사용한 조건에서, 절삭 시 동력계에 가해지는 하중을 측정하여 가공성을 평가하였다. Fig.
경도는 전자의 10 mm × 10 mm 단면 중심부에서 Rockwell C-scale로 측정하였다. 충격인성은 Charpy 충격 시험[17]을 통해 평가하였으나, 이 경우 냉간금형 소재의 일반적으로 낮은 충격인성을 고려하여 노치(notch)를 가공하지 않은 상태에서 시험을 진행하였다. 내마모성은 plate-on-disk 형 마모시험기(Ogoshi wear testing machine)[18]를 활용하였고, 시험 후 마모에 의해 손실된 시험편 중량의 역수로써 평가하였다.
충격인성은 Charpy 충격 시험[17]을 통해 평가하였으나, 이 경우 냉간금형 소재의 일반적으로 낮은 충격인성을 고려하여 노치(notch)를 가공하지 않은 상태에서 시험을 진행하였다. 내마모성은 plate-on-disk 형 마모시험기(Ogoshi wear testing machine)[18]를 활용하였고, 시험 후 마모에 의해 손실된 시험편 중량의 역수로써 평가하였다. 이때 초경 소재의 디스크(disk)를 시험편에 접촉, 회전시켰으며, 최대 접촉 하중은 111.
미세조직 관찰을 위해 연마된 시험재 표면을 Vilella 용액(0.6 g picric acid + 3 mL HCL + 97 mL ethanol)에 10-20초 간 침지하여 에칭(etching) 하고, 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 사용하여 관찰하였다. 뜨임열처리 후의 잔류오스테나이트 부피 분율을 ASTM E975[19]에 따라서 X-선 회절을 이용해 측정하였다.
이때 측정된 θ-2θ 스캔(scan)의 회절 강도 프로파일(profile) 상에서 마르텐사이트 (200) 및 (211), 오스테나이트 (200), (220) 및 (311) 피크(peak)의 적분강도(integrated intensity)를 이용해 잔류 오스테나이트 부피 분율을 산출하였다.
이상의 결과로부터 9Cr과 5Cr의 기계적 특성 차이의 원인을 각 합금의 특징적 미세조직을 고려하여 해석할 수 있다. Fig.
두 가지 고성능 냉간금형강의 절삭가공성과 경도, 충격인성 및 내마모성을 비교하였고, 미세조직 상 특징으로부터 그 차이를 해석하였다.

대상 데이터

본 논문은 최근 냉간금형강 시장에 도입되고 있는 대표적인 고성능 냉간금형강의 기계적 특성과 미세조직 상 특징에 대한 정보 제공을 목적으로 한다. 대상 강종은 STD11의 대표적인 개량 소재로 알려진 8%Cr강[10-14]에 기반한 합금과 매트릭스형 강종으로 알려진 합금으로, 이들은 최근의 고성능 냉간금형강에 있어서 가장 대표적인 두 가지 유형에 해당한다. 전자는 STD11과 같이 높은 C 및 Cr 함량에 기인하여 오스테나이트(austenite)와 탄화물의 공정(eutectic) 조직인 레데부라이트(ledeburite)에서 유래한 조대한 일차탄화물(primary carbide)을 미세조직 중에 포함하는 강종(ledeburitic alloy)인 반면, 후자는 상대적으로 낮은 C와 Cr 함량으로 일차탄화물이 거의 존재하지 않는 강종(matrix-type alloy)이다.
시험재는 진공유도용해(vacuum induction melting, VIM)를 이용하여 30 kg 중량의 주편(cast ingot)으로 제작하였다. 이후 이들을 열간 단조를 통해 단면이 50 mm × 50 mm인 사각봉 형태로 가공하였다.
경화열처리 후 경도와 충격인성의 평가에는 10 mm × 10 mm × 55 mm의 직육면체 시험편을 활용하였고, 내마모성의 평가에는 25 mm × 50 mm × 10 mm의 직육면체 시험편을 사용하였다.

이론/모형

경도는 전자의 10 mm × 10 mm 단면 중심부에서 Rockwell C-scale로 측정하였다.
8의 결과에서 탄화물의 상분율만을 선택적으로 나타낸 결과이다. 해당 결과의 계산에는 TCFE7 데이터베이스[25]를 활용하였다. 9Cr은 높은 C 및 Cr 함량에 기인하여 모든 온도 범위에서 5Cr 보다 높은 탄화물 분율을 가지는 것으로 예상할 수 있다.
6 g picric acid + 3 mL HCL + 97 mL ethanol)에 10-20초 간 침지하여 에칭(etching) 하고, 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 사용하여 관찰하였다. 뜨임열처리 후의 잔류오스테나이트 부피 분율을 ASTM E975[19]에 따라서 X-선 회절을 이용해 측정하였다. 이때 측정된 θ-2θ 스캔(scan)의 회절 강도 프로파일(profile) 상에서 마르텐사이트 (200) 및 (211), 오스테나이트 (200), (220) 및 (311) 피크(peak)의 적분강도(integrated intensity)를 이용해 잔류 오스테나이트 부피 분율을 산출하였다.

성능/효과

5Cr이 가지는 이러한 충격인성 저하 요인을 고려했을 때, 일차탄화물의 저감이 갖는 충격인성 향상 효과는 매우 큰 것을 알 수 있다. 내마모성은 고온 뜨임열처리 후에는 양자가 유사한 수준으로 평가되나, 저온 뜨임열처리 후에는 5Cr이 훨씬 우수한 것으로 평가되었다.
6에서 볼 수 있듯, 5Cr에서 Type-3 탄화물이 보다 빈번히 발견되는 것을 볼 수 있으며, 이는 Si이 보다 다량으로 첨가된 9Cr에서 상대적으로 Type-3 탄화물의 성장이 억제되기 때문으로 판단된다. 결과적으로 Si의 첨가는 9Cr의 보다 높은 경도에 기여하는 것으로 볼 수 있다.
1. 5Cr은 상대적으로 낮은 합금 함량과 조대한 일차탄화물의 부재에도 불구 9Cr에 비해 구상화열처리 높은 가공저항성을 보였다. 5Cr이 9Cr에 비해 낮은 강도를 가졌으나, 우수한 연성과 인성이 절삭 중의 소재 탈락을 지연시키는 것으로 볼 수 있었다.
2. 경화열처리 후 5Cr은 9Cr에 비해 낮은 경도를 가지나, 충격인성은 매우 우수하였다. 5Cr 중에 관찰되는 탄화물의 양과 크기는 모두 9Cr에 비해 작으며, 이는 낮은 강도와 경도의 원인이 되지만, 충격인성을 크게 향상 시켰다.
경화열처리 후 5Cr은 9Cr에 비해 낮은 경도를 가지나, 충격인성은 매우 우수하였다. 5Cr 중에 관찰되는 탄화물의 양과 크기는 모두 9Cr에 비해 작으며, 이는 낮은 강도와 경도의 원인이 되지만, 충격인성을 크게 향상 시켰다.
3. 낮은 경도와 탄화물 함량에도 불구하고 5Cr은 9Cr에 비해 저온 뜨임열처리 후에는 훨씬 우수한 내마모성을 보였으며, 고온 뜨임열처리 후에는 유사한 수준의 내마모성을 보였다. 5Cr의 높은 수준의 연성과 인성이 마찰에 의한 소재 탈락을 억제하는 것으로 볼 수 있었고, 보다 낮은 잔류 오스테나이트 함량 역시 내마모성 개선에 기여하는 것으로 볼 수 있었다.
낮은 경도와 탄화물 함량에도 불구하고 5Cr은 9Cr에 비해 저온 뜨임열처리 후에는 훨씬 우수한 내마모성을 보였으며, 고온 뜨임열처리 후에는 유사한 수준의 내마모성을 보였다. 5Cr의 높은 수준의 연성과 인성이 마찰에 의한 소재 탈락을 억제하는 것으로 볼 수 있었고, 보다 낮은 잔류 오스테나이트 함량 역시 내마모성 개선에 기여하는 것으로 볼 수 있었다. 9Cr은 높은 이차경화 효과로 고온 뜨임열처리 후에는 5Cr과 유사한 수준의 내마모성을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금형 및 공구용 합금강이란 무엇인가?	금형 및 공구용 합금강은 플라스틱, 금속 등의 다양한 소재를 원하는 부품 형상으로 성형하기 위한 금형 및 공구를 구성하는 특수강 소재이다. 이들은 일반적으로 피성형재와 높은 응력하에서 반복적으로 접촉하며, 따라서 높은 수준의 내마모성이 일차적으로 요구된다.
	금형 및 공구용 합금강의 높은 수준의 내마모성이 요구되는 이유는 무엇인가?	금형 및 공구용 합금강은 플라스틱, 금속 등의 다양한 소재를 원하는 부품 형상으로 성형하기 위한 금형 및 공구를 구성하는 특수강 소재이다. 이들은 일반적으로 피성형재와 높은 응력하에서 반복적으로 접촉하며, 따라서 높은 수준의 내마모성이 일차적으로 요구된다.
	합금공구강은 어떻게 분류되는가?	합금공구강은 그 용도 및 사용 온도 등에 따라서 열간과 냉간공구강, 고속도공구강 및 플라스틱사출용 공구강 등으로 다양하게 분류된다[1]. 이 중 냉간공구강을 대표하는 강종은 STD11(JIS-SKD11, AISI D2)[2-4]으로 냉간성형용 금형에 일반적으로 사용되는 범용 소재이다.

참고문헌 (37)

G. Roberts, G. Krauss and R. Kennedy : Tool Steels, 5th ed, ASM International, Materials Park, OH (1998) 7-28.
KS D 3753 : 지식경제부 기술표준원 (2008).
JIS G 4404 : Japanese Standards Association (2006).
ASTM A 681-08 : ASTM International (2008).
G. Roberts, G. Krauss and R. Kennedy : Tool Steels, 5th ed, ASM International, Materials Park, OH (1998) 203-217.
홍기정, 송진화, 정인상 : 열처리공학회지, 24 (2011) 262-270.

원문보기 상세보기
Advanced High Strength Steel (AHSS) Application Guidelines, Ver. 4.1, WorldAutoSteel, 2011, http://www.worldautosteel.org
J. P. McGulre : Advanced Stamping for High Strength Steels, in Great Designs in Steel Seminar, 2012, http://www.autosteel.org
E. Billur : Stamping Journal Jan/Feb (2010) 8-9.
김호영, 강전연, 손동민, 이대수, 이태호, 정우창, 조경목 : 열처리공학회지, 27 (2014) 242-252.

원문보기 상세보기
K. Fukaura, H. Sunada, Y. Yokoyama, K. Teramoto, D. Yokoi and N. Tsujii : Tetsu-to-Hagane, 84 (1998) 72-77.
K. Fukaura, Y. Yokoyama, D. Yokoi, N. Tsujii and K. Ono : Metall. Mater. Trans. A, 35A (2004) 1289-1300.
F. Arieta, E. B. M. netto, A. Reguly, W. K. Pannes, U. Beutler, F. van Soest and C. Ernst : J. ASTM Int., 8 (2011) 129-145.
J. -Y. Kang, Y. -U. Heo, H. Kim, D. -W. Suh, D. Son, D. H. Lee and T. -H. Lee : Mater. Sci. Eng. A, A614 (2014) 36-44.
Uddeholm Caldie : http://www.uddeholm.com
ASTM E 8 : ASTM International (2013).
ASTM E 23-02 : ASTM International (2002).
G. Xu, M. Kutsuna, Z. Liu and K. Yamada : Surface & Coatings Technology, 201 (2006) 1138-1144.

상세보기
ASTM E975, ASTM international (2013).
H. Kim, J. -Y. Kang, D. Son, T. -H. Lee, K. -M. Cho : Mater. Characterization, 107 (2015) 376-385.

상세보기
G. Roberts, G. Krauss and R. Kennedy : Tool Steels, 5th ed, ASM International, Materials Park, OH (1998) 97-104.
W. C. Leslie : The Physical Metallurgy of Steels, International student edition, McGraw-Hill Kogakusha, Tokyo, Japan (1982) 368-372.
V. G. Gavriljuk, V. A. Sirosh, YU. N. Petrov, A. I. Tyshchenko, W. Theisen, A. Kortmann : Metall. Mater. Trans. A, 45A (2014) 2453-2465.
J. O. Anderson, T. Helander, L. Hoglund, P. F. Shi, B. Sundman : Calphad, 26 (2002) 273-312.

상세보기
Thermo-Calc Software TCFE7 Steels/Fe-alloys database version 7, 2012.
I. Picas, N. Cuadrado, D. Casellas, A. Goez, L. Llanes : Procedia Engineering, 2 (2010) 1777-1785.

상세보기
E. Martinez-Gonzalez, I. Picas, D. Casellas, J. Romeu : J. Acoustic Emission, 28 (2010) 163-169.
W. C. Leslie : The Physical Metallurgy of Steels, International student edition, McGraw-Hill Kogakusha, Tokyo, Japan (1982) 115-120.
J. -H. Kang, B. Hosseinkhani, C. A. Williams, M. P. Moody, P. A. J. Bagot, P. E. J. Rivera-Diaz-del-Castillo : Scr. Mater., 69 (2013) 630-633.

상세보기
B. Kim, E. Boucard, T. Sourmail, D. San Martin, N. Gey, P. E. J. Rivera-Diaz-del-Castillo : Acta Mater., 68 (2014) 169-178.

상세보기
Q. Zhou, X. Wu, N. Min : Met. Mater. Int., 17 (2011) 547-552.

상세보기
F. Pan, P. Ding, S. Zhou, M. Kang, D. V. Edmonds : Acta Mater., 45 (1997) 4703-4712.

상세보기
W. M. Garrison, Jr. : ISIJ Int., 46 (2006) 782-784.

상세보기
H. N. Han, C.-S. Oh, G. Kim, O. Kwon : Mater. Sci. Eng. A, 499 (2009) 462-468.

상세보기
H. K. D. H. Bhadeshia, R. W. K. Honeycombe : Steels Microstructure and Properties, 3rd ed, Elsevier, Oxford, UK (2006) 71-93.
L. Wang, Q. Cai, H. Wu, W. Yu : Int. J. Minerals, Metall. Mater., 18 (2011) 543-550.

상세보기
G. R. Speich, A. J. Schwoeble, G. P. Huffman : Metall. Trans. A, 14A (1983) 1079-1087.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증