[논문]냉간프레스금형용 고성능 주강 개발

강전연; 김병환; 김호영

doi:10.12656/jksht.2018.31.6.290

냉간프레스금형용 고성능 주강 개발
Development of a Cast Tool Steel with Excellent Performance for Application to Cold-Work Press Dies 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.31 no.6, 2018년, pp.290 - 299

강전연 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 김병환 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 김호영 (주식회사 센트랄, 재료연구팀)

Abstract ▼ AI-Helper

The microstructure of a newly developed alloy tool steel (KV1) for casting cold-work press dies was analyzed using advanced scanning electron microscopy. Its mechanical properties and durability in use as piercing inserts were tested. It contained a continuous network structure which originated from the micro-segregation during solidification and was composed of retained austenite and primary carbides. However, after quenching and tempering, its continuity was destroyed due to the decomposition of austenite. The discontinuous spatial distribution and the smaller amount of primary carbide in the network presented KV1 enhanced ductility compared to the common alloy (HK700). The reduced C and Cr, the addition of V resulted in a small amount of primary carbides which primarily consisted of MC, as well as fine and uniform dispersion of precipitates. Owing to these features, KV1 exhibited delayed initiation of chipping when used for piercing inserts.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Inserts for the field tests of the investigated alloys and the blank materials after piercing operation.
표 Table 1. Chemical compositions of alloys (wt.%)
그림 Fig. 2. Secondary electron (SE) images of as-cast microstructure in HK700 at (a) a low (×200) and (b) a high (×2,000) magnification [3], and (c-d) those for KV1.
그림 Fig. 3. Constituent phases in the as-cast microstructure and their indexed EBSPs: (a) HK700 [3] and (b) KV1 (Note the compositions by EDS in Table 2. The micrograph is a backscattered electron (BSE) image in compositional contrast mode. Identified phases are presented on the EBSPs. γ indicates austenite, while α_A indicates all the possible decomposition products of γ).
표 Table 2. Results of the EDS analyses on the points in Fig. 3 (wt.%, Fe: balance)
그림 Fig. 4. EBSD phase map of the as-cast microstructure: (a) HK700 [3] and (b) KV1.
그림 Fig. 5. SE images of the microstructure after quenching and tempering (QT) in HK700 at (a) a low (×200) and (b) a high (×5,000) magnification, and (c-d) those for KV1.
그림 Fig. 6. Constituent phases and their indexed EBSPs of the microstructure after QT: (a) HK700 [3] and (b) KV1 (Note the compositions by EDS in Table 4. The micrograph is a BSE image in compositional contrast mode. Identified phases are presented on the EBSPs).
표 Table 3. Results of the EDS analyses on the points in Fig. 6 (wt.%, Fe: balance)
그림 Fig. 7. EBSD phase map of the microstructure after QT: (a) HK700 [3] and (b) KV1.
그림 Fig. 8. Representative flow curve of the 4-point flexural tests.
표 Table 4. Mechanical properties of the alloys
그림 Fig. 9. Results of the field test: appearance of the insert edge after 11,620 strokes. Arrows indicates the occurrence of chipping on HK700.
$Fig. 10. Prediction of phase equilibria: (a) equilibrium phase fractions according to temperature and (b) result of Scheil-Gulliver solidification simulation for HK700 [3], (c-d) those for KV1 (L: liquid).$ 그림 Fig. 10. Prediction of phase equilibria: (a) equilibrium phase fractions according to temperature and (b) result of Scheil-Gulliver solidification simulation for HK700 [3], (c-d) those for KV1 (L: liquid).

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존의 대표 소재인 HK700을 대체하기 위해 개발한 고성능의 냉간프레스금형용 주강인 KV1의 미세조직 상 특징과 기계적 특성, 피어싱 금형으로 활용 시의 내구성 검증 결과를 보고하며, 그 성능 향상의 기구를 고찰하였다.
본 연구에서는 냉간프레스금형용 주강의 대표 강종인 HK700의 단점을 보완하기위해 최근 새롭게 개발된 합금의 미세조직과 기계적 특성, 실제 사용 환경에서의 초기 성능 검증 결과를 HK700과 비교하여 보고하며, 특징적인 미세조직 구성으로부터 성능개선의 기구에 대해 고찰하였다.

제안 방법

1. Inserts for the field tests of the investigated alloys and the blank materials after piercing operation.
이에는 JEOL 사의 전계방사형(field emission type) SEM인 JSM-7001F와 이에 부착된 Oxford Instruments의 XMax EDS 검출기와 NordlysNano EBSD 검출기를 활용하였다. 기존 문헌[3, 13-14]에서 투과전자현미경(transmission electron microscope) 수준의 공간분해능(spatial resolution)을 필요로 하지 않는 비교적 큰 산화물과 탄화물은 SEM의 EDS 및 EBSD를 동시 활용하여 효과적으로 규명할 수 있음이 보고되며, 본 연구에서도 이와 동일한 방법을 적용하였다. 비교재로 활용한 HK700의 미세조직 분석 결과와 기계적 특성은 기존 문헌[3]에서 이미 상세히 보고되어 있으며, 본 논문에서는 해당 결과들의 일부를 재활용 하였다.
기존 문헌[3, 13-14]에서 투과전자현미경(transmission electron microscope) 수준의 공간분해능(spatial resolution)을 필요로 하지 않는 비교적 큰 산화물과 탄화물은 SEM의 EDS 및 EBSD를 동시 활용하여 효과적으로 규명할 수 있음이 보고되며, 본 연구에서도 이와 동일한 방법을 적용하였다. 비교재로 활용한 HK700의 미세조직 분석 결과와 기계적 특성은 기존 문헌[3]에서 이미 상세히 보고되어 있으며, 본 논문에서는 해당 결과들의 일부를 재활용 하였다.
발광분석법(optical emission spectroscopy)을 이용해 분석한 합금조성은 Table 1과 같으며, 주괴로부터 경도 및 굽힘강도의 측정, 미세조직의 관찰을 위한 시험편을 채취하였다. 상기의 기계적 특성은 담금질 및 뜨임 열처리(quenching and tempering, 이하 QT) 이후 측정하였다. 담금질은 1,030℃에서 30분 유지 후 공냉하여 수행하였고, 뜨임 열처리에서는 상온까지 냉각된 시험편들을 520℃로 재가열하여 2시간 유지 후 공냉하는 과정을 2회 반복하였다.
주조 직후 및 QT 후의 미세조직을 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 활용해 관찰하였으며, 미세조직을 구성하는 기지 및 강화상들의 규명을 위해 에너지분산분광(energy dispersive spectroscopy, EDS) 장치와 후방산란전자회절(electron backscatter diffraction, EBSD) 장치를 활용하였다. 이에는 JEOL 사의 전계방사형(field emission type) SEM인 JSM-7001F와 이에 부착된 Oxford Instruments의 XMax EDS 검출기와 NordlysNano EBSD 검출기를 활용하였다. 기존 문헌[3, 13-14]에서 투과전자현미경(transmission electron microscope) 수준의 공간분해능(spatial resolution)을 필요로 하지 않는 비교적 큰 산화물과 탄화물은 SEM의 EDS 및 EBSD를 동시 활용하여 효과적으로 규명할 수 있음이 보고되며, 본 연구에서도 이와 동일한 방법을 적용하였다.
주조 직후 및 QT 후의 미세조직을 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 활용해 관찰하였으며, 미세조직을 구성하는 기지 및 강화상들의 규명을 위해 에너지분산분광(energy dispersive spectroscopy, EDS) 장치와 후방산란전자회절(electron backscatter diffraction, EBSD) 장치를 활용하였다. 이에는 JEOL 사의 전계방사형(field emission type) SEM인 JSM-7001F와 이에 부착된 Oxford Instruments의 XMax EDS 검출기와 NordlysNano EBSD 검출기를 활용하였다.

대상 데이터

진공유도용해로부터 HK700과 신규 개발 강종인KV1의 주괴(cast ingot)를 직경 36 mm, 길이 100mm의 원통형으로 제작하였다. 발광분석법(optical emission spectroscopy)을 이용해 분석한 합금조성은 Table 1과 같으며, 주괴로부터 경도 및 굽힘강도의 측정, 미세조직의 관찰을 위한 시험편을 채취하였다. 상기의 기계적 특성은 담금질 및 뜨임 열처리(quenching and tempering, 이하 QT) 이후 측정하였다.
실제 사용 환경에서 HK700 및 KV1의 성능 평가를 위해 Fig. 1과 같이 두 합금으로부터 직경15 mm의 피어싱(piercing) 인서트를 제작하였고, 이들을 장착한 냉간프레스금형으로 두께 1 mm의 강판에 원형 구멍을 연속적으로 성형하였다. 해당 인서트의 경화를 위한 QT는 상용의 진공열처리로에서 다른 상용 제품들과 함께 수행하였으며, QT 중의 오스테나이트화(austenitization) 및 뜨임 중의 유지 온도는 앞서의 소형 시험편과 동일하였다.
진공유도용해로부터 HK700과 신규 개발 강종인KV1의 주괴(cast ingot)를 직경 36 mm, 길이 100mm의 원통형으로 제작하였다. 발광분석법(optical emission spectroscopy)을 이용해 분석한 합금조성은 Table 1과 같으며, 주괴로부터 경도 및 굽힘강도의 측정, 미세조직의 관찰을 위한 시험편을 채취하였다.

이론/모형

담금질은 1,030℃에서 30분 유지 후 공냉하여 수행하였고, 뜨임 열처리에서는 상온까지 냉각된 시험편들을 520℃로 재가열하여 2시간 유지 후 공냉하는 과정을 2회 반복하였다. 경도는 RockwellC-scale (HRC)[10]로 5회 측정한 평균을, 굽힘강도는 4점굽힘시험[11-12]에서의 한계 응력을 3회 측정한 평균값을 제시하였다.

성능/효과

1. KV1은 주조 후 C 및 탄화물 형성 원소의 편석에 기인한 연속된 망상 구조를 형성하지만, 대부분이 안정한 M₇C₃로 구성된 HK700의 경우와는 달리 잔류 오스테나이트와 V을 다량 포함한 MC 등의 복합체로 구성되어 있었다. 해당 구조는 QT 중 오스테나이트의 분해에 기인하여 상당 부분 소멸하였고, 따라서 QT 후 KV1의 미세조직은 보다 균질한 양상을 보였다.
2. C, Cr 함량 감소에 의한 일차탄화물의 저감과 단속적인 분포는 HK700 대비 KV1의 연성 향상에 기여하였다. 이와 함께 Si, Mo, V 첨가를 통한 미세한 석출 탄화물의 분산과 단속적으로 소량 분포하는 MC 일차 탄화물이 피어싱 금형으로 활용 시 가장자리에서 발생하는 미세 균열에 의한 탈락을 지연시키는 것으로 판단되었다.
Fig. 1에 나타낸 두 합금의 현장 성능 평가는 총성형 회수 11,620 회가 지난 시점에서, Fig. 9에서와 같이 HK700으로 제작한 인서트 가장 자리에 탈락이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 반면 KV1은 시험 시작 전에 인서트 단면 중심부에 일부 주조결함이 존재함에도 불구하고 해당 시점까지 가장 자리의 탈락이나 균열은 없는 것으로 판단 되었다.
6와 Table 3는 QT 후의 구성상 정보를 대표하며, QT를 통해 두 합금의 상구성에 변화가 발생함을 보여 준다. HK700의 M₇C₃와 같이(d3, d4), KV1에서의 MC 일차탄화물도(D3) QT 전후에 안정적으로 유지되는 것을 확인할 수 있으며, 두 합금 모두에서 기존의 M₂C가 QT 중 변태한 M₆C가(b2, B2) 발견되었다[3, 14]. 한편 KV1의 일부 영역에서 주조 상태에서는 발견되지 않던 Cr을 다량 함유한 M₇C₃가 발견되고 있다.
2(b) 및 (d)의 고배율(2000배) 관찰에서, KV1은 HK700에서 관찰되는 것과 같이 탄화물의 층상(lamellar) 구조가 연결된 형태의 망상 구조[3]는 나타내지 않았다. KV1은 HK700에 비해 응고 중 형성된 일차탄화물(primary carbide)이 적으며, Fig.2(d)의 중심부에서 일부 관찰되는 바와 같이 일차탄화물들이 HK700에 비해 어두운 색상을 띄었고, 이로부터 HK700과는 다른 종류의 탄화물을 예상할 수 있었다.
9. Results of the field test: appearance of the insert edge after 11,620 strokes. Arrows indicates the occurrence of chipping on HK700.
7에 나타내었으며, 이로부터 QT를 통해 두 강종 모두에서 응고 후 잔류하던 기지 중의 γ가 대부분 αA로 변태했음을 확인할 수 있다. 각각의 주조 조직 중 망상 구조를 구성하였던 M₇C₃와 MC 일차탄화물이 QT 후에도 안정적으로 유지되는 것을 볼 수 있다. 그리고 KV1에서는 소량이지만 미세한 M₇C₃가 새롭게 생성된 것을 확인할 수 있다.
3에 나타낸 각 합금의 기지 및 탄화물 영역에 대한 EBSD 분석과, 동일 영역에 대한 Table 2의 EDS 조성 분석 결과는 상기 미세조직에 대한 구성상(micro-constituent) 분석 결과를 대표한다. 두 합금 모두에서 관찰 영역의 화학조성에 민감한 후방산란전자(backscattered electron, BSE) 이미지(image) 상에서 밝고(HK700의 b1, KV1의 B1) 어둡게(HK700의 d1과 d2, KV1의 D1) 나타나는 두 종류의 탄화물이 존재하는 것을 확인할 수 있다. Cr을 다량 함유하고 색상이 어두운 M₇C₃로 연속적인 망상 구조를 구성하는 HK700[3]과 달리, KV1에서는 V을 다량 포함하는 MC가 어두운 색상의 탄화물에 해당하였다.
상기의 미세조직 차이에 기인하여 Table 4와 Fig.8에서 확인할 수 있는 바와 같이 KV1은 HK700에 비해 연성이 큰 폭으로 개선되고, 결국 Fig. 9의 결과와 같이 사용 중 초기 결함 발생을 지연시킴으로써 금형의 수명 연장에 효과가 있는 것으로 판단된다. 공구강 중의 탄화물은 경도 및 내마모성 확보에 기여하지만, 한편으로 정출에 기인한 조대한 일차탄화물은 균열의 시발점으로도 작용하며[22-23], HK700의 취약한 연성은 Fig.
C, Cr 함량 감소에 의한 일차탄화물의 저감과 단속적인 분포는 HK700 대비 KV1의 연성 향상에 기여하였다. 이와 함께 Si, Mo, V 첨가를 통한 미세한 석출 탄화물의 분산과 단속적으로 소량 분포하는 MC 일차 탄화물이 피어싱 금형으로 활용 시 가장자리에서 발생하는 미세 균열에 의한 탈락을 지연시키는 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉간프레스금형 인서트에 사용되는 단련재는?	냉간프레스금형 인서트(insert)에는 STD11[1]으로 대표되는 다양한 합금공구강을 주로 단련재(wroughtalloy)의 형태로 공급 받아 활용한다. 그러나 한편으로 대량 생산 체제에서 한정된 크기와 형태로 공급되는 단련재를 인서트의 형상으로 기계가공(machining) 하는 과정에서 상당한 경비와 시간, 인력 및 원소재 손실을 감내해야 하며, 이의 경감을 목적으로 주조로부터 인서트를 제작하기도 한다[2].
	냉간프레스금형용 주강의 대표 강종인 HK700의 단점은?	그러나 이들의 합금계는 표준화된 단련재의 조성을 거의 그대로 따르고 있으며[4], 주조에 최적화된 전용합금계[5-9]는 찾아보기 힘들다. 특히 냉간프레스금형용 범용 소재로 볼 수 있는 STD11에 기반한 제품(HK700)[9]은 미세조직 중 존재하는 다량의 일차탄화물(primary carbide)이 주조 과정에서 연속적인 망(network)을 형성함으로써, 취성(brittleness)이 매우 높은 단점이 보고되고 있다[3].
	금형용 주강의 물성은 대체로 단련재에 미치지 못함에도 불구하고 유용하게 활용할 수 있는 경우는?	주조를 통한 제작은 금형의 대형화 및 일체화에도 유리하며, 이는 추가적인 시간과 비용의 절감 효과를 제공할 수 있다. 따라서 물성 측면에서는 대체로 단련재에 미치지 못할 것이 자명함[3]에도, 금형용 주강은 설계 변경이 잦거나 납기가 짧은 경우, 혹은 총 사용 횟수가 많지 않은 금형의 제작 등에 유용하게 활용할 수 있다.

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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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