[논문]Cu 첨가에 따른 SKD11의 기계적, 열적 특성 변화

최광묵; 채홍준

doi:10.7777/jkfs.2019.39.6.103

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Cu-added SKD11 was manufactured through the casting process and the effects of Cu addition with different contents (0, 1, 2 and 3 wt%) and aging treatment on microstructure, mechanical characteristics such as tensile strength and hardness, and thermal conductivity were investigated. The microstructu...

Cu-added SKD11 was manufactured through the casting process and the effects of Cu addition with different contents (0, 1, 2 and 3 wt%) and aging treatment on microstructure, mechanical characteristics such as tensile strength and hardness, and thermal conductivity were investigated. The microstructure was analyzed by FE-SEM and XRD, the mechanical characteristics by Rockwell hardness tester and Tensile tester, and the thermal conductivity by Laser flash. As a result, SKD11 containing Cu had higher hardness than as-received SKD11. The hardness of as-cast SKD11 containing 1 wt% Cu was 42.4 HRC, whereas the hardness of asreceived SKD11 cast alloy was 19.5 HRC, indicating that the hardness was greatly improved when Cu was added. In the case of tensile strength, Cu-added SKD11 cast alloy had lower tensile strength than as-received SKD11, and the tensile strength tended to increase as Cu content increased. After heat treatment, however, tensile strength of as-received SKD11 was significantly increased, whereas in the case of Cu-added SKD11, as the Cu contents increased, the tensile strength increased less and even reduced at 3 wt% Cu. The thermal conductivity of Cu-added SKD11 cast alloy was about 13 W m-1 K-1, which was lower than that of the asreceived SKD11 cast alloy (28 W m-1 K-1). After the heat treatment, however, the thermal conductivity of as-received SKD11 was reduced, while the thermal conductivity of the SKD11 added with Cu was increased. Thermal conductivity was generally larger with less Cu content, and this tendency became more pronounced after heat treatment.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. The microstructure of Cu-added SKD11 according to Cu content and heat treatment.
그림 Fig. 2. The magnified FE-SEM images and EDS analysis of dendrites in Cu-added SKD11.
그림 Fig. 3. The SE and BSE image of dendrite in Cu-added SKD11 before and after heat treatment.
그림 Fig. 4. The XRD result of Cu-added SKD11 with Cu content (0, 1, 2 and 3 wt% Cu).
그림 Fig. 5. The XRD result before and after heat treatment of Cu-added SKD11 containing 3 wt% Cu.
그림 Fig. 6. The hardness of Cu-added SKD11 according to Cu content and heat treatment.
그림 Fig. 7. The tensile strength of Cu-added SKD11 according to Cu content and heat treatment.
그림 Fig. 8. The thermal conductivity of Cu-added SKD11 according to Cu content, heat treatment and test temperature.

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문제 정의

본 논문에서는 금형강 소재인 SKD11에 Cu가 첨가된 Cu-added SKD11 소재의 기계적 및 열적 특성 변화를 조사하였다. 이를 위해 Cu-added SKD11의 Cu 함유량 및 열처리 조건에 따른 경도, 인장강도 및 열전도도 변화를 분석하였고, 각 조건에 따른 미세구조를 FE-SEM을 통해 관찰하여 특성 변화의 원인을 분석하였다.

제안 방법

미세구조 분석은 FE-SEM과 XRD 분석을 통해 진행되었다. 시편의 미세구조를 관찰하기 위하여 먼저 SiC paper 100, 400, 1,000, 1,500, 2,000 grit 순으로 폴리싱 한 후, 3, 1 μm Diamond pastes로 최종 폴리싱 하였다.
본 연구팀은 Cu가 첨가된 SKD11을 주조제작하고, Cu 함량 및 열처리 조건에 따른 Cu-added SKD11의 미세구조, 기계적 및 열적 특성을 확인하여 각 조건별 미세구조를 바탕으로 기계적, 열적 특성이 변화하는 원인에 대하여 분석하였다.

대상 데이터

Cu-added SKD11은 기존의 SKD11에 Cu를 각각 1, 2, 3 wt%씩 첨가한 후 아르곤 분위기 하에서 비 소모성 전극 아크로(Non-consumable electrode arc furnace)에서 주조 제작하였다. 주조 시 주입온도는 1,500도이며, 12시간 노냉하였다.

이론/모형

열전도도 테스트는 비접촉식 측정 방법인 laser flash 측정 방법을 이용하였다. Laser flash는 시료와의 접촉 저항 없이 열확산 계수를 측정할 수 있어 정확한 열전도도 측정이 가능하다.

성능/효과

)에 비해 매우 낮은 것을 확인하였다. 그러나 열처리 이후 기존 SKD11의 열전도도는 20 W m⁻¹ K⁻¹로 감소하는 반면, Cu가 첨가된 SKD11의 열전도도는 함량에 상관없이 모두 상승하는 것을 확인하였다. 이는 주조합금에서는 Cu가 상 내부에 고용체로 존재하기 때문에 열전달을 방해하는 요소로 작용하지만, 열처리 이후에는 Cu 석출물로 석출되기 때문에 열전도도가 개선되기 때문으로 보인다.
열처리 후 기존 SKD11은 인장강도가 크게 상승한 반면, Cu가 첨가된 SKD11의 경우 함량이 많을수록 인장강도 상승폭이 점점 줄어들며, 3 wt% 함량의 SKD11의 경우 오히려 인장강도가 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이러한 인장강도 특성은 Cu 첨가에 따른 Stacking fault energy의 상승과 고용 강화 효과의 경쟁 및 석출물 조대화에 따른 응력집중을 통해 결정되는 것으로 보인다.
주조합금의 경우 Cu가 첨가된 SKD11의 경도는 기존 SKD11 주조합금의 경도에 비해 크게 향상되었으며, Cu 함량이 높아질수록 경도는 조금씩 감소하는 경향을 보였다. 그러나 열처리 후 기존 SKD11은 경도가 크게 상승하는 반면, Cu가 첨가된 SKD11은 비교적 소폭 상승하여, Cu가 첨가된 SKD11의 경도는 기존 SKD11의 경도와 비슷하거나 소폭 큰 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스테인리스 강에 Cu 첨가하였을때 조직의 변화는?	Cu는 대표적인 스테인리스 강 강화요소로, 오스테나이트 구조를 안정화시켜 내마모성과 크리프(Creep) 저항성을 향상시키는 요소로 잘 알려져 있으며, Stacking fault energy (SFE)를 높여 Deep drawing 공정을 통한 성형체의 품질을 좋게 한다[1,2]. 또한 Cu 첨가량 및 열처리 조건에 따라 Cu석출물의 석출형태 및 분포가 달라지는데, 이를 통해 강철의 경도, 인장강도 등 기계적 특성과 열적특성 등을 조절할 수 있어 다양한 분야에 활용될 수 있다[3].
	SKD11란?	SKD11은 합금공구강 강재(Alloy tool steels) 중 하나로, 내마모성이 우수하고 높은 경도를 가지며, 고강도, 균일강도, 고청정 및 고품질 특성을 가지는 강재이다. SKD11의 구성 원소를 살펴보면, 탄소가 많이 함량되어 있어(1.
	Cu가 첨가된 스테인리스 강의 단점은?	최근에는 Cu가 첨가된 스테인리스 강의 항균작용에 대한 연구도 진행되어, 고용된 Cu 이온이 세포 외벽을 붕괴시켜 박테리아를 죽일 수 있음을 확인하였다[2,7]. 그러나 Cu가 첨가된 스테인리스 강은 낮은 온도에서 녹는 Cu-rich eutectic상으로 인해 고온 단조 특성이 나빠진다는 단점도 가지고 있다[8,9].

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