고성능 소결 고속도강 제조

Report
참여기업: ㈜삼원테크툴
Technological Innovation
For the 21 Century
구조용강 드릴 작업용 고성능 소결
고속도강 제조
2013년 7월 25일
선문대학교 하이브리드 공학과
임태환
1
. 연구개발 배경
일반적으로 교량 및 건물의 골격으로 구조용 형강이 사용되고
있고, 이와 같은 형강을 볼트로 체결하기 위해서는 고속도 공구
강(High Speed Steel: HSS) 엔드 밀(endmill) 및 드릴(drill)로
형강에 홀(hole) 가공을 실시하여야 한다. 즉, 구조용 형강들의
홀을 볼트로 체결함으로써 구조물이 완성된다. 산업 사회의 발
달에 따라 현재 홀 가공에 사용되는 고속도 공구강은 고속으로
피삭제(구조용강)를 가공 가능하여야 하고, 또한 내구성(긴 수
명)도 만족시켜야 한다.
이와 같은 조건을 만족시키기 위해서는 재료학적으로 모
상(matrix)의 미세조직 및 모상 내에 형성되는 탄화물의 크기
(morphology), 탄화물의 종류 및 분포상태를 적절히 조절하여
고속도 공구강의 주요 기계적 특성인 경도, 인성, 내마모성, 내
열성을 향상시켜야 한다.
2
분말야금법을 통한 소결 고속도 공구강의 제조공정.
★첫 번째는 분말을 금형 성형하여 소결시키는 방법[조대분
말(40∼50㎛)+금형성형+액상소결]으로 치수성이 양호한
near net shape의 제품을 제조하는 것이다. 이 경우 제품 제조
공정은 간단하나, 소결공정에서 다량의 액상이 형성되므로 모
상의 결정립 조대화로 강도 저하를 초래할 수 있다.
★두 번째는 분말을 캡슐로 포장하여 진공으로 한 후 열간정
수압(Hot Isostatic pressing; HIP)으로 고상소결 한다. 소결
후에는 프레스, 압연하여 봉강(분말+HIP+가공)을 만든다.
분말야금 방법을 통한 소결고속도 공구강 제조에 있어 국내의
경우를 보면, 소재로 사용되는 HSS 소결 봉강을 전량 일본, 스
웨덴, 독일, 미국 등에서 수입하여 국내에서는 가공만 하여 제
품으로 판매하고 있다. 따라서, 구조용강 드릴용 분말 고속도
공구강 소재 및 엔드밀, 드릴의 국산화가 시급하다.
3
개발목표 및 최종 요구 조건
소결 엔드 밀 및 드릴용 소재로 사용되는 Fe-6.08%Mo7.96%W- 4.07%V-7.96%Co-4.1%Cr-1.59%C기본조성의
미립분말(2∼5㎛)에 고속도 공구강에서 석출되어 탄화물보
다 우수한 경도를 나타낼 수 있는 고영률 TiB2, B, B4C의 붕
화물 미립분말 및 NbC 탄화물 미립분말을 실험 계획법에 의
거 첨가, 금형성형+고상 소결공정 또는 소량의 액상 출현
(bond)공정으로 모상 및 탄화물 크기가 미세한 소결체를 제
작하여 구조용강 고속 드릴 작업용 HSS소재의 합금설계 방
향을 확립하고 제품을 제조할 수 있게 한다.
4
연구개발 내용 및 방법
연구 개발 내용
분말야금공정
최근에는 고속도 공구강 드릴 제조에 있어서 고속 드릴링 작
업(고능률)과 수명 연장이라는 2가지 목적을 충족시켜야 되기
때문에 분말야금법(소결)으로 전환되어 가고 있는 실정이다.
분말고속도 공구강의 특징
①조직이 균일하므로 가공성이 우수하다.
②결정립 크기가 미세하므로 절삭공구의 수명연장 효과가 있다.
③수율이 높고 불량률이 적어 생산 원가 절감 효과가 있다.
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본 개발에서 위에의 특징을 최대한도로 발현시키기 위해
석출 탄화물 보다 경도 상승효과가 우수한 붕화물계 미립분
말을 첨가, 미립 분말사용+금형성형+고상소결 또는 소량의
액상 출현(bond)소결 공정으로 조대분말+금형성형+액상소
결법의 최대 단점인 모상의 결정립 및 탄화물의 크기를
control해서 경도, 인성 문제를 해결한다. 또한, 열처리 특성
도 체계적으로 평가한다.
이로써 분말+HIP+가공한 제품과 기계적 특성이 동등한 제
품을 개발한다.
최종연구개발 내용
간단한 제품 제조공정으로 HRC가 70(Hv≃950)에
근접한 고성능 소결 고속도공구강을 보다 저렴하게
개발하는 것이다.
6
연구개발 방법
ⓐ원료 분말: 시판의 철 미분(평균입도: 4.4㎛), 탄소분말(평균입도: 4㎛) 및
Mo2C(1.8㎛, 6.0%C), W(0.96㎛), VC(1.1㎛, 18.5%C), Co(4.2㎛), Cr(5㎛)
미분말을 기본 분말로 하여 Fe-6.08%Mo-7.96%W-4.07%V-7.96%Co
-4.1%Cr-1.59%C조성의 혼합 분말(기본 조성분말)을 사용.
미분말에 고영률을 나타내는 TiB2(3㎛, 0.4∼1.2%첨가), 아몰퍼스B(1.4㎛,
0.03∼0.1%첨가), B4C(1.2㎛, 0.03∼0.1%첨가)의 붕화물계 미분말을 각각
첨가한 혼합분말 및 기본조성분말+0.4∼0.8%TiB2분말 NbC(1.0㎛, 2∼4%
첨가)를 첨가한 혼합분말도 사용.
Ⓑ혼합 및 성형: 금형성형에 있어 성형성을 향상시키기 위하여 바인더(DLcamphor: C10H16O)를 1%첨가 습식으로 혼합.
성형 압력은 1ton으로 하여 성형체의 밀도가 약 70%인 성형체 제조.
Ⓒ소결: 소결분위기는 진공(10-5Torr), 승온속도는 0.17Ks-1, 소결온도(Ts)
는 1000∼1200℃의 범위에서 변화시켜 소결시간은 1시간, 소결체에 대하
여는 필요에 의해 열처리도 실시.
평가 항목: 소결체의 상대밀도(Ds) 측정, 광학 현미경 및 SEM에 의한 조
직관찰, 시차 열(DTA)분석, 경도(Hv) 측정, 성분(EDX)분석, 탄소분석 등
7
. 연구개발 결과
Fe-6. 08% Mo -7. 96% W-4. 07% V-7. 96% C o -4. 1% C r-1. 59% C
Relative density of
sintered compact, Ds (%)
100
R ela tive d en s ity o f
g reen c o m p a c t,Dg =70%
Va c u u m
90
:
0 % Ti B 2
: 0.4 % Ti B 2
: 0.8 % Ti B 2
: 1.2 % Ti B 2
80
70
900
1000
1100
1200
S i n teri n g tem p era tu re, Ts / o C
소결체의 상대 밀도에 미치는 소결 온도의 영향
8
Fe-6.08% Mo-7.96% W-4.07% V-7.96% Co-4.1% Cr-1.59%C
Ds (% )
100
1150 o C
1200 o C
90
Dg=70
Vacuum
80
0.0
1100o C
0.4
0.8
1.2
Additional TiB 2 content (%)
소결체의 밀도에 미치는 TiB2 첨가량의 영향
9
1150℃소결, TiB2첨가 소결체의 광학현미경 조직사진(X100) 예
10
0%TiB
0.4%TiB2
2
0%, 0.4%TiB2첨가 소결체의 DTA 분석
11
TiB2첨가 소결체의 탄소량
Fe-6.08%Mo-7.96%W-4.07%V-7.96%Co-4.1%Cr-1.59%C
Dg≃70%, Ts=1150℃
TiB2첨가량(%)
0
소결체 탄소량(%) 1.41
0.4
0.8
1.2
1.32
1.27
1.45
12
1150℃소결, TiB2첨가 소결체의 SEM 조직사진(X500)
예
13
Vickers hardness, Hv (kg/mm 2)
300
200
Fe-6. 09% Mo -7. 96% W-4. 07% V-7. 96% C o -4. 1% C r-1. 59% C
Dg =70m , Va c u u m
Ts =1150 o C
100
0. 0
0. 4
0. 8
1. 2
Ad d i ti o n a l Ti B 2 c o n ten t (% )
1150℃소결체의 경도(Hv)에 미치는 TiB2첨가량의 영향
14
100
300
Hv (kg/mm 2)
Ds (%)
Fe-6. 08% Mo -7. 96% W-4. 07% V-7. 96% Co -4. 1% Cr-1. 59% C
90
200
Ts =1100 o C
80
0. 00
0. 03
0. 06
0. 09
100
0. 12
Ad d i ti o n al B co n ten t ( % )
1100℃소결체의 밀도, 경도에 미치는 B첨가량의 영향
15
B첨가 1100℃소결체의 광학현미경 조직사진(연마면X100,부식면X500) 예
16
100
300
Fe-6. 08% Mo -7. 96% W-4. 07% V-7. 96% C o -4. 1% C r-1. 59% C
Hv (kg/mm 2)
Ds (%)
Dg =70% , va c u u m
90
200
Ts =1100 o C
80
0. 00
0. 03
0. 06
0. 09
100
0. 12
Ad d i ti o n a l B 4C c o n ten t ( % )
1100℃소결체의 밀도, 경도에 미치는 B4C첨가의 영향
17
B4C 첨가 1100℃소결체의 광학현미경 조직사진(연마면X100,부식면X500) 예
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Fe-6.08% Mo-7.96% W-4.07% V-7.96% Co-4.1% Cr-1.59% C
Ds (%)
100
90
: 0.4% Ti B 2
: 0.8% Ti B 2
80
0
Ts =1150 o C
2
4
Ad d ition al Nb C con ten t (% )
1150℃소결체의 밀도에 미치는 NbC첨가량의 영향
19
400
Hv (kg/mm 2)
Fe-6. 08% Mo -7. 96% W-4. 07% V-7. 96% C o -4. 1% C r-1. 59% C
: 0.4% Ti B 2
: 0.8% Ti B 2
Ts =1150 o C
300
200
0
2
4
Ad d i ti o n a l Nb C c o n ten t (% )
1150℃소결체의 경도에 미치는 NbC첨가량의 영향
20
Fe-6. 08% Mo -7. 96% W-4. 07% V-7. 96% C o -4. 1% C r-1. 59% C
Ds (%)
100
90
: 0. 4% Ti B 2
: 0. 8% Ti B 2
80
0
Ts =1200 o C
2
4
Ad d i ti o n a l Nb C c o n ten t ( % )
1200℃소결체의 밀도에 미치는 NbC첨가량의 영향
21
결정립 크기정량
적 관찰: 2∼5㎛
NbC첨가 1200℃소결체의 광학현미경 조직사진(부식면X500) 예
22
탄화물 크기
정량적 관찰:
1∼2㎛
NbC첨가 1200℃소결체의 SEM 조직사진(X500) 예
23
800
Hv (kg/mm 2)
Fe-6. 08% Mo-7. 96% W-4. 07% V-7. 96% Co-4. 1% Cr-1. 59% C
600
: 0.4% Ti B 2
: 0.8% Ti B 2
400
Ts =1200 o C
200
0
2
4
Ad d ition al Nb C con ten t (% )
1200℃소결체의 경도에 미치는 NbC첨가의 영향
24
시판제품 경도(Hv) 값
일본 N사: 570, 국내 Y사: 492.
TiB2첨가 소결체에서는 어느 경우에 있어서나, 시판되고 있는 드릴의 경도
값을 얻을 수 없었고, NbC첨가 소결체의 경우는 시판되고 있는 드릴의 경
도 값 이상을 얻을 수 있었으나, 목표로 하는 경도 값 950을 얻을 수 없었다.
기본 조성에 0.4%TiB2첨가 소결체 및 0.8%TiB2 +2%NbC첨가 소결체에
대하여 2차 경화 조질 열처리를 실시한 결과, 0.4%TiB2첨가 소결체(1120℃
에서 유중 소입, 550℃에서 1시간 공기 중 소려 2회)의 경도 값은 250
620으로 상승, 0.8%TiB2 +2%NbC첨가 소결체(1170℃에서 유중 소입,
550℃에서 1시간 공기 중 소려 2회)에서는 611 946으로 상승
0.4%TiB2첨가 소결체에서는 시판 제품의 경도 값 이상을 달성하였고,
0.8%TiB2 +2%NbC첨가 소결체에서는 목표 경도 값을 얻을 수 있었다.
25
경제적 효과
현재는 개발한 결과물을 이용하여 시작품 제작 중에 있
으며 2014년 전반부에는 파이롯트 생산을 시작하고 후
반부터는 양산가능하다. 그러나, 국내 경기의 침체, 양
산설비 구축을 위한 자금조달 문제 등 제품 생산 환경
이 2013년에 들어서면서 어려워지고 있다. 이러한 상
황에 있음에도 2014년 후반부터는 건축 및 교량 형강
홀 가공용 고속도 공구강(High Speed Steel: HSS) 엔
드 밀(endmill) 및 드릴(drill)을 생산한다. 약 15억원
정도의 매출이 기대된다.
26
.결론
소결 엔드 밀 및 드릴용 소재로 사용되는 Fe-6.08%Mo-7.96%W4.07%V-7.96%Co-4.1%Cr-1.59%C기본조성의 미립분말(2∼5㎛)에 고속
도 공구강에서 석출되는 탄화물보다 우수한 경도를 나타낼 수 있는 고영률
TiB2, B, B4C의 붕화물 미립분말 및 NbC 탄화물 미립분말을 실험 계획법에
의거 첨가, 금형성형+고상 소결공정 또는 소량의 액상 출현(bond)공정으로
모상 및 탄화물 크기가 미세한 소결체를 제작, 소결·기계적 특성을 조사하여
다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 기본조성의 분말에 TiB2를 0.4∼1.2%첨가하여 소결체의 상대 밀도에 미
치는 소결 온도의 영향을 조사한 결과, TiB2무첨가 소결체에서는 소결 온도
의 증가와 더불어 소결체의 밀도는 상승하여 1150℃에서 거의 100%로 되었
다. 고영률 향상원소인 TiB2첨가의 경우는 1150℃까지는 상승하고 그 이상
의 온도에서는 저하하였다. 예를 들어, 0.4, 0.8, 1.2%TiB2첨가 소결체의 상
대밀도를 보면 각각 100, 97, 95%로 나타났다. 또한, 1150℃에서 소결한 소
결체가 1200℃에서 소결한 소결체에 비하여 우수한 소결 특성을 나타내었다.
27
2. 1150℃에서 소결한 TiB2첨가 소결체에 대하여 광학 현미경 조직 분석 결
과, 0.4%TiB2첨가 소결체에서는 약 1㎛이하의 미세한 기공이 관찰되는 반
면 1.2%TiB2첨가 소결체에서는 20∼30㎛의 조대한 기공이 잔류하였다.
3. 액상 출현 온도를 명확히 파악하기 위하여 기본 조성의 분말 및 0.4%TiB2
첨가 분말에 대하여 시차 열분석을 실시한 결과, 약 1150℃가 액상 소결 온
도 구간으로 나타났다.
4. 1150℃소결체에 대하여 비커스 경도(Hv) 값을 측정한 결과, 0, 0.4, 0.8,
1.2%TiB2첨가에서 각각 200, 250, 260, 282로 나타나, 열처리 전의 목표로
하는 경도 값 Hv≃300을 얻을 수 없었다.
28
5. 아몰퍼스B 미분말을 0.03∼0.1%첨가 1100℃에서 소결한 소결체에 대하
여 밀도 및 경도 값을 측정한 결과, B첨가 소결체의 밀도는 무첨가의 92%에
비하여 2%낮은 약 90%를 나타냈다. 소결체의 경도 값은 0, 0.03, 0.06,
0.1%B첨가에서 각각 185, 220, 245, 260으로 나타났다. B4C미분말도 B와
동일하게 첨가하여 조사하였으나, 아몰퍼스B 미분말보다 효과가 적었다. 따
라서, 고상 소결 공정으로 소결체의 밀도 및 경도를 상승시킬 목적으로 소량
첨가한 B 및 B4C미분말을 가지고는 목적하는 소결체를 제조할 수 없었다.
6. 0.4, 0.8%TiB2첨가 소결체(1150℃)에 대하여 2, 4%NbC첨가량의 영향
을 조사한 결과, 어느 경우에 있어서나 소결체의 밀도는 92∼95%로 나타냈
다. 소결체의 경도 값은 TiB2, NbC첨가량의 변화에 관계없이 230∼260범
위의 값을 나타내어 NbC첨가가 경도 값 상승으로 작용하지 않았다.
29
7. 소결온도를 50℃상승시켜 1200℃에서 소결한 결과, 0.8%TiB2+NbC첨가
소결체의 밀도는 NbC첨가량의 증가와 더불어 상승하여 2%, 4%NbC첨가에
서 각각 96, 98%로 되었다. 소결체의 경도 값은 0.4%TiB2+0, 2, 4%NbC첨
가 소결체에서 각각 290, 610, 611로 나타났다. 이와 같은 결과는 0.8%TiB2
첨가 소결체에서도 거의 동일하게 나타났다. 즉, 탄화물 형성원소인 NbC가 소
결체의 경도에 큰 영향을 미치는 것을 알았다.
8. 0.4%TiB2첨가 소결체 및 0.8%TiB2 +2%NbC첨가 소결체에 대하여 2차
경화 조질 열처리를 실시한 결과, 0.4%TiB2첨가 소결체의 경도 값은 250에서
620으로 상승하였고, 0.8%TiB2 +2%NbC첨가 소결체는 611에서 946로 상승
하였다. 이상의 결과를 종합하여 보면, 0.4%TiB2첨가 소결체는 시판 제품의
경도 값 이상을 달성하였고, 0.8%TiB2 +2%NbC첨가 소결체는 목표 경도 값
을 달성하였다.
30
5. 아몰퍼스B 미분말을 0.03∼0.1%첨가 1100℃에서 소결한 소결체에 대하
여 밀도 및 경도 값을 측정한 결과, B첨가 소결체의 밀도는 무첨가의 92%에
비하여 2%낮은 약 90%를 나타냈다. 소결체의 경도 값은 0, 0.03, 0.06,
0.1%B첨가에서 각각 185, 220, 245, 260으로 나타났다. B4C미분말도 B와
동일하게 첨가하여 조사하였으나, 아몰퍼스B 미분말보다 효과가 적었다. 따
라서, 고상 소결 공정으로 소결체의 밀도 및 경도를 상승시킬 목적으로 소량
첨가한 B 및 B4C미분말을 가지고는 목적하는 소결체를 제조할 수 없었다.
6. 0.4, 0.8%TiB2첨가 소결체(1150℃)에 대하여 2, 4%NbC첨가량의 영향
을 조사한 결과, 어느 경우에 있어서나 소결체의 밀도는 92∼95%로 나타냈
다. 소결체의 경도 값은 TiB2, NbC첨가량의 변화에 관계없이 230∼260범
위의 값을 나타내어 NbC첨가가 경도 값 상승으로 작용하지 않았다.
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감사 합니다.
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