구조용강 드릴 작업용 고성능 소결 고속도강 제조

구조용강 드릴 작업용 고성능 소결 고속도강 제조

Technological Innovation

For the 21 Century

2013 년 7 월 25일

선문대학교 하이브리드 공학과 임 태 환

1

참여기업 : ㈜삼원테크툴

일반적으로 교량 및 건물의 골격으로 구조용 형강이 사용되고 있고 , 이와 같은 형강을 볼트로 체결하기 위해서는 고속도 공구강 (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 발달에 따라 현재 홀 가공에 사용되는 고속도 공구강은 고속으로 피삭제 ( 구조용강 ) 를 가공 가능하여야 하고 , 또한 내구성 ( 긴 수명 ) 도 만족시켜야 한다 .

이와 같은 조건을 만족시키기 위해서는 재료학적으로 모상 (matrix) 의 미세조직 및 모상 내에 형성되는 탄화물의 크기 (morphology), 탄화물의 종류 및 분포상태를 적절히 조절하여 고속도 공구강의 주요 기계적 특성인 경도 , 인성 , 내마모성 , 내열성을 향상시켜야 한다 .

. 연구개발 배경

2

분말야금법을 통한 소결 고속도 공구강의 제조공정 . ★ 첫 번째는 분말을 금형 성형하여 소결시키는 방법 [조대분말 (40∼50 ㎛ )+ 금형성형 + 액상소결 ] 으로 치수성이 양호한 near net shape 의 제품을 제조하는 것이다 . 이 경우 제품 제조공정은 간단하나 , 소결공정에서 다량의 액상이 형성되므로 모상의 결정립 조대화로 강도 저하를 초래할 수 있다 . ★ 두 번째는 분말을 캡슐로 포장하여 진공으로 한 후 열간정수압 (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 , 스웨덴 , 독일 , 미국 등에서 수입하여 국내에서는 가공만 하여 제품으로 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%Mo-

7.96%W- 4.07%V-7.96%Co-4.1%Cr-1.59%C

기본조성의 미립분말 (2∼5 ㎛ ) 에 고속도 공구강에서

석출되어 탄화물보다 우수한 경도를 나타낼 수 있는 고영률

TiB2, B, B4C 의 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 제작하여 구조용강 고속

드릴 작업용 HSS 소재의 합금설계 방향을 확립하고 제품을

제조할 수 있게 한다 . 4

최근에는 고속도 공구강 드릴 제조에 있어서 고속 드릴링 작업( 고능률 ) 과 수명 연장이라는 2 가지 목적을 충족시켜야 되기 때문에 분말야금법 ( 소결 ) 으로 전환되어 가고 있는 실정이다 .

분말고속도 공구강의 특징 ① 조직이 균일하므로 가공성이 우수하다 . ② 결정립 크기가 미세하므로 절삭공구의 수명연장 효과가 있다 . ③ 수율이 높고 불량률이 적어 생산 원가 절감 효과가 있다 .

연구개발 내용 및 방법

5

연구 개발 내용 분말야금공정

간단한 제품 제조공정으로 HRC 가 70(Hv≃950) 에 근접한 고성능 소결 고속도공구강을 보다 저렴하게 개발하는 것이다 .

6

최종연구개발 내용

본 개발에서 위에의 특징을 최대한도로 발현시키기 위해 석출 탄화물 보다 경도 상승효과가 우수한 붕화물계 미립분말을 첨가 , 미립 분말사용 + 금형성형 + 고상소결 또는 소량의 액상 출현 (bond) 소결 공정으로 조대분말 +금형성형 + 액상소결법의 최대 단점인 모상의 결정립 및 탄화물의 크기를 control 해서 경도 , 인성 문제를 해결한다 . 또한 , 열처리 특성도 체계적으로 평가한다 . 이로써 분말 +HIP+ 가공한 제품과 기계적 특성이 동등한 제품을 개발한다 .

ⓐ 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%C 조성의 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%TiB2 분말 NbC(1.0 ㎛ , 2∼4% 첨가 ) 를 첨가한 혼합분말도 사용 .

Ⓑ 혼합 및 성형 : 금형성형에 있어 성형성을 향상시키기 위하여 바인더 (DL-camphor: C10H16O) 를 1% 첨가 습식으로 혼합 .성형 압력은 1ton 으로 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 1 시간 , 소결체에 대하여는 필요에 의해 열처리도 실시 .

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연구개발 방법

평가 항목 : 소결체의 상대밀도 (Ds) 측정 , 광학 현미경 및 SEM 에 의한 조직관찰 , 시차 열 (DTA) 분석 , 경도 (Hv) 측정 , 성분 (EDX) 분석 , 탄소분석 등

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900 1000 1100 120070

80

90

100

: 0 % T iB2

: 0.4 % T iB2

: 0.8 % T iB2

: 1.2 % T iB2

R

ela

tiv

e d

en

sit

y o

f

sin

te

re

d c

om

pa

ct,

Ds

(%

)

S i n ter i ng temperature, T s / oC

F e- 6.08% Mo - 7.96% W - 4.07% V- 7.96% C o - 4.1% C r- 1.59%C

R elati ve dens i ty o f green c o mpac t,Dg=70% Vac uum

소결체의 상대 밀도에 미치는 소결 온도의 영향

. 연구개발 결과

9

0.0 0.4 0.8 1.280

90

100

Ds

(%

)

A dd i ti o nal T iB2 c o ntent (% )

F e- 6.08% Mo- 7.96% W - 4.07% V- 7.96% C o - 4.1% C r- 1.59%C

Dg=70Vac uum

1150oC

1200oC

1100oC

소결체의 밀도에 미치는 TiB2 첨가량의 영향

10

1150℃ 소결 , TiB2 첨가 소결체의 광학현미경 조직사진 (X100) 예

11

0%TiB2 0.4%TiB2

0%, 0.4%TiB2 첨가 소결체의 DTA 분석

TiB2 첨가 소결체의 탄소량

12

Fe-6.08%Mo-7.96%W-4.07%V-7.96%Co-4.1%Cr-1.59%C

Dg≃70%, Ts=1150℃

TiB2 첨가량 (%) 0 0.4 0.8 1.2

소결체 탄소량

(%) 1.41 1.32 1.27 1.45

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1150℃ 소결 , TiB2 첨가 소결체의 SEM 조직사진(X500) 예

14

0.0 0.4 0.8 1.2100

200

300

Vic

ke

rs

ha

rd

ne

ss

, H

v (

kg

/m

m2)

A dd i ti o nal T iB2 c o ntent (%)

Dg=70m, Vac uum

T s =1150oC

F e- 6.09% M o - 7.96% W - 4.07% V- 7.96% C o - 4.1% C r- 1.59% C

1150℃ 소결체의 경도 (Hv) 에 미치는 TiB2 첨가량의 영향

15

0.00 0.03 0.06 0.09 0.1280

90

100

100

200

300

Hv

(k

g/m

m2)

Ds

(%

)

A dd i ti o nal B c o ntent (% )

T s =1100oC

F e- 6.08% Mo - 7.96% W - 4.07% V- 7.96% C o - 4.1% C r- 1.59%C

1100℃ 소결체의 밀도 , 경도에 미치는 B 첨가량의 영향

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B 첨가 1100℃ 소결체의 광학현미경 조직사진 ( 연마면 X100, 부식면X500) 예

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0.00 0.03 0.06 0.09 0.1280

90

100

100

200

300

Hv

(k

g/m

m2)

D

s (

%)

A dd i ti o nal B4C c o nten t (% )

T s =1100oC

F e- 6.08% Mo - 7.96% W - 4.07% V- 7.96% C o - 4.1% C r- 1.59%C

Dg=70%, vac uum

1100℃ 소결체의 밀도 , 경도에 미치는 B4C 첨가의 영향

18

B4C 첨가 1100℃ 소결체의 광학현미경 조직사진 ( 연마면 X100, 부식면X500) 예

19

0 2 480

90

100

D

s (

%)

A dd i ti o nal N bC c o nten t (% )

: 0.4% T i B2

: 0.8% T i B2

T s =1150oC

F e- 6.08% Mo - 7.96% W - 4.07% V- 7.96% C o - 4.1% C r- 1.59%C

1150℃ 소결체의 밀도에 미치는 NbC 첨가량의 영향

20

0 2 4200

300

400

Hv

(k

g/m

m2)

A dd i ti o nal N bC c o ntent (% )

: 0.4% T iB2

: 0.8% T iB2

T s =1150oC

F e- 6.08% M o - 7.96% W - 4.07% V- 7.96% C o - 4.1% C r- 1.59% C

1150℃ 소결체의 경도에 미치는 NbC 첨가량의 영향

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0 2 480

90

100

Ds

(%

)

A dd i ti o nal N bC c o ntent (%)

: 0.4% T iB2

: 0.8% T iB2

T s =1200oC

F e- 6.08% Mo - 7.96% W - 4.07% V- 7.96% C o - 4.1% C r- 1.59%C

1200℃ 소결체의 밀도에 미치는 NbC 첨가량의 영향

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NbC 첨가 1200℃ 소결체의 광학현미경 조직사진 ( 부식면 X500) 예

결정립 크기정량적 관찰 : 2∼5 ㎛

23NbC 첨가 1200℃ 소결체의 SEM 조직사진(X500) 예

탄화물 크기정량적 관찰 : 1∼2㎛

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0 2 4200

400

600

800

Hv

(k

g/m

m2)

A dd i ti o nal N bC c o ntent (% )

: 0.4% T i B2

: 0.8% T i B2

T s =1200oC

F e- 6.08% M o - 7.96% W - 4.07% V- 7.96% C o - 4.1% C r- 1.59% C

1200℃ 소결체의 경도에 미치는 NbC 첨가의 영향

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시판제품 경도 (Hv) 값 일본 N 사 : 570, 국내 Y 사 : 492.

TiB2 첨가 소결체에서는 어느 경우에 있어서나 , 시판되고 있는 드릴의 경도 값을 얻을 수 없었고 , NbC 첨가 소결체의 경우는 시판되고 있는 드릴의 경도 값 이상을 얻을 수 있었으나 , 목표로 하는 경도 값 950 을 얻을 수 없었다 .

기본 조성에 0.4%TiB2 첨가 소결체 및 0.8%TiB2 +2%NbC 첨가 소결체에 대하여 2 차 경화 조질 열처리를 실시한 결과 , 0.4%TiB2 첨가 소결체(1120℃ 에서 유중 소입 , 550℃ 에서 1 시간 공기 중 소려 2 회 ) 의 경도 값은 250 620 으로 상승 , 0.8%TiB2 +2%NbC 첨가 소결체 (1170℃에서 유중 소입 , 550℃ 에서 1 시간 공기 중 소려 2 회 ) 에서는 611 946 으로 상승

0.4%TiB2 첨가 소결체에서는 시판 제품의 경도 값 이상을 달성하였고 , 0.8%TiB2 +2%NbC 첨가 소결체에서는 목표 경도 값을 얻을 수 있었다 .

경제적 효과

현재는 개발한 결과물을 이용하여 시작품 제작 중에 있으며 2014 년 전반부에는 파이롯트 생산을 시작하고 후반부터는 양산가능하다 . 그러나 , 국내 경기의 침체 , 양산설비 구축을 위한 자금조달 문제 등 제품 생산 환경이 2013 년에 들어서면서 어려워지고 있다 . 이러한 상황에 있음에도 2014 년 후반부터는 건축 및 교량 형강 홀 가공용 고속도 공구강 (High Speed Steel: HSS) 엔드 밀 (endmill) 및 드릴 (drill) 을 생산한다 . 약 15억원 정도의 매출이 기대된다 .

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. 결론

27

소결 엔드 밀 및 드릴용 소재로 사용되는 Fe-6.08%Mo-7.96%W-4.07%V-7.96%Co-4.1%Cr-1.59%C 기본조성의 미립분말 (2∼5 ㎛ ) 에 고속도 공구강에서 석출되는 탄화물보다 우수한 경도를 나타낼 수 있는 고영률 TiB2, B, B4C 의 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 TiB2 를 0.4∼1.2% 첨가하여 소결체의 상대 밀도에

미치는 소결 온도의 영향을 조사한 결과 , TiB2무첨가 소결체에서는 소결

온도의 증가와 더불어 소결체의 밀도는 상승하여 1150℃ 에서 거의 100%

로 되었다 . 고영률 향상원소인 TiB2 첨가의 경우는 1150℃까지는

상승하고 그 이상의 온도에서는 저하하였다 . 예를 들어 , 0.4, 0.8,

1.2%TiB2 첨가 소결체의 상대밀도를 보면 각각 100, 97, 95% 로 나타났다 .

또한 , 1150℃ 에서 소결한 소결체가 1200℃ 에서 소결한 소결체에 비하여

우수한 소결 특성을 나타내었다 .

28

2. 1150℃ 에서 소결한 TiB2 첨가 소결체에 대하여 광학 현미경 조직 분석

결과 , 0.4%TiB2 첨가 소결체에서는 약 1 ㎛이하의 미세한 기공이 관찰되는

반면 1.2%TiB2 첨가 소결체에서는 20∼30 ㎛의 조대한 기공이 잔류하였

다 .

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

온도 구간으로 나타났다 .

4. 1150℃ 소결체에 대하여 비커스 경도 (Hv) 값을 측정한 결과 , 0, 0.4,

0.8, 1.2%TiB2 첨가에서 각각 200, 250, 260, 282 로 나타나 , 열처리 전의

목표로 하는 경도 값 Hv≃300 을 얻을 수 없었다 .

29

6. 0.4, 0.8%TiB2 첨가 소결체 (1150℃) 에 대하여 2, 4%NbC 첨가량의

영향을 조사한 결과 , 어느 경우에 있어서나 소결체의 밀도는 92∼95% 로

나타냈다 . 소결체의 경도 값은 TiB2, NbC 첨가량의 변화에 관계없이

230∼260 범위의 값을 나타내어 NbC 첨가가 경도 값 상승으로 작용하지

않았다 .

5. 아몰퍼스 B 미분말을 0.03∼0.1% 첨가 1100℃ 에서 소결한 소결체에

대하여 밀도 및 경도 값을 측정한 결과 , B 첨가 소결체의 밀도는 무첨가의

92% 에 비하여 2%낮은 약 90% 를 나타냈다 . 소결체의 경도 값은 0,

0.03, 0.06, 0.1%B 첨가에서 각각 185, 220, 245, 260 으로 나타났다 .

B4C 미분말도 B 와 동일하게 첨가하여 조사하였으나 , 아몰퍼스 B

미분말보다 효과가 적었다 . 따라서 , 고상 소결 공정으로 소결체의 밀도 및

경도를 상승시킬 목적으로 소량 첨가한 B 및 B4C 미분말을 가지고는

목적하는 소결체를 제조할 수 없었다 .

30

8. 0.4%TiB2 첨가 소결체 및 0.8%TiB2 +2%NbC 첨가 소결체에 대하여 2

차 경화 조질 열처리를 실시한 결과 , 0.4%TiB2 첨가 소결체의 경도 값은

250 에서 620 으로 상승하였고 , 0.8%TiB2 +2%NbC 첨가 소결체는

611 에서 946 로 상승하였다 . 이상의 결과를 종합하여 보면 , 0.4%TiB2

첨가 소결체는 시판 제품의 경도 값 이상을 달성하였고 , 0.8%TiB2 +2%NbC

첨가 소결체는 목표 경도 값을 달성하였다 .

7. 소결온도를 50℃ 상승시켜 1200℃ 에서 소결한 결과 , 0.8%TiB2+NbC

첨가 소결체의 밀도는 NbC 첨가량의 증가와 더불어 상승하여 2%, 4%NbC

첨가에서 각각 96, 98% 로 되었다 . 소결체의 경도 값은 0.4%TiB2+0, 2,

4%NbC 첨가 소결체에서 각각 290, 610, 611 로 나타났다 . 이와 같은

결과는 0.8%TiB2 첨가 소결체에서도 거의 동일하게 나타났다 . 즉 , 탄화물

형성원소인 NbC 가 소결체의 경도에 큰 영향을 미치는 것을 알았다 .

31

6. 0.4, 0.8%TiB2 첨가 소결체 (1150℃) 에 대하여 2, 4%NbC 첨가량의

영향을 조사한 결과 , 어느 경우에 있어서나 소결체의 밀도는 92∼95% 로

나타냈다 . 소결체의 경도 값은 TiB2, NbC 첨가량의 변화에 관계없이

230∼260 범위의 값을 나타내어 NbC 첨가가 경도 값 상승으로 작용하지

않았다 .

5. 아몰퍼스 B 미분말을 0.03∼0.1% 첨가 1100℃ 에서 소결한 소결체에

대하여 밀도 및 경도 값을 측정한 결과 , B 첨가 소결체의 밀도는 무첨가의

92% 에 비하여 2%낮은 약 90% 를 나타냈다 . 소결체의 경도 값은 0,

0.03, 0.06, 0.1%B 첨가에서 각각 185, 220, 245, 260 으로 나타났다 .

B4C 미분말도 B 와 동일하게 첨가하여 조사하였으나 , 아몰퍼스 B

미분말보다 효과가 적었다 . 따라서 , 고상 소결 공정으로 소결체의 밀도 및

경도를 상승시킬 목적으로 소량 첨가한 B 및 B4C 미분말을 가지고는

목적하는 소결체를 제조할 수 없었다 .

32

감사 합니다 .