구조용강 드릴 작업용 고성능 소결 고속도강 제조 참여기업: ㈜삼원테크툴 Technological Innovation For the 21 Century 구조용강 드릴 작업용 고성능 소결 고속도강 제조 2013년 7월 25일 선문대학교 하이브리드 공학과 임 태 환

. 연구개발 배경 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.

분말야금법을 통한 소결 고속도 공구강의 제조공정. ★첫 번째는 분말을 금형 성형하여 소결시키는 방법[조대분말(40∼50㎛)+금형성형+액상소결]으로 치수성이 양호한 near net shape의 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.

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%C기본조성의 미립분말(2∼5㎛)에 고속도 공구강에서 석출되어 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 제작하여 구조용강 고속 드릴 작업용 HSS소재의 합금설계 방향을 확립하고 제품을 제조할 수 있게 한다.

연구개발 내용 및 방법 연구 개발 내용 분말야금공정 최근에는 고속도 공구강 드릴 제조에 있어서 고속 드릴링 작업(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.

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 control해서 경도, 인성 문제를 해결한다. 또한, 열처리 특성도 체계적으로 평가한다. 이로써 분말+HIP+가공한 제품과 기계적 특성이 동등한 제품을 개발한다. 최종연구개발 내용 간단한 제품 제조공정으로 HRC가 70(Hv≃950)에 근접한 고성능 소결 고속도공구강을 보다 저렴하게 개발하는 것이다.

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(DL-camphor: 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 대하여는 필요에 의해 열처리도 실시. 평가 항목: 소결체의 상대밀도(Ds) 측정, 광학 현미경 및 SEM에 의한 조직관찰, 시차 열(DTA)분석, 경도(Hv) 측정, 성분(EDX)분석, 탄소분석 등

. 연구개발 결과 소결체의 상대 밀도에 미치는 소결 온도의 영향

소결체의 밀도에 미치는 TiB2 첨가량의 영향

1150℃소결, TiB2첨가 소결체의 광학현미경 조직사진(X100) 예

0%TiB2 0.4%TiB2 0%, 0.4%TiB2첨가 소결체의 DTA 분석

Fe-6.08%Mo-7.96%W-4.07%V-7.96%Co-4.1%Cr-1.59%C 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(%) 0.4 0.8 1.2 소결체 탄소량(%) 1.41 1.32 1.27 1.45

1150℃소결, TiB2첨가 소결체의 SEM 조직사진(X500) 예

1150℃소결체의 경도(Hv)에 미치는 TiB2첨가량의 영향

1100℃소결체의 밀도, 경도에 미치는 B첨가량의 영향

B첨가 1100℃소결체의 광학현미경 조직사진(연마면X100,부식면X500) 예

1100℃소결체의 밀도, 경도에 미치는 B4C첨가의 영향

B4C 첨가 1100℃소결체의 광학현미경 조직사진(연마면X100,부식면X500) 예

1150℃소결체의 밀도에 미치는 NbC첨가량의 영향

1150℃소결체의 경도에 미치는 NbC첨가량의 영향

1200℃소결체의 밀도에 미치는 NbC첨가량의 영향

NbC첨가 1200℃소결체의 광학현미경 조직사진(부식면X500) 예 결정립 크기정량적 관찰: 2∼5㎛ NbC첨가 1200℃소결체의 광학현미경 조직사진(부식면X500) 예

NbC첨가 1200℃소결체의 SEM 조직사진(X500) 예 탄화물 크기정량적 관찰: 1∼2㎛ NbC첨가 1200℃소결체의 SEM 조직사진(X500) 예

1200℃소결체의 경도에 미치는 NbC첨가의 영향

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 경도 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.

경제적 효과 현재는 개발한 결과물을 이용하여 시작품 제작 중에 있으며 2014년 전반부에는 파이롯트 생산을 시작하고 후반부터는 양산가능하다. 그러나, 국내 경기의 침체, 양산설비 구축을 위한 자금조달 문제 등 제품 생산 환경이 2013년에 들어서면서 어려워지고 있다. 이러한 상황에 있음에도 2014년 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.

.결론 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%C기본조성의 미립분말(2∼5㎛)에 고속도 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 미치는 소결 온도의 영향을 조사한 결과, TiB2무첨가 소결체에서는 소결 온도의 증가와 더불어 소결체의 밀도는 상승하여 1150℃에서 거의 100%로 되었다. 고영률 향상원소인 TiB2첨가의 경우는 1150℃까지는 상승하고 그 이상의 온도에서는 저하하였다. 예를 들어, 0.4, 0.8, 1.2%TiB2첨가 소결체의 상대밀도를 보면 각각 100, 97, 95%로 나타났다. 또한, 1150℃에서 소결한 소결체가 1200℃에서 소결한 소결체에 비하여 우수한 소결 특성을 나타내었다.

2. 1150℃에서 소결한 TiB2첨가 소결체에 대하여 광학 현미경 조직 분석 결과, 0 2. 1150℃에서 소결한 TiB2첨가 소결체에 대하여 광학 현미경 조직 분석 결과, 0.4%TiB2첨가 소결체에서는 약 1㎛이하의 미세한 기공이 관찰되는 반면 1.2%TiB2첨가 소결체에서는 20∼30㎛의 조대한 기공이 잔류하였다. 3. 액상 출현 온도를 명확히 파악하기 위하여 기본 조성의 분말 및 0.4%TiB2첨가 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%TiB2첨가에서 각각 200, 250, 260, 282로 나타나, 열처리 전의 목표로 하는 경도 값 Hv≃300을 얻을 수 없었다.

5. 아몰퍼스B 미분말을 0.03∼0.1%첨가 1100℃에서 소결한 소결체에 대하여 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. 따라서, 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 영향을 조사한 결과, 어느 경우에 있어서나 소결체의 밀도는 92∼95%로 나타냈다. 소결체의 경도 값은 TiB2, NbC첨가량의 변화에 관계없이 230∼260범위의 값을 나타내어 NbC첨가가 경도 값 상승으로 작용하지 않았다.

7. 소결온도를 50℃상승시켜 1200℃에서 소결한 결과, 0.8%TiB2+NbC첨가 소결체의 밀도는 NbC첨가량의 증가와 더불어 상승하여 2%, 4%NbC첨가에서 각각 96, 98%로 되었다. 소결체의 경도 값은 0.4%TiB2+0, 2, 4%NbC첨가 소결체에서 각각 290, 610, 611로 나타났다. 이와 같은 결과는 0.8%TiB2첨가 소결체에서도 거의 동일하게 나타났다. 즉, 탄화물 형성원소인 NbC가 소결체의 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 상승하였다. 이상의 결과를 종합하여 보면, 0.4%TiB2첨가 소결체는 시판 제품의 경도 값 이상을 달성하였고, 0.8%TiB2 +2%NbC첨가 소결체는 목표 경도 값을 달성하였다.

5. 아몰퍼스B 미분말을 0.03∼0.1%첨가 1100℃에서 소결한 소결체에 대하여 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. 따라서, 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 영향을 조사한 결과, 어느 경우에 있어서나 소결체의 밀도는 92∼95%로 나타냈다. 소결체의 경도 값은 TiB2, NbC첨가량의 변화에 관계없이 230∼260범위의 값을 나타내어 NbC첨가가 경도 값 상승으로 작용하지 않았다.

감사 합니다.