Effect of Copper Addition on Mechanical and Thermal Properties of SKD11 Stainless Steel

Received: Oct. 16, 2019; Revised: Oct. 31, 2019; Accepted: Nov. 28, 2019

†

Corresponding author: Hong-Jun Chae (Institute for Advanced Engineering) Tel: 82-31-330-7464, Fax:82-31-330-7116

E-mail: [email protected]

Journal of Korea Foundry Society 2019. Vol. 39 No. 6, pp. 103~109 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2019.39.6.103 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381

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Cu 첨가에 따른 SKD11의 기계적 , 열적 특성 변화

최광묵 · 채홍준^† 고등기술연구원

Effect of Copper Addition on Mechanical and Thermal Properties of SKD11 Stainless Steel

Gwang Mook Choi and Hong-Jun Chae^†

Center for Advanced Materials and Processing, Institute for Advanced Engineering, Yongin 17180, Republic of Korea

Abstract

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 hard- ness than as-received SKD11. The hardness of as-cast SKD11 containing 1 wt% Cu was 42.4 HRC, whereas the hardness of as- received 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 as- received 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.

Key words: Cu-added SKD11, Cu-rich precipitates, Hardness, Tensile strength, Thermal conductivity

1. 서 론

SKD11 은 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(1.40~1.60%) 고강도 특성을 가지며, 강재의 청정성을 해치고 취성을 갖게 하는 P와 S의 함유량이 각각 최대 0.04%, 0.05%로 다른 구조용 강재에 비해 적게 함유되어 있어 고청정 특성을 가지 고 있다. 또한 SKD11은 크롬과 몰리브덴이 많이 함량되어

있어, 부동태피막을 통한 고 내부식성을 가지며 동시에 고경 도 특성을 가지고 있다. 더불어 바나듐이 첨가되어 철강재의 강도를 크게 증가시켰다. 이러한 특성으로 인해 SKD11은 프레스 금형, 초정밀 지그, 커터(Cutter), 다이(Dies), 펀치 (Punch), 전로 롤러 등에 활용된다.

Cu는 대표적인 스테인리스 강 강화요소로, 오스테나이트

구조를 안정화시켜 내마모성과 크리프(Creep) 저항성을 향

상시키는 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 Cu

석출물의 석출형태 및 분포가 달라지는데, 이를 통해 강철의 경도, 인장강도 등 기계적 특성과 열적특성 등을 조절할 수 있어 다양한 분야에 활용될 수 있다[3]. 또한 Cu 첨가 시 상대적으로 값이 비싼 Ni의 함량을 줄이면서도 좋은 기계적 특성을 유지할 수 있어 경제적으로도 유리하다[4-6]. 최근에 는 Cu가 첨가된 스테인리스 강의 항균작용에 대한 연구도 진행되어, 고용된 Cu 이온이 세포 외벽을 붕괴시켜 박테리아 를 죽일 수 있음을 확인하였다[2,7]. 그러나 Cu가 첨가된 스 테인리스 강은 낮은 온도에서 녹는 Cu-rich eutectic상으로 인해 고온 단조 특성이 나빠진다는 단점도 가지고 있다[8,9].

본 논문에서는 금형강 소재인 SKD11에 Cu가 첨가된 Cu- added SKD11 소재의 기계적 및 열적 특성 변화를 조사하 였다. 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.

2. 실험방법

2.1 재료 준비

Cu-added SKD11 은 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 제 작하였다. 주조 시 주입온도는 1,500도이며, 12시간 노냉하였 다. 조성은 C 1.5 wt%, Si 0.25 wt%, Mn 0.28 wt%, P 0.018 wt%, S 0.003 wt%, Ni 0.23 wt%, Cr 11.26 wt%, Mo 0.82 wt%, V 0.242 wt%, Cu, Fe(bal.)이다. 주조 합금은 55 mm

× 100 mm × 10 mm의 직사각형 형태로 먼저 제조한 후, 100 mm × 10 mm × 3 mm 인장시편과 10 mm × 10 mm × 2 mm 의 경도, 열전도도 및 미세구조 분석용 샘플을 재단하였다.

각 샘플은 1,030

C에서 30분간 용체화 처리 후 공냉 하 였으며, 이후 500

C 에서 60분간 템퍼링하였다. 주조 합금 및 열처리 샘플은 각각 미세구조 관찰과 경도, 인장강도, 열전도 도 특성 분석에 사용되었다.

2.2 미세구조 분석

미세구조 분석은 FE-SEM과 XRD 분석을 통해 진행되었 다. 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. 이후 10 mL HNO

와 20 mL HCl 그리고 20 mL 글리세롤을 사용하 여 시편을 10초간 에칭한 후, 오스테나이트 상을 확실히 볼 수 있도록 즉시 에탄올로 세척하였다. 본 샘플의 표면을 FE- SEM 을 통해 관찰하였다. 또한 XRD를 통해 열처리 조건에 따른 격자 상수의 변화를 분석하였다. 관전압(Tube voltage) 은 50 kV, 관전류(Tube current)는 300 mA, 스캔 속도는 1.2° min

으로 설정하였다.

2.3 기계적 특성 분석

인장강도 테스트는 ASTM E8을 기준으로 100 mm × 10 mm × 3 mm 판형 시편을 제작한 후, 표점거리 50 mm, 5 mm min

의 일정한 cross-head 속도로 상온에서 진행하였다.

경도는 ASTM E18-16 기준으로 100 kgf의 하중에서 로크웰 경도 스케일 C로 분석하였다.

2.4 열전도도 분석

열전도도 테스트는 비접촉식 측정 방법인 laser flash 측정 방법을 이용하였다. Laser flash는 시료와의 접촉 저항 없이 열확산 계수를 측정할 수 있어 정확한 열전도도 측정이 가능 하다. 시편의 크기는 10 mm

10 mm

2 mm이며, LFA467 (NETZSCH) 장비를 통해 측정하였다. 측정 온도는 25°C, 100

C, 200

C 에서 각각 측정하였으며, 고순도 N

를 60 mL min

로 주입하는 조건으로 측정분위기를 설정하였다.

3. 결과 및 논의

3.1 미세구조

Fig. 1은 열처리 전 후 및 Cu 함량에 따른 Cu-added SKD11 미세구조를 나타낸 것이다. 열처리 전 미세구조는 주 조 후 미세구조를, 열처리 후 미세구조는 1,030°C에서 30분 간 용체화 처리 후 500°C에서 1시간동안 템퍼링 한 후 미 세구조를 나타낸 것이다. 먼저 주조 후 미세구조를 살펴보면, Cu 함량에 상관없이 모든 영역의 미세조직은 전형적인 응고 조직인 수지상 결정 조직이다. 또한 각 영역의 수지상 결정 을 비교하여 보면, 수지상 결정 암 간격(Arm spacing)의 차 이가 거의 없다.

Fig. 2는 Cu-added SKD11 내 수지상 결정을 확대한 FE-SEM 이미지 및 EDS 분석 결과를 나타낸 것이다. 확대 이미지에서 보듯, 수지상 결정의 경계의 상은 미세한 층상공 정(Lamellar eutectic)형태의 공정 조직임을 확인 할 수 있 다. EDS분석 결과, Fe 기지는 상대적으로 수지상 결정에 비 해 Cu를 많이 함유한 γ오스테나이트 상임을 알 수 있으며, 수지상 결정은 탄화물 형성원소인 Cr이 많이 농화되어 있는 Cr-rich carbide임을 확인할 수 있다.

Fig. 3은 1,030

C에서 30분간 용체화 처리 및 500

C에 서 60분간 템퍼링 후의 미세구조를 나타낸 것이다. 열처리 후에도 오스테나이트 기지와 수지상 결정의 형상은 크게 변 하지 않았으나, 열처리 후 오스테나이트 기지 상에 석출물 이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 이는 기지상 내에 고용 되어 있던 Cu가 석출되면서 Cu 석출물을 형성했기 때문이 다. Cu는 원자번호가 29로 철의 원자번호 26보다 크다.

따라서 Cu 석출물은 BSE 분석 시 주변 오스테나이트 기

지에 비해 밝게 나타난다. Fig. 1(b)의 BSE 사진을 보면

밝은 빛을 띄는 Cu 석출물(빨간 화살표)가 형성된 것을 확

인할 수 있다.

Fig. 4, 5는 열처리 전 후의 Cu-added SKD11의 XRD 분석 결과이다. 먼저 Fig. 4는 Cu 함량에 따른 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다. 분석결과 Cu 함량이 높아질수록 약 57.3° 에 분포한 peak이 점차 왼쪽으로 이동하는 것을 확인 할 수 있다. 이는 Cu 함량이 높아질수록 격자 간격이 커지 기 때문이다. Cu 원자의 반지름은 128 pm로 Fe 원자의 반 지름(124 pm)보다 조금 크며, 합금 내부에서 치환고용체 (Substitutional solid solution) 로 존재한다. 따라서 Cu가 고 용체로 존재할 시 격자를 왜곡하게 되고 격자 상수(Lattice constant)가 소폭 상승하게 된다. Fig. 5는 열처리 전 후의

XRD 분석결과를 나타낸 것이다. 분석결과 열처리 후 Peak 이 오른쪽으로 이동하는 것을 확인할 수 있는데 이는 열처리 후 격자간격이 열처리 전보다 줄어들기 때문이다. 열처리 후 Cu 석출물이 형성되면서 오스테나이트 내부의 Cu가 빠져나 오게 되는데 이로 인해 오스테나이트 상의 격자 상수가 다시 소폭 줄어들게 되고, 격자 왜곡 에너지(Lattice distortion energy)도 감소하게 된다[10].

3.2 경도

Fig. 6은 Cu를 첨가한 SKD11의 Cu 함량 및 열처리에 Fig. 1.

Fig. 2.

따른 경도를 나타낸 것이다. 분석결과 Cu가 첨가된 SKD11 합금은 기존 SKD11 합금에 비해 경도가 상승한 것을 확인 할 수 있었다. 먼저 열처리 전 주조합금의 경우 1, 2, 3 wt% Cu 가 첨가된 SKD11의 경도는 각각 42.4 HRC, 40.2 HRC, 38.6 HRC로 기존 SKD11 주조합금의 경도인 19.5 HRC 에 비해 경도가 크게 향상되었으며, Cu 함량이 높아질 수록 경도는 조금씩 감소하는 경향을 보였다.

그러나 용체화 처리 후 기존 SKD11의 경도는 60.6 HRC 인 반면, 1, 2, 3 wt% Cu가 첨가된 SKD11의 경도는 각각 Fig. 3.

before and after heat treatment.

Fig. 4.

Fig. 5.

Fig. 6.

59.3 HRC, 58.33 HRC, 58.97 HRC 로 나타나, 기존 SKD11 은 경도가 급격하게 증가한 반면 Cu를 함유한 SKD11은 비 교적 상승폭이 작아 경도가 역전된 것을 확인할 수 있었다.

템퍼링 이후 기존 SKD11의 경도는 57.7 HRC로 풀림에 의해 감소하는 반면, Cu가 첨가된 SKD11는 소폭 상승하여 1, 2, 3 wt% Cu 가 첨가된 SKD11의 경도는 각각 60.03 HRC, 61.27 HRC, 60.43 HRC으로 나타나, Cu가 첨가된 SKD11 의 경도가 다시 기존 SKD11의 경도를 역전한 것을 확인할 수 있었다.

이러한 경도 특성은 고용강화(Solid solution strengthening) 효과와 Cu 석출물의 석출경화(Precipitation hardening)에 기 인하는 것으로 보인다. 먼저 주조합금에서는 Cu가 치환고용 체로 존재하는데, 이 때 Local stress field가 형성되고, 이는 소재 내 전위(Dislocation)의 움직임을 방해하는 고용강화 효 과를 일으켜 경도를 향상시킨다. 그러나 용체화 처리 이후에 는 Cu 석출물에 의한 석출경화 효과가 경도 강화를 주도하 게 된다[11,12]. 따라서 일반적으로 템퍼링 시 풀림에 의해 경도가 감소하는 금속 소재와 달리, Cu-added SKD11은 석 출물이 증가하는 효과가 더 커져 결과적으로 경도가 강화되 는 결과를 얻게 된다.

3.3 인장강도

Fig. 7은 Cu를 첨가한 SKD11의 Cu 함량 및 열처리에 따른 인장강도를 나타낸 것이다. 먼저 각각 1, 2, 3 wt%

Cu가 첨가된 SKD11 주조합금의 인장강도는 426 MPa, 730 MPa, 750 MPa 로, 기존 SKD11 주조합금의 인장강도(786 MPa)보다 더 낮은 인장강도를 가지며, Cu 함량이 높을수록 인장강도는 상승하는 경향을 보였다. 그러나 열처리 후 기존 SKD11의 인장강도는 1,853 MPa로 크게 상승한 반면, 1, 2, 3 wt% Cu 가 첨가된 SKD11의 경우 인장강도는 각각 1217 MPa, 830 MPa, 721 MPa로 오히려 함량이 많을수록 인장강 도 상승폭이 점점 줄어들며, 3 wt% 함량의 SKD11의 경우

오히려 인장강도가 감소한 것을 확인할 수 있었다.

이러한 인장강도 특성은 Cu 첨가에 따른 SFE의 상승과 고용체 강화 효과 간의 경쟁을 통해 결정되는 것으로 보인 다. 먼저 Cu는 오스테나이트계 스테인리스 강의 SFE를 향상 시키는 것으로 알려져 있다. SFE의 증가는 부분전위(Partial dislocations) 간의 간격을 감소시켜, 두 개의 부분전위를 하 나의 완전전위(Perfect dislocation)으로 합치기 쉽게 만든다.

완전전위는 다른 슬립면(Slip plane)으로 교차슬립이 가능하기 때문에 전위가 동일한 슬립면에 쌓이는 일을 방지한다. 따라 서 인장강도가 감소하게 된다. 그러나 동시에 Cu는 Fe계 합 금에 첨가 시 치환 고용되어 격자의 국부적 불균일성을 야기 하며 이를 통해 전위의 운동을 방해하는 고용 강화 효과를 일으키게 된다. 이는 인장강도를 증가시키는 효과를 가져오게 된다[13-15]. 이러한 두 개의 상충하는 작용은 합금의 열처 리 및 Cu 함량에 따라 다르게 나타난다. 먼저 주조 합금의 경우, Cu의 함량이 많을수록 고용 강화 효과가 강하게 나 타나 인장강도가 증가하는 것으로 보인다. 그러나 열처리 후 에는 오스테나이트 상 안에 존재하는 Cu가 석출되면서 Stacking fault energy를 낮추게 되는 반면 고용 강화 효과 는 감소가 되게 되는데 Cu가 많을수록 고용 강화 효과가 더 감소하게 되므로 인장강도의 증가폭이 감소하게 된다[6].

또한 열처리 후 인장강도가 낮아졌다는 점을 통해, 석출물 조대화에 따른 응력집중 또한 인장강도의 감소에 영향을 미 친 것으로 보인다.

3.4 열전도도

Fig. 8은 Cu를 첨가한 SKD11의 Cu 함량 및 열처리에 따른 열전도도의 변화를 분석한 결과이다. 상온에서 1, 2, 3 wt% Cu가 첨가된 SKD11 주조합금의 열전도도는 각각 약 12.6 W m

K

, 12.7 W m

K

, 12.2 W m

K

로 기존 SKD11 주조합금의 열전도도(28 W m

K

)에 비해 매우

Fig. 8.

Fig. 7.

낮은 것을 확인하였다. 그러나 용체화처리 이후 상온에서 기 존 SKD11의 열전도도는 21.4 W m

K

로 감소한 반면, 1, 2, 3 wt% Cu가 첨가된 SKD11의 상온에서 열전도도는 각 15.4 W m

K

, 13.4 W m

K

, 13.5 W m

K

로 모두 상승하였다. 마찬가지로 최종 열처리 이후 기존 SKD11 의 상온에서 열전도도는 20 W m

K

로 감소하는 반면, 1, 2, 3 wt% Cu가 첨가된 SKD11의 상온에서 열전도도는 18.9 W m

K

, 17.8 W m

K

, 15.1 W m

K

로 모 두 상승하는 것을 확인하였다. 동시에 함량이 적을수록 상승 폭이 큰 것을 확인할 수 있었다. 100°C 와 200°C에서 열 전도도를 분석하였을 때는 온도가 높아질수록 전체적으로 열 전도도가 증가하는 것을 볼 수 있었으나 Cu 함량에 따른 열전도도 경향이 변하지는 않았다.

열전도도는 Cu 함량이 적을수록 대체적으로 더 크게 나타 났으며, 열처리 이후 이러한 경향이 더욱 두드려졌다. 일반 적으로 SKD11은 열처리 시 내부 산화가 일어나며 급격한 냉각으로 인해 마르텐사이트나 열응력, 변태응력으로 인한 균열 형성 등으로 인해 열전도도가 감소하는 특성을 보인다.

그러나 Cu가 첨가된 SKD11의 경우, 주조합금에서는 Cu가 상내부에 고용체로 존재하기 때문에 결정 구조를 왜곡시키고 결과적으로 열전달을 방해하는 요소로 작용하지만, 열처리 이후에는 Cu 석출물로 석출되기 때문에 열전도도가 개선되 는 것으로 보인다. 그러나 Cu 석출물 역시 전도를 방해하 는 요소로 작용하기 때문에 기존 SKD11에 비해 열전도도 가 낮으며. Cu 함량이 많을수록 열전도도가 감소하는 것으 로 보인다.

4. 결 론

본 연구팀은 Cu가 첨가된 SKD11을 주조제작하고, Cu 함 량 및 열처리 조건에 따른 Cu-added SKD11의 미세구조, 기계적 및 열적 특성을 확인하여 각 조건별 미세구조를 바 탕으로 기계적, 열적 특성이 변화하는 원인에 대하여 분석하 였다.

주조합금의 경우 Cu가 첨가된 SKD11의 경도는 기존 SKD11 주조합금의 경도에 비해 크게 향상되었으며, Cu 함 량이 높아질수록 경도는 조금씩 감소하는 경향을 보였다. 그 러나 열처리 후 기존 SKD11은 경도가 크게 상승하는 반면, Cu 가 첨가된 SKD11은 비교적 소폭 상승하여, Cu가 첨가된 SKD11 의 경도는 기존 SKD11의 경도와 비슷하거나 소폭 큰 것을 확인하였다. 이는 고용 강화 효과와 Cu 석출물의 석출 경화에 의한 것으로 보인다.

열처리 후 기존 SKD11은 인장강도가 크게 상승한 반면, Cu가 첨가된 SKD11의 경우 함량이 많을수록 인장강도 상승 폭이 점점 줄어들며, 3 wt% 함량의 SKD11의 경우 오히려 인장강도가 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이러한 인장강도 특성은 Cu 첨가에 따른 Stacking fault energy의 상승과 고

용 강화 효과의 경쟁 및 석출물 조대화에 따른 응력집중을 통해 결정되는 것으로 보인다.

Cu-added SKD11 주조합금의 열전도도는 약 13 W m

K

로 기존 SKD11 주조합금의 열전도도(28 W m

K

) 에 비해 매우 낮은 것을 확인하였다. 그러나 열처리 이후 기존 SKD11 의 열전도도는 20 W m

K

로 감소하는 반면, Cu 가 첨가된 SKD11의 열전도도는 함량에 상관없이 모두 상승 하는 것을 확인하였다. 이는 주조합금에서는 Cu가 상 내부에 고용체로 존재하기 때문에 열전달을 방해하는 요소로 작용하 지만, 열처리 이후에는 Cu 석출물로 석출되기 때문에 열전도 도가 개선되기 때문으로 보인다.

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부에서 지원하는 경제협력권산업육 성사업(R00005801)에서 지원한 것이다.

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