KR102562199B1 - 금속적층가공용 기능성 철 합금소재 및 이를 이용한 금형 제조 기술 - Google Patents

금속적층가공용 기능성 철 합금소재 및 이를 이용한 금형 제조 기술 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속적층가공의 토너로 사용되는 철 합금소재에 있어서, 상기 철 합금소재는 중량%로, C 0.3~0.85%, Cr 3.0~9.0%, Si 0.15~0.35%, Mn 0.1~0.5%, Mo 0.5~5.0%, W 0.35~13.0%, V 0.1~2.5% 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 금속적층가공용 기능성 철 합금소재 및 이를 이용하여 제조된 금형과 금형 제조 기술에 관한 것이다.

Description

금속적층가공용 기능성 철 합금소재 및 이를 이용한 금형 제조 기술 {Functional iron alloy material for metal additive manufacturing, and mold manufacturing technology using the same}
본 발명은 금속적층가공용 기능성 철 합금소재 및 이를 이용한 금형 제조 기술에 관한 것이다.
최근 전 세계적으로 적층가공 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 적층가공기술은 기존의 제작 방식을 혁신적으로 변화시킬 수 있는 획기적인 기술 중 하나로 다양한 소재를 이용하여 입체적 물체를 제작할 수 있는 기술이다. 이 기술은 절삭에 의한 전통적인 제조방식과 비교하여 적용되는 분야에 따라 제조비용, 시간, 제품 성능 등의 개선이 가능하여 다양한 분야에서 제품의 제작과 생산에 적층가공 기술이 적용되고 있다.
적층가공 기술은 적층 방식에 따라 재료 압출 방식(Material Extrusion, ME), 재료 분사방식(Material Jetting, MJ), 접착제 분사방식(Binder Jetting, BJ), 판재 적층 방식(Sheet Lamination, SHL), 액조 광경화 방식(Vat Photo Polymerization, VPP), 분말 베드 융해 방식(Powder Bed Fusion, PBF), 에너지 제어 용착 방식(Direct Energy Deposition, DED) 7가지 방식으로 분류된다.
이 중에서 금속의 적층가공에는 주로 분말 베드 융해(PBF) 방식과 에너지 제어 용착(DED) 방식이 적용되고 있다.
분말 베드 융해 방식의 경우 수직 방향에서의 적층가공 시 언더컷(Under cut)이 발생하는 복잡한 형상의 금속제품을 적층가공 하는데 적합한 방식이며, 주로 의료용 임플란트, 두개골, 고관절 등 의료용과 항공기 및 자동차 부품, 사출금형의 냉각 채널 제조 등에 널리 적용되고 있다.
이와는 대조적으로 에너지 제어 용착 방식의 경우 언더컷(Under cut)이 발생하는 복잡한 형상의 금속 제품을 제조하는 경우에는 분말 베드 융해 방식에 비해 불리하나, 상대적으로 사용되는 분말 크기가 크고 적층 속도가 빠르며, 고출력의 레이저를 사용하기 때문에 금형 및 고경도 금속 부품의 제작과 수리에 적합한 기술이다.
금속 적층가공 기술은 적층가공에 사용되는 분말 소재비가 상용 금속 단조재 소재들에 비해 고가이며 종래의 기계가공에 의한 제조기술과 비교하여 제조시간이 많이 소요되어 항공, 우주, 의료, 발전, 자동차 산업과 같은 고부가가치 산업에 접목하는 방식으로 지속적으로 다양한 상용화 기술에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이와는 대조적으로 뿌리산업과 같이 상대적으로 부가가치성이 낮은 산업에 대해서는 종래의 기술과 비교하여 경제성이 낮아 적용분야를 확대하는데 한계를 보이고 있다.
한편, 이에 대한 유사 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0082220호가 제시되어 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0082220호 (2019.07.09)
본 발명은 추가적인 열처리 공정 없이도 적층가공 공정만으로 높은 경도 및 내마모성을 가지는 금속적층가공용 기능성 철 합금소재 및 이를 이용한 금형 제조 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만 상기 목적은 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 금속적층가공의 토너로 사용되는 철 합금소재에 있어서, 상기 철 합금소재는 중량%로, C 0.3~0.85%, Cr 3.0~9.0%, Si 0.15~0.35%, Mn 0.1~0.5%, Mo 0.5~5.0%, W 0.35~13.0%, V 0.1~2.5% 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 금속적층가공용 기능성 철 합금소재에 관한 것이다.
상기 일 양태에 있어, 상기 철 합금소재는 중량%로, C 0.5~0.85%, Cr 3.0~4.5%, Si 0.15~0.35%, Mn 0.1~0.25%, Mo 3.5 초과~6.0%, W 0.35~6.0%, V 1.5 초과~2.5%, Ni 0.1~0.6% 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 것일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 철 합금소재는 중량%로, C 0.3~0.5%, Cr 6.0~9.0%, Si 0.15~0.35%, Mn 0.25~0.5%, Mo 0.5~0.9%, W 10.0~13.0%, V 0.1~0.5% 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 것일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 철 합금소재는 구형 또는 와이어형일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 양태는 전술한 금속적층가공용 기능성 철 합금소재를 제조하기 방법으로, (a) 금속분말을 이루는 조성 성분인 금속소재들을 지정된 중량비대로 혼합하여 주조에 의해 잉곳을 제작하는 단계; 및 (b) 상기 잉곳을 가스 분무법(gas atomization) 방식을 통해 분말화하는 단계;를 포함하는, 금속적층가공용 기능성 철 합금소재의 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 양태는 전술한 금속적층가공용 기능성 철 합금소재를 금속적층가공하여 제조된 금형에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 일 양태는 비기능부인 금형의 본체부에 전술한 금속적층가공용 기능성 철 합금소재를 금속적층가공하여 기능부를 형성하는 단계;를 포함하는 금형 제조 기술에 관한 것이다.
상기 또 다른 일 양태에 있어, 상기 금속적층가공은 250~550 W의 레이저 출력 및 4~7 g/min의 분말 공급 속도 조건으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 금속적층가공용 기능성 철 합금소재를 금속적층가공한 소재는 추가적인 열처리 공정 없이도 적층가공 공정만으로 60 HRC 이상의 고경도를 달성할 수 있으며, 우수한 내마모성을 가질 수 있다.
또한, 종래의 기계가공에 의한 금형 제조기술은 기능부와 비기능부를 구분하여 금형을 제조하는 것이 불가능하였으나, 금속적층가공 기술을 이용하면 모재 상에 기능부를 적층가공 할 수 있어, 비기능부와 기능부를 구분하여 금형이나 금속부품 등을 제조 또는 보수할 수 있다.
도 1은 금속적층가공으로 제조된 AM_A 소재(비열처리)의 주사 전자현미경(FE_SEM) 및 광학현미경 측정 이미지이다.
도 2는 D2 소재의 FE_SEM 및 광학현미경 측정 이미지이다.
도 3은 단조재_C 소재의 FE_SEM 및 광학현미경 측정 이미지이다.
이하 본 발명에 따른 금속적층가공용 기능성 철 합금소재 및 이를 이용한 금형 제조 기술에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
종래의 기계가공에 의한 금형 제조기술은 기능부와 비기능부를 구분하여 금형을 제조하는 것이 불가능하였으나, 금속적층가공 기술을 이용하면 모재 상에 기능부를 적층가공할 수 있어, 비기능부와 기능부를 구분하여 금형이나 금속부품 등을 제조 또는 보수할 수 있다.
또한, 금속적층가공 시 적층가공 공정 조건을 변경하여 적층되는 층마다 기계적 물성을 달리 부여할 수 있는데, 상기 적층가공 공정은 가변 에너지(δw)와 가변 질량((δm)이 모두 변화하는 공정으로 정의되며, 공정 조건 중 레이저 출력과 레이져 빔 사이즈는 가변 에너지와 관계되는 공정 변수이고, 분말 공급량과 이송속도 등은 가변 질량과 관계되는 공정 조건이다. 이처럼, 금형 또는 금속부품의 요구 물성에 따라 적층가공 공정 조건을 달리하여 기계적 물성이 서로 다른 부품의 제조가 가능할 수 있다.
이를 위해서는 적절한 가변 에너지와 가변 질량의 선택이 중요하며, 적층가공 공정조건인 가변 에너지와 가변 질량이 변화 한다는 것은 적층 제조되는 부분의 용융 및 냉각 온도가 달라진다는 것을 의미하며, 특정한 합금 성분 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn) 등의 합금 성분을 적절히 배합하여 적층공정에 적용할 경우 적층가공 공정조건인 가변 에너지와 가변 질량의 변화에 따라 적층되는 시편의 기계적 물성과 탄화물의 분포등을 달리 제조가 가능하며, 열처리 공정 없이 적층가공 만으로 고경도의 소재를 제조 하거나 하나의 부품에서 여러 가지 기계적 물성을 갖는 부품의 제조가 가능하다. 또한, 가변 에너지 또는 가변 질량이 적절하지 않을 시 원하는 기계적 물성을 충족하기 어려울 수 있다. 즉 적층공정에 특정한 합금 소재를 사용한 경우 부품제조와 열처리 공정이 동시에 진행되는 효과를 가질 수 있다. 이는 종래의 금속부품 및 금형 제조 기술과 비교할 때 제조비용 절감, 제조 공정 개선 등의 효과 달성이 가능하다. 또한 종래의 단조재를 제조하는 방법과 비교할 때 금속적층가공으로 제조된 소재는 국부면적에서 용융과 냉각을 반복하는 공정으로 이루어 지므로 이러한 공정 특성에 의해 탄화물의 크기 및 분포 와 기계적 물성이 달라진다.
먼저, 적절한 가변 에너지 조건 하에서 우수한 기계적 물성을 도모할 수 있는 금속적층가공용 기능성 철 합금소재에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 양태는 금속적층가공의 토너로 사용되는 철 합금소재, 보다 상세하게는 에너지 제어 용착 방식(Direct Energy Deposition, DED) 금속적층가공용 기능성 철 합금소재에 관한 것으로, 상기 철 합금소재는 중량%로, C 0.3~0.85%, Cr 3.0~9.0%, Si 0.15~0.35%, Mn 0.1~0.5%, Mo 0.5~5.0%, W 0.35~13.0%, V 0.1~2.5% 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 조성을 만족하는 철 합금소재를 금속적층가공한 소재는 추가적인 열처리 공정 없이도 적층가공 공정만으로 60 HRC 이상의 고경도를 달성할 수 있으며, 우수한 내마모성을 가질 수 있다.
이와 같은 철 합금소재는 구형 또는 와이어형의 형태를 가질 수 있으며, 철 합금소재가 구형인 경우 30 내지 150 ㎛의 입도를 가질 수 있으며, 와이어형인 경우 10 내지 50 ㎛의 직경을 가진 것일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
보다 상세하게, 상기 금속적층가공용 기능성 철 합금소재는 크게 Mo 함량에 따라 크게 두 가지 조성으로 나눌 수 있다.
본 발명의 제1양태에 따른 철 합금소재는 후술하는 제2양태에 따른 철 합금소재 대비 과량의 Mo를 첨가한 것으로, 상세하게는 중량%로, C 0.5~0.85%, Cr 3.0~4.5%, Si 0.15~0.35%, Mn 0.1~0.25%, Mo 3.5 초과~6.0%, W 0.35~6.0%, V 1.5 초과~2.5%, Ni 0.1~0.6% 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 것일 수 있으며, 보다 좋게는 C 0.7~0.85%, Cr 3.5~4.5%, Si 0.15~0.3%, Mn 0.1~0.2%, Mo 4.0~5.0%, W 4.0~6.0%, V 1.5 초과~2.0%, Ni 0.15~0.5% 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 것일 수 있다.
이하, 본 발명의 제1양태에 따른 철 합금소재의 합금조성에 대하여 상세히 설명한다.
탄소(C)는 함유량에 따라 강의 강도와 경도와 같은 강의 성질이 변하는 원소로서, 0.5 내지 0.85 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 좋게는 0.7 내지 0.85 중량%로 함유될 수 있다.
크롬(Cr)은 내식성 및 기계적 성질이 우수한 금속으로서, 3.0 내지 4.5 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 좋게는 3.5 내지 4.0 중량%로 함유될 수 있다.
규소(Si)는 화학 반응이 거의 없기 때문에 다른 금속의 표면에 이를 성장시키는 원소로서, 0.15 내지 0.35 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 좋게는 0.15 내지 0.3 중량%로 함유될 수 있다.
망간(Mn)은 단단하고 금속합금 시 내식성과 기계적 성질을 높이기 위해 필요한 원소로서, 0.1 내지 0.25 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 좋게는 0.1 내지 0.2 중량%로 함유될 수 있다.
몰리브덴(Mo)은 넓은 온도 범위에서 기계적 성질이 우수한 금속으로서, 3.5 초과 내지 5.0 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 좋게는 4.0 내지 5.0 중량%로 함유될 수 있다.
텅스텐(W)은 고속도강, 영구자석강, 내열 및 내식합금에 사용되는 원소로서, 0.35 내지 6.0 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 좋게는 4.0 내지 6.0 중량%로 함유될 수 있다.
바나듐(V)은 강철 또는 철과 합금하여 고속도 공구강, 고강력 구조용 강재에 사요되는 원소로서, 1.5 초과 내지 2.5 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 좋게는 1.5 초과 내지 2.0 중량%로 함유될 수 있다.
니켈(Ni)은 단조 및 단접이 가능하고 전성 및 연성이 풍부하며, 철에 비해 잘 산화되지 않는 원소로서 촉매나 철의 도금용으로 사용된다. Ni의 함유량은 0.1 내지 0.6 중량%일 수 있으며, 보다 좋게는 0.15 초과 내지 0.5 중량%로 함유될 수 있다.
한편, 본 발명의 제2양태에 따른 철 합금소재는 전술한 제1양태에 따른 철 합금소재 대비 미량의 Mo를 첨가한 것으로, 상세하게는 중량%로, C 0.3~0.5%, Cr 6.0~9.0%, Si 0.15~0.35%, Mn 0.25~0.5%, Mo 0.5~0.9%, W 10.0~13.0%, V 0.1~0.5% 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 것일 수 있으며, 보다 좋게는 C 0.3~0.45%, Cr 7.0~9.0%, Si 0.18~0.3%, Mn 0.3~0.45%, Mo 0.7~0.9%, W 10.0~12.0%, V 0.15~0.3% 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 것일 수 있다.
이하, 본 발명의 제2양태에 따른 철 합금소재의 합금조성에 대하여 상세히 설명한다.
탄소(C)는 함유량에 따라 강의 강도와 경도와 같은 강의 성질이 변하는 원소로서, 0.3 내지 0.5 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 좋게는 0.3 내지 0.45 중량%로 함유될 수 있다.
크롬(Cr)은 내식성 및 기계적 성질이 우수한 금속으로서, 6.0 내지 9.0 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 좋게는 7.0 내지 9.0 중량%로 함유될 수 있다.
규소(Si)는 화학 반응이 거의 없기 때문에 다른 금속의 표면에 이를 성장시키는 원소로서, 0.15 내지 0.35 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 좋게는 0.18 내지 0.3 중량%로 함유될 수 있다.
망간(Mn)은 단단하고 금속합금 시 내식성과 기계적 성질을 높이기 위해 필요한 원소로서, 0.25 내지 0.5 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 좋게는 0.3 내지 0.45 중량%로 함유될 수 있다.
몰리브덴(Mo)은 넓은 온도 범위에서 기계적 성질이 우수한 금속으로서, 0.5 내지 0.9 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 좋게는 0.7 내지 0.9 중량%로 함유될 수 있다.
텅스텐(W)은 고속도강, 영구자석강, 내열 및 내식합금에 사용되는 원소로서, 10.0 내지 13.0 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 좋게는 10.0 내지 12.0 중량%로 함유될 수 있다.
바나듐(V)은 강철 또는 철과 합금하여 고속도 공구강, 고강력 구조용 강재에 사요되는 원소로서, 0.1 내지 0.5 중량%로 함유되는 것이 바람직하며, 보다 좋게는 0.15 초과 내지 0.3 중량%로 함유될 수 있다.
상기 제1양태 및 제2양태에 따른 철 합금소재에 있어, 상기한 조성 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성될 수 있으며, 이에 더하여 금속제품의 기능을 향상시키기 위하여 상기 철 합금소재는 P 0.01~0.05%, Ti 0.001~0.005%, Nb 0.004~0.01%, Co 0.01~0.05%, Zr 0.004~0.01% 및 B 0.002~0.005%로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 추가로 포함할 수 있다.
인(P)은 공기 중에서 스스로 점화되는 발화성이 강한 원소로서, P의 함유량이 0.01 중량% 미만이면 발화력이 미미하여 금속분말의 용융에 영향에 작게 작용하며 함유량이 0.05 중량%를 초과하면 발화력이 강하여 다른 금속을 모두 발화시켜 금속분말을 너무 무른 액체상태로 만들어 프린팅 작업시 적층이 어렵게 된다.
티타늄(Ti)은 강도, 전성, 연성이 크며, 표면에 산화막이 생기므로 산이나 바닷물에 잘 부식되지 않는 원소로서 함유량이 0.001 중량% 미만이면 Ti 함유에 따른 효과가 미미하며, 0.005 중량%를 초과하면 얻어지는 효과에 비해 비용이 많이 들게 된다.
니오븀(Nb)은 산소나 강산에도 침식되지 않으며, 스테인리스 합금의 내열성을 더하기 위하여 첨가되는 원소이다. Nb의 함유량이 0.004 중량% 미만이면 Nb 함유에 대한 효과가 미미하며, 0.01 중량%를 초과하면 포함되는 양에 비해 그 효과가 작다.
코발트(Co)는 철과 비슷한 광택이 나는 금속으로서 강자성이다. 가열해도 잘 융해되지 않으며, 공기 중에 방치해도 표면에 녹이 슬 뿐 잘 부식되지 않는 것으로 내산화성, 내마마성, 기계적 성질이 우수하다. 0.01 중량% 미만이면 Co 투입에 따른 얻는 효과가 작으며, 0.05 중량% 이상이면 포함되는 양에 비해 얻어지는 효과가 작다.
지르코늄(Zr)은 고온의 물속에서 내식성이 크다. 공기 속에서도 발화하는 성질이 있는 원소로서 0.004 중량% 미만이면 공기 속에서 발화하여 반응이 되지 않으며, 0.01 중량% 이상이면 포함되는 양에 비해 얻어지는 효과가 작고 경제적으로도 비용이 많이 들게 된다.
붕소(B)는 반응성은 작지만 산소나 질소와 화합물을 이루므로 금속의 제련 때 탈가스제로 사용되며, C와의 화합물 B4C는 인공의 물질 중 가장 단단한 것으로, 0.002 중량% 미만이 포함되면 반응성이 미약하며, 0.005 중량%를 초과하면 투입되는 양에 비해 얻어지는 효과가 작다.
또한, 본 발명의 다른 일 양태는 전술한 금속적층가공용 기능성 철 합금소재를 제조하기 방법으로, (a) 금속분말을 이루는 조성 성분인 금속소재들을 지정된 중량비대로 혼합하여 주조에 의해 잉곳을 제작하는 단계; 및 (b) 상기 잉곳을 가스 분무법(gas atomization) 방식을 통해 분말화하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (a)단계는 금속소재를 중량비대로 혼합한 다음, 주조에 의하여 잉곳을 제조하는 단계로, 취급의 용이성을 위하여 상기 잉곳은 1~100kg의 중량을 가지도록 제조할 수 있다. 또한 상기 주조에 의하여 생성된 액상의 금속을 잉곳을 제조하지 않고 바로 분말화하는 것도 가능하지만, 취급의 편의 및 원료보관의 용이성 때문에 잉곳을 제조한 다음 분말화하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 (b)단계는 상기 잉곳을 가스 분무법(gas atomization) 방식을 통해 분말화하는 단계로, 가스 분무법에는 진공 유도 불활성 가스 분무 공정(vacuum induction inert gas atomization process, VIGA), 저온 도가니를 사용한 진공 유도 불활성 가스 분무 공정(vacuum induction inert gas atomization process with cold crucible, VIGA-CC), 전극 유도 가스 분무화 공정(electrode induction gas atomization process, EIGA), 플라즈마 가스 분무 공정(plasma gas atomization process, PGA) 등이 있다.
보다 상세하게, 상기 (b)단계는 상기 잉곳을 용융한 다음, 용탕노즐로 공급하고, 상기 용탕노즐로부터 흘러내리는 용탕의 흐름에 압축가스를 분사하는 것으로 용탕의 흐름을 비산시켜 합금소재를 제조할 수 있다. 이때 사용되는 가스는 공기, 질소, 헬륨 또는 아르곤이 사용될 수 있으며, 제조된 합금소재는 30 내지 150 ㎛의 크기를 가질 수 있다. 이후, 금속적층가공에 사용하기 적합한 크기를 가지도록 선별하여 사용할 수 있다. 이때 선별방법은 무게, 자성 등을 이용하여 선별할 수 있으며, 단순히 적절한 사이즈를 가지는 메쉬(mesh)망을 이용하여 분류하거나, 체질기를 이용하여 선별하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 일 양태는 금속적층가공용 기능성 철 합금소재를 금속적층가공하여 제조된 금형에 관한 것으로, 상세하게 상기 금형은 기능부가 상기 금속적층가공용 기능성 철 합금소재로 제조된 것일 수 있다.
이하, 상기 금형의 일 예로 전단금형을 들어 설명하나, 본 발명에 따른 금형이 전단금형에 한정되는 것은 아니다.
전단금형은 프레스를 이용하여 박판 금속을 성형하는 금형을 일컫는 것으로, 일반적으로 재료(박판금속)를 다이 상에 올려놓은 다음, 펀치로 전단하여 금속을 가공하는 방법을 말한다. 이때 사용되는 다이 및 펀치를 전단금형이라 하며, 상기 다이와 펀치의 정밀도에 따라 가공되는 금속의 정밀도가 좌우되므로, 전단금형의 정밀도 및 내구성이 매우 중요하다.
기존의 전단금형의 경우 3차원 프린터를 이용하여 출력시 경도 및 내열성이 떨어지며, 보다 높은 경도 및 내구성을 도모하기 위해 후열처리 공정이 필수로 요구되어 많은 비용과 시간이 소요되며, 이는 전단금형 단가 상승의 주요 원인이 되고 있다.
반면, 전술한 금속적층가공용 기능성 철 합금소재를 사용할 시 추가적인 열처리 공정 없이도 높은 경도 및 내구성을 확보할 수 있으며, 내마모성과 내식성 및 내열성이 우수하며, 기대수명이 길고, 버 발생량이 적다는 장점이 있다. 구체적으로 적층가공 공정에 의해 58 내지 65 HRC의 경도를 가진 전단금형을 제공할 수 있다.
보다 상세하게, 본 발명의 일 예에 따른 전단금형은 기능부인 전단날부가 상기 금속적층가공용 기능성 철 합금소재로 제조된 것일 수 있다. 전단금형은 몸체부와, 몸체부에 적층 형성된 전단날부로 구성되는데, 몸체부는 반제품 상태의 비기능부일 수 있으며, 구체적으로 예를 들면 주물소재인 회주철(FC25, FC30), 구상흑연주철(FCD55) 또는 기계구조용탄소강(S45C) 등의 소재를 사용할 수 있다.
이와 같은 금형의 제조 방법은 비기능부인 금형의 본체부에 전술한 금속적층가공용 기능성 철 합금소재를 금속적층가공하여 기능부를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상세하게, 에너지 제어 용착 방식(Direct Energy Deposition, DED)의 3차원 메탈프린터의 토너로서 전술한 금속적층가공용 기능성 철 합금소재를 사용하며, 상기 철 합금소재를 노즐을 이용하여 분사함과 동시에 레이저를 조사하여 반용융된 합금소재를 본체부에 적층할 수 있다.
아울러, 보다 높은 경도를 가진 금형을 제조하기 위한 측면에서, 상기 금속적층가공은 250~550 W의 레이저 출력 및 4~7 g/min의 분말 공급 속도 조건으로 수행될 수 있으며, 보다 좋게는 상기 제1양태에 따른 철 합금소재는 300~400 W의 레이저 출력 및 4.5~6.5 g/min의 분말 공급 속도 조건으로 금속적층가공이 수행될 수 있으며, 제2양태에 따른 철 합금소재는 450~550 W의 레이저 출력 및 5.0~6.5 g/min의 분말 공급 속도 조건으로 금속적층가공이 수행될 수 있다. 이를 통해 55 HRC 이상, 보다 좋게는 58 HRC 이상, 더욱 좋게는 60 내지 65 HRC의 경도를 가진 금형을 제조할 수 있다.
이때, 레이저빔의 직경은 0.5 내지 1.0 ㎜일 수 있으며, 층당 적층 높이는 0.1 내지 0.5 ㎜, 층당 적층폭 피치는 0.1 내지 1 ㎜, 적층 속도는 0.5 내지 1.5 m/min일 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 금속적층가공용 기능성 철 합금소재 및 이를 이용한 금형 제조 기술에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
하기 표 1에 기재된 조성에 따라, 가스 분무법(gas atomization) 방식을 통해 평균 입도 약 50 ㎛인 금속적층가공용 기능성 철 합금소재(중량%)를 준비하였다.
소재명 C Cr Mn Si Mo W V Ni Fe
AM_A 0.78 3.75 0.15 0.20 4.50 5.50 1.75 0.30 balance
AM_B 0.38 8.02 0.38 0.23 0.85 11.58 0.25 - balance
AM_C 0.72 3.16 0.28 0.18 2.30 0.50 0.65 - balance
AM_D 0.35 7.80 0.20 0.20 3.50 10.75 0.05 - balance
[물성 평가]
상기의 금속적층가공용 기능성 철 합금소재들을 이용하여 적층가공 공정으로 시편을 제조한 후 하기의 방법에 따라 각 물성을 평가하였다.
1) 미세조직
단조재와 적층 소재의 금속 조직학적 특성을 분석하기 위해 주사 전자현미경(FE_SEM)과 광학현미경을 이용하여 소재별 금속의 조직 상태를 관찰하였다.
도 1에는 AM_A 소재의 적층가공(비열처리) 후 주사 전자현미경 관찰 결과를 나타내었다. 분석 결과 기지조직에서 입계를 따라 미세하고 균일한 석출 상들이 석출된 것을 확인할 수 있었다.
한편, 도 2 및 3에는 상용 합금공구강 단조재 소재 중 전단 금형의 기능부인 전단 스틸 제작에 가장 널리 사용되고 있는 D2 소재와, 종래의 합금공구강 소재와 비교하여 기계적 물성과 내구성이 뛰어나며, 무 노치 충격시험 값이 D2 소재 대비 5배 우수한 매트릭스 하이스계 단조재_C 소재(C 0.7 중량%, Cr 5.0 중량%, Mn 0.5 중량%, Si 0.2 중량%, Mo 2.3 중량%, V 0.5 중량% 및 잔량의 Fe)의 열처리 후 금속 조직에 대해 나타내었다. 주사 전자현미경 사진 분석 결과 단조재 소재들의 경우 열처리 공정 적용 후 기지조직에서 석출상들이 불규칙하게 석출된 것으로 분석되었다. 또한, 단조재_C의 경우 D2 소재와 비교하여 석출상들이 작고 미세하게 분포하는 것으로 나타났다.
2) 경도 시험
a) 적층가공 조건에 따른 경도 평가
하기 표 2에 기재된 바와 같이 레이저 출력 및 분말 공급 속도를 달리하여 적증가공을 수행하여 로크웰 경도를 평가하였다. 이때, 레이저빔의 직경은 0.8 ㎜이었으며, 층당 적층 높이는 0.25 ㎜, 층당 적층폭 피치는 0.5 ㎜, 적층 속도는 0.85 m/min로 수행되었다.
그 결과, 적층가공 시 레이저 출력 변화에 따른 출력물의 경도 변화 분석 결과 시험대상인 철 합금소재 모두 적층가공 시 레이저 출력과 분말 공급량의 변화에 따라 출력물의 경도 값에 변화가 관찰되었으며, AM_A 소재의 경우 레이저 출력 300 W 및 분말 공급 속도 6.3 g/min 조건에서 62.0 HRC의 가장 우수한 경도를 보였다.
소재명 적층가공 조건 경도
(HRC)
레이저 출력 (W) 분말 공급 속도 (g/min)
AM_A 250 7.3 56.3
250 6.3 55.9
250 4.4 52.8
300 7.3 59.4
300 6.3 62.0
300 4.4 58.1
350 7.3 58.6
350 5.5 61.7
350 4.4 56.1
400 4.8 55.3
450 4.4 59.6
AM_B 250 7.3 49.9
300 7.0 52.4
350 6.5 55.0
400 6.5 58.4
450 5.0 59.2
500 5.5 60.2
AM_C 250 7.3 47.4
300 7.0 50.5
350 6.5 56.7
400 6.5 54.2
450 5.0 55.0
AM_D 250 7.3 48.4
300 7.0 52.9
350 6.5 50.8
400 6.5 55.5
450 5.0 53.0
3) 전단 시험: 평면 전단 조건 수명 평가
상기의 금속적층가공용 합금소재 소재들을 이용하여 적층가공 공정으로 평면 전단 조건 수명 평가용 전단금형을 제조하였다. 이때, 각 소재의 금속적층가공 조건은 상기 2)경도 시험에서 측정된 경도 값이 가장 높았던 적층 가공 조건으로 수행되었다.
평면 전단 조건 수명 평가용 금형의 경우 연속 전단 작업이 실시되므로 전단 스틸 제작 시 날부에 시어 각을 소재 두께의 1/2로 적용하여 제작하였다. 또한 전단 작업에 따른 전단 스틸의 흔들림과 위치 공차를 최소화하기 위해 금형의 모서리 부 4곳에 가이드 포스트(Guide post)를 적용하였으며, 전단 작업 시 소재의 고정을 위한 상형 패드(Pad)부에는 균일한 압력을 적용하기 위해 가스 스프링(Gas spring)을 적용하였다.
평면 전단 조건 금형 수명 평가는 적층 소재 3종을 대상으로 전단 스틸의 파손 없이 전단 작업 중 마모 및 파손으로 인한 판재의 버 발생량이 소재 두께의 5 % 이내를 만족하는 조건을 충족하면서 내구수명 10만 타를 목표 수명으로 선정 후 시험을 진행하였다. 이를 위해서는 30만 회 이상의 반복적인 전단 작업을 수행하여야 하며, 핫스탬핑에 적용되고 있는 보론강(22MnB5) 소재(항복강도 1,100 ㎫, 인장강도 1,598 ㎫, 연신율 8.91%)는 900℃ 이상으로 가열 후 냉각공정을 거쳐야 1.5 GPa의 인장강도 확보가 가능하다. 따라서 전단 시험의 편의성을 위하여 보론강 소재와 유사한 인장강도를 가지고 있는 스웨덴 사브(SSAB) 사의 Docol 1500M 냉간 판재(C 0.23 중량%, Si 0.4 중량%, Mn 1.3 중량%, P 0.02 중량%, S 0.01 중량%, Al 0.015 중량%, Nb+Ti 1.0 중량%, Cr+Mo 1.0 중량%, Cu 0.2 중량%, B 0.01 중량% 및 잔량의 Fe)를 함께 사용하여 전단 시험을 수행하였으며, 초기 20회와 수명평가가 이루어지는 1000 타, 3000 타, 5000 타 이후 매 1만 타 마다 프레스를 멈추고, 별도의 가열로와 냉각 프레스를 이용하여 제작된 소재를 전단 시험에 5회 적용하여 시험을 진행하였다. 보론강(22MnB5) 소재의 경우 핫스탬핑 양산 조건을 고려하여 소재를 가열로에서 950℃로 5분 가열 후 5℃ 냉각 프레스에서 1분간 냉각하여 시편제작을 진행하여 사용하였다.
수명 평가 전단 작업은 140 Ton 기계식 프레스를 사용하였으며, 전단 작업 시 적용한 소재의 폭은 50 ㎜이며, 피치는 초기 20 타와 전단 수명 평가를 위해 보론강(22MnB5) 소재가 적용되는 특정 전단 횟수에서는 15 ㎜를 적용하였으며, Docol 1500M 소재가 적용되는 나머지 구간에서는 전단 작업 시 해당 소재의 스크랩 변형이 없는 최소 사이즈인 4 ㎜를 적용하였다. 또한 전단 속도는 실제 양산 조건보다 2배 빠른 분당 40회 (Stroke per minute, SPM)를 적용하였으며, 빠른 작업 속도로 인한 전단 스틸 마찰부의 온도 상승으로 인한 열화에 의한 수명저하 영향을 관찰하기 위해 열화상 카메라를 사용하여 작업 시 온도 변화를 측정하였다. 측정 결과 온도 편차는 15-35℃ 수준이었으며, 온도 편차가 크지 않아 열화 문제는 발생하지 않을 것으로 판단된다.
전단 작업 시 전단 스틸의 파손 원리를 분석해보면, 초기에 전단 스틸 날 부의 취약부에서 마이크로 칩핑(Micro-chipping)이 발생하며, 이러한 마이크로 칩핑은 반복되는 전단 작업에서 제품에 버를 발생시키며, 발생된 버는 전단 스틸에 마찰, 마모, 마멸을 발생시키며 동시에 전단 및 충격하중이 반복적으로 가해짐에 따라 전단 스틸의 파손으로 이어진다고 판단된다. 작업의 반복 횟수가 증가함에 따라서 이러한 마모와 파손이 계속적으로 증가하며, 이에 따라 제품의 버 발생량도 증가한다. 연속적인 전단 작업에서 전단 스틸의 파손 유무와 수명을 직접적으로 평가하는 것은 안전상의 문제와 전단 스틸의 분해와 재조립 시 동일 조건 구현이 불가능하기 때문에 현실적으로 평가방법에 대한 기술적인 문제로 어려움이 따른다. 따라서 본 연구에서는 일반적인 차체부품의 경우 전단 공정에서 소재 두께의 5-10 % 이내로 버 발생량을 규제하고 있는 점을 고려하여, 특정 전단 횟수에서의 전단된 제품의 버 발생량을 평가하는 방법으로 전단 스틸의 수명 및 파손 평가를 진행하였다.
초기 20 타 전단 작업 후 각 소재의 전단 스틸별 눌림면과 전단면을 실체현미경을 이용하여 측정하였다. 분석 결과 버는 관찰되지 않았으며, 눌림면은 0.02-0.04 ㎜ 수준이었으며, 전단면은 0.20-0.22 ㎜ 수준으로 3종의 전단 스틸 소재 모두 유사하게 측정되었다. 1,000 타, 3,000 타, 5,000 타, 이후 매 1만 타 마다 전단된 스크랩의 버 발생량을 기준으로 10만 회를 목표로 전단 스틸의 수명의 평가를 진행하였다. 상기 평가 결과를 하기 표 3에 간략하게 나타내었다.
전달 날 소재 버 (㎛) 수명 (만)
AM_A 50.00 10
AM_B 54.65 10
AM_C 39.48 6.5
AM_D 52.30 4.5
그 결과, AM_A 소재는 10만 회 수명평가 완료 시점까지 버 발생량이 허용치를 만족하였으며, 전단 작업에 의한 마모 특성은 소재 중 가장 우수한 것으로 관찰되었다.
AM_B 소재는 10만 회 수명평가를 완료하였으며 전단스틸 분해 후 파손유무 확인 결과 파손 없이 시험이 완료되었으나, AM_A 소재 대비 버 발생량이 다소 많았다.
한편, AM_C 및 AM_D 소재의 경우 10만 회 수명평가를 완료하지 못하고 4.5-6.5만 회에서 반복적으로 버 발생량이 소재 두께의 허용치를 만족하지 못하였으며, 전단 스틸 날부가 심하게 마모되었다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 중량%로, C 0.5~0.85%, Cr 3.0~4.5%, Si 0.15~0.35%, Mn 0.1~0.25%, Mo 4.0~5.0%, W 4.0~6.0%, V 1.5 초과~2.5%, Ni 0.1~0.6% 및 잔부의 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 금속적층가공의 토너로 사용되는 철 합금소재에 있어서,
    상기 철 합금소재를 금속적층가공하여 제조된 금형의 평면 전단 조건 수명 평가에서 버 발생량이 소재 두께의 5% 이내를 만족하고, 10만 회 전단 수명평가 후 파손이 없는 것을 특징으로 하는, 금속적층가공용 기능성 철 합금소재.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 철 합금소재는 구형 또는 와이어형인, 금속적층가공용 기능성 철 합금소재.
  5. 제 1항의 금속적층가공용 기능성 철 합금소재를 제조하기 방법으로,
    (a) 금속분말을 이루는 조성 성분인 금속소재들을 지정된 중량비대로 혼합하여 주조에 의해 잉곳을 제작하는 단계; 및
    (b) 상기 잉곳을 가스 분무법(gas atomization) 방식을 통해 분말화하는 단계;
    를 포함하는, 금속적층가공용 기능성 철 합금소재의 제조 방법.
  6. 제 1항의 금속적층가공용 기능성 철 합금소재를 금속적층가공하여 제조된 금형.
  7. 비기능부인 금형의 본체부에 제 1항의 금속적층가공용 기능성 철 합금소재를 금속적층가공하여 기능부를 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 금속적층가공은 250~550 W의 레이저 출력 및 4~7 g/min의 분말 공급 속도 조건으로 수행되는, 금형 제조 기술.
  8. 삭제
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