바인더 제팅으로 제작한 AISI D2 공구강의 소결 온도 변화 및 열처리에 따른 미세조직 및 기계적 특성 변화 연구 = A Study on the Changes in Microstructure and Mechanical Properties according to Sintering Temperature and Post-heat Treatment of AISI D2 Tool Steel Manufactured via Binder Jetting

국문 초록 (Abstract)

AISI D2 공구강은 높은 탄소 함량(1.4~1.6 wt%)과 높은 크롬 함량(11~13 wt%)을 가지고 있다. 이러한 원소 구성으로 인해 AISI D2 공구강은 높은 경도, 강도, 내마모성과 인성을 나타내어 절단용 다이(cutting die), 블랭킹 금형(blanking die), 전단날(blade), 성형용 공구와 같은 냉간 가공 공구에 광범위하게 적용되었다. 그러나 높은 기계적 특성은 절삭 가공을 이용한 AISI D2 공구강 부품 제작 시 빠른 공구 마모 및 공구 교체주기의 단축, 부품의 균열, 치수 정밀도 저하와 같은 문제들이 빈번히 발생한다. 이러한 이유로 분말야금(powder metallurgy)와 금속사출성형(metal injection molding)과 같이 최종형상근접(near-net-shape) 제작이 유리한 공정을 AISI D2 공구강 소재를 활용에 적용하고 있으나, 금형 제작을 위한 비용, 복잡한 형상 구현의 어려움 등의 제약이 여전히 존재한다. 그리고 최근 적층제조(additive manufacturing, AM)분말 베드 융합(powder bed fusion)과 직접 에너지 증착(directed energy deposition) 등 레이저 기반 AM은 고탄소강 특유의 난용접성과 열사이클에 의한 잔류응력 축적, 고온균열 발생, 용융·응고 과정에서의 탄소·크롬 편석 문제로 인해 AISI D2 공구강 소재를 활용하여 부품을 안정적으로 제조하기 어렵다는 한계를 가진다.
이러한 배경에서 AM 공정 중 열영향이 적고 높은 형상 자유도를 확보할 수 있는 소결 기반 AM 공정인 바인더 제팅(Binder Jetting, BJT)이 유력한 대안으로 주목받고 있다. BJT는 금속 분말층 위에 바인더를 선택적으로 분사하여 그린 파트(green part)를 형성한 뒤, 탈지(debinding)과 소결(sintering)을 통해 최종 밀도와 기계적 물성을 달성하는 방식으로, 공정이 열용융을 기반으로 하지 않기 때문에 공정 중 국부 열집중이나 잔류응력 발생이 거의 없는 것으로 알려져 있다. 이러한 점은 AISI D2 공구강과 같이 고탄소·고크롬 조성으로 레이저 기반 AM에서 취약성을 보이는 합금에서 특히 유리한 장점으로 작용한다.
그러나 이러한 장점에도 불구하고, BJT 공정으로 제작된 AISI D2 공구강은 낮은 초기 충진밀도에 따른 높은 기공률, 탈지 과정에서 발생할 수 있는 국부적 균열과 변형, 탄화물 용해 시작 온도에 민감한 소결 윈도우, 초고용체 소결(supersolidus liquid-phase sintering, SLPS) 영역에서의 액상 분율 변화 등 그 조건이 까다롭다는 한계를 가진다. Li 등은 316L과 17-4PH 스테인리스강의 BJT 소결 연구에서 소결 온도 및 유지 시간 증가가 기공 소멸과 확산 결합을 촉진하여 높은 상대밀도(95% 이상)를 달성할 수 있음을 보고하였고, Röttger 등은 용융 필라멘트 제작(fused filament fabrication) 방식으로 레데뷰리틱(ledeburitic) 냉간 공구강을 제작하고 SLPS 소결을 수행하여, 소결 온도·시간·탄화물 거동이 치밀화와 강도 확보에 결정적임을 보고하였다. 그리고 열처리 후 상 변태 거동 등 해결해야 할 공정적·금속학적 변수들이 매우 복합적으로 얽혀 있어 이에 관한 연구가 추가로 필요하다. 특히 AISI D2 공구강은 M7C3 탄화물의 높은 열적 안정성 때문에 소결 온도에 따른 탄화물 용해 범위, 확산 경로, 오스테나이트 안정성, 기공 소멸 속도 등이 기계적 특성에 직결되지만, 이러한 거동을 BJT 기반으로 체계적으로 분석한 연구는 매우 제한적이다.
따라서 본 연구에서는 BJT 공정을 통해 제조된 AISI D2 공구강을 대상으로 소결 온도(1,200~1,260 ℃) 변화와 열처리(1,010 ℃ 오스테나이징–공냉–200 ℃ 템퍼링)가 미세조직과 기계적 특성에 미치는 영향을 정량적으로 규명하는 데 목적을 두었다. 소결 온도 상승에 따라 치밀화가 점진적으로 향상되었으며 1,250 ℃에서 가장 균질한 치밀 조직과 우수한 기계적 특성이 확보되었다. 반면 1,260 ℃에서는 액상 분율 증가에 따른 SLPS 과진행으로 결정립 조대화와 미세 기공이 형성되어 과소결 거동을 나타냈다. 열처리된 시편에서는 오스테나이트가 대부분 마르텐사이트로 변태하며 기지 조직이 재구성되었고, 이에 따라 인장강도는 860.63MPa에서 1,300.23 MPa로 증가하고 연신율은 1.28%에서 6.81%까지 크게 향상되었다. Electron back scatter diffraction(EBSD) 분석에서도 저각입계(low-angle grain boundary) 분율 증가(16.9% → 45.6%)와 고각입계(high-angle grain boundary) 감소(78.4% → 50.5%)가 확인되어 오스테나이트->마르텐사이트 변태 과정에서 발생하는 내부 전위가 증가되었음을 보여주었다. 또한 탄화물은 열처리 후 입계 중심으로 재배열되어 하중 전달 경로를 균질화시키는 효과를 나타냈다. 이러한 결과는 1,250 ℃ 소결–열처리 조합이 BJT 기반 AISI D2 공구강에서 가장 우수한 기계적 성능을 발현하는 최적 공정 조건임을 시사한다. 이를 통해 AISI D2 공구강의 BJT 적용 가능성을 평가하고, 소결 기반 적층제조 공정의 최적 조건을 제시함으로써 공구강 적층제조 기술의 신뢰성 확보에 필요한 기초 자료를 제공하고자 한다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 관련 연구 동향 3
• 1.3 연구 목표 5
• 2. 이론적 배경 6
• 2.1 AISI D2 공구강 6
• 2.2 바인더 제팅(BJT) 7
• 2.3 소결 및 열처리 10
• 3. 실험 방법 13
• 3.1 재료 특성 분석 13
• 3.2 시편 제조 17
• 3.3 특성 분석 방법 21
• 4. 결과 및 고찰 23
• 4.1. 소결 거동 분석 23
• 4.1.1 소결 온도 설정 및 열적 분석 23
• 4.1.2 소결 온도에 따른 치밀화 및 수축 거동 29
• 4.1.3 소결 온도에 따른 기계적 특성 및 미세조직 변화 33
• 4.1.4 소결 거동 고찰 38
• 4.2 열처리 거동 분석 39
• 4.2.1 열처리에 따른 기계적 특성 변화 39
• 4.2.2 열처리에 따른 미세조직 변화 42
• 4.2.3 열처리 거동 고찰 46
• 5. 결론 48
• 참고문헌 50
• Abstract 57