금속 적층제조 L-DED 및 MEAM 공정들을 이용한 D2 공구강의 제조, 미세조직 및 기계적 물성

초록

AISI D2는 열처리를 통한 높은 경도, 강도 및 내마모성 특성을 나타내는 대표적 high-carbon high-chromium 냉간 공구강이다. 최근에는 금속 적층 제조 방식이 Fe-based 합금들에 적용된 많은 연구가 보고되며, 그 중 DED(Direct energy deposition) 방식은 부품 제조에서의 공정 비용 절감 및 부품 보수 용이성의 이점이 있어 금형강 소재에서의 적용 및 해당 산업 응용 분야에서의 응용 가능성이 제기되고 있다. 그러나 이러한 high-carbon steel의 경우, 높은 에너지원에 의해 발생하는 열잔류응력 및 높은 thermal crack susceptibility로 인하여 제조에 어려움이 존재한다. 이러한 공정적 한계점을 극복하기 위해 가격이 저렴하고 노즐 가열 및 소결 과정을 통해 소재를 적층하는 MEAM(Material extrusion additive manufacturing) 기술을 추가적으로 적용하여 D2 소재의 제조를 시도하였다. 본 연구에서는 DED 및 MEAM 방식을 적용하여 bulk 형태의 AISI D2 공구강을 제조하였으며 Austenitizing 및 tempering으로 구성된 후열처리가 수행되었다. DED as-built 시편은 빠른 냉각 속도로 인해 inter-dendritic 영역에서 eutectic structure를 나타내었고, 주요 구성상은 austenite인 것으로 확인되었다. 열처리 후 martensite matrix와 Cr-rich 2차 탄화물이 관찰되었다. 열처리 전후의 비커스 경도 값은 각각 480HV와 720HV로 측정되었다. 마모 하중에 따른 마모 실험 결과, 후열처리 적용 후 DED D2 소재는 wrought 소재에 비해 우수한 마모 저항성을 보였다. MEAM 시편은 matrix 내부에 M7C3 탄화물이 network 형성 없이 균일하게 분포하는 것으로 나타났다. 경도 측정 결과, as-sintered의 경도는 231HV로 관찰되었으며 열처리 후 649.2HV로 증가하였다. 열처리된 MEAM D2 소결체의 내마모성은 열처리된 wrought D2보다 낮은 내마모성을 나타냈지만 coefficient of friction의 시간에 따른 변화 거동은 wrought D2보다 더 안정적인 것으로 나타났다. 인장 시험 결과 두 방식으로 제조된 D2 모두 후열처리 후 wrought 소재와 유사한 인장 특성을 나타내었다. 상기 결과들을 바탕으로 DED 및 MEAM으로 제조된 AISI D2 소재의 주요 기계적 거동 및 변형, 파괴 기구에 대하여 논의하고자 하였다.