1. 서 론

금속 벌크(bulk)의 정형(near-net shape)에 가까운 금속 성형을 위해서는 금형(mold)이나 다이(die) 같은 사용 툴(tool)의 품질이 최종 제품의 품질에도 큰 영향을 미친다. 제품의 치수 정밀도는 툴이나 공정에 의하여 크게 영향을 받으며, 툴 교체나 유지 보수 비용은 전체 생산 비용의 많은 비중을 차지한다[¹]. 툴을 교체할 때마다 장비의 중단 비용, 툴 제작이나 정비 비용, 툴 조작 및 조립 비용 등이 발생하게 된다. 교체에 따른 제조 비용은 펀치(punch)나 다이와 같은 툴의 사용 시간을 늘리면 절감된다. 금속 성형에서 툴 수명은 파괴, 변형 그리고 마모에 의한 것이 가장 대표적이며, 자동차 부품과 같은 대량생산 방식의 냉간 단조에서는 사용되는 툴 파손은 주로 피로 파괴에 의해 일어난다. 피로에 의한 툴의 파손을 방지하기 위해 응력 해석이나 툴 설계 변경 등으로 부하 응력을 감소시켜 툴 수명을 향상시키고자 한다[²,³]. 볼트, 너트와 같은 체결 부품은 주로 냉간 단조와 같은 대량 생산 방식이 적용되고 있으며, 단조품의 치수 공차와 성형성을 위하여 인서트(insert) 다이로 초경(WC-Co) 재료가 사용되어 왔다. 그 이유로 초경 소재는 높은 압축강도, 내마모성, 그리고 매우 낮은 탄성 변형을 나타내기 때문이다. 냉간 단조에서 다이 수명에 대한 신뢰할 만한 예측 모델의 필요성이 대두되고 있으며, 피로에 기반한 수명 예측 가능성 때문에 파손 전에 생산 라인의 대처가 가능하게 해준다. 그러나 초경 재료의 복잡한 파손 기구 때문에 피로에 기반한 초경의 수명 예측은 매우 범위가 넓으며 다양하다[⁴]. 실험에 의한 금형이나 다이의 피로 수명 예측에는 재료의 탄성계수, 항복강도 및 최대 인장 강도, 피로 수명(stress-life) 선도 등이 필요하지만, 초경 재료는 매우 높은 경도와 낮은 연성 때문에 신뢰성 있는 실험 데이터를 확보하는 것이 어렵다.

초경은 분말 야금법에 의해 제조되고 코발트(Co) 함량과 텅스텐 탄화물(WC) 입자는 초경의 기계적 물성에 큰 영향을 미친다. 특히 기계적 성질에 미치는 주요 미세조직 인자는 WC 입자 크기(d_wc), Co 바인더상 영역의 크기 평균 값인 평균 자유 거리(Mean Free Path, MFP) 및 전체 계면 중 WC과 WC 입자가 접촉하는 계면의 분율을 나타내는 탄화물 접촉도(Contiguity, C_WC-WC)이다. Co 평균 자유 거리라 칭해진다. 초경 합금에서 가장 중요시 되는 기계적 성질은 경도와 파괴 인성이다. WC-Co 합금의 미세조직 인자와 파괴 인성에 대한 상관 관계로는 Co 바인더 함량과 평균 자유 거리 증가에 따라 파괴 인성은 증가되고, 탄화물 접촉도에 따라 감소되는 경향을 나타낸다[⁵]. 파괴 인성에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 Co 바인더라고 보고되고 있다[⁶]. 또한 WC-Co 합금의 파괴 인성은 Co 함량, 평균 자유 거리 및 WC 입자 크기에 비례하여 증가하며, 경도와는 반대되는 경향을 나타낸다[⁷]. 최근, 냉간 단조 금형에 사용되는 WC-12~22 wt%Co 초경 합금 연구에서는 Co 함량 증가에 따라 평균 자유 거리는 증가하고 탄화물 접촉도 C_WC-WC는 감소함에 따라 경도는 감소하고 인장 강도 또한 감소하는 것으로 보고되었다[⁸].

초경 다이는 일정한 하중 조건에서 사용되는 경우 보다 반복되는 하중 조건에서 사용되는 것이 많으나 초경 소재에 대한 반복 피로 거동에 대한 연구 보고는 적었다. 그래서 경도와 강도가 커서 시험편 제조나 비용 때문에 주로 경도나 파괴 인성, 횡 파단 강도와 같은 소형 시험편으로 진행되었다. 종래 초경 소재의 피로 시험은 굽힘 시험법이 적용되어 왔으나, 일축 인장-압축 시험에 의한 피로 특성에 대한 데이터는 매우 적었다. 이는 정밀한 피로 시험편 제작을 위해서는 매우 많은 비용이 소요되고, 용이하게 초경 소재를 시험할 수 있는 대용량의 시험 장비가 부족했기 때문으로 판단된다. 이에 따라 회전 굽힘(rotary bending) 이나 4점 굽힘(4-point bending) 시험으로 진행한 피로 거동 연구들이 많이 보고 되었다. WC-12 wt%Co 초경의 인장-압축 피로 특성 연구에서는 덤벨(dumbbell)형 인장 및 피로 시험편을 제작하고, 편심 발생을 제거하기 위하여 고안된 지그와 스트레인 게이지(strain gauge)를 부착하여 시험 정밀도를 향상시키고자 하였다. 12%Co 초경 소재의 피로 한도 및 S-N 선도를 확보하고, 파괴 기점부에는 소성 변형된 Co 바인더의 벽개형 균열이 관찰된다고 보고하였다[⁹]. WC-6wt%Co 초경 피로 시험에서는 작고 가는 피로 시험편(1.5×2.5×60mm)을 이용하여 피로 한도 및 S-N 선도를 얻고자 하였다. 정적인 굽힘 강도 값으로 반복 하중을 받는 재료의 피로 수명을 유추할 수 없다는 것을 보고하였으며, 피로 파괴는 연성의 Co 바인더 상의 균열 성장에 의해 일어난다고 보고하였다[¹⁰]. WC-10 wt%Co 초경 피로 균열 성장 거동 연구에서는 사각형의 굽힘 시험편(4 × 3 × 45 mm)으로 피로 균열 전파 시험을 진행 하였으며, 균열 전파 속도는 응력 확대 계수에 크게 의존한다고 보고하였다[¹¹]. 6~12wt%Co 초경의 미세조직 인자들이 피로 성질에 미치는 연구에서는 굽힘 시험이 아니라 일축 인장-압축 시험으로 탄성 계수, 항복 강도 및 파괴 인장 강도를 구하였으며, 일축 피로 시험으로 응력비 -1에서의 S-N선도를 보고하였다. 시편은 시계유리 모양으로 최소 직경 6 mm인 시험편을 이용하였으며, 최대 인장 강도는 Co 바인더 함량이 가장 작고 WC 입자가 가장 미세한 합금에서 얻어졌다[¹²]. 난가공 및 고경도 초경 소재에 대한 인장 물성을 얻기 위하여 다양한 시험편 형상과 시험 장비의 체결 지그가 제안되었다. 최근 유한요소해석의 도움으로 시험편의 정렬 오차를 줄이고 표준 규격에 적합한 인장 시험을 위한 제안들이 보고 되고 있으며, 신뢰성 높은 초경 소재에 대한 인장 시험들이 계속해서 제시되고 있다[¹³-¹⁵]. 앞서 저자들은 냉간 단조 금형에 사용되는 WC-20 wt%Co 초경 합금의 소결 조건에 따른 합금의 일축 인장 강도 및 피로 강도 시험에 의하여 응력-변형률 곡선과 피로 수명 S-N 선도를 확보하고 금형 수명 예측에 활용하고자 하였다[¹⁶].

냉간 단조용 금형 소재로 많이 사용되는 WC-Co 초경 합금은 내마모성과 인성 때문에 Co 함량은 15~25 wt% 범위에 있으며, WC 입자는 수 마이크론 크기의 것이 사용된다. 그러나, 실제 냉간 단조 공정에서는 Co 함량이나 WC 입자 크기 등의 미세 조직을 변화시켜 냉간 단조 제품에 적합한 초경 다이 소재를 선정하여야 한다. 본 연구에서는 WC-20 wt%Co 초경 합금에서 Co 함량 변화, WC 입자 크기 변화 및 Cr 탄화물 첨가 등으로 미세 조직이 변화된 초경 합금들에 대하여 미세조직 인자 변화가 인장 강도 및 피로 강도에 미치는 영향에 대하여 고찰하고자 하였다. 또한 피로 시험에서 얻어진 S-N 선도와 함께 금형 수명 예측에 필요한 평균 응력(mean stress)을 고려한 피로 시험도 진행하였다.

2. 실험 방법

본 연구에 사용된 WC-20 wt%Co 초경 합금들은 상용으로 내마모, 내충격성이 요구되는 냉간 단조에 사용되는 합금으로 화학 조성을 표 1에 나타내었다. 실험에 사용된 각 초경 합금의 화학 성분은 유도결합플라즈마 분광(ICPOES) 법으로 분석 되었으며, 탄소의 함량은 CS분석기를 이용하였다. 각 초경 합금은 Co 함량이 20 wt%Co인 합금(20Co, WC FSSS: 3.5~4.6 um)과 Cr₃C₂를 첨가한 합금(22Co-Cr, WC FSSS: 4.0~6.6 um), 코발트 함량을 낮춘 합금(17Co, WC FSSS: 3.5~4.6 um) 및 Co 함량은 20wt%이고 텅스텐 탄화물(WC) 초기 원료 분말 크기가 미세한 합금(20Co-d_wc, WC FSSS: 1.3 um) 4 종류이다. 소결후 최종적으로 얻어지는 WC 입자의 크기는 사용된 초기 WC 원료 분말(FSSS, Fisher sub-sieve sizer)의 크기 선택에 따라 조절되므로 초경 합금별로 크기가 다른 WC 분말을 사용하였으며, Co 분말의 크기는 FSSS 1.0~1.5 μm이었다. 상기 초경 합금 시험편은 표준 인장 및 피로 시험편 크기로 압축 성형한 후 소결 되었으며, WC-20 wt%Co 초경 합금들의 소결 온도 Tsinter는 1390~ 1410°C에서 진행되었다. 소결 온도에서 유지 시간은 1시간이며, 진공 소결 시 압력은 1.3×10^-7 MPa로 유지되었다. 소결이 끝난 시험편은 최종 연마 가공으로 표면 형상을 마무리 하였다.

제조된 초경 합금의 미세 조직은 기계적 물성 시험 후 그립부에서 시험편을 절단하여 단면을 1 μm 수준으로 미세 연마 후 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM, Quanta 200 FEG, TEI, Korea)으로 관찰되었다. 후방산란전자(back scattered electrons, BSE) 이미지로 얻어진 미세 조직 사진에서 WC 입자의 크기를 단선 분석법으로 측정 하였으며, Co상의 크기인 평균 자유 거리(mean free path, MFP) 및 WC 입자들의 접촉도(contiguity, C_WC-WC) 분석도 BSE 이미지 상에서 화상분석(Image J) 소프트웨어를 사용해 단선 분석법으로 측정하였다(17). 단선 분석을 위하여 BSE 사진 상에 12개의 실선을 그려 미세 인자 크기를 측정하였으며, 측정된 데이터는 히스토그램으로 크기 분포와 평균값으로 나타내었다. SEM 분석시 EDS(energy dispersive spectrometer) 분석으로 초경 합금의 Co바인더의 성분 분석을 실시하였다. X선 회절 분석기 (High Power X-Ray Diffractometer, SmartLab/Rigaku)를 사용하여 WC-Co 초경 합금들의 상분석을 진행하였다. 튜브 전압과 전류는 45 kV, 200mA이었으며, X-선 2θ 범위는 20o ~90o, 조사 속도는 2.0o/min., X선 타겟은 Cu Kα 선(λ=0.15456 nm)이었다. 경도 시험기(Mitutoyo, Wizhard) 를 이용하여 로크웰 A스케일로 경도값을 측정하였고, 변형 경화로 인한 실험값의 오류를 줄이기 위해 압흔 사이의 거리를 압흔 지름의 5배 이상으로 설정하였다.

고경도인 WC-20 wt%Co 초경 합금의 인장 시험과 일축 피로 시험에 대한 상세한 시험편의 크기와 형상은 이전 연구에 보고 되었다[⁸,¹⁶]. 인장 시험편은 ASTM E 8M 표준 규격에 의거하여 봉상 표준 시험편으로 제작하였다. 인장 시편의 평행부 게이지 길이와 직경은 30 mm, 6 mm이었으며, 인장 시험과 피로 시험은 만능 인장 시험기(MTS, Landmark 100kN)를 이용하였다. 인장 시험 조건은 상온, Crosshead 진행속도 2 mm/min.으로 하였으며, 각 합금마다 인장 시험은 다섯 개의 시험편으로 시험하였다. 피로 시험편은 ASTM E466 시험 규격에 의거하여 봉상 표준 시험편을 제작하였으며, 피로 시편의 게이지 부분 중 가장 작은 넥(neck) 부분의 직경은 6mm이었다. 취성이 강한 WC-Co 초경 합금의 특성상 소성 변형이 거의 일어나지 않고 파손이 일어나므로 고주기 피로 시험을 진행하였으며, WC-Co 초경 합금의 응력 진폭-반복 수(S-N)를 얻기 위해 반복 응력의 종류를 양진 응력(σ_m=0)으로 하였다. 각 초경 합금의 피로 시험 응력 수준은 항복이 일어나지 않을 수준으로 설정하였다. 고주기 피로 시험의 조건은 상온에서 응력비(stress ratio, R) -1, 진동수 15Hz로 시험을 진행하였다. 평균 응력(mean stress)을 고려한 피로 시험에서는 평균 응력을 -500 MPa, -1000 MPa 두 응력 조건에서 22Co-Cr 합금에 대하여 시험하였다.

3. 결과 및 고찰

냉간 단조용 WC-20 wt%Co 초경 합금들의 주사전자현미경(SEM) 미세조직 사진을 그림 1에 나타내었다. 그림 1(a)는 20Co 합금의 BSE 이미지 사진으로 삼각형 또는 사각형의 WC 탄화물 입자를 나타낸다. WC 탄화물 입자 사이의 검고 얇은 막 형태의 부분이 Co 바인더이다. Co 함량이 더 많고 Cr₃C₂가 첨가된 22Co-Cr 합금의 미세조직 사진 그림 1(b)에서는 WC 입자 보다 검은 코발트 바인더 부분이 더 많이 관찰되며, WC 입자 사이에 미세한 입자는 적게 관찰되었다. 그림 1(c)는 Co 함량이 적은 17Co 합금으로 20Co 합금과 비교하여 비슷한 WC 크기 분포를 가지나 Co 바인더 영역은 적어 보이며, 미세한 WC 입자도 많이 관찰된다. 그림 1(d)는 WC 입자가 매우 미세한 20Co-d_wc 합금의 미세조직 사진으로 다른 합금의 사진과 비교하여 고배율 현미경 사진이다.

합금에 따라서 합금의 WC 입자 크기, Co 평균 자유 거리 및 탄화물 접촉도 C_WC-WC 측정은 그림 1의 BSE 사진상에서 단선 분석법으로 측정하였으며, 결과를 표 2에 나타내었다. 20Co 합금의 WC 입자 평균 크기는 2.42±1.09 μm이고, 22Co-Cr 합금의 WC 입자 크기는 2.76±1.34 μm이다. 22Co-Cr 합금이 더 큰 평균 입자 크기를 나타낸 것은 초기 사용 원료 분말 크기가 큰 분말을 사용하였기 때문으로 판단된다. 17Co 합금의 WC 입자 크기는 20Co 합금과 비슷한 값을 나타내었으며, 20Co-d_wc 합금의 WC 평균 입자 크기는 0.80±0.40 μm 로 매우 미세한 입자를 나타내었다. 또한 Co 바인더 평균 자유 거리인 MFP는 22Co-Cr 합금의 값이 1.91±1.60 μm으로 가장 높은 값을 나타내었으며, 이는 합금 중에 Co 함량이 가장 많았기 때문이다. 다음으로 Co 함량이 적은 17Co 합금의 바인더 평균 자유 거리가 낮은 값을 나타내었다. 그리고 20Co-d_wc 합금에서는 다른 합금과 비교하여 매우 낮은 WC 입자 크기와 Co 평균 자유 거리를 나타내었다. 동일한 Co함량을 가지고 있지만 WC입자가 미세하기 때문에 WC 입자 사이의 Co 평균 자유 거리도 동일한 크기로 감소하였기 때문이다. WC/WC 탄화물 접촉도(contiguity)를 나타내는 C_WC-WC의 경우에는 20Co 합금이 0.42로 가장 높은 값을 나타내었으며, 22Co-Cr 합금이 0.31로 가장 낮은 값을 나타내었다. 즉, 접촉도는 WC 입자 크기와 Co 평균 자유 거리에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 기계적 물성 시험편의 그립부에서 시편을 절단 연마하여 경도값을 측정하였으며, 결과를 표 2에 함께 나타내었다. 미세조직 인자와 관련하여 WC 입자 크기가 가장 작은 20Co-d_wc 합금과 Co 함량이 낮은 17Co 합금의 경도값이 높은 값을 나타내었으며, Co 함량이 많은 20Co 합금과 22Co-Cr 합금의 경도가 비슷한 값을 나타내었다. 초경 합금의 경도 값은 WC 입자 크기에 반비례하여 20Co-d_wc 합금의 경도가 높았으며, Co 함량이 많고 WC 입자가 큰 22Co-Cr 합금의 경도값이 낮게 나타났다.

각 초경 합금에 대한 SEM 사진으로 분석된 WC 입자의 크기 분포를 그림 2에 히스토그램으로 나타내었다. 그림 2(a)의 20Co 합금의 WC 입자 크기는 1μm 이하의 미세립을 포함하고 있으며, 1~3 μm 크기의 입자가 중간 영역을 차지한다. 최소 입자 크기는 0.46 μm이며, 최대 입자 크기는 6.50 μm이었다. 그림 2(b)에 크롬 탄화물 (Cr₃C₂)이 첨가된 22Co-Cr 초경 합금의 WC 입자는 최소 입자 0.55 μm, 최대 입자 7.52 μm 범위에 나타났다. Co 함량이 많은 이 합금에서는 미세립 WC 입자가 크게 감소하였으며, 중간 범위 크기의 입자가 균일하게 분포하고 있다. 미세립 초경 합금이나 나노 크기 WC 결정립의 WCCo 초경 합금에서는 액상 소결시 비정상 결정 성장을 억제하기 위해 WC 입자 성장 억제제인 VC나 Cr₃C₂ 첨가가 이루어진다[¹⁸,¹⁹]. 크롬 탄화물의 첨가는 WC 입계에 편석되어 WC 입자의 성장을 억제하여 Cr 탄화물이 없는 합금 보다 균일한 입자의 크기를 갖는 것으로 판단된다. 또한 22Co-Cr 합금처럼 Co 함량이 많고 수 마이크론 크기의 조대한 WC 입자를 가진 초경 합금에서는 WC 입자 크기의 성장 억제와 내부식성 향상을 위하여 첨가하는 것으로 판단된다[²⁰]. 그림 2(c)의 코발트 함량이 낮은 17Co 합금의 WC 입자 크기 분포는 20Co 초경 합금과 매우 유사한 분포와 입자 크기를 나타내고 있다. 이는 20Co 합금과 17Co 합금의 초기 사용 WC 원료 분말의 크기가 동일한 크기를 갖는 분말로 소결되었기 때문으로 판단된다. 그림 2(d)의 20Co-d_wc 합금은 코발트 함량이 20wt% 정도이나 WC 평균 입자 크기는 서브마이크론 크기 이하·Î 최대 입자 크기는 2.01 μm이었다.

그림 3은 각 초경 합금들의 Co 바인더의 평균 자유 거리, 즉 바인더상 영역의 크기를 단선 분석법으로 구하여 히스토그램으로 나타낸 것이다. 20Co 합금의 MFP를 그림 3(a)에 나타내었으며, 평균 자유 거리는 1.52 μm이고 최대 거리는 5.20 μm이었다. 그림 3(b)에 나타낸 22Co-Cr 합금의 Co 평균 자유 거리는 1.91±1.60 μm로서 가장 크게 나타나고 있으며, 최대 거리는 6.87 μm로 가장 큰 값을 나타낸다. Co 함량이 많아지면 Co 바인더의 평균 자유 거리는 증가하는 것으로 보인다. 이와 동일하게 Co 함량이 적은 그림 3(c)의 17Co 합금에서는 평균적으로 낮은 평균 자유 거리를 나타내고 있으나, 최대 거리는 6.03 μm로 다른 합금과 큰 차이는 없었다. 그림 3(d)의 20Co-d_wc 합금에서는 WC 입자가 미세한 만큼 Co 바인더 평균 자유 거리도 작았으며, 최대 거리는 2.01 μm이었다.

20 wt%Co 초경 합금의 상온 일축 인장 시험 결과에서 얻어진 공칭 응력-변형률 곡선을 그림 4에 나타내었으며, 합금별 최대 인장 강도, 탄성계수 및 파단 연신율 값을 표 3에 나타내었다.

20Co 합금과 22Co-Cr 합금의 인장 곡선은 일정 연신율까지 겹쳐 나타나고 있으며, 이에 따른 탄성 계수값은 매우 유사한 값을 나타내고 있다. 그리고 최대 인장 강도와 연신율도 비슷한 크기를 나타내고 있다. 이는 표 2의 경도값 비교에서도 동일하게 20Co 합금과 22Co-Cr 합금은 동일 경도값을 나타내었다. Hall-Petch 식에 따르면 입자 크기에 반비례하여 강도는 증가하므로 WC 입자 크기가 비슷한 두 합금은 동일한 인장 강도를 나타내고 있으며, Co 함량이 더 많은 22Co-Cr합금이 조금 낮은 값을 나타내고 있다. 그림 4의 인장 응력-변형률 곡선에는 시험편 중 대표적인 시험값 하나를 그린 것이며, 표 3에는 시험한 모든 데이타의 평균값과 편차를 같이 표기하였다. Co 함량이 낮은 17Co 합금과 20Co-d_wc 합금도 응력-변형률 곡선이 거의 동일하게 겹쳐서 나타나고 있으며, 표 3에서처럼 동일한 크기의 탄성계수를 나타낸다. 그러나 WC 입자가 미세한 20Co-d_wc 합금의 최대 인장 강도와 파단 연신율은 다른 합금에 비교하여 가장 높게 나타났다. WC 입자 크기 미세화는 Hall-Petch 식에 의한 강도 증가로 초경 합금의 경도 증가와 같이 해석된다[²¹,²²].

초경 합금의 피로 시험에서는 각 응력 진폭에서 측정한 수명 반복수를 구하여 S-N(Stress-Life)선도를 구하였다.

그림 5에 일축 인장-압축 피로시험에서 얻어진 응력 진폭과 반복수 데이터를 나타내었으며, 20 wt%Co 초경 합금들의 반복수를 logN 취한 후 회귀식으로 구한 S-N선도 추정식을 표 4에 나타내었다.

표 4에는 추정식의 상수 값과 2백만(2×10⁶) 사이클에서의 무한 수명 값도 나타내었다. 20Co 합금의 피로 수명이 가장 낮게 나타나고 있으며, 17Co 초경 합금의 피로 수명이 시험 응력 진폭에서 20Co 합금 보다 길게 나타났다. 22Co-Cr 합금은 Co 함량이 많고 바인더 평균 자유 거리가 크기 때문에 장수명을 나타내었다. 초경 소재의 피로 기구는 연성인 Co 바인더 층의 피로에 지배되는 것으로 알려져 있으며, 피로 균열이 진행되어야 하는 바인더 층이 두꺼운 22Co-Cr 합금의 피로 수명이 가장 길게 나타난 것으로 판단된다[²³,²⁴]. 첨가된 Cr은 FCC Co에 용해되어 취성의 HCP Co로의 변태를 억제하여 피로 수명이 길게 나타난 것으로 판단된다[²⁵]. 20Co-d_wc 초경 합금의 피로 수명은 다른 합금에 비교하여 가장 우수한 피로 특성을 나타내었다. 서브마이크론 크기의 미세한 WC 입자 분포에 따라 미세한 Co 바인더 크기를 가진 이 합금에서는 타 합금에 비교하여 피로 균열 전파의 저항으로 작용하는 WC/Co 계면이 많기 때문에 높은 피로 수명과 강도를 나타낸 것으로 판단된다[²⁶].

그림 6에 22Co-Cr 합금의 Co 바인더 영역에 대한 EDS 점 및 선 분석 결과를 나타내었다. 소결시 용해된 W과 Cr은 그 이후 냉각 과정에서 WC로 확산하거나 잔류하게 된다. 그림 6(a)에서는 W과 Cr 성분이 바인더에 많은 양 고용되어 있는 것으로 나타났다. Co 바인더상에 첨가 금속의 용해량은 제한적이기 때문에 Cr이 첨가되는 경우에 W 용해량은 타 합금에 비교하여 감소할 것으로 판단된다[²⁷]. 22Co-Cr 합금의 SEM 사진 및 WC 입도 분포에서 보면 0.5 um 크기 이하의 미세 WC 입자들은 관찰되지 않고 WC 입자 크기가 균일하게 분포하는 것도 Co 바인더에 Cr이 첨가되어 W 확산 억제로 미세 WC 입자 석출이 억제되고 균일한 WC 입자 성장을 이루었기 때문으로 판단된다. 그림 6(c)는 WC 입자 사이의 Co 바인더에 대한 라인 분석 결과이다. WC 탄화물 사이에 존재하는 Co 바인더에 W과 Cr 성분이 관찰되며, W과 Co는 WC/Co 계면에서 서로 확산하고 있는 경향으로 나타난다. Cr은 Co에 대한 용해도가 크기 때문에 상온에서 고용 상태로 존재하나, W은 상온에서 Co내 용해도가 거의 없기 때문에 미세한 Co3W 금속간화합물 형태로 존재하거나 과고용 상태로 존재할 것으로 판단된다[²⁸-³⁰].

그림 7에 WC-20 wt%Co 초경 합금들의 X-선 분석 결과를 나타내었다. WC 피크는 모든 합금에서 일정하게 나타나고 있으나, 바인더 상인 Co는 상온 안정상인 HCP상과 고온에서 안정상인 FCC상이 합금 마다 다르게 나타났다. 그림 1 및 그림 2에서 22Co-Cr 합금에서는 0.5um 이하의 미세립 WC 입자들이 관찰되지 않았다. 이는 Co 함량이 높음에 따라 소결시 미세한 WC 입자들이 Co 바인더에 더 많이 용해되고, 더불어 첨가된 Cr 탄화물도 바인더에 용해되어 추가적인 WC 용해를 감소시키고 이에 따라 고온상인 FCC Co상이 상온에 더 많이 잔류하게 된 것으로 판단된다[³¹]. Cr이 첨가된 22Co-Cr 합금에서는 타 합금과 비교하여 FCC Co 상이 뚜렷하게 보이며, 이와 반대로 20Co 합금과 17Co 합금에서는 소성 변형 능력이 우수한 FCC상의 비율은 거의 관찰되지 않는다. 내부식성과 WC 입자 성장 억제 목적으로 첨가된 Cr은 22Co-Cr 합금의 피로 특성을 향상시키는 것으로 나타났다. 미세립 WC 입자와 FCC Co상이 관찰되는 20Co-d_wc 합금의 피로 특성은 가장 우수한 것으로 나타났다. 이 합금에서는 WC 입자가 미세립이어서 소결 후 냉각시 열팽창 차이에 의해 Co 바인더에는 더 높은 인장 잔류 응력 상태가 되고, 이 인장 응력은 고온 안정상인 FCC Co상을 더 안정화시켜 비교적 많이 상온 잔류한 것으로 판단된다[³²].

피로 수명에 기반한 냉간 단조 금형 수명을 예측하기 위해서는 금형이 받는 응력의 변화를 유한요소해석 등으로 계산하면 단조 부하가 가장 높은 특정 부위에서의 주기적인 응력 진폭 값을 추정할 수 있다[³³]. 그러나 냉간 단조 금형은 주로 압축 응력을 받는 경우가 많게 되므로 마이너스의 평균 응력(mean stress) 상태에 놓이게 된다. 따라서 냉간 단조 금형의 피로 수명 예측의 신뢰성을 높이기 위해서는 마이너스 평균 응력을 고려한 피로 시험을 할 필요가 있다.

그림 8에 22Co-Cr 초경 합금에 대한 평균 응력이 -500 MPa과 -1000 MPa에서 시험한 일축 피로 시험한 결과와 평균 응력 0인 22Co-Cr 합금의 피로 S-N선도를 함께 나타내었다. 표 5에는 각 피로 수명에서 회귀 분석으로 얻어진 피로 수명 식을 나타내었다. 평균 응력 값이 마이너스로 증가할수록 즉, 압축 응력 성분이 커질수록 피로 수명은 크게 증가한다. 이는 초경 소재의 특징으로 인장 응력에는 약하고 압축 응력에는 높은 내 피로 특성을 나타낸다. 일축 인장 및 피로 시험에서 구해진 인장 강도, 응력비 R=-1에서의 피로 수명 선도 그리고 마이너스 평균 응력하에서의 피로 수명 데이터는 Goodman 다이어그램을 활용한 초경 냉간 단조 금형의 피로 수명을 예측하는 자료로 활용될 것이다.

4. 결 론

본 연구에서는 냉간 단조용 금형으로 사용되는 WC-20 wt%Co 초경 합금에 대하여 일축 인장 강도 및 인장-압축 피로 시험을 진행하였다. Co 함량 변화 및 미세 조직 인자 (WC grain size, MFP, C_WC-WC) 변화에 따른 WC-20 wt%Co 초경 합금 4종의 인장 및 피로 성질을 조사하였으며, 이에 따른 응력-변형률 곡선 및 피로 수명 SN 선도를 구하였다.

1. Co 함량이 많은 22Co-Cr 합금의 Co 바인더 평균 자유 거리가 가장 크게 나타났으며, WC 탄화물의 접촉도는 가장 낮게 나타났다. 서브마이크론 크기의 미세한 WC 입자를 가진 20Co-d_wc 합금은 입자 미세화에 따라 평균 자유 거리가 가장 낮은 값을 나타내었으며, 17Co 합금과 20Co 합금의 미세조직 인자는 유사한 범위에 있었다.

2. WC 입자가 미세한 20Co-d_wc 합금의 인장 강도 및 연신율이 가장 높게 나타났다. 초경 합금의 탄성계수는 463~489GPa 범위에 있었으며, 인장 강도와 경도는 Hall-Petch 식에 따라 WC 입자 크기에 반비례하여 나타났다. Co 바인더 함량이 많고 WC 입자가 조대한 합금은 낮은 인장 강도값을 나타내었으며, 바인더 함량이 적거나 WC 입자가 미세한 합금에서는 높은 값을 나타내었다.

3. WC 입자가 미세한 20Co-d_wc 합금은 가장 우수한 일축 인장-압축 피로 수명을 나타내었다. 소성 변형능이 높은 FCC Co상의 함량이 비교적 많이 포함된 22Co-Cr 합금의 피로 특성이 좀 더 우수하게 나타났다. 인장 및 피로 특성이 우수한 초경 소재는 바인더 Co상의 FCC상 비율이 높고 WC 입자가 미세한 합금인 것으로 나타났다.

4. 표준 시험으로 얻어진 일축 인장 강도 곡선, 탄성 계수 및 일축 인장-압축 피로 수명 S-N선도 데이터를 활용하면 냉간 단조용 금형으로 사용되는 WC-20 wt%Co 초경 합금의 피로 수명을 신뢰성 있게 예측할 것으로 판단된다.