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열처리기술의 혁신을 가져올 다이캐스트용 신금형재료
 
大同特殊鋼株式会社 池内 康貴
 
월간 기계기술기자 | 2011.01.27 | 2011년 1월호
 
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종래, 다이캐스트나 열간단조 금형에 사용되는 금형재료는 JIS SKD61 (이하 SKD61) 이나 AISI H13(이하 H13)가 표준이었다. 그러나, 최근들어 수요자들의 금형에 대한 품질 요구는 높아지고 있는 한편, 원가 상승을 억제해야 하는 상황이며, SKD61 이나 H13 으로 대응할 수 없는 장면도 볼 수 있다.
  MARKLINES1)에 의하면, 한국의 자동차 MAKER 인 현대/기아자동차그룹의 2009년의 연간 생산능력은 내수 300만대, 수출 293만대로 합계 593만대였 지만, 향후에는 신흥시장을 중심으로 생산능력을 확장하여 2010 년에는 600 만대, 2011년에는 633만대의 글로벌 생산체제를 갖출 계획이다 라고 보고 되고 있으며, 점점 금형 재료에 대한 요구 품질/원가삭감은 높아질 것으로 예측 된다. 때문에 본 보고서에서는 다이캐스트용 금형재에 요구되는 품질의 내용과 당사가 새롭게 개발한 열간다이스강을 소개하려고 한다.
1.다이캐스팅용 금형재의 동향
<그림 1>에 다이캐스트 업계의 동향과 금형재에의 요구를 나타낸다2) . 자동차 산업에 있어서는 한층 경량화를 꾀하기 위해 복수 부품을 일체화하여 주조되고 있는 것을 들 수 있다. 일체화하여 주조된다는 것은 금형이 대형화 되어 가고 있다는 뜻이고 게다가 수명연장도 요구되기에 대형화에 대해서는 소입성이 우수한 금형 재료가 필요해진다.
  또한 능률개선을 위해 HIGH CYCLE화로 전환하고 있다.
  이것은 금형의 내부 냉각이나 형상면에 외부냉각으로 대응하고 있지만 냉각공의 증가, 냉각공간이나 금형 표면과 냉각공 과의 거리가 짧아짐에 따라 대형 CRACK 위험성이 높아지고 있다.
  이처럼 최근에는 다이캐스트용에 사용되는 금형재에 대한 요구는 SKD61이나 H13으로는 만족할 수가 없는 상황이 늘어가고 있어 고성능·고신뢰성 금형 재료가 점점 중요해지고 있다. 이와 같은 요구에 대응하기 위해 당사에서는 SKD61, H13 보다도 높은 소입성을 가진 고신뢰성 범용강 「DHA- WORLD3) 」를 개발했다.
  HIGH CYCLE화에는 냉각강화가 불가결하고, 거기에는 ① 냉각공의 증가 ② 고열전도율재의 적용 등 2 종류의 방법을 생각할 수가 있다. 당사는 고열전도율재인 「DHA- Thermo4) 」를 개발함에 따라 HIGH CYCLE화로 대응함과 동시에 주조제품의 품질 향상에도 공헌하고 있다.
  <그림 2>에 당사의 다이캐스트형용 열간다이스강의 라인 업과 위치(GRADE)를 나타낸다.「DHA-WORLD」는 대기 용해재이면서 특수용해재의 특성도 가진 재료이고, 「DHA- Thermo」는 고열전도율로 특화한 재료이다. 지금부터 「DHA-WORLD」, 「DHA-Thermo」의 모든 특성에 대해 소개 한다.
3.고신뢰성 범용 열간다이스강 「DHA-WORLD」
(1) 소입성과 충격치
  금형의 대형 CRACK에 기여하는 충격치는 소입시의 냉각속도와 강한 상관관계를 가진다. 금형의 대형화에 따른 소입시의 내부냉각이 늦어져 베이나이트 영역에 걸리면 TEMPERING 후에 그 인성이 저하되는 것이 확인되어 왔다5) . 이것은 마르텐사이트에 비해 LATH 폭이 넓고, 또한 긴베이 나이트가 형성되는 것이 주요인이다6) . 이처럼 금형이 대형화 하면 대형 CRACK이 발생할 위험성이 높아지고, 피해도 커진다.
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종래 사용되어 온 SKD61이나 H13의 소입성에서 금형의 대형화에 대응할 수 없는 상황을 극복한 것이 DHA- WORLD이다. <그림 3(a)>는 DHA-WORLD와 SKD61의 CCT 곡선을 나타낸다. 베이나이트 변태가 시작되는 시간이 SKD61의 2 배 이상이고, 대형품의 열처리에 적합한 재료인 것을 알 수 있다.
  그러나 <그림 3(b)>에 나타낸 TEMPERING 경도 곡선에서 DHA-WORLD의 최고 경도는 SKD61 보다도 조금 낮기 때문에 TEMPERING 할 때에는 이 점의 주의가 필요하다. 샤르피 충격치에 미치는 소입성의 영향을 <그림 4>에 나타낸다.
  QUENCHING 냉각 중에 충격치로 큰 영향을 미치는 온도 영역은 400~200℃인 것을 알 수 있기에, 이 온도 영역의 냉각 속도를 저속(0.5℃/min)에서 고속(20℃/min)까지 변화시켰을 때의 충격치를 <그림 4(a)>에 나타낸다.
  DHA-WORLD, SKD61+ESR 모두 냉각속도의 저하와 함께 충격치도 저하하고 있지만 소입성을 개선한 DHA- WORLD는 냉각속도가 저하해도 높은 충격치를 확보하고 있다. 다음에 실금형(實金型)에서의 열처리를 상정한 블록을 진공로에서 QUENCHING 하여 중심부의 충격치를 측정한 것이 <그림 4(b)>이다.
  DHA-WORLD는 SKD61보다도 높은 충격치를 얻고 있고, 다이캐스트형의 일반적인 경도 43~46HRC에 있어서 대형 CRACK 방지를 위한 경험치 20J/㎠를 상회하고 있다7) . 이것은 <그림 4(c)>에서 볼 수 있듯이 소입성의 향상에 의해 중심부 까지 조대한 베이나이트 LATH 가 발생하지 않고 치밀한 조직을 얻을 수 있기 때문이다.
 
  (2) 내HEAT CHECK 성
 다이캐스트 금형의 최대 수명요인은 HEAT CHECK이고 전체의 78%를 차지한다8) . 그리고 대형 CRACK, 용손(溶損) 순이다. 따라서 내HEAT CHECK 성의 개선은 다이캐스트 금형의 수명연장에 필수이다. HEAT CHECK는 주조 중의 금형 표면에의 가열 냉각에 의한 열응력의 반복으로 발생하는 열피로가 주요 원인이다.
  다이도코교사가 소유하는 135t의 다이캐스트 머신을 이용 하여 실제로 주조하고, 금형의 내HEAT CHECK성을 평가한 결과를 <그림 5>에 나타낸다. 형의 치수는 두께 62mm, 폭200mm, 205mm 로 경도는 42HRC로 조질(調質)했다. 이 시험에서는 적은 SHOT 수에서 HEAT CHECK의 발생 상황을 비교할 수 있게 알루미늄의 용탕 온도, 금형의 형상, 냉각을 통상보다도 가혹한 조건으로 하고 있다.
  HEAT CHECK는 탕구측 부근에 많이 발생하고 있지만 DHA-WORLD는 SKD61에 비해 히트체크의 발생빈도가 적고 내HEAT CHECK성이 우수한 것을 알 수 있다. DHA- WORLD가 SKD61보다도 내HEAT CHECK성에 우수한 이유는 열전도율이 SKD61보다도 14% 높기 때문에 수냉의 효과가 크고, 금형 표면의 온도 상승폭이 적어 지는 것으로 열응 력이 감소하고 있기 때문이라고 생각할 수 있다.
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(3) 적용사례 적용사례의 일부를 <표 1>에 나타낸다. DHA-WORLD의 특성인 고인성이나 우수한 내HEAT CHECK 성에 의해, 자동차 부품을 중심으로 다이캐스트금형으로 고평가를 얻고 있다. 한국 내의 자동차 부품에서도 사용 확대 중이다.
4.고열전도율재 「DHA-Thermo」
(1) 열전도율 다이캐스트의 최대 수명요인인 HEAT CHECK는 가열, 냉각에 의해 발생하는 열응력의 반복이 주요인인 것은 앞에서 서술했다. 열응력은 온도의 높낮이에 비례하기 때문에 금형 표면의 온도 상승을 억제하는 것으로써 내HEAT CHECK성을 개선할 수가 있다. 또한 금형 표면의 온도상승을 억제하는 것은, 늘어 붙거나 용손(溶損) 이라는 용탕 금속과 금형 재료의 반응에 의해 발생하는 현상을 억제하는 효과도 기대할 수 있다.
  DHA-Thermo의 최대 특성은 열전도율에 있고 합금원소의 감소, 특히 Si의 감소에 의해, 열전도율이 증대하지만 다른 열처리특성, 기계적 성질과의 균형을 맞추면서 열전도율을 증대시킨 것이다9) . <그림 6>에 나타낸 것처럼 SKD61 대비1.6 배이다. 그 결과 금형 온도의 저하에 의해 늘어 붙음,溶損의 경감과, 열응력 저하에 의한 HEAT CHECK의 경감 등을 달성할 수 있다.
  또한 실제의 다이캐스트머신에 의한 실험 결과를 <그림 7>에 나타낸다. 주입 시에 제품이 급속 응고되어, 주조 조직의 미세화나 핀홀의 개선에 따른 제품 품질의 향상이나, 스풀 코어 등에 적용하는 것에서의 응고 속도의 향상에 의한 HIGH CYCLE화로의 대응이 기대된다.
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(2) 소입성과 TEMPERING 경도 <그림 8>에 DHA-Thermo 의 CCT 곡선과 Q/T 경도곡선을 나타낸다. 소입성은 SKD61보다도 낮은 것을 고려하여 당사 에서는 40kg 이하의 금형에 적용을 추천하고 있지만 냉각효 율의 상향조정 요구가 있는 코어나 핀류, 스풀코어에는 충분히 대응하는 효과를 발휘하고 있다. TEMPERING 경도에 대해서는 DHA-WORLD 와 마찬가지로 SKD61 과 최고 경도나 TEMPERING 온도와 경도의 관계가 다르기 때문에 열처리 시에는 주의가 필요하다.
  (3) 적용사례
 ① 분류자에 적용하는 것에서 CYCLE TIME 삭감 ② 분할 입자에 적용하여, 형 표면온도의 저하에 따른 핀홀 기인의 LEAK 발생률의 저감 ③ 핀 관계에 적용하는 것으로 수축결함 불량률의 저감에 공헌하고 있다.
5.종합
(1) DHA-WORLD는 SKD61, H13 대비 소입성을 개선한 재료로 금형의 대형화에 적합한 금형재료이다. 게다가 耐HEAT CHECK 성에도 우수한 재료로 적용사례도 늘고 있고 차후 SKD61, H13을 대체하는 다이캐스용의 프레미엄 열간 다이스강이 될 것으로 기대된다.
  (2) DHA-Thermo는 그 열처리 특성에서 40kg 이하의 금형에 적용해야 하는 제약은 있지만 SKD61 대비 1.6 배의 열전도율이라는 특징에 의해 금형을 냉각하는 것으로 내HEAT CHECK성의 개선이나 주조 조직의 미세화나 핀홀의 개선에 따른 제품 품질의 향상 및 응고 속도의 향상에 의한 HIGH CYCLE화 대응이 기대된다.
 
  참고문헌
 1) MARKLINES 주식회사:자동차정보 플랫폼내「현대자동차의 전략·경영계 획」, (2009.11)
 2) 並木邦夫:공업조사회「처음의 금형재료」, p.109
 3) 森川秀人:電気 製鋼, 81(2010)
 4) 河野正道:電気 製鋼, 81(2010)
 5) 上原紀興,並 木邦夫,高橋邦夫:電気 製鋼,52,3,p.165(1981).
 6) 奥野利夫:철과 강,69, p.655(1983).
 7) 井上幸一郎, 大藤孝, 市岡雄二, 荒木利彦:電気 製鋼, 76 (2005), p.287
 8) 西直美:일본열처리기술협회, 열처리응용강좌「금형의 손상사례-다이캐스 트형」(2004)
 9) Hiroaki Koyama, Kozo Ozaki, Masamichi Kawano, Tamiki Yanagisawa: SAE Technical Paper Series 07M-113 (2007)

 
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