[첨단 헬로티]

1. 서론

최근 자동차의 연비 향상을 목적으로 한 차체 경량화를 배경으로, 알루미늄 부품의 고강도화 및 박육화가 추진되고 있다. 또한 자동차 부품의 생산성 향상을 배경으로 부품 성형가공 피치의 단축화도 진전하고 있다. 그렇기 때문에 이들 알루미늄 부품을 제조하기 위해 사용되는 다이캐스트 금형에 대한 기계적 부하나 열적 부하는 증대하고 있다. 이와 같은 과혹화되는 사용 환경을 배경으로 금형에는 대균열이나 히트체크 등 수명을 저하시키는 문제가 생기기 쉬워지고 있으며, 장수명화를 위해 한층 더 고성능 금형 재료가 요구되고 있다.

히트체크는 금형 표면에 발생하는 거북이등 모양의 균열로, 다이캐스트 금형에 생기는 주요 수명 원인의 하나이다. 생긴 균열은 제품의 치수 정도나 표면 성상 등의 품질에 악영향을 미치기 때문에 가급적 발생 자체를 억제하는 것이 바람직하다. 히트체크는 피가공재의 열영향에 의한 금형의 연화에 동반하는 국소적인 팽창·수축에 의한 균열의 발전에 의해 형성된다.

히트체크의 발생을 억제하기 위해서는 균열 발생 및 균열 전파의 억제라는 관점에서 금형 재료특성을 검토할 필요가 있다. 균열 발생을 억제하기 위해서는 고온강도(연화저항성)의 향상, 균열 발전을 억제하기 위해서는 인성의 향상, 열피로를 경감하는 것을 목적으로 한 열전도율 향상 등이 효과적이다. 동사는 고온강도에 착안해 석출탄화물의 영향에 대해 조사했다. 여기에서는 그 조사 결과 및 그 결과를 기초로 개발한 고강도 고인성 열간 다이스강 QDX-HARMOTEX의 제특성에 대해 보고한다.

▲ 표. 공시재의 합금 성분 및 평형 상태의 담금질-템퍼링 후의 안정 탄화물량

2. 고온강도에 미치는 석출탄화물의 영향

열간 공구강의 고온강도에 미치는 석출탄화물의 영향을 조사하기 위해 표에 나타낸 열간 공구강 성분을 베이스로 한 공시재를 준비했다. 각 공시재의 성분은 Thermo-Calc?로 평형 상태 계산을 하고, 담금질-템퍼링 후의 안정 탄화물(M2C, M6C, M23C6) 양이 변화하도록 설계했다. 그리고 공시재의 고온 가열에 의한 연화 정도를 측정해, 연화저항성을 평가했다. 그림 1에 M2C 탄화물량과 연화 정도의 관계를 나타냈다. 연화는 M2C 탄화물량이 많을수록 억제되는 경향이었다. M2C 탄화물은 M6C, M23C6 탄화물에 비해 고온 가열 중에 조대화하기 어렵다고 생각, 연화 억제에 유리하다는 것을 알 수 있었다.

▲ 그림 1. M2C 탄화물과 연화 정도의 관계

3. QDX-HARMOTEX의 개발 콘셉트

고온강도의 향상에는 M2C 탄화물을 많이 석출시키는 것이 유리하다. 한편으로 M2C 등의 탄화물을 구성하는 Mo나 V의 과잉 첨가는 인성 저하를 초래한다. 그렇기 때문에 고온강도와 인성을 양립하기 위해서는 이들 원소 첨가량의 밸런스를 충분히 고려해서 성분 설계할 필요가 있다. 동사는 이 지견을 기초로 성분 설계를 하고, JIS-SKD61에 대해 연화저항성이나 인성이 우수한 열간 다이스강 QDX-HARMOTEX를 개발했다. 또한 이 강종은 합금 편석 저감과 탄화물의 미세 균일 분산을 목표로 2차 용해를 채용하고 있으며, 제조 프로세스의 관점에서도 인성 향상을 도모하고 있다.

4. QDX-HARMOTEX의 특징

(1) 인성

그림 2에 샤르피 충격특성을 나타냈다. 비교강은 JIS-SKD61로 했다. QDX-HARMOTEX는 합금 설계의 최적화 및 제조 프로세스의 최적화에 의해 SKD61보다 우수한 인성을 갖는다.

▲ 그림 2. 샤르피 충격특성

(2) 고온강도 (연화저항성)

경도 약 45HRC로 조질한 시험편을 600℃로 일정 시간 가열 유지 후 공랭했다. 그림 3에 경도 측정한 결과를 나타냈다. QDX-HARMOTEX는 SKD61에 비해 연화의 정도(연화 상태)가 작고, 우수한 고온 연화저항성을 가지고 있다. 그렇기 때문에 금형 사용 중의 마모 및 히트체크의 발생이 억제됨으로써 금형의 장수명화를 기대할 수 있다.

▲ 그림 3. 연화저항성

(3) 내히트체크 특성

내히트체크 특성은 강재 표면에 고주파 유도가열에 의한 급속 가열과 냉각수 분무에 의한 급속 냉각을 반복함으로써 금형 표면에 가해지는 열적 부하를 모의해 평가했다. 그림 4에 시험편에 확인된 히트체크의 깊이를 나타냈다. QDX-HARMOTEX는 SKD61에 비해 비교적 얕은 균열이 주체이고, 최대 균열 깊이도 작다. 

▲ 그림 4. 히트체크 시험 결과

QDX-HARMOTEX는 고온강도와 인성이 양립하고 있기 때문에 SKD61에 비해 우수한 내히트체크 특성을 가지고 있다.

5. 맺음말

QDX-HARMOTEX는 SKD61의 인성 및 고온강도 양쪽을 개선시킨 강종으로, 우수한 내히트체크 특성을 가지고 있다. 또한 내알루미늄 용손성이나 담금질성도 양호하고, 사용 환경의 과혹화에 동반해 문제였던 금형의 히트체크나 대균열 등의 억제에 효과적이다. QDX-HARMOTEX는 생산 저해 요인의 저감과 금형 수명 향상을 실현, 유저의 토털 코스트 저감에 공헌하는 것이 기대된다.

마에다 마사토 (前田 雅人), 무토 야스마사 (武藤 康政)   山陽특수제강(주)

본 기사는 일본 일간공업신문사가 발행하는 『형기술』지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.