금형용 강의 피삭성에 영향을 미치는
조직 인자
Effect of microstructure of die steels on machinability
다테 마사요시 (伊達正芳), 카타오카 코우타 (片岡公太), 스가노 류이치로 (菅野隆一朗),
나카츠 히데시 (中津英司), 카다 요시히로 (加田善裕) 日立금속(주)
1. 서론
자동차, 가전, OA기기 등의 제조에 다종 다양한 금형이 사 용되고 있지만, 국제 경쟁이 치열해짐에 따라 모든 금형에 있 어 금형 가공비의 절감이나 금형 제작의 리드타임 단축이 요구 되고 있다.
금형 제작의 용이함을 나타내는 지표 중 하나인 피삭성은 그 소재가 되는 금형용 강철의 미크로 조직과 밀접하게 관계되 어 있다. 그래서 미크로 조직을 인자로 분해하여 피삭 성에 주는 영향을 정리했다.
2. 금형용 강의 미크로 조직
그림 1은 대표적인 냉간금형용 강의 미크로 조직을 나타내며 매트릭스, 1차 탄화물(주로 M7C3), 황화물 (주로 MnS)에 의해 구성된다.
JIS SKS3은 거의 매트릭스뿐인 것에 대해 SKD11 에서는 내마모성을 부여하기 위해 M7C3이 뿌려진 조 직이다. 또한 8Cr계 쾌삭강에서는 피삭성 향상을 위 해 S가 첨가되어 MnS가 분산되어 있다.
한편 열간 금형용 강 SKD61이나 플라스틱 금형용 강 AISI P21계 강철 등은 매트릭스만 또는 매트릭스 와 황화물로 구성되는 경우가 많다. 그렇기 때문에 냉간금형용 강은 이들 금형용 강과 1차 탄화물을 조 합시킨 조직이라고 생각된다.
우선 금형용 강의 기본 구성이 되는 매트릭스와 MnS(S 첨가)가 피삭성에 주는 영향에 대해 플라스틱 금형용 강을 예로 들어 설명한다. 다음으로 냉간금형 용 강의 특징인 1차 탄화물의 영향에 관해 설명한다.
3. 매트릭스와 S 첨가의 영향
40HRC로 조질된 HPM-MAGIC 와 P21계 강철에 대해 고속 고이송 커 터로 절삭했을 때의 가공조건과 릴리프 면 마모폭의 추이를 그림 2에 나타낸 다. 또한 HPM-MAGIC에는 S가 첨가 되어 있다. 그림 2에서 P21계 강철에서 는 조기에 치핑이 발생한데 대해, HPM-MAGIC에서는 마모의 진행이 느리다. 그림 3은 절삭 후의 공구 릴리 프면에서의 용착물 FE-EPMA 분석 결 과를 나타내고 있다. 이 그림에서 P21 계 강철에서는 Fe가 많이 용착되고 있 었지만, HPM-MAGIC에서는 주로 S, O, Si가 확인되었다. S나 Si계 산화물은 마찰계수가 낮고 공구 의 보호막 기능을 한다.
한편 P21계 강철에서는 이들 용착이 거의 없기 때문에 Fe가 용착하여 치핑에 이르렀다고 생각된다. 이와 같이 절삭 중에 보호막이 형성되는 금형용 강 및 절삭조건의 선정이 피삭성 향 상에 효과적이다.
4. 1차 탄화물의 영향
1차 탄화물의 영향을 조사하기 위해 C : 0.5∼1.5%, Cr : 6∼ 12%, S : 0∼0.12%의 범위에서 조정한 어닐링재(180∼ 230HB)의 피삭성을 평가했다.
엔드밀 가공시 공구 수명과 절삭저항을 각각 그림 4, 그림 5 에 나타낸다.
그림 4에서 1차 탄화물량 2% 이상에서 영향을 볼 수 있었 고, SKD11에서는 SKS3의 약 1/5까지 공구 수명이 저하했다. 한편 S 첨가는 탄화물량에 관계 없이 수명 향상에 효과적이었 다. 그림 5에서 절삭저항은 1차 탄화물량과 함께 증가하지만 S첨가에 의해 저하한다. 이와 같이 엔드밀 가공시 피삭성에는 1 차 탄화물과 S 첨가의 쌍방이 영향을 미치는 경우가 많다.
다음으로 정면 밀링시의 공구 릴리프면 마모를 그림 6에 나타낸다.
엔드밀 가공과 마찬가지로 1차 탄화물의 증가와 함께 피삭 성은 저하하지만, S의 효과는 작아 S가 보호막으로서 충분히 기능을 하지 않는다는 것을 시사하고 있다. 이와 같은 가공 방 법에 의한 차이는 주로 절삭속도에 기인하고 있으며, 고속 절 삭 하에 피삭성을 향상시키기 위해서는 S 이외의 보호막, 즉 앞서 언급한 Si계 산화물과 같은 용착물의 형성이 필요하다.
5. 맺음말
금형용 강의 미크로 조직을 구성하는 조직 인자에 관해서 피삭성에 미치는 영향을 정리했다. 절삭 방법에 따라 각 인자 의 영향도가 다르기 때문에 중점을 두는 절삭 방법에 맞는 금 형용 강, 절삭조건 선정의 지침이 되었으면 하는 바램이다.
다테 마사요시, 카타오카 코우타, 스가노 류이치로 & 나카츠 히데시 & 카다 요시히로 : 安來공장 야금연구소 & 安來공장 제품기획센터 & 특수강컴퍼니 기술부
우)692-8601 島根縣安來市飯島町1240-2
