성안당_메이드인코리아

홈 > 기계·FA > 기계·FA

데이터로직


매거진
잡지이미지
잡지이미지
잡지이미지
잡지이미지
잡지이미지
잡지이미지
  • 구독신청
  • 광고안내

동일기연201611

[기획기사]금형 장수명화를 위한 금형 재료 선정과 잔류응력 측정 기술

입력 : 2019.04.15 16:16

글자크게보기 글자작게 댓글달기 좋아요 즐겨찾기

페이스북 트위터 카카오스토리 블로그

[첨단 헬로티]


히하라 마사히코 (日原 政彦) 九州공업대학 객원교수


금형은 다량 생산품이나 그 부품 제조에 있어 중요한 ‘공구’로, 공구에 대한 품질 안정성이나 장수명화 달성에 의해 조업 과정에서 안정화 및 제품의 고품질화가 촉진된다. 그림 1은 금형 재료에 사용되는 공구강의 분류를 나타냈다. 금형 재료에는 합금공구강, 기계구조용 강, 스테인리스강, 시효경화강이나 석출경화강, 비금속계 재료[Al 합금, Zn 합금, Cu-Be(Sn)계 합금] 및 초경 재료가 사용되고 있다.

 

 


또한 최근에는 AM 기술의 발전에 동반해 3D 프린터의 적층 조형 기술에 의한 시제작품, 금형 및 부품 제조도 서서히 이루어지고 있다. 공구강(특수강)은 보통 용해법과 특수 용해법(재용해법 : ESR, VAR, P-ESR, 더블․트리플 멜트라고도 한다)에 의해 제조되고, 단조, 압연, 열처리, 기계가공, 결함 조사 등의 공정을 거쳐 시장에 제공되고 있다.


금형 재료에 요구되는 특성은 사용 금형, 가공 방법․정도나 생산 방법에 의해 다르지만, ①내마모성, ②내크랙성, ③내열성, ④내결손성, ⑤내열응력․내피로특성, ⑥고인성․연성, ⑦기계가공성, ⑧내식성, ⑨경면성, ⑩주름가공성, ⑪용접성 등을 들 수 있다.


이 글에서는 각종 금형에 사용되는 공구강 중에서 주로 프레스 성형에 이용되는 냉간용 공구강과 다이캐스트, 단조 등의 열간용 공구강 동향에 대해 서술한다. 또한 금형의 품질 관리의 평가나 수명 예지 수단으로서 비파괴검사 방법의 하나인 X선 잔류응력 측정법의 금형에 대한 적용 사례에 대해서도 소개한다.


냉간용 공구강


1. 냉간용 공구강의 동향


냉간용 공구강은 주로 내마모성이 요구되는 프레스 성형, 포밍 프레스 성형, 압출, 보디 프레스용, 리드 프레임, 프레스 블랭킹, 파인블랭킹(FB), 치공구, 날붙이에 이용되며, 고정도의 제품을 고능률로 다량 제조할 수 있는 공구로서 용제재, 분말재(공구강, 고속도강, 초경) 등이 사용되고 있다.


냉간용 공구강은 고탄소계 소재에 크롬(Cr), 바나듐(V), 텅스텐(W) 등의 탄화물 형성 원소를 첨가, 탄화물의 석출에 의한 생지의 고경도화에 의해 내마모성을 향상시키고 있다. 금형 재료의 경우, 경도만을 높이면 인성이 저하하고 치핑이나 균열의 원인이 되기 때문에 생지 중의 탄화물․성분, 사이즈의 조정이나 비금속 개재물의 저감, 청정도 향상에 의해 인성을 높인 소재가 제안되고 있다.


대표적인 강종은 탄소공구강(SK105, SKS3), 합금공구강(고C-고Cr-Mo계의 SKD11, 8%Cr계), 하이스계(매트릭스하이스), 분말공구강(SKH51, SKH40) 및 프레임하드닝강(화염담금질강)이 있다.


또한 냉간용 공구강 소재의 편석이나 기계적 성질의 향상을 목적으로 크로스롤 압연 방법도 제안되고, 보통의 압연법으로 만들어진 특성에 비해 금속 조직이나 재료특성(편석, 충격값, 기계적 성질, 변형․치수 변화)이 향상된 강종도 제안되고 있다.


매트릭스계 공구강인 DCMX(다이도특수강제)는 SKD11 기존재(냉간용 공구강)와 특서을 비교하면, 고경도, 고인성, 피삭성 향상, 열처리 치수 변화가 적은 특징이 있다. 또한 KD11S, KD11MAX, KRCX(일본고주파강업제)는 인성, 피삭성, 열처리 변형 등 재료특성이 향상되어 있다.


NOGA(일본고주파강업제)는 자동차용 강판의 고하이텐화에 동반하는 금형 안정성을 목적으로 개발된 냉간용 공구강으로, 드릴의 가공성은 SKD11에 배해 높은 안정성을 얻을 수 있고 표면처리 시의 피막과 생지의 안정성 향상, 열처리 후의 치수 변화 저감을 달성하고 있다.


고인성 냉간용 공구강 SLD-i(히타치금속제)의 성분은 SKD11에 가까운데, 내마모특성이 개선된 강종이다. ARK1(10%Cr계, 히타치금속제)는 매우 양호한 절삭성을 가지며, 기존의 SKS3 레벨과 동등한 쾌삭성을 가지고 있다.


2. 분말 냉간용 공구강


자동차용 보디 강판이나 구조 부품에서는 980~1,700MPa급의 고강도 하이텐이나 울트라 하이텐(초고장력 강판)의 사용량이 해마다 증가, 보디, 핸들, 트림, 좌석 부품 등에 채용되고 있다. 이러한 강판의 프레스 블랭킹용 펀치나 다이는 피가공재의 고강도화에 동반해 금형면에 부하되는 부하나 응력이 크고, 성형품의 스프링백 저감을 목적으로 내마모성이 높고 품질특성을 향상시킨 강종이 개발되어 있다.


인성, 내마모성을 향상시킨 SPMR8(분말하이스, 산요특수제강제)는 냉간용 전조다이스, 냉간단조, 분말 성형 및 플라스틱용 스크류 등에 적용 가능한 재종으로 되어 있다.

 

 


그림 2는 냉간용 공구강의 제조 방법 차이에 의한 인성 비교를 나타낸다. 분말강(PM재)는 생지 중에 경도가 다른 미세한 탄화물(Cr7C3, M6C, VC)을 균일하게 분산시킴으로써 용제강인 O1(AISI 규격, JIS : SKS), A2(AISI 규격, JIS : SKD12), D2(AISI 규격, JIS : SKD11) 등에 비해 충격값(인성)은 용제재에 비해 높고, 소재의 롤 방향과 직각 방향의 충격값을 비교해도 기능성이 높은 강종으로 되어 있다.


최근의 초경합금은 초미분말화의 소결 기술이 진척․발전해, 인성이 높은 강종도 개발되고 냉간용, 고기능성 플라스틱 성형, 열간용 금형이나 이들의 핀 등의 부품에 사용되고 있다. 이러한 소재의 특징은 저온 경도나 고온 경도가 우수하고, 고강도로 각종 물리적 특성이 안정되어 있는 점을 들 수 있다.


또한 내산화 재료로서는 WC-TiC-Co계 합금, WC-TaC-Co계 합금, WC-TiC-TaC-Co계 합금이 사용되고 있다. 또한 결합상을 Ni로 하는 초경합금은 Ni 중 W의 용해량이 일정 농도 이상에서는 비자성이 발현되고, 더구나 Cr 첨가에 의해 내식성이 향상된다. 최근에는 WC 입자를 초미립자, 초초미립자화함으로써 고경도, 고강도, 고인성의 특성이 발현한 합금도 개발되어 금형이나 그 부품에 적용되고 있다.


열간용 공구강


열간용 공구강은 다이캐스트, 단조, 압출, 유리 성형에 이용되고, 높은 열간 강도, 연화특성, 인성, 내히트체크성 등의 특성을 갖는 재료로, 고온역에서 사용이 많기 때문에 어떻게 금형 수명의 안정화를 도모할지가 중요한 과제가 된다. 다이캐스트 주조는 주조 기계의 고압-고사이클화나 제품의 경량화․저코스트화 등의 기술적 및 경제적인 요인이 부가되어, 주조품의 안정된 생산 유지에는 열간용 공구강(금형)의 품질 안정화가 가장 중요한 요건이 된다.


또한 열간용 공구강의 수명 향상과 저하는 표리일체의 관계로, 금형 재료의 선택, 금형가공 부위(캐비티, 물냉구멍 등)․방법(직조, 방전가공 등), 열처리․표면처리 및 용접 보수․메인티넌스가 적절하게 이루어지는지 여부에 따라 안성성이 현저하게 다르다.


각 가공법에 따라 금형 가공면에 발생하는 손상 형태는 다르지만, 가열-냉각의 조업 과정에서 열부하에 의한 히트체크나 크랙의 발생 및 취성 파괴의 트러블이 많다. 또한 다이캐스트 주조의 경우, 용융 금속을 사용하기 때문에 금형 표면과 용융 금속의 반응에 동반하는 손상(용손, 버닝, 마모) 등도 동시에 발생한다.


열간용 공구강에서는 해머 단조용 공구강(QT41-HARMOTEX, 산요특수제강제)가 제안되어 미크로 조직의 탄화물 미세화를 달성하고, 기존재(SKT4)에 비해 대형 재료의 담금질성, 인성, 연화특성이 향상되어 있다.

 


그림 3은 열간용 공구강(SKD61 개량재)의 경도와 최대 크랙 길이의 관계 및 히트체크 발생 상태를 나타낸다. 최근의 공구강 제조 과정에서는 불순물 농도나 비금속 개재물의 저감에 의해 인성이 개선되어 경도가 증가해도 내히트체크성이 향상되어 있다. 또한 열간용 공구강의 열전도율 및 인성이 향상된 강종도 제안되고 있다.


금형에 잔류응력 측정 기술의 적용


1. 금속 재료의 잔류응력 측정법


잔류응력이란 금형이나 구조부재 내부에 존재하는 응력인데, 외관적으로는 보이지 않는 응력이다. 금형 등의 잔류응력 측정은 열처리 후의 변태응력이나 열응력, 용접부의 내부 응력, 질화처리나 피닝에 의한 압축응력 및 구조재의 손상, 수명 예지, 건전성 관리 방법, 기계가공면의 정도 향상 등 많은 품질 관리 방법에 이용되고 있다.


잔류응력의 측정법에는 ①파괴시험법, ②비파괴시험법 및 ③재료물성 변화를 이용한 방법이 있다. 파괴시험법에는 주로 ①절단법(변형 게이지법, 계측 부위에 변형 게이지를 붙여 부재를 차례로 절단하고, 절단 과정에서 응력 개방 거동을 측정), ②센터 드릴법(드릴의 회전에 변형 게이지를 붙여 드릴 가공에 의한 천공부의 응력 개방 현상을 측정), ③DHD법(Deep Hole Drilling) 및 ④광간섭 모양에 의한 방법(ESPI : Electronic Speckle Pattern Interferometry)이 있다.


비파괴시험법에는 ①X선 회절법, ②싱크트론 방사광에 의한 방법, ③중성자 회절법이 있으며, 일반적으로는 X선 회절법을 이용한 잔류응력 측정이 많다. 물성값 변화에 의한 측정 방법에는 ①공진에 의한 장력계측법, ②자기변형법, ③바르크하우젠 노이즈법, ④음탄성법(Acoustoelastic method), ⑤피계측 모델에 의한 광탄성법이 있다. 각 측정법의 상세에 대해서는 지면 사정 상 생략하지만, 여기에서는 X선 잔류응력 측정법에 대해 이하에 서술한다.


2. X선 잔류응력 측정법


X선 잔류응력 측정법은 결정격자의 변형 거동에 대해 X선 회절 원리를 이용해 측정하는 방법니다. X선 회절 현상은 Bragg의 조건식을 만족시키는 회절선 변화로부터 기준 격자면 간격 d0와 응력부하 시의 격자면 간격 차이 △d(d-d0)에 의해, 훅의 법칙에 기초해 (σ=Eε, ε는 격자 변형) 잔류응력을 구하는 방법이다.


Bragg의 조건식을 식 (1)에 나타냈다.
nλ=2d sinθ                             (1)
여기에서 λ : 측정 X선의 파장(Å), n : 회절면 차수, sinθ : 회절면 각도이다.
격자면 간격과 격자 정수의 관계를 식 (2)에 나타냈다.
1/d2=(h2+k2+l2)/a2                      (2)

 


여기에서 a : 격자 정수(Å), d : 격자면 간격(Å), h+k+l : 각 격자의 회절면(면지수)이다. X선 잔류응력 측정은 보통의 결정 구조나 조성 분석의 측정과는 다르고, X선의 입사각(ø각)을 작위적으로 변화시켜 각 ø입사각(0, 15, 30, 45°)에서 얻은 회절선 각도(2θ 피크 각도)를 측정하는 2θ-sin2 ø법 및 ø각 일정법에 의한 측정 방법이 있다(그림 4).


X선 잔류응력 측정법을 식 (3)에 나타냈다.
σx=-(E․cotθ0/2(1+υ)․δ2θ/δsin2ø)
=-K․M
단, K와 M은 이하에 나타냈다.
K=δ2θø/δsin2ø (deg.)
M=-(E/2(1+υ))․(cotθ0․π/180)
(MPa/deg., 9.8×kgf/mm2/deg.)


여기에서 K는 응력정수를 나타내고, M은 각 ø각에서 얻은 회절선(aFe(211)면)의 2θ값과 ø각에 대한 2θ-sin2ø선도에서 구한 직선의 기울기이다(그림 5).


이 관계로부터 요구되는 각 ø각에 대한 2θ각의 변화는 그림 5에 나타냈듯이 직선 관계가 성립된다. 각 선도의 기울기에 의해 (-)의 기울기가 인장응력, (+)의 기울기가 압축응력이 된다. 이것은 잔류응력 계산식에 (-)항이 붙기 때문에 직선의 기울기는 반대가 된다. 또한 격자면 간격(d)는 인장응력에서는 커지고, 압축응력에서는 작아진다.

 

 


X선 잔류응력 측정장치(그림 6)는 각 메이커에서 각종 장치가 제안되고 있는데, 여기에서는 2θ-Ssin2ø법, ø일정법(cosø법) 및 통상 X선 회절장치에 어태치먼트를 부속한 장치의 한 예를 나타냈다.


3. 금형의 잔류응력 측정 사례


조업 중인 다이캐스트 금형에 대한 X선 잔류응력 측정의 보고는 현재도 적다. 그러나 최근에는 CAE의 진척에 의해 온도, 열응력, 변형 등의 해석 기술이 발전, 기업 내에선느 사전 평가 방법으로서 이용되고 있다.


[주 : 여기에서 나타낸 잔류응력 측정값은 측정식으로 나타낸 응력계수 K를 297.2MPa/deg.(-30.33kgf/mm2/deg.)로서 계산한 결과이다. 응력의 절대값을 의론하는 경우에는 X선 잔류응력 측정에서 구한 계수와 기계적 응력에서 구한 계수는 다른 값을 나타내므로 수치의 취급에는 주의가 필요하다]

 


그림 7은 금형의 방전가공면, 쇼트피닝(이후, 피닝)면, 무처리 상태의 시험 사이클 수와 잔류응력 분포 곡선을 나타낸다. 방전가공면은 표면에 인장 잔류응력이 존재, 시험 사이클의 증가에 따라 서서히 저하한다. 피닝 처리 표면은 큰 압축 잔류응력이 확인되며, 시험 사이클 수에 따라 응력이 해방되는 경향을 나타낸다.

 

 


그림 8은 조업 금형의 반복 질화처리를 했을 때의 30만 숏 후의 표면 잔류응력을 나타낸다. Al 용탕이 통과하는 금형 표면의 잔류응력은 사이클 수에 따라 서서히 저하하지만, 용탕에 접촉하지 않는 질화처리면(파팅면)은 초기의 잔류응력 값과 동일한 상태가 유지되면서 추이한다.

 


그림 9는 와이어 방전가공면과 그 표면에 피닝 처리를 한 시험편의 잔류응력 분포 곡선을 나타낸다. 와이어 방전가공면은 연화 상태인데, 피닝 처리에 의해 큰 압축응력으로 변한다. 피닝 처리의 응력 영향 영역은 표면에서 약 30μm 정도 존재한다는 것을 알 수 있다.

 


그림 10은 다이캐스트 금형의 조업 후 메인티넌스의 한 예로서 피닝 처리의 효과를 나타낸다. 다이캐스트 금형은 조업 과정에서 게이트 근방이나 용탕이 직접 접촉하는 부분에 히트체크나 용손, 버닝 등의 결함이 확인된다. 이러한 결함은 사이클 수의 증가에 따라 표면 열화가 진행되는데, 중간 단계나 종료 시에 피닝 처리를 하면 표면의 압축응력 부가 및 표면의 청정화를 얻을 수 있다.


그 후의 조업이 신규 금형에 유사한 상태가 되어 금형의 안정화나 제품 품질의 향상을 얻을 수 있다. 이와 같은 방법을 메인티넌스 과정에서 계획적으로 하면, 조업 과정의 안정을 얻을 수 있고, 금형의 장수명화에 있어 유효한 방법이 된다.


냉간․열간용 금형 재료(공구강)의 기술 동향과 잔류응력 측정법을 이용한 다이캐스트 금형에 대한 적용 사례 등에 대해 서술했다. 최근에는 소형화, 간편화를 고려한 측정장치가 판매되고 있으며, 잔류응력의 측정 방법을 이용해 금형의 안정화, 수명 예지에 이용되면 유효한 평가 방법이 될 것으로 생각한다.


또한 CAE에 의한 사전 해석 결과와 실태 금형의 상호 검증은 수명 향상에 있어 유익한 방법이 될 것으로 생각한다. 앞으로도 이와 같은 평가 방법이 금형의 품질 관리 기술로서 이용되기를 기대한다.

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

이 기사는 의 요약글입니다. <기사 상세내용보기>를 클릭하시면 전체 기사를 보실 수 있습니다.

기사 상세내용보기

어드밴텍 2019.07
디지키 2019.07
이전글
[기획기사]열간·냉간 공구강의 제품 개발 동향
다음글
[기술특집]금형의 대형화에 있어 5축가공의 현황과 전망
교육원 법정의무교육
개풍전자
댓글쓰기

0/500

등록
전체 댓글수 0

최신순 | 인기순

    댓글이 없습니다.