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동일기연201611

[기획기사]열간·냉간 공구강의 제품 개발 동향

입력 : 2019.04.15 16:16

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[첨단 헬로티]


무토 야스마사 (武藤 康政) 산요특수제강(주) 연구․개발센터 신상품․기술개발실


자동차, 가전 및 정보기기 부품의 고정도화, 형상 복잡화, 성형의 고속화, 피가공재의 고강도화 등에 동반해 부품 제조에 이용되는 금형에 대한 부하가 증가되고 있다. 그렇기 때문에 JIS에 규정되어 있는 범용 공구강으로는 대응할 수 없는 경우가 발생하고 있으며, 각종 용도에 대응할 수 있는 공구강의 개발이 요구되고 있다.


이 글에서는 열간 및 냉간 금형에 사용되는 공구강의 특징에 대해 소개하는 동시에, 다양화되는 요구에 대응하기 위한 동사의 공구강 제품 개발 동향에 대해 소개한다.

 


공구강의 개요


공구강은 고온의 피가공재를 성형하는 열간 공구강, 상온의 피가공재를 성형하는 냉간 공구강 및 플라스틱을 성형하는 플라스틱 금형용 공구강으로 분류된다. 용도에 따라 필요 특성은 다르며, 사용되는 공구강도 다양하다. 금형에는 열간 공구강, 냉간 공구강, 매트릭스 하이스, 고속도 공구강(하이스), 초경합금이 주로 사용된다.


그림 1에 금형에 사용되는 JIS 규격강과 동사 개발강을 경도와 인성의 관계로 정리했을 때의 각 강종 특성의 위치매김을 나타냈다. 또한 표에 동사에서 제조하고 있는 대표적인 열간․냉간 공구강의 화학 성분 및 열처리 조건을 나타냈다.

 


1. 열간 공구강의 기본 특성


열간 금형은 온․열간 단조, 알루미늄 다이캐스트, 알루미늄 압출 등에 사용된다. 열간 금형은 성형 시에 피가공재에서 열영향을 받기 때문에 변형, 히트체크, 버닝, 용손 등의 손상이 생긴다. 그렇기 때문에 열간 공구강에는 인성, 고온 강도, 연화저항성, 내마모성, 내버닝성, 내용손성 등이 필요하다.


또한 열간 공구강에는 금형의 대형화에 대응하기 위해서도 담금질성이 필요하다. 열간 공구강에서는 특히 인성이 중요하기 때문에 공구강 중에서도 비교적 저C(0.25~0.6%)로 되어 있다. 열간 금형에는 SKT4계와 SKD61계의 강이 많이 사용된다. 전자는 단조 시에 큰 충격력이 가해지는 해머용 금형에, 후자는 강도나 내마모성, 내히트체크성이 요구되는 다이캐스트, 압출 등의 금형에 적용된다.


2. 냉간 공구강의 기본 특성


냉간 금형은 냉간단조, 벤딩․드로잉 가공, 파인블랭킹, 롤 성형 등에 사용된다. 냉간 금형은 열간 금형에 비해 고경도로 사용되고, 더구나 고부하가 가해지기 때문에 결손, 균열, 마모, 변형 및 버닝 등의 손상이 생긴다. 그렇기 때문에 냉간 공구강에는 경도, 인성, 강도 및 내마모성, 내버닝성 등이 필요하며, 고C(0.6~2.4%)로 되어 있다.


대표적인 JIS 규격강으로서는 SKS3, SKS93, SKD11나 SKH51, SKH40이 있다. 또한 각 메이커 독자의 개발강이 있으며, 매우 다양한 재료가 사용되고 있다.


공구강의 개발 동향


공구강 개발의 방향성으로서는 크게 나누어 금형의 고성능화와 제조 코스트 절감의 2방향이 있다. 금형의 고성능화를 위해서는 공구강의 고강도․고인성화, 품질의 균질․안정화 등이 요구된다. 금형 제조 코스트 저감을 위해서는 공구강의 피삭성 개선, 열처리 치수 변화의 저감, 자원절감화 등이 요구된다.


또한 신 재료의 개발뿐만 아니라 제조 조건․열처리 조건의 수정에 의한 규격강․기존 개발강의 특성 개선이나 표면처리, CAE 해석 등 주변 기술과 조합한 개발도 이루어지고 있다.


1. 열간 공구강의 개발 동향 및 예


최근의 열간 성형품의 대형화, 복잡 형상화 등에 동반해 열간 금형에는 대균열이 발생할 위험성이 증가하고 있다. 또한 다이캐스트에서는 생산성 향상을 목적으로 부품 성형 피치의 단축화에서 금형에 대한 열적 부하가 증대하고 있으며, 금형의 수명 요인이 되는 히트체크의 발생이 문제가 되고 있다.


이러한 문제에 대응하기 위해 동사에서는 합금 설계와 제조 방법의 적정화에 의해 인성, 고온 강도 및 균질성을 높인 재료를 개발하고 있다. 이하에 개발 동향의 예로서 동사에서 개발한 QDN 1-R, QDX-HARMOTEX에 대해 소개한다.


(1) QDN 1-R


열간 금형의 수명 원인의 하나인 대균열은 히트체크나 버닝 기인에 의한 수명에 비해 단시간에 발생한다. 그렇기 때문에 열간 금형에서 대균열 발생은 중대한 문제이다. QDN 1-R은 열간 금형의 대균열을 억제하기 위해 개발된 열간 공구강으로, 매우 높은 인성을 가지고 있다.

 


그림 2에 QDN 1-R의 샤르피 충격값을 나타냈다. QDN 1-R은 동일한 경도의 SKD61에 비해 높은 충격값을 나타내고 있다. 이것은 합금 성분의 적정화와 일렉트로 슬래그 재용해(ESR)의 적용에 의해 편석이나 불순물을 저감한 것에 의한다. 그렇기 때문에 QDN 1-R은 열간 금형의 조기 대균열 대책에 유효한 강이다. 또한 QDN 1-R는 고인성이기 때문에 보다 고경도의 사용이 가능하고, 변형, 히트체크 대책에도 유효하다.


(2) QDX-HARMOTEX


QDX-HARMOTEX는 다이캐스트 제품의 고강도화․박육화에 동반하는 성형 환경의 과혹화에 의해 문제가 된 금형의 대균열, 히트체크를 억제할 목적으로 개발된 열간 공구강이다. QDX-HARMOTEX는 합금 설계에 의해 템퍼링으로 석출하는 탄화물을 제어함으로써 높은 고온 강도를 가지고 있다.


또한 ESR의 적용과 동사의 열처리 기술에 의해 편석이 저감되고 있으며, 더구나 탄화물이 미세 균일하게 분산된 조직을 얻을 수 있기 때문에 높은 인성과 품질안정성을 달성하고 있다. 그림 3에 히트체크 시험 후의 시험편 단면 사진을 나타냈다. QDX-HARMOTEX는 SKD61에 비해 히트체크의 깊이가 얕아져 있으며, 우수한 내히트체크성을 가지고 있다는 것을 알 수 있다. QDX-HARMOTEX는 금형의 대균열, 결손이나 히트체크가 발생하는 열간 금형에 폭넓게 적용할 수 있다.


2. 냉간 공구강의 개발 동향 및 예


최근의 차체 경량화를 위한 차체 부품의 박육화․고강도화에 의해 초하이텐이라고 불리는 고장력강의 사용이 촉진되고 있다. 이것에 동반해 냉간 프레스형, 벤딩형, 블랭킹형 등 냉간 금형에 이용되는 재료에는 더욱 높은 경도나 내마모성, 내버닝성, 인성이 요구되고 있다. 한편, 금형이 고경도가 되면 금형의 다듬질가공이 어려워지기 때문에 다듬질값을 적게 하기 위해서도 열처리 치수 변화가 작은 강종이 요망되고 있다.


동사에서는 이러한 특성을 개선하기 위해 합금 성분․제조 방법을 검토해 인성, 피삭성, 열처리 치수 변화 특성이 우수한 재료나, 금속 분말을 고화 서형해 미세 탄화물을 균일하게 분산시킴으로써 고경도․고인성의 양립을 달성한 분말하이스를 개발하고 있다. 이하에 개발 동향의 예로서 동사에서 개발한 QCM8, SPMV6에 대해 소개한다.


(1) QCM8


냉간 금형은 고경도로 사용되고, 또한 고응력이 부하되기 때문에 균열, 결손, 마모에 의해 수명이 이르는 경우가 많다. 그렇기 때문에 냉간 금형에는 높은 경도와 인성 등 일반적으로 상반한다고 생각되고 있는 특성의 양립이 요구된다.


범용 냉간 공구강 SKD11은 고C-고Cr(1.5%C-12%C)이기 때문에 고경도를 얻을 수 있는 강이지만, 강괴의 응고 과정에서 조대 탄화물을 많이 정출하기 때문에 인성이 낮다고 하는 문제가 있었다. 이에 SKD11을 베이스로 경도 레벨을 유지하면서 조대 탄화물을 저감하도록 합금 설계해 개발한 것이 QCM8이다.

 


그림 4에 QCM8 및 SKD11의 담금질-템퍼링 미크로 조직을 나타냈다. QCM8는 균열, 결손의 원인이 되는 조대 탄화물이 저감되어 있다. 그림 5에 QCM8의 경도와 사르피 충력값의 관계를 나타냈다. QCM8은 62HRC 이상의 고경도를 유지하면서도 SKD11의 3~4배의 높은 충격값을 가지고 있다.


이것은 조대 탄화물이 저감되어 탄화물이 미세 분산화되어 있는 것에 의한다. 동일하게 고경도․고인성을 얻을 수 있는 금형용 강으로서 각 메이커에서 매트릭스 하이스가 개발되고 있는데, QCM8은 매트릭스 하이스에 비해 열처리 코스트 및 소재 코스트가 낮고 코스트면에서도 우수하다. QCM8은 내마모성과 인성의 밸런스가 우수하기 때문에 균열이나 결손이 발생하기 쉬운 냉간 단조형, 파인블랭킹형, 시어 날 등에 폭넓게 적용할 수 있다.

 


(2) SPMV6


냉간 금형 중에서도 특히 고인성, 고강도, 고내마모성이 필요한 금형에서 범용 분말하이스 SKH40이 이용되고 있다. 그러나 금형에 작용하는 부하의 과혹화에서 SKH40에서는 인성이 부족하고, 금형에 조기에 결손․균열이 발생하는 경우가 발생한다. SPMV6은 이 문제를 해결하기 위해 개발된 강으로, 합금 성분의 최적화와 분말 프로세스의 이용에 의해 범용 분말하이스인 SKH40의 우수한 강도, 내마모성을 확보하면서 우수한 인성을 가지고 있다.

 


그림 6에 SPMV6의 경도와 샤르피 충격값의 관계를 나타냈다. SPMV6은 어떤 경도에서도 범용 분말하이스인 SPM23, SPM30(SKH40 상당)에 대해, 높은 충격값을 나타내고 있다. 또한 SPMV6은 미세한 1차 탄화물량이 많이 석출되어 있기 때문에 내마모성도 우수하다. 그렇기 때문에 SPMV6은 냉간 단조형, 블랭킹 펀치, 각종 롤(브리킷, 포밍, 냉연 롤) 등 균열․결손이나 마모가 문제가 되는 금형에 폭넓게 적용할 수 있다.


이 글에서는 동사의 열간․냉간 금형 재료의 특성과 개발 동향에 대해 서술했다. 앞으로 글로벌 경쟁이 진행되는 가운데 금형 수명, 코스트에 대한 요구 수준이 더욱 높아지는 것은 당연하다. 동사에서는 앞으로도 열처리, 표면처리 등 주변기술과의 조합도 포함해, 특수강 메이커로서 금형의 성능 향상에 공헌할 수 있도록 개발에 전력을 다할 것이다.

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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