KR102017553B1 - 경화능과 질화특성이 뛰어난 장수명 다이캐스팅용 열간 금형강 및 그 제조방법 - Google Patents

경화능과 질화특성이 뛰어난 장수명 다이캐스팅용 열간 금형강 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

탄소(C) 0.37 ~ 0.46 중량%, 규소(Si) 0.25 ~ 0.5 중량%, 망간(Mn) 0.36 ~ 0.56 중량%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 5.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.4 ~ 2.6 중량%, 바나듐(V) 0.4 ~ 0.8 중량%, 붕소(B) 0.0007 ~ 0.004 중량%, 알루미늄(Al) 0.002 ~ 0.022 중량%, 티타늄(Ti) 0.001 ~ 0.09 중량%, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 열간 금형강 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상기 열간 금형강은 열전도도, 경화능, 내구성 및 질화특성이 우수하여 히트체크 및 용손에 대한 저항성을 향상되며, 이러한 열간 금형강을 이용하여 다이캐스팅 금형을 제조하는 경우 금형의 크기와 상관 없이 향상된 열전도도를 갖는다. 또한 금형의 수명을 연장시킬 수 있으며, 이러한 금형을 사용하여 제조된 부품의 경우에는 표면 품질이 향상될 수 있다.

Description

경화능과 질화특성이 뛰어난 장수명 다이캐스팅용 열간 금형강 및 그 제조방법{Mold steel for long life cycle die casting having high hardenability and superior nitriding property}
본 발명은 경화능과 질화특성이 뛰어난 장수명 다이캐스팅(die-casting)용 열간 금형강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자동차 부품 등을 생산할 때 적용될 수 있는 경화능과 질화특성이 뛰어난 열간 금형강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
열간 금형강은 합금 원소로서 철 외에 탄소, 크롬, 규소, 니켈, 몰리브덴, 망간, 바나듐 및 코발트 등을 포함하며, 이러한 합금 원소들을 포함함으로써 고온에서도 우수한 기계적 성질을 가지므로, 높은 가공 온도에서 특별한 기계적 강도 특성이 요구되는 압출 다이, 단조 금형 및 다이캐스팅 금형 제조에 사용된다.
열간 금형강과 이를 이용하여 제조된 강 대상물, 예를 들어, 다이캐스팅 다이와 같은 금형은 기술적 프로세스에 도입되었을 때, 성형품이 균일한 품질을 갖도록 금형의 전체 표면이 균일한 온도를 가져야 하고, 이후에는 발생된 열을 충분히 방출해야 하므로 높은 열전도율이 요구되며, 이에 더하여 높은 내열마모성 요구된다.
또한, 열간 금형강의 히트체크 및 용손에 대한 저항성은 열간 금형의 수명에 직접적으로 연관이 되기 때문에 이러한 특성들을 극대화 하기 위해 질화를 포함한 표면처리가 수행된다. 질화를 통한 금형 표면의 질소 투입 깊이 및 질소화합물 형성층의 생성 정도는 금형을 구성하는 화학 조성에 직접적으로 연관이 되기 때문에, 질화에 의한 히트체크 및 용손 저항성 또한 화학 조성에 직접적으로 영향을 받는다.
상술한 것 외의 중요한 열간 금형강의 특성으로는 경화능이 있는데, 경화능이 높을수록 동일한 열처리 조건에서 더 넓은 범위에 걸쳐 더 균질하고 강인한 조직을 얻을 수 있으며, 이는 비교적 크기가 큰 금형에서도 동일하게 적용되기 때문에 열간 금형강이 높은 경화능을 가지는 경우 더 강인한 금형의 제조가 가능하며, 또한 다양한 크기를 갖는 금형을 제조할 수 있다.
최근 자동차 산업의 친환경·고연비 추세로 인한 경량 비철 금속의 사용 비중이 증가하고 있으며, 이를 성형하기 위한 다이캐스팅용 열간 금형강의 수요가 늘고 있으나, 국내에서 사용되는 다이캐스팅용 열간 금형강 시장은 히타치 사와 같은 해외 선진 기업들이 점유하고 있어 다이캐스팅용 열간 금형강의 국산화가 시급하며, 기존의 기술로는 장수명 다이캐스팅용 열간 금형강에 충분한 경화능 및 질화특성을 부여하기 어려운 문제가 있어, 이러한 문제를 개선한 열간 금형강의 개발이 요구되고 있다.
등록특허 제 10-0834535호(2008.05.27등록)
본 발명은 열간 금형강을 이루는 성분의 조성과 그 제조 조건을 최적화함으로써, 경화능과 질화특성이 뛰어난 장수명의 다이 캐스팅을 제조할 수 있는 열간 금형강을 제공하고자 한다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 형태는, 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.37 ~ 0.46 중량%, 규소(Si) 0.25 ~ 0.5 중량%, 망간(Mn) 0.36 ~ 0.56 중량%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 5.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.4 ~ 2.6 중량%, 바나듐(V) 0.4 ~ 0.8 중량%, 붕소(B) 0.0007 ~ 0.004 중량%, 알루미늄(Al) 0.002 ~ 0.022 중량%, 티타늄(Ti) 0.001 ~ 0.09 중량% 및 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하고, 포함된 각 원소의 중량%값이 하기 수식 (1)과 (2)를 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 열간 금형강에 관한 것이다.
Figure 112018031007239-pat00001
Figure 112018031007239-pat00002
상기 열간 금형강은 텅스텐(W) 0.001 ~ 0.007 중량%를 추가로 더 포함할 수 있고, 니오븀(Nb) 0.001 ~ 0.025 중량%를 추가로 더 포함할 수 있으며, 코발트(Co) 0.005 ~ 0.022 중량%를 추가로 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 열간 금형강은 담금질과 뜨임 단계를 거쳐 얻어진 다이캐스팅(die-casting)용 금형강일 수 있으며, 상기 담금질 단계는 1000 ~ 1040℃의 온도 범위에서 수행되고, 상기 뜨임 단계는 520 ~ 640℃의 온도 범위에서 수행될 수 있다.
한편 본 발명의 다른 실시 형태는, 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.37 ~ 0.46 중량%, 규소(Si) 0.25 ~ 0.5 중량%, 망간(Mn) 0.36 ~ 0.56 중량%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 5.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.4 ~ 2.6 중량%, 바나듐(V) 0.4 ~ 0.8 중량%, 붕소(B) 0.0007 ~ 0.004 중량%, 알루미늄(Al) 0.002 ~ 0.022 중량%, 티타늄(Ti) 0.001 ~ 0.09 중량%, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는, 열간 금형강괴를 열처리하는 단조 단계; 상기 단조 단계에서 제조된 금형 소재를 가열한 뒤 냉각하는 담금질(quenching) 단계; 및 상기 담금질 단계에서 담금질 된 금형 소재를 520 ~ 640℃의 온도 범위에서 열처리하는 뜨임(tempering)단계;를 포함하고, 포함된 각 원소의 중량%값이 하기 수식 (1)과 (2)를 모두 만족하는 열간 금형강의 제조방법에 관한 것이다.
Figure 112018031007239-pat00003
Figure 112018031007239-pat00004
이때 상기 단조 단계의 열처리는 850 ~ 1300℃의 온도 범위에서 수행며, 4.5S 이상의 단조비로 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 단조 단계와 상기 담금질 단계 사이에 구상화 열처리 단계;가 더 포함될 수 있으며, 상기 구상화 열처리 단계는 840 ~ 900℃의 온도 범위에서 수행되는 것이 바람직하다.
상기 담금질 단계의 가열 공정은 1000 ~ 1040℃의 온도 범위에서 수행될 수 있으며, 냉각 공정은 0.2 ~ 3.0℃/s의 냉각 속도로 수행될 수 있고, 이러한 냉각 공정을 통해 80 ~ 100℃의 온도 범위까지 냉각시키는 것이 바람직하다.
상기 뜨임 단계는, 담금질 된 금형 소재를 540 ~ 630℃의 온도 범위에서 2시간 ~ 6시간 동안 열처리하는 1차 뜨임 단계; 및 상기 금형 소재를 540 ~ 620℃의 온도 범위에서 2시간 ~ 6시간 동안 열처리하는 2차 뜨임 단계;가 포함될 수 있다. 또한, 상기 2차 뜨임 단계를 통해 얻어진 열간 금형강을 540 내지 610℃의 온도 범위에서 2시간 내지 6시간 동안 열처리하는 3차 뜨임 단계;가 추가로 더 포함될 수 있다.
상기 뜨임 단계 이후에 질화 열처리 단계가 추가로 더 수행될 수 있으며, 상기 질화 열처리 단계는 순질화법, 가스질화법, 연질화법, 이온질화법 및 침류질화법 중 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있다.
상기 열간 금형강괴는 텅스텐(W) 0.001 ~ 0.007 중량%를 추가로 더 포함할 수 있으며, 니오븀(Nb) 0.001 ~ 0.025 중량%를 추가로 더 포함할 수 있고, 코발트(Co) 0.005 ~ 0.022 중량%를 추가로 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 열간 금형강은 경화능, 내구성 및 질화특성이 뛰어나 히트체크 및 용손에 대한 저항성이 우수하므로, 소형에서부터 대형까지 아우르는 다양한 크기의 금형을 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 금형의 수명이 월등히 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에서 제공하는 열간 금형강은 고온에서의 열전도도가 높아, 이를 이용하여 제조된 부품의 표면 품질이 향상될 수 있다.
도 1은 담금질 단계의 냉각 공정시 질소 압력에 따른 냉각 속도와 열간 금형강의 두께의 관계를 나타내는 그래프로, a는 중심부의 냉각속도, b는 표면부의 냉각속도를 나타낸다.
도 2는 탄소와 붕소의 함량에 따른 수식 (1)로 표현된 열전도도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 탄소와 붕소의 함량에 따른 수식 (2)로 표현된 임계 냉각속도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실험예 2의 연속 냉각 변태 선도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실험예 4의 담금질 온도에 따른 Debye ring을 X선 회절기를 이용하여 측정한 결과를 나타낸 사진이다.
도 6은 실험예 4의 담금질 온도에 따른 조직 변화를 나타낸 광학 사진이다.
도 7은 실험예 4의 담금질 온도에 따른 경도 변화를 측정하고 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 실험예 5의 뜨임 온도에 따른 경도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실험예 6의 뜨임 시간에 따른 경도 변화를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 실험예 7의 질화 후 금형강의 표면으로부터의 거리에 따른 경도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 실험예 8의 열전도도에 따른 히트체크 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 실험예 9의 용손 시험 결과를 나타낸 사진이다.
도 13은 실험예 9의 몰리브덴 함량에 따른 용손깊이를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서, 질량으로 정의된 모든 퍼센티지는 중량으로 정의된 것과 각각 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열간 금형강은, 필수 원소로서 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 붕소(B), 알루미늄(Al) 및 티타늄(Ti)을 포함하고, 나머지는 철(Fe), 미세원소 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
구체적으로 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.37 ~ 0.46 중량%, 규소(Si) 0.25 ~ 0.5 중량%, 망간(Mn) 0.36 ~ 0.56 중량%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 5.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.4 ~ 2.6 중량%, 바나듐(V) 0.4 ~ 0.8 중량%, 붕소(B) 0.0007 ~ 0.004 중량%, 알루미늄(Al) 0.002 ~ 0.022 중량%, 티타늄(Ti) 0.001 ~ 0.09 중량%, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 열간 금형강을 이루는 각 원소의 함량값을, 하기 수식 (1)에 대입하는 경우, 그 값이 30.5 이상이며, 하기 수식 (2)에 대입하는 경우, 그 값이 0.35 이하를 만족한다.
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Figure 112018031007239-pat00006
상기 열간 금형강은 텅스텐(W) 0.001 ~ 0.007 중량%를 더 포함할 수 있고, 니오븀(Nb) 0.001 ~ 0.025 중량%를 더 포함할 수 있으며, 코발트(Co) 0.005 ~ 0.022 중량%를 더 포함할 수도 있다. 또한, 상기 불가피한 불순물은 인(P), 황(S), 질소(N) 및 산소(O)를 포함할 수 있으며 이 외의 다른 물질도 포함할 수 있다.
이하, 상기 열간 금형강을 이루는 성분 및 그 조성범위를 상기와 같이 제한한 이유에 대해서 설명한다.
탄소(C)
탄소는 강의 강도를 조절하는데 필요한 필수 원소로서, 본 합금 계에서는 합금 탄화물을 형성하여 결정립 미세화에 영향을 주고, 2차 경화를 통해 고온 항복강도와 같은 내구성에 영향을 미치며, 특히, 담금질 단계에서 열처리시 합금의 경화능을 효과적으로 향상시키는 원소 중 하나이다.
상기 탄소의 함량이 0.37 중량% 미만인 경우, 경도 및 강도가 낮아지고 경화능이 저하되어 균일한 단면 경도를 얻을 수 없고, 0.46 중량%를 초과하는 경우, 정출 탄화물을 형성하여 피로 강도 및 충격값을 악화시킬 뿐만 아니라, 마르텐사이트 변태 온도가 상당히 저하되어 담금질 단계에서의 열처리 후에 잔류 오스테나이트의 양이 증가되고, 이는 최종 열처리를 거친 강의 치수 변화 및 인성을 저하시킬 수 있다.
따라서, 열간 금형강에 우수한 경도, 강도를 부여하면서 다른 물성의 저하를 야기하지 않기 위해 본 발명의 열간 금형강은 0.37 ~ 0.46 중량%의 탄소를 포함하는 것이 바람직하다.
규소( Si )
규소는 본 합금 계에서 담금질 단계에서의 열처리를 통해 생성된 잔류 오스테나이트가 뜨임 단계에서의 열처리시 침상의 세멘타이트로 분해되는 것을 억제하는 원소로, 침상의 세멘타이트는 다이캐스팅 공정에서 발생되는 히트체크에 대한 저항성을 급격히 떨어뜨릴 수 있기 때문에 금형강에 규소를 적정량 포함시킴으로써 강의 인성을 향상시켜 히트체크 저항성을 향상시킬 수 있다.
또한 규소는 경화능 향상에 기여하나 열전도도를 저하시킬 수 있기 때문에 열전도도에 큰 영향을 미치지 않는 범위 내에서 사용되는 것이 바람직한데, 전체 중량에 대하여, 규소의 함량이 0.25 중량% 미만이면 히트체크에 대한 저항성 향상 효과가 미미하고, 규소의 함량이 0.5 중량%를 초과하면 열전도도가 저하되므로, 본 발명의 열간 금형강은 규소를 0.25 ~ 0.5 중량%로 포함하는 것이 바람직하다.
망간(Mn)
망간은 경화능을 향상시키고 고용(solid solution) 강화를 일으키는 원소로, 전체 중량에 대하여, 망간의 함량이 0.36 중량% 미만이면 경화능 향상 및 고용 강화 효과를 얻기 어렵고, 망간의 함량이 0.56 중량%를 초과하면 열전도도가 상당히 감소되므로, 망간의 효능을 확보하면서도 열전도도의 저하를 방지하기 위해 전체 중량부에 대하여 0.36 ~ 0.56 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다.
크롬( Cr )
크롬은 경화능을 향상시킬 뿐만 아니라, 복합 탄화물을 생성함으로써 경도, 강도 및 뜨임 단계에서의 연화 저항성과 내마모성을 향상시키며, 질화 단계에서 질소 화합물을 형성하여 표면 경도를 향상시키는 역할을 하는 원소로, 크롬의 함량은 전체 중량에 대하여 2.0 ~ 5.0 중량%인 것이 바람직하며, 상기 중량 범위 미만으로 포함되는 경우 경화능 향상 효과를 기대하기 어렵고, 상기 중량 범위를 초과하여 포함되는 경우 열전도도의 감소 문제가 발생하므로, 상기 중량 범위 내에서 포함되는 것이 바람직하다.
몰리브덴( Mo )
몰리브덴은 몰리브덴 카바이드와 같은 탄화물을 형성하여 고온 경도와 강도를 증가시키고, 뜨임시 고온에서 2차 경화 현상을 일으킴으로써 고온 강도를 향상시킬 뿐만 아니라, 입계에 존재하는 인(P)과 결합하여 뜨임 열처리시 인으로 의한 뜨임 취성을 방지하면서도 열전도도에 영향을 주지 않는 원소이므로, 전체 중량에 대하여 1.2 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는 1.4 ~ 2.6 중량%로 포함되는 것이 바람직한데, 몰리브덴의 함량이 1.4 중량% 미만이면 인으로 인한 뜨임 취성 억제력이 감소하고, 2차 경화가 충분히 일어나지 않아 고온에서의 경도 및 강도가 감소하는 문제가 있으며, 몰리브덴의 함량이 2.6 중량%를 초과하는 경우 몰리브덴에 의한 강도 향상 및 뜨임 취성 억제 효과가 감소될 수 있기 때문이다.
텅스텐(W)
텅스텐은 열간 금형강의 강도를 증가시키기 위해 선택적으로 첨가될 수 있는 원소로, 탄화물의 석출 경화를 유도함으로써 열간 금형강의 강도를 증가시키며, 몰리브덴과 마찬가지로 2차 경화의 효과를 제공할 수 있다.
텅스텐은 전체 중량에 대하여 0.001 ~ 0.007 중량%로 포함될 수 있으며, 상기 중량 범위 미만으로 포함되는 경우 금형강의 강도 향상 효과가 미미하며, 상기 중량 범위를 초과하여 포함되는 경우 금형강의 열전도도를 저하시킬 수 있기 때문에 상기 중량 범위 내에서 포함되는 것이 바람직하다.
티타늄( Ti )
티타늄은 오스테나이트에서의 용해도가 낮아 강한 석출상이 생성될 수 있으며, 본 합금계에서는 조직 미세화 효과를 부여하는 효과가 있으나, 티타늄의 강한 탄소와의 결합력으로 인해 오스테나이트 기지 내의 탄소 함량을 감소시켜 열간 금형강의 경화능을 저하시키는 부작용이 있고, 경화능 저하의 정도는 바나듐 보다 강하므로, 충분한 조직 미세화 효과를 나타내면서도 경화능을 크게 저하시키지 않는 정도로 포함되는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 티타늄은 전체 중량부에 대하여 0.001 ~ 0.09 중량%이므로 포함될 때 상기한 효과를 얻으면서도 부작용을 최소화시킬 수 있다.
바나듐(V)
바나듐은 철에 치환 고용되어 인장강도를 증가시키고, 불용성 탄화물을 만들어 고온 경도를 높이며, 뜨임 취성 저항성을 증대시키는 원소로서, 특히 고온에서 안정한 석출상을 미세하게 생성하여 오스테나이트 입자 성장을 억제하는 효과를 갖는다. 바나듐은 티타늄 및 니오븀과 더불어 강한 합금 탄화물을 형성하여 결정립 미세화를 시켜 주나, 티타늄과 니오븀에 비해 탄소와의 결합력이 약해 정출될 가능성이 적으며, 오스테나이트 기지의 탄소 함량 저하를 덜 유발하므로 이들에 비해 상대적으로 열전도도 및 경화능 저하에 미치는 영향이 미미하다.
바나듐의 함량이 열간 금형강 전체 중량에 대하여 0.4 중량% 미만이면 결정립 미세화 효과를 충분히 얻기 어렵고, 0.8 중량%를 초과하면 정출 탄화물이 형성될 수 있기 때문에 전체 중량에 대하여 0.4 ~ 0.8 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
니오븀 ( Nb )
니오븀은 티타늄과 마찬가지로 오스테나이트에서의 용해도가 낮아 강한 석출상을 생성하며, 조직 미세화 효과를 부여하는 원소이다. 또한, 탄소와의 결합력이 강하여 오스테나이트 기지내의 탄소 함량을 감소시켜 열간 금형강의 경화능을 약화시키며, 그 정도는 다른 결정립 미세화 역할을 하는 합금 원소인 바나듐보다 크다.
상기 니오븀의 함량이 전체 중량에 대하여 0.001 중량% 미만인 경우 니오븀으로 인한 조직 미세화 효과를 얻기 어렵고, 0.025 중량%를 초과하는 경우 열간 금형강의 경화능을 저하시킬 수 있기 때문에 전체 중량부에 대하여 0.001 ~ 0.025 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
붕소(B)
붕소는 극미량의 첨가로도 입계편석(Grain Boundary Segregation)에 의한 경화능을 크게 향상시킬 수 있으나, 전체 중량에 대하여 0.0007 중량% 미만으로 포함되는 경우 충분한 경화능 향상 효과를 얻기 어렵고, 0.004 중량%를 초과하여 포함되는 경우 추가로 첨가된 양에 비하여 경화능의 향상 정도가 미미하여 경제적 손실이 발생하므로, 열간 금형강 전체 중량에 대하여 0.0007 ~ 0.004 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
코발트(Co)
코발트는 기지에만 용해되어 탄소의 용해도를 높이며, 탄화물을 기지에 많이 고용시킬 뿐만 아니라 고용강화로 인한 기지 강화 효과를 주는 원소로, 전체 중량에 대하여 0.005 ~ 0.022 중량%로 첨가될 때 상기한 효과를 얻을 수 있으며, 상기 중량 범위를 벗어나는 조성으로 포함되는 경우 상기 효과를 얻지 못하거나, 초과량에 따른 추가적인 효과를 기대하기 어려우므로 상기 중량 범위 내에서 포함되는 것이 바람직하다.
인(P)
인은 열간 금형강의 강도 증가에 일부 기여하나, 0.007 중량%를 초과하는 경우 용접성을 악화시키는 문제가 있기 때문에 0.007중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.005 ~ 0.006 중량%로 포함될 수 있다.
황(S)
황은 망간과 결합하여 인성 저하를 야기하고 고온 균열을 유발하므로, 0.003 중량% 이하로 포함되는 것이 바람직하다.
질소(N)
질소는 제강 중에 포함되는 불순물로써, 붕소의 입계편석을 얻기 위한 경우, 붕소화 질소를 형성함으로써 열간 금형강의 물성을 저하시킬 수 있으나 고용강화 효과가 있으므로, 이러한 효과를 얻으면서도 물성 저하를 방지하기 위해서, 0.005 ~ 0.06 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
알루미늄(Al)
알루미늄은 붕소보다 질소와의 결합력이 강하여 상기 붕소화 질소로 인한 부작용을 상쇄하기 위해 첨가되는 원소로, 알루미늄이 0.002 ~ 0.022 중량%로 포함되는 경우 고용되어 있는 미량의 질소만을 제거하는 용도로 알루미늄이 사용될 수 있으며 상기 범위를 벗어나는 경우 금형강의 물성을 저하시킬 수 있기 때문에 상기 중량범위 내에서 첨가되는 것이 바람직하다.
본 발명의 열간 금형강은 상술한 성분들을 제외하고, 나머지는 실질적으로 철(Fe)로 이루어지며, 나머지는 실질적으로 철(Fe)로 이루어진다는 말은 본 발명의 작용 효과를 방해하지 않는 한, 불가피한 불순물을 비롯하여 다른 미량원소를 포함하는 것 또한 본 발명의 범위에 포함될 수 있다는 것을 의미한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 열간 금형강을 이루는 탄소, 규소, 망간, 크롬, 바나듐, 붕소 및 티타늄의 함량값을, 하기 수식 (1)에 대입하는 경우, 그 값이 30.5W/mK 이상을 만족한다. 이와 같이 높은 열전도도를 갖는 열간 금형강으로 제조된 금형을 이용하여 다이캐스팅 공정이 수행될 경우, 금형 내외부의 온도차가 감소되어 금형의 히트체크에 대한 저항성이 향상됨으로써 금형의 수명이 연장될 수 있으며, 이러한 금형으로 제조된 제품의 표면 품질이 향상될 수 있다.
Figure 112018031007239-pat00007
상기 수식 (1)은 실험 계획법 중 Box-Behnken법을 활용하여 8개의 합금원소로 구성된 상기 합금원소 함량 범위내의 합금 161 종을 생성하고, 생성된 각각의 합금에 대해서 전산모사 소프트웨어(J-Mat Pro)를 이용하여 400℃ 에서의 열전도도를 구한 후 완전 2차식 모형으로 통계적으로 유의미한 계수들을 도출하여 만든 수식이다. 열전도도에 있어서 특히 탄소와 붕소의 영향이 큰 것으로 나타나기 때문에 본 발명은 탄소와 붕소의 함량을 상기와 같이 한정함으로써 본 발명의 열간 금형강의 열전도도를 향상시켰다.
이때 수식 (1)은 400℃에서의 합금의 계산된 열전도도로, 실제 실험으로 구해지는 열전도도의 값보다 약간 크게 나타나며, 400℃는 열간 금형강의 다이캐스팅 공정 중 용탕에 의해 얻어지는 대표적인 온도이기 때문에 400℃에서의 열전도도를 기준으로 한 관계식을 이용하였다.
본 발명의 열간 금형강을 이루는 원소들의 중량%값은 상기 수식 (1)을 만족하며, 수식 (1)에서 최소값을 30.5W/mK로 설정한 것은, 본 발명의 열간 금형강의 각 원소들의 중량%값을 상기 수식 (1)의 좌변에 대입하여 산출되는 값이 30.5W/mK 이상일 때, 히트크랙의 길이가 현저히 감소하기 때문으로, 이는 후술될 실험예 8에서 확인할 수 있다.
이와 같이 높은 열전도도를 갖는 열간 금형강으로 제조된 금형은 금형의 부위별 온도의 불균일성이 완화되어 성형품의 수축이나 비틀림 등을 감소시킴으로써 균일한 품질을 갖는 성형품이 제조될 수 있을 뿐만 아니라 성형품의 품질 또한 향상시킬 수 있다. 또한, 금형 부위에 따른 온도차로 인한 히트체크 균열 발생 빈도 및 정도가 감소하여 금형의 수명을 현저히 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 열간 금형강을 이루는 탄소, 규소, 망간, 크롬, 바나듐, 붕소, 몰리브덴 및 티타늄의 중량%값은 수식 (2)를 만족하며, 이와 같은 낮은 임계냉각속도를 갖는 열간 금형강은 우수한 경화능을 가질 수 있다.
Figure 112018031007239-pat00008
상기 수식 (2)는 전산모사 소프트웨어(J-Mat Pro)를 이용하여 상기 수식 (1) 도출에 사용했던 동일한 합금 161종의 연속냉각선도를 도출한 후, 냉각 중 펄라이트(pearlite)변태 또는 베이나이트(bainite)변태가 발생하지 않는 최소의 냉각속도(임계냉각속도)를 구한 후, 이를 2차식 모형으로 통계적으로 유의미한 계수들을 도출하여 만든 수식이다.
임계냉각속도는 강의 경화능에 영향을 주는 값으로, 담금질 단계에서 임계냉각속도보다 빠르게 냉각시켰을 때 강의 내부까지 완전한 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있어, 임계냉각속도가 작아질수록 주어진 냉각속도에서 완전한 마르텐사이트 조직을 만들 수 있는 제품의 크기가 커지고, 완전한 마르텐사이트 조직을 갖는 표면의 두께가 증가하므로, 임계냉각속도가 작은 것이 제품 생산에 있어서 유리하다.
수식 (2)에서 확인되듯이, 임계냉각속도에 대한 탄소와 붕소의 영향이 크기 때문에, 본 발명은 탄소와 붕소의 함량을 앞서 설명한 바와 같이 한정하여, 임계냉각속도를 줄임으로써 높은 경화능을 갖는 강을 제공할 수 있다.
도 1의 a와 b에서 알 수 있듯이, 중심부와 표면부 모두 열간 금형강의 두께가 두꺼워 질수록 낮은 냉각속도를 나타낸다. 냉각속도가 임계냉각속도보다 낮을 경우 경화능이 저하되어 강에 충분한 기계적 물성을 부여할 수 없으므로, 낮은 임계냉각속도의 확보가 필요함을 알 수 있다.
일반적으로 강의 열전도도와 경화능은 반비례적으로 나타나 종래에는 열전도도와 경화능이 동시에 우수한 강을 얻는 것이 어려웠으나, 본 발명은 강을 이루는 탄소와 붕소의 함량을 각각 0.37 ~ 0.46 중량% 및 0.0007 ~ 0.004 중량%로 한정함으로써 고온에서의 열전도도 및 경화능이 모두 우수한 열간 금형강을 제공할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열간 금형강의 제조방법은, 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.37 ~ 0.46 중량%, 규소(Si) 0.25 ~ 0.5 중량%, 망간(Mn) 0.36 ~ 0.56 중량%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 5.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.4 ~ 2.6 중량%, 바나듐(V) 0.4 ~ 0.8 중량%, 붕소(B) 0.0007 ~ 0.004 중량%, 알루미늄(Al) 0.002 ~ 0.022 중량%, 티타늄(Ti) 0.001 ~ 0.09 중량%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 열간 금형강괴를 열처리하는 단조 단계; 상기 단조 단계에서 제조된 금형 소재를 가열한 뒤 냉각하는 담금질(quenching) 단계; 및 상기 담금질 단계에서 담금질 된 금형 소재를 열처리하는 뜨임(tempering)단계;를 포함한다.
이때 상기 열간 금형강을 이루는 원소들의 함량값을, 하기 수식 (1)에 대입하는 경우 그 값이 30.5 이상이며, 하기 수식 (2)에 대입하는 경우 그 값이 0.35 이하로 나타난다.
Figure 112018031007239-pat00009
Figure 112018031007239-pat00010
또한 상기 열간 금형강괴는 텅스텐 0.001 ~ 0.007 중량%, 니오븀 0.001 ~ 0.025 중량%, 코발트 0.005 ~ 0.022 중량%를 추가로 더 포함할 수 있으며, 불가피한 불순물로는 예를 들어 인, 황, 질소 등이 포함될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 덧붙여 상기 열간 금형강괴를 이루는 원소의 종류와 함량, 그 함량의 상, 하한을 한정함으로써 얻어지는 효과는 앞서 기재된 열간 금형강과 동일하므로, 이에 대한 설명은 생략한다.
상기 열간 금형강의 제조방법은 먼저 상기 열간 금형강괴를 인위적인 열원, 예를 들어, 전기로, 진공유도로 및 대기유도로 중 어느 하나를 이용하여 금속을 녹인 후, 제강 작업시 발생하는 산소, 수소, 질소 등의 가스를 제거함으로써 준비될 수 있다.
다음으로, 상기 열간 금형강괴를 850 ~ 1300℃의 온도 범위에서 열처리하는 단조 단계가 수행되며, 단조 단계를 통해 열간 금형강괴의 주조 조직이 파괴되고, 응고시 생기는 열간 금형강괴 내부의 기공을 압착하고 제거함으로써 열간 금형강괴의 내부 품질을 향상시킬 수 있으며, 또한 이때 금형 소재로써의 형상이 형성될 수 있다.
이때 온도가 850℃ 미만일 경우 단조 작업 중 형상의 변형이 어려워 균열이 발생될 수 있고, 1300℃를 초과하는 경우 과열에 의한 고온 취화 현상으로 인한 균열이 발생될 수 있기 때문에 상기 온도 범위 내에서 열처리가 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 단조 공정시 단조비는 4.5S 이상인 것이 바람직한데, 이러한 단조비로 열간 금형강괴를 단조함으로써 열간 금형강괴 내부에 존재하는 기공을 압착하고 제거하는 효율이 증가하므로 열간 금형강의 조직이 더욱 미세하게 형성될 수 있다. 단조비가 4.5S 미만인 경우 금형강의 조직이 조대해짐으로써 인성이 취약해져 다이캐스팅에 적용하는 경우 생산되는 제품의 품질이 악화될 수 있으므로, 단조비를 4.5S 이상으로 하여 단조 단계가 수행되는 것이 바람직하다.
이후 구상화 열처리 단계가 수행될 수 있으며, 구상화 열처리 단계는 단조 공정으로 인해 금형 소재의 미세 조직에 형성된 망상 탄화물을 쪼개어 구상화 함으로써 탄소의 함량을 균일화시켜 후술될 담금질 단계에서의 효율을 향상시켜 최종적으로 열간 금형강괴의 강도 및 경도를 향상시키는 단계로, 이때 열처리 온도가 840℃ 미만에서 수행되는 경우 망상 탄화물의 분해가 충분히 수행되지 않아 담금질 효율 증가 폭이 적고, 900℃를 초과하여 수행되는 경우 구상화 열처리 단계를 통해 생성되는 합금 탄화물들이 조대화 되어 담금질 단계 이후 목적하는 성질을 얻기 어려울 수 있으므로, 구상화 열처리 단계는 840 ~ 900℃의 온도 범위에서 수행되는 것이 바람직하다.
다음으로 담금질(quenching) 단계가 수행되며, 담금질은 열처리 후 냉각하는 단계로 이루어지는데, 담금질 단계에서의 열처리 온도가 1000℃ 미만일 경우 첨가된 합금 원소의 고용 효과가 적어 경화능이 저하될 수 있으며, 1040℃를 초과하는 경우에는 입자의 조대화로 인해 마르텐사이트 변태 시작 온도를 낮춰 잔류 오스테나이트의 양이 늘어나므로, 기계적 물성 저하와 더불어 재질이 불균질해지며, 이로 인한 금형의 치수 변화가 일어날 수 있기 때문에 열처리는 1000 ~ 1040℃의 온도범위에서 수행되는 것이 바람직하다.
담금질 단계의 열처리 공정 이후 수행되는 냉각 공정이 수행될 수 있으며, 이때의 냉각은 0.35℃/s이상, 바람직하게는 0.5 ~ 3.0℃/s의 속도로 80 ~ 100℃ 온도 범위에 도달할 때까지 수행됨으로써 금형강의 강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 이때, 고압의 질소 가압 냉각기를 이용하여 냉각함으로써 상기 냉각 속도가 달성될 수 있다.
담금질 단계 이후 뜨임(tempering) 단계가 수행되며, 이때의 열처리 온도는 520 ~ 640℃인 것이 바람직한데, 이는 뜨임 수행 온도가 520℃ 미만일 경우 2차 경화 반응이 충분히 일어나지 않아 목적하는 물성을 얻기 힘들거나 2차 경화시 생성된 탄화물에 의한 뜨임 취성이 발생하고, 640℃를 초과하는 경우 금형강의 강도가 급격히 저하되기 때문으로, 상기 온도 범위 내에서 뜨임 단계가 수행되는 것이 바람직하다.
뜨임은 열간 금형강의 인성을 향상시키기 위해 수행하는 공정으로, 본 발명에서는 다단으로 수행되는 것이 바람직하며, 구체적으로, 540 ~ 630℃의 온도 범위에서 2 ~ 6시간 동안 1차 뜨임 한 뒤, 540 ~ 620℃의 온도 범위에서 2 ~ 6시간 동안 2차 뜨임하는 단계가 포함될 수 있다.
이후, 2차 뜨임을 통해 얻어진 열간 금형강을, 540 ~ 610℃의 온도 범위에서 2 ~ 6시간 동안 열처리하는 3차 뜨임 단계가 추가로 더 포함될 수 있다.
상기와 같은 다단 뜨임시 1차 뜨임에 의해 금형강 조직 내 잔류 오스테나이트가 베이나이트로 분해되거나 마르텐사이트로 변태되어 인성이 저하하게 되는데, 2차 뜨임을 통해 앞서 생성된 마르텐사이트가 분해되어 인성이 증가하고 3차 뜨임을 통해 금형 소재의 경도가 정밀하게 조절될 수 있다.
이후 상술한 방법으로 제조된 열간 금형강의 표면 경도를 향상시키기 위한 표면 질화 열처리 단계가 추가로 더 수행될 수 있으며, 질화 열처리법으로는 상기 강재를 암모니아 가스 하에 약 500℃ 이상의 온도에서 약 18 ~ 19시간 동안 가열하여 자연 냉각시키는 순질화법, 암모니아의 열분해로 인한 질소원소와 침탄성 가스에서 공급되는 CO가스에 의해 이루어지는 가스질화법, 알카리금속의 시아네이트(MCNO)가 500℃ 이상에서 분해되는 성질을 이용하는 연질화법, 방전 에너지에 의해 질소 가스를 이온화시켜 생긴 N+ 이온이 (-)극의 강재 표면에서 질화작용을 하게 하는 이온질화법, 플라즈마를 이용한 침류질화법 등이 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
[제조예]
표 1의 조성을 갖는 강괴를 약 1185℃에서 5S의 단조비로 단조하여 금형 소재를 제조하고, 840℃에서 약 10시간 동안 구상화 열처리를 수행하였다. 이후 상기 금형 소재를 1030℃에서 2시간 동안 열처리하고, 약 90℃까지 약 0.5℃/s의 냉각 속도로 냉각하는 담금질 공정을 수행한 뒤, 595℃에서 3시간 동안 1차 뜨임하고, 590℃에서 3시간 동안 2차 뜨임한 뒤, 580℃에서 3시간 동안 3차 뜨임하여 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 8의 열간 금형강을 제조하였다.
C Si Mn Cr Mo V B Al Ti W Nb Co Ni
실시예1 0.38 0.49 0.45 4.65 1.44 0.626 0.0027 0.003 0.001 0.003 0.003 0.011 0.11
실시예2 0.42 0.48 0.44 4.95 1.41 0.580 0.0010 0.002 0.001 0.006 0.001 0.005 0.08
실시예3 0.37 0.31 0.48 2.92 1.86 0.590 0.0019 0.019 0.004 0.000 0.023 0.019 0.09
비교예1 0.45 0.30 0.46 4.90 1.27 0.529 0.0003 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.12
비교예2 0.39 0.32 0.45 2.93 1.46 0.590 0.0008 0.037 0.000 0.000 0.000 0.000 0.05
비교예3 0.40 0.51 1.17 1.00 2.5 1.210 0.0016 0.024 0.000 0.000 0.000 0.000 0.10
비교예4 0.41 0.26 0.40 2.04 2.58 0.410 0.0007 0.055 0.090 0.000 0.000 0.000 1.02
비교예5 0.38 0.91 0.42 5.16 1.22 0.850 0.0001 0.011 0.001 0.003 0.003 0.015 0.05
비교예6 0.38 0.31 0.45 4.87 1.17 0.590 0.0009 0.048 0.020 0.000 0.025 0.000 0.10
비교예7 0.37 1.00 0.25 5.00 1.25 1.000 0.0000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.00
비교예8 0.41 0.44 0.42 3.96 1.43 0.700 0.0010 0.005 0.003 0.000 0.000 0.000 0.00
(단위:wt%)
[실험예 1] 탄소와 붕소 함량에 따른 열전도도 및 임계냉각속도 시뮬레이션
전산모사 및 통계 툴을 활용하여 탄소와 붕소의 함량을 변화시키며 400℃에서 상기 수식 (1)로 표현된 열전도도를 시뮬레이션하여 그 결과를 도 2에 나타내고, 수식 (2)로 표현된 임계냉각속도의 log 값을 시뮬레이션하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 이때 규소, 망간, 크롬, 몰리브덴, 티타늄 및 바나듐의 함량은 각각 0.45, 0.46, 4.8, 1.45, 0.001 및 0.6 중량%로 고정하였다.
도 2를 살펴보면, 탄소의 함량이 0.37 중량% 이상인 경우 수식 (1)로 산출된 열전도도가 30.5W/mK 이상으로 나타나 금형강의 히트체크 저항성이 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한 도 3을 살펴보면, 붕소의 함량이 0.0007 중량% 이상인 경우 임계냉각속도가 0.35℃/s 이하, 즉 임계냉각속도의 log값이 -0.45 이하인 것으로 나타나 금형강의 경화능이 우수한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 금형강이 0.37 중량% 이상의 탄소를 포함하고 동시에 0.0007 중량% 이상의 붕소를 포함하는 경우 기존의 금형강과는 달리 열전도도와 경화능이 모두 우수한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 2] 열전도도 및 임계냉각속도 측정
실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 8의 열간 금형강의 열전도도 및 임계냉각속도를 실험예 1과 동일한 방법을 이용하여 산출한 값을 표 2에 나타내고 일부 열간 금형강의 열전도도와 임계냉각속도를 측정하여 함께 표 2에 나타내었다.
열전도도 측정은 실시예 1, 비교예 1 ~ 5 및 7을 대상으로 수행되었고, 열전도도는 밀도, 비열 및 열확산율을 측정하여 계산되었는데 이때 밀도는 수중 치환법을 통해 측정하였고, 비열 및 열확산율은 Laser flash 법을 이용하여 측정하었다.
또한, 임계냉각속도 측정은 실시예 2, 비교예 1 및 2를 대상으로 수행되었으며, Dilatometer를 활용하여 도 4의 연속 냉각 변태 선도를 도출한 뒤, 이를 이용하여 냉각 시 변태가 발생하지 않는 최소의 냉각속도를 임계냉각속도로 판단하였다.
구분 열전도도
측정값(W/mK) 		식 (1)의 값
(W/mK) 		연속 냉각 변태 선도로부터 도출된
임계냉각속도(℃/s)		 식 (2)의 값
(℃/s)
실시예1 31.7 30.6 - 0.09
실시예2 - 30.9 0.20 0.18
실시예3 - 33.1 - 0.35
비교예1 31.8 32.0 0.50 0.59
비교예2 33.8 33.5 1.25 1.44
비교예3 33.3 32.7 - 0.40
비교예4 34.4 35.1 - 0.79
비교예5 28.2 28.6 - 0.52
비교예6 - 31.2 - 0.45
비교예7 28.2 28.4 - 0.80
비교예8 - 31.9 - 0.47
실험 결과, 수식 (1)을 이용한 열전도도 시뮬레이션 값과, 실제 측정값은 다소 차이가 있으나, 그 경향은 정확히 같은 것으로 나타나 수식 (1)이 열전도도를 나타내는 지표로 활용될 수 있음을 확인하였고, 마찬가지로 수식 (2)를 이용한 임계냉각속도와, 연속 냉각 변태 선도로부터 도출된 임계냉각속도는 그 절대값에 있어서 다소 차이는 있으나 경향성은 동일한 것으로 나타나, 수식 (2)가 임계냉각속도를 나타내는 지표로 활용될 수 있음을 확인하였다.
따라서, 수식 (1)로 계산된 값으로 열전도도를 대체하여 사용하고, 수식 (2)로 계산된 값으로 임계냉각속도를 대체하여 사용하였다.
수식 (1)을 이용한 열전도도 값은 비교예 5 및 7의 금형강을 제외하고는 모두 30.5W/mK 이상으로 나타나나, 수식 (2)를 이용한 임계냉각속도는 실시예 1 ~ 3만이 0.35℃/s 이하로 나타나 실시예의 금형강은 모두 수식 (1)과 수식 (2)의 조건을 모두 만족하여 높은 열전도도와 우수한 경화능을 갖는 것으로 확인되었다.
[실험예 3] 물성 평가
실시예 2, 비교예 1, 2 및 4의 열간 금형강을 300×300×300 mm로 제작하고 표면 부위에서 시험편을 단조 길이 방향으로 채취하여, 인장강도와 충격인성을 측정한 결과를 표 3에 나타내었다. 이때 각 물성을 측정하기 전 경도를 측정하였는데, 그 결과도 표 3에 함께 나타내었다. 인장강도는 상온에서 ASTM E8의 규격으로 시험하여 얻었고, 충격인성은 상온에서 ASTM E23의 규격으로 Charpy 충격시험(2mm U-notch)을 통해 얻었다.
　 수식(2)의
값(℃/s)		 인장강도(Mpa)
(경도(HRc))		 충격인성(J)
(경도(HRc))
실시예2 0.18 1566 (45.7) 29.7 (49.6)
비교예1 0.59 1548 (45.5) 25.0 (49.7)
비교예2 1.44 1487 (45.8) 8.8 (49.1)
비교예4 0.79 1492 (45.6) 5.2 (49.2)
표 3의 결과에서 확인되듯이, 약 46HRc의 경도에서 실시예 2의 인장강도가 가장 우수한 것으로 나타났으며, 동일한 경도에서 실시예 2의 충격인성이 월등히 우수한 것으로 나타났다.
이러한 결과는 실시예 2가 본 발명에서 한정한 조성을 만족하는 동시에 수식 (2)를 만족하기 때문에 나타나는 것으로, 특히 수식 (2)를 만족하기 때문에 낮은 임계냉각속도가 확보되고, 이로 인해 경화능이 향상되며, 따라서 인장강도와 충격인성이 향상된 것임을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 합금계에서 열간 금형강의 인장강도와 충격인성의 향상을 위해서는 본 발명에서 한정된 조성과 수식 (2)를 모두 만족하는 것이 바람직하다.
[실험예 4] 담금질 온도에 따른 조직 변화 및 경도 관찰
실시예 1의 금형강의 담금질 온도 조건을 변화시켜가며 이에 따른 미세 조직 변화를 도 5에 나타낸 2차원 측정기를 활용하여 나타낸 Debye ring 사진과 도 6에 나타낸 광학 사진을 이용하여 관찰하고, 담금질 온도에 따른 경도를 측정하여 도 7에 나타내었다.
도 5는 금형강의 기지조직인 마르텐사이트의 Debye ring의 X선 회절 사진으로, 담금질 온도가 1050℃일 때 Debye ring이 뾰족한 모양을 띄는데, 이는 특정한 방위를 갖는 결정립의 비정상적인 입자 성장이 이루어져 나타난 결과로 판단된다. 또한, 1050℃ 이상에서 잔류 오스테나이트의 Debye ring도 보이므로, 담금질 온도가 1050℃ 이상일 경우 조직이 불균질하게 형성되며, 이러한 결과는 도 6에서도 확인할 수 있으므로, 결과적으로 균일한 조직을 형성하기 위해서 담금질 온도가 1050℃ 미만인 것이 바람직함을 알 수 있다.
또한 일반적으로 담금질 온도가 증가할수록 합금 원소들의 용해도가 증가하여 경화능이 향상되나, 도 7에서 확인할 수 있듯이, 1000℃를 전후로 경도가 급격히 상승하다가, 1040℃를 전후로 경도가 다시 급격히 하락하므로, 금형강의 경도를 향상시키기 위해 1000 ~ 1040℃에서 담금질 열처리가 수행되는 것이 바람직함을 확인할 수 있다.
[실험예 5] 뜨임 온도에 따른 경도 측정
상기 제조예에 따라 실시예 1, 2 및 비교예 1의 조성을 갖는 금형강을 제조하되, 300 ~ 700℃의 온도 범위에서 온도를 변화시켜가며 2단 뜨임 공정을 수행하여, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 이때 각 뜨임 단계의 온도는 동일하게 조절되었다.
도 8을 살펴보면, 뜨임 온도가 540℃ 이하일 경우, 그래프상의 경도는 높게 나타나나 실제로는 2차 경화에 의한 뜨임 취성이 발생될 위험이 있고, 630℃의 온도를 초과하는 경우 심각한 경도 저하가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 따라서 뜨임 공정은 540 ~ 630℃의 온도범위에서 수행되는 것이 바람직하며, 이 때 45HRc 이상의 높은 경도를 얻을 수 있는 것으로 확인되었다. 또한, 상기 온도범위에서 상대적으로 실시예의 경도가 비교예의 경도보다 높게 나타나는 것도 확인할 수 있다.
[실험예 6] 연화저항성 평가
뜨임 시간에 따른 경도 변화를 평가하기 위하여 상기 제조예와 동일한 방법으로 상기 실시예 1과 비교예 1, 2, 5, 7의 열간 금형강을 제조하되, 뜨임 온도를 650℃로 하여 0.01, 1, 2, 5, 10, 20, 30, 40, 50 및 100시간 동안 열처리한 후 냉각하고, 각 시편의 경도를 측정한 결과를 도 9에 나타내었다.
실험 결과, 초기 경도는 각 금형강이 유사하게 나타났으나, 100시간 후 경도 저하가 가장 적게 발생한 것은 실시예 1의 금형강인 것으로 나타났다. 이와 같은 고온에서의 경도 저하에 대한 저항인 연화 저항성은 몰리브덴, 티타늄 및 니오븀이 안정한 탄질화물을 형성한 양과 직접적으로 비례하는 것으로 판단되며, 이는 몰리브덴의 함량이 높은 비교예 2의 연화 저항성 또한 높게 나타난 것으로부터도 확인할 수 있다.
따라서 열간 금형강의 연화 저항성을 향상시키기 위해서는 몰리브덴이 1.4 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다.
[실험예 7] 질화특성 평가
실시예 1, 비교예 1 및 5의 열간 금형강을 550℃에서 15시간 동안 가스침류질화법을 이용하여 표면처리한 후 표면으로부터의 거리에 따른 경도를 측정하고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.
실험 결과, 실시예 1은 질화후의 표면 경도가 모재부의 경도에 대비하여 701Hv 상승하였으며, 비교예 1은 425Hv, 비교예 5는 553Hv가 상승하여, 실시예 1의 표면 경도가 비교예들에 비해 약 25% 이상 향상되었음을 알 수 있다.
이는, 본 발명의 열간 금형강이 히트체크 크랙의 전파를 효과적으로 지연시킴으로써 나타난 결과로, 이를 통하여 본 발명의 열간 금형강으로 제조된 금형의 수명이 다른 금형강에 비해 월등히 우수할 것임이 예측 가능하다.
질화에 의한 경도 상승은 몰리브덴, 크롬 및 바나듐을 통해 이루어질 수 있는데 주로 몰리브덴에 의해 나타나며, 특히 몰리브덴의 함량이 1.4 중량% 미만인 경우 경도 상승이 현저히 저하되므로, 전체 중량에 대하여 몰리브덴을 1.4 중량% 이상으로 사용하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
[실험예 8] 히트체크 평가
실시예 2 및 3, 비교예 1, 5 ~ 7 및 8의 금형강 시편을 고주파 유도 가열 방식을 사용하여 650℃까지 승온한 후, 수냉을 통해 상온으로 냉각시키는 사이클을 1000회 반복하여 시편 측면에 발생한 히트크랙의 개수 및 길이를 측정하고, 그 결과를 표 4에 나타내었다. 또한, 각 시편의 열전도도를 수식 (1)에 따라 산출하여 표 4에 나타내었고, 열전도도에 따른 최대 히트크랙 길이와 단위 시편 길이당 히트크랙 길이를 도시하여 도 11에 나타내었다.
구분 수식 (1)의 값(W/mK) A : 평균 히트 크랙 길이
(㎛) 		B: 단위 시편 길이당 히트 크랙 개수 (mm-1) 최대 히트크랙 길이(mm) A x B : 단위 시편 길이당 평균 히트크랙 길이(㎛/mm)
실시예2 30.9 215 2.37 1.96 509.55
실시예3 33.1 181 2.25 1.16 407.25
비교예1 32.0 292 2.39 2.24 697.88
비교예5 28.6 349 2.24 2.33 781.76
비교예6 31.2 257 2.35 2.07 603.95
비교예7 28.4 460 1.99 3.78 915.40
비교예8 31.9 321 2.12 2.31 680.52
실험 결과, 실시예의 경우 단위 시편 길이당 히트크랙 개수는 비교예와 유사하나, 평균 히트크랙 길이가 월등히 짧은 것으로 것으로 나타났으며, 단위 시편 길이당 히트크랙 길이도 비교예에 비해 현저히 낮아 실시예의 열간 금형강의 히트크랙 저항성이 뛰어난 것을 확인할 수 있었으므로, 본 발명의 금형강을 이용하면 기존의 금형강보다 연장된 수명을 갖는 금형이 얻어질 수 있음이 확인되었다.
또한, 도 11을 살펴보면, 열전도도가 증가할수록 최대 히트크랙의 길이, 평균 히트크랙 길이×단위 시편 길이당 히트크랙 개수 값이 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 특히, 수식 (1)로 계산된 열전도도의 값이 30.5W/mK 이상일 때 히트크랙 저항성이 월등히 향상되므로, 수식 (1)로 계산된 열간 금형강의 열전도도 값이 30.5W/mK 이상인 것이 바람직하다.
이때, 비교예 1, 6 및 8의 열전도도는 30.5W/mK 이상으로, 히트크랙 저항성이 비교예 5 및 7에 비해 우수하나, 실시예 2 및 3에 비해서는 현저히 저하되는 것으로 나타났다. 이는 히트크랙 저항성을 향상시키기 위하여 수식 (1)뿐만 아니라 본 발명에서 한정된 조성 및 수식 (2)의 조건을 만족해야 함을 시사하는 것으로, 이에 대한 사항은 후술될 실험예 10에서 확인할 수 있다.
[실험예 9] 용손 평가
실시예 2 및 3, 비교예 1, 5 및 7의 금형강을 20×20×10mm의 시편으로 제조한 뒤, 각 시편의 한쪽 표면에만 점착성이 있는 내화재료를 도포하고 48시간 이상 충분히 건조시켰다. 이후 상기 시편을 용융 알루미늄의 온도가 700℃인 용탕에 43시간 침지시킨 뒤 꺼내어 냉각한 후, 내화재 도포면의 수직 방향으로 컷팅하여 광학현미경을 이용하여 단면을 촬영하고, 그 결과를 도 12에 나타내었다.
이후 내화재료가 도포되지 않아 용손이 생긴 지점으로부터의 용손 깊이를 10회 측정한 용손 깊이의 평균값을 구하여 실험예 8에서 얻어진 단위 시험편 길이당 히트크랙의 길이와 함께 도 13에 나타내었다. 그래프의 X축을 몰리브덴의 함량으로 구성하였으며, 이때 용손값은 몰리브덴의 함량이 적은 것부터 큰 것 순으로 각각 비교예 5, 7, 1 및 실시예 2, 3의 값을 나타내고, 각 데이터의 사각 도트는 용손 깊이를, 원형 도트는 단위 시험편 길이당 히트크랙의 길이를 나타낸다.
도 12를 살펴보면, 용손 평가 결과 비교예의 용손 깊이가 270㎛ 이상으로 나타나는 반면 실시예의 용손 깊이는 약 230㎛ 미만으로 나타나 실시예의 용손 특성이 비교예에 비해 우수한 것을 알 수 있으며, 도 13을 살펴보면 이러한 용손 특성이 몰리브덴의 함량과 비례하는 것을 확인할 수 있다.
상기 실험을 통해, 본 발명의 열간 금형강은 몰리브덴의 함량을 1.4 중량% 이상으로 한정함에 따라 금형강의 2차 경화시 생성된 안정한 탄화물의 양을 증가시키고 이들을 균일하게 분포시켜 용손 저항성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
[실험예10]
본 발명에서 한정된 합금 조성, 수식 (1) 및 수식 (2)를 모두 만족할 때 합금의 성능이 향상됨을 확인하기 위해, 상기한 세 조건을 모두 만족하는 경우부터 모두 만족하지 않는 경우에 해당하는 실시예 및 비교예 시편들에 대하여, 시편의 평균 히트크랙 길이 및 단위 길이당 히트크랙 개수를 측정한 결과를 표 5에 정리하였다. 이때 조성, 수식 (1) 및 수식 (2)를 만족하는 경우 'O', 그렇지 않은 경우 'X'로 표시하였다.
구분 조성 수식
(1)		 수식
(2)		 A : 평균 히트크랙 길이(㎛) B: 단위 시편
길이당 히트크랙 개수 (mm-1) 		최대
히트크랙
길이(mm) 		A x B : 단위 시편
길이당 평균
히트크랙 길이
(㎛/mm)
실시예2 O O O 215 2.37 1.96 509.55
실시예3 O O O 181 2.25 1.16 407.25
비교예1 X O X 292 2.39 2.24 697.88
비교예5 X X X 349 2.24 2.33 781.76
비교예6 X O X 257 2.35 2.07 603.95
비교예7 X X X 460 1.99 3.78 915.40
비교예8 O O X 321 2.12 2.31 680.52
측정 결과, 열간 금형강의 조성, 수식 (1) 및 수식 (2) 중 하나 이상의 조건을 만족하지 않는 열간 금형강은 히트크랙 저항성이 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있었다.
특히, 모든 조건을 만족하는 실시예들과 하나 이상의 조건을 만족하지 않는 비교예들을 비교해보면, 실시예가 비교예보다 히트크랙 저항성이 최소 20% 이상, 최대 120%까지 향상된 것을 알 수 있다.
즉, 탄소, 규소, 망간, 크롬, 몰리브덴, 티타늄, 바나듐, 붕소 및 알루미늄을 합금 원소로 포함하는 열간 금형강의 경우, 본 발명에서 한정한 조성, 열전도도에 관계된 수식 (1) 및 경화능에 관계된 수식 (2)의 조건을 모두 만족할 때 히트크랙 저항성이 월등히 향상됨을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에서 한정한 조성, 수식 (1) 및 수식 (2)의 조건을 모두 만족하는 경우 열간 금형강이 향상된 히트크랙 저항성과 기계적 물성을 가질 수 있고, 이러한 열간 금형강을 이용하여 제조된 금형은 장수명의 특성을 가지면서 동시에 금형으로서 향상된 성능을 나타낼 수 있다.
또한, 이와 같은 열간 금형강은 우수한 질화 특성을 나타내므로, 추가적인 질화 열처리를 수행한다면 더욱 향상된 히트크랙 저항성과 기계적 물성을 가질 것으로 예측된다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims (21)

  1. 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.37 ~ 0.46 중량%, 규소(Si) 0.25 ~ 0.5 중량%, 망간(Mn) 0.36 ~ 0.56 중량%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 5.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.4 ~ 2.6 중량%, 바나듐(V) 0.4 ~ 0.8 중량%, 붕소(B) 0.0007 ~ 0.004 중량%, 알루미늄(Al) 0.002 ~ 0.022 중량%, 티타늄(Ti) 0.001 ~ 0.09 중량%, 텅스텐(W) 0.001 ~ 0.007 중량%, 니오븀(Nb) 0.001 ~ 0.025 중량%, 코발트(Co) 0.005 ~ 0.022 중량% 및 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하고,
    포함된 각 원소의 중량%값이 하기 수식 (1)과 (2)를 모두 만족하며,
    단조 단계, 담금질 단계, 구상화 열처리 단계, 뜨임 단계 및 질화 열처리 단계를 거쳐 얻어지되,
    상기 단조 단계는 850 ~ 1300℃의 온도 범위에서, 상기 담금질 단계는 1000 ~ 1040℃의 온도 범위에서, 상기 구상화 열처리 단계는 840 ~ 900℃의 온도 범위에서, 상기 뜨임 단계는 520 ~ 640℃의 온도 범위에서 수행되고,
    상기 뜨임 단계는 적어도 2회 이상 수행되는 다단 뜨임 방식으로 수행되며,
    다이캐스팅(die-casting)용 금형강인 것을 특징으로 하는 열간 금형강.
    Figure 112019080116077-pat00011

    Figure 112019080116077-pat00012

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  7. 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.37 ~ 0.46 중량%, 규소(Si) 0.25 ~ 0.5 중량%, 망간(Mn) 0.36 ~ 0.56 중량%, 크롬(Cr) 2.0 ~ 5.0 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.4 ~ 2.6 중량%, 바나듐(V) 0.4 ~ 0.8 중량%, 붕소(B) 0.0007 ~ 0.004 중량%, 알루미늄(Al) 0.002 ~ 0.022 중량%, 티타늄(Ti) 0.001 ~ 0.09 중량%, 텅스텐(W) 0.001 ~ 0.007 중량%, 니오븀(Nb) 0.001 ~ 0.025 중량%, 코발트(Co) 0.005 ~ 0.022 중량%, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는, 열간 금형강괴를 850 ~ 1300℃의 온도 범위에서 열처리하는 단조 단계;
    상기 단조 단계에서 제조된 금형 소재를 1000 ~ 1040℃의 온도 범위에서 가열한 뒤 냉각하는 담금질(quenching) 단계;
    상기 담금질 단계를 통해 얻어진 금형 소재를 840 ~ 900℃의 온도 범위에서 열처리하는 구상화 열처리 단계;
    상기 구상화 열처리 단계를 통해 얻어진 금형 소재를 520 ~ 640℃의 온도 범위에서 열처리하는 뜨임(tempering)단계; 및
    상기 뜨임 단계를 통해 얻어진 금형 소재를 질소 혹은 질소 화합물 존재 하에 열처리하는 질화 열처리 단계;를 포함하고,
    상기 뜨임 단계는, 적어도 2회 이상 수행되는 다단 뜨임 방식으로 수행되며,
    포함된 각 원소의 중량%값이 하기 수식 (1)과 (2)를 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 열간 금형강의 제조방법.
    Figure 112019080116077-pat00013

    Figure 112019080116077-pat00014

  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 단조 단계는 4.5S 이상의 단조비로 수행되는 것을 특징으로 하는 열간 금형강의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제7항에 있어서,
    상기 담금질 단계의 냉각 공정은 0.35℃/s 이상의 냉각 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는 열간 금형강의 제조방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 담금질 단계의 냉각 공정은 80 ~ 100℃의 온도 범위까지 냉각시키는 것을 특징으로 하는 열간 금형강의 제조방법.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 뜨임 단계는, 담금질 된 금형 소재를 540 ~ 630℃의 온도 범위에서 2시간 ~ 6시간 동안 열처리하는 1차 뜨임 단계; 및
    상기 금형 소재를 540 ~ 620℃의 온도 범위에서 2시간 ~ 6시간 동안 열처리하는 2차 뜨임 단계; 를 포함하는 열간 금형강의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 2차 뜨임 단계를 통해 얻어진 열간 금형강을 540 내지 610℃의 온도 범위에서 2시간 내지 6시간 동안 열처리하는 3차 뜨임 단계;를 추가로 더 포함하는 열간 금형강의 제조방법.
  17. 삭제
  18. 제7항에 있어서,
    상기 질화 열처리 단계는 순질화법, 가스질화법, 연질화법, 이온질화법 및 침류질화법 중 어느 하나의 방법으로 수행되는 열간 금형강의 제조방법.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
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