고열전도강 및 다이캐스팅 금형 공구 적용

본 요약은 2012년 NADCA 다이캐스팅 의회 및 박람회에서 발표된 "고열전도강 및 다이캐스팅 금형 공구 적용" 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

  • 제목: 고열전도강 및 다이캐스팅 금형 공구 적용 (High Thermal Conductivity Steel and its Application to Die Casting Tools)
  • 저자: K. Namiki, Masamichi. Kawano (Daido Steel Co., Ltd.), Thomas Schade (International Mold Steel Inc. Hebron, Kentucky)
  • 발표 연도: 2012년
  • 발표 학술대회/학회: NADCA 다이캐스팅 의회 및 박람회 / 북미 다이캐스팅 협회 (NADCA Die Casting Congress & Exposition / North American Die Casting Association)
  • 키워드: 고열전도강, 다이캐스팅 금형 공구, 사이클 타임 단축, 내열균열성, DHA-THERMO, H13 강, 다이캐스팅 금형.
Figure 9 A part of Al die cast product where internal soundness was improved by the application of DHA-THERMO core pins
Figure 9 A part of Al die cast product where internal soundness was improved by the application of DHA-THERMO core pins

2. 연구 배경:

  • 연구 주제의 사회적/학문적 맥락:
    • 다이캐스팅 산업은 높은 품질의 제품 생산과 동시에 사이클 타임 단축이라는 증가하는 요구에 직면해 있습니다.
    • 경량 다이캐스트 부품, 특히 자동차 산업(예: 엔진 블록, 변속기 케이스)에서의 사용 증가는 연비 향상 및 비용 절감을 위해 사이클 타임 단축의 필요성을 더욱 강조합니다.
    • 짧은 응고 시간 내에 내부 결함 없이 미세한 결정립 구조를 가진 고품질 제품을 생산하는 것은 자동차 부품을 포함한 다양한 다이캐스트 제품의 적용 범위를 넓히는 데 매우 중요합니다.
  • 기존 연구의 한계:
    • 텅스텐(W) 합금은 높은 열전도율을 제공하지만, 높은 가격으로 인해 다이캐스팅 금형 공구에 광범위하게 적용하기 어렵습니다.
    • 저합금강은 일반적으로 사용되는 5%Cr-1%Mo 타입 다이캐스팅 금형강 H13보다 높은 열전도율을 갖는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 이러한 저합금강은 일반적으로 낮은 탄소 및 크롬 함량으로 인해 낮은 경도(일반적으로 40 HRC 미만)를 가지므로 열 응력이 적게 가해지는 소형 금형으로 사용이 제한됩니다.
    • 구리-베릴륨(Cu-Be) 및 W 합금과 같은 비철 재료는 뛰어난 열전도율을 보이지만 어려움이 있습니다. Cu-Be 합금은 주로 플라스틱 사출 금형에 사용되며, W 합금은 H13보다 약 3배 높은 열전도율(예: Anviloy)을 갖지만, 비싸고, 취성이 있으며, 가공이 어렵습니다.
  • 연구의 필요성:
    • 기존 재료의 한계를 극복하기 위해 높은 열전도율과 높은 경도를 겸비한 새로운 다이캐스팅 금형 공구 재료가 필요합니다.
    • 이러한 재료는 금형에서 더 빠른 열 추출을 가능하게 하여 사이클 타임 단축, 제품 품질 향상(미세한 결정립 구조, 적은 결함), 금형 내구성 향상(내열균열성 및 내융착성)을 가져올 수 있습니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

  • 연구 목적:
    • 다이캐스팅 적용을 위해 특별히 설계된 새롭게 개발된 고열전도율, 경화 및 템퍼링된 열간 금형강인 DHA-THERMO를 소개하고 평가합니다.
    • DHA-THERMO의 기본적인 특성을 입증하고 다양한 다이캐스팅 공구에 적용 사례를 보여주며, 기존 재료인 H13 강과 성능을 비교합니다.
  • 주요 연구 질문:
    • DHA-THERMO의 열전도율은 다이캐스팅 작업과 관련된 상온 및 고온에서 H13 강과 비교하여 어떻습니까?
    • DHA-THERMO로 달성 가능한 경도는 얼마이며, H13 강과 비교하여 템퍼링 온도에 따라 어떻게 변합니까?
    • DHA-THERMO의 경화능은 H13 강과 비교하여 어떻습니까?
    • 실제 다이캐스팅 테스트에서 DHA-THERMO는 스프루 코어 온도, 응고된 비스킷 미세 구조 및 내열균열성 측면에서 H13 강과 비교하여 어떻게 성능을 발휘합니까?
    • DHA-THERMO를 다이캐스팅 공구에 사용했을 때 품질 향상, 사이클 타임 단축, 비용 절감과 같은 실질적인 이점은 무엇입니까?
  • 연구 가설:
    • DHA-THERMO는 H13 강보다 훨씬 높은 열전도율을 나타내어 다이캐스팅 금형에서 열 방출을 향상시킬 것입니다.
    • DHA-THERMO는 담금질 및 템퍼링을 통해 다이캐스팅 공구 적용에 적합한 높은 경도 수준(약 48 HRC)을 달성할 것입니다.
    • DHA-THERMO를 다이캐스팅 공구에 적용하면 더 빠른 응고로 인한 사이클 타임 단축, 더 미세한 미세 구조로 인한 제품 품질 향상, 내열균열성 향상으로 인한 금형 수명 연장으로 이어질 것입니다.
    • DHA-THERMO는 특정 다이캐스팅 적용 분야에서 고가의 W 합금을 대체할 수 있는 비용 효율적인 대안이 될 수 있습니다.

4. 연구 방법론:

  • 연구 설계:
    • 본 연구는 재료 특성 평가 테스트와 다이캐스팅 성능 평가를 포함하는 실험적 접근 방식을 채택했습니다.
    • DHA-THERMO의 특성 및 성능을 기존 다이캐스팅 공구 재료, 주로 H13 강, 그리고 일부 경우에는 W 합금(Anviloy)과 비교했습니다.
  • 데이터 수집 방법:
    • 재료 특성 테스트:
      • 열전도율 측정: DHA-THERMO와 H13의 열 전달 능력을 평가하기 위해 상온 및 고온에서 열전도율을 측정했습니다.
      • 경도 테스트: DHA-THERMO와 H13의 경도를 다양한 템퍼링 온도 후 평가하기 위해 경도 측정을 수행했습니다.
      • 경화능 평가: CCT(연속 냉각 변태) 다이어그램을 사용하여 DHA-THERMO와 H13의 경화능 특성을 평가했습니다. 다양한 직경의 담금질 및 템퍼링된 환봉의 경도 분포도 측정했습니다.
    • 다이캐스팅 테스트:
      • 스프루 코어 온도 측정: 135톤 다이캐스팅 기계를 사용하여 실제 다이캐스팅 테스트를 수행했습니다. DHA-THERMO와 H13을 스프루 코어 재료로 사용하고, 방사 열화상 카메라를 사용하여 스프루 코어의 표면 온도를 측정했습니다.
      • 미세 구조 관찰: 광학 현미경을 사용하여 DHA-THERMO 및 H13 스프루 코어와 접촉한 응고된 비스킷 부분의 미세 구조를 조사했습니다.
      • 내열균열성 테스트: 다이캐스팅 기계에서 10,000샷 후 DHA-THERMO 및 H13으로 만든 가동 금형 표면에서 나타나는 내열균열성을 평가했습니다.
  • 분석 방법:
    • 비교 분석: DHA-THERMO의 측정된 열전도율, 경도 및 경화능을 H13 강의 값과 비교했습니다.
    • 온도 분포 분석: 스프루 코어 표면의 온도 분포를 DHA-THERMO와 H13 간에 비교했습니다.
    • 미세 구조 분석: 응고된 비스킷의 미세 구조를 질적으로 평가하여 DHA-THERMO 및 H13 스프루 코어로 달성한 결정립 미세화 정도를 비교했습니다.
    • 내열균열성 관찰: DHA-THERMO 및 H13 금형의 내열균열 정도와 심각도를 시각적으로 비교했습니다.
    • 다이캐스팅 적용 분야에서의 성능 평가: DHA-THERMO를 사용한 다양한 다이캐스팅 공구 적용 분야(센터 핀, 코어 핀, 분할 인서트, 분배기, 스퀴즈 부시)의 결과를 품질 향상(수율, 수축 감소, 표면 온도 감소) 및 사이클 타임 단축 측면에서 분석했습니다.
  • 연구 대상 및 범위:
    • 재료: DHA-THERMO 고열전도강, H13 열간 금형강, W 합금 (Anviloy).
    • 다이캐스팅 공구: 스프루 코어, 센터 핀, 코어 핀, 분배기, 분할 인서트, 스퀴즈 부시.
    • 다이캐스팅 공정: ADC12 알루미늄 합금을 사용한 알루미늄 다이캐스팅.
    • 기계: 135톤 도시바 다이캐스팅 기계.

5. 주요 연구 결과:

  • 주요 연구 결과:
    • 열전도율: DHA-THERMO는 H13 강보다 훨씬 높은 열전도율을 나타냅니다. 상온에서 DHA-THERMO의 열전도율은 H13의 약 1.6배입니다. 온도가 상승함에 따라 차이가 줄어들지만, DHA-THERMO는 다이캐스팅에서 금형 표면 온도를 대표하는 500°C에서도 여전히 우수한 열전도율을 유지합니다.
    • 템퍼링 경도: DHA-THERMO는 300~600°C 사이에서 템퍼링했을 때 H13 강보다 낮은 경도를 보입니다. 그러나 600°C 이상의 템퍼링 온도에서는 DHA-THERMO가 H13 강보다 높은 경도를 유지합니다. 610~680°C의 템퍼링 온도 범위를 선택하면 DHA-THERMO의 경도를 40~47 HRC로 달성할 수 있습니다.
    • 경화능: DHA-THERMO는 CCT 다이어그램을 기준으로 베이나이트 경화능 측면에서 H13 강보다 약간 낮은 경화능을 보입니다. 그러나 200mm 직경 환봉의 실제 담금질 테스트에서 DHA-THERMO의 경도 분포는 허용 가능하며, 더 큰 봉의 중심부에서만 경도가 약간 감소합니다.
    • 다이캐스팅 테스트 - 스프루 코어 온도: 다이캐스팅 테스트에서 DHA-THERMO로 만든 스프루 코어는 동일한 조건에서 H13 스프루 코어에 비해 표면 온도가 훨씬 낮았습니다(120°C 낮음).
    • 다이캐스팅 테스트 - 미세 구조: DHA-THERMO 스프루 코어와 접촉한 비스킷 표면의 광학 미세 구조는 H13 스프루 코어와 접촉한 표면보다 훨씬 미세하여 열 전달 향상으로 인한 더 빠른 응고를 나타냅니다.
    • 다이캐스팅 테스트 - 내열균열성: 10,000샷 후 DHA-THERMO 금형은 H13 금형에 비해 더 약한 내열균열을 나타냈으며, 주로 게이트 측면에 나타났고 중심부에는 거의 없었습니다. H13 금형은 게이트 측면과 중심부 모두에서 현저한 내열균열을 보였습니다.
    • 적용 사례: 다양한 다이캐스팅 공구에 DHA-THERMO를 적용한 사례는 품질 향상, 사이클 타임 단축 및 비용 절감을 입증했습니다. 예를 들어, 센터 핀 및 코어 핀에 DHA-THERMO를 사용하면 수축 감소로 인해 수율이 향상되었습니다. DHA-THERMO 분배기 인서트는 더 깊은 냉각층과 향상된 미세 구조를 가져왔습니다. DHA-THERMO 스프루 코어는 사이클 타임을 18% 단축하고 표면 온도를 45~80°C 감소시켰습니다. 코어 핀 적용 분야에서 DHA-THERMO는 W 합금(Anviloy)과 동일한 수명을 더 낮은 비용으로 달성했습니다.
  • 통계적/정성적 분석 결과:
    • 그림 1: "DHA-THERMO의 열전도율은 상온에서 H13의 1.6배입니다."
    • 그림 2: "DHA-THERMO는 300~600°C에서 템퍼링했을 때 H13 강보다 낮은 경도를 보입니다. 그러나 600°C 이상에서는 DHA-THERMO가 H13 강보다 높은 경도를 유지합니다."
    • 그림 6: "DHA-THERMO로 만든 스프루 코어는 H13보다 120°C 낮은 온도를 보였습니다."
    • 그림 7: "DHA-THERMO 스프루 코어와 접촉한 비스킷 중심 표면의 광학 미세 구조는 H13보다 훨씬 미세했습니다."
    • 표 3: 적용 사례는 "수율 향상 (수축 감소)", "사이클 타임 18% 단축", "W 합금과 동일한 수명"을 보여줍니다.
  • 데이터 해석:
    • DHA-THERMO의 더 높은 열전도율은 다이캐스팅 금형에서 더 빠른 열 추출을 용이하게 합니다.
    • 이 더 빠른 열 전달은 금형 표면 온도를 낮추고, 용융 알루미늄의 응고를 가속화하며, 결과적으로 주조 제품에서 더 미세한 결정립 구조를 생성합니다.
    • 금형 온도 감소 및 향상된 열 방출은 내열균열성 향상 및 잠재적으로 더 긴 공구 수명에 기여합니다.
    • 실제 적용 사례는 DHA-THERMO가 다이캐스팅 품질을 효과적으로 향상시키고, 사이클 타임을 단축하며, 특정 적용 분야에서 고가의 재료인 W 합금에 대한 비용 효율적인 대안을 제공함을 보여줍니다.
  • 그림 목록:
    • 그림 1 온도에 따른 열전도율 변화.
    • 그림 2 템퍼링 온도에 따른 경도 변화.
    • 그림 3 CCT 선도.
    • 그림 4 4Bar 가스 담금질 및 템퍼링된 환봉의 경도 예시.
    • 그림 5 다이캐스팅 테스트에서 DHA-THERMO 적용.
    • 그림 6 스프루 코어 표면 온도.
    • 그림 7 비스킷 표면에서 촬영한 광학 현미경 사진.
    • 그림 8 10,000샷 후 가동 금형 표면에서 관찰된 내열균열.
    • 그림 9 DHA-THERMO 코어 핀 적용으로 내부 건전성이 향상된 Al 다이캐스트 제품의 일부.
    • 그림 10 코어 핀 및 파손 영역의 예.
Figure 5 Application of DHA-THERMO in die casting
Figure 5 Application of DHA-THERMO in die casting
Figure 6 Surface temperature of sprue core.
Figure 6 Surface temperature of sprue core.
Figure 7 Optical micrographs taken from biscuit surface.
Figure 7 Optical micrographs taken from biscuit surface.
Figure 8 Heat checking observed on the surface of movable molds as of 10,000 shots.
Figure 8 Heat checking observed on the surface of movable molds as of 10,000 shots.
Figure 10 An example of core pin and failed area.
Figure 10 An example of core pin and failed area.

6. 결론 및 논의:

  • 주요 결과 요약:
    • DHA-THERMO는 다이캐스팅 공구 적용 분야에서 기존 H13 강에 비해 상당한 개선을 제공하는 새롭게 개발된 고열전도강입니다.
    • 우수한 열전도율을 나타내어 금형에서 더 빠른 열 제거가 가능합니다.
    • DHA-THERMO는 담금질 및 템퍼링을 통해 다이캐스팅 공구에 적합한 높은 경도 수준을 달성합니다.
    • 다이캐스팅 테스트 및 적용 사례는 DHA-THERMO가 다음을 가져온다는 것을 입증합니다.
      • 다이캐스트 제품의 품질 향상 (수축 감소, 미세한 미세 구조, 향상된 내부 건전성).
      • 더 빠른 응고로 인한 사이클 타임 단축.
      • 내열균열성 향상으로 금형 수명 연장 가능성.
      • 특정 적용 분야에서 고가의 W 합금을 대체하여 비용 절감.
  • 연구의 학문적 의의:
    • 본 연구는 다이캐스팅 적용 분야에 특화된 새로운 고열전도강인 DHA-THERMO를 소개하고 특성을 평가합니다.
    • DHA-THERMO의 재료 특성 및 다양한 다이캐스팅 시나리오에서 H13 강과 비교한 성능에 대한 귀중한 실험 데이터를 제공합니다.
    • 본 연구 결과는 다이캐스팅에서 고열전도성 재료의 이점에 대한 이해를 높이고 산업계에서 효율성과 품질을 향상시키기 위한 실질적인 솔루션을 제공합니다.
  • 실용적 의미:
    • DHA-THERMO는 생산성과 제품 품질 향상을 추구하는 다이캐스팅 공구 제조업체 및 사용자에게 실용적인 재료 솔루션을 제공합니다.
    • 다이캐스팅 공구에 DHA-THERMO를 사용하면 사이클 타임이 크게 단축되어 생산 속도를 높이고 제조 비용을 절감할 수 있습니다.
    • 특히 자동차 부품과 같은 중요한 응용 분야에서 다이캐스트 부품의 품질 향상은 제품 성능과 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.
    • DHA-THERMO는 높은 열전도율이 필요한 적용 분야에서 고가의 W 합금에 대한 비용 효율적인 대안을 제공하여 다이캐스팅 공구 설계에 사용할 수 있는 재료 범위를 확장합니다.
  • 연구의 한계:
    • 본 논문은 원래 발표의 축약 버전으로, 연구의 특정 측면에 대한 자세한 정보가 부족할 수 있습니다.
    • 본 논문은 설득력 있는 결과를 제시하지만, DHA-THERMO의 장기적인 성능을 완전히 특성화하고 다양한 다이캐스팅 환경 및 다양한 합금에서의 적용을 최적화하기 위해서는 추가적인 상세 연구가 필요할 수 있습니다.

7. 향후 후속 연구:

  • 후속 연구 방향:
    • 산업 다이캐스팅 생산 환경에서 DHA-THERMO 공구의 장기적인 성능 평가, 마모 저항, 피로 수명 및 장기간 생산 과정에서 내열균열 진화 평가.
    • DHA-THERMO의 높은 열전도율의 이점을 극대화하기 위해 DHA-THERMO 공구에 맞게 특별히 조정된 다이캐스팅 공정 매개변수(예: 냉각 전략, 사출 매개변수) 최적화.
    • ADC12 알루미늄 외에 마그네슘 또는 아연 합금과 같은 다른 합금 다이캐스팅에서 DHA-THERMO의 성능 조사.
  • 추가 탐구가 필요한 영역:
    • 다양한 작동 조건에서 정확한 화학 조성, 미세 구조 및 기계적 특성을 포함한 DHA-THERMO의 상세 재료 특성 평가.
    • 재료 비용, 공구 제조 비용, 생산 효율성 향상 및 공구 수명을 고려하여 DHA-THERMO 대 H13 강 및 W 합금 사용의 전반적인 경제적 이점을 비교하는 포괄적인 비용-편익 분석.
    • 까다로운 다이캐스팅 적용 분야에서 DHA-THERMO 공구의 성능과 내구성을 더욱 향상시키기 위한 표면 처리 및 코팅 탐색.

8. 참고 문헌:

  • 1) K. Bungardt, W. Spyra: Archiv fur das Eisenhuttenswesen, vol. 36, p 257 (1965)
  • 2) M. Ayabe, K. Shibata, H. Koyama, K. Ozaki, M. Kawano and T. Yanagisawa: SAE Technical Paper Series, 07M-113 (2007)
  • 3) M. Kawano and K. Inoue: Materia Japan, vol.48, p32, (2009)

9. 저작권:

  • 본 자료는 K. Namiki, Masamichi. Kawano, Thomas Schade의 논문: 고열전도강 및 다이캐스팅 금형 공구 적용 (High Thermal Conductivity Steel and its Application to Die Casting Tools)을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: NADCA DIE CASTING CONGRESS & EXPOSITION, (2012), Transaction No. T12-071

본 자료는 상기 논문을 요약한 것으로, 상업적 목적으로 무단 사용하는 것을 금지합니다.
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