Development and Applications of High Hardenability Special Quality Die Casting Mold Steels

대형 금형의 균열 문제, 고인성 다이캐스팅 금형강으로 해결하다

이 기술 요약은 [K. Namiki, N. Yokoi, A. Sekiya, T. Yanagisawa]가 저술하여 [NADCA DIE CASTING CONGRESS & TABLETOP] ([2013])에 발표한 학술 논문 "[Development and Applications of High Hardenability Special Quality Die Casting Mold Steels]"을 기반으로 합니다. CASTMAN의 기술 전문가들이 분석하고 요약했습니다.

Keywords

• Primary Keyword: 고인성 다이캐스팅 금형강
• Secondary Keywords: 대형 다이캐스팅 금형, 매크로 균열, 담금질성, DH31-EX, DHA-WORLD, H13, 열간공구강

Executive Summary

• The Challenge: 대형 다이캐스팅 금형은 담금질 시 발생하는 베이나이트 변태로 인해 내부 인성이 저하되어, 냉각수 라인에서 시작되는 매크로 균열(gross cracking)에 취약합니다.
• The Method: 베이나이트 변태를 억제하기 위해 담금질성을 획기적으로 향상시킨 두 가지 새로운 금형강, DH31-EX™와 DHA™-WORLD를 개발했습니다.
• The Key Breakthrough: 신규 개발된 강재는 대형 블록의 중심부에서도 기존 H13강(10 J/cm²) 대비 월등히 높은 인성(DHA-WORLD: 30 J/cm²)과 미세한 마르텐사이트 조직을 유지합니다.
• The Bottom Line: 이 고담금질성 강재를 적용함으로써 대형 금형의 냉각수 라인에서 발생하는 치명적인 매크로 균열을 방지하여 금형의 수명과 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

The Challenge: Why This Research Matters for HPDC Professionals

자동차 산업을 중심으로 경량화 요구가 증가하면서 알루미늄 다이캐스팅 부품의 사용이 확대되고 있습니다. 이에 따라 변속기 케이스와 같은 대형 부품의 생산이 늘어나고, 생산성 향상을 위해 사이클 타임을 단축해야 하는 과제에 직면해 있습니다. 사이클 타임 단축의 핵심 수단은 금형 내 냉각수 라인의 수를 늘리고 표면에 가깝게 배치하는 것입니다.

하지만 이러한 설계는 금형, 특히 대형 금형의 내부 인성에 심각한 문제를 야기합니다. 대형 금형은 담금질 시 중심부의 냉각 속도가 느려져 인성이 낮은 베이나이트(bainite) 조직이 형성되기 쉽습니다. 이 취약한 내부에서 냉각수 라인, 특히 라인들이 교차하는 지점은 응력 집중부가 되어 매크로 균열(gross crack)의 시작점이 됩니다. 이러한 균열은 단순한 히트체킹과 달리 수리가 어렵고, 최악의 경우 금형 전체를 폐기해야 하는 막대한 손실로 이어집니다. 따라서 대형 금형의 수명과 신뢰성을 지배하는 핵심 속성은 바로 내부 인성입니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

이 연구는 대형 금형의 낮은 내부 인성 문제의 근본 원인인 베이나이트 변태를 억제하는 데 초점을 맞췄습니다. 이를 위해 기존 강재보다 월등히 높은 담금질성(hardenability)을 갖는 새로운 금형강을 개발했습니다.

• 개발 강재:
  • DH31-EX: 2367 개량형 저규소(Si)-고몰리브덴(Mo) 강재로, ESR(Electroslag Remelting) 이중용해 공법으로 제조되었습니다.
  • DHA-WORLD: H11 개량형 강재로, 합금 설계부터 청정강 제조, 단조 공정에 이르는 생산 기술을 결합하여 단일용해 공법으로도 이중용해강과 동등하거나 그 이상의 특성을 갖도록 설계되었습니다.
• 핵심 설계: 두 강재 모두 담금질성 향상을 위해 망간(Mn)과 크롬(Cr) 함량을 정밀하게 제어하여, 담금질 시 베이나이트 변태 시작 시간을 지연시켰습니다.
• 평가 방법: 연속냉각변태(CCT) 곡선 분석, 다양한 냉각 속도에 따른 샤르피 충격 시험, 그리고 실제 대형 금형을 모사한 대형 블록(550mm x 500mm)의 중심부까지의 기계적 특성 및 미세조직 분석을 통해 신규 강재의 우수성을 입증했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

[이 연구는 기존 금형강의 한계를 뛰어넘는 두 가지 핵심적인 결과를 제시합니다.]

Finding 1: 획기적으로 향상된 담금질성과 내부 인성 유지 능력

신규 개발된 강재들은 기존 H13강에 비해 베이나이트 변태를 훨씬 효과적으로 억제합니다. CCT 곡선 분석 결과(Figure 4, 5), H13강에 비해 DHA-WORLD와 DH31-EX의 베이나이트 변태 시작점은 2시간으로 훨씬 길어져 대형 금형의 느린 냉각 중에도 마르텐사이트 조직을 확보할 수 있는 시간을 벌어줍니다.

이러한 특성은 대형 블록 시험에서 명확히 드러났습니다. Figure 13에 나타난 바와 같이, 43 HRC로 템퍼링된 대형 블록의 중심부에서 H13(SKD61)의 샤르피 충격값은 10 J/cm²까지 급락한 반면, DHA-WORLD는 30 J/cm² 이상의 높은 값을 유지했습니다. 이는 Figure 14의 미세조직 사진에서 확인되듯이, H13 중심부가 조대한 템퍼드 베이나이트 조직을 보인 것과 달리 DHA-WORLD는 미세한 템퍼드 마르텐사이트 조직을 유지했기 때문입니다.

Finding 2: 실제 대형 금형 적용을 통한 성능 입증

이론적 우수성은 실제 자동차 변속기 케이스 금형 적용을 통해 검증되었습니다. 824 x 814 x 404 mm 크기, 2.1톤 무게의 DHA-WORLD 강재 블록을 가공하여 금형을 제작하고 열처리를 진행했습니다.

금형 중심부의 냉각 속도를 측정한 결과, 저온 구간(500-200°C)에서 3.6 °C/min의 느린 냉각 속도를 보였습니다(Table 1). 그럼에도 불구하고, 열처리 후 중심부에서 채취한 시편의 샤르피 충격값은 평균 35.1 J/cm²로, 매크로 균열 방지를 위한 경험적 기준치인 20 J/cm²를 월등히 상회했습니다(Table 2). 그 결과, 이 금형은 냉각수 누수를 유발하는 큰 균열 없이 계획 수명인 15만 쇼트를 성공적으로 달성했습니다.

Practical Implications for R&D and Operations

• For Process Engineers: 이 강재들의 높은 담금질성은 대형 금형 열처리 시 보다 안정적인 공정 관리를 가능하게 합니다. 상대적으로 느린 냉각(예: 11bar 진공로 가스 냉각)으로도 중심부까지 베이나이트 생성을 억제할 수 있어, 급랭으로 인한 변형 위험을 줄이면서도 우수한 인성을 확보할 수 있습니다.
• For Quality Control Teams: 논문의 Figure 13 데이터는 대형 금형의 내부 품질을 평가하는 명확한 기준을 제시합니다. 중심부의 샤르피 충격값이 특정 기준(예: 본문의 경험적 기준치 20 J/cm²) 이하일 경우 매크로 균열의 위험이 높다고 판단하고, 이를 금형의 승인/불합격 기준으로 활용할 수 있습니다.
• For Design Engineers: 내부 인성의 신뢰성이 높아짐에 따라, 보다 공격적인 냉각 채널 설계가 가능해집니다. 특히 복잡하게 교차하는 냉각수 라인 주변의 균열에 대한 안전 마진이 커져, 사이클 타임 단축을 위한 최적의 냉각 시스템을 구현하는 데 유리합니다.

Paper Details

Development and Applications of High Hardenability Special Quality Die Casting Mold Steels

1. Overview:

• Title: Development and Applications of High Hardenability Special Quality Die Casting Mold Steels
• Author: K. Namiki, N. Yokoi, A. Sekiya (Daido Steel Co., Ltd.), T. Yanagisawa (Daido DM Steels Solutions Co., Ltd.)
• Year of publication: 2013
• Journal/academic society of publication: NADCA DIE CASTING CONGRESS & TABLETOP, Transaction No. T13-052
• Keywords: Toughness, Heat checking, Gross cracking, Water lines, Hardenability, Bainitic transformation, DH31-EX, DHA-WORLD

2. Abstract:

다이캐스팅 금형강에서는 내히트체킹성뿐만 아니라 인성이 점점 더 중요해지고 있습니다. 특히 자동차의 변속기 및 크랭크 케이스와 같은 대형 금형에서는 냉각수 라인, 특히 교차부로부터의 매크로 균열(gross cracking)을 방지하기 위해 높은 인성이 요구됩니다. 대형 금형에서 인성이 감소하는 원인은 담금질 중의 베이나이트 변태입니다. 이를 방지하기 위해서는 높은 담금질 냉각 속도가 필요하지만, 이는 치수 변화라는 상충 관계를 야기합니다. 금형강 설계 관점에서의 올바른 해답은 담금질성이 높은 금형강입니다. 이러한 배경을 바탕으로 두 가지 다이캐스팅 금형강인 DH31-EX™와 DHA™-WORLD가 개발되었습니다. 전자는 2367 개량형 이중용해 고몰리브덴강이며, 후자는 H11 개량형 강재입니다. 단일용해강임에도 불구하고 DHA-WORLD는 대형 금형에서도 H13 이중용해강보다 훨씬 높은 인성을 보입니다. 이 두 강재는 지난 3년간 대형 자동차 변속기 케이스에 적용되었으며, 가장 큰 것은 1700 lbs에 달합니다. 이 금형들은 냉각수 라인으로부터의 매크로 균열 없이 실제 사용되고 있습니다. 본 보고서는 이 강재들의 특징과 적용 사례를 상세히 기술할 것입니다.

3. Introduction:

자동차 산업을 중심으로 한 다이캐스팅 산업의 동향이 Figure 1에 요약되어 있습니다. 알루미늄 다이캐스트는 연비 향상을 위한 경량 차량 제조를 위해 엔진부터 트랜스액슬 부품까지 다양한 부품에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 긴 수명의 금형 외에도, 높은 응력을 견디기 위한 다이캐스팅 공정의 사이클 타임 단축은 자동차 산업에서 비용 절감을 위한 핵심 과제입니다. 이러한 목적을 위해 고성능 및 고신뢰성 금형강이 요구되며, NADCA 규격 강재들이 이러한 종류입니다. 다이캐스팅 금형의 주요 파손 모드는 히트체킹, 매크로 균열 및 소착입니다. 히트체킹의 경우, 금형은 정비 기간에 반복적인 보수를 통해 계획된 수명까지 사용됩니다. 반면, 매크로 균열은 시간이 많이 소요되는 수리를 초래하거나 최악의 경우 폐기됩니다. 균열은 보통 깊은 히트체킹과 냉각수 라인, 특히 그 교차 지점에서 시작됩니다. 최근 사이클 타임을 단축하기 위한 주요 조치는 냉각수 라인의 수를 늘리고 금형 표면과의 거리를 줄이는 것입니다. 따라서 특히 대형 금형에서 내부의 인성은 금형 수명을 좌우하는 핵심 속성이 됩니다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

대형 다이캐스팅 금형의 수명은 냉각수 라인에서 발생하는 매크로 균열에 의해 크게 제한됩니다. 이는 금형 중심부의 냉각 속도가 느려 담금질 시 인성이 낮은 베이나이트 조직이 형성되기 때문입니다.

Status of previous research:

기존에는 H13과 같은 범용 열간공구강이 널리 사용되었으나, 대형 금형에서는 내부 인성 확보에 한계가 있었습니다. 이를 개선하기 위해 ESR과 같은 이중용해를 통한 청정강 제조나 합금 설계 개선(저규소, 고몰리브덴)이 시도되어 왔습니다.

Purpose of the study:

담금질성을 획기적으로 향상시켜 대형 금형의 중심부까지도 베이나이트 변태를 억제하고, 이를 통해 높은 인성을 확보하여 매크로 균열을 방지할 수 있는 새로운 다이캐스팅 금형강을 개발하고 그 성능을 실제 금형에 적용하여 검증하는 것을 목적으로 합니다.

Core study:

새롭게 개발된 고담금질성 강재 DH31-EX와 DHA-WORLD의 CCT 곡선, 기계적 특성(특히 인성) 및 내히트체킹성을 기존 H13강과 비교 평가했습니다. 또한, 실제 대형 자동차 변속기 케이스 금형에 적용하여 열처리 후 내부 특성을 분석하고, 양산 공정에서의 장기 성능을 추적 평가했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

신규 개발강(DH31-EX, DHA-WORLD)과 비교재(H13)의 재료 특성을 비교 평가하는 실험적 연구 설계를 채택했습니다. 실험실 평가와 실제 산업 적용 사례 분석을 병행했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

• 재료 특성 평가: CCT 곡선 측정을 통해 담금질성을 평가하고, 다양한 조건에서 열처리된 시편의 경도 및 샤르피 충격 시험(U 노치)을 통해 기계적 특성을 분석했습니다. 광학 현미경을 사용하여 미세조직을 관찰했습니다.
• 내히트체킹성 평가: 135톤 다이캐스팅 머신을 이용해 10,000 쇼트 후의 금형 표면 균열 상태를 비교했습니다.
• 실증 평가: 실제 변속기 케이스 금형에 열전대를 삽입하여 열처리 중 냉각 속도를 측정하고, 열처리 후 금형 중심부에서 시편을 채취하여 인성과 미세조직을 분석했습니다.

Research Topics and Scope:

본 연구는 고담금질성 다이캐스팅 금형강 개발에 초점을 맞추고 있으며, 주요 연구 범위는 다음과 같습니다. - 신규 강재의 화학 성분 및 생산 공정 - 담금질성(CCT 곡선) 및 인성 평가 - 내히트체킹성 평가 - 대형 금형(자동차 변속기 케이스)에의 적용 및 성능 검증

6. Key Results:

Key Results:

• 신규 개발강 DH31-EX와 DHA-WORLD는 기존 H13강 대비 베이나이트 변태 시작 시간이 2시간으로 크게 지연되어 담금질성이 우수합니다. (Figure 4, 5)
• 느린 냉각 속도에서도 H13강보다 높은 인성을 유지하며, 특히 단일용해강인 DHA-WORLD는 ESR 처리된 H13강보다 동등하거나 우수한 인성을 보입니다. (Figure 6, 7)
• 대형 블록 시험에서 H13강의 중심부 인성이 10 J/cm²로 급감한 반면, DHA-WORLD는 30 J/cm² 이상의 높은 인성을 유지했습니다. 이는 H13은 베이나이트 조직, DHA-WORLD는 마르텐사이트 조직을 형성했기 때문입니다. (Figure 13, 14)
• 실제 2.1톤 변속기 케이스 금형에 적용했을 때, 중심부에서 평균 35.1 J/cm²의 높은 인성을 확보했으며, 15만 쇼트의 계획 수명을 매크로 균열 없이 달성했습니다. (Table 2, Results in die casting)

Figure Name List:

• Figure 1 Trend of die casting industries and requirements for mold steel suppliers in Japan.
• Figure 2 Change in die casting mold steels.
• Figure 3 Optical micrographs taken from the thin part (left) and the thick part (right) of a transmission case mold.
• Figure 4 CCT diagram of DHA-WORLD.
• Figure 5 CCT diagram of DH31-EX.
• Figure 6 Effect of quenching cooling rate on Charpy Impact values (U notch).
• Figure 7 Charpy impact values of the specimens taken from vacuum quenched and tempered large block.
• Figure 8 Heat checking test result: The appearance of test specimens after 10,000 shots.
• Figure 9 Examples of heat checking and chipping.
• Figure 10 An example of gross crack.
• Figure 11 Fracture surface from water line
• Figure 12 Optical micrograph taken from the cross section of water line
• Figure 13 Charpy impact values distribution in large test blocks tempered to 43 HRC.
• Figure 14 Optical micrographs taken from the center part of the test blocks.
• Figure 15 Hardness obtained by tempering.
• Figure 16 Optical micrograph taken from the center of the mold.
• Figure 17 Examples of mold surfaces of the molds.
• Figure Appendix-1 Correlation between V and U notch absorbed energy.

7. Conclusion:

두 가지 열간공구강, DH31-EX와 DHA-WORLD는 인성을 향상시켜 대형 다이캐스팅 금형의 매크로 균열을 방지하기 위해 개발되었습니다. 이 강재들의 특징은 높은 담금질성이며, 이는 대형 금형에서도 높은 인성을 제공합니다. 이 두 금형강은 자동차 변속기 케이스에 적용되어 성공적으로 사용되고 있습니다.

8. References:

• 1) N. Uehara, K. Namiki, K. Takahashi: Denki-Seiko (Electric Furnace Steel), vol.81, No.3, p.165 (1981)
• 2) K. Namiki: Netsu-shori (Journal of the Japan Society for Heat Treatment), vol.50, No.6, p.556 (2010)
• 3) H. Morikawa: Denki- Seiko (Electric Furnace Steel), vol.81, No.1, p.47 (2010)
• 4) NADCA #207-2011, NADCA Publication #229 (2011)
• 5) N. Yokoi, M. Kawano, K. Inoue: Denki- Seiko (Electric Furnace Steel), Vol.81, No.1, p.25 (2010)
• 6) M. Kawano and K. Inoue: Materia Japan, vol.48, p32 (2009)

Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 대형 금형에서 표면이 아닌 '중심부'의 인성이 그토록 중요한 이유는 무엇입니까?

A1: 중심부는 담금질 시 냉각이 가장 느리게 일어나는 곳으로, 인성이 낮은 베이나이트 조직이 형성될 가능성이 가장 높습니다. 동시에, 효율적인 냉각을 위해 깊은 위치에 설치된 냉각수 라인들이 응력 집중점으로 작용합니다. 따라서 가장 취약한 재질(베이나이트)과 가장 높은 응력이 만나는 지점인 중심부의 인성 확보가 매크로 균열 방지의 핵심입니다.

Q2: 논문에서 단일용해강인 DHA-WORLD가 ESR 이중용해 처리된 H13강보다 우수한 성능을 보인다고 했는데, 어떻게 이것이 가능한가요?

A2: 논문에 따르면, 이는 단순히 용해 방법의 차이를 넘어선 결과입니다. DHA-WORLD는 합금 설계 단계부터 청정강 제조 기술, 그리고 단조 공정에 이르기까지 전반적인 생산 기술을 결합하여 재료의 특성을 극대화했기 때문에 단일용해 공법으로도 프리미엄 강재와 동등하거나 그 이상의 성능을 달성할 수 있었습니다.

Q3: CCT 곡선에서 베이나이트 변태 시작 시간이 2시간으로 길어진 것이 구체적으로 어떤 의미를 갖나요?

A3: 이는 대형 금형을 열처리할 때 매우 넓은 공정 윈도우를 제공한다는 의미입니다. 금형 중심부와 같이 냉각이 매우 느린 부분조차도 베이나이트가 형성되는 "코(nose)" 부분을 안전하게 피해서 마르텐사이트로 변태할 충분한 시간을 확보할 수 있습니다. 결과적으로 금형 전체에 걸쳐 균일하고 높은 인성을 보장할 수 있게 됩니다.

Q4: 논문에서 언급된 매크로 균열 방지를 위한 경험적 기준치 '20 J/cm²'는 이 연구에서 어떻게 검증되었나요?

A4: 실제 2.1톤 변속기 케이스 금형을 열처리한 후, 금형의 가장 깊은 중심부에서 세 개의 작은 시편을 채취하여 샤르피 충격 시험을 수행했습니다. Table 2에 나타난 바와 같이, 측정된 값은 모두 25.5 J/cm² 이상이었고 평균값은 35.1 J/cm²였습니다. 이 기준치를 만족한 금형은 이후 실제 양산에서 15만 쇼트를 매크로 균열 없이 성공적으로 마침으로써 기준치의 유효성을 실증적으로 검증했습니다.

Q5: 부록에서 U-노치와 V-노치 충격값의 상관관계를 제시한 이유는 무엇인가요?

A5: 이는 글로벌 엔지니어들 간의 원활한 기술 소통을 위함입니다. 일본에서는 U-노치, 미국 등에서는 V-노치 샤르피 시험이 보편적으로 사용됩니다. 부록에서 제시된 'V ≈ 0.43U'라는 근사 관계식을 통해, 서로 다른 시험 규격을 사용하는 지역의 엔지니어들이 데이터를 상호 비교하고 동일한 기준으로 인성 수준을 논의할 수 있게 됩니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

대형 다이캐스팅 금형에서 발생하는 매크로 균열은 생산성과 신뢰성을 저해하는 고질적인 문제였습니다. 본 연구는 DH31-EX와 DHA-WORLD와 같은 고인성 다이캐스팅 금형강이 이 문제에 대한 명확한 해법임을 보여줍니다. 획기적으로 향상된 담금질성을 통해 금형 중심부까지 미세하고 강인한 조직을 확보함으로써, 복잡한 냉각 라인을 가졌더라도 장기간 안정적인 성능을 보장할 수 있습니다. 이는 곧 금형 수명 연장과 생산성 향상으로 직결됩니다.

"CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, CASTMAN의 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오."

Copyright Information

• This content is a summary and analysis based on the paper "Development and Applications of High Hardenability Special Quality Die Casting Mold Steels" by "K. Namiki, N. Yokoi, A. Sekiya, T. Yanagisawa".
• Source: NADCA DIE CASTING CONGRESS & TABLETOP, (2013), Transaction No. T13-052

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