[논문]냉간 인서트 금형용 Mo, V 무첨가 저합금 주강의 주요 성질에 미치는 Si함량의 영향

신제식; 김봉환; 문병문

문제 정의

따라서 본 연구에서는 Mo, V 첨가하지 않고 Cr의 함량을 낮춘 저합금강을 정형주조 (Near Net Shape casting)하고 약간의 후처리 후 사용하게 됨에 따라 제조원가를 절감하면서도 전체적인 제조공정을 줄이고 생산속도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 신속생산 대응형 자동차 인서트금형 주강재를 개발하고자 하였다(Fig. 1(b) 참조).
C, Cr, Mo, V의 최소화에 의하여 감소할 수 있는 경도, 인장강도, 경화능은 탄소량 대비 망간 특히 탄소량에 따라 기지강화에 매우 효과적인 실리콘을 최대한 활용하는 것으로 합금설계하였다(Table 1참조). 주강재의 취화를 방지하고 인성을 개선함으로써 차동차 냉간 프레스 인서트 금형의 제조 공정 상 필수적인 화염소입열처리 시 생길 수 있는 균열발생을 방지하고자 C의 함량은 0.5% 이하로 유지하고자 하였다[3].
반복되는 냉간 절단, 블랭킹, 프레싱 공정을 견디고 생산부품의 높은 치수정밀도를 담보하기 위해서는 표면경도 HRC48 이상인 유효경화층의 깊이가 3 mm 이상 되어야 한다. 본 연구에서는 실제 현장에서와 동일한 조건으로 화염소입열처리를 한 상태에서의 특성을 평가하기 위하여 자동차 제조사인 G사에 의뢰 시험재를 화염소입 열처리하였다. 두께 35 mm인 시험재 A, B, C의 모서리 부를 화염소입 열처리하고 강제대류 방식의 공냉처리 후의 표면층 경도, 유효경화층 및 전경화층 깊이를 측정하여 Fig.
인서트금형으로 장착하여 반복적으로 사용되는 경우의 금형수명을 Ball-on-disc 방식의 마모실험을 통해 평가해 보고자 하였다. 이 때 용이한 마모실험을 위하여 넓은 시험면적에 걸쳐 화염소입 열처리시의 미세조직과 경도를 모사하기 위해 960℃에서 1시간 조질열처리 후 수냉하여 시편을 준비하여 사용하였다.
현재 자동차 제조공장에서 냉간 프레스 인서트금형용 소재로 쓰이고 있는 SKD11 및 화염소입공구강과 비교하여 제조공정을 줄이고, 생산속도를 향상시키며, 고가 합금원소인 Mo, V, Cr 등을 사용하지 않거나 함량을 줄여 생산원가를 획기적으로 낮추면서도, 동등 이상의 동작특성을 확보하는 저합금 주강재를 개발하고자 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

1(b) 참조). 이 때 Mo, V, Cr 등이 대폭적으로 낮아짐에 따라 감소할 수 있는 강도는 C와 Mn 이외에 Cu, Ni, Al, N 등을 적절히 복합 첨가하여 해결하고자 하였으며, 특히 기지강화에 효과적인 원소인 Si을 적극 활용하였다. Si의 함량을 최적화하고자 0.
이 때 Mo, V, Cr 등이 대폭적으로 낮아짐에 따라 감소할 수 있는 강도는 C와 Mn 이외에 Cu, Ni, Al, N 등을 적절히 복합 첨가하여 해결하고자 하였으며, 특히 기지강화에 효과적인 원소인 Si을 적극 활용하였다. Si의 함량을 최적화하고자 0.8~2.3%로 변화시켜가며 미세조직과 경도, 인장특성 등 기계적 성질, 화염소입 등 열처리 특성 그리고 용접성 등을 종합적으로 조사하였다. 기계적 성질은 자동차 냉간 인서트 금형으로서의 적용성을 평가하기 위해 구상화 어닐링 퀜칭/템퍼링, 화염소입 열처리를 단계적으로 행하여 평가하였다.
3%로 변화시켜가며 미세조직과 경도, 인장특성 등 기계적 성질, 화염소입 등 열처리 특성 그리고 용접성 등을 종합적으로 조사하였다. 기계적 성질은 자동차 냉간 인서트 금형으로서의 적용성을 평가하기 위해 구상화 어닐링 퀜칭/템퍼링, 화염소입 열처리를 단계적으로 행하여 평가하였다. 마지막으로 자동차 냉간 인서트 금형 시제품을 제작하고 현장 실 장착 평가시험을 수행하였다.
기계적 성질은 자동차 냉간 인서트 금형으로서의 적용성을 평가하기 위해 구상화 어닐링 퀜칭/템퍼링, 화염소입 열처리를 단계적으로 행하여 평가하였다. 마지막으로 자동차 냉간 인서트 금형 시제품을 제작하고 현장 실 장착 평가시험을 수행하였다.
본 연구에서 냉간 인서트금형용 저합금 주강재를 개발하고자 하는 데 있어서 합금설계의 기본 전략은 Mo, V, Cr 같은 고가원소와 C 함량의 최소화로 설정하였다. C, Cr, Mo, V의 최소화에 의하여 감소할 수 있는 경도, 인장강도, 경화능은 탄소량 대비 망간 특히 탄소량에 따라 기지강화에 매우 효과적인 실리콘을 최대한 활용하는 것으로 합금설계하였다(Table 1참조).
본 연구에서 냉간 인서트금형용 저합금 주강재를 개발하고자 하는 데 있어서 합금설계의 기본 전략은 Mo, V, Cr 같은 고가원소와 C 함량의 최소화로 설정하였다. C, Cr, Mo, V의 최소화에 의하여 감소할 수 있는 경도, 인장강도, 경화능은 탄소량 대비 망간 특히 탄소량에 따라 기지강화에 매우 효과적인 실리콘을 최대한 활용하는 것으로 합금설계하였다(Table 1참조). 주강재의 취화를 방지하고 인성을 개선함으로써 차동차 냉간 프레스 인서트 금형의 제조 공정 상 필수적인 화염소입열처리 시 생길 수 있는 균열발생을 방지하고자 C의 함량은 0.
시험강 제조를 위한 용강 제조는 용해 초기 지금 형성의 용이성과 가탄제의 순조로운 용융을 위하여 가탄제를 20%의 강 고철과 함께 먼저 투입하여 지금을 형성시키고 이후 나머지 강고철을 투입하여 완전 용해한 후 각 시험소재 개개의 성분 조성에 해당하는 합금철을 순차적으로 투입하는 방식을 취하였다. 탈산과 비금속개재물의 효과적으로 제거하기 위하여 Al 및 Ca를 단독 및 복합 첨가하여 용탕처리를 행한 후, 실제 자동차 냉간 프레스 인서트 금형의 최대 규격을 감안 두께 35 mm의 Y-블록으로 사형주조하였다.
시험강 제조를 위한 용강 제조는 용해 초기 지금 형성의 용이성과 가탄제의 순조로운 용융을 위하여 가탄제를 20%의 강 고철과 함께 먼저 투입하여 지금을 형성시키고 이후 나머지 강고철을 투입하여 완전 용해한 후 각 시험소재 개개의 성분 조성에 해당하는 합금철을 순차적으로 투입하는 방식을 취하였다. 탈산과 비금속개재물의 효과적으로 제거하기 위하여 Al 및 Ca를 단독 및 복합 첨가하여 용탕처리를 행한 후, 실제 자동차 냉간 프레스 인서트 금형의 최대 규격을 감안 두께 35 mm의 Y-블록으로 사형주조하였다.
기존의 프레스 인서트 금형용 소재로 사용되고 있는 SKD11 및 화염소입 공구강과 개발 시험재의 기계적 특성을 비교하기 위해서는 구상화 어닐링, 퀜칭/템퍼링, 화염소입 열처리를 행하여 열처리 후 각 단계별로 경도, 인장시험, 마모시험 등을 수행하였다. 각 열처리 이력 곡선은 Fig.
2에 도시하였다. 금형의 유지/보수성을 평가하기 위해서는 용접접합 후 용접접합부가 인장시험편의 평형부가 되도록 시편을 제조하여 인장시험을 실시하였다.
하지만 3가지 고 Si 시험재 A, B, C 모두 자동차 금형 제작사가 요구하는 납입물성치 기준 (인장강도 900 N/mm² 이상, 경도 HRC20~28) 에는 미달하고 있음을 알 수 있다. 냉간 프레스 금형으로 사용 시 조기 함몰 등을 방자하기 위해서는 모재 경도 및 인장강도를 향상시킬 필요성이 제기되었으며 이를 퀜칭/템퍼링 열처리 (920℃ 퀜칭 후 590~680℃ 템퍼링: Fig. 2(b) 참조)를 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 실제 현장에서와 동일한 조건으로 화염소입열처리를 한 상태에서의 특성을 평가하기 위하여 자동차 제조사인 G사에 의뢰 시험재를 화염소입 열처리하였다. 두께 35 mm인 시험재 A, B, C의 모서리 부를 화염소입 열처리하고 강제대류 방식의 공냉처리 후의 표면층 경도, 유효경화층 및 전경화층 깊이를 측정하여 Fig. 5에 정리하였다. 모든 시험재의 경우 표면경도 HRC60 이상의 우수한 경도를 보였는데, 이는 문헌 상에 보고되고 있는 최적 열처리된 SKD11 소재의 경도 값 (HRC58)에 필적하는 수준이다[5].
이상 어닐링 및 퀜친-템퍼링 열처리에 따른 미세조직과 기계적 특성, 화염경화 등 내마모성 확보를 위한 표면개질 특성, 유지/보수를 위한 용접성 등에 관한 실험결과 및 열역학 및 상변태 모델링 해석 결과에 바탕하여 냉간 인서트 금형용 1.25%Si 함유 Mo, V 무첨가형 저합금 주강 합금조성을 설계하고, 자동차 리어도어(rear door) 생산용 냉간 인서트 금형 시제품을 제작하였다. Fig.

성능/효과

구상화 열처리 후의 미세조직은 수요자 (냉간 프레스 금형 업체) 납입상태에서의 중간재의 물성치를 결정하는 원인이 될 뿐만 아니라, 황삭 가공 후 행해지는 화염소입열처리의 특성에도 큰 영향을 미치게 되므로 매우 중요한 정보를 제공하게 된다. 즉, 탄화물이 미세하게 균일하게 분포되고 구상화율이 높을수록 짧은 시간의 화염소입열처리 시 탄화물이 신속하게 용입되고 냉각 시 마르텐사이트 변태를 유발 높은 표면경도를 확보하게 되어 유리할 것으로 예측할 수 있다. 탄화물의 형상을 관찰하여 보면 고 Si 함유 시험재 A, B, C가 저 Si 함유 시험재 및 SKD11보다 모두 구상화율이 뛰어났음을 확인할 수 있었다.
즉, 탄화물이 미세하게 균일하게 분포되고 구상화율이 높을수록 짧은 시간의 화염소입열처리 시 탄화물이 신속하게 용입되고 냉각 시 마르텐사이트 변태를 유발 높은 표면경도를 확보하게 되어 유리할 것으로 예측할 수 있다. 탄화물의 형상을 관찰하여 보면 고 Si 함유 시험재 A, B, C가 저 Si 함유 시험재 및 SKD11보다 모두 구상화율이 뛰어났음을 확인할 수 있었다. 이는 Si이 합금강의 표면 탈탄에 부정적인 영향을 미치는 반면에 기지 내 탄화물이 세멘타이트로 변태하는 것을 지연시킴으로써 템퍼드탄화물을 미세화시키는데 매우 효과적이었다는 다른 연구 그룹의 문헌상 보고와 잘 일치하는 결과이다[4].
810℃ 구상화 어닐링 열처리 후의 결과를 보면(Fig. 4(a)), 고 Si 함유 시험재 A, B, C는 비교 시험재 D, E, F 및 SKD11보다 뛰어난 인장강도를 보였다. 그리고 고 Si 함유 시험재 A, B, C 내에서는 Si 함량이 증가할수록 기지강화 효과에 기인하여 인장강도 및 경도가 모두 증가하는 경향을 보였다.
4(a)), 고 Si 함유 시험재 A, B, C는 비교 시험재 D, E, F 및 SKD11보다 뛰어난 인장강도를 보였다. 그리고 고 Si 함유 시험재 A, B, C 내에서는 Si 함량이 증가할수록 기지강화 효과에 기인하여 인장강도 및 경도가 모두 증가하는 경향을 보였다. SKD11의 경도가 시험재 A, B, C보다 훨씬 높은 값을 보이고 있는데 이는 Fig.
5에 정리하였다. 모든 시험재의 경우 표면경도 HRC60 이상의 우수한 경도를 보였는데, 이는 문헌 상에 보고되고 있는 최적 열처리된 SKD11 소재의 경도 값 (HRC58)에 필적하는 수준이다[5]. 또한 경화된 깊이도 유효경화층 4 mm, 전경화층 6 mm 이상의 값을 보여 자동차용 냉간 인서트 금형으로 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
모든 시험재의 경우 표면경도 HRC60 이상의 우수한 경도를 보였는데, 이는 문헌 상에 보고되고 있는 최적 열처리된 SKD11 소재의 경도 값 (HRC58)에 필적하는 수준이다[5]. 또한 경화된 깊이도 유효경화층 4 mm, 전경화층 6 mm 이상의 값을 보여 자동차용 냉간 인서트 금형으로 적용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
시편의 모서리부가 화염이 직접적으로 닿았던 부분으로서 육안으로도 구별이 뚜렷이 가능 하였다. SEM 관찰 결과, 시험재 A, B, C 모두 화염소입처리된 부분(사진 상에서 1로 표시)에서는 전형적인 마르텐사이트 변태가 일어났음을 볼 수 있으며, 내부에서는 구상화 어닐링시 석출된 미고용된 2차 석출 탄화물들이 관찰되었으며, 경계 층(사진 상 2로 표시)에서는 미용해 탄화물이 존재한 어닐링조직과 마르텐사이트 혼합조직을 보이는 천이구간으로 관찰되었다. 이는 마르텐사이트의 강한 피크와 잔류 오스테나이트 및 탄화물의 약한 피크가 관찰된 Fig.
이 때 용이한 마모실험을 위하여 넓은 시험면적에 걸쳐 화염소입 열처리시의 미세조직과 경도를 모사하기 위해 960℃에서 1시간 조질열처리 후 수냉하여 시편을 준비하여 사용하였다. 그 결과 고 Si 함유 시험재의 경도를 HRC54~56 범위로 확보할 수 있었다. Fig.
6%Si의 시험재 B 시편과 함께 비교재로서 몇 가지 상용 공구강(HMD와 STD61)을 채택 하여 알루미나 볼을 상대재로 사용하여 Table 2와 같은 조건으로 마모실험을 수행했을 때의 마찰계수와 마모면 SEM 사진을 함께 도시하였다. Si 함량 1.8%의 시험재 B 시편이 다른 공구강 소재에 비해서 낮은 마찰계수와 마모량을 보이고 있어 좋은 내마모성을 확보하고 있음을 확인할 수 있었다. 마모표면을 살펴보면 내마모성이 가장 좋지 않았던 HMD 시편은 상대재로 쓰인 알루미나에 의해 홈이 파이는 형태의 전형적인 연삭 마멸거동을 보였으며, STD61 시편은 일부 마멸입자가 들러붙어 마모방향으로 밀려있는 응착 마멸거동을 보였다.
8%의 시험재 B 시편이 다른 공구강 소재에 비해서 낮은 마찰계수와 마모량을 보이고 있어 좋은 내마모성을 확보하고 있음을 확인할 수 있었다. 마모표면을 살펴보면 내마모성이 가장 좋지 않았던 HMD 시편은 상대재로 쓰인 알루미나에 의해 홈이 파이는 형태의 전형적인 연삭 마멸거동을 보였으며, STD61 시편은 일부 마멸입자가 들러붙어 마모방향으로 밀려있는 응착 마멸거동을 보였다. 고 Si 시험재 B는 일부분에서 스폴링 현상이 관찰되기도 하였으나 앞선 두 비교재에 비하여 매끄러운 표면 상태를 보였다.
한편 화염소입 열처리에 따른 유효경화층 깊이(표면으로부터 경도가 HRC48 이상인 곳까지의 깊이)는 Si 함량이 증가함에 따라 감소하는 흥미로운 결과를 보였었다. 즉, Fig.
한편 화염소입 열처리에 따른 유효경화층 깊이(표면으로부터 경도가 HRC48 이상인 곳까지의 깊이)는 Si 함량이 증가함에 따라 감소하는 흥미로운 결과를 보였었다. 즉, Fig. 5에서 화 염소입 열처리 후 표면으로부터 깊이 방향으로의 경도 변화를 좀 더 자세히 관찰해보면, 깊이 2 mm 이내의 표면부에서는 Si 함량이 높을수록 높은 경도 값을 보이다가, 표면으로부터 깊이 3 mm를 전후하여 경도가 역전되고(Si 함량이 높을수록 경도가 낮고), 다시 깊이 5 mm 이상이 되어 모재 경도가 나타나는 곳에서는 경도가 역전되어 Si 함량이 높을수록 높은 경도 값을 보였다. 이러한 현상은 시험재 A, B, C의 합금 조성 범위에서 상변태 모델링 프로그램인 Rainbow Red version 2를 이용하여 얻은 TTT 곡선을 함께 고려해 봄으로써 이해할 수 있다.
9의 TTT 곡선을 보면 Si 조성의 증가는 페라이트-퍼얼라이트 변태 곡선을 왼쪽으로 이동시켰는데, 이게 다시 주어진 냉각속도에서 마르텐사이트 변태가 가능한 깊이를 감소시키는 결과를 초래하게 되는 것이다. 즉, 본 실험의 저합금 주강 조성 범위에 있어서 Si 함량의 증가는 기지강화에 효과적이지만 한편 경화능을 감소시키는 역할도 하고 있음을 알 수 있다.
6%Si 조성을 갖는 시험재 A, B의 경우에는 파단부가 용접부와 다른 곳에 위치하는 것을 볼 수 있다. 따라서 냉간 인서트 금형으로 현장 실착 적용에 있어, 긴급 용접보수가 요구될시 기존 사용 소재에 비하여 유리할 것으로 생각되었으며, 뿐만 아니라 용접 후 또는 화염가열 후의 급냉에서도 용접 크랙과 퀜칭 크랙의 발생 가능성이 매우 작아 상용화에 장점을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다.
금형제조시의 가공성 및 열처리 특성에 문제가 없었으며, 현재 내수 자동차 try-out용으로 실장착하여 시험한 결과 손상 없이 55,000 스트로크 이상 트리밍 조업을 마친 상황이다. 이상 Mo, V 무첨가형 고 Si 함유 저합금 주강소재를 신속생산 대응형 자동차 인서트금형 소재로 활용할 수 있는 기술적 가능성을 확인할 수 있었다.
1) 화염경화 특성 향상에 기여하는 탄화물의 구상화율 및 분포는 Si 함량이 증가할수록 향상되었다.
2) 본 실험의 조성 범위 내에서 Si 함량이 증가할수록 탄화물 구상화 경향 및 기지강화 효과가 증가하여 우수한 경도, 강도, 내마모성을 나타냈다.
3) Si 함량이 증가할수록 소재 내부의 경화능은 감소하여 유효경화층 깊이가 감소하였다.
4) Si 함량 0.8~1.6% 범위에서 우수한 용접성을 보였다.
5) Si 함량 0.8~1.6% 범위에서 어닐링 또는 퀜칭시 경도 (HRC20~28)와 인장강도(1,100 N/mm²), 가공성, 화염소입 후 표면경도(HRC61), 내부 경화능(유효 경화층 깊이 4 mm)및 내 마모성, 용접성 등을 종합적으로 확보함으로써, Mo, V 무첨가형 고 Si 저합금 주강재가 자동차용 냉간 인서트 금형 소재로 사용될 수 있는 기술적 가능성을 확인할 수 있었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉간 프레스 금형을 이용한 판재 형태 부품을 제조하는 공정의 문제점은?	따라서 다양한 판재 형태의 부품을 높은 생산속도와 낮은 생산원가로 제조하는 것이 자동차 산업의 경쟁력을 결정하는 주요한 요인 중 하나로 떠오르게 되었다. 하지만 냉간 프레스 금형을 이용한 판재 형태 부품을 제조하는 종래의 공정은 매우 복잡하고 그로 인해 많은 시간이 소요되었다. 현재 사용되고 있는 냉간 프레스 금형 특히, 자동차부품 제작을 위한 각종 냉간용 금형의 인서트 금형 소재로 널리 사용되고 있는 고탄소 고합금 공구강 SKD11과 화염소입공구강은 용강 제조, 잉곳트 제작, 열간가공, 어닐링 등에 의해 다양한 형태 및 크기의 중간재로 수요자에게 공급되고, 그리고 수요자는 다시 용도에 따라 각종 형태로 가공 및 열처리한 후 냉간금형의 주금형 또는 인서트금형으로 사용하게 된다(Fig.
	다양한 판재 형태의 부품을 높은 생산속도와 낮은 생산원가로 제조하는 것이 자동차 산업의 경쟁력을 결정하는 주요한 요인 중 하나로 떠오르게 된 이유는?	자동차 산업은 생산기술의 발전과 수요자의 기호에 따라 늘 빠르게 변화에 대응해야 하는 특징을 지닌 산업이다. 따라서 다양한 판재 형태의 부품을 높은 생산속도와 낮은 생산원가로 제조하는 것이 자동차 산업의 경쟁력을 결정하는 주요한 요인 중 하나로 떠오르게 되었다.
	개발 합금주강 소재가 실제 자동차 냉간 인서트 금형으로 사용되기 위해서는 무엇이 요구되는가?	개발 합금주강 소재가 실제 자동차 냉간 인서트 금형으로 사용되기 위해서는 요구물성인 기계적 성질을 만족시키는 것 이외에도 사용 중 신속한 유지/보수가 용이하도록 뛰어난 용접 성을 확보하여야만 한다. 고가 합금원소의 첨가량을 줄이는 대신 Si을 이용한 기지강화법에 의해 저합금 주강소재의 기계적 성질을 확보하는 방안은 생산원가를 획기적으로 줄일 수 있어 경제적이다.

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