KR20160041869A - 열전도도가 향상된 다이케스팅 및 핫스템핑용 자동차용 금형강 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.32 내지 0.5 중량%, 규소(Si) 0.1 내지 1.0 중량%, 망간(Mn) 0.1 내지 2.0 중량%, 인(P) 0.001 내지 0.006 중량%, 황(S) 0.0001 내지 0.007 중량%, 니켈(Ni) 0.05 내지 0.40 중량%, 크롬(Cr) 0.5 내지 5.5 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.0 내지 2.8 중량%, 붕소(B) 0.0001 내지 0.003 중량%, 바나듐(V) 0.4 내지 1.2 중량%, 코발트(Co) 0.01 내지 0.03 중량%, 텅스텐(W) 0.0001 내지 0.01 중량%, 알루미늄(Al) 0.005 내지 0.022 중량% 및 구리(Cu) 0.01 내지 0.05 중량%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 열간 금형강에 관한 것이다.
상기와 같이 STD61(범용 열간 금형강)에 비해 고온 시 열 전도도가 높으면서 강도, 인성 및 내부식성이 STD61 수준과 동등하게 확보된 열간 금형강을 통해서 자동차 강판 핫 스테핑용 또는 다이캐스팅용으로 사용할 수 있다.

Description

열전도도가 향상된 다이케스팅 및 핫스템핑용 자동차용 금형강 및 그 제조방법{MOLD STEEL FOR DIE CASTING AND HOT STAMPING HAVING THE HIGH THERMAL CONDUCTIVITY AND METHOD THEREOF}

본 발명은 열전도도가 향상된 열간 금형강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 STD61(범용 열간 금형강)에 비해 고온 열 전도도가 높으면서 강도, 인성 및 내부식성이 STD61 수준과 동등하게 확보된 자동차 강판 핫 스테핑용 또는 다이캐스팅용 금형강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

열간 금형강은 합금 원소로서 철 외에 특히 탄소, 크롬, 텅스텐, 실리콘, 니켈, 몰리브덴, 망간, 바나듐 및 코발트를 상이한 양으로 포함하는 합금된 금형강이다. 열간 금형강으로부터, 특히 다이캐스팅, 압출 또는 다이 단조 시에 재료의 성형을 위해 적합한, 열간 금형강 대상물이 제조될 수 있다. 이러한 금형에 대한 예로는 높은 가공 온도에서 특별한 기계적 강도 특성을 가져야 하는 압출 다이, 단조 금형, 다이캐스팅 몰드, 프레스 다이 또는 이와 유사한 것이 있다.

금형강, 특히 열간 금형강 및 이들로 제조된 강 대상물의 중요한 기능은 기술적 프로세스에 사용 시, 이전에 도입된 또는 프로세스 자체에 생긴 열의 충분한 방출을 보장하는 것이다.

열간 금형강으로 제조되는 열간 금형은 높은 가공 온도에서 높은 기계적 안정성과 더불어 양호한 열전도율 및 높은 내열마모성을 가져야 한다. 열간 금형강의 다른 중요한 특성은 충분한 경도 및 강도와 더불어, 높은 사용 온도에서 우수한 경도 및 내마모성이다.

금형의 제조를 위해 사용되는 열간 금형강의 높은 열 전도율은 많은 용도에서 매우 중요한데, 그 이유는 이것이 현저한 사이클 시간 단축을 야기할 수 있기 때문이다. 공작물의 열간 성형을 위한 열간 성형 장치의 작동은 비교적 많은 비용을 필요로 하기 때문에, 사이클 시간의 단축에 의해 많은 비용이 절감될 수 있다. 또한, 열간 금형강의 높은 열 전도율은 다이캐스팅 시에 바람직한데, 그 이유는 거기에 사용되는 몰드가 매우 높아진 열 내구성으로 인해 훨씬 더 긴 수명을 갖기 때문이다.

금형를 제조하기 위해 종종 사용되는 금형강은 통상적으로 실온에서 약 18 내지 24 W/mK 의 열 전도율을 갖는다. 선행 기술에 공지된 열간 금형강의 열 전도율은 일반적으로 약 16 내지 37 W/mK 이다.

한편, 열간 성형용 금형강으로 쓰인 STD61은 고온 열 전도도가 28 W/mK 미만으로 열전도도가 낮기 때문에 고온 작업 중 소재 부위에 따른 온도차로 인한 팽창율 차이로 히트체크 균열이 발생 빈도가 높아 금형 수명이 감소되며, 생산제품의 냉각속도를 충분히 높일 수 없어서 높은 냉각속도를 필요로 하는 핫스테핑 제품의 품질 저하 및 생산성 감소를 유발시키는 문제점이 있었다. 또한, 고온에서 마모저항성을 유지하는 석출상이 낮은 경도의 크롬카바이드 계열이기 때문에 고온에서 마모저항성이 낮은 문제점이 있었다.

이와 관련하여, 하기와 같은 선행문헌에 따른 강들이 제안되어 왔다.

예를 들면, 특허문헌 1에는 0.26 내지 0.55 중량% C; < 2 중량% Cr; 0 내지 10 중량% Mo; 0 내지 15 중량% W; 상기 W와 Mo의 함량 합계는 1.8 내지 15 중량%임; 개별적으로 또는 합해서 0 내지 3 중량 % 탄화물 형성 원소들 Ti, Zr, Hf, Nb, Ta; 0 내지 4 중량% V; 0 내지 6 중량% Co; 0 내지 1.6 중량% Si; 0 내지 2 중량% Mn; 0 내지 2.99 중량% Ni; 0 내지 1 중량% S; 나머지: 철 및 불가피한 불순물을 포함하는 열간 금형강을 개시하고 있으며, 기존 공지된 금형강 보다 훨씬 더 높은 열 전도율을 가진다고 기재되어 있다.

특허문헌 2에서는 0.20≤C≤0.50 질량%, 0.40<Si<0.75 질량%, 0.50<Mn≤1.50 질량%, 5.24≤Cr≤9.00 질량%, 1.08<Mo<2.99 질량%, 및 0.30<V<0.70 질량%를 함유하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 열간 금형강 및 상기 열간 금형강을 이용한 철강제품을 개시하고 있으며, 기존 STD61에 비해 열전도도를 개선할 수 있고 STD61의 절삭성과 같거나 더 높은 절삭성을 유지하면서 STD61의 충격값보다 더 높은 충격값을 가진다고 기재되어 있다.

특허문헌 1: 대한민국 특허청 10-2009-0038030 공개특허

특허문헌 2: 대한민국 특허청 10-2010-0135206 공개특허

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 열전도율을 향상시키기 위해 크롬을 타 합금원소로 대체하면서도 강도, 인성 및 부식저항성을 기존의 STD61수준으로 유지할 수 있는 열간 금형강 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기존 크롬 탄화물 대신에 고온에서 안정성 및 경도가 높은 탄화물을 사용하여 마모저항성을 증가시킨 열간 금형강 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 최적 열처리를 통하여 금형 재질 내의 탄소 및 탄화물 생성 원소를 충분히 탄화물화시켜 인성을 증가시킨 열간 금형강 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.32 내지 0.5 중량%, 규소(Si) 0.1 내지 1.0 중량%, 망간(Mn) 0.1 내지 2.0 중량%, 니켈(Ni) 0.05 내지 0.40 중량%, 크롬(Cr) 0.5 내지 5.5 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.0 내지 2.8 중량%, 붕소(B) 0.0001 내지 0.003 중량%, 바나듐(V) 0.4 내지 1.2 중량%, 니오븀(Nb) 0.01 내지 0.03 중량%, 코발트(Co) 0.01 내지 0.03 중량%, 텅스텐(W) 0.0001 내지 0.01 중량%, 알루미늄(Al) 0.005 내지 0.022 중량% 및 구리(Cu) 0.01 내지 0.05 중량%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 열간 금형강을 제공한다. 여기에 부가하여, 인(P) 0.001 내지 0.006 중량%, 황(S) 0.0001 내지 0.007 중량% 및 티타늄(Ti) 0.01 내지 1.2 중량%를 더 포함할 수 있고, 또한 질소(N) 0.005 내지 0.06 중량%를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.32 내지 0.5 중량%, 규소(Si) 0.1 내지 1.0 중량%, 망간(Mn) 0.1 내지 2.0 중량%, 인(P) 0.001 내지 0.006 중량%, 황(S) 0.0001 내지 0.007 중량%, 니켈(Ni) 0.05 내지 0.40 중량%, 크롬(Cr) 0.5 내지 5.5 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.0 내지 2.8 중량%, 붕소(B) 0.0001 내지 0.003 중량%, 바나듐(V) 0.4 내지 1.2 중량%, 코발트(Co) 0.01 내지 0.03 중량%, 텅스텐(W) 0.0001 내지 0.01 중량%, 알루미늄(Al) 0.005 내지 0.022 중량% 및 구리(Cu) 0.01 내지 0.05 중량%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 열간 금형강을 제공한다.

상기의 열간 금형강들에 대한 열전도율은 400℃에서 31 W/m·K 이상이고, 또한 바람직하게는 400℃에서 33 W/m·K 이상을 얻을 수 있으며, 다이캐스팅(die casting)용 또는 핫 스탬핑(hot stamping)용도로 사용될 수 있다.

본 발명은 기존 구조용강의 소입성과 관련된 식인 F(C)×F(Si)×F(Mn)× F(Cr)×F(Mo)×F(Ni) > 1.5 조성식을 따르고, 상기 조성식에 사용되는 각 인자는 F(C)=2 ×(0.024×C%)1/2, F(Si)=0.7×Si% + 1, F(Mn)=3.35×Mn% + 1 (Mn%≤1.2%), F(Mn)=5.00×Mn% + 1 (Mn%>1.2%), F(Cr)=2.16×Cr% + 1, F(Ni)=0.36×Ni% + 1(Ni%≤1.8%), F(Ni)=(Ni%-1)2/3.35 + 1.5 (Ni%>1.8%), F(Mo)=3×Mo% + 1 을 만족하는 열간 금형강을 제공한다.

또한, 본 발명은 기존 금속의 부식 저항성에 관련된 식인 Cr + 3.3(Mo+0.5W) + 16N > 9 를 만족하는 것을 열간 금형강을 제공하고, 부가적으로 Cr+0.3Ti+0.9Nb+0.3V+0.7Mo+1.1W = 4.5 식 또는 -2.02Cr-1.12Ni-0.05Mo-1.80Co+0.23Cu-3Al-7Si+7.5N-4.3W-3.3Nb-2.50V-3.6Ti-1.4Ta>-14 를 만족하는 열간 금형강을 제공한다.

한편, 본 발명은 열간 금형강의 경도가 40~49 HRc로 템퍼링하는 것을 특징으로 하는 열간 금형강 제조방법을 제공한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 STD61에 비해 고온시 열 전도도가 높으면서 강도, 인성 및 내부식성이 STD61 수준과 동등하게 확보된 자동차 강판 핫 스테핑용 또는 다이캐스팅용 금형강의 및 그 제조방법을 제시한다.

이에 따라, 본 발명은 강도, 인성, 내부식성이 유지되면서 고온 열전도도와 마모저항성이 우수한 열간 금형강을 통해 높은 열전도도에 의한 냉각속도 향상으로 금형 제품 생산성을 높일 수 있고, 균일한 온도 분포 및 고온 안정성 및 강도가 높은 석출상으로 금형 수명을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 열전도도를 증가시키는 위해 크롬을 타 합금원소로 대체하여도 강도, 인성, 부식저항성을 프리미엄급 STD61수준으로 유지할 수 있고, 추가로 고온시 안정성과 경도가 높은 탄화물로 크롬 탄화물을 대체하면서도 마모저항성을 증가시킨 금형을 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 최적 열처리를 통하여 금형 재질 내의 탄소 및 탄화물 생성 원소를 충분히 탄화물화 시켜 소재의 인성을 증가시킬 수 있기 때문에 금형의 수명을 획기적으로 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열간 금형강의 풀림 및 소입뜨임 조직 마이크로 사진.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열간 금형강의 고온 항복강도, 인장강도 변화 특성 그래프.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고온 연신율, 단면감소율 변화 특성 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고온 열 전도율 시뮬레이션 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고온 열 전도율 실제 측정값을 나타내는 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열처리공정을 나타내는 그래프이다.

먼저, 본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 금형강에 대해서 설명한다.

본 실시예에 따른 열간 금형강은, 필수 원소로서 C(탄소), Si(규소), Mn(망간), Cr(크롬), Mo(몰리브덴) 및 V(바나듐)를 함유하고, 나머지는 Fe(철), 미세원소 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 본 실시예에 따른 열간 금형강은, 예를 들어 미세원소로서 W(텅스텐), Co(코발트), Nb(니오브), Ti(티타늄), N(질소), Ni(니켈), B(붕소)와 불가피한 불순물로서 P(인), S(황) 및 O(산소)를 함유한다. 여기의 본 명세서에서, 질량으로 정의된 모든 퍼센티지는 중량으로 정의된 것과 각각 같다. 이하, 상기 열간 금형강의 성분 조성 및 그 수치제한에 대한 이유에 대해서 설명한다.

(1)탄소(C)

탄소(C)는 강의 강도를 조절하는데 필요한 필수 원소로서, 고용강화로 기지 강도를 높이고, 소입성에 영향을 미치는 원소이다. 또한 열처리를 통하여 탄화물 형성한다. 상기 C 함량이 0.32 중량% 미만인 경우 필요 경도인 36 HRC이상이 얻어질 수 없고, 반면에 상기 C 함량이 0.50 중량%를 초과하면 경도가 포화되기 쉽고, 동시에 탄화물 양은 과도하게 되어 피로 강도 및 충격값을 악화시킨다. 특히, 본 발명에서 탄소는 탄화물 생성이 주된 역할이며 0.32 내지 0.5 중량 %가 더욱 바람직하다.

(2)규소(Si)

규소(Si)는 강의 절삭성을 조절하는데 필요한 필수 원소로서, 세멘타이트 생성을 억제하고, 고온에서 탄화물생성을 촉진시켜 열전도도를 크게 증가시키는 원소이다. 상기 Si 함량이 0.10 중량% 미만이면, STD61의 절삭성과 같거나 더 높은 절삭성을 보장하기가 어렵게 되고, 상기 Si 함량이 1.0 중량% 초과이면, 열전도도의 상당한 감소가 일어난다.

(3)망간(Mn)

망간(Mn)은 변태 동작(경화능)을 향상시키기 위한 필수 원소로서, 소입성에 가장 높은 효과를 내는 원소이다. DI 값이 1.5이상 유지되도록 첨가하는 것이 좋으며, 상기 DI값이란 이상임계직경으로, 되도록 속히 냉각 시켰을 때에 중심까지 담금질이 되는 최대 지름을 말한다. 상기 Mn 함량이 0.10 중량% 미만이면, 변태점 감소 및 미세구조 정제의 효과가 불충분하여 경도나 충격값을 확보하기가 어렵다. 상기 Mn 함량이 2.0 중량%를 초과하면, 충격값이 더 감소될뿐만 아니라 높은 열전도도도 거의 유지될 수 없으며, 더욱 바람직하게는 1.5 중량% 이하가 바람직하다.

(4) 인(P)

인(P)은 강도를 증가시키는데 일부 기여하지만, 0.01 중량%를 초과하는 경우, 용접성이 악화되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 0.01 중량% 이하로 제한하고, 바람직하게는 0.001 내지 0.006 중량%이 바람직하다.

(5) 황(S)

황(S)은 대표적인 불가피한 불순물로서, 본 발명에서는 0.0001 내지 0.007 중량%가 바람직하다.

(6) 니켈(Ni)

니켈(Ni)은 인성과 내식성을 증대시키고, 변태점을 낮추며, 냉각시 페라이트의 생성을 억제하고, 알루미늄이나 규소와 금속간 화합물을 석출시켜 경도를 증가시키는 특성이 있다. 본 발명에서는, 0.05 내지 0.40 중량% 를 사용하는 것이 바람직하다.

(7) 크롬(Cr)

크롬(Cr)은 내식성을 확보하는데 필요한 원소로서, 경화성을 증가시키고, 탄화물을 만들어 내충격성을 증대시키며, Fe₃C(시멘타이트; cementite)의 Fe와 치환하여, 약하고 부스러지기 쉬운 시멘타이트를 질기고 인성이 좋은 시멘타이트로 변화 시키는 효과가 있는 원소이다. 특히, 석출상 생성, 부식 저항성, 고온강도 상승, 소입성과 질화 특성에 관계된 효과를 나타내고, 카바이드 강도가 비교적 낮은 쪽에 위치한다. 또한, 기존의 금형강에서 가장 많이 사용된 합금원소로서, 0.5 내지 5.5 중량%가 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5.0 중량% 이하로 사용하는 것이 좋다.

(8) 몰리브덴(Mo)

몰리브덴(Mo)은 몰리브덴 카바이드와 같은 탄화물을 형성하여 고온경도와 강도를 부여하고, 또한 몰리브덴 카바이드 중에 포함된 몰리브덴은 입계의 인과 결합하여 인에 의한 뜨임취성(Temper Embrittlement)을 크게 완화하고, 뜨임 2차 경화성을 크게 향상시키고, 내침식성을 개선시키는 효과가 있다. 본 발명에서는 PREN 값에 영향을 크게 미치는 원소로 1.0 내지 2.8 중량%가 바람직하다.

(9) 붕소(B)

붕소(B)는 극미량의 첨가로도 입계편석(Grain Boundary Segregation)에 의해 담금질(Quenching) 특성을 크게 향상시키며, 다른 원소인 망간, 크롬, 니켈 등과 같은 성분의 담금질 특성도 향상시키는 효과가 있는 반면, 붕소의 담금질 특성 향상 효과는 탄소량이 증가되면 감소하는 경향을 보인다. 본 발명에서는 0.0001 내지 0.003 중량%를 사용하는 것이 바람직하다.

(10) 바나듐(V)

바나듐(V)은 철에 치환 고용(solid solution)되어 인장강도를 증가시키고, 불용성 탄화물을 만들어 고온경도를 높이며, 뜨임 저항성을 증대시키는 원소로서, 특히 고온에서 안정한 석출상을 미세하게 생성하여 오스테나이트 입자 성장을 억제하는 효과를 나타낸다. 본 발명에서는 0.4 내지 1.2 중량 %를 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.4 내지 1.0 중량%를 사용하는 것이 좋다.

(11) 니오븀(Nb)

니오븀(Nb)은 녹는점이 높고 변태(變態)가 없는데다가 지르코늄과 비슷한 내식성보다 우수한 고온 강도를 지니고 있으며, 입자 미세화 효과가 있는 원소로서, 본 발명에서는 0.01 내지 0.03 중량%를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.02중량% 이하가 좋다.

(12) 코발트(Co)

코발트(Co)는 기지에만 고용되어 탄소의 용해도를 높이며, 탄화물을 기지에 많이 고용시키며, 내가스압 저항성을 높일 수 있고, M₂C 카바이드 생성핵으로 작용하는 원소이다. 또한, 고용강화로 기지 강화 효과가 있으며, 금속간 Co는 규칙상 회복을 방지할 수 있다. 본 발명에서는 0.01 내지 0.03 중량%를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.02중량% 이하가 좋다.

(13) 티타늄(Ti)

티타늄(Ti)은 가장 강한 석출상을 생성하는 원소로서, 오스테나이트에서 용해도가 낮고, 조직 미세화 효과를 나타내는 원소이다. 본 발명에서는 0.01 내지 1.2 중량%가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1.2 중량%가 바람직하다.

(14) 텅스텐(W)

W는 탄화물의 석출(석출 경화)로 강도를 증가시키기 위하여 첨가될 수 있는 선택적 원소이다. 상기 W 양에 따라 부족시에는 상기 강도 증가의 효과가 작아지고, 반면에 상기 W 양이 과다시에는 효과의 포화와 비용의 상당한 상승을 일으킨다. 본 발명에서는 0.0001 내지 0.01 중량%가 바람직하다.

(15) 질소(N)

질소(N)는 불순물의 하나로서 그 함량을 최대한 감소시켜야 하는 원소로 알려져 있지만, 고용강화 효과가 크고 열 전도도를 낮추는 효과를 나타낸다. 본 발명에서는 0.005 내지 0.06 중량%를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.05 중량 %가 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 열간 금형강은 STD61 종의 인성과 강도를 유지하면서 고온 열 전도도가 뛰어난 합금조성을 얻기 위해 소입성, 부식저항성에 관한 기존 실험식과 석출상 형성, 열전도도에 관련한 관계식을 사용한다.

소재의 소입성, 부식저항성, 석출상 생성에 대한 화학량론 식과 합금원소가 열전도도에 미치는 영향에 관한 database 프로그램을 이용한 정량적 분석식을 이용하여 강도, 인성, 부식저항성을 STD61 수준으로 유지하면서 고온에서 높은 경도와 안정성을 보이는 석출상을 생성하면서 열 전도도를 31 W/m·K 이상으로 유지할 수 있다. 상기 결과는 투과전자현미경을 이용한 미세조직 실험을 통하여 열처리에 따른 미세조직, 석출상 변화 거동을 관찰할 수 있고, 미세경도 실험을 통한 물리특성 변화를 측정하여 안정적인 목표 특성을 나타내기 위한 열처리 조건도 얻을 수 있다.

즉, 열간 금형강의 열 전도율 확정하는 방법에 있어서, 각 합금 성분에 따른 금형 열전도도에 관한 database 관계식을 이용하고, 열간 금형강의 강도 및 인성을 확정하는 방법에 있어서는 각 합금 성분에 따른 소입성 관계식을 이용하고, 열간 금형강의 부식저항성을 확정하는 방법에 있어서는 각 합금 성분에 따른 PREN 관계식을 이용한다. 그리고, 열간 금형강의 고온상 석출상 분율 및 종류를 확정하는 방법에 있어서는 각 합금 성분에 따른 각 화학량론적 관계식을 이용하였다.

먼저, 청구항 6에 기재된 F(C)×F(Si)×F(Mn)×F(Cr)×F(Mo)×F(Ni) > 1.5 조성식을 따르고, 상기 조성식에 사용되는 각 인자는 F(C)=2×(0.024XC%)1/2, F(Si)=0.7×Si% + 1, F(Mn)=3.35×Mn% + 1 (Mn%≤1.2%), F(Mn)=5.00×Mn% + 1 (Mn%>1.2%), F(Cr)=2.16Cr% + 1, F(Ni)=0.36×Ni% + 1(Ni%≤1.8%), F(Ni)=(Ni%-1)2/3.35 + 1.5 (Ni%>1.8%), F(Mo)=3×Mo% + 1 관계식은 DI식으로 명명되고, 구조용강의 소입성과 관련된 식으로, 상기 식을 본 발명에 따른 금형강의 합금조성에 적용한다. 금형강과 같이 이상 조직이 템퍼드 마르텐사이트 인 경우 내부까지 마르텐사이트 조직을 유지하기 위해서 냉각속도를 높이는 방법 그리고 화학조성 조절을 통하여 느린 냉각 속도에서도 마르텐사이트를 생성시키는 두 가지 방법이 적용된다. 냉각 속도를 향상하는 방법으로 높은 열용량의 냉매로 강제 냉각 시키는 방법이 있으나 표면 오염을 방지하기 위해서 금형강은 주로 비활성 가압 기체로 냉각하는 법을 사용하고 이 때 최대로 올릴 수 있는 냉각속도가 제한을 받는다. DI값이 높을수록 일정 냉각 속도에서 심부까지 마르텐사이트로 만들 수 있는 제품의 크기가 커지므로 제품생산에 유리하다.

다음으로, 본 발명의 금형강에 적용되는 PREN = Cr + 3.3(Mo+0.5W) + 16N 관계식 은 기존 금속의 부식 저항성 관련 식으로 스테인리스강 혹은 부식이 문제될 때 사용되었으나, 이를 본 발명에서와 같이 열간 금형강의 합금조성에 응용될 수 있다. 금형강은 고온에서 실시되기 때문에 고온산화에 취약할 수 있고 실시 중 내부에 냉각수가 순환하기 때문에 고온 부식이 발생할 수 있다. 부식 저항성을 높이는 원소에 Cr, Mo, W, N 등이 대표적이고 각 원소가 미치는 영향을 고려하여 부식 저항성을 나타내는 PREN 실험실이 실제 환경에서 공신력을 가지고 많이 적용된다. 본 개발강은 Cr을 다른 원소로 대체하면서 합금설계가 되었기 때문에 Cr이 감소되면서 취약해지는 부식저항성을 PREN 식을 근거로 동일하게 유지시켰기 때문에 STD61이 사용되는 모든 환경에서 동일하게 적용 가능하다.

또한, Cr+0.3Ti+0.9Nb+0.3V+0.7Mo+1.1W = 4.5 식은 석출상과 관련된 식으로, 하기 표 1을 참조하면 탄화물을 생성시킬 수 있는 원소의 탄화물종류, 탄소와 비율, 몰분율을 계산한 다음 질량분율을 구하여 관계식: Cr+0.3Ti+0.9Nb+0.3V+0.7Mo+1.1W을 생성하고, 실시예의 최적과 동일한 특성을 나타내기 위해서 개발강을 대입했을 때 나타나는 4.5로 한정한다. Cr이 금형강 내에서 탄화물 형성 원소이다. 금형강 내에서 탄화물은 세라믹으로써 금속보다 월등히 높은 경도로 마모 저항성 유지를 위해서 필수적인 요소이다. Cr량이 감소될 경우 크롬 탄화물 총 량이 줄어들기 때문에 동일한 성능을 내기 위하여 동량의 탄화물을 생성시킬 필요가 있다. 본 개발강에서는 탄화물 형성 원소로 알려진 Ti, Nb, V, Mo, W이 생성시킬 수 있는 탄화물 종류를 바탕으로 크롬탄화물을 대체할 동을 분량의 탄화물을 화학량론 식을 근거로 확정하였다. 또한 상기 원소들이 생성하는 탄화물은 모두 크롬계 탄화물 보다 경도가 높기 때문에 동일량 생성 될 경우 더 높은 마모저항성을 기대할 수 있고 그 결과로 사용수명이 향상되는 효과가 나타난다.

탄화물 형성 원소		Cr	Ti	Nb	V	Mo	W
탄화물 종류		Cr23C6	TiC	NbC	VC	Mo2C	WC
		Cr3C		Nb2C		Mo2C2
		Cr7C3
탄화물 경도		1800	3700	2400	3500	2200	3000
탄소와 비율		3.3:1	1:1	1.5:1	1:1	1.3:1	1:1
Cr 대체량	몰 분율	1.0	0.3	0.5	0.3	0.4	0.3
	질량 분율	1.0	0.3	0.9	0.3	0.7	1.1

다음으로, 열전도도 관련 식은 J-Mat pro에서 금형강성분 조합에서 각 원소의 질량당 열전도도에 미치는 자료를 확보하여 아래와 같은 영향을 파악하였고, 하기 표 2를 변수로 하기의 관계식을 도출하였다.

-2.02Cr-1.12Ni-0.05Mo-1.80Co+0.23Cu-3Al-7Si+7.5N-4.3W-3.3Nb-2.50V-3.6Ti-1.4Ta > -14

즉, 추후 설명할 실시예 1에 해당하는 개발강을 적용했을 때 상기 식의 좌변 값이 -14로 도출되고, 이 값이 -14 이상인 원소만 채택한 것이 실시예 2에 해당한다.

열전도도 (400oC)	W/(mㆍK) / wt%
Cr	-2.02
Ni	-1.12
Mo	-0.50
Co	-1.80
Cu	0.23
Al	-3.00
0	0.00
Si	-7.00
N	7.50
W	-4.30
Nb	-3.30
V	-2.50
Ti	-3.60
Ta	-1.40

본 발명은 상기와 같이, database 프로그램에서 추출한 합금원소의 영향 data를 바탕으로 획득한 열전도도 관련 관계식, 소입성에 관련한 Di 관계식, 부식저항성 관련한 PREN 관계식 및 탄화물의 화학량론적 관계식을 이용하여 고온 열전도도가 우수하면서도 강도, 인성, 부식저항성이 STD61과 동일한 수준으로 유지할 수 있고, 고온에서 경도 및 상 안정성이 뛰어난 탄화물을 최적 열처리를 통해서 인성 및 마모저항성의 적절히 유지되어 수명을 향상시킨 금형을 제작할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.32 내지 0.5 중량%, 규소(Si) 0.1 내지 1.0 중량%, 망간(Mn) 0.1 내지 2.0 중량%, 니켈(Ni) 0.05 내지 0.40 중량%, 크롬(Cr) 0.5 내지 5.5 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.0 내지 2.8 중량%, 붕소(B) 0.0001 내지 0.003 중량%, 바나듐(V) 0.4 내지 1.2 중량%, 니오븀(Nb) 0.01 내지 0.03 중량%, 코발트(Co) 0.01 내지 0.03 중량%, 텅스텐(W) 0.0001 내지 0.01 중량%, 알루미늄(Al) 0.005 내지 0.022 중량% 및 구리(Cu) 0.01 내지 0.05 중량%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 열간 금형강은 database 프로그램을 활용하여 광범위한 합금 원소를 고려(열전도도)하였고, 경화능 값 및 인성값을 합금 설계에 반영한 것이다. 특히, 열 전도도가 개발된 강종 들 중 비교적 높거나 가장 높은 값을 내면서도 경화능이 충분하여 대형제품(Die casting)을 제작할 수 있고, 최적 열처리를 통하여 충분한 인성을 확보할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.32 내지 0.5 중량%, 규소(Si) 0.1 내지 1.0 중량%, 망간(Mn) 0.1 내지 2.0 중량%, 인(P) 0.001 내지 0.006 중량%, 황(S) 0.0001 내지 0.007 중량%, 니켈(Ni) 0.05 내지 0.40 중량%, 크롬(Cr) 0.5 내지 5.5 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.0 내지 2.8 중량%, 붕소(B) 0.0001 내지 0.003 중량%, 바나듐(V) 0.4 내지 1.2 중량%, 코발트(Co) 0.01 내지 0.03 중량%, 텅스텐(W) 0.0001 내지 0.01 중량%, 알루미늄(Al) 0.005 내지 0.022 중량% 및 구리(Cu) 0.01 내지 0.05 중량%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 열간 금형강은 초 청정강 제작 기술을 적용한 것으로, 여러 물리적 특성(피로, 충격, 고온 연화 저항성 등)들이 STD61강종보다 우수하게 나타난다.

상기 초 청정강 제작기술을 반영한 조성에 인(P) 0.001 내지 0.006 중량%, 황(S) 0.0001 내지 0.007 중량% 및 티타늄(Ti) 0.01 내지 1.2 중량%를 더 포함시키면 고온에서 안정한 Ti, Nb 탄화물 생성으로 열간가공, 열처리 중 입자 성장을 억제할 수 있고 이를 통해서 인성 및 강도가 크게 증가하는 효과가 있다.

*또한, 상기 조성에 질소(N) 0.005 내지 0.06 중량%를 더 포함하면, 질소 첨가로 열 전도도를 향상시킬 수 있고, 질화물, 질탄화물 생성을 유도하여 초 고경도 석출상을 생성 시킴으로써 높은 마모 저항성을 가지는 제품을 제작할 수 있다. 또한, 질소는 부식저항성을 높이는 물질 중 가장 강력한 물질이기 때문에 소량 첨가로 큰 부식저항성 향상 효과를 기대할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 열간 금형장의 제작에 있어서는 제강, 정련 및 조괴 단계를 거치고, 단조 및 균질화 열처리를 거친 후, 어닐링 가공을 한 다음, ?칭 및 템퍼링 등의 열처리 과정을 거치게 된다. 도 5는 상기 열처리 과정을 나타낸 단계도이다.

상기 과정에서 어닐링 가공은 단조 후 800~900℃까지 가열 후 유지 열처리 내에서 냉각을 통해서 구상화 어닐링을 실시하고, 상기 ?칭 과정은 진공에서 500~600℃까지 가열한 다음 유지 다시 700~800℃까지 가열한 다음 유지 다시 오스테나이징 온도인 1000~1050℃까지 가열한 다음 유지 후 불활성 가스로 급냉시킨다. 다음으로, 템퍼링은 두 단계를 거치게 되는데, 첫번째 단계에서, 냉각 중 온도가 80~100℃가 되면 550~650℃로 가열한 다음 유지하고 상온까지 공냉시키는 단계를 수행하고, 그 후 두 번째 단계로서 상온에서 다시 550~650℃로 가열한 다음 유지하고 공냉하는 과정을 반복하는 과정을 거치게 된다.

이하, 본 발명에 따른 열간 금형강에 대해 구체적인 실시예를 통해서 설명한다.

본 발명에 따른 열간 금형강의 시험용 소재 및 금형 제작에 대해서 설명하면, 각 강의 종류는 진공에서 용해되었고 100kg 주괴로 제작되어 단조, 균질화 열처리, 어닐링 열처리 후 실험용 60X60X120mm 강괴로 절단되었고, 각 열처리 단계를 거친 후 시험 시편으로 가공되었다. 여기서, 금형은 30Ton 대기조괴 및 케스팅 몰드를 통해 주조되었으며, 단조, 균질화 열처리, 어닐링 열처리 후 금형 규모 블록으로 절단되었고, 다이케스팅 및 핫스테핑용 금형으로 가공 후 품질열처리를 실시하였다.

상기의 실시예에 대한 기본 물성에 대해서는 다음과 같다.

온도별 강도에 대해서는 게이지 지름 6.25mm, 게이지 길이 37.5mm 시편을 실험온도로 가열하여 100초 유지 후 10^-3 변형률로 실험 수행하였고, 온도별 충격 인성에서는 U 노치 표준 충격 시험편을 실험 온도로 가열하여 100초 유지 후 샤피 충격 실험 수행하였다. 또한, 온도별 열물성에 대해서는 지름 10mm, 두께 2mm 시료를 실온에서 레이져플레시 방법으로 실험 수행하였다.

여러 가지 사용 목적에 적합한 열간 금형강들에 대해 실시예 1 및 2에 대해서 상세히 설명한다.

강의 다이케스팅에 사용되는 열간 금형강을 제조하기 위해 실험한 결과, 하기 조성을 가진 열간 금형강의 사용이 바람직한 것으로 밝혀졌다.

<실시예 1 성분>

상기와 같은 합금조성을 가지는 실시예 1은 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.32 내지 0.5 중량%, 규소(Si) 0.1 내지 1.0 중량%, 망간(Mn) 0.1 내지 2.0 중량%, 인(P) 0.001 내지 0.006 중량%, 황(S) 0.0001 내지 0.007 중량%, 니켈(Ni) 0.05 내지 0.40 중량%, 크롬(Cr) 0.5 내지 5.5 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.0 내지 2.8 중량%, 붕소(B) 0.0001 내지 0.003 중량%, 바나듐(V) 0.4 내지 1.2 중량%, 니오븀(Nb) 0.01 내지 0.03 중량%, 코발트(Co) 0.01 내지 0.03 중량%, 텅스텐(W) 0.0001 내지 0.01 중량%, 알루미늄(Al) 0.005 내지 0.022 중량% 및 구리(Cu) 0.01 내지 0.05 중량%, 인(P) 0.001 내지 0.006 중량%, 황(S) 0.0001 내지 0.007 중량% 및 티타늄(Ti) 0.01 내지 1.2 중량% 및 질소(N) 0.005 내지 0.06 중량%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 열간 금형강에 대한 구체적인 실시예 조성을 나타낸 것이다. 상기와 같은 조성을 통해서 기존 STD61에 강도 및 인성이 향상되면서도 기존의 열전도도 이상을 유지할 수 있는 합금조성을 나타낸 것이다.

참고로, 상기 비교강1은 상용 STD61의 제품에 대한 분석 및 실험 값이고, 비교강2는 프리미엄 급 STD61의 제품의 분석 및 실험 값이다. 또한, 비교강 3은 유럽에서 생산 개발된 열전도도 향상 목적의 열간 금형강으로 앞서 소개한 특허 문헌 1에 기재된 강이다.

상기 실시예 1에 따른 각 조성에 대한 물성은 하기 표와 같다.

상기 실시예 1에서 특히 개발강 10은 가장 특성이 뛰어난 합금계로서 실제 제품에 적용될 수 있다. 도 1은 상기 개발강 10에 따른 열간 금형강의 풀림 및 소입뜨임 조직 마이크로 사진으로 나타내는 것으로, 상기 도 1에 나타난 조직 사진은 기존 STD61에 비해 개발강 10의 입자 크기가 작고 균질한 조직임을 보여준다. 작은 입자 크기는 높은 강도, 인성을 가지고 있음을 기대할 수 있으며 균질한 조직은 모든 영역에서 동일한 특성을 나타낼 수 있다. 금속에서는 조직을 관찰을 통해서 물성의 양호함을 예측할 수 있는 판단 근거가 되기 때문이다.

도 2 및 3은 개발강 10에 해당하는 특성 데이터로서, 도 2는 열간 금형강의 고온 항복강도, 인장강도 변화 특성 그래프이고, 도 3은 고온 연신율, 단면감소율 변화 특성 그래프를 나타낸다.

상기 실시예 1에 대한 계산값과 직접 실행한 실험값을 하기 표에서 비교한다. 즉, 레이져플레시 법을 이용하여 실제 열 전도도 측정 결과, 시뮬레이션과 거의 일치하는 것으로 확인되었다.

	Thermal conductivity (W/m·K)
	200 o C	400 o C	600 o C
비교강 1	27.33	28.23	28.89
비교강 2	27.35	28.66	29.36
비교강 3	42.9	39.4	35.9
개발강1	32.29	31.66	31.43
개발강10	31.6	31.76	31.4

STD61은 열 전도율이 28 W/mK 정도이고, 특허문헌 2에 소개된 금형강은 일본에서 개발된 열전도도 향상을 위해 개발된 소재로 31 W/mK 정도 값을 나타낸다. 열 전도도 31 W/mK 이라 함은 자동차용 열간금형강 산업에서 기술력을 나타낼 수 있는 높은 값으로 기술적으로 높은 의미가 있는 경우이다.

다음으로, 상기 실시예 1에서의 물성을 유지시키면서 열전도도를 향상시킬 목적으로 합금조성을 배합한 결과는 다음과 같이 실시예 2와 같다.

상기 실시예 2에 해당하는 합금 조성은 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.32 내지 0.5 중량%, 규소(Si) 0.1 내지 1.0 중량%, 망간(Mn) 0.1 내지 2.0 중량%, 인(P) 0.001 내지 0.006 중량%, 황(S) 0.0001 내지 0.007 중량%, 니켈(Ni) 0.05 내지 0.40 중량%, 크롬(Cr) 0.5 내지 5.5 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.0 내지 2.8 중량%, 붕소(B) 0.0001 내지 0.003 중량%, 바나듐(V) 0.4 내지 1.2 중량%, 니오븀(Nb) 0.01 내지 0.03 중량%, 코발트(Co) 0.01 내지 0.03 중량%, 질소(N) 0.005 내지 0.06 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 내지 1.2 중량%, 텅스텐(W) 0.0001 내지 0.01 중량%, 알루미늄(Al) 0.005 내지 0.022 중량% 및 구리(Cu) 0.01 내지 0.05 중량%를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 열간 금형강을 나타낸다.

<실시예 2>

상기 실시예 2에 따른 각 조성에 대한 물성은 하기 표 4와 같다.

	항복강도( MPa )	인장강도 (MPa)	충격인성 (J/Cm 2 )	열전도도 (W/ mK ) at 400 o C	경도 (HRc)
개발강11	1544	1615	35	33.7	48
개발강13	1429	1619	70	32.4	48
개발강15	1294	1520	80	30.6	45
개발강16	1467	1588	24	32.3	48
개발강18	1422	1662	65	33.8	48
개발강19	1320	1545	63	32.6	48

상기 실시예 2 성분을 시뮬레이션으로 열 전도도를 얻은 측정값은 하기 표 5와 같다.

상기 개발강들에 대한 열전도율 시뮬레이션 그래프가 도 4에 나와 있으며, 개발강 11의 경우 가장 우수한 열전도율을 나타내고 있다.

상기 실시예 2 성분을 실험으로 열 전도도를 얻은 측정값은 하기 표 6과 같다.

	Thermal conductivity (W/m·K)
	200 o C	400 o C	600 o C
개발강11	36.0	33.7	32.2
개발강13	33.9	32.4	32.2
개발강15	31.7	30.6	31.2
개발강16	34.5	32.3	31.7
개발강18	34.6	33.8	33.3
개발강19	33.1	32.6	33.0

상기 실제 측정값을 살펴보면 400℃에서 개발강 18에 대한 열전도율이 가장 우수하게 나타난다.

앞서 살펴본 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명에 따른 열간 금형강을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시예 일 뿐, 전술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

본 발명은 자동차 강판 핫 스테핑용 또는 다이캐스팅용 금형강 분야에 적용된다.

Claims (1)

1. 전체 중량에 대하여, 탄소(C) 0.32 내지 0.5 중량%, 규소(Si) 0.1 내지 1.0 중량%, 망간(Mn) 0.1 내지 2.0 중량%, 니켈(Ni) 0.05 내지 0.40 중량%, 크롬(Cr) 0.5 내지 5.5 중량%, 몰리브덴(Mo) 1.0 내지 2.8 중량%, 붕소(B) 0.0001 내지 0.003 중량%, 바나듐(V) 0.4 내지 1.2 중량%, 니오븀(Nb) 0.01 내지 0.03 중량%, 코발트(Co) 0.01 내지 0.03 중량%, 텅스텐(W) 0.0001 내지 0.01 중량%, 알루미늄(Al) 0.005 내지 0.022 중량% 및 구리(Cu) 0.01 내지 0.05 중량%를 포함하고,
   인(P) 0.001 내지 0.006 중량%, 황(S) 0.0001 내지 0.007 중량% 및 티타늄(Ti) 0.01 내지 1.2 중량%를 더 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 열간 금형강.

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