KR20190130979A - 다이캐스트 금형용 강 및 다이캐스트 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 질량％로, 0.16≤C≤0.26, 0.001≤Si≤0.80, 1.20≤Mn≤2.00, 2.41≤Cr≤2.73, 0.48≤Mo≤0.97, 0.003≤V≤0.28, 0.0005≤Al≤0.15, 0.0002≤N≤0.050로 이루어지고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 조성을 갖고, 경도가 26∼43 HRC이고, 레이저 플래시법을 이용하여 측정한 25℃에 있어서의 열전도율 λ[W/m/K]가 27.0≤λ인 다이캐스트 금형에 관한 것이다.

Description

다이캐스트 금형용 강 및 다이캐스트 금형{STEEL FOR DIE-CASTING DIE AND DIE-CASTING DIE}

본 발명은, 이형제(release agent)가 미량 도포되는 다이캐스트에 적합하게 적용될 수 있는 다이캐스트 금형용 강 및 다이캐스트 금형에 관한 것이다.

다이캐스트는, 용융 금속을 캐비티(cavity)(제품 형상을 한 금형의 극간(gap))에 단시간에 압입(press-fitting)하고, 압입된 용융 금속을 응고하여 효율적으로 주물을 제조하는 기술이다. 다이캐스트 제품의 거의 90%는 자동차용으로 이용되며, 다이캐스트는 자동차의 품질의 향상을 계속 유지하고 있다.

다이캐스트 금형의 표면은, 용융 금속과의 접촉에 의한 급가열과, 이형제 도포에 의한 급냉각을 거친다. 이 결과, 금형 표면에는 압축 응력과 인장 응력이 주기적으로 작용하고, 주조 쇼트수가 증가해 가면 「히트 체크(heat check)」라고 불리는 열 피로 균열(thermal fatigue crack)이 금형의 금속 표면에 발생한다.

히트 체크의 경감은 다이캐스트의 중요 과제이다. 그 이유는, 히트 체크가 주조품의 표면에 전사되어(transferred) 제품의 상품 가치를 손상시키고, 히트 체크가 큰 균열(gross crack)(금형을 관통하는 깊은 균열)의 기점이 될 수 있기 때문이다

이형제 도포 시의 냉각이 약할수록, 즉, 이형제 도포 시의 인장 응력이 약할수록 히트 체크가 경감된다. 이 때문에 최근에는 히트 체크의 경감을 목적으로 하여, 이형제의 도포량을 줄이는 「미량 도포」가 행해지는 경향이 있다. 어느 정도의 도포량을 미량으로 취급하는지에 대해서 명확한 규정은 없지만, 이 「미량 도포」는 이형제 도포에 의한 금형 표면에서의 급냉을 회피하기 위해 행해지고 있다.

이형제의 미량 도포에 의해 히트 체크가 발생하기 어렵기 때문에, 종래의 금형에 비해 고온 강도는 덜 중요하다. 따라서 강도를 확보하기 위한 합금 원소가 감소될 수 있고, 또한 금형의 조질 경도(pre-hardened hardness)가 감소될 수 있다. 이러한 「합금 원소의 저감」과「경도 감소」는 금형의 비용 저감에 유효하다.

한편으로, 이형제가 미량 도포되는 다이캐스트에서는, 금형의 보다 높은 온도에 의한 사이클 타임의 연장 및 주조 품질의 열화와 같은 문제가 발생한다. 이는, 도포되는 이형제의 양이 적어, 금형 표면이 그다지 냉각되지 않고 고온으로 유지되고, 압입된 용융 금속의 응고에 시간이 더 걸리고(사이클 타임의 연장), 완만하게 응고한 주조품의 조직이 조대하다(주조 품질의 열화). 이러한 문제를 해결하기 위해서는 금형의 냉각 속도를 빠르게 할 필요가 있고, 금형의 열전도율을 높게 하는 것이 유효하다.

25℃에 있어서의 열전도율을 비교하면, 범용의 다이캐스트 금형용 강 JIS SKD61 강은 약 24W/m/K의 낮은 열전도율을 갖는다. 이에 따라, 약 27W/m/K의 높아진 열전도율을 갖는 고성능 5Cr 강이 개발되고 있다. 그러나, 이 경우에도 열전도율은 여전히 부족한 편이고, 사이클 타임의 연장 및 주조 품질의 열화의 문제는 여전히 충분히 해결되지 않았다.

또한, 수지의 사출 성형 금형에 이용되는 강(이하, 플라스틱형용 강이라고 칭하는 경우가 있음)을, 이형제가 미량 도포되는 다이캐스트의 금형으로 유용(divert)하는 것도 불가능하지는 않다. 그러나 플라스틱형용 강은 지나치게 낮은 고온 강도와 낮은 ?칭성(hardenability)을 가져 페라이트나 베이나이트를 발생시키기 쉽고, 낮은 충격값을 가져 큰 균열을 발생시킬 수 있다. 따라서, 플라스틱형용 강을 다이캐스트 금형으로 적용하는 것은 실제로는 곤란하다.

아래의 특허문헌 1은, 내히트 체크성(heat check resistance)을 향상시키는 합금 원소의 첨가량을 최소화하여, ?칭성과 고열전도성을 중시한 성분 균형을 갖는 다이캐스트 금형용 강을 개시하고 있다. 그러나 특허문헌 1에 개시된 강은, Cr-Mo의 성분 범위가 본 발명과는 상이하다.

일본공개특허공보 2017-43809호

본 발명은 이상과 같은 사정을 배경으로 하여 이루어졌다. 본 발명의 목적은 이형제의 도포에 의한 금형 온도의 저하가 작은 다이캐스트에 적합하게 적용될 수 있고, 다이캐스트 금형의 비용 감소, 다이캐스트 사이클의 단축, 그리고 주조품의 높은 품질을 동시에 달성할 수 있는 다이캐스트 금형용 강 및 다이캐스트 금형을 제공하는 것이다.

상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명자는 강도, 열전도율 및 충격값에 대한 강 성분의 영향을 조사했다. 그 결과, 본 발명자는 C, Si, Mn, Cr, Mo, V 및 N의 함유량이 각각 좁은 범위로 규정될 경우, 상기 문제가 해결될 수 있음을 발견했다. 또한, 본 발명자는 기본 성분에 선택 원소를 첨가함으로써 특성이 더욱 안정화될 수 있음을 확인했다.

본 발명은,

질량％로,

0.16≤C≤0.26,

0.001≤Si≤0.80,

1.20≤Mn≤2.00,

2.41≤Cr≤2.73,

0.48≤Mo≤0.97,

0.003≤V≤0.28,

0.0005≤Al≤0.15,

0.0002≤N≤0.050, 그리고

선택적으로,

Cu≤1.50,

Ni≤1.50,

B≤0.0050,

W≤4.00,

Co≤3.00,

Nb≤0.200,

Ta≤0.200,

Ti≤0.200,

Zr≤0.200,

S≤0.050,

Ca≤0.2000,

Se≤0.50,

Te≤0.100,

Bi≤0.50, 및

Pb≤0.50,

으로 이루어지고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 조성을 갖고,

경도가 26∼43 HRC이고, 레이저 플래시법을 이용하여 측정한 25℃에 있어서의 열전도율 λ[W/m/K]가 27.0≤λ인 다이캐스트 금형용 강을 제공한다.

다이캐스트 금형용 강에 있어서, 이하의 성분이 불가피적 불순물로서 이하의 범위로 함유될 수 있다.

P≤0.050, S≤0.008, Cu≤0.30, Ni≤0.30, W≤0.30, O≤0.05, Co≤0.10, Nb≤0.004, Ta≤0.004, Ti≤0.004, Zr≤0.004, B≤0.0001, Ca≤0.0005, Se≤0.03, Te≤0.005, Bi≤0.01, Pb≤0.03, Mg≤0.02, REM≤0.10 등이다.

본 발명에 따른 다이캐스트 금형용 강은, 질량％로, 0.30＜Cu≤1.50 및 0.30＜Ni≤1.50 중 적어도 1종을 함유할 수 있다.

본 발명에 따른 다이캐스트 금형용 강은, 질량％로, 0.0001＜B≤0.0050을 함유할 수 있다.

본 발명에 따른 다이캐스트 금형용 강은, 질량％로, 0.30＜W≤4.00 및 0.10＜Co≤3.00 중 적어도 1종을 함유할 수 있다.

본 발명에 따른 다이캐스트 금형용 강은, 질량％로, 0.004＜Nb≤0.200, 0.004＜Ta≤0.200, 0.004＜Ti≤0.200, 및 0.004＜Zr≤0.200 중 적어도 1종을 함유할 수 있다.

본 발명에 따른 다이캐스트 금형용 강은, 질량％로, 0.008＜S≤0.050, 0.0005＜Ca≤0.2000, 0.03＜Se≤0.50, 0.005＜Te≤0.100, 0.01＜Bi≤0.50, 및 0.03＜Pb≤0.50 중 적어도 1종을 함유할 수 있다.

또한, 본 발명은, 전술한 다이캐스트 금형용 강으로 이루어진 다이캐스트 금형을 제공한다.

본 발명에 있어서 「금형」은 금형 본체는 물론, 금형 본체에 장착되는 핀과 같은 금형 부품도 포함한다. 또한, 「금형」은 본 발명에 따른 강으로 이루어지고, 표면 처리가 실시된 금형도 포함한다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 이형제의 도포에 의한 금형 온도의 저하가 작은 다이캐스트에 적합하게 적용될 수 있고, 다이캐스트 금형의 비용 감소, 다이캐스트 사이클의 단축, 주조품의 높은 품질을 동시에 달성할 수 있는 다이캐스트 금형용 강 및 이를 이용한 다이캐스트 금형이 제공된다.

도 1은 템퍼링 온도와 템퍼링 경도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는 목표 경도가 얻어지는 템퍼링 온도 폭과 Cr 함유량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 프리하든(pre-hardened) 강재로부터의 금형을 깎아내는(carving out) 가공을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 금형용 강의 연속 냉각 변태를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 페라이트의 석출 억제에 대한 Mo의 효과를 나타내는 도면이다.
도 6은 금형 표면의 온도 추이를 나타내는 도면이다.

본 발명을 이하에 설명한다. 본 명세서에서, 달리 표시하지 않는 한, 각 화학 성분의 값은 질량% 기준으로 표현된다.

범용의 5Cr 다이스강(die steel) SKD61은, 질량%로, 4.50≤Cr≤5.50, 1.00≤Mo≤1.50, 및 0.80≤V≤1.20을 함유한다. 이에 비하여, 본 발명에 따른 강은, 질량%로, 2.41≤Cr≤2.73, 0.48≤Mo≤0.97, 및 0.003≤V≤0.28을 함유한다. SKD61 강에 비해, 본 발명에 따른 강의 희소 금속 함유량은 대폭으로 저감됐다. 고성능 5Cr 다이스강은 질량으로 1.80% 이상의 Mo 함유량을 갖는다. 이와 비교하면, 본 발명에서의 Mo의 저감 효과는 더 커진다.

본 발명에 따른 강에서는, 이러한 저감된 양의 합금 원소를 갖는 성분으로도 페라이트나 베이나이트가 석출하기 어렵게 하기 위해, Mn 함유량을, 질량%로, 5Cr 다이스강의 0.20≤Mn≤1.20보다 높은 1.20≤Mn≤2.00으로 했다. Mn은 염가인 원소이기 때문에, Mn 함유량의 증가에 의한 비용 상승은 매우 제한적이고, Cr, Mo 및 V 함유량을 저감하는 비용 삭감 효과가 현저하다. 또한, 결정 입도(crystal grain size)와 조질 경도의 관점에서, 본 발명에 따른 강의 N 함유량은, SKD61 강과 동등한 0.0002≤N≤0.0500으로 했다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 강에서는, 합금 원소의 양을 저감함으로써 금형용 강의 비용이 내려간다. 또한, 종래 기술에서, 기계 가공은 거친 가공과 정밀 가공으로 나누어져, 두 번 행해지고 있다. 그러나, 소정 경도(26∼43 HRC)로 더욱 조질되는 본 발명에 따른 강에서는, 기계 가공은 한번에 실시될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 강에서는, 종래의 거친 기계 가공, ?칭 및 템퍼링은 불필요하며, 이들 공정의 생략에 의해 금형의 비용이 더욱 내려간다. 또한 ?칭 시의 갈라짐이나 변형의 문제가 없기 때문에, 그러한 문제에 의한 금형의 재제작도 불필요하다. 이 점에서, 금형의 비용은 더욱 내려간다. 전술한 내용에 관하여, 금형의 제조 공정을 비교하면 이하와 같다. 종래의 제조 공정에서는, 금형 소재(어닐링 상태)는, 드릴 가공, 1차 기계 가공(거침), ?칭 및 템퍼링(43∼52 HRC), 및 2차 기계 가공(정밀)을 거친다. 이에 비해, 본 발명의 제조 공정에서는, 금형 소재(26∼43 HRC)는, 드릴 가공 및 기계 가공(일괄)을 거친다.

43 HRC의 조질재의 25℃에 있어서의 열전도율은, SKD61 강이 약 23∼24W/m/K, 고열전도율 타입의 5Cr계 다이스강이 약 27W/m/K이다. 이에 비하여, 본 발명에 따른 강의 25℃에 있어서의 열전도율은 27W/m/K만큼 높다. 매트릭스(matrix) 중에 고용된 원소와, 탄화물, 질화물 또는 탄질화물로서 석출된 원소의 균형을 적정화하여, 이와 같이 높은 열전도율이 얻어진다. 본 발명에 따른 강이, 이형제 도포에 의한 금형 온도의 저하가 작은 다이캐스트에 적용되는 경우, 금형은 충분한 내히트 체크성을 갖고, 또한 다이캐스트의 사이클을 단축하고, 주조품의 높은 품질을 달성하는 것도 가능하다.

본 명세서에서 인용된 JIS 규격은 최신 정보(2018년 5월 25일자)에 기초한다.

다음, 본 발명에서 화학 성분 등을 한정하는 이유를 이하에 설명한다. 본 발명에 따른 다이캐스트 금형용 강은 필수 성분으로서 C, Si, Mn, Cr, Mo, V, Al, N 및 Fe를 함유한다. 이하에 설명한 화학 성분 중, 필수 원소 외의 성분은 선택이다. 달리 표시하지 않는 한, 각 화학 성분의 값은 질량% 기준으로 표현된다.

0.16≤C≤0.26:

C 함유량이 0.16 미만인 경우, 템퍼링 온도가 높은 경우에 26 HRC 이상의 경도를 안정적으로 얻기 어렵다. 본 발명이 분말의 적층 조형(additive manufacturing)에 적용된 경우에도, 26 HRC 이상의 경도를 얻기 어렵다. 또한, 용융 알루미늄 합금에 대한 내식성이 현저하게 열화한다. 한편, C 함유량이 0.26 초과인 경우, 용접성이 저하한다. 또한 열전도율도 크게 열화한다. 바람직한 C 함유량의 범위는, 0.17≤C≤0.25이고, 보다 바람직하게는 0.18≤C≤0.24이다.

0.001≤Si≤0.80:

Si 함유량이 0.001 미만인 경우, 기계 가공 시의 피삭성(machinability)이 현저하게 열화한다. 또한 템퍼링 온도가 높은 경우에 26 HRC 이상의 경도를 안정적으로 얻기 어렵다. 한편, Si 함유량이 0.80 초과인 경우, 열전도율과 충격값 모두 크게 열화한다. 바람직한 Si의 범위는, 0.005≤Si≤0.70이고, 보다 바람직하게는 0.010≤Si≤0.60이다.

하기의 표 1은, 25℃에서의 열전도율에 미치는 Si 함유량의 영향을 나타낸다.

0.26C-1.67Mn-2.41Cr-0.73Mo-0.16V-0.0084N을 기본 성분으로 함유하고, Si 함유량을 변화시킨 강재를 이용하여, 이 강재를 ?칭 후에 36 HRC로 템퍼링했다. 이 템퍼링재의 25℃에 있어서의 열전도율을 레이저 플래시법에 의해 측정했다.

표 1에서 나타낸 바와 같이, Si 함유량이 0.8％인 경우, 열전도율 λ는 27W/m/K이고, Si 함유량이 0.80 초과인 경우, λ는 27 미만이다. 이것이 Si 함유량의 상한을 0.8％로 규정하는 하나의 이유이다.

1.20≤Mn≤2.00:

Mn 함유량이 1.20 미만인 경우, ?칭성이 부족하여, 페라이트의 혼입에 의한 경도 부족이나, 베이나이트의 혼입에 의한 인성의 저하를 초래한다. 한편, Mn 함유량이 2.00 초과인 경우, 어닐링성이 매우 열화하고, 어닐링이 실시된 경우에 연질화시키는 열처리가 복잡하고 또한 장시간이 되어 제조 비용의 증가를 초래한다. 또한, Mn 함유량이 2.00 초과인 경우, 열전도율이 크게 열화한다. 또한, 템퍼링 온도가 높은 경우에, 충격값이 열화한다. 이는 특히 Si나 P의 함유량이 많은 경우에 현저하다.

바람직한 Mn 함유량의 범위는, 1.30≤Mn≤1.95이고, 보다 바람직하게는 1.40≤Mn≤1.90이다.

하기의 표 2는, 25℃에서의 열전도율에 미치는 Mn량의 영향을 나타낸다.

0.26C-0.60Si-2.73Cr-0.73Mo-0.16V-0.0084N을 기본 성분으로 함유하고, Mn 함유량을 변화시킨 강재를 이용하여, 이 강재를 ?칭 후에 36 HRC로 템퍼링했다. 이 템퍼링재의 25℃에 있어서의 열전도율을 레이저 플래시법에 의해 측정했다.

표 2에서 나타낸 바와 같이, Mn 함유량이 2.00％인 경우, 열전도율 λ는 27W/m/K이고, Mn 함유량이 2.00 초과인 경우, λ는 27 미만이다. 이것이 Mn 함유량의 상한을 2.00％로 규정하는 하나의 이유이다.

2.41≤Cr≤2.73:

Cr 함유량이 2.41 미만인 경우, 고온 강도가 낮다. 또한 ?칭성이 부족하여, 페라이트의 혼입에 의한 경도 부족과, 베이나이트의 혼입에 의한 인성의 저하를 초래한다. 또한 내식성이 극단적으로 나빠, 금형 내부의 수냉공이 현저하게 녹슨다. 한편, Cr 함유량이 2.73 초과인 경우, 열전도율이 크게 열화한다. 또한, 템퍼링 경도의 온도 의존성이 커져, 소재 단면 내의 전체 부위의 경도가 좁은 범위에 들어가는 것이 곤란해진다. 바람직한 Cr 함유량의 범위는, 2.43≤Cr≤2.70이고, 보다 바람직하게는 2.45≤Cr≤2.68이다.

하기의 표 3은, 25℃에서의 열전도율에 미치는 Cr 함유량의 영향을 나타낸다.

0.26C-0.65Si-1.76Mn-0.73Mo-0.16V-0.0084N을 기본 성분으로 함유하고, Cr 함유량을 변화시킨 강재를 이용하여, ?칭 후에 36 HRC로 템퍼링했다. 이 템퍼링재의 25℃에 있어서의 열전도율을 레이저 플래시법에 의해 측정했다.

표 3에 나타낸 바와 같이, Cr 함유량이 2.73％인 경우, 열전도율 λ는 27W/m/K이고, Cr 함유량이 2.73 초과인 경우, λ는 27 미만이다. 이것이 Cr 함유량의 상한을 2.73％로 규정하는 하나의 이유이다.

Cr 함유량의 상한은, ?칭 경도의 용이한 조정도 고려하여 정했다. ?칭 소재의 사이즈는 작은 것에서 큰 것까지 여러 가지이다. ?칭 속도는, 작은 소재에서 높고(급냉), 큰 소재에서 낮다(완냉). 또한 ?칭 속도는, 소재의 표면에서 높고(급냉), 소재의 내부에서 낮다(완냉). 따라서, ?칭의 속도가 급냉과 완냉으로 상이한 경우, 동일 조건에서 템퍼링이 실시되더라도 템퍼링 경도가 상이해진다. 이는, 급냉으로 얻어지는 마르텐사이트와 완냉으로 얻어지는 베이나이트에서는 템퍼링 연화 저항(temper-softening resistance)이 상이하기 때문이다. 그 일 예를 도 1에 나타낸다.

여기에서 중요한 파라미터는, ?칭 속도에 의하지 않고 목표 경도 33∼37 HRC가 얻어질 수 있는 「온도 폭」이다(도 1 참조). 일반적으로, 이 「온도 폭」은 극단적으로 넓지는 않기 때문에, ?칭 속도가 상이한 소재가 템퍼링되는 경우에, 모든 제품의 단면 내 전체 부위가 목표 경도에 들어가는 것이 어렵다.

또한, 템퍼링로(tempering furnace) 내의 온도 변동과 노(furnace) 내의 위치 차이에 의한 온도차도 경도가 목표 경도에 들어가는 것을 어렵게 하는 중요한 요인이다. 통상, 소정 온도로 유지되는 경향이 있는 노의 온도는, 시간에 따라 완전하게 일정하지 않고, 약 ±5℃의 변동이 있다. 즉, 최저 온도와 최고 온도 사이에서 약 10℃의 차이가 발생된다. 또한, 노 내의 위치 차이(중앙 또는 코너)에 의해 5∼15℃의 온도 차이가 발생될 수 있다.

이상의 경위로부터, 상이한 ?칭 속도와 사이즈를 갖는 모든 제품의 경도가 목표 경도 범위에 들어가기 위해서는, 15℃ 이상의 「온도 폭」을 갖는 강이 바람직하다고 할 수 있다. 도 2는, 온도 폭과 강재의 Cr 함유량의 상관을 나타내며, Cr 함유량이 약 2.73 이하인 경우, 온도 폭이 15℃ 이상이 되는 것을 알 수 있다. 이것이 Cr 함유량의 상한을 2.73％로 규정하는 다른 이유이다.

0.48≤Mo≤0.97:

Mo 함유량이 0.48 미만인 경우, 2차 경화는 경도에 대해 작은 기여만을 갖고, 템퍼링 온도가 높은 경우에 26 HRC 이상의 고경도를 안정적으로 얻는 것이 어렵다. 또한, Mo 함유량이 0.48 미만인 경우, ?칭성이 부족하여, 페라이트의 혼입에 의한 경도 부족과, 베이나이트의 혼입에 의한 인성의 저하를 초래한다. 한편, Mo 함유량이 0.97 초과인 경우, 충격값과 파괴 인성이 열화하고, 금형에 큰 균열이 발생하는 위험성이 증가한다. 또한 소재 비용도 현저하게 증가한다. 바람직한 Mo의 범위는, 0.50≤Mo≤0.95이고, 보다 바람직하게는 0.52≤Mo≤0.90이다.

한편, 본 발명에 따른 강은 「프리하든 강재」에 해당한다. 이는 ?칭 및 템퍼링에 의해, 직접적인 일괄 가공이 실시될 수 있는 26∼43 HRC의 낮은 경도를 갖도록 조질(프리하든)된 강재이다. 예를 들면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 금형 유저는, 강재(10)로부터 금형(20)을 깎아내고, 형상을, 강재(10)의 내부(10a)가 금형(20)의 표면으로서 노출되도록 한다.

도 4에 나타낸 바와 같이, ?칭에 있어서, ?칭 속도가 낮은 강재(10)의 내부(10a)는, ?칭 속도가 높은 강재(10)의 표면측(예를 들면, 도 3의 코너부(10b))보다도 페라이트를 석출할 가능성이 더 높다. 강재(10)의 내부(10a)에 페라이트가 석출되면, 전술한 바와 같이, 기계 가공에 의해 그 부분이 금형 표면으로서 노출될 수 있다. 이 상태로 다이캐스트가 실시되면, 페라이트는 낮은 강도를 갖기 때문에 페라이트가 석출되는 부분에서 균열이 용이하게 발생하여, 금형 수명이 현저하게 짧아진다. 따라서 본 발명에 따른 프리하든강은, 낮은 ?칭 속도를 갖는 강재 내부에서도 페라이트가 석출되지 않는 ?칭성을 가질 필요가 있다.

일반적으로 대형 강재의 내부에서, ?칭 속도는 약 9℃/min까지 저하하기 때문에, 9℃/min의 속도에서도 페라이트의 석출을 방지할 필요가 있다. Mo의 첨가는 페라이트의 석출 억제에 효과적이고, 이를 도 5에 나타낸다.

여기에서는, 0.16C-0.2Si-1.35Mn-2.41Cr-0.19V-0.0092N을 기본 성분으로 함유하고, Mo 함유량을 변화시킨 강재를 이용하여, 페라이트가 석출되는 ?칭 속도를 조사했다. 도 5에 있어서, 「○」는 페라이트가 석출되지 않음, 「×」는 페라이트가 석출됨을 의미한다. 당연히 「○」가 바람직하다. Mo 함유량이 0.48 이상인 경우, 2℃/min의 ?칭 속도에서도 결과는 「○」였다. 따라서, 본 발명에서 Mo 함유량은 0.48% 이상으로 규정된다.

0.003≤V≤0.28:

V 함유량이 0.003 미만인 경우, 질화물이나 탄질화물이 감소하여, 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제하는 효과가 부족하고, 조립화(coarsening of grains)에 의해 충격값의 열화를 초래한다. 또한 2차 경화의 경도에 대한 기여가 작고, 템퍼링 온도가 높은 경우에 26 HRC 이상의 높은 경도를 안정적으로 얻는 것이 곤란해진다. 한편, V 함유량이 0.28 초과인 경우, 비용이 현저하게 증가한다. 또한 조대한 질화물이나 탄질화물이 증가하고, 그것이 균열의 기점이 되기 때문에 충격값이나 피로 강도가 열화한다. 바람직한 V 함유량의 범위는 0.008≤V≤0.27이고, 보다 바람직하게는 0.01≤V≤0.25이다.

0.0005≤Al≤0.15:

Al 함유량이 0.0005 미만인 경우, AlN이 적어지기 때문에, 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제하는 효과가 부족하고, 조립화에 의해 충격값의 열화를 초래한다. 따라서, 표면 처리에 질화물이 이용된 경우에, 표층의 경화가 불충분해지기 쉽다. 한편, Al 함유량이 0.15 초과인 경우, 열전도율이 열화한다. 또한 Al의 산화물이 증가하고, 그것이 균열의 기점이 되기 때문에 충격값과 피로 강도가 열화한다. 바람직한 Al 함유량의 범위는, 0.0008≤Al≤0.13이고, 보다 바람직하게는 0.001≤Al≤0.11이다.

0.0002≤N≤0.050:

N 함유량이 0.0002 미만인 경우, 질화물이나 탄질화물이 감소하여, 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제하는 효과가 부족하고, 조립화에 의한 충격값의 열화를 초래한다. 한편, N 함유량이 0.050 초과인 경우, N 첨가에 필요로 하는 정련의 시간과 비용이 증가하여, 소재 비용의 상승을 초래한다. 또한, 조대한 질화물과 탄질화물이 증가하고, 그것이 균열의 기점이 되기 때문에 충격값과 피로 강도가 열화한다. 바람직한 N 함유량의 범위는, 다양한 특성의 우수한 균형의 관점에서, 0.0008≤N≤0.040이고, 보다 바람직하게는 0.0012≤N≤0.030이다.

열전도율 λ[W/m/K]는 27.0 이상.

제품을 빠르게 냉각하고, 열 응력에 의한 금형 손상을 경감하기 위해, 금형의 열전도율을 높일 필요가 있다. 다이캐스트 등에 이용되는 범용강 SKD61은 25℃에 있어서 약 24W/m/K의 열전도율 λ를 갖는다. 제품을 빠르게 냉각하고, 금형 손상을 경감하려면, 열전도율 λ는 27W/m/K 이상일 필요가 있고, 더욱 바람직하게는 28W/m/K 이상이다. 열전도율 λ의 상한은 특별히 한정되지 않으나, 열전도율이 증가하여 44W/m/K를 초과하면, 효과는 실익 없이 포화한다.

경도는 26∼43 HRC.

금형에는, 우수한 내마모성과 내변형성이 요구된다. 그 때문에, 금형에는 경도가 중요하다. 경도가 26 HRC 이상이면, 금형이 이형제의 도포에 의한 금형 온도의 저하가 작은 다이캐스트에 적용된 경우, 마모와 변형의 문제는 일어나기 어렵다. 경도는 바람직하게 27 HRC 이상이다. 한편, 경도가 지나치게 높으면, 강재로부터 금형을 깎아내기 매우 곤란해진다. 그 때문에, 경도는 43 HRC 이하로 할 필요가 있다.

본 발명에 따른 강은, 다이캐스트 금형의 범용강인 SKD61 강과 비교하여 Mn 및 Cr 함유량의 합계량이 적다. 이 때문에 본 발명강은 ?칭성이 그다지 높지 않다. ?칭성의 향상에는, Cu나 Ni의 첨가가 유효하다. 구체적으로는, 0.30＜Cu≤1.50 및 0.30＜Ni≤1.50 중 적어도 1종을 함유하는 것이 바람직하다.

이들 원소는 페라이트 노즈(nose)뿐만 아니라, 베이나이트 노즈도 장시간측으로 시프트시켜, 안정적으로 ?칭성을 높인다.

Cu는 용질 견인(solute drag) 효과에 의해 ?칭 시의 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하는 효과도 갖는다. 그러나 과잉의 Cu 함유량의 경우, 열간 가공 시의 균열과 비용 증가가 문제가 된다. 과잉의 Ni 함유량의 경우, 비용 증가가 문제가 된다.

?칭성의 개선 대책으로서 B의 첨가도 유효하다. 구체적으로는, 0.0001＜B≤0.0050을 함유하는 것이 바람직하다.

B는 미량 첨가로 페라이트 노즈를 장시간측으로 시프트시키는 큰 효과를 갖는다. 한편, B의 첨가는 베이나이트 노즈의 위치에는 그다지 영향을 주지 않는다.

B가 BN을 형성하는 경우, ?칭성의 향상 효과가 없어진다. 따라서, B는 강 중에 단독으로 존재해야 한다. 구체적으로는, B보다 N과의 친화력이 더 강한 원소로 질화물을 형성시켜, B와 N의 결합을 방지함으로써 달성될 수 있다. 그러한 원소의 예는, Nb, Ta, Ti 및 Zr을 포함한다. 이들 원소는 불순물 레벨의 함유량으로 존재해도 N을 고정하는 효과를 갖지만, 이들 원소는 N 함유량에 따라서는 후술하는 각각의 범위로 첨가될 수 있다.

B가 강 중의 N과 결합하여 BN을 형성해도, 잉여의 B가 강 중에 단독으로 존재하면 잉여의 B가 ?칭성을 높인다. B는 또한 피삭성의 개선에도 유효하다. 피삭성을 개선하는 경우에는 BN이 형성되도록 한다. BN은 흑연과 유사한 성질을 갖고, 절삭 저항을 감소시키고, 추가적으로 칩 파쇄성(chip breakability)을 개선한다. 강 중에 B와 BN이 존재하는 경우에는, ?칭성과 피삭성이 동시에 개선된다.

본 발명에 따른 강은, 다이캐스트 금형의 범용강인 SKD61 강과 비교하여 적은 함유량의 Cr, Mo 및 V를 갖는다. 이 때문에 본 발명에 따른 강은, 고온 강도가 그다지 높지 않다. 고온 강도의 확보에는, W나 Co의 선택적인 첨가가 유효하다. 구체적으로는, 0.30＜W≤4.00 및 0.10＜Co≤3.00 중 적어도 1종을 함유하는 것이 바람직하다.

W는 탄화물의 석출에 의해 강도를 올린다. Co는 매트릭스로의 고용에 의해 강도를 올림과 동시에, 탄화물 형태의 변화를 통하여 석출 경화에도 기여한다. 또한, 이들 원소는 용질 견인 효과에 의해 ?칭 시의 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하는 효과도 갖는다. 그러나, 어느 원소도 각각의 소정의 함유량을 초과하면, 특성이 포화하고 비용이 현저하게 증가한다.

?칭 시의 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하기 위해서는, Nb, Ta, Ti 및 Zr의 선택적인 첨가도 유효하다. 구체적으로는, 0.004＜Nb≤0.200, 0.004＜Ta≤0.200, 0.004＜Ti≤0.200 및 0.004＜Zr≤0.200 중 적어도 1종을 함유하는 것이 바람직하다. 이들 원소와의 결합에 의해 생성된 탄화물이나 탄질화물은 오스테나이트 결정립계의 이동을 억제한다. 그러나, 어느 원소도 각각의 소정의 함유량을 초과하면, 탄화물, 질화물 또는 산화물이 과도하게 생성되고, 그것이 금형의 균열의 기점이 된다.

본 발명에 따른 강은, 다이캐스트 금형의 범용강인 SKD61 강과 비교하여 적은 Si 함유량을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 강은 피삭성이 그다지 높지 않다. 피삭성의 개선에는, S, Ca, Se, Te, Bi, 및 Pb의 선택적인 첨가도 유효하다. 구체적으로는, 0.0080＜S≤0.0500, 0.0005＜Ca≤0.2000, 0.03＜Se≤0.50, 0.005＜Te≤0.100, 0.01＜Bi≤0.50, 및 0.03＜Pb≤0.50 중 적어도 1종을 함유하는 것이 바람직하다. 어느 원소도, 각각의 소정의 함유량을 초과한 경우는 열간 가공성과 충격값이 크게 열화한다.

[실시예]

하기의 표 4에 나타낸 발명강 16종 및 비교강 5종(합계 21 강종)에 대해서 소재 비용 및 특성을 평가했다. 비교강 1은 JIS SCM420 강이다. 다이캐스트 금형에는 일반적으로 사용되지 않지만, Cr-Mo계 재료의 대표로서 비교강 1을 평가에 더했다. 비교강 2는 3Cr계의 JIS SKD7 강이다. 비교강 3은 다이캐스트 금형용의 범용강 JIS SKD61이다. 비교강 4는 다이캐스트 금형용의 고성능강(시판품)이다. 비교강 5는, 다른 비교강보다도 본 발명에 가까운 강종이다.

소재 비용에 대한 평가:

소재 비용은 비용에 직결되는 Cr＋Mo＋V의 양으로 평가했다. Cr＋Mo＋V의 양이 2.0 미만인 경우를 「A」, 2.0∼5.0 미만인 경우를 「B」로 소재 비용을 평가했다. 한편, 그 양이 SKD61 강(비교강 3)과 대략 동등 혹은 이보다 많은 5.0 이상인 경우를 「C」로 소재 비용을 평가했다.

그 결과를 하기의 표 5에 나타낸다. 본 발명에 따른 강은, 다이캐스트 금형용의 범용강 JIS SKD61(비교강 3)과 비교하여, 소재 비용에서 이점을 갖는 것을 알 수 있다.

특성의 평가는, 소량의 용해재(molten material)에 대한 각종의 기초 특성과 공업 사이즈의 소재를 이용하는 다이캐스트 시험에 대해 실시했다.

먼저, 소량의 용해재에 대한 각종의 기초 특성에 대해서 설명한다. 용강을 150㎏의 잉곳에 주입한 후, 1,240℃에서 24시간 동안 균질화했다. 다음, 소재를 열간 단조에 의해 60㎜×45㎜의 직사각형 단면을 갖는 봉 형상으로 성형했다. 계속해서 소재를 1,020℃로 가열하고 실온으로 냉각하여 노말라이징을 실시하고, 690℃에서 12시간 유지하여 템퍼링을 실시했다. 이 템퍼링재로부터 시험편을 준비하여 평가를 행했다.

?칭 시의 페라이트 석출에 대한 평가:

직경 4㎜×길이 10㎜의 외형을 갖는 시험편을 상기 준비한 소재로부터 잘라내고, 얻어진 시험편을 ?칭 온도로 가열하고, 60분 유지 후에 12℃/min의 냉각 속도로 100℃ 이하로 냉각했다. ?칭 온도는 발명강 16종과 비교강 1 및 5는 900℃, 비교강 2∼4는 1,030℃이다.

12℃/min의 냉각 속도는, 폭 530㎜×두께 250㎜×길이 650㎜를 갖는 강재를 에어 블라스트(air blast)로 ?칭 시, 냉각 속도가 가장 느려지는 중심부의 고온역에 있어서의 냉각 속도에 상당한다. 냉각 후, 시험편을 절단하고, 얻어진 단면을 부식하여 조직을 관찰하고, 페라이트상(phase)의 유무를 확인했다. 페라이트상의 발생이 관찰되지 않은 경우를 「B」, 페라이트상의 발생이 관찰된 경우를 「C」로 페라이트 석출을 평가했다.

결과를 표 5에 나타낸다. 비교강 1 및 5에서 페라이트가 석출되었다. 페라이트의 양은 현저하게 부족한 ?칭성을 가진 비교강 1에서 매우 많았다. 비교강 5의 페라이트의 양도 금형으로 성형된 경우에 악영향을 미치는 레벨이다. 비교강 1 및 5는 대단면을 갖는 프리하든 강재에 적합하지 않는 것이 분명했다. 비교강 1 또는 5를 대단면에서 프리하든 ?칭하는 경우, 내부에 페라이트가 석출된다. 이러한 프리하든 강재로부터 금형을 파냈을 때, 페라이트가 석출되는 부분은 금형의 의장면(design surface)(주조에서 용융 금속과 접촉하는 면)이 되어, 페라이트가 석출되는 부분을 기점으로 하여 히트 체크가 조기에 발생할 것이다.

다른 강은 페라이트를 갖지 않으며, 대단면을 갖는 프리하든 강재에 적합한 ?칭성을 갖는 것을 알 수 있다. 이하의 평가에서는, 대단면을 갖는 프리하든 강재에 적합하지 않는 비교강 1 및 5를 평가 대상으로부터 제외했다.

템퍼링 경도에 대한 평가:

전술한 준비된 소재로부터 15㎜×15㎜×20㎜의 소블록을 잘라내고, 얻어진 소블럭을 ?칭 온도로 가열하고, 60분 유지 후에 12℃/min의 냉각 속도로 100℃ 이하까지 냉각했다. ?칭 온도는 발명강 16종은 900℃, 비교강 2∼4는 1,030℃이다. 또한, 소블록을 620℃에서 2시간 유지한 후에 실온까지 냉각하여 템퍼링을 실시하고, 템퍼링된 소블럭의 HRC 경도를 측정했다.

결과를 표 5에 나타낸다. 모든 강종(더 평가하지 않는 비교강 1 및 5를 제외함)은 프리하든 강재에 적합한 34 HRC 이상의 경도를 갖는다. 즉, 템퍼링을 더 높은 온도에서, 더 긴 시간 동안 실시해도, 26 HRC 이상의 경도가 얻어질 수 있다. 물론 템퍼링을 더 낮은 온도에서, 더 짧은 시간 동안 실시하면, 43 HRC와 같은 높은 경도가 얻어질 수 있다. 발명강은 템퍼링 조건의 조정으로 26∼43 HRC의 경도를 가질 수 있다.

열전도율에 대한 평가:

상기 템퍼링한 소블록에 여러 가지 조건에서 추가의 템퍼링을 실시하여, 34 HRC의 경도를 갖도록 조질했다. 이 소블록으로부터 열전도율을 측정하기 위한 직경 10㎜×두께 2㎜의 형상의 시험편을 준비했다. 이 시험편의 25℃에 있어서의 열전도율을 레이저 플래시법에 의해 측정했다. 금형 수명의 증가와 주조 품질의 향상의 관점에서, 열전도율은 높을수록 바람직하다. 열전도율[W/m/K]의 값이 32를 초과한 경우를 「A」, 값이 27 초과 32 이하인 경우를 「B」, 값이 24 초과 27 이하인 경우를 「C」, 값이 24 이하인 경우를 「D」로 열전도율을 평가했다.

결과를 표 5에 나타낸다. 표에, 이들 A, B, C, D의 평가와 아울러, 실제로 측정된 열전도율[W/m/K] 값을 괄호 안에 나타낸다.

다이캐스트 금형용의 기존강인 비교강 3 및 4는 낮은 열전도율을 가졌다. 특히, 높은 Si 함유량의 비교강 3의 열전도율은 24W/m/K에 이르지 못했다. 이에 비하여, 발명강은 대략 30∼44W/m/K의 높은 열전도율을 가졌다.

충격값에 대한 평가:

상기 준비된 소재로부터 11㎜×11㎜×55㎜의 각봉(square bar)을 잘라내고, 얻어진 각봉을 ?칭 온도로 가열하고, 60분 유지 후에 12℃/min의 냉각 속도로 100℃ 이하로 냉각했다. ?칭 온도는, 발명강 16종은 900℃, 비교강 2∼4가 1,030℃이다. 또한, 각봉이 34 HRC의 경도를 갖도록 여러 가지 템퍼링 조건에서 조질했다. 그 후 각봉을 10㎜×10㎜×55㎜의 충격 시험편(U 노치 바닥 반경: 1㎜, 노치 아래 높이: 8㎜, 노치 아래 단면적: 0.8㎠)으로 가공했다. 충격값은 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지[J]를 시험편의 단면적(0.8㎠)으로 나눠 얻어진 값을 의미한다. 실온에서의 충격값을 시험편 10개의 평균값으로 평가했다.

충격값이 70J/㎠ 이상인 경우, 금형 설계에 문제가 없는 한, 큰 균열은 거의 발생하지 않는다. 따라서, 평균값으로 평가한 충격값[J/㎠]이 70 이상인 경우를 「B」, 충격값이 60 이상 70 미만인 경우를 「C」, 충격값이 60 미만인 경우를 「D」로 충격값을 평가했다.

결과를 표 5에 나타낸다. 표에, 이들 B, C, D의 평가와 아울러, 실제로 측정된 충격값[J/㎠]을 괄호 안에 나타낸다.

비교강 2에서는, ?칭성을 높이는 Mn＋Cr의 양이 적고, 또한 인성을 저하시키는 Mo가 약 3％로 많기 때문에 충격값이 낮았다. 비교강 3은 극단적으로 낮은 충격값을 갖지는 않았으나, 충격값이 70J/㎠를 초과하지 않아 큰 균열의 발생의 우려가 있다. 이에 비하여, 발명강들은 83J/㎠ 이상의 높은 충격값을 가졌다.

드릴 피삭성에 대한 평가:

상기 준비된 소재로부터 40㎜×55㎜×200㎜의 블록을 잘라내고, 블록을 ?칭 온도로 가열하고, 60분 유지 후에 12℃/min의 냉각 속도로 100℃ 이하까지 냉각했다. ?칭 온도는 발명강 16종은 900℃, 비교강 2∼4는 1,030℃이다. 또한, 블록을 34 HRC의 경도를 갖도록 여러 가지 템퍼링 조건에서 조질했다.

이 블록에 깊이 20㎜의 구멍을, 직경 5㎜의 하이스강(high-speed steel) 드릴로 뚫고, 드릴이 부러진 시점을 드릴 수명으로 취급했다. 이 드릴 수명을, 속도를 달리하여 평가했다. 구멍의 누적 깊이가 1,000㎜(즉, 구멍 50개)가 되는 구멍 뚫기 속도를 구하고, 이 속도를 VL 1000으로서 드릴 피삭성의 지표로 했다.

VL 1000은 가공 효율을 나타내며, VL 1000의 값이 30 초과인 경우를 「A」, 값이 23 초과 30 이하인 경우를 「B」, 값이 21 초과 23 이하인 경우를 「C」, 값이 21 이하인 경우를 「D」로 드릴 피삭성을 평가했다.

결과를 표 5에 나타낸다. 표에, 이들 A, B, C, D의 평가와 아울러, 실제로 측정된 VL 1000의 값도 괄호 안에 나타난다.

각 발명강은, 24m/min 이상으로 큰 VL 1000 값을 가졌고, 피삭성이 우수했다. 특히 S를 함유하는 발명강 16은 피삭성이 우수했다. 발명강으로 이루어진 금형을 기계 가공할 때, 동일 경도의 기존강과 비교하여 절삭 공구의 수명이 극단적으로 짧아질 일은 없다고 생각된다. 비교강 4는, 고온 강도를 높이는 다량의 Cr＋Mo 때문에 피삭성이 나빴다.

전술한 5개의 기초 특성을 확인한 후, 공업 사이즈의 소재를 이용한 다이캐스트 시험으로 실용 성능을 평가했다. 평가 대상은, 표 4에 있어서의 19 강종(비교강 1 및 5를 제외함)이다. 이들 강의 용강을 10ton의 잉곳에 각각 주입했다. 이들 잉곳을 각각 1,240℃에서 24시간 유지하여 균질화 후, 단조로 570㎜×270㎜의 직사각형 단면의 형상으로 성형했다. 이 단조재를 성분에 따른 ?칭 온도로 가열하고(발명강 16종은 900℃, 비교강 2∼4는 1,030℃), 60℃의 탕 중에 침지하여(immersed) ?칭했다. 계속해서, 이 ?칭재를 34 HRC의 경도를 갖도록 성분에 따른 템퍼링 조건에서 조질하여 프리하든 강재를 얻었다.

내히트 체크성에 대한 평가:

상기 프리하든 강재의 내부(중심 부근)로부터, 가동형 금형과 고정형 금형을 포함하는 한 쌍의 다이캐스트 금형을 제작하고, 이 금형을 135ton의 클램핑력을 갖는 다이캐스트 머신에 조입하여(incorporated), 주조 테스트로서 질량 600g의 주조품을 5,000쇼트(shot) 주조했을 때의 금형의 히트 체크를 평가했다. 용탕은 700℃의 ADC 12였다. 히트 체크 억제를 위해, 이형제의 도포량을 적게 했다. 수용성 이형제를 이용하여, 사이클당 3cc를 미스트(mist) 형상으로 도포했다. 도포량 3cc는, 노즐 1개당 도포량이 아니라, 모든 노즐로부터, 한 쌍의 금형의 의장면에 도포되는 이형제의 양의 합계를 가리킨다.

이와 같이 이형제의 도포량이 적기 때문에, 서모 뷰어(thermo-viewer)에 의한 최표면(outmost surface) 온도의 평가에서, 정상 상태에 있어서, 금형 온도는, 용탕과 접촉하는 금형 표면의 최저 도달 온도(이형제의 도포 후)가 201℃ 이상인 고온 영역에서 유지되었다.

금형 표면의 온도 추이를 도 6에 나타낸다. 이 그래프는 장입한(loaded) 열전대(thermocouple)에 의해 얻어진, 표면으로부터 깊이 1㎜에서의 온도를 나타낸다. 가늘고 꿰뚫는 핀을 사용했기 때문에 온도는 대략 7번째 쇼트에서 빠르게 정상 상태(최고 온도와 최저 온도 모두 각각의 특정 값에 수렴하는 상태)에 도달했다. 7쇼트 이후의 정상 상태에 있어서, 최저 도달 온도는 200℃를 초과했다. 이형제의 도포량이 많은 통상의 다이캐스트에서는, 용탕과 접촉하는 금형 표면의 최저 도달 온도가 정상 상태에서 150℃ 미만의 저온이 되는 것은 드물지 않다.

금형 표면에는 볼록부가 있고, 응력 집중부가 되는 볼록부의 기부(base)에 히트 체크가 발생했는지를 평가했다. 히트 체크 발생의 판정은, 금형에 침투 탐상 검사(penetrating inspection)를 실시함과 동시에, 단조품으로의 히트 체크의 전사를 촉진하여 행했다. 히트 체크의 발생이 관찰되지 않은 경우를 「A」, 발생이 경미한 경우를 「B」, 발생이 상당히 부각되지만, 제품으로의 악영향은 없는 경우를 「C」, 손상이 현저하고 제품으로의 전사가 문제가 되는 레벨을 「D」로 내히트 체크성을 평가했다.

결과를 표 5에 나타낸다. 히트 체크의 발생은 비교강 3 및 4에서 현저했고, 특히, 낮은 열전도율을 갖는 비교강 3은 현저하게 손상되었다. 이에 비하여, 발명강들은 매우 우수한 내히트 체크성을 가졌고, 볼록부의 기부에 히트 체크가 발생하지 않았다. 그러나, 약간 낮은 열전도율을 갖는 발명강 3 및 10에서 아주 약간 히트 체크가 발생했다.

사이클 단축에 대한 평가:

상기 단조에 있어서, 사이클 단축도 검토했다. 비교강 3의 JIS SKD61 강으로 이루어진 금형을 이용한 경우, 사출에서 금형 개방까지는 10초가 필요했다. 이보다 빨리 금형을 열면, 미응고부로부터 용탕이 흘러나올 수 있고, 미응고부에 권입되어(entrapped) 있던 공기가 감압에 의해 팽창하여 미응고부가 파열할 수 있다.

여기에서는 금형의 강종을 바꾸어, 사출에서 금형 개방까지의 시간의 단축에 대해 평가를 했다. 발명강들에 대해서는 사출에서 금형 개방까지의 시간을 JIS SKD61 강의 경우보다도 2초 이상 단축해도 상기의 문제가 발생하지 않았다. 비교강 4에서도 어느 정도의 사이클 시간을 단축할 수 있었지만 효과는 불충분했다.

주조 조직에 대한 평가:

전술한 주조에 있어서, 단축된 사이클 타임으로 제조한 주조품의 조직을 평가했다. 포로시티(porosity)의 사이즈와 수가 매우 작고, 조직도 매우 미세한 경우를 「A」, 포로시티가 있지만 작고, 조직도 미세한 경우를 「B」, 포로시티는 작지만 조직이 조대한 경우를 「C」, 포로시티가 많고, 조직도 조대한 경우를 「D」로, 주조 조직을 평가했다.

결과를 표 5에 나타낸다. 비교강 3의 JIS SKD61 강의 금형을 이용한 경우, 주조품의 조직은 조대하고 포로시티가 많았다. 기계적 성질과 기밀성에 문제가 있었다고 우려된다. 한편, 발명강으로 이루어진 금형을 이용한 경우는, 주조의 사이클 타임을 단축했음에도 불구하고, 주조품의 조직이 미세했다. 특히, 높은 열전도율을 갖는 발명강에 있어서 조직 미세화의 효과가 컸다. 비교강 4에서는, 주조품의 조직은 어느 정도 미세화되었지만 개선 효과는 불충분했다.

이상의 평가의 결과에 의하면, 발명강은, 비용에 직결되는 Cr＋Mo＋V을 소량 가져, 염가임에도 불구하고 모든 특성 평가에서 B 혹은 A를 마크했다. 본 발명강은, 소재 비용 및 내히트 체크성이 우수하여, 다이캐스트 금형의 비용을 줄일 수 있고, 동시에 다이캐스트 사이클의 단축과, 주조품의 높은 품질도 동시에 달성할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명강은 저감된 양의 합금 원소를 갖기 때문에, 환경 부하의 경감에도 공헌할 수 있다.

한편, 다량의 Cr＋Mo＋V을 갖는 비교강은, D와 C를 마크했고, 고비용임에도 불구하고 특성이 낮은 것을 알 수 있다.

이상 본 발명의 실시예를 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 강은 이형제 도포에 의한 금형 표면의 온도 저하가 작은 다이캐스트에 적합하다. 이러한 다이캐스트에서는, 통상의 다이캐스트보다 더 높은 온도 폭에 있다. 본 발명의 효과는, 정상 상태에 있어서, 이형제 도포 직후에 「용탕과 접촉하는 금형 표면」의 온도가 150℃ 이상인 경우에 특히 현저하다. 용탕과 접촉하는 금형 표면이란, 주조품 중 제품이 되는 부분과 접촉하는 금형의 표면을 의미한다. 주조품에 있어서 「러너(runner)」, 「오버 플로우(overflow)」 또는 「버어(burr)」는, 「제품이 되는 부분」이 아니기 때문에, 러너, 오버 플로우 또는 버어 부분에 해당하는 금형 표면은, 「용탕과 접촉하는 금형 표면」에 포함되지 않는다.

상기 실시예에서는, 이형제로서 「수용성 액체」를 선택하여, 이를 미스트 형태로 소량 도포(금형 표면이 급냉각되지 않음)했고, 용탕과 접촉하는 금형 표면의 최저 도달 온도는 150℃ 이상의 고온 범위에서 유지됐다.

용탕과 접촉하는 금형 표면의 최저 도달 온도가 150℃ 이상의 고온이면, 본 발명강을 이용함으로써, 상기 실시예의 경우와 동일한 효과가 얻어질 수 있다. 예를 들어, 금형의 표면을 급냉각하지 않는 이형제의 도포 방법과 비슷하게, 유성의 액체 타입의 이형제가 미스트 방식으로 소량 도포되거나, 분말 타입의 이형제가 도포될 수 있다.

본 발명에 따른 강에, 사용 전에, 숏피닝(shot peening), 질화 처리, PVD 처리, CVD 처리, PCVD 처리, 도금 처리 그 외의 표면 개질 처리(surface modification treatment)를 실시하여 사용하는 것도 유효하다. 본 발명에 따른 강은 적은 탄화물을 갖기 때문에 용탕과 반응하기 쉽지만, 표면 개질에 의해 용탕과의 반응이 억제될 수 있다. 본 발명에 따른 강은, 예를 들어, 분말이나 판의 적층 조형에 의한 금형 형성에 사용되는 분말이나 판에도 적용될 수 있고, 봉선(bar line) 형상으로서 금형의 본체나 부품의 용접 보수에 사용될 수 있다. 이와 같이 본 발명은 그 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지 변경을 더한 형태로 실시 가능하다.

본 발명은 2018년 5월 15일에 출원된 일본특허출원 제2018-094066호를 기초로 하며, 그 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.

Claims (7)

1. 질량％로,
   0.16≤C≤0.26,
   0.001≤Si≤0.80,
   1.20≤Mn≤2.00,
   2.41≤Cr≤2.73,
   0.48≤Mo≤0.97,
   0.003≤V≤0.28,
   0.0005≤Al≤0.15,
   0.0002≤N≤0.050, 그리고
   선택적으로,
   Cu≤1.50,
   Ni≤1.50,
   B≤0.0050,
   W≤4.00,
   Co≤3.00,
   Nb≤0.200,
   Ta≤0.200,
   Ti≤0.200,
   Zr≤0.200,
   S≤0.050,
   Ca≤0.2000,
   Se≤0.50,
   Te≤0.100,
   Bi≤0.50, 및
   Pb≤0.50,
   로 이루어지고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물의 조성을 갖고,
   경도가 26∼43 HRC이고, 레이저 플래시법을 이용하여 측정한 25℃에 있어서의 열전도율 λ[W/m/K]가 27.0≤λ인 다이캐스트 금형용 강.
2. 제1항에 있어서,
   질량％로,
   0.30＜Cu≤1.50, 및
   0.30＜Ni≤1.50
   중 적어도 1종을 포함하는 다이캐스트 금형용 강.
3. 제1항에 있어서,
   질량％로,
   0.0001＜B≤0.0050
   을 포함하는 다이캐스트 금형용 강.
4. 제1항에 있어서,
   질량％로,
   0.30＜W≤4.00, 및
   0.10＜Co≤3.00
   중 적어도 1종을 포함하는 다이캐스트 금형용 강.
5. 제1항에 있어서,
   질량％로,
   0.004＜Nb≤0.200,
   0.004＜Ta≤0.200,
   0.004＜Ti≤0.200, 및
   0.004＜Zr≤0.200
   중 적어도 1종을 포함하는 다이캐스트 금형용 강.
6. 제1항에 있어서,
   질량％로,
   0.008＜S≤0.050,
   0.0005＜Ca≤0.2000,
   0.03＜Se≤0.50,
   0.005＜Te≤0.100,
   0.01＜Bi≤0.50, 및
   0.03＜Pb≤0.50
   중 적어도 1종을 포함하는 다이캐스트 금형용 강.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 강으로 이루어진 다이캐스트 금형.
   

Images