열간 가공 금형 성능 최적화: 고급 열처리 및 표면 처리 기술

금형의 성능은 열처리 기술에 큰 영향을 받습니다. 열처리를 통해 금형강의 인성을 높이면 금형 수명이 크게 향상됩니다. 열간 가공 금형의 작업 조건은 매우 가혹하고 복잡합니다. 가열된 소재나 용융 금속과 직접 접촉하며, 공정 내내 반복적인 가열과 냉각을 겪습니다. 동시에 충격 하중도 작용합니다. 따라서 열간 금형강의 성능 요구 사항은 극히 엄격하며, 열처리와 표면 처리 기술을 통해 금형의 성능 지표를 개선함으로써 수명 연장을 도모할 수 있습니다.

열처리란?

열처리는 금속 열가공 공정의 일종으로, 고체 상태의 재료를 가열, 보온, 냉각하여 원하는 조직과 성질을 얻는 수단을 말합니다.

금속 열처리는 기계 제조의 중요 공정 중 하나입니다. 다른 공정과 달리 열처리는 일반적으로 공작물의 형상과 전체 화학 조성을 변화시키지 않습니다. 열처리는 공작물 내부의 미세 조직을 변화시키거나 공작물 표면의 화학 조성을 변화시켜 성능을 부여하거나 개선합니다. 즉, 공작물의 내재적 품질을 향상시키는 과정으로, 이 변화는 육안으로 확인하기 어렵습니다.

열간 가공 금형강

열간 가공 금형강은 가열 상태에서 금속을 변형시키는 금형을 제작하는 데 사용되며, 열간 단조 금형, 열간 압출 금형, 다이캐스팅 금형, 고속 단조 금형 등이 포함됩니다.

열간 가공 금형강의 작업 조건과 성능 요구 사항

열간 가공 금형은 작업 시 큰 충격력을 받으며, 금형 공동이 고온 금속과 접촉하고 반복적인 가열·냉각을 겪으므로 사용 조건이 가혹합니다. 열간 가공 금형의 사용 요건을 충족하려면 열간 가공 금형강은 다음과 같은 특성을 가져야 합니다.

• 높은 고온 강도와 우수한 인성
• 우수한 내마모성과 높은 열적 안정성
• 뛰어난 열피로 저항성과 높은 경화성
• 양호한 열전도성과 우수한 성형 가공 성능

합금화 처리

열간 가공 금형강의 탄소 질량 분율은 일반적으로 0.3~0.6% 범위에서 유지하여 요구되는 강도, 경도, 내마모성, 인성을 확보합니다. 탄소 함량이 너무 높으면 인성과 열전도성이 저하되고, 너무 낮으면 강도, 경도, 내마모성을 보장하기 어렵습니다.

크롬(Cr)은 경화성과 템퍼링 안정성을 향상시킵니다. 니켈(Ni)과 크롬(Cr)의 공존은 경화성 향상뿐만 아니라 종합 기계적 성질도 개선합니다. 망간(Mn)은 경화성과 강도를 높이지만 인성을 저하시킵니다. 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 바나듐(V) 등은 2차 경화를 일으켜 적색 경도, 템퍼링 안정성, 열피로 저항성, 입자 미세화를 향상시킵니다.

열처리 공정

열처리 공정은 일반적으로 가열, 보온, 냉각의 세 단계로 구성되며, 경우에 따라 가열과 냉각만으로 이루어지기도 합니다. 이 단계들은 연속적으로 진행되며 중단될 수 없습니다.

가열

가열은 열처리의 중요 공정으로 다양한 방법이 있습니다. 초기에는 숯과 석탄을 열원으로 사용했으나, 최근에는 액체 및 가스 연료, 전기가 사용되어 제어가 용이하고 환경 오염이 없습니다.

금속 가열 시 공작물이 공기에 노출되면 산화와 탈탄이 발생하여 열처리 후 표면 특성에 악영향을 줍니다. 따라서 제어 분위기, 보호 분위기, 용융염, 진공, 코팅 또는 포장법을 이용해 보호 가열해야 합니다. 가열 온도는 열처리 품질을 보장하는 핵심 공정 파라미터입니다.

보온

가열 온도는 열처리 목적과 피처리 금속 재료에 따라 달라지지만, 일반적으로 상변태 온도 이상으로 가열하여 고온 조직을 얻습니다. 그러나 변태에는 일정 시간이 필요하므로, 공작물 표면이 목표 온도에 도달하면 그 온도를 일정 시간 유지하여 내부와 외부 온도가 일치하고 미세 조직이 완전히 변태되도록 해야 합니다. 이 시간을 보온 시간이라고 합니다.

냉각

냉각도 열처리 공정에서 빼놓을 수 없는 단계입니다. 냉각 방법은 공정에 따라 다르며, 주로 냉각 속도를 제어합니다. 일반적으로 풀림의 냉각 속도가 가장 느리고, 노멀라이징이 더 빠르며, 담금질이 가장 빠릅니다. 다만 강종에 따라 다른 요구 사항이 있을 수 있습니다.

금형강 표면 처리 기술

일반적인 표면 강화 기술로는 화학 열처리, 고에너지 빔 표면 강화, 물리·화학 기상 증착(PVD/CVD)이 있습니다.

대표적인 화학 열처리에는 침탄, 질화, 붕소화 등이 있습니다. 이들은 전통적인 공정으로, 타 공정에 비해 저비용·고신뢰성 특징이 있으며 다양한 옵션이 존재합니다.

고에너지 빔 표면 강화 기술은 가열 속도가 빠르고, 공작물 변형이 적으며, 냉각 매체가 필요 없고, 제어성이 좋아 자동화하기 쉽습니다. 그중 레이저 표면 개질이 가장 많이 연구·적용되고 있습니다. 현재 레이저 표면 처리는 제어성이 우수하고 모재에 미치는 영향이 적다는 특성을 활용해 다른 기술과 결합한 신공정 연구가 활발합니다.

기상 증착은 화학 기상 증착(CVD)과 물리 기상 증착(PVD)으로 나뉩니다. 이 방법들은 주로 금형 표면에 세라믹 코팅을 형성하는 데 사용됩니다. 하지만 세라믹 코팅의 가장 큰 문제는 열팽창 특성이 금형강 모재와 맞지 않아 코팅의 조기 균열 파손을 유발한다는 점입니다. 따라서 세라믹 코팅 전 플라즈마 질화 처리를 하면 코팅과 기판의 결합력을 높여 열간 가공 금형 수명 연장에 큰 효과가 있습니다. 그러나 단일층·다층 또는 질화 결합 여부와 관계없이 다양한 세라믹 코팅은 모재와의 열팽창 차이로 인해 금형의 열피로 성능에 영향을 미칩니다. 이에 복합 코팅 시스템이 필요합니다. 복합 코팅 시스템은 다이캐스팅 금형 표면에 용착 방지, 용손 방지, 산화 방지, 내마모 기능을 부여하며, 열전달을 줄여 금형 온도 변화를 완화하고 금형강의 열피로 저항성을 향상시킵니다.

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