[첨단 헬로티]
이즈미카와 타츠야(泉川 達哉), 마츠모토 유키노리(松本 幸札) 오키나와현 공업기술센터 킨죠 세이준(金城 盛順) 모노츠쿠리 네트워크 오키나와 나카무라 카츠아키(中村 克昭), 코레사와 히로시(是澤 宏之), 나라하라 히로유키(楢原 弘之) 큐슈공업대학
1. 서론
오키나와현 금형기술연구센터에서는 현 내의 공업계 교육기관에서 졸업하는 약 3,000명/연의 인재를 유효하게 활용하기 위해 2009년부터 인재육성사업을 계속하는 동시에, 우수한 이재를 구하는 기업의 유치를 추진하고 있다.
2012년에는 이러한 활동을 가속 및 발전시켜 가기 위해 오키나와현 공업기술센터가 찬조 회원으로 참여하는 (일반사단법인)모노츠쿠리 네트워크 오키나와(이하 mdn 오키나와)를 설립했다. 동 법인의 역할은 금형기술연구센터와 협조하면서 보다 자유도가 높은 활동, 실천적인 인재육성․연구 개발을 실시하는 것이다.
오키나와현은 혼슈와 아시아 주요 도시의 중간에 위치, 대규모 항공회사의 화물 허브 기지를 갖춘 공항이 있는 등 항공운수 액세스면에서 우위성이 있다. 현재 mnd 오키나와는 그 우위성을 활용해 다이캐스트 금형 등을 해외의 자동차 부품 메이커에 납품하게 되는 등 그 활동을 확대하고 있다.
금형기술연구센터 및 mdn 오키나와에서는 물류의 우위성을 더욱 적극적으로 활용하기 위해 부가가치가 높은 소형 부품의 개발을 모색하는 가운데, 알루미늄 주물 금형에서 사용되는 캐스팅 핀은 버닝이나 용손이 큰 문제인 것에 주목했다.
이들은 알루미늄 용탕이 반복적으로 접촉하는 것에 의한 열피로로 캐스팅 핀 표면에 미세한 크랙을 발생시키는 것이 하나의 요인이라고 생각된다. 한편, 여러 가지 연구기관에서 열간공구강의 결정립 미세화에 의해 내구성이 향상되는 것이 보고되어 있다.
이 글에서는 비틀림 급냉을 실시하는 결정립 미세화 프로세스 ‘RMACREO’에 의해 미세화된 열간 다이스강의 제작 및 캐스팅 핀의 열피로 특성을 평가하는 시험기 제작 등에 대해 소개한다.
2. 결정립 미세화 기술(RMACREO)에 의한 열간공구강의 미세화
금속 재료의 결정립을 미세화함으로써 강도․출격값․내식성 등의 기계적 성질이 향상되는 것이 알려져 있다. 결정립 미세화 기술은 첨가 원소의 절감이 가능하고, 심플한 성분 구성에 의한 리사이클성의 향상, 생산 품종의 집약화에 의한 코스트 절감의 가능성도 있다. 한편으로 기존의 미세화 수법은 처리의 연속성․생산성 등에 과제가 있어 새로운 결정립 미세화 프로세스 개발이 필요했다.
RMACREO법은 봉재에 국부 가열․회전 시 국부 비틀림․급냉의 조합 처리를 부여함으로써 미세 결정 조직을 얻는 프로세스이다(그림 1). 이미 철강 재료․알루미늄․티탄합금․마그네슘합금․동합금 등에서 결정립 미세화 효과를 얻었으며, 강도․내식성․소성가공성 향상이 확인됐다. 이 프로세스의 가장 큰 메리트는 연속적으로 높은 양산성을 가지는 것이다.
3. 열피로 시험기
제작한 열피로 시험기를 그림 2에 나타냈다. 피로 시험에서는 고주파 코일을 이용해 봉 모양(ø20×L 100mm)의 테스트 피스를 알루미늄 용탕 온도인 650℃로 가열, 수조에 투입함으로써 급냉했다. 냉각 유지 시간은 15sec로 하고, 수조에서 끌어올린 후에는 5sec의 에어블로에 의해 잔류 수분을 제거했다. 사이클 수는 미세 크랙이 발생하는 횟수를 예비 실험으로 결정해 1,000회로 했다.
4. 결과
(1) RMACREO 처리에 의한 결정 조직
열간공구강으로서 시판의 SKD61을 사용, 표준 열처리재로서 담금질 온도 1,030℃, 템퍼링 온도 550℃ (2회 처리)를 부여하고 경도는 55HRC였다. 한편, 결정 미세화재는 1,060℃에서 RMACREO 처리하고, 템퍼링 온도 550℃ (2회 처리)를 실시했다.
RMACREO 처리에서 템퍼링 온도는 500℃, 550℃, 600℃의 3수준으로 시험을 했다. 그 결과, 매트릭스의 미세화와 석출물의 미세 분산 조직을 얻을 수 있는 템퍼링 온도로서 550℃를 선정했다(그림 3).
(2) 열피로 시험 후의 단면 관찰 결과
열피로 시험 후의 반경 방향 단면을 주사형 전자현미경으로 관찰했다(그림 4). 1,000사이클의 열피로 시험 후의 샘플에서 약 20μm 깊이의 크랙이 관찰됐다. 크랙은 직선적으로 진행하고 있으며, 크랙 표면에는 산화층이 형성되어 있는 것이 관찰됐다.
5. 맺음말
고주파 가열과 수냉을 조합해 다이캐스트 금형 캐스팅 핀의 열피로 시험기를 제작, 열피로 특성의 평가가 가능해졌다. 또한 결정립 미세화 프로세스 RMACREO에 의해 결정 조직을 제어하는 것이 가능하고, 처리 온도 약 1,060℃와 템퍼링 온도 550℃에서 매트릭스의 미세화와 석출물의 분산 석출이 가능해졌다.
이즈미카와 타츠야, 마츠모토 유키노리 : 기계․금속반 금형연구팀
〒904-2311 沖繩縣うるま市勝連南風原 5192-30
킨죠 세이준 : 대표이사
〒904-2311 沖繩縣うるま市勝連南風原 5192-30
나카무라 카츠아키 ＆ 코레사와 히로시 ＆ 나라하라 히로유키 : 대학원 정보공학연구원 ＆ 동 준교수 ＆ 동 교수
