H13 다이강의 사용 중 탄화물 조대화
열간 금형이 강한 이유는 합금 탄화물이 미세하게 분산되어 있기 때문입니다. 사용 과정에서 그 분산 상태가 사라집니다. 입자가 성장하고 입자 간 거리가 넓어지며 항복강도도 함께 떨어집니다. 이것이 열피로 균열이 시작되게 하는 연화이며, 탄화물에 그대로 나타납니다. 이 페이지에서는 5% 크롬 열간 공구강에서 중요한 세 가지 탄화물, 각 탄화물이 고온에서 하는 역할, 그리고 오스테나이트화 온도가 강에 남는 탄화물의 양을 어떻게 결정하는지 설명합니다.
탄화물이 금형의 연화를 결정하는 이유
분산 강화는 탄화물 입자 사이의 간격을 통해 공구강의 항복강도를 유지합니다. 입자를 작고 잘 분산된 상태로 유지하면 강도가 유지됩니다. 입자가 성장하면 간격이 벌어지고 강도가 떨어집니다. 다이캐스팅 금형에서 이것이 연화의 전부입니다. 표면 온도가 충분히 높고 시간이 충분히 길면 탄화물이 조대화되며, 일단 조대화되면 표면은 항복 없이 열응력을 견딜 수 없게 됩니다. 크롬, 몰리브덴, 바나듐은 모두 조대화를 억제하며, 각기 다른 방식과 정도로 작용합니다.
세 가지 탄화물, 세 가지 다른 역할
해당 자료는 15,000회 사이클을 받은 시편의 연화대에서 탄화물을 조사하고 에너지 분산 분광법으로 분석했습니다. 가장 큰 탄화물은 크롬이 풍부했습니다. 더 작은 탄화물은 몰리브덴이 풍부했습니다. 바나듐이 풍부한 탄화물은 전혀 검출되지 않았는데, 분산 상태가 너무 미세하여 분해능으로 확인할 수 없었기 때문입니다. 세 가지 띠는 화학 조성이 예측하는 대로 거동하며, 아래 표는 각각의 기여를 정리한 것입니다.
| 카바이드 | 발생원 | 고온에서의 거동 | EDS 분석 결과 |
|---|---|---|---|
| 크롬이 풍부한 탄화물, Cr7C3 | 고용 상태의 크롬에서 생성되며, 500 C 정도의 낮은 템퍼링 온도에서도 검출됨 | 세 가지 중 성장에 가장 취약하며, 이 때문에 강이 500 C에서 700 C 사이에서 꾸준히 연화됨 | 연화대에서 가장 큰 탄화물 |
| 몰리브덴이 풍부한 탄화물, M2C 또는 M6C | 템퍼링 중 석출되며 1000 F 이상에서도 크기를 유지함 | 크롬 탄화물보다 성장 민감도가 훨씬 낮으며, 크롬 탄화물의 성장도 늦춤 | 연화대에서 더 작은 탄화물 |
| 바나듐이 풍부한 탄화물, VC 또는 V4C3 | 세 가지 중 가장 안정하며, 1010 C에서 1시간 동안 고용에 저항하는 유일한 탄화물 | 700 C에 가까운 온도에서도 매우 미세한 분산 상태를 유지함 | 분해능으로 확인할 수 없을 만큼 미세하게 유지되어 검출되지 않음 |
5% 크롬 열간 공구강의 세 가지 탄화물, 각각의 생성 방식, 사용 온도에서의 거동, 그리고 연화대의 EDS 분석에서 각각 어떻게 나타났는지.
오스테나이트화 온도가 강에 남는 탄화물 양을 결정함
금형이 실제로 가동되기 전에, 열처리가 이미 강도를 유지할 탄화물의 양을 결정해 놓습니다. 오스테나이트화 온도를 높이면 더 많은 탄화물이 고용되어 기지를 강화하고 강을 경화시킵니다. 너무 높이면 결정립이 성장하여 인성이 저하됩니다. 표는 세 가지 조건에서 강에 남는 미용해 탄화물과 담금질 후 도달한 경도를 보여줍니다. 바나듐 탄화물이 가장 완강합니다. 1850 F에서 1시간 오스테나이트화하면 몰리브덴과 크롬 탄화물은 용해되지만 바나듐 탄화물은 그대로 남으며, 나머지를 고용시키려면 더 높은 온도 범위가 필요합니다.
| 상태 | 미용해 상태로 남는 탄화물 | 담금질 후 경도 |
|---|---|---|
| 어닐링 상태 | 총 탄화물 함량 약 4.4 wt% | 해당 없음 |
| 1850 F에서 1시간 오스테나이트화 | 약 2.3 wt%, 대부분 바나듐에 일부 몰리브덴 | 약 59 HRC |
| 1950~2000 F에서 오스테나이트화 | 약 1.5 wt%, 대부분 바나듐 탄화물 | 약 61명의 HRC |
H13의 오스테나이트화 조건에 따른 미용해 탄화물과 담금질 경도. 대부분의 탄화물은 어닐링 상태와 낮은 오스테나이트화 온도 사이에서 고용되며, 남은 바나듐 탄화물은 더 높은 온도 범위가 필요합니다.
경도 저하의 배후에 있는 조대화 법칙
조대화 속도는 확산 법칙을 따르며, 입자 반경의 세제곱은 용질의 확산 계수, 입자와 기지 사이의 계면 에너지, 그리고 고온 유지 시간에 따라 성장합니다. 시멘타이트와 합금 탄화물이 함께 존재하는 강에서 시멘타이트는 항상 둘 중 더 조대하며 어떤 합금 탄화물보다 빠르게 조대화됩니다. 이 강종의 합금 탄화물 중 크롬이 풍부한 탄화물이 성장에 가장 취약하며, 몰리브덴과 바나듐의 존재가 이를 어느 정도 억제합니다. 크롬은 대부분의 금속 합금 원소보다 페라이트에서 더 빠르게 확산하므로, 크롬 탄화물은 500 C 정도의 낮은 온도에서도 검출되고 몰리브덴 및 바나듐 탄화물에 비해 빠르게 조대화됩니다. 그렇기 때문에 크롬 열간 공구강은 이를 늦춰 줄 몰리브덴이 없으면 500 C에서 700 C 사이에서 꾸준히 연화되며, 바나듐 함량이 그 비용보다 금형에 더 가치가 있는 것입니다.
현장에서 이것이 의미하는 것
이 시험에 사용된 강재는 프리미엄 등급 H13으로, 다음 페이지에서 다루는 크롬 열간 공구강입니다: H13 공구강 페이지. 이 조대화가 만들어내는 연화는 H13 금형 연화 페이지에 있으며, 이 계열의 연화 저항성은 열간 연화 저항 페이지. 공구강 전 범위에 걸친 탄화물 유형은 다음 페이지에 정리되어 있습니다: 탄화물 유형 및 경도 페이지, 탄화물의 부피 분율은 다음 페이지에: 탄화물 부피 분율 페이지, 그리고 봉재 내 탄화물 분포는 다음 페이지에: 탄화물 분포 페이지. 담금질 상태의 강종 조직은 다음 페이지에: H13 미세조직 페이지, 강재가 견뎌야 하는 조건은 다음 페이지에: 열피로 균열 페이지, 최고 온도를 낮게 유지하는 냉각 설계는 다음 페이지에: 금형 냉각 라인 설계 페이지. 프레스용 강종 선정 방법은 다음 페이지에: 고압 다이캐스팅 선정 페이지.
이것을 합금 규격으로 사용하기 전에
이 페이지는 발표된 연구의 참고 요약이며 Aobo Steel의 규격이 아닙니다. 탄화물 수치와 열처리 반응은 출처에서 재현한 것으로, 해당 출처는 하나의 강종을 하나의 조건 세트에서 시험했습니다. 특정 금형이 가지는 탄화물은 용해 경로, 성분 분석 및 적용되는 열처리에 따라 달라집니다. 최종 규격은 작업 시 확인됩니다.
출처: Effect of Design Factors on Thermal Fatigue Cracking of Die Casting Dies, D. Schwam, J. F. Wallace and S. Birceanu, Case Western Reserve University, 미국 에너지부 최종 기술 보고서, Award No. DE-FC07-00ID138486, 2004년 10월.