다이캐스팅 금형 히트체크의 숨겨진 원인: 미세구조와 잔류응력의 복합적 역할 규명

이 기술 요약은 Mitsuhiro Okayasu와 Junya Shimazu가 저술하여 International Journal of Metalcasting (2025)에 게재한 학술 논문 “MATERIAL PROPERTIES OF DIE-CASTING DIE AROUND HEAT-CHECKING CREATED BY A HIGH-PRESSURE ALUMINUM ALLOY DIE-CASTING OPERATION”을 기반으로 합니다. STI C&D에서 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.

Keywords

• Primary Keyword: 다이캐스팅 금형 히트체크
• Secondary Keywords: 알루미늄 다이캐스팅, 금형 수명, 열 피로, 잔류응력, 질화처리, 수소취성

Executive Summary

• The Challenge: 고압 알루미늄 다이캐스팅 공정은 금형 표면에 발생하는 히트체크(heat-checking)로 인해 금형의 조기 파손을 유발하지만, 실제 사용 후 금형의 재료 물성 변화에 대한 근본적인 이해는 부족했습니다.
• The Method: 약 100,000회의 쇼트(shot)를 거친 실제 생산용 다이캐스팅 금형(SKD61)을 대상으로 EBSD, TEM, EDS, 잔류응력 분석 등 다양한 정밀 분석 기법을 사용하여 표면부터 내부까지의 재료 특성 변화를 심층적으로 조사했습니다.
• The Key Breakthrough: 히트체크는 단순한 열 응력의 결과가 아니며, 표면 보호 역할을 하던 압축 잔류응력이 손상을 유발하는 인장 잔류응력으로 전환되는 현상이 가속화 요인임을 규명했습니다. 이러한 응력 전환은 미세구조 변화, 질소 함량 감소, 수소 침투 등 복합적인 요인에 의해 발생합니다.
• The Bottom Line: 금형 수명을 연장하기 위해서는 단순한 열 피로 관리뿐만 아니라, 질화처리된 표면층의 미세구조적, 화학적 변화와 그로 인한 응력 상태 변화까지 종합적으로 고려하는 접근 방식이 필수적입니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

자동차, 전자 등 주요 산업에서 알루미늄 다이캐스팅 부품의 수요는 폭발적으로 증가하고 있습니다. 그러나 고온의 용융 금속을 고속, 고압으로 사출하는 공정의 가혹한 조건은 금형에 심각한 손상을 입힙니다. 특히 반복적인 가열과 냉각으로 인한 열 응력과 열충격은 금형 표면에 거북등껍질 같은 미세 균열, 즉 ‘히트체크’를 발생시킵니다.

히트체크는 제품의 표면 품질을 저하시키고 치수 부정확성을 유발하며, 결국 금형의 파손으로 이어져 막대한 교체 비용과 생산성 저하를 초래합니다. 이를 방지하기 위해 질화처리(nitriding)와 같은 표면 강화 기술이 적용되지만, 많은 연구가 열 피로 현상 자체에만 집중했을 뿐, 실제 다이캐스팅 공정을 거친 후 금형의 재료 특성이 어떻게 변하는지에 대한 심층적인 정보는 부족했습니다. 본 연구는 바로 이 지점에서 시작하여, 히트체크 발생 부위 주변의 재료 특성을 정밀 분석함으로써 문제의 근본 원인을 파헤칩니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구는 이론적 추론을 넘어 실제 생산 현장에서 사용된 금형을 직접 분석하여 신뢰도를 높였습니다.

• 분석 대상: 350톤급 콜드챔버 다이캐스팅 머신에서 약 100,000회의 주조 공정을 거친 SKD61(H13과 유사) 재질의 다이캐스팅 금형 및 코어 핀을 분석 대상으로 선정했습니다.
• 미세구조 분석: 전자후방산란회절(EBSD), 투과전자현미경(TEM), 에너지 분산형 X선 분광법(EDS)을 이용하여 금형 표면과 내부의 결정립 구조, 석출물 분포 및 성분을 나노미터 수준까지 정밀하게 관찰했습니다.
• 물성 평가: 마이크로 비커스 경도 시험, 인장 시험을 통해 기계적 특성 변화를 측정했으며, 원자간력현미경(AFM)으로 표면의 부착력을, 가스 크로마토그래피로 수소 함량을 분석했습니다.
• 잔류응력 측정: X선 잔류응력 분석기를 사용하여 히트체크 발생 부위, 미발생 부위, 금형 내부의 잔류응력 상태를 비교 분석하여 공정이 응력에 미치는 영향을 규명했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

Finding 1: 응력 상태의 역전 – 보호성 압축응력에서 파괴적 인장응력으로

연구의 가장 중요한 발견 중 하나는 금형 표면의 잔류응력 상태가 극적으로 변한다는 것입니다. Figure 11에서 볼 수 있듯이, 질화처리 직후의 금형 표면(캐비티 외부)은 약 -425 MPa의 높은 압축 잔류응력을 나타냅니다. 이 압축응력은 균열 발생을 억제하는 보호막 역할을 합니다.

그러나 반복적인 주조 공정을 거쳐 히트체크가 발생한 캐비티 표면에서는 이 압축응력이 사라지고 오히려 인장 잔류응력이 관찰되었습니다. 이는 고온의 용융 알루미늄에 의한 열 영향으로 질소 함량이 감소하고(Figure 7), 미세 균열이 형성되면서 기존의 압축응력이 해제되었기 때문입니다. 이렇게 형성된 인장응력은 기존 균열의 성장을 가속하는 직접적인 구동력으로 작용하여 히트체크를 심화시킵니다.

Finding 2: 표면층의 미세구조적 열화 및 오염

다이캐스팅 공정 중 금형 표면은 물리적, 화학적으로 심각한 열화를 겪습니다.

• 미세구조 변화: TEM 분석 결과(Figure 9), 히트체크 부위 근처에서는 기존의 강화된 마르텐사이트 조직이 재결정화되어 미세한 등축정(equiaxed grains)으로 변해 있었습니다. 또한, 수많은 Cr-Mo-V 기반 질화물 입자들이 석출되어 조직이 변질되었음을 확인했습니다. 이는 국부적인 연화 및 기계적 특성 저하를 의미합니다.
• 수소 및 알루미늄 침투: 수성 이형제의 사용으로 인해 금형 표면 근처(깊이 5mm 이내)에서 최대 1.3 wppm의 높은 수소 함량이 검출되었습니다(Figure 3). 이 수소는 재료를 취약하게 만드는 수소취성의 원인이 될 수 있습니다. 또한, EDS 매핑 결과(Figure 8), 히트체크 균열 틈새로 용융 알루미늄이 침투하여 Fe-Al 계의 매우 단단하고 취약한 금속간화합물(intermetallic compounds)을 형성하는 것이 관찰되었습니다. 이 화합물 층은 균열 선단의 응력을 증폭시켜 파괴를 더욱 가속합니다.

Practical Implications for R&D and Operations

• For Process Engineers: 본 연구는 열 사이클 관리와 이형제 사용이 금형 수명에 직결됨을 시사합니다. 특히 이형제에서 비롯된 수소 침투(Figure 3)와 열에 의한 미세구조 변화(Figure 9)가 재료의 취성 및 응력 상태 변화를 유발하므로, 이형제 종류 선택 및 도포량 최적화, 금형 온도 관리가 중요합니다.
• For Quality Control Teams: Figure 6(경도)과 Figure 5(파단면)의 데이터는 금형 표면에 약 0.2mm 깊이의 뚜렷한 취성층이 형성됨을 보여줍니다. 이는 금형의 마모 상태를 평가하고 수명을 예측하기 위한 새로운 품질 검사 기준(예: 비파괴 검사 또는 금속 조직 검사)을 수립하는 데 활용될 수 있습니다.
• For Design Engineers: 히트체크 균열 내부로 알루미늄이 침투하여 취성 금속간화합물을 형성한다는 발견(Figure 8)은 금형 설계 및 재료 선택의 중요성을 강조합니다. 특히 응력이 집중되는 부위에는 용융 알루미늄과의 화학 반응에 대한 저항성이 높은 소재나 표면 코팅을 적용하는 것이 초기 균열 발생 및 전파를 억제하는 데 효과적일 수 있습니다.

Paper Details

MATERIAL PROPERTIES OF DIE-CASTING DIE AROUND HEAT-CHECKING CREATED BY A HIGH-PRESSURE ALUMINUM ALLOY DIE-CASTING OPERATION

1. Overview:

• Title: MATERIAL PROPERTIES OF DIE-CASTING DIE AROUND HEAT-CHECKING CREATED BY A HIGH-PRESSURE ALUMINUM ALLOY DIE-CASTING OPERATION
• Author: Mitsuhiro Okayasu and Junya Shimazu
• Year of publication: 2025
• Journal/academic society of publication: International Journal of Metalcasting
• Keywords: die-casting, die, heat-checking, hydrogen embrittlement, mechanical property

2. Abstract:

본 연구에서는 다이캐스팅 공정 후 히트체크가 발생한 질화처리 다이캐스팅 금형의 재료 특성을 다양한 방법을 사용하여 실험적으로 조사했습니다. 얻어진 결과를 바탕으로, 저자들은 히트체크 형성의 기저에 있는 몇 가지 가능한 메커니즘을 식별할 수 있다고 믿습니다. 히트체크 부근 다이캐스팅 금형의 미세구조는 래스 마르텐사이트 형성으로 인해 이전 γ-결정립계 부근을 따라 등축정으로 특징지어집니다. 추가적으로, 직경 약 100nm의 수많은 Cr-Mo-V 기반 질화물 입자들이 석출됩니다. 질화처리에 의해 향상된 다이캐스팅 금형의 표면 경도는 압축 잔류응력을 유도하고 부착력을 증가시킵니다. 미세구조적 특성 변화와 균열 형성의 결과로, 다이캐스팅 금형 근처의 응력 상태가 변형되어, 다이캐스팅 금형에서 관찰된 압축 잔류응력이 방출되고 인장 잔류응력으로 이어집니다. 이 현상은 다수의 히트체크 균열 형성을 가속할 수 있습니다.

3. Introduction:

알루미늄 합금 다이캐스팅은 자동차 및 전자 산업 등에서 널리 사용되며, 복잡하고 얇은 벽을 가진 부품을 높은 치수 정확도와 표면 품질로 제작할 수 있는 이점을 제공합니다. 다이캐스팅 공정은 알루미늄 합금을 녹는점 이상으로 가열하여 고속, 고압으로 금형 캐비티에 신속하게 주입하여 수행됩니다. 그러나 이 공정의 극한 조건은 금형에 잦은 손상을 유발할 수 있습니다. 이러한 손상을 줄이기 위해 질화처리와 같은 표면 처리가 적용되어 질소를 첨가함으로써 단단한 질화물과 질소 화합물을 형성하여 금형 표면을 강화합니다. 다이캐스팅 사출 공정 동안, 용융 알루미늄 합금은 금형 표면과 상호 작용하여 고온과 높은 사출 속도로 인해 침식을 유발합니다. 또한, 금형은 용융 금속으로부터 급격한 가열과 수성 윤활제로부터의 냉각을 겪으며 상당한 열 응력과 열충격을 받습니다. 이러한 열 효과는 금형 재료의 심각한 열화를 유도하여 치명적인 파손으로 이어질 수 있습니다. 이러한 열 사이클은 금형 재료를 약화시켜 종종 히트체킹으로 알려진 표면 균열을 유발합니다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

고압 알루미늄 다이캐스팅 공정에서 금형의 내구성은 생산성과 제품 품질에 직결되는 핵심 요소입니다. 공정 중 발생하는 극심한 열적, 기계적 부하로 인해 금형 표면에 히트체크가 발생하며, 이는 금형 수명을 단축시키는 주요 원인입니다.

Status of previous research:

기존 연구들은 주로 열 피로(thermal fatigue) 현상에 초점을 맞추어 히트체크를 설명해왔습니다. 그러나 실제 장시간 사용된 금형의 재료 특성, 특히 질화처리된 표면층이 공정 중에 겪는 미세구조적, 화학적 변화에 대한 종합적인 분석은 부족했습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 실제 고압 알루미늄 다이캐스팅 공정을 거친 금형에서 히트체크가 발생한 부위 주변의 기계적 특성과 미세구조적 특성을 상세히 분석하는 것입니다. 이를 통해 히트체크의 형성 및 성장 메커니즘을 더 깊이 이해하고, 금형 손상을 유발하는 복합적인 요인들을 규명하고자 합니다.

Core study:

실제 생산에 사용된 SKD61 금형을 대상으로 히트체크 발생 부위와 미발생 부위, 그리고 금형 내부의 재료 특성을 비교 분석했습니다. 분석 항목은 미세구조(EBSD, TEM), 원소 분포(EDS), 경도, 인장 특성, 수소 함량, 부착력(AFM), 그리고 잔류응력입니다. 이를 통해 질화처리, 열 영향, 수소 침투, 응력 상태 변화가 히트체크에 미치는 복합적인 영향을 종합적으로 평가했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

본 연구는 실제 생산 공정(약 100,000회)을 거친 다이캐스팅 금형을 대상으로 한 실험적 사례 연구입니다. 히트체크가 발생한 캐비티 표면, 히트체크가 없는 캐비티 외부 표면, 그리고 금형 내부 영역을 비교 분석하여 공정의 영향을 규명하는 설계를 채택했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

• 미세구조 및 성분 분석: EBSD, TEM, SEM-EDS를 사용하여 결정립 구조, 석출물, 원소 분포를 분석했습니다.
• 기계적 물성 측정: 마이크로 비커스 경도 시험기, 만능 인장 시험기를 사용하여 경도 및 인장 강도, 연신율을 측정했습니다.
• 화학적 특성 분석: 가스 크로마토그래피를 사용하여 깊이별 수소 함량을 측정했습니다.
• 표면 특성 분석: AFM을 사용하여 표면 부착력을 측정했습니다.
• 잔류응력 분석: X선 회절법을 이용한 잔류응력 분석기로 표면 및 내부의 응력 상태를 측정했습니다.

Research Topics and Scope:

연구 범위는 고압 알루미늄 다이캐스팅 공정이 질화처리된 SKD61 금형강의 재료 특성에 미치는 영향에 국한됩니다. 주요 연구 주제는 (1) 히트체크 부위의 미세구조 변화, (2) 공정 후 기계적 특성(경도, 인장강도) 변화, (3) 수소 침투 및 질소 분포 변화, (4) 잔류응력 상태의 변화와 히트체크 형성의 상관관계입니다.

6. Key Results:

Key Results:

• 다이캐스팅 공정 후 히트체크 부근의 미세구조는 기존의 마르텐사이트 조직에서 미세한 등축정 및 Cr-Mo-V 기반 질화물 석출물로 변화했습니다.
• 금형 표면은 질화처리로 인해 내부보다 훨씬 높은 경도(약 900 HV)와 낮은 파단 연신율을 보여 취성 특성을 나타냈습니다.
• 수성 이형제의 영향으로 금형 표면 근처에서 높은 농도의 수소(최대 1.3 wppm)가 검출되었습니다.
• 히트체크 균열 내부에서는 용융 알루미늄이 침투하여 취약한 Fe-Al계 금속간화합물을 형성했습니다.
• 가장 중요한 결과로, 히트체크가 없는 표면에서는 보호성 압축 잔류응력이 측정된 반면, 히트체크가 발생한 표면에서는 파괴를 촉진하는 인장 잔류응력이 측정되었습니다.

Figure List:

• Figure 1. Photographs of the die-casting die used for manufacturing mechanical parts after the die-casting operation, showing (a) the die cavity and heat-checking and (b) the core pin.
• Figure 2. (a) EBSD results for the core pin and (b) SEM image and (c) EDS result of the precipitate.
• Figure 3. Hydrogen content of the die-casting die measured from the die surface.
• Figure 4. (a) Representative tensile stress-strain curves for die-casting die samples and (b) comparisons of tensile strength and fracture strain.
• Figure 5. SEM images of the fracture surfaces for samples obtained from the region near the die surface and the interior of the die after tensile testing.
• Figure 6. Vickers hardness distribution measured from the surface of the die-casting die.
• Figure 7. Variation of nitrogen content of die-casting die examined on the cross section of the cavity and out of cavity samples.
• Figure 8. EDS mappings of the heat-checked surfaces.
• Figure 9. TEM images and TEM-EDS mappings of the cross-sectional area of the die-casting die near the surface with and without heat-checking.
• Figure 10. Adhesion forces measured on the cross section of the die-casting die: near die surface (with N) and interior of die (without N).
• Figure 11. Residual stress of the die-casting die, including on the heat-checked die surface, the die surface outside the cavity, and the interior of the die.
• Figure 12. Models of the die-casting die showing the stress distribution after nitriding treatment and creation of the heat-checking.

7. Conclusion:

본 연구는 다이캐스팅 공정 중 히트체크가 형성된 금형의 재료 특성을 다양한 실험적 접근을 통해 분석했습니다. 얻어진 결과를 바탕으로 히트체크 형성에 기여하는 몇 가지 잠재적 요인들을 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

1. 히트체크 부근의 미세구조는 마르텐사이트 구조에서 구동된 이전 γ-결정립계 부근에 형성된 등축정과 다수의 Cr-Mo-V 기반 질화물 석출물로 구성됩니다. 이러한 미세구조 변화는 용융 알루미늄의 반복적인 주입과 같은 다이캐스팅 공정의 열적 효과에 의해 발생합니다.
2. 금형 표면 근처의 경도는 질화처리로 인해 전반적으로 높습니다. 그러나 등축정 형성 및 Cr-Mo-V 기반 질화물 석출물의 존재와 같은 미세구조 변화로 인해 경도는 비교적 높은 변동성을 보입니다. 질소 확산은 주조 공정 후 금형의 넓은 영역에 걸쳐 확장되며, 표면 근처의 수소 함량은 현저히 증가합니다.
3. 압축 잔류응력과 높은 부착력은 금형 표면, 특히 질화 영역 근처에서 관찰됩니다. 이러한 압축응력은 내부 응력의 방출로 인해 균열 형성 후 인장 잔류응력으로 전환됩니다.
4. 열 응력 및 열충격 외에도, 히트체크는 여러 복합적인 요인에 의해 구동되는 것으로 보입니다. 추가 조사가 필요하지만, 잠재적인 기여 메커니즘에는 미세구조 변화, 인장 잔류응력, 질소 함량 감소, 수소 침투가 포함되며, 이 모든 것이 히트체크 발생에 기여할 수 있습니다.

8. References:

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 이 연구에서 SKD61(H13) 강을 선택한 이유는 무엇이며, 이 결과가 일반적인 다이캐스팅 금형에도 적용될 수 있나요?

A1: SKD61 강은 고온 강도와 인성이 우수하여 알루미늄 다이캐스팅용 열간 공구강으로 매우 널리 사용되는 재료입니다. 따라서 이 연구에서 얻어진 결과는 실제 산업 현장에서 사용되는 대다수의 다이캐스팅 금형이 겪는 문제점을 대표하며, 높은 산업적 연관성과 적용 가능성을 가집니다.

Q2: 논문에서는 열변형만으로는 소성 변형을 일으키기 어렵다고 결론 내렸습니다. 이는 히트체크의 주원인이 열 피로라는 일반적인 통념과 어떻게 조화될 수 있나요?

A2: 본 연구는 열 응력의 역할을 부정하는 것이 아닙니다. 열 응력은 초기 균열을 발생시키는 중요한 ‘시작점’ 역할을 합니다. 하지만 논문의 핵심은 균열의 ‘성장’과 ‘가속화’는 다른 복합적인 요인들에 의해 주도된다는 점입니다. 즉, 열 응력으로 미세 균열이 시작되면, 그 부위에서 (1)압축응력이 인장응력으로 전환되고, (2)수소 침투로 인한 취성이 발생하며, (3)알루미늄이 침투해 취성 화합물을 형성하는 현상들이 연쇄적으로 일어나며 균열을 급격히 성장시킨다는 것입니다.

Q3: 캐비티 내부와 외부의 질소 분포(Figure 7)가 다른 것은 무엇을 의미하나요?

A3: 이는 매우 중요한 관찰입니다. 캐비티 외부(열 영향을 덜 받은 곳)에서는 질소가 표면에 집중되어 좁고 깊은 경화층을 형성합니다. 반면, 캐비티 내부(고온의 용탕에 반복 노출된 곳)에서는 질소가 더 넓고 얕게 확산되었습니다. 이는 주조 공정의 높은 온도로 인해 질소가 내부로 재확산되었음을 의미하며, 이로 인해 표면의 질소 농도가 낮아져 경도가 감소하고 보호성 압축응력이 줄어드는 원인이 될 수 있습니다.

Q4: 표면 근처에서 발견된 높은 농도의 ‘비확산성’ 수소는 어떻게 취성에 기여하나요?

A4: 논문은 Kaneko 등의 선행 연구를 인용하여 이 메커니즘을 설명합니다. ‘비확산성’ 수소는 평상시에는 석출물 같은 격자 결함에 포획되어 있어 직접적인 영향을 주지 않습니다. 하지만 다이캐스팅 공정처럼 반복적인 응력이 가해지는 환경에서는, 이 포획된 수소가 방출되어 원자 빈자리(vacancy)와 상호작용하며 재료의 결합력을 약화시키고 취성을 심화시킬 수 있습니다.

Q5: 히트체크 부위의 TEM 이미지(Figure 9)에서 등축정이 관찰된 것은 금형의 열 이력에 대해 무엇을 시사하나요?

A5: 등축정의 존재는 금형 표면이 재결정이 일어날 만큼 충분히 높은 온도에 국부적으로 도달했음을 의미합니다. 이는 원래의 강인한 강화 마르텐사이트 조직이 변질되었음을 나타내는 명백한 증거입니다. 이러한 국부적인 조직 변화는 재료를 연화시키고 기계적 특성을 저하시켜, 해당 부위가 외부 응력에 더욱 취약해지고 균열이 쉽게 발생 및 성장하는 원인이 됩니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

본 연구는 다이캐스팅 금형 히트체크가 단순한 열 피로 문제를 넘어, 질화처리된 표면층의 미세구조적 열화, 화학적 오염, 그리고 보호성 압축응력의 파괴적 인장응력으로의 전환이라는 복합적인 메커니즘에 의해 가속된다는 사실을 명확히 보여주었습니다. 이러한 심층적인 이해는 금형의 수명을 예측하고, 내구성을 향상시키는 새로운 재료 설계 및 공정 관리 전략을 수립하는 데 결정적인 단서를 제공합니다.

“At STI C&D, we are committed to applying the latest industry research to help our customers achieve higher productivity and quality. If the challenges discussed in this paper align with your operational goals, contact our engineering team to explore how these principles can be implemented in your components.”

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• This content is a summary and analysis based on the paper “MATERIAL PROPERTIES OF DIE-CASTING DIE AROUND HEAT-CHECKING CREATED BY A HIGH-PRESSURE ALUMINUM ALLOY DIE-CASTING OPERATION” by “Mitsuhiro Okayasu and Junya Shimazu”.
• Source: https://doi.org/10.1007/s40962-025-01573-z

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