알루미늄 합금 주조와 접촉하는 미처리, 질화 및 PVD 코팅된 열간 공구강의 마모 및 솔더링 성능

알루미늄 합금 주조와 접촉하는 미처리, 질화 및 PVD 코팅된 열간 공구강의 마모 및 솔더링 성능

Wear and Soldering Performance of Bare, Nitrided and PVD Coated Hot-Working Tool Steel in Contact with Al-Alloy Casting

본 연구는 고압 다이캐스팅(HPDC) 환경에서 알루미늄 합금 주조 시 발생하는 금형 소착(Soldering) 및 마모 현상을 분석하기 위해 H11 열간 공구강, 플라즈마 질화강, 그리고 CrN 및 TiAlN PVD 코팅의 성능을 실험적으로 평가한 기술 보고서입니다.

Paper Metadata

• Industry: 고압 다이캐스팅 (HPDC)
• Material: H11 열간 공구강 (EN X37CrMoV5-1), Al-Si-Cu 합금 (EN AC-46200)
• Process: 플라즈마 질화 (Plasma Nitriding), PVD 코팅 (CrN, TiAlN), 배출 시험 (Ejection Test)

Keywords

• HPDC
• 알루미늄 합금 주조
• 열간 공구강
• PVD 코팅
• 플라즈마 질화
• 갤링 (Galling)
• 솔더링 (Soldering)

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 퀀칭 및 템퍼링된 H11 열간 공구강을 기본 소재로 사용하였으며, 표면 처리 조건에 따라 플라즈마 질화(PN), CrN PVD 코팅, TiAlN PVD 코팅 시편을 제작하였습니다. 실험은 일반 응고(CS)와 지연 응고(DS) 두 가지 구성의 배출 시험을 통해 수행되었습니다. CS 조건은 320°C로 예열된 금형에 730°C의 알루미늄 용탕을 주입하는 방식이며, DS 조건은 금형을 600°C로 예열하고 주입 후 700°C로 가열된 로에서 20분간 유지하여 금속 간 화학적 상호작용을 극대화했습니다. 시편의 표면 지형은 3D 스타일러스 프로필로메트리로 측정되었으며, 마모 및 솔더링 메커니즘 분석을 위해 SEM, FIB, EDS 및 XPS 분석이 병행되었습니다.

Key Findings

지연 응고(DS) 시험 결과, 미처리 H11 강철은 심각한 솔더링과 함께 배출력이 일반 응고(CS) 대비 약 120% 증가하는 현상을 보였습니다. 플라즈마 질화(PN) 시편은 미처리 강철보다 우수한 저항성을 보였으나, DS 조건에서 표면층의 박리(Spallation)가 관찰되었습니다. 반면, PVD 코팅(CrN, TiAlN) 시편은 두 실험 구성 모두에서 주조 합금과의 반응이 거의 나타나지 않아 가장 우수한 성능을 보였습니다. 특히, 연마된 PVD 코팅 시편은 DS 시험에서 배출력이 각각 47%(CrN) 및 42%(TiAlN) 감소하였는데, 이는 고온 노출 시 형성된 산화층(Cr2O3, Al2O3)이 화학적 불활성을 높이고 마찰을 줄였기 때문으로 분석되었습니다.

Industrial Applications

본 연구 결과는 HPDC 금형 설계 시 표면 처리 선택의 중요성을 시사합니다. 기계적 솔더링이 지배적인 환경에서는 과도한 표면 연마가 오히려 배출력을 높일 수 있으므로 적절한 조도 관리가 필요합니다. 반면, 고온 및 장시간 접촉으로 인한 화학적 솔더링이 우려되는 부위에는 CrN 또는 TiAlN과 같은 PVD 코팅을 적용하고, 사용 전 제어된 산화 처리를 통해 보호 산화층을 형성함으로써 금형 수명 연장과 생산 효율 향상을 기대할 수 있습니다.

Theoretical Background

솔더링 마모 메커니즘 (Soldering Wear Mechanisms)

주조 합금의 솔더링 마모는 크게 기계적 솔더링과 금속학적 솔더링으로 구분됩니다. 기계적 솔더링은 금형 표면의 요철에 주조 합금이 끼어드는 갤링(Galling) 및 단순 부착 현상을 포함하며, 이는 주로 표면 조도와 물리적 접촉 특성에 의존합니다. 금속학적 솔더링은 용융된 알루미늄 합금과 금형 소재 사이의 화학적 상호작용 및 확산에 의해 발생하며, 금속 간 화합물(Intermetallic compounds) 층을 형성하여 매우 강력한 결합을 유도합니다. 이러한 화학적 반응은 온도가 높고 접촉 시간이 길어질수록 가속화되어 금형 표면의 영구적인 손상을 초래합니다.

PVD 코팅의 고온 산화 특성

CrN 및 TiAlN과 같은 질화물 기반 PVD 코팅은 고온 환경에서 대기 중의 산소와 반응하여 표면에 얇은 산화층을 형성합니다. CrN 코팅은 Cr2O3 층을, TiAlN 코팅은 Al2O3가 풍부한 산화층을 형성하는 경향이 있습니다. 이러한 산화층은 용융 알루미늄 합금에 대해 질화물 층보다 더 높은 화학적 불활성을 가지며, 금속 간 확산을 차단하는 장벽 역할을 수행합니다. 또한, 산화물 층은 일반적으로 질화물보다 낮은 마찰 계수를 가지므로 주조품 배출 시 필요한 힘을 감소시키는 효과를 제공합니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 직경 15mm, 길이 100mm의 H11 강철 실린더 시편이 사용되었습니다. 시편은 미처리(H11), 플라즈마 질화(PN), CrN 코팅, TiAlN 코팅으로 준비되었으며, 코팅 시편은 추가로 다이아몬드 페이스트를 이용한 후연마(Post-polishing, PP) 공정을 거쳐 극도로 낮은 조도를 구현했습니다. 배출 시험은 ZDM 5/91 인장 시험기를 사용하여 주조품으로부터 시편을 뽑아낼 때 발생하는 하중-변위 곡선을 기록하는 방식으로 진행되었습니다. 주조 합금으로는 EN AC-46200 알루미늄 합금이 사용되었습니다.

Visual Data Summary

배출 시험 후 시편 표면 분석 결과, CS 조건에서는 모든 시편에서 단순 부착 및 갤링에 의한 솔더링 층이 관찰되었습니다. 그러나 DS 조건에서는 H11 시편에서 심각한 금속학적 반응으로 인한 깊은 분화구(Crater) 형태의 손상이 확인되었습니다. PN 시편은 DS 조건에서 표면 산화와 함께 국부적인 층 박리가 나타났습니다. PVD 코팅 시편은 DS 조건에서도 코팅층의 파손이나 화학적 반응 없이 표면에 얇고 불연속적인 알루미늄 부착층만 형성되었으며, 이는 코팅의 우수한 화학적 안정성을 입증합니다.

Variable Correlation Analysis

표면 조도와 배출력 사이에는 밀접한 상관관계가 확인되었습니다. CS 조건에서 PVD 코팅 시편의 조도가 낮아질수록(연마된 상태) 오히려 배출력이 증가하는 경향을 보였는데, 이는 낮은 조도로 인해 실제 접촉 면적이 증가하고 접선 방향의 부착력이 강화되었기 때문입니다. 반면, DS 조건에서는 화학적 반응이 지배적이 되면서 조도보다는 표면의 화학적 성질이 더 중요한 변수로 작용했습니다. 특히 PVD 코팅 시편은 고온 노출에 의해 형성된 산화층이 화학적 결합을 억제하여, 조도가 낮음에도 불구하고 CS 조건보다 낮은 배출력을 기록하는 역전 현상이 발생했습니다.

Paper Details

Wear and Soldering Performance of Bare, Nitrided and PVD Coated Hot-Working Tool Steel in Contact with Al-Alloy Casting

1. Overview

• Title: Wear and Soldering Performance of Bare, Nitrided and PVD Coated Hot-Working Tool Steel in Contact with Al-Alloy Casting
• Author: Pal Terek, Lazar Kovacevic, Vladimir Terek, Zoran Bobic, Branko Skoric, Marko Zagoricnik, Aljaz Drnovsek
• Year: 2025
• Journal: SERBIATRIB ‘25 (19th International Conference on Tribology)

2. Abstract

최근 복잡한 알루미늄 합금 부품의 대량 생산을 위한 고압 다이캐스팅(HPDC) 기술의 적용이 확대되고 있습니다. 이에 따라 HPDC 금형 요소의 효율성과 마모 저항성에 대한 요구 사항도 증가하고 있습니다. 따라서 금형 표면에 하드 코팅 및 보호층을 적용하는 것은 큰 잠재력을 제공합니다. 보호층의 성능은 표면 지형, 코팅의 성장 결함 및 표면 화학의 가변적 특성에 크게 의존하며, 이러한 효과는 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 본 연구에서는 EN X37CrMoV5-1 강철, 플라즈마 질화강, 그리고 듀플렉스 층 형태로 증착된 CrN 및 TiAlN PVD 코팅을 평가했습니다. 모든 시편은 동일한 수준의 표면 조도로 준비되었으며, 코팅된 시편은 추가적인 조도 단계로도 준비되었습니다. Al-Si-Cu 합금에서의 솔더링 및 마모 거동은 일반 응고(CS)와 지연 응고(DS) 두 가지 구성으로 수행된 실험실 배출 시험을 통해 평가되었습니다. 실험 전후에 3D 프로필로메트리와 다양한 현미경 및 분광 기술을 사용하여 표면을 특성화했습니다. DS 실험에서 강철 시편은 심각한 솔더링과 매우 높은 배출력을 보였습니다. 플라즈마 질화 시편은 상당히 나은 거동을 보였으나 DS 실험에서 표면층의 박리가 발생했습니다. 두 실험 구성 모두에서 PVD 코팅은 강철 및 질화층보다 우수한 성능을 보였으며 주조 합금과 반응을 보이지 않았습니다. PVD 코팅의 주요 단점은 조도를 낮추면 CS 주조물로부터의 배출력이 상당히 증가한다는 것입니다. 그러나 후연마된 PVD 코팅에서 기록된 가장 높은 배출력은 DS 테스트에서 감소했습니다. 이는 CrN 및 TiAlN 코팅 모두에 산화층이 형성되어 주조 합금과의 화학적 상호작용 및 마찰을 크게 줄였기 때문입니다. 최적의 코팅 성능을 달성하기 위해서는 적절한 코팅 유형을 선택하는 것뿐만 아니라 표면 형태와 사용 중 코팅의 변형을 고려하는 것이 필수적입니다.

3. Methodology

3.1. 시편 준비: H11 열간 공구강(EN X37CrMoV5-1)을 퀀칭 및 템퍼링하여 φ15×100 mm 크기의 원통형 시편으로 제작하고, 6 및 3 µm 다이아몬드 페이스트를 사용하여 정밀 연마를 수행함.
3.2. 표면 처리: ION 25I 장비를 사용하여 12시간 동안 펄스 플라즈마 질화를 수행하였으며, 이후 CrN은 열이온 아크 이온 플레이팅(BAI730)으로, TiAlN은 비대칭 마그네트론 스퍼터링(CC800/7)으로 증착함.
3.3. 배출 시험 구성: 일반 응고(CS, 금형 320°C)와 지연 응고(DS, 금형 600°C 예열 후 700°C 로에서 20분 유지) 두 가지 조건에서 알루미늄 합금을 주조하고 시편을 배출하여 하중을 측정함.
3.4. 표면 분석: 3D 스타일러스 프로필로메트리(Talysurf), 공초점 광학 현미경(CFM), FIB-SEM(Helios Nanolab 650i), EDS 및 XPS를 사용하여 시험 전후의 표면 상태 및 화학적 조성을 분석함.

4. Key Results

실험 결과, 미처리 H11 강철은 DS 조건에서 배출력이 CS 조건 대비 약 120% 급증하며 심각한 금속학적 솔더링을 보였습니다. 플라즈마 질화(PN) 시편은 강철보다 우수한 저항성을 나타냈으나, DS 조건에서 얇은 층의 박리가 발생하며 마모가 진행되었습니다. PVD 코팅(CrN, TiAlN)은 주조 합금과의 화학적 반응이 거의 없었으며, 특히 연마된 코팅 시편(PP)은 DS 조건에서 배출력이 크게 감소하는 특이점을 보였습니다. 이는 고온 노출 시 형성된 약 50nm 두께의 산화층(Cr2O3 등)이 윤활 및 확산 방지막 역할을 수행했기 때문입니다. 반면, 기계적 솔더링이 지배적인 CS 조건에서는 표면 조도가 낮을수록 배출력이 높아지는 경향이 확인되었습니다.

Figure List

1. 그림 1. 사용된 실험적 주조 방법의 개략도 (CS 및 DS 방법)
2. 그림 2. 배출 시험 후 용융 합금에 노출된 시편 표면의 외관
3. 그림 3. DS 실험 후 H11 표면의 SEM 분석 (초기 표면, 솔더링 층, 분화구 위치 표시)
4. 그림 4. DS 실험 후 PN 표면의 SEM(배면 산란 전자) 이미지
5. 그림 5. DS 실험 후 a) CrN 및 b) TiAlN 시편 표면의 SEM 분석
6. 그림 6. DS 실험 후 CrN-PP 시편의 a) FIB-SEM 단면 분석 및 b) EDS 라인 분석
7. 그림 7. 모든 테스트 시편에 대해 두 가지 실험 구성에서 얻은 최대 배출력 값 및 Ra 조도 파라미터

References

1. P. Terek et al., Wear 356–357 (2016) 122–134.
2. J. Lin et al., Surf. Coatings Technol. 201 (2006) 2930–2941.
3. A. Molinari et al., Surf. Coatings Technol. 126 (2000) 31–38.
4. Z.W. Chen, Mater. Sci. Eng. A 397 (2005) 356–369.
5. P. Terek et al., Tribol. Ind. 39 (2017).

Technical Q&A

Q: 지연 응고(DS) 시험이 일반 응고(CS) 시험과 비교하여 갖는 기술적 의의는 무엇인가?

DS 시험은 금형을 600°C로 예열하고 주조 후 고온의 로에서 20분간 유지함으로써, 실제 HPDC 공정보다 훨씬 가혹한 열적, 화학적 환경을 조성합니다. 이는 단순한 기계적 고착을 넘어 주조 합금과 금형 소재 사이의 금속학적 반응 및 확산 공정을 가속화하여, 장기적인 사용 환경에서 발생할 수 있는 화학적 솔더링 메커니즘을 정밀하게 시뮬레이션할 수 있게 합니다.

Q: PVD 코팅 시편에서 표면 조도가 낮아질 때 배출력이 증가하는 이유는 무엇인가?

기계적 솔더링이 지배적인 CS 조건에서는 표면이 매끄러울수록(조도가 낮을수록) 주조 합금과 코팅 표면 사이의 실제 접촉 면적이 넓어집니다. 이로 인해 접선 방향의 부착 효과가 강화되어 배출 시 더 높은 힘이 요구됩니다. 따라서 기계적 마찰이 주된 문제인 경우, 극도의 연마보다는 적절한 수준의 조도를 유지하는 것이 배출력 감소에 유리할 수 있습니다.

Q: DS 시험에서 PVD 코팅 시편의 배출력이 오히려 감소한 물리적 근거는?

FIB-SEM 및 EDS 분석 결과, DS 시험의 고온 환경에서 CrN 및 TiAlN 코팅 표면에 약 50nm 두께의 얇은 산화층이 형성됨이 확인되었습니다. 이 산화물(Cr2O3, Al2O3)은 용융 알루미늄에 대해 화학적으로 매우 불활성이며, 질화물 코팅보다 낮은 마찰 계수를 가집니다. 이 층이 알루미늄과의 화학적 결합을 차단하는 장벽 역할을 하여 배출력을 42~47% 가량 감소시킨 것입니다.

Q: 플라즈마 질화(PN) 시편이 DS 조건에서 보인 주요 실패 모드는 무엇인가?

PN 시편은 미처리 H11 강철보다는 우수한 성능을 보였으나, DS 조건에서 표면 산화와 함께 얇은 층의 박리(Delamination) 현상이 관찰되었습니다. 이는 주조 합금이 산화된 질화층 표면에 결합한 후, 배출 과정에서 발생하는 전단 응력이 산화층 및 그 아래의 화합물층을 뜯어내면서 발생합니다. 이러한 박리 부위는 확산층까지 노출되어 추가적인 손상의 기점이 될 수 있습니다.

Q: 본 연구 결과가 실제 HPDC 산업 현장에 주는 핵심 권고 사항은?

단순히 코팅의 종류를 선택하는 것뿐만 아니라, 금형의 작동 온도와 접촉 시간을 고려한 표면 설계를 수행해야 합니다. 특히 화학적 솔더링이 우려되는 고온 부위에는 PVD 코팅을 적용하되, 사용 전 제어된 산화 처리를 통해 보호 산화층을 미리 형성하는 것이 배출 성능 최적화에 효과적입니다. 또한, 기계적 고착이 주된 부위에서는 과도한 후연마를 지양해야 합니다.

Conclusion

본 연구는 H11 열간 공구강의 솔더링 저항성을 향상시키기 위해 플라즈마 질화 및 PVD 코팅의 효능을 검증하였습니다. 실험 결과, PVD 코팅(CrN, TiAlN)은 가혹한 지연 응고 조건에서도 주조 합금과의 화학적 반응을 완벽히 차단하여 가장 우수한 성능을 입증하였습니다. 특히 고온 노출 시 형성되는 자생적 산화층이 배출력을 현저히 낮추는 긍정적인 역할을 수행함을 확인하였습니다. 이러한 결과는 HPDC 금형의 수명 연장을 위해 코팅의 화학적 안정성과 사용 중 발생하는 표면 변형을 동시에 고려해야 함을 시사하며, 향후 금형 유지보수 전략 수립에 중요한 기초 자료로 활용될 수 있습니다.

Source Information

Citation: Pal TEREK, Lazar KOVACEVIC, Vladimir TEREK, Zoran BOBIC, Branko SKORIC, Marko ZAGORICNIK, Aljaz DRNOVSEK (2025). WEAR AND SOLDERING PERFORMANCE OF BARE, NITRIDED AND PVD COATED HOT-WORKING TOOL STEEL IN CONTACT WITH Al-ALLOY CASTING. SERBIATRIB ‘25.

DOI/Link: 10.24874/ST.25.135

Technical Review Resources for Engineers:

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