DC53의 정의, 특성, 용도에서 가공 방법까지를 해설

DC53은 기존의 합금 공구강 SKD11의 약점을 극복하기 위해 개발된 높은 경도와 뛰어난 인성을 양립시킨 차세대 냉간 다이스강입니다. 제조업의 설계·개발 담당자에게 있어 금형이나 기계 부품의 장수명화를 실현하는 데 있어서 유력한 선택지가 됩니다. 단, 뛰어난 성능을 최대한으로 끌어내기 위해서는 재료 특성이나 열처리, 가공에 대한 깊은 이해가 필수적입니다.
이번 내용에서는, DC53의 기본 특성으로부터 장점·단점, SKD11와의 구체적인 차이, 또 가공시의 포인트까지를 망라적으로 해설합니다. 금형이나 기계 부품의 재료 선정에 관련된 설계·개발 담당자 분은, 꼭 끝까지 봐 주세요.

DC53의 정의

DC53은 SKD11을 기반으로 개발된 개량형 냉간 다이스강입니다. SKD11의 약점이었던 인성이나 가공성을 개선하는 목적으로 개발되어 현재는 범용 금형강으로서 널리 보급되고 있습니다.

SKD11에 비해 조직이 미세화되어 있으며, 퀜칭 후 고온 템퍼링(520~530℃)에 의해 HRC6 2~63의 고경도와 높은 인성을 양립할 수 있는 점이 특징입니다. 그 인성은 SKD11의 약 2배에 달하며, 고경도화에 의해서 내마모성도 충분히 확보되어 있습니다. 또한 피로 강도(반복 하중에 대한 강도)도 SKD11 대비 약 20% 향상되었습니다.

DC53의 특성

여기에서는 DC53 의 기계적 특성과 물리·화학적 특성에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 

기계적 특성

DC53의 최대 기계적 특성은 고경도와 고인성의 양립입니다. 열처리(퀘칭, 고온 템퍼링)를 통해 HRC 62~63이라는 SKD11을 웃도는 고경도를 얻을 수 있습니다. 일반적인 용도에서의 열처리 조건과 목표 경도의 관계는 다음과 같습니다.

고경도에도 불구하고, 인성은 SKD11의 약 2배에 달해, 금형의 깨짐이나 깨짐이라고 하는 돌발적인 파손을 대폭 저감합니다.

이 특성으로 공구 수명이 비약적으로 향상되어 스테인레스 강판이나 고장력 강판의 가공 등 보다 가혹한 조건에서 사용할 수 있습니다.

물리 및 화학적 특성

DC53 의 주요 물리적 특성은 다음과 같습니다. 

DC53의 중요한 물리적 특성으로는 SKD11과 마찬가지로 우수한 열처리성을 들 수 있습니다. 열처리성이 높고 진공로 내에서 가스 냉각이나 공랭으로 충분히 경화됩니다.

가장 큰 특징은 520~530℃의 고온에서 템퍼링을 한다는 점입니다. 이 고온 템퍼링으로 잔류 응력이 충분히 제거되어 열처리 후 치수 변화가 SKD11보다 더욱 작아집니다. 와이어컷 방전 가공 후의 변형이나 사용 중의 경년 변화도 매우 발생하기 어렵고 높은 치수 안정성을 유지할 수 있습니다.

화학적 특성 면에서는 내식성과 내열성에 주의가 필요합니다. 크롬 함유량이 SKD11보다 적으므로 내식성은 약간 떨어지며, 습도가 높은 환경에서는 녹이 발생하기 쉬우므로 방청 처리가 권장됩니다.

또한 냉간용 공구강이므로 내열성이 높지 않습니다. 특히 200℃를 넘는 온도환경에서 장시간 사용하면 의도하지 않은 열처리가 진행되어 설계 시 상정한 경도를 유지할 수 없게 될 가능성이 있습니다.

DC53의 장점

고경도와 고인성의 양립 

DC53의 최대의 장점은 HRC62~63라고 하는 고경도이면서, SKD11의 약 2배라고 하는 뛰어난 인성을 양립하고 있는 점입니다. 이것은, SKD11을 베이스로 한 성분 개량과 조직의 미세화에 의해서 실현되고 있습니다.

이 특성으로 프레스 금형 등에서 문제가 되기 쉬운 깨짐이나 깨짐과 같은 돌발적인 파손 위험을 대폭 줄일 수 있습니다. 결과적으로 금형 수명이 비약적으로 향상되어 SKD11에서는 대응이 어려웠던 높은 부하 가공 조건 하에서도 안정적인 성능을 발휘합니다.

고온 템퍼링에 의한 우수한 치수 안정성 

DC53은 520℃급의 고온에서 템퍼링을 함으로써 열처리 후의 치수 변화가 극히 작다는 특징이 있습니다. 고온에서의 처리에 의해 내부의 잔류 응력이 충분히 제거되어 조직이 안정화되기 때문입니다.

이 뛰어난 치수 안정성은 SKD11을 웃도는 수준입니다. 정밀한 공차가 요구되는 금형 부품이나 치공구에 있어서, 열처리에 의한 왜곡을 최소한으로 억제하고, 가공 정밀도를 유지하는 것에 크게 공헌합니다. 또한 와이어 컷 방전 가공 후의 변형이나 시간 경과에 따른 치수 변화도 발생하기 어려운 점도 큰 장점입니다.

뛰어난 가공성(피삭성·연삭성) 

DC53은 SKD11에 비해 가공성이 개선된 점도 장점입니다. 조직이 미세화되어 있기 때문에 열처리 전의 어닐링 상태에 있어서의 피삭성이 30~40% 향상되었습니다.

이를 통해 절삭 가공시 공구 마모가 적어져 가공 시간 단축 및 비용절감으로 이어집니다. 열처리 후에도 연삭성이 양호하므로 고정밀 마감 가공이 용이하다는 장점도 있습니다.

DC53의 단점

열처리 비용의 높이 

DC53의 성능을 최대한 끌어내기 위해서는 진공 열처리와 여러 번의 고온 열처리가 필수적입니다. SKD11이 저온 소개로 끝나는 경우가 있는데 반해 DC53은 엄격한 온도관리 하에서의 고온처리가 필수입니다.

이로 인해 열처리 공정이 복잡해져 SKD11에 비해 시간과 비용이 증가하는 경향이 있습니다. 특히 자사에 적절한 열처리 설비가 없는 경우는 외주비용이 비용을 끌어올리는 요인이 된다는 점에 주의가 필요합니다.

가공·수정의 어려움 

열처리 후의 DC53은 HRC60을 넘는 고경도가 되므로 절삭 공구에 의한 추가 가공은 어렵습니다. 형상 가공의 대부분은 열처리 전의 어닐링 상태에서 실시할 필요가 있습니다.

열처리 후의 마무리는 연삭 가공이나 방전 가공에 한합니다만, 그 때도 주의가 요구됩니다. 특히 연삭 가공에서는 가공열에 의한 「연삭번」이나 미세한 균열(마이크로 크랙)이 발생하지 않도록 적절한 숫돌의 선정과 충분한 냉각 등 신중한 작업이 필수적입니다.

고온 환경에서의 사용 제한 

DC53은 SKD11에 비해 몇 가지 화학적 특성에서 떨어지는 점이 있습니다. 크롬 함유량이 SKD11보다 적기 때문에 내식성이 다소 떨어집니다. 따라서 습도가 높은 환경이나 부식성이 우려되는 조건 하에서 사용하는 경우는 방청유 도포나 표면 처리와 같은 대책이 필요합니다.

또한 DC53은 어디까지나 냉간용 공구강이며 내열성은 높지 않습니다. 고온 환경에서 사용할 때는 충분한 주의가 필요합니다.

DC53의 용도

DC53 은 고경도와 고인성을 살려 냉간 금형을 중심으로 폭넓은 분야에서 채용되고 있습니다. 주요 용도에 대해 자세히 살펴 보겠습니다. 

프레스 금형·트리밍 다이

DC53은 스테인레스 강판과 고장력 강판 등 난가공재용 프레스 금형에 매우 적합합니다. 높은 경도와 뛰어난 인성을 겸비하기 때문에, SKD11에서는 날 끝의 마모나 깨짐이 생기기 쉬운 가혹한 펀칭 가공으로도, 손상을 대폭 억제할 수 있기 때문입니다.

실제로 정밀한 파인 블랭킹형이나 주조품의 버 제거에 이용하는 트리밍 다이에 DC53을 적용한 결과 금형 수명이 SKD11 대비 1.5배 이상 향상된 사례도 보고되었습니다. 이처럼 DC53은 금형의 수명 연장과 유지 보수 빈도 감소에 크게 기여합니다.

냉간 단조 금형

DC53은 높은 압력과 충격이 반복적으로 가해지는 냉간 단조용 금형에도 효과적입니다. SKD11을 넘는 높은 인성과 피로강도를 가지기 때문에, 종래재에서는 깨짐이나 조기 마모가 문제가 되고 있던 용도에서도, 파손 리스크를 저감해 안정된 생산을 실현할 수 있기 때문입니다.

예를 들어 볼트나 톱니바퀴의 성형에 이용하는 펀치나 다이스, 나사 전조용 평다이스 등에 채용되어 있습니다. 어떤 사례에서는 DC53화를 통해 금형수명이 최대 2.5배 향상되었다는 데이터도 있습니다. 따라서 DC53은 높은 반복 응력이 가해지는 냉간 단조 금형의 신뢰성 향상에 필수적인 재료입니다.

수지 금형 인서트 재질

DC53은 플라스틱 성형 금형 중에서도 마모가 심한 부분의 인서트재로 유효합니다. 유리섬유 등으로 강화된 경질 수지를 성형할 때 금형의 캐비티부는 심하게 마모되는데 DC53의 높은 경도와 내마모성이 이를 효과적으로 억제하기 때문입니다.

구체적으로는 금형 중에서도 특히 부하가 걸리는 삽입자(인서트 블록)나 슬라이드 코어 등에 채택됩니다. 또한 청정도가 높고 경면마감에도 적합하여 고광택인 제품의 성형면에도 사용 가능합니다.

고정밀 기계 부품·치공구

DC53은 높은 내마모성과 치수 안정성이 요구되는 고정밀 기계 부품 및 치공구에도 채택되었습니다. 열처리 후의 경년 변화가 매우 작고, 열처리에 의한 높은 경도로 접동 마모를 억제할 수 있기 때문에 장기간에 걸쳐 정밀도를 유지할 필요가 있는 부품에 최적이기 때문입니다.

구체적으로는 생산 설비의 워크가이드나 클램프의 손톱과 같은 소모되기 쉬운 부품에 적용함으로써 교환 빈도를 줄일 수 있습니다. 게다가 치수 정밀도가 중요한 게이지류에도 사용되는 경우가 많아, DC53은 기계 장치의 신뢰성 향상과 장수명화에 크게 공헌합니다.

DC53의 가공 방법과 포인트

DC53 의 우수한 성능을 얻으려면 각 공정에서 적절한 가공 방법과 주의 사항을 이해하는 것이 필수적입니다. 여기에서는 설계자도 알아야 할 가공의 포인트를 설명합니다. 

절삭 가공(공구 선정·가공 조건)

DC53의 절삭 가공에서는 적절한 공구 선정과 가공 조건이 중요합니다. SKD11보다 피삭성은 향상되었으나, 불쏘시개 상태에서도 경도가 높아 난삭재로 분류되므로 일반 공구에서는 마모가 심하고 가공 정밀도도 잘 나오지 않기 때문입니다.

초경합금이나 세라믹으로 만든 공구 또는 TiAlN 등의 코팅이 된 공구를 사용합니다. 그런 다음 절삭 속도를 억제하고 충분한 절삭유로 냉각하면서 가공하는 것이 권장됩니다.

퀘칭·템퍼링 처리(온도 조건과 변치 대책)

DC53의 성능을 최대한 끌어내기 위해서는 엄격한 온도 관리 하에서의 열처리가 필수적입니다. 특히 520℃ 전후에서의 고온 열처리가 이 재료의 특성을 결정짓는 중요한 공정이며, 이를 게을리하면 고인성을 얻을 수 없고 치수도 안정되지 않기 때문입니다.

일반적으로는 1,030℃ 전후에서 열처리 후 신속하게 520~530℃에서 2회 이상 열처리 합니다. 저온 소환에서는 성능이 발휘되지 않기 때문에 도면이나 가공 지시서에는 반드시 고온 소환을 지정할 필요가 있습니다. DC53의 특성을 이해하고 적절한 열처리를 하는 것이 신뢰성이 높은 부품을 만드는데 매우 중요합니다.

연삭·방전 가공시의 유의점

열처리 후의 마무리 가공에서는 연삭 연소 및 가공 변질층에 세심한 주의가 필요합니다. 고경도재인 DC53은 연삭시의 과대한 열로 표면이 재경화되어 부서지거나(연삭 그을림), 방전가공으로 표면에 미세한 크랙이 생기기 쉬우며, 이는 금형수명을 현저하게 저하시키는 원인이 됩니다.

대책으로서 연삭에서는 적절한 숫돌을 선택하고 절삭 깊이를 얕게 하여 충분한 냉각을 실시합니다. 또한 정밀도가 높은 와이어 컷 방전 가공을 실시하려면 고온 열처리를 2회 실시하여 열처리 잔류 응력을 경감합니다. 이와 같이 마감 가공에서의 데미지를 최소한으로 억제하는 것이 DC53의 장수명화와 직결됩니다.

DC53과 다른 종의 비교

DC53 을 선정할 때는 다른 대표적인 공구강과의 차이를 이해하는 것이 중요합니다. 여기서는 SKD11 과 SKH51 을 비교하여 각각의 특성과 구분을 해설합니다.

SKD11과의 차이(내마모성・인성・열처리 특성)

DC53은 인성과 열처리 특성 면에서 SKD11을 크게 웃돕니다. 최대의 개선점은 인성으로, SKD11의 약 2배의 끈기를 가지기 때문에, 금형의 균열이나 파손과 같은 돌발적인 파손 리스크를 저감합니다. 내마모성의 경우 DC53은 경도를 HRC62까지 높일 수 있기 때문에 실용적으로는 SKD11과 동등 이상의 성능을 나타냅니다.

열처리 특성도 달라 DC53은 520~530℃의 고온 열처리를 하면 잔류 응력이 제거되어 SKD11보다 우수한 치수 안정성을 실현합니다. 이처럼 DC53은 SKD11의 범용성을 유지하면서 신뢰성과 수명을 향상시킨 강종입니다.

SKH51 등 고속강과의 비교(비용・성능・가공성)

DC53과 고속도강 SKH51의 비교에서는 비용, 성능, 가공성의 밸런스가 선정의 열쇠입니다. 성능면에서는, SKH51은 뛰어난 내열성을 가져 고온 환경에서 경도를 유지하지만, DC53은 상온하에서의 인성이 뛰어납니다.

비용과 가공성에서는 SKH51이 비싸고 가공도 어려운 반면 DC53은 보다 저렴하고 피삭성도 양호합니다. 이를 통해 제조 전체의 리드 타임과 비용을 억제할 수 있습니다. 따라서 고속 절삭과 같은 고온 환경에서는 SKH51이 적합하지만, SKH51만큼의 내열성이 불필요한 프레스 금형 등에서는 DC53이 가성비가 뛰어난 실용적인 선택지입니다.

정리

DC53은 범용적인 냉간 다이스강 SKD11의 약점이었던 인성을 대폭 개선한 고성능 합금 공구강입니다. 열처리에 의해서 HRC62 전후의 고경도와 SKD11의 약 2배의 인성을 양립시키고 있는 것이 최대의 특징으로, 프레스 금형이나 치공구의 갈라짐·빠짐을 억제해,  장수명화에 크게 공헌합니다.

또한 고온 열처리에 의한 뛰어난 치수 안정성을 갖추고 있어 고정밀 부품에도 적합합니다. 그 성능을 최대한 끌어내기 위해서는 적절한 열처리와 가공에 관한 지식이 필수적입니다.

이번 내용을 참고하시어 재료 선정 및 금형 설계, 조달 업무에 꼭 활용하시기 바랍니다.