[논문]고출력 다이오드 레이저를 이용한 프레스 전단금형의 경화특성

황현태; 소상우; 황재현; 김종도

doi:10.12656/jksht.2010.23.5.257

고출력 다이오드 레이저를 이용한 프레스 전단금형의 경화특성
Heat Treatment Characteristics of Press Blanking Die by Using High Power Diode Laser 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.23 no.5, 2010년, pp.257 - 262

황현태 ((재)울산테크노파크) , 소상우 ((재)울산테크노파크) , 황재현 ((재)울산테크노파크) , 김종도 (한국해양대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, metal molding has become essential not only for automobile parts, but also mass production, and has greatly influenced production costs as well as the quality of products. Its surface has been treated by carburizing, nitriding and induction hardening, but these existing treatments cause considerable deformation and increase the expense of postprocessing after treatment; furthermore, these treatments cannot be easily applied to parts that requiring the hardening of only a certain section. This is because the treatment cannot heat the material homogeneously, nor can it heat all of it. Laser surface treatment was developed to overcome these disadvantages, and, when the laser beam is irradiated on the surface and laser speed is appropriate, the laser focal position is rapidly heated and the thermal energy of surface penetrates the material after irradiation, finally imbuing it with a new mechanical characteristic by the process of self-quenching. This research estimates the material characteristic after efficient and functional surface treatment using HPDL, which is more efficient than the existing CW Nd:YAG laser heat source.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CW CO₂ 및 Nd : YAG 레이저에 비해 에너지 변환효율이 높고, 짧은 파장으로 인한 높은 흡수율 및 중절모형태(flat hat)의 균일한 에너지밀도를 가진 고출력 다이오드레이저(HPDL)를 이용한 대형 프레스전단금형의 국부 표면처리를 통하여 가열온도 및 조사속도를 각각 달리 변화시켜 표면처리를 행한 후 표면경화 특성을 규명함으로써, 실용화 가능성이 높은 HPDL를 이용하여 저변형의 금형품질 확보 및 수명향상을 통한 실용화 선행연구를 하고자 한다.
본 연구에서는 고출력 다이오드 레이저를 이용하여 주철금형의 표면처리 시 경화특성 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

가열온도 및 조사속도가 각각 1,100°C 및 5 mm/sec의 공정변수에서 표면처리시 미세조직 특성을 관찰하였다.
2와 같이 채취하여 표면경도는 마이크로 비커스 경도 시험기를 사용하여 100 g의 인가하중으로 측정하였다. 그리고 열처리 전, 후의 변형량 측정과 조도변화량을 측정 하였다. 또한 경화된 표면 부분은 에칭 후 광학 현미경 및 SEM를 사용하여 표면 조직상태를 관찰하였다.
그리고 열처리 전, 후의 변형량 측정과 조도변화량을 측정 하였다. 또한 경화된 표면 부분은 에칭 후 광학 현미경 및 SEM를 사용하여 표면 조직상태를 관찰하였다.
본 연구에서의 시험 조건은 Table 2와 같이 모재의 가열온도와 조사속도의 공정변수를 다르게 하여 실험하였다. 분석은 레이저 조사 후 횡단면으로 Fig.2와 같이 채취하여 표면경도는 마이크로 비커스 경도 시험기를 사용하여 100 g의 인가하중으로 측정하였다. 그리고 열처리 전, 후의 변형량 측정과 조도변화량을 측정 하였다.
빔 사이즈는 금형재료의 용도를 고려하여 15×15 mm의 열처리 광학렌즈를 사용하였고, Fig. 1은 모식도에서 나타낸 것처럼 광학헤드를 10° 기울인 상태로 표면처리를 실시하였다.
표면경화전의 모재가 모두 같은 표면조도를 갖고 있지 않기 때문에 표면처리 전, 후의 각각의 모재에서 표면조도 변화량을 측정하였다. 표면처리 후 표면조도(Ra)는 표면처리 전 표면조도(Ro)를 뺀 값(RaRo)의 변화를 Fig.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 시편의 크기는 레이저 표면처리 후 열전달을 고려하여 90×45×25 mm로 제작하였다. Table 1에 본 실험에 사용된 재료는 EPMA를 이용하여 성분 분석한 화학적 조성을 나타내었다.
본 연구에서 사용된 모재는 프레스 주물금형의 전단공정에 사용되는 소재로 표면경화 전, 후의 치수변화에 대하여 민감하다. 그러므로 레이저 빔의 조사속도 및 가열온도에 따라 표면경화 전, 후의 변형 특성을 Fig.
본 연구에서 사용된 시편의 크기는 레이저 표면처리 후 열전달을 고려하여 90×45×25 mm로 제작하였다.
본 연구에서 사용된 재료는 프레스를 이용한 대형주물금형에 있어 전단 공정에 사용되는 재료로 프레스 공정은 드로우 공정, 전단공정, 플랜지 공정 그리고 피어싱 공정으로 크게 이루어진다. 여기에서 전단공정은 프레스 드로우 공정을 통하여 형성된 제품을 필요 없는 부분을 잘라내는 공정이기도 하다.
본 연구에서 사용한 레이저는 4 kW급 고출력 다이오드 레이저로 레이저빔은 직경 400 µm의 파이버(fiber)로 전송된다.
실험에 사용된 FC300 소재는 고탄소강으로 열처리능이 우수한 편상흑연이 포함된 주철로 경화부의 침상 마르텐사이트 조직이 잘 형성되어 있다.

성능/효과

관찰결과 Fig. 5(a)에서와 같이 가열온도가 높을수록 표면조도 변화량은 증가하고, 레이저빔의 조사속도에는 가열온도에 비해 영향이 적음을 확인하였다. 또한 가열온도의 증가는 표면처리 후 표면의 산화증이 증가하였음을 의미한다.
1. 다이오드 레이저를 이용한 표면경화 처리 시 FC300 소재의 최대표면경도, 경화 폭 및 경화 깊이는 각각 822 Hv, 7 mm 및 1.4 mm이었다.
2. 표면경화 처리 시 최대 변형은 각각 9.4 µm로 표면처리에 의한 변형은 크지 않았다.
3. 표면경화 처리 시 표면조도는 레이저 빔의 조사속도보다 가열온도에 의한 영향이 크게 나타났다.
4. 미세조직의 상태는 경화깊이에 따라 경화부는 침상의 마르텐사이트가 형성되어 있었으며, 열영향부는 시멘타이트와 잔류 오스테나이트 그리고 펄라이트가 혼재된 조직이 관찰되었다.
3(a)와 (b)는 레이저빔의 조사속도를 3 mm/sec로 일정하게 유지하면서 온도변화에 따른 경화 폭 및 깊이를 관찰하였다. 관찰 결과, 가열온도가 높을수록 경화 폭과 깊이가 커지는 것을 알 수 있었다. 이는 가열온도가 증가할수록 모재의 깊이방향으로의 입열량도 증가하여 오스테나이트로 변태되는 부분도 증가되고, 그 후 자기냉각효과로 인하여 마르텐사이트를 형성하는 부분이 넓어 졌음을 알 수 있다.
3(c)와 (d)는 레이저빔의 가열온도를 1050°C로 일정하게 유지하면서 조사속도에 따른 경화 폭 및 깊이를 관찰한 결과이다. 관찰결과 조사속도에 따른 경화 폭의 변화는 적으나 경화 깊이는 조사속도의 증가에 따라 감소하는 것을 관찰하였다. 또한 조사속도 5 mm/sec 이상에서는 경화 깊이가 1 mm이상으로 관찰되나, 조사속도 2 mm/sec에서는 경화깊이가 0.
이는 경화 깊이가 가열온도 50°C의 온도제어도 재료내부의 상변태를 제어하는데 매우 민감하게 작용함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금형의 표면처리는 어디에 가장 큰 영향을 주는가?	이러한 프레스 금형은 재료, 정밀가공 및 표면처리에 의한 3요소가 적절히 조화를 이루어야 한다. 이중에서도 금형의 표면처리는 금형수명 및 금형제작비용 등에 미치는 영향이 매우 크다. 이 때문에 화염경화법과 고주파경화법 등의 국부경화표면처리 기술이 개발되어 왔다.
	기존 화염경화법과 고주파경화법의 단점은?	이 때문에 화염경화법과 고주파경화법 등의 국부경화표면처리 기술이 개발되어 왔다. 이와 같이 기존의 화염경화법의 경우 작업자의 경험 및 숙련도에 의해 품질이 크게 좌우되는 문제가 있으며, 고주파경화법의 경우 입열량 제어가 어려워 표면처리 후 최소변형량이 요구되는 분야에는 적합하지 못하다. 이러한 새로운 금형특성 강화를 위해 경화하려는 부위만 레이저 빔을 집중시켜 순간적인 가열과 냉각에 의한 자기냉각(self quenching) 과정을 거쳐 레이저 조사부에 마르텐사이트를 형성하게 하는 기술이 최근 독일, 일본 등 국내에서도 일부 연구되고 있다[1-11].
	프레스 금형은 어떤 요소가 적절히 조화되어야 하는가?	금형산업 중 프레스 금형은 모든 산업에 사용될 만큼 중요하다. 이러한 프레스 금형은 재료, 정밀가공 및 표면처리에 의한 3요소가 적절히 조화를 이루어야 한다. 이중에서도 금형의 표면처리는 금형수명 및 금형제작비용 등에 미치는 영향이 매우 크다.

참고문헌 (12)

K. W. Park, Y. H. Han and S. Y. Lee : J. of the Korean Society for Heat Treatment, 9(4) (1996) 271.
K. S. Nam and K. H. Lee: J. of the Korean Society for Heat Treatment, 9(4) (1996) 229.
S. D. Park, O. Y. Lee and K. H. Song : J. of the Korean Society for Heat Treatment, 8(1) (1995) 32.
Friedrich Dausinger : Proceedings of LAMP, (1992) 697.
J. D. Kim, W. J. Kang, J.J. Lee, J. H. Lee,J. Suh and M. O. Lee : Proceedings of the Korean Welding and Joining Society Symposium, (2006) 248.
H. J. Shin, Y. T. Yoo, D. G.,Ahn and K. Im :J. Mater. Pro. Tech., 187-188 (2007) 467.

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H. J. Shin and Y. T. Yoo : J. Mater. Pro. Tech., 201 (2008) 342.

상세보기
Dr. Peter Hoffmann, Dr. Roland Dierken and Thomas Endress : J. of the Korean Society for Heat Treatment, 20(4) (2007) 203.
E. Kennedy, G. Byrne and D. N. Collins:J. Mater. Pro. Tech., 155-156 (2004) 1855.

상세보기
S. D. Choi, S. H. Cheong, S. C. Yang and J. G. Kim : Kumoh National Institute of Technology, (2007) 380.
H. T. Hwang, H. S. Sao, J. D. Kim, M. K. Song and Y. K. Kim : Materials Research Society of Korea, 19 (2009) 574.
J. C. KJM : MA Thesis(in Korean), Ulsan University (2009) 380-385.

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