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문제 정의
- 본 연구는 FCD550 소재를 이용하여 프레스 금형의 레이저 열처리와 이온질화처리를 순차적으로 실시하는 복합열처리 공정에 대하여 적용성 평가를 하였다. 레이저 열처리 조건은 1150oC, 2 mm/sec, 이온질화처리 조건은 방전 발생압력, 이온질화처리 온도 및 시간, 가스조성과 펄스 유지시간에 따라서 조건을 설정하고 실제 프레스 금형에 적용 후 복합열처리의 적용 타당성을 검토한 결과를 다음과 같이 정리하였다.
- 본 연구는 금형에 대한 이러한 문제점을 극복하기 위하여 마모도가 높은 부위에 국부 레이저 열처리후 이온질화처리를 하는 복합열처리 기술을 개발하자고 한다. 국부 레이저열처리는 고출력다이오드레이저를 이용하여 강성이 필요한 부분만 열처리하면서 열처리 후 변형이 최소로 할 수 있는 열처리 특성을 규명하고,1-5) 이온질화처리를 통한 내구특성을 평가함으로써6-8) 복합열처리 공정개발을 하고자 하였다.
- 본 연구에서 사용된 재료는 프레스를 이용하여 생산되는 자동차 부품의 사이드아웃트(side outer)를 제작하는 금형으로 자동차의 백밀러부터 트렁크 옆 차폭등까지 연결되는 부품을 제작하는 대형금형이다. 이 금형은 대형이면서 형상이 복잡하기 때문에 국부적으로 마찰 마모가 다른 부위보다 심하게 발생하므로 복합열처리를 적용하여 금형내구수명을 향상시키고자 하였다.
제안 방법
- 5) 실재 금형에 대한 복합열처리 후 내구실험은 프레스를 이용하여 제품을 생산하면서 제품의 불량을 통하여 금형내구 수명을 평가하였다. 레이저 열처리의 경우 마모가 심한 곳에 국부적으로 열처리 후 금형 전체를 이온질화처리 하였다.
- 본 연구는 금형에 대한 이러한 문제점을 극복하기 위하여 마모도가 높은 부위에 국부 레이저 열처리후 이온질화처리를 하는 복합열처리 기술을 개발하자고 한다. 국부 레이저열처리는 고출력다이오드레이저를 이용하여 강성이 필요한 부분만 열처리하면서 열처리 후 변형이 최소로 할 수 있는 열처리 특성을 규명하고,1-5) 이온질화처리를 통한 내구특성을 평가함으로써6-8) 복합열처리 공정개발을 하고자 하였다.
- 자동차용 차체부품(사이드 아웃트 부품)금형을 평가하기 위해 오른쪽 금형은 복합표면처리를 적용하였고, 왼쪽의 금형은 기존 방법인 크롬도금을 이용하여 표면처리 하였다. 금형의 내구성평가는 기존의 금형과 복합표면처리 적용 금형을 이용하여 같은 횟수의 부품을 제작하여 금형의 재처리 횟수로 평가하였다. 금형의 재처리는 프레스를 이용하여 자동차 차체부품을 만들면서 부품의 외면에 불량이 나올시 금형의 마모 상태로 인한 불량이라고 판단되면 재처리를 하게 된다.
- 따라서 평가는 제품 25만개를 제작함에 있어 금형의 재처리 횟수를 비교한 것으로 기존의 크롬도금의 경우 4회를 재처리 하였다. 그러나 복합열처리는 재처리를 하지 않고 제품 25만개의 제작에도 금형 마모에 의한 제품 불량이 발생하지 않았으며, 현재에도 금형의 내구성평가가 진행 중에 있다.
- 본 연구에 사용된 주철 소재에 대한 경화특성을 파악하기 위해 주된 공정변수인 열처리 온도 및 레이저 빔의 이송속도를 변화시키면서 레이저 열처리를 실시하였다. 레이저 빔의 이송속도 3 mm/sec로 고정하고 열처리 온도를 950~1,200℃ 사이에서 50℃ 간격으로 설정하였고, 열처리 온도 1,150℃로 고정하고 레이저 빔의 이송속도 2, 3, 5, 7, 10 mm/sec로 변화시키면서 열처리를 실시하였다. 이때 빔 사이즈는 40 × 7 mm의 광학계를 이용하였다.
- 0 kW이며, 레이저 빔은 직경이 400 µm의 파이버(fiber)로 전송된다. 레이저 빔의 전송은 파이버를 통해 6축 로봇에 부착된 광학렌즈로 전송되고, 대형부품의 레이저열처리 적용을 위해 레일을 설치하여 넓은 범위로 빔의 전송이 가능하도록 구성하였다. 시편의 온도측정을 위하여 열처리 헤드부분에 적외선 온도센서인 2색 온도계(two color pyrometer)가 부착되어 있으며, 측정지점은 빔조사부의 중앙이며 측정온도의 범위는 350~1,300℃이다.
- 본 연구는 FCD550 소재를 이용하여 프레스 금형의 레이저 열처리와 이온질화처리를 순차적으로 실시하는 복합열처리 공정에 대하여 적용성 평가를 하였다. 레이저 열처리 조건은 1150oC, 2 mm/sec, 이온질화처리 조건은 방전 발생압력, 이온질화처리 온도 및 시간, 가스조성과 펄스 유지시간에 따라서 조건을 설정하고 실제 프레스 금형에 적용 후 복합열처리의 적용 타당성을 검토한 결과를 다음과 같이 정리하였다.
- 5) 실재 금형에 대한 복합열처리 후 내구실험은 프레스를 이용하여 제품을 생산하면서 제품의 불량을 통하여 금형내구 수명을 평가하였다. 레이저 열처리의 경우 마모가 심한 곳에 국부적으로 열처리 후 금형 전체를 이온질화처리 하였다. 금형의 내구수명 평가는 12개월에 걸쳐 진행되었으며, 기존의 표면처리(크롬도금) 대비 약 4배이상의 내구수명을 갖는 것으로 평가 되었으며, 현재에도 평가가 진행 중에 있다.
- 레이저열처리 경화특성을 통하여 복합열처리시 제 1공정 레이저열처리의 조건은 열처리 온도 1,150oC, 레이저 빔의 이송속도 2 mm/sec로 실시한 후 제 2공정 이온질화처리를 하는 것으로 진행하였다.
- 8과 같이 제어하였다. 레이저열처리 후 이온질화처리 조건은 온도 520oC, 방전압력 250 Pa, 전압 600 V, 가스 혼합비(N2/H2)를 8/2하여 질화시간 20 hr으로 하였다. 이온질화처리는 챔버내 진공 및 승온에 약 12 hr, 질화처리시간 약 20 hr간, 냉각 10 hr으로 전체 이온질화처리 챔버내에서는 42 hr이 소요되었다.
- 본 실험에서는 레이저열처리후 이온질화처리온도 520oC,이온질화처리 시간 10시간, 방전압력을 250 Pa로 일정하게 하고 이온질화공정변수 중 가스혼합비(N2/H2)를 2/8, 5/5, 8/2로 변화시켰을 때 화합물층 두께와 경화특성을 Fig. 5에 나타낸다. 가스혼합비에서 질소농도가 일정한 수준으로 증가함에 따라 화합물층이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 가스중에 존재하는 질소가 많으므로 표면부에서 철 및 질화물 형성원소들과 질화물 형성이 용이하여 질화물이 집적되기 때문이다.
- 본 연구에 사용된 주철 소재에 대한 경화특성을 파악하기 위해 주된 공정변수인 열처리 온도 및 레이저 빔의 이송속도를 변화시키면서 레이저 열처리를 실시하였다. 레이저 빔의 이송속도 3 mm/sec로 고정하고 열처리 온도를 950~1,200℃ 사이에서 50℃ 간격으로 설정하였고, 열처리 온도 1,150℃로 고정하고 레이저 빔의 이송속도 2, 3, 5, 7, 10 mm/sec로 변화시키면서 열처리를 실시하였다.
- 본 연구에서는 레이저열처리 조건으로 열처리 온도 및 레이저 빔의 이송속도를 통하여 경화특성을 분석하고 최적 조건에서의 열처리 후 이온질화처리를 가스조성비, 처리시간 및 온도를 통하여 복합열처리 경화특성을 분석한 후 사이드아웃트 금형에 대한 복합열처리 기술을 적용하여 내구성평가를 하였다.
- 9에 나타내었다. 샘플은 레이저열처리(laser hardening, LH), 이온질화처리(plasma-nitriding, PN), 복합표면처리(LH + PN)로 구분하였다. 레이저열처리, 이온질화처리, 복합표면처리의 경화특성을 각각 746 Hv, 903 Hv, 975 Hv로 나타났다.
- 평가결과는 Table 2에 정리하여 나타낸다. 자동차용 차체부품(사이드 아웃트 부품)금형을 평가하기 위해 오른쪽 금형은 복합표면처리를 적용하였고, 왼쪽의 금형은 기존 방법인 크롬도금을 이용하여 표면처리 하였다. 금형의 내구성평가는 기존의 금형과 복합표면처리 적용 금형을 이용하여 같은 횟수의 부품을 제작하여 금형의 재처리 횟수로 평가하였다.
- 레이저 열처리 적용 금형으로는 자동차 측면 형상의 부품으로 사이트 아웃트 금형에 적용하였다. 적용 금형 요소로는 다이(die), 블랭크 홀드(blank hold), 패드(pad)에 적용하였다. 금형 소재는 FCD550, 레이저 빔 사이즈는 40 × 7 mm, 레이저 열처리 조건으로는 열처리 온도 1,150oC, 레이저 빔의 이송속도 2 mm/sec 로 하였다.
대상 데이터
- 금형 소재는 FCD550, 레이저 빔 사이즈는 40 × 7 mm, 레이저 열처리 조건으로는 열처리 온도 1,150oC, 레이저 빔의 이송속도 2 mm/sec 로 하였다.
- 레이저 열처리 적용 금형으로는 자동차 측면 형상의 부품으로 사이트 아웃트 금형에 적용하였다. 적용 금형 요소로는 다이(die), 블랭크 홀드(blank hold), 패드(pad)에 적용하였다.
- 레이저열처리 및 이온질화를 통한 복합열처리 공정 개발을 위한 시험편은 90 × 40 × 25 mm로 제작하였다.
- 본 연구에 사용된 레이저열처리 장비는 고출력 다이오드 레이저 장비로 레이저 최대출력이 4.0 kW이며, 레이저 빔은 직경이 400 µm의 파이버(fiber)로 전송된다.
- 본 연구에서 사용된 재료는 프레스를 이용하여 생산되는 자동차 부품의 사이드아웃트(side outer)를 제작하는 금형으로 자동차의 백밀러부터 트렁크 옆 차폭등까지 연결되는 부품을 제작하는 대형금형이다. 이 금형은 대형이면서 형상이 복잡하기 때문에 국부적으로 마찰 마모가 다른 부위보다 심하게 발생하므로 복합열처리를 적용하여 금형내구수명을 향상시키고자 하였다.
성능/효과
- 1) 레이저열처리시 지배적인 공정변수인 열처리 온도와 레이저 빔의 이송속도의 변화에 따른 열처리 공정개발시 열처리 온도가 증가할수록, 그리고 레이저 빔의 이송속도가 낮을수록 입열량의 증가로 인해 경화정도가 증가하였다. FCD550 소재는 열처리시 열처리 온도 1200oC에서 부분용융이 발생하였고, 열처리 온도 1050oC 미만에서는 경화특성이 떨어졌다.
- 2) 가스조성에 따른 레이저열처리 후 이온질화처리에 의한 복합열처리 특성은 가스혼합비(N2/H2)를 2/8, 5/5, 8/2로 변화시켜 화합물층 두께 및 경화특성을 분석한 결과 질소농도의 증가에 따라 화합물층이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 질소가 증가할수록 소재 표면에서 철과 질소의 반응이 용이하여 화합물층이 증가하는 것으로 판단된다.
- 3) 복합열처리시 이온질화처리 온도 420, 470, 520oC에서의 표면최고 경도는 각각 600, 978, 1028 Hv로 관찰되었고, 질화층 깊이도 이온질화처리 온도가 증가 할수록 높아지는 것을 확인하였다. 복합열처리 후 이온질화처리 온도 520oC에서 경도분포가 다른 온도에서보다 높은 것으로 나타났다.
- 4) 복합열처리에서 이온질화시간 10, 15, 20 hr 일때 표면경도는 큰 차이가 없었으나, 이온질화시간이 길어질수록 화합물층이 두꺼워졌다.
- 가스혼합비에서 질소농도가 일정한 수준으로 증가함에 따라 화합물층이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 가스중에 존재하는 질소가 많으므로 표면부에서 철 및 질화물 형성원소들과 질화물 형성이 용이하여 질화물이 집적되기 때문이다. 경도분포 또한 질소 농도가 증가함에 따라 높아지는 것을 알 수 있으며, 이와 같이 표면경도가 증가하는 원인으로는 질소의 양이 증가할수록 화합물층의 두께가 증가하였다.
- 이는 질소가 증가할수록 소재 표면에서 철과 질소의 반응이 용이하여 화합물층이 증가하는 것으로 판단된다. 경화분포 또한 가스혼합비 8/2에서 다른 가스혼합 비에 비해 우수한 특성을 보였다.
- 레이저 열처리의 경우 마모가 심한 곳에 국부적으로 열처리 후 금형 전체를 이온질화처리 하였다. 금형의 내구수명 평가는 12개월에 걸쳐 진행되었으며, 기존의 표면처리(크롬도금) 대비 약 4배이상의 내구수명을 갖는 것으로 평가 되었으며, 현재에도 평가가 진행 중에 있다.
- 따라서 레이저 열처리의 주된 공정변수인 열처리 온도 1,050~1,150℃, 레이저 빔의 이송속도 2~5 mm/sec에서 열처리능이 우수한 경향을 보였다.
- 레이저열처리, 이온질화처리, 복합표면처리의 경화특성을 각각 746 Hv, 903 Hv, 975 Hv로 나타났다. 또한 열처리 후 경화 깊이는 레이저열처리, 이온질화처리, 복합열처리 순으로 크게 나타났다. 복합표면처리 샘플은 레이저 열처리보다 표면경도가 높아 표면내 마모 상태가 우수하며, 경화깊이가 이온질화처리에 비해 깊기 때문에 금형 내마모 향상에 효과적으로 대응할 수 있다.
- 질화처리 온도 변화에 따른 경화특성은 질화처리 온도 420oC, 470oC, 520oC에서 표면 최고 경도는 각각 600 Hv, 978 Hv, 1,028 Hv로 관찰되었다. 또한 질화층 깊이도 이온질화처리 온도가 증가 할수록 증가하는 것으로 관찰되었으며, 이온질화처리 온도 증가로 측정된 경도 분포 전 영역에서 높은 경도 분포를 나타내었다.
- 샘플은 레이저열처리(laser hardening, LH), 이온질화처리(plasma-nitriding, PN), 복합표면처리(LH + PN)로 구분하였다. 레이저열처리, 이온질화처리, 복합표면처리의 경화특성을 각각 746 Hv, 903 Hv, 975 Hv로 나타났다. 또한 열처리 후 경화 깊이는 레이저열처리, 이온질화처리, 복합열처리 순으로 크게 나타났다.
- C에서의 표면최고 경도는 각각 600, 978, 1028 Hv로 관찰되었고, 질화층 깊이도 이온질화처리 온도가 증가 할수록 높아지는 것을 확인하였다. 복합열처리 후 이온질화처리 온도 520oC에서 경도분포가 다른 온도에서보다 높은 것으로 나타났다.
- 3은 빔 사이즈 40 × 7 mm의 광학계를 이용하여 레이저 빔의 이송속도 2 mm/sec에서의 열처리 온도 변화에 따른 경화분포를 보인다. 분석결과 열처리 온도 변화에 따른 경화폭의 변화에 비해 경화깊이는 크게 차이가 났다.
- 7에 나타내었다. 질화시간에 따른 화합물층의 두께는 질화시간이 증가할수록 화합물층의 두께가 증가하는 것으로 나타났다. 또한 질화처리 시간 10 hr, 15 hr, 20 hr에서의 표면 최고 경도는 각각 958 Hv, 967 Hv, 975 Hv로 나타났다.
- 6 µm로 나타났다. 질화처리 온도 변화에 따른 경화특성은 질화처리 온도 420oC, 470oC, 520oC에서 표면 최고 경도는 각각 600 Hv, 978 Hv, 1,028 Hv로 관찰되었다. 또한 질화층 깊이도 이온질화처리 온도가 증가 할수록 증가하는 것으로 관찰되었으며, 이온질화처리 온도 증가로 측정된 경도 분포 전 영역에서 높은 경도 분포를 나타내었다.
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