금형재료용 주철의 다이오드 레이저 표면경화처리에 관한 연구(III) - 경화부의 미세조직 특성 - A Study on the Diode Laser Surface Hardening Treatment of Cast Iron for Die Material(III) - Characteristics of Microstructures in Hardened Zone -원문보기
금형의 공정 과정에서 금형과 성형품 사이에서 발생하는 마찰로 인해 발생하는 금형의 마모가공차로 작용하여 성형 품질을 저하시킬 수 있다. 따라서 금형의 내마모성을 향상시키기 위해 질화나 침탄처리, 화염 및 고주파 표면처리 등의 방법들이 적용되어 왔다. 하지만 형상의 제한이나 제품의 변형 등과 같은 문제점을 수반하고 있기 때문에, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 표면처리 방법으로써 레이저 표면처리 기술이 검토되고 있다. 따라서 본 연구에서는 고출력 다이오드 레이저를 이용, 금형재료용 주철의 표면처리를 시도하였다. 앞서 제1보와 제2보의 논문에서는 금형의 재료 및 형상의 차이에 따른 열처리 특성을 비교하였다면, 본 논문에서는 열처리 후 생성되는 경화부, 경계부위 및 모재의 조직적 차이를 분석하기 위해 광학 현미경 및 전자 현미경을 이용하여 미세조직을 관찰하고, EDS를 통해 조직의 상태를 파악하였다. 미세조직 관찰 결과, 경화부는 침상의 마르텐사이트 조직이 형성되어 있었다.
금형의 공정 과정에서 금형과 성형품 사이에서 발생하는 마찰로 인해 발생하는 금형의 마모가공차로 작용하여 성형 품질을 저하시킬 수 있다. 따라서 금형의 내마모성을 향상시키기 위해 질화나 침탄처리, 화염 및 고주파 표면처리 등의 방법들이 적용되어 왔다. 하지만 형상의 제한이나 제품의 변형 등과 같은 문제점을 수반하고 있기 때문에, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 표면처리 방법으로써 레이저 표면처리 기술이 검토되고 있다. 따라서 본 연구에서는 고출력 다이오드 레이저를 이용, 금형재료용 주철의 표면처리를 시도하였다. 앞서 제1보와 제2보의 논문에서는 금형의 재료 및 형상의 차이에 따른 열처리 특성을 비교하였다면, 본 논문에서는 열처리 후 생성되는 경화부, 경계부위 및 모재의 조직적 차이를 분석하기 위해 광학 현미경 및 전자 현미경을 이용하여 미세조직을 관찰하고, EDS를 통해 조직의 상태를 파악하였다. 미세조직 관찰 결과, 경화부는 침상의 마르텐사이트 조직이 형성되어 있었다.
Mold may experience deterioration of molding quality as the abrasion of mold occurring due to friction between mold and molded product works as allowance in the course of press process. Therefore, to improve the wear-resistance of mold, methods like nitriding, carburizing, flame and induction surfac...
Mold may experience deterioration of molding quality as the abrasion of mold occurring due to friction between mold and molded product works as allowance in the course of press process. Therefore, to improve the wear-resistance of mold, methods like nitriding, carburizing, flame and induction surface hardening treatment etc have been applied. However, as such methods are accompanied by problems like shape limitation or product deformation etc, laser surface treatment technology is under review as surface treatment method that can solve such problems. Therefore, in this study, mold material cast iron was surface-treated by using high power diode laser. In previous report 1 and report 2, the heat treatment characteristics were compared by the differences of die materials and shapes, then this paper observed microstructure by using optical microscope and scanning electronic microscope to analyze the structural difference of hardened zone, interface area and base metal after heat treatment. And the structural condition was grasped through EDS. As a result of microstructure, hardened zone showed formation of acicular martensite.
Mold may experience deterioration of molding quality as the abrasion of mold occurring due to friction between mold and molded product works as allowance in the course of press process. Therefore, to improve the wear-resistance of mold, methods like nitriding, carburizing, flame and induction surface hardening treatment etc have been applied. However, as such methods are accompanied by problems like shape limitation or product deformation etc, laser surface treatment technology is under review as surface treatment method that can solve such problems. Therefore, in this study, mold material cast iron was surface-treated by using high power diode laser. In previous report 1 and report 2, the heat treatment characteristics were compared by the differences of die materials and shapes, then this paper observed microstructure by using optical microscope and scanning electronic microscope to analyze the structural difference of hardened zone, interface area and base metal after heat treatment. And the structural condition was grasped through EDS. As a result of microstructure, hardened zone showed formation of acicular martensite.
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문제 정의
조직의 차이에 따라 격자구조가 다르기 때문에 격자내에 고용될 수 있는 탄소의 양도 다르게 된다. 따라서 FCD550의 모재 및 경화부 조직의 탄소 농도를 측정하여 열처리 전후의 조직 상태를 비교해보았다. Figure 6와 Figure 7은 EDS를 통해 FCD550의 모재 및 경화부를 면분석한 결과이다.
따라서 오스테나이트화 상태에서 흑연의 일부가 기지내로 확산되고, 오스테나이트화 온도의 차이에 의해 기지의 탄소량이 변화하는 등 탄소강의 담금질과는 차이가 생길 수 있다[11,12]. 따라서 이번 연구에서는 주철의 표면처리시 열처리 영역의 미세조직 관찰을 통해 재료별 열처리 특성을 분석하고, 경화부의 조직분포 특성을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 이러한 특징들을 가진 레이저를 이용하여 금형재료인 주철에 대한 열처리를 실시하였으며, 이미 제 1보[9] 및 2보[10]에서 금형 재료 및 열처리 부위에 따른 경화특성에 대해 알아보았다. 주철의 열처리는 탄소강의 열처리와 비교하여 크게 다르지 않지만, 탄소강에서는 담금질의 열처리시 조직이 오스테나이트상으로 변태하는데 반해 주철은 오스테나이트화 상태에서 오스테나이트와 흑연의 이상공존의 상태로 된다.
제안 방법
각 소재별로 최적 열처리 조건에서 열처리한 시험편의 모재, 경화부 및 경계부위의 미세조직을 광학현미경 및 SEM을 이용하여 관찰하였으며, 그 사진을 Figure 3 및 Figure 4에 각각 나타낸다.
고출력 다이오드 레이저를 이용하여 구상흑연주철인 FCD 550, HD700과 편상흑연 주철 HCI350에 대한 열처리를 실시하였으며, 열처리된 조직의 분포를 관찰한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이번 연구에서는 제 1보 및 제 2보에서 얻어진 각 재료별 최적 열처리 조건에서의 경화부의 조직을 관찰하였다. 조직 관찰을 위한 시험편의 에칭은 2 %의 질산수용액 100 ㎖과 피크린산 0.
이번 연구에서는 제 1보 및 제 2보에서 얻어진 각 재료별 최적 열처리 조건에서의 경화부의 조직을 관찰하였다. 조직 관찰을 위한 시험편의 에칭은 2 %의 질산수용액 100 ㎖과 피크린산 0.5 g을 혼합하여 실시하였다.
표면 열처리를 실시하는 동안에는 표면과 재료 내부에 따라 전달되는 온도가 다르기 때문에 부위별로 생성되는 조직 구성도 달라지므로, 열처리 부위별 조직적 차이를 분석하기 위해 광학 현미경 및 SEM을 이용하여 미세조직 분포를 관찰하였으며, FCD550 소재에 대하여 구상흑연 주위의 열처리부에 대하여 EDS를 사용하여 조직내의 탄소농도 상태를 파악하였다.
대상 데이터
이 중 주철은 넓은 영역의 강도 및 경도를 갖는 우수한 합금으로 내마모성, 내식성이 뛰어나며 주조성이 우수하여 복잡한 형상의 주물 제품을 값싸게 생산할 수 있어[12,13] 금형재로서의 활용 폭이 점차 증가하고 있는 추세이다. 본 실험에서는 세 종류의 주철을 사용하였으며, 각 재료별 모재조직의 사진을 Figure 1에 보인다. 재료는 페라이트형 구상흑연 주철인 FCD550, 편상흑연 주철 HCI350 그리고 펄라이트형 구상흑연 주철 HD700이다.
실험은 최대출력 4.0 kW의 다이오드 레이저를 사용하였으며, 열처리 전용의 사각빔 광학계를 로봇에 장착하여 FCD550 및 HCI350 소재에 대하여 평면부를, HD700 소재에 대해서는 모서리부 열처리를 실시하였다. 또한 레이저빔의 진행방향으로 후면에는 실드가스 노즐을 설치하여 열처리시 시험편 표면의 산화를 방지하였다.
본 실험에서는 세 종류의 주철을 사용하였으며, 각 재료별 모재조직의 사진을 Figure 1에 보인다. 재료는 페라이트형 구상흑연 주철인 FCD550, 편상흑연 주철 HCI350 그리고 펄라이트형 구상흑연 주철 HD700이다. FCD550 소재는 구상화된 흑연 주위로 페라이트가 감싸고 있고, 그 주변이 펄라이트로 구성된 조직을 가진 구상흑연 주철이며, HCI350 소재는 흑연이 편상화 되어있으며, 기지조직은 펄라이트인 편상흑연 주철이다.
성능/효과
(1) 경화부는 레이저 열처리의 특성에 기인한 자기냉각에 의해 대부분 기지조직이 마르텐사이트로 변태되어 있었으나, FCD550 소재는 흑연 주위에 일부 페라이트가 존재하였다. 이는 레이저 공정의 특성상 빠른 열싸이클로 인하여 오스테나이트 영역까지 온도가 상승하지 못하였거나, 탄소의 확산 시간이 충분하지 못하였기 때문이다.
(3) 조직분포 특성을 파악한 결과,경도의 상승은 기지조직의 상변태로 인한 마르텐사이트의 형성에 기인한다는 것을 확인할 수 있었다.
(4) FCD550 소재의 경화부의 EDS 분석을 통해 탄소농도를 측정한 결과, 페라이트와 흑연 사이의 마르텐사이트 형성은 열처리시 분해된 흑연의 탄소가 오스테나이트 영역으로 확산하여 형성된 것이지만 확산시간이 충분치 않아서 페라이트가 잔존한다는 것을 알 수 있었다.
FCD550 소재의 경화영역을 면분석한 결과, 마르텐사이트 조직은 Figure 6의 펄라이트 조직과 탄소 농도가 비슷하며, 페라이트 조직은 낮은 탄소농도를 보이고 있다. 페라이트와 흑연 사이의 조직은 열처리를 실시하는 동안 흑연의 탄소가 분해되어 주위의 페라이트로 확산하여 마르텐사이트를 형성하지만, 레이저 열처리의 특성에 기인하여 냉각시간이 짧기 때문에 페라이트 전체 영역으로 확산하지 못하고 일부의 마르텐사이트 조직을 나타내고, 나머지 영역은 페라이트로 존재한다는 것을 확인할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
레이저 표면경화처리법이란 무엇인가?
한편, 금형의 기계적 향상을 위한 표면처리에 레이저 열원을 적용하는 것은 복잡한 형상과 국부적인 경화를 요하는 금형에 적합하기 때문에, 금형의 강화 기구로서 레이저 표면경화처리가 주목을 받고 있다. 레이저 표면경화처리법은 레이저 조사 후열원을 제거하여 추가적인 외부냉각 없이 재료의 열전도에 의해 급격한 온도구배가 형성되어 재료 표면이 급랭되는 자기냉각(self quenching) 방식으로 상변태가 이루어져 표면경화를 유도하는 것이다. 이 경화법은 고밀도를 이용한 빠른 열싸이클의 특성 때문에 입열량이 상대적으로 적어 열변형이 거의 없고, 후처리가 필요없다.
주철의 특징은 무엇인가?
이러한 요구 조건들을 고려할 때 금형재료로서 가장 많이 사용되고 있는 것이 철강재이다. 이 중 주철은 넓은 영역의 강도 및 경도를 갖는 우수한 합금으로 내마모성, 내식성이 뛰어나며 주조성이 우수하여 복잡한 형상의 주물 제품을 값싸게 생산할 수 있어[12,13] 금형재로서의 활용 폭이 점차 증가하고 있는 추세이다. 본 실험에서는 세 종류의 주철을 사용하였으며, 각 재료별 모재조직의 사진을 Figure 1에 보인다.
레이저를 이용한 가공법의 장점은 무엇인가?
최근 레이저를 이용한 가공법은 산업 전반에 걸쳐 급속도로 확대되어가고 있다. 레이저는 고밀도의 열원이기 때문에 정밀 가공이 가능하며, 원거리 전송이 가능하여 기존 공작기계와 복합화할 수 있어 다양한 공정을 효과적으로 처리할 수 있다. 또한 피가공재와 직접적으로 접촉하지 않으므로 공구의 마모가 없을 뿐만 아니라 가공부위에 열영향을 거의 미치지 않는다. 이러한 레이저 열원의 우수한 특성으로 인해 기존의 절단, 접합, 표면처리 등과 같은 공정들이 레이저를 적용한 가공법으로 대체되고 있으며, 이에 따른 품질, 신뢰성 및 생산성 향상이 기대되고 있다[1-4].
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