[논문]Yb:YAG 디스크로 레이저 표면 용융 경화된 SKD61 열간금형강의 경도와 미세조직에 미치는 레이저 출력의 영향

이광현; 최성원; 강정윤

doi:10.5781/jwj.2015.33.3.54

[국내논문] Yb:YAG 디스크로 레이저 표면 용융 경화된 SKD61 열간금형강의 경도와 미세조직에 미치는 레이저 출력의 영향
Effects of laser power on hardness and microstructure of the surface melting hardened SKD61 hot die steel using Yb:YAG disk laser 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.33 no.3, 2015년, pp.54 - 61

이광현 (한국기계연구원 부산레이저기술지원센터) , 최성원 (부산대학교 재료공학부) , 강정윤 (부산대학교 재료공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, effect of laser power on hardness and microstructure of SKD61 Hot Die steel of which surface was melted and hardened with Yb:YAG disk laser was investigated. Beam speed was fixed at 70 mm/sec and distance between them was 0.8 mm about Laser surface melting. The only thing that was changed laser power. Laser powers were 2.0, 2.4 and 2.8 kW. No defect was found under all conditions. As the laser power increased, the penetration depth were deepened and the bead width was also widened. There was no hardness deviation of fusion zone at same laser power and it was higher than that of heat affected zone. In addition, the more laser power increased, the more hardness in fusion zone decreased. Fusion zone was macroscopically dendrite structure. However, core matric in dendrite was lath martensite of 100 nm size. There were $M_{23}C_6$ of 500 nm and the VC and $Mo_2C$ of a nano meters on boundary of dendrite.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 최대 출력 8 kW CW(Continuous Wave)의 고출력 디스크 레이저를 이용하여 빠른 레이저 속도(70 mm/s)로 트리밍 금형에 요구되는 충분한 경화층 두께(400~500 ㎛)를 확보할 수 있는 표면을 용융시켜 경화시키는 레이저 열처리공정에 대해 체계적으로 검토하고자 한다. 또한 레이저 출력변화에 따른 경화층의 형상변화 및 미세조직과 경도분포와의 상관관계를 검토하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 최대 출력 8 kW CW(Continuous Wave)의 고출력 디스크 레이저를 이용하여 빠른 레이저 속도(70 mm/s)로 트리밍 금형에 요구되는 충분한 경화층 두께(400~500 ㎛)를 확보할 수 있는 표면을 용융시켜 경화시키는 레이저 열처리공정에 대해 체계적으로 검토하고자 한다. 또한 레이저 출력변화에 따른 경화층의 형상변화 및 미세조직과 경도분포와의 상관관계를 검토하고자 한다.
레이저 출력의 증가에 따라 용융부의 경도가 감소하는 이유를 파악하기 위해, 레이저 출력에 따른 미세조직의 차이를 검토하였다.

제안 방법

Fig. 1은 레이저 경화 방법의 개략도를 나타낸 것으로 지그재그 방법을 이용하여 연속 레이저 경화를 실시하였다.
Yb:YAG 레이저 빔을 이용하여 표면을 용융시켜 경화시킨 SKD61 고온 금형강의 표면경화층(용융층)의 경도와 미세조직에 미치는 레이저 출력의 영향을 검토한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
8 mm로 고정하였다. 공정변수로는 레이저 출력만을 변화시켜 표면경화를 실시하였다.
4의 (a)와 같이 모재 표면에서 100 ㎛ 아래에서 용융부, 재용융부(Remelted zone), 열영향부(HAZ)를 100 ㎛ 간격으로 측정하였다. 또한 비드 깊이 방향의 경도는 용융부와 모재에 형성된 HAZ, 모재의 경도를 비교하기 위해 Fig. 4 (a)와 같이 마지막 비드 중심 표면에서 깊이 방향 100 ㎛ 간격으로 측정하였다.
3 mm인 CW Yb:YAG 레이저 용접장치를 사용하였다. 레이저 경화조건은 레이저 속도, 보호가스와 레이저 빔간격을 각각 70 mm/s, Ar가스(8 L/min)와 0.8 mm으로 고정하고 레이저 출력만을 2.0~2.8 kW(Step: 0.4)로 변화시켜 표면을 경화하였다.
레이저 경화층의 형상과 미세조직은 Vilela 용액(CH₃OH(100 mL)+HCl(4 mL)+Picric(1 g))을 이용하여 조직을 현출하여 광학현미경과 SEM으로 관찰하였다. 용융부내 편석현상은 FE-EPMA 면분석을 사용하여 측정하였다.
레이저 출력변화에 따른 경화층의 경도는 마이크로 비커스 경도를 사용하여 하중 300 kgf, 유지시간을 10초로하여 측정하였다.
본 연구에서는 예비실험 결과로부터, 생산성 측면을 고려하여 빔 이동속도를 가능한 빠르게 하기 위해 70 mm/s로 고정하고, 빔간 간격을 0.8 mm로 고정하였다. 공정변수로는 레이저 출력만을 변화시켜 표면경화를 실시하였다.
용융부내 형성된 석출물은 증류수와 HCl 혼합액으로 기지조직을 용해시키고 석출물만 걸러낸 분말을 이용하여 XRD분석을 실시하였으며, 석출물 분포위치와 용융 부내 존재하는 상 분석은 각각 카본 레플리카(Carbon Replica)법과 FIB(Focus Ion Beam)로 TEM시편을 제작하여 TEM으로 분석하였다.
용융부의 덴드라이트 경계의 폭은 1 µm 이하로, 일반적인 XRD 분석으로는 탄화물 동정이 어렵기 때문에, 용융부만 도려내어 증류수와 HCl 혼합액으로 기지조직을 용해시키고 석출물만 전해 추출하여 XRD을 분석하였고, 그 결과를 Fig. 9에 나타낸다.
비드 형성과정에서 비드가 중첩되게 되면, 후행 레이저 빔에 의해 선행 비드의 일부가 재용융(Remelt)되고, 열영향(HAZ)을 받게 된다. 이러한 영역들은 순수 용융부 경도와 다를 수 있으므로, 비드 폭 방향의 경도는 Fig. 4의 (a)와 같이 모재 표면에서 100 ㎛ 아래에서 용융부, 재용융부(Remelted zone), 열영향부(HAZ)를 100 ㎛ 간격으로 측정하였다. 또한 비드 깊이 방향의 경도는 용융부와 모재에 형성된 HAZ, 모재의 경도를 비교하기 위해 Fig.
전술한 바와 같이 용융부와 열영향부의 경도 차이는 미세조직 차이에 의해 기인한 것으로 생각되어, 각 영역의 미세조직을 검토하였다.

대상 데이터

Table 1은 본 연구에 사용한 두께 15 mm인 SKD61 소재의 화학조성을 나타낸 것이다. 레이저 경화는 최대출력 8 kW와 빔 직경이 0.
Table 1은 본 연구에 사용한 두께 15 mm인 SKD61 소재의 화학조성을 나타낸 것이다. 레이저 경화는 최대출력 8 kW와 빔 직경이 0.3 mm인 CW Yb:YAG 레이저 용접장치를 사용하였다. 레이저 경화조건은 레이저 속도, 보호가스와 레이저 빔간격을 각각 70 mm/s, Ar가스(8 L/min)와 0.

이론/모형

OH(100 mL)+HCl(4 mL)+Picric(1 g))을 이용하여 조직을 현출하여 광학현미경과 SEM으로 관찰하였다. 용융부내 편석현상은 FE-EPMA 면분석을 사용하여 측정하였다.
용융부에 존재하는 M₂₃C₆, VC 및 Mo₂C 탄화물의 분포위치를 파악하기 위해 카본 레프리카(Carbon Replica)법을 이용하여 석출물만을 추출하여 TEM 회절패턴 분석한 결과와 석출물의 성분분석 결과를 각각 Fig. 12와 Table 5에 나타낸다. Fig.

성능/효과

그리고 (c)는 레이저 출력에 따른 용융부 깊이/폭의 비(□), 비드가 중첩되는 곳의 깊이(PD_min)와 최대 용입깊이(PD_max)의 비(◇)를 나타낸 것이다. (b)의 결과로부터, 비드폭은 레이저 출력이 증가할수록 직선적으로 증가하고, 용입 깊이도 직선적으로 증가한다. 또한 (c)의 결과로부터 빔간 간격을 0.
(b)의 결과로부터, 비드폭은 레이저 출력이 증가할수록 직선적으로 증가하고, 용입 깊이도 직선적으로 증가한다. 또한 (c)의 결과로부터 빔간 간격을 0.8 mm으로 일정하게 유지하였음에도 불구하고, 비드폭에 대한 용입깊이의 비(Aspect ratio)는 레이저 출력이 증가할수록 증가하며, 중첩된 영역의 깊이도 증가한다.
1) 동일 출력에서 용융부의 경도분포는 거의 비슷하였고, HAZ보다 높았고, 출력의 증가할수록 용융부의 경도는 직선적으로 감소하였다. 레이저 표면 용융 경화 프로세스에서 얻은 경화층은 일반 고상상태 급랭 열처리 공정보다 경도가 65 Hv(경화깊이 1.
2) 용융부는 거시적으로 덴드라이트 조직이지만, 코어의 기지는 100 nm 크기의 라스마르텐사이트이고, 경계는 500 nm의 M₂₃C₆, 수십nm의 VC 및 Mo₂C가 존재하였다. 반면에 HAZ에서는 M₂₃C₆와 VC이 존재하고, 탄화물의 크기는 용융부보다 조대하였다.
3) 레이저 출력이 증가할수록 경화층(용융부)의 경도가 감소하지만, 경화 깊이는 증가하였다. 이것은 출력(입열)이 높을수록 냉각속도가 느려, 덴드라이트 크기가 커지고, 기지의 라스마르텐사이트 크기도 커질 뿐만 아니라, 덴드라이트 경계에 존재하는 탄화물의 양이 감소하기 때문인 것으로 확인되었다.
레이저 표면 용융 경화 프로세스에서 얻은 경화층은 일반 고상상태 급랭 열처리 공정보다 경도가 65 Hv(경화깊이 1.75 mm)∼100 Hv (경화깊이 1.25 mm) 정도로 높았다.
이상의 결과로부터, 동일 레이저 출력에서 위치에 따른 경도 편차는 발생하지 않으며 균일한 경도값을 가지고, 용융부의 경도가 열영향부의 경도보다 높다는 것과 레이저 출력 증가에 반비례하여 용융부 경도는 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한 이 공정으로 일반 고상상태 급냉 열처리공정보다 경도가 65 Hv (경화깊이 1.
이상의 결과로부터, 레이저 출력(입열)이 감소할수록, 경도가 증가하는 것은 냉각속도가 빨라서, 덴드라이트 조직이 미세해지고, 이로 더불어 덴드라이트 코어 조직인 라스 마르텐사이트도 미세해질 뿐만 아니라, 덴드라이트 경계에 존재하는 미세한 탄화물의 양도 증가하기 때문인 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	첨단고강도강의 절단용 금형문제를 해결하기 위해 기존 금형소재에 어떤 경화 원소를 첨가하는가?	최근 자동차산업에서 경량화를 위한 첨단고강도강 차체의 적용증가에 의해 절단용 금형의 수명감소와 절단부의 품질저하 문제가 발생하고 있다. 이러한 첨단고강도강의 절단용 금형문제를 해결하기 위해 기존 금형소재에 경화 원소인 Mo, Cr, V 등을 첨가하여 고성능의 금형을 개발하고 있지만 기존 금형강에 비해 생산단가가 증가하여 경제성이 떨어지는 단점이 있다1). 따라서 소재자체 개발의 단점을 해결하기 위해 금형 표면에 CVD, PVD, 질화처리를 이용하여 표면 특성을 향상시키기 위한 연구가 진행 중이지만2,3) 이 경우 경화층의 두께가 얇고, 모재와 경화층의 결합력이 낮아 계면에서 박리가 되는 문제 발생한다4).
	기존 금형소재에 경화 원소인 Mo, Cr, V 등을 첨가하여 고성능의 금형이 갖고 있는 문제점은?	최근 자동차산업에서 경량화를 위한 첨단고강도강 차체의 적용증가에 의해 절단용 금형의 수명감소와 절단부의 품질저하 문제가 발생하고 있다. 이러한 첨단고강도강의 절단용 금형문제를 해결하기 위해 기존 금형소재에 경화 원소인 Mo, Cr, V 등을 첨가하여 고성능의 금형을 개발하고 있지만 기존 금형강에 비해 생산단가가 증가하여 경제성이 떨어지는 단점이 있다1). 따라서 소재자체 개발의 단점을 해결하기 위해 금형 표면에 CVD, PVD, 질화처리를 이용하여 표면 특성을 향상시키기 위한 연구가 진행 중이지만2,3) 이 경우 경화층의 두께가 얇고, 모재와 경화층의 결합력이 낮아 계면에서 박리가 되는 문제 발생한다4).
	첨단고강도강의 소재자체 개발의 단점을 해결하기 위한 방안은?	이러한 첨단고강도강의 절단용 금형문제를 해결하기 위해 기존 금형소재에 경화 원소인 Mo, Cr, V 등을 첨가하여 고성능의 금형을 개발하고 있지만 기존 금형강에 비해 생산단가가 증가하여 경제성이 떨어지는 단점이 있다1). 따라서 소재자체 개발의 단점을 해결하기 위해 금형 표면에 CVD, PVD, 질화처리를 이용하여 표면 특성을 향상시키기 위한 연구가 진행 중이지만2,3) 이 경우 경화층의 두께가 얇고, 모재와 경화층의 결합력이 낮아 계면에서 박리가 되는 문제 발생한다4).

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