[논문]Yb:YAG 디스크 레이저로 표면 오버랩 용융된 냉간금형강, STD11의 미세조직과 경도

이광현; 최성원; 윤중길; 오명환; 김병민; 강정윤

doi:10.5781/jwj.2015.33.5.53

Abstract ▼ AI-Helper

Laser surface Melting Process is getting hardening layer that has enough depth of hardening layer as well as no defects by melting surface of substrate. This study used CW(Continuous Wave) Yb:YAG and STD11. Laser beam speed, power and beam interval are fixed at 70mm/sec, 2.8kW and 800um respectively...

Laser surface Melting Process is getting hardening layer that has enough depth of hardening layer as well as no defects by melting surface of substrate. This study used CW(Continuous Wave) Yb:YAG and STD11. Laser beam speed, power and beam interval are fixed at 70mm/sec, 2.8kW and 800um respectively. Hardness in the weld zone are equal to 400Hv regardless of melting zone, remelting zone overlapped by next beam and HAZ. Similarly, microstructures in all weld zone consist of dendrite structure that arm spacing is $3{\sim}4{\mu}m$, matrix is ${\gamma}$(Austenite) and dendrite boundary consists of ${\gamma}$ and $M_7C_3$ of eutectic phase. This microstructure crystallizes from liquid to ${\gamma}$ of primary crystal and residual liquid forms ${\gamma}$ and $M_7C_3$ of eutectic phase by eutectic reaction at $1266^{\circ}C$. After solidification is complete, primary crystal and eutectic phase remain at room temperature without phase transformation by quenching. On the other hand, microstructures of substrate consist of ferrite, fine $M_{23}C_6$ and coarse $M_7C_3$ that have 210Hv. Microstructures in the HAZ consist of fine $M_{23}C_6$ and coarse $M_7C_3$ like substrate. But, $M_{23}C_6$ increases and matrix was changed from ferrite to bainite that has hardness above 400Hv. Partial Melted Zone is formed between melting zone and HAZ. Partial Melted Zone near the melting zone consists of ${\gamma}$, $M_7C_3$ and martensite and Partial Melted Zone near the HAZ consists of eutectic phase around ${\gamma}$ and $M_7C_3$. Hardness is maximum 557Hv in the partial melted zone.

주제어

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문제 정의

반면, 절단용 냉간 금형강인 STD11의 레이저 표면 용융 경화 공정에 대한 연구는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 냉간 금형강인 STD11표면에 레이저 용융 경화 처리하는 경우, 미세조직의 변화와 경도의 상관관계에 대해 체계적으로 검토하고자한다.

제안 방법

(a)와 같이 모재 표면에서 100μm 아래에서 용융부, 재용융부(Remelted zone), 열영향부(HAZ)를 100μm 간격으로 비커스 경도를 측정하였고, 또한 용융부 깊이 방향의 경도변화를 알아보기 위해, 100μm 간격으로 모재까지 측정하였다.
경화층의 미세조직은 시편을 연마 후, Aqua Regia 용액(HCl(50ml)+HNO₃(1.5ml)+CH₃OH(50mL))을 이용하여 조직을 현출하여 광학현미경과 SEM으로 관찰하였다. 용융부내의 조성분포를 분석하기 위하여 FE-EPMA 면분석을 사용하였고, 정확한 상동정을 위하여 XRD, EBSD를 이용하여 분석하였다.
두 번째 방법은 레이저의 높은 입열을 이용하여 금형표면을 용융시켜 경화층을 형성시키는 레이저 표면 용융 경화(Laser Surface Melting) 처리이다.^12-13) 저자들은 열간 금형강인 SKD61을 Yb:YAG 레이저를 이용하여 70mm/s의 고속으로 레이저 표면 용융 경화처리시 경화층의 깊이는 1mm이상, 경화층의 경도는 모재대비 2.
4mm인 CW Yb:YAG 레이저 장치를 사용하였다. 레이저 용융 경화 처리 조건은 레이저 초점 크기, 레이저 속도, 빔 간격과 레이저 파워를 각각 400㎛, 70mm/s, 800㎛와 2.8kW으로 고정하고 보호가스를 Ar가스(8L/min)로 공급하며 Fig. 1과 같이 지그재그 방향으로 레이저 표면 용융 경화처리를 실시하였다.
또한 용융부의 경도는 모재의 것보다 높다. 용융부 내에 모든 영역에서 거의 동일한 경도값을 갖는 이유를 파악하기 위하여, 용융부 내의 각 영역, 용융부(FZ; Fusion Zone), 재용융부(RFZ; Remelted Fusion Zone) 및 용융부 내 열영향부(HAZFZ ;HAZ in FZ)의 미세조직을 비교 하였다. Fig.
용융부, 열영향부 및 모재의 경도는 마이크로 비커스 경도를 사용하여 하중 300kgf, 유지시간을 10초로하여 측정하였다.
5ml)+CH₃OH(50mL))을 이용하여 조직을 현출하여 광학현미경과 SEM으로 관찰하였다. 용융부내의 조성분포를 분석하기 위하여 FE-EPMA 면분석을 사용하였고, 정확한 상동정을 위하여 XRD, EBSD를 이용하여 분석하였다. 각 영역의 상변태를 해석하기 위하여 Thermo-Calc.
(a)와 (b)에서 모재 영역(BM)과 O-P영역인 열영향부(HAZ)의 미세조직은 큰 차이가 보이지 않는다. 이들 영역을 세밀히 비교하기 위하여, 고배율 SEM조직을 비교하였다. 그 결과를 Fig.

대상 데이터

본 연구에 사용한 STD11 냉간 금형강의 화학 조성을 Table 1에 나타냈고, 시편의 두께는 15mm로 표면은 평탄하고 균일하도록 기계적으로 가공하여 사용하였다. 레이저 용융 경화 처리에 사용한 레이저는 최대 출력 8kW(Trumpf TruDisk8002)이고 레이저 빔 직경이 0.4mm인 CW Yb:YAG 레이저 장치를 사용하였다. 레이저 용융 경화 처리 조건은 레이저 초점 크기, 레이저 속도, 빔 간격과 레이저 파워를 각각 400㎛, 70mm/s, 800㎛와 2.
본 연구에 사용한 STD11 냉간 금형강의 화학 조성을 Table 1에 나타냈고, 시편의 두께는 15mm로 표면은 평탄하고 균일하도록 기계적으로 가공하여 사용하였다. 레이저 용융 경화 처리에 사용한 레이저는 최대 출력 8kW(Trumpf TruDisk8002)이고 레이저 빔 직경이 0.

성능/효과

1) 용융부 내의 모든 영역의 경도는 약 400Hv로 거의 동일한 값이 얻어졌다. 즉 후행 오버랩 빔에 의해 용융부 내에 형성되는 재용융부 및 HAZ 영역의 경도도 거의 동일하였다.
2) 용융부의 미세조직도 전영역에서 차이가 거의 없었다. 용융부 내의 미세조직은 암스페이싱이 3-4μm인 미세한 덴드라이트 조직이었고, 기지는 γ(오스테나이트)이었고, 덴드라이트 경계에는 γ와 M₇C₃ 의 공정상으로 존재하였다.
4) 모재와 용융부 사이에는 HAZ와 부분용융부로 구별되었다. HAZ의 미세조직은 모재의 미세 M₂₃C₆과 조대 M₇C₃이 존재하지만, M₂₃C₆의 양이 증가하였고, 기지는 페라이트에서 베이나이트로 변화하여 경도가 모재보다 2배 증가하였다.
5) 부분용융부(557Hv)의 경도가 가장 높았다. 모재와 용융부의 경도는 각각 210Hv와 420Hv이었고, HAZ의 경도는 390 – 460Hv이었다.
4) 모재와 용융부 사이에는 HAZ와 부분용융부로 구별되었다. HAZ의 미세조직은 모재의 미세 M₂₃C₆과 조대 M₇C₃이 존재하지만, M₂₃C₆의 양이 증가하였고, 기지는 페라이트에서 베이나이트로 변화하여 경도가 모재보다 2배 증가하였다. 한편 용융부에 가까운 부분 용융부는 γ, M₇C₃ 및 마르텐사이트가 형성되었고, HAZ에 가까운 영역에서는 γ와 M₇C₃ 주위에 공정조직이 형성되었다.
이상의 결과로부터, 용융부의 조직은 덴드라이트 중심부에 γ오스테나이트와 경계부에 γ와 M7C3의 공정 조직으로 되어 있는 주조조직이고 재 용융되거나, 열영향을 받아도 응고조직은 변화하지 않음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	절단(Trimming) 금형용 소재에 열처리를 사용하는 이유는?	현재 절단(Trimming) 금형용 소재는 사용되는 환경에 따라 STD11, S45C 등의 냉간 금형강이 사용되고 있고, 이들 금형강의 강도, 경도 및 내마모성을 향상시키기 위해 강재를 열처리(Quenching & Tempering)하여 사용하고 있다.1-2)
	기존 금형강의 성능향상과 수명연장을 위해 표면개질방법인 CVD, PVD 또는 질화처리를 이용하여 표면을 코팅시키는 방법의 단점은?	하지만 전자의 방법은 금형 전체에 고가의 합금원소를 첨가시켜야 하므로, 생산단가가 높아진다는 단점이 있다.6) 또한 후자의 방법은 금형 표면의 경화층의 두께가 얇고, 경화층과 모재의 결합력이 낮아, 반복되는 하중에 의해 계면에서 박리현상이 나타난다.7)
	레이저 표면경화 처리란?	7-10) 레이저 표면 경화열처리 방법은 2가지 방법으로 나뉜다. 첫째는 출력이 낮은 다이오드, 펄스 레이저 열원을 이용하여 모재를 용융시키지 않고, 금형의 표면을 A3온도 이상으로 가열한 후 레이저의 빠른 냉각속도를 이용하여 마르텐사이트 변태와 미세한 탄화물을 석출시켜 경화시키는 레이저 표면경화(Laser Surface Hardening)처리이다.1) 하지만 다이오드, 펄스와 같은 출력이 낮은 레이저 열원을 사용하였을 때는 경화층 깊이가 200㎛이하 이므로 트리밍 금형에 요구되는 경화층 깊이(400~500㎛)을 만족시키지 못한다.

참고문헌 (12)

G. Telasang, Structure-property correlation in laser surface treated AISI H13 tool steel for improved mechanical properties, MAT SCI ENG A, 599 (2014) 255-267

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Z. Zhang, The characteristics of treated zone processed by pulsed Nd-YAG laser surface remelting on hot work steel, OPT LASER TECHNOL, 64 (2014) 227-234

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Chuanwei Wang, Mechanical properties of several laser remelting processed steels with different unit spacings, Applied Surface Science, 313, (2014) 333-340

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C.T. Kwok, Microstructure and corrosion behavior of la ser surface-melted high-speed steels, Surface & Coatings Technology, 202 (2007) 336-348

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N. Yasavola, Microstructure and mechanical behavior of pulsed laser surface melted AISI D2 cold work tool steel, Applied Surface Science, 265 (2013) 653-662

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Minwoo Kang and Gyujin Park, J ALLOY COMPD, 627, 359-366(2015).

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G.Telasang and J.Dutta Majumdar, SURF COAT TECH, 261, 69-78(2015)

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ChengwuYaoa,, Jian Huanga, Toughening of Fe-based laser-clad alloy coating, APPL SURF SCI, 257 (2011) 2184-2192

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