[논문]레이저 열처리 광학계를 이용한 금형소재의 표면 열처리 특성

신호준; 유영태; 신병헌; 노경보

레이저 열처리 광학계를 이용한 금형소재의 표면 열처리 특성
Characterization of Surface treatment for Mold materials using optical system of laser heat treatment 원문보기

대한기계학회 2007년도 춘계학술대회A, 2007 May 30, 2007년, pp.1542 - 1547

신호준 (조선대 대학원 정밀기계공학과) , 유영태 (조선대 메카트로닉스공학과) , 신병헌 (조선대 정밀기계공학과) , 노경보 (주영하이텍(주))

Abstract ▼ AI-Helper

Laser surface treatment technologies have been used to improve characteristics of wear and to enhance the fatigue resistance for mold parts. The optical lens with the elliptical profile is designed to obtain a wide surface hardening area with a uniform hardness. The objective of this research work is to investigate the influence of the process parameters, such as power of laser and defocused spot position, on the characteristics of laser surface treatment for the case of SKD61 steel and SCM4 steel. From the results of the experiments, it has been shown that the maximum average hardness is approximatly 700${\sim}$780 Hv when the power, focal position and the travel of laser are 1,095 W, 0mm and 0.3 m/min, respectively. In samples treated with lower scanning speeds, some small carbide particles appear in the interdendritic regions. This region contains fine martensite and carbide in proportions which depend on the local thermal cycle.

AI 본문요약
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문제 정의

그리고 각각 레이저 공정변수에 따라 이런 현상은 현저히 차이가 나타난다. 그래서 본 연구에서 레이저빔 시편에 조사될 때 적외선 온도계를 이용하여 입열량과 표면온도의 상관관계를 고찰하였다. 그 결과를 Fig.
본 연구에서는 레이저 열처리 광학계를 제작하여 대면적 표면열처리와 내마모성 증가에 대한 연구를 하고자 한다. 표면을 열처리시키기 위해 SKD61와 SCM4의 표면에 레이저빔을 동일조건으로 조사한 후 경도크기, 경화깊이, 경도분포, 레이저 열처리속도에 따른 표면온도 등을 실험적으로 연구하고자 한다.
본 연구에서는 사출금형재료로 사용되는 SKD61과 SCM4의 레이저 표면열처리 특성에 대해 고찰하고자 한다. 일반적인 기계적 특징은 열간금형 공구강인 SKD61의 경우 열 충격 및 열 피로에 강하며, 내마모성과 내열성에 강점이 있어 가공용 공구나 각종 다이스 다이블로 제조하여 정밀 금형에 쓰인다.

제안 방법

CW Nd:YAG 레이저를 이용하여 금형강의 종류인 SKD61과 SCM4를 대면적 열처리 광학계를 이용하여 열처리했을 경우 다음과 같은 결론을 얻었다.
열영향을 주지 않는 저속절 단기를 이용하여 시편의 단면을 절단해서 시편을 폴리싱한 후 피크린시약으로 부식 처리한 다음 광학현미경[Nikon: ECLIPSE L150]을 이용하여 경화깊이와 경도값을 측정하였다. 경도 시험은 마이크로 비이커스 경도시험기[Simadzu : HMV-2series]를 사용하여 0.5㎏의 하중을 적용시켜 경화층 특성을 관찰하였다.
그러므로 시편의 크기를 100×50×10mm로 고정하여 열처리실험 하였다.
표면경도 측정시 한 시편에 3번, 측정간격은 5mm로 동일한 조건으로 측정하였다. 그리고 Fig. 3과 동일한 방법인 디포커싱방법을 사용하였을 때 표면경도 분포와 표면비드 형상을 비교하였다. Fig.
선행연구에서는 대부분 디포커싱방법을 이용하여 레이저 표면경화에 관한 연구가 진행되었다. 그리고 대면적 부분을 표면경화처리 할 때 다중 중첩(Multi-pass)을 통해 연구하였다. 이런 방법은 레이저빔이 중첩되는 부분 즉, 오버랩(overlap)의 영향으로 뜨임(Tempera ting)현상이 발생하여 경도분포가 불균일하게 된다.
기계적·금속학적 특성을 고찰하기 위해 경화깊이 변화에 따른 경도측정 하였다.
레이저빔이 시편표면에 조사되어 빔이 진행될 때 적외선 온도계를 이용하여 실시간으로 표면온도를 측정하였다. 레이저 표면경화 실험할 때 스패터(spatter)가 발생하여 온도계(pyrometer) 손상을 가져올 수 있기 때문에 광학헤드를 이용하여 필터를 체결시켜 실험하였다.
01sec이다. 레이저빔 중심선으로부터 1/e위치인 지점에서 측정하였다.
레이저빔이 시편표면에 조사되어 빔이 진행될 때 적외선 온도계를 이용하여 실시간으로 표면온도를 측정하였다. 레이저 표면경화 실험할 때 스패터(spatter)가 발생하여 온도계(pyrometer) 손상을 가져올 수 있기 때문에 광학헤드를 이용하여 필터를 체결시켜 실험하였다.
본 실험에서 제작하여 사용한 열처리 광학계로 열처리한 결과와 디포커싱으로 열처리하여 표면경화한 경화폭과 경도분포를 비교하기 위해 공정 변수를 Table 2와 같이 실험한 후 표면경도분포를 관찰하였다.
5에 나타냈다. 실험 공정변수는 Table 2과 동일하며 레이저빔 이동거리(L)는 70mm로 고정시켜 표면온도 측정하였다. 이때 적외선온도계의 측정각도는 60。이고, 응답속도는 0.
기계적·금속학적 특성을 고찰하기 위해 경화깊이 변화에 따른 경도측정 하였다. 열영향을 주지 않는 저속절 단기를 이용하여 시편의 단면을 절단해서 시편을 폴리싱한 후 피크린시약으로 부식 처리한 다음 광학현미경[Nikon: ECLIPSE L150]을 이용하여 경화깊이와 경도값을 측정하였다. 경도 시험은 마이크로 비이커스 경도시험기[Simadzu : HMV-2series]를 사용하여 0.
4의 경우 SKD61의 표면경도분포를 도시화하여 나타내었다. 이때 각각의 레이저 공정변수에 따라 실험한 후 표면경화층의 경도값을 측정하였다. 표면경도 측정시 한 시편에 3번, 측정간격은 5mm로 동일한 조건으로 측정하였다.
조사각도는 45°, 가스압력은 1.5bar로 분사시켰다.
표면 열처리를 위해 제작한 광학계는 Fig. 2에서와 같이 열처리용 렌즈는 반원통형으로 제작하여 실험하였다. 렌즈의 재질은 UV grade F.
이때 각각의 레이저 공정변수에 따라 실험한 후 표면경화층의 경도값을 측정하였다. 표면경도 측정시 한 시편에 3번, 측정간격은 5mm로 동일한 조건으로 측정하였다. 그리고 Fig.
본 연구에서는 레이저 열처리 광학계를 제작하여 대면적 표면열처리와 내마모성 증가에 대한 연구를 하고자 한다. 표면을 열처리시키기 위해 SKD61와 SCM4의 표면에 레이저빔을 동일조건으로 조사한 후 경도크기, 경화깊이, 경도분포, 레이저 열처리속도에 따른 표면온도 등을 실험적으로 연구하고자 한다.

대상 데이터

렌즈의 재질은 UV grade F.S.이고, 초점거리(f)는 195mm이며, 렌즈 크기(W×L)는 40×40mm이다.
본 연구에 사용되어진 Nd:YAG레이저는 파장이 1.06㎛이고, 최대출력은 2.8kW이다레이저 빔발산각은 25mrad, 600㎛인 광섬유를 통해서 전달된다. 광케이블에 연결되어 가공하는 공작대는 LASMA 1054이다.
광케이블에 연결되어 가공하는 공작대는 LASMA 1054이다. 시편을 열처리 시킬 때 표면과 대기중의 오염물질사이의 상호작용을 방지하기 위해서 아르곤(Ar)가스를 보호가스로 사용하였다. 조사각도는 45°, 가스압력은 1.

성능/효과

1. SKD61과 SCM4에 레이저 열처리하였을 때 각각의 기계적 특성은 다르지만 모재와 비교했을때 균일한 표면열처리 층을 형성시켰다. 이때 최적공정변수는 레이저 출력 1095W, 빔이송속도 0.
2. 각각의 시편에 최적의 공정변수에서 경도 값은 모재에 비해 약3.5배 상승하였고, 디포커싱 했을 때보다 열처리폭이 4배 향상되었다.
3. 레이저 표면열처리시 공정변수제어를 위해 실시간모니터링을 했을 때 표면온도는 중요한 변수로 작용하는 것을 알 수 있다.
5에서 x축은 표면온도 측정 시간이며, y축은 표면온도 값이다. 그 결과로 레이저빔 이송속도가 빠를수록 내부로 열을 전도시키는 시간이 부족하여 표면온도가 낮게 분포하였다.
5m/min일 때보다 입열량이 충분히 커서 표면의 오스테나이트화가 균일하게 형성된 후 급냉각 되었기 때문이라 사료된다. 디포 커싱방법으로 표면열처리 했을 때에는 열처리폭이 열처리 광학계로 표면열처리 했을 때보다 약 2.5배정도 증가하였다. 또한 평균경도값은 689Hv로 레이저 표면 경화처리 했을 때보다 경도차가 111Hv정도로 낮게 분포하였다.
또한 평균경도값은 689Hv로 레이저 표면 경화처리 했을 때보다 경도차가 111Hv정도로 낮게 분포하였다. 이 결과 디포커싱 방법으로 표면경화 보다 본 연구에서 개발한 열처리 광학계가 디포커싱에 의한 표면경화방법보다 경도값, 경화폭 및 경도분포가 우수하게 나타났다.

후속연구

3m/min로 했을 경우 초기 레이저빔의 흡수율을 증가시키기 위해 piercing하는 기간 동안 온도가 급상승한 후 레이저 빔이 이동하면서 시편내부로 열이 전달되어 일정한 온도를 나타내고 있다. 레이저빔의 이송 속도가 빠른 경우 레이저빔 초기 조사할 때 시편내부로의 열전달에 의한 냉각현상을 나타낸 레이저빔 이송속도가 느려 높은 입열량 때문에 초기 높은 온도가 나타나는 현상은 설명이 되지만, 레이저빔 이송속도가 0.5m/min일 때 나타나는 온도분포 현상은 더욱 연구해야 할 과제이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기계가공에 필요한 제품이 가져야 하는 특성은?	최근 첨단산업 동향은 기계부품의 가공속도의 고속화, 고성능화, 고강도화를 향상이 필수적으로 요구된다. 기계가공에 필요한 제품은 높은 강도 뿐만 아니라 강한 인성, 내마모성, 내부식성 등을 가져야 한다. 특히 내마모성이 중요한 역학을 하는 금형산업은 동일 품질의 부품을 능률적으로 대량생산하기 위한 것으로 자동차부품, 전기전자 부품, 사무용품 등 거의 모든 산업에 적용되며 부품의 품질 및 생산성에 필수적인 요소이다.
	금형산업의 목적은?	기계가공에 필요한 제품은 높은 강도 뿐만 아니라 강한 인성, 내마모성, 내부식성 등을 가져야 한다. 특히 내마모성이 중요한 역학을 하는 금형산업은 동일 품질의 부품을 능률적으로 대량생산하기 위한 것으로 자동차부품, 전기전자 부품, 사무용품 등 거의 모든 산업에 적용되며 부품의 품질 및 생산성에 필수적인 요소이다.
	레이저 표면열처리를 한 재료가 오랜 시간 충격이나 하중이 가해져도 쉽게 파괴되지 않는 이유는?	4,5,6 이와 같이 레이저 표면개질 방법 중 레이저 표면열처리는 표면 경도 값은 매우 높은 반면에 재료내부는 본래의 기계적 성질을 가지고 있어서 오랜 시간 충격이나 하중이 가해져도 쉽게 파괴되지 않는다. 이는 치밀하고 균일한 조직의 경화층이 재료 표면에 형성되어 기계적 특성들이 향상되기 때문이다. 더욱이 짧은 시간에 표면열처리가 진행되어 생산성이 높고 작은 부품이나 부품의 일부분만을 집중적으로 열처리가 가능하여 첨단산업분야에서 레이저를 이용한 표면열처리가 각광을 받고 있다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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