KR0146882B1 - 방전가공시 열피로 특성이 우수한 후처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다이캐스팅용 다이강을 방전가공후 적절한 질화(Nitriding)나 연질화(nitro carburizing) 처리를 한 다음 산화처리를 하므로서, 방전 가공시 손상된 층과 잔류 인장응력으로 야기되는 다이강의 열피로 특성을 개선하여 다이강의 수명을 연장할 수 있는 후처리방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 알루미늄 다이 캐스팅용 다이강을 방전 가공한 후 후처리하는 방법에 있어서, 상기 방전가공된 다이강을 연마한 후, 최종 뜨임열처리된 온도보다 15℃이하에서 확산층의 깊이가 100-150㎛가 되도록 질화 또는 연질화처리한 다음, 다시 재연마 하고, 상기 질화 또는 연질화 처리 온도보다도 50℃이하의 온도범위에서 산화처리하는 방전가공시 열피로 특성이 우수한 후처리방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

방전가공시 열피로 특성이 우수한 후처리방법

제1도는 통상적인 방전가공이 실시된 소재의 표면층 구조를 나타내는 모식도.

본 발명은 알루미늄 다이 캐스팅용 다이가공으로 주로 사용되는 방전가공에 의한 소재의 열악한 열피로특성을 개선하기 위한 후처리 방법에 관한 것이다.

최근 다이 케스팅용 다이는 기존의 기계 가공방법을 대체하여 주로 방전 가공을 사용하여 만들어지고 있다. 방전 가공의 장점은 정교한 부품 가공이 용이하며, 완전히 경화된 상태의 다이강을 용이하게 가공할 수 있다는 점이다. 일반 기계 가공 방법은 절삭 도구로서 대단히 가공하기 힘든 탄화물 계통을 사용하고 있으나, 방전 가공에서는 절삭 도구로서 가공이 대단히 용이한 흑연이나 구리를 전극으로 사용하고 있다. 이러한 장점으로 인하여 방전 가공 방법이 일반 기계가공 대체해 나가는 추세에 있다.

그러나, 방전 가공으로 인하여 다이강 표면에는 원래의 뜨임 마르텐사이트(tempered martensite)조직이 아닌 손상된 층이 존재하게 되고 잔류 인장 응력이 형성되어, 다이강의 가장 중요한 특성으로 평가되는 열피로 특성이 저하하여 결국 방전 가공한 다이는 기계 가공한 다이보다 짧은 수명을 보이고 있다.

예를들면, 알루미늄 다이 케스팅용 다이로 가장 많이 사용되는 AISI H13 (JIS SKD61)을 방전 가공하였을 경우 나타나는 손상된 층은 제1도에 도시된 바와같이, 표면으로부터 3-25㎛ 두께의 재용융층(경도 56-58Rc), 25-40㎛두께의 뜨임되지 않은 마르텐사이트층(경도 50-54Rc), 40-90㎛두께의 내부보다 더 뜨임된 층(경도 34-43Rc) 및 손상되지 않은 원래의 구조(경도 46-48Rc)의 4개의 층으로 구분될 수 있다.

여기서 각각 층의 존재와 두께는 방전가공 방법과 재질에 따라 변하게 되는데, 표면에서 제일 가까운 쪽에 존재하는 재용융층과 원래의 가공전 열처리된 다이강보다 더 낮은 경도를 보이는 마지막 층(내부보다 더 뜨임된 층)은 항상 존재하는 것으로 알려져 있다.

통상의 상업적인 방전 가공방법에 있어서는 방전 가공에 따른 손상된 층을 최소로 하기 위하여 단번에 원하는 모양으로 가공하는 것이 아니라, 여러번 하면서 할 때마다 방전 가공에 들어가는 에너지를 줄이는 방법을 사용하고 있다. 또한, 방전 가공후 연마를 하여 표면의 재용융층을 제거하고, 뜨임(temper) 열처리를 다시 행하여 두 번째 손상된 층인 뜨임되지 않은 마르텐사이트층을 제거하게 되는데, 이렇게 하면 열피로 특성은 약간 증대된다. 또한, 연마처리는 표면의 잔류 인장 응력을 열피로 특성에 유익한 잔류 압축 응력으로 변하게 하는 효과도 보이고 있다.

그러나, 이와같이 방전 가공 방법을 변화시키거나 연마 처리와 재뜨임 열처리를 하여도 여전히 존재하는 본래의 다이강보다 낮은 경도를 보이는 층으로 인하여 열피로 특성은 일반 기계 가공 방법보다는 열악한 것으로 나타난다.

한편, 미국특허 제4,411,730호(1993)에 제시된 바에 의하면, 방전 가공후 재용융층을 제거하는 방법으로 화학적 방법이 제안되어 있는데, 이 방법은 방전가공후 형성된 재용융층만이 제거되기 때문에 경도가 낮은 층이 잔존하여 역시 일반기계가공 방법보다는 열피로특성이 저하되는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 제안된 것으로 다이캐스팅용 다이강을 방전가공후 적절한 질화(Nitriding)나 연질화(nitro carburizing) 처리를 한 다음 산화처리를 하므로서, 방전 가공시 손상된 층과 잔류 인장응력으로 야기되는 다이강의 열피로 특성을 개선하여 다이강의 수명을 연장할 수 있는 후처리방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 최종 뜨임열처리후 방전가공되어 표층으로부터 재용융층과 모재보다 더 뜨임된 층이 내재된 알루미늄 다이 캐스팅용 다이강을 후처리하는 방법에 있어서, 상기 방전가공된 다이강의 재용융층이 제거되도록 상기 다이강의 표층을 연마하는 단계;

상기 다이강의 표층으로부터 차례로 Fe_2-3N또는 Fe₄N의 단일상과 깊이가 100-150㎛인 확산층이 형성되도록 상기 최종 뜨임열처리된 온도보다 15℃이하에서 질화 또는 연질화처리하는 단계;

상기 단일상의 표층에 존재하는 미세기공 층이 제거되도록 상기 단일상을 재연마하는 단계; 및 상기 질화 또는 연질화 처리온도 보다도 50℃이하의 온도범위에서 산화처리하는 단계;를 포함하여 구성되는 방전 가공시 열피로 특성이 우수한 후처리 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 방전 가공된 소재에 적용되며, 특히 알루미늄 다이 캐스팅용 다이강으로 주로 사용되는 열간용 공구강에 효과적이다.

우선 방전가공으로 인하여 표면에 많은 균열이 존재하는 재용융층을 연마하여 재용융층을 제거하는데 이때 연마는 기계적연마, 화학적연마, 또는 전해연마등 어느 방법으로 하여도 무방하다.

상기 연마로 재용융층을 제거한 후에도 통상 상기 열간용 공구강에는 Al, Cr, Mo, V와 같은 질화물 형성원소를 포함하고 있으므로 질화 또는 연질화처리를 하여 경도를 향상시킨다. 질화 또는 연질화처리는 가스, 이온 또는 액체 질화나 연질화처리방법등이 있고, 각 방법의 변수를 조절함에 따라 화합물층이 혼합상이 될 수도 있고 단일상이 될 수도 있다.

본 발명의 경우 어느 질화나 연질화방법을 사용하여도 무방하나, 화합물층은 단일상이고, 확산층의 깊이는 100-150㎛가 되도록 해야한다. 즉 상기 질화 또는 연질화 처리된 화합물층의 조성은 Fe_2-3N과 Fe₄N의 혼합상이 아닌 이들의 단일 조성이 되도록 함이 바람직한데, 그 이유는 일반적으로 혼합층이 단일상보다는 취약하여 많은 균열을 포함하기 때문이다. 보다 바람직하게는 상기 질화 또는 연질화 처리된 층이 C, N의 고용원자가 침투된 확산층만으로 조성되도록 하는 것이다.

질화물 형성원소로 인하여 질화나 연질화 처리후에는 확산층을 형성하여 뜨임된 층의 효과를 상쇄하게 된다. 이때, 상기 경화 열처리시 온도는 본래 다이강의 경도를 얻기 위하여 마지막으로 뜨임 열처리한 온도보다 적어도 15℃이상 낮은 온도에서 행해져서 경화 열처리에 의하여 다이강 내부 경도가 낮아지지 않도록 해야한다. 따라서 적당한 질화 및 연질화 처리온도는 500-580℃가 바람직하다. 경화 열처리 시간은 확산층의 깊이가 방전 가공에서 생긴 3번째 손상층보다는 깊지만 너무 깊지 않도록 해야 한다. 왜냐하면, 확산층의 너무 높은 경도는 낮은 경도보다는 우수한 열피로 특성을 보이지만 내부의 적당한 경도보다는 높은 경도로 인하여 오히려 열피로 특성이 저하하기 때문이다. 다시말하면, 손상층이 약 100㎛정도이므로 확산층이 100-15-㎛가 되도록 처리시키는 방법이 바람직하다.

상기 경화 열처리 후에는 재연마 처리를 하여 처음 연마 처리시 혹시 완전히 제거되지 않은 재용융층을 제거함과 동시에 경화 열처리로 생성된 표면 화합물층이 표면쪽 외부는 많은 미세기공을 포함하고 또한 균일한 존재할 가능성이 있으므로 재연마로 이러한 미세 기공층을 제거한다.

이와같이 재연마 처리된 다이강의 표면은 산화처리를 하여 표면에 Fe₃O₄(마그네타이트)가 형성되도록 하면 상기 마그네타이트는 내부식성과 내산화성이 우수하므로 내열피로 특성을 증대시키는 효과를 가져오게 된다. 통상 마그네타이트는 570℃이하에서는 형성되지만 경화 열처리 효과가 없어지는 현상을 방지하기 위하여 경화열처리 온도보다 적어도 50℃이하에서 행해져야 한다. 보다 바람직하게는 산화처리는 350-450℃의 염액(salt)에서 30분 내지 1시간 정도로 실시함이 좋다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

알루미늄 다이 캐스팅용 다이로 가장 널리 사용되는 AISI H13(JIS SKD61) 공구강에 대하여 일반적인 열처리를 실시하였다. 즉, 상기 공구강을 1038℃로 1시간 30분 동안 용체화 처리한 후 오일 급냉시키고 595℃에서 1시간 동안 뜨임 처리한 후 다시 오일 급냉한 다음, 이러한 뜨임 처리를 반복하여 46-48Rc정도의 경도를 얻었다. 이후 하기 표 1과 같은 방법으로 여분의 1.5㎜를 방전 가공하여 열피로 시편을 준비하였다.

상기 표 1과 같은 방전 가공 방법으로 얻어지는 각 손상층의 두께를 분석한 결과, 하기 표 2와 같은 결과를 얻었다.

상기 표 2에서 알 수 있듯이 방전 가공 방법을 조절하여 최소의 재용융층과 뜨임되지 않은 마르텐사이트 층을 얻을 수 있었으나, 여전히 약 100㎛에 가까운 내부보다 더 경도가 낮은 층이 나타남을 알 수 있었다.

[실시예 2]

실시예 1에서 얻은 시편에 대하여 하기 표 3과 같은 방법으로 후처리를 실시한 후 후처리된 시편에 대하여 열피로 시험을 행하였다.

이때, 비교예(A)의 경우는 방전가공을 하지 않은 일반기계가공만을 실시한 경우이다. 또한, 비교예(F)(G) 및 발명예(H)의 경우에는 저온 경화 열처리를 행한 경우로서, 이들의 경화 열처리된 각층의 성분 및 두께는 하기 표 4와 같다.

상기와 같이 후처리된 시편은 720-740℃의 용융된 380 알루미늄 합금 용탕에 12초간 담근후 24초간 공냉시키는 방법으로 열피로시험을 행하였다. 이때, 알루미늄 용탕에 잠입하기 직전에 실제 알루미늄 다이 케스팅에 사용되는 윤활제를 2-3초간 시편 표면에 도포하였다. 이러한 과정을 15,000회 반복한 후 열피로에 의한 균일 면적을 광학 현미경으로 관찰하여 시편의 평균 균열 면적값을 계산하고, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.

상기 표 5에 나타난 바와같이, 현재 사용되고 있는 방법인 비교예(B)의 경우 방전 가공후 연마처리와 뜨임 열처리를 함으로써 어느 정도 열피로 특성이 상승되었지만, 여전히 일반 기계 가공 방법으로 실시된 비교예(A)보다는 열악한 열피로 특성을 보이고 있음을 알수 있었다. 또한 비교예(C)의 경우에는 비교예(B)에 전해 연마를 더 함으로써 표면이 더 편평해지고 혹시 존재해 있는 재용융층과 뜨임되지 않은 마르텐사이트층이 제거되어 열피로 특성이 어느정도 상승되었지만, 여전히 남아있는 낮은 경도를 지닌 층으로 인하여 아직까지는 일반기계 가공보다는 열악한 열피로 특성을 보이고 있음을 알수 있었다.

또한, 비교예(B)에 쇼트 피닝 방법을 첨가한 비교예(D)(E)의 경우에는 쇼트 피닝 방법에 의하여 경도상승을 보이지만, 균열 야기 가능성에 의하여 열피로 특성에는 큰 효과를 보이지 않고 있다.

한편, 상기 표 4 및 5에서 알수 있듯이 저온 경화 열처리 방법을 적용한 경우인 비교예(F)에서는 복합 화합물층 즉, 균열과 미세 기공을 포함하는 화합물층과 깊은 확산층으로 인하여 표면이 너무 취약해서 오히려 열피로특성이 저하하고 있다. 따라서, 열피로 특성 향상을 위해서는 혹시 잔존해 있는 재용융층과 뜨임되지 않은 마르텐사이트 층을 제거하는 효과와 경화 열처리로 생성된 화합물층이 바깥쪽은 많은 미세 기공과 균열을 포함하므로 이를 제거해주어야 함을 의미한다. 다시말하면 화합물층에 형성된 혼합상은 단일상에 비하여 취약하므로 FeN 또는 FeN의 단일상 또는 확산층만이 형성되도록 해야 바람직하며, 확산층의 깊이도 경도가 더 낮게 뜨임된 층만을 없애도록 조절해야 할 필요가 있는 것이다.

그러나, 저온 경화열처리 방법을 적용하여 표면에 단일상 층이 형성되고 이후 산화 처리로 산화층이 형성된 비교예(G)의 경우에서도 알수 있듯이, 연마과정을 거치지 않으면 화합물층에 바깥쪽 미세기공과 균열의 존재로 인하여 열피로특성은 저하됨을 알수 있다.

이에 반하여 본 발명에 따라 후처리된 발명예(H)의 경우에는 FeN의 단일상이 형성되고, 연마후 내부식성과 내산화성을 지닌 FeO층을 형성시킴으로써 열피로 특성이 오히려 일반 기계 가공 방법보다 향상됨을 보이고 있음을 알 수 있었다.

상술한 바와같이, 본 발명에 의하면 알루미늄 다이 케스팅용 다이를 방전 가공시 나타나는 열피로 특성에 나쁜 영향을 미치는 손상된 층을 제거하므로서 열피로 특성을 향상시키며, 이로써 다이 수명 연장을 도모할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

1. 최종 뜨임열처리후 방전가공되어 표층으로부터 재용융층과 모재보다 더 뜨임된 층이 내재된 알루미늄 다이캐스팅용 다이강을 후처리하는 방법에 있어서, 상기 방전가공된 다이강의 재용융층이 제거되도록 상기 다이강의 표층을 연마하는 단계; 상기 다이강의 표층으로부터 차례로 Fe_2-3N 또는 Fe₄N 의 단일상과 깊이가 100-150㎛인 확산층이 형성되도록 상기 최종 뜨임열처리된 온도보다 15℃ 이하에서 질화 또는 연질화처리하는 단계; 상기 단일상의 표층에 존재하는 미세기공층이 제거되도록 상기 단일상을 재연마하는 단계; 및 상기 질화 또는 연질화 처리 온도보다도 50℃ 이하의 온도범위에서 산화처리하는 단계;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 방전가공시 열피로특성이 우수한 후처리방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 질화 또는 연질화처리된 층이 확산층만으로 이루어짐을 특징으로 하는 후처리방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 질화 또는 연질화처리가 500~580℃의 온도범위에서 실시됨을 특징으로 하는 후처리방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 산화처리는 350~450℃의 염욕에서 30분 내지 1시간 동안 실시됨을 특징으로 하는 후처리방법.