KR100232268B1 - 금형용강의 열처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금형용강의 내구성을 향상시키는 복합 열처리방법에 관한 것으로, 특히 열간, 냉간 및 Al다이캐스팅 금형 등에 내마모성, 면압강도, 고온 내산화안정성 및 고온강도가 우수한 금형을 제조하기 위한 금형용강의 열처리방법에 관한 것이다.
500~1000℃ 범위의 온도로 가열 유지된 노내에 공기를 투입하여 금형을 표면 산화시키는 단계와, 상기 금형의 오스테나이트화시 침탄 또는 침탄질화하여 그 표면층에 침탄층 또는 침탄질화층을 형성하여 냉각 후 템퍼링하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 열처리방법에서는 종래의 방법과 비교하여 특별한 설비가 필요하지 않은 상태에서 금형의 표면산화와 침탄층 또는 침탄질화층을 형성한 후 템퍼링하고 이러한 금형에 일정온도의 범위에서 질화가스 또는 질화침탄가스 분위기에서 질화 또는 질화침탄공정을 수행하며 또한 Fe3O4피막을 형성하여 마찰저항을 크게 줄이고 내마모성을 향상시켜 면압강도 및 고온강도가 우수한 금형을 제조할 수 있다.

Description

금형용강의 열처리방법
본 발명은 금형용강의 내구성을 향상시키는 복합 열처리방법에 관한 것으로, 특히 열간, 냉간 및 Al-다이캐스팅 금형 등에 내마모성, 면압강도, 고온 내산화안정성 및 고온강도가 우수한 금형을 제조하기 위한 금형용강의 열처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 금형용강에 실시되는 열처리방법으로는 켄칭 및 템퍼링(Q.T : Quenching and Tempering) 또는 켄칭 및 템퍼링후 질화, 질화침탄 또는 CVD 및 PVD법 등의 열처리 및 표면처리법이 실시되고 있다.
이러한 금형용강의 켄칭 및 템퍼링 후 질화처리는 1000~1050℃의 온도에서 금형의 두께에 따라 30분/inch 가열시간을 설정하여 진공로 또는 무산화 분위기의 핏트형로에서 오스테나이트화한 후 공냉 또는 가스냉각하여 기지 조직이 마르텐사이트가 얻어지도록 한 후 500~620℃의 온도에서 2~3회 템퍼링 처리한 상태에서 바로 사용하거나, 또는 이를 500~570℃ 온도에서 NH3또는 NH3-N2가스분위기에서 5~100 시간 동안 질화처리하여 사용한다. 한편, 켄칭 및 템퍼링 후 질화침탄은 상기한 켄칭 및 템퍼링 처리한 후 570~580℃에서 2~20시간 동안 N2-NH3-CO2또는 50NH3-50흡열(endothermic)가스 분위기에서 질화침탄하여 사용한다.
그러나 상기 세가지 방법은 금형의 사용 환경에 따라 처리온도 및 시간을 가감하기도 하지만 특히 열간으로 사용되는 단조용 금형, Al-다이캐스트 금형등은 금형의 표면이 고온의 피단조물(900~1200℃) 또는 용융Al(650~750℃)과 접촉하므로 금형소재의 표면경도가 쉽게 열화하여 내구성을 크게 감소시킨다.
따라서 가혹한 사용 환경에서 사용되는 금형소재의 내구성이 문제시되고 있으며, 특히 내구성 부족으로 인한 금형소재비, 가공비, 열처리 및 표면처리비의 증대 그리고 생산성의 저하 등 여러가지 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기한 바와같은 종래의 제반 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 열간, 냉간 및 Al-다이캐스트 금형의 표면을 산화 처리한 후 상기 표면에 침탄층 또는 침탄질화층을 형성하며 냉각후 템퍼링함으로써 금형용강의 내마모성, 면압강도, 고온내 산화 안정성 및 고온강도가 우수한 금형용강의 열처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 500~1000℃ 범위의 온도로 가열 유지된 노내에 공기를 투입하여 금형용강을 표면 산화시키는 단계와, 상기 금형용강의 오스테나이트화시 침탄 또는 침탄질화하여 그 표면층에 침탄층 또는 침탄질화층을 형성하는 단계, 상기 금형용강을 공냉 또는 가스냉각한 후 500~650℃의 온도에서 템퍼링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금형용강의 열처리방법을 제공한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 단계를 거친 금형을 500~600℃ 온도 범위의 질화가스 분위기 또는 질화침탄가스 분위기 중에서 질화 또는 질화침탄 처리하여 표면경도를 증가시킬 수 있으며, 이렇게하여 얻어진 금형의 마찰저항을 감소시키기 위하여 Fe3O4피막을 형성시킬 수도 있다.
본 발명에 따라 금형용강의 오스테나이트화시 침탄 또는 침탄질화하여 표면층에 1~5mm 깊이의 침탄층 또는 침탄질화층을 얻고 이때 침탄층 또는 침탄질화층의 크롬탄화물의 형상을 0.1~5㎛의 구형 또는 괴상의 형상으로 제어하여 열적으로 매우 안정한 탄화물 또는 탄질화물의 형태로 얻는 것이 가능하다. 아울러, 후속하는 공냉 또는 가스냉각 한 후 500~650℃의 온도에서 2~3회 템퍼링한 다음 질화 또는 질화침탄 처리하면 침탄 및 침탄질화시 형성된 탄화물은 탄질화물로 변태되며 질소고용체 또는 철 질화물의 확산층을 가지는 기지조직이 얻어진다.
한편, 일반적인 금형용강은 주로 고크름계(3~15%Cr)이므로 침탄 또는 침탄질화가 용이하도록 하기 위해 크롬이 갖는 부동태 피막(Cr2O3)의 제거가 중요한데, 침탄전 부동태 피막의 제거를 위해 대략 550℃에서 금형의 30분/inch 정도 가열하여 표면과 내부가 균일한 온도에서 소킹(soaking)한 후 500~900℃의 온도까지 승온하고 그 온도에서 유지시 노내에 공기, CO2, 수증기 등의 산화성가스를 주입(5~30분)하여 금형용강의 표면에 형성된 크롬산화물의 조대화 및 철산화물의 형성을 유도한 다음 이를 1000~1050℃의 온도까지 승온시켜 표면산화된 상태의 금형용강에 대해 적주식침탄(메탄올+5~12%톨루엔) 또는 가스침탄을 실시함으로써 침탄중 금형용강의 표면에 형성된 산화물은 환원되고, 탄소의 확산이 매우 용이하도록 하여 강의 표면층 1~3mm 깊이에서 크롬 또는 합금탄화물이 형성되도록 한다.
한편, 본 발명의 방법에 따라 처리된 금형용강은 예를들어 수증기, CO2및 공기의 혼합가스로 질화 또는 질화침탄 후 산화 처리하여 질화층 위에 소량의 Fe3O4층을 형성할 수도 있는데 두께는 0.5~3㎛범위이며, 이는 금형 사용할 때 마찰 저항을 크게 줄임으로써 내마모성을 향상시키는 특성을 갖도록 한다.
위와같은 Fe3O4피막형성은 수증기, CO2-N2가스, 수증기-N2가스, CO2-수증기가스, 또는 CO2-수증기-N2가스 분위기에서 처리한다.
[실시예]
이하 실시예를 참고하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
[실시예 1]
자동차축(hub)용 열간단조금형을 780mmφ×2000H 핏트형로에서 850℃에서 20분간 공기산화시킨 후 1025℃에서 7%톨루엔-메칠알콜의 적주액으로 3시간 침탄후 공냉한 다음 540℃에서 2회 템퍼링 후 600℃에서 1회 템퍼링했을 때 표면경도는 60HRC, 내부경도는 50HRC로 나타났으며 이때 침탄깊이는 1.8mm였다. 위 금형을 540℃에서 30시간 가스질화 후 표면 경도값은 64HRC였으며, 내부경도는 49HRC였다. 이 금형으로부터 단조된 부품은 14,000개였으며, 종래의 열처리방식인 일반 켄칭 및 템퍼링한 금형은 6,000개를 생산할 수 있었으며, 내구성이 2.3배 향상되었다.
[실시예 2]
자동차 브레이크 캘리퍼용 용탕단조금형을 850℃에서 30분간 공기산화 후 1000℃에서 4시간 침탄한 후 공기냉각 한 다음 540℃에서 2회, 600℃에서 1회 템퍼링 후 이를 520℃에 120시간 질화 처리한 후 Fe3O4수증기피막처리한 금형의 내구성은 종래의 열처리방식인 켄칭 및 템퍼링후 190시간 질화처리한 금형보다 3배의 내구성 향상을 보였다.
본 발명의 열처리방법에서는 종래의 방법과 비교하여 특별한 설비가 필요하지 않은 상태에서 금형의 표면산화와 침탄층 또는 침탄질화층을 형성한 후 템퍼링하고 이러한 금형에 일정온도의 범위에서 질화가스 또는 질화침탄가스 분위기에서 질화 또는 질화침탄공정을 수행하며 또한 Fe3O4피막을 형성하여 금형사용시 마찰저항을 크게 줄이고 내마모성을 향상시켜 면압강도 및 고온강도가 우수한 금형을 제조할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (4)

  1. 500~1000℃ 범위의 온도로 가열 유지된 노내에 공기를 투입하여 금형용강을 표면산화시키는 단계, 상기 금형용강을 오스테나이트화한 다음 1000~1050℃의 온도 범위에서 침탄 또는 침탄질화하여 그 표면층에 침탄층 또는 침탄질화층을 형성하는 단계, 상기 금형용강을 공기 또는 가스 중에서 상온으로 냉각하는 단계 및 500~650℃에서 템퍼링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금형용강의 열처리방법.
  2. 제1항에 있어서, 템퍼링한 상기 금형용강을 500~600℃ 온도범위의 질화가스 분위기 또는 질화침탄가스 분위기 중에서 질화 또는 질화침탄처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금형용강의 열처리방법.
  3. 제2항에 있어서, 후속공정으로 상기 금형용강에 Fe3O4피막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금형용강의 열처리방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 Fe3O4피막형성은 수증기, CO2가스-N2, 수증기-N2가스, CO2-수증기 또는 CO2-수증기-N2가스 분위기에서 처리하는 것을 특징으로 하는 금형용강의 열처리방법.
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