KR100737520B1 - 육성용접층이 형성된 등단면 경사 압축가공 금형 - Google Patents

Abstract

본 발명은 등단면 경사 압축 금형에 관한 것으로, 그 목적은 마모가 극심한 하부금형의 경사면에 내마모성이 뛰어난 소재로 육성용접하여 금형의 수명을 연장시킬 수 있는 등단면 경사 압축 금형에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상부몸체(11)와 하부몸체(12)의 합형에 의해 형성된 수직한 상부채널(10a)과 경사진 하부채널(10b)에 가공물을 통과시켜 등단면 경사 압축하는 금형에 있어서, 상기 경사진 하부채널(10b)을 형성하는 하부몸체의 경사면(12b)에 중량%로 C: 1.0~3.0%, Cr: 5~15%, Mo: 3.0~8.0%, W: 5.0%~20%, Mn: 0.1~2.0%, Si: 0.1~2.0%, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되는 육성용접층이 형성된 것을 포함하여 이루어지는 등단면 경사 압축가공 금형에 관한 것을 그 기술요지로 한다.

본 발명에 따르면 등단면 경사 압축가공 금형의 사용수명을 5배이상 획기적으로 향상시킬 수 있어 금형교체주기를 연장하는 효과가 있다.

등단면 경사 압축, 금형, 육성용접, 내마모성

Description

육성용접층이 형성된 등단면 경사 압축가공 금형{Hardfaced equal channel angular pressing die}

도 1은 등단면 경사 압축가공 금형의 일례도

도 2는 본 발명에 따라 하부금형에 육성용접하는 공정도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11.. 상부금형 12..하부금형

10a.. 상부채널 10b.. 하부채널

12a.. 수직면 12b.. 경사면

본 발명은 등단면 경사 압축 금형에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마모가 극심한 하부금형의 경사면에 내마모성이 뛰어난 소재로 육성용접하여 금형의 수명을 연장시킬 수 있는 등단면 경사 압축 금형에 관한 것이다.

일반적으로 알려진 금속소재의 재질을 개량화하는 방법으로는 결정립 미세화 가 가장 유용한 것으로 알려져 있으며, 이를 실현할 수 있는 방법으로는 급냉응고법, 분말야금법, 기계적 합금화법, 소성가공법 등이 있다. 이 중에서 급냉응고법, 분말야금법, 기계적 합금화법 등은 대량생산에 적합치 못하므로 상업적으로는 사용되지 못하고 있으며, 지금은 소성가공법이 상업적으로 가장 유용하게 사용되고 있는 실정이다.

상기 소성가공법으로는 압연, 압출, 인발등의 다양한 방법이 있으며, 이들은 상업상의 여러가지 잇점으로 인해 과거부터 현재까지 광범위하게 응용되고 있다. 그러나, 상기 소성가공법은 금속과 금형의 마찰로 인해 금속의 표면과 내부를 균일하게 소성가공시키기에는 부적합하므로 적용분야가 제한적이다. 또한 상기 소성가공법에서는 가공량 증가에 따른 단면적 감소가 불가피하다는 공정특성으로 인해 금속소재 내에 대량의 변형에너지를 축적할 수 없으므로 금속소재의 재질개선이 용이하지 못하다는 단점을 지닌다.

따라서, 종래의 소성가공법이 보여준 비효율적인 결정립미세화 성향을 극복하고자 하는 노력의 일환으로 다양한 극한 강소성 가공법이 개발되기에 이르렀으며, 그중에서도 특히 등단면 경사 압축법(ECAP : equal channel angular pressing)은 가장 대표적인 극한 강소성 가공법이라 할 수 있다. 이러한 등단면 경사 압축법은 동일한 단면적을 갖는 두 채널을 일정각도(θ)로 서로 교차시킨 금형의 통로를 통해 금속을 고압으로 통과시킴으로써 금속소재 내에 가혹한 전단변형에너지를 축적할 수 있어서 재질을 획기적으로 개선할 수 있는 방법이다.

지금까지 알려진 등단면 경사 압축 금형은 도 1에 나타난 바와 같이 상부금형(11)과 하부금형(12)이 일체형 소재로 가공되어 사용되고 있으므로 인해 금형 내부의 표면이 손상되면, 금형자체를 새로 제작하여야 하는 번거로움이 상존하였다. 이러한 이유로 인해 금형의 사용수명이 제한적이며, 금형의 제작비용으로 인한 소재 제조비용이 고가로 알려져 있다. 특히, 상부몸체(11)와 하부몸체(12)의 합형에 의해 형성된 수직한 상부채널(10a)과 경사진 하부채널(10b)에 가공물을 통과시켜 등단면 경사압축할 때, 가공물이 가장 먼저 도달하는 경사진 하부채널(10b)을 형성하는 하부몸체의 경사면(12b) 부근은 극심한 국부마모를 유발시키며, 이로 인해 이 부분의 마찰로 인한 금형손상은 전체적인 금형수명을 좌우하는 형편이다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하부몸체의 경사면에서 금형손상이 심한 부위에 내마모성이 우수한 조성을 갖는 소재로 육성용접처리를 시행함으로써 국부마모로 인한 금형손상을 방지하고 궁극적으로는 금형의 수명 및 교체주기를 획기적으로 연장할 수 있는 등단면 경사 압축가공 금형을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 등단면 경사 압축가공 금형은, 상부몸체(11)와 하부몸체(12)의 합형에 의해 형성된 수직한 상부채널(10a)과 경사진 하부 채널(10b)에 가공물을 통과시켜 등단면 경사 압축하는 금형에 있어서, 상기 경사진 하부채널(10b)을 형성하는 하부몸체의 경사면(12b)에 중량%로 C: 1.0~3.0%, Cr: 5~15%, Mo: 3.0~8.0%, W: 5.0%~20%, Mn: 0.1~2.0%, Si: 0.1~2.0%, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되는 육성용접층이 형성된 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자들은 등단면 경사 압축 금형에서 마모가 극심한 부위를 내마모성이 우수한 소재로 육성용접하면 금형의 사용수명을 개선할 수 있다는데 착안하여 적합한 육성용접소재를 설계하여 본 발명을 완성한 것이다.

본 발명에서는 중량%로 C: 1.0~3.0%, Cr: 5~15%, Mo: 3.0~8.0%, W: 5.0%~20%, Mn: 0.1~2.0%, Si: 0.1~2.0%, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되는 소재를 육성용접한다. 이 육성용접소재는 크롬과 몰리브덴 및 텅스텐을 과량으로 첨가함에도 불구하고 마르텐사이트 기지조직에 봉상의 M₇C₃ 및 M₂₃C₆ 형의 크롬탄화물과 M₆C 형의 텅스텐 탄화물이 분포될 수 있도록 하고, 또한 실리콘을 별도로 과다 첨가함으로써 침상의 M₂C 탄화물이 형성되는 것을 억제함과 동시에 실리콘에 의한 경도 및 내마모성 향상을 도모하도록 설계한 것이다. 이 합금계의 성분 조성범위 한정이유를 설명한다.

·탄소(C): 1.0~3.0%

탄소는 탄화물 형성에 중요한 원소로서, 탄소가 1.0%미만으로 첨가되면 탄화물 결핍으로 인한 내마모성이 감소되고, 탄소가 3.0%초과하면 탄화물 조대화로 인한 내충격성의 저하를 초래한다.

·크롬(Cr): 5~15%

크롬은 탄소와 M₇C₃ 및 M₂₃C₆ 형의 크롬탄화물을 형성하는 중요한 원소로서, 크롬이 5%미만 첨가되면 탄화물 결핍으로 인한 내마모성이 감소되고, 크롬이 15%초과하면 탄화물 조대화로 인한 내충격성의 저하를 초래한다.

·몰리브덴(Mo): 3.0~8.0%

몰리브덴도 크롬과 마찬가지로 탄소와 몰리브덴탄화물을 형성하는 중요한 원소로서, 몰리브덴이 3.0%미만 첨가되면 탄화물형성 효과가 결여되고, 몰리브덴이 8.0%초과하면 탄화물의 종류가 침상의 M₂C 탄화물이 형성되고 또한 탄화물도 조대화되므로 내충격성이 저하된다.

·텅스텐(W):5.0~20%

텅스텐도 M₆C형의 텅스텐 탄화물을 형성하는 중요한 원소로서, 텅스텐이 5.0%미만 첨가되면 탄화물형성 효과가 결여되고, 텅스텐이 20.0%초과하면 탄화물이 조 대화되므로 내충격성이 저하된다.

·망간(Mn):0.1~2.0%

망간은 강중에 포함된 미량의 황(S)와 결합할 수 있기 때문에 2.0% 이하로 첨가하여 하지만, 망간은 기지조직의 경도향상에 기여하므로 0.1%이상의 첨가가 유리하다.

·실리콘(Si):0.1~2.0%

실리콘은 몰리브덴이나 텅스텐의 탄화물을 M₂C 탄화물이 아닌 M₆C 탄화물로 개량화되도록 하는 특징을 지니며, 또한 기지조직의 경화능을 향상시키므로 강중에서 기지조직의 경도 및 내마모성을 향상시킨다. 하지만 과량으로 첨가되면 오히려 기지의 취성을 극대화시켜 내충격성을 저하시킬 수 있으므로 0.1~2.0%가 적합하다.

본 발명에 따라 상기한 육성용접소재는 도 1에서 경사진 하부채널(10b)을 형성하는 하부몸체의 경사면(12b)에 형성하는데, 이를 도 2를 통해 설명한다.

먼저, 하부몸체(12)의 경사면(12b)에 육성용접하기 원하는 부위에 홈을 가공한다. 물론, 경사면(12b) 전체에 형성해도 무방하나, 마모가 가장 극심한 부위에 형성하는 것이 경제적이다. 본 발명에 따르면 이 홈은 하부몸체(12)의 경사면(12b)와 수직면(12a)의 교차변(P)으로부터 상부채널의 단변의 길이(d)의 1~1.5배의 길이 만큼 형성한다. 상부채널(10a)에 가공물이 인입하여 압축력을 가공물에 가하기 전 에 가공물과 접촉하는 경사면에 가장 큰 압축력이 걸린다. 따라서, 이 부위에 마모가 가장 극심하다. 대략 그 부위가 하부몸체(12)의 경사면(12b)와 수직면(12a)의 교차변(P)으로부터 상부채상부채널의 단변의 길이(d)의 1~1.5배의 길이에 해당한다.

본 발명에 따라 가공한 홈에 육성용접할 때 통상의 방법대로 2회이상 육성용접하여 육성용접층을 형성한다. 이때 육성용접층의 두께는 약 10mm이상으로 행하는 것이 내마모확보측면에서 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

금형소재로는 금형용 소재로 흔히 사용되는 SKD61종을 선택하고, 하부금형의 경사면(12b)에 국부적인 홈가공을 시행하여 이 가공된 홈에 육성용접하였다. 육성용접시 용접층의 두께는 최소 10mm이상 확보될 수 있도록 2회 이상 반복적으로 육성용접하였다.

이러한 과정을 통해 제작된 금형의 내구성을 평가하기에 앞서 육성용접층의 내마모 특성을 금형소재인 SKD61종과 함께 평가하였으며, 내마모 평가방법은 Pin-on-Disk 방법을 이용하였다. 그리고 육성용접층이 없는 금형과 사용수명을 비교하고자 304계 스텐레스시험편으로 상온 등단면 압축시험을 실시하였다.

재료	조성(중량%)							내마모성 (무게감소량/mg)	금형사용수명 (최대사용횟수) 수)
	C	Cr	Mo	W	Mn	Si	Fe
발명재	1.3	6.0	3.8	7.4	1.6	0.3	나머지	63	105회
발명재	2.2	9.8	5.6	14.3	1.2	0.7	나머지	43	135회
	2.8	13.5	7.2	18.5	0.4	1.5	나머지	52	121회
비교재 (SKD61)	0.4	5.2	1.3	-	0.2	0.4	나머지	223	26회

표 1에 나타난 바와 같이, 육성용접층이 없는 금형의 수명이 26회인데 반해 본 발명에 따라 육성용접층이 있는 금형의 수명은 135회로 증가하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 하부금형의 경사면에 육성용접을 함에 따라 등단면 경사 압축가공 금형의 사용수명을 5배이상 획기적으로 향상시킬 수 있어 금형교체주기를 연장할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (3)

1. 상부몸체(11)와 하부몸체(12)의 합형에 의해 형성된 수직한 상부채널(10a)과 경사진 하부채널(10b)에 가공물을 통과시켜 등단면 경사 압축하는 금형에 있어서,

   상기 경사진 하부채널(10b)을 형성하는 하부몸체의 경사면(12b)에 중량%로 C: 1.0~3.0%, Cr: 5~15%, Mo: 3.0~8.0%, W: 5.0%~20%, Mn: 0.1~2.0%, Si: 0.1~2.0%, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되는 육성용접층이 형성된 것을 포함하여 이루어지는 육성용접층이 형성된 등단면 경사 압축가공 금형.
2. 제 1항에 있어서, 상기 육성용접층이 형성되는 경사면(12b)의 길이(L)는 하부몸체의 경사면(12b)과 수직면(12a)의 교차변(P)으로부터 상부채널의 단변의 길이(d)의 1~1.5배임을 특징으로 하는 육성용접층이 형성된 등단면 경사 압축가공 금형.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 육성용접층의 두께는 10mm이상임을 특징으로 하는 육성용접층이 형성된 등단면 경사 압축가공 금형.

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