KR100864700B1 - 대형금형의 표면경화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대형금형의 표면경화방법에 관한 것으로서, 대형금형의 표면을 소정의 온도까지 가열한 후 냉각시키는 물리적 경화 단계와; 상기 대형금형이 플라즈마 로의 한 곳에서 연속적으로 산질화 처리되며, 그 처리 공정이 승온 단계와, 질화 단계와, 냉각 및 활성화 단계와, 산화 단계와, 냉각 단계로 이루어지는 플라즈마 산질화 단계를; 포함하여 이루어진다.

이에 의하면 종래의 표면경화방법에 의해 얻어진 제품보다 내마모성과 강인성이 향상되며, 이외에도 내식성, 내피로성, 내충격성 등의 특성도 함께 향상되어 대형금형의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

화염 경화, 물리적 경화, 플라즈마 산질화, 대형금형

Description

대형금형의 표면경화방법 {surface hardening method for large molding steel}

도 1은 종래 화염경화된 대형금형의 표면구조를 확대해서 나타낸 단면도이고,

도 2는 종래 이온질화된 대형금형의 표면구조를 확대해서 나타낸 단면도이며,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 산질화 단계를 나타낸 그래프이며,

도 4는 본 발명의 표면경화방법에 의해 처리된 대형금형의 표면구조를 확대해서 나타낸 단면도이며,

도 5는 종래 및 본 발명에 따른 대형금형의 표면 경도를 비교 분석한 그래프이다.

본 발명은 대형금형의 표면경화방법에 관한 것으로, 특히 대형금형의 표면에 물리적 경화를 수행한 후, 플라즈마 산질화처리를 행함으로써 대형금형에 요구되는 각종 특성을 향상시킬 수 있도록 한 대형금형의 표면경화방법에 관한 것이다.

일반적으로 주철 재료를 가열하고 냉각하는데 있어서 그 가열, 냉각의 속도를 변화시키면 조직의 변화가 일어남과 동시에 기계적, 물리적 성질의 변화가 일어난다. 이와 같이 사용 목적에 적합하도록 가열, 냉각의 속도를 조절하여 주철 등의 강재에 대해 기계적, 물리적 성질의 변화를 일으키게 하는 처리를 열처리라고 한다.

이러한 상기 열처리를 행함에 있어서는 온도 및 유지 시간을 정확하게 함과 동시에 가열로나 가열 분위기를 적절히 선택하는 데에도 주의를 기울여야 한다.

한편, 표면경화라 함은 강재 표면에 내마멸성(耐磨滅性) 및 윤활성(潤滑性) 등을 주기 위한 열처리를 말하는 것으로, 이러한 특성을 얻기 위해서는 대체로 고경도가 필요하다.

이러한 종래의 표면경화방법으로는 질화법(Nitriding Process)과 화염경화법 등이 있다. 도 1 및 도 2는 종래의 표면경화방법으로 완성된 표면구조를 확대해서 나타낸 단면도이다.

상기 질화법은 강재를 질소 함유 분위기 중에서 가열하여 질소를 침투시킴으로써 표면 경화를 하는 작업을 말한다.

특히, 이온질화법은 환경 오염문제가 없는 질소(N) 가스를 이용하여 금속 재료를 질화 처리하는 방법으로, 공정제어가 용이하고 다양한 강재를 빠른 시간내에 질화시킬 수 있을 뿐만 아니라 가스 및 에너지 소비량이 적으며, 환경 친화적인 작업 환경으로 인해 계속하여 발전 및 사용되고 있다.

다음으로, 상기 화염경화법은 강재를 소정의 온도에서 냉각시킴으로써 경화하는 작업을 말한다.

그러나, 이러한 종래 표면경화법은 각각 후술할 문제점으로 인해 적용에 한계가 있다.

질화법 중에 이온질화의 경우, 처리 대상물에 글로우를 직접 가하게 됨으로써, 아크에 의한 표면손상이 발생하고, 상호간 전계의 영향을 받게 되며, 작업 공간 내부의 온도를 균일화시키지 못할 뿐만 아니라 홀 내부에는 질화 처리가 어려운 문제가 있다.

화염경화법은 경도는 높지 않으나 그 표면 및 내측의 경도가 일정 강도 균일하게 유지되는 특성이 있다.

특히, 대형금형이 전술한 각각의 표면경화법에 의해 제조된 경우, 두께에 따른 질량 효과로 인하여 내외부의 경도편차가 심하고, 조직이 불균질하여 내마멸성, 내피로성, 내충격성 등의 특성이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 대형금형의 표면에 물리적 경화 방법인 화염경화를 수행한 후, 플라즈마 산질화를 행함으로써 대형금형에 요구되는 각종 특성을 향상시킬 수 있도록 한 대형금형의 표면경화방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 대형금형의 표면을 소정의 온도까 지 가열한 후 냉각시키는 물리적 경화 단계와;

상기 대형금형이 플라즈마 로의 한 곳에서 연속적으로 산질화 처리되며, 그 처리 공정이 승온 단계와, 질화 단계와, 냉각 및 활성화 단계와, 산화 단계와, 냉각 단계로 이루어지는 플라즈마 산질화 단계를; 포함하는 대형금형의 표면경화방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 대형금형의 표면경화방법의 일 실시예에 대해서 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 산질화 단계를 나타낸 그래프이며, 도 4는 본 발명의 표면경화방법에 의해 처리된 대형금형의 표면구조를 확대해서 나타낸 단면도이며, 도 5는 종래 및 본 발명에 따른 대형금형의 표면 경도를 비교 분석한 그래프이다.

먼저 대형금형의 표면에 물리적 경화 방법인 화염경화(Flame Hardening;FH)단계를 수행함으로써 상기 대형금형의 표면에 직접 열을 가한 후 냉각하여, 대형금형에 요구되는 각종 특성을 향상시키게 된다.

상기 화염 경화 단계는 일반 가열로를 사용하여 가열하는데, 승온 속도는 초당 1℃ 내지 1000℃에서 강재의 종류에 따라서 적절하게 선택될 수 있다.

또한, 가열 온도 역시 강재의 종류에 따라서 적절하게 결정될 수 있는데, 예를 들어 750℃ 내지 1100℃로 조절됨이 바람직하다. 가열 유지 시간은 전술한 승온 속도 및 가열 온도를 참작하여 1초 내지 20분 사이의 적절한 값으로 결정될 수 있다.

위 조건으로 승온 및 일정시간이 경과 한 후에 물, 기름 및 공기 중에 빠르게 냉각하여 재료의 경도를 높이게 된다.

이와 같이 형성된 상기 대형금형은 뜨임 단계를 통해 인성을 부여하는데 일반적으로 150℃ 내지 500℃에서 소정 시간 동안 수행된다.

한편, 전술한 화염 경화 단계가 완료된 후, 도 3에 도시된 바와 같이 플라즈마 산질화 단계(Plasma Nitridation;PN)를 실시한다. 이하, 상세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저 승온 단계(1)로서 산질화 대상물을 플라즈마 로에 장입한 다음, 로내의 분위기를 무산화 분위기에서 상기 대상물의 열스트레스로 인한 변형을 방지하도록 단계적(step-by-step)으로 승온한 후, 소량의 수소 가스를 공급하고, 전기 히터와 인가된 고전압에 의한 스퍼터링으로 처리 대상물과 로 내의 분위기를 질화 온도까지 상승시킴과 동시에 산질화 대상물의 표면 세척 과정을 수행한다.

승온단계(1)가 완료되면 로 내의 분위기를 조절한 후, 처리 조건을 설정하여 질화 단계(2)을 수행한다.

즉, 로 내에 수소(H2)와 질소(N2)가 10 내지 90 리터의 분위기 가스가 공급되고, 온도가 480 내지 650℃ 및 기압이 2.5 내지 10.0 밀리바의 조건에서 8 내지 16시간 유지하여 상기 대형금형의 질화를 실시한다.

질화 단계(2) 후 냉각 및 활성화 단계(3)는 1 내지 5 밀리바의 로 내 압력 하에서 플라즈마를 조절하여 냉각함으로써 질화층을 활성화시키면서 동시에 냉각이 되도록 제어한다.

상기와 같이 플라즈마를 이용한 질화층의 활성화는 질화층 표면에 대하여 활성화 역할을 수행하여 질화층의 금속 결합을 자극함으로써 산소와 결합하려는 경향을 한층 높여 주게 된다.

그리고, 연속되는 산화 단계(4)는 450 내지 550℃의 조건하에서 내식성을 향상시키기 위하여 아르곤(Ar)과 산소(O2)가 2 대 8 또는 8 대 2 비율로 공급되고 약 1시간 가량 플라즈마 산화를 실시한 후, 최종 냉각 단계(5)에서는 가압 냉각함으로써 질소만을 이용하여 로 내 압력을 1기압보다 높게 유지하면서 실시한다.

여기서 상기 산화 단계(4)는 플라즈마를 발생시키지 않고 수증기가 공급된 상태에서 전기 히터만으로 온도를 제어하면서 실시될 수 있음은 물론이다.

전술한 바와 같은 본 발명의 플라즈마 산질화 단계는 아래 표에 의해 실시되고 검증된다.

[표]

질화					산화
가스 공급량(1/hr)		온도(℃)	압력(mbar)	시간(hrs)	온도(℃)	압력(mbar)	시간(hrs)
H2	N2	510	2.8	16	510	10	1
20	79

이하, 본 발명의 표면경화방법에 의해 처리된 대형금형의 일례를 도면을 참조하여 그 작용효과에 대해서 살펴본다.

전술한 화염경화 단계 및 상기 표의 조건에 따른 플라즈마 산질화 단계에 의하여 얻어진 대상물의 표층 단면은 도 4에 도시된 바와 같다.

도 4를 참조하면, 대상물의 표면 위에 활성화된 질화층(10)과 산화층(20) 간의 결합력이 강화되며, 상기 질화층(10) 하부에 화염경화에 의해 확산층(30)의 경 도가 더욱 증대된다.

즉, 플라즈마 산질화를 통하여 대형금형의 표면에 형성된 질화층(10)에 산화층(20)이 적층됨으로써, 두 층(10)(20)간의 결합력이 견고하게 형성되고, 아울러, 확산층(30)은 화염경화로 인하여 내측의 경도가 일정 강도 균일하게 유지됨을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명의 표면경화방법(FH+PN)에 따르면 도 5에 도시된 바와 같이, 대형금형 표면의 경도와 내측의 경도가 종래 언급한 이온질화법(PN) 또는 화염경화법(FH)에 의해 각각 처리된 특성보다 우수한 특성이 나타나게 된다.

즉, 표층으로부터 깊이가 약 0.025mm 미만에서는 플라즈마 산질화의 고경도 특성이 나타나고, 깊이가 0.025 이상에서는 화염경화와 플라즈마 산질화의 특성이 혼합되어 완만한 경도특성이 나타나게 된다.

한편, 본 발명의 물리적 경화 단계는 전술한 화염 경화 단계인 것에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시가능하다.

즉, 상기 물리적 경화 단계는 처리대상물을 전류 또는 레이저로 가열한 후, 담금질에 의해서 표면층 조직을 변화시켜서 경화층을 얻는 방법으로 고주파 경화(Induction Hardening) 또는 레이저 경화(Laser Hardening)로 대체하여 실시될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 대형금형의 표면경화방법에 따르면, 종래의 표면경화방법에 의해 얻어진 제품보다 내마모성과 강인성이 향상되며, 이외에도 내식성, 내피로성, 내충격성 등의 특성도 함께 향상되어 대형금형의 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 대형금형의 표면을 가열한 후 냉각시키는 물리적 경화 단계와;

   상기 대형금형이 플라즈마 로의 한 곳에서 연속적으로 산질화 처리되며, 그 처리 공정이 승온 단계와, 질화 단계와, 냉각 및 활성화 단계와, 산화 단계와, 냉각 단계로 이루어지는 플라즈마 산질화 단계를;포함하고,

   상기 산화 단계는,

   상기 대형금형의 표면을 로 내부의 온도가 450 내지 550℃에서 그리고 아르곤(Ar)과 산소(O₂)가 2 대 8 또는 8 대 2의 비율로 공급된 상태에서 1시간 동안 플라즈마 산화를 실시하는 것을 특징으로 하는 대형금형의 표면경화방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 물리적 경화 단계는,

   화염 경화 단계, 고주파 경화 단계 및 레이저 경화 단계 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 대형금형의 표면경화방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 승온 단계에서는,

   플라즈마 노 내부가 단계적으로 승온되고, 상기 대형금형의 표면 세척과정이 이루어짐을 특징으로 하는 대형금형의 표면경화방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 질화 단계에서는,

   플라즈마 로의 내부에 시간당 10 내지 90 리터의 수소와, 10 내지 90 리터의 질소가 공급되고, 480 내지 650℃ 및 2.5 내지 10.0 밀리바의 조건에서 8 내지 16 시간 유지되는 것을 특징으로 하는 대형금형의 표면경화방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 냉각 및 활성화 단계는,

   상기 대형금형의 표면을 활성화하며, 상기 플라즈마 로 내부의 온도가 450 내지 550℃ 범위에 도달하도록 냉각하는 단계인 것을 특징으로 하는 대형금형의 표면경화방법.
6. 삭제

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