KR101126911B1 - 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리장치 및 그 열처리방법 - Google Patents

반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리장치 및 그 열처리방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101126911B1
KR101126911B1 KR1020090113837A KR20090113837A KR101126911B1 KR 101126911 B1 KR101126911 B1 KR 101126911B1 KR 1020090113837 A KR1020090113837 A KR 1020090113837A KR 20090113837 A KR20090113837 A KR 20090113837A KR 101126911 B1 KR101126911 B1 KR 101126911B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
heat treatment
weight
parts
casting mold
semiconductor laser
Prior art date
Application number
KR1020090113837A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110057430A (ko
Inventor
황현태
Original Assignee
(재)울산테크노파크
김종도
(주)피앤테크
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (재)울산테크노파크, 김종도, (주)피앤테크 filed Critical (재)울산테크노파크
Priority to KR1020090113837A priority Critical patent/KR101126911B1/ko
Publication of KR20110057430A publication Critical patent/KR20110057430A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101126911B1 publication Critical patent/KR101126911B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34—Methods of heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0068—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for particular articles not mentioned below

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Heat Treatment Of Articles (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

본 발명은 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리장치 및 그 열처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차용 차체 또는 대형 제품을 프레스로 제작하기 위한 프레스용 대형주물금형으로 마찰 및 마모가 심한 프레스용 대형주물금형의 국부적인 일부 표면을 높은 경도를 갖도록 열처리하는 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리장치 및 그 열처리방법에 관한 것이다. 따라서 본 발명은 목표로 하는 특정 프레스용 대형주물금형의 국부만을 가열할 수 있고, 열처리된 국부의 경도가 향상 및 열효율면에서 매우 우수하며, 사용환경이 청정하여 환경친화적이며, 그리고, 설비가 간단하고 경제적이면서도 순간가열 등이 가능하다는 점에서 고주파 가열방법과 우수한 효과가 있다.
반도체 레이저, 대형, 주물금형, 국부, 열처리

Description

반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리장치 및 그 열처리방법{Local heat treatment system of the automatic borrowing body parts which uses diode Laser and the heat treatment method}
본 발명은 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리장치 및 그 열처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차용 차체 또는 대형 제품을 프레스로 제작하기 위한 프레스용 대형주물금형으로 마찰 및 마모가 심한 프레스용 대형주물금형의 국부적인 일부 표면을 높은 경도를 갖도록 열처리하는 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리장치 및 그 열처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 제품을 생산하는 공정에서 프레스를 이용하여 제작된 금형은 프레스용 대형주물금형에서부터 전자 금형에 이러기까지 많은 산업분야에서 사용되고 있다. 특히, 프레스용 대형주물금형의 경우 형상이 복잡하고 대형이기 때문에 프레스를 이용하여 제품을 생산할 때에는 금형과 제품 사이에 끊임없이 접촉이 발생한다. 따라서 금형으로 제작된 프레스용 대형주물금형의 경우 우수한 내마모성이 요구된다. 이를 위해, 금형은 초경도 수준으로 높은 경도의 소재를 사용하게 되나, 경도가 높은 소재의 경우 금형으로 제조하기가 어렵고 소재의 가격이 고가여서 금형제작비용이 높다.
국내 특허공개공보 제2004-57337호를 살펴보면, 파장이 짧은 CO2 레이저와 Nd-YAG 레이저를 이용한 롤러의 국부 열처리 방법을 개시하고 있다. 이러한, CO2 레이저를 이용한 방법은 CO2 레이저 빔의 제어를 반사경으로 하기 때문에 열처리되는 물품의 형상이 복잡할 경우 열처리가 불가능한 문제점이 있었다. 또한, Nd-YAG 레이저의 경우 Nd-YAG 레이저장치의 가격 및 유지보수 비용이 높고 Nd-YAG 레이저 효율이 낮은 문제점이 있었다.
이와 함께, 도 1에 도시한 바와 같이, CO2 레이저 또는 Nd-YAG 레이저를 열원인 경우 빔단면에서의 출력이 가우시안 분포(8)를 가짐으로써 레이저에너지(9)의 집중도가 중앙부위에 집중되어 면적이 넓은 열처리에는 불가능하다. 예를 들어, CO2 레이저 또는 Nd-YAG 레이저를 열원으로 이용할 경우 집중되는 폭은 0.25㎜ 이하였다.
따라서, 본 발명은 이상의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은 직접 또는 간접 열처리법의 여러 문제점을 개선을 시킬 수 있는 형태가 복잡한 대형주물금형의 국부를 가열할 수 있는 열처리장치 및 그 열처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술수단은 다음과 같다.
프레스용 대형주물금형의 표면을 이동하면서 프레스용 대형주물금형의 국부표면을 가열하는 열처리 헤드; 열처리 헤드가 장착되고, 열처리 헤드를 프레스용 대형주물금형으로부터 소정거리만큼 이격된채 이동시키는 6축 로봇; 6축 로봇 일측에 형성되어 열처리 헤드에 반도체 레이저를 제공하는 반도체 레이저발생기; 반도체 레이저발생기에서 제공된 반도체 레이저를 열처리 헤드에 공급하는 광케이블; 열처리 헤드, 6축 로봇 및 반도체 레이저발생기와 전기적으로 연결되고, 프레스용 대형주물금형의 표면 중 열처리할 국부를 선택하여 가열하도록 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
반도체 레이저발생기는 반도체 레이저의 온도를 제어하는 온도제어기가 더 구비된 것을 특징으로 한다.
열처리 헤드는 프레스용 대형주물금형의 표면과 수평을 유지하면서 이동되는 것을 특징으로 한다.
제어기가 프레스용 대형주물금형의 형태데이터를 확인하는 단계; 제어기가 프레스용 대형주물금형의 열처리 위치를 설정하는 단계; 제어기가 설정된 열처리 위치를 기초 삼아 열처리 헤드가 이동하도록 6축 로봇의 이동경로를 설정하는 단계; 제어기가 반도체 레이저발생기를 제어하여 반도체 레이저의 열처리 온도 및 열처리 속도를 설정하는 단계; 제어기가 열처리 헤드를 제어하여 반도체 레이저의 열처리 폭을 설정하는 단계; 제어기에 의해 설정된 반도체 레이저가 광케이블을 통해 열처리 헤드에 공급되는 단계; 열처리 헤드에서 조사된 반도체 레이저에 의해 프레스용 대형주물금형의 국부가 열처리되는 단계; 및 열처리된 프레스용 대형주물금형이 냉각되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
6축 로봇의 이동경로 설정단계는 프레스용 대형주물금형의 열처리될 국부의 표면에 열처리 헤드가 직각을 이루며 이동하도록 설정하는 것을 특징으로 한다.
6축 로봇의 이동경로 설정단계는 프레스용 대형주물금형의 열처리될 국부의 표면과 열처리 헤드는 230~240㎜ 이격되게 이동하도록 설정하는 것을 특징으로 한다.
반도체 레이저의 열처리 온도 및 열처리 속도 설정단계는 반도체 레이저의 열처리 온도가 900~1200℃이고, 열처리 속도가 2~10㎜/sec인 것을 특징으로 하는 특징으로 한다.
반도체 레이저의 열처리 폭 및 열처리 깊이 설정단계는 반도체 레이저의 열처리 폭이 5~40㎜이고, 열처리 깊이가 0.5~1.5㎜인 것을 특징으로 한다.
냉각단계에서, 열처리된 프레스용 대형주물금형(1)은 자기냉각되는 것을 특징으로 한다.
반도체 레이저발생기의 출력은 4,000W인 것을 특징으로 한다.
프레스용 대형주물금형은, 프레스용 대형주물금형 100중량부에 대하여 탄소가 2~4중량부 함유된 것을 특징으로 한다.
프레스용 대형주물금형은, 프레스용 대형주물금형 100중량부에 대하여 탄소가 2.80~3.30중량부, 규소가 1.50~2.10중량부, 망간이 0.60~1.10중량부, 인이 0.01~0.15중량부 및 유황이 0.01~0.15중량부 함유된 것을 특징으로 한다.
프레스용 대형주물금형은, 프레스용 대형주물금형 100중량부에 대하여 탄소가 2.80~3.30중량부, 규소가 1.60~2.25중량부, 망간이 0.70~1.05중량부, 인이 0.01~0.12중량부 및 유황이 0.01~0.12중량부 함유되고, 합금소재인 몰리브덴이 0.30~0.60중량부 및 크롬이 0.30~0.60중량부 더 함유된 것을 특징으로 한다.
프레스용 대형주물금형은, 프레스용 대형주물금형 100중량부에 대하여 탄소가 3.00~3.80중량부, 규소가 1.80~2.60중량부, 망간이 0.10~0.50중량부, 인이 0.01~0.04중량부 및 유황이 0.01~0.02중량부 함유되고, 합금소재인 마그네슘이 0.03~0.06중량 및 구리가 0.02~0.04중량부 더 함유된 것을 특징으로 한다.
프레스용 대형주물금형은, 프레스용 대형주물금형 100중량부에 대하여 탄소가 3.30~3.70중량부, 규소가 1.60~2.50중량부, 망간이 0.01~0.60중량부, 인이 0.01~0.04중량부 및 유황이 0.01~0.02중량부 함유되고, 합금소재인 마그네슘이 0.03~0.06중량부, 몰리브덴이 0.20~0.80중량부, 크롬이 0.01~0.02중량부, 구리가 0.60~1.10중량부 및 니켈이 0.60~1.00중량부 더 함유된 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명의 효과는 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 반도체 레이저를 이용한 열처리법을 함으로써, 목표로 하는 특정 프레스용 대형주물금형의 국부만을 가열할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 특정 프레스용 대형주물금형의 국부만 가열함으로써, 열처리된 국부의 경도가 향상 및 열효율면에서 매우 우수한 효과가 있다.
셋째, 본 발명은 반도체 레이저를 이용한 열처리법을 함으로써, 사용환경이 청정하여 환경친화적인 효과가 있다.
넷째, 본 발명은 종래의 고주파 가열방법의 경우와 달리 별도의 가열코일이 필요치 않음으로써, 설비가 간단하고 경제적이면서도 순간가열 등이 가능하다는 점에서 고주파 가열방법과 우수한 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 열처리 온도 900~1200℃, 열처리 속도 2~10㎜/sec의 범위에서 반도체 레이저를 프레스용 대형주물금형(1)에 조사하여 소입처리한다. 이러한, 프레스용 대형주물금형(1)은 전체를 열처리하는 것이 아니라, 프레스용 대형주물금형(1)의 기능적인 특징에 따라 열처리하는 부분만 국부적으로 열처리해야 한다. 따라서, 본 발명의 반도체 레이저빔(7)은 프레스용 대형주물금형(1)을 국부적으로 열처리할 수 있다. 또한, 환경친화적인 청정 열처리가 가능하다. 그 결과에 따라 프레스용 대형주물금형(1)의 표면은 국부적으로 필요한 강도를 낼 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 레이저 열원을 도시한 빔단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 전술한 도 1의 종래의 CO2 레이저 또는 Nd-YAG 레이저의 열원의 빔은 집중 폭(W)이 0.25㎜ 이하인데 반해, 본 발명에 따른 반도체 레이저빔(7)은 반도체 레이저빔(7) 분포(8)의 집중 폭(W)이 40㎜임 알 수 있다. 따라서 본 발명에 사용되는 반도체 레이저는 CO2 레이저 또는 Nd-YAG 레이저에 비해 상대적으로 열처리 면적이 넓어 프레스용 대형주물금형(1)과 같이 대물부품에 사용하기 용이하다.그리고 본 발명에 따른 반도체 레이저빔(7)은 레이저에너지의 빔이 조사하는 부위가 넓어 용이하게 열처리할 수 있다.
<실시예에 따른 구성>
도 3은 본 발명에 따른 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형(1)의 국부 열처리장치를 도시한 개략구성도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 열처리 헤드(2)는 프레스용 대형주물금형(1)의 국부를 가열하여 열처리하는 것이다, 이러한, 열처리 속도는 2~10㎜/sec로 프레스용 대형주물금형(1)을 열처리한다. 이때, 열처리 속도는 10㎜/sec로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 열처리 헤드(2)에 사용되는 열처리 수단은 후술할 반도체 레이저를 이용한다. 이러한, 열처리 속도가 2㎜/sec이하의 경우 열처리 입열량이 커서 열처리 표면에 용융되는 현상이 발생하고, 열처 리 생산성에도 큰 영양을 미친다. 또한, 열처리 속도 10㎜/sec이상의 경우 열처리 입열량이 적어 열처리가 되지 않은 현상이 발생하는 문제점이 있다. 여기서, 열처리 헤드(2)는 후술할 6축 로봇(3)을 통해 이동하기 때문에 광케이블(5)을 이용하여 반도체 레이저발생기(4)에서 반도체 레이저빔(7)을 전달받아 프레스용 대형주물금형(1)의 표면을 열처리한다.
6축 로봇(3)은 프레스용 대형주물금형(1)의 일측에 형성된다. 이때, 6축 로봇(3)은 열처리 헤드(2)를 구비하여 열처리 헤드(2)를 프레스용 대형주물금형(1)으로 열처리하기 위한 국부로 이동하는 역할을 한다. 이러한, 6축 로봇(3)은 후술할 제어기(6)에 의해 프레스용 대형주물금형(1)의 열처리할 표면에 열처리 헤드가 직각을 이루도록 거리만큼 이격된채 이동한다. 여기서, 6축 로봇(3)은 통상의 자동차용 자동화시스템에 이용되는 것을 사용할 수 있다.
반도체 레이저발생기(4)는 6축 로봇(3) 일측으로 형성된다. 이때, 반도체 레이저발생기(4)는 열처리 헤드(2)와 광케이블로 연결되어 반도체 레이저빔를 제공한다. 여기서 반도체 레이저발생기(4) 출력은 2,000W ~ 6,000W인 것을 사용할 수 있으나, 본 실시예의 바람직한 반도체 레이저발생기(4) 출력은 4,000W이다.
온도제어기(41)는 반도체 레이저발생기(4)에 전기적으로 연결되어 반도체 레이저발생기(4)의 일측에 형성된다, 또한, 온도제어기는 후술할 제어기(6)에 적기적으로 연결되어 열처리 온도를 900~1200℃로 제어한다. 이는, 열처리 온도가 900℃ 이하가 되면 열처리 가능한 입열량이 적어 열처리가 되지 않는 문제점이 발생한다. 또한, 열처리 온도가 1200℃ 이상의 경우 입열량이 커서 열처리 표면이 용융되는 현상의 문제점이 발생한다. 따라서, 온도제어기(41)는 반도체 레이저발생기(4)에서 제공되는 반도체 레이저빔(7)의 열처리가 온도가 일정하게 유지되도록 하는 역할을 한다. 이상의 열처리 온도는 열처리하는 프레스용 대형주물금형(1)의 재질에 따라 달라질 수 있으나 열처리 온도를 1100℃로 하는 것이 가장 바람직하다.
광케이블(5)은 열처리 헤드(2)와 반도체 레이저발생기(4)를 연결한다.
제어기(6)는 열처리 헤드(2), 6축 로봇(3), 반도체 레이저발생기(4) 및 온도제어기(6)와 전기적으로 연결된다. 이때, 제어기(6)는 프레스용 대형주물금형(1)의 국부를 선택적으로 가열하는 것을 제어한다. 즉, 제어기(6)는 프레스용 대형주물금형(1)의 형태파악, 프레스용 대형주물금형(1)의 열처리 위치선정, 열처리 헤드(2)의 작동 유무, 6축 로봇(3)의 이동 유무, 반도체 레이저발생기(4)의 작동 유무 및 온도제어기(41)의 열처리 온도를 제어한다. 이를 위해, 제어기(6)는 각각의 장치(2, 3, 4, 41)와 유기적으로 결합됨은 자명할 것이다. 또한, 제어기(6)는 각각의 장치(2, 3, 4, 41)를 제어할 수 있도록 통상의 입력부 및 표시부를 포함한다.
전술한 바와 같이, 반도체 레이저빔이 프레스용 대형주물금형(1)에 900~1200℃ 열처리 온도와 2~10㎜/sec 열처리 속도로 열처리하면 프레스용 대형주물금형(1)의 표면에서 0.5~1.5㎜ 깊이로 열처리된다.
도 4은 본 발명에 따른 반도체 레이저의 빔 형태를 도시한 빔단면도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 이상의 본 발명에 따른 실시예의 열처리 헤드(2)는 사각판형태의 3차원 형상으로 프레스용 대형주물금형(1)을 열처리하게 된다. 이러한, 열처리 헤드(2)의 반도체 레이저의 빔형태는 도 5와 같다. 따라서 다양한 형태의 프 레스용 대형주물금형(1)에 원하는 빔형태를 이용할 수 있다. 여기서, 반도체 레이저의빔(7)의 형태는 열처리 헤드(2)에 구비된 렌즈에 의해 조절이 가능하다.
<실시예에 따른 열처리방법>
도 5는 본 발명에 따른 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형(1)의 국부 열처리장치의 열처리방법을 도시한 순서도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 형태데이터 확인단계(S100)는 제어기(6)가 프레스용 대형주물금형(1)의 형태데이터를 확인한다. 이는, 프레스용 대형주물금형(1)의 형태데이터에 따라 후술한 열처리 할 국부의 위치를 설정하기 위함이다.
열처리 위치 설정단계(S200)는 제어기(6)가 프레스용 대형주물금형(1)의 열처리 위치를 설정한다. 이때, 열처리 위치 설정단계(S200)는 프레스용 대형주물금형(1)은 전체를 열처리하는 것이 아니라, 프레스용 대형주물금형(1)의 기능적인 특징에 따라 열처리하는 부분만 국부적으로 열처리하기 위함이다.
이동경로 설정단계(S300)는 제어기(6)에서 설정된 열처리 위치를 기초 삼아 열처리 헤드(2)가 이동하도록 6축 로봇(3)의 이동경로를 설정한다. 이는, 프레스용 대형주물금형(1)의 열처리 위치로 이동하는 열처리 헤드(2)가 프레스용 대형주물금형(1)에서 소정거리 이격되어 이동하면서도 열처리 헤드(2)가 프레스용 대형주물금형(1)에 충돌하는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 열처리 헤드(2)에서 발생된 반도체 레이저빔(7)가 열처리될 프레스용 대형주물금형(1)의 표면에 수직으로 조사되도록 하고, 열처리 헤드와 프레스용 대형주물금형(1)의 표면거리를 230~240㎜로 유지 하기 위함이다.
열처리 온도 및 열처리 속도 설정단계(S400)는 제어기(6)가 반도체 레이저발생기(4) 및 온도제어기(41)을 제어하여 반도체 레이저의 열처리 온도 및 열처리 속도를 설정한다. 열처리 헤드(2)로 제공되는 반도체 레이저빔(7)의 열처리 온도를 900~1200℃로 입력하고, 열처리 속도를 5~20㎜/sec로 입력한다. 이는 전술한 바와 같이, 열원이 범위가 열처리 온도 900~1200℃ 및 열처리 속도 5~20㎜/sec를 벗어나면 프레스용 대형주물금형(1)의 열처리에 필수적인 입열량이 부족하기 때문이다. 따라서 열처리 온도 및 열처리 속도 설정단계(S400)는 열처리 온도 1100℃ 및 열처리 속도 5㎜/sec로 입력하는 것이 바람직하다. 여기서, 입력단계(S120)에서, 반도체 레이저발생기(4)의 출력은 2,000W~6,000W까지 가능하나 4,000W로 하는 것이 바람직하다.
열처리 폭 및 열처리 깊이 설정단계(S500)는 제어기(6)가 열처리 헤드(2)를 제어하여 반도체 레이저의 열처리 폭을 설정한다. 이때, 열처리 폭(W) 및 열처리 깊이 설정단계(S500)에서 반도체 레이저의 열처리 폭(W)은 40㎜로 입력한다.
이와 같이 전술한 하고, 열처리 온도 및 열처리 속도 설정단계(S400)와 열처리 폭 설정단계(S500)에 의해 프레스용 대형주물금형(1)의 표면에 0.5~1.5㎜ 깊이로 열처리된다.
공급단계(S600)는 제어기(6)에 의해 설정된 반도체 레이저가 반도체 레이저발생기(4)에서 광케이블(5)을 통해 열처리 헤드(4)에 공급된다. 이때, 반도체 레이저는 전술한 바와 같이, 열처리 온도를 900~1200℃이고, 열처리 속도를 5~20㎜/sec 이다.
열처리단계(S700)은 열처리 헤드에서 조사된 반도체 레이저에 의해 프레스용 대형주물금형(1)의 국부가 열처리한다. 즉, 도 6에 도시한 바와 같이, 프레스용 대형주물금형(1)에 조사된 반도체 레이저빔(7)에 의해 열처리되는 프레스용 대형주물금형(1)의 표면온도가 A3변태선 이상 가열되면 프레스용 대형주물금형(1) 내의 조직이 손간적으로 오스테나이트로 변태한다.
이와 같은, 반도체 레이저빔(7)에 의해 열처리되는 프레스용 대형주물금형(1)은 다양한 재질을 갖는다. 그 일예로 프레스용 대형주물금형(1)은, 프레스용 대형주물금형(1) 100중량부에 대하여 탄소가 2~4중량부 함유된 것을 이용할 수 있다. 또한, 프레스용 대형주물금형(1) 100중량부에 대하여 탄소가 2.80~3.30중량부, 규소가 1.50~2.10중량부, 망간이 0.60~1.10중량부, 인이 0.01~0.15중량부 및 유황이 0.01~0.15중량부 함유된 것을 이용할 수 있다.
이와 함께, 프레스용 대형주물금형(1)은, 프레스용 대형주물금형(1) 100중량부에 대하여 탄소가 2.80~3.30중량부, 규소가 1.60~2.25중량부, 망간이 0.70~1.05중량부, 인이 0.01~0.12중량부 및 유황이 0.01~0.12중량부 함유되고, 합금소재인 몰리브덴이 0.30~0.60중량부 및 크롬이 0.30~0.60중량부 더 함유된 것을 이용할 수 있고,
이와 함께, 프레스용 대형주물금형(1)은, 프레스용 대형주물금형(1) 100중량부에 대하여 탄소가 3.00~3.80중량부, 규소가 1.80~2.60중량부, 망간이 0.10~0.50 중량부, 인이 0.01~0.04중량부 및 유황이 0.01~0.02중량부 함유되고, 합금소재인 마그네슘이 0.03~0.06중량 및 구리가 0.02~0.04중량부 더 함유된 것을 특징으로 한다.
이와 함께, 프레스용 대형주물금형(1)은, 프레스용 대형주물금형(1) 100중량부에 대하여 탄소가 3.30~3.70중량부, 규소가 1.60~2.50중량부, 망간이 0.01~0.60중량부, 인이 0.01~0.04중량부 및 유황이 0.01~0.02중량부 함유되고, 합금소재인 마그네슘이 0.03~0.06중량부, 몰리브덴이 0.20~0.80중량부, 크롬이 0.01~0.02중량부, 구리가 0.60~1.10중량부 및 니켈이 0.60~1.00중량부 더 함유된 것을 특징으로 한다.
냉각단계(S800)은 열처리된 프레스용 대형주물금형(1)이 냉각된다. 이때, 냉각단계(S150)는 열처리된 프레스용 대형주물금형(1)의 냉각방법으로 자기냉각을 이용한다. 즉, 반도체 레이저빔(8)에 의해 급속하게 열전달되어 A3변태선 이상으로 올라서 오스테나이트로 변태된 프레스용 대형주물금형(1)의 열처리부분이 온도가 급격히 냉각되는 자기냉각과정으로 거쳐 오스테나이트로 변태된 부분이 마르텐사이트를 형성하게 된다. 따라서, 프레스용 대형주물금형(1) 내부에 마르텐사이트가 형성됨으로써, 반도체 레이저빔(7)에 의해 열처리된 프레스용 대형주물금형(1) 국부의 경도가 향상된다.
<실험예>
본 발명에 따른 프레스용 대형주물금형(1)에 대한 적용성을 검토하기 위하여 다음의 조건하에서 도 5에 기재된 각각의 박판형태의 탄소가 함유된 주물금형강판에 대해 반도체 레이저를 이용한 열처리를 수행하였다. 구체적인 열처리 조건은 다음과 같다.
(1) 열원: 반도체 레이저
(2) 출력: 4,000W
(3) 초점거리: 235㎜
(4) 실험예에 따른 시편종류: 실험예1 내지 실험예4에 따른 시편의 종류는 아래의 표1과 같다. 여기서, 표1에 기재된 성분은 프레스용 대형주물금형(1) 100중량부를 기준으로 한다. 또한, 표1에 기재된 성분외 나머지는 철이다.
구분 성분(중량부)
탄소 규소 망간 인 유황 합금원소
실험예1 2.80~3.30 1.50~2.10 0.60~1.10 0.01~0.15 0.01-0.15
실험예2 2.80~3.30 1.60~2.25 0.70~1.05 0.01~0.12 0.01~0.12 몰리브덴: 0.30~0.60,
크롬: 0.30~0.60
실험예3 3.00~3.80 1.80~2.60 0.10~0.50 0.01~0.04 0.01~0.02 마그네슘: 0.01~0.03,
구리: 0.01~0.02
실험예4 3.30~3.70 1.60~2.50 0.01~0.60 0.01~0.04 0.01~0.02 마그네슘: 0.03~0.06,
몰리브덴: 0.20~0.80,
크롬: 0.01~0.02,
구리: 0.60~1.10 및
니켈: 0.60~1.00
(5) 실험예에 따른 시편규격: 90*45*25
(6) 냉각방법: 자기냉각
(7) 열처리 온도: 900~1200℃
(8) 열처리 속도: 2~10㎜/sec
(9) 열처리 폭: 40㎜
그리고 이와 같이 반도체 레이저를 이용해 열처리된 각각의 시편을 대상으로 모재의 최대 경도값을 분석하여 아래의 시편실험결과를 도시한 표 2 및 열처리 전/후 경도를 도시한 도 7에 요약하여 나타낸다.
실시예 열처리 폭 표면경도(Hy0.1) 비고
열처리 전 열처리 후
실험예1 40㎜ 260 910
실험예2 40㎜ 280 860
실험예3 40㎜ 290 830
실험예4 40㎜ 290 810
이상의 실험결과에서 나타난 바와 같이, 열처리 후 버커스경도기를 이용하여 측정하면 열처리 전의 경도보다 약 3배 정도 경도가 상승하였음을 알 수 있다. 따라서, 반도체 레이저를 이용하여 열처리를 함으로써, 경도가 비약적으로 상승함을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 열처리 전?후 표면 경화 미세조직사진을 도시한 비교사진이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 열처리처리 전/후의 표면 경화 미세조직사진을 비교하면, 도 11에서 알 수 있듯이 열처리 후의 미세조직이 열처리 전보다 균일하고 촘촘하게 구성됨을 육안으로 확인할 수 있다. 따라서 열처리 후 펴면 균열이 없는 양호한 경화층을 형성함으로써, 경도가 상승을 알 수 있다.
그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래의 CO2 레이저 또는 Nd-YAG 레이저 열원을 도시한 빔단면도.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 레이저 열원을 도시한 빔단면도.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리장치를 도시한 개략구성도.
도 4는 본 발명에 따른 반도체 레이저의 빔 형태를 도시한 빔단면도.
도 5는 본 발명에 따른 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리장치의 열처리방법을 도시한 순서도.
도 6은 본 발명에 따른 열처리시 A3 변태선을 정의한 것을 도시한 Fe-C선도
도 7은 본 발명에 실시예들에 따른 열처리 전/후 경도를 도시한 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 열처리 전 표면을 도시한 표면 경화 미세조직사진.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 프레스용 대형주물금형 2: 열처리 헤드
3: 6축 로봇 4: 반도체 레이저발생기
41: 온도제어기 5: 온도조절기
6: 제어기 7: 반도체 레이저 빔
8: 레이저빔 분포 9: CO2 레이저 또는 Nd-YAG 레이저 빔
10: 가우시안 분포

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 프레스용 대형주물금형(1)의 표면을 이동하면서 상기 프레스용 대형주물금형(1)의 국부표면을 가열하는 열처리 헤드(2); 상기 열처리 헤드(2)가 장착되고, 상기 열처리 헤드(2)를 상기 프레스용 대형주물금형(1)으로부터 소정거리만큼 이격된채 이동시키는 6축 로봇(3); 6축 로봇(3) 일측에 형성되어 상기 열처리 헤드(2)에 반도체 레이저를 제공하는 반도체 레이저발생기(4); 반도체 레이저발생기(4)에서 제공된 상기 반도체 레이저를 상기 열처리 헤드에 공급하는 광케이블(5); 열처리 헤드(2), 6축 로봇(3) 및 반도체 레이저발생기(4)와 전기적으로 연결되고, 상기 프레스용 대형주물금형(1)의 표면 중 열처리할 국부를 선택하여 가열하도록 제어하는 제어기(6); 반도체 레이저발생기(4)에 구비되어 상기 반도체 레이저의 온도를 제어하는 온도제어기(41);를 포함하고, 상기 열처리 헤드(2)는 상기 프레스용 대형주물금형(1)의 표면과 수평을 유지하면서 이동되는 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리장치를 사용한 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리방법에 있어서,
    상기 제어기(6)가 프레스용 대형주물금형(1)의 형태데이터를 확인하는 단계(S100);
    상기 제어기(6)가 상기 프레스용 대형주물금형(1)의 열처리 위치를 설정하는 단계(S200);
    상기 제어기(6)가 상기 설정된 열처리 위치를 기초 삼아 열처리 헤드(2)가 이동하도록 6축 로봇(3)의 이동경로를 설정하는 단계(S300);
    상기 제어기(6)가 반도체 레이저발생기를 제어하여 반도체 레이저의 열처리 온도, 열처리 속도를 설정하는 단계(S400);
    상기 제어기(6)가 상기 열처리 헤드를 제어하여 상기 반도체 레이저의 열처리 폭을 설정하는 단계(S500);
    상기 제어기에 의해 상기 설정된 반도체 레이저가 광케이블을 통해 상기 열처리 헤드에 공급되는 단계(S600);
    상기 열처리 헤드(2)에서 조사된 상기 반도체 레이저에 의해 상기 프레스용 대형주물금형(1)의 국부가 열처리되는 단계(S700); 및
    상기 열처리된 프레스용 대형주물금형(1)이 냉각되는 단계(S800);를 포함하고,
    상기 프레스용 대형주물금형(1)은, 상기 프레스용 대형주물금형(1) 100중량부에 대하여 탄소가 2.80~3.30중량부, 규소가 1.50~2.10중량부, 망간이 0.60~1.10중량부, 인이 0.01~0.15중량부 및 유황이 0.01~0.15중량부 함유되거나,
    상기 프레스용 대형주물금형(1)은, 상기 프레스용 대형주물금형(1) 100중량부에 대하여 탄소가 2.80~3.30중량부, 규소가 1.60~2.25중량부, 망간이 0.70~1.05중량부, 인이 0.01~0.12중량부 및 유황이 0.01~0.12중량부 함유되고, 합금소재인 몰리브덴이 0.30~0.60중량부 및 크롬이 0.30~0.60중량부 함유되거나,
    상기 프레스용 대형주물금형(1)은, 상기 프레스용 대형주물금형(1) 100중량부에 대하여 탄소가 3.00~3.80중량부, 규소가 1.80~2.60중량부, 망간이 0.10~0.50중량부, 인이 0.01~0.04중량부 및 유황이 0.01~0.02중량부 함유되고, 합금소재인 마그네슘이 0.03~0.06중량 및 구리가 0.02~0.04중량부 함유되거나,
    상기 프레스용 대형주물금형(1)은, 상기 프레스용 대형주물금형(1) 100중량부에 대하여 탄소가 3.30~3.70중량부, 규소가 1.60~2.50중량부, 망간이 0.01~0.60중량부, 인이 0.01~0.04중량부 및 유황이 0.01~0.02중량부 함유되고, 합금소재인 마그네슘이 0.03~0.06중량부, 몰리브덴이 0.20~0.80중량부, 크롬이 0.01~0.02중량부, 구리가 0.60~1.10중량부 및 니켈이 0.60~1.00중량부 더 함유된 것을 특징으로 하는 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 6축 로봇(3)의 이동경로 설정단계(S300)는 상기 프레스용 대형주물금형(1)의 열처리될 국부의 표면에 상기 열처리 헤드가 직각을 이루며 이동하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 6축 로봇(3)의 이동경로 설정단계(S300)는 상기 프레스용 대형주물금형(1)의 열처리될 국부의 표면과 상기 열처리 헤드는 230~240㎜ 이격되게 이동하도록 설정하는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 반도체 레이저의 열처리 온도 및 열처리 속도 설정단계(S400)는 상기 반도체 레이저의 열처리 온도가 900~1200℃이고, 열처리 속도가 2~10㎜/sec인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리방법.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 반도체 레이저의 열처리 폭 및 열처리 깊이 설정단계(S500)는 상기 반도체 레이저의 열처리 폭이 5~40㎜인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리방법.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 냉각단계(S800)에서, 상기 열처리된 프레스용 대형주물금형(1)은 자기냉각되는 것을 특징으로 하는 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리방법.
  10. 제 4항에 있어서,
    상기 반도체 레이저발생기(4)의 출력은 4,000W인 것을 특징으로 하는 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
KR1020090113837A 2009-11-24 2009-11-24 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리장치 및 그 열처리방법 KR101126911B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090113837A KR101126911B1 (ko) 2009-11-24 2009-11-24 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리장치 및 그 열처리방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090113837A KR101126911B1 (ko) 2009-11-24 2009-11-24 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리장치 및 그 열처리방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110057430A KR20110057430A (ko) 2011-06-01
KR101126911B1 true KR101126911B1 (ko) 2012-03-21

Family

ID=44393070

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090113837A KR101126911B1 (ko) 2009-11-24 2009-11-24 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리장치 및 그 열처리방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101126911B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101654531B1 (ko) 2015-03-31 2016-09-23 주식회사 화신테크 레이저를 이용한 금형 열처리장치의 레이저빔 조사거리측정방법 및 장치
KR20170002739A (ko) 2015-06-29 2017-01-09 주식회사 화신테크 다관절 열처리로봇을 이용한 금형의 경도측정장치

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101422102B1 (ko) * 2012-08-23 2014-07-23 에스아이에스 주식회사 레이저 어시스트 롤러 헤밍장치의 레이저 출력 제어시스템

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5763632A (en) * 1980-10-03 1982-04-17 Toshiba Corp Production of die
JPS6340621A (ja) * 1986-08-05 1988-02-22 Honda Motor Co Ltd トリミング用鋳造金型およびその製造方法
JPH01316416A (ja) * 1988-06-17 1989-12-21 Nippon Steel Corp レーザによる部分表面熱処理方法とその装置
JPH06315753A (ja) * 1993-05-10 1994-11-15 Hitachi Metals Ltd 水冷穴を有するダイカスト金型およびその製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5763632A (en) * 1980-10-03 1982-04-17 Toshiba Corp Production of die
JPS6340621A (ja) * 1986-08-05 1988-02-22 Honda Motor Co Ltd トリミング用鋳造金型およびその製造方法
JPH01316416A (ja) * 1988-06-17 1989-12-21 Nippon Steel Corp レーザによる部分表面熱処理方法とその装置
JPH06315753A (ja) * 1993-05-10 1994-11-15 Hitachi Metals Ltd 水冷穴を有するダイカスト金型およびその製造方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101654531B1 (ko) 2015-03-31 2016-09-23 주식회사 화신테크 레이저를 이용한 금형 열처리장치의 레이저빔 조사거리측정방법 및 장치
KR20170002739A (ko) 2015-06-29 2017-01-09 주식회사 화신테크 다관절 열처리로봇을 이용한 금형의 경도측정장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110057430A (ko) 2011-06-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8597441B2 (en) Method for producing partially hardened steel components
EP2289694B1 (en) Press-cure mold cooling device
US20210340643A1 (en) Hot-press molding method and hot-press molded product
US20110094282A1 (en) Method and hot forming system for producing a hardened, hot formed workpiece
US20110315281A1 (en) Tailored Properties By Post Hot Forming Processing
CN105478559A (zh) 用于制造至少部分硬化的板构件的方法和压机
US20130037181A1 (en) Integrated processing method for sheet steel hot stamping and heat treatment
CN104174795A (zh) 用于使毛坯热成型的系统和方法
CN101932747A (zh) 用于制造由具有铝硅涂层的钢制品构成的部件的方法以及由该方法制成的中间制品
JPWO2013137308A1 (ja) 鋼板部材の強化方法
JP6318971B2 (ja) 熱間プレス成形方法
JP2018534436A (ja) プレス硬化部品を製造するための部分放射加熱方法およびこのような製造のための装置
KR20200076662A (ko) 코팅된 강재의 프레스 방법 및 강재의 용도
CN109072326B (zh) 热处理方法和热处理装置
KR101126911B1 (ko) 반도체 레이저를 이용한 프레스용 대형주물금형의 국부 열처리장치 및 그 열처리방법
CN117943496A (zh) 用于通过热成型来生产部件的系统
JP2019529109A (ja) ブランクのセンタリング及び選択加熱
JP2013173153A (ja) 熱間プレス用の鋼板の熱処理方法
CN107530757A (zh) 用于工具的激光烧结模具表面
KR20140118353A (ko) 핫 스탬핑 성형장치
KR101620735B1 (ko) 가열장치 및 열간 프레스 성형방법
US20120174406A1 (en) Method and production plant for making components for a motor vehicle
KR20110040021A (ko) 다이오드 레이저를 이용한 자동차용 차체부품의 국부 열처리장치 및 그 열처리방법
KR101153595B1 (ko) 다른 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법
CN103785761B (zh) 热成形钢管分段强化类零件的压力冷却工艺及模具伺服装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150304

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170308

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180221

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190307

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20200304

Year of fee payment: 9