KR101251150B1 - 공구강의 열처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공구강의 열처리 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 인상과 항온처리를 통해 기존의 일률적인 냉각에 따르는 충격과 부위별 냉각정도의 차이를 완화시켜 원하는 경도를 확보하면서도 크랙 발생과 열처리후 시효변형을 방지할 수 있고, 이를 통해 열처리 공정의 품질을 확보하면서도 단가를 낮출 수 있어 수입에 의존하던 열처리 공구강에 대한 수입대체 효과가 있는 공구강의 열처리 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 (a) 예열과 본 가열을 수행하는 단계; (b) 상기 (a)단계 이후 송풍냉각을 수행하는 단계; (c) 상기 (b)단계 이후 교반하면서 유냉을 수행하는 단계; (d) 상기 (c)단계의 교반을 정지한 채 유냉을 수행하는 단계; (e) 상기 (d)단계 이후 항온처리를 수행하는 단계; 및 (f) 상기 (e)단계 이후 상온냉각을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구강의 열처리 방법을 제공한다.
이를 위해 본 발명은 (a) 예열과 본 가열을 수행하는 단계; (b) 상기 (a)단계 이후 송풍냉각을 수행하는 단계; (c) 상기 (b)단계 이후 교반하면서 유냉을 수행하는 단계; (d) 상기 (c)단계의 교반을 정지한 채 유냉을 수행하는 단계; (e) 상기 (d)단계 이후 항온처리를 수행하는 단계; 및 (f) 상기 (e)단계 이후 상온냉각을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구강의 열처리 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 공구강의 열처리 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 인상과 항온처리를 통해 기존의 일률적인 냉각에 따르는 충격과 부위별 냉각정도의 차이를 완화시켜 원하는 경도를 확보하면서도 크랙 발생과 열처리후 시효변형을 방지할 수 있고, 이를 통해 열처리 공정의 품질을 확보하면서도 단가를 낮출 수 있어 수입에 의존하던 열처리 공구강에 대한 수입대체 효과가 있는 공구강의 열처리 방법에 관한 것이다.
현재 공구강의 열처리는 대부분 가열 후 급랭하는 방식으로 이루어지고 있다.
즉, 예열과 본 가열을 수행한 후, 진공로 질소냉각, 송풍냉각, 유냉, 공기중 냉각 등의 방식으로 냉각함으로써 공구강을 열처리하고 있다.
그러나, 진공로 작업시 내부에서 냉각함으로 인해 두께가 두껍고 중량이 큰 대형 제품의 경우 경도가 미달되는 현상이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 분위기로에서 작업시 강제송풍 냉각을 수행하면 진공로의 경우보다는 우수하나, 두께가 어느 한계 이상 두꺼워지면 원하는 경도가 도출되지 않는다. 한편, 분위기로에서 유냉을 실시하였을 경우 상기에서 언급한 경우보다는 경도가 향상되나, 형상이 복잡한 제품의 경우에는 키(Key) 부위에 크랙이 발생하는 문제점이 있다.
도 1은 유냉시 크랙이 발생한 제품을 도시한 도면이다.
구체적으로 진공로에서 중량이 520kg인 제품에 대하여 질소냉각을 수행한 경우 소입후의 경도는 50으로 측정되었고, 분위기로에서 동일 제품에 대하여 송풍냉각을 수행한 경우 소입후의 경도는 55로 측정되어, 두 가지 경우 모두 경도가 미달되는 결과를 보여준다. 또한, 분위기로에서 동일 제품에 대하여 유냉을 수행한 경우, 소입후의 경도는 61로 측정되어 다소 향상된 결과를 나타내었으나, 크랙이 발생됨을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라, 대형의 금형제품을 유냉한 경우 열처리후 변형과 시효변형이 발생되는 문제점이 있다.
따라서, 대형 제품 및 형상이 복잡한 제품의 경우에도 열처리 후 경도를 확보하면서도 크랙 발생 및 열처리 후 변형을 방지할 수 있는 기술에 대한 개발필요성이 대두된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 기존의 일률적인 냉각에 따르는 충격과 부위별 냉각정도의 차이를 완화시켜 원하는 경도를 확보하면서도 크랙 발생과 열처리후 시효변형을 방지할 수 있고, 이를 통해 열처리 공정의 품질을 확보하면서도 단가를 낮출 수 있어 수입에 의존하던 열처리 공구강에 대한 수입대체 효과가 있는 공구강의 열처리 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 공구강의 열처리 방법은 (a) 예열과 본 가열을 수행하는 단계; (b) 상기 (a)단계 이후 송풍냉각을 수행하는 단계; (c) 상기 (b)단계 이후 교반하면서 유냉을 수행하는 단계; (d) 상기 (c)단계의 교반을 정지한 채 유냉을 수행하는 단계; (e) 상기 (d)단계 이후 항온처리를 수행하는 단계; 및 (f) 상기 (e)단계 이후 상온냉각을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (d)단계 이후 마르텐사이트(Ms) 변태의 시작점에서 열처리 대상물을 인상(lift)시킨 후 상기 (e)단계를 수행할 수 있다.
또한, 상기 (c)단계와 (d)단계는 임계온도에 도달하기까지는 상기 (c)단계를 통해 냉각시키고, 상기 임계온도 이하에서는 상기 (d)단계를 통해 상기 (c)단계에 비해 상대적으로 서냉시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 인상과 항온처리를 통해 기존의 일률적인 냉각에 따르는 충격과 부위별 냉각정도의 차이를 완화시켜 원하는 경도를 확보하면서도 크랙 발생과 열처리후 시효변형을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 열처리 공정의 품질을 확보하면서도 단가를 낮출 수 있어 수입에 의존하던 열처리 공구강에 대한 수입대체 효과가 있다.
도 1은 유냉시 크랙이 발생한 제품을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열처리 방법의 그래프,
도 3은 도 2 중 교반에 의한 유냉 후 정지 단계의 상세 그래프,
도 4는 도 2 중 마르텐사이트 시작점 인상 단계의 상세 그래프,
도 5는 도 2 중 항온처리 단계의 상세 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열처리 방법의 그래프,
도 3은 도 2 중 교반에 의한 유냉 후 정지 단계의 상세 그래프,
도 4는 도 2 중 마르텐사이트 시작점 인상 단계의 상세 그래프,
도 5는 도 2 중 항온처리 단계의 상세 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열처리 방법의 그래프이다. 도 3은 도 2 중 교반에 의한 유냉 후 정지 단계의 상세 그래프이고, 도 4는 도 2 중 마르텐사이트 시작점 인상 단계의 상세 그래프이며, 도 5는 도 2 중 항온처리 단계의 상세 그래프이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열처리 방법은, 도 2 내지 도 5를 참조하면, 제1 예열단계(S1), 제2 예열단계(S2), 본 가열단계(S3), 송풍냉각단계(S4), 유냉단계(S5), 교반정지단계(S6), 인상단계(S7), 항온처리단계(S8), 및 상온냉각단계(S9)를 포함하여 이루어진다.
제1 예열단계(S1)는 열처리하고자 하는 공구강을 대략 600~700도씨로 1차 예열을 수행하는 단계이고, 제2 예열단계(S2)는 제1 예열단계(S1) 이후 대략 800~900도씨로 2차 예열을 수행하는 단계이다.
본 가열단계(S3)는 예열단계(S1, S2) 이후 대략 950~1100도씨로 본 가열을 수행하는 단계이다.
공구강의 종류에 따라 예열단계의 가열온도는 차이가 있으나, SKD11종의 경우 제1 예열단계(S1)는 대략 650도씨, 제2 예열단계(S2)는 대략 850도씨, 그리고 본 가열단계(S3)는 대략 980~1050도씨에서 수행되는 것이 바람직하다.
가열작업이 완료되면 냉각작업이 이루어진다.
송풍냉각단계(S4)는 송풍기를 이용하여 냉각하는 단계이다.
송풍냉각시 시편의 두께와 무게에 따라 송풍시간이 달라지며, 송풍시간은 송풍기의 최대 풍량에도 의존한다. 예컨대, 최대풍량 170 ㎥/min의 송풍기를 사용한 경우, 두께 100mm와 무게 500kg인 시편에서 송풍시간은 대략 3시간인 것이 바람직하다.
유냉단계(S5)는 송풍냉각(S4) 이후 교반하면서 유냉을 수행하는 단계이다.
교반정지단계(S6)는 교반을 정지한 채 유냉을 수행하는 단계이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 임계온도에 도달하기 전까지는 교반에 의한 유냉으로 급랭시키고, 임계온도에 도달한 이후 임계온도 이하에서는 교반을 정지함으로써 상대적으로 서냉시키는 것이 바람직하다. 공구강의 종류에 따라 임계온도는 차이가 있으나, SKD11종의 경우 대략 550도씨인 것이 바람직하다. 급랭에 의해 경도를 확보하고, 서냉에 의해 조직에 가해지는 충격을 완화시킨다.
인상단계(S7)는 교반정지 후 특정온도에 도달하면 열처리 대상물을 인상(lift)시킴으로써 냉각에 의한 충격을 완화시키는 단계이다. 이때, 특정온도는 마르텐사이트(Ms) 변태의 시작점인 것이 바람직하다. 공구강의 종류에 따라 Ms 변태의 시작점은 차이가 있으나, SKD11종의 경우 대략 180~230도씨인 것이 바람직하다. 또한, 인상단계의 유지시간은 시편의 두께와 무게에 따라 달라진다.
한편, 실제 작업시 Ms 변태 시작점의 온도 체크가 불확실할 경우, 유냉단계에 사용되는 오일 인화점이 대략 190~200도씨이므로, 시편을 인상하였을 때 시편에 불이 붙는 시점으로 판단할 수 있다.
항온처리단계(S8)는 소정의 시간동안 인상단계(S7)를 유지한 후, 일정한 온도로 항온처리를 수행하는 단계이다. 이때, 항온처리 유지시간과 온도는 재질별로 차이가 있으며, 요구경도에 따라서도 달라진다. 예컨대, SKD11종의 요구경도가 최고경도 60~62인 경우, 항온처리 온도는 대략 200도씨이고, SKD11종을 고온에서 적용할 경우 500~530도씨이며, 항온유지시간은 두께 1인치당 2시간으로 할 수 있다.
항온처리단계(S8)를 수행하기 이전에 항온조의 온도를 요구온도로 유지시키는 것이 바람직하다. 즉, 시편을 인상하기 전에 미리 항온조의 온도를 요구온도로 유지시킨 후에 시편을 항온조에 투입한다.
이와 같이 인상과 항온처리를 통해 기존의 일률적인 냉각에 따르는 충격을 완화시켜 원하는 경도를 확보하면서도 크랙 발생을 방지할 수 있다. 즉, 기존의 일률적인 송풍냉각 또는 유냉에 의한 충격으로 key 부위의 크랙이 발생하고, 형상과 체적의 차이로 인해 부위별로 냉각정도의 차이가 발생하게 되는데, 본 발명에서는 인상과 항온처리를 통해 냉각에 의한 충격과 부위별 냉각정도의 차이를 완화시킬 수 있게 된다.
상온냉각단계(S9)는 항온처리 이후 상온에서 냉각을 수행하는 단계이다.
도시되지 않았으나, 상온냉각단계(S9) 이후 항온뜨임단계를 추가적으로 수행할 수 있다. SKD11종의 경우 항온뜨임단계는 항온처리온도보다 대략 10~30도씨 낮은 온도에서 2회 이상 반복 수행되는 것이 바람직하다. 또한, SKD61종의 경우 항온뜨임단계는 항온처리온도에 관계없이 대략 550~650도씨에서 2회 이상 반복 수행되는 것이 바람직하다.
현재까지 SKD11종 및 61종과 같은 공구강을 이용한 대형금형, 대형공구, 대형 롤 등은 대부분 수입에 의존하여 왔으며, 이들 소재의 가격이 일반강재보다 매우 비싼 관계로 열처리에 많은 부담을 주었던 것이 사실이다. 열처리를 잘못 수행할 경우 값비싼 대형금형 등에서 크랙이 발생하고 열처리 후 시효변형이 종종 발생하기 때문이다.
본 발명에 따른 공구강의 열처리방법을 적용할 경우, 원하는 경도를 확보하면서도 크랙과 시효변형의 발생을 방지하여 열처리된 공구강의 수입대체효과를 얻을 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (3)
- (a) 예열과 본 가열을 수행하는 단계;
(b) 상기 (a)단계 이후 송풍냉각을 수행하는 단계;
(c) 상기 (b)단계 이후 교반하면서 유냉을 수행하는 단계;
(d) 상기 (c)단계의 교반을 정지한 채 유냉을 수행하는 단계;
(e) 상기 (d)단계 이후 항온처리를 수행하는 단계; 및
(f) 상기 (e)단계 이후 상온냉각을 수행하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 공구강의 열처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 (d)단계 이후 마르텐사이트(Ms) 변태의 시작점에서 열처리 대상물을 인상(lift)시킨 후 상기 (e)단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 공구강의 열처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 (c)단계와 (d)단계는 임계온도에 도달하기까지는 상기 (c)단계를 통해 냉각시키고, 상기 임계온도 이하에서는 상기 (d)단계를 통해 상기 (c)단계에 비해 상대적으로 서냉시키는 것을 특징으로 하는 공구강의 열처리 방법.
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