KR101469173B1 - Technology for the Manufacture of hot forming dies with high wear resistance using selective deposition of the superalloy - Google Patents

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Abstract

본 발명의 선택적 초합금 적층층을 가진 고내마모성 열간성형 금형은 상호 결합되어 캐비티를 형성하는 상부금형 및 하부금형과, 상기 상부금형과 하부금형중 응력이 집중되거나 마찰응력이 집중되는 부위에 마모방지층이 형성된 것으로, 상기 열차단층과 열응력 제어층은 쾌속금속 조형법에 의해 3차원으로 다층이 적층되어 이루어져 있으므로 상부금형 또는 하부금형의 열연화현상, 열충격 및 열피로현상을 최소화함으로써 내마모성과 수명을 향상시킬 수 있다. The high wear-resistant hot-formed metal mold having the selective superalloy laminated layer of the present invention comprises an upper mold and a lower mold which are coupled to each other to form a cavity, and a wear-resistant layer at a portion where stress concentrates or friction stress concentrates in the upper mold and the lower mold. The heat fault layer and the thermal stress control layer are laminated in three dimensions by the rapid metal forming method, so that the thermal oxidation phenomenon, the thermal shock and the thermal fatigue phenomenon of the upper mold or the lower mold are minimized to improve the wear resistance and the service life .

Description

선택적 초합금 적층층을 가진 고내마모성 열간성형 금형{Technology for the Manufacture of hot forming dies with high wear resistance using selective deposition of the superalloy}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a high abrasion resistance hot forming die having a selective superalloy laminated layer,

본 발명은 금형에 관한 것으로, 더 상세하게는 반복되는 열간성형으로 인해 마모가 심한 취약부위에 선택적으로 초합금을 적층하여 열간성형 금형의 내마모성을 향상시키는 금형에 관한 것이다.The present invention relates to a mold, and more particularly, to a mold for selectively superposing a superalloy on a worn portion where abrasion is severe due to repeated hot forming, thereby improving wear resistance of the hot formed mold.

일반적으로 상온성형이 어려운 금속, 열간성형, 고온성형성이 좋지 않은 초내열합금 소재를 성형하는 단조, 용융된 용융금속(용탕)을 대기압 이상의 압력으로 금형에 압입하고 응고종료까지 가압하여 주조하기 위해서는 금형이 이용된다.In general, forging and molten molten metal (molten metal) for molding a metal which is difficult to be room-temperature-formed, hot-formed, and a super-heat-resistant alloy material having a poor high-temperature formability are pressed into a mold at a pressure of atmospheric pressure or higher, A mold is used.

이러한 금형은 상대적으로 높은 온도로 가열된 소재를 사용하거나 상온 또는 냉각(냉각단조 경우)된 소재를 성형하게 되므로 특정부위인 단면적인 작은 돌출부 및 경계부 등은 고온 열연화 현상으로 인하여 집중적으로 마모가 발생되며 열응력에 의한 크랙이 발생된다. 이는 금형의 고온 열연화 현상 및 열충격 피로현상 등으로 인하여 수명이 단축되는 문제점이 있다.Since these molds use a material heated to a relatively high temperature or form a material that is room temperature or cooled (for cooling forging), small protrusions and boundaries having a cross-sectional area of a specific region are intensively worn due to high- And a crack due to thermal stress is generated. This has a problem that the lifetime of the mold is shortened due to the high-temperature hot-rolling phenomenon and the thermal shock fatigue phenomenon.

상술한 점을 감안하여 강도가 상대적으로 높은 재질을 이용하여 금형을 제작하는 경우, 금형의 내구력 및 연성이 좋지 않아 외력에 의해 파손되는 문제점이 있으며, 금형의 제작원가가 상대적으로 높아지게 된다. Considering the above points, when a mold is manufactured using a material having a relatively high strength, there is a problem that the durability and ductility of the mold are not good and the material is damaged by external force, and the manufacturing cost of the mold becomes relatively high.

대한민국 공개특허 제 10-2008-0058903호에는 상부금형과 하부금형중 하나는 몰드 베이스부재와, 상기 몰드 베이스부재에 조형법에 의해 형성된 열전도 매개층과, 상기 열전도 매개층에 형성되며 상기 캐비티를 이루는 성형층과, 상기 성형층과 열전도 매개층 사이에 형성되어 성형층과 열전도 매개층의 열팽창량 차이에 의해 크랙이 발생되는 것을 방지하는 완충층을 구비한다.Korean Patent Laid-Open No. 10-2008-0058903 discloses that one of the upper mold and the lower mold includes a mold base member, a heat conduction medium layer formed by molding on the mold base member, and a heat conduction medium layer formed on the heat conduction medium layer, And a buffer layer formed between the molding layer and the heat conduction mediation layer to prevent a crack from being generated due to a difference in thermal expansion amount between the molding layer and the heat conduction mediation layer.

상술한 바와 같이 구성된 종래의 금형은 성형 시 열전달효율을 향상시켜 크랙의 발생을 방지하고 있으나 고열에 의해 금형의 모서리부 또는 성형 특성상 하중을 많이 받는 부분이 손상되는 문제점을 근본적으로 해결할 수 없다. The conventional mold having the above-described structure improves the heat transfer efficiency during molding to prevent the occurrence of cracks, but it can not fundamentally solve the problem of damaging a portion that receives a large load due to a corner portion of the mold or molding property due to high temperature.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열간성형 또는 용탕을 이용한 다이캐스팅 성형 시 특정부위가 열연화되어 마모되는 고마모층의 발생을 방지할 수 있으며, 금형의 수명을 연장할 수 있는 선택적 초합금 적층층을 가진 고내마모성 열간성형 금형을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a die-casting die, which can prevent hot- And an object of the present invention is to provide a high abrasion resistance hot forming mold having a selective superalloy laminated layer.

본 발명의 다른 목적은 성형되는 소재로부터 금형본체로 열이 전달되는 것을 방지하고, 나아가서는 열응력에 의해 금형본체에 크랙이 발생되는 것을 근본적으로 방지할 수 있는 선택적 초합금 적층층을 가진 고내마모성 열간성형 금형을 제공함에 있다.
It is another object of the present invention to provide a high superabrasive hot-rolled steel sheet having a selective superalloy laminated layer capable of preventing heat from being transferred from a forming material to a mold body and fundamentally preventing cracks from being generated in the mold body due to thermal stress To provide a molding die.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 선택적 초합금 적층층을 가진 고내마모성 열간성형 금형은 상호 결합되어 캐비티를 형성하는 상부금형 및 하부금형과, 상기 상부금형과 하부금형중 응력이 집중되거나 마찰응력이 집중되는 부위에 마모방지층이 형성된 것을 그 특징으로 한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a high wear-resistant hot-formed metal mold having a selective superalloy laminated layer, comprising: an upper mold and a lower mold which are coupled to each other to form a cavity; And an anti-wear layer is formed on the concentrated area.

본 발명에 있어서, 상기 마모방지층은 금형의 본체보다 상대적으로 강도가 높은 재질로 이루어지는데, 이 마모방지층은 니켈합금 또는 코발트합금으로 이루어질 수 있다. 그리고 상기 마모방지층은 금형본체의 상부에 열응력 제어층과 열차단층이 적층되어 이루어질 수 있다. In the present invention, the abrasion resistance layer is made of a material having a relatively higher strength than the body of the metal mold. The abrasion resistance layer may be formed of a nickel alloy or a cobalt alloy. The anti-wear layer may be formed by stacking a thermal stress control layer and a thermal barrier layer on the upper surface of the mold body.

본 발명의 선택적 초합금 적층층을 가진 고내마모성 열간성형 금형은 열간성형 또는 다이케스팅 시 응력 및 마찰력이 집중되는 부위가 쉽게 마모되는 것을 방지할 수 있으며, 나아가서는 금형의 내구성과 수명을 연장시킬 수 있다.The highly wear-resistant hot-formed metal mold having the selective superalloy laminate layer of the present invention can prevent the portion where the stress and frictional force concentrate during the hot forming or die-casting from being easily worn, and further, the durability and life of the metal mold can be prolonged.

그리고 본 발명의 금형은 반복 성형 시 성형품의 균일성을 유지할 수 있으며, 열응력에 의해 마모방지층이 손상되는 것을 방지할 수 있으며 금형의 설계자유도를 높일 수 있다. The mold of the present invention can maintain the uniformity of the molded article during repeated molding, prevent the wear-resistant layer from being damaged by thermal stress, and increase the degree of freedom in designing the mold.

도 1은 본 발명에 따른 선택적 초합금 적층층을 가진 고내마모성 열간성형 금형의 측면도,
도 2는 본 발명에 따른 상부금형 또는 하부금형에 마모방지층이 형성된 것을 나타내 보인 단면도. 1 is a side view of a high abrasion resistance hot forming mold having a selective superalloy laminate layer according to the present invention,
FIG. 2 is a sectional view showing an anti-wear layer formed on an upper mold or a lower mold according to the present invention. FIG.

본 발명은 금형에 관한 것으로, 열간성형 또는 다이케스팅 성형 시 열응력이 집중되는 부위나 성형마찰저항이 상대적으로 크게 작용하는 부위에 열화 또는 연화로 인하여 마모가 집중적으로 발생되는 것을 방지하기 위한 것으로, 그 일 실시예를 도 1 및 도 2에 나타내 보였다.The present invention relates to a mold for preventing abrasion from intensively occurring due to deterioration or softening at a portion where thermal stress is concentrated or a portion where molding frictional resistance is relatively large during hot forming or die casting molding, One embodiment is shown in Figs. 1 and 2. Fig.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 이종재료를 이용한 열간성형용 금형(10)은 상호 결합되어 적어도 하나의 성형공간(11)을 형성하는 상,하부 금형(20)(30)과, 상기 상, 하부 금형(20)(30)의 상하부에 각각 설치되는 상하부지지판(22)(32)과, 이들의 형합 및 형분리 시 가이드 하는 가이드핀(미도시)들을 구비한다. Referring to the drawings, a mold 10 for hot forming using a dissimilar material according to the present invention includes upper and lower molds 20 and 30 which are coupled to each other to form at least one molding space 11, Upper and lower support plates 22 and 32 provided on the upper and lower portions of the lower molds 20 and 30, and guide pins (not shown) guiding the molds 20 and 30 when they are assembled and separated from each other.

상기와 같이 구성된 상, 하부금형(20)(30)중 적어도 일측의 성형부위에는 성형응력 및 열응력이 집중되거나 마찰응력이 집중되는 부위에 마모방지층(40)이 형성된다. 열응력이 집중되는 특정부위는 금형본체의 상면으로부터 단면적이 작으면서 돌출된 부위, 성형면의 경계부 등 열응력과 마찰응력이 집중되는 부위이다. 이러한 부위는 제조되는 금형의 마모 마찰특성을 분석하여 상대적으로 마모가 집중적으로 이루어지는 부위를 선정할 수 있다. The anti-wear layer 40 is formed at a molding site of at least one of the upper and lower molds 20 and 30, which is configured as described above, in a region where molding stress and thermal stress are concentrated or friction stress is concentrated. The specific region where the thermal stress is concentrated is a region where the thermal stress and the frictional stress are concentrated such as a portion protruding from the upper surface of the mold body with a small cross-sectional area, and a boundary portion between the molding surface. Such a region can be determined by analyzing the wear and tribological characteristics of a mold to be produced, and a region where wear is concentrated intensively.

상기 마모방지층(40)은 상부금형(20) 또는 하부금형(30)을 이루는 금형본체(21 또는 31)보다 상대적으로 높은 강도의 재질로 이루어진다. 상기 마모방지층(40)은 열차단층(41)과 열응력제어층(42)으로 이루어질 수 있다. 상기 열차단층(41)은 니켈합금 또는 코발트 합금으로 이루어질 수 있는데, 이에 한정되지 않고, 금형본체(21)(31)와 열차단층(41) 각각에 대한 열팽창계수가 평균값정도의 열팽창계수 가지는 재질을 사용할 수 있다.The wear prevention layer 40 is made of a material having relatively higher strength than the mold body 21 or 31 forming the upper mold 20 or the lower mold 30. [ The anti-wear layer 40 may comprise a thermal barrier layer 41 and a thermal stress control layer 42. The heat fault layer 41 may be made of a nickel alloy or a cobalt alloy but is not limited thereto and may be made of a material having a coefficient of thermal expansion of about the average value of the thermal expansion coefficients of the metal molds 21 and 31 and the thermal insulation layer 41 Can be used.

그리고 상기 열응력제어층(42)은 열차단층(41)과 금형본체(21)(31)의 사이에 설치되어 이들의 열팽창계수의 차이에 의해 서어멀 크래킹(thermal cracking)이 발생되는 것을 방지하기 위한 것으로, 상기 금형본체(21)(31)를 이루는 재질과 열차단층(41)을 이루는 재료의 열팽창계수의 평균값의 열팽창계수를 가지는 재질이 이용될 수 있다. 열응력제어층(42)을 이루는 재질은 Cu금속으로 이루어질 수 있다. The thermal stress control layer 42 is provided between the heat fault layer 41 and the metal molds 21 and 31 to prevent thermal cracking from occurring due to a difference in thermal expansion coefficient between them. A material having a thermal expansion coefficient of an average thermal expansion coefficient of the material constituting the mold body 21 (31) and the material constituting the thermal insulation layer (41) can be used. The material constituting the thermal stress control layer 42 may be made of Cu metal.

상술한 바와 같이 구성된 마모방지층(40)을 이루는 열응력제어층(42)은 금형본체(21)(31)의 일측에 YAG레이저 또는 CO2 레이저에 의한 레이저빔을 금형본체의 표면에 조사하여 순간적으로 생성되는 용융 풀안으로 열응력 제어층 이루는 금속분말을 공급 및 제어함으로써 형성하고 이를 적층하여 3차원의 형상을 얻는 쾌속금속 조형법을 이용하여 성형한다.The thermal stress control layer 42 constituting the abrasion prevention layer 40 constituted as described above irradiates the surface of the mold body with a laser beam by a YAG laser or a CO 2 laser on one side of the metal mold bodies 21 and 31, The metal powder is formed by supplying and controlling a metal powder constituting a thermal stress control layer into a molten pool produced by a rapid metal forming method which obtains a three-dimensional shape by lamination.

쾌속조형법은 액체상태 또는 분말상태의 금속재료에 레이저 광선을 조사하여 경화 또는 용융시켜 3차원 형상을 제조하는 경화법과, 입상(粒狀) 또는 층상(層狀)으로 된 고체 소재를 원하는 형태로 접합시켜 만드는 방법 등 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 상기의 경화법 중의 하나인 DMT 공정(Laser-assisted Direct Metal Tooling Process, DMT ; 인스텍사)은 금속 표면에 레이저 빔를 조사시켜 금속 표면을 용융시켜 용융풀 (Molten Pool)을 형성하고 이 용융풀에 금속분말을 분사시켜 분말을 함께 용융시키는 레이저 클레딩(Cladding) 방식으로 한층의 비드를 생성하고 이 비드를 계속적으로 적층해 나가는 방식이다. The rapid prototyping method includes a curing method in which a metal material in a liquid state or a powder state is irradiated with a laser beam to cure or melt to form a three-dimensional shape, and a method in which a solid material in a granular or layer form is formed into a desired shape And a method of making it by joining it. A laser-assisted direct metal tooling process (DMT), which is one of the above curing methods, is a method of forming a molten pool by melting a metal surface by irradiating a laser beam onto a metal surface, A laser is applied by spraying powder to melt the powders together to form a single layer of beads and continuously laminate the beads.

한편, 상부금형(20) 또는 하부금형(30)은 표면에 금형본체와 열차단층의 평균열팽창계수를 가지는 재질로 이루어진 열응력 제어층(41)의 형성이 완료되면 이의 상면에 열차단층(41)을 형성한다. 열차단층(41)은 상기 열응력 제어층(42)보다 열팽창계수가 작은 재질로 형성된다. When the formation of the thermal stress control layer 41 made of a material having an average thermal expansion coefficient of the mold main body and the heat fault layer is completed on the surface of the upper mold 20 or the lower mold 30, . The heat fault layer (41) is formed of a material having a thermal expansion coefficient smaller than that of the thermal stress control layer (42).

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 이종재료를 이용한 열간성형용 금형은 상대적으로 높은 가열된 금속, 수지, 용탕들을 열간성형하게 되는데, 이 과정에서 상, 하부금형(20)(30)이 고온으로 가열되어 특정부위 특히, 면의 경계부위 단면적이 작은 돌출부위에서 집중적인 고온마모현상이 발생되는데, 이 특정부위에 열차단층(41) 및 열응력제어층(42)이 형성되어 있으므로 고온마모현상이 발생되는 것을 방지할 수 있다.The mold for hot forming using the dissimilar material according to the present invention, which is constructed as described above, forms hot molten metal, resin, and molten metal by hot molding. In this process, the upper and lower molds 20 and 30 are heated A high temperature abrasion phenomenon occurs on a protruding portion having a small cross-sectional area of a specific region, particularly a boundary portion of the surface due to heating. Since the heat fault layer 41 and the thermal stress control layer 42 are formed in this specific region, Can be prevented.

특히, 상기 열차단층(41)과 열응력 제어층(42)은 쾌속금속 조형법에 의해 3차원으로 다층이 적층되어 이루어져 있으므로 상부금형(20) 또는 하부금형(30)의 열연화현상, 열충격 및 열피로현상을 최소화함으로써 내마모성과 수명을 향상시킬 수 있다. In particular, since the heat fault layer 41 and the thermal stress control layer 42 are laminated in three dimensions by the rapid metal forming method, the thermal deformation of the upper mold 20 or the lower mold 30, The wear resistance and the life can be improved by minimizing the thermal fatigue phenomenon.

또한 본 발명의 선택적 초합금 적층층을 가진 고내마모성 열간성형 금형은 복잡한 성형공간의 특정부위 즉, 고마모현상이 발생되는 부위의 설계 및 제작의 자유도를 높일 수 있다. In addition, the high wear-resistant hot-formed metal mold having the selective superalloy laminated layer of the present invention can increase the degree of freedom in designing and manufacturing a specific portion of a complicated molding space, that is, a portion where high wear is generated.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

본 발명의 선택적 초합금 적층층을 가진 고내마모성 열간성형 금형은 열간 단조금형, 다이케스팅 금형 등 각종 열간성형 금형에 널리 적용가능하다. The high abrasion resistance hot forming mold having the selective superalloy laminated layer of the present invention can be widely applied to various hot forming dies such as a hot forging die and a die casting die.

20;상부금형
30;하부금형
40;마모방지층
41;열차단층
42;열응력제어층20: upper mold
30, a lower mold
40; abrasion resistant layer
41;
42; thermal stress control layer

Claims (3)

상호 결합되어 캐비티(11)를 형성하는 상부금형(20) 및 하부금형(30)과, 상기 상부금형(20)과 하부금형(30)중 응력이 집중되거나 마찰응력이 집중되는 부위에 마모방지층(40)이 형성되며,
상기 마모방지층(40)은 금형본체(21 또는 31)보다 상대적으로 강도가 높은 재질로 이루어진 열차단층(41)과, 열차단층(41)과 금형본체(21 또는 31)의 사이에 형성되는 열응력 제어층(42)를 구비하며,
상기 열차단층(41)은 니켈계합금 또는 코발트계합금으로 이루어지며, 금형본체의 열팽창계수와 열차단층(41)의 열팽창계수와의 평균값에 해당하는 열팽창계수를 가지며,
상기 열응력제어층(42)은 CU금속으로 이루어지고, 금형본체의 열팽창계수와 열차단층(41)의 열팽창계수와의 평균값에 해당하는 열팽창계수를 가지며,
상기 열응력제어층(42)은 3차원형상을 얻기 위한 쾌속금속 조형법에 의해 이루어진 것을 특징으로 하는 선택적 초합금 적층층을 가진 고내마모성 열간성형 금형.
The upper mold 20 and the lower mold 30 that are coupled to each other to form the cavity 11 and the abrasion preventing layer (not shown) are provided at portions where the stress is concentrated or the frictional stress is concentrated in the upper mold 20 and the lower mold 30. [ 40 are formed,
The abrasion prevention layer 40 is formed of a thermal barrier layer 41 made of a material having relatively higher strength than the mold body 21 or 31 and a thermal stress 41 formed between the thermal barrier layer 41 and the metal mold 21 or 31 A control layer 42,
The heat fault layer 41 is made of a nickel-based alloy or a cobalt-based alloy and has a coefficient of thermal expansion corresponding to an average value of the thermal expansion coefficient of the mold body and the thermal expansion coefficient of the heat fault layer 41,
The thermal stress control layer 42 is made of CU metal and has a coefficient of thermal expansion corresponding to an average value of the thermal expansion coefficient of the mold body and the thermal expansion coefficient of the thermal barrier layer 41,
Wherein the thermal stress control layer (42) is formed by a rapid metal forming method for obtaining a three-dimensional shape.
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