KR101596804B1 - Ded기법을 이용한 금속표면처리방법 - Google Patents

Ded기법을 이용한 금속표면처리방법 Download PDF

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신광용
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명에 따른 DED기법을 이용한 금속표면처리방법은, 대상모재를 준비하는 (a)단계, 상기 대상모재의 강화영역에 강화용 금속분말을 공급하는 (b)단계 및 상기 대상모재의 강화영역에 레이저를 조사하여, 상기 강화영역의 표면 및 상기 강화용 금속분말을 용융시켜 상기 대상모재에 강화층을 형성하는 (c)단계를 포함한다.

Description

DED기법을 이용한 금속표면처리방법{Metal Treatment Method Using DED}
본 발명은 금속표면처리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 DED기법을 이용하여 대상모재의 표면처리를 수행할 수 있도록 하는 금속표면처리방법에 관한 것이다.
최근에는 다양한 산업 분야에서 금속의 표면을 강화시키거나, 특수한 특성을 나타내기 위해 표면 처리하는 방법이 널리 사용되고 있다.
종래의 금속표면처리방법의 경우, 모재에 특정 가스를 주입하여 처리층을 증착하거나, 또는 소정의 표면처리 소재를 콜드 스프레이 방식을 이용하여 모재의 표면에 부착시키는 등의 다양한 방법이 이용되고 있다.
하지만, 이와 같은 종래의 금속표면처리방법의 경우, 처리층과 모재의 표면 간의 부착력이 크게 떨어지게 되며, 이에 따라 처리층이 분리 및 탈락되는 현상이 잦은 빈도로 발생하게 되는 문제점이 나타나고 있다.
뿐만 아니라, 종래의 금속표면처리방법은 모재의 형상이 평면 또는 극히 단순한 형태일 경우일 때 그 효과가 현저하게 나타나며, 모재의 형상이 불규칙적이거나 복잡한 경우에는 큰 효과를 볼 수 없다는 문제가 있었다. 또는 표면처리장치의 특성 상 불규칙하거나 복잡한 형상을 가지는 모재의 표면처리를 수행하는 것이 아예 불가능한 경우도 있어, 모재의 수명이 크게 떨어지는 문제도 있었다.
특히 상기 모재가 프레스, 단조 공정 등에 사용되는 금형과 같이 잦은 충격과 외력이 가해지는 제품인 경우, 비용 대비 수명이 매우 짧아져 유지, 보수에 소요되는 비용이 증가하게 되는 문제가 있다.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.
한국공개특허 제10-2004-0105617호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 모재의 형상이 불규칙적이고 복잡한 경우에도 표면처리를 용이하게 수행할 수 있도록 하는 금속표면처리방법을 제공하기 위함이다.
또한 표면처리에 의해 형성된 강화층에 의해 모재의 강도를 현저하게 증가시키는 동시에, 강화층의 부착력을 크게 향상시킬 수 있도록 하는 금속표면처리방법을 제공함에 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 DED기법을 이용한 금속표면처리방법은, 대상모재를 준비하는 (a)단계, 상기 대상모재의 강화영역에 강화용 금속분말을 공급하는 (b)단계 및 상기 대상모재의 강화영역에 레이저를 조사하여, 상기 강화영역의 표면 및 상기 강화용 금속분말을 용융시켜 상기 대상모재에 강화층을 형성하는 (c)단계를 포함한다.
그리고 상기 (b)단계 및 상기 (c)단계는 동시에 이루어지는 것으로 할 수 있다.
또한 상기 (b)단계 및 상기 (c)단계는, 레이저를 방사하는 노즐과, 상기 레이저가 관통하는 제1관통홀 및 상기 제1관통홀 측으로 강화용 금속분말을 공급하는 제1공급라인이 형성되고, 상기 노즐의 하부에 구비된 금속분말공급모듈을 포함하는 표면처리장치에 의해 이루어지는 것으로 할 수 있다.
그리고 상기 (c)단계 이후에는, 상기 강화층 상에 보호층을 형성하는 (d)단계가 더 수행될 수 있다.
또한 상기 (c)단계는, 상기 레이저 조사와 함께 상기 강화영역에 보호가스를 더 공급하는 것으로 할 수 있다.
그리고 상기 (c)단계는, 레이저를 방사하는 노즐과, 상기 레이저가 관통하는 제2관통홀 및 상기 제2관통홀 측으로 보호가스를 공급하는 제2공급라인이 형성되고, 상기 노즐의 하부에 구비된 금속분말공급모듈을 포함하는 표면처리장치에 의해 이루어지는 것으로 할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 DED기법을 이용한 금속표면처리방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 대상모재의 형상이 불규칙적이고 복잡한 경우에도 표면처리를 용이하고 정밀하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
둘째, 표면처리에 의해 형성된 강화층에 의해 모재의 강도가 크게 증가되는 장점이 있다.
셋째, 강화용 금속분말과 대상모재의 표면을 함께 용융시키게 되므로, 표면처리에 의해 형성된 강화층의 부착력을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DED기법을 이용한 표면처리방법의 각 과정을 나타낸 흐름도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DED기법을 이용한 표면처리방법에 있어서, 대상모재의 표면에 강화용 금속분말 및 보호가스를 공급하며 레이저로 표면처리하는 모습을 나타낸 사시도;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 DED기법을 이용한 표면처리방법에 있어서, 대상모재와 강화용 금속분말의 조성을 나타낸 도표;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DED기법을 이용한 표면처리방법에 대한 마모테스트 및 경도테스트를 수행하기 위해 제작된 시편의 모습을 나타낸 사진; 및
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 DED기법을 이용한 표면처리방법에 대한 충격테스트를 수행하기 위해 제작된 시편의 모습을 나타낸 사진이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 DED기법을 이용한 표면처리방법의 각 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 DED기법을 이용한 표면처리방법은, 대상모재를 준비하는 (a)단계와, 상기 대상모재의 강화영역에 강화용 금속분말을 공급하는 (b)단계와, 상기 대상모재의 강화영역에 레이저를 조사하여, 상기 강화영역의 표면 및 상기 강화용 금속분말을 용융시켜 상기 대상모재에 강화층을 형성하는 (c)단계를 포함한다.
그리고 상기 (c)단계 이후에는, 상기 강화층 상에 보호층을 형성하는 (d)단계가 더 수행될 수도 있다.
이하에서는 상기와 같은 각 과정들에 대해 자세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DED기법을 이용한 표면처리방법에 있어서, 대상모재(10)의 표면에 강화용 금속분말 및 보호가스를 공급하며 레이저로 표면처리하는 모습을 나타낸 사시도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 먼저 대상모재(10)가 준비된다. 본 실시예에서 상기 대상모재(10)는 트림 다이(Trim Die)인 것으로 하였다. 이와 같은 트림 다이는 특성 상 고충격, 고하중 하에 노출되며, 마모 및 파손이 매우 심각하게 나타나고 있는 금형 중 하나이다.
따라서 상기 트림 다이는 코팅 등을 방법을 적용하는 것이 불가능하며, 또한 그 형상이 복잡하여 표면처리가 매우 어렵기 때문에 종래에는 표면처리를 수행하기 않은 상태에서 사용하는 경우가 많았다.
본 발명의 일 실시예에서는, 트림 다이, 즉 대상모재(10)를 세팅하고, 이후 상기 대상모재(10)의 강화영역에 강화용 금속분말을 공급하게 된다. 이때 상기 강화영역은, 상기 대상모재(10)의 전체 표면 중 강화시키고자 하는 영역을 말하는 것이며, 상기 강화영역은 상기 대상모재(10)의 표면 전체일 수도 있고, 또는 목적에 따라 상기 대상모재(10)의 전체 표면 중 일부 면적이 될 수도 있다.
그리고 상기와 같이 강화용 금속분말을 공급하며, 상기 대상모재(10)의 강화영역에 레이저를 조사하게 된다. 이 과정에서 상기 강화영역의 표면 및 상기 강화용 금속분말이 함께 용융되며, 상기 대상모재(10)에 강화층이 형성된다.
즉 본 발명의 경우, 강화용 금속분말뿐 아니라 대상모재(10)의 표면이 함께 용융되므로 표면처리에 의해 형성된 강화층의 부착력을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
이때 상기 강화용 금속분말의 공급은, 상기 레이저 조사와 동시에 이루어지도록 할 수 있다. 즉 본 실시예의 경우, 강화용 금속분말을 상기 대상모재(10)의 강화영역에 실시간으로 공급하며 레이저 조사를 수행하게 된다.
그리고 이와 같은 각 과정은 표면처리장치(100)에 의해 이루어지며, 본 실시예의 경우 상기 표면처리장치(100)는 DED(Direct Energy Deposition)기법 적용을 위한 레이저 조사장치인 것으로 하였다. 상기 DED기법은 3D프린팅 기법 중 하나로서, 대상모재(10)의 형상이 불규칙하고 복잡한 경우에도 정밀하고, 용이하게 제어가 가능하다.
또한 본 실시예에서 상기 표면처리장치(100)는 노즐(105)과, 금속분말공급모듈(110)과, 보호가스공급모듈(120)을 포함한다. 상기 노즐(105)은 레이저가 방사되도록 하는 구성요소이며, 상기 금속분말공급모듈(110)과 상기 보호가스공급모듈(120)은 상기 노즐(105)의 하부에 구비된다.
구체적으로 상기 금속분말공급모듈(110)은 상기 노즐(105)을 통해 방사된 레이저가 관통하는 제1관통홀(114)과, 상기 제1관통홀(114) 측으로 강화용 금속분말을 공급하는 제1공급라인(112)을 포함한다.
특히 본 실시예의 경우 상기 금속분말공급모듈(110)은 상부로 갈수록 횡단면이 증가하는 원추형으로 형성되어 횡단면 중심점에 제1관통홀(114)이 형성되며, 상기 제1관통홀(114)은 상기 노즐(105)과 직선 상에 위치된다.
따라서 상기 노즐(105)을 통해 방사된 레이저는 상기 제1관통홀(114)을 관통하여 진행되며, 이 과정에서 상기 금속분말공급모듈(110)의 상부 둘레로부터 상기 제1관통홀(114)로 연결된 제1공급라인(112)을 통해 강화용 금속분말을 공급하게 된다. 이에 따라 상기 강화용 금속분말은 상기 레이저와 함께 대상모재(10)의 표면에 공급되어 상기 대상모재(10)의 표면과 함께 용융될 수 있다.
상기 보호가스공급모듈(120)은 상기 노즐(105)을 통해 방사된 레이저가 관통하는 제2관통홀(124)과, 상기 제2관통홀(124) 측으로 보호가스를 공급하는 제2공급라인(122)을 포함한다.
본 실시예의 경우, 상기 보호가스공급모듈(120)은 전술한 금속분말공급모듈(110)과 마찬가지로, 상부로 갈수록 횡단면이 증가하는 원추형으로 형성되어 횡단면 중심점에 제2관통홀(124)이 형성되며, 상기 제2관통홀(124)은 상기 노즐(105)과 직선 상에 위치된다.
따라서 상기 노즐(105)을 통해 방사된 레이저는 상기 제2관통홀(124)을 관통하여 진행되며, 이 과정에서 상기 보호가스공급모듈(120)의 상부 둘레로부터 상기 제2관통홀(124)로 연결된 제2공급라인(122)을 통해 보호가스를 공급하게 된다. 이에 따라 상기 보호가스는 상기 레이저와 함께 대상모재(10)의 표면에 공급될 수 있다.
상기와 같은 과정에 의해 상기 대상모재(10)는 표면처리되어 대상모재(10)의 강화영역에 강화층이 형성된다. 그리고 이후 상기 대상모재(10)의 강화층 상에는 보호층을 더 형성할 수 있다. 상기 보호층은 상기 강화층의 보호를 위한 후처리 공정으로서, 코팅 등을 수행하여 상기 강화층이 노출되는 것을 방지할 수 있다.
한편 도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 DED기법을 이용한 표면처리방법에 있어서, 대상모재와 강화용 금속분말의 조성을 나타낸 도표가 도시된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 적용된 대상모재(10)는 SKD61의 프레스 금형강인 것으로 하였으며, 이 경우 강화용 금속분말은 SKH51(M2)의 고속도공구강을 분말화한 것으로 하였다.
이는 하나의 실시예로서, 상기 강화용 금속분말은 적용되는 대상모재(10)의 종류에 따라 선택될 수 있음은 물론이다.
<물성테스트>
이하에서는 본 발명의 표면처리방법을 수행한 대상모재에 대해 물성 테스트를 시행 결과에 대해 설명하도록 한다. 본 테스트를 위한 대상모재는 각 물성 평가 항목에 따라 서로 다른 테스트 시편이 사용되었다.
구체적으로, 도 6에 도시된 테스트 시편의 경우, 마모테스트 및 경도테스트를 수행하기 위해 제작된 시편의 모습을 나타낸 사진이며, 도 7에 도시된 테스트 시편의 경우, 충격테스트를 수행하기 위해 제작된 시편의 모습을 나타낸 사진이다.
마모테스트의 경우, 시편에 형성된 홈을 마모시험기의 안착부에 장착한 후 1.5Kg의 추를 이용하여 하중을 가하는 방식으로 이루어지며, 마모시험 후 무게감소율을 비교하였다.
그리고 경도테스트의 경우, 경도시험기에 시편을 안착시킨 뒤 경도를 측정하였으며, 그 단위는 HRC표기법으로 표기하였다.
또한 충격테스트의 경우, 노치 가공된 시편의 양끝을 지지한 상태로 시편의 중앙부를 해머로 타격하고, 파단 시 해머의 타격 높이를 이용하여 충격에너지 값을 계산하였다.
그리고 본 테스트에 사용되는 각 시편의 표면처리 공정 조건은 다음의 <표 1>과 같다.
Material SKH51(M2)
Feed (m/min) 1m/min
Laser(W) Pocket power 928
Contour power 878
Powder(g/min) Powder weight 5.8
Gas flow(ℓ/min) Coaxial 6.3
Shield 2
Powder 2.3
이상과 같은 조건으로 각 테스트를 수행한 결과는 다음과 같다.
<마모테스트 결과>
전술한 바와 같이 마모테스트는 시편의 무게감소율로 평가하였으며, 테스트는 총 3회 수행하였다. 그리고 표면처리를 수행하지 않은 시편의 무게감소율은 이하의 <표 2>에 나타난 바와 같으며, 또한 표면처리를 수행한 시편의 무게감소율은 <표 3>에 나타난 바와 같다. 다만, 표면처리를 수행한 시편의 경우, 3번째 시편의 적층 부위가 치우친 것으로 나타나, 해당 시편을 결과에서 제외하였다.
No. Initial weight(g) After experimental
weight(g)		 Weight Loss
(g)		 Weight Loss
Ratio(%)
1 53.3857 53.3819 0.0038 0.007118
2 53.3725 53.3703 0.0022 0.004122
3 53.4485 53.4433 0.0052 0.009729
Avg. 53.40223 53.3985 0.003733 0.006991
No. Initial weight(g) After experimental
weight(g)		 Weight Loss
(g)		 Weight Loss
Ratio(%)
1 55.5797 55.579 0.0007 0.0012594
2 55.4805 55.48 0.0005 0.0009012
3 - - - -
Avg. 55.5301 55.5295 0.0006 0.0010805
<표 2> 및 <표 3>에 나타난 바와 같이. 표면처리를 수행하지 않은 시편의 평균 무게감소량은 0.006991g으로, 표면처리를 수행한 시편의 평균 무게감소량은 0.0010805g인 것으로 나타났다.
이는 표면처리를 수행하지 않은 시편 대비 무게감소율이 약 516%가 향상된 것으로, 현저한 효과가 나타남이 확인된다.
<경도테스트 결과>
경도테스트는 총 10개의 시편을 대상으로 시행하였으며, 그 결과는 <표 4>에 나타난 바와 같다.
표면처리 전 표면처리 후
1 54.5 62.9
2 54.1 62.9
3 54.3 63.0
4 54.4 63.1
5 54.6 62.9
6 54.9 62.9
7 54.5 62.9
8 54.7 63.0
9 54.3 63.0
10 54.5 63.1
Avg. 54.5 63.0
표 4에 나타난 바와 같이, 표면처리를 수행하지 않은 시편의 평균 경도는 54.5로, 표면처리를 수행한 시편의 평균 경도는 63.0인 것으로 나타났다.
이는 표면처리를 수행하지 않은 시편 대비 무게감소율이 약 15.5%가 향상된 것으로, 현저한 효과가 나타남이 확인된다.
<충격테스트 결과>
충격테스트는 시편의 시간에 따른 하중변화량으로 평가하였으며, 테스트는 총 3회 수행하였다. 그리고 표면처리를 수행하지 않은 시편의 하중변화량은 이하의 <표 5>에 나타난 바와 같으며, 또한 표면처리를 수행한 시편의 하중변화량은 <표 6>에 나타난 바와 같다.
No. Velocity Var
(m/s)		 Energy NI
(J)		 Linear Resil NI(J/m) Resil NI
(kJ/m2)		 Peak Energy
(%)
1 0.069 1.866 186.58 23.323 37.287
2 0.095 2.892 289.18 36.147 47.416
3 0.088 2.511 251.14 31.392 39.177
Avg. 0.084 2.423 542.3 30.287 41.293
No. Velocity Var
(m/s)		 Energy NI
(J)		 Linear Resil NI(J/m) Resil NI
(kJ/m2)		 Peak Energy
(%)
1 0.224 8.376 837.6 104.7 78.63
2 0.223 8.259 825.88 103.235 77.718
3 0.224 8.2 820.03 102.504 76.732
Avg. 0.224 8.278 827.837 103.48 77.694
표 5 및 표 6에 나타난 바와 같이, 표면처리를 수행하지 않은 시편의 평균 충격 에너지는 41.293%로, 표면처리를 수행한 시편의 평균 충격 에너지는 77.694%인 것으로 나타났다.
이는 표면처리를 수행하지 않은 시편 대비 충격 에너지가 약 15.5%가 향상된 것으로, 현저한 효과가 나타남이 확인된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
10: 대상모재 100: 표면처리장치
105: 노즐 110: 금속분말공급모듈
112: 제1공급라인 114: 제1관통홀
120: 보호가스공급모듈 122: 제2공급라인
124: 제2관통홀

Claims (6)

  1. 금형강 재질의 대상모재를 준비하는 (a)단계;
    상기 대상모재의 강화영역에, 상기 대상모재의 재질과 상이한 고속도공구강 재질의 강화용 금속분말을 공급하는 (b)단계; 및
    상기 대상모재의 강화영역에 레이저를 조사하여, 상기 강화영역의 표면 및 상기 강화용 금속분말을 용융시켜 상기 대상모재에 강화층을 형성하는 (c)단계;
    를 포함하는 DED(Direct Energy Deposition)기법을 이용한 금속표면처리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b)단계 및 상기 (c)단계는 동시에 이루어지는 것으로 하는 DED(Direct Energy Deposition)기법을 이용한 금속표면처리방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 (b)단계 및 상기 (c)단계는,
    레이저를 방사하는 노즐과, 상기 레이저가 관통하는 제1관통홀 및 상기 제1관통홀 측으로 강화용 금속분말을 공급하는 제1공급라인이 형성되고, 상기 노즐의 하부에 구비된 금속분말공급모듈을 포함하는 표면처리장치에 의해 이루어지는 것으로 하는 DED(Direct Energy Deposition)기법을 이용한 금속표면처리방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (c)단계 이후에는,
    상기 강화층 상에 보호층을 형성하는 (d)단계가 더 수행되는 DED(Direct Energy Deposition)기법을 이용한 금속표면처리방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    상기 레이저 조사와 함께 상기 강화영역에 보호가스를 더 공급하는 것으로 하는 DED(Direct Energy Deposition)기법을 이용한 금속표면처리방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    레이저를 방사하는 노즐과, 상기 레이저가 관통하는 제2관통홀 및 상기 제2관통홀 측으로 보호가스를 공급하는 제2공급라인이 형성되고, 상기 노즐의 하부에 구비된 금속분말공급모듈을 포함하는 표면처리장치에 의해 이루어지는 것으로 하는 DED(Direct Energy Deposition)기법을 이용한 금속표면처리방법.
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