KR101866712B1 - 특수강의 담금질 방법 - Google Patents

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KR101866712B1 KR1020180012717A KR20180012717A KR101866712B1 KR 101866712 B1 KR101866712 B1 KR 101866712B1 KR 1020180012717 A KR1020180012717 A KR 1020180012717A KR 20180012717 A KR20180012717 A KR 20180012717A KR 101866712 B1 KR101866712 B1 KR 101866712B1
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Abstract

본 발명은 소정의 형상으로 가공된 판재형 특수강 금형을 담금질할 때 프레스유압기와 열교환 프레스정반을 이용하여 최소한의 구부러짐으로 담금질이 가능하도록 한 특수강의 담금질 방법에 관한 것으로, 이 방법은 담금질 대상이 되는 편평한 판재(板材)형 특수강이 수용되는 수용공간이 형성되고, 그 수용공간에서 특정 가스 분위기 또는 진공상태로 조성할 수 있으며, 상기 판재형 특수강을 가열하는 가열공정이 수행되는 챔버(chamber)를 구비하는 단계 S11; 상기 챔버의 도어를 열고 상기 챔버 내에 상기 특수강을 로딩하고, 상기 챔버의 도어를 닫고 불활성가스 분위기 또는 진공상태로 조성하는 단계 S12; 조성된 불활성가스 분위기 또는 진공상태에서 상기 챔버 내부의 강재를 650℃의 온도로 예열하는 예열공정을 수행하는 단계 S13; 조성된 불활성가스 분위기 또는 진공상태에서 상기 챔버 내부의 강재를 1020℃ ~ 1050℃의 온도로 가열하는 가열공정을 수행하는 단계 S14; 상기 강재를 700℃까지 3분 이내에 1차적으로 냉각시키는 1차 냉각공정을 수행하는 단계 S15; 상기 강재를 500℃까지 30분 이내에 2차적으로 냉각시키는 2차 냉각공정을 수행하는 단계 S16; 강재가 Ms 포인트에 도달할 때까지 상기 단계 S16의 냉각조건을 유지하도록 하는 Ms 포인트 냉각공정을 수행하는 단계 S17; 강재가 Ms 포인트에 도달하면 미리 준비된 프레스정반으로 이송하는 이송공정을 수행하는 단계 S18; 상기 준비된 프레스정반에 Ms 포인트에 도달한 강재를 가압하여 밀착시키는 밀착공정을 수행하는 단계 S19; 밀착된 강재를 프레스정반에 구비된 열교환냉각장치에 의해서 강재를 Mf 포인트까지 냉각시키는 Mf 포인트 냉각공정을 수행하는 단계 S20을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

특수강의 담금질 방법{the method for quenching alloy steel}
본 발명은 특수강의 담금질방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 소정의 형상으로 가공된 판재형 특수강 금형을 담금질할 때 프레스유압기와 열교환프레스정반을 이용하여 최소한의 구부러짐으로 담금질이 가능하도록 한 특수강의 담금질 방법에 관한 것이다.
공개번호 10-2017-0124963호(고내식 주물용 알루미늄 합금)에 따르면, "주물용 알루미늄 합금에 실리콘(Si), 마그네슘(Mg) 및 희토류 원소 등을 첨가함으로써 내식성과 유동성을 향상시킨 주물용 알루미늄 합금 및 그 합금의 제조방법에 관한 것이다. 특히 주물용 알루미늄 AC7A, AC7B, ALDC5, ALDC6, ALDC10 및 ALDC12 계열의 합금에 대한 개량 알루미늄 합금에 관한 것이다. 그의 구성은; 0.61~12.0중량%의 마그네슘(Mg); 1.0~12.0중량%의 실리콘(Si);을 포함하는 것을 특징으로 한다."라고 개시된 바가 있다.
등록번호 10-1711889호(내마모성이 우수한 냉간 가공용 합금 공구강)에 따르면, "내마모성이 우수한 냉간 가공용 합금 공구강이 제공된다. 본 발명은, 중량%로, C: 0.8 초과 ~ 1.0%, Si: 0.15 ~ 0.25%, Al: 0.15 ~ 0.25%, Mn: 0 초과 0.5% 이하, Cr: 4.5 ~ 5.5%, Mo: 2.45 ~ 2.65%, W: 0.15 ~ 0.25%, V: 0 초과 0.4% 미만, Nb: 0.5 초과 1.50% 이하, Ni: 0 초과 0.3% 이하, Cu: 0.02 초과 1.3% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 그 기지조직의 내부에는, 직경 0.1㎛를 초과하는 불용해 탄화물이 있으며, 상기 불용해 탄화물은 그 탄화물을 구성하는 금속원자 중 [수학식 1]에 의해 정의되는 Nb 원자비가 35% 이상인 반면, [수학식 2]에 의해 정의되는 V 원자비가 30% 미만인, Nb를 주성분으로 하는 MC 불용해 탄화물을 포함하며, 그리고 [수학식 3]에 의해 정의되는 상기 MC 불용해 탄화물의 전체 불용해 탄화물 중 개수비(number fraction)가 5% 이상인 내마모성이 우수한 냉간 가공용 합금 공구강에 관한 것이다."라고 개시된 바가 있다.
문헌 1 : 공개번호 10-2017-0124963호(고내식 주물용 알루미늄 합금) 문헌 2 : 등록번호 10-1711889호(내마모성이 우수한 냉간 가공용 합금 공구강)
그러나, 종래의 판재형 특수강은 재료의 압연방향과 가공형상에 따라 재료 자체에 응력이 형성되어 있기 때문에 담금질 가열시 이 응력이 재료에 구부러짐 형태로 발생하게 되는 문제점이 있었다.
또한, 790℃를 초과하는 온도에서 상기 판재형 특수강의 조직이 변하면서 조직 변태 응력이 추가되고, 판재형 특수강의 담금질에서 구부러지는 변형은 불가피하게 발생되었다.
더욱이, 냉각 가공시 금형의 모양, 크기, 냉각 조건에 따라서 금형의 모양이 변형되는데 본 발명의 발명자는 이것을 정반을 사용하여 상하부에 밀착하여 냉각시키는 방식으로 담금질하였다.
그런데, 금형마다 크기가 모두 다르고, 크기에 따라서 냉각속도도 차이가 있기 때문에 구부러지는 것을 방지하지 못하고, 이후 공정인 뜨임에서 지그 교정을 통하여 구부러짐을 완화시킬 수 있다는 점을 발견하였다.
여기서, 작업자는 1000℃의 온도에 노출되어 작업을 하므로 열기의 위험성과 그로 인한 핸들링의 어려움까지 겹쳐 심하면 금형제품의 파손까지 야기할 수 있다.
담금질 후에 구부러짐이 발생하면 이후 뜨임과정에서 강제교정을 하여야 하고 이것 역시 작업자의 기술 숙련도에 따라서 변형이 완전히 돌아올지 여부를 확신할 수 없기 때문에 여러번의 작업을 거쳐야 하므로 생산효율이 매우 떨어질 수 밖에 없었다.
따라서, 본 발명의 목적은 소정의 형상으로 가공된 판재형 특수강 금형을 담금질할 때 프레스유압기와 열교환 프레스 정반을 이용하여 최소한의 구부러짐으로 담금질이 가능하도록 한 특수강의 담금질 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 담금질 대상이 되는 편평한 판재(板材)형 특수강이 수용되는 수용공간이 형성되고, 그 수용공간에서 특정 가스 분위기 또는 진공상태로 조성할 수 있으며, 상기 판재형 특수강을 가열하는 가열공정이 수행되는 챔버(chamber)를 구비하는 단계 S11; 상기 챔버의 도어를 열고 상기 챔버 내에 상기 특수강을 로딩하고, 상기 챔버의 도어를 닫고 불활성가스 분위기 또는 진공상태로 조성하는 단계 S12; 조성된 불활성가스 분위기 또는 진공상태에서 상기 챔버 내부의 강재를 650℃의 온도로 예열하는 예열공정을 수행하는 단계 S13; 조성된 불활성가스 분위기 또는 진공상태에서 상기 챔버 내부의 강재를 1020 ℃ ~ 1050 ℃의 온도로 가열하는 가열공정을 수행하는 단계 S14; 상기 강재를 700℃까지 3분 이내에 1차적으로 냉각시키는 1차냉각공정을 수행하는 단계 S15; 상기 강재를 500℃까지 30분 이내에 2차적으로 냉각시키는 2차냉각공정을 수행하는 단계 S16; 강재가 Ms 포인트에 도달할 때까지 상기 단계 S16의 냉각조건을 유지하도록 하는 Ms 포인트 냉각공정을 수행하는 단계 S17; 강재가 Ms 포인트에 도달하면 미리 준비된 프레스정반으로 이송하는 이송공정을 수행하는 단계 S18; 상기 준비된 프레스정반에 Ms 포인트에 도달한 강재를 가압하여 밀착시키는 밀착공정을 수행하는 단계 S19; 밀착된 강재를 프레스정반에 구비된 열교환냉각장치에 의해서 강재를 Mf 포인트까지 냉각시키는 Mf 포인트 냉각공정을 수행하는 단계 S20을 포함하는 것이다.
실시예에 있어서, 상기 단계 S13의 공정은 강재의 고른 열전도를 위한 것이고, 이 온도에서 최대 두께 25㎜당 약 1시간 동안 유지하고, 상기 단계 S14의 공정은 최대 두께 25㎜당 1시간 30분 동안 유지하는 것이다.
실시예에 있어서, 상기 단계 S15의 냉각방식은 공냉식으로 진행되는데, 강재의 두께가 100㎜ 이상으로 두꺼울 때에는 송풍기에 의한 강제송풍냉각 혹은 압력을 증가시켜 냉각속도를 높이고, 상기 단계 S16의 냉각방식도 공냉식으로 진행되는데, 강재의 두께가 100㎜ 이상으로 두꺼울 때에는 송풍기에 의한 강제송풍냉각 혹은 압력을 증가시켜 냉각속도를 높이는 것이다.
본 발명의 바람직한 효과에 따르면, 판재형 특수강의 담금질시 열처리조건을 특정함으로 500 x 500mm 이상의 대형 프레스금형의 열처리 공정을 개선할 수 있고, 이를 적용시킨 본 발명의 열처리 장치를 이용하여 구부러짐 변형을 최소화하여 이후 뜨임 작업에서 교정이 간소화될 뿐만 아니라 교정용지그가 빠짐으로 열처리 열량 또한 줄어 들기 때문에 제조비용을 절감할 수 있고, 판재형 특수강의 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 특수강의 담금질 방법을 나타낸 흐름도.
도 2는 STD11의 항온변태곡선을 나타낸 그래프.
도 3은 STD61의 항온변태곡선을 나타낸 그래프.
도 4는 STS420의 항온변태곡선을 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 특수강의 담금질 방법을 나타낸 흐름도로서, 본 발명에 따른 담금질방법을 순차적으로 살펴보도록 한다.
단계 S11에서, 담금질 대상이 되는 편평한 판재(板材)형 특수강이 수용되는 수용공간이 형성되고, 그 수용공간에서 특정 가스 분위기 또는 진공상태로 조성할 수 있으며, 상기 판재형 특수강을 가열하는 가열공정이 수행되는 챔버(chamber)를 구비한다.
단계 S12에서, 상기 챔버의 도어를 열고 상기 챔버 내에 상기 특수강을 로딩하고, 상기 챔버의 도어를 닫고 불활성가스 분위기 또는 진공상태로 조성한다. 참고로, 실제로는 완전한 진공을 만들기가 매우 어렵기 때문에 1/1000 ㎜Hg 정도 이하의 저압을 진공이라고 정의하고, 이 명세서에서도 이와 같이 기재하도록 한다.
이 공정은 강재의 가열작업에서 스케일 생성에 의해 탈탄을 수반하기 쉽기 때문에 강재 표면에서 탈탄(decarbonization, 脫炭)을 방지하기 위한 것이고, 불활성가스는 다른 원소와 전혀 반응하지 않는 안정된 기체로서 아르곤, 네온, 헬륨, 질소 등이 있지만, 질소가 가장 바람직하다.
단계 S13에서, 조성된 불활성가스 분위기 또는 진공상태에서 상기 챔버 내부의 강재를 650℃의 온도로 예열하는 예열공정을 수행한다. 이 공정은 강재의 고른 열전도를 위한 것이고, 이 온도에서 최대 두께 25㎜당 약 1시간동안 유지하도록 하는데, 예컨대, 강재두께가 50㎜라면 예열공정을 2 시간동안 유지한다.
단계 S14에서, 조성된 불활성가스 분위기 또는 진공상태에서 상기 챔버 내부의 강재를 1020 ℃ ~ 1050 ℃의 온도로 가열하는 가열공정을 수행한다. 이 공정은 최대 두께 25㎜당 1시간 30분 동안 유지하도록 하는데, 예컨대 강재두께가 50㎜라면 3시간 동안 유지한다.
단계 S15에서, 상기 강재를 700℃까지 3분 이내에 1차적으로 냉각시키는 1차냉각공정을 수행한다. 이 공정의 냉각방식은 공냉식으로 진행되는데, 강재의 두께가 100㎜ 이상으로 두꺼울 때에는 송풍기에 의한 강제 송풍냉각 혹은 압력을 증가시켜 냉각속도를 높일 필요가 있다.
단계 S16에서, 상기 강재를 500℃까지 30분 이내에 2차적으로 냉각시키는 2차냉각공정을 수행한다. 이 공정의 냉각방식도 공냉식으로 진행되는데, 강재의 두께가 100㎜ 이상으로 두꺼울 때에는 송풍기에 의한 강제송풍냉각 혹은 압력을 증가시켜 냉각속도를 높일 필요가 있다. 예컨대, 챔버 내부의 압력을 2 내지 5 기압(㎏/㎤)으로 증가시켜 냉각속도를 높일 수 있다.
단계 S17에서, 강재가 Ms 포인트에 도달할 때까지 상기 단계 S16의 냉각조건을 유지하도록 하는 Ms 포인트 냉각공정을 수행한다. 이때, Ms 포인트는 마르텐사이트(martensite)의 변태가 시작되는 온도를 의미하고, 이는 강재의 종류 예컨대, STD11, STD61, STS420에 따라서 차이가 있다.
STD11의 항온변태곡선을 나타낸 그래프는 도 2와 같고, STD61의 항온변태곡선을 나타낸 그래프는 도 3과 같으며, STS420의 항온변태곡선을 나타낸 그래프는 도 4와 같다.
참고로, 마르텐사이트(martensite)는 담금질한 강철에서 볼 수 있는 조직의 하나. 즉 금속 결정 안의 원자가, 확산에 의하지 않고 집단적인 근소한 이동에 의하여 변태(變態)되어 생기는 조직을 말한다.
단계 S18에서, 강재가 Ms 포인트에 도달하면 미리 준비된 프레스정반으로 이송하는 이송공정을 수행한다.
단계 S19에서, 상기 준비된 프레스정반에 Ms 포인트에 도달한 강재를 가압하여 밀착시키는 밀착공정을 수행한다.
단계 S20에서, 밀착된 강재를 프레스정반에 구비된 열교환냉각장치에 의해서 강재를 Mf 포인트까지 냉각시키는 Mf 포인트 냉각공정을 수행한다. 이 공정에서 열교환냉각장치에 의해서 냉각온도차로 인한 강재의 변형량을 현저히 줄여주기 때문에 상대적으로 양질의 열처리가 이루어진 제품을 얻을 수 있다.
본 발명의 발명자가 실험한 바에 따르면, 담금질에서 상술한 프레스공정은 매우 유의할 만한 결과를 나타내는데, 이를 특수강의 종류별로 살펴본다.
프레스 전 제품온도(℃) 프레스 전 변형량(㎜) 프레스냉각후 변형량(㎜)
600


2㎜/1000㎜


0.10 ㎜/1000㎜
500 0.10 ㎜/1000㎜
400 0.10 ㎜/1000㎜
300 0.10 ㎜/1000㎜
200 0.10 ㎜/1000㎜
100 0.20 ㎜/1000㎜
50 1.50 ㎜/1000㎜
표 1은 특수강이 STD11인 경우에 프레스 전후의 냉각온도에 따른 변형량을 나타내는데, 프레스 전 변형량에 비해서 프레스 냉각 후 변형량이 획기적으로 줄어든다는 점이 확인된다.
프레스 전 제품온도(℃) 프레스 전 변형량(㎜) 프레스 냉각후 변형량(㎜)
600


2㎜/1000㎜

0.10㎜/1000㎜
500 0.10㎜/1000㎜
400 0.30㎜/1000㎜
300 1.00㎜/1000㎜
200 2.00㎜/1000㎜
100 2.00㎜/1000㎜
표 2는 특수강이 STD61인 경우에 프레스 전후의 냉각온도에 따른 변형량을 나타내는데, 제품의 모든 온도범위에서 프레스 전 변형량에 비해서 프레스 냉각 후 변형량이 획기적으로 줄어든다는 점이 확인된다.
프레스전 제품온도(℃) 프레스전 변형량(㎜) 프레스냉각후 변형량(㎜)
600


2㎜/1000㎜

0.10㎜/1000㎜
500 0.10㎜/1000㎜
400 0.10㎜/1000㎜
300 0.30㎜/1000㎜
200 1.00㎜/1000㎜
100 2.00㎜/1000㎜
표 3은 특수강이 STS420인 경우에 프레스 전후의 냉각온도에 따른 변형량을 나타내는데, 제품의 모든 온도범위에서 프레스 전 변형량에 비해서 프레스 냉각 후 변형량이 획기적으로 줄어든다는 점이 확인된다.
S11 ; 담금질 챔버를 구비하는 단계
S12 ; 불활성가스 분위기 또는 진공상태를 조성하는 단계
S13 ; 예열하는 공정
S14 ; 가열하는 공정
S15 ; 1차로 냉각시키는 공정
S16 ; 2차로 냉각시키는 공정
S17 ; Ms 포인트까지 냉각시키는 공정
S18 ; 프레스정반으로 이송시키는 공정
S19 ; 정반에 금형을 가압하여 밀착시키는 공정
S20 ; Mf 포인트까지 냉각시키는 공정

Claims (3)

  1. 담금질 대상이 되는 편평한 판재(板材)형 특수강이 수용되는 수용공간이 형성되고, 그 수용공간에서 특정 가스 분위기 또는 진공상태로 조성할 수 있으며, 상기 판재형 특수강을 가열하는 가열공정이 수행되는 챔버(chamber)를 구비하는 단계 S11;
    상기 챔버의 도어를 열고 상기 챔버 내에 상기 특수강을 로딩하고, 상기 챔버의 도어를 닫고 불활성가스 분위기 또는 진공상태로 조성하는 단계 S12;
    조성된 불활성가스 분위기 또는 진공상태에서 상기 챔버 내부의 강재를 650℃의 온도로 예열하는 예열공정을 수행하는 단계 S13;
    조성된 불활성가스 분위기 또는 진공상태에서 상기 챔버 내부의 강재를 1020 ℃ ~ 1050 ℃의 온도로 가열하는 가열공정을 수행하는 단계 S14;
    상기 강재를 700℃까지 3분 이내에 1차적으로 냉각시키는 1차냉각공정을 수행하는 단계 S15;
    상기 강재를 500℃까지 30분 이내에 2차적으로 냉각시키는 2차냉각공정을 수행하는 단계 S16;
    강재가 Ms 포인트에 도달할 때까지 상기 단계 S16의 냉각조건을 유지하도록 하는 Ms 포인트 냉각공정을 수행하는 단계 S17;
    강재가 Ms 포인트에 도달하면 미리 준비된 프레스정반으로 이송하는 이송공정을 수행하는 단계 S18;
    상기 준비된 프레스정반에 Ms 포인트에 도달한 강재를 가압하여 밀착시키는 밀착공정을 수행하는 단계 S19;
    밀착된 강재를 프레스정반에 구비된 열교환냉각장치에 의해서 강재를 Mf 포인트까지 냉각시키는 Mf 포인트 냉각공정을 수행하는 단계 S20을 포함하는 특수강의 담금질 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 S13의 공정은 강재의 고른 열전도를 위한 것이고, 이 온도에서 최대 두께 25㎜당 약 1시간 동안 유지하고, 상기 단계 S14의 공정은 최대 두께 25㎜당 1시간 30분 동안 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 특수강의 담금질 방법.
  3. 청구항 1과 청구항 2중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 S15의 냉각방식은 공냉식으로 진행되는데, 강재의 두께가 100㎜ 이상으로 두꺼울 때에는 송풍기에 의한 강제송풍냉각 혹은 압력을 증가시켜 냉각속도를 높이고, 상기 단계 S16의 냉각방식도 공냉식으로 진행되는데, 강재의 두께가 100㎜ 이상으로 두꺼울 때에는 송풍기에 의한 강제송풍냉각 혹은 압력을 증가시켜 냉각속도를 높이는 것을 특징으로 하는 특수강의 담금질 방법.
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