KR102366504B1 - 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 및 그 제조방법 - Google Patents

냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 금속 3D 프린팅 방식으로 합금분말을 2차원 단면의 높이 방향으로 적층하면서 내부에 냉각채널이 형성되게 3D 프린팅하는 프린팅성형단계(S10): 3D 프린팅 성형된 성형물을 열처리하는 열처리단계(S20); 를 포함하여 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법을 구성하고, 그 제조방법에 의해 제조되는 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치를 제공하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 열간금형용 피어싱 펀치를 금속 3D 프린팅 방식으로 제조하여 내부에 냉각채널을 형성함으로써, 펀치의 효율적인 냉각을 통해 펀치의 열변형을 방지하여 피어싱 펀치의 내구성을 향상시킴과 동시에 제품의 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 및 그 제조방법{Piercing punch for hot molds with cooling channels and their manufacturing methods}
본 발명은 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열간금형용 피어싱 펀치를 금속 3D 프린팅 방식으로 제조하여 내부에 냉각채널을 형성함으로써, 피어싱 펀치의 효율적인 냉각을 통해 피어싱 펀치의 열변형을 방지하여 피어싱 펀치의 내구성을 향상시킴과 동시에 제품의 생산성을 향상시킬 수 있게 한 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
프레스 성형에 의한 제품의 생산은 자동차 산업 분야에서 차체의 제조를 비롯하여 다양한 산업분야에서 활용되고 있는데, 최근 차체의 경량화 및 충돌 안전성을 개선하기 위해 초고강도 강의 적용이 확대됨에 따라 제품의 성형성을 증대시키고, 제품 소재의 강도 특성을 증대시키는 것을 목적으로 하는 열간 프레스 성형 기술의 수요가 크게 증가하고 있다.
열간 프레스 성형은 열처리성을 증대시키기 위하여 붕소나 망간 등을 첨가한 강 소재의 판재를 오븐이나 가열로에 장입한 후 변태점 이상의 온도로 가열하여 강 소재의 판재가 완전 오스테나이트화되도록 한 다음, 판재를 곧바로 프레스의 금형으로 이송시켜 스탬핑에 의해 성형되도록 하는 동시에 닫힌 금형 내부에 판재가 정해진 압력을 받으며 위치된 상태에서 냉각시스템을 이용하여 급랭시켜 고강도의 마르텐사이트로 변태시키는 공법이다.
열간 프레스 성형에 의해 제조되는 성형물은 마르텐사이트 조직을 가짐에 따라 1500MPa 이상의 높은 인장강도를 가지게 되고, 고온 조건에서 성형됨에 따라 높은 연신율을 가지게 되며, 닫힌 금형의 내부에 판재가 구속된 상태에서 성형과 동시에 냉각이 이루어짐에 따라 스프링백 현상이 방지되는 한편 치수정밀도가 향상되는 효과를 가지게 되어 높은 성형성을 가지게 되는 것이다.
한편 열간 프레스 성형을 통해 제품을 제조하는 과정에서 제품을 트리밍하거나 피어싱하기 위해서 열간금형에는 트리밍 및 피어싱 펀치가 사용된다.
그런데, 열간 프레스 성형에 사용되는 열간금형은 오스테나이트화 온도로 가열된 강소재의 판재와 접촉하게 됨에 따라 프레스의 스탬핑 과정에서 시간의 경과에 따라 금형의 온도가 높아지게 되는데, 금형의 온도가 높아져 고온 상태가 지속되면, 피어싱 펀치에 열변형이 발생하고, 그로 인해 피어싱의 치수 불량이 발생하는 단점이 있다.
이와 같이 피어싱 치수 불량이 발생하면, 피어싱 펀치를 교체하게 되는데, 이를 위해서는 생산 설비의 정지가 불가피하고, 그로 인해 생산성이 저하되는 단점도 있다.
공개특허공보 제10-2004-0108205호
상술한 바와 같은 종래의 단점을 해결하기 위하여 본 발명은 열간금형용 피어싱 펀치를 금속 3D 프린팅 방식으로 제조하여 내부에 냉각채널을 형성하여 냉각유체에 의한 냉각이 이루어질 수 있게 한 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 금속 3D 프린팅 방식을 이용해 냉각채널에 나선형 냉각유로가 형성되게 한 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 금속 3D 프린팅 방식을 이용해 냉각채널이 형성된 심부는 높은 경도와 내구성을 가지게 하고, 심부를 감싸는 외피부는 높은 내마모성과 인성 및 열처리가 용이한 특성을 가지게 한 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적의 달성을 위하여 본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법은,
금속 3D 프린팅 방식으로 합금분말을 2차원 단면의 높이 방향으로 적층하면서 내부에 냉각채널이 형성 되게 3D 프린팅하는 프린팅성형단계(S10):
상기 3D 프린팅 성형된 성형물을 열처리하는 열처리단계(S20); 를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 합금분말은, 탄소분말 1.0 내지 2.2 중량%; 규소분말 0.1 내지 1.0 중량%; 망간분말 0.2 내지 0.6 중량%; 크롬분말 8.0 내지 13.0 중량%; 몰리브덴분말 1.0 내지 3.0 중량%; 바나듐분말 0.1 내지 1.0 중량%; 탈산제용 원소 0.05 내지 0.1 중량%; 잔량은 철분말; 을 혼합하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 탈산제용 원소는, 알루미늄분말, 티타늄분말, 붕소분말 중에서 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 냉각채널은 성형물의 일면 일측에 입구포트(101)가 형성되고, 일면 타측에 출구포트(102)가 형성되며, 입구포트(101)와 출구포트(102)가 이어지게 냉각유로(103)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 냉각유로(103)는 입구포트(101)와 출구포트(102)가 이어지게 성형물의 심부에 이중 나선형 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 냉각유로(103)는 입구포트(101)와 이어지게 성형물의 중심부에 직선유로(103a)가 형성되고, 직선유로(103a)의 일단부와 출구포트(102)가 이어지게 나선유로(103b)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 열처리단계(S20)는, 1,000 내지 1,100℃의 온도에서 60 내지 90분 동안 진공열처리하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 프린팅성형단계(S10)는,
제1합금분말을 이용해 심부를 적층하면서 내부에 냉각채널이 형성되게 하는 심부성형단계(S101);
제2합금분말을 이용해 심부의 외부를 감싸는 외피부를 적층하면서 심부와 일체로 형성되게 하는 외피부성형단계(S102); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 제1합금분말은,
텅스텐 카바이드 분말 80 내지 90 중량%;
코발트 분말 10 내지 20 중량%; 를 혼합하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 텅스텐 카바이드 분말은 입자의 크기가 1 내지 20㎛인 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 코발트 분말은 입자의 크기가 1 내지 30㎛인 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 제2합금분말은,
탄소분말 1.0 내지 2.2 중량%;
규소분말 0.1 내지 1.0 중량%;
망간분말 0.2 내지 0.6 중량%;
크롬분말 8.0 내지 13.0 중량%;
몰리브덴분말 1.0 내지 3.0 중량%;
바나듐분말 0.1 내지 1.0 중량%;
탈산제용 원소 0.05 내지 0.1 중량%;
잔량은 철분말; 을 혼합하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법은, 템퍼링단계(S30); 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 템퍼링단계(S30)는, 500 내지 550℃의 온도에서 90 내지 120분 동안 이루어지는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법은 코팅단계(S40); 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 코팅단계(S40)는, 열처리 후, 350 내지 450℃의 온도에서 레이저빔으로 TiCN 코팅층을 증착 형성하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 TiCN 코팅층의 두께는 4 내지 8㎛인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치는 이상의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법 중 어느 하나의 방법으로 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 금속 3D 프린팅 방식으로 피어싱 펀치 내부에 냉각유체가 소통하는 냉각채널을 형성하여 열간금형용 피어싱 펀치가 냉각유체에 의해 냉각이 이루어짐으로써 피어싱 펀치의 열변형이 방지되어 피어싱 펀치의 내구성이 향상되고 사용 수명이 연장되는 효과가 있다.
또한, 금속 3D 프린팅 방식으로 피어싱 펀치의 내부에 형성되는 냉각채널에 나선형 냉각유로를 형성함으로써 냉각유체의 효율적인 흐름을 통해 냉각효율을 향상시킬 수 있으며, 그로 인해 사이클 타임 저감 및 냉각 속도 차이에 따른 열변형을 억제하여 피어싱 불량을 최소화하고 생산성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 금속 3D 프린팅 기술을 이용하여 피어싱 펀치의 내부에 좀 더 최적화된 자유로운 냉각채널의 구현도 가능케 됨으로써 피어싱 펀치의 규격(크기)에 따라 냉각채널을 피어싱 펀치의 외표면과 근접하게 형성하여 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있는 이점도 있다.
또한, 금속 3D 프린팅 기술을 이용하여 냉각채널이 형성된 심부는 높은 경도와 내구성을 가지게 하고, 심부를 감싸는 외피부는 높은 내마모성과 인성 및 열처리가 용이한 특성을 가지게 함으로써 피어싱 펀치가 필요로 하는 경도와 내마모성 및 인성이 모두 향상됨으로써 피어싱 펀치의 내구성 및 사용 수명이 대폭 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법의 제1 실시 예에 따른 제조 공정을 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법의 제1 실시 예에 따라 제조된 피어싱 펀치의 예시도.
도 3은 본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법의 제2 실시 예에 따른 제조 공정을 나타낸 블록도.
도 4는 본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법의 제2 실시 예에 따라 제조된 피어싱 펀치의 단면도.
도 5는 본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법의 제3 실시 예에 따른 제조 공정을 나타낸 블록도.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명에 관한 설명은 구조적이나 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명에 관한 설명에서 사용되는 모든 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
또한, "제1", "제2" 등의 용어는 서로 다른 구성 요소임을 구분하기 위해서 지칭할 것일 뿐, 제조된 순서에 구애받지 않는 것이며, 이들 용어에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법의 제1 실시 예에 따른 제조 공정을 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법의 제1 실시 예에 따라 제조된 피어싱 펀치의 예시도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하여 설명한다.
본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법은, 열간금형용 피어싱 펀치를 금속 3D 프린팅 방식으로 제조하여 내부에 냉각채널이 형성되도록 프린팅성형단계(S10), 열처리단계(S20)를 포함한다.
상기 프린팅성형단계(S10)는, 금속 3D 프린팅 방식으로 합금분말을 2차원 단면의 높이 방향으로 적층하면서 내부에 냉각채널이 형성되게 한다.
상기 금속 3D 프린팅 방식은 레이저 또는 전자빔을 파우더 베드의 에너지 열원으로 사용하는 파우더 베드 시스템, 원료 분말을 직접 공급하면서 레이저를 이용하여 용융/증착하는 파우더 공급 시스템, 선재를 공급하면서 에너지원을 사용하는 와이어 공급 시스템, 집속된 에너지 빔으로 용융 풀을 만들고 여기에 파우더나 선재를 공급하여 적층하는 다이렉트 에너지 디포지션(DED: Directed Energy Deposition) 방식 중 어느 한 가지 방식을 사용할 수 있으나, 첨가제와 재료 사이의 계면층에서 완전한 융합이 이루어짐으로써 생산성이 우수하고, 치밀한 구조를 가짐으로써 피어싱 펀치 제작에 적합한 다이렉트 에너지 디포지션 방식을 사용하는 것이 바람직하다.
다이렉트 에너지 디포지션 방식은 고출력 레이저 빔을 금속 표면에 조사하여 순간적으로 용융지가 생성되는 동시에 금속분말도 공급되어 실시간으로 적층하는 방식으로서, 기존 제품에 덧붙여 적층시켜 나갈 수 있을 뿐만 아니라, 여러 가지 분말을 동시에 활용하여 실시간으로 합금을 제작하거나 다른 재질을 사용할 수 있으며, 생산성이 비교적 높고 반복 재현성이 우수하며 강도와 충격치가 높은 장점이 있다.
일 실시 예에서, 상기 합금분말은, 탄소분말 1.0 내지 2.2 중량%; 규소분말 0.1 내지 1.0 중량%; 망간분말 0.2 내지 0.6 중량%; 크롬분말 8.0 내지 13.0 중량%; 몰리브덴분말 1.0 내지 3.0 중량%; 바나듐분말 0.1 내지 1.0 중량%; 탈산제용 원소 0.05 내지 0.1 중량%; 잔량은 철분말; 을 혼합하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄소분말은 1.0 내지 2.2 중량%를 첨가하는데, 크롬분말, 몰리브덴분말, 바나듐분말과 결합하여 1차 탄화물을 형성함으로써 내마모성을 증가시키고, 마르텐사이트의 경도를 증가시켜 템퍼링 열처리 시 탄화물을 형성하여 2차 경화에 기여한다.
1.0 중량% 미만에서는 내마모성이 저하됨과 동시에 진공열처리 및 템퍼링 후 경도가 감소되고, 2.2 중량%를 초과하면 1차 탄화물이 과도하게 증가되어 인성 및 가공성이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 규소분말은 0.1 내지 1.0 중량%를 첨가하는데, 템퍼링 시 경도를 증가시키면서 인성을 향상시킨다.
0.1 중량% 미만에서는 효과가 별로 나타나지 않으며, 1.0 중량% 초과하여 첨가하면 열간 가공성과 인성이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 망간분말은 0.2 내지 0.6 중량%를 첨가하는데, 탈산 및 탈황제로써 강의 청정성을 향상시키고, 진공열처리 경화능을 증가시킨다.
0.2 중량% 미만으로 첨가하면 상기 효과가 불충분하며, 0.6 중량%를 초과하여 첨가하면 가공성이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 크롬분말은 8.0 내지 13.0 중량%를 첨가하는데, 진공열처리 시 기지 중에 고용되어 진공열처리 경화능을 증대시킴과 동시에 탄화물을 형성시켜 내마모성을 향상시킨다.
8.0 중량% 미만에서는 상기 효과가 작고, 13.0 중량%를 초과하면 인성 및 가공성이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 몰리브덴분말은 1.0 내지 3.0 중량%를 첨가하는데, 진공열처리 시 기지 중에 고용되어 진공열처리 경화능을 증가시키고 템퍼링 열처리에 의한 연화를 감소시키며 탄화물을 형성시킴으로써 내마모성을 향상시킨다.
1.0 중량% 미만에서는 상기 효과가 작고, 3.0 중량%를 초과하면 망상 편석을 조장해서 3D 프린팅 시 1차 탄화물의 분산효과가 감소되어 인성 및 가공성이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 바나듐분말은 0.1 내지 1.0 중량%로 첨가하는데, 3D 프린팅 시 탄화물을 형성하여 내마모성을 증가시키고, 진공열처리 시 기지에 고용해서 템퍼링 시 미세한 탄화물을 석출시킴으로써 고온에서의 연화저항성을 증가시킨다.
0.1 중량% 미만으로 첨가되면 오스테나이트의 조대화를 방지하는 효과 및 탄화물 형성량이 적어지고, 1.0 중량% 보다 많이 첨가되면 거대 탄질화물을 형성시키거나 기지 중의 탄소량이 감소되면서 목표 경도에 미달하게 되므로 바람직하지 못하다.
상기 탈산제용 원소는, 알루미늄분말, 티타늄분말, 붕소분말 중에서 1종 또는 2종 이상을 0.05 내지 0.1 중량% 첨가한다.
탈산제용 원소가 0.1 중량% 보다 많이 첨가되면, 진공 열처리 시 바나듐 탄질화물 석출을 억제해서 탄화물이 미세하게 석출되는 것을 방해함으로써 강도 및 비틀림 파단 내구성을 저하시키기 때문에 바람직하지 못하다.
이상과 같이 구성된 합금분말은 금속 3D 프린팅 시 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하고, 탄화물을 균일하게 분산시킬 수 있으며, 높은 경도, 인성 및 내마모성을 충분히 확보함과 동시에 진공열처리 및 템퍼링 열처리에 의해 발생되는 치수 변화를 현저히 감소시킴으로써 피어싱 펀치의 치수정밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 냉각채널은 금속 3D 프린팅 방식으로 성형된 성형물의 심부에 형성되되, 성형물의 일면 일측에 입구포트(101)가 형성되고, 일면 타측에 출구포트(102)가 형성되며, 입구포트(101)와 출구포트(102)가 이어지게 냉각유로(103)가 형성된다.
일 실시 예에서, 상기 냉각유로(103)는 입구포트(101)와 출구포트(102)가 이어지게 성형물의 심부에 이중 나선형 구조로 형성될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 냉각유로(103)는 입구포트(101)와 이어지게 성형물의 중심부에 직선유로(103a)가 형성되고, 직선유로(103a)의 일단부와 출구포트(102)가 이어지게 나선유로(103b)가 형성될 수 있다.
이상과 같이 형성된 냉각채널은 냉각시스템(미도시)과 연결되어 냉각시스템을 통해 냉각유체가 공급됨으로써 피어싱 펀치의 냉각이 이루어지게 된다.
상기 냉각시스템은 냉각채널과 공급라인을 통해 연결되는 냉각유체공급부; 냉각유체공급부로부터 냉각채널로 공급되는 냉각유체의 유량 또는 공급 시간을 제어하는 제어부; 냉각채널로부터 냉각유체를 회수하는 냉각유체회수부; 를 포함하여 구성되며, 이러한 냉각시스템은 본 발명의 기술분야에서 주지된 바 각 구성부에 대한 구체적인 설명이나 도면의 도시는 생략한다.
상기 열처리단계(S20)는, 금속 3D 프린팅 방식으로 합금분말을 2차원 단면의 높이 방향으로 적층하면서 내부에 냉각채널이 형성되게 성형된 성형물을 진공열처리한다.
즉, 성형된 성형물을 진공열처리로 내부에 투입하여 1,000 내지 1,100℃의 온도에서 60 내지 90분 동안 진공열처리 함으로써 성형물의 표면뿐만 아니라 심부까지 경화되면서 성형물의 강도와 내구성이 강화된다.
도 3은 본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법의 제2 실시 예에 따른 제조 공정을 나타낸 블록도이고, 도 4는 본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법의 제2 실시 예에 따라 제조된 피어싱 펀치의 단면도이다.
도 3 내지 도 4를 참조하여 설명하되, 전술일 실시 예와 중복되는 구성 및 동일부호를 갖는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
일 실시 예에서, 상기 프린팅성형단계(S10)는 심부성형단계(S101), 외피부성형단계(S102)를 포함할 수 있다.
상기 심부성형단계(S101)는, 제1합금분말을 이용해 심부를 적층하면서 내부에 냉각채널이 형성되게 한다.
일 실시 예에서, 상기 제1합금분말은 텅스텐 카바이드 분말과 코발트 분말을 혼합한다.
일 실시 예에서, 상기 텅스텐 카바이드 분말은 80 내지 90 중량%, 코발트 분말은 10 내지 20 중량%를 포함한다.
일 실시 예에서, 상기 텅스텐 카바이드 분말은 입자의 크기가 1 내지 20㎛인 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에서, 상기 코발트 분말은 입자의 크기가 1 내지 30㎛인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 제1합금분말은, 혼합 및 재분쇄되도록 알코올을 기반으로 볼밀 처리하는 것이 바람직하다.
즉, 제1합금분말을 강화 스테인리스 용기 내에 투입하고, 상기 제1합금분말과 1:10의 중량비로 초경볼을 투입하고, 제1합금분말과 1:2의 중량비로 알콜을 투입한 후, 용기를 밀봉하고, 60 내지 80℃의 온도에서 200 내지 400 rpm의 속도로 5 내지 10 시간동안 회전시킴으로써 제1합금분말을 구성하는 텅스텐 카바이드 분말과 코발트 분말이 혼합 분쇄되어 800 내지 1,000℃의 온도에서 결정 구조가 안정적으로 유지된다.
또한, 볼밀 처리를 통해 각 분말 소재가 화학 반응 없이 독립적인 결정 구조가 안정적으로 유지되면서도 매우 미세화된 상태로 균일하게 혼합될 수 있으므로 텅스텐 카바이드 및 코발트의 장점을 동시에 구현하면서도 3D 프린팅 후, 기공 등의 결함이 최소화되어 강도 및 항절력이 개선됨과 동시에 반복적인 충격 발생에도 높은 내구성을 가질 수 있게 된다.
한편, 볼밀 처리 시, 투입되는 텅스텐 카바이드 분말의 직경이 1㎛ 미만이면 코발트 분말과의 혼합 분쇄 시 코발트 분말이 과도하게 분쇄되어 코발트 입자 간의 뭉침 등으로 분말이 균일하게 혼합되지 못할 우려가 있고, 텅스텐 카바이드 분말의 직경이 20㎛을 초과하면 3D 프린팅 시 항절력이 저하될 우려가 있다.
또한, 볼밀 처리 시, 투입되는 코발트 분말의 직경이 1㎛ 미만이면 텅스텐 카바이드 분말과의 혼합이 균일하게 이루어지지 못할 우려가 있으며, 코발트 분말의 직경이 30㎛를 초과하면 3D 프린팅 시 텅스텐 카바이드 입자 사이를 세밀하게 채워주지 못하여 텅스텐 카바이드 입자 간 결합력이 감소될 우려가 있다.
상기 외피부성형단계(S102)는, 제2합금분말을 이용해 심부의 외부를 감싸는 외피부를 적층하면서 심부와 일체로 형성되게 한다.
일 실시 예에서, 상기 제2합금분말은, 탄소분말 1.0 내지 2.2 중량%; 규소분말 0.1 내지 1.0 중량%; 망간분말 0.2 내지 0.6 중량%; 크롬분말 8.0 내지 13.0 중량%; 몰리브덴분말 1.0 내지 3.0 중량%; 바나듐분말 0.1 내지 1.0 중량%; 탈산제용 원소 0.05 내지 0.1 중량%; 잔량은 철분말; 을 혼합한다.
일 실시 예에서, 상기 탈산제용 원소는, 알루미늄분말, 티타늄분말, 붕소분말 중에서 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 탄소분말은 1.0 내지 2.2 중량%를 첨가하는데, 크롬분말, 몰리브덴분말, 바나듐분말과 결합하여 1차 탄화물을 형성함으로써 내마모성을 증가시키고, 마르텐사이트의 경도를 증가시켜 템퍼링 열처리 시 탄화물을 형성하여 2차 경화에 기여한다.
1.0 중량% 미만에서는 내마모성이 저하됨과 동시에 진공열처리 및 템퍼링 후 경도가 감소되고, 2.2 중량%를 초과하면 1차 탄화물이 과도하게 증가되어 인성 및 가공성이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 규소분말은 0.1 내지 1.0 중량%를 첨가하는데, 템퍼링 시 경도를 증가시키면서 인성을 향상시킨다.
0.1 중량% 미만에서는 효과가 별로 나타나지 않으며, 1.0 중량% 초과하여 첨가하면 열간 가공성과 인성이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 망간분말은 0.2 내지 0.6 중량%를 첨가하는데, 탈산 및 탈황제로써 강의 청정성을 향상시키고, 진공열처리 경화능을 증가시킨다.
0.2 중량% 미만으로 첨가하면 상기 효과가 불충분하며, 0.6 중량%를 초과하여 첨가하면 가공성이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 크롬분말은 8.0 내지 13.0 중량%를 첨가하는데, 진공열처리 시 기지 중에 고용되어 진공열처리 경화능을 증대시킴과 동시에 탄화물을 형성시켜 내마모성을 향상시킨다.
8.0 중량% 미만에서는 상기 효과가 작고, 13.0 중량%를 초과하면 인성 및 가공성이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 몰리브덴분말은 1.0 내지 3.0 중량%를 첨가하는데, 진공열처리 시 기지 중에 고용되어 진공열처리 경화능을 증가시키고 템퍼링 열처리에 의한 연화를 감소시키며 탄화물을 형성시킴으로써 내마모성을 향상시킨다.
1.0 중량% 미만에서는 상기 효과가 작고, 3.0 중량%를 초과하면 망상 편석을 조장해서 3D 프린팅 시 1차 탄화물의 분산효과가 감소되어 인성 및 가공성이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다.
상기 바나듐분말은 0.1 내지 1.0 중량%로 첨가하는데, 3D 프린팅 시 탄화물을 형성하여 내마모성을 증가시키고, 진공열처리 시 기지에 고용해서 템퍼링 시 미세한 탄화물을 석출시킴으로써 고온에서의 연화저항성을 증가시킨다.
0.1 중량% 미만으로 첨가되면 오스테나이트의 조대화를 방지하는 효과 및 탄화물 형성량이 적어지고, 1.0 중량% 보다 많이 첨가되면 거대 탄질화물을 형성시키거나 기지 중의 탄소량이 감소되면서 목표 경도에 미달하게 되므로 바람직하지 못하다.
상기 탈산제용 원소는, 알루미늄분말, 티타늄분말, 붕소분말 중에서 1종 또는 2종 이상을 0.05 내지 0.1 중량% 첨가한다.
탈산제용 원소가 0.1 중량% 보다 많이 첨가되면, 진공 열처리 시 바나듐 탄질화물 석출을 억제해서 탄화물이 미세하게 석출되는 것을 방해함으로써 강도 및 비틀림 파단 내구성을 저하시키기 때문에 바람직하지 못하다.
이상과 같이 구성된 제2합금분말은 금속 3D 프린팅 시 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하고, 탄화물을 균일하게 분산시킬 수 있으며, 높은 경도, 인성 및 내마모성을 충분히 확보함과 동시에 진공열처리 및 템퍼링 열처리에 의해 발생되는 치수 변화를 현저히 감소시킴으로써 피어싱 펀치의 치수정밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
일 실시 예에서, 본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법은 템퍼링단계(S30); 를 더 포함할 수 있다.
상기 템퍼링단계(S30)는 500 내지 550℃의 온도에서 90 내지 120분 동안 이루어짐으로써, 잔류응력이 제거되고, 3D 프린팅 기술을 통해 제조된 피어싱 펀치의 조직 및 기계적 성질이 더욱 안정화되면서 경도와 내마모성 및 인성이 모두 향상된다.
도 5는 본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법의 제3 실시 예에 따른 제조 공정을 나타낸 블록도이다.
도 5를 참조하여 설명하되, 전술일 실시 예와 중복되는 구성 및 동일부호를 갖는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
일 실시 예에서, 본 발명의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법은 코팅단계(S40); 를 더 포함할 수 있다.
상기 코팅단계(S40)는, 열처리가 완료된 피어싱 펀치를 350 내지 450℃의 온도에서 레이저빔으로 TiCN 코팅층을 증착 형성한다.
상기 TiCN 코팅층의 두께는 4 내지 8㎛인 것을 특징으로 한다.
TiCN 코팅층은, 금속보다 단단하고 화학적으로 안정적인 복합 구조 코팅층으로서 고경도 및 저마찰 특성을 제공하여 내마모 개선으로 내구성이 대폭 향상된다.
이상, 본 발명의 실시 예는 상술한 장치 및/또는 운용방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명일 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
S10: 프린팅성형단계 S101: 심부성형단계
S102: 외피부성형단계 S20: 열처리단계
S30: 템퍼링단계 S40: 코팅단계
1: 피어싱 펀치 10: 심부
20: 외피부 101: 입구포트
102: 출구포트 103: 냉각유로
103a: 직선유로 103b: 나선유로

Claims (5)

  1. 금속 3D 프린팅 방식으로 합금분말을 2차원 단면의 높이 방향으로 적층하면서 내부에 냉각채널이 형성되게 원기둥 형으로 3D 프린팅하는 프린팅성형단계(S10);
    상기 3D 프린팅 성형된 성형물을 열처리하는 열처리단계(S20); 를 포함하여 구성되되,
    상기 프린팅성형단계(S10)는,
    제1합금분말을 이용해 심부를 적층하면서 내부에 냉각채널이 형성되게 하는 심부성형단계(S101);
    제2합금분말을 이용해 심부의 외부를 감싸는 외피부를 적층하면서 심부와 일체로 형성되게 하는 외피부성형단계(S102); 를 포함하고,
    상기 열처리단계(S20)는, 1,000 내지 1,100℃의 온도에서 60 내지 90분 동안 진공열처리하며,
    상기 열처리된 성형물을 500 내지 550℃의 온도에서 90 내지 120분 동안 템퍼링하는 템퍼링단계(S30);
    상기 템퍼링 된 성형물을 350 내지 450℃의 온도에서 레이저빔으로 TiCN 코팅층을 증착 형성하는 코팅단계(S40); 를 더 포함하며,
    상기 냉각채널은 성형물의 일면 일측에 입구포트(101)가 형성되고, 일면 타측에 출구포트(102)가 형성되며, 입구포트(101)와 출구포트(102)가 이어지게 냉각유로(103)가 형성되되,
    상기 냉각유로(103)는,
    상기 냉각유로(103)는 입구포트(101)와 출구포트(102)가 이어지게 성형물의 심부 길이 방향을 따라 이중 나선형 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1합금분말은,
    텅스텐 카바이드 분말 80 내지 90 중량%;
    코발트 분말 10 내지 20 중량%; 를 혼합하는 것을 특징으로 하는 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2합금분말은,
    탄소분말 1.0 내지 2.2 중량%;
    규소분말 0.1 내지 1.0 중량%;
    망간분말 0.2 내지 0.6 중량%;
    크롬분말 8.0 내지 13.0 중량%;
    몰리브덴분말 1.0 내지 3.0 중량%;
    바나듐분말 0.1 내지 1.0 중량%;
    탈산제용 원소 0.05 내지 0.1 중량%;
    잔량은 철분말; 을 혼합하는 것을 특징으로 하는 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법.
  5. 제1항, 제3항, 제4항 중 어느 한 항의 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 냉각채널을 가진 열간금형용 피어싱 펀치.
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