KR20050073129A - Surface hardening method of metal and torsional extrusion mold - Google Patents
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Abstract
본 발명은 강구속전단변형공정(ECAP:Equal Channel Angular Pressing)에서 사용되는 금형 내부에 비틀림채널을 형성하여 금속소재가 상기 비틀림채널을 통과하는 동안 비틀림변형이 되도록 함으로써, 상기 금속소재의 인성은 그대로 유지된 채 결정립의 초미세화와 표면경화가 동시에 달성될 수 있게 한 비틀림압출용 금형과 상기 금형을 이용한 금속소재의 표면경화방법에 관한 것이다.The present invention forms a torsion channel in a mold used in an ECAP (Equal Channel Angular Pressing) process so that the metal material becomes torsional deformation while passing through the torsion channel, thereby maintaining the toughness of the metal material. The present invention relates to a torsional extrusion die and a method of surface hardening of a metal material using the die, which allows ultrafine and surface hardening of grains to be simultaneously achieved.
Description
본 발명은 강구속전단변형공정(ECAP:Equal Channel Angular Pressing)에서 사용되는 금형 내부에 비틀림채널을 형성하여 금속소재가 상기 비틀림채널을 통과하는 동안 비틀림변형이 되도록 함으로써, 상기 금속소재의 인성은 그대로 유지된 채 결정립의 초미세화와 표면경화가 동시에 달성될 수 있게 한 비틀림압출용 금형과 상기 금형을 이용한 금속소재의 표면경화방법에 관한 것이다.The present invention forms a torsion channel in a mold used in an ECAP (Equal Channel Angular Pressing) process so that the metal material becomes torsional deformation while passing through the torsion channel, thereby maintaining the toughness of the metal material. The present invention relates to a torsional extrusion die and a method of surface hardening of a metal material using the die, which allows ultrafine and surface hardening of grains to be simultaneously achieved.
일반적으로, 금속소재가 고경도(내마모성/내피로성)의 표면과 높은 인성을 가져야 할 경우, 화학적인 방법 또는 물리적인 방법에 의해 상기 금속소재의 성질을 개선하게 된다.In general, when the metal material needs to have a high hardness (abrasion resistance / fatigue resistance) surface and high toughness, the properties of the metal material is improved by a chemical method or a physical method.
이 중, ⑴ 화학적인 방법으로는 ①침탄법(Caburizing) ②청화법(Cyaniding) ③질화법(Nitriding) ④Cementation 등이 알려져 있으며, ⑵ 물리적인 방법으로는 ①고주파표면경화법(Induction Hardening) ②화염경화법(Flame Hardening) ③방전경화법 등이 공지되어 있다.Among these, ⑴ chemical methods include ① carburizing, ② cyaniding, ③ nitriding, ④ cementation, etc. ⑵ physical methods: ① high frequency surface hardening (Induction Hardening) ② flame hardening Flame Hardening ③ The discharge hardening method is known.
그러나, 상술한 종래의 방법에 따르면, 금속소재의 조성에 변화가 생기기 쉽고 가공시간이 길다는 단점이 있으며 시설투자에 많은 비용이 소요되고 가공온도를 조절하기가 매우 어렵다.However, according to the conventional method described above, there is a disadvantage in that the composition of the metal material is easily changed and the processing time is long, and the facility investment is expensive and it is very difficult to control the processing temperature.
이에 반해 약 10여년 전부터 사용되기 시작한 강구속전단변형방법은 간단한 작업과정을 통해서 비교적 짧은 시간 내에 금속소재의 결정립을 미세화 하고 표면의 경도를 증가시키며 조성변화도 거의 생기지 않는 등, 여러 면에서 장점을 가지고 있다.On the other hand, the steel binding shear deformation method, which has been used since about 10 years ago, has advantages in many aspects such as miniaturization of grains of metal material, increase of surface hardness and almost no change in composition through a simple process. Have.
그러나, 종래의 강구속전단변형방법에 따르면 2개의 직선채널이 90°각도로 연통된 압출용 금형으로 전단 변형에 의한 결정립 미세화 효과로 표면을 개질하나 가공 중 전단 변형이 동일한 크기로 소재 전체에 나타나며 이에 따라 인성이 저하되고, 최소 4회 이상 금속소재를 압출용 금형 내에 장입해서 동일 작업을 반복해야 하는 단점이 있으며 특히 이전작업과정에서 전단변형이 이루어진 금속소재의 전면부 중간부분이 돌출되어 있어 다음번 압출작업을 위해 이 부분을 제거해 주어야 하는 번거로움이 있었다.However, according to the conventional steel binding shear deformation method, two linear channels are extruded for 90 ° angle, and the surface is modified by the grain refinement effect by shear deformation, but the shear deformation appears in the whole material with the same size during processing. As a result, the toughness is lowered, and the same operation is repeated by inserting a metal material into the extrusion mold at least four times. Particularly, the middle part of the front part of the metal material that is sheared in the previous work is protruded. There was a hassle to remove this part for extrusion.
이로 인해 현재까지 완전자동화가 이루어지지 않고 있다.As a result, full automation has not been achieved until now.
본 발명은 상술한 강구속전단변형방법을 더욱 개량한 것으로서, 더 짧은 작업시간 내에 금속소재의 표면경화와 결정립의 초미세화를 달성할 수 있고, 특히 작업이 연속적으로 이루어질 수 있게 하여 금속소재를 금형 내에 장입한 후에는 작업이 완료될 때까지 꺼낼 필요가 없게 한 금속소재의 표면경화방법을 제공함에 일 목적이 있다.The present invention is a further improvement of the above-described steel binding shear deformation method, and can achieve surface hardening of the metal material and ultrafine grains within a shorter working time, and in particular, it is possible to continuously work the metal material into a mold. It is an object of the present invention to provide a method of hardening the surface of a metal material, which is not required to be removed until the work is completed after charging.
또한, 본 발명은 상기 표면경화방법이 효율 좋게 실시될 수 있는 신규 구성의 압출용 금형을 제공함에 다른 목적이 있다. In addition, the present invention has another object to provide a mold for extrusion of a novel configuration that the surface hardening method can be carried out efficiently.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 금속소재 표면경화방법은, 압출용 금형으로 금속소재의 표면을 경화하는 방법에 있어서, 금속소재가 압출용 금형의 직선채널을 따라 직선으로 이동되는 중에 직선채널의 내면과 마찰되어 표면이 경화되는 제1개질단계와; 제1개질단계에서 배출되는 금속소재가 직선채널과 연통된 비틀림채널의 내부를 따라 이동되는 중에 방향전환되고, 또한 상기 금속소재의 표면이 비틀림채널의 내면과 마찰되면서 동시에 비틀림변형을 받게 되는 제2개질단계;를 포함한다.The metal material surface hardening method of the present invention for solving the above technical problem, in the method of curing the surface of the metal material with the extrusion die, the metal material is a straight line while moving in a straight line along the straight channel of the extrusion die A first reforming step of rubbing against the inner surface of the channel to harden the surface; A second material in which the metal material discharged in the first reforming step is redirected while being moved along the inside of the torsion channel communicating with the straight channel, and the surface of the metal material is subjected to torsional deformation while simultaneously rubbing against the inner surface of the torsion channel; It includes; reforming step.
또한, 본 발명의 금속소재 표면경화방법이 구현되는 비틀림압출용 금형은, 금속소재가 직선이동되는 직선채널과; 직선채널에서 배출되는 금속소재의 압출방향이 전환되고 상기 금속소재에 비틀림변형이 가해지는 비틀림채널; 을 가진 것을 특징으로 한다.In addition, the torsional extrusion mold for implementing the metal material surface hardening method of the present invention, the metal channel is a linear channel to move linearly; A torsion channel to which the extrusion direction of the metal material discharged from the straight channel is changed and a torsional strain is applied to the metal material; Characterized in having a.
바람직하게는, 상기 비틀림채널의 단면 중심을 연결한 가상의 중심축선이 호(弧)형상이고, 상기 직선채널 안으로 금속소재를 밀어넣는 가압용 램(ram)이 직선채널의 외측에 설치된 것이다.Preferably, the virtual center axis connecting the center of the cross section of the torsion channel is arc-shaped, and a pressing ram for pushing a metal material into the linear channel is provided outside the linear channel.
이때, 상기 직선채널과 비틀림채널의 단면형상이 동일/유사하게 가공되고 또한 금속소재의 단부를 가압해서 상기 채널(직선채널 또는 비틀림채널) 안으로 밀어넣는 가압용 램이 금속소재의 양측 단부에 접촉 가능하게 설치되면, 압출작업을 연속해서 실시할 수 있게 된다.At this time, the cross-sectional shape of the straight channel and the torsion channel is processed similarly / similarly, and the pressing ram for pressing the end of the metal material and pushing it into the channel (straight channel or torsion channel) may be in contact with both ends of the metal material. If installed, the extrusion operation can be carried out continuously.
또한 상기 비틀림 압출용 금형에 온도조절 수단이 추가로 설치된 것이다. 일반적으로 비틀림 변형을 받는 재료의 전단 변형량(Υ)은 다음의 수식으로 나타낼 수 있다. In addition, the temperature control means is additionally installed in the torsional extrusion die. In general, the shear deformation amount (Υ) of a material subjected to torsional deformation can be expressed by the following equation.
이 수식에 의하면 전단변형량 () 은 비틀림 변형이 되는 구간의 높이 (L) 에 반비례하고 비틀림 각도 () 와 중심축에서의 반지름 (r) 에 비례하게 된다. L 과 가 고정된 단일한 조건에서 전단변형량은 r 에 의해서만 결정이 되고 따라서, 전단변형은 재료의 최 외측 부분에서 가장 크며 중심에서는 가장 작게 된다. 그러므로 전단변형에 의한 결정립 미세화 효과 및 가공경화 효과가 재료의 최 외측인 표면부에 집중적으로 나타나게 되어 표면 성질을 개질 시킬 수 있고 이때 전단변형량이 적은 재료의 중심 부분의 인성은 저하되지 않는다. 이러한 조건의 비틀림 채널을 설계함에 있어서 비틀림 각 ()이 일정한 경우 비틀림 채널의 길이 (H) 는 내부 통로의 높이 (W) 의 2배 이하의 경우가 바람직하다.According to this equation, the shear strain ( ) Is inversely proportional to the height (L) of the torsional section and the torsional angle ( ) And the radius (r) in the central axis. L and The shear strain is determined by r only in a single condition where is fixed so that the shear strain is the largest at the outermost part of the material and the smallest at the center. Therefore, the grain refinement effect and the work hardening effect due to the shear deformation are concentrated on the outermost surface of the material to modify the surface properties, and the toughness of the central portion of the material having the small amount of shear deformation is not deteriorated. In designing the torsion channel under these conditions, the torsion angle ( It is preferable that the length H of the torsion channel is equal to or less than twice the height W of the inner passage where) is constant.
이러한 구성에 따르면, 상기 금속소재가 직선채널에서 비틀림채널로 인입될 때, 큰 비틀림 응력 즉 전단응력이 금속소재에 가해져 가공 경화 및 결정립의 초미세화/나노결정화가 가능하게 되며, 표면경화가 이루어지게 된다. 또한, 본 발명에 따르면 상기 직선채널과 비틀림채널은 연속작업이 가능하도록 단면형상이 거의 동일하게 가공되어 있기 때문에, 금속소재의 형상이 변형되는 일이 없고 전단변형이 적은 금속소재의 내부 인성이 그대로 유지될 수 있다.According to this configuration, when the metal material is drawn from the straight channel to the torsion channel, a large torsional stress, that is, a shear stress, is applied to the metal material, thereby enabling work hardening and ultrafine / nano crystallization of grains, and surface hardening. do. In addition, according to the present invention, since the cross-sectional shape of the straight channel and the torsion channel are processed to be substantially the same in order to enable continuous work, the shape of the metal material is not deformed and the internal toughness of the metal material with little shear deformation remains as it is. Can be maintained.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 비틀림압출용 금형과 이를 활용한 표면경화방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a torsional extrusion die and a surface hardening method using the same according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
실시예 1Example 1
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비틀림압출용 금형을 나타낸 것으로서 보다 구체적으로는 직선채널과 비틀림채널이 외표면에 홈 형태로 형성된 내금형(內金型)을 나타낸 것이며, 도 3은 상기 비틀림채널의 높이와 내부 통로 폭의 상관관계를 도식화한 것이다.1 shows a torsional extrusion die according to an embodiment of the present invention, and more specifically, a straight channel and a torsion channel are shown in the inner mold (內 金 型) formed in the groove shape on the outer surface, Figure 3 The relationship between the height of the torsion channel and the width of the inner passage is illustrated.
도면에서 보듯이, 상하 2부분으로 나뉘어진 직선채널의 상부측 내단과 하부측 내단에는 본 발명의 특징적 구성요소 중 하나인 비틀림채널의 단부가 각각 연통되어 있는데, 이 비틀림채널은 단면형상이 직선채널과 동일하며 상기 내금형의 원주면을 따라 소정 폭 및 깊이의 홈 형태로 가공되어 있다. 여기서, 상기 비틀림 채널 높이(H)은 통로 폭(W)의 2배 이하가 되게 하였다.As shown in the figure, the upper end and the lower end of the straight channel divided into two upper and lower portions are connected to the end of the torsion channel, which is one of the characteristic components of the present invention, respectively, the torsion channel has a straight channel in cross-sectional shape. It is the same as is processed in the form of a groove of a predetermined width and depth along the circumferential surface of the inner mold. Here, the torsion channel height (H) is less than twice the passage width (W).
또한, 상부측 직선채널의 바깥 쪽에는 가압용 램이 설치되어 있다.Further, a pressurizing ram is provided outside the upper straight channel.
따라서, 상기 내금형이 장착된 비틀림압출용 금형(장치)에 금속소재를 끼운 후 가압용 램으로 누르게 되면, 상기 금속소재가 상부측 직선채널을 따라 강제로 이동되게 되고 이 과정에서 마찰이 일어나 금속소재의 표면이 1차로 경화된다.Therefore, when the metal material is inserted into the torsional extrusion mold (apparatus) in which the inner mold is mounted, and then pressed with a pressurizing ram, the metal material is forcibly moved along the upper straight channel and friction occurs in this process. The surface of the material is first hardened.
이러한 상태에서 계속 램으로 가압하게 되면, 상기 금속소재가 상부측 직선채널의 내단에서 구부려져 비틀림채널 안으로 진입하게 되는데, 상기 비틀림채널은 앞에서 설명한 바와 같이 직선형이 아닌 곡선형이기 때문에 상기 금속소재가 직선채널에서 비틀림채널로 진입될 때 금속학적인 측면에서 의미가 있는 비틀림변형이 가해지게 된다.As the metal is continuously pressed in this state, the metal material is bent at the inner end of the upper straight channel to enter the torsion channel. As the torsion channel is curved rather than linear as described above, the metal material is straight. When the channel enters the torsional channel, torsional deformation is applied, which is meaningful in terms of metallurgy.
이후 계속해서 램으로 가압하면, 상기 비틀림채널에 진입되어 있던 부분이 떠밀려 하부측 직선채널 안으로 인입되고, 이 과정에서 다시 한번 비틀림변형을 받게 된다.Subsequently, if the ram is continuously pressed, the portion that has entered the torsion channel is pushed into the lower linear channel, and is subjected to a torsional strain again in this process.
실시예 2Example 2
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비틀림압출용 금형을 나타낸 것이다.Figure 2 shows a torsional extrusion mold according to another embodiment of the present invention.
실시예 1과의 차이라면 상기 금형에 온도조절수단으로서 발열체가 설치되어 있다는 점과 상·하부측 직선채널의 바깥 쪽에 상램/하램이 각각 설치되어 있다는 점이다.The difference from the first embodiment is that the heating element is installed in the mold as a temperature control means, and the upper and lower rams are provided outside the upper and lower linear channels, respectively.
이러한 구성에 따르면, 상램의 가압작용에 의해서 상부측 직선채널과 비틀림채널을 거쳐 하부측 직선채널 안으로 진입된 금속소재가 하램의 가압작용에 의해 반대방향으로 진행될 수 있고, 이러한 과정이 필요한 회수만큼 반복해서 수행될 수 있다는 것이다. 또한, 상온 이상의 온도에서 작업할 필요가 있는 경우에는 상기 발열체를 이용하여 금형의 온도를 조절할 수 있다.According to this configuration, the metal material entered into the lower straight channel through the upper straight channel and the torsion channel by the pressing action of the upper ram can proceed in the opposite direction by the pressing action of the harem, and this process is repeated as many times as necessary. Can be done. In addition, when it is necessary to work at a temperature of room temperature or more, the temperature of the mold can be adjusted using the heating element.
이상과 같이, 본 발명에 의하면 금속소재가 비틀림채널을 통과하면서 전단변형과 비틀림변형을 받게 되어 결정립의 초미세화/나노결정화가 가능하게 된다.As described above, according to the present invention, as the metal material passes through the torsion channel, the metal material is subjected to shear deformation and torsional deformation, thereby enabling ultrafine / nanocrystallization of crystal grains.
또한, 각 채널의 단면형상이 거의 동일하기 때문에 금속소재의 가공전·후 형상에 변화가 없고 또한 금속소재 고유의 내부 인성이 그대로 유지될 수 있다.In addition, since the cross-sectional shape of each channel is almost the same, there is no change in the shape before and after processing the metal material, and the internal toughness inherent in the metal material can be maintained as it is.
그리고 상램과 하램을 교대로 작용시킬 경우 금형을 열지 않고도 반복작업이 가능하여 표면경화특성을 더욱 향상시킬 수 있다.In addition, if the upper ram and the harem act alternately, it is possible to repeat the work without opening the mold to further improve the surface hardening characteristics.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비틀림압출용 금형을 나타낸 것이다.1 shows a torsional extrusion die according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비틀림압출용 금형을 나타낸 것이다.Figure 2 shows a torsional extrusion mold according to another embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 비틀림압출용 금형에 형성된 비틀림채널의 폭과 깊이의 상관관계를 도식화한 것이다.Figure 3 illustrates the correlation between the width and depth of the torsion channel formed in the torsional extrusion die of the present invention.
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