KR20090124286A

KR20090124286A - 강 제품의 초저온 다단냉각에 의한 시효변형방지방법

Info

Publication number: KR20090124286A
Application number: KR1020080050404A
Authority: KR
Inventors: 윤용돈; 윤상기
Original assignee: 윤용돈; 윤상기
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2009-12-03
Also published as: KR100994562B1

Abstract

본 발명의 목적은, 정밀 금형 혹은 공구 등(이하, 강(綱) 제품이라 한다)에 대해 상 변태(相(phase)變態)촉진에 의한 시효변형방지 특성을 갖게 한 것에 있다.

이러한 본 발명은 일반적인 열처리 작업을 거친 강(鋼) 제품에 대한 1,2차의 초저온의 다단 냉각작업을 실시함에 의해, 강 제품에 대한 상 변태(相變態) 즉, 강 제품에 잔류된 오스테나이트 조직을 분해하여 마르텐사이트 조직으로 변화시키는 상 변태를 촉진하여, 그 강 제품의 사용중 변형, 균열을 억제함과 아울러 내 마모성을 갖게 하는 시효변형방지 특성이 부여되게 한 것이다.

금형, 공구, 상 변태,시효,변형

Description

강 제품의 초저온 다단냉각에 의한 시효변형방지방법{Method of Defomation prevention for use in such Ultra low Temperature of steel Article}

본 발명은 내 마모성의 강도 유지를 위해 열처리 작업을 하는 금형, 공구 등에 적용되는 방법으로, 특히 강 제품에 대한 열처리 작업 후, 적어도 2번 이상의 초저온의 다단 냉각작업을 통한 강 제품의 상 변태(相(phase)變態)를 촉진하여, 강제 품에 대해 시효변형방지 특성을 갖게한 것이다.

일반적으로 강을 경화시키기 위한 목적으로 강을 가열하게 되는 경우, 강의 조직은 오스테나이트로 변화하며, 또한 이 오스테나이트 조직을 급냉 즉, 담금질 열처리를 하게 되면, 경(硬)한 마르텐사이트 조직으로 변한다고 하는 사실은 주지된 사실이다.

그러나, 오스테나이트 조직으로 변한 강의 가열 처리를 함에 있어서, 오스테나이트 조직의 강은 완전히 마르텐사이트 조직으로 변하지 않고, 가열상태에서의 오스테나이트 조직이 일부 잔류하게 된다(이를 이하에서는 잔류 오스테나이트(rR)라고 칭한다).

금형이나 공구 강을 이와 같은 잔류 오스테나이트(rR)가 존재하는 상태에서 사용하면, 처음에는 치수상 문제가 없으나, 시간이 흐름에 따라 치수가 변하는 '경년변화'현상이 발생 되고, 이러한 치수의 변화는 특히 금형, 공구 등에서는 초정밀제품의 성형, 가공시 정확한 치수의 제품생산이 어렵게 되는 문제가 있다.

이러한 문제해결을 위하여 공구강 재질 STD11의 경우 열처리를 하여 사용하는데, 1차로 1000~1050℃로 가열 후 냉각하여 강을 경화시키는데, 이 경우 경도는 높아지나 취약하므로, 2차로 150~200℃로 뜨임하여 사용하거나 500~550℃로 뜨임 하여 사용한다. 이 경우 150~200℃로 뜨임 하여 사용하는 경우, 사용중 치수 안정성이 떨어지며 , 500~550℃로 뜨임하여 사용하는 경우에 내 마모성의 저하로 수명에 지장을 주고 있다.

한편, 이를 보완하기 위한 목적으로, 1000~1050℃로 가열하고, 이어서 약 -80℃로 냉각후, 이를 또다시 150~200℃로 뜨임하여 사용하고 있으나, 이 경우에도 상 변태가 완전치 못해 조직이 불안정하게 되고, 그 결과 금형 및 기계부품의 사용중에 있어 시간이 흐름에 따라 치수가 변하여, 특히 반도체 금형 등의 경우에는 심각한 문제로 되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 제반 결점들을 해소하고, 정밀 금형,공구 등과 같은 강 제품에 대하여 사용중 치수 변화를 없게 하는 시효변형방지 특성과 아울러 수명을 연장하는 내마모성을 갖게한 강 제품의 초저온 다단냉각에 의한 시효변형방지방법을 제공하는 데 있다.

상기목적을 달성하기 위한 본 발명은 청구항 1 기재의 강(鋼) 제품에 대한 열처리 작업 후, 상기 강 제품에 대한 적어도 두번 이상의 초저온 다단 냉각 작업에 의한, 강 제품에 잔류된 오스테나이트 조직이 분해되어 마르텐사이트 조직으로 변화되는 상 변태(相變態)를 촉진하여, 상기 강 제품에는 시효변형방지 특성을 부여되게 한 것이다.

또한 본 발명은 청구항 2 기재의 청구 항1 에 있어서, 상기 강 제품의 시효변형방지 특성은 하기 ㉠ 내지 ㉤ 단계들로 이루어지는 제1단계,

㉠입고되는 강 제품에 대한 데이터 입수를 위하여 그 강제품의 재질, 성분 및 경도 여부를 확인하기 위한 단계; ㉡강 제품의 원활한 상 변태 촉진을 위하여 그 제품의 표면에 묻은 이물질을 제거하기 위한 세정 단계; ㉢세정 단계를 거친 강 제품 및 그 강제품과 동일한 시편(試片)을 기 준비한 진공로에 장입(裝入)후, 그 진공로의 내부를 적어도 10^-5~10^-6 Torr의 진공 분위기로 유지하기 위한 단계; ㉣상 기 강 제품 및 시편이 장입된 진공로를 서서히 가열하여 1030℃ 까지 가열 후, 그 가열 상태를 강 제품의 크기에 따라 30분 이상 유지하기 위한 단계; ㉤상기 진공로의 진공 해제와 아울러 그 내부에 질소 가스 주입에 의하여 식힌 후, 강 제품과 아울러 시편을 진공로의 외부로 취출하여 시편에 의한 강제 품의 상 변태의 적정 여부를 확인하는 단계;

또한, 하기 ㉥ 내지 ㉧ 단계들로 이루어지는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

㉥균열 및 변형 억제를 위하여 상기 냉각한 강 제품에 대한 다단 냉각에 앞서 기 준비한 100℃의 물에 1시간 내지 2시간 담가서 예비 가열하는 단계; ㉦예비 가열한 상기 강 제품의 잔류 오스테나이트 조직을 마르텐사이트 조직으로 상 변태시키기 위하여, 그 강 제품을 기 준비된 냉각기에 장입 후, 1차로 30분 이상 -50℃의 저온상태를 이루게 한 후, 2차로 2시간 이상 -190℃의 초저온상태를 유지하는 단계; ㉧상기 냉각기로부터 초 저온상태로 냉각 처리된 강 제품을 취출 후, 강 제품에 대한 내부 응력 제거와 아울러 인성 부여를 위해 150~ 200℃로 가열하는 단계.

본 발명에 의하면, 강제 품 즉, 정밀 금형 혹은 공구 등의 열처리 작업 후 다량으로 잔존하게 되는 잔류 오스테나이트(rR) 조직을 초저온 다단 냉각에 의한 상 변태를 촉진하여 그 잔류 오스테나이트(rR) 조직을 분해하여 마르텐사이트 조직으로 변하게 하는 상 변태 촉진에 의한 시효변형 방지 특성을 부여하여, 정밀 금형 이나 공구 등의 사용중 치수변화에 의한 제품불량을 방지하는 효과가 있으며, 또한 고경도 확보에 의한 내마모성 증대로 수명을 연장시킨 효과가 있다.

이하, 본 발명의 보다 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 강(鋼) 제품에 대한 열처리 작업 후, 상기 강 제품에 대한 적어도 두번 이상의 초저온 다단 냉각 작업에 의한, 강 제품에 잔류된 오스테나이트 조직이 분해되어 마르텐사이트 조직으로 변화되는 상 변태(相變態)를 촉진하여, 상기 강 제품에 대하여 시효변형방지 특성이 부여되게 한 것으로, 구체적인 제조 방법은 하기와 같다.

단계1: 하기 ㉠ 내지 ㉤ 단계들

㉠재질 여부 확인단계

먼저, 입고되는 정밀금형, 공구 등의 강 제품에 대한 정확한 데이터 입수를 위하여 그 강제품의 재질, 성분 및 경도 여부를 사전에 확인한다.

㉡세정단계

강 제품의 원활한 상 변태 촉진을 위하여 그 제품의 표면에 묻어 있는 수분이나 기름 등의 이물질을 강한 압력을 갖는 에어(Air)로 불어서 제거한다. 강제 품의 표면에 묻어 있는 수분 혹은 기름이 묻어 있는 경우, 후술하는 열 처리과정에서 경도 불균일 및 상 변태를 저하시키는 문제가 발생 될 우려가 있다. 이 때문에 사전에 미리 제거함이 바람직하다.

㉢진공로에 의한 진공단계

세정 단계를 거친 강 제품 및 그 강 제품과 동일한 시편(試片)을 기 준비한 일반적인 진공로에 장입(裝入)후, 공기 빼기 작업을 하여 그 진공로의 내부를 적어도 10^-5~10^-6 Torr의 진공 분위기를 유지한다. 진공로의 내부를 10^-5~10^-6 Torr의 진공 분위기로 유지하는 것은 강 제품의 표면 품질을 최대한 확보하기 위함이다.

또한, 시편을 넣는 이유는 강 제품에 대한 직접적인 경도 시험이나 조직 변화 여부 시험을 할 수 없기 때문에 시험편으로 하여금 강 제품 대신 위와 같은 같은 작업을 실시하기 위해서이다.

㉣강 제품을 1차 가열하는 단계

강 제품 및 시편은 진공로를 서서히 가열하여 1차 650℃를 이루게 하여 적어도 30분 이상 이 상태의 온도를 유지 후, 2차 850℃ 까지 가열하여 다시 30분 이상 이 상태의 온도를 유지하고, 끝으로 1030℃ 까지 가열 후, 그 고온 상태를 30분이상 유지한다. 강 제품에 대한 열처리에서 가열 온도를 단계적으로 높이는 이유는 내외부를 균일하게 가열하고, 또 급작스럽게 가열함에 따른 변형 발생을 방지하기 위함이다.

㉤냉각하는 단계

진공로의 진공 해제와 아울러 그 내부의 온도를 내리기 위해 기 준비한 질소 가스를 주입하여 내부를 50℃ 까지 식힌 후, 강 제품과 아울러 시편을 진공로의 외부로 취출하여 시편에 의해 강제 품에 대한 상 변태를 확인한다.

즉,시편에 대한 외관, 경도 및 조직 등의 시험을 통하여, 강 제품이 본 발명 의 핵심기술인 후술하는 초저온 다단 냉각에 의한 상 변태 촉진 작업으로 들어갈 수 있는지, 강 제품에 대한 열처리 작업의 적정 여부를 확인한다.

단계2: 하기 ㉥ 내지 ㉭ 단계들

상기 단계1을 거친 금형이나 공구 등과 같은 강 제품은, 본 발명의 특징 기술인 단계2의 하기 ㉥ 내지 ㉭ 단계들을 통한 초저온 다단냉각 방법에 의해 시효 변형방지 특성이 부여된다.

㉥예비가열 단계

단계1의 각 공정들을 거친 강 제품은 다단 냉각에 앞서 기 준비한 100℃의 물에 1시간 내지 2시간 담가서 예비 가열한다. 초저온 냉각에 앞서 강 제품에 대한 예비가열을 실시하는 이유는 상기 단계1을 거친 금형이나 공구 등과 같은 강 제품을 급격하게 초저온으로 냉각시 발생될 우려가 있는 균열 및 변형 등의 억제를 위함이다.

㉦1차 초저온 냉각단계

예비 가열 단계를 거친 상기 강 제품은, 그 강 제품에 잔존 되어 있는 잔류 오스테나이트 조직을, 사용중 변형을 없게 하면서도 보다 장기간 사용할 수 있는 내 마모성을 갖게 되는 마르텐사이트 조직으로 상 변태 시키기 위한 목적에서, 기 준비된 냉각기에 장입 후, 1차로 -50℃의 저온상태를 이루게 하여 30분 이상 -50℃의 저온상태를 유지되게 한다.

㉧2차 초저온 냉각단계

1차 초저온의 냉각을 거친 강 제품은 2차로 -190℃의 초저온상태를 이루게 서서히 냉각한 후, 이 초저온 상태를 2시간 이상 유지한다.

강 제품을 상기와 같이 1,2차로 구분하여 다단 냉각을 하는 이유는, 급작스럽게 온도가 떨어지는 초저온 냉각으로 인한 강 제품에의 내부 응력의 완화에 의한 변형,균열을 방지하면서, 강 제품에의 잔류오스테나이트 조직을 분해하여 마르텐사이트 조직으로 변태시키는 상 변태를 촉진하기 위함이다..

또한, 상기 1,2차 다단냉각을 거친 강 제품에 대해서는 그 강 제품과 같이 동일한 단계를 거친 별도의 시편을 통하여 경도, 조직을 검사하여, 강제품의 사용중의 치수변형이나 내마모성이 발생될 우려가 없는 시효변형방지 특성이 제대로 부여되었는지를 검사할 수 있다.

㉭가열(뜨임) 단계

상기 초저온 냉각 단계들을 경유한 강 제품을 냉각기로부터 취출한 후에는, 강 제품에 대한 내부 응력 제거 및 인성 부여를 위해 150~ 200℃로 가열함이 바람직하다.

<실험예>

상기와 같은 단계들을 경유한 강 제품에 대하여 시효변형 방지 특성을 부여하는 상 변태 촉진상황에 대하여 기존의 방법과 비교시험한바 그 결과는 하기 표1과 같았다.

<공구강(강 종류 STD11)의 담금질 열처리 후 기존의 저온 냉각한 경우의 본 발명의 의한 초저온 다단냉각한 경우의 상 변태율>

구분	담금질 (온도 1030℃)		기존 방법			본 발명의 방법
			-80℃저온냉각			1,2차 다단냉각
공구 강 (강종류STD11)	rR (%)	경도(H_R C)	rR(%)	경도(H_R C)	상 변 태율	rR(%)	경도(H_R C)	상변태율
	23	63.0	11	65	52	5	67.0	78

*상 변태율이란 rR의 분해율(%)을 말한다.

상기 표1에서 확인되는 바와 같이, 금형 혹은 공구 강을 일반 열처리 후, 본 발명의 다단의 초저온 냉각 방법을 실시한바, 상 변태 촉진으로 잔류 오스테나이트 (rR)조직을 분해시켜 조직이 치밀하게 되는 경도를 이루게 함을 알 수 있어, 본 발명의 초저온 다단냉각 방법이 처리된 정밀 금형이나 공구는 사용중의 치수변화에 의한 제품불량을 방지하게 함은 물론 고경도 확보에 의한 내마모성으로 그만큼 수명연장의 이점이 있음을 충분히 알 수 있다.

본 발명은 정밀 금형 혹은 공구 등에 대한 사용중 치수변화를 없게 하여 제품불량을 없게 하는 이익과, 또한 고 경도 확보에 의한 내마모성 증대로 그 만큼 제품을 오래 사용할 수 있게 하는 수명 연장 효과를 부여하는 산업상의 이점이 있 다.

Claims

강(鋼) 제품에 대한 열처리 작업 후, 상기 강 제품에 대한 적어도 두번 이상의 초저온 다단 냉각 작업에 의한, 강 제품에 잔류된 오스테나이트 조직이 분해되어 마르텐사이트 조직으로 변화되는 상 변태(相變態)를 촉진하여, 상기 강 제품에 대하여 시효변형방지 특성이 부여되게 한 강제품의 초저온 다단냉각에 의한 시효변형방지방법.
청구항1에 있어서, 상기 강 제품의 시효변형방지 특성은 하기 ㉠ 내지 ㉤ 단계들로 이루어지는 제1단계,

㉠입고되는 강 제품에 대한 데이터 입수를 위하여 그 강제품의 재질, 성분 및 경도 여부를 확인하기 위한 단계;

㉡강 제품의 원활한 상 변태 촉진을 위하여 그 제품의 표면에 묻은 이물질을 제거하기 위한 세정 단계;

㉢세정 단계를 거친 강 제품 및 그 강제품과 동일한 시편(試片)을 기 준비한 진공로에 장입(裝入)후, 그 진공로의 내부를 적어도 10^-5~10^-6 Torr의 진공 분위기로 유지하기 위한 단계;

㉣상기 강 제품 및 시편이 장입된 진공로를 서서히 가열하여 1030℃ 까지 가열 후, 그 가열 상태를 강 제품의 크기에 따라 30분 이상 유지하기 위한 단계;

㉤상기 진공로의 진공 해제와 아울러 그 내부에 질소 가스 주입에 의하여 식힌 후, 강 제품과 아울러 시편을 진공로의 외부로 취출하여 시편에 의한 강제 품의 상 변태의 적정 여부를 확인하는 단계;

하기 ㉥ 내지 ⓞ 단계들로 이루어지는 제2단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강 제품의 초저온 다단냉각에 의한 시효변형방지방법.

㉥균열 및 변형 억제를 위하여 상기 냉각한 강 제품에 대한 다단 냉각에 앞서 기 준비한 100℃의 물에 1시간 내지 2시간 담가서 예비 가열하는 단계;

㉦예비 가열한 상기 강 제품의 잔류 오스테나이트 조직을 마르텐사이트 조직으로 상 변태시키기 위하여, 그 강 제품을 기 준비된 냉각기에 장입 후, 1차로 30분 이상 -50℃의 저온상태를 이루게 한 후, 2차로 2시간 이상 -190℃의 초저온상태를 유지하는 단계;

㉧ 상기 냉각기로부터 초 저온상태로 냉각 처리된 강 제품을 취출 후, 강 제품에 대한 내부 응력 제거와 아울러 인성 부여를 위해 150~ 200℃로 가열하는 단계.