KR20120112840A - 열간 가공 공구의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 소재의 관형 공작물을 열간 단조하기 위한 심리스 튜브나 단조 맨드릴을 제조하기 위한 열간 가공 공구, 특히 천공 맨드릴 또는 압연 바에 관한 것이며, 상기 열간 가공 공구는 공구 본체(2)를 포함하고, 상기 공구 본체(2)는 적어도 가공 영역에 코팅층(4)을 포함한다. 공구 본체에서 코팅층(4)의 향상된 강도를 달성하기 위해, 본 발명에 따라, 공구 본체(2)는 프로파일 표면(5)을 포함하고, 이 프로파일 표면(5) 상에 코팅층(4)이 도포된다. 또한, 본 발명은 상기 열간 가공 공구를 제조하기 위한 방법에도 관한 것이다.

Description

코팅층을 포함하는 열간 가공 공구와 이 열간 가공 공구의 제조 방법{HOT WORK TOOL AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은 금속 소재의 관형 공작물을 열간 단조하기 위한 심리스 튜브(seamless tube) 또는 단조 맨드릴(forging mandrel)을 제조하기 위한 열간 가공 공구, 특히 천공 맨드릴 또는 압연 바(rolling bar)에 관한 것이며, 상기 열간 가공 공구는 공구 본체를 포함하고, 이 공구 본체는 적어도 가공 영역에 코팅층을 포함한다. 또한, 본 발명은 상기 열간 가공 공구를 제조하는 방법에도 관한 것이다.
일반적인 유형의 원형 로드를 천공하기 위한 천공 맨드릴은 DE 10 2008 056 988 A1로부터 공지되었다. 여기서 천공 맨드릴의 가공 영역에는 천공 공정 동안 맨드릴 몸체 내로 이루어지는 열 전도를 방지하면서 맨드릴 몸체에 견고하게 접착된 층이 제공된다. 공구의 기능을 위해 중요한 사항은 상기 층이 견고하게 고정되어 있어야 하는 점이다.
또한, 열간 가공 공구나 유사한 구조 부재의 경우 수명 증대를 위해 코팅 공정(대개 코팅 공정은 열-화학적 코팅 방법이다) 이전에, 후속하여 도포되는 코팅층의 접착을 향상시키기 위해, 예컨대 방사 공정을 통해 가공 영역을 거친 처리하는 점은 일반적으로 공지되었다.
그러나 확인된 점에 따르면, 거친 표면은 종종 충분한 접착을 보장하지 못하며 수많은 경우에 코팅 공정 동안, 또는 이용 중에 소실되었다. 그런 다음 본체와 코팅층 사이의 접촉 영역에 열적 또는 기계적 응력이 작용하면, 보호층은 박리된다.
그러므로 본 발명의 목적은, 최초에 언급한 유형의 열간 가공 공구뿐 아니라 이 열간 가공 공구를 제조하기 위한 방법에 있어서, 공구의 본체와 코팅층 사이에 향상된 결합이 존재하는 점이 보장되게끔 하는 상기 열간 가공 공구 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다. 그에 따라 또 다른 목적은 열간 가공 공구가 증대된 수명을 보유하고 그에 따라 특히 심리스 튜브의 제조가 더욱 경제적으로 이루어지도록 하는 것에 있다.
본 발명에 의한 상기 목적의 해결 방법은, 공구 본체가 프로파일 표면을 포함하고 이 프로파일 표면 상에 코팅층이 도포되는 것을 특징으로 한다.
프로파일 표면은 바람직하게는 공구의 축 방향으로 하나 이상의 언더컷부를 형성하며, 상기 프로파일 표면은 특히 공구 본체의 표면에서 다수의 융기부 및 함몰부를 포함한다.
공구 본체는 바람직하게는 강으로 구성된다.
코팅층은 열적 및 기계적 부하를 방지하는 층일 수 있다. 코팅층은 열-화학적 코팅 방법에 의해 도포될 수 있다.
상기 열간 가공 공구를 제조하기 위한 방법은 본 발명에 따라 하기 단계들을 포함한다.
a) 공구 본체를 제조하되, 공구 본체의 제조와 동시에 프로파일 표면을 생성하며, 프로파일 표면의 생성은 바람직하게는 기계적 가공, 특히 선삭 공정에 의해 이루어지게 하는 단계와,
b) 공구 본체에 코팅층을 도포하는 단계.
프로파일 표면의 생성 시에 바람직하게는 앞서 매끄럽게 가공된 공구 본체의 표면에 다수의 융기부 및 함몰부가 제조된다. 이 경우 융기부들은 특히 반경 방향 단면에서 웨브 형태, 바람직하게는 장방형 형태인 돌출부들로서 형성되고, 이들 돌출부는 사전 결정된 길이에 걸쳐서 공구의 종축의 방향으로 연장되고 함몰부들 위쪽에서 사전 결정된 높이 이상으로 융기된다. 함몰부들은 바람직하게는 상술한 단계 b)에 따라 코팅층을 도포할 때 적어도 융기부들의 높이까지 코팅층으로 채워지며, 심지어 바람직하게는 코팅층의 표면은 융기부들의 높이를 넘어간다.
상술한 단계 a) 이후에, 그리고 상술한 단계 b) 동안 공구 본체의 일부분에서는 열-화학적 변태 과정이 이루어지며, 이때 열-화학적 변태 과정은 특히 산화철, 특히 바람직하게는 스케일의 형성 과정을 포함한다.
또한, 상술한 단계 b)에 따른 코팅층의 도포는, 예컨대 화염 용사 또는 플라스마 용사에 의해 이루어질 수 있다.
그에 따라 공구 본체와 코팅층 사이의 결합의 향상은, 금속 지지 재료의 표면이 매끄럽게 가공되고 그런 다음 (바람직하게는 기계적 가공에 의해, 특히 선삭 공정에 의해 제조되는 방식으로 웨브들과 이들 웨브를 서로 이격시키는 틈새들로 구성되는) 소정의 구조를 구비하여 형성됨으로써 달성된다.
이어서, 상기와 같이 구조화된 지지 재료의 표면 윤곽을 따라 목표하는 열-화학적 코팅 방법에 의해, 상기 지지 재료의 일부분이 보호층으로 변태될 수 있다.
이 경우 그에 상응하게 웨브들의 폭 및 그 높이와 틈새들의 깊이가 감소된다. 지지 재료의 변태를 통해 생성된 상기 일차 보호층 상에는 열-화학적 방법에 의해 추가의 외부 보호층이 도포되며, 이 외부 보호층은 동시에 웨브들 사이에 잔존하는 틈새들 내지 함몰부들을 채우거나 밀폐한다.
지지 재료(본체)와 도포된 층 사이의 전환부를 공구의 각각의 사용 조건에 따라 사전에 적합하게 최적화된 방식으로 구조화하는 것을 통해, 달성된 층 구조의 접착은 분명하게 향상되고 층의 완전한 박리 현상은 방지된다.
압연 스톡과 산화층 사이의 전환부가 향상되는 것 외에도, 압연 스톡과 공구 사이의 포착 거동(gripping behavior)도 향상된다.
제안된 접근법 내지 설명된 구성은 일반적으로, 열적 및 기계적 부하에 더욱 잘 견딜 수 있도록 하기 위해, 코팅층에 의해 보호되어야 하는 공구 및 구조 부재에 적합하다.
본 발명에 의하면, 최초에 언급한 유형의 열간 가공 공구뿐 아니라 이 열간 가공 공구를 제조하기 위한 방법에 있어서, 공구의 본체와 코팅층 사이에 향상된 결합이 존재하는 점이 보장되게끔 하는 상기 열간 가공 공구 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다. 또한, 열간 가공 공구가 증대된 수명을 보유하고 그에 따라 특히 심리스 튜브의 제조가 더욱 경제적으로 이루어질 수 있다.
도면에는 본 발명의 실시예들이 개략적으로 도시되어 있다.
도 1은 천공 맨드릴 형태의 열간 가공 공구를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 2는 아직 코팅되지 않은 공구 본체에 대해 도 1의 "Z" 부분을 확대 도시한 상세도이다.
도 3은 이후 코팅된 공구 본체에 대해 도 1의 "Z" 부분을 확대 도시한 상세도이다.
도 4는 코팅된 공구 본체의 대체되는 실시예에 대해 도 1의 "Z" 부분을 확대 도시한 상세도이다.
도 5는 열간 가공 공구를 절단하고 도 1의 "Z" 부분을 연마하여 상세하게 나타낸 제1 현미경 단면도이다.
도 6은 열간 가공 공구를 절단하고 도 1의 "Z" 부분을 연마하여 상세하게 나타낸 제2 현미경 단면도이다.
도 1에는 열간 가공 공구(1)가 심리스 튜브를 제조하기 위한 천공 맨드릴의 형태로 도시되어 있다. 공구(1)는 가공 영역(3)을 구비한 공구 본체(2)를 포함하며, 상기 가공 영역은 소정의 길이에 걸쳐서 축 a의 방향으로 연장된다. 공구(1)는 가공 영역(3)에 코팅층(4)을 포함하며, 상기 코팅층은 열적 내지 기계적 부하로부터 공구(1)를 보호한다.
도 1의 "Z" 부분의 상세도로서, 다시 말하면 공구 본체(2)의 단면도로서 공구의 정확한 구성은 도 2와 도 3에 도시되어 있다. 여기서 알 수 있듯이, 반경 방향에서 바깥쪽에 위치하는 공구 본체(2)의 표면은 프로파일 표면(5)을 포함하며, 이 프로파일 표면은 반경 방향으로 돌출된 다수의 융기부(6)로 구성되고, 이들 융기부는 그에 따라 제공되는 함몰부(7)들 사이에 배치된다. 융기부(6)들은 축 방향(a)으로 바람직하게는 약 250㎛ 내지 4,000㎛의 범위에 존재하는 값(B)만큼 연장된다. 함몰부(7)들에 대한 융기부(6)들의 높이(D)는 약 500㎛ 내지 5,000㎛의 범위 이내이다. 2개의 융기부(6) 사이의 이격 간격(A)은 바람직하게는 약 200㎛ 내지 2,000㎛의 범위이다.
이 경우 프로파일 표면(5)은, 본체가 우선 매끄럽게 가공되고 이어서 기계적인 가공을 통해 반경 방향 단면에서 웨브 형태이거나 장방형 형태인 홈부(7)들이 구성되도록, 특히 오목하게 형성되도록, 본체(2)의 표면 상에 도포된다.
상기 사전 가공 이후에 공구 본체(2)의 표면에는 도 3에 도시된 것처럼 코팅층(4)이 제공된다. 이 경우 코팅층(4)의 총 층 두께(C)는 함몰부(7)들을 채우면서 융기부(6)들의 높이를 넘어간다.
그에 따라 축 방향(a)에서 볼 때 코팅층(4)의 재료를 위해 프로파일 표면(5)을 바탕으로 언더컷부가 생성되며, 그럼으로써 코팅층(4)은 공구(1)의 사용 시에 본체(2) 상에 매우 견고하게 접착되게 된다.
도 4에는 바람직한 실시예 내지 해결 방법이 도시되어 있다. 공구 본체(2)의 사전 가공은 도 2 및 도 3에 따른 해결 방법과 유사하게 실행되며, 다시 말하면 우선 프로파일 표면(5)이 매끄럽게 가공된 공구 본체(2) 내에 구성된다. 프로파일의 연장부는 도 2에 따른 연장부에 상응한다.
그런 다음 코팅층(4)의 도포 이전에 우선 열-화학적 처리 방법을 이용함으로써 본체(2)의 재료의 일부분이 보호층으로 변태된다. 미변태 재료(8)는 프로파일 표면(5)에 대해 등거리로 연장되며 도에는 파선으로 도시되어 있다. 이 경우, 도 4에 도시된 것처럼, 융기부(웨브)(6)들의 폭과, 횡단면에서 재차 장방형인 틈새들의 깊이는 그에 상응하게 감소된다.
상기와 같이 미변태된 재료 층(8) 상에, 다시 말하면 지지 재료의 변태에 의해 생성된 일차 내지 안쪽 보호층 상에는 변태 중에, 또는 그에 이어서 코팅층(4)이, 완성된 공구에 대해 도 4에 도시된 것처럼, 제2 외부 층으로서 도포된다. 이는 재차 열-화학적 방법에 의해, 또는 예컨대 화염 용사 또는 플라스마 용사에 의해 이루어진다.
다시 말해 도 4에 도시된 해결 방법에 따라, 지지 재료(본체)(2)와 층(4) 사이에는, 지지 재료(2) 상에 층(4)을 도포하거나 생성하기 전에, 또는 그 도중에 미변태 재료(8)에서 나타나는 구조가 제공된다.
도 5와 도 6의 도해에서는 실례로서 구체적인 코팅층을 확인할 수 있다. 요컨대 상기 도들에서는 웨브(융기부)(6)들의 변태와 틈새(함몰부)(7)들의 채움에 의해 생성되는 안쪽의 다공성 층(8)과 이 층에 도포되는 제2 외부 층(4)을 양호하게 알 수 있다. 본원에서 안쪽 층(8)(미변태 재료)은 산화철로 구성되고 본체의 표면 내지 프로파일 표면으로부터 성장한다. 웨브들(융기부들) 사이의 틈새들은 외부 코팅층(4)에 의해 채워진다.
도 5 내지 도 6에 따른 실시예에서 지지 재료(공구 본체)는 산화철로 코팅되었거나, 또는 본체의 재료가 산화철로 변태되었다. 지지 재료는 본원에서 강이다. 본체 상의 코팅층의 최대 두께는 본 실시예의 경우 약 1,000㎛이다.
지지 재료와 코팅층 사이의 구조화된 전환부는 각각의 적용에 따라 최적화되어 구성될 수 있으며, 그럼으로써 이용 중에 층의 완전한 박리 현상은 방지될 수 있게 된다. 그럼으로써 특히 공구(1)의 수명은 실질적으로 증대될 수 있다.
코팅된 공구의 표면은 사용 이전에, 또는 사용 동안 기계적 가공, 예컨대 (사용 이전의) 연삭 및 연마 공정에 의해, 또는 (사용 동안) 압연 공정에 의해 평활화될 수 있다.
표면의 평활화는 공구와 공작물(압연 스톡) 사이의 마찰을 감소시킨다.
1: 열간 가공 공구
2: 공구 본체
3: 가공 영역
4: 코팅층(coating)
5: 프로파일 표면(profiled surface)
6: 융기부
7: 함몰부
8: 미변태 재료(untransformed material)
a: 축 방향
B: 길이
D: 높이
A: 이격 간격
C: 총 층 두께

Claims (10)

  1. 금속 소재의 관형 공작물을 열간 단조하기 위한 심리스 튜브 또는 단조 맨드릴을 제조하기 위한 열간 가공 공구(1), 특히 천공 맨드릴 또는 압연 바로서, 상기 열간 가공 공구는 공구 본체(2)를 포함하고, 상기 공구 본체(2)는 적어도 가공 영역(3)에 코팅층(4)을 포함하는, 상기 열간 가공 공구에 있어서,
    상기 공구 본체(2)는 프로파일 표면(5)을 포함하고 이 프로파일 표면(5) 상에는 코팅층(4)이 도포되는 것을 특징으로 하는 열간 가공 공구.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프로파일 표면(5)은 공구(1)의 축 방향(a)으로 하나 이상의 언더컷부를 형성하고, 상기 프로파일 표면은 특히 상기 공구 본체(2)의 표면에서 다수의 융기부(6) 및 함몰부(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 가공 공구.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공구 본체(2)는 강으로 구성되는 것을 특징으로 하는 열간 가공 공구.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅층(4)은 열적, 그리고 기계적 부하를 방지하는 층인 것을 특징으로 하는 열간 가공 공구.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코팅층(4)은 열-화학적 코팅 방법에 의해 도포되는 것을 특징으로 하는 열간 가공 공구.
  6. 금속 소재의 관형 공작물을 열간 단조하기 위한 심리스 튜브 또는 단조 맨드릴을 제조하기 위한 열간 가공 공구(1), 특히 천공 맨드릴 또는 압연 바를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 제조 방법은
    a) 공구 본체(2)를 제조하되, 상기 공구 본체(2)를 제조함과 동시에 프로파일 표면(5)이 생성되게 하고, 상기 프로파일 표면(5)의 생성은 바람직하게는 기계적 가공, 특히 선삭 공정을 통해 이루어지게 하는 단계와,
    b) 상기 공구 본체(2)에 코팅층(4)을 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 프로파일 표면(5)의 생성 시에 상기 공구 본체(2)의 표면에 다수의 융기부(6) 및 함몰부(7)가 제조되고, 상기 융기부(6)들은 특히 반경 방향 단면에서 웨브 형태인 돌출부들로서, 바람직하게는 장방형 돌출부들로서 형성되며, 이들 돌출부는 사전 결정된 길이(B)에 걸쳐서 공구(1)의 종축(a)의 방향으로 연장되고 상기 함몰부(7)들 위쪽으로 사전 결정된 높이(D) 이상으로 융기되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 함몰부(7)들은 제6항의 단계 b)에 따른 코팅층(4)의 도포 시에 적어도 상기 융기부(6)들의 높이까지 코팅층(4)으로 채워지며, 바람직하게는 상기 코팅층(4)의 표면은 상기 융기부(6)들의 높이를 넘어가는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 제6항의 단계 a) 이후에, 그리고 단계 b) 이전에 공구 본체(2)의 일부분에서는 열-화학적 변태 과정이 이루어지며, 이때 상기 열-화학적 변태 과정은 산화철, 특히 바람직하게는 스케일의 형성 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 제6항의 단계 b)에 따른 코팅층(4)의 도포는 화염 용사, 플라스마 용사 또는 열-화학적 방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
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