KR20130069545A - A method for surface treatment of a die-casting die - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 히트 체크나 마모의 원인이 되는 질소 화합물층을 금형에 실질적으로 제공하지 않는 한편, 금형 내부에 질소를 다량으로 도입하여, 결과적으로, 내히트 체크성 및 내마모성이 우수한 다이캐스트 금형을 제조할 수 있는 표면 처리 방법을 제공하는 것이다. 상기 방법은, 가열로 내에 적어도 암모니아 가스를 포함하는 가스를 도입하여 다이캐스트 금형의 의장면에 적어도 질소 화합물로 이루어진 화합물층을 포함하는 질화층을 형성하는 질화 처리 단계와, 가열로 내로부터 암모니아 가스를 배출하며 가열로 내에 분위기 가스를 도입하여 가열 처리를 행함으로써 질소 화합물을 분해시키는 화합물 분해 단계와, 금형의 의장면에 쇼트 피닝 처리를 행하는 쇼트 피닝 처리 단계를 포함한다. 질화 처리 단계에서 형성된 질소층에 포함된 화합물층의 두께는 2㎛ 내지 7㎛의 범위 내이다.The present invention does not substantially provide the mold with a nitrogen compound layer that causes heat check or abrasion, while introducing a large amount of nitrogen into the mold, resulting in a die cast mold having excellent heat check resistance and wear resistance. It is to provide a surface treatment method which can be performed. The method includes a nitriding treatment step of introducing a gas containing at least ammonia gas into a heating furnace to form a nitride layer including a compound layer composed of at least nitrogen compounds on a design surface of a die casting mold, and ammonia gas from the heating furnace. A compound decomposition step of decomposing the nitrogen compound by discharging the gas by introducing an atmosphere gas into the heating furnace and performing a heat treatment; and a shot peening treatment step of performing a short peening treatment on the surface of the mold. The thickness of the compound layer included in the nitrogen layer formed in the nitriding treatment step is in the range of 2 μm to 7 μm.
Description
본 발명은, 쇼트 피닝 처리를 이용하여 다이캐스트 금형의 의장면에 압축 잔류 응력을 부여함으로써 제공되는 다이캐스트 금형의 표면 처리 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD This invention relates to the surface treatment method of the die-cast die provided by giving compressive residual stress to the design surface of a die-cast die using shot peening.
금속 용탕의 주입, 응고, 및 성형품의 틀 제거를 포함하는 성형 사이클을 반복하는 다이캐스트 조형에서는, 성형 사이클에 의해 부여되는 열 이력에 의해 다이캐스트 금형의 의장면에 미세한 히트 체크가 형성되기 쉽다. 따라서, 기계적 접촉에 의한 마모도 발생하기 쉽다. 이러한 히트 체크는 크랙 또는 크랙들로 성장하여 금형을 손상시키며, 마모는 성형품의 치수 정밀도를 저하시킬 수도 있다. 따라서, 내히트 체크성이나 내마모성을 향상시켜 제품의 수명을 연장하기 위해, 금형의 의장면의 경도를 높이는 표면 질화 처리 및 의장면에 압축 잔류 응력을 부여하는 쇼트 피닝 처리 등의 처리가 행해진다.In diecast molding which repeats the molding cycle including injection of the molten metal, solidification, and mold removal of the molded article, a fine heat check is likely to be formed on the design surface of the diecast mold due to the thermal history imparted by the molding cycle. Therefore, wear due to mechanical contact is also likely to occur. Such heat checks grow into cracks or cracks, which damage the mold, and wear may degrade the dimensional accuracy of the molded article. Therefore, in order to improve heat check resistance and abrasion resistance and prolong the life of the product, treatments such as surface nitriding treatment for increasing the hardness of the design surface of the mold and short peening treatment for imparting compressive residual stress to the design surface are performed.
금형에서의 표면 질화 처리는, 주로 가스 질화 처리에 의해 행해진다. 그 주된 이유는 처리의 용이함 및 처리 비용면에 있다. 가스 질화 처리에 의해, 암모니아 가스가 고온하에서 분해되며, 발생된 질소가 금형의 의장면으로부터 금형 내부로 확산되어, 확산 경화층이 제공된다.Surface nitriding in a metal mold | die is mainly performed by gas nitriding. The main reason is the ease of processing and the cost of processing. By gas nitriding, ammonia gas is decomposed under high temperature, and the generated nitrogen diffuses from the design surface of the mold into the mold, thereby providing a diffusion hardened layer.
금형에서의 쇼트 피닝 처리는, 주로 1㎜ 이하의 세라믹이나 경질 금속으로 이루어진 소형 구(球)를 투사 장치로 가속하여 금형의 의장면에 투사함으로써 행해지고 있다. 금형의 의장면에는, 소형 구의 충돌에 의한 가공 경화 처리에 기초하여 압축 잔류 응력이 부여된다.The shot peening process in a metal mold | die is performed by accelerating the small sphere which consists mainly of ceramic or hard metal of 1 mm or less with a projection apparatus, and projects it on the design surface of a metal mold | die. Compression residual stress is given to the design surface of a metal mold | die based on the work hardening process by the collision of a small sphere.
예를 들면, 특허문헌 1에는, 우선 금형의 의장면에 표면 질화 처리를 행하여 질소 확산 경화층을 형성한 후에, 쇼트 피닝 처리를 행하여, 확산 경화층의 표면에 높은 압축 잔류 응력을 부여하는 것이 개시되어 있다. 표면 질화 처리와 쇼트 피닝 처리를 조합하여 행함으로써 금형의 제품 수명을 상당히 연장할 수도 있다.For example,
질화 처리에 의해, 질소 확산 경화층의 표면에 소성 변형능(plastic deformability)이 부족한 화합물층이 형성되는 것으로 알려져 있다. 이러한 화합물층은 히트 체크에 의한 크랙 또는 크랙들로의 성장이나, 박리에 의한 마모의 원인이 되기 때문에, 화합물층의 형성을 방지하거나, 혹은 가능한 한 얇게 형성하는 질화 처리 방법이 제안되어 있다.It is known that the nitriding treatment forms a compound layer lacking plastic deformability on the surface of the nitrogen diffusion hardened layer. Since such a compound layer causes crack or crack growth by heat check, and wear by peeling, the nitriding treatment method which prevents formation of a compound layer or forms it as thin as possible is proposed.
예를 들면, 특허문헌 2에서는, 우선 450~530℃의 비교적 낮은 온도 범위에서 암모니아 가스 질화 처리가 행해지는 2단 처리가 개시되어 있다. 그런 다음, 암모니아의 공급이 저감 또는 정지되는 한편, 550~590℃의 처리 온도 범위에서 질소가 내부 확산된다. 일반적으로, 비교적 낮은 온도 범위하의 암모니아 가스 질화 처리에 의해서는, 화합물층이 얇게 형성된다. 그러나, 질소 확산층의 깊이도 얕아지게 된다. 따라서, 질소 확산층의 질소를 금형에 깊이 확산시켜 두꺼운 질소 확산층을 제공하는 한편, 화합물층을 얇게 유지하고 있다.For example,
마찬가지로, 특허문헌 3에는, 우선 570℃ 미만의 온도의 감압하에서 암모니아 가스 질화 처리가 행해지는 2단 처리가 개시되어 있다. 그런 다음, 암모니아의 공급이 저감 또는 정지되는 한편, 570℃~650℃의 처리 온도 범위에서 질소가 내부 확산된다. 특허문헌 3에는, 질소 화합물층을 얇고 비공성(non-porous) 상태로 할 수 있는 한편, 가열 처리에 의해 질소 화합물층의 깊이를 질소 확산층의 깊이보다 깊게 할 수 있음이 기재되어 있다.Similarly,
특허문헌 2 및 3에 개시된 바와 같이, 질소 화합물층을 얇게 형성하기 위한 암모니아 가스 질화 처리에서는, 금형에 공급되는 질소의 절대량이 적기 때문에, 가열 처리에 의해 질소 확산층의 질소를 금형에 더 깊이 확산시키고자 할 때, 질소 화합물층이 충분한 경도를 가질 수 없다.As disclosed in
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이다. 본 발명의 목적은, 금형에 히트 체크나 마모의 원인이 되는 질소 화합물층을 실질적으로 제공하지 않는 한편, 금형의 내부에 질소를 다량으로 도입할 수 있는 표면 처리 방법을 제공하는 것이다. 결과적으로, 내히트 체크성 및 내마모성이 우수한 다이캐스트 금형을 제조할 수 있다.This invention is made | formed in view of such a situation. It is an object of the present invention to provide a surface treatment method capable of introducing a large amount of nitrogen into a mold while substantially not providing a nitrogen compound layer that causes heat check or wear to the mold. As a result, a die cast mold excellent in heat check resistance and wear resistance can be produced.
본 발명의 발명자들은, 가스 연질화 처리, 가스 침류 질화 처리, 및 플라즈마 질화 처리 등의 각종 질화 처리에 의해 형성되는 질소 화합물로 이루어진 최표층이 가열 처리에 의해 용이하게 분해될 수 있음을 찾아내었다. 금형에 질소 화합물층을 실질적으로 제공하지 않는 금형의 제조 방법에 대해 검토하던 중, 본 발명자들은 상기 분해에 의해 질소가 발생되며, 발생된 질소를 금형의 내부에 확산시킴으로써 금형에 공급되는 질소의 양을 증가시킬 수도 있음을 고안해 내었다.The inventors of the present invention have found that the outermost layer made of nitrogen compounds formed by various nitriding treatments such as gas soft nitriding treatment, gas immersion nitriding treatment, and plasma nitriding treatment can be easily decomposed by heat treatment. While investigating a method for manufacturing a mold that does not substantially provide a nitrogen compound layer to the mold, the inventors of the present invention found that nitrogen is generated by the decomposition, and the amount of nitrogen supplied to the mold is diffused by dispersing the generated nitrogen into the mold. It was designed to increase.
따라서, 쇼트 피닝 처리를 이용하여 다이캐스트 금형의 의장면에 압축 잔류 응력을 부여함으로써 제공되는 본 발명의 다이캐스트 금형의 표면 처리 방법은, 가열로 내에 적어도 암모니아 가스를 포함하는 가스를 도입하여 상기 다이캐스트 금형의 의장면에, 질화 처리, 예를 들어 가스 연질화, 가스 침류 질화, 및 플라즈마 질화에 의해 적어도 질소 화합물로 이루어진 화합물층을 포함하는 질화층을 형성하는 질화 처리 단계와, 상기 가열로 내로부터 암모니아 가스를 배출하며 상기 가열로 내에 분위기 가스를 도입하여 가열 처리를 행함으로써 상기 질소 화합물을 분해시키는 화합물 분해 단계와, 상기 금형의 의장면에 쇼트 피닝 처리를 행하는 쇼트 피닝 처리 단계를 포함한다. 상기 질화 처리 단계에서 형성된 상기 질소층에 포함된 상기 화합물층의 두께는 2㎛ 내지 7㎛의 범위 내이다.Therefore, in the die-casting surface treatment method of the present invention provided by applying a compressive residual stress to the design surface of a die-cast die by using a shot peening treatment, the die is introduced by introducing a gas containing at least ammonia gas into a heating furnace. A nitriding treatment step of forming a nitriding layer on the design surface of the cast die, the nitride layer comprising a compound layer made of at least nitrogen compounds by nitriding treatment, for example, gas soft nitriding, gas immersion nitriding, and plasma nitriding; A compound decomposition step of decomposing the nitrogen compound by discharging the ammonia gas and introducing an atmosphere gas into the heating furnace to perform a heat treatment, and a short peening treatment step of performing a short peening treatment on the surface of the mold. The thickness of the compound layer included in the nitrogen layer formed in the nitriding treatment step is in the range of 2 μm to 7 μm.
본 방법에 의하면, 적어도 암모니아 가스를 포함하는 가스를 가열로 내에 도입함으로써 질화 처리에 의해 형성되는 질소 화합물층의 두께가 소정 두께로 제어되어, 질소 화합물이 화합물 분해 단계에서 분해된다. 결과적으로, 질소 화합물층이 실질적으로 제공되지 않는다. 따라서, 질소가 대신 발생되어 금형에 공급되는 질소의 양이 증가함으로써, 높은 경도를 갖는 질소 확산층을 제공할 수 있다. 그런데, 실질적으로 소실되는 질소 화합물층은 다량의 공극을 포함하는 층으로서 남아 있어, 쇼트 피닝 처리에서의 쇼트의 충돌 에너지를 흡수 및 분산시킨다. 그렇지만, 질화 처리 단계에서 이 질소 화합물층의 두께가 또한 소정 두께로 제어되어, 쇼트 피닝 처리에 의한 압축 잔류 응력이 질소 확산층에 부여될 수 있다. 따라서, 높은 경도와 높은 압축 잔류 응력에 기초하여, 내마모성 및 내히트 체크성이 우수한 다이캐스트 금형을 제조할 수 있는 것이다.According to this method, by introducing a gas containing at least ammonia gas into the heating furnace, the thickness of the nitrogen compound layer formed by nitriding is controlled to a predetermined thickness, so that the nitrogen compound is decomposed in the compound decomposition step. As a result, the nitrogen compound layer is substantially not provided. Therefore, nitrogen is generated instead and the amount of nitrogen supplied to the mold is increased, thereby providing a nitrogen diffusion layer having a high hardness. However, the nitrogen compound layer substantially lost remains as a layer containing a large amount of voids, so as to absorb and disperse the impact energy of the shot in the shot peening treatment. However, in the nitriding treatment step, the thickness of this nitrogen compound layer is also controlled to a predetermined thickness so that the compressive residual stress due to the shot peening treatment can be applied to the nitrogen diffusion layer. Therefore, it is possible to manufacture a die-cast die having excellent wear resistance and heat check resistance based on high hardness and high compressive residual stress.
상기 방법에 있어서, 상기 화합물 분해 단계는, 상기 가열 처리를 상기 질화 처리 단계의 온도보다 낮은 온도로 행하는 것이 바람직하다. 이 경우, 보다 높은 경도와 높은 압축 잔류 응력을 다이캐스트 금형에 부여할 수 있어, 내마모성 및 내히트 체크성이 보다 우수한 다이캐스트 금형을 제조할 수 있는 것이다.In the above method, the compound decomposition step is preferably performed at a temperature lower than the temperature of the nitriding treatment step. In this case, higher hardness and higher compressive residual stress can be applied to the die cast mold, and a die cast mold having better wear resistance and heat check resistance can be produced.
도 1은 본 발명의 다이캐스트 금형의 표면 처리 방법의 실시형태에 이용되는 일 시험편의 사시도이다.
도 2는 도 1에 개시된 시험편의 강종 및 표면 처리 조건을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다이캐스트 금형의 표면 처리 방법의 실시형태에 이용되는 가열 및 냉각 시험 장치의 일례를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다이캐스트 금형의 표면 처리 방법에 있어서, 질화 처리 단계 이후의 시험편의 표면 근방의 변화(도 4의 (a)) 및 화합물 분해 단계 이후의 시험편의 표면 근방의 변화(도 4의 (b))를 도시하는 확대 단면도이다.
도 5는 도 4의 (a) 및 (b)의 시험편의 표면 근방의 질소 농도의 변화를 도시하는 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다이캐스트 금형의 표면 처리 방법이 적용된 시험편에 대한 화합물층 두께와 히트 체크(HC) 수 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다이캐스트 금형의 표면 처리 방법에서의 쇼트 피닝 처리 단계가 적용된 시험편에 대한 화합물층 두께와 잔류 응력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 질화 처리 단계 이후의 시험편(제 11 실시형태)의 단면 사진이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a perspective view of one test piece used for embodiment of the surface treatment method of the die cast metal mold of this invention.
It is a figure which shows the steel grade and surface treatment conditions of the test piece shown in FIG.
It is a figure which shows an example of the heating and cooling test apparatus used for embodiment of the surface treatment method of the die-cast die of this invention.
4 is a change in the vicinity of the surface of the test piece after the nitriding treatment step (FIG. 4A) and a change in the vicinity of the surface of the test piece after the compound decomposition step (FIG. 4) in the die-casting surface treatment method of the present invention. It is an expanded sectional drawing which shows (b)).
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view illustrating a change in nitrogen concentration near the surface of the test piece of FIGS. 4A and 4B.
6 is a graph showing the relationship between the compound layer thickness and the number of heat checks (HC) for a test piece to which the surface treatment method of the die cast mold of the present invention is applied.
7 is a graph showing the relationship between the compound layer thickness and the residual stress for the test piece to which the shot peening treatment step is applied in the surface treatment method of the die cast mold of the present invention.
8 is a cross-sectional photograph of a test piece (eleventh embodiment) after the nitriding treatment step.
본 발명의 다이캐스트 금형의 표면 처리 방법에 대해, 도 1 내지 도 8에 나타낸 바와 같은 실증 시험의 결과를 참조하여, 상세하게 설명한다. 실증 시험에 있어서, 다이캐스트 금형에 각각 대응하는 원통 형상의 시험편(1, 도 1 참조)을 준비하고, 각종 표면 처리를 행하여 이를 평가한다.The surface treatment method of the die cast die of the present invention will be described in detail with reference to the results of the demonstration test as shown in FIGS. 1 to 8. In the proof test, cylindrical test pieces 1 (see Fig. 1) corresponding to die cast molds are prepared, and various surface treatments are performed to evaluate them.
외경(D1, outer diameter)=15㎜, 내경(D2, inner diameter)=3㎜, 및 길이(L)=20㎜의 원통형 시험편(1)을 준비한다. 각 시험편(1)은, SKD61 상당의 합금 공구 강재인 일본 산업 표준(Japanese Industrial Standards(JIS))의 원형 바 스톡(bar stock)으로부터 가공된다. SKD61 상당재 대신에, 제 9 실시형태 및 제 10 실시형태에서의 시험편(1)은 SKD7 상당의 원형 바 스톡 및 SKH51 상당의 합금 공구 강재로부터 가공된다. 실시형태 및 비교예의 강종(steel classes)에 대해서는 도 2에 정리하여 나타낸다.A
다음으로, 각 시험편(1)을 가열로 내에서 가열하면서 암모니아 가스를 가열로 내에 도입하여, 시험편(1)의 외주면(peripheral surface)을 가스 연질화 처리한다(질화 처리 단계). 가스 연질화 처리 대신에, 제 6 실시형태의 시험편은 가스 침류 질화 처리된다. 또한, 제 7 실시형태 및 제 5 비교예의 시험편은 모두 플라즈마 질화 처리된다. 실시형태 및 비교예에서의, 질화 처리의 종류, 가스의 종류, 온도, 및 시간에 대해 표 2에 정리하여 나타낸다.Next, ammonia gas is introduce | transduced into a heating furnace, heating each
다음으로, 가열로 내로부터 암모니아 가스를 배출한 후, 가열로 내에 분위기 가스로서 질소를 도입하는 한편, 시험편을 가열로 내에서 계속 가열 처리하여 확산 처리한다. 따라서, 후술하는 바와 같이 질화 처리에 의해 발생한 화합물층(2, 도 4 참조) 내에서 질소 화합물이 완전하게 분해된다(화합물 분해 단계). 확산 처리의 온도 및 시간에 대해서도 도 2에 정리하여 나타낸다.Next, after discharging the ammonia gas from the inside of the heating furnace, nitrogen is introduced into the heating furnace as the atmosphere gas, while the test piece is continuously heated and diffused in the heating furnace. Therefore, the nitrogen compound is completely decomposed in the compound layer 2 (refer to FIG. 4) generated by the nitriding treatment as described later (compound decomposition step). The temperature and time of the diffusion treatment are also collectively shown in FIG. 2.
예컨대, 각각 직경 0.05㎜-0.2㎜의 비정질(amorphous) 합금으로 이루어진 소형 구를, 시험편(1)의 외주면에 0.3MPa의 투사압으로 투사하여, 쇼트 피닝 처리한다(쇼트 피닝 처리 단계).For example, a small sphere made of an amorphous alloy each having a diameter of 0.05 mm to 0.2 mm is projected on the outer circumferential surface of the
상기 처리에 의해 처리된 시험편(1)에 대해, 길이 방향 중앙부 근방 외주면의 잔류 응력을 측정한다.About the
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 각 시험편(1)에 대해 시험 장치(20)로 반복하여 가열 및 냉각 시험을 행함으로써, 내히트 체크성을 평가한다. 보다 상세하게는, 시험편(1)의 관통 구멍(1a)에 시험 장치(20)의 지지 부재(22)의 소직경부(22a; small diameter portion)를 삽입하여, 시험편(1)을 상하로부터 홀더(23)에 의해 끼워 고정한다. 시험편(1)의 외주면을 고주파 코일(21)로 4초 동안 실온에서부터 700℃까지 가열한다. 그런 다음, 방수구(미도시; jet orifice)로부터 냉각수(24)를 분사하여, 시험편(1)을 3초 동안 실온까지 냉각한다. 다음으로, 가열 및 냉각된 시험편(1)을 1초 동안 에어 블로우로 건조한다. 이러한 가열, 냉각, 및 건조의 사이클을 합계 1000회 반복하여, 시험편(1)을 시험 장치(20)로부터 제거한다. 시험 장치(20)로부터 제거된 시험편(1)은, 길이 방향의 중앙부 근방을 그 중심축에 대해 수직인 평면으로 절단한다. 그런 다음, 시험편(1)을 수지 매립하여, 그 절단면을 경면 연마한다. 시험편의 절단면을 100배의 광학 현미경을 이용하여 관찰하여, 시험편(1)의 외주면에 발생한 히트 체크(HC)의 수를 측정한다.In addition, as shown in FIG. 3, heat check resistance is evaluated by repeatedly performing a heating and cooling test on each
덧붙여, 상기한 질화 처리 후의 시험편(1)의 일부를 가열로로부터 제거하여, 후술하는 바와 같이 화합물층(2, 도 4 참조)의 두께를 측정한다. 가열로로부터 제거한 시험편(1)을 그 길이 방향 중앙부 근방에서 그 중심축에 대해 수직인 평면으로 절단한다. 그런 다음, 절단된 시험편(1)의 절단면을 경면 연마한다. 다음으로, 연마된 절단면을 광학 현미경으로 관찰하여, 화합물층(2)의 두께를 측정한다.In addition, a part of
질화 처리에서는, 도 4의 (a) 및 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 기상(gas phase) 중의 활성화된 질소가 시험편(1)의 외주면으로부터 내부(4, 기재)로 확산하여, 외주면 근방에 질화층(5)을 형성한다. 질화층(5)은, 최표층인 질소 화합물층(2) 및 그 내부측의 질소 확산층(3)으로 이루어진다. 화합물층(2)은, Fe나 Cr의 복합 질화물로 이루어지며, 매우 취약한 층이다. 참고로, 플라즈마 질화 처리에서의 화합물층의 성장 속도는 가스 질화 처리에서의 화합물층의 성장 속도보다 매우 늦다. 질소 확산층(3)은, 분산 및 석출된 질화물을 포함하는 질소의 고용층(solid solution layer)이다.In the nitriding treatment, as shown in Figs. 4A and 5A, activated nitrogen in the gas phase diffuses from the outer peripheral surface of the
상기한 질화 처리에 계속해서 확산 처리에서는, 도 4의 (b) 및 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이, 질화층(5)의 깊이가 확대된다. 보다 상세하게는, 기상 중으로부터 외주면을 통해 시험편(1)에 공급되는 질소의 플럭스가 저하되어, 질소 확산층(3)의 질소가 주로 시험편(1)의 내부로 확산된다. 이때, 화합물층(2)의 질소 화합물이 분해되어 질소가 발생되면, 발생된 질소도 시험편(1)의 내부로 확산된다. 화합물 중에 포함된 질소의 농도(도 5의 (a)의 부호 '3a' 참조)가 질소 확산층(3)과 같은 질소 고용체에 포함된 질소의 농도(도 5의 (b)의 부호 '3b' 참조)보다 매우 높기 때문에, 다량의 질소를 함유하는 질소 확산층(3)을 얻을 수 있다(도 5의 (b)의 부호 '31' 참조). 도 5의 (b)에 있어서, 부호 '32'는 질화 처리에 의해서만 얻어진 질소 확산층(3)만이 확산 처리된 경우를 나타낸다.In the diffusion process subsequent to the above-mentioned nitriding treatment, as shown in FIGS. 4B and 5B, the depth of the
한편, 화합물층(2)의 복합 질화물이 분해하면, 그 체적 수축으로 인해, 다량의 공극을 포함하는 표면층(2')이 되어 버린다. 이러한 표면층(2')은, 쇼트 피닝 처리에서의 쇼트의 충돌 에너지를 흡수 및 소멸시켜, 압축 잔류 응력의 형성이 저해된다. 그 상세에 대해서는 후술한다.On the other hand, when the composite nitride of the
이하에 상기한 측정의 결과에 대해 설명한다. 반복된 가열 및 냉각 시험 후의 히트 체크(HC)의 수와 화합물층(2)의 두께 사이의 관계에 대해 도 6에 나타낸다.The result of the above measurement is demonstrated below. 6 shows a relationship between the number of heat checks HC and the thickness of the
히트 체크의 수는, 화합물층(2)의 두께를 증가시킴에 따라 감소하여, 내히트 체크성을 향상시킬 수도 있음을 알 수 있다. 즉, 제 1 비교예에서의 두께 1.5㎛의 얇은 화합물층(2)은 히트 체크수가 597개이고, 제 5 비교예에서의 두께 1.0㎛의 얇은 화합물층(2)은 히트 체크수가 441개이다. 이에 대해, 제 1 내지 제 14 실시형태에서의 두께 2㎛ 내지 7㎛의 두꺼운 화합물층(2)은 히트 체크수가 13 내지 257개로 큰 폭으로 감소되어 있다. It can be seen that the number of heat checks decreases as the thickness of the
특히, 확산 처리(가열 처리)를 질화 처리의 온도보다 낮은 온도로 행한 제 11 실시형태에서의 히트 체크수가 큰 폭으로 감소되어 있다. 따라서, 화합물 분해 단계에서의 가열 처리는 질화 처리 단계의 온도보다 낮은 온도로 행하는 것이 바람직함을 알 수 있다.In particular, the heat check number in the eleventh embodiment in which the diffusion treatment (heating treatment) is performed at a temperature lower than the temperature of the nitriding treatment is greatly reduced. Therefore, it can be seen that the heat treatment in the compound decomposition step is preferably performed at a temperature lower than the temperature of the nitriding treatment step.
상술한 바와 같이, 화합물층(2)의 두께를 증가시킴에 따라, 확산 처리에 의해 분해되는 질소 화합물의 양이 증가되기 때문에, 질소 확산층(3)에서의 질소의 양을 증가시킬 수 있으며, 확산 처리 후의 경도를 높여 내마모성을 향상시킬 수 있는 동시에, 내히트 체크성을 향상시킬 수 있다.As described above, as the thickness of the
한편, 히트 체크의 수는, 화합물층(2)의 두께를 소정 두께 이상으로 증가시킴에 따라 급격하게 증가하여, 내히트 체크성이 큰 폭으로 저하될 수도 있음을 알 수 있다. 즉, 제 1, 제 2, 및 제 4 비교예에서의 두께 8.0㎛, 9.0㎛, 및 10.0㎛의 두꺼운 화합물층(2)의 형성에 의한 히트 체크수는 각각 706, 707, 및 840개이다. 이는 제 1 내지 제 14 실시형태와 비교하여 급격하게 증가하였다.On the other hand, it can be seen that the number of heat checks increases rapidly as the thickness of the
상기에 관해, 쇼트 피닝 처리에 의해 시험편(1)에 부여되는 잔류 응력과 화합물층(2)의 두께 사이의 관계에 대해 도 7에 나타낸다. 도 7에 있어서, 압축 응력은 음(negative)의 값으로 나타내고 있다.Regarding the above, Fig. 7 shows a relationship between the residual stress applied to the
압축 잔류 응력의 절대값은 화합물층(2)의 두께를 증가시킴에 따라 증가될 수도 있음을 알 수 있다. 즉, 제 1 및 제 5 비교예에서의 두께 1.5㎛ 및 1.0㎛의 얇은 화합물층(2)의 형성에 의한 압축 잔류 응력은 각각 -965MPa 및 -993MPa이다. 이에 대해, 제 1 내지 제 14 실시형태에서의 두께 2㎛ 내지 7㎛의 두꺼운 화합물층(2)의 형성에 의한 압축 잔류 응력은 -1350MPa 내지 -1755MPa로 큰 폭으로 증가하였다. 이는 제 1 및 제 5 비교예와 비교하여 상당히 증가하였다.It can be seen that the absolute value of the compressive residual stress may be increased by increasing the thickness of the
한편, 압축 잔류 응력의 절대값은 화합물층(2)의 두께를 소정 두께 이상으로 증가시킴에 따라, 급격하게 저하될 수도 있음을 알 수 있다. 즉, 제 2, 제 3, 및 제 4 비교예에서의 두께 8.0㎛, 9.0㎛, 및 10.0㎛의 두꺼운 화합물층(2)의 형성에 의한 압축 잔류 응력은 각각 -1298MPa, -1251MPa, 및 -938MPa이다.On the other hand, it can be seen that the absolute value of the compressive residual stress may decrease rapidly as the thickness of the
상술한 바와 같이, 화합물층(2)의 두께를 소정 두께 이상으로 증가시키면 압축 잔류 응력의 절대값이 큰 폭으로 저하되며, 따라서 내히트 체크성이 큰 폭으로 저하된다. 이는 화합물층의 화합물이 분해함으로써 형성되는 다량의 공극을 포함하는 표면층(2', 도 4의 (b) 참조)에 기인한다. 보다 상세하게는, 두꺼운 화합물층(2)을 형성함으로써, 확산 처리에 의해 표면층(2')이 두꺼워져, 쇼트 피닝 처리에 의한 압축 잔류 응력의 형성이 급격하게 저해되며, 따라서, 내히트 체크성이 큰 폭으로 저하된다.As mentioned above, when the thickness of the
도 8의 (a)는, 제 11 실시형태에서의 질화 처리 후의 시험편(1)의 절단면의 광학 현미경 사진이다. 도 8의 (b)는, 제 11 실시형태에서의 질화 처리에 이은 확산 처리 후의 시험편(1)의 절단면의 광학 현미경 사진이다. 전자에서는, 화합물층(2) 및 질소 확산층(3)을 관찰할 수 있다. 후자에서는, 두께가 증가된 질소 확산층(3), 및 화합물이 분해함으로써, 특히 질소 확산층(3)에 근접하여 검게 공극을 포함하는 표면층(2')을 관찰할 수 있다.FIG. 8A is an optical micrograph of the cut surface of the
상술한 바에 기초하여, 화합물층(2)의 두께, 및 그에 따라 화합물이 분해된 후에 남아 있는 공극을 포함하는 표면층(2')의 두께를 일정하게 제한함으로써, 쇼트 피닝 처리에 의한 압축 잔류 응력을 양호하게 부여하여, 내히트 체크성이 우수한 다이캐스트 금형을 얻을 수 있다. 특히, 실시형태에서와 같은 쇼트 피닝 처리의 일반적인 조건하에서는, 본 목적을 달성하기 위한 화합물층(2, 화합물이 분해된 후에 남아 있는 표면층(2'))의 두께는 2-7㎛이다.Based on the above, by limiting the thickness of the
제 6 및 제 7 실시형태에서와 같은, 가스 연질화, 가스 침류 질화, 및 플라즈마 질화 등의 질화 처리 종류 간의 차이에 관계없이, 도 6 및 도 7의 화합물층(2)의 두께와 히트 체크수 또는 압축 잔류 응력 사이의 관계는 동일한 플롯 선상에 정렬된다. 또한, 제 9 및 제 10 실시형태에 있어서, SKD61 상당재, SKD7 상당재, 및 SKH51 상당재의 강재 간의 차이에도 관계없다. 즉, 이러한 결과는 질화 처리 종류 간의 차이, 및 일반적인 금형 재료 간의 차이에 관계없이, 본 발명의 방법을 적용할 수 있음을 시사한다.Regardless of the difference between the types of nitriding treatments such as gas soft nitriding, gas immersion nitriding, and plasma nitriding, as in the sixth and seventh embodiments, the thickness and heat check number of the
상술한 바와 같이, 본 발명의 다이캐스트 금형의 표면 처리 방법의 실시형태는, 가열로 내에 적어도 암모니아 가스를 포함하는 가스를 도입하여 다이캐스트 금형의 의장면에, 질화 처리, 예를 들어 가스 연질화, 가스 침류 질화, 및 플라즈마 질화에 의해 적어도 질소 화합물로 이루어진 화합물층을 포함하는 질화층을 형성하는 질화 처리 단계와, 가열로 내로부터 암모니아 가스를 배출하며 가열로 내에 분위기 가스를 도입하여 가열 처리를 행함으로써 질소 화합물을 분해시키는 화합물 분해 단계와, 금형의 의장면에 쇼트 피닝 처리를 행하는 쇼트 피닝 처리 단계를 포함한다. 질화 처리 단계에서 형성된 질소층에 포함된 화합물층의 두께는 2㎛ 내지 7㎛의 범위 내이다.As mentioned above, embodiment of the surface treatment method of the die-cast die of this invention introduce | transduces the gas containing at least ammonia gas into a heating furnace, and nitriding process, for example, gas soft nitriding, to the design surface of a die-cast die. And a nitriding treatment step of forming a nitride layer including at least a compound layer made of a nitrogen compound by gas immersion nitriding and plasma nitriding, and ammonia gas is discharged from the heating furnace, and an atmospheric gas is introduced into the heating furnace to perform the heat treatment. Thereby including a compound decomposition step of decomposing the nitrogen compound and a shot peening treatment step of performing a shot peening treatment on the surface of the mold. The thickness of the compound layer included in the nitrogen layer formed in the nitriding treatment step is in the range of 2 μm to 7 μm.
적어도 암모니아 가스를 포함하는 가스를 가열로 내에 도입함으로써 질화 처리에 의해 형성되는 질소 화합물층의 두께가 소정 두께로 유지되어, 질소 화합물이 화합물 분해 단계에서 분해된다. 결과적으로, 질소 화합물층이 실질적으로 제공되지 않으며, 따라서 질소가 대신 발생되어 금형에 공급되는 질소의 양을 증가시킴으로써, 높은 경도를 갖는 질소 확산층을 제공할 수 있다. 그런데, 실질적으로 소실되는 질소 화합물층은 다량의 공극을 포함하는 층으로서 남아 있어, 쇼트 피닝 처리에서의 쇼트의 충돌 에너지를 흡수 및 분산시킨다. 그렇지만, 질화 처리 단계에서 질소 화합물층의 두께가 또한 소정 두께로 유지되어, 쇼트 피닝 처리에 의한 압축 잔류 응력이 질소 확산층에 부여될 수 있다. 따라서, 높은 경도와 높은 압축 잔류 응력에 기초하여, 내마모성 및 내히트 체크성이 우수한 다이캐스트 금형을 제조할 수 있는 것이다.By introducing a gas containing at least ammonia gas into the heating furnace, the thickness of the nitrogen compound layer formed by the nitriding treatment is maintained at a predetermined thickness so that the nitrogen compound is decomposed in the compound decomposition step. As a result, the nitrogen compound layer is substantially not provided, and thus nitrogen can be generated instead to increase the amount of nitrogen supplied to the mold, thereby providing a nitrogen diffusion layer having a high hardness. However, the nitrogen compound layer substantially lost remains as a layer containing a large amount of voids, so as to absorb and disperse the impact energy of the shot in the shot peening treatment. However, in the nitriding treatment step, the thickness of the nitrogen compound layer is also maintained at a predetermined thickness so that the compressive residual stress due to the shot peening treatment can be imparted to the nitrogen diffusion layer. Therefore, it is possible to manufacture a die-cast die having excellent wear resistance and heat check resistance based on high hardness and high compressive residual stress.
본 발명의 대표적인 실시형태 및 그 변형예에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 당업자라면, 첨부된 특허청구범위를 일탈하지 않고, 다양한 대체 실시형태 및 개변예를 찾아낼 수 있을 것이다.Representative embodiments of the present invention and modifications thereof have been described, but the present invention is not limited thereto. Those skilled in the art will be able to find various alternative embodiments and modifications without departing from the scope of the appended claims.
예를 들어, 상술한 설명에서는 각 시험편의 특정 형상 및 치수를 언급하였지만, 이는 단지 설명을 용이하게 하려는 의도에 지나지 않으며, 본 발명을 제한하려는 것은 아니다.For example, the foregoing description refers to specific shapes and dimensions of each test piece, but this is only intended to facilitate the description and is not intended to limit the invention.
1 : 시험편
2 : 화합물층
3 : 질소 확산층
20 : 시험 장치1: test piece
2: compound layer
3: nitrogen diffusion layer
20: test device
Claims (2)
가열로 내에 적어도 암모니아 가스를 포함하는 가스를 도입하여 상기 다이캐스트 금형의 의장면에 적어도 질소 화합물로 이루어진 화합물층을 포함하는 질화층을 형성하는 질화 처리 단계와,
상기 가열로 내로부터 암모니아 가스를 배출하며 상기 가열로 내에 분위기 가스를 도입하여 가열 처리를 행함으로써 상기 질소 화합물을 분해시키는 화합물 분해 단계와,
상기 금형의 의장면에 쇼트 피닝 처리를 행하는 쇼트 피닝 처리 단계를 포함하며,
상기 질화 처리 단계에서 형성된 상기 질소층에 포함된 상기 화합물층의 두께는 2㎛ 내지 7㎛의 범위 내인 것을 특징으로 하는 다이캐스트 금형의 표면 처리 방법.A surface treatment method of a die cast mold provided by applying compressive residual stress to the design surface of the die cast mold using shot peening treatment,
A nitriding treatment step of introducing a gas containing at least ammonia gas into a heating furnace to form a nitride layer including a compound layer made of at least a nitrogen compound on a design surface of the die cast mold;
A compound decomposition step of decomposing the nitrogen compound by discharging ammonia gas from the heating furnace and introducing an atmosphere gas into the heating furnace to perform a heat treatment;
A short peening treatment step of performing a short peening treatment on the surface of the mold;
The thickness of the compound layer included in the nitrogen layer formed in the nitriding treatment step is in the range of 2㎛ to 7㎛ range surface treatment method of a die cast die.
상기 화합물 분해 단계는, 상기 질화 처리 단계의 온도보다 낮은 온도로 상기 가열 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 다이캐스트 금형의 표면 처리 방법.The method of claim 1,
In the compound decomposition step, the heat treatment is performed at a temperature lower than the temperature of the nitriding treatment step.
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