KR20160099839A

KR20160099839A - 내마모성 향상을 위한 압출금형용 합금의 열·표면경화처리방법

Info

Publication number: KR20160099839A
Application number: KR1020150022022A
Authority: KR
Inventors: 박현균; 홍성환
Original assignee: 한국산업기술대학교산학협력단; (주)한국금형정공사
Priority date: 2015-02-13
Filing date: 2015-02-13
Publication date: 2016-08-23

Abstract

본 발명은 정밀 알루미늄 압출용 금형소재로서의 합금을 열처리 및 표면처리하여 내마모 특성을 향상시키기 위한 압출금형용 합금의 열·표면경화처리방법에 관한 것으로서, 압출금형용 합금소재를 준비하는 단계와, 주조 및 소성가공된 상기 합금소재를 어닐링하여 연화하는 단계와, 연화된 상기 합금소재를 이용하여 압출금형을 가공하는 단계와, 상기 합금소재의 금형을 용체화 처리 후 냉각시키고 템퍼링하는 단계와, 가공된 압출금형을 질화처리하는 단계와, 상기 질화처리단계후에 상기 압출금형의 표면에 TiCN 또는 TiAlN으로 코팅층을 형성하는 단계를 구비하여, 최적화된 열처리 공정 내마모특성이 종래의 열간다이스강과 비교할 때에 동일조건에서 내마모성이 1.5배 이상 향상시킬 수 있고, 상술한 최적화된 표면처리 공정을 통하여 내마모성을 2.5배 이상 증가시켜, 종래의 열간다이스강보다 훨씬 향상된 압출금형용 합금 및 알루미늄 정밀압출용 금형을 제공할 수 있다.

Description

내마모성 향상을 위한 압출금형용 합금의 열·표면경화처리방법{HEAT TREATMENT AND SURFACE HARDENING METHODS OF ALLOYS FOR EXTRUSION MOLDS HAVING EXCELLENT ABRASION RESISTANCE}

본 발명은 압출금형용 합금의 열·표면경화처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정밀 알루미늄 압출용 금형소재로서의 합금을 열처리 및 표면처리하여 내마모 특성을 향상시키기 위한 압출금형용 합금의 열·표면경화처리방법에 관한 것이다.

일반적으로, 열교환기용 관을 압출하는데 사용되는 멀티마이크로 포트(Multi-Micro Port) 정밀금형에서는 열교환기 튜브의 두께가 얇아지고 포트의 수가 많아질수록 압출금형내에서 소성가공량이 많아져 맨드렐에 가해지는 압력이 커짐에 따라 맨드렐 역할을 하는 금형쪽에 마모가 심해진다.

따라서, 고력 알루미늄 소재를 이용하거나 정밀 알루미늄 압출용 금형 소재는 상술한 바와 같은 내마모 특성이 우수할 것이 요구되고 있다.

그러나, 고력 알루미늄 소재를 사용하는 자동차 부품 생산에서와 같이 이러한 문제의 해결을 위하여 다양한 방법이 제안되고 있으나, 요구되는 내마모성을 충분히 만족시키지 못하고 있는 실정이다.

또한, 정밀 알루미늄 압출용 금형소재를 외국에서 제한적으로 주문 수입해 사용해오고 있지만, 가격이 비쌀 뿐 아니라 적기 공급을 받기도 힘든 상황이다. 따라서 점차 수요가 증가하고 있는 정밀 압출금형의 국산화는 시급한 실정이다.

한국등록특허 10-0345809호(알루미늄 압출금형의 플라즈마 질화처리방법)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 본 발명의 목적은 알루미늄 압출 정밀금형용 합금소재 및 상기 합금소재에 대한 최적화된 열처리 공정 및 표면처리 공정을 통하여 내마모특성이 종래의 열간다이스강보다 훨씬 향상된 압출금형용 합금의 열·표면경화처리방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 내마모성 향상을 위한 압출금형용 합금의 열·표면경화처리방법은, 압출금형용 합금소재를 준비하는 단계와, 준비된 합금소재를 어닐링하여 연화하는 단계와, 연화된 상기 합금소재를 이용하여 압출금형을 가공하는 단계와, 상기 합금소재의 금형을 용체화 처리 후 냉각시키고 템퍼링하는 단계와, 열처리된 압출금형을 질화처리하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 질화처리단계후에 상기 압출금형의 표면에 TiCN 또는 TiAlN으로 코팅층을 형성하는 단계를 더욱 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 압출금형용 합금소재는 C : 0.35 ~ 0.45 wt%, Co : 3.5 ~ 4.0 wt%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 연화하는 단계는 진공로에서 750℃에서 3시간동안 어닐링하여 HRC 23수준으로 연화하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 소재의 금형을 용체화 처리는 1,000℃ ~ 1,100℃에서 0.5 ~ 2시간의 범위에서 실행된후 수냉 또는 강냉 에 의해 냉각되고, 상기 템퍼링은 450℃ ~ 550℃에서 처리되는 것을 특징으로 한다.

상술한 본 발명에 의한 내마모성 향상을 위한 압출금형용 합금의 처리방법에 의하면, 상술한 최적화된 열처리 공정 내마모특성이 종래의 열간다이스강과 비교할 때에 동일조건에서 내마모성이 1.5배 이상 향상시킬 수 있고, 상술한 최적화된 표면처리 공정을 통하여 내마모성을 2.5배 이상 증가시켜, 종래의 열간다이스강보다 훨씬 향상된 압출금형용 합금 및 알루미늄 정밀압출용 금형을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 압출금형용 합금의 처리방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 용체화처리(1,050℃, 1시간, 수냉) 후 템퍼링온도및 시간에 따른 경도변화를 나타내는 도면이다.
도 3은 용체화처리(1,050℃, 1시간, 수냉, 강냉 및 공냉) 후 500℃에서 템퍼링시간에 따른 경도변화를 나타내는 도면이다.
도 4는 내마모 특성평가를 위한 시편의 열처리공정을 나타내는 도면으로서, 도 4a는 본 발명에 의한 시편의 열처리 공정, 도 4b는 비교재(SKH55)의 열처리 공정을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 내마모성 향상을 위한 압출금형용 합금의 처리방법에 대하여 실시예로써 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명에 의한 내마모성 향상을 위한 압출금형용 합금의 처리방법은, 압출금형용 합금소재를 준비한다(S1). 본 실시예에서, 상기 압출금형용 합금소재는 예를 들면, 중량 150 Kg, 직경 200 mm의 잉곳으로 제조되어 구상화 열처리된 것을 사용할 수 있다.

이 때, 상기 압출금형용 합금소재는 C : 0.35 ~ 0.45 wt%, Co : 3.5 ~ 4.0 wt%를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 압출금형용 합금소재에 탄소를 0.35 ~ 0.45 wt%로 포함함으로써 종래의 열간다이스강과 동일한 수준으로 유지할 수 있고, 상기 코발트를 3.5 ~ 4.0 wt%로 포함함으로써 합금소재의 열간 강도를 증가시킬 수 있다.

또한, 본 실시예에 있어서 상기 압출금형용 합금소재는 Si : 0.50 wt%, Mn : 0.53 wt%, Cr :2.95 wt%, Mo : 2.52 wt%, V : 0.54 wt%, Nb : 0.023 wt%를 포함하는 것을 예로 한다.

그런 다음, 주조후 소성가공된 상기 합금소재를 어닐링하여 연화한다.(S2)

상술한 바와 같이 열처리된 상기 압출금형용 합금소재의 경우 열간 단조후 공냉된 상태이므로 강도가 매우 높은 상태이다. 따라서 강도를 낮추고 가공하기 쉽게 하기 위해 상기 압출금형용 합금소재를 연화시킬 필요가 있다.

여기서, 상기 연화하는 단계는 진공로에서 750℃에서 3시간동안 어닐링하여 HRC23수준으로 연화하는 것이 바람직하다.

그런 다음, 연화된 상기 합금소재를 이용하여 압출금형을 가공한다.(S3)

그런 다음, 상기 합금소재의 금형을 용체화 처리 후 냉각시키고 템퍼링한다.(S4)

여기서, 상기 용체화 처리는 1,000℃ ~ 1,100℃에서 0.5 ~ 2시간의 범위에서 실행된후 수냉 또는 강냉 또는 공냉에 의해 냉각되도록 처리된다.

표 1은 용체화처리온도와 유지시간 및 용체화처리 후 냉각방식에 따라 열처리 후 경도 측정값을 나타낸다. 표 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 냉각방식에 따라 냉각속도가 클수록 보다 높은 경도값을 보이며 용체화처리온도는 1,000℃ ~ 1,100℃의 범위, 특히 1050℃가 가장 적합한 것으로 나타난다.

용체화처리 온도, 시간 및 냉각방법에 따른 경도 변화 (단위 : HRC)

	1000℃			1050℃			1100℃
	수냉	강냉	공냉	수냉	강냉	공냉	수냉	강냉	공냉
0.5hr	50.5	47.9	44.9	51.8	48.2	45.1	51.2	47.7	44.8
1hr	50.8	48.4	45.8	52.6	49.0	46.0	51.7	48.3	45.5
2hr	50.4	48.2	45.7	52.0	48.8	45.5	50.9	47.1	44.7

또한, 상기 템퍼링은 450℃ ~ 550℃에서 처리되는 것이 바람직하다.

표 2는 용체화처리(1,050℃,,1시간)후 템퍼링 온도, 시간 및 냉각방법에 따른 경도 변화를 보여주고 있다. 유지시간이 길어짐에 따라 경화 현상이 일어남을 알 수 있는 바, 이는 상기 압출금형용 합금소재가 석출경화형 소재이거나 Q/T 소재로서 2차 경화 현상에 의한 것으로 해석된다.

용체화처리(1,050℃,,1hr)후 템퍼링 온도, 시간 및 냉각방법에 따른 경도 변화 (단위 : HRC)

		1	2	4	8	15	24
450℃	수냉	50.0	51.0	51.4	52.2	53.3	53.9
	강냉	51.1	51.9	52.5	53.0	53.6	54.2
	공냉	47.1	47.7	48.5	49.5	50.2	51.1
500℃	수냉	48.5	52.6	53.0	53.4	51.7	51.5
	강냉	52.6	53.7	54.4	54.9	55.1	56.0
	공냉	47.6	48.4	49.3	50.5	51.0	51.8
550℃	수냉	48.0	52.0	53.0	52.8	51.8	51.0
	강냉	51.7	52.4	53.1	54.0	54.8	55.6
	공냉	47.4	48.3	49.0	49.8	50.9	51.6

도 2는 용체화처리(1,050℃, 1시간, 수냉) 후 템퍼링온도및 시간에 따른 경도변화를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 압출금형용 합금소재를 1,050℃에서 1시간동안 용체화처리한 후 수냉처리하였다. 이후 450℃~550℃의 온도범위에서 50℃간격으로 템퍼링처리를 하였으며 1, 2, 4, 8, 15, 24시간동안 템퍼링을 실시하였을 때(냉각방법은 수냉)의 경도 변화를 보여주고 있다.

용체화처리 후 냉각방법을 수냉으로 하였을 경우 템퍼링 시 템퍼링 온도에 상관없이 2차 경화 발생되었고, 템퍼링 8시간 이후부터 경도 측정결과 감소하는 경향을 나타내었다.

도 3은 용체화처리(1,050℃, 1시간, 수냉, 강냉 및 공냉) 후 500℃ 에서 템퍼링시간에 따른 경도변화를 나타내는 도면이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 1,050℃에서 1시간동안 용체화처리한 후 냉각방법으로는 수냉, 강냉 및 공냉처리하였으며, 이후 템퍼링 온도는 500℃에서 1, 2, 4, 8, 15, 24시간 동안 유지후 공냉했을 때의 경도 변화를 보여주고 있다. 모든 경우에서 유지시간에 따라 경도값이 증가하는 경향을 나타내었다.

그런 다음, 열처리된 압출금형을 질화처리한다.(S5)

여기서, 질화처리는 540℃에서 6시간 질화처리하였으며, 질화처리된 상기 압출금형의 상기 합금소재의 질화처리층의 미세조직 및 경도 분포를 확인하였다.

질화층 두께를 확인한 결과 상기 압출금형요 합금소재의 경우 약 120μm이고, 표면으로부터 120μm까지의 비커스 경도값은 Hv 793.5로 나타났다.

그런 다음, 상기 질화처리단계후에 상기 압출금형의 표면에 TiCN 또는 TiAlN으로 코팅층을 더욱 형성할 수 있다.(S6)

본 실시예에 있어서, 금속현미경을 통해 상기 코팅층(TiCN, TiAlN) 두께를 분석한 결과 TiCN의 코팅층 두께는 약 4.76㎛, TiAlN의 코팅충 두께는 약 5.84㎛로 하였다.

상술한 바와 같이, 처리된 압출금형용 합금소재의 기계적 특성평가를 실시하였다.

기계적 특성 평가를 위하여 일정한 모양과 치수를 갖는 시편을 가공하고, 가공된 시편을 Ar 분위기의 수직로를 이용하여 1050℃에서 1시간동안 용체화처리한 후 냉각방법으로는 수냉을 하였으며 500℃에서 8시간 유지후 공냉하였다.

한편 내마모시험은 pin on disc 방식으로 500℃에서 시행하였으며 이 때 사용된 시편은 상대재로 SKH55를 사용하여 disc로 가공하여, 도 4의 (b)공정으로 열처리하여 HRC64를 얻었으며, 본 발명에 의한 상기 합금소재와 비교용으로 현재 널리 사용하고 있는 SKD61종은 Pin형태로 가공하여 도 4의 (a)와 같이 열처리한 후 질화처리 또는 질화처리 및 표면경화코팅을 하여 내마모용 시편으로 사용하였다.

이렇게 준비된 시편에 대해서 내마모시험의 조건으로 모든 실험은 동일하게 하중 6kg을 가한 상태에서 600의 회전속도(rpm), 500℃에서 24시간 진행하였다.

평가 방법으로는 SKD 61종, 질화처리 SKD61종과 개발된 소재, 질화처리된 소재, 질화처리 후 코팅된(TiCN, TiAlN) 개발 소재의 마찰계수, 마모 형태, 동일조건에서의 마모량(무게변화 및 길이변화)을 비교하였다.

내마모시험결과를 표 3에 나타낸다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 열처리된 상태보다는 질화처리된 상태가 마찰계수나 무게 감량이 적음을 알 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 합금소재와 비교재인 SKD61종을 비교해 보면 본 발명의 합금소재가 동일조건에서 무게감량이 1/2수준이며 질화처리 상태보다도 TiCN이나 TiAlN처리를 하면 내마모성이 또한 1.5배 정도 증가함을 알 수 있다.

즉 SKD61종을 열처리 후 질화처리만 한 상태와 본 발명의 상기 합금소재를 상술한 바와 같은 공정조건에서 열처리한 후, 질화처리 및 TiCN 또는 TiAlN 코팅처리하면 내마모성이 2.5배 이상 증가함을 알 수 있다.

내마모시험 결과

비 고		무게 감량(g)	길이 감량(mm)	마찰계수
비교재 (SKD61)	열처리	0.358	3.00	0.216
비교재 (SKD61)	표면 경화(질화)	0.235	1.30	0.161
본 발명의 합금소재	열처리	0.192	1.10	0.137
	표면 경화(질화)	0.157	0.8	0.069
	TiCN	0.101	0.4	0.024
	TiAlN	0.090	0.37	0.023

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims

압출금형용 합금소재를 준비하는 단계와,
주조후 소성가공된 상기 합금소재를 어닐링하여 연화하는 단계와,
연화된 상기 합금소재를 이용하여 압출금형을 가공하는 단계와,
상기 압출금형의 상기 합금소재를 용체화 처리 후 냉각시키고 템퍼링하는 단계와,
열처리된 압출금형을 질화처리하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 내마모성 향상을 위한 압출금형용 합금의 열·표면경화처리방법.
제 1 항에 있어서,
상기 질화처리단계후에 상기 압출금형의 표면에 TiCN 또는 TiAlN으로 코팅층을 형성하는 단계를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 내마모성 향상을 위한 압출금형용 합금의 열·표면경화처리방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 압출금형용 합금소재는 C : 0.35 ~ 0.45 wt%, Co : 3.5 ~ 4.0 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 내마모성 향상을 위한 압출금형용 합금의 열·표면경화처리방법.
제 3 항에 있어서,
상기 용체화 처리는 1,000℃ ~ 1,100℃에서 0.5 ~ 2시간의 범위에서 실행된후 수냉 또는 강냉 또는 공냉에 의해 냉각되고, 상기 템퍼링은 45℃ ~ 550℃에서 처리되는 것을 특징으로 하는 내마모성 향상을 위한 압출금형용 합금의 열·표면경화처리방법.
제 4 항에 있어서,
상기 연화하는 단계는 진공로에서 750℃에서 3시간동안 어닐링하여 HRC23까지 연화하는 것을 특징으로 하는 내마모성 향상을 위한 압출금형용 합금의 열·표면경화처리방법.