KR20200117587A - 후 증착 열처리를 이용한 금형강 재질의 금속표면처리방법 - Google Patents

후 증착 열처리를 이용한 금형강 재질의 금속표면처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 후 증착 열처리(post-deposition heat treatment)를 이용한 금형강 재질의 금속표면처리방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 레이저 용융 적층 기술과 후 증착 열처리 기법을 동시에 수행함으로써 대상모재인 금형강 재질의 표면을 강화시키고, 금형강 분말과의 강화층의 강화 입자가 균일하며 우수한 경도, 마모성 및 인성을 나타낼 수 있는 금형강 재질의 금속표면처리방법에 관한 것이다.

Description

후 증착 열처리를 이용한 금형강 재질의 금속표면처리방법 {Metal surface treatment method of die steel materials using post-deposition heat treatment}
본 발명은 후 증착 열처리(post-deposition heat treatment)를 이용한 금형강 재질의 금속표면처리방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 레이저 용융 적층 기술과 후 증착 열처리 기법을 수행함으로써 대상모재인 금형강 재질의 표면을 강화시키고, 금형강 분말과의 강화층의 강화 입자가 균일하며 우수한 경도, 마모성 및 인성을 나타낼 수 있는 금형강 재질의 금속표면처리방법에 관한 것이다.
최근에는 다양한 산업 분야에서 금속의 표면을 강화시키거나, 특수한 특성을 나타내기 위해 표면 처리하는 방법이 널리 사용되고 있다.
종래의 금속표면처리방법의 경우, 모재에 특정 가스를 주입하여 처리층을 증착하거나, 또는 소정의 표면처리 소재를 콜드 스프레이 방식을 이용하여 모재의 표면에 부착시키는 등의 다양한 방법이 이용되고 있다.
하지만, 이와 같은 종래의 금속표면처리방법의 경우, 처리층과 모재의 표면 간의 부착력이 크게 떨어지게 되며, 이에 따라 처리층이 분리 및 탈락되는 현상이 잦은 빈도로 발생하게 되는 문제점이 나타나고 있다.
뿐만 아니라, 종래의 금속표면처리방법은 모재의 형상이 평면 또는 극히 단순한 형태일 경우일 때 그 효과가 현저하게 나타나며, 모재의 형상이 불규칙적이거나 복잡한 경우에는 큰 효과를 볼 수 없다는 문제가 있었다. 또는 표면처리장치의 특성 상 불규칙하거나 복잡한 형상을 가지는 모재의 표면처리를 수행하는 것이 아예 불가능한 경우도 있어, 모재의 수명이 크게 떨어지는 문제도 있었다.
특히, 상기 모재가 프레스, 단조 공정 등에 사용되는 금형과 같이 잦은 충격과 외력이 가해지는 제품인 경우, 비용 대비 수명이 매우 짧아져 유지, 보수에 소요되는 비용이 증가하게 되는 문제가 있다.
따라서, 전술한 문제점을 보완하기 위해 본 발명가들은 금형강 재질의 금속표면처리방법의 개발이 시급하다 인식하여, 본 발명을 완성하였다.
대한민국 등록특허공보 제10-1820719호 대한민국 등록특허공보 제10-1596804호 대한민국 공개특호공보 제10-2004-0105617호
본 발명의 목적은 모재의 형상이 불규칙적이고 복잡한 경우에도 표면처리를 용이하게 수행할 수 있도록 하는 금속표면처리방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 표면처리에 의해 형성된 강화층에 의해 대상모재의 강도 및 마모성을 현저하게 증가시키는 동시에, 강화층의 부착력을 크게 향상시킬 수 있도록 하는 금속표면처리방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 우수한 경도, 마모성 및 인성을 나타낼 수 있는 후 증착 열처리를 이용한 금형강 재질의 금속표면처리방법을 제공한다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 하기의 단계를 포함하는 증착 열처리를 이용한 금형강 재질의 금속표면처리방법을 제공한다.
(S1) 고주파 유도 가열 장치에 의해 300 내지 500 ℃로 예열된 대상모재의 강화영역에 강화용 금속 분말을 공급하는 단계;
(S2) 상기 대상모재의 강화영역에 레이저를 조사하여 상기 강화영역의 표면 및 상기 강화용 금속 분말을 용융시키고, 상기 대상모재에 강화층을 형성하기 위한 레이저 용융 적층 기술이 수행되는 단계; 및
(S3) 상기 강화층에 후 증착 열처리(post-deposition heat treatment)를 수행하는 단계.
본 발명에 있어서, 상기 대상모재는 하기 [표 1]의 조성으로 구성된 금형강 재질인 것을 특징으로 한다.
[표 1]
Figure pat00001
본 발명에 있어서, 상기 강화용 금속 분말은 하기 [표 2]의 조성으로 구성된 혼합 분말인 것을 특징으로 한다.
[표 2]
Figure pat00002
본 발명에 있어서, 상기 (S2) 단계에서 수행되는 레이저 용융 적층 기술이 수행하기 위한 레이저 조사 조건은 하기 [표 3]인 것을 특징으로 한다.
[표 3]
Figure pat00003
본 발명에 있어서, 상기 (S3) 단계에서 수행되는 후 증착 열처리는 ??칭(quenching) 및 템퍼링(tempering)에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 ??칭은 하기의 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.
(A1) 830 내지 880 ℃에서 1 내지 5시간 동안 가열하는 단계;
(A2) 1050 내지 1100 ℃로 오스테나이징(Austenitizing)을 수행하고, 60 내지 150분 동안 유지하는 단계; 및
(A3) 2 내지 5 bar의 질소 환경 하에, 급속 냉각을 수행하는 단계.
본 발명에 있어서, 상기 템퍼링은 하기의 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.
(B1A) 상기 ??칭이 완료된 후, 상기 대상모재를 500 내지 550 ℃에서 1 내지 3시간 동안 유지하는 단계; 및
(B1B) 상기 (B1A) 단계 완료 후, 상기 대상모재를 대기 중에서 냉각시키는 과정을 3회 반복하여 마모성을 향상시키는 단계.
또는, 상기 템퍼링은 하기의 단계로도 구성될 수 있다.
(B2A) 상기 ??칭이 완료된 후, 상기 대상모재를 520 내지 580 ℃로 1 내지 3시간 동안 가열하는 단계; 및
(B2B) 상기 (B2A) 단계 완료 후, 상기 대상모재를 대기 중에 냉각 시키는 과정을 2회 반복하여 인성을 향상시키는 단계.
본 발명에 있어서, 상기 템퍼링이 완료된 후의 경도는 60 내지 70 HRc인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (S3) 단계의 후 증착 열처리를 통해 상기 강화층의 무게 감소율(mg)이 1.00 mg 미만인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 금형강 재질의 금속표면처리방법은 대상모재의 형상이 불규칙적이고 복잡한 경우에도 표면처리를 용이하고 정밀하게 수행할 수 있고, 표면처리에 의해 형성된 강화층에 의해 모재의 강도가 크게 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 금형강 재질의 금속표면처리방법은 강화용 금속분말과 대상모재의 표면을 함께 용융시키게 되므로, 표면처리에 의해 형성된 강화층의 부착력을 크게 향상시킬 수 있으며, 대상모재의 마모성을 향상시켜 탈락되는 부산물을 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 금속표면처리방법의 흐름을 대략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 이용된 금속 분말의 SEM 이미지이다.
도 3은 레이저 용융 적층 장치를 이용한 본 발명의 금속표면처리방법을 대략적으로 나타낸 모식도이다.
도 4는 발명의 금속표면처리방법에 의해 형성된 강화층의 분말 X-선 회절 패턴(XRD patten)이다.
도 5는 마모 및 경도 테스트를 수행하기 위해 제작된 시편을 나타낸 사진이다.
도 6은 실험예 2에서 수행한 마모 및 경도 테스트를 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실험예 2에서 수행한 마모 및 경도 테스트를 (a) 대상모재, (b) 비교예 1 및 (c) 실시예 1 수행한 결과를 나타낸 SME 이미지이다.
도 8은 실험예 3에서 수행한 인성(toughness) 테스트를 대상모재와 실시예 1에 수행한 결과를 나타낸 그래프이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 기술하나, 하기 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 아니함은 자명하다.
도 1은 본 발명의 금속표면처리방법의 흐름을 대략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 증착 열처리를 이용한 금형강 재질의 금속표면처리방법을 제공한다.
(S1) 고주파 유도 가열 장치에 의해 300 내지 500 ℃로 예열된 대상모재의 강화영역에 강화용 금속 분말을 공급하는 단계;
(S2) 상기 대상모재의 강화영역에 레이저를 조사하여 상기 강화영역의 표면 및 상기 강화용 금속 분말을 용융시키고, 상기 대상모재에 강화층을 형성하기 위한 레이저 용융 적층 기술이 수행되는 단계; 및
(S3) 상기 강화층에 후 증착 열처리(post-deposition heat treatment)를 수행하는 단계.
본 발명에서 사용된 용어 “포함”이란, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 상기와 같은 각 과정들에 대해 자세히 설명하도록 한다.
본 발명에 있어서, 상기 (S1) 단계는 고주파 유도 가열 장치에 의해 300 내지 500 ℃로 예열된 대상모재의 강화영역에 강화용 금속 분말을 공급하는 단계;이다.
상기 고주파 유도 가열 장치는 상기 대상모재를 예열하면서 레이저 용융 적층 기술을 수행하기 위한 레이저 용융 적층 장비의 대상모재 하부면에 부착되어 상기 대상모재를 예열시킬 수 있다.
도 2는 본 발명에 이용된 금속 분말의 SEM 이미지로, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 금속 분말은 돌기가 형성된 50 내지 150 ㎛의 직경을 갖는 구형 입자이다.
상기 강화영역은 상기 대상모재의 전체 표면 중 강화시키고자 하는 영역을 의미하며, 상기 강화영역은 상기 대상모재의 표면 전체일 수도 있고, 또는 목적에 따라 상기 대상모재의 전체 표면 중 일부 면적이 될 수도 있다.
상기 대상모재는 하기 [표 1]의 조성으로 구성된 금형강 재질이다.
[표 1]
Figure pat00004
상기 대상모재는 탄소(C), 규소(Si), 인(P), 황(S), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu) 및 바나듐(V)으로 구성되는 금형강이다.
또한, 상기 강화용 금속 분말은 하기 [표 2]의 조성으로 구성된 혼합 분말이다.
[표 2]
Figure pat00005
상기 금속 분말은 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V) 및 텅스텐(W)으로 구성되는 금속 분말 혼합물이다.
본 발명에 있어서, 상기 (S2) 단계는 상기 대상모재의 강화영역에 레이저를 조사하여 상기 강화영역의 표면 및 상기 강화용 금속 분말을 용융시키고, 상기 대상모재에 강화층을 형성하기 위한 레이저 용융 적층 기술이 수행되는 단계;이다.
상기 강화영역의 표면 및 상기 금속 분말이 함께 용융되며, 이후 상기 대상모재에 상기 금속 분말이 혼합된 강화층이 형성된다. 즉 본 발명의 경우, 금속 분말뿐 아니라 대상모재의 표면이 함께 용융되므로 표면강화에 의해 형성된 강화층의 부착력을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 금속분말의 공급은 상기 (S2) 단계에서 수행되는 레이저 조사와 동시에 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 금속 분말을 상기 대상모재)의 강화영역에 실시간으로 공급하면서 레이저 조사를 수행하게 된다.
도 3은 레이저 용융 적층 장치를 이용한 본 발명의 금속표면처리방법을 대략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 용융 적층 기술((Direct Energy Deposition, DED)을 수행하기 위해 이용된 상기 레이저 용융 적층 장치는 4 kW의 CO2 레이저 발진부(4 kW CO2 Laser oscillator), 분말 호퍼부(powder hopper) 및 가스 공급부로 구성되어 있으며, 상기 구성은 메인 컨트롤 유닛(main control unit)에 의해 제어된다. 상기 4 kW의 CO2 레이저 발진부는 상기 대상모재와 금속 분말에 조사되는 레이저 발생부를 의미하며, 상기 분말 호퍼는 상기 금속 분말이 공급되는 경로이며, 상기 가스 공급부는 상기 호퍼에서 공급된 금속 분말의 공급을 원활히 하고 강화층 형성 중 불순물 유입 방지를 위한 가스를 공급하기 위한 구성이다.
상기 레이저 용융 적층 장치는 상기 대상모재의 형상이 불규칙하고 복잡한 경우에도 정밀하고, 용이하게 제어가 가능하다.
상기 (S2) 단계에서 수행되는 레이저 용융 적층 장치의 레이저 조사 조건은 하기 [표 3]이다.
[표 3]
Figure pat00006
상기 예열 온도는 상기 대상모재의 예열 온도를 의미한다. 상기 예열 온도가 300 ℃ 미만일 경우 적층부와 모재 사이의 경계면에서 균열 발생 문제점이 발생할 수 있으며, 500 ℃ 초과하는 온도범위이면 적층소재의 경도 감소 문제점이 발생할 수 있으므로, 상기 대상모재의 예열 온도는 300 내지 500 ℃가 가장 바람직하다.
상기 레이저 출력(laser power)은 상기 레이저 용융 적층 장치에서 조사되는 레이저 빔을 의미하며, 800 내지 900 W가 바람직하다.
상기 스캔 속도(scanning speed)는 상기 레이저 용융 적층 장치에서 레이저와 금속 분말을 분사하는 노즐의 이송 속도를 의미하며, 850 mm/min이 가장 바람직하다.
상기 분말 공급 속도(powder feed rate)는 상기 대상모재에 공급되는 상기 금속 분말의 공급 속도를 의미하며, 5 g/min이 가장 바람직하다.
상기 분말 가스 공급량은 상기 분말 호퍼에 의해 공급되는 금속 분말의 공급을 원활히 하기 위한 가스의 공급량을 의미하며, 2.5 ℓ/min이 가장 바람직하다. 또한, 상기 분말 가스는 아르곤 가스이다.
상기 동축 가스 공급량은 상기 강화층 형성 중 불순물의 유입을 방지하기 위한 가스의 공급량을 의미하며, 8 ℓ/min이 가장 바람직하다. 또한, 상기 분말 가스는 아르곤 가스이다.
상기 슬라이싱 두께(Slicing layer height)는 적층되는 하나의 층의 높이를 의미하며, 0.25 mm인 것이 가장 바람직하다.
상기 오버랩 두께(Overlap width)는 적층 트랙 간의 겹침 정도를 의미하며, 0.5 mm인 것이 가장 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 (S3) 단계는 상기 강화층에 후 증착 열처리(post-deposition heat treatment)를 수행하는 단계;이다.
상기 (S3) 단계에서 수행되는 후 증착 열처리는 ??칭(quenching) 및 템퍼링(tempering)에 의해 수행된다.
상기 ??칭은 금형강을 고온으로 가열하고, 급냉(수냉 또는 유냉)함으로써 금속표면처리된 금형강의 경도를 향상시키기 위해 수행되는 열처리 반응을 의미한다.
상기 템퍼링은 상기 ??칭을 수행함으로 발생할 수 있는 취성(brittleness)을 방지하기 위해, 금속표면처리된 금형강을 부드럽고 강하게, 즉 인성을 향상시키기 위해 수행되는 열처리 반응을 의미한다.
본 발명에 있어서, 상기 ??칭은 하기의 단계로 구성될 수 있다.
(A1) 상기 (S2) 단계에 의해 강화층이 형성된 대상모재를 830 내지 880 ℃에서 1 내지 5시간 동안 가열하는 단계;
(A2) 상기 (A1) 단계 완료 후, 상기 대상모재를 1050 내지 1100 ℃로 오스테나이징(Austenitizing)을 수행하고, 60 내지 150분 동안 유지하는 단계; 및
(A3) 상기 (A2) 단계 완료 후, 상기 대상모재를 2 내지 5 bar의 질소 환경 하에, 급속 냉각을 수행하는 단계.
본 발명에 있어서, 상기 템퍼링은 하기의 단계로 구성될 수 있다.
(B1A) 상기 ??칭이 완료된 후, 상기 대상모재를 500 내지 550 ℃에서 1 내지 3시간 동안 유지하는 단계; 및
(B1B) 상기 (B1A) 단계 완료 후, 상기 대상모재를 대기 중에서 냉각시키는 과정을 3회 반복하여 마모성을 향상시키는 단계..
또한, 상기 템퍼링은 하기의 단계로도 구성될 수 있다.
(B2A) 상기 ??칭이 완료된 후, 상기 대상모재를 520 내지 580 ℃로 1 내지 3시간 동안 가열하는 단계; 및
(B2B) 상기 (B2A) 단계 완료 후, 상기 대상모재를 대기 중에 냉각 시키는 과정을 2회 반복하여 인성을 향상시키는 단계.
상기 템퍼링은 대상모재의 마모성 또는 인성에 대한 각각의 특성에 따라 선택적으로 수행할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 ??칭 및 템퍼링이 완료된 후의 경도는 60 내지 70 HRc이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
실시예 1, 후 증착 열처리를 이용한 금형강 재질의 금속표면처리
고주파 유도 가열 장치에 의해 350 ℃로 예열된 대상모재의 강화영역에 강화용 금속 분말을 공급하고, 상기 대상모재의 강화영역에 레이저를 조사하여 상기 강화영역의 표면 및 상기 강화용 금속 분말을 용융시키고, 상기 대상모재에 강화층을 형성하기 위한 레이저 용융 적층 기술이 수행하였고, 최종적으로 상기 강화층에 ??칭(quenching) 및 템퍼링(tempering)을 통한 후 증착 열처리(post-deposition heat treatment)를 수행하여 대상모대의 금속 표면을 처리하였다. 상기 대상모재는 상기 [표 1]의 조성으로 구성되었으며, 상기 금속 분말은 상기 [표 2]의 조성으로 구성되었고, 상기 실시예 1에 이용된 레이저 용융 적층 조건은 하기 [표 4]와 같다.
[표 4]
Figure pat00007
비교예 1, 후 증착 열처리를 수행하지 않은 금형강 재질의 금속표면처리
고주파 유도 가열 장치에 의해 350 ℃로 예열된 대상모재의 강화영역에 강화용 금속 분말을 공급하고, 상기 대상모재의 강화영역에 레이저를 조사하여 상기 강화영역의 표면 및 상기 강화용 금속 분말을 용융시키고, 상기 대상모재에 강화층을 형성하기 위한 레이저 용융 적층 기술이 수행하였다. 상기 대상모재는 상기 [표 1]의 조성으로 구성되었으며, 상기 금속 분말은 상기 [표 2]의 조성으로 구성되었고, 상기 비교예 1에 이용된 레이저 용융 적층 조건은 상기 [표 4]와 같다.
실험예 1. 분말 X-선 회절 패턴(XRD patten) 확인
강화층이 형성된 부분의 탄화물 및 결정 구조를 확인하기 위해, 상기 강화층이 형성된 단면에 X-선을 조사하여 XRD 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 4를 참조하면, (a) 비교예 1의 강화층에 대한 X-선 회절 패턴과 (b) 실시예 1의 강화층에 대한 X-선 회절 패턴을 비교하여, 후 열처리로 인해 오스테나이트(γ) 분율이 감소되고, 대상모재에 의해 마르텐사이트(α) 분율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 실온으로 오스테나이트(γ) 상태에서 급냉될 때, 탄소가 확산되기 충분한 시간이 없기 때문으로 판단되며, 결과적으로 탄소는 마르텐사이트(α) 상태로 유지되고, 강화된 층의 잔류 오스테나이트(γ)는 ??칭에 의해 마르텐사이트(α)로 바뀌게 되는 것이다.
실험예 2. 마모 및 경도 테스트
본 발명에 의해 금속표면처리된 금형강의 마모 및 경도 특성을 확인하기 위해 하기의 실험을 수행하였다. 참고로, 도 5는 마모 및 경도 테스트를 수행하기 위해 제작된 시편의 모습이며, 본 테스트에 사용되는 각 시편의 표면처리 공정 조건은 하기 [표 5]와 같다.
[표 5]
Figure pat00008
마모 테스트의 경우, 시편에 형성된 홈을 마모시험기의 안착부에 장착한 후 1.5kg의 추를 이용하여 하중을 가하는 방식으로 이루어지며, 마모시험 후 무게 감소율을 비교하였다. 그리고 경도 테스트의 경우, 경도 시험기에 시편을 안착시킨 뒤 경도를 측정하였으며, 그 단위는 HRC 표기법으로 표기하였으며, 그 결과를 도 6 및 도 7에 나타내었다.
도 6 및 도 7를 참조하면, 대상모재만을 마모 테스트하였을 때 3.7 mg의 무게 감소율을 나타내었고 맘 테스트 시편에 940 ㎛의 홈이 생성된 것을 확인하였다. 또한, 비교예 1을 마모 테스트하였을 때 2.4 mg의 무게 감소율이 발생하였고 365 ㎛의 흠이 생성되었다. 반면, 실시예 1의 경우 0.67 mg의 무게 감소율만을 나타내었고 마모 테스트 시편에도 296 ㎛만의 홈만 생성되었다. 또한, 비교예 1을 경도 테스트하였을 때 55 HRC 경도를 나타내는 반면, 실시예 1의 경우 60 HRC의 경도로 비교예 1과 비교하여 유의미하게 향상되는 것을 확인하였다.
실험예 3. 인성(toughness) 테스트
본 발명에 의해 금속표면처리된 금형강의 인성 특성을 확인하기 위해 하기의 실험을 샤르피의 충격 시험(Charpy test)을 수행하였다. 샤르피의 충격 시험은 시편의 시간에 따른 하중변화량으로 평가하였으며, 테스트는 총 3회 수행하였고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8을 참조하면, 대상모재에 대한 샤르피의 충격 시험을 수행한 결과 1.56 J의 충격 흡수 에너지(absorbed energy) 값을 나타내는 반면, 상기 실시예 1에 의해 금속표면처리된 금형강을 샤르피의 충격 시험을 수행한 결과 1.96 J의 충격 흡수 에너지(absorbed energy) 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이는 표면처리를 수행하지 않은 시편 대비 충격 에너지가 약 25.64 %가 향상된 것으로, 현저한 효과가 나타남이 확인된다.
따라서, 상기 결과로부터 금형강 재질의 대상모재에 본 발명의 금속표면처리방법을 수행할 경우 개선된 마모성 및 내구성을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
이상 설명으로부터, 본 발명에 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.

Claims (9)

  1. (S1) 고주파 유도 가열 장치에 의해 300 내지 500 ℃로 예열된 대상모재의 강화영역에 강화용 금속 분말을 공급하는 단계;
    (S2) 상기 대상모재의 강화영역에 레이저를 조사하여 상기 강화영역의 표면 및 상기 강화용 금속 분말을 용융시키고, 상기 대상모재에 강화층을 형성하기 위한 레이저 용융 적층 기술이 수행되는 단계; 및
    (S3) 상기 강화층에 후 증착 열처리(post-deposition heat treatment)를 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 후 증착 열처리를 이용한 금형강 재질의 금속표면처리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대상모재는 하기 [표 1]의 조성으로 구성된 금형강 재질인 것을 특징으로 하는 금형강 재질의 금속표면처리방법.
    [표 1]
    Figure pat00009
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강화용 금속 분말은 하기 [표 2]의 조성으로 구성된 혼합 분말인 것을 특징으로 하는 금형강 재질의 금속표면처리방법.
    [표 2]
    Figure pat00010
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (S2) 단계에서 수행되는 레이저 용융 적층 기술이 수행하기 위한 레이저 조사 조건은 하기 [표 3]인 것을 특징으로 하는 금형강 재질의 금속표면처리방법.
    [표 3]
    Figure pat00011
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (S3) 단계에서 수행되는 후 증착 열처리는 ??칭(quenching) 및 템퍼링(tempering)에 의해 수행되고,
    상기 ??칭 및 템퍼링이 완료된 후의 경도는 60 내지 70 HRc인 것을 특징으로 하는 금형강 재질의 금속표면처리방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 ??칭은,
    (A1) 830 내지 880 ℃에서 1 내지 5시간 동안 가열하는 단계;
    (A2) 1050 내지 1100 ℃로 오스테나이징(Austenitizing)을 수행하고, 60 내지 150분 동안 유지하는 단계; 및
    (A3) 2 내지 5 bar의 질소 환경 하에, 급속 냉각을 수행하는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 금형강 재질의 금속표면처리방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 템퍼링은,
    (B1A) 상기 ??칭이 완료된 후, 상기 대상모재를 500 내지 550 ℃에서 1 내지 3시간 동안 유지하는 단계; 및
    (B1B) 상기 (B1A) 단계 완료 후, 상기 대상모재를 대기 중에서 냉각시키는 과정을 3회 반복하여 마모성을 향상시키는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 금형강 재질의 금속표면처리방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 템퍼링은,
    (B2A) 상기 ??칭이 완료된 후, 상기 대상모재를 520 내지 580 ℃로 1 내지 3시간 동안 가열하는 단계; 및
    (B2B) 상기 (B2A) 단계 완료 후, 상기 대상모재를 대기 중에 냉각 시키는 과정을 2회 반복하여 인성을 향상시키는 단계;로 구성되는 것을 특징으로 하는 금형강 재질의 금속표면처리방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (S3) 단계의 후 증착 열처리를 통해 상기 강화층의 무게 감소율(mg)이 1.00 mg 미만인 것을 특징으로 하는 금형강 재질의 금속표면처리방법.
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