레이저 나이트라이딩 기반 플라스틱 사출 금형강의 표면 경화 및 내마모 특성 제어 = Control the surface hardening and wear properties of plastic injection mold steels based on the low-vacuum laser nitriding

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는, 플라스틱 사출 금형강의 표면 경화 및 프레팅 마모 특성 향상을 위해 다이오드 레이저를 이용한 변태 경화 열처리와 저진공 레이저 나이트라이딩을 실시하였다. 레이저 변태 경화 열처리는 축열 현상 발생을 방지함으로써 열처리부 전 영역에서 균일한 경화층을 형성시킬 수 있는 표면 온도 제어 기반 열처리 시스템을 사용하였다. 3차원 열해석으로 예측한 열처리부 형상 및 면적을 실제 실험 결과와 비교함으로써 표면 온도 제어 시스템의 신뢰성을 검증하였다. 변태 경화 열처리 온도 조건은 열역학 계산 결과를 기반으로 마르텐사이트 변태가 일어날 수 있는 영역에서 선정하였으며, 변태 경화 열처리에 따른 경화 및 프레팅 마모 특성 변화를 체계적으로 검토하였다. 1273 K 온도 조건에서 변태 경화 열처리한 AISI P20-improved강은 모재대비 최대 140% 경도 값이 상승한 경화층이 형성되었다. 열처리부 단면 위치에 따른 경도 값의 편차는 50 HV이내였으며, 온도 조건에 따른 경도 값 상승 폭은 모두 유사한 수준이었다. 경도 값 향상과 더불어 변태 경화 열처리부 표면의 프레팅 마모 특성 또한 향상된 것을 확인할 수 있었다. 변태 경화 열처부 전 영역에서 마르텐사이트 조직이 관찰되었다. 레이저 변태 경화 열처리부 표면에서 측정한 A3 변태점에서 Ms점까지 냉각속도가 633 K/s로, 마르텐사이트 변태 임계 냉각속도를 500% 이상 초과하는 것을 확인하였다. 레이저 변태 경화 열처리에 의한 AISI P20-improved강의 경도 상승 및 프레팅 마모 특성 향상은 마르텐사이트 변태에 기인한 것으로 판단된다. AISI 1045강의 열처리부 표면에서 모재대비 최대 210% 경도 값이 증가하였지만, 모재 영역에 가까워질수록 경도 값 상승 폭이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. AISI 1045강의 열처리부 표면에서는 래스 타입의 마르텐사이트만 확인되었지만, 변태 경화 열처리부와 모재 경계영역에 페라이트가 형성되어 있는 것이 확인되었다. AISI 1045강은 Cr, Ni, Mo 등의 경화능 향상 합금 원소가 거의 첨가되지 않은 강재로, 표면 대비 냉각속도가 느린 모재 근방 영역에서 오스테나이트 일부는 마르텐사이트로 변태하지 못하여 경도 값 상승 폭이 줄어든 것으로 사료된다. AISI P21강은 변태 경화 열처리부에서 마르텐사이트 변태가 일어났음에도 불구하고 모재와 유사한 수준의 경도 값 분포가 확인되었다. 마르텐사이트 변태에 의한 경화 효과가 Cu 석출물 성장에 따라 발생한 연화 효과와 상쇄되어 모재와 유사한 수준의 경도 값 분포를 갖는 것으로 판단된다. 동일한 조건에서 레이저 변태 경화 열처리를 실시하더라도, 사용 재료에 따라 확연히 상이한 경화 거동이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 마르텐사이트 변태에 의해 경화되지 않는 AISI P21강의 경도 값 상승 및 프레팅 마모 특성 향상을 위해 저진공 레이저 나이트라이딩을 실시하였다. 진공 챔버를 사용하여 레이저 조사부 표면의 질소 분위기 안정성을 확보하였다. 저진공 레이저 나이트라이딩을 실시한 P21강 표면에 Al과 N 함량이 높은 질화층이 형성되는 것이 확인되었다. 질화층에서는 모재대비 약 40%의 경도 값 증가와 더불어 프레팅 마모 특성이 향상된 것을 확인할 수 있었다. 투과전자현미경 분석을 통해 질화층에 AlN 석출물이 분포되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 저진공 레이저 나이트라이딩에 따른 P21강은 AlN 석출물이 분포된 질화층 형성에 의해 경도 값 증가 및 프레팅 내마모성이 향상된 것으로 판단된다. 레이저 변태 경화 열처리 및 저진공 레이저 나이트라이딩 기술을 통해 실제 플라스틱 사출 금형 산업에서 향상된 금형 표면 경도 및 프레팅 마모 특성 확보를 통해 금형 수명 증가를 기대할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 본 논문의 구성 5
• 제 2장 이론적 배경 7
• 2.1 사출 금형의 경화 프로세스 7
• 2.1.1 사출 금형강의 가열 및 냉각 조건에 따른 상변태 거동 8
• 2.2 레이저의 원리 및 특성 11
• 2.2.1 레이저 가공 프로세스의 종류 15
• 2.2.2 다이오드 레이저의 특성 19
• 2.3 다이오드 레이저를 이용한 표면 경화 프로세스 24
• 2.3.1 변태 경화 24
• 2.3.2 용융 경화 25
• 2.3.3 클래딩 및 합금화 25
• 2.4 레이저 표면 경화 열처리 연구 동향 27
• 2.4.1 레이저 조사 조건에 관한 연구 27
• 2.4.2 열처리부 열이력 해석에 대한 연구 30
• 2.4.3 중첩 열처리에 따른 연화 거동에 대한 연구 31
• 2.4.4 레이저 나이트라이딩 (laser nitriding)에 대한 연구 32
• 제 3장 사용 재료 및 실험 방법 35
• 3.1 사용 재료 35
• 3.2 실험 방법 39
• 3.2.1 미세조직 분석 39
• 3.2.2 변태 경화 열처리 41
• 3.2.3 용융 경화 열처리 45
• 3.2.4 저진공 레이저 나이트라이딩 (Low-vacuum laser nitriding) 46
• 3.2.5 기계적 성질 평가 50
• 3.2.5.1 경도 평가 50
• 3.2.5.2 프레팅 마모 시험 (fretting wear test) 51
• 제 4장 레이저 변태 경화 열처리에 따른 금형강의 경화 메커니즘 및 기술적 한계 규명 53
• 4.1 모재의 미세조직 53
• 4.2 3차원 열해석을 이용한 레이저 열처리 시스템의 온도 제어 신뢰성 검증 55
• 4.3 변태 경화 열처리 조건에 따른 경화 특성 평가 59
• 4.3.1 열역학 계산 기반 변태 경화 열처리 조건의 선정 59
• 4.3.2 Two color pyrometer system을 이용한 실시간 열처리 온도 제어 61
• 4.3.3 변태 경화 열처리부 단면 매크로조직 변화 64
• 4.3.4 경도 변화에 미치는 변태 경화 열처리 온도의 영향 68
• 4.3.5 변태 경화 열처리에 따른 프레팅 마모 특성 변화 77
• 4.3.6 변태 경화 열처리에 의한 경화 메커니즘 82
• 4.3.7 변태 경화 열처리에 따른 AISI P21강의 미세조직 변화가 경도에 미치는 영향 88
• 4.4 중첩 열처리에 따른 연화 특성 평가 97
• 제 5장 저진공 레이저 나이트라이딩을 통한 질화층 형성 및 경화 특성 제어 101
• 5.1 용융 경화 열처리 특성 평가 102
• 5.1.1 용융 경화 열처리에 따른 매크로 조직 변화 102
• 5.1.2 경도 값 분포에 미치는 용융 경화 열처리의 영향 103
• 5.1.3 용융 경화 열처리에 의한 미세조직 변화 104
• 5.2 저진공 레이저 나이트라이딩에 따른 경화 특성 평가 107
• 5.2.1 저진공 레이저 나이트라이딩에 따른 단면 매크로조직 변화 107
• 5.2.2 저진공 레이저 나이트라이딩에 따른 질화층 형성 110
• 5.2.3 경도 변화에 미치는 저진공 레이저 나이트라이딩의 영향 114
• 5.2.4. 저진공 레이저 나이트라이딩에 의한 프레팅 내마모 특성 변화 116
• 5.2.5 저진공 레이저 나이트라이딩에 의한 경화 메커니즘 119
• 제 6장 결론 122
• 참고문헌 125
• Abstract 131