KR20160116920A - method for alloying of metal surface using laser beam - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 (1) 모재 금속 표면에 레이저 열원을 조사하여 용융 풀(melt pool)을 생성하는 단계; (2) 상기 용융 풀에 레이저 열원을 조사함과 동시에 이종금속 용가재 분말을 송급하여 상기 용융 풀에 상기 용가재 분말을 완전 용융시킴으로써, 상기 모재 금속에 용입된 형태로 형성된 모재-용가재 합금층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 형성된 모재-용가재 합금층은 모재 금속 내부에 U형으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법에 관한 것이다.
또한, 상기 합금화 방법에 의해 합금화되어, 모재-용가재 합금층을 포함하는 금속 및 상기 금속을 이용하여 제조되는 금형에 관한 것이다.The present invention relates to a method of alloying a metal surface using a laser, and more particularly, to a method of alloying a metal surface using a laser, comprising the steps of: (1) irradiating a surface of a base metal with a laser heat source to form a melt pool; (2) irradiating a laser heat source to the molten pool and simultaneously feeding the dissimilar metal fountain powder to completely melt the fountain powder in the molten pool, thereby forming a base material-filler alloy layer formed in a form penetrated into the base metal Wherein the formed base metal-alloy free alloy layer is U-shaped inside the base metal. The present invention also relates to a method of alloying a metal surface using a laser.
Further, the present invention relates to a metal alloyed by the alloying method and including a base metal and a metal alloy alloy layer, and a metal mold produced using the metal.
Description
본 발명은 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 LMD(Laser Metal Deposition)기술에 의해, 모재 금속에 용가재로서 이종금속 분말을 송급하여 상기 모재 금속에 용입된 형태로 형성된 모재-용가재 합금층을 형성함으로써, 기공과 크랙이 생성되지 않음은 물론, 경도 및 내마모성이 향상되는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of alloying a metal surface using a laser. More specifically, the present invention relates to a method of alloying a metal surface by laser welding, The present invention relates to a method of alloying a metal surface using a laser, which is characterized in that pores and cracks are not generated, and hardness and abrasion resistance are improved by forming a free alloy layer.
자동차, 조선, 기계 등의 산업분야가 비약적으로 발전함에 따라 이와 함께 고성능의 소재 개발이 요구되고 있다. 자동차 산업의 경우, 자동차의 기능과 성능이 고도화됨에 따라 자동차의 무게가 점차 증가하는 추세이나 상기 차체 무게 증가는 차량의 연비를 저감시키는 원인이 된다. 이에 따라, 차체를 경량화하면서도 고도화된 기능 및 성능은 유지할 수 있도록 차체를 구성하는 철강 재료의 고강도화가 진행되어 인장강도 980MPa급 초고강도강(UHSS, Ultra High Strength Steel)이 최근 출시된 SUV (Sports Utility Vehicle)의 32개 부품에 적용되는 등 상기와 같은 초고강도강이 적용된 부품 수가 급격히 증가하고 있다.As industrial fields such as automobiles, shipbuilding and machinery have developed rapidly, development of high performance materials has been demanded. In the automobile industry, as the function and performance of the automobile become more advanced, the weight of the automobile gradually increases. However, the increase of the weight of the automobile causes the fuel consumption of the vehicle to be reduced. As a result, the strength of the steel materials constituting the body has been increased to maintain the advanced functions and performance while reducing the weight of the vehicle body. As a result, the UHSS (Ultra High Strength Steel) with a tensile strength of 980 MPa Vehicle), the number of parts with super high strength steel is rapidly increasing.
그러나, 상기 초고강도강의 사용이 급증함에 따라 1차 성형된 제품의 최종 제품 제작을 위한 트리밍(trimming)용 금형강의 수명이 짧아지고, 상기 금형강 끝단에 치핑(chipping) 현상이 발생함은 물론, 상기 금형 표면에 균열 등의 결함이 생겨 절단면에 버(burr)가 형성되어 제품의 품질을 저하시키는 문제가 나타나고 있다. However, as the use of ultra-high strength steels increases rapidly, the lifetime of the mold steel for trimming for producing the final product of the primary molded product is shortened, chipping phenomenon occurs at the end of the mold steel, A defect such as cracks is formed on the surface of the mold and a burr is formed on the cut surface, thereby deteriorating the quality of the product.
따라서 이를 해결하기 위하여 상기 금형 개발이 이루어지고 있고, 그 중 하나로 합금 설계를 통한 새로운 합금 성분의 금형 개발을 들 수 있다. 이는 현재 금형강으로 사용하고 있는 STD11 및 STD61등을 새로운 합금설계를 통해 개량하는 것으로 아주 고가의 합금원소를 포함함에 따라 금형자체의 단가가 높아져 생산단가에 비해 금형 수명 확보가 어려운 문제점이 있다.Therefore, in order to solve this problem, the above-described mold development has been carried out. One of them is the development of a new alloy component mold through alloy design. This is because STD11 and STD61 which are currently used as mold steels are improved by a new alloy design, and the cost of the mold itself is increased due to the inclusion of very expensive alloying elements, which makes it difficult to secure the life of the mold compared to the production cost.
또한, 금형 표면에 대한 질화, TD Process 및 고경도 하드코팅 처리를 통한 표면의 내마모성, 내구성 및 수명을 확보하고자 연구하고 있다. 그러나 상기 금형 표면 처리의 경우, 개질 향상 효과 발현을 위한 최소 두께인 300㎛이상을 만족하지 않는 경우가 있어 적층의 한계성을 들어냄은 물론, 트리밍 다이 에지(trimming die edge)의 치핑 현상과 소성변형으로 인한 문제가 존재한다.
In addition, we are trying to secure wear resistance, durability and lifetime of the surface through nitriding, TD process and hard hard coating treatment of the mold surface. However, in the case of the surface treatment of the mold, there is a case where the minimum thickness of 300 탆 or more is not satisfied for the purpose of exhibiting the improvement effect of the modification. In addition to the limitations of lamination, trimming die edge chipping phenomenon and plastic deformation There is a problem.
이에 본 발명자들은 상기와 같은 점에 착안하여 안출한 것으로, LMD(Laser Metal Deposition)기술에 의해, 모재 금속에 용가재로서 이종금속 분말을 송급하여 상기 모재 금속에 용입된 형태로 형성된 모재-용가재 합금층을 형성함으로써, 기공과 크랙이 생성되지 않음은 물론, 경도 및 내마모성이 향상되도록 한 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the inventors of the present invention have developed a laser-metal deposition (LMD) technology to transfer dissimilar metal powder as a filler to a base metal to form a base-filler alloy layer The inventors of the present invention have developed a method of alloying a metal surface using a laser to improve not only pore and crack but also hardness and abrasion resistance.
따라서, 본 발명은 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method of alloying a metal surface using a laser.
또한, 본 발명은 상기 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법에 의해 합금화되어, 모재-용가재 합금층을 포함하는 금속을 제공하는 것을 다른 해결과제로 한다.Another object of the present invention is to provide a metal alloyed with a metal-alloyed alloy layer by alloying by a method of alloying a metal surface using the laser.
또한, 본 발명은 상기 모재-용가재 합금층을 포함하는 금속을 이용하여 제조되는 금형을 제공하는 것을 또 다른 해결과제로 한다.
It is another object of the present invention to provide a metal mold that is manufactured using a metal including the base metal-alloy free alloy layer.
상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면,According to an aspect of the present invention,
(1) 모재 금속 표면에 레이저 열원을 조사하여 용융 풀(melt pool)을 생성하는 단계;(1) irradiating the surface of the base metal with a laser heat source to generate a melt pool;
(2) 상기 용융 풀에 레이저 열원을 조사함과 동시에 이종금속 용가재 분말을 송급하여 상기 용융 풀에 상기 용가재 분말을 완전 용융시킴으로써, 상기 모재 금속에 용입된 형태로 형성된 모재-용가재 합금층을 형성하는 단계;를 포함하고,(2) irradiating a laser heat source to the molten pool and simultaneously feeding the dissimilar metal fountain powder to completely melt the fountain powder in the molten pool, thereby forming a base material-filler alloy layer formed in a form penetrated into the base metal Comprising:
상기 형성된 모재-용가재 합금층은 모재 금속 내부에 U형으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법을 제공한다.Wherein the formed base material-free alloy layer is formed in a U-shape inside the base metal.
또한, 상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면,According to another aspect of the present invention for solving the problems of the present invention,
상기 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법에 의해 합금화되어, 모재-용가재 합금층을 포함하는 금속을 제공한다.And alloying by a method of alloying a metal surface using the laser to provide a metal including a base material-free alloy layer.
또한, 상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, According to another aspect of the present invention,
상기 모재-용가재 합금층을 포함하는 금속을 이용하여 제조되는 금형을 제공한다.
And a mold made of a metal including the base material and the alloy-free alloy layer.
본 발명은 LMD(Laser Metal Deposition) 기술을 이용하여, 모재 금속에 용가재로서 이종금속 분말을 레이저 조사와 함께 송급하여 모재의 용융 풀에서 상기 용가재가 완전 용융 및 혼입되어 모재 금속에 용입된 형태로 모재-용가재 합금층을 형성하도록 함으로써, 형성된 합금층에 기공 및 크랙이 발생하지 않도록 한다.The present invention relates to a method and apparatus for laser welding a laser using a LMD (Laser Metal Deposition) technology to transfer a dissimilar metal powder as a filler to a base metal together with a laser beam to melt the filler in the molten pool of the base material, - By forming a molten alloy layer, pores and cracks are prevented from occurring in the formed alloy layer.
또한 본 발명은 LMD 기술을 이용함에 따라 레이저 출력을 달리함으로써 합금층의 깊이를 조절함에 따라 경도를 조절할 수 있음은 물론, 형성되는 합금층의 형태 또한 조절할 수 있다.Further, according to the present invention, by adjusting the depth of the alloy layer by varying the laser output by using the LMD technique, the hardness can be controlled and the shape of the formed alloy layer can be controlled.
특히, 상기 합금층의 레이저 출력 조절에 따른 경도 향상에 있어서는, 본 발명은 2.0~2.8kW로 레이저 출력을 조절함에 따라 용가재를 용이하게 혼입시켜 모재대비 2.5~3.5배 향상된 경도를 갖도록 한다.Particularly, in order to improve the hardness of the alloy layer by controlling the laser power, the present invention can adjust the laser power from 2.0 to 2.8 kW so that the filler can be easily mixed to have a hardness of 2.5 to 3.5 times higher than that of the base material.
뿐만 아니라, 본 발명은 향상된 경도와 함께 내마모성도 향상시킨다.
In addition, the present invention improves abrasion resistance with improved hardness.
도 1은 본 발명, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화를 모식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ANSI M2 분말의 입도 크기를 나타낸 SEM 사진 및 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 출력 (a)2.0kW, (b)2.4kW 및 (c)2.8kW에 대한 각각의 합금층 비드의 단면을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 합금층의 최소 및 최대 용잎 깊이를 모식화한 모식도, (b) 레이저 출력별 최소 및 최대 용입 깊이를 나타낸 그래프 및 (c) 레이저 출력별 패스 수에 따른 최대 용입 깊이를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 합금층의 용착면적 및 용착너비를 모식화한 모식도와, 레이저 출력별 합금층 비드에 대한 (b) 용착면적 및 (c) 용착 너비를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 합금층 비드의 깊이 방향을 표시한 합금층 비드의 모식도와, 레이저 출력 (b) 2kW, (c) 2.4kW 및 (d) 2.8kW에 대한 합금층 비드의 용입 깊이별 경도를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 (a) 합금층 비드의 너비 방향 경도 측정 위치를 표시한 합금층 비드의 모식도와, 레이저 출력 (b) 2kW, (c) 2.4kW 및 (d) 2.8kW에 대한 합금층 비드의 너비 방향에 대한 경도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 출력별 합금층의 평균강도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 합금층 형성에 있어서, (a)용가재 혼입율 계산 식과 (b) 레이저 출력별 혼입율을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 출력별 합금층의 (a) 혼입율에 대한 평균 경도 및 (b) 평균 화학적 조성을 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 내마모성 테스트에 있어서, (a)STD11과 본 발명에 의한 합금층 LMA 사진 및 (b) 사이클(cycle)수를 증가함에 따른 마모량과 마모트랙 너비 변화를 그래프로 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 STD11과 본 발명에 의한 합금층 LMA에 대한 마찰계수를 나타낸 그래프이다. Fig. 1 schematically shows the alloying of a metal surface using a laser according to the present invention.
2 is a SEM photograph and a graph showing particle size of ANSI M2 powder according to an embodiment of the present invention.
3 is a photograph showing cross sections of respective alloy layer beads for laser power (a) 2.0 kW, (b) 2.4 kW and (c) 2.8 kW according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram illustrating the minimum and maximum depths of the blade of the alloy layer (a) according to an embodiment of the present invention, (b) a graph showing the minimum and maximum penetration depths per laser output, and (c) And the maximum penetration depth according to the number.
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the deposition area and deposition width of the alloy layer (a) according to an embodiment of the present invention, (b) the deposition area and (c) the deposition width of the alloy layer bead per laser output Graph.
FIG. 6 is a schematic view of an alloy layer bead showing the depth direction of an alloy layer bead (a) according to an embodiment of the present invention and FIG. 6 is a schematic view of an alloy layer bead showing a laser output (b) of 2 kW, (c) 2.4 kW and And the hardness of the alloy layer bead by the penetration depth.
(B) 2 kW, (c) 2.4 kW, and (d) 2.8 (b) of the alloy layer bead, which shows the position of the alloy layer bead in the width direction hardness measurement position of the alloy layer bead (a) according to an embodiment of the present invention. kW for the width direction of the alloy layer bead.
8 is a graph illustrating the average intensity of the alloy layer for each laser output according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing the mixing ratio (a) for calculating the mixing ratio of the filler and (b) the mixing ratio for each laser output in the formation of the alloy layer according to the embodiment of the present invention.
10 shows the average hardness and (b) the average chemical composition of (a) the incorporation rate of the alloy layer for each laser output according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the wear amount and the width of a wear track according to an increase in the number of cycles of (a) STD 11 and the alloy layer LMA photograph according to the present invention, and (b) Respectively.
12 is a graph showing the friction coefficient of the STD 11 and the alloy layer LMA according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 LMD(Laser Metal Deposition)기술에 의해, 모재 금속에 용가재로서 이종금속 분말을 송급하여 상기 모재 금속에 용입된 형태로 형성된 모재-용가재 합금층을 형성함으로써, 기공과 크랙이 생성되지 않음은 물론, 경도 및 내마모성이 향상되는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of alloying a metal surface using a laser. More specifically, the present invention relates to a method of alloying a metal surface by laser welding, The present invention relates to a method of alloying a metal surface using a laser, which is characterized in that pores and cracks are not generated, and hardness and abrasion resistance are improved by forming a free alloy layer.
이하 본 발명을 자세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명의 일 측면에 따르면, According to an aspect of the present invention,
(1) 모재 금속 표면에 레이저 열원을 조사하여 용융 풀(melt pool)을 생성하는 단계;(1) irradiating the surface of the base metal with a laser heat source to generate a melt pool;
(2) 상기 용융 풀에 레이저 열원을 조사함과 동시에 이종금속 용가재 분말을 송급하여 상기 용융 풀에 상기 용가재 분말을 완전 용융시킴으로써, 상기 모재 금속에 용입된 형태로 형성된 모재-용가재 합금층을 형성하는 단계;를 포함하고,(2) irradiating a laser heat source to the molten pool and simultaneously feeding the dissimilar metal fountain powder to completely melt the fountain powder in the molten pool, thereby forming a base material-filler alloy layer formed in a form penetrated into the base metal Comprising:
상기 형성된 모재-용가재 합금층은 모재 금속 내부에 U형으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법이 제공된다.
A method of alloying a metal surface using a laser is provided, wherein the formed base metal-alloy free alloy layer is formed in a U-shape inside the base metal.
본 발명은 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 LMD(Laser Metal Depositon) 기술을 이용한 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법이다. The present invention relates to a method of alloying a metal surface using a laser, and more particularly, to a method of alloying a metal surface using a laser using an LMD (Laser Metal Deposition) technique.
본 발명, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법에 있어서, (1) 단계는, 모재 금속 표면에 레이저 열원을 조사하여 용융 풀(melt pool)을 생성하는 단계이다. 상세하게는, 레이저 열원을 모재 금속 표면에 조사하여 모재 금속 표면을 용융함으로써, 다음 단계에서 공급될 용가재가 모재와 혼입될 수 있도록 용융된 모재를 포함하는 용융 풀을 생성하는 것이다. In the present invention, in the method of alloying a metal surface using a laser, step (1) is a step of generating a melt pool by irradiating a laser heat source on the surface of the base metal. Specifically, a laser heat source is irradiated on a base metal surface to melt the base metal surface, thereby producing a molten pool containing the molten base material so that the filler to be supplied in the next step can be mixed with the base metal.
이 때, 상기 모재 금속은 탄소강, 냉간 금형강, 열간 금형강 및 고속도공구강 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 상기 모재 금속은 SKD61 또는 SKD11인 것을 특징으로 한다. In this case, the base metal may be any one selected from carbon steel, cold-formed steel, hot-formed steel, and high-speed tool steel. Preferably, the base metal is SKD61 or SKD11.
또한, 상기 레이저 열원의 출력은 1.6~3.0kW인 것을 특징으로 하고, 바람직하게는 상기 레이저 열원의 출력을 2.0~2.8kW로 한다.Further, the output of the laser heat source is 1.6 to 3.0 kW, and preferably the output of the laser heat source is 2.0 to 2.8 kW.
다음으로 (2) 단계는, 상기 용융 풀에 레이저 열원을 조사함과 동시에 이종금속 용가재 분말을 송급하여 상기 용융 풀에 상기 용가재 분말을 완전 용융시킴으로써, 상기 모재 금속에 용입된 형태로 형성된 모재-용가재 합금층을 형성하는 단계이다. Next, in step (2), a laser heat source is irradiated to the molten pool, and the molten metal powder is completely melted in the molten pool by feeding the dissimilar metal molten metal powder to melt the molten metal, Thereby forming an alloy layer.
상세하게는, (1)단계에서 형성된 모재 금속 표면의 용융 풀에 레이저 열원을 조사함과 동시에 이종금속 용가재 분말을 송급함으로써, 레이저 에너지를 흡수하여 용융이 용이한 용가재 분말 상태를 형성하도록 하고, 이에 따라 형성된 레이저 에너지를 흡수한 용가재 분말은 용융 풀에서 완전 용융되어 모재와 용이하게 혼입됨에 따라, 상기 모재 금속에 용입된 형태의 모재-용가재 합금층을 형성하는 것을 특징으로 한다. Specifically, the laser heat source is irradiated to the molten pool of the base metal surface formed in the step (1), and the dissimilar metal fugitive powder is fed, thereby absorbing the laser energy to form the molten powder state which is easy to melt. The melted powder that absorbs the laser energy formed is melted completely in the melting pool and easily mixed with the base material, thereby forming a base material-free alloy layer in the form of being melted into the base metal.
보다 상세하게는, 상기 용융 풀에서 모재와 용가재가 함께 용융되어 혼입됨으로써, 모재 금속 내부에 용입된 형태의 모재-용가재 합금층을 형성하고, 상기 형성된 모재-용가재 합금층은 모재 금속 내부에 U형으로 형성되는 것을 특징으로 함에 따라, 상기 생성된 모재-용가재 합금층의 크랙 발생을 방지함은 물론, 박리현상을 저감시킬 수 있는 것이다.More specifically, the base material and the filler material are melted and mixed together in the molten pool to form a base material-filler alloy layer in the form of being melted into the base material metal. The formed base material- The cracks can be prevented from being generated in the base material-free alloy layer, and the peeling phenomenon can be reduced.
이때, 상기 레이저 열원의 출력은 1.6~3.0kW이고, 바람직하게는 상기 레이저 열원 출력이 2.0~2.8kW인 것을 특징으로 한다. At this time, the output of the laser heat source is 1.6 to 3.0 kW, and the laser heat source output is preferably 2.0 to 2.8 kW.
또한, 상기 레이저 열원은 400㎛ 내지 1000㎛의 레이저 빔 간격을 갖는 것을 특징으로 한다. 이는, 상기 레이저 열원이 400㎛ 미만의 레이저 빔 간격을 가질 경우, 선행하여 형성한 합금층과 후행하여 형성한 합금층이 일부 겹쳐져 오버랩 층(overlap layer)이 형성됨은 물론, 상기 겹쳐짐에 따라 재가열되어 발생하는 열 영향부(HAZ, Heat affected zone)의 영향으로, 경도 편차 또는 경도 감소가 발생하는 원인이 되기 때문이다. 또한, 상기 레이저 빔 간격이 1000㎛ 초가하는 경우, 형성되는 합금층의 간격이 넓어져, 모재 금속 표면의 경도 향상이 효과적이지 못한 문제가 있기 때문이다. Further, the laser heat source has a laser beam interval of 400 mu m to 1000 mu m. This is because, when the laser source has a laser beam gap of less than 400 mu m, an alloy layer formed beforehand and an alloy layer formed later are overlapped to form an overlap layer, (HAZ) generated due to the influence of the heat affected zone (HAZ). In addition, when the laser beam interval is 1000 占 퐉 or less, there is a problem that the interval of the formed alloy layer is widened and the hardness of the base metal surface is not effectively improved.
이에 따라 바람직하게는, 상기 레이저 열원은 800㎛의 레이저빔 간격을 갖는 것을 특징으로 한다.Accordingly, preferably, the laser heat source has a laser beam interval of 800 mu m.
또한, 상기 용가재 분말은 Mo, Cr, V, W, Mn 및 이들의 합금 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.Further, the excipient powder is characterized by being selected from among Mo, Cr, V, W, Mn and alloys thereof.
바람직하게는, 상기 용가재 분말은 Mo, Cr, V 및 W를 포함하는 합금으로서, 상기 합금의 용가재 100중량%에 대해, Mo 4~6%, Cr 1~4%, V 1~3%, W 5~8%를 포함하여 경도 및 내마모성을 향상시킴을 특징으로 한다. 상세하게는 Mo을 4~6% 함유함에 따라, α-phase에 고용과 Mo2C Carbide형성하여 경도 및 내마모성을 향상시키고, Cr을 1~4% 함유함에 따라 α-phase에 고용되어 내마모성을 증가시키며, V를 1~3%함유하고 1~3의 V/C 비율을 가짐에 따라 V4C3 Carbide가 강화상으로 존재하여 경도를 증가시키고, W를 5~8% 함유하여 M6C(Fe3W3C)의 강화상이 입계에 존재하도록 하여 경도를 향상시키는 것을 특징으로 한다.Preferably, the excipient powder is an alloy containing Mo, Cr, V, and W, and contains 4 to 6% of Mo, 1 to 4% of Cr, 1 to 3% of V, And 5% to 8%, to improve hardness and abrasion resistance. Specifically employed in the α-phase as as containing
상기와 같이 본 발명, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법은 상기 (1)단계 및 (2)단계를 포함하여, 상기 모재 금속에 용입된 형태로 형성된 모재-용가재 합금층을 형성하고, 상기 형성된 모재-용가재 합금층은 모재 금속 내부에 U형으로 형성되는 것을 특징으로 한다. As described above, according to the present invention, a method for alloying a metal surface using a laser comprises the steps of (1) and (2), forming a base material-filler alloy layer formed in a form penetrated into the base metal, - the alloyed alloy layer is formed as a U-shaped in the base metal.
또한, 상기 합금층은 400 내지 1500㎛의 용입 깊이를 갖는 것을 특징으로 한다. 이는, 합금층 용입 깊이가 400㎛ 내지 1500㎛일 때, 합금화에 의해 경도 및 내마모성을 향상시킬 수 있기 때문이다.Further, the alloy layer has a penetration depth of 400 to 1500 mu m. This is because hardness and wear resistance can be improved by alloying when the alloy layer penetration depth is 400 탆 to 1500 탆.
또한, 바람직하게는, 상기 합금층의 경도는 모재대비 2.5~3.5배의 경도를 갖는 것을 특징으로 한다. Preferably, the hardness of the alloy layer is 2.5 to 3.5 times as hard as the base material.
상세하게는, 상기 합금층의 경도는 모재대비 2.5~3.5배의 경도를 가짐은 물론이고, 표면경화열처리 대비 1.5~2배, 레이저경화열처리 대비 1.1~1.5배의 경도를 갖는 것을 특징으로 한다. 보다 상세하게는, 상기 표면경화열처리는 침탄, 침탄질화, 연질화, 가스질화를 비롯하여 고주파, 중주파, 화염 및 진공 열처리와 같이 종래 금형에 대한 표면경화열처리 방법을 의미하는 것으로서, 이와 비교하여 상기 본 발명에 의한 합금층은 1.5~2배 향상된 경도를 갖는 것이다. 또한, 레이저경화열처리는 레이저를 금형에 조사하여 금형 표면을 개질하는 것으로서, 이와 비교하여 상기 본 발명에 의한 합금층은 1.1~1.5배의 경도를 갖는 것이다. In detail, the hardness of the alloy layer has a hardness of 2.5 to 3.5 times as much as the base material, 1.5 to 2 times of the surface hardening heat treatment, and 1.1 to 1.5 times of the laser hardening heat treatment. More specifically, the surface hardening heat treatment refers to a surface hardening heat treatment method for conventional molds such as carburizing, carburizing, softening, gas nitriding, high frequency, medium frequency, flame and vacuum heat treatment. The alloy layer according to the invention has a hardness improved by 1.5 to 2 times. In addition, the laser hardening heat treatment is for modifying the surface of the mold by irradiating a laser to a metal mold. In contrast, the alloy layer of the present invention has a hardness of 1.1 to 1.5 times.
또한, 본 발명은 합금층 형성 후, 밀링 처리를 실시하여, 표면 거칠기를 조절하는 것을 특징으로 한다.
Further, the present invention is characterized in that after the alloy layer is formed, a milling treatment is performed to adjust the surface roughness.
본 발명은 다른 측면에 따르면, According to another aspect of the present invention,
상기 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법에 의해 합금화되어, 모재-용가재 합금층을 포함하는 금속이 제공된다.The metal is alloyed by a method of alloying a metal surface using the laser to provide a metal including a base material-free alloy layer.
또한, 본 발명은 또 다른 측면에 따르면, According to another aspect of the present invention,
상기 모재-용가재 합금층을 포함하는 금속을 이용하여 제조되는 금형이 제공된다.
There is provided a mold which is manufactured using a metal including the base material-free alloy layer.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are only for describing the present invention in more detail and that the scope of the present invention is not limited by these embodiments in accordance with the gist of the present invention .
<실시예><Examples>
시료sample
모재로서는 비열처리재의 SKD61(H13)을 준비하고, 용가재로서 AISI M2 분말을 준비하였다. As the base material SKD61 (H13) of the non-heated material was prepared, and AISI M2 powder was prepared as a fusing material.
상기 모재 및 분말의 화학적 조성은 하기 표 1에 나타내었으며, 상기 용가재인 AISI M2 분말의 입도 크기는 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 평균 65.50um이다.The chemical composition of the base material and the powder is shown in Table 1 below. The particle size of the AISI M2 powder as the filler is 65.50 um on average, as can be seen from FIG.
(H13)SKD61
(H13)
분말AISI M2
powder
레이저를 이용한 금속 표면의 합금화Alloying of metal surfaces using laser
LMD(Laser Metal Deposition) 기술에 의한 금속 표면의 합금화를 실시하였다.Alloying of metal surface by LMD (Laser Metal Deposition) technology was performed.
상기 모재인 비열처리재 SKD61과 상기 용가재인 AISI M2 분말에 대해 Nd:YAG(Disk type)의 레이저를 조사함으로써, 상기 모재 금속 표면 합금화를 실시하였다.The base metal surface alloying was performed by irradiating Nd: YAG (Disk type) laser to the non-heating material SKD61 as the base material and the AISI M2 powder as the above-mentioned filler.
도 1은 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화를 나타낸 모식도이다.FIG. 1 is a schematic view showing the alloying of a metal surface using a laser.
이를 참고하면, 차폐 가스(D)로서 Ar 가스를 공급하면서, 상기 모재 금속(A)인 비열처리재 SKD61에 레이저를 조사하여 상기 모재 금속(A) 표면에 용융 풀을 형성하고, 이와 동시에 상기 용융 풀에 레이저를 조사하면서 용가재(C)인 상기 AISI M2 분말을 송급하였다.Referring to this, a molten pool is formed on the surface of the base metal (A) by irradiating laser to the non-heating material SKD61 as the base metal (A) while supplying Ar gas as the shielding gas (D) The above-mentioned AISI M2 powder as the filler (C) was fed while irradiating the grass with a laser.
이때, 상기 용융 풀 및 AISI M2 분말은 차폐 가스(D)에 의해 보호되어지며, 상기 송급된 AISI M2 분말은 용융 풀에서 완전 용융됨에 따라, 상기 모재 SKD61에 용입된 형태로 형성된 SKD61-AISI M2가 합금된 합금층(B)을 형성하였다.At this time, the molten pool and the AISI M2 powder are protected by the shielding gas (D). As the AISI M2 powder is completely melted in the molten pool, the SKD61-AISI M2 formed in the form of penetration into the mother material SKD61 Thereby forming an alloyed alloy layer (B).
상기 금속 표면의 합금화에 있어서, 레이저 출력만을 2.0, 2.4 및 2.8kW로 달리하였으며, 다른 변수 조건은 하기 표 2에 나타낸 바와 같이 동일하게 실시하였다. In the alloying of the metal surface, only the laser output was changed to 2.0, 2.4 and 2.8 kW, and other parameters were the same as shown in Table 2 below.
하기 표 2는 레이저를 이용한 금속 표면 합금화에 있어서의 변수들의 조건을 나타낸 것이다.Table 2 below shows the conditions of the parameters in the metal surface alloying by laser.
<분석><Analysis>
상기에서 형성된 LMD(Laser Metal Deposition) 기술을 이용한 금속 표면 합금화에 따른 합금층 비드는, 레이저 출력을 2.0, 2.4 및 2.8kW로 달리한 경우 각각에 대한 합금층 비드로서, 이를 하기와 같이 분석하였다.
Alloy layer beads according to the metal surface alloying using the LMD (Laser Metal Deposition) technology formed above were analyzed as follows for alloy layer beads for laser output power of 2.0, 2.4 and 2.8 kW, respectively.
레이저 출력에 따른 합금층의 결함Defect of alloy layer due to laser output
상기 LMD(Laser Metal Deposition)에 의한 레이저를 이용한 금속 표면 합금화에 있어서, 2.0, 2.4 및 2.8kW로 레이저 출력을 달리함에 따른 합금층의 결함 정도를 알아보기 위하여, 금속 표면에 형성된 합금층 비드를 관찰하였다.In order to investigate the degree of defects of the alloy layer by varying the laser power at 2.0, 2.4 and 2.8 kW in the metal surface alloying by the laser using the LMD (Laser Metal Deposition), the alloy layer beads formed on the metal surface were observed Respectively.
도 3은 모재 금속 표면에 형성된 합금층의 비드단면을 나타낸 것이다.3 is a cross-sectional view of a bead of an alloy layer formed on a base metal surface.
이를 참고하면, 도 3(a)~도 3(c)는 상기 레이저 출력 2.0, 2.4 및 2.8kW에 대한 각각의 합금층 비드를 나타낸 것으로서, 도 3(a)~도 3(c)의 합금층 비드는 모두 모재 내부에 용입된 형태의 형상을 하고 있으며, 모재 표면부 및 내부 모두에서 기공 및 크랙과 같은 결함이 발견되지 않음을 확인할 수 있었다.
3 (a) to 3 (c) show the respective alloy layer beads for the laser powers of 2.0, 2.4 and 2.8 kW, All of the beads are in the form of being penetrated into the base material, and it was confirmed that defects such as pores and cracks were not found in both the surface and inside of the base material.
레이저 출력에 따른 합금층의 용입 깊이 The penetration depth of the alloy layer with laser power
도 4는 2.0, 2.4 및 2.8kW로 레이저 출력 변화에 따른 모재 금속에 용입되어 형성된 모재-용가재 합금층 비드의 최소 및 최대 용입 깊이(penetration depth)를 측정하여 나타낸 것이다. FIG. 4 is a graph showing the minimum and maximum penetration depths of the base material-free alloy layer beads formed by being injected into the base metal according to the laser power variation at 2.0, 2.4 and 2.8 kW.
상세하게는, 도 4(a)에 나타낸 바와 같이 최소 용입 깊이(min penetration depth) 및 최대 용입 깊이(max penetration depth) 각각에 대하여 측정하여 도 4(b)에 상기 각 레이저 출력별로 나타내었다. 또한, 도 4(c)에 상기 LMD 기술에 의해 모재에 용입된 용착 합금 층을 형성할 때 패스(pass) 수 증가에 따른 상기 각 레이저 출력별 최대 용입 깊이를 나타내었다.In detail, as shown in FIG. 4 (a), the minimum penetration depth and the maximum penetration depth are measured and shown in FIG. 4 (b) for each laser output. FIG. 4 (c) shows the maximum penetration depth for each laser output according to an increase in the number of passes when forming the weld metal alloy layer into the base material by the LMD technique.
상기 도 4(b)를 참고하면, 레이저 출력이 증가함에 따라, 최소 및 최대 용입 깊이 모두가 증가함을 알 수 있었다. 이는, 레이저 출력이 증가함에 따라 모재의 용융이 더 많이 일어남에 따른 것으로 판단된다.Referring to FIG. 4 (b), it can be seen that as the laser power increases, both the minimum and maximum penetration depths increase. It is considered that the melting of the base material occurs more as the laser output increases.
또한, 상기 도 4(c)를 참고하면, 패스(pass) 수가 증가함에 따라 각 레이저 출력 조건마다 각각의 일정 패스 수가 되기 전까지는 최대 용입 깊이가 증가하다 각각의 일정 패스 수 이후로는 최대 용입 깊이가 변화 없이 일정한 값으로 유지됨을 알 수 있었다. Referring to FIG. 4C, the maximum penetration depth increases until the number of passes becomes constant for each laser output condition as the number of passes increases. After a certain number of passes, the maximum penetration depth Was maintained at a constant value without change.
이에 따라, 일정한 용입 깊이로 유지되기 전에 패스가 증가할수록 용입 깊이도 증가하는 것은, 패스가 진행됨에 따라 모재가 예열되어 용입 깊이가 증가하는 현상에 따른 것으로 판단된다.
Accordingly, it is considered that the depth of penetration increases as the number of passes increases before the depth of penetration is maintained at a constant penetration depth because the depth of penetration increases due to preheating of the preform as the path progresses.
레이저 출력에 따른 합금층의 용착면적 및 너비 Welding area and width of alloy layer according to laser output
도 5는 2.0, 2.4 및 2.8kW로 레이저 출력 변화에 따른 모재 금속에 용입되어 형성된 모재-용가재 합금층 비드의 용착면적 및 너비를 측정하여 나타낸 것이다. FIG. 5 is a graph showing measured deposition areas and widths of the base material-free alloy layer beads formed by injection into the base metal according to the laser output changes of 2.0, 2.4 and 2.8 kW.
상세하게는, 도 5(a)는 모재-용가재 합금층 비드의 용착면적 및 너비를 모식화한 것으로서, 레이저 출력 2.0, 2.4 및 2.8kW 각각에 대해 형성된 모재-용가재 합금층 비드의 용착면적과 너비를 도 5(b) 및 도 5(c)에 각각 나타내었다. 5A is a schematic representation of the welded area and width of the base material-free alloy layer bead, showing the welded area and width of the base material-free alloy layer bead formed for each of the laser outputs 2.0, 2.4 and 2.8 kW Are shown in Fig. 5 (b) and Fig. 5 (c), respectively.
이를 참고하면, 도 5(b)에서 레이저 출력이 증가함에 따라, 상기 합금층 비드의 용착면적이 증가됨을 확인할 수 있었다. 이는, 레이저 출력이 증가함에 따라 용융되는 용가재 이종금속 분말의 양이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.Referring to FIG. 5 (b), it was confirmed that the deposition area of the alloy layer bead increases as the laser power increases. This is considered to be due to an increase in the amount of the melting metal dissimilar metal powder to be melted as the laser output increases.
또한, 도 (c)에서 레이저 출력이 증가함에 따라, 상기 합금층 비드의 너비가 증가됨을 확인할 수 있었다. 이는, 레이저 출력이 증가함에 따라 용융되는 모재의 양이 증가함에 따른 것으로 판단된다.
Also, it can be seen that the width of the alloy layer bead increases as the laser output increases in FIG. This is considered to be due to an increase in the amount of the base material to be melted as the laser output increases.
레이저 출력에 따른 합금층의 용입 깊이에 따른 경도Hardness according to penetration depth of alloy layer according to laser power
도 6은 2.0, 2.4 및 2.8kW로 레이저 출력 변화에 따른 합금층의 깊이 방향으로의 경도 분포를 나타낸 것이다. 6 shows the distribution of the hardness of the alloy layer in the depth direction in accordance with the change of the laser power at 2.0, 2.4 and 2.8 kW.
도 6(b)~도 6(d)는 2.0, 2.4 및 2.8kW로 레이저 출력 변화에 따른 각각의 합금층 깊이 방향으로의 경도 분포를 나타낸 것으로서, 상세하게는 도 6(a)에 나타낸 바와 같이, 모재 금속에 용입되어 형성된 모재-용가재 합금층 비드에 대해 모재의 표면으로 용입되는 깊이 방향으로의 경도 분포를 나타낸 것이다. 또한, 도 6(b)~도6(d)는 상기 레이저 출력 각각의 조건에서 용가재 분말을 송급하지 않은 경우에 대해서도 모재의 표면으로 용입되는 깊이 방향으로의 경도 분포를 나타내었다. 6 (b) to 6 (d) show the distribution of hardness in the depth direction of each alloy layer in accordance with the change of the laser power at 2.0, 2.4 and 2.8 kW. Specifically, as shown in Fig. 6 (a) And the hardness distribution in the direction of depth penetrated into the surface of the base material with respect to the base material-alloy alloy layer beads formed by being melted into the base metal. 6 (b) to 6 (d) show the distribution of hardness in the depth direction, which is injected into the surface of the base material, even when the flux of the excipient material is not fed under the conditions of the respective laser outputs.
이를 참고하면, 모든 레이저 출력 조건에서 용가재 분말이 송급된 경우가 용가재 분말을 송급하지 않은 경우에 비하여 모재 표면으로부터 용입되는 깊이로의 경도가 높게 나타남을 확인할 수 있었다. As a result, it was found that the hardness in the depth of penetration from the surface of the base material is higher than that in the case where the flux of the excipient powder is fed under all laser output conditions.
또한, 레이저 출력 조건에 있어서는, 2.0kW인 경우가 2.4 및 2.8kW와 비교하여 더 높은 경도값을 나타냄을 확인할 수 있었다.Further, it was confirmed that the laser output conditions showed a higher hardness value at 2.0 kW than at 2.4 and 2.8 kW.
또한, 상기 모든 조건에서 각각의 비드에 대한 경도 편차가 나타냄을 확인할 수 있었다. 이는, 레이저 키홀현상에 의해서 모재와 용가재 분말이 혼합될 때 국부적으로 합금원소의 미소 편석이 나타남에 따른 것으로 판단된다.
It was also confirmed that the hardness deviations of the respective beads are shown under all the above conditions. It is considered that this is due to the microsegregation of the alloying element locally when the base material and the filler powder are mixed by the laser keyhole phenomenon.
레이저 출력에 따른 합금층의 너비 방향으로의 경도The hardness in the width direction of the alloy layer according to the laser output
도 7은 2.0, 2.4 및 2.8kW로 레이저 출력 변화에 따른 합금층 비드의 너비 방향으로의 경도 분포를 나타낸 것이다. 7 shows the distribution of the hardness of the alloy layer beads in the width direction according to the laser output change at 2.0, 2.4 and 2.8 kW.
도 7(b)~도7(d)는 2.0, 2.4 및 2.8kW로 레이저 출력 변화에 따른 각각의 합금층 비드의 너비 방향으로의 경도 분포를 나타낸 것으로서, 상세하게는, 도 7(a)에 나타낸 바와 같이, 모재 표면으로 부터 100㎛ 아래의 합금층에 대해 너비 방향으로의 경도 분포를 나타낸 것이다. 이에 따라 상기 경도 분포에는 오버랩 층 및 오버랩 됨에 따라 재가열되어 발생되는 HAZ의 경도가 포함되며, A.L로 표시한 것은 합금층(Alloying Layer)을 의미하는 것이고, O.L로 표시한 것은 오버랩 층(Overlap layer)을 의미하는 것이다.7 (b) to 7 (d) show the hardness distributions of the respective alloy layer beads in the width direction in accordance with the laser output changes at 2.0, 2.4 and 2.8 kW. More specifically, As shown, the distribution of the hardness in the width direction with respect to the alloy layer below 100 mu m from the surface of the base material is shown. Accordingly, the hardness distribution includes the hardness of the overlapped layer and the HAZ generated by reheating as it overlaps. The symbol AL indicates an alloy layer. OL indicates an overlap layer, .
이를 참고하면, 상기 레이저 출력 중, 도 7(b)의 2.0kW일 때의 합금층 너비 방향에 대한 경도가 약800Hv로 가장 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 또한, 합금층 너비 방향의 경도 측정에 있어서, 경도 편차가 나타나기는 하나, 오버랩 층 및 HAZ로 구분한 영역에서 경도의 뚜렷한 변화가 나타나는 것이 아니라, 합금층 너비 방향 전체에 대해 랜덤하게 경도 편차가 나타남을 확인할 수 있었다. Referring to this, it can be confirmed that the hardness of the laser output with respect to the width direction of the alloy layer at 2.0 kW in FIG. 7 (b) is the highest at about 800 Hv. Further, in the hardness measurement in the direction of the width of the alloy layer, the hardness deviation appears but the hardness is not clearly changed in the region divided by the overlapped layer and the HAZ, but the hardness is randomly varied in the entire width direction of the alloy layer .
일반적으로 레이저 빔 간격에 따라 합금층의 냉각속도가 상이하고, 이에 따라 HAZ영역에서의 경도 감소를 나타낸다. 반면, 본 실시예에서는 상술한 바와 같이, 오버랩층 및 HAZ로 구분한 영역에서 경도의 뚜렷한 변화가 나타나지 않았다. 이는, 레이저빔 간격을 800㎛으로 함에 따른 것으로 판단된다.
Generally, the cooling rate of the alloy layer is different according to the laser beam interval, and thus the hardness is reduced in the HAZ region. On the other hand, in the present embodiment, as described above, there is no apparent change in hardness in the region divided into the overlapped layer and the HAZ. It is judged that this is due to the laser beam interval of 800 mu m.
레이저 출력에 따른 합금층의 평균 경도Average Hardness of Alloy Layer with Laser Output
도 8은 용가재인 이종금속 분말에 대한 레이저 조사 여부 및 레이저 출력(2.0, 2.4 및 2.8kW)별 합금층의 평균 경도 변화를 나타낸 것이다.8 shows changes in the average hardness of the alloy layer with respect to laser irradiation and laser output (2.0, 2.4 and 2.8 kW) for dissimilar metal powder as a fugitive material.
도8을 참고하면, 상기 본 발명에 의해 합금층 형성시 레이저가 조사된 용가재 분말을 사용한 경우(laser alloying)는, 상기 합금층 형성시 용가재 분말이 조사되지 않고, 레이저 경화를 이룬 비드(Laser hardening)에 비해 모든 레이저 출력에서 경도가 높게 나타났다.Referring to FIG. 8, in the case of laser alloying using a laser irradiated laser in forming the alloy layer according to the present invention, laser hardening (laser hardening) ), The hardness was higher at all laser outputs.
이는 본 발명에 의한 합금층 형성에 있어서, 상기 조사된 용가재 분말은 레이저를 이용하여 모재 금속의 용융 풀에서 완전 용융되고 혼입됨으로써 합금을 형성할 수 있으나, 상기 용가재 분말을 조사하지 않고 레이저를 조사한 경우는 용가재 분말 합금성분이 조사되지 않음에 따라 레이저 경화만이 이루어지기 때문인 것으로 판단된다.This is because, in the formation of the alloy layer according to the present invention, the irradiated fine powder can be completely melted and mixed in the molten pool of the base metal using a laser to form an alloy. However, when the laser is irradiated without irradiating the flux, Is due to the fact that laser hardening only occurs due to the absence of the ignition powder alloy components.
또한, 도 8에 의하면, 본 발명에 의해 형성된 합금층의 평균 경도는 레이저 출력이 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다. 이는, 레이저 출력이 증가함에 따라 용가재 분말의 혼입율이 감소함에 따른 것으로서, 도 9 및 도 10에서 확인할 수 있다.
Further, according to Fig. 8, the average hardness of the alloy layer formed by the present invention was found to decrease as the laser power increased. This is due to the decrease in the incorporation rate of the excipient powder as the laser output increases, which can be seen in Figs. 9 and 10. Fig.
레이저 출력에 따른 합금층의 용가재 분말 혼입율과 이에 따른 경도 및 화학적 조성The mixing ratio of filler powder in alloy layer and its hardness and chemical composition according to laser power
도 9는 2.0, 2.4 및 2.8kW로 레이저 출력 변화에 따른 합금층의 용가재 분말 혼입율을 나타낸 것이고, 도 10은 상기 레이저 출력별 합금층의 혼입율에 대한 평균 경도 및 화학적 조성을 나타낸 것이다.FIG. 9 shows the incorporation rate of the filler metal powder in the alloy layer according to the laser output change, and FIG. 10 shows the average hardness and chemical composition of the alloy layer per the laser output.
먼저, 도 9(a)에 나타낸 식으로 상기 각 레이저 출력별 합금층의 혼입율(dilution rate)를 계산하면, 도 9(b)에 나타난 바와 같이 레이저 출력이 증가함에 따라 상기 용가재 분말의 혼입율이 감소함을 알 수 있었다. 9 (a), the mixing rate of the alloy layer for each laser output is calculated. As shown in FIG. 9 (b), as the laser output increases, the incorporation rate of the excipient powder decreases .
이에 따라, 상기 혼입율이 합금층의 경도에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 상기 레이저 출력별로 혼입율에 대한 평균 경도를 측정한 결과, 도 10(a)에 나타낸 바와 같이, 레이저 출력이 감소함에 따라 혼입율이 증가되고, 상기 혼입율 증가는 경도를 증가시킴을 알 수 있었다. 이는, 레이저 출력이 증가함에 따라 모재의 용융양이 증가되어 용가재 분말의 혼입율이 감소함에 따른 것이다. In order to examine the effect of the mixing ratio on the hardness of the alloy layer, as a result of measuring the average hardness with respect to the mixing ratio according to the laser output, as shown in FIG. 10 (a) And the increase of the mixing ratio increases the hardness. This is because the melting amount of the base material is increased as the laser output is increased, and the incorporation rate of the excipient powder is reduced.
또한, 도 10(b)는 레이저 출력별로 혼입율에 대한 평균 화학적 조성을 나타낸 것으로서, 이를 참고하면, 레이저 출력이 감소함에 따라 혼입율이 증가되어 합금층 내에 W, V 및 Mo 성분의 함량이 증가하는 것을 알 수 있었다.
10 (b) shows the average chemical composition with respect to the mixing ratio according to the laser output. As shown in FIG. 10 (b), when the laser output is decreased, the content of W, V and Mo increases in the alloy layer I could.
STD11과 본 발명에 의해 합금층을 형성한 LMA에 대한 내마모성The wear resistance of the STD 11 and the LMA formed with the alloy layer by the present invention
열처리된 강재 STD11과 상기 STD11을 본 발명에 따라 LMD에 의해 합금화하여 형성한 합금층에 대해 내마모성 시험을 실시하였다. 이때, 상기 합금층은 레이저 출력은 2.0kW, 레이저빔 간격은 800㎛이고, 분말 공급 속도 4rpm에서 LMD에 의해 합금화한 것으로서, LMA로 표시하였다.The alloy layer formed by alloying the heat treated steel material STD11 and the STD11 by LMD according to the present invention was subjected to an abrasion resistance test. At this time, the alloy layer was alloyed by LMD at a laser output of 2.0 kW, a laser beam interval of 800 탆, and a powder feed rate of 4 rpm, and was represented by LMA.
상기 내마모성 시험 결과는 하기 도 11 및 도 12에 나타내었다.The abrasion resistance test results are shown in Fig. 11 and Fig. 12 below.
도 11은 내마모성 테스트에 있어서 사이클(cycle)수를 증가함에 따른 마모량과 마모트랙 너비를 나타낸 것으로서, 사이클 수에 무관하게 LMA가 고강도의 STD11 강재보다 내마모량이 낮음은 물론, 사이클 수 증가에 따른 마모량의 증가율(wear rate)에 있어서도 LMA가 STD11 보다 낮게 나타남을 확인할 수 있었다. 또한, 마모트랙 너비 변화에 있어서, 모든 사이클에서 LMA가 고강도의 STD11 강재보다 낮은 값의 마모트랙 너비 변화값을 가짐을 알 수 있었다.Fig. 11 shows the amount of wear and the width of the wear track as the number of cycles increases in the wear resistance test. The LMA has lower abrasion resistance than the high strength STD11 steel regardless of the number of cycles, The wear rate of LMA was lower than that of STD11. It was also found that in all cycles the change in wear track width had a lower value of wear track width change than that of high strength STD11 steel.
이에 따라, 상기 내마모 테스트 후의 마찰계수를 계산하면 도 12와 같고, 상기 도 12에서 확인할 수 있는 바와 같이 시간 변화에 따른 마찰계수는 본 발명에 의해 형성된 합금층인 LMA가 STD11과 비교하여 낮은 값을 가짐을 알 수 있었다. 즉, 본 발명에 의한 합금층은 마찰계수가 작음에 따라 아차드 마모식에 의해 마찰량이 감소하고, 내마모성이 더 우수한 것으로 판단할 수 있다.
12, the coefficient of friction according to the time changes with the LMA, which is the alloy layer formed by the present invention, is lower than that of the STD11 . That is, it can be judged that the alloy layer according to the present invention has a smaller frictional coefficient and therefore has a reduced friction amount and better abrasion resistance due to the Achad wear equation.
상기와 같이, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법인 본 발명은, LMD(Laser Metal Deposition)기술에 의해, 모재 금속에 용가재로서 이종금속 분말을 송급하여 상기 모재 금속에 용입된 형태로 형성된 모재-용가재 합금층을 형성함을 특징으로 하고, 상기 합금층 형성시 레이저 출력을 달리함에 따라 모재에 송급되는 용가재의 혼입율을 조절하여 금속 표면에 형성되는 상기 합금층의 경도 및 내마모성을 향상시킬 수 있도록 한다. 이에 따라 형성된 상기 합금층은 모재 금속 내부에 U형으로 형성되어 기공 및 크랙이 생성되지 않음은 물론이고 내마모성이 향상되며 특히, 상기 합금층은 모재대비 2.5~3.5배의 향상된 경도를 갖는 것을 특징으로 한다.
As described above, the present invention, which is a method of alloying a metal surface using a laser, is a method of alloying a metal surface using a laser, in which a dissimilar metal powder as a filler is fed to a base metal by LMD (Laser Metal Deposition) And the alloy layer is formed. The hardness and the wear resistance of the alloy layer formed on the metal surface can be improved by controlling the incorporation rate of the filler to be fed to the base material as the laser power is varied during the formation of the alloy layer. The alloy layer thus formed is formed as a U-shape inside the base metal, so that pores and cracks are not generated and the wear resistance is enhanced. In particular, the alloy layer has an improved hardness of 2.5 to 3.5 times as much as the base metal do.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be understood that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the appended claims.
A: 모재 금속 B: 모재-용가재 합금층
C: 용가재 분말 D: 차폐가스A: Base metal B: Base metal - Alloy alloy layer
C: Ingredient powder D: Shielding gas
Claims (9)
(2) 상기 용융 풀에 레이저 열원을 조사함과 동시에 이종금속 용가재 분말을 송급하여 상기 용융 풀에 상기 용가재 분말을 완전 용융시킴으로써, 상기 모재 금속에 용입된 형태로 형성된 모재-용가재 합금층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 형성된 모재-용가재 합금층은 모재 금속 내부에 U형으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법.(1) irradiating the surface of the base metal with a laser heat source to generate a melt pool;
(2) irradiating a laser heat source to the molten pool and simultaneously feeding the dissimilar metal fountain powder to completely melt the fountain powder in the molten pool, thereby forming a base material-filler alloy layer formed in a form penetrated into the base metal Comprising:
Wherein the formed base material-free alloy layer is U-shaped inside the base metal.
상기 (1) 단계 및 (2) 단계의 레이저 열원의 출력은 1.6~3.0 kW인 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법.The method according to claim 1,
The steps (1) and (2) Wherein the output of the laser heat source is 1.6 to 3.0 kW.
상기 레이저 열원은 400㎛ 내지 1000㎛의 레이저 빔 간격을 갖는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법.The method according to claim 1,
Wherein the laser heat source has a laser beam gap of 400 m to 1000 m.
상기 합금층은 400㎛ 내지 1500㎛의 용입 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법.The method according to claim 1,
Wherein the alloy layer has a penetration depth of 400 [mu] m to 1500 [mu] m.
상기 합금층의 경도는 모재대비 2.5~3.5배의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법.The method according to claim 1,
Wherein the hardness of the alloy layer is 2.5 to 3.5 times the hardness of the base material.
상기 모재 금속은 탄소강, 냉간 금형강, 열간 금형강 및 고속도공구강 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법.The method according to claim 1,
Wherein the base metal is any one selected from the group consisting of carbon steel, cold-formed steel, hot-formed steel and high-speed tool steel.
상기 용가재 분말은 Mo, Cr, V, W, Mn 및 이들의 합금 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법.The method according to claim 1,
Wherein the excipient powder is any one selected from the group consisting of Mo, Cr, V, W, Mn, and alloys thereof.
A mold produced using the metal of claim 8.
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