KR20160116920A

KR20160116920A - 레이저빔을 이용한 금속 표면의 합금화 방법

Info

Publication number: KR20160116920A
Application number: KR1020150045347A
Authority: KR
Inventors: 강정윤; 최성원; 오명환; 윤태진
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2016-10-10

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.

Description

레이저빔을 이용한 금속 표면의 합금화 방법{method for alloying of metal surface using laser beam}

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.

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.

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.

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.

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.

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.

따라서, 본 발명은 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.

또한, 본 발명은 상기 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법에 의해 합금화되어, 모재-용가재 합금층을 포함하는 금속을 제공하는 것을 다른 해결과제로 한다.

또한, 본 발명은 상기 모재-용가재 합금층을 포함하는 금속을 이용하여 제조되는 금형을 제공하는 것을 또 다른 해결과제로 한다.

상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면,

(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 방법을 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면,

상기 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법에 의해 합금화되어, 모재-용가재 합금층을 포함하는 금속을 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면,

상기 모재-용가재 합금층을 포함하는 금속을 이용하여 제조되는 금형을 제공한다.

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.

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.

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.

뿐만 아니라, 본 발명은 향상된 경도와 함께 내마모성도 향상시킨다.

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.

이하 본 발명을 자세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면,

상기 형성된 모재-용가재 합금층은 모재 금속 내부에 U형으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법이 제공된다.

본 발명은 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 LMD(Laser Metal Depositon) 기술을 이용한 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법이다.

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.

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.

또한, 상기 레이저 열원의 출력은 1.6~3.0kW인 것을 특징으로 하고, 바람직하게는 상기 레이저 열원의 출력을 2.0~2.8kW로 한다.

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.

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.

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.

이때, 상기 레이저 열원의 출력은 1.6~3.0kW이고, 바람직하게는 상기 레이저 열원 출력이 2.0~2.8kW인 것을 특징으로 한다.

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.

이에 따라 바람직하게는, 상기 레이저 열원은 800㎛의 레이저빔 간격을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 용가재 분말은 Mo, Cr, V, W, Mn 및 이들의 합금 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

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.

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.

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.

또한, 바람직하게는, 상기 합금층의 경도는 모재대비 2.5~3.5배의 경도를 갖는 것을 특징으로 한다.

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.

또한, 본 발명은 합금층 형성 후, 밀링 처리를 실시하여, 표면 거칠기를 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다른 측면에 따르면,

상기 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법에 의해 합금화되어, 모재-용가재 합금층을 포함하는 금속이 제공된다.

또한, 본 발명은 또 다른 측면에 따르면,

상기 모재-용가재 합금층을 포함하는 금속을 이용하여 제조되는 금형이 제공된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.

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.

<실시예>

시료

모재로서는 비열처리재의 SKD61(H13)을 준비하고, 용가재로서 AISI M2 분말을 준비하였다.

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.

	화학 조성(wt.%)
	C	Mn	Si	Cr	Ni	Mo	V	W	P	S	Fe
SKD61 (H13)	0.4	0.28	0.8	4.9	0.06	1.12	0.8	-	0.03	0.08	Bal
AISI M2 분말	0.9	0.3	0.24	3.97	-	5.08	1.94	5.94	-	-	Bal

레이저를 이용한 금속 표면의 합금화

LMD(Laser Metal Deposition) 기술에 의한 금속 표면의 합금화를 실시하였다.

상기 모재인 비열처리재 SKD61과 상기 용가재인 AISI M2 분말에 대해 Nd:YAG(Disk type)의 레이저를 조사함으로써, 상기 모재 금속 표면 합금화를 실시하였다.

도 1은 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화를 나타낸 모식도이다.

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.

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.

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.

하기 표 2는 레이저를 이용한 금속 표면 합금화에 있어서의 변수들의 조건을 나타낸 것이다.

변수	조건
레이저원(laser source)	Nd:YAG(Disk type)
빔 크기(beam size)	0.3mm
헤드 스피드(head speed)	0.05m/sec
레이저 빔 간격(laser beam interval)	800㎛
레이저 출력(laser power)	2.0, 2.4, 2.8kW
분말 공급 속도(powder feeding rate)	4rpm

<분석>

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.

레이저 출력에 따른 합금층의 결함

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.

도 3은 모재 금속 표면에 형성된 합금층의 비드단면을 나타낸 것이다.

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.

레이저 출력에 따른 합금층의 용입 깊이

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.

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.

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.

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.

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.

레이저 출력에 따른 합금층의 용착면적 및 너비

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.

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.

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.

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.

레이저 출력에 따른 합금층의 용입 깊이에 따른 경도

도 6은 2.0, 2.4 및 2.8kW로 레이저 출력 변화에 따른 합금층의 깊이 방향으로의 경도 분포를 나타낸 것이다.

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.

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.

또한, 레이저 출력 조건에 있어서는, 2.0kW인 경우가 2.4 및 2.8kW와 비교하여 더 높은 경도값을 나타냄을 확인할 수 있었다.

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.

레이저 출력에 따른 합금층의 너비 방향으로의 경도

도 7은 2.0, 2.4 및 2.8kW로 레이저 출력 변화에 따른 합금층 비드의 너비 방향으로의 경도 분포를 나타낸 것이다.

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.

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.

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.

레이저 출력에 따른 합금층의 평균 경도

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.

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.

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.

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.

레이저 출력에 따른 합금층의 용가재 분말 혼입율과 이에 따른 경도 및 화학적 조성

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.

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.

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.

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.

STD11과 본 발명에 의해 합금층을 형성한 LMA에 대한 내마모성

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.

상기 내마모성 시험 결과는 하기 도 11 및 도 12에 나타내었다.

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.

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.

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.

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.

A: 모재 금속 B: 모재-용가재 합금층
C: 용가재 분말 D: 차폐가스

Claims

(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 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (1) 단계 및 (2) 단계의 레이저 열원의 출력은 1.6~3.0 kW인 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 레이저 열원은 400㎛ 내지 1000㎛의 레이저 빔 간격을 갖는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 합금층은 400㎛ 내지 1500㎛의 용입 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 합금층의 경도는 모재대비 2.5~3.5배의 경도를 갖는 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 모재 금속은 탄소강, 냉간 금형강, 열간 금형강 및 고속도공구강 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 용가재 분말은 Mo, Cr, V, W, Mn 및 이들의 합금 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 레이저를 이용한 금속 표면의 합금화 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 합금화되어, 모재-용가재 합금층을 포함하는 금속.
제 8 항에 따른 금속을 이용하여 제조되는 금형.