고출력 다이오드 레이저에 의한 자동차 금형 및 차체 소재의 표면경화특성에 관한 연구

Abstract

금형의 내마모성 향상을 위한 기존의 표면처리에는 질화나 침탄처리, 화염표면처리, 고주파 표면처리 등이 적용되어 왔다. 하지만 자동차 차체 금형의 경우 금형의 크기가 대형이므로 질화 및 침탄처리시 진공로에 의한 표면처리가 용이하지 않다. 따라서 자동차 차체금형의 형상에 기인한 국부적인 표면처리가 요구되고 있기 때문에 금형의 표면처리에 적용하는데 한계가 있다. 또한 화염 표면처리나 고주파 표면처리는 공정간 발생하는 열변형 및 형상제한 등의 문제점을 수반하고 있다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 표면처리 방법으로서 레이저를 이용한 표면처리 기술이 검토되고 있다.

레이저를 이용한 표면처리는 고밀도 에너지 열원에 의해 레이저 조사 부위만 급속 가열되고, 조사 후에는 표면의 열이 내부로 전도되어 급속히 자기냉각(Self-quenching) 됨으로써 표면을 경화하는 방법이다. 하지만 아직까지 레이저의 표면처리 적용에 대한 연구가 많이 이루어지지 않았으며, 실용화되거나 실제 제품에 적용되고 있는 경우는 극히 드물다.

본 연구에서는 자동차 차체 금형으로 가장 많이 사용되는 프레스 금형재료와 플라스틱 사출금형재료를 표면처리 하는데 있어서 고출력 다이오드 레이저(HPDL : High power diode laser)를 이용하였다.

먼저 프레스 금형재료의 경우 주철 재료를 사용하고 있다. 주철 재료는 조직내 흑연을 많이 포함하고 있다. 또한 레이저 표면처리 공정에서 재료 표면에서의 표면처리 온도제어와 표면처리시 레이저 빔의 이송속도를 변화시키면서 표면처리를 실시하여 표면경화 특성을 검토하였다. 그리고 표면처리 후 표면처리 조건에 따른 열변형 특성을 평가하였다. 레이저 표면처리 결과 표면경도는 표면처리 소재의 표면용융 없는 조건에서 최대 표면경도 842Hv로 모재경도 240~280Hv 대비 약 3배 정도 상승하였다.

둘째, 플라스틱 사출금형은 사출성형 공정의 충전과정에서 플라스틱 수지가 빠른 속도로 금형 내부에 유입되면서 금형내 국부적으로 마모가 발생한다. 사출금형재료의 경우 탄소강이 많이 사용되고 있다. 그리고 프레스 금형에 비해 금형 표면에서의 조도 특성이 중요시 되는 특성을 가지고 있어 표면처리 전·후 조도 변화 특성을 검토하였다. 또한 표면처리 후 경화부의 표면처리 품질 평가를 위해 마모 특성과 국부 표면처리 된 생산금형을 이용하여 제품을 생산함으로써 금형 내구평가 특성을 분석 하였다. 그리고 유한요소법을 이용한 열전달 해석을 통하여 표면처리시 온도 분포, 조직 분포 및 잔류응력 특성을 통한 열변형 모드를 규명하였다. 레이저 표면처리 결과 마모특성은 모재 대비 열처리 후 약 20% 내마모성이 우수하였다.

셋째, 프레스 공정 중 제품의 형상을 만드는 공정이 드로잉 공정이라 한다. 드로잉 공정은 제품의 형상이 금형의 전체 표면에 마찰되기 때문에 금형의 전체 표면을 표면처리 하여야 한다. 또한 표면처리 된 부위 보다 국부적으로 더 우수한 표면처리 특성을 요구하는 부위도 있다. 따라서 레이저 표면경화처리 후 이온질화처리에 의한 복합표면처리 공정개발을 하였다. 그리고 실제 금형을 사용하여 복합열처리 후 제품을 생산하면서 금형의 내마모성을 평가하는 방식의 금형 내구 평가를 실시하였다. 복합열처리 결과 기존 표면처리 대비 약 4배이상의 내구수명을 가지는 것으로 나타났다.

마지막으로 고출력 다이오드 레이저를 이용한 응용기술로써 자동차 차체 부품에 대한 국부열처리 기술개발을 소개 하였다. 자동차 차체부품에 사용되는 박판 소재에 대한 레이저 공정 조건별 경화특성을 검토하였다. 그리고 기술개발 대상부품에 대한 구조해석을 통해 열처리 구간 설계를 검토하고 표면처리 후 정하중 특성을 평가하여 기존대비 경화 특성을 검토하였다. 자동차 차체 소재에 대한 표면처리 결과 기존인장강도 대비 최대 2배인 148kg/㎟으로 나타났다.

이와 같이 고출력 다이오드 레이저를 이용한 표면처리 기술개발뿐만 아니라, 레이저 표면처리 및 복합표면처리 적용에 관한 주요한 기반기술 자료로써 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Conventional surface treatment methods for durability against abrasion included nitrification, a carburizing treatment, a flame treatment, and a high-frequency surface treatment. However, for automobile chassis molds, because the mold is large, it is inconvenient to treat the surface in a vacuum furnace in conjunction with nitrification or carburizing treatments. Therefore, because a local surface treatment according to the automobile chassis mold form is required, there is a limitation when treating the surface of the mold. Moreover, a flame treatment or a high-frequency surface treatment can involve heat deflection and shape restrictions. A surface treatment technique using a laser is being considered as a treatment method to solve such problems.

The laser surface treatment technique rapidly heats the laser irradiation area due to the use of a high-density energy source. After irradiation, the surface heat is conducted to the interior, causing rapid self-quenching and ultimately curing the surface. This surface treatment method does not cause heat deflection. However, research regarding the application of a laser as a surface treatment is lacking and the commercialization or application of actual products is rare.

In this study, a high-power diode laser(HPDL) was used in the surface treatment of press molds and plastic injection molds, which are most widely used as automobile chassis molds.

First, cast iron is used for press molds. Cast iron includes a considerable amount of graphite within it. Furthermore, the surface-hardening characteristics of surface treatments with varied surface treatment temperature control methods and feed rates of the surface treatment laser beam were investigated. The heat deflection properties depending on the surface treatment conditions after the treatment were examined as well. The laser surface treatments showed a maximum surface hardness of 842Hv under a condition of no surface melting on the surface treatment material, approximately a three-fold increase compared to the substrate hardness of 240~280Hv.

Secondly, for plastic injection molds, local wear within the mold occurs as the plastic resin rapidly flows into the mold interior during the injection molding charging process. In addition, the changes in the roughness characteristics before and after the surface treatment were studied, as the surface roughness is critical for injection molds compared to press molds. The mold's durability assessment characteristics and abrasion properties were also analyzed by manufacturing products using production molds with a local surface treatment. The temperature distribution, content distribution, and heat deflection modes through the residual stress characteristics were found by a heat transfer analysis utilizing the finite element method. The laser surface treatment was found to have superior abrasion durability after a heat treatment by approximately 20% compared to the basic material.

Thirdly, the process used to create the shape of the product during the press process is known as the drawing process. In this process, because the product shape causes friction with the total surface of the mold, all of the surfaces of the mold have to undergo a surface treatment. There are areas that require locally superior surface treatment characteristics therefore, a duplex surface treatment process that involves ion-nitriding after laser surface hardening was developed. The mold's durability was assessed by evaluating the abrasion resistance of the mold while manufacturing products after the combined heat treatment of an actual mold. The combined heat treatment resulted in an approximately a four-fold increase in the durability life compared to the conventional surface treatment methods.

Finally, a developed local heat treatment technology was introduced for automobile chassis parts as an application technology utilizing high-power diode lasers. The hardening characteristics of the laminated material used for the automobile chassis parts depending on the laser processing conditions were evaluated. Moreover, a heat treatment section design was examined through a structural analysis of parts intended for technology development the hardening characteristics were compared by assessing the static load characteristics before and after the surface treatment. The surface treatment of the automobile chassis materials resulted in a tensile strength of 148kg/mm2, which was double the tensile strength without the surface treatment.

In this fashion, this research will provide the basis of a fundamental technology material for surface treatment technology development using high-power diode lasers along with a laser surface treatment and duplex surface treatment applications.