금형 열처리 변형에 대한 이해: 기본 사항 및 예방 조치

1. 금형 재료의 영향

금형 재료 선택

한 기계 공장은 단면 크기 차이가 크고 담금질 후 변형이 최소화된 복잡한 금형을 만들기 위해 56-60HRC의 경도를 요구하는 T10A 강을 선택했습니다.

그러나 열처리 후 금형의 경도는 기술 요구 사항을 충족했지만 변형이 너무 심해 금형을 폐기해야 했습니다.

변형이 제한된 정밀하고 복잡한 금형을 제작하려면 가능한 한 공기 담금질 강과 같은 미세 변형 강을 선택하는 것이 좋습니다.

금형 재료의 영향

일반적으로 Cr12MoV 강철은 변형이 제한되어야 하는 미세 변형 강철로 간주됩니다.

과도한 변형이 있는 금형에 대한 금속 조직 분석 결과, 유텍 카바이드의 양이 많은 것으로 나타났습니다. 다이 스틸를 줄무늬와 블록으로 표시했습니다.

(1) 다이 타원(변형)의 원인

금형강에 특정 방향으로 분포된 불균일 탄화물의 존재가 심각한 변형의 원인입니다. 탄화물의 팽창 계수는 강철의 매트릭스 구조보다 약 30% 더 작습니다.

가열하는 동안 탄화물은 다이 내부 구멍의 팽창을 방지하고 냉각하는 동안 다이 내부 구멍의 수축을 방지하여 다이 내부 구멍이 고르지 않게 변형되어 다이의 둥근 구멍이 타원형이됩니다.

(2) 예방 조치

정밀하고 복잡한 금형 제조 시에는 가장 저렴한 옵션이 아니더라도 카바이드 분리가 최소화된 금형강을 선택하도록 노력해야 합니다. 재료 품질이 좋지 않은 소규모 제철소에서 생산된 강재는 피해야 합니다.

탄화물 분리가 심한 금형강은 탄화물 결정 블록을 분리하고 탄화물의 고르지 않은 분포를 줄이기 위해 적절하게 단조해야 합니다. 이렇게 하면 강재의 특성에서 이방성을 제거할 수 있습니다.

단조 금형강은 다음과 같아야 합니다. 담금질 및 템퍼링 를 사용하여 미세하고 분산된 탄화물이 균일하게 분포된 소르바이트 구조를 구현합니다. 이렇게 하면 열처리 후 정밀 복합 다이의 변형을 최소화할 수 있습니다.

크기가 크거나 단조할 수 없는 금형의 경우 용액 이중 정제 처리를 사용하여 탄화물을 고르게 정제하고 분배할 수 있습니다. 이렇게 하면 가장자리와 모서리도 둥글어져 금형의 열처리 변형이 줄어듭니다.

2. 금형 구조 설계의 영향

합리적인 디자인

금형의 설계는 주로 용도에 따라 결정되므로 금형의 구조가 항상 완전히 합리적이거나 대칭적이지 않을 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 설계자는 금형의 성능을 유지하면서 제조 가능성, 구조의 합리성, 금형 기하학적 모양의 대칭성을 보장하기 위한 효과적인 조치를 취해야 합니다. 이를 위해서는 설계 과정에서 신중한 고려가 필요합니다.

(1) 날카로운 모서리와 두께가 다른 부분을 피하세요.

설계자는 금형 설계 시 두께 차이가 큰 단면, 얇은 모서리, 날카로운 모서리는 피해야 합니다. 대신 금형 두께의 접합부에 부드러운 전환을 구현해야 합니다. 이렇게 하면 금형 섹션의 온도 차이와 열 응력을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 또한 트랜지션 필렛과 콘을 사용하면 미세 구조 변환 시간 차이와 미세 구조 응력을 줄일 수 있습니다.

(2) 공정 구멍을 적절히 늘리십시오.

균일하고 대칭적인 단면을 보장할 수 없는 금형의 경우, 금형의 성능에 영향을 주지 않는다면 비관통 홀을 관통 홀로 변경하거나 추가 공정 홀을 추가하여 설계를 수정해야 할 수 있습니다.

캐비티가 좁은 금형은 담금질 후 변형될 수 있습니다. 설계 단계에서 두 개의 공정 구멍을 추가하면 담금질 시 단면의 온도 차이를 줄여 열 응력을 줄이고 변형을 개선할 수 있습니다.

공정 구멍의 수를 늘리거나 불균일한 구멍을 관통 구멍으로 전환하면 두께가 고르지 않아 균열이 발생할 위험도 줄일 수 있습니다.

(3) 가능한 한 가깝고 대칭적인 구조를 채택해야 합니다.

다이의 모양이 개방적이거나 비대칭인 경우 담금질 후 응력 분포가 고르지 않아 변형이 발생하기 쉽습니다. 이를 완화하기 위해 일반적으로 변형이 가능한 일반 홈 다이의 리빙을 담금질 전에 유지한 다음 공정 후에 잘라내는 것이 일반적입니다. 이렇게 하면 담금질 중 R의 변형을 방지하고 공작물의 전반적인 안정성을 개선하는 데 도움이 됩니다.

(4) 결합 구조 채택

대형 금형의 경우 복잡한 모양 및 400mm 이상의 크기와 두께가 얇고 길이가 긴 펀치의 경우, 복잡성을 단순화하고 크기를 큰 것에서 작은 것으로 줄이기 위해 결합 구조를 채택하는 것이 좋습니다.

다이의 내부 표면을 외부 표면으로 방향을 바꾸면 열간 및 냉간 가공이 더 쉬워지고 변형과 균열도 줄일 수 있습니다.

결합 구조를 설계할 때는 피팅 정확도에 영향을 주지 않으면서 적절한 분해를 보장하기 위해 다음 원칙을 고려해야 합니다:

(1) 분해 후 균일한 단면을 얻기 위해 두께를 조정합니다.

(2) 응력 집중이 발생하는 부위에 분해하여 응력을 분산시키고 균열을 방지합니다.

(3) 구조와 프로세스 구멍을 일치시켜 대칭이 되도록 합니다.

(4) 냉간 및 고온 처리 및 조립의 편의성을 보장합니다.

(5) 가장 중요한 것은 구조의 사용성을 보장하는 것입니다.

대형 금형에 일체형 구조를 채택하면 열처리가 어려워져 담금질 후 캐비티의 수축이 일정하지 않을 수 있습니다. 이로 인해 오목-볼록한 모서리, 평면 왜곡이 발생할 수 있으며 향후 가공 시 이러한 문제를 해결하기가 어려울 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하려면 결합 구조를 사용하는 것이 적합한 솔루션입니다. 열처리 후 구조물을 조립하고 연마하여 다시 맞출 수 있습니다. 이렇게 하면 열처리 공정이 단순화될 뿐만 아니라 변형 문제도 효과적으로 해결할 수 있습니다.

3. 금형 제조 공정 및 잔류 응력의 영향

공장에서 복잡한 모양과 높은 정밀도를 가진 금형은 열처리 후 상당한 변형을 경험하는 것이 일반적입니다. 자세히 살펴보면 이러한 변형의 원인은 가공과 최종 열처리 공정 모두에서 예열 처리가 부족하기 때문인 경우가 많습니다.

1. 변형의 원인

의 중첩은 잔류 스트레스 가공 공정에서 담금질 후 응력은 열처리 후 금형의 변형을 증가시킵니다.

2. 예방 조치

담금질 후 다이의 잔류 응력과 변형을 줄이기 위해 다음과 같은 조치를 취할 수 있습니다:

(1) 스트레스 해소하기 어닐링 황삭 가공과 반제품 가공 사이에 (630-680)°C의 온도에서 (3~4)시간 동안 (500°C 또는 400°C로 (2~3)시간 동안 용광로 냉각을 통해 한 번 가공합니다.

(2) 담금질 후 잔류 응력을 줄이기 위해 담금질 온도를 낮춥니다.

(3) 다이를 170°C의 오일에 담금질하고 공기 냉각(스텝 담금질)을 허용합니다.

(4) 등온 담금질을 통해 잔류 응력을 줄입니다.

이러한 단계를 수행하면 담금질 후 다이의 잔류 응력과 변형을 최소화할 수 있습니다.

4. 열처리가 가열 공정에 미치는 영향

1. 가열 속도의 영향

열처리 후 금형의 변형은 냉각으로 인해 발생한다는 일반적인 믿음은 잘못된 것입니다.

실제로 금형, 특히 복잡한 금형의 경우 적절한 가공 기술이 금형의 변형에 더 큰 영향을 미칩니다.

일부 금형의 가열 공정을 비교한 결과, 가열 속도가 빠를수록 더 큰 변형이 발생하는 것으로 나타났습니다.

(1) 금속이 가열되면 팽창하는 변형의 원인

강철이 가열되면 동일한 금형에서 각 부품의 온도가 균일하지 않으면 (즉, 불균일 한 가열) 불균일 한 팽창이 발생하여 다음과 같은 결과를 초래합니다. 내부 스트레스 고르지 않은 난방으로 인해 발생합니다.

강철의 변형점 아래에서는 주로 고르지 않은 가열로 인해 열 응력이 발생합니다.

온도가 변형 온도를 초과하면 고르지 않은 가열로 인해 미세 구조가 불균일하게 변형되어 구조적 응력이 발생합니다.

결과적으로 가열 속도가 빨라지면 금형 표면과 코어 사이의 온도 차이가 커져 열처리 후 응력 수준이 높아지고 금형의 변형이 커집니다.

(2) 예방 조치

복잡한 금형은 상전이 온도 이하로 서서히 가열해야 합니다.

일반적으로 진공 열처리 중 금형의 뒤틀림은 염욕 용광로에서보다 훨씬 적습니다.

낮은 경우 합금강 다이의 경우 550-620°C의 온도 범위에서 한 번의 예열 주기로 충분합니다. 고합금 금형의 경우 550-620°C 및 800-850°C의 온도 범위에서 2단계 예열 사이클을 권장합니다.

2. 난방 온도의 영향

일부 제조업체는 금형의 높은 경도를 보장하기 위해 담금질 온도를 높이는 것이 중요하다고 생각합니다. 그러나 실제 생산 경험에 따르면 이는 적합한 방법이 아닙니다.

복잡한 금형의 경우 가열과 담금질 모두에 일반 가열 온도가 사용됩니다. 최대 허용 온도에서 가열한 후 발생하는 열처리 변형은 최소 허용 온도에서 발생하는 변형에 비해 훨씬 더 큽니다.

(1) 변형의 원인

널리 알려진 바와 같이 담금질 온도를 높이면 강철의 입자 크기가 증가합니다. 입자 크기가 커질수록 경화성이 향상되어 담금질 및 냉각 시 응력이 커지기 때문입니다.

또한 대부분의 복잡한 금형은 중-고 합금강으로 만들어지기 때문에 담금질 온도가 높으면 잔류물이 증가합니다. 오스테나이트 낮은 Ms 포인트로 인해 구조에서. 이로 인해 열처리 후 금형의 변형이 증가하게 됩니다.

(2) 예방 조치

금형의 기술적 요구 사항을 충족하기 위해서는 적절한 가열 온도를 선택하는 것이 중요합니다. 냉각 중 응력을 최소화하고 복잡한 금형에서 열처리 변형을 줄이려면 가능한 가장 낮은 담금질 온도를 선택하는 것이 좋습니다.

5. 잔류 오스테나이트의 효과

열처리 중 변형 및 균열의 정도는 다음과 밀접한 관련이 있습니다. 강철 유형 그리고 품질. 금형의 성능 요구 사항을 기반으로 금형의 정밀도, 구조 및 크기와 가공되는 재료의 특성, 수량 및 가공 방법을 고려하여 금형을 선택해야 합니다.

변형 및 정확도 요구 사항이 없는 부품의 경우 탄소 공구강을 사용하여 비용을 절감할 수 있습니다. 변형 및 균열이 발생하기 쉬운 부품의 경우 강도가 높고 가공 속도가 느린 합금 공구강을 사용합니다. 임계 냉각 속도 담금질 중에 선택해야 합니다.

탄소강으로 만든 금형의 변형이 요구 사항을 충족하지 못하면 재료 비용이 더 높더라도 9Mn2V강 또는 CrWMn강을 대신 사용해야 합니다. 이렇게 하면 변형 및 균열 문제가 해결되어 장기적으로 비용 효율적인 솔루션이 될 수 있습니다.

원재료의 결함으로 인한 열처리 중 균열을 방지하기 위해 원재료에 대한 검사 및 관리를 강화하는 것도 중요합니다.

합리적인 기술 사양(경도 요구 사항 포함)을 수립하는 것은 담금질 중 변형과 균열을 방지하는 데 있어 매우 중요한 단계입니다. 국부 경화 또는 표면 경화 사용 요구 사항을 충족할 수 있으며, 전반적인 담금질은 가능한 한 피해야 합니다.

전체 담금질 금형의 경우 현지 요구 사항을 완화할 수 있으며 균일성을 강제할 필요가 없습니다. 고비용 또는 복잡한 구조를 가진 금형의 경우 열처리 중 기술 요구 사항을 충족하기 어려운 경우 반복 수리로 인한 폐기를 방지하기 위해 기술 사양을 조정하고 서비스 수명에 거의 영향을 미치지 않는 요구 사항을 완화하는 것이 좋습니다.

달성 가능한 최고 경도를 선택한 강재의 설계에서 유일한 기술 사양으로 간주해서는 안 됩니다. 최고 경도는 크기가 제한된 작은 샘플에서 측정되는 경우가 많으며 실제 크기의 큰 금형에서 얻을 수 있는 경도와 크게 다를 수 있기 때문입니다.

최고 경도를 추구하려면 담금질 중 냉각 속도를 높여야 하는 경우가 많으며, 이로 인해 변형과 균열이 증가할 수 있습니다. 따라서 기술 조건으로 더 높은 경도를 지정하면 작은 금형의 경우에도 열처리에 어려움이 있을 수 있습니다.

결론적으로, 설계자는 의도된 용도와 선택한 강종을 기반으로 합리적이고 실현 가능한 기술 사양을 수립해야 합니다. 또한 선택한 강종에 대한 경도 요구 사항을 결정할 때 성질 취성과 관련된 경도 범위를 피해야 합니다.

1. 변형의 원인

Cr12MoV 강철과 같은 합금강은 종종 상당한 양의 유지된 오스테나이트 담금질 후. 강철의 다양한 구조는 다양한 비부피를 가지며, 오스테나이트는 비부피가 가장 작기 때문에 담금질 및 저온 템퍼링 후 고합금강 금형에서 부피 감소의 주요 원인입니다.

다양한 철골 구조물의 비 용적은 다음 순서로 감소합니다: 마텐사이트, 강화 소르바이트, 펄라이트, 오스테나이트.

2. 예방 조치

(1) 담금질 온도를 적절히 낮추기

앞서 언급했듯이, 담금질 온도가 높을수록 유지된 오스테나이트 질량. 따라서 적절한 담금질 온도를 선택하는 것은 금형 수축을 줄이는 데 매우 중요합니다. 금형의 기술적 요구 사항을 충족하려면 금형의 전반적인 성능을 고려하고 담금질 온도를 적절히 낮춰야 합니다.

(2) 템퍼링 온도 높이기

데이터에 따르면 500°C에서 템퍼링된 Cr12MoV 강철의 잔류 오스테나이트 함량은 200°C에서 템퍼링된 강철의 절반에 불과합니다. 따라서 금형의 기술적 요구 사항을 충족하면서 템퍼링 온도를 높여야 합니다. 실제로 500°C에서 템퍼링된 Cr12MoV 강철 다이의 변형은 경도가 약간만 감소(2-3HRC)하고 변형이 최소화됩니다.

(3) 극저온 처리 사용

담금질 후 극저온 처리는 잔류 오스테나이트 질량을 줄이고 안정적으로 사용하는 동안 변형과 크기 변화를 최소화하는 효과적인 방법입니다. 따라서 정밀하고 복잡한 금형에는 극저온 처리를 사용해야 합니다.

6. 냉각 매체 및 냉각 방법의 영향

금형의 열처리 과정에서 발생하는 변형은 담금질 및 냉각 후에 종종 볼 수 있습니다. 여기에는 다양한 요인이 있지만 냉각 공정의 영향도 간과할 수 없습니다.

1. 변형의 원인

다이가 냉각되면 MS 포인트강철에서 상 변형이 일어납니다. 이는 고르지 않은 냉각으로 인한 열 응력뿐만 아니라 불균일한 상변형으로 인한 구조적 응력으로 이어집니다. 냉각 속도가 빠를수록, 냉각이 고르지 않을수록 응력과 변형이 커집니다.

2. 예방 조치

(1) 가능하면 사전 냉각 사용

다이의 경도를 보장하면서 가능한 한 예냉을 활용해야 합니다. 탄소강 및 저합금 금형의 경우 모서리가 검게 변할 때까지(720~760°C) 예냉할 수 있습니다. 펄라이트 변환 영역에 안정적인 저냉각 오스테나이트가 있는 강재의 경우 약 700°C까지 예냉할 수 있습니다.

(2) 단계 냉각 담금질 채택

단계 냉각 담금질 방법은 열 응력과 미세 구조 응력을 크게 줄임으로써 일부 복잡한 금형에서 변형을 줄이는 효과적인 방법입니다. 담금질 프로세스.

(3) 오스템퍼링 사용

오스템퍼링은 일부 정밀하고 복잡한 금형에서 변형을 크게 줄일 수 있습니다.

7. 열처리 공정 개선 및 금형의 열처리 변형 감소

담금질 후 금형의 변형을 완전히 제거하는 것은 불가능합니다. 그러나 다음과 같은 방법을 사용하여 정밀하고 복잡한 금형의 변형을 제어할 수 있습니다:

(1) 적절한 가열 온도 선택

경화를 보장하면서 가능한 가장 낮은 담금질 온도를 선택해야 합니다. 그러나 높은 탄소 합금강 금형(예: CrWMn 및 Cr12Mo 강철)에서 담금질 온도를 높여 MS 포인트를 낮추고 잔류 오스테나이트를 증가시켜 담금질 변형을 제어하는 데 사용할 수 있습니다.

또한 두께가 두꺼운 고탄소강 금형의 담금질 온도를 높여 담금질 균열을 방지할 수 있습니다. 변형 및 균열이 발생하기 쉬운 금형의 경우 담금질 전에 응력 제거 어닐링을 수행해야 합니다.

(2) 최적의 난방

가열 중 열 응력을 줄이기 위해 균일한 가열을 달성하기 위해 노력해야 합니다. 단면이 크고 모양이 복잡하며 변형 요구 사항이 높은 고합금강 금형의 경우 일반적으로 예열 또는 제한된 가열 속도가 필요합니다.

(3) 적절한 냉각 모드 및 냉각 매체

가능하면 예냉 담금질, 단계 담금질 및 단계 냉각을 선택해야 합니다. 예냉 담금질은 가늘거나 얇은 금형의 변형을 줄이는 데 효과적입니다. 또한 두께 차이가 큰 금형에서도 변형을 어느 정도 줄일 수 있습니다.

복잡한 모양과 단면 차이가 큰 금형의 경우 스텝 담금질을 권장합니다. 다음과 같은 경우 고속 강철 는 580~620°C에서 담금질하여 변형과 균열을 방지할 수 있습니다.

(4) 담금질 작업을 올바르게 실행하기

금형을 가장 균일하게 냉각하려면 공작물을 매체로 담금질하는 올바른 방법을 선택해야 합니다. 공작물은 저항이 가장 적은 방향으로 냉각 매체에 들어가야 하며 냉각 속도가 가장 느린 쪽이 액체 쪽으로 이동해야 합니다. 금형이 MS 포인트 이하로 냉각되면 움직임을 멈춰야 합니다.

예를 들어 금형의 두께가 고르지 않은 경우 두꺼운 부분을 먼저 담금질해야 합니다. 단면 변화가 큰 공작물의 열처리 변형을 줄이기 위해 공정 구멍, 보강 리브 및 구멍에 석면 플러그를 추가할 수 있습니다.

오목하고 볼록한 표면 또는 관통 구멍이 있는 공작물의 경우, 오목한 표면과 구멍을 위로 담금질하여 관통 구멍의 기포를 제거해야 합니다.

8. 결론

정밀하고 복잡한 금형의 변형 원인은 복잡하지만, 변형 법칙을 이해하고 원인을 분석하여 다양한 방법을 채택하여 변형을 방지하면 변형을 줄이고 제어할 수 있습니다.

일반적으로 정밀하고 복잡한 금형에서 열처리 변형을 방지하기 위해 다음과 같은 방법을 사용할 수 있습니다:

(1) 적절한 자료 선택

정밀하고 복잡한 금형의 경우, 미세 변형 금형강이 우수하고 재료 속성 (예: 공기 담금질 강철)을 선택해야 합니다. 카바이드 분리가 심한 금형강의 경우, 합리적인 단조 및 담금질과 템퍼링 열처리 를 수행해야 합니다. 단조할 수 없는 대형 금형강 또는 금형강의 경우 고용체 이중 정련 열처리를 사용할 수 있습니다.

(2) 합리적 금형 구조 디자인

금형 구조 설계는 대칭적인 모양과 지나치게 넓은 두께가 아닌 합리적이어야 합니다. 변형이 심한 금형의 경우 변형 법칙을 이해하고 가공 여유를 확보해야 합니다. 크고 정밀하며 복잡한 금형의 경우 결합 구조를 사용할 수 있습니다.

(3) 가공 중 잔류 응력 제거

가공 중 잔류 응력을 제거하려면 정밀하고 복잡한 금형에 대해 사전에 열처리를 수행해야 합니다.

(4) 적절한 가열 온도 선택

가열 온도를 합리적으로 선택하고 가열 속도를 제어해야 합니다. 저속 가열, 예열 및 기타 균형 잡힌 가열 방법을 사용하여 정밀하고 복잡한 금형에서 열처리 변형을 줄일 수 있습니다.

(5) 적절한 냉각 프로세스

금형의 경도를 보장하는 조건에서 예냉, 단계 냉각 담금질 또는 온수 담금질 공정을 가능한 한 많이 사용해야 합니다.

(6) 진공 가열 담금질 및 극저온 처리

가능하면 정밀하고 복잡한 금형에는 진공 가열 담금질과 담금질 후 극저온 처리를 사용해야 합니다.

(7) 사전 열처리, 노화 열처리 및 질화 열처리

일부 정밀하고 복잡한 금형의 경우 예열 처리, 노화 열처리, 담금질 및 템퍼링 질화 열처리를 사용하여 금형의 정확도를 제어할 수 있습니다.

또한 열처리 공정의 적절한 작동 (예 : 구멍 막힘, 구멍 바인딩, 기계적 고정, 적절한 가열 방법, 냉각 매체의 올바른 냉각 방향 및 이동 방향 선택 등)과 합리적인 템퍼링 열처리 공정은 정밀하고 복잡한 금형의 변형을 줄이는 데에도 효과적입니다.