KR0175321B1 - 금형재료 제조방법 및 금형 재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Zn, Al 등과 같은 주형 금속 또는 수지 성형용 금형을 만드는데 사용되는 금형 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법에서, 폭 100㎛ 또는 미만의 훼리틱 스테인레스강 긴 섬유를 절단하여 얻은 아스펙트 비율 30내지 300의 짧은 섬유, 훼리틱 스테인레스강 분말 그리고 Cu 분말 및 Cu합금 분말 중의 적어도 하나를 원료로서 사용한다. 원료는 혼합하여 혼합재료를 만들고 이것을 CIP공정으로 압력 하에 압축한다. 이와 같이 얻은 압축 제품을 진공 분위기에서 소결한다. 소결된 재료를 질소 가스 또는 분해된 암모니아 가스 내에 보존하여 소결 재료의 스테인레스강에 질소 0.3내지 1.2중량%가 부가되게 한다. 이와 같이 얻은 금형 재료는 HMV경도 250내지 500을 가진다.

Description

금형재료의 제조방법 및 금형재료
제1도는 압축제품의 소결 조건을 도시한 그래프이고,
제2도는 유지시간을 일정하게 하면서, 가열시간을 변경했을 때의 소결체의 질화조건을 도시한 그래프이고,
제3도는 가열시간을 일정하게 하면서, 유지시간을 변경했을 때의 소결체의 질화조건을 도시한 그래프이고,
제4도는 본 발명의 금속 금형 재료를 진공 급냉하는 조건을 도시한 그래프이다.
본 발명은 금속성 금형체를 형성시키는데 사용되는 재료(이하 금형재료라 칭함)의 제조방법과 이 방법으로 제조한 금형재료에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 금형체의 전체벽에 개방기공을 가지는 금형체를, 예를 들면, 금속 주형 또는 플라스틱 성형에 사용되는 금형체를 형성시키는데 사용되는 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.
금속주형 또는 플라스틱 성형에 사용되는 금속금형의 몸체는 일반적으로 용융, 주형 및 기계 가공의 단계를 거쳐 형성시킨다. 본 발명의 출원인은 통상의 방법으로 얻어지는 재료와는 다른 금형 재료를 이전에 제안한 바 있다(일본국 특허공개(평)2-101102). 이 금형재료는 각기 아스펙트 비율(ℓ/d)이 30내지 100이고 폭이 100㎛ 이하인 스테인레스강 단섬유를 함유한다.
이러한 스테인레스강 단섬유는 길이 방향으로 평판형으로 강제 와이어를 절삭하는 방법과 같은, 공지된 와이어 절삭법으로 제조할 수 있다. 이 방법으로 얻어진 장섬유는 아스펙트 비율(ℓ/d : ℓ은 섬유길이; d는 섬유의 폭)이 30내지 100인 단섬유로 절삭된다.
탄소 분말 0.5내지 1.2중량 %와, 필요한 경우에는 크롬 분말 및/또는 망간 분말을 스테인레스강 단섬유와 혼합하여 혼합재료를 만든다. 혼합재료를 균일한 밀도로 압축 성형 금형 또는 CIP(냉간 등압 압축성형) 고무(예를 들면, 우레탄 고무 또는 네오프렌 고무) 금형에 다저 넣고, 0.5내지 8톤/㎠의 압력으로 압축한다. 이와 같이 얻은 성형품은 금형 재료를 만들기 위해 환원 분위기내에서 소결된다.
금형재료는 우수한 강도와 인성을 가지며, 이미 개방 기공이 몸 전체에 걸쳐 균일하게 분포되어 있음으로, 공구강으로 만든 통상의 금형에서 요구되는 공기 배기구를 형성할 필요가 없다. 그러나, 금형 재료는 사용중 재료중의 스테인레스 강 단섬유의 산화성 부식으로 일어나는 녹의 발생으로 개방기공이 차단되는 결함을 갖는다. 또한 금형 재료는 경도가 낮기 때문에 내마모성이 나쁘다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결하는데 있다.
또 다른 목적은 몸 전체에 개방기공과 우수한 내부식성을 가지며 기계 가공될 수 있고, 열처리에 의해 경도가 증가될 수 있는 금형 재료를 제공하는데 있다.
이러한 금형 재료는 다음의 방법으로 제조될 수 있다.
본 발명에 의한 금형재료의 제조방법은 다음의 단계를 포함하여 이루어진다:
(a) 구리분말과 구리합금 분말중 적어도 하나와 페라이트계 스테인레스강 분말을 와이어 절삭 방법에 의해 제조된 긴 페라이트계 스테인레스강 섬유를 절삭하여 얻은, 아스펙트 비율(ℓ/d)이 30내지 300이고 폭이 100㎛이하인 단섬유와 혼합하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계에서 얻은 혼합재료를 균일한 밀도로 CIP 고무 금형에 투입하고 가압하에 압축하는 단계;
(c) 상기 (b) 단계에서 압축한 재료를 진공 분위기에서 소결하는 단계; 그리고
(d) 상기 (c)단계에서 얻은 소결 재료를 질소 가스 또는 분해된 암모니아 가스분위기내에 유지시켜 소결재료에 0.3내지 1.2중량%의 질소가 도입되게 하는 단계.
(a) 단계에서, 페라이트계 스테인레스강 단섬유, 페라이트계 스테인레스강 분말 그리고 구리 분말의 바람직한 혼합비율은 각기 36중량%, 60중량% 그리고 4중량%이다(구리 합금 분말이 사용되면, 구리 분말 4중량%에 대응되는 양이다). Cu-Sn 합금, 즉 75중량% Cu-25중량% Sn 합금이 구리합금으로서 권장된다. 주석은 기계 가공성에 좋은 영향을 부여하고 실질적인 피해를 주지 않기 때문에 주석을 첨가할 수 있다.
예를 들면, JIS SUS 434(0.1중량% C, 18%중량% Cr, 1중량% Mo)가 페라이트계 스테인레스강으로 사용된다. 직경이 3내지 5㎜인 스테인레스강을 와이어 절삭법으로 폭이 20내지 50㎛의 장섬유로 만든다. 장섬유는 절삭기를 사용하여 아스펙트 비율(ℓ/d)이 30내지 300인 단섬유로 절삭된다. 만약 아스펙트 비율이 30보다 적으면, 섬유가 분말상으로 되기 때문에, 이들이 잘 혼합되더라도 섬유의 상호 결속 수준이 낮아져서, 필요한 강도는 얻어지지 않는다. 한편, 아스펙트 비율이 300을 초과하면, 섬유가 재료를 혼합하는 중에 엉키게 되어, 재료는 비균일하게 혼합된다.
페라이트계 스테인레스강 분말을 사용하는 이유는 비록 페라이트계 스테인레스강 단섬유만을 사용하여도 기본적으로는 소망하는 강도를 가지는 금형 재료를 얻을 수 있으나, 어느 경우에는 사출 성형 압력 또는 성형될 수지의 종류에 따라서 개방 기공의 크기를 감소시켜야 되기 때문에, 스테인레스강 분말을 개방 기공 크기를 조절하기 위해 사용한다.
구리 분말 및/또는 구리 합금 분말을 사용하는 이유는 소결 후에 페라이트계 스테인레스강의 강도를 회복시키기 위함이다. 첨가되는 Cu 및/ 또는 Cu 합금 분말의 양에 따라서, 반경 방향 분쇄강도 상수가 증가하나, 그 양이 5%이상이면, 구리상이 나타나고, 이에 따라서 상기 재료는 금형 재료로서 사용하기에 부적합하게 된다. 상기 반경방향 분쇄강도 상수는 JIS Z2507에 규정된, 소결 베어링의 강도시험방법에 따라 베어링의 축에 대해 수직방향으로 실린더형 베어링의 외부 표면에 가해지는 압축하중을 측정하여 결정한다.
CIP 방법으로 가압하에 혼합 재료를 성형할 때의 바람직한 성형압력은 2내지 4톤/㎠이다. 압력이 2톤/㎠보다 적으면, 반경 방향 분쇄 강도 상수는 저하하고, 압력이 4톤/㎠을 초과하면, 기공율은 감소된다.
성형 재료는 질소를 공급하면서 1×10-2토르 이하의 진공하에 소결하는 것이 바람직하다. 질소는 성형재료가 고온에서 진공하에 유지될 때에 스테인레스강 내의 크롬이 증발하는 것을 방지하기 위해서 진공에 공급된다.
900 내지 1050℃의 온도에서 질소 가스 또는 분해된 암모니아 가스 분위기 내에서 소결물질을 유지시키는 질화처리는 소결 공정후에 연속적으로 실시하거나 또는 소결 물질이 냉각된 후에 수행할 수 있다. 질화처리에 권장되는 시간은 30분 이상이다.
상술한 방법으로 제조된 금형 재료는 질화처리에 의해서 기본 금속 내에 0.3내지 1.2중량%의 질소를 함유하며, 그리고 HMV 250내지 500의 경도를 갖는다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명자는 일본국 특허 공개 공보(평) 2-101102호에 개시된 철 또는 철-합금 대신에, 스테인레스강 섬유를 사용하는 것을 검토하였다. 그러나, 스테인레스강 섬유를 사용하는 경우 다음과 같은 문제가 있다.
스테인레스강은 일반적으로 3형태로, 즉, 페라이트계 스테인레스강, 오스테나이트계 스테인레스강 그리고 마르텐사이트계 스테인레스강으로 분류된다.
페라이트계 스테인레스강은 탄소 함량이 낮고 11.5내지 19%의 Cr을 함유하는 Fe-Cr 합금이다. 이 합금은 탄소 함량이 낮기 때문에 경도가 낮다. 이 합금은 경도가 낮으므로 절삭할 수가 있다. 한편, 이 합금은 급냉에 의해서는 경화시킬 수 없다.
오스테나이트계 스테인레스강은 몇 %의 니켈을 함유하며 실온에서도 오스테나이트계상을 가지는 Fe-Cr 합금이다. 오스테나이트계 스테인레스강은 일반적으로 우수한 내부식성과 내열성을 가지고 있으나, 절삭 작업 중에 경화가 일어남으로, 절삭이 매우 어렵다.
마르텐사이트계 스테인레스강은 Cr 11.5 내지 19%을 함유하는 고탄소 Fe-Cr 합금이다. 마르텐사이트계 스테인레스강의 경도는 탄소 함량(%)의 증가에 의해 증가될 수 있음으로, 경도는 조절할 수 있다. 그러나, 상기 스테인레스강의 내부식성은 탄소 함량이 증가됨에 따라 열화하여, 용이하게 녹이 생성된다.
본 발명에서는 페라이트계 스테인레스강으로 만든 단섬유와 분말이 주성분으로서 사용된다. 대표적인 페라이트계 스테인레스는, 예를 들면, 강철 JIS SUS434(C≤0.1, Cr: 16 내지 19%, Mo: 0.5 내지 2%), 그리고 JIS SUS430(C≤0.03, Cr: 16내지 19%)이다. 폭이 20내지 50㎛인 길고 평편한 섬유는 와이어 절삭법에 의해 상술한 화학 조성의 페라이트계 스테인레스강의 와이어로부터 만든다. 이와 같이 제조된 길고 평편한 섬유는 절삭기로 절삭되어 아스펙트 비율이 30내지 300인 단섬유가 된다. 본원에서 사용된 용어 폭은 절삭에 의해 만들어진, 길고 평편한 섬유의 단면적을 외접하는 원의 직경을 나타낸다.
단섬유는 절삭방향과 평행하는 섬유축을 가지며 그리고 전체로서 약간 휘어 있다. 또한 단섬유는 섬유의 축에 대해 직각방향으로 평편한 사각형의 단면형태를 가지며, 전체로서는 벤드 형상을 갖는다.
상술한 조성을 갖는 페라이트계 스테인레스강 분말 및 구리 분말 또는 Cu-Sn 분말은 이와 같이 하여 얻은 짧고 평편한 섬유와 혼합하여 혼합 재료를 만든다. 이어서 혼합재료는 균일하게 CIP 공정을 위한 고무 금형내에 넣고, 2내지 4톤/㎠의 압력으로 압축하고, 이어서 진공 분위기에서 소결한다. 소결된 재료는 이어서 900 내지 1050℃의 온도에서 질소 가스 또는 분해된 암모니아 가스 중에 유지시켜, 0.3 내지 1.2중량%의 질소가 스테인레스강의 기본 금속에 도입되게 한다. 이로서, 전체 표면에 걸쳐서 개방 기공을 가지는 금형 재료가 얻어진다. 또한 금형 재료에 요구되는 경도는 기계 가공성이나 내부식성을 손상시키지 않고 열처리에 의해서 증가시킬 수 있다.
이하 본 발명을 상세히 기술한다.
직경이 3 내지 5㎜인 JIS SUS434(C : 0.1%, Cr: 18%, Mo: 1%)의 스테인레스강 와이어를 이의 축방향을 따라 절삭방법에 의해 절삭하여 폭 20내지 50㎛의 장섬유를 얻었다. 이와 같이 만든 장섬유를 절삭기로 절삭하여 아스펙트 비율(ℓ/d)이 30 내지 300(길이 0.4 내지 3.0㎜)이 되는 단섬유를 얻었다. JIS SUS434 스테인레스강 분말(C: 0.05%, Cr: 17%, Mo: 2%)60중량 % 및 전기동 분말 4중량%를 상기에서 얻은 단섬유 40중량%와 혼합하여 혼합 재료를 만들고, 이 혼합 재료를 CIP 공정을 위한 고무 금형 내에 넣고 3톤/㎠의 압력으로 압축하여 그린 콤팩트를 얻었다. 그린 콤팩트는 이어서 제1도에 도시한 소결 조건으로 소결하여 금형 재료로 얻었다.
소결 조건을 제1도에 의거하여 아래에 기술한다. 250㎜×200㎜×100㎜(약 30㎏)의 블록을 시편으로 사용하여 진공 소결로 내에 넣었다. 소결로 내의 압력이 1×10-2토르 이하로 감압된 후에, 온도를 승온시켜서 550℃에서 30분간 유지시켜 증기 성분을 충분히 제거하였다. 1×10-2토르 이하의 진공이 얻어진 후에, 다시 온도를 상승시켜서 1150℃에서 2시간 유지시키고, 이어서 700℃로 낮추었다.
이 때에, 10토르(10/780 기압)의 분압에서 질소를 공급하여 고온의 진공에서 스테인레스강 내의 크롬이 증발하는 것을 방지하였다.
온도가 700℃가 되면, 3㎏/㎠으로 질소 가스를 로에 공급하여 시편을 급속히 냉각시켰다(700℃에서 급속 냉각을 시작하는 이유는 전이온도에서 구조가 변화되는 것을 방지하기 위함이다.).
표 1은 제2도 및 제3도에 도시한 질화 조건하에서 질화된 각 시편의 경도와 성분들의 분석 측정치를 나타낸 것이다.
질화 조건은 제2도 및 제3도에 의거해서 다음에 기술한다. 제2도는 유지시간을 일정하게 하면서 유지 온도를 변경시켰을 때의 조건을 도시한 것이며, 제3도는 유지 온도를 일정하게 하면서 유지 온도를 변경하였을 때의 조건을 도시한 것이다. 진공 열처리 로 내의 압력이 1×10-2토르 이하로 감압된 후에, 온도를 승온시켜 700℃에서 30분간 유지시켜 증기 성분을 충분히 제거하였다. 1×1-2토르 이하의 진공이 얻어진 후에, 온도를 다시 상승시켰다. 유지 시간 또는 유지 온도를 변경한 후, 질소 분위기에서 질화처리를 실시하였다.
주1 : 시료번호 영은 소결만 한 것임.
주2 : 시료번호 1 내지 5는 제2도에 도시한 조건하에 질화처리한 것임.
주3 : 시료번호 6 내지 9는 제3도에 도시한 조건하에 질화처리한 것임.
시료번호 6은 시료의 표면과 내부의 질소 함량의 분석치 사이에 큰 차이가 있으므로 일정한 질소 함량을 얻기 위해 30분 이상 보존하였음.
HMV(Micro Vickers Hardness) 500이상의 경도를, 그리고 질소 함량 1.2% 이상을 가지는 시료는 시료의 표면에 다량의 질화크롬이 생성됨으로(기공의 내부 표면층도 포함됨) 금형 재료로서는 적합하지 않다.
이 밖에도, 질소 함량이 0.3% 이하일 때에는 금형 재료로서 요구되는 HMV 250의 경도를 얻을 수 없다.
[실시예 1]
우수한 기계 가공성을 가지며, 통상의 성형재료(JIS SKD61)와 대등한 절삭 속도로 절삭할 수 있는 2번 시료(HMV 274)를 표 1에 표시한 시료중에서 선택하였다. 2번 시료의 기계 가공성, 기공크기 그리고 기공율의 측정 결과를 표 2에 표시하였다.
2번 시료를 기계 가공하여 통상 광범위하게 사용되는 ABS 수지를 사용하여 10개의 벤드상 제품을 동시에 성형할 수 있는 금형을 만들었다. 제품은 각각 최소 두께 0.7㎜를 가지며 그리고 제품의 크기는 10㎜×150㎜이었다. 금형을 사용하여 실시한 플라스틱 성형 시험 결과로서, 각기 완전한 형상을 가지며 가스의 버닝이 없는 제품은 98㎏/㎠의 사출 압력으로 얻어졌으며, 이에 비해 통상의 금형 재료를 사용했을 때에는 138㎏/㎠의 사출압력이 요구되었다.
[실시예 2]
표 3은 표 1에 표시한 3번과 7번 시료에 대해 실시한 진공 급냉 시험 결과를 나타낸 것이다.
진공 급냉 조건은 제4도에 의거하여 다음에 기술한다. 진공 열처리 로 내의 압력은 약 1×10 토르로 감압하고, 그리고 이어서 온도를 승온시키고 증기 성분을 충분히 제거하기 위해서 700℃에서 30분간 유지시켰다. 약 1×10 토르의 진공이 된 다음에, 온도를 다시 승온하여 950℃와 1020℃ 각각에서 30분간 유지한다(제4도 참조). 이어서 3㎏/㎠의 질소가스를 공급하여 각각의 시료를 급냉하였다. 약 1×10 토르의 진공도가 30분내에 얻어진 다음에, 온도를 250℃로 상승시키고 이 온도에서 2시간 유지시킨 후 로 내부를 냉각하였다.
상술한 진공 급냉 조건은 통상의 금형 재료를 급냉할 때의 조건들과 같다. HMV 경도 약 600을 가지는 금형재료는 보통 조건하에서 진공 열처리에 의해 얻어지며, 그리고 유리섬유 강화수지에 만족스럽게 사용될 수 있다는 것이 확인되었다.
또한, 상기 실시예들에서 압축된 제품(또는 그린 콤팩트)을 소결하는 것과 소결체의 질화 처리를 각기 별도의 처리로에서 수행하였으나, 이러한 처리는 같은 로에서 단일가열 사이클로 연속적으로 수행할 수 있다. 이 금형 재료는 주재료로서 페라이트계 스테인레스강을 사용하는데서 기인하는 산화성 부식으로 야기되는 문제를 극복할 수 있으며, 그리고 질화 처리 이후에 급냉 처리를 수행함으로써 경도가 향상되게 된다. 따라서, 본 금형 재료는 우수한 특성을 갖게 된다.
본 발명에 의한 금형 재료를 기계 가공하여 얻는 금형은 예를 들면, 금속 주형 또는 플라스틱 성형용으로 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 폭이 100㎛ 이하이고 아스펙트 비율(ℓ/d)이 30 내지 300인 훼리틱 스테인레스강 단섬유, 훼리틱 스테인레스강 분말, 그리고 구리분말 및 구리합금 분말의 적어도 하나를 함유하며 원료로 사용되는 혼합재료를 가압하에 압축하고, 얻어진 압축재료를 진공 분위기내에서 소결하여 얻는 금형재료로서, 금형재료의 기본 금속인 상기 스테인레스강이 질화 처리에서 부가된 질소 0.3 내지 1.2중량%를 함유하고, HMV 250 내지 500의 경도를 가지며, 금형 재료를 통과하는 개방 기공을 전체벽에 가지는 것을 특징으로 하는 금형 재료.
  2. 제1항에 있어서, 금형재료를 사용하여 만든 금형이 금속 주형에 사용되는 금형 재료.
  3. 제1항에 있어서, 금형재료를 사용하여 만든 금형이 플라스틱 성형에 사용되는 금형 재료.
  4. (a) 훼리틱 스테인레스강 분말과, 구리분말 및 구리합금 분말의 적어도 하나를, 철사 절단법에 의해 생산된 긴 훼리틱 스테인레스강 섬유를 절단하여 얻은 아스펙트비율(ℓ/d) 30내지 300을 가지며 폭이 100㎛이하인 단섬유와 혼합하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 얻은 혼합 재료를 균일하게 CIP 고무 금형에 넣고 가압하에 압축하는 단계; (c) 상기 (b) 단계에서 얻은 압축된 재료를 진공 분위기 내에서 소결하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계에서 얻은 소결 물질을 질소가스 또는 분해된 암모니아가스 분위기 중에 유지하여 질소 0.3 내지 1.2중량%가 소결 물질에 부가되도록 하는 단계를 포함하여 이루어진 금형재료의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 압축이 2 내지 4톤/㎠의 압력에서 수행되는 금형 재료의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서, 소결 재료에 질소를 부가하는 단계가 소결단계 후에 연속적으로 수행되는 금형재료의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서, 소결 재료에 질소를 부가하는 단계가 소결단계 후에 소결 물질의 재가열에 의해 수행되는 금형 재료의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서, 아스펙트 비율 30 내지 300을 가지는 단섬유를 철사 절단법으로 3 내지 5㎜ 직경의 JIS SUS434 훼리틱 스테인레스강사를 절단하여 만든 폭 20 내지 50㎛의 긴 섬유를 절단하여 만든 금형 재료의 제조방법.
  9. 제4항에 있어서, 혼합 재료가 훼리틱 스테인레스강 분말 60중량%와 전기 구리 분말 4중량%를 함유하는 금형재료의 제조방법.
  10. 제4항에 있어서, 질소 분위기 내에 혼합 재료를 유지하는 시간이 적어도 30분인 금형 재료의 제조방법.
  11. 제4항에 있어서, 소결 단계에서 압축재료를 1×10-2토르 이하의 진공 상태에서 소결하고, 질소를 진공중의 질소 분압을 제공하기 위해 공급하는 것을 특징으로 하는 금형 재료의 제조방법.
  12. 제4항에 있어서, 소결 재료에 질소를 부가하기 전에, 다시 소결재료를 1×10-2토르 이하의 진공상태에서, 700℃로 30분 보존하는 것을 특징으로 하는 금형 재료의 제조방법.
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