KR101054963B1 - 금형 코팅 방법 및 이를 위한 이동식 코팅 장치 - Google Patents

금형 코팅 방법 및 이를 위한 이동식 코팅 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금형 코팅 방법 및 이를 위한 이동식 코팅 장치에 관한 것으로, 플라스마 발생 장치 및 탄소나노튜브 원료 공급기를 포함하는 이동 가능한 코팅 장치를 마련하고 Sn, Ni 또는 Sn-Ni합금으로 형성된 플라스마를 형성하고, 플라스마에 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, 이하 CNT) 분말을 균일하게 혼합하여 금형에 분사하는 방법으로 코팅함으로써, 코팅이 어려운 금형의 인서트, 펀치 또는 벤딩 툴과 같은 부분에 탄소나노튜브 코팅층을 형성할 수 있도록 하고, 이로 인하여 금형의 내마모성, 강도, 인성 및 내구수명을 향상시킬 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.

Description

금형 코팅 방법 및 이를 위한 이동식 코팅 장치{METHOD FOR COATING ON PARTS MOLD AND PORTABLE COATING APRATUS FOR PERFORMING THE SAME}
본 발명은 금형 코팅 방법 및 이를 위한 이동식 코팅 장치 관한 것으로, 금형의 강도, 인성 및 내구수명을 향상시키기 위하여 금형의 표면에 탄소나노튜브 코팅층을 형성하는 기술에 관한 것이다.
금형의 내구수명 연장 및 내마모성을 증가시키는 기술은 열처리를 비롯하여 TD(Toyota Diffusion Process), CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition) 등 다양한 진화를 거듭해왔다.
또한 내마모성 및 마찰특성을 향상하기 위해 CrN 등 다양한 코팅 방법이 사용되고 있다. 그러나, 상기 코팅방법은 자동차 부품 제조를 위한 신기술인 하이드로 포밍(Hydroforming) 또는 핫 스탬핑(Hot Stamping) 금형에서 뚜렷한 효과를 내지 못하고 있는 실정이다.
하이드로 포밍(Hydroforming) 또는 핫 스탬핑(Hot Stamping)은 60kg급 이상 의 고강도 난성형 강판(Ultra High Strength Steel)을 사용하기 때문에 종래의 코팅 방법에 의한 코팅층만으로는 수명연장의 한계를 나타내고 있다.
고강도 강판을 사용하고 있는 금형의 표면을 관찰하면 일반 강판을 사용하던 금형에 비해 표면 상태 악화 및 마모가 심하게 나타남을 관찰할 수 있다. 따라서, 금형 자체 수명 연장을 위해 금형의 인서트를 주기적으로 교체하는 작업이 필요하다.
또한, 금형의 인서트 표면 경도 향상을 위해 인서트의 열처리가 필수 적인데, 열처리를 수행하는 경우 상대적으로 금형의 내부구조가 취약해 지는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 플라스마를 이용한 탄소나노튜브 코팅 방법을 도입하고, 이를 수행하기 위하여 플라스마 발생 장치, 탄소나노튜브 원료 공급 장치 및 코팅용 플라스마 분사 노즐을 구비하는 이동 가능한 코팅 장치를 이용함으로써, 금형의 내마모성, 내열성, 마찰특성 및 내식성을 향상시킬 수 있도록 하는 금형 코팅 방법 및 이를 위한 코팅 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 금형 코팅 방법은 플라스마 발생 장치를 이용하여 900 ~ 990℃의 고온 플라스마를 형성하는 단계와, 상기 고온 플라스마를 코팅원료 혼합기로 이송시키는 동시에 상기 코팅원료 혼합기 내에 탄소나노튜브 분말을 공급하여 상기 고온 플라스마에 상기 탄소나노튜브 분말이 균일하게 혼합되도록 하여 탄소나노튜브가 혼합된 플라스마 원료를 형성하는 단계와, 상기 탄소나노튜브가 혼합된 플라스마 원료를 분사 노즐로 이송시키는 단계 및 상기 분사 노즐 하부에 금형을 위치시키고 상기 탄소나노튜브가 혼합된 플라스마 원료를 분사하되, 상기 분사 노즐 또는 상기 금형을 이동시키면서 상기 금형의 표면에 탄소나노튜브 코팅층이 균일하게 형성되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 고온 플라스마는 Sn, Ni 또는 Sn-Ni합금을 이용하여 형성한 플라스마를 이용하는 것을 특징으로 하고, 상기 탄소나노튜브 분말은 상기 코팅원료 혼합기의 위치에 연동되어 이동되는 탄소나노튜브 분사 장치에 의해 공급되는 것을 특징으로 하고, 상기 탄소나노튜브 코팅층은 금형의 인서트(Insert), 펀치(Punch) 또는 밴딩 툴(Bending Tool) 부분에 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 탄소나노튜브가 혼합된 플라스마 원료를 상기 금형의 표면에 분사하는 압력은 대기압 보다 다소 높은 1000 ~ 1500 Torr로 수행하는 것을 특징으로 하고, 상기 탄소나노튜브 코팅층은 10 ~ 50㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상술한 금형 코팅 방법을 실현하기 위하여 마련되는 본 발명에 따른 이동식 코팅 장치는 플라스마 발생 장치와, 상기 플라스마 발생 장치에서 형성된 고온 플라스마를 이송시키는 플라스마 이송관과, 상기 플라스마 이송관의 에지부에 구비되는 코팅원료 혼합기와, 상기 고온 플라스마가 상기 코팅원료 혼합기에 이송되는 동안 상기 코팅원료 혼합기 내에 탄소나노튜브 분말을 공급하는 탄소나노튜브 분사 장치와 탄소나노튜브 이송관 및 상기 코팅원료 혼합기와 연결되는 분사 노즐을 포함하되, 상기 분사 노즐을 금형 상부에 위치시키고, 상기 분사 노즐 또는 상기 금형을 이동시키면서 상기 금형의 표면에 탄소나노튜브 코팅층이 균일하게 형성될 수 있도록 하는 분사 노즐 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 탄소나노튜브 분사 장치는 상기 분사 노즐의 움직임에 연동될 수 있도록 이동 가능한 형태로 구비되는 것을 특징으로 하고, 상기 코팅원료 혼합기 및 상기 분사 노즐은 일체형으로 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 금형 코팅 방법은 특히 자동차 부품 형성 시 내구성 및 내마모성이 요구되는 드로우잉(Drawing) 금형, 금형의 인서트(Insert), 하이드로 포밍(Hydroforming) 금형의 액슬 펀치(Axial Punch) 작동 구간, 피어싱 펀치(Piercing Punch), 벤딩 툴(Bending Tool) 등에 사용할 수 있다. 본 발명에 따라 탄소나노튜브가 코팅된 금형은 그 수명이 반영구적이고, 마모에 의해 발생되는 금형 유지보수의 시간을 절약할 수 있고, 열적 특성이 우수해 고온에서도 잘 견딜 수 있고, 금형 수명 연장 및 최종 제품의 품질 향상 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 코팅 장치는 이동이 용이하고, 조작이 단순하여, 금형과 같이 코팅이 용이하지 못한 부분에도 균일한 코팅층을 형성할 수 있는 효과를 제공한다.
1985년에 크로토와 스몰리에 의해 탄소의 동소체(allotrope)의 하나인 풀러린(Fullerene, 탄소 원자 60개가 모인 것: C60)이 처음으로 발견된 이후, 이 물질에 대한 연구가 지속되었다.
1991년에는 이지마 박사(일본전기회사(NEC) 부설 연구소)가 전기방전법을 사용하여 흑연 음극 상에 형성시킨 탄소 덩어리를 투과전자현미경(TEM)으로 분석하는 도중, 가늘고 긴 대롱 모양으로 길이가 수십 nm 이고, 외경은 2.5 내지 30 nm로 탄소원자가 3개의 다른 탄소원자와 sp2 결합을 이루고, 육각형 벌집무늬 구조를 나타 내는 탄소나노튜브(Carbon Nanotube; 이하 'CNT'라 한다)를 발견하였다.
탄소나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성 및 고효율의 수소저장매체 특성 등을 지니며, 현존하는 물질 중 결함이 거의 없는 완벽한 신소재로 알려져 있다.
따라서, 본 발명에서는 탄소나노튜브를 금형의 표면에 코팅함으로써, 고경도, 고강도, 고내식성 및 내마모성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 금형 코팅 방법 및 이를 위한 코팅 시스템에 대해서 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 금형 코팅 방법에 의해 제작된 액슬실린더 피딩 제조용 금형을 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 자동차 부품인 액슬실린더 피딩(Axial Cylinder Feeding)(130)을 형성하기 위한 하부 금형(100) 및 상부 금형(110)이 구비된다.
다음으로, 하부 금형(100) 및 상부 금형(110)이 마주 보는 방향에 액슬실린더 피딩(Axial Cylinder Feeding)(130)을 정의하는 인서트가 각각 구비된다.
여기서, 인서트는 액슬실린더 피딩(Axial Cylinder Feeding)(130)을 형성하는 동안 고온 또는 고압의 환경을 견뎌야 하므로, 인서트의 표면에 탄소나노튜브 코팅층(120)을 형성한다. 이때, 탄소나노튜브 코팅층(120)은 고온 플라스마를 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. 고온 플라스마는 금형에 어닐링(annealing)처리가 이루어지도록 하여 고경도 및 내부는 연성을 확보할 수 있도록 하고, 금형 파손 방지 및 내마모성확보를 동시에 이룰 수 있게 한다.
도 2는 본 발명에 따른 금형 코팅 방법 및 이를 위한 장치를 도시한 개략도이다.
도 2를 참조하면, 코팅하고자 하는 금형(200) 상부에 탄소나노튜브가 혼합된 플라스마 원료를 분사하는 노즐(250)을 위치시킨다.
다음에는, 플라스마 발생 장치(270)를 이용하여 고온 플라스마를 발생시키고, 이렇게 발생된 고온 플라스마는 플라스마 이송관(260)을 통하여 분사 노즐(250)로 보내진다. 이때, 플라스마는 Sn, Ni 또는 Sn-Ni합금을 이용하여 형성한 플라스마를 이용하는 것이 바람직하며, 여기서 고온은 900 ~ 990℃의 온도를 유지하는 것이 바람직하다.
그 다음에는, 고온 플라스마가 상기 플라스마 이송관(260)의 에지부에 구비되는 코팅원료 혼합기(265)를 통하여 분사 노즐(250)로 이송되는 동안, 탄소나노튜브 분말 분사장치(290)의 내부 써킷을 작동시켜 탄소나노튜브 분말이 탄소나노튜브 이송관(280)을 통하여 코팅원료 혼합기(265)에 보내지도록 한다.
그 다음에는, 코팅원료 혼합기(265) 내에서 형성된 탄소나노튜브가 혼합된 플라스마 원료를 원료 이송관(255)을 통하여 분사 노즐(250)로 이동되도록 한다.
그 다음에는, 탄소나노튜브가 혼합된 플라스마 원료를 금형의 표면에 분사하여 탄소나노튜브 코팅층(220)을 형성한다. 이때, 플라스마는 탄소나노튜브 코팅층이 금형의 표면에 잘 안착되어 접착성이 증대되도록 하는 기능을 하는 것이다. 즉, 탄소나노튜브 코팅층(220)에는 탄소나노튜브와 함께 Sn, Ni 또는 Sn-Ni합금이 포함되어, 금형 표면과 탄소나노튜브의 접착성을 증대시킨다.
아울러, 탄소나노튜브 분사 장치(290)에는 이동이 용이하도록 롤러와 같은 구동 수단(295)을 더 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 플라스마 분사 노즐에 탄소나노튜브 분사 장치(290)가 연동되도록 함으로써, 금형제품 제작도중 금형의 표면에 문제구간이 발생하면, 이동식 탄소나노튜브 분사 장치(290)를 이용해 현장에서 직접 코팅을 실시할 수 있도록 시스템을 구축하는 것이 바람직하다.
이를 위해서는 플라스마 분사 노즐의 움직임을 제어하는 제어 장치를 더 구비시켜야 한다. 다음으로, 플라스마 분사 노즐 제어 장치는 코팅이 균일하게 수행되도록 하고, 탄소나노튜브 코팅층(220)의 두께도 조절하는 기능도 수행하도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 10 ~ 50㎛의 두께가 가장 이상적이며, 금형의 치수 정밀도 유지 및 극심한 마찰 발생 예상되는 구역에는 더 두꺼운 코팅층을 형성할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 사용되는 탄소나노튜브를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 원료를 도시한 개략도들이다.
도 3a 및 도 3b는 단일 벽 형태를 갖는 탄소나노튜브 구조를 나타낸 것이고, 도 3c는 다중 벽 형태를 갖는 탄소나노튜브 구조이고, 도 3d는 나노 튜브 로프(Nano Tube Rope) 형태를 나타낸 것이다. 이중에서 나노 튜브 로프(Nano Tube Rope) 형태는 좌우 탄소나노튜브간의 협착성이 우수하며, 상하방향에 대한 내저항 특성도 우수하므로 본 발명에 매우 적합하다.
도 4는 본 발명에 따른 금형 코팅 방법에 의해 형성된 탄소나노튜브 코팅층을 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상술한 금형 코팅 방법에 의해 금형(200)의 표면에 탄소나노튜브 코팅층(220)이 안정적으로 형성된 것을 알 수 있다. 이때, 탄소나노튜브 코팅층(220)의 두께(D1)는 10 ~ 50㎛가 되도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 금형 코팅 장치 및 방법에 의하여 형성된 탄소나노튜브 코팅층을 포함하는 금형을 실시예1이라 하고, 종래 기술에 따른 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법에 의한 CrN 코팅층을 포함하는 금형을 비교예1이라고 하고, PVD(Physical Vapor Deposition) 방법에 의한 CrN 코팅층을 포함하는 금형을 비교예2라고 하고, 단순 플라스마 증착에 의한 CrN 코팅층을 포함하는 금형을 비교예3이라 할 때, 각각의 경도, 내마모성 및 비용을 측정하면 하기 [표 1]의 결과를 얻을 수 있다.
여기서, 코팅층의 두께는 50㎛ 로 하고 경도 측정은 마이크로 비커스 경도 시험기(시험하중 200kgf, 하중 유지시간 30초)를 이용하였고, 내마모성은 테이버(Taber)식(마모륜 지름 5Cm, 시험하중 20kg, 회전속도 70회/분) 마모시험기를 이용하여 나타난 결과를 육안으로 판별하여 양호한 정도에 따라 ☆가 증가되도록 하 였다. 비용은 코팅 업체별 견적에 의거 상대적인 수치로 나타낸 것이며 ☆가 증가되면 비용이 증가되도록 표시하였다.
[표 1]
경도(Hv) 내마모성 비 용
실시예1 5,000 이상 ☆☆☆☆☆ ☆☆☆
비교예1 3,000 ~ 4,000 ☆☆☆☆ ☆☆☆
비교예2 2,000 ~ 3,000 ☆☆☆ ☆☆☆☆
비교예3 600 ~ 1,000 ☆ ☆☆☆☆☆
상기 [표 1]의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 금형 코팅 방법(실시예1)은 비교예들에 비하여 특히 경도(Hv) 및 내마모성이 우수하여 그 수명이 반영구적이고, 마모에 의해 발생되는 금형 유지보수의 시간 및 비용을 절약할 수 있게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명에 따른 금형 코팅 방법에 의해 제작된 액슬실린더 피딩 제조용 금형을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 금형 코팅 방법 및 이를 위한시스템을 도시한 개략도.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 원료를 도시한 개략도들.
도 4는 본 발명에 따른 금형 코팅 방법에 의해 형성된 탄소나노튜브 코팅층을 도시한 단면도.

Claims (9)

  1. 플라스마 발생 장치를 이용하여 Sn, Ni 또는 Sn-Ni합금을 원료로 900 ~ 990℃의 고온 플라스마를 형성하는 단계;
    상기 고온 플라스마를 코팅원료 혼합기로 이송시키는 동시에 상기 코팅원료 혼합기 내에 탄소나노튜브 분말을 공급하여 상기 고온 플라스마에 상기 탄소나노튜브 분말이 균일하게 혼합되도록 하여 탄소나노튜브가 혼합된 플라스마 원료를 형성하는 단계;
    상기 탄소나노튜브가 혼합된 플라스마 원료를 분사 노즐로 이송시키는 단계; 및
    상기 분사 노즐 하부에 금형을 위치시키고 상기 탄소나노튜브가 혼합된 플라스마 원료를 분사하되, 상기 분사 노즐 또는 상기 금형을 이동시키면서 상기 금형의 표면에 탄소나노튜브 코팅층이 균일하게 형성되도록 함과 동시에, 상기 금형에 어닐링 처리가 이루어지도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금형 코팅 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 분말은 상기 코팅원료 혼합기의 위치에 연동되어 이동되는 탄소나노튜브 분사 장치에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 금형 코팅 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 코팅층은 금형의 인서트(Insert), 펀치(Punch) 또는 밴딩 툴(Bending Tool) 부분에 형성하는 것을 특징으로 하는 금형 코팅 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브가 혼합된 플라스마 원료를 상기 금형의 표면에 분사하는 압력은 대기압 보다 다소 높은 1000 ~ 1500 Torr로 수행하는 것을 특징으로 하는 금형 코팅 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 코팅층은 10 ~ 50㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 금형 코팅 방법.
  7. Sn, Ni 또는 Sn-Ni합금을 원료로 900 ~ 990℃의 고온 플라스마를 형성하는 플라스마 발생 장치;
    상기 플라스마 발생 장치에서 형성된 고온 플라스마를 이송시키는 플라스마 이송관;
    상기 플라스마 이송관의 에지부에 구비되는 코팅원료 혼합기;
    상기 고온 플라스마가 상기 코팅원료 혼합기에 이송되는 동안 상기 코팅원료 혼합기 내에 탄소나노튜브 분말을 공급하는 탄소나노튜브 분사 장치와 탄소나노튜브 이송관; 및
    상기 코팅원료 혼합기와 연결되는 분사 노즐을 포함하되, 상기 분사 노즐을 금형 상부에 위치시키고, 상기 분사 노즐 또는 상기 금형을 이동시키면서 상기 금형의 표면에 탄소나노튜브 코팅층이 균일하게 형성될 수 있도록 함과 동시에, 상기 금형에 어닐링 처리가 이루어지도록 하는 분사 노즐 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 가능한 코팅 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 분사 장치는 상기 분사 노즐의 움직임에 연동될 수 있도록 이동 가능한 형태로 구비되는 것을 특징으로 하는 이동 가능한 코팅 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 코팅원료 혼합기 및 상기 분사 노즐은 일체형으로 구비되는 것을 특징으로 하는 이동 가능한 코팅 장치.
KR1020080093250A 2008-09-23 2008-09-23 금형 코팅 방법 및 이를 위한 이동식 코팅 장치 KR101054963B1 (ko)

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