KR101086319B1 - 용사를 이용한 금속재 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 몰드 마스터를 그라파이트를 사용하여 제작하고 이 몰드 마스터에 일정한 용사 조건을 설정한 후 직접 금속을 용사함으로써 세라믹 몰드를 제작하는 공정을 생략할 수 있도록 하여 제작 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있도록 발명된 용사를 이용한 금속재 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 용사를 이용한 금속재 제조방법은, 그라파이트(graphite)를 사용하여 제조하고자 하는 금속재와 반대되는 형상으로 몰드 마스터를 제작하는 단계; 상기 몰드 마스터를 300∼600℃로 예열하는 단계; 예열된 몰드 마스터에 금속을 용사하여 금속층을 형성하는 단계; 및, 상기 금속층을 몰드 마스터로부터 분리한 후 용사면에 충진재를 채워 넣은 단계로 이루어진다.

용사, 그라파이트, 몰드 마스터, 예열온도

Description

용사를 이용한 금속재 제조방법{Method for manufacturing metal tool using thermal spray}

도1은 종래의 용사를 이용한 금속재 제조방법의 순서도.

도2는 본 발명에 따른 용사를 이용한 금속재 제조방법의 순서도.

도3은 그라파이트 모재에 용사가 가능한 조도 및 온도조건을 도시한 그래프.

도4는 적정 온도에서 그라파이트 모재에 적층된 용사층의 사진.

도5는 비적정 온도에서 그라파이트 모재에 적층된 용사층의 사진.

도6은 용사 시간에 따른 온도변화를 도시한 그래프.

본 발명은 용사를 이용한 금속재 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 그라파이트를 이용하여 몰드 마스터를 제작하고 이 몰드 마스터에 금속을 직접 용사하여 금속금형 또는 금속부품을 제조함으로써 제작 시간을 단축시킬 수 있도록 발명된 용사를 이용한 금속재 제조방법에 관한 것이다. 여기서 상기 금속재는 금속금형이나 금속부품을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

통상적으로 플라스틱 사출용 금형, 프레스 금형, 다이 캐스팅 금형 등은 공 구강 등의 금속소재를 기계가공을 이용하여 제작하는 것이 일반적인 방법이다. 그런데, 금속소재를 기계가공에 의하여 금형을 제작하는 경우 시간이 많이 소요되는 것이 문제점이다. 또한 제작한 금형을 사용하여 시제품을 생산하였는데 치수가 맞지 않는 경우에는 금형을 처음부터 다시 기계가공하여 제작하여야 하므로 시간을 이중으로 소모하게 된다.

최근에는 산업경쟁이 심해지면서 제품의 조기 출시를 중요하게 생각하는 금형 사용자의 입장에서는 가능한 한 빨리 금형을 공급받는 것이 점점 더 중요해지고 있다. 이러한 요구를 충족시키기 위하여 금형을 보다 빠르게 제작하는 기술(Rapid Tooling)이 여러 가지 종류가 개발되어 왔다. 본 발명이 속하는 기술의 분야도 고속금형 제조방법의 하나인 금속 용사 툴링(spray metal tooling 또는 spray formed rapid tool)의 분야에 속한다.

이 기술은 제작하고자 하는 금형의 반대 형상을 갖는 소재에 용사층을 형성하고 그 용사면을 에폭시 수지 등으로 채워줌으로써 용사층을 금형으로 사용하는 기술이다. 종래에는 용사층의 모재로 사용하던 소재로서 가공이 용이한 나무, 플라스틱, 합성 실리콘 등이 사용되고 용사코팅을 위한 금속 소재로는 주로 아연과 같은 저융점을 갖는 금속이 많이 사용되었다. 저융점 금속을 사용하는 것은 강과 같은 고융점의 금속은 나무나 플라스틱과 같은 소재에 쉽게 부착이 되지 않기 때문이다. 이러한 용사용 소재의 제약 때문에 금속 용사 금형(spray metal tool)은 제품의 대량생산에는 사용이 되지 못하고 소량의 시제품을 생산하는 용도로만 주로 사용되었다.

그러나, 플라스틱 모델을 이용하여 반대 형상을 갖는 세라믹 몰드(Ceramic mold)를 제작하고 그 위에 용사를 이용하여 강(Steel)의 용사층을 형성할 수 있도록 하는 기술이 개발됨으로써 양산도 가능한 금속 용사 금형의 제작이 가능하게 되었다. 이러한 과정은 내열성이 있는 세라믹 몰드를 제조하여 그 위에 코팅층을 형성할 수 있게 됨으로써 가능하게 된 것이다. 이러한 기술을 바탕으로 제품 사용시 열전달이 가능한 채널을 형성하는 기술이나 용사층의 응력을 감소시키는 방법 등도 개발되었다.

상기한 기술의 공통점은 용사층을 형성할 때 사용하는 모재로서 최종 원하는 형상의 반대 형상을 갖는 세라믹 몰드를 사용하는 것이다. 이러한 세라믹 몰드는 알루미늄 산화물과 실리콘 산화물을 주성분으로 하는 세라믹 슬러리를 이용하여 캐스팅하는 방법으로 제조가 되는데, 이 방법을 이용한 제조공정이 도1에 제시되어 있다.

도1에서 보는 바와 같이, 종래의 금속 용사 금형의 제작단계는 제작하고자 하는 금형의 반대 형상을 가진 몰드 마스터를 제작하는 단계(S10), 세라믹 슬러리를 혼합·동결한 후 이를 분리하여 열처리함으로써 세라믹 몰드를 제작하는 단계(S20∼S60), 예열온도와 같은 용사 조건을 설정한 후 예열된 세라믹 몰드를 용사 테이블에 장착하고 이에 금속을 용사하여 금속층을 형성하는 단계(S70∼SS90), 세라믹 몰드로부터 금속층을 분리하고 용사면을 에폭시 수지로 충진하는 단계(S100∼S110), 및 조립 등을 위해 금속층을 가공하는 단계(S120)로서 모두 12단계에 걸쳐서 이루어진다.

그 중에서 2단계에서 5단계까지는 세라믹 몰드를 제조하는 과정으로 이루어져 있다. 그런데, 세라믹 몰드를 제조하는 과정에 있어서 동결과정(S40)과 세라믹 몰드 열처리(S60)에서는 냉각속도와 가열속도를 느리게 하여야만 제조 과정 중에 세라믹이 파괴되거나 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 그러므로, 이 과정에 있어 장시간이 소요되는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 몰드 마스터를 그라파이트를 사용하여 제작하고 이 몰드 마스터에 일정한 용사 조건을 설정한 후 직접 금속을 용사함으로써, 금형 등을 제작함에 있어 세라믹 몰드를 제작하는 공정을 생략할 수 있도록 하여 제작 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있도록 한 용사를 이용한 금속재 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 용사를 이용한 금속재 제조방법은, 그라파이트(graphite)를 사용하여 제조하고자 하는 금속재와 반대되는 형상으로 몰드 마스터를 제작하는 단계; 상기 몰드 마스터를 300∼600℃로 예열하는 단계; 예열된 몰드 마스터에 금속을 용사하여 금속층을 형성하는 단계; 및, 상기 금속층을 몰드 마스터로부터 분리한 후 용사면에 충진재를 채워 넣은 단계로 이루어진다.

한편, 상기 충진재로 에폭시 수지를 사용하는 것이 바람직하다.

이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 제조방법을 보다 상세히 설 명한다. 본 발명에서는 몰드 마스터에 직접 용사층을 형성할 수 있는 방법을 제공함으로써 종래에 12 단계로 이루어진 제작 공정을 도2에 나타난 바와 같이 7 단계로 대폭 단축함으로써 금형을 제작하는데 소요되는 시간을 대폭 단축할 수 있도록 하였다.

이를 위해 본 발명에서는 몰드 마스터의 소재로 그라파이트(graphite,흑연)를 사용하고 최종 목표로 하는 금형 형상의 반대되는 형상으로 가공하여 몰드 마스터로 사용한다(S10). 종래에는 몰드 마스터 소재로 목재, 플라스틱 등의 재료가 사용되었지만, 이러한 소재를 사용하는 경우 융점이 낮은 아연, 알루미늄과 같은 금속은 비교적 용이하게 용사층을 형성할 수 있지만 강과 같이 상대적으로 고융점의 금속은 부착이 잘 되지 않을 뿐만 아니라 고온의 금속입자가 부착되면서 방출되는 열에 의하여 소재가 연소되거나 변형이 되는 문제점이 이었다. 또한, 용사과정에서 용융된 입자들이 소재에 부착되는 과정에서 부착성을 좋게 하기 위해 소재를 예열하는 방법이 사용되나, 목재나 플라스틱의 경우에는 원하는 온도로의 예열이 불가능하다.

반면, 그라파이트의 경우에는 가공성이 우수하여 원하는 형상으로의 가공이 용이할 뿐만 아니라, 고온에서 공기 중의 산소에 의하여 산화되는 문제가 있지만 최고 600℃ 정도의 온도까지는 예열하여 사용할 수 있다. 따라서, 그라파이트로 몰드 마스터를 제작하면 종래와 같이 다시 세라믹 몰드를 제작할 필요 없이 몰드 마스터 상에 직접 용사층을 형성시킬 수 있다.

다음으로, 몰드 마스터 상에 금속을 용사하는데 필요한 조건을 설정한다 (S20). 용사 조건으로는 그라파이트의 표면조도와 용사 전 예열온도 등이 있는데, 이들이 용사 품질에 미치는 영향을 알아보기 위해 다음과 같이 실험하였다. 표면조도의 영향을 확인하기 위하여 기공이 많아서 표면이 거친 것과 표면을 블라스팅 처리하거나 입도를 달리하는 여러 종류의 샌드페이퍼을 이용하여 다양한 표면조도를 갖도록 여러 종류의 그라파이트 시편을 준비하였다. 이들 그라파이트 시편 각각에 예열온도를 변화시키면서 금속을 용사시킨 후에 용사층이 유효하게 적층되는지 여부를 관찰하였고 그 결과를 도3에 나타내었다.

도3을 보면 용사층의 부착 여부에 표면조도가 미치는 영향은 미미하고 그라파이트의 예열온도가 결정적인 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 낮은 표면조도에서는 300℃ 이상이 되면 적층이 가능하며 표면조도가 큰 경우에는 270℃ 이상이 되면 용사층의 적층이 가능하지만, 표면조도가 큰 경우에는 그라파이트와 접촉하는 용사층의 표면이 거칠어지기 때문에 가능한 미려한 면을 얻기 위해서는 표면조도가 낮은 그라파이트를 사용하여야 한다. 따라서, 그라파이트로 만든 몰드 마스터의 예열온도는 300℃ 이상인 것이 바람직하다. 반면, 예열온도가 600℃를 초과하게 되면 공기 중에서 그라파이트의 산화가 심하게 일어나는 문제가 있으므로, 그라파이트로 된 몰드 마스터의 예열온도는 300∼600℃인 것이 바람직하다.

이와 같이, 그라파이트로 만든 몰드 마스터를 예열하는 이유는 용사층의 부착성을 향상시키기 위한 것이다. 용사과정에서 용융된 금속은 모재에 충돌하는 순간에 응고가 되면서 급속한 냉각이 일어나는데 이 과정에서 금속 용사층의 내부에는 급냉으로 인한 열응력이 발생하게 된다. 이 때 아연, 알루미늄과 같은 저융점 금속은 그 용융점과 몰드 마스터 표면과의 온도차가 적어서 열응력이 상대적으로 작기 때문에 비교적 두꺼운 두께로 적층이 가능하지만 강과 같은 고융점 금속의 경우에는 열응력이 너무 높아 용이하게 부착되지 않는다. 따라서, 용융점이 높은 금속의 경우에는 그라파이트를 미리 예열해야만 용이하게 용사층을 형성할 수 있는 것이다.

도4는 예열온도가 335℃인 경우에 그라파이트의 표면에 5mm 두께의 용사층이 형성된 시편의 형상을 촬영한 것이고, 도5는 예열온도가 275℃인 경우에 용사층이 형성된 시편의 형상을 촬영한 것이다. 이들 사진을 비교해 보면, 도5의 경우 예열온도가 너무 낮아 용사 과정에서 용사층의 열응력이 해소되지 못하여 표면의 얇은 용사층이 모재로부터 들뜸이 일어난 것을 확인할 수 있다.

도6은 용사층이 용이하게 적층되기 위해서 상기한 그라파이트의 예열온도가 용사 과정에서도 계속해서 유지되어야 하는지 여부를 실험한 결과이다. 용사를 시작한 시점을 삼각형으로 표시하고 그 때의 온도를 수치로 나타내었다. 박리가 일어나지 않은 경우에는 그래프에 나타난 시간 이상으로 용사가 진행되었지만 박리가 일어난 경우와 비교를 위하여 480초까지의 결과만을 표시하였다. 이에 따르면, 세 번의 실험결과에서 최종 온도는 250℃로 수렴하지만 예열온도가 345℃ 와 335℃ 인 경우에는 금속 용사층의 박리가 일어나지 않아서 최종 5 mm의 두께의 용사층을 형성하였지만 예열온도가 275℃ 인 경우에는 초기에 박리가 일어났다. 따라서, 예열온도의 조건만 만족하면 용사과정 중에 온도가 300℃ 이하로 떨어지더라도 용사층의 형성이 가능하다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 본 발명에서는 용사를 시작하는 그라파이트 몰드 마스터의 예열온도만을 한정하며 용사 중의 온도에 관해서는 특별히 범위를 한정하지 않는다.

상기한 용사 실험은 모두 0.8 중량％ 탄소강을 사용한 경우이지만, 본 발명에서 적용이 가능한 소재는 0.8％ 탄소강으로만 한정하는 것은 아니며 저탄소강, 고탄소강을 비롯하여 C 이외에 Cr, Ni, Co, Mn, V, Nb, W, Ti, Cu, B, Al, Si 과 같은 합금 원소를 1 종 혹은 2종 이상 함유하고 있는 구조용강 혹은 공구강을 소재로 사용할 수도 있다. 또한 내식성이 필요한 경우에 스테인레스강을 사용할 수도 있으며, 내마모성 등의 향상을 목적으로 금속탄화물, 금속의 보론 화합물 등의 성분을 포함할 수도 있다. 금속선재의 제조시 이러한 성분을 분말 형태로 첨가하는 코어드 와이어(cored wire) 형태로 제조함으로써 가능하다. 또한, 본 발명은 반드시 금형을 제조하는 것만을 목적으로 하는 것은 아니며, 금형 이외에 원하는 형상의 반대 모양을 갖는 그라파이트에 금속용사층을 적층하여 특정 형상을 갖는 금속부품을 제조하는 목적으로도 적용이 가능하다. 따라서, 본 발명의 명칭 중 금속재는 상기한 금속 금형 및 금속 부품을 모두 포함하는 의미로 사용되었다.

마지막으로, 상기한 조건으로 예열된 몰드 마스터를 사용하여 종래와 동일하게 용사 테이블에 장착하고 이에 금속을 용사하여 금속층을 형성하는 단계(S30,S40), 몰드 마스터로부터 금속층을 분리하고 용사면을 충진재를 채우는 단계(S50,S60), 및 조립 등을 위해 금속층을 가공하는 단계(S70)를 거쳐 최종적으로 금속 금형을 제작하게 된다. 상기 충진재로서 여러 가지 합성수지가 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 에폭시 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 에폭시 수 지는 굽힘강도, 경도 등 기계적 성질이 우수하고, 경화 시에 재료면에 큰 접착력을 가지므로 금속 금형의 충진재로서 적합하기 때문이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 용사를 이용한 금속재 제조방법에 의하면, 그라파이트를 사용하여 몰드 마스터를 제작하고 소정의 온도로 예열한 후에 금속 용사층을 형성함으로써 목적하는 형상의 금속 금형 혹은 금속 부품을 제조하는 시간을 크게 단축하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (2)

1. 그라파이트(graphite)를 사용하여 제조하고자 하는 금속재와 반대되는 형상으로 몰드 마스터를 제작하는 단계;

   상기 몰드 마스터를 300∼600℃로 예열하는 단계;

   예열된 몰드 마스터에 금속을 용사하여 금속층을 형성하는 단계; 및,

   상기 금속층을 몰드 마스터로부터 분리한 후 용사면에 충진재를 채우는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 용사를 이용한 금속재 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 충진재는 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 용사를 이용한 금속재 제조방법.

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