KR101297588B1 - 압출공구에서 발생하는 누적공차를 줄이고 분리조립을 쉽게 하기 위한 cvd를 이용한 표면처리방법및 이를 이용한 압출공구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압출공구의 편차를 줄이고 분리조립을 쉽게 하기 위한 CVD를 이용한 표면처리방법으로서, 상기 압출공구는 상부금형과 하부금형으로 이루어 지며
하부금형과 상부금형사이에는 압출물의 형상을 이루는 코어가 형성되는데,
상기 코어의 주위로 압출물을 모이게 하는 링이 형성되는데 상기 링은 코어쪽으로 돌출된 링압출부를 가진다.

Description

압출공구에서 발생하는 누적공차를 줄이고 분리조립을 쉽게 하기 위한 CVD를 이용한 표면처리방법및 이를 이용한 압출공구 {SURFACE PROCESSING METHOD}

압출공구에서 발생하는 누적공차를 줄이고 분리조립을 쉽게 하기 위한 표면처리방법및 이를 이용한 압출공구 에 관한 것이다.

본 발명은 압출공구에서 발생하는 누적공차를 줄이고 분리조립을 쉽게 하기 위한 표면처리방법및 이를 이용한 압출공구 에 관한 것이다. 압출이란 금속에 대한 소성 가공법의 일종으로 금속덩어리를 컨테이너에 넣고 압력을 가하여 다이스에서 압출성형하는 것을 말한다. 현재 많은 제품들이 압출성형으로 제작되고 있다. 종래의 압출금형코어는 일체구조로서 구성됨에 따라 압출 성형할 해당물품의 제품형상에 맞게 요홈 형성된 성형홀 중에 일부구성이 파손될 경우 코어 금형 전체를 교체하여야 하는 문제점이 있어 압출금형코어를 상하의 두 부분으로 나누어 모듈화 한 뒤 볼트로 체결하여 조립하는 형태가 도입되었으나 편심이 발생하는 문제점이 있었고 이를 해결하기 위해 테이퍼핀에 의한 결합으로 편심이 발생하지 않도록 하는 방법 또한 도입되었다

그러나 도1에 도시된 것과 같이 상부금형과 하부금형을 맞추어 억지끼워맞춤하고 압출시킬 때 압력 및 열팽창에 의해 만드렐과 다이가 팽창되어 조금씩 편심이 발생하게된다(유체의 압출방향은 위에서 아래쪽). 그런데 이러한 편심은 미세한 정밀도를 유지해야 하는 금형제품에 치명적인 오차를 가져올 수가 있다.또한, 종래의 금형 코어의 코어심은 그 외곽선이 단순한 직선의 조합만으로 이루어져 있는데 이러한 코어심은 반용융상태인 압출재료의 유속이 일정하지 못하여 일방향의 하중을 받기도 하고 아예 데드존이 형성되어 이물질이 침착되는 경우가 생기기도 하며 최종생산제품의 품질 저하, 불량 발생의 원인과 결과를 가져오기도 하였다.

또한, 도1의 압출에 사용하는 금형은 압출물의 유동및 압출시의 고온, 고압의 조건을 견뎌야 하면서도 상부금형과 하부금형에 해당하는 금형의 분리결합이 용이하여야 하는데 일반적인 금속으로는 이러한 효과를 얻기가 어려웠다.

대한민국 등록특허 제10-622632 '압출금형다이'는 고온가공시에 금형이 분리되는 걸 막기 위해 억지끼움맞춤방법을 사용하고 있으나 다이를 이루는 금속에 대한 방법은 아니었다.

종래에는 금속의 내마모성을 유지하고 압출물에 의한 손상을 줄이기 위하여 여러 가지 코팅방법을 사용하였는데 이러한 코팅도 계속되는 압출물과의 마찰에 의하여 손상이 되는 경우가 많았다.

상기한 바와 같은 문제점을 극복하기 위하여 본 발명은 우수한 밀착력을 가지면서도 편심이 적고 압출물에 의한 손상이 적은 압출공구및 코팅방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여

압출공구의 편차를 줄이고 분리조립을 쉽게 하기 위한 CVD를 이용한 표면처리방법을 이용한 압출공구와 처리방법을 제공하는데 상기 압출공구는 상부금형과 하부금형으로 이루어 지며 하부금형과 상부금형사이에는 압출물의 형상을 이루는 코어가 형성되는데, 상기 코어의 주위로 압출물을 모이게 하는 링이 형성되는데 상기 링은 코어쪽으로 돌출된 링압출부를 가지며

상기 코어, 상부금형, 하부금형은 기상증착공정에 의해 미리 결정된 위치에 탄화물, 질화물, 산화물 및 이들의 혼합물및 탄화 티타늄, 질화 티타늄, 붕화 티타늄,바나듐 탄화물, 탄화 크로뮴, 산화 알루미늄, 질화 실리콘, 티타늄,산화알루미늄, 티타늄알루미늄 질화물, 알루미늄크롬 질화물로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질과, 이들물질의 질화물, 탄화물로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 코팅된것일 수 있다.

상기 코어의 끝단은 R0.7내지 R1.2의 구배를 갖는 것일 수 있다.

상기 코어의 끝단은 표면의 끝단에 대하여 0.7도내지 1.2도의 경사를 갖는 것일 수 있다.

상기 금속을 코팅하는 단계 전후에 금속의 경도를 높이기 위한 고속가공처리 단계가 더 포함된 것일 수 있다.

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본 발명은 우수한 밀착력을 가지면서도 누적공차가 적고 압출물에 의한 손상이 적은 압출공구및 코팅방법을 제공하는 효과를 갖는다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다. 도2는 본 발명에 따르는 압출공구의 코어구조를 도시하는 도면이다. 도2에 도시된 코어는 하부금형 안쪽에 위치하는데 상기 코어는 압출물이 최종제품의 형상을 갖도록 하는데 하부금형쪽으로 들어온 압출물이 도2의 링(11)에 한번모이도록 한다. 링에서 압출물이 모이도록 하는 것은 최초 압출물이 주입될때부터 코어까지의 거리가 길기 때문에 코어에 도착하는 압출물의 양에 차이가 생길 수 있으며 이러한 차이는 최종제품을 이루게 하는 압출물의 밀도가 제품의 각각의 부분에서 달라지게 될 수가 있어서 최종제품이 고온, 고압의 환경에서는 쉽게 깨지거나 금이가는 단점이 있었기 때문이다. 따라서, 링에 압출물이 한번 모이도록 하여 코어(13)쪽으로 흘러들어가도록 하여 압출물의 양, 밀도의 차이를 줄이게 하는12데 종래의 링은 단순한 원형에 불과하였다. 그런데 이러한 모양은 링에서 압출물이 한번 모이고 흘러들어가게 할 수는 있지만 압출물이 지나는 통로의 폭이 조금 줄어들었을 뿐이지 압출물이 지나는 경로의 단면에 있어서 코어쪽에서의 압출물의 속도와 코어에서 먼쪽의 속도의 차이를 극복하지는 못하였다. 그런데 이러한 속도의 차이가 클수록 압출물에서의 품질차이가 커질 수 있다.

본 발명에서는 링의 모양이 도2에서와 같이 코어(13)쪽으로 돌출되는 링돌출부(12)를 형성함으로써 코어에서 가까운 쪽을 흐르는 압출물의 속도의 차이를 비슷한 정도로 유지할 수 있도록 하였다. 즉, 코어 돌출부가 없는 경우에는 코어의 돌출부가 있던 부분에서의 압출물의 흐름과 코어에서 먼쪽의 압출물의 흐름의 속도의 차이가 생길 수밖에 없으며 이것은 원치않는 와류를 생기게도 하며 최종제품의 밀도의 차이를 가져오게도 하지만 코어 돌출부가 생기게 되면 코어쪽을 흐르는 압출물이 흐르게 되는 통로의 폭의 어느 부분에서나 거의 일정하게 되어 코어쪽을 흐르는 압출물의 속도를 일정하게 하는 효과를 가지며 이것은 압출물에 의한 손상을 줄이는 효과를 갖는다.

본 발명은 압출물에 의한 손상을 줄이기 위하여 CVD를 이용하여 압출공구의 표면을 처리한다. 본 발명은 공구의 가공에 있어서 열처리->연마->아크 가공으로 이루어진던 것을 아크가공을 고속가공기를 이용한 가공으로 대체하여 아크가공에 의해 발생하던 표면성질의 변화를 줄이도록 하였다.

그런데 고속가공기를 이용하여 동시가공을 함에 따라 표면 성질의 변화가 적게 일정한 가공을 할 수는 있지만 알루미늄을 사용하는 경우에(특히 섭씨 알루미늄의 압출온도인 섭씨 450도에서) 고속가공을 하는 경우 누적공차가 발생하게 되었다.

그런데 고속가공기를 이용하여 동시가공을 함에 따라 표면 성질의 변화가 적게 일정한 가공을 할 수는 있지만 알루미늄을 사용하는 경우에(특히 알루미늄의 압출온도인 섭씨 450도에서) 고속가공을 하는 경우 누적공차가 발생하게 되었다.

본 발명에서 기상증착방식을 이용하여 완성된코팅은 탄화 티타늄, 질화 티타늄, 붕소 티타늄, 탄화 바나듐, 탄화 크로뮴, 산화 알루미늄, 질화 실리콘, 티타늄알루미늄 질화물, 알루미늄크롬 질화물및 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 코팅 물질로 만들어지며

본 발명에서 CVD방식을 이용하여 완성된코팅은 탄화 티타늄, 질화 티타늄, 붕소 티타늄, 탄화 바나듐, 탄화 크로뮴, 산화 알루미늄, 질화 실리콘, 티타늄알루미늄 질화물, 알루미늄크롬 질화물및 이들의 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택된 코팅 물질로 만들어지며

본 발명에 의해 CVD 처리를 실시할 경우, 처리 대상이 되는 금속을 1차적으로 가공한 후에 기체형태의 주입가스(TiCl₄등)을 금속의 표면으로 이동시키는데 이때 질소와 수소 가스를 함께 주입시키며 가공될 금속을 섭씨 850도내지 1000도 정도로 가열시킨다.섭씨 1000도 이상이 될 수도 있다. 이 과정에서 TiN(s)이 금속의 표면에 생성되면서 성장하는 단계를 거치게 된다. 이후 높은 경도를 달성하기 위해 퀀칭(quenching) 및 템퍼링이 이루어질 수 있다.

본 발명에 의해 CVD 처리를 실시할 경우, 처리 대상이 되는 금속을 1차적으로 가공한 후에 기체형태의 주입가스(TiCl₄등)을 금속의 표면으로 이동시키는데 이때 질소와 수소 가스를 함께 주입시키며 가공될 금속을 섭씨 850도내지 1000도 정도로 가열시킨다.섭씨 1000도 이상이 될 수도 있다. 이 과정에서 TiN(s)이 금속의 표면에 생성되면서 성장하는 단계를 거치게 된다. 이후 높은 경도를 달성하기 위해퀀칭(quenching) 및 템퍼링이 이루어질 수 있다.

1)처리대상이 되는 금속을 제공하는단계와

2)경화시키는 과정을 포함하여 금속을 1차적으로 가공하는 단계와

3)전술한 코팅물질로 CVD공정에 의해 미리 결정된 위치에서 상기 금속을 코팅하는 단계

4)추가적인 경도 강화단계

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(g)=기체 및 (s)=고체:

H₂

TiCl₄(g) + 1/2 N₂(g) + 2 H₂(g) -> TiN(s) + 4HCl(g)

850-1000℃

상기 반응에서 금속은 섭씨 850도이상 바람직하게는 섭씨 1000도 이상으로 가열되고 상기 반응도 이러한 조건에서 일어나며 그 이후에 기본 물질의 경화, 즉 높은 경도를 달성하기 위해 공구 스틸의 퀀칭(quenching) 및 템퍼링이 이루어진다.

상기 반응에서 금속은 섭씨 850도이상 바람직하게는 섭씨 1000도 이상으로 가열되고 상기 반응도 이러한 조건에서 일어나며 그 이후에 기본 물질의 경화, 즉 높은 경도를 달성하기 위해 공구 스틸의 퀘엔칭(quenching) 및 템퍼링이 이루어진다.

본 발명에 따른 공정은 위에서 설명한 TiCl₄ 이외에도 탄화 티타늄, 질화 티타늄, 붕화 티타늄, 탄화 바나듐, 탄화 크로뮴, 산화 알루미늄 및 질화 실리콘이 사용될 수 있다. 어떠한 물질이 사용되느냐에 따라 Hv 2000과 Hv=약 4000 사이의 마이크로 경도(microhardness) 레벨을 달성하는 것이 가능하다. 특히 CVD-공정에 의해 도포된, 탄화 티타늄 또는 산화 알루미늄은 뛰어난 인성(toughness)을 갖는 한편, 예를 들어 탄화 크로뮴은 내마모성이 특히 우수하고 , 균열 또는 기공의 영향을 덜 받는다. 특히 또한 탄화 티타늄은 유리한 마찰 특성에 의해 추가적으로 구별된다.

복잡한 형태의 금속에서도 정밀하고 균일하고 일정한 코팅 CVD-절차에 고유한 산란 성능으로 인해, 특히 높은 정밀도를 갖는 균일한 일정한 코팅을 도포하는 것이 가능하다

바람직하게, 본 발명에 따른 압출 다이의 제작에 사용된 개시 물질은 양호한 고온 특성을 갖는 튼튼한 스틸이고, 예를 들어 Cr, Mo 또는 텅스텐과 합금되고, 예를 들어 높은 단단함 수준에 대해ESR(Electro-Slag REmelting)에 의해 용융될 수 있으며 초경합금등도 사용이 가능하다.

심지어 다층 구조에서 전술한 코팅 물질, 이러한 코팅 물질의 임의의 조합, 또는 대안적인 적합한 물질은 5 내지 6시간 동안 약 700 내지 약 1050℃의 온도에서 CVD-공정에 의해 증착된다.

이러한 방식으로 제작된 공구는 그러한 코팅 절차 이후에 다시 경화된다.

사용된 금속은 CVD-코팅 공정에 연결되는 온도에서의 상승으로 인해 어떠한 상당한 비틀림 또는 변형도 발생하지 않도록 선택된다.본 발명에 따른 증착방식은 고속가공후에도 사용될 수 있으며 일반 금형에 사용하여 공구의 수명을 늘이는 용도로도 사용이 될 수 있다.

위에서 설명한 코팅방법은 압출공구 전체에 적용이 될 수 있지만 이러한 코팅이 벗겨지는 경우는 전체적인 품질에 큰 악영향을 주는데 특히, 코어부분에서 코팅이 벗겨지게 되면 최종제품의 성능에 큰 영향을 주게 된다. 이를 방지하기 위하여 본 발명은 도3에서와 같이 코어 부분의

위에서 설명한 코팅방법은 압출공구 전체에 적용이 될 수 있지만 이러한 코팅이 벗겨지는 경우는 전체적인 품질에 큰 악영향을 주는데 특히, 코어부분에서 코팅이 벗겨지게 되면 최종제품의 성능에 큰 영향을 주게 된다. 이를 방지하기 위하여 본 발명은 도3은 상기한 바와 같은 코팅이 잘 유지되도록 하기 위하여 코어부분의 끝단 측면에 1도정도의 경사를 준다. 이것은 코어부분에서의 내압을 증가시키는 효과를 가져오게 되면 코어를 이용하여 만들어내는 최종제품의 표면거칠기가 줄어들게 된다(표면조도가 대폭올라간다) 표면조도의 상승의 치수의 정밀도와 연관될 수 있으며 이상적인 제품을 취득할 수 있다.

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또한, 상기 1도의 경사는 내압을 증가시키는 만큼 코팅층과의 마찰을 줄일 수 있게 된다. 상기 경사가 1도보다 크게 되는 경우 와류가 발생하여 제품의 품질에 영향을 미칠 가능성이 커지며 1도보다 작고 0.5도보다 작게 되는 경우는 내압상승의 효과를 가져오지 못하는 단점이 있다.

바람직하게는 0.7도내지 1.2도정도의 경사를 주는 것이 바람직하다.

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Claims (5)

1. 압출공구에서 발생하는 누적공차를 줄이고 분리조립을 쉽게 하기 위한 CVD를 이용한 표면처리방법을 이용한 압출공구로서,
   상기 압출공구는 상부금형과 하부금형으로 이루어 지며
   하부금형과 상부금형사이에는 압출물의 형상을 이루는 코어가 형성되는데,
   상기 코어의 주위로 압출물을 모이게 하는 링이 형성되며 상기 링은 코어쪽으로 돌출된 링압출부를 가지며
   상기 코어, 상부금형, 하부금형은 CVD에 의해 미리 결정된 위치에 탄화 티타늄, 질화 티타늄, 붕화 티타늄,바나듐 탄화물, 탄화 크로뮴, 산화 알루미늄, 질화 실리콘, 티타늄,산화알루미늄, 티타늄알루미늄 질화물, 알루미늄크롬 질화물로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 코팅되고 고속가공기에 의한 가공이 이루어지며
   상기 코어의 끝단은 내압을 증가시키고 코팅을 유지하도록 하기 위하여 끝단 표면으로부터 0.7도내지 1.2도의 경사를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는, 압출공구에서 발생하는 누적공차를 줄이고 분리조립을 쉽게 하기 위한 CVD를 이용한 표면처리방법을 이용한 압출공구
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