KR20130010257A - 플라즈마 이온질화를 이용한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 열처리를 통해 사출금형의 표면에 균질의 마르텐사이트층을 형성하고, 이후에 이온질화처리를 통해 고경도의 표면을 확보하여 내마모성 및 내피로성을 향상시킬 수 있음으로써, 대형 플라스틱 사출금형의 표면을 처리할 수 있는 플라즈마 이온질화를 이용한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법에 관한 것으로, 플라스틱 사출금형의 표면을 다이오드 레이저 열원으로 열처리하는 레이저 열처리 단계 및 플라스틱 사출금형의 표면을 질화로 내에 투입하여 플라즈마 이온질화처리하는 플라즈마 이온질화처리 단계를 포함하여 이루어지며, 상기 플라즈마 이온질화처리 단계에서 이온질화처리는 온도 470℃, 압력 200Pa, 전압 650V, 펄스비 0.3의 조건에서 20시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 이온질화를 이용한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법{SURFACE TREATMENT METHOD FOR PLASTIC INJECTION MOLD USING PLAZMA ION NITRIDING}

본 발명은 플라즈마 이온질화를 이용한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대형 플라스틱 사출금형의 표면을 레이저를 이용하여 열처리함으로써 균질의 마르텐사이트층을 형성하고, 여기에 이온질화를 통해 내마모성 및 내피로성을 극대화할 수 있도록 한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법에 관한 것이다.

일반적으로, 사출금형의 강도를 강화시키기 위한 방법으로 금형의 조성을 조절하거나 고온가열 등의 열처리를 하는 방법들이 사용되고 있다.

이들 방법들에 대해 살펴보면, 그 중에서 직접가열법은 고주파나 열원을 이용하여 가열하는 방법으로써, 고주파를 이용한 직접가열법은 재료에 따라 상당히 높은 고주파대역이 필요하기 때문에 이를 위해 대규모의 설비가 요구되는 문제점이 있고, 열원을 이용한 직접가열법은 고체의 자기유도현상을 이용한 기술이므로 부품의 형상에 맞는 특별한 코일 제작이 요구되며 코일 제작 그 자체가 노하우로서 최종 열처리 물성에 큰 영향을 미치는 문제점이 있었다.

그리고 과거의 CO2 레이저나 Nd-YAG 레이저를 열원으로 이용하여 열처리하는 경우 매우 국소적이고 정밀한 부분에는 사용할 수 있으나, 대형 사출금형과 같이 대형 제품에는 열처리로 인해 나타나는 변형 때문에 그 적용이 사실상 불가능했다.

특히, 근래에는 플라스틱 소재 내에 첨가된 유동성이 낮은 유리섬유로 인해 사출금형의 표면에 높은 내마모성이 요구되므로 이에 맞추어 대형 사출금형의 표면처리가 필수적이 되었다.

한편, 간접가열법으로 노(Furnace) 내에서 금형을 고온으로 만든 후 질화(窒化, Nitriding)나 코팅(Coating)을 실시하는 방법이 논의되고 있으나, 노의 크기를 대형으로 해야 하는 문제점이 있으므로 실질적으로 대형 사출금형의 표면처리에는 적용하기 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 상기한 바와 같은 직접 또는 간접가열법의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 열처리법의 개발에 대한 필요성이 절실히 대두되고 있는 것이 현 실정이다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 레이저 열처리를 통해 사출금형의 표면에 균질의 마르텐사이트층을 형성하고, 이후에 이온질화처리를 통해 고경도의 표면을 확보하여 내마모성 및 내피로성을 향상시킬 수 있도록 함으로써, 대형 플라스틱 사출금형의 표면을 처리할 수 있는 플라즈마 이온질화를 이용한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 기존 열처리 방법에서 가지고 있는 환경문제, 균열발생, 열처리변형, 낮은 내마모성 등의 단점을 극복함과 동시에 기존의 표면처리방법보다 효율이 좋은 플라즈마 이온질화를 이용한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법을 제공하고자 하는 데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 레이저 열처리 및 이온질화처리를 이용한 최적 공정의 플라즈마 이온질화를 이용한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법을 제공하고자 하는 데 목적이 있다.

상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 수단으로, 본 발명인 플라즈마 이온질화를 이용한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법은,

플라스틱 사출금형의 표면을 다이오드 레이저 열원으로 열처리하는 레이저 열처리 단계 및

플라스틱 사출금형의 표면을 질화로 내에 투입하여 플라즈마 이온질화처리하는 플라즈마 이온질화처리 단계를 포함하여 이루어지며,

상기 플라즈마 이온질화처리 단계에서 이온질화처리는 온도 470℃, 압력 200Pa, 전압 650V, 펄스비 0.3의 조건에서 20시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 레이저 열처리 단계에서 레이저 열처리는 열처리 온도 950~1100℃, 열처리 속도 2~6mm/sec의 범위에서 이루어지도록 한다.

그리고 레이저 열처리 단계와 플라즈마 이온질화처리 단계 사이에는,

질화로 내부에 진공을 형성한 후 질소와 수소를 공급하여 질소와 수소의 분위기에서 글로우 방전을 통해 플라스틱 사출금형의 표면을 활성화하는 글로우 방전 단계가 더 구비된다.

그리고 상기 글로우 방전 단계에서는 질소와 수소의 비율을 8:2, 질화로 내의 압력은 70Pa, 온도는 350~500℃의 조건에서 글로우 방전을 하며,

상기 플라즈마 이온질화처리 단계 이후에는,

플라스틱 사출금형 표면의 조도를 필요한 크기의 조도로 가공하여 표면 조도를 수정하는 표면 조도 수정 단계가 더 구비된다.

상기한 바와 같은 과제해결수단을 통해, 본 발명은 레이저 열처리와 이온질화처리를 통해 고경도의 표면을 확보하여 내마모성 및 내피로성을 향상시킬 수 있음으로써, 대형 플라스틱 사출금형의 표면을 처리할 수 있으며,

기존 열처리 방법에서 가지고 있는 환경문제, 균열발생, 열처리변형, 낮은 내마모성 등의 단점을 극복함과 동시에 기존의 표면처리방법보다 효율이 좋으며,

레이저 및 이온질화를 이용한 최적 복합열처리 공정을 제공하는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 이온질화를 이용한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.

본 발명에 따른 플라즈마 이온질화를 이용한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 이온질화를 이용한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.

본 발명은 레이저 열처리와 이온질화처리를 통해 고경도의 대형 플라스틱 사출금형 표면을 얻는 복합표면처리방법으로 크게 레이저 열처리 과정과 이온질화처리 과정으로 나누어 볼 수 있다.

레이저 열처리 과정에 대한 설명에 앞서, 레이저 열처리 장치로는 다이오드 레이저(Diode laser)장치, 레일(Rail)을 따라 이동하는 6축 외팔보 로봇, 적외선 온도센서 및 제어장치가 이용되며, 적외선 온도센서를 통해 실시간으로 측정되는 온도에 따라 제어장치는 다이오드 레이저장치의 출력 등을 제어하게 된다.

이하, 레이저 열처리 과정에 대해 설명하면, 먼저 플라스틱 사출금형의 형상에 관한 데이터를 확인하는 형상 데이터 확인 단계(S1)를 거치게 되는데, 이 단계에서는 표면처리하는 플라스틱 사출금형의 형상, 표면의 상태 등의 데이터들이 입력되고 제어장치가 이들 데이터들을 확인하게 된다.

형상 데이터 확인 단계 이후에는, 확인한 데이터들을 근거로 하여 제어장치는 레이저 열처리 경로, 열처리 온도, 열처리 속도, 열처리 폭 및 깊이 등을 설정하는 레이저 열처리 조건 설정 단계(S2)가 구비된다.

열처리 조건 설정이 이루어지면, 레이저 열처리 단계(S3)로 들어가게 되며, 이 열처리 단계에서 플라스틱 사출금형 표면의 열처리 온도는 950~1100℃를 유지하도록 하며, 레이저 빔의 이송속도는 2~6mm/sec로 유지하면서 레이저 열처리를 하게 된다(S3).

여기서, 상기한 바와 같이 열처리 온도와 빔의 이송속도로 열처리를 하는 것은, 이보다 열처리 온도를 낮게 하거나 빔의 이송속도를 느리게 할 경우에 발생하는 충분히 열처리가 이루어지지 않는 현상을 해결하고, 이보다 열처리 온도를 높게 하거나 빔의 이송속도를 높게 할 경우에 발생하는 플라스틱 사출금형의 표면에 용융이 발생하는 현상을 방지하기 위한 것이다.

상기한 바와 같은 레이저 열처리를 통해 플라스틱 사출금형의 표면에 균질의 마르텐사이트층을 형성할 수 있음으로 인해, 후술하는 이온질화처리에서 질소원자의 확산을 용이하게 하는 조건을 형성시키게 되는 것이다.

그리고 레이저 열처리 단계(S3)가 종료되면, 플라스틱 사출금형을 냉각시킨 후에 레이저 열처리로 인해 플라스틱 사출금형의 표면에 발생된 산화피막을 제거하고 표면 가공을 통해 표면 조도를 수정하는 레이저 열처리 후처리 단계(S4)를 거치게 된다.

이하, 이온질화처리 과정에 대해 상세히 설명하도록 한다.

이온질화처리 과정에 대한 설명에 앞서 플라즈마 이온질화처리를 위한 플라즈마 이온질화장비에 대해 설명하면, 이 플라즈마 이온질화장비는 전원공급 및 제어장치, 가스 공급장치, 진공제어시스템으로 이루어지며, 전원공급 및 제어장치는 외부로부터의 유입된 전원을 변환하여 공급하고 플라즈마 이온질화 공정을 제어하며, 가스 공급장치는 이온질화시 사용되는 질소, 수소 등의 가스를 공급하며 그 유량을 제어하는 장치이며, 진공(眞空)장치는 이온질화를 위해 질화로 내에 진공을 형성시키는 장치이다.

이온질화처리 과정은 먼저 레이저 열처리를 마친 플라스틱 사출금형의 표면에 존재하는 유기물 및 불순물을 제거하는 표면 세척 단계(S5)를 거치게 된다.

구체적으로, 이 단계에서는 알콜과 아세톤으로 초음파 세척을 함이 바람직하다.

세척이 완료되면, 질화로 내에 플라스틱 사출금형을 장입하고, 질화로 내의 압력을 0.1 torr 이하로 내려 진공을 형성한 후에 질소가스와 수소가스를 공급하여 질소가스와 수소가스의 분위기 중에서 글로우 방전(Glow discharge)을 하는 글로우 방전 단계(S6)를 거친다.

이 글로우 방전은 이온질화처리 이전에 플라스틱 사출금형의 표면에 형성되어 있는 치밀한 산화물(Native oxide) 피막 및 기타 불순물을 물리적으로 세정하고, 환원성이 강한 수소 이온을 통해 각종 오염 유기물을 분해 제거하며 질화로 내 분위기를 환원성으로 유지하여 플라스틱 사출금형의 표면 산화를 억제함으로써 질화를 촉진시킬 수 있는 화학적 세정기능을 수행한다.

이때 질소와 수소의 비율을 8:2로 유지하며, 작업 압력을 70Pa, 작업 온도는 350~500℃로 함이 바람직한데, 이는 질소와 수소의 비율을 8:2로 할 때 경도값이 가장 높게 나타나며, 작업 압력은 70Pa까지는 글로우 방전을 통한 세정효과가 증대되나 그 이후에서는 세정효과가 오히려 감소하는 경향을 나타내기 때문이다{이는 압력증가로 인해 질소와 수소 이온이 다른 고밀도의 중성 및 배기가스와 충돌 산란(Collisional scattering)으로 인하여 반응효과가 감소되기 때문이다}.

그리고 작업 온도가 350~500℃에서는 비슷한 세정효과를 나타내지만 500℃를 초과하거나 350℃ 미만에서는 그 효과가 감소하기 때문이다{이는 고온으로 인해 표면원자의 이동이 활발하여 표면 거칠기가 증가하고 실질적인 표면적이 감소하기 때문이다}.

글로우 방전을 통해 플라스틱 사출금형의 표면의 세정작업을 실시한 후에, 플라스틱 사출금형의 표면에 플라즈마를 발생시켜 이온질화처리하는 플라즈마 이온질화처리 단계(S7)를 거치게 된다.

이 단계에서는 질소와 수소의 분위기 중에서 플라스틱 사출금형에 펄스 플라즈마(Pulse plazma)를 이용한 이온질화처리를 하게 되는데, 이 펄스 플라즈마 이온질화처리를 사용하는 것은 복잡한 형상의 아크(Arc)발생이 억제되고, 플라스틱 사출금형 표면의 과열로 인한 불필요한 에너지 손실이 감소되며, 소요전력이 감소되기 때문이다.

이 단계에서는 작업조건에 대해 설명하면, 먼저, 질화로 내에 투입되는 질소가스와 수소가스의 비율을 8:2로 유지하는데, 이 비율에서 가장 두꺼운 질화층이 형성되기 때문이다.

실제로 금형소재 FCD550를 대상으로 하여 질화처리온도 520℃, 처리시간 10시간, 압력을 250Pa로 하여 질소가스와 수소가스의 비율을 달리하여 측정한 결과, 2:8의 비율에서 질화층의 두께는 3.6㎛, 5:5의 비율에서 질화층의 두께는 3.7㎛, 8:2의 비율에서 질화층의 두께는 6㎛로, 질소가스와 수소가스의 비율이 8:2에서 가장 두꺼운 질화층이 형성되는 것을 알 수 있다.

그리고 질화처리 온도는 470℃가 바람직한데, 이 온도에서 형성되는 질화층의 두께가 상대적으로 두껍고 경도도 가장 높기 때문이다.

그리고 질화처리 방전 발생압력은 200Pa, 전압은 650V로 함이 바람직하며, 펄스비{(펄스유지시간)/(펄스유지시간+펄스휴지시간)}는 0.3으로 함이 바람직하며, 질화처리 시간은 20시간 동안 실시함이 바람직하다.

플라즈마 이온질화처리가 완료되면, 마지막으로 플라스틱 사출금형 표면 조도를 필요한 크기로 가공하는 표면 조도 수정 단계(S8)를 거치게 되는데, 이는 표면 조도가 필요 이상으로 높을 경우 사출시에 유동성이 저하됨으로 인해 과도한 열이 발생되고, 이 열은 다시 플라스틱 사출금형의 경도를 저하시키므로 이를 방지하기 위함이다.

이와 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술분야에 있어 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수 있다.

Claims (4)

1. 플라스틱 사출금형의 표면을 다이오드 레이저 열원으로 열처리하는 레이저 열처리 단계 및
   플라스틱 사출금형의 표면을 질화로 내에 투입하여 플라즈마 이온질화처리하는 플라즈마 이온질화처리 단계를 포함하여 이루어지며,
   상기 플라즈마 이온질화처리 단계에서 이온질화처리는 온도 470℃, 압력 200Pa, 전압 650V, 펄스비 0.3의 조건에서 20시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는
   플라즈마 이온질화를 이용한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 레이저 열처리 단계에서 레이저 열처리는 열처리 온도 950~1100℃, 열처리 속도 2~6mm/sec의 범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는
   플라즈마 이온질화를 이용한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법
   
3. 청구항 2에 있어서,
   레이저 열처리 단계와 플라즈마 이온질화처리 단계 사이에는,
   질화로 내부에 진공을 형성한 후 질소와 수소를 공급하여 질소와 수소의 분위기에서 글로우 방전을 통해 플라스틱 사출금형의 표면을 활성화하는 글로우 방전 단계가 더 구비되는 것을 특징으로 하는
   플라즈마 이온질화를 이용한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 글로우 방전 단계에서는 질소와 수소의 비율을 8:2, 질화로 내의 압력은 70Pa, 온도는 350~500℃의 조건에서 글로우 방전을 하며,
   상기 플라즈마 이온질화처리 단계 이후에는,
   플라스틱 사출금형 표면의 조도를 필요한 크기의 조도로 가공하여 표면 조도를 수정하는 표면 조도 수정 단계가 더 구비되는 것을 특징으로 하는
   플라즈마 이온질화를 이용한 대형 플라스틱 사출금형의 복합표면처리방법
   

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