KR20130097680A

KR20130097680A - 압출공구의 내마모성 향상을 위한 금속의 표면처리방법

Info

Publication number: KR20130097680A
Application number: KR1020130019514A
Authority: KR
Inventors: 김육중
Original assignee: 주식회사 에이치와이티씨
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2013-02-22
Publication date: 2013-09-03

Abstract

본 발명은 내마모성 향상을 위한 금속의 표면처리 방법에 관한 것으로서 좀 더 자세하게는 압출공구 - 특히 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 금속의 압출을 위해 적어도 하나의 성형 개구부(shaping opening)를 갖는 디스크-형 프레싱 또는 압출 다이 - 의 표면처리방법에 관한 것으로, 상기 압출 공구는 표면 코팅을 갖는 스틸, 초경합금을 포함할 수 있다.

Description

압출공구의 내마모성 향상을 위한 금속의 표면처리방법{METHOD FOR SURFACE TREATING}

본 발명은 금속의 표면처리방법에 관한 것이다.

현재 성형된 알루미늄 파트의 제작을 위해 사용되는 종래의 프레싱 공구의 경도(hardness)는, 만족스러운 내마모성을 제공하지 못하고 있다. 이러한 이유로 인해, 그러한 압출 공구는 공지된 여러 가지의 공정을 이용하여 경화된다.

고온-가공 스틸로 제작된 압출 공구는 더 일반적으로 약 46 내지 50HRC로의 가공 제작 이후에 경화되고, 그런 후에 그라인딩, 고속가공기, 머시닝센타, EDM 및 와이어-EDM에 의한 공동 가공(cavity sinking)에 의해 마무리된다. 압출 공구는 일반적으로 알루미늄 프레싱 기계에서 시험되고, 필요시, 수정이 이루어진다. 그 때 압출 공구가 압출 동작에 대한 준비가 이루어지면, 질화 처리(nitriding)에 의해 사전 규정된 방식으로 약 1000Hv의 표면 경도로 설정되며 이러한 경도 값이 실질적인 정황에서 사용 중일 때 적절한 내마모성을 제공한다는 것을 보여준다.

알려진 질화 처리 공정은 시안산염을 이용하여 염욕질화 처리를 포함한다. 그러나, 이러한 공정은 심각한 환경적인 문제를 가져 온다. 가스에 의한 질화 처리는, 제작된 경화 층이 비교적 두껍고 그 결과 매우 한정된 인성(toughness) 레벨을 갖는다는 단점을 갖는다. 또, 플라즈마질화 처리 방법이 있지만, 이러한 공정은 개구부에 얇은 슬롯을 갖는 공구에는 적합하지 않다.

질화 처리를 수반하는 알려진 경화 공정은 또한, 경화 층이 증가하는 온도, 즉 약 500도의 온도에서 확산한다는 공통적인 단점을 갖는데, 예를 들어 염욕질화 처리에 의해 제작된 층은 약 15시간 이후에는 더 이상 존재하지 않는다.

프레싱 동작에서, 질화 처리 층이 확산 효과로 인해 사라졌다면, 프레싱 동작은 중단되어야 하며 공구는 산 세척을 하지 않고(pickled free), 세정되고 다시 질화 처리된다. 사용된 스틸의템퍼링 온도 근처에서 빈번한 추가-질화처리를 통해, 경화 및 기본 강도는 연속적으로 감소하고, 그 결과 때 이른 장애가 발생한다. 따라서, 예를 들어 얇은-벽을 갖는 공구의 경우에, 달성될 수 있는 서비스 시간은, 부수적인 비용의 단점을 갖는 갱신된 추가 -질화 처리가 필요하게 되기 전에 약 30과 1000 프레싱 동작 사이이다.

종래의 공구가공공정은 열처리-> 연마-> 아크가공 순으로 이루어졌는데 기존의 아크 가공의 경우 베아링면 입출구의 R가공으로 표면 성질의 변화가 발생하는 것은 고속가공기를 사용함으로써 모든 가공부위를 동시에 가공하여 표면 성질의 변화를 적게 할 수 있다.

그런데 고속가공을 하더라도 알루미늄을 사용하는 경우에 누적공차가 발생하는 문제점이 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 극복하기 위하여 본 발명은 높은 경도를 달성하는 금속처리방법을 제공하는데 마모로부터의 효과적으로 지속적인 보호를 제공할 뿐 아니라, 특히 얇은벽을 갖는 공구에 대한 우수한 적합성을 수반하는 압출 공구를 제공하는 것을 목적으로 하며 간단한 방식으로 환경 오염 없이 구현될 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

보다자세하게는 고속가공기를 을 사용하여 가공할때 누적공차를 줄이는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 내마모성 향상을 위한 금속의 표면처리방법을 제공하는데,

처리대상이 되는 금속을 제공하는 단계와

기상증착방식에의해 미리 결정된 위치에서 상기 금속을 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 코팅은 탄화물, 질화물, 산화물 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질인 것일 수 있다.

상기 코팅물질은 탄화 티타늄, 질화 티타늄, 붕화 티타늄

바나듐 탄화물, 탄화 크로뮴, 산화 알루미늄, 질화 실리콘, 티타늄, 산화알루미늄, 티타늄알루미늄 질화물, 알루미늄크롬 질화물로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질과, 이들 물질의 질화물, 탄화물 중 어느 하나인 것일 수 있다.

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

상기한 바와 같은 본 발명에 의하여 금속에 높은 내마모성을 갖도록 하는 처리가 가능하다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다. 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.

이러한 누적공차를 줄이기 위하여 증착방식을 이용한 증착공정을 추가 함으로써 이러한 단점을 해결할 수 있었다. 증착공장은 PVD와 CVD두가지 방법을 사용하여 이루어질 수 있는데 이하 이러한 공정을 좀더 자세하게 설명한다.

본 발명은 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 이러한 코팅 물질은 물리적 기상 증착 공정(PVD)에서는 500℃ 미만의 진공 챔버 내에서 타겟금속과 반응가스가플라즈마 상태에서 금속의 표면에 증착되며,화학적 기상 증착(CVD) 공정은 1000℃ 이상의 온도에서의 가스 증착 공정에 의해 금속의 표면에 도포된다.

화학적 기상 증착(CVD) 공정의경우 고체 혹은 액체 상태의 원료를 기체상태로 반응챔버에 주입해야 하기 때문에 원료를 기체화 시킬 수 있는 장치가 부가적으로 필요하며 기화된 원료가 반응 챔버에서 반응하기 전까지 다시 응축되지 않도록 하는 장치도 부가적으로 필요하게 된다.

본 발명에 의해 PVD 코팅을 처리할 경우, 처리 대상이 되는 금속을 1 차적으로 가공한 후에 가공이 완료된 압출공구에 세척을 실시하고 PVD 진공챔버에 코팅을 적용하기 위한 셋팅을 실시한다, 셋팅이 완료된 압출공구는 PVD 진공챔버에 장입되고 코팅 물질 증착을 위해 진공펌프를 이용하여

5X10^-5mbar이하의 고진공을 만든다. 진공 챔버 내부에 고진공이 형성되고 챔버가 가열된 후, 아르곤 가스와 같은 불활성 가스를 이용한 에칭공정을 통해 압출공구 표면의 얇은 산화피막 등이 제거된다. 에칭공정 이후약 450℃ 정도에서 목적하는 금속을 증발시키고 반응성 가스인 질소를 주입하여 플라즈마 상태가 만들어 진 다음 압출공구에 (-) 전압이 인가되어 목적하는 압출 공구에 타겟의 금속 물질과반응 가스에서 이온화된(+)이온이 압출공구의 표면에 증착된다.증착이 완료되면 냉각 가스를 통해 냉각이 이루어진다.

이것은 다음과 같은 공정으로 이루어진다.

1)처리대상이 되는 금속을 제공하는단계와

2)경화시키는 과정을 포함하여 금속을 1차적으로 가공하는 단계와

3)전술한 코팅물질로 PVD공정에 의해 상기 금속을 코팅하는 단계.

본 발명에 의해 PVD 처리를 실시하는 경우, PVD 공정에 의해 얻어지는 고경도의 박막은 고 진공의 조건 하에서 증착하고자 하는 합금 및 금속 물질을 ARC(아아크)를 이용하여 이온화된 상태로 증발시키고반응성 가스를 주입하여 타겟금속 증기와 반응성가스를 플라즈마 상태로 만든 후(-) 전압의 인가에 의해 압출공구의 표면에 고경도의 세라믹 박막이 형성된다. 이러한 세라믹 박막은 Hv 3,000 이상의 높은 경도를 나타내며 이는 압출공구의 내마모성을 향상시켜 준다.

PVD 처리의 공정온도는 약 450℃ 정도이므로, PVD 처리 후 초경공구나 STD61 재종과 같은 열간공구강의 경우에는 추가적인 후 열처리 없이 초기의 경도를 그대로 유지하며 공정온도에 의한 압출 공구치수의 변형도 없다. 코팅의 내마모성 개선에 대한 효과를 극대화하기 위해서 압출공구의 성형부는 반드시 PVD 처리 전 최적의 표면조도를 만들어야 하며 코팅 후는 초기의 표면조도를 그대로 유지한다.

특히, 알루미늄크롬 질화물의 경우에는 화학적으로 안정적이며 내마모 특성이 우수하고 1,100℃의 고온에서도 내산화성이 유지되어 뛰어난 내마모성을 보여준다.

또한, PVD 코팅은 질화처리된 열간공구강의 표면에도 적용이 가능하며 질화처리에 의해 1차 경화된 압출공구의 표면은 더욱 견고한 PVD 코팅층의 지지 기반을 제공하여 우수한 내마모성을 제공한다.

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 ??칭(quenching) 및 템퍼링이 이루어질 수 있다.

이것은 다음과 같은 공정으로 요약된다.

1)처리대상이 되는 금속을 제공하는단계와

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

4)추가적인 경도 강화단계

2)의 1차가공단계이후 고속가공공정이 추가될 수 있다.

중요한 화학반응은 다음의 화학식으로 표현될 수 있는데 이 화학 반응은 CVD-반응이며 여기서 개시 제품은 증기의 형태로 존재하고, 메인 제품은 고체 바디의 형태로 분리되고, 부산물은 기체 형태이다. 고온 CVD-공정에 따라 질화 티타늄에 대한 전체 반응 수학식이 본 명세서에서 예로서 설명되고, 여기서

(g)=기체 및 (s)=고체:

H₂

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

850-1000℃

이 경우에 환원 캐리어 기체(H₂)는 과도하게 첨가된다. 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 ??칭(quenching) 및 템퍼링이 이루어진다.

열적으로 활성화된 CVD-공정 - 화학 증기 증착 -은 표면 상의 성장에 의해 또는 붕화물, 탄화물, 질화물, 산화물의 확산에 의해, 단일 결정의 제작, 탄소 또는 세라믹으로 섬유 구조의 주입을 위해, 그리고 일반적으로 얇은 층의 증착을 위해 본래 알려져 있는데 본 발명에 따른 절차는, 추가 후-처리 없이 공구 자체의 내구성을 늘리기 위한 내마모성 층을 형성하는데 이러한 특성은, CVD-공정에 의해 도포되고 바람직하게 1000℃ 이상의 온도로 도포되는 코팅으로 인해 제공되는데 본 발명은 기본적으로 약 500 내지 600℃의 온도 미만 - 사용된 스틸 물질의 템퍼링 한계 -으로 유지하는 종래의 경화 공정보다 우수하다.

확실하게도, CVD-코팅은 코팅 동작 이후에 마무리된 공구의 경화를 요구한다 그러나 공구에서의 흐름 현상의 적절한 제어에 의해 그리고, 본발명을 실시하기 위해 특히 낮은-비틀림의 고온-작용 스틸의 본 발명에 따른 선택에 의해, 그러한 기술은 놀랍고 예측하기 힘든 방식으로 관리될 수 있고, 경화 및 내마모성에 관해 뛰어난 특성을 제공한다.

본 발명에 따른 공정은 위에서 설명한 TiCl₄이외에도 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

결점(defect) 비율 및 공구 품질의 유리한 비율 본 발명에 따라 압출 다이의 제작 및 코팅에서, 잘-관리될 수 있는 CVD-공정은 상당한 절차상의 신뢰성 및 우수한 재생성을 제공하여, 매우 낮은 거부 수준으로, 매우 높은 등급의 품질의 공구를 제작하는 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 따라 사용된 기상증착 방식에 의하여 형성된 코팅은추가적으로 우수한 내마모성을 제공한다

우수한 밀착력 ; 매우 우수한 밀착력은 야금학적 특징으로 인해, 기상증착 방식에 의해 기본 물질과 코팅 사이에서 이루어진다.

본 발명에 따라 제작되는 그러한 종류의 공구를 이용하여 실제 압출 동작에 관해 - 예를 들어 성형된 알루미늄 부분에 관해 - 적용될 수 있는데 여기서 본 발명은 또한 알루미늄의 흐름 특성이 또한 고려되고 이와 같이 압출 다이의 설계 구성 및 경화에 수반된다는 고려사항을 포함한다, 이에 관해, 특히 이전의 시뮬레이션 계산에 의해 그러한 흐름 특성을 고려하는 것이 바람직하다.

그 결과, 이것은 크게 증가된 서비스 시간을 제공하고 본 명세서의 도입부에 설명된 바와 같이 공구의 유지 보수는 또한 특히 더 이상 필요하지 않다. 더욱이, 낮은 레벨의 마찰은 본 발명에 따른 기상증착공정에 의해 도포된 코팅 물질로 인해 유리하게 달성되고, 압출 다이의 처리 또는 프레싱 속도는 개선되고, 더 나은 성형품의 표면 품질의 향상이 가능하다.

본 발명에 따른 증착방식은 고속가공후에도 사용될 수 있으며 일반 금형에 사용하여 공구의 수명을 늘이는 용도로도 사용이 될 수 있다.

Claims

내마모성 향상을 위한 금속의 표면처리방법으로서
처리대상이 되는 금속을 제공하는 단계와
기상증착공정에 의해 미리 결정된 위치에서 상기 금속을 코팅하는 단계를 포함하는,
내마모성 향상을 위한 금속의 표면처리방법
제1항에 있어서, 상기 코팅은 탄화물, 질화물, 산화물 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질인 것을 특징으로 하는, 내마모성 향상을 위한 금속의 표면처리방법
제1항에 있어서, 상기 코팅물질은 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, 탄화물중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 내마모성 향상을 위한 금속의 표면처리방법
제1항에 있어서, 금속을 코팅하는 단계 전후에 금속의 경도를 높이기 위한 처리 단계가 더 포함된 것을 특징으로 하는, 내마모성 향상을 위한 금속의 표면처리방법