KR20130134056A - 대면적 사출금형 표면처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 질화에 의한 표면 경도 부여 및 내마모성 향상을 도모하면서도 플라즈마 질화처리시 표면 질화물 제어에 의한 연속코팅이 가능하며, 표면 조도화를 통해 코팅막 밀착력을 향상시킬 수 있도록 하는 대면적 사출금형 표면처리 방법에 관한 것으로, 노 내에 사출금형을 장입하고 진공을 형성하는 단계, 아르곤가스와 수소가스를 분위기 하에서 사출금형의 표면에 글로우 방전을 행하는 단계, 질소가스와 수소가스의 분위기 하에서 사출금형의 표면에 플라즈마를 형성함으로써 플라즈마 질화처리를 하는 단계를 포함하여 이루어지되, 플라즈마 질화 처리 단계에서는 1Torr의 압력하에서 질소가스(N2)와 수소가스(H2)를 투입하여 질소가스와 수소가스의 분위기 하에 600V의 전압을 공급함으로써 글로우 방전을 발생시켜 사출금형의 표면에 플라즈마 질화처리를 행하고, 이때 파워 서플라이는 마이크로 펄스 파워를 사용하며, 파워주기는 On Time/Off Time은 5/15로 설정하여 플라즈마 질화단계를 시행하며, 공정의 온도는 진공챔버 안의 분위기 온도로서 420℃에서 시행하도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

대면적 사출금형 표면처리 방법{Method for treating surface of injection mold with large surface area}

본 발명은 대면적 사출금형 표면처리 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마질화처리를 통하여 사출금형의 표면에 고경도 및 내마모성을 부여함으로써 내구성을 향상시킬 수 있도록 한 대면적 사출금형 표면처리 방법에 관한 것이다.

근래에 이산화탄소 배출 규제가 강화되는 등 친환경 기술에 대한 요구가 날로 증대되고 있는 상황에서 자동차산업에 있어서도 고연비 실현을 위한 기술에 대한 연구와 개발이 더욱 절실해 지고 있는 실정이다.

이러한 고연비 실현을 위한 기술로 각광받고 있는 자동차 부품 경량화 기술은 종래의 철강소재를 주로 사용하던 것에서 벗어나 자동차 부품의 경량화를 위해 플라스틱소재를 주로 사용함으로써 부품소재를 철강소재 중심에서 플라스틱소재 중심으로 변모시키는 역할을 하였다.

더욱이, 최근에는, 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0540574호(2006.1.10.공고)에 나타나 있는 바와 같이, 자동차의 내장재에만 그치지 않고 주로 철강소재를 사용하던 외장재에 이르기까지 플라스틱소재의 사용범위가 날로 확대되고 있는 추세에 이르렀다.

하지만, 자동차의 내장재와는 달리 외장재는 고강성, 고경도 등과 같은 차별적인 물리적 특성이 요구되고 있고, 그 크기가 대형인 특징이 있으므로 이를 제작하기 위한 사출금형은 높은 내마모성을 필요로 하며, 그 크기도 대형이어야 하므로 제작이 많은 어려움이 있는 문제점이 있다.

특히, 자동차의 외장재는 강성, 경도 등의 물리적 특성을 개선하기 위해 플라스틱 소재에 유리섬유(Glass fiber)를 25~50%를 혼합하여 제작되는데, 이와 같은 유리섬유의 혼입으로 인해 플라스틱 소재는 사출시 그 유동성이 현저히 떨어지는 현상이 발생되고, 이러한 현상은 높은 마찰계수를 가진 사출금형과 결합하여 사출금형의 표면손상을 가져와 사출금형의 수명을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 내마모성이 뛰어난 사출금형을 얻을 수 있는 대면적 사출금형 표면처리 방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 사출공정상에서는 플라스틱 유동성이, 사출공정 후에는 이형성이 우수한 사출금형을 얻을 수 있는 대면적 사출금형 표면처리 방법을 제공하고자 하는 데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 사용 중에도 보수, 개조 및 설계변경이 용이한 사출금형을 얻을 수 있는 대면적 사출금형 표면처리 방법을 제공하고자 하는 데 목적이 있다.

상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명인 대면적 사출금형 표면처리 방법은,

노 내에 사출금형을 장입하고 진공을 형성하는 단계,

아르곤가스와 수소가스를 분위기 하에서 사출금형의 표면에 글로우 방전을 행하는 단계 및

질소가스와 수소가스의 분위기 하에서 사출금형의 표면에 플라즈마를 형성함으로써 플라즈마 질화처리를 하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

그리고 상기의 노 내에 사출금형을 장입하고 진공을 형성하는 단계 이전에는,

필요한 형상의 플라스틱 사출금형을 성형하는 단계 및

금형 성형 단계에서 사용된 절삭유나 유분을 약품을 이용하여 제거(Chemical cleaning)하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고 사출금형의 재료는 KP1 또는 KP4인 것을 특징으로 한다.

그리고 상기한 노 내에 사출금형을 장입하고 진공을 형성하는 단계에서 형성되는 진공은 1×

Torr 인 것을 특징으로 한다.

그리고 플라즈마 질화처리를 하는 단계 이후에는,

메탄가스와 수소가스의 분위기 하에서 플라즈마를 형성함으로써 플라즈마 중의 활성탄소들이 사출금형의 질화처리된 표면에 증착되도록 함으로써 DLC(Diamon like carbon) 코팅층을 형성하는 단계가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 과제해결수단을 통해, 본 발명은 고강성, 고경도를 가지는 대형의 자동차 외장재까지도 제작이 가능하도록, 내마모성이 뛰어나고, 사출공정상에서는 플라스틱 유동성이 우수하며, 사출공정 후에는 이형성이 우수하며, 사용 중에도 보수, 개조 및 설계변경이 용이한 사출금형을 얻을 수 있는 장점이 있다.

또한 상기와 같은 장점으로 인해, 본 발명은 금형수명이 늘어나고, 사출물의 표면 품질이 우수하며, 사출시 불량률이 감소되므로 경제성이 뛰어난 효과도 가지게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 대면적 사출금형 표면처리 방법의 일 실시예를 간략히 도시한 순서도이다.

본 발명에 따른 대면적 사출금형 표면처리 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 대면적 사출금형 표면처리 방법의 일 실시예를 간략히 도시한 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 대면적 사출금형 표면처리 방법은 금형 성형 단계(S1), 유분 제거 단계(S2), 장입 및 진공배기 단계(S3), 글로우 방전 단계(S4), 이온질화 단계(S5), 냉각 및 취출 단계(S6)의 순으로 이루어진다.

이하, 각 단계별로 그 특징을 구체적으로 설명하도록 한다.

1. 금형 성형 단계

먼저, 첫 번째로 금형 성형 단계가 구비되며, 이 단계에서는 필요한 형상의 플라스틱 사출금형을 성형하는 과정으로, 본 발명에서는 사출금형의 소재로 플라스틱 금형강이 사용되며, 그 중에서도 기계가공성이 양호하여 가공시간의 단축이 가능하고, 적절한 열처리로 내부 잔류응력이 제거되어 사출금형 가공시 변형 발생이 적은 KP1, KP4가 사용됨이 바람직하다.

2. 유분 제거 단계

두 번째로 유분 제거 단계가 구비되며, 이 단계에서는 금형 성형 단계에서 사용된 절삭유나 유분을 약품을 이용하여 제거(Chemical cleaning)함으로써, 후술하는 사출금형의 표면처리과정 중에 유분 등에 의해 나타나는 플라즈마 아킹 발생, 코팅막의 박리, 코팅막의 불균일 등의 문제점을 해결하게 된다.

이 단계에서 절삭유나 유분을 제거하기 위해서는 MC(Methylene Chloride)용액, 수용성 세척 용액이 사용됨이 바람직하다.

3. 장입 및 진공배기 단계

다음으로, 장입 및 진공배기 단계가 구비되며, 이 단계에서는 유분 제거 단계를 거친 사출금형을 노 내에 장입하여 지그에 고정하고 노를 폐쇄한 후 노 내 압력이 1×

Torr의 진공이 되도록 배기하게 된다.

4. 글로우 방전 단계

다음으로, 글로우 방전(Glow discharge) 단계가 구비되며, 이 단계에서는 먼저 아르곤가스(Ar)와 수소가스(H2)를 4:1의 비율로 2,100sccm(standard cubic centimeter per minute)만큼 주입 후 진공의 아르곤 가스와 수소 가스 분위기 상에서 글로우 방전을 발생시키는데, 이때 사출금형은 (-)전극을, 진공챔버는 (+)전극을 연결하며, 전압은 650V로 하여 30~60분동안 글로우 방전을 수행함이 바람직하다.

상기 글로우 방전 단계를 통해 사출금형의 모재는 향후 결합하는 코팅층과의 밀착력을 강화시킬 수 있으며, 특히 글로우 방전으로 인해 사출금형의 모재 표면을 활성화(Activation)시킴으로 향후 수행할 질화처리(窒化處理;Nitriding)를 용이하도록 함과 동시에 질화처리 효과를 높일 수 있게 된다.

상기 글로우 방전 후에는 진공펌프를 사용하여 1×

Torr의 진공이 되도록 배기하게 된다.

5. 이온질화 단계

다음으로, 이온질화 단계가 구비되며, 이 단계에서는 1Torr의 압력하에서 질소가스(N2)와 수소가스(H2)를 투입하여 질소가스와 수소가스의 분위기 하에 600V의 전압을 공급함으로써 글로우 방전을 발생시켜 사출금형의 표면에 플라즈마 질화처리를 행하는데, 이때 사출금형은 (-)전극을, 진공챔버는 (+)전극을 연결함이 바람직하다.

이 단계에서 글로우 플라즈마 제어를 위한 방법에 대해 좀 더 구체적으로 설명하자면, 이 단계에서는 진공도는 1Torr에서 시행하며, 이때 파워 서플라이는 마이크로 펄스 파워를 사용하며, 파워주기는 On Time/Off Time은 5/15로 설정하여 플라즈마 질화단계를 시행하며, 여기서 공정의 온도는 진공챔버 안의 분위기 온도로서 420℃에서 시행하도록 한다.

이 단계를 통해 사출금형 표면의 피로강도, 내식성, 내마모성 등의 물리적 특성이 개선됨으로써 양질의 사출금형을 얻게 된다.

6. 냉각 및 취출 단계

마지막으로, 냉각 및 취출 단계가 구비되며, 이 단계에서는 고온의 사출금형을 노 내에서 냉각한 후에 노 외부로 인출함으로써 사출금형의 제작과정을 완성하게 된다.

상기한 바와 같은 과정을 통해, 본 발명은 내마모성이 뛰어나고, 사출공정상에서는 플라스틱 유동성이 우수하며, 사출공정 후에는 이형성이 우수하며, 사용 중에도 보수, 개조 및 설계변경이 용이한 사출금형을 얻을 수 있는 사출금형을 제작할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 따른 대면적 사출금형 표면처리 방법에서는 이온질화 단계와 냉각 및 취출 단계 사이에 DLC 코팅 단계가 더 구비되며, 이 단계에서는 메탄가스(CH4)와 수소가스(H2)를 투입하여 메탄가스와 수소가스의 분위기 하에서 플라즈마를 형성함으로써 플라즈마 중의 활성탄소들이 사출금형의 질화처리된 표면에 증착되도록 함으로써, DLC(Diamon like carbon) 코팅층을 형성한다.

이 단계에서는 경도, 내식성, 내마모성이 탁월하게 높은 코팅층을 사출금형에 형성할 수 있으며, 특히 이 단계를 통해 형성된 DLC 코팅층은 마찰계수가 낮아 사출시 플라스틱의 유동저항이 현저히 감소하는 경향이 있으므로 자동차의 외장재와 같은 대형 사출물의 제작도 가능할 뿐만 아니라 구조가 복잡한 사출물의 제작도 용이한 이점을 가지게 되는 것이다.

또한, DLC 코팅층은 사출작업 후에 이형성, 즉 사출금형으로부터 사출물의 분리를 용이하게 하는 특성도 부여하게 됨으로써 사출작업을 용이하게 하는 이점도 가진다.

그리고 이 단계에서는 DLC 코팅층을 1~3 ㎛로 형성함으로써 육성(肉盛)용접이 가능하게 되므로 사용 중에도 보수, 개조 및 설계변경이 용이한 이점도 가지게 된다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 노 내에 사출금형을 장입하고 진공을 형성하는 단계,
   아르곤가스와 수소가스를 분위기 하에서 사출금형의 표면에 글로우 방전을 행하는 단계 및
   질소가스와 수소가스의 분위기 하에서 사출금형의 표면에 플라즈마를 형성함으로써 플라즈마 질화처리를 하는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는
   대면적 사출금형 표면처리 방법
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기의 노 내에 사출금형을 장입하고 진공을 형성하는 단계 이전에는,
   필요한 형상의 플라스틱 사출금형을 성형하는 단계 및
   금형 성형 단계에서 사용된 절삭유나 유분을 약품을 이용하여 제거(Chemical cleaning)하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는
   대면적 사출금형 표면처리 방법
   
3. 청구항 2에 있어서,
   사출금형의 재료는 KP1 또는 KP4인 것을 특징으로 하는
   대면적 사출금형 표면처리 방법
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기한 노 내에 사출금형을 장입하고 진공을 형성하는 단계에서 형성되는 진공은 1×

   

   Torr 인 것을 특징으로 하는
   대면적 사출금형 표면처리 방법
   
5. 청구항 1에 있어서,
   플라즈마 질화처리를 하는 단계 이후에는,
   메탄가스와 수소가스의 분위기 하에서 플라즈마를 형성함으로써 플라즈마 중의 활성탄소들이 사출금형의 질화처리된 표면에 증착되도록 함으로써 DLC(Diamon like carbon) 코팅층을 형성하는 단계가 더 구비되는 것을 특징으로 하는
   대면적 사출금형 표면처리 방법
   

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