KR20190052780A - 디엘씨 탄소막을 갖는 분말야금용 금형 - Google Patents

Abstract

DLC 탄소막을 갖는 분말야금용 금형이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 DLC 탄소막을 갖는 분말야금용 금형은 분말야금용 금형 코어와, 금형 코어의 표면에 마련되는 이형성 박막으로서 DLC(diamond-like carbon) 코팅막을 포함하며, 이때 금형 코어와 DLC 탄소막 사이에는 중간 처리층이 마련될 수 있다.

Description

디엘씨 탄소막을 갖는 분말야금용 금형{Powder Metallurgy Mold having diamond-like carbon film}

본 발명은 금형에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다이아몬드와 유사한 탄소막을 갖는 분말야금용 금형에 관한 것이다.

일반적으로 기계 장치에 이용되는 많은 금속 부품들은 복잡한 형상을 가지고 있다. 큰 부품이나 형상이 복잡하지 않은 금속 부품들은 주조 및 단조 후 기계 가공으로 제조될 수 있지만, 주조 및 단조 공정은 많은 노동력과 에너지를 필요로 할 뿐만 아니라 기계 가공 중 원재료 손실이 많기 때문에 경제성이 떨어진다.

최근에는 복잡한 형상의 부품을 만들기 위해 분말야금 공법을 이용한다. 분말야금 공법에서는 철 및 기타 첨가물 분말을 소정 압력 하에서 형상을 만드는 성형 과정을 통해 성형체를 만들고 이후 소결로에 통과시켜 성형체를 소결한다.

분말을 성형하기 위해서는 고경도의 금속재 금형이 필요하며, 이때 제조 비용 절감을 위한 수단으로 금형의 수명을 늘리기 위한 다양한 수단이 개발되고 있다. 일례로, 금형의 표면에 코팅되는 비정질 탄소막은 낮은 마찰계수를 가지는 윤활재료로 절삭공구, 금형, 반도체 관련 각종 부품류에 수명을 향상시키는 코팅소재로서 널리 적용되어 왔으며, 그 재료로는 TiN, TiAlN, CrN 및 질화법 등의 소재가 사용되고 있다.

상술한 코팅소재들은 일반적으로 기상합성법 예컨대, 화학기상증착법(chemical vapor deposition;CVD)이나 물리기상증착법(physical vapor deposition;PVD) 등을 이용하여 대상 재료(모재)에 이형 박막을 코팅하는 방법으로, 통상 막두께는 약 1~5㎛로 구성된다.

그런데, 이 코팅막들은 조대한 결정 입자로 구성되기 때문에 표면 조도가 대단히 불량하다. 조대한 결정 입자에 따른 최종막의 표면 조도 불량은 사용 시 내마모성 및 상대 재료의 표면 조도를 감소시켜 수명에 치명적인 영향을 줄 수 있다. 또한, 상술한 방식은 표면 경도는 높아지지만 코팅막과 모재 사이의 결합력이 약하여 쉽게 박리되는 문제점이 있었다.

한국 공개특허 제10-2008-0095667호(2008.10.29.)

본 발명의 실시 예에 따르면 낮은 마찰계수 및 코팅막과 모재의 결합력이 양호하며 이형성이 우수한 금형을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면 분말야금용 금형 코어와, 금형 코어의 표면에 마련되는 이형성 박막으로서 DLC(diamond-like carbon) 코팅막을 포함하는 DLC 탄소막을 갖는 분말야금용 금형이 제공될 수 있다.

또한, 상기 금형 코어와 이형성 박막 사이에는 중간 처리가 이루어질 수 있다.

또한, 상기 중간 처리는 글로우 방전 또는 이온질화 공정을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 DLC 탄소막을 갖는 분말야금용 금형은 표면 경도 및 조도가 상당히 높기 때문에 경면을 장시간 유지하고 내마모성을 향상시켜 수명을 연장시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 DLC 탄소막을 갖는 분말야금용 금형은 마찰 계수가 낮고 고체윤활 코팅되기 때문에 금형의 이형성을 보장하는 한편 금형 표면의 소착 문제를 효과적으로 개선할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 DLC 탄소막을 갖는 분말야금용 금형은 산과 염기에 반응하지 않기 때문에 내화학성 및 내부식성이 우수하다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 DLC 탄소막을 갖는 분말야금용 금형은 250도 이하의 낮은 온도에서 공정이 이루어지기 때문에 금형에 열변형이 발생하지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DLC 탄소막을 갖는 분말야금용 금형을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 분말야금용 금형에 DLC 탄소막을 코팅하는 공정을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DLC 탄소막을 갖는 금형과 일반적인 금형의 수명을 비교한 그래프이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 DLC 탄소막을 갖는 분말야금용 금형을 개략적으로 도시한 것이다.

일반적으로 금형은 성형대에 고정 설치되는 다이와, 성형할 부품을 위한 캐비티를 형성하며 프레싱되는 한 쌍의 펀치를 포함할 수 있다. 또한, 성형 부품에 중공 등이 있는 경우 코아를 더 포함할 수도 있다. 분말야금용 금형은 금속 분말을 이용하여 성형체를 가공하거나 소결체를 리사이징하는데 사용하며, 일반 금형은 사출물을 사출 성형하는데 사용되지만 본 발명의 실시 예에 따른 금형은 이에 구분되지 않고 적절한 변형 및 수정을 통해 적용될 수 있다.

도 1은 분말야금용 금속 분말을 이용하여 성형체를 가공할 때 반복 사용되는 하부 펀치(10)의 간단한 형태를 일례로 도시한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않고 미도시된 상부 펀치는 물론 코아에도 동일하게 사용될 수 있음은 물론이다. 이하에서 하부 펀치(10)는 금형 코어(또는 모재)(10)로 지칭한다.

금형 코어(10)에는 대상체의 이형성을 높이기 위해 이형성 박막을 마련할 수 있으며, 본 실시 예에서는 이형성 박막으로 다이아몬드와 유사한 특성을 갖는 탄소막(diamond-like carbon:DLC, 이하 DLC 탄소막 또는 코팅막이라 함)을 코팅 재료로 사용한다.

DLC 코팅은 결정 형태를 가지는 다이아몬드나 흑연과는 달리 비결정질의 탄소계 신소재로서 플라즈마 중의 탄소이온이나 활성화된 탄화수소 분자를 전기적으로 가속하여 높은 운동에너지로 기판에 충돌시킴으로써 생성되는 박막 형태의 물질을 말한다.

DLC 코팅은 특이한 코팅 환경 때문에 통상적인 코팅 조건에서는 얻을 수 없는 새로운 구조와 물성의 코팅층(막)이 형성된다. 즉, DLC는 다이아몬드와 유사한 물리화학적 특성을 가진 고상 카본 필름의 하나로, 합성온도가 낮고 표면이 평활하며 물성의 제어가 용이하다는 장점을 가지고 있다. 특히 DLC 코팅은 표면 에너지가 매우 낮아서 이종 물질과 이형성이 우수할 뿐만 아니라 화학적 안정성이 뛰어나며, 내마모성 및 윤활성도 뛰어나 내마모성 고체 윤활제로서의 활용가능성이 매우 높은 재료이다.

DLC 코팅은 탄소 이온을 형성시키고, 이 이온이 높은 에너지를 가지고 합성되는 모재의 표면에 충돌하도록 해야 하는데, 플라즈마 CVD법, 스퍼터링법, 이온빔 합성법, 레이저 어블레이션 등 다양한 방법과 이들 방법이 조합된 합성기술 등이 사용되고 있다.

본 실시 예에서는 DLC 코팅 방법으로 플라즈마법을 예시하지만 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 표면의 윤활 특성과 내마모성이 우수한 DLC 코팅을 할 수 있는 모든 방법이 본 발명의 목적에 맞게 사용될 수 있다. 플라즈마 방식에 따른 DLC 코팅 방법은 금형 코어(10)와 DLC 탄소막(20) 사이에 비정질의 박막이 계속 쌓이는 공법이다.

도 2는 본 실시 예에 따른 분말야금용 금형에 DLC 탄소막을 코팅하는 공정을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 도면을 참조하여 금형 코어(10)에 DLC 탄소막(20)을 코팅하는 과정을 간단히 살펴본다.

먼저, 코팅할 모재(금형)(10)를 준비한다(S10). 금형은 다양한 금속재로 마련될 수 있다. 금형이 준비되면 스크래치나 균열 여부 등 상태를 점검하고 금형을 성형하는 과정에서 사용된 절삭유나 유분 등의 불순물을 제거한다. 이를 통해, 후 공정에서 발생할 수 있는 마킹, 코팅막의 박리, 코팅막의 불균일 등의 문제점을 예방할 수 있다.

준비된 모재(10)는 챔버에 장입하고, 챔버 내부는 진공이 되도록 배기한다. 이는 DLC 코팅 중 불순 가스가 없는 최적의 진공도를 얻기 위한 것으로, 챔버에 연결된 진공 펌프를 작동하여 배기한다.

진공 상태의 챔버 내부는 추후 마련하는 DLC 코팅막(20)과의 밀착력을 강화시킬 수 있도록 중간 처리층(30)을 형성할 수 있다(S20).

중간 처리층(30)은 일례로 글로우 방전(Glow discharge)를 실시할 수 있다. 글로우 방전을 통해 모재(10)는 추후 결합하는 DLC 코팅층과 밀착력을 강화시킬 수 있다. 글로우 방전 후에는 진공 펌프를 이용하여 챔버 내부를 다시 진공 상태로 배기한다.

또한, 모재(10)는 중간 처리층(30)으로 이온질화 공정을 포함할 수 있다. 이온질화 공정은 모재 표면의 피로강도, 내식성, 내마모성 등 물리적 특성을 개선하기 위한 것으로, 질소가스(N2)와 수소가스(H2)를 투입하고 질소가스와 수소가스 분위기 하에서 글로우 방전을 발생시켜 모재 표면에 플라즈마 질화 처리를 통해 이루어질 수 있다.

모재(10)에 중간 처리층(30)이 형성되면, DLC 코팅을 실시한다(S30).

DLC 코팅은 챔버 내부에 메탄가스(CH4), 아세틸렌(C2H2)와 같은 탄화수소 계열의 가스와 불활성 수소가스(H2)를 투입하여 메탄가스와 수소가스 분위기 하에서 플라즈마를 형성하여 바이어스가 걸린 모재(10)의 표면에 전기적으로 가속 충돌시킴으로써 DLC 탄소막(20)이 증착되도록 한다.

DLC 탄소막(20)을 통해 경도, 내식성, 내마모성이 우수한 코팅층을 모재(10)인 금형 코어에 형성할 수 있으며, 특히 DLC 탄소막은 마찰계수가 낮아 성형 시 분말야금 성형체의 유동 저항이 현저히 감소하는 경향이 있으므로, 대형 성형물은 물론 복잡한 성형물의 제작도 용이해질 수 있다.

또한, DLC 탄소막(20)은 성형 작업 후에 이형성, 즉, 금형으로부터 성형체의 분리를 용이하게 하는 특성도 가지기 때문에 성형 작업을 쉽게 할 수 있다. 이러한 DLC 탄소막(20)은 1 ~ 3㎛로 형성될 수 있다.

DLC 탄소막(20)을 갖는 금형 코어는 냉각 및 취출 공정을 통해 챔버 외부로 인출됨으로써 금형의 제작은 완료된다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 DLC 탄소막을 갖는 분말야금용 금형과 일반적인 금형의 수명을 비교한 그래프이다.

도시한 바와 같이, 본 실시 예에 따른 DLC 탄소막을 갖는 분말야금형 금형을 이용하여 Rod Guide 외 홀이 포함된 제품 등의 부품을 성형할 경우, 일반 금형으로 성형할 때보다 금형 수명이 적어도 6배 이상으로 향상됨을 알 수 있다.

10..모재(금형 코어) 20..DLC 탄소막(코팅막)
30..중간 처리층

Claims (3)

1. 분말야금용 금형 코어와,
   상기 금형 코어의 표면에 마련되는 이형성 박막으로서 DLC(diamond-like carbon) 코팅막을 포함하는 DLC 탄소막을 갖는 분말야금용 금형.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 금형 코어와 이형성 박막 사이에는 중간 처리가 이루어지는 DLC 탄소막을 갖는 분말야금용 금형.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 중간 처리는 글로우 방전 또는 이온질화 공정을 포함하는 DLC 탄소막을 갖는 분말야금용 금형.

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