KR20190055985A

KR20190055985A - 알루미늄 금형 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20190055985A
Application number: KR1020170152925A
Authority: KR
Inventors: 김상권; 이재훈; 여국현
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2019-05-24
Also published as: KR102096329B1

Abstract

본 발명에 실시예에 따른 알루미늄 금형은 알루미늄 바디부, 상기 알루미늄 바디부의 표면에 형성되는 제1하지층, 상기 제1 하지층 상에 배치되며, 일부에 메탈재질로 형성되는 제2하지층 및 상기 제2 하지층 상에 배치되는 코팅층: 을 포함하고, 상기 코팅층은 Ti, Cr, Mo 및 이들의 혼합된 혼합물 중 선택되는 어느 하나로 형성된다.

Description

알루미늄 금형 및 이의 제조방법{Aluminum mold and manufacturing method thereof}

본 발명은 알루미늄 금형 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 알루미늄 바디부의 표면에 제1 하지층 및 제2 하지층을 형성하고 상기 하지층들 상에 기계적 강도가 우수하고 화학적으로 안정성을 갖는 코팅층을 형성함으로써 가공제품에 대해서 밀착성 및 이형성을 향상시킬 수 있는 알루미늄 금형 및 이의 제조방법 알루미늄 금형 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

타이어의 가류공정은 성형공정에서 완성된 그린타이어를 타이어의 가류 금형(이하, '타이어 금형'이라 함)에 넣고 내·외측에서 열과 블래더를 통한 압력을 가해 일정시간 동안 경과시켜 타이어 내의 유황과 고무분자가 완전히 결합하여 안정된 타이어의 고유성질을 얻도록 하고, 또한 타이어 금형에 의하여 타이어의 독특한 트레드 디자인을 만드는 공정을 말한다.

이와 같은 타이어 금형은 주로 알루미늄 소재로 만들어지는데, 요즘의 대부분의 타이어 금형은 노면과 직접 접촉하는 트래드(tread) 부분을 형성하기 위해 원주방향으로 둥글게 조립되는 8조각의 중앙 금형과, 사이드 월(side wall) 및 비드(bead) 부분을 형성하기 위해 중앙 금형의 양측으로 조립되는 두 개의 사이드 금형으로 이루어진다. 각 금형은 타이어의 외형, 예를 들면 트레드와 사이드 월 부분을 만들기 위한 금형부와, 다른 금형과 접속하는 금형 접속부로 구성되는데, 특히 중앙 금형과 사이드 금형의 각 금형에 있어서 금형부의 이형성이 중요하게 평가된다.

여기서, 가류 공정은 150℃ 내외의 비교적 고온에서 진행되는데 타이어 고무의 점착성은 고온 환경에 의해 상승하게 되고, 이 때문에 타이어 금형 표면에 생긴 미세한 상처(scratch)나 굴곡진 부분에 타이어 고무의 점착이 발생하면 이로부터 점착 오염이 가속적으로 진행된다. 더욱이 알루미늄 재질은 금형으로서는 이형성이 떨어진다는 약점이 있기 때문에 타이어 고무의 점착으로 인한 오염이 쉽게 일어난다.

게다가 알루미늄 타이어 금형은 기존 주철 주물 금형이 복잡한 형상을 만들기 힘들어 제조되기 시작했으나 열전도도가 좋아 가황(vulcanizing)시 제품이 거칠어지는 단점이 있다.

상기와 같은 이형성을 개선하기 위해 테프론계 코팅, 용사, 스퍼터링 등을 적용시켜 이형성은 개선하려 하였으나, 타이어 제품의 표면이 광택이 떨어지고 품질이 낮아지는 문제점이 발생하였다.

따라서 알루미늄 타이어 금형을 사용하여도 고무제품의 밀착성을 향상시켜 트래드(tread) 부분을 형성을 용하게 하고, 고온에서도 이형성을 향상시켜 ?ㅁ의 품질을 향상시킬 수 있는 알루미늄 금형을 필요로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 알루미늄 바디부의 표면에 제1 하지층 및 제2 하지층을 형성하고 상기 하지층들 상에 기계적 강도가 우수하고 화학적으로 안정성을 갖는 코팅층을 형성함으로써 가공제품에 대해서 밀착성 및 이형성을 향상시킬 수 있는 알루미늄 금형 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형은 알루미늄 바디부, 상기 알루미늄 바디부의 표면에 형성되는 제1 하지층, 상기 제1 하지층 상에 배치되며, 일부에 메탈재질로 형성되는 제2 하지층 및 상기 제2 하지층 상에 배치되는 코팅층을 포함한다. 여기서, 상기 코팅층은 Ti, Cr, Mo 및 이들의 혼합된 혼합물 중 선택되는 어느 하나로 형성될 수 있다.

상기 제1 하지층은 질화알루미늄층, 고농도 질화층을 포함하는 질화물으로 형성될 수 있다.

상기 제1 하지층 및 제2 하지층은 상기 알루미늄 바디부의 표면과 상기 코팅층과의 접착력을 갖을 수 있다.

상기 제1 하지층 및 제2 하지층은 상기 코팅층과 열팽창계수가 유사할 수 있다.

상기 제2 하지층은 질화타이타늄층과, 상기 질화타이타늄층 상에 형성되는 타이타늄층으로 포함할 수 있다.

상기 제1 하지층 및 상기 제2 하지층은 10nm 내지 100nm범위로 형성될 수 있다.

상기 코팅층은 상기 제2 하지층 상에 배치되며, 상기 제2 하지층에 접촉배치되는 제1 코팅층과, 상기 제1 코팅층 상에 배치되는 제2 코팅층을 포함할 수 있다.

상기 제1 코팅층은 Ti/Mo의 합금으로 형성될 수 있다.

상기 제2 코팅층은 Mo/Cr의 합금으로 형성될 수 있다.

상기 코팅층은, 상기 코팅층에 접촉하여 가공되는 대상물에 대해서 기계적 강도 및 피로강도, 높은 충격강도, 고온 열적 안정성 및 화학적 안정성 중 적어도 어느 하나의 특성을 갖는 금속재질로 형성될 수 있다.

상기 코팅층은 2um 내지 6um범위로 형성될 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 알루미늄 금형의 제조방법은 상기 알루미늄 바디부를 챔버에 넣고 목표 온도로 승온시키는 히팅 단계, 상기 알루미늄 바디부를 상기 목표 온도로 지속시켜 상기 알루미늄 바디부의 표면에 형성된 산화막을 제거하는 지속단계, 상기 산화막이 제거된 알루미늄 바디부를 350℃ 내지 400℃에서 8시간 내지 12시간동안 질화시켜 상기 알루미늄 바디부의 표면 상에 제1 하지층을 형성하는 단계, 90℃ 내지 200℃에서 유지시켜 상기 제1 하지층 상에 제2 하지층 및 코팅층을 형성하는 단계 및 상기 제2 하지층 및 상기 코팅층이 형성된 상기 알루미늄 바디부를 냉각시키는 냉각 단계를 포함한다.

여기서 상기 제2 하지층 및 상기 코팅층을 형성하는 단계에 있어서, 상기 제2 하지층 및 상기 코팅층은 Ti, Cr, Mo 및 이들의 혼합된 혼합물 중 선택되는 어느 하나로 형성될 수 있다.

상기 알루미늄 바디부를 상기 목표 온도로 지속시켜 상기 알루미늄 바디부의 표면에 형성된 산화막을 제거하는 지속단계에 있어서, 상기 목표 온도는 450℃ 내지 550℃로 유지하고, 환원성이 강한 수소의 플라즈마 상태를 유지하여 상기 알루미늄 부디부의 표면에 형성된 산화막을 환원시킬 수 있다.

상기 산화막이 제거된 알루미늄 바디부를 350℃ 내지 400℃에서 8시간 내지 12시간동안 질화시켜 상기 알루미늄 바디부의 표면 상에 제1 하지층을 형성하는 단계에 있어서, 상기 챔버의 가스 분위기는 수소와 질소의 비율을 3:7 내지 1:9의 분위기에서 상기 제1 하지층을 형성할 수 있다.

상기 산화막이 제거된 알루미늄 바디부를 350℃ 내지 400℃에서 8시간 내지 12시간동안 질화시켜 상기 알루미늄 바디부의 표면 상에 제1 하지층을 형성하는 단계에 있어서, 상기 알루미늄 바디부의 표면에 형성된 산화막 제거를 위해서 300℃ 내지 420℃ 실시할 수 있다.

90℃ 내지 200℃에서 유지시켜 상기 제1 하지층 상에 제2 하지층 및 코팅층을 형성하는 단계는, 상기 제1 하지층이 형성된 알루미늄 바디부를 예열하는 단계, 상기 예열된 알루미늄 바디부를 전처리하여 상기 제1 하지층 상에 제2 하지층을 형성하는 단계, 상기 제2 하지층의 표면 상에 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 전처리하여 제2 하지층을 형성하는 단계에 있어서, 상기 제1 하지층 상의 고농도 질화층 상에 질화타이타늄층을 형성하고, 상기 질화타이타늄층 상에 메탈 소재인 타이타늄층을 형성할 수 있다.

상기 제2 하지층의 표면 상에 코팅층을 형성하는 단계에 있어서, 상기 전처리 온도를 유지하고, 상기 코팅층은 상기 타이타늄층 상에 몰리브덴(Mo) 금속을 제공하여 Ti/Mo로 형성된 제1 코팅층을 형성하고, 상기 제1 코팅층 상에 크롬(Cr) 금속을 제공하여 Mo/Cr으로 형성된 제2 코팅층을 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 알루미늄 금형은 알루미늄 바디부의 표면에 제1 하지층 및 제2 하지층을 형성하고 상기 하지층들 상에 기계적 강도가 우수하고 화학적으로 안정성을 갖는 코팅층을 형성함으로써 가공제품에 대해서 밀착성 및 이형성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형을 촬상한 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형의 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형의 제조방법의 공정을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형의 질소 함량별XRD 그래프이다.
도 6은 도 5의 실시예 2에 따른 온도별 XRD 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형의 제2 하지층 및 코팅층을 형성하기 위한 공정 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형 제조방법의 조건을 케이스별로 도시한 테이블이다.
도 9는 도 8의 케이스별 실험 결과를 도시한 테이블이다.
도 10은 도 9의 i)케이스 및 j) 케이스의 밀착력 테스트의 결과를 도시한 그래프 및 SEM을 촬상한 사진이다.
도 11은 도 9의 K)케이스 및 l) 케이스의 XRD 그래프이다.
도 12는 도 9의 K)케이스 및 l) 케이스의 접촉각을 촬상한 사진이다.
도 13은 도 9의 K)케이스 및 l) 케이스에 대해 칼로 테스트(Calo test)를 한 후 그 표면을 촬상한 사진이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형을 촬상한 사진이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형(10)은 알루미늄 바디부(100), 제1 하지층(110), 제2 하지층(200) 및 코팅층(300)을 포함한다.

알루미늄 바디부(100)는 알루미늄 합금 원소 중 Eco-Mg(Mg+Al₂Ca)으로 대체한 합금원소로 적용한 Eco-Al합금, 히드로 날륨으로 일컬어지는 Al-Mg계의 알루미늄 합금 주물로서 내식성이 뛰어난 재료인 AC7A등을 포함한 재료를 사용할 수 있으나, 이에 한정하는 아니다.

제1 하지층(110)은 상기 알루미늄 바디부(100)의 표면에 배치될 수 있다. 제1하지층(110)은 알루미늄 바디부(100)와 화학적으로 반응성이 우수한 질화물로 형성할 수 있다.

구체적으로, 제1 하지층(110)은 질화알루미늄층(112) 및 고농도 질화층(115)을 포함할 수 있다. 알루미늄 바디부(100)는 산소와 결합이 용이한 금속일 수 있다. 이 때문에 산화층이 용이하게 형성될 수 있다. 상기한 산화층은 알루미늄의 특성을 저하시키는 역할을 할 수 있다. 따라서 상기한 산화층을 제거하여 알루미늄의 고유의 특성을 확보하고, 알루미늄 표면에 산화층 형성을 방지하기 위해 질화층(110)을 알루미늄 바디부(100) 상에 형성할 수 있다.

또한, 상기 제1 하지층(110) 및 제2 하지층(200)은 알루미늄 바디부(100)에 대해 상기 코팅층(300)이 접착이 용이하도록 접착성(adhersion)을 향상시킬 수 있다.

제2 하지층(200)은 제1 하지층(110)과 화학적 반응이 우수한 타이타늄 재료를 사용할 수 있다. 제1 하지층(110) 및 제2하지층(200)은 상기 코팅층(300)과 열팽창 계수가 유사한 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

예를 들면, 제2 하지층(200)은 제1 하지층(110)의 고농도 질화물층(120) 상에 형성되는 질화타이타늄층(210)과, 질화타이타늄층(210) 상에 형성되는 타이타늄층(220)을 포함할 수 있다.

여기서 제1 하지층(110) 및 제2 하지층(200)은 상기 코팅층(300)과 열팽창 계수가 유사한 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

제1 하지층(110) 및 제2 하지층(200)은 10nm 내지 100nm범위로 형성될 수 있다.

상기 코팅층(300)은 제2 하지층(200) 상에 배치될 수 있다. 상기 코팅층(300)은 상기 코팅층(300)에 접촉하여 가공되는 대상물에 대해서 우수한 기계적 강도 및 피로강도, 높은 충격강도, 고온 및 열적 안정성 화학적 안정성 중 적어도 어느 하나의 특성을 갖는 금속재질을 사용할 수 있다.

코팅층(300)은 상기 제2 하지층(220)에 접촉배치되는 제1 코팅층(350)과 제1 코팅층(350) 상에 배치되는 제2 코팅층(360)을 포함할 수 있다.

예를 들면 제1 코팅층(350)은 제2 하지층(200)의 타이타늄층(220) 상에 배치되는 Ti/Mo의 합금으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 제2 코팅층(360)은 Mo/Cr의 합금으로 형성될 수 있다. 이와 같이 형성된 코팅층(300)은 2um 내지 6um범위로 형성될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 금형은 알루미늄 바디부(100)의 표면에 제1 하지층(110) 및 제2 하지층(200)을 형성하고 상기 하지층들(110, 200) 상에 기계적 강도가 우수하고 화학적으로 안정성을 갖는 코팅층(300)을 형성함으로써 가공제품에 대해서 밀착성 및 이형성을 향상시킬 수 있다.

도 3는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형의 제조방법을 도시한 순서도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형의 제조방법의 공정을 도시한 그래프이다.

여기서 중복 설명을 회피하고 용이한 설명을 위해 도 3 및 도 4는 도 1 및 도 2를 인용하기로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형(10)의 제조방법은 상기 알루미늄 바디부를 챔버에 넣고 목표 온도로 승온시키는 히팅 단계(S100), 상기 알루미늄 바디부를 상기 목표 온도로 지속시켜 상기 알루미늄 바디부의 표면에 형성된 산화막을 제거하는 지속단계(S200), 상기 산화막이 제거된 알루미늄 바디부를 350℃ 내지 400℃에서 8시간 내지 12시간동안 질화시켜 상기 알루미늄 바디부의 표면 상에 제1 하지층을 형성하는 단계(S300), 90℃ 내지 200℃에서 유지시켜 상기 제1 하지층 상에 제2 하지층 및 코팅층을 형성하는 단계(S400), 상기 제2 하지층 및 상기 코팅층이 형성된 상기 알루미늄 바디부를 냉각시키는 냉각 단계(S500)을 포함한다.

상기 알루미늄 바디부(100)를 목표 온도로 승온시키는 히팅 단계(S100)를 수행한다.

여기서 상기 목표 온도는 제1 내지 5 목표온도로 각각 구획할 수 있다. 여기서 목표 온도와 최종 목표온도인 제5 목표온도는 동일한 온도일 수 있다.

상기 구획된 목표온도는 알루미늄 바디부(100)가 받을 수 있는 열 충격의 피해를 최소화시킬 수 있다. 다시 말해, 급격한 온도로 상승을 시키면 알루미늄 바디부(100)는 열충격으로 인해 균열 등이 발생할 수 있기 때문에 상기 제1 내지 5 목표 온도로 구획하여 단계별로 승온시킬 수 있다.

여기서 제1 목표온도는 100℃로 정하고 상승온도는 분당 4℃ 20분 동안 승온시킬 수 있다. 그리고 상기 알루미늄 바디부가 열충격을 견딜 수 있도록 상기 제1 목표온도인 100℃에서 30시간 동안 유지시켰다.

그리고 제2 목표온도는 200℃로 정하고, 제3 목표온도는 300℃로 정하고 제4 목표온도는 400℃로 정하였고 분당 상온 온도 및 유지 시간을 동일하게 수행할 수 있다.

여기서 제2 내지 4 목표온도의 승온 온도 및 유지시간은 상기와 같이 동일하게 수행할 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니고, 알루미늄 바디부(100)의 재료에 따라 다양하게 수행할 수 있다.

그리고 상기 제1 내지 제5 목표온도 각각에서 유지시간 안에 방출분광법(OES, Optical Emission Spectroscopy) 시스템을 사용하여 알루미늄 바디부(100)를 상태를 측정하였다.

다음으로, 상기 알루미늄 바디부(100)를 상기 목표 온도로 지속시켜 상기 알루미늄 바디부의 표면에 형성된 산화막을 제거하는 지속단계(S200)를 실시한다. 여기서 상기 지속단계에서는 알루미늄 바디부(100)의 표면에 형성된 산화막이 제거될 수 있다.

여기서 목표온도는 450℃ 내지 550℃이고, 도면에서는 500℃에서 30내지 1시간동안 상기 알루미늄 바디부(100)를 유지시켜 알루미늄 바디부(100)의 표면에 형성된 산화막을 제거시킬 수 있다. 상기 산화막은 환원성이 강한 수소의 플라즈마 상태를 유지하여 알루미늄 부디부(100)의 표면에 형성된 산화막을 환원시킬 수 있다.

그리고, 상기 산화막이 제거된 알루미늄 바디부(100)를 350℃ 내지 400℃에서 8시간 내지 12시간동안 질화시켜 상기 알루미늄 바디부의 표면 상에 제1 하지층(110)을 형성하는 단계(S300)를 실시한다.

여기서 용이한 이해를 위해 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형의 질소 함량별 XRD 그래프이고, 도 6은 도 5의 실시예 2에 따른 온도별 XRD 그래프이다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형의 제조방법은 고에너지 플라즈마 상태를 분석하여 상기 산화막이 제거됨을 알 수 있다.

상기 제1 하지층(110)이 상기 알루미늄 바디부 표면 상에 형성되는 정도를 살펴보기 위해 챔버의 가스 분위기를 조절하였다.

여기서 실시예 1은 가스 분위기로 수소를 100% 주입하였고, 실시예 2는 가스분위로 수소와 질소의 비율을 9:1 그리고, 실시예3은 수소와 질소의 비율을 8:2 그리고 수소의 비율을 점진적으로 줄이고 질소의 비율을 점진적으로 증가시켜 실시예10은 수소와 질소의 비율을 1:9로 주입하여 상기 알루미늄 바디부(100) 표면 상에 형성되는 제1 하지층(110)을 관찰하였다.

실시예 1의 경우, 수소 가스만 100% 주입되어 알루미늄 바디부(100)의 표면 상에 산화막이 제거되어 알루미늄 고유의 피크인 알파(α) 상의 피크의 세기가 강하게 형성되는 것을 볼 수 있다. 다시 말해 알루미늄 바디부(100)의 표면 상에 산화막이 제거됨을 확인할 수 있다.

그리고 실시예 2 내지 10에서는 상기 알파 상의 피크의 세기가 점진적으로 작아지는 것을 볼 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 하지층(110)은 알루미늄 바디부(100)의 표면 상에 질화알루미늄층(112)과 고농도 질화층(115)으로 형성될 수 있다.

그리고 실시예10에서는 상기한 알파 상에 거의 관찰되지 않는 것으로 미루어 판단하면, 알루미늄 바디부(100)의 표면 상에 제1하지층(110)의 고농도질화층(115)이 형성되어 알루미늄 바디부(100)의 고유의 피크의 알파 상이 관찰되지 않는 것으로 판단할 수 있다.

다시 말해, 제1 하지층(110)은 질소 농도가 높을수록 알루미늄 바디부(110)의 표면 상에 제1 하지층(110)의 형성이 용이함을 알 수 있다. 그리고 실시예 1 내지 7은 제1 하지층(110)의 질화알루미늄층(112)으로 인해 알파 상의 피크 강도가 작게 형성됨을 볼 수 있다. 다시 말해, 실시예 1 내지 7은 제1 하지층(110)의 질화알루미늄층(112) 상에 고농도 질화층(115)이 균일하게 형성되지 않은 것으로 판단할 수 있다.

반면, 실시예 8 내지 실시예 10에서는 제1 하지층(110)의 고농도 질화층(115)으로 인해 알파 상의 피크 강도가 거의 형성되지 않음을 볼 수 있다. 다시 말해, 제1 하지층(110)의 질화알루미늄층(112) 상에 고농도 질화층(115)이 균일하게 형성된 것으로 판단할 수 있다.

이를 통해, 제1 하지층(110)이 알루미늄 바디부(110)의 표면 상에 제1 하지층(110)의 고농도 질화층(115)의 코팅이 균일하게 형성되었음을 확인할 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형의 제조방법은 제1 하지층(110)을 형성하는 단계(S300)에 있어서, 수소와 질소의 비율은 3:7 내지 1:9의 분위기에서 제1 하지층(11)을 형성하는 것이 바람직한 것으로 판단할 수 있다.

다시 도 6을 참조하면, 도 6에서는 도 5에서의 실시예 2의 경우에서 온도별로 산화막 제거됨을 확인하기 위해 XRD를 측정하였다.

먼저, 실시예 2의 경우에 제1 온도에서의 알루미늄 바디부(100)에 알파 상이 측정되지 않고 있는 것을 볼 수 있다. 여기서 제1 온도는 100℃ 내지 120℃도이다.

온도가 낮음으로 인해 알루미늄 바디부(100)의 표면에 형성된 산화막이 제거되지 않고 남아 있어 상기 산화막으로 인해 알파 상의 피크 강도가 약해 관찰되지 않는 것으로 판단된다.

그리고 제2 온도 200℃ 내지 250℃에서는 알파상이 관찰되나, 알파상의 피크 세기가 약한 것으로 미루어 판단할 경우, 알루미늄 바디부(100)의 표면의 일부에 산화막이 제거된 것으로 판단할 수 있다.

그리고 제3 온도는 300℃ 내지 320℃이고, 상기한 온도에서는 알루미늄 바디부(100)의 표면의 일부에 산화막이 제거되어 알파상의 피크 세기가 제2 온도에서 보다 강하게 나오는 것을 볼 수 있다.

그리고 제4 온도는 350℃ 내지 420℃이고, 상기한 온도에서는 알루미늄 바디부(100)의 표면의 일부에 산화막이 제거되어 알파상의 피크 세기가 제1 내지 3 온도보다 강하게 나오는 것을 볼 수 있다.

상기 제3 온도 및 제4 온도에서의 알파상의 피크 강도로 판단하면, 온도가 상승함에 따라 알루미늄의 고유의 피크인 알파 상의 피크 세기가 강하게 측정됨을 볼 수 있다. 즉, 알파상의 피크가 강하게 형성됨으로 판단하면, 알루미늄 바디부(100)의 표면 상에 형성된 산화막을 제거하는 산화막제거율이 온도가 상승함에 따라 증가하는 것으로 판단할 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형의 제조방법은 제1 하지층(110)을 형성하는 단계(S300)에 있어서, 알루미늄 바디부(100)의 표면에 형성된 산화막 제거를 위해서 300℃ 내지 420℃ 실시하는 것이 바람직할 수 있다. 다시 말해, 300℃ 미만인 경우는 산화막이 충분히 제거되지 않아 본 발명에 따른 알루미늄 금형의 특성을 구현하기 곤란할 수 있고, 420℃ 초과인 경우는 과도한 에너지 제공으로 인해 제조 비용이 증가할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형의 제조방법은 알루미늄 바디부의 표면에 제1 하지층(110)을 형성하고 상기 제1하지층(110) 상에 기계적 강도가 우수하고 화학적으로 안정성을 갖는 코팅층(300)을 형성함으로써 가공제품에 대해서 밀착성 및 이형성을 향상시킬 수 있다.

다음으로 90℃ 내지 200℃에서 유지시켜 상기 제1 하지층 상에 제2 하지층 및 코팅층을 형성하는 단계(S400)를 실시한다.

여기서 용이한 설명을 위해 도 7을 도시하여 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형의 제2 하지층 및 코팅층을 형성하기 위한 공정 그래프이다.

도 7을 참조하면, 제2 하지층(200) 및 코팅층(300)을 형성하는 단계는, 상기 제1하지층(110)이 형성된 알루미늄 바디부(100)를 예열하는 단계, 상기 예열된 알루미늄 바디부(100)를 전치리하여 상기 제1 하지층(110) 상에 제2하지층(200)을 형성하는 단계, 상기 제2하지층(200)의 표면 상에 코팅층(300)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서 제2하지층(200) 및 코팅층(300)은 PVD(Physical Vapor Deposition)를 실시하여 형성될 수 있다.

상기 예열 단계는 챔버의 분위기는 1내지 4 10^-5torr로 설정하고, 알루미늄 바디부(100)를 예열할 수 있다. 여기서 예열 온도는 350℃ 내지 400℃로 설정할 수 있다.

그리고 상기 예열된 알루미늄 바디부(100)를 전처리하여 상기 제1 하지층(110) 상에 제2 하지층(200)을 형성할 수 있다.

여기서 전처리하여 제2 하지층(200)을 형성하는 단계에서 제1 하지층(110) 상의 고농도 질화층(115) 상에 질화타이타늄층(210)을 형성하고 상기 질화타이타늄층(210) 상에 메탈 소재인 타이타늄층(220)을 형성할 수 있다.

그리고 전처리 온도를 유지하고 상기 제2 하지층(200) 상에 코팅층(300)을 형성할 수 있다.

코팅층(300)은 상기 타이타늄층(220) 상에 몰리브덴(Mo) 금속을 제공하여 Ti/Mo로 형성된 제1 코팅층(350)을 형성할 수 있다. 그리고 상기 제1 코팅층(350) 상에 크롬(Cr) 금속을 제공하여 Mo/Cr으로 형성된 제2코팅층(360)을 형성할 수 있다.

상기 제2 하지층 및 상기 코팅층이 형성된 상기 알루미늄 바디부를 냉각시키는 냉각 단계(S500)를 실시한다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형의 제조방법은 알루미늄 바디부(100)의 표면에 제1 하지층(110) 및 제2 하지층(200)을 형성하고 상기 하지층들(110, 200) 상에 기계적 강도가 우수하고 화학적으로 안정성을 갖는 코팅층(300)을 형성함으로써 가공제품에 대해서 밀착성 및 이형성을 향상시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형 제조방법의 조건을 케이스별로 도시한 테이블이고, 도 9는 도 8의 케이스별 실험 결과를 도시한 테이블이다.

여기서 도 8 및 도 9는 중복 설명을 회피하고 용이한 설명을 위해 도 1 내지 도 7을 인용하여 설명하기로 한다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형을 형성하기 위해 제조 조건으로 초기 진공도를 1x10^-5 내지 4x10^-5torr 범위에 진공도를 형성하였고, 예열 온도는 380℃로 설정하였다.

전처리 공정 또한, 제1 하지층(110)과 제2 하지층(200)을 형성하기 위한 진공도, 온도 및 시간을 상이하게 설정하였다. 여기서 가스 분위기 또한 테이블에 도시된 바와 같은 조건으로 설정하였다.

코팅조건 또한 코팅층(300)을 형성하기 위한 진공도 및 온도, 분위기 가스 코팅 시간을 테이블에 도시된 바와 같이 설정하여 코팅층(300)을 관찰하였다.

실험 결과인 도 9를 참조하면, 케이스 5에서 표면 경도 및 내부경도가 가장 우수한 것을 측정되었다. 도한 조도가 높게 측정된 것으로 판단하면, 케이스 5에서 밀착력이 우수할 것으로 예상할 수 있다.

도 10은 도 9의 i)케이스 및 j) 케이스의 밀착력 테스트의 결과를 도시한 그래프 및 SEM을 촬상한 사진이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형은 케이스 5의 i)케이스 및 j) 케이스에서 경도가 각각 1257HV, 1258HV로 측정되었다. 또한 밀착력은 3.6N으로 측정되었다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형(10)의 제조방법은 알루미늄 바디부(100)의 표면에 제1 하지층(110) 및 제2 하지층(200)을 형성하고 상기 하지층들(110, 200) 상에 기계적 강도가 우수하고 화학적으로 안정성을 갖는 코팅층(300)을 형성함으로써 가공제품에 대해서 밀착성을 향상시킬 수 있다.

도 11은 도 9의 K)케이스 및 l) 케이스의 XRD 그래프이고, 도 12는 도 9의 K)케이스 및 l) 케이스의 접촉각을 촬상한 사진이고, 도 13은 도 9의 K)케이스 및 l) 케이스에 대해 칼로 테스트(Calo test)를 한 후 그 표면을 촬상한 사진이다.

도 11 내지 도 13을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형은 케이스들 중에서 케이스 6의 K)케이스 및 l) 케이스에서 XTD 분석 결과 피크의 세기가 가장 우수한 것으로 나타났다.

그리고, 이들 케이스 6의 K)케이스 및 l) 케이스의 접촉각을 측정한 결과, 각각 66.7도, 76.5로 측정되었다.

이는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형()의 밀착력 및 이형성을 판단할 경우, 다른 케이들과 비교하여 가장 밀착성 및 이형성이 우수한 것으로 판단된다.

그리고 도 13을 참조하면, 칼로 테스트(Calo test)는 본 발명의 실시예에 다른 알루미늄 금형(10)을 수직으로 구형의 볼에 다이아몬드 페이스트를 묻여서 회전시키면서 갈아내 코팅층(300)의 두께를 기하학적으로 계산하는 방법입니다. 여기서 흰색띠로 보이는 것이 코팅층(300)이며, 상기한 코팅층(300)이 양호하게 형성되었을 확인 할 수 있다. 다시 말해, 상기 흰색띠가 보이지 않거나 얇은 두께로 보이는 경우는, 코팅층(300)이 불균일하게나 충분한 두께로 형성되지 않기 때문으로 판단할 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 금형의 제조방법은 알루미늄 바디부(100)의 표면에 제1 하지층(110) 및 제2 하지층(200)을 형성하고 상기 하지층들(110, 200) 상에 기계적 강도가 우수하고 화학적으로 안정성을 갖는 코팅층(300)을 형성함으로써 가공제품에 대해서 밀착성 및 이형성을 향상시킬 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 알루미늄 금형의
100: 알루미늄 바디부
110: 제1 하지층
112: 질화알루미늄층
115: 고농도 질화층
200: 제2 하지층
210: 질화타이타늄층
220: 타이타늄층
300: 코팅층
350: 제1 코팅층
360: 제2 코팅층

Claims

알루미늄 바디부;
상기 알루미늄 바디부의 표면에 형성되는 제1하지층;
상기 제1 하지층 상에 배치되며, 일부에 메탈재질로 형성되는 제2하지층; 및
상기 제2 하지층 상에 배치되는 코팅층: 을 포함하고,
상기 코팅층은 Ti, Cr, Mo 및 이들의 혼합된 혼합물 중 선택되는 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형.
제 1항에 있어서,
상기 제1 하지층은
질화알루미늄층, 고농도 질화층을 포함하는 질화물으로 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형.
제 1항에 있어서,
상기 제1 하지층 및 제2 하지층은 상기 알루미늄 바디부의 표면과 상기 코팅층과의 접착력을 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형.
제 1항에 있어서,
상기 제1 하지층 및 제2 하지층은 상기 코팅층과 열팽창계수가 유사한 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형.
제 1항에 있어서,
상기 제2 하지층은 질화타이타늄층과, 상기 질화타이타늄층 상에 형성되는 타이타늄층으로 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형.
제 1항에 있어서,
상기 제1 하지층 및 상기 제2 하지층은 10nm 내지 100nm범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형.
제 1항에 있어서,
상기 코팅층은 상기 제2 하지층 상에 배치되며,
상기 제2 하지층에 접촉배치되는 제1 코팅층과,
상기 제1 코팅층 상에 배치되는 제2 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형.
제 7항에 있어서,
상기 제1 코팅층은 Ti/Mo의 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형.
제 7항에 있어서,
상기 제2 코팅층은 Mo/Cr의 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형.
제 1항에 있어서,
상기 코팅층은,
상기 코팅층에 접촉하여 가공되는 대상물에 대해서 기계적 강도 및 피로강도, 높은 충격강도, 고온 열적 안정성 및 화학적 안정성 중 적어도 어느 하나의 특성을 갖는 금속재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형.
제 1항에 있어서,
상기 코팅층은 2um 내지 6um범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형.
상기 알루미늄 바디부를 챔버에 넣고 목표 온도로 승온시키는 히팅 단계;
상기 알루미늄 바디부를 상기 목표 온도로 지속시켜 상기 알루미늄 바디부의 표면에 형성된 산화막을 제거하는 지속단계;
상기 산화막이 제거된 알루미늄 바디부를 350℃ 내지 400℃에서 8시간 내지 12시간동안 질화시켜 상기 알루미늄 바디부의 표면 상에 제1 하지층을 형성하는 단계;
90℃ 내지 200℃에서 유지시켜 상기 제1 하지층 상에 제2 하지층 및 코팅층을 형성하는 단계; 및
상기 제2 하지층 및 상기 코팅층이 형성된 상기 알루미늄 바디부를 냉각시키는 냉각 단계; 를 포함하고,
상기 제2 하지층 및 상기 코팅층을 형성하는 단계에 있어서,
상기 제2 하지층 및 상기 코팅층은 Ti, Cr, Mo 및 이들의 혼합된 혼합물 중 선택되는 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형의 제조방법.
제 12항에 있어서,
상기 알루미늄 바디부를 상기 목표 온도로 지속시켜 상기 알루미늄 바디부의 표면에 형성된 산화막을 제거하는 지속단계에 있어서,
상기 목표 온도는 450℃ 내지 550℃로 유지하고, 환원성이 강한 수소의 플라즈마 상태를 유지하여 상기 알루미늄 부디부의 표면에 형성된 산화막을 환원시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형의 제조방법.
제 12항에 있어서,
상기 산화막이 제거된 알루미늄 바디부를 350℃ 내지 400℃에서 8시간 내지 12시간동안 질화시켜 상기 알루미늄 바디부의 표면 상에 제1 하지층을 형성하는 단계에 있어서,
상기 챔버의 가스 분위기는 수소와 질소의 비율을 3:7 내지 1:9의 분위기에서 상기 제1 하지층을 형성하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형의 제조방법.
제 12항에 있어서,
상기 산화막이 제거된 알루미늄 바디부를 350℃ 내지 400℃에서 8시간 내지 12시간동안 질화시켜 상기 알루미늄 바디부의 표면 상에 제1 하지층을 형성하는 단계에 있어서,
상기 알루미늄 바디부의 표면에 형성된 산화막 제거를 위해서 300℃ 내지 420℃ 실시하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형의 제조방법.
제 12항에 있어서,
90℃ 내지 200℃에서 유지시켜 상기 제1 하지층 상에 제2 하지층 및 코팅층을 형성하는 단계는,
상기 제1하지층이 형성된 알루미늄 바디부를 예열하는 단계,
상기 예열된 알루미늄 바디부를 전처리하여 상기 제1 하지층 상에 제2하지층을 형성하는 단계,
상기 제2하지층의 표면 상에 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형의 제조방법.
제 16항에 있어서,
상기 전처리하여 제2 하지층을 형성하는 단계에 있어서,
상기 제1 하지층 상의 고농도 질화층 상에 질화타이타늄층을 형성하고, 상기 질화타이타늄층 상에 메탈 소재인 타이타늄층을 형성하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형의 제조방법.
제 17항에 있어서,
상기 제2하지층의 표면 상에 코팅층을 형성하는 단계에 있어서,
상기 전처리 온도를 유지하고,
상기 코팅층은 상기 타이타늄층 상에 몰리브덴(Mo) 금속을 제공하여 Ti/Mo로 형성된 제1 코팅층을 형성하고,
상기 제1 코팅층 상에 크롬(Cr) 금속을 제공하여 Mo/Cr으로 형성된 제2코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 금형의 제조방법.