KR20230136691A

KR20230136691A - 금형 성형면의 표면 재료의 사용 방법 및 성형면에 표면 처리가 실시된 금형의 사용 방법

Info

Publication number: KR20230136691A
Application number: KR1020237031743A
Authority: KR
Inventors: 미야사카요시오
Original assignee: 가부시키가이샤 후지키한
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2023-09-26
Also published as: WO2019234951A1; EP3804936A1; CN112203820A; JP6649991B2; US11745393B2; TWI711720B; JP2019209643A; EP3804936A4; TW202000991A; KR20210018472A; US20220347893A1; US20210138692A1; US11858177B2

Abstract

분체 등의 분사라는 비교적 간단한 방법으로 금형 표면에 고경화 및 내식성 향상, 이형성의 향상을 얻을 수 있는 금형 성형면의 표면 재료 및 상기 표면 재료를 얻기 위한 표면 처리 방법 을 제공한다. 금속 또는 금속을 포함하는 재질로 만들고 성형시에 성형면이 50 ℃ 이상이되는 금형의, 적어도 상기 성형면에 상기 금형의 표면 경도와 동등 이상의 경도를 갖는 #220 (JIS R6001-1973) 이하의 크기의 대략 구형 샷을 분사 압력 0.2MPa 이상으로 분사 충돌시켜 충돌부에 국부적이고 순간적인 온도 상승을 야기하는 순간 열처리하여 상기 성형면의 표면 조직을 미세화 함과 동시에, 상기 성형면의 표면 전체에 매끄러운 원호 모양의 구덩이를 다수 형성한 다음 #100 (JIS R6001-1973) 이하의 크기의 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어진 분말을 분사 압력 0.2MPa 이상으로 분사하여 상기 성형면의 표면에 산화 티타늄 피막을 형성한다.

Description

금형 성형면의 표면 재료의 사용 방법 및 성형면에 표면 처리가 실시된 금형의 사용 방법{METHOD FOR USING SURFACE MATERIAL OF MOLD MOLDING SURFACE AND METHOD FOR USING MOLD HAVING MOLDING SURFACE TREATED}

본 발명은 금형 성형면의 표면 재료의 사용 방법 및 성형면에 표면 처리가 실시된 금형의 사용 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 내마모성, 내식성 및 이형성의 향상을 목적으로 한 금형 성형면의 표면 재료의 사용 방법 및 성형면에 표면 처리가 실시된 금형의 사용 방법에 관한 것이다.

수지 성형용 금형 등은 금형의 수명을 증대시키기 위해 성형 재료와 접촉하는 금형의 성형면의 내마모성의 향상 등을 목적으로 성형면을 고강도화 하는 것이 수행되고 있다.

특히, 성형품의 강도를 향상시킬 목적으로 유리나 세라믹, 금속 등의 분말이나 섬유 등으로 이루어지는 필러를 40 ~ 50 %로 높은 배합으로 첨가한 수지 재료를 성형하는 금형에서는 필러와의 접촉에 의해 금형의 성형면은 더욱 마모가 쉬워진다. 따라서, 내마모성 부여 등을 목적으로 한 고강도화의 요구는 더욱 높아지고 있다.

또한, 수지 성형용 금형에서 고온으로 가열된 수지에서 방출된 부식성 가스와의 접촉이나 부식성 물질의 부착 등에 의해 금형의 성형면은 부식되기 쉬워, 부식의 발생에 의해 금형 표면의 평활성이 손실되면 이형성 저하 및 부식으로 생긴 구멍(공식)의 전사에 따른 성형 불량, 금형 표면에 박혀있는 먼지의 성형품에 혼입 등 성형 불량 등이 발생한다.

따라서, 금형의 성형면, 특히 합성수지 나 고무 등의 부식성 가스나 부식성의 부착물이 발생할 성형 재료의 성형을 할 금형의 성형면은 전술한 내마모성 외에 내식성이 높은 것도 요구되고 있다.

이러한 문제 중 내식성에 관해서는, 고 내식성 스테인리스를 사용한 금형의 제작도 진행되고 있지만, 고 내식성 스테인리스를 사용해서 부식의 발생을 완전히 방지할 수는 없으며, 또한 금형 성형면의 표면 재료 내지 처리 방법으로는 내식성의 개선은 기대할 수 있지만, 높은 경도에 의한 내마모성의 향상을 동시에 얻을 수 없다.

고경도화에 의한 내마모성 향상과 내식성 향상을 동시에 얻고자 하는 경우, 금형 성형면의 표면을 경질하고, 한편 내식성이 높은 재료로 이루어진 피막으로 코팅하는 것이 일반적으로 행해지고 있으며, 성형면의 표면에 니켈 도금 및 크롬 도금 등의 각종 도금을 실시하거나 또는 PVD, CVD에 의한 세라믹 코팅, DLC (다이아몬드 라이크 카본) 코팅 등을 실시하는 것으로, 내마모성과 내식성을 향상시키는 것도 행해지고 있다.

또한, 이와 같은 코팅에 앞서 모재의 표면에 각종 열처리 및 질화 처리를 병용함으로써 보다 높은 경도화를 도모하는 것도 행해지고 있다.

또한, 금형의 부식 전반을 방지하는 것은 아니지만, 부식에 따라 발생할 수 있는 응력 부식 균열의 발생을 방지하는 방법으로 피닝에 의한 표면 처리가 알려져있다.

즉, 응력 부식 균열이 발생하는 원인 중 하나에 인장 응력의 존재가 있고, 금형의 표면에 쇼트 피닝을 실시함으로써 인장 응력을 개방함과 동시에 압축 잔류 응력을 부여하는 것으로, 응력 부식 균열의 발생이 억제된다.

또한, 금형에 대한 표면 처리를 규정한 것은 아니지만, 출원인은 내식성 금속의 내식성의 향상을 목적으로, 스테인레스 등의 기재 표면에, 기재와 동등 이상의 경도를 갖는 분체를 분사 속도 50m / sec 이상, 또는 분사 압력 0.29MPa 이상으로 분사하여 상기 기재 표면의 금속 조직을 고강도, 고경화하여 1μm 이하의 입자 크기의 미세 결정층을 형성하고, 미세 결정층이 형성된 기재 표면에 티타늄 또는 티타늄 합금 분말 및 귀금속 분말을 혼합한 분사 분말을 분사 속도 80m / sec 이상, 또는 분사 압력 0.29MPa 이상으로 분사하여 이루어진 기재의 표면에 형성된 상기 귀금속 및 / 또는 귀금속 산화물을 담지한 산화 티타늄 피막을 형성하는 것을 요지로 하는 고 내식성 금속에 대해 이미 실용 신안 등록 출원을 하고 등록을 받았다(특허문헌 1의 청구항 1 등).

일본실용신안등록 제3150048호(2009.4.30.)

이상에서 설명한 금형 성형면의 표면 재료 및 상기 표면 재료를 얻기 위한 표면 처리 방법 중 각종 도금 및 PVD, CVD에 의한 코팅으로 금형의 모재 표면을 코팅하는 방법으로는 경질 피막에서 모재 표면을 덮는 것으로 표면 경도를 상승시킬 수 있다. 따라서, 내마모성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 모재의 표면이 덮여 부식을 일으키는 산소나 물, 부식성 가스 등과의 접촉이 끊어짐으로써 내식성도 향상시킬 수 있다.

그러나, 금형 표면의 코팅에 의한 내식성과 내마모성 향상은 코팅을 위한 제조 공정이 증가함으로써 금형의 제조 비용이 증가하고, 특히 DLC 코팅은 고가이기 때문에 비용 상승 폭이 커진다.

또한, 코팅막의 형성으로 금형의 치수가 변화하기 때문에, 코팅막의 형성을 고려한 치수로 모재를 가공해야 하는 동시에, 성막시의 막 두께 관리도 엄격하게 할 필요가 있으며 정밀 가공이나 성막이 필요하다.

게다가, 코팅막의 형성으로 내마모성과 내식성을 부여하는 경우, 코팅막의 손상(균열, 박리 등)에 의해 내마모성과 내식성의 효과는 모두 손실된다.

또한, 전술한 표면 처리 방법 중 피닝 금형의 표면에 압축 잔류 응력을 부여함으로써 응력 부식 균열을 방지하는 방법으로는 효과가 있지만, 부식 자체를 방지 할 수 있는 것이 아니기 때문에 입계 부식 등의 부식의 발생을 방지할 수 있는 것은 아니다.

또한, 특허 문헌 1로 소개한 표면 처리 방법으로는, 전술한 미세 결정층의 형성에 의해 기재 표면에 고경도화를 도모할 수 있음과 동시에, 미세 결정층에 귀금속 및 / 또는 귀금속 산화물을 담지한 산화 티타늄 피막을 형성하여 부착 강도 높은 산화 티타늄 피막을 형성할 수 있으며, 산화 티타늄 피막이 갖는 광촉매 작용에 의해 발휘되는 환원능을 통해 기재의 산화가 적극적으로 방지됨으로써, 높은 내식성 능력을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 분체 또는 입자체의 분사라고 하는 비교적 간단한 처리로 고경도화 및 내식성 향상이라는 효과를 동시에 얻을 수 있는 것으로되어 있다.

그러나, 특허 문헌 1에 기재된 방법에 의한 내식성의 향상은 "태양광 (낮)"의 조사 하에서 실험을 실시하고 있는 것에서도 알 수 있듯이 (특허 문헌 1의 [0088]), 광촉매 작용에 의해 발휘되는 환원능을 이용하여 내식성 향상을 얻고자 하는 것이기 때문에, 금형의 성형면처럼 빛이 차단된 상태에서 사용되는 금속 제품에 적용했을 경우, 광촉매 작용에 의해 발휘되는 내식성의 효과가 손실될 것으로 예상된다.

따라서, 본 발명은 위의 특허 문헌 1에 기재된 발명과 마찬가지로, 분체 등의 분사라고 하는 비교적 간단한 방법으로 금형 표면에 고경도화 및 내식성 향상을 얻을 수 있음과 동시에, 이형성에 대해서도 향상시킬 수 있는 금형 성형면의 표면 재료 및 상기 표면 재료를 얻기 위한 표면 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 금형 성형면의 표면 재료의 사용 방법에 있어서, 금형 성형면의 표면 재료는, 금속 또는 금속을 포함하는 재질로 만들어진 금형의, 적어도 상기 성형면의 표면 조직이 미세화되어 있음과 동시에, 상기 성형면의 표면 전체에, 볼록부 없는 원호 모양의 오목부를 다수 가지며, 상기 성형면의 표면에 산화티타늄 피막이 형성되어 있고, 상기 산화티타늄 피막은, 상기 성형면의 표면 부근에서 산소와의 결합량이 많고, 상기 표면으로부터 상기 금형의 내부로 들어감에 따라 산소와의 결합량이 점차 감소하는 경사 구조를 구비하고, 금형 성형면의 표면 재료의 사용시에 50℃ 이상으로 가열 또는 가온함과 함께, 상기 금형 성형면에 광을 조사하지 않는 것을 특징으로 한다(청구항 1).

상기 금속은, 스테인리스강, 탄소공구강, 합금공구강, 고속공구강, 소결 금속, Cu-Be 합금 또는 비철 금속 합금인 것이 바람직하다 (청구항 2).

상기 금형은 식품, 열가소성 수지, 열경화성 수지 또는 천연 고무 또는 합성 고무의 성형에 사용되는 금형인 것이 바람직하다 (청구항 3,6).

상기 금형은 성형시 용융된 수지 등과의 접촉 또는 금형 자체의 가열에 의해, 상기 성형면이 100 내지 400 ℃가 되는 수지 성형용 금형인 것이 바람직하다 (청구항 4,7).

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 성형면에 표면 처리가 실시된 금형의 사용 방법에 있어서, 상기 표면 처리는 금속 또는 금속을 포함하는 재질로 이루어지는 금형의 적어도 상기 성형면에, 상기 금형의 표면 경도와 동등 이상의 경도를 갖는 번호의 수치가 #220(JIS R6001-1973) 이상의 크기의 구형 샷을, 분사 압력 0.2MPa 이상으로 분사하여 충돌시켜 충돌부에 국부적이고 순간적인 온도 상승을 일으키는 순간 열처리를 실시하여 상기 성형면의 표면 조직을 미세화 함과 함께, 상기 성형면의 표면 전체에, 매끄러운 원호 모양의 오목부를 다수 형성하는 공정과, 상기 순간 열처리가 실시된 상기 성형면에 대하여, 번호의 수치가 #100(JIS R6001-1973) 이상의 크기의 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어지는 분말을 분사 압력 0.2MPa 이상으로 분사하여, 상기 성형면의 표면에, 상기 성형면의 표면 부근에서 산소와의 결합량이 많고, 상기 표면으로부터 상기 금형의 내부로 들어감에 따라 산소와의 결합량이 점차 감소하는 경사 구조를 구비하고, 상기 성형시에 광의 조사를 받지 않은 상태에서 광촉매로서의 기능을 발휘하는 산화티타늄의 피막을 형성하는 공정을 포함하며, 상기 표면 처리가 실시된 상기 금형의 사용시에, 상기 금형의 상기 성형면을 50℃ 이상으로 가열 또는 가온함과 함께, 상기 금형의 상기 성형면에 광을 조사하지 않는 것을 특징으로 한다(청구항 5).

상기 순간 열처리 전의 상기 금형의 적어도 상기 성형면에, 번호의 수치가 #220(JIS R6001-1973) 이상의 크기의 탄화물 분말을 0.2MPa 이상의 분사 압력으로 분사하여, 상기 탄화물 분말 중의 탄소 원소를 상기 금형의 표면에 확산시키는 전처리 공정을 행하는 것이 바람직하다(청구항 8).

상기 전처리 공정에서 분사하는 탄화물 분말이 탄화 규소의 분말인 것이 바람직하다(청구항 9).

이상에서 설명한 본 발명의 금형 성형면의 표면 재료 및 상기 표면 재료를 얻기 위한 표면 처리 방법에 의하면, 종래 손연마 등의 방법에 의해 경면 가공 된 금형의 성형면을 블라스트 처리라고 하는 비교적 간단한 방법으로 처리함으로써 성형면의 경도와 내마모성을 향상시킬 수있을뿐만 아니라 방오 효과 및 내식성도 향상시킬 수 있다.

그 결과, 본 발명의 금형 성형면의 표면 재료 및 상기 표면 재료를 얻기위한 방법으로 처리한 금형은 전술한 손연마나 손연마 후에 도금이나 PVD, CVD에 의한 피막의 형성을 할 경우에 비해 쉽게 금형의 표면 처리를 할 수 금형을 짧은 기간에 저렴하게 제조할 수있다. 또한, 높은 경도에 의한 내마모성의 향상 및 내식성의 향상에 의해 금형의 수명이 연장되는 동시에, 성형시 불량률을 줄일 수 있기 때문에, 성형품의 제조 비용을 크게 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 금형 성형면의 표면 재료 및 상기 표면 재료를 얻기위한 방법으로 표면 처리를 실시한 금형에 있어서, 전술한 내식성 및 방오 효과는 금형의 성형면에 형성한 산화 티타늄 피막이 광촉매로서의 기능을 발휘함으로써 초래된 효과라고 생각된다. 그러나 성형 재료의 성형시에 빛의 조사를 받지 않는 금형의 성형면에 있어서 산화 티타늄 피막의 형성이 내식성 및 방오 효과를 발휘한다는 결과가 얻어진 것은 예상할 수없는 효과였다.

따라서, 성형시에 빛의 조사를 받지 않는 금형의 성형면의 내식성 및 방오 효과를 얻은 원인은 반드시 명확하지 않지만, 성형시 금형의 성형면이 가열 또는 가온 되는 것으로, 이 열에 의해 촉매가 활성화하여 산화물의 환원 작용과 유기물의 분해에 의한 부식성 가스 나 부착물의 분해, 친수성이 발휘되는 것에 의한 방오 등으로 내식성 개선 및 오염 방지 등의 효과가 초래된 것으로 생각된다.

따라서, 본 발명의 금형 성형면의 표면 재료 및 상기 표면 재료를 얻기위한 처리 방법에 따라 처리하는 금형을 성형시에 성형면이 50 ℃ 이상이 되는 금형으로하는 것, 특히 성형시 성형면의 온도가 예를 들어 100 ~ 400 ℃가 되는 수지 성형용 금형에 적용하여 내식성의 향상이나 먼지의 부착 방지를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 금형 성형면의 표면 재료 내지 그 표면 처리 방법을 열가소성 수지 및 고무의 성형용 금형에 적용하는 경우에는 환원능에 의한 내식성 향상 외에, 가열 상태의 성형 재료가 발하는 부식성 가스 나 부착물의 분해에 의한 내식성의 향상을 얻을 수 있음과 동시에, 악취도 분해하여 이를 저감하므로써 작업 환경도 개선 할 수 있다.

또한, 순간 열처리 전의 금형의 성형면에 소정의 탄화물 분말, 예를 들어 탄화 규소 (SiC) 분말을 분사하는 전처리 공정을 실시하는 경우에는, 탄화물 분말의 탄소 금형 표면에 확산 침투시키는 것으로, 성형면의 표면 부근의 경도를 더욱 향상시킬 수 있으며, 더욱 내마모성 등의 향상을 얻을 수 있다.

도 1은 캐스 시험 후의 시험편 (미처리)의 표면 상태를 촬영한 사진이다.
도 2는 캐스 시험 후의 시험편 (실시예)의 표면 상태를 촬영한 사진이다.

이하에서, 본 발명의 금형 성형면의 표면 재료 및 해당 표면 재료를 얻기 위한 금형 성형면의 표면 처리 방법을 설명한다.

[처리 대상 : 금형의 성형면]

본 발명의 표면 처리 방법은 금형의 성형면을 적어도 처리 대상으로 하는 것으로, 본 발명의 표면 처리 방법은 금형의 성형면에만 실행하는 것도 좋고, 성형면을 포함하는 금형 전체에 대해 실행하는 것도 좋다.

처리 대상으로 하는 금형의 용도는 특별히 한정되지 않고, 성형시 금형의 성형면이 50 ℃ 이상이 되는 용도로 사용되는 금형이면, 식품의 성형, 열가소성 수지, 열경화성 수지의 성형, 고무 성형 등의 다양한 용도로 사용하는 금형을 대상으로 할 수 있다. 그러나, 성형시 용융된 수지 등과의 접촉에 의해 또는 금형 자체를 가열하여 성형면이 100 ~ 400 ℃ 가까운 온도가 되는 수지 성형용 금형에 대한 적용이 특히 바람직하다.

처리 대상으로 하는 금형의 재질은 부식이 발생할 수 있는 금속을 포함하는 것이면 특별히 한정되지 않고, 예를 들어, 스테인리스 (SUS 재) 탄소 공구강 (SK 재료), 합금 공구강 (SKS, SKD, SKT 재료) 등의 일반적으로 금형에 사용되는 각종 강재는 모두 본 발명의 처리 대상이고 또한 고속 공구강 (SKH 재) 등의 강재의 다른 초경 합금 등의 소결 금속 Cu-Be 합금, 기타 비철 금속 합금 금형 등 각종 재질의 금형을 대상으로 할 수 있다.

또한, 금형은 그 모두가 금속 재료에 의해 형성되어 있을 필요는 없고, 다른 성분, 예를 들면 세라믹 등을 일부 포함하는 것이라도 좋다.

[표면 처리]

이상에서 설명한 금형의 적어도 성형면의 표면에 대해 다음에 설명하는 본 발명의 표면 처리를 실시한다.

[전처리 공정]

본 공정 (전처리 공정)은 필요에 따라 할 공정이며, 금형의 용도 등에 따라서는 반드시 할 필요는 없고, 본 발명의 필수 공정이 아니다.

본 공정에서는, 금형의 표면에 탄화물 분말을 건식 분사하여, 금형 제조시의 방전 가공이나 절삭 가공에 의해 금형 표면에 생긴 방전 경화층과 연화층의 제거 및 절삭, 연삭 및 연마 가공시 발생한 방향성을 가진 가공 흔 (절단 흔적, 연마 흔적 도구 마크 등)을 제거하는 등의 방법으로 표면을 조정함과 동시에, 탄화물 분말의 탄소 원소를 금형의 표면에 확산 침투시켜 상온에서의 침탄을 실시한다.

사용하는 탄화물 분말로는, 예를 들어 B4C, SiC (SiC (α)), TiC, VC, 그라파이트, 다이아몬드 등의 탄화물 분말을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 SiC, 보다 바람직하게는 SiC (α) 를 사용한다.

사용하는 탄화물 분말은 방전 경화층과 연화층의 제거, 방향성을 가진 가공 흔 제거를 목적으로 할 경우에는, 높은 절삭력이 발휘되도록, 일례로 소성한 탄화물계 세라믹을 분쇄 후에 체로 분류하여 얻은 다각형의 분말을 사용하여 실시하는 것이 바람직하며, 이러한 절단을 목적으로 하지 않는 경우, 탄화물 분말의 형상은 특별히 한정되지 않고, 구형 등의 각종 형상의 것을 사용할 수있다.

사용하는 분말의 크기는, 탄소 원소의 확산 침투를 얻는 데 필요한 분사 속도를 얻기 위해, #220 (JIS R6001-1973) (105μm 이하 ~ 44μm) 이하의 크기의 것, 바람직하게는 #240 (JIS R6001-1973) (평균 직경의 평균 87.5μm ~ 73.5μm) 이하의 크기의 이른바 '미분'을 사용한다.

이러한 탄화물 분말을 피처리 제품에 분사하는 방법으로는, 건식 분말을 분사 가능하면 알려진 각종 블라스트 장비를 사용할 수 있고 분사 속도 및 분사 압력 조정이 비교적 쉽기 때문에 에어식 블라스트 장비의 사용이 바람직하다.

이 에어식 블라스트 가공 장비로는, 직압식, 흡입식의 중력식 또는 다른 블라스트 장치 등 다양한 것이 있는데, 이 중 어느 것을 사용하여도 좋고, 분사 압력 0.2MPa 이상에서 건식 분사할 수 있는 성능을 갖춘 것이면 특히 그 형식 등은 한정되지 않는다.

이상과 같은 탄화물 분말을 전술한 블라스트 장치에 의해 성형 재료와 접촉하는 부분의 금형 표면에 고속으로 건식 분사하면 방전 가공이나 절삭 가공에 의한 금형의 제조시에 생긴 방전 경화층과 연화층, 방향성을 가진 가공 흔 등이 제거되어 금형의 표면이 무 방향으로 조정된다.

또한, 탄화물 분말의 금형 표면으로의 충돌에 의해 탄화물 분말이 충돌한 부분의 금형 표면에 국부적으로 온도 상승이 일어남과 동시에 탄화물 분말도 가열되어 열분해하여, 탄화물 분말의 탄화물 중의 탄소 원소가 금형의 표면에 확산 침투하여, 이 부분의 탄소량이 증가하고 전처리 공정을 수행한 후 금형 표면의 경도를 크게 상승시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 전처리는 블라스트 처리에 의해 탄화물 분말을 피처리 제품에 충돌시켰을 때의 탄화물 분말의 온도 상승에 의한 가열 분해와 그 분해에 의해 생성된 탄화물 분말 중의 탄소 원소의 피처리 제품으로의 확산 침투에 의해, 침탄 처리를 하는 것이다.

이 방법에 의한 전처리에 의하면, 금형에 대한 탄소 원소의 확산 침투는 그 최 표면 부근에서 가장 현저하게 증가하는 탄소량도 많고, 그리고, 피처리 제품의 내부를 향해 상기 확산에 의해 증가하는 탄소량, 따라서, 그 깊이의 탄소량이 피 처리 완제품 표면에서 깊어지는 것에 따라 점차 감소하여 일정한 깊이에서 탄소량이 미처리 상태로까지 감소하는 경사 구조가 된다.

또한, 상기 탄화물 분말이 피처리 제품에 충돌 할 때 탄화물 분말과 피처리 제품이 부분적으로 온도 상승하지만, 이 온도 상승은 국부적이고 순간적인 것이어서, 침탄 용광로에서 금형 전체를 가열하는 일반적인 침탄 처리에서와 같은 열처리에 의한 피처리 제품의 왜곡과 상변태 등이 생기는 것도 없고, 또한 미세한 탄화물이 생성되기 때문에 밀착 강도가 높고 침탄 이상층도 생기지 않는다.

[순간 열처리 공정]

본 공정 (순간 열처리 공정)은 처리 대상으로 하는 금형의 적어도 성형면 (전술한 전처리 공정이 수행되는 경우에는 전처리 공정 후 금형의 성형면)에 대해 구상 분체를 건식 분사하여, 금형 표면에 무수한 원호 형상의 미세한 구덩이를 형성하여 이형성의 향상을 얻을 수 있는 표면 형상으로 가공함과 동시에, 성형면의 표면 근처의 조직을 미세화하여 한층 더 표면 경도의 향상을 실시한다.

사용하는 구형 분말로는 처리 대상으로 하는 금형의 경도와 동등 이상의 경도를 갖는 것이면 특별히 재질은 한정되지 않으며, 예를 들면 각종 금속제의 것 외 다른 세라믹스제의 것을 사용할 수 있고, 전술한 탄화물 분말과 같은 재질의 것 (탄화물)을 사용할 수도있다.

구형 분말은 전술한 바와 같이 금형의 표면에 무수한 원호 형상의 미세한 오목부를 형성할 수 있도록 구형의 것을 사용한다.

또한, 본 발명에서 "구형"은 엄격하게 "공"임을 필요로 하지 않고 모서리가없는 공에 가까운 형상도 포함한다.

이러한 구형 분말은, 금속계 재료의 것에 대해서는 아토마이즈 법에 의해, 세라믹 계의 것에 대해서는 파쇄 후 용융함으로써 얻을 수 있다. 사용하는 분말의 입경으로는 충돌에 의해 금형 표면을 소성 변형시켜 반원 형상의 오목 (딤플)을 형성하는 데 필요한 분사 속도를 얻기 위해, #220 (JIS R6001-1973) (105μm 이하 ~ 44μm) 이하의 크기의 것, 바람직하게는 #240 (JIS R6001-1973) (평균 직경의 평균 87.5μm ~ 73.5μm) 이하의 크기의 "미분"를 사용한다.

또한, 이러한 구형 분말을 금형의 표면에 분사하는 방법으로는 전처리 공정의 설명 중에서 탄화물 분말의 분사 방법으로 설명했던 것과 같이, 건식 분사가 가능하면 알려진 각종 블라스트 장비를 사용할 수 있고 분사 압력 0.2MPa 이상으로 분사할 수 있는 성능을 갖춘 것이면 특히 그 형식 등은 한정되지 않는다.

이상과 같은 구형 분말을 금형의 성형면의 표면에 분사하면 이 구형 분말의 충돌에 의해 구형 분말과의 충돌 부분에서 금형 표면이 소성 변형을 일으킨다.

그 결과, 다각형의 탄화물 분말을 사용한 전처리 공정이 수행된 경우에도, 이 탄화물 분말과의 충돌에 의한 절삭에 의해 금형 표면에 형성된 날카로운 형상의 봉우리로 구성된 요철이 발생하는 경우에도, 이 날카로운 봉우리가 부서져 금형의 표면 전체에 무수한 부드러운 원호 형상의 구덩이 (딤플)가 무작위로 형성 됨으로써 표면 거칠기가 개선된다.

또한, 딤플의 형성에 의해 성형시에는 딤플 내에 공기나 이형제가 침투하여, 성형 재료와 금형의 성형면과의 접촉 면적이 감소하는 등의 방법으로 이형성을 향상시키는 표면이 형성 된다.

또한, 구형 분말과의 충돌시 발생하는 발열에 의해 충돌부에서 국부적인 가열 및 냉각이 순간적으로 발생하며, 순간 열처리가 이루어지는 동시에, 원호 형상의 구덩이가 형성되었을 때의 소성 변형에 의해 금형의 표면이 미세 결정화하여 가공 경화를 일으켜, 전처리 공정 후의 상태에 비교하여 금형의 표면 경도가 더욱 향상되고, 게다가, 표면이 소성 변형하여 압축 잔류 응력이 부여됨으로써, 금형의 피로 강도 등에 대해서도 개선되는 소위 "피닝"에 의해 얻을 수있는 효과도 동시에 부여되는 것으로 생각된다.

[티타늄 분말의 분사]

전술한 바와 같이 순간 열처리한 후 금형의 적어도 성형면에 대해서는, 또한, 티타늄 또는 티타늄 합금 분말 (이하 통칭하여 "티타늄 분말"이라한다)을 분사하여 금형의 성형면의 표면에 산화 티타늄 피막을 형성한다.

이러한 티타늄 분말로는, #100 (JIS R6001-1973) (210μm 이하 ~ 74μm) 이하의 크기의 것이면 그 형상은 특별히 한정되지 않고, 구형, 다각형 등의 다양한 형상 의 것이 사용 가능하다.

또한, 산화 티타늄의 촉매 기능을 촉진하는 효과가 있는 귀금속 (Au, Ag, Pt, Pd, Ru 등) 분말을 상기 티타늄 분말에 중량비로 약 0.1 ~ 10 %의 범위에서 혼합하여 분사하는 것도 좋다.

또한, 이하의 설명에서는 특히 귀금속 분말과 티타늄 분말을 나누어 설명하지 않는 경우, 귀금속이 혼입된 티타늄 분말을 포함하여 티타늄 분말로 총칭한다.

이와 같이, 귀금속 분말을 혼합한 티타늄 분말을 분사하는 경우, 양 분말의 입경은 반드시 동일 직경일 필요는 없고 티타늄 분말 및 귀금속 분말로 다른 입경의 것을 사용하여도 좋다.

특히, 티타늄 분말에 비해 귀금속 분말은 비중이 크기 때문에 티타늄 분말에 비해 귀금속 분말의 입경을 작게하여 두 분말의 개별 중량을 가까이 함으로써, 두 분말의 분사 속도 등이 대략 동일하게 되도록 조정하는 것도 좋다.

이상에서 설명한 티타늄 분말을 금형의 표면에 분사하는 방법으로는 전처리 공정 및 순간 열처리 공정의 설명 중에서 탄화물 분말과 구형 샷 분사 방법으로 설명했던 것과 같이, 건식 분사가 가능한 것이면 알려진 각종 블라스트 장비를 사용할 수 있고, 분사 압력 0.2MPa 이상으로 분사 할 수 있는 성능을 갖춘 것이면 특히 그 형식 등은 한정되지 않는다.

이상에서 설명한 티타늄 분말을 순간 열처리 공정에서 미세 결정화 된 표면을 갖는 금형의 성형면에 분사하여 충돌 시키면 티타늄 분말의 속도는 이 충돌 전후로 변화하여, 감속한 속도분의 에너지는 충돌 부분을 국부적으로 가열하는 열에너지가 된다.

이 열에너지에 의해 분사 분말을 구성하는 티타늄 분말이 기재 표면에서 가열되기 때문에 티타늄이 기재 표면에 활성화 흡착하여 확산 침투한다. 이때 압축 기체 중의 산소와 대기 중의 산소와 반응하여 티타늄의 표면이 산화되고 분사 분말의 배합량에 대응하여 산화 티타늄 (TiO2) 피막이 형성된다.

산화 티타늄 피막의 두께는 약 0.5μm 정도이며, 순간 열처리에 의해 금형의 성형면 표면에 형성된 미세화된 표면 조직에 활성화 흡착하고 있어, 기재 표면에서 내부로 약 5μm의 깊이에 티타늄 (귀금속 분말을 포함하는 경우에는 티타늄 및 귀금속)이 확산 침투하고 있다.

또한, 이렇게 하여 형성되는 산화 티타늄 피막은 충돌시의 발열에 의해 압축 기체와 대기 중의 산소와 반응하여 산화한 것이기 때문에, 가장 고온이 되는 표면 부근에서 산소와의 결합량이 많고 표면에서 내부로 들어감에 따라 산소와의 결합 량이 점차 감소하는 경사 구조를 구비한다.

[실시 예]

이하에 시험예 1 ~ 4로 각종 금형에 본 발명의 표면 처리 방법을 적용한 예를 나타냄과 동시에, 시험예 5로 본 발명의 표면 처리를 실시한 시험편에 대해, 내식성 평가 시험을 실시한 결과를 나타낸다.

[시험예 1] 푸딩용 금형

(1) 처리 조건

푸딩 (식품)의 성형에 사용하는 스테인리스 (SUS304) 재질의 금형의 성형면을 포함한 전면에 아래의 표 1에 나타낸 조건에서 순간 열처리 및 티타늄 분말의 분사를 실시한 금형 (실시예 1)과 순간 열처리만을 실시한 금형 (비교예 1)을 각각 작성했다.

푸딩용 금형 (SUS304) 의 처리조건
푸딩용 금형 성형품		SUS304 (HV380) (φ50㎜×높이30㎜×두께1㎜) 푸딩 (식품)
		순간열처리	티타늄 분말의 분사
블라스트 장치		중력식 [(주)不二製作所悌製「SGF-4A」]
투사재	재질	알루미나실리카비즈 (경질비즈FHB)	순 티타늄 [住友時칙스(주) 「TIROP-150」]
	입도	#400 (직경 53㎛ - 38㎛)	#100이하 (직경 150㎛ - 45㎛)
분사압력		0.4MPa	0.5MPa
노즐구경		φ9㎜ 롱	φ9㎜ 롱
분사거리		200㎜	150㎜
분사시간		전면 30초 × 6방향	전면 30초 × 6방향

(2) 시험 방법 및 시험 결과

실시예 1의 금형 (순간 열처리 + 티타늄 분말 분사)와 비교예 1의 금형 (순간 열처리 만)를 각각 사용하여 푸딩을 연속적으로 제조 하였다.

상기 푸딩으로서, 푸딩액을 넣은 금형을 오븐에 넣고 가열하는 이른바 '구운 푸딩」을 제조 하였다.

오븐에 의한 가열로 금형에 충전한 푸딩액을 금형에서 응고시켜 푸딩을 성형 한 후, 금형보다 완성된 푸딩을 꺼내는 작업을 지속적으로 실시하여 이형성의 악화에 따른 금형 교환 시점을 '수명'으로 평가함과 동시에, 금형의 성형면의 얼룩과 이형성을 평가했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

또한, 푸딩 제조시 (성형시)의 금형 성형면의 온도 (최대 값)는 오븐의 온도 인 180 ℃로 상승하고 있다.

푸딩용 금형의 시험결과
	표면거칠기(Ra)	수명	얼룩,이형성
비교예1	0.3㎛	10,000 시간	먼지, 이형성 악화
실험예1	0.2㎛	20,000 시간	먼지가 부착하지 않고 이형성도 좋음

(3) 고찰 등

처리되지 않은 푸딩 금형 (프레스 성형 후 버프 연마 한 것)은 이형성이 나쁘고, 5,000 시간에서 교환을 필요로 하고 있었지만, 이 처리되지 않은 제품과의 비교는 실시예 1의 금형 뿐만 아니라, 비교예 1의 금형도 대폭적인 수명의 연장을 얻을 수 있음과 동시에, 먼지가 부착하기 어렵고, 또한 좋은 이형성을 나타내는 것으로 확인되었다.

또한, 처리되지 않은 제품은 경도 HV380 잔류 응력 - 190MPa였던 것이, 상기 순간 열처리를 행한 비교예 1의 금형에서는 표면 경도 580HV 잔류 응력 - 1080MPa로 향상함과 동시에, 스테인리스 염화 제2철 부식 시험 방법 (JIS G0578 : 2000)에 의한 시험에서도 구멍 부식의 발생을 크게 줄일 수 있는 것으로 확인되고 있다.

그러나, 순간 열처리만을 실시한 비교예 1의 금형은 10,000 시간을 초과하면 먼지의 부착이 눈에 띄게 되고, 이형성도 악화되어 교환이 필요하게 되었다.

이에 대해, 순간 열처리 및 티타늄 분말의 분사를 모두 한 실시예 1의 금형은 10,000 시간 이상을 초과해도 먼지의 부착이나 이형성 저하는 확인되지 않고 수명을 20,000 시간까지 늘릴 수 있었다.

이상의 결과로부터, 실시예 1의 금형에서는 티탄 분말의 분사에 의해 표면에 산화 티타늄 피막이 형성되어 있는 것으로, 상기의 효과를 얻을 수 있다고 말할 수 있어, 본 발명의 금형 성형면의 표면 재료 내지 그 처리 방법으로 형성된 산화 티타늄 피막은 푸딩액이 충전된 상태, 그래서 빛의 조사를 받지 않은 상태에서도 오염의 분해 및 친수성의 발휘에 따른 오염의 부착 방지하는 광촉매로서의 기능을 발휘하고 있는 것으로 생각된다.

이와 같이, 빛의 조사를 받지 않는 환경에서 산화 티타늄이 광촉매로서의 기능을 발휘하는 이유는 반드시 명확하지 않지만, 공업적으로 생산되는 산화 티타늄은 고온으로 가열하면 산소를 잃고, 백색에서 검은색으로 변화하고, 이런 흑색을 띤 것은 반도체의 성질을 나타낸다. 즉, 산소의 결합이 결핍한 상태가 되면 반도체로서의 성질을 나타낸다.

본 발명에서는 금형의 표면에 형성되는 산화 티타늄 피막은 전술한 바와 같이, 금형의 표면 부근에서 산소와의 결합량이 가장 많은 표면에서 내부로 들어감에 따라 산소와의 결합량이 점차 감소하는 경사 구조를 갖춘 것으로 되어 있기 때문에, 내부에 존재하는 산화 티타늄은 산소와의 결합이 부족하여 반도체로서의 성질을 가지는 것으로 되어 있는 것으로 생각된다.

따라서, 가열 하에서 사용하여, 열자극에 의해 전하 이동이 생겨, 전하 이동형 산화 환원 효력 촉매 (본 명세서에서 "반도체 촉매"라한다) 역할을 하게 된 것으로 생각된다.

일반적으로, 반도체 촉매는 전자 공여 원소와 전자 수용 원소를 도핑하는 등 특수한 구조를 가진 촉매로 할 필요가 있고, 티타늄 분말의 분사는 비교적 간단한 방법으로 얻어진 산화 티타늄 피막에 의해 열에 의해 촉매 작용을 발휘하는 효과가 얻어진 것은 예상을 뛰어 넘는 효과이다. 또한, 이와 같이 본 발명의 금형 성형면의 표면 재료 내지 그 처리 방법으로 처리된 푸딩 금형에서는, 전술한 바와 같이 빛이 조사되지 않은 환경에서도 촉매로서의 작용이 발휘되고 있는 것, 뒤의 [시험예 5]와 같이 50 ℃의 가열에서의 사용에 의해 촉매로서의 기능을 발휘하기 때문에 본 발명의 방법으로 표면 처리 된 금형을 전술한 구운 푸딩 제조 대신에 젤라틴이 첨가된 약 50 ~ 60 ℃의 푸딩액을 금형 내에서 냉각 · 응고시켜 제조하는 젤라틴 푸딩의 제조에 사용하는 경우에도 얼룩 부착 방지 및 이형성 향상, 수명 연장 등의 효과가 동일하게 얻을 수 있으리라 생각된다.

[시험예 2] TPU 성형용 금형

(1) 처리 조건

열가소성 폴리 우레탄 엘라스토머 (TPU)의 성형에 사용하는 프리하든 강제의 금형의 성형면에 아래의 표 3에 나타낸 조건에서 전처리, 순간 열처리 및 티타늄 분말의 분사를 실시한 금형 (실시예 2)과 전처리 및 순간 열처리만을 실시한 금형 (비교예 2)을 각각 작성했다.

열가소성 폴리 우레탄 엘라스토머 성형용 금형의 처리조건
금형 성형품		프리하든강(대동특수강제 「NAK55」:HV400) (500㎜×500㎜×20㎜) 열가소성 폴리 우레탄 엘라스토머
		전처리	순간열처리	티타늄 분말의 분사
블라스트 장치		중력식 [(주)不二製作所悌製「SGF-4A」]
투사재	재질	SiC	하이스	순 티타늄 [住友時칙스(주) 「TIROP-150」]
	입도	#220 (직경 105㎛이하 - 44㎛)	#300 (직경 74㎛ - 37㎛)	#100이하 (직경 150㎛ - 45㎛)
분사압력		0.3MPa	0.4MPa	0.5MPa
노즐구경		φ9㎜	φ9㎜ 롱	φ9㎜ 롱
분사거리		100-150㎜	100-150㎜	100-150㎜
분사시간		약 5분	약 5분	약 10분

(2) 시험 방법 및 시험 결과

실시예 2의 금형 (전처리 + 순간 열처리 + 티타늄 분말 분사)와 비교예 2의 금형 (전처리 및 순간 열처리 만)를 각각 사용하여 열가소성 폴리 우레탄 엘라스토머의 성형을 했다.

성형은 50 ℃로 가열한 금형 내에서 220 ℃로 가열한 열가소성 폴리 우레탄 엘라스토머를 충전하여 성형하는 동시에, 성형 후 수지를 금형에서 꺼내는 작업을 지속적으로 실시하여 이형성의 악화에 따른 금형의 교체 시점을 '수명'으로 평가 함과 동시에, 금형 성형면의 얼룩과 이형성을 평가했다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.

수지용 금형의 시험결과
	표면거칠기(Ra)	수명	얼룩,이형성
비교예2	0.3㎛	40만샷	먼지의 부착이 적고, 이형불량이 적음
실험예2	0.3㎛	70만샷	먼지가 부착하지 않고, 이형불량이 없음.

(3) 고찰 등

전처리와 순간 열처리를 행한 비교예 2의 금형에서도 먼지의 부착이나 이형 불량은 적은 것이었으나, 전처리 및 순간 열처리 기능에 추가 티타늄 분말의 분사를 실시한 실시예 2의 금형은 먼지의 부착이나 이형 불량이 전혀 생기지 않는 것으로 되어 있었다.

그 결과, 실시예 2의 금형의 수명도 비교예 2의 금형에 비해 비약적으로 향상되고 있다.

이상의 결과로부터, 실시예 2의 금형에서는 티탄 분말의 분사에 의해 표면에 산화 티타늄 피막이 형성되어 있는 것으로, 상기의 효과를 얻을 수 있다고 말할 수 있어, 본 발명의 금형 성형면의 표면 재료 내지 그 처리 방법으로 형성된 산화 티타늄 코팅은 빛의 조사를 받지 않는 상태에서 사용되는 금형의 성형면에서도 오염의 분해 및 친수성의 발휘에 따른 먼지의 부착 방지 라는 광촉매 또는 반도체 촉매로서의 기능을 발휘하고 있는 것으로 생각된다.

[시험 예 3] 유리 섬유 강화 PPS 성형용 금형

(1) 처리 조건

중량비로 40 %의 유리 섬유를 포함하는 폴리 페닐렌 설파이드 (PPS)의 성형에 사용하는 프리하든 강제의 금형의 성형면에 아래의 표 5에 나타낸 조건에서 전처리, 순간 열처리 및 티타늄 분말의 분사를 실시한 금형 (실시예 3)와 전처리 및 순간 열처리만을 실시한 금형 (비교예 3)를 각각 작성했다.

유리 섬유 강화 PPS 성형용 금형의 처리조건
금형 성형품		프리하든강(「STAVAX」:HV560) (250㎜×250㎜×50㎜) PPS (40% 유리 섬유 포함)
		전처리	순간열처리	티타늄 분말의 분사
블라스트 장치		미분용 [(주)不二製作所悌製「SCF-4A」]		직압식 [(주)不二製作所悌製「FD-4」]
투사재	재질	SiC	하이스	순 티타늄 [住友時칙스(주) 「TIROP-150」]
	입도	#400 (평균경의 평균 44㎛ - 37㎛)	#400 (직경 53㎛ - 30㎛)	#100이하 (직경 150㎛ - 45㎛)
분사압력		0.3MPa	0.5MPa	0.4MPa
노즐구경		φ9㎜	φ9㎜ 롱	φ5㎜ 롱
분사거리		100-150㎜	100-150㎜	150-200㎜
분사시간		약 4분	약 4분	약 6분

(2) 시험 방법 및 시험 결과

실시예 3의 금형 (전처리 + 순간 열처리 + 티타늄 분말 분사)와 비교예 3의 금형 (전처리 및 순간 열처리 만)를 각각 사용하여 중량비로 유리 섬유를 40 % 포함하는 PPS의 성형을 했다.

성형은 150 ℃로 가열 한 금형 내에서 300 ℃로 가열 된 PPS를 충전하여 성형하는 동시에, 성형 후 수지를 금형에서 꺼내는 작업을 지속적으로 실시하여 이형성의 악화에 따른 금형의 교체 시점을 '수명'으로 평가 함과 동시에, 금형 성형면의 얼룩과 이형성을 평가했다. 그 결과를 표 6에 나타낸다.

PPS 성형용 금형의 시험결과
	표면거칠기(Ra)	수명	얼룩,이형성
비교예3	0.3㎛	150만	부식이 발생하고 먼지 부착
실험예3	0.2㎛	300만	부식이 발생하지 않음. 이형성 양호.

(3) 고찰 등

유리 섬유로 강화된 PPS 수지의 성형에 사용하는 금형은 금형의 성형 표면에 고경도 유리 섬유가 접촉하여 성형면은 긁고 쉽게 되어있는 동시에, PPS는 고온에 의해 폴리머 자신이나 올리고머 성분이 분해할 때 유황이나 염소를 포함한 부식성 가스 (산성 가스)를 발생하여 금형의 성형면을 부식시키기 쉽다.

전처리와 순간 열처리를 한 비교예 3의 금형에서도 처리되지 않은 금형에 비해 부식의 발생을 대폭 절감이 가능하며, 먼지의 부착을 크게 감소시킬 수 있는 것으로 되지만, 전처리 및 순간 열처리 기능에 추가하여 티타늄 분말의 분사를 실시한 실시예 3의 금형에서는 부식이 발생하지 않고, 또한 이형성도 양호한 것으로 됨과 동시에 먼지의 부착과 이형 불량이 전혀 발생하지 않는 결과, 실시예 3의 금형에서 비교예 3의 금형에 비해 수명이 2배 증가하고 있다.

이상의 결과로부터, 실시예 3의 금형에서는 티탄 분말의 분사에 의해 표면에 산화 티타늄 피막이 형성되어 있는 것으로, 상기의 효과를 얻을 수 있다고 말할 수 있어, 본 발명의 금형 성형면의 표면 재료 및 그 처리 방법으로 형성된 산화 티타늄 코팅은 빛의 조사를 받지 않는 금형의 성형면에서도 부식의 발생을 방지하고 오염의 분해 및 친수성의 발휘에 따른 오염의 부착을 방지하는 광촉매로서의 기능을 발휘하고 있는 것으로 생각된다.

[시험예 4] 고무 금형

(1) 처리 조건

고무의 성형에 사용하는 프리하든 강 금형의 성형면 아래 표 7에 나타낸 조건에서 전처리 순간 열처리 및 티타늄 분말의 분사를 실시한 금형 (실시 예 4)와 전 처리 및 순간 열처리만을 실시한 금형 (비교 예 4)를 각각 작성했다.

고무 금형의 처리조건
금형 성형품		프리하든강(대동특수강제 「NAK55」:HV400) (450㎜×450㎜×20㎜) 고무
		전처리	순간열처리	티타늄 분말의 분사
블라스트 장치		중력식 [(주)不二製作所悌製「SGF-4A」]		직압식 [(주)不二製作所悌製「FD-4」]
투사재	재질	SiC	하이스	순 티타늄 [住友時칙스(주) 「TIROP-150」]
	입도	#220 (직경 105㎛ 이하 - 44㎛)	#300 (직경 74㎛ - 37㎛)	#100이하 (직경 150㎛ - 45㎛)
분사압력		0.3MPa	0.5MPa	0.4MPa
노즐구경		φ9㎜	φ9㎜ 롱	φ5㎜ 롱
분사거리		100-150㎜	100-150㎜	150-200㎜
분사시간		약 5분	약 5분	약 8분

(2) 시험 방법 및 시험 결과

실시예 4의 금형 (전처리 + 순간 열처리 + 티타늄 분말 분사)와 비교예 4의 금형 (전처리 및 순간 열처리 만)를 각각 사용하여 고무의 성형을 했다.

고무 성형은 150 ℃로 가열 한 금형에 가황 고무를 넣은 후 금형을 닫고 가압하여 경화시켜 (직압 성형), 경화 후의 성형물을 금형에서 꺼내는 작업을 반복하고, 이형성의 악화에 따른 금형의 교체 시점을 '수명'으로 평가 함과 동시에, 금형 성형면의 얼룩과 이형성을 평가했다. 그 결과를 표 8에 나타낸다.

PPS 성형용 금형의 시험결과
	표면거칠기(Ra)	수명	얼룩,이형성
비교예4	0.4㎛	75만	먼지 부착 있음.
실험예4	0.3㎛	100만	먼지 부착 없음. 이형 불량 없음.

전처리와 순간 열처리만을 실시한 비교예 4의 금형에서도 처리되지 않은 금형에 비해 먼지의 부착이나 이형 불량이 크게 감소하고 있지만, 전처리 및 순간 열처리에 추가하여 또한 티타늄 분말의 분사를 실시한 실시예 4의 금형에서는 더욱 먼지의 부착을 감소시킬 수 있었다.

고무 금형은 사용 후 금형의 청소 작업에 많은 노력이 소요되지만, 본 발명의 금형은 사용 후 청소 작업시의 노력을 크게 줄일 수 있는 동시에 100 만 샷의 사용 후에도 먼지의 부착이 없고, 금형의 수명을 획기적으로 증대시킬 수 있었다.

이와 같이, 실시예 4의 금형에서 비교예 4의 금형에 우수한 방오성이 발휘되고 있기 때문에, 실시예 4의 금형에서는 티탄 분말의 분사에 의해 표면에 산화 티타늄 피막이 형성됨으로써, 상기의 효과를 얻을 수 있는 것이라고 말할 수 있어, 본 발명의 금형 성형면의 표면 재료에 형성된 산화 티타늄 피막이 빛의 조사를 받지 않는 상태에서 사용되는 고무 금형의 성형면에서도 오염의 분해 및 친수성의 발휘에 따른 먼지의 부착을 방지하는 광촉매 또는 반도체 촉매로서의 기능이 발휘되는 것으로 생각된다.

[시험예 5] 부식 시험

(1) 시험의 목적

본 발명에 따른 금형 및 그 처리 방법으로 표면 처리한 후 강재 표면이 빛의 조사를 받지 않는 환경에서도 부식 방지 효과를 발휘하는 것을 확인한다.

(2) 시험 방법

SUS304를 용접 (TIG 용접기)하고 인장 잔류 응력을 부여하는 것으로써, 응력 부식 균열의 발생하기 쉬운 시험편을 만들고, 용접한 채 처리되지 않은 시편과 용접 후 본 발명에 따른 금형 및 그 표면 처리 방법 (순간 열처리 + 티타늄 분말의 분사)를 실시한 시험편에 대해 각각 JIS H 8502 : 1999의 「7.3 캐스 시험 방법」에 따라 캐스 시험을 실시했다.

여기서 캐스 시험은, 단순히 염수 분무하여 수행하는 염수 시험과는 달리, 염화 제2 구리와 초산을 가하여 pH3.0 ~ 3.2의 산성으로 조정한 식염수를 분무하여 내식성 시험을 실시하는 것으로, 혹독한 부식 환경 하에서 이루어지는 내식성 시험이다.

또한 카스 시험의 시험 조건을 나타내면 아래 표 9에 나타낸 바와 같다.

캐스시험조건
항목	조정시	시험중
염화나트륨의 농도 g/l	50±5	50±5
염화제2구리(CuCl2·H2O) 농도 g/l	0.26±0.02	-
pH	3.0	3.0 - 3.2
분무량	-	1.5±0.5
시험조내온도 ℃	-	50±2
염수탱크 온도 ℃	-	50±2
공기포화기온도 ℃	-	63±2
압축공기압력 kPa	-	70 - 167

(3) 시험 결과 및 고찰

캐스 시험 후의 시험편의 상태를 도 1 (미처리) 및 도 2 (실시예)에 나타낸다.

도 1과 같이 처리되지 않은 시험편은 표면에 붉은 녹 발생이 확인되었다.

이에 대해, 본 발명에 따른 금형 내지 그 방법으로 표면 처리한 시편은 도 2와 같이 녹 발생을 확인 할 수 없으며, 캐스 시험 전의 청결한 상태를 유지하고 본 발명에 따른 금형의 시편에서는 매우 높은 내식성을 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.

여기에서 쇼트피닝에는, 용접 시험편에 생긴 인장 잔류 압력을 해제하고 압축 잔류 응력을 부여하는 작용이 있는 것으로, 따라서 응력 부식 균열을 방지하는 효과가 있는 것으로 알려져 있지만 부식 (녹)의 발생 자체를 방지하는 것은 아니다.

그렇다면 본 발명의 금형 성형면의 표면 재료의 시험편에서 녹 발생은 티타늄 분말의 분사에 의해 표면에 형성된 산화 티타늄 피막이 광촉매 또는 반도체 촉매로서의 기능 (환원 능력)을 발휘함으로써 얻은 것으로 생각된다.

또한 캐스 시험에서는 시험조 내의 환경을 일정한 상태로 유지하기 위해 뚜껑 달린 시험조를 사용하여 시험이 수행되기 때문에 시험 중 시험편에 대한 빛의 조사는 행해지지 않는다.

한편, 캐스 시험에서는 시험조 내의 온도를 50 ± 2 ℃로 시험이 진행되기 때문에 시험편의 온도도 50 ± 2 ℃로 가온되어 있으며, 이러한 가열된 상태에서 시험을 하는 것으로, 산화 티타늄 피막이 광촉매 또는 반도체 촉매로서의 기능을 발휘한 것으로 보인다.

또한 #400 (직경 53μm ~ 30μm)의 하이스 스틸 샷을 분사 압력 0.5MPa에서 분사하여 순간 열처리를 실시한 비교예의 시험편의 용접부에 가까운 평활부에서는 표면 거칠기가 Ra로 0.3μm, 표면 경도가 처리되지 않은 상태에서 300Hv였던 것이 580Hv로 향상되었다.

한편, 상기 조건에서 순간 열처리한 시편에 대해, 또한 입경 150μm ~ 45μm의 티타늄 분말을 분사 압력 0.4MPa에서 분사한 본 발명의 실시예의 시험편의 용접부에 가까운 평활 부는 표면 거칠기가 Ra에서 0.2μm에 개선되는 한편, 처리 후 표면 경도가 580Hv의 상태로 변화하지 않았다.

여기에서 티타늄의 경도는 300Hv 정도이지만, 티타늄의 산화물인 산화 티타늄 (TiO2)의 경도는 1000Hv에 달하기 때문에, 분사에 사용되는 티타늄 분말의 표면 경도도 산화 피막의 형성에 의해 순간 열처리 후의 시험편의 표면 경도인 580Hv 보다 높은 1000Hv 정도의 경도가 되고 있다.

따라서, 본 발명의 표면 처리 방법은 순간 열처리 후 표면에 티타늄 분말을 분사함으로써, 순간 열처리시 샷과 충돌에 의해 형성된 표면 요철의 돌출부 선단을 눌러 평활화하는 버니싱이 이루어진 것으로 생각된다.

즉, 순간 열처리 후의 시험편의 표면에는 샷의 충돌에 의해 형성된 구덩이 (딤플) 이 형성되어 있을 뿐만 아니라, 형성된 구덩이와 구덩이 사이에 첨예한 돌출부가 형성된 상태 이다.

이에 대해 순간 열처리 후 표면에 또한 티타늄 분말의 분사를 실시하는 것으로, 표면에 형성되어 있던 요철의 볼록 부분이 압착해져 평활화 (버니싱) 된 것으로, 날카로운 돌출부 없는 부드러운 모양의 구덩이로 변화 한 것으로, 전술한 바와 같이 표면 거칠기 Ra의 값을 누른 것으로 생각된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 금형 성형면의 표면 재료는, 순간 열처리로 인한 이형제 및 공기 등이 들어가 성형품의 표면과 금형 표면의 접촉 면적을 감소시키는 구덩이 (딤플) 을 남기면서 성형품을 금형에서 잡아 당길 때 저항이 되는 날카로운 돌출부의 정상 부분을 압착해 평활화한 것으로, 산화 티타늄의 광촉매 또는 반도체 촉매로서의 효과로 인한 오염 방지 및 부식 방지 에 따른 이형성의 향상 뿐만 아니라, 가공 후의 표면 자체도 이형성 향상에 뛰어난 구조로 변경되어 있다.

[시험 결과의 정리]

이상에서 설명한 시험예 1 ~ 5에서 본 발명의 금형의 성형면 (시험예 5에서 시험편의 표면)에 형성된 산화 티타늄 피막은 모두 빛의 조사를 받지 않은 상태에서 시험이 이루어지고 있음에도 불구하고 표면에 형성된 산화 티타늄의 피막이 광촉매 역할을 하고 있음을 나타내는 결과가 얻어졌다.

한편, 상기 시험예 1 ~ 5는 모두 금형의 성형면 (시험예 5에서 시험편의 표면)이 50 ± 2 ℃ 이상의 온도로 가열 또는 가온된 상태에서 시험이 이루어지고 있으며, 그 산화 티타늄 피막의 광촉매 기능을 자극하는 에너지도 존재하지 않기 때문에, 전술한 내식성의 향상과 오염 방지 등의 효과는 산화 티타늄 피막의 형성 부분에 추가된 열에 의해 초래된 것이라고 합리적으로 추정된다.

그리고, 상기 시험예 1 ~ 5에서 적어도 시료가 50 ℃ (± 2 ℃)로 가열 된 상태에서는 광촉매 또는 반도체 촉매로서의 기능 발현이 확인되고 있기 때문에 (시험예 5 참조) 성형시에 성형면이 50 ℃ 이상이 되는 금형 적어도 상기 성형면에 대해 본 발명의 표면 처리를 적용하여 금형 성형면의 경도 상승에 따른 내마모성 향상과 내식성 향상, 이형성 향상의 효과를 동시에 얻을 수 있다.

Claims

금형 성형면의 표면 재료의 사용 방법에 있어서,
금형 성형면의 표면 재료는, 금속 또는 금속을 포함하는 재질로 만들어진 금형의, 적어도 상기 성형면의 표면 조직이 미세화되어 있음과 동시에, 상기 성형면의 표면 전체에, 볼록부 없는 원호 모양의 오목부를 다수 가지며, 상기 성형면의 표면에 산화티타늄 피막이 형성되어 있고,
상기 산화티타늄 피막은, 상기 성형면의 표면 부근에서 산소와의 결합량이 많고, 상기 표면으로부터 상기 금형의 내부로 들어감에 따라 산소와의 결합량이 점차 감소하는 경사 구조를 구비하고,
금형 성형면의 표면 재료의 사용시에 50℃ 이상으로 가열 또는 가온함과 함께, 상기 금형 성형면에 광을 조사하지 않는 것을 특징으로 하는, 금형 성형면의 표면 재료의 사용 방법.
제1항에 있어서,
상기 금속은, 스테인리스강, 탄소공구강, 합금공구강, 고속공구강, 소결 금속, Cu-Be 합금 또는 비철 금속 합금인, 금형 성형면의 표면 재료의 사용 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 금형은 식품, 열가소성 수지, 열경화성 수지 또는 천연 고무 또는 합성 고무의 성형에 사용되는 금형인, 금형 성형면의 표면 재료의 사용 방법.
제1항에 있어서,
상기 금형은 성형시 용융된 수지 등과의 접촉 또는 금형 자체의 가열에 의해, 상기 성형면이 100 내지 400 ℃가 되는 수지 성형용 금형인, 금형 성형면의 표면 재료의 사용 방법.
성형면에 표면 처리가 실시된 금형의 사용 방법에 있어서,
상기 표면 처리는 금속 또는 금속을 포함하는 재질로 이루어지는 금형의 적어도 상기 성형면에, 상기 금형의 표면 경도와 동등 이상의 경도를 갖는 번호의 수치가 #220(JIS R6001-1973) 이상의 크기의 구형 샷을, 분사 압력 0.2MPa 이상으로 분사하여 충돌시켜 충돌부에 국부적이고 순간적인 온도 상승을 일으키는 순간 열처리를 실시하여 상기 성형면의 표면 조직을 미세화 함과 함께, 상기 성형면의 표면 전체에, 매끄러운 원호 모양의 오목부를 다수 형성하는 공정과,
상기 순간 열처리가 실시된 상기 성형면에 대하여, 번호의 수치가 #100(JIS R6001-1973) 이상의 크기의 티타늄 또는 티타늄 합금으로 이루어지는 분말을 분사 압력 0.2MPa 이상으로 분사하여, 상기 성형면의 표면에, 상기 성형면의 표면 부근에서 산소와의 결합량이 많고, 상기 표면으로부터 상기 금형의 내부로 들어감에 따라 산소와의 결합량이 점차 감소하는 경사 구조를 구비하고, 상기 성형시에 광의 조사를 받지 않은 상태에서 광촉매로서의 기능을 발휘하는 산화티타늄의 피막을 형성하는 공정을 포함하며,
상기 표면 처리가 실시된 상기 금형의 사용시에, 상기 금형의 상기 성형면을 50℃ 이상으로 가열 또는 가온함과 함께, 상기 금형의 상기 성형면에 광을 조사하지 않는 것을 특징으로 하는, 성형면에 표면 처리가 실시된 금형의 사용 방법.
제5항에 있어서,
상기 금형은 식품, 열가소성 수지, 열경화성 수지 또는 천연 고무 또는 합성 고무의 성형에 사용되는 금형인, 성형면에 표면 처리가 실시된 금형의 사용 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 금형은, 성형시 용융된 수지 등과의 접촉에 의해, 또는 금형 자체의 가열에 의해, 상기 성형면이 100∼400℃가 되는 수지 성형용 금형인, 성형면에 표면 처리가 실시된 금형의 사용 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 순간 열처리 전의 상기 금형의 적어도 상기 성형면에, 번호의 수치가 #220(JIS R6001-1973) 이상의 크기의 탄화물 분말을 0.2MPa 이상의 분사 압력으로 분사하여, 상기 탄화물 분말 중의 탄소 원소를 상기 금형의 표면에 확산시키는 전처리 공정을 행하는 것을 특징으로 하는, 성형면에 표면 처리가 실시된 금형의 사용 방법.
제8항에 있어서,
상기 전처리 공정에서 분사하는 탄화물 분말이 탄화 규소의 분말인 것을 특징으로 하는, 성형면에 표면 처리가 실시된 금형의 사용 방법.