KR101519709B1

KR101519709B1 - 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법

Info

Publication number: KR101519709B1
Application number: KR1020130023130A
Authority: KR
Inventors: 강철호; 전상환; 김득용; 박가영; 배규열; 이창희
Original assignee: 기아자동차주식회사; 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2015-05-12
Also published as: US20140251501A1; US10407776B2; US20170327956A1; DE102013109706B4; JP2014173187A; DE102013109706A1; CN104032258A; US9714470B2; JP6291693B2; KR20140110174A

Abstract

본 발명은 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차의 도어 등에 미세 굴곡을 발생시키는 프레스 금형의 특정 부위(파손 부위)를 본래 상태로 보정 및 재생시킬 수 있도록 한 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 자동차용 도어 등에 미세 굴곡을 발생시키는 금형의 파손부위를 고속화염용사 코팅법(HVOF thermal spray coating)을 통하여 정밀하게 원형으로 보정할 수 있는 적층 두께 계량화 기술을 제공하고, 또한 고속화염용사 코팅 후 금형 표면을 플라즈마 이온 질화법으로 질화 처리하여 표면을 경화시킴으로써, 내마모 및 내피로성을 향상시키는 동시에 금형 육성 효율성을 증대시킬 수 있는 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법을 이용한 효과적인 금형의 보정 및 재생 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법{A method and system for die compensation and restoration using high velocity oxy-fuel spray coaitng and plasma ion nitriding}

본 발명은 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차의 도어 등에 미세 굴곡을 발생시키는 프레스 금형의 특정 부위(파손 부위)를 본래 상태로 보정 및 재생시킬 수 있도록 한 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법 및 시스템에 관한 것이다.

최근 자동차 디자인은 성능 못지 않게 소비자의 기호를 충족시키기 위한 중요한 요소로 여겨지고 있고, 그에 따라 자동차의 복합 곡면 디자인을 위하여 난성형(Hard-to-Form) 생산기술의 개발이 필요하다.

난성형 생산기술의 일례로서, 프레스 금형을 이용하여 자동차의 외판을 제조하고 있다.

그러나, 프레스 금형을 이용하여 자동차의 외판을 제조할 때, 금형 표면의 파손 부위에 의하여 외판에 유발되는 인장 밸런스 차이로 인하여, 외판 제품에 미세 굴곡(도 1 참조)과 같은 불량이 발생하는 단점이 있다.

따라서, 외판에 발생되는 미세 굴곡 보정을 위한 종래 기술의 일례로서, 금형의 파손 부위에 용접봉을 이용한 아크 용접 등과 같은 육성용접을 실시하여, 금형의 파손 부위를 본래 형상으로 재생하는 보정(보수) 방법이 실시되어 왔다.

그러나, 금형의 파손 부위에 대한 용접시 용접 두께를 제어하기 어렵고, 모재의 열변형을 유발할 뿐만 아니라 육성기간이 길고, 금형의 파손 부위에 대한 정밀한 치수 시공을 위한 다수의 보정 횟수가 소요되는 단점이 있다.

또한, 아크 용접 등과 같은 육성용접에 의하여 재생된 금형의 표면을 크롬 도금 처리하고 있으나, 이러한 도금층은 두께 제어가 용이하지 않을 뿐만 아니라, 도금층 두께에 따른 표면의 경도차로 인하여 프레스 조업 시 금형을 예열시켜 강한 압력으로 상하 동작을 수천 회 반복하게 되면, 결국 도금층의 박리 현상이 불가피하여 주기적으로 금형을 재도금해야 하는 단점이 있다.

이와 같은 크롬 도금법은 400℃ 이상에서는 사용하기 어려운 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라, 제조 중에 비소나 카드뮴보다 독성이 강한 발암물질인 Cr⁶⁺로 인해 환경문제를 야기할 수 있다.

상기한 육성 용접을 이용한 금형의 보정 방법에서 발생되는 단점을 해결하고자, 금형의 파손 부위에 금속 파우더를 일정 높이로 공급한 후, 저 입열의 레이저 빔을 고속으로 조사하여 용융부를 생성함과 동시에 냉각에어를 통해 용융부를 급속 냉각시키는 과정을 반복하여 금형의 파손부위를 고강도 합금화하는 보수 기술이 특허공개공보 공개번호 10-2011-0067981(2011,06,22)에 개시되어 있다.

그러나, 저 입열의 레이저 빔을 사용하여 금형의 국소 부위를 보수하는 기술은 상기한 아크 용접과 같은 육성 용접의 단점을 개선하였으나, 금속 파우더 등의 1회 적층 높이가 0.8 ~ 1.2㎜ 범위를 가지는 공정이므로, 마이크로미터 단위의 보정 기술을 필요로 하는 금형의 미세 굴곡 보정 기술로는 적절하지 않으며, 고강도 합금화를 위한 추가적인 급냉 공정에 따른 생산 비용과 육성 시간 증가로 인해 효율성이 떨어지는 단점이 있다.

또 다른 종래의 금형 재생방법으로서, 이온질화 표면 처리면을 구비한 금형 재생 방법이 특허공개공보 공개번호 10-2007-0107966(2007,11,08)에 개시되어 있다.

그러나, 상기한 크롬 도금을 통한 종래의 금형 재생방법을 대체하여, 친환경 공법인 이온질화를 통한 이온질화 표면처리면을 구비한 점만이 채택되어 있을 뿐, 구체적인 육성 용접층의 재질과 금형의 종류, 그리고 구체적인 이온질화 공정의 조건 및 과정 등이 개시되어 있지 않아, 금형 재생 효과가 미미한 단점이 있다.

그 밖의 종래기술로서, 열적 스프레이-성형 스틸(Thermally spray-formed steel)로 제조된 금형의 보수를 위해 TIG 용접 또는 혼합 분말 코팅 방법을 이용하고 있고, 또는 열적 스프레이-성형 스틸로 제조된 금형의 보수 부위에 저온 분사 코팅층을 형성한 후 전기용접(electric welding) 또는 저온 분사 적층 공정을 적용하여 부분 육성하는 기술이 사용되고 있다.

그러나, 구상흑연주철(Spheroidal Graphite Cast Iron : 소량의 Mg를 함유하여 흑연이 구상으로 존재하는 주철로서 일반 회주철에 비하여 강도 및 연성이 향상된 소재)을 모재로 하여 제조된 프레스 금형에 분사 코팅 적층을 통한 부분 보정 기술을 적용한 사례는 아직 전무하여, 구상흑연주철재로 제조된 금형의 부분 보정 기술의 개발이 시급한 상태에 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 자동차의 도어 등에 미세 굴곡을 발생시키는 구상흑연주철재의 프레스 금형의 특정 부위(파손 부위)에 철계 합금 분말을 고속화염용사(High Velocity Oxy-Fuel Spraying) 코팅 기술로 적층하여 금형의 특정 부위를 육성하고, 육성된 부분을 플라즈마 이온 질화 처리하여 표면에 질화층을 형성하는 동시에 철계 합금 분말에 의한 코팅층 심도에 질소 확산층이 형성되도록 함으로써, 금형의 내마모성과 내피로성을 크게 향상시킬 수 있고, 구상흑연주철재로 제조된 금형의 육성 효율을 증대시킬 수 있도록 한 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 구상흑연주철재를 모재로 하는 프레스 금형의 파손부에 고속화염용사 코팅법에 의한 철계 합금 분말 코팅층을 형성하는 단계와; 상기 금형의 코팅층 표면을 플라즈마 이온 질화법으로 질화 처리하여 표면 경화시킴으로써, 코팅층 위에 질화층을 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일 구현예로서, 상기 금형이 구상흑연주철재를 모재로 함에 따라, 고속화염용사 코팅법에 의한 코팅 소재는 상용 철계 합금인 FE-101 분말, FE-206 분말, FE-108 분말 중 선택된 어느 하나로 채택되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 철계 합금 분말은 25~35㎛ 범위의 평균 직경으로 채택된 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 다른 구현예로서, 상기 고속화염용사 코팅법을 실시하기 전의 전처리 공정으로서, 금형의 파손부 표면에 대한 표면 거칠기를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 표면 거칠기를 제어하는 단계는 샌드숏-블라스팅(Sand shot-blasting) 방법을 이용하여 진행되고, 표면 거칠기는 Ra = 5.63±0.41 ㎛ 이상으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 고속화염용사 코팅법은 산소유량과 연료유량을 증감 조절하여 분말 입자의 용융 온도가 최적화되는 조건에서 진행되는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 플라즈마 이온 질화법에 의하여 철계 합금 분말 코팅층 위에 17~ 50㎛의 질화층이 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 질화층은 코팅층의 심도부에 형성되는 질소확산층과, 질소확산층 위에서 금형의 표면을 이루는 CrN, Fe₄N, Fe_2-3N을 포함하는 질소화합물층로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 또 다른 구현예로서, 상기 플라즈마 이온 질화법을 진행하기 전, 코팅층 표면을 #1000 ~ #2000까지 연마하는 단계와, 알코올 초음파 세척으로 불순물을 제거하는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로한다.

한편, 상기 플라즈마 이온 질화법은 금형의 사용 환경과 요구 조건에 따라 질화층의 조직과 심도를 결정하는 시간, 온도, 전압, 가스비를 조절하여 진행되는 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 자동차의 도어 등에 미세 굴곡을 발생시키는 구상흑연주철재의 프레스 금형의 특정 부위(파손 부위)에 철계 합금 분말을 고속화염용사(High Velocity Oxy-Fuel Spraying) 코팅 기술로 적층하여 금형의 특정 부위를 육성하되, 마이크론 단위로 코팅층의 적층 두께를 계량화 및 제어함으로써, 정밀한 치수 시공을 위한 보정 횟수를 줄여 생산 능률 향상 및 생산 비용 감소 효과를 제공할 수 있다.

또한, 고속화염용사 코팅법은 종래의 용접 육성 기술에 비해 상대적으로 저온 적층이 가능하고, 종래의 아크 용접 육성과는 달리 금형 보수 시 모재의 열변형을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

특히, 플라즈마 이온 질화를 통한 보정 금형의 표면 경화를 실시하여, 금형 표면의 질소화합물층과 코팅층 심도의 질소확산층을 포함하는 질화층을 형성함으로써, 금형의 내마모성과 내피로성을 향상시키고, 금형의 파손을 억제하여 금형의 사용 수명을 연장할 수 있다.

또한, 플라즈마 이온 질화법은 글로우 방전으로 인해 질소가스를 이온화시킬 수 있으므로, 저온에서 금형을 질화시킬 수 있고, 암모니아(NH₃)가스와 아산화질소(N₂O)를 사용하지 않아 친환경적인 질화가 가능한 잇점이 있다.

또한, 플라즈마 이온 질화 공정시의 스퍼터링 효과를 이용하여 피처리물 표면의 산화물 분해 및 표면 활성화를 통하여, 난질화 금속인 알루미늄, 스테인레스강, 주철들을 질화하는데 효과적인 장점이 있다.

또한, 플라즈마 이온 질화법은 다양한 공정조건(온도, 시간, 압력, 가스비) 하에 형성되는 질화물의 상 및 질화층 두께를 변화시킬 수 있으므로, 재생 금형의 특성 및 사용용도에 따라 선택적으로 금형의 표면 특성을 변화시킬 수 있고, 금형의 보수 및 재생 효율성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 프레스 금형에 의하여 제조된 도어 외판에 미세 굴곡이 발생된 예를 보여주는 이미지,
도 2는 본 발명에 따른 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 코팅층 적층 구조를 나타낸 개략도,
도 3은 금형과 코팅층의 치밀한 계면을 형성시키기 위한 구상흑연주철의 표면 거칠기를 나타낸 도면,
도 4는 금형(구상흑연주철)에 코팅된 철계 합금 분말의 적층예 및 표면 거칠기에 따른 코팅층과 금형 간의 밀착력과 접합강도을 나타낸 이미지,
도 5는 본 발명의 방법에 따른 철계 합금 분말의 적층 두께의 계량화 예를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 이온 질화 공정을 나타낸 공정도,
도 7은 본 발명의 플라즈마 이온 질화 처리 후, 보수 금형 단면의 질소 확산층을 나타낸 단면도,
도 8은 본 발명의 플라즈마 이온 질화 처리 후 보수 금형 코팅 단면의 미세경도 프로파일을 나타낸 도면,
도 9는 본 발명의 고속화염용사 코팅법에 사용되는 분사 건 구조를 나타낸 개략도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 자동차용 도어 등에 미세 굴곡을 발생시키는 구상흑연주철재의 프레스 금형의 파손부위를 고속화염용사 코팅법(HVOF thermal spray coating)을 통하여 정밀하게 원형으로 보정할 수 있는 적층 두께 계량화 기술을 제공하고, 또한 고속화염용사 코팅 후 금형 표면을 플라즈마 이온 질화법으로 질화 처리하여 표면을 경화시킴으로써, 내마모 및 내피로성을 향상시키는 동시에 금형 육성 효율성을 증대시킬 수 있는 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법을 이용한 효과적인 금형의 보정 및 재생 방법을 제공하고자 한 것이다.

이를 위해, 먼저 프레스 금형의 모재인 구상흑연주철재에 적합한 코팅 분말을 선정한다.

바람직하게는, 고속화염용사 코팅법에 의한 코팅 소재로서, 프레스 금형 모재인 구상흑연주철과의 상호 적합성 및 모재 대비 우수한 기계적 특성(경도, 내마모성 및 접합강도)을 나타내고, 코팅 육성 후의 표면 질화 처리 등을 고려하여 아래의 표 1과 같은 상용 철계 합금 (스테인레스강) 소재군을 선정한다.

표 1과 같이 선정된 상용 철계 합금 소재군 중, FE-101 분말은 오스테나이트 스테인레스강 소재로서 저온 분사 적층 효율이 높고, 공정 제어를 통해 변형 경화 및 결정립 미세화에 의한 결정립계 강화를 구현하여 코팅 강도 특성 향상이 가능한 잇점이 있다.

또한, 표 1에서 FE-206 분말은 마르텐사이트형 석출경화 스테인레스강 소재로서 분산된 Cu 석출물에 대한 경화 효과를 가지고, FE-108 분말은 경화능이 우수한 마르텐사이트 스테인레스강 소재이다.

이렇게 프레스 금형의 보정 및 재생을 위한 고속화염용사 코팅용 분말소재 즉, 철계 합금 분말을 선정한 후, 철계 합금 분말의 직경을 결정해야 하며, 그 이유는 철계 합금 분말의 직경은 코팅성을 결정하는 중요한 인자이기 때문이다.

만일, 철계 합금 분말의 직경이 15㎛ 이하로 너무 작은 경우에는 분말이 완전 용융되어 고속화염용사 코팅을 위한 노즐의 막힘 현상이 일어나 코팅이 되지 않는다.

반면에, 철계 합금 분말의 직경이 35㎛ 이상으로 너무 클 경우에는 고속화염용사 코팅을 위한 가스가 분말 입자를 충분히 가속시키지 못하여 입자의 코팅이 제대로 이루어지지 않고, 또한 코팅된 입자 또한 미용융과 기공으로 인해 입자 사이의 취약한 계면을 형성하므로, 결국 크랙이 발생하여 코팅층의 박리가 일어나게 된다(도 2 참조).

따라서, 본 발명에서는 금형의 미세 굴곡 보정에 사용되는 철계 합금 분말의 평균 직경을 25 ~ 35 ㎛ 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 프레스 금형의 보정 및 재생을 위한 고속화염용사 코팅용 분말소재의 선정 및 분말소재의 직경이 결정되면, 금형의 코팅면에 대한 전처리로서 표면 거칠기를 제어하는 공정이 진행된다.

상기 금형의 코팅층이 형성될 면(파손부 표면)에 대한 표면 거칠기를 제어하는 이유는 코팅층의 접합강도 확보를 위함에 있다.

이를 위해, 고속화염용사 코팅을 하기 전의 전처리 공정으로서, 샌드숏-블라스팅(Sand shot-blasting) 공정을 실시하여, 금형의 코팅을 위한 표면 거칠기를 제어하게 된다.

보다 상세하게는, 금형의 모재와 코팅층 간의 밀착성, 그리고 우수한 접합 강도 및 내구성을 확보하기 위한 필수적인 전처리 공정으로서 샌드숏-블라스팅(Sand shot-blasting) 공정을 실시함으로써, 일정 표면 거칠기 이상에서 금형의 모재와 코팅층 간의 일정한 접합강도를 유지하는 동시에 치밀한 계면을 형성하도록 한다.

바람직하게는, 상기 샌드숏-블라스팅 공정을 통한 모재(구상흑연주철)의 표면 거칠기는 Ra = 5.63±0.41 ㎛ 이상이 되도록 하며, 그 이유는 Ra = 5.63±0.41 ㎛ 이하에서는 상대적으로 낮은 접합강도를 가지게 되고, 모재와 코팅층 사이의 계면에서 크랙이 발생하기 때문이다.

따라서, 본 발명의 고속화염용사 코팅부에 의한 코팅을 실시하기 전의 전처리 공정으로서, 금형의 파손부 표면에 대한 표면 거칠기를 샌드숏-블라스팅으로 제어하는 표면 거칠기 제어부에 의하여 조절되도록 한다.

본 발명의 금형 모재에 대한 표면 거칠기 제어를 위한 시험예로서, 도 3에 나타낸 표면 거칠기(R1 = 3.81±0.47 ㎛, R2 = 5.63±0.41 ㎛, R3 = 9.54±0.55 ㎛)가 되도록 금형 모재에 샌드숏-블라스팅 공정을 실시하고, 그 위에 고속화염용사 코팅법에 의한 코팅층을 형성하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 4에 도시된 바와 같다.

도 4에서 보듯이, 상기 샌드숏-블라스팅 공정을 통한 모재(구상흑연주철)의 표면 거칠기가 R1 = 3.81±0.47 ㎛ 인 경우 코팅층과 모재 간의 계면에 크랙이 발생되는 것을 확인할 수 있고, 반면 표면 거칠기가 R2 = 5.63±0.41 ㎛ 이상에서는 모재와 코팅층이 치밀한 계면을 형성함을 알 수 있었다.

따라서, 상기 금형 모재(구상흑연주철)의 표면 거칠기는 Ra = 5.63±0.41 ㎛ 이상이 되도록 샌드숏-블라스팅 공정을 실시한다.

다음으로, 일정 표면 거칠기를 갖는 금형 모재의 파손부 표면에 고속화염용사 코팅법에 의한 코팅층을 형성하는 공정이 진행된다.

즉, 구상흑연주철재를 모재로 하는 프레스 금형의 파손부에 고속화염용사 코팅부에 의한 고속화염용사 코팅법에 의거 철계 합금 분말 코팅층을 형성하는 단계가 진행된다.

이를 위해, 프레스 금형 보수를 위한 최적의 코팅 공정 조건이 확립되어야 한다.

즉, 상기 고속화염용사 코팅법은 연료 및 가스의 압력, 유량 제어를 통해 분말의 비행속도와 온도를 제어함으로써, 코팅의 적층 효율을 결정하게 되고, 코팅층과 모재 간의 밀착성 및 기공도 등의 코팅 미세조직 특성을 결정하게 되므로, 우수한 특성의 금형 보정 코팅층을 형성하기 위해 연료 및 가스의 종류, 압력 및 유량 조건에 대한 공정 최적화가 확립되어야 하고, 동시에 코팅층 형성을 위한 양산성에 적합한 최적화된 공정 조건이 확립되어야 한다.

이때, 고속화염용사 코팅법에 사용된 장비는 TAFA 사의 JP-5000을 사용하였으며, 최적의 공정변수를 도출하기 위하여 아래의 표 2와 같이 고속화염용사 장비(JP-5000)의 제조사인 TAFA의 테크니컬 데이터(technical data)에 제공된 코팅 분말의 공정변수(C2 조건)를 기준으로 산소유량과 연료유랑을 증감하여 코팅을 실시하였다.

본 발명에 따른 고속화염용사 코팅법은 연료로 케로센(kerosene)을 사용하고, 케로센이 산소와 혼합하여 연소될 때 발생되는 고온, 고속의 가스를 이용하여 분말을 가열, 가속시켜 금형에 충돌시켜 코팅하는 방법이다.

첨부한 도 9를 참조하면, 상기 고속화염용사 코팅법은 연료, 산소 등이 이송되는 경로와, 질소 캐리어 가스와 함께 금속 분말(표 1 참조)이 이송되는 경로 등이 형성된 스프레이 건(gun)을 이용하여 진행된다.

이에, 케로센이 산소와 혼합하여 연소될 때의 고온 및 고속의 가스에 의하여 분말이 가열 및 가속된 후, 상기 코팅 건의 노즐을 통하여 분사되는 동시에 금형에 충돌되면서 코팅층을 형성하게 된다.

또한, 상기 고속화염용사 코팅법을 실시하는 도중의 캐리어 가스(Carrier Gas)는 질소를 사용하고, 금형의 모재에 대한 냉각은 외부의 냉각장치 없이 공랭을 실시한다.

따라서, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 구상흑연주철로 된 금형의 모재 표면에 고속화염용사 코팅법에 의한 코팅층으로서 철계 합금 분말 코팅층이 형성된다.

이때, 상기 고속화염용사 코팅법을 완료한 후의 코팅층의 미세조직은 용융이 잘 된 입자들이 재응고되어 곡선모양으로 길게 늘어지며 층상 구조를 이루는 스프랫(splat)과, 용융이 되지 않은 미용융 입자와, 표면만 부분적으로 용융이 된 입자와, 기공과, 용사 코팅 시 충돌에 의하여 분화된 미립자 형태의 부스러기(debris) 등이 존재하게 된다.

바람직하게는, 분말 입자의 용융 온도가 최적 조건(표 2의 C2 공정조건)인 경우, 분말 입자가 고속으로 모재에 충돌하는 동시에 적당히 퍼져서 박막(lamella) 구조 또는 스프랫(splat)을 형성한다.

반면, 분말 입자의 용융 온도가 최적 조건(표 2의 C2 공정조건)에 비하여 높거나(표 1의 C1 공정조건), 낮을 경우(표 1의 C3 공정조건)에는 내부 결함이 있는 미세 구조를 갖게 된다.

상기 분말 입자의 용융 온도가 최적 조건(표 2의 C2 공정조건)에 비하여 높은 경우(표 1의 C1 공정조건), 고온의 가스 유동장 내에서 산화 등의 바람직하지 못한 반응으로 분말 상변태(Phase transformation)가 발생하여, Fe₃O₄와 같은 산화물이 지배적으로 형성된다.

이렇게 지배적으로 형성된 산화물들은 냉각 중 열팽창 계수 차이로 산화물과 분말 입자 사이에 취약한 계면을 형성하므로, 코팅층 내에 고르지 못하고 취약한 기계적 특성(미세경도, 접합강도)을 발생시키고, 또한 완전 용융된 입자는 모재와 충돌되는 순간 퍼짐성이 높아 넓게 퍼짐되는 현상이 일어나게 되므로, 도 5의 그래프에서 C1으로 지시된 바와 같이 코팅층의 적층 효율(스프레이 횟수 대비 적층 두께)이 좋지 않은 단점이 있다.

반면, 상기 분말 입자의 용융 온도가 최적 조건(표 2의 C2 공정조건)에 비하여 낮은 경우(표 1의 C3 공정조건), 분말 입자가 충분한 열을 공급받지 못하여 미용융 입자가 금혐 모재의 표면에 충돌하여 적층되므로, 입자간의 밀착력이 약하고, 입자들 간의 약한 계면 사이로 크랙이 성장하여 코팅층의 박리가 일어나는 단점이 있다(도 4 참조).

따라서, 본 발명은 고속화염용사 코팅법에 의한 코팅층의 미세조직과 분말의 적층 효율 최적화를 위하여, 상기의 표 2에 기재된 C2 공정조건(분말 입자의 용융 온도가 최적화되는 조건)에 따라 고속화염용사 코팅법을 실시하도록 한다.

보다 상세하게는, 스프레이 건의 배럴 4", 금형 모재에 대한 분사거리 14", 분사속도 300mm/s, 분사피치 5mm, 분사량 76g/min, 산소유량 1800 scfh(Standard Cubic Feet per Hour), 연료유량 1800 gph(Gallon per Hour), 캐리어 가스(N₂) 20±2 scfh 등을 포함하는 C2 공정조건(분말 입자의 용융 온도가 최적화되는 조건)에 따라 고속화염용사 코팅법을 실시하도록 한다.

다음으로, 플라즈마 이온 질화법을 이용하여 금형의 파손부에 코팅된 코팅층의 표면 경화 공정이 진행된다.

즉, 플라즈마 이온 질화부에 의거 상기 금형의 코팅층 표면을 플라즈마 이온 질화법으로 질화 처리하여 표면 경화시킴으로써, 코팅층 위에 질화층을 형성하는 단계가 진행된다.

첨부한 도 6을 참조하면, 보정된 금형의 표면 즉, 금형의 파손부 표면에 형성된 코팅층의 표면 경화 및 내마모성 향상을 위한 플라즈마 이온 질화법은 질화용 반응챔버의 내부에 진공을 잡는 단계(pumping)와, 예열 단계(heating)와, 스퍼터 단계(sputter cleaning)와, 플라즈마를 이용한 질화 단계(plasma nitriding)와, 냉각 단계(cooling)를 포함한다.

위의 각 공정 단계를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 플라즈마 이온 질화법을 진행하기 전, 상기한 최적의 고속화염용사 코팅법(표 2의 C2 조건)에 의하여 보정된 금형의 코팅층 표면을 SiC 사포 등을 이용하는 연마부에 의하여 #1000 ~ #2000까지 표면이 미려하게 연마된 후, 10분 동안 세척부에 의하여 알코올 초음파 세척으로 불순물이 제거되도록 한다.

이어서, 반응챔버 내에 금형을 로딩한 후, 고진공으로 챔버 내부를 진공이 되도록 한 후, 금형 표면에 전압을 가하고, 1 torr 이하로 압력이 떨어지는 것을 확인한 다음, 30분간 300℃로 챔버를 예열시킨다.

다음으로, 상기 스퍼터 단계에서는 Ar 과 H₂의 혼합가스 분위기에서 250 V의 전압을 인가하면 플라즈마가 형성되어, 표면에 형성된 Cr₂O₃의 안정한 산화막이 식각을 통해 제거된다.

상기 플라즈마를 이용한 질화 공정은 H₂와 N₂의 혼합가스를 사용하여 공정압력 1.6 torr, 전원은 30A 이상의 고정 전류를 사용하여, 550℃에서 10시간 동안 질화를 하고, 냉각은 진공 중에서 서냉시킨다.

위와 같은 공정을 통하여, 첨부한 도 7에 도시된 바와 같이 고속화염용사 코팅법에 의하여 코팅된 코팅층(철계 합금 분말 코팅층) 위에 약 17~ 50㎛의 질화층(질소확산층과 질소화합물층 포함)이 형성된다.

또한, 상기와 같은 질화 공정을 통하여 표면이 경화된 금형 제품에 대하여 질소확산층을 EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)를 통해 확인하였는 바, 도 7에서 보듯이 질소확산층 상부에 질소화합물층인 N-rich 영역을 확인할 수 있었다.

즉, 금형 표면에 N-rich 영역이 존재하며 코팅층의 심도부에 강종(316 SS, 17-4 PH, 410 SS)에 따라 17 ~ 50㎛의 질소확산층이 형성된 것을 확인할 수 있었다.

첨부한 도 8을 참조하면, 상기 질소확산층 상부에 CrN, Fe₄N, Fe_2-3N의 질화물로 이루어진 조밀 화합물층(질소화합물층인 N-rich 영역)이 형성됨에 따라, Hv 1100 이상의 우수한 질소경화층이 형성되고, 또한 코팅층의 심도를 따라 형성된 질소확산층에 의하여 경도가 증가하였음을 확인할 수 있었다.

이와 같은 플라즈마 이온 질화법을 통한 표면 경화층을 형성하는 방법은 본 발명의 금형 파손부(보수부) 표면 경화와 내마모성 향상을 위한 바람직한 실시 형태로 설명되었을 뿐, 상기의 플라즈마 이온질화를 통한 보수 금형의 재생면은 질화층의 조직과 심도를 결정하는 시간, 온도, 전압, 가스비를 조절하여 다양한 환경과 조건에서 사용할 수 있음을 밝혀둔다.

Claims

구상흑연주철재를 모재로 하는 프레스 금형의 파손부에 고속화염용사 코팅법에 의한 철계 합금 분말 코팅층을 형성하되, 금형의 미세 굴곡 보정에 사용되도록 25~35㎛ 범위의 평균 직경을 갖는 철계 합금 분말을 이용하여 철계 합금 분말 코팅층을 형성하는 단계와;
상기 금형의 코팅층 표면을 플라즈마 이온 질화법으로 질화 처리하여 표면 경화시킴으로써, 코팅층 위에 질화층을 형성하는 단계와;
상기 고속화염용사 코팅법을 실시하기 전의 전처리 공정으로서, 금형의 파손부 표면에 대한 표면 거칠기를 제어하되, 모재와 코팅층이 치밀한 계면을 형성하도록 표면 거칠기를 Ra = 5.63±0.41 ㎛ 이상으로 제어하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 금형이 구상흑연주철재를 모재로 함에 따라, 고속화염용사 코팅법에 의한 코팅 소재는 상용 철계 합금인 FE-101 분말, FE-206 분말, FE-108 분말 중 선택된 어느 하나로 채택되는 것을 특징으로 하는 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법.
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청구항 1에 있어서,
상기 표면 거칠기를 제어하는 단계는 샌드숏-블라스팅(Sand shot-blasting) 방법을 이용하여 진행되는 것을 특징으로 하는 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법.
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청구항 1에 있어서,
상기 고속화염용사 코팅법은 산소유량과 연료유량을 증감 조절하여 분말 입자의 용융 온도가 최적화되는 조건에서 진행되는 것을 특징으로 하는 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 고속화염용사 코팅법은:
스프레이 건의 배럴 4", 금형 모재에 대한 분사거리 14", 분사속도 300mm/s, 분사피치 5mm, 분사량 76g/min, 산소유량 1800 scfh(Standard Cubic Feet per Hour), 연료유량 1800 gph(Gallon per Hour), 캐리어 가스(N₂) 20±2 scfh 를 포함하는 조건으로 진행되는 것을 특징으로 하는 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 플라즈마 이온 질화법에 의하여 철계 합금 분말 코팅층 위에 17~ 50㎛의 질화층이 형성되는 것을 특징으로 하는 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법.
청구항 1 또는 청구항 9에 있어서,
상기 질화층은 코팅층의 심도부에 형성되는 질소확산층과, 질소확산층 위에서 금형의 표면을 이루는 CrN, Fe₄N, Fe_2-3N을 포함하는 질소화합물층로 구성되는 것을 특징으로 하는 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 플라즈마 이온 질화법을 진행하기 전, 코팅층 표면을 #1000 ~ #2000까지 연마하는 단계와, 알코올 초음파 세척으로 불순물을 제거하는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 플라즈마 이온 질화법은 금형의 사용 환경과 요구 조건에 따라 질화층의 조직과 심도를 결정하는 시간, 온도, 전압, 가스비를 조절하여 진행되는 것을 특징으로 하는 고속화염용사 코팅법과 플라즈마 이온 질화법를 이용한 금형의 보정 및 재생 방법.
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