[첨단 헬로티]
1. 서론
스피노달 분해형으로 대표되는 동합금계 금형은 광학계 수지(예를 들면 COP : 시클로올레핀폴리머 등)와의 이형성이 우수하고, 높은 열전도성을 가지고 있기 때문에 플라스틱 제품의 사출성형이나 프레스 성형용 금형의 급속 가열, 냉각에 의한 성형 사이클의 단축을 기대할 수 있다. 그러나 동합금계 금형은 경도가 낮고, 유리섬유를 포함하는 수지에 대해 마모되기 쉽고 수명이 짧다. 또한 금형의 보수에서도 경도 부족은 과제이다.
그렇기 때문에 표면에는 코팅 등의 피복 처리가 이용되는데, 피막의 박리가 수명을 결정짓게 되는 단점이 있다. 피복 처리 이외의 방법으로는 질화 처리나 이온 주입을 들 수 있다. 질화 처리에서는 스피노달 분해형 동합금 중에 단단한 질화물을 형성하는 원소가 없어 효과를 볼 수 없었다.
이에 이온 주입을 동합금계 기본재에 적응, 금형의 장수명화를 위한 표면처리의 검토를 했다.
2. 실험 방법
그림 1에 나타낸 장치에서 Cu-Ni-Sn계의 스피노달 분해형 동합금의 시험편(300HV)에 탄소 이온 주입을 실시했다. 이 기본재는 50℃ 이상의 처리 온도로 조직이 연화될 가능성이 있기 때문에 이온 주입 시에는 기본재 온도가 50℃ 미만이 되도록 관리했다. 가속전압 30kV, 빔전류 2mA/cm2의 조건 하에서 주입 시간을 제어, 도즈량이 다른 ＃1~＃4의 시험편을 제작했다. 각각의 도즈량은 ＃1 : 1×1016ions/cm3, ＃2 : 5×1016ions/cm3, ＃3 : 1×1017ions/cm3, ＃4 : 5×1017ions/cm3이다. 각 시험편의 이온 주입 조건과 표면의 경도나 조도, 마찰마모특성, COP 수지에 대한 습윤성에 관해 평가·검토를 했다.
▲ 그림 1. 이온 주입장치의 모식도
3. 실험 결과
다이내믹 초미소 경도계 DUH-211(島津제작소제)에 의한 탄소 이온을 주입한 시험편의 비커스 경도 측정 결과를 그림 2에 나타냈다. 어느 시험편이나 경도 상승은 보였지만, 도즈량이 가장 높은 시험편 ＃4에서는 480HV 이상이 되는 현저한 표면경도 상승을 얻을 수 있었다.
▲ 그림 2. 비커스 경도 측정 결과
접촉식의 표면조도 측정기(Taylor-Hobson사제)에 의해 측정한 처리 전후의 표면조도를 그림 3에 나타냈다. 처리 후의 표면조도는 모두 처리 전보다 향상되어 있으며, 이온 주입에 의한 표면 거칠음은 볼 수 없었다.
▲ 그림 3. 이온 주입 전후의 표면조도 측정 결과
마찰마모시험에는 HEIDON-14D(新東科學제)를 이용, 측정자에 10mm 지름 동 볼, 시험하중 100g, 측정 거리 10mm, 속도 1mm/s의 조건 하에서 1,000 왕복시킨 시험편의 마찰계수 및 마모흔적을 측정했다. 마찰계수의 추이를 그림 4, 마모흔적을 그림 5에 나타냈다. 시험편 ＃1~＃3에서는 현저한 변화가 보이지 않은 한편, 시험편 ＃4의 정마찰계수 μs 및 동마찰계수 μk는 주입 전보다 낮고 마모흔적도 매우 적었다.
▲ 그림 4. 마찰계수의 추이
▲ 그림 5. 1,000 왕복 후의 마모흔적 비교
이형성을 평가하기 위해 고온 습윤성시험·고체액체 간 접촉각 측정장치 WET-1200(어드밴스理工제)을 이용해 COP 수지에 대한 습윤성시험을 했다. 각각의 접촉각을 그림 6에 나타냈다. 도즈량이 많은 시험편 ＃4의 접촉각이 가장 높다.
▲ 그림 6. COP 수지에 대한 접촉각
4. 맺음말
스피노달 분해형 동합금을 예로 하는 동합금계 금형에 탄소 이온을 주입함으로써 도즈량이 많은 시험편 ＃4에서는 처리 전의 경면 상태를 유지하면서 표면경도가 480HV 이상까지 상승했다. 마찰계수나 마모흔적도 주입 전과 비교해 작으며, 표면의 접동성이 향상되고 COP 수지에 대한 접촉각도 커졌다.
탄소 이온의 주입은 스피노달 분해형 동합금을 예로 하는 동합금계 수지성형용 금형에서 장수명화를 도모하는 매우 유용한 표면처리 방법의 하나이다.
스다 미츠아키 (須田 充顯), 와타나베 유카리 (渡邊 友加里) 新明和공업(주)
Shalnov Konstantin, 우에무라 켄스케 (植村 賢介) ITAC(주)
본 기사는 일본 일간공업신문사가 발행하는 『형기술』지와의 저작권 협정에 의거하여 제공받은 자료입니다.
