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KR102055046B1 - Dlc 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구 및 그 제조방법 - Google Patents

Dlc 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구 및 그 제조방법 Download PDF

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KR102055046B1
KR102055046B1 KR1020170183450A KR20170183450A KR102055046B1 KR 102055046 B1 KR102055046 B1 KR 102055046B1 KR 1020170183450 A KR1020170183450 A KR 1020170183450A KR 20170183450 A KR20170183450 A KR 20170183450A KR 102055046 B1 KR102055046 B1 KR 102055046B1
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Abstract

본 발명은 DLC 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 판스프링과 같은 높은 경도 및 강도의 모재를 펀칭할 수 있도록 DLC 및 다이아몬드 박막이 이중으로 코팅된 펀치 공구 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, DLC 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구 제조방법은 HRC (Hardness Rockwell C)가 40 ~ 48인 펀치금형모재(10)를 제조하는 모재제조단계; 펀치금형 표면의 이물질 및 유분을 제거하는 전처리단계; 상기 펀치금형 표면에 Si를 0.1~1㎛의 두께로 접착층(20)을 형성하는 접착층형성단계; 상기 접착층(20)이 형성된 펀치금형에 CH4 분위기와 10-3 ~ 10-6 torr 압력 상태에서 75 내지 85분 동안 플라즈마를 발생시켜 카본(carbon)층을 형성하는 1차증착단계; 및 Ar 분위기 하에서 CH4를 전구체로 하여 상기 카본(carbon)층이 형성된 펀치금형 표면에 마이크로웨이브파를 조사하여 15 내지 20nm 두께의 나노다이아몬드층을 코팅하는 2차증착단계;를 포함하되, 상기 1차증착단계 및 2차증착단계에서 상기 펀치금형이 공전하면서 증착되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.

Description

DLC 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구 및 그 제조방법{PUNCH TOOL WITH DLC DIAMOND AND THIN FILM DOUBLE-COATED AND MANUFACTURING METHOD THERE OF}
본 발명은 DLC 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 판스프링과 같은 높은 경도 및 강도의 모재를 펀칭할 수 있도록 DLC 및 다이아몬드 박막이 이중으로 코팅된 펀치 공구 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
대형 사용차용 리프 스프링(Leaf Spring)의 체결용 구멍 가공기술 개발은 판스프링을 400~500℃의 열간 상태에서 금형에 의한 펀치로 구멍을 가공하는 기술로 철도 차량(기차)과 화물트럭 외 상용차의 여러 가지의 판스프링 가공에 적용할 수 있다.
하지만 판스프링 자체의 중량이 높아 가공하는데 많은 어려움이 있어 다중 판스프링의 연결을 위한 홀 가공 시 작업능률이 상당히 떨어진다.
또한, 제품 소재가 스프링강으로 높은 경도 때문에 드릴 가공하는데 많은 시간이 소요된다. 스프링강은 탄성한계가 높고, 충격 및 피로에 대한 저항력이 크며, 급격한 진동을 완화시키고 에너지를 축적하기 위하여 사용하므로, 스프링강(Spring Steel)은 사용 중에 영구변형을 일으키지 않아야 한다. 따라서 경도는 HB 340 이상으로 매우 높다.
상기한 바와 같이, 소재의 경도가 높아서 일반 고속도 공구강 드릴 공구로는 불가능하므로 코발트 드릴 공구로 작업하는데, 드릴 작업 자체가 소요되는 시간이 많고 가공표면이 거칠어 펀칭을 통한 가공이 요구되고 있는 실정이다.
경도가 높은 판스프링의 표면을 펀칭가공하기 위해서는 펀치금형의 경도를 높이기 위한 코팅이 필수적이다.
DLC(Diamond Like Carbon) 코팅은 다이아몬드의 주성분이 탄소성분의 가스를 이용하여 진공 상태에서 플라즈마를 발생시켜 원하는 표면에 코팅막을 증착시키게 되며, 표면에 다이아몬드와 유사한 구조의 탄소막이 형성되며 탄소막은 비정질 구조를 가지게 되어 공구강의 표면강도를 높일 수 있다.
따라서 공구강의 표면에 탄소성분을 증착시켜 표면경도를 증가시키기 위한 최적의 방법이 요구되고 있는 실정이다.
이와 관련하여, 종래의 기술을 살펴보면, ‘DLC 코팅 및 DLC 코팅으로 코팅된 공구’가 대한민국 공개특허 제10-2007-0049955호에 개시되고 있으나, 이는 고경도를 가지는 펀치금형 소재에 탄소를 증착시키기 어려운 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-2007-0049955호 (2007.05.14)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고강도가 요구되는 펀치금형에 효과적으로 DLC 코팅이 적용된 펀치공구 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 목적은 저온에서 DLC 코팅 공정이 가능한 펀칭공구 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, DLC 코팅층과 모재간의 부착력이 향상된 펀칭공구 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, DLC 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구 제조방법은 HRC (Hardness Rockwell C)가 40 ~ 48인 펀치금형모재(10)를 제조하는 모재제조단계; 펀치금형 표면의 이물질 및 유분을 제거하는 전처리단계; 상기 펀치금형 표면에 Si를 0.1~1㎛의 두께로 접착층(20)을 형성하는 접착층형성단계; 상기 접착층(20)이 형성된 펀치금형에 CH4 분위기와 10-3 ~ 10-6 torr 압력 상태에서 75 내지 85분 동안 플라즈마를 발생시켜 카본(carbon)층을 형성하는 1차증착단계; 및 Ar 분위기 하에서 CH4를 전구체로 하여 상기 카본(carbon)층이 형성된 펀치금형 표면에 마이크로웨이브파를 조사하여 15 내지 20nm 두께의 나노다이아몬드층을 코팅하는 2차증착단계;를 포함하되, 상기 1차증착단계 및 2차증착단계에서 상기 펀치금형이 공전하면서 증착되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 고강도가 요구되는 펀치금형에 효과적으로 DLC 코팅이 적용된 펀치공구를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 저온에서 DLC 코팅 공정이 가능한 펀칭공구 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 DLC 코팅층과 모재간의 부착력이 향상된 펀칭공구를 제조할 수 있다.
또한, 판스프링강은 탄성한계가 높고 충격 및 피로에 대한 저항력이 커서 펀칭을 위한 시간이 오래 걸리나, 본 발명은 DLC 박막과 다이아몬드 박막이 이중으로 코팅되어 펀칭이 용이하여 전체 제조공정을 효율적으로 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명인 DLC 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명인 DLC 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구 제조방법에 의해 제조된 펀칭공구의 측면도이다.
도 3은 본 발명에 의해 제조된 펀칭공구에서 펀치금형(10)를 포함한 코팅층을 나타낸 도면이다.
도 4는 제2습식처리단계(S212)를 실시하는 사진이다.
도 5는 제3습식처리단계(S213)를 실시하는 사진이다.
도 6은 제4습식처리단계(S214)를 실시하는 사진이다.
도 7은 건식전처리단계(S220)를 실시하는 사진이다.
도 8은 DLC 코팅 전(좌)와 1차증착단계(S400)를 통해 DLC 코팅된 펀칭공구(우)를 나타낸 사진이다.
도 9는 부착력 테스트를 위해 주사형탐침현미경을 위해 표면조도를 측정한 사진이다.
도 10은 본 발명에 의해 제조된 펀치공구의 110톤 프레스를 나타낸 사진이다.
도 11은 본 발명에 의해 제조된 펀치공구의 지그 및 주축대를 나타낸 사진이다.
도 12는 본 발명에 의해 제조된 DLC박막층(30) 및 나노다이아몬드박막층(40) 분석의 라만 측정결과 그래프이다.
도 13은 본 발명에 의해 제조된 DLC박막층(30) 및 나노다이아몬드박막층(40)의 SEM촬영을 실시한 사진이다.
도 14는 DLC박막층(30) 및 나노다이아몬드박막층(40)의 표면 경도를 측정하는 장비와인덴터 압자가 들어가는 깊이(X축)와, 인가하는 하중(Y축)을 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명에 의해 제조된 DLC박막층(30) 및 나노다이아몬드박막층(40)의 경도 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하며, 도면에 있어서 동일한 기능을 수행하는 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 병기한다. 한편, 도면의 도시 및 상세한 설명에 있어서 본 발명의 기술적 특징과 직접적으로 연관되지 않는 요소의 구체적인 기술적 구성 및 작용에 대한 상세한 설명 및 도시는 생략하고, 본 발명과 관련되는 기술적 구성만을 간략하게 도시하거나 설명하였다.
본 발명은 DLC 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구 제조방법에 관한 것으로, 하기에 상세하게 설명하고자 한다.
먼저, 제1단계(S100)는 HRC (Hardness Rockwell C)가 40 ~ 48인 펀치금형 모재를 제조하는 모재제조단계이다.
보다 구체적으로, 상기 모재제조단계(S100)은 화학조성물의 혼합 비율이 C가 0.10wt% 이하, Mn이 0.45wt% 이하, P가 0.03wt% 이하, S가 0.06wt% 이하, Ni가 0.25wt% 이하, Cr가 4.0~6.0wt%, Mo가 1.0~2.0wt%, V가 0.5~1.5wt%로 제조되어 HRC (Hardness Rockwell C)가 40 ~ 48인 펀치금형 모재를 제조하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 판스프링을 1000℃ 이상의 고온에서 가열 한 후에 체결을 위한 홀을 가공하기 때문에 펀치금형 모재는 기계 가공성이 우수해야 하고, 충분한 강도, 경도, 인성이 있고 내마모성이 좋아야한다. 또한, 열처리가 쉬우며 그 효과도 크고 열처리시 변형이 적어야 하고, 표면 가공성이 좋아야 하며 연마성이 좋아야 한다.
또한, 본 발명을 이용해 판스프링의 홀을 가공하기 위해서는 HRC (Hardness Rockwell C)가 40 ~ 48인 것이 바람직하다.
따라서 상기 조건을 충분히 만족시키면서 HRC가 40 ~ 48인 펀치금형 모재를 제조하기 위해서는 하기 표 1에 나타난 화학조성을 만족시키는 것이 바람직하며, 본 발명에 일실시예로 사용된 실적을 함께 나타내었다.
항목 C Si Mn P S Ni Cr Mo V
규격(wt%) ~0.10 ~0.45 ~0.03 ~0.06 ~0.25 4.0~6.0 1.0~2.0 0.5~1.5
실적(wt%) 0.016 0.004 0.106 0.008 0.057 - 5.50 1.50 1.20
상기 조건으로 제조된 펀치금형 모재는 열충격 및 열피로에 강하며 가공성이 우수하고 열처리시 변형이 적으므로 상기 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
다음으로, 제2단계(S200)는 상기 펀치금형 모재 표면의 이물질 및 유분을 제거하는 전처리단계이다. 상기 전처리단계(S200)는 상기 펀치금형(10)에 초음파세척을 실시하는 습식전처리단계(S210)와 건식전처리단계(S220)으로 구성된다.
상기 습식전처리단계(S210)은 제1습식처리단계(S211) 내지 제4습식처리단계(S214)로 단계적으로 실시하는 것이 바람직하다.
먼저, 제1습식처리단계(S211)는 증류수 100 중량부에 대하여 초음파세척제 1 중량부를 혼합한 혼합액을 이용하여 초음파세척을 실시한다. 보다 구체적으로, 상기 제1습식처리단계(S211)는 증류수 100 중량부에 대하여 초음파세척제 1 중량부를 혼합한 혼합액을 이용하여 초음파세척을 실시하고, 상기 증류수와 초음파세척제를 혼합한 용액은 10분마다 교체하며 2~3회 세척을 실시하는 것이 바람직하다. 상기 증류수 100 중량부에 대하여 초음파세척제 1 중량부 미만으로 혼합하는 경우 세척 효과가 미미할 수 있고, 상기 증류수 100 중량부에 대하여 초음파세척제 1 중량부를 초과하여 혼합하는 경우 상기 건식전처리단계(S220)에서 건식전처리 시간이 증가할 수 있으므로 상기 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 10분마다 교체하는 것이 바람직한데 상기 증류수와 초음파세척제 혼합물은 10여분이 지난 후에는 세척 능력이 떨어지므로 10분마다 교체해야하고, 2~3회 세척을 실시하여 불순물이 다시 붙어 나올 가능성을 낮추는 것이 바람직하다.
다음으로, 제2습식처리단계(S212)는 증류수 1 중량부에 대하여 아세톤 0.5~1.5 중량부를 혼합한 혼합액을 이용하여 초음파세척을 1회 실시한다. 도 4에 나타난 바와 같이, 상기 증류수 1 중량부에 대하여 아세톤 0.5 중량부 미만으로 혼합할 경우 세척 효과가 미미할 수 있고, 상기 증류수 1 중량부에 대하여 아세톤 1.5 중량부를 초과하여 혼합할 경우 상기 펀치금형 모재의 표면이 부식될 수 있으므로 상기 조건으로 혼합하여 세척하는 것이 바람직하다.
다음으로, 제3습식처리단계(S213)는 증류수와 알코올을 각각 20분씩 세척을 실시한다. 도 5에 나타난 바와 같이, 상기 증류수와 알코올을 각각 20분씩 세척을 실시하여 상기 제조된 펀치금형 모재의 표면을 매끄럽게 제조하여 하기 1차 내지 3차증착단계의 실시를 용이하게 한다.
다음으로, 제4습식처리단계(S214)는 에어를 이용하여 건조한다. 도 6에 나타난 바와 같이, 에어건을 이용하여 먼지와 같은 나머지 불순물을 제거하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 건식전처리단계(S220)는 상기 펀치금형(10)을 진공에서 수소 및 산소주입 후, 플라즈마 방전 처리를 통해 잔류불순물을 휘발시킨다. 도 7에 나타난 바와 같이, 상기 습식처리단계(S210)를 실시한 펀치금형(10)을 플라즈마 방전 처리를 통해 잔류불순물을 휘발시키고 상기 펀치금형 모재의 표면을 매끄럽게 하여 하기 접착층형성단계(S300)에서 접착층(20)을 용이하게 제조할 수 있다.
다음으로, 제3단계(S300)는 상기 펀치금형(10) 표면에 Si를 0.1~1㎛의 두께로 접착층(20)을 형성한다. 보다 구체적으로, 상기 접착층형성단계(S300)는 진공챔버 내에서 10-5 ~ 10-6 torr로 CH4 가스를 반응가스로 사용하여 배기 후, 3 X 10-3 torr에서 C2H2 50sccm를 반응가스로 사용하여 Ar가스 15sccm 및 HMDSO를 30sccm으로 30초간 500W의 전력으로 플라즈마를 발생시켜 상기 형성된 접착층(20)은 부착력이 10 내지 30N이 되도록 구성하는 것이 바람직하다.
일반적으로 DVC(Chemical Vapor Deposition)법의 중간층으로 사용되는 SiH4의 경우 위험성이 높고 다루기가 어려움을 감안하여, 액화상태인 HMDSO 용액을 챔버의 진공압을 이용하여 MFC로 적정량을 기화시킨다. 상기 접착층형성단계(S300)는 DLC필름의 접착력을 향상시켜주는 박막의 중간층으로써, 플라즈마의 반응 시간이 길어지면 챔버내 오염이 심각해지며, 너무 짧을 경우 상기 펀치금형(10) 표면에 균일한 중간층을 얻을 수가 없다.
상기 진공챔버의 기압이 10-5 ~ 10-6 torr를 벗어나는 경우 액화상태인 HMDSO 용액을 기화시키기 어려울 수 있다. 또한, 상기 진공챔버 내에서 10-5 ~ 10-6 torr로 배기 후, 3 X 10-3 torr 미만으로 기압을 유지하는 경우 상기 플라즈마의 반응 시간이 길어질 수 있고 상기 기압을 3 X 10-3 torr 초과하여 유지하는 경우 상기 펀치금형(10) 표면이 균일하게 코팅되지 않을 수 있으므로 상기 조건으로 유지하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 Ar가스를 15sccm 유속 미만으로 유지하는 경우 상기 접착층(20)의 형성이 미미하여 첩착력이 떨어질 수 있고 상기 Ar가스를 15sccm을 초과하여 유지하는 경우 상기 챔버의 오염이 심각해질 수 있으므로 상기 조건으로 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 HMDSO를 30sccm 미만으로 실시하는 경우 상기 접착층(20)의 형성이 미미하여 첩착력이 떨어질 수 있고, 상기 HMDSO를 30sccm 초과하여 실시하는 경우 상기 펀치금형(10) 표면이 균일하게 코팅되지 않을 수 있으므로 상기 조건으로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 접착층(20)은 30초간 500W의 전력으로 플라즈마를 발생시켜 상기 형성된 접착층(20)의 부착력이 10 내지 30N이 되도록 하는 것이 바람직한데, 상기 접착층(20)의 부착력이 10N인 경우 판스프링을 펀칭하는 효과가 미미하고 상기 접착층(20)의 부착력이 30N인 경우 판스프링의 펀칭 효과는 높으나 펀칭 후 생성된 홀의 표면이 매끄럽지 못할 우려가 있으므로 상기 조건으로 제조되는 것이 바람직하다.
다음으로, 제4단계(S400)는 카본(carbon)층을 형성하는 1차증착단계이다. 보다 구체적으로, 상기 1차증착단계(S400)는 상기 접착층(20)이 형성된 펀치금형(10)에 CH4 분위기와 10-3 ~ 10-6 torr 압력 상태에서 75 내지 85분 동안 플라즈마를 발생시켜 DLC박막층(30)을 형성한다.
상기 1차증착단계(S400)가 10-3 torr 미만의 압력으로 실시할 경우 DLC 코팅이 미미할 우려가 있고, 10-6 torr를 초과한 압력으로 실시할 경우 상기 DLC박막층(30)의 두께가 두꺼워 박리현상이 일어날 우려가 있으므로 상기 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 1차증착단계(S400)가 75분 미만으로 플라즈마를 발생시키는 경우 코팅된 DLC층의 경도가 약하여 펀칭 효과가 미미하고, 85분을 초과하여 플라즈마를 발생시키는 경우 상기 DLC박막층(30)의 두께가 두꺼워 박리현상이 일어날 우려가 있으므로 상기 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
상기 1차증착단계(S400)은 500W의 RF 플라즈마를 사용하였으며, 챔버 내 초기 온도가 상온일 경우 플라즈마의 반응열로 시간이 지남에 따라 80℃ 가까이 상승하였다. 또한, 상기 1차증착단계(S400)에서 형성된 상기 DLC박막층(30)의 두께는 합성 시간을 조절하여 변화시켰다. 상기 DLC박막층(30)의 두께는 합성 시 발생하는 에너지에 의해 일정 두께 이상이 되면 박리가 일어나게 되므로, 이러한 박리현상을 줄이기 위해서 상기 제3단계(S300)에서 접착층(20)의 두께를 0.1~1㎛로 조절하여 문제점을 해결할 수 있다. 도 8에 나타난 바와 같이, 상기 1차증착단계(S400)에 의해 DLC박막층(30)이 코팅 된 후에는 표면이 검은빛을 나타내고 있다.
다음으로, 제5단계(S500)는 나노다이아몬드박막층(40)을 코팅하는 2차증착단계이다. 보다 구체적으로, 상기 2차증착단계(S500)는 상기 카본(carbon)층이 형성된 펀치금형(10) 표면에 Ar 분위기 하에서 CH4를 전구체로 하여 마이크로웨이브파를 조사하여 15 내지 20nm 두께의 나노다이아몬드박막층(40)을 코팅하는 것이 바람직하다.
상기 나노다이아몬드박막층(40)이 15nm 미만의 두께로 코팅되는 경우 제조된 막의 경도가 1,300Hv 미만이 되어 판스프링의 펀칭이 어려울 수 있고, 상기 나노다이아몬드박막층(40)이 20nm를 초과하여 코팅하는 경우 상기 나노다이아몬드박막층(40)의 박리 현상이 일어날 수 있으므로 상기 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
상기 1차증착단계(S400) 및 2차증착단계(S500)는 상기 펀치금형(10)이 공전하면서 증착한다. 상기 펀치금형(10)이 공전하면서 증착하지 않을 경우 코팅된 박막의 표면이 거칠고 균일하지 않아 경도가 낮을 우려가 있다.
상기 펀치금형(10)이 공전하면서 증착 가능하도록, 본 발명에서는 RF Source를 이용하여 DLC 코팅 및 나노다이아몬드 코팅을 구현하기 위한 DVC 코팅 장비로써, 고진공배기공정을 순차적으로 진행하는 장비로 설계를 실시하였다. 또한, 상기 조건의 진공을 유지하기 위해 로터리펌프와 터보펌프를 동시에 부착시켜 보다 효율적인 장비로 설계하였다. 전체 코팅장비의 크기는 1,280×1,000×1,721mm의 크기로 설계하였으며 제품의 작동은 터치스크린을 사용하여 보다 사용자가 사용하기 편리하게 제작하였다. 상기 RF Source 및 가스를 사용하여 코팅을 실시할 때 나타나는 외부열을 방지하기 위하여 챔버 외부를 냉각수로 식혀주는 시스템도 포함되어 있고, 코팅 시험편이 공전을 할 수 있는 회전 장치를 추가하여 보다 쉽게 코팅을 진행할 수 있도록 설계 하였다.
상기 1차증착단계(S400) 및 2차증착단계(S500)에 의해 코팅된 박막은 두께가 2 내지 4㎛ 이내이고, 막경도가 1,300 내지 1,800Hv인 것이 바람직하다.
상기 1차증착단계(S400) 및 2차증착단계(S500)에 의해 코팅된 박막의 두께가 2㎛ 미만인 경우 코팅된 박막의 경도가 약할 우려가 있고, 상기 코팅된 박막의 두께가 4㎛를 초과하는 경우 박막격리 현상이 일어날 수 있으므로 상기 조건으로 제조되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 1차증착단계(S400) 및 2차증착단계(S500)에 의해 코팅된 박막의 경도가 1,300Hv 미만인 경우 판스프링의 펀칭 효과가 미미하고, 상기 박막의 경도가 1,800Hv를 초과할 경우 판스프링의 구성 가공시 가공표면 거칠기가 높아 매끈한 표면으로 제조하기 어려우므로 상기 조건으로 제조되는 것이 바람직하다.
하기에는 상기 기술한 내용을 바탕으로 실험을 실시하거나 실제 제조된 펀치공구에 대한 일실시예를 자세하게 나타내었다.
ㄱ. 부착력 테스트
하기는 상기 제3단계(S300)에서 제조된 접착층(20)의 부착력을 테스트하였다. 주사형탐침현미경 일종으로, 예리한 탐침(probe)로 시료표면을 주사하여 그 탐침으로 작용하는 위치 함수로서 취득할 수 있는 상을 얻는 현미경으로 테스트하였다. 첨단경이 나노미터단위인 탐침은 용수철실수가 nN/nm가량, 혹은 그 이하인 판용수철편지량(cantilever)에 부착하고 있다. 상기 시료를 놓은 바침을 x-y-z측인 3방향으로 주사하여 시료에 근접 또는 접촉시킴으로서 탐침에 작용하는 힘을 판용수철편지량 요도에서 계측한다.
표 2에 나타난 각 시험편의 코팅층과 모재(유리)와의 부착력 측정은 순차적으로 하중을 증가시켜 긁어나가면서 음향방출검사 (AET : Acoustic Emission Testing)로 소리를 측정하여 박막의 최대 임계 하중을 구하는 방식으로 부착력을 측정하였다. 상기 부착력 측정은 CSM사의 scratch tester(model : RST)을 사용하여 각 시험편당 랜덤하게 2회 측정하여 그 평균값으로 하였다. 코팅층의 부착력을 측정하기 위하여 시험편은 40×40mm로 절단하여 사용하였다. 측정조건은 0~100N의 힘을 100N/mim의 속도로 순차적으로 시험편에 가한 후 음향방출검사 (AET : Acoustic Emission Testing) 신호와 육안 관찰을 통하여 부착력을 측정하였다.
하기 표 2에 나타난 바와 같이, 상기 HMDSO 유량과 시간을 달리하고 상기 플라즈마 발생의 전력량을 달리하여 상기 접착층(20)의 부착력을 확인하였을 때, 10-5 ~ 10-6 torr로 배기 후, 3 X 10-3 torr에서 HMDSO를 30초간 500W의 전력으로 플라즈마를 발생시켰을 때 상기 접착층(20)의 부착력이 가장 높음을 확인할 수 있다. 또한, 상기 표 2에서 나타낸 시편 중, 유량 30sccm에서 50sec와 500W 시편을 (A), 유량 50sccm에서 50sec와 700W 시편을 (B), 유량 20sccm에서 30sec와 500W 시편을 (C)라 나타내어 각각 표면조도를 측정하여 도 9에 나타내었다.
가스 종류 유량 시간 RF 파워에 따른 부착력 (N)
300W 500W 700W
HMDSO 20 sccm 0 sec
30 sec
50 sec		 8.5
8.9
11.3		 12.4
13.0
13.5		 7.8
10.6
12.4
30 sccm 0 sec
30 sec
50 sec		 9.6
13.2
15.3		 10.3
17.5
17.0		 8.7
10.5
14.8
50 sccm 0 sec
30 sec
50 sec		 12.0
13.6
15.4		 12.0
14.3
15.7		 10.2
15.3
17.1
ㄴ. 펀치공구의 제조
본 발명에 의해 제조된 펀치공구는 DLC박막층(30) 및 다이아몬드박막층이 이중으로 코팅되어 있다. 도 3은 본 발명에 의해 제조된 펀치공구의 박막층을 간략히 나타낸 것으로 펀치공구모재와 접착층(20), DLC박막층(30) 및 다이아몬드박막층으로 마련되어 있다.
일반적으로 판스프링 구멍 가공 시 가공표면 거칠기는 기존 코발트용 드릴공구로 250㎛ 의 성능을 보이고 있다. 표면 거칠기의 중요성을 언급하자면 부품도를 완성할 때 부품의 형상을 그리고, 치수 및 공차를 기입하며 마지막으로 표면 거칠기 값을 입력한다. 이는 부품도를 그릴 때 설계자는 가공을 해야 하는 부분(매끈한 부분)과 원소재 상태로 남겨두어도 되는 부분(거친 부분)을 구분할 줄 알아야 되는 것으로 작업자에 따른 공차오차와 생산성 능률 저하의 현상을 가져온다. 정밀 가공을 할수록 표면 거칠기가 좋아지며 어느 정도 매끈한 면으로 제작할 수 있음을 뜻한다.
본 발명에서 제조된 펀치공구는 DLC박막 및 나노다이아몬드 박막을 코팅하여 기존 코발트 드릴공구 대비 250㎛ 이하로 도달하고자 목표를 설정하였다. 110톤의 펀치 금형 프레스로 판스프링 가공 시 1번에 2곳 이상의 홀을 가공할 수 있도록 설계하였다. 도 10에 나타난 다음 그림에서 보면 왼쪽 부위와 오른쪽 부위에 각각 펀치 금형의 모습을 확인할 수 있다.
ㄷ. DLC박막층(30) 및 나노다이아몬드박막층(40) 분석
도 12에 나타난 바와 같이, 1330cm-1에서도 피크가 나타나고, 1560cm-1에서 가장 큰 피크가 나타나고 있다. 1330cm-1에서 나타나는 피크는 결정성 다이아몬드를 나타내고 1560cm-1에서는 DLC를 나타내고 있다. 1580cm-1에서 나타나는 피크는 흑연을 나타내고 있는데 본 과제에서 코팅한 시험편은 흑연이 거의 존재하지 않고 대부분이 DLC 구조로 이루어져 있음을 확인할 수 있다. 1330cm-1에서 피크가 나타나는 이유는 DLC는 흑연이 이루고 있는 sp2구조와 결정성 다이아몬드가 이루고 있는 sp3구조를 동시에 혼합되어 있기 때문이다.
또한, 도 13에 나타난 바와 같이, 상기 DLC박막층(30) 및 나노다이아몬드박막층(40)을 SEM촬영을 실시한 결과 상기 접착층(20), DLC박막층(30) 및 나노다이아몬드박막층(40)이 형성되어 있음을 확인할 수 있다.
ㄹ. DLC박막층(30) 및 나노다이아몬드박막층(40) 경도 분석
DLC박막층(30) 및 나노다이아몬드박막층(40) 경도 측정은 CSM사의 nano indentation tester(model : NHTX)를 사용하여 각 시험편당 랜덤 2회 측정하여 그 평균값으로 하였다. 코팅층의 경도을 측정하기 위하여 시험편은 10×10mm로 절단하여 사용하였다. 측정조건은 acquisition 10Hz, max depth 400nm, loading time 100mN/min, unloading time 100mN/min, poisson's ratio 0.3 으로 설정한 후 측정하였다.
도 14는 코팅층 표면 경도를 측정하는데 사용한 nano-indentation 장비의 사진을 나타내었고, 그림에서 X축은 인덴터 압자가 들어가는 깊이를 나타내며, Y축은 인가하는 하중을 나타낸다. 그래프에서 왼쪽 곡선은 하중을 인가할 때를, 오른쪽 그래프는 하중을 제거할 때의 곡선을 의미한다. 하중이 제거될 때 곡선의 기울기가 탄성계수(EIH)를 의미하며, 이 탄성계수와 Berkovich 경도 값(HIT)으로 계산하여 Vickers 경도 값을 계산한다. 또한, 도 15에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 DLC박막층(30) 및 나노다이아몬드박막층(40)의 경도가 1,750Hv인 것을 확인할 수 있다.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 고강도가 요구되는 펀치금형에 효과적으로 DLC 코팅이 적용된 펀치공구를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은 저온에서 DLC 코팅 공정이 가능한 펀칭공구 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 DLC 코팅층과 모재간의 부착력이 향상된 펀칭공구를 제조할 수 있다.
또한, 판스프링강은 탄성한계가 높고 충격 및 피로에 대한 저항력이 커서 펀칭을 위한 시간이 오래 걸리나, 본 발명은 DLC 박막과 다이아몬드 박막이 이중으로 코팅되어 펀칭이 용이하여 전체 제조공정을 효율적으로 줄일 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
S100. HRC (Hardness Rockwell C)가 40 ~ 48인 펀치금형모재(10)를 제조하는 모재제조단계;
S200. 상기 펀치금형모재(10) 표면의 이물질 및 유분을 제거하는 전처리단계;
S210. 상기 펀치금형에 초음파세척을 실시하는 습식전처리단계;
S211. 증류수 100 중량부에 대하여 초음파세척제 1 중량부를 혼합한 혼합액을 이용하여 초음파세척을 실시하는 제1습식처리단계;
S212. 증류수 1 중량부에 대하여 아세톤 0.5~1.5 중량부를 혼합한 혼합액을 이용하여 초음파세척을 1회 실시하는 제2습식처리단계;
S213. 증류수와 알코올을 각각 20분씩 세척을 실시하는 제3습식처리단계;
S214. 에어를 이용하여 건조하는 제4습식처리단계;
S220. 상기 펀치금형을 진공에서 수소 및 산소주입 후, 플라즈마 방전 처리를 통해 잔류불순물을 휘발시키는 건식전처리단계;
S300.상기 펀치금형 표면에 접착층(20)을 형성하는 접착층형성단계;
S400. 카본(carbon)층을 형성하는 1차증착단계;
S500. 나노다이아몬드층을 코팅하는 2차증착단계;
100. 펀치금형본체
10. 펀치금형
20. 접착층
30. DLC박막층
40. 나노다이아몬드박막층

Claims (5)

  1. 화학조성물의 혼합 비율이 C가 0.10wt% 이하, Mn이 0.45wt% 이하, P가 0.03wt% 이하, S가 0.06wt% 이하, Ni가 0.25wt% 이하, Cr가 4.0~6.0wt%, Mo가 1.0~2.0wt%, V가 0.5~1.5wt%로 제조되어 HRC (Hardness Rockwell C)가 40 ~ 48인 펀치금형 모재를 제조하는 모재제조단계;
    상기 펀치금형 모재 표면의 이물질 및 유분을 제거하여 펀치금형(10)을 제조하는 전처리단계;
    상기 펀치금형(10) 표면에 Si를 0.1~1㎛의 두께로 접착층(20)을 형성하는 접착층형성단계;
    상기 접착층(20)이 형성된 펀치금형(10)에 CH4 분위기에서 플라즈마를 발생시켜 카본(carbon)층을 형성하는 1차증착단계; 및
    상기 카본(carbon)층이 형성된 펀치금형(10) 표면에 Ar 분위기 하에서 CH4를 전구체로 하여 마이크로웨이브파를 조사하여 15 내지 20nm 두께의 나노다이아몬드박막층(40)을 코팅하는 2차증착단계;를 포함하되,
    상기 1차증착단계 및 2차증착단계에서 상기 펀치금형(10)이 공전되면서 증착되는 것을 특징으로 하는 DLC 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전처리단계는,
    상기 펀치금형(10)에 초음파세척을 실시하는 습식전처리단계; 및
    상기 펀치금형(10)을 진공에서 수소 및 산소주입 후, 플라즈마 방전 처리를 통해 잔류불순물을 휘발시키는 건식전처리단계;를 실시하고,
    상기 습식전처리단계는,
    증류수와 초음파세척제를 혼합한 혼합액을 이용하여 초음파세척을 실시하고, 상기 증류수와 초음파세척제를 혼합한 용액은 주기적으로 교체하며 세척을 실시하는 제1습식처리단계;
    증류수와 아세톤을 혼합한 혼합액을 이용하여 초음파세척을 실시하는 제2습식처리단계;
    증류수와 알코올으로 각각 세척을 실시하는 제3습식처리단계;
    상기 제3습식처리단계 후, 에어를 이용하여 건조하는 제4습식처리단계;로 제조하는 것을 특징으로 하는 DLC 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접착층형성단계는,
    진공챔버 내에서 10-5 ~ 10-6 torr로 배기 후, 3 X 10-3 torr에서 HMDSO를 30초간 500W의 전력으로 플라즈마를 발생시켜 접착력이 10 내지 30N으로 제조하는 것을 특징으로 하는 DLC 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 1차증착단계 및 2차증착단계에 의해 코팅된 박막은,
    두께가 2 내지 4㎛ 이내이고,
    막경도가 1,300 내지 1,800Hv인 것을 특징으로 하는 DLC 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구 제조방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 DLC 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구.
KR1020170183450A 2017-12-29 2017-12-29 Dlc 및 다이아몬드 박막이 이중 코팅된 펀칭공구 및 그 제조방법 Active KR102055046B1 (ko)

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