[첨단 헬로티]
코이즈미 야스히로 (小泉 康浩), 츠치야 타카유키 (土屋 貴之), 스다 미츠아키(須田 充顯), 야마사키 유카리 (山﨑 友加里), 우에무라 켄스케 (植村 賢介) 新明和공업(주), 이토 요시로(伊藤 義郞) 아이택(주)
1. 서론
우리들은 플라스틱의 사출성형 금형이나 프레스 성형 금형의 성능 향상을 위해 하전 입자 빔(charged particle beam ; C-PB)을 조사, 주입함으로써 금형의 이형성 향상, 경도 상승, 표면 평활화 등이 가능한 것을 보여 왔다.
지금까지 스피노달 분해형 동합금에 대한 C(탄소) 원자 주입이나 STAVAX에 대한 N(질소) 원자 주입에 의한 표면 경도 향상, 이형성 향상을 보고했다. 또한 무전해 니켈도금 피복 정밀 금형의 Ar(아르곤) 이온 조사에 의한 나노오더의 표면 평활화에 대해서도 보고했다. 이번에는 그 후의 진전에 대해 보고한다.
2. 동합금에 대한 C 원자 주입
동합금계 금형은 광학계 수지와의 이형성이 우수하고, 높은 열전도성을 가지고 있기 때문에 플라스틱 제품의 제조에서 급격한 가열, 냉각에 의한 성형 사이클 단축을 기대할 수 있다. 그러나 표면 경도가 낮기 때문에 유리 섬유를 포함하는 수지에 대해서 마모되기 쉽고, 보수하기 어려운 것이 과제로 되어 있다.
이전에 스피노달 분해형 동합금에 C 원자를 주입함으로써 우수한 효과를 얻을 수 있다는 것을 보고했다. 이번에는 이미 금형에서 사용되고 있는 헬륨동에 대한 C 원자 주입을 시도했다.
C 원자의 주입 조건은 가속 전압(30kV), 빔 전류(100A)를 고정값으로 하고, 도즈량은 주입 시간으로 제어했다. 샘플은 도즈량 1×1018ions/cm2로 제작, 표면 경도, 내마모성을 평가했다. C 원자를 주입한 헬륨동의 표면 경도 측정 결과를 그림 1에 나타냈다. C 원자를 주입함으로써 경도가 50kgf/mm2 향상됐다. 마찰마모 시험 결과를 그림 2에 나타냈다.
C 원자 주입 없는 시험편은 1,000회로 동마찰계수, 정마찰계수는 급상승하고, 시험편에 명확한 상처가 발생했다. 이 때의 양 마찰계수의 값은 0.8을 넘고 있다. 한편, C 원자를 주입한 시험편은 10,000회까지 양 마찰계수 모두 0.5를 유지하고 있으며 내마모성이 현저하게 향상됐다.
3. STAVAX에 대한 N 원자 주입
新明和공업제 플라즈마 이온질화장치는 저온에서 기본재 표층에 질소계 금속간화합물을 형성할 수 있다. 대표적인 질화처리 조건과 평가 결과를 표 1에 나타냈다. 이번에는 표면 경도와 PC(폴리카보네이트) 수지와의 이형성을 습윤성으로 평가했다. PC 수지와의 접촉각 측정 결과를 그림 3에 나타냈다.
COP 수지와의 접촉각 측정 결과도 병기했다. 질화처리 후의 접촉각은 ＃미처리와 비교해 PC 수지에서 최대 3°, COP 수지에서 최대 17° 커졌기 때문에 표면 경도를 향상시키는 처리 조건으로 PC 수지 및 COP 수지와의 이형성도 향상되는 것을 알았다.
4. 무전해 니켈도금막의 Ar 이온 조사에 의한 윤활화
니켈도금막은 성막 시에는 비정질이지만 가열에 의해 비정질 모상에서 미세 결정이 석출, 경도가 상승하고 막특성이 변화한다. 이에 표 2에 나타낸 Ar 이온 조사 조건으로 표층의 절삭흔적을 평활화했을 때의 결정성 변화를 X선 회절강도와 경도로 평가했다. 표 3에 나타냈듯이 Ar 이온 조사 전후에 표면 경도의 변화는 없었다.
표 4에 X선 회절강도 측정 조건을 나타냈다. X선 회절 도형(그림 4)는 Ar 이온 조사 전후에 변화하지 않고, 2θ=70° 부근에 헤일로를 나타낼 뿐으로 니켈도금막은 비정질 상태를 유지하고 있다. 기본재의 표면 형상 변화를 주사형 전자현미경으로 관찰했다(그림 5). Ar 이온 조사 20분으로 절삭흔적이 눈에 띄지 않게 되어 있으며, 평활화할 수 있다는 것을 알 수 있다.
5. 맺음말
C-PB의 조사, 주입에 의한 금형의 표면처리에 대해 이하의 결과를 얻었다.
① 헬륨동에 대한 C 원자 주입에 의해 내마모성이 10배 향상됐다.
② STAVAX에 대한 저온 질화처리에 의해 표면 경도가 향상되고, PC 수지, COP 수지와의 이형성도 향상됐다.
③ 무전해 니켈도금막에 대한 Ar 이온 조사에 의해 니켈도금막의 특성에 영향을 미치지 않고 절삭흔적을 평활화활 수 있었다.
코이즈미 야스히로, 츠치야 타카유키, 스다 미츠아키, 야마사키 유카리, 우에무라 켄스케 : 산기시스템사업부
〒665-0052 兵庫縣寶塚市新明和町 1-1
이토 요시로
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