KR920002405B1

KR920002405B1 - 플라스틱 또는 세라믹제품 성형용 흑연다이

Info

Publication number: KR920002405B1
Application number: KR1019890019534A
Authority: KR
Inventors: 다까유끼 미즈다이; 다까시 다까기; 세이지 미노우라
Original assignee: 이비덴 가부시끼가이샤; 다가 쥰이찌로
Priority date: 1988-12-26
Filing date: 1989-12-26
Publication date: 1992-03-23
Also published as: KR900009239A

Abstract

내용 없음.

Description

플라스틱 또는 세라믹제품 성형용 흑연다이

제1도는 본 발명에 관계되는 성형다이를 사출성형기에 적용한 예의 단면도.

제2도는 본 발명에 관계되는 다이를 압축성형용의 상다이 하다이에 적용한 예의 단면도.

제3도는 보강재를 구비한 플라스틱 성형용 흑연다이 및 이것을 채용하여 구성한 사출성형기의 요부 단면도.

제4도, 제5도 및 제6도는 본 발명에 의한 성형다이의 보수의 태양을 도시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

20 : 흑연다이 21 : 고정다이

22 : 이동다이 23 : 성형캐비티

25 : 보강부재 26 : 보수재

27 : 접착제

본 발명은 플라스틱 및 세라믹의 필름, 시트, 파이프 등을 압출성형한다든가 플라스틱 및 세라믹의 복잡형 상품을 사출성형하기 위하여 사용되는 성형다이에 관한 것이다.

플라스틱은 일반적으로 경량, 경제성, 가공성, 내식성 등 각종의 특성을 갖는 재료이며, 전기, 기계, 자동차 등의 온갖 공업적 용도로부터 일용품에 이르기까지 극히 광범위하게 사용되고 있다. 이들 각종 플라스틱 제품을 성형하는데에는 일반적으로 철 및 그 합금의 금속재료로 제작한 다이가 사용된다.

이종의 금속재료에 의하여 제작된 다이(이하 금형이라 칭함)는, 성형수가 극히 다량인 경우에는 금형수명의 관점에서 다이재가 금속임을 필요조건으로 하였다. 그러나, 최근의 다품종 소량생산의 경향에 있어서는 다이의 시작(Preparation of dies)의 필요성이 점점 증대하고, 종래의 금형은 과도의 품질이며, ① 성형품에 차지하는 금형가격의 비율이 커짐으로 인해 제품가격을 높이고 있다. 또 ② 금형의 제작에는 다대한 시간과 반응을 필요로 하는 결점이 있었다.

그래서, 본 발명자들은 금속을 대신하는 다이재료로서 플라스틱 사출성형시의 압력에 충분히 견디고, 또한 다이 연마 마무리면의 양호한 고감도 및 고밀도의 흑연재료를 사용한 다이에 관하여, 특개소 63-162205호 공보 등에 있어서 여러가지 제안을 하고 있다. 이 공보에 있어서 제안한 방명을 성취함에 있어서, 본 발명자들이 착안한 점은 다음과 같다.

(1) 흑연은 기계가공에 있어서의 절삭저항이 금속이 비교하여 1/5 내지 1/10임으로 고속가공을 할 수 있다.

(2) 흑연은 손작업에 의한 마무리가 금속보다 용이한 재료임으로 방전가공에 의지하고 있던 부위 또는 공정이 손작업에 의하여 용이하게 마무리할 수 있다.

(3) 흑연은 열팽창계수가 극히 작은 재료임으로, 플라스틱의 성형시의 정도를 얻기 쉽다.

(4) 흑연다이의 비중은 금형비중의 1/4이하로, 비교적으로 경량임으로 복잡한 작업 및 고속을 요하는 작업일지라도 플라스틱 성형용다이의 취급이 용이하고 조작이 간편하다.

이상의 효과에 따라, 국소봉, 시작품의 플라스틱 제품의 성형에의 대응이 가능하게 된다고 하는 것이었다.

그러나, 본 발명자 등의 그후의 연구에 의하여 이종의 플라스틱 성형용 흑연다이에 있어서, 다음과같은 점을 고려해야 한다는 사실이 새로이 알려졌다.

즉, 플라스틱을 성형하는 경우에는 예를들면, 열가소성의 플라스틱을 예로들어 고찰하여보면, 이 플라스틱 재료를 그 가소화온도(일반적으로 175 내지 320℃)에 까지 가열하여 다이속에서 성형하고, 그후 냉각(일반적으로는 수 10℃)하여 고화시켜야 한다. 그 때문에 이 플라스틱 성형용 흑연다이는 그 캐비티내에 가하여지는 압력등에 충분히 견딜수 있는 강체로서의 특성과, 가열되어 있는 플라스틱 재료를 냉각하기 위한 효율이 좋은 열교환기로서의 특성을 또한 갖고 있어야만 한다.

또한, 플라스틱 성형에서는 다이내에 점성이 있는 용융수지가 주입되고, 또 플라스틱재료에는 제품의 색채를 풍부하게 하기 위한 안료 등의 착색제 및 안정제, 기타의 첨가제가 여러가지 혼입되어 있다. 이와같은 사실로하여, 플라스틱 성형용 흑연다이의 흑연재 표면과 점성이 있는 용융수지 및 안료 등의 착색제, 안정제, 기타의 첨가제와의 사이의 이형성이 문제가 되고, 제품이 다이내로부터 꺼내기 힘들다든가, 또 이형시켜도 제품의 표면에 그을음이 발생한다고 하는 문제가 있었다.

또 흑연은 상기한 바와같이, 절삭등의 가공이 용이한 반면 표면강도가 낮고, 내마모성이 열등함으로 표면에 적절한 코팅을 하는것도 필요하다.

플라스틱제품을 형성하는 경우에는 예를들면 열가소성의 플라스틱을 재료로 하는 사출성형을 예로 들어 고찰하여보아도, 염화비닐수지에서는 141kg/cm²정도의 성형압이긴 하지만 아크릴수지에서는 약 700kg/cm²정도의 성형압을 걸지않으면 아니되며, 성형다이로서는 당연 이와같은 성형압에 견딜 수 있는 것이여야 한다. 또한, 성형다이에 대해서는 다만 성형압이 걸릴뿐만 아니라, 예를들면 고정다이에 대해서 가동다이를 상대 이동시켜서 밀폐된 성형 캐비티를 구성하도록 한 다이에 있어서는 그 밀폐 캐비티를 구성하기 위하여 성형압보다 높은 압력(누르는 압력)으로 가동다이를 고정다이측으로 가압해야 한다. 이 누르는 압력에 대해서도 다이는 충분히 견딜 수 있는 것이어야 한다. 다이를 흑연으로 성형한 경우에는 가하여지는 압력에 대한 강도는 금형강도이지 못한 것이 실상이다. 이 때문에 모종의 보강을 하는 것이 필요하다.

또 경질이긴 하지만 연한 흑연다이는 그 제조공정에 있어서도 또 사용시에 있어서도, 국소적으로 힘이 가하여졌을때에 흠이 생기는 경우가 있다. 이 흠이 성형면등에 생기면 다이로서의 역할을 다할 수 없기 때문에 교환을 지체없이 해야한다. 그러나 이 흠을 확실하게 간단히 보수할 수 있으면, 교환의 필요성은 없어지고 제품가격을 절감할 수 있다.

본 발명은 이와같은 사정을 고려하여 이루어진것으로, 다이 자체의 제작이 용이하여 고속가공에 적합하고, 또 이형성 내부식성이 탁월하여 성형품의 마무리면을 매끈하게 할 수 있고 더욱 경량이고 취급에 편리하고, 보강보수도 용이하게 할 수 있는 플라스틱 성형용다이를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

즉, 본 발명은 한 국면에 있어서, 다이의 일부 또는 전부가 흑연재료로 이루는 성형다이를 제공하는 것이고 바람직하게는 흑연재료가 실질상 등방성 흑연이고, 더욱 바람직하게는 상기 흑연재료의 압축강도가 800kg/cm²이상이고, 쇼어경도(H_S)가 40 내지 90이고, 상기 흑연재료의 수은 압입법으로 측정되는 75Å 내지 75000Å의 반경을 갖는 미세가공이 차지하는 용적이 0.02cc/g 내지 0.25cc/g인 성형다이를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 다른 한 국면에 있어서, 상기 흑연재 기재의 열전도율이 30 내지 300 Kcal/m.hr.℃의 범위인 플라스틱 성형용 흑연을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 다른 한 국면에 있어서, 다이의 일부 또는 전부가 흑연재로 이루는 플라스틱 성형용의 흑연다이이고, 그 흑연재의 X선광 전자분광법에 있어서의 O_IS밴드의 면적강도와 C_IS밴드의 면적강도의 강도비 O_IS/C_IS의 값이 0.05 내지 0.1인 플라스틱 성형용 흑연다이를 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 다른 한 국면에 있어서, 다이의 일부 또는 전부가 흑연재료로 이루어지고, 그 표면의 일부 또는 전부에 열분해탄소의 피막이 형성되어 이루는 플라스틱 성형 다이를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은, 다른 한 국면에 있어서, 흑연재료의 최소한 성형 캐비티에 노출하는 부분에 금속으로 이루는 코팅피막을 5 내지 80㎛의 범위로 성형한 플라스틱 성형용 흑연다이를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 다른 한 국면에 있어서, 흑연재료의 적어도 성형 캐비티에 노출하는 부분에 Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, SiC, TiC, TaC, B₄C, Cr₂C₂, Si₃N₄, BN, TiN, AlN, TiB₂, ZrB₂코디어라이트, 뮬라이트, TiO₂혹은 이들의 화합물에서 선택되는 적어도 한가지를 포함하는 세라믹으로 이루는 코팅피막을 5 내지 2000㎛의 범위로 형성한 플라스틱 성형용 흑연다이를 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 다른 한 국면에 있어서, 흑연재료의 성형 캐비티면 이외의 일부 또는 전부의 다이표면에 금속제의 보강보재를 일체화하여 흑연으로 이루는 기재를 보호한 플라스틱 성형용 흑연다이를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 다른 한 국면에 있어서, 흑연으로 만들어진 성형다이의 보수방법 및 보수된 다이를 제공하는 것이다.

즉 본 발명은, 다이의 일부 또는 전부가 흑연재료로 이루는 성형다이를 요지로 하는 것이다.

본 발명의 성형다이에서는 이방성 흑연의 양쪽의 흑연재료를 사용할 수가 있으나 기계적 성질, 열적성질등의 제특성이 어느 방향에서도 거의 일정한 등방성 흑연을 사용하는 것이 바람직하다. 이것은 효율적인 재료 선택이 가능하고 다이의 가열냉각 및 강성등의 설계가 간단히되기 때문이다. 이 등방성 흑연은 정수압가압의 라버프레스기를 사용함으로서 얻을 수 있고, 이방성 흑연보다도 치밀하고 강도가 매우 높다.

이 흑연재료의 굳기는 일반적으로는 클수록 바람직하지만, 보다 고속도 가공이 가능하며 또한 피성형물인 각종 플라스틱 및 세라믹과 완전히 이형할 수 있도록 하기 위하여 쇼어경도(H_S)가 45 내지 90의 범위에 있음이 바람직하다.

또, 사출성형시의 압력에 충분히 견딜 수 있도록 하기 위해서 압축강도가 800kg/㎠ 이상임이 바람직하다. 이것은 흑연재료의 원료분 및 바인더의 배합을 조정한다든가 또는 소성 온도를 조정한다든가하는 따위에 의하여 얻을 수가 있다.

또한, 흑연재료의 체적밀도는 1.40 내지 1.95가 일반적이지만 흑연재료의 미세기공분포 및 굳기등의 점에서 체적밀도는 1.70이상이 바람직하다.

종래부터 사용되고 있는 금속제의 성형다이에서는 그 자체에 미세가공은 존재하지 않음으로 피성형물의 각종 플라스틱 및 세라믹에 포함되, 가열에 의하여 휘발하는 첨가물의 가스제거를 충분히 할 수 없었지만 본 발명에서는 흑연재료의 미세기공을 활용하여 가스제거를 충분히 할 수 있는 성형다이로 할 수가 있다. 흑연재료의 바람직한 기공의 정도는 수은 폴로시미터를 사용함으로서 수은 압입법으로 측정되는 75Å 내지 75000Å의 반경을 갖는 미세기공을 차지하는 용적이 0.02cc/g 내지 0.25cc/g인 정도다.

그리고 본 발명은 또한, 성형후의 플라스틱재료를 냉각을 효율적으로 행할 수 있어, 성형다이의 효율을 향상시킬 수 있는 플라스틱 성형용 흑연다이를 제공하는 것이지만 이 때문에 이 플라스틱 성형용 흑연다이를 구성하는 흑연재 기재의 열전도율의 하한을 30Kcal/m.hr.℃로 함이 바람직하다.

이것보다 열전도율이 작으면 플라스틱 성형용 흑연다이의 캐비티내의 성형품의 냉각을 양호하게 할 수 없게 된다. 또 플라스틱 성형용 흑연다이의 열전도율의 상한은 300Kcal/m.hr.℃로 함이 바람직하다. 이것보다 열전도율이 크면, 플라스틱재료의 캐비티내에 있어서의 다이성형이 완료되기전에 이 플라스틱재료가 고화하기 때문이다.

이와같이, 플라스틱 성형용 흑연다이의 열전도율을 30 내지 300 Kcal/m.hr.℃의 범위의 것으로 하기 위해서는 플라스틱 성형용 흑연다이의 기재를 구성하는 흑연을 일정한 치밀체로 할 필요가 있지만, 그 방법으로서는 후기의 실시예에 있어서 표시하는 바와같이 흑연재료를 다이내에 장입하여 성형한 후, 1000℃까지 100시간 걸려서 소성하고, 다시 3000℃에서 흑연화하여 흑연재를 얻는 방법이 있다. 또, 다른 방법으로서는 다공질의 흑연재의 기공속에 탈피치 또는 수지등을 함침하여 이것을 타화함으로서 얻는 방법, 또는 동, 주석등의 금속을 함침시켜 흑연과 일체화하여, 상기의 범위의 열전도율을 갖는 플라스틱 성형용 흑연다이로 하는 방법이 있다.

본 발명은 또 흑연재료 표면과 용융수지 혹은 착색제, 안정제, 기타의 첨가제와의 이형성의 개선을 도모하고 제품표면의 그을림의 발생을 방지할 수 있는 플라스틱 성형용 흑연다이를 제공하려고 하는 것이다.

즉, 본 발명에 관계되는 플라스틱 성형용 흑연다이의 하나는 흑연재의 화학적 성질에 착안하여 흑연재의 X선광 전자분광법(ESCA)에 있어서의 O_IS밴드의 면적강도와 C_IS밴드의 면적 강도의 강도비 O_IS/C_IS의 값이 0.05 내지 0.1인 것을 특징으로 하는 것이다.

X선광 전자분광법은 고진공하(10^-8mmHg)에서 시료표면에 연 X선(Alkα1.2 1487eV)를 조사하여 발생하는 광전자를 분석기로 에너지 분할을 하여 검출하는 방법이다.

강도비 O_IS/C_IS의 값은, 표면처리된 흑연재 표면의 함산소관능기의 생성정도를 시사하는 척도이며, 강도비 O_IS/C_IS의 치가 0.1보다 큰 흑연재는 표면에 산소원자를 갖인 관능기가 매우 높은 비율로 분포하여 있다.

따라서 강도비 O_IS/C_IS의 값이 0.1보다 큰 흑연재는, 용융수지, 기타의 첨가물등과 매우 젖기 쉽고, 이들과의 이형성의 악화 및 제품 표면의 그을림의 발생의 원인이 된다.

이에 대하여, 강도비 O_IS/C_IS의 치가 0.05 내지 0.1이면, 용융수지, 기타의 첨가물등과의 이형성이 좋고, 제품 표면의 그을림도 거의 발생하지 않는다.

또 강도비 O_IS/C_IS의 값이 0.05보다 작은 것은 그 상태의 흑연재를 만들어내기에 가격이 높아짐에도 불구하고 효과에 대해서는 거의 변화가 없다.

이와같은 흑연재로 구성되는 플라스틱 성형용 흑연다이는, 함산소관능기의 산소원자가 플라스틱 재료에 혼입되는 착색제, 안정제, 기타의 첨가제 및 용융수지와의 이형성을 향상시킨다.

본 발명은 또, 흑연성형다이의 이형성 및 표면강도를 개량하는 수단으로서 캐비티 표면에 각종의 코팅을 실시한 다이를 제공하는 것이다.

흑연은 어느정도 포러스(porous)한 것이고 그 표면에 열려있는 구멍을 이용함으로서 코팅피막의 앵커링 효과를 충분히 발휘시킬 수 있는 것이다. 그런데, 이 코팅막을 흑연표면에 형성시킨 경우 그 두께가 너무 두꺼우면, 흑연과 코팅피막의 열팽창차에 의하여 코팅피막이 박리하기 쉬워지고, 반대로 너무 얇아지면, 이형효과가 작아져서 코팅한 의미가 없어진다.

또 일반적으로 어떤 사물의 표면에 코팅피막을 형성하는 경우에 주의해야할일은 코팅피막과 이것이 형성되는 재료측과의 열팽창율의 차를 작게해야하는 일이다. 특히, 본 발명이 대상으로 하고 있는 바와같은 플라스틱 성형용다이와 같이 일정한 너비의 히트사이클에서 빈번하게 사용되는 것에 있어서는 기재와 피막간에 열팽창차가 있으면 피막의 내구성이 손상되기 쉽다.

그리고, 이와같은 조건을 만족하면서, 성형된 코팅층은 플라스틱재료 및 이속에 첨가되어 있는 여러종류의 첨가제 및 보강재등의 화학적 또는 물리적 충격에 대하여 또 다이세척을 할때의 세척제 및 충격등에 의한 화학적 또는 물리적 충격에 대해서 다이를 충분히 보호하는 것이여야만 한다.

상술한 바와같은 목적을 위한 코팅으로서, 본 발명자들은 열분해 탄소코팅, 금속코팅 및 세라믹코팅이 우수한 것임을 알아냈다.

본 발명에서는 흑연재료와 각종 피막의 밀착성을 높히기 위하여, 흑연재료에 적당량의 기공이 존재함이 필요하고, 수은 압입법으로 측정되는 75Å 내지 75000Å의 반경을 갖는 미세기공의 차지하는 용적이 0.2cc/g 내지 0.25cc/g인 흑연재료를 사용하는 것이 가장 양호하다.

열분해탄소의 피막은, CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의하여 형성할 수 있다. CVD법은 메탄, 프로판등의 탄화수소가스와 캐리어가스의 존재하에서 고온의 흑연재료의 표면상에서 반응시켜 열분해탄소의 피막을 형성시키는 것이다. 이 경우의 처리온도는 1000℃ 내지 2500℃이고, 바람직하게는 1100℃ 내지 2000℃의 범위이다. 캐리어 가스로서는 수소가 최적이다. 또, 반응은 상압 또는 감압하에서하고, 피막의 균일성, 평할성이란 견지에서 갑압하에서 행하는 것이 바람직하다.

이와같이 하여 성형되는 열분해탄소 피막의 두께는 0.5㎛ 이상인 것이 좋고, 바람직하게는 0.5 내지 500㎛의 범위임이 좋다. 또한, 피막은 탄화수소가스의 농도, 처리온도, 처리시간에 의하여 제어할 수 있다. 흑연재료의 표면층을 열분해탄소로 함으로 흑연재료와 열분해탄소층과로 열팽창차의 힘이 걸리지 않는지, 또는 냉각시에 열분해 탄소층에 약간의 압축응력이 걸리도록 하여 다이의 안정성을 확보하기 위하여, 흑연재료의 열팽창계수는 실온에서 450℃의 범위이고, 1.7×10^-6.C^-1이상인 것이 좋고, 바람직하게는 1.7×10^-6.C^-1의 범위인 것이 좋다.

열분해탄소의 피막은 플라스틱에 젖기 어렵고, 이형제 및 도금등에 의한 피막처리를 하지 않아도 이형성을 유지할 수 있다. 또 내마모성도 우수하다. 또한 열분해탄소의 피막은 치밀한 구조를 갖고 있음으로 성형품의 마무리면을 평활하게 마무리할 수가 있다.

본 발명은 또, 기재가 흑연재료로 이루어지고, 캐비티 측면에 금속코팅을 한 플라스틱 성형용 흑연다이를 제공한다.

이 코팅피막을 형성하는 방법으로서는 소위 진공증착법, 기상도금법, CVD 및 PVD 등의 스퍼터링법, 용사법 등의 방법을 적절히 채용할 수 가 있다. 예를들면 기상도금법은 할로겐화금속등의 가스상 금속을 피처리물을 수용하는 대형 고온실로 반송하고, 동실내에 있어서 금속가스를 균일분산시켜 행하는 것이나 흑연재료는 이때의 고온에 충분히 견딜 수 있는 것이기 때문에 이 기상도금법은 흑연재료에 코팅피막을 형성하는데에 적합하다. 또 캐비티면이 비교적 평활한 다이인 경우에는 진공증착법에 의한 코팅피막의 형성이 용이하다.

또, 금속의 코팅피막을 형성하는 다른 방법으로서는 캘러라이징, 크로마이징 등의 소위 팩법에 의하여 행하여도 된다. 이 팩법은, 크롬등의 금속을 포함하고, 분말 침투제를 충전한 반밀폐용기속에 흑연재료를 매몰하여 가열하므로써 흑연재료의 필요개소에 금속의 침투층을 형성하는 것이다. 이 팩법은, 진공상태를 형성할 필요가 없고 또 피처리물을 침투제에 의하여 보존할 수 있기 때문에 금속의 코팅피막을 형성하는데 유리하다.

이 코팅피막을 형성하는 금속으로는 크롬티탄, 알미늄 또는 이들의 화합물에서 선정하여 어느것이나 최소한 일종을 포함하는 것을 사용하는 것이 좋다. 그 이유는 완성된 플라스틱 성형용 흑연다이의 이형성을 좋게함과 동시에 그 물리적 또는 화학적 충격에 대해서 충분한 내성을 가질 필요가 있기 때문이다.

여기서 플라스틱 성형용 흑연다이의 성형 캐비티측에 노출하는 흑연재료의 표면에 형성하는 코팅피막의 두께는 5㎛ 내지 80㎛의 범위로 하는것이 바람직하다. 이 범위보다 두꺼운 코팅피막을 형성한 경우에는 코팅피막에 균열이 생기기도 하고, 또는 이 코팅피막 자체가 흑연표면으로부터 박리할 우려가 있기 때문이다. 또, 코팅피막의 두께가 5㎛보다 얇으면 플라스틱 제품을 이형을 잘 해나갈 수 없게 되기 때문이다.

또, 코팅피막을 금속에 의하여 형성하면 이 코팅피막에 의하면 플라스틱 재료측으로부터 발생하고 활성가스등에 의한 화학적 충격으로부터 흑연재료를 보호하고 또한 성형 및 세척을 빈번히하는 경우의 기계적 충격으로부터 흑연재료를 보호할 수가 있다.

본 발명은 또 플라스틱 성형에 쓰여지는 다이의 기재를 흑연재료에 의하여 형성하고 캐비티면을 세라믹으로 코팅한 플라스틱 성형용 흑연다이를 제공한다.

세라믹재료로서는 이형성 및 물리적, 화학적인 내성의 면에서 Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, SiC, TiC, TaC, B₄C, Cr₂C₂, Si₃N₄, BN, TiN, AlN, TiB₂, ZrB₂코디어라이트, 뮬라이트, TiO₂혹은 이들의 화합물에서 선택하면 최소한 한종류를 포함하는 세라믹에서 또 세라믹 코팅피막을 5 내지 2000㎛의 범위에서 성형하는 것이 바람직하다. 이 범위보다 두꺼운 코팅피막을 형성한 경우에는 코팅피막에 균열이 생긴다든가, 또는 코팅피막자체가 흑연 표면으로부터 박리할 우려가 있기 때문이다. 또 코팅피막의 두께가 5㎛보다 얇으면 플라스틱 제품을 이형을 잘할 수 없게 되기 때문이다.

이 코팅피막을 형성하는 방법으로는 탄화물 전화법, CVD 및 PVD등의 스패터링법, 용사법, 졸겔법 등의 방법을 채용할 수가 있다. 예를들면 CVD법에 의하여 흑연재의 표면을 탄화규소로 피복하기 위해서는 흑연재 표면상에서 다음식과 같이 반응시킴으로써 흑연재의 형상을 보존한채로 행할 수가 있다.

CH₃SiCl₃→ SiC +3HCl

예를들면 팩 시멘테이션을 응용한 방법은 임의의 형상으로 가공한 흑연재를 준비하고, 내열용기, 바람직하기로는 흑연재 용기내로 탄화규소분과 2산화규소분의 혼합분과 함께 매입하고, 1400℃ 내지 2300℃의 온도범위에서 가열처리함으로서 흑연재 표면을 탄화규소를 전화할 수 있다.

전술한 각종 코팅피막에 의하여 플라스틱 재료측으로 부터 발생하는 활성 가스등에 의한 화학적 충격으로부터 흑연재료를 보호하고, 또한 성형 및 세척을 빈번히하는 경우의 기계적 충격으로 부터 흑연재료를 보호하고, 또한 이형성을 향상시키고 있는 것이다.

또한, 상기 각종의 피막을 흑연재료에 부분적으로 실시한 경우에는, 흑연재료의 미세기공을 활용하여 플라스틱 성형시에 발생하는 가스제거를 충분히 할 수 있어, 성형품에 핀홀등이 생기는 것등을 방지할 수 있다.

본 발명은 또 흑연재의 성형 캐비티면 이외의 일부 또는 전부의 다이표면에 금속제의 보강부재를 일체화하여 흑연으로 이루는 기재를 보호한 성형다이를 제공하는 것이다.

보강부재를 형성하는 개소로서는 적어도 성형 캐비티면 이외의 일부 또는 전부의 다이표면일 필요가 있다. 가동다이를 고정다이에 대하여 가압하는 타이프의 다이에 있어서는 그 가압력이 걸리는 방향이고, 성형 캐비티의 외측을 보강하기 위함이다.

또, 이 플라스틱 성형용 흑연다이에 있어서는 예를들면 제3도에 표시와 같이 그 성형 캐비티의 반대측에 위치하는 흑연기재가 보강부재에 의하여 보호되고 있으나, 이 플라스틱 성형용 흑연다이(20)에 외부로부터 힘을 가한 경우에, 그 힘은 이 보강부재(25)를 사이에 두고 플라스틱 성형용 흑연다이(20) 전체에 분산된다. 즉, 이 보강부재(25)는 플라스틱 성형용 흑연다이(20)를 구성하고 있는 흑연기재의 강도를 보증하면서, 가하여지는 힘을 분산시키고 있는 것이다. 따라서 흑연기재가 외부로부터 가해지는 힘에 의하여 파손한다든가 하는 일은 없는 것이다.

또한, 성형 캐비티(23) 내에는 사출되는 세라믹 재료에 의한 성형압이 가하여지지만 이 압력은 흑연 기재에 직접 부여되지만, 흑연기재는 보강부재(25)에 의하여 백업되어 있음으로 이 성형압에 의하여도 균열이 생긴다든가 파손되는 경우가 없다.

그리고, 본 발명은 또 다이를 구성하고 있든 탄소계 재료를 그대로 이용하여 충분히 재사용할 수있는 보수된 플라스틱 성형 탄소다이를 제공하는 것이다.

즉, 그 하나의 방법으로서는, 예를들면 제4도에 도시하는 바와같이 우선 탄소계재료의 흠등이 생긴 보수개소에 탄소계 재료로 이루는 보수재(26)을 끼워넣을 필요가 있다. 이 경우의 「끼워넣음」이란 다이를 구성하고 있는 탄소계 재료의 보수개소에 틈이 없도록 하여 넣는 것을 말하고, 「끼워넣음」한 보수재(26)는 그대로나 또는 나사맞춤, 또는 볼트 등에 의하여 다이를 구성하고 있는 탄소계재료측에 고정한다.

물론, 이 보수재(26)는 삭절 및 연마등을 함으로서 플라스틱 성형용 탄소다이(20)에 함친면으로한다.

즉, 이 플라스틱 성형용 탄소다이(20)의 형상에 맞추어서 부형하고, 보수후의 플라스틱 성형용 탄소다이(20)에 의한 플라스틱 성형에 지장이 없도록 한다.

또 다른 보수방법으로서는 예를들면 제5도에 표시와같이, 플라스틱 성형용 탄소다이(20)의 보수해야할 개소에 열경화성 수지 또는 이에 탄소계의 골재를 혼입한 것으로 이루는 접착제(27)를 첨부부착하고, 고화 또는 탄화후에, 이 플라스틱 성형용 탄소다이(20)의 형상에 맞추어서 부형하는 방법이다.

이 경우에는 우선 탄소계 재료의 흠등이 생긴 보수개소에 접착제(27)를 제5도에 표시와같이 첨부부착할 필요가 있다. 이 접착제(27)는 페놀수지, 우레어수지, 멜라민수지, 크실렌수지, 불포화 폴리에스틸알키드수지, 에폭시수지, 폴리이미드수지, 프랑수지, 아닐린수지 등의 열경화성수지를 주성분으로 하는 것이다. 그 이유는 내열성에 우수한 탄소계재료와 함께 가열하기 쉽고 또한 가열에 의하여 치밀체가되기 때문이고, 또 소성함으로하여 용이하게 탄화하기 때문이다. 또 이 접착제(27)를 구성하기 위해서는 전술한 열경화성수지속에 탄소, 나무부스러기, 식물의 섬유등의 탄화하는 골재를 혼입하여 실시해도된다. 이 경우에는 이 접착제(27)를 완전히 소성에 의하여 탄화하는 것이 바람직하다. 물론, 이 경우의 소성에 의하여 흑연계재료가 변화하는 일은 없다.

보수해야할 개소가 제5도에 도시한 바와같이 비교적 작은 경우에는 이상과 같이하여 접착제(27)를 다만 그 장소에 첨부부착해서 고화 또는 탄화하는 것이 적합하다. 또, 보수해야할 개소가 성형면이 아니고, 또는 성형면이라 할지라도 비교적으로 낮은 성형압에서 플라스틱을 성형하는 다이인 경우에는 이 접착제(27)는 다이측의 탄소계 재료와 함께 가열하여 고화하기만하여도 된다. 그러나, 이 보수개소가 비교적 정도를 필요로하는 부분이면 접착제(27)를 소성함으로서 탄화하고, 탄소계 재료와 동질인 것으로 하는 것이 보다 적합하다.

물론, 이 접착제(27)는 절삭 및 연마등을 함으로하여 플라스틱 성형용 탄소다이에 맞춘면으로한다. 즉, 이 플라스틱 성형용 탄소다이(20)의 형상에 맞추어서 부형하고 보수후의 플라스틱 성형용 탄소다이(20)에 의한 플라스틱 성형에 지장이 없도록 한다.

다시, 또 다른 보수방법으로서는 예를들면 제6도에 표시함과 같이 플라스틱 성형용 탄소다이(20)의 보수해야할 개소에 흑연재료로 이루는 보수재(26)를 상기 접착제(27)로 첨부부착한후, 이 플라스틱 성형용 흑연다이(20)의 형상에 맞추어서 부형하는 방법이 있다.

보수해야할 개소가 제6도에 표시한 바와같이 비교적 큰 경우에는 이와같이 보수재(26)를 첨부부착한 편이 용이하고, 사용하는 접착제(27)의 양을 절약할 수 있어 유리하다.

이상과 같이 보수재(26) 및 고화, 혹은 탄화한 접착제(27)와는 절삭등을 함으로서 플라스틱 성형용 흑연다이(20)에 맞춘면으로한다. 이 경우에 접착제(27) 및 보수재(26)의 절삭등의 가공은, 이들이 비교적 낮은 절삭저항을 갖는 것이므로 소위 금형의 보수에 비교하면 극히 용이하게 되어 있다.

이하 실시예에 의하여 본 발명을 다시 상세히 설명한다.

[실시예 1]

코크스와 콜타르피치로 이루어진 배합물을 가열 혼합하여 얻어진 혼합물을 분쇄후, 라버프레스로 정수압하에 성형하여 소성하고 다시 피치함침을 반복하여 흑연화하고 쇼어경도 52, 75Å 75000Å의 반경의 미세기공 용적이 0.08cc/g 체적밀도 1.82의 등방성의 흑연재료를 얻었다.

이 흑연재료를 사용하여 제1도에 표시하는 사출성형의 성형다이의 고정다이(21), 이동다이(22)를 제작했다.

이 성형다이의 제작에 드는 가공시간은 금속제의 성형다이 제작에 비교하여 약 1/5로 단축되었다.

또 얻어진 사출성형의 성형다이를 사용하여 성형온도 170℃에서 성형품소재에 폴리염화비닐수지를 사용하고 250시간 연속성형했다. 그 결과 성형다이에의 부착물 및 이형불량은 발생하지 않았다.

[실시예 2]

실시예 1과 같은 방법으로 얻어진 흑연재료를 사용하여 구체 성형용의 성형다이를 제작했다. 이 성형다이 제작에 드는 가공시간은 금속제의 성형다이 제작에 비교하여 약 1/8로 단축되었다.

얻어진 사출성형용의 성형다이를 사용하여 질화규소 미분말과 첨가제와의 혼합물을 성형하여 베어링용의 구상 성형체를 연속성형했다. 그 결과 공동, 허니커밍, 오목함, 홈 및 해바퀴모양의 잔물결무늬등은 발생하지 아니하고 이형불량도 방지되고, 부착물도 없었다.

[실시예 3]

실시예 1과 같은 방법으로 흑연화의 조건을 조금 바꾸어 실온에서 450℃ 까지의 열팽창계수가 6.0×10^-6C^-1, 75Å 내지 75000Å의 반경의 미세기공용적 0.05cc/g 체적밀도 1.95열전도율이 140Kcal/m.hr.℃의 등방성의 흑연재료로 이루는 기재 및 실온에서 1000℃ 까지의 열팽창계수가 5.0×10^-6C^-1, 75Å 내지 75000Å의 반경의 미세기공용적 0.09cc/g 체적밀도 1.75 열전도율이 70Kcal/m.hr.℃의 등방성 흑연재료를 얻었다.

이 등방성 흑연재료를 사용하여 제1도에 도시한 바와같이 성형다이를 구성하기 위한 고정다이 가동다이 및 가이드핀등을 성형했다. 이 성형제작에 소요된 가공시간은 금속제의 성형제작과 비교하여 약 1/8로 단축되었다.

얻어진 플라스틱 성형용 흑연다이(20)를 사용하여 폴리아미드수지에 의한 플라스틱제품의 제조를 가열과 냉각과의 리사이클에 요하는 시간을 20초로하고 50시간 연속 성형했다. 그 결과 금속에의 부착물 및 이형불량 등의 문제점은 발생하지 않았다.

[실시예 4]

ESCA의 강도비 O_IS/C_IS가 0.05인 흑연재를 사용하여 사출성형용의 다이를 제작했다.

이 다이를 사용하여 폴리아미드 수지에 의한 플라스틱 제품의 제조를 가열과 냉각 리사이클에 요하는 시간을 20초로하고, 50시간연속 성형을 했다. 그결과, 제품으로서 성형다이와의 이형은 용이하게 행할 수가 있었고, 또 제품 표면상에 그을음등이 생기는 등의 문제점은 찾아볼 수 없었다.

[실시예 5-1]

ESCA의 강도비 O_IS/C_IS가 0.1인 흑연재를 사용하여 사출성형용의 성형다이를 제작했다.

얻어진 사출성형다이를 사용하여 성형온도 170℃로 성형품 소재에 폴리염화비닐수지를 사용하여 250시간 연속 성형했다. 그 결과, 이형불량은 생기지 않았다.

[실시예 5-2]

ESCA의 강도비 O_IS/C_IS가 0.2인 흑연재를 사용하여, 사출성형용의 다이를 제작했다.

이 다이를 사용하여 폴리아미드 수지에 의한 플라스틱 제품의 제조를 가열과 냉각과의 리사이클에 요하는 시간을 20초로 하고 연속성형을 시도했다. 그 결과 사용 20시간후에 제품의 표면상에 그을음이 생기고 이형도 부드럽게 할 수 없게 되었다.

[실시예 6]

코크스와 콜타르피치로 이루어진 배합물을 가열혼합하여 얻어진 혼합물을 분쇄후 라버프레스기로 성형하여 소성흑연화하고, 열팽창계수(실온에서 1000℃)가 2.0×10^-6C^-1, 쇼어경도 52, 75Å 내지 75000Å의 반경의 미세기공용적이 0.08cc/g 체적밀도 1.82의 등방성의 흑연재료를 얻었다. 이 등방성 흑연재료를 사용하여 압축성형용 상다이, 하다이의 형상으로 가공했다.

이것을 로내에 넣어 1300℃로 가열하고, 수소가스를 캐리어가스로하고 감압하에서 메탄올 로내에 공급하여 상다이, 하다이의 표면에 두께 10㎛의 열분해 탄소피막을 형성시켰다. 이로 인하여 제2도에서와같이, 흑연재료의 표면에 열분해탄소피막을 형성한 압축성형용의 상다이(1) 하다이(2)를 얻었다. 이러한 다이 제작에 소요된 가공시간은 금속제의 다이제작에 비교하여 약 1/3로 단축되었다.

얻어진 압축성형용의 다이를 사용하여 염화비닐수지에 의한 성형품을 1000개 연속성형했다. 그 결과 다이에의 부착물 및 이형불량 등의 문제점은 발생하지 않았다.

[실시예 7]

코크스와 콜타르피치로 이루어진 배합물을 가열혼합하여 얻어진 혼합물을 분쇄후, 라버프레스로 성형하여 소성, 흑연화하고 실온에서 450℃까지의 열팽창계수 5.0×10^-6C^-175Å 내지 75000Å의 반경의 미세기공용적 0.07cc/g 체적밀도 1.85 열전도율이 80Kcal/m.hr.℃의 등방성 흑연재료를 얻었다.

이 등방성 흑연재료를 사용하여 제1도에 도시하는 바와같은 성형다이를 구성하기 위한 고정다이, 가동다이 및 가이드핀 등을 성형했다. 이 성형제작에 소요된 가공시간은 금속제의 성형제작에 비하여 약 1/8로 단축되었다.

그리고 이와같이 성형한 흑연재 다이재의 적어도 성형 캐비티(23)에 노출하는 부분에 금속으로 이루는 코팅피막을 형성하고 싶은 부분을 면포, 마포 등의 탄화하기 쉬운 식물성 섬유로 피복한다. 이와같이 한 흑연재료를 염화칼륨으로 이루는 침투제 및 Cr분말 55부 Al₂O₃45부로 이루는 촉진제를 충전한 반 밀폐용기속에 넣는다. 이 경우, 밀폐용기에 진동을 부여함으로하여 침투제가 섬유속에 밀도높게 충전되도록 한다.

이상의 것을 약 800 내지 1100℃로 가열하여 침투처리하는 것인데 300℃ 정도의 가열초기에 있어서 섬유는 탄화하여 필터로서의 역할을 다하게되는 것이다. 이리하여 800 내지 1100℃로 가열하면 침투제속에 촉진제로서 첨가되어 있는 할로겐화물과 금속과가 반응하여 할로겐화 금속증기가 생성하여, 이 할로겐화 금속증기가 전술한 필터를 통과하여 흑연재료 표면에 도달하고 이 흑연재료 표면에서 금속이 석출하고 일부가 침투하여 코팅피막을 형성했다. 또 이 두께는 크롬으로 30㎛였다.

얻어진 플라스틱 성형용 흑연다이(20)를 사용하여 폴리아미드 수지에 의한 플라스틱제품의 제조를 가열과 냉각과의 리사이클에 요하는 시간을 20초로 하고, 50시간 연속성형했다. 그 결과 금속에의 부착물 및 이형불량등의 문제점은 발생하지 않았다.

[실시예 8]

실온에서 450℃까지의 팽창계수가 5.0×10^-6C^-1, 75Å 내지 75000Å의 반경의 미세기공 용적 0.07cc/g 체적밀도 1.85 열전도율이 80Kcal/m.hr.℃의 등방성 흑연재료로 다이를 성형하고 얻어진 성형체 표면상에 열 CVD법에 의하여 SiC막을 피복시켰다. 피복방법은 흑연의 성형체를 반응용기내에 넣고, 1500℃에서 가열하고 CH₃SiCl₃와 수소와의 혼합기체를 유입하면서 약 5시간 반응시켜 약 100㎛의 두께의 SiC층을 형성시키는 방법으로 했다.

[실시예 9]

다른 코팅방법으로서 얻어진 성형체 표면상에 열 CVD법에 의하여 BN막을 피복시켰다. 피복방법은 흑연의 성형체를 반응용기내에 넣고 1200℃로 가열하고 BCl₃와 NH₃와 수소와의 혼합기체를 유입하면서 약 7시간 반응시켜 약 75㎛ 두께의 BN층을 형성시키는 방법으로 했다.

[실시예 10]

보통법인 용사법을 사용하여 알루미나를 흑연재료의 표면에 용사하고 약 500㎛의 두께의 알루미나 층을 형성시키고, 이것을 코팅피막으로 했다.

얻어진 플라스틱 성형용 흑연다이(20)를 사용하여 폴리아미드수지에 의한 플라스틱 제품의 제조를 가열과 냉각과의 리사이클에 요하는 시간을 20초로하고, 50시간 연속성형했다. 그 결과, 금속에의 부착물, 이형불량 등의 문제점은 발생하지 않았다.

[실시예 11]

제3도에 표시한 바와같이 흑연기재의 최소한 성형 캐비티(23)면 이외의 다이 표면에 금속으로 이루는 보강부재(25)를 일체적으로 성형했다. 제3도에 도시한 다이는 플라스틱 성형용 흑연다이(20)를 고정다이로 가동형과의 2분할 타이프의 것이며 각 다이측에 고정한 보강부재(25)의 면이 고정다이와 가동다이와의 파팅면에 일치하도록 형성한 것이다. 이로말미암아 고정다이와 가동다이가 강한 압력에 의하여 서로 가압되었을때 이들의 흑연재료로 이루어진 고정다이와 가동다이와의 보호가 확실히 이루어지는 것이다.

[실시예 12]

흑연재료의 흠등이 발생한 보수개소를 소정의 형상으로 절삭하여, 보수재(26)를 끼워넣기 쉬운 형성으로 했다. 그후, 이부분에 탄소계 재료로 이루는 보수재(26)를 제4도에 표시와 같이 틈이 없도록 강제로 끼워넣고, 이 보수재(26)를 다이를 구성하고있는 흑연재료측에 고정했다.

[실시예 13]

다른 보수방법으로서 제5도에 도시하는 바와같은 방법을 썼다. 우선 접착제(27)로서는 페놀수지를 기재로하고 이에 흑연분말을 첨가한 것을 채용했다. 이 접착제(27)를 주걱등을 사용하여 보수개소에 첨착했다. 이 접착제(27)를 흑연재료와 함께 로내에 장입하고 비 산화성 분위기속에서 1000℃의 온도에서 약 10시간 소성했다. 이로인하여 보수개소에서의 접착제(27)는 완전히 탄화하고 다이를 구성하고 있는 흑연재료와 완전히 일체화했다. 그후 고화된 접착제부를 당 플라스틱 성형용 흑연다이(20)의 형상에 맞추어 부형했다.

우선, 접착제(27)로서, 페놀수지를 기재로하여, 이에 흑연분말을 첨가한 것을 채용했다. 이 접착제(27)를 주걱등을 사용하여 보수개소에 첨착하여, 이 접착제(27)에 플라스틱 성형용 흑연다이(20)와 동질의 흑연재료로 이루는 보수재(26)를 제6도에 도시한 바와같이, 이것이 외부에 노출하도록 첨착했다.

그후, 이 접착제(27) 및 보수재(26)를 다이를 구성하고 있는 흑연재료와 함께 로내에 장입하고 비 산화성 분위기 속에서 1000℃의 온도에서 약 10시간 소성했다. 이로인하여 보수개소에 있어서의 접착제(27)는 완전히 탄화하고 보수재(20) 및 다이를 구성하고 있는 흑연재료와 완전히 일체화했다.

그후, 이상의 각 실시예에 있어서의 접착제(27) 또는 보수재(26)를 그라인더 등에 의하여 절삭함으로서 플라스틱 성형용 흑연다이(20)의 소정면과 일치시켰다. 즉 부형했다.

보수가 끝난 각 실시예에 관계되는 플라스틱 성형용 흑연다이(20)를 사용하여 플라스틱 성형을 했던바, 플라스틱 제품의 표면에는 보수의 흔적은 전혀 전사되어 있지않고 또 반복 사용하여도 탄화한 접착제(27) 및 보수재(26)는 박리하지 않았다.

Claims

플라스틱 또는 세라믹의 성형에 사용되는 다이의 일부 또는 전부를 흑연재료에 의하여 형성한 성형용 다이에 있어서, 상기 흑연재료는 실질상 동방성 흑연이며, 압축강도는 800㎏/㎠이상이며, 쇼어경도(H_S)는 40 내지 90이며, 상기 흑연재료의 수은 압입법으로 측정되는 75Å 내지 7500Å의 반경을 갖는 미세기공이 차지하는 용적은 0.02cc/g 내지 0.25cc/g인 것을 특징으로 하는 성형용다이.
제1항에 있어서, 상기 흑연재료의 열전도율이 30 내지 300Kcal/m.hr.℃의 범위인 것을 특징으로 하는 성형용다이.
제1항에 있어서, 상기 흑연재료의 X선 광전자 분광법에 있어서의 O_IS밴드의 면적강도와 C_IS밴드의 면적강도의 강도비 O_IS/C_IS의 값이 0.05 내지 0.1인것을 특징으로 하는 성형용다이.
제1항에 있어서, 상기 성형용다이의 캐비티면의 일부 또는 전부에 열분해탄소의 피막이 형성되어 있는 성형용다이.
제4항에 있어서, 열분해탄소의 피막이 CVD법에 의하여 형성되는 성형용다이.
제4항에 있어서, 열분해탄소의 피막이 0.5 내지 500㎛의 범위에서 형성되고 있는 성형용다이.
제1항에 있어서, 상기 성형용다이의 캐비티면의 일부 또는 전부에 금속으로 이루는 피막이 형성되어 있는 성형용다이.
제7항에 있어서, 금속으로 이루는 피막이 팩 시멘테이션코팅에 의하여 형성되는 성형용다이.
제7항에 있어서, 금속으로 이루는 피막이 5내지 800㎛의 범위인 성형용다이.
제1항에 있어서, 상기 성형용다이의 캐비티면의 일부 또는 전부에 Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, SiC, TiC, TaC, B₄C, Cr₂C₂, Si₃N₄, BN, TiN, AlN, TiB₂, ZrB₂, 코디어라이트, 뮬라이트, TiO₂혹은 이들의 화합물에서 선택되는 적어도 한종류를 함유하는 세라믹으로 이루는 피막을 형성한 것을 특징으로 하는 성형용다이.
제10항에 있어서, 세라믹으로 이루는 피막이 5 내지 2000㎛의 범위로 형성되어 있는 성형용다이.
제1항 내지 제11항중 어느 한항에 있어서, 상기 성형용다이의 캐비티면 이외의 일부 또는 전부의 표면에 보강부재를 일체화하고, 상기 성형용다이를 보호한것을 특징으로 하는 성형용다이.
제1항에 있어서, 상기 성형용다이의 보수해야할 부분에 끼워넣은 탄소계재료로 이루는 보수재를 이 성형용다이의 형상에 따라서 보수한 것을 특징으로 하는 성형용다이.
제1항에 있어서, 상기 성형용다이의 보수해야할 부분에 덧붙여 고화 또는 탄화한, 열경화성 수지 또는 이에 탄소계의 골재를 혼입한 것으로 이루는 접착제를 이 성형용다탄소다이의 형상에 따라서 보수한 것을 특징으로 하는 성형용다이.
제1항에 있어서, 상기 성형용다이의 보수해야할 부분에 흑연재료로 이루는 보수재를 열경화성 수지 또는 이에 탄소계의 골재를 혼입한 것으로 이루는 접착제를 개재시켜 덧붙여, 고화 또는 탄화한후, 이 성형용 탄소다이의 형상에 따라서 보수한 것을 특징으로 하는 성형용다이.