KR0149240B1 - 사출성형성이 우수한 분말 사출 성형용 결합제 - Google Patents

Abstract

분말사출 성형법에 의해 금속이나 초경분말의 소결체 제조시 사용되는 결합제로서 에틸렌비닐 아세테이트 20∼45 중량 % 및 파라핀 왁스 55∼80 중량 %를 포함하여 구성되는 결합제가 제공된다.

이는 간단한 조성으로 결합제 조성의 편차가 적고 사출성형성이 우수할 뿐만 아니라 제조단가가 낮다.

Description

사출성형성이 우수한 분말 사출성형용 결합제

제1도는 열 중량 분석에 의한 카나우바 왁스의 각 분위기에서의 온도변화에 따른 무게 감소 거동을 나타내는 그래프.

제2도는 모세관 점도계에 의한 분말 사출 혼합체의 점도 측정시 유도안정성을 보여주는 그래프.

제3도는 모세관 점도계에 의한 점성거동을 보여주는 그래프.

제4도는 사출성형부품의 예시도이다.

본 발명은 분말 사출 성형법에 의하여 금속이나 초경분말의 소결체 제조시 사용되는 결합제에 관한 것이다. 보다 상세하는 사출성형성이 우수한 결합제 조성에 관한 것이다.

분말 사출성형 기술은 기존의 플라스틱 사출성형법과 같이 3차원의 복잡하고 정밀한 제품을 대량으로 제조하는 공정으로서, 금속분말을 사용하는 경우 분말야금법의 장점인 균일한 조직을 얻을 수 있어 주조품과 동등 이상의 기계적인 특성을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 세라믹, 초경과 같은 난기공성 제품을 후 가공이 거의 필요없이 경제적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.

분말 사출성형의 일반적인 제조 공정은 다음과 같다.

1) 혼합체 제조공정 : 분말과 결합체를 일정한 비로 혼합하고 사출성형 가능한 펠릿으로 제조.

2) 사출성형 공정 : 원하는 형상의 금형내로 펠릿을 사출성형하여 사출성형체를 제조.

3) 결합제 제거공정 : 사출성형체로부터 결합제를 제거하여 탈지체를 제조.

4) 소결공정 : 탈지체를 고온 소결하여 최종 제품을 제조.

분말사출 성형에 사용되는 결합제는 분말에 유동성을 부여하여 사출성형시 금형내로 충진되게 하며 냉각후 형상을 유지하는 역할을 한다.

결합제는 전형적으로 결합제 제거의 최종시점까지 형상을 유지하고 유동의 주체가 되는 주 결합제 혼합체의 점도 감소와 금형과의 윤활을 촉진하는 부결합제, 고분자의 유연성을 향상시키는 가소제, 분말과 고분자의 습윤성(wetting)이나 점착특성(adhesion)을 향상시키기 위한 계면활성제 등으로 구성된다. 주 결합제로서는 주로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌 등과 같은 열가소성 고분자가 우수한 성형성, 사출성형 후 러너나 스푸루의 재활용성 및 저렴한 가격 등으로 인해 결합제로서 많이 사용되고 있다. 부결합제로는 카나우바 왁스, 파라핀 왁스, 모탄왁스, 밀납 등의 왁스계나 식용유, 땅콩유 등의 오일이 사용된다. 가소제로는 DBP, DOP 등이 용액이 주로 사용되며 계면 활성제로는 스테아린산이나 올레익산 등이 사용된다.

미국특허 제4,404,166, 일본특허 공개 평 5-320708 및 Rhee 등의 문헌(Advances in Powder metallurgy-1991, vol.2, MPIF APMI, p.43)에 이들 결합제가 예시되어 있다.

상기 미국특허 제4,404,166에는 주로 형상유지를 위한 고융점 물질로써 융점 170℃의 폴리프로필렌 5∼50%(바람직하게는 20%), 저융점물질로서 카나우바왁스 10% 및 나머지 페어센트의 파라핀 왁스로 구성된 결합제가 개시되어 있다.

그러나 Rhee 등에 의하면 상기 특허에서와 비슷한 조성을 갖는 결합제로서 중량비로 폴리푸로필렌 20%, 카나우바왁스 10%, 파라핀왁스 69% 및 스테아린산 1%로 구성된 결합제는 폴리프로필렌과 파라핀의 상용성이 낮아 고융점의 폴리프로필렌이 첨가되어 있다 하더라도 파라핀의 융점에서 연화점이 나타나기 때문에 열분해에 의한 결합제 제거 단계에서 형상을 유지하기가 어렵다고 되어 있다.

상기 결합제를 이루는 일성분인 카나우바 왁스는 제1도에 나타난 바와 같이 대기에서 열분해에 의해 결합제를 제거하는 경우에는 450℃에서 완전하게 분해하지만, 대기중에서 금속분말이 산화되는 문제점이 있으며, 금속분말의 산화 방지를 위해서 수소를 사용하는 경우 제1도에서와 같이 700℃까지 분해가 진행되며 이로 인한 탄화가 발생하므로 완전하게 제거되지 못하면 소결 후에 큰 기공의 형성 등을 초래하며 소결 밀도를 저하시킬 수도 있다.

한편 일본특허 공개 5-320708에 의하면 40∼70%의 고분자 물질을 포함하는 결합제가 개시되어 있는 바, 이같은 결합제는 열분해시 시간이 많이 소요되며 점도가 높아 사출성형이 어려워 DBP와 DOP같은 가소제를 중량비로 11∼30% 첨가하고 있다. 그러나 이 첨가된 가소제 역시 제거되어야 함으로 추가적인 제거과정을 요구하게 된다.

이에 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 결합제의 문제점을 해결한 보다 개선된 결합제를 제공하는데 있다.

본 발명에 의한 결합제는, 에틸렌 비닐 아세테이트 20∼45 중량 % 및 55∼80 중량 %의 파라핀 왁스를 포함하여 구성된다.

본 발명의 결합제에 고분자 물질로 사용된 에틸렌비닐아세테이트는 구조 중에 극성기를 갖고 있어 금속 분말과의 접착 특성이 비극성인 폴리프로필렌이나 폴리에틸렌보다 우수하여 사출성형시 금속분말과 결합제의 분리 현상을 최소화할 수 있다. 또한 파라핀 왁스와 사용성이 있어 열분해에 의한 결합제 제거시 파라핀 왁스보다 고온에서 연화함으로 폴리프로필렌을 사용하는 경우에서와 같은 저온 연화현상이 생기지 않는다. 에틸렌비닐아세테이트의 첨가량은 20∼45%가 적당하며 20% 이하인 경우에는 복잡한 사출성형체의 결합제 제거시 고온까지 형상을 유지하는 에틸렌비닐아세테이트의 고른 분포가 곤란함으로 결합제 제거 도중에 사출성형체가 부러지는 등의 결함이 발생할 수 있다. 에틸렌비닐아세테이트가 45% 이상 첨가되면 결합제의 점도가 높아져 사출성형이 곤란하며 추가로 고가의 가소제 등이 필요하게 된다.

이같은 결합제는 단지 2가지 종류의 단순조성으로 이루어져 있어 결합제의 조성의 편차가 적으며 고가의 첨가제 또는 가소제를 사용하지 않고도 사출성형성이 우수한 것이다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 실시예에 사용된 금속분말은 평균입경이 8μm인 316L 스텐레스 분말이었다. 결합제는 에틸렌 비닐아세테이트(EVA), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 카나우바 왁스(CW), 파라핀 왁스(PW) 및 스테아린산(SA)을 2∼4가지 조합하여 사용하였으며, 그 구성성분 및 조성비는 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.

사출성형용 혼합체는 금속분말과 결합제가 부피비로 53：47로 시그마형 혼합기에서 150℃에서 1시간 혼합하였다. 혼합된 금속분말 혼합체는 냉각 후 파쇄하여 모세관 점도계에서 전단속도 10∼1000 1/초의 범위에서 온도에 따른 점도를 측정하여 사출성형성을 평가하였다. 사출성형은 일반 플라스틱용 정밀 사출성형기에서 제4도에 도시된 형태로 사출성형체를 제조하였다.

제2도는 각각 비교예 1, 비교예 4 및 발명예 1의 결합제 조성의 금속분말 혼합체를 모세관 점도계로 점도 측정시 프런져의 속도를 10㎜/초의 속도로 일정하게 유지하였을 때의 변위에 따른 하중을 나타낸 것이다. 비교예 1은 변위에 따른 하중이 제일 불규칙하여 유동 특성이 안정적이지 못하였다. 또한 비교예 1의 경우 표 1에서와 같이 점도 측정이 가능한 온도 범위가 매우 좁아 90℃미만에서는 유동이 불가능하였으며 110℃에서는 금속분말 혼합체의 점도가 너무 낮아져 혼합체는 압력이 없는 상태에서도 중력에 의하여 모세관의 입구로 유출되는 현상을 나타내어 사출성형시 특정 온도외에는 사출이 곤란하였다. 비교예 2와 4의 경우에는 에틸렌비닐아세테이트가 첨가되어 점도 측정 가능한 온도의 범위가 비교적 넓으나 제1도에서와 같이 유동성이 불안정하였으며 제4도에 도시된 사출성형체의 제조 후 결합제 제거시 A부분가 같이 매우 얇은 부위는 처리 시편의 50%가 부러지거나 균열이 생기는 결함이 발생하여 부적합하였다. 이와는 달리 발명에 1의 경우에는 하중은 제일 크나 변위에 따른 하중의 거동은 매우 안정적인 거동을 나타내고 있으며 결합제 제거시에도 결함 발생이 없었다.

비교예 3은 혼합체의 점도 감소를 위하여 결합제 조성 중에 계면활성제인 스테아린산을 중량비로 10%까지 첨가한 것으로서 고분자의 왁스의 첨가비가 유사한 발명예 1과 점도의 차이가 거의 없으므로 고가의 스테아린산 첨가는 불필요하였다.

발명예 1, 2 및 3은 점도 측정 가능한 온도도 90∼150℃로 매우 넓어 사출성형체 제조시 적합한 사출 온도를 선정하는데 유리하며, 발명예 4의 경우에는 점도가 가장 높은 에틸렌비닐 아세테이트의 함량이 가장 많아 최저 사출성형 가능한 온도는 100℃로 하는 것이 유리하다.

상기한 바와 같이 본 발명의 결합제는 2종류의 단순한 결합제 조성을 사용함으로 결합제의 조성의 편차가 적으며 성형성이 우수할 뿐만 아니라 고가의 첨가제와 가소제를 사용하지 않으므로 경제적인 효과를 얻을 수 있는 것이다.

Claims (1)

1. 전체 결합제의 중량기준으로 에틸렌 비닐아세테이트 20∼45 중량 % 및 파라핀 왁스 55∼80 중량 %를 포함하여 구성되는 분말 사출성형용 결합제.