KR0149931B1 - 세라믹 압출다이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온고압의 압출공정에 적용이 가능한 세라믹 압출다이의 개선에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온강도, 고온내 열충격, 고온경도, 고온내마모 특성이 우수하며 압출속도 10㎜/sec정도의 기계적 충격에 견딜 수 있는 파괴인성을 지닌 세라믹 압출다이에 관한 것이다.

본 발명의 세라믹 압출다이는 금속다이 케이스(1)에 세라믹 인서트(2)를 열박음하여서 되는 세라믹 압출다이에 있어서, 상기 세라믹 인서트(2)의 베어링부 끝부분(A)에서 세라믹 인서트 밑면 내경부분(B)까지의 부분이 일정한 경사도록 경사지게 형성되고, 세라믹 인서트 밑면 내경부분(B)이 금속다이 케이스의 내경과 일치되게 하여 구성되고, 상기 세라믹 인서트(22)가 단사정 지르코니아 분말에 안정화제로 마그네시아를 3.0~3.5wt% 첨가시켜 이루어진 분체를 부분안정화 지르코니아 소재로 인서트 성형품을 만들고 이 성형품을 1700~1750℃에서 1~3시간동안 소결한 후 1100~14 00℃의 온도에서 1~10시간동안 열처리하여서 되어있는 것을 특징으로 한다.

Description

세라믹 압출다이

제1도는 종래 세라믹 압출다이의 단면도.

제2도는 본 발명에 따른 세라믹 압출다이의 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 금속다이 케이스 2 : 세라믹 인서트

A : 세라믹 인서트의 베어링부 끝부분 B : 세라믹 인서트의 밑면 내경부분

본 발명은 고온고압의 압출공정에 적용이 가능한 세라믹 압출다이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온강도, 고온내열충격, 고온경도, 고온내마모 특성이 우수하며 압출속도 10㎜/sec 정도의 기계적 충격에 견딜 수 있는 파괴인성을 지닌 세라믹 압출다이에 관한 것이다.

전선류, 봉, 관등 건축용 자재 및 금속조립품 등은 기존의 초경합금, 공구강, 니켈이나 코발트기지 합금 등의 금속다이를 이용하여 제조하여 왔는데, 상기 제품들을 기존 금속계 다이를 사용하여 제조하는 경우 고온고압의 압출에 따른 피압출물과 다이 내경부와의 반응 및 마모등의 문제 때문에 2-3회 압출후에는 다이를 제거하여 내경연마, 예열의 과정을 거친 후 재설치 사용하여야 한다.

이와 같은 기존 금속계 다이의 짧은 수명으로 인해 잦은 작업중단 및 새로운 다이교체, 많은 작업인력 소모, 압출제품의 표면상태 불량 및 압출제품의 칫수증가, 많은 재고다이 준비 등 여러 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것이 제1도에 도시된 바와 같은 금속다이 케이스(1)에 세라믹 인서트(2')를 열박음 조립한 세라믹 압출다이이다. 그러나 이와 같은 형상의 압출다이는 베어링부 끝부분(A)과 세라믹 인서트 밑면 내경부분(B)에 응력이 집중되어 다이가 쉽게 마모되고 파손되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 다이의 일부분에 집중되는 응력을 감소시킬 수 있으며 내마모성이 우수한 세라믹 압출다이를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 금속다이 케이스에 세라믹 인서트를 열박음하여서 구성되는 세라믹 압출다이에 있어서, 상기 세라믹 인서트의 베어링부 끝부분에서 세라믹 인서트 밑면 내경부분까지를 일정한 경사도로 경사지게 형성하고, 세라믹 인서트 밑면 내경이 금속다이 케이스의 내경과 일치되게 하며, 상기 세라믹 인서트의 베어링부의 길이를 2-5㎜로한 것을 특징으로 하는 파괴인성 및 고온 내마모 특성이 우수한 세라믹 압출다이를 제공한다.

상기 세라믹 인서트는 단사정상 지르코니아 분말에 안정화제로 마그네시아(MgO)가 3.0-3.5wt%첨가된 분체를 소결, 열처리하여서 된 부분안정화 지르코니아 소재로 이루어지고, 상기 세라믹 인서트를 금속다이 케이스에 열박음할 대의 죔여분은 70-120㎛인 것을 특징으로 한다.

이하에서, 본 발명을 첨부도면에 의거 더욱 상세히 설명한다.

세라믹 압출다이는 세라믹 인서트를 금속다이 케이스내에 열박음(Shrink Fitti ng)하는 공정에 의해 제조된다.

그러나, 세라믹 소재는 근본적으로 압축응력에는 강하나 인장응력에 약하기 때문에 기존 금속계 다이의 설계를 세라믹계 다이의 제작에 적용할 경우 세라믹의 장점을 최대한 이용하기 어려우며, 열팽창계수 차이에 의한 열박음 공정 및 제품칫수의 변화등 여러가지 어려움이 수반된다. 따라서, 세라믹 압출다이 제조의 경우에는 기본설계부터 달라져야 하고, 압출작업이 행해질 때의 응력해석(Stress Analysis)에 의한 유한요소 해석법(Finite Element Method)을 통하여 해당세라믹 소재에 알맞은 새로운 디자인 기술이 필요하다. 특히, 고온압출의 경우 다이소재는 응력, 열충격, 마모등을 견뎌야 하며, 다이 내면과 압출물간의 마찰을 최대한 줄이기 위해 다이 내면의 가공정도 및 베어링부의 길이선정 등이 매우 중요하게 된다.

기본설계 개념으로는 압출물과 다이 내면간의 접촉면을 최대한 줄이면서, 압출시 세라믹 인서트에 발생하는 원주방향의 응력을 상쇄하기 위해 가공경화된 스틸(steel)을 금속 케이스 소재로 사용하여 열박음시킴으로써 압출작업이 진행되는 중에도 지속적으로 세라믹 인서트에 압축응력이 작용되게 하는 개념이다. 이를 위해, 세라믹 압출다이의 최적 다자인 설계를 위한 압출해석을 수행하였으며, 열박음 조건의 최적화를 위한 유한요소 해석을 수행하였고, 세가지 하중에 대한 다이의 압출응력 해석을 통하여 압출작업시 응력이 집중되는 부위의 파악 및 이에 따른 응력집중 완화 방향으로 다이 디자인을 개발하였다.

다이의 압출해석을 수행한 결과로 얻어진 다이의 압력분포 및 온도분포를 응력해석을 위한 데이터로 사용하였으며, 다이의 열박음 조건을 최적화하기 위해 열박음시 죔여분(Interference)에 따른 다이의 변형 및 응력변화를 유한요소 해석법을 이용하여 알아 보았다. 그 결과, 죔여분이 커질수록 세라믹 인서트에 작용하는 압축잔류응력이 증가하여 다이의 강도를 향상시켜 주지만, 열박음 공차가 너무 커지면 변형량도 아울러 증가하므로 제품의 정도 등에 나쁜 영향을 미치게 된다. 다이 베어링부의 길이별 응력 해석결과, 2-5㎜범위에서는 응력변화가 나타나지 않았으며, 다이 아웃렛 각도(Die Outl et Angle)를 변화시킴으로써 아웃렛 부분의 인장응력을 감소시킬 수 있었다. 이러한 응력해석 수행결과, 다이가 받는 응력을 완화시키기 위한 최적 다이모델의 형상이 제2도에 나타나 있다. 이러한 제2도의 다이디자인은 베어링부의 끝부분(A지점)에서 세라믹 인서트 밑면 내경부분(B지점)까지의 부분을 일정한 경사도로 경사지게 가공함으로써 제1도에 도시된 기존의 모델과 비교하여 유한요소 해석결과 우수하였으며, 세라믹 인서트 밑면 내경부분(B지점)을 금속다이 케이스(1)의 내경에 일치시킴으로써 동일한 압출응력에 대해서 최대한 응력은 약 55%, 베어링부의 최대응력은 약 54%감소시킬 수 있었다.

또한, 본 발명은 세라믹 인서트의 소재로 우수한 물성을 가지는 부분안정화 지르코니아 소재를 적용하는데, 우수한 물성을 가지는 부분안정화 지르코니아 소재를 제조하기 위하여 단사정상 지르코니아(ZrO₂) 분말에 안정화제로 마그네시아(MgO)가 3.0-3.5wt% 첨가된 소결성이 우수한 부분안정화 지르코니아 분체과립을 분무 건조공정을 통해 제조하여 원료분말로 사용하였으며, 이 원료분말을 이용하여 성형품을 만들고 소결 및 열처리 과정을 거쳐 최적의 물성을 가지는 세라믹 다이용 부분안정화 지르코니아 소재를 제조하였다.

출발물질로는 단사정상 지르코니아 분말과 마그네슘염 혹은 마그네시아를 사용하였으며, 이 분체들을 분체:증류수 비가 6.0~7.0:2.5~4.0이 되도록 증류수와 혼합하여 지르코니아 볼을 이용하여 20시간동안 볼밀한 후에 해교제, 결합제, 소포제를 첨가하여 다시 1시간동안 볼밀을 하여 원하는 조성의 슬러리를 제조하였다.

제조된 슬러리를 분무건조기를 이용하여 분무 건조공정을 행하였다. 이때, 입구온도와 출구온도는 각각 200-250℃와 115-125℃이었으며, 아토마이저의 회전속도는 8,000-9,000rpm이었고, 슬러리의 주입속도는 30-35㎖/min이었다. 얻어진 과립분체는 유동도가 우수한 과립이었으며 구형의 형태를 가지는 40-100㎛범위내의 과립들로 이루어져 있었다.

분무 건조공정을 통하여 제조된 부분안정화 지르코니아 분체를 금형내에 충전한 후, 0.7-1.5 ton/㎠의 성형압력으로 성형품을 제조하였으며, 600-800℃에서 10-20시간 동안의 탈지공정을 거쳤다.

부분안정화 지르코니아(Mg-PSZ)제조에 있어서의 가장 중요한 관건은 소결과정에 뒤따르는 열처리 과정의 조절을 통하여 가장 효율적인 물성의 증진을 꾀할 수 있는 정방정상 석출물들을 얻는 것이며, 열처리 과정에서의 온도나 처리시간에 따라 석출물의 총량이나 각 석출물들의 크기가 변화하게 되어 물성증진에 대한 기여정도가 달라지게 되며, 또한 소결과정을 거친 소결체의 치밀화 정도에 따라 서도 석출물의 생성양상이 달라지게 된다. 그러므로, 가장 효율적인 물성의 증진을 꾀하기 위해서는 최적의 소결과정과 열처리과정을 확립하는 것이 무엇보다도 중요하다.

탈지공정을 거친 성형품은 1700-1750℃ 에서 1-3시간동안 소결과정을 거치게되며, 소결과정이 끝난후에는 1100-1400℃의 열처리 온도에서 1-10시간 동안 열처리 과정을 행하여 최종 제품을 제조하였을 때 바람직한 결과가 얻어졌다.

위와 같은 제조방법으로 제조된 최종 제품들에 대하여 소결밀도, 겉보기 기공율, 경도, 파괴인성, 상온곡강도, 열충격 특성들의 물성을 측정한 결과가 표1에 나타나 있다.

또한, 부분안정화 지르코니아(Mg-PSZ) 세라믹 인서트와 다이 케이스간의 최적의 열박음조건을 찾기 위해 제작한 열박음 전용 장비를 이용하여 죔여분을 20㎛에서 150㎛ 까지 변화시켜 세라믹 압출다이를 제작하였다.

열박음 전후에 따른 세라믹 소재의 내경의 진원도를 측정한 결과 죔여분 70-120㎛ 인 경우가 다이 케이스에 의한 보강효과가 가장 우수한 것을 알 수 있었다. 실제 생산현장에서 실시한 현장시험의 결과 죔여분에 따라 세라믹 압출다이의 수명이 현저한 차이를 보이고 있었으며, 70-120㎛의 죔여분에서 가장 우수한 결과를 나타내었다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 세라믹 압출다이는 다이가 받은 압출응력을 최대한 감소시킬 수 있어 세라믹 압출다이의 수명을 현저히 증가시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 금속다이 케이스(1)에 세라믹 인서트(2)를 열박음하여서 되는 세라믹 압출다이에 있어서, 상기 세라믹 인서트(2)의 베어링부 끝부분(A)에서 세라믹 인서트 밑면 내경부분(B)까지를 일정한 경사도로 경사지게 형성하고, 세라믹 인서트 밑면 내경부분(B)이 금속다이 케이스(1) 내경과 일치되게하며, 상기 세라믹 인서트(2)의 베어링부의 길이를 2~5㎜로 한 것을 특징으로 하는 세라믹 압출다이.
2. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 인서트(2)는 단사정상 지르코니아(ZrO₂)분말에 안정화제로 마그네시아(MgO)를 3.0-3.5wt% 첨가하여 만든 부분안정화 지르코니아 소재로 인서트 성형품을 만들고 이 성형품을 1700-1750℃에서 1~3시간동안 소결한 후 1100~1400℃의 온도에서 1~10시간동안 열처리하여서 된 것임을 특징으로 하는 세라믹 압출다이.