KR100313339B1 - 세라믹 성형장치 및 이를 이용한 세라믹 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹 분말을 성형하는 금형을 초음파 진동시켜 세라믹 분말을 압축성형하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 세라믹분말을 가압하는 금형(5)을 포함하는 세라믹 성형장치에 있어서: 전원수단(1); 및 상기 전력발생수단과 상기 금형에 연결되는 초음파 진동수단(3);을 포함하고, 상기 전원수단에서 발생된 전력에 의해 상기 초음파 진동수단이 진동하고, 상기 진동이 상기 금형에 전달되는 세라믹 성형장치 및 성형방법을 특징으로 하고, 성형체의 품질과 탄성복귀율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.

Description

세라믹 성형장치 및 이를 이용한 세라믹 제조방법{Ceramic compaction equipment and method for compacting ceramic using thereof}

본 발명은 세라믹 분말의 성형장치 및 성형방법에 관한 것으로, 특히 금형을 초음파 진동시켜 세라믹 분말을 압축성형하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 세라믹 재료는 금속재료나 고분자 재료와 달리 원료인 세라믹 분말을 소정의 형상으로 성형한 다음 고온에서 소결하여 제품을 제조한다. 세라믹 분말을 성형하는 방법으로는 금형에 분말을 충진하고 가압하는 건식가압법이 가장 널리 이용되며, 이 외에도 사출법, 압출법, 정수압 성형법 등이 이용되고 있다. 건식가압법은 공정이 간단하고 생산성이 높으므로 판형, 원통형, 정방형, 장방형 등의 간단한 형상의 세라믹 구조물 제작에 적합하다.

일반적으로 건식가압 성형법에서는 세라믹 입자의 충진밀도를 높이고, 소성전의 생강도를 유지하기 위하여 세라믹 분말에 결합제로서 유기첨가물을 여러 가지 첨가하여 분무건조하거나, 성형전에 유기첨가물을 물에 녹여 분말에 혼합한다. 이러한 첨가제는 소결과정중에 고온에 의해 제거되지만, 완전히 제거되지 않고 일부는 남아서 세라믹 제품의 불순물로 잔존하거나, 또는 고온의 소결중에 휘발하는 과정에서 소결체에 기공이나 미세 구멍을 형성하여 결함의 원인이 되곤 한다.

또한, 종래의 가압 성형에서는 성형밀도를 향상시키기 위하여 성형 압력을 높이지만, 이 성형 압력을 높이는데도 제한이 있다. 즉, 압력이 너무 높으면, 금형 벽과 세라믹 소재의 마찰력이 증가되어 소재 부위별로 밀도의 편차가 증가하게 되므로, 소결 후 금형에서 세라믹 제품을 분리할 때 균열이 발생하고, 소결 후 소재의 밀도가 불균일하게 되어 형상의 왜곡이 발생하곤 하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래의 건식가압 성형법에서 문제의 원인이 되었던 유기화합물을 첨가하지 않고도 세라믹 분말의 성형밀도를 증가시켜서, 불순물이 전혀 없는 세라믹 제품을 생산하고, 내부에 기공이나 미세 구멍이 거의 생성되지 않게 함은 물론, 성형물의 밀도의 불균일성을 최소화하여 형상의 왜곡을 없애는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 세라믹 성형장치의 구성도;

도 2는 금형에 가해지는 초음파진동의 주파수와 세라믹 성형체의 성형밀도의 관계를 나타낸 그래프;

도 3은 금형에 압력(P)을 가하면서 금형에 가해지는 초음파진동의 진폭과 세라믹 성형체의 성형밀도의 관계를 나타낸 그래프;

도 4는 금형에 압력(P)을 가하면서, 전원에서 발생하는 전력과 세라믹 성형체의 성형밀도의 관계를 나타낸 그래프;

도 5는 금형에서 성형되어 분리된 세라믹 성형체의 탄성복귀율과 금형에 가해지는 전력 및 압력과의 관계를 나타낸 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1.. 전원 3.. 초음파 진동자

5.. 금형 7.. 금형틀

9.. 프레스 11.. 세라믹 분말

상기 목적은, 세라믹분말을 가압하는 금형(5)을 포함하는 세라믹 성형장치에 있어서: 전원수단(1); 상기 전력발생수단과 상기 금형에 연결되는 초음파 진동수단(3);을 포함하고, 상기 전원수단에서 발생된 전력에 의해 상기 초음파 진동수단이 진동하고, 상기 진동이 상기 금형에 전달되는 것을 특징으로 하는 세라믹 성형장치에 의해 달성된다.

또, 본 발명의 목적은, 상기 초음파 진동수단(3)이 상기 금형(5)에 밀착됨을 특징으로 하는 세라믹 성형장치에 의해 달성된다.

또한, 본 발명의 목적은, 상기 초음파 진동수단(3)이 압전효과를 이용한 변환기 또는 자왜효과를 이용한 변환기임을 특징으로 하는 세라믹 성형장치에 의하여 달성된다.

한편, 본 발명의 상기 목적들은, 초음파 진동수단(3)에 전력을 가해 진동시키는 공정; 상기 초음파 진동수단(3)의 진동을 금형(5)에 전달하여, 상기 금형(5)을 진동시키면서 세라믹 분말(11)을 가압하는 공정;을 포함하는 세라믹 성형방법에의하여 달성된다.

또, 본 발명의 목적은, 상기 초음파 진동수단(3)의 진동공정에서 상기 초음파 진동수단(3)을 0.01∼30kHz의 진동주파수로 진동시키는 것을 특징으로 하는 세라믹 성형방법에 의하여 달성된다.

또, 본 발명의 목적은, 상기 초음파 진동수단(3)의 진동공정에서 상기 초음파 진동수단(3)을 0.1∼30kHz의 진동주파수로 진동시키는 것을 특징으로 하는 세라믹 성형방법에 의하여 달성된다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부 도면에 의거 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 세라믹 성형장치의 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 세라믹 성형장치는 전원(1), 상기 전원(1)에 연결된 초음파진동자(3), 상기 초음파진동자(3)에 연결된 금형(5)으로 구성되고, 상기 초음파진동자(3)는 상기 금형(5)에 밀착되어 있다. 상기 전원(1)은 교류전원이 바람직하고, 상기 초음파진동자(3)는 압전효과(piezoelectric effect)를 이용하거나 자왜효과(magnetostriction effect)를 이용한 진동자가 바람직하다. 그리고, 상기 금형(5)은 일반적인 세라믹 가압공정에 이용되는 1축 가압성형장치로서, 금형틀(7)과 가압수단인 프레스(9)로 구성되며 내부에 세라믹분말(11)이 충전된다.

이와 같이 구성된 세라믹 성형장치의 작동원리에 대해 설명한다. 전원(1)으로부터 초음파진동자(3)로 전력이 공급되면 초음파진동자(3)로부터 미세한 진동이 발생하고, 이 진동이 금형(5)에 전달되어 외부압력(P)과 함께 세라믹 분말을 가압하게 된다. 초음파진동자(3)의 진동주파수는 0.01∼30kHz가 바람직하지만,0.1∼30kHz의 주파수가 더 바람직하다(도 2 참조). 초음파진동자(3)의 진폭은 전원(1)의 전압에 의해 조절가능하고, 세라믹 분말의 성형공정에서는 1∼100㎛ 정도의 진폭이 바람직하지만, 금형(5)에 가해지는 충격을 고려하면 1∼15㎛의 진폭이 더 바람직하다(도 3 참조).

성형되는 세라믹 분말에 전달되는 초음파 에너지는 전원(1)에서 발생하는 전력과 초음파 성형시간에 비례한다. 전원(1)에서 발생되는 전력이 너무 낮으면 초음파진동자(3)에서 발생하는 초음파 에너지가 낮아 세라믹 분말(11)의 성형밀도가 불량하고, 소결후 소재의 강도가 불량해지는 문제가 발생한다. 또한 초음파 에너지가 너무 커도 성형되는 세라믹 입자에 가해지는 기계적 에너지가 너무 커서, 소결후 세라믹 소체의 입도가 커져 세라믹 소체의 표면이 거칠어지고 기계적 강도가 저하되는 문제가 발생한다. 실험에 의하면, 초음파진동자(3)에서 발생하는 초음파 에너지인 전력의 크기는 0.5∼5kW가 바람직하지만, 금형(5)에 가해지는 기계적 충격을 고려하면 0.5∼3kW 범위가 더욱 바람직하다(도 4 참조).

본 발명자들은 본 발명에 따른 세라믹 성형장치의 효과를 알아보기 위해, 구조세라믹 재료인 부분안정화 산화지르코늄 세라믹 소재의 기계적 특성에 대한 초음파 성형효과를 시험해 보았다.

입도가 0.1∼1㎛인 5% Y₂O₃-ZrO₂분말을 직경 10mm의 스텐레스강 금형에 충전하고 일축방향으로 100∼800MPa의 압력을 가하면서 가압 성형하였다. 성형시 종래의 건식가압 성형법과 비교하기 위해 일부 시편은 도 1의 초음파진동자를 이용해10Hz∼50kHz의 주파수로 초음파 진동을 가하면서 성형하였고, 일부 시편은 초음파 진동을 가하지 않고 종래의 금형만을 이용해 성형하였다.

성형시 프레스(9)의 압력(P)에 의해 시편은 일부 탄성변형이 일어나며, 시편을 금형에서 빼내면 금형의 직경보다 약간 더 커지게 된다. 시편의 탄성변형을 탄성복귀율이라 하고, 탄성복귀율은 금형의 직경에 대한 성형체의 직경의 비율로 결정하였다. 성형시 세라믹 분말의 입자 충진효율을 비교하기 위해 시편의 무게와 치수를 측정하여 성형밀도를 계산하였다.

도 2는 금형(5)에 가해지는 초음파진동의 주파수와 세라믹 성형체의 성형밀도의 관계를 나타낸 그래프로서, Y축은 성형밀도를, X축은 주파수를 로그함수로 나타낸 것이다.

A는 종래의 건식가압 성형법에 의해 성형한 시편의 성형밀도이고, B는 본 발명에 따라 초음파 진동을 가하면서 성형한 시편의 성형밀도의 변화이다. 도시된 바와 같이, 금형(5)에 진동을 가하지 않고 프레스(9)의 압력(P)만에 의해 성형한 시편, 즉 주파수가 0일 때의 시편(A)의 밀도는 3.05g/cm³였다. 그러나, 본 발명에 따라, 금형(5)에 초음파 진동을 가하면 그래프 B와 같이 성형밀도가 향상됨을 알 수 있다. 실험결과에 따르면, 초음파 진동주파수는 0.01∼50kHz 범위가 바람직하지만, 성형밀도를 고려하면 진동주파수는 0.1∼30kHz 범위가 가장 바람직하다.

도 3은 금형(5)에 압력(P)을 가하면서 금형(5)에 가해지는 초음파진동의 진폭과 세라믹 성형체의 성형밀도의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 3에서 진폭이 0인 경우는 종래의 방법으로 성형한 시편의 성형밀도이다. 그래프에서 알 수 있듯이, 종래 초음파 진동을 가하지 않는 성형법에서는 성형체의 성형밀도는 3.05 g/cm³로서, 본 발명에 따라 초음파진동을 가하면서 성형한 성형체에 비해 밀도가 현저히 낮다. 금형에 가해지는 진폭이 0.5㎛ 이상이면 세라믹 성형체의 밀도가 증가하지만, 진폭이 너무 크면 성형밀도가 저하함은 물론, 금형에 가해지는 기계적 충격도 증가하는 문제가 있다. 따라서, 금형에 가해지는 진폭은 1∼15㎛가 가장 바람직하다.

도 4는 금형(5)에 압력(P)을 가하면서, 전원(1)에서 발생하는 전력과 세라믹 성형체의 성형밀도의 관계를 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, 전력이 증가함에 따라 성형체로 초음파 에너지가 많이 전달되어 성형밀도가 증가하게 된다. 그러나, 전력이 너무 높으면 전력이 많이 소모되고 성형시간이 길어지는 문제가 있다. 따라서, 공급되는 전력은 0.5∼5kW가 바람직하지만, 더 바람직한 전력 범위는 0.5∼3kW이다.

도 5는 금형(5)에서 성형되어 분리된 세라믹 성형체의 탄성복귀율과 금형에 가해지는 전력 및 압력과의 관계를 나타낸 그래프이다.

전술한 바와 같이, 세라믹 성형체의 탄성복귀율은 금형의 직경과 금형에서 분리된 성형체의 직경의 비율로서,

(성형체 직경 - 금형 직경)/(금형 직경)을 백분율로 표시한 것이다.

탄성복귀율은 성형시 세라믹 분말이 탄성변형을 일으키고, 성형체를 금형에서 분리했을 때 금형보다 크기가 증가하는 정도이므로, 탄성복귀율이 클수록 시편을 금형에서 분리할 때 균열이 일어날 가능성이 높아짐은 물론, 소결후 밀도의 불균일성으로 왜곡율이 증가하게 된다.

전력이 0인 경우는 종래와 같이 초음파진동을 가하지 않고 성형한 시편의 자료로서, 압력이 낮을 경우 탄성복귀율 1%가 넘으며 압력을 높이더라도 거의 0.6%를 넘는다. 그러나, 본 발명의 방법에 따라, 초음파 진동을 가하는 전력과 성형압력이 증가하면 탄성복귀율이 현저히 감소하는 것을 알 수 있다.

도면과 명세서에서는 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 본 발명에서는 초음파진동자로서 압전효과나 자왜효과 진동자를 예로 들어 초음파진동자가 금형에 밀착되는 것으로 도면과 함께 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 금형을 초음파진동시키는 구조는 모두 모두 본 발명의 실시범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

본 발명에 따르면, 종래의 건식성형법에서와 같이 성형 전의 세라믹 분말에 결합제로서 유기첨가물을 별도로 첨가할 필요가 없으므로, 소결 후 성형체에 기공이나 미세구멍이 형성되지 않아 성형체의 결함율이 현저히 저하된다. 또, 본 발명에 의하면, 종래의 건식방법으로 가압성형할 때 보다 낮은 가압력에서도 높은 성형밀도를 얻을 수 있어, 성형체의 품질이 향상됨은 물론, 성형체의 탄성복귀율이 현저히 저하되므로 금형에서 세라믹 성형체를 분리할 때 금형틀과 성형체 사이의 마찰력이 줄어들어 보다 균일한 세라믹 성형체를 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. 세라믹분말을 가압하는 금형(5)을 포함하는 세라믹 성형장치에 있어서:

   전원수단(1); 및

   상기 전원수단(1)과 상기 금형(5)에 연결되는 초음파 진동수단(3);을 포함하고,

   상기 전원수단에서 발생된 전력에 의해 상기 초음파 진동수단(3)이 진동하고, 상기 초음파 진동수단(3)의 상기 진동이 상기 금형에 전달되는 것을 특징으로 하는 세라믹 성형장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 초음파 진동수단(3)이 상기 금형(5)에 밀착됨을 특징으로 하는 세라믹 성형장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 초음파 진동수단(3)이 압전효과를 이용한 변환기 또는 자왜효과를 이용한 변환기임을 특징으로 하는 세라믹 성형장치.
4. 초음파 진동수단(3)에 전력을 가해 진동시키는 공정; 및

   상기 초음파 진동수단(3)의 상기 진동을 금형(5)에 전달하여, 상기 금형(5)을 진동시키면서 세라믹 분말(11)을 가압하는 공정;을 포함하는 세라믹 성형방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 초음파 진동수단(3)의 진동공정에서 상기 초음파 진동수단(3)을 0.01∼30kHz의 주파수로 진동시키는 것을 특징으로 하는 세라믹 성형방법.