KR100349893B1 - 분말소재를 이용한 압축성형제품의 고밀도 압착방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 합성수지원료, 세라믹 분말 등의 분말소재를 압착, 소결, 응축 등의 방법으로 제품화할 시 소재가 되는 분말가루를 고밀도로 압착하므로서 성형제품의 견고성 및 조직의 안정화를 도모하여 양질의 성형제품을 얻고자 하는 것이다.

즉, 본 발명은 분말제품의 압축성형 방법에 있어서, 압축성형기의 실린더에 내장하는 분말재료에 대해 3방향의 초음파주파수의 음향파장을 부여하고, 실린더의 피스톤 및 바닥면은 음향진동 집중기의 방사면과 일치되도록 연결하며, 상기 초음파음향주파수는 18~20㎑, 변위진폭 10mkm, 진동시간 10초의 범위내에서 3방향 음향파장이 전달되도록 함을 특징으로 하는 것으로서, 본 발명에 의하면 기존 방법으로 제조할 수 없는 특수제품 제조가 가능해지고, 제조기술이 복잡하고 금형비가 비싼 제조기술이 염가의 용이한 방법으로 대체될 수 있는 것으로, 특히 직경이 큰 디스크, 긴 판형 제품, 복잡한 형상의 길고 얇은 실린더, 얇고 큰 직경의 링 등의 제품 제조에 큰 효과를 볼 수 있으며, 재료 경도가 높고 균등한 품질을 가진 제품을 적은 동력으로도 제조할 수 있는 것이다. 그리고 기존 제품에 비해 고품질의 경제성이 있는 큰 디스크형의 제품을 제조할 수 있는 등 다수의 효과가 주어지는 것이다.

Description

분말소재를 이용한 압축성형제품의 고밀도 압착방법{Method of high-density compressing for pressed forming product using powder material}

본 발명은 합성수지원료, 세라믹 분말 등의 분말소재를 압착, 소결, 응축 등의 방법으로 제품화할 시 소재가 되는 분말가루를 고밀도로 압착하므로서 성형제품의 견고성 및 조직의 안정화를 도모하여 양질의 성형제품을 얻고자 함에 발명의 목적이 있다.

지금까지 알려진 기술은 러시아 특허 제 2100313 호 등에서 압축성형기에 투입한 분말가루에 적정압력을 주고 그와 동시에 압축성형기의 세로방향으로 2가지 이상 주파수의 진동을 주는 것이며, 그중 한가지 주파수는 압축성형기를 진동하는 진폭 주파수로서 이 방법은 분말재료의 제품 압착시 음향진동기술의 필요성을 알려준다.

통상 압력을 받는 재료에 음향진동을 가해주면 재료는 사인(sign)곡선의 진동이 주어지면서 적은 압력으로 큰 압력의 압축력을 얻을 수 있으며 재료 분자 구조를 변경하지 않고도 강한 강도에 도달할 수 있다.

또한 러시아 특허 제 954184 호에는 선택한 분말재료를 이용하여 원형으로된 제품을 제조하는 방법이 알려져 있다.

이 방법에 의하면 제품형태를 그 방향파장, 그 중에서도 원방향 파장은 압축성형기 세로축을 따라가고, 나머지 일방향은 압축 성형기의 직경을 따라 초음파 주파수의 음향 진동파장이 진동을 준다.

분말 재료에 2방향으로 음향진동파장이 가해지면 재료의 가로, 세로 조직이 진동으로 인해 위치가 바뀌고 서로 섞이게 되어 밀도가 대단히 높아진다.

그리고 가로 방향 파장이 재료를 가로방향으로 밀면서 압축성형기 벽면에서 경계면이 생기는 효과를 내면서 재료의 마찰력을 작게 한다.

그러나 이 방법으로 하면 디스크 및 판 같은 얇은 제품이나 실린더 및 다른 형태의 제품 제조에서 일정한 재료밀도를 가질 수 없는 문제점이 있었던 것이다.

이에 본 발명에서는 분말재료로 압축성형제품을 제조하는 신규한 방법을 제공코자 하는 것으로서, 특히 본 발명은 압축성형기에 있는 분말재료에 적정압력과 여러방향의 음향진동을 주는 방법을 제공한다. 즉 분말재료 용적에 3방향의 음향진동 파장을 일으키게 하는 방법을 제공코자 하는 것이다.

본 발명은 일정한 강도와 밀도를 가진 복잡한 형상의 제품제조, 예를 들면 디스크 및 큰면의 판제품, 얇고 긴 제품의 제조에 용이하게 적용할 수 있다.

제품의 길이가 긴 제품에는 분말재료 용적에 3방향 음향파장 중에서 제품의 길이방향(세로방향)으로 가장 큰 진폭파장을 부여할 때 효과가 크다.

본 발명의 특징은 진동시스템으로 제품압착과정에 압축성형기에 있는 분말재료에 대해 3방향의 음향진동파장을 일으키게 하는 것이며, 이로 인해 효과적이고 입체적인 분말 응축효과를 가지게 된다.

입체적인 3방향 음향진동 파장에 분말재료의 진동부상궤도는 복잡한 형상을 가진다.

예를 들면 재료부상궤도의 진동면 특징은 타원 형태를 가지고 있고 타원형 축은 3방향으로 벡터 진동운동을 한다.

일반적으로 입체음향파장은 재료 밀도에 수직, 수평의 3방향 벡터진동을 가하게되고, 그 중 1파장은 압축성형기의 축을 따라 세로로 진동하고, 나머지는 그 진동을 가로로 압축성형기의 면(축)을 따라 진동한다.

가장 효율적인 조건은 3방향 음향파장의 구성 중에서 한 구성은 압축성형기 세로축 방향으로 수직진동을 일으키고 다른 한 구성은 압축성형기 축에서 가로 방향으로 접선을 따라 회전운동을 일으킨다.

분말재료가 3방향으로 진동하는 것에 의해서 금형 안에서 재료가 상호 밀도를 좁히면서 밖으로 미는 강한 힘에 의해 압축성형기 벽면의 재료 마찰력이 작게된다.

분말재료용적에 음향진동을 가하면 아치형의 분말조직형태가 무너지고 재구성되어 용적내 밀도가 높아진다.

이와 같은 방법으로 적은 압력으로도 품질높은 고밀도의 제품을 얻을 수 있다.

분말재료용적에 가해지는 음향진동은 2가지의 큰 효율을 보장한다. 한 가지는 압축성형기 내에 재료 구성밀도가 높아지는 것이고, 또 한가지는 제품 압착시 압축성형기 벽면에 닿는 진동 마찰계수를 적게 하는 것이다. 음향진동이 가로 방향으로 가해질 때 압축성형기 벽면에 닿는 진동 마찰력이 작아지고, 진동 변위구성이 압착제품 각 부위를 단단하게 만들어 고밀도 조직의 특성을 갖게 한다.

고밀도 제품 제조를 위한 가장 큰 변수는 압축성형기 내의 재료에 3방향 벡터 음향파장을 주는 것이다.

압축성형기에 음향진동을 가하게 되면 3방향으로 벡터파장을 일으켜 분말재료가 각각 3방향으로 위상변위를 하여 서로 밀도를 좁히게 되고, 서로 다른 형태를 가진 재료들이 상호 간섭하여 단단한 재료 밀도를 만든다.

이 벡터 3방향 음향파장의 사용으로 길고 복잡한 형상을 가진 제품 제조에 가장 큰 효과를 볼 수 있다. 압축성형기에 있는 재료에 압력이 가해지고 입체적인 3방향 음향파장이 이루어지는 것은 여러 가지 방법이 있다.

예를 들어 압축성형기에 진동이 각각 3방향으로 가해지는데, 구체적으로 압축성형기 수직방향을 따라 또 압축성형기 반경 및 횡단면 절선방향을 따라 음향진동이 이루어진다.

외부에서 압축 성형기의 어느 지점에 한 방향으로 음향 진동을 주지만, 기하학적인 구조에 따라 3방향의 벡터 음향진동파는 굴곡면에 입체적인 파동으로 변화된다.

벡터 음향파장은 압착하는 분말재료 고유의 탄성계수, 분말의 크기, 형태 및 압축성형기 구조와 상호 밀접한 관계가 있다. 그래서 제품 길이에 음향파장이 몇 배가 되도록 조정하거나 아니면 음향파장에 제품길이가 몇 배 되도록 선택할 수가 있다.

길이와 넓이 차이가 많은 제품의 경우에는 영향을 주고자하는 벡터 음향파를 압축성형기의 길이 방향으로 균일한 진폭이 가해지도록 구성해야 한다.

예를 들어 제품직경이 높이에 비해 차이가 많은 디스크형 제품을 압착할 경우에는 벡터 음향파의 진폭은 반경방향으로 구성되어야 효과적이다.

본 발명에서 제안하는 방법은 여러 종류의 분말재료, 즉 금속분말, 세라믹 분말, 톱밥, 대패밥 및 기타재료로 제품제조에 사용할 수 있는 것이다.

본 발명의 제조방법에 사용하는 진동 주파수는 음향 특성 주파수이고, 재료의 종류와 제품의 크기 및 특성에 따라 취사 선택할 수 있다.

통상 재료에 3방향 벡터 음향파를 가하는 동시에 압력을 주어 제조하지만, 분말재료에 진동을 먼저 주기도 하고, 재료에 압착하는 과정 중에 음향진동을 줄 수도 있다. 테스트 결과 벡터 음향파장으로 재료를 가공할 때가 분말재료로 제품을 압착하여 가공할 때 보다 품질이 우수하였다.

본 발명은 다음과 같이 실시될 수 있는 것이다.

즉, 분말재료를 물과 같이 압축 성형기에 넣고 축 방향을 따라 압착한다. 그리고 음향진동기가 압축 성형기에 3방향의 벡터 음향진동을 일으키게 한다. 압착 후 압축성형기에서 제품을 걷어내고 고열 가공 건조 및 기타 공정을 행한다.

이하 본 발명을 실시예와 함께 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

(실시예 1)

본 발명의 방법을 적용하여 직경 120mm, 높이 10mm 디스크형의 바리스터를 제조한다.

상기 바리스터를 제조하기 위한 재료는 아연 산화물(Zno) 기초의 세라믹 가루 용제이다. 가소제로 용제 재료에 1%까지 되도록 3%의 폴리비닐알코올을 사용하였다.

상기 용제 재료는 가소제와 같이 직경이 높이보다 훨씬 큰 규격과 실린더 피스톤을 가진 압축성형기 안에 넣고 압착기로 상기 피스톤에 압축성형기의 축을 따라 20MPa의 압력을 주었다.

동시에 압축성형기의 재료면에 3방향의 초음파 주파수의 음향 파장을 일으키게 하였다. 그것을 실행하기 위해서 실린더 피스톤의 밑바닥을 음향진동집중기의 방사면과 연결하였다. 초음파 진동의 특징은 다음과 같다.

주파수 18~20㎑, 변위진폭 10mkm 이다.

압축 성형기 밑부분의 세로축 진동이 압축성형기 금형 벽에 원형파를 일으킨다. 그래서 압착하는 재료용적에 세로축으로 진동파와 압축성형기 금형 벽에 생기는 원형진동으로 인해 접선방향으로 생기는 2가지 음향파, 도합 3방향 음향 파장이 생긴다. 초음파 진동시간은 10초이다. 그리고 제품을 압축 성형기에서 걷어내어 고열, 소결시켜서 도금하였다.

바리스타의 물리적 특징을 검사한 결과, 밀도는 5.34 10³kg/M³였다.

이 결과는 아주 우수한 수치로서, 경제성 있는 기술로 판단된다. 음향, 열, 광학의 방법으로 검사결과 우수한 재료 품질을 확인할 수 있었다.

전자 마이크로 현미경으로 관찰시 기공이 'PHC-60' 으로서 우수하였다.

상기 방법으로 수행시 15~20% 정도 기공이 더 작아진 것(줄어든 것)으로 확인되었으며, 유전체의 투과율이 96이 되었다. 탄젠트 유전체 손실이 1.5%로 되었다.

이것은 다른 종류보다 1.5~2.0배 적은 수치이다. 반면에 바리스타의 전기적 내구성은 20%나 더 강해졌고, 직성성은 40%나 향상되었다. 이런 수준의 제품은 종래의 기술로는 제조가 불가능하였다. 그리고 바리스타를 제조할 때 보통 때 보다 3~5배의 적정 압력이 줄어들었다.

(실시예 2)

본 발명의 방법에 의해 디스크형 피에죠 세라믹을 제조하였다.

직경 40mm, 두께 2.5mm, 제조방법은 실시예 1과 같이 재료를 혼합 "UTC-19(재료명)" 된 것을 사용하고, 여기에 가소제 5%에 알코올이 재료 무게의 3% 되게 하였다.

압력은 25MPa로 하고 외부 음향진동은 실시예 1과 같은 조건을 주었다. 음향 진동시간은 10초이다.

위와 같이 압축성형된 제품의 품질 결과는 표 1에 비교하여 기록되었다. 보통의 방법으로 제조된 피에죠 세라믹과 비교를 해 보았다.

표 1에 의하면 제품이 요구조건을 만족시키고 있음을 잘 알 수가 있다.

특징 중에서 밀도, 탄젠트, 유전체 손실, 투과율, 피에죠 모듈 특징, 음향속도, 전기적 기계 결합계수 등 제반 특징들은 이 기술을 구현하기 위하여 기본적으로 필요한 조건이다. 보통 기술의 제조보다 차이가 있는 것은 밀도가 역시 높아졌고, 유전율이 향상되었으며, 피에죠 모듈 및 결합계수가 향상되었다. 또 유전체 탄젠트 손실계수가 더 작아졌고, 음향 진동속도가 더 빨라졌다. 장기 보관시에는 더욱 안정적인 특징을 보였다.

마이크로 현미경으로 확인한 결과 기공이 줄어들었고(작아 졌고), 조직이 균일함을 알 수 있었다.

일반적인 기술로는 상기 제품 제조 시에 압력이 100MPa 이어야 하나 본 발명에 의하면 압력이 25MPa로 제조가 가능하였다.

이상에서 상세히 살펴 본 바와 같이 본 발명에서 제시하는 압축성형제품의 고밀도 압착방법에 의하면 다음과 같은 다수의 효과를 득할 수 있는 것이다.

즉, 본 발명은 일반적인 방법으로 제조할 수 없는 특수제품 제조가 가능해지고, 제조기술이 복잡하고 금형비가 비싼 제조기술이 값싸고 손쉬운 방법으로 대체될 수 있는 것이다.

보다 구체적으로는 직경이 큰 디스크, 긴 판형 제품, 복잡한 형상의 길고 얇은 실린더, 얇고 큰 직경의 링 등의 제품 제조에 큰 효과를 볼 수 있으며, 재료 경도가 높고 균등한 품질을 가진 제품을 적은 동력으로도 제조할 수 있게 된다.

또한 본 발명에 의하면 기존 제품에 비해 훨씬 고품질이면서 경제성이 있는 큰 디스크형의 제품을 제조할 수 있는 등 그 기대되는 효과가 다대한 발명이다.

Claims (1)

1. 분말제품의 압축성형 방법에 있어서;

   압축성형기의 실린더에 내장하는 분말재료에 대해 3방향의 초음파주파수의 음향파장을 부여하고,

   실린더의 피스톤 및 바닥면은 음향진동 집중기의 방사면과 일치되도록 연결하며,

   상기 초음파음향주파수는 18~20㎑, 변위진폭 10mkm, 진동시간 10초의 범위내에서 3방향 음향파장이 전달되도록 함을 특징으로 하는 분말소재를 이용한 압축성형제품의 고밀도 압착방법.