KR100353434B1 - 가공용 금속 모재의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된금속 모재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우수한 광택도, 내산화성, 내화학성, 및 내구성, 가격 경쟁력 등의 장점을 지니고 있는 18K 또는 14K의 금을 기존의 도금 방법의 사용없이 원하는 두께의 최종막으로 형성하도록 하되, 최종적으로 제조된 금속 모재의 기계적인 가공이 용이하도록 된 가공용 금속 모재의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 금속 모재에 관한 것으로서, 소정 크기의 은재를 해당하는 제 1 금형내의 중심에 위치시키는 제 1 단계; 상기 은재의 표면이 반용융 상태가 되도록 예열하는 제 2 단계; 금 용탕을 상기 은재의 외면을 감싸도록 상기 금형내로 주입하는 제 3 단계; 상기 주입된 금 용탕을 냉각하여 상기 은재의 표면에 함침 결합되도록 하는 제 4 단계; 상기 제 4 단계의 결합물을 소둔한 후 상기 제 1 금형으로부터 분리하는 제 5 단계; 상기 분리된 결합물의 표면에 순금을 포함하는 합금막을 씌워 해당하는 제 2 금형내에 위치시킨 후 가열하는 제 6 단계; 상기 가열 후 상기 결합물의 외면에 상기 합금막이 결합되도록 냉각하는 제 7 단계; 및 상기 제 7 단계의 결합물을 소둔한 후 상기 제 2 금형으로부터 분리하는 제 8 단계를 포함하여 구성된다.

Description

가공용 금속 모재의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 금속 모재{A metallic material for metalwork and a manufacturing method therefor}

본 발명은 가공용 금속 모재(母材)의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 금속 모재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금·은(金銀) 장신구 등을 만드는 데 모재로 사용되는 가공용 금속 모재의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 장신구 가공용 금속 모재에 관한 것이다.

일반적으로, 가공용 모재의 제조를 위한 순은과 순금의 접합 기술은 다양한 방법으로 개발되고 일부 상용화 되고 있으나, 세계적으로 광범위하고 다양하게 사용되고 있는 18K의 금에 대해서는 그 자체가 가공용 원 모재로 사용되고 있거나 또는 철, 비철 등과 같은 다른 소재의 가공 제품에 도금용 소재로 사용되고 있을 뿐, 아직까지 18K 또는 14K의 금과 다른 소재와의 접합에 의한 가공용 모재의 제조 방법에 대해서는 제안된 바 없는 실정이다.

따라서, 우수한 광택도, 내산화성, 내화학성, 및 내구성, 상대적인 가격 경쟁력 등의 장점을 지니고 있는 18K 또는 14K의 금을 도금 소재로 사용하여, 장신구, 주방기구, 안경테, 시계, 및 기타 각종 산업제품 등을 포함하는 엄청난 물량 및 다양한 제품군들을 도금처리 함으로써, 도금된 각 제품들이 18K 또는 14K의 금에 의한 장점들을 구유할 수 있도록 하여 제품의 부가 가치를 향상시키고 있는 데, 잘 알려진 바와 같이 현재까지의 도금 기술은 도금 과정 시 심각한 환경문제를 유발시킴에 따라 세계적으로 본 기술분야에 대한 도금 산업은 중진국 이하의 개도국 및/또는 후진국 등에서 주로 행해지고 있는 실정이며, 또한 도금 기술은 그 과정이 매우 까다로움에도 불구하고 현재 기술상 형성할 수 있는 최대 도금막의 두께가 약 3㎛∼5㎛ 정도이기 때문에, 도금된 피막의 수명이 오래가지 못하고 벗겨지게 되어 도금제품의 수명을 단축시키게 되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 그 목적은 우수한 광택도, 내산화성, 내화학성, 및 내구성, 가격 경쟁력 등의 장점을 지니고 있는 18K 또는 14K의 금을 기존의 도금 방법의 사용없이 원하는 두께의 최종막으로 형성하도록 하되, 최종적으로 제조된 금속 모재의 기계적인 가공이 용이하도록 된 가공용 금속 모재의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 금속 모재를 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가공용 금속 모재의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이고,

도 2는 본 발명의 은봉 발췌 사시도이고,

도 3은 본 발명의 금형 발췌 사시도이고,

도 4는 본 발명의 은봉이 금형내에 고정된 상태의 측면 사시도이고,

도 5는 본 발명의 은봉이 금형내에 고정된 상태에서 금 용탕이 주입된 상태의 평면도이고,

도 6은 본 발명의 은봉이 금형내에 고정된 상태에서 금 용탕이 주입되어 함침된 상태의 종단면도이며,

도 7은 도 6에서 금형이 제거된 중간 결과물의 종단면도이고,

도 8은 도 7의 중간 결과물의 표면에 순금을 포함하는 합금막을 씌워 금형내에 위치시킨 상태의 종단면도이고,

도 9는 도 8에서 금형이 제거된 최종 결과물로서의 가공용 금속 모재의 종단면도이고,

도 10은 금과 은의 온도 평형상태를 나타낸 그래프이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 봉형 은재 20 : 금

30 : 함침결합층 40,60 : 금형

50 : 순금이 포함된 합금막으로서 18K 또는 14K의 금막

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 가공용 금속 모재의 제조 방법은, 소정 크기의 은재(銀材)를 해당하는 제 1 금형내의 중심에 위치시키는 제 1 단계; 상기 은재의 표면이 반용융 상태가 되도록 예열하는 제 2 단계; 금 용탕을 상기 은재의 외면을 감싸도록 상기 금형내로 주입하는 제 3 단계; 상기 주입된 금 용탕을 냉각하여 상기 은재의 표면에 함침 결합되도록 하는 제 4 단계; 상기제 4 단계의 결합물을 소둔한 후 상기 제 1 금형으로부터 분리하는 제 5 단계; 상기 분리된 결합물의 표면에 순금을 포함하는 합금막을 씌워 해당하는 제 2 금형내에 위치시킨 후 가열하는 제 6 단계; 상기 가열 후 상기 결합물의 외면에 상기 합금막이 결합되도록 냉각하는 제 7 단계; 및 상기 제 7 단계의 결합물을 소둔한 후 상기 제 2 금형으로부터 분리하는 제 8 단계를 포함하여 구성된다.

상기 제 2 단계의 예열 조건은 가열온도가 720℃∼820℃이고, 가열시간이 20분 내지 3시간이며, 예열 환경은 진공 또는 불활성 가스 분위기로 한다.

상기 제 5 단계의 소둔 조건은 소둔온도가 300℃∼450℃이고, 소둔시간은 상기 제 1 금형 및 상기 제 4 단계의 결합물의 크기에 따라 결정되며, 상기 제 8 단계의 소둔 조건은 소둔온도가 450℃∼600℃이고, 소둔시간은 상기 제 2 금형 및 상기 제 7 단계의 결합물의 크기에 따라 결정된다.

상기 합금막은 18K 또는 14K의 금 으로 이루어지되, 상기 제 6 단계의 가열 환경은 진공 또는 불활성 가스 분위기이고, 가열 온도가 상기 합금막이 18K로 이루어진 경우 620℃∼820℃이며 14K로 이루어진 경우 550℃∼700℃이고, 가열시간은 상기 제 2 금형 및 상기 제 5 단계에서 분리된 결합물의 크기에 따라 결정된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 가공용 금속 모재는, 소정 크기 및 형상의 은재층; 상기 은재층을 감싸고 있는 순금층; 상기 은재층과 상기 순금층의 경계면에서 상기 순금층이 상기 은재층에 함침되어 형성된 결합층; 및 상기 순금층의 표면에 일부 함침되어 그 순금층에 결합형성된 순금을 포함하는 합금층을 포함하여 구성되고, 특히 상기 합금층은 18K 또는 14K로 이루어진 것을특징으로 한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가공용 금속 모재의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 금속 모재에 대하여 상세히 설명하기로 하되, 설명의 편의를 위하여 봉 형상의 모재를 선택하여 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가공용 금속 모재의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 은봉 발췌 사시도이며, 도 3은 본 발명의 금형 발췌 사시도이고, 도 4는 본 발명의 은봉이 금형내에 고정된 상태의 측면 사시도이며, 도 5는 본 발명의 은봉이 금형내에 고정된 상태에서 금 용탕이 주입된 상태의 평면도이고, 도 6은 본 발명의 은봉이 금형내에 고정된 상태에서 금 용탕이 주입되어 함침된 상태의 종단면도이며, 도 7은 도 6에서 금형이 제거된 중간 결과물의 종단면도이고, 도 8은 도 7의 중간 결과물의 표면에 순금을 포함하는 합금막을 씌워 금형내에 위치시킨 상태의 종단면도이고, 도 9는 도 8에서 금형이 제거된 최종 결과물로서의 가공용 금속 모재의 종단면도이며, 도 10은 금과 은의 온도 평형상태를 나타낸 그래프이다.

먼저, 본 발명의 금속 모재를 제조하는데 사용되는 금(Au)과 은(Ag)의 특성에 대해서 설명하면 다음과 같다.

금은 대기중이나 물속에서도 변하지 않고, 강산화제에 의해서도 변하지 않아 내산화성, 내화학성, 내구성등이 우수한 특성이 있으며, 특히 18K 및 14K의 금은표면 광택이 매우 우수하며, 은은 금보다는 내산화성, 내화학성, 내구성등은 약하나 전기와 열 전도도는 금속중에서 가장 큰 특성이 있다.

또한, 상기 금과 은의 연신율은 소둔처리후 50 : 50으로 일치하기 때문에, 장신구, 주방기구, 안경테, 시계, 및 기타 각종 산업제품 등의 최종적인 제품으로 가공하고자 연신 또는 기계적인 절삭 등을 수행할 때 전혀 문제가 되지 않고 용이하게 가공할 수 있다.

상기와 같은 특성을 갖는 금과 은을 이용한 본 발명의 가공용 금속 모재의 상세한 제조방법은 하기와 같다.

본 발명은 먼저 99.9% 이상의 순도를 갖는 은을 이용하여 기본재로서의 은재(銀材)를 만드는데, 그 은재의 형상은 도 2에서 나타낸 바와 같이 표면의 원주면을 따라 다수개의 돌기(11)를 형성시켜 금과의 함침 면적을 최대로 확보한 봉 형상의 은재(10)를 기본재로 한다.

단, 상기 은재(10)의 형성은 상기 도 2에 나타난 형상에 한정되지 않고 최종적으로 생산 제작되는 가공용 모재의 사용 용도에 따라 직사각형 형태를 취하는 편봉이나 정 4면,정 6면,정 8면의 형태를 취하는 각봉, 그리고 원형의 형태를 취하는 환봉이나 반달형태를 취하는 반환봉, 또는 판재로 형성시켜 사용해도 무방하다.

이와 같이 형성된 기본재로서의 봉형 은재(10)를 도 4에 나타낸 바와 같이 금형(40)의 내측 중앙부에 수직으로 세워 고정시키되, 상기 은재(10)의 상단부를 상기 금형(40)의 상부로 일부 돌출되게 고정시킨 다음, 이를 진공상태의 전기로에투입하여 720℃ - 820℃로 20분 - 6시간 가열하면 상기 은재(10)는 그 표면에서부터 내측으로 소정의 깊이 만큼 반용융상태가 된다.

상기 은재(10)를 720℃ - 820℃로 가열하는 이유는 그 이상의 온도가 되면 은의 용융점이 960℃이기 때문에 은재(10)의 최초 형상이 유지되지 못하는 문제점이 발생하고, 그 이하가 되면 은재(10)의 표면이 반용융상태가 되지 못하기 때문이며, 상기 가열 시간은 상기 은재(10)의 크기에 따라 결정되되, 720℃ - 820℃로 약 20분 - 6시간 정도 가열함이 가장 바람직하다.

이어, 상기 표면이 반용융상태가 된 은재(10)가 고정된 금형(40) 내에 순도 99.99% 이상의 금(20)을 용융하여서 된 용탕을 도 5와 도 6에 나타낸 바와 같이 순간 주입하고 진공상태의 전기로내에 방치해 두면, 전기로 내에서 금과 은이 열평형이 일어나 액체상태의 금(20)입자가 반용융상태의 은재(10) 표면에 침투되면서 함침결합층(30)이 형성되며, 상기 함침결합층(30)을 매개로 상기 금(20)과 상기 은재(10)가 견고하게 일체화 되면서 상기 금(20)은 일정한 두께를 가지고 상기 은재(10)의 외주면을 감싸도록 형성된다.

이때, 상기 금형(40)에 금(20)의 용탕을 주입한 후 방치해 두는 이유는 로내에서 서냉이 되도록 하기 위함이고, 상기 전기로 내부를 진공상태 또는 불활성 가스 분위기 상태로 유지시키는 이유는 은은 그 특성상 산화에 약하기 때문에 그를 방지하기 위한 것이다.

상기와 같이 하여 상기 금(20)과 상기 은재(10)가 일체화 되면서 냉각이 완료되면, 이를 다시 소둔로에 투입하여 300℃ - 450℃로 2시간 - 3시간 정도 소둔하고 서냉을 하는데, 그 이유는 결정조직의 조정 또는 내부응력을 제거하고 은과 금의 연신율을 일치시키며 연성을 증가시키기 위함이다.

상기 소둔온도와 소둔시간을 상기 범위의 이하로 하게되면 상기의 결정조직의 조정이 미흡하고, 내부응력이 제거되지 못하며 은과 금의 연신율이 불일치하고 연성이 향상되지 못하는 문제점이 발생하나, 상기 소둔시간은 상기 함침결합층(30)을 매개로 상호 일체화된 금(20)과 은(10)의 결합물로서의 중간 결과물(100)의 크기에 따라 상기 범위 이상이 될 수 있을 것이다.

이상의 공정이 완료되면, 그 후에는 상기 금형(40)으로부터 상기 중간 결과물(100)을 도 7과 같이 분리해 내고, 도 8에 도시된 바와 같이 18K의 금 또는 14K의 금과 같이 일정량의 순금이 함유된 합금막(50)을 상기 분리된 중간 결과물(100)의 외면에 씌운 후 해당하는 새로운 금형(60)내에 위치시키고서 로(爐)속에서 가열하는 바, 상기 합금막(50)을 18K의 금막으로 사용할 경우 상기 로내의 가열 환경은 진공 또는 불할성 가스 분위기이고, 가열 온도가 620℃∼820℃이며, 상기 합금막(50)을 14K의 금막으로 사용할 경우 상기 로내의 가열 환경은 18K의 금막 사용시와 동일하나, 가열 온도는 550℃∼700℃로 하고, 가열시간은 18K 및 14K의 금 사용 시 모두 상기 금형(60) 및 상기 중간 결과물(100)의 크기에 따라 결정되되, 1시간-4시간 정도가 바람직하다.

또한, 상기 합금막(50)의 구성 성분 중 순금 이외의 성분은 구리와 은으로 이루어지는 데, 18K 또는 14K 금막 사용 시의 상기 가열 온도범위내에서 상기 구리의 함량이 많을수록 상기 가열 온도는 낮아지고 상기 은의 함량이 많을수록 상기가열 온도는 높아지도록 조절한다.

이후, 상기 중간 결과물(100)과 상기 합금막(50)이 일체화 되도록 서냉한 다음, 냉각이 완료되면 이를 다시 소둔로에 투입하여 350℃ - 600℃로 2시간 - 3시간 정도 소둔하되, 그 소둔 시간은 상기 범위에 한정되지 않고 상기 금형(60) 및 상기 중간 결과물(100)과 상기 합금막(50)의 결합물의 크기에 따라 상기 시간 범위를 넘을 수도 있을 것이다.

마지막으로 상기와 같이 소둔을 완료 한 후, 상기 중간 결과물(100)과 상기 합금막(50)의 결합물로서의 본 발명의 가공용 금속 모재가 되는 최종 결과물(200)을 도 9에 도시된 바와 같이 상기 금형(60)으로부터 분리해 내어, 본 발명에 따른 가공용 금속 모재의 제조 과정을 완료한다.

한편, 본 발명의 은재(10) 표면에 감싸지는 금(20)의 양은 필요에 따라 조정할 수 있는데, 그 조정범위는 은 1 이상 ~ 10 미만 : 금 1 이상~ 10 미만으로 하되 바람직하게는 은 2 : 금 1, 은 3 : 금 1, 은 4 : 금 1, 은 5 : 금 1 체적비로 된 것중 어느 하나를 선택하여 사용하면 되고 그리고 아주 미량의 금 성분이 필요한 용도의 곳에 사용하고자 할 때에는 상기 체적비 보다 적은양의 금을 사용한 것을 선택하여 사용하면 된다.

상기 은과 금의 체적비에 따른 온도관리는 하기의 계산식에 의해 적용관리 된다.

열량Q = C(비열) × m(질량≒중량) × ≒△t(온도)

참조 : (금의 비열 C = 0.0312cal/gr, 은 비열 C = 0.0556cal/gr)

(금의 비중 : 19.3gr/㎤, 은의 비중 : 10.5gr/㎤)

공히 계산 편의상 금의 체적을 100㎤으로 볼때

금의 중량 = 100㎤ × 19.3gr/㎤ = 1930gr

은의 중량 : 금 1 : 은 2인 경우 = 200㎤ × 10.5gr/㎤ = 2100gr

금 1 : 은 3인 경우 = 300㎤ × 10.5gr/㎤ = 3150gr

금 1 : 은 4인 경우 = 400㎤ × 10.5gr/㎤ = 4200gr

금 1 : 은 5인 경우 = 500㎤ × 10.5gr/㎤ = 5250gr

여기에서, 중량과 온도는 반비례하지만 체적의 변화가 있는 은재(10)와 금형(40) 전체를 은재(10)의 표면층이 반용융되는 온도인 720℃ - 820℃ 범위로 금(20)용탕이 금형(40)에 주입되기 전에 전기로 속에서 일정하게 예열됨으로, 상기 금(20)용탕이 금형(40)에 들어가 도 10에 나타낸 바와 같이 열평형을 이루면서 은재(10)와 금(20)의 접촉층이 함침되는 범위는 거의 동일하게 되므로 은의 체적비에 따른 특별한 온도관리는 생략해도 된다.

또한 본 발명의 은재(10)는 외부를 감싸는 금(20)의 내부 중앙에 위치해야 하고, 금(20)은 은봉(10)의 외부를 감싸도록 한다.

이상과 같이 제조된 본 발명의 가공용 금속 모재는 우수한 광택도, 내산화성, 내화학성, 및 내구성 등의 장점을 지니고 있어 세계적으로 가장 많이 사용되고 있는 18K 또는 14K의 금을 기존의 도금 기법을 배제하고서 상대적으로 가격이 저렴한 기본재의 표면에 외막으로 견고하게 형성되도록 하여 거의 영구적으로 18K 또는 14K의 금의 특성을 구유할 수 있도록 한다.

또한, 기존의 도금 기술로는 최대 도금막의 두께가 3㎛∼5㎛ 정도이기 때문에, 도금된 피막의 수명이 오래가지 못하고 벗겨지게 되어 도금제품의 수명을 단축시키게 되는 문제가 있었으나, 본 발명에 따르면 18K 또는 14K로 된 외막의 두께를 15㎛∼50㎛ 이상으로 형성할 수 있으므로 장신구, 주방기구, 안경테, 시계, 및 기타 각종 산업제품 등을 포함하는 일반적인 제품군에 가장 적절한 피막 두께인 최소 15㎛이상을 충분히 만족하게 된다.

또한, 본 발명의 가공용 금속 모재는 장신구, 주방기구, 안경테, 시계, 및 기타 각종 산업제품 등의 최종 제품으로 제조할 때, 기계적인 절삭, 연신, 압축 등의 가공이 매우 용이한 특성이 있다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 가공용 금속 모재의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 금속 모재에 의하면, 14K 또는 18K 만으로 이루어진 가공용 금속 모재에 비하여 가격 경쟁력이 매우 우수하고, 기존의 도금에 의한 환경 공해 유발 문제를 완전히 해결하며, 기존의 도금 기술에 의한 외막 두께 형성의 한계성을 없애고, 가공성이 용이하며, 본 발명의 가공용 금속 모재로 제조된 제품에 있어서 18K 또는 14K의 금의 특성을 반영구적 또는 영구적으로 구유하는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 소정 크기의 은재를 해당하는 제 1 금형내의 중심에 위치시키는 제 1 단계;

   상기 은재의 표면이 반용융 상태가 되도록 예열하는 제 2 단계;

   금 용탕을 상기 은재의 외면을 감싸도록 상기 금형내로 주입하는 제 3 단계;

   상기 주입된 금 용탕을 냉각하여 상기 은재의 표면에 함침 결합되도록 하는 제 4 단계;

   상기 제 4 단계의 결합물을 소둔한 후 상기 제 1 금형으로부터 분리하는 제 5 단계;

   상기 분리된 결합물의 표면에 순금을 포함하는 합금막을 씌워 해당하는 제 2 금형내에 위치시킨 후 가열하는 제 6 단계;

   상기 가열 후 상기 결합물의 외면에 상기 합금막이 결합되도록 냉각하는 제 7 단계; 및

   상기 제 7 단계의 결합물을 소둔한 후 상기 제 2 금형으로부터 분리하는 제 8 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가공용 금속 모재의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 단계의 예열 조건은 가열온도가 720℃∼820℃이고, 가열시간이 20분 내지 3시간이며, 예열 환경은 진공 또는 불활성 가스 분위기임을 특징으로 하는 가공용 금속 모재의 제조 방법.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 합금막은 18K의 금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가공용 금속 모재의 제조 방법.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 합금막은 14K의 금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가공용 금속 모재의 제조 방법.
7. 삭제
8. 제 5항 또는 제 7항에 있어서,

   상기 합금막의 구성 성분 중 순금 이외의 성분은 구리와 은으로 이루어지되, 상기 가열 온도범위내에서 상기 구리의 함량이 많을수록 상기 가열 온도는 낮아지고 상기 은의 함량이 많을수록 상기 가열 온도는 높아짐을 특징으로 하는 가공용 금속 모재의 제조 방법.
9. 삭제
10. 소정 크기 및 형상의 은재층;

    상기 은재층을 감싸고 있는 순금층;

    상기 은재층과 상기 순금층의 경계면에서 상기 순금층이 상기 은재층에 함침되어 형성된 결합층; 및

    상기 순금층의 표면에 일부 함침되어 그 순금층에 결합형성된 순금을 포함하는 합금층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 가공용 금속 모재.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 은재층은 봉재 또는 판재 중 하나인 것을 특징으로 하는 가공용 금속 모재.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 합금층은 18K 또는 14K로 이루어진 것을 특징으로 하는 가공용 금속 모재.