KR100650409B1 - 분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법 및그에 따라 제조된 재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법 및 그에 따라 제조된 재료에 관한 것으로서,

원료분말을 바인더와 균질하게 혼합하여 성형혼합물을 수득하는 단계; 분말사출성형장치를 이용하여, 상기 수득된 성형혼합물을 금형 내로 사출하여 성형물을 형성하는 단계; 상기 성형물을 요구되는 형상으로 기계가공하는 단계; 상기 성형물로부터 바인더를 탈지하는 단계; 상기 탈지된 성형물을 소결로 내에서 소결시키는 단계;를 포함하여 이뤄지며,

분말사출성형 방식과 기계가공을 적절하게 혼용하여, 기존의 분말야금으로는 제조가 곤란하거나 고비용이 소요되었던 고기능 복잡 형상의 재료를 저비용으로 제조할 수 있도록 해준다.

분말사출성형, 기계가공, 복잡 형상

Description

분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법 및 그에 따라 제조된 재료{Manufacturing method of complex-shaped workpiece using powder injection molding and workpiece therefrom}

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조방법의 순서도,

도 2는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조방법의 순서도,

도 3a 내지 도 3i는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조에 있어서 이종 분말사출성형 과정을 나타낸 모식도,

도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조방법의 순서도,

도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조에 있어서 다중 분말사출성형 과정을 나타낸 모식도,

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 복잡 형상 재료의 사진,

도 7은 본 발명에 의해 제조된 복잡 형상 재료의 다양한 예를 나타낸 모식도,

도 8은 도 7에 나타난 각 재료의 일부 절개도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 고정금형 22: 제1이동금형

22a: 사출공 24: 제2이동금형

24a: 사출공 100: 제1층

200: 제2층 210: 원료 공급용 호퍼

220: 가소화 실린더 230: 사출용 스크류

240: 금형 242: 사출공

250: 노즐 A1,B1,C1: 성형혼합물

A2,B2,C2: 복합층

본 발명은 분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법 및 그에 따라 제조된 재료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속이나 세라믹 등과 같은 다양한 원료를 사용하여 복잡한 형상의 재료를 제조하되, 분말사출성형 방식과 기계가공을 적절하게 혼용하여 이뤄진 복잡 형상 재료의 제조방법 및 그에 따라 제조된 재료에 관한 것이다.

각종 공구 재료나 기계 부품을 제조하기 위하여 다양한 형태의 가공방법이 제안된 바 있다. 이러한 가공방법 중에서 특히, 금속분말을 가압·성형하여 굳히고, 가열하여 소결(燒結)함으로써 목적하는 형태의 금속 제품을 얻는 분말야금이 각광받고 있다.

분말야금은 주물, 단조와 같은 다른 가공방법으로는 제조가 불가능하거나 매우 어려운 제품의 제조를 가능하게 해준다.

예를 들어, 용융온도가 높은 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈 등이나 내화물, 세라믹스 등의 고온재료(高溫材料)는 융해방법을 통한 제조가 어려우나 분말야금을 이용한 제조가 가능하다.

상호간에 비고용성(非固溶性)을 보이는 금속들(텅스텐-구리, 철-팔라듐)의 합금이나, 초경합금(탄화텅스텐-코발트), 분산강화재료 등의 복합재료(複合材料), 전기접점재료, 구리-흑연과 같은 금속-비금속의 복합재료, 치과용 아말감과 같이 층상조직을 가지는 재료 등도 분말야금을 통한 제조가 가능하다.

베어링, 필터 또는 스펀지상의 재료와 같은 다공성 재료는 주물로서 얻을 수 없으나 분말야금으로는 제조가 가능하다.

그러나, 분말야금을 이용한 가공 기술은 다음과 같은 한계를 갖고 있었다.

우선, 분말을 이용하여 성형체를 제작하기 위하여는 몰드 내에 투입된 각 분말층을 펀치와 같은 기구로 가압하여야 하는데, 이 과정에서 내외측의 밀도 편차가 수반되어 균일한 성형이 불가능하므로 복잡한 형상의 제품을 만들기가 곤란하였다.

또한, 몰드 내로 각 분말층을 투입하는 공정이 현실적으로 수작업에 크게 의존하는 상황이므로, 생산성이 크게 저하되고 생산 비용이 상승하는 문제점이 있었 다.

이러한 분말야금 기술의 한계를 극복하기 위하여 분말사출성형 기술이 제안된 바 있다.

분말사출성형(Powder Injection Molding, PIM)은 플라스틱 분야에서 발전된 사출성형 기술과 분말야금 분야에서 발전된 금속 분말 소결 기술이 융합된 기술로서, 절삭가공, 정밀주조, 다이케스팅, 분말야금 등과 같은 기존 기술로는 제조가 곤란하거나 고비용이 소요되는 고기능 복잡 형상의 정밀부품을 저비용으로 양산 가능하도록 해주는 첨단가공기술이다.

일반적인 분말사출성형은 분말과 바인더의 혼합공정(Mixing Process) 및 사출성형공정(Injection Molding Process), 탈지공정(Debinding Process), 소결공정(Sintering Process) 등으로 구성되며, 성형재료에 따라 금속사출성형(Metal Injection Molding, MIM) 또는 세라믹사출성형(Ceramic Injection Molding, CIM) 등으로 더욱 분류된다.

그러나, 분말사출성형의 경우, 요구되는 성형물 형상을 얻기 위하여 사출성형용 금형을 제작해야 하는바, 성형물의 형상이 복잡한 경우에는 금형 제작의 곤란성 및 비용 증가의 문제가 발생되었다.

특히, 소량 다품종화 되어가는 소재,부품 분야의 특성을 고려할 때, 하나의 성형물 형상을 얻기 위하여 복잡한 형상의 금형을 매번 제작하는 것은 생산성 저하 및 생산 비용 증가의 문제를 필연적으로 야기하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 금속이나 세라믹 등과 같은 다양한 원료를 사용하여 복잡한 형상의 재료를 제조하되, 분말사출성형 방식과 기계가공을 적절하게 혼용하여 이뤄진 복잡 형상 재료의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 이러한 제조방법에 의해 제조된 재료를 제공하는 것을 또다른 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원료분말을 바인더와 균질하게 혼합하여 성형혼합물을 수득하는 단계; 분말사출성형장치를 이용하여, 상기 수득된 성형혼합물을 금형 내로 사출하여 성형물을 형성하는 단계; 상기 성형물을 요구되는 형상으로 기계가공하는 단계; 상기 성형물을 탈지 처리하는 단계; 상기 탈지된 성형물을 소결로 내에서 소결 처리하는 단계;를 포함하여 이뤄진다.

또다른 측면에 의하면 본 발명은, 적어도 2종의 원료분말을 각각의 바인더와 균질하게 혼합하여, 각 원료분말 별 성형혼합물을 수득하는 단계; 이종 분말사출성형장치를 이용하여, 상기 수득된 성형혼합물 중 제1층을 이루는 성형혼합물을 금형 내로 사출하는 단계; 제2층을 이루는 성형혼합물로부터 마지막 층을 이루는 성형혼합물까지 순차적으로 금형 내로 사출하여, 상기 제1층으로부터 마지막 층까지 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성하는 단계; 상기 성형물을 요구되는 형상으로 기계 가공하는 단계; 상기 성형물을 탈지 처리하는 단계; 상기 탈지된 성형물을 소결로 내에서 소결 처리하는 단계;를 포함하여 이뤄진다.

보다 바람직하게, 상기 이종 분말사출성형장치는 하나의 고정금형과 적어도 두개의 이동금형을 구비한 것으로서, 고정금형과 제1이동금형이 이루는 공간에 성형혼합물을 사출하여 제1층을 형성한 후, 제1이동금형을 탈형시키고 제2이동금형을 고정금형에 밀접 고정한 상태에서 고정금형과 제2이동금형이 이루는 공간에 성형혼합물을 사출하여 제2층을 형성하며, 상기 제2층의 사출과 동일한 과정을 반복하여 마지막 층까지 형성한다.

또다른 측면에 의하면 본 발명은, 적어도 2종의 원료분말을 각각의 바인더와 균질하게 혼합하여, 각 원료분말 별 성형혼합물을 수득하는 단계; 다중 분말사출성형장치를 이용하여, 상기 수득된 성형혼합물 중 제1층을 이루는 성형혼합물로부터 마지막 층을 이루는 성형혼합물까지 금형 내로 사출하여, 상기 제1층으로부터 마지막 층까지 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성하는 단계; 상기 성형물을 요구되는 형상으로 기계가공하는 단계; 상기 성형물을 탈지 처리하는 단계; 상기 탈지된 성형물을 소결로 내에서 소결 처리하는 단계;를 포함하여 이뤄진다.

보다 바람직하게, 상기 다중 분말사출성형장치는 금형 내로 성형혼합물을 사출하는 노즐이 각 층의 형성위치 별로 적어도 2개가 구비된 것으로서, 각 층을 이루는 성형혼합물을 각 노즐을 통해 금형 내로 동시에 사출하여 제1층으로부터 마지막 층까지 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성한다.

보다 바람직하게, 상기 각 층을 형성하는 원료분말은 금속분말, 세라믹분말, 탄화물분말, 글래스분말, 산화물분말, 다이아몬드분말 또는 이들의 혼합물로 이뤄지는 그룹으로부터 선택된다.

보다 바람직하게, 상기 바인더는 유기 바인더이며, 상기 각 원료분말 별 성형혼합물은 해당 원료분말 40~60 vol%와 잔량의 바인더로 이뤄진다.

보다 바람직하게, 상기 각 원료분말과 바인더는 80~150℃의 온도 조건에서 2~3시간 동안 균질하게 혼합한다.

보다 바람직하게, 상기 사출은, 150~500℃로 성형혼합물이 가열된 상태에서 1000~3000 psi의 사출 압력으로 이뤄진다.

보다 바람직하게, 상기 기계가공은 절삭가공인 것을 특징으로 한다.

보다 바람직하게, 상기 탈지는 진공로에서 열분해 방식으로 이뤄지되, 80℃에서 600℃까지 20~35℃/hr의 승온 속도로써 가열하여 이뤄진다.

보다 바람직하게, 상기 소결은 환원성 수소 분위기 또는 질소 분위기 하에서 이뤄지되, 원료분말이 금속분말 또는 다이아몬드분말, 이들의 혼합분말로 이뤄진 경우에는 500~1300℃의 제1온도 조건, 원료분말이 세라믹분말 또는 탄화물분말, 글래스분말, 산화물분말, 이들의 혼합분말로 이뤄진 경우에는 1000~1500℃의 제2온도 조건, 원료분말이 상기 제1온도 조건의 분말과 제2온도 조건의 분말의 혼합 분말인 경우에는 500~1300℃의 제3온도 조건이 유지된 상태에서 소정 시간 동안 이뤄진다.

본 발명은 금속, 비금속, 금속-이종 금속의 혼합물, 금속-비금속의 혼합물 등 다양한 종류의 원료를 이용하여 복잡 형상 재료를 제조하되, 분말사출성형 방식 과 기계가공을 적절하게 혼용한다.

특히, 본 발명은 이러한 복잡 형상의 재료가 다양한 원료들이 별도의 층을 이루면서 일체로 결합된 복합층 재료의 형태를 갖도록, 일반적인 분말사출성형에 이종 사출성형 또는 다중 사출성형을 더욱 응용한다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조방법의 순서도, 도 2는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조방법의 순서도, 도 3a 내지 도 3i는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조에 있어서 이종 분말사출성형 과정을 나타낸 모식도이다.

도 1을 통해 예시된 실시예는 분말사출성형과 기계가공을 혼용하여 복잡 형상 재료를 제조하되 분말사출성형층을 하나의 층만으로 형성하는 것이다. 도 2를 통해 예시된 실시예는 도 1의 실시예를 더욱 응용하여 이종 분말사출성형에 의해 분말사출성형층을 여러 층으로 형성하는 것이다.

이하에서는 도 1의 실시예가 포함되어 더욱 응용된 도 2의 실시예에 관하여 설명하며, 특히 2종의 원료분말에 의해 복합층이 형성되는 경우를 예시한다.

먼저, 2종의 원료분말을 각각의 바인더와 균질하게 혼합하여, 각 원료분말 별 성형혼합물을 수득한다.

원료분말로서는, 금속분말, 세라믹분말, 탄화물분말, 글래스분말, 산화물분말, 다이아몬드분말이 사용되며, 이들 각 분말이 필요에 따라 2종 또는 그 이상으 로 혼합된 혼합분말이 사용될 수도 있다.

금속분말로서는 예를 들어, Co, Cr, Fe, Cu, Zn, Ti, Ni, Ag, Sn, W, B, Mn 등과 이들의 합금으로 이뤄진 분말이 사용된다. 탄화물분말로서는 예를 들어, WC, TiC, CrC 등이 사용되며, 세라믹분말로서는 Zr, Si 등이 사용된다.

원료분말은 특히 1~20 ㎛ 정도의 사이즈로 준비되는바, 이보다 큰 사이즈인 경우에는 일반적으로 소결성 및 사출 성형성이 상대적으로 좋지 않고 수축에 의한 변형률이 크며, 이보다 작은 사이즈인 경우에는 일반적으로 바인더와의 균일한 혼합이 어렵고 가격이 상대적으로 비싸기 때문이다. 다만, 이러한 원료분말의 사이즈는 가격이 고려되지 않고 소재의 특성이 우선시 되는 경우라면 나노 사이즈가 될 수도 있으며, 경우에 따라 수십~수백 ㎛의 사이즈가 될 수도 있다.

바인더는 원료분말에 맞춰 선택된 통상의 유기 바인더가 사용되는바, 예를 들어 파라핀왁스, 비닐 아세테이트, 폴리올레핀, 에틸렌 비닐아세테이트 등이 사용되며, 특히 수용성 바인더로서 폴리에틸렌 글리코올, 폴리프로필렌 글리코올, 폴리비닐 알코올 등이 사용되고, 비수용성 바인더로서 폴리스틸렌, 폴리에틸렌 등이 사용된다.

각 원료분말과 바인더는 원료분말 40~60 vol%와 잔량의 바인더의 비율로 균질하게 혼합하게 되는데, 이때 80~150℃의 온도 조건에서 2~3시간 동안 혼합한다. 이러한 혼합은 예를 들어, 통상의 더블 플래니터리 믹서(Double planetary mixer) 등을 이용하여 이뤄질 수 있다.

원료분말이 40 vol% 보다 적은 경우에는 사출시 유동성은 좋으나 탈지시 장 시간이 소요되며, 60 vol% 보다 많은 경우에는 사출시 성형물이 충분한 강도를 갖지 못할 수 있으므로, 상기 혼합비를 갖도록 혼합하는 것이 바람직하다.

또한, 혼합이 상기 조건보다 낮은 온도 또는 짧은 시간 동안 이뤄지면 바인더가 충분한 유동성을 갖고 혼합되지 않을 수 있으며, 상기 조건보다 높은 온도 또는 긴 시간 동안 이뤄지면 저온용 바인더의 경우 혼합 도중에 탈지 현상을 일으킬 수 있으므로, 상기 혼합 조건을 유지하는 것이 바람직하다.

이렇게 혼합된 결과, 각 원료분말 입자를 바인더가 감싸고 있는 형태의 성형혼합물이 수득되는바, 성형혼합물은 바인더의 상호 결합에 의해 덩어리의 형태를 이룰 수도 있으나 약간의 가압력에 의해 분말 형태(Feed stock)로 쉽게 파쇄된다.

다음으로, 이종 분말사출성형장치를 이용하여, 상기 수득된 성형혼합물 중 제1층을 이루는 성형혼합물을 금형 내로 사출하고, 제2층을 이루는 성형혼합물을 금형 내로 사출하여, 제1층과 제2층이 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성한다.

사출성형은 본래 플라스틱 재료, 특히 열가소성수지를 성형하는 가공방법의 하나로서, 수지를 가열 용융 시킨 후 금형 내에 사출하여 성형물을 제조하는 방법이다.

특히, 이종 사출성형은, 예를 들어 서로 색이 다른 이종의 합성수지를 하나의 성형물로 제조하는 경우 등에 사용하는 사출성형법으로서, 가전 제품류의 케이싱, 키패드 등의 제조에 사용되는바, 본 실시예에서는 이러한 이종 사출성형을 응용한다.

본 실시예의 이종 분말사출성형장치는 원료 공급용 호퍼와 가소화 실린더, 사출용 스크류, 금형 등이 구비된 통상의 구성을 갖되, 특히 이종 재료를 순차적으로 사출하기 위하여 하나의 고정금형(10)과 두개의 이동금형(22,24)을 구비한 것이다.

사출 과정을 보면, 고정금형(10)과 제1이동금형(22)이 이루는 공간에 제1이동금형(22)의 사출공(22a)을 통해 성형혼합물을 사출하여 제1층(100)을 형성한다(도 3a 내지 도 3c). 제1이동금형(22)의 내부면의 형상은 요구되는 제2층(200)의 형상에 따라 다양한 형태로 변형될 수 있다.

이후, 제1이동금형(10)을 탈형시키고(도 3d), 제2이동금형(24)을 고정금형(10)에 밀접 고정하게 되며(도 3e 내지 도 3f), 이 상태에서 고정금형(10)과 제2이동금형(24)이 이루는 공간에 제2이동금형(24)의 사출공(24a)을 통해 성형혼합물을 사출하여 제2층(200)을 형성한다(도 3g). 예시된 제2이동금형(24)의 내부면은 평탄면을 갖도록 형성되어 있지만, 이 또한 요구되는 제2층(200)의 형상에 따라 다양한 형태로 변형될 수 있다.

이후, 제2이동금형(20)을 탈형시키게 되면(도 3h), 제1층(100)과 제2층(200)이 일체로 결합된 복합층 성형물을 얻게 된다(도 3i).

이러한 사출은 150~500℃로 성형혼합물이 가열된 상태에서 1000~3000 psi의 사출 압력으로 이뤄지는 것이 바람직하다.

사출 온도가 150℃보다 낮은 경우에는 성형혼합물의 유동성이 좋지 않아 균일한 사출성형이 이뤄지지 않을 수가 있으며, 500℃보다 높은 경우에는 바인더의 기화가 발생될 수 있으므로, 상기 조건으로 사출하는 것이 바람직하다.

또한, 사출 압력이 1000 psi 보다 낮은 경우에는 성형혼합물이 노즐로부터 원활하게 사출되지 않을 수가 있으며, 3000 psi 보다 높은 경우에는 분말사출성형장치에 과부하가 걸릴 수 있으므로, 상기 조건으로 사출하는 것이 바람직하다.

이러한 사출은 특히 상기 조건하에서 3점 가열방식으로 이뤄지는 것이 바람직한바, 3점 가열방식은 사출성형기에서 사출이 이뤄지는 동안 성형혼합물이 투입되는 입구, 중단점 및 출구 등 적어도 3지점에서 가열 및 유동 제어가 이뤄지는 방식이다.

한편, 도 1의 실시예는 단지 1종의 원료분말만을 사용하며, 사출성형장치도 고정금형과 하나의 이동금형만이 사용되는 점을 제외하고, 상기 과정과 유사한 과정을 거쳐 사출성형이 이뤄지게 된다.

2종 이상의 원료분말이 사용되는 경우의 사출 과정에 대하여 더욱 설명한다.

먼저, 2종 이상의 원료분말을 각각의 바인더와 균질하게 혼합하여, 각 원료분말 별 성형혼합물을 수득한다.

다음으로, 이종 분말사출성형장치를 이용하여, 수득된 성형혼합물 중 제1층을 이루는 성형혼합물을 금형 내로 사출하고, 제2층을 이루는 성형혼합물로부터 마지막 층을 이루는 성형혼합물까지 순차적으로 금형 내로 사출하여, 제1층으로부터 마지막 층까지 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성한다.

이때, 사용되는 이종 분말사출성형장치는 원료 공급용 호퍼와 가소화 실린더, 사출용 스크류, 금형 등이 구비된 통상의 구성을 갖되, 특히 이종 재료를 순차적으로 사출하기 위하여 하나의 고정금형과 두개 이상의 이동금형을 구비한 것이 다.

사출 과정을 보다 상세하게 보면, 고정금형과 제1이동금형이 이루는 공간에 성형혼합물을 사출하여 제1층을 형성한 후, 제1이동금형을 탈형시키고 제2이동금형을 고정금형에 밀접 고정한 상태에서 고정금형과 제2이동금형이 이루는 공간에 성형혼합물을 사출하여 제2층을 형성하며, 상기 제2층의 사출과 동일한 과정을 반복하여 마지막 층까지 형성하게 된다.

소위 경사기능재료를 제조하는 경우에는 2종 이상의 분말이 혼합되되, 혼합비 만을 몇 단계로 변화시킨 형태의 혼합분말이 사용될 수도 있다. 예를 들어, A 분말과 B 분말을 혼합하되, 1:4 -> 2:3 -> 3:2 -> 4:1 의 단계로 혼합비를 변화시킨 4 종류의 혼합분말을 사용하는 것이다.

본 실시예는 특히 이러한 경사기능재료를 제조하는 경우에 유용하게 응용될 수 있으며, 이외에도 2 이상의 재료를 하나의 복합층 재료로서 형성하는 경우에 유용하게 적용될 수 있다.

다음으로, 얻어진 성형물을 요구되는 형상으로 기계가공한다.

상술한 분말사출성형 과정을 통해 얻어진 성형물은 원료분말이나 바인더의 특성에 따라 다소의 차이가 있기는 하지만, 일반 플라스틱 사출 성형물과 유사한 형태로 소정의 경도를 갖는 상태가 된다. 본 단계에서는 이러한 성형물을 기계가공하여 요구되는 최종 형상으로 만들게 된다.

기계가공(mechanical working)은 공작기계 또는 압연기·프레스 등의 기계를 사용하여, 대상 재료의 형상을 바꾸거나 기계적 성질을 바꾸어 원하는 형상·치수 로 가공하는 것을 일반적으로 의미한다.

특히, 공작기계를 사용하는 경우, 절삭·연삭 등과 같이 절삭 칩(chip)을 내면서 금속 등의 재료를 가공하여 필요한 모양을 만들어 내게 되며, 재료를 소정의 형상으로 깎아내기 위하여 바이트·드릴빗·밀링커터와 같은 커터를 사용하여, 재료 또는 커터를 회전시키거나 왕복운동시켜 강제적으로 절삭가공한다.

상술한 분말사출성형 과정을 통해 얻어진 성형물은 소정의 경도를 갖는 상태가 되므로, 상기 기계가공 중에서 특히 절삭가공을 통해 요구되는 형상으로 최종 가공하는 것이 바람직하다.

즉, 선반, 드릴링 머신, 보링 머신, 플레이너, 밀링 머신, 수치제어(numerical control:NC) 공작기계와 같은 다양한 종류의 공작기계를 이용하여, 분말사출성형 과정을 통해 얻어진 성형물을 요구되는 최종 형상으로 정밀 가공한다.

예를 들어, 요구되는 최종 형상이 원통형의 기본 형상을 가지면서 다소 복잡한 가공이 요구되는 경우에는 분말사출성형을 통해 얻어진 성형물을 선반을 이용하여 정밀 가공하게 된다.

다른 예로서, 요구되는 최종 형상이 다양한 형태의 관통공이 형성되는 경우에는 분말사출성형을 통해 얻어진 성형물을 드릴링 머신을 이용하여 정밀 가공하게 된다.

이러한 가공 방식을 취하게 되면, 분말사출성형 과정에서는 다소 덜 복잡한 성형물 형태로 가공하고 필요에 따라 복잡한 세부 형상에 대하여만 기계가공을 하게 되므로, 분말사출성형에 필요한 금형의 제작이 훨씬 용이하게 되며, 분말사출성 형만으로 제작이 극히 곤란하거나 불가능한 형태의 성형물도 얻을 수 있게 된다.

특히, 소량 다품종화 되어가는 소재,부품 분야의 특성을 고려할 때, 이러한 형태의 가공은 복잡한 형상의 금형을 매번 제작하는 방식에서 탈피함을 의미하므로, 생산성 저하 및 생산 비용 증가의 문제를 해결하는 장점을 제공하게 된다.

다음으로, 성형물을 탈지 처리한다.

탈지는 성형물 내에서 원료분말의 상호 결속을 위하여 첨가되었던 바인더를 제거하는 공정으로서, 본 실시예에서는 진공로에서 열분해 방식으로 탈지가 이뤄지며, 특히 80℃에서 600℃까지 20~35℃/hr의 승온 속도로써 가열하여 이뤄진다.

탈지 과정을 보다 상세하게 보면, 승온 초기 온도 범위에서는 바인더가 탈지되기 위한 통로가 사출 성형물 내에 형성되고, 중간 온도 범위에서는 저온용 바인더의 탈지가 이뤄지며, 고온 범위에서는 고온용 바인더의 탈지가 순차적으로 이뤄진다. 이러한 측면에서 상기 온도 범위 내에서 탈지가 이뤄지는 것이 바람직하다.

또한, 탈지 과정의 기술적 측면만으로 볼 때에는 승온 속도가 낮을 수록 바람직하지만, 승온 속도가 너무 낮게 되면 진공로의 고온 분위기를 장시간 유지해야 하며 그 결과 생산비가 상승되고 조업 시간이 증가되므로, 원활한 탈지 과정이 이뤄지는 조건하에서 승온 속도를 최대한 높게 유지하는 것이 실제 제조 측면에서 바람직하다. 그러나, 승온 속도가 과도하게 높아지면 탈지시 성형물의 뒤틀림과 내부 크랙, 기공, 부풀어 오름 현상이 발생될 수 있으므로, 상기 승온 속도로서 탈지가 이뤄지는 것이 바람직하다.

상기 진공로의 승온 속도는 평균적인 의미를 갖는 것으로서, 탈지 과정 동안 일정한 속도로 계속 승온시키는 방식이 될 수도 있으며, 필요에 따라 중간에 승온을 일시 중지하고 고정 온도를 유지하는 과정이 포함되도록 공정을 운용할 수도 있다.

한편, 이러한 탈지 과정에 있어서는 용매 추출 방식의 탈지 공정을 더욱 거치게 할 수도 있는데, 용매 추출 방식은 사출된 성형물을 용매에 침지시켜 바인더를 용출 제거하는 방식이다.

이때 사용되는 용매는 바인더의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어 메탄올, 부탄올, 헥산, 다이크로메탄올 등이 사용될 수 있다.

이러한, 용매 추출 탈지 공정이 추가되는 경우에는, 열분해 탈지 공정의 전단계로서 거치게 하는 것이 바람직하다.

다음으로, 탈지된 성형물을 소결로 내에서 소결 처리한다.

소결은 환원성 수소 분위기(또는 질소 분위기) 하에서 이뤄지되, 별도의 소결로 내에서 이뤄질 수도 있지만 탈지 공정이 완료된 진공로 내에 수소가스를 주입하는 형태로 소결로를 구성할 수도 있다. 이러한 환원성 수소 분위기 하에서 소결이 이뤄지면 성형물 내에 잔존하는 산소가 제거되므로, 공극이 제거되어 치밀한 조직을 얻을 수 있으며, 성형물의 산화도 방지되는 효과를 얻는다.

원료분말이 금속분말 또는 다이아몬드분말, 이들의 혼합 분말로 이뤄진 경우에는 500~1300℃의 제1온도 조건으로 소결하며, 원료분말이 세라믹분말 또는 탄화물분말, 글래스분말, 산화물분말, 이들의 혼합 분말로 이뤄진 경우에는 1000~1500℃의 제2온도 조건으로 소결한다.

원료분말이 상기 제1온도 조건의 분말과 제2온도 조건의 분말의 혼합 분말인 경우에는 500~1300℃의 제3온도 조건으로 소결한다.

이러한 온도 조건보다 낮은 온도에서는 해당 분말이 소결되어도 충분한 경도를 갖지 못할 수 있으며, 이보다 높은 온도에서는 소결 분말이 열 손상을 입을 수 있으므로, 이러한 온도 조건을 유지하는 것이 바람직하다.

이때, 소결 과정은 상기 온도 조건하에서 각 원료분말 또는 성형물의 특성에 따라 설정되는 소정 시간 동안 이뤄지게 된다. 이러한 소결 시간은 예를 들어, 수 분 정도의 시간이 될 수도 있으며, 원료분말 또는 성형물의 특성에 따라 2~3 시간정도가 될 수도 있다.

이러한 소결이 완료되면 최종적으로 도 7 및 도 8을 통해 예시된 것처럼 다양한 형태의 복잡 형상 재료가 얻어질 수 있다.

도 7의 (a)는 A 하나의 재료로 형성된 경우로서, 분말사출성형에 의해 얻어진 육면체의 성형물에 요구되는 형상이 얻어지도록 드릴링 가공이 이뤄진 예를 나타낸다.

도 7의 (b)는 A,B 두가지 재료가 하나의 복합층 재료로서 형성된 경우이며, (c)는 A,B,C 세가지 재료가 하나의 복합층 재료로서 형성된 경우로서, 이종 분말사출성형에 의해 얻어진 육면체의 성형물에 요구되는 형상이 얻어지도록 드릴링 가공이 이뤄진 예를 나타낸다.

도면 중의 부호 h1~h3은 드릴링 가공된 관통공을 각각 나타낸다.

도 7에서는 드릴링 가공만이 예시되었지만, 성형물의 형상 및 요구되는 가공 조건 등을 고려하여 선반, 드릴링 머신, 보링 머신, 플레이너, 밀링 머신, 수치제어(NC) 공작기계와 같은 다양한 종류의 공작기계를 이용하여, 다양한 형태의 기계가공이 이뤄질 수 있다. 또한, 예시된 성형물은 육면체이지만, 다양한 형상의 성형물이 전단계인 분말사출성형 공정에 의해 얻어질 수 있음은 물론이다.

한편, 도 7의 (b)를 예로 들면, A(저가 재료)-B(고가 재료)과 같은 형태로 구성될 수 있고, A(연질 재료)-B(경질 재료)과 같은 형태로 구성될 수도 있으며, A(금속)-B(세라믹)과 같은 형태로 구성될 수도 있는 등, 다양한 재료층이 하나의 복합층 재료로서 형성될 수 있다.

도 8은 도 7에 나타난 각 재료의 일부 절개도로서, 드릴링 가공된 내부 구조를 더욱 나타낸 것이다.

이렇게 단층 또는 복합층으로 이뤄진 복잡 형상 재료는 예를 들어 시계 밴드, 사무기기 부품, 전자 부품, 군수장비의 부품, 반도체 분야의 부품, 자동차 분야의 부품, 공작 기계용 부품 등과 같이 기능 및 가격 측면에서 복잡 형상(또는 복합층) 재료가 요구되는 다양한 분야에서 활용될 수 있다.

본 발명의 또다른 측면의 일실시예를 설명한다.

도 4는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조방법의 순서도, 도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 복잡 형상 재료의 제조에 있어서 다중 분말사출성형 과정을 나타낸 모식도이다.

상술한 실시예는 2종 또는 그 이상의 원료분말을 이용하여 복합층으로 이뤄 진 복잡 형상 재료를 형성하는 경우, 이종 분말사출성형장치를 응용하여 재료층별로 순차적인 사출 성형이 이뤄지도록 한다.

이에 비해, 본 실시예에서는 2종 또는 그 이상의 원료분말을 이용하여 복합층으로 이뤄진 복잡 형상 재료를 형성하되, 다중 분말사출성형장치를 응용하여 2종 이상의 성형혼합물이 금형 각 부위별로 동시에 사출되도록 한다.

먼저, 2종 이상의 원료분말을 각각의 바인더와 균질하게 혼합하여, 각 원료분말 별 성형혼합물을 수득한다.

다음으로, 다중 분말사출성형장치를 이용하여, 수득된 성형혼합물 중 제1층을 이루는 성형혼합물로부터 마지막 층을 이루는 성형혼합물까지 금형 내로 사출하여, 제1층으로부터 마지막 층까지 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성한다.

본 실시예의 다중 분말사출성형장치는 원료 공급용 호퍼(210)와 가소화 실린더(220), 사출용 스크류(230), 금형(240) 등이 구비된 통상의 구성을 갖되, 특히 이종 재료(A1,B1,C1)를 부위별로 동시에 사출하기 위하여 금형 내로 성형혼합물을 사출하는 노즐(250) 및 사출공(242)이 각 층(A2,B2,C2)의 형성위치 별로 2개 이상 구비된 것이다.

사출 성형시에는, 각 층을 이루는 성형혼합물(A1,B1,C1)을 각 노즐(250) 및 사출공(242)을 통해 금형(240) 내로 동시에 사출하여, 제1층으로부터 마지막 층(A2,B2,C2)까지 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성하게 된다.

이러한 다중 분말사출성형에 있어서는 2종 이상의 재료가 동시에 사출되므로, 다음과 같은 과정을 거쳐 최종 제품을 제조하게 된다.

먼저, 요구되는 재료층의 형상 및 두께 등에 따라 각 층별 성형혼합물이 주입되는 노즐의 갯수와 위치를 결정하고, 결정된 데이터를 근거로 금형으로 유입되는 원료의 흐름 경로 및 성형물에 형성되는 각 원료의 경계점을 컴퓨터를 통해 예측하는 시뮬레이션을 한다.

이러한 시뮬레이션 과정에 있어서는 사출 재료의 특성과 이에 따른 사출 조건 등이 함께 고려되며, 시뮬레이션 결과가 요구되는 재료층의 형상 및 두께 등과 일치될 수 있도록 상기 과정을 반복하여 최종적인 노즐의 갯수와 위치, 기타 사출 조건을 결정하게 된다.

다음으로, 상기 성형물을 요구되는 최종 형상 및 가공 조건 등을 고려하여 선반, 드릴링 머신, 보링 머신, 플레이너, 밀링 머신, 수치제어(NC) 공작기계와 같은 다양한 종류의 공작기계를 이용하여, 다양한 형태로 기계가공 한다.

다음으로, 상기 성형물로부터 바인더를 탈지한 후, 소결로 내에서 소결시켜 최종적인 복합층 재료를 얻게 된다.

각 단계별 구체적인 공정 조건은 상술한 실시예와 동일하게 적용될 수 있으므로 중복 설명은 생략한다.

본 실시예는 한번의 사출 공정에 의해 다층으로 구성된 복합층 재료를 제조할 수 있다는 장점을 더욱 제공하게 된다.

< 실시예 >

원료분말로서 1~5 ㎛의 사이즈를 갖는 A) Co-Fe계 금속분말을 준비하였으며, 바인더로서 저밀도 폴리프로필렌(LDPE), 고밀도 폴리프로필렌(HDPE), 에틸렌 비닐아세테이트(EVA), 왁스(WAX), 스테아린산(Stearic Acid)을 준비하였다.

준비된 각 금속분말을 상기 바인더와 1:1의 비율로 혼합하되, 더블 플레니터리 믹서를 이용하여 120℃의 온도로 가열한 상태에서 2시간 동안 혼합하였으며, 상기 A)에 해당하는 성형혼합물을 수득하였다.

다음, 분말사출성형장치를 이용하여, 상기 A) 성형혼합물을 사출성형하여 육면체 형상을 갖는 2개의 성형물을 얻었다.

사출은 3점 가열방식으로 이뤄졌으며, 3점 모두 300℃ 이하의 온도로 유지되는 상태에서 2000 psi의 사출 압력으로 이뤄졌다.

다음, 드릴링 머신을 이용하여 하나의 성형물에는 1.4φ, 다른 하나의 성형물에는 3.0φ의 홀을 가공하였다.

다음, 진공로를 이용하여 열분해 방식으로 각 성형물에 대한 탈지를 하였다. 상온 상태의 진공로를 가열하여 승온시키되 탈지시의 평균 승온 속도가 30℃/hr가 되도록 하였으며, 승온 중에 다음과 같은 온도 유지 과정이 포함되도록 하였다.

i) 130℃에서 1시간 동안 유지

ii) 300℃에서 1시간 동안 유지

iii) 420℃에서 2시간 동안 유지

다음, 탈지 공정에 연속되는 공정을 통해 성형물을 소결하였다.

이를 위하여, 탈지 공정이 완료된 후에도 진공로를 계속 승온시키면서, 그 내부에 수소가스를 주입하여 환원성 수소 분위기로 만들었다. 이 상태에서 1000℃ 의 온도 조건으로 2시간 동안 유지한 후 노냉하였다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 복잡 형상 재료의 사진으로서, 도 6a는 분말사출성형물에 3.0φ의 홀이 다수 형성되어 최종 소결 처리가 이뤄진 재료이며, 도 6b는 분말사출성형물에 1.4φ의 홀이 다수 형성되어 최종 소결처리가 이뤄진 재료를 각각 나타낸다.

이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.

이와 같은 본 발명은, 분말사출성형 방식과 기계가공을 적절하게 혼용하여, 기존의 분말야금으로는 제조가 곤란하거나 고비용이 소요되었던 고기능 복잡 형상의 재료를 저비용으로 제조할 수 있도록 해준다.

특히, 이러한 가공 방식을 취하게 되면, 분말사출성형 과정에서는 다소 덜 복잡한 성형물 형태로 가공하고 필요에 따라 복잡한 세부 형상에 대하여만 기계가공을 하게 되므로, 분말사출성형에 필요한 금형의 제작이 훨씬 용이하게 되며, 분말사출성형만으로 제작이 극히 곤란하거나 불가능한 형태의 성형물도 얻을 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 분말사출성형에 이종 사출성형 또는 다중 사출성형을 더욱 응용하여, 금속이나 세라믹 등과 같은 다양한 재료를 복합층의 형태로 된 하나의 재료로서 제조하며, 이를 간단한 공정을 통해 구현한다.

또한, 본 발명은 자동화된 분말사출성형장치를 이용할 수 있으므로, 복합층 재료의 제조에 있어서 생산성을 크게 향상시키고 생산 비용을 절감시키는 효과를 제공한다.

Claims (13)

1. 원료분말 40~60 vol%와 잔량의 바인더를 균질하게 혼합하여 성형혼합물을 수득하는 단계;

   분말사출성형장치를 이용하여, 상기 수득된 성형혼합물을 금형 내로 사출하여 성형물을 형성하는 단계;

   상기 성형물을 요구되는 형상으로 기계가공하는 단계;

   상기 성형물을 탈지 처리하는 단계;

   상기 탈지된 성형물을 소결로 내에서 소결 처리하는 단계;를 포함하여 이뤄진 것을 특징으로 하는 분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법.
2. 2종의 재료를 부위별로 사출하기 위해 금형 내로 성형혼합물을 사출하는 노즐 및 사출공이 각 재료의 성형위치별로 구비되고, 사출공마다 원료혼합용 호퍼, 가소화 실린더 및 사출용 스크류가 각각 마련된 이중(二重) 분말사출성형장치를 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법에 있어서,

   2종의 원료분말을 각각의 바인더와 균질하게 혼합하되, 각 원료분말 별로 해당 원료분말 40~60 vol%와 잔량의 바인더로 이뤄지도록 하여, 각 원료분말 별 성형혼합물을 수득하는 단계;

   상기 이중 분말사출성형장치를 이용하여, 상기 수득된 성형혼합물 중 제1층을 이루는 성형혼합물을 상기 사출공 중 하나를 통해 상기 금형 내로 사출하는 단계;

   상기 이중 분말사출성형장치를 이용하여, 제2층을 이루는 성형혼합물을 상기 사출공 중 다른 하나를 통해, 상기 제1층을 이루는 성형혼합물의 사출과 동시에 또는 순차로 상기 금형 내로 사출하여, 상기 제1층과 제2층이 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성하는 단계;

   상기 성형물을 요구되는 형상으로 기계가공하는 단계;

   상기 성형물을 탈지 처리하는 단계;

   상기 탈지된 성형물을 소결로 내에서 소결 처리하는 단계;를 포함하여 이뤄진 것을 특징으로 하는 분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법.
3. 다수의 이종(異種) 재료를 부위별로 사출하기 위해 금형 내로 성형혼합물을 사출하는 다수의 노즐 및 사출공이 상기 이종 재료의 성형위치별로 구비되고, 사출공마다 원료혼합용 호퍼, 가소화 실린더 및 사출용 스크류가 각각 마련된 다중(多重) 분말사출성형장치를 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법에 있어서,

   상호 이종(異種)인 다수의 원료분말을 각각의 바인더와 균질하게 혼합하되, 각 원료분말 별로 해당 원료분말 40~60 vol%와 잔량의 바인더로 이뤄지도록 하여, 각 원료분말 별 성형혼합물을 수득하는 단계;

   상기 다중 분말사출성형장치를 이용하여, 상기 수득된 성형혼합물 중 제1층을 이루는 성형혼합물로부터 마지막 층을 이루는 성형혼합물까지 각각 대응하는 사출공을 통해 상기 금형 내로 동시에 또는 순차로 사출하여, 상기 제1층으로부터 마지막 층까지 일체로 결합된 복합층 성형물을 형성하는 단계;

   상기 성형물을 요구되는 형상으로 기계가공하는 단계;

   상기 성형물을 탈지 처리하는 단계;

   상기 탈지된 성형물을 소결로 내에서 소결 처리하는 단계;를 포함하여 이뤄진 것을 특징으로 하는 분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 각 층을 형성하는 원료분말은 금속분말, 세라믹분말, 탄화물분말, 글래스분말, 산화물분말, 다이아몬드분말 또는 이들의 혼합물로 이뤄지는 그룹으로부터 선택된 것임을 특징으로 하는 분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법.
5. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 바인더는 유기 바인더인 것을 특징으로 하는 분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 각 원료분말과 바인더는 80~150℃의 온도 조건에서 2~3시간 동안 균질하게 혼합하는 것을 특징으로 하는 분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법.
7. 제4항에 있어서,

   상기 사출은, 150~500℃로 성형혼합물이 가열된 상태에서 1000~3000 psi의 사출 압력으로 이뤄지는 것을 특징으로 하는 분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,

    상기 기계가공은 절삭가공인 것을 특징으로 하는 분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법.
11. 제4항에 있어서,

    상기 탈지는 진공로에서 열분해 방식으로 이뤄지되, 80℃에서 600℃까지 20~35℃/hr의 승온 속도로써 가열하여 이뤄지는 것을 특징으로 하는 분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법.
12. 제4항에 있어서,

    상기 소결은 환원성 수소 분위기 또는 질소 분위기 하에서 이뤄지되,

    원료분말이 금속분말 또는 다이아몬드분말, 이들의 혼합분말로 이뤄진 경우 에는 500~1300℃의 제1온도 조건,

    원료분말이 세라믹분말 또는 탄화물분말, 글래스분말, 산화물분말, 이들의 혼합분말로 이뤄진 경우에는 1000~1500℃의 제2온도 조건,

    원료분말이 상기 제1온도 조건의 분말과 제2온도 조건의 분말의 혼합 분말인 경우에는 500~1300℃의 제3온도 조건이 유지된 상태에서 소정 시간 동안 이뤄지는 것을 특징으로 하는 분말사출성형을 이용한 복잡 형상 재료의 제조방법.
13. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항의 방법에 따라 제조된 것을 특징으로 하는 재료.

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