KR100899799B1 - 소결용 금속지지체 및 이를 이용한 소결방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소결용 금속지지체 및 이를 이용한 소결방법에 관한 것으로, 특히 일면이 개방되고 나머지 면은 밀폐된 금속 케이스로서, 상기 개방된 일면을 제외한 면의 일부 또는 전부에는 관통 슬릿이 구비되는 것을 특징으로 하는 소결용 금속지지체와 이를 이용하여 상기 금속지지체의 내부에 소결 대상체를 넣고 나머지 빈 공간에 무기 충진물을 채운 후 이를 함께 소결하거나, ii) 상기 금속지지체의 내부에 중공부를 갖는 소결 대상체를 넣고 상기 중공부에 또 다른 금속지지체를 넣고 상기 두 소결용 금속지지체 사이의 나머지 빈 공간에 무기 충진물을 채운 후 이를 함께 소결하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체를 이용한 소결방법에 관한 것이다. 이에 따르면 금속 지지체와 소결 대상체의 접촉이 고르게 이루어지고 추가 지지대의 적용시에도 일정 부분에 하중의 집중을 막을 수 있고, 지지체로의 열손실을 최소화하여 소결시 소결대상체 온도를 균일하게 유지하며, 이를 통하여 소결이 균일하며, 소결 후 제품의 직진도가 우수하고, 소결중 소결대상체의 형태변화나 무너짐을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

소결용 금속지지체 및 이를 이용한 소결방법{ METAL SUPPORTING BODY FOR SINTERING AND SINTERING METHOD USING THE SAME }

본 발명은 소결용 금속지지체 및 이를 이용한 소결방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 지지체와 소결 대상체의 접촉이 고르게 이루어지고 추가 지지대의 적용시에도 일정 부분에 하중의 집중을 막을 수 있고, 지지체로의 열손실을 최소화하여 소결시 소결대상체 온도를 균일하게 유지하며, 이를 통하여 소결이 균일하며, 소결 후 제품의 직진도가 우수하고, 소결중 소결대상체의 형태변화나 무너짐을 최소화할 수 있는 소결용 금속지지체 및 이를 이용한 소결방법에 관한 것이다.

일반적으로 소결이라 함은, 분말체(粉末體)를 적당한 형상으로 가압 등을 통하여 성형한 것을 고온으로 가열하면 서로 단단히 밀착하여 고결(固結)하는 현상을 말하는 것으로, 분말체의 종류에 따라 세라믹 소결, 금속분말 소결 또는 이들의 혼합체 소결 등이 있을 수 있는데, 이러한 분말의 성형을 위하여 일정한 금형 내에 분말을 장입하고 이를 가압하거나, 분말을 물 또는 바인더를 통하여 결합시킨 뒤 일정한 형상으로 성형하여 건조하거나, 상기 다양한 분말을 슬러리 형태로 만들어 부직포 등에 담지하고 이를 성형하여 건조하는 등의 방법을 들 수 있다.

이와 같이 형성된 다양한 형태의 소결 대상체를 소결하는데 있어서, 소결과정 중의 소결대상체는 소결진행에 따라 분말들의 고결 및 바인더의 증발로 인하여 전체적인 부피가 수축하는 등의 변형을 일으키게 되어 직진도가 떨어지는 문제점이 있고 특히, 소결 대상체의 형상이 소결로의 평면에 대하여 수직한 방향으로 높은 세장비(aspect ratio)를 가지는 대형 소결 대상체의 경우에, 소결 대상체의 자체중량에 의하여 소결 과정 중에 소결대상체가 휘어지거나 이러한 휘어짐이 심한 경우에는 소결 대상체가 부러지거나 무너지는 현상이 발생한다.

따라서 소결 대상체의 형상을 산업상 요구조건에 맞게 대형으로 또는 높은 세장비를 가지고 적절하게 설계할 수 없고 소결공정 조건에 의해 형상설계의 제한을 받게 되는 문제점이 있다. 이러한 문제점으로 인하여 높은 세장비를 가지는 소결대상체나 대형 소결대상체의 제작이 어려우며, 설령 제작을 하는 경우에도 높은 불량률의 발생으로 대형화에 어려운 문제점이 있다.

또한 대형 소결 대상체를 소결하는 경우에는, 소결 대상체의 소결온도를 동일하게 유지하는 것이 산업상으로는 어려운 부분이 있어서, 소결이 부분적으로 미진하거나, 소결 정도가 불균일하여 불량이 발생하는 문제점이 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 세장비가 큰 소결대상체 또는 대형 소결대상체의 소결에 있어서 휘어짐이나 무너짐을 방지하여 소결공정의 불량률을 최소화하고, 대형 세라믹 소결대상체의 생산을 용이하게 하여 대량생산이 가능하도록 하는 소결용 금속지지체 및 이를 이용한 소결방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 소결대상체의 휘어짐이나 무너짐을 막아 직진도를 개선하고, 이에 따른 생산 효율을 높이고 불량률을 개선하며, 소결대상체의 전영역이 고른 온도분포를 가져 고르게 소결되도록 하여, 소결후 소결대상체에 취약부위 발생을 최소화할 수 있는 소결용 금속지지체 및 이를 이용한 소결방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

일면이 개방되고 나머지 면은 밀폐된 금속 케이스로서,

상기 개방된 일면을 제외한 면의 일부 또는 전부에는 관통 슬릿이 구비되는 것을 특징으로 하는 소결용 금속지지체를 제공한다.

또한 본 발명은

i) 상기 소결용 금속지지체의 내부에 소결 대상체를 넣고 나머지 빈 공간에 무기 충진물을 채운 후 이를 함께 소결하거나, ii) 상기 소결용 금속지지체의 내부에 중공부를 갖는 소결 대상체를 넣고 상기 중공부에 또 다른 상기 소결용 금속지지체를 넣고 상기 두 소결용 금속지지체 사이의 나머지 빈 공간에 무기 충진물을 채운 후 이를 함께 소결하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체를 이용한 소결방법을 제공한다.

본 발명의 소결용 금속지지체 및 이를 이용한 소결방법에 따르면, 소결체의 소결시에 하중이 일부에 집중되는 것을 방지하고 소결이 균일하게 이루어지도록 함으로써 세장비가 큰 소결대상체 또는 대형 소결대상체의 소결시 소결과정중 소결체의 휘어짐이나 무너짐을 방지하여 소결공정의 불량률을 최소화하고, 대형 세라믹 소결대상체의 대량생산을 용이하게 하는 효과를 얻을 수 있다.

또한 본 발명은 소결과정에서 금속 지지체를 사용하여 소결대상체를 소결하는 경우에 소결대상체의 전영역이 고른 온도분포를 가져 고르게 소결이 이루어지도록 하며 이를 통하여 소결후 소결체에 불완전 소결에 의한 취약부위 발생을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

이외에 소결 대상체와 지지체 사이에 무기 충진물을 충진함에 따라 소결 후의 제품의 직진도를 향상하여 소결체의 외관 품질을 향상할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 소결용 금속지지체에 대한 일 실시예를 도시한 금속 지지체의 사시도이다.

도 2는 본 발명의 소결용 금속지지체의 일 실시예로서 사각 튜브형 금속 지지체 내에 소결대상체를 넣고 충진물을 넣은 후의 단면 구조를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 소결용 금속지지체의 다른 실시예로서 원형 튜브 금속 지지체 내에 소결대상체를 넣고 충진물을 넣은 후의 단면 구조를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 소결용 금속지지체에 적용될 수 있는 금속 지지체의 벽면, 바닥 면에 가공되는 관통 슬릿의 실시예들을 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 소결용 금속지지체를 이용한 소결방법의 실시예로서 대형 제품을 소결하기 위한 금속 지지체의 결합을 예시한 도면이다.

* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *

10 : 금속지지체 15 : 관통 슬릿

17 : 금속지지체 개방구

30 : 소결대상체 50 : 무기 충진물

본 발명은 소결용 금속지지체에 관한 것으로 보다 상세하게는, 일면이 개방(17)되고 나머지 면은 밀폐된 금속 케이스로서, 상기 개방된 일면을 제외한 면의 일부 또는 전부에는 관통 슬릿(15)이 구비되는 구성을 가진다.

이에 대한 구체적인 실시예는 도 1 내지 도 5에 도시한 바와 같다. 즉, 소결 대상체(30)를 넣고, 소결이 완료된 소결체를 뺄 수 있도록 일면이 개방되고, 나머지 면은 소결 대상체를 지지할 수 있도록 밀폐되는 구조를 가진다. 또한 상기 개방된 일면(17)도 소결 대상체를 넣은 후, 소결 중에는 별도의 뚜껑을 장착하여 밀폐할 수 있고, 소결 후에 이를 분리하고 소결체를 뺄 수 있음은 물론이다. 바람직하게는 상기 개방된 일면(17)은 금속 케이스의 상면인 것이 공정의 용이성 측면에서 좋다.

또한 이러한 케이스는 반드시 금속으로 제조되어야 하는데, 이는 소결공정 중에 열전도도를 높여 소결 대상체의 온도를 균일하게 유지하여 고른 소결이 이루어질 수 있도록 하기 위한 것으로 열전도도가 우수한 금속 케이스를 사용한다.

여기서 금속 지지체(10)는 모든 금속재를 사용할 수 있으며, 소결이 고온에서 이루어지는 점을 감안하여 특히 내열성, 내부식성이 뛰어난 금속을 사용하는 것이 바람직하고, 이를 위하여 스테인리스 스틸 종류 또는 초합금계열의 합금을 사용하는 것이 좋고, 이에대한 예로 내부식성 금속인 스테인리스 스틸 310 이나 인코넬 계열 합금 등을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

그런데 소결과정 중에는 상기 기술한 바와 같이 바인더의 증발이나, 기타 Out-gassing이 발생하게 되는데, 이러한 기체의 배출이 원활하지 못하면 소결 불량 및 직진도 불량을 발생시킬 수 있으므로 이를 방지하기 위하여 상기 금속 케이스(10)는 상기 개방된 일면을 제외한 면의 일부 또는 전부에는 관통 슬릿(15)을 구비한다. 이를 통하여 Out-gassing의 효과적인 배출을 유도할 수 있으며, 부가적으로 금속 지지체의 중량을 줄여 사용이 용이하도록 할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

여기서 상기 관통 슬릿(15)은 소결 대상체에 변형을 발생하지 않고, Out-gassing은 용이하게 이루어지도록 하여야 하므로, 바람직하게는 상기 관통 슬릿의 폭은 0.1 내지 0.8 ㎜인 것이 좋다. 이렇게 좁은 틈으로 구성하는 또 다른 이유는 이후에 설명할 소결방법에서 소결대상체와 금속 지지체 사이에 충진되는 무기 충진물(50)이 주로 분말 상이므로 이의 유출을 막기 위한 목적도 함께 한다.

이와 같은 관통 슬릿은 공지의 다양한 형상으로 구성할 수 있으며, 바람직하게는 도 1 및 도 4에 도시한 바와 같이 수직선 또는 사선으로 형성하는 것이 좋으며, 이를 통하여 원활한 Out-gassing을 이룰 수 있다.

또한 이러한 관통 슬릿은 도시한 바와 같이 금속케이스의 밀폐 면, 중에서 그 일부의 면에 대하여 형성될 수도 있고, 밀폐 면, 전부에 대하여 형성될 수도 있다.

이러한 금속 지지체에 대한 구체적인 예로, 스테인리스 스틸 310 이나 인코넬로 만들어진 1 ∼ 10 mm 두께의 금속판에 레이저 가공기(제단기 or 절단기)나 기타 장비를 이용하여, 레이저 가공 폭이 0.1 ∼ 0.8mm인 관통슬릿을 형성하는데, 이는 길이방향으로 10 ∼ 500 mm의 범위 안에서 일정한 길이의 직선 또는 곡선으로 형성되며, 1 ∼ 20 mm의 범위 안에서 일정간격으로 띄우고 배치될 수 있다. 이러한 금속케이스는 전체적으로 사각이나 원형 튜브 형상으로 1면이 열린 형태의 구조물로 제작되어 금속 지지체로서 다양한 소결 대상체의 소결에 사용될 수 있다.

즉, 상기 금속케이스(10)는 바람직하게는 스테인리스 스틸 또는 인코넬 계열의 합금으로 이루어지고, 상기 관통 슬릿(15)은 수직선과 수평선의 조합이나 사선 또는 곡선의 조합으로 이루어지고, 길이가 10 내지 500 ㎜이고, 간격이 1 내지 20 ㎜로 나란히 배치되도록 구성할 수 있다. 이에 대한 구체적인 예는 도 4에 도시한 바와 같다.

또한 본 발명은 이와 같은 금속 지지체를 이용한 소결방법을 제공하는 바, 본 발명의 소결방법은 i) 상기 소결용 금속지지체(10)의 내부에 소결 대상체(30)를 넣고 나머지 빈 공간에 무기 충진물(50)을 채운 후 이를 함께 소결하거나, ii) 상기 소결용 금속지지체(10)의 내부에 중공부를 갖는 소결 대상체(30)를 넣고 상기 중공부에 또 다른 상기 소결용 금속지지체(10)를 넣고 상기 두 소결용 금속지지체 사이의 나머지 빈 공간에 무기 충진물(50)을 채운 후 이를 함께 소결하는 구성을 가진다.

즉, 본 발명의 소결방법은 일반적으로 진행하는 소결과정에서 소결 대상체(30)를 금속 지지체(10) 내부에 넣고 소결 대상체(30)와 금속 지지체(10) 사이의 빈 공간을 무기 충진물(50)로 채워 함께 소결하는 것을 특징으로 한다.

상기 소결대상체(30)는 일반적으로 소결과정을 진행하는 모든 형태의 대상체를 포함한다. 상기 소결대상체(30)는 세라믹 분말, 금속 분말 또는 이의 혼합체를 상기 기술한 바와 같은 다양한 성형방법에 의하여 성형한 성형물 형태의 소결 대상체를 통칭하는 것으로 이들뿐만 아니라, 금속분말 또는 금속섬유를 적절한 바인더와 결합한 형태를 포함하는 금속분말 성형체도 포함한다. 또한 이외에도 소결처리가 가능한 모든 형태의 대상체가 상기 소결대상체(30)에 포함될 수 있다. 특히, 본 발명의 소결방법을 적용함으로써 높은 효과를 나타낼 수 있는 소결대상체(30)로는 도 2, 도3에 일예로 나타낸 바와 같이 소결과정 중에 휘어짐이나 무너짐이 발생하기 쉬운 세장비(aspect ratio)가 큰 소결대상체나 자체 중량이 크게 작용하는 대형의 소결대상체를 들 수 있고, 이중에서도 도2, 도3에 나타낸 바와 같이 세장비가 큰 세라믹 필터가 상기 소결대상체(30)의 구체적인 예가 될 수 있다.

또한 상기 소결 대상체는 바람직하게는 세장비가 크거나 대형의 소결 대상체로 제작이 용이한 금속 또는 세라믹 분말을 포함하는 슬러리를 다공구조를 가지는 담지체에 담지한 후, 이를 일정한 형상으로 성형하고, 다시 이를 일정한 형상을 유지하도록 건조하여 제작한 소결 대상체인 것이 좋다. 이를 통하여 세장비가 크거나 대형의 소결 대상체를 용이하게 제작하여 상기 금속 지지체에 적용할 수 있다.

이와 같은 소결 대상체를 금속 지지체의 내부에 넣은 후에 금속 지지체와 소결 대상체 사이에는 공간이 발생할 수 있는데, 이와 같은 공간은 향후 소결 불량의 원인이 될 수 있으므로 이를 방지하기 위하여 금속 지지체와 소결 대상체 사이의 공간에 무기 충진물을 채운다. 상기 무기 충진물의 충진으로 인하여 소결 대상체와 금속 지지체 사이의 지지가 고르게 이루어지고, 금속 지지체로부터 소결 대상체로의 열전달이 고르게 이루어질 수 있으며, 소결체의 직진도를 획기적으로 개선할 수 있다.

상기 충진물은 금속 지지체와의 결합이 일어나지 않도록 하기 위하여 반드시 무기물로 이루어져야하고, 일반적으로 소결 대상체가 무기물인 경우가 많으므로 무기 충진물을 사용하며, 그 성상은 용도에 따라 과립상, 분말상, 가는 알갱이, 굵은 알갱이 등 다양한 형태를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 고른 충진을 위하여 분말상을 사용하는 것이 좋고, 무기물의 종류는 소결 대상체의 종류에 따라 소결 대상체와 유사한 성분을 사용할 수도 있고, 바람직하게는 공지의 다양한 세라믹 분말을 사용할 수 있으며, 이에는 Al₂O₃ 또는 SiC가 포함될 수 있다.

또한 상기 기술한 바와 같이, 소결 대상체가 중공부를 가지고, 소결체도 중공부를 가지는 형상을 제작하는 경우에는, 상기 소결용 금속지지체(10)의 내부에 중공부를 갖는 소결 대상체(30)를 넣고, 중공부를 확보하기 위하여 상기 중공부에 또 다른 상기 소결용 금속지지체(10)를 넣고 상기 두 소결용 금속지지체 사이의 나머지 빈 공간(예를 들면, 금속지지체와 소결 대상체 사이의 양쪽 공간)에 무기 충진물(50)을 채운 후 이를 함께 소결하는 구성을 가질 수 있다.

이외에 도 5에 도시한 바와 같이 보다 대형의 소결 대상체를 소결하고자 하는 경우에는 여러개의 금속 지지체를 조합하여 사용할 수도 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.

Claims (6)

1. 일면이 개방되고 나머지 면은 밀폐된 금속 케이스로서,

   상기 개방된 일면을 제외한 면의 일부 또는 전부에는 관통 슬릿이 구비되는 것을 특징으로 하는 소결용 금속지지체.
2. 제1항에 있어서,

   상기 개방된 일면은 상면이고, 상기 관통 슬릿은 수직선 또는 사선으로 형성되며, 상기 관통 슬릿의 폭은 0.1 내지 0.8 ㎜인 것을 특징으로 하는 소결용 금속지지체.
3. 제1항에 있어서,

   상기 금속케이스는 스테인리스 스틸 또는 인코넬 계열의 합금으로 이루어지고,

   상기 관통 슬릿은 수직선과 수평선의 조합이나 사선 또는 곡선의 조합으로 이루어지고, 길이가 10 내지 500 ㎜이고, 간격이 1 내지 20 ㎜로 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 소결용 금속지지체.
4. i) 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 소결용 금속지지체의 내부에 소결 대상체를 넣고 나머지 빈 공간에 무기 충진물을 채운 후 이를 함께 소결하거나, ii) 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 소결용 금속지지체의 내부에 중공부를 갖는 소결 대상체를 넣고 상기 중공부에 또 다른 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 소결용 금속지지체를 넣고 상기 두 소결용 금속지지체 사이의 나머지 빈 공간에 무기 충진물을 채운 후 이를 함께 소결하는 것을 특징으로 하는 금속 지지체를 이용한 소결방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 소결 대상체는 금속 또는 세라믹 분말을 포함하는 슬러리를 다공구조를 가지는 담지체에 담지한 후, 성형하여, 건조한 것인 것을 특징으로 하는 금속 지지체를 이용한 소결방법.
6. 제4항에 있어서,

   상기 무기 충진물은 Al₂O₃ 또는 SiC를 포함하는 세라믹 분말인 것을 특징으로 하는 금속 지지체를 이용한 소결방법.