KR100904646B1 - 텅스텐 중합금 튜브의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소재의 손실과 기계가공을 최소화할 수 있는 텅스텐 중합금 튜브를 제조하기 위한 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 제조방법은 텅스텐 분말에 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu) 분말 중 선택된 1종 이상의 분말을 혼합하여 최종 완성될 제품 내경과 동일한 내경을 갖는 튜브형상의 분말성형체를 성형한 후, 분말성형체의 내경과 동일한 직경을 갖는 코아를 상기 분말성형체에 삽입한 상태에서 혼합물의 공정점 이상의 온도 조건을 유지하는 소결로에서 코아가 삽입된 상기 분말성형체를 액상소결시키고, 액상소결된 텅스텐 중합금으로부터 코아를 제거하여 튜브형상의 텅스텐 중합금을 완성하는 것이다.

텅스텐 중합금, 튜브, 코아, 액상소결

Description

텅스텐 중합금 튜브의 제조방법{The manufacturing method of a Tungsten Heavy Alloy}

도 1 내지 도 3은 종래 텅스텐 중합금 튜브의 다양한 제조과정을 나타낸 모식도.

도 4는 본 발명에 따른 텅스텐 중합금 튜브의 제조 공정도로서 일련의 제조과정을 개략적으로 나타낸 블록 구성도.

도 5는 본 발명에 따른 텅스텐 중합금 튜브의 제조 공정도로서 일력의 제조과정을 개략적으로 나타낸 모식도.

도 6은 본 발명에 따른 텅스텐 중합금 튜브 제조를 위한 분말성형체 사진.

도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 텅스텐 중합금 튜브의 사진.

도 8은 도 7에 대한 비교예를 나타낸 사진.

본 발명은 텅스텐 중합금 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 코아를 이용 하여 소재의 손실이 없고 조직 및 밀도가 균일한 텅스텐 중합금 튜브를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 텅스텐 중합금은 텅스텐(W)을 주원료로 하여 여기에 니켈(Ni)과 철(Fe) 또는 니켈과 구리(Cu)가 포함되어 있는 일종의 복합재료다. 텅스텐 중합금은 높은 밀도와 우수한 인장강도를 갖고 있으므로 방사선 차폐재료, 핸드폰 진동자 및 대장갑차용 운동 에너지탄의 관통자 재료 등으로 널리 사용되고 있다.

텅스텐 중합금은 주로 액상소결(liquid phase sintering)을 통해 제조된다. 이는 통상 분말로 존재하는 텅스텐과 니켈 및 철 분말을 일정비율로 혼합하여 분말성형체를 제조한 후 니켈과 철의 공정점 이상의 온도조건을 유지하는 소결로를 통해 고온 소결시키는 것으로, 분말성형체에 포함된 니켈과 철이 소결과정에서 액상을 형성하여 텅스텐과 액상의 2개의 다른상을 형성한 텅스텐 중합금 소재가 되는 것이다.

따라서, 텅스텐 중합금에 포함된 니켈과 철의 양에 따라 액상량이 변화되게 되며 이와 같은 액상이 생성되면 분말성형체의 강도가 약해져서 소결 중 중력의 영향으로 심한 처짐 현상이 발생한다. 특히, 텅스텐 중합금의 성분 중 텅스텐의 함량이 낮은 경우나 제품의 크기가 큰 경우 이와 같은 처짐 현상이 심해진다.

통상 텅스텐 중합금의 경우 텅스텐 함량이 90 ~ 98중량%인 경우가 대부분이며 이때 소결시 분말성형체 내부의 액상이 체적기준으로 전체 체적의 20%이하가 되어 비교적 소결 중 상기한 처짐 현상이 크지 않다. 하지만 텅스텐의 함량이 80중량% 이하인 텅스텐 중합금의 경우에는 소결시 분말성형체 내부의 액상이 체적기준 으로 전체 체적의 40% 정도가 되어 소결 중 매우 심한 처짐이 발생된다.

이와 같은 문제점을 종래 텅스텐 중합금을 이용한 튜브의 제조방법과 연계하여 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3은 종래 텅스텐 중합금을 이용한 튜브의 다양한 제조과정을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 종래 텅스텐 중합금을 이용하여 튜브를 제조함에 있어서는 도면에 나타난 3가지 방법이 이용된다. 이를 제조방법 별로 살펴보면 다음과 같다.

제조방법 1

도 1에 도시된 방법 1은, 텅스텐, 니켈 및 철분말 혼합하여 원기둥 형상으로 분말성형체를 성형한 후, 고온의 온도조건이 유지되는 소결로를 통해 상기 분말성형체를 소결시키고, 상기 소결된 제품을 기계가공을 통해 원하는 튜브형상으로 제품을 완성하는 방법이다.

그러나 위와 같은 방법 1의 경우에, 제품이 크고 액상량이 많을수록 액상 소결시 처짐이 심하며, 튜브 내경 가공 시 그에 해당하는 소재가 손실되므로 소재의 손실이 매우 크며 기계가공 시간이 길고 공구 소모량이 많아지게 된다.

또한, 성형체의 크기가 큰 경우에는 소결중 성형체 내부와 외부의 온도차로 인하여 액상이 성형체 표면부터 생성되므로 텅스텐 입자가 표면에 가까운 바깥쪽으로 몰리면서 중력의 영향으로 아래로 가라앉아 조직 및 밀도가 불균일해지는 문제가 있다.

제조방법 2

도 2에 도시된 방법 2는, 텅스텐, 니켈 및 철분말 혼합하여 원기둥 형상으로 성형체를 성형한 후, 고온의 온도조건이 유지되는 소결로를 통해 상기 분말성형체를 액상소결시키며, 열간단조로 튜브형상을 만든 다음, 기계가공으로 원하는 튜브형상을 만드는 것이다.

이 방법에 의하면, 상기 제조방법 1에 비하여 초기 성형체의 크기가 작아지므로 초기 소재의 투입 중량이 적지만 전술한 제조방법 1과 유사하게 소재의 손실이 발생되며, 열간단조공정이 추가됨으로 인해 제조단가 높아지는 단점이 있다.

또한, 제조방법 1에 비하여 초기 성형체 크기가 작아지므로 정도의 차이는 있으나, 이 방법 역시 성형체의 크기가 큰 경우에는 소결중 성형체 내부와 외부의 온도차로 인하여 액상이 성형체 표면부터 생성되므로 텅스텐 입자가 표면에 가까운 바깥쪽으로 몰리면서 중력의 영향으로 아래로 가라앉아 조직 및 밀도가 불균일해지는 문제가 있다.

제조방법 3

도 3에 도시된 방법 3은, 텅스텐, 니켈 및 철분말 혼합한 분말 혼합물을 이용하여 처음부터 튜브형상으로 분말성형체를 성형한 후, 고온의 온도조건이 유지되는 소결로를 통해 상기 분말성형체를 액상소결시키며, 마지막으로 기계가공으로 원하는 형상 만드는 것이다.

이 방법의 경우에는, 전술한 방법 1이나 2에 비하여 가공량이 적으므로 소재의 손실과 비용이 낮고, 제조방법 1이나 2에 비하여 초기 성형체의 두께가 얇기 때문에 소결중 성형체 내부와 외부의 온도차가 상대적으로 적게 발생하여 소결중 조 직 및 밀도가 균일하다는 장점을 가진다. 하지만 소결시 제조방법 1이나 2에 비하여 처짐 현상이 심해지기 때문에 텅스텐 중합금내 텅스텐 함량이 낮은 경우에는 적용하기 힘든 단점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여, 소재의 손실이 없고 조직 및 밀도가 균일하며, 텅스텐 함량이 낮은 경우에도 적용이 가능한 텅스텐 중합금 튜브의 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기한 목적 달성을 위하여 본 발명은, 텅스텐 분말에 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu) 분말 중 선택된 1종 이상의 분말을 혼합하여 최종 완성될 제품 내경과 동일한 내경을 갖는 튜브형상의 분말성형체를 성형한 후, 분말성형체의 내경과 동일한 직경을 갖는 코아를 상기 분말성형체에 삽입한 상태에서 혼합물의 공정점 이상의 온도 조건을 유지하는 소결로에서 코아가 삽입된 상기 분말성형체를 액상소결시키고, 액상소결된 텅스텐 중합금으로부터 코아를 제거하여 튜브형상의 텅스텐 중합금 제조하는 텅스텐 중합금 튜브의 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 분말성형체는, 70 ~ 98중량%의 텅스텐 분말에 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu) 분말 중 선택된 1종 이상의 분말이 그 나머지 중량% 내에서 혼합된 것일 수 있으며, 상기 코아는 세라믹을 소재로 함이 바람직하다.

이하, 본 발명에 따른 텅스텐 중합금 튜브를 제고하기 위한 일련의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 적용된 텅스텐 중합금 튜브를 제조함에 있어서의 핵심은, 텅스텐 분말을 포함하는 분말성형체를 액상소결시켜 텅스텐 중합금 튜브를 제조함에 있어서, 그 소결과정에서의 텅스텐 입자 처짐 방지를 위해 분말성형체 중앙에 코아(core)를 삽입하여 소결한다는 점에 있다.

이처럼 소결과정에서 코아를 삽입할 경우, 액상소결 중 분말성형체가 수축되는 과정에서 상기 코아를 압축하는 압축력이 발생하고, 따라서 분말성형체 내부에 액상의 생성에 따라 성형체가 처지려고 할 때 상기 코아와 분말성형체 사이에 발생되는 마찰력에 의하여 소결 후 종래와 같은 처짐이 발생하지 않는다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 제조방법을 구체적으로 설명한다.

도 4 내지 도 5는 본 발명에 따른 텅스텐 중합금 튜브의 제조 공정도를 나타낸 것으로, 도 4는 제조 공정에 따른 블록 구성도이며, 도 5는 그 제작과정의 개략적인 모식도이다.

도시된 도면을 참조하면, 텅스텐 분말을 주성분으로 하고, 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu) 분말 중 선택된 1종 이상의 분말을 혼합한다. 바람직하게는, 100중량%를 기준으로 텅스텐 분말 70 ~ 98중량%에 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu) 분말 중 선택된 1종 이상의 분말을 2 ~ 30% 혼합한다.

다음, 상기 혼합된 혼합물을 이용하여 분말성형체를 성형하되, 최종 완성될 제품 내경과 동일한 내경을 갖는 중공의 튜브형상으로 분말성형체를 성형한다. 분말성형체는 일반 냉간 정수압 성형(CIP; Cold Isostatic Pressing)을 통해 성형될 수 있다.

이어서, 분말성형체의 내경과 동일한 직경을 갖는 코아(core)를 상기 분말성형체에 삽입시킨 상태에서 이를 일정온도 이상의 온도조건을 유지하는 소결로에서 액상소결시킨다. 상기 코아는 내열성이 매우 우수하며 텅스텐 중합금과 반응성이 없는 세라믹을 소재로 한 코아를 이용하고, 소결로에서는 소결조재로서 텅스텐 분말과 함께 혼합되는 혼합물(Fe, Ni, Cu)의 융점을 고려했을 때 공융 혼합물의 각 성분이 결정으로 석출되는 온도인 공정점 이상온도(1300℃ ~ 1550℃)에서 환원성 분위기를 유지하여 텅스텐 중합금이 액상 소결되도록 한다.
이때 공정점 이상의 텅스텐 중합금의 소결온도에서 텅스텐 중합금 성형체가 소결 수축되며 상기 코아를 압축하는 경우에도 코아가 소결 수축이 되지 않도록 하여야 한다. 이를 위하여 세라믹 코아의 제조는 텅스텐 중합금의 소결온도보다 높은 온도에서 세라믹 코아를 미리 소결하여 제조하거나 소결온도가 매우 높은 세라믹 소재를 사용하여 텅스텐 중합금의 소결온도에서 소결 수축이 발생하지 않도록 하는 방법을 사용할 수 있다. 경우에 따라서는 세라믹 이외에 내열성이 높은 텅스텐(tungsten) 및 몰리브덴(molybdeum)과 같은 소재로 이루어진 코아가 이용될 수 있으며, 액상소결 전 상기 분말성형체의 대략 95%의 밀도 달성을 위해 고상소결이 선행될 수 있다.

상기와 같이 텅스텐 중합금 튜브 제조를 위한 일련의 제조과정에 따르면, 분말 성형체를 소결시키기 전에 분말성형체의 내경과 동일한 직경을 갖는 코아(core)를 상기 분말성형체에 삽입시킨 상태에서 액상소결을 실시한다.

이처럼 소결전 코아가 삽입되면, 액상소결 중 분말성형체가 수축되는 과정에서 상기 코아를 압축하는 압축력이 발생된다. 이에 따라서 분말성형체 내부에 액상의 생성에 따라 성형체가 처지려고 할 경우에 상기 코아와 분말성형체 사이에 발생되는 마찰력에 의하여 처짐이 발생하지 않게 된다.

이하에서는, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

(실시예)

텅스텐 분말 82중량%에 니켈(Ni), 철(Fe)의 중량비가 각각 13중량%와 5중량%를 혼합하여 최종 완성될 제품 내경과 동일한 내경을 갖는 튜브형상의 분말성형체를 성형하였다(도 6참조).

1650℃에서 소결된 세라믹 코아를 성형된 분말성형체의 내경과 동일한 직경을 갖도록 가공하여 상기 분말성형체 중앙에 삽입한 후, 니켈과 철의 공정점 이상의 온도(대략 1460℃) 조건을 유지하는 소결로에서 액상소결시켰다.

이와 같은 실시예를 통해 최종 완성된 텅스텐 중합금 튜브를 도 7에 나타내었다.

(비교예)

텅스텐 분말 82중량%에 니켈(Ni), 철(Fe)의 중량비가 각각 13중량%와 5중량%를 혼합하여 최종 완성될 제품 내경과 동일한 내경을 갖는 튜브형상의 분말성형체를 성형하였다(도 6참조).

성형된 분말성형체를 니켈과 철의 공정점 이상의 온도(대략 1400℃) 조건을 유지하는 소결로에서 액상소결시켰다.

이와 같은 비교 실시예를 통해 최종 완성된 텅스텐 중합금 튜브를 도 8에 나타내었다.

첨부된 도면 도 7 내지 도 8을 참조하여 최종 성형된 제품 사진을 비교하여 보면, 상기 실시예에 의한 텅스텐 중합금 튜브의 경우 도 7에서와 같이 최초 분말성형체 형상과 비교하여 수축에 의한 체적변화 이외에 어느 한쪽으로 처지거나 형상의 변화가 전혀 없음을 알 수 있다. 이는 소결 시 분말성형체가 수축되는 과정에서 코아를 압축하는 압축력이 발생하고, 따라서 분말성형체 내부에 액상의 생성에 따라 성형체가 처지려고 할 때 상기 압축력에 의해 코아와 분말성형체 사이에 처짐에 대항하는 마찰력이 발생하였기 때문이다.

반면에, 코아를 이용하지 않은 비교예의 경우에는 도 8에서와 같이 최종 성형된 제품형상이 심하게 일그러진 것을 알 수 있다. 이는 소결과정에서 소결중 성형체 내부와 외부의 온도차로 인하여 액상이 성형체 표면부터 생성되므로 텅스텐 입자가 표면에 가까운 바깥쪽으로 몰리면서 중력의 영향으로 아래로 가라앉으면서 조직 및 밀도가 불균일해졌기 때문이다.

이처럼 본 발명의 실시예에 따른 제조방법을 통해 텅스텐 중합금 튜브를 제조했을 경우, 소결과정에서 중력에 의한 텅스텐 입자의 쏠림이 전혀 발생되지 않아 신뢰도 높은 양질의 텅스텐 중합금 튜브의 제조가 가능하다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예들을 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예들에 한정되지 않으며 본 발명의 개념을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다.

이상에서 살펴본 본 발명에 의하면, 소결과정에서 중력에 의한 텅스텐 입자의 쏠림이 전혀 발생되지 않는다. 따라서 종래와 같이 왼제품 성형을 위한 별도의 기계가공이 요구되지 않으며, 이처럼 기계가공이 생략될 수 있어서 그에 따른 소재 손실을 최소화할 수 있다.

또한, 텅스텐 입자의 쏠림이 발생되지 않으므로, 최종 제품의 조직 및 밀도가 매우 균일하여 제품의 신뢰도를 보다 향상 시킬 수 있고, 텅스텐 함량이 낮은 경우에도 적용이 가능하여 범용적인 이점이 있다.

Claims (3)

1. 텅스텐 분말에 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu) 분말 중 선택된 1종 이상의 분말을 혼합하는 단계;

   상기 과정에서 혼합된 분말 혼합물을 이용하여 최종 완성될 제품 내경과 동일한 내경을 갖는 튜브형상의 분말성형체를 성형하는 단계;

   상기 분말 혼합물과 반응성이 없으며 분말 혼합물의 공정점 이상의 온도에서 소결 수축이 발생하지 않는 코아를 제조하는 단계;

   상기 과정에서 제조된 코아를 분말성형체의 내경과 동일한 직경을 갖도록 가공하여 상기 분말성형체에 삽입하는 단계;

   혼합물의 공정점 이상의 온도조건을 유지하는 소결로에서 코아가 삽입된 분말성형체를 액상소결시키는 단계; 및

   액상소결된 텅스텐 중합금으로부터 코아를 제거하는 단계;를 포함하는 텅스텐 중합금 튜브의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   코아는 텅스텐 중합금과 반응성이 없는 세라믹, 텅스텐(tungsten) 또는 몰리브덴(molybdeum)을 사용하여 제조된 것을 특징으로 하는 텅스텐 중합금 튜브의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   코아는 텅스텐 중합금의 소결온도보다 높은 온도에서 미리 소결하거나 소결온도가 매우 높은 세라믹 소재를 사용하여 텅스텐 중합금의 소결온도에서 소결 수축이 발생하지 않도록 하는 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 텅스텐 중합금 튜브의 제조방법.

Images