KR101000702B1

KR101000702B1 - 박막성형을 위한 금속분말 사출성형용 결합제

Info

Publication number: KR101000702B1
Application number: KR1020100045942A
Authority: KR
Inventors: 정민호; 전성준; 여환균
Original assignee: 계림금속 주식회사
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2010-12-10

Abstract

본 발명은 혼합성과 사출성이 우수하면서 분해능력을 향상시켜 우수한 품질의 금속분말 사출성형품을 얻을 수 있도록 한 금속분말 사출성형용 결합제의 제공에 관한 것으로서,
원료로 사용되는 금속분말 80 ~ 95wt%과 사출성형성을 좋게 하도록 하기 위한 결합제 5 ~ 20wt%를 혼합하는 혼합단계(S1)와, 혼합된 금속분말(결합제 포함)을 목적하는 제품의 형상으로 만드는 사출성형단계(S2)와, 사출성형 된 성형체에 함유되어 있는 결합제를 제거하는 탈지단계(S3)와 탈지완료된 성형체를 고온소결을 통하여 완전한 형상으로 만드는 소결단계(S4)로 완성되는 금속분말 사출성형에 있어서;
상기 결합제는 밀도 1.10 ∼ 1.50g/cm³의 폴리옥시메틸렌(Poly Oxy Methylene; POM) 30 ∼ 85wt%와, 밀도 0.90 ∼ 1.00g/cm³의 열가소성 수지(Low Density Thermoplastic resin) 1 ∼ 20wt% 및 밀도 0.88 ∼ 1.00g/cm³의분산 보강제 14 ∼ 50wt%로 이루어지는 것이 특징이다.

Description

박막성형을 위한 금속분말 사출성형용 결합제{BINDER FOR METAL INJECTION MOLDING}

본 발명은 박막성형을 위한 금속분말 사출성형용 결합제에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 금속분말과의 혼합성과 사출성이 우수하면서 분해능력을 향상시켜 공정을 단축하면서 우수한 품질의 금속분말 사출성형품을 얻을 수 있도록 한 결합제의 제공에 관한 것이다.

통상적으로 금속분말 사출성형(Metal Injection Molding; M.I.M) 기술은 복잡한 3차원 형상의 정밀부품을 후 가공 없이 대량 생산할 수 있는 기술이며, 상기와 같은 금속분말 사출성형 기술은 금속, 초경, 세라믹 등의 분말을 열가소성 고분자 물질인 결합제와 혼합하여 성형 가능한 혼합체로 제조하여 성형하게 된다.

상기와 같이 성형 된 사출체는 용매추출 또는 열분해를 통하여 결합제를 제거한 후 특정분위기에서 고온 소결하여 정밀한 치수와 복잡한 형상을 가진 제품을 얻을 수 있도록 하는 것이다.

상기와 같은 금속분말 사출성형은 원료로 사용되는 금속분말과 사출성형성을 좋게 하도록 하기 위한 결합제를 혼합하는 혼합단계와, 혼합된 금속분말(결합제 포함)을 목적하는 제품의 형상으로 만드는 사출성형단계와, 사출성형 된 성형체에 함유되어 있는 결합제를 제거하는 탈지단계와 탈지완료된 성형체를 고온소결을 통하여 완전한 형상으로 만드는 소결단계로 완성된다.

상기 혼합단계에서는 스테인레스 등과 같은 금속분말 85 ~ 90wt%과 10 ~ 15wt% 결합제를 혼합기에 투입하여 통상 200℃ 온도에서 약 120분 정도의 시간 동안 가압 및 가열하면서 혼합한다.

사출성형단계에서는 혼합된 혼합체를 사출성형하기 용이하도록 분쇄기에서 펠렛(pellet) 타입으로 형성한 후에 통상적인 사출기에 공급하여 사출성형체를 만든다.

탈지단계에서는 부결합제인 저융점 결합제와 계면활성제를 용매를 이용하여 제거하는 1차 탈지 과정과, 열풍을 이용하여 주 결합제를 제거하는 2 차탈지 과정으로 이루어진다.

상기 소결단계에서는 탈지 완료된 성형체를 진공과 가스분위기에서 소결하여 소결체를 얻는 과정으로 이루어진다.

일반적인 금속분말 사출성형용 결합제의 구성은 형상을 유지하고 유동의 주체가 되는 주 결합제와, 혼합체의 점도감소와 금형과의 윤활을 촉진하는 부 결합제와 고분자의 유연성을 향상시키는 가소제, 분말과 고분자의 습윤성(Wetting)이나 점착특성(Adhesion)을 향상시키기 위한 계면활성제 등으로 구성된다.

종래 기술이 적용되는 결합제의 대표적인 조성 예를 살펴보면, 주로 형상 유지를 위한 고융점의 물질로서 융점 170℃의 폴리프로필렌이 5~50wt% 사용되고, 저용점 물질로서 10wt% 카나우바 왁스가 첨가되며 나머지는 파라핀 왁스로 구성된다.

상기 폴리프로필렌은 저융점 물질이 제거되는 동안 사출성형의 형상을 유지하나, 상기 결합제는 폴리프로필렌 20wt%, 카나우바 왁스 10wt%, 파라핀 왁스 69wt% 및 스테아리산 1wt%로 구성되는 금속분말 혼합체로서 구성 성분 중 폴리프로필렌과 파라핀의 상용성이 작기 때문에 비록 고융점의 폴리프로필렌이 첨가되어 있다고 하여도 파라핀 왁스의 융점에서 연화점이 나타나기 때문에 열분해에 의하여 결합제를 제거하고자 할 때에는 형상유지가 곤란하여 열로서만 결합제를 제거하여야 함으로 공정시간이 길어진다는 단점이 있을 뿐만 아니라 성형체의 강도도 낮은 문제점이 있다.

결합제는 제품을 성형하기 위한 방법을 제공하기 위한 수단이기는 하나 결합제를 구성하는 성분을 열로 분해되었을 경우 탄소(Carbon)으로 분해되어 금속분말과 반응시 금속 고유의 특성을 변화시켜 물성치를 향상 사출성형체를 탈지하는 공. 탈지공정은 특정한 형태로 성형 된 사출 성형체에서 결합제의 제거공정으로 사출성형체의 10wt%정도로 구성되어 진 결합제를 뒤틀림이나 균열 등의 결함을 발생시키지 않으면서 완전히 제거해야하기 때문에 전체 공정 중에서 가장 중요한 공정이며 장시간이 요구되고 있다.

제거방법으로 결합제 중에 저융점 물질만을 선택적으로 용매에 의하여 추출하고 나머지 주 결합제를 열로서 제거하는 용매추출 방법과, 결합제를 순환되는 기체에 의하여 열로만 제거하는 방법, 그리고 결합제 성분을 분해할 수 있는 촉매제를 이용하여 분해하는 촉매 탈지 방식이 있다.

일반적으로 원료분말의 유동성의 특성은 금속분말과 결합제의 혼합하는 중량비의 차이에 의해 결정이 되는데 사출성형이 가능한 유동성과 사출성형 강도를 가질 경우 결합제의 혼합비가 낮은 구성비가 유리하다고 할 수 있다.

이는 유동성을 높이기 위해 결합제를 많이 첨가하게 되면 결합제를 제거하기 위한 공정시간이 오래 소요되며 결합제가 빠져나간 공간이 많게 되며 금속분말과 충진률이 낮은 관계로 비중이 높은 금속분말의 자중(自重)에 의해 변형이 된다.

또한 사출성형 후 결합제를 제거하는 탈지와 소결의 공정시간을 줄이기 위해서는 결합제의 첨가량이 낮을수록 유리하다고 할 수 있지만, 특히 0.3mm이하의 얇은 박막형태의 제품을 사출성형하기 위해서는 유동성이 우수해야 하는데 결합제의 혼합비가 낮은 혼합원료를 사용할 경우 사출 성형성을 높이기 위해 높은 사출압력과 높은 사출속도가 필요하게 된다.

이는 밀도가 낮은 결합제가 7~15배 차이가 나는 금속분말과 분리시키는 역할을 하게 되어 혼합원료의 충진률을 저하시키고 제품에 금속분말과 결합제의 구성비를 일정하게 유지하지 못하게 되므로 제품변형과 치수 편차가 발생하게 되므로 정상적인 제품을 얻는 것이 곤란하게 된다.

또한 낮은 결합제의 사용으로 인해 사출성형체의 결합력이 떨어져 박막형태의 제품의 경우 사출체 강도가 급격히 낮아 사출성형기에서 사출제품이 토출(吐出)될때 밀핀(Inject Pin)에 의해 파손이 발생하여 원활한 성형을 할 수 없는 문제가 발생하는 등 여러 문제점이 발생하고 있는 실정이다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명한 것으로서 원료로 사용되는 금속분말 80 ~ 95wt%과 사출성형성을 좋게 하도록 하기 위한 결합제 5 ~ 20wt%를 혼합하는 혼합단계(S1)와, 혼합된 금속분말(결합제 포함)을 목적하는 제품의 형상으로 만드는 사출성형단계(S2)와, 사출성형 된 성형체에 함유되어 있는 결합제를 제거하는 탈지단계(S3)와 탈지완료된 성형체를 고온소결을 통하여 완전한 형상으로 만드는 소결단계(S4)로 완성되는 금속분말 사출성형에 있어서;

상기 금속분말과 함께 혼합하여 사용되는 결합제는 밀도 1.10 ∼ 1.50g/cm³의 폴리옥시메틸렌(Poly Oxy Methylene; POM) 30 ∼ 85wt%와, 밀도 0.90 ∼ 1.00g/cm³의 열가소성 수지(Low Density Thermoplastic resin) 1 ∼ 20wt% 및 밀도 0.88 ∼ 1.00g/cm³의분산 보강제 14 ∼ 50wt%로 이루어지는 것이 특징이며, 혼합성과 사출성이 우수하면서 분해능력을 향상시켜 우수한 품질을 가지면서 박막성형이 가능한 금속분말 사출성형품을 얻을 수 있는 목적 달성이 가능하다.

본 발명은 결합제의 제조시 기존의 바인더와 달리 금속분말과 결합제 성분을 동시에 혼합이 가능하고, 사출성형 과정에서 분말과 결합제의 분리 및 결합제 간의 분리가 용이하게 일어나지 않으므로 사출성형에서는 사출체의 형상유지에 유리하면서 초박형 제품의 사출성형이 가능하게 된다.

또한, 사출체의 강도가 우수하여 취급이 용이하고, 결합제의 제거가 용이하여 형상의 변형이 없이 분해되어 탈지할 수 있게 되고, 이로 인하여 소결공정에서 결합제와 변형성이 적어 공정 중에 발생하는 제품의 변형성을 개선하여 고품질의 제품을 제공할 수 있는 등 다양한 효과를 가지는 발명이다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 금속분말 사출성형 과정을 도시한 공정 블럭도.
도 2는 종래기술과 본 발명의 기술에 의하여 성형 되는 사출두께를 비교하여 도시한 표.
도 3은 종래기술과 본 발명의 기술에 의하여 성형 되는 사출조건에 따른 품질을 비교하여 도시한 표.
도 4는 종래기술과 본 발명의 기술에 의하여 성형 되는 사출조건에 따른 변형성을 비교하여 도시한 표.
도 5는 종래기술과 본 발명의 기술에 의하여 성형 되는 사출조건에 따른 수축률을 비교하여 도시한 표.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 구성과 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명을 설명하기 위한 금속분말 사출성형 과정을 도시한 공정 블럭도, 도 2는 종래기술과 본 발명의 기술에 의하여 성형 되는 사출두께를 비교하여 도시한 표, 도 3은 종래기술과 본 발명의 기술에 의하여 성형 되는 사출조건에 따른 품질을 비교하여 도시한 표, 도 4는 종래기술과 본 발명의 기술에 의하여 성형 되는 사출조건에 따른 변형성을 비교하여 도시한 표, 도 5는 종래기술과 본 발명의 기술에 의하여 성형 되는 사출조건에 따른 수축률을 비교하여 도시한 표로서 함께 설명한다.

일반적인 금속분말 사출성형은 원료로 사용되는 금속분말과 사출성형성을 좋게 하도록 하기 위한 결합제를 혼합하는 혼합단계(S1)와, 혼합된 금속분말(결합제 포함)을 목적하는 제품의 형상으로 만드는 사출성형단계(S2)와, 사출성형 된 성형체에 함유되어 있는 결합제를 제거하는 탈지단계(S3)와 탈지완료된 성형체를 고온소결을 통하여 완전한 형상으로 만드는 소결단계(S4)로 완성된다.

본 발명에서는 신규한 결합제를 제공하여 금속분말과의 혼합성과 사출성이 우수하도록 하면서 박막사출성과 사출체의 강도를 높이면서 변형성이 최소화되도록 함으로서 고품질의 금속분말 사출성형체를 제공할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

이를 위하여 본 발명에서는 혼합단계(S1)에서는 중량비로 80 ∼ 95wt%로 구성되는 금속분말과 5 ∼ 20wt%결합제가 혼합되어 지는 데, 본 발명에서 사용하는 결합제는 본 발명에서는 상기 금속분말과 함께 혼합하여 사용되는 결합제를 구성은 밀도 1.10 ∼ 1.50g/cm³의 폴리옥시메틸렌(Poly Oxy Methylene; POM) 30 ∼ 85wt%, 밀도 0.90 ∼ 1.00g/cm³의 저밀도 열가소성 수지(Low Density Thermoplastic resin) 1 ∼ 20wt%, 밀도 0.88 ∼ 1.00g/cm³의분산보강제 14 ∼ 50wt%으로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 결합제의 원료 중 폴리옥시메틸렌은 금속분말과 1차적인 결합성을 위하여 사용되는 것으로서 사용량이 30wt% 이하이면 분해성이 좋지않아 완전한 제거를 위하여 많은 시간을 필요로 하기 때문에 후공정이 좋지않고 경제성이 저하되는 단점이 있으며, 사용량이 85wt% 이상이면 분해성은 아주 좋아질 수 있으나 사출성이 현저하게 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

저밀도 열가소성 수지의 경우에는 폴리프로필렌(PP)과 폴리에틸레(PE)을 주로 사용하며, 소결 전까지 사출체의 형상을 유지하여주는 백본(Back Bone) 역할을 수행하도록 한다.

상기 분산보강제의 경우에는 파라핀왁스와 카나우바왁스를 주로 사용하게 되며, 금속분말이 사출성형 될 수 있도록 유동성을 제공하여주는 역할을 수행하게 된다.

실시예.

스테인레스 금속분말 85wt%과 15wt% 결합제를 혼합기에 투입하여 통상 200℃ 온도에서 약 120분 정도의 시간 동안 가압 및 가열하면서 혼합단계(S1)를 수행하는 데, 금속분말과 결합제를 한번에 투입하여 혼합완료하도록 한다.

상기 혼합단계(S1)에서 사용되는 결합제의 비율은 폴리옥시메틸렌 80wt%와 저밀도 열가소성수지 4wt%, 분산보강제 16wt%를 사용하였다.

혼합단계(S1)에서 혼합된 혼합체를 사출성형하기 용이하도록 분쇄기에서 펠렛(pellet) 타입으로 형성한 후에 사출성형단계(S2)를 통하여 통상적인 사출기에 공급하여 사출성형체를 만드는 데 상온에서 100℃의 저온상태에서도 사출성형체를 성형 가능하게 된다.

탈지단계(S3)에서는 저융점 결합제와 계면활성제를 제거하는 1차 결합제 탈지공정인 용매추출공정을 하게 되며 용매로는 헥산을 사용하고, 용매 온도를 35~40℃까지 승온하여 결합제를 제거한다.

이때 사출체성형체 탈지시간이 작업온도 장입시간 기준으로 약 5~8시간이면 부결합제의 탈지율이 99%이상 이루어지게 되며, 왁스계 부결합제가 완전히 제거된 후에도 우수한 형체유지능력을 가지며 용매가 완전히 건조된 후에도 성형체의 치수는 변화되지 않게 된다.

탈지가 이루어진 후 탈지된 성형체의 건조과정에서 용매추출장치 내에서 이루어지는 습식건조방식과 대기에서 이루어지는 건식건조방식을 병합하여 습식건조방식은 기화된 헥산을 이용하여 용매인 헥산의 급격한 휘발로 인한 성형체의 균열을 방지하게 된다.

종래에는 결합제가 용해된 헥산, 헵탄, 아세톤과 같은 유기용매의 처리가 문제가 되었지만 본 발명에서의 제조공정에서는 재생장치를 통해 용매와 결합제를 분리하여 용매의 재생이 가능하기 때문에 기존공정에서 발생하는 환경문제를 방지할 수 있게 된다.

2차 결합제 제거공정으로 열풍탈지과정에서는 주결합제인 폴리옥시메틸렌과 저밀도 열가소성 수지를 열로서 분해하여 제거하며 제조공정상에서 발생하는 잔류바인더 성분인 탄소성분을 제거하여 소결공정에서 발생할 수 있는 금속 물성치의 변화를 방지할 수 있다.

본 발명에서는 고진공 소결로를 사용하여 진공과 아르곤(Ar)가스 분위기에서 최고 온도1340~1380℃구간에서 소결하게 된다. 최고 온도에서 120분간 유지를 한 후 냉각하여 스테인레스 소결품을 제조하게 된다.

탈지 완료된 성형체를 진공과 아르곤(Ar)가스분위기에서 1340 ∼ 1380℃의 온도에서 120분간 소결하여 잔류바인더를 제거하고 소결체를 얻는 과정으로 소결단계(S4)를 통하여 목적한 바의 제품을 얻었다.

상기와 같은 본 발명은 금속분말과 결합제를 동시에 혼합하여 사용하므로 공정을 단축할 수 있으며, 사출가능한 두께는 종래기술에서는 0.3Ｔ이상의 두께만 가능하였으나, 본 발명에서는 0.1Ｔ의 박막성형이 가능하게 되었으며, 박막이면서도 완성도가 높으면서 변형성은 거의 없는 우수한 품질의 제품을 얻을 수 있는 발명이다.

Claims

원료로 사용되는 금속분말 80 ~ 95wt%과 사출성형성을 좋게 하도록 하기 위한 결합제 5 ~ 20wt%를 혼합기에 투입하여 200℃에서 120분 동안 가열하면서 혼합하는 혼합단계(S1)와;
혼합된 금속분말(결합제 포함)을 사출기에 공급하여 상온에서 100℃의 온도에서 목적하는 제품의 형상으로 만드는 사출성형단계(S2)와;
사출성형 된 성형체에 함유되어 있는 결합제를 헥산을 용매로하여 35∼40℃의 온도를 유지하여 5∼8시간 동안 제거하는 탈지단계(S3)와;
탈지완료된 성형체를 아르곤 가스 분위기에서 1340∼1380℃의 온도를 유지하여 120분간 소결하여 완전한 형상으로 만드는 소결단계(S4)로 이루어지는 금속분말 사출성형에 사용되는 금속분말 사출성형용 결합제는,
상기 결합제는 밀도 1.10 ∼ 1.50g/cm³의 폴리옥시메틸렌(Poly Oxy Methylene; POM) 30 ∼ 85wt%와;
밀도 0.90 ∼ 1.00g/cm³의 열가소성 수지(Low Density Thermoplastic resin) 1 ∼ 20wt%와;
밀도 0.88 ∼ 1.00g/cm³의분산보강제 14 ∼ 50wt%로 이루어지고;
상기 열가소성수지는 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE)이고,
상기 분산보강제는 파라핀왁스 또는 카나우바왁스인 것을 특징으로 하는 박막성형을 위한 금속분말 사출성형용 결합제.