KR101072620B1 - 소결공정에 의한 소결 시편의 두께 자동 측정방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가압램의 이동 변위와 함께 분말 성형체의 두께 변화를 측정하여 소결 과정에서 소결 시편의 두께를 실시간 측정할 수 있도록 한 소결공정에 의한 소결 시편의 자동 측정방법 및 장치에 관한 것이다.

이를 위해, 분말 성형체의 소결공정 중 가압램의 이동변위를 측정하여 소결 시편의 두께를 측정하는 것에 있어서, 분말 성형체를 투입하지 않은 상태에서 가압램 이동변위와 온도 변화 데이터를 실시간 측정 및 저장하고, 분말 성형체를 투입한 상태에서 가압램 이동변위와 온도 변화 데이터를 실시간 측정 및 저장하되, 이 저장값에서 위에서 저장된 값을 뺀 소결 수축값을 실시간 계산하며, 분말 성형체의 초기 두께에서 소결 수축값을 뺀 시편의 두께를 실시간 측정하는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 따라, 분말 성형체의 유무에 따라 가압램 이동 변위를 측정하고, 이 측정된 값의 차이값 연산 및 초기 분말 성형체와의 차이값을 연산 및 모니터링함으로써, 소결 공정 중 시편의 두께를 실시간으로 정확하게 자동 측정할 수 있는 효과가 있다.

소결, 분말 성형체, 가압램, 시편, 변위측정기.

Description

소결공정에 의한 소결 시편의 두께 자동 측정방법 및 장치{Method and apparatus for simultaneous monitoring of the preform shrinkage during sintering}

본 발명은 소결 시편의 두께 자동 측정방법 및 장치에 관한 것으로, 가압램의 이동 변위와 함께 분말 성형체의 두께 변화를 측정하여 소결 과정에서 소결 시편의 두께를 실시간 측정할 수 있도록 한 소결공정에 의한 소결 시편의 자동 측정방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 소결은 분말체를 적당한 형상으로 가압 성형한 것을 가열하여 서로 단단히 밀착 고결하는 열처리 가공방법의 하나이다.

이러한, 소결 가공은 도 1과 도 2에서 도시한 바와 같은 소결로 내부에 분말 성형체를 넣고 이 분말 성형체를 가압 및 가열 성형함으로써, 소결이 이루어지게 된다.

이에 대해 설명하면, 소결로(1)의 상부나 하부에 압력을 가하기 위한 가압램(2)과 고정램(3)을 구비하고, 내부에 분말 성형체를 소결하기 위한 몰드부(4)와 내부 온도 상승을 위한 히터부(5)를 각각 장착하며, 상기 가압램(2)을 움직여 소결 로(1) 내부에 내장된 분말에 압력을 가함으로써, 분말을 압착 소결하게 된다.

이때, 소결로(1) 내에서 성형되는 소결 시편의 두께는 직접 측정하기 불가능하므로 통상의 변위측정기(2a) 등을 이용하여 고정된 소결로(1)에 대해 가압램(2)이 움직인 상대적인 거리를 측정함으로써 소결공정에 따라 성형된 소결 시편의 두께를 측정하게 된다.

한편, 도 3은 램의 상대적 변위를 측정하는 종래 기술의 일례인 특허 제0794976호의 "고정밀 위치측정을 위한 개량형 선형 가변 차동변환기"에 대한 것으로, 선형가변차동변환기(LVDT)의 1차 2차 코일(15, 3, 4)이 감겨져 있는 강자성 폼(14, 10)을 모두 비강자성폼으로 대체하여 노이즈를 감소시키고 감지도를 향상시킨 것이다.

또한, 도 4는 램의 변위를 측정하는 다른 종래 기술인 특허 공개번호 제2007-0048419호의 "레이저 변위측정 장치"에 대한 것으로, 광원(10)으로부터 레이저광을 발생하고, 상기 광원(10)에서 출사된 빛을 원형편광필터(12)를 통해 원형 편광시키며, 상기 원형편광필터(12)에서 편광된 빛의 반사율 차이에 의하여 대상물에 대해 반사된 광을 보상할 수 있도록 대상물(20)의 반사측에 수신측 원형편광필터(14)를 설치하고, 상기 수신측 원형편광필터(14)를 통과한 광을 수신센서(16)에서 광의 위상(각도)와 광량을 측정하여 대상물(20)의 변위를 측정하는 것이다.

그러나, 도 1과 도 2에서 도시한 소결로에 의한 가압 소결과정에서 도 3과 도 4에서 예시된 변위측정기나 통상의 변위측정기로 가압램의 이동변위를 측정하고자 하는 경우, 가압램 자체의 승온에 의한 과도한 열팽창 때문에 소결 수축되는 분 말 성형체의 두께변화가 상대적으로 미세하여 시편의 수축 정도를 감지하기가 어려운 문제가 있었다.

도 5는 위와 같은 소결과정의 실험예로서, 몰드 내에 알루미나 분말 성형체를 넣은 후, 가압램에 20.7MPa(3000psi)의 압력을 가하는 상태에서 분당 10℃의 승온 속도로 가열한다.

실험 결과, 약 1000℃까지는 성형체의 소결이 개시되기 전이라 가압램이 2.5㎜까지 일정하게 열팽창을 계속하다가, 그 이후 제품의 소결이 개시되어 불연속점이 나타남을 확인할 수 있었다. 즉, 시험 후 마이크로미터로 시편의 두께를 직접 측정한 결과, 분말 성형체의 초기 두께는 2.0193㎜이었는데, 시험 후 시편의 두께는 1.170mm로 측정됨으로써, 소결에 의해 0.8493mm의 두께 감소가 있었음을 확인할수 있는 것이다.

그러나, 가압램 전체의 열팽창이 4.5mm 이상임에 비해 소결가공에 의한 시편의 두께 감소가 미비하여 가압램의 이동변위만으로는 시편의 두께 측정이 불가능한 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 가압램의 이동 변위와 함께 분말 성형체의 두께 변화를 측정하여 소결 과정에서 소결 시편의 두께를 실시간 측정할 수 있도록 한 소결공정에 의한 소결 시편의 자동 측정방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 소결 시편의 두께 자동 측정방법은, 가압램의 가압에 따른 분말 성형체의 소결공정 중 가압램의 이동변위를 측정하여 소결 시편의 두께를 측정하는 방법에 있어서, 분말 성형체를 투입하지 않은 상태에서 가압램을 가압함과 동시에 소결노 내부를 승온시켜 가압램의 열팽창에 따른 가압램 이동변위와 온도 변화 데이터를 실시간 측정 및 저장하는 제1단계와; 분말 성형체를 투입한 상태에서 가압램을 가압함과 동시에 소결로 내부를 승온시켜 가압램의 열팽창에 따른 가압램 이동변위와 온도 변화 데이터를 실시간 측정 및 저장하되, 이 저장값에서 상기 제1단계에서 저장된 값을 뺀 소결 수축값을 실시간 계산하는 제2단계와; 제2단계에서 사용된 분말 성형체의 초기 두께에서 상기한 소결 수축값을 뺀 시편의 두께를 실시간 측정하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1단계와 제2단계에서 가압램 이동변위는 초기 불안정 상태를 제거하기 위해 50~400℃ 온도에서 0㎜로 설정한다.

한편, 본 발명의 소결 시편의 두께 자동 측정장치의 구성은, 가압램의 가압에 따른 분말 성형체의 소결공정 중 가압램의 이동변위를 측정하여 소결 시편의 두께를 측정하는 장치에 있어서, 가압램을 통한 가압과 함께 내부를 승온시켜 분말 성형체의 소결을 실시하는 소결로와; 상기 소결로 내부에 연결되어 온도 변화를 실시간 측정하는 열전대와; 상기 가압램에 장착되어 가압램의 이동변위를 실시간 측정하는 변위측정기와; 상기 변위측정기와 열전대에 연결되어 가압램의 이동변위 데이터값과 온도 변화 데이터값을 그와 비례하는 아날로그신호로 변환하는 시그널컨디셔너와; 상기 시그널컨디셔너를 통해 변환 출력된 아날로그신호를 A/D컨버터를 통해 디지털신호로 변환하여 이를 실시간 모니터링시키는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 컴퓨터에서는 분말 성형체의 초기 두께와, 두께 변화와, 두께 감소율 및 소결로 내부의 온도 변화를 실시간 모니터링한다.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 분말 성형체의 유무에 따라 가압램 이동 변위를 측정하고, 이 측정된 값의 차이값 연산 및 초기 분말 성형체와의 차이값을 연산 및 모니터링함으로써, 소결 공정 중 시편의 두께를 실시간으로 정확하게 자동 측정할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명의 소결공정에 의한 소결 시편의 두께 자동 측정방법을 나타낸 블록도로써, 크게 세 가지 단계를 포함하여 구성된다.

구체적으로 설명하면, 제1단계에서는 소결로(10) 내부에 분말 성형체를 투입하지 않은 상태에서 가압램(11)을 가압함과 동시에 소결로(10) 내부를 승온시켜 가압램(11)만을 열팽창시키고, 상기 가압램(11)의 열팽창에 따른 가압램(11) 이동변위와 소결로(10) 내에 설치된 몰드 내부의 온도 변화 데이터를 실시간 측정 및 저장하게 된다.

그리고, 제2단계에서는 소결로(10) 내부에 분말 성형체를 투입한 상태에서 가압램(11)을 가압함과 동시에 소결로(10) 내부를 승온시킨다. 이때, 상기 소결로(10) 내부의 승온에 따라 가압램(11)의 열팽창에 따른 가압램(11) 이동변위와 소결로(10) 내에 설치된 몰드 내부의 온도 변화 데이터를 실시간 측정 및 저장하되, 상기한 제2단계에서 측정된 저장값에서 상기 제1단계에서 측정된 저장값을 뺀 소결 수축값을 실시간 계산하게 된다.

또한, 제3단계에서는 제2단계에서 사용된 분말 성형체의 초기 두께에서 상기한 소결 수축값을 뺀 시편의 두께를 실시간 측정하게 된다.

한편, 도 7은 본 발명의 소결공정에 의한 소결 시편의 두께 자동 측정장치에 대한 것으로, 크게 소결로(10)와, 열전대(20)와, 변위측정기(30)와, 시그널컨디셔너(40)와, 컴퓨터(60)를 포함하여 구성된다.

구체적으로 설명하면, 소결로(10) 내부에 분말 성형체의 투입이 가능하도록 몰드(부호 생략)를 설치하고, 상기 소결로(10) 내부 양측에는 분말 성형체를 가열할 수 있도록 히팅부(도시 생략)를 설치하며, 상기 몰드 상하부에 펀치(도시 생략)와 연결된 가압램(11)과 고정램(12)을 각각 장착한다.

그리고, 상기 소결로(10) 내에 설치된 몰드 내부의 온도 변화를 실시간 측정할 수 있도록 소결로(10) 내에 설치된 몰드에 구멍을 형성하여 그 내부에 다수의 열전대(20)를 연결하고, 상기 몰드 내부의 온도 변화에 따른 가압램(11)의 이동변위를 실시간 측정할 수 있도록 상기 가압램(11)에 변위측정기(30)를 장착한다.

또한, 상기 열전대(20)와 변위측정기(30)는 시그널컨디셔너(40)와 연결하여 가압램(11)의 이동변위 데이터값과 소결로(10) 내부의 온도 변화 데이터값을 그와 비례하는 아날로그 신호인 전압이나 전류의 값으로 변환시키고, 상기 시그널컨디셔너(40)는 A/D컨버터(50)와 연결하여 시그널컨디셔너(40)를 통해 변환 출력된 아날로그신호를 컴퓨터(60)에 전달할 수 있는 디지털신호로 변환하며, 상기 A/D컨버터(50)는 컴퓨터(60)와 연결하여 A/D컨버터(50)에서 변환된 디지털신호를 받아 컴퓨터(60)를 통해 실시간 모니터링시킨다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 소결 시편 측정장치를 이용하여 소결 공정 중 시편의 두께를 자동으로 측정하기 위해서는, 먼저 분말 성형체를 소결로(10) 내부에 투입하지 않고, 상하부의 고정램(12)과 가압램(11) 선단의 펀치를 접촉시킨 상태에서 가압램(11)을 통해 일정 압력을 가하여 그 가압상태를 유지하면서 승온한다.

이때, 소결로(10) 내부의 승온하는 온도는 다수의 열전대(20)를 통해 평균적인 온도 변화를 측정하고, 이 온도 변화에 동기화하여 열팽창에 의한 가압램(11) 이동거리를 변위측정기(30)를 통해 측정하여, 소결로(10) 내에 설치된 몰드 내부의 온도 변화 데이터와 가압램(11)의 이동변위 데이터를 동시에 컴퓨터(60)에 전송 및 저장한다. 여기서, 가압램(11) 이동변위는 소결로(10) 내부의 초기 불안정 상태를 제거하기 위해 50~400℃의 온도 범위에서는 0mm로 초기화하는 것이 적절한 바, 본 발명의 실험예에서는 도 8과 같이 소결로 내에 설치된 몰드 내부가 200℃에 승온되기까지 가압램(11) 이동변위를 0mm로 설정하여 공정을 진행하였다.

이 후, 소결로(10) 내부에 분말 성형체를 투입한 상태에서, 가압램(11)을 통해 분말 성형체에 일정 압력을 가하여 그 가압상태를 유지하면서 승온한다. 여기서, 상기 분말 성형체로는 알루미나(Al₂O₃)를 사용하였다.

이때, 위에서 설명한 것과 동일하게 몰드 내부의 승온하는 온도는 다수의 열전대(20)를 통해 평균적인 온도 변화를 측정하고, 이 온도 변화에 동기화하여 열팽창에 의한 가압램(11) 이동거리를 변위측정기(30)를 통해 측정하여, 몰드 내부의 온도 변화 데이터와 가압램(11)의 이동변위 데이터를 동시에 컴퓨터(60)에 전송 및 저장한다. 여기서, 가압램(11) 이동변위는 소결로(10)의 초기 불안정 상태를 제거하기 위해 50~400℃의 온도 범위에서는 0mm로 초기화하는 것이 적절한 바, 본 발명의 실험예에서는 도 8과 같이 소결로 내에 설치된 몰드 내부가 200℃에 승온되기까지 가압램(11) 이동변위를 0mm로 설정하여 공정을 진행하였다.

이처럼, 분말 성형체가 투입되지 않은 상태와, 분말 성형체가 투입된 상태에서 각각의 공정을 진행하고, 각 공정의 가압램(11) 이동변위값을 실시간 측정 및 저장함과 동시에 위의 전, 후 공정에서 각각 측정된 이동변위값의 차이값인 소결 수축값을 컴퓨터(60)를 통해 실시간 계산한다.

즉, 도 8에서는 소결 공정 중 분말 성형체가 투입되지 않은 상태의 가압램(11)의 이동변위와, 분말 성형체가 투입된 상태의 가압램(11)의 이동변위 그리고, 상기한 두 이동변위의 차이를 각각 나타내고 있다.

이 후, 컴퓨터(60)를 통해 소결로(10) 내부에 투입된 분말 성형체의 두께에서 상기한 이동변위의 차이값인 소결 수축값을 빼주는 계산을 실시하게 되면, 실제 소결 가공되는 시편의 두께를 실시간 측정할 수 있게 된다.

도 9는 본 발명의 소결 시편의 두께 측정방법에 따른 실시간 제품의 두께값과 두께감소율을 나타낸 실험 결과로써, 두께가 2.0193㎜인 분말 성형체를 장입한 경우에 계산되는 두께값 변화와 함께 실제 두께를 100%로 가정한 경우 두께 감소율을 나타낸 것이다.

이와 같은 실험 결과는 위에서 설명된 연산 과정을 통해 도 10과 같은 형태로 컴퓨터(60)에 실시간 모니터링된다. 즉, 분말 성형체의 초기 두께와, 소결로(10) 내에 설치된 몰드 내부 온도 변화는 물론, 분말 성형체의 소결되는 현재 두께와 분말 성형체의 두께감소율이 함께 실시간 모니터링되는 것이다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도 1은 일반적으로 사용되는 소결장치에서 상부에 가압램이 장착된 예시도,

도 2는 일반적으로 사용되는 소결장치에서 하부에 가압램이 장착된 예시도,

도 3은 종래 기술에 의한 선형 가변 차동 변환기의 예시도,

도 4는 다른 종래 기술에 의하 레이저 변위측정 장치 예시도,

도 5는 일반적인 소결공정에서 온도 변화에 따른 가압램의 이동변위를 나타낸 그래프선도,

도 6은 본 발명에 의한 소결 시편의 두께 자동 측정방법을 순차적으로 나열한 블록도,

도 7은 본 발명에 의한 소결 시편의 두께 자동 측정장치의 개략도,

도 8은 본 발명에 의한 소결 공정에서 온도 변화와 분말 성형체 유무에 따른 가압램의 이동변위와 그들의 이동변위 차이를 나타낸 그래프선도,

도 9는 본 발명에 의한 소결 공정에서 온도 변화에 따른 분말 성형체의 두께 변화 및 두께감소율을 나타낸 그래프선도,

도 10은 본 발명에 의해 컴퓨터에 모니터링되는 화면을 개략적으로 나타낸 예시도.

*도면 중 주요 부호에 대한 설명*

10 : 소결로 11 : 가압램

12 : 고정램 20 : 열전대

30 : 변위측정기 40 : 시그널컨디셔너

50 : A/D컨버터 60 : 컴퓨터

Claims (4)

1. 가압램의 가압에 따른 분말 성형체의 소결공정 중 가압램의 이동변위를 측정하여 소결 시편의 두께를 측정하는 방법에 있어서,

   분말 성형체를 투입하지 않은 상태에서 가압램(11)을 가압함과 동시에 소결로(10) 내부를 승온시켜 가압램(11)의 열팽창에 따른 가압램(11) 이동변위와 몰드 내부의 온도 변화 데이터를 실시간 측정 및 저장하는 제1단계와;

   분말 성형체를 투입한 상태에서 가압램(11)을 가압함과 동시에 소결로(10) 내부를 승온시켜 가압램(11)의 열팽창에 따른 가압램(11) 이동변위와 몰드 내부의 온도 변화 데이터를 실시간 측정 및 저장하되, 이 저장값에서 상기 제1단계에서 저장된 값을 뺀 소결 수축값을 실시간 계산하는 제2단계와;

   제2단계에서의 가압램(11)의 가압 이전에 소결로(10)에 투입되는 분말 성형체의 두께에서 상기한 소결 수축값을 뺀 시편의 두께를 실시간 측정하는 제3단계로 이루어지되,

   상기 제1단계와 제2단계에서 가압램(11) 이동변위는 초기 불안정 상태를 제거하기 위해 50~400℃ 온도에서 0㎜로 설정하는 것을 특징으로 하는 소결공정에 의한 소결 시편의 두께 자동 측정방법.
2. 삭제
3. 가압램의 가압에 따른 분말 성형체의 소결공정 중 가압램의 이동변위를 측정하여 소결 시편의 두께를 측정하는 장치에 있어서,

   가압램(11)을 통한 가압과 함께 내부를 승온시켜 분말 성형체의 소결을 실시하는 소결로(10)와;

   상기 소결로(10) 내에 설치된 몰드 내부에 연결되어 온도 변화를 실시간 측정하는 열전대(20)와;

   상기 가압램(11)에 장착되어 가압램(11)의 이동변위를 실시간 측정하는 변위측정기(30)와;

   상기 변위측정기(30)와 열전대(20)에 연결되어 가압램(11)의 이동변위 데이터값과 몰드 내부의 온도 변화 데이터값을 그와 비례하는 아날로그신호로 변환하는 시그널컨디셔너(40)와;

   상기 시그널컨디셔너(40)를 통해 변환 출력된 아날로그신호를 A/D컨버터(50)를 통해 디지털신호로 변환하여 이를 실시간 모니터링함과 동시에 분말 성형체의 초기 두께와, 두께 변화와, 두께 감소율 및 소결로(10) 내에 설치된 몰드 내부 온도 변화를 실시간 모니터링시키는 컴퓨터(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 소결공정에 의한 소결 시편의 두께 자동 측정장치.
4. 삭제

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