KR101104678B1 - 미세부품의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노분말을 금형 내부에 장입하고, 가압 성형 후 분리하여 소결함으로써 제조된 미세부품의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 미세부품 제조방법은, 성형용 금형(100) 내부에 나노분말(10)을 장입하는 분말장입단계(S200)와, 장입된 나노분말(10)을 가압하여 성형체를 형성하는 성형체 형성단계(S300)와, 상기 성형체를 성형용 금형(100) 내부에서 분리한 후 소결하여 미세부품(P)을 형성하는 부품형성단계(S400)로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 구성에 의하면, 수축률이 감소되어 치수정밀도 및 경도가 향상된 미세부품의 제조가 가능한 이점이 있다.

Description

미세부품의 제조방법 {Manufacturing method for micro-component}

본 발명은 미세부품의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노분말을 금형 내부에 장입하고, 가압 성형 후 분리하여 소결함으로써 수축률이 감소되어 치수정밀도 및 경도가 향상되도록 한 미세부품의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 작은 크기의 부품을 제조하는 방법으로 기계적 가공이 사용되고 있다.

그러나 기계적 가공에 의한 부품의 가공에는 성형 가능한 부품의 크기에 제한이 있다. 즉, 아주 작은 크기의 부품을 가공하는데 어려움이 있다.

이에 따라 마이크로 사출성형 공정을 이용한 부품 제조 방법이 제시되어 있다.

마이크로 사출성형 공정은 타 기술에 비해 공정비용면에서 비교적 경제적이며, 대상 재료가 금속으로 한정되어 있지 않다는 장점을 지녀 다양한 종류의 미세부품 제조에 주로 활용되고 있으나, 마이크로 사출성형 공정 역시 물리적 이형공정에서 미세부품의 손상이 쉽게 일어날 수 있고, 미세하고 복잡한 경우 기계적 가공기술의 한계로 인해 금형제작이 용이하지 않은 문제점을 지니고 있다.

미세부품을 제조하는 방법으로, LIGA(리가)공정을 이용할 수 있다. 리가 공정은 최근 반도체 공정으로 유명해진 기술 비교적 미세한 부품을 제조할 수 있는 장점은 있으나, 마스크 제작, PR 코팅, 광원노출, 광원 비노출 포토레지스터(PR) 제거, 에칭과정을 통한 식각 등 매우 복잡한 공정이 요구되어 많은 시간과 비용이 소요되므로 미세부품의 대량 생산에는 부적합한 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 리가공정을 이용하여 제작된 미세부품 성형용 금형 내부에 나노분말을 장입하고, 장입된 나노 분말을 가압 성형 후 분리하여 소결함으로써 높은 치수정밀도 및 경도를 갖도록 한 미세부품의 제조방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 유기바인더를 포함하지 않고 금속의 나노분말만을 금형 내부에 장입하여 가열 및 가압함으로써 성형체를 형성하고, 비교적 낮은 온도에서 성형체를 소결하여 미세부품의 제조를 완료함으로써 제조 공정을 간소화함으로써 제조 원가가 현저히 절감되도록 한 미세부품의 제조방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의한 미세부품 제조방법은, 성형용 금형 내부에 나노분말을 장입하는 분말장입단계와, 장입된 나노분말을 가압하여 성형체를 형성하는 성형체 형성단계와, 상기 성형체를 성형용 금형 내부에서 분리한 후 소결하여 미세부품을 형성하는 부품형성단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 성형체 형성단계는, 나노분말을 단축 가압하는 과정임을 특징으로 한다.

상기 부품형성단계는, 보호성 분위기에서 실시됨을 특징으로 한다.

상기 분말장입단계에 적용되는 성형용 금형은, LIGA공정에 의해 성형된 것임을 특징으로 한다.

상기 분말장입단계 이전에는, 500㎚ 이하의 입경을 가지는 나노분말을 준비하는 분말준비단계가 구비됨을 특징으로 한다.

본 발명에서는 리가공정을 이용하여 제작된 미세부품 성형용 금형 내부에 나노분말을 장입하고, 장입된 나노 분말을 가압 성형 후 분리하여 소결함으로써 미세부품의 제조가 가능하도록 하였다.

따라서, 높은 치수정밀도 및 경도를 갖는 미세부품의 제조가 가능한 이점이 있다.

또한, 유기바인더를 포함하지 않고 금속의 나노분말만을 금형 내부에 장입하여 가열 및 가압함으로써 성형체를 형성하고, 비교적 낮은 온도에서 성형체를 소결하여 미세부품의 제조를 완료하게 되므로 제조 공정을 간소화함으로써 제조 원가가 현저히 절감되는 이점이 있다.

도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 미세부품의 실물 사진.
도 2 는 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법을 나타낸 공정 순서도.
도 3 은 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법에서 적용된 나노분말의 구조를 보인 확대사진.
도 4 는 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법에서 적용된 나노분말의 XRD 상분석 그래프.
도 5 는 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법에서 미세부품을 성형하기 위한 금형의 구성을 보인 확대 사진.
도 6 은 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법에서 일단계인 부품형성단계 중 175㎫ 의 압력하에서 가열온도 변화에 따른 수축률 변화를 나타낸 그래프.
도 7 은 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법에서 일단계인 부품형성단계 중 2100㎫ 의 압력하에서 가열온도 변화에 따른 수축률 변화를 나타낸 그래프.
도 8 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 미세부품과 비교예의 온도 변화에 따른 치밀도 변화를 나타낸 그래프.
도 9 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 미세부품과 비교예의 온도변화에 따른 비등방수축률변화를 나타낸 그래프.
도 10 은 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법에서 일단계인 부품형성단계 중 온도 변화에 따른 경도 및 조밀도의 변화를 나타낸 그래프.
도 11 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 미세부품과 비교예의 표면 상태를 비교한 확대사진.
도 12 는 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법에서 일단계인 부품형성단계 중 서로 다른 압력 조건에서 가열시에 경도 변화를 나타낸 그래프.

이하 상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 미세부품 제조방법에 따라 제조된 미세부품(P)을 첨부된 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 미세부품의 실물 사진이 도시되어 있다.

도면과 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 미세부품(P)은 베어링을 이루는 다수 부품 중 하나로서 폭치수가 10㎜ 정도 되며, 내/외측에는 복잡한 형상의 리브 등이 형성되어 있다.

상기 미세부품(P)은 리가(LIGA:LIthographie, Galvanoformung, Abformung)공정을 이용하여 제작된 성형용 금형(도 5의 도면부호 100 참조) 내부에 나노분말(도 3의 도면부호 10)을 충진한 후 가압하여 성형체를 형성하고, 상기 성형체를 소결하여 형성된다.

상기 리가공정은 X-ray 방사광을 이용하여 대상물을 식각하는 기술로서, 기존의 광원보다 수만배 이상의 강한 펄스를 가지며, 평행성이 좋고 퍼짐이 매우 작아서 고폭비의 구조를 실현이 가능하다.

이하 첨부된 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 의한 미세부품(P)의 제조방법을 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 3 은 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법에서 적용된 나노분말의 구조를 보인 확대사진이며, 도 4는 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법에서 적용된 나노분말의 XRD 상분석 그래프이고, 도 5는 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법에서 미세부품을 성형하기 위한 성형용 금형의 구성을 보인 확대 사진이다.

먼저 도 2와 같이 상기 미세부품(P)을 제조하는 방법을 공정 순서대로 설명하면, 상기 미세부품의 제조방법은 상기 성형용 금형(100) 내부에 나노분말(10)을 장입하는 분말장입단계(S200)와, 장입된 나노분말(10)을 가압하여 성형체를 형성하는 성형체 형성단계(S300)와, 상기 성형체를 성형용 금형(100) 내부에서 분리한 후 소결하여 미세부품(P)을 형성하는 부품형성단계(S400)로 이루어진다.

상기 분말장입단계(S200)에서 성형용 금형(100)에 장입되는 나노분말(10)은 분말장입단계(S200) 이전에 분말준비단계(S100)를 선택적으로 실시하여 준비할 수 있다.

이때 상기 분말준비단계(S100)에서 준비되어야 할 나노분말(10)은 500㎚ 이하의 입경을 가진다. 보다 상세하게는 상기 분말준비단계(S100)에서 나노분말(10)은 50 내지 200㎚의 입경을 가지는 것이 바람직하며, 본 발명의 실시예에서는 Fe 나노분말을 사용하였다. 그리고, 상기 나노분말(10)은 아크방전공정을 이용하여 포집된 것으로서, 본 발명의 실시예에서는 코어-셀(core-shell)구조를 갖는 나노분말(10)을 적용하였다.

즉, 도 3과 같이 상기 나노분말(10)은 구 형상을 가지며, 내부의 코어(12)를 5㎚ 두께의 산화층(14)이 덮고 있어서, 코어(12)-셀(14) 구조를 가진다.

그리고, 도 4에서 확인할 수 있듯이, 상기 나노분말(10)의 표면 즉, 산화층(14)의 XRD 상분석 그래프를 살펴보면 16.38%의 Fe³O⁴가 존재하는 것을 알 수 있다.

상기 분말준비단계(100)에서 상기와 같은 나노분말(10)이 준비되면, 분말장입단계(S200)가 실시된다. 상기 분말장입단계(S200)는 내부에 미세부품(P)과 대응되는 형상의 캐비티(122) 내부에 나노분말(10)을 장입하는 과정이다.

상기 분말장입단계(S200) 이후에는 성형체 형성단계(S300)가 실시된다. 상기 성형체 형성단계(S300)는 상기 캐비티(122)가 구비된 금형본체(120)와, 상기 미세부품(P)과 대응되는 형상을 가지고, 상기 캐비티(122) 내부에 장입된 나노분말(10)을 가압하기 위한 펀치(140)를 포함하여 구성되는 성형용 금형(100)을 이용하는 과정으로, 상기 캐비티(122) 내부에 장입된 나노분말(10)을 가압하여 성형체(도시되지 않음)를 형성하는 과정이다.

따라서, 상기 캐비티(122)에 장입된 나노분말(10)은 펀치(140)의 직선 운동에 의해 단축 가압되어 캐비티(122)와 동일한 형상 및 크기를 가지는 성형체로 바뀌되며, 이때 상기 성형체는 91% 이상의 치밀도를 갖게 된다.

이후 상기 성형체는 성형용 금형(100) 내부에서 분리된 후 미세부품(P)을 형성하기 위한 부품형성단계(S400)를 거치게 된다. 상기 부품형성단계(S400)는 가스 분위기, 가열 온도, 압력 등의 공정 변수가 있으므로, 아래에서는 본 발명의 실험 결과를 토대로 부품형성단계를 설명하기로 한다.

먼저, 도 6 및 도 7을 참조하여 부품형성단계(S400)에서의 바람직한 가열온도 및 가압력 조건을 설명한다.

도 6은 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법에서 일단계인 부품형성단계 중 175㎫ 의 압력하에서 가열온도 변화에 따른 수축률 변화를 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법에서 일단계인 부품형성단계 중 2100㎫ 의 압력하에서 가열온도 변화에 따른 수축률 변화를 나타낸 그래프이다.

이들 도면과 같이 본 발명의 실시예에서는, 승온 조건을 4가지로 구분하여 실시하였으며, 1000℃까지 가열하였고, 나노분말(10)에 가해지는 압력은 175㎫과 2100㎫ 로 실시하여 압력차이를 크게 둠으로써 압력 변화에 대한 미세부품(P)의 특성이 변화를 확인하였다.

그리고, 상기 승온 조건에 대하여 보다 구체적으로는, 분당 승온온도를 5℃, 10℃, 20℃, 30℃로 구분하여 실시하였으며, 이때 성형체의 부피(V)와 미세부품의 부피(△V)를 이용하여 부피수축률을 나타내었다.

도면과 같이, 나노분말(10)에 가해지는 압력은 현저한 차이가 발생하더라도 동일한 수축 양상을 나타냈으며, 분당 승온 온도에 대해서도 거의 비슷한 형태를 나타내었다.

그리고, 가열온도의 경우 200℃에서 600℃, 보다 상세하게는 260℃ 에서 550℃ 범위 내에서 급격한 부피 수축이 발생하였으며, 이후에는 수축률이 일정하게 유지되었다.

따라서, 상기 부품형성단계(S400)에서 나노분말(10)에 가해지는 압력에 대해서는 한정되지 않으며, 가열온도는 200℃에서 시작하여 600℃까지 승온하는 범위 내에서 실시할 때 가장 최적의 미세부품(P)을 제조할 수 있음을 알수 있다.

또한, 가열온도에 대하여 분당 승온온도는 수축률이 가장 적은 30℃/분이 가장 바람직한 실시예가 될 수 있으나, 이러한 실험 데이터를 기초로 하여 성형체와 미세부품 사이의 수축률을 감안한다면 다양한 분당 승온온도가 적용 가능할 것이다.

이하 첨부된 도 8 및 도 9를 참조하여 온도변화에 따른 치밀도의 변화를 본 발명의 실시예와 비교예(마이크로분말로 이루어진 부품)를 함께 나타내어 비교하면서 설명한다.

도 8에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 미세부품과 비교예의 온도 변화에 따른 치밀도 변화를 나타낸 그래프가 도시되어 있고, 도 9에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 미세부품과 비교예의 온도변화에 따른 비등방수축률변화를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도면과 같이, 본 발명의 실시예에 따라 나노분말(10)로 제조된 미세부품(P)은 91% 이상의 치밀도를 나타냈으나, 마이크로분말로 이루어진 비교예의 부품은 80%의 치밀도를 나타내었다. 따라서 나노분말(10)로 제조된 미세부품(P)의 경우 수축률을 현저히 감소시킬 수 있게 되므로 치수 정밀도가 우수하게 된다.

그리고, 도 9와 같이 비등방 수축률의 경우에도 마이크로분말로 제조된 비교예의 부품은 0.5 이하를 나타냈으나, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 미세부품(P)은 1.0에 가까운 비등방 스축률을 나타내어 거의 수축이 발생되지 않았음을 확인할 수 있다.

한편, 도 10에는 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법에서 일단계인 부품형성단계 중 온도 변화에 따른 경도 및 조밀도의 변화를 나타낸 그래프가 도시되어 있는데, 도 10의 실험 결과에서도 확인할 수 있듯이 소결온도의 변화에 따른 경도는 600℃까지는 250Hv지 이상을 나타냈으나, 600℃ 이상으로 가열하게 되면 오히려 경도가 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 조밀도의 경우에는 600℃까지 가열하는 동안 경도가 조밀도가 증가하였으나, 600℃ 이상 가열 온도를 증가시키더라도 조밀도는 더 이상 상승하지 않고 일정 수준을 유지하는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 상기 부품형성단계(S400) 중 가열온도의 바람직한 실시 범위는 600℃ 이하가 될 수 있다.

상기와 같은 과정에 따라 제조된 미세부품(P)과 비교예의 표면 상태를 비교하면 도 11과 같이 확연하게 차이가 난다.

즉, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 미세부품(P)의 표면(도 11의 아래 사진)은 매우 매끈한 반면, 비교예의 표면(도 11의 위 사진)은 매우 거친 것을 확인할 수 있다.

이하 첨부된 도 12를 참조하여 부품형성단계(S400) 중에 성형체에 가해지는 압력의 크기 변화에 따른 경도 변화를 설명한다.

도 12는 본 발명에 의한 미세부품의 제조방법에서 일단계인 부품형성단계 중 서로 다른 압력 조건에서 가열시에 경도 변화를 나타낸 그래프로서, 압력 조건을 3가지로 구분하여 실험해본 결과, 700℃까지는 각각의 압력 조건에 대하여 경도 225Hv 정도의 비슷한 경도를 나타내었으나, 700℃ 이상으로 가열시에는 0.5ton, 2.0ton, 3.5 ton 의 압력이 가해진 모든 실시예에 대하여 경도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 상기 부품형성단계(S400) 중에서 압력의 크기는 상기 미세부품(P)의 경도 변화에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 볼 수 있다.

이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

예를 들어 본 발명의 실시예에서, 나노분말은 17-4 PH 스테인리스스틸 나노분말이 적용되었으나, 전술한 코어-셀 구조 및 입경 크기를 가지는 범위 내에서 다양한 금속 재료가 변경 적용 가능함은 물론이다.

10. 나노분말 12. 코어
14. 산화층 P. 미세부품
100. 성형용 금형 120. 금형본체
122. 캐비티 140. 펀치
S100. 분말준비단계 S200. 분말장입단계
S300. 성형체 형성단계 S400. 부품형성단계

Claims (5)

1. 500㎚ 이하의 입경을 가지고 코어-셀 구조인 나노분말 100중량%를 LIGA공정에 의해 성형된 성형용 금형 내부에 장입하는 분말장입단계와,
   장입된 나노분말을 보호성 분위기에서 단축 가압하여 91% 이상의 치밀도를 갖는 성형체를 형성하는 성형체 형성단계와,
   상기 성형체를 성형용 금형 내부에서 분리한 후 600℃ 이하의 온도에서 소결하여 미세부품을 형성하는 부품형성단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미세부품의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 분말장입단계에서,
   상기 나노분말은 외측에 산화층이 형성됨을 특징으로 하는 미세부품의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 부품형성단계는,
   200 내지 600℃의 온도범위에서 실시됨을 특징으로 하는 미세부품의 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 부품형성단계는,
   분당 30℃의 승온 온도로 가열하는 과정임을 특징으로 하는 미세부품의 제조방법.
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