KR101297059B1 - 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조 및 그를 이용한 대형 허니컴 성형체의 제조방법 - Google Patents

대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조 및 그를 이용한 대형 허니컴 성형체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조 및 그를 이용한 대형 허니컴 성형체의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은, 바디 일면에 형성되어 대형 허니컴 성형체의 외벽면이 성형되도록 원재료가 압출되는 외벽 성형 토출부; 상기 외벽 성형 토출부의 내측에 형성되어 상기 대형 허니컴 성형체의 내벽면이 성형되도록 원재료가 압출되는 내벽 성형 토출부; 및 상기 내벽 성형 토출부를 통해 분할된 공간 내에 이격되어 배치되는 2개 이상의 셀 블록;을 포함하며, 상기 셀 블록 상호 간의 이웃한 틈으로 원재료가 압출되고, 상기 내벽 성형 토출부의 폭은 상기 외벽 성형 토출부의 폭과 동일하거나, 폭의 차이가 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 크게 형성되거나, 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 작게 형성된다.
본 발명에 의하면, 금형에 형성된 외벽 성형 토출부의 폭과 내벽 성형 토출부의 폭이 동일하거나 설정 범위 내에 형성되므로 원재료에 가해지는 압력분포가 분산되어 밀도가 구배지는 것을 차단하게 되며, 이에 성형체의 내부 크랙 발생을 방지하여 사용 수명 연장과 제조 공정 시 발생하는 불량률이 감소된다. 그리고 허니컴 금형 설계시 단순하고, 기존의 금형 설계 및 제조 공정과 비교하여 특별히 새로운 장치가 필요하지 않으며 쉽게 제조할 수 있고, 설계된 금형을 이용하여 성형체를 제조할 때, 세라믹 허니컴 크기와 제품의 품질에 상관없이 대면적 제품을 제조할 수 있으며, 대형 세라믹 허니컴 필터 담체 제품에 대해 성형밀도, 기공률 및 강도를 내, 외벽면에 상관없이 성형체 전체에 골고루 형성되도록 하는 효과가 있다.

Description

대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조 및 그를 이용한 대형 허니컴 성형체의 제조방법{Ceramics Extrusion Die Structure and Manufacture Method thereof for Internal Crack Prevention of Large Size Honeycomb Compacts}
본 발명은 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조 및 그를 이용한 대형 허니컴 성형체의 제조방법으로, 보다 상세하게는 대형 세라믹스 허니컴 성형체의 제조시 제조 과정에서 발생되는 내부 크랙을 방지하도록 금형을 설계하는 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조 및 그를 이용한 대형 허니컴 성형체의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 세라믹 허니컴(ceramic honeycomb)은 벌집 형상의 무수히 많은 구멍(셀: Cell)들이 뚫려있는 다공성 세라믹 구조체를 말하는 것으로, 하니컴의 구조적인 특징과 세라믹의 물리적인 특징을 이용하여 다방면에 사용되고 있다. 이러한 세라믹 허니컴의 특징으로는 비표면적이 크고, 통기성이 우수하여 압력손실이 작으며, 단열 효과가 높고, 내구성, 내식성이 뛰어난 이점이 있다.
특히, 세라믹 허니컴은 자동차용 삼원 촉매 담체, 탈질용 촉매 담체, 용융금속용 필터 등으로 많이 사용되어 왔으며, 최근에는 경유 자동차의 매연제거용 필터를 비롯한 다양한 고온가스용 세라믹 필터의 재료로 사용되고 있다.
세라믹 허니컴에 사용되는 재료로는 코디어라이트(cordierite), 스포듀멘(spodumene), 알루미나(alumina), 뮬라이트(mullite), 실리콘 나이트라이드(Si3N4), 실리콘 카바이드(SiC) 등이 있다.
한편, 세라믹 하니컴의 제조방법으로는 다양한 것이 소개되고 시도되어 왔으나, 그 중에서 압출(extrusion) 성형법이 가장 신뢰성 및 효율성 면에서 양호한 것으로 알려져 있으며, 사실상 압출 성형법의 도입 후에 그 설계 및 질적인 면에서 상당한 진보가 이루어져 왔다. 압출 성형법을 통한 제조는 먼저 원료 분말들을 혼합하고 결합제 등의 성형조제용 첨가제를 혼합한 후, 압출 성형하고, 이어서 건조 및 소성 공정을 통해 제조되어 진다.
특히, 허니컴 성형체의 압출시 사용되는 금형은, 스테인리스 강, 철 또는 이와 유사한 물질로 제조된 모체(matrix)의 전면 중심부에 다수개의 셀 블록(cell block)이 소정 간격만큼 종, 횡으로 배치되고, 최 외곽이 배치된 셀 블록을 따라 슬릿(slit)이 이웃하게 형성되며, 모체의 후면에는 상기 슬릿과 연통하는 백 홀(back hole)이 형성된 구조를 가진다. 여기서, 슬릿을 통하여 통과된 압출 원재료는 각각의 셀을 둘러싼 격벽(partition wall)을 형성하고, 셀 블록은 원재료의 흐름을 막아서, 셀이 되는 중공부(hollow portion)를 형성하게 된다. 여기서, 슬릿은 허니컴 성형체의 성형시 틈새를 통해 세라믹 원재료가 압출되면서 허니컴 성형체의 외벽면이 되고, 격벽은 허니컴 성형체의 성형시 틈새를 통해 세라믹 원재료가 압출되면서 허니컴 성형체의 내벽면이 되는 것이다.
그러나 종래의 허니컴 성형체를 성형하는 금형의 경우, 슬릿의 폭에 비해 격벽의 폭이 얇도록 설계되어 있으므로 압출 성형시 금형 벽면에 가해지는 세라믹 원재료와의 마찰 응력에 의해 세라믹 원재료에 가해지는 압력분포가 원활하게 분산되지 못하므로 금형의 격벽보다는 슬릿의 압력이 낮게 형성되어 세라믹 원재료의 압출 이송방향이 성형체 외벽면으로 형성된다.
또한, 압출 성형기의 구조상 금형과 접하고 있는 원재료 압출 이송 스크루의 토크(torque)에 의해 원재료에 형성되는 압력분포 역시 격벽보다는 슬릿 표면 쪽의 원재료 압출 압력이 높고, 슬릿의 원재료 이송속도가 상대적으로 빠르게 형성된다.
따라서, 금형의 격벽에 형성되는 마찰 응력으로 상대압력이 높아져 세라믹 원재료의 이동이 원활하지 못하면서 슬릿에 형성된 성형체와 격벽에 형성된 원재료의 밀도차가 형성된다. 즉, 격벽에 형성된 세라믹 원재료가 슬릿에 형성된 세라믹 원재료에 비해 상대밀도가 낮기 때문에 건조가 완료되면 성형체의 외벽면보다 내벽면의 수축이 크게 일어난다. 이렇게, 성형체의 내벽면의 큰 수축으로 내부크랙이 형성되는 원인이 된다.
더욱이, 육안으로 식별되지 않는 내부크랙은 사용상 제품의 수명을 단축시키며, 육안으로 확인되는 성형체의 크랙은 제품 불량률을 높이기 때문에 제조 단가 측면에서 불리하게 작용하는 단점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금형에 형성된 외벽 성형 토출부의 폭과 내벽 성형 토출부의 폭이 동일하거나 설정 범위 내에 형성되므로 원재료에 가해지는 압력분포가 분산되어 밀도가 구배지는 것을 차단하게 되며, 이에 성형체의 내부 크랙 발생을 방지하여 사용 수명 연장과 제조 공정 시 발생하는 불량률이 감소될 수 있게 한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조 및 그를 이용한 대형 허니컴 성형체의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 허니컴 금형 설계시 단순하고, 기존의 금형 설계 및 제조 공정과 비교하여 특별히 새로운 장치가 필요하지 않으며, 쉽게 제조할 수 있게 한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조 및 그를 이용한 대형 허니컴 성형체의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 설계된 금형을 이용하여 성형체를 제조할 때, 허니컴 성형체의 크기와 제품의 품질에 상관없이 대면적 제품을 제조할 수 있게 한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조 및 그를 이용한 대형 허니컴 성형체의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 대형 허니컴 필터 담체 제품에 대해 성형밀도, 기공률 및 강도를 내, 외벽면에 상관없이 성형체 전체에 골고루 형성될 수 있게 한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조 및 그를 이용한 대형 허니컴 성형체의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은, 바디 일면에 형성되어 대형 허니컴 성형체의 외벽면이 성형되도록 원재료가 압출되는 외벽 성형 토출부; 상기 외벽 성형 토출부의 내측에 형성되어 상기 대형 허니컴 성형체의 내벽면이 성형되도록 원재료가 압출되는 내벽 성형 토출부; 및 상기 내벽 성형 토출부를 통해 분할된 공간 내에 이격되어 배치되는 2개 이상의 셀 블록;을 포함하며, 상기 셀 블록 상호 간의 이웃한 틈으로 원재료가 압출되고, 상기 내벽 성형 토출부의 폭은 상기 외벽 성형 토출부의 폭과 동일하거나, 폭의 차이가 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 크게 형성되거나, 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 작게 형성된다.
상기 내벽 성형 토출부는 일자형, 십자형, 우물정자형 및 격자형 중 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있다.
상기 내벽 성형 토출부가 십자형이면, 셀 블록에 의한 허니컴 셀 사이즈는 50×50mm 내지 100×100mm이고, 상기 내벽 성형 토출부가 우물정자형이면, 셀 블록에 의한 허니컴 셀 사이즈는 101×101mm 내지 150×150mm이며, 상기 내벽 성형 토출부가 격자형이면, 셀 블록에 의한 허니컴 셀 사이즈는 151×151mm 내지 200×200mm로 형성할 수 있다.
상기 대형 허니컴 성형체는 선택적 촉매 환원장치 필터(SCR)용 허니컴 성형체, 디젤엔진 배기가스 저감용 필터(DPF)용 허니컴 성형체, 실리콘 카바이드(SiC) 태양광 흡수기용 실리콘 카바이드 세라믹스 허니컴 성형체, 뮬라이트(Mullite) 세라믹스 허니컴 성형체 및 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 세라믹스 허니컴 성형체 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명은, 허니컴 성형체의 셀 크기와, 금형에서 내벽 성형 토출부의 폭은 외벽 성형 토출부의 폭과 동일하거나, 폭의 차이가 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 크게 형성되거나, 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 작게 형성되도록 금형을 설계하는 제 1 단계; 상기 허니컴 성형체의 제조에 사용되는 세라믹 원료 분말과 주 바인더와 계면활성제인 보조 바인더를 혼합하는 제 2 단계; 상기 세라믹 원료 분말과 주 바인더 및 보조 바인더를 적어도 1회 혼련하는 제 3 단계; 상기 혼련된 압출 원료를 금형에 공급하여 상기 대형 허니컴 성형체를 압출 성형하는 제 4 단계; 상기 압출 성형된 대형 허니컴 성형체를 건조하는 제 5 단계; 상기 건조된 대형 허니컴 성형체를 열처리를 이용하여 바인더를 제거하는 제 6 단계; 및 상기 바인더가 제거된 대형 허니컴 성형체를 사용 용도에 따라 온도를 달리하여 소성하는 제 7 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 금형에 형성된 외벽 성형 토출부의 폭과 내벽 성형 토출부의 폭이 동일하거나 설정 범위 내에 형성되므로 원재료에 가해지는 압력분포가 분산되어 밀도가 구배지는 것을 차단하게 되며, 이에 성형체의 내부 크랙 발생을 방지하여 사용 수명 연장과 제조 공정시 발생하는 불량률이 감소된다. 그리고 허니컴 금형 설계시 단순하고, 기존의 금형 설계 및 제조 공정과 비교하여 특별히 새로운 장치가 필요하지 않으며 쉽게 제조할 수 있고, 설계된 금형을 이용하여 성형체를 제조할 때, 허니컴 성형체의 크기와 제품의 품질에 상관없이 대면적 제품을 제조할 수 있으며, 대형 허니컴 필터 담체 제품에 대해 성형밀도, 기공율 및 강도를 내, 외벽면에 상관없이 성형체 전체에 골고루 형성되도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조가 휴대용 기기에 장착된 상태를 도시한 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조의 구성을 나타낸 정면도이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조에 의해 성형되는 대형 허니컴 성형체를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조가 휴대용 기기에 장착된 상태를 도시한 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조의 구성을 나타낸 정면도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 의한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조에 의해 성형되는 대형 허니컴 성형체를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명에 의한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조를 이용한 대형 허니컴 성형체의 제조방법을 나타낸 블록도이다.
이하 도면을 참고하여 본 발명에 의한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조의 각 실시예들의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.
제 1 실시 예
도 1에는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조의 구성이 분해 사시도로 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 제 1 실시예를 구성하는 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조의 구성이 정면도로 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조에 의해 성형되는 대형 허니컴 성형체가 사시도로 도시되어 있다.
이들 도면에 의하면, 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조(100)는 크게 지지대(110), 허니컴 압출 금형(120), 외벽 성형 토출부(130), 내벽 성형 토출부(140), 셀 블록(150) 및 압출 원재료 투입 금형(160)으로 구성된다.
지지대(110)는 스테인리스 강, 철 또는 이와 유사한 물질로 제조되어 중앙 부분에 허니컴 압출 금형(120)이 장착될 수 있도록 장착 홀(112)이 형성되고 가장자리가 세라믹스 압출 성형기(도면에 미도시)의 선단에 볼트 등으로 체결되며, 본 실시예에서는 사각판 형상인 것으로 예시한다.
허니컴 압출 금형(120)은 지지대(110)의 중앙에 장착되어 외벽 성형 토출부(130)와 내벽 성형 토출부(140)가 관통 형성되고 셀 블록(150)이 배치되며, 압출 원재료 투입 금형(160)의 피딩 홀(162)을 통해 투입된 원재료가 압출되면서 대형 허니컴 성형체(10)가 성형된다. 이때, 외벽 성형 토출부(130)와, 내벽 성형 토출부(140) 및 셀 블록(150)의 이격 틈으로 원재료가 압출된다. 여기서, 원재료는 세라믹스(ceramics) 등이 사용된다.
외벽 성형 토출부(130)는 허니컴 압출 금형(120)의 바디 표면에 관통 형성되어 대형 허니컴 성형체(10)의 외벽면(12)이 성형되도록 원재료가 압출되는 통로로, 성형하고자 하는 대형 허니컴 성형체(10)의 외면 형상에 따라 사각형 또는 원형 등으로 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 사각형상인 것으로 예시한다.
내벽 성형 토출부(140)는 외벽 성형 토출부(130)의 내측인 허니컴 압출 금형(120)의 바디 표면 중심에 형성되어 대형 허니컴 성형체(10)의 내벽면(14)이 격벽 형태로 성형되도록 원재료가 압출되는 통로로, 일자형, 십자형, 우물정자형 및 격자형 중 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있으며, 형상은 이에 한정하지 않고 변경 실시가 가능하되, 대칭형 또는 비대칭형 등으로도 형성될 수 있다. 한편, 본 실시 예에서의 내벽 성형 토출부(140)는 십자형인 경우를 예시하여 설명한다. 그리고 내벽 성형 토출부(140)의 형상이 일자형이면 외벽 성형 토출부(130)를 2개의 공간으로 분할하고, 십자형이면 외벽 성형 토출부(130)를 4개의 공간으로 분할하고, 우물정자형이면 외벽 성형 토출부(130)를 9개의 공간으로 분할하며, 격자형이면 외벽 성형 토출부(130)를 9개 이상의 공간으로 분할하는 것이다.
이때, 내벽 성형 토출부(140)가 십자(+)형으로 형성되면, 셀 블록(150)에 의해 성형되는 허니컴 셀 사이즈는 50×50mm∼100×100mm 범위 내에 포함되고, 상기 내벽 성형 토출부(140)가 우물정자(#)형이면, 상기 셀 블록(150)에 의한 허니컴 셀 사이즈는 101×101mm∼150×150mm 범위 내에 포함되며, 상기 내벽 성형 토출부(140)가 격자형이면, 상기 셀 블록(150)에 의한 허니컴 셀 사이즈는 151×151mm∼200×200mm 범위 내에 포함된다. 이때, 상기 셀 블록(150)에 의한 허니컴 셀 사이즈는 허니컴 셀 사이즈의 크기에 따라 대형 허니컴 성형체(10)의 내곽과 외곽쪽에 도달하는 원재료의 도달 정도에 따른 실험 결과를 반영한 것이다.
그리고 내벽 성형 토출부(140)의 형상은 대형 허니컴 성형체의 크기에 따라 달라지며, 셀 사이즈는 제조되는 셀 벽과 벽 사이의 간극이기 때문에 성형체의 크기와 무관하며, 사용되는 허니컴 조건에 따라 여러 가지로 셀 사이즈를 제조할 수 있다.
결국, 내벽 성형 토출부(140)는 그 형상에 따라 대형 허니컴 성형체(10)의 허니컴 구조가 사이즈가 다른 허니컴 셀에 따라 조절이 가능하다. 나아가서, 허니컴 셀 사이즈는 셀 벽과 벽 사이의 공간거리를 말하는데, 허니컴 성형체의 셀 밀도에 따라 50셀, 100셀, 200셀, 300셀 500셀 등으로 나뉘어지며, 세라믹 허니컴 담체 사용 목적에 따라 허니컴 성형체 전체 크기가 정해지고 허니컴 내부 셀 사이즈는 1mm에서부터 10mm까지 다양한 크기로 제조한다.
한편, 외벽 성형 토출부(130)와 내벽 성형 토출부(140)는 원재료에 가해지는 압력분포의 분산을 위해 상기 내벽 성형 토출부(140)의 폭(W2)은 상기 외벽 성형 토출부(130)의 폭(W1)과 동일하거나, 상기 내벽 성형 토출부(140)의 폭(W2)은 상기 외벽 성형 토출부(130)의 폭(W1)보다 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 크게 형성되거나, 상기 내벽 성형 토출부(140)의 폭(W2)은 상기 외벽 성형 토출부(130)의 폭(W1)보다 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 작게 형성된다.
셀 블록(150)은 외벽 성형 토출부(130)의 안쪽에서 상기 외벽 성형 토출부(130)를 구획 짓는 내벽 성형 토출부(140)를 통해 분할된 공간 내에 이격 배치되어 대형 허니컴 성형체(10)의 내부가 허니컴 구조를 갖도록 이웃한 틈으로 원재료가 압출되는 통로이다. 이때, 셀 블록(150)은 정사각 기둥 형상인 것으로 예시하였으나 원형 기둥 또는 다각형 기둥 등으로 변경 실시가 가능하다.
압출 원재료 투입 금형(160)은 스테인리스 강, 철 또는 이와 유사한 물질로 제조되어 압출 성형기의 선단에 설치되되, 허니컴 압출 금형(120)과 대응되는 형상으로 상기 허니컴 압출 금형(120)의 후면에 장착되어 압출 원재료가 투입되는 다수의 피딩 홀(162)이 다수 형성된다. 한편, 피딩 홀(162)은 그 중심이 셀 블록(150)의 교차 지점 즉 모서리인 셀 벽(wall) 상에 형성된다.
그리고 대형 허니컴 성형체(10)는 선택적 촉매 환원장치 필터(SCR)용 허니컴 성형체, 디젤엔진 배기가스 저감용 필터(DPF)용 허니컴 성형체, 실리콘 카바이드(SiC) 태양광 흡수기용 실리콘 카바이드 세라믹스 허니컴 성형체, 뮬라이트(Mullite) 세라믹스 허니컴 성형체, 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 세라믹스 허니컴 성형체, 알루미나(Al2O3) 허니컴 성형체, 코디어라이트(Cordierite) 허니컴 성형체 등과 같이 다양한 구조용 세라믹스 허니컴 성형에 적용될 수 있다.
한편, 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조는 지지대(110)의 중심에 형성된 장착 홀(112)에 허니컴 압출 금형(120)과 압출 원재료 투입 금형(160)이 삽입 및 지지되는 것으로 예시하였으나, 지지대 없이 상기 허니컴 압출 금형(120)과 압출 원재료 투입 금형(160)을 상호 체결한 후 사용할 수도 있다.
제 2 실시 예
도 4에는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조의 구성이 분해 사시도로 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 제 2 실시예를 구성하는 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조의 구성이 정면도로 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조에 의해 성형되는 대형 허니컴 성형체가 사시도로 도시되어 있다.
이들 도면에 의하면, 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조(100)는 크게 지지대(210), 허니컴 압출 금형(220), 외벽 성형 토출부(230), 내벽 성형 토출부(240), 셀 블록(250) 및 압출 원재료 투입 금형(260)으로 구성되며, 본 실시 예에서는 지지대(210), 허니컴 압출 금형(220), 외벽 성형 토출부(230), 셀 블록(250) 및 압출 원재료 투입 금형(260)이 앞선 실시 예의 그것과 동일한 구조와 기능을 하므로 상세한 설명은 생략한다.
내벽 성형 토출부(240)는 외벽 성형 토출부(230)의 내측인 허니컴 압출 금형(220)의 바디 표면 중심에 형성되어 대형 허니컴 성형체(10)의 내벽면(14)이 격벽 형태로 성형되도록 원재료가 압출되는 통로로, 일자형, 십자형, 우물정자형 및 격자형 중 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있으며, 형상은 이에 한정하지 않고 변경 실시가 가능하되, 대칭형 또는 비대칭형 등으로도 형성될 수 있다. 한편, 본 실시 예에서의 내벽 성형 토출부(240)는 우물정자형인 경우를 예시하여 설명한다. 그리고 내벽 성형 토출부(240)의 형상이 일자형이면 외벽 성형 토출부(230)를 2개의 공간으로 분할하고, 십자형이면 외벽 성형 토출부(230)를 4개의 공간으로 분할하고, 우물정자형이면 외벽 성형 토출부(230)를 9개의 공간으로 분할하며, 격자형이면 외벽 성형 토출부(230)를 9개 이상의 공간으로 분할하는 것이다.
한편, 외벽 성형 토출부(230)와 내벽 성형 토출부(240)는 원재료에 가해지는 압력분포의 분산을 위해 상기 내벽 성형 토출부(240)의 폭(W2)은 상기 외벽 성형 토출부(230)의 폭(W1)과 동일하거나, 상기 내벽 성형 토출부(240)의 폭(W2)은 상기 외벽 성형 토출부(230)의 폭(W1)보다 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 크게 형성되거나, 상기 내벽 성형 토출부(240)의 폭(W2)은 상기 외벽 성형 토출부(230)의 폭(W1)보다 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 작게 형성된다.
그리고 도면에서 설명하지 않은 부호 212는 장착 홀이고, 262는 피딩 홀이다.
대형 허니컴 성형체의 제조방법
본 발명의 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조를 이용한 대형 허니컴 성형체의 제조방법은 도 1 내지 도 3 및 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조를 이용한 대형 허니컴 성형체의 제조방법은 금형설계 단계(S300), 원료 혼합 단계(S310), 원료 혼련 단계(S320), 압출 성형 단계(S330), 건조 단계(S340), 바인더 제거 단계(S350) 및 소성 단계(S360)를 포함한다.
금형설계 단계(S300)는 대형 허니컴 성형체(10)의 크기(셀 크기)에 따라 금형을 설계하는 단계로, 허니컴 압출 금형(120)에 형성된 외벽 성형 토출부(130)의 형성 폭(W1)과 내벽 성형 토출부(140)의 형성 폭(W2)이 서로 동일하거나, 상기 내벽 성형 토출부(140)의 폭(W2)은 상기 외벽 성형 토출부(130)의 폭(W1)보다 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 크게 형성되거나, 상기 내벽 성형 토출부(140)의 폭(W2)은 상기 외벽 성형 토출부(130)의 폭(W1)보다 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 작게 형성된다.
더욱이, 금형설계 단계(S300)에서는 위에서 설명한 바와 같이 내벽 성형 토출부(140)의 형상에 따라 셀 사이즈가 변경될 수 있으므로 대형 허니컴 성형체(10)의 제조가 가능하다.
원료 혼합 단계(S310)는 대형 허니컴 성형체(10)의 제조에 사용되는 세라믹 원료 분말과 주 바인더와 계면활성제인 보조 바인더를 혼합하는 단계로, 원료 분말은 70~80중량%, 주 바인더는 10~20중량%, 보조 바인더는 5~10중량% 를 가진다. 특히, 세라믹 원료 분말과 주 바인더와 계면활성제인 보조 바인더는 함유량이 너무 많으면 허니컴 성형체의 기계적, 화학적 물성 등이 저하되고, 너무 적게 들어가면 소성가공이 어렵게 된다.
그리고 원료 혼합 단계(S310)는 선택적 촉매 환원장치 필터(SCR)용 허니컴 성형체, 디젤엔진 배기가스 저감용 필터(DPF)용 허니컴 성형체, 실리콘 카바이드(SiC) 태양광 흡수기용 실리콘 카바이드 세라믹스 허니컴 성형체, 뮬라이트(Mullite), 실리콘 나이트라이드(Si3N4), 알루미나(Al2O3), 코디어라이트(Cordierite) 등 다양한 구조용 세라믹스 허니컴 성형체 등의 제조에 사용되는 세라믹 원료 분말과 메칠셀룰로오스(methyl ceiiulose) 일명 MC계로 카르보키시르메치르세르로스(CMC), 메틸 셀룰로오스(MC)계, 히드록시 프로필 메틸 셀룰로오스(HPMC), 히드록시 에틸 메틸 셀룰로오스(HEMC) 등을 주 바인더로 사용하고, 보조 바인더로는 분산제, 가소제, 보습제, 윤활제, 배토 안정화제 역할을 하는 스테아린산(Stearic acid), 베헤닌 산(Behenic acid), 올린산(oleic acid), PEG(Polyethylene glycol), 파라핀왁스(Paraffine wax), 스테아린산(Steric acid) 등의 계면활성제를 사용하여 세라믹 원료분말과 혼합을 실시한다.
원료 혼련 단계(S320)는 세라믹 원료 분말과 주 바인더 및 보조 바인더로 이루어진 원료를 다수 혼련하는 단계로, 세라믹스 원료와 첨가되는 바인더의 균질혼합을 위해 적어도 2차 니딩(kneading) 작업을 실시한다. 이때, 니딩작업을 여러 번 실시할수록 원료의 균질 혼합을 이룰 수 있다.
압출 성형 단계(S330)는 대형 허니컴 성형체(10)를 허니컴 압출 금형(120)을 통해 압출 성형법으로 제조하는 단계로, 피드(Feeder)를 통해서 압출 성형기로 원료가 투입되면, 장비내부 이송 스크류를 통해서 원료가 원활하게 배토된다. 배토된 압출 원료는 허니컴 성형 금형(120)을 통해서 허니컴 형태로 성형되며, 제품의 크기에 따라서 절단하여 다음 건조공정으로 이송된다.
즉, 압출 성형 단계(S330)는 압출 성형기에서 압출 원재료를 공급하면, 압출 원재료가 허니컴 압출 금형(120)의 외벽 성형 토출부(130)와 내벽 성형 토출부(140)로 동시 배출되어 상기 외벽 성형 토출부(130)를 통해 토출되는 원재료는 대형 허니컴 성형체(10)의 외벽면(12)을 형성하게 되고, 상기 내벽 성형 토출부(140)를 통해 토출되는 원재료는 대형 허니컴 성형체(10)의 내벽면(14)을 형성하게 되며, 셀 블록(150)의 이격 틈으로 원재료가 압출되면서 대형 허니컴 성형체(10)의 외, 내벽면(14)의 사이에 셀을 형성하게 된다.
이렇게, 외벽 성형 토출부(130)와 내벽 성형 토출부(140)의 폭이 동일하거나 설정 범위 내에 형성되는 경우, 같은 성형압력 및 속도로 인해 대형 허니컴 성형체(10)에 형성되어 지는 성형 밀도뿐만 아니라 건조 후의 수축이 동시에 일어나기 때문에 내부크랙이 일어나는 현상을 방지할 수 있다. 그리고 후술할 건조된 대형 허니컴 성형체를 열처리하는 단계(S330)를 통한 열처리 공정 후에도 대형 허니컴 성형체(10)의 내부크랙이 형성되어 있지 않기 때문에 제품의 불량률을 최소화할 수 있는 이점이 있다. 이때, 제조된 대형 허니컴 성형체(10)의 건조 및 소성 공정 후의 제품에 대한 안정적인 품질을 확신할 수 있어 기존 제조 금형에 비해 공정 제조단가를 저렴하게 하는 이점이 있다.
하지만, 기존 방식처럼 외벽 성형 토출부(130)의 폭이 내벽 성형 토출부(140)의 폭보다 클 경우, 상기 외벽 성형 토출부(130)를 통해 압출되는 원재료의 속도보다 상기 내벽 성형 토출부(140)를 통한 원재료 압출 속도가 빠르다. 그러므로 압출속도가 빠른 허니컴 성형체의 외벽면에서는 성형체 밀도가 치밀한 반면 허니컴 성형체의 내벽면에서는 성형체 밀도가 낮아 건조시 내벽면의 큰 수축으로 인해 내부 크랙이 형성되는 것이다. 더욱이, 내부 크랙의 존재 여부가 확인되지 않는 허니컴 성형체는 그대로 소성 공정으로 열처리 된다. 따라서, 건조시에 발생하는 불량률과 열처리 소성 공정 후의 불량률이 합해져 제조 단가가 상당히 높아지는 단점이 있다.
이하에서, 본 발명에서 이루고자하는 발명의 효과를 기존 방식을 통해 설명하면 다음과 같다.
즉, 외벽 성형 토출부(130)에서 토출되어 형성된 대형 허니컴 성형체(10)의 외벽면(12) 셀 두께가 내벽 성형 토출부(140)에서 토출되어 형성된 대형 허니컴 성형체(10)의 내벽면(14) 셀 두께보다 두껍기 때문에 상기 외벽 성형 토출부(130)로 압출 원재료가 먼저 토출된다. 그러므로 대형 허니컴 성형체(10)의 외벽면(12)에 형성된 셀의 밀도가 높은 반면 셀 두께가 좁은 내벽면(14)의 셀은 원재료의 토출 과정에서 마찰력에 의한 압출 원재료의 토출량과 토출 속도가 느리므로 셀의 밀도는 상대적으로 낮게 된다.
따라서, 대형 허니컴 성형체(10)가 제조된 대형 허니컴 성형체를 건조하는 단계(S320)에서 건조된 후 수축 과정에서 성형체 내부에 낮은 밀도로 인해 내부 크랙에 의한 결함이 많이 발생하게 된다. 여기서, 대형 허니컴 성형체(10)의 내, 외벽면(12)의 셀 두께를 동일하게 할 수 없는 이유는 성형체 셀 두께가 두꺼워지면 셀을 통한 공기의 원활한 흐름이 방해되고, 환경 저해물질 제거 효율이 떨어지기 때문에 내벽면(14) 셀 두께의 크기는 한정되어 있다. 결국, 외벽면(12)은 내부 셀 벽들을 지지하기 위해 약 두 배의 두께를 가지게 설계되어 있다.
건조 단계(S340)는 압출 성형된 대형 허니컴 성형체를 건조하는 단계로, 마이크로웨이브(MW)파와 열을 이용하여 건조하거나, 열을 달리하면서 1차와 2차 건조를 실시한다.
더욱 상세히 설명하면, 건조 단계(S340)는 허니컴 성형체와 같은 복잡한 구조의 세라믹스 압출 성형체의 경우이므로, 첫 번째 방법으로 마이크로웨이브(MW)를 이용하여 단시간에 대형 허니컴 성형체(10)의 바디에 존재하는 수분을 약 70% 이상 제거하고 나머지 수분은 건조기를 이용하여 약 90∼110℃(바람직하게는 100℃)에서 건조하는 방법이 있는데, 이러한 방법은 기물이 그다지 크지 않은 허니컴을 건조할 때 사용되는 방법이다. 두 번쩨 방법은 대형 세라믹 허니컴 성형체(10)의 건조방법으로 건조기를 이용하여 50~60℃에서 24 시간이상 1차 건조를 실시한 후, 건조기를 이용하여 약 90∼110℃(바람직하게는 100℃)에서 72시간 이상 장시간 2차 건조를 실시하는 방법이다. 이때, 건조 단계(S340) 수행시 항온항습을 실시하여 되도록 이면 성형체 내외부의 균질 건조가 이루어지도록 천천히 건조한다. 이때, 2차 건조는 건조를 장시간 실시해도 무방하나, 적게 건조하는 경우에 습기에 의하여 그 특성이 저하되므로 적어도 72시간 이상 건조하는 것이 바람직하다. 다른 방법으로는 2차 건조시 건조기 상에 허니컴 성형체를 넣은 후 상기 건조기의 온도가 점차 저하되는 과정을 통해서도 건조가 가능하다.
바인더 제거 단계(S350)는 건조된 대형 허니컴 성형체(10)를 열처리를 이용하여 바인더를 제거하는 단계로, 압출성형에서 사용되는 바인더의 경우, 약 400~500℃ 에서 완전 분해 및 제거가 일어나므로 열처리로를 이용하여 바인더를 제거한다. 특히, 바인더 제거 단계(S350)의 열처리로 온도는 통상적으로 적용되고 있다.
소성 단계(S360)는 바인더가 제거된 대형 허니컴 성형체(10)를 사용 용도에 따라 온도를 달리하여 강도를 발현하도록 소성하는 단계로, 상기 대형 허니컴 성형체(10)가 선택적 촉매 환원장치 필터(SCR)용 허니컴 성형체, 디젤엔진 배기가스 저감용 필터(DPF)용 허니컴 성형체, 실리콘 카바이드(SiC) 태양광 흡수기용 실리콘 카바이드 세라믹스 허니컴 성형체, 뮬라이트(Mullite), 실리콘 나이트라이드(Si3N4), 알루미나(Al2O3), 코디어라이트(Cordierite) 등 다양한 구조용 세라믹스 허니컴 성형체 제조에 사용되는 세라믹스 원료에 따라 다양한 소성온도를 가진다.
즉, 상기 선택적 촉매 환원장치 필터(SCR)용 허니컴 성형체는 약 500∼600℃의 온도에서 열처리하고, 상기 디젤엔진 배기가스 저감용 필터(DPF)용 허니컴 성형체와 상기 실리콘 카바이드 세라믹스 허니컴 성형체는 약 1300∼1500℃의 온도에서 열처리하고, 상기 코디어라이트(Cordierite) 허니컴 성형체는 1200~1300℃의 온도에서 열처리하며, 상기 뮬라이트(Mullite) 세라믹스 허니컴 성형체, 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 세라믹스 허니컴 성형체, 알루미나(Al2O3) 허니컴 성형체는 1200~1500℃의 온도에서 열처리한다.
이때, 소성 단계(S360)에서는 사용되는 세라믹스 원료에 따라 열처리 온도가 차이가 나며, 동일한 선택적 촉매 환원장치 필터(SCR)용 허니컴 성형체라도 사용되는 세라믹스의 원료크기 및 소결첨가제의 함량에 따라 소성 온도가 변화된다.
예를 들면, 동일한 선택적 촉매 환원장치 필터(SCR)의 주원료는 TiO2인데 원료크기가 다양하게 사용되며, 크기가 아주 작은 TiO2를 사용하면 온도가 내려가고 굵은 입자를 사용하면 온도가 올라간다. 여기에 첨가되는 촉매로 사용되는 종류도 여러 가지이며, 대표적으로 촉매의 일종인 바나듐(V2O5)의 량이 많아지면, 열처리온도가 내려가고 적게 사용되면 열처리온도가 올라간다. 그리고 실리콘 카바이드 세라믹스의 경우 사용되는 소결첨가제에 따라서 열처리 온도의 범위에 존재하므로 세라믹스 원료가 단독으로 사용되지 않고 주원료에 소결첨가제가 사용되며, 주 원료의 소성온도에 소결첨가제의 사용량에 따라서 소성온도가 정해지는 것이다.
한편, 건조 단계(S340), 바인더 제거 단계(S350) 및 소성 단계(S360) 등에서의 온도 및 시간 한정에 있어 온도가 너무 높으면 열화가 발생하여 좋지 않고, 너무 낮으면 소성 가공이 되지 않기 때문에 실험치에 의한 결과값이다.
10: 대형 허니컴 성형체 12: 외벽면
14: 내벽면 110, 210: 지지대
112, 212: 장착 홀 120, 220: 허니컴 압출 금형
130, 230: 외벽 성형 토출부 140, 140: 내벽 성형 토출부
150, 250: 셀 블록 160, 260: 압출 원재료 투입 금형
162, 262: 피딩 홀

Claims (5)

  1. 바디 일면에 형성되어 대형 허니컴 성형체의 외벽면이 성형되도록 원재료가 압출되는 외벽 성형 토출부;
    상기 외벽 성형 토출부의 내측에 형성되어 상기 대형 허니컴 성형체의 내벽면이 성형되도록 원재료가 압출되는 내벽 성형 토출부;
    상기 내벽 성형 토출부를 통해 분할된 공간 내에 이격되어 배치되는 2개 이상의 셀 블록;
    상기 외벽 성형 토출부, 내벽 성형 토출부 및 셀 블록을 포함하는 허니컴 압출 금형이 장착될 수 있도록 중앙 부분에 장착 홀이 형성되고, 가장자리가 압출 성형기의 선단에 체결되는 지지대; 및
    상기 허니컴 압출 금형의 후면 방향인 상기 장착 홀 내부에 구비되며 압출 원재료가 투입되는 피딩 홀이 다수 형성되되, 각각의 상기 피딩 홀 중심이 이웃한 셀 블록의 교차 지점마다 배치되는 압출 원재료 투입 금형을 포함하며,
    상기 내벽 성형 토출부는 일자형, 십자형, 우물정자형 및 격자형 중 어느 하나의 형상으로 형성되되 상기 내벽 성형 토출부가 십자형이면, 셀 블록에 의한 허니컴 셀 사이즈는 50×50mm 내지 100×100mm이고, 상기 내벽 성형 토출부가 우물정자형이면, 셀 블록에 의한 허니컴 셀 사이즈는 101×101mm 내지 150×150mm이며, 상기 내벽 성형 토출부가 격자형이면, 셀 블록에 의한 허니컴 셀 사이즈는 151×151mm 내지 200×200mm이고,
    상기 셀 블록 상호 간의 이웃한 틈으로 원재료가 압출되고,
    상기 내벽 성형 토출부의 폭은 상기 외벽 성형 토출부의 폭과 동일하거나, 폭의 차이가 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 크게 형성되거나, 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 대형 허니컴 성형체는 선택적 촉매 환원장치 필터(SCR)용 허니컴 성형체, 디젤엔진 배기가스 저감용 필터(DPF)용 허니컴 성형체, 실리콘 카바이드(SiC) 태양광 흡수기용 실리콘 카바이드 세라믹스 허니컴 성형체, 뮬라이트(Mullite) 세라믹스 허니컴 성형체, 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 세라믹스 허니컴 성형체, 알루미나(Al2O3) 허니컴 성형체, 코디어라이트(Cordierite) 허니컴 성형체 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조.
  5. 대형 허니컴 성형체의 셀 크기와, 금형에서 내벽 성형 토출부의 폭은 외벽 성형 토출부의 폭과 동일하거나, 폭의 차이가 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 크게 형성되거나, 0.1mm 내지 2mm 범위로 더 작게 형성되도록 하되, 상기 내벽 성형 토출부가 일자형, 십자형, 우물정자형 및 격자형 중 어느 하나의 형상으로 형성되되 상기 내벽 성형 토출부가 십자형이면, 셀 블록에 의한 허니컴 셀 사이즈는 50×50mm 내지 100×100mm이고, 상기 내벽 성형 토출부가 우물정자형이면, 셀 블록에 의한 허니컴 셀 사이즈는 101×101mm 내지 150×150mm이며, 상기 내벽 성형 토출부가 격자형이면, 셀 블록에 의한 허니컴 셀 사이즈는 151×151mm 내지 200×200mm로 상기 금형을 설계하는 제 1 단계;
    상기 대형 허니컴 성형체의 제조에 사용되는 세라믹 원료 분말과 주 바인더와 계면활성제인 보조 바인더 중 상기 세라믹 원료 분말은 70~80중량%, 상기 주 바인더는 10~20중량%, 상기 보조 바인더는 5~10중량% 로 혼합하는 제 2 단계;
    상기 세라믹 원료 분말과 주 바인더 및 보조 바인더를 적어도 1회 혼련하는 제 3 단계;
    상기 혼련된 압출 원료를 금형에 공급하여 상기 대형 허니컴 성형체를 압출 성형하되, 압출 원재료가 투입되는 압출 원재료 투입 금형의 피딩 홀 중심이 이웃한 셀 블록의 교차 지점마다 각각 배치되어 상기 원료가 상기 피딩 홀을 통해 상기 셀 블록의 교차 지점으로 공급되는 제 4 단계;
    상기 압출 성형된 대형 허니컴 성형체를 천천히 건조하되, 건조기를 이용하여 50~60℃에서 24 시간이상 1차 건조를 실시한 후, 건조기를 이용하여 90∼110℃에서 72시간 이상 장시간 2차 건조를 실시하는 제 5 단계;
    상기 건조된 대형 허니컴 성형체를 열처리를 이용하여 바인더를 제거하는 제 6 단계; 및
    상기 바인더가 제거된 대형 허니컴 성형체를 사용 용도에 따라 온도를 달리하여 소성하는 제 7 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조를 이용한 대형 허니컴 성형체의 제조방법.
KR1020100125180A 2010-12-08 2010-12-08 대형 허니컴 성형체의 내부크랙 방지를 위한 세라믹스 압출 금형 구조 및 그를 이용한 대형 허니컴 성형체의 제조방법 KR101297059B1 (ko)

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