KR101444354B1 - 가압함침용 금형 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 가압함침용 금형은, 피함침체(130)와 용융함침제(140)를 수용하도록 내부가 비어 있으며 입구를 가지는 금형(110); 상기 입구에 내삽되면서 들어가 금형(110) 내부에 가압력을 부여하도록 설치되는 가압펀치; 및 피함침체(130)의 이동이 제한되도록 피함침체(130)를 붙들게 금형(110) 내에 설치되는 이동제한수단(160);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이동제한수단(160)은 피함침체(130)가 내부에 수용되도록 빈 박스형태를 하는 것이 바람직하며, 이 경우 용융함침제(140)가 피함침체(130) 쪽으로 흘러 들어갈 수 있도록 상기 박스의 면에 복수개의 관통공이 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, 피함침체(130)에 용융함침제(140)를 가압함침 시키는 과정에서 피함침체(130)가 측압 및 부력의 영향을 받아 위치나 자세가 변동되는 것을 최소화되기 때문에 생산수율이 향상되며, 또한 복합재료의 정밀 제조를 구현할 수 있게 된다.

Description

가압함침용 금형{Mold which is useful to pressure-impregnation process}
본 발명은 가압함침용 금형에 관한 것으로서, 특히 피함침체에 용융함침제를 가압함침시켜 피함침체 기반의 복합재료를 제조할 때에 피함침체의 위치나 자세가 변동되는 것을 최소화할 수 있는 가압함침용 금형에 관한 것이다.
반도체를 위시한 여러 기술 분야에서 열전도율, 열팽창계수, 및 강도 등을 상대부품과 맞추어서 제품전체의 성능과 내구성을 향상시키고자 하는 목적으로 금속-세라믹, 금속-탄소, 수지-수지, 피치-섬유 등의 복합소재들이 개발되고 있다. 이러한 복합소재를 제조하는 방법 중에 피함침체에 용융함침제를 가압함침시켜 복합소재를 제조하는 가압함침법이 있다.
반도체소자나 LED의 방열을 위하여 탄소기반 알루미늄 복합재료가 사용되는경우가 있는데, 이러한 탄소기반 알루미늄 복합재료가 바로 가압함침법으로 제조될 수 있다. 물론 탄소기반 알루미늄 복합재료는 이외에도 다양한 용도로 사용되기도 한다.
도 1은 탄소기반 알루미늄 복합재료 제조에 사용되는 종래의 가압함침용 금형을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하여 탄소기반 알루미늄 복합재료의 제조방법을 설명하면, 금형(10) 내에 피함침체(30)로서 소정의 공극률을 가지는 탄소 성형체 또는 탄소 소성체를 장입한 다음에 용융함침제(40)로서 용융 알루미늄 합금을 금형(10) 내에 주입한다. 그리고 금형(10)의 입구를 가압펀치(20)로 누르면 가압펀치(20)에 의한 가압력에 의하여 피함침체(30)의 공극내로 용융함침제(40)가 함침되어 피함침체(30) 기반의 복합재료인 탄소기반 알루미늄 복합재료가 얻어진다.
이 때 가압함침하는 과정에서 도 2에서와 같이 몇가지 문제점이 발생한다.
첫째, 도 2a에서와 같이 용융함침제(40)를 금형(10)에 주입하는 과정에서 피함침체(30)에 측압이 발생하여 피함침체(30)가 원하지 않게 옆으로 밀리는 현상이 발생한다. 이러한 측압은 용융함침제(40)가 금형(10)에 주입될 때 용융함침제(40)의 떨어지는 충격에 의하여 발생될 수도 있고, 용융함침제(40)가 주입되는 부위와 그러지 않는 부위 사이에서 용탕의 액면 높이 차이로 인해 발생될 수도 있다.
둘째, 도 2b에서와 같이 피함침체(30)와 용융함침제(40)의 비중 차이에 의해 발생하는 부력에 의해 피함침체(30)가 원하지 않게 위로 떠오르는 현상이 발생한다. 용융함침제(40)로 사용되는 용융 알루미늄 합금이 피함침체(30)인 탄소 성형체 또는 탄소소성체보다 비중이 더 크기 때문에 이러한 현상이 발생하는 것이다.
특히, 도 2c에서와 같이 피함침체(30)를 보호하기 위하여 피함침체(30)를 보호막(50)으로 둘러싸는 경우에 이러한 부력의 영향이 더욱 두드러지게 나타난다.
가압함침을 하기 전에 피함침체(30)인 탄소성형체를 약 300~950℃ 범위에서 예열하는 과정을 거치는데, 이렇게 예열이 이루어진 탄소성형체를 금형(10) 내로 이동시키는 과정에서 탄소성형체에 산소가 닿게 되면 탄소성형체가 원하지 않게 산화되어 버리는 문제가 발생하기도 하고, 또한 금형(10) 내로 이동시키는 과정에서 열이 탄소성형체에서 빠져 나가버리는 문제도 발생하기 때문에, 이러한 문제를 해결하고자 피함침체(30)를 보호막(50)으로 감싸는 것이다. 보호막(50)은 당연히 용융함침제(40)가 통과할 수 있도록 미세 관통공을 갖는 재질로 이루어진다.
상술한 바와 같이 종래의 경우에는 가압함침시에 피함침체(30)에 측압 및 부력이 복합적으로 작용하여 피함침체(30)의 위치 및 자세가 변동되는 문제가 발생한다. 특히 부력에 의하여 피함침체(30)가 떠 있는 상태이기 때문에 피함침체(30)의 이동방향 및 자세변동이 예측할 수 없게 불규칙하다는 점에서 문제가 더욱 심각하다. 금형(10)은 금속과 같이 불투명 재질로 이루어지기 때문에 피함침체(30)의 이러한 위치 및 자세 변동을 작업자가 쉽게 알 수 없다.
통상적으로 가압함침이 완료되면 피함침체(30)를 금형(10)에서 꺼내어 불필요한 부분을 잘라내는 과정을 거치는데, 상술한 바와 같이 가압함침 과정에서 피함침체(30)의 위치 및 자세가 변동되면 가압함침 과정 후 어느 부위를 불필요한 부분으로 잘라 버려야 할 것인지 판단하기 어렵게 된다. 실제 사용되어야 할 부분이 잘려 버려지는 경우에는 생산수율이 저하될 것이고, 잘려 버려져야 할 부분이 오히려 복합재료로 사용되는 경우에는 제품 품질에 대한 신뢰성이 떨어지게 된다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 가압함침과정에서 피함침체가 측압 또는 부력에 의하여 이동되는 것을 방지함으로써 생산수율의 향상 및 복합재료의 정밀제조를 구현할 수 있는 가압함침용 금형을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 가압함침용 금형은,
피함침체와 용융함침제를 수용하도록 내부가 비어 있으며 입구를 가지는 금형;
상기 입구에 내삽되면서 들어가 상기 금형 내부에 가압력을 부여하도록 설치되는 가압펀치; 및
상기 피함침체의 이동이 제한되도록 상기 피함침체를 붙들게 상기 금형 내에 설치되는 이동제한수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 이동제한수단은, 상기 피함침체가 내부에 수용되도록 빈 박스형태를 하는 것이 바람직하며, 이 경우 상기 용융함침제가 상기 피함침체 쪽으로 흘러 들어갈 수 있도록 상기 박스의 면에 복수개의 관통공이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 이동제한수단을 감싸도록 보호막이 설치되는 것이 바람직하며, 이 경우 상기 용융함침제가 상기 보호막을 통과하여 상기 이동제한수단 쪽으로 흘러들어갈 수 있도록 상기 보호막은 상기 용융함침제가 통과될 수 있는 관통공을 가지는 것이 바람직하다.
상기 이동제한수단이 상기 용융함침제보다 비중이 더 큰 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 이동제한수단의 이동이 한정되도록 상기 금형의 내측벽에 안쪽으로 돌출되게 변동억제수단이 설치되는 것이 바람직하다.
상기 변동억제수단은 상기 가압펀치에서 밑으로 돌출되도록 더 설치될 수 있다.
상기 피함침체가 상기 이동제한수단 내에서 움직이지 못하도록 상기 이동제한수단과 상기 피함침체 사이의 틈에 고정편이 삽입되어 끼워지는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 피함침체에 용융함침제를 가압함침 시키는 과정에서 피함침체가 측압 및 부력의 영향을 받아 위치나 자세가 변동되는 것을 최소화되기 때문에 생산수율이 향상되며, 또한 복합재료의 정밀 제조를 구현할 수 있게 된다.
도 1은 탄소기반 알루미늄 복합재료 제조에 사용되는 종래의 가압함침용 금형을 설명하기 위한 도면;
도 2는 종래의 가압함침용 금형의 문제점을 설명하기 위한 도면;
도 3은 본 발명에 따른 가압함침용 금형을 설명하기 위한 도면;
도 4는 피함침체(130)에 이동제한수단(160)과 보호막(150)이 설치되는 과정을 설명하기 위한 도면;
도 5는 피함침체(130)가 이동제한수단(160)에 수납된 상태를 위에서 내려다 본 도면이다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.
도 3은 본 발명에 따른 가압함침용 금형을 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 금형(110)은 피함침체(130)와 용융함침제(140)가 수용될 수 있도록 내부가 비어 있으며 입구에는 가압펀치(120)가 끼워진다. 금형(110)에 피함침체(130)를 장입하고 용융함침제(140)를 주입한 후에 가압펀치(120)로 누르면 그 가압력에 의하여 용융함침제(140)가 피함체(130)의 공극으로 침투하게 된다.
피함침체(130)로는 탄소분말 및 탄소블록 등이 사용될 수 있으며, 이 때 탄소블록이라 함은 공극을 갖도록 탄소분말을 이용하여 벌크형태로 제조된 탄소성형체 또는 탄소소성체를 말한다. 용융합침제(140)로는 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리합금 등이 용융된 것이 사용될 수 있다.
이러한 가압함침 과정에서, 상술한 바와 같이 용융함침제(140)에 의하여 피함침체(130)에 측압 및 부력이 발생하여 피함침체(130)의 위치나 자세가 변동되기 쉽다. 이를 방지하기여 박스형태의 이동제한수단(160)을 마련하여 그 내부공간에 피함침체(130)를 수용시키는 것이다.
그러면 피함침체(130)가 금형(110)보다 작은 이동제한수단(160)의 내부에서만 이동 가능하기 때문에 피함침체(130)의 위치 변동량이 상당히 작아지게 되며, 피함침체(130)의 자세는 거의 변하지 않게 된다. 피함침체(130)가 이동제한수단(160) 내에서도 움직이지 못하도록 도 5에 도시된 바와 같이 피함침체(130)와 이동제한수단(160)과 피함침체(130) 사이의 틈에 고정편(165)을 끼워 삽입시키는 것이 바람직하다.
도 5는 피함침체(130)가 이동제한수단(160)에 수납된 상태를 위에서 내려다 본 도면이다. 고정편(165)으로는 피함침체(130)가 탄소 블록일 경우 피함침체(130)에 오염이 발생하지 않도록 흑연 플레이트(graphite plate)를 사용하는 것이 바람직하다. 도 5의 경우 이동제한수단(160)이 육면체인 경우를 상정하여 도시한 것이지만, 이동제한수단(160)은 여기에 한정되지 않고 원통형이나 기타 다양한 형상의 것이 될 수 있다.
이동제한수단(160)을 설치하면, 이동제한수단(160)이 피함침체(130)보다 더 크기 때문에 피함침체(130)가 금형(110) 내에서 이동하는 종래의 경우에 비교할 때에 이동제한수단(160)이 금형(110) 내에서 이동하는 경우가 공간적으로 더 제약을 받게 되어 이동제한수단(160)의 위치나 자세 변동이 크게 일어나지 않는다.
따라서 이동제한수단(160)의 설치를 통해서 종래의 문제점인 피함침체(130)의 위치 및 자세 변동을 크게 줄일 수 있게 된다. 물론 용융함침제(140)가 피함침체(130) 쪽으로 흘러 들어갈 수 있도록 이동제한수단(160)을 이루는 상기 박스의 면에 복수개의 관통공이 형성되는 것이 바람직하다.
이동제한수단(160)이 측압 및 부력에 의해 움직이지 않도록 이동제한수단(160)은 무거운 재질, 특히 용융함침제(140)보다 비중이 더 큰 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
보호막(150)은 이동제한수단(160)을 감싸도록 설치되며, 용융함침제(140)가 보호막(150)을 통과하여 이동제한수단(160) 쪽으로 흘러들어갈 수 있도록 용융함침제가 통과될 수 있는 미세 관통공이 보호막(150)에 형성된다. 도 4는 피함침체(130)에 이동제한수단(160)과 보호막(150)이 설치되는 과정을 나타낸 것이다.
가압함침을 하기 전에 피함침체(130)를 예열하는 과정을 거친다. 예컨대 피함침체(130)가 탄소성형체인 경우 300~950℃의 온도범위에서 예열하는 과정을 거친다. 이 때 예열이 이루어진 피함침체(130)를 금형(110) 내로 이동시키는 과정에서 피함침체(130)가 산소에 노출되면 피함침체(130)가 원하지 않게 산화되어 버리는 문제가 발생하며, 또한 피함침체(130)를 금형(110) 내로 이동시키는 과정에서 열이 피함침체(130)에서 빠져 나가버리는 문제가 발생하기 때문에, 이를 방지하기 위하여 보호막(150)을 설치하는 것이다.
이렇게 보호막(150)을 설치하면 부력에 의한 영향을 더 받게 되어 이동제한수단(160)이 무겁더라도 측압 및 부력에 이동제한수단(160)의 위치 및 자세가 변동될 염려가 있으므로, 이를 방지하기 위하여 이동제한수단(160)은 금형(110)에 고정되도록 설치되는 것이 바람직하다. 이 때 이동제한수단(160)은 하부블록(170)에 용접 등을 통하여 고정되도록 설치되는 것이 바람직하다.
하부블록(170)은 금형(110)의 입구에 대향하도록 금형(110)의 밑면에 형성된 관통공에 삽탈 가능하게 설치된다. 하부블록(170)은 가압함침 공정이 끝난 후에 이동제한수단(160)을 위로 밀어 올려내기 위한 것이며, 이러한 동작을 통해서 이동제한수단(160)이 금형(110)의 외부로 반출된다.
이동제한수단(160)의 위치나 자세 변동을 더욱 방지하기 위하여 금형(110)의 내측벽과 위쪽벽에 안쪽으로 돌출되는 변동억제수단(115, 125)을 설치하는 것이 바람직하다. 여기서 금형(110)의 위쪽벽이라 함은 가압펀치(120)의 밑면을 의미한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 피함침체(130)에 용융함침제(140)를 가압함침 시키는 과정에서 피함침체(130)가 측압 및 부력의 영향을 받아 위치나 자세가 변동되는 것을 최소화되기 때문에 생산수율이 향상되며, 또한 복합재료의 정밀 제조를 구현할 수 있게 된다.
10, 110: 금형
20, 120: 가압펀치
115, 125: 변동억제수단
30, 130: 피함침체
40, 140: 용융함침제
50, 150: 보호막
160: 이동제한수단
165: 고정편
170: 하부블록

Claims (8)

  1. 피함침체와 용융함침제를 수용하도록 내부가 비어 있으며 입구를 가지는 금형;
    상기 입구에 내삽되면서 들어가 상기 금형 내부에 가압력을 부여하도록 설치되는 가압펀치; 및
    상기 피함침체의 이동이 제한되도록 상기 금형 내에 설치되는 이동제한수단; 을 포함하되,
    상기 이동제한수단은 상기 피함침체를 둘러싸면서 사방이 막힌 빈 박스 형태를 하며, 상기 박스의 면에는 관통공이 형성되고, 상기 이동제한수단은 상기 금형과의 사이에 간극이 존재하도록 상기 금형보다 작은 크기의 외형을 가져서 상기 가압펀치에 의한 가압력에 의하여 상기 용융함침제가 상기 이동제한수단의 내부로 흘러들어갈 수 있도록 설치되며,
    상기 이동제한수단을 감싸도록 보호막이 더 형성되고, 상기 용융함침제가 상기 보호막을 통과하여 상기 이동제한수단 내부로 흘러들러갈 수 있도록 상기 보호막은 상기 용융함침제가 통과될 수 있는 관통공을 가지는 것을 특징으로 하는 가압함침용 금형.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 금형의 밑면에 관통공이 형성되고, 상기 관통공을 막도록 상기 금형의 밑면에 하부블록이 삽탈 가능하게 설치되며, 상기 금형의 입구는 상기 금형의 윗면에 설치되며, 상기 이동제한수단은 상기 하부블록에 고정되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 가압함침용 금형.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 이동제한수단이 상기 용융함침제보다 비중이 더 큰 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가압함침용 금형.
  6. 제1항에 있어서, 상기 이동제한수단의 이동이 한정되도록 상기 금형의 내측벽에 안쪽으로 돌출되게 변동억제수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 가압함침용 금형.
  7. 제6항에 있어서, 상기 변동억제수단이 상기 가압펀치에서 밑으로 돌출되도록 더 설치되는 것을 특징으로 하는 가압함침용 금형.
  8. 제1항에 있어서, 상기 피함침체가 상기 이동제한수단 내에서 움직이지 못하도록 상기 이동제한수단과 상기 피함침체 사이의 틈에 고정편이 삽입되어 끼워지는 것을 특징으로 하는 가압함침용 금형.
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