KR101458027B1 - Manufacturing method of ceramics coated metal - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금속과 세라믹이 계면을 사이에 두고 연결되는 금속 세라믹 복합체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 별도의 접착제 등을 사용하지 않고 금속 세라믹 복합체를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for manufacturing a metal-ceramic composite in which a metal and a ceramic are interposed between the interfaces, and more particularly, to a method for manufacturing a metal-ceramic composite without using an adhesive or the like.
금속은 가공성이 우수하여 고정밀 부품등의 제조에 적합하며, 각각의 금속 마다 고유의 특성들을 가지고 있다.The metal is excellent in workability and is suitable for the production of high-precision parts and the like, and each metal has unique characteristics.
세라믹은 내마모성 내구성 등이 우수하여 다양한 분야에 적용되고 있으나, 가공성과 치수정밀도에 있어서 금속보다는 취약한 단점을 가지고 있다.Ceramics have excellent abrasion resistance and durability and are applied to various fields, but they are weaker than metals in processability and dimensional accuracy.
제품의 특성에 따라서 금속으로 기본 형상을 형성하고 표층 또는 일부에만 세라믹을 접합할 필요성이 있는데, 금속 표면에 세라믹을 직접 형성하는 것이 용이하지 않아 별도의 접착제 등을 사용하고 있었다. 그런데 접착제를 사용하는 부착력을 확보하기가 어려우며, 특히 금속의 표면이 복잡한 형상을 가지는 경우 그 형상에 대응하는 세라믹 부품을 제조해야 하는 어려움이 있었다.It is necessary to form a basic shape by metal according to the characteristics of the product and to bond the ceramic only to the surface layer or a part thereof. Since it is not easy to directly form the ceramic on the metal surface, a separate adhesive or the like is used. However, it is difficult to secure an adhesive force using an adhesive, and in particular, when the surface of a metal has a complicated shape, it has been difficult to manufacture a ceramic part corresponding to the shape.
또한, 접착제의 접착강도가 금속이나 세라믹의 강도보다 취약하여 금속과 세라믹의 계면 분리가 일어나는 문제점을 가지고 있었다.Further, the adhesive strength of the adhesive is weaker than the strength of the metal or the ceramic, so that the interface separation of the metal and the ceramic occurs.
관련선행기술로는 대한민국 공개특허 특1989-0008058호 (공개일자 1989년 7월 8일)이 있다.
A related prior art is Korean Patent Publication No. 1989-0008058 (published on July 8, 1989).
본 발명의 목적은 별도의 접착제 등을 사용하지 않고 금속 재질과 세라믹 재질이 접합되어 형성된 금속 세라믹 복합체를 제조할 수 있는 방법을 제공함에 있다.
It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a metal-ceramic composite body formed by joining a metal material and a ceramic material without using an adhesive or the like.
본 발명은 금속 재질과 세라믹 재질이 계면으로 접합된 금속 세라믹 복합체를 형성하기 위한 방법에 있어서,The present invention provides a method for forming a metal-ceramic composite in which a metal material and a ceramic material are bonded to each other at an interface,
금속 재질의 베이스체를 마련하는 단계; 상기 금속 베이스체의 계면에 세라믹 분말을 충돌시켜 세라믹 분말의 충돌 에너지로 세라믹 분말이 베이스체의 표면에 부착되도록 하는 접합층 형성 단계; 상기 접합층에 슬러리를 도포하고 건조하여 원하는 형상의 모양체를 형성하는 세라믹 모양체 형성 단계; 및 상기 모양체를 소결하여 세라믹을 형성하는 소결 단계;를 포함하는 금속 세라믹 복합체 제조 방법을 제공한다.Providing a metal base body; A bonding layer forming step of causing the ceramic powder to collide with the interface of the metal base body to cause the ceramic powder to adhere to the surface of the base body with the impact energy of the ceramic powder; Applying a slurry to the bonding layer and drying the ceramic body to form a cured body having a desired shape; And sintering the ciliary body to form a ceramic.
상기 접합층 형성 단계는 상기 세라믹 분말 분사 노즐 또는 상기 베이스체를 이동시키며 이루어지는 것이 바람직하며,The bonding layer forming step may be performed by moving the ceramic powder injection nozzle or the base body,
상기 접합층 형성 단계 이전에, 상기 베이스체의 계면 테두리에 보호층을 형성하는 마스킹 단계를 더 포함할 수 있다.And a masking step of forming a protective layer on an interface rim of the base body before the bonding layer forming step.
상기 세라믹 분말은 금속 산화물 또는 금속 질화물을 사용할 수 있으며,The ceramic powder may be a metal oxide or a metal nitride,
상기 접합체 형성 단계는 감압 챔버에서 이루어지는 것이 바람직하다.It is preferable that the step of forming the bonded body is performed in a decompression chamber.
그리고, 상기 접합층 형성 단계에서 사용되는 상기 세라믹 분말은 500~600 매쉬의 입자크기를 가지며, 300~400m/s 속도로 충돌하는 것이 바람직하다.
The ceramic powder used in the bonding layer forming step has a particle size of 500 to 600 mesh and preferably collides at a speed of 300 to 400 m / s.
본 발명에 따른 금속 세라믹 복합체 제조방법는 별도의 접착제를 사용하지 않고, 금속의 표면에 직접 세라믹이 접합된 금속 세라믹 접합체를 제조할 수 있는 효과를 가져온다.
The method of manufacturing a metal-ceramic composite according to the present invention can produce a metal-ceramic bonding body in which a ceramic is directly bonded to the surface of a metal without using an adhesive.
도 1은 본 발명에 따른 금속 세라믹 복합체 제조방법을 나타낸 공정순서도,
도 2는 본 발명에 따른 금속 세라믹 복합체 제조방법을 위한 제조장치를 나타낸 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 금속 세라믹 복합체 제조방법을 통한 금속 세라믹 복합체 형성 과정을 나타낸 도면임.FIG. 1 is a flow chart showing a process for producing a metal-ceramic composite according to the present invention,
FIG. 2 is a view showing a manufacturing apparatus for a method of manufacturing a metal-ceramic composite according to the present invention,
3 is a view illustrating a process of forming a metal-ceramic composite body by the method of manufacturing a metal-ceramic composite body according to the present invention.
이하 본 발명의 실시예에 따른 금속 세라믹 복합체 제조방법에 관하여 도면을 참조하여 상세하게 살펴본다.Hereinafter, a method of manufacturing a metal-ceramic composite according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명에 따른 금속 세라믹 복합체 제조방법을 나타낸 공정순서도이다.1 is a process flow diagram illustrating a method for manufacturing a metal-ceramic composite according to the present invention.
본 발명에 따른 금속 세라믹 복합체 제조방법은 금속 재질과 세라믹 재질이 계면으로 접합된 금속 세라믹 복합체를 제조하기 위한 것으로, 별도의 접착제를 사용하지 않고 세라믹 분말을 이용하여 접합층을 형성한 후, 그 위에 세라믹 모양체를 형성하는 것을 특징으로 한다.The method for manufacturing a metal-ceramic composite according to the present invention is for producing a metal-ceramic composite in which a metal material and a ceramic material are bonded to each other at an interface. A bonding layer is formed using ceramic powder without using an adhesive, Thereby forming a ceramic crown.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 세라믹 복합체 제조방법은,As shown in the figure, the method for manufacturing a metal-ceramic composite according to the present invention comprises:
금속 재질의 베이스체를 마련하는 금속 베이스체 마련 단계(S-10)와, 상기 베이스체의 계면 테두리에 보호층을 형성하는 마스킹 단계(S-20)와, 상기 금속 베이스체의 계면에 세라믹 분말을 충돌시켜 세라믹 분말의 충돌 에너지로 세라믹 분말이 베이스체의 표면에 부착되도록 하는 접합층 형성 단계(S-30)와, 상기 접합층에 슬러리를 도포하고 건조하여 원하는 형상의 모양체를 형성하는 세라믹 모양체 형성 단계(S-40)와, 상기 모양체를 소결하여 세라믹을 형성하는 소결 단계(S-50)를 포함한다.(S-10) for forming a metal base body; a masking step (S-20) for forming a protective layer on an interface rim of the base body; a step of forming a ceramic powder (S-30) for causing the ceramic powder to adhere to the surface of the base body with the impact energy of the ceramic powder by colliding with the ceramic body, and a step of forming a ceramic cured body (S-40), and a sintering step (S-50) for sintering the ciliary body to form a ceramic.
마스킹 단계(S-20)는 선택적으로 수행되는 단계로, 도면에서 점선으로 표시하였다.The masking step (S-20) is an optional step, indicated by a dotted line in the figure.
마스킹 단계(S-20)는 접합층이 형성되는 부분과, 접합층이 형성되지 않아야 하는 부분을 구별하여, 접합층이 형성되지 않아야 되는 부분의 표면에 테이프를 부착하거나 도료를 도포하여, 마스킹된 부분에 접합층이 형성되지 않도록 하는 것으로, 금속 재질 베이스체의 표면 전체에 접합층이 형성되어야 하는 경우, 또는 별도의 마스킹 없이도 접합층이 형성되어야 하는 부분과, 접합층 형성이 필요치 않은 부분이 물리적으로 단차등으로 구분되어 있는 경우 등에는 필요치 않게 된다.In the masking step (S-20), a portion where the bonding layer is formed and a portion where the bonding layer should not be formed are distinguished from each other, and a tape is applied to the surface of the portion where the bonding layer should not be formed, A portion where a bonding layer is to be formed on the entire surface of the metal base body or a portion where a bonding layer is to be formed without separate masking and a portion where a bonding layer is not required is formed in a physical It is not necessary in the case of being divided into steps or the like.
접합층 형성 단계(S-30)는 세라믹 분말을 금속 입자에 충돌시켜, 세라믹 분말의 충돌 에너지를 이용하여 세라믹 분말이 금속 재질 베이스체 표면에 침입하며 부착되도록 하는 것으로, 결과적으로 세라믹 분말들로 세라믹 코팅막이 형성되도록 하는 것이다.In the bonding layer forming step (S-30), the ceramic powder is caused to collide with the metal particles, and the ceramic powder penetrates into the surface of the metal material body by using the collision energy of the ceramic powder. As a result, Thereby forming a coating film.
이 때, 세라믹 분말의 입자의 크기는 500~600 매쉬 범위인 것이 바람직하다.In this case, the size of the ceramic powder preferably ranges from 500 to 600 mesh.
또한, 세라믹 분말의 입자 크기가 상기와 같은 범위일 때, 세라믹 분말의 충돌속도(분사속도)는 300~400m/s 범위인 것이 바람직하다.When the particle size of the ceramic powder is in the range as described above, the impact speed (injection speed) of the ceramic powder is preferably in the range of 300 to 400 m / s.
입자의 크기와 속도는 충돌 에너지와 관련되는 것으로, 입자크기가 상기 범위일 때 충돌속도가 300m/s 미만인 경우 세라믹 입자가 금속 재질 베이스체에 접합되지 못하며, 400m/s 속도를 초과하도록 하는 것은 에너지의 소비가 너무 커져서 비효율적이다.Particle sizes and velocities are related to the collision energy. When the particle size is in the above range, the ceramic particles can not be bonded to the metal material body when the impact velocity is less than 300 m / s, Is too large to be inefficient.
입자의 크기가 상기 범위 보다 작은 경우 질량이 너무 작아져서 충돌시 더 큰 속도가 요구되므로 바람직하지 않고, 입자의 크기가 상기 범위보다 큰 경우 자중으로 인하여 분사의 조절이 용이하지 않다.When the particle size is smaller than the above range, the mass becomes too small and a larger velocity is required at the time of impact, which is not preferable. When the particle size is larger than the above range, it is difficult to control the injection due to its own weight.
세라믹 입자는 베이스체를 형성하는 금속 재질 및 세라믹 입자와 반응성을 가지지 않는 캐리어 가스를 사용하여 분사된다.The ceramic particles are injected using a metal material forming the base body and a carrier gas having no reactivity with the ceramic particles.
즉, 캐리어 가스에 세라믹 입자를 날려 분사하는 것이다.That is, the ceramic particles are blown off to the carrier gas.
금속 재질 베이스체의 표면에 세라믹 입자로 형성된 접합층이 형성되면, 접합층에 슬러리를 도포하여 세라믹 모양체를 형성한다.When a bonding layer formed of ceramic particles is formed on the surface of the metal base body, the ceramic body is formed by applying slurry to the bonding layer.
금속의 표면에 직접 슬러리를 도포할 경우, 부착력이 약하여 도포가 잘 이루어지지 않고, 도포된 후 소결하여도 부착 강도가 약하여 작은 충격에도 계면 분리가 이루어지는 문제점을 나타낸다.When the slurry is directly applied to the surface of the metal, the adhesion is weak and the application is not performed well. Even when the slurry is applied and sintered, the interface strength is weak and the interface is separated even with a small impact.
본 발명의 경우, 금속 표면에 세라믹 입자가 침투하여 세라믹 코팅층인 접합층을 형성하게 되고, 접합층의 표면에 슬러리를 도포하게 되므로 소결에 의하여 슬러리가 접합층과 일체화 되므로 계면에서 충분한 접합 강도를 확보할 수 있다.In the case of the present invention, ceramic particles penetrate the metal surface to form a bonding layer which is a ceramic coating layer. Since the slurry is applied to the surface of the bonding layer, the slurry is integrated with the bonding layer by sintering, can do.
슬러리를 도포한 후, 절삭 등의 가공 방법을 이용하여 원하는 형상의 모양체를 형성하고, 소결하여 금속 세라믹 접합체를 제조하게 된다.
After the slurry is applied, a ciliary body having a desired shape is formed by a machining method such as cutting, and sintered to produce a metal-ceramic bonded body.
도 2는 본 발명에 따른 금속 세라믹 복합체 제조방법을 위한 제조장치를 나타낸 구성도이다.2 is a block diagram showing a manufacturing apparatus for a method of manufacturing a metal-ceramic composite according to the present invention.
도시한 도면은, 본 발명에 따른 금속 세라믹 복합체 제조방법의 접합층 형성에 사용되는 장치의 일예를 나타낸 것이다.The drawings show an example of a device used for forming a bonding layer in the method for producing a metal-ceramic composite according to the present invention.
상술한 바와 같이, 접합층은 세라믹 분말을 캐리어 가스를 이용하여 금속 재질의 베이스체의 표면에 충돌 시키게 되는데, 이 때 일정한 충돌 속도를 유지하기 위해서는, 이러한 과정이 감압 챔버(110) 내부에 이루어지는 것이 바람직하다.As described above, the bonding layer collides the ceramic powder with the surface of the metal body using the carrier gas. In order to maintain a constant collision speed at this time, this process is performed inside the
또한, 세라믹 분말의 고속 분말을 위해서는 분사노즐(135)을 사용하게 되는데, 이 때 분사노즐에 의하여 발생하는 충돌 영역은 매우 작은 면적을 가지게 된다.In addition, a
따라서, 분사노즐(135) 또는 금속 재질 베이스체(310)를 이동시키면서 충돌영역을 계면 전체로 이동시켜야 한다.Therefore, the impact region must be moved to the entire interface while moving the
이를 위해서는 도시한 바와 같이 노즐이송수단(140)이나, 베이스체 이동수단(120)을 구비해야 하며, 이들은 모두 감압 챔버(110)의 내부에 배치되어야 한다.For this purpose, as shown in the drawing, the nozzle transferring means 140 and the base body transferring means 120 must be provided, and they must all be disposed inside the
또한, 베이스체 이동수단(120)의 경우에는 베이스체(310)를 고정하기 위한 고정지그(122)를 구비할 수 있고, 고정지그(122)는 5자유도(직교 3축, 회전 2축)로 이동가능한 것이 바람직하다.In the case of the base body moving means 120, a fixing jig 122 for fixing the
베이스체의 계면이 입체적인 형상을 가질 경우, 5자유도로 고정지그(122)를 이동시키며 충돌영역이 계면 전체를 채워 나갈수 있도록 이동시키게 된다.When the interface of the base body has a three-dimensional shape, the fixing jig 122 is moved in five degrees of freedom and the impact region is moved so as to fill the entire interface.
감압챔버(110) 내부의 분사노즐(135)은 캐리어가스탱크(130)와, 연결관(132)으로 연결되며, 연결관 상에는 분말공급기(140)가 연결된다. 분말공급기(140)는 압송되는 캐리어 가스에 세라믹 분말을 공급하는 역할을 수행한다. 이 때 분말공급기(140)를 통해 공급되는 세라믹 분말은 금속 질화물 또는 금속 산화물일 수 있다.The
또한, 감압챕버(110)는 내부가 감압된 상태를 유지하도록 하는 진공수단(150)에 연결된다. 진공수단(150)으로는 진공펌프, 로터리 펌프 등이 사용될 수 있다.
In addition, the
도 3은 본 발명에 따른 금속 세라믹 복합체 제조방법을 통한 금속 세라믹 복합체 형성 과정을 나타낸 도면이다.3 is a view illustrating a process of forming a metal-ceramic composite body by the method of manufacturing a metal-ceramic composite body according to the present invention.
도시한 도면은 금속 재질 베이스체에서부터 금속 세라믹 복합체가 형성되는 과정을 나타낸 것이다.The drawing shows a process of forming a metal-ceramic composite from a metal base body.
먼저, 금속 재질 베이스체는 주조, 단조, 절삭 등의 알려진 금속 가공 방법을 통해여 원하는 형상으로 가공된다.First, the metal base body is processed into a desired shape through known metal working methods such as casting, forging, and cutting.
원하는 형상의 베이스체(310)가 마련되면, 세라믹과 접합되는 계면이 일부인 경우, 계면의 테두리부분(또는 계면을 제외한 전체)에 마스크(320)를 형성한다. 마스크(320)는 테이프를 이용하여 부착될 수 있으며, 도료를 이용하여 도포될 수도 있다.When the
마스킹이 완료되면, 베이스체(310)의 계면에 세라믹 입자를 충돌시켜 접합층(330)을 형성한다. 접합층(330)의 형성이 완료되면, 마스크(32)를 제거하고, 접합층(330) 상에 슬러리(34)를 도포한다. 슬러리(340) 도포는 반죽 상태의 슬러리를 도포하는 형태가 될 수도 있고, 주형틀을 이용하여 슬러리를 접합층(330) 상에 형성할 수도 있다. 여기서 도포라는 용어는 접합층(330)의 위에 올려진다는 포괄적인 개념으로 해석해야 한다.When the masking is completed, ceramic particles are collided with the interface of the
슬러리를 건조시켜 원하는 형상의 모양체(350)를 형성하고, 이를 소결하면 접합층(330)과 슬러리가 일체화 되어 금속 세라믹 복합체가 형성된다.
The slurry is dried to form a
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 세라믹 복합체 제조방법은 별도의 접착제를 사용하지 세라믹 입자를 고속으로 충돌시켜 금속 재질 베이스체의 계면에 세라믹 코팅층인 접합층을 형성한 후, 접합층 상에 세라믹 모양체를 일체로 형성함으로써, 접합 강도가 우수한 금속 세라믹 복합체를 제조할 수 있도록 한다.
As described above, in the method of manufacturing a metal-ceramic composite according to the present invention, ceramic particles are collided at a high speed without using an adhesive to form a bonding layer, which is a ceramic coating layer, on the interface of the metal base body, By forming the ciliary body integrally, it is possible to produce a metal-ceramic composite having excellent bonding strength.
S-10 : 베이스체 마련 단계
S-20 : 마스킹 단계
S-30 : 접합층 형성 단계
S-40 : 모양체 형성 단계
S-50 : 소결 단계S-10: Base body preparation step
S-20: Masking step
S-30: bonding layer forming step
S-40: Ciliary body forming step
S-50: Sintering step
Claims (8)
금속 재질의 베이스체를 마련하는 단계;
상기 금속 베이스체의 계면에 세라믹 분말을 충돌시켜 세라믹 분말의 충돌 에너지로 세라믹 분말이 베이스체의 표면에 부착되도록 하는 접합층 형성 단계;
상기 접합층에 세라믹 분말을 포함하는 슬러리를 도포하고 건조하여 원하는 형상의 모양체를 형성하는 세라믹 모양체 형성 단계;
상기 모양체를 소결하여 세라믹을 형성하는 소결 단계;를 포함하며,
상기 접합층 형성 단계는 상기 세라믹 분말 분사 노즐 또는 상기 베이스체를 이동시키며 감압 챔버에서 이루어지고,
상기 세라믹 분말로는 500~600 매쉬의 입자크기를 가지는 금속 산화물 또는 금속 질화물을 사용하고, 300~400m/s 속도로 충돌하는 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 복합체 제조방법.
A method for forming a metal ceramic composite in which a metal material and a ceramic material are bonded to each other at an interface,
Providing a metal base body;
A bonding layer forming step of causing the ceramic powder to collide with the interface of the metal base body to cause the ceramic powder to adhere to the surface of the base body with the impact energy of the ceramic powder;
Applying a slurry containing a ceramic powder to the bonding layer and drying the ceramic slurry to form a ciliary body having a desired shape;
And a sintering step of sintering the ciliary body to form a ceramic,
Wherein the bonding layer forming step is performed in the decompression chamber by moving the ceramic powder injection nozzle or the base body,
Wherein the ceramic powder is a metal oxide or a metal nitride having a particle size of 500 to 600 mesh and impacts at a speed of 300 to 400 m / s.
상기 접합층 형성 단계 이전에,
상기 베이스체의 계면 테두리에 보호층을 형성하는 마스킹 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 세라믹 복합체 제조방법.
The method according to claim 1,
Before the bonding layer forming step,
And a masking step of forming a protective layer on an interface rim of the base body.
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