KR101476887B1 - 분말사출성형방법 및 이에 따른 분말사출성형품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분말사출성형방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 반구형 또는 원통형의 성형품을 제작할 수 있는 분말사출성형방법 및 이에 따른 분말사출성형품에 관한 것이다. 상기 분말사출성형방법은 원재료 분말을 혼합하는 원료혼합단계, 상기 원재료 분말 및 결합제(Binder)를 일정 온도에서 혼합하는 혼련단계, 반구형 또는 원통형의 금형, 금형코아 및 상기 금형코아 외측에 위치하며, 다수의 돌기가 격자형태로 형성된 플라스틱 인서트를 포함하는 사출성형금형에 상기 원재료 분말과 결합제를 사출하는 사출단계, 상기 사출단계에 의해 생성된 사출성형품을 용매 탈지 및 열간 탈지하여 상기 결합제 및 상기 플라스틱 인서트를 제거하는 탈지단계 및 상기 탈지단계 후 상기 사출성형품을 고온에서 가열하여 원재료 분말들을 확산에 의하여 치밀화시키는 소결단계를 포함한다. 이와 같은 방법으로 사출성형품의 형상을 나타내는 플라스틱 인서트를 소모품으로 사용하여 금형코아의 마모를 최소화하고 금형동작을 단순화하여 금형의 수명을 연장한 분말사출성형방법 및 이에 따른 분말사출성형품을 제공할 수 있다.

Description

분말사출성형방법 및 이에 따른 분말사출성형품{A method for powder injection molding and powder injection molded part}

본 발명은 분말사출성형방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 반구형 또는 원통형의 성형품을 제작할 수 있는 분말사출성형방법 및 이에 따른 분말사출성형품에 관한 것이다.

일반적으로 대부분의 포탄은 이미 형성된 파편이 비산하거나 폭압으로 생성된 파편이 비산하도록 되어있다. 폭압으로 파편을 형성하는 포탄은 외피 내부에 일정한 크기로 날카로운 노치를 만들어서 폭발시 원하는 크기와 형상을 갖는 파편을 형성할 수 있다.

폭압으로 포탄의 외피를 파편으로 형성하는 포탄의 외피는 다양한 방법으로 제작될 수 있으며, 그 방법들에 대해 하기에 설명한다.

먼저, 첫 번째 방법은 파편의 소재가 되는 강(Steel)이나 텅스텐(W)에 니켈(Ni)과 철(Fe) 또는 구리(Cu)를 합금화 시킨 텅스텐중합금(Tungsten heavy alloy) 판재의 표면에 적당 크기의 노치가공을 한 후 프레스 성형으로 반구형 형상의 외피를 제조하거나 판재를 말아서 원통형 외피를 제조하게 된다. 프레스 성형으로 반구형 외피를 제조하는 경우 소재가 소성변형이 되므로 잔류응력이 발생하게 되며, 변형량이 부위에 따라 다르기 때문에 파편의 크기가 달라지는 단점이 있다.

또한, 판재를 말아서 원통형 외피를 제조하는 경우에는 접합면을 용접해야 하기 때문에 용접부의 비균질성에 의하여 폭압으로 파편을 생성하는 경우 파편의 생성이 360도 방향으로 균일하게 생성되지 않는 단점이 있다.

두 번째 방법은 기 제조된 반구형이나 원통형 외피 내부에 노치를 기계가공 등의 방법을 이용하여 구현하는 것으로 이 경우 가공이 어렵기 때문에 가공시간이 길고 가공비용이 높다는 단점을 갖는다.

따라서, 상기 방법들의 단점들을 극복하기 위한 제작방법으로 분말사출성형방법이 사용될 수 있다.

일반적으로 분말사출성형은 플라스틱 사출 성형 기술의 장점과 분말야금의 장점을 결합시킨 신 부품성형기술이다. 상기 분말사출성형은 플라스틱 사출 성형 기술의 큰 장점인 3차원 정밀형상의 대량생산성과 분말야금 기술의 큰 장점인 고융점 재료(주로 1000℃ 이상)의 성형성을 모두 가지고 있다. 또한, 상기 분말사출성형은 일반 철합금은 물론 비철합금, 융점이 매우 높은 내열 금속인 텅스텐, 몰리브덴 및 텅스텐중합금계 그리고 초경 및 세라믹 소재 까지도 후 가공이 거의 없이 3차원의 원하는 형상을 일괄적으로 성형할 수 있다.

일반적인 사출성형금형은 내부에 제품을 성형할 수 있는 성형공간을 포함하는 것으로 사출성형 후 성형공간에 성형된 성형물을 금형 외부로 빼낼 수 있도록 상호 분리 가능한 복수의 금형이 합체되어 이루어진다. 여기서, 상기 금형 중 외형이 복잡한 성형물의 경우에는 이를 용이하게 빼낼 수 있도록 하기 위해 합체된 금형을 분리하는 과정에서 성형물이 회전되도록 하거나 금형의 일부가 회전되도록 하는 방법도 있다.

한편, 종래에는 분말사출성형방법을 이용하여 반구형 성형물 내면에 노치를 형성할 수 있는 금형 제작방법이 제시 되었으며, 제안된 금형의 경우 사출성형 후 반구형 사출성형품을 금형으로부터 빼내기 위하여 복수개의 금형코아를 사용하였다. 여기서, 복수개의 날카로운 노치(notch)를 갖는 금형코아를 사용하는 경우 복수개의 금형코아가 매번 분리 및 합체하는 동작을 거쳐야 하므로 작동 중 파손의 위험이 높고 사출성형 중 날카로운 노치가 쉽게 무뎌져서 금형 수명이 짧다는 단점을 가진다.

따라서, 위에 언급된 단점을 극복하기 위한 분말사출공정방법을 개발할 필요가 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면 사출성형품의 형상을 성형하기 위한 플라스틱 인서트를 소모품으로 사용하여 금형코아의 마모를 최소화하고 금형 동작을 단순화하여 금형의 수명을 연장한 분말사출성형방법 및 이에 따른 분말사출성형품을 제공하기 위한 것이다.

상술한 본 발명의 실시예들에 따른 분말사출성형방법은 원재료 분말을 혼합하는 원료혼합단계, 상기 원재료 분말 및 결합제(Binder)를 일정 온도에서 혼합하여 분말 및 결합제의 혼합체인 피드스탁(Feedstock)을 제작하는 혼련단계, 반구형 또는 원통형의 금형, 금형코아 및 상기 금형코아 외측에 위치하며, 다수의 돌기가 격자형태로 형성된 플라스틱 인서트(Insert)를 포함하는 사출성형금형의 캐비티에 상기 원재료 분말과 결합제를 혼합한 피드스탁을 사출하는 사출단계, 상기 사출단계에 의해 생성된 사출성형품을 용매 탈지 및 열간 탈지하여 상기 결합제 제거 및 상기 플라스틱 인서트를 제거시키는 탈지단계 및 상기 탈지단계 후 상기 사출성형품을 고온에서 가열하여 원재료 분말을 결합시키는 소결단계를 포함한다.

일 실시예에 따른, 상기 플라스틱 인서트는 상기 사출성형품 내부에 소정의 형상을 형성한다.

일 실시예에 따른, 상기 금형코아는 반구형 또는 원통형의 형태를 형성한다.

일 실시예에 따른, 상기 사출성형품은 강(Steel) 또는 텅스텐, 니켈 및 철 또는 구리 분말로 구성된 텅스텐중합금을 원재료로 사용한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법에 의하여 제조된 사출성형품으로, 분말사출성형품은 반구형 또는 원통형태로 제작된다. 여기서, 상기 분말사출성형품은 내면에 격자형태의 노치(Notch)를 형성할 수 있다.

이와 같은 방법으로 사출성형품의 형상을 나타내는 플라스틱 인서트를 1회용소모품으로 사용하여 금형코아의 마모를 최소화하고 금형 동작을 단순화하여 금형의 수명을 연장한 분말사출성형방법 및 이에 따른 분말사출성형품을 제공할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 사출성형품의 형상을 나타내는 플라스틱 인서트를 1회용 소모품으로 사용하여 금형코아의 마모를 최소화하고 금형 동작을 단순화하여 금형의 수명을 연장한 분말사출성형방법 및 이에 따른 분말사출성형품을 제공할 수 있다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말사출성형방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분말사출성형방법을 적용하는 플라스틱 인서트를 도시한 사시도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말사출성형방법을 적용하는 분말사출성형 금형을 도시한 사시도이다.
도4는 도3의 분말사출성형 금형을 이용하여, 사출성형된 후 플라스틱 인서트가 삽입된 상태로 취출된 분말사출성형체를 도시한 사시도이다.
도5는 도4에서 플라스틱 인서트가 상기의 탈지단계를 거쳐 제거된 분말사출성형품을 도시한 사시도이다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 분말사출성형방법에 대해 자세히 설명한다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말사출성형방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.

도1을 참고하면, 분말사출성형방법은 원재료 분말을 혼합하는 원료혼합단계(S10), 상기 원재료 분말 및 결합제(Binder)를 일정 온도에서 혼합하여 분말 및 결합제의 혼합체인 피드스탁(Feedstock)을 제작하는 혼련단계(S20), 반구형 또는 원통형의 금형(100), 금형코아(200) 및 상기 금형코아(200) 외측에 위치하며, 다수의 돌기가 격자형태로 형성된 플라스틱 인서트(300)를 포함하는 사출성형금형의 캐비티(110)에 상기 원재료 분말과 결합제를 혼합한 피드스탁을 사출하는 사출단계(S30), 상기 사출단계(S30)에 의해 사출성형된 후 플라스틱 인서트(300)가 삽입된 상태로 취출된 사출성형품(400)을 용매 탈지 및 열간 탈지하여 상기 결합제 제거 및 상기 플라스틱 인서트(300)를 희생시키는 탈지단계(S40) 및 상기 탈지단계(S40) 후 상기 사출성형품(400)을 고온에서 가열하여 원재료 분말을 결합시키는 소결단계(S50)를 포함한다.

상기 원료혼합단계(S10)는 강, 텅스텐중합금, 세라믹 등 다양한 종류의 원재료가 사용되며, 분말 상태의 상기 원재료를 혼합하는 공정이다.

예를 들면, 상기 원료혼합단계(S10)는 본격적인 혼합 공정 이전에 각 원재료들을 골고루 섞어주기 위한 전처리 단계로써, 이미 합금화되어 있는 분말이나 단일 소재를 사용하는 경우 생략될 수 있으나 텅스텐, 니켈 및 철 분말과 같이 원료간 비중 차가 큰 3종의 원재료가 사용되는 텅스텐중합금과 같은 2종류 이상의 원재료가 사용되는 경우 원료혼합단계에서 원재료를 균일하게 혼합하는 공정은 매우 중요하다.

상기 혼련단계(S20)는 상기 원료혼합단계(S10)를 거친 분말 상태의 원재료를 전용 혼합기에 투입하여, 사출성형품(400)의 원재료 분말 및 형상 등을 고려하여 설계 제조된 수지계열의 결합제와 상기 원재료를 상기 혼합기 안에서 열을 가하여 혼합하는 단계이다.

예를 들면, 상기 혼련단계(S20)는 약 200℃ 가량의 온도를 가하는 전용 혼련기를 사용하여 수지계열 즉, 파라핀왁스, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 등의 결합제를 녹여 용융상태로 상기 원재료와 혼합할 수 있다.

또한, 상기 수지계열의 결합제의 선택 및 상기 결합제와 상기 원재료의 혼합비 등은 상기 원재료의 종류 및 제작 조건에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 여기서, 상기 원재료 분말크기는 일반적으로 약 0.1 ~ 20㎛ 정도의 것이 주로 사용될 수 있다.

상기 혼련단계(S20)를 거친 혼합재료는 원재료 분말과 수지계열의 결합제가 골고루 혼합된 상태로 피드스탁(Feedstock)이라고 한다.

상기 사출단계(S30)는 반구형 또는 원통형의 금형(100), 금형코아(200) 및 상기 금형코아(200) 외측에 위치하며, 다수의 돌기가 격자형태로 형성된 플라스틱 인서트(300)를 포함하는 사출성형금형의 캐비티(110)에 상기 원재료 분말과 결합제를 혼합한 피드스탁을 사출하는 단계이다.

예를 들면, 상기 사출단계(S30)는 상기 혼련단계(S20)를 거친 혼합재료를 사출성형기를 이용하여 사출성형품(400)을 제작하며, 상기 사출성형기 내에는 상기 반구형 또는 원통형의 금형(100), 금형코아(200) 및 플라스틱 인서트(300)를 포함하는 사출성형금형이 장착되게 된다.

특히, 사출성형 시 가해진 열에 의해 상기 혼합재료 중의 수지계열의 결합제는 용융 상태로 유동성을 가질 수 있으며, 사출 시 가해진 압력에 의해 용융상태의 상기 혼합재료는 상기 금형(100)의 게이트(120)를 통해 상기 금형(100)과 상기 플라스틱 인서트(300) 사이에 형성된 공간인 캐비티(Cavity)(110)에 유입되어, 상기 캐비티(110)에 충진 후 냉각된다. 냉각 후에는 상기 반구형 또는 원통형 금형(100)과 금형코아(200)가 분리되어 플라스틱 인서트(300)가 삽입된 상태의 사출성형품(400)을 취출할 수 있다. 여기서, 사출성형 시 고려되는 인자로는 사출 압력, 온도, 시간 등으로 사출성형품(400)의 형상 및 결합제에 따라 적절한 성형 조건이 변경될 수 있다.

상기 탈지단계(S40)는 상기 사출단계(S30)에 의해 생성된 사출성형품(400)을 상기 금형(100)으로부터 플라스틱 인서트가 삽입된 상태로 취출 후 용매 탈지 및 열간 탈지하여 결합제 및 상기 플라스틱 인서트(300)를 제거하는 단계이다.

예를 들면, 상기 탈지단계(S40)는 상기 사출성형품(400)에 불필요한 수지계열의 결합제 및 플라스틱 인서트(300)를 용매 또는 열을 이용하여 제거할 수 있다. 여기서, 용매를 이용한 용매 탈지방법은 상기 사출성형품(400)을 용매 속에 침지 시킨 후 상기 사출성형품(400) 내부의 왁스계열의 결합제 및 플라스틱 인서트(300)를 녹이는 방법이다.

또한, 열을 이용한 상기 열간 탈지방법은 상기 사출성형품(400)을 약300 ~ 400℃ 내외의 온도로 가열하여 상기 사출성형품 내부의 수지계열의 결합제 및 플라스틱 인서트(300)를 열분해 시킬 수 있다.

상기 탈지단계(S40)에서 상기 사출성형품(400)의 형상을 유지하면서 상기 결합제 및 플라스틱 인서트(300)를 제거하여야 하므로 적절한 작업 조건이 필요하며, 최종적으로 열로 태워버린 후 곧 바로 예비 소결 과정까지 이루어져 상기 사출성형품(400)의 형상을 유지시킬 수 있다.

상기 소결단계(S50)는 상기 탈지단계(S40)를 거친 상기 사출성형품(400)을 소결로에서 고온으로 가열하여 원재료 분말간의 확산에 의한 치밀화 단계이다.

예를 들면, 상기 소결단계(S50)는 상기 탈지단계(S40)를 거친 상기 사출성형품(400)을 적정 온도로 가열 및 유지시켜 분말 간의 치밀화(Densification)를 통한 수축 과정을 거쳐 사출성형품(400)의 밀도를 이론 밀도의 95%이상으로 높여서 기계적 강도를 갖는 동시에 최종 제품의 형상을 얻을 수 있다.

상기 소결단계(S50)에서 상기 사출성형품(400)을 소결하는 상기 소결로의 내부 온도범위는 상기 사출성형품(400)의 소재에 따라 1000~2500℃까지 이며, 소결로 내의 분위기는 소재에 따라 대기, 불활성 및 환원 분위기를 사용한다.

이하, 도2내지 도5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 분말사출성형방법을 적용하는 분말사출성형 금형 및 이에 따라 제작된 분말사출성형품에 대해 자세히 설명한다.

도2 내지 도5를 참고하면, 상기 사출단계(S30)에서 사출 할 때 사용되는 사출성형금형은 반구형 또는 원통형의 금형(100), 금형코아(200) 및 상기 금형코아(200) 외측에 위치하며, 다수의 돌기가 격자형태로 형성된 플라스틱 인서트(300)를 포함한다.

먼저, 상기 반구형 또는 원통형의 금형(100)은 일측에 반구형 또는 원통형의 공간이 형성되어 있다.

예를 들면, 상기 금형(100)은 일측에 반구형 또는 원통형의 공간을 형성하며, 상기 금형(100)과 상기 플라스틱 인서트(300) 사이에 형성된 공간을 캐비티(Cavity) (110)라 하며, 상기 캐비티(110)에 용융 상태의 혼합재료가 유입될 수 있다. 또한, 타측에는 용융상태의 혼합재료가 상기 금형(100)의 캐비티(110)로 유입될 수 있게 통로인 게이트(120)가 형성될 수 있다.

상기 금형코아(200)는 상기 금형(100) 내부에 형성된 반구형 또는 원통형의 공간 내에 위치할 수 있으며, 하부로 갈수록 단면적이 작아지는 반구형 또는 원통형의 형태로 형성된다.

상기 플라스틱 인서트(300)는 외면(310)에 다수의 돌기가 격자 형태로 형성되며, 상기 금형 코아(200) 외부에 위치할 수 있다. 또한, 상기 플라스틱 인서트(300)는 상기 사출성형품(400) 내부의 형상을 형성하며, 상기 사출성형품(400)과 함께 취출되며 이후 상기 탈지단계(S40)를 거치는 동안 용매 또는 열에 의해 제거된다.

특히, 다수의 돌기가 격자형태로 구비된 상기 플라스틱 인서트 외면(310)은 상기 사출성형품(400)의 내면(420)과 맞닿아 있으며, 상기 사출성형품(400)의 내부에 소정의 형상을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 사출성형품(400)은 상기 플라스틱 인서트 외면(310)의 형상에 의해 내부에 격자형태의 노치(Notch)형상을 형성할 수 있다. 또한, 상기 플라스틱 인서트(300)는 상기 사출성형품(400)의 형상을 형성한 후에는 불필요하기 때문에 분말사출성형방법 중에 탈지단계(S40)에서 용매 또는 열에 의해 제거될 수 있다.

이하, 분말사출성형방법에 의해 분말사출성형품을 제작하는 과정 및 분말사출성형품에 대해 자세히 설명한다.

상기 분말사출성형품(400)의 제작 과정에 대해 설명한다.

먼저, 상기 원료혼합단계(S10) 및 혼련단계(S20)에서 강 또는 텅스텐중합금을 형성하는 텅스텐, 니켈 및 철 분말과 같은 원재료와 수지계열의 결합제에 열을 가해 혼합한다.

다음으로 상기 사출단계(S30)에서 용융상태가 된 혼합재료를 반구형 또는 원통형의 금형(100)의 게이트(120)를 통해 상기 금형(100)과 상기 플라스틱 인서트(300) 사이에 형성된 공간인 캐비티(110)에 사출하고, 상기 캐비티(110)에 충진 후 냉각한다. 냉각 후 상기 플라스틱 인서트(300)가 삽입된 분말사출성형품(400)을 상기 금형으로부터 취출하게 된다.

상기 탈지단계(S40)에서 상기 플라스틱 인서트(300)가 삽입된 분말사출성형품(400)을 용매 또는 열을 이용하여 내부의 결합제 및 플라스틱 인서트(300)를 제거한다.

상기 소결단계(S50)에서 상기 결합제와 플라스틱 인서트(300)가 제거된 분말사출성형품(400)을 소결로에 투입하여 상기 분말사출성형품(400)의 분말간에 결합을 시켜 최종 소결제품을 제작할 수 있다.

위의 과정을 통해 제작된 분말사출성형품(400)에 대해 설명한다.

상기 분말사출성형품(400)은 외면(410)이 반구형 또는 원통형의 형태로 제작되며, 내면(420)은 격자형태의 노치가 형성될 수 있다. 또한, 상기 분말사출성형품(400)은 강 또는 텅스텐합금을 원재료로 하여 제작될 수 있다.

이와 같은 방법으로 사출성형품의 형상을 나타내는 플라스틱 인서트를 소모품으로 사용하여 금형코아의 마모에 최소화하고 금형 동작을 단순화하여 금형의 수명을 연장한 분말사출성형방법 및 이에 따른 분말사출성형품을 제공할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

S10: 원료혼합단계 120: 게이트
S20: 혼련단계 200: 금형코아
S30: 사출단계 300: 플라스틱 인서트
S40: 탈지단계 310: 플라스틱 인서트 외면
S50: 소결단계 400: 분말사출성형품
100: 반구형 또는 원통형의 금형 410: 분말사출성형품 외면
110: 캐비티(Cavity) 420: 분말사출성형품 내면

Claims (6)

1. 원재료 분말을 혼합하는 원료혼합단계;
   상기 원재료 분말 및 결합제(Binder)를 일정 온도에서 혼합하는 혼련단계;
   반구형 또는 원통형의 금형, 금형코아 및 상기 금형코아 외측에 위치하며, 다수의 돌기가 격자형태로 형성된 플라스틱 인서트를 포함하는 사출성형금형에 상기 원재료 분말과 결합제를 유입하는 사출단계;
   상기 사출단계에 의해 생성된 사출성형품을 용매 탈지 및 열간 탈지하여 상기 결합제 제거 및 상기 플라스틱 인서트를 제거시키는 탈지단계; 및
   상기 탈지단계 후 상기 사출성형품을 고온에서 가열하여 원재료 분말간의 결합시키는 소결단계;
   를 포함하고,
   상기 탈지단계는 상기 사출성형품을 용매 속에 침지 시킨 후 상기 사출성형품 내부의 왁스계열의 결합제 및 플라스틱 인서트를 녹이는 용매 탈지 및 상기 사출성형품을 300℃ ~ 400℃ 내외의 온도로 가열하여 상기 사출성형품 내부의 수지계열의 결합제 및 플라스틱 인서트를 열분해 시키는 열간 탈지 후 바로 예비 소결 과정이 이루어져 상기 사출성형품의 형상을 유지하는 것을 특징으로 하는 분말사출성형방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 플라스틱 인서트는 상기 사출성형품 내부에 소정의 형상을 형성하는 분말사출성형방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 금형코아는 반구형 또는 원통형의 형태를 형성하는 분말사출성형방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 사출성형품은 강(Steel) 또는 텅스텐중합금을 원재료로 사용하는 분말사출성형방법.
5. 제1항에 따른 방법에 의하여 제작된 사출성형품으로, 반구형 또는 원통형태로 제작되고,
   상기 분말사출성형품은 내부에 격자형태의 노치(Notch)를 형성하는 분말사출성형품.
6. 삭제

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