KR101532920B1 - 고강도 소결성형체의 제조방법 및 그 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가압성형 공정과 소결성형 공정을 포함하는 고강도 소결성형체의 제조방법에 있어서, 가압성형 공정이 가열승온 공정을 사이에 두고 제1가압성형 공정과 제2가압성형 공정으로 형성되고, 제1가압성형 공정이 제1금형 내에서 윤활제 분말의 융점 미만의 상온에서 혼합분말에 제1가압력을 가하여 1차 압분성형체를 성형하고, 가열승온 공정이 1차 압분성형체를 가열하고 그 온도를 당해 융점상당 온도로 승온하고, 제2가압성형 공정이 당해 융점상당 온도로 난기된 제2금형 내에서, 또한 당해 융점상당 온도에서 1차 압분성형체에 제2가압력을 가하여 밀도를 높인 2차 압분성형체를 성형하는 것이다.

Description

고강도 소결성형체의 제조방법 및 그 제조장치{METHOD FOR MANUFACTURING HIGH-STRENGTH SINTER-MOLDED COMPACT, AND DEVICE FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은 혼합분말을 2회 가압하는 것에 의하여 밀도가 높은 압분성형체를 성형하고, 이 압분성형체에 소결처리하여 기계적 강도를 한층 높인 소결성형체를 제조하는 고강도 소결성형체의 제조방법과 그 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로 분말야금기술은 금속분말을 가압(압축)하여 소정형상의 압분성형체로 성형처리하고, 이어서 압분성형체를 당해 금속분말의 융점근방 온도로 가열하여 입자 간 결합(고화)을 촉진하는 소결처리를 하는 일련의 기술이다. 이에 따라 형상이 복잡하고 치수 고정도의 소결성형체(기계부품 등)를 저비용으로 제조할 수 있다.
또, 기계부품이 더욱 소형경량화가 요청됨에 따라, 압분성형체의 기계적 강도의 향상이 요구된다. 기계적 강도는 압분성형체의 밀도를 높일수록 큰폭(쌍곡선적)으로 높아지는 것으로 되어있다. 대표적인 고강도화 방법으로는, 금속분말에 윤활제를 혼합시킴으로써 마찰 저항력의 저감을 도모하면서 가압성형하는 방법이 제안(예를 들면, 특허문헌 1:특개평1-219101호 공보)되고 있다. 더욱 고밀도화를 목표로 한 많은 제안이 되고 있다. 이 제안들은 윤활제 자체의 개선과 가압성형·소결처리와 관련되는 프로세스의 개선으로 대별된다.
전자에 속하는 것으로서는, 윤활제를 볼모양 탄소분자와 판모양 탄소분자를 조합한 탄소분자 복합체로 하는 제안(특허문헌 2:특개2009-280908호 공보), 25℃에서의 침입도가 0.3~10mm인 윤활제로 하는 제안(특허문헌 3:특개2010-37632호 공보)을 들 수 있다. 모두 금속분말과 금형의 마찰 저항력을 저감하는 고안이다.
후자에 속하는 것으로서는, 온간성형·소결분말야금 방법(특허문헌 4:특개평2-156002호 공보), 2회 프레스-2회 소결분말야금 방법(특허문헌 5:특개평4-231404호 공보) 및 1회 성형-소결분말야금 방법(특허문헌 6:특개2001-181701호 공보)이 알려져 있다.
최초의 온간 성형·소결분말야금 방법은 고체 윤활제 및 액체 윤활제를 혼합한 금속분말을 예열함으로써 윤활제의 일부 (또는, 전부)를 용융시키고 또한 입자 간에 윤활제를 분산시킨다. 이에 따라, 입자 간 및 입자·금형 간 마찰 저항력을 낮춤으로써 성형성을 향상하고자 하는 것이다. 2회 프레스-2회 소결분말야금 방법은, 합금화 성분을 포함한 철분말 혼합물을 다이(금형) 내에서 가압하면서 생의 압분성형체를 생성하고, 이 압분성형체를 870℃에서 5분간만 예비소결하여 예비 소결체를 생성하고, 이 예비 소결체를 가압함으로써 2회 프레스된 예비 소결체를 생성하고, 그 후에 2회 프레스된 예비 소결체를 1000℃에서 5분간 소결함으로써 소결부품을 생성하는 방법이다. 마지막 1회 성형-소결분말야금 방법은, 금형을 미리 예열하면서 또한 내면에 윤활제를 대전부착해 두고, 이어서 이 금형내에 가열된 철기 분말 혼합물(철기분말+윤활제 분말)을 충전하고, 소정 온도에서 가압성형하여 철기 분말 성형체를 이루고, 이어서 철기분말 성형체에 소결처리를 하여, 더욱 광휘 담금질을 실시하고, 그 후에 담금질 처리를 하여 철기소결체를 제조하는 방법이다.
이와 같이, 윤활제나 가압성형·소결처리 프로세스에 관한 어떠한 종래의 개선책도 복잡하고 고비용이 될 우려가 크다. 취급도 번거롭다. 게다가, 이러한 큰 불리함과 불편함을 참고 받아들인다고 하여도, 압분성형체의 밀도는 최고여도 7.4g/cm3(실제 밀도의 94%)정도이다. 또한, 윤활제 연소에 기인하는 잔사발생이 있으면 가압성형한 압분성형체의 품질열화를 초래한다. 따라서 실제 제조상의 밀도는 7.3g/cm3이하이다. 즉, 기계적 강도가 불충분하다.
특히, 전자기기(모터나 트랜스 등)용의 자심(磁芯)을 압분성형체로부터 제작하는 것을 고려하면, 이 정도의 밀도(7.3g/cm3이하)에서는 지극히 불만족하다는 지적이 크다. 손실(철손(鐵損), 히스테리시스 손)량을 감소시키고, 자속밀도를 높이려면 압분성형체의 한층 더 높은 고밀도화가 필요한 것, 예를 들면 평성 21년도 분체분말야금협회 추계대회에서의 발표자료(주식회사 토요타중앙연구소 제공)로부터 보아도 명백하다.
또한, 자심용 압분성형체의 제조에 관해서는 2회 성형-1회 소결(1회 소둔)분말야금 방법(특허문헌 7:특개 2002-343657호 공보)이 제안되고 있다. 이 제안된 분말야금 방법은 표면이 실리콘 수지와 안료를 포함하는 피막으로 피복된 자성분말을 예비성형하여 예비성형체를 성형하고, 이 예비성형체에 500℃ 이상의 온도로 열처리하여 열처리체로 하고, 이어서 이 열처리체에 압축성형을 하는 것을 특징으로 한다. 열처리용의 온도는 500℃ 이하에서는 그 후의 압축성형시에 파단이 발생하기 쉽고, 1000℃ 이상에서는 절연 피막이 분해되어 절연성이 소실하므로, 500~1000℃의 범위 내로 한다. 이 고온처리는 예비 성형체의 산화를 방지한다는 관점에서, 진공 중, 불활성 기체 분위기 또는 환원성 가스 분위기 중에서 실시된다. 따라서, 다른 제안방법과 비교하여 더욱 복잡화, 개별화됨과 동시에, 구현화와 실시화가 어렵고, 제조비용이 대폭 상승하는 결과를 초래한다. 대량생산에는 적합하지 않다.
그런데, 상기한 어떠한 제안방법·장치(특허문헌 1~7)로도, 기계적 강도가 높은 소결성형체를 저비용으로 확실히 제조하고자 하는 산업계의 요청을 충족할 수 없다. 게다가, 기계적 강도는 최종 소결처리에 의존하는 것처럼 생각되는 의견이 많다. 이것은, 고온 분위기 내에서의 소둔처리나 소결처리에 대한 실시가능한 기재내용은 있지만, 가압성형 공정에 관한 상세는 분명치 않고, 가압성형기의 사양·기능, 가압력(加壓力)과 밀도의 관계와 그 한계에 관한 분석 역시 새로운 개선에 대한 기재가 없다는 점에서도 분명하다.
여기에 소형 경량화에 따라 추가로 기계적 강도가 요구되는 점에서도, 고강도 소결성형체를 확실·안정하고도 저비용으로 제조할 수 있는 방법·장치의 개발이 급선무이다.
본 발명의 목적은 기계적 강도가 높은 소결성형체를 저비용으로, 또한 확실·안정하게 제조할 수 있는 고강도 소결성형체의 제조방법 및 그 제조장치를 제공하는 것이다.
종래, 가압성형처리는 혼합분말을 구체적 형태로서 확립하는 것이고, 고온소결처리의 전단계(예비)적인 기계적 처리로서 생각되어, 그와 같이 처리되어 왔다. 즉, 고강도화는 최종공정인 소결처리에 맡겨져 있었다고 사료된다.
그러나, 전단계(예비)적인 기계적 처리로 되어 있던 가압성형처리의 고안에 따라 압분성형체의 밀도를 대폭 높일 수 있다면, 그 후의 소결 처리를 종전대로 하여도, 결과적으로 소결성형체의 기계적 강도를 대폭 높일 수 있을 것이다.
본 발명은 가압 시 윤활제의 유효성, 윤활제 분말을 포함하는 압축한계성, 윤활제 분말의 혼합분말 내에서의 공간적 점유성, 기금속분말(basic metal powder)과 윤활제 분말의 공간적 배치상태 및 그 거동성, 잔사(윤활제의 응고입자)의 잔류상태, 윤활제의 기화에 따른 금속입자간 부분적 확산 및 윤활제의 최종처분양상에 대한 연구 및 일반적인 가압성형기의 특성, 압축한계성 및 압분성형체의 밀도(강도)에 미치는 영향도에 대한 분석에 따라 창출한 것이다.
구체적으로는 종래방법에 의하면 도 8a 및 도 8b에서 나타내는 것과 같이 압분성형체((115) 내에 대량의 불필요물(잔사 등)(108) 혹은 큰 공공(空孔)(109)이 남아있다. 이 상태에서는 가압력을 현저히 혹은 한없이 크게하여도 압분성형체의 밀도(강도)가 일정 이상으로 높아질 수 없는 것을 밝혀내었다. 본 발명은 이 원인을 해소하면서 압분성형체의 밀도를 높이고, 또한 이를 토대로 소결에 의한 고강도화를 거듭하고, 결과로서 최종적인 소결성형체의 강도를 큰폭으로 높이는 것이다.
본 발명은 윤활제의 분말상태를 유지하면서 제1가압에 의하여 1차 압분성형체를 성형하고, 이어서 윤활제를 가열하여 액화시킴으로써 1차 압분성형체 내의 윤활양상의 개변을 이루고, 이 1차 압분성형체에 제2가압을 하여 밀도를 높인 2차 압분성형체를 성형하고, 그리고 나서 2차 압분성형체를 소결하여 고강도의 소결성형체를 성형하는 것이다. 즉, 전단계(예비)적인 기계적 처리로 되어있던 가압성형에 있어서, 소결처리에 따른 고밀도화의 기반이 되는 압분성형체의 밀도를 적극적이면서 또한 한계적으로 높여 둠으로써, 결과적으로 고강도 소결성형체를 확실히 안정적이면서 또한 저비용으로 제조할 수 있는 획기적인 방법과 장치를 제공하는 것이다.
(1) 본 발명의 일실시형태에 관한 고강도 소결성형체의 제조방법은, 기금속분말과 윤활제 분말과의 혼합물인 혼합분말을 가압하여 압분성형체를 성형하는 가압성형 공정과, 압분성형체를 소결하여 기계적 강도가 높은 소결성형체를 성형하는 소결성형 공정을 포함하고, 가압성형 공정이 가열승온 공정을 사이에 두는 제1가압성형 공정과 제2가압성형 공정으로 형성되고, 제1가압성형 공정이 제1금형 내에서 윤활제 분말의 융점 미만의 상온에서 혼합분말에 제1가압력을 가하여 1차 압분성형체를 성형하는 것으로 되고, 가열승온 공정이 1차 압분성형체를 가열하여 당해 1차 압분성형체의 온도를 윤활제 분말의 융점상당 온도로 승온하는 것으로 되고, 제2가압성형 공정이 윤활제 분말의 융점상당 온도로 난기된 제2금형 내에서, 또한 당해 융점상당 온도에서 1차 압분성형체에 제2가압력을 가하여 밀도를 높인 2차 압분성형체를 성형하는 것으로 되어있는 것을 특징으로 한다.
(2) 상기 고강도 소결성형체의 제조방법에 있어서, 윤활제 분말의 융점이 90~190℃의 온도범위 내에 속하는 저융점으로 할 수 있다.
(3) 상기 고강도 소결성형체의 제조방법에 있어서, 상기 혼합분말이 상기 기금속분말인 순철분말에 상기 윤활제 분말인 스테아린산 아연분말을 0.03~0.10중량%만 혼합한 것으로 되고, 상기 제1가압력이 상기 1차 압분성형체의 밀도를 7.0~7.5g/cm3으로 압축할 수 있는 것으로 선택되며, 상기 제2가압력이 상기 2차 압분성형체의 밀도를 7.75g/cm3으로 압축할 수 있는 것으로 선택될 수 있다.
(4) 상기 고강도 소결성형체의 제조방법에 있어서, 상기 혼합분말이 상기 기금속분말인 Fe-Si 합금분말에 상기 윤활제 분말인 스테아린산 아연분말을 0.03~0.10중량%만 혼합한 것으로 되고, 상기 제1가압력이 상기 1차 압분성형체의 밀도를 진밀도비 70~85%로 압축할 수 있는 것으로 선택되며, 상기 제2가압력이 상기 2차 압분성형체의 밀도를 진밀도비 85~95%로 압축할 것으로 선택될 수 있다.
(5) 상기 고강도 소결성형체 제조방법에 있어서, 제2가압력을 제1가압력과 동일하게 할 수 있다.
(6) 본 발명의 일실시형태에 관한 고강도 소결성형체의 제조장치는, 기금속분말과 저융점의 윤활제 분말과의 혼합물인 혼합분말을 외부로 공급충전 가능한 혼합분말 공급기와, 이 혼합분말 공급기를 사용하여 제1금형에 충전된 혼합분말에 제1가압력을 가하여 1차 압분성형체를 성형하는 제1가압 성형기와, 제1금형에서 취출된 1차 압분성형체의 온도를 당해 윤활제 분말의 융점상당 온도로 승온시키기 위한 가열승온기와, 미리 당해 융점상당 온도로 난기가능한 제2금형을 갖고, 난기된 제2금형에 세트되고, 또한 승온된 1차 압분성형체에 제2가압력을 가하여 밀도를 높인 2차 압분성형체를 성형하는 제2가압 성형기와, 2차 압분성형체에 소결처리를 하여 기계적 강도를 높인 소결성형체를 제조하는 소결 처리기를 구비한다.
(7) 상기 고강도 소결성형체의 제조장치에 있어서, 상기 가열 승온기와 상기 제2가압 성형기를 이들 기능을 일체적으로 갖는 가열가압 성형기에서 형성함과 동시에, 가열가압 성형기를 복수대의 가열가압 성형자기(加熱加壓成形子機)에서 형성하고, 또한 각 가열가압 성형자기를 사이클마다 선택순차적으로 동작가능하게 형성할 수 있다.
상기 (1)의 실시형태에 의하면, 고강도 소결성형체를 확실·안정하게 제조할 수 있고, 또한 제조비용을 크게 저감할 수 있다.
상기 (2)의 실시형태에 의하면, 제1압축공정에서의 윤활제의 충분한 윤활작용을 담보할 수 있다. 게다가, 윤활제의 종류에 대한 선택성이 넓다.
상기 (3) 및 상기 (4)의 실시형태에 의하면, 기존 성형방법에 의한 소결성형체와 비교하여 기계적 강도가 높은 소결성형체를 능률적으로 제조할 수 있다.
상기 (5)의 실시형태에 의하면, 가압성형기의 설비경제를 저감할 수 있고, 가압성형 공정의 실시 및 그 취급이 용이하다. 간접적으로 압분성형체의 제조비용을 더욱 저감할 수 있다.
상기 (6)의 실시형태에 의하면, 상기 (1)~(5)에 관한 고강도 소결성형체의 제조방법을 확실히 실시할 수 있음과 동시에 구현이 용이하고, 취급이 간단하다.
상기 (7)의 실시형태에 의하면, 상기 (6)의 실시형태의 경우에 비교하여 장치 간소화를 도모할 수 있다. 제조라인의 단순화도 촉진할 수 있고, 취급도 한층 쉬워진다. 또, 제1가공성형 공정, 가열승온 공정 및 제2가압성형 공정의 택타임(takt time)을 맞출 수 있다.
[도 1] 도 1은, 본 발명의 일실시형태에 관한 고강도 소결성형체의 제조방법을 설명하기 위한 도이다.
[도 2] 도 2는, 본 발명의 제1실시형태에 관한 고밀도 소결성형체의 제조장치 및 그 동작을 설명하기 위한 정면도이다.
[도 3a] 도 3a는, 본 발명의 제1실시형태에 관한 고밀도 소결성형체의 제조장치의 혼합분말의 성형동작을 설명하기 위한 도이며, 제1금형에서 1차 압분성형체를 성형하고 있는 상태를 나타낸다.
[도 3b] 도 3b는, 본 발명의 제1실시형태에 관한 고밀도 소결성형체의 제조장치에서의 혼합분말의 성형동작을 설명하기 위한 도이며, 제1금형 내에서 다음의 혼합분말을 충전하고 있는 상태를 나타낸다.
[도 4] 도 4는, 본 발명의 제1실시형태에 관한 고밀도 소결성형체의 제조장치에서의 가압력과 당해 가압력으로 얻어지는 밀도와의 관계를 설명하기 위한 그래프이고, 파선 A는 제1금형에서의 성형상태를, 실선 B는 제2금형에서의 성형상태를 나타낸다.
[도 5] 도 5는, 본 발명의 제1실시형태에 관한 고밀도 소결성형체의 제조장치에서의 2차 압분성형체의 단면 내부상태를 설명하기 위한 부분 단면 확대도이다.
[도 6a] 도 6a는, 본 발명의 제1실시형태에 관한 고밀도 소결성형체의 제조장치에서의 링 형상의 소결성형체(및 2차 압분성형체, 1차 압분성형체)를 설명하는 외관 사시도이다.
[도 6b] 도 6b는, 본 발명의 제1실시형태에 관한 고밀도 소결성형체의 제조장치에서의 세장환축형상의 소결성형체(및 2차 압분성형체, 1차 압분성형체)를 설명하는 외관 사시도이다.
[도 7] 도 7은, 본 발명의 제2실시형태에 관한 고강도 소결성형체의 제조장치 및 그 동작을 설명하기 위한 정면도이다.
[도 8a] 도 8a는, 기존방법에 의한 열처리 후의 예비 압분성형체의 단면 내부 상태와 그 문제점을 설명하기 위한 부분 단면 확대도이며, 500~700℃에서 열처리한 경우를 나타낸다.
[도 8b] 도 8b는, 기존 방법에 의한 열처리 후의 예비 압분성형체의 단면 내부 상태와 그 문제점을 설명하기 위한 부분 단면 확대도이며, 700~1000℃에서 열처리한 경우를 나타낸다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
(제1실시형태)
본 고강도 소결성형체의 제조장치(1)는, 도 1~도 6b에 나타내는 것처럼 혼합분말 공급기(10)와 제1가압 성형기(20)와 가열승온기(30)와 제2가압성형기(40)와 소결처리기(80)를 구비하고, 기금속분말과 윤활제 분말의 혼합물인 혼합분말(100)을 가압하여 압분성형체(110,115)를 성형하는 가압성형 공정과 압분성형체(115)를 소결처리하여 기계적 강도가 높은 소결성형체(120)를 성형하는 소결성형 공정을 포함하는 고강도 소결성형체의 제조방법을 안정·확실히 실시할 수 있다.
본 고강도 소결성형체의 제조방법의 기술적 특징은, 가압성형 공정이 가열승온 공정(도 1의 PR3)을 사이에 둔 제1가압성형 공정(PR2)과 제2가압성형 공정(PR5)과의 2공정으로부터 형성되고, 제1가압성형 공정(PR2)이 제1금형(하형(21))내에서 윤활제 분말의 융점 미만의 상온에서 혼합분말(100)에 제1가압력 P1을 가하여 1차 압분성형체(110)를 성형가능하게 되고, 가열승온 공정(PR3)이 1차 압분성형체(110)를 가열하여 그 온도를 윤활제 분말의 융점상당 온도로 승온가능하게 되고, 제2가압성형 공정(PR5)이 윤활제 분말의 융점상당 온도로 난기된 제2금형(하형(41))내에서, 또한 당해 융점상당 온도에서 1차 압분성형체(110)에 제2가압력 P2를 가하여 밀도를 높인 2차 압분성형체(115)를 성형가능하게 되어 있는 것이다.
이 실시형태에서의 전체적 흐름으로서는, 도 1에 나타내듯이, 조제공정(PR0)에서 조제된 혼합분말(100)을 제1금형에 충전하는 혼합분말충전 공정(PR1), 1차 압분성형 공정(PR2), 1차 압분성형체(110)의 온도를 당해 윤활제 분말의 융점상당 온도로 적극적으로 승온하는 가열승온 공정(PR3), 가열된 1차 압분성형체(110)를 제2금형 내에 세트하는 공정(PR4), 2차 압분성형 공정(PR5) 및 2차 압분성형체(115)에 소결처리를 하여 고강도 소결성형체(120)를 성형하는 소결처리 공정(PR6)이 이 순서로 실행된다.
본원 명세서중에서 말하는 혼합분말(100)이란, 기금속분말과 저융점의 윤활제 분말과의 혼합물을 의미한다. 또, 기금속분말로서는 1종의 주금속분말만으로 이루어진 경우와 1종의 주금속분말 및 이에 1 또는 복수의 합금화 성분분말을 혼합하여 이루어지는 경우가 있는데, 어느 경우라도 적응할 수 있다. 저융점이란 기금속분말의 융점(온도)에 비해 온도(융점)가 현저히 낮은 온도(융점)이면서 동시에 기금속분말의 산화를 큰 폭으로 억제할 수 있는 온도(溫度)임을 의미한다. 구체적으로 상세한 것은 후기한다.
고강도 소결성형체의 제조장치(1)를 나타내는 도 2에서, 고강도 성형 라인의 가장 왼쪽(상류 쪽)에 배치된 혼합분말 공급기(10)는 혼합분말(100)을 제1가압 성형기(20)의 일부를 구성하는 제1금형(하형 21)에 충전하는 수단이다. 일정량의 혼합분말(100)을 보류(保留)하는 기능 및 정량공급 기능을 갖고, 전체적으로 초기 위치(도 2, 도 3a, 도 3b에 실선으로 나타낸 위치)와 제1금형(하형 21)의 위쪽 위치(도 3a, 도 3b에 파선으로 나타낸 위치)사이를 선택적으로 왕복이동 가능하다.
제1금형(하형 21)내의 어디라도 혼합분말(100)을 균일하고도 충분히 충전시키는 것이 중요하므로, 혼합분말(100)은 건조한 상태이어야 한다. 즉, 제1금형(하형 21)의 내부공간(캐비티)의 형태는 제품형태에 따른 형태이므로 제품형태가 복잡하고 혹은 협소한 부분을 갖는 형태라도 1차 압분성형체(110)의 치수정도 보증상, 불균일 충전 및 불충분 충전은 허용되지 않는다.
본 실시형태에서의 1차 압분성형체(110)(2차 압분성형체(115))는, 도 6a에 나타내는 링 형상이고, 제1금형의 내부공간(캐비티)(22)의 형태는 이에 대응하는 형태로 만들어져 있다.
여기에, 기금속분말 입자 간의 마찰 저항력 및 기금속분말과 금형 내면과의 마찰 저항력을 경감하기 위한 윤활제는, 상온에서 건조한 상태의 고형상(매우 작은 입상)인 것을 선택한다. 예를 들면, 액상의 윤활제를 채용하면 혼합분말(100)의 점도가 높고 또한 유동성이 낮아지므로 균일충전 및 충분한 충전이 불가능하다.
이어서, 상온 하의 제1금형(21)내에서, 또한 제1가압력 P1을 가하면서 실행되는 1차 압분성형체(110)의 성형 중, 윤활제는 고형상으로 소정의 윤활작용을 안정 유지할 수 있어야 한다. 제1가압력 P1의 압축에 의한 다소의 온도상승이 생기는 경우가 있었다고 하여도, 마찬가지로 안정 유지되어야 한다.
한편으로, 1차 압분성형체(110)의 성형 후에 실행되는 가열승온 공정(PR3)과의 관계 및 기금속분말의 산화억제의 관점에서, 윤활제 분말의 융점은 당해 기금속 분말의 융점에 비해 매우 낮은융점(저융점)으로 할 필요가 있다.
본 실시형태에서는, 윤활제 분말의 융점은 90~190℃의 온도범위 내에 속하는 저융점으로서 선택되어 있다. 하측온도(90℃)는 1차 압분성형체 성형 중에 어느 정도의 온도상승이 발생한다고 하여도, 이 온도에는 도달하지 않을 값(70~80℃)의 상한온도(80℃)에 대하여 여유를 준 값(90℃)으로 하고, 또한 다른 금속비누의 융점(예를 들면, 110℃)에 착안하여 선택하고 있다. 즉, 1차 압분성형체의 가압성형 중에 윤활유 분말이 용해(액화)하여 유출될 걱정을 일소한다.
상측온도(190℃)는 윤활제 분말의 종류에 관한 선택성 확대의 관점에서는 최소값으로, 특히 가열승온 공정(PR3)에 임하는 기금속분말의 산화억제의 관점에서는 최대값으로 선택하고 있다. 즉, 이 온도범위(90~190℃)의 하측온도와 상측온도는 한계값이 아니라 경계값으로서 이해되길 바란다.
이렇게 해서, 금속비누에 속하는 많은 물질(스테아린산 아연, 스테아린산 마그네슘 등)을 윤활제 분말로 선택적으로 채용할 수 있다. 또한, 윤활제는 분말상태여야하므로 점성이 있는 액체의 옥틸산 아연 등은 채용할 수 없다.
본 실시형태에서는, 융점 120℃의 스테아린산 아연분말을 윤활제 분말로서 실시하였다. 또한, 본 발명에서는 특허문헌 6의 발명처럼 가압성형시의 금형온도보다도 낮은온도(융점)의 윤활제를 사용하고 또한 처음부터 윤활제를 용해(액화)시키면서 가압성형을 실행하는 사고방식은 부정한다. 1차 압분성형체(110)의 성형종료 이전에 용해된 윤활제가 유출되어 버리면, 도중에 윤활이 부족한 부위가 발생하기가 쉽기 때문에, 충분한 가압성형을 확실하고도 안정적으로 실시할 수 없기 때문이다.
또, 윤활제 분말의 양은 시험연구를 통한 경험적 규칙에서 선택한 값(혼합분말 전량의 0.02~0.12중량%)으로 한다. 바람직하게는 0.03~0.10중량%이다. 0.03중량%는 1차 압분성형체(110)의 성형종료까지 최선의 윤활작용을 담보할 수 있는 값이고, 0.10중량%는 혼합분말(100)에서 1차 압분성형체(110)로 할 때에 기대하는 압축비를 얻기 위한 최선의 값이다. 하기하는 각 실시예는 이들 값을 채용하여 실시하였다.
제1가압 성형기(20)는 혼합분말 공급기(10)를 사용하여 제1금형(21)에 충전된 혼합분말(100)에 제1가압력 P1을 가하여 1차 압분성형체(110)를 성형하는 수단이고, 본 실시형태에서는 프레스 기계 구조이다.
도 2에 있어서, 금형은 볼스터측의 하형(21) 과 슬라이드(5)측의 상형(25)으로 이루어진다. 하형(21)의 캐비티(22)는 1차 압분성형체(110)의 형태(링 형상)에 대응하는 형상(원환통 형상)으로 되어있다. 상형(25)은 하형(21,22) 내에 밀어넣을 수 있는 형태로 되고, 슬라이드(5)에 의하여 승강운동된다. 캐비티(22)의 하부에는 가동부재(23)가 상하방향으로 변위가능하게 감장(嵌裝)되어있다.
가동부재(23)는, 그랜드 레벨 GL이하로 설치된 관통홀(24)을 통해 솟구쳐 오르는 녹아웃 핀(knock-out pin)(도시 생략)에 의하여 윗쪽으로 변위된다. 즉, 금형［(21,22)］내의 1차 압분성형체(110)를, 이송레벨 HL까지 밀어 올릴 수 있다. 외부에서 보면, 금형［(21,22)］내의 1차 압분성형체(110)를 외부(HL)로 취출하기 위한 제1취출수단으로서 움직인다. 1차 압분성형체(110)가 가열승온기(30)측으로 이송된 후에, 가동부재(23)는 녹아웃 핀과 함께 초기 위치로 돌아온다. 그렇기는 하지만, 다른 각별한 수단에서 제1취출수단을 형성해도 좋다.
제1가압 성형기(20)에서의 가압력 P(제1가압력 P1)와 이에 대응하여 얻어지는 1차 압분성형체(110)의 밀도ρ와의 관계를 도 4를 참조하여 설명한다. 횡축은 가압력 P를 지수로 나타내고 있다. 이 실시형태에서의 최대능력(가압력 P)은 10Ton/cm2 이고, 이를 횡축지수 100으로 한다. Pb는 금형파손압력으로, 횡축지수 140(14Ton/cm2)이다. 종축은 밀도ρ를 지수로 나타내고 있다. 종축지수(100)는 밀도ρ(7.6g/cm3)이다.
덧붙여서, 종축지수 102는 밀도ρ(7.75g/cm3)에 해당한다. 밀도ρ(7.0g/cm3, 7.5g/cm3)는 종축지수(92, 98)에 상당한다.
제1가압력 P1을 올려가면, 제1가압 성형기(20)에서 얻어지는 밀도ρ는, 파선 A로 나타내는 곡선에 따라 높아진다. 제1가압력 P1(횡축지수 100)으로, 밀도ρ가 7.6g/cm3이 된다. 제1가압력 P1을 그 이상의 값으로 상승시켜도, 밀도ρ의 향상은 극미하다. 금형 파손의 우려가 강하다.
종래방법으로는, 가압성형기(프레스 기계)의 최대능력으로 가압하여 얻어졌던 밀도ρ에 만족할 수 없는 경우에는, 더욱 대형의 프레스 기계를 장비하여야 했다. 그러나, 최대능력을 예를 들면 1.5배로 대형화하여도, 밀도ρ의 향상은 경미하다. 이렇게 해서, 현재 프레스 기계로 얻을 수 있지만 낮은 밀도ρ(예를 들면, 7.5g/cm3)로 타협하고 있던 것이 실상이었다.
여기에, 현재 프레스 기계를 그대로 이용하고, 종축지수 100(7.6g/cm3) 에서 102(7.75g/cm3)까지 향상시킬 수 있게 된다면, 획기적이라고 이해할 수 있다. 즉, 밀도 ρ을 2% 향상할 수 있다면, 기계적 강도를 대폭 향상할 수 있다.
이상과 같이 실현화하기 위하여, 제1가압 성형기(20)에서 성형한 1차 압분성형체(110)를 가열함으로써 윤활제의 용해(액화)를 촉진하고, 그 후에 제2가압 성형기(40)에서 2번째의 가압성형 처리를 하도록 형성되어 있다. 제2가압 성형기(40)에서 1차 압분성형체(110)를 가압하면, 도 4에 실선 B로 나타내듯이 종축지수 102에 상당하는 고밀도(7.75g/cm3)를 달성할 수 있다. 상세하게는 제2가압 성형기(40)의 설명에서 추가로 기재한다.
가열승온기(30)는 제1금형(21)에서 취출된 1차 압분성형체(110)를 가열하여당해 1차 압분성형체(110)의 온도를 당해 윤활제 분말의 융점상당 온도로 적극적으로 승온하는 수단이다. 도 2에서, 가열승온기(30)는 도시하지 않은 온풍발생원과 분사후드(31), 배기순환 후드(33) 등을 포함하며, 철망상 유지부재(32)에 위치된 1차 압분성형체(110)에 온풍을 분사하여 가열하고, 그 온도를 윤활제 분말의 융점상당 온도(120℃)로 승온한다. 하기하는 각 실시예의 경우도 스테아린산 아연 융점 120℃이다.
이 저온가열 처리의 기술적 의의를 제1가압성형 처리와의 관계에서 설명한다. 하형(21,22) 내에 충전된 혼합분체(100)를 관찰해보면, 기금속분말과의 관계에서 윤활제 분말의 존재가 비교적 성긴 부분(소(疎)부분)과 조밀한 부분(밀(密)부분)이 인정된다. 밀부분은 기금속분말의 입자간의 마찰 저항력 및 기금속분말과 금형 내면과의 마찰 저항력이 작다. 소부분은, 이들 마찰 저항력이 커질 것이다.
제1가압 성형기(20)에서의 가압중, 밀부분은 저마찰이므로 압축성이 우수하여, 압축화 진행이 쉽다. 소부분은 고마찰이므로 압축성이 뒤떨어져, 압축화가 늦어진다. 어쨌든, 미리 설정된 제1가압력 P1의 값에 응한 압축진행 곤란화 현상이 발생한다. 즉, 압축한계가 발생한다. 이 상태하에서 금형(21)으로부터 취출한 1차 압분성형체(110)의 파단면을 확대관찰하면, 상기 밀부분이었던 부분은 기금속분말이 일체적 양상으로 압접되어 있다. 그러나, 윤활제 분말도 섞여들어가 있다. 소부분이었던 부분은 압접된 기금속분말간에 근소한 틈새(공공)가 남아있다. 윤활제 분말은 대부분 눈에 띄지 않는다.
이렇게 해서, 밀부분이었던 부분에서 윤활제 분말을 제거하면, 압축가능한 틈새가 생겨난다. 소부분이었던 부분의 간극에 윤활제를 보급할 수 있으면, 그 부분의 압축성을 높일 수 있다.
즉, 제1가압성형 종료 후의 1차 압분성형체(110)를 가열하여 윤활제 분말의 융점상당 온도(120℃)로 승온함으로써, 윤활제 분말을 용해(액화)시켜 그 유동성을 높인다. 밀부분이었던 부분에서 녹아나온 윤활제는 그 주변에 스며들고, 또한 소부분이었던 부분으로 보급된다. 따라서, 기금속분말의 입자간의 마찰 저항력을 작게 할 수 있고, 윤활제 분말이 차지하고 있던 공공도 압축할 수 있게 될 것이다. 기금속분말의 입자와 금형 내면과의 마찰 저항력도 작게 할 수 있다.
특필해야 할 것은 종래방법(예를 들면, 상기 특허문헌 5, 상기 특허문헌 7)과 본 발명의 기술적 사상이 전혀 다른 점에 있다.
압분성형을 소결성형의 단순한 예비(전 단계)적인 처리라고 생각하는 종래방법에 있어서는, 예비 성형체(1차 압분성형체(110) 상당)를 고온 분위기(500~1000℃)에서 열처리(왜곡 제거)하는 것으로 되어 있다. 사실 이 종래 열처리가 압분성형체의 품질열악화 및 강도향상 저지화의 근원으로 추측된다.
시험연구에 따르면, 압분성형체를 상기한 500~1000℃에 관한 저온측 범위(500~700℃)에서 열처리하면 윤활제가 용융한다. 그 후 상온으로 되돌리면 윤활제가 응고하여 금속 입자들을 결합한다. 그러면, 압분성형체에는, 도 8a와 같이 공공 내나 금속입자(101) 간의 공극부에 윤활제의 응고입자가 잔사(불필요물 (108))가 많이 남는다.
한편 고온측 범위(700~1000℃)의 열처리에서는, 온도가 높아짐에 따라, 윤활제가 용융·기화하는 과정을 거친다. 그 때문에, 분해응고분(108)이 적어지는 경향이 되지만, 이번에는 금속입자(101) 간의 접촉면에서 확산이 시작되고, 일부 입계에서 부분적으로 소결이 진행된다. 예를 들면, 철분(鐵粉)의 경우는 750~760℃에서 금속입자 간의 접촉면에서의 부분확산이 시작된다. 즉, 이러한 고온으로 열처리를 하면 도 8b와 같이, 윤활제가 기화한 부분이 공공(109)으로 남고, 또 금속가루간의 일부에 부분확산 접합부(부분소결)(128)가 존재한 상태가 된다.
이렇게 해서, 열처리 후의 압분성형체를 다시 압축처리(상온가압처리)하면, 저온측 범위의 경우는 내부의 잔류물을 그 성형체의 외부로 배출할 수 없고, 불필요물(잔사 등)(108)이 그대로 압분성형체 내에 남는다(도 8a). 고온측 범위의 경우는 저온측 범위의 경우에 비해 불필요물(잔사 등)(108)은 적기는 하지만, 금속입계의 부분소결 개소(128)가 발생하고 있기 때문에(도 8b), 그 소결개소를 파괴하여 공공(109)을 감소시켜, 밀도를 높이는 가공이 된다. 부분소결(128)이 발생하고 있는 경우는 2번째의 가압성형 압력이 매우 높아져, 금형 강도상의 한계때문에 압분성형체의 밀도향상에는 한계가 있다. 이 결과, 고온 분위기(500~1000℃)에서 열처리한 경우, 2번째 가압성형 후의 성형체는 매우 무르고 기계적 강도는 낮다. 게다가, 두번째 가압성형압력을 높여야 하는 것은, 가압능력이 높은 프레스기 및 내고압 금형을 필요로 하기 때문에 설비경제상, 매우 불리하다.
그런데, 본 발명의 경우는 압분성형체를 윤활제 융점상당으로 승온함과 동시에 당해 온도가 유지된 상태의 압분성형체(110)에 대하여, 2번째의 압분성형가공이 실시된다. 이 온도로 유지된 압분성형체(110)의 내부에서 탄화는 발생하지 않고 윤활제가 용융하여 유동가능한 상태가 되어있다. 그 상태에서 프레스 기계 등의 가압성형 가공을 하면, 내부에 존재하고 있는 용융상태의 윤활제가 짜내어져, 압분성형체(110)에서 외부로 유출된다. 그 결과, 당해 가압성형가공 종료 후의 압분성형체(2차 압분성형체(115))의 내부에는, 도 5와 같이 불필요물(잔사 등)(108)이 거의 남지 않는다. 즉, 매우 밀도가 높고 기계적 강도가 높은 압분성형체(115)를 성형할 수 있다.
이 2번째 압분성형 가공을 실행하기 위한 제2가압성형기(40)는, 미리 융점상당 온도로 난기가능한 제2금형(41)을 갖고, 난기된 제2금형(41)에 세트되어 있는 승온된 1차 압분성형체(110)에 제2가압력 P2를 가하여 밀도가 높은 2차 압분성형체(115)를 성형하기 위한 수단이다.
또한, 이 실시형태에서의 제2가압성형기(40)의 최대능력(가압력 P)은, 제1가압 성형기(20)의 경우와 같은 10Ton/cm2이다. 이렇게 해서, 제1가압 성형기(20)와 제2가압 성형기(40)는 1대의 프레스 기계로서 구성되고, 도 2에 나타내는 공통의 슬라이드(5)에 의하여 각 상형(25,45)을 동기승강할 수 있다. 이 점에서도 장치경제가 유리하고, 2차 압분성형체(115)의 성형비용을 저감할 수 있다.
또한, 제2가압력 P2의 값은 제1가압력의 값 이상이면 좋다. 예를 들면, 제1가압 성형기(20)와 제2가압성형기(40)를 2대의 프레스 기계로 구성하고, 제2가압성형기(40)의 최대능력(가압력 P)과 제1가압 성형기(20)의 최대 능력(가압력 P)을 다른것으로 하여도 좋다.
도 2에서 금형은 볼스터 측의 하형(41)과 슬라이드(5)측의 상형(45)으로 이루어진다. 하형(41)의 캐비티(42)는, 하부는 가압성형체(115)의 형태(링상 형태)에 대응하는 형상(원환통형상)으로 되고, 상부가 1차 압분성형체(110)를 수용가능도록 간신히 큰 형태로 되어있다. 상형(45)은 하형(41,42)내에 밀어넣을 수 있는 형태로 되고, 슬라이드(5)에 의하여 승강운동된다. 캐비티(42)의 하부에는, 가동 부재(43)가 상하 방향으로 변위가능하게 감장되어 있다. 또한, 금형(41)과 상기 금형(21)은 압축대상((110)과 (115))과의 상하 방향 치수차이에 상당하는 높이(위치)조정이 되어있다.
가동부재(43)는, 그랜드 레벨 GL이하로 설치된 관통홀(44)을 통하여 솟구쳐 오르는 녹아웃 핀(도시 생략)에 의하여 윗쪽으로 변위된다. 즉, 제2금형［(41,42)］내의 2차 압분성형체(115)를, 이송 레벨 HL까지 밀어 올릴 수 있다. 외부에서 보면, 금형［(41,42)］내의 2차 압분성형체(115)를 외부(HL)로 취출하기 위한 제2취출수단으로서 움직인다. 또한 다른 각별한 수단으로부터 제2취출수단을 형성하여도 좋다. 2차 압분성형체(115)가 배출슈터(59)로 배출되고, 가열승온기(30)로부터 새로운 1차 압분성형체(110)를 받은 후에, 가동부재(43)는 녹아웃 핀과 함께 초기 위치로 돌아온다.
제2금형［(41,42)］에는, 설정온도가 변경가능한 난기수단(47)이 설치되어 있다. 이 난기수단(47)은 1차 압분성형체(110)를 받아들일 때(세트될 때)까지, 윤활제 분말(스테아린산 아연)의 융점상당 온도(120℃)로 제2금형［(41,42)］을 데운다(난기한다). 승온된 1차 압분성형체(110)를 식히는 일 없이 받아들일 수 있다. 이에 따라, 먼저 용해(액화)한 윤활제의 재고형화를 방지하면서 윤활작용을 담보할 수 있다.
이런 의미에서 난기수단(47)은 2차 압분성형체(115)가 가압성형이 완료될 때까지, 가열가능하게 되어 있다. 구분지으면, 가압성형중에서 용해시킨 윤활제의 전방향으로의 유동성을 한층 높일 수 있기 때문에, 입자간 뿐만 아니라 입자와 금형(41,42)과의 사이의 마찰 저항력을 큰폭으로 경감유지할 수 있다.
또한, 난기수단(47)은 전열가열 방식으로 되어 있지만, 온유(溫油)나 온수의 순환방식 등으로도 실시할 수 있다.
제2가압 성형기(40)에서의 가압력(제2가압력 P2)과 이것에 대응하여 얻어지는 2차 압분성형체(115)의 밀도ρ와의 관계를 도 4를 사용하여 설명한다.
제2가압 성형기(40)에서 얻어지는 밀도ρ는, 실선 B로 나타내는 직선에 따른다. 즉, 제1가압 성형기(20)의 경우(파선 A)와는 달리, 제2가압력 P2를 올려감에 따라서 점차 밀도ρ가 높아지는 것은 아니다. 즉, 제1가압성형 공정에서의 최종 제1가압력 P1(예를 들면, 횡축지수 50, 75 혹은 85)을 넘을 때까지는 밀도ρ는 높아지지 않는다. 제2가압력 P2가 최종 제1가압력 P1을 넘으면, 단번에 밀도ρ가 높아진다. 제2가압성형은, 마치 제1가압성형을 연속적으로 이어서 실시되는 것으로 이해된다.
이렇게 해서, 제1가압성형 공정에서, 제1가압력 P1을 언제라도 최대 능력에 대응하는 값(횡축지수 100)까지 상승시킨 운전을 하지 않아도 되게 된다. 즉, 압축한계 이후로 제1가압성형을 속행했을 경우의 낭비인 시간, 소비 에너지를 배척할 수 있다. 제조비용의 저감으로 이어진다. 또, 횡축지수 100을 넘는 과부하 운전을 회피하기 쉬워지므로, 금형파손의 염려가 없다. 전체적으로 운전취급이 용이하고 안전하면서 또한 안정한 운용을 할 수 있다.
하기하는 각 실시예의 경우, 제1가압력 P1을, 밀도ρ를 7.0~7.5g/cm3까지 높일 수 있는 상당압력(종축지수 92~98중의 어느 값)으로 선택 설정하여, 성형처리되고 있다. 7.5g/cm3(종축지수 98)은 총축지수 100을 넘은 위험영역에 돌입시키지 않는 상측값으로 하고, 7.0g/cm3(종축지수 92)는 상측값에 대하여 여유를 둔 하측값으로서 선택하고 있다. 취급(가압설정 등) 및 운전 용이화 때문이다. 제2가압력 P2는 종축지수 92(~98)~100에 상당하는 것으로 되고, 종축지수 102에 대응하는 밀도ρ(7.75g/cm3)의 2차 압분성형체(115)를 성형할 수 있다. 또한, 실시예 2의 경우는 혼합비의 문제에서 진밀도비로 나타냈다.
도 2에 있어서, 소결처리기(80)는 본 실시형태에서는 연속식 소결로에서 형성되고, 슈터(59)를 개재하여 도입된 2차 압분성형체(115)를 컨베이어(도시 생략)에서 저속연속 이동시키면서, 소정의 온도로 소정시간만 소결처리할 수 있다. 복수의 2차 압분성형체(115)를 능률좋게, 또한 균일하게 소결 처리할 수 있다. 즉, 한층 고강도화한 소결성형체(120)를 제조할 수 있다. 도 3에서는, 소결처리기(80)는 도시 생략되어 있다. 소결처리기(80)는 배치식 소결로에서 형성하여도 좋다.
소결온도는 통상 철계에서는 1120℃ 정도로, 고온소결에서 1250℃ 정도이다. 온도의 상승과정에서도 소결이 진행하므로, 최고온도의 유지시간은 30분 정도면 충분하다. 이 실시형태에서는 소결온도 및 소결시간(컨베이어 속도)의 값은 설정변경 가능하게 형성되어 있다.
제2압분성형체(115)는, 도 5에 나타내듯이 불필요물(잔사 등)(108)이 거의 없는 상태(고밀도)이므로, 금속입자(101)와 금속입자(101)의 접촉면적이 크다. 이는 종래방법의 경우와 비교하여 짧은 소결시간으로, 기존 방법과 동일면적의 확산결합을 기대할 수 있음을 의미한다. 환언하면, 접촉면이 크지만 그로 인해 보다 넓은면적으로 확산결합을 촉진할 수 있기 때문에, 기계적 성질(강도)의 큰 향상을 기대할 수 있을 것이다.
또한, 최종공정의 소결처리에 의하여 내부(왜곡)응력을 제거할 수 있으므로 소둔처리는 불필요하다.
도 3b에 있어서, 워크이송수단(50)은 도 3a에서의 제1취출수단(23,24)에 의하여 제1금형(21)에서 취출된 1차 압분성형체(110)를 가열승온기(30)내의 소정위치로 이송가능하고, 승온 후의 1차 압분성형체(110)를 가열승온기(30)내의 소정위치에서 제2금형(41)까지 이송가능하며, 제2취출수단(43,44)에 의하여 제2금형(41)에서 취출된 2차 압분성형체(115)를 배출슈터(59)로 이송가능하게 형성되어 있다.
본 실시형태의 워크이송수단(50)은, 도 3b에서 나타내는 동기운전되는 3개의 전달바(transfer bar)(51, 52, 53)로 구성되어 있다. 전달바(51, 52, 53)는 이송요구시에 도 3a의 지면안길이로부터 바로 앞(도 3b)의 이송라인으로 진행되고, 왼쪽에서 오른쪽으로 이동시킨 후에 원래의 위치로 퇴행한다. 세트수단(52, 43, 44)은 승온된 1차 압분성형체(110)를 당해 융점상당 온도로 난기된 제2금형(42)에 세트한다.
또한, 워크이송수단은 2차원 혹은 3차원 방향으로 구동되는 핑거 등을 포함하고, 각 금형 등에 워크를 순차적으로 이송하는 트랜스퍼 장치 등에서 형성하여도 좋다. 또, 2차 압분성형체(115)를 소결처리기(80)까지 이송가능하게 형성할 수도 있다.
이러한 실시형태로 고강도 소결성형체(120)의 제조장치(1)에서는 다음과 같이 하여 고강도 소결성형방법이 실시된다.
(혼합분말의 조달)
기금속분말과 0.03(~0.10)중량%의 윤활제 분말(스테아린산 아연분말)을 혼합하여 건조한 상태의 혼합분말(100)을 조달한다. 소정량만 혼합분말 공급기(10)에 보급한다(도 1의 공정 PR0).
(혼합분말의 충전)
소정 타이밍에서, 혼합분말 공급기(10)가 도 3b에 나타내듯이 소정위치(실선)에서 보급위치(파선(破線))로 이동된다. 이어서, 혼합분말 공급기(10)의 공급구가 개방되고, 제1가압성형기(20)의 비어있는 하형(21,22) 내에 정량의 혼합분말(100)이 충전된다(도 1의 공정 PR1). 예를 들면 2초사이에 충전할 수 있다. 충전 후에 공급구가 폐쇄되고 혼합분말 공급기(10)는 소정위치(실선)로 돌아온다.
(1차 압분성형체 성형)
도 2의 슬라이드(5)와 함께 제1가압 성형기(20)의 상형(25)이 하강하여 하형(21,22) 내의 혼합분말(100)을 제1가압력 P1으로 가압하는 제1가압성형 처리가 시작된다. 고형상의 윤활제는 충분한 윤활작용을 한다. 압축된 1차 압분성형체(110)의 밀도ρ는, 도 4의 파선 A에 따라서 높아진다. 제1가압력 P1이 횡축지수(예를 들면, 95)에 상당하는 압력(9.5Ton/cm2)이 되면, 밀도ρ가 7.25g/cm3(종축지수 95 상당)으로 높아진다. 예를 들면, 8초간의 가압성형이 종료하면, 도 3a에 나타내듯이 금형(21) 내에 1차 압분성형체(110)가 성형되어 있다(도 1의 공정 PR2). 그 후, 슬라이드(5)에 의하여 상형(25)이 상승한다. 또한, 제2가압성형기(40)에서는, 앞의 1차 압분성형체(110)에 관한 제2가압성형 처리가 동기하여 실시되고 있다.
(1차 압분성형체의 취출)
제1취출수단(23)이 움직여, 1차 압분성형체(110)가 이송레벨 HL로 솟구쳐 올려진다. 즉, 하형(21)에서 취출된다. 그러면, 도 3b에 나타내듯이 워크이송수단(50)이 움직이고, 그 이송바(51)에 의하여 1차 압분성형체(110)는 가열승온기(30)를 향하여 이송된다. 이 단계에서, 가동부재(23)가 하부의 초기 위치로 돌아온다. 이송 후의 1차 압분성형체(110)는 도 3a에 나타내는 것과 같이 철망상 유지부재(32) 상에 위치결정되어 있다.
(가열승온)
도 3a에서, 가열승온기(30)가 기동한다. 분사후드(31)로부터 온풍이 불어 1차 압분성형체(110)는, 윤활제 분말의 융점상당 온도(120℃)로 승온된다(도 1의 공정 PR3). 즉, 윤활제가 용해되고 그 유동에 의하여 1차 압분성형체(110) 내의 윤활제 분포를 균일적으로 개변한다. 가열승온 시간은 예를 들면 8~10초이다. 또한 온풍은 철망상 유지부재(32), 배기순환 후드(33)를 통하여 재순환 이용된다.
(승온된 1차 압분성형체의 세트)
승온된 1차 압분성형체(110)는 도 3b에 나타내듯이, 워크이송수단(50)(이송바 (52))에 의하여 제2가압 성형기(40)로 이송되고, 하형(41)의 상부에 위치결정되어, 하형(41,42) 내의 가동부재(43)상에 세트된다(도 1의 공정 PR4).
(금형의 난기)
제2가압 성형기(40)에서 난기수단(47)이 움직이고, 1차 압분성형체(110)를 받아들이기(세트되기) 이전에, 금형［(41,42)］을 윤활제 분말의 융점상당 온도(120℃)로 데운다. 그 후에 받아들여진 승온된 1차 압분성형체(110) 내의 윤활제의 재고형화를 방지할 수 있다.
(2차 압분성형체 성형)
도 2의 슬라이드(5)와 함께 상형(45)이, 도 3a에 나타내듯이 하강하여 하형(41,42) 내의 1차 압분성형체(110)를 제2가압력 P2로 가압하기 시작한다. 액상의 윤활제가 충분한 윤활작용을 한다. 특히, 가압 성형의 진행에 수반하여 윤활제가 전방향으로 유출하므로, 입자간 뿐만 아니라 입자와 금형과의 마찰 저항력을 효율적으로 경감할 수 있다. 압축된 1차 압분성형체(110)의 밀도ρ는, 도 4의 실선 B에 따라서 높아진다. 즉, 제2가압력 P2가 횡축지수(예를 들면, 95…가압력 9.5Ton/cm2)를 넘으면, 밀도ρ가 7.25g/cm3에서 급격하게 종축지수 102 상당의 밀도ρ(7.75g/cm3)로 높아진다. 제2가압력 P2를 횡축지수 100(10Ton/cm2)까지 올리면, 밀도ρ(7.75g/cm3)는 전체적으로 균일하게 된다. 여기서, 예를 들면 8초간의 제2가압성형 처리가 종료되면, 금형(41) 내에 2차 압분성형체(115)가 성형되어 있다(도 1의 공정 PR5). 그 후, 슬라이드(5)에 의하여 상형(45)이 상승한다. 또한, 제1가압 성형기(20)에서는, 후의 1차 압분성형체(110)에 관한 제1가압성형 처리가 동기하여 실시되고 있다.
(2차 압분성형체의 취득)
제2취출수단(43)이 움직여, 2차 압분성형체(115)가 이송레벨 HL로 솟구쳐 올려진다. 즉, 하형(41)에서 취출된다. 그러면, 도 3b에 나타내듯이, 워크이송수단(50)이 움직이고, 그 이송바(53)에 의하여 2차 압분성형체(115)는 배출슈트(59)를 향하여 이송된다. 이 단계에서, 가동부재(43)가 하부의 초기 위치로 돌아온다.
(성형 사이클)
이상 두가지의 성형공정에 따른 압분성형 방법에 의하면, 순서대로 공급충전되는 금속분말(100)에 대한 제1가압성형 처리, 가열승온 처리 및 제2가압성형 처리를 동기실행할 수 있기 때문에, 최장의 가열승온 처리시간(10초)에 워크이송 시간(예를 들면, 2~4초)을 더한 12~14초의 사이클 시간에 2차 압분성형체(115)를 성형할 수 있다.
(소결성형체 성형)
배출슈트(59)로부터 도입된 2차 압분성형체(115)는, 소결처리기(80)에서 소결처리된다. 도 5에 나타내는 압분성형체(115)는 소결에 의하여 한층 고강도화된 소결성형체(120)가 된다. 소결성형체(120)(예를 들면, 소형경량 복잡형상으로 기계적 강도가 높은 자동차용 부품 및 기기용 부품)의 공급을 안정화할 수 있고, 이들의 생산비용 저감에도 크게 공헌할 수 있다.
(실시예 1)
혼합분말(100)을, 기금속분말(기계부품용 순철분말)에 윤활제 분말(스테아린산 아연분말)을 0.03(~0.10)중량%만 혼합하여 조제하였다. 제1가압력 P1에 의하여 가압성형하고, 밀도 7.0(~7.5)g/cm3의 1차 압분성형체(110)를 성형하였다. 혼합량이 0.03중량%라고 할 경우에 제1가압성형 공정을 가장 원활하게 진행할 수 있었다. 120℃로 가열승온된 1차 압분성형체(110)를 제2가압력 P2에 의하여 가압성형하고 종축지수 102에 해당하는 밀도 ρ 7.75g/cm3의 2차 압분성형체(115)를 성형하였다. 그리고 나서, 2차 압분성형체(115)에 1150℃로 30분의 소결처리를 하여 기계적 강도를 높인 소결성형체(120)를 얻었다. 기계적 강도(예를 들면, 인장력)는 밀도의 높음에 따라 증대한다. 즉, 소결처리의 전 단계의 제2가압성형 공정에서 밀도를 종래방법의 경우와 비교하여 향상시키고 있기 때문에, 소결에 의하여 기계적 강도를 한층 높인 기계부품을 능률적으로 제조할 수 있었다. 또한, 기금속분말에 합금형성용 금속분말을 첨가한 경우도 마찬가지로 성형할 수 있다는 것을 확인하였다. 이렇게 해서, 도 6B에 나타내는 세장환축형상이라도 고강도로 마무리 지을 수 있다.
(실시예 2)
혼합분말(100)을, 기금속분말(Fe-Si합금 분말)에 윤활제 분말(스테아린산 아연분말)을 0.03(~0.10)중량%만 혼합하여 조제하였다. 제1가압력 P1에 의하여 가압성형하고, 진밀도비 70~85%의 1차 압분성형체(110)를 성형하였다. 혼합량이 0.03중량%라고 했을 경우에 제1가압성형 공정을 가장 원활하게 진행할 수 있었다. 120℃로 가열승온된 1차 압분성형체(110)를 제2가압력 P2에 의하여 가압성형하고 종축지수 102에 해당하는 진밀도비 85~95%의 2차 압분성형체(115)를 성형하였다. 그리고 나서, 2차 압분성형체(115)에 1150℃로 30분의 소결처리를 하여 기계적 강도를 한층 높인 소결성형체(120)를 얻었다. 즉, 종래 성형방법에 의한 소결성형체와 비교하여 기계적 강도가 높은 소결성형체를 능률적으로 제조할 수 있었다.
이렇게 해서, 본 실시형태에 의하면 제1가압성형 공정(제1금형 내)에서 또한 윤활제 분말의 융점 미만의 상온에서 혼합분말(100)에 제1가압력 P1을 가하여 1차 압분성형체(110)를 성형하고, 가열승온 공정에서 1차 압분성형체(110)를 윤활제 분말의 융점상당 온도로 승온하고, 이어서 제2가압성형 공정에서 난기된 제2금형 내에서, 또한 당해 융점상당 온도로 1차 압분성형체(110)에 제2가압력 P2를 가하여 밀도를 높인 2차 압분성형체(115)를 성형하고, 그리고 나서 2차 압분성형체(115)에 소결처리를 하여 소결성형체를 형성하는 고강도 소결성형체의 제조방법이므로, 고강도 소결성형체(120)을 확실·안정하게 제조할 수 있으면서, 또한 제조비용을 크게 저감할 수 있다.
또, 윤활제 분말의 융점이 90~190℃의 온도범위 내에 속하는 저융점이기 때문에 산화억제를 조장하면서 윤활제의 선택성을 확대할 수 있다.
또, 기금속분말을 순철분말이나 Fe-Si 합금분말 중 어느 것으로 변경하여도, 다른조건을 동일하게 하여도, 기금속분말의 종류에 대응하는 우수한 기계적 강도가 높은 소결성형체(120)를 능률적이고도 안정하게 저비용으로 제조할 수 있다.
또, 제2가압력 P2를 제1가압력 P1과 같은 값으로 할 수 있기 때문에, 가압성형 공정의 실시 및 그 취급이 용이하고, 간접적으로 압분성형체의 제조비용을 한층 저감하는 것에도 기여할 수 있음과 동시에, 장치 구현화에 있어서 예를 들면 1대의 프레스 기계를 베이스로 간단히 구축할 수 있다.
돌아보면, 종래장치(예를 들면, 프레스 기계)의 능력(도 4의 횡축지수 100)으로는 종축지수 100에 상당하는 밀도 이상으로 높이는 것이 불가능했었다는 것에 반하여, 본 발명에 따르면 동일장치로 종축지수 102에 상당하는 밀도까지 높일 수 있다. 이 사실은, 당해 기술분야에서 획기적인 것으로 상찬된다.
또한, 제조장치(1)가 혼합분말 공급기(10)와 제1가압 성형기(20)와 가열승온기(30)와 제2가압 성형기(40)와 소결처리기(80)로부터 구성되어 있으므로, 상기의 고강도 소결성형체(120)의 제조방법을 확실하고도 안정하게 실시할 수 있다.
(제2실시형태)
본 실시형태는 도 7에 나타내고 있다. 제1실시형태의 경우와 비교하여, 혼합분말 공급기(10), 제1가압 성형기(20) 및 소결처리기(80)는 그대로 하고, 가열승온기(30)와 제2가압 성형기(40)를 일체적으로 형성한 것을 특징으로 한다.
즉, 제조장치(1)는, 제1실시형태의 경우에서의 가열승온기(30)와 제2가압 성형기(40)를, 이들 기능을 일체적으로 갖는 가열가압 성형기(70)에서 형성되고 있다. 가열가압 성형기(70)는 복수대(이 실시형태에서는 2대)의 가열가압 성형자기(70A, 70B)에서 형성되고, 각 가열가압 성형자기(70A, 70B)는 도시하지 않은 제어수단에 의하여 제조 사이클마다 선택순차적으로 동작가능하게 되어있다.
각 가열가압 성형자기(70A,70B)는, 기본구조가 제1실시형태에서의 제2가압성형기(40)에 상당하는 것으로 되어있다. 또, 각 가열가압 성형자기(70A,70B)에는 제1실시형태의 경우에서의 가열승온기(30) 및 난기수단(47)의 각 기능에 대응하는 복합 기능을 가진 복합 기능형 가열수단(48)을 마련하고 있다.
즉, 복합 기능형 가열수단(48)은, 설정온도 전환기능을 갖는 전열방식으로 되어있다. 미리(1차 압분성형체(110)를 받아들이기 이전에), 하형(41)을 윤활제 융점상당 온도(120℃)로 난기 할 수 있다. 1차 압분성형체(110)를 받아들인 후에는, 1차 압분성형체(110)의 전체를 윤활제 융점상당 온도(120℃)로 가열승온가능 하도록 발열량을 크게 전환한다. 가열부위를 선택전환할 수도 있다. 이 가열승온 종료후에 제1실시형태에서의 제2가압 성형기(40)의 경우와 같은 제2가열성형처리를 실시한다. 복합 기능형 가열수단(48)은, 제2가열성형 처리중에 1차 압분성형체(110)의 온도를 윤활제 융점상당 온도(120℃) 이상으로 유지가능하게 움직인다.
도 7에 나타내듯이, 각 가열가압 성형자기(20, 70A, 70B)는 독립 프레스 기계 구조로 되고, 각 슬라이드(5, 5A, 5B)는 각 기용모터의 회전제어에 의하여 각각 승강구동된다. 즉, 각 가열가압 성형자기(70A, 70B)의 한 쪽(다른쪽)이 가압성형 동작하는 경우는 다른 쪽(한 쪽)은 예열이고, 가압성형 동작은 하지 않는다. 가열가압성형기(70)를 제조사이클 타임과의 관계로부터, 3대 이상의 가열가압 성형자기에서 형성하는 경우도 마찬가지이다.
이러한 실시형태의 장치에서는, 제1가열성형기(20)에서 3번째의 1차 압분성형체(110)를 가압성형하는 동안, 한쪽 가열가압 성형자기(70A)(또는, 70B)에서 2번째의 1차 압분성형체(110)를 가열 승온함과 동시에, 다른쪽 가열가압 성형자기 70B(또는, 70 A)에서 1번째의 1차 압분성형체(110)를 2차 압분성형체(115)로 하기 위하여 가압성형하고 있다. 또, 이 기간 중에 소결처리기(80)에서는 그 이전에 도입된 복수의 2차 압분성형체(115)에 소결처리를 하여 소결성형체(120)로 하도록 성형 중이다.
그러나, 본 실시의 형태에 따르면, 가열 가압 성형기(70)를 동일구조의 복수대의 가압 성형자기(70A, 70B)에서 구축하면 되기 때문에, 제1실시형태의 경우와 비교하여 장치 간소화를 도모할 수 있다. 제조라인의 단순화도 촉진할 수 있어 취급도 한층 용이하게 된다. 또, 본 실시형태에 따르면, 제1가압공정, 가열승온공정 및 제2가압공정의 택타임을 맞출 수 있다.
또한, 제1가압 성형기(20)와 가열가압 성형자기(70A)(또는, 70B) 혹은 제1가압 성형기(20) 및 각 가열가압 성형자기(70A, 70B)를 1대의 프레스 기계 구조로서 구축하는 것도 가능하다.
상기와 같이, 본 발명의 실시형태에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 신규사항 및 효과로부터 실질적으로 일탈하지 않는 많은 변형이 가능하다는 것은 당업자에게는 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 이와 같은 변형예는 모두, 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 한다.
1 고강도 소결성형체의 제조장치, 10 혼합분말 공급기, 20 제1가압성형기, 30 가열승온기, 40 제2가압성형기, 47 난기수단, 48 복합 기능형 가열수단, 50 워크이송 수단, 70 가열가압 성형기, 70A, 70B 가열가압 성형자기, 80 소결 처리기, 100 혼합분말, 101 철분(鐵粉), 108 불필요물(잔사), 109 공공, 110 1차 압분성형체, 115 2차 압분성형체, 120 소결성형체, 128 부분소결

Claims (7)

  1. 철분말과 윤활제 분말의 혼합물인 혼합분말로서, 당해 혼합분말 전량의 0.02~0.12중량%가 윤활제 분말인 혼합분말을 가압하여 압분성형체를 성형하는 가압성형 공정과, 압분성형체를 소결하여 소결성형체를 성형하는 소결성형 공정을 포함하고,
    상기 가압성형 공정이 가열승온 공정을 사이에 둔 제1가압성형 공정과 제2가압성형 공정에서 형성되고,
    상기 제1가압성형 공정이 제1금형 내에서 상기 윤활제 분말의 융점 미만의 상온에서 상기 혼합분말에 제1가압력(加壓力)을 가하여 밀도가 7.0~7.5g/cm3인 1차 압분성형체를 성형하며,
    상기 가열승온 공정이 1차 압분성형체를 가열하여 당해 1차 압분성형체에 포함되는 윤활제 분말을 액화하고,
    상기 제2가압성형 공정이 승온된 1차 압분성형체를 난기된 제2금형에 세트하여 액화한 윤활제의 재고형화를 방지하면서, 상기 제2금형 내에서 1차 압분성형체에 제2가압력을 가하여 밀도를 높인 2차 압분성형체를 성형하는 것인 고강도 소결성형체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 윤활제 분말의 융점이 90~190℃의 온도범위 내에 속하는 저융점으로 되어있는 고강도 소결성형체의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 철분말이 순철분말이고, 상기 윤활제 분말이 0.03~0.10중량%인 스테아린산 아연분말이며, 상기 제2가압력이 상기 2차 압분성형체의 밀도를 7.75g/cm3으로 압축할 수 있는 것으로 선택되어 있는 고강도 소결성형체의 제조방법.
  4. 제1항 또는 2항에 있어서,
    상기 제2가압력이 상기 제1가압력과 같은 값으로 선택되어 있는 고강도 소결성형체의 제조방법.
  5. Fe-Si 합금분말과 윤활제 분말의 혼합물인 혼합분말로서, 당해 혼합분말 전량의 0.02~0.12중량%가 윤활제 분말인 혼합분말을 가압하여 압분성형체를 성형하는 가압성형 공정과, 압분성형체를 소결하여 소결성형체를 성형하는 소결성형 공정을 포함하고,
    상기 가압성형 공정이 가열승온 공정을 사이에 두는 제1가압성형 공정과 제2가압성형 공정으로 형성되며,
    상기 제1가압성형 공정이 제1금형 내에서 상기 윤활제 분말의 융점 미만의 상온에서 상기 혼합분말에 제1가압력을 가하여 밀도가 진밀도비 70~85%인 1차 압분성형체를 성형하고,
    상기 가열승온 공정이 1차 압분성형체를 가열하여 당해 1차 압분성형체에 포함되는 윤활제 분말을 액화하는 것이며,
    상기 제2가압성형 공정이 승온된 1차 압분성형체를 난기된 제2금형에 세트하여 액화한 윤활제의 재고형화를 방지하면서, 상기 제2금형 내에서 1차 압분성형체에 제2가압력을 가하여 밀도를 높인 2차 압분성형체를 성형하는 고강도 소결성형체의 제조방법.
  6. 철분말과 저융점의 윤활제 분말의 혼합물인 혼합분말로서, 당해 혼합분말 전량의 0.02~0.12중량%가 윤활제 분말인 혼합분말을 외부로 공급충전 가능한 혼합분말 공급기와,
    이 혼합분말 공급기를 사용하여 제1금형에 충전된 혼합분말에 제1가압력을 가하여 밀도가 7.0~7.5g/cm3인 1차 압분성형체를 성형하는 제1가압성형기와,
    상기 제1금형에서 취출된 1차 압분성형체의 온도를 승온하여 1차 압분성형체에 포함되는 윤활제 분말을 액화시키기 위한 가열 승온기와,
    승온된 1차 압분성형체를 난기된 제2금형에 세트하여 액화한 윤활제의 재고형화를 방지하면서, 당해 1차 압분성형체에 제2가압력을 가하여 밀도를 높인 2차 압분성형체를 성형하는 제2가압성형기와,
    2차 압분성형체에 소결처리를 하는 소결성형체를 제조하는 소결처리기를 구비하는 고강도 소결성형체의 제조장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가열 승온기와 상기 제2가압성형기를 이들 기능을 일체적으로 갖는 가열가압 성형기에서 형성함과 동시에, 가열가압 성형기를 복수대의 가열가압 성형자기(加熱加壓成形子機)에서 형성하고,
    상기 제1가압성형기에서 성형된 1차 압분성형체를 당해 1차 압분성형체의 성형사이클마다 상기 복수대의 가열가압 성형자기 중에서 선택한 1대에 도입하며, 상기 복수대의 가열가압 성형자기가 순차적으로 밀도를 높인 2차 압분성형체를 성형하도록 형성되어 있는 고강도 소결성형체의 제조장치.
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