KR101534389B1

KR101534389B1 - 분말사출성형 방법

Info

Publication number: KR101534389B1
Application number: KR1020130058331A
Authority: KR
Inventors: 권영삼
Original assignee: 주식회사 쎄타텍
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2015-07-09
Also published as: KR20140137614A

Abstract

텅스텐 중합금의 반구체 또는 원통형체를 제조할 수 있는 분말사출성형 방법이 개시된다. 분말사출성형 방법은 텅스텐(W) 분말에 니켈(Ni)분말과 철(Fe)분말을 일정 비율로 혼합하여 혼합 분말을 형성하는 단계, 상기 혼합 분말에 바인더를 혼합하여 피드스탁을 형성하는 단계, 상기 피드스탁을 사출성형하여 내주면에 다수의 노치부가 형성된 반구형의 사출체를 성형하는 단계, 상기 사출체를 탈지하는 단계 및 상기 탈지가 완료된 탈지체를 세라믹 재질의 소결 치구 내부에 삽입하여 소결하여 소결체를 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.

Description

분말사출성형 방법{A METHOD FOR POWDER INJECTION MOLDING}

본 발명은 반구형 또는 원통형의 텅스텐 중합금 제품을 제조하기 위한 분말사출성형 방법에 관한 것이다.

일반적으로 텅스텐 중합금은 텅스텐(W)을 주원료로 하여, 니켈(Ni)과 철(Fe) 또는 니켈과 구리(Cu)가 포함되어 있는 일종의 복합재료이다. 텅스텐 중합금은 높은 밀도와 우수한 인장강도를 갖고 있으므로 방사선 차폐재료, 핸드폰 진동자, 대전차용 고밀도 관통자, 탄두 및 고밀도 파편 등으로 널리 사용되고 있다. 특히, 텅스텐의 함량이 중량비로 90~97%이며 니켈과 철이 포함된 텅스텐 중합금(W-Ni-Fe)은 기계적 강도가 우수하기 때문에 가장 널리 사용되는 텅스텐 중합금 조성이다.

참고적으로, 포탄은 이미 형성된 파편이 비산하거나 폭압으로 생성된 파편이 비산하도록 되어있다. 또한, 포탄은 외피 내부에 일정한 크기로 노치를 형성하여, 폭발 시 원하는 크기와 형상을 갖는 파편을 형성할 수 있다. 포탄의 외피는 다양한 방법으로 제작될 수 있다. 예를 들어, 파편의 소재가 되는 강(Steel) 또는 텅스텐 중합금(Tungsten heavy alloy) 판재의 표면에 적당 크기의 노치 가공을 한 후 프레스 성형 공정으로 반구형 형상의 외피를 제조하거나 판재를 말아서 원통형 외피를 제조할 수 있다. 이와는 달리, 기 제조된 반구형이나 원통형 외피 내부에 노치를 기계 가공 등의 방법을 이용하여 구현할 수 있다.

여기서, 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.

한편, 기계 가공을 이용하는 경우, 가공이 어렵기 때문에 가공시간이 길고 가공비용이 높다는 단점을 갖는다.

따라서, 상술한 포탄의 외피를 형성하는 방법들의 단점들을 극복하기 위한 제작방법으로 분말사출성형 방법이 사용될 수 있다.

텅스텐 중합금의 제조는, 98% 이상의 이론 밀도를 갖는 고밀도 텅스텐 중합금은 고상 소결(solid phase sintering) 방법으로 가능하지만, 고밀도와 함께 강도와 연신률 등 기계적 물성이 요구되는 텅스텐 중합금의 경우에는 액상 소결(liquid phase sintering) 방법을 이용하여 제조된다. 이는 통상 분말로 존재하는 텅스텐과 니켈 및 철 분말을 일정 비율로 혼합하여 성형체를 제조한 후 니켈과 철의 공정점 이상의 온도 조건을 유지하는 소결로를 통해 고온 소결시킴으로써, 성형체에 포함된 니켈과 철이 소결 과정에서 액상을 형성하여 텅스텐과 액상의 2개의 다른 상을 형성한 텅스텐 중합금 소재가 된다.

한편, 텅스텐 중합금의 제조 시, 텅스텐 중합금에 포함된 니켈과 철이 용융됨에 따라 액상이 생성되면 소결 중에 중력의 영향으로 심한 처짐 현상과 함께 두께의 변화 등이 발생한다. 특히, 두께가 얇은 텅스텐 중합금 반구체의 경우 소결 중 중력에 의한 처짐 현상이 심하게 발생하여 반구의 형상을 유지하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면 내부에 노치를 갖는 정밀한 반구형 또는 원통형의 텅스텐 중합금 소결체를 제조하기 위한 것이다.

상술한 본 발명의 실시예들에 따른 분말사출성형 방법은, 텅스텐(W) 분말에 니켈(Ni)분말과 철(Fe)분말을 일정 비율로 혼합하여 혼합 분말을 형성하는 단계, 상기 혼합 분말에 바인더를 혼합하여 피드스탁을 제조하는 단계, 상기 피드스탁을 사출성형하여 내주면에 다수의 노치부가 형성된 반구형의 사출체를 성형하는 단계, 상기 사출체를 탈지하는 단계 및 상기 탈지가 완료된 탈지체를 세라믹 재질의 소결 치구(治具) 내부에 삽입하여 소결하여 소결체를 형성하는 단계를 포함하여 구성된다.

일 측에 따르면, 상기 소결 치구는 순도가 95% 이상의 알루미나(Al2O3) 재질로 형성될 수 있다. 그리고 상기 소결 치구는, 상기 소결이 완료된 소결체의 외경과 동일한 크기의 내주면을 가질 수 있다.

일 측에 따르면, 상기 혼합 분말은 텅스텐의 함량이 90~97%일 수 있다. 그리고 상기 혼합 분말은 텅스텐과 철 및 니켈이 혼합되어 형성되고, 상기 혼합 분말은 텅스텐의 함량이 90~97%이고, 철과 니켈은 상기 텅스텐 함량 대비 3~10% 함유될 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 소결 치구를 이용하여 반구형의 텅스텐 중합금 소결체를 제조할 수 있다.

또한, 치수 정밀도가 우수하고, 노치가 선명하게 형성된 텅스텐 중합금의 소결체를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말사출성형 공정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소결 치구의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 탈지가 완료된 열간 탈지체가 소결 치구에 삽입된 상태의 사시도이다.
도 4는 도 3에서 소결이 완료된 상태를 보여주는 요부의 사진이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1에 따른 소결체의 사진이다.
도 6은 본 발명의 비교예 2에 따른 소결체의 요부를 보여주는 사진이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 분말사출성형 방법에 대해서 설명한다. 참고적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말사출성형 공정을 설명하기 위한 순서도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소결 치구(治具)(10)의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 탈지가 완료된 열간 탈지체(21)가 소결 치구(10)에 삽입된 상태의 사시도이고, 도 4는 도 3에서 소결이 완료된 상태의 소결체(22)를 보여주는 요부의 사진이다. 도 5는 본 발명의 비교예 1에 따른 소결체의 사진이고, 도 6은 본 발명의 비교예 2에 따른 소결체(32)의 요부를 보여주는 사진이다.

본 발명의 실시예는 텅스텐 분말을 이용하여 반구형 또는 원통형 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

도면을 참조하면, 텅스텐 중합금 제품은 텅스텐 분말에 니켈(Ni) 분말, 철(Fe) 분말 또는 구리(Cu) 분말 중 선택된 1종 이상의 분말을 혼합한 혼합 분말로 형성된다(S1, S2).

예를 들어, 혼합 분말은 텅스텐의 함량이 90~97%이다. 또한, 혼합 분말은 고밀도와 고강도를 요구하는 텅스텐 중합금을 형성하기 위해서, 텅스텐에 니켈과 철을 일정 무게 비율(니켈/철 무게 비율: 1~10)로 혼합하여 형성할 수 있으며, 철과 니켈은 텅스텐 함량 대비 3~10% 함유될 수 있다.

다음으로, 혼합 분말에 바인더와 용매 등을 혼합하여 피드스탁을 제조한다(S3).

예를 들어, 피드스탁은 사출성형시 금형 내부에 충전되어, 사출 후의 사출체가 소정의 강도를 갖도록 소정의 점성을 갖는 유동체이다. 이를 위해서, 피드스탁은 혼합 분말에 적정량의 바인더가 혼합되어 형성된다. 예를 들어, 바인더는 서로 다른 용융점(melting point)을 갖는 여러 종류의 바인더가 함께 사용될 수 있다. 일 예로, 파라핀 왁스(paraffin wax), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 스테아린산(stearic acid) 등이 혼합된 바인더가 사용될 수 있다.

다음으로, 상기와 같이 제조된 피드스탁으로 사출성형하여 사출체를 성형한다(S4).

여기서, 사출체는 반구형으로 형성되고, 도 4에 도시한 바와 같이, 내주면을 따라 다수의 노치부(220)가 형성된다. 예를 들어, 노치부(220)는 소정의 간격을 갖는 격자 형태를 가질 수 있다. 그러나 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 노치부(220)는 실질적으로 다양한 크기와 형태를 가질 수 있다.

다음으로, 사출체에서 바인더를 제거하기 위한 탈지 공정을 수행한다(S5, S6).

여기서, 피드스탁에 서로 다른 특성(예를 들어, 용융점)을 갖는 다수의 바인더가 포함된 경우 여러 단계에 걸쳐서 탈지 공정이 수행될 수 있다. 예를 들어, 탈지 단계에서는 용매 탈지(S5)와 열간 탈지(S6)를 수행할 수 있다.

그리고 탈지가 완료된 탈지체(21)를 소정 온도로 소결하여 소결체(22)를 형성한다(S8). 여기서, 소결 단계에서는 탈지가 완료된 탈지체(21)를 소결 치구(10) 내부에 삽입한 상태에서 소결이 수행된다(S7).

본 실시예들에 따르면, 소결 치구(10)를 이용함으로 소결 시 노치부(220)가 소결 치구(10)와 접촉되지 않은 상태에서 소결이 수행된다. 소결 시 노치부(220)의 온도가 주위 온도에 비해서 상대적으로 낮기 때문에, 탈지체(21)의 외주면에 액상이 먼저 생성되어서 노치부(220)에 액상이 메워지지 않아서, 소결 후에도 내주면에 노치부(220)가 명확하게 생성될 수 있다.

소결 치구(10)는 그 내경이 최종적으로 제조하려고 하는 소결체(22)의 외경 크기와 동일하게 형성된다. 그리고 소결 치구(10)는 치수 정밀도를 높이기 위해서 분말사출 공법을 이용하여 제조된다. 그리고 소결 치구(10)의 재질은 순도 95% 이상의 고순도 알루미나(Al2O3)로 형성된다.

본 실시예들에 따르면, 분말사출 공법을 이용함으로써, 표면 조도가 우수하고 치수 정밀도가 높은 고순도의 소결 치구(10)를 양산하는 것이 가능하다. 참고적으로, 순도가 95% 이상의 고순도 알루미나의 경우 프레스 성형이 어렵기 때문에 통상적으로는 순도가 90% 내외이며 실리카(SiO2)를 10%정도 포함한 소재로 제작하게 된다. 그런데, 이와 같이 실리카가 포함된 재질로 소결 치구를 제작하는 경우, 면조도가 나쁘며 수소 분위기에서 수행되는 소결 과정에서 소결 치구에 포함된 실리카가 수소와 반응하면서 규소(Silicon; Si)를 생성하게 되고, 이와 같이 생성된 규소 성분이 소결로를 오염시킬 수 있다. 또한, 규소가 생성되는 경우, 소결 치구 내부에서 규소가 빠져나가는 만큼 소결 치구에 기공이 생성될 수 있고, 이로 인해, 소결 치구의 표면이 점차 거칠어 지고, 기공도가 높아져서 작은 충격에도 쉽게 파괴가 발생하여 소결 치구의 수명이 짧아지게 된다. 그러나 본 실시예에 따르면, 순도 99% 이상의 고순도 알루미나 재질로 소결 치구(10)를 제조하므로, 소결 과정에서 소결로가 규소로 오염되거나, 소결 치구(10)에서 함유 성분이 빠져나가면서 소결 치구(10)에 기공이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 5를 참조하면, 비교예 1은 소결 치구를 사용하지 않은 상태에서 텅스텐 중합금의 반구체를 제조한 것이다. 텅스텐 중합금 반구체의 제조 시, 텅스텐 중합금에 포함된 니켈과 철이 용융됨에 따라 액상이 생성되는데 소결 중에 중력의 영향으로 인해 처짐 현상과 함께 두께의 변화 등이 발생한다. 그런데, 도 5에 도시한 바와 같이, 소결 치구를 사용하지 않은 경우, 소결 중 중력에 의한 처짐 현상이 심하게 발생하여 반구의 형상을 유지하지 못하고 형태가 변형됨을 알 수 있다.

그리고 도 6은 열간 탈지체(21)의 내부에 소결 치구를 삽입한 상태에서 소결하여 제조된 텅스텐 중합금의 반구체를 보여준다. 상세하게는, 도 6의 비교예 2는, 소결하고자 하는 반구체의 내경에 대응되는 소결 치구를 탈지체 내부에 삽입한 상태에서 소결한 소결체(32)의 사진이다. 도 6을 참조하면, 소결 치구를 탈지체 내부에 삽입하여 소결하는 경우, 소결 후 소결체(32)의 반구체 형상은 유지됨을 알 수 있다. 그러나, 도 6에서 소결체(32)의 내주면을 살펴보면, 노치부(320)가 메워졌음을 알 수 있다. 이는, 비교예 2의 경우, 소결 치구가 탈지체 내부에 삽입되므로 소결 치구와 노치부(320)가 접촉된 상태에서 소결이 진행되고, 소결 과정에서 접촉된 소결 치구로 인해 노치부의 온도가 높아지면서 발생한 액상이 노치부(320)를 메우기 때문이다. 이와 같이 노치부(320)가 메워지면 파편 형성이 어려워지기 때문에 포탄의 성능이 저하된다. 그러나 본원 발명의 경우에는, 노치부(220)와 소결 치구(10)가 서로 접촉되지 않으므로, 소결 과정에서 노치부(220)에 액상이 맺히기 않기 때문에 소결 후 소결체(22) 내부에 선명한 노치부(220)가 형성될 수 있다.

또한, 비교예 2의 경우, 탈지체 내부에 소결 치구가 삽입되므로, 소결이 진행되면서 탈지체가 수축되기 때문에, 소결 후 소결체(32)에서 소결 치구를 제거하는 것이 어렵고, 소결 치구의 제거 과정에서 소결 치구에 충격을 주게 되므로 소결 치구의 파손이 심해질 수 있다.

이에 반해, 본원발명의 경우에는, 소결 치구(10) 내부에 탈지체(21)가 삽입되어 소결되므로, 소결 후 소결체(22)가 수축되면 소결 치구(10)에서 분리되는 방향(즉, 소결체(22)가 수축되는 방향)으로 수축되므로 소결 치구(10)와 소결체(22)가 쉽게 분리될 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

10: 소결 치구 21: 열간 탈지체
22: 소결체 220: 노치

Claims

분말사출성형 방법에 있어서,
텅스텐(W) 분말에 텅스텐(W) 분말에 니켈(Ni) 분말, 철(Fe) 분말 또는 구리(Cu) 분말 중 선택된 1종 이상의 분말을 혼합하여 혼합 분말을 형성하는 단계;
상기 혼합 분말에 바인더를 혼합하여 피드스탁을 제조하는 단계
상기 피드스탁을 사출성형하여 내주면에 다수의 노치부가 형성된 반구형의 사출체를 성형하는 단계;
상기 사출체를 탈지하는 단계; 및
상기 탈지가 완료된 탈지체를 반구형 세라믹 재질의 소결 치구 내부에 삽입하여, 상기 탈지체의 노치부가 상기 소결 치구에 접촉되지 않은 상태에서 소결하여 소결체를 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 소결 치구는 소결이 완료된 소결체의 외경과 동일한 크기의 내주면을 갖고, 순도가 95% 이상의 고순도 알루미나(Al2O3) 재질로 형성되는 분말사출성형 방법.
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제1항에 있어서,
상기 혼합 분말은 텅스텐의 함량이 90~97%인 것을 특징으로 하는 분말사출성형 방법.
제4항에 있어서,
상기 혼합 분말은 텅스텐과 철 및 니켈이 혼합되어 형성되고,
상기 혼합 분말은 텅스텐의 함량이 90~97%이고, 철과 니켈은 상기 텅스텐 함량 대비 3~10% 함유된 것을 특징으로 하는 분말사출성형 방법.