KR101615244B1 - 분말야금용 금형 제조방법 - Google Patents

Abstract

금형의 표면에서 파손이 잘 생기지 않아 오래 사용할 수 있고, 제품성형공간 내주면의 경도가 제품성형공간 깊이에 상관없이 균일하므로 불균일한 마모가 생기지 않아서 양질의 제품을 오래 생산할 수 있는 분말야금용 금형의 제조방법이 개시된다. 상기 분말야금용 금형 제조방법은 내부에 내부금형을 결합하기 위한 중공부가 형성되어 있는 외부금형을 준비하는 단계, 상기 중공부에 결합하기 위한 내부금형재료의 외면을 가공하고, 상기 내부금형재료에 구멍을 뚫고 넓혀서 성형공간 형성을 위한 황삭가공을 하여 황삭공간을 형성하는 단계, 상기 황삭공간이 형성된 상기 내부금형재료를 열처리하는 단계, 상기 열처리된 상기 내부금형재료를 상기 중공부에 열박음하는 단계 및 상기 황삭공간의 내주면을 정삭가공하여 성형공간을 완성하는 단계를 포함하는 구성을 한다.

Description

분말야금용 금형 제조방법{Method for making a powder metallurgy mold}

본 발명은 분말야금용 금형을 제조하는 방법의 개선에 관한 것으로서, 특히 모터 펌프의 임펠러를 제작하는 데 적합하게 적용될 수 있는 분말야금용 금형을 제조하는 방법의 개선에 관한 것이다.

분말야금용 금형(Powder Metallurgy Mold)은 금속 분말을 금형에 넣어 고압으로 원하는 형상의 제품을 성형하고, 이것을 용융점 이하로 가열 소결하여 제품을 만드는 데 사용되는 금형이다. 용융점이 높은 텅스텐이나 몰리브덴 등을 가공하는 데 효과적인 방법으로서 일명 소결 금형이라고도 한다.

이러한 분말야금용 금형에서 분말을 필요한 형태로 성형할 때, 매우 큰 압력이 가해지므로 금형과 성형분말 사이에 큰 마찰이 생겨 금형 표면에 마모가 많이 발생하기 때문에, 분말야금용 금형은 수명이 짧은 편이다.

이를 극복하기 위해 금형의 내부 표면에 TiC, TiN 등으로 단층 또는 복층의 코팅층을 형성하여 내마모성 향상을 꾀하는 것이 일본 특허공개번호 2002-129201호(발명의 명칭: 분말성형용 다이스 및 그것을 이용한 분말성형방법)의 공개특허공보에 개시되어 있다. 하지만 금형의 내부 표면에 TiC, TiN 등의 코팅층을 형성하기는 매우 까다롭고 시간이 많이 소요되며 비용이 많이 들어가고, 수명연장에도 한계가 따른다.

한편, 분말야금용 금형을 이용한 분말야금에 대한 종래기술은 등록번호 10-1248967호(발명의 명칭: 알루미늄 복합재의 제조방법, 발명자: 오카니와 시게루, 아오야마 시게키)의 등록특허공보 등에 개시되어 있다.

분말야금용 금형에서의 성형은, 상부펀치와 하부펀치가 상부와 하부에서 금형 내부로 각각 삽입된 상태에서, 금형 내부에 채워진 금속 분말이 고압으로 압축되면서 제품형상으로 성형되는 과정을 거친다.

이에 따라 분말야금용 금형은 큰 압력에 견딜 수 있도록 하려고 두꺼운 재료로 일체형으로 만들어진다.

하지만 위와 같이 일체형으로 만들어지는 분말야금용 내부 금형은 큰 압력을 자주 받기 때문에 오래 견디지 못하고 취약한 부분을 따라 깨지지는 현상이 종종 발생한다. 이에 따라 종래의 분말야금용 금형은 제품을 일, 이천 개 정도 찍고 나면 못쓰게 되는 경우가 종종 발생한다.

특히, 내부에 좁고 긴 나선형태의 성형공간이 다수 형성되는 임펠러 제조용 금형에서는 이러한 현상이 잘 생긴다.

이에 따라 본 발명자는 분말야금용 금형의 단점을 개선하기 위해, 큰 압력에 견딜 수 있도록 하면서 변형이 작게 발생하고 제품성형공간 내면에 마모가 적게 발생하도록 냉간금형강을 열처리하여 외부금형 내부에 일체로 결합한 것을 가공하여 분말야금용 금형을 만드는 것을 시도해 보았다.

본 발명자가 시도한 분말야금용 금형의 제조과정을 첨부된 도 1을 참조하여, 설명한다.

도 1은 본 발명자가 종래 분말야금용 금형의 단점을 개선하기 위해 시도한 분말야금용 금형의 제조과정을 설명하기 위한 공정도이다.

먼저, 내부에 내부금형을 결합할 수 있는 구멍이 뚫린 외부금형을 준비한다(S1). 한편으로는, 외부금형의 구멍에 결합하기 위한 내부금형의 외면을 가공한다. 통상 외부금형에 뚫린 구멍은 원형이고, 외면가공은 선반작업으로 이루어진다(S2).

외면가공이 된 내부금형 재료를 열처리한다(S3). 내부금형재료에 대한 열처리는 담금질(quenching)하여 내부금형재료의 표면경도를 높인 후, 템퍼링(tempering)하여 인성을 높이는 2단계의 과정으로 이루어진다. 이때 내부금형재료의 표면의 경도는 보통 60~62 HRC로 되게 한다.

그런 다음, 내부금형재료의 외곽을 이루는 외주면을 정확한 치수로 연마를 하고(S4), 외부금형의 내부 구멍에 열박음 하여 내부금형재료를 외부금형에 일체로 고정한다(S5).

열박음 이후에 단면부에 대한 평면연마를 실시하고(S6), 구리와 아연 합금으로 된 와이어를 이용하는 방전가공 등으로 내부금형재료에 구멍을 뚫고, 황삭가공으로 필요한 형상을 따라 재료를 도려낸 다음(S7), 보다 더 가는 와이어를 사용하여 정확한 치수의 제품성형공간을 정삭가공을(S8)하여 분말야금용 금형을 완성한다.

상기와 같은 과정으로 만들어진 분말야금용 금형은, 높은 압력과 그에 따른 마찰이 발생하는 제품성형공간의 경도를 가능한 한 높게 하려고 무리하게 전체 표면경도를 너무 높이다 보니 경도가 높을 필요가 없는 부분을 포함하여 전체 표면에서는 경도가 너무 높아서 금형이 잘 깨지는 부분이 많아지고, 내부성형공간 내주면의 표면경도보다 여타 표면의 경도가 더 높아지는 현상이 생기는 단점이 있었다.

그뿐만 아니라 열처리 후에 제품성형공간을 형성하기 때문에 내부금형의 제품성형공간 내면의 경도가 균일하지 않아서 깊이에 따라 마모의 차이가 생겨 많은 수의 제품을 찍어내지 못한다는 단점이 있었다. 금형을 대략 3,000번 정도 사용하고 나면 그 금형에 파손부위가 생기거나 제품성형공간이 변형되어 빨리 제 수명이 다하는 경우가 종종 발생하였다.

특히, 내부에 좁고 긴 나선형태의 성형공간이 다수 형성되는 임펠러 제조용 금형에서는 이러한 현상이 잘 생겼고, 제품성형공간 내주면의 경도를 원하는 경도로 맞추기가 매우 어려웠다.

본 발명의 목적은 상기와 같이 변형이 작게 발생하고 제품성형공간 내면에 마모가 적게 발생하도록 냉간금형강을 열처리하여 외부금형 내부에 일체로 결합한 것을 가공하여 분말야금용 금형을 만드는 방식을 더 개선하여 파손이 잘 안 되고 오래 사용할 수 있는 분말야금용 금형을 얻을 수 있게 해주는 분말야금용 금형 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 내부금형 표면의 경도가 균일한 분말야금용 금형을 얻을 수 있게 하는 분말야금용 금형 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 깊이에 따라 제품성형공간 내주 표면의 경도에 변화가 적은 분말야금용 금형을 얻을 수 있도록 해주는 분말야금용 금형 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 분말야금용 금형의 전체 표면경도를 낮추어 금형의 취성을 줄이면서도 제품성형공간 내주 표면의 경도를 적정하게 유지할 수 분말야금용 금형을 얻을 수 있는 분말야금용 금형 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 분말야금용 금형의 전체 표면경도를 낮추어 금형의 취성을 줄이면서도 제품성형공간 내주 표면을 따라 균일한 마르텐사이트 조직을 가지는 분말야금용 금형을 얻을 수 있는 분말야금용 금형 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 분말야금용 금형 제조방법은, 내부에 내부금형을 결합하기 위한 중공부가 형성되어 있는 외부금형을 준비하는 단계; 상기 중공부에 결합하기 위한 내부금형재료의 외면을 가공하고, 상기 내부금형재료에 구멍을 뚫고 넓혀서 성형공간 형성을 위한 황삭가공을 하여 황삭공간을 형성하는 단계; 상기 황삭공간이 형성된 상기 내부금형재료를 열처리하는 단계; 상기 열처리된 상기 내부금형재료를 상기 중공부에 열박음하는 단계; 및 상기 황삭공간의 내주면을 정삭가공하여 성형공간을 완성하는 단계를 포함하는 구성을 한다.

상기 내부금형재료는 냉간금형강이고, 상기 열처리하는 단계는 상기 황삭가공 된 내부금형재료를 진공상태에서 예열과정을 거쳐 경화열처리 온도까지 가열하는 진공열처리 과정과, 상기 경화열처리 온도까지 가열된 상기 황삭가공 된 내부금형재료를 급랭하는 과정과, 상기 급랭한 상기 황삭가공 된 내부금형재료를 서브제로 처리하는 과정을 포함하는 것을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 진공열처리 과정은 10^-3 Torr 또는 10^-3 Torr보다 높은 진공도에서 섭씨 620~680도 1차가열하여 20분 이상 유지하는 1차 예열과정, 섭씨 800~900도로 2차 가열 후 50분 이상 유지하는 2차 예열과정 및 섭씨 1,000~1,060도의 상기 경화열처리 온도까지 가열하여 80분 이상 유지하는 본열과정을 포함하고, 상기 급랭하는 과정은 10² Torr 이상의 압력하에서 기체질소로 냉각하는 것을 포함하고, 상기 서브제로 처리하는 과정은 섭씨 -170도 이하의 반액체 질소에 담가서 90분 이상 유지하는 것이 좋다.

상기 서브제로 처리 과정을 거친 상기 황삭가공된 내부금형을 2회 이상 템퍼링 열처리하는 과정을 포함하는 것이 좋다.

상기 황삭공간을 형성하는 단계에는 상기 황삭공간의 내벽면에 정삭으로 제거하여 정확한 치수로 상기 성형공간을 형성할 수 있도록 0.4~0.6㎜ 두께의 가공여유를 남겨두는 것이 바람직하다.

상기 성형공간은 상기 내부금형의 일 단부 표면에 형성되어 복수의 임펠러 날개들을 일체로 연결하는 연결판을 형성하기 위한 원형홈, 상기 원형홈의 중심부에 형성되어 중심축을 형성하기 위한 중심축공 및 상기 중심축공 둘레에서 바깥으로 나선형으로 연장되어 상기 중심축 둘레를 따라 간격을 두고 복수의 임펠러 날개들을 형성하기 위한 나선형 날개구멍들을 구비하는 것일 수 있다.

상기 황삭공간을 형성하는 단계와 상기 성형공간을 형성하는 단계는 구리와 아연을 포함하는 와이어를 이용하는 방전가공을 하는 과정을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면 금형의 표면에서 파손이 잘 생기지 않아 오래 사용할 수 있다.

제품성형공간 내주면의 경도가 제품성형공간 깊이에 상관없이 균일하므로 불균일한 마모가 생기지 않아서 양질의 제품을 오래 생산할 수 있다.

본 발명에 따르면 제품성형공간 내주면의 경도를 높이기 위해 그 외의 표면경도를 무리하게 높이지 않아도 된다.

본 발명에 따르면 제품성형공간 내주면 경도를 원하는 경도로 쉽게 만들 수 있고, 불량률을 획기적으로 낮출 수 있다.

본 발명에 따르면 제품성형공간 내주면을 따라 균일한 마르텐사이트 조직을 가지는 분말야금용 금형을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명자가 종래 분말야금용 금형의 단점을 개선하기 위해 시도한 분말야금용 금형의 제조과정을 설명하기 위한 공정도,
도 2는 본 발명에 따른 개선돈 분말야금용 금형 제조방법의 과정을 나타낸 공정도,
도 3은 외부금형의 사시도,
도 4는 부분적으로 황삭가공을 한 상태 내부금형의 사시 사진,
도 5는 부분적으로 황삭가공을 한 상태 내부금형의 평면 사진,
도 6과 7은 내부금형을 외부금형에 열박음 하여 평면연마 및 정삭가공을 하는 과정을 설명하기 위한 사시도,
도 8은 도 7의 I-I에 따른 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 개선된 분말야금용 금형 제조방법의 과정을 나타낸 공정도, 도 3은 외부금형의 사시도, 도 4는 부분적으로 황삭가공을 한 상태 내부금형의 사시 사진, 도 5는 부분적으로 황삭가공을 한 상태 내부금형의 평면 사진, 도 6과 7은 내부금형을 외부금형에 열박음 하여 평면연마 및 정삭가공을 하는 과정을 설명하기 위한 사시도, 도 8은 도 7의 I-I에 따른 단면도이다.

도 3에 나타낸 바와 같은 외부금형(110)을 준비한다(S11). 외부금형(110)과 내부금형(130)을 만드는 순서는 변동될 수 있음은 물론이다. 외부금형(110)의 내부에는 내부금형(130)을 결합하기 위한 중공부(112)가 형성되어 있다. 통상 중공부(112)는 원형으로 형성된다.

한편으로는 내부금형(130)을 만들기 위한 재료의 외면을 가공한다. 내부금형(130) 재료로는 바람직하게, SKD-11 등의 냉간금형강이 사용된다. 중공부(112)가 원형인 경우, 선반가공을 한다(S12). 외면 가공 중에 도 4와 5에 나타낸 바와 같이, 내부금형재료(130a)의 일 단면의 표면에 원형홈(132)을 형성한다. 이 원형홈(132)은 임펠러의 날개들을 일 단부에서 일체로 연결하는 연결판을 형성하기 위한 공간이다.

그런 다음 바람직하게 방전가공으로, 더욱 바람직하게 구리와 아연을 포함하는 와이어를 이용하는 방전가공으로 중앙부 및 그 둘레에 작은 구멍을 뚫고 성형공간 형성을 위한 황삭가공을 한다. 구멍을 뚫은 후에는, 중앙부에는 중앙부 구멍으로 와이어를 삽입하여 도 4와 5에 나타낸 바와 같이 직사각형태의 기준구멍(134)을 형성하고, 그 둘레의 작은 구멍으로는 와이어를 삽입하여 기준구멍(134)의 내주면을 기준으로 하여 날개구멍(136) 형태로 재료를 잘라내고, 기준구멍(132)을 원형의 중심축공(134a)으로 황삭가공을 한다. 이렇게 황삭가공에 의한 중심축공(134a), 날개구멍(136)은 황삭공간을 형성한다(S13). 이 때 바람직하게 각 벽면에는 0.5㎜ 정도의 두께로 여유를 남겨둔다. 이 여유분은 0.1㎜ 정도 증감될 수 있다.

다음으로, 황삭가공으로 황삭공간이 형성된 내부금형재료(130a)에 대해 열처리를 한다(S14). 열처리 과정은 황삭가공 된 내부금형재료(130a)를 진공상태에서 예열과정을 거쳐 경화열처리 온도까지 가열하는 진공열처리 과정과, 경화열처리 온도까지 가열된 황삭가공 된 내부금형재료(130a)를 급랭하는 과정과, 급랭한 황삭가공 된 내부금형재료(130a)를 서브제로 처리하는 과정을 포함하는 것이 바람직하다. 이런 진공열처리 과정과 급랭 과정과 서브제로 처리하는 과정은 2회 이상 하는 것이 바람직하다.

더 자세하게 설명하면, 상기 진공열처리 과정은 10^-3 Torr 또는 10^-3 Torr보다 높은 진공도에서 섭씨 620~680도 1차가열하여 20분 이상, 바람직하게 30분 정도 유지하는 1차 예열과정, 섭씨 800~900도로 2차 가열 후 50분 이상, 바람직하게 1시간 정도 유지하는 2차 예열과정 및 섭씨 1,000~1,060도, 바람직하게 1,030도 정도의 경화열처리 온도까지 가열하여 80분 이상, 바람직하게 90분 정도 유지하는 본열과정을 포함하여 이루어진다. 황삭공간을 형성된 내부금형재료(130a)에 대해 이렇게 예열과정 및 본열과정을 수행함에 따라 내부금형재료(130a)의 내부 깊은 곳까지 가열이 이루어진다.

본열과정을 거친 후에 수행하는 급랭하는 과정은 가압실에서 10²Torr 이상의 압력하에서, 바람직하게 기체질소를 이용하여 냉각한다. 이렇게 예열 및 본열과정을 거친 후 급랭함에 따라 본 발명에 따른 내부금형재료의 내부 깊은 곳까지 균일하게 열처리가 이루어져 황삭공간의 내주면 전체면의 경도가 균일해진다.

급랭 후에 실시하는 서브제로 처리하는 과정은 바람직하게 섭씨 -180 정도의 반액체 질소에 담가서 90분 이상, 바람직하게 2시간 정도 유지하는 과정을 가지도록 한다. 이러한 서브제로 처리는 심랭 처리라고도 한다. 이렇게 서브제로 처리를 함에 따라 본 발명에 따른 내부금형재료(130a)의 황삭공간의 내주면을 따라 일정 깊이까지 균일한 마르텐사이트조직이 형성된다. 바람직하게, 위와 같은 진공하에서의 예열과정, 본열과정, 급속내각과정 및 서브제로 처리과정을 2회 이상 실시한다.

더욱 바람직하게, 서브제로 처리 과정을 거친 황삭가공된 내부금형재료를 다시 2회 이상 템퍼링 열처리하는 과정을 가지도록 하여, 담금질에 의한 내부응력을 제거한다. 내부금형재료(130a)의 표면경도는 56~58HRC 정도, 바람직하게 57HRC 정도 되게 한다.

위와 같은 과정으로 열처리된 내부금형재료(130a)의 외주면을 연마한(S15) 후에, 도 6과 7에 나타낸 바와 같이 내부금형재료(130a)를 외부금형(110)의 중공부(112)에 열박음 한다(S16).

그런 다음 내부금형(130)과 외부금형(110)의 단면부에 평면 연마를 실시하고(S17), 와이어를 이용한 방전가공으로 황삭공간 내주면을 정삭가공하여 성형공간(138)을 완성하여(S18), 도 8에 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 분말야금용 금형(100)을 완성한다.

위와 같은 과정으로 형성된 이 실시 예에 따른 성형공간(138)은 내부금형(130)의 일 단부 표면에 형성되어 복수의 임펠러 날개들을 일체로 연결하는 연결판을 형성하기 위한 원형홈(132), 원형홈(132)의 중심부에 형성되어 중심축을 형성하기 위한 중심축공(134a) 및 중심축공(134a) 둘레에서 바깥으로 나선형으로 연장되어 중심축 둘레를 따라 간격을 두고 복수의 임펠러 날개들을 형성하기 위한 나선형 날개구멍(136)들을 구비하고 있다.

이러한 본 발명에 따른 분말야금용 금형(100)을 이용하는 경우, 원형의 연결판의 중심에 중심축이 설치되고, 그 중심축 둘레를 따라 간격을 두고 나선형 날개들이 설치된 임펠러를 쉽게 만들 수 있다.

본 발명은 오일펌프의 임펠러를 만드는 분말야금용 금형뿐만 아니라 여타의 다양한 제품을 만드는 데 사용되는 분말야금용 금형을 만드는 데에도 이용될 가능성이 있다.

100: 분말야금용 금형 110: 외부금형
112: 중공부 130: 내부금형
130a: 내부금형재료 132: 원형홈
134: 기준구멍 134a: 중심축공
136: 날개구멍 138: 성형공간

Claims (7)

1. 내부에 내부금형을 결합하기 위한 중공부가 형성되어 있는 외부금형을 준비하는 단계;
   상기 중공부에 결합하기 위한 내부금형재료의 외면을 가공하고, 상기 내부금형재료에 구멍을 뚫고 넓혀서 성형공간 형성을 위한 황삭가공을 하여 황삭공간을 형성하는 단계;
   상기 황삭공간이 형성된 상기 내부금형재료를 열처리하는 단계;
   상기 열처리된 상기 내부금형재료를 상기 중공부에 열박음하는 단계; 및
   상기 황삭공간의 내주면을 정삭가공하여 성형공간을 완성하는 단계를 포함하고,
   상기 내부금형재료는 냉간금형강이고,
   상기 열처리하는 단계는 상기 황삭가공 된 상기 내부금형재료를 진공상태에서 예열과정을 거쳐 경화열처리 온도까지 가열하는 진공열처리 과정과, 상기 경화열처리 온도까지 가열된 상기 황삭가공 된 상기 내부금형재료를 급랭하는 과정과, 상기 급랭한 상기 황삭가공 된 상기 내부금형재료를 서브제로 처리하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말야금용 금형 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에서, 상기 진공열처리 과정은 10^-3 Torr 또는 10^-3 Torr보다 높은 진공도에서 섭씨 620~680도로 1차가열하여 20분 이상 유지하는 1차 예열과정, 섭씨 800~900도로 2차 가열 후 50분 이상 유지하는 2차 예열과정 및 섭씨 1000~1060도의 상기 경화열처리 온도까지 가열하여 80분 이상 유지하는 본열과정을 포함하고,
   상기 급랭하는 과정은 10² Torr 이상의 압력하에서 기체질소로 냉각하는 것을 포함하고,
   상기 서브제로 처리하는 과정은 섭씨 -170도 이하의 반액체 질소에 담가서 90분 이상 유지하는 것을 특징으로 하는 분말야금용 금형 제조방법.
4. 제3항에서, 상기 서브제로 처리 과정을 거친 상기 황삭가공된 상기 내부금형재료를 2회 이상 템퍼링 열처리하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말야금용 금형 제조방법.
5. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에서, 상기 황삭공간을 형성하는 단계에는 상기 황삭공간의 내벽면에 정삭으로 제거하여 정확한 치수로 상기 성형공간을 형성할 수 있도록 0.4~0.6㎜ 두께의 가공여유를 남겨두는 것을 특징으로 하는 분말야금용 금형 제조방법.
6. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에서, 상기 성형공간은 상기 내부금형의 일 단부 표면에 형성되어 복수의 임펠러 날개들을 일체로 연결하는 연결판을 형성하기 위한 원형홈, 상기 원형홈의 중심부에 형성되어 중심축을 형성하기 위한 중심축공 및 상기 중심축공 둘레에서 바깥으로 나선형으로 연장되어 상기 중심축 둘레를 따라 간격을 두고 복수의 임펠러 날개들을 형성하기 위한 나선형 날개구멍들을 구비하는 것을 특징으로 하는 분말야금용 금형 제조방법.
7. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에서, 상기 황삭공간을 형성하는 단계와 상기 성형공간을 형성하는 단계는 구리와 아연을 포함하는 와이어를 이용하는 방전가공을 하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 분말야금용 금형 제조방법.

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