KR101690147B1 - 메탈케이스 제조방법 - Google Patents

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Abstract

금속합금분말의 무게기준으로 2-5wt%의 바인더를 첨가하여 코팅처리된 복합합금분말을 유동성이 있도록 하기 위하여 바인더의 용융온도보다 높은 온도인 200-400℃에서 온간 성형을 함으로써 종래 분말성형법 및 MIM법에 의하여 제조가 불가능했던 복잡형상 및 2mm이하의 두께를 지닌 박대의 금속메탈케이스의 제조가 가능하며, 현재 양산에 적용되고 있는 다이캐스팅법에 비하여 품질특성, 생산성 및 경제성이 월등 우수하다.

Description

메탈케이스 제조방법 {Manufacturing process for metal case}
본 발명은 금속합금분말을 사용하여 온간성형법의 적용에 의한 복잡한 형상 및 박대의 메탈케이스 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 스파트폰, 노트북 등의 금속용 커버 및 본체용 프레임의 제조는 형상이 복잡하고, 두께가 1mm이하이면서 박대의 대면적인 박판 형상이 적용되고 있으며, 이에 따라 제조방식은 주로 다이캐스팅법이 적용되고 있다. 본 방식은 금속용탕을 소정의 주형틀에 붓는 방식으로, 주형틀과의 융착성 및 응고시의 기공발생 등으로 인하여 내부조직상에 기공발생 및 가공손실 등의 문제가 있어서 생산 실수율이 50%미만으로 매우 낮아 생산성 및 경제성이 낮은 문제점이 있다.
반면에 최근 각광을 받고 있는 MIM(metal injection moulding)법은 복잡형상에 대단히 유용한 방법이지만, 가로와 세로의 각각의 길이가 30mm이상이면서 두께가 1mm이하의 박대의 대면적인 판재형상으로 성형후에 탈지 및 소결처리시에 30-50%의 체적수축율에 기인하여 부품 형상의 비틀림 및 접힘 등이 발생하여 아직 실적용에는 무리가 있는 실정이다.
또한 분말성형법은 바인더가 수wt%이하로 소량 첨가되고 성형압력이 5톤/cm2이상이 적용됨으로써 비틀림 문제는 어느정도는 해결할 수 있지만, 복잡한 형상의 제조가 어렵고, 또한 1mm이하이면서 대면적의 박대의 제조시에 분말의 균일분포가 어려워서 현재까지 생산된 적이 없는 실정이다.
본 발명에서는 상기의 문제점을 해결하고자 분말성형법을 활용하여 바인더인 열가소성계 수지를 코팅한 복합금속합금분말을 제조한 다음 200-400℃의 온도에서 분말을 자동성형함으로써 상기 문제점를 해결하였다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 성형용 금속합금분말을 열가소성계 수지로 코팅한 다음 200-400℃의 온도로 유지된 자동성형기에 장입함으로 바인더 수지가 연화 및 용융됨으로서 성형시에 쉽게 성형다이의 전면적에 걸쳐 고르게 분산되어 균일한 성형이 이루어지고, 다음에 200-500℃의 온도에서 탈지 처리를 행한 다음 각 합금의 용해온도의 2/3의 온도부근에서 2-3시간 소결처리를 행함으로써, 종전에 불가했던 대면적이며, 1mm이하인 박대 형상의 메탈 케이스를 안정적, 경제적으로 제조할 수 있는 제조공정이 발명되었다.
본 발명에 사용되는 금속합금분말은 일반적으로 주용도가 스마트폰 및 노트북, 시계 등의 외관케이스로 주로 적용됨으로 인하여 내식성, 강도 및 경량화가 요구됨으로, 주요 대상소재로서는 스테인레스계, 티타늄 합금계, 알루미늄 합금계, 마그네슘 합금계가 적당하다. 금속합금분말의 평균입경은 분말의 유동성 및 충진성을 높이기 위하여 50㎛이하가 적당하며, 바람직하게는 5-20㎛이다. 분말의 형상은 성형시 분말의 유동성을 부여하기 위하여 가급적 구형분말이면 좋다.
금속합금분말의 바인더 소재의 역할은 성형 초기에 금속합금분말간 결합력을 강하게 하고, 성형다이스내의 충진의 효율성 및 성형다이스의 전면적에 걸쳐 균일한 분포를 부여하기 위하여 바인더 코팅처리를 하며, 최종 소결처리시에 전량 소진되어 야하고, 또한 성형온도이하의 온도인 200-300℃의 온도에서 연화 및 용융되어야 하는 유기계 열가소성 수지를 사용하여야 하며, 대표적인 소재로서는 PP(poly propylene), PE(poly ethlene), EVA(ethylene vinyl acetate) 등이 적당하다. 코팅량은 금속합금분말의 겉보기 밀도에 따라 약간의 차이가 있으나 1-5wt%가 적당하다. 1wt%이하에서는 초기 성형시의 결합강도가 약하고, 또한 200℃이상의 온도에서 온간성형시에 분말의 유동성이 좋지 않으며, 5wt%이상에서는 성형후 탈지 처리 및 소결처리시에 부품의 체적수축률이 커져서 부품의 비틀림 등이 다량 발생한다. 바인더를 금속합금분말에 코팅처리한 복합합금분말의 성형온도는 150-400℃의 온도범위가 적당하다.
150이하에서는 수지가 충분히 연화되지 않아서 복합합금분말의 균일분포가 용이하지 않으며, 400이상에서는 수지가 급격히 휘발됨으로 인하여 성형품 제조가 어렵게 된다.
복합합금분말의 성형압력은 진밀도의 85%이상이 되도록 압력조정이 되어야 하며, 사용하는 금속합금분말의 종류에 따라 약간의 차이가 있지만 2-10톤/cm2이 적당하다. 2톤/cm2이하에서는 진밀도의 85%이하로 떨어져서 소결시에 높은 수축율로 기인하여, 부품의 비틀림이 다량 발생되며, 10톤/cm2이상에서는 성형설비가 과대하게 커져서 설비비용이 많이 소요된다.
제조된 성형품은 부품내부에 남아있는 바인더 수지 및 윤활제를 제거하기 위하여 탈지처리를 행한다. 탈지온도는 바인더의 용융온도부근에서 휘발온도까지 단계적으로 서서히 올려야 하며, 적정온도범위는 바인더 종류 및 금속합금종류에 따라 차이가 있으나 일반적으로 200-500℃이며, 탈지시간은 2-10hr이 적당하다. 탈지시간이 2hr이하로 짧으면, 충분히 탈지가 되지 않으며, 10hr이상에서는 생산성이 떨어진다. 탈지처리후에 사용된 금속합금분말의 용해온도 2/3이상의 온도범위에서 1-5hr 소결처리를 행한다. 소결처리시간이 1hr이하에서는 충분한 소결이 되지 않고, 5hr이상에서는 생산성이 떨어진다.
본 발명의 적용에 의하여 다이캐이스팅법에 비하여 실수율, 생산성, 경제성 등이 월등히 우수하며, 품질 불량율을 대폭적으로 감소된다.
분말의 평균입경이 10㎛인 Ti-6Al-4V합금분말(wt%) 3000g에 바인더로서 EVA(ethylene vinyl acetate) 60g을 톨루엔에 녹여 균일한 코팅처리를 하여 건조한 다음에 윤활제로서 평균입경이 3㎛인 스테아린산 분말 30g을 균일하게 혼합하였다. 혼합된 복합입자분말을 가로 80mm, 세로 80mm이며, 220℃의 온도로 유지되고 있는 성형다이스에 자동 장입한 다음 7톤/cm2의 압력으로 분당 2타의 속도로 자동성형하여 평균두께 0.5mm의 박대 시트를 제조하였다. 제조된 박대 시트는 200-500℃로 유지하고 있는 산화분위기의 열처리로에서 3hr 탈지처리를 하여 시트 내부에 있는 바인더 및 윤활유를 제거한 다음, 900-1,100℃로 유지되고 있는 수소가스 분위기의 환원분위기로에서 3hr 소결처리를 행하였다.
소결처리된 부품의 외관은 육안검사로 하였고 검사항목은 100개의 샘플을 선정하여 표면의 비틀림 및 기공발생을 조사하였으며, 비틀림 발생율은 1/100의 평탄도를 기준으로 하였으며, 기공발생량은 직경 0.5mm이상의 기공의 발생시로 정의하였다. 부품의 밀도는 무게를 체적으로 나누어 계산하였다. 제조된 시트의 제특성은 표1에 나타내었다.
(실시예 2)
분말의 평균입경이 7㎛인 Al-11Si-2.5Cu합금분말(wt%)을 사용하는 것과 소결온도를 300-500℃로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 행하였다.
제조된 시트의 제특성은 표1에 나타내었다.
℃
(실시예 3)
분말의 평균입경이 8㎛인 STS316합금분말을 사용하는 것과 소결온도를 800-1,000℃로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 행하였다.
제조된 시트의 제특성은 표1에 나타내었다.
(실시예 4)
성형압력을 2톤/cm2로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 시트의 제특성은 표1에 나타내었다.
(실시예 5)
바인더 함량을 1wt%로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 시트의 제특성은 표1에 나타내었다.
(실시예 6)
바인더 함량을 5wt%로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 시트의 제특성은 표1에 나타내었다.
(비교예 1)
성형압력을 1톤/cm2로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 시트의 제특성은 표1에 나타내었다.
(비교예 2)
바인더 함량을 0.5wt%로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 시트의 제특성은 표1에 나타내었다.
(비교예 3)
바인더 함량을 6.0wt%로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 시트의 제특성은 표1에 나타내었다.
(비교예 4)
복합분말의 성형온도를 130℃로 하는 것 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 제조된 시트의 제특성은 표1에 나타내었다.
조건
번호		 합금조성계
(wt%)		 바인더
첨가량
(wt%)		 성형
온도
(℃)		 성형
압력
(톤/cm2)		 성형밀도 (g/cm3) 표면결함
발생율(%)
소결처리전 소결처리후 비틀림 기공
실시예1 Ti-6Al-4V 2.0 220 8 90 97 2 1
실시예2 Al-11Si-2.5Cu 2.0 220 8 93 98 3 2
실시예3 STS316L 2.0 220 8 89 96 1 1
실시예4 Ti-6Al-4V 2.0 220 2 86 95 9 6
실시예5 Ti-6Al-4V 1.0 220 8 93 99 8 0
실시예6 Ti-6Al-4V 5.0 220 8 87 96 8 7
비교예1 Ti-6Al-4V 2.0 220 1 82 95 17 3
비교예2 Ti-6Al-4V 0.5 220 8 93 98 21 5
비교예3 Ti-6Al-4V 6.0 220 8 84 95 27 15
비교예4 Ti-6Al-4V 2.0 130 8 83 95 35 21
여기서, 표1의 실시예에서 보여주는 바와 같이, 바인더 첨가함량이 2-5wt%범위에 있으며, 성형온도가 200-400℃ 범위에서 성형압력이 2톤/cm2이상일 때, 성형밀도가 진밀도의 85%이상을 나타내며, 또한 표면 결함발생율이 10%이하로 획기적으로 낮음을 알 수 있다. 이는 종전에 분말성형법으로 불가했던 2mm이하이면서 박대인 판재형상의 부품을 안정적으로 제조할 수 있음을 의미한다.
반면에 바인더 함량이 1.0wt%이하이거나, 6.0wt%이상일때는 표면결함발생율이 10%이상이 되며, 또한 성형온도가 바인더의 연화온도에 근접한 150℃이하이거나, 성형압력이 1톤/cm2이하일 때는 표면결함발생율이 10%이상이 됨을 알 수 있다.

Claims (4)

  1. (a) 미립의 금속합금분말로서 Ti-6Al-4V합금분말(wt%) 3000g에 바인더로서 열가소성계 수지인 EVA(ethylene vinyl acetate) 60g을 톨루엔에 녹여 균일한 코팅처리하여 건조한 다음에, 윤활제로서 평균입경이 3㎛인 스테아린산 분말 30g을 균일하게 혼합하여 복합금속분말을 제조하는 단계;
    (b) 상기 복합금속분말을 자동성형다이스에 장입하여, 200-400℃ 범위에서 연화 및 용융시키는 단계;
    (c) 상기 용융된 복합금속합금분말을 자동 성형법에 의한 두께가 2mm이하인 박대형 성형부품의 제조단계;
    (d) 상기 성형부품을 200-500℃로 유지하고 있는 산화분위기의 열처리로에서 2~10hr 탈지처리를 하여 시트 내부에 있는 바인더 및 윤활유를 제거한 다음에, 900-1,100℃로 유지되고 있는 수소가스 분위기의 환원분위기로에서 1~5hr 소결 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈케이스의 제조방법
  2. 제 1항에 있어서, 상기 금속합금분말은, 분말의 평균입경이 50㎛이하이며, 스테인레스계, 알루미늄 합금계, 티타늄 합금계 및 마그네슘 합금계를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈케이스의 제조방법
  3. 제 1항에 있어서, 상기 열가소성계 수지는 연화온도가 200℃이하인 PP, PE, EVA 등을 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈케이스의 제조방법
  4. 삭제
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