KR101837977B1 - 금속사출성형법을 이용한 금속 다공체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속사출성형 시에 발포 가능한 재료로 이루어진 스페이스 홀더를 사용하고 성형과정에서 스페이스 홀더의 발포량을 제어함으로써 개기공 구조의 구현, 기공률의 제어, 스페이스 홀더 제거과정에서의 성형체의 파손 등을 막고 건전한 금속 다공체를 얻을 수 있는 금속 다공체의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 방법은, 금속원료분말, 발포성 수지로 이루어지는 스페이스 홀더, 상기 금속원료분말과 스페이스 홀더 간에 결합력을 제공하는 바인더를 혼합하여 피드스톡을 제조하는 단계와, 상기 스페이스 홀더를 발포시키면서 상기 피드스톡 성형체를 제조하는 단계와, 상기 성형체에 포함된 바인더와 스페이스 홀더를 제거하는 단계 및 상기 바인더와 스페이스 홀더가 제거된 성형체를 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속사출성형법을 이용한 금속 다공체의 제조방법 {MANUFACTRUING METHOD OF METAL POROUS BODY USING METAL INJECTION MOLDING}

본 발명은 금속사출성형법을 이용하여 금속 다공체를 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속사출성형 시에 발포 가능한 재료로 이루어진 스페이스 홀더를 사용하고 성형과정에서 스페이스 홀더의 발포량 및 혼합량을 제어함으로써 개기공 구조의 구현, 기공률의 제어, 스페이스 홀더 제거과정에서의 성형체의 파손 등을 막고 건전한 금속 다공체를 얻을 수 있는 금속 다공체의 제조방법에 관한 것이다.

금속 다공체는 전지용 집전체, 필터, 촉매 담지체 등, 여러 가지 용도로 이용되고 있으며, 최근에는 생체용 임플란트 재료 등에도 사용되고 있으며, 금속 다공체에 대한 수요는 점차 증가하고 있다.

이러한 금속 다공체의 제조방법으로, 금속판을 프레스 금형이나 롤 가공을 통해 다공판으로 제조하는 방법, 금속 와이어를 그물망으로 교차시켜 3차원적인 개기공 다공체로 제조하는 방법, 3차원 그물망 구조를 갖는 수지의 골격에 도금하는 방법 또는 금속분말을 도포한 후, 열처리를 통해 수지를 제거하여 제조하는 방법 등이 알려져 있다.

이중 프레스 금형이나 롤 가공과 같은 기계 가공법으로 다공판을 제조하는 방법은 다공체의 구멍 크기나 밀도를 증가시키는데 한계가 있고, 3차원 그물망 구조를 갖는 다공체를 제조하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 금속 와이어를 이용하는 방법은 기공의 형상과 기공률을 제어하는데 어려움이 있다.

또한, 다공 구조가 형성된 수지의 골격에 금속층을 형성한 후 수지를 제거하는 방법의 경우, 수지 다공체를 제조하는 공정, 도금 또는 금속 분말의 도포와 같은 방법으로 금속원료물질을 수지 다공체에 부착시키는 공정, 후속 열처리 공정 등 제조과정이 복잡할 뿐 아니라, 도금 또는 금속분말의 도포를 위해 일정 이상의 기공률이 요구되므로, 기공률의 제어에도 한계가 있다.

최근에는, 미세한 금속분말에 수지, 왁스 등을 배합하여 370~520℃에서 금형에 사출하여 성형한 후 바인더를 제거한 후 금속분말을 소결하는 방법을 통해 복잡한 형상의 금속부품을 플라스틱 사출법과 같이 제조하는 금속사출성형법이 사용되고 있다.

이러한 금속사출성형법은, 아래 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시된 것과 같이, 추가로 기공 형성용 입자를 금속분말에 혼합하여 성형을 하고 기공 형성용 입자를 제거한 후, 기공 형성용 입자가 제거된 성형체를 소결하는 방법으로, 금속 다공체를 제조하는데 사용될 수 있다.

그런데 이 방법으로 금속 다공체를 제조하는 과정에서는, 도 1에 나타난 바와 같이, 기공 형성용 입자의 부피 팽창에 의해 성형체가 파손되어 소결체를 만들기 어렵거나, 기공 형성용 입자가 깨끗하게 제거되지 않아 잔류하여, 소결된 금속 다공체의 물성을 저하시키는 문제점이 있다.

또한, 금속사출성형법을 사용할 경우 스페이스 홀더의 발포 없이는 개기공 구조를 용이하게 형성하기 어려울 뿐 아니라, 특허문헌 2에 나타난 바와 같이, 기공과 기공 간의 통공의 크기를 크게 만들기 어렵고 50% 이상의 기공률을 갖는 개기공 다공체를 제조하기가 매우 어려운 문제점이 있다.

1. 미국공개특허공보 제2015-0337423호 2. 일본공개특허공보 제2009-254581호

본 발명의 목적은, 발포 가능한 재료로 이루어진 스페이스 홀더(space holder)를 사용하여 피드스톡의 성형과정에 발포가 이루어지도록 함으로써, 개기공 구조의 구현과 기공률의 제어가 용이하고 스페이스 홀더의 제거과정에서 성형체의 파손을 막을 수 있는 금속 다공체의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명은, 금속원료분말, 발포성 수지로 이루어지는 스페이스 홀더, 상기 금속원료분말과 스페이스 홀더 간에 결합력을 제공하는 바인더를 혼합하여 피드스톡을 제조하는 단계와, 상기 피드스톡의 성형체를 제조하는 단계와, 상기 성형체에 포함된 바인더와 스페이스 홀더를 제거하는 단계 및 상기 바인더와 스페이스 홀더가 제거된 성형체를 소결하는 단계를 포함하고, 상기 피드스톡의 성형체를 제조하는 과정에 상기 스페이스 홀더를 발포시키는 공정을 포함하는, 금속 다공체의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 스페이스 홀더로 발포 가능한 재료를 사용하고, 스페이스 홀더와 원료분말을 혼합한 후 성형하는 과정에 상기 스페이스 홀더의 발포량을 제어함으로써, 다양한 크기와 형태의 기공을 갖는 금속 다공체를 용이하게 제조할 수 있다.

또한, 발포에 의해 스페이스 홀더의 밀도가 크게 낮아지므로, 용제를 사용하였을 때 스페이스 홀더가 거의 팽창하지 않게 되어 스페이스 홀더의 제거과정에 성형체가 파손되는 것을 막을 수 있다.

또한, 발포에 의해 스페이스 홀더의 밀도가 낮아져 쉽게 제거되고, 제거된 부분은 그 내부에 존재하는 스페이스 홀더로 열 또는 용제의 접근을 용이하게 하므로, 스페이스 홀더의 제거시간을 줄여 생산성을 향상시키고, 성형체 내에 잔류하는 스페이스 홀더의 양을 종래에 비해 현저하게 줄일 수 있어, 스페이스 홀더 잔류물에 의한 소결체의 물성 저하를 막을 수 있다.

도 1은 스페이스 홀더 제거를 위해 용제를 사용할 때, 스페이스 홀더의 부피 팽창에 의해 파손된 성형체 이미지이다.
도 2는 스페이스 홀더의 발포량 제어를 통한 기공률 제어 과정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 스페이스 홀더로 사용한 구형의 발포성 폴리스티렌 입자의 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 사용한 스페이스 홀더로 사용한 발포성 폴리스티렌 입자의 온도에 따른 치수변화량을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 성형 과정에서 스페이스 홀더를 발포시키기 전,후의 상태를 나타낸 이미지이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 있어서, 발포량이 적게 제어된 금속 다공체의 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 있어서, 발포량이 많게 제어된 금속 다공체의 이미지이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명자들은 금속사출성형법을 사용하여 금속 다공체를 제조함에 있어서, 기공을 형성시키기 위해 고분자로 이루어진 스페이스 홀더를 사용하더라도 스페이스 홀더 간의 직접적인 접촉에 의해 만들어지는 개기공(open pore) 구조를 구현하기가 매우 어렵고, 열분해법 또는 용제를 통해 용해법을 사용하더라도 스페이스 홀더의 제거시간이 길며 잔류물이 존재하고, 스페이스 홀더의 제거과정에서 성형체에 파손이 생기는 등의 문제로 인하여, 건전한 금속 다공체를 제조하기 어려운 문제점을 해결하기 위해 연구하였다.

그 결과, 도 2에 도시된 바와 같이, 발포 가능한 수지로 스페이스 홀더(도면상 노란색)를 제조한 후 성형과정에 발포량의 제어를 통해 금속사출성형법을 사용하여 개기공(open pore) 구조가 용이하게 구현될 뿐 아니라, 스페이스 홀더의 제거가 용이하고, 스페이스 홀더의 제거과정에서 성형체의 파손을 줄일 수 있음을 밝혀내고 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명에 따른 금속 다공체의 제조방법은, 크게 금속원료분말, 발포성 수지로 이루어지는 스페이스 홀더, 상기 금속원료분말과 스페이스 홀더 간에 결합력을 제공하는 바인더를 혼합하여 피드스톡을 제조하는 단계와, 상기 스페이스 홀더를 발포시키면서 상기 피드스톡 성형체를 제조하는 단계와, 상기 성형체에 포함된 바인더와 스페이스 홀더를 제거하는 단계 및 상기 바인더와 스페이스 홀더가 제거된 성형체를 소결하는 단계를 포함한다.

즉, 본 발명은 종래의 금속사출성형법과 달리, 기공을 형성하기 위한 스페이스 홀더의 물질로 발포성이 있는 수지를 사용하고, 이 수지를 성형과정에 발포시킴으로써, 성형 과정에 스페이스 홀더의 발포에 의해 자연적으로 접촉이 일어나고, 발포에 의해 밀도가 낮아진 스페이스 홀더는 발포량이 늘어남에 따라 그 접촉면적이 쉽게 늘어날 수 있으며, 이를 통해 다양한 기공률을 갖는 개기공 구조의 금속 다공체를 쉽게 얻을 수 있게 된다.

또한, 발포 과정에서 스페이스 홀더를 구성하는 수지의 밀도가 매우 낮아지기 때문에 스페이스 홀더의 제거가 용이해져 스페이스 홀더의 제거시간을 단축하고 잔류 스페이스 홀더의 양도 현저하게 줄일 수 있게 된다.

또한, 상기 금속원료분말은, 소결과정에서 금속화가 가능한 물질이면 제한 없이 가능하며, 예를 들어 단체 금속, 합금 또는 금속성분을 포함하는 화합물일 수 있다.

또한, 상기 발포성 수지는 폴리스티렌, 아크릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리올레핀, 우레아, 폴리우레탄 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

또한, 상기 바인더는 왁스 성분, 수지 성분, 계면활성제 성분을 포함할 수 있다.

이중 왁스 성분은, 예를 들어 파라핀 왁스, 카나우바 왁스, 비 왁스, 지방산왁스, 천연 왁스, 마이크로 크리스탈린 왁스 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 수지 성분으로는, 예를 들어 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리에틸렌글리콜, 폴리 프로필렌, 에틸렌 비닐 아세테이트, 폴리 스티렌, 폴리아세탈, 폴리메칠메타크릴레이트 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 계면활성제 성분으로는, 예를 들어, 스테아린산, 올레산, 폴리에틸렌 글리콜 알킬에테르 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 스페이스 홀더의 발포량을 제어하여, 개기공 구조, 폐기공 구조, 또는 기공률을 제어할 수 있다.

또한, 상기 스페이스 홀더의 제거는 열분해법 또는 용제를 사용하여 용해법을 사용할 수 있다.

또한, 상기 성형체의 제조는 바람직하게 분말사출성형법에 의할 수 있다.

또한, 상기 방법에 의해 제조된 금속 다공체의 기공률은 50% 이상인 개기공 다공체일 수 있다.

[실시예]

피드스톡 조성물

본 발명의 실시예에 있어서 금속사출성형을 위한 피드스톡 조성물은 다음과 같이 제조되었다.

먼저, 금속원료분말과 스페이스 홀더에 결합력을 부여하여 성형이 가능하도록 하는 바인드 조성물은 아래 표 1에 나타낸 바와 같이, 파라핀 왁스, 스테아린산, 저밀도 폴리에틸렌의 혼합물을 사용하였다.

바인더 조성	녹는점 (℃)	밀도 (g/㎤)	혼합비 (wt.%)	혼합비 (vol.%)
파라핀 왁스 (Paraffin Wax)	53~69	0.92	35	42
스테아린산 (Stearic Acid)	67~72	0.85	5	6
저밀도 폴리에틸렌 (Low Density PolyEthylene)	105~115	0.91	10	10

금속원료분말로 SUS316L 분말(평균입도 3㎛)과, 도 3에 나타낸 폴리스티렌 구형 입자(입도 200~700㎛)로 이루어진 스페이스 홀더를 부피비로 43:57이 되도록 혼합한 후, 상기 바인더 조성물과 혼합하여 피드스톡을 제조하였다. 이때, 금속원료분말과 스페이스 홀더의 혼합분말 77부피%에 대해 바인더 23부피%가 되도록 하였다.

도 4는 본 발명의 실시예에서 사용한 스페이스 홀더로 사용한 발포성 폴리스티렌 입자의 온도에 따른 치수변화량을 나타낸 그래프이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 폴리스티렌은 100℃를 전후하여 부피에 큰 변화가 발생함을 알 수 있다. 이하의 성형공정에서는 발포성 폴리스티렌의 특성을 고려하여 성형과정의 온도를 제어하였다.

또한, 피드스톡을 제조하기 위한 혼합공정은, 혼합기(Mixer)를 사용하여, 혼합온도 85℃, 블레이드(Blade)의 회전속도는 30rpm, 혼합시간 10분의 조건으로 수행하였고, 이때 발생하는 토크를 측정하여 최대 고상률로 혼합하였다.

성형공정

이와 같이, 제조한 피드스톡을 사출성형기를 사용하여 직육면체 형태의 예비 성형체를 만든 후, 이 예비 성형체를 도 5에 나타낸 것과 같은 금형에 장입하였다.

이때, 도 5의 좌측에 나타낸 바와 같이, 금형의 캐비티는 예비 성형체에 포함된 발포 폴리스티렌의 발포를 고려하여 일정한 공간을 두었으며, 이 공간의 크기를 통해 발포량을 제어하였다.

이와 같이 예비 성형체를 장입한 후, 110℃로 가열하여 폴리 스티렌을 발포시켰으며, 그 결과 도 5의 우측에 나타난 바와 같이, 예비 성형체는 발포에 의해 그 부피가 팽창하며 금형에 의해 구속될 때까지 최대로 부피가 팽창되도록 한 후, 냉각시켜 발포가 더 이상 진행되지 않도록 한다.

스페이스 홀더 및 바인더 제거

금속분말, 바인더, 스페이스 홀더로 구성된 성형체를 아세톤, 톨루엔, 또는 아세톤과 톨루엔이 혼합된 용매 내에 수 시간 동안 침적시켜 스페이스 홀더를 제거하였다.

이때, 스페이스 홀더의 제거 효율성을 증가시키기 위해 교반기(stirrer)를 200rpm으로 회전시키면서 용매를 유동시켰으며 발포에 의해 내부에 많은 기공이 형성된 스페이스 홀더는 용매 내에서 쉽게 제거가 가능하였다. 또한, 발포에 의해 스페이스 홀더 간의 접촉면적 증가로 성형체의 표면부부터 진행되는 스페이스 홀더 제거과정이 용매의 침투를 막힘없이 가능하게 하여 성형체 내부의 스페이스 홀더까지 제거가 가능하였다.

이와 같이 용매 내에서 스페이스 홀더를 제거한 후, 잔류할 수 있는 스페이스 홀더 수지와 바인더 성분을 완전히 제거하기 위해 아르곤 또는 수소 가스를 2L/min의 유량으로 흘리면서 0.5℃/min의 승온 속도로 600℃까지 바인더의 열분해 제거를 진행하였다.

소결

스페이스 홀더와 바인더 제거 후, 다공체의 강도 확보를 위해 최종까지 남아있는 금속원료분말의 소결을 실시하였다. 소결은 2L/min의 유량으로 아르곤 가스를 흘리면서 1350℃에서 3시간 동안 유지하였으며, 1350℃까지의 승온속도는 5℃/min으로 하였다.

도 6은 발포량을 적게 제어한 금속 다공체의 이미지이고, 도 7은 발포량을 많게 제어한 금속 다공체의 이미지이다. 도 6과 도 7에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 다양한 기공도를 갖는 개기공 다공체를 자유롭게 제조할 수 있을 뿐 아니라, 도 7에 나타난 바와 같이, 종래의 금속분말사출성형법으로는 구현할 수 없는 높은 수준의 기공도를 갖는 다공체를 제조할 수 있다.

Claims (9)

1. 금속 단체, 합금 또는 금속성분을 포함하는 화합물로 이루어진 금속원료분말, 발포성 수지로 이루어지는 스페이스 홀더, 상기 금속원료분말과 스페이스 홀더 간에 결합력을 제공하는 바인더를 혼합하여 피드스톡을 제조하는 단계;
   상기 스페이스 홀더를 발포시키면서 상기 피드스톡 성형체를 제조하는 단계;
   상기 성형체에 포함된 바인더와 스페이스 홀더를 제거하는 단계; 및
   상기 바인더와 스페이스 홀더가 제거된 성형체를 소결하는 단계;를 포함하고,
   상기 스페이스 홀더의 발포량과 혼합량을 제어하여, 개기공 구조, 폐기공 구조, 또는 기공률을 제어하는, 금속 다공체의 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 발포성 수지는 폴리스티렌, 아크릴, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리올레핀, 우레아, 폴리우레탄 중에서 선택된 1종 이상인, 금속 다공체의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 바인더는 왁스, 수지, 계면활성제를 포함하는, 금속 다공체의 제조방법.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 스페이스 홀더의 제거는 용제를 사용하여 용해시키는, 금속 다공체의 제조방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 성형체의 제조는 사출방법에 의하는, 금속 다공체의 제조방법.
8. 제6항에 있어서,
   추가로 잔류하는 바인더 및 스페이스 홀더를 열분해로 제거하는, 금속 다공체의 제조방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 금속 다공체의 기공률은 50% 이상인, 금속 다공체의 제조방법.

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