KR101866069B1 - 분말야금용 복합 첨가제의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 윤활제가 코팅된 분말야금용 복합 첨가제 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 분말야금용 복합 첨가제는 철계분말과 혼합하여 분말야금에 사용되는 첨가제로서, 철계분말에 혼합되어 원하는 물성을 향상시키는 부원료 코어와; 상기 부원료 코어의 표면에 코팅되는 윤활막으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

분말야금용 복합 첨가제의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF COMPLEX ADDITIVE FOR POWDER METALLURGY}

본 발명은 분말야금용 복합 첨가제 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 윤활제가 코팅된 분말야금용 복합 첨가제 및 그 제조방법에 관한 것이다.

분말야금법은 원료분말을 가압하여 성형한 다음 소결시켜서 원하는 형태와 성질의 금속 제품을 생산하는 제조야금 분야의 기술 중 하나이다. 이러한 분말야금법은 최근에 자동차 및 전자 산업에 사용되는 다양한 형태와 크기를 갖는 일체형 금속 부품을 제조하는데 사용되고 있다.

자동차 부품용 분말야금법은 원료분말의 혼합, 성형, 소결, 후처리 공정으로 이루어져 있다.

원료분말의 혼합은 성형공정의 전처리로서 부품의 강도를 향상시키기 위한 부원료인 흑연분말이나 유동성 및 성형성을 높이는 윤활제를 철계분말과 균일하게 혼합하는 공정이다. 흑연분말의 함량이 높을 경우, 부품의 기계적 강도는 증가하나 재료의 탄성이 저하되어 연신율이 낮아지거나 충격강도 및 피로강도가 저하되는 문제가 있다. 또한, 흑연분말은 겉보기밀도와 진밀도가 낮아 혼합공정에서 비산되거나 편석되는 경향이 있다. 따라서, 부품의 요구특성에 맞는 적절한 흑연함량 및 혼합방법이 중요하다.

원료분말을 혼합하는 방식은 용기회전식, 기계교반식, 유동교반식, 무교반식, 고속전단 및 충격식 등 다양한 방식이 적용되고 있다. 하지만, 이러한 여러 가지 혼합방식을 적용하더라도 철계분말 및 윤활제와 혼합되는 흑연분말이 이상적으로 균일하게 분포하는 것은 어려운 실정이다.

이러한 문제를 극복하고자 유기물을 고온에서 용융시켜 흑연분말을 원료분말 표면에 부착시키는 방법(binder mixing) 등이 제안되었다. 하지만, 이러한 제안은 종래 공정에 추가 공정 및 설비가 필요하고, 추가 비용이 높아 제품단가를 인상시키는 한계를 지니고 있다.

한편, 흑연분말과 달리 윤활제는 마찰력이 작아 철계분말과 혼합균일도가 높다는 장점을 가지고 있다.

따라서, 본 출원인은 윤활제를 사용하여 흑연분말이 철계분말과 혼합되는 공정 중에 균일하게 분포될 수 있도록 하는 연구를 지속하였다.

공개특허공보 10-2000-0029799 (2000. 05. 25)

본 발명은 분말야금에 적용되는 혼합원료를 혼합하는 공정에서 원하는 물성을 향상시키면서 철계분말과 균일하게 혼합될 수 있는 분말야금용 복합 첨가제 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 분말야금용 복합 첨가제는 철계분말과 혼합하여 분말야금에 사용되는 첨가제로서, 철계분말에 혼합되어 원하는 물성을 향상시키는 부원료 코어와; 상기 부원료 코어의 표면에 코팅되는 윤활막으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 부원료 코어는 평균 입도가 5 ~ 50㎛인 분말인 것이 바람직하다.

상기 부원료 코어는 흑연, MnS 및 CaF₂ 중 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.

상기 윤활막의 두께는 5 ~ 20㎛인 것이 바람직하다.

상기 윤활막은 금속계 스테아린산, EBS(ethylene bis stearamide), 지방산 및 왁스계 고분자 중 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.

상기 부원료 코어와 윤활막은 중량비로 3:7 ~ 7:3인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 분말야금용 복합 첨가제의 제조방법은 철계분말과 혼합하여 분말야금에 사용되는 첨가제를 제조하는 방법으로서, 철계분말에 혼합되어 원하는 물성을 향상시키는 부원료 코어를 준비하는 단계와; 윤활제를 용융시켜 윤활용액을 준비하는 단계와; 상기 윤활용액에 상기 부원료 코어를 혼합하여 교반하는 단계와; 부원료 코어가 분산된 윤활용액을 분사시키면서 냉각시켜 부원료 코어의 표면에 윤활막을 형성하면서 분말화하는 단계를 포함한다.

상기 부원료코어를 준비하는 단계에서 상기 부원료 코어는 평균 입도가 5 ~ 50㎛인 분말인 것이 바람직하다.

상기 분말화하는 단계는 부원료 코어가 분산된 윤활용액을 가스분사 방식으로 분사시키는 것이 바람직하다.

상기 분말화하는 단계에서 가스의 분사압력은 500 ~ 1000psi인 것이 바람직하다.

상기 분말화하는 단계에서 형성되는 상기 윤활막의 두께는 5 ~ 20㎛인 것이 바람직하다.

상기 부원료 코어를 준비하는 단계에서 상기 부원료 코어는 흑연, MnS 및 CaF₂ 중 어느 하나 이상이고, 상기 윤활용액을 준비하는 단계에서 상기 윤활제는 금속계 스테아린산, EBS(ethylene bis stearamide), 지방산 및 왁스계 고분자 중 어느 하나 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 윤활제가 코팅된 복합 첨가제를 용이하게 제조할 수 있고, 이에 따라 분말야금에 적용되는 혼합원료를 혼합하는 공정에서 철계분말에 혼합되는 복합 첨가제가 고르게 분포되도록 할 수 있다.

또한, 복합 첨가제가 균일하게 혼합된 혼합원료를 준비할 수 있고, 이러한 혼합원료를 가지고 자동차용 부품을 생산하기 때문에 영역별로 물성의 편차가 발생하지 않는 제품을 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 분말야금용 복합 첨가제를 보여주는 모식도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 분말야금용 복합 첨가제를 제조하는 방법을 보여주는 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 분말야금용 복합 첨가제를 보여주는 모식도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 분말야금용 복합 첨가제는 철계분말과 혼합하여 분말야금에 사용되는 복합 첨가제(10)로서, 철계분말에 혼합되어 원하는 물성을 향상시키는 부원료 코어(11)와; 상기 부원료 코어의 표면에 코팅되는 윤활막(12)으로 이루어진다.

부원료 코어(11)는 제품의 요구사항에 따라 철계분말에 혼합되어 분말야금에 사용되는 혼합분말(이하, '원료분말'이라 지칭함)을 형성하는 부원료로서, 혼합분말로 제조되는 제품의 강도 등과 같은 물성의 향상을 위하여 흑연, MnS 및 CaF₂ 중 어느 하나 이상이 선택적으로 사용된다. 본 실시예에서는 흑연을 사용하였다.

이때 부원료 코어(11)는 원료분말 내에서 균일한 분포를 형성하기 위하여 원료분말에 혼합되는 철계분말(일반적인 평균 입도:100㎛)의 입도보다 작은 입도를 갖는 분말을 사용하는 것이 바람직하다. 이에 따라 본 실시예에서 부원료 코어(11)는 평균 입도가 5 ~ 50㎛인 분말을 사용하는 것이 바람직하다.

윤활막(12)은 부원료 코어(11)의 표면에 코팅되어 부원료 코어(11)에 윤활성을 부여하는 요소이다. 이때 윤활막(12)의 두께는 5 ~ 20㎛인 것이 바람직하다. 윤활막(12)의 두께를 5 ~ 20㎛로 한정하는 이유는 윤활막(12)의 두께가 5㎛ 미만인 경우에는 부원료 코어(11)의 표면에 형성되는 윤활막(12)에 의한 복합 첨가제의 윤활성을 확보할 수 없고, 윤활막(12)의 두께가 20㎛를 초과하는 경우에는 더 이상 복합 첨가제의 윤활성 향상에 도움이 되지 않기 때문이다.

이렇게 부원료 코어(11)의 평균 입도를 5 ~ 50㎛로 관리하고, 윤활막(12)의 두께를 5 ~ 20㎛로 관리하기 위하여 부원료 코어(11)와 윤활막(12)은 중량비로 3:7 ~ 7:3로 제한하는 것이 바람직하다.

한편, 윤활막(12)은 금속계 스테아린산, EBS(ethylene bis stearamide), 지방산 및 왁스계 고분자 중 어느 하나 이상이 선택적으로 사용된다. 본 실시예에서는 EBS(ethylene bis stearamide)를 사용하였다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예에 따른 분말야금용 복합 첨가제를 제조하는 방법을 도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 분말야금용 복합 첨가제를 제조하는 방법을 보여주는 순서도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 분말야금용 복합 첨가제의 제조방법은 철계 분말에 혼합되어 원하는 물성을 향상시키는 부원료 코어를 준비하는 단계(S100)와; 윤활제를 용융시켜 윤활용액을 준비하는 단계(S200)와; 상기 윤활용액에 상기 부원료 코어를 혼합하여 교반하는 단계(S300)와; 부원료 코어가 분산된 윤활용액을 분사시키면서 냉각시켜 부원료 코어의 표면에 윤활막을 형성하면서 분말화하는 단계(S400)를 포함한다.

부원료 코어를 준비하는 단계(S100)는 제품의 강도 등과 같은 물성의 향상을 위하여 흑연, MnS 및 CaF₂ 중 어느 하나 이상을 선택한 다음 평균 입도가 5 ~ 50㎛인 분말로 준비한다.

윤활용액을 준비하는 단계(S200)는 금속계 스테아린산, EBS(ethylene bis stearamide), 지방산 및 왁스계 고분자 중 어느 하나 이상을 선택하여 용융시킨다.

교반하는 단계(S300)는 상기 윤활용액에 상기 부원료 코어를 혼합하여 교반하는 것으로서, 교반 중에도 윤활용액을 용융된 상태로 유지하기 위하여 부원료 코어가 혼합된 윤활용액을 가열수단이 구비된 교반기에서 가열하면서 교반하는 것이 바람직하다.

이렇게 용융상태의 윤활용액에 부원료 코어가 균일하게 혼합되었다면 부원료 코어가 분산된 윤활용액을 분사시키면서 냉각시켜 부원료 코어의 표면에 윤활막을 형성하면서 분말화하는 단계(S400)를 실시한다.

분말화하는 단계는 부원료 코어가 분산된 윤활용액을 가스분사 방식으로 분사시킨다. 이를 위하여 윤활용액을 가열하면서 분사수단(아토마이저 설비)으로 공급하여 분사하면서 냉각시킨다.

이때 윤활용액을 분사하는 가스의 분사압력은 500 ~ 1000psi인 것이 바람직하다. 500psi 보다 낮은 압력으로 윤활용액을 분사하는 경우에는 냉각된 복합 첨가제의 형상이 구형으로 형성되지 않고, flake, fiber, whisker와 같은 형상으로 형성되는 문제가 발생된다.

그리고 1000psi 보다 높은 압력으로 분사할 경우, 부원료 코어와 윤활용액 사이의 접착력보다 강한 분사력이 발생하여 윤활용액이 부원료 코어의 표면에 코팅되지 않고 분리되거나 코팅이 되더라도 너무 얇은 윤활막을 형성하여 윤활막을 원하는 두께로 형성하기 어려운 문제가 발생된다.

이렇게 윤활용액을 분사하는 가스의 분사압력을 500 ~ 1000psi로 유지하면 냉각되는 복합 첨가제의 형상을 구형으로 유지하면서 윤활막의 두께를 5 ~ 20㎛로 유지할 수 있다.

한편, 복합 첨가제의 원활한 형성을 위하여 분사되는 윤활용액은 충분한 냉각이 이루어져야 하고, 이를 위하여 윤활용액이 분사되는 챔버 내의 온도를 40℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

챔버 내에서 냉각된 복합 첨가제는 수거하여 원료분말에 혼합되는 첨가제로 사용된다.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 분말야금용 복합 첨가제의 효과를 알아보기 위한 실험을 실시하였다.

실험은 종래의 첨가제와 본 실시예에 따른 복합 첨가제를 혼합한 원료분말에서 첨가제의 분포 편차를 알아보는 실험으로서, 비교예는 종래의 일반적인 원료분말과 같이 철계분말, 흑연분말 및 윤활제를 혼합하였고, 실시예는 철계분말과 본 발명에 따라 제조된 복합 첨가제를 혼합하였다. 이때 비교예 및 실시예의 혼합 비율을 하기의 표 1에 나타내었고, 이렇게 마련된 시료를 동일 조건에서 혼합 교반한 다음 혼합균일도 평가를 실시하고, 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	계분말		비교예				실시예
			흑연분말		윤활제		윤활제 코팅 흑연분말
	중량(g)	함량(%)	중량(g)	함량(%)	중량(g)	함량(%)	중량(g)	함량(%)
비교예	1000	98.4	8	0.8	8	0.8	-	-
실시예	1000	98.4	-	-	-	-	16	1.6

구분	비교예					실시예
	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5
탄소 함량(%)	0.82	0.87	0.78	0.80	0.86	0.83	0.82	0.83	0.81	0.82
최대 편차(%)	0.09					0.02

표 2에서 알 수 있듯이, 비교예의 경우 혼합된 흑연분말의 양이 균일함에도 불구하고 시료별 탄소함량(%)의 최대 편차가 0.09%까지 발생하는 것을 확인할 수 있었고, 각 시료별로 그 편차가 많이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

하지만, 실시예의 경우 시료별 탄소함량(%)의 최대 편차가 0.02%로 비교예에 비하여 상대적으로 우수한 것을 확인할 수 있었고, 각 시료별로 그 편차가 많이 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 본 실시예에 따른 복합 첨가제를 사용하여 원료분말을 준비하는 경우 원료분말에 복합 첨가제를 균일하게 분포시킬 수 있고, 이에 따라 원료분말을 사용하여 제품을 생산하는 경우에 각 제품별로 복합 첨가제에 의해 혼합되는 부원료의 함량을 균일하게 유지시켜 제품의 품질을 균일하게 유지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

10: 복합 첨가제 11: 부원료 코어
12: 윤활막

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 철계분말과 혼합하여 분말야금에 사용되는 첨가제를 제조하는 방법으로서,
   철계분말에 혼합되어 원하는 물성을 향상시키는 부원료 코어를 준비하는 단계와;
   윤활제를 용융시켜 윤활용액을 준비하는 단계와;
   상기 윤활용액에 상기 부원료 코어를 혼합하여 교반하는 단계와;
   부원료 코어가 분산된 윤활용액을 분사시키면서 냉각시켜 부원료 코어의 표면에 윤활막을 형성하면서 분말화하는 단계를 포함하고,
   상기 분말화하는 단계는 부원료 코어가 분산되어 포함된 윤활용액을 500 ~ 1000psi의 가스 분사압력으로 가스분사시키되, 40℃ 이하로 유지된 챔버 내에서 가스 분사 방식으로 분사시켜서 가스분사된 부원료 코어의 표면에 형성되는 윤활막의 두께가 5 ~ 20㎛가 되도록 냉각시키는 것을 특징으로 하는 분말야금용 복합 첨가제의 제조방법.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 부원료 코어를 준비하는 단계에서 상기 부원료 코어는 평균 입도가 5 ~ 50㎛인 분말인 것을 특징으로 하는 분말야금용 복합 첨가제의 제조방법.
   
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 청구항 7에 있어서,
    상기 부원료 코어를 준비하는 단계에서 상기 부원료 코어는 흑연, MnS 및 CaF₂ 중 어느 하나 이상이고,
    상기 윤활용액을 준비하는 단계에서 상기 윤활제는 금속계 스테아린산, EBS(ethylene bis stearamide), 지방산 및 왁스계 고분자 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 분말야금용 복합 첨가제의 제조방법.

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