KR101932134B1 - 디스크형 금속 복합소재의 패턴 형성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디스크형 금속 복합소재의 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 금속 소재를 이용하여 원기둥 형태의 패턴재를 제작하는 패턴재 제작 단계, 금속 소재를 이용하여 빌렛을 제작하고 상기 빌렛에 상기 패턴재가 삽입 가능하도록 홀을 형성시키는 빌렛 제작 단계, 상기 빌렛 제작 단계에서 제작된 상기 빌렛 및 상기 패턴재 제작 단계에서 제작된 상기 패턴재를 세척하는 표면 세척 단계, 상기 표면 세척 단계에서 세척된 동종 또는 이종 소재의 상기 패턴재를 상기 빌렛에 삽입하여 봉재를 만드는 삽입 단계, 상기 삽입 단계에서 형성된 상기 봉재의 축 방향 양측 단부에 마감재를 접합시키는 마감재접합 단계, 상기 마감재접합 단계에서 마감된 상기 봉재를 가열하면서 반경방향의 중심 쪽으로 가압하는 고온 균일 가압 단계, 상기 고온 균일 가압 단계를 거친 상기 봉재를 압출하여 직경을 감소시키는 압출 단계, 상기 압출 단계에서 압출된 상기 봉재를 인발하는 인발 단계, 인발된 상기 봉재를 반경방향으로 절단하여 금속판을 제조하는 절단 단계, 및 상기 절단 단계에서 형성된 금속판을 가공하는 후가공 단계를 포함하고, 상기 인발 단계를 복수 회 반복하여 상기 봉재를 상기 패턴재의 직경까지 감소시킨 후 상기 패턴재 대신 인발된 상기 봉재를 사용하여 상기 삽입 단계, 상기 마감재접합 단계, 상기 고온 균일 가압 단계, 상기 압출 단계 및 상기 인발 단계를 수행하여 이종의 금속 소재의 결합력을 증가시키고, 미세한 패턴의 표현이 가능한 효과가 있다.

Description

디스크형 금속 복합소재의 패턴 형성 방법 {FORMING METHOD OF PATTERN FOR DISK TYPE METAL COMPOSITE}
본 발명은 디스크형 금속 복합소재의 패턴 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 박막, 금속 디스크 등의 형상에 패턴을 형성시키는 디스크형 금속 복합소재의 패턴 형성 방법에 관한 것이다.
디스크형 금속 복합소재의 경우 스티커, 금속케이스, 코인 등으로 사용될 수 있으며, 복합소재의 특정 패턴 형성에 의해 자체적인 기념성, 상징성을 부여할 수 있다.
그러나 단순히 패턴 형성을 위하여 염료 등을 사용하여 도색 작업을 하는 경우에는 긁힘 또는 산화에 의하여 발생하는 변색 문제가 있다.
반면 이종 금속을 이용하여 특정 패턴이 형성된 복합소재의 경우에는 각각의 금속 성분에 따라 고유의 색채를 가지고 있으므로, 자연스럽고 고급스러운 미감을 주는 동시에 이종의 금속을 결합시키는 가공기술이 더 필요하므로 단순한 형상 가공기술만으로는 제조가 불가능하다.
다만, 이종의 금속을 사용할 경우에는 각각의 금속이 가지는 물리적 성질(팽창률, 비열, 녹는점, 밀도 등) 및 화학적 성질(산화환원반응성, 산염기반응성 등)의 차이에 의하여 제품의 손상이 발생할 가능성이 있고, 제조 과정에서 불량이 발생할 확률이 있다.
이에 따라 대한민국공개특허 제2015-0000865호에서는 하나의 외부링, 및 서로의 상면에 적층되어 상기 외부링 내부에 배치되는 두 개의 삽입물을 포함하고, 상기 외부링 및 두 개의 삽입물은 각각 상이한 재료로 만들며, 상기 외부링 및 두 개의 삽입물은 상기 삽입물의 외부 내주면에 형성된 복수의 오목부에 의해 함께 고정시켰다. 또한 상기 구조물은 두 삽입물을 서로 접합시키기 위해 상기 삽입물 사이에 배치되는 하나 이상의 중간층을 추가로 포함할 수 있도록 하였다.
그러나 이 경우 큰 금속 무늬는 구현할 수 있으나, 자세한 패턴을 표현하는 데에는 한계가 있고, 각 금속 소재의 결합력 또한 약하여 서로 분리될 가능성이 존재한다.
대한민국공개공보 제2015-0000865호(2015.01.05)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 디스크형 금속 복합소재의 패턴 형성 방법이 가진 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로, 이종의 금속 소재의 결합력을 증가시키고, 미세한 반복 패턴의 표현이 가능한 디스크형 금속 복합소재의 패턴 형성 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 디스크형 금속 복합소재의 패턴 형성 방법은 금속 소재를 이용하여 원기둥 형태의 패턴재를 제작하는 패턴재 제작 단계, 금속 소재를 이용하여 빌렛을 제작하고 상기 빌렛에 상기 패턴재가 삽입 가능하도록 홀을 형성시키는 빌렛 제작 단계, 상기 빌렛 제작 단계에서 제작된 상기 빌렛 및 상기 패턴재 제작 단계에서 제작된 상기 패턴재를 세척하는 표면 세척 단계, 상기 표면 세척 단계에서 세척된 동종 또는 이종 소재의 상기 패턴재를 상기 빌렛에 삽입하여 봉재를 만드는 삽입 단계, 상기 삽입 단계에서 형성된 상기 봉재의 축 방향 양측 단부에 마감재를 접합시키는 마감재 접합 단계, 상기 마감재 접합 단계에서 마감된 상기 봉재를 가열하면서 반경방향의 중심 쪽으로 가압하는 고온 균일 가압 단계, 상기 고온 균일 가압 단계를 거친 상기 봉재를 압출하여 직경을 감소시키는 압출 단계, 상기 압출 단계에서 압출된 상기 봉재를 인발하는 인발 단계, 인발된 상기 봉재를 반경방향으로 절단하여 금속판을 제조하는 절단 단계, 및 상기 절단 단계에서 형성된 금속판을 가공하는 후가공 단계를 포함하고, 상기 인발 단계를 복수 회 반복하여 상기 봉재를 상기 패턴재의 직경까지 감소시킨 후 상기 패턴재 대신 인발된 상기 봉재를 사용하여 상기 삽입 단계, 상기 마감재접합 단계, 상기 고온 균일 가압 단계, 상기 압출 단계 및 상기 인발 단계를 수행하는 것을 특징으로 한다.
한편, 중공형의 금속재를 이용하여 클래딩부를 형성하는 클래딩부 제작 단계, 상기 인발 단계를 거친 복수 개의 상기 봉재를 상기 클래딩부의 중공에 삽입하여 적층시켜 코어부를 형성시키는 적층 단계, 및 상기 적층 단계에서 적층된 상기 클래딩부 및 상기 코어부를 인발 가공하는 재인발 단계를 더 포함하는 것도 가능하다.
이때, 상기 고온 균일 가압 단계에서는 비활성 기체를 주입시킨 상태에서 90Mpa 이상 110Mpa 이하의 압력으로 가압하면서, 섭씨 780도 이상 820도 이하의 온도까지 2.0도/min 이상 3.0도/min 이하의 승온속도로 승온시켜 230분 이상 250분 이하의 시간동안 압력 및 온도를 유지시키는 것도 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 디스크형 금속 복합소재의 패턴 형성 방법에 의하면, 다양한 종류의 금속 소재를 접합시켜 세밀한 패턴을 표현할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크형 금속 복합소재의 패턴 형성 방법에 대한 흐름도,
도 2는 본 발명의 패턴재에 대한 사시도,
도 3은 본 발명의 빌렛에 대한 사시도,
도 4는 본 발명의 빌렛에 대한 정면 사진,
도 5는 본 발명의 삽입 단계에 대한 개념도,
도 6은 본 발명의 마감재 접합 단계에 대한 개념도,
도 7은 본 발명의 고온 균일 가압 단계에 대한 개념도,
도 8은 본 발명의 압출 단계에 대한 개념도,
도 9는 본 발명의 인발 단계에 대한 개념도,
도 10은 본 발명의 인발 단계를 거친 봉재에 대한 사진,
도 11은 본 발명의 적층 단계에서의 봉재에 대한 사진이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디스크형 금속 복합소재의 패턴 형성 방법은, 패턴재 제작 단계(S10), 빌렛 제작 단계(S20), 표면 세척 단계(S30), 삽입 단계(S40), 마감재 접합 단계(S50), 고온 균일 가압 단계(S60), 압출 단계(S70), 인발 단계(S80), 클래딩부 제작 단계(S90), 적층 단계(S100), 재인발 단계(S110), 절단 단계(S120) 및 후가공 단계(S130)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 상기 패턴재 제작 단계(S10)에서는 다양한 종류의 금속 소재를 이용하여 원기둥 형태의 패턴재(11)를 제작한다. 그러므로 각각의 금속 소재에 따라서 고유의 색채를 갖는 복수 개의 패턴재(11)가 형성된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 빌렛 제작 단계(S20)에서는 금속 소재를 이용하여 빌렛(21)을 제작한다. 이때, 상기 빌렛(21)은 상게 패턴재(11)와 다른 종류의 금속 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 빌렛 제작 단계(S20)에서는 상기 빌렛(21)에 미리 구상한 패턴에 따라 상기 패턴재(11)가 삽입 가능하도록 홀(21a)을 형성시킨다.
상기 표면 세척 단계(S30)에서는 상기 패턴재 제작 단계(S10)에서 제작된 상기 패턴재(11) 및 상기 빌렛 제작 단계(S20)에서 형성된 상기 빌렛(21)을 세척한다. 이때, 다양한 종류의 세척 방식을 적용시키는 것이 가능하나, 본 실시예에서는 구리(Cu) 및 구리계열 합금은 질산(HNO3) 등의 무기산을 적용하고, 알루미늄(Al) 및 알루미늄계열 합금은 유기산을 적용하는 등 금속의 화학적 반응을 이용한 표면 산화 스케일 제거방식을 사용한다. 또한, 상기 표면 세척 단계(S30)에서는 DI워터(Deionized water:이온까지 제거한 증류수) 및 알코올을 이용하여 표면을 박리하는 린스(rinse) 공정을 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 삽입 단계(S40)에서는 세척된 복수 개의 상기 패턴재(11)를 상기 빌렛(21)에 삽입한다. 즉, 각각의 고유 색채를 가지고 있는 다양한 종류의 상기 패턴재(11)를 상기 빌렛(21)에 형성된 홀(21a)에 삽입하여 이종의 금속으로 형성된 봉재(이하 삽입봉재(1)라 한다.)를 형성한다.
도 6을 참조하면, 상기 마감재 접합 단계(S50)에서는 상기 삽입 단계(S40)에서 형성된 상기 삽입봉재(1)의 축 방향 양측 단부에 제1마감재(101) 및 제2마감재(102)를 접합시킨다. 본 발명은 다양한 접합방식을 포함하나, 본 실시예에서는 전자빔(EB:Electro-Beam)으로 용접한다. 이때, 상기 삽입봉재(1)의 내부 공간에 진공조건을 적용시킨 상태에서 상기 삽입봉재(1)와 상기 제1마감재(101) 및 상기 제2마감재(102)를 용접시킨다.
도 7을 참조하면, 상기 고온 균일 가압 단계(S60)에서는 상기 마감재 접합 단계(S50)에서 상기 제1마감재(101)과 상기 제2마감재(102)가 용접된 상태의 상기 삽입봉재(1)를 챔버(103)에 넣어 밀봉하여 불활성 기체에 의해 등방적으로 가압하면서 가열 소결한다(Hot Isostatic Press : HIP). 따라서 상기 삽입봉재(1)는 반경방향의 중심 쪽으로 가압되면서 상기 빌렛(21)과 상기 패턴재(11)가 서로 결합된다. 이때, 비활성 기체를 주입시킨 상태에서 90Mpa 이상 110Mpa 이하의 압력으로 가압하면서, 섭씨 780도 이상 820도 이하의 온도까지 2.0도/min 이상 3.0도/min 이하의 승온속도로 승온시켜 230분 이상 250분 이하의 시간동안 압력 및 온도를 유지시킨다.
90Mpa미만의 압력이거나, 섭씨 780도 미만의 온도일 경우에는 상기 빌렛(21)과 상기 패턴재(11)의 결합력이 약하여 분리될 가능성이 발생하고, 110Mpa 초과의 압력이거나, 섭씨 820도 초과의 온도의 경우에는 상기 빌렛(21) 또는 상기 패턴재(11)에 변형이 발생할 수 있다. 또한 230분 미만의 시간동안 압력 및 온도를 유지시키거나 2.0도/min 미만의 속도로 승온시킬 경우에는 상기 빌렛(21) 및 상기 패턴재(11) 사이의 결합력이 약하여 서로 분리될 가능성이 있고, 250분을 초과하는 시간동안 압력 및 온도를 유지시키거나 3.0도/min 초과의 속도로 승온시킬 경우에는 소재의 팽창계수 등의 차이로 변형이 발생될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 압출 단계(S70)에서는 상기 고온 균일 가압 단계(S90)를 거친 상기 삽입봉재(1)를 압출하여 직경을 감소시킨다. 즉, 상기 삽입봉재(1)를 직경이 점차 감소되는 다이에 강한 압력으로 밀어 넣어 직경이 감소된 봉재(이하 압출봉재(2)라 한다.)를 형성시킨다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 인발 단계(S80)에서는 상기 압출 단계(S70)에서 형성된 상기 압출봉재(2)를 인발가공하여 직경을 더욱 감소시킨다. 즉, 상기 압출봉재(2)를 미리 정해진 직경을 가진 틀에 넣고 반대방향에서 잡아당겨 직경이 더욱 가늘어진 봉재(이하 인발봉재(3)라 한다.)를 만든다. 이때, 점차 직경이 작은 틀을 사용하여 상기 인발 단계(S80)를 반복하여 실시하면, 상기 패턴재(11)의 직경 크기와 같은 상기 인발봉재(3)를 만들 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 상기 인발 단계(S80)를 복수 회 반복하여 상기 인발봉재(3)의 직경이 상기 패턴재(11)의 직경과 같아지면 상기 인발봉재(3)를 상기 빌렛 제작 단계(S20)에서 제작된 상기 빌렛(21)의 홀(21a)에 삽입하고(상기 삽입 단계(S40)), 다시 상기 마감재접합 단계(S50), 상기 고온 균일 가압 단계(S60), 상기 압출 단계(S70) 및 상기 인발 단계(S80)를 수행하여 반복적인 패턴을 형성시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 튜브 형태의 외주면을 형성시킬 필요가 없는 경우에는 상기 인발 단계(S80)를 수행한 후 바로 상기 절단 단계(S120)를 수행하는 것도 가능하다.
상기 클래딩부 제작 단계(S90)에서는 금속 소재를 이용하여 원형 튜브 형태의 단면(31a)을 갖는 클래딩부(31)를 제작한다. 이때, 상기 클래딩부(31)는 상기 인발봉재(3)의 소재와 동일한 경우는 물론, 이종의 금속 소재를 사용하는 것도 가능하다.
도 11을 참조하면, 상기 적층 단계(S100)에서는 상기 인발 단계(S80)에서 형성된 복수 개의 상기 인발봉재(3)를 상기 클래딩부(31)의 중공에 삽입시켜 적층한다. 이때, 본 실시예에서는 상기 클래딩부(31) 및 상기 인발봉재(3) 사이에 공극이 최소화 되는 것이 결합력 향상에 유리하므로 상기 인발봉재(3)와 상기 클래딩부(31)의 내주면(31b)이 서로 접하도록 삽입한다.
한편, 본 실시예에서는 상기 인발봉재(3) 사이의 공극에 금속 소재의 스페이서(32)를 배치시켜 패턴을 형성시키는 것도 가능하다. 따라서 상기 클래딩부(31)의 중공에는 상기 인발봉재(3) 및 상기 스페이서(32)로 이루어진 코어부(4)가 형성된다.
상기 재인발 단계(S110)에서는 상기 적층 단계(S100)에서 형성된 상기 클래딩부(31) 및 상기 코어부(4)를 다시 인발 가공하여 상기 클래딩부(31)와 상기 인발봉재(3) 및 상기 스페이서(32)가 서로 결합된 봉재(이하 복합봉재(5)라 한다.)를 만든다.
상기 인발 단계(S80) 또는 상기 재인발 단계(S110)를 거친 봉재(상기 인발봉재(3) 또는 상기 복합봉재(5))가 미리 구상한 형태의 단면으로 형성되면 상기 절단 단계(S120)를 수행한다. 상기 절단 단계(S120)에서는 상기 인발 단계(S80)에서 인발된 상기 인발봉재(3) 또는 상기 재인발 단계(S110)에서 인발된 상기 복합봉재(5)를 반경방향으로 절단하여 디스크 형태의 금속판을 제조한다.
상기 후가공 단계(S130)에서는 상기 절단 단계(S120)에서 절단된 금속판에 압인 등의 가공을 수행하여 다양한 형상의 가공품을 제조한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 물리적 및 화학적 특성이 다른 이종(다른 종류)의 금속 소재를 이용하면서 하나의 금속 소재를 사용한 것과 같은 가공성을 얻을 수 있다. 또한 도금 또는 도색 등의 가공 처리를 거치지 않고 각각 금속 고유의 색채를 이용하여 무늬를 표현하여, 사용에 따른 변색, 벗겨짐 등의 문제 없이 심미감을 줄 수 있다. 더욱이 이종 소재의 금속을 이용하여 반복적인 패턴을 동전의 표면에 구현할 수 있어 스티커, 박판, 코인 등에 적용할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1 : 삽입봉재
11 : 패턴재
21 : 빌렛
31 : 클래딩부

Claims (3)

  1. 금속 소재를 이용하여 원기둥 형태의 패턴재를 제작하는 패턴재 제작 단계;
    금속 소재를 이용하여 빌렛을 제작하고, 상기 빌렛에 상기 패턴재가 삽입 가능하도록 홀을 형성시키는 빌렛 제작 단계;
    상기 빌렛 제작 단계에서 제작된 상기 빌렛 및 상기 패턴재 제작 단계에서 제작된 상기 패턴재를 세척하는 표면 세척 단계;
    상기 표면 세척 단계에서 세척된 동종 또는 이종 소재의 상기 패턴재를 상기 빌렛에 삽입하여 봉재를 만드는 삽입 단계;
    상기 삽입 단계에서 형성된 상기 봉재의 축 방향 양측 단부에 마감재를 접합시키는 마감재접합 단계;
    상기 마감재접합 단계에서 마감된 상기 봉재를 가열하면서 반경방향의 중심 쪽으로 가압하는 고온 균일 가압 단계;
    상기 고온 균일 가압 단계를 거친 상기 봉재를 압출하여 직경을 감소시키는 압출 단계;
    상기 압출 단계에서 압출된 상기 봉재를 인발하는 인발 단계;
    인발된 봉재를 반경방향으로 절단하여 금속판을 제조하는 절단 단계; 및
    상기 절단 단계에서 형성된 금속판을 가공하는 후가공 단계;
    를 포함하고,
    상기 인발 단계를 복수 회 반복하여 상기 봉재를 상기 패턴재의 직경까지 감소시킨 후, 상기 패턴재 대신 인발된 상기 봉재를 사용하여 상기 삽입 단계, 상기 마감재접합 단계, 상기 고온 균일 가압 단계, 상기 압출 단계 및 상기 인발 단계를 수행하는 디스크형 금속 복합소재의 패턴 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    중공형의 금속재를 이용하여 클래딩부를 형성하는 클래딩부 제작 단계;
    상기 인발 단계를 거친 복수 개의 상기 봉재를 상기 클래딩부의 중공에 삽입하여 적층시켜 코어부를 형성시키는 적층 단계; 및
    상기 적층 단계에서 적층된 상기 클래딩부 및 상기 코어부를 인발 가공하는 재인발 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스크형 금속 복합소재의 패턴 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고온 균일 가압 단계에서는,
    비활성 기체를 주입시킨 상태에서 90Mpa 이상 110Mpa 이하의 압력으로 가압하면서, 섭씨 780도 이상 820도 이하의 온도까지 2.0도/min 이상 3.0도/min 이하의 승온속도로 승온시켜 230분 이상 250분 이하의 시간동안 압력 및 온도를 유지시키는 것을 특징으로 하는 디스크형 금속 복합소재의 패턴 형성 방법.
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