KR102043679B1 - 압력제어부를 구비한 활성소결장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유압실린더의 가압을 조절하여 소결하는 활성소결장치에 있어서, 하부 플레이트; 상기 하부 플레이트 상부에 구비되고, 복수개의 압력센서와 연결되어, 상기 압력센서에서 검출되는 압력을 전달받고, 상기 유압실린더의 압력을 서보제어구동회로를 통하여 입력받는 압력제어부; 상기 압력제어부 상부에 배치되는 하부전극로드 플레이트; 상기 하부전극 플레이트 상부와 연결되어 구비되며, 일단에 접촉면이 형성된 하부전극로드; 상기 하부전극로드가 하부로 관통하고, 일측에 상기 하부전극로드의 접촉면이 삽입되는 중공의 몰드가 배치되는 소결챔버; 상기 소결챔버의 상부에 배치되고 일단에 접촉면을 구비하고, 일단이 상기 소결챔버를 관통하여 상기 몰드의 상부에서 수직 하향으로 가압하는 상부전극로드; 상기 상부전극로드와 연결되어 상기 상부전극로드를 지지하는 상부전극로드 플레이트; 및 상기 상부전극로드 플레이트 상부에 배치되며, 상기 압력제어부와 연통되는 서보유압공급제어장치를 구비하고 상기 상부전극로드에 압력을 전달하는 유압실린더를 포함하는 압력제어부를 구비한 활성소결장치를 제공한다.

Description

압력제어부를 구비한 활성소결장치{Activated sintering apparatus having pressure control part}

본 발명은 펄스를 활용한 활성소결장치에 관한 것으로 특히 소결체에 추가적인 압력을 전달하고 압력을 제어할 수 있는 압력조절부를 구비한 활성소결장치에 관한 것이다.

펄스를 활용한 활성소결장치는 펄스를 직접 및 간접적으로 인가하여 물질 혹은 원소간의 결합을 형성하는 장비로써, 기존 열처리 및 용융에 의한 소결 방식에 비해 빠른 시간 내에 고품질의 결합을 형성 가능한 방법이다.

펄스를 활용한 활성소결은 자기발열반응, 통전소결, 자기유도 발열반응 등의 여러 이름으로 불리운다.

현재 기존 소결 장치로 소결이 어려운 분말들을 소결하는데 여러 연구자들이 사용하고 있는 스파크 플라즈마 소결(Spark Plasma Sintering) 장치나 펄스전류 활성 소결 (Pulsed current Activated Sintering) 장치를 사용하고 있다.

이들 장치가 개발되기까지 과정은 다음과 같다.

1933년에 Taylor가 처음으로 탄화물 계 분말을 열 간 가압소결 시 분말에 전류를 직접 가해주는 방법을 제시하였다. 1944년 Cremer가 저 융점 금속분말에 전류를 통전하여 치밀한 소결체를 제조하였다. 그 후 1950년 후반에 Lenel 이 용접장치와 유사한 장비를 사용해서 가압 하에서 금속분말들을 저항가열 소결을 시도하였다. 1960년대에 Inoue는 저압 하에서 직류와 교류를 동시에 분에 통전시켜서 분말입자간에 방전현상을 유도한 후 2차적으로 높은 압력을 가하여 고 융점 금속분말들을 소결하였다.

1990대 초에 일본 Sodick 회사에서 분말과 흑연 다이에 1000A까지 펄스를 가해주고 그 이상의 전류에서는 직류를 흘려주어 짧은 반응시간 내에 치밀한 소결체를 형성할 수 있는 통전활성소결장치를 개발하였다.

상기 통전활성소결장치는 펄스에 의한 소결이며, 펄스형 전류를 흑연 또는 텅스텐 카바이드 다이에 직접 관통시겨서 다이 내부에 충진된 분말이 다이에 의해 압축되게 한다.

전류 펄스는 고정한 접촉점에서 우선적으로 가열되어 분말 내에 열을 발생시켜 소결을 촉진한다.

따라서 활성소결은 자기발열반응을 이용하여 금속 혹은 비금속간의 결합을 상대적으로 쉽게 형성하는 방법으로, 고융점 금속간 화합물, 고온 금속 접합 및 용융, 희토류 금속 제조 등에 사용될 수 있다.

현재는 금속간의 고온 순간 접합, 금속간 화합물 간의 이종 접합, 고온 열처리 등으로 활용범위가 확장되고 있다.

통전활성소결을 활용하는 통전활성소결 장치는 빠른 공정 진행 시간, 고순도화 가능, 온도조절의 용이함의 장점을 가지고 있어, 전자재료의 재결정 및 정열, 자성재료의 등방성 형성 및 유지, 전지 재료의 고순도 합성, 저온 공정을 활용한 고분자 및 유기화합물 합성에도 활용된다.

또한 최근에는 결정립계의 증가로 마이크론 크기 결정립을 가진 재료에서 나타나지 않는 독특한 기계적, 전기적, 자기적 성질을 나타내는 나노구조 재료를 보다 용이하게 소결하기 위하여 통전활성소결장치를 이용하여 형성하는 방법이 개발되고 있다(비특허문헌 1).

상기 통전활성소결장치의 관점은 소결 중 결정립 성장을 조절하기 위하여 흑연 다이와 펀치가 견딜 수 있는 최대 압력인 100 Mpa이하의 일축 기계적 압력을 가한 다음 곧바로 펄스 전류를 가하여 1500 ℃이상의 고온으로 가열하는 과정을 통하여 소결체를 형성한다.

이 때 다이와 펀치가 견딜 수 있도록 압력을 가하기는 하나, 압력에 따라 소결체의 형성과정이 변화되고, 이에 따라 최대 압력을 조절하는 구성은 고려되고 있지 않다.

또한 일축이 아닌 다축 펀치를 사용하여 압력을 가하는 경우에는 압력을 정확하고 세밀하게 제어하는 구성이 필요하나, 아직까지 활성소결장치의 압력을 제어하여 소결체의 물성을 변화시키는 시도는 개시된 바 없다.

한편 대한민국 등록특허 제1657984호(특허문헌)는 플라즈마 소결장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 피 가공분말을 충진하는 실리콘 카바이드 금형; 상기 피 가공분말을 가압하기 위한 상부 및 하부 펀치; 상기 상부 및 하부 펀치를 동작시키는 상부 전극 및 하부 전극; 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형의 온도를 측정하는 온도 측정부; 상기 온도 측정부에 의해 측정된 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도를 기초로 가열 전압을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어에 따라 상기 상부 전극 및 하부전극에 공급하는 직류 전원을 가변하는 직류전원 공급부를 포함하여 플라스마 소결장치를 구현함으로써 대기 중 실온에서 플라즈마 소결이 가능한 플라즈마 소결장치를 구현하고 있다.

다만 상기 특허에서도 온도 제어에 따라 진공챔버가 아니 대기압 중에서 소결이 가능하도록 온도를 제어하고 있을 뿐 분말입자의 소결에 따른 길이 또는 부피 변화에 따른 압력 변수를 고려한 플라즈마 소결장치는 전혀 고려하지 못한다.

또한 대한민국 공개특허공보 특2000-0057987호(특허문헌 2)에서는 통전소결방법, 통전소결 장치, 및 통전소결용 몰드를 개시하면서 분말재료를 장입할 수 있는 요부를 구비한 다이 및 요부 내에 진입할 수 있는 펀치를 가지는 통전소결용 몰드에 있어서 펀치와 다이 중 적어도 한 쪽의 재료에 도전성 금속 붕화물을 함유시켜 통전소결처리를 고효율로 처리하는 기술을 제공하나, 분말재료에 발생되는 줄열(Joule heat) 및 가압장치에 의해 분말재료에 가해지는 압력의 작용에 의해 상기 분말재료가 변화되는 것에 대한 인식이 있으나, 가해지는 압력의 변화시겨 소결반응을 조절하여 소결체를 치밀하게 하는 구성은 전혀 개시되지 않는다.

따라서 활성소결장치의 반응 공정의 효율성 증가 및 생성되는 최종 생성물의 물성을 향상시키기 위하여 활성소결반응의 공정에 큰 영향을 주는 가압장치 및 이를 정밀하게 조절할 수 있는 제어장치의 개발이 매우 시급한 실정이다.

이에 대한 선행기술문헌으로 대한민국 등록특허공보 제1657984호 플라즈마 소결장치 및 그 방법과 대한민국 공개특허공보 특2000-0057987호 통전소결 방법, 통전소결 장치, 및 통전소결용 몰드가 개시된다.

대한민국 등록특허공보 제1657984호(공고일 2016.09.20) 플라즈마 소결장치 및 그 방법 대한민국 공개특허공보 특2000-0057987(공개일 2000.09.25) 통전소결 방법, 통전소결 장치, 및 통전소결용 몰드

대한금속재료학회지 (Korean J. Met. Mater.), Vol. 52, No. 8, pp. 573~580, 펄스전류 활성 소결에 관한 연구

따라서, 본 발명은 활성소결반응 공정의 효율성 증가 및 생성되는 최종 소결체의 물성을 향상시키기 위하여 통전활성소결반응 공정을 수행하는 활성소결장치에 사용되는 압력장치 및 압력을 조정하기 위한 제어장치를 제공하는데 있다.

또한 시편이 장입된 몰드에 펄스를 안정적으로 인가될 수 있도록 전류와 압력을 조절하는 구조로 반응시 반응물의 부피 변화에 따른 공정 편차를 제어하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 유압실린더의 가압을 조절하여 소결하는 활성소결장치에 있어서, 하부 플레이트; 상기 하부 플레이트 상부에 구비되고, 복수개의 압력센서와 연결되어, 상기 압력센서에서 검출되는 압력을 전달받고, 상기 유압실린더의 압력을 서보제어구동회로를 통하여 입력받는 압력제어부; 상기 압력제어부 상부에 배치되는 하부전극로드 플레이트; 상기 하부전극 플레이트 상부와 연결되어 구비되며, 일단에 접촉면이 형성된 하부전극로드; 상기 하부전극로드가 하부로 관통하고, 일측에 상기 하부전극로드의 접촉면이 삽입되는 중공의 몰드가 배치되는 소결챔버; 상기 소결챔버의 상부에 배치되고 일단에 접촉면을 구비하고, 일단이 상기 소결챔버를 관통하여 상기 몰드의 상부에서 수직 하향으로 가압하는 상부전극로드; 상기 상부전극로드와 연결되어 상기 상부전극로드를 지지하는 상부전극로드 플레이트; 및 상기 상부전극로드 플레이트 상부에 배치되며, 상기 압력제어부와 연통되는 서보유압공급제어장치를 구비하고 상기 상부전극로드에 압력을 전달하는 유압실린더를 포함하는 압력제어부를 구비한 활성소결장치를 제공한다.

상기 하부전극로드 및 상부전극로드는 외주면에 냉각수 공급라인이 구비되어 냉각수가 유통되며, 상기 접촉면 일측으로 지지대가 연장되어 상기 하부전극로드 플레이트 및 상부전극로드 플레이트에 고정되며,

상기 지지대는 펄스 전류를 방출하는 전극 모듈이 내부에 구비되어 상기 접촉면에서 가열온도를 10 ~ 3,000 ℃까지 조절하되, 상기 전극 모듈은 상기 압력제어부와 전기적으로 연통될 수 있다.

상기 압력제어부는 복수개의 압력센서와 연통되어 구비되되 상기 몰드 내에서 형성되는 소결체의 압력을 측정하는 소결압력센서, 및

상기 유압실린더 일측에서 배치되며 유압실린더의 자중에 의한 압력을 측정하는 자중압력센서와 연결될 수 있다.

상기 압력제어부는 상기 소결압력센서에서 검출되는 압력과, 상기 자중압력센서에서 검출되는 압력을 미리 결정된 기준에 따라 보정하여 상기 유압실린더가 일정한 압력으로 상기 상부전극로드를 가압하도록 할 수 있다.

상기 보정은 상기 압력제어부에 구비된 서보제어구동회로에 의하여 결정될 수 있다.

상기 서보제어구동회로는 두개의 서보밸브가 하나의 압력 라인을 제어할 수 있다.

상기 유압실린더의 가압은 상기 유압실린더 일측에 구비된 유압펌프가 압력을 형성하되, 상기 압력제어부의 결정에 따라 상기 서보유압공급제어장치를 통하여 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 압력제어부를 구비한 활성소결장치는 압력을 전달하는 압력장치에 압력을 감지하고 세밀하게 조절할 수 있는 제어장치를 통합한 압력제어부를 통하여 활성소결반응의 압력조건을 제어할 수 있다.

또한 활성소결반응에 가압이 일축뿐만 아니라 다축으로 압력을 전달하여 통전활성소결 시 발생하는 반응열의 흐름의 방향성 조절이 가능하며, 가압을 통하여 누설되는 에너지 흐름을 차단하고, 반응에너지를 일정하게 유지함으로서, 반응온도를 낮출 수 있다.

특히 가압조건을 미리 결정하고 소결반응 중에 압력을 생성하는 압력장치를 압력제어장치와 통합하여 반응 단계에 따라 압력을 세밀하게 조절할 수 있다.

또한 소결체의 부피변화에 따른 반응 속도의 차이를 가압제어를 통하여 보정함으로써 소결체의 물성을 크게 증가시킬 수 있다.

또한 반용융상태의 입자간의 결합 밀도를 증가시켜 반응 속도를 증가시킬 수 있다.

또한 통전시 발생되는 전기장 및 자기장의 흐름의 방향성을 정열시킴으로서 생성되는 반응물의 순도 및 특성을 향상 시킨다

또한 분말의 소결 중 초기단계에서 분말의 재배열이 충분하게 진행되도록 접촉압력을 20 Kg 이하로 감압하여 유지하고, 다시 액상생성 온도 이하인 중간단계에서 2,000 Kg 이상으로 가압하여 분말을 치밀하게 하고, 액상의 젖음이 균일하게 발생되어 조직을 치밀화 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압력제어부를 구비한 활성소결장치의 투과 정면도이다.
도 2는 도 1에 따른 하부전극로드 및 상부전극로드의 정면도 및 평면도이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 압력제어부를 구비한 활성소결장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 도 3에 따른 서보유압공급제어장치의 개략적인 구성을 나타낸 유압회로도이다.
도 5는 도 3에 따른 서보제어구동회로의 개략적인 구성을 나타낸 유압회로도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에서 소결은 분말 입자들을 열적으로 활성화시켜 벌크(bulk)로 형성하며, 상기 소결의 구동력은 고상-기상 계면을 줄여 계 전체 표면에너지를 감소시키는 것이며, 이를 위하여 표면들이 에너지가 낮은 계면을 형성하거나 분말의 조대화가 일어나는 것을 의미한다.

또한 활성소결장치는 상기한 소결의 성질을 이용하여 분말 입자에 압력과 저전압 및 대전류를 걸어서 활성 플라즈마에 의하여 소결체를 단시간 내에 소결할 수 있는 장치를 의미한다.

또한 활성소결은 자기발열반응, 통전소결반응, 자기유도 발열반응과 동일한 의미이므로 본 발명의 실시예에 따른 활성소결은 상기 반응을 모두 포함하는 것으로 정의된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 압력제어부를 구비한 활성소결장치의 정면도이다.

도 1을 참조하면, 압력제어부(200)를 구비한 활성소결장치는 하부플레이트(100), 압력제어부(200), 하부전극로드 플레이트(300), 하부전극로드(400), 소결챔버(500), 상부전극로드(600), 상부전극로드(600) 플레이트(700) 및 유압실린더(800)를 포함한다.

상기 하부플레이트(100)는 압력제어부(200)를 비롯한 나머지 구성이 하측부터 순서대로 배치되며, 상기 압력제어부(200)를 비롯한 나머지 구성을 지지할 수 있다.

상기 하부플레이트(100)는 상기 압력제어부(200)를 비롯한 나머지 구성의 하중을 지지할 수 있도록 비중이 높은 철 합금 주물로 구비될 수 있으며, 상기 하부플레이트(100)의 하부에는 이동이 가능한 복수개의 캐스터가 구비될 수 있다.

상기 압력제어부(200)는 상기 하부플레이트(100) 상부에 구비되고, 복수개의 압력센서(210, 220)와 연결되며, 상기 압력센서(210, 220)에서 검출되는 압력을 전달받으며, 상기 유압실린더(800)의 압력을 서보제어구동회로(230)를 통하여 입력받는다.

상기 압력센서는 복수개로 구비될 수 있으며, 상기 하부플레이트(100)에 배치되며, 상기 유압실린더(800) 하측에 배치되어 각각 소결체가 형성하는 압력과 상기 유압실린더(800) 자중에 의한 압력을 검출할 수 있다.

상기 압력센서는 소결체가 형성하는 압력 변화를 검출하고, 상기 유압실린더(800) 자중에 의한 압력 변화를 검출하여 압력변화량을 표시하는 외부장치(미도시)를 구비할 수 있다.

상기 압력변화량에 따라 미리 결정된 압력으로 자동조절될 수 있으나, 상기 외부장치를 확인하여 수동으로 압력을 조절할 수 있다.

상기 압력을 수동으로 조절할 수 있는 구성을 포함하여 압력변화량에 따른 자동조절의 오작동을 방지할 수 있다.

상기 서보제어구동회로(230)는 서보압력을 입력받아 두 개의 서보밸브를 하나의 입력라인으로 제어한다.

상기 서보제어구동회로(230)는 인가되는 압력 및 펄스를 조절하여 소결체를 형성하는 소결반응의 속도 및 안정성을 조절할 수 있다.

상기 압력제어부(200)는 압력센서에서 입력받은 압력을 보정하여 상기 유압실린더(800)에 전달할 수 있다.

상기 압력센서는 소결압력센서(미도시)와 자중압력센서(미도시)로 구비된다.

상기 소결압력센서는 상기 몰드(510) 내에서 형성되는 소결체의 압력을 측정하여 상기 압력제어부(200)에 전달한다.

상기 소결체의 부피 변화에 따라 소결체가 형성하는 압력이 달라지며, 특히 상기 하부전극로드(400) 및 상기 상부전극로드(600)가 면접한 상태에서 정확한 압력을 측정하여 압력제어부(200)에 전달할 수 있다.

상기 자중압력센서는 상기 유압실린더(800)의 일측에 배치되며, 유압실린더(800)의 자중에 의한 압력을 측정하여 상기 압력제어부(200)에 전달할 수 있다.

활성소결장치에 있어서, 유압실린더의 무게는 통상 500 Kg이상이고 유압실린더의 무게에 의하여 상부전극로드(600)에 전달되는 압력이 변화될 수 있기 때문에 상기 자중압력센서를 이용하여 상부전극로드(600)에 전달되는 압력을 세밀하게 보정할 수 있다.

상기 압력제어부(200)는 상기 소결압력센서에서 검출되는 압력과, 상기 자중압력센서에서 검출되는 압력을 미리 결정된 기준에 따라 보정하여 상기 유압실린더(800)가 일정한 압력으로 상기 상부전극로드(600)를 가압할 수 있다.

상기 압력제어부(200)는 서보제어구동회로(230)를 구비한다.

상기 보정은 서보제어구동회로(230)에 의하여 결정될 수 있다.

상기 압력제어부(200)는 상기 서보제어구동회로(230)를 통하여 상기 유압실린더(800)의 압력을 입력받고 이를 보정하여 상기 상부전극로드(600) 및 상기 하부전극로드에서 방출되는 펄스를 조절하여 소결반응 속도를 조절할 수 있다.

상기 서보제어구동회로(230)는 두개의 서보밸브가 하나의 압력 라인을 제어할 수 있다.

따라서 상기 압력제어부(200)는 상기 상부전극로드(600) 및 하부전극로드(400)에 압력 부하 및 전류 펄스를 세밀하게 조절할 수 있다.

상기 하부전극로드 플레이트(300)는 상기 압력제어부(200) 상부에 배치된다.

상기 하부전극로드 플레이트(300)는 상기 압력제어부(200)와 하부전극로드(400)를 연결하며 상기 하부전극로드를 지지한다.

상기 하부플레이트(100)와 상기 하부전극로드 플레이트(300)는 가이드바를 통하여 회동가능하게 연결된다.

상기 하부플레이트(100)의 모서리에는 복수개의 가이드바(900)가 배치될 수 있으며, 상기 가이드바(900)는 상기 하부플레이트(100)의 모서리를 따라 관통되어 상기 하부플레이트(100)가 수직 방향으로 회동할 수 있도록 지지한다.

동일한 구조로 상기 상부전극로드(600) 플레이트(700)는 모서리에 상기 가이드바가 관통되어 상기 상부전극로드(600) 플레이트(700)가 수직 방향으로 회동할 수 있다.

상기 하부전극로드 플레이트(300)와 상기 상부전극로드 플레이트(700)가 상기 가이드바(900)를 따라서 수직 방향으로 회동할 수 있으며, 상기 상부전극로드 플레이트(700)가 상기 유압실린더(800)의 로드에 밀려서 하강하면 상기 상부전극로드 플레이트(700)에 연결되어 구비되는 상부전극로드(600)가 상기 하부전극로드(400)를 향하여 접근할 수 있다.

상기 하부전극로드(400)는 상기 하부전극로드 플레이트(300) 상부와 연결되어 구비되며, 일단에 접촉면(420)이 형성된다.

상기 소결챔버(500)는 상기 하부전극로드(400)가 하부로 관통하고, 일측에 상기 하부전극로드의 접촉면(420)가 삽입되는 중공의 몰드가 배치된다.

상기 소결챔버(500)는 분말입자가 입인된 몰드(510)를 보관하여 지지할 수 있으며, 진공 또는 대기압 상태를 유지할 수 있다.

상기 상부전극로드(600)는 상기 소결챔버(500)의 상부에 배치되고 일단에 접촉면을 구비하고, 일단이 상기 소결챔버(500)를 관통하여 상기 몰드의 상부에서 수직 하향으로 분말 입자를 가압할 수 있다.

도 2는 도 1에 따른 하부전극로드 및 상부전극로드의 정면도 및 평면도이다.

도 2를 참조하면, 상기 상부전극로드(600)는 상기 하부전극로드에 서로 대향되도록 구비되어 상기 소결챔버(500) 내의 중공의 몰드에 인입된 분말입자를 가압한다.

상기 하부전극로드(400) 및 상부전극로드(600)는 일단에 접촉면이 구비되고, 로드의 외주면 일부에 냉각수 공급라인(410, 610)이 구비되어 냉각수가 유통된다.

상기 하부전극로드(400) 및 상부전극로드(600)는 활성소결장치에서 가압 전극의 역할을 수행하며 10 내지 500,000 kg의 압력을 전달할 수 있기 때문에 동합금주물로 구비되는 것이 바람직하다.

상기 접촉면(420, 620)은 상기 몰드(510)의 직경에 대응하여 형성될 수 있으나, 최대 500mm를 초과하지 않는 것이 바람직하며, 이를 초과하는 경우 가압면적이 증가하여 유압실린더(800)에 가압을 세밀하게 조절하기 어렵다.

상기 냉각수 공급라인(410, 610)이 구비되어 상기 하부전극로드(400) 및 상부전극로드(600)는 소결온도 이상으로 과열되는 것을 방지할 수 있다.

상기 하부전극로드(400) 및 상부전극로드(600)는 상기 접촉면(420, 620) 일측으로 지지대가 연장되어 상기 하부전극로드 플레이트(300) 및 상부전극로드 플레이트(700)에 고정될 수 있다.

상기 지지대는 펄스 전류를 방출하는 전극 모듈이 내부에 구비되어 상기 접촉면에서 가열온도를 10 ~ 3,000 ℃까지 조절할 수 있다.

상기 접촉면(420, 620)은 가열수단(미도시)이 추가적으로 구비될 수 있다.

상기 가열수단은 직접 가열 방식으로 고정한 및 저저항을 이용한 전류 유도 가열장치, 유도 코일을 사용한 고주파 유도가열 장치 또는 직접가열 방식을 이용한 히터일 수 있다.

상기 가열수단은 상기 접촉면 아래에 구비되거나, 전극로드 내부에 구비되는 것도 가능하다.

상기 접촉면(420, 620)에는 소결반응에 의하여 생성되는 소결체의 부피 및 길이변화를 측정할 수 있는 길이측정센서(미도시)를 더 구비할 수 있다.

상기 길이측정센서는 소결체의 길이변화를 확인하여 상기 압력제어부(200)에 변화량을 전달할 수 있으며, 길이변화량에 따라 상기 압력제어부(200)는 고압 또는 저압을 인가하여 상기 상부전극로드(600)에 압력 부하를 조절할 수 있다.

상기 전극 모듈은 상기 압력제어부(200)와 전기적으로 연통된다.

상기 압력제어부(200)와 전기적으로 연통되어 펄스 전류의 방출이 제어되어 소결체가 생성되는 속도를 결정하는 소결반응 속도를 조절할 수 있다.

상기 하부전극로드 및 상부전극로드(600)는 상기 몰드(510)의 상부 및 하부에서 분말을 가압하여 압축하며, 인가되는 전류 펄스에 의하여 고저항 접촉점을 형성하여 분말 내에서 가열점을 형성한다.

상기 분말입자는 산화물, 질화물, 탄화물, 규화물, 희토류금속, 및 금속합금의 분말로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 또는 하나 이상일 수 있다.

상기 가열점을 시작으로 소결체가 형성되고 표면이 치밀화되는데, 종래의 유압에 의한 가압은 초기 압력이 너무 높은 경우에 표면의 치밀화에 의하여 개기공(open pore) 상태로 유지되지 않으며, 분말의 재배열(rearrangement)이 발생하기 힘들다.

여기서 상기 상부전극로드(600)에 가해지는 압력을 세밀하게 조절하는 경우에 분말입자 전체를 치밀화 할 수 있다.

여기서 상기 압력제어부(200)는 소결체의 부피변화에 따른 반응속도의 차이를 가압되는 압력의 제어를 통하여 소결체의 물성을 증가시킨다.

본 발명의 실시예에서 상기 상부전극로드(600) 및 하부전극로드(400)는 2축 양방향으로 구비되나, 다축으로 구성하여 상하 좌우에서 압력을 전달하는 구성 또한 가능하다.

상하 좌우에서 압력을 전달할 수 있도록 전극로드를 구성하는 경우에는 상기 전극로드를 지지하는 구성과 동일하게 전극로드 플레이트를 구비하여 전극로드를 지지하고, 상기 전극로드 일측에 압력센서를 배치하여 다축전극로드를 구비하여 활성소결장치를 구성할 수 있다.

상기 소결챔버(500)는 상기 하부전극로드(400)가 하부로 관통하고, 일측에 상기 하부전극로드의 접촉면(420)이 삽입되는 중공의 몰드(510)가 배치된다.

상기 소결챔버(500)는 소결조건에 따라 진공을 유지하거나, 개방되어 대기압 조건을 유지할 수 있다.

상기 소결챔버(500)는 소결반응에 따른 고열의 방출을 방지하여 활성소결 공정의 안정성을 증가시킬 수 있다.

상기 몰드(510)는 흑연 금형 또는 실리콘 카바이드 금형을 구비될 수 있다 상기 흑연 금형인 경우 상기 소결챔버(500)를 진공으로 조절해야한다.

여기서 실리콘 카바이드 금형을 사용하는 경우에는 진공이 아닌 대기 중에서 활성소결을 수행할 수 있는 장점이 있다.

상기 실리콘 카바이드는 임계온도 미만에서는 저항체이고, 임계온도 이상에서는 도체로 작동하는 물성을 가지며, 강도가 높고, 내화도가 높은 장점이 있으며, 특히 고압 펄스에서 쉽게 가열되는 특징이 있어서 자성재료, 고온 기능성 재료를 소결처리하는 경우에 매우 바람직하다.

상기 상부전극로드 플레이트(700)는 상기 상부전극로드(600)와 연결되어 상기 상부전극로드(600)를 지지한다.

상기 상부전극로드(600) 플레이트(700)의 구성과 작동은 상기 하부전극로드 플레이트(300)와 동일하여 상세한 구성 및 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상기 유압실린더(800)는 상기 상부전극로드(600) 플레이트(700) 상부에 배치되며, 상기 압력제어부(200)와 연통되는 서보유압공급제어장치(810)를 구비한다

상기 유압실린더(800)의 가압은 상기 유압실린더(800) 일측에 구비된 유압펌프가 압력을 형성하되, 상기 압력제어부(200)의 결정에 따라 상기 서보유압공급제어장치(810)를 통하여 형성된다.

상기 유압실린더(800)는 상부전극로드(600)에 압력을 전달하여, 상기 분말 입자에 10 내지 500,000 Kg의 고압을 전달할 수 있다.

상기 유압실린더(800)는 유압식, 기계식, 또는 기계식인 프레스장치로 대체 가능하다.

여기서 상기 압력센서 및 서보제어구동회로(230)는 유압실린더(800)에서 전달되는 매체에 따라 변경될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 압력제어부를 구비한 활성소결장치의 작동 과정에 관하여 실시예를 들어 설명하면 다음과 같다.

도 3는 본 발명의 실시예에 따른 압력제어부를 구비한 활성소결장치의 개략적인 구성도이다.

도 3을 참조하면, 우선 활성소결 대상 분말입자인 세라믹분말을 준비하여 몰드(510)에 인입한다.

상기 몰드를 상기 소결챔버(500) 내에 배치하고, 상기 하부전극로드 플레이트(300) 및 상기 상부전극로드 플레이트(700)의 위치를 조절하여 상기 몰드(510) 내에 분말이 상기 접촉면(520)에 면접하도록 한다.

상기 압력제어부(200)는 상기 하부전극로드(400) 및 상부전극로드(600)에 전류를 인가하여 펄스 방출을 유도하여 가열하여 소결반응의 초기단계를 진행시킨다.

상기 소결반응의 초기단계에서 상기 유압실린더(800)는 상부전극로드(600)를 가압하여 20 Kg의 압력을 인가할 수 있다.

도 4는 도 3에 따른 서보유압공급제어장치의 개략적인 구성을 나타낸 유압회로도이다.

도 4를 참조하면, 압력제어부(200)가 유압 펌프 압력 생성을 결정하면 상기 유압펌프압력라인(811)으로 유압이 전달된다.

상기 유압펌프압력라인(811)에서 전달되는 압력은 상기 압력제어부(200)에 연통되는 서보압력제어밸브(814)의하여 압력구동밸브(813)에 전달된다.

상기 압력구동밸브(813)가 작동되면 처음 입력된 압력(20Kg)보다 고압의 유압의 전달되어 상기 상부전극로드(600)를 가압할 수 있으며, 미작동되면 처음 입력된 압력보다 저압의 압력이 전달된다.

상기 서보유압공급제어장치(810)는 상기 압력제어부(200)의 압력 인가여부에 따라 상기 서보압력제어밸브(814)를 통하여 고압 또는 저압의 압력을 공급하여 상기 상부전극로드(600)에 압력 부하를 조절할 수 있다.

한편 상기 서보유압공급제어장치(810)는 유압압력제어밸프(812)에 의하여 수동 구동에 의하여 압력이 분배될 수 있다.

상기 수동 구동에 의하여 압력이 분배될 수 있으므로, 상기 서보압력제어밸브(814)가 자동으로 구동되지 않는 경우에도 안전하게 압력을 유지할 수 있다.

상기 압력에서 분말의 재배열이 진행되며, 이때 상기 재배열이 충분하게 진행될 수 있도록 상기 서보유압공급제어장치(810)을 통하여 일정하게 압력을 조절한다.

상기 압력제어부(200)는 우선 상기 압력센서에서 검출되는 압력을 전달받아 분말입자가 소결되어 형성된 소결체의 부피 변화에 따른 소결압력을 측정하여 압력이 증가되면, 상기 서보유압공급제어장치(810)를 통하여 저압을 인가하는 피드백을 통하여 압력을 보정한다.

상기 압력제어부(200)는 유압실린더(800)의 자중에 의한 압력변화 또한 검출하며, 상기 소결챔버(500)가 진공으로 가깝게 유지되어 상기 유압실린더(800)의 자중에 의한 압력변화가 증가될 경우에는 상기 서보유압공급제어장치(810)를 통하여 저압을 인가하는 피드백을 통하여 압력을 보정한다.

마찬가지로 압력이 감소되는 경우에는 반대경로를 따라 압력을 증가시키는 보정으로 소결체에 가해지는 압력을 소결반응의 최종단계에 이를때까지 일정하게 유지할 수 있다.

상기 압력제어부(200)는 상기 유압실린더(800)의 압력을 제어하는 서보제어구동회로(230)를 구비한다.

도 5는 도 3에 따른 서보제어구동회로의 개략적인 구성을 나타낸 유압회로도이다.

도 5를 참조하면 서보제어용 압력라인(231) 유압이 전달되면, 서보제어용 체크밸브(232)를 통과하여 유압이 제1서보제어용 밸브(233)로 전달된다.

상기 제1서보제어용 밸브(233)는 상기 압력제어부(200)가 미리 결정된 기준에 미치지 못하는 압력이 전달되는 경우 개방되어 제2서보용 밸브(234)로 전달되어 유압실린더(800)의 압력을 증가시킬 수 있다.

상기 제2서보제어용 밸브(234)는 기준 압력 이상인 경우만에 압력을 전달하므로 상기 제1서보제어용 밸브(233) 및 제2서보제어용 밸브(234)를 하나의 압력 라인을 구성하여 상기 유압실린더(800)에 인가되는 압력을 보다 세밀하게 조절할 수 있다.

상기 압력제어부(200)의 압력제어를 통하여 상기 소결체에 가해지는 압력을 일정하게 조절할 수 있다.

상기 실시예에 따른 상기 소결반응의 중간단계는 2,000 Kg의 압력을 유지하여 소결체는 고상과 액상의 젖음(wetting)이 균일하게 수행되어 치밀화될 수 있다.

상기 실시예에 따른 상기 소결반응의 최종단계는 20,000 Kg의 고압을 유지하여 소결밀도를 매우 증가시킬 수 있다.

한편 상기 압력제어부(200)는 상기 전극 모듈과 연통되어 인가되는 전류를 조절하고 펄스 방출을 제어하여 가열온도 및 소결 반응 속도를 소결체의 압력변화에 따른 피드백으로 제어할 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 압력제어부를 구비한 활성소결장치는 압력을 전달하는 압력장치에 압력을 감지하고 세밀하게 조절할 수 있는 제어장치를 통합한 압력제어부를 통하여 활성소결반응의 압력조건을 제어할 수 있다.

또한 활성소결반응에 가압이 일축뿐만 아니라 다축으로 압력을 전달하여 통전활성소결 시 발생하는 반응열의 흐름의 방향성 조절이 가능하며, 가압을 통하여 누설되는 에너지 흐름을 차단하고, 반응에너지를 일정하게 유지함으로서, 반응온도를 낮출 수 있다.

특히 가압조건을 미리 결정하고 소결반응 중에 압력 생성하는 압력장치를 압력제어장치와 통합하여 반응 단계에 따라 압력을 세밀하게 조절할 수 있다.

지금까지 본 발명에 따른 압력제어부를 구비한 활성소결장치에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.

그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 전해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 하부플레이트
200 : 압력제어부
210, 220 : 압력센서
230 : 서보제어구동회로
231 : 서보제어용 압력 입력
232, : 서보제어용 체크 밸브
232-1 : 수동제어용 체크 밸브
233 : 제1서보제어용 밸브,
234 : 제2서보제어용 밸브
235 : 서보제어/ 수동제어 변황용 밸브
236 : 수동제어용 밸브
237 : 서보제어 출력 라인
238 : 수동 제어 라인
239 : 강제 압력 해제 밸브
300 : 하부전극로드 플레이트
400 : 하부전극로드
410, 610 : 냉각수 공급라인
420, 620 : 접촉면
430, 630 : 전극모듈
500 : 소결챔버
510 : 몰드
600 : 상부전극로드
700 : 상부전극로드 플레이트
800 : 유압실린더
810 : 서보유압공급제어장치

Claims (7)

1. 유압실린더의 가압을 조절하여 소결하는 활성소결장치에 있어서,
   하부 플레이트;
   상기 하부 플레이트 상부에 구비되고, 복수개의 압력센서와 연결되어, 상기 압력센서에서 검출되는 압력을 전달받고, 상기 유압실린더의 압력을 서보제어구동회로를 통하여 입력받는 압력제어부;
   상기 압력제어부 상부에 배치되는 하부전극로드 플레이트;
   상기 하부전극 플레이트 상부와 연결되어 구비되며, 일단에 접촉면이 형성된 하부전극로드;
   상기 하부전극로드가 하부로 관통하고, 일측에 상기 하부전극로드의 접촉면이 삽입되는 중공의 몰드가 배치되는 소결챔버;
   상기 소결챔버의 상부에 배치되고 일단에 접촉면을 구비하고, 일단이 상기 소결챔버를 관통하여 상기 몰드의 상부에서 수직 하향으로 가압하는 상부전극로드;
   상기 상부전극로드와 연결되어 상기 상부전극로드를 지지하는 상부전극로드 플레이트; 및
   상기 상부전극로드 플레이트 상부에 배치되며, 상기 압력제어부와 연통되는 서보유압공급제어장치를 구비하고 상기 상부전극로드에 압력을 전달하는 유압실린더를 포함하며,
   상기 압력제어부는
   복수개의 압력센서를 구비하되 상기 몰드 내에서 형성되는 소결체의 압력을 측정하는 소결압력센서, 및
   상기 유압실린더 일측에서 배치되며 유압실린더의 자중에 의한 압력을 측정하는 자중압력센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 압력제어부를 구비한 활성소결장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 하부전극로드 및 상부전극로드는 외주면에 냉각수 공급라인이 구비되어 냉각수가 유통되며, 상기 접촉면 일측으로 지지대가 연장되어 상기 하부전극로드 플레이트 및 상부전극로드 플레이트에 고정되며,
   상기 지지대는 펄스 전류를 방출하는 전극 모듈이 내부에 구비되어 상기 접촉면에서 가열온도를 10 ~ 3,000 ℃까지 조절하되, 상기 전극 모듈은 상기 압력제어부와 전기적으로 연통되는 것을 특징으로 하는 압력제어부를 구비한 활성소결장치.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 압력제어부는
   상기 소결압력센서에서 검출되는 압력과, 상기 자중압력센서에서 검출되는 압력을 미리 결정된 기준에 따라 보정하여 상기 유압실린더가 일정한 압력으로 상기 상부전극로드를 가압하도록 하는 것을 특징으로 하는 압력제어부를 구비한 활성소결장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 보정은
   상기 압력제어부에 구비된 서보제어구동회로에 의하여 결정되는 것을 특징으로 하는 압력제어부를 구비한 활성소결장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 서보제어구동회로는
   두개의 서보밸브가 하나의 압력 라인을 제어하는 것을 특징으로 하는 압력제어부를 구비한 활성소결장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 유압실린더의 가압은
   상기 유압실린더 일측에 구비된 유압펌프가 압력을 형성하되, 상기 압력제어부의 결정에 따라 상기 서보유압공급제어장치를 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는 압력제어부를 구비한 활성소결장치.
   
   

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