KR102596864B1 - 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결장치 및 열간 가압 변형 소결방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일측면에 따르면, 시료가 채워지는 제1 소결부 및, 상기 제1 소결부와 연통된 확장 공간인 제2 소결부를 포함하는 몰드 어셈블리; 상기 몰드 어셈블리가 투입되어 진공분위기에서 예열되도록 하는 프리챔버; 및 상기 프리챔버에서 예열된 채로 몰드 어셈블리가 투입되어 진공분위기에서 1차 가압 소결 공정 및 2차 변형 소결 공정이 연속적으로 진행되는 메인챔버;를 포함하는 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결장치가 제공될 수 있다.
Description
본 발명은 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결 장치와 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연속공정이 가능한 열간 가압 소결 및 변형 소결이 동시에 이루어질 수 있는 장치로써, 비산화물 및 금속 스퍼터링 타겟 소재 또는 열전소재의 배향성을 높일 수 있는 소결기술을 제공하여 비산화물 분말 소결 및 고효율의 열전소재 제작에 활용할 수 있도록 하는 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결장치 및 열간 가압 변형 소결방법에 관한 것이다.
일반적으로 탄화규소, 탄화 붕소, 질화 규소 등은 대표적인 비산화물계 구조 재료로서, 고강도, 고경도 및 내마 모성의 기계적 특성과 함께, 내산화성, 내부식성, 내열 충격성, 고온 강도 등의 열적 특성을 가진다. 이러한 비산화물계 구조 재료는 강한 공유 결합으로 이루어지므로 성형을 위하여 고온 등의 특정한 조건에서 소 결을 하여야 한다. 이러한 비산화물계 구조 재료의 소결 방법으로는 상압 소결법, 반응 소결법, 재결정법, 산화 물 결합법 및 열간 가압 소결 방법 등이 있다.
선행기술로서 대한민국 공개특허 제10-2012-0012340호의 열간 가압 소결 장치가 개시된다. 개시되는 바와 같이 선행기술은 챔버; 상기 챔버 내에 위치하며 원료가 충전되는 몰드 부재; 상기 몰드 부재 내의 상기 원료를 가압 성형하는 가압 부재; 상기 챔버 내부를 가열하는 가열 부재; 상기 챔버에 형성된 온도 측정 통로를 통하여 상기 몰드 부재의 온도를 측정하는 온도 측정 부재; 및 상기 온도 측정 통로에 가스를 주입하는 가스 주입부를 포함한다.
그러나, 상기 종래기술은 진공챔버에 몰드를 장입하고, 진공펌핑을 한 후, 고온에서 가압 소결하는 방식으로서, 상술한 바와 같이 공정과정이 복잡하고 준비시간이 오래 걸려서 시료 한 개를 열간 가압 소결할 경우 12시간 작업기준 하루에 2개 이상을 하기가 어려운 문제가 있다.
또한, 고온가열 후 냉각을 거치게 되면 고온가열 시에 필요한 전력이 많이 사용되기 때문에 전력 사용량이 높아지게 되고, 가열과 냉각 시에 챔버 내부의 열피로가 커지게 되는 문제가 있었다.
본 발명은 시료가 채워지는 제1 소결부 및, 상기 제1 소결부와 연통된 확장 공간인 제2 소결부를 포함하는 몰드 어셈블리; 상기 몰드 어셈블리가 투입되어 진공분위기에서 예열되도록 하는 프리챔버; 및 상기 프리챔버에서 예열된 채로 몰드 어셈블리가 투입되어 진공분위기에서 1차 가압 소결 공정 및 2차 변형 소결 공정이 연속적으로 진행되는 메인챔버;를 포함하는 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 연속공정이 가능한 열간 가압 소결 변형이 동시에 이루어질 수 있는 장치로써, 열전소재의 배향성을 높일 수 있는 소결기술을 제공하여 고효율의 열전소재 제작에 활용할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 시료가 채워지는 제1 소결부 및, 상기 제1 소결부와 연통된 확장 공간인 제2 소결부를 포함하는 몰드 어셈블리;
상기 몰드 어셈블리가 투입되어 진공분위기에서 예열되도록 하는 프리챔버; 및
상기 프리챔버에서 예열된 채로 몰드 어셈블리가 투입되어 진공분위기에서 1차 가압 소결 공정 및 2차 변형 소결 공정이 연속적으로 진행되는 메인챔버;를 포함하는 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 메인챔버의 후행공정에 설치되어 2차 변형 소결된 몰드를 냉각시키는 냉각챔버를 더 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 몰드 어셈블리는, 시료가 투입되는 상대적으로 좁은 직경의 공간을 제공하는 제1 소결부를 형성하고, 상기 제1 소결부와 연통되며 상대적으로 넓은 직경의 확장공간을 제공하는 제2 소결부를 형성하는 몰드몸체;
상기 제1 소결부 내경에 축 결합되어 시료를 가압하는 제1펀치; 및
상기 제2 소결부 내경에 축 결합되어 시료를 가압하는 제2펀치;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 프리챔버는, 몰드 어셈블리가 투입되는 밀폐공간을 제공하는 프리챔버본체;
상기 프리챔버본체 내부를 진공분위기로 형성하는 제1진공배기부; 및
상기 프리챔버본체 내부에 비활성가스를 주입하는 가스주입부;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 프리챔버 내부에 몰드 어셈블리를 예비 가열하는 예열히터가 준비될 수 있다.
또한, 상기 프리챔버와 메인챔버 사이를 통과하는 경로에 이송레일을 형성하고, 상기 이송레일 상부에 몰드 어셈블리를 탑재하여 연속 공정에 투입되도록 할 수 있다.
또한, 상기 가스주입부를 통해 아르곤, 질소, 및 비활성 냉각기체 중 선택된 어느 하나가 주입되도록 할 수 있다.
또한, 상기 메인챔버는,
몰드 어셈블리가 투입되는 밀폐공간을 제공하는 메인챔버본체;
상기 메인챔버본체 내부를 진공분위기로 형성하는 제2진공배기부;
상기 메인챔버본체의 내측벽에 형성되어 내부공간을 일정한 온도로 가열하는 메인히터; 및
상기 메인챔버의 상/하측에 각각 설치되는 제1, 제2가압프레스을 진퇴 작동시켜 몰드 어셈블리의 제1, 제2펀치를 순차적으로 가압시켜 1차 가압 소결 공정 및 2차 변형 소결 공정이 연속적으로 진행되도록 하는 프레스장치부;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 메인챔버본체는 이송레일의 경로상에 위치하는 측벽에 개폐도어를 형성하여 몰드 어셈블리의 진출입시에 개폐되도록 할 수 있다.
이때, 상기 프레스장치부는,
상기 프리챔버 상측에 설치되는 제1가압실린더;
상기 제1가압실린더에 의해 진퇴 운동하면서 제1펀치를 가압하는 제1가압프레스;
상기 프리챔버본체 하측에 설치되는 제2가압실린더;
상기 제2가압실린더에 의해 진퇴 운동하면서 제2펀치를 가압하는 제2가압프레스; 및
상기 제2가압프레스과 별개로 승강 작동되도록 제2가압프레스의 바깥 동심원 상에 축 결합되어 몰드 어셈블리의 하부를 밀어서 승강시키는 이젝터;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 열간 가압 변형 소결장치들을 원형의 트랙으로 이루어진 이송레일 위에 다수로 배치하는 포함하는 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 몰드몸체의 제2소결부 내경에 제2펀치가 삽입되도록 한 후, 제1소결부 내경에 분말시료가 채워지도록 하고, 제1소결부 내경에 제1펀치를 삽입시켜 분말시료가 충진된 몰드 어셈블리를 준비하는 공정;
몰드 어셈블리를 프리챔버에 장입하고 제1소결부에 분말시료가 채워지도록 한 다음에 프리챔버의 개구부를 뚜껑을 덮어서 내부가 밀폐되도록 하고, 제1진공배기부를 통해서 프리챔버 내부를 진공상태로 유지하는 몰드 어셈블리 프리챔버 장입공정;
예열히터를 이용해서 몰드 어셈블리 및 분말시료를 5~10분 정도로 초기 가열하는 분말시료 예열공정;
프리챔버에서 예열공정을 거친 몰드 어셈블리 및 예열히터가 이송레일에 탑승된 통째로 메인챔버로 투입되는 몰드 어셈블리 메인챔버 투입공정;
메인히터에 의해 메인챔버 내부가 설정된 온도로 일정하게 유지되는 분위기에서 예열히터의 가열을 통해서 메인챔버 내의 온도가 10~50℃ 승온시켜 가압 소결 온도까지 도달되도록 하는 핫 프레스 온도 가열공정;
메인챔버 상측에 설치된 제1가압실린더 작동에 의해 제1가압프레스가 하강하여 몰드 어셈블리의 제1펀치를 가압시켜 분말시료를 소결시켜 1차 소결체가 형성되도록 하는 분말시료의 1차 가압 소결공정;
메인챔버 하부에 마련된 이젝터가 상승하여 몰드몸체 만을 상부로 이동시켜 1차 소결체가 제1소결부에서 제2소결부의 위치로 이동되도록 하는 시료의 2차 가압 준비공정;
메인챔버의 하부에 설치된 제2가압실린더에 의해서 제2가압프레스가 승강되고, 제2가압프레스는 몰드 어셈블리의 제2펀치를 가압시켜 1차 소결체를 2차 가압 변형 소결하는 시료의 2차 가압 변형 소결공정; 및
몰드 어셈블리를 메인챔버에서 배출시켜 냉각 후 2차 가압 변형 소결된 시료를 몰드 어셈블리로부터 추출하는 시료 추출 공정;을 포함하는 열간 가압 변형 소결방법이 제공될 수 있다.
본 발명은 연속공정이 가능한 열간 가압 소결 변형이 동시에 이루어질 수 있는 장치로써, 열전소재의 배향성을 높일 수 있는 소결기술을 제공하여 고효율의 열전소재 제작에 활용할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 몰드 어셈블리의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 몰드 어셈블리의 프리챔버 장입 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 분말시료의 1차 가압 소결 공정도.
도 5는 본 발명에 따른 시료의 2차 가압 준비 공정도.
도 6은 본 발명에 따른 시료의 2차 가압 변형 소결 공정도.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치의 예시도.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치의 예시도.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치의 예시도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 몰드 어셈블리의 예시도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열간 가압 변형 소결방법을 설명하는 플로차트.
도 2는 본 발명에 따른 몰드 어셈블리의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 몰드 어셈블리의 프리챔버 장입 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 분말시료의 1차 가압 소결 공정도.
도 5는 본 발명에 따른 시료의 2차 가압 준비 공정도.
도 6은 본 발명에 따른 시료의 2차 가압 변형 소결 공정도.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치의 예시도.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치의 예시도.
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치의 예시도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 몰드 어셈블리의 예시도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열간 가압 변형 소결방법을 설명하는 플로차트.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 공정적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치를 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 몰드 어셈블리의 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 몰드 어셈블리의 프리챔버 장입 예시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 분말시료의 1차 가압 소결 공정도이며, 도 5는 본 발명에 따른 시료의 2차 가압 준비 공정도이고, 도 6은 본 발명에 따른 시료의 2차 가압 변형 소결 공정도이며, 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치의 예시도이고, 도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치의 예시도이다.
도 1내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 열간 가압 변형 소결장치에 대해 설명하면, 크게, 몰드 어셈블리(100), 프리챔버(200), 메인챔버(300), 냉각챔버(400)의 구성으로 이루어진다.
먼저, 몰드 어셈블리(100)가 개시된다. 상기 몰드 어셈블리(100)는 시료가 채워지는 제1 소결부(111) 및, 상기 제1 소결부(111)와 연통된 확장 공간인 제2 소결부(112)를 일체로 형성한다.
그리고, 상기 프리챔버(200)는 상기 몰드 어셈블리(100)가 투입되어 진공분위기에서 예열되도록 한다.
그리고, 상기 메인챔버(300)는 상기 프리챔버(200)에서 예열된 채로 몰드 어셈블리(100)가 투입되어 진공분위기에서 1차 가압 소결 공정 및 2차 변형 소결 공정이 연속적으로 진행되도록 한다.
이때, 도 1에서 보는 바와 같이 상기 메인챔버(300)의 후행공정에 설치되어 2차 변형 소결된 몰드 어셈블리(100)를 냉각시키는 냉각챔버(400)를 더 형성할 수 있다.
상기 몰드 어셈블리(100)에 대해 자세히 설명하면, 시료(1)가 투입되는 상대적으로 좁은 직경의 공간을 제공하는 제1 소결부(111)를 형성하고, 상기 제1 소결부(111)와 연통되며 상대적으로 넓은 직경의 확장공간을 제공하는 제2 소결부(112)를 형성하는 몰드몸체(110)를 제공한다.
이때, 상기 몰드몸체(110)는 흑연(Graphite) 또는 스테인리스강(Stainless steel), 초경몰드 등 다양한 재료가 사용될 수 있다.
그리고, 상기 제1 소결부(111) 내경에는 시료(1)를 상부에서 가압하는 제1펀치(120)가 축 결합되고, 상기 제2 소결부(112) 내경에는 시료(1)를 하부에서 가압하는 제2펀치(130)가 축 결합된다.
그리고, 상기 프리챔버(200)에 대해서 자세히 설명한다.
상기 프리챔버(200)는 몰드 어셈블리(100)가 투입되는 밀폐공간을 제공하는 프리챔버본체(210)가 제공된다.
상기 프리챔버본체(210)에는 제1진공배기부(220)가 형성되어 프리챔버본체(210) 내부를 진공분위기로 형성하게 된다.
그리고, 상기 프리챔버본체(210) 일측에는 제1가스주입부(230)가 마련되어 프리챔버본체(210) 내부에 비활성가스를 주입할 수 있도록 한다.
이때, 상기 제1가스주입부(230)를 통해 아르곤, 질소, 및 비활성 냉각기체 중 선택된 어느 하나가 주입되도록 할 수 있다.
이때, 상기 프리챔버(200) 내부에는 몰드 어셈블리(100)를 예비 가열하는 예열히터(240)가 준비된다.
그리고, 상기 프리챔버(200)와 메인챔버(300) 사이를 통과하는 경로에 이송레일(500)을 형성하고, 상기 이송레일(500) 상부에 몰드 어셈블리(100)를 탑재하여 연속 공정에 투입되도록 한다.
다음으로, 상기 메인챔버(300)에 대해서 자세히 설명한다.
상기 메인챔버(300)는 몰드 어셈블리(100)가 투입되는 밀폐공간을 제공하는 메인챔버본체(310)가 제공된다.
이때, 상기 메인챔버본체(310)는 이송레일(500)의 경로상에 위치하는 측벽에 개폐도어(311)를 형성하여 몰드 어셈블리(100)의 진출입시에 개폐되도록 할 수 있다.
상기 메인챔버본체(310)에는 제2진공배기부(320)가 형성되어 메인챔버본체(310) 내부를 진공분위기로 형성할 수 있다.
그리고, 상기 메인챔버본체(310)의 내측벽에는 메인히터(330)가 형성되어 내부공간을 일정한 온도로 가열할 수 있다.
그리고, 상기 메인챔버(300)의 상/하측에 각각 설치되는 제1, 제2가압프레스(342)(344)을 진퇴 작동시켜 몰드 어셈블리(100)의 제1, 제2펀치(120)(130)를 순차적으로 가압시켜 1차 가압 소결 공정 및 2차 변형 소결 공정이 연속적으로 진행되도록 하는 프레스장치부(340)가 설치된다.
상기 프레스장치부(340)는, 상기 프리챔버(200) 상측에 설치되는 제1가압실린더(341)와, 상기 제1가압실린더(341)에 의해 진퇴 운동하면서 제1펀치(120)를 가압하는 제1가압프레스(342)와, 상기 프리챔버본체(210) 하측에 설치되는 제2가압실린더(343)와, 상기 제2가압실린더(343)에 의해 진퇴 운동하면서 제2펀치(130)를 가압하는 제2가압프레스(344), 및 상기 제2가압프레스(344)과 별개로 승강 작동되도록 제2가압프레스(344)의 바깥 동심원 상에 축 결합되어 몰드 어셈블리(100)의 하부를 밀어서 승강시키는 이젝터(345)를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
<제2 실시예>
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치의 예시도이다.
도 7에서 보는 바와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치는 원형의 트랙 형태의 이송레일(500)을 형성하고, 그 위에 다수 개의 열간 가압 변형 소결장치가 배치되도록 할 수 있다.
상기한 바와 같이 다수 개의 열간 가압 변형 소결장치를 가동함으로써, 시료의 생산효율이 향상될 수 있다.
<제3 실시예>
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치의 예시도이다.
도 8에서 보는 바와 같은 본 발명의 제3실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치는 대규모 생산이 필요하지 않은 상황에서 사용될 수 있고, 프리챔버(200)를 예열공정과 함께 공냉공정을 수행하는 냉각챔버로 활용할 수 있다.
이때, 이송레일(500)은 메인챔버(300)와 프리챔버(200) 사이를 왕복 구동하면서 몰드 어셈블리(100) 및 예열히터(240)을 이동시키게 된다.
<제4 실시예>
도 9는 본 발명의 제4실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치의 예시도이다.
도 9에서 보는 바와 같은 본 발명에 따른 제4실시예에 따른 열간 가압 변형 소결장치는, 예열히터(240)를 프리챔버(200)의 바닥이 아닌 상부에 설치되도록 할 수 있다.
프리챔버(200)의 바닥으로 장입된 몰드 어셈블리(100)는 승강장치(250)에 의해 예열히터(240) 위치까지 승강될 수 있다.
승강된 몰드 어셈블리(100)는 예열히터(240)에 의해 프리 히팅된 후, 승강장치(250)를 이용하여 프리챔버(200)의 바닥으로 하강하여 이송레일(500)에 탑재된 상태로 메인챔버(300) 측으로 이송된다.
예컨대, 본 발명의 제4실시예에 따르면, 예열히터(240)가 몰드 어셈블리(100)과 함께 이송되어 소결공정에 투입되지 않고, 프리챔버(200)에 고정 설치되어 예열공정만을 수행하는 것이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 몰드 어셈블리의 예시도이다.
도 10을 참조하면, 소결 후 시료를 몰드 바깥으로 쉽게 빼기 위해서, 몰드 어셈블리(100)의 몰드몸체(110)를 좌우 반체 형태로 제공할 수 있다.
이때, 몰드몸체(110)는 카본 소재로 제작될 수 있다.
상기 몰드몸체(110)는 제1소결부(111) 및 제2변형소결부(112)를 수직방향으로 절개하여 좌우 반체로 갈라지거나 결합되도록 할 수 있다.
이때, 상기 좌우 반체형태로 결합된 몰드몸체(110)는 가압 소결 중에 압력을 견디기 위하여는 몰드몸체(110)의 외경과 일치하는 내경을 갖는 커플링(140)을 결합 설치할 수 있다.
상기 커플링(140)은 몰드몸체(110) 외경에 결합되어 가압 소결 공정을 수행한 후 시료를 추출할 때에 몰드몸체(110)에서 분리되며, 이로서 몰드몸체(110)를 좌우 반체로 열어서 그 내부의 시료(1)를 손쉽게 추출할 수 있다.
이하, 열간 가압 변형 소결방법에 대해 도 11을 참조하여 설명한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열간 가압 변형 소결방법을 설명하는 플로차트이다. 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 열간 가압 변형 소결방법은 크게 몰드 어셈블리 준비공정, 몰드 어셈블리 프리챔버 장입공정, 분말시료 예열공정, 몰드 어셈블리 메인챔버 투입공정, 핫 프레스 온도 가열공정, 분말시료의 1차 가압 소결공정, 시료의 2차 가압 준비공정, 시료의 2차 가압 변형 소결공정, 시료 추출 공정으로 이루어진다.
(몰드 어셈블리 준비공정)
몰드 어셈블리 준비공정으로서, 몰드몸체(110)의 제2소결부(112) 내경에 제2펀치(130)가 삽입되도록 한 후, 제1소결부(111) 내경에 분말시료(1)가 채워지도록 한다.
이때, 분말시료(1)가 잘 퍼지도록 몰드몸체(110)의 외부를 톡톡 쳐서 충격을 가할 수 있다.
이후, 제1소결부 내경에 제1펀치(120)를 삽입시켜 분말시료가 충진된 상태의 몰드 어셈블리(100)를 준비한다.
이후, 준비된 몰드 어셈블리(100)는 프리챔버(200)에 장입되어 예열공정을 수행한다.
(몰드 어셈블리 프리챔버 장입공정)
몰드 어셈블리 프리챔버 장입공정으로서, 프리챔버(200)에 몰드 어셈블리(100)를 장입하고 제1진공배기부(220)를 통해서 프리챔버(200) 내부를 진공 펌핑한다.
이때, 상기 프리챔버(200)는 상부가 개구된 구조로서, 수직방향으로 몰드 어셈블리(100)가 장입되도록 하고, 수직방향에서 제1소결부(111)에 분말시료(1)가 채워지도록 한 다음에 프리챔버(200)의 개구부를 뚜껑(201)을 덮어서 내부가 밀폐되도록 한다.
이때, 상기 뚜껑과 프리챔버(200)의 개구부 사이에는 오링이 장착되어 기밀이 유지되도록 한다.
이후, 밀폐된 프리챔버(200) 내부는 제1진공배기부(220)를 통해서 진공분위기가 형성되도록 하고, 예열히터를 이용해서 몰드 어셈블리(100)의 분말시료를 예열하게 된다.
(분말시료 예열공정)
분발시료 예열공정으로서, 메인챔버(300)에 진입하기에 앞서 몰드 어셈블리(100)의 온도를 적당히 상승시키기 위해서 예열히터(240)를 이용해서 몰드 어셈블리(100)를 가열한다.
이때, 예열히터(240)는 프리챔버(200) 바닥 쪽에 이동가능한 구조로 구비되는데, 원통형의 중공부 공간을 가열할 수 있도록 히터를 형성하고, 몰드 어셈블리(100) 전체가 예열히터(240)의 중공부 내측 공간에 삽입되어 가열된다.
이때, 예열히터(240)는 몰드 어셈블리(100) 및 분말시료를 5~10분 정도로 초기 가열(예열)한다.
예열과정을 거친 몰드 어셈블리(100) 및 분말시료를 메인챔버로 이송하여 열간 가압 변형 소결공정을 진행한다.
(몰드 어셈블리 메인챔버 투입공정)
몰드 어셈블리의 메인챔버 투입공정으로서, 프리챔버(200)에서 예열공정을 거친 몰드 어셈블리(100) 및 예열히터(240)가 이송레일(500)에 탑승된 통째로 메인챔버(300)로 투입된다.
이때, 메인챔버본체(310)는 몰드 어셈블리(100)가 투입되는 방향에 설치된 개폐도어(311)가 이송레일(500)의 구동에 연동하여 자동 개방되어 몰드 어셈블리(100)가 진입되도록 하고, 몰드 어셈블리(100)가 진입된 이후에는 개폐도어(311)가 폐쇄되어 내부를 밀폐되도록 한다.
몰드 어셈블리(100)와 예열히터(240)가 메인챔버(300) 내에 진입하면, 메인챔버(300)의 입구측 개폐도어(311)를 닫고 몰드 어셈블리(100)가 프레스장치부(340)의 작업 정위치에 위치되도록 한다.
이때, 메인챔버(300) 내부는 제2진공배기부(320)에 의해 항상 진공상태로 유지되며, 메인히터(330)에 의해서 내부온도를 일정한 상태로 유지한다. 이때, 내부온도는 핫 프레스(hot press) 성형시의 가열온도보다 10~50℃ 정도 낮은 온도로 항상 유지되도록 한다.
상기한 메인히터(330)는 몰드 어셈블리(100) 및 예열히터(240)가 이동하는 경로를 피해서 메인챔버본체(310)의 측벽에 설치되도록 한다.
이후, 몰드 어셈블리(100)의 시료를 핫 프레스 온도로 가열한다.
(핫 프레스 온도 가열공정)
핫 프레스 온도 가열공정으로서, 수행하고자 하는 가압 소결 온도에 맞춰서 예열히터(240)의 온도를 상승시킨다.
이때, 메인히터(330)에 의해 메인챔버(300) 내부가 설정된 온도로 일정하게 유지되는 분위기에서 예열히터(240)의 가열을 통해서 메인챔버(300) 내의 온도가 10~50℃ 승온시켜 가압 소결 온도까지 도달되도록 하고, 소결 온도가 안정화되면 시료의 1차 가압 소결공정을 진행한다.
(분말시료의 1차 가압 소결공정)
분말시료 1차 가압 소결공정으로서, 메인챔버(300) 상측에 설치된 제1가압실린더(341) 작동에 의해 제1가압프레스(342)가 하강하여 몰드 어셈블리(100)의 제1펀치(120)를 가압시켜 분말시료를 소결시켜 1차 소결체(1)가 형성되도록 한다.
이후, 메인챔버(300)의 온도 안정화를 위해 5분 정도 대기한 후에, 시료의 2차 가압 준비공정을 진행한다.
(시료의 2차 가압 준비공정)
시료의 2차 가압 준비공정으로서, 일정 시간동안 1차 가압 소결이 완료되면, 2차 가압 준비공정을 진행한다. 2차 가압 변형 소결은 1차 가압 소결된 1차 소결체(1)를 상대적으로 직경이 큰 제2소결부(112)의 공간으로 이동시켜 재소결 과정을 거치도록 하는 것이다.
이를 위해서 메인챔버(300) 하부에 마련된 이젝터(345)가 상승하게 되고, 상기 이젝터(345)에 의해 몰드몸체(110)가 상부로 이동하게 된다.
이때, 1차 소결체(1)는 제1펀치(120)와 제2펀치(130) 사이에 지지된 상태로 있게 되고, 상대적으로 몰드몸체(110)만이 이동함으로써, 1차 소결체(1)가 제1소결부(111)에서 제2소결부(112)의 위치로 이동하는 결과가 된다.
이때, 상기 이젝터(345)는 제1펀치(120), 제2펀치(130)를 간섭하지 않으면서 몰드몸체(110)만을 상부로 밀어서 올리게 되는데, 이러한 이젝터(345)의 형상은 납작한 실린더 모양으로 생겼고, 내부 직경은 제2펀치(130)의 외경보다는 크게 제작되어 동심원상에 배치되고, 제2가압실린더(343)에 의해 제2펀치(130)와는 별개로 승강 작동될 수 있다.
이때, 이젝터(345)의 승강높이는 제1소결체(1)의 두께만큼 승강되도록 하는데, 이때, 제1소결체(1)는 제2소결부(112) 내로 이동하게 되고, 제1펀치(120)의 단부가 제1소결부(111)와 제2소결부(112)의 경계에 위치한 상태에서 제1소결체(1)의 상부를 지지하게 된다.
이와 같은 준비공정이 완료된 상태에서 시료의 2차 가압 변형 소결공정이 진행된다.
(시료의 2차 가압 변형 소결공정)
시료의 2차 가압 변형 소결공정으로서, 메인챔버(300)의 하부에 설치된 제2가압실린더(343)에 의해서 제2가압프레스(344)가 승강되고, 제2가압프레스(344)는 몰드 어셈블리(100)의 제2펀치(130)를 가압시켜 밀어 올리게 된다.
이때, 제2펀치(130)의 가압력에 의해 제2소결부(112) 내의 제1 소결체(1)가 제2소결부(112)의 공간에 맞춰서 변형 소결되는 2차 가압 변형 소결공정을 진행하게 된다.
이때, 2차 가압 변형 소결 온도가 시료의 1차 가압 소결온도와 다를 수 있다. 예컨대, 2차 가압 변형 소결 단계에서의 온도를 1차 가압 소결 단계에서의 온도보다 높게 설정할 수 있다.
(시료 추출 공정)
시료 추출 공정으로서, 2차 가압 변형 소결이 완료되면, 예열히터(240)를 끄고 몰드 어셈블리(100)를 메인챔버(300)에서 배출시키도록 한다.
이때, 배출된 몰드 어셈블리(100)는 냉각챔버(400)로 이송되어 냉각과정을 거치도록 할 수 있다.
이를 위해 메인챔버본체(310)에 형성된 출구측 개폐도어(311)가 개방되고, 몰드 어셈블리(100) 및 예열히터(240)가 이송레일(500)에 탑재된 상태로 냉각챔버(400)로 이송된다.
상기 냉각챔버(400)는 메인챔버본체(310) 측의 출구측 개폐도어(311)를 닫아서 폐쇄함으로써, 내부가 밀폐되며, 제3진공배기부(420)를 통해서 내부는 진공상태가 유지된다.
이후, 제2가스주입부(430)를 통해서 냉각챔버(400) 내부에 아르곤 또는 질소 가스를 주입시켜 몰드 어셈블리(100) 및 시료(1)를 공냉시킨다.
이때, 몰드 어셈블리(100)의 온도가 70℃ 아래로 떨어지면 냉각챔버(400)를 열고 시료(1)를 꺼낸다.
이때, 상기 냉각챔버(400)는 상부가 뚜껑에 의해 개폐되는 구조로서, 뚜껑을 열고 수직방향으로 몰드 어셈블리(100)가 배출되도록 할 수 있다.
이후, 몰드 어셈블리(100)를 분리시켜 내부의 시료(1)가 추출되도록 한다.
이때, 시료를 쉽게 추출하기 위해 몰드몸체(110)를 축 방향을 기준으로 좌우 양측으로 분리되는 좌우 반체 형태로 제작할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명은 연속공정이 가능한 열간 가압 소결 변형이 동시에 이루어질 수 있는 장치로써, 열전소재의 배향성을 높일 수 있는 소결 기술을 제공하여 고효율의 열전소재 제작에 활용할 수 있는 효과를 갖는다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
1: 시료, 소결체 100: 몰드 어셈블리
110: 몰드몸체 111: 제1소결부
112: 제2소결부 120: 제1펀치
130: 제2펀치 140: 커플링
200: 프리챔버 201: 뚜껑
210: 프리챔버본체 220: 제1진공배기부
230: 제1가스주입부 240: 예열히터
250: 승강장치 300: 메인챔버
310: 메인챔버본체 311: 개폐도어
320: 제2진공배기부 330: 메인히터
340: 프레스장치부 341: 제1가압실린더
342: 제1가압프레스 343: 제2가압실린더
344: 제2가압프레스 345: 이젝터
400: 냉각챔버 410: 냉각챔버본체
420: 제3진공배기부 430: 제2가스주입부
500: 이송레일
110: 몰드몸체 111: 제1소결부
112: 제2소결부 120: 제1펀치
130: 제2펀치 140: 커플링
200: 프리챔버 201: 뚜껑
210: 프리챔버본체 220: 제1진공배기부
230: 제1가스주입부 240: 예열히터
250: 승강장치 300: 메인챔버
310: 메인챔버본체 311: 개폐도어
320: 제2진공배기부 330: 메인히터
340: 프레스장치부 341: 제1가압실린더
342: 제1가압프레스 343: 제2가압실린더
344: 제2가압프레스 345: 이젝터
400: 냉각챔버 410: 냉각챔버본체
420: 제3진공배기부 430: 제2가스주입부
500: 이송레일
Claims (15)
- 시료가 채워지는 제1 소결부 및, 상기 제1 소결부와 연통된 확장 공간인 제2 소결부를 포함하는 몰드 어셈블리;
상기 몰드 어셈블리가 투입되어 진공분위기에서 예열되도록 하는 프리챔버; 및
상기 프리챔버에서 예열된 채로 몰드 어셈블리가 투입되어 진공분위기에서 1차 가압 소결 공정 및 2차 변형 소결 공정이 연속적으로 진행되는 메인챔버;를 포함하고,
상기 메인챔버의 후행공정에 설치되어 2차 변형 소결된 몰드를 냉각시키는 냉각챔버를 더 형성하며,
상기 몰드 어셈블리는, 시료가 투입되는 상대적으로 좁은 직경의 공간을 제공하는 제1 소결부를 형성하고, 상기 제1 소결부와 연통되며 상대적으로 넓은 직경의 확장공간을 제공하는 제2 소결부를 형성하는 몰드몸체;
상기 제1 소결부 내경에 축 결합되어 시료를 가압하는 제1펀치; 및
상기 제2 소결부 내경에 축 결합되어 시료를 가압하는 제2펀치;를 포함하고,
상기 프리챔버 내부에 몰드 어셈블리를 예비 가열하는 예열히터가 준비되며,
상기 프리챔버와 메인챔버 사이를 통과하는 경로에 이송레일을 형성하고, 상기 이송레일 상부에 몰드 어셈블리를 탑재하여 연속 공정에 투입되도록 하며,
상기 메인챔버는, 몰드 어셈블리가 투입되는 밀폐공간을 제공하는 메인챔버본체;
상기 메인챔버본체 내부를 진공분위기로 형성하는 제2진공배기부;
상기 메인챔버본체의 내측벽에 형성되어 내부공간을 일정한 온도로 가열하는 메인히터; 및
상기 메인챔버의 상/하측에 각각 설치되는 제1, 제2가압프레스을 진퇴 작동시켜 몰드 어셈블리의 제1, 제2펀치를 순차적으로 가압시켜 1차 가압 소결 공정 및 2차 변형 소결 공정이 연속적으로 진행되도록 하는 프레스장치부;를 포함하고,
상기 프레스장치부는, 상기 프리챔버 상측에 설치되는 제1가압실린더;
상기 제1가압실린더에 의해 진퇴 운동하면서 제1펀치를 가압하는 제1가압프레스;
상기 프리챔버본체 하측에 설치되는 제2가압실린더;
상기 제2가압실린더에 의해 진퇴 운동하면서 제2펀치를 가압하는 제2가압프레스; 및
상기 제2가압프레스과 별개로 승강 작동되도록 제2가압프레스의 바깥 동심원 상에 축 결합되어 몰드 어셈블리의 하부를 밀어서 승강시키는 이젝터;를 포함하는 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결장치.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 프리챔버는, 몰드 어셈블리가 투입되는 밀폐공간을 제공하는 프리챔버본체;
상기 프리챔버본체 내부를 진공분위기로 형성하는 제1진공배기부; 및
상기 프리챔버본체 내부에 비활성가스를 주입하는 가스주입부;를 포함하는 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결장치.
- 삭제
- 삭제
- 제4항에 있어서,
상기 가스주입부를 통해 아르곤, 질소, 및 비활성 냉각기체 중 선택된 어느 하나가 주입되도록 하는 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 메인챔버본체는 이송레일의 경로상에 위치하는 측벽에 개폐도어를 형성하여 몰드 어셈블리의 진출입시에 개폐되도록 하는 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결장치.
- 삭제
- 제1항, 제4항, 제7항, 제9항 중 어느 한 항으로 이루어진 열간 가압 변형 소결장치들을 원형의 트랙으로 이루어진 이송레일 위에 다수로 배치하는 포함하는 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결장치.
- 제1항에 있어서,
상기 프리챔버는 예열공정과 공냉공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결장치.
- 제1항에 있어서,
프리챔버의 상부에 예열히터를 설치하고, 프리챔버의 바닥에 설치된 승강장치를 통해 몰드 어셈블리를 예열히터 위치로 승강시켜 가열되도록 하는 것을 특징으로 하는 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결장치.
- 제1항에 있어서,
상기 몰드 어셈블리의 몰드몸체를 좌우 반체로 형성하고, 상기 몰드몸체의 외경과 일치하는 내경을 갖는 커플링을 결합 설치하는 것을 특징으로 하는 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결장치.
- 몰드몸체의 제2소결부 내경에 제2펀치가 삽입되도록 한 후, 제1소결부 내경에 분말시료가 채워지도록 하고, 제1소결부 내경에 제1펀치를 삽입시켜 분말시료가 충진된 몰드 어셈블리를 준비하는 공정;
몰드 어셈블리를 프리챔버에 장입하고 제1소결부에 분말시료가 채워지도록 한 다음에 프리챔버의 개구부를 뚜껑을 덮어서 내부가 밀폐되도록 하고, 제1진공배기부를 통해서 프리챔버 내부를 진공상태로 유지하는 몰드 어셈블리 프리챔버 장입공정;
예열히터를 이용해서 몰드 어셈블리 및 분말시료를 5~10분 정도로 초기 가열하는 분말시료 예열공정;
프리챔버에서 예열공정을 거친 몰드 어셈블리 및 예열히터가 이송레일에 탑승된 통째로 메인챔버로 투입되는 몰드 어셈블리 메인챔버 투입공정;
메인히터에 의해 메인챔버 내부가 설정된 온도로 일정하게 유지되는 분위기에서 예열히터의 가열을 통해서 메인챔버 내의 온도가 10~50℃ 승온시켜 가압 소결 온도까지 도달되도록 하는 핫 프레스 온도 가열공정;
메인챔버 상측에 설치된 제1가압실린더 작동에 의해 제1가압프레스가 하강하여 몰드 어셈블리의 제1펀치를 가압시켜 분말시료를 소결시켜 1차 소결체가 형성되도록 하는 분말시료의 1차 가압 소결공정;
메인챔버 하부에 마련된 이젝터가 상승하여 몰드몸체 만을 상부로 이동시켜 1차 소결체가 제1소결부에서 제2소결부의 위치로 이동되도록 하는 시료의 2차 가압 준비공정;
메인챔버의 하부에 설치된 제2가압실린더에 의해서 제2가압프레스가 승강되고, 제2가압프레스는 몰드 어셈블리의 제2펀치를 가압시켜 1차 소결체를 2차 가압 변형 소결하는 시료의 2차 가압 변형 소결공정; 및
몰드 어셈블리를 메인챔버에서 배출시켜 냉각 후 2차 가압 변형 소결된 시료를 몰드 어셈블리로부터 추출하는 시료 추출 공정;을 포함하는 열간 가압 변형 소결방법.
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Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020210134119A KR102596864B1 (ko) | 2021-10-08 | 2021-10-08 | 연속공정이 가능한 열간 가압 변형 소결장치 및 열간 가압 변형 소결방법 |
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| JP2002137039A (ja) * | 2000-10-30 | 2002-05-14 | Unisia Jecs Corp | 焼結部材の鍛造方法 |
| KR101890294B1 (ko) | 2017-12-22 | 2018-08-21 | (주)삼양세라텍 | 개선된 열간가압 소결장치 |
| KR102193022B1 (ko) * | 2019-07-25 | 2020-12-18 | (주)삼양세라텍 | 연속식 열간 가압 소결장치 |
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| KR102310046B1 (ko) * | 2019-08-13 | 2021-10-07 | 비씨엔씨 주식회사 | 열간가압 소결용 다층 적층 구조의 몰드 |
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2021
- 2021-10-08 KR KR1020210134119A patent/KR102596864B1/ko active IP Right Grant
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