KR20090016138A - 금속분말 사출성형용 원료, 이를 이용한 사출성형방법 및금속소결체 - Google Patents

금속분말 사출성형용 원료, 이를 이용한 사출성형방법 및금속소결체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강도, 탄성계수 등의 기계적 물성과 더불어 열전도도 등의 물성을 크게 향상시킬 수 있는 금속분말 사출성형용 원료, 이를 이용한 사출성형방법 및 금속소결체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속분말, 유기바인더 등이 혼련되어 이루어진 금속분말 사출성형용 원료에 있어서, 상기 금속분말 100중량부에 대하여 강도 및 탄성계수, 열전도성, 전기전도성이 우수한 탄소나노튜브 0.1~30 중량부가 혼련되어 이루어진 금속분말 사출성형용 원료 및 이를 이용한 사출성형방법 및 금속소결체에 관한 것이다.
금속분말, 사출성형, 탄소나노튜브

Description

금속분말 사출성형용 원료, 이를 이용한 사출성형방법 및 금속소결체{STARTING MATERIAL FOR METAL INJECTION MOLDING, INJECTION MOLDING METHOD THEREBY AND METAL SINTERING BODY}
본 발명은 인장강도, 탄성계수 및 열전도도 등의 물성을 크게 향상시킬 수 있는 금속분말 사출성형용 원료, 이를 이용한 사출성형방법 및 금속소결체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속분말, 유기바인더 등이 혼련되어 이루어진 금속분말 사출성형용 원료에 있어서, 상기 금속분말 100중량부에 대하여 탄소나노튜브 0.1~30 중량부가 혼련되어 이루어진 금속분말 사출성형용 원료 및 이를 이용한 사출성형방법 및 금속소결체에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 Graphene Sheet가 이음매 없이 말려 튜브모양의 형상을 이루고 있다. 이 튜브가 하나일 경우를 단일벽 탄소나노튜브 (Single Walled Carbon Nanotube, SWCNT)라 하고 2개 이상의 튜브가 말려 있을 경우를 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube, MWCNT)라 한다.탄소나노튜브의 직경이 0.7∼ 100nm 정도이며, 그 길이가 수 마이크로미터에서 수백 마이크로미터까지이며, 직경 대비 길이비(aspect ratio)가 500 이상으로 길다.
탄소나노튜브는 500∼1500 GPa 정도의 탄성률과 5∼50 GPa 정도의 강도로 우수한 기계적 특성과 10-4Ω 정도로 구리와 유사한 전기적 전도성, 그리고 2000∼6000 W/m·K의 매우 높은 열전도성을 가졌다.
금속분말 사출성형법(MIM법 : Metal Injection Moulding Process)은, 플라스틱 산업에서 오 랫동안 배양된 사출성형(Injection Moulding) 기술과 분말야금산업에서 발달한 금속분말의 소결기술 양쪽의 이점을 융합시킨 process라고 말할 수 있다. 원리적으로는, 세라믹스 부품 의 제조법의 하나인 세라믹스 사출성형법의 원료 세라믹스 분말을 금속분말로 바꾼 것으로, 1960년대에 미국의 Dr.R.E.Wiech.Jr가 제창하기 시작한 것이다. 금속분말과 바인더 혼합물의 사출성형품을 가열하여 탈지소결하고, net shap의 고기능 복잡형상의 작은 부품을 제조하는 방법이다. MIM법의 특징은, 삼차원 복잡형상의 작은 금속부품을 좋은 정밀도로 대량생산 할 수 있다는 것이다. 분말제조기술, 성형기술, 소결기술 발전에 의해, 저가격에서의 제조가 가능해졌다.
그러나, 종래의 금속소결체의 경우 밀도가 높고 인장강도, 열전도도가 낮아 부품을 소형화 및 경량화하기 곤란한 문제가 있다.
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 밀도가 낮고 인장강도, 열전도도 등의 물성이 우수한 금속소결체 및 이를 제조하기 위한 금속분말 사출성형용 원료 등을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 금속분말, 유기바인더 등이 혼련되어 이루어진 금속분말 사출성형용 원료에 있어서, 상기 금속분말 100중량부에 대하여 탄소나노튜브 0.1~30중량부가 혼련되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속분말 사출성형용 원료를 제공한다.
그리고 금속분말, 유기바인더 등이 혼련되어 이루어진 금속분말 사출성형용 원료를 사출성형에 의해 성형한 후 성형체를 탈지 및 소결하여 금속소결체를 제조하는 방법에 있어서, 상기 금속분말 사출성형용 원료에는 상기 금속분말 100중량부에 대하여 탄소나노튜브 0.1~30중량부가 혼련되는 것을 특징으로 하는 금속분말 사출성형방법을 제공한다.
특히, 상기 탄소나노튜브의 직경은 5~50㎚인 것을 사용하는 것이 바람직하고, 또한, 상기 소결공정은 탈지된 성형체를 500℃에서 사용금속의 녹는점에 따라 700~1300℃까지 10℃/min으로 승온하여 40~80분간 유지시켜 소결하는 것이 바람직하다.
아울러, 금속분말 100중량부에 대하여 유기바인더 50~200중량부, 탄소나노튜브 0.1~30중량부가 혼련되어 이루어진 금속분말 사출성형용 원료를 이용하여 사출성형, 탈지 및 소결을 순차적으로 행하여 제조된 것을 특징으로 하는 금속소결체를 제공한다.
이하, 본 발명의 금속분말 사출성형방법 및 금속소결체를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 금속분말 사출성형방법은 크게, 혼련공정, 사출성형공정, 탈지공정 및 소결공정을 포함하여 이루어진다.
먼저, 상기 혼련공정은 금속분말 사출성형용 원료를 균일하게 혼련하는 공정이다. 상기 금속분말 사출성형용 원료로서 금속분말, 유기바인더, 탄소나노튜브 및 기타 첨가제가 사용된다.
금속분말로서는 Mg, Fe, Ni, Co, Cu, Mo, Cr 및 Mn 등을 사용할 수 있고, 이때 1종 또는 2종이상을 혼합하여 사용할 수 있음은 물론이다.
그리고, 유기바인더로서는 열가소성 수지, 왁스 또는 그 혼합물을 사용할 수 있고, 유기바인더는 사출성형 후 비산화성 분위기하에서의 가열, 감압하에서의 가열, 용매처리 등의 탈지 처리방법에 의해서 제거된다.
열가소성 수지로서 아크릴계, 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계, 폴리스티렌계 등을 1종 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있고, 왁스로서 밀랍(蜜蠟), 목랍(木 蠟), 몬탄왁수(montan wax) 등의 천연왁스, 저분자 폴리에틸렌, 미세결정성 왁스 파라핀왁스 등의 합성왁스 등을 사용할 수 있다.
그리고 유기바인더는 금속분말 100중량부에 대하여 50~200 중량부 혼합하여 사용하는 것이 바람직하고, 이는 50 중량부 미만으로 사용할 경우 혼련된 혼합물의 흐름성이 나빠져 몰드 내의 빈 곳이 생기게 되는 문제가 있고, 200 중량부 초과로 사용할 경우 혼련된 혼합물 대비 금속의 함량이 적어 공극이 생기며 소결 밀도가 감소, 복합체의 특성이 저하되는 문제가 있기 때문이다.
탄소나노튜브는 금속소결체의 인장강도, 탄성률, 열전도성 등의 물성을 대폭 향상시키기 위한 것이다. 특히, 탄소나노튜브는 성형성, 분포도 및 인장강도 등의 물성을 크게 향상시키기 위하여 직경 5~50㎚인 것을 금속분말 100중량부에 대하여 0.1~30 중량부 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.
탄소나노튜브의 직경이 50nm 초과하는 경우 인잔강도, 탄성률 등의 기계적 특성 및 열적 특성 또한 저하되는 문제가 있기 때문이다.
그리고 탄소나노튜브의 함량이 금속분말 100중량부에 대하여 0.1 중량부 미만일 경우, 금속 분말 복합체의 특성을 개선하기 어렵고, 30 중량부 초과일 경우, 금속분말 대비 탄소나노튜브의 부피비가 높아져, 금속 분말과 탄소나노튜브가 섞이기 어렵게 되는 문제점이 생긴다. 따라서, 금속분말 100중량부에 대하여 0.1~30 중량부 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 금속분말 100 중량부에 대하여 0.1~ 10의 탄소나노튜브의 중량부를 사용하는 것이다.
그리고, 기타 첨가제로서 필요에 따라 가소제, 탈지촉진제, 윤활유 등을 첨 가하여 사용할 수 있다. 가소제로서 디에틸헥실프탈레이트(DEHP), 디에틸프탈레이트(DEP), 디부틸프탈레이트(DBP) 등을 사용할 수 있고, 탈진촉진제로서 장뇌(camphor) 등의 승화성 물질이 사용되고, 윤활제로서 고급지방산, 지방산아미드, 지방산 에스테르 등을 사용할 수 있다.
이러한 금속분말, 유기바인더 및 탄소나노튜브가 혼합되어 이루어진 금속분말 사출성형용 원료를 가압혼련기, 밴버리 혼합기 등의 뱃치식 혼련기, 2출 압출기 등의 연속식 혼련기 등을 사용하여 균일하게 혼련한다.
한편, 금속분말 사출성형용 원료란, 금속분말, 유기바인더 및 탄소나노튜브의 혼합물 또는 상기 혼합물을 펠렛트상으로 가공한 펠렛트 등을 포함한다.
그리고 상기 사출성형공정은 혼련기에 의해 균일하게 혼련된 혼합물을 통상의 사출성형기를 이용하여 사출성형하는 공정이다.
상기 혼련공정에 의해 혼련된 혼합물을 연속적으로 사출성형기에 공급하여 사출성형할 수 있으나, 상기 혼합물을 펠렛트상으로 가공한 펠렛트를 사출성형기에 공급하여 사출성형할 수 도 있다.
상기 탈지공정은 상기 사출성형공정에 형성된 성형체에 함유된 유기바인더를 제거하기 위한 것으로서, 비산화성 분위기하에서 가열하는 방법, 감압하에서 가열하는 방법, 용매 처리방법 등에 의해 탈지처리하는 등 특히 어느 한 방법에 한정되는 것은 아니다.
탈지된 성형체를 소결하기 위하여 아르곤, 질소 등의 불활성가스 분위기 또는 진공분위기하에서 500℃에서 사용된 금속의 녹는점에 따라 700~1300℃까지 10℃/min으로 승온하여 40~80분간 유지시켜 소결하여 금속소결체를 제조한다.
이와 같은 본 발명의 금속분말 사출성형용 원료는 밀도가 낮고 인장강도 및 열전도도가 우수한 금속소결체를 제조할 수 있어, 휴대폰 등에 사용되는 부품을 더욱 경량화, 박형화 및 소형화할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예를 들어 더욱 상세히 설명하면 다음과 같고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
금속분말로서 평균입경이 10㎛인 구리분말 100중량부, 유기바인더로서 파리핀 왁스 70중량%, 폴리에틸렌 25중량%, 스테아르산 5중량%로 이루어진 혼합물 80중량부, 직경 10㎚의 탄소나노튜브 0.1중량부를 가압혼련기를 이용하여 혼련하여 금속분말 사출성형용 원료를 제조하였다. 이때 가압혼련기를 80rpm, 140℃하에서 60분간 혼련하였다.
그리고 제조된 금속분말 사출성형용 원료를 사출성형기에 의해 65㎜×14㎜×3㎜의 직사각형 모양으로 성형하여 성형체를 얻은 후 아르곤 분위기에서 5℃/min의 속도로 500℃까지 승온한 후 30분 유지시켜 탈지를 행하였다.
탈지된 성형체를 수소분위기하에서 500℃에서 950℃까지 10℃/min으로 승온한 후 60분간 유지시켜 소결하여 금속소결체를 얻었다.
[실시예 2]
실시예 1과 달리 직경 12nm의 탄소나노튜브를 금속분말 100중량부에 대해 15중량부를 혼련하여 금속분말 사출성형용 원료를 제조하였고, 이를 실시예 1과 동일한 방법으로 성형, 탈지한 후 탈지된 성형체를 수소분위기하에서 500℃에서 990℃까지 10℃/min으로 승온한 후 40분간 유지시켜 소결하여 금속소결체를 얻었다.
[실시예 3]
실시예 1과 달리 15㎚의 탄소나노튜브를 금속분말 100중량부에 대해 30중량부를 혼련하여 금속분말 사출성형용 원료를 제조하였고, 이를 실시예 1과 동일한 방법으로 성형, 탈지한 후 탈지된 성형체를 수소분위기하에서 500℃에서 1030℃까지 10℃/min으로 승온한 후 80분간 유지시켜 소결하여 금속소결체를 얻었다.
[비교예 1]
금속분말로서 평균입경이 10㎛인 구리분말 100중량부, 유기바인더로서 파리 핀 왁스 70중량%, 폴리에틸렌 25중량%, 스테아르산 5중량%로 이루어진 혼합물 80중량부를 가압혼련기를 이용하여 혼련하여 금속분말 사출성형용 원료를 제조하였다. 이때 가압혼련기를 80rpm, 140℃하에서 60분간 혼련하였다.
그리고 제조된 금속분말 사출성형용 원료를 실시예 1과 동일한 방법으로 성형, 탈지 및 소결하여 금속소결체를 얻었다.
[비교예 2]
실시예 1과 달리 직경 12nm의 탄소나노튜브를 금속분말 100중량부에 대해 40중량부를 혼합하였으나, 균일하게 혼련되지 않아 금속분말 사출성형용 원료로서 사용하기 부적합하였다.
이와 같이 제조된 실시예 1~3의 금속소결체 및 비교예 1의 금속소결체를 각각 밀도, 인장강도 및 열전도도의 물성을 시험하였다.
밀도는 KS D 0033(금속소결체의 소결 밀도 시험 방법)에 의하여 시험하였고, 인장강도는 KS B 0802(금속 재료 인장 시험 방법)에 의하여 시험하였으며, 열전도도는 KS M ISO 12987(알루미늄 제조용 탄소재료 - 양극, 음극블록, 측벽블록과 구운 압연 페이스트 - 비교법에 의한 열전도도 측정)에 의하여 시험하였고, 그 결과는 표 1과 같다.
[표 1] 물성 시험결과
밀도(g/cm3) 인장강도(Mpa) 열전도도(W/K·m)
실시예 1 8.15 431.8 462.3
실시예 2 7.01 584.9 435.8
실시예 3 6.12 577.7 385.8
비교예 1 8.80 215.0 345.5
위 표 1과 같이 실시예 1 내지 3은 비교예 1에 비하여 밀도가 크게 낮았고, 나아가 인장강도 및 열전도도 등이 매우 우수하였다.

Claims (5)

  1. 금속분말, 유기바인더 등이 혼련되어 이루어진 금속분말 사출성형용 원료에 있어서, 상기 금속분말 100중량부에 대하여 탄소나노튜브 0.1~30중량부가 혼련되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속분말 사출성형용 원료.
  2. 금속분말, 유기바인더 등이 혼련되어 이루어진 금속분말 사출성형용 원료를 사출성형에 의해 성형한 후 성형체를 탈지 및 소결하여 금속소결체를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 금속분말 사출성형용 원료에는 상기 금속분말 100중량부에 대하여 탄소나노튜브 0.1~30중량부가 혼련되는 것을 특징으로 하는 금속분말 사출성형방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 직경은 5~50㎚인 것을 특징으로 하는 금속분말 사출성형방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소결공정은 탈지된 성형체를 500℃에서 사용금속의 녹는점에 따라 700~1300℃까지 10℃/min으로 승온하여 40~80분간 유지시켜 소결하는 것을 특징으로 하는 금속분말 사출성형방법.
  5. 금속분말 100중량부에 대하여 유기바인더 50~200중량부, 탄소나노튜브 0.1~30중량부가 혼련되어 이루어진 금속분말 사출성형용 원료를 이용하여 사출성형, 탈지 및 소결을 순차적으로 행하여 제조된 것을 특징으로 하는 금속소결체.
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