KR20090099310A - Extrusion method for fabricating micro scale article with nano scale powder and shaped article made therefrom, powder compaction device and extrusion eaquipment applied therof - Google Patents

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Abstract

An extrusion method for fabricating a micro scale product using nano scale powder and a product manufactured by the method, and a powder compaction device and an extrusion device used for the method are provided to distribute the extrusion load uniformly over a material by forming powder compact and then performing extrusion using the powder compact. An extrusion method for fabricating a micro scale product using nano scale powder comprises the steps of manufacturing powder compact by compaction before injecting nano powder in an extruding device, injecting the powder compact in the extruding device to extrude a product, and sintering the product. A nano powder compacting apparatus for manufacturing a micro scale product comprises a powder compacting mold(110) having an inlet to put in nano powder, a bottom punch(120) installed beneath the powder compacting mold, a top punch(130) installed on the powder compacting mold opposite the bottom punch, and a RAM(140) which is installed on the top punch and delivers pressure to the top punch in order to make the nano powder into powder compact.

Description

나노 분말을 이용한 마이크로 스케일 성형품 제조를 위한 압출 방법 및 이로부터 제조되는 성형체, 그리고 이에 적용되는 압분 장치 및 압출 장치{extrusion method for fabricating micro scale article with nano scale powder and shaped article made therefrom, powder compaction device and extrusion eaquipment applied therof}Extrusion method for fabricating micro scale article with nano scale powder and shaped article made therefrom, powder compaction device and extrusion eaquipment applied therof}

본 발명은 압출 공정과 관련된 것으로서, 더욱 상세하게는 폴리머나 플라스틱 또는 금속 재질의 나노 분말을 이용하되 피압출 소재 전체에 압출 하중이 고르게 전달되도록 함으로써 압출 하중을 낮추는 한편, 소재의 변형이 부드럽게 이루어지며 압출된 성형체 표면에 크랙이 발생하지 않도록 하는 마이크로 부품 제조용 압출 방법 및 이로부터 제조되는 성형체, 그리고 이에 적용되는 압출 다이에 관한 것이다.The present invention relates to an extrusion process, and more particularly, by using a nano-powder of a polymer, plastic or metal, but by lowering the extrusion load by uniformly transferring the extrusion load to the entire material to be extruded, the deformation of the material is made smoothly The present invention relates to an extrusion method for producing a micro-part for preventing cracks on the surface of an extruded molded body, a molded product produced therefrom, and an extrusion die applied thereto.

최근 마이크로 부품 생산이 증대되고 있으며 이러한 마이크로 부품은 의료, 센서, 전자기기 등에 여러 가지 형태로 응용되고 있기 때문에 나노 분말의 활용성이 더욱 커지고 있다.Recently, the production of micro parts has been increasing, and since the micro parts are applied in various forms to medical, sensors, and electronic devices, the utilization of nano powder is increasing.

한편, 일반적으로 압출은 소성이 큰 소재(素材)를 콘테이너(容器)에 넣고 가 압하여 다이의 구멍을 통과시켜 각종 형상의 단면재, 관재, 선재 등 단면적이 소재보다도 작고 일정한 긴 제품을 만드는 것으로서, 압출 가공은 대형으로 열간압연이 곤란한 것을 1회의 압출로 얻을 수 있으며, 단면이 복잡한 형상도 비교적 쉽게 가공할 수 있다. On the other hand, in general, extrusion is to put a large plastic material into a container, pressurize it, and pass it through a hole in the die to make a long product having a cross-sectional area of various shapes such as a cross section, a pipe, a wire, etc. Extrusion can be obtained by one extrusion that is difficult to hot roll in large size, and the shape having a complicated cross section can be processed relatively easily.

따라서, 마이크로 부품의 제조에도 압출 가공이 적용되고 있으며, 특히 분말 압출은 최근 선진재료 제조방법으로 주목받는 계기가 많이 마련되고 있으며, 다음과 같은 특징들을 지니는 기술이다.Therefore, extrusion is being applied to the manufacture of micro-parts, and powder extrusion, in particular, has recently been attracting attention as an advanced material manufacturing method, and is a technology having the following characteristics.

먼저, 주조·단련(鍛鍊)가공에 의한 제조가 곤란하거나 불가능한 재료를 압출로 성형하는데 유리하다는 특징을 지닌다.First, it is advantageous in molding an material which is difficult or impossible to manufacture by casting and annealing, by extrusion.

그리고, 분말공정 특유 조직의 미세화, 편석의 최소화에 의한 성능개선을 도모할 수 있는 특징이 있으며, 소결 및 기타 열처리에 의해 단조조직을 얻을 수 있는 특징이 있다. In addition, there is a characteristic that can improve the performance by miniaturization of the specific texture of the powder process, minimizing segregation, and has a feature of obtaining a forged structure by sintering and other heat treatment.

그 밖에 분말 압출은 주조재의 경우보다 압출압력이 일반적으로 낮고 압출온도, 압출속도의 선택범위도 넓은 특징을 지닌다.In addition, powder extrusion generally has a lower extrusion pressure than casting materials and has a wide range of extrusion temperatures and extrusion speeds.

그러나, 이러한 특징을 갖는 기존의 분말 압출 방법을 이용한 나노 분말의 압출은 다음과 같은 문제점을 안고 있었다.However, the extrusion of nanopowders using the conventional powder extrusion method having such characteristics had the following problems.

먼저, 기존의 압출 방법은 나노 분말 자체를 압출하고자 할 때, 압력이 압출 장치에 투입된 나노 분말의 밑 부분까지 잘 전달되지 못하는 문제가 있으며, 이를 해소하기 위해 압출 하중을 증가시켜야만 한다.First, when the conventional extrusion method is to extrude the nano-powder itself, there is a problem that the pressure is not transmitted well to the bottom of the nano-powder injected into the extrusion apparatus, and to solve this, the extrusion load must be increased.

그리고, 이 같이 압출 하중을 증가시킴에 있어서, 심할 경우에는 펀치가 파 손될 우려가 있다.In increasing the extrusion load in this manner, the punch may be broken in severe cases.

또한, 작용하는 압출력을 증가시키기 위해서는 압출 장치의 사이즈가 커지게 되어 장비의 소형화가 어렵다는 단점이 있다.In addition, the size of the extrusion device is increased in order to increase the acting extrusion force has a disadvantage that it is difficult to miniaturize the equipment.

그리고, 압출 압력을 원활히 전달시키지 못할 경우에는 압출된 마이크로 스케일의 성형체 표면에 크랙(crack)이 발생하게 되는 문제점이 있었다.In addition, when the extrusion pressure is not transmitted smoothly, cracks are generated on the surface of the molded body of the extruded micro-scale.

따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 나노 분말을 이용한 압출 방법의 개발이 절실히 요구되는 실정이다.Therefore, the development of an extrusion method using nano-powders that can solve these problems is urgently required.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 나노 분말을 이용한 압출 방법을 압출 하중이 압출되는 소재 전체에 고르게 전달될 수 있도록 개선함으로써 압출에 소요되는 하중을 낮추는 한편, 이를 통해 압출 장치의 소형화를 도모할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the above-mentioned problems, by improving the extrusion method using nano-powder so that the extrusion load can be evenly transmitted to the whole material to be extruded to lower the load required for extrusion, thereby miniaturizing the extrusion apparatus The purpose is to make it possible.

그리고, 본 발명은 나노 분말을 이용한 개선된 압출 방법으로부터 제조됨에 따라 소재의 변형이 부드럽게 이루어짐으로써 표면에 크랙이 발생되지 않는 성형체를 제공하는데 그 목적이 있다.In addition, the present invention has an object to provide a molded article that does not generate cracks on the surface by the smooth deformation of the material as produced from the improved extrusion method using nano-powder.

한편, 본 발명은 상기와 같이 개선된 압출 방법에 적용하여 소재의 변형이 부드럽게 이루어질 수 있도록 함으로써 압출된 성형체 표면에 크랙이 발생하는 현상을 방지할 수 있도록 하는데 한층 적합한 나노 분말 압분(micro scale powder compaction) 장치 및 압출 다이를 제공하는데 그 목적이 있다.On the other hand, the present invention is applied to the improved extrusion method as described above to make the deformation of the material smoothly to prevent the phenomenon of cracks on the surface of the extruded molded body (micro scale powder compaction) ) To provide an apparatus and an extrusion die.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 나노 분말을 압출 장치에 투입하여 압출함으로써 성형체를 제조하는 방법에 있어서; 상기 나노 분말을 압출 장치에 투입하기에 앞서 다짐을 통해 압분체로 만드는 단계와, 상기 압분체를 압출 장치에 투입하여 압출하는 단계가 구비됨을 특징으로 하는 나노 분말을 이용한 마이크로 스케일 성형품 제조를 위한 압출 방법이 제공된다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a molded body by inserting the nano-powder into an extrusion apparatus and extruding; Extrusion for manufacturing a micro-scale molded article using the nano-powder, characterized in that the step of making the green compact through compacting before the nano-powder is put into the extrusion device, and the extruding the green compact into the extrusion device A method is provided.

이때, 압분체의 밀도는 압분체가 형상을 유지할 수 있는 밀도 이상의 값을 갖도록 압분한다.At this time, the density of the green compact is compacted so that the green compact has a value equal to or greater than the density capable of maintaining its shape.

상기 나노 분말은 구형임을 특징으로 하며, 나노 분말의 소재로서는 폴리머나 플라스틱, 혹은 금속이 이용된다.The nano powder is characterized by being spherical, the material of the nano powder is a polymer, plastic, or metal is used.

한편, 본 발명은 압출 후 성형체를 소결하는 단계를 더 포함할 수 있다.On the other hand, the present invention may further comprise the step of sintering the molded body after extrusion.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 형태에 따르면, 나노 분말이 투입되는 투입홀을 갖는 압분 몰드와, 상기 압분 몰드의 하부측에 설치되는 하부 펀치와, 상기 압분 몰드의 상부측에 하부 펀치와 마주보도록 설치되는 상부 펀치와, 상기 상부 펀치 상부에 설치되어 나노 분말이 압분체가 되도록 상기 상부 펀치에 가압력을 전달하는 램을 포함하여서 됨을 특징으로 하는 마이크로 스케일 성형품 제조를 위한 나노 분말 압분 장치가 제공된다.According to another aspect of the present invention for achieving the above object, a compacting mold having an injection hole into which the nanopowder is injected, a lower punch provided at a lower side of the compacting mold, and a lower punch at an upper side of the compacting mold. And an upper punch installed to face the upper punch, and a ram installed on the upper punch to transfer the pressing force to the upper punch so that the nano powder becomes a green compact. Is provided.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 피압출소재인 나노 분말 압분체가 투입되는 컨테이너와; 상기 컨테이너 하부에 설치되며, 다이 홀이 코니컬(conical) 형태를 이루는 압출 다이와; 상기 압출 다이 하부에 설치되어 압출 다이를 지지하는 백커와; 상기 압분체를 가압하는 압출 펀치;를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 스케일 성형품 제조를 위한 나노 분말 압출장치가 제공된다.On the other hand, according to another aspect of the present invention for achieving the above object, a container into which the nano-powder green compact as the material to be extruded; An extrusion die installed below the container, the die hole having a conical shape; A backer installed below the extrusion die to support the extrusion die; Provided is a nano-powder extrusion device for producing a micro-scale molded article, characterized in that it comprises a; extrusion punch for pressing the green compact.

이때, 상기 압출 다이의 다이 반각(DIES 半角; Die angle)은 30~60°범위 이내의 각을 이루게 됨을 특징으로 한다.At this time, the die angle (DIES 半角; Die angle) of the extrusion die is characterized in that it forms an angle within the range of 30 ~ 60 °.

본 발명은 나노 분말을 압출에 앞서 다지는 공정을 통해 압분체를 형성한 다음에 상기 압분체를 이용하여 압출을 수행함으로써, 압출 하중이 압출되는 소재 전체에 고르게 전달될 수 있도록 함으로써, 압출에 소요되는 하중을 낮출 수 있는 효과가 있다.The present invention forms a green compact through the process of compacting the nanopowder prior to extrusion, and then performs the extrusion using the green compact so that the extrusion load can be evenly transmitted to the entire material to be extruded, thereby making it necessary for extrusion. It has the effect of lowering the load.

또한, 압출에 소요되는 하중을 낮추게 되면, 압출 장치를 소형화하더라도 충분한 압출 하중을 구현할 수 있게 되므로, 압출 장치의 소형화를 도모할 수 있게 되는 효과가 있다.In addition, if the load required for extrusion is lowered, it is possible to realize a sufficient extrusion load even if the extrusion apparatus is downsized, so that the extrusion apparatus can be downsized.

그리고, 본 발명의 개선된 압출 방법으로부터 제조된 부품 및 성형체는 소재의 변형이 부드럽게 이루어짐으로써 표면에 크랙이 발생되지 않아 양호한 표면을 얻을 수 있게 된다.In addition, parts and molded bodies produced from the improved extrusion method of the present invention are smoothly deformed of the material, so that cracks do not occur on the surface, thereby obtaining a good surface.

한편, 본 발명은 개선된 압출 방법에 적용하기에 적합한 나노 분말 압분(micro scale powder compaction) 장치 및 압출 다이를 제공함에 따라, 소재의 변형이 부드럽게 이루어질 수 있게 되며, 압출된 성형체 표면에 크랙이 발생하는 현상이 효과적으로 방지된다.Meanwhile, the present invention provides a micro scale powder compaction apparatus and an extrusion die suitable for application to an improved extrusion method, so that deformation of the material can be made smoothly, and cracks are generated on the surface of the extruded molded body. Is effectively prevented.

이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 1 to 7 will be described in detail for the practice of the present invention.

도 1은 본 발명에 적용되는 압분 장치의 구성 단면도이고, 도 2는 도 1의 압분 장치에 의해 형성된 압분체 사시도이다.FIG. 1 is a sectional view of a compacting apparatus applied to the present invention, and FIG. 2 is a perspective view of the green compact formed by the compacting apparatus of FIG. 1.

그리고, 도 3a는 본 발명의 압출 다이가 적용된 압출 장치의 구성 단면도이 고, 도 3b는 도 3a의 압출 다이 확대도이며, 도 4는 도 3a의 압출 장치에 적용된 본 발명의 압출 다이의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 압출 다이가 적용된 압출 장치에 의해 압출된 기어의 표면 상태를 보여주는 참고사진이다.3A is a cross-sectional view of an extrusion apparatus to which the extrusion die of the present invention is applied, FIG. 3B is an enlarged view of the extrusion die of FIG. 3A, FIG. 4 is a perspective view of the extrusion die of the present invention applied to the extrusion apparatus of FIG. 3A, Figure 5 is a reference picture showing the surface state of the gear extruded by the extrusion device to which the extrusion die of the present invention is applied.

한편, 도 7은 기존 압출 다이의 사시도이고, 도 8은 기존 압출 다이에 의해 압출된 기어의 표면 크랙을 보여주는 참고사진이다.On the other hand, Figure 7 is a perspective view of a conventional extrusion die, Figure 8 is a reference picture showing the surface cracks of the gear extruded by the conventional extrusion die.

본 발명은 금속, 폴리머, 플라스틱 등의 나노 분말을 압출 장치에 투입하여 압출함으로써 성형체를 제조하는 방법에 있어서, 상기 나노 분말을 압출 장치에 투입하기에 앞서 다짐을 통해 압분체(200)로 만드는 단계와, 상기 압분체(200)를 압출 장치에 투입하여 압출하는 단계를 구비함을 특징으로 한다.The present invention is a method for producing a molded body by inserting the nano-powder, such as metal, polymer, plastic, etc. into the extrusion device, the step of making the green compact through compacting before the nano-powder is injected into the extrusion device And, it is characterized in that it comprises a step of extruding the green compact 200 in an extrusion apparatus.

이때, 상기 나노 분말은 구형으로서, 폭발 성형법으로 제조된다.At this time, the nano-powder is spherical, it is produced by the explosion molding method.

상기 압분체(200)의 상대밀도는 0.84 이상이 되도록 하되, 상대밀도는 건조무게를 함침무게에서 수중무게를 뺀 값으로 나눈 후에 다시 이값을 금속밀도로 나누어서 구해짐을 특징으로 한다.The relative density of the green compact 200 is 0.84 or more, but the relative density is obtained by dividing the dry weight by the value obtained by subtracting the weight of the water from the impregnating weight and dividing this value by the metal density.

본 발명에서 압분체(200)는 나노 분말을 다짐하여 만든 덩어리짐으로써 일종의 빌렛 모양을 이루게 되지만, 일반적인 금속 압출에 사용되는 빌렛과는 다르다. 즉, 일반 금속 압출에 사용되는 빌렛은, 용탕을 몰드 내부에 붓고 냉각하여 응고시키는 주조법에 의해 만들어지는 것으로서, 분말을 기계적으로 다짐하여 만든 본 발명의 압분체(200)와는 물리화학적 성질 및 압출 특성에 차이가 있다.In the present invention, the green compact 200 forms a kind of billet by agglomeration made by compacting nano powder, but is different from billets used for general metal extrusion. That is, the billet used for general metal extrusion is produced by a casting method in which molten metal is poured into a mold, cooled, and solidified, and the physical and chemical properties and the extrusion characteristics of the green compact 200 of the present invention made by compacting powder mechanically. There is a difference.

그리고, 본 발명의 성형체는 압출후 소결 및 기타 열처리가 가해지게 되는 예비 성형체를 포함하는 것으로 정의됨을 전제한다. In addition, it is assumed that the molded article of the present invention is defined as including a preform to which sintering and other heat treatment are applied after extrusion.

한편, 본 발명은 나노 분말의 압분을 위해, 나노 분말이 투입되는 투입홀을 갖는 압분 몰드(110)와, 상기 압분 몰드(110)의 하부측에 설치되는 하부 펀치(120)와, 상기 압분 몰드(110)의 상부측에 하부 펀치(120)와 마주보도록 설치되는 상부 펀치(130)와, 상기 상부 펀치(130) 상부에 설치되어 나노 분말이 압분체(200)가 되도록 가압하는 힘을 상기 상부 펀치(130)에 전달하는 램(140)을 포함하는 나노 분말 압분 장치를 구비한다.On the other hand, the present invention, for the compacted powder of the nano-powder, the compacting mold 110 having an injection hole into which the nano-powder is injected, the lower punch 120 is installed on the lower side of the compacting mold 110, the compacting mold The upper punch 130 is installed on the upper side of the 110 to face the lower punch 120, and the upper punch 130 is installed on the upper punch 130 to press the force to press the nanopowder to the green compact 200 It is provided with a nano powder compaction apparatus including a ram 140 to deliver to the punch (130).

상기 램(140)은 기계식 혹은 유압식 등 어떠한 작동 방식으로 작동하여도 무방하다.The ram 140 may operate in any operating manner, such as mechanical or hydraulic.

그리고, 본 발명은 피압출소재인 압분체(200)가 투입되는 컨테이너(310)와, 상기 컨테이너(310) 하부에 설치되는 압출 다이(320)와, 상기 압출 다이(320) 하부에 설치되어 압출 다이(320)를 지지하는 백커(330)와, 압분체(200)를 가압하는 압출 펀치(350)를 포함하는 압출 장치에 있어서, 상기 압출 다이(320)의 다이 홀(321)이 전체적으로 코니컬(conical) 형태의 홀을 이루게 됨을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a container 310 into which the green compact 200, which is a material to be extruded, is inserted, an extrusion die 320 installed below the container 310, and is installed below the extrusion die 320 and extruded. In the extrusion apparatus including a backer 330 supporting the die 320 and an extrusion punch 350 for pressing the green compact 200, the die holes 321 of the extrusion die 320 are conical overall. It is characterized by the formation of a (ical) hole.

구체적으로는, 다이홀은 소재의 변형이 부드럽게 이루어지도록 하는 코니컬부(C)와 원하는 성형체 형태로 만들어주는 다이랜드부(D)로 이루어진다. Specifically, the die hole is composed of a conical portion (C) for smooth deformation of the material and a die land portion (D) for forming a desired molded body.

이때, 상기 압출 다이(320)의 다이 반각(DIES 半角)은 0~90°범위를 가질 수 있으나 각도가 작아질수록 양호한 기어 형상을 얻을 수 있다. 즉, 바람직하게는, 상기 압출 다이(320)의 다이 반각(DIES 半角)은 30~60°범위 이내의 각을 이루도록 한다. At this time, the die half angle (DIES () of the extrusion die 320 may have a range of 0 ~ 90 ° but the smaller the angle can be obtained a good gear shape. That is, preferably, the die half (DIES 의) of the extrusion die 320 to form an angle within the range of 30 ~ 60 °.

한편, 상기 압출 장치의 외측에는 컨테이너(310)와 압출 다이(320) 등을 가 열하기 위한 히터(340)가 설치된다.On the other hand, the outer side of the extrusion device to heat the container 310 and the extrusion die 320, etc. Heater 340 is installed.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용은 다음과 같다.The operation of the present invention configured as described above is as follows.

본 발명은 나노 분말을 압분장치를 통해 다짐하여 압분체(200)로 만든 상태에서, 이를 압출장치를 구성하는 컨테이너(310)에 투입하고 가열한 상태에서 열간 압출하게 되는데, 나노 분말이 아닌 압분체(200)로 만든 상태에서 압출하므로 인해 압출이 작은 하중에서도 이루어지게 되므로 압출장치의 소형화가 가능하다.According to the present invention, the nano powder is compacted through a compacting apparatus to be made into a compact 200, and then injected into a container 310 constituting the extrusion apparatus and hot extruded in a heated state. Since the extrusion is made in the state (200), because the extrusion is made even at a small load, it is possible to miniaturize the extrusion apparatus.

즉, 기존에는 나노 분말을 압출장치에 투입하여 바로 압출게 되는데, 이 경우에는 투입된 나노 분말의 전체 부피가 크고, 이에 따라 압출을 위해서는 큰 압출 압력이 요구되어 압출장치의 소형화에 어려움이 있었다.That is, conventionally, the nano-powder is injected into the extrusion apparatus, which is extruded immediately. In this case, the total volume of the nano-powder injected is large, and thus, a large extrusion pressure is required for the extrusion, which makes it difficult to miniaturize the extrusion apparatus.

특히, 기존의 압출 다이(320a)는 중앙부에 형성된 다이 홀(321a)이 급격히 좁아지는 구조(도 7 참조)여서 소재의 변형이 부드럽게 이루어지지 못하므로 소재 표면에 크랙(도 8 참조)이 발생하게 되는 단점이 있었다. In particular, the conventional extrusion die 320a has a structure in which the die hole 321a formed in the center portion is sharply narrowed (see FIG. 7), so that deformation of the material is not performed smoothly, thereby causing cracks on the surface of the material (see FIG. 8). There was a disadvantage.

또한, 기존에는 압출장치에 투입된 나노 분말의 아래쪽까지 압출 압력이 전달되기 위해서는 매우 큰 힘이 작용하여야 하며, 이를 위해서라도 압출장치는 소형화가 곤란한 실정이었다.In addition, conventionally, a very large force must be applied to the extrusion pressure to be delivered to the bottom of the nano-powder injected into the extrusion device, even for this purpose it was difficult to miniaturize the extrusion device.

하지만, 본 발명은 나노 분말을 압분장치에서 다짐하여 압분체(200)로 만든 상태에서, 상기 압분체(200)를 압출장치에 투입하여 압출하므로, 기존의 나노 분말 직접 압출에 따른 문제점들을 해소할 수 있게 된다.However, the present invention is to compact the nano-powder in the compacting apparatus to form a compacted body 200, so that the compacted powder 200 is put into the extrusion apparatus to extrude, to solve the problems caused by the conventional nano-powder direct extrusion It becomes possible.

즉, 압분체(200)는 나노 분말이 다짐에 의해 일체화를 이루고 있으므로, 압출압력이 압분체(200) 하부까지 바로 전달되므로 인해 기존 압출방식에 비해 압출 압력을 낮출 수 있게 되며, 이로부터 압출 장치의 소형화를 도모할 수 있게 된다.That is, since the green compact 200 is integrated by compacting the nanopowder, the extrusion pressure is directly transmitted to the lower compact of the green compact 200 so that the extrusion pressure can be lowered compared to the conventional extrusion method. It is possible to miniaturize.

[실험예]Experimental Example

이하에서는 금속 나노 분말을 이용하여 미세 기어를 제작한 실험을 통해 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in more detail through an experiment in which fine gears are manufactured using metal nanopowders.

가). 실험의 개요end). Overview of the experiment

최근 마이크로 부품 생산이 증대되고 있으며 이러한 마이크로 부품은 의료, 센서, 전자기기 등에 여러 가지 형태로 응용되고 있기 때문에 나노 분말의 활용성이 더욱 커지고 있다. 따라서 본 실험에서는 나노 분말을 이용한 미세 기어 제작에 초점을 맞추어 실험하였다.Recently, the production of micro parts has been increasing, and since the micro parts are applied in various forms to medical, sensors, and electronic devices, the utilization of nano powder is increasing. Therefore, this experiment focused on the production of fine gear using nano powder.

현재까지 마이크로 기어 가공은 주로 MEMS 또는 LIGA 방법에 의해 제작되었으며 소재는 폴리머 또는 플라스틱인 경우가 많았다. 이러한 방법은 설비비가 많이 드는 단점과 대량생산이 불가능하였다. 본 실시예에서는 열간 압출 방법을 이용하여 평균 입도 230nm인 주석(Tin) 분말을 가지고 피치원 지름 1.5mm인 스퍼 기어 형상의 예비 성형체를 제작하였다. 이 예비 성형체를 소결하여 정밀한 형상 및 강도를 지닌 기어를 제작하기 위해서, 양호한 표면 형상과 높은 상대밀도를 갖게 하는 것이 중요하다. 이에 따라 압출 공정 변수인 온도, 다이 반각(Die angle), 램 속도(Ram speed)에 따른 영향 및 초기 소재의 상대밀도에 따른 영향 등을 확인하였다.To date, microgear machining has mainly been made by MEMS or LIGA methods, and the material is often polymer or plastic. This method was disadvantageous in terms of equipment cost and mass production was impossible. In this embodiment, a spur gear-shaped preform having a pitch circle diameter of 1.5 mm was produced using tin powder having an average particle size of 230 nm by using the hot extrusion method. In order to produce a gear having a precise shape and strength by sintering the preform, it is important to have a good surface shape and a high relative density. Accordingly, the effects of the extrusion process variables such as temperature, die angle, ram speed, and relative density of initial materials were confirmed.

나). 실험장치 및 실험조건I). Experiment apparatus and experimental conditions

먼저, 본 실시예의 실험 장치 및 실험 조건을 살펴보면, 실험에 사용한 분말은 Tin 분말로 순도 99.9 %, 평균 입도 230nm 그리고 구형(spherical) 형태를 지니며, 폭발 성형법으로 제조하였다. 또한 분말 표면에 산화막으로 2nm 정도 코팅 처리하여 공기 중에서 반응하지 않도록 안정화 처리하였다. 압분체는 상대밀도 0.84, 0.85, 0.86가 되도록 각각 1.48, 1.33, 1.18g씩 주석(Tin) 분말을 다짐 몰드(compaction mold)에 넣고 일축 가압 성형하였다. 압분체 사이즈는 Φ4.8, 높이 12mm이며, 압분체 제작시에 접착 및 점착 방지 및 표면 미관 향상을 위하여 이형제를 사용하였다. First, referring to the experimental apparatus and experimental conditions of the present embodiment, the powder used in the experiment was a tin powder, having a purity of 99.9%, an average particle size of 230 nm, and a spherical shape, and manufactured by an explosion molding method. In addition, by coating the surface of the powder with an oxide film about 2nm was stabilized so as not to react in the air. The green compact was uniaxially press-molded into a compact powder by adding 1.48, 1.33, and 1.18 g of tin powder to a relative density of 0.84, 0.85, and 0.86, respectively. The green compact size was Φ4.8 and the height was 12mm, and a release agent was used to prevent adhesion and adhesion and to improve the surface aesthetic at the time of manufacturing the green compact.

압출 장치는 AISI(미국철강협의회의 표준규격) H-13 소재이며 와이어 방전가공하여 아래의 [참고도 1]과 같이 펀치(Punch), 컨테이너(Container), 다이(Die), 백커(Backer)를 제작하였다. Extrusion equipment is AISI H-13 material of the American Steel Council, and the wire is discharged and punched, container, die, backer as shown in [Reference 1] below. Produced.

Figure 112008019247218-PAT00001
Figure 112008019247218-PAT00001

[참고도 1] 실험에 사용된 압출 장치 참고 사진 및 치수 설계도[Reference Figure 1] Reference Photo of Extrusion Apparatus Used in Experiment and Dimensional Design

기어 형상은 기어 잇수 6, 모듈 0.25, 치외경 2 mm, 피치원지름 1.5 mm, 압 력각 14.5°이며, 다이 랜드부 길이는 1 mm이다. 다이 반각은 30°, 45°, 60°, 90°로 제작하였고, 압출비는 모두 10.2:1이다.The gear shape is 6 gear teeth, module 0.25, outer diameter 2 mm, pitch diameter 1.5 mm, pressure angle 14.5 ° and die land length is 1 mm. Die half angles were produced at 30 °, 45 °, 60 °, and 90 °, and the extrusion ratios were all 10.2: 1.

실험 조건은 아래의 [표 1]과 같으며, 공정 변수는 온도, 램 속도, 다이 반각과 압분체의 초기 상대밀도로 이루어져 있다. The experimental conditions are shown in [Table 1] below, and the process variables consist of temperature, ram speed, die half angle and initial relative density of green compact.

[표 1]TABLE 1

열간압출조건Hot Extrusion Condition 조건값Condition 온도(℃)Temperature (℃) 100,120,140,160100,120,140,160 상대밀도Relative density 0.84,0.85,0.860.84,0.85,0.86 다이 반각(°)Die half angle (°) 30,40,60,9030,40,60,90 펀치 속도(㎜/min)Punch Speed (mm / min) 60,120,24060,120,240

다). 실험 결과 분석 All). Experiment result analysis

표 1의 조건에 따라 압출된 형상의 표면과 단면은 아래의 [참고도 2]에 나타내었고, 압출 하중은 [참고도 3]에 나타내었다. The surface and cross section of the extruded shape according to the conditions of Table 1 are shown in [Reference Figure 2] below, and the extrusion load is shown in [Reference Figure 3].

Figure 112008019247218-PAT00002
Figure 112008019247218-PAT00002

[참고도 2] 각 조건에 따라 압출된 성형체의 모양을 보여주는 실제 사진[Reference Figure 2] Actual picture showing the shape of the molded body extruded under each condition

Figure 112008019247218-PAT00003
Figure 112008019247218-PAT00003

[참고도 3] 각 조건별 압출하중의 크기를 나타낸 그래프[Reference Figure 3] Graph showing the size of the extrusion load for each condition

온도 증가에 따라 압출 하중이 감소하였으며, 100, 160℃에서는 표면에 크랙이 발생되었다. 표면 크랙 발생원인으로는 소재와 다이랜드부 벽면 사이의 마찰에 의해 소재 외부와 내부의 속도차에 의한 것이다. 따라서 이러한 마찰을 줄이기 위하여 온도를 높여 압출 하중을 줄여 압력에 의한 점착을 방지해야 한다. The extrusion load decreased with increasing temperature, and cracks occurred on the surface at 100 and 160 ° C. The cause of the surface crack is due to the speed difference between the outside and inside of the material due to the friction between the material and the wall of the die land part. Therefore, in order to reduce such friction, it is necessary to increase the temperature to reduce the extrusion load to prevent the adhesion by pressure.

또한 압출 전에 다이에 이형제를 분사하여 소재가 점착되는 것을 방지하여야 한다. 160℃에서는 하중은 감소하였으나 높은 온도로 인해 압출시편 표면에 크랙 및 산화가 일어나 기어 이빨 부분의 형상을 제대로 갖추지 못하였고 색이 변하였다. In addition, release agents should be sprayed onto the die prior to extrusion to prevent the material from sticking. At 160 ℃, the load decreased, but due to the high temperature, the surface of the extruded specimens cracked and oxidized, resulting in poorly shaped gear teeth and color change.

램(Ram) 속도를 60, 120, 240 mm/min로 변화시켜 실험한 결과 Ram 속도가 증가함에 따라 하중이 증가하였다. 이는 압출속도가 증가하면 단위 시간당 가해지는 일도 커지기 때문이다. 또한 압출 속도가 너무 크면 소재 재료가 압력에 의해 온도가 상승하여 표면에 초기 용융을 일으킬 수 있기 때문에 적절한 속도로 가공하는 것이 좋다. As the ram speed was increased, the load increased as the ram speed was changed to 60, 120, 240 mm / min. This is because, as the extrusion speed increases, the work applied per unit time increases. In addition, if the extrusion rate is too high, it is recommended that the material be processed at an appropriate speed since the temperature may rise due to pressure and cause initial melting on the surface.

다이 반각은 30, 45, 60, 90°로 변화시켜 실험한 결과 다이 반각이 증가할 수록 하중이 크게 증가하였다. 30~60°에서는 양호한 기어형상 및 단면을 보였으나 다이 반각 90°에서는 표면 크랙이 발생하였다. 이는 전단변형이 심하고 압출 하중이 크게 작용하여 압분체와 압출 다이 사이의 마찰에 의해 다이랜드부에 소재의 점착이 주기적으로 발생하였기 때문이다. The die half angle was changed to 30, 45, 60, and 90 °, and the load increased as the die half angle increased. Good gear shape and cross section was shown at 30 ~ 60 °, but surface crack occurred at die half angle 90 °. This is because the shear deformation is severe and the extrusion load is large, and the adhesion of the material to the die land part occurs periodically due to the friction between the green compact and the extrusion die.

또한, 초기 압분체의 상대밀도 0.84, 0.85, 0.86으로 변화시켜 실험하였다.In addition, the experiment was carried out by changing the relative density of the initial green compact to 0.84, 0.85, 0.86.

실험 결과는 아래의 [참고도 4]과 같이 상대밀도가 낮을수록 압분체의 압축에 의해 압출이 지연되는 경향이 있으며 초기 질량이 낮으므로 압출 길이가 짧아져 마찰력 저하로 인해 하중을 감소시킨다. 그러나 초기 상대밀도가 낮을수록 압출된 시편의 상대밀도가 감소하므로 소결 공정에서 예비 성형체의 변형이나 비틀림을 발생시킬 수 있다. 따라서 초기 상대밀도를 높이는 것이 상대밀도를 증가시키는데 유리하다고 판단된다.Experimental results show that the lower the relative density, the lower the relative density, the extrusion tends to be delayed due to the compacting of the green compact, and the lower the initial mass, the shorter the extrusion length, thereby reducing the load due to the decrease in frictional force. However, since the relative density of the extruded specimens decreases as the initial relative density decreases, deformation or torsion of the preform may occur in the sintering process. Therefore, it is judged that increasing the initial relative density is advantageous to increase the relative density.

Figure 112008019247218-PAT00004
Figure 112008019247218-PAT00004

[참고도 4] 초기 상대밀도 별 압출 하중을 나타낸 그래프 [Reference Figure 4] Graph showing extrusion load by initial relative density

상기 실험에서, 초기 상대밀도는 다음 식에 의해 구해진다.In this experiment, the initial relative density is obtained by the following equation.

초기 상대밀도={건조무게/(함침무게-수중무게)}/금속밀도 Initial relative density = {dry weight / (impregnated weight-underwater weight)} / metal density

[ 여기서, 건조무게(g)는 압분체 시편의 무게, 함침무게(g)는 압분체 시편을 파라핀 용액에 넣고 기공을 막은 후의 측정한 무게, 수중무게(g)는 파라핀에 함침후 압분체 시편을 수중에 넣고 잰 무게, 금속밀도(g/cc)는 원래 금속이 가지는 밀도]Here, the dry weight (g) is the weight of the green compact specimen, the impregnation weight (g) is the measured weight after the green compact specimen is placed in a paraffin solution to block pores, and the weight in water (g) is the green compact specimen after impregnation with paraffin. Weight, metal density (g / cc) is the density of the original metal]

상기 식에서 (함침무게-수중무게)는 압분체 시편의 부피를 의미한다. 즉, 물속에 완전히 잠긴 압분체 시편은 부력에 의해 압분체 시편의 부피에 해당하는 물의 중량만큼 압분체 시편의 중량이 감소하므로 감소된 물의 중량과 물의 밀도로부터 얻은 압분체 시편의 부피와 건조된 압분체의 중량으로부터 밀도를 구할 수 있다. In the above formula (impregnating weight-water weight) means the volume of the green compact specimen. That is, the green powder specimen completely submerged in water decreases the weight of the green powder specimen by the buoyancy to the weight of the water corresponding to the volume of the green powder specimen, so that the volume of the green powder specimen and the dried pressure obtained from the reduced water weight and water density are reduced. The density can be calculated from the weight of the powder.

한편, 압출된 소재의 상대밀도는 소결 공정에 큰 영향을 미치므로 각 조건별로 압출된 시편의 초기 부분과 끝 부분을 각각 2 mm씩 잘라낸 다음 상대밀도를 측정하였다. 그 결과 아래의 [참고도 5]와 같이 압출 온도가 높을수록 다이 반각이 작을수록 높은 상대밀도를 갖는 예비 성형체를 제작할 수 있었다. On the other hand, since the relative density of the extruded material has a great influence on the sintering process, the initial and end portions of the extruded specimens were cut out by 2 mm for each condition, and then the relative density was measured. As a result, as shown in the following [Reference Figure 5], the higher the extrusion temperature was able to produce a preform having a higher relative density as the die half angle is smaller.

Figure 112008019247218-PAT00005
Figure 112008019247218-PAT00005

[참고도 5] 각 조건별 상대 밀도[Reference figure 5] relative density for each condition

따라서 본 실험에서 최적의 공정조건은 온도 140℃, 다이 반각 30°, 램 속도 120 mm/min, 초기 상대밀도 0.86이며, 이때의 예비 성형체가 가장 높은 상대밀도 값을 가진다. Therefore, the optimum process conditions in this experiment were the temperature 140 ° C, die half angle 30 °, ram speed 120 mm / min, initial relative density 0.86, and the preform had the highest relative density value.

이상에서와 같이, 본 실험에서는 스퍼 기어 형상을 갖는 예비 성형체의 형상 정확도와 밀도 분포를 향상시켜 소결 공정시에 부품의 일그러짐 현상을 방지하는 것을 목적으로 실험을 수행하였다. 그 결과 온도 및 초기 상대밀도의 증가에 따라 압출된 시편의 상대밀도가 증가하였고, 다이 반각이 감소할수록 상대밀도가 증가하였다. 또한 실험결과 상대밀도는 약 0.9 정도의 높은 밀도를 나타내었다. 이는 소결시 수축에 의한 형상 변형을 크게 줄일 수 있음을 의미한다. As described above, in the present experiment, the experiment was carried out for the purpose of improving the shape accuracy and density distribution of the preform having a spur gear shape to prevent the distortion of the component during the sintering process. As a result, the relative density of the extruded specimens increased with increasing temperature and initial relative density, and the relative density increased with decreasing die half angle. In addition, the experimental results showed that the relative density was about 0.9. This means that shape deformation due to shrinkage during sintering can be greatly reduced.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.The rights of the present invention are not limited to the embodiments described above, but are defined by the claims, and those skilled in the art can make various modifications and adaptations within the scope of the claims. It is self-evident.

즉, 본 발명은 상기한 실시예로 한정되지 아니하며, 본 발명의 기술사상의 범주를 벗어나지 않는 한, 여러 가지 다양한 형태로의 수정 및 변경이 이루어질 수 있음은 물론이다. That is, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the technical idea of the present invention.

최근 마이크로 부품 생산이 증대되고 있으며 이러한 마이크로 부품은 의료, 센서, 전자기기 등에 여러 가지 형태로 응용되고 있기 때문에 나노 분말의 활용성이 더욱 커지고 있다. Recently, the production of micro parts has been increasing, and since the micro parts are applied in various forms to medical, sensors, and electronic devices, the utilization of nano powder is increasing.

따라서 본 발명은 나노 분말을 이용한 미세 기어 제작등 초미세 부품 및 완제품이 필요로 하는 의료, 센서, 전자기기 제조 분야에 다양하게 응용될 수 있다.Therefore, the present invention can be variously applied to medical, sensor, and electronic device manufacturing fields that require ultra-fine parts and finished products, such as manufacturing a fine gear using nano powder.

도 1은 본 발명에 적용되는 압분 장치의 구성 단면도1 is a cross-sectional view of a compacting apparatus applied to the present invention

도 2는 도 1의 압분 장치에 의해 형성된 압분체 사시도FIG. 2 is a perspective view of the green compact formed by the green compact of FIG.

도 3a는 본 발명의 압출 다이가 적용된 압출 장치의 구성 단면도3A is a cross sectional view of an extrusion apparatus to which an extrusion die of the present invention is applied.

도 3b는 도 3a의 압출 다이 확대도 FIG. 3B is an enlarged view of the extrusion die of FIG. 3A

도 4는 도 3a의 압출 장치에 적용된 본 발명의 압출 다이의 사시도4 is a perspective view of an extrusion die of the present invention applied to the extrusion apparatus of FIG. 3A

도 5는 본 발명의 압출 다이가 적용된 압출 장치에 의해 압출된 기어의 표면 상태를 보여주는 참고사진5 is a reference picture showing the surface state of the gear extruded by the extrusion device to which the extrusion die of the present invention is applied.

도 6은 본 발명의 압출 공정을 순서대로 나타낸 흐름도6 is a flow chart showing the extrusion process of the present invention in order

도 7은 기존 압출 다이의 사시도7 is a perspective view of an existing extrusion die

도 8은 기존 압출 다이에 의해 압출된 기어의 표면 크랙을 보여주는 참고사진 8 is a reference picture showing the surface crack of the gear extruded by the conventional extrusion die

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

110: 압분 몰드 120: 하부 펀치110: compaction mold 120: lower punch

130: 상부 펀치 140: 램130: upper punch 140: ram

200: 압분체 310: 컨테이너200: green compact 310: container

320: 압출 다이 321: 다이 홀320: extrusion die 321: die hole

330: 백커 340: 히터330: backer 340: heater

350: 펀치350: punch

Claims (9)

나노 분말을 압출 장치에 투입하여 압출함으로써 성형체를 제조하는 방법에 있어서; What is claimed is: 1. A method for producing a molded body by injecting nano powder into an extrusion apparatus and extruding; 상기 나노 분말을 압출 장치에 투입하기에 앞서 다짐을 통해 압분체(200)로 만드는 단계와, Before the nano-powder is put into the extrusion apparatus to make a compacted body 200 through the compacting, 상기 압분체(200)를 압출 장치에 투입하여 압출하는 단계가 구비됨을 특징으로 하는 나노 분말을 이용한 마이크로 스케일 성형품 제조를 위한 압출 방법.Extrusion method for producing a micro-scale molded article using a nano-powder, characterized in that the green compact is put into the extrusion apparatus to extrude. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 압분체(200)는 압분체의 형상을 유지할 수 있는 밀도 이상의 값을 갖도록 압분되는 것을 특징으로 하는 나노 분말을 이용한 마이크로 스케일 성형품 제조를 위한 압출 방법.The green compact 200 is an extrusion method for producing a micro-scale molded article using nano-powder, characterized in that the powder is compacted to have a density or more that can maintain the shape of the green compact. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 나노 분말은 구형임을 특징으로 하며, 나노 분말의 소재로서는 폴리머나 플라스틱, 혹은 금속이 이용됨을 특징으로 하는 나노 분말을 이용한 마이크로 스케일 성형품 제조를 위한 압출 방법.The nano-powder is characterized in that the spherical, the extrusion method for producing a micro-scale molded article using a nano-powder, characterized in that the material of the nano-powder is a polymer, plastic, or metal. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 압출후 성형체를 소결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 스케일 성형품 제조를 위한 압출 방법. An extrusion method for producing a micro-scale molded article, characterized in that it further comprises the step of sintering the molded body after extrusion. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 마이크로 스케일 성형체.It is manufactured by the method of any one of Claims 1-4, The micro scale molded object characterized by the above-mentioned. 나노 분말이 투입되는 투입홀을 갖는 압분 몰드(110)와, A compaction mold 110 having an injection hole into which the nanopowder is injected, 상기 압분 몰드(110)의 하부측에 설치되는 하부 펀치(120)와, A lower punch 120 installed at a lower side of the compaction mold 110, 상기 압분 몰드(110)의 상부측에 하부 펀치(120)와 마주보도록 설치되는 상부 펀치(130)와,An upper punch 130 installed on the upper side of the compaction mold 110 so as to face the lower punch 120; 상기 상부 펀치(130) 상부에 설치되어 나노 분말이 압분체(200)가 되도록 상기 상부 펀치에 가압력을 전달하는 램(140)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 스케일 성형품 제조를 위한 나노 분말 압분 장치.The nano-powder compacting apparatus for manufacturing a micro-scale molded article, characterized in that it comprises a ram 140 is installed on the upper punch 130 to transmit the pressing force to the upper punch so that the nano-powder is a green compact (200). . 피압출소재인 나노 분말 압분체(200)가 투입되는 컨테이너(310)와; A container 310 into which the nano-powder green compact 200 which is an extruded material is injected; 상기 컨테이너(310) 하부에 설치되며, 다이 홀(321)이 전체적으로 코니컬(conical) 형태를 이루는 압출 다이(320)와; An extrusion die 320 installed below the container 310 and having a die hole 321 having a conical shape as a whole; 상기 압출 다이(320) 하부에 설치되어 압출 다이(320)를 지지하는 백커(330)와; A backer 330 installed below the extrusion die 320 to support the extrusion die 320; 상기 압분체(200)를 가압하는 압출 펀치(350);를 포함하여 구성됨을 특징으 로 하는 마이크로 스케일 성형품 제조를 위한 나노 분말 압출장치.Extrusion punch (350) for pressing the green compact (200); Nano powder extrusion apparatus for manufacturing a micro-scale molded article, characterized in that it comprises a. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 다이 홀(321)은 소재의 변형이 부드럽게 이루어지도록 하는 코니컬부(C)와 원하는 성형체 형태로 만들어주는 다이랜드부(D)로 이루어짐을 특징으로 하는 마이크로 스케일 성형품 제조를 위한 나노 분말 압출장치. The die hole 321 is a nano-powder extrusion device for manufacturing a micro-scale molded article, characterized in that the conical portion (C) to make the deformation of the material is made smoothly and the die land portion (D) to make the desired shaped body. 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 압출 다이(320)의 다이 반각은 30~60°범위 이내의 각을 이루게 됨을 특징으로 하는 마이크로 스케일 성형품 제조를 위한 나노 분말 압출 장치.Die half of the extrusion die 320 is a nano-powder extrusion device for producing a micro-scale molded article, characterized in that to form an angle within a range of 30 ~ 60 °.
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