KR20090121187A

KR20090121187A - 소결 부품의 제조 방법

Info

Publication number: KR20090121187A
Application number: KR1020090011476A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 오카하라; 젠조 이시지마; 미츠오 구사노; 가즈야 스즈키; 도루 히라노
Original assignee: 히다치 훈마츠 야킨 가부시키가이샤; 가부시키가이샤 히다치 산키시스템
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2009-11-25
Also published as: US20090291012A1; CN101585085A; JP5140490B2; TWI468242B; TW200948514A; JP2009280852A

Abstract

금속 분말에, 열 가소성 수지와 왁스로 이루어지는 바인더를 40∼60체적% 첨가하고, 가열 혼련하여 조정한 원료를 압형(押型)의 형 구멍 내에 충전하여 원하는 형상으로 가압 성형하고, 이어서, 가압한 성형체를 압형으로부터 빼내고나서 가열하여 바인더를 제거하고, 이 후, 성형체를 가열하여 소결하는 소결 부품의 제조 방법에 있어서, 가압 성형 시의 펀치의 이동 속도 : U를, ΔP : 펀치의 가압력(Pa), μ : 점도(Pa·s), L : 길이(m), De : 상당 관 직경(m)으로 했을 때 「U＝ΔP /(32μ×L)×De²」로 구해지는 속도 이하로 설정한다.

Description

소결 부품의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING SINTERED PARTS}

본 발명은 분말 야금법에 의한 소결 부품의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 0.01∼0.2mm 정도의 폭의 박육부(薄肉部)나 볼록부를 가지는 미소한 소결 부품의 제조 방법에 관한 것이다.

분말 야금법은 원료 분말을 압형의 형 구멍 내에 충전하고, 이를 펀치로 가압하여 압분 성형하여 얻어진 성형체를 소결하는 압형법과, 원료 분말을 다량의 바인더와 함께 혼련한 유동 상태에 있는 원료를 금형 내의 공극에 가압 충전하여, 얻어진 성형체를 가열하여 바인더를 제거한 후, 소결하는 사출 성형법으로 크게 나뉜다.

압형법에서는, 원료 분말의 유동성 및 금형과의 윤활성을 얻기 위해, 1질량% 이하 정도의 성형 윤활제를 원료 분말에 혼입시키는 경우가 있는데, 성형 윤활제의 첨가량이 적으므로, 소결 공정의 초기 단계에서 휘발 제거하는 것이 용이하고, 탈지 공정이 짧아도 된다는 이점이 있다. 압형법에서는, 원료 분말의 금형으로의 충전은 피더(분말 상자)라고 불리는 분말 공급 장치에서 원료 분말을 금형과 하부 펀치 등으로 형성되는 공간에 떨어뜨려넣는 방법으로 행해지는데, 이 방법에서는 충 전에 일정한 편차가 발생하는 것을 피할 수 없다. 한편, 상기와 같은 협소한 부위를 가지는 미소한 제품을 제조하는 경우, 이 편차는 허용 범위가 아니고, 또한, 상기와 같은 협소한 부위를 형성하기 위해, 압형에 미소한 간극을 형성하여 이 간극에 원료 분말을 충전하고자 하면, 원료 분말의 입경이 작은 것을 이용할 필요가 있다. 이 경우, 원료 분말의 유동성이 저하함과 더불어 충전성이 저하하여, 안정된 원료 분말의 공급을 행할 수 없다는 문제가 생긴다.

사출 성형법은, 상기의 압형법으로는 조형할 수 없는 언더 컷 등을 가지는 형상의 것이어도 조형할 수 있다는 이점이 있다. 그러나, 원료의 유동성을 확보하기 위해 원료 분말에 30∼70체적%의 열 가소성 수지 등의 바인더를 첨가하여 혼련하므로 성형체에 다량의 바인더를 함유하고 있고, 이 때문에, 바인더를 제거하는 탈 바인더 공정에 시간이 걸린다는 결점이 있다. 또한, 두께가 0.1∼0.3mm 정도의 박육부에 대해서는 금형의 캐비티가 너무 작아지므로, 금속 분말을 캐비티에 균일하게 충전하는 것이 어렵다. 즉, 사출 성형법에 있어서는, 원료는 게이트 및 런너를 통하여 금형 내에 사출되는데, 원료를 충전하는 금형의 공극이 미소하면, 이러한 공극 내부에 원료를 충전하기 위해서는 원료를 고압으로 충전하지 않으면 안된다. 그러나, 장치의 고압화는 현실적이지 않고, 금속 분말과 바인더의 분리가 생기거나, 형에 버(burr)가 발생하기 때문이다. 한편, 바인더를 증량(增量)하여 원료의 유동성을 높이는 검토도 행해지고 있는데, 바인더를 증량하면 소결 후의 치수 수축이 커져 변형의 문제가 발생한다. 이로부터, 현실적으로 사출 성형 가능한 두께의 한계는 0.5mm이다.

이러한 상황 가운데, 압형법과 사출 성형법의 장점을 겸비한 조형법이 제안되어 있다(일본국 특개 2006-344581호 공보 등). 이는, 원료 분말에 통상의 압형법으로 부여하는 이상의 다량의 바인더 등을 부여한 원료를 이용하여 압형 성형하는 방법이다. 일본국 특개 2006-344581호 공보는 냉음극 형광 램프용 전극에 관한 발명이며, 몰리브덴 분말 또는 텅스텐 분말로 이루어지는 금속 분말에, 열 가소성 수지와 왁스로 이루어지는 바인더를 40∼60체적% 첨가하고, 가열 혼련하여 원료를 조정하는 원료 조정 공정과, 원료를 소정량, 압형의 형 구멍 내에 충전하는 충전 공정과, 압형 내의 원료를 펀치로 가압하여 바닥이 있는 원통상으로 성형하는 가압 성형 공정과, 이 가압 성형 공정 후에 얻어진 바닥이 있는 원통상 성형체를 압형으로부터 빼내는 취출 공정과, 압형으로부터 빼내진 바닥이 있는 원통상 성형체를 가열하여 바인더를 제거하는 탈 바인더 공정과, 상기 탈바인더된 바닥이 있는 원통상 성형체를 가열하여 분말끼리 확산 결합시키는 소결 공정을 행한다. 이에 따라, 원통부의 두께가 0.1∼0.2mm로 협소부를 가지는 미소한 소결 부품을 제조할 수 있는 것을 기재하고 있다. 또한, 상기의 일본국 특개 2006-344581호 공보에 있어서는, 원료를 열 가소성 수지의 연화점 이상의 온도로 가열하여 성형 공정을 행하고, 원료를 열가소성 수지의 연화점 이하, 또한 왁스의 연화점 이상의 온도로 냉각하여 취출 공정을 행하는 것이 기재되어 있다.

상기의 일본국 특개 2006-344581호 공보는, 0.1∼0.2mm정도의 폭의 박육부나 볼록부를 가지는 미소한 소결 부품의 제조에 매우 적합한 것인데, 원료를 열 가소성 수지의 연화점 이상의 온도로 가열하여 성형 공정을 행하고, 원료를 열가소성 수지의 연화점 이하 또한 왁스의 연화점 이상의 온도로 냉각하여 취출 공정을 행하기 때문에, 성형 사이클이 길어진다. 즉, 상기의 압형법에 있어서의 1회의 성형 사이클이, 원료의 충전-성형-취출만의 단계로 되는 것에 대해서, 일본국 특개 2006-344581호 공보에 있어서의 1회의 성형 사이클은, 원료의 충전-원료의 가열-성형-성형체의 냉각-취출의 단계를 거치므로, 압형법보다 단계가 증가하고, 그만큼, 1회의 성형 사이클에 요하는 시간이 길어진다. 이 때문에, 양산에 있어서는, 성형 사이클의 단축이 과제로 된다.

이러한 상황 하, 본 발명은 일본국 특개 2006-344581호 공보의 성형 사이클을 단축하여 양산성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 있어서는, 가열되어 유동 상태에 있는 원료의 성상(性狀)에 대해서 조사 연구하여 얻어진 지견에 의거하는 것으로서, 성형 시간의 단축 및 성형 사이클의 단축을, 압형을 개량함에 의한 성형 전의 원료의 가열 및 성형 후의 성형체의 냉각 시간의 단축이라는 2개의 관점에 의해 달성 가능하게 한 것을 골자로 한다.

구체적으로는, 본 발명의 제1의 소결 부품의 제조 방법은, 금속 분말에, 열가소성 수지와 왁스로 이루어지는 바인더를 40∼60체적% 첨가하고, 가열 혼련하여 원료를 조정하는 원료 조정 공정과, 소정량의 상기 원료를 압형의 형 구멍 내에 충전하는 충전 공정과, 상기 압형 내에 충전한 상기 원료를 펀치로 가압하여 원하는 형상으로 성형하는 가압 성형 공정과, 상기 가압 성형 공정 후에 얻어진 성형체를 상기 압형으로부터 빼내는 취출 공정과, 상기 압형으로부터 빼내진 성형체를 가열하여 상기 바인더를 제거하는 탈 바인더 공정과, 상기 탈 바인더된 성형체를 가열하여 분말끼리 확산 결합시키는 소결 공정을 구비하는 소결 부품의 제조 방법에 있어서, 상기 가압 성형 공정을, ΔP：펀치의 가압력(Pa), μ：점도(Pa·s), L：길이(m), De：상당 관 직경(m)으로 했을 때, 펀치의 이동 속도(U)를 하기 ［식 1］로 구해지는 속도 이하로 하여 가압 성형하는 것을 특징으로 한다.

U＝ΔP/(32μ×L)×De² …［식 1］

또한, 이 발명에서는, 상기 펀치의 이동 속도(U)를,［식 1］로 구해지는 값의 8할 이상의 속도로 성형하는 것을 바람직한 형태로 하고 있다.

또한, 성형 사이클의 단축을 달성하는 본 발명의 제2의 소결 부품의 제조 방법은, 금속 분말에, 열 가소성 수지와 왁스로 이루어지는 바인더를 40∼60체적% 첨가하고, 가열 혼련하여 원료를 조정하는 원료 조정 공정과, 소정량의 상기 원료를 압형의 형 구멍 내에 충전하는 충전 공정과, 상기 압형 내에 충전한 상기 원료를 펀치로 가압하여 원하는 형상으로 성형하는 가압 성형 공정과, 상기 가압 성형 공정 후에 얻어진 성형체를 상기 압형으로부터 빼내는 취출 공정과, 상기 압형으로부터 빼내진 성형체를 가열하여 상기 바인더를 제거하는 탈바인더 공정과, 상기 탈바인더된 성형체를 가열하여 분말끼리 확산 결합시키는 소결 공정을 구비하는 소결 부품의 제조 방법에 있어서, 상기 압형으로서 자성 금형재를 이용하여, 상기 형 구멍의 성형면을 따른 안쪽에 냉매를 흐르게 하는 냉각 수단을 설치함과 더불어, 상기 냉각 수단의 주위에 고주파 유도에 의한 가열 수단을 설치하고, 상기 충전 공정에 있어서 상기 압형 내에 충전된 원료를, 상기 가열 수단에 의해 상기 형 구멍을 가열함으로써 가열하고, 상기 가압 성형 공정에 있어서, 펀치를 서보 기구에 의해 구동하여 제어하고, 상기 가압 성형 공정 후에, 상기 냉각 수단에 의해 상기 압형의 형 구멍을 냉각함으로써 냉각한 후, 상기 취출 공정을 행하는 것을 특징으로 한 다.

또한, 본 발명의 제3의 소결 부품의 제조 방법은, 상기의 성형 시간의 단축과, 상기의 성형 전의 원료의 가열 및 성형 후의 성형체의 냉각의 시간의 단축을 함께 행하는 것이며, 금속 분말에, 열 가소성 수지와 왁스로 이루어지는 바인더를 40∼60체적% 첨가하고, 가열 혼련하여 원료를 조정하는 원료 조정 공정과, 소정량의 상기 원료를 압형의 형 구멍 내에 충전하는 충전 공정과, 상기 압형 내에 충전한 상기 원료를 펀치로 가압하여 원하는 형상으로 성형하는 가압 성형 공정과, 상기 가압 성형 공정의 후에 얻어진 성형체를 상기 압형으로부터 빼내는 취출 공정과, 상기 압형으로부터 빼내진 성형체를 가열하여 상기 바인더를 제거하는 탈 바인더 공정과, 상기 탈 바인더된 성형체를 가열하여 분말끼리 확산 결합시키는 소결 공정을 구비하는 소결 부품의 제조 방법에 있어서, 상기 압형으로서 자성 금형재를 이용하여, 상기 형 구멍의 성형면을 따른 안쪽에 냉매를 흐르게 하는 냉각 수단을 설치함과 더불어, 상기 냉각 수단의 주위에 고주파 유도에 의한 가열 수단을 설치하고, 상기 충전 공정에 있어서 상기 압형 내에 충전된 원료를, 상기 가열 수단에 의해 상기 형 구멍을 가열함으로써 가열하고, 상기 가압 성형 공정에 있어서, 펀치를 서보 기구에 의해 구동하여 제어하고, ΔP：펀치의 가압력(Pa), μ：점도(Pa·s), L：길이(m), De：상당 관 직경(m)으로 했을 때, 펀치의 이동 속도(U)를 상기 ［식 1 ］로 구해지는 속도 이하로 하여 가압 성형하고, 상기 가압 성형 공정 후에, 상기 냉각 수단에 의해 상기 압형의 형 구멍을 냉각함으로써 냉각한 후, 상기 취출 공정을 행하는 것을 특징으로 한다.

또한, 이 발명에 있어서도, 상기 펀치의 이동 속도(U)를, ［식 1］로 구해지는 값의 8할 이상의 속도로 성형하는 것을 바람직한 형태로 하고 있다.

본 발명에 의하면, 금속 분말에, 열 가소성 수지와 왁스로 이루어지는 바인더를 40∼60체적% 첨가하고, 가열 혼련하여 원료를 조정하는 원료 조정 공정과, 소정량의 원료를 압형의 형 구멍 내에 충전하는 충전 공정과, 압형 내에 충전한 원료를 펀치로 가압하여 원하는 형상으로 성형하는 가압 성형 공정과, 가압 성형 공정 후에 얻어진 성형체를 압형으로부터 빼내는 취출 공정과, 압형으로부터 빼내진 성형체를 가열하여 바인더를 제거하는 탈 바인더 공정과, 상기 탈 바인더된 성형체를 가열하여 분말끼리 확산 결합시키는 소결 공정을 구비하는 소결 부품의 제조 방법에 있어서, 충전 공정, 가압 성형 공정 및 취출 공정으로 이루어지는 성형 사이클을 단축할 수 있어, 소결 부품의 양산성의 향상에 기여한다는 효과를 발휘한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시 형태를 설명한다.

「원료의 성상」

최초에, 원료 분말의 가압 성형 시의 거동을 조사하기 위해 행한 실험의 결과를 기술한다. 금속 분말로서 평균 입경이 2㎛인 텅스텐 분말을 준비하고, 폴리아세탈계 수지와 파라핀 왁스를 주성분으로 하는 수지 바인더를 56vol% 혼합하고, 외경이 1.88mm이고 전체 길이가 2.97mm인 원주체 펠릿을 제작하여 원료를 준비했다. 또한, 직경이 2.08mm인 원형의 형 구멍을 가지는 다이스의 외주에 밴드 히터 를 부착하고, 다이스의 형 구멍에 하부 펀치를 슬라이드 가능하게 끼워맞추어, 인스트론(instron)형 시험기(시마츠 오토 그래프)에 재치함과 더불어, 상부 펀치로서 직경이 1.68mm와 1.88mm인 2종류의 것을 준비하고, 다이스의 형 구멍과 상부 펀치가 동 심(芯)이 되도록 배치하여 인스트론형 시험기에 부착하여 압형을 구성했다. 이 압형의 형 구멍에 원료를 투입하고, 밴드 히터에 의해 다이스와 원료를 433K로 가열한 후, 상부 펀치를 0.08mm/s의 속도로 강하시켜 원료의 가압 성형을 행하고, 두께가 0.1mm와 0.2mm인 바닥이 있는 원통상으로 가압 성형했다. 이 때의 성형 하중의 변화를 도 1에 도시한다. 또한, 도 1의 상단의 도면은, 가압 성형의 과정을 A∼E의 순서로 표시하고, 부호 31은 원료의 펠릿, 32는 형 구멍(32a)을 가지는 다이스, 33은 하부 펀치, 34는 상부 펀치를 각각 나타낸다. 또한, 도 2는 성형 과정 A∼E마다의 성형체의 사진을 나타내고 있다.

도 1에서, 상부 펀치의 이동 거리와 성형 하중의 관계에서는, 상부 펀치와 원료가 맞닿고(A), 상부 펀치의 강하에 수반되는 원료의 변형이 생겨, 원료가 형 구멍 벽면과 접촉하기(B)까지의 변형 초기(A∼B)와, 원료가 형 구멍 벽면과 접촉(B)한 후, 다시 원료가 변형하여 형 구멍 내에 충만한 상태로 되는 변형 중기(B∼C)와, 원료가 형 구멍 내에 충만(C)한 후, 박육부의 밀어냄(D)이 행해져, 가압 성형이 종료(E) 할 때까지의 변형 후기(C∼E)의 3단계를 거치는 것을 알 수 있다. 또한, 변형 초기(A∼B), 변형 중기(B∼C), 변형 후기(C∼E)의 각 단계에서, 각각 상부 펀치의 이동 거리에 대해서 성형 하중이 일정한 비율로 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 박육부의 두께가 0.1mm인 것과 0.2mm인 것에서는, 두께가 0.1mm인 것 에서는 박육부의 형성에 있어서의 하중이, 두께가 0.2mm인 것보다도 높고, 상부 펀치의 이동 거리가 증가함에 따라 하중의 증가량도 커지는 것을 알 수 있다.

또한, 도 1에서, 목표로 하는 바닥이 있는 원통 형상을 얻기 위해서 요하는 하중은, 두께가 0.2mm인 경우에 1.6N, 두께가 0.1mm인 경우에 2.6N 정도로, 압형법에 비해 매우 작은 압력으로 성형이 가능한 것을 알 수 있다. 본 실험에 있어서, 상부 펀치의 단면적은 두께가 0.1mm인 경우에 2.217㎟, 두께가 0.2mm인 경우에 2.776㎟ 정도이므로, 상부 펀치의 성형 압력은, 두께가 0.2mm인 경우에 0.72MPa, 두께가 0.1mm인 경우에 0.94MPa 정도이다.

그런데, 정상 압력으로 벌크 금속을 후방으로 밀어내는 경우는, 컨테이너(다이스)나 펀치 벽면부와 접촉한 부분에서 원료와 다이스의 미끄러짐이 발생하지 않으므로 밀어내기 압력(성형 하중)이 일정한 값을 나타내게 된다. 그러나, 상기의 실험에 있어서, 변형 후기(C∼E)에 발생하는 박육부의 밀어냄에 요하는 성형 하중은, 상부 펀치의 이동 거리의 증가에 수반하여 일정 비율로 증가하고 있고, 이 점이 정상 압력으로 벌크 금속을 후방으로 밀어내는 경우와는 명백하게 다른 거동을 나타낸다.

이 거동은, 박육부를 밀어내는 변형 후기에 있어서는, 항상 다이스와 원료의 미끄러짐을 수반하면서 박육부가 형성되므로, 상부 펀치의 이동 거리가 증가함으로써 마찰 면적이 증가하고, 그 결과, 성형 하중이 증가하는 것으로 생각되고, 나아가, 원료가 형 구멍 내에 충만한(C) 후에는, 반 용융된 원료가 액체로서 작용함으로써, 이러한 미끄러짐이 발생하는 것으로 생각된다. 따라서, 변형 초기부터 중 기(A∼C)에 걸쳐서는 혼련물의 변형 저항, 즉 고체의 소성 변형을 나타내고, 그 후의 박육부의 밀어내기(변형 후기：C∼E)에 걸쳐서는 혼련물의 점성, 즉 액체의 유동이 지배적으로 되는 리올로지(rheology) 변형 거동을 나타내는 것으로 생각된다.

여기서, 이 사고에 의거하여, 박육부의 두께가 0.1mm 및 0.2mm로 다른 경우의 변형 후기의 거동에 대해서, 압력 손실의 식(하겐·포아즈이유의 식)을 이용하여, 가압 성형 시에 있어서의 박육부 솟아오름량에 대한 박육부의 솟아오름에 요하는 하중을 계산했다. 그 결과를, 도 3에 도시한다. 또한, 압력 손실의 식은 하기 ［식 2］와 같다.

ΔP＝32μ×L×U/De² …［식 2］

여기서, ΔP：압력 손실(Pa), μ：점도(Pa·s), L：길이(m), U：유속(m/s)이고, 본 실험에 있어서 De：상당 관 직경(m)은, (형 구멍의 직경-상부 펀치의 직경)이며, 이는 즉 박육부의 두께(t)의 2배이다.

도 3에서, 박육부의 솟아오름량과 박육부의 솟아오름에 요하는 하중의 상관 관계는, 상기의 압력 손실의 식에 의한 계산치와 실측치가 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 이 결과에서, 바인더 성분의 융점 이상으로 충분히 가열되어 유동 상태에 있는 원료를, 유체로서 취급할 수가 있는 것이 확인되었다.

이상의 실험 결과에서, 금속 분말에 열 가소성 수지와 왁스로 이루어지는 바인더를 첨가하여 가열 혼련한 원료를, 열 가소성 수지의 연화점 이상의 온도로 가열하여 가압 성형하는 경우에는, 원료를 유체로서 취급할 수 있는 것, 및, 협소한 박육부에 있어서는 솟아오름량에 대한 솟아오름에 요하는 하중은 상기의 압력 손실의 식에 의해 구할 수 있다는 지견이 얻어졌다.

따라서, 바인더의 용융 상태에서 점도가 μ(Pa·s)인 원료를 이용하여, 성형체의 길이가 L(m)이며, 박육부(t)에 의한 상당 관 직경 De(m)의 성형체를 성형하는 경우에, 펀치의 가압력 ΔP(Pa)에 의해, 펀치의 이동 속도(U)(m/s)를 하기 ［식 1］로 구해지는 속도 이하로 조정하면, 유체로서 작용하는 원료가 박육부에서 충분히 솟아올라, 박육부를 충만시킬 수 있다. 이에 따라 양호한 성형체를 성형할 수 있다.

U＝ΔP/(32μ×L)×De² …［식 1］

또한, 펀치의 이동 속도(U)를 ［식 1］로 구해지는 속도보다 느리게 해도 양호한 성형체를 얻을 수 있는데, 펀치의 이동 속도(U)를 극단적으로 느리게 하면, 가압 성형 공정이 길어지므로 생산성이 저하한다. 이를 감안하여, 펀치의 이동 속도(U)는 느려도 ［식 1］로 구해지는 속도의 8할 이상의 속도로 하는 것이 바람직하다.

또한, 펀치의 가압력 ΔP를 증가시키면 펀치의 이동 속도(U)를 고속으로 할 수 있고, 이에 따라 성형 공정에 요하는 시간을 단축하는 것이 가능해진다.

그런데, 일반적인 밀도의 소결품을 압형법에 있어서 제조하는 경우에, 성형 압력은 500∼800MPa 정도이며, 고밀도의 소결품을 제조하는 경우에 있어서는, 1GPa를 넘는 경우도 있다. 한편, 본 발명과 같은, 유동 상태에 있는 원료를 가압 성형 하는 경우에는, 도 1로부터 알 수 있듯이, 상부 펀치의 성형 압력은, 두께가 0.2mm인 경우에 0.72MPa, 두께가 0.1mm인 경우에 0.94MPa 정도로, 압형법에 비하여 매우 작은 압력으로 성형이 가능하다. 따라서, 유동 상태에 있는 원료를 가압 성형하는 경우에는, 압형법으로 이용되는 것과 같은, 프레스 용량이 수십 t에서 수백 t의 고하중의 프레스 장치는 불필요함과 더불어, 프레스 장치를 소형화할 수 있다. 또한, 유동 상태에 있는 원료를 가압 성형하는 경우에는, 펀치의 가압력 ΔP와, 펀치의 이동 속도(U)를 정밀하게 제어할 수 있는 프레스 장치가 매우 적합하다. 이 때문에, 프레스 장치로서는 정밀한 스트로크 제어가 가능한 단축(單軸) 서보 프레스 방식의 것을 이용하는 것이 바람직하다.

「압형의 개량」

상기와 같이 압형으로는, 가압 성형 공정에 있어서, 펀치를 서보 기구에 의해 구동하여 정밀 제어하는 것이 바람직한데, 또한, 원료의 가열 및 성형 후의 성형체의 냉각에 요하는 시간의 단축을 도모하기 위해, 상대적으로 제어 곤란한 냉각 수단을 압형의 안쪽에 배치하고, 그 바깥쪽에 제어 용이한 고주파 유도에 의한 가열 수단을 배치한 구성의 압형으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 고주파 유도에 의한 가열 수단을 이용하므로, 표면 부근에 발생하는 와전류에 의해 압형의 형 구멍 표면이 직접 가열되고, 이 때문에 가열 시간이 대폭 단축된다. 또한, 냉매를 흐르게 하는 냉각 수단이 압형의 형 구멍 표면에 근접하여 매설되어 있으므로, 냉매를 흐르게 함으로써, 압형의 형 구멍 표면을 급속하게 냉각하는 것이 가능하다. 이러한 구성으로 함으로써, 압형의 가열과 냉각의 사이클 타임을 단축시키는 제어가 용 이해진다.

도 4A 및 4B는, 본 발명의 제조 방법을 실시하는데 매우 적합한 금형 및 이 금형으로의 성형품 1개를 취득하는 구조의 일실시 형태를 나타내는 단면도이며, 도 4A는 원료의 충전 상태, 도 4B는 성형 완료 시의 상태를 나타내고 있다. 동 도면에서 부호 1은 성형되는 원료, 부호 2는 원료(1)를 성형 가공한 후의 바닥이 있는 원통형상의 성형품, 부호 3은 내부에 원료가 삽입되는 성형용의 고정 금형(하형), 부호 4는 고정 금형(3)의 윗쪽에 설치되고, 원료(1)를 성형하는 가동 금형(상형)을 나타내고 있다.

고정 금형(3)에는, 중앙에 중공 구멍(5a)을 가지는 원통상의 압형(5)이 설치되어 있다. 압형(5)은 원료를 밀어내기 성형하는 금형 부품으로서, 열전도성이 양호한 금속이며, 또한 고주파 유도에 의해 가열되는 자성체(철 등)로 이루어지는 것으로, 가능한한 열용량을 작게 하기 위해서, 소질량·소체적으로 형성된다. 가동 금형(4)에는, 압형(5)의 중공 구멍(5a) 내에 하강하여 원료(1)를 밀어내기 성형하는 상부 인너 펀치(6)와, 밀어내기 성형된 원료(1)의 높이를 결정하는 상부 아웃터 펀치(7)가 각각 설치되어 있다.

도 4A의 부호 9는 압형(5)의 성형 표면(형 구멍 벽면)(5b)에 근접하여 매설된 냉각 수단이며, 내부를 냉수 등의 냉매가 흐르는 관형상체로 이루어지는 것이다. 또한, 냉각 시에 성형 표면(5b)의 온도 편차를 없애기 위해서, 도 4B에 나타내는 바와 같이, 냉각 수단(9)의 관형상체의 성형 표면(5b)까지의 거리(A)와, 관형상체의 세로 방향의 피치(B)가 거의 동일하게 설정되어 있다. 냉각 수단(9)의 관 형상체에는 냉각 시는 냉매(냉수)가 흐르는데, 성형품의 배출 시(후술)에는, 가압한 에어를 불어넣음으로써 냉수가 탈액 배출되어 중공 상태로 되고, 이 상태는 가열 시도 유지되도록 이용된다.

도 4A의 부호 8은, 상기 냉각 수단의 주위에 설치된 가열 수단이다. 이 가

열 수단(8)은, 고주파 유도 가열 코일(8a)을 절연물(8b) 내에 매설한 상태에서 냉각 수단의 주위에 감아 구성되어 있다. 고주파 유도 가열은 가열 능력이 크고 제어가 용이하므로, 냉각 수단보다 바깥쪽에 배치되어 있다. 부호 10은, 가압 성형되는 원료(1)를 받아 상부 인너 펀치(6)와 협동하여 원료(1)에 축방향으로의 가압력을 부여하는 하부 인너 펀치이다. 이 하부 인너 펀치(10)는, 성형 후에 냉각되어 고화한 성형품(2)을 압형(5)으로부터 밀어 올리는 기능도 가지고 있고, 상향의 화살표 방향으로 이동함으로써 중공 구멍(5a)으로부터 성형품(2)을 배출한다.

또한, 도 4A의 부호 11은, 고정 금형(3) 전체를 120℃로 보온하는 고정측 보온 히터이며, 부호 12는 가동 금형(4) 전체를 80℃로 보온하는 가동측 보온 히터이다. 따라서, 성형 작업 중, 압형(5)은 고정 금형(3)과 함께 120℃로 보온되고, 가동 금형(4)은 80℃로 보온된다. 또한, 부호 14는 압형(5)의 외주에 배치된 단열판이다. 이 단열판(14)에 의해, 압형(5)이 고정 금형(3)으로부터 열적으로 분산하고, 이 때문에 하형 전체의 열용량이 매우 작아진다. 또한, 압형(5)은 고정 금형(3)이 항상 120℃로 보온되므로, 공기 전파 등에 의해 동등한 온도로 유지되도록 되어 있다.

이상이 금형의 구성이며, 이 금형은 구성이 단순하므로, 염가이고 또한 메인 트넌스성이 향상된 것으로 된다.

도 5는, 금형의 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다. 동 도면에서 부호 20은 가동·고정의 양 금형(3, 4)의 구동 기구를 포함한 금형 제어 기구, 부호 21은 고정측 보온 히터(11), 가동측 보온 히터(12) 및 고주파 유도 가열 코일(8a)을 제어하는 가열 제어기이다. 또한, 가열 제어기(21)는, 고주파 유도 가열 코일(8a)을 약 25kHz의 주파수로 구동한다. 도 5의 부호 22는 냉각 수단(9)의 관형상체에 냉매나 에어를 공급하는 냉매/에어 제어기, 부호 23은 금형 제어 기구(20)의 동작을 제어하는 금형 제어기, 부호 24는 각 제어기를 제어하는 제어부이다.

상기 구성의 금형의 동작을, 도 4A, 4B, 및 도 6에 의거해 설명한다. 도 4A에서 원료(1)가 압형(5)의 중공 구멍(5a)에 삽입되고(도 6：원료 공급 TO∼T2), 동시에 고정 금형(3)의 압형(5)의 가열이 개시된다(도 6：T1∼T2). 이 가열은 고주파 유도 가열에 의하기 때문에, 가열 코일(8a)의 안쪽의 자성체인 압형(5)의 표면 부근에 발생하는 와전류에 의해, 압형(5)의 표면을 포함한 전체가 직접 가열된다. 따라서, 압형(5)의 성형 표면(5b), 즉 원료(1)에 접하는 표면이 직접 가열되므로, 원료(1)에 대해 고효율로 열을 전달할 수 있다.

이 때, 냉매/에어 제어기(22)에 의해, 냉각 수단(9)의 관형상체 내는 냉매(냉수)의 에어 분사로 탈액된 중공 상태이며, 이 때문에 압형(5)의 열용량이 작아지므로, 상기의 고효율 열전달과 더불어 120℃에서 150℃로의 30℃의 상승 시간이 대폭 단축된다(도 6：가열 공정 T1∼T4). 실시예에 의하면, 2∼3초에 120℃에서 150℃에 도달할 수 있었다.

도 6의 T4의 타이밍에 원료(1)가 150℃로 가열된 상태에 도달하면, 가동 금형(4)이 화살표 방향으로 하강하여 도 4B에 나타내는 하사점에 도달한 상태로 되고, 상부 인너 펀치(6)가 원료(1)를 밀어내기 성형하여, 상부 아웃터 펀치(7)가 성형품(2)의 높이를 규정한다(도 6：T4∼T5).

상기 T4∼T5의 성형 타이밍에서는, 병행하여 가열 수단(8)의 가열 동작이 정지하고, 냉각 수단(9)의 냉각 동작으로 바뀐다. 즉 냉각 수단(9)의 관형상체에 냉매로서 4℃의 냉수가 공급된다. 이 관형상체는 압형(5)의 성형 표면(5b)에 근접하여 매설되어 있으므로, 압형(5)의 안쪽으로부터 냉각이 개시되어 압형(5) 전체로 확산된다(도 6： 냉각 공정 T5∼T7). 이 냉각 공정에서 압형(5)을 150℃에서 120℃까지, 30℃만큼 강온시키는데, 압형(5)은 열 용량이 작고, 또한 안쪽으로부터 냉각되므로, 성형품(2)의 냉각이 고효율로 행해지고, 따라서 단시간에 강온시킬 수 있다. 실시예에 의하면, 냉수 4℃를 냉매에 이용한 경우, 약 3초에 30℃ 강온시킬 수 있었다.

다음에, 냉각에 의해 성형품(2)이 경화하면, 가동 금형(4)이 상승하여 도 4A에 표시하는 상사점으로 되돌아간 상태로 되고, 이어서 하부 인너 펀치(10)가 상향의 화살표 방향으로 이동하고(도 6：T8∼T9), 중공 구멍(5a)으로부터 성형품(2)을 윗쪽으로 밀어올려(도 6：T9∼T10), 도시하지 않은 기구에 의해 금형 외로 배출된다(도 6：T10). 이들 T8∼T10의 타이밍이 성형품 취출 공정이 된다.

이 성형품 취출 공정의 T8∼T10의 타이밍에 거의 병행하여, 냉각 수단(9) 내 의 냉매의 탈액이 이루어진다. 구체적으로는, 냉매/에어 제어기(22)의 제어에 의해 냉각 수단(9)의 관형상체에 에어를 불어넣어 냉수를 탈액 배출하고, 관형상체 내를 중공 상태로 한다. 이 탈액 후는, 다음의 원료(1)가 압형(5)에 공급되어 다음의 가열 공정에 구비되는 것인데, 냉각 수단(9)의 관형상체 내의 냉수가 보온열에 의해 가열된 상태에서 다음의 가열 공정에서 비등해 버릴 위험을 방지할 수 있다는 효과도 있다.

이상의 타이밍 TO∼T10이 성형의 1사이클을 구성하고, 가열·냉각을 고속으로 행함으로써, 성형 사이클 타임을 단축할 수 있다. 또한, 금형의 동작이 상하동작만으로 단순하고, 성형의 작업성 및 메인트넌스성이 향상됨과 더불어, 금형의 취급이 용이해진다.

또한, 두께가 0.2mm인 바닥이 있는 원통상의 성형체를 원료 조정 공정과, 충전 공정과, 가압 성형 공정을 거쳐 얻는 경우에, 상기의 ［식 1］에 의해, 상부 펀치의 강하 속도를 5mm/초까지 고속화하여 성형에 요하는 시간을 단축함과 더불어, 상기의 압형 구성에 의한 가열 공정 및 냉각 공정에 요하는 시간의 단축을 도모한바, 도 7에 도시하는 바와 같이, 원료의 충전-원료의 가열-성형- 성형체의 냉각-취출의 단계로 이루어지는 1회의 성형 사이클의 시간을, 통상의 압형법의 경우와 동일한 10초/사이클 정도로 달성 가능한 것이 확인되었다.

또한, 상기 사이클로 성형한 바닥이 있는 원통상 성형체를 탈 바인더하고, 소결한 소결 부품의 단면 사진을 도 8에 도시한다. 이 도 8의 사진에 의해, 두께가 0.2mm인 양호한 소결 부품이 얻어지는 것이 확인되었다.

도 1은 본 발명에 관한 성형 과정 A∼E의 모식도(상단의 도면) 및 상기 과정의 상부 펀치의 강하량과 성형 하중의 관계를 나타내는 그래프(하단의 그래프)이다.

도 2는 성형 과정 A∼E마다의 성형체를 나타내는 사진이다.

도 3은 가압 성형 시에 있어서의 박육부의 솟아오름량과 솟아오름에 요하는 하중과의 상관관계를, 실측치와 이론치로 나타내는 그래프이다.

도 4A 및 4B는 본 발명의 제조 방법을 매우 적합하게 실시하는 금형 및 상기 금형을 이용한 성형품 1개를 취득하는 구조의 일실시 형태를 나타내는 단면도이다.

도 5는 도 4A 및 4B에 나타낸 금형의 제어계를 나타내는 제어 블록도이다.

도 6은 도 4A 및 4B에 나타낸 금형의 동작을 나타내는 도면이다.

도 7은 일실시 형태의 1성형 사이클에 요하는 시간을 설명하는 도면이다.

도 8은 일실시 형태에 의해 얻어진 소결 부품의 단면 사진이다.

Claims

금속 분말에, 열 가소성 수지와 왁스로 이루어지는 바인더를 40∼60체적% 첨가하고, 가열 혼련하여 원료를 조정하는 원료 조정 공정과,

소정량의 상기 원료를 압형(押型)의 형 구멍 내에 충전하는 충전 공정과,

상기 압형 내에 충전한 상기 원료를 펀치로 가압하여 원하는 형상으로 성형하는 가압 성형 공정과,

상기 가압 성형 공정 후에 얻어진 성형체를 상기 압형으로부터 빼내는 취출 공정과,

상기 압형으로부터 빼내진 성형체를 가열하여 상기 바인더를 제거하는 탈바인더 공정과,

상기 탈바인더된 성형체를 가열하여 분말끼리 확산 결합시키는 소결 공정을 구비하는 소결 부품의 제조 방법에 있어서,

상기 가압 성형 공정을, ΔP：펀치의 가압력(Pa), μ：점도(Pa·s), L：길이(m), De：상당 관 직경(m)으로 했을 때, 펀치의 이동 속도(U)를 하기 ［식 1］로 구해지는 속도 이하로 하여 가압 성형하는 것을 특징으로 하는 소결 부품의 제조 방법.

U＝ΔP/(32μ×L)×De² …［식 1］
금속 분말에, 열 가소성 수지와 왁스로 이루어지는 바인더를 40∼60체적% 첨가하고, 가열 혼련하여 원료를 조정하는 원료 조정 공정과,

소정량의 상기 원료를 압형의 형 구멍 내에 충전하는 충전 공정과,

상기 압형 내에 충전한 상기 원료를 펀치로 가압하여 원하는 형상으로 성형하는 가압 성형 공정과,

상기 가압 성형 공정 후에 얻어진 성형체를 상기 압형으로부터 빼내는 취출 공정과,

상기 압형으로부터 빼내진 성형체를 가열하여 상기 바인더를 제거하는 탈바인더 공정과,

상기 탈바인더된 성형체를 가열하여 분말끼리 확산 결합시키는 소결 공정을 구비하는 소결 부품의 제조 방법에 있어서,

상기 압형으로서 자성 금형재를 이용하고,

상기 형 구멍의 성형면을 따른 안쪽에 냉매를 흐르게 하는 냉각 수단을 설치함과 더불어, 상기 냉각 수단의 주위에 고주파 유도에 의한 가열 수단을 설치하고,

상기 충전 공정에 있어서 상기 압형 내에 충전된 원료를, 상기 가열 수단에 의해 상기 형 구멍을 가열함으로써 가열하고,

상기 가압 성형 공정에 있어서, 펀치를 서보 기구에 의해 구동하여 제어하고,

상기 가압 성형 공정 후에, 상기 냉각 수단에 의해 상기 압형의 형 구멍을 냉각함으로써 냉각한 후, 상기 취출 공정을 행하는 것을 특징으로 하는 소결 부품 의 제조 방법.
금속 분말에, 열 가소성 수지와 왁스로 이루어지는 바인더를 40∼60체적% 첨가하고, 가열 혼련하여 원료를 조정하는 원료 조정 공정과,

소정량의 상기 원료를 압형의 형 구멍 내에 충전하는 충전 공정과,

상기 압형 내에 충전한 상기 원료를 펀치로 가압하여 원하는 형상으로 성형하는 가압 성형 공정과,

상기 가압 성형 공정 후에 얻어진 성형체를 상기 압형으로부터 빼내는 취출 공정과,

상기 압형으로부터 빼내진 성형체를 가열하여 상기 바인더를 제거하는 탈바인더 공정과,

상기 탈바인더된 성형체를 가열하여 분말끼리 확산 결합시키는 소결 공정을 구비하는 소결 부품의 제조 방법에 있어서,

상기 압형으로서 자성 금형재를 이용하고,

상기 형 구멍의 성형면을 따른 안쪽에 냉매를 흐르게 하는 냉각 수단을 설치함과 더불어, 상기 냉각 수단의 주위에 고주파 유도에 의한 가열 수단을 설치하고,

상기 충전 공정에 있어서 상기 압형 내에 충전된 원료를, 상기 가열 수단에 의해 상기 형 구멍을 가열함으로써 가열하고,

상기 가압 성형 공정에 있어서, 펀치를 서보 기구에 의해 구동하여 제어하고, ΔP：펀치의 가압력(Pa), μ：점도(Pa·s), L：길이(m), De：상당 관 직경(m) 으로 했을 때, 펀치의 이동 속도(U)를 하기 ［식 1］로 구해지는 속도 이하로 하여 가압 성형하고, 상기 가압 성형 공정 후에, 상기 냉각 수단에 의해 상기 압형의 형 구멍을 냉각함으로써 냉각한 후, 상기 취출 공정을 행하는 것을 특징으로 하는 소결 부품의 제조 방법.

U＝ΔP/(32μ×L)×De² …［식 1］
청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,

상기 펀치의 이동 속도(U)를, 상기 ［식 1］로 구해지는 값의 8할 이상의 속도로 성형하는 것을 특징으로 하는 소결 부품의 제조 방법.