KR20110023182A - 금형용 날짜표시구 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금형용 날짜표시구의 제조방법에 관한 것으로, 그 구성은 스테인리스 금속분말과 열가소성 바인더를 혼련하여 사출성형용 피드스탁을 생성하는 것으로, 혼련온도는 150 내지 210℃를 유지하고, 혼력속도는 700 내지 800알피엠(rpm)을 유지하여 1.5 내지 3시간 동안 혼련하는 혼련단계(S1);와, 상기 피드스탁을 사출성형기에 주입하고, 상기 사출성형기에 주입된 피드스탁을 사출금형에 충진하여 사출성형하는 것으로, 사출속도는 10 내지 40mm/s, 사출압력은 1000 내지 2500kgf를 유지하고, 상기 사출금형의 온도는 20 내지 40℃로 유지하는 사출성형단계(S2);와, 상기 사출성형단계(S2)에서 생성된 사출성형 결과물에서 열가소성 바인더를 제거하는 탈지단계(S3);와, 상기 열가소성 바인더를 제거한 결과물의 고밀도화를 위한 소결단계(S4);로 된 것을 특징으로 하는 것으로서,

금속분말 사출성형을 통해 높은 형상비의 제품 성형이 가능하며, 생산성 향상은 물론 뛰어난 정밀도와 균질의 물성을 갖춘 날짜표시구 제품의 생산이 가능하여 경제적 이익창출을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

금형용 날짜표시구, 스테인리스, 금속분말, 바인더, 제조방법

Description

금형용 날짜표시구 및 그 제조방법{The Date Marking Method By Powder Injection Molding}

본 발명은 금형용 날짜표시구 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속분말 사출성형을 통해 높은 형상비의 제품 성형이 가능하며, 생산성 향상은 물론 뛰어난 정밀도와 균질의 물성을 갖춘 날짜표시구 제품의 생산이 가능하여 경제적 이익창출을 극대화할 수 있는 금형용 날짜표시구 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 날짜표시구는 자동차용 사출금형, 단자용 사출금형, 전자용 사출금형 등에 활용되는 표시구로서, 그 구조를 상세히 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이 실린더 형상의 외부코어(1)와, 상기 외부코어(1)의 내부에 회전 가능하게 끼워지며, 상면에 화살표홈(3)이 형성된 내부코어(2)로 구성되며, 드라이버 등을 상기 화살표홈(3)에 삽입하여, 상기 화살표홈(3)을 회전시켜서 날짜를 맞추게 된다.

이러한, 날짜표시구(10)는 다양한 금형에 사용이 되어오고 요즘같이 부품의 제조방법이 기계가공이 아닌 사출방식으로 변함에 따라 다양하고 많은 형태의 날짜표시구의 사용량이 증가하고, 이에 따른 빠른 생산성이 요구되고 있다.

하지만, 종래의 금형용 날짜표시구 제조방법 및 이에 의해 생산된 날짜표시구(10)는 아래의 요구사항을 전부 만족시키지 못하는 문제점이 있었다.

먼저, 종래 금형용 날짜표시구 제조 방법은, 기계가공 후 방전공정을 거쳐 제조를 하였다. 이 방법은 하나하나의 부품을 CNC선반으로 가공하고 이후 가공된 부품을 글짜부를 만들기 위한 동 또는 카본 소재로 가공된 전극을 이요하여 방전공정을 그쳐 제조가 되었다. 정확한 치수 구현을 할 수 있다는 장점이 있지만, 생산속도가 느려 생산성이 없으며 이로 인해 가격이 매우 높다. 그리고 다양한 형상을 하기에 적합하지 않아 현재는 기성화 되어 있어 사용자의 욕구를 충족시키지 못하고 있다.

이에 따라, 기계가공 후 방전공정을 그치는 제품의 이러한 문제점을 개선하기 위해 고속 가공기를 통해 방전공정을 없애고 기계가공만으로 제조하는 방식을 도입하여 제조를 하고 있지만, 이 경우 한 공정이 작업시간의 증가로 제조량이나 작업시간에 큰 효과를 가져 올 수 가없었으며 특히 가공의 자유도가 낮아 다양한 제품을 제조 하기는 더욱더 어렵다.

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 금속분말 사출성형을 통해 높은 형상비의 제품 성형이 가능하며, 생산성 향상은 물론 뛰어난 정밀도와 균질의 물성을 갖춘 날짜표시구 제품의 생산이 가능하여 경제적 이익창출을 극대화할 수 있는 금형용 날짜표시구 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 금형용 날짜표시구의 제조방법은 스테인리스 금속분말과 열가소성 바인더를 혼련하여 사출성형용 피드스탁을 생성하는 것으로, 혼련온도는 150 내지 210℃를 유지하고, 혼력속도는 700 내지 800알피엠(rpm)을 유지하여 1.5 내지 3시간 동안 혼련하는 혼련단계(S1);와, 상기 피드스탁을 사출성형기에 주입하고, 상기 사출성형기에 주입된 피드스탁을 사출금형에 충진하여 사출성형하는 것으로, 사출속도는 10 내지 40mm/s, 사출압력은 1000 내지 2500kgf를 유지하고, 상기 사출금형의 온도는 20 내지 40℃로 유지하는 사출성형단계(S2);와, 상기 사출성형단계(S2)에서 생성된 사출성형 결과물에서 열가소성 바인더를 제거하는 탈지단계(S3);와, 상기 열가소성 바인더를 제거한 결과물의 고밀도화를 위한 소결단계(S4);를 포함하여 구성되되,

상기 피드스탁의 전체중량에 대해, 상기 스테인리스 금속분말은 85 내지 95 중량부, 상기 열가소성 바인더는 5 내지 15 중량부가 포함되는 것을 특징으로 한 다.

또한, 상기 열가소성 바인더의 부피를 기준으로, 60 내지 70%는 왁스계 바인더가 포함되어 사용됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 스테인리스 금속분말은 상기 피드스탁의 부피를 기준으로 50 내지 70% 부피비율로 혼련되며, 상기 스테인리스 금속분말 입경은 1 내지 10㎛이고, 탭밀도는 2 내지 5 g/cc인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 혼련단계(S1)를 거친 피드스탁을 조립기에 투입하여, 직경은 4 내지 6mm, 길이는 7 내지 9mm의 일정한 크기를 갖는 과립들로 형성함으로, 상기 사출기 안에서 균일한 양으로 장입될 수 있고, 균일하게 용융되면서 이동될 수 있도록 하는 펠레타이징단계(S5);를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탈지단계(S3)는 열분해 방법에 의해 이루어지는 것으로, 600 내지 900℃ 범위의 탈지 최고온도조건을 1 내지 2시간 동안 유지시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 소결단계(S4)는 1250 내지 1350℃ 범위의 소결 최고온도조건을 1 내지 2시간 동안 유지하여, 상기 금형용 날짜표시구의 상대밀도가 95 내지 99%로 고밀도화되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 금형용 날짜표시구는 상대밀도가 95 내지 99%인 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 금형용 날짜표시구 및 그 제조방법에 의하 면, 금속분말 사출성형을 통해 높은 형상비의 제품 성형이 가능하며, 생산성 향상은 물론 뛰어난 정밀도와 균질의 물성을 갖춘 날짜표시구 제품의 생산이 가능하여 경제적 이익창출을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금형용 날짜표시구의 제조방법을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금형용 날짜표시구의 제조방법을 도시한 것으로, 금형용 날짜표시구의 제조방법의 블럭도를 나타낸 것이다.

상기 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 금형용 날짜표시구의 제조방법은, 스테인리스 금속분말과 열가소성 바인더를 혼련하여 사출성형용 피드스탁을 생성하는 것으로, 혼련온도는 150 내지 210℃를 유지하고, 혼련속도는 700 내지 800알피엠(rpm)을 유지하여 1.5 내지 3시간 동안 혼련하는 혼련단계(S1);와, 상기 피드스탁을 사출성형기에 주입하고, 상기 사출성형기에 주입된 피드스탁을 사출금형에 충진하여 사출성형하는 것으로, 사출속도는 10 내지 40mm/s, 사출압력은 1000 내지 2500kgf를 유지하고, 상기 사출금형의 온도는 20 내지 40℃로 유지하는 사출성형단계(S2);와, 상기 사출성형단계(S2)에서 생성된 사출성형 결과물에서 열가소성 바인더를 제거하는 탈지단계(S3);와, 상기 열가소성 바인더를 제거한 결과물의 고밀도화를 위한 소결단계(S4);를 포함하여 구성되되,

상기 피드스탁의 전체중량에 대해, 상기 스테인리스 금속분말은 85 내지 95 중량부, 상기 열가소성 바인더는 5 내지 15 중량부가 포함되는 것을 특징으로 한 다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 금형용 날짜표시구의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.

최근 금형용 날짜표시구는 높은 경도가 요구되므로 가공이 쉬고 열처리가 용이한 Fe계의 금속소재가 요구되어 왔다. 본 발명의 실시예에서는 이런 요구와는 별개로 분말성형을 하여 제조를 하므로 내식성이 우수하고 고경도의 소재를 바로 사용이 가능하여 금형용 날짜표시구의 까다로운 요구 성능을 만족시킬 수 있다.

1) 금속분말 선택

금속분말 사출성형공법을 통한 금형용 날짜표시구의 기능을 만족시키기 위해 사출 전 금속분말의 특성을 파악하여 최적의 금속분말을 선정하는 것이 매우 중요하다. 가장 이상적인 금속분말은 혼합과 사출성형을 위해서는 낮은 표면 에너지를 가져야 하며 소결을 위해서는 반대로 높은 표면 에너지를 가져야 한다. 따라서, 혼합과 사출성형을 위해서는 구형분말이 적합하고 소결을 위해서는 표면적이 큰 불규칙한 분말이 적당하다. 이러한 두가지 요건을 동시에 충족시키기 위해서는 구형분말을 미세하게 만드는 것이 매우 중요하다.

상기 사출성형단계(S2)에서 불규칙한 모양의 분말을 사용하게 되면, 바인더의 제거 후 성형체의 강도는 증가되나 충전밀도는 감소하게 된다. 반면에 구형인 분말을 사용하면 충전밀도가 증가하기 때문에 바인더의 양을 감소시킬 수 있으며, 소결 후 치수변화를 최소화 할 수 있다. 또한, 높은 충전밀도로 성형체 강도를 증가시킬 수 있기 때문에 금속분말 사출성형공법에서는 구형 분말이 바람직하다. 본 발명의 실시예에 적용한 금속분말로는 아래의 [표 1]과 같이 구형이면서 미세한 분말을 사용한다.

※ 금속분말의 형상 및 탭밀도, 입도

재 종	분말형상	탭밀도(Tap Density)	분말입도
스테인리스 스틸	구 형	2 내지 5 g/cc	1 내지 10㎛

2) 열가소성 바인더 선택

열가소성 바인더로는 금형용 날짜표시구의 재료로 사용되는 미세한 구형의 스테인리스 금속분말에 맞는 바인더를 적용한다. 상기 사출성형단계(S2)에서 원하는 형상으로 피드스탁을 균일하게 충전시키고 소결이 시작될 때까지 사출성형된 형상을 유지하도록 하는 중간 매개체인 바인더는 최종 제품에는 거의 존재하지 않지만, 혼련단계(S1), 사출성형단계(S2), 탈지단계(S3) 및 소결단계(S4) 내의 금속분말 확산 전의 저온에서의 승온과정 등에 있어 없어서는 안 될 매우 중요한 인자이다.

이러한, 바인더의 기본 요건을 살펴 보면, 열가소성 바인더는 i) 상기 혼련단계(S1)에서 금속분말과 잘 적셔져서 액상혼합이 균일하게 이루어져야 하고, ii) 상기 사출성형단계(S2)에서는 금형 공간에 혼합된 분말과 유동성 좋게 흘러들어가야 하며, iii) 사출성형 후, 상기 탈지단계(S3)에서는 사출성형 결과물에서 손쉽게 제거될 수 있어야 한다.

아울러, 바인더의 가장 중요한 역할 중의 하나는 바인더와 금속분말 사이에서 내부 결합을 이루어 혼합체인 피드스탁의 점도를 줄임으로써, 사출성형 시의 유동성을 향상시키고 고상률(solid loading, 금속분말의 부피분율)을 증가시켜 소결 시의 수축율을 낮추어 소결성을 향상시키며 제품의 치수제어를 용이하게 해 주는 것이다.

또한, 피드스탁이 결함없이 혼합과 성형이 효과적으로 이루어지도록 하기 위해서는 여러 가지 유동특성을 만족해야 한다. 유동특성은 열가소성 바인더의 종류, 사출성형 시의 온도, 변형률, 고상률, 금속분말 특성 등에 의존한다.

일정한 고체상의 함량에서 낮은 점성을 갖는 피드스탁은 낮은 점성을 갖는 바인더, 즉 비교적 저분자량을 갖는 바인더를 적용함으로써 확보할 수 있으며, 이러한 바인더로서는 왁스계 바인더가 있다. 이러한 이유로 본 발명의 실시예에서는 파라핀왁스(paraffin wax) 등을 사용한 왁스계 바인더를 적용하되, 일반적으로 순수한 왁스계 바인더만 사용하게 되면 바인더의 역할이 불충분하기 때문에 폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM), 폴리에틸렌(polyethylene, PE) 등의 고분자 재료를 전체 열가소성 바인더의 부피를 기준으로 하여 30~40 부피% 선택적으로 첨가하여 사용한다. 즉, 본 실시예에서 상기 열가소성 바인더로는, 전체 바인더 부피를 기준으로 60~70 부피%의 왁스계 바인더를 주된 바인더 성분으로 하여 여기에 상기 고분자 재료를 첨가한 바인더를 사용한다.

Ⅰ. 혼련단계(S1)

사출성형 시 장입재료로 쓰이는 피드스탁의 여러 가지 변수 중에서 가장 중요한 요소 중의 하나는 금속분말과 열가소성 바인더의 조성을 결정하는 원료 혼련 기술이다. 고상률이 과다하게 높으면 높은 점도때문에 사출성형성이 급격히 떨어진다.

즉, 열가소성 바인더의 양이 감소하게 되면 점도가 높아지게 되어 금형 내에서의 피드스탁의 유동성이 떨어지고 피드스탁 내에 기공(pore)이 형성되어진다. 반면에 고상률이 과다하게 낮으면 상대적으로 다량인 바인더로 인해 탈지단계(S3)가 길어지게 되고, 온도가 올라감에 따라 바인더가 과다한 곳에서 갑자기 입자가 가라앉거나 이동되기 때문에 가소결되기도 전에 형상유지력을 잃어 성형체가 부서지게 되며, 소결단계(S4)에서는 수축률이 커지므로 금형설계 시의 예상 수축률을 크게 벗어나게 되어 치수제어에 많은 문제를 야기하게 된다. 뿐만 아니라, 사출성형 시 여분의 바인더가 금속분말입자들을 분리시켜 불균일한 사출성형체를 부분적으로 형성시켜 치수제어에 문제를 초래하게 된다.

따라서, 가장 이상적인 피드스탁의 배합은 금속분말들이 점결합을 이루고, 바인더 내에 기공이 존재하지 않는 상태이다. 본 발명의 실시예에서는 이러한 이상적인 피드스탁 제조와 무결점의 제품 성형을 위해 아래와 같은 혼련조건을 제시한다.

이를 구체적으로 살펴보면, 스테인레스 금속분말과 열가소성 바인더의 혼합단계(S1)를 통해 생성된 피드스탁이 사출성형단계(S2)에 적합한 유동성을 갖는 최적의 고상 충진량을 갖도록 설정하기 위해, 특정 온도에서 분말의 부피 백분율(%) 첨가에 따른 혼련 과정에서의 토크(torque)변화값을 조사하였다. 토크값이 급속히 높아지는 임계조건에서 액상 유기 바인더의 함량이 결핍되기 시작하여 윤활성이 현저히 저하되고 사출성이 확보되지 못하게 되는데, 본 발명의 실시예에서는 스테인레스 금속분말이 피드스탁의 부피를 기준으로 50 내지 70% 부피의 비율로 혼련되도록 하여 적정 사출성을 확보한다.

또한, 혼련 시 온도변화에 따른 토크변화를 조사(Torque(N*m) Vs Temp.(℃))하여 적정 사출온도를 결정하는 실험을 실시하였으며, 이를 통해 사출에 적합한 온도로서 가장 낮은 토크값을 나타내는 150 내지 210℃를 산출하였다.

상술한 바와 같이 사출성형단계(S2) 등에 적합한 특성을 가지는 피드스탁을 생성하기 위한 적정 혼련조건을 산출하였는 바, 아래의 [표 2]에 표시된 바와 같다.

※ 혼련조건

작업변수	혼련속도	혼련온도	혼련시간
조건	700 내지 900RPM	150 내지 210℃	1.5 내지 3시간

Ⅱ. 펠레타이징단계(S5)

상기 혼련단계(S1)에서 잘 만들어진 피드스탁이 나오면 식혀서 작은 과립형 덩어리로 만들어야 한다. 사출성형 전, 혼련에서 나온 피드스탁을 펠릿(과립) 형태로 만들어 사용하는 목적은 크게 두 가지로, (1) 일정한 사이즈를 갖게 하여 사출기 안에서 균일한 양으로 장입될 수 있고 균일하게 용융되면서 이동될 수 있도록 한다는 점과, (2) 재활용 재료가 다시 사출성형단계(S2)에 쓰일 수 있도록 한다는 점이다.

금속분말 사출성형공법은 이러한 재활용으로 인해 경제적인 면에서 매우 유리하다. 본 발명의 실시예에서 펠릿(과립) 사이즈는 직경 4 내지 6mm, 길이 7 내지 9mm으로 균일하게 제작함이 바람직하다.

상기와 같이 설명된 펠레타이징 조건을 정리하면 [표 3]과 같다.

※ 펠레타이징 조건

작업변수	스크류 속도	커터속도	히터 온도
조건	60~65RPM	10~15RPM	80~85

Ⅲ. 사출성형단계(S2)

상기 사출성형단계(S2)의 목적은 기공이나 다른 결함이 존재하지 않고 원하는 제품형상으로 금속분말이 균일하게 분산된 사출성형 결과물을 얻는 것이다. 이 목적을 충족시키기 위해, 우선 상기 혼련단계(S1)를 통해 제조된 피드스탁을 과립 형태로 사출성형기에 투입하고 사출성형기의 가열 실린더 내 온도를 상승시켜 피드스탁에 포함된 왁스계 바인더가 유동성을 가지도록 사출성형기의 배럴온도를 상승시킨다.

상기 사출성형단계(S2)에서의 사출온도와 사출압력은 금형 내의 스프루(sprue), 러너(runner), 게이트(gate) 등의 굵기 내지 직경, 길이 등과 더불어 중요한 사출성형의 변수가 된다. 즉, 사출성형은 사출기의 배럴 안에 있는 펠릿형태의 피드스탁의 용융으로부터 공정이 시작된다. 배럴 안에서 왕복회전운동을 하는 스크류는 장입된 피드스탁을 채우고 균질화시키며 혼합체에 압력을 가한다. 즉, 사출성형단계(S2)는 용융된 피드스탁을 금형 안으로 밀어넣기 위해서 배럴 안에 있는 스크루가 앞으로 전진함으로써 이루어진다. 금형은 금형의 캐비티에 막 들어와 충진되어지는 피드스탁보다 차갑기 때문에 점점 온도가 떨어져 점도가 증가하게 된다. 따라서, 점도를 보상하기 위해 일정한 금형온도의 유지뿐만 아니라, 피드스탁이 다 충진될 때까지 지속적으로 압력(사출압력,보압)이 증가되어야 한다. 충진이 완료되어 성형이 이루어진 후에 피드스탁의 열은 금형을 통해 빠져나가게 된다. 어느 정도 냉각되어 단단해진 사출성형 결과물을 인출하기 위해 금형을 개방하였을 때, 상기 사출성형 결과물의 형상을 유지하기 위해서 밀핀(ejecting) 시의 온도는 피드스탁의 임계유동온도보다 낮아야 한다.

본 발명의 발명자는 사출성형시 사출성형 결과물의 밀도구배를 없애고 기포를 없애기 위한 최적의 사출조건의 조사 및 사출공전 전의 원료배합 조절에 많은 시간과 노력을 투자했다. 고상률이 높으면 점도가 증가하여 사출성형 시 높은 사출압력이 필요하다. 높은 사출압력은 점성을 변화시키고 금속분말과 바인더를 분리시킨다. 또한, 점성은 온도와 변형률에 민감하기 때문에 금형의 기하학적인 형태에 따른 유동성은 연속적으로 변화한다. 이렇게 사출조건이 불완전하게 되면 피드스탁은 금형 안에서 밀도구배를 갖고 충진될 것이고, 이는 최종적인 소결단계(S4)에서 치수변형으로 이어진다.

그러므로, 본 발명의 실시예에서는 균일한 충진밀도와 기포방지의 효과를 얻기 위해 최적의 고상률, 사출온도, 사출압력, 금형 구조(특히, 스프루, 러너, 게이트의 사이즈, 가스빼기)의 선정 및 습도관리 등에 신중을 기했다. 사출공정에 적합한 배럴의 온도는 약 150 내지 210℃범위가 적당한 것으로 나타났으며, 아래의 [표 4]에서와 같은 사출조건을 제시한다.

※ 적정사출조건

제어변수	사출속도	사출압력	금형온도
입력값	10 내지 40mm/s	1000 내지 2500kgf	20 내지 40℃

Ⅳ. 탈지단계(S3)

상기와 같이 사출성형된 결과물은 바인더를 제거하기 위해 탈지단계(S3)을 수행하며, 이러한 탈지단계(S3)는 소결 후 완성품의 품질에 큰 영향을 미치는 요소가 된다. 본 발명의 실시예에서는 사출성형 결과물에 대해 바인더의 열중량분석(TGA, Thermal Gravimetric Analysis)과 시차열분석(DTA, Differential Thermal Analysis)을 수행하였으며, 그 결과에 아래에 설명될 [표 5]의 결과를 도출하였다.

상기 탈지단계(S3)는 사출성형 결과물 내에 잔존하는 바인더가 제거되면서 형상유지에 각별히 주의해야 할 과정이기 때문에, 열가소성 바인더의 특성과 금속분말특성을 잘 고려해서 치밀하게 그 스케줄을 짜야한다. 만일, 소결 전 탈지단계(S3)가 완벽하게 이루어지지 않으면, 피드스탁의 부피를 기준으로 30 내지 50% 부피비율로 채워진 바인더가 빠져나가면서 약해진 사출성형 결과물에 결함이 쉽게 발생하게 되므로, 입자들 사이의 부서짐 없이 바인더가 잘 빠져나가도록 매우 섬세한 여러 단계의 과정을 거쳐야 하기에 탈지단계(S3)는 매우 어려운 공정 중의 하나이다.

본 발명의 실시예에서는 열분해(Thermal decomposition)를 통해 바인더를 제거하는 탈지단계(S3)을 수행한다. 열분해 탈지단계(S3)는 탈지로 내에 장입한 사출성형 결과물을 서서히 가열하여 바인더를 열분해를 통하여 기화 증발시키는 방법이다.

본 발명의 실시예에서는 기화된 바인더를 운반(carrier)하여 외부로 보내는 역할과 사출성형 결과물의 산화를 방지해 주는 역할을 담당하는 탈지로의 분위기 가스로 수소를 선정한다. 열분해법에서는 바인더와 금속분말 특성을 잘 파악하여 탈지스케줄을 잘 짜는 것도 중요하지만, 기화된 바인더가 탈지로에 충만하거나 역류하지 않고 신속히 외부로 배출되게 하는 캐리어 가스의 역할도 중요하다.

상기 열분해법에서는 바인더를 가열할 때 가열온도에 따른 기화 제거량의 관계가 직선적으로 증가되는 것이며 이러한 이상적인 관계를 갖도록 몇 가지 바인더 성분을 혼합 사용한다. 탈지 공정 시 바인더 내의 여러 성분이 점차적으로 배출되는데 상대적으로 저온 상에 제거되는 성분이 충분히 배출되는 동안 남아있는 다른 바인더 성분들이 제 위치에 고정되어 사출성형 결과물의 형상을 유지시킨다. 일반적으로 첫 번째 조성의 바인더가 제거될 때, 부피변화가 작게 일어나면 사출성형 결과물의 변형을 최소화 할 수 있다.

여기서, 바인더가 사출성형 결과물로부터 배출되는 과정을 두 가지 형태로 나누어 소개하면, 바인더가 액체상으로 내부에서 표면까지 이동한 후 표면에서 기체로 증발하는 것과 내부에서부터 기체로 제거되는 것으로 나눌 수 있다. 왁스계 바인더는 전자에 속하고 수지계 바인더는 후자에 속한다. 왁스계 바인더를 적용하는 경우 기화제거가 성형품의 표면 혹은 표면 근처에서 일어나기 때문에 증발속도가 크더라도 성형품의 파괴가 적게 되는 장점이 있다.

본 발명의 실시예에서는 상술한 바와 같이 열가소성 바인더가 왁스계 바인더를 포함하도록 구성하였으며, 열분해 곡선을 이용하여 바인더의 상변태가 시작되는 온도의 전후로 탈지시간을 길게 유지시켜 주고 무게변화가 시작되는 온도부터 승온 속도를 천천히 하여 바인더의 급격한 이탈로 인한 전극제품의 변형이나 결함이 발생하지 않도록 한다. 이에 따라, 탈지단계(S3)에서의 최고 온도 및 유지 조건, 탈지율 등에 대한 최적의 공정 조건을 아래의 [표 5]와 같이 도출하였다.

※ 탈지조건 및 탈지율

제어변수	최고온도	유지시간	탈지율
입력값	600 내지 900℃	1 내지 2시간	90% 이상

Ⅴ. 소결단계(S4)

본 발명의 실시예에서 상기 탈지단계(S3)를 거친 사출성형 결과물은 상기 소결단계(S4)를 거침으로써, 상대밀도 95 내지 99%의 고밀도 날짜표시구의 제조가 가능하다. 여기서, 상대밀도(relative density)라 함은 이론밀도에 대비한 소결체의 밀도를 나타내는 것으로서, 이때 이론밀도(theoretical density, 진밀도)는 금속의 내부에 기공 등의 결함이 전혀 없을 때의 밀도를 나타낸다. 즉, 상기 소결단계(S4) 이후의 결과물의 내부에는 기공이 존재하는바, 상대밀도는 이론밀도에 대비한 결과물의 밀도를 표시할 때 사용한다.

소결은 원자레벨에서의 열적인 활성화된 분말의 확산과정이며, 결과적으로 분말입자의 비표면적을 감소시킨다. 그로 인해 금속분말입자 간의 접촉면적이 증가하여 치밀화가 이루어지면서 탈지에 의해 생긴 기공 면적이 소결에 의해 감소함으로써 결과물이 수축되어 고밀도화가 이루어진다.

본 발명의 실시예에서의 소결을 하는 주된 목적은 다공성을 가진 결과물를 소결을 통해 고밀도화시켜 궁극적으로 요구되는 물성의 금형용 날짜표시구 제품을 만드는데 있다. 소결 조건은 금속분말의 재종과 분말의 입도, 형상 및 입도분포 그리고 성형체를 제조하기까지의 여러 공정을 고려해서 최적으로 선정한다.

특히, 본 발명의 실시예에서의 소결의 최대 목적인 상대밀도 95 내지 99%의 고밀도화를 달성하기 위해 입도 크기, 소결의 승온속도, 온도, 시간, 소결 분위기 등이 중요한 파라미터가 된다. 또한, 소결단계(S4)에서는 치밀화를 위해 사출성형 결과물 대비 14%이상의 수축이 일어나므로 날짜표시구 부품 자체의 균일한 치밀화한 배치 전체의 재현성 높은 소결 조건을 유지하기 위해 승온속도, 유지시간, 소결온도 영역에서의 소결로 내 온도분포를 면밀히 조사하여 제품을 배치하는 간격을 정하는 것 등도 중요하다.

소결 최고온도 1250 내지 1350℃에서 1 내지 2시간 유지하는 조건으로 상대밀도 95 내지 99%를 달성할 수 있고, 이로 인해 뛰어난 생산능력을 확보할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 아래의 [표 6]에서와 같이 소결 조건을 설정하였다.

※ 소결 조건 및 상대밀도

제어변수	최고온도	유지시간	상대밀도
입력값	1250 내지 1350℃	1 내지 2시간	95 내지 99%

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 금형용 날짜표시구의 제조방법에 따르면, 금속분말과 열가소성 바인더를 혼련하여 피드스탁을 생성하는 혼련단계(S1)와, 상기 피드스탁을 사출성형하는 사출성형단계(S2)와, 사출성형 결과물에서 열가소성 바인더를 제거하기 위한 탈지단계(S3)와, 제품의 고밀도화를 위한 소결단계(S4)을 통해서 고밀도의 금형용 날짜표시구 제조할 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 금속분말 사출성형을 통해 높은 형상비의 제품 성형이 가능하며, 생산성 향상은 물론 뛰어난 정밀도를 갖춘 날짜표시구 제품의 생산이 가능함으로, 경제적 이익창출을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 금형용 날짜표시구(미도시)는 상기의 제조방법을 통해서 제조되는 것으로, 상대밀도가 95 내지 99%인 것을 특징으로 한다.

여기서, 본 발명의 금형용 날짜표시구의 형상 및 구조는 종래의 날짜표시구(10)와 동일함으로 별도로 도시하지 아니한다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것으로 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 사상을 해치지 않는 범위 내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명에서 권리를 청구하는 범위는 상세한 설명의 범위 내로 정해지는 것이 아니라 후술되는 청구범위와 이의 기술적 사상에 의해 한정될 것이다.

도 1은 종래의 금형용 날짜표시구를 도시한 사시도

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금형용 날짜표시구의 제조방법을 도시한 블럭도

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1. 외부코어 2. 내부코어

3. 화살표홈 10. 금형용 날짜표시구

S1. 혼련단계 S2. 사출성형단계

S3. 탈지단계 S4. 소결단계

S5. 펠레타이징단계

Claims (7)

1. 금형용 날짜표시구의 제조방법에 있어서,

   스테인리스 금속분말과 열가소성 바인더를 혼련하여 사출성형용 피드스탁을 생성하는 것으로, 혼련온도는 150 내지 210℃를 유지하고, 혼력속도는 700 내지 800알피엠(rpm)을 유지하여 1.5 내지 3시간 동안 혼련하는 혼련단계(S1);

   상기 피드스탁을 사출성형기에 주입하고, 상기 사출성형기에 주입된 피드스탁을 사출금형에 충진하여 사출성형하는 것으로, 사출속도는 10 내지 40mm/s, 사출압력은 1000 내지 2500kgf를 유지하고, 상기 사출금형의 온도는 20 내지 40℃로 유지하는 사출성형단계(S2);

   상기 사출성형단계(S2)에서 생성된 사출성형 결과물에서 열가소성 바인더를 제거하는 탈지단계(S3); 및

   상기 열가소성 바인더를 제거한 결과물의 고밀도화를 위한 소결단계(S4);를 포함하여 구성되되,

   상기 피드스탁의 전체중량에 대해, 상기 스테인리스 금속분말은 85 내지 95 중량부, 상기 열가소성 바인더는 5 내지 15 중량부가 포함되는 것을 특징으로 하는 금형용 날짜표시구의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 열가소성 바인더의 부피를 기준으로, 60 내지 70% 부피비율로 왁스계 바인더가 포함되어 사용됨을 특징으로 하는 금형용 날짜표시구의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 스테인리스 금속분말은,

   상기 피드스탁의 부피를 기준으로 50 내지 70% 부피비율로 혼련되며,

   상기 스테인리스 금속분말 입경은 1 내지 10㎛이고, 탭밀도는 2 내지 5 g/cc인 것을 특징으로 하는 금형용 날짜표시구의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 혼련단계(S1)를 거친 피드스탁을 조립기에 투입하여, 직경은 4 내지 6mm, 길이는 7 내지 9mm의 일정한 크기를 갖는 과립들로 형성함으로, 상기 사출기 안에서 균일한 양으로 장입될 수 있고, 균일하게 용융되면서 이동될 수 있도록 하는 펠레타이징단계(S5);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금형용 날짜표시구의 제조방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 탈지단계(S3)는 열분해 방법에 의해 이루어지는 것으로, 600 내지 900℃ 범위의 탈지 최고온도조건을 1 내지 2시간 동안 유지시키는 것을 특징으로 하는 금형용 날짜표시구의 제조방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 소결단계(S4)는 1250 내지 1350℃ 범위의 소결 최고온도조건을 1 내지 2시간 동안 유지하여, 상기 금형용 날짜표시구의 상대밀도가 95 내지 99%로 고밀도화되는 것을 특징으로 하는 금형용 날짜표시구의 제조방법.
7. 스테인리스의 재료로 제작되는 금형용 날짜표시구에 있어서,

   상기 금형용 날짜표시구의 상대밀도가 95 내지 99%인 것을 특징으로 하는 금형용 날짜표시구.

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