KR20120032771A

KR20120032771A - 중공형 부품 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20120032771A
Application number: KR1020100094283A
Authority: KR
Inventors: 송준호; 김종하
Original assignee: 한국피아이엠(주)
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2010-09-29
Publication date: 2012-04-06
Also published as: KR101223750B1

Abstract

본 발명의 중공형 부품의 제조방법은 삽입 중자, 분말사출성형, 탈지, 소결 중공구조를 형성하기 위한 중자를 금형 내에 설치하고; 상기 금형에 원료분말 및 바인더가 혼합된 피드스탁을 투입하여 내부에 중자가 삽입된 성형체를 제조하고; 상기 성형체를 산과 접촉시켜 중자를 제거하고; 그리고 상기 중자가 제거된 성형체를 탈지 및 소결하는 단계를 포함하여 이루어지진다. 상기 방법은 내부에 관통 구멍이나 폐쇄된 구멍을 가진 구조물, 특히 언더컷이나 곡률반경을 갖고 있는 구멍, 불규칙한 형상을 갖는 구멍이 존재해서 일반적인 기계 가공으로는 제조가 불가능한 제품을 제조하는 데 적용할 수 있다.

Description

중공형 부품 및 그 제조방법{HOLLOW PARTS AND METHOD FOR PREPARING THE SAME}

본 발명은 내부 형상을 갖는 중공형 부품의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 내부에 곡률이나 불규칙한 형상을 갖는 관통 구멍이나 폐쇄된 구멍을 갖는 부품 및 그 제조방법에 관한 것이다.

튜브 형상의 구조물에서 이음매로 사용되는 Elbow 부품 등의 경우, 내부에 완만한 곡률을 주어 유체의 흐름을 원활히 하는 것이 필요하다. 그러나 이러한 부품의 제조시 기계적 가공을 통해서는 직각이나 특정 각도를 갖게 하는 것만이 가능하고 만나는 부위의 곡률을 완만하게 하는 것은 불가능하다. 따라서 유체의 흐름이 급격히 변하게 되어 흐름에 저항을 받거나 난류가 발생되는 등 문제가 되어 왔다.

또한 연료분사 노즐과 같은 부품의 경우, 0.1~0.2mm의 구멍이 각도를 갖고 존재하는데, 이는 통상 Fine Drill 등을 이용하여 가공을 통해 제조된다. 그러나 드릴 가공의 한계상 직경이 약 0.08mm 정도로 제한되어 있고 워낙 구멍의 직경이 작아서 Drill이 쉽게 파손되는 등 문제가 있으며 제품에서 다양한 각도를 주면서 가공하기가 용이하지 않은 문제점이 있다. 최근 연소실 내에 분사되는 연료의 양을 조절하여 완전 연소를 통한 연비 향상 및 배기 가스 저감을 위한 다양한 연구가 진행되고 있지만 제조 공정이 정밀 가공에 의존하고 있으므로 제조 가격이 고가이며 구멍의 크기 및 방향(각도)을 조절하는 데에도 기술적 한계가 있다.

상기 문제를 해소하기 위해 굽힘 가공 방법이 제시되었다. 그러나 굽힘 가공에 의해서는 소성가공에 의해 단면 두께가 얇아지고 고강도 소재의 경우에는 성형성의 저하로 튜브가 굽힘 가공 중 터지는 등의 문제점이 있다. 더구나 불규칙한 형상의 관통 구멍이나 특히 폐쇄된 내부 구조를 갖는 중공형 제품의 경우는 그 제조가 거의 불가능했다.

정밀 주조 등 주조 방법을 통해 소실 주형 등의 방법이 일부 적용되기는 하지만 이는 공정의 단계가 복잡하여 생산성에 문제가 있다.

이에 비하여, 비교적 최근에 상용화된 분말사출성형 공법에서는 유기 바인더를 담체로 이용하고 금속이나 세라믹 분말을 혼합함으로써 사출 성형이 가능한 유동성을 갖는 피드스탁을 제조하여 사출성형의 원료로 사용한다. 따라서 유기바인더에 의해 충분한 유동성이 부여되므로 사출성형을 적용하여 복잡한 형상의 제품 제조가 가능하다. 또한 사출성형 단계에서 이후 제거가 가능한 폴리머 재질의 삽입 중자(Insert Core)를 금형 내에 설치한 후 피드스탁으로 외부 표면을 사출성형하고 이후 탈지(Debinding) 공정에서 이를 제거함으로써 중공형 제품을 제조할 수 있다.

상기 중자의 제거 공정으로 종래에는 유기 용매를 이용하는 용매추출법, 소결과정에서 제거하는 방법, 가열에 의해 제거하는 방법 등이 제시되어 왔다.

그러나 상기의 방법들에 의해 중자를 제거할 경우 관통부의 표면에서 주름이 관찰되는 등 표면 특성이 저하되는 문제점이 있으며, 치수제어에도 많은 문제를 야기한다.

본 발명의 목적은 내부에 다양한 형상을 가진 - 완만한 곡률을 갖거나 심지어는 언더 컷 형상을 가진 - 중공형 부품 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 관통형 및 내부에 폐쇄된 구멍을 가진 중공형 부품 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 공정시간 및 에너지 면에서 유리한 중공형 부품의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 표면 특성이 우수한 중공형 부품의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 탈지 공정시 슬럼핑 현상이 발생하지 않는 중공형 부품의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 이 분야에서 종사하는 기술자들에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 하나의 관점은 중공형 부품의 제조방법에 관한 것이다. 상기 방법은 중공구조를 형성하기 위한 중자를 금형 내에 설치하고; 상기 금형에 원료분말 및 바인더가 혼합된 피드스탁을 투입하여 내부에 중자가 삽입된 성형체를 제조하고; 상기 성형체를 산과 접촉시켜 중자를 제거하고; 그리고 상기 중자가 제거된 성형체를 탈지 및 소결하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 중자는 산에 분해가능한 수지 성형체인 것이 사용될 수 있다.

구체예에서 상기 수지 성형체는 폴리아세탈(POM)을 포함할 수 있다.

상기 피드스탁은 고상율이 40 내지 70 %일 수 있다.

상기 피드스탁은 원료분말이 50 내지 70 부피 %일 수 있다.

상기 원료분말은 평균 입도가 0.5 내지 30 ㎛일 수 있다.

상기 원료분말은 세라믹 분말, 금속 분말 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

상기 바인더는 폴리아세탈을 함유하는 복합수지, 파라핀 왁스, 카나우바 왁스, 무정형 폴리알파올레핀 및 프로필렌계 중합체를 포함할 수 있다.

구체예에서, 상기 바인더는 폴리아세탈을 함유하는 복합수지 10 내지 50 중량%, 파라핀 왁스 20 내지 60 중량%, 카나우바 왁스 1 내지 20 중량%, 무정형 폴리알파올레핀 1 내지 20 중량% 및 프로필렌계 중합체 10 내지 30 중량%를 포함할 수 있다.

상기 폴리아세탈을 함유하는 복합수지는 폴리아세탈, 선형저밀도폴리에틸렌 및 스티렌계 수지를 포함할 수 있다.

상기 산은 황산, 질산, 염산, 옥살산 및 인산으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택될 수 있다.

구체예에서 상기 중자는 산 분위기에서 100-150℃의 온도 범위로 1~24시간 유지하여 제거될 수 있다.

구체예에서, 상기 중자가 제거된 성형체로부터 바인더를 제거한 후 소결할 수 있다.

본 발명의 다른 관점은 상기 방법에 의해 제조된 중공형 부품에 관한 것이다. 상기 중공형 부품은 중공부 표면조도(Rmax)가 1 내지 10s, 바람직하게는 3 내지 7s의 범위를 갖는다.

상기 중공형 부품은 특별한 제한이 없으며, 튜브 연결용 엘보우, 자동차용 연료분사 노즐, 각종 밸브류, 내부에 복잡한 유로를 가진 Liner Motion Guide나 각종 유압 부품 등과 같이 내부에 다양한 형상을 가진 중공형태를 가질 수 있으며, 완만한 곡률을 갖거나 심지어는 언더 컷 형상을 가질 수도 있다.

본 발명은 내부에 관통 구멍 혹은 폐쇄 구멍 형태의 구조를 갖는 부품에 있어서 자유 곡률이나 불규칙한 형상을 갖고 있어서 종래의 기계 가공으로는 제조가 불가능한 부품을 제공할 수 있고, 공정시간 및 에너지 면에서 유리하며, 표면 특성이 우수하고, 탈지 공정시 슬럼핑 현상이 발생하지 않는 중공형 부품의 제조방법을 제공하는 발명의 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 개략적인 공정도이다.
도 2는 실시예 1에 사용된 삽입 중자의 사진이다.
도 3은 실시예 1의 가열 스케쥴을 도시한 것이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 중공형 부품의 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 중공형 부품의 내부 단면 형상 사진을 나타낸 것이다.
도 6은 비교 실시예 1에서 제조된 중공형 부품의 내부 단면 형상 사진을 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 2에서 사용된 중자의 형상을 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 2의 가열 스케쥴을 도시한 것이다.
도 9는 실시예 2에서 제조된 연료분사 노즐의 단면도와 외형을 나타낸 사진이다.

본 발명의 중공형 부품은 금속 혹은 세라믹 분말을 적용한 분말사출성형물로서, 내부에 곡면이나 자유 형상을 가진 관통형 혹은 폐쇄형 구멍을 함유하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 개략적인 공정도이다.

상기 중공형 부품의 제조방법은 중공구조를 형성하기 위한 중자를 금형 내에 설치하고, 상기 금형에 원료분말 및 바인더가 혼합된 피드스탁을 투입하여 내부에 중자가 삽입된 성형체를 제조하고, 상기 성형체를 산과 접촉시켜 중자를 제거하고, 그리고 상기 중자가 제거된 성형체를 소결하는 단계를 포함하여 이루어진다.

금형내 중자 설치

본 발명에서 적용될 수 있는 금형기기는 일반적인 중공형 제품을 위한 분말사출성형기기가 모두 적용될 수 있으며, 특별한 제한이 없다.

상기 중자는 본 발명의 중공형 부품의 내부에 중공형상을 이루기 위한 성형체로서, 중자(Core) 혹은 삽입 중자(Insert Core)로 일컫는다.

본 발명에서는 중자를 산에 의해 제거하기 때문에, 중자용 재료는 산에 분해가능한 수지가 사용될 수 있다.

본 발명에서는 상기 수지로는 폴리아세탈(POM)을 포함하는 수지가 바람직하게 적용될 수 있다. 폴리아세탈(POM)은 기계적 강도와 탄성율이 크고, 내 크리프성이 높고 탄성회복이 양호하고, 내피로성이 좋고, 충격과 진동에 잘 견딜 수 있으며, 자기 윤활성과 우수한 내마찰 특성을 가지며, 표면경도가 높고 뛰어나며, 내화학약품성을 갖고, 광범위한 온도 범위에서 실용 가능하고, 습도, 수분의 영향을 거의 받지 않으며, 내수열성이 있고, 높은 치수 안정성과 뛰어난 성형 가공성을 가지고, 높은 탈지율과 분해 후 회분(Ash)이 남지 않는 장점이 있다.

상기 폴리아세탈은 옥시메틸렌 단독중합체, 옥시메틸렌 공중합체 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 구체예에서 상기 폴리아세탈은 옥시메틸렌 단위와 탄소수 2~8의 옥시알킬렌 단위를 함유할 수 있다. 구체예에서 상기 폴리아세탈은 옥시메틸렌 단위 60~100 중량% 및 탄소수 2~8의 옥시알킬렌 단위 0~40 중량%를 포함할 수 있다. 바람직하게는 옥시메틸렌 단위 75~95 중량% 및 탄소수 2~8의 옥시알킬렌 단위 5~25 중량%를 포함한다.

상기 폴리아세탈은 공지의 제조방법으로 제조할 수 있다. 하나의 구체예에서는 상기 옥시메틸렌 단독중합체는 무수 포름알데히드를 유기 아민 등의 염기성 중합촉매를 함유하는 유기용매에 가하고 중합시켜 얻어진 중합체를 예를 들면, 아세트산 무수물로 아세틸화시킴으로써 안정화시키는 방법으로 제조될 수 있다. 또한 옥시메틸렌 공중합체는 무수 트리옥산과 공중합 성분, 예를 들어 에틸렌 옥사이드 또는 1,3-디옥소란을 직접 중합시키거나 용매, 예를 들어 사이클로헥산 또는 벤젠 중에서 루이스산 촉매 예를 들어 삼불화붕소-디에틸 에테레이트를 사용하여 중합, 분해시킨 후 염기성 화합물을 사용하여 불안정한 말단을 제거하는 방법으로 제조될 수 있다.

다른 구체예에서는 상기 폴리아세탈(POM)과 함께 PE(Polyethylene), PP( Polypropylene), PS(Polystyrene), PMMA(Polymethyl methacrylate), TPU(Thermoplastic Polyurethane), PC(Polycarbonate) 등의 열가소성 수지를 1종 이상 혼합하여 사용될 수 있다.

상기 중자의 성형방법은 특별한 제한이 없으며, 압출성형, 사출성형, 블로우 성형 등의 방법이 모두 적용될 수 있다. 이중 바람직하게는 사출성형이다.

피드스탁 투입 및 성형체 제조

상기 피드스탁은 원료분말 및 바인더가 혼합된 것으로, 분말사출용 피드스탁이라면 모두 적용될 수 있다.

상기 원료분말로는 세라믹 분말, 금속 분말 또는 이들의 혼합물일 수 있다.

상기 원료분말은 평균 입도가 0.5 내지 30 ㎛, 바람직하게는 1 내지 20 ㎛, 더욱 바람직하게는 5 내지 15 ㎛일 수 있다. 상기 범위의 분말을 사용하여 제조한 피드스탁을 이용하면, 사출 성형시 탁월한 유동성을 제공하여 사출성이 우수하며 또한 높은 비표면적으로 인해 소결성이 높으므로 소결시 치밀화가 촉진되어 순수한 치밀화에 의해 높은 소결 밀도를 갖는 소결체 제조가 가능하다는 장점이 있다.

상기 피드스탁을 제조함에 있어 사출성형에 필요한 유동성이 확보되는 한 합금분말과 유기바인더의 부피비율(고상율)을 높이는 것이 유리하다. 그 이유는 합금분말간의 접촉빈도를 증가시켜 소결성을 촉진할 수 있으며 또 무엇보다도 유기바인더의 첨가량이 낮아지므로 탈지공정을 단축할 수 있고 탈지과정에서의 결함발생율을 낮출 수 있어 건전한 소결체 제조에 유리하기 때문이다. 본 발명에 적합한 고상율은 합금분말의 형상, 평균입도, 입도분포 그리고 유기바인더의 점도에 따라 달라질 수 있다. 구체예에서 상기 피드스탁의 고상율은 합금 분말의 탭 밀도에 해당되는 고상율보다 5% 내지 10% 정도 합금분말의 부피가 낮은 상태로 제조해서 사출성형에서 요구하는 유동성을 확보할 수 있다. 다른 한 구체예에서는 고상율이 40 내지 70%, 바람직하게는 50 내지 65 %로 한다. 고상률이 과다하게 높으면 높은 점도때문에 유동성이 낮아져서 사출성이 급격히 저하되며 반면에 고상률이 과다하게 낮으면 과잉으로 첨가된 유기바인더로 인해 사출체의 강도가 저하되어 형상변형이 발생하거나 사출성형 시 여분의 바인더가 금속분말입자들을 분리시켜 불균일한 사출성형체를 부분적으로 형성시켜 치수제어에 문제가 초래될 수 있다. 또한 과잉의 유기바인더로 인해 합금분말간의 간격이 증가되므로 탈지 공정 시에도 자중을 견디지 못해 형체가 일그러지는 슬럼핑 현상이 발생할 수도 있다. 나아가 탈지시간이 과도하게 길어져서 생산성이 저하되는 문제점이 발생한다. 또한 소결 공정 시에는 수축률이 커지므로 금형설계 시의 예상 수축률을 크게 벗어나게 되어 치수제어에 많은 문제를 야기하게 된다.

구체예에서 상기 피드스탁은 원료분말이 50 내지 70 부피 %일 수 있다.

한 구체예에서 상기 원료분말은 금속 분말이며, 크롬 10~40중량%, 니켈 10~40중량%, 니오비움 0.01~7중량%, 탄소 0.1~1.2중량%, 하프늄, 티타늄, 몰리브데늄, 바나듐, 텅스텐 및 지르코늄로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택된 금속 0.2~5중량%를 함유하고, 나머지가 철로 이루어질 수 있다. 상기 조성의 경우 우수한 내열성을 가질 수 있다.

다른 구체예에서는 상기 원료분말은 금속 분말이며, 크롬 10~40중량%, 니켈 10~40중량%, 몰리브데늄 0.2~5중량%, 규소 0.01~2 중량%, 망간 0.01~2 중량%, 구리 0.005~0.5 중량%, 탄소 0.005~0.3 중량%, 인, 황 중 하나 이상 선택된 금속 0.001~0.05중량%를 함유하고, 나머지가 철로 이루어질 수 있다.

또 다른 구체예에서는 상기 원료분말은 금속 분말이며, 니켈 45~80중량%, 크롬 5~20중량%, 알루미늄 1~10 중량%, 몰리브데늄 1~7중량%, 니오비움 0.01~5중량%, 티타늄 0.1~2 중량%, 산소 0.05~1 중량%, 탄소 0.05~1 중량%, 지르코늄 0.05~1 중량%, 붕소 0.001~0.05 중량%를 함유할 수 있다. 상기 조성에서 우수한 내열성을 가질 수 있다.

상기 금속이나 세라믹 분말은 바인더와 혼련하여 피드스탁으로 제조된 후, 사출성형된다.

구체예에서 상기 바인더는 분말사출성형이 가능한 통상의 열가소성 유기 바인더가 사용될 수 있다. 본 발명에서는 특별히 제한되지 않으나, 왁스 계열의 유기바인더가 바람직하게 사용될 수 있다.

하나의 구체예에서, 상기 바인더는 폴리아세탈을 함유하는 복합수지, 파라핀 왁스, 카나우바 왁스, 무정형 폴리알파올레핀 및 프로필렌계 중합체를 포함할 수 있다.

바람직하게는 상기 바인더는 폴리아세탈을 함유하는 복합수지 10 내지 50 중량%, 파라핀 왁스 20 내지 60 중량%, 카나우바 왁스 1 내지 20 중량%, 무정형 폴리알파올레핀 1 내지 20 중량% 및 프로필렌계 중합체 10 내지 30 중량%를 포함할 수 있다. 상기 조성에서 원료분말과 적합성이 보다 높아 결함의 발생율을 대폭 저하시킬 수 있으며, 정밀한 형상의 건전한 사출체를 제조할 수 있고 이후의 공정에서 우수한 탈지효과를 얻을 수 있으며, 중자제거 공정시 고온의 산에 의한 금속분말의 부식을 방지하는 효과가 탁월하다.

상기 복합수지는 폴리아세탈, 선형저밀도폴리에틸렌 및 스티렌계 수지를 포함할 수 있다. 구체예에서, 상기 복합수지는 폴리아세탈 30 내지 80 중량%, 선형저밀도폴리에틸렌 10 내지 60 중량% 및 스티렌계 수지 1 내지 30 중량%를 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 복합수지는 폴리아세탈 40 내지 70 중량%, 선형저밀도폴리에틸렌 20 내지 40 중량% 및 스티렌계 수지 5 내지 20 중량%를 포함할 수 있다. 상기 범위에서 우수한 사출성과 탈지 시 열변형이 발생되지 않는다.

상기 선형저밀도폴리에틸렌(이하, LLDPE)은 밀도가 0.913 내지 0.923 g/cm3인 것이 사용될 수 있다.

상기 스티렌계 수지는 주쇄에 스티렌을 함유하는 중합체로서, 폴리스티렌, 스티렌-아크릴로니트릴 공중합체, 스티렌-(메타)아크릴레이트 공중합체 등이 사용될 수 있다. 이중 바람직하게는 열분해 온도가 높고 용해 시의 열안정성, 유동성 등이 우수한 폴리스티렌(GPPS)을 사용할 수 있다.

상기 파라핀 왁스의 주성분은 직쇄상 파라핀계탄화수소 CH₃(CH₂)_nCH₃로 이루어지며, 탄소 원자수가 16?40에 분포하며 특히 20?30의 것이 바람직하게 사용될 수 있다.

상기 카나우바 왁스는 지방산 에스테르 80~85 중량%, 지방족 알코올 10~16 중량%, 지방산 3~6 중량%, 하이드로카본 1~3 중량%을 포함할 수 있다. 상기 카나우바 왁스는 녹는점이 60 ~ 90℃, 바람직하게는 80 ~ 90℃ 의 범위를 갖는 것이 사용될 수 있다.

상기 무정형 폴리알파올레핀(이하, Amorphous Poly-alpha-olefin, APAO)은 실질적으로 무정형이며, crystallinity을 갖지 않는다. 상기 무정형 폴리알파올레핀로는 에틸렌, 프로필렌 및 부텐의 중합체 또는 이들의 공중합체 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 구체예에서는 APP (amorphous polypropylene)와 amorphous butene polymer 등을 포함할 수 있으며, 이들의 혼합물도 사용될 수 있다. 상기 무정형 폴리알파올레핀은 용융점도가 190℃에서 300 내지 30,000 cP 이고, 수평균분자량이 1,000 내지 30,000 인 것이 사용될 수 있다. 다른 구체예에서는 연화점이 100 내지 170 ℃인 것이 사용될 수 있다. 상기 APAO는 α 올레핀을 지글러-나타 촉매를 사용하여 중합하여 제조될 수 있다.

상기 프로필렌계 중합체는 아이소택틱 프로필렌 호모 폴리머, 에틸렌-프로필렌 블록 또는 랜덤 공중합체, 고무변성폴리프로필렌 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 고무변성폴리프로필렌으로는 올레핀 성분을 포함하는 에틸렌 프로필렌 고무(EPR), EPDM, 분지형 올레핀 고무 EOR, EBR, 블록 공중합체형의 올페핀 고무 등의 고무로 변성된 폴리프로필렌이다. 상기 프로필렌계 중합체는 용융지수(MI)가 1 ? 20 g/10분(ASTM D1238, 230 ℃)인 것이 사용될 수 있다. 상기 범위를 갖는 폴리프로필렌을 사용할 경우, 우수한 사출작업성을 가질 수 있다.

구체예에서는 상기 원료 분말과 상기 바인더의 혼련은 120℃ 내지 190℃에서 1시간 내지 6시간 동안 혼련하여 피드 스탁을 제조할 수 있다.

상기 피드스탁을 제조하는 데에는 이중 유성 교반기(double planetary mixer), 쌍스크류 혼합기(twin screw mixer), 쌍캠 혼련기 (twin cam kneader), 혼련 압출기 (kneader extruder)와 같이 통상적으로 금속사출성형용 피드스탁 제조에 사용되는 어떠한 종류의 혼련기를 사용해도 무방하다. 이렇게 하여 제조된 피드스탁은 압출기 등을 이용해서 약 5mm 직경 전후의 크기를 갖도록 균일하게 알갱이 형태로 만들어 사용할 수도 있으며 괴상으로 굳힌 후에 파쇄기를 이용하여 알갱이 형태로 만들어 사용할 수 있다.

상기 세라믹 혹은 금속 분말과 상기 바인더를 혼련하여 제조된 피드스탁은 사출성형기에 장입한 후 사출온도 130 내지 180℃, 바람직하게는 140 내지 170 ℃에서 사출하여 원하는 부품형상을 갖는 성형체를 제조할 수 있다. 이때 사출압력 2 내지 30 MPa, 보압 0.5 내지 10 MPa 의 조건하에서 제조될 수 있다.

중자 제거

상기 사출된 성형체는 내부에 중자가 삽입되어 있으며, 중자 제거 공정을 통해 삽입된 중자를 제거할 수 있다. 종래에 상기 중자의 제거는, 헥산이나 헵탄 등의 유기 용매를 이용하는 용매추출, 불활성 Gas 중에서 가열하여 제거하는 방법 등이 사용되었다.

본 발명에서는 산을 활용한 촉매 추출 방법에 의해 피드스탁 중의 바인더 성분도 함께 제거하고 바로 소결 공정을 진행 할 수도 있다.

구체예에서는 상기 내부에 중자가 삽입된 분말사출된 성형체를 산과 접촉시켜 중자를 제거할 수 있다.

구체예에서 상기 중자는 산 분위기에서 100-150℃의 온도 범위로 1~24시간 유지하여 제거될 수 있다. 바람직한 구체예에서 상기 중자는 Oven에서 98% 질산이 기화되도록 100℃-130℃의 온도를 유지하면서 질소를 함께 흘려서 제품 내부에 존재하는 삽입 중자가 쉽게 분해될 수 있게 할 수 있다.

즉, 중자의 성분으로 포함되는 상기 POM(Polyacetal)은 가열된 산에 의해 C-O결합이 끊어져 HCHO 형태로 되고 상기 HCHO는 CO₂나 H₂O로 분해될 수 있다.

또한, 피드스탁에 포함된 바인더 내에도 POM(Polyacetal)이 한 성분으로 포함되어 이것이 삽입 중자 제거 동안에 함께 분해되어 제거되면 이후의 탈지 및 소결 공정 시간이 단축되어 유리하다.

상기 산은 황산, 질산, 염산, 옥살산 및 인산으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택될 수 있다. 바람직하게는 질산이 적용될 수 있다.

탈지 및 소결

상기 중자가 제거된 성형체는 탈지 공정을 통해 유기 바인더 성분을 제거할 수 있다. 또한 상기 탈지 공정은 소결 공정과 연속적으로 단일 가열과정에서 실시할 수도 있다.

상기 유기 바인더 성분의 제거는, 헥산이나 헵탄 용매를 이용하는 용매추출방법이나, 진공 중에서 가열하며 캐리어 가스를 흘리면서 탈지하는 진공탈지기술이나, 불활성 기체인 질소나 아르곤 가스를 흘리면서 가열함으로써 유기 바인더 성분을 증발 혹은 분해(degradation)시켜 제거하는 가열 탈지 방법 등 기존에 알려진 다양한 탈지 공정을 적용시켜 실시할 수 있다. 탈지공정은 사출성형체 내에 있던 바인더가 빠져나가면서 형상유지에 각별히 주의해야 할 과정이기 때문에, 열가소성 바인더의 특성과 금속분말특성을 잘 고려해서 치밀하게 그 스케줄을 짜야한다. 만일, 소결 전 탈지공정이 완벽하게 이루어지지 않으면, 피드스탁의 부피를 기준으로 30~50부피%로 채워진 바인더가 빠져나가면서 약해진 성형체에 결함이 쉽게 발생하게 되므로, 입자들 사이의 부서짐 없이 바인더가 잘 빠져나가도록 매우 섬세한 여러 단계의 과정을 거쳐야 하기에 탈지공정은 매우 어려운 기술 중의 하나이다.

본 발명의 한 구체예에서는 상기 탈지는 불활성 기체 하에서 가열하여 탈지할 수 있다. 바람직하게는 900℃ 까지 질소가스 혹은 아르곤 가스를 흘리면서 가열하여 탈지할 수 있다.

또한 중자에 PE(Polyethylene), PP( Polypropylene), PS(Polystyrene), PMMA(Polymethyl methacrylate), TPU(Thermo-plastic Polyurethane), PC(Polycarbonate) 등과 같은 다른 열가소성 수지가 포함될 경우 탈지 공정을 통해 상온~700℃ 구간을 0.1~1℃/min의 가열 속도로 불활성 가스 분위기에서 가열하는 과정 중에 제거될 수 있다.

상기 탈지공정을 거친 성형체는 소결 공정을 거친다. 구체예에서 상기 소결은 금속 혹은 세라믹 분말의 액상선 온도보다 5℃ 내지 100℃ 낮은 온도, 바람직하게는 20℃ 내지 80℃ 낮은 온도에서 소결할 수 있다.

구체예에서는 1100 내지 1500℃, 바람직하게는 1200 내지 1400℃, 더욱 바람직하게는 1250 내지 1350℃에서 1 내지 4 시간, 바람직하게는 1.5 내지 3.5 시간 동안 소결할 수 있다. 상기 범위에서 상대밀도 93~99%, 바람직하게는 95~99%의 고밀도화를 달성할 수 있고 우수한 생산능력을 갖는다. 다른 구체예에서는 소결 온도에서 초기에 진공 혹은 낮은 아르곤 분압을 유지하며 가열을 하여 소결을 할 수 있다. 구체예에서 상기 아르곤 분압은 0.5~50 torr, 바람직하게는 1~10 torr, 보다 바람직하게는 2~5 torr 범위로 조절한 진공 중에서 소결을 행할 수 있다.

본 발명에서는 소결공정 중에 분위기 가스를 적합하게 제어함으로써 소결체의 밀도를 높일 수 있다.

본 발명에서 적용될 수 있는 중공형 부품은 특별한 제한이 없으며, 내부에 다양한 형상을 가진 중공형태를 가질 수 있으며, 완만한 곡률을 갖거나 심지어는 언더 컷 형상을 가질 수도 있다. 예를 들면 튜브 연결용 엘보우, 미세 구멍을 갖는 자동차용 연료분사 노즐, 각종 밸브류, 내부에 복잡한 유로를 가진 Liner Motion Guide나 각종 유압 부품 등이 모두 제작 가능하다.

또한 본 발명의 중공형 부품은 중공부의 표면조도(Rmax)가 1 내지 10s, 바람직하게는 3 내지 7s의 범위로 매끄러운 표면을 갖는다. 상기 Rmax는 최대 피크(peak)와 최저 골(valley)간의 차이이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

실시예 1

POM(Polyacetal) Pellet을 이용하여 도 2의 형상을 가진 삽입 중자를 사출성형하고 이를 미리 제작한 사출성형용 금형에 장착하였다. 상기 금형에 하기 방법으로 제조된 피드스탁을 투입하였다.

피드스탁 제조

표 1에 나타난 바와 같이 SUS316L 조성을 가지며, 구형에 가까운 형상을 갖고 평균 입도가 8㎛인 스테인레스강 합금분말을 원료로 하고, 파라핀왁스 35%, 카나우바 왁스 5%, 폴리알파올레핀(무정형) 10%, 프로필렌 중합체 20%, 폴리아세탈 함유 복합수지 30% 의 조성을 갖는 왁스계열의 열가소성 유기바인더를 이용하여 160℃에서 가압 혼련하여 피드스탁을 제조하였다. 이때 고상율은 63%로 하였다. 제조된 피드스탁을 파쇄기를 이용하여 알갱이 형태로 파쇄한 후 사출성형기에 장입하여 분말사출성형을 하였다.

성분, 중량%
C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Cu	Fe
0.026	0.77	0.79	0.016	0.008	12.55	16.45	2.10	0.04	bal

이와 같은 과정으로 제조한 사출성형체를 Oven에 장입하여 질소가스를 분당 10리터를 흘려주면서 순도 98% 질산을 0.7g/min 주입하여 제품 내부에 삽입된 중자를 제거하였다. 이 때 분위기 온도는 130℃에서 5시간 유지한다. 이렇게 삽입 중자를 제거한 후 부풀음이나 크랙 등의 결함이 발생하지 않도록 도 3에 도시된 가열 스케쥴에 따라 승온 속도를 조절하면서 600℃까지 가열해서 유기바인더를 제거하여 탈지체로 만들었다.

이어서 유기바인더를 제거한 탈지체를 도 3의 가열 스케쥴에 의해 소결온도인 1350℃로 가열하여 치밀화를 유도하였다. 이때 10^-3 torr 이하의 진공 하에서 가열이 이루어지도록 하여 소결을 촉진시켰다. 고진공 상태 하에서 소결을 진행시키면 합금성분 중 크롬성분의 과도한 휘발이 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위해 10 torr 내지 50 torr 정도로 유지되도록 아르곤가스를 충진시켰다. 그리하여 밀도가 97.3%인 고밀도 소결체를 제조하였다. 이때 선수축률은 14.5%이었다.

도 4는 상기 방법에 의해 소결처리를 마친 소결체의 형상을 나타낸 것이다. 도 5는 상기 부품의 단면을 나타낸 사진으로 내부에 존재하던 중자가 완전히 제거되어 완만한 곡률을 가진 관통 구멍이 형성된 것을 확인할 수 있다. 관통 구멍 내부에 대하여 Mahr사에서 제조된 표면조도 측정기(CD-120)를 사용하여 표면조도를 측정하였으며 측정된 Rmax가 6.3s 이었다.

비교실시예 1

질산으로 삽입 중자를 제거하는 처리를 하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다. 제조된 부품의 단면 사진은 도 6에 나타내었다. 관통 구멍 내부에 대하여 Mahr사에서 제조된 표면조도 측정기(CD-120)를 사용하여 표면조도를 측정하였으며 측정된 Rmax가 12.5s 이었다.

상기 실시예 1 및 비교실시예 1에서 제조된 부품에 대하여, 관통 구멍 내부를 관찰한 결과 실시예 1(도 5)에서는 관통 구멍의 표면이 매우 매끄러운 반면(Rmax: 6.3s) 비교 실시예 1(도 6)에서는 약간의 주름이 관찰되는(Rmax: 12.5s) 등 실시예 1의 경우가 비교 실시예 1에 비해 관통 구멍의 표면 특성이 우수할 것임을 알 수 있다.

실시예 2

POM(Polyacetal) Pellet을 이용하여 도 7의 형상을 가진 삽입 중자를 사출성형하고 이를 미리 제작한 사출성형용 금형에 장착하였다. 상기 금형에 하기 방법으로 제조된 피드스탁을 투입하였다.

피드스탁 제조

표 2에 나타난 바와 같이 Inconel713 내열강 조성을 가지며, 구형에 가까운 형상을 갖고 평균 입도가 8㎛인 내열강 합금분말을 원료로 하고, 파라핀왁스 35%, 카나우바 왁스 5%, 폴리알파올레핀(무정형) 10%, 프로필렌 중합체 20%, 폴리아세탈 함유 복합수지 30% 의 조성을 갖는 왁스계열의 열가소성 유기바인더를 이용하여 160℃에서 가압 혼련하여 피드스탁을 제조하였다. 이때 고상율은 60%로 하였다. 제조된 피드스탁을 파쇄기를 이용하여 알갱이 형태로 파쇄한 후 사출성형기에 장입하여 분말사출성형을 하였다.

성분, 중량%
C	O	Cr	Mo	Al	Ti	B	Zr	Nb	Ni
0.15	0.28	12.7	4.43	6.13	0.96	0.014	0.14	2.4	72.796

이와 같은 과정으로 제조한 사출성형체를 Oven에 장입하여 질소가스를 분당 10리터를 흘려주면서 순도 98% 질산을 0.7g/min 주입하여 제품 내부에 삽입된 중자를 제거하였다. 이 때 분위기 온도는 130℃에서 6시간 유지한다. 이렇게 삽입 중자를 제거한 후 부풀음이나 크랙 등의 결함이 발생하지 않도록 도 8에 도시된 가열 스케쥴에 따라 승온 속도를 조절하면서 600℃까지 가열해서 유기바인더를 제거하여 탈지체로 만들었다.

이어서 유기바인더를 제거한 탈지체를 도 8의 가열 스케쥴에 의해 소결온도인 1300℃로 가열하여 치밀화를 유도하였다. 이때 10^-3 torr 이하의 진공 하에서 가열이 이루어지도록 하여 소결을 촉진시켰다. 고진공 상태 하에서 소결을 진행시키면 합금성분 중 크롬성분의 과도한 휘발이 발생할 수 있으므로 이를 방지하기 위해 10 torr 내지 50 torr 정도로 유지되도록 아르곤가스를 충진시켰다. 그리하여 밀도가 96.5%인 고밀도 소결체를 제조하였다. 이때 선수축률은 15.3%이었다.

도 9는 상기 방법에 의해 소결처리를 하고 외면 가공까지 마친 연료분사 노즐의 형상을 나타낸 것이다.

이상 첨부된 도면 및 표를 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

Claims

중공구조를 형성하기 위한 중자를 금형 내에 설치하고;
상기 금형에 원료분말 및 바인더가 혼합된 피드스탁을 투입하여 내부에 중자가 삽입된 성형체를 제조하고;
상기 성형체를 산과 접촉시켜 중자를 제거하고; 그리고
상기 중자가 제거된 성형체를 탈지 및 소결하는;
단계를 포함하여 이루어지는 중공형 부품의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 중자는 산에 분해가능한 수지 성형체인 것을 특징으로 하는 중공형 부품의 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 수지 성형체는 폴리아세탈(POM)을 포함하는 것을 특징으로 하는 중공형 부품의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 피드스탁은 고상율이 40 내지 70 %인 것을 특징으로 하는 중공형 부품의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 피드스탁은 원료분말이 50 내지 70 부피 %인 것을 특징으로 하는 중공형 부품의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 원료분말은 평균 입도가 0.5 내지 30 ㎛인 것을 특징으로 하는 중공형 부품의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 원료분말은 세라믹 분말, 금속 분말 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 중공형 부품의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 바인더는 폴리아세탈을 함유하는 복합수지, 파라핀 왁스, 카나우바 왁스, 무정형 폴리알파올레핀 및 프로필렌계 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공형 부품의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 바인더는 폴리아세탈을 함유하는 복합수지 10 내지 50 중량%, 파라핀 왁스 20 내지 60 중량%, 카나우바 왁스 1 내지 20 중량%, 무정형 폴리알파올레핀 1 내지 20 중량% 및 프로필렌계 중합체 10 내지 30 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공형 부품의 제조방법.
제8항에 있어서, 상기 폴리아세탈을 함유하는 복합수지는 폴리아세탈, 선형저밀도폴리에틸렌 및 스티렌계 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공형 부품의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 산은 황산, 질산, 염산, 옥살산 및 인산으로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 중공형 부품의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 중자는 산 분위기에서 100-150℃의 온도 범위로 1~24시간 유지하여 제거되는 것을 특징으로 하는 중공형 부품의 제조방법.
제1항 내지 제12항중 어느 한 항의 방법에 의해 제조되는 중공형 부품.
제13항에 있어서, 상기 중공형 부품은 중공부 표면조도(Rmax)가 1 내지 10s인 중공형 부품.