KR20150011809A - 혼합분말의 고밀도 성형방법 및 고밀도 성형장치 - Google Patents

혼합분말의 고밀도 성형방법 및 고밀도 성형장치 Download PDF

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가즈히로 하세가와
요시키 히라이
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아이다 엔지니어링, 엘티디.
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Abstract

기금속분말과 저 융점의 윤활제 분말의 혼합물인 혼합분말(100)을 제 1 금형(21D)에 충전하고, 제 1 가압력을 인가하여 혼합분말 완성 압축체(120)의 형태에 비교하여 가압방향으로 돌출하는 돌출부분(110A)을 갖는 형태의 혼합분말 중간 압축체(110)를 성형하고, 이 혼합분말 중간 압축체(110)를 가열하여 혼합분말 중간 압축체(110)의 온도를 당해 윤활제 분말의 융점 상당 온도로 적극적으로 승온하고, 제 2 금형(41D) 내에서 승온된 혼합분말 중간 압축체(110)에 제 2 가압력을 인가하여 돌출부분(110A)을 가압방향으로 압착하여 압축하면서 성형하여 고밀도이며 원하는 형태의 혼합분말 완성 압축체(120)를 완성한다.

Description

혼합분말의 고밀도 성형방법 및 고밀도 성형장치{DEVICE FOR HIGH-DENSITY MOLDING AND METHOD FOR HIGH-DENSITY MOLDING OF MIXED POWDER}
본 발명은 혼합분말을 2회의 가압에 의해 고밀도(예를 들어 7.75g/㎤)의 압분체(green compact, 壓粉體)를 성형할 수 있는 고밀도 성형방법 및 고밀도 성형장치에 관한 것이다.
일반적으로 분말야금기술은 금속분말을 가압(압축)하여 소정의 형상의 압분체로 성형처리하고, 이어서 압분체를 당해 금속분말의 융점 근방의 온도로 가열하여 입자 간 결합(고화)을 촉진하는 소결처리를 실행하는 일련의 기술이다. 이에 의해 형상이 복잡하고 치수가 고정밀도인 기계부품을 저비용으로 제조할 수 있다.
기계부품의 더한층 소형화 및 경량화라는 요청에 수반하여 압분체의 기계적 강도의 향상이 요구된다.
다른 한편, 압분체를 고온 분위기에 쬐면 자기특성이 열악화하는 것으로 알려져 있다. 이런 이유에서 예를 들어 자심용 압분체의 실제 제조에 있어서는 그 후의 고온처리(소결처리)를 생략하는 경우가 있다. 환언하면, 고온처리(소결처리)를 하지 않아도 기계적 강도를 높일 수 있는 방법이 모색되고 있다.
여기서, 기계적 강도는 압분체의 밀도를 높임에 따라서 대폭(쌍곡선적)으로 높아지는 것으로 되어 있다. 대표적인 고밀도화 방법으로는 금속분말에 윤활제를 혼합시킴으로써 마찰저항력의 감소를 도모하면서 가압성형하는 방법이 제안(예를 들어 일본국 특개 평1-219101호 공보(특허문헌 1))되어 있다. 일반적으로는 기 금속분말(basic metal powder)에 약 1중량%(1wt%)의 윤활제를 혼합한 혼합분말을 가압성형한다. 더더욱 고밀도화를 지향하는 수많은 제안이 이루어져 있다. 이들 제안은 윤활제 자체의 개선과 가압성형·소결처리에 관한 프로세스의 개선으로 대별된다.
전자에 속하는 것으로는 윤활제를 볼 형상 탄소분자와 판 형상 탄소분자를 조합한 탄소분자 복합체로 하는 제안(일본국 특개2009-280908호 공보(특허문헌 2)), 25℃에서의 침입도(penetration)가 0.3~10㎜인 윤활제로 하는 제안(일본국 특개2010-37632호 공보(특허문헌 3))을 들 수 있다. 모두 금속분말기리 및 금속분말과 금형의 마찰저항력을 감소시킨다는 생각이다.
후자에 속하는 것으로는 온간 성형·소결 분말 야금방법(일본국 특개평2-156002호 공보(특허문헌 4)), 핸들링 용이화 전치 온간 성형 분말 야금방법(일본국 특개2000-87104호 공보(특허문헌 5)), 2회 프레스 - 2회 소결 분말 야금방법(일본국 특개평 4-231404호 공보(특허문헌 6)) 및 1회 성형 - 소결 분말 야금방법(일본국 특개2001-181701호 공보(특허문헌 7))이 알려져 있다.
처음의 온간 성형·소결 분말 야금방법은 고체 윤활제 및 액체 윤활제를 혼합한 금속분말을 예열함으로써 윤활제의 일부(또는 전부)를 용해시키고 또한 입자 간에 윤활제를 분산시킨다. 이에 의해 입자 간 및 입자·금형 간의 마찰저항력을 낮춤으로써 성형성을 향상하려고 하는 것이다.
핸들링 용이화 전치 온간 성형 분말 야금방법은 온간 성형공정에 앞서 혼합분말을 가압하여 핸들링 가능한 저밀도(예를 들어 밀도 비가 76% 미만)의 1차 성형체를 성형하는 1차 성형공정을 마련하고, 이 1차 성형체를 청열취성(blue shortness)이 발생하는 온도보다 저온 상태이면서 또한 1차 성형체를 일단 붕괴시키면서 2차 성형공정을 실시하여 2차 성형체(압분체)를 얻는 것이다.
2회 프레스 - 2회 소결 분말 야금방법은 합금화성분을 포함하는 철 분말 혼합물을 다이 내에서 가압하면서 생의 압축체를 생성하고, 이 압축체(압분체)를 870℃에서 5분간만 예비 소결하여 예비소결체를 생성하여, 이 예비소결체를 가압함으로써 2회 프레스 된 예비소결체를 생성하고, 그 후에 2회 프레스 된 예비소결체를 1000℃에서 5분간 소결함으로써 소결부품을 생성하는 방법이다.
마지막의 1회 성형 - 소결 분말 야금방법은 금형을 미리 예열하고 또 내면에 윤활제를 대전 부착해 두고, 이어서 이 금형 내에 가열된 철기(鐵基) 분말혼합물(철기 분말＋윤활제 분말)을 충전해서 소정 온도로 가압성형하여 철기분말 성형체가 되고, 그 다음에 철기 분말 성형체로 소결처리를 실행한 후, 다시 광택담금질(bright hardening)을 실시하며, 그 후에 뜨임(tempering) 처리를 실행하여 철기 소결체를 제조하는 방법이다.
이와 같이, 윤활제나 가압성형·소결처리 프로세스에 관한 어느 개선책에서도 압분체의 밀도는 최고라도 7.4g/㎤(진밀도의 94%) 정도이다. 기계적 강도가 불충분하다. 게다가 소결처리(고온 분위기)를 실행하는 경우에는 온도·시간에 따라서 산화가 진행되므로 분말입자 코팅상태의 윤활제가 연소하고, 또한 잔사(殘渣)가 발생하는 결과, 가압성형 후의 압분체 품질의 열화를 초래하므로 제조상의 밀도는 7.3g/㎤ 이하가 될 것이다. 게다가, 어느 개선책도 복잡하며 고비용이 될 우려가 강하다. 취급도 불편하여 실용성에 난점이 있다.
특히, 압분체로부터 전자기기(모터나 트랜스 등)용의 자심(磁心 또는 磁芯)을 제작하는 것을 생각하면 이 정도의 밀도(7.3g/㎤ 이하)로는 극히 불만족스럽다는 지적이 강하다. 손실(철손, 히스테리스손)량을 감소하고, 자속밀도를 높게 하기 위해서는 압분체의 한층 더 고밀도화가 필요하다. 예를 들어 2009년도 분체분말야금협회 추계대회에서의 발표자료(주식회사 토요타 중앙연구소 제공)로부터도 명백하다. 자심의 밀도는 예를 들어 7.5g/㎤라도 실용적으로는 자기적 특성만이 아니라 기계적 강도도 불만족스럽다는 지적이 있다.
이 자심용 압분체의 제조에 관해서는 2회 성형-1회 소결(1회 소둔) 분말 야금방법(일본국 특개2002-343657호 공보(특허문헌 8))이 제안되어 있다. 이 제안의 분말 야금방법은 자성금속분말의 표면에 실리콘 수지와 안료를 포함하는 피막을 형성해 두면 그 후에 고온처리가 실행되어도 절연성이 저하하지 않는다고 하는 기술 사항을 근거로 하는 것이다.
즉, 압분 자심의 제조방법은 표면이 실리콘 수지와 안료를 포함하는 피막으로 피복된 자성분말을 예비 성형하여 예비 성형체를 성형하고, 이 예비 성형체에 500℃ 이상의 온도로 열처리를 실행하여 열처리체로 하며, 그 다음에 이 열처리체로 압축 성형을 실행하는 것을 특징으로 한다. 열처리용의 온도는 500℃ 이하에서는 그 후의 압축 성형시에 파단이 발생하기 쉽고, 1000℃ 이상에서는 절연 피막이 분해하여 절연성이 소실하므로, 500~1000℃의 범위 내로 한다. 이 고온처리는 예비 성형체의 산화를 방지하는 관점에서 진공 중, 불활성 가스 분위기 또는 환원성 가스 분위기 중에서 이루어진다. 이렇게 하여 진밀도 98%(7.7g/㎤)의 압분 자심을 제조할 수 있다고 기재되어 있다.
그러나 2회 성형-1회 소결 분말 야금방법(특허문헌 8)은 다른 제안방법에 비해 더더욱 복잡화, 개별화되는 동시에 구현화 및 실시화가 어렵고, 제조비용의 대폭상승을 초래한다. 또, 예비 성형체를 500℃ 이상에서 열처리하는 것을 요건으로 하고 있다. 압분 자심의 품질의 열악화를 방지하는 의미에서 특별한 분위기 중에서 실시하지 않으면 안 되므로 대량생산에는 적합하지 않다. 특히, 유리질 피막 피복 자성금속분말의 경우에는 유리질이 변질·용해해 버리므로 적응할 수 없다.
또, 상기한 어느 제안방법·장치(특허문헌 1~8)에 있어서도 비교적으로 고온 분위기 내의 소결처리에 대한 실시 가능한 설명은 있으나, 가압성형공정에 관한 상세는 확실하지 않다. 가압성형기의 사양·기능, 가압력과 밀도의 관계나 그 한계에 관한 분석에 대해서도 새로운 개선에 대한 기재는 인정되지 않는다.
이와 같이 소형 경량화에 수반하여 더 높은 기계적 강도가 요구되는 점에서도 고밀도 압분체(특히, 자심용 고밀도 압분체)를 확실하고도 안정적으로, 또한 저비용으로 제조할 수 있는 방법 및 장치의 개발이 급선무로 되어 있다.
본 발명의 목적은 혼합분말에 가온을 삽입한 2회의 가압 형성을 실행함으로써 고밀도 압분체를 제조할 수 있으면서, 또한 제조비용을 큰 폭으로 감소시킬 수 있는 혼합분말의 고밀도 성형방법 및 고밀도 성형장치를 제공하는 것에 있다.
압분체는 소결 야금기술로부터 제조되는 것이라는 관행 때문에 가압 성형된 압분체를 고온 분위기(예를 들어 800℃ 이상)에서의 소결처리를 실행하는 것이 필수로 되어 왔다. 그러나, 소결용 고온처리는 에너지 소비가 대량이며 비용 부담이 방대할 뿐 아니라 지구적 환경보전을 위해서도 폐해가 크므로 개선의 필요가 있다.
또, 종래, 가압성형처리는 혼합분말을 구체적 형태로서 확립하는 것이며, 고온 소결처리의 전단계(예비)적인 기계적 처리로 생각하여 그와 같이 취급되어 왔다. 그런데, 전자기기(모터, 트랜스 등)에 제공되는 자심용 압분체를 제조하는 경우에 한해 예외적으로 소결용 고온처리를 생략하고 있는 것이 실상이다. 고온처리한 경우의 폐해(자기특성의 열악화)를 회피하기 위해서이다. 즉, 기계적 강도에 대한 불만족을 참을 수밖에 없었다. 기계적 강도의 부족은 밀도의 문제이므로 당연히 자기특성도 불충분했다.
그러므로, 고온 소결처리를 하지 않고 가압성형처리만으로 압분체의 고밀도 성형을 할 수 있다면 압분체의 산업상의 이용과 보급을 비약적으로 향상할 수 있을 것이다.
본 발명은 가압시의 윤활제의 유효성, 윤활제 분말을 포함하는 압축한계성, 윤활제 분말의 혼합분말 내에서의 공간적 점유성, 기금속분말(basic metal powder)과 윤활제 분말의 공간적 배치상태나 그들의 거동성 및 윤활제의 최종 처분형태에 대한 연구 및 일반적인 가압성형기의 특성, 압축 한계성 및 압분체의 밀도가 강도나 자성에 미치는 영향도에 대한 분석에 의거하여, 또, 가압능력을 유효하게 이용하면서 액상 윤활제의 유동 원활화를 촉진하여 고품질의 압분체를 확실하게 제조할 수 있는 것으로서 창출한 것이다.
즉, 본 발명은 기금속분말에 분말 윤활제를 혼합한 혼합분말을 제 1 금형에 충전하고, 윤활제의 분말상태를 유지하면서 제 1 가압공정에 의해 돌출부분을 갖는 중간 압분체를 성형하며, 이어서 윤활제를 가열하여 액화시킴으로써 중간 압분체 내의 윤활 양상의 개변을 이루고, 그 후에 제 2 가압공정에 의해 돌출부분을 가압방향으로 압착하여 압축하면서 가압성형하여 진밀도에 가까운 고밀도의 완성 압분체를 완성하는 것이다.
환언하면, 고온 소결처리를 필수로 하는 종래의 소결 야금기술로부터 벗어난 새로운 분말야금기술(윤활제의 액화공정을 삽입한 2회의 가압성형)의 창작에 의해 고밀도 압분체를 확실하게 안정적이면서도 저비용으로 제조할 수 있는 획기적이면서 실용적인 방법과 장치를 제공하는 것이다.
(1) 상세하게는, 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 혼합분말의 고밀도 성형방법은, 기금속분말과 저 융점의 윤활제 분말의 혼합물인 혼합분말을 제 1 금형에 충전하고, 제 1 금형 내에서 혼합분말에 제 1 가압력을 인가하여 혼합분말 완성 압축체의 형태에 비교하여 가압방향으로 돌출하는 1 또는 복수의 돌출부분을 갖는 형태의 혼합분말 중간 압축체를 성형한 후, 제 1 금형으로부터 인출한 혼합분말 중간 압축체를 가열하여 혼합분말 중간 압축체의 온도를 당해 윤활제 분말의 융점 상당 온도로 적극적으로 승온해서, 승온된 혼합분말 중간 압축체를 제 2 금형에 세트하고, 제 2 금형 내에서 혼합분말 중간 압축체에 제 2 가압력을 인가하여 돌출부분을 가압방향으로 압착하여 압축하면서 가압성형하여 고밀도이며 원하는 형태의 혼합분말 완성 압축체를 완성하는 것을 특징으로 한다.
(2) 상기 (1)의 발명에 있어서, 혼합분말 완성 압축체를 속이 차면서 단순형상의 형태인 경우에는 돌출부분을 혼합분말 중간 압축체의 평면 중앙부분에 형성할 수 있다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)의 발명에 있어서, 윤활제분말의 융점을 90~190℃의 온도범위 내에 속하는 저 융점으로 할 수 있다.
(4) 상기 (1) 또는 (2)의 발명에 있어서, 제 2 금형을 혼합분말 중간 압축체를 받아들이기 이전에 융점 상당 온도로 난기(pre-heated) 할 수 있다.
또, (5) 상기 (1) 또는 (2)의 발명에 있어서, 제 2 가압력을 제 1 가압력과 동일한 값으로 선택할 수 있다.
또한, (6) 본 발명의 제 2 형태에 관한 혼합분말의 고밀도 성형장치는, 기금속분말과 저 융점의 윤활제 분말의 혼합물인 혼합분말을 외부에 공급하여 충전 가능한 혼합분말 공급기와, 이 혼합분말 공급기를 이용하여 제 1 금형에 충전된 혼합분말에 제 1 가압력을 인가하여 혼합분말 완성 압축체의 형태에 비교하여 가압방향으로 돌출한 1 또는 복수의 돌출부분을 갖는 형태의 혼합분말 중간 압축체를 성형하는 제 1 가압성형기와, 제 1 금형으로부터 인출된 혼합분말 중간 압축체의 온도를 당해 윤활제 분말의 융점 상당 온도로 승온시키기 위한 가열 승온기와, 제 2 금형에 세트된 승온이 끝난 혼합분말 중간 압축체에 제 2 가압력을 인가하여 돌출부분을 가압방향으로 압착하여 압축하면서 가압성형해서 고밀도이며 원하는 형태의 혼합분말 완성 압축체를 완성하는 제 2 가압성형기를 구비한다.
또한, (7) 상기 (6)의 발명에 있어서, 가열 승온기와 제 2 가압성형기를 가열 가압성형기로 형성하며, 가열 가압성형기를 복수 대의 가열 가압성형 자기(子機)로 형성하고, 또한, 각 가열 가압성형 자기를 사이클마다 선택 순차 동작가능하게 형성되어 있을 수 있다.
(8) 상기 (6)의 발명에 있어서, 상기 제 2 금형을 난기하는 난기장치를 더 가질 수 있다.
(9) 상기 (6)의 발명에 있어서, 상기 제 1 가압성형기에서 성형된 상기 혼합분말 중간 압축체를 상기 가열 승온기로 이송하고, 상기 가열 승온기에서 가열된 상기 혼합분말 중간 압축체를 상기 제 2 가압성형기까지 이송하며, 또한, 상기 제 2 가압성형기에서 성형된 상기 혼합분말 완성 압축체를 배출부까지 이송하는 워크 이송장치를 더 가질 수 있다.
상기 (1)의 발명에 의하면 고밀도 압분체를 확실하고도 안정적으로 제조할 수 있고, 또한, 제조비용을 큰 폭으로 낮출 수 있는 동시에, 가압능력을 유효하게 이용하면서 액상 윤활제의 유동 원활화를 촉진하여 고품질의 압분체를 원활하게 실제로 제조할 수 있다.
상기 (2)의 발명에 의하면 중앙부분에서 외측의 캐비티 내벽 면으로 향해서 기금속입자 및 액상 윤활제의 유동성을 한층더 높일 수 있다. 즉, 액상윤활제의 유동 원활화를 한층더 촉진할 수 있으면서 제조시간의 단축화를 도모할 수 있다.
상기 (3)의 발명에 의하면 제 1 가압성형 중에서의 윤활제의 충분한 윤활작용을 담보할 수 있다. 그러면서도 산화 억제를 조장할 수 있고, 윤활제의 종류에 관한 선택성이 넓다.
상기 (4)의 발명에 의하면 제 2 가압성형 중에서의 용해가 끝난 윤활제의 전체 방향으로의 유동성을 한층더 대폭으로 높일 수 있다. 즉, 기금속입자 간만이 아니라 입자와 금형 사이의 마찰저항력을 대폭으로 경감 유지할 수 있다.
상기 (5)의 발명에 의하면 가압성형공정의 실시 및 그 취급이 용이하며, 간접적으로 압분체의 제조비용의 한층 절감에도 기여할 수 있다.
또, 상기 (6)의 발명에 의하면 상기 (1)~(5)에 의한 혼합분말의 고밀도 성형방법을 확실하게 실시할 수 있는 동시에 구현화가 용이하고, 취급이 간단하다. 생산성을 한층더 향상할 수 있다.
또한, 상기 (7)의 발명에 의하면 상기 (6)의 발명의 경우와 비교하여 한층 더 장치의 간소화를 도모할 수 있다. 제조라인의 단순화도 촉진할 수 있고, 취급도 한층 용이하게 된다.
상기 (8)의 발명에 의하면 제 2 금형을 난기함으로써 완성 압분체 성형 개시시점까지에 혼합분말 중간 압축체의 온도가 저하할 우려가 있는 경우에도 혼합분말 중간 압축체를 일정한 온도범위 내로 유지할 수 있으므로 양호한 성형효과를 얻을 수 있다.
상기 (9)의 발명에 의하면 워크 반송장치를 가짐으로써 제 1 가압성형기에서 상기 가열 승온기까지의 사이, 가열 승온기에서 제 2 가압성형기까지의 사이, 그리고 제 2 가압성형기에서 배출부까지의 사이에 워크를 확실하게 이송할 수 있다.
또한, 상기 이외의 본 발명의 구성 및 효과에 대해서는 이하의 설명으로부터 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 관한 고밀도 성형방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 고밀도 성형장치 및 동작을 설명하기 위한 정면도이다.
도 3(A)는 본 발명의 제 1 실시형태에서의 혼합분말의 고밀도 성형 동작을 설명하기 위한 도면이며, 제 1 금형에서로 중간 압분체를 성형하고 있는 상태를 나타낸다.
도 3(B)는 본 발명의 제 1 실시형태에서의 혼합분말의 고밀도 성형동작을 설명하기 위한 도면이며, 제 1 금형 내에 다음의 혼합분말을 충전하고 있는 상태를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시형태에서의 가압력과 당해 가압력에 의해 얻어지는 밀도와의 관계를 설명하기 위한 그래프이며, 점선으로 나타내는 특성 A는 제 1 금형에서의 성형상태를, 실선으로 나타내는 특성 B는 제 2 금형에서의 성형상태를 나타낸다.
도 5(A)는 본 발명의 제 1 실시형태에서의 완성 압분체(중간 압분체)를 설명하기 위한 외관 사시도이며, 링 형상을 나타낸다.
도 5(B)는 본 발명의 제 1 실시형태에서의 완성 압분체(중간 압분체)를 설명하기 위한 외관 사시도이며, 원주 형상을 나타낸다.
도 5(C)는 본 발명의 제 1 실시형태에서의 완성 압분체(중간 압분체)를 설명하기 위한 외관 사시도이며, 가늘고 긴 환축(丸軸) 형상을 나타낸다.
도 5(D)는 본 발명의 제 1 실시형태에서의 완성 압분체(중간 압분체)를 설명하기 위한 외관 사시도이며, 원판형상을 나타낸다.
도 5(E)는 본 발명의 제 1 실시형태에서의 완성 압분체(중간 압분체)를 설명하기 위한 외관 사시도이며, 복잡 형상을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시형태에서의 원판형상의 완성 압분체에 대응하는 중간 압분체의 돌출부분을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시형태에서의 돌출부분을 형성한 중간 압분체 및 원판형상의 완성 압분체를 성형하기 위한 제 1 금형 및 제 2 금형을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시형태에서의 완성 압분체 성형시의 액상 윤활제의 유동상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시형태에서의 복잡 형상의 완성 압분체에 대응하는 중간 압분체의 돌출부분을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 고밀도 성형장치 및 동작을 설명하기 위한 정면도이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 대해서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
( 제 1 실시형태)
본 혼합분말의 고밀도 성형장치(1)는 도 1~도 8에 나타내는 것과 같이 혼합분말 공급기(10)와 제 1 가압성형기(20)와 가열 승온기(30) 및 제 2 가압성형기(40)를 구비하고, 기금속분말에 저 융점의 윤활제 분말을 혼합한 혼합분말(100)을 제 1 금형(하형(21))에 충전하는 혼합분말 충전공정(PR1), 제 1 금형(하형(21)) 내에서 가압성형기(20)의 슬라이드(1)에 부착된 상형(25)에 의해 혼합분말(100)에 제 1 가압력(P1)을 인가하여 돌출부분(110A)을 갖는 형태의 혼합분말 중간 압축체(이하에서는 중간 압분체(110)라고 하는 경우도 있다)를 성형하는 중간 압분체 성형공정(PR2), 제 1 금형(하형(21))으로부터 인출된 중간 압분체(110)를 가열하여 당해 윤활제 분말의 융점 상당 온도로 적극적으로 승온하는 가열 승온공정(PR3), 가열된 중간 압분체(110)를 제 2 금형(하형(41)) 내에 세트하는 공정(PR4) 및 제 2 금형(하형(41)) 내에서 가공성형기(40)의 슬라이드(5)에 부착된 상형(45)에 의해 중간 압분체(110)에 제 2 가압력(P2)을 인가하여 돌출부분(110A)을 가압방향으로 압착하여 압축하면서 가압성형하여 고밀도이며 원하는 형태의 혼합분말 완성 압축체(이하에서는 완성 압분체(120)라고 하는 경우도 있다)를 성형하는 완성 압분체 성형공정(PR5)으로 이루어지는 본 혼합분말의 고밀도 성형방법을 안정적이고도 확실하게 실시할 수 있고, 가압능력을 유효하게 이용하면서 기금속입자 및 액상 윤활제의 유동 원활화를 촉진하면서 고품질의 압분체를 원활하게 실제로 제조할 수 있도록 형성되어 있다.
본원 명세서 중에서 말하는 혼합분말(100)이란, 기금속분말과 저 융점의 윤활제 분말의 혼합물을 의미한다. 또, 기금속분말로는 1종의 주금속분말만으로 이루어지는 경우와, 1종의 주 금속분말 및 여기에 1 또는 복수의 합금화성분 분말을 혼합하여 이루어지는 경우가 있으나, 어느 경우에도 적응할 수 있다.
또, 저 융점이란, 기금속분말의 융점(온도)에 비해 온도(융점)가 현저하게 낮은 온도(융점)이면서, 또한 기금속분말의 산화를 큰 폭으로 억제할 수 있는 온도(융점)인 것을 의미한다.
고밀도 성형장치(1)를 나타내는 도 2에서, 고밀도 성형라인의 가장 좌측(상류 측)에 배치된 혼합분말 공급기(10)는 혼합분말(100)을 제 1 가압성형기(20)의 일부를 구성하는 제 1 금형(하형(21))에 공급하여 그 캐비티(22) 내에 충전하는 장치이다. 일정량의 혼합분말(100)을 보관하는 기능 및 정량 공급기능을 가지며, 전체적으로 초기위치(도 2, 도 3(A)에 실선으로 나타낸 위치)와 제 1 금형(하형(21))의 위쪽 위치(도 3(B)에 점선으로 나타낸 위치) 사이를 선택적으로 왕복이동 가능하다.
제 1 금형(하형(21)) 내의 어디에도 혼합분말(100)을 균일하고도 충분하게 충전시키는 것이 중요하므로 혼합분말(100)은 보송보송한 상태가 되어야한다. 즉, 제 1 금형(하형(21))의 내부 공간(캐비티(22))의 형태는 제품 형태에 따른 형태이므로 제품 형태가 복잡하거나 혹은 협소한 부분을 가지는 형태라도 중간 압분체(110)의 치수 정밀도를 보증하기 위해서는 불균일한 충전이나 불충분한 충전은 바람직하지 않다.
완성 압분체(120)(중간 압분체(110))의 형태(치수, 형상)는 특히 한정되지 않으나, 예로서 도 5(A)~도 5(E)에 나타낸다. 도 5(A)는 링 형상, 도 5(B)는 원주 형상, 도 5(C)는 가늘고 긴 환축 형상, 도 5(D)는 원판형상이며, 도 5(E)는 복잡 형상을 나타낸다.
즉, 제 1 가압성형기(20) 상형(상 펀치(25UP))(25) 및 하형(21)의 캐비티(22)는 중간 압분체(110)의 형태(형상)에 대응한 형상이 되므로 중간 압분체(110)의 형태가 예를 들어 도 5(A)~도 5(E)에 나타내는 것인 경우 각각에 대응한 형상이 된다.
중간 압분체(110)의 형태가 도 5(A)에 나타내는 링 형상인 경우에는 도 2, 도 3(A), 도 3(B)에 나타내는 것과 같이 상형(상 펀치(25UP))(25)의 형상이 원환 통 형상이고 하형(21)의 형상이 중공 원환 통 형상이 된다. 도 5(B)에 나타내는 원주형상인 경우에는 상형(상 펀치(25UP))(25)의 형상이 가운데가 찬 원통(원주) 형상이고 하형(21)의 형상이 중공 원통형상이 된다. 도 5(C)의 원판형상, 도 5(D)의 가늘고 긴 환축 형상의 경우에도 동일한 형태이다(단, 깊고 얕은 차이는 있다). 도 5(E)에 나타내는 복잡 형상인 경우에는 대응하는 복잡한 형상이 된다. 또, 제 2 가압성형기(40)의 상형(상 펀치(25UP))(45) 및 하형(41)의 캐비티(42)에 대해서도 동일하다.
여기서, 기금속분말의 입자 간의 마찰저항력 및 기금속분말과 금형 내면과의 마찰저항력을 경감하기 위한 윤활제는 상온에서 보송보송한 상태의 고형(固形)(매우 작은 입상), 즉 분말인 것을 선택한다. 예를 들어 액상의 윤활제를 채용하면 혼합분말(100)의 점도가 높고 유동성이 낮아지므로 균일한 충전이나 충분한 충전을 할 수 없다.
다음에, 상온 하의 제 1 금형(하형(21)) 내에서, 또, 제 1 가압력(P1)을 인가하면서 실행되는 중간 압분체 성형 중의 윤활제는 고형형상이며 소정의 윤활작용을 안정적으로 유지할 수 있지 않으면 안 된다. 제 1 가압력(P1)의 인가에 의해 다소의 온도 상승이 발생하는 경우가 있었다고 해도 마찬가지로 안정적으로 유지되어야 한다.
한편, 중간 압분체 성형 후에 실행되는 가열 승온공정(PR3)과의 관계 및 기금속분말의 산화억제의 관점에서 윤활제 분말의 융점은 당해 기금속분말의 융점에 비해 매우 낮은 융점(저 융점)으로 할 필요가 있다.
본 실시형태에서는 윤활제 분말의 융점은 90~190℃의 온도범위 내에 속하는 저 융점으로 선택되어 있다. 아래쪽 온도(예를 들어 90℃)는 중간 압분체 성형 중에 어느 정도의 온도상승이 발생하였다고 해도 이 온도에는 도달하지 않을 값(예를 들어 70~80℃)의 상한 온도(80℃)에 대해서 여유를 갖게 한 값(예를 들어 90℃)으로 하고, 이에 더하여 다른 금속 비누(metallic soap)의 융점(예를 들어 110℃)에 주목하여 선택하고 있다. 즉, 중간 압분체의 가압성형 중에 윤활유 분말이 용해(액화)하여 흘러나와 버릴 우려를 일소한다.
위쪽 온도(예를 들어 190℃)는 윤활제 분말의 종류에 관한 선택성의 확대의 관점에서는 최소 치로, 특히 가열 승온공정에서의 기금속분말의 산화억제의 관점에서는 최대치로 선택하고 있다. 즉, 이 온도 범위(90~190℃)의 아래쪽 온도와 위쪽 온도는 한계치는 아니며, 경계치로 이해하면 좋다.
이와 같이, 금속비누(metallic soap)에 속하는 많은 물질(스테아린산 아연, 스테아린산 마그네슘 등)을 윤활제 분말로서 선택적으로 채용할 수 있다. 또, 윤활제는 분말상태가 아니면 안 되므로 점성이 있는 액체의 옥틸산아연 등은 채용할 수 없다.
본 실시형태에서는 융점 120℃의 스테아린산 아연 분말을 윤활제 분말로 하여 실시했다. 또, 본 발명에서는 특허문헌 7의 발명과 같이 가압성형시의 금형온도보다 낮은 온도(융점)의 윤활제를 이용하면서, 또한, 최초부터 윤활제를 용해(액화)시키면서 가압성형을 실행하는 생각은 부정한다. 중간 압분체(110)의 성형종료 이전에 용해한 윤활제가 유출해 버린 경우에는 도중에 윤활 부족의 부위가 발생하기 쉬워진다는 이유에서 충분한 가압성형을 확실하고도 안정적으로 실시할 수 없기 때문이다.
윤활제 분말의 양은 시험연구 및 실제 생산을 통한 경험칙으로부터 선택한 값으로 한다. 본 실시형태에 관한 중간 압분체 성형공정(PR2)과의 관계에서는 윤활제 분말의 양은 혼합분말 전체 양의 0.23~0.08wt%로 한다. 0.08wt%는 중간 압분체(110)의 성형종료까지 윤활작용을 담보할 수 있는 하한적인 값이며, 0.23wt%는 혼합분말(100)에서 중간 압분체(110)로 할 때에 기대하는 압축비를 얻기 위해 필요한 상한적인 값이다.
다음에, 생산실무적인 윤활제 분말의 양은 제 1 금형(하형(21)) 내에서 제 1 가압력을 인가하여 성형되는 중간 압분체(110)의 진밀도 비의 값 및 제 2 금형(하형(41)) 내에서의 발한현상(發汗現像)을 담보할 수 있는 것으로서 결정해야 한다. 이때, 작업 환경의 열악화를 초래하는 금형으로부터 외부로의 액화 윤활제의 액체 방울이 떨어지는 현상의 발생을 방지한다는 관점을 놓쳐서는 안 된다.
본 실시형태에서는 중간 압분체(110)의 진밀도 비(진밀도 100%에 대한 비)의 값을 80~90%로 하였으므로 윤활제 분말의 양은 0.2~0.1wt%로 하고 있다. 상한 측 값(0.2wt%)은 액체 방울이 떨어지는 현상의 발생 방지가 가능하도록 한다는 관점에서 결정하고, 하한 측 값(0.1wt%)은 과부족 없이 필요 충분한 발한현상의 발현을 가능하게 한다는 관점에서 결정한다. 상기 종래 제안 예(1 wt%)의 경우에 비해 극히 적으며, 산업상의 이용성을 큰 폭으로 향상할 수 있다.
액체 방울이 떨어지는 현상의 발생 방지는 실제 생산에 대해서는 지극히 중요하다. 탁상 발안이나 연구단계에서는 가압시의 마찰저항의 감소의 관점에서 윤활제가 부족할 것을 염려한 나머지 너무 과도한 윤활제를 혼합하는 경향이 있다. 예를 들어 7.3g/㎤를 넘는 고밀도화가 발생하는가 여부의 시행착오의 단계에 있으므로 과도한 윤활제가 액상화하여 금형으로부터 유출하는 사태에는 전혀 무관심하다. 액체 방울이 떨어지는 현상의 인식조차 없다. 즉, 액화 윤활제의 액체 방울이 떨어지는 것은 윤활제 사용료의 증대에 의한 비용상승, 작업환경의 악화에 의한 생산성의 저하나 작업자의 부담증대를 가져오므로 이것을 해결하지 않으면 실용성을 결하며 보급 확대로도 연결되지 않는다.
0.2wt%의 혼합분말(100)을 진밀도 비 80%까지 압축한 중간 압분체(110)의 경우는 가열 승온공정(PR3)에서 당해 윤활제 분말의 융점 상당 온도로 적극적으로 승온하면 중간 압분체(110) 내에 점재(點在)하는 분말 윤활제가 용해하여 금속분말입자 간의 빈 구멍을 채우며, 그 다음에 금속분말입자 간을 통과해 중간 압분체(110)의 표면에 한결같이 액상의 윤활제가 배어 나온다(분출한다). 즉, 발한현상이 유발된다. 이 중간 압분체(110)를 제 2 금형(하형(41)) 내에서 제 2 가압력(P2)을 인가하여 압축할 때에 기금속분말과 캐비티 내면 벽과의 마찰저항은 큰 폭으로 감소된다.
0.1wt%의 혼합분말(100)을 진밀도 비 90%까지 압축한 중간 압분체(110)의 경우에도, 0.1wt%를 넘으면서 0.2wt% 미만의 범위 내의 값의 혼합분말(100)을 진밀도 비 90% 미만 또한 80%를 넘는 범위 내의 값까지 압축한 중간 압분체(110)인 경우에도 동일한 발한현상을 발현할 수 있다. 액체 방울이 떨어지는 현상의 발생 방지도 할 수 있다.
이와 같이 하여 고밀도 성형을 할 수 있고, 자기적 특성만이 아니라 기계적 강도도 만족하는 압분체(예를 들어 자심)를 제조할 수 있으며, 금형 파손의 우려도 일소할 수 있다. 또, 윤활제의 소비량을 큰 폭으로 삭감할 수 있고, 제 2 금형(하형(41))으로부터 액상 윤활제가 떨어져서 흐르지 않게 되어서 작업 환경이 양호해진다. 전체적으로 생산성 향상 및 압분체 제조비용 절감이 발생하므로 산업상의 이용성을 현격히 향상할 수 있다.
상기한 어느 종래의 방법·장치(특허문헌 1~8)에도 윤활제의 함유율과 혼합분말의 압축률의 관계, 윤활제의 다소에 의한 액체 방울이 떨어지는 현상, 발한현상에 대한 인식이 없다.
특히, 온간 분말 야금방법(특허문헌 5)조차도 핸들링 용이화를 위해서 밀도 비 76% 미만의 1차 성형체를 성형하는 점에 대해서는 이해할 수 있으나, 고밀도 성형에 관한 기술적 근거 및 실시 가능한 사항은 아무것도 개시되어 있지 않다. 하물며, 그 후에 일단 1차 성형체를 붕괴하고 나서 2차 성형체를 성형하는 점에서 보면 1차 성형, 2차 성형의 중복 성형에 따른 고밀도화를 도모하는 기술사상을 부정하는 것과 다름없다.
제 1 가압성형기(20)는 혼합분말 공급기(10)를 이용해 제 1 금형(하형(21))에 충전된 혼합분말(100)에 제 1 가압력(P1)을 인가하여 혼합분말 중간 압축체(중간 압분체(110))를 성형하는 장치이며, 본 실시형태에서는 프레스기계 구조이다.
도 2에서, 제 1 금형장치는 볼스타 측 하형(다이스(21D))(21)과 슬라이드(5) 측 상형(상펀치(25PU))(25)으로 이루어진다. 하형(21)의 캐비티(22)는 도 5(A)에 나타내는 중간 압분체(110)의 형태(링 형상)에 대응하는 형상(중공 원환 통 형상)으로 되어 있다. 즉, 상형(상 펀치(25PU))(25)은 하형(21)(캐비티(22)) 내로 압입 가능한 형태(도 2, 도 3(A), 도 3(B)에 나타내는 원환 통 형상)가 되며, 슬라이드(5)에 의해 승강운동이 이루어진다. 캐비티(22)의 하부에는 가동 부재(23)가 상하방향으로 변위 가능하게 삽입되어 있다.
가동 부재(23)는 그라운드 레벨(GL) 이하에 설치된 관통구멍(24)을 통해서 밀려 올라오는 녹아웃 핀(도시 생략)에 의해 위쪽으로 변위된다. 즉, 제 1 금형[하형(21)(캐비티(22))] 내의 중간 압분체(110)를 이송레벨(HL)까지 밀어 올릴 수 있다. 외부에서 보면 제 1 금형(하형(21)) 내의 중간 압분체(110)를 외부(HL)로 인출하기 위한 제 1 인출장치로서 동작한다. 중간 압분체(110)가 가열 승온기(30) 측으로 이송된 후에 가동 부재(23)는 녹아웃 핀과 함께 초기 위치로 돌아간다. 당연히 다른 특별한 장치로 제 1 인출장치를 형성해도 좋다.
제 1 가압성형기(20)에서의 가압력(P)(제 1 가압력(P1))과 이에 대응하여 얻어지는 중간 압분체(110)의 진밀도 비(밀도 ρ)와의 관계를 도 4를 참조하면서 설명한다. 횡축은 가압력(P)을 지수로 나타내고 있다. 본 실시형태에서의 최대 능력(가압력(P))은 10Ton/㎠이며, 이것을 횡축 지수 100으로 한다. Pb는 금형파손압력이며, 횡축 지수 140(14Ton/㎠)이다. 종축은 진밀도 비(밀도 ρ)를 지수로 나타내고 있다. 종축 지수(100)는 진밀도 비(밀도 ρ)가 97%(7.6g/㎤)에 상당한다.
본 실시형태에서는 기금속분말이 자심용 유리질 절연피막 피복 철분말(진밀도가 7.8g/㎤)이고, 윤활제 분말은 0.2~0.1wt%의 범위 내의 스테아린산 아연 분말이면서 제 1 가압력(P1)이 혼합분말 중간 압축체를 종축 지수 82~92[밀도 ρ(6.24~7.02g/㎤) 상당]에 해당되는 진밀도 비 80~90%로 압축할 수 있는 것으로 선택되어 있다.
또, 종축 지수 102는 밀도 ρ(7.75g/㎤)에 해당하고, 진밀도 비(밀도 ρ)는 99%에 상당한다.
또, 기금속분말로는 자심용 철계 어모퍼스(amorphous) 분말(자심용 Fe-Si합금 분말), 자심용 철계 어모퍼스 분말, 자심용 Fe-Si합금 분말, 기계부품용 순철 분말 등이라도 좋다.
제 1 가압력(P1)을 올려 가면 제 1 가압성형기(20)에서 얻어지는 밀도 ρ는 점선(곡선)으로 나타내는 특성 A에 따라서 높아진다. 제 1 가압력(P1)(횡축 지수 100)에서 밀도 ρ가 7.6g/㎤가 된다. 진밀도 비는 97%이다. 제 1 가압력(P1)을 이 이상의 값으로 상승시켜도 밀도 ρ의 향상은 극히 미미하다. 금형 파손의 우려가 강하다.
종래에는, 가압성형기(프레스기계)의 최대 능력으로 가압하여 얻어진 밀도 ρ에 만족할 수 없는 경우에는 더 대형의 프레스기계를 장비해야 했다. 그러나, 최대 능력을 예를 들어 1. 5배로 대형화해도 밀도 ρ의 향상은 경미하다. 이와 같이 현재 프레스기계에 의해 얻을 수 있는 낮은 밀도 ρ(예를 들어 7. 5g/㎤)에 의해 타협하고 있었던 것이 실상이었다.
그러므로 현재 프레스기계를 그대로 이용하여 종축 지수 100(7.6g/㎤)에서 102(7.75g/㎤)까지 향상시킬 수 있게 되면 획기적인 것으로 이해할 수 있다. 즉, 밀도 ρ를 2% 향상할 수 있다면 자기특성을 대폭(쌍곡선적)으로 향상시킬 수 있고, 또한 기계적 강도도 비약적으로 향상할 수 있기 때문이다. 게다가, 고온 분위기에서의 소결처리를 일소화할 수 있으므로 압분체의 산화를 큰 폭으로 억제한다(자심 성능의 저하를 방지할 수 있다).
이상을 실현화하기 위해 제 1 가압성형기(20)에서 성형한 중간 압분체(110)를 가열함으로써 윤활제의 용해(액화)를 촉구하고, 그 후에 제 2 가압성형기(40)에서 2회째의 가압성형처리를 실행하도록 형성되어 있다. 제 2 가압성형기(40)에서 중간 압분체(110)를 가압하면 도 4의 특성 B(실선)에 나타내는 것과 같이 종축 지수 102에 상당하는 고밀도(7.75g/㎤)를 달성할 수 있다. 상세한 것은 제 2 가압성형기(40)의 설명에서 추가로 설명한다.
가열 승온기(30)는 제 1 금형(하형(21))에서 인출된 혼합분말 중간 압축체(중간 압분체(110))를 가열하여 당해 중간 압분체(110)의 온도를 당해 윤활제 분말의 융점 상당 온도로 적극적으로 승온하는 장치이다. 도 2에서 가열 승온기(30)는 도시하지 않는 온풍 발생원과 분무 후드(31), 배기순환 후드(33) 등을 포함하며, 철망형상의 지지 부재(32)에 의해 위치결정된 중간 압분체(110)에 온풍을 분무하여 가열해서 그 온도를 윤활제 분말의 융점 상당 온도(예를 들어 120℃)로 승온한다.
이 저온 가열처리의 기술적 의의를 제 1 가압성형처리와의 관계에서 설명한다. 하형(21)(캐비티(22)) 내에 충전된 혼합분말(100)을 관찰해보면 기금속분말과의 관계에서 윤활제 분말의 존재가 비교적 듬성듬성한 부분(소한 부분)과 조밀한 부분(밀한 부분)이 인정된다. 밀한 부분은 기금속분말의 입자 간의 마찰저항력 및 기금속분말과 금형 내면과의 마찰저항력을 작게 할 수 있다. 소한 부분은 이들 마찰저항력이 커질 것이다.
제 1 가압성형기(20)에서의 가압 중 밀한 부분은 저 마찰이므로 압축성이 우수해서 압축화가 진행하기 쉽다. 소한 부분은 고 마찰이므로 압축성이 열등하며 압축화가 늦어진다. 어떻든, 미리 설정된 제 1 가압력(P1)의 값에 따른 압축진행의 곤란화 현상이 발생한다. 즉, 압축 한계가 발생한다.
이와 같은 상태 하에서 제 1 금형(하형(21))에서 인출한 중간 압분체(110)의 파단 면을 확대 관찰하면 상기 밀한 부분이었던 부분은 기금속분말이 일체적인 양상으로 압접되어 있다. 그러나, 윤활제 분말도 섞여 들어가 있다. 소한 부분이었던 부분은 압접된 기금속분말 간에 미소한 간극(공간)이 남아 있다. 윤활제 분말은 거의 눈에 띄지 않는다.
이와 같은 밀한 부분이었던 부분에서 윤활제 분말을 제거하면 압축 가능한 간극이 생긴다. 반대로 소한 부분이었던 부분의 간극에 윤활제를 보급할 수 있으면 그 부분의 압축성을 높일 수 있다.
즉, 제 1 가압성형 종료 후의 중간 압분체(110)를 가열하여 윤활제 분말의 융점 상당 온도(예를 들어 120℃)로 승온함으로써 윤활제 분말을 용해(액화)시켜서 그 유동성을 높인다. 밀한 부분이었던 부분에서 녹아 나온 윤활제는 그 주변으로 침입하면서 소한 부분이었던 부분에 보급된다. 따라서, 기금속분말의 입자 간의 마찰저항력을 작게 할 수 있고, 윤활제 분말이 점유하고 있던 공간도 압축할 수 있게 될 것이다. 기금속분말의 입자와 금형 내면과의 마찰저항력도 작게 할 수 있다. 즉, 액상 윤활제의 유동성을 이용하면서 제 2 가압성형처리를 실행한다.
다음에, 제 2 가압성형기(40)는 제 2 금형(하형(41))에 세트 된 승온이 끝난 중간 압분체(110)에 제 2 가압력(P2)을 인가하여 고밀도의 완성 압분체(120)를 성형하기 위한 장치이다.
본 실시형태에서는 제 2 금형(하형(41))에 난기 기능을 마련하고 있다. 그러나, 승온이 끝난 중간 압분체(110)의 온도가 제 2 금형(하형(41)) 내에서 제 2 가압력(P2)을 인가한 완성 압분체의 성형 개시시점까지에 성형에 지장이 발생하지 않는 일정한 온도범위 내에 들어가 있으면 제 2 금형(하형(41))을 난기하지 않아도 본 발명의 고밀도 성형을 실시할 수 있다.
그러나, 중간 압분체(110)의 열용량이 작은 경우, 제 2 금형까지의 이송시간이나 이송경로가 긴 경우, 혼합분말(100)의 조성이나 중간 압분체(110)의 형태 등에 의해 승온이 끝난 중간 압분체(110)가 완성 압분체 성형 개시시점까지에 온도가 저하할 우려가 있는 경우에는 제 2 금형(하형(41))을 난기하는 것이 양호한 성형 효과를 얻을 수 있다. 후술하는 제 2 난기장치(47)는 이런 이유에서 설치되어 있다.
또, 본 실시형태에서의 제 2 가압성형기(40)의 최대 가압능력(가압력(P))은 제 1 가압성형기(20)의 경우와 같은 10Ton/㎠이다. 이와 같이 제 1 가압성형기(20)와 제 2 가압성형기(40)는 1대의 프레스기계로서 구성되며, 도 2에 나타내는 공통의 슬라이드(5)에 의해 각 상형(25, 45)은 동기하여 승강된다. 이 점에서도 장치의 경제성이 유리하며, 완성 압분체(120)의 제조비용을 낮출 수 있다.
도 2에서, 제 2 금형장치는 볼 스타 측 하형(다이스(41D))(41)과 슬라이드(5) 측 상형(펀치)(45)으로 이루어진다. 하형(41)의 캐비티(42)는 하부는 완성 압분체(120)의 형태(링 형상의 형태)에 대응하는 형상(원환 통 형상)이 되고, 상부가 중간 압분체(110)를 수용할 수 있도록 약간 큰 형태로 되어 있다.
상형(45)은 하형(41)(캐비티(42)) 내로 압입 가능한 형태로 이루어지며, 슬라이드(5)에 의해 승강운동이 이루어진다. 캐비티(42)의 하부에는 가동 부재(43)가 상하방향으로 변위 가능하게 삽입되어 있다. 또, 제 2 금형(하형(41))과 제 1 금형(하형(21))은 압축 대상(중간 압분체(110)와 완성 압분체(120))의 상하방향 치수 차에 상당하는 높이(위치) 조정이 되어 있다.
가동 부재(43)는 그라운드 레벨(GL) 이하에 설치된 관통구멍(44)을 통해 돌출하는 녹아웃 핀(도시 생략)에 의해 위쪽으로 변위된다. 즉, 제 2 금형[하형(41)(캐비티(42))] 내의 완성 압분체(120)를 이송레벨(HL)까지 밀어 올릴 수 있다. 외부에서 보면 제 2 금형 내의 완성 압분체(120)를 외부(HL)로 인출하기 위한 제 2 인출장치로서 기능을 한다. 또, 다른 특별한 장치에 의해 제 2 인출장치를 형성해도 좋다.
완성 압분체(120)가 배출 슈터(59)로 배출되고, 가열 승온기(30)로부터 새로운 중간 압분체(110)를 받은 후에 가동 부재(43)는 녹아웃 핀과 함께 초기 위치로 돌아간다.
제 2 금형(하형(41))에는 설정온도를 변경할 수 있는 제 2 난기장치(47)가 설치되어 있다. 이 제 2 난기장치(47)는 중간 압분체(110)를 받아 들일(세트 될) 때까지에 윤활제 분말(스테아린산 아연)의 융점 상당 온도(120℃)로 제 2 금형[하형(41)(캐비티(42))]을 따뜻하게 한다(난기 한다). 승온이 끝난 중간 압분체(110)의 온도가 떨어지지 않은 채로 받아들일 수 있다. 이에 의해 먼저 용해(액화)한 윤활제의 재 고형화를 방지하면서 윤활작용을 담보할 수 있다.
또, 제 2 난기장치(47)는 본 실시형태에서는 전열가열방식(히터)으로 하였으나, 따뜻한 오일이나 온수를 순환하여 난기하는 순환방식의 가열장치 등으로도 실시할 수 있다.
이 의미에서 제 2 난기장치(47)는 완성 압분체(120)가 가압성형이 완료될 때까지 가열 가능하게 되어 있다. 이렇게 하면 가압성형 중에서의 용해가 끝난 윤활제의 전체 방향으로의 유동성을 한층 높일 수 있으므로 기금속입자 사이만이 아니라 입자와 금형[하형(41)(캐비티(42))] 사이의 마찰저항력을 큰 폭으로 경감 유지할 수 있다.
이에 관련하여, 본 실시형태에서는 제 1 금형(하형(21))을 난기하기 위한 도시하지 않은 난기 기능을 마련하고 있다. 그러나, 승온가열 공정 전에 제 1 금형(하형(21))을 난기하여 중간 압분체(110)를 예비 승온하지 않아도 본 발명의 고밀도 성형 가공을 실행할 수 있다.
그러나, 혼합분말(100)의 조성이나 중간 압분체(110)의 형태가 특이한 경우, 중간 압분체(110)의 열용량이 큰 경우, 큰 가열 승온기(30)를 설치하지 않은 경우, 혹은 작업환경온도가 낮은 경우에는 중간 압분체(110)의 가열온도 상승에 장시간을 소비할 우려가 있다. 이와 같은 경우에는 제 1 금형(하형(21))을 난기하는 것이 바람직하다. 그런 이유에서 본 실시형태에서는 제 1 금형(하형(21))을 난기하고 있다.
즉, 제 1 금형[하형(21)(캐비티(22))]에도 설정온도를 변경할 수 있는 제 1 난기장치(도시 생략)를 마련하여, 중간 압분체(110)의 성형의 종료 후이면서 가열 승온기(30)에 인도하기 이전에 제 1 금형(하형(21))을 난기하여 윤활제 분말을 예열 가능하게 형성하고 있다. 그렇게 함으로써 가열 승온시간을 줄일 수 있고, 생산 사이클의 단축화를 실현할 수 있다.
제 2 가압성형기(40)에 의해 얻어지는 밀도 ρ는 실선으로 나타낸 특성 B에 따른다. 즉, 제 1 가압성형기(20)에서의 경우[특성 A(점선)]와 달리 제 2 가압력(P2)을 올림에 따라서 점차 밀도 ρ가 높아지는 것은 아니다. 즉, 제 1 가압성형공정에서의 최종의 제 1 가압력(P1)(예를 들어 횡축 지수 50, 75 혹은 85)을 넘을 때까지는 밀도 ρ는 높아지지 않는다. 제 2 가압력(P2)이 최종의 제 1 가압력(P1)을 넘으면 단번에 밀도 ρ가 높아진다. 제 2 가압성형은 마치 제 1 가압성형을 연속적으로 계속해서 실행하는 것으로 이해된다.
이와 같이, 제 1 가압성형공정에서 제 1 가압력(P1)을 언제라도 최대 능력에 대응하는 값(횡축 지수 100)까지 상승시킨 운전을 하지 않아도 좋게 된다. 즉, 압축한계 이후에 제 1 가압성형을 속행한 경우의 불필요한 시간 및 소비에너지를 배척할 수 있다. 제조비용 절감으로 연결된다. 또, 횡축 지수 100을 넘는 과부하 운전을 회피하기가 쉬워지므로 금형 파손의 걱정이 없다. 전체적으로 운전 및 취급이 용이하며 안전하고도 안정적인 운용을 할 수 있다.
워크 이송장치(50)는 제 1 인출장치(가동 부재(23), 관통구멍(24))에 의해 제 1 금형(하형(21))으로부터 인출된 중간 압분체(110)를 가열 승온기(30) 내의 소정 위치로 이송 가능하고, 승온 후의 중간 압분체(110)를 가열 승온기(30)로부터 제 2 금형(하형(41))까지 이송 가능하며, 제 2 인출장치(가동 부재(43), 관통구멍(44))에 의해 제 2 금형(하형(41))으로부터 인출된 완성 압분체(120)를 고밀도 성형장치(1) 외부로 배출하는 배출부, 예를 들어 배출 슈터(59)로 이송 가능하게 형성되어 있다.
워크 이송장치(50)는 제 1 가압성형기(20)에서 가열 승온기(30)까지의 사이, 가열 승온기(30)에서 제 2 가압성형기(40)까지의 사이, 그리고 제 2 가압성형기(40)에서 배출 슈터(59)까지의 사이에 워크를 확실하게 이송할 수 있다.
본 실시형태의 워크 이송장치(50)는 도 3(B)에 나타내는 동기 운전이 이루어지는 3개의 이송 바(51, 52, 53)로 구성되어 있다. 이송 바(51, 52, 53)는 이송 요구시에 도 3(A)의 종이 면 안쪽에서 앞쪽의 도 3(B)의 이송라인으로 진행하며, 왼쪽에서 오른쪽으로 이동시킨 후에 원래의 위치로 물러난다. 세트 장치(이송 바(52), 가동 부재(43), 관통구멍(44))은 승온된 혼합분말 중간 압축체(110)를 그 융점 상당 온도로 난기 된 제 2 금형[하형(41)(캐비티(42)]에 세트한다.
또, 워크 이송장치(50)는 2차원 혹은 3차원 방향으로 구동되는 핑거 등을 포함하며, 각 금형 등에 워크를 순차 이송하는 트랜스퍼 장치 등으로 형성해도 좋다.
여기에 있어서 한층더 보급 확대를 기해서 도입한 가압 능력의 유효 이용화 및 액상 윤활제의 유동 원활화를 촉진하면서 한층 더 고품질 압분체를 제조 완성할 수 있도록 하기 위한 기술사항에 대해 설명한다. 또, 완성 압분체(120)(중간 압분체(110))의 형태(치수, 형상)는 특히 한정되지 않으나, 설명 편의상의 이유에서 도 6의 (B), 도 7의 (B2)에 나타내는 원판형상으로 하여 설명한다.
먼저, 제 2 가압성형기(40)는 도 6의 (B)에 나타내는 원판형상의 완성 압분체(120)를 성형하는 경우에는 도 7의 (B1)에 모식적으로 나타내는 상형을 속이 찬 원주형상의 상 펀치(45PU)로 하고, 하형을 중공 원통 형상의 다이스(41D) 및 속이 찬 원주형상 하 펀치(41PD)로 한다. 기본적으로는, 제 1 가압성형기(20)는 완성 압분체(120)의 전단계적인 중간 압축체(110)를 성형하므로, 제 2 가압성형기(40)의 경우와 마찬가지로 도 7의 (A1)에 나타내는 상형을 속이 찬 원주형상 상 펀치(25PU)로 하고, 하형을 중공 원통 형상의 다이스(21D) 및 속이 찬 원주형상 하 펀치(21PD)로부터 형성하면 좋다. 또, 하 펀치(21PD)의 상단면(21PDS)은 상세에 대해서는 후술하는 상향 오목형상으로 이루어진다.
그런데, 제 2 가압성형기(40) 내에서의 중간 압분체(110)는 표면이 상 펀치(45PU)에 전면적으로 접촉하면서 아래쪽 면이 하 펀치(41PD)에 전면적으로 접촉한다. 즉, 위·아래쪽 면의 모든 부위에 인가되는 단위면적당 압압력은 일정하며, 그 값은 제 2 가압력(P2)의 값에 의존하여 정해진다. 출원인은 사고한다. 중간 압분체(110)로부터 완성 압분체(120)를 성형 완료하기까지에 필요한 성형시간을 단축하기 위해서는 제 2 가압력(P2)을 크게 하여 기금속입자 및 액상 윤활제의 유동성을 높이면 좋다고 생각된다. 그러나, 설비경제 및 운용비용상의 문제(불리)에서 제 2 가압력(P2)의 한없는 증강은 인정되기 어렵다.
다음에, 중간 압분체(110) 내의 액상 윤활제의 유동성을 고찰한다. 중간 압분체(110)의 외주면 측에 가까운 부위에서는 액상 윤활제는 캐비티 내 벽면으로 향해서 급속하게 유동할 수 있다. 중앙부에 가까운 부위의 액상 윤활제는 3차원적 전체 방향 모두로도 유동할 수 있으나, 실제로는 진행방향의 더 앞쪽에 소재하는 액상 윤활제가 먼저 유동한 다음이 아니면 유동을 개시할 수 없다. 그러므로 진행방향 앞쪽의 유동성을 높이기 위해서는 중앙부의 액상 윤활제를 적극적으로 가압하여 그 유동성을 증강하면 좋다는 발상을 한다. 이 경우도 복잡하고 대대적인 구조·장치를 부설하는 것은 산업상 이용성은 낮다.
본 발명에서는 제 2 가압력(P2)을 일정하게 하면서, 압축 개시시에는 중간 압분체(110)의 일부분에 국부적으로 큰 압축력을 인가한다. 중간 압분체(110)의 형태를 개선함으로써 실현화한다. 구체적으로는, 완성 압분체(120)의 형태에 비하여 중간 압분체(110)에 가압방향(프레스 하중방향)으로 돌출하는 1 또는 복수의 돌출부분을 마련하여 중간 압분체(110)의 형태를 완성 압분체(120)의 형태와 다른 형태로 해 둔다. 예를 들어 중간 압분체(110)의 아래쪽 면 측에 도 6의 (A), 도 7의 (A2)에 나타내는 가압방향(하향방향)으로 돌출한 돌출부분(110A)을 마련한다. 이 경우의 돌출부분(110A)은 산형(山形) 형상이나, 다른 형상으로 해도 좋다. 또, 돌출부분(110A)을 표면 측에도 마련할 수도 있다.
즉, 완성 압분체(120)의 형태가 도 6의 (B), 도 7의 (B2)에 나타내는 것과 같은 속이 차 있으면서도 또한 단순한 형상의 형태(원판형상 등)인 경우에는 도 6의 (A), 도 7의 (A2)에 나타내는 돌출부분(110A)을 중간 압분체(110)의 평면 중앙 부분에 마련하는 것이 바람직하다. 제 2 가압성형시의 압분체와 금형(하 펀치(41PD)) 표면의 가압방향으로 직교하는 방향의 접촉면적을 처음에는 작게 하면서 점차 크게 한다. 처음에 압출 유동을 강하게 하고, 후에 유동이 평균적이면서 원활화를 촉진할 수 있다.
또, 완성 압분체(120)의 형태가 예를 들어 도 9의 (B)에 나타내는 복잡 형상의 형태인 경우에는 액화 윤활제는 공간부(120S, 120T)로 유동하는 것도 가능하므로 도 9의 (A)에 나타내는 것과 같이 캐비티 내 벽면에 가까운 각 돌출 원호부분의 아래쪽에 가압방향으로 돌출하는 돌출부분(110B)을 마련하도록 해도 좋다.
중간 압분체(110)에 돌출부분(110A)을 마련하기 위해 제 1 가압성형기(20)는 상기와 같이 도 7의 (A1)의 속이 찬 원주형상 상 펀치(25PU), 중공 원통 형상의 다이스(21D) 및 속이 찬 원주형상 하 펀치(21PD)로 형성한다. 하 펀치(21PD)의 형태(상단면(21PDS))는 상향 오목형상으로 형성해 둔다. 그러면 제 1 가압성형기(20)에서는 도 7의 (A2)에 나타내는 가압방향(하향방향)으로 돌출하는 돌출부분(110A)을 갖는 중간 압분체(110)를 성형할 수 있다.
제 2 가압성형기(40)에서는 도 7의 (B1)에 나타내는 것과 같이 중간 압분체(110)의 표면 측은 평면 전역에 상 펀치(45PU)의 아래쪽 면이 전면적으로 접한다. 그 아래쪽 면 측은 돌출부분(110A)에만이 하 펀치(41PD)의 표면 중앙부위에 부분적으로 접한다. 그 나머지의 아래쪽 면은 하 펀치(41PD)의 표면에 접하지 않는다. 즉, 제 2 가압 개시시에 중간 압분체(110)에 걸리는 제 2 가압력(P2)을 통상의 경우에 비해 증강한다. 가압능력( 제 2 가압력(P2)) 의 교묘한 유효이용으로 이해할 수 있다.
이렇게 하여, 슬라이드의 하강에 의해 상 펀치(45PU)로부터 제 2 가압력(P2)을 부여하면 중간 압분체(110)의 표면과 돌출부분(110A)에 큰 압축력이 가해져서 중간 압분체(110)는 가압방향으로 압축된다. 이때의 중앙부분(돌출부분(110A))에 인가하는 단위면적당 가압력은 크며, 중간 압분체(110)의 액상 윤활제는 압출 유동된다. 즉, 도 8에 나타내는 표면 중앙 포인트(Pu)에서부터 전체 방향으로, 또한 경사 하향방향으로 압출 유동되며, 아래쪽 면 중앙 포인트(Pd)에서부터 전체방향으로, 또한 경사 상향방향으로 압출 유동된다. 이 원활한 유동은 안정적이면서도 신속한 압축효과를 조장한다. 돌출부분(110A)은 점차 눌려서 압착되면서 원판형상에 가까워지는 평면형상이 된다. 돌출부분(110A)이 눌려서 압착됨 따라서 단위면적당 가압력은 점차 저하한다.
또, 제 1 금형(하형(21))의 내부 공간(캐비티(22))의 형태는 중간 압분체(110)의 형태(형상)에 대응하는 형태가 되며, 제 2 금형(하형(41))의 내부 공간(캐비티(42))의 형태는 완성 압분체(120)의 형태(형상)에 대응하는 형태로 마무리할 수 있다. 원판형상의 압분체(중간 압분체(110), 완성 압분체(120))의 경우에는 각 압분체(110, 120)의 각 형상은 당해 각 외부 치수(직경 d1, d2)로서 파악되며, 각 캐비티(22, 42)의 각 형태는 당해 각 안쪽 치수(직경 d1, d2)로서 파악할 수 있다. 당연히 제 1 금형[하형(21)(캐비티(22))]의 안쪽 치수 d1에 비해 제 2 금형[하형(41)(캐비티(42)]의 안쪽 치수 d2가 크게 선정된다. 직경 d1의 중간 압분체(110)를 안쪽 치수 d2의 제 2 금형(하형(41)) 내에 삽입 세트 할 필요가 있다는 것을 이유로 한다. 즉, 제 2 금형(하형(41)) 내로의 삽입 세트가 어렵고 장시간이 필요하면,생산성의 저하에 직결하기 때문이다.
완성 압분체(120)의 형상에 대응하는 제 2 금형(다이스(41D))의 캐비티(42)의 안쪽치수 d2를 100%로 한 경우 제 1 금형(다이스(21D))의 캐비티(22)의 안쪽치수 d1은 제 2 금형(하형(41))의 캐비티(42)의 안쪽치수 d2에 대해 1~5% =｛[(d2－d1)/d2]×100%｝만큼 작게 한다. 5%를 넘으면 압분체에 크랙이 발생한다. 1% 미만으로 하면 과부하, 금형 파손의 우려가 있다. 본 실시의 형태에서는 2.5%만큼 작게 하고 있으므로 균열의 발생을 확실히 방지할 수 있다.
본 실시형태에 관한 혼합분말의 고밀도 성형장치(1)에서는 다음과 같은 공정에 의해 고밀도 성형을 실시한다.
(혼합분말의 조달)
기금속분말(자심용 유리질 절연피막피복 철 분말)과 0.2wt%의 윤활제 분말(스테아린산 아연 분말)을 혼합하여 보송보송한 상태의 혼합분말(100)을 조달한다. 소정량만큼 혼합분말 공급기(10)에 보급한다(도 1의 공정 PR0).
(혼합분말의 충전)
소정 타이밍에 혼합분말 공급기(10)가 도 3(B)에 나타내는 것과 같이 소정 위치(실선)로부터 보급 위치(점선)로 이동된다. 그 다음에, 혼합분말 공급기(10)의 공급구가 개방되고 제 1 가압성형기(20)의 빈 하형(21)(캐비티(22)) 내로 정량의 혼합분말(100)이 충전된다(도 1의 공정 PR1). 예를 들어 2초간에 충전할 수 있다. 충전 후에 공급구가 폐쇄되고, 혼합분말 공급기(10)는 소정 위치(실선)로 돌아간다.
도 7의 (A1)에 나타내는 경우에는 충전된 혼합분말(100)의 하방부가 하 펀치(21PD)의 상면 형상(상단면(21PDS))에 대응한 역산형(逆山刑) 형상이 되며, 상방부는 수평형상이 된다.
(중간 압분체의 성형 1)
도 2의 슬라이드(5)와 함께 제 1 가압성형기(20) 상형(25)이 하강해서 하형(21)(캐비티(22)) 내의 혼합분말(100)을 제 1 가압력(P1)으로 가압하는 제 1 가압성형처리가 시작된다. 고형 상태의 윤활제는 충분한 윤활작용을 한다. 압축된 중간 압분체(110)의 밀도 ρ는 도 4의 특성 A(점선)에 따라서 높아진다. 제 1 가압력(P1)이 횡축 지수(예를 들어 30)에 상당하는 압력(3.0Ton/㎠)이 되면 진밀도 비가 85%, 즉 밀도 ρ가 6.63g/㎤(종축 지수 87에 상당)으로 높아진다. 예를 들어 8초간의 가압성형이 종료하면 도 3(A)에 나타내는 것과 같이 제 1 금형(하형(21)) 내에 중간 압분체(110)가 성형되어 있다(도 1의 공정 PR2).
그 후, 슬라이드(5)에 의해 상형(25)이 상승한다. 따라서 제 2 가압성형기(40)에서는 앞의 중간 압분체(110)에 관한 제 2 가압성형처리가 동기하여 이루어지고 있다.
(중간 압분체의 성형 2)
도 7의 (A1)에 나타내는 제 1 가압성형의 경우에는 도 7 (A2)에 나타내는 돌출부분(110A)을 갖는 형태의 중간 압분체(110)가 형성된다.
(중간 압분체의 인출)
제 1 인출장치(가동 부재(23))가 동작하여 중간 압분체(110)가 이송레벨(HL)로 밀어 올려진다. 즉, 하형(21)으로부터 인출된다. 그러면 도 3(B)에 나타내는 것과 같이 워크 이송장치(50)가 작동하며, 그 이송 바(51)에 의해 중간 압분체(110)는 가열 승온기(30)로 향하여 이송된다. 이 단계에서 가동 부재(23)가 하부의 초기위치로 복귀된다. 이송 후의 중간 압분체(110)는 도 3(A)에 나타내는 것과 같이 철망형상의 지지 부재(32) 상에 위치 결정이 되어 있다.
(가열 승온)
도 3(A)에서, 가열 승온기(30)가 기동한다. 분무 후드(31)로부터 온풍이 분사되고 중간 압분체(110)는 윤활제 분말의 융점 상당 온도(예를 들어 120℃)로 승온된다(도 1의 공정 PR3). 즉, 윤활제가 용해되며, 그 유동에 의해 중간 압분체(110) 내의 윤활제 분포를 균일하게 개변한다. 가열 승온시간은 예를 들어 8~10초이다. 또, 온풍은 철망형상의 지지 부재(32), 배기순환 후드(33)를 통해 재순환 이용된다.
도 7의 (A2)에 나타내는 돌출부분(110A)을 갖는 형태의 중간 압분체(110)의 경우도 마찬가지로 가영 승온된다.
(승온이 끝난 중간 압분체의 세트)
승온된 중간 압분체(110)는 도 3(B)에 나타내는 것과 같이 워크 이송장치(50)(이송 바(52))에 의해 제 2 가압성형기(40)로 이송되어 하형(41)의 위쪽에 위치결정이 되어서, 하형(41)(캐비티(42)) 내의 가동 부재(43) 상에 세트 된다(도 1의 공정 PR4).
도 7(B1)의 경우에는 상형이 상 펀치(45P)이고 하형이 다이스(41D) 및 하 펀치(41P)이다.
(금형의 난기)
제 2 가압성형기(40)에서 기동으로 선택되어 있는 경우에는 제 2 난기장치(47)가 동작한다. 중간 압분체(110)를 받아들이기(세트 되기) 이전에 금형(다이스(41D))]을 윤활제 분말의 융점 상당 온도(120℃)로 따뜻하게 한다. 그 후에 받아들인 승온이 끝난 중간 압분체(110) 내의 윤활제의 재 고형화를 방지할 수 있다.
도 7(B1)의 경우에는 다이스(41D)에 제 2 난기장치(히터, 47)를 설치해 두면 좋다.
(완성 압분체의 성형 1)
도 2의 슬라이드(5)와 함께 상형(45)이 도 3(A)에 나타내는 것과 같이 하강하여 하형(41)(캐비티(42)) 내의 중간 압분체(110)를 제 2 가압력(P2)으로 가압하기 시작한다. 액상의 윤활제가 충분한 윤활작용을 한다. 특히, 가압성형의 진행에 수반해 윤활제가 전체방향으로 유출하는 발한현상이 발생한다. 기금속입자 사이만이 아니라 입자와 금형의 마찰저항력을 효율적으로 경감할 수 있다.
압축된 중간 압분체(110)의 밀도 ρ는 도 4의 특성 B에 따라 높아진다. 즉, 제 2 가압력(P2)이 횡축 지수(예를 들어 30…가압력 3.0Ton/㎠)를 넘으면 밀도 ρ가 6.63g/㎤에서 급격하게 종축 지수 102에 상당하는 밀도 ρ(7.75g/㎤)로 높아진다. 제 2 가압력(P2)을 횡축 지수 100(10Ton/㎠)까지 올리면 밀도 ρ(7.75g/㎤)는 전체적으로 균일해진다. 예를 들어 8초간의 제 2 가압성형처리가 종료하면 제 2 금형(하형(41)) 내에 완성 압분체(120)가 성형되어 있다(도 1의 공정 PR5). 그 후, 슬라이드(5)에 의해 상형(45)이 상승한다. 또, 제 1 가압성형기(20)에서는 후의 중간 압분체(110)에 관한 제 1 가압성형처리가 동기하여 이루어지고 있다.
(완성 압분체의 성형 2)
도 7(B1)의 경우에는 슬라이드의 하강에 의해 상 펀치(45PU)에서 하 펀치(41PD) 측으로 제 2 가압력(P2)을 부여하면 도 8에 나타내는 중간 압분체(110)의 상면 측과 하면 측의 돌출부분(110A) 사이에 큰 압축력이 가해진다. 중앙부분(돌출부분(110A))에 가해지는 단위면적당 가압력이 크므로 중간 압분체(110)의 기금속입자 및 액상 윤활제는 상면 중앙 포인트(Pu)에서부터 전체방향이면서 경사 하향방향으로 압출 유동되고, 하면 중앙 포인트(Pd)에서부터 전체방향이면서 경사 상향방향으로 압출 유동된다. 따라서 원활하고 확실한 유동이 담보된다. 안정적이고도 신속한 압축효과를 조장할 수 있다. 돌출부분(110A)은 점차 눌려서 압착되면서 원판형상에 가까워지며, 최종적으로는 도 7의 (B2)［도 6(B)］에 나타내는 소정 형상이며 고품질의 완성 압분체(120)를 완성할 수 있다.
(제품 인출)
제 2 인출장치(가동 부재(43))가 동작하여 완성 압분체(120)가 이송레벨(HL)로 밀어 올려진다. 즉, 하형(41)으로부터 인출된다. 그러면 도 3(B)에 나타내는 것과 같이 워크 이송장치(50)가 동작하여 그 이송 바(53)에 의해 완성 압분체(120)는 배출 슈터(59)를 향해 이송된다. 이 단계에서 가동 부재(43)가 하부의 초기 위치로 복귀된다. 종축 지수 102에 해당되는 밀도 ρ(7.75g/㎤)의 완성 압분체(120)는 윤활제 분말이 저 융점이므로 유리질이 변질·용해하는 일은 없다. 따라서, 와전류 손실이 작고, 자속밀도를 높일 수 있는 고품질의 자심용 압분체를 능률 좋게 제조할 수 있을 것으로 이해된다.
(제조사이클)
이상의 각 공정에 의한 고밀도 성형방법에 의하면, 차례대로 공급 충전되는 금속분말(혼합분말(100))에 대한 제 1 가압성형처리, 가열 승온처리 및 제 2 가압성형처리를 동기하여 실행할 수 있으므로, 최장의 가열승온 처리시간(예를 들어 10초)에 워크 이송시간(예를 들어 2~4초)을 합한 12~14초의 사이클 시간에 고밀도 압분체(완성 압분체(120))를 제조할 수 있다.
종래 예에서의 30분 이상의 고온 소결처리시간과만 비교해도 제조·생산시간을 비약적으로 향상할 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어 소형 경량이면서 복잡한 형상이며 기계적 강도가 높은 자동차용 부품이나, 자기특성 및 기계적 강도가 우수한 전자기기용 부품의 공급을 안정화할 수 있고, 이들의 생산비용의 절감에도 크게 공헌할 수 있다.
이렇게 하여, 본 실시형태에 의하면 제 1 금형(하형(21))에 기금속분말에 저 융점의 윤활제 분말을 혼합한 혼합분말(100)을 충전하고, 제 1 금형 내에서 제 1 가압력(P1)을 인가하여 가압방향으로 돌출하는 돌출부분(110A)을 갖는 중간 압분체(110)를 성형하고, 가열해서 윤활제 분말의 융점 상당 온도로 적극적으로 승온된 중간 압분체(110)를 제 2 금형(하형(41))에 세트하고, 동시에 제 2 가압력(P2)을 인가하여 돌출부분(110A)을 가압방향으로 압착 압축하면서 가압성형하여 고밀도이며 원하는 형태의 완성 압분체(120)를 완성하는 고밀도 성형방법이므로 고밀도 압분체를 확실하고도 안정적으로 제조할 수 있고, 또한 제조비용을 큰 폭으로 낮출 수 있으며, 가압능력을 유효하게 이용하면서 액상 윤활제의 유동 원활화를 촉진함으로써 고품질의 압분체를 원활하게 실제로 제조할 수 있다.
가압능력의 유효 이용에 의해 기금속입자 및 액상 윤활제의 유동성을 강화함으로써 소정의 고밀도이면서 고품질의 완성 압분체(120)를 완성할 수 있다는 관점에서 보면 제 2 가압성형기의 설계단계에서의 가압능력을 경감할 수 있다고 할 수 있다. 즉, 프레스기계 등의 소용량·소형화가 가능하다.
또, 고온에서의 장시간의 소결처리를 일소할 수 있으므로 압분체(110, 120)의 산화를 대폭 억제할 수 있을 뿐 아니라, 에너지 소비의 최소화 및 제조비용의 대폭 삭감을 달성할 수 있다. 지구적 환경보전상에서도 환영할 수 있다.
또, 완성 압분체(120)가 도 6(B)에 나타내는 것과 같은 속이 차면서 단순한 형상의 형태인 경우에는 도 6(A)에 나타내는 것과 같이 돌출부분(110A)을 중간 압분체(110)의 평면 중앙부분에 성형하는 것으로 되어 있으므로 중앙부분에서 외측의 캐비티 내벽 면으로 향한 기금속입자 및 액상 윤활제의 유동성을 한층더 높일 수 있다. 제조시간의 단축화도 촉진할 수 있다.
윤활제 분말의 융점이 90~190℃의 온도범위 내에 속하는 저 융점으로 되어 있으므로 제 1 가압공정 중에서의 윤활제의 산화 억제를 조장하면서 충분한 윤활작용을 담보할 수 있다. 게다가, 윤활제의 종류에 관한 선택성이 넓다.
제 2 난기장치(47)에 의해 중간 압분체(110)를 받아들이기 전에 제 2 금형(하형(41))을 난기 할 수 있으므로, 제 2 가압성형 중에서의 용해가 끝난 윤활제의 전체방향으로의 유동성을 대폭으로 높일 수 있다. 즉, 기금속입자 간만이 아니라 입자와 제 2 금형(하형(41), 다이스(41D)) 사이의 마찰저항력을 큰 폭으로 경감 유지할 수 있다.
또, 제 2 가압력(P2)을 제 1 가압력(P1)과 동일한 값으로 하였으므로, 가압성형공정의 실시 및 그 취급이 용이하며, 간접적으로 압분체의 제조비용을 한층 더 절감하는데도 기여할 수 있는 동시에, 장치 구현화에 있어서는 예를 들어 1대의 프레스기계를 베이스로 하여 간단하게 구축할 수 있다.
또, 기금속분말을 자심용 유리질 피막 피복 철 분말에서 자심용 철계 어모퍼스 분말, 자심용 Fe-Si 합금분말의 어느 것으로 변경해도, 다른 조건을 동일하게 해도, 기금속분말의 종류에 대응하는 우수한 자기특성을 갖는 자심 부품을 능률 좋게 안정적으로 제조할 수 있다.
종래 장치(예를 들어 프레스기계)의 능력(도 4의 횡축 지수 100)으로는 종축 지수 100에 상당하는 밀도 이상으로 높이는 것이 불가능하였으나, 본 발명에 의하면 동일 장치로 종축 지수 102에 상당하는 밀도까지 높일 수 있다. 이 사실은 해당 기술 분야에 있어서 획기적인 것이라고 할 수 있다.
또, 고밀도 성형장치(1)가 혼합분말 공급기(10)와 제 1 가압성형기(20)와 가열 승온기(30)와 제 2 가압성형기(40)로 구성되어 있으므로 앞에서 설명한 고밀도화방법을 확실하고도 안정적으로 생산할 수 있다.
예를 들어 도 9(B)에 나타내는 복잡 형상의 형태인 경우에는 돌출부분(110B)을 한층더 크게 하여 혼합분말(100)의 충전량을 증량해 두면 각 돌출 원호부분의 밀도(강도)를 다른 부분에 비해 크게 할 수도 있다.
( 제 2 실시형태)
본 실시형태는 도 10에 나타내고 있다. 제 1 실시형태의 경우와 비교하여 혼합분말 공급기(10) 및 제 1 가압성형기(20)는 그대로 하며, 가열 승온기(30)와 제 2 가압성형기(40)를 일체적으로 형성한 것을 특징으로 한다.
즉, 고밀도 성형장치(1)는 제 1 실시형태에서의 가열 승온기(30)와 제 2 가압성형기(40)를 이들의 기능을 일체적으로 조합한 가열 가압성형기(70)로 형성되어 있다. 가열 가압성형기(70)는 복수 대(본 실시형태에서는 2대)의 가열 가압성형 자기(70A, 70B)로 형성되며, 각 가열 가압성형 자기(70A, 70B)는 도시하지 않은 제어장치에 의해 제조사이클마다 선택되어 순차로 동작 가능하게 되어 있다.
각 가열 가압성형 자기(70A, 70B)는 기본 구조가 제 1 실시형태에서의 제 2 가압성형기(40)에 상당하는 것으로 되어 있다. 또, 각 가열 가압성형 자기(70A, 70B)에는 제 1 실시형태의 경우에서의 가열 승온기(30) 및 제 2 난기장치(47)의 각 기능에 대응하는 복합 기능을 갖게 한 복합기능형 가열장치(48)를 마련하고 있다.
즉, 복합기능형 가열장치(48)는 설정온도 전환기능을 갖는 전열방식으로 되어 있다. 미리(중간 압분체(110)를 받아들이기 이전에) 하형(41)을 윤활제 융점 상당 온도(예를 들어 120℃)로 난기 할 수 있다. 중간 압분체(110)를 받아들인 후에는 중간 압분체(110) 전체를 윤활제 융점 상당 온도(예를 들어 120℃)로 가열 승온할 수 있도록 발열량을 크게 전환한다. 가열부위를 선택 전환할 수도 있다. 이 가열 승온 종료 후에 제 1 실시형태에서의 제 2 가압성형기(40)의 경우와 같은 제 2 가열 성형처리를 한다. 복합기능형 가열장치(48)는 제 2 가열 성형처리 중에 중간 압분체(110)의 온도를 윤활제 융점 상당 온도(예를 들어 120℃) 이상으로 유지할 수 있도록 동작한다.
도 10에 나타내는 것과 같이, 각 가열 가압성형 자기(20, 70A, 70B)는 독립 프레스기계 구조로 이루어지며, 각 슬라이드(5, 5A, 5B)는 각각의 가열 가압성형 자기(20, 70A, 70B)용 모터의 회전제어에 의해 각각 승강 구동된다. 즉, 각 가열 가압성형 자기(70A, 70B)의 일방(타방)이 가압성형 동작하는 경우는 타방(일방)은 예열이며 가압성형 동작은 하지 않는다. 가열 가압성형기(70)를 제조사이클 타임과의 관계에서 3대 이상의 가열 가압성형자기로 형성하는 경우에도 동일하다.
이와 같은 실시형태의 장치에서는 제 1 가압성형기(20)에서 제 3번째의 중간 압분체(110)를 가압성형하는 도중에 일방의 가열 가압성형 자기(70A)(또는 가열 가압성형 자기(70B))에서 제 2회째의 중간 압분체(110)를 가열 승온하고, 동시에 가열 가압성형 자기(70B)(또는 가열 가압성형 자기(70A))에서 제 1번째의 중간 압분체(110)를 완성 압분체(120)로 하도록 가압성형 중이다.
이와 같이, 본 실시형태에 의하면 가열 가압성형기(70)를 동일 구조의 복수 대의 가열 가압성형 자기(70A, 70B)로 구축하면 좋으므로, 제 1 실시형태의 경우와 비교하여 한층 더 장치의 간소화를 도모할 수 있다. 제조라인의 단순화도 촉진할 수 있고 취급도 한층 용이하게 된다.
물론, 제 1 실시형태의 경우(도 6~9)와 마찬가지로 제 1 가압력(P1)을 인가하여 가압방향으로 돌출하는 돌출부분(110A)을 갖는 중간 압분체(110)를 성형하고, 승온이 끝난 중간 압분체(110)에 제 2 가압력(P2)을 인가하여 돌출부분(110A)을 가압방향으로 압착하여 압축하면서 가압성형하여 고밀도이며 원하는 형태의 완성 압분체(120)를 완성할 수 있다.
또, 제 1 가압성형기(20)와 가열 가압성형 자기(70A)(또는 가열 가압성형 자기(70B)) 혹은 제 1 가압성형기(20) 및 각 가열 가압성형 자기(70A, 70B)를 1대의 프레스기계 구조로서 구축하는 것도 가능하다.
1 고밀도 성형장치
10 혼합분말 공급기
20 제 1 가압성형기
30 가열 승온기
40 제 2 가압성형기
47 제 2 난기장치
48 복합기능형 가열장치
50 워크 이송장치
70 가열 가압성형기
70A, 70B 가열 가압성형 자기
100 혼합분말
110 중간 압분체(혼합분말 중간 압축체)
110A 돌출부분
110B 돌출부분
120 완성 압분체(혼합분말 완성 압축체)

Claims (9)

  1. 기금속분말(basic metal powder)과 저 융점의 윤활제 분말의 혼합물인 혼합분말을 제 1 금형에 충전하고,
    제 1 금형 내에서 혼합분말에 제 1 가압력을 인가하여 혼합분말 완성 압축체의 형태에 비교하여 가압방향으로 돌출하는 1 또는 복수의 돌출부분을 갖는 형태의 혼합분말 중간 압축체를 성형하고,
    제 1 금형으로부터 인출한 혼합분말 중간 압축체를 가열하여 혼합분말 중간 압축체의 온도를 당해 윤활제 분말의 융점 상당 온도로 적극적으로 승온하고,
    승온된 혼합분말 중간 압축체를 제 2 금형에 세트하고,
    제 2 금형 내에서 혼합분말 중간 압축체에 제 2 가압력을 인가하여 돌출부분을 가압방향으로 압착하여 압축하면서 가압성형하여 고밀도이며 원하는 형태의 혼합분말 완성 압축체를 완성하는 것을 특징으로 하는 혼합분말의 고밀도 성형방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합분말 완성 압축체가 속이 차고 단순한 형상의 형태인 경우에는 상기 돌출부분이 당해 혼합분말 중간 압축체의 평면 중앙부분에 형성되어 있는 혼합분말의 고밀도 성형방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 윤활제 분말의 융점이 90~190℃의 온도범위 내에 속하는 저 융점으로 되어 있는 혼합분말의 고밀도 성형방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제 2 금형이 혼합분말 중간 압축체의 수용 이전에 상기 융점 상당 온도로 난기(pre-heated) 되는 혼합분말의 고밀도 성형방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제 2 가압력이 상기 제 1 가압력과 동일한 값으로 선택되어 있는 혼합분말의 고밀도 성형방법.
  6. 기금속분말과 저 융점의 윤활제 분말의 혼합물인 혼합분말을 외부로 공급하여 충전할 수 있는 혼합분말 공급기와,
    이 혼합분말 공급기를 이용하여 제 1 금형에 충전된 혼합분말에 제 1 가압력을 인가하여 혼합분말 완성 압축체의 형태에 비교하여 가압방향으로 돌출하는 1 또는 복수의 돌출부분을 갖는 형태의 혼합분말 중간 압축체를 성형하는 제 1 가압성형기와,
    제 1 금형으로부터 인출된 혼합분말 중간 압축체의 온도를 당해 윤활제 분말의 융점 상당 온도로 승온시키기 위한 가열 승온기와,
    제 2 금형에 세트된 승온이 끝난 혼합분말 중간 압축체에 제 2 가압력을 인가하여 돌출부분을 가압방향으로 압착하여 압축하면서 가압성형하여 고밀도이며 원하는 형태의 혼합분말 완성 압축체를 완성하는 제 2 가압성형기를 구비하여 이루어지는 혼합분말의 고밀도 성형장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 가열 승온기와 상기 제 2 가압성형기를 이들의 기능을 일체적으로 포함하는 가열 가압성형기로 형성하는 동시에, 가열 가압성형기를 복수 대의 가열 가압성형 자기(子機)로 형성하여 각 가열 가압성형 자기를 사이클마다 선택하여 순차 동작할 수 있도록 형성되어 있는 혼합분말의 고밀도 성형장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제 2 금형을 난기하는 난기장치를 더 갖는 혼합분말의 고밀도 성형장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 제 1 가압성형기에서 성형된 상기 혼합분말 중간 압축체를 상기 가열 승온기로 이송하고, 상기 가열 승온기에서 가열된 상기 혼합분말 중간 압축체를 상기 제 2 가압성형기까지 이송하며, 또한, 상기 제 2 가압성형기에서 성형된 상기 혼합분말 완성 압축체를 배출부까지 이송하는 워크 이송장치를 더 갖는 혼합분말의 고밀도 성형장치.
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