KR20160038004A - 금속 부품의 성형 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

공급 재료가 초기에 분말 상태인 금속 부품의 성형 방법 및 장치가 개시된다. 부품의 시험적인 포지티브 모델(102)이 생성되고, 부품이 그로부터 성형되는 금속의 용융점보다 높은 용융점을 가지는 재료로부터 상기 포지티브 모델 둘레에 네가티브 몰드(104)가 구성된다. 시험적인 포지티브 모델은 네가티브 모델로부터 제거된다. 금속 분말의 공급 재료(108)는 몰드 내로 배치되고 몰드 내의 금속 분말을 용융시키기 위하여 금속 분말의 용융점보다 높은 온도로 금속 분말이 가열된다.

Description

금속 부품의 성형 방법 및 장치{FORMING A METAL COMPONENT}

본 출원은 전체적으로 참고를 위하여 전체 개시 내용이 여기 포함된, 2013년 8월 2일 출원의 영국 특허출원 제13 13 849.0, 2013년 11월 15일 출원의 영국 특허출원 제13 20 168.6, 및 2013년 11월 15일 출원의 영국 특허출원 제13 20 171.0에 대해 우선권을 주장한다.

본 발명은 분말 공급재료로부터 금속 부품을 성형하는 방법에 대한 것이다. 본 발명은 또한 분말 공급재료로부터 금속 부품을 성형하기 위한 장치에 대한 것이다.

분말 야금은 분말 공급 재료로부터 금속 부품을 성형하기 위한 공지의 방법이다. 공지의 열간 등방압 가압(HIP; hot isostatic pressing) 공정에서, 분말은 압력과 온도가 적용되는 강 몰드 내에서 성형된다. 통상적으로, 50메가파스칼 내지 300메가파스칼 범위로 변할 수 있는 등방압을 제공하기 위하여 아르곤 가스가 사용된다. 이 공정 동안, 분말을 소결하고 입자들이 같이 융합하도록 재료 온도는 증가된다. 그러나, 공지의 분말 야금은 제조될 제품 크기 및 그들의 형상의 복잡성의 면에서 제한된다. 더욱이, 비용이 고가이고 시간 소비적인 공정이다. 보다 종래적인 주조 공정에 의하여 제조된 제품들과 경쟁할 때, 필요 크기 및 복잡성을 가지는 제품을 제조하는 것이 가끔 불가능하고 시도하기 어렵다.

본 발명은 일 측면에 따라 분말 공급 재료로부터 금속 부품을 성형하기 위한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따라 분말 공급 재료로부터 금속 부품을 성형하기 위한 방법이 제공되는 데, 이 방법은: 상기 분말 공급 재료의 용융점보다 높은 용융점을 가지는 세라믹 재료로부터 부품의 네가티브 몰드를 생성하고; 상기 몰드 내로 금속 분말의 공급 재료를 배치하고; 유도가열 시스템을 가지는 진공 챔버 내에 상기 몰드를 위치시키며; 및 상기 몰드 내의 상기 금속 분말을 용융시키기 위하여 금속 분말의 용융점보다 높은 온도로 상기 유도가열 시스템을 이용하여 상기 몰드를 가열하는 것을 포함하고; 상기 유도가열 시스템은 입상 서셉턴스 재료를 포함한다. 일 실시예에서, 몰드 내로의 공급 재료의 배치 동안, 몰드 내에서의 공급 재료의 분산을 촉진시키기 위하여 일정 정도의 진동이 도입될 수 있다.

일 실시예에서, 몰드가 냉각되고 몰드 내에 수용된 금속이 접촉함에 따라 몰드 내로 공급하는 추가적인 액체 금속을 수용하는 공급 튜브가 구비된다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 상기 유형의 성형 장치가 제공되는 데, 이 장치는, 내부에 함유된 상기 분말 공급 재료의 용융점보다 높은 용융점을 가지는 세라믹 재료가 포함된 부품의 네가티브 몰드; 유도가열 시스템을 구비한 상기 몰드를 수용하기 위한 진공 챔버를 포함하며; 상기 유도가열 시스템은 입상 서셉턴스 재료를 포함하고 및 몰드 내의 금속 분말의 용융을 촉진하기 위하여 금속 분말의 용융점보다 높은 온도로 상기 몰드를 가열하도록 구성된다.

도 1은 금속 부품의 성형 방법을 도시하며;
도 2는 포지티브 모델의 생성 과정을 도시하며;
도 3은 몰드를 생성하기 위한 층들의 추가를 도시하며;
도 4는 공급 재료의 배치를 도시하며;
도 5는 금속 부품 성형 장치를 도시하며;
도 6은 피더 부분의 단면을 도시하며;
도 7은 금속 분말이 장입된 후의 도 5의 몰드를 도시하며;
도 8은 액체 금속이 충진된 도 7의 몰드를 도시하며;
도 9는 몰드의 부분 단면을 도시하며;
도 10은 추가적인 냉각 후의 도 9의 도면을 도시하며;
도 11은 대체적인 구조의 몰드를 도시하며;
도 12는 가열 시스템을 도시하며;
도 13은 몰드의 대체적인 실시예를 도시하며; 및
도 14는 입상 서셉턴스 재료에 침지된 몰드를 도시한다.

도 1을 참고하면, 분말 공급재료로부터 금속 부품을 성형하는 방법이 도 1에 도시된다. 공급 재료는 먼저 분말 상태이며(도 4에서 상세 설명) 열을 가하여(도 12에서 상세 설명) 고체 부품이 성형된다. 단계(101)에서 부품의 시험적인 (sacrifical) 포지티브 모델(102)이 생성된다. 단계(103)에서, 부품이 그로부터 성형되는(도 3에서 상세 설명되는 바와 같이) 재료의 용융점보다 더 높은 용융점을 가지는 재료로부터 네가티브 몰드(104)가 포지티브 모델 둘레에 구성된다.

단계(105)에서, 시험적인 포지티브 모델이 네가티브 몰드 내에 공동(106)을 잔류시키기 위하여 제거된다.

단계(107)에서, 금속 분말(108)의 공급 재료가 몰드 내로 배치된다. 단계(109)에서 몰드 내에서 금속 분말이 용해되도록 금속 분말의 용융점보다 높은 온도에서 몰드에 열(110)이 가해져서, 몰드(104) 내에 용융 금속(111)을 형성한다.

금속 부품을 성형하기 위하여 여기 사용된 금속 분말(108)은 제1 실시예에서 순금속 입자로 구성된 분말이다. 그러나, 대체적인 실시예에서, 금속 분말(108)은 합금 입자를 포함하는 분말이다. 그러므로 상기 금속 분말로부터 성형된 금속 부품은 순금속 또는 합금 화합물로 구성될 수 있음이 이해되어야 한다.

반면에 HIP 성형, 금속야금, 금속 주입 몰딩, 등과 같은 공지의 분말 야금 기술의 경우, 금속 분말은 특정 크기 범위로 분류되는 것이 필요하며, 여기 설명된 방법은 분말 입자의 크기 범위에 대해 비교적 민감하지 않다. 단지 필요한 것은, 세라믹 몰드 내로 금속 분말이 용이하게 유동하는 것이다. 몰드가 0.5밀리미터의 매우 작은 직경을 가지는 단면을 형성할 경우, 가스 분무에 의하여 생성된 구형 분말이 더욱 적절할 것이다. 몰드 단면이 더 커지면, 분쇄 및 밀링에 의하여 생성된 각형 분말도 몰드를 충진시킬 수 있을 것이며, 특히 분말 흐름이 도 4에 관련하여 설명되는 바와 같이 진동에 의하여 보조될 때, 그러할 것이다.

도 2를 참조하면, 포지티브 특수 모델을 생성하기 위한 과정이 도 2에 도시된다. 포지티브 모델(102)을 생성하기 위하여 소스 재료(201)에 작업이 수행된다. 제1 실시예에서, 포지티브 모델의 형상을 형성하기 위하여 적절한 재료에 가공 작업(202)을 수행할 수 있다. 그러나, 사용된 재료는 네가티브 몰드를 제거하기 위하여 시험 재료를 제거할 수 있는 형태이어야 하는 것이 이해되어야 한다.

대체적인 방안으로서, 왁스 주입 공정(203)을 실행할 수 있다. 왁스 포지티브 둘레에 몰드를 생성한 후에, 열을 가함으로써 왁스를 제거할 수 있다. 그러한 방안은 또한 용융 금속의 도입 전에 몰드의 가열이 바람직한 종래의 주조 시스템에서 알려져 있다. 그러나, 일 실시예에서, 몰드는 냉각되어야 하고 입자들은 실온에서 첨가될 것이다.

대체적인 예로서, 예컨대, 재료를 적절히 신속하게 시제품 제작함(prototyping)으로써, 부가적인 제조공정(204)에 의하여 포지티브 몰드를 제조할 수 있다. 재료는 열을 가함으로써 및/또는 적절한 용제를 가함으로써 제거될 수 있다.

도 3을 참조하면, 이 실시예에서는 그로부터 부품이 성형될 금속의 용융점보다 높은 용융점을 가지는 네가티브 몰드가 비교적 기공성인 세라믹 쉘(shell)이다. 일 실시예에서, 세라믹 몰드는 도 3 도시와 같이 복수의 층들을 부가함으로써 생성된다.

도 3 도시의 실시예에서, 층들은 습식 슬러리층과 이어지는 실질적으로 건식의 스타코(stucco) 층을 교대로 부가함으로써 이루어진다.

슬러리(301)는 모델(102)에 가해진다. 건식 스타코 층(302)이 이어서 가해지고 이는 습식 슬러리에 그 자체를 부착시켜 층을 형성한다.

303에 일반적으로 도시된 바와 같이, 이 공정은 층(304)을 생성하기까지 반복된다. 이와 같이, 네가티브 몰드(104)가 소정 두께로 성형되기까지 추가적인 반복이 이루어진다. 세라믹 몰드(104)는 내부의 방사 가열 시스템으로부터의 방사 열이 유도되어 금속 분말을 용융할 수 있도록 이론적으로 비교적 얇은 단면을 가져야 한다. 그러나, 벽 단면은 가공 동안 균열 또는 파단(fracturing)을 방지할 수 있도록 충분히 두꺼워야 하며, 그러므로 높은 열 전도성을 가지나 충분히 강한 몰드를 생성함에 있어서 적절성이 달성되어야 한다.

일 실시예에서, 사용되는 금속과 불활성인 1차 내화 슬러리가 적용된다. 이어서 유사하거나 다른 건조 모래가 적용되고 추가 슬러리가 적용되고, 모래, 스타코 등이 적용된다.

실리카와 알루미나와 같은, 세라믹 쉘을 형성하기 위한 많은 적절한 세라믹 재료가 알려져 있다. 시험 동안 실리카 쉘은 방사 열 시스템을 이용하여 적절한 시간-프레임에서 분말 금속 장입물을 용해시키기에 충분히 높은 열 전도성을 가지지 않는 것이 발견되었다. 그러므로, 바람직한 실시예에서, 높은 열 전도성을 가지는 알루미나 재료로 구성되는 네가티브 몰드가 사용된다. 높은 열 전도성을 가지는 다른 형태의 쉘 재료가 사용될 수 있으나, 일정 금속을 사용한 때 그들은 그래파이트 기반 몰드에 의해서 수행될 수 있었던 바와 같은 용융 금속 중에서 용해하는 것이 반드시 용이하지 않았다.

도 4를 참조하면, 공급 재료를 배치하기 위한 단계(107)가 도 4에 상세히 도시된다. 포지티브 시험 모델(102)이 단계(105)에 도시된 바와 같이 제거되었다. 네가티브 몰드(104)는 진동 테이블(401) 위에 그 자체 안정한 베이스(402)에 의해 지지되어 배치된다. 이와 같이, 몰드(104) 내로 공급 재료(108)가 배치됨에 따라, 또는 배치 후에, 몰드 내에서의 공급 재료의 분산을 촉진하기 위하여 화살표(403 및 404)로 표시한 바와 같이 일정한 정도의 진동이 도입된다. 예컨대, 0.10-0.15 밀리미터의 낮은 진폭 변이를 가진 40-60Hz의 고주파 진동에 의하여 대형이며 복잡한 금속 부품용 몰드가 용이하게 충진될 수 있다. 이와 같이, 공급 재료는 단계(109)에 의하여 도시된 바와 같이 몰드 내에서 분산되고 이어서 가열된다.

일 실시예에서, 압력 없이 열이 가해지고 몰드는 공급 재료를 용해하는 온도로 가열된다. 이와 같이, 공지 시스템들에 비교해서 전체적으로 더 작은 복잡성을 가진 공정을 이용하여 100%에 근접한 밀도를 얻을 수 있다. 금속의 온도를 상승시키기 위해서 및 금속을 완전히 용융하기 위하여 열이 필요하다. 따라서, 순수 금속의 경우, 금속의 용융점 위로 약50℃로 또는 합금의 경우 액상 온도 위로 금속은 통상적으로 가열된다.

일부 공지 시스템에서, 용기로부터 가끔 오염이 도입되고 이는 티타늄을 사용할 때 특히 문제로 된다. 고체 상태 확산을 이용한 공정들에 의하여 용기 내측에 수용된 재료에게 유사한 환경을 수용하는 용기가 얻어진다. 이와 같이, 가공 후에도, 상당한 층의 재료 혼합물이 잔류하는 것이 중요하다. 따라서, 필요한 결과를 달성하기 위하여 추가적인 처리가 필요하다.

공급 재료로서 금속 분말을 사용하면 소정 특성을 가지는 제품을 제조할 수 있는 것이 인식되었다. 미소 구조가 매우 균일한 경향이 있으며, 이는 강도 및 피로 특성을 향상시킬 수 있다. 이러한 형태의 특성은 단조 작업에 의하여 제공될 수 있으나, 알려진 바와 같이, 단조에 의하면 상당한 수준의 낭비를 발생하고 그러므로 전체 비용을 증가시킨다. 유사하게, 주조 공정의 수율은 통상적으로 50%이며, 재차 비용을 증가시키며, 이는 고가 합금이 사용된 때 중요한 인자로 된다.

도 5를 참조하면, 분말 공급재료로부터 금속 부품을 성형하기 위한 장치가 도 5 내지 12에 도시된다. 이미 설명된 바와 같이, 시험적인 포지티브 모델이 생성되고 재료가 그로부터 성형되는 금속의 용융점보다 더 높은 용융점을 가지는 재료로부터 포지티브 모델 주위에 네가티브 몰드가 구성된다. 이와 같이, 이로써 네가티브 몰드, 바람직하게 세라믹 몰드(501)가 제작된다.

시험적인 포지티브 모델이 네가티브 몰드(501)로부터 제거된다. 장치는 추가로 몰드(501) 내로 금속 분말의 공급 재료를 배치하기 위한 배치 기구, 및 몰드 내에서 금속 분말이 용융되도록 금속 분말의 용융점보다 더 높은 온도로 금속 분말을 가열하기 위한 가열 시스템을 구비한다.

도 5에는 단면으로 몰드(501)의 예가 도시된다. 몰드(501)는 제조될 부품에 대응하는 부품 부분(502)과 피더 부분(503)을 포함한다. 피더 부분(503)은 일반적으로 도 6에 상세하게 도시된 바와 같이 내측으로 연장하는 부재를 포함할 수 있는 원통형 통로(504)를 형성한다. 피더 부분은 제1 단부에서 부품 부분에 인접하고 헤드 레벨까지 공급 재료를 삽입할 수 있도록 개방된 말단부를 향하여 수직으로 위로 연장한다.

그들의 용융 액체 상태로부터 금속이 냉각할 때 피더 부분이 구비되고, 그들이 고체인 지점까지 온도가 감소함에 따라 부피가 감소한다. 이와 같이, 냉각함에 따라 주형 내부의 하나 이상의 열 중심에서 형성될 수 있는 수축 공동을 보충하기 위하여 추가적인 액상 금속이 몰드 내로 제공하기 위하여 사용된다. 그러므로 피더의 용적은, 금속이 냉각함에 따라 금속의 용적 감소를 보충하기 위하여 제공되는 충분한 액체 금속의 필요에 의하여 결정된다. 우선, 피더에서의 금속 정압 그리고 둘째로, 주위 대기에 의하여 피더의 액상 금속 표면에 가해지는 압력의 두 인자들이 공급 효율에 영향을 미친다. 피더에서의 금속 정압 수두는 몰드 부분에 수용된 금속이 냉각하여 용적이 감소함에 따라 용융 금속을 몰드 부분으로 압송하도록 보조한다.

용융 금속의 상부는 적어도 부품 부분의 금속이 완전히 응고하기까지 용융 유지되어야 한다. 냉각 동안 피더 부분 내에서 피더 부분의 외부로의 열 에너지의 전도를 방지하기 위하여, 그리고 이로써 피더 금속을 용융 상태로 유지하기 위하여, 피더 부분의 벽은 부품 부분의 벽보다 비교적 작은 열 전도성을 가져야 한다. 그러므로 피더 부분은 상기 부품 부분에 대해 다른 세라믹 재료로 구성될 수 있으며 절연 또는 발열 세라믹 분말을 포함할 수 있다. 대신에, 피더들은 대기 효과가 공급에 보조하도록 피더 상부의 용융 금속 표면이 용융 유지되고 그리고 금속 부품보다 늦게 확실히 응고하도록 단열 재료에 의하여 피더들이 감싸질 수 있다.

금속 정압을 최대화하기 위하여, 피더 상부는 금속 정압을 최대화하기 위하여 실제적으로 그리고 경제적으로 가능한 가장 높이 상승되어야 한다. 부품 부분에서의 용융 금속의 탈가스를 더욱 향상시키기 위하여 그리고 용융 금속에 가해진 압력을 증가시키기 위하여, 하나 이상의 대기압 코어들이 피더 부분을 관통하여 부품 부분으로 아래로 연장하도록 제공될 수 있다. 이들 분위기 코어(atmospheric core) 들은 가스가 통과할 수 있으며 그의 투과성에 의하여 피더 부분의 열 중심의 액체 금속에 대기압이 가해질 수 있으며 액체 금속 내에 포획된 가스가 배출될 수 있도록 펜슬 형상의 세라믹 튜브로 구성될 수 있다. 내측으로 연장하는 부재 형태의 특별한 분위기 코어가 도 6을 참조하여 추가로 설명된다.

일 실시예에서, 세라믹 몰드는 초기에 실온에 있으며, 따라서 재료가 첨가될 수 있을 때, 몰드가 가열될 수 있으며 비교적 넓은 범위의 가능한 온도 내에서 실제 몰드 온도가 낙하할 수 있는 상태와 비교해서, 몰드는 공지의 비교적 일정한 온도에 있다. 그러나, 초기 온도와 용융 온도의 면에서 온도가 알려진 실시예에서, 피더에서 필요한 분말 용적을 정확하게 산출할 수 있다. 이와 같이, 전체 공정 동안 30-35%의 용적 수축을 보충하도록 최적 양의 재료가 유지될 수 있다. 도 6에는 수평면(503)을 관통하는 몰드의 단면도가 도시된다.

도 6을 참조하면, 피더 부분(503)이 일반적으로 원통형 통로(504)를 형성한다. 통로(504)는 분위기 코어를 포함하며, 여기서는 가스가 흐르며 원통형 통로의 중간부를 향하여 피더에 의하여 형성된 통로(504)의 일반적으로 원통형인 내면(506)으로부터 내측으로 연장하는 부재(505)에 의하여 제공된다. 일 실시예에서, 내측으로 연장하는 부재(505)는, 실질적으로 피더가 그로부터 형성되는 동일한 다공성 재료로 형성되고 통로(504) 중간에 근접하게 날카로운 에지(507)를 형성하도록 서로 예각으로 배치된 면들을 가진 웨지-형상이다.

일 실시예에서, 몰드는 금속 분말을 몰드 내에서 용융시키기 위하여 진공 노(vacuum furnace)의 챔버 내에 위치된다. 이러한 공정 동안, 내측으로 연장하는 부재는 챔버의 분위기가 금속 부품의 냉각 동안 피더의 용융 금속에 접근할 수 있고, 용융 금속 내에 포획된 가스를 배출할 수 있도록 하기 위한 수단을 제공한다. 그러므로 내측으로 연장하는 부재는 분위기 코어로서 작용하고 그의 투과성에 의하여 피더 헤드의 열 중심의 액체 금속에 압력이 가해질 수 있으며 몰드의 피더 부분과 부품의 용융 금속으로부터 가스가 배출될 수 있도록 한다.

도 7을 참조하면, 몰드(501)가 도 7에 도시되며, 공정(107) 동안 금속 분말(108)이 장입된다. 금속 분말은 상부 레벨까지 피더(503)의 개방 단부(702) 내로 주입되고, 진동되어(도 4와 관련해서 설명된 바와 같이), 금속 분말(108)을 치밀화한다. 일 실시예에서, 피더는 상기 피더의 상부까지 금속 분말로 채워진다. 이어서 몰드는 진동되어, 피더의 금속 분말의 상면(703)은 진동 전의 분말 수준에 비교해서 더 낮아 진다.

일 실시예에서, 금속 분말은 실질적으로 구형 입자들로 형성된다. 따라서, 진동에 의한 치밀화 후에도, 분말(108)에 의하여 점유된 용적의 대략 25-30%는 입자들 사이에 공동을 포함한다. 대체적인 실시예에서, 입자들의 다른 형상이 이용될 수 있는 데, 홀로 또는 구형 입자들과 결합하여 사용될 수 있다. 이러한 형태의 입자들을 포함시키면 분말 내의 공동들에 의하여 점유된 용적을 감소시킬 수 있다.

도 8을 참조하면, 액체 금속(801)을 형성하기 위하여 금속 분말(108)이 용융된 후의 몰드(501)가 도 8에 도시된다. 액체 금속의 상면(802)은 분말 표면(703)에 비교해서 피더 아래로 저하한다. 그러나, 이 실시예에서, 피더의 용융 금속(801)의 높이는 제조될 금속 제품에 대응하는 몰드 부분의 높이의 두 배보다 더 크다. 제조될 부품에 대응하는 몰드의 부품 부분의 높이는 화살표(803)로 표시되고 피더 부분(503)의 용융 금속(801)의 높이는 화살표(804)로 표시된다. 이와 같이, 이 실시예에서, 화살표(804)로 표시된 높이가 화살표(803)로 표시된 높이의 두 배 이상이다.

피더 내의 용융 금속의 중량에 기인하여 용융 금속 내에서 압력이 생성된다. 비교적 높은 용융 금속 피더를 도입함으로써, 몰드 내에서 용융 금속에 충분한 압력이 생성되고, 몰드 표면의 미세한 부분으로 용융 금속이 주입될 수 있다.

도 9를 참조하면, 몰드(501)의 부분 단면도가 도시되는 데, 몰드가 냉각됨에 따라, 몰드 벽을 통해 용융 금속으로부터 열이 전도된다. 따라서, 용융 금속의 외부는 우선적으로 응고하는 경향이 있으며, 응고 과정은 내측 방향으로 진행된다.

도 9의 예에서, 몰드의 벽에 인접한 영역(901)은 결정화 진행 중이며, 반면에 벽으로부터 떨어진 금속 부분은 여전히 액상이다. 응고 동안, 금속은 부피로 약7% 통상적으로 수축하며 따라서 공동(902)이 용융 금속 내에서 형성된다.

도 10을 참조하면, 용융 금속에 의하여 공동이 에워싸이면, 금속은 중력에 의하여 공동으로 낙하할 것이며, 공동이 몰드를 따라 상승하는 것처럼 나타날 수 있다.

일 실시예에서, 피더 내로 공동이 상승하고 피더 내의 금속은 몰드 내로 낙하하여 몰드가 완전히 충진되는 것이 보장되도록 피더는 배치된다. 도 10 도시의 예에서, 공동(902)은 피더까지 상승한 단일 공동(1001)을 형성하기 위하여 합체되었다.

일반적으로, 공동(1001)과 같은 공동들은 진공을 포함하는 공간 용적을 형성할 것이다. 그러나, 이들 공동들은 몰드 내의 용융 금속에 의하여 포획된 일부 가스를 함유할 수 있다. 일 실시예에서, 내측으로 연장하는 부재(505)는 피더 내에서 용융 금속 내에서 포획된 가스가 배출될 수 있도록 허용하는 수단을 제공한다. 내측으로 연장하는 부재는 비교적 양호한 단열재(금속 자체에 비교해서)이며 피더 내에서 금속의 용융된 코어 내로 연장하므로 이를 실행할 수 있다. 또한, 부재는 가스가 통과할 수 있다.

도 11을 참조하면, 도 5 내지 10을 참조하여 설명되는 몰드는, 몰드 내로 분말을 수용하는 수단을 제공하는 단일 피더를 가지며, 또한 몰드 내에서 상승된 금속 정압을 생성하도록 금속 정압 수두를 제공한다. 그러나, 대체적인 실시예에서, 금속 정압적인 수두 압력을 제공하는 피더로부터 분리되어, 하나 이상의 추가적인 피더들이 제공될 수 있다.

몰드(1101)가 제조될 금속 대상에 대응하는 하부 부분(1102)을 가지는 예가 도 11에 도시된다. 또한, 몰드는 제1 피더(1103), 제2 피더(1104) 및 제3 피더(1105)를 가진다.

제2 피더(1104)는 부분(1102)의 높이보다 두 배 더 높은 높이를 가지며 분말 금속(1107)을 수용하기 위한 개구(1106)를 상단부에 구비하는 도 5 도시의 피더(503)에 실질적으로 유사하다.

제1 피더(1103)와 제3 피더(1105)는 피더(1104)에 유사하나 그들의 높이가 제2 피더(1104)의 높이보다 실질적으로 작은 것이 다르다. 또한, 단부들이 완전히 밀봉되도록 그들의 상단부에 캡이 씌워진다.

제1 피더(1103)와 제3 피더(1105)는 공급 부분(1102)을 위한 분말 금속을 함유한다. 그들은 또한 냉각 과정 동안 용융 금속에서 형성된 공동을 수용하기 위한 통로를 형성한다. 그러나, 금속 정압은 제2 피더(1104)에 의하여 제공된다. 초기에 개방된 피더들이 몰드 위에 형성될 수 있으며 이어서 제 위치에 고정된 캡에 의하여 밀봉된다. 대체적으로, 밀봉된 상단부를 가진 몰드의 제조 동안 피더들이 형성될 수 있다.

도 12를 참조하면, 도 12에는 분말 금속 재료로부터 금속 부품을 성형하기 위한 장치의 실시예가 도시된다. 실시예에서, 유도가열 시스템은 온도를 제어하기 위하여 전원 공급부를 제어하기 위한 제어 회로와 함께, 전원 공급부로부터 무선 주파수 에너지를 생성하기 위한 코일(1207)과 같은 전자기 에너지 소스를 포함한다. 이 장치는 추가로 이 실시예에서 몰드(501)의 벽에 의하여 함유되는 입상 서셉터 재료를 포함한다.

입상 서셉터(suceptor)는 열이 가해질 몰드의 형상에 유사하게 서셉터를 구성할 수 있으므로 서셉터 재료의 바람직한 형태이다. 일 실시예에서, 내화 튜브는 그것이 가열하는 몰드의 형상에 대응하는 형상으로 세라믹 재료로 형성된다. 이어서 튜브는 인접 몰드에 열을 방사하도록 작용하는 입상 서셉턴스 재료로 충진된다. 이는 매우 다양한 서셉터 부재를 제공하며, 이는 적절한 형상으로 가공하기 어려운 고형 서셉터 잉곳을 이용할 때 가능하지 않은 것이다.

특정 실시예에서, 도 14를 참조하여 설명된 바와 같이, 입상 서셉터 재료는 몰드가 완전히 침지되는 느슨한 베드를 형성하며, 이로써 서셉터와 몰드 사이의 긴밀한 접촉과 열 에너지의 효율적인 전달을 보장한다.

본 발명의 실시예는 추가로 대기압 이하 압력으로 챔버의 압력을 감소시키도록 구성되는 압력 저하 장치를 포함한다. 이 장치의 예가 도 12에 도시된다. 압력 저하는 주위 분위기로부터 오염을 감소시키기 위하여 바람직하다. 그러나, 극히 낮은 압력이 가능하더라도, 용융 재료의 증발을 방지하기 위하여 챔버 내에서 증기압이 필요하다.

일반적으로 1201로 표시된 장치는 진공 노(1202)를 가진다. 진공 노는 진공 챔버(1205)를 형성하는 내화 라이닝(1204)을 가진 진공-기밀 용기(1203)를 가진다. 용기(1203)에는 챔버(1205)에의 접근을 제공하기 위한 도어(1206)가 구비되고, 이로써 챔버에는 몰드(501)와 같은 몰드들로 장입되거나 장입되지 않을 수 있다.

일 실시예에서, 진공 노(1202)는 적절한 전력 공급원(1208)에 연결된 무선 주파수 코일(1207)을 가진다. 통상적으로, 무선 주파수 코일들은 몰리브데늄(Mo)으로 형성되나, 진공 노의 전체 사양은 공정에 사용되는 금속 및 합금의 특수 형태에 의존할 것이다. 또한, 사양은 또한 형성되는 금속 제품의 요건에 의존할 것이다.

일 실시예에서, 진공 노, 그의 방사 소스 및 전원은 챔버 온도가 2000℃를 초과하는 온도로 상승할 수 있도록 선택된다. 이들 성능을 구비한 노들은 일반적으로 열 처리 작업 제공하기 위하여 상업적으로 구입가능하다.

챔버 내의 압력이 대기압보다 실질적으로 낮은 수준으로 저하될 수 있도록 챔버로부터 공기를 배출하기 위한 진공 시스템(1209)에 챔버(120S)는 연결된다. 챔버(1205)는 희귀 가스 공급원에 연결된 유입 포트(1211)를 가진다. 일 실시예에서, 압축 헬륨 탱크(1212)는 압축 아르곤 탱크(123)과 결합하여 제공될 수 있다.

장치(201)는 또한 챔버(1205)의 유출 포트(1210)에 연결된 유입구와 유입 포트(1211)에 연결된 유출구를 가지는 팬(1214)을 또한 포함한다. 일 실시예에서, 헬륨 가스는 일정 압력까지 챔버(1205)에 공급되고 가스는 팬(214)에 의하여 챔버 내에 수용된 몰드 위로 냉각 드래프트(draft)를 제공하도록 팬(214)에 의하여 순환된다.

온도 센서(1215)들이 챔버 내에 위치되어 바람직한 실시예에서는 챔버 내에 위치된 몰드 내의 분말 또는 용융 금속의 실제 온도를 표시하는 신호를 제공하기 위하여 몰드와 접촉하도록 배치된다. 장치는 또한 챔버 내의 진공 압력의 표시를 제공하도록 구성된 진공압력 게이지(1216)를 포함한다.

일 실시예에서, 압력 게이지(1216)와 온도 센서(1215)는 챔버의 압력과 온도를 표시하는 콘트롤러(1217)에 신호를 제공하도록 배치된다. 콘트롤러는 게이지(1216)와 센서(1215)로부터 수신된 신호에 따라 저항가열부재(1207)와 진공 시스템(1209)용 전원(1208)을 동작시키도록 배치된다. 일 실시예에서, 콘트롤러(1217)는 프로그램된 컴퓨터 시스템 또는 마이크로콘트롤러이다.

도 13을 참조하면, 본 발명의 대체적인 실시예가 도 13의 1301에 도시된다. 금속 부품을 성형하기 위하여, 몰드(1302)는 금속 입자(1303)들로 충진된다. 전자기적인 방사 소스(1304)가 제공되고 수용된 전자기 방사 및 금속 입자(1303)를 열적으로 가열함에 따라 서셉턴스 재료가 가열되도록 구성된다. 유도 가열을 사용하여 세라믹 몰드에 금속 분말을 가열시, 유도장이 분말금속을 용해하도록 분말 금속을 그 자체와 너무 약하게 결합시키는 것으로 판단되었다. 본 발명의 세라믹 몰드는, 종래의 금속 몰드와 달리, 유도장에 비교적 투과성이므로 그 자체가 가열되지 않는다. 그러므로, 유도 장을 이용하여 가열할 때, 방사 서셉터가 바람직하다. 서셉터는 유도 장의 에너지를 흡수하고 세라믹 몰드를 향하여 적외선 에너지를 방사하는 재료로서 선택된다. 이로써 세라믹 몰드는 가열되고, 이는 재차 내부에 수용된 금속 분말을 가열한다.

일 실시예에서, 전자기적인 방사는 마이크로파 방사이며 상기 장치는 추가로 마이크로파 발생기 형태의 마이크로파 방사 소스를 포함한다. 마이크로파 방사는 효율적으로 생성되고 용이하게 안내되므로 바람직한 형태의 에너지이다. 마이크로파 에너지를 사용할 때, 바람직한 서셉터 재료는 실리콘 카바이드이다. 실리콘 카바이드는 많은 다른 서?터 물질들보다 열 손상에 덜 취약하며 이는 통상적으로 3000℃를 초과하는 온도로 가열될 수 있다. 1301에 도시된 실시예에서, 입상 서셉턴스 재료는 몰드 자체에 함유되나, 도 14 도시와 실질적으로 유사한 구조에서 입상 서셉터 매스가 별도로 제공될 수 있다.

도 14를 참조하면, 금속 부품을 성형하기 위한 대체적인 실시예가 1401에 도시된다. 몰드(1402)는 금속 입자(1403)를 수용한다. 소스(1404)는 용기(1405)를 향하여 지향된 전자기적인 방사를 방출한다. 용기(1405)는 소스(1404)에 의하여 방출된 방사에 실질적으로 투과성이고 몰드(1402)를 에워싸는 용기(1402) 내에 서셉턴스 재료(1406)가 포함된다. 도시된 실시예에서, 서셉턴스 재료(1406)는 실리콘 카바이드 입자들로 구성된 입자상 미립 재료이다. 입자상 서셉턴스 재료가 일부 용도들에서 바람직한 데, 수용된 열이 몰드에 직접 가해질 수 있기 때문이다. 도시된 실시예에서, 용기(1405)는 서셉턴스 재료 입자(1406)로 충진되고 몰드(1402)는 입자상 서셉턴스 재료(1406) 내에 부분적으로 또는 전부 침지되도록 용기 내에 위치된다. 서셉턴스 재료(1406)에 몰드(1402)를 침지시킴으로써, 서셉턴스 재료(1406)로부터 몰드(1402) 표면으로 열 에너지가 효과적으로 전달될 뿐만 아니라 몰드(1402)가 서셉턴스 재료(1406)에 의하여 지지되고, 이로써 몰드가 금속 분말(1403)로 충진된 때, 몰드가 파단되는 위험을 감소시킨다.

102: 포지티브 모델 104: 네가티브 몰드

Claims (20)

1. 분말 공급 재료로부터 금속 부품을 성형하기 위한 방법으로서:
   상기 분말 공급 재료의 용융점보다 높은 용융점을 가지는 세라믹 재료로부터 부품의 네가티브 몰드를 생성하고;
   상기 몰드 내로 금속 분말의 공급 재료를 배치하고; 유도가열 시스템을 가지는 진공 챔버 내에 상기 몰드를 위치시키며; 및
   상기 몰드 내의 상기 금속 분말을 용융시키기 위하여 금속 분말의 용융점보다 높은 온도로 상기 유도가열 시스템을 이용하여 상기 몰드를 가열하는 것을 포함하고;
   상기 유도가열 시스템은 입상 서셉턴스 제료를 포함하는 금속 부품 성형방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 네가티브 몰드는 부품의 시험적인 포지티브 모델 둘레에 구성되는 방법.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 네가티브 몰드 구성 단계는 상기 포지티브 모델 외측에 복수의 층들을 부가하는 것으로 구성되는 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 유도가열 시스템을 이용하여 상기 몰드를 가열하는 단계는 마이크로파 에너지를 생성하는 단계를 포함하는 방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 입상 서셉턴스 재료는 실리콘 카바이드 입자를 포함하는 방법.
6. 청구항 3에 있어서, 상기 복수의 층들은 상기 분말 공급 재료에 대해 비활성인 1차 내화 슬러리를 포함하는 방법.
7. 청구항 3에 있어서, 상기 복수의 층들은 교대적인 습식 슬러리층과 이어지는 실질적으로 건조 스타코(stucco) 층으로 구성되고 상기 스타코층은 실질적으로 유사한 세라믹 재료를 포함하는 방법.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 몰드가 냉각되고 상기 몰드 내에 함유된 금속에 접촉됨에 따라 상기 몰드 내에 추가적인 액체 금속을 공급하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
9. 청구항 8에 있어서, 냉각 동안 몰드 내로 용융 금속을 압송하도록 보조하기 위하여 피더 내로 상부 레벨까지 상기 추가적인 액체 금속을 공급하는 단계를 포함하는 방법.
10. 청구항 9에 있어서, 상기 피더에 분위기 코어를 제공하는 단계와 상기 액체 금속 내에 포획된 가스를 상기 대기 코어를 통해 배출하는 단계를 포함하는 방법.
11. 분말공급 재료로부터 금속 부품을 성형하기 위한 장치로서:
    내부에 함유된 상기 분말 공급 재료의 용융점보다 높은 용융점을 가지는 세라믹 재료가 포함된 부품의 네가티브 몰드;
    유도가열 시스템을 구비한 상기 몰드를 수용하기 위한 진공 챔버를 포함하며;
    상기 유도가열 시스템은 입상 서셉턴스 재료를 포함하고 및 몰드 내의 금속 분말의 용융을 촉진하기 위하여 금속 분말의 용융점보다 높은 온도로 상기 몰드를 가열하도록 구성되는 금속 부품 성형장치.
12. 청구항 11에 있어서, 상기 네가티브 몰드가 둘레에 구성되는 성형될 부품의 시험적인 포지티브 모델을 추가로 포함하는 장치.
13. 청구항 11에 있어서, 상기 입상 서셉턴스 재료는 실리콘 카바이드 재료를 포함하는 장치.
14. 청구항 12에 있어서, 상기 네가티브 몰드는 상기 포지티브 모델의 외부 둘레에 복수의 세라믹 층을 첨가함으로써 부품의 상기 시험적인 포지티브 모델 둘레에 구성되는 장치.
15. 청구항 11에 있어서, 상기 유도가열 시스템은 마이크로파 방사 소스를 포함하는 장치.
16. 청구항 11에 있어서, 상기 네가티브 몰드는 높은 열전도성을 가지는 알루미나 재료를 포함하는 장치.
17. 청구항 11에 있어서, 상기 네가티브 몰드는 제조되는 금속 부품에 대응하는 부품 부분과 상기 몰드가 냉각하고 내부에 포함된 금속에 접촉함에 따라 상기 부품 부분 내로 추가적인 액체 금속을 공급하는 피더 부분을 포함하는 장치.
18. 청구항 17에 있어서, 상기 피더 부분은 상기 부품 부분으로부터 수직으로 위로 연장하고 상기 부품 부분의 상부와 상기 상부 수준 사이의 높이 차이는 상기 부품 부분의 높이의 두 배보다 큰 장치.
19. 청구항 17에 있어서, 상기 피더는 상기 부품 부분에 인접하는 제1 단부와 그로부터 연장하고 상기 상부 수준까지 공급 재료를 삽입할 수 있도록 개방된 말단부를 가지는 장치.
20. 청구항 17에 있어서, 상기 피더 부분은 상기 피더 부분의 액체 금속 내에 포획된 가스가 배출되도록 가스들이 통과하는 분위기 코어를 포함하는 장치.

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