KR20160058719A - 다공성 부재 및 다공성 성분의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동 제한 장치로서 사용하고자 하는 다공성 부재(1)를 제조하기 위한 공정에 관한 것으로, 기본 토대로 금속 사출 성형 공정을 포함하며, 균질하게 분포된 열린 기공도를 갖는 부재를 얻기 위하여 강화시킨 것이다. 이러한 흐름 제한 장치는 예를 들면 실린더에 대해서 움직이는 피스톤에 의해서 이루어진밀페형 압축기와 같이 기계적인 시스템의 공기 정합 베어링에 대해 흐르는 가스의 흐름을 조절하는 치수를 갖는 어떤 기공도의 적어도 하나의 제한 부위를 가지는 적어도 하나의 다공성 부재(1)로 이루어진다. 본 발명은 또한 분말 사출 성형 또는 멀티 재료 부분의 분말 사출 성형에 의해서 얻어진 다공성 부재(1)의 사용 및 생산에 관한 것이다. 이 다공성 부재(1)는 치밀한 재료의 층으로 흐름 제한 장치에 있으며, 즉, 다공성 부재(1)를 통한 흐름이 발생하는 흐름 방향과 나란한 외부 표면에는 열린 기공이 없고, 코어의 다공성 구조(이중 기공도)와 간섭없이 베어링 시스템으로 삽입되는 것이 가능하다. 본 발명은 다공성 부재(1)와 그의 하우징 사이에 밀봉에 관한 것이다.

Description

다공성 부재 및 다공성 성분의 제조방법{Manufacturing process of a porous component and a porous component}

본 발명은 밀폐형 압축기와 같은 기계 시스템의 공기 정합 베어링에서 가스 유체 흐름의 분배를 제한 및 통제를 겨냥한 다공성 부재를 얻기 위한 분말 사출 성형 PIM의 개선된 공정에 관한 것이다.

현재, 주거용, 상업용 및 산업용의 냉장고, 냉동고 및 에어컨과 같은 냉각 장치의 가스 압축기에 사용하기 위해 전기 모터로 구동하는 피스톤 및 실리더 세트를 사용하는 것은 아주 일반적이다. 이러한 유형의 가스 압축기에서 관찰되는 기술적 과제 중 하나는 피스톤과 실린더가 직접 접촉하지 않도록 하는 것이다. 따라서, 피스톤 및 실린더 사이의 상대적 모션 때문에, 피스톤-실린더 세트의 유동적인 표면 사이에 위치된 피스톤이, 유체에 의해, 유동성 있는 부품의 접촉과 그들의 조기 마모를 방지하도록 지탱하는 것이 필수적이다.

일반적으로, 효율적인 작동을 위한 공기 정합 베어링(aerostatic bearing)을 위해, 압축기에서 고압 영역에서 유래된 압축 유체의 흐름을 제한할 수 있는 흐름 제한 장치(flow restrictor)를 사용하는 것이 필수적이고 따라서 피스톤 및 실린더 사이의 열극(裂隙)에서의 가스 압력은 낮고 특정 적용에 적절하다. 다시 말해, 그러한 제한은 부하 손실(load loss)과 압축기에서 고압 영역으로부터 온 압축 가스의 흐름의 제한을 통해 베어링 영역에서 압력을 감소 또는 제한하는 것을 가능하게 한다. 몇 구현예는 이미 개발되어서 제한 장치의 실행이 베어링 영역에서 압력 감소를 가능하게 한다. 예를 들면, 미국 특허 US 6,901,845는 다공성 스트립이 압축 링과 함께 사용되는, 다공성 매질을 포함하는 제한 장치에 대해 기재하고 있다. 이런 유형의 구성의 단점은 압축 링의 생산에서 수치 정확성을 필요로 하는데 이는 수치 정확성이 높을수록 기계적 부재의 제조 비용이 더 많이 들기 때문에 제조 공정 비용이 더 많이 들게 된다. 또 다른 미국 특허(US 6,293,184)는 실린더 외벽에 배치된 마이크로채널과 상기 실린더가 삽입되어, 이격 및 닫힌 채널을 형성하고, 다수의 제한 장치를 발생하는, 슬리브에 의해 형성된 제한 장치에 대해 기재하고 있다. 앞서 언급한 특허의 경우처럼, 이러한 유형의 구성의 단점은 슬리브의 제조에서 정확성을 필요로 하기 때문에 제조 비용이 많이 든다. 이 기술의 또 다른 단점은 마이크로채널로 형성된 이러한 유형이 압축기에서 관찰되는 입자 또는 불순물(dirtiness)에 의해 막힘에 취약하다는 것이다; 그러므로, 불순물이 장치가 제대로 작동하지 않도록 하기 때문에 유체가 어떠한 종류의 불순물 없이 제한 장치에 도달하도록 필터를 필요로 한다. 국제 특허 출원 WO/2008/055809는 레이저 작용으로 제조된, 실린더 벽에 배열된 미세한 구멍으로 이루어진 제한 장치에 관한 것이다. 역시 미세한 구멍의 제조는 고도의 정확성을 요구하며 압축기의 제조 단가가 시장에서의 경쟁력을 방해한다. 또한, 미세한 구멍은 압축기에서 입자 또는 불순물에 의해 막히게 된다. 그러므로 아직까지 우수한 안정성, 성능, 적용성 및 또한 저렴한 비용을 가진, 가스 압축기의 피스톤과 실린더 사이의 베어링에 사용되는 가스 흐름에서 제한 장치에 대한 효율적이고 만족스런 해결 수단을 제공되고 있지 않고 있다. 따라서 본 발명은 부품의 분말 사출 성형 및 소성 기술에서 채택한 공정 루트를 통해 제조될 수 있는, 유체 흐름을 조절하기 위한 정제된(refined) 다공성 재료를 사용하여 상기 문제점들이 기술적으로 가능하도록 하는 해결책을 제시하고 있다.

기술적으로, 공학에서, "다공성 재료(porous material)" 표현은 재료 공학 함수가, 특정 적용에 따른 부피 퍼센트, 크기, 분포들의 볼륨에서 기공의 존재에 의해 만들어 질 수 있을 때 사용된다. 몇 재료가 공학 함수 조건에 필요치 않은 잔류 기공을 제조 공정의 결과로서 가지는 경우, 이러한 기공은 적용에 유해하지 않으면 허용되나, 목적하는 사용 또는 적용에 부정적인 영향을 미치는 경우 바람직하지 않다. 이러한 기공에 있어서, 재료(material)는, 구조 지지체로 사용될 수 있는 닫힌 기공을 갖는 재료, 또는 유체 수송에 주로 사용될 수 있는 열린 기공을 갖는 재료로 분류할 수 있다; 예를 들면, 흐름 조절, 정제, 촉매 지지체, 단열 및 방음, 윤활유 증착, 그 밖의 것들이다. 다공성 재료를 제조하는데 사용되는 공정은 (닫힌 또는 열린) 기공성(다공성), 부피 퍼센트, 크기 및 형상, 분포도에서의 단일성과 기공의 상호작용과 같은 그들의 특성을 정의한다.

열린 기공을 갖는 구조체는 복제(replica), 재료의 제어 증착 (INCOFOAM)과 같은 공정 루트에 의해, (금속 또는 세라믹) 매트릭스 분말과 결합한, 희생 상(sacrifice phase) (공간 홀더)를 포함하는 분말 혼합물의 소성과 같은 신속한 프로토타입(prototyping) 기술에 의해 형성될 수 있다. 닫힌 기공을 갖는 재료는 금속 매트릭스와 중공 요소(hollow element) ["구문 폼(syntactic foams)"]의 결합, 발포제를 갖는 합금 분말 혼합물의 압축, 수여물에 단순히 부어진 분말의 소성, 캐스트 금속에서 가스의 직접 주입 등에 의해 제조될 수 있다.

몇 대체적인 기공 재료 제조 공정 방법은 몇 년에 걸쳐 제공되어 왔다. 그러나, 특별히 목적하는 적용을 위해; 즉, 밀폐형 압축기에서 공기정화 베어링용 유체 흐름 조절에서, 다공성 부재는 낮은 비용이어야 한다; 따라서, 높은 자동화 수준과 쉬운 제어를 갖는 높은 생산 공정을 통해 상당 부분의 대규모에서 그것들을 제조할 수 있다. 이를 위해, 분말 야금 기술은 높은 잠재성을 가진 공정 기술이다. 목적하는 다공성 부재에서 동시에 높은 노출 기공율(open porosity) 및 높은 부하 손실(load loss)을 필요로 하기 때문에, 분말 사출 성형이라 불리는 분말 야금의 대체 기술에서 사용되는 이러한 것들과 같이, 기공 크기에 있어서 좁은 분포를 가지도록, 기공 크기의 좁은 분포를 가진, 미세 분말 사용을 필요로 하면서, 정제된 다공성 구조체를 생성하는데 필수적이다. 매우 미세한 분말의 사용 및 좁은 크기 분포 때문에, 이 기술은, 모든 마이크로 구조체 요소(micro-structural elements)를 포함하면서, 불완전한 소성시 기공 구조체를 포함하면서, 일반 정제된 마이크로구조체를 수득하도록 한다; 즉, 표시된 치밀화를 피하기 위해 녹색 부분(green part)의 소성을 통해 충분히 낮은 온도에서 수행하는 경우이다. 따라서, 이 다공성 부재는 흐름 제한 장치인 다공성 부재와; 그것을 통해 흐름의 정제된 조절 및 부하 손실을 얻을 수 있도록 하며, 다공성 부재의 볼륨에 매우 미세하고 (수 마이크로미터), 균일하게 분포된, 높은 퍼센트의 열린 기공을 가진 다공성 부재를 획득할 수 있다. 중요한 점은 여기에 기재된 적용; 즉, 다공성 몸체를 생산하는 것과 달리, 분말 사출 성형 기술은, 매우 정제된 분말(분말 제조 공정에 따라 일반적으로 평균 크기 1 내지 40 마이크로미터의 분말) 에 의해 제시된 고밀도 부재 (낮은 잔류 기공)를 획득하도록 하는 기술로서, 공학 분야에서 알려져 있다. 일반적으로, 일반 조건에서 수행된 분말 사출 성형은 잔류 열린 기공(residual closed pores)의 5%보다 낮은 부피 퍼센트(서로 통하지는 않음)를 갖는 요소를 가진다. 그러나 본 발명에서 나타난 것처럼, 적절히 선택된 분말 원료와 그 적용을 통해, 본 발명이 목적하는 공학적 함수를 가진, 다공성 요소의 제조에 적합한 다공도 및 기공 크기를 갖는 소성된 다공성 재료를 획득할 수 있다; 즉, 밀폐형 압축기에서 공기 정합 베어링용 실린더-피스톤 세트 가스 유체 흐름의 정제된 조절을 하는 다공성 제한 장치로서의 사용될 수 있다.

금속 사출 성형 (Metal Injection Molding; 이하, MIM)은 플라스틱 사출 성형의 다양성(versatility) 및 생산성과, 금속 재료 고유의 특성을 결합하기 때문에 매력있는 공정이다. 분말 사출 성형 (powder injection molding; 이하, PIM) 공정은 세라믹 분말, 복합체 및, 더 최근으로는 금속 분말과 같은 원료로부터 재료를 제조하는 공정 기술 중에서 눈에 띈다. 더욱 구체적으로 분말 사출 성형의 장점 중 하나는 -매트릭스 단축 프레스, 압출 및 접착과 같은 전통적으로 사용된 기술 관점에서- 자신의 형상에서 높은 기하학적 용량을 가진 부품 생산성이다. 다른 공정들에 의해 제조되는 경우, 이러한 부품은 그들의 형상에서 그러한 복잡성을 얻기 위해 많은 추가적인 단계들이 필요하다.

현재, 이러한 성형 공정을 기반으로하여 제조된 물품의 잠재 시장은 대규모 제조에 필요한 경량, 작은 치수 및 고밀도비를 갖는 부품을 필수적으로 포함한다. 다시 말해, 분말 사출 성형 공정에 의해 획득한 재료 및 부품을 제공하는 메인 마켓은 주로 자동차, 교정장치(orthodontic), 국방 무기, 전기 전자 시장 및 또한 의료 산업 등이다.

공정 면에서, PIM은 기본적으로 금속 사출 성형 (MIM) 및 세라믹 사출 성형 (CIM) 기술로 분류된다.

요컨대, 분말 사출 성형 공정의 단순한 원리는 두 가지 산업적 통합 기술을 기반으로 한다: 폴리머 사출 및 종래 분말 야금. 요약컨대, (세라믹 및/또는 금속) 분말은 폴리머와 다른 유기 물질(예를 들면, 파라핀 및 폴리프로필렌)로 형성된 유기 시스템과 혼합된다. 따라서, 이러한 유기 제품은, 획득할 부품의 형상을 가진 특정 성형 수용량을 충족시키면서, 금속, 세라믹 입자 (분말) 또는 이 둘의 혼합물을 운송하기 위한 수단으로 사용된다.

현재, 실제 공학에서, 금속 사출 성형 (MIM) 공정이 사용될 때, 목적하는 원하는 금속 하나는 고밀도의 금속성 금속 (즉, 잔류 기공이 낮은 용량을 갖는), 활성화(enabling) -정제 분말의 높은 소성으로 인해 잔류 기공의 감소를 통한- 경도, 저항 및 연성과 같은 부재의 기계적 성질에 있어서 상당한 개선, 종래 분말 야금에 의해 제조된 소성된 재료와 비교하여; 즉, 입자 평균 크기 10배 이상(약 100 ㎛)을 가진 분말의 매트릭스 단축 프레싱을 통한 금속이다.

더 구체적으로, 현재 사용하는 PIM 공정은, 높은 온도에서 소성하는 동안 분말 입자들 사이의 접촉의 형성 및 이러한 접촉의 증가를 통해 부재의 기공을 완전히 제거하는 것을 목표로 하고 있다. 한편, 사출 성형 후 고온에서 부재의 소성은 강력한 볼륨 축소의 결과를 가지며 이는 치수의 다양화 및 획득한 최종 부품에서 왜곡으로 이어질 수 있다. 고밀도 (낮은 퍼센트의 잔류 기공) 부재를 생산하기 위해, 규칙처럼 고도의 소성도를 가진 분말을 사용하는 것 외에 사출된 요소의 "녹색(그린)" 밀도는 높아야 하며, 즉, 사출을 위한 공급 원료에 존재하는 고체 입자의 부하는 가능한 높아야 한다. 따라서, 분말 사출 성형에서, 최종 조밀 재료(final dense material)의 질을 높이기 위해 기공의 존재를 최소화하는 것이다. 주된 적용: 뼈 이식 재료(bone grating), 교정용 브라켓, 수술 도구용 부재, 소형 화기(firearms), 자동차 부품, 그 밖의 것들.

분말 사출 성형에서 현재 사용되는 것들과 달리, 본 발명의 공정은 유용하고 강화된 방식으로 PIM 기술에 기반한 기공 형성의 성질을 이용하여, 원료의 손실을 최소로 줄이는 것, 목적하는 화학 조성을 정확히 조절하는 것, 가공 과정을 줄이는 것과 우수한 표면 마감과 같은 이러한 장점을 제공한다;쉬운 자동화 제조 공정, 높은 순도로 획득한 제품.

본원은 분말 사출 성형에 의해 제조되며, 가스 유동을 낮은 유동 수준에서도 정확하고 재현가능한 형태로 제한할 수 있으며, 예를 들어 피스톤과 가스 압축기의 실린더 사이의 공기 정합 베어링에 적용되는, 흐름 제한 장치로 사용되는 다공성 부재를 제공하기 위한 것이다.

본원은 또한 5 - 50 cm³/분과 같은 낮은 유동 수준에서도 가스 유동을 정확하고 재현가능한 형태로 제한할 수 있는, 공기 정합 베어링에 적용되기 위한 저비용 다공성 부재를 분말 사출 성형 공정을 통하여 생산함으로써 달성된다.

본원의 목적은 또한 온도 및 분말 재료의 조합을 통하여 초기 다공성을 세부적으로 조절하는 것을 포함하는 분말 사출 성형을 통하여 다공성 부재를 제조하기 위한 공정에 의해 달성된다.

본원의 목적은 또한 나중에 열린 기공 없는 밀집된 외부를 가짐으로써, 부재가 다공성 부재 내의 다공성 구조의 변형 없이 베어링 상에 예를 들어 끼워맞춤에 의해서 고정되는, 가스 유동의 제어를 담당하는 다공성 부재를 분말 사출 성형을 통해 제조하는 공정에 의해 달성된다.

본원의 목적은 또한 다공성 부재의 접점 상에 밀봉 불량이 없이 그것이 삽입되는 기계 시스템에 고정될 수 있는, 다양한 응용분야에 사용되는 다공성 부재를 제조하는 공정을 제공하는 데에 있다.

본원의 목적은 밀폐형 압축기에 적용되는 공기 정합 베어링 내의 흐름 제한 장치로서 사용되는 다공성 부재를 제조하기 위한 공정으로서, 상기 부재는 아래의 단계들을 포함하는 분말 사출 성형 기술에 의해 얻어지는 공정을 제공하는 것이다: 단계 i): (a) 금속 분말의 일부와 (b) 열가소성 폴리머와 왁스의 혼합물을 포함하는 유기 바인더를 포함하는 적어도 하나의 조제물을 균질화하고; 단계 ⅱ): 단계 i)에서 얻어진 적어도 하나의 조제물을 과립화하고; 단계 ⅲ): 단계 ⅱ)에서 얻어진 적어도 하나의 과립화된 조제물을 최소한 바인더의 초기 융점 온도까지 가열하고; 단계 ⅳ): 단계 ⅲ)에서 얻어진 적어도 하나의 혼합물을 성형기 캐비티에 충전하고; 단계 ⅴ): 단계 ⅲ)에서 얻어진 적어도 하나의 혼합물이 성형기의 캐비티 내에서 완전하게 충전될 때까지 압축하고; 단계 ⅵ): 하나 이상의 단계에서의 유기 바인더를 열적 및 화학적 공정 중 적어도 하나를 이용하여 제거하고; 단계 ⅶ): 단계 ⅵ)에서 얻어진 재료를 취급하는데 충분한 기계적 내성을 조성하는 최소한의 온도까지 예비-소성하고; 단계 ⅷ): 다공성 부재의 적어도 한 중앙 부분 내에서 실질적으로 5% 초과의 열린 기공에서 상호 연결된 기질을 유도하는 온도에서 단계 ⅶ)에서 얻어진 성형 재료를 제어 소성하고, 한편 단계 ⅷ)은 앞의 단계들과 동시에 일어날 수 있음.

본원의 목적은 또한 밀폐형 압축기에 적용되는 공기 정합 베어링 내의 흐름 제한 장치로서 사용되는 다공성 부재를 제조하기 위한 공정으로서, 아래의 단계들을 포함하는 멀티 재료 부분(multi-material parts)의 분말 사출 성형에 의해 이중-다공성 부재 (1)가 수득되는 공정을 제공하는 것이다: 단계 i): (a) 금속 분말의 제1 부분과 (b) 열가소성 폴리머와 왁스의 혼합물을 포함하는 유기 바인더를 포함하는 두 상이한 조제물을 균질화하고; 단계 ⅱ): 단계 i)에서 얻어진 적어도 두 상이한 조제물을 분리된 단계에서 과립화하고; 단계 ⅲ): 단계 ⅱ)에서 얻어진 조제물을 최소한 바인더의 초기 융점 온도까지 가열하고; 단계 ⅳ): 단계 ⅲ)에서 얻어진 적어도 하나의 혼합물을 성형기 캐비티에 충전하고; 단계 ⅴ): 단계 ⅲ)에서 얻어진 적어도 하나의 혼합물이 성형기의 캐비티 내에서 완전하게 충전될 때까지 일정 속도 및 압력으로 사출하고; 단계 ⅵ): 단계 ⅲ)에서 얻어진 제 2 물질을 성형기를 이용하여 삽입하고 사출하거나 또는 두 개의 스풀을 가지는 성형기를 이용하여 사출하고 그리고 단계 ⅲ)에서 얻어진 두 물질 모두를 동시에 사출하고; 단계 ⅶ): 적어도 하나의 단계에서의 유기 바인더를 열적 및 화학적 공정 중 적어도 하나를 이용하여 제거하고; 단계 ⅷ): 단계 ⅶ)에서 얻어진 재료를 이어지는 단계에서 취급하는데 충분한 기계적 내성을 조성하는 온도까지 예비-소성하고; 단계 ⅸ): 단계 ⅷ)에서 얻어진 성형 재료를 다공성 재료의 외부 부분이 잔여 다공성이 5% 미만이 되도록 소성함으로써 치밀화되도록 하는, 그리고 동시에, 다공성 재료의 내부 부분에서 열린 기공의 부피 백분율이 실질적으로 5% 초과를 유지하도록 하는 온도에서 제어 소성 하고, 여기서 단계 ⅸ)는 앞의 단계들과 동시에 일어날 수 있음.

도 1은 분말 사출 성형을 통해서 얻어진 다공성 부재의 실시예이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제1 구현예의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 구현예의 사시도이다.

본 발명에서 다공성 재료를 제조하는 공정은 분말 사출 성형(powder injection molding: PIM)으로서, 분말 야금의 다른 기술이며, 특별히 원하는 적용분야에서 필요한 특징으로 다공성 구조체, 예컨대 즉 공기 정합 베어링을 추적하는 가스 유체(흐름 제한 장치)의 균일한 분배를 위한 다공성 부재를 얻을 수 있도록 본 발명에서 개선시킨 것이다.

이들 적용분야 중 하나는 압축기의 공기 정합 베어링에서 찾을 수 있는데, 이러한 베어링은 실린더 내부에서 피스톤의 직선운동을 균형있게 유지할 수 있는 가스층을 통해서 이루어진다. 이렇게 하기 위하여, 피스톤의 베어링을 담당할 수 있는 가스의 양이 일정하고 유체 유동을 조절할 필요가 있고, 균질한 다공성 구조체인 다공성 부재(1)를 사용할 필요가 있으며, 이 구조체는 유동을 조절할 뿐 아니라 시스템 내에서 편협되게 균일한 분배를 가능하게 한다. 다공성 부재(1)의 개발은 다공성 제한기라고 부르며, 사용할 한 쌍의 특별한 재료가 본 발명의 공정에 의해서 덮혀지게 된다.

다공성 부재(1)는 공기 정합 베어링으로 예를 들면, 한 쌍의 피스톤과 압축기의 실린더 사이로 가스 유동을 정확하게 통제하기 위해서 예를 들면 세라믹, 금속 또는 어떤 다른 다공성 재료로 이루어진다. 상기 재료들은 부식으로 인한 저감, 그 결과로, 기공 형태의 변경, 다공성 구성요소의 특성 변화로 이어지는 것을 피하기 위해서 특히 부식에 대해 양호한 내화학성을 보인다.

스테인레스 스틸을 포함해서 여러 가지 재료가 사용될 수 있다.

다공성 부재(1)는 분말 사출 성형에 의해서 제작될 수 있는데, 이 공정은 다공도의 양호한 통제, 비교적 낮은 유동에서 가스 유동의 재현성 및 저렴한 생산비용을 제공한다. 그러므로 유동은 필수적인 것은 아니지만 바람직하게는 5 내지 50 ㎤/min의 범위일 수 있다.

따라서, 본 발명의 장점은 가능한한 많은 원료 손실의 감소; 재료의 화학 조성의 쉽고 정확한 통제; 양호한 표면 마무리; 용이한 자동 생산 공정; 고순도로 얻어진 제품; 통제하고 균일한 다공성의 달성과 같이 분말 야금 기술을 통한 특유한 공정인 것이다.

현재 시장에서 존재하는 다른 처리 기술과 비교해서 공정의 일부 기능에 의해 분말 사출에 의해서 성형된 소성 부재에서 이러한 특징들이 얻어질 수 있다. 이러한 방법(PIM)은 생산에 고비용을 들일 필요없이 다공도의 수준, 기공 크기 및 부재 볼륨 전체적으로 기공의 균질한 분포의 균질한 통제를 가능하게 한다. 이들 특징 중 하나는 1 내지 40 마이크로미터 범위인 입자 크기를 갖는 미세 분말을 사용하는 것과 입자 크기의 분산이 상당히 좁다는 것으로 이러한 방법에서 얻어진 입자의 홈의 직경은 작고, 다공성 부재(1)의 모든 섹션에 걸쳐 아주 잘 분포하게 된다.

분말 사출 성형 공정의 다른 특징은 사출 질량(주조된 유기 물질로 된 분말 혼합물)의 점도가 낮기 때문에, 이러한 질량은 모든 방향과 모든 면에 대해 인가된 응력을 완전하게 이송하는 유체의 것과 유사한 거동을 갖는다. 이것은 사출된 부재의 볼륨에 걸쳐 응력이 균일하게 분배되게 하고, 그러한 볼륨에 걸쳐 밀도 구배의 형성을 피하고, 소성 단계 중에 등방성 수축을 피하는 것을 보장하게 된다.

분말 사출 성형 공정의 세번째 특징은 원료 물질로 사용되는 분말의 크기와 입자 크기 분포를 미세하게 통제하는 것에 의해서 마찬가지로 소성 공정에서의 파라미터의 통제를 통해서 기공의 크기와 형상의 통제가 가능하다는 것이다.

기공의 열린 비율이 높은 다공성 구조체의 유지를 보장하기 위해서, 본 발명은 조밀한 기계 부재의 소성(1200 내지 1400℃)에 일반적으로 사용된 것 보다 낮은 850℃와 1200℃ 범위의 낮은 소성 온도를 사용한다.

명확화를 위하여, 조밀한 기계 부재는 나머지 닫힌 기공이 특정 비율(체적의 5% 미만)을 가짐에도 불구하고, 열린 기공을 가지지 않으므로 유체가 여과될 수 없다.

공기 정합 베어링의 길이에 걸쳐 가변 유동으로 일부 통제할 필요한 경우에는, 원하는 유동에서 그러한 변화를 얻을 가능성이 있는, 베어링의 길이에 걸쳐 삽입된, 다른 유동으로 제한기를 제작 및 적용하는 것이 가능하다. 다른 유동 특성을 갖는 이러한 다공성 부재들은 이들을 생산하는데 사용하는 금속 분말의 특성을 변화시키거나, 사출 부재를 소결할 소성 온도를 변화시켜서 얻을 수 있다. 각각의 다공성 부재(1)에서 다른 다공도 수준이 발생할 수 있게 약간 다르게 할 필요가 있다는 점에 주목해야 한다.

공기 정합 베어링에 의해서 요구되는 다공성 구조체를 설계하기 위한 이러한 유연성의 측면에서, 분말 사출 성형에 의해서 제작되는 다공성 부재(1)의 공급은 매우 경제적으로 매력적인 기술이다.

이와 관련하여, 본 발명의 공정은 이하에서 상세하게 설명하는 바와 같이 다음의 단계로 이루어진다.

단계 i): (a) 금속 분말의 제1 부분과 (b) 열가소성 폴리머와 왁스의 혼합물을 포함하는 바인더로 이루어진 적어도 하나의 조제물을 최소한 균질화 지점까지 균질화하는 단계;

단계 ⅱ): 단계 i)에서 얻어진 조제물의 과립화 단계;

단계 ⅲ): 단계 ⅱ)에서 얻어진 과립의 조제물을 최소한 바인더의 초기 융점 온도까지 가열하는 단계;

단계 ⅳ): 단계 ⅲ)에서 얻어진 적어도 하나의 혼합물을 성형기 캐비티에 충전하는 단계;

단계 ⅴ): 단계 ⅲ)에서 얻어진 적어도 하나의 혼합물이 성형 장치의 캐비티 내에서 완전하게 충전될 때까지 특정한 속도와 압력으로 압축하는 단계;

단계 ⅵ): 단계 ⅴ)에서 얻어진 재료에서 왁스를 화학적 추출로 제거하는 단계;

단계 ⅶ): 단계 ⅵ)에서 재료에서 열가소성 폴리머를 화학적 추출로 제거하는 단계;

단계 ⅷ): 단계 ⅶ)에서 얻어진 재료를 취급하는데 충분한 기계적 내성을 조성하게 최소한의 온도까지 예비 소결하는 단계;

단계 ⅸ): 소결체가 열린 기공의 체적 백분율(6% 내지 50% 범위)을 나타내는 온도로 단계 ⅷ)에서 얻어진 성형 재료의 소결을 통제하는 단계.

본 발명의 제조 공정은 금속 분말의 제1 부분과, 입자를 사출로 운반하는 비이클로서 작용하는 열가소성 폴리머와 왁스의 혼합물을 포함하는 조제물(공급재료)의 조성을 선택하는 것으로부터 시작한다.

바람직하게는, 본 명세서에서 제조 공정은 철 분말, 니켈 분말, 구리 분말, 또는 스테인레스 분말 316L 및 17-4 PH 등의 금속 분말을 사용한다.

금속 사출 공정에서의 양호한 결과를 위해서, 선택한 분말들은 높은 입자 패킹성, 양호한 사출 능력 및 성형될 수 있는 부재의 형상을 유지하는데 도움을 주는 능력과 같은 독특한 특성을 가질 필요가 있다는 점에 유의해야 한다. 바람직하게, 반드시 필요한 것은 아니지만, 이 공정에서 사용되는 금속 분말은 좁은 과립 크기 분포를 갖는다. 특히 모든 입자의 직경은 작다. 이러한 것은 공정의 말미에서 얻어진 다공성 재료의 전체 볼륨에서 상호 연결된 열린 기공의 매트릭스의 직경 변화를 상당히 감소시키는 것이 가능하게 된다.

다음에, 조제물을 구성하고 바인더로서 작용하는 열가소성 폴리머와 왁스의 혼합물은 성형하고자 하는 조제물에 대해 유동성을 보장하고, 제1 혼합물의 균질화에 도움을 주게 된다.

이러한 타입의 공정에 사용되는 바인더는 일반적으로 저분자량 및 다량의 사슬을 갖는 폴리머 혼합물로 이루어진다. 저분자량의 폴리머로는 파라핀, 밀랍(beeswax) 및 카나우바 왁스(carnauba wax) 등이 있으며, 성형시 금속 분말 조제물과 바인더의 유출을 용이하게 한다. 다음에, 다량의 사슬 폴리머는 특히 공정의 초기 단계에서 성형 재료의 적절한 지지를 겨냥한 것이다. 이러한 폴리머의 예로는 폴리프로필렌, 폴리스티렌 및 에틸비닐아세테이트 등이 있다.

다음에 바람직하게, 필수적인 것은 아니지만, 이러한 공정에 사용되는 바인더는 열가소성 폴리머와 왁스의 혼합물이다.

보다 구체적으로, 이 공정에서 유기 바인더와 함께 분말 혼합물의 조제물에 사용되는 열가소성 폴리머는 사출로 성형될 수 있는 조제물(공급재료)에 대해 기계적 내성을 부여할 수 있다. 이러한 목적을 위해, 조제물의 열가소성 폴리머는 그의 구조가 왁스 제거(화학적 추출-단계 ⅵ)를 위한 제1 단계 중에는 영향을 받지 않는다.

바람직하게, 조제물은 금속 분말과 열가소성 폴리머와 왁스의 혼합물의 관계가 20%와 80%, 바람직하게는 40%와 60%의 비율을 갖는다.

부재에 대한 조제물(공급원료)이 정해지면, 이 공정의 단계 i) 다음에는 최소한 균질화 지점까지 조제물을 균질화한다. 이러한 균질화 지점은 갭 없이 충분히 균질한 조제물을 달성할 수 있다; 결국, 조제물의 부재 내에서 균질도는 금속 분말과 열가소성 폴리머와 왁스와의 상화 작용을 증가시킨다.

제1 단계 i)는 고 전단력을 전체 챔버 내에 고르게 분배할 수 있는 타입 Z 또는 캠(cam)의 유성 믹서기와 같은 믹서를 사용하여 수행한다.

단계 i)에서 얻어진 균질하게 혼합된 조제물은 단계 ⅱ)로 이어지고, 여기서 이 조제물의 과립화(또는 조립화(粗粒化))가 발생하고 사출기의 공급을 개선하게 된다. 이러한 단계는 조립기(pelletizer)에 의해서 수행한다.

과립화 이후에, 단계 ⅱ)로부터 나온 조제물은 단계 ⅲ)으로 이어지고, 최소한 열가소성 폴리머와 왁스 혼합물의 초기 용융 온도까지 가열된다. 이 단계는 이후의 성형기(단계 ⅳ 및 v) 내로 삽입될 조제물의 변성 및 유출 특성을 유리하게 한다.

다음에, 적절하게 가열된 조제물은 단계 ⅳ)로 이어지고, 여기서 성형기 캐비티는 상기 가열된 조제물로 충전된다. 이 공정을 위해 선택된 성형기는 폴리머 사출 성형에 일반적으로 사용되는 성형기와 비교해서 높은 압력과 장기간의 냉각시간을 견뎌야 한다는 점에 유의해야 한다.

조제물로 충전된 단계 ⅳ)의 성형기 캐비티는 단계 v)로 이어지고, 여기서 단계 ⅲ)에서 얻어진 최소한의 혼합물이 완전하게 충전될 때까지 성형기의 캐비티 내에서 특정 속도 및 압력 하에 압축되어진다.

이 단계 v)에서, 종래의 폴리머 사출 성형에 사용된 것, 소위 사출기와 유사한 장치에서 성형이 수행된다. 이와 관련하여, 성형시, 스풀(spool)이 탑재된 상기 재료를 압축하여 이들 재료를 치밀하게 하고, 전체 성형기 캐비티를 충전하게 된다. 이 단계 v)의 말미에서, 상기 조제물은 사출되는 성형기의 형상을 갖는 다공성 부재(1)으로 치밀하게 되며, 열가소성 폴리머와 왁스의 혼합물에 의해서 그의 형상이 보존된다.

다음 단계 ⅵ)는 단계 v)에서 얻어진 성형 제조된 재료로부터 화학적 추출에 의해서 왁스의 제거 단계로 이루어진다. 화학적 추출은 단계 v)에서 어떤 유체에 성형된 재료의 침지로서 그 목표는 조제물의 왁스를 용해시키기 위한 것이다. 이 단계의 말미에 의해, 성형된 재료(아직은 그의 조성에 열가소성 폴리머에 의해 응집된 금속 분말이 포함되어 있음)는 열린 다공성 구조를 얻게 된다. 최종 구조는 다음 단계 ⅶ)인 열적 추출에 도움을 주게 된다. 바람직하게, 필수적인 것은 아니지만, 20℃ 내지 60℃ 범위의 온도에서 1시간 동안 일부 용액에서 단계 ⅵ)의 유기 바인더의 제거가 발생하게 되고, 이 단계는 선택된 액체와 온도에 따라서 시간이 오래걸리거나 짧게 걸릴 수 있다.

계속해서, 단계 ⅵ)에서 얻어진 성형 재료는 단계 ⅶ)로 이어지며, 열적 추출에 의해서, 재료에 남아 있는 열가소성 폴리머가 제거된다. 이 과정은 열가소성 폴리머가 열분해되게 성형 재료를 적당한 조건하에서 가열하는 것으로 구성되어 있다. 다른 말로 해서, 성형 재료는 가열로 인해 활성화되어 열가소성 폴리머의 폴리머 사슬이 점차적으로 파괴되고, 소성의 초기 접촉의 형성을 가능하게 하여 점차적으로 추출되어지는 폴리머 대신에 다공성 부재의 형상을 보존을 보장하게 된다.

바람직하게, 필수적인 것은 아니지만, 열가소성 폴리머의 열적 추출은 플라즈마 보조로 또는 재래식 저항가열로에서 성형 재료의 가열에 의해 발생한다.

단계 ⅶ)의 말미에서, 성형 부재의 초기 조제물로부터 성형 부재의 형상으로 다량의 금속 분말의 입자를 얻는 것이 가능하며, 입자들은 여전히 초기 상태에 있는 소성 접점에 의해서 약하게 결합되어 있다.

단계 ⅶ)에서 얻어진 퇴적된 금속 분말은 다음에 단계 ⅷ)로 이어지며, 이 단계는 단계 ⅶ)에서 얻어진 재료를 예비 소성하는 것으로 구성되어 있다. 사실은, 이 단계는 다수의 금속 분말 입자로 둘러싸여 있는 빈 공간을 제거하기 위한 공정의 개시를 진척시키게 된다.

바람직하게, 단계 ⅷ)는 단계 ⅶ)에서 얻어진 성형 재료를 최소한 상기 재료를 다룰 수 있게 충분한 기계적 내성을 조장하는 온도까지 가열하는 것에 의해서 수행된다.

따라서, 단계 ⅷ)는 취급하는데 기계적 내성이 충분하거나 또는 제안된 엔지니어링 적용, 즉 흐름 제한 장치에 대해 원하는 다공성 미세 구조물을 공급하기에 충분한 시간 간격 동안에 400℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 예를 들면 플라즈마 보조로 또는 재래식 저항가열로 중에서 수행된다. 최종으로 원하는 특성을 얻는데 필요한 시간은 예를 들면 사전 소성이 발생하거나 그렇치 않은지 또는 단계 ⅷ)와 단계ⅸ)의 조합에 따라서 몇 분 내지 여러 시간의 범위일 수 있다.

최종적으로 단계 ⅷ)의 끝에서 성형 재료는 단계 ⅸ)로 이어지며, 단계 ⅷ)에서 얻어진 성형 재료의 통제된 소성으로 이루어지며, 그래서 통제 및 균질한 다공성 재료를 공급하게 되며, 본 발명에 의한 공정에 의해서 얻어진 주제의 재료가 된다.

일반적으로, 분말 사출 성형을 통해서 얻어진 부품의 최종 다공성은 입자를 둘러싸는 접점의 증가, 이들의 합체, 부피 감소 및 기공 구조의 변화로 인하여 그들의 치밀화가 완료될 때까지 자유 표면적의 감소로 인한 열적 활성인 질량 이송의 측면에서 마지막 단계 ⅸ)의 소성에서 발생하게 된다.

이 공정에서, 단계 ⅸ)는 3개의 단계로 분리할 수 있다.

- 단계 1 : 소성 접점의 형성. 접점을 둘러싸는 입자가 '브리지'를 형성함. 즉, 이 내용은 점접의 영역에서 연속적인 것이 된다. 이 단계에서 입자의 매우 큰 이동(수축)은 없다.

- 단계 2: '목 부분 반경/입자 반경' 비율의 성장으로 입자들의 강도가 점차적으로 소실된다. 이 단계에서, 소성 재료는 두 개의 '연속'상, 즉, 재료의 상(고체상)과 '텅빈(空)'상(상호 연결된 열린 기공 매트릭스)을 갖는다. 세로운 마이크로 구조로 인한 그레인(grain) 크기 증가. 이 단계에서 많은 수축이 발생한다.

- 단계 3: 기공의 분리, 원형상, 합체가 일어난다(이론 밀도가 90% 이상). 만일 기공이 베이스 금속에 불용성 가스를 포함한다면, 완전한 치밀화가 발생될 가능성이 없을 것이다. 만일 기공이 텅빈 상태이거나 매트릭스에 가용성 가스가 포함된 경우라면, 완전한 치밀화가 발생될 있다.

이 공정에서, 단계 2에서 소결이 많이 진행되지 않고 단계 3에 도달하지 못하도록 단계 ⅷ)로부터 생기는 성형 재료는 충분히 낮은 소성 온도로 처리되어 최종 재료에서 상호 연결된 열린 기공의 매트릭스가 유지되며, 분말 성형에서 종래의 소성 공정과는 달리, 본 발명의 공정에서 소결은 단계 축소, 합체 및 기공의 상호 접속성의 소실이 발생하는 기존의 세번째 단계로 처리되지 않는다.

바람직한 구현예로서, 본 발명의 공정의 말미는 통상적인 로, 진공로 또는 플라즈마 보조로에서 수행되는 소성 공정으로서, 예를 들면, 부품의 기공 구조와 원하는 특성을 얻을 수 있다.

예로서, 종래 기술에서, 스테인레스 분말 316L 또는 17-4 PH의 소성 단계는 철 분말과 닉켈 분말에 대해 1250℃ 내지 1380℃과 1200℃ 내지 1300℃의 온도 범위에서 규칙적으로 수행된다. 입자를 둘러싸는 열극을 완전히 제거; 즉, 실제적으로 가치가 없는 열극의 기공도, 기존의 소성 공정을 거쳐 최종 재료에 대한 고유의 기능이다.

본 발명에서 다공성 부재(1)를 제조하는 공정에서, 스테인레스 스틸 분말이 사용될 경우, 소성은 낮은 온도, 900℃ 내지 1,200℃의 범위에서 수행된다. 철 또는 닉켈 분말에 대해서는 소성 공정은 700℃ 내지 1,00℃의 범위의 온도에서 수행된다. 따라서, 열극의 제거는 최소로 되고, 통제된 열극 기공도(6% 내지 50%의 갭이 균일하게 분포)로 남는다.

결합상의 양이 상당히 많고, 부피 수축도 상당히 많다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 공정을 위한 가장 큰 치수 변화는 통계적으로 사출 단계(단계 iv)에 위치하고 있다.만일 사출 단계(단계 iv)가 사출 부재에서 녹색 밀도 구배를 포함한다면, 다음에 다공성의 관점에서 의도적이든 아니든 소성 중에 변형이 발생할 것이다.

바람직한 구현예에서, 단계 ix)는 다공성 부재의 생산을 위해서 선택된 재료에 따라서 700℃ 내지 1,200℃의 온도 범위에서 노에서 수행된다.

이러한 이유 때문에, 본 발명의 공정은 종래에 잘 알려진 소성 공정으로부터 다른 결과가 얻어지는 것이 가능하고, 추가로, 얻어진 부재에 대해, 전에 기대했던 이점 - 달성된 기하학적 복잡성과 사출 재료의 전체 사용 - 뿐만 아니라 균질하고 통제된 기공도, 에너지 효율, 이 기술분야에서 구현되기에 쉽고 시장에서 널리 사용되는 것을 갖는 재료를 생산하기 위한 공정이다.

또한, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 다공성 부재(1)를 제조하는 공정은 유동학적 특성 때문에 이미 가공된 복잡한 기하학적 형태를 얻는데 융통성이 있게 된다. 따라서, 최종 다공성 부재(1)의 일부 특별한 부위에서 스레드(thread)와 같은 고유 형상을 얻을 수 있다. 일부 돌출된 돌기도 얻을 수 있다.

도 2에 예시한 바와 같은 본 공정의 매우 중요한 장점으로서 형상 변화는 추가적인 가공 단계의 필요 없이 달성된다.

전술한 관점에서, 본 발명에 따른 다공성 부재(1)를 제조하기 위한 공정은 상당히 다른 기공도를 가지는 영역 또는 층을 가지는 부재를 포함할 수 있고; 즉, 다공성 부재는 내부 영역에서 기공도가 크고, 외부 영역에서 기공도가 적거나 거의 기공도가 없도록 구성될 수 있다 (도 3 참조)

이러한 구성은 다음과 같이 달성될 수 있다: 단계 i)은 개별적으로 과립화(단계 ii)된 후에, 예상되는 최종 재료에 따라 몰드(단계 ⅲ)의 캐비티를 채워는데 사용될 수 있는 독립된 균질화의 두 개 또는 그 이상의 조제물을 포함할 수 있다. 그 다음에 선택된 성분에 따라 예를 들면, 두 개로 조제된 재료, 하나는 몰드의 외측에서, 소성 온도에서 치밀하게 된 조제물과 몰드의 내측에서, 그러한 소성 온도에서 다공성이 남아 있게 되는 조제물로 사출되는 것이 가능하다. 이 공정에 따르면, 단계 ix)의 말미에 의해서, 에지에 기공이 없고 코어에 기공이 있는 최종 재료를 얻는 것이 가능하다.

대안적으로, 다른 입자 크기를 갖는 조제물을 위한 분말에 동일한 재료를 사용하는 것도 가능하다. 따라서, 예를 들면, 소성 능력이 보다 우수한 어떤 미세 입자 크기 분말이 몰드의 외측에 사용되고, 어떤 굵은 입자 크기 분말이 몰드의 내측에 사용된다. 미세한 분말, 또는 보다 작은 입자 크기, 동일한 소성 온도에서 치밀화가 높게 달성되는 반면에 굵은 입자 크기 분말은 치밀화가 낮고, 그 결과로 다공성은 높다.

표면층에 상이한 기공도를 갖는 이들 부재의 생산은 분말 사출 성형, 특히 소위 멀티 재료 부분의 분말 사출 성형의 유형, 또는 소위 두 부재의 분말 사출 성형, 또는 공사출(coinjection)로 잘 알려진 것을 통해서도 가능하다. 이 공정에서 하나는 대부분 다공성의 내측면을 포함하는 제1 재료로 사출되고 이어서 치밀한 외부 적용범위를 포함할 수 있는 제2 재료로 사출된다.

멀티 재료 부재는 그 다음에 앞에서 설명한 특별한 특성과 다공성 부재(1)를 위해서 필요한 것을 가질 수 있는 기공이 남아 있는 코어 재료의 소성을 위해 예상되는 온도에서 소성된다. 이 온도에서, 외부 커버의 재료 또는 분말의 소성 능력이 크기 때문에, 그러한 커버는 열린 기공 없이, 즉 기공량이 실질적으로 10% 이하로 치밀하게 되는 경향이 있다.

언급한 두 개의 영역에서 다른 기공도를 가지게 하기 위해서, 다공성 부재(1)의 각각의 영역에서 다른 재료 및/또는 분말을 사용할 필요가 있다 (도 3에서 확인바람). 따라서, 접합 경계면 상에 균열을 피하도록 선택된 한 쌍의 재료가 소성 상용성을 가지게 하는 것이 필요하다. 가정해 보면, 동일한 소성 온도에 대해 재료 - 내부적으로 도 3의 다공성 부재에 배치된 - 는 외부 커버에 배치된 재료보다 적게 소성이 된다. 다른 말로 하면, 내부 재료의 기공률은 6% 내지 50%의 범위인 반면에 외부 재료는 더 이상 열린 기공(6% 이하)을 가지고 있지 않을 것이다.

따라서, 소성 공정 후에 다공성 부재(1)의 최적 기근에 필요한 특성을 가지는 어떤 분말 및/또는 재료를 적용하는 것이 가능하다.

여러 가능성들이 사용된 분말이 상당히 상이한 평균 입자 크기를 가지는 한 동일한 재료, 예를 들면 스테인레스와 결합하는 것을 포함한다. 다공성 부재(1) 안쪽에 배치되는 굵은 분말은 부피 단위당 입자를 주위에 존재하는 금속성 접점의 양이 적기 때문에, 다공성 부재(1)의 외부 커버를 사출하기 위해서 사용되는 미세 분말 보다 소성 능력이 떨어진다. 그러므로 이미 언급한 바와 같이 기공도의 수준이 높아지는 바람직하게는 6%와 50%의 결과를 가져온다.

다공성 부재(1)의 재료 선택을 위한 다른 솔루션이 도 3에 표시되어 있으며, 부재의 내부면에 원하는 수준의 기공도를 부여할 수 있는 어떤 재료 및 선택된 이상적인 소성 온도에서, 액상을 형성하고, 액상을 통해서 소성을 촉진하여 외측에 치밀화를 높게 하는 다른 재료의 사용에 의해서 달성된다.

많은 이용가능한 것 중에서 하나의 실시예로는 세트의 기능적인 부분을 나타내고, 액상을 형성하는 원소, 예를 들면 붕소, 인 또는 구리를 갖는 다른 스틸을 나타내는 다공성 부재(1) 안쪽에 스테인레스 스틸의 사용일 것이다. 이러한 외측 부위가 보다 더 치밀하고 아주 작은 기공을 가짐으로써, 이들은 보다 더 모세관 력을 가지므로 액체를 유지하고 이것을 높은 기공도의 내측면으로 이동하는 것을 방지하며, 결과적으로 기공의 크기는 모세관 력이 보다 낮게 된다. 따라서, 마이크로 구조의 특성과 정확한 유동 제어를 보존하는 것이 가능하게 된다.

추가적으로, 소성시, 연질 재료(가요적으로 변형함)의 고화 후에 구리와 같은 액상을 형성하는 원소의 사용은 예를 들어 간섭에 의해서 고정 용액을 용이하게 한다. 그 이유는 가스의 유동을 통제하는 책임을 갖고 있는 다공성 부재(1)의 내부 부분의 기공 구조를 변경함이 없이, 누출을 피하고 효율의 손실을 피할 수 있게 연질 재료가 쉽게 변형되고 다공성 제한기를 밀봉하기 때문이다.

공기 정합 베어링이 고정되어 있는 다공성 제한기의 경계면에 있는 경로를 벗어나는 경우, 누출이 발생하고, 유동 제어가 어렵게 된다. 이것은 공기 정합 베어링의 적절한 기능을 방해한다.

공기 정합 베어링와 다공성 부재(1)를 다른 방법은 접착할 수 있다: 하지만, 접착제의 사용(액체 접착제)은 모세관 력을 통해서 열린 기공의 상호 연결된 매트릭스로 뚫고 들어가 기공을 부분적으로 막히게 하므로 열린 기공의 존재에서는 적절하지 않다. 다공성 부재(1)의 다공성 구조에서의 이러한 변경은 의도한 응용 분야에서의 성능을 방해할 수 있다. 본 발명에서 제안하고 개발된 솔루션은 다공성 코어로부터 다른 미립자 물질, 즉, 일반적으로 소성 온도가 낮고 사출 부재의 다공성 코어를 구성하는 입자 재료 보다 소성 능력이 큰 입자 재료로 이루어지는 사출 원료를 사용하여 층의 공사출, 또는 오버 사출(over-injection)/캡슐화를 통해서 다공성 부재(1)의 측표면 위에 치밀한 층을 얻는 것으로 이루어진다. 그러므로 소성시, 다공성의 측방 표면에서 보다 높은 치밀화가 발생한다. 치밀한 부분이 다공성 구조와의 간섭없이 기계적인 시스템에서 흐름 제어에 참여하지 않게 되므로 다공성 부재(1)는 여러 고정 공정(방해, 접착, 태핑 등)에 의해서 효과적으로 고정될 수 있다.

최종적으로 도 3의 다공성 부재를 선택하기 위한 다른 솔루션으로는 다른 소성 능력을 갖는 재료, 예를 들면, 내부 영역에 있는 스테인레스 스틸 분말과 외부 영역에 있는 니켈 분말의 단순한 조합일 수 있다.

앞서 기재한 다공성 재료를 생산하기 위한 공정은 다른 응용 분야에 사용하기 위한 여러 타입의 다공성 부재(1)를 생산하는데 사용될 수 있다. 이러한 문맥에서, 바람직하게, 본 발명은 공기 정합 베어링을 위한 다공성의 흐름 제한 장치의 생산에 사용된다.

일반적으로, 베어링 기능을 효과적으로 발휘하기 위해서, 피스톤과 실린더 사이에 있는 틈새에 존재하는 가스압이 낮고, 응용하기에 적합하도록 압축기 내에 있는고압 영역으로부터 유래된 압축가스의 흐름을 제한할 수 있는 흐름 제한 장치를 사용할 필요가 있다. 다시 말해서, 이러한 제한은 압축기의 고압 영역으로부터 나오는 압축 가스의 흐름을 제한함으로써 베어링 영역에서 압력의 감소 또는 제어하는 것이 가능하다.

흐름 제한 장치는 다공성 부재(1)로 이루어져 있으며, 베어링에 있는 하우징에 연결되어 있으며, 압축기 내의 베어링 간극에 대해 내부 캐비티로부터 흐르는 가스의 흐름을 제한하기 위해 어떤 기공도 치수를 갖는 최소한 하나의 제한 장치 부위를 가지고 있다. 따라서, 가스는 가스 매트리스를 형성하는 베어링 간극을 향해서 다공성 부재(1)를 통해서 진행한다.

여기서 기재한 상기 공정을 통해서 공기 정합 베어링을 위한 다공성 흐름 제한 장치를 생산하는 주된 이점은 재료의 볼륨 상에 균질하게 분포되어 있는 제어된 기공도를 가지는 흐름 제한 장치를 얻고자 하는 것이다.

바람직한 구현예의 실시예를 설명하면, 본 발명의 범위는 다른 가능한 변형 및 응용을 포괄 가능한 등가물을 포함해서 첨부하는 청구항의 내용에 의해서만 제한되는 것으로 이해해야 한다.

1: 다공성 부재 또는 성분

Claims (18)

1. 밀폐형 압축기에 적용되는 공기 정합 베어링 내의 유동 제한 장치로서 사용되는 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정으로서, 상기 부재는 아래의 단계들을 포함하는 분말 사출 성형 기술에 의해 얻어지는 것인, 공정:
   단계 i): (a) 금속 분말의 일부와 (b) 열가소성 폴리머와 왁스의 혼합물을 포함하는 유기 바인더를 포함하는 적어도 하나의 조제물을 균질화하고;
   단계 ⅱ): 단계 i)에서 얻어진 적어도 하나의 조제물을 과립화하고;
   단계 ⅲ): 단계 ⅱ)에서 얻어진 적어도 하나의 과립화된 조제물을 최소한 바인더의 초기 융점 온도까지 가열하고;
   단계 ⅳ): 단계 ⅲ)에서 얻어진 적어도 하나의 혼합물을 성형기 캐비티에 충전하고;
   단계 ⅴ): 단계 ⅲ)에서 얻어진 적어도 하나의 혼합물이 성형기의 캐비티 내에서 완전하게 충전될 때까지 압축하고;
   단계 ⅵ): 하나 이상의 단계에서의 유기 바인더를 열적 및 화학적 공정 중 적어도 하나를 이용하여 제거하고;
   단계 ⅶ): 단계 ⅵ)에서 얻어진 재료를 취급하는데 충분한 기계적 내성을 조성하는 최소한의 온도까지 예비-소성하고;
   단계 ⅷ): 다공성 부재 (1)의 적어도 한 중앙 부분 내에서 실질적으로 5% 초과의 열린 기공에서 상호 연결된 기질을 유도하는 온도에서 단계 ⅶ)에서 얻어진 성형 재료를 제어 소성하고, 한편 단계 ⅷ)은 앞의 단계들과 동시에 일어날 수 있음.
2. 제 1항에 있어서, 단계 i)의 조제물은 철, 니켈, 스테인리스 스틸 AISI 316L, 304 또는 17-4 PH와 같은 적어도 약간의 금속 분말을 포함하는 것인, 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정.
3. 제 1항에 있어서, 단계 i)의 조제물은 상이한 입도를 가지는 금속 분말을 포함하는 것인, 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정.
4. 제 1항에 있어서, 단계 i)의 조제물은 금속 분말과 유기 바인더를 20 % 내지 80% 범위의 부피 비율로 포함하는 것인, 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정.
5. 제 1항에 있어서, 단계 ⅵ)에서 유기 바인더의 제거는 20℃ 내지 60℃의 온도 범위의 약간의 액체에서 적어도 1 시간 동안 일어나는 것인, 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정.
6. 제1항에 있어서, 단계 ⅵ)에서 유기 바인더의 제거는 플라즈마 보조로(plasma assisted furnace) 또는 재래식 저항가열로(conventional resistive furnace) 내에서 일어나는 것인, 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정.
7. 제 1항에 있어서, 단계 ⅶ)의 예비-소성은 400℃ 내지 1200℃의 온도 범위에서 일어나는 것인, 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정.
8. 제 1항에 있어서, 단계 ⅶ)은, 예를 들어, 재래식 로, 진공로 또는 플라즈마 보조 진공로 내에서 일어나는 것인, 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정.
9. 제 1항에 있어서, 단계 ⅷ)은 700℃ 내지 1300℃의 온도 범위의 로 내에서 수행되는 것인, 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정.
10. 밀폐형 압축기에 적용되는 공기 정합 베어링 내의 유동 제한 장치로서 사용되는 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정으로서, 아래의 단계들을 포함하는 멀티 재료 부분의 분말 사출 성형에 의해 이중-다공성 부재 (1)가 수득되는 것인, 공정:
    단계 i): (a) 금속 분말의 제1 부분과 (b) 열가소성 폴리머와 왁스의 혼합물을 포함하는 유기 바인더를 포함하는 두 상이한 조제물을 균질화하고;
    단계 ⅱ): 단계 i)에서 얻어진 적어도 두 상이한 조제물을 분리된 단계에서 과립화하고;
    단계 ⅲ): 단계 ⅱ)에서 얻어진 과립화된 조제물을 최소한 바인더의 초기 융점 온도까지 가열하고;
    단계 ⅳ): 단계 ⅲ)에서 얻어진 적어도 하나의 혼합물을 성형기 캐비티에 충전하고;
    단계 ⅴ): 단계 ⅲ)에서 얻어진 적어도 하나의 혼합물이 성형기의 캐비티 내에서 완전하게 충전될 때까지 사출하고;
    단계 ⅵ): 단계 ⅲ)에서 얻어진 제 2 물질을 성형기를 이용하여 삽입하고 사출하거나 또는 두 개의 스풀을 가지는 성형기를 이용하여 사출하고 그리고 단계 ⅲ)에서 얻어진 두 물질 모두를 동시에 사출하고;
    단계 ⅶ): 적어도 하나의 단계에서의 유기 바인더를 열적 및 화학적 공정 중 적어도 하나를 이용하여 제거하고;
    단계 ⅷ): 단계 ⅶ)에서 얻어진 재료를 이어지는 단계에서 취급하는데 충분한 기계적 내성을 조성하는 온도까지 예비-소성하고;
    단계 ⅸ): 단계 ⅷ)에서 얻어진 성형 재료를 다공성 재료 (1)의 외부 부분이 잔여 다공성이 5% 미만이 되도록 소성함으로써 치밀화되도록 하는, 그리고 동시에, 다공성 재료 (1)의 내부 부분에서 열린 기공의 부피 백분율이 실질적으로 5% 초과를 유지하도록 하는 온도에서 제어 소성하고, 여기서 단계 ⅸ)는 앞의 단계들과 동시에 일어날 수 있음.
11. 제 10항에 있어서, 상이한 입도를 가지는 분말이 사용되고, 여기서 다공성 부재 (1)의 외부의 밀도가 높은 부분에 더욱 미세한 분말이 사용되고 그리고 다공성 부재 (1)의 중심에 더 굵은 입도를 가지는 분말이 사용되는 것인, 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정.
12. 제 10항에 있어서, 유사한 입도를 가지는 분말이 사용되고, 여기서 다공성 부재 (1)의 외부 부분에는 액상 성형 원소(liquid-phase forming element)가 소성 단계 중에 또한 사용되는 것인, 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정.
13. 제 11항에 있어서, 상기 액상 성형 요소는 이하의 물질들 : 붕소, 인 및 구리 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정.
14. 제 10항에 있어서, 다공성 부재 (1)의 외부 부분에는 단계 ⅸ) 동안 높은 치밀화를 달성하도록 하는 물질이 사용되고 그리고, 다공성 부재 (1)의 내부 부분에는, 단계 ⅸ) 동안 낮은 치밀화를 달성하도록 하는 물질이 사용되는 것인, 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정.
15. 제 14항에 있어서, 사용되는 금속 물질은 철 및 스테인리스 스틸; 니켈 및 스테인리스 스틸; 구리 및 스테인리스 스틸로부터 선택되는 것인, 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정.
16. 제 1항 내지 제 10항에 있어서, 다공성 부재 (1)는 끼워맞춤(interference), 접착, 밀봉 이용, 기하학적인 고정을 통해, 또는 나사를 조여서 공기 정합 베어링 시스템 내로 밀폐 삽입(hermetic insertion)됨으로써 공기 정합 베어링 내로 삽입되는 것인, 다공성 부재 (1)를 제조하기 위한 공정.
17. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항의 공정에 의해 수득된, 다공성 부재 (1).
18. 공기 정합 베어링에 사용하기 위한 다공성 제한 장치제한 장치공성 부재 (1).
    
    

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