KR20180009061A - 탄소 섬유 폐기물을 이용한 방전 가공용 전극 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 탄소 섬유 폐기물을 이용한 방전 가공용 전극 제조 방법은 탄소 섬유 폐기물을 일정 범위의 길이를 갖는 탄소 단섬유로 절단하는 단계; 상기 탄소 단섬유를 바인더와 혼합한 다음 일축 가압 성형함으로써, 상기 탄소 단섬유가 상기 바인더 내에서 일방향으로 배향되어 정렬적 단섬유 보강된 생소지(green body)를 제조하는 압축 성형 단계; 및 상기 생소지를 탄화 및 함침시키는 고밀도화 단계를 포함할 수 있다.

Description

탄소 섬유 폐기물을 이용한 방전 가공용 전극 제조 방법{manufacturing method of electrode for electric discharge machining by using carbon fiber waste}

본 발명은 방전 가공용 전극 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 탄소 섬유 방사 과정이나 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 제조 과정 등에서 발생하는 탄소 섬유 폐기물을 이용하여 흑연 전극을 대체할 수 있는 방전 가공용 전극을 제조하는 기술에 관한 것이다.

최근 탄소 섬유 및 CFRP의 사용이 급증함에 따라 탄소 섬유 폐기물(carbon fiber waste)의 발생 또한 급증하고 있는 추세이다. 이러한 탄소섬유 폐기물은 섬유의 길이와 형태가 일정하지 않고 제품으로서의 가치가 없어 대부분 해양투기, 토양매립, 소각 등의 방식으로 폐기되거나, 건축자재의 충진재로 일부 사용되고 있다.

따라서 탄소 섬유 폐기물의 친환경적 처리방법에 대한 대책마련이 필요한 상황이며, 나아가서는 막대한 양의 폐기물을 고부가가치 제품으로 사용할 수 있는 시장 발굴 및 제품개발이 시급한 실정이다.

한편, 국내 방전 가공용 흑연전극소재는 전량 수입에 의존하고 있는데, 현재 세계 시장은 UCAL, SGL, TOKAI, TOYO, SEC 등의 메이저급 회사들이 독점 생산하고 있다. 이러한 흑연 전극은 해외에서 전량 수입하여 국내 흑연 전극 가공업체에서 가공 후 금형제조업체에 높은 가격으로 판매되고 있다.

최근 금형산업의 구조고도화 사업과 함께 원가절감 및 공정시간 단축을 위한 업계의 노력과 함께 흑연전극의 사용이 확대되고 있다. 그러나 기존 해외 선진기업들이 흑연 전극 제조기술을 외부로 유출하는 것을 꺼리고 있으며 특허 장벽 및 시장을 장악하고 있는 메이저 사의 영향으로 통상적인 흑연전극 제조방식으로의 기술개발은 매우 어려운 상황이다.

또한 흑연 전극의 원소재인 등방성 흑연 제조기술은 공정이 복잡하고 초기설비투자의 부담으로 국내 대기업들도 쉽게 진출하지 못하는 상황이다. 따라서 기존의 특허 장벽을 회피할 수 있으며, 제조공정이 간단한 새로운 형태의 전극 개발이 필수적인 상황이다.

이에 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 탄소 섬유 폐기물을 이용하여 흑연 전극을 대체할 수 있는 방전 가공용 전극의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 탄소 섬유 폐기물을 이용한 방전 가공용 전극 제조 방법은, 탄소 섬유 폐기물을 일정 범위의 길이를 갖는 탄소 단섬유로 절단하는 단계; 상기 탄소 단섬유를 바인더와 혼합한 다음 일축 가압 성형함으로써, 상기 탄소 단섬유가 상기 바인더 내에서 일방향으로 배향되어 정렬적 단섬유 보강된 생소지(green body)를 제조하는 압축 성형 단계; 및 상기 생소지를 바인더 탄화수율이 30% 이상으로 탄화시키고 함침수율 20% 이상으로 함침액에 함침시키는 고밀도화 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 탄소 섬유 폐기물을 이용한 방전 가공용 전극 제조 방법은, 상기 탄소 단섬유와 상기 바인더의 계면 접착력 증가를 위하여 상기 탄소 단섬유의 표면을 가공하는 표면 처리 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 섬유 폐기물을 이용한 방전 가공용 전극 제조 방법은, 탄소 섬유 폐기물을 일정 길이를 갖는 탄소 장섬유로 절단하는 단계; 상기 탄소 장섬유를 방향성을 갖도록 배향하고 상기 배향된 탄소 장섬유에 바인더를 도포하여 탄소 섬유 레이어를 제조하는 단계; 상기 탄소 섬유 레이어를 적층하는 단계; 상기 적층된 탄소 섬유 레이어를 가압 성형함으로써, 상기 탄소 장섬유가 상기 바인더 내에서 일방향 보강된 생소지를 제조하는 압축 성형 단계; 및 상기 생소지를 탄화시키고 함침액에 함침시키는 고밀도화 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 탄화 단계는, 실시간 감량 측정에 기초하여 승온 시점을 제어함으로써 미리 정해진 승온 프로파일에 따라서 상기 생소지를 탄화시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탄소 섬유를 이용한 방전 가공용 전극 제조 방법은, 탄소 섬유를 바인더 용액을 통과시키면서 미리 정해진 형태로 와인딩하여 생소지를 제조하는 단계; 및 상기 생소지를 탄화시키고 함침액에 함침시키는 고밀도화 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 탄화 단계는, 실시간 감량 측정에 기초하여 승온 시점을 제어함으로써 미리 정해진 승온 프로파일에 따라서 상기 생소지를 탄화시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소 섬유 폐기물을 이용한 방전 가공용 전극 제조 방법은, 탄소 섬유 폐기물을 1mm 내지 3mm 범위의 길이를 갖는 탄소 단섬유로 절단하는 단계; 상기 탄소 단섬유를 바인더와 혼합한 다음 일축 가압 성형함으로써, 상기 탄소 단섬유가 상기 바인더 내에서 일방향으로 배향되어 정렬적 단섬유 보강된 생소지(green body)를 제조하는 압축 성형 단계; 분당 2℃ 내지 4℃ 승온하여 600℃ 내지 1000℃의 온도를 30분 내지 1시간 30분 동안 유지시키면서 상기 생소지를 탄화시키는 탄화 단계; 상기 탄화 단계를 거친 생소지를 함침액에 30분 내지 1시간 함침시키는 함침 단계 및 분당 2℃ 내지 4℃ 승온하여 600℃ 내지 1000℃의 온도를 30분 내지 1시간 30분 동안 유지시키면서 상기 함침액에 함침된 생소지를 탄화시키는 재탄화 단계를 복수회 반복하는 함침 및 재탄화 단계; 및 상기 함침 및 재탄화 단계를 거친 생소지를 분당 5℃ 내지 8℃ 승온하여 1200℃ 내지 1800℃의 온도를 30분 내지 1시간 30분 동안 유지시키면서 탄화시키는 최종 열처리 단계를 포함할 수 있다.

이때, 상기 탄화, 상기 재탄화 및 상기 최종 열처리 단계는, 불활성 상태의 증가를 위하여 질소 가스를 분당 1L 내지 5L 탄화 장치에 공급하면서 수행될 수 있다. 그리고 상기 탄화, 상기 재탄화 및 상기 최종 열처리 단계 각각이 수행된 다음에는 탄화가 수행되는 시간의 1.5배 내지 3배의 시간 동안의 냉각 단계가 더 수행될 수 있다.

본 발명에 따르면 기존의 방전 가공용 흑연 전극을 대체할 수 있는 방전 가공용 전극을 탄소 섬유 폐기물을 이용하여 제조할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 따른 방전 가공용 전극 제조 방법은 탄소 섬유 폐기물을 이용하므로, 금형 소재의 원가 절감, 대외 무역 적자 감소, 새로운 일자리 창출, 국가 경쟁력 강호, 폐기물 처리 비용 감소 등의 경제적 효과와 사회적 효과를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라 탄소 섬유 폐기물을 이용하여 방전 가공용 전극을 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법의 일예를 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에서 탄소 단섬유 제조에 이용될 수 있는 장비의 예들을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에 따라서 수행되는 가압 성형 과정을 개념적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에서 가압 성형 과정을 수행하는 장비의 예들을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에서 가압 성형 과정이 수행되는 다른 예를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에서 탄소 섬유와 바인더 사이의 접착력 분석을 위한 접착일(work of adhesion) 분석 그래프의 일예를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에 따라 고결정 필러(filler)의 첨가에 따른 바인더 탄화체의 결정화도 변화를 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법의 다른 예를 나타내는 흐름도이다.
도 10은 도 9에 도시된 EDM용 전극 제조 방법에 따른 압축 성형 기술이 적용되는 과정의 일예를 나타낸다.
도 11은 도 9에 도시된 EDM용 전극 제조 방법에 따른 섬유 와인딩 기술이 적용되는 과정의 일예를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에 고밀도화 기술의 하나인 탄화 공정이 수행되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에 따라 수행된 탄화 과정 수행 후 전극 내부에 생성된 기공을 나타낸다.
도 14는 본 발명에 따른 탄소 섬유 폐기물을 이용한 방전 가공용 전극 제조 방법에 따라서 고밀도화 과정이 수행되는 과정의 일예를 나타내는 흐름도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상 또는 기능상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낼 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라 탄소 섬유 폐기물을 이용하여 방전 가공용 전극을 제조하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.

먼저, 탄소 섬유 폐기물(carbon fiber waste)을 회수한다. 여기서, 탄소 섬유 폐기물은 탄소 섬유 방사 시에 발생한 것일 수도 있고, CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 제조 시에 발생한 것일 수도 있다. 이러한 탄소 섬유 폐기물은 섬유의 길이와 형태가 일정하지 않은 경우가 많아 그 활용 가능성이 낮다. 그러므로 탄소 섬유 폐기물을 활용하여 EDM(electric discharge machining)용 전극을 제조하는 것은 친환경, 고부가가치 산업 구조를 구현하는 것일 수 있다.

그 형태나 길이가 일정하지 않은 탄소 섬유 폐기물을 사용 가능한 형태나 길이로 만들기 위하여 탄소 섬유 폐기물을 가공한다. 한편, 탄소 섬유 폐기물의 가공에는 탄소 섬유의 가공성을 향상시키기 위한 표면 처리도 포함될 수 있다. 탄소 섬유 폐기물이 가공되면, 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 기술을 적용하여 EDM용 전극이 제조될 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 EDM용 전극은, 기존의 방전 가공용 흑연 전극을 대체할 수 있다. 그리고 본 발명에에 따른 EDM용 전극은 탄소 섬유 폐기물로 제조되므로, 금형 소재의 원가 절감, 대외 무역 적자 감소, 새로운 일자리 창출, 국가 경쟁력 강호, 폐기물 처리 비용 감소 등의 경제적 효과와 사회적 효과를 제공할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법의 일예를 나타내는 흐름도이다. 이하, 필요한 도면들을 참조하여 상기 제조 방법을 살펴 본다.

탄소 섬유 폐기물을 섬유 회수 기술을 이용하여 회수한다. 그런 상기 섬유 회수 기술은 앞서 도 1에서 살펴본 탄소 섬유 폐기물의 가공 과정까지를 포함한 개념일 수 있다. 상기 섬유 회수 기술에 따라 탄소 폐기물 단섬유가 제조된다. 즉, 상기 섬유 회수 기술은 탄소 섬유 폐기물을 일정 범위의 길이를 갖는 탄소 단섬유로 절단하는 단계일 수 있다. 상기 탄소 단섬유의 길이는 1.0 밀리미터 내지 3.0 밀리미터 사이일 수 있다. 그리고 탄소 섬유 회수 기술은 탄소 섬유 폐기물을 일정 범위의 입도를 갖는 분말로 분쇄하는 기술이 포함될 수 있다.

탄소 단섬유가 제조되면, 탄소 단섬유를 이용하여 생소지를 제조하기 위한 압축 성형 기술이 적용된다. 이러한 압축 성형을 통하여 상기 탄소 단섬유를 바인더(binder)와 혼합한 다음 일축 가압 성형함으로써, 상기 탄소 단섬유가 상기 바인더 내에서 일방향으로 배향되어 정렬적 단섬유 보강된 생소지(green body)가 제조될 수 있다. 생소지는 탄소 단섬유 방전 전극의 형상을 가지고 있다. 상술한 바인더는 페놀 수지 바인더일 수도 있고, 페놀/피치 혼합 바인더일 수도 있다. 그러나 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

그런 다음, 상기 생소지에 고밀도화 기술이 적용된다. 고밀도화는, 상기 생소지를 바인더 탄화수율이 30% 이상으로 탄화시키고 함침수율 20% 이상으로 함침액에 함침시키는 단계를 포함할 수 있다. 상술한 과정에 따라 황삭(rough process)용 방전 전극이 제조될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에서 탄소 단섬유 제조에 이용될 수 있는 장비의 예들을 나타낸다. 도 3의 (a)의 사진은 탄소 섬유 폐기물을 일정길이로 균일화하여 절단하기 위한 작두형 절단기(10)이다. 도 3의 (b)의 사진은 탄소 섬유 폐기물을 일정 범위의 입도를 갖는 분말로 분쇄하기 위한 분쇄기들(20)이다.

도 4는 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에 따라서 수행되는 가압 성형 과정을 개념적으로 나타낸 것이다.

도 4의 (a)는 바인더와 탄소 단섬유가 혼합되어 있는 상태를 나타낸다. 도 4의 (a)를 참조하면, 바인더 내에 탄소 단섬유가 일정한 방향성 없이 무작위적으로 배치되어 있는 것을 알 수 있다. 도 4의 (a) 상태에서 가압 성형 가공이 수행된다. 그러면, 바인더 내의 탄소 단섬유는, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 바인더 내에서 일방향으로 배향될 수 있다. 바인더 내에서 탄소 단섬유가 방향성을 가지고 배향되는 것을 정렬적 단섬유 보강이라 한다. 한편, 가압 성형은 바인더와 탄소 단섬유 혼합물을 가열한 다음 가압 성형 가공을 수행할 수도 있다.

도 5는 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에서 가압 성형 과정을 수행하는 장비의 예들을 나타낸다.

도 5의 (a)는 일축 프레스로 바인더/탄소 단섬유 혼합물을 가열한 다음 일축 가압 성형하는 핫 프레스(hot press, 30)의 사진을 나타낸다. 도 5의 (b)는 일축 프레스로 바인더/탄소 단섬유 혼합물을 일축 가압 성형하는 콜드 프레스(cold press, 40)의 사진을 나타낸다.

본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에서는 상기 프레스들(30 및 40)을 이용하여 바인더와 탄소 섬유 혼합물에 대한 일축 가압이 이루어지며 그에 따라 생소지가 제조되게 된다. 여기서, 일축 방향의 가압에 의하여 바인더 내의 탄소 단섬유에 대한 정렬적 단섬유 보강이 이루어질 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에서 가압 성형 과정이 수행되는 다른 예를 개념적으로 나타낸 도면이다.

도 6의 바인더와 탄소 단섬유가 일정한 방향성 없이 무작위적으로 배치되어 있는 혼합물이 압출기를 통과하면서 가압 성형된다. 그러면, 탄소 단섬유가 바인더 내에서 일방향으로 배향되면서 정렬적 단섬유 보강이 수행된다. 도 6에 따른 가압 성형 과정에 의하면, 앞서 살펴본 가압 성형 과정에 비하여, 가압 성형 공적의 연속성이 보다 향상될 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에서 탄소 섬유와 바인더 사이의 접착력 분석을 위한 접착일(work of adhesion) 분석 그래프의 일예를 나타낸다.

이러한 접착일 분석은 바인더의 종류, 혼합 바인더의 혼합 비율, 탄소 섬유의 종류, 탄소 섬유의 표면 처리 종류 등을 고려하여 수행될 수 있다. 이러한 접착일 분석을 통하여 탄소 섬유와 바인더 사이의 계면 접착력을 목표치로 매핑하기 위한 각종 조건이 정해질 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에서는 목표로 하는 탄소 섬유와 바인더 사이의 계면 접착력에 대응되도록 탄소 섬유의 표면 처리 조건을 확립하는데, 이러한 접착일 분석 작업 결과가 이용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법은, 탄소 섬유와 바인더의 계면 접착력 증가를 위하여 탄소 섬유의 표면을 가공하는 표면 처리 단계를 더 포함할 수 있다. 이는 앞서 살펴본 실시예들에 적용될 수도 있고, 향후 살펴볼 다른 실시예들에 대해서도 적용될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에 따라 고결정 필러(filler)의 첨가에 따른 바인더 탄화체의 결정화도 변화를 개념적으로 나타낸 도면이다.

도 8의 (a)는 고결정성 필러가 첨가되지 않은 상태에서의 바인더 탄화체의 결정화 상태를 나타내며, 도 8의 (b)는 고결정성 필러가 첨가된 상태에서의 바인더 탄화체의 결정화 상태를 나타낸다. 이를 참조하면 고결정성 필러가 첨가된 경우, 바인더 결정화도가 높아진 것을 알 수 있다. 고결정성 필러의 종류, 양, 크기, 탄화 온도 등에 따른 결정화도 거동 분석을 통하여 바인더에 적합한 고결정성 필러가 결정될 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법의 다른 예를 나타내는 흐름도이다. 이하, 필요한 도면들을 참조하여 상기 제조 방법을 살펴 본다.

탄소 장섬유로 이루어진 탄소 섬유 폐기물을 섬유 회수 기술을 이용하여 회수한다. 상기 섬유 회수 기술에 따라 탄소 폐기물 장섬유가 제조된다. 상기 섬유 회수 기술은 탄소 섬유 폐기물을 일정 범위의 길이를 갖는 탄소 장섬유로 절단하는 단계일 수 있다. 상기 탄소 단섬유의 길이는 100 밀리미터일 수 있다. 한편, 경우에 따라서 섬유 회수 기술은 탄소 폐기물에 대한 별도의 절단 과정이 없이 세척이나 표면 처리 등의 가공을 의미할 수도 있다.

탄소 장섬유가 제조되면, 탄소 장섬유를 이용하여 생소지를 제조하기 위한 섬유 와인딩 기술 및 압축 성형 기술이 적용된다. 섬유 와인딩 기술은 탄소 장섬유를 바인더 용액을 통과시키면서 미리 정해진 형태로 와인딩하여 생소지를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

압축 성형 기술은, 상기 탄소 장섬유를 방향성을 갖도록 배향하고 상기 배향된 탄소 장섬유에 바인더를 도포하여 탄소 섬유 레이어를 제조하는 단계, 상기 탄소 섬유 레이어를 적층하는 단계, 및 상기 적층된 탄소 섬유 레이어를 가압 성형함으로써 상기 탄소 장섬유가 상기 바인더 내에서 일방향 보강된 생소지를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

그런 다음, 상기 생소지에 고밀도화 기술이 적용된다. 고밀도화 기술은 상기 생소지를 탄화시키고 함침액에 함침시키는 단계를 포함할 수 있다. 고밀도화 기술이 적용되면, 탄소 섬유 폐기물을 이용한 정삭(finish process)용 방전 전극이 제조될 수 있다.

도 10은 도 9에 도시된 EDM용 전극 제조 방법에 따른 압축 성형 기술이 적용되는 과정의 일예를 나타낸다.

도 10의 (a)는 일정 길이로 절단된 탄소 장섬유가 방향성을 가지고 배향된 상태를 나타낸다. 도 10의 (a) 상태에서 탄소 장섬유에 바인더를 도포하여 탄소 섬유 레이어가 제조된다. 그런 다음, 도 10의 (b)와 같이, 제조된 탄소 섬유 레이어들을 미리 정해진 높이가 되도록 적층하고, 적층된 탄소 섬유 레이얼 일축 가압 성형하여 생소지가 제조된다.

탄소 섬유 레이어의 적층 높이는 제조될 EDM용 전극의 높이나 모양에 따라 결정될 수 있다. 한편, 탄소 장섬유에 대한 바인더의 균일 도포에는 바 코터(bar coater)가 이용될 수 있다. 상기 생소지에 대한 탄화 및 함침 공정이 수행되면 최종적으로 EDM용 전극이 완성될 수 있다.

도 11은 도 9에 도시된 EDM용 전극 제조 방법에 따른 섬유 와인딩 기술이 적용되는 과정의 일예를 나타내는 도면이다.

롤러(50)에 감긴 탄소 장섬유가 바인더가 담긴 저장소(60)을 통과하면서 바인더에 도포된다. 이때, 탄소 장섬유에는 상기 저장소(60) 내의 중간 롤로(70)에 의하여 장력이 부여된다. 상기 저장소(60)를 통과하면서 바인더 도포된 탄소 장섬유는 회전하는 와인딩 수단(80)에 와인딩된다.

탄소 장섬유의 와인딩 속도, 바인더의 점도, 바인더의 종류, 바인더의 온도 등은 탄소 장섬유의 종류나 상태 등을 고려하여 결정될 수 있다. 그리고 와인딩된 탄소 장섬유(즉, 생소지)의 형태는 제조될 EDM용 전극의 형태에 따라 결정될 수 있다. 상기 와인딩된 탄소 장섬유에 대한 탄화 및 함침 공정이 수행되면 최종적으로 EDM용 전극이 완성될 수 있다.

도 12는 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에 고밀도화 기술의 하나인 탄화 공정이 수행되는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 12의 그래프는 탄화가 진행 과정에 따른 무게 감량이 실시간으로 이루어지며, 특정 무게 감량 포인트(P1 및 P2)에서 미리 정해진 탄화 온도로의 승온이 이루어지는 것을 나타낸다. 이러한 승온 프로파일(profile)은 탄소 섬유의 종류, 바인더의 종류, 첨가제의 종류 등을 고려하여 최적화된 조건에 따라 미리 결정된 것일 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법은, 실시간 감량 측정에 기초하여 승온 시점을 제어함으로써 미리 정해진 승온 프로파일에 따라서 생소지를 탄화시키는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 탄화 과정은 상술한 실시예들 모두에 대해 적용될 수 있다.

한편, 탄화 과정에서 생성되는 기공을 최소화하기 위한 표면 처리가 더 수행될 수 있다. 이러한 표면 처리는 바인더의 종류, 탄소 섬유의 종류, 혼합 바인더의 경우에는 혼합비, 탄화 온도 등에 따라 달라질 수 있다.

도 13은 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에 따라 수행된 탄화 과정 수행 후 전극 내부에 생성된 기공을 나타낸다.

도 13을 참조하면, 전극에는 그 단면이 얇고 길쭉한 기공(delamination void) 뿐암 아니라 타원체인 큰 기공(large void)이 생성될 수 있음을 알 수 있다. 본 발명에 따른 EDM용 전극 제조 방법에서는 이러한 기공의 발생이 최소화시키기 위하여 탄소 섬유에 대한 표면 처리 과정이 수행될 수 있다. 한편, 기공의 발생의 최소화를 위한 탄소 섬유의 표면 처리 과정은 상술한 실시예들 모두에 대해 적용될 수 있다.

도 14는 본 발명에 따른 탄소 섬유 폐기물을 이용한 방전 가공용 전극 제조 방법에 따라서 고밀도화 과정이 수행되는 과정의 일예를 나타내는 흐름도이다. 한편 도 14는 탄소 섬유 폐기물을 1mm 내지 3mm의 탄소 단섬유로 절단하여 제조된 생소지를 대상으로 수행되는 과정을 나타낸다.

먼저, 탄소 단섬유가 일방향으로 배향되어 정렬적 단섬유 보강된 생소지를 분당 2℃씩 승온하여 700℃의 온도를 1시간 동안 유지시키면서 상기 생소지를 탄화시키는 탄화 단계가 수행된다(S100). 탄화 단계에서의 승온은 도 14의 2℃를 포함하는 분당 2℃ 내지 4℃ 범위 내에서 수행되는 것이 바람직하다. 분당 승온이 2℃ 미만일 경우에는 탄화시간이 길어지고 탄화 효율이 낮아질 수 있고, 분당 승온이 4℃를 초과할 경우에는 바인더의 휘발 성분이 빠르게 휘발되면서 생소지에 크랙(crack)이 발생할 수 있기 때문이다.

그리고 본격적으로 생소지에 대한 탄화가 수행되는 온도는 도 14의 700℃를 포함하는 600℃ 내지 1000℃임이 바람직하다. 탄화 온도가 600℃ 미만인 경우에는 충분한 탄화가 일어나기 어렵고 1000℃를 초과하는 경우에는 고밀도화가 수행 전인 단계에서 수행되는 급격한 탄화로 인하여 도 13에서 살펴본 바와 같은 기공이 생기거나 심한 경우 앞서 살펴본 바와 같은 크랙이 발생할 수도 있기 때문이다. 또한, 탄화 온도가 유지되는 시간은 30분 내지 1시간 30분임이 바람직하다. 왜냐하면 탄화 온도 유지 시간이 30분 미만이면 충분한 탄화가 수행되기 어렵고 1시간 30분을 초과하는 경우에는 고밀도화가 수행 전인 생소지에 무리가 갈 수 있기 때문이다.

다시 도 14를 참조하면, 상기 탄화 단계가 수행된 다음에는 상기 탄화 단계가 수행된 생소지를 함침액에 30분 함침시키는 함침 단계 및 상기 함침액에 함침된 생소지를 분당 2℃ 승온하여 700℃의 온도를 1시간 유지시키면서 탄화시키는 재탄화 단계를 3회 반복하는 함침 및 재탄화 단계가 수행된다(S110 및 S120).

여기서, 함침 시간은 도 14의 30분을 포함하는 30분 내지 1시간이 바람직하다. 함침 시간이 30분 미만이면 충분한 함침이 이루어지기 어렵고 1시간을 초과하는 경우에는 작업 효율이 낮아질 수 밖에 없기 때문이다. 그리고 상기 재탄화 단계(S120)에서의 승온, 탄화 온도 및 탄화 시간은 앞서 살펴본 탄화 단계(S100)과 동일한 범위로 확대될 수 있다. 그리고 함침 및 재탄화의 반복 횟수는 도 14에서의 3회를 포함하여 2회 내지 5회가 바람직하다. 이러한 함침 및 재탄화의 반복은 생소지에 대한 함침 정도를 높이고 탄소의 밀도를 서서히 증가시킴으로써 강도 또는 경도가 높으면서도 내부에 기공이 거의 없는 방전용 전극을 제조하기 위함이다.

다시 도 14를 참조하면, 상기 함침 및 재탄화 단계가 수행된 다음에는 상기 함침 및 재탄화 단계를 거친 생소지를 분당 5℃ 승온하여 1500℃의 온도를 1시간 동안 유지시키면서 탄화시키는 최종 열처리 단계가 수행된다(S130). 한편, 상기 최종 열처리 단계에서의 탄화 온도의 승온은 도 14의 분당 5℃를 포함하여 분당 5℃ 내지 8℃임이 바람직하다. 분당 승온 온도가 탄화 및 재탄화 단계에서보다 큰 것은 S100 내지 S120 단계가 수행된 생소지는 바인더 및 함침액의 휘발 성분의 충분히 제거된 상태이고 탄화로 인한 고밀도화가 충분히 진행된 상태이기 때문이다. 그러나 분단 승온 온도가 8℃초과하는 경우에는 S100 내지 S120 단계가 수행된 생소지에도 무리를 줄 수 있기 때문에 그 이상으로 분당 승온 온도를 높이는 것은 지양되는 것이 바람직하다.

그리고 탄화 유지 온도는 도 14의 1500℃를 포함하는 1200℃ 내지 1800℃임이 바람직하며 탄화 시간은 앞서 살펴본 탄화 및 재탄화 단계에서와 같이 30분 내지 1시간 30분 사이가 바람직하다. 최종 열처리 단계에서의 탄화 온도가 1200℃ 이상으로 높은 이유는 S100 내지 S120 단계에 따라 생소지에 대한 휘발 성분의 제거 및 고밀도가 이루어진 상태이기 때문에 앞서 탄화 또는 재탄화 단계에서의 탄화 온도에 비해 2배 이상의 탄화 온도로 탄화를 수행하더라도 최종적으로 제조되는 방전용 전극의 강도 및 안정성에는 문제가 없기 때문이다. 그리고 탄화 온도가 1800℃를 초과하는 경우에는 탄화에 필요한 온도를 초과하는 범위일 수 있고 에너지가 과하게 소비되어 경제성이 저하될 수 있기 때문이다.

한편, 이상에서 살펴본 상기 탄화, 상기 재탄화 및 상기 최종 열처리 단계는 불활성 상태의 증가를 위하여 질소 가스를 분당 1L 내지 5L 탄화 장치에 공급하면서 수행되는 것이 바람직할 수 있다. 이는 생소지가 탄화되는 과정에서 불필요한 산화나 다른 성분과의 반응을 방지하기 위함이다. 또한, 상기 탄화, 상기 재탄화 및 상기 최종 열처리 단계가 수행된 다음 냉각 속도는 탄화가 수행된 시간의 적어도 1.5배 내지 3배의 시간동안 수행되는 것이 바람직하다. 이는 고온으로 탄화가 진행된 생소지에 대한 급격한 냉각에 따른 강도 및 안정성 저하를 방지하기 위함이다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 절단기 20: 분쇄기
30: 핫 프레스 40: 콜드 프레스
50: 롤러 60: 저장소
70: 중간 롤러 80: 와인딩 수단

Claims (4)

1. 탄소 섬유 폐기물을 1mm 내지 3mm 범위의 길이를 갖는 탄소 단섬유로 절단하는 단계;
   상기 탄소 단섬유를 바인더와 혼합한 다음 일축 가압 성형함으로써, 상기 탄소 단섬유가 상기 바인더 내에서 일방향으로 배향되어 정렬적 단섬유 보강된 생소지(green body)를 제조하는 압축 성형 단계;
   분당 2℃ 내지 4℃ 승온하여 600℃ 내지 1000℃의 온도를 30분 내지 1시간 30분 동안 유지시키면서 상기 생소지를 탄화시키는 탄화 단계;
   상기 탄화 단계를 거친 생소지를 함침액에 30분 내지 1시간 함침시키는 함침 단계 및 상기 함침액에 함침된 생소지를 분당 2℃ 내지 4℃ 승온하여 600℃ 내지 1000℃의 온도를 30분 내지 1시간 30분 동안 유지시키면서 탄화시키는 재탄화 단계를 복수회 반복하는 함침 및 재탄화 단계; 및
   상기 함침 및 재탄화 단계를 거친 생소지를 분당 5℃ 내지 8℃ 승온하여 1200℃ 내지 1800℃의 온도를 30분 내지 1시간 30분 동안 유지시키면서 탄화시키는 최종 열처리 단계를 포함하는, 탄소 섬유 폐기물을 이용한 방전 가공용 전극 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄화, 상기 재탄화 및 상기 최종 열처리 단계는,
   불활성 상태의 증가를 위하여 질소 가스를 분당 1L 내지 5L 탄화 장치에 공급하면서 수행되며,
   상기 탄화, 상기 재탄화 및 상기 최종 열처리 단계 각각이 수행된 다음에는 탄화가 수행되는 시간의 1.5배 내지 3배의 시간 동안의 냉각 단계가 더 수행되는 것을 특징으로 하는, 탄소 섬유 폐기물을 이용한 방전 가공용 전극 제조 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 탄소 섬유 폐기물을 이용한 방전 가공용 전극 제조 방법은,
   상기 탄소 단섬유와 상기 바인더의 계면 접착력 증가를 위하여 상기 탄소 단섬유의 표면을 가공하는 표면 처리 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 탄소 섬유 폐기물을 이용한 방전 가공용 전극 제조 방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 탄화, 상기 재탄화 및 상기 최종 열처리 단계는,
   실시간 감량 측정에 기초하여 승온 시점을 제어함으로써 미리 정해진 승온 프로파일에 따라서 탄화를 수행하는 것을 특징으로 하는, 탄소 섬유 폐기물을 이용한 방전 가공용 전극 제조 방법.

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