KR20190058988A

KR20190058988A - 금속분말의 성형방법 및 성형장치

Info

Publication number: KR20190058988A
Application number: KR1020170156478A
Authority: KR
Inventors: 김용찬
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2017-11-22
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2019-05-30

Abstract

본 발명은 밀폐 구조로 제공되는 금속분말 성형장치를 이용하여 금속분말을 성형하는 방법이며, 금속분말을 환원가스가 흐르는 벨트식 가열로에 투입하는 단계; 상기 금속분말을 예열하는 단계; 상기 예열된 금속분말을 환원온도로 가열하여 환원하는 단계; 및 상기 가열로 내부에 위치하는 성형 장치에서 상기 환원된 금속분말에 바인더를 혼합하고, 가압 및 소결하는 단계를 포함하는 금속분말 성형방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 기존의 분말야금 공정의 단계 및 에너지 소모를 줄이고 공정비용을 저감할 수 있을 뿐만 아니라, 이에 따라 생산성의 증가도 기대할 수 있는 효과가 있다.

Description

금속분말의 성형방법 및 성형장치 {METHOD FOR FORMING METAL POWDER AND APPRATUS FOR THE SAME}

본 발명은 금속분말 성형방법 및 성형장치에 관한 것이다.

분말야금(Powder Metallurgy)은 금속 분말 또는 금속 산화물 분말을 압축 성형한 후, 융점 이하로 가열하여 결합시킨 금속부품이나 금속 제품을 제조하기 위한 금속 가공법으로 널리 이용되고 있다.

상기한 바와 같은 분말야금은 단순한 공정에 의해 복잡한 형상의 제품 제조가 가능하여 대량생산의 유리함과 제조비용의 절감 및 뛰어난 가공정밀도 등과 같은 장점을 지니고 있다. 따라서, 분말야금에 의한 금속 제품의 가공은 예를 들면 고정밀도의 가공 치수가 요구되는 기어 등과 같은 자동차 부품이나 복잡한 형상의 기계 부품 등의 제조공정에 유효하게 적용되고 있다.

특히, 최근에 들어서는 기계부품의 소형화와 경량화에 대한 요구가 점증함에 따라 소형 경량이면서 충분한 강도를 갖는 기계 부품이나 제품 제조를 위해 분말야금의 적용분야가 점차 확대되고 있는 추세이다.

분말야금의 원료로 사용하기 위하여, 산화철 등의 금속 산화물을 환원가스(H₂, CO) 등을 이용하여 환원하면 금속 분말을 얻을 수 있다. 이와 같은 금속 분말에 바인더를 혼합하고 가압 및 성형하여 제품이 완성된다.

그러나, 상기와 같이 금속 산화물을 환원하여 제품을 제조하는 공정에 있어서는 금속 산화물을 환원로를 이용하여 환원시킨 후 이를 다시 냉각하여 회수하고, 상온에서 바인더 혼합, 성형을 거친 후 다시 온도를 올려 고온에서 소결하는 공정을 통해 제품을 제조하므로, 에너지 손실이 크고 단계가 많고 복잡하며, 비용면에서도 불리한 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 분말야금 공정의 단계, 에너지 소모를 줄이고 공정비용을 저감할 수 있는 금속분말의 성형방법 및 성형 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 밀폐 구조로 제공되는 금속분말 성형장치를 이용하여 금속분말을 성형하는 방법이며, 금속분말을 환원가스가 흐르는 벨트식 가열로에 투입하는 단계; 상기 금속분말을 예열하는 단계; 상기 예열된 금속분말을 환원온도로 가열하여 환원하는 단계; 및 상기 가열로 내부에 위치하는 성형 장치에서 상기 환원된 금속분말에 바인더를 혼합하고, 가압 및 소결하는 단계를 포함하는 금속분말 성형방법이 제공된다.

상기 바인더 혼합, 가압 및 소결이 동시에 수행될 수 있다.

상기 바인더가 성형장치 내에 충진되어, in-situ로 공급될 수 있다.

상기 환원가스의 압력이 10 내지 200mbar일 수 있다.

상기 환원가스는 금속분말의 배출구로 투입되고, 금속분말의 투입구로 배출될 수 있다.

상기 금속분말이 산화철, 산화아연, 산화구리, 산화니켈, 산화알루미늄 및 산화텅스텐 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

상기 환원가스가 수소, 일산화탄소, 및 탄소 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다.

상기 예열이 500 내지 800℃에서 수행될 수 있다.

상기 환원이 700 내지 1100℃에서 수행될 수 있다.

상기 가압 및 소결이 900 내지 1200℃에서 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, 금속분말이 유입되는 원료 유입부; 상기 유입된 원료를 이송벨트에 적재하여 환원가스 분위기에서 열처리를 수행하는 벨트식 가열로; 상기 열처리된 원료에 바인더를 혼합하고 가압 및 소결하는 소결 장치; 및 상기 소결체가 배출되는 배출부를 포함하는 금속분말 성형장치가 제공된다.

상기 금속분말 성형장치는 밀폐 구조로 이루어질 수 있다.

상기 환원가스가 배출부로 유입되어 원료 유입부로 배출될 수 있다.

상기 환원가스의 압력이 10 내지 200mbar일 수 있다.

상기 바인더가 소결 장치 내에 충진되어, in-situ로 공급될 수 있다.

상기 소결 장치가, 금속분말 성형장치 내부에 위치할 수 있다.

상기 소결 장치 내에 바인더 저장부를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 기존의 분말야금 공정의 단계 및 에너지 소모를 줄이고 공정비용을 저감할 수 있을 뿐만 아니라, 이에 따라 생산성의 증가도 기대할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 통상적으로 수행되는 금속분말의 환원 및 성형방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말의 환원 및 성형방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 성형 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.

이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 금속분말의 성형방법 및 성형장치에 관한 것이다.

도 1은 종래 통상적으로 수행되는 금속분말의 환원 및 성형방법을 개략적으로 나타낸 것이다. 종래의 공정에서 비용 측면에서 가장 문제가 되는 공정은, 가열공정을 두번 거치기 때문이다. 금속 산화물 분말을 환원로를 이용하여 환원시킨 후 이를 다시 냉각하여 회수하고, 상온에서 바인더 혼합, 성형을 거친 후 다시 온도를 올려 고온에서 소결하는 공정을 통해 제품을 제조하므로, 에너지 손실이 큰 공정이었다. 특히 공정의 단계가 늘어날수록 시간, 비용이 증가하여 주조공정 대비 생산단가가 높아지는 결과를 초래하였다.

도 1을 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 예열, 가열 및 냉각으로 이루어지는 환원 공정과 소결 공정은 고온 열처리 공정에 해당한다. 특히 환원 공정은 고온의 환원가스 분위기에서 수행된다.

상기한 바와 같이 환원 공정은 크게 3단계로 구분되며, 예열단계(Pre-heating stage), 가열 단계(Heating stage) 및 냉각단계(Cooling stage)가 있다. 예열단계는 금속 산화물 분말의 급격한 온도변화를 방지하기 위한 단계이고, 가열단계에서는 환원온도로 상기 금속 산화물 분말을 가열하여 금속 산화물 분말의 환원이 일어난다. 냉각 단계는 상기 환원된 분말이 재산화 및 응집 되는 것을 방지하기 위하여 상온까지 온도를 낮춰주는 것이다.

이와 같이 기존 공정은 단계가 많고 복잡할 뿐만 아니라 특히 고온의 에너지가 소모되는 가열 구간이 분리되어 있어 에너지적인 손실이 많은 문제점이 있었다.

이에 본 발명자들은 기존 공정에 대하여 분말의 환원 및 소결 등을 하나의 장치 내부에서 수행하면 공정 단계를 획기적으로 줄일 수 있고, 나아가 가열 구간이 분리되어 있어 발생하는 에너지 손실을 저감할 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

도 2는 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말의 환원 및 성형방법을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 성형 장치를 개략적으로 나타낸 것이다. 이하 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 금속분말이 유입되는 원료 유입부; 상기 유입된 원료를 이송벨트에 적재하여 환원가스 분위기에서 열처리를 수행하는 벨트식 가열로; 상기 열처리된 원료에 바인더를 혼합하고 가압 및 소결하는 소결 장치; 및 상기 소결체가 배출되는 배출부를 포함하는 금속분말 성형장치가 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, 밀폐 구조로 제공되는 금속분말 성형장치를 이용하여 금속분말을 성형하는 방법이며, 금속분말을 환원가스가 흐르는 벨트식 가열로에 투입하는 단계; 상기 금속분말을 예열하는 단계; 상기 예열된 금속분말을 환원온도로 가열하여 환원하는 단계; 및 상기 가열로 내부에 위치하는 성형 장치에서 상기 환원된 금속분말에 바인더를 혼합하고, 가압 및 소결하는 단계를 포함하는 금속분말 성형방법이 제공된다.

본 발명은 금속분말을 환원가스가 흐르는 벨트식 가열로에 투입하는 단계로부터 시작된다. 금속분말의 환원 효율을 높이기 위하여 본 발명에서는 판상 또는 메쉬밸트 형상의 컨베이어 밸트를 포함하는 벨트식 가열로가 사용된다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 금속분말 성형장치의 일 측면의 상부에는 금속분말이 유입되는 원료 유입부가 형성되어 있다, 상기 원료 유입부에서는 금속분말 원료가 유입되고 또한, 후술하는 바와 같이 환원가스가 배출된다.

본 발명이 적용될 수 있는 금속 분말은 특별하게 한정하는 것은 아니며, 예를들어, 산화철, 산화아연, 산화구리, 산화니켈, 산화알루미늄 및 산화텅스텐 등이 원료로써, 적용될 수 있다.

한편, 상기 원료 유입부에 대향하는 측면의 하부에는 환원 및 소결이 완료되어 소결체가 배출되는 배출부가 형성되어 있다. 한편, 상기 배출부를 통하여 금속분말의 환원에 필요한 환원가스가 유입된다.

상기 환원가스는 특별하게 한정하는 것은 아니며, 수소, 일산화탄소 및 탄소(카본) 등이 사용될 수 있으나, 바람직하게는 수소를 사용할 수 있다.

보다 상세하게 설명하면, 금속분말 등 원료의 흐름은 다음과 같다. 먼저 원료 주입부로 투입되어, 벨트식 가열로에 적재된다. 이때 원료가 적재되는 부분은 상기 원료를 예열하기 위한 부분에 해당할 수 있다. 예열단계는 금속 산화물 분말의 급격한 온도변화를 방지하고 특히, 급격한 온도구배로 인한 재료의 손상을 방지하기 위한 것으로, 500 내지 800℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 피환원 물질에 따라 다르나 철 분말의 경우 700 내지 800℃에서 수행될 수 있다.

상기 벨트식 가열로에 적재되어 예열된 연료는 컨베이어 벨트에 의해 소결장치를 향해 이동한다. 상기 예열된 연료는 가열로에서 환원온도 범위의 열처리를 통해 환원이 이루어진다.

상기 환원온도 범위는 원료 분말에 따라 달라질 수 있으나, 통상적으로 용융점 이하 융점의 2/3 정도의 온도에서 수행되며, 예를 들어, 철 분말의 경우 융점이 약 1540℃ 이므로, 통상 1000도 전후, 또는 그보다 약간 낮은 온도 범위에서 수행된다. 또한, 철 분말의 경우 분말의 반응성을 증가시키기 위해서 500~700℃의 저온에서 환원하는 경우도 있고, 환원 생산성을 향상시키기 위해서 1100℃에서 환원할 수도 있다. 따라서 철 분말을 사용하는 경우, 700 내지 1100℃에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 750 내지 850℃에서 수행될 수 있다.

상기와 같이 환원된 원료는 소결장치로 이동한다. 상기 소결장치는 금속분말 성형장치 내에 위치하며, 환원된 금속분말에 바인더를 혼합하고 가압 및 소결이 행해진다. 가압 및 소결은 통상적으로 환원온도 또는 이보다 높은 온도에서 수행되므로, 산화철 분말의 경우 900 내지 1200℃에서 수행될 수 있다.

본 발명은 상기 소결장치에서 바인더 혼합, 가압 및 소결이 동시에 수행될 수 있으며, 이에 따라, 기존 공정에서 환원로에서 배출된 원료를 대기중에서 성형하고 다시 소결로로 재투입하는 단계를 생략할 수 있다.

통상적으로 고온, 및 특히 수소 등의 환원가스 분위기 내부에서는 수소 등의폭발 위험에 따라 기계 작업이 어려운 것으로 알려져 있다. 이와 같은 수소 등에 의한 폭발은 주로, 수소농도가 5~75% 이상이고, 산소함유량이 4%이상, 그리고 착화 요인이 일을 때 발생한다.

본 발명자들은 이와 같은 폭발 원인에 착안하여, 금속분말 성형장치를 밀폐 구조로 제공하는 한편, 투입하는 수소 등의 환원가스의 압력을 대기압보다 약간 높은 수준의 양압으로 함으로써, 외부 공기 특히 산소의 유입을 사전에 방지하였다.

상기 투입되는 환원가스의 압력은 5 내지 200mbar 일 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 100mbar일 수 있다.

이와 같은 분위기 하에서는 가압 등이 가능하나, 바인더의 투입이 없이는 성형이 곤란할 수 있으므로, 바인더의 혼합이 요구된다. 이 때 본 발명에서는 상기 소결장치 내부에 바인더를 충진하고 in-situ로 공급함으로써, 바인더 혼합, 가압 및 소결의 단계가 소결장치에서 일체로 수행될 수 있는 구성을 채택하였다.

상기와 같이 성형이 완료된 소결체는 제품으로서 배출부를 통해 배출된다.

한편, 환원가스는 상기 배출부를 통하여 유입되며, 상기 금속분말 성형장치내에서 금속분말을 환원시킨 후 원료 유입부를 통하여 배출되는 구조를 취하고 있다.

이와 같이 원료분말과 환원가스 투입 방향이 반대인 경우, 환원 효율이 크게 향상되는 것을 확인하였으며, 이는 이와 같은 역방향 이동의 경우 H₂O 등 반응 부산물 등이 환원 공정을 방해할 여지가 적어지기 때문이다. 또한, 수소 가스는 가벼워 상부로 이동하는 경향이 있으므로, 하부에서 투입하여 상부로 배출할 때, 가장 많은 양의 가스를 환원반응에 참여시킬 수 있다.

본 발명에서는 공정 단계를 줄이고 에너지 효율을 향상시키기 위하여 고온의 금속분말 성형장치 내에서, 즉 금속 산화물 분말의 온도가 높은 상태를 이용하여 가압 등의 성형공정을 거치고자 하였고, 특히 기존 바인더와 환원된 금속분말을 혼합하는 공정 대신, 소결 공정에서 바인더를 공급하여 실시간으로 수행하는 단계를 제안하였다.

성형장치 등의 본체 내부 공간을 이용하여 바인더를 제공하면 상기 단계가 가능하다. 특히 환원 후 냉각, 그리고 성형 후 다시 재가열 공정을 거치면서 제품이 여러 번 이동하거나 가열, 냉각, 재가열 공정을 거치지 않아도 되므로 공정원가와 시간을 크게 줄여 생산성이 크게 향상될 것으로 기대된다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims

밀폐 구조로 제공되는 금속분말 성형장치를 이용하여 금속분말을 성형하는 방법이며,
금속분말을 환원가스가 흐르는 벨트식 가열로에 투입하는 단계;
상기 금속분말을 예열하는 단계;
상기 예열된 금속분말을 환원온도로 가열하여 환원하는 단계; 및
상기 가열로 내부에 위치하는 소결장치에서 상기 환원된 금속분말에 바인더를 혼합하고, 가압 및 소결하는 단계를 포함하는 금속분말 성형방법.
제1항에 있어서,
상기 바인더 혼합, 가압 및 소결이 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 금속분말 성형방법.
제1항에 있어서,
상기 바인더가 성형장치 내에 충진되어, in-situ로 공급되는 것을 특징으로 하는 금속분말 성형방법.
제1항에 있어서,
상기 환원가스의 압력이 10 내지 200mbar 인 것을 특징으로 하는 금속분말 성형방법.
제1항에 있어서,
상기 환원가스는 금속분말의 배출구로 투입되고, 금속분말의 투입구로 배출되는 것을 특징으로 하는 금속분말 성형방법.
제1항에 있어서,
상기 금속분말이 산화철, 산화아연, 산화알루미늄, 산화구리, 산화니켈 및 산화텅스텐 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속분말 성형방법.
제1항에 있어서,
상기 환원가스가 수소, 일산화탄소, 및 탄소 및 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 금속분말 성형방법.
제1항에 있어서,
상기 예열이 500 내지 800℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 금속분말 성형방법.
제1항에 있어서,
상기 환원이 700 내지 1100℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 금속분말 성형방법.
제1항에 있어서,
상기 가압 및 소결이 900 내지 1200℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 금속분말 성형방법.
원료로서 금속분말이 유입되는 원료 유입부;
상기 유입된 원료를 이송벨트에 적재하여 환원가스 분위기에서 열처리를 수행하는 벨트식 가열로;
상기 열처리된 원료에 바인더를 혼합하고 가압 및 소결하는 소결 장치; 및
상기 소결체가 배출되는 배출부를 포함하는 금속분말 성형장치.
제11항에 있어서,
상기 금속분말 성형장치는 밀폐 구조인 것을 특징으로 하는 금속분말 성형장치.
제11항에 있어서,
상기 환원가스가 배출부로 유입되어 원료 유입부로 배출되는 것을 특징으로 하는 금속분말 성형장치.
제10항에 있어서,
상기 환원가스의 압력이 10 내지 200mbar인 것을 특징으로 하는 금속분말 성형장치.
제11항에 있어서,
상기 바인더가 소결 장치 내에 충진되어, in-situ로 공급되는 것을 특징으로 하는 금속분말 성형장치.
제11항에 있어서,
상기 소결 장치가, 금속분말 성형장치 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 금속분말 성형장치.
제11항에 있어서,
상기 소결 장치 내에 바인더 저장부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 금속분말 성형장치.