KR20200046237A - 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 텅스텐카바이드와 코발트가 혼합된 원료분말을 고강도 스테인레스 수용용기에 투입하고, 초경막대를 장착하여 밀봉하는 투입단계, 상기 수용용기가 기 설정된 속도로 회전하고 상기 초경막대는 상기 수용용기와 별도로 회전하여 상기 원료분말을 혼합 분쇄 및 냉간접합시켜 합금화된 혼합분말을 생성하는 분쇄단계, 상기 분쇄단계를 거치며 분쇄된 흑연몰드 내부에 충진하고 10MPa의 압력으로 10 내지 30분간 유지하며 내부에 상기 혼합분말이 고르게 분포되도록 예비 가압하는 예비가압단계, 상기 혼합분말이 충진된 상기 흑연몰드를 밀폐 가능한 소결챔버 내에 장착하고, 흑연으로 이루어진 가압부를 상하부에 체결하며, 상기 혼합분말에 직류펄스전류가 통전될 수 있도록 상기 흑연몰드에 통전수단을 연결하는 장착단계, 상기 소결챔버 내부를 진공상태로 조절하는 진공화단계, 상기 가압부를 통해 상기 혼합분말을 일정한 압력으로 가압하며, 상기 통전수단 각각에 전류를 인가하여 기 설정된 패턴을 따라 설정온도까지 승온 및 감온 시키며 상기 혼합분말을 소결체로 소결하는 소결단계 및 상기 소결단계 이후 상기 소결체에 작용하는 압력을 감압하여 유지하면서 상기 흑연몰드를 700 내지 1100℃ 사이에서 냉각등온 하는 냉각단계를 포함하며, 상기 소결단계에서 복수 개의 직류펄스전류에 의해 상기 흑연몰드가 통전되어 상기 혼합분말을 단시간에 목표온도까지 승온시켜 소결하는 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법이 개시된다.

Description

직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법{Manufacturing method of tungsten carbide-cobalt sintered body using DC pulse current}

본 발명은 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 텅스텐카바이드와 코발트 분말을 혼합하고 직류 펄스전류활성 소결공정을 이용하여 단시간에 고밀도 및 내외부 물성이 균일한 텅스텐카바이드-코발트 소결체를 제조할 수 있는 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법에 관한 것이다.

최근 산업발전에 따라 자동차, 조선, 우주/항공 산업 및 건축뿐만 아니라 모든 산업제품에서 고기능, 고정밀 등의 특성이 요구되고 있다. 특성이 우수하면서도 장수명인 제품 등은 시판용 민생 기기에서는 사용되기 어려웠던 항공기, 로켓 엔진이나 그 주변 부품으로 사용되던 내열합금, 경량합금 및 의료와 일반 생활용품에 이르기까지 다양하게 적용되고 있다.

이러한 각종 재료는 그 재료 자체가 가지는 뛰어난 기계적/물리적 성질 때문에 피가공성이 크게 저하되고 특히 양산이나 고정밀도가 요구되는 부품을 제조함에 있어서는 큰 문제로 대두 되는 일이 많다

피가공성이 나쁜 재료를 일반적으로 난삭소재라고 부르며, 난삭소재 가공 시 공구의 마모가 빠르고 절삭온도 및 절삭저항, 표면 조도가 크고 절삭 칩이 날에 융착되는 현상이 발생한다.

이들 난삭재의 가공을 고능률화 할 경우 제품의 제조비 절감이나 고품질화 등에 크게 기여하기 때문에 이러한 문제를 해결하기 위해 표면에 PVD(Physical Vapor Deposition), CVD(Chemical Vapor Deposition), DLC(Diamond Like Carbon)막 등의 코팅층을 형성하여 사용된다.

이러한 코팅된 초경합금의 경우 물성은 크게 향상되지만 코팅공정이라는 2차공정이 진행되면서 발생되는 공정단가 상승의 문제점이 있어 초경합금 소재의 물성향상에 대한 연구가 필요한 실정이다.

초경합금 소재는 제조방법에 따라 크게 용해/주조법과 분말야금법으로 구분이 가능하다. 그 중 용해/주조법은 가장일반적인 방법으로써 대량 생산이 용이하여 제조 단가를 낮출 수 있는 장점을 가지고 있으나, 결정립 제어 및 고밀도화, 소재의 산화 방지에 한계를 가지고 있으며, 또한 제품 제조 후 여러 가지 후처리 공정이 요구되는 단점이 있다.

이에 반해 분말야금법을 이용하는 경우 균질한 상 분포와 미세한 결정립 제어, 고융점 소재 제조가 용이하고 산화 방지가 가능하며, 조성 및 성분비의 설계 자유도 범위가 커서 다양한 조성성분을 가지는 소결체를 제조할 수 있는 장점이 있어 최근 용해/주조법의 대체 공정으로 활발히 적용되고 있다.

그러나 종래의 분말야금법 중 널리 사용되고 있는 방법으로는 온도와 압력을 동시에 가하여 비교적 고밀도 소결체를 얻을 수 있는 HIP(Hot Isostatic Pressing)과 HP(Hot Pressing)방법이 주로 사용되어 왔으나, 긴 소결공정시간에 따른 결정립 제어 한계, 외부 간접 가열방식에 의한 소결체 내/외부 물성차 및 값비싼 공정 단가 등의 이유로 새로운 공정기술 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 직류 펄스전류활성 소결공정을 이용하여 텅스텐카바이드 분말와 코발트 분말 소결체의 입자 성장 조절이 가능하면서도 단일 공정으로 짧은 시간에 고밀도, 균일물성 및 고강도 특성을 가지는 특성을 얻을 수 있으며, HP나 HIP 보다 공정 단가가 낮으며 내/외부간의 물성 차이가 거의 없는 직류펄스전류 활성 소결을 이용한 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 따른 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법은, 텅스텐카바이드와 코발트가 혼합된 원료분말을 고강도 스테인레스 수용용기에 투입하는 투입단계, 상기 수용용기 내에서 상기 원료분말을 혼합 분쇄 및 냉간접합시켜 합금화된 혼합분말을 생성하는 분쇄단계, 상기 분쇄단계를 거치며 분쇄된 흑연몰드 내부에 충진하고 흑연으로 이루어진 가압부를 상하부에 배치하여 10MPa의 압력으로 10 내지 30분간 유지하며 내부에 상기 혼합분말이 고르게 분포되도록 예비 가압하는 예비가압단계, 밀폐 가능한 소결챔버 내부에서 직류펄스전류가 통전될 수 있도록 상기 가압부 또는 상기 흑연몰드에 복수 개의 통전수단을 연결하는 장착단계, 상기 소결챔버 내부를 진공상태로 조절하는 진공화단계, 상기 가압부를 통해 상기 혼합분말을 일정한 압력으로 가압하며, 상기 통전수단 각각에 전류를 인가하여 기 설정된 패턴을 따라 설정온도까지 승온 및 감온 시키며 상기 혼합분말을 소결체로 소결하는 소결단계, 상기 소결단계 이후 상기 소결체에 작용하는 압력을 감압하여 유지하면서 상기 흑연몰드를 700 내지 1100℃ 사이에서 냉각등온 하는 냉각단계를 포함하며, 상기 흑연몰드는 복수 개의 상기 통전수단에 의해 다중으로 통전되어 상기 혼합분말을 단시간에 목표온도까지 승온시켜 소결한다..

또한, 상기 분쇄단계는 상기 상기 수용용기에 길게 형성된 초경막대를 장착하여, 상기 수용용기가 기 설정된 속도로 회전하고 상기 초경막대가 상기 수용용기와 별도로 회전하여 상기 원료분말을 혼합 및 분쇄할 수 있다.

또한, 상기 투입단계에서 상기 초경막대가 상기 수용용기의 중앙부분까지 삽입되고, 상기 분쇄단계에서 상기 초경막대가 상기 수용용기의 바닥면에서 0.1 내지 1000 ㎛까지 이격 위치까지 삽입되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 분쇄단계는 상기 수용용기는 회전축을 중심으로 100 내지 1000RPM의 속도로 회전하며, 상기 초경막대는 공전방향으로 100 내지 1000RPM의 속도로 회전하여 24시간동안 진행되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 투입단계는 상기 텅스텐 카바이드가 85 내지 95, 상기 코발트가 5 내지 15의 중량비로 혼합된 상기 원료분말에 알코올 또는 불활성 가스(아르곤이나 질소 등) 중 적어도 하나를 함께 투입하여 혼합시킬 수 있다.

또한, 상기 장착단계는 상기 통전수단이 적어도 3개 이상의 결합지점을 가지며, 각각 상기 가압부 및 이를 기준으로 상기 흑연몰드의 좌 우측에 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 소결단계는 상기 통전수단에 인가되는 직류펄스의 전류비를 모두 동일하거나 또는 적어도 하나 이상을 다르게 조절할 수 있다.

또한, 상기 소결단계는 승온속도 30 내지 100℃/min으로 승온하고, 기 설정된 온도 구간에서 5 내지 20분 동안 등온하며, 최종목적온도는 1000 내지 1500℃에 도달하도록 상기 흑연몰드를 가열할 수 있다.

또한, 상기 분쇄단계를 거친 상기 혼합분말을 50 내지 110℃로 건조하여 불순물 또는 알코올을 제거하는 건조단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 진공화단계는 상기 혼합분말의 산화 및 가스나 불순물로 인한 제2상의 형성을 억제하기 위해 6Pa이하로 상기 소결챔버 내부를 진공화할 수 있다.

본 발명에 따른 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 직류펄스전류 통전 소결을 이용하여 텅스텐카바이드-코발트 소결체의 제조 시 고밀도화가 가능하고 짧은 시간에 입자 성장이 거의 없는 균질한 조직, 및 고순도의 소결체를 제조할 수 있는 이점이 있다.

둘째, 적어도 3개 이상의 통전수단을 장착하여 다중으로 통전소결함으로써, 단시간 내에 목표온도에 도달하여 소결체의 치밀화 속도가 증가하며 결정립 성장을 억제할 수 있는 효과가 있다.

셋째, 텅스텐카바이드와 코발트가 혼합된 분말을 소결하기 전에 별도의 초경막대를 이용한 분쇄단계를 거치며 혼합분말의 미세화 및 합금화를 진행함으로써, 소결 시 안정적으로 소결체를 제조할 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 효과들은 상기 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법에서 사용되는 직류펄스전류 통전 소결장치의 구성을 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 실시예에서 텅스텐카바이드와 코발트의 원료분말을 분쇄 및 혼합한 혼합분말을 촬영한 이미지;
도 3은 도 2의 혼합분말에 대한 XRD상분석 결과를 나타낸 도면;
도 4는 소결단계에서 소결온도 및 혼합원료의 수축길이 변화를 나타낸 도면;
도 5는 도 4의 소결단계에서 소결온도에 따라 결정성장 된 혼합분말이 판상으로 변화하여 치밀해지는 상태를 나타낸 도면; 및
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법의 전체적인 제조과정을 나타낸 도면.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는

동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법에 사용되는 소결장치(100)에 대해 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에 따른 절삭공구 소재용 텅스텐카바이드-코발트(WC-Co) 소결체 제조방법은 서로 다른 소재인 텅스텐카바이드(WC) 분말과 코발트(Co) 분말을 혼합 및 분쇄한 후 직류펄스전류 통전 소결장치(100)를 통해 소결된다. 여기서, 텅스텐카바이드(WC) 분말은 텅스텐(W)과 카본(C)이 합금화된 소재의 분말을 의미한다.

본 발명에서 사용되는 직류펄스전류 통전 소결장치(100)는 소결챔버(110), 냉각부(120), 전류공급부(130), 온도검출부(140), 펌프(150), 가압기(160), 메인제어기(170) 및 조작부(180)를 구비하며, 추가적으로 혼합분말(205)이 장입되는 상기 흑연몰드(200), 상기 흑연몰드(200)를 가압하는 가압부(215, 216) 및 상기 흑연몰드(200)와 상기 가압부(215, 216)에 연결되어 펄스전류를 인가하기 위한 통전수단(220)을 포함한다.

상기 소결챔버(110)는 밀폐 가능하도록 구성되어 내부에는 상하방향으로 이격된 상 하부에 통전수단(220)이 마련되며, 도시되지는 않았지만 상기 통전수단(220)은 방열을 위해 냉각수가 유통될 수 있게 형성되어 있다.

냉각부(120)는 소결챔버(110)의 내벽에 마련된 냉각수 유통관과, 상기 통전수단(220) 마련된 냉각수 유통관으로 냉각수를 유통시킬 수 있도록 되어 있다.

전류공급부(130)는 상기 통전수단(220)을 통해 메인제어기(170)에 제어되어 펄스 전류를 인가한다.

온도검출부(140)는 소결챔버(110)에 마련된 투시창을 통해 온도를 검출하는 적외선 온도검출 방식이 적용되는 것이 바람직하다.

펌프(150)는 소결챔버(110) 내부의 내기를 외부로 배출시킬 수 있도록 되어 있다.

가압기(160)는 상기 흑연몰드(200) 내에 충진된 혼합분말(205)을 가압할 수 있도록 설치되면 되고, 도시된 예에서는 상기 가압부(215, 216)를 지지하는 지지수단(212)을 승하강 할 수 있는 실린더 구조가 적용되었다.

메인제어기(170)는 조작부(180)를 통해 설정된 조작명령에 따라 냉각부(120), 전류공급부(130), 펌프(150) 및 가압기(160)를 제어하고, 온도검출부(140)에서 검출된 온도정보를 수신하여 표시부(미도시)를 통해 표시한다.

상기 흑연몰드(200)는 원기둥 형상으로 형성되어 있고, 중앙에 혼합분말(205)을 장입할 수 있게 수용홈이 형성되어 있다.

그리고 이러한 상기 흑연몰드(200) 내부에 장입된 상기 혼합분말(205)을 가압하기 위한 별도의 가압부(215, 216)가 구비된다.

여기서 상기 가압부(215, 216)는 도시된 바와 같이 상기 흑연몰드(200)의 상하부에 각각 구비되며 선택적으로 승하강하여 상기 혼합분말(205)을 가압하도록 구성된다.

본 실시예에서 상기 가압부(215, 216)는 한 쌍으로 구성되어 상기 흑연몰드(200)의 상하부에 배치되며 적어도 어느 하나가 승하강하며 내부의 상기 혼합분말(205)에 압력을 가해준다

이러한 직류펄스전류 통전 소결장치(100)에서 상기 통전수단(220)이 상기 가압부(215, 216) 및 이를 기준으로 양측 이격된 상기 흑연몰드(200)에 복수 개로 구비된다. 그리고 각각의 상기 통전수단(220)을 통해 독립적으로 직류펄스전류를 인가함으로써 상기 혼합분말(205)을 빠르게 가열할 수 있다.

본 실시예에서 상기 통전수단(220)은 상기 가압부(215, 216)의 중앙에서 상 하부에 하나가 구비되고, 이를 중심으로 상기 흑연몰드(200)의 양측에 이격되어 각각 상하부에 구비된다. 즉, 상기 통전수단(220)은 각각이 상하방향으로 쌍을 이루며, 복수 개의 쌍이 이격 배치된다.

이때, 상기 통전수단(220)에 인가되는 직류펄스의 전류비를 모두 동일하거나 또는 적어도 하나 이상이 다르게 조절할 수 있으며, 본 실시예에서는 각각 5:1, 12:1, 3:1 의 비율로 펄스비를 인가하여 상기 혼합분말(205)의 소결을 진행한다.

이와 같이 본 발명에서 직류펄스전류 통전 소결장치(100)를 통해 상기 혼합분말(205)에 직류펄스전류를 인가하여 소결함과 동시에 상기 가압부(215, 216)로 가압하여 소결체를 소결할 수 있다.

여기서, 상기 통전수단(220)을 3개 이상으로 구비하여 각각에 독립적으로 전류를 인가함으로써 대량으로 통전시킨 펄스전류에 의해 자전연소 속도가 증가함에 따라 초고속 급속소결공정이 가능하다. 이때, 상기 통전수단은(220) 도 1에 도시된 바와 같이 각각 상기 흑연몰드(200)의 좌 우측 및 상기 가압부(215, 216)상에서 상호 이격 배치되며, 각각은 한 쌍의 단자로 상하부에 구비된다.

이어서, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법의 전체적인 과정에 대해 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 제조방법은 크게 투입단계(S100), 분쇄단계(S200), 건조단계(S300), 예비가압단계(S400), 장착단계(S500), 진공화단계(S600), 소결단계(S700) 및 냉각단계(S800)를 포함한다.

상기 투입단계(S100)는 본 발명을 통해 제조되는 텅스텐카바이드-코발트 소결체의 제조 시 원료가 되는 텅스텐카바이드와 코발트를 혼합 및 분쇄하기 위한 과정으로, 불규칙한 형상을 가지며 융점이 서로 다른 각각의 분말을 기 설정된 비율로 혼합한 원료분말을 만든다.

이와 같은 상기 원료분말을 고강도 스테인레스로 이루어진 수용용기(미도시)에 투입하여 밀봉한다. 이때, 후술하는 상기 분쇄단계(S200)의 진행을 위해 알코올 또는 불활성 가스(아르곤이나 질소 등)를 함께 첨가한다. 상기 알코올 또는 불활성 가스는 상기 원료분말이 의도하지 않게 오염되거나 2차 생성물로 변환되는 것을 방지한다.

여기서 상기 수용용기 내부에는 별도의 초경막대(미도시)가 함께 장착되며, 적어도 일부가 내부에 삽입된 상태에서 상기 수용용기를 밀봉한다. 그리고 상기 초경막대는 후술하는 상기 분쇄단계(S200)에서 상기 텅스텐카바이드와 코발트의 원료분말을 분쇄 및 혼합하기 위해 사용된다.

상기 초경막대는 상기 수용용기 내부에서 적어도 일부가 배치되어 회전에 의해 상기 원료분말을 분쇄 및 혼합한다. 이때, 상기 초경막대는 상기 수용용기와 마찰이 발생할 수 있으며 고속회전에도 불순물이 발생하지 않는 소재로 구성되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서 상기 초경막대는 상기 수용용기와 동일한 고강도 스테인레스로 이루어진다.

기본적으로 상기 투입단계(S100)에서는 상기 텅스텐카바이드와 코발트 분말의 입자가 불규칙적이며, 고르게 혼합되어 있지 않은 상태로 단순히 기 설정된 중량비율로 혼합되어 있다.

본 실시예에서 텅스텐카바이드-코발트의 소결체를 제조하기 위해 원료분말의 혼합비율은 100의 중량비를 기준으로 상기 텅스텐 카바이드(WC)가 85 내지 95이고 상기 코발트 (Co)가 5 내지 15의 중량비로 설정하여 상기 수용용기에 투입한다.

이와 같이 상기 투입단계(S100)는 기 설정된 비율로 상기 코발트와 텅스텐카바이드가 혼합된 상기 원료분말과 상기 초경막대를 고강도 스테인레스로 구성된 상기 수용용기 내부에 투입한 후 상기 알코올 또는 불활성가스의 분위기에서 혼합 및 분쇄되어 오염되지 않은 합금화 혼합분말을 만들 수 있도록 밀봉하는 과정이다.

이때, 상기 수용용기에 알코올을 투입하는 경우 중량비율은 혼합된 상기 원료분말을 100으로 하여 20 내지 30이 되는 것이 바람직하다.

이와 같이 상기 투입단계(S100)가 진행된 후, 상기 수용용기 내부에서 분쇄단계(S200)가 진행된다.

상기 분쇄단계(S200)는 상기 투입단계(S100)에서 상기 수용용기 내부로 투입된 상기 원료분말을 분쇄 및 합금화 하는 과정이며, 상기 초경막대를 이용한 막대링 공정을 수행한다.

구체적으로 상기 분쇄단계(S200)는 상기 수용용기가 기 설정된 속도로 회전하고 상기 초경막대는 상기 수용용기와 별도로 회전하여 상기 원료분말을 혼합 분쇄 및 냉간접합시켜 합금화된 혼합분말(205)을 생성한다.

본 실시예에서 상기 수용용기는 상하방향에 따른 중심선을 기준으로 하여 자전방향으로 100 내지 1000rpm의 속도로 회전하고, 상기 초경막대는 상기 중심선을 기준으로 공전방향으로 100 내지 1000RPM의 속도로 회전한다. 그리고 이러한 밀링공정은 약 24시간동안 진행하여 상기 원료 분말을 분쇄 및 냉간접합을 통한 합금화가 진행되도록 한다.

여기서, 상기 초경막대는 상기 투입단계(S100)에서 상기 수용용기의 중앙부분까지만 삽입되고, 이후 상기 분쇄단계(S200)에서 추가적으로 삽입되어 삽입된 끝단부가 상기 수용용기의 바닥면에서 0.1 내지 1000 ㎛까지 삽입되도록 삽입공정이 진행된다.

이에 따라 상기 초경막대와 상기 수용용기가 각각 독립적으로 자전 및 공전형태로 회전함으로써 혼합된 상기 텅스텐카바이드와 코발트가 혼합 및 분쇄되어 상기 혼합분말(205)이 생성된다.

본 실시예에서 상기 분쇄단계(S200)는 습식 밀링법을 사용하기 위해 알코올이 혼합되었으나, 이와 달리 건식 밀링법을 통해 상기 원료분말을 분쇄할 수 있다. 건식 밀링법을 사용하는 경우 알코올 대신 불활성 가스(아르곤이나 질소 등)를 상기 수용용기에 함께 투입하여 상기 분쇄단계(S200)를 진행할 수 있다.

이와 같은 상기 분쇄단계(S200)는 상기 혼합분말(205)의 크기를 미세화 하고 기계적 합금화로 인해 후술하는 상기 소결단계(S700)에서 소결이 더욱 용이하게 이루어지도록 유도하기 위한 것이다.

도시된 도 2를 살펴보면 상기 분쇄단계(S200)를 거친 상기 혼합분말(205)을 촬영한 이미지로, 텅스텐카바이드와 코발트를 50 대 50의 중량비로 설정하여 250rpm으로 상기 분쇄공정을 진행 하였으며, 도시된 바와 같이 분말이 고르게 분쇄 및 혼합된 상태이다.

그리고 도 3을 살펴보면 상기 혼합분말(205)의 XRD(X-ray diffraction)상분석을 나타낸 것으로 텅스텐카바이드와 코발트의 분말이 텅스텐카바이드-코발트 분말로 혼합된 것을 확인할 수 있다.

즉, 상기 분쇄단계(S200)에서는 단순한 분쇄뿐만 아니라 고 에너지 밀링 공법을 통해 상기 원료분말의 합금화가 함께 진행되는 것을 알 수 있다.

이와 같이 상기 분쇄단계(S200)에 의해 합금화된 상기 혼합분말(205)을 생성함으로써, 후술하는 소결단계(S700)에서 용융점이 서로 다른 소재를 소결하더라도 안정적으로 소결을 진행할 수 있다.

추가적으로 상기 분쇄단계(S200)는 상기 수용용기와 상기 초경막대에 의해 생성된 상기 혼합분말(205)의 입자를 균일화하기 위해 별도의 균일화 공정을 추가적으로 진행할 수 있다.

구체적으로, 상기 균일화 공정은 상기 혼합분말을 스프레이 노즐이 장착된 별도의 분말챔버(미도시) 내부에 분사하여 구형의 균일한 크기를 가지도록 한다.

이때, 상기 스프레이 노즐의 출구는 상기 혼합분말(205) 입도에 맞게 0.5 내지 1 mmØ로 형성할 수 있으며, 상기 혼합분말(205)가 투입되는 입구는 상태적으로 크게 형성된다, 그리고 상기 스프레이노즐의 입구 온도는 100 내지 150℃, 상기 혼합분말(205)이 분사되는 출구의 온도는 80 내지 100℃로 한다. 여기서, 상기 혼합분말(205)이 분사되는 상기 분말챔버는 밀폐된 형태로 내부에 불활성 가스가 충진되어 상기 혼합분말(205)의 산화 및 오염을 방지할 수 있도록 구성된다.

이에 따라 상기 분쇄단계(S200)는 추가적인 상기 균일화 공정을 거치며, 상기 막대밀링 공정을 거친 상기 혼합분말(205)을 균일한 입도크기를 가지는 구형분말로 생성할 수 있다.

한편, 상기 건조단계(S300)는 상기 분쇄단계(S200)를 거친 상기 혼합분말(205)에서 불순물을 제거하며 건조시키는 과정이다.

구체적으로 상기 건조단계(S300)는 상기 혼합분말(205)에 포함된 알코올 및 미세가스를 제거하기 위한 것이며, 별도의 진공건조기를 이용해 50 내지 110℃로 36 내지 48시간동안 건조시켜 제거한다.

물론, 본 실시예에서는 습식 밀링법을 이용하여 상기 분쇄단계(S200)를 진행함에 따라 알코올이 사용되었으나, 이와 달리 건식 밀링법을 사용하는 경우 상기 건조단계(S300)를 생략할 수도 있다.

다음으로, 상기 예비가압단계(S400)는 상술한 혼합분말(205)을 고밀도로 소결하기 위해 상기 흑연몰드(200)에 충진하여 미리 일정 압력으로 가압하는 과정이다.

본 발명에 따른 직류펄스전류 통전 소결장치(100)에 사용되는 상기 흑연몰드(200)는 도 1에 도시된 바와 같이 내부에 상하로 관통되는 관통공간이 형성되고, 길이방향을 따라 상기 혼합분말(205)이 장입된다. 그리고 기 설정된 압력을 유지하며 상기 흑연몰드(200) 내부에 장입된 상기 혼합분말(205)을 가압하여 고르게 분포되도록 예비 가압을 진행한다.

이때, 상기 흑연몰드(200)는 상기 소결챔버(100) 내에서 상하부에 가압부(215, 216)가 삽입되어 상기 혼합분말(205)를 가압하도록 구성될 수 있다.

상기 예비가압단계(S400)에서 상기 혼합분말(205)의 가압 시 10MPa의 압력으로 10 내지 30분간 유지시키는 것이 바람직하며, 내부에 상기 혼합분말(205)이 고르게 분포되도록 함으로써 후에 진행되는 소결단계(S700)에서 소결이 용이하게 이루어지도록 한다.

이어서 상기 예비가압단계(S400) 이후 상기 혼합분말(205)이 상기 흑연몰드(200) 내에서 직류펄스전류를 전달 받을 수 있도록 상기 가압부(215, 216) 또는 상기 흑연몰드(200)에 별도의 통전수단(220)을 연결하는 장착단계(S500)가 진행된다.

상기 장착단계(S500)는 상기 소결챔버(110) 내부에서 상기 가압부(215, 216)와 상기 흑연몰드(200)에 상기 통전수단(220)를 연결하는 과정으로써, 먼저 상기 흑연몰드(200)가 상기 소결챔버(110)의 내부에 안착되어 상기 가압부(215, 216)가 상하부에서 삽입된 상태로 배치된다. 이때, 상기 예비가압단계(400)에서 미리 상기 흑연몰드가(200) 상기 소결챔버(100) 내부에서 상기 가압부(215, 216)가 삽입될 수 있으며, 이와 달리 상기 장착단계(S500)에서 체결될 수도 있다.

그리고 상기 가압부(215, 216) 및 상기 가압부(215,216)가 체결된 위치를 기준으로 상기 흑연몰드(200)의 좌 우측에 각각 직류펄스전류가 통전될 수 있도록 3지점에 상기 통전수단(220)을 연결하여 직류펄스전류를 전달받을 수 있도록 한다. 구체적으로, 상기 통전수단(220)은 도 1에 도시된 바와 같이 상기 가압부(215, 216)의 상 하부에 각각 연결되어 상기 혼합분말(205)이 통전되며 열이 발생되도록 하고, 이와 함께 상기 가압부(215, 216)를 중심으로 양측에 위치한 상기 흑연몰드(200)에 각각 추가적으로 연결된다.

즉, 상기 통전수단(220)은 상기 가압부(215, 216)뿐만 아니라 추가적으로 상기 흑연몰드(200)의 양측에 2개 이상의 위치에서 구비되어 직류펄스전류를 인가 받음으로써 흑연몰드(200) 자체가 발열되도록 한다. 여기서, 상술한 바와 같이 상기 통전수단(220)은 한 쌍의 전극을 가지며 상기 가압부(215, 216) 및 상기 흑연몰드(200)의 상하부에서 마주보는 형태로 각각 결합된다.

이에 따라 각각의 상기 통전수단(220)을 통해 직류펄스전류가 상기 가압부(215, 216) 및 상기 흑연몰드(200) 각각으로 통전하여 온도가 상승하고 이로 인해 상기 혼합분말(205)의 온도를 빠르게 상승시킬 수 있어 전체적인 소결 시간을 단축시킬 수 있다.

이와 같이 상기 장착단계(S500)는 상기 흑연몰드(200)를 상기 소결챔버(110) 내부장착한 후 상기 가압부(215, 216)를 삽입하고, 추가적으로 3개 이상의 지점에서 상기 통전수단(220)을 상기 가압부(215, 216)와 상기 흑연몰드(200)에 연결한다.

상기 진공화단계(S600)는 소결챔버(110)의 내부공간을 진공상태로 만드는 것으로서, 펌프(150)를 통해 소결챔버(110) 내부의 공기를 배출하여 진공상태로 만든다.

일반적으로 상기 소결챔버(110)는 적어도 일부가 개폐되어 선택적으로 밀폐가 가능하도록 구성되며, 내부가 밀폐된 상태에서 내부의 공기를 배출해 공기를 배출한다.

이때, 상기 소결챔버(110) 내부는 6Pa 이하로 진공화 시킴으로써 상기 혼합분말(205)의 산화 및 가스나 불순물로 인한 제 2상의 형성을 억제하고 및 상기 소결챔버(110)의 내부오염이 발생하는 것을 방지시킨다.

한편, 상기 소결단계(S700)는 상기 가압부(215, 216)에 의해 상기 흑연몰드(200)에 충진된 상기 혼합분말(205)을 일정한 압력으로 유지하면서 설정된 승온패턴을 따라 기 설정된 온도까지 승온 및 감온시킨다.

구체적으로, 상기 소결단계(S700)는 혼합분말(205)을 가열하여 소결하는 단계로서, 도 1에 도시된 바와 같이 가압부(215, 216)를 통해 상기 흑연몰드(200) 내의 혼합분말(205)에 대해 초기에 60 MPa의 압력을 유지하고, 설정된 승온 및 등온 패턴에 따라 상기 흑연몰드(200)내의 상기 혼합분말(205)을 가열한다.

이때, 상기 소결단계(S700)는 기 설정된 온도까지 상기 흑연몰드(200)의 온도를 상승시킨 후 일정 시간 동안 압력과 온도를 유지하고, 다시 승온 및 유지를 반복하며 온도를 상승시킨다.

본 실시예에서 상기 소결단계(S700)는 목적온도까지 30 내지 100℃/min으로 승온하고, 일정온도 구간에서 5내지 20분동안 등온하며, 최종목적온도는 1000 내지 1500℃까지 온도를 승온하여 상기 혼한분말(205)를 소결한다.

이와 같이 본 발명에 따른 상기 소결단계(S700)는 직선형태의 온도상승이 아닌 계단 형태로 온도가 상승하여 일정 시간 동안 해당 온도를 유지하는 승온패턴을 가지며, 이러한 승온패턴을 따라 소결을 진행한다.

여기서, 소결진행 시 상기 흑연몰드(200) 내부의 상기 혼합분말(205)을 일정 시간 동안 온도를 유지시키는 과정으로 인해 상기 혼합분말(205)의 중앙부분과 가장자리부분의 온도 편차를 줄이며 전체적으로 온도가 고르게 분포될 수 있다.

한편, 상기 혼합분말(205)의 온도를 상승시키기 위해서는, 상기 흑연몰드(200)와 상기 가압부(215, 216) 각각에 연결된 상기 통전수단(220)을 통해 직류펄스전류가 인가되며 상기 흑연몰드(200)와 상기 가압부(215, 216)에 열이 발생하여 상기 혼합분말(205)의 온도가 상승한다.

여기서, 상기 통전수단(220) 각각에 인가되는 직류펄스전류의 펄스비를 모두 동일하거나 또는 적어도 하나 이상이 다르게 조절할 수 있으며, 본 실시예에서는 5:1, 12:1, 3:1 비율로 펄스비를 인가하여 소결을 진행한다.

이와 같이 단순히 가압부(215, 216)만 통전수단(220)을 연결하여 직류전류를 인가하는 경우에는 상기 가압부(215, 216)를 통해 상기 혼합분말(205)의 온도를 상승시킬 수 있으나, 본 발명과 같이 상기 통전수단(220)을 3개 이상으로 구성하여 상기 흑연몰드(200)에도 추가적으로 직류펄스전류를 인가함으로써 흑연몰드(200) 자체가 발열하며 상기 혼합분말(205)의 온도를 빠르게 상승시킬 수 있다.

이러한 제조 공정 시 상기 통전수단(220)을 통해 인가되는 전류에 의해 혼합분말(205)의 입자간의 틈새에 저전압 펄스상의 대전류가 유입되고, 불꽃방전 현상에 의하여 순간적으로 발생하는 방전 플라즈마의 높은 에너지에 의한 열확산 및 전계 확산과 상기 흑연몰드(200)의 전기저항에 의한 발열 및 가압력과 전기적 에너지에 의해 소결체가 형성된다.

뿐만 아니라, 본 출원발명과 같이 상기 가압부(215, 216)에 의해 시편인 혼합분말(205)에 직접 전류를 흘려주는 직접가열방식으로 상기 흑연몰드(200) 내부에서 발열하며, 이와 함께 상기 흑연몰드(200)에서도 직접 전류가 흐르며 자체에서 추가적인 열이 발생한다.

따라서 상기 흑연몰드(200)의 발열과 동시에 시편인 상기 혼합분말(205) 내부에서도 발열이 발생하여 시편 내부와 외부의 온도차가 적고 상대적으로 낮은 온도와 짧은 소결시간으로 인하여 소결공정 중 발생되는 열적 활성화 반응을 최소화 할 수 있다.

한편, 상술한 상기 소결단계(S700)에서 승온과 등온유지 반복하는 패턴으로 상기 혼합분말(205)을 가열하는 것은 상기 혼합분말(205)의 승온에 따른 수축 및 밀도 변화가 충분히 이루어 지도록 하기 위함이다.

구체적으로, 도 4를 살펴보면 흑연몰드(200) 내부의 온도변화 및 이에 따른 상기 혼합분말(205)의 수축변화를 나타낸 것으로, 각각 900, 1000, 1100, 1200, 1300℃까지 온도를 증가시킨 후 일정 시간 동안 유지한 상태에서 수축률 변화를 나타낸다.

먼저, 상기 혼합분말(205)을 900℃ 및 1000℃까지 온도를 상승시킨 경우 오히려 팽창하는 현상이 발생하는 것을 알 수 있으며, 1200℃에서는 상기 혼합분말(205)이 초반에 팽창하다가 다시 수축하여 처음보다 수축된 상태가 되는 것을 알 수 있다.

그리고, 상기 혼합분말(205)을 1200℃ 및 1300℃까지 온도를 상승시키는 경우 초반에는 일부 팽창이 일어나다가 급격히 수축하는 현상이 나타난다. 여기서, 상기 혼합분말(205)이 수축한다는 것은 입자간 간격이 좁아져 소결체의 밀도가 증가하는 것을 의미하며, 이에 따라 소결체의 강성이나 내구성 등의 물성이 증가하는 것을 알 수 있다.

또한, 도 5를 살펴보면 본 발명에 따른 직류펄스전류 통전 소결장치(100)에 의해 소결온도에 따라 소결된 텅스텐카바이드-코발트 소결체의 이미지를 나타낸 것으로써, 소결온도가 900℃에서 1300℃로 증가함에 따라 분말입자의 형상이 각형에서 결정 성장된 판상으로 변화되는 것을 알 수 있다. 특히 소결온도 1000℃부터 코발트(Co)의 준멜팅 현상이 발견되어 기존 소결공정과 비교 시 빠른 결정성장을 확인할 수 있으며, 소결온도 증가에 따라 치밀해 지는 것을 이미지 촬영 결과 확인하였다.

도시된 이미지를 살펴보면 소결온도가 증가함에 따라 구형의 텅스텐카바이드-코발트 소결체가 판형을 이루며 결정의 형상이 변형되어 안정적으로 소결이 이루어진 것을 알 수 있다.

그리고 상기 혼합분말(205)의 소결온도가 900℃에서 1300℃로 증가함에 따라 상대밀도는 약 69%에서 99.8%까지 크게 증가하였으며, 결정립의 경우 0.096㎛에서 0.385㎛로 소폭 증가하는 경향을 나타내었다.

여기서 소결온도가 증가함에 따라 상대밀도는 크게 증가한 반면 결정립 크기가 소폭 증가한 원인은, 본 발명과 같이 직류펄스전류의 인가 시 3개의 통전수단(220)을 통해 3점으로 인가하였기 때문이다. 이에 따라 본 출원발명과 같이 3개 이상의 상기 통전수단(220)을 통해 상기 혼합분말(205)를 소결함으로써 기존의 소결장치보다 3배 이상 빠르게 소결이 진행되다 보니 치밀화 속도는 증가하면서 결정립 성장을 억제한 결과를 나타내었다.

또한, 상기 소결체의 기계적 특성평가 결과 경도 및 파괴인성의 경우 소결온도가 증가함에 따라 139에서 2471Hv30까지 증가하였으며, 파괴인성의 경우 18.3에서 6.91MPa.m1/2로 감소하였다.

위와 같이 텅스텐카바이드-코발트 소결체의 제조 시 약 1300℃의 목표온도를 가지고 소결을 진행함으로써 상기 혼합불말(205)을 안정적으로 소결할 수 있으며, 3점 이상의 통전수단(220)을 통해 상기 흑연몰드(200)도 함께 가열함으로써 빠르게 소결온도를 증가시킬 수 있다.

이와 같은 소결단계(S700) 이후 냉각단계(S800)를 진행하여 소결체를 냉각시킨다. 여기서, 상기 냉각단계(S800) 역시 급격한 냉각이 아니라 기 설정된 패턴에 따라 소결체에 작용하는 압력을 감압하여 유지하면서 냉각등온 하는 과정을 진행한다.

상기 냉각단계(S800)에 돌입하게 되면, 상기 흑연몰드(200)와 상기 가압부(215, 216)에 인가되는 직류펄스전류를 차단시킨 후 상기 흑연몰드(200)의 내부를 30 내지 100 MPa의 압력을 유지하면서 700℃- 1100℃까지 냉각시킨 후 다시 기본 압력을 유지하면서 상온까지 냉각시킨다.

이와 같은 상기 냉각단계(S800) 이후에는 상기 흑연몰드(200)로부터 소결된 텅스텐카바이드-코발트 소결체를 탈형한다.

이상과 같이 본 발명에 따른 소결체 제조방법은 먼저 텅스텐카바이드와 코발트의 원료분말을 분쇄하여 합금화시킨 후 기 설정된 패턴을 따라 가열 및 가압하며 소결한다. 이때, 소결 시 3점 이상의 통전수단(220)을 통해 흑연몰드(200)와 가압부(215, 216) 모두에 직류펄스전류를 인가함으로써 빠르게 소결온도를 상승시킬 수 있다.

또한, 빠른 온도 상승으로 인해 소결체의 밀도가 증가하며 조직이 치밀해 짐으로써 절삭공구에 적합하도록 경도 및 내마모성이 높은 소결체를 제조할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예들은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100: 소결장치
110: 소결챔버
120: 냉각부
130: 전류공급부
140: 온도검출부
150: 펌프
160: 가압기
170: 메인제어기
180: 조작부
200: 흑연몰드
205: 혼합분말
215, 216: 가압부
220: 통전수단

Claims (10)

1. 텅스텐카바이드와 코발트가 혼합된 원료분말을 고강도 스테인레스 수용용기에 투입하는 투입단계;
   상기 수용용기 내에서 상기 원료분말을 혼합 분쇄 및 냉간접합시켜 합금화된 혼합분말을 생성하는 분쇄단계;
   상기 분쇄단계를 거치며 분쇄된 흑연몰드 내부에 충진하고 흑연으로 이루어진 가압부를 상하부에 배치하여 10MPa의 압력으로 10 내지 30분간 유지하며 내부에 상기 혼합분말이 고르게 분포되도록 예비 가압하는 예비가압단계;
   밀폐 가능한 소결챔버 내부에서 직류펄스전류가 통전될 수 있도록 상기 가압부 또는 상기 흑연몰드에 복수 개의 통전수단을 연결하는 장착단계;
   상기 소결챔버 내부를 진공상태로 조절하는 진공화단계;
   상기 가압부를 통해 상기 혼합분말을 일정한 압력으로 가압하며, 상기 통전수단 각각에 전류를 인가하여 기 설정된 패턴을 따라 설정온도까지 승온 및 감온 시키며 상기 혼합분말을 소결체로 소결하는 소결단계;
   상기 소결단계 이후 상기 소결체에 작용하는 압력을 감압하여 유지하면서 상기 흑연몰드를 700 내지 1100℃ 사이에서 냉각등온 하는 냉각단계; 를 포함하며,
   상기 흑연몰드는 복수 개의 상기 통전수단에 의해 다중으로 통전되어 상기 혼합분말을 단시간에 목표온도까지 승온시켜 소결할 수 있는 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 분쇄단계는,
   상기 상기 수용용기에 길게 형성된 초경막대를 장착하여, 상기 수용용기가 기 설정된 속도로 회전하고 상기 초경막대가 상기 수용용기와 별도로 회전하여 상기 원료분말을 혼합 및 분쇄하는 것을 특징으로 하는 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 투입단계에서 상기 초경막대가 상기 수용용기의 중앙부분까지 삽입되고,
   상기 분쇄단계에서 상기 초경막대가 상기 수용용기의 바닥면에서 0.1 내지 1000 ㎛까지 이격 위치까지 삽입되는 것을 특징으로 하는 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 분쇄단계는,
   상기 수용용기는 회전축을 중심으로 100 내지 1000RPM의 속도로 회전하며, 상기 초경막대는 공전방향으로 100 내지 1000RPM의 속도로 회전하여 24시간동안 진행되는 것을 특징으로 하는 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 투입단계는,
   상기 텅스텐 카바이드가 85 내지 95, 상기 코발트가 5 내지 15의 중량비로 혼합된 상기 원료분말에 알코올 또는 불활성 가스(아르곤이나 질소 등) 중 적어도 하나를 함께 투입하여 혼합시키는 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 장착단계는
   상기 통전수단이 적어도 3개 이상의 결합지점을 가지며, 각각 상기 가압부 및 이를 기준으로 상기 흑연몰드의 좌 우측에 연결되는 것을 특징으로 하는 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 소결단계는,
   상기 통전수단에 인가되는 직류펄스의 전류비를 모두 동일하거나 또는 적어도 하나 이상을 다르게 조절하는 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 소결단계는,
   승온속도 30 내지 100℃/min으로 승온하고, 기 설정된 온도 구간에서 5 내지 20분 동안 등온하며, 최종목적온도는 1000 내지 1500℃에 도달하도록 상기 흑연몰드를 가열하는 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 분쇄단계를 거친 상기 혼합분말을 50 내지 110℃로 건조하여 불순물 또는 알코올을 제거하는 건조단계를 더 포함하는 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 진공화단계는,
    상기 혼합분말의 산화 및 가스나 불순물로 인한 제2상의 형성을 억제하기 위해 6Pa이하로 상기 소결챔버 내부를 진공화하는 직류펄스전류를 이용한 텅스텐카바이드-코발트 소결체 제조방법.

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