KR20240021041A - Hip 공정용 난접합재 캔 제조 방법 및 hip 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법 - Google Patents

Hip 공정용 난접합재 캔 제조 방법 및 hip 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 분말야금 대상 소재 분말을 난접합재 소재 분말 내부에 매립하여 이종 분말 결합체를 형성한 후, 난접합재 캔 제작 HIP을 수행하여 난접합재 소재 분말을 소결시켜 고온 HIP 공정용 난접합재 캔을 제조할 수 있도록 하며, 상기 고온 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 고온 HIP 공정을 통해 분말야금 소결체를 제조할 수 있도록 하는 HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법 및 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법을 제공한다.

Description

HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법 및 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법{Method of manufacturing can of difficult to bond material for high temperature hot isostatic pressing process and Powder metallurgy sintered compact manufacturing method using thereof}
본 발명은 HIP(hot isostatic pressing, 열간등방가압) 공정용 난접합재 캔 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 1,500 ℃ 이상의 고온 HIP 분말야금을 수행할 수 있도록 하는 HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법 및 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, HIP 공정은 연강이나 스테인리스강 등과 같이 고온에서 견딜 수 있는 소재로 만든 캔(can) 속에 금속분말을 채워 넣고, 캔 내부의 공기를 제거한 후(degassing) 압력 용기에 장입하여 고온에서 아르곤이나 질소와 같은 불활성 기체를 이용하여 등방압(isostatic pressure)으로 가압하여 성형과 소결을 동시에 수행하여 제품을 성형하는 분말야금 방법의 일종이다. 상기 방법에 의해 제작된 제품은 다른 공법에 비해 제품의 물성이 우수하다는 장점이 있어, 물성이 매우 중요하고 신뢰를 요하는 제품을 제조하는 경우에 사용되고 있다.
특히, HIP 공정은 티타늄 합금(Ti-6Al-4V), 인코넬(Inconel) 부품 등과 같이 금속, 합금, 세라믹 또는 이들의 복합체 소재를 성형하여 제품을 제조하는 공정에 주로 사용되며 냉간 등방압 가압 성형 공정(cold isostatic pressing, CIP)에 비해 크기가 큰 부품의 제조가 가능하다는 장점이 있어 널리 활용되고 있다.
기존에는 열간 등방압 가압 분말야금 공정을 수행하기 위해서, 분말야금 대상 소재를 밀봉하기 위해 캔 소재를 이용해 캔을 제조하고, 캔에 분말야금 대상 소재를 장입한 다음 밀봉하여 제품을 제조하고 있다.
하지만, 상기 캔은 캔 소재를 이용해 용기 형상으로 성형한 다음, 연결부위에 대하여 아크 용접 또는 산소 용접 등의 용융 용접을 수행하여 제조하는 캐닝 공정을 필수적으로 포함한다. 이에 따라, 캔은 용접 특성이 우수한 강종으로 소재가 제한되고, 일반적으로 5년 이상의 숙련된 용접공이 캔을 제작해야만 HIP 분말야금 공정의 수행 시 캔에 의한 문제가 발생하지 않게 된다.
또한, 강종의 용융점 제한으로 인하여 캔 시료는 처리 온도가 1,400 ℃ 이하로 제한을 받을 뿐 아니라, 강종과 반응하여 발열 반응을 일으키는 소재로 공정이 제한되며, 캔 제작을 위한 인건비와 시간이 과도하게 소요되는 문제점이 있다.
한국공개특허 제10-2011-0042709호 (공개일: 2011.04.27.)
따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 1,500 ℃ 이상의 고온 HIP 분말야금을 수행할 수 있도록 하는 캔을 난접합재 캔 제작 HIP 공정을 통해 제조할 수 있도록 하는 HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법 및 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 분말야금 대상 소재 분말을 난접합재 소재 분말 내부에 매립하여 이종 분말 결합체를 형성하는 이종 분말 결합체 형성 단계; 공정이 정립된 캔 소재로 전처리 캔을 제작한 후 상기 이종 분말 결합체를 상기 전처리 캔에 장입하여 전처리 캔 결합체를 형성하는 전처리 캐닝단계; 및 난접합재 소재 분말을 소결시켜 난접합재 캔으로 되는 온도 조건으로 이종 분말 결합체가 장입된 전처리 캔을 이용하여 난접합재 캔을 제작하는 난접합재 캔 제작 HIP 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법을 제공한다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 분말야금 대상 소재 분말을 난접합재 소재 분말 내부에 매립하여 이종 분말 결합체를 형성하는 이종 분말 결합체 형성 단계; 공정이 정립된 캔 소재로 전처리 캔을 제작한 후 상기 이종 분말 결합체를 상기 전처리 캔에 장입하여 전처리 캔 결합체를 형성하는 전처리 캐닝단계; 상기 난접합재 소재 분말이 소결되어 난접합재 캔으로 되는 온도 조건으로 이종 분말 결합체가 장입된 전처리 캔을 이용하여 난접합재 캔을 제작하는 난접합재 캔 제작 HIP 단계; 및 전처리 캔을 제거한 후, 난접합재 캔을 이용하여 1,500 ℃ 이상의 고온 HIP를 수행하여 분말야금 소결체를 제작하는 분말야금 HIP 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법을 제공한다.
상기 HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법 및 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법에서, 상기 이종 분말 결합체 형성 단계의 상기 난접합재 소재는. 내화금속, 세라믹, 내화금속과 세라믹 혼합물 또는 내화금속과 세라믹 복합물 중 어느 하나일 수 있다.
상기 전처리 캐닝단계의 상기 공정이 정립된 캔 소재는, SUS계 또는 Fe계 소재 중 하나 이상일 수 있다.
상기 난접합재 캔 제작 HIP 단계의 상기 HIP 공정의 온도는, 상기 분말야금 대상 소재 분말은 소결되지 않고, 상기 난접합재 소재 분말은 소결되는 온도 이상의 온도일 수 있다.
상기 분말야금 HIP 단계의 상기 분말야금 HIP 공정의 온도는, 1,500 ℃ 이상일 수 있다.
상술한 구성의 본 발명의 일 실시예는, 분말야금 대상 소재분말을 난접합재 소재 분말의 내측에 매립한 후 외측 캔을 적용한 난접합재 캔 제작 HIP 공정을 통해 난접합재 캔을 제조하고, 외측 캔을 제거한 난접합재 캔을 적용하여 2차 HIP 공정(분말야금 HIP 공정)을 수행하는 것에 의해 1,500 ℃ 이상의 고온 HIP 분말야금을 수행할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 분말야금 대상 소재 분말을 난접합재 소재 분말의 내측에 매립한 후 외측 캔을 적용한 난접합재 캔 제작 HIP 공정을 통해 난접합재 캔을 제조하는 것에 의해, 캔 제작을 위한 인건비와 시간이 과도하게 소요되는 문제점을 해소하는 효과를 제공한다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법 및 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1의 이종 분말 결합체를 형성하는 단계(S10)에서 형성된 이종 분말 결합체의 단면도이다.
도 3은 전처리 캐닝 단계(S20)에서 형성된 전처리 캔 결합체(30)의 단면도이다.
도 4는 난접합재 캔 제작 HIP 단계(S30)를 나타내는 도면이다.
도 5는 난접합재 캔 제작 HIP 단계(S30)에 의해 전처리 캔(20) 내부에 전처리 HIP 성형체(50)가 형성된 것을 나타내는 단면도이다.
도 6은 전처리 HIP 성형체(50)의 단면도이다.
도 7은 분말야금 HIP 단계(S40)를 나타내는 도면이다.
도 8은 분말야금 HIP 단계(S40)에 의해 분말야금 소재 분말이 소결되어 형성된 분말야금 소결체(60)를 나타내는 단면도이다.
도 9는 전처리 HIP 및 분말야금 HIP를 포함하는 고온 HIP 공정에 의해 제조된 분말야금 소결체(60)를 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법 및 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법의 처리과정을 나타내는 순서도이다.
본 발명의 실시예의 HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법은 도 1에서, 분말야금 대상 소재 분말을 난접합재 소재 분말 내부에 매립하여 이종 분말 결합체를 형성하는 이종 분말 결합체 형성 단계(S10), 공정이 정립된 캔 소재로 전처리 캔을 제작한 후 상기 이종 분말 결합체를 상기 전처리 캔에 장입하여 전처리 캔 결합체를 형성하는 전처리 캐닝단계(S20) 및 분말야금 대상 소재 분말은 소결되지 않고, 난접합재 소재 분말은 소결되어 난접합재 캔으로 되는 조건으로 이종 분말 결합체가 장입된 전처리 캔을 이용하여 난접합재 캔을 제작하는 난접합재 캔 제작 HIP 단계(S30)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 이종 분말 결합체 형성 단계(S10)는, 분말야금 대상 소재 분말을 난접합 소재 분말 내부에 매립하여 이종 분말 결합체를 형성하는 공정이 수행된다.
도 2는 도 1의 이종 분말 결합체를 형성하는 단계(S10)에서 형성된 이종 분말 결합체의 단면도이다.
도 2와 같이, 상기 이종 분말 결합체 형성 단계(S10)에서 형성된 이종 분말 결합체(10)는 난접합재 캔 제작 HIP 단계(S30)에 의해 난접합재 캔(40, 도 7 참조)으로 형성되도록 외부의 표면을 형성하는 난접합재 소재 분말(11)의 내부에 분말야금 대상 소재 분말(13)이 매립되어 위치되도록 형성된다. 상기 난접합재 소재 분말은 W, Mo, Ti 등 내화금속, 세라믹, 내화금속과 세라믹 혼합물 또는 내화금속과 세라믹 복합물 등일 수 있다.
상기 전처리 캐닝단계(S20)는 상기 이종 분말 결합체(10) 중 외부의 표면을 형성하는 난접합재 소재 분말(11)에 대한 전처리 HIP(S30)의 수행을 위해 공정이 정립된 캔 소재를 이용하여 전처리 캐닝(canning)을 수행한다. 도 3은 전처리 캐닝 단계(S20)에서 형성된 전처리 캔 결합체(30)의 단면도이다. 도 3과 같이, 상기 전처리 캐닝단계(S20)에 의해 공정이 정립된 캔 소재로 제작된 전처리 캔(20)의 내부에 이종 분말 결합체(10)가 장입되어 전처리 캔 결합체(30)가 형성된다. 여기서 상기 공정이 정립된 캔 소재는 SUS계 또는 Fe계 소재 등일 수 있다.
도 4는 난접합재 캔 제작 HIP 단계(S30)를 나타내는 도면이고, 도 5는 난접합재 캔 제작 HIP 단계(S30)에 의해 전처리 캔(20) 내부에 전처리 HIP 성형체(50)가 형성된 것을 나타내는 단면도이다.
도 4와 같이, 상기 난접합재 캔 제작 HIP 단계(S30)는 전처리 캐닝단계(S20)의 수행에 의해 형성된 전처리 캔 결합체(30)를 HIP 챔버(100)에 장입하여 난접합재 캔 제작 HIP 공정을 수행한다.
상기 난접합재 캔 제작 HIP 단계(S30)에서 수행되는 난접합재 캔 제작 HIP 공정은 분말야금 대상 소재 분말(13)은 소결되지 않은 상태로 유지하면서, 난접합재 소재 분말(11)을 소결시켜 난접합재 캔(40)을 형성하도록 수행된다. 이를 위해, 상기 난접합재 캔 제작 HIP 단계(S30)는 난접합재 소재 분말은 소결되고 분말야금 대상 소재 분말은 소결되지 않는 온도 조건으로 HIP 공정을 수행한다. 상기 난접합재 캔 제작 HIP 공정의 온도 조건의 일 예로는 난접합재 소재 분말이 W이고, 분말야금 대상 소재 분말이 Al2O3인 경우 900 내지 1,000 ℃ 범위일 수 있다.
상기 난접합재 캔 제작 HIP 단계(S30)의 전처리 HIP가 수행되면, 도 5와 같이, 압력에 의해 상기 전처리 캔(20)이 수축되어 전처리 캔(20)의 내부에 장입된 이종 분말 결합체(10)에 압력과 고온이 가해지게 되어, 이종 분말 결합체(10)는 이종 분말 결합체(10)의 외부 표면을 형성하는 난접합재 소재 분말이 소결되어 난접합재 캔(40)으로 형성되고, 난접합재 캔(40)의 내부에는 분말야금 대상 소재 분말(13)이 소결되지 않은 상태로 존재하는 전처리 HIP 성형체(50)로 형성된다.
상술한 바와 같이 전처리 이종 결합체 형성 단계(S10), 전처리 캐닝 단계(S20) 및 HIP 성형 단계(S30)를 포함하는 본 발명의 실시예의 HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법의 수행에 난접합재 소재를 용이하게 고온 HIP 공정용 난접합재 캔(40)으로 제작할 수 있도록 한다.
본 발명의 다른 실시예의 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법은 상술한 HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법의 난접합재 캔 제작 HIP 단계(S30)의 수행 후에 수행되는 도 1의 분말야금 HIP 단계(S40)를 더 포함하여 구성된다.
따라서 본 발명의 다른 실시예의 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법의 구성 중 이종 결합체 형성 단계(S10), 전처리 캐닝 단계(S20) 및 HIP 성형 단계(S30)는 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 본 발명의 일 실시예의 HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법의 설명으로 그 설명을 대체한다.
이하에서는, 도 1, 도 6 내지 도 9를 참조하여 분말야금 HIP 단계(S40)를 설명한다.
도 6은 전처리 HIP 성형체(50)의 단면도이고, 도 7은 분말야금 HIP 단계(S40)를 나타내는 도면이며, 도 8은 분말야금 HIP 단계(S40)에 의해 분말야금 소재 분말이 소결되어 형성된 분말야금 소결체(60)를 나타내는 단면도이고, 도 9는 난접합재 캔 제작 HIP 및 분말야금 HIP을 포함하는 고온 HIP 공정에 의해 제조된 분말야금 소결체(60)를 나타내는 도면이다.
상기 분말야금 HIP 단계(S40)의 수행을 위해 도 5의 전처리 HIP 성형체(50)에서 전처리 캔(20)을 제거하여 도 6과 같이 전처리 HIP 성형체(50)를 얻는다.
이후, 전처리 HIP 성형체(50)를 도 7과 같이 HIP 챔버(100)에 장입한 후 고온 및 고압을 인가하여 분말야금 HIP 공정을 수행한다. 이때, 상기 분말야금 HIP 공정은 상기 전처리 HIP 성형체(50)의 내부에 위치하는 분말야금 대상 소재 분말(13)의 소결 온도 이상의 온도로 수행되어 분말야금 소재 분말(13)을 도 8 및 도 9와 같이 분말야금 소결체(60)로 형성한다. 이때, 상기 난접합재 캔(40)은 1,500 ℃ 이상의 고온에 견딜 수 있기 때문에 상기 분말야금 HIP 공정은 1,500 ℃ 이상의 고온으로 수행될 수 있게 된다.
상술한 분말야금 HIP 단계(S40)의 수행에 의해 형성된 분말야금 소결체(60)는 외부의 난접합재 캔(40)을 분리 제거하여 얻어진다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 이종 분말 결합체
11: 난접합재 소재 분말
13: 분먈야금 대상 소재 분말
20: 전처리 캔
30: 전처리 캔 결합체
40: 난접합재 캔
50: 전처리 HIP 성형체
60: 분말야금 소결체(60)
100: HIP 챔버

Claims (9)

  1. 분말야금 대상 소재 분말을 난접합재 소재 분말 내부에 매립하여 이종 분말 결합체를 형성하는 이종 분말 결합체 형성 단계;
    공정이 정립된 캔 소재로 전처리 캔을 제작한 후 상기 이종 분말 결합체를 상기 전처리 캔에 장입하여 전처리 캔 결합체를 형성하는 전처리 캐닝단계; 및
    난접합재 소재 분말을 소결시켜 난접합재 캔으로 되는 온도 조건으로 이종 분말 결합체가 장입된 전처리 캔을 이용하여 난접합재 캔을 제작하는 난접합재 캔 제작 HIP 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이종 분말 결합체 형성 단계의 상기 난접합재 소재는.
    내화금속, 세라믹, 내화금속과 세라믹 혼합물 또는 내화금속과 세라믹 복합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전처리 캐닝단계의 상기 공정이 정립된 캔 소재는,
    SUS계 또는 Fe계 소재 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 난접합재 캔 제작 HIP 단계의 상기 난접합재 캔 제작 HIP 공정의 온도는,
    상기 분말야금 대상 소재 분말은 소결되지 않고, 상기 난접합재 소재 분말은 소결되는 온도 이상의 온도인 것을 특징으로 하는 HIP 공정용 난접합재 캔 제조 방법.
  5. 분말야금 대상 소재 분말을 난접합재 소재 분말 내부에 매립하여 이종 분말 결합체를 형성하는 이종 분말 결합체 형성 단계;
    공정이 정립된 캔 소재로 전처리 캔을 제작한 후 상기 이종 분말 결합체를 상기 전처리 캔에 장입하여 전처리 캔 결합체를 형성하는 전처리 캐닝단계;
    상기 난접합재 소재 분말이 소결되어 난접합재 캔으로 되는 온도 조건으로 이종 분말 결합체가 장입된 전처리 캔을 이용하여 난접합재 캔을 제작하는 난접합재 캔 제작 HIP 단계; 및
    전처리 캔을 제거한 후, 난접합재 캔을 이용하여 HIP를 수행하여 분말야금 소결체를 제작하는 분말야금 HIP 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 이종 분말 결합체 형성 단계의 상기 난접합재 소재는.
    내화금속, 세라믹, 내화금속과 세라믹 혼합물 또는 내화금속과 세라믹 복합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전처리 캐닝단계의 상기 공정이 정립된 캔 소재는,
    SUS계 또는 Fe계 소재 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 난접합재 캔 제작 HIP 단계의 상기 HIP 공정의 온도는,
    상기 분말야금 대상 소재 분말은 소결되지 않고, 상기 난접합재 소재 분말은 소결되는 온도 이상의 온도인 것을 특징으로 하는 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 분말야금 HIP 단계의 상기 분말야금 HIP 공정의 온도는,
    1,500 ℃ 이상인 것을 특징으로 하는 HIP 공정용 난접합재 캔을 이용한 분말야금 소결체 제조 방법.
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