KR20240105750A - 박막형상을 갖는 소결체의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시형태에 따른 박막형상을 갖는 소결체 제조방법은, 금속분말과 바인더를 혼합하여 사출성형용 원료인 피드스탁(feedstock)을 제조하는 단계; 상기 제조된 피드스탁을 사출성형기를 이용하여 소정 형상의 금형 내로 사출함으로써 성형체를 성형하는 단계; 상기 제조된 성형체의 바인더를 촉매탈지하는 단계; 상기 촉매탈지된 성형체의 바인더를 열탈지하는 단계; 상기 탈지된 성형체를 소결하는 단계;순으로 제조하는 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 박막형상을 갖는 소결체 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 금속분말과의 혼합성과 사출성이 우수한 바인더를 사용하여 박막형상의 소결체를 제조하는 제조방법에 관한 것이다.
가솔린 엔진인 GDI(Gasoline Direct Injecion, GDI) 타입 엔진은 디젤 엔진과 마찬가지로 직접분사를 통해 효율을 개선한 기술이다.
상기 GDI(Gasoline Direct Injecion, GDI) 엔진은 고온·고압의 연소 상황에 직접 노출된 인젝터의 내구성 한계 및 인젝터의 분사 능력이 한정된 시간 내에 연료를 분사할 수 있을 만큼 높지 않은 등의 어려움이 있었다.
상기 GDI 엔진용 고압 펌프용 밸브슬리브는 환봉재를 가공하여 제조하였으나, 가공의 경우 공정시간이 길어지고, 가공 시 소재 손실에 크다는 단점이 있다.
특히 고압펌프용 밸브슬리브는 앤드밀 가공을 활용하여 제품형상을 가공하는데 이때 형상 구현을 위한 가공 공구만 최소 5가지 이상이 적용되어, 각각의 공구 적용을 위한 공정의 수가 늘어날 뿐만 아니라 대량 생산이 불가하다.
상기 GDI 엔진용 고압 펌프용 밸브슬리브는 1.0㎜ 내외의 박막형상을 갖는다.
금속분말사출성형(Metal Injection molding; M.I.M) 기술을 적용하더라도, 이와 같은 박막의 경우 높은 사출압력의 충진 과정에서 고상인 금속분말과 고상인 금속분말의 표면을 도포코팅된 바인더가 사출과정의 온도에서 바인더의 일부가 사출온도에서 액상으로 변화되어 일부 바인더가 뭉처져 금속입자 사이의 위치되고 이 상태에서 탈지되면 바인더의 일부가 뭉쳐진 부분에서 금속입자 사이의 간격이 증가되고, 이를 소결시 메워지지 않는 현상으로 밀도가 낮아지고, 불균형 수축이 생겨 최종 제품 보다 두껍게 제작한 후 이를 후가공을 통하여 박막 형상을 구현하여만 한다.
본 발명은 종래기술의 문제점인 높은 사출 압력으로 인하여 발생되는 후가공을 하지 않고, 박막형상을 갖는 소결체의 제조하는 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 금속분말과 바인더가 혼합된 피드스탁의 유동성 향상 및 사출과정에서 바인더의 뭉쳐지는 현상을 감소시켜 사출성을 높이고 이를 통해 사출 가능 두께를 얇게 하여 박막형상의 소결체을 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 복합분말로 이루어진 소결체 제조방법은, 금속분말과 바인더를 혼합하여 사출성형용 원료인 피드스탁(feedstock)을 제조하는 단계; 상기 제조된 피드스탁을 사출성형기를 이용하여 소정 형상의 금형 내로 사출함으로써 성형체를 성형하는 단계; 상기 제조된 성형체의 바인더를 촉매탈지하는 단계; 상기 촉매탈지된 성형체의 바인더를 열탈지하는 단계; 상기 탈지된 성형체를 소결하는 단계;순으로 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 복합분말로 이루어진 소결체 제조방법은, 금속분말과 바인더를 준비하는 단계; 상기 금속분말과 바인더를 혼련하는 단계; 상기 제조된 피드스탁을 사출성형기를 이용하여 소정 형상의 금형 내로 사출함으로써 성형체를 성형하는 단계; 상기 성형체의 바인더를 촉매탈지하는 단계; 상기 촉매탈지된 성형체를 높은 온도로 승온하여 성형체 내부에 잔존하는 카나우바 왁스나 파라핀 왁스 바인더를 열탈지하는 단계; 상기 열탈지된 성형체를 연속해서 승온시킴으로써, 소결시켜 Back Bone Binder인 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리에틸렌(polyethylene; PE)을 열분해시키고 소결하는 단계;순으로 제조하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 피드스탁 100 중량%에서 금속분말은 80 ~ 95중량%이고, 바인더는 5 ~ 20중량%이다.
본 발명의 상기 금속분말은 스테인리스강분말이다.
본 발명의 금속분말의 입도크기 D50이 15 ~ 25㎛ 인 구형분말이다.
본 발명의 상기 바인더 100중량%에서 폴리옥시메틸렌(Poly Oxy Methylene; POM) 60 ~ 75중량%, 폴리프로필렌(polypropylene; PP) 및 폴리에틸렌(polyethylene; PE)을 포함하는 군에서 하나 이상 선택되는 폴리머 5∼15중량%, 카나우바 왁스나 파라핀 왁스를 포함하는 군에서 하나 이상 선택되는 왁스 10∼25중량%로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 금속분말과 바인더가 혼합된 피드스탁의 유동성이 높아 사출성형에서는 사출체의 형상유지에 유리뿐만 아니라 1.0㎜ 내외의 박막 형태의 사출성이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 박막형상을 갖는 소결체 제조방법을 나타내는 순서도이다.
이하에서 본 발명의 박막형상을 갖는 소결체 제조방법의 구현예들을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 범용적인 구성 또는 기능에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 명세서에 정의된 상태를 기준으로 정의한다.
도 1은 본 발명에 따른 박막형상을 갖는 소결체 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 따른 박막형상을 갖는 소결체 제조방법은, 금속분말과 바인더를 혼합하여 사출성형용 원료인 피드스탁(feedstock)을 제조하는 단계; 상기 제조된 피드스탁을 사출성형기를 이용하여 소정 형상의 금형 내로 사출함으로써 성형체를 성형하는 단계; 상기 제조된 성형체의 바인더를 촉매탈지하는 단계; 상기 촉매탈지된 성형체의 바인더를 열탈지하는 단계; 상기 탈지된 성형체를 소결하는 단계;순으로 제조한다.
더욱 상세하게, 원료인 금속분말과 바인더를 준비하는 단계; 상기 금속분말과 바인더를 혼련하는 단계; 상기 제조된 피드스탁을 사출성형기를 이용하여 소정 형상의 금형 내로 사출함으로써 성형체를 성형하는 단계; 상기 성형체의 바인더를 촉매탈지하는 단계; 상기 촉매탈지된 성형체를 높은 온도로 승온하여 성형체 내부에 잔존하는 카나우바 왁스나 파라핀 왁스 바인더를 열탈지하는 단계; 상기 열탈지된 성형체를 연속해서 승온시킴으로써, 소결시켜 Back Bone Binder인 폴리프로필렌(polypropylene; PP), 폴리에틸렌(polyethylene; PE)을 열분해시키고 소결하는 단계;순으로 제조한다.
상기 피드스탁 100 중량%에서 금속분말은 80 ~ 95중량%이고, 바인더는 5 ~ 20중량%이다.
상기 금속분말은 스테인리스강분말이다.
상기 마이크로 금속분말의 입도크기 D50이 15 ~ 25㎛ 인 구형분말이다.
본 발명의 상기 바인더 100중량%에서 폴리옥시메틸렌(Poly Oxy Methylene; POM) 60 ~ 75중량%, 폴리프로필렌(polypropylene; PP) 및 폴리에틸렌(polyethylene; PE)을 포함하는 군에서 하나 이상 선택되는 폴리머 5∼15중량%, 카나우바 왁스나 파라핀 왁스를 포함하는 군에서 하나 이상 선택되는 왁스 10∼25중량%로 구성된다..
상기 준비된 금속분말과 바인더를 동시에 혼련기에 투입하여 150 내지 175℃로 30분 내지 2시간 동안 가열 혼련한다.
상기 혼련된 프드스탁을 사출금형에 밀어넣어 성형한다. 성형 시, 금형의 온도는 25∼65℃ 일 수 있다.
본 발명의 상기 탈지 단계에서, 촉매단계는 80~140℃에서 2~4시간 동안 탈지로 내에 성형체를 적치하고 95%이상의 농질산을 1~10ml/min로 공급하여 2 ~ 5시간 촉매탈지한다.
상기 촉매탈지 후, 소결로에 촉매탈지된 성형체를 장입하고, 100~600℃에서 3~6시간 동안 열탈지한다.
상기 열탈지단계는 후, 소결한다.
상기 열탈지 후, 수소분위기에서 소결온도는 1,300 ~ 1, 360℃ 에서 소결한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예 1> 박막형상을 갖는 소결체의 제조
스테인리스강분말의 입도크기 D50이 15~25㎛인 구형상 분말 85중량%와 폴리옥시메틸렌(Poly Oxy Methylene; POM), 폴리프로필렌(Poly Propylene; P.P.), 폴리에틸렌(Poly Ethylene;P.E.), 파라핀 왁스(Parrafin Wax; P.W.), 카나우바 왁스(Carnauba Wax; CW)의 조성을 가진 바인더 15중량%를 혼련한 후, 40 ton 사출기를 이용하여 사출하였다. 그 후, 사출된 사출물을 촉매탈지로에서 약 110℃에서 질산(HNO3)을 3~4.5ml/min으로 가하여 3시간 동안 1차 탈지를 수행한 후 상온이 되도록 식혔다.
이후 1차 촉매탈지된 성형체를 수소 분위기 하에서 상온부터 600℃까지 단계별로 서서히 승온하여 열탈지로 바인더를 제거하고, 수소 가스 분위기에서 성형체를 소결로에서 1,340℃, 2시간 유지 후 냉각시켜 상대소결밀도 98.0%의 성형체를 제조하였다.
<실험예 1> 물성분석
실시예의 성형체의 인장강도, 경도, 내압, 표면조도을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
| 실시예 1 | 비고 | |
| 인장강도 | 768MPa | 1,340℃ 소결 |
| 경도 | 47HRc | |
| 내압 | 364bar | |
| 표면조도 | 0.94Ra |
표 1을 살펴보면, 인장강도와 경도는 시중에서 시판되고 있는 스레인리스강 대비 인장강도 80%, 경도 82%, 내압 70%를 나타내었다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시예일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다.
따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Claims (3)
- 금속분말과 바인더를 혼합하여 사출성형용 원료인 피드스탁(feedstock)을 제조하는 단계;
상기 제조된 피드스탁을 사출성형기를 이용하여 소정 형상의 금형 내로 사출함으로써 성형체를 성형하는 단계;
상기 제조된 성형체의 바인더를 촉매탈지하는 단계;
상기 촉매탈지된 성형체의 바인더를 열탈지하는 단계;
상기 탈지된 성형체를 소결하는 단계;순으로 제조하는 것을 특징으로 하는 고밀도 소결체의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 피드스탁 100 중량%에서 금속분말은 80 ~ 95중량%이고, 바인더는 5 ~ 20중량%인 것을 특징으로 하는 고밀도 소결체의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 바인더 100중량%에서 폴리옥시메틸렌(Poly Oxy Methylene; POM) 60 ~ 75중량%, 폴리프로필렌(polypropylene; PP) 및 폴리에틸렌(polyethylene; PE)을 포함하는 군에서 하나 이상 선택되는 폴리머 5∼15중량%, 카나우바 왁스나 파라핀 왁스를 포함하는 군에서 하나 이상 선택되는 왁스 10∼25중량%로 구성되는 것을 특징으로 하는 고밀도 소결체의 제조방법.
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