KR890004602B1 - 흑연입자를 사용하여 물체를 단결하는 방법 - Google Patents

흑연입자를 사용하여 물체를 단결하는 방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

흑연입자를 사용하여 물체를 단결하는 방법
제1도는 본 발명의 방법을 단계적으로 보인 흐름도.
제2도는 본 발명의 단결하는 단계를 보인 단면도.
제3도는 구형이 아닌 알루미나입자의 베드에서 단결된 제품을 보인 평면도.
제4도는 흑연입자의 베드에서 단결된 제품을 보인 평면도.
제5도는 캐리어(carrier) 상에서 압축되는 물체를 보인 측면도.
제6도는 제5도의 제품의 부분종단면도.
제7도는 흑연베드입자(graphite hed particles)의 확대사진.
제8도는 이 입자의 개략도.
제9도는 그래프.
본 발명은 혼합금속 또는 세라믹물질을 단결하고 원래의 형상을 유지할 수 있도록 하는 흑연입자를 사용한 물체의 단결방법에 관한 것이다.
종래단결을 이용하여 고밀도의 금속제품을 생산하는 방법들은 선행기술분야에서 알려져 있다. 이러한 방법론이 언급된 종래기술의 예로서 미국 특허 제3,356,496호 및 제 3,689,259호가 있다. 이들 문헌이 발표되기 전에는, 금속분말이나 예비 압축된 금속분말을 압축하는데 두가지 방법이 사용되었다. 이들 두 기술은 일반적으로 열간등압압축 및 분말단조라 불린다. 열간등압압축("HIP") 방법은 금속분말 또는 예비 압축된 성형체를 금속캔 또는 모둘드내에 장입한 다음 캔으로부터 공기를 배치시킨 후, 캔으로 다른 기체가 재유입되는 것을 방지하도록 밀폐하고 다음 이 캔을 적당한 압력용기내에 장입한다. 이 압력용기는 분말물질의 온도를 적당한 단결온도까지 상승시키기 위한 내부 가열수단을 갖는다. 처리될 재료에 따라서 1000℃-2100℃의 내부온도가 사용된다.
HIP용기의 내부온도증가와 동일하게 내부압력도 서서히 증가되며 역시 처리될 재료에 따라서 15,000-30,000psi로 유지된다. 온도와 동압압력의 조합된 효과하에서 분말은 그 재료의 이론적인 고밀도를 갖는 물질로 압축치밀화된다.
HIP용기가 한 싸이클중 하나이상의 캔이 수용될 수 있고 싸이클마다 다수의 금속분말제품을 압축할 수 있다. 또한 등압을 이용하므로서 성형된 제품 전체에 걸쳐 치밀화가 거의 균일하게 일어난다. 적당한 설계의 캔을 이용하므로서 압축치말화된 제품에 횡방향구멍 또는 슬로트 형성을 위한 언더컷을 형성하는 것이 가능하다. 그러나 충전주기가 느려 1싸이클에 8시간 또는 그 이상의 시간이 요구되었다. 또한 싸이클의 종료시에 금속분말제품을 둘러싸고 있는 캔은 기계적으로 연마되거나 화학적으로 제거되어야 한다.
금속분말을 압축치밀화하는 제2의 일반적인 방법은 분말단조("PF")라 불리는 기술이있다. 이 분말단조방법은 다음 단계로 구성된다.
(a) 실온과 10-50TSI범위의 압력에서 후속단조를 위한 적당한 형태("예비성형체"로 불리기도 함)로 금속분말이 밀폐된 다이에서 냉간압축한다. 이 단계에서 예비성형체는 부수러지기 쉬우며 20-30%의 기공율 (porosity)을 가지고 그 강도는 분말입자의 기계적인 상호결합으로 인해 생긴다.
(b) 보호대기에서 예비성형체를 소결한다(즉, 대기압하에서 상승된 온도로 예비성형체를 가열한다). 이 소결단계는 기계적으로 결합된 분말입자가 고체상태의 "용접"이 일어난다.
(c) 예비성형체를 적당한 단조온도까지 재가열한다(합금에 따라서). 선택적으로 이 재가열단계를 소결단계에 통합될 수도 있다.
(d) 밀폐된 다이에서 예비성형체를 최종형상으로 단조한다. 이 다이는 약 300
Figure kpo00001
F-600
Figure kpo00002
F의 온도로 유지된다.
단조단계에서는 예비성형체로부터 기공을 제거하여 PF부품에 최종형상을 준다.
분말단조의 잇점은 작업속도(매시간 100피스이상), 정확한 형태로의 제조가능성, 통상적인 단조제품의 기계적인 특성과 동일한 기계적인 특성 및 향상된 재료이용성을 포함한다. 그러나 비교적 차가운 다이와 접촉할 때에 예비성형체가 냉각되어 밀도가 불균일하게 되고 측벽등에 배기공이 요구되며 HIP에서 행하여질 수 있는 언더컷의 형성이 불가능한 결점이 있다.
상기 언급된 특허문헌에는 HIP의 등온등압조건과 일반적으로 분말단조와 연결되는 고속, 저가로 연속제조될 수 있고, 언더컷을 형성할 수 있는 HIP의 능력등이 조합된 기술이 발표되어 있다. 미국 특허 제 3,356,496호에서는 기본적 열차폐층으로서 캐스트세라믹 외부용기의 사용이 기술되어 있다. 아울러, 이 캐스트세라믹 외부용기는 변형되었을때에 분말물질에 압력이 거의 균일하게 분포된다.
미국 특허 제 3,689,259호에 있어서는 과립상의 내화재료의 사용이 기술되어 있다. 이 문헌은 입자의 신속한 가열과 에비압축된 부분의 신속한 가열에 관하여 미국 특허 제 3,356,496호를 개선토록 한 것이다.
이들 특허문헌도 이 기술분야에서 진보를 가져오겠지만, 단결전에 속에서 예비성형체가 실되는 세라믹베드의 사용에 관계된 심각한 문제점이 남아 있다. 특히, 파쇄 및 분쇄된 세라믹 또는 카바이트를 사용하면 장입부의 상측(가동 프레스부재에 닿는 면)으로부터 장입부의 하측(고정 프레스 베드에 닿는 면) 까지의 압력분포가 균일하지 않음이 발견되었다. 압력분포의 이러한 불균일성은 분말물질의 예비압축된 직원통형을 단결할 때에 쉽게 나타난다. 파쇄 및 분쇄 또는 용융세라믹재료의 베드에서 거의 100%의 벌크 밀도까지 단결후에 가동프레스 램에서 가장 가까운 예비압축된 원통체의 표면은 고정베드에서 가장 가까운 면의 직경보다 작음이 판정되었다. 단결된 원통제를 직경방향으로 절단하여 그 절단면을 시험한 결과는 사다리꼴의 형상으로 나타났다.상기 현상은 단결매체로서 파쇄 및 분쇄 또는 용융된 과립상 세라믹 매트릭스가 사용되었을 때에 모든 단결제품에서 관측되었다.
이와같은 이그러짐과 형상의 규격안정성의 결여에 관계되는 문제의 이런 해결은 특히 이러한 해결이 대량생산에 적용되어야할 때는 적합하지 않음이 입증되었다. 본 발명은 대량생산에 적합한 해결책을 제공한다.
본 발명의 목적은 상기 언급된 문제점과 결점이 없는 금속 및 세라믹의 단결방법을 제공하는데 있다. 본 발명의 방법은 압축가능한 분말상, 소결상, 섬유상, 해면상 또는 다른 형태의 물질에 적용 가능하며, 장입된 상태에서 유동성이 있으며 탄성적으로 압축가능한 탄소질입자를 포함하는 유동성입자의 베드를 형성하고, 단결될 물체를 이 베드에 위치시킨 후, 상기 베드를 가압하여 압력이 상기 입자를 통하여 단결될 물체에 전달되게 하므로서 이 물체를 필요한 형상으로 압축하고 그 밀도를 증가시키는 단계들을 포함한다.
탄소입자는 특히, 대표적으로 비드표면에서 외측으로 돌출된 마디를 가진 압축가능한 비드(beads)로 구성될 수 있으며, 이 비드는 이들이 구상혹연으로 구성될 때에 특히 효과적이다. 이와 관련하여 치말화는 고온, 즉, 1700
Figure kpo00003
F-4000
Figure kpo00004
F범위의 온도에서 특히 유리하게 수행될 수 있다. 또한 가압은 단결될 물체에 가장 가까운 입자를 탄성적으로 압축하여 치밀화된 물체를 베드로부터 분리할 때에 물체 표면에 가장 근접된 입자는 자유롭게 떨어져 나가게 되고, 치밀화된 물체의 표면이 거의 깨끗하게 된다. 또한 탄소질입자 또는 과립을 사용하므로서 이들 입자의 응집이 최소한으로 억제되고 따라서 이들의 용이한 유동성을 유지하며 다음의 치밀화 작업에 재사용하기 위해 신속히 회수될 수 있다.
본 발명의 또다른 관점을 캐리어(클래딩) 상의 금속층 형태로 물체를 단결하는데 있으며, 알려진 바와같이 금속층은 몰리브덴으로 구성된 캐리어상의 텅스텐으로 되어도 좋다.
본 발명의 방법을 이용하므로서 제품의 변형이 최소화시킬 수 있으며 특히 유동성의 탄소질입자를 사용하므로서 개선된 구조의 단결제품을 제조할 수 있다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
제1도는 본 발명방법의 단계를 보인 계통도를 나타낸 것이다. 부호(10)으로 보인 바와같이 먼저, 금속, 금속 세라믹 또는 세라믹제품의 예비성형체가 예를들어, 렌치(wrench) 또는 다른 물체의 형태로 예비성형된다. 바람직한 실시예로 강철분말로 된 금속예비성형체의 사용을 의도한 것이나 알루미나, 실라카등과 같은 세라믹물질도 본 발명의 범위에 속한다. 대표적인 예비성형체는 약 85%의 이론적인 밀도를 갖는다. 분말이 예비성형형태로 성형된 후 강도를 증가시키기 위하여 소결된다. 구체화된 실시예로, 금속(강철) 예비성형체의 소결에는 보호분위기하에서 약 2-30분 동안 약 2,000-2,300
Figure kpo00005
F범위의 온도가 필요하다. 실시예에서 비산화성의 불활성분위기는 질소를 기초로 한 것이다. 부호(12)로 보인 바와같은 소결의 다음에 예비성형체를 다음 과정을 위하여 저장할 수 있다. 이와같은 경우에 부호(14)로 도시한 바와같이 예비성형체를 약 1950
Figure kpo00006
(약 1066℃)의 온도로 재가열한다.
부호(16)으로 보인 단결과정은 뜨거운 예비성형체를 가열한 탄소질입자의 베드상에 옮긴 후 실시된다. 회망하는 양질의 제품을 얻기 위하여 혹은 층과 가열한 예비성형체를 교대로 사용할 수 있다. 또한 산속도를 높이기 위하여 즉시 예비성형체가 냉각이 허용되지 않는 한 소결단결을 실시할 수 있다. 단결은 고온고압을 예비성형체에 가하므로서 이루어진다. 금속(강철)에 대하여서는 약 2000°F의 온도와 약 40TSI의 일방향축압력이 사용된다. 물질에 따라 평방인치당 10-60톤의 압력에거 치밀화하는 것은 역시 본 발명을 따르는 것이다. 예비성형체가 압축치말화된 다음 부호(18)로 보인 바와같이 분리된다. 여기에서, 탄소질입자는 예비성형체로부터 용이하게 분리되고 부호(19)로 보인 바와같이 재순환될 수 있다. 만약 필요한 경우 예비성형체에 부착되어 있는 입자를 제거하고 최종제품으로 마무리될 수 있다.
상기 언급된 바와같이 세라믹베드의 사용에 관련된 한가지 문제점은 최종제품이 이그러지게 되는 점이다. 이러한 파쇄 및 분쇄 또는 용융된 과립상 세라믹물질의 현미경검사에서는 매우 불규칙적인 형상으로 나타나 있으며 많은 각각의 입자가 장방형 또는 삼각형의 단면형태로 나타났다. 또한 구상세라믹입자의 베들 사용하였을 때에도 제품의 이그러짐은 남는 것으로 판정되었다. 이러한 베드 구성입자를 사용한다하더라도, 종래에 비하여 보다 규격상으로 안정되나 이 종류의 규격안정성은 개선될 여지가 있다.
본 발명에 따르면 베드를 유동성의 탄소질입자로 구성하였을 때에 이러한 제품규격의 안정성이 높게 나타날 수 있음이 발견되었다. 가장 좋은 결과는 이러한 입자가 탄성적으로 압축가능한 흑연비드일 때였으며, 이들을 구상의 외면에 외측으로 돌출된 마디(작은 돌기 : 덩어리)를 가지며 표면균열을 가진다. 제7도의 사진에서 보인 바와같은 입자 또는 과립체가 된다. 제8도의 입자(40)를 참조하기 바란다. 이들 크기는 50-240메쉬이다. 유용한 과립체로서는 탈황된 석유코오코스가 있다. 이러한 탄소 또는 흑연입자는 처리시 다음과 같은 부가적인 잇점을 갖는다.
1) 이들은 모서리와 변부까지 용이하게 형을 이루며 압축된 물체에 압력이 균일하게 분포되게 한다. 이들 입자는 압축압력하에서 거의 파괴되지 않는다.
1a) 이들 입자는 마모성이 아니므로 다이를 마모나 침식이 적다.
2) 이들은 높은 온도와 압력하에서 탄성적으로 변형가능한 것으로, 이들 입자는 4000
Figure kpo00007
F까지 안정하게 사용될 수 있다. 또한 이 입자의 과립체는 물체를 압축베드로부터 분리할 때에 물체표면으로부터 용이하게 분리된다(즉, 부착되지 않는다).
3) 과립이 응집되지 않는다. 즉, 압축과정에서 상호 부착되지 않는다. 따라서 이들 입자가 제1도에서 부호(19)로 보인 바와같이 재사용을 위하여 용이하게 재순화될 수 있다.
4) 흑연입자가 AC유도가열에 따라서 신속히 가열되므로 제1도의 단계(14)에서 이러한 유도가열을 포함시킬 수 있다. 이들 입자는 4000
Figure kpo00008
F까지 고온에서도 안정하게 사용될 수 있다. 비록 흑연이 공기중에서는 800
Figure kpo00009
F이상의 온도에서 산화되나 짧은 시간동안의 노출로는 흑연입자에 해를 주지 않는다.
흑연입자베드의 사용으로 제2도에서 보인 피스톤(28)에 의한 압축의 부여를 현저히 감소(40%까지)시킬 수 있다. 따라서 압축장치의 크기를 줄일 수 있다.
제2도에서, 단결과정이 보다 자세하게 설명된다. 구체적 실시예에서, 예비성형체(20)가 이미 언급된 바와 같이 탄소질입자의 베드내에 완전히 매설되어 단결을 위한 다이(24)의 내부(24a)에 놓여진다. 프레스베드(26)를 저면부로 구성하고 유압프레스램(28)을 상부로 형성하여 입자(22)를 압축한다. 예비성형체(20)에 압력이 균일하게 분포되도록 한다. 이 예비성형체는 압축전에 1000
Figure kpo00010
F-4000
Figure kpo00011
F사이의 온도이다(바람직하기는 1700
Figure kpo00012
F-4000
Figure kpo00013
F). 매설된 금속분말 예비성형체(20)는 다이(24)에서 램(28)의 작용에 의해 한방향으로 고압고속으로 압축된다.
이미 설명한 바와 같이, 세라믹 입자를 사용하면, 압력분포가 불균일하여 단결후 원통체(30a)이 직경은 제3도에서 보인 바와같은 사다리꼴의 형태가 된다. 제4도는 직원통체(30b)가 흑연베드(22)에서 단결되었을 때에 그 본래의 형태, 즉 그 직경이 상부와 하부에서 동일한 형태로 남아 있음을 보이고 있다. 따라서 흑연베드를 이용하면 예비성형체를 추가로 연마하거나 재가공하는 것이 필요치 않다.
제5도와 제6도는 캐리어(51) 상에 금속층(50)이 피복된 형태로 구성된 물체를 보인 것이다. 도시된 바와 같이 금속층은 원추형이며 몰리부덴 케리어 또는 베이스상에 텅스텐으로 피복된 형태로 구성될 수 있다. 이 물체를 X-선 타켓트로서 사용할 때 단결에 의해 텅스텐을 압축치밀화하면 타켓트의 사용수명이 증가되어 비용을 점감시킬 수 있음이 입증되었다.
제9도는 흑연입자와 보오크사이트세라믹을 여러 체적비로 혼합하여 베드를 구성하였을 때의 응력-변형곡선을 보인 것이다. 주어진 공급응력에 대한 베드변형(압축도)는 흑연입자의 비율이 증가되었을 때에 증가되었으며 베드를 모두 흑연으로 구성하였을 때에 최대가 되었다. 흑연입자와 다른 탄소질 또는 세라믹입자의 혼합물은 단결되는 물체의 형상기준특성에 맞도록 조절할 수가 있다.
제7도는 흑연입자가 100배로 확대된 사진을 보인 것으로, 많은 입자가 균열을 보이는데 이는 압축도에 기여한다.
또한 베드(22)의 탄소질입자에 소량의 세라믹입자가 사용될 수 있다. 이러한 세라믹입자는 전형적으로 50-240메쉬의 범위이며, 예를들어, 보오크사이트로 구성될 수 있다.

Claims (17)

  1. 압축가능한 분말상, 소결상, 섬유상, 해면상 또는 다른 형태의 물체에서 금속, 금속 및 세라믹을 단결하는 방법에 있어서, 이 방법이 유동가능하고 탄성적으로 압축가능한 탄소질입자를 포함하는 유동성입자의 베드를 구비하고, 이 베드내에 단결된 물체를 위치하게 한 다음, 베드를 가압하여 압력이 상기 입자를 통하여 단결된 물체에 전달되므로서 높은 밀도와 필요한 형태로 압축치밀화하게 됨을 특징으로 하는 흑연입자를 사용하는 물체의 단결방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입자가 구상이고, 흑연으로 구성된 물체의 단결방법.
  3. 제1항에 있어서, 단결된 물체를 베드내에 위치시키는 단계가 고온에서 수행되는 몸체의 단결방법.
  4. 제1항에 있어서, 압축치밀화된 베드내의 상기 물체의 온도가 약 1000
    Figure kpo00014
    F-4000
    Figure kpo00015
    F인 물체의 단결방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단결된 물체가 상기 입자로 둘러싸이도록 베드내에 위치하는 물체의 단결방법.
  6. 제1항 내지 제5항중 어느 한항에 있어서, 단결된 물체에 근접하도록 입자가 가압되어 압축치밀화된 물체가 베드로부터 분리될 때에 물체에 붙어있던 입자가 물체로부터 흘러 떨어져 내리게 되는 물체의 단결방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 베드가 가압과정중에 집괴되지 않는 유동성 탄소질입자를 포함하는 물체의 단결방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기베드가 모두 흑연입자로 구성된 물체의 단결방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 단결된 물체가 베드내에 위치하는 케리어상에 놓이는 물체의 단결방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 단결될 물체가 상기 케리어상의 금속층으로 구성되는 물체의 단결방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 금속층이 텅스텐으로 구성된 물체의 단결방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 케리어가 몰리브덴이고, 텅스텐이 케리어상에서 환상의 형태를 취하고 있는 물체의 단결방법.
  13. 제1항 내지 제5항중 어느 한항에 있어서, 입자의 크기가 50-240메쉬인 물체의 단결방법.
  14. 제8항에 있어서, 상당수의 입자가 균열된 물체의 단결방법.
  15. 제1항 내지 제5항중 어느 한항에 있어서, 상기 입자가 상기 탄소질입자와 혼합된 세라믹입자를 포함하는 물체의 단결방법.
  16. 제1항 내지 제5항중 어느 한항에 있어서, 상기 입자가 상기 탄소질입자와 혼합된 세라믹입자를 포함하고, 모든 입자의 크기가 50-240메쉬인 물체를 단결방법.
  17. 압축가능한 분말상, 소결상, 섬유상, 해면상 또는 다른 형태의 물체에서 금속, 금속 및 세라믹을 단결하는 방법에 있어서, 이 방법이 유동가능하고 탄성적으로 압축가능한 탄소질입자를 포함하는 유동성입자의 베드를 구비하고, 이 베드내에 단결될 물체를 위치하게 한 다음, 베드를 가압하여 압력이 상기 입자를 통하여 단결될 물체에 전달되므로서 높은 밀도와 필요한 형태로 압축치밀화하게 되며, 전술한 탄소입자가 탄성적으로 압축가능한 비드로 구성되고, 상기 비드가 외향돌출된 마디와 표면균열을 가짐을 특징으로 하는 흑연입자를 사용하는 물체의 단결방법.
KR1019840005913A 1983-09-26 1984-09-26 흑연입자를 사용하여 물체를 단결하는 방법 KR890004602B1 (ko)

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US535791 1983-09-26

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