KR920006676B1 - 열간 또는 온간 정수압 성형에 의해 처리될 재료를 캡슐화하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

열간 또는 온간 정수압 성형에 의해 처리될 재료를 캡슐화하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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가부시끼가이샤 고오베 세이꼬오쇼
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Abstract

내용 없음.

Description

열간 또는 온간 정수압 성형에 의해 처리될 재료를 캡슐화하기 위한 방법 및 장치
제1(a)도 내지 제1(d)도는 본 발명의 제1실시예에서의 캡슐화 하는 공정의 개략도이고, 그 중에서 ;
제1(a)도는 본 발명에 따른 캡슐과 캡슐화 될 처리재료의 사시도,
제1(b)도는 배기용 진공펌프에 연결된 캡슐과 처리 재료의 사시도,
제1(c)도는 밀봉된 상태의 캡슐의 사시도,
제1(d)도는 열간 정수압 성형기의 단면도이다.
제2(a)도 내지 제2(c)도는 본 발명의 제2실시예에서의 캡슐화 하는 (encaps ulation)공정의 개략도이고, 그중에서 ;
제2(a)도는 클램프로 고정된 상태의 금속 박편 사이에 끼워져 있는 처리 재료의 사시도,
제2(b)도는 클램프로 고정된 상태의 금속 박편 사이에 끼워져 있는 처리 재료의 단면도,
제2(c)도는 밀봉된 상태의 캡슐의 사시도이다.
제3(a)도 내지 제3(d)도는 본 발명의 제3실시예에서의 캡슐화 하는 공정의 개략도이고, 그 중에서 ;
제3(a)도는 처리 재료의 사시도,
제3(b)도는 금속 박편의 사시도,
제3(c)도는 클램프로 고정된 상태의 금속 박편 사이에 끼워져 있는 처리 재료의 단면도,
제3(d)도는 광선 용접으로 본 발명을 실행하기 위한 장치의 부분 절단 정면도이다.
제4(a)도 내지 제4(d)도는 본 발명의 제4실시예에서의 캡슐화 하는 공정의 개략도이고, 그 중에서 ;
제4(a)도는 클램프로 고정된 상태의 캡슐의 사시도,
제4(b)도는 비활성 기제 분위기 속에서 용접되는 캡슐의 단면도,
제4(c)도는 제4(b)도에서 둘러싸인 부분의 확대 단면도,
제4(d)도는 광선 용접으로 본 발명을 실행하기 위한 장치의 부분 절취 정면도이다.
제5도는 진공 챔버에서 광빔용접(light beam welding)으로 캡슐을 만들기 위해 배열되어 있는, 본 발명을 실행하기 위한 장치의 부분 절취 정면도.
제6(a)도 내지 제6(c)도는 본 발명의 제5실시예에서의 캡슐화 하는 공정의 개략도이고, 그 중에서 ;
제6(a)도는 클램프로 고정된 상태의 캡슐의 사시도,
제6(b)도는 비활성 기체 분위기 속에서 용접되는 캡슐의 단면도,
제6(c)도는 제6(b)도에서 원으로 표시된 부분의 확대 단면도이다.
제7(a)도 내지 제7(b)도는 본 발명에 사용된 자석형 클램프의 개략도이고, 그 중에서 ;
제7(a)도는 부분정면도,
제7(b)도는 클램프의 평면도이다.
제8(a)도 내지 제8(d)도는 본 발명의 제6실시예에서의 캡슐화 하는 공정의 개략도이고, 그 중에서 ;
제8(a)도는 처리 재료와 본 발명에 사용된 캡슐의 사시도,
제8(b)도는 배기 공정에서의 캡슐의 사시도,
제8(c)도는 용접하여 캡슐속에 밀봉되는 처리 재료의 사시도,
제8(d)도는 밀봉된 상태의 캡슐의 사시도이다.
제9도는 제6실시예에서 겹침 용접되는 캡슐의 확대 개략 단면도.
제10도는 코팅층이 있는 처리 재료를 둘러싸는 캡슐의 개략 단면도.
제11도는 처리 재료를 끼워넣기 위한 오목한 부분이 있는 캡슐안에 밀봉된 처리 재료의 개략 단면도.
제12도는 처리 재료를 끼워넣기 위한 다수의 오목한 부분이 있는 캡슐안에 밀봉된 처리 재료의 개략 사시도.
제13도는 레이저 빔 용접으로 캡슐을 만들기 위해 배열된 본 발명을 실행하기 위한 장치의 부분 절취 정면도.
제14도는 진공 챔버에서 레이저 빔 용접으로 캡슐을 만들기 위해 배열된 본 발명을 실행하기 위한 장치의 부분 절취 정면도.
제15도는 전자 빔 용접으로 캡슐을 만들기 위해 배열된 본 발명의 캡슐을 만들기 위한 장치의 절취 정면도.
제16도는 종래 방법의 개략도.
제17도는 또다른 종래 방법의 개략도.
제18(a)도와 제18(b)도는 종래 방법에서 발생하는 스풀 모양의 캡슐 수축의 개략도이다.
본 발명은 알루미나, 부분 안정화된 지르코니아, 티탄산 바륨, 산화아연, 황화 몰리브덴등의 세라믹 분말의 압분체(green compact) 또는 Ti-Al, Ni-Al등의 금속간 화합물 분말의 압분체에 고온 상태하에서 높은 유압을 가하여 고밀도의 소결체를 만들때나, 또는 예를 들어 2종 또는 그 이상의 금속으로 된 겹쳐진 시이트 또는 판 또는 세라믹이나 금속층이 용융 코팅된 금속이나 세라믹 시이트나 판을 합할 때처럼 고온하에서 높은 유압을 가하여 2종 또는 그 이상의 재료를 확산 결합할 때 이용되는 온간 정수압 성형(WIP) 또는 열간 정수압 성형(HIP) 방법으로 처리되는 재료를 캡슐화 하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
HIP 또는 WIP 방법은 수백 내지 수천 kgf/㎠의 고압유체를 고온 상태하에서 가하고, 기타 방법과 비교하여 더 높은 작용 압력과 정수압 압축 용량과 같은 현저한 특징으로 고무되어, 거의 가공할 수 없는 분말 재료로부터 고밀도의 소결체를 만들거나 고상 확산 결합하기 위한 기술로서 신속하게 보급되고 있는 압축성형 방법이다. 가압 매질로서 고압 가스를 사용하는 HIP 방법의 경우에는 2,000℃가 넘는 온도를 발생시킬 수 있지만, 내열성 오일을 사용하는 WIP 방법은 온도의 상한치가 약 300℃이다.
그러나, 분말 재료의 고밀도 소결 또는 고상 확산 결합의 경우에 있어서, 이러한 방법 둘다는 용접 밀봉을 형성할 수 있는 재료로 제품의 전 표면을 덮기 위한 전처리가 필요하다. 이와 관련하여, 전처리 방법이 기재되어 있는 일본 공개 특허출원 제47-16308호와 제57-116702호에 개시되어 있는 것처럼 분말 재료를 금속 캡슐안에 봉하는 것이 일반적인 것이다. 일본 공개 특허 출원 제57-16308호에 제시된 방법이 제16도에 예시되어 있는데, 여기서 교대로 겹쳐 있는 판상처리재료(201)와 금속 박판(202)은 두께가 3-6㎜인 벽과 용접된 바닥(203)이 있는 금속 튜브(204)내에 배치되고 배기파이프(205)가 있는 폐쇄 뚜껑(206)은 금속 튜브(204)의 상부 구멍을 닫기 위해 용접된다. 그런 후에 튜브(204)는 파이프(205)를 통해 진공 펌프로 배기되고 캡슐을 이루도록 봉해진다.
제17도는 공개 특허 출원 제57-116702호에 제시된 방법을 예시하고 있는데 여기서, 먼저 처리재료(211)가 벽 두께가 3-6㎜인 튜브(212)안에 튜브(212)와 접하지 않도록 놓여진다. 그런 후에 처리 재료(211)와 튜브(212) 사이의 공간은 제2가압 매질(213)로 채워진다. 처리 재료(211)를 제2가압 매질(213)속에 완전히 묻은 후 폐쇄 뚜껑(214)을 용접부(215)에 원주를 따라 용접하고 튜브(212)를 배기 파이프(216)를 통해 진공 펌프로 배기하고 배기 파이프(216) 중간부분을 용융 용접하여 폐쇄한다. 이 경우에, 제16도에 나타낸 예와 비교했을 때 캡슐의 형상은 처리 재료(211)의 형상에 비해 더 자유롭고, 복잡한 형상의 처리 재료를 처리할 수 있다.
제16도와 제17도에 나타낸 종래 기술의 캡슐은 HIP 처리전 후의 처리 재료를 나타내는 제18(a)도와 제18(b)도를 참조하여 이하 설명되는 것처럼 많은 문제점이 있다.
(1) 종래 기술의 캡슐은 벽 두께가 3-6㎜인 금속 튜브 또는 판으로 이루어지기 때문에, 캡슐의 가장자리 부분(제18(a)도에 부재번호(221) 내지 (224)로 표시함)에서의 강도가 중심부분(제18(a)도에 부재번호(225) 내지 (227)로 표시함)에서의 강도와 다르다. 따라서, 캡슐은 공정의 압력상승공정에서 불균일하게 변형되고, 강도가 약한 캡슐 부분이 캡슐의 다른 부분보다 먼저 변형되어 가해진 압력에 따라 불균일하게 변형되고 처리 재료에 압력을 균일하게 전해주지 못하므로 처리 재료에 비틀림을 초래한다. 예를 들면, 제18(b)도에서 보는 것처럼 처리 재료가 스풀 모양으로 수축한다. 따라서, 평평함을 얻기가 어렵기 때문에, 이러한 캡슐은 처리 재료가 약 1㎜ 두께의 얇은 시이트 형태일 경우에는 실질적으로 거의 이용할 수가 없다.
(2) 처리 재료를 캡슐화 할 경우, 처리 재료와 캡슐간의 틈새 공간이 너무 좁기 때문에, 제16도에 보는것처럼 캡슐안에 처리 재료를 끼워넣는데 흔히 어려움이 발생한다. 틈새 공간이 너무 넓으면 압력 전달에 방해가 되므로 캡슐의 내경과 처리재료의 외경 사이에 적당한 너비의 틈새공간을 남겨두도록 각 처리 재료용 캡슐의 크기를 결정하는 것이 필요하다. 한편 제17도의 방법에 있어서, 압력 전달을 방해하지 않는 제2가압 매질로 캡슐과 처리 재료 사이의 틈새 공간을 채우는 것이 필요하므로 방법이 또한 복잡해진다.
(3) 압력하 캡슐의 불균일한 변형과 뒤틀림 및 캡슐의 큰 벽두께에 기인하여 정수압 성형처리후 처리된 재료를 꺼내는데 어려움이 종종 발생하며, 선반을 사용하거나 강산을 사용하여 캡슐을 제거하는 것이 불가피하다. 이로써 방법이 또한 복잡해진다.
(4) 강체 배기 파이프의 용융 용접부에 의해 형성된 밀봉은 흔히 봉해진 상태가 나빠 신뢰도가 부족하다. 제16도의 캡슐은 배기시 제2가압 매질이 빨려들어가는 것을 방지하는 수단이 필요하기 때문에 생산성 면에서 불리하다. 종래 기술의 상기한 문제점 또는 결점을 고려하여, 본 발명은 열간 또는 온간 정수압 성형방법으로 처리되는 재료를 캡슐화 하기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는데, 이 방법은 정수압 성형 단계에서 불균일한 캡슐 변형으로 인한 처리 재료의 뒤틀림을 방지할 수 있고, 재료를 캡슐화 하는 단계뿐만 아니라 처리된 재료를 캡슐로부터 뽑아내거나 방출하는 공정을 단순화하면서 복잡한 형상의 처리 재료에도 적용할 수 있다.
본 발명의 또다른 목적은 상기한 캡슐화 하는 방법을 효과적인 방법으로 행하는데 적합한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 치밀하지 않거나 조밀한 분말 형태의 처리재료를 금속 캡슐에 넣어 봉하는, 열간 또는 온간 정수압 성형방법으로 처리되는 재료를 캡슐화 하는 방법이 제공되는데, 이 방법은 상기한 목적을 이루기 위한 기술적 수단으로서 두께가 30μm 내지 300μm인 금속 박편으로 금속캡슐을 만드는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 캡슐은 상기한 것처럼 두께가 30-300μm인 얇은 금속 박편으로 만들어지기 때문에, 처리재료의 수축과 일치하는 정도로 균일하게 수축하고, 다른 방법으로는 캡슐의 불균일한 수축의 결과로 처리재료에 초래될 수도 있는 뒤틀림을 방지한다. 금속 박편은 틴맨즈 전단기로 쉽게 잘라내거나 처리된 재료로부터 용이하게 벗겨낼 수 있기 때문에 정수압 성형한후 캡슐을 용이하게 제거할 수 있다. 캡슐을 만들기 위해, 먼저 처리 재료를 금속 박편 사이에 끼워넣고, 금속 박편 부분을 처리 재료 주위에 밀접하게 한후, 이금속 박편 부분을 서로 용접한다. 금속 박편은 처리 재료의 형상과 일치하도록 그 형상을 쉽게 바꿀 수 있기 때문에 캡슐은 형상이 아주 자유로우며 캡슐화될 특정한 처리 재료에 반드시 일치하는 형상으로 만들 필요가 없다. 또한, 금속 박편은 처리 재료와 밀접하게 유지되기 때문에 처리 재료 둘레에 제2가압 매질을 채울 필요가 없다.
본 발명에 사용되는 금속 박편의 두께는 그것의 가요성, 소성 변형성 및 전단 강도에 따라 결정되며 더욱 상세하게는 30 내지 300μm의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이것은 흔히 두께가 30μm 미만이면 금속 박편에 핀홀이 있게 되어 재료 자체의 용접 밀폐효과를 얻을 수 없기 때문이다. 또한 운반시의 경미한 홈 또는 손상이 구멍을 낼 수 있기 때문에 그러한 금속 박편은 실용적이지 못하다.
한편, 두께가 300μm를 넘으면, 금속 박편을 틴맨즈 전단기 또는 기타 간단한 연장으로 자르기가 어렵고, HIP 처리후 선반 또는 기타 기기를 사용하지 않고 캡슐을 제거하는 것이 어렵게 되어 본 발명의 장점에 손해가 된다. 더욱 상세하게는, 금속 박편은 HIP 처리 후에 캡슐의 제거를 용이하게 한다는 면에서 두께가 100μm 미만인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기한 본 발명의 방법을 효과적으로 실행하기 위한 장치도 제공되는데, 그 장치에는 처리 재료를 둘러싸는 금속 박편의 상부와 하부를 밀접하게 접하도록 지지하는 클램프수단 ; 실제적으로 금속 박편의 표면에 수직인 방향으로 조사되는 광선으로 금속 박편 부분을 용접하기 위한 수단 및 ; 용접 수단 또는 금속 박편을 실제적으로 금속 박편의 표면과 평행한 평면으로 움직이기 위해 용접수단 또는 금속 박편에 연결되어 있는 급송 수단이 결합하여 포함되어 있다.
제1(a)도 내지 제1(d)도에 대해 언급하면, 본 발명의 제1실시예에서의 캡슐(10), 즉 접혀진 금속 박편으로 이루어지고, 재료를 원통형으로 이루도록 상부 금속 박편과 하부 금속 박편 사이에 처리재료(11)를 끼워넣은 캡슐(10)을 형성하는 공정들을 나타낸다. 제1(a)도에 나타낸 것처럼, 분말 처리 재료(11)의 압분체(green body or green compact)는 두께가 30-300μm인 접힌 금속 박편(12)으로 둘러 싸인다. 접힌 금속 박편(12)의 열린 쪽은 배기구로서 구멍(14)을 남겨두고 (13)으로 표시된 것처럼 심 (seam)용접하여 폐쇄된다. 진공 펌프(16)로부터의 파이프(15)는 제1(b)도에 나타낸 것처럼 배기구(14)로 삽입되어 가스를 빼내고, 그런 후에 배기구(14)를 제1(c)도에 나타낸 것처럼 심 용접(13A)하여 닫아 처리재료(11)가 들어 있는 배기밀봉된 금속 캡슐(10)을 이룬다. 제1(d)도에 나타낸 것처럼 금속캡슐(10)을 HIP 장치(17)에 놓아 처리 챔버(17A)내에서 HIP 처리를 한다. 즉, 캡슐(10)안의 압분체(11)는 가압기체 매질과 열의 상승작용하에서 압축 성형한다. 제1(d)도에서 (18)로 표시된 것은 고압 용기이고 (19)는 뚜껑, (20)은 단열맨틀, (21)는 히터, (22)는 프레기 프레임이다.
본 발명의 제2실시예에서의 캡슐화 하는 단계들이 제2(a)도 내지 제2(c)도에 예시되어 있는데, 여기서 원통형 처리 재료(31)는 캡슐로 만들어지는 두개의 분리된 금속 박편(32와 32a) 사이에 끼워진다. 제2(b)도는 제2(a)도에서 화살표 A방향으로 취한 단면도이고, 제2(c)도는 최종적으로 얻은 밀봉된 캡슐을 나타낸다. 처리 재료(31)는 두께가 30-300μm인 금속 박편(32와 32a)으로 둘러 싸이고, 볼트(35)로 홀더 프레임(34) 사이에 금속박편의 주위부를 고정시키고 배기구(36)를 통해 배기시킨 후, 금속 박편을 전자 빔 용접으로 함께 용접하여 밀봉한다. 이렇게해서 얻은 캡슐(30)은 앞서 기재한 것과 같은 방법으로 열간 정수압 성형으로 처리된다.
제3(a)도 내지 제3(c)도에 대해 언급하면, 본 발명의 제3실시예에서의 캡슐화 하는 공정이 나타나 있는데, 여기서 원반형 처리 재료(41)는 캡슐로 만들어지는 두개의 분리된 금속 박편(42와 42a) 사이에 끼워진다. 더욱 상세하게는, 제3(a)도는 열간 또는 온간 정수압 성형으로 처리되는 원반형 재료(41)를 나타내고, 제3(b)도는 캡슐로 만들어지는 한쌍의 금속 박편(42와 42a)을 나타낸다. 제3(c)도에 상세히 나타낸 것처럼, 사이에 낀 처리재료(41)를 둘러싼 상부 및 하부 금속 박편은 클램프(43)로 서로 밀접하게 접하도록 지지된다. 다음으로, 밀접하게 접한 부분은 제3(d)도에 나타낸 것처럼 광선 용접기(44)로 함께 용접된다
제3(c)도에서 볼 수 있는 것처럼, 금속 박편(42와 42a) 사이에 끼워지는 처리재료(41)는 클램프(43)의 상부 및 하부클램프 링(45와 46) 사이에 놓여진다. 상부 및 하부 링과 너트(48)를 통과하는 다수의 볼트(47)는 처리재료(41) 둘레의 상부 및 하부 금속 박편(42와 42a)이 서로 밀접하게 접하도록 죄여진다. 제3(d)도에서, (49)는 금속 박편 표면과 평행한 평면으로 움직일 수 있는 급송 장치(이 특정 실시예에서는 회전 테이블임)를 나타낸다. 이송장치(49)에는 마찬가지로 원통형인 기부 지주(50b)위에 놓여진 원통형 회전 테이블(50a)과 금속 박편(42와 42a) 사이에 처리 재료(41)를 지지하는 클램프(43)를 그 위에 지탱하는 테이블(50a)을 돌리기 위해 기부 지주(50b)내에 설치된 모터(도시되지 않음)가 포함된다. (51)은 처리재료(41)와 금속 박편(42와 42a)을 회전 테이블(50a)위에 안정하게 지지하는 지지부재이다.
급송장치(49)는 기부(52)위에 놓여진다. 급송장치(49) 외에도 기부(52)는 그 위에 급송장치(49)의 한쪽에서 지지 지주(53)를 지탱한다. 지지 지주(53)는 상부 구멍을 통해 그 속에 끼워진 Y-축 방향 급송 샤프트(54)가 있는 금속 파이프로 이루어진다. Y-축 방향 급송 샤프트(54)는 제3(d)도의 Y-Y' 방향으로 지지지주(53)에 대해 이동할 수 있다. 지지 지주(53)의 상부에 놓여진 조정 나사(55)는 랙과 피니언 장치를 통해 Y-축 급송 샤프트(54)와 연결된다. Y-축 급송 샤프트(54)의 상부에 단단히 고정되어 있는 지지부재(56)는 제3(d)도에서 X-X' 방향으로 움직이기 위한 X-축 방향 급송 샤프트(57)를 지탱한다.
광선 용접기(44)의 램프 하우스(58)는 급송장치(49)쪽의 X-축 방향 급송 샤프트(57)의 단부와 금속 박편(42) 위의 한 위치에 단단히 놓여진다. 광선(59)의 축은 실제적으로 금속 박편(42)의 표면에 수직인 방향으로 놓여진다. 광선 용접기(44)는 램프하우스(58)와 지지 지주(53)쪽의 램프 하우스(58) 측면에 있는 램프스타터(60)로 이루어진다. 이 예에서, 급송 장치는 캡슐 및 용접기의 크기, 중량 또는 기타 조건을 고려하여 적당한 어느 것이든지 캡슐 또는 용접기를 움직이도록 배열될 수 있다. 즉, 캡슐이 작은 경우는 캡슐을 움직이는 것이 바람직하고, 캡슐이 큰 경우는 용접기를 움직이는 것이 바람직하다. "실제적으로 평행한 평면"은 급송장치의 이동 평면이 약간의 편차는 문제가 되지 않지만 금속 박편 표면과 평행한 것이 바람직하다는 것을 뜻한다. "실제적으로 수직인 방향"은 약간의 편차는 문제가 되지 않지만 금속 박편 표면에 수직인 것이 바람직하다는 것을 뜻한다.
본 발명의 한 면에 따르면, 처리 재료 둘레의 상부 및 하부 금속 박편을 서로 밀접하게 할 때, 접촉 부분사이의 틈새 간격이 금속 박편 두께의 1/10보다 작아야 한다는 것이 중요하다. 이것은 용접선에 갈라진 틈이 없이 광선, 레이저 빔 또는 전자 빔 용접으로 금속 박편을 용접하기 위해 필요하다. 1/10보다 더 크면 용접은 군데군데 갈라진 틈 또는 용접되지 않은 부분이 있어 밀봉하지 못하게 된다. 본 발명에 유용한 용접방법으로는 광선 용접, 레이저 용접 및 전자 빔 용접을 들 수 있다. 이러한 방법들은 똑똑 떨어짐(dribbling) 또는 불충분한 용융 같은 문제점 때문에 사용하기 곤란한 다른 방법들에 비해 두께가 30-300μm인 겹쳐진 금속 박편을 용접하는데 적당하다.
본 발명에 따라, 온간 또는 열간 정수압 성형에 앞서 처리 재료를 캡슐화 하는 것을 제3(a)도 내지 제3(d)도를 참고로 하여 차례로 설명할 것이다.
먼저, 처리 재료(41)와 두개의 금속 박편 조각(42와 42a)을 준비하고 (제3(a)도와 3(b)도), 그런 후에 처리재료(41)를 금속 박편(42와 42a) 사이에 끼워넣는다. 다음에, 처리 재료(4l) 둘레의 겹쳐진 금속 박편부분(42와 42a)을 클램프(43)의 상부 및 하부 링(45와 46) 사이에 끼워넣어 지지하고, 볼트(47)와 너트(48)를 죄어 금속 박편(42와 42a)이 서로 밀접하게 접하도록 한다(제3(c)도). 이 상태에서 처리재료(41), 금속 박편(42와 42a) 및 클램프(43)는 고정수단(도시되지 않음)으로 회전 테이블(50a) 위에 고정되고, 처리 재료(41)와 금속 박편(42와 42a)은 스페이서 따위 형태의 지지부재(51)를 사용하여 안정된 상태로 지지된다. 다음으로, 광선 용접기(44)의 램프 하우스(58)를 X-X' 방향으로 위치시키는 것은 X-축 급송 샤프트(57)를 움직여 조절되고 광선(59)의 촛점은 조정 나사(55)를 통해서 위 또는 아래로 램프 하우스(58)를 움직여 조절된다. 그런후에 회전 테이블(50a)을 회전시키면서 램프 스타터(60)를 작동하여 광선(59)을 쏘기 시작하여 밀접해 있는 금속박편부분(42와 42a)을 용접하고, 그렇게 해서 밀봉된 상태로 처리 재료(41)를 금속 박편 안에 캡슐화 한다(제3(d)도).
이와 같이 캡슐화 한 처리재료는 전술한 것과 같은 방법으로 HIP 처리된다. 제4(a)도 내지 제4(d)도에 대해 언급하면, 본 발명의 제4실시예에서의 캡슐화 하는 공정을 나타낸다. 이 실시예에서, 처리재료(72)는두께가 30-300μm인 납 박편(71)으로 둘러싸이고, 납 박편 자루(bag)의 열린 쪽(73)은 볼트(76)로 소정의 위치에 고정되어 있는 구리 클램프판(74)사이의 구리 클램프 지그(75)에 죄여 있다. 클램프 판으로부터 튀어나와 있는 열린 쪽(73)은, 즉 밀봉부분(73)은 예를 들어 아로곤 가스 또는 기타 비활성 기체를 노즐(77)을 통해 공급함으로써 만들어지는 비활성 기체 분위속에서 광선(78)으로 조사함에 따라 봉해진다. 이와 같이 캡슐화 하는 처리 재료는 전술한 것과 동일한 방법으로 HIP 처리된다.
제4(a)도에 나타낸 것처럼 처리재료(72)를 둘러싸고 있고, 클램프 장치(79)에 죄여진 납 박편은 진공상태로 유지되는 진공 챔버(80)내에서 밀봉부분(73) 위에서 밀봉부분을 따라 조사되는 광선(78)에 의해 봉해진다. 제4(d)도에 나타낸 것처럼, 광선 용접기(82)로부터의 광선(78)은 석영유리 같은 투명한 투광성 재료(81)로 된 시이트가 O-링을 통해 밀봉되어 끼워져 있는 창문을 통과해 진공챔버(80)속으로 조사된다. 진공 챔버(80)는 캐리지 또는 적당한 주행장치(83) 위에 지탱되는데, 용접기(82)는 수직 방향으로 그것의 위치를 조정하기 위한 나사장치(84)를 조정함으로써 아래위로 움직여질 수 있다. 진공 챔버내에서의 광선 용접은 제5도를 참고로 하여 이하에서 더욱 상세히 설명될 것이다.
제5도는 제3(d)의 캡슐화 하는 장치의 한 실시예를 나타내는데, 이 장치에는 진공상태에서 광선용접하여 캡슐화하기 위해 회전테이블(50a) 위에 제공되어 있는 진동챔버(90) 및 클램프(43)와 클램프(43)에 죄어져있는 처리재료(41)와 금속 박편(42와 42a)의 집합체가 포함된다. 제5도에서 진공 챔버(90)에는 링에 밀봉되어 끼워지는 원반형 투광성 유리로 된 창(91)이 있는 링 모양의 폐쇄뚜껑(92) 및 바닥이 닫혀 있고 폐쇄뚜껑(92)에 의해 상단부가 열 수 있도록 닫혀 있는 원통형 용기 부분이 구비되어 있다. 뚜껑(92)과 용기(93) 사이의 틈새를 밀봉하는 O-링(94)이 용기(93)의 상단부에 끼워져 있다 (95)는 진공 챔버(90)내에서 클램프(43)를 소정 위치에 단단히 지지하는 고정 수단이다.
이 특정한 실시예에서, 클램프(43)는 클램프로 죄어있는 처리재료(41)와 금속 박편(42와 42a)과 함께 진공챔버(90)속에 놓여지며, 후속해서 진공챔버(90)으로부터(도면에 생략되어 있는 배출수단을 통해) 진공펌프로 가스를 배출해낸다. 이 상태에서, 광선(59)은 투광성 유리창(91)을 통해 진공챔버(90) 속으로 조사되고, 회전테이블(50a)은 회전하여 처리재료(4l)는 진공상태하에서 둥글게 겹침 용접하여 캡슐로 봉해진다.
본 실시예에서는 유리가 창으로 사용되지만, 투광성이 좋고 용이하게 구입할 수 있기 때문에 석영을 창으로 사용하는 것이 바람직하다.
제5도의 실시예에서처럼 진공상태하에서 캡슐이 형성될 경우, 캡슐내 여분의 공간에 또는 처리 재료의 구멍속에 잔류 공기가 없는 고질의 제품을 얻을 수 있어 최종제품의 질을 저하시키게 되는 처리 재료의 산화를 방지하게 된다. 제6(a)도 내지 제6(c)도에 대해 언급하면, 본 발명의 제5실시예가 나타나 있는데, 여기서 두께가 30μm-300μm인 스테인레스 또는 납 박편(107)으로 둘러싸인 처리재료(106)는 구리 클램프표면 판(101)과 노치된 부분(102)이 있으며 볼트구멍(104)에 삽입되어 있는 볼트(도시되지 않음)에 의해 표면판(101)에 고정되어 있는 한쌍의 구리 클램프 판(103과 103′)으로 이루어진 클램프 지그(105)내에 죄여져 있다. 겹쳐지는 박편 부분은 짝을 이룬 클램프 판(103)사이의 슬릿을 따라 조사되는 광선 또는 레이저 빔으로 용융 절단(fuse-cut)됨에 따라 봉해져서 캡슐이 형성된다.
제5실시예에서, 금속 박편은 제6(b)도에 나타낸 것처럼 노즐(77)을 통해 아르곤 가스를 공급함으로써 비활성 기제분위기 속에서 수행되는 용융 절단으로 봉해진다. 제6(b)도에서 원내의 부분은 제6(c)도에서 확대 예시되어 있다. 앞선 실시예에서의 볼트와 너트형 클램프장치 대신에 다루기 쉬운 자석형 클램프 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 자석형 클램프 장치의 예가 제7(a)도와 제7(b)도에 각각 단면도 및 평면도로 나타나 있는데, 여기서 (41)은 처리재료를 나타내고 (42)와 (42a)는 금속 박편을 나타낸다. (111)과 (112)는 그 사이에 금속 박편(42와 42a)을 조이기 위해 마주하여 놓여져 있는, 내부 클램프의 상부 및 하부 원반형 클램프 부재 한쌍을 나타낸다. 금속 박편(42와 42a) 건너편에 상부 및 하부 클램프 부재(111과 112)를 서로 밀접하게 접하도록 하는 자석(113)이 상부 클램프 부재(111)의 위쪽에 놓여져 있다.
한편, (114)와 (115)는 외부 클램프의 상부 및 하부 클램프 부재 한쌍을 나타내고, 그것들은 각각 링형과 원반형이다. 링형 상부 클램프 부재(114)는 금속 박편(42와 42a)을 통해 원반형 하부 클램프 부재(115)의 들어간 쪽 가장자리와 접하도록 놓여진다. 상부 클램프 부재(1l4)의 위쪽에는 그 사이에 죄여진 금속박편(42와 42a)을 통해 하부 클램프 부재(115)를 상부 클램프 부재(114)와 밀접하게 접하도록 하는 링자석(116)이 놓여져 있다. 상부 및 하부 금속 박편(42와 42a)은 내부 및 외부 클램프에 의해 서로 밀접하게 접촉하여 유지된다. 내부 클램프의 상부 및 하부 클램프 부재(111과 112)는 서로 동심적으로 위치하고, 내부 및 외부 클램프의 상부 클램프 부재(111과 114) 사이에 링 모양의 빈틈(117)을 남겨두어 광선 또는 레이저빔이 그를 통과하여 금속 박편에 조사되어 용접되도록 한다.
제7도의 클램프 장치는 제3실시예에서처럼 둥글게 용접하는데 사용할 의도지만 유사한 자석형 클램프장치는 제4 또는 제5실시예에서처럼 직선으로 용접하는데도 사용할 수 있음은 말할 필요조차 없다. 제8(a)도 내지 제8(d)도에는 본 발명의 제6실시예가 예시되어 있다. 제8(a)도에서,(121)은 서로 겹쳐져 있는 한쌍의 직사각형 금속 박편(122와 122a)으로 이루어지고, 한면은 열려 있고 나머지 세면은 심 용접하여 닫혀있는 자루형태인 HIP 처리용 금속 캡슐을 나타낸다. 금속 박편(122)용 재료는 HIP온도, 처리 재료와의 반응성등을 고려하여 선택되고, 종래의 대응물의 결점을 제거하기 위해 부드러운 재료인 것이 바람직하다.
예를 들면 알루미늄, 납, 연강, 스테인레스강, 백금, 몰리브덴등을 사용하는 것이 바람직하다. 연성 면에서 금속 박편(122)의 두께는 300μm보다 작아야 하고, 더욱 바람직하게는 100μm 미만이어야 하고, 용접용이성면에서는 30μm보다 큰 것이 바람직하다. 밀봉 용접(124)은 전자 빔 용접, 광선 용접 또는 레이저빔 용접으로 이루어질 수 있다. (126)은 몰드내에서 형을 이루게 되는 세라믹, 수지 또는 금속 분말의 압분체, 또는 결합되는 두 종류 이상의 판상 또는 시이트상 시료일 수 있는 처리 재료를 나타낸다. 처리재료(126)를 구멍(123)을 통해 캡슐(121)에 넣은 후, 배기 파이프(127)를 구멍(123)을 통해 캡슐(121)속에 삽입하는데, 구멍은 그 후에 접착제 또는 땜납으로 밀봉된다. 파이프(127)는 금속 또는 합성 수지로 만들어질수 있다. 에폭시 수지형 접착제는 구멍(123)을 봉하기 위한 가장 편리한 수단이지만, 금속파이프(127)의 경우에(128)로 표시된 것처럼 납땜으로 봉할 수도 있다.
다음으로 제8(c)도에 나타낸 것처럼, 진공 펌프 또는 기타 진공장치의 호스(129)를 파이프(127)에 연결하여 캡슐(121)로부터 가스를 빼낸다. 소정의 진공 수준에 도달하자마자, 처리 재료(126)와 파이프(127) 사이의 한 위치에서 상부 및 하부 금속 박편(122와 122a)를 겹침 용접하여 캡슐(121)을 봉한다. 그런후에 파이프(127)에 연결되어 있는 불필요한 금속 박편 부분을 가위 또는 기타 적당한 수단으로 잘라내어 캡슐(121)안에 봉해진 캡슐화 하는 처리재료(126)를 얻는다. 진공 펌프로 퍼올린 후 겹침 용접을 하기 위해, 광선 용접, YAG 레이저 빔 용접 또는 전자 빔 용접을 사용하는 것이 적당하다. 겹침 용접에서 기밀성 용접수를 형성하기 위해, 겹쳐 있는 금속 박편(122와 122a)은 겹쳐진 금속 박편 사이의 틈새 간격이 금속 박편 두께의 1/10 미만이 되도록 서로 밀접하게 지지되는 것이 바람직하다.
용접 부분에서의 온도 증가는 열 팽창의 결과로 주름이 생기도록 할 수 있으므로, 제9도에 상세히 나타낸 것처럼 용접 위치에 YAG 레이저 빔(132)을 조사하는 동안 용접위치에 근접하여 놓여 있는 클램프(131과 131a)로 맞은편에서 캡슐(121)을 지지하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또다른 면에 따르면, 처리 재료가 들어 있는 캡슐은 금속 박편으로 되어 있어서, 진공 펌프로 퍼낼 때 처리 재료의 외표면의 윤곽과 일치하는 형상으로 용이하게 변형될 수 있어 배기를 촉진할 수 있다. 진공 펌프로 퍼올린 후 처리 재료와 배기 파이프 사이의 라인을 따라 캡슐을 겹침 용접할 때, 겹쳐지는 금속 박편 부분은 배기 결과로 서로 밀접하게 접촉하게 된다. 이것은 용접을 용이하게 좋은 상태로 밀봉되도록 한다. 캡슐의 금속 박편이 HIP를 하는 동안에 처리 재료에 부착될 경우, 제10도에 나타낸 것처럼 용융코팅 또는 분무에 의해 처리 재료(141)의 표면 또는 캡슐(142)의 내부 표면에 소결되지 않은 세라믹으로 된 코팅층(143)을 형성하는 것이 바람직하다. 코팅층(143)을 대신하여, 처리 재료(141)와 캡슐(142) 사이에 세라믹 페이퍼(ceramic paper ; 산화물 세라믹을 주성분으로 하는 시이트 형태의 물질)를 끼워넣을 수도 있다.
한편 캡슐(142)의 재료가 제품의 일부로서 처리 재료(141)에 결합될 경우, 처리재료(l41)의 표면과 캡슐(142)의 내부표면을 깨끗하게 유지하기 위해, 산소 게터 또는 질소 게터로서 캡슐내 적당한 위치에 지로코늄 또는 티타늄 박편을 놓는 것이 바람직하다. 제3실시예와 제6실시예에서는, 한쌍의 금속 박편이 겹쳐진 상태로 사용되지만, 제1실시예에서처럼 하나의 금속 박편을 접혀진 상태로 사용하거나 또는 한층의 처리재료와 교대로 다수의 금속 박편이 겹쳐질 수도 있다. 또한 처리재료가 두껍고, 클램프로 죌 때 금속 박편이 용접하기 어려울 정도로 주름이 잡힐 것 같으면 금속 박편을 적당한 형태의 용기로 미리 형을 만드는 것이 바람직하다. 금속 박편을 미리 형을 만드는 것은 처리 재료를 치밀한 압분체 대신 분말형태로 HIP 처리를 할 경우에도 바람직하다.
제11도는 이러한 경우들 중 하나를 예시하고 있는데, 여기서 원반형 처리 재료(151)는 플랜지 부분과 구석진 곳이 있는 금속 박편(152)에 끼워진다. 처리 재료(151)는 금속 박편(152) 위에 겹쳐지고 금속 박편(152)의 플랜지 부분에 용접되는 금속 박편(153)에 의해 봉해진다. 높은 효율을 얻기 위해 작은 크기의 재료를 동시에 비교적 다수를 처리할 경우, 그 속에 처리 재료를 수용하기 위해 대응하는 수 만큼의 들어간곳(161)이 있고, 금속 박편(162)이 사용되고, 금속 박편(163)을 겹쳐놓고, 자루형태의 캡슐을 이루도록 심용접하여 하부 박편(162)에 금속 박편의 주위 부분을 용접한다.
제13도에는 본 발명을 수행하기에 적합한 장치가 예시되어 있는데, 그것은 이동가능한 레이저형 용접기를 사용하며, 여기서 제3(d)도와 공통인 성분들은 같은 도면 부호로 나타내고, 중복을 피하기 위해 그것들에 대한 설명은 생략하였다. 제13도에서 (17l)로 나타낸 레이저 용접기는 YAG레이저 발생기(172)로 이루어져 있으며, 광섬유 케이블(173)의 한쪽단부는 레이저 발생기(172)의 출력단부에 연결되어 있고, 나머지 한쪽단부에는 레이저 빔 조사 단자(174)가 구비되어 있다.
레이저 빔 조사 단자(174)는 금속 박편(42와 42a)의 표면과 실제적으로 평행한 평면을 따라 움직이도록 급송장치(175) 위에 지지된다. 급송장치(175)에는 볼 나사(176)와 볼 나사(176)의 맞은편 끝에 연결되어 있고, 각각 그속에 롤러가 들어 있는 한쌍의 롤러 하우스(176a과 176b) 및 그 위에 롤러 하우스(176a과 176b)를 지지하는 U-자형 프레임(177)이 포함되어 있다 레이저 빔 조사 단자(174)는 제13도의 Y-Y' 방향으로 움직일 수 있게 볼 나사(176)에 맞물려 있는 캐리지(178)에 놓여있다. 지지 프레임(177)상의 롤러 하우스(176a와 176b)내의 롤러를 회전시킴으로써 광섬유 케이블의 레이저 빔 조사단자(174)도 제13도 면에 수직인 방향으로 움직인다. (179)는 봉해지는 금속 박편(42와 42a)과 함께 처리 재료(41)를 죄는 클램프장치(43)를 그 위에 지지하기 위한 테이블을 나타낸다.
장치 위의 레이저 빔 조사 단자(174)는 수치 제어기(도시되지 않음)로 조절되는 볼 나사(176)와 롤러 하우스(176a와 176b)에 의해 이동하고, 그렇게하여 그 속에 있는 처리 재료(41)를 캡슐화 하기 위해 금속 박편(42와 42a)의 주위 부분을 겹침 용접한다. 레이저 빔은 YAG레이저 발생기(172)로 발생되는데, 그것은 처리재료(41)로 부터 떨어진 곳에 위치하고 광섬유 케이블(173)을 통해 금속 박편에 레이저 빔을 조사하는 빔 조사단자(174)로 이르게 된다.
광섬유 케이블이 이 실시예에서 사용될 경우, 용접 장치를 임의의 위치에 설치할 수 있을 뿐만 아니라 단일 레이저 발생기로 부터의 레이저 빔을 다수의 용접 헤드에 배분시킬수 있다. 그 외에도, 무거운 용접기 또는 처리 재료 대신에 광섬유케이블의 가벼운 레이저 빔 조사 단자를 움직이는 배열은 대체로 장치의 비용을 감소시키고 작동의 로보트화가 가능하도록 하는 단순한 구조의 급송 장치만을 필요로 한다. 제14도에는 처리 재료(41)와 금속 박편(42와 42a)을 지지하는 클램프 장치(43)가 지지 테이블(177) 위에 진공챔버(90)안에 들어 있어 진공 상태하에서 레이저 용접기에 의해 처리 재료를 캡슐화 하는 것을 제외하고는 제13도의 실시예에서와 같은, 캡슐화 하는 장치의 변형체이다. 제15도는 용접 수단으로 전자 빔 용접기를 사용하는, 본 발명을 실행하기 위한 장치의 또다른 예를 나타낸다. 제15도에서, 전자 빔 용접기에는 속이 빈 하우징(181)과 하우징(181) 위에 놓여진 전자총(190)이 포함되어 있다. 하우징(181)에는 내부 공간의 하부에 진공챔버(182)가 있는데, 그것은 배기 파이프(185)를 통해 배기되고 이송테이블(184) 위에 캡슐화 하는 처리 재료(183) (금속 박편캡슐내에 있음)를 지지하도록 배열된다. 이송 테이블(184)은 도면의 화살표 방향뿐만 아니라 도면의 면에 수직인 방향으로 움직일 수 있다. 하우징(181)의 상부 공간에는 관찰 망원경(188), 수렴 렌즈(187) 및 편향 코일(186)이 들어 있다. 한편, 전자총(190)은 전자 빔(194)을 발생시키도록 총구에 양극(191), 음극(193) 및 그릿(l92)이 있다.
제15도에 나타낸 장치의 작동에 있어서, 처리 재료(183)는 테이블(184)에 놓여지고 진공 챔버(182)의 배기를 위해 진공 펌프로 퍼올린다. 이 때 챔버(182)내의 진공은 통상 10-4torr 보다 높은 수준으로 유지된다. 다음에 전자총(190)으로 부터의 전자 빔(194)은 창(195)을 통해 진공 챔버(182)내의 재료(183) 위에 쏘아져 재료(183)를 봉하는 금속 박편을 용접한다. 관찰 망원경(188)을 통해 보면서 용접 위치를 급송 테이블(184)을 통해 대략 조정하고 편향 코일(186)을 통해 미세하게 조정한다.
전술한 실시예에서, HIP 처리를 위한 처리 재료에는 예를들면, 알루미나, 부분 안정화된 지르코니아, 티탄산바륨, 산화아연, 황화몰리브덴 등과 같은 세라믹 분말 압분체, 몰리브덴, 텅스텐등과 같은 고융점 금속분말의 압분체, Ti-Al, Ni-Al 등과 같은 금속간 화합물 분말의 압분체 또는 상이한 금속으로 된 둘 이상의 겹쳐진 판 또는 시이트, 또는 용융분무된 세라믹 또는 금속 층이 있는 금속 또는 세라믹 판 또는 시이트를 들 수 있다. WIP의 경우에, 처리 재료에는 예를 들면 중합체 재료 또는 초고분자량 폴리에틸렌, 폴리아미드(나일론), 셀룰로오스 등과 같은 중합체 분말의 압분체, 또는 300℃보다 낮은 WIP 온도를 가진 재료를 들 수 있다. 이하 본 발명은 본 발명의 실시예 및 비교예로서 더욱 상세히 설명될 것이다.
[실시예 1]
제1(a)도 내지 제1(c)도에 나타낸 것처럼, 처리 재료를 다음 공정에 따라 캡슐화 한다.
(1) 알루미나 기재의 세라믹 분말을 고무 몰드에 채워 넣고 1500kgf/㎠의 압력을 1분간 가하여 형을 성형하여 30㎜(diam) ×100㎜(h)의 압분체를 얻었다.
(2) CIP해서 얻은 압분체를 100, 200또는 300μm의 스테인레스강 박편으로 싸고, 직선을 따라 심 용접기를 작동하여 한 부분을 제외하고는 겹쳐지는 박편 부분을 용접하였다.
(3) 진공 펌프에 연결된 파이프를 배기 구멍을 통해 비용접된 부분으로 삽입하고, 금속 박편 자루(분리재료로서 BN이 코팅된 처리 재료를 함유한)로부터 배기하기 위해 진공 펌프를 작동하였다.
(4) 진공 펌프를 작동하면서 배기구멍을 용접하여 봉하였다.
(5) 이와 같이 형성된 금속 박편 캡슐속의 재료를 다음의 열간 우선의 유형을 기초로 한 조건하에서 HIP장치로 처리하였다.
1250℃ × 2000kgf/㎠ × 1hr
(6) HIP처리 후에 금속 박편 캡슐을 가위로 절단해 내어 형성된 제품을 끄집어 내었다. 각 두께의 금속박편은 종래의 대응물과 밀도 및 기타 물성이 같은 제품으로 결과되었다.
[실시예 2]
제2(a)도 내지 제2(c)도에 나타낸 것처럼, 처리 재료는 다음 공정으로 캡슐화 한다.
(1) 폴리테트라플루오로에틸렌(이하"PTFE"라 칭함)을 저온 정수압 성형하여 형을 성형하여 40㎜(diam.) ×100㎜(h)의 압분체를 얻었다.
(2) CIP로 형성된 압분체를 두게가 50μm인 알루미늄박편 사이에 끼워넣고, 알루미늄 박편의 단부를 클램프 지그를 사용하여 고정시켰다.
(3) 캡슐화 하는 알루미늄 박편과 클램프 지그를 전자 빔용접(이하"EBW"라 칭함)을 위해 진공 챔버에 놓고 고정시켰다.
(4) 진공 챔버의 온도를 150℃로 조정하고 충분한 진공수준으로 조정한 후에 EBW로 알루미늄 박편을 밀봉하였다.
(5) 이와 같이 알루미늄 박편에 캡슐화 하여진 재료를 다음의 열간 우선의 유형을 기초로 한 조건하에서 HIP장치로 처리하였다.
370℃ × 1000kgf/㎠ × 3hrs
(6) HIP처리 후 캡슐을 가위로 절단하여 생성된 제품을 끄집어 내었다. 제품은 CIP처리시에 존재하는 틈이 없었고 종래의 대응물(소결제품)과 같거나 또는 더 높은 밀도를 나타내었다.
[실시예 3]
(1) Ti-Al 분말(Ti=61%)을 고무 몰드에 채우고 1000kgf/㎠의 압력으로 3분간 저온 정수압 성형하여 형을 성형하여 40㎜(diam.)×100㎜(h)의 압분체를 얻었다.
(2) 스테인레스 박편이 Ti-Al의 CIP로 형성된 보디에 부착하는 것을 방지하기 위해 즉, HIP처리후 캡슐의 제거를 용이하게 하기 위해 보디 주위에 세라믹 종이를 가한후에, CIP로 형성된 압분체를 100μm두께의 스테인레스박편으로 둘러쌌다.
(3) 제2실시예에서처럼 캡슐화 하는 재료를 클램프 지그로 고정하고 EBW를 위해 진공 캠버속에 고정시켰다.
(4) 진공 챔버를 400℃로, 충분한 진공 수준으로 먼저 조정한 후에 캡슐 부분을 EBW로 봉하였다.
(5) 이와 같이 스테인레스 박편안에 캡슐화 하여진 재료를 다음의 열간 우선 유형을 기초로 한 조건하에서 HIP장치로 성형하였다.
1050℃ × 1500kgf/㎠ × 2hrs
(6) HIP처리 후, 성형된 제품은 박편의 부착 또는 용융결합이 없이 가위를 사용하여 캡슐을 잘라내어 용이하게 끄집어 낼 수 있다.
[실시예 4]
제4(a) 내지 제4(c)도의 클램프 장치를 이 실시예에서 사용하였다.
(1) 초고분자량의 폴리에틸렌(이하"UHMW-P"라 칭함) 분말을 성형 성형기에서 60㎜(diam)×5㎜(t)의 압분체로 성형하였다.
(2) 이와 같이 성형된 압분체를 100μm두께의 납 박편으로된 자루속에 넣고, 클램프 지그속에 자루의 단부를 충분히 죄면서 자루의 가장자리를 따라 광선 용접으로 자루를 봉하였다. (돌기부 너비=2㎜)
(3) 이와 같이 납 박편안에 캡슐화 하는 재료를 다음의 열간 우선 유형을 기초로 한 조건하에서 HIP장치로 성형하였다.
160℃까지 열간, 1000kgf/㎠×30분
(4) HIP처리 후, 가위를 사용하여 캡슐을 잘라내어 성형된 제품을 끄집어 내었다. 제품은 CIP처리시에 존재하는 틈이 없었고, 종래의 대응물(압축 성형)과 같거나 더 높은 밀도를 나타내었다.
용접 조건은 다음과 같았다.
광선을 위한 램프 입력 : 80암폐어
용접 속도 : 800㎜/분
아르곤 기체 유속 : 201/분
[실시예 5]
제4(a) 내지 제4(c)도의 클램프 장치를 본 실시예에서 사용하였다.
(1) 상품인 폴리아미드(나일론 6)의 30㎜(diam.)×100㎜(h) 압분체를 준비하였다.
(2) 압분체를 100μm두께의 납 박편으로 된 캡슐에 채워 넣었다.
(3) 캡슐을 돌기부 너비가 2㎜가 되도록 클램프 지그에 단단히 고정하였다.
(4) 클램프 지그에 고정된 캡슐의 단부를 광선 용접으로 봉하였다.
(5) 캡슐을 120℃ ×1000kgf/㎠×1hr의 조건하에서 WIP장치로 성형하였다.
(6) WIP처리 후, 가위로 캡슐을 잘라내어 성형된 제품을 끄집어 내었다. 인장강도 시험은 성형된 제품이 WIP처리전 값, 즉 650kgf/㎠인 압분체(상품)의 인장강도 값보다 10%증가된 720kgf/㎠의 인장강도를 가짐을 나타내었다.
용접 조건은 다음과 같다.
광선용 램프 입력 : 80암페어
용접 속도 : 600㎜/분
아르곤 기제 유속 : 201/분
[실시예 6]
제4(d)도의 장치를 사용하였다.
(1) 셀룰로오스 분말을 CIP장치로 성형하여 30㎜(diam.)×80㎜(h)의 압분체를 얻었다.
(2) 압분체를 100μm두께의 납 박편 자루에 넣고, 용접하여 구멍을 봉한 자루를 투명한 석영 유리 시이트로 닫힌 챔버 안에 클램프 지그와 함께 고정시켰다.
(3) 챔버와 캡슐내를 진공 상태로 유지하면서, 10-2torr에 이른 시점에서 투명한 석영 유리 시이트를 통해 광선을 조사하였다.
(4) 챔버내 클램프 지그 지지 테이블을 800㎜/분의 속도로 움직이면서 자루를 광선 용접으로 봉하였다.
(5) 이와 같이 캡슐화 한 재료를 다음 조건하에서 HIP장치로 성형하였다.
230℃ × 2000kgf/㎠ × 10분
(6) HlP처리후 납 박편을 성형된 제품으로부터 제거하였다. 제품은 CIP성형시에 존재하는 틈이 없었고, 밀도가 향상 되었다.
용접 조건은 다음과 같다.
광선용 램프 입력 : 100암폐어
용접 속도 : 800㎜/분
[실시예 7]
제6(a)도 내지 제6(c)도의 클램프 지그를 사용하여 제4(d)도의 장치로써 캡슐화 한다.
(1) 알루미나 기재의 세라믹 분말을 1500kgf/㎠×1분의 압력을 가하여 CIP장치로 성형하여 30㎜(diam.) ×100㎜(h)의 압분체를 얻었다.
(2) CIP로 성형된 압분체를 100μm두께의 스테인레스강 박편으로 된 자루속에 넣고, 구리 클램프 지그에 죄여져 있는 겹쳐진 박편 부분을 동시에 용접, 용융 절단하여 봉하였다. 마지막 용접 부분에 동시적인 용융절단과 용접을 챔버내에서 하였다. 즉, 캡슐과 클램프 지그를 챔버속에 넣고 챔버와 캡슐을 진공 상태로 유지하기 위해 진공 수준을 10-2torr까지 올렸다. 지그를 자동적으로 급송하면서 금속 박편을 용접하기 위해 투명한 석영 유리 시이트를 통해 광선을 조사하였다. 슬릿 나비는 4㎜, 광선용 램프 입력은 120암페어, 용접 속도는 500㎜/분이었다.
(3) 스테인레스강 박편에 캡슐화 하는 재료는 다음의 열간 우선 유형을 사용한 조건하에서 HIP장치로 성형하였다.
1250℃ × 2000kgf/㎠ × 1hr
(4) HIP처리 후에, 가위로 캡슐을 잘라 성형된 제품을 끄집어 내었다. 제품은 CIP 성형시에 존재하는 틈이 없었고, 종래의 대응물에 필적할 만한 물성, 특성 밀도와 강도를 가진다는 것이 입증되었다.
[실시예 8]
제7(a)도와 제7(b)도의 클램프 지그를 사용하여 제5도의 장치로써 캡슐화한다.
(1) 티탄산 지르코늄 기재의 세라믹 분말을 성형 성형기로 30㎜(diam.)×약 5㎜(t)의 압분재료 성형하였다.
(2) 압분체를 100μm두께의 스테인레스 박편 사이에 끼워 넣고 제7(a)도와 제7(b)도에 나타낸 것처럼 압분체의 원주로부터 약 25㎜ 떨어진 위치(또는 직경으로 80㎜되는 위치)에서 자석형 클램프 장치로 조였다. BN분말을 압분체와 스테인레스 박편 사이에 가하여 세라믹과 스테인레스 박편 사이의 반응을 방지하였다.
(3) 클램프 지그를 회전 테이블 위에 놓고, 슬릿 부분을 따라 광선 용접으로 박편을 용접하였다.
(4) 이와 같이 캡슐화 한 재료를 다음의 조건하에서 HIP장치로 성형하였다.
1050℃ × 1000kgf/㎠ ×1hr
(5) HIP처리후, 스테인레스 박편을 제거하여 성형된 제품을 끄집어 내었다. 제품은 충분히 소결되었고, 종래의 캡슐이 없는 HIP제품과 필적할만하거나 또는 더 큰 밀도를 가졌다. 용접은 140암폐어의 램프 압력과 50㎜/분의 용접 속도로 하였다.
[실시예 9]
제3(a)도 내지 제3(d)도에 나타낸 것처럼 다음 공정으로 캡슐화한다.
(1) Ni-Al금속간 화합물 분말(입자크기가 325메쉬 미만임)을 성형 성형기로 30㎜(diam.)×3㎜(t)의 압분체로 성형하였다.
(2) 압분체를 100μm두께의 스테인레스(SUS 304) 박편 사이에 끼워 넣고, 그것을 제7(a)도와 제7(b)도에 나타낸 것처럼 자석형 플램프 장치를 사용하여 서로 밀접하게 접하도록 지지하였다. 겹친 스테인레스 박편 사이의 틈새 간격은 최대로 약 5㎜이었다.
(3) 스테인레스 박편을 압분체의 가장자리로 부터 약 25㎜ 떨어진 위치(직경으로 약80㎜되는 위치)에서 광선 용접으로 겹침 용접하여 캡슐을 성형하였다.
(4) 용접하여 밀봉하고, 용접부의 약간 바깥쪽 스테인레스 박편 부분을 용융절단하여 제거하였다. 결과적으로 둥근 원반형 캡슐을 얻었다.
(5) 이와 같이 캡슐화 하는 압분체를 HIP장치의 소정의 위치에 놓고 1300℃×1000kgf/㎠×2hrs의 조건하에서 HIP처리를 하였다. HlP처리후, 틴맨즈 가위로 캡슐의 단부를 자르고 재료에 부착된 스테인레스 박편을 제거하여 처리된 제품을 끄집어 내었다. 밀도를 측정한 결과로 처리 재료는 진정한 밀도로 소결되었음을 확인하였다. 소결체는 균일한 수축을 나타내었고, 겹쳐진 스테인레스 박편 가장자리와 접한 표면 부분에 남아 있는 직선상의 표시를 제외하고는 표면에 지극히 홈이 없었다.
[실시예 10]
제3(a)도 내지 제3(c)도에 나타낸 공정을 따라 제14도에 나타낸 장치를 사용하여 캡슐화 한다.
(1) 에크놀 수지 분말을 성형 성형기로 직경이 30㎜이고 두께가 약 5㎜인 압분체로 성형하였다.
(2) 압분체를 50μm두께의 알루미늄 박편 사이에 끼워넣고, 압분체 주위의 겹쳐진 알루미늄 박편을 자석형 클램프 수단으로 서로 밀접하도록 지지하였다. 겹쳐진 알루미늄 박편 사이의 틈새 간격은 최대 약 0.5μm이었다.
(3) 클램프 장치에 조여진 캡슐을 진공 챔버 속에 넣고 진공 펌프로 퍼내었다(10-2torr)의 진공 수준까지).
(4) 석영 창을 통해 YAG레이저 빔을 도입하여 박편을 겹침 용접하면서 전 진공챔버를 회전 테이블형 포지셔너에서 회전시켰다. YAG레이저 빔은 펄스 레이저 형이었고 알루미늄 박편에서의 빔 반사와 열 전도에 의한 열 분산을 고려하여 60W의 빔 강도와 1cm/sec의 속도로 용접하였다.
(5) 용접후, 캡슐을 진공 챔버로부터 빼내고 360℃와 1500kgf/㎠×1hr의 조건하에서 HIP처리하기 위해 HIP장치에 놓았다. HIP처리후 알루미늄 박편을 통상의 가위로 잘라 소결된 제품을 꺼내었다.
(6) 소결체는 스캔형 전자 현미경으로 구조를 조사하기 위해 깨뜨려 조각으로 만들고, 그결과 제품은 틈이 없는 조밀한 소결 구조를 가짐을 확인하였다.
[실시예 11]
제8(a)도 내지 제8(c)도에 나타낸 공정을 따라 캡슐화하는 것을 행하였다.
(1) 너비가 80㎜이고 길이가 150㎜인 봉투 형태의 캡슐을 광선 용접기로 100μm두께의 스테인레스(SUS 304) 박편으로 성형하였다.
(2) 알루미늄 분말 AL-160SG(쇼오와 게이긴조꾸 가부시끼가이샤 제품의 상표명)을 성형 성형기로 30㎜×50㎜×5㎜의 판상 압분체로 만들고 전 표면을 BN분말로 코팅하였다.
(3) 이와 같이 얻은 압분체를 캡슐속에 넣고 외경이 10㎜, 내경이 8㎜인 구리 배기 파이프를 캡슐의 구멍으로 삽입하고, 에폭시 수지형 접착제를 사용하여 구멍에 밀봉연결하였다.
(4) 접착제가 완전히 굳어진 후 진공펌프 호스를 파이프에 연결하고, 진공 수준이 10-2torr에 이를 때까지 캡슐로 부터 배기하였다. 그런 후에 겹쳐진 박편을 제8(c)도에 나타낸 것처럼 박편을 클램프로 고정하면서 광선 용접기로 겹침 용접하고, 동시에 배개 파이프 쪽의 금속 박편을 용융 절단하였다.
(5) 이와 같이 배기된 캡슐에 밀봉된 압분체를 1350℃×1500kgf/㎠×1hr의 조건하에서 HIP처리하기 위해 HIP 장치위에 놓았다.
(6) HIP처리후에, 틴맨즈 가위를 사용하여 캡슐을 잘라내어 소결로 알루미나를 끄집어 내었다. 알루미나는 3.89g/㎠로 조밀해졌고 실제적으로 약 23.5㎜×43㎜×4.2㎜의 크기로 줄어들었다.
[실시예 12]
(1) 초경성 분말을 1000kgf/㎠의 압력을 1분동안 가하여 CIP장치에서 외경이 250㎜, 내경이 8.5㎜,두께가 6㎜인 링 형태의 압분체로 만들었다.
(2) 이와 같이 성형된 압분체를 세라믹종이로 덮고, 외측에 30㎜×30㎜×0.1㎜(t)의 티타늄 박편 5개를 놓은 후 100μm두께의 스테인레스 박편으로 둘러쌌다. 티타늄 박편은 HIP성형 공정에서 흡착 가스로부터 발생될 수도 있는 산소 가스를 제거하기 위해 사용되었다.
(3) 구리 클램프 지그에 단단히 조여져 있는 겹쳐진 박편부분을 겹침 용접하면서 동시에 박편을 용융 절단하였다. 최종 폐쇄 부분에서의 동시적인 용접과 용융 절단은 챔버내에서 행하였다. 결과의 캡슐과 구리 클램프 장치를 챔버내에 놓고, 챔버와 킵슐을 진공 상태로 유지하면서 10-2torr로 진공펌프로 퍼냈다. 그런후에 광선을 투명한 석영 유리 시이트를 통해 조사하여 자동적으로 이송되는 지그위의 금속 박편을 용접하였다.
(4) 스테인레스 박편에 캡슐화 하는 압분체를 다음의 열간 우선 유형의 조건하에서 HIP장치로 성형하였다.
1300℃ × 1000kgf/㎠ × 1hr
(5) HIP처리 후, 가위로 캡슐을 잘라 소결된 제품을 꺼내었다. 소결체는 밀도와 강도같은 물성을 평가한 결과 종래의 대응물에 상응한다고 입증되었다.
[실시예 13]
(1) 폴리테트라플루오로에틸렌(이하"PTFE"라 칭함)을 저온정수압 성형하여 형을 만들어 40㎜(diam.) ×100㎜(h)의 압분체를 얻었다.
(2) CIP로 얻은 압분체를 30㎜×30㎜×0.1㎜(t)의 티타늄박편과 함께 100μm 두께의 알루미늄 박편으로 둘러쌌다.
(3) 알루미늄 박편 캡슐을 진공속에서(실온에서) YAG용접하여 밀봉하였다.
(4) 알루미늄 박편에 캡슐화 하는 압분체를 다음의 열간 우선 형태의 조건하에서 HIP장치로 성형하였다.
370℃ × 1000kgf/㎠ × 3hrs
(5) HIP처리후 가위로 캡슐을 잘라내 제품을 꺼냈다. 제품은 CIP성형 공정에서 있었던 틈이 없었고, 밀도에 있어 종래의 대응물과 같거나 더 낫다고 입증되었다. 캡슐내에 티타늄 박편을 삽입하면 캡슐내에 약간 남아있는 공기, 흡착된 수분 및 흡착된 기체를 제거한다.
[비교예 1]
(1) 실시예2에서와 같은 방법에 따라 CIP로 압분체를 만들고 25μm두께의 알루미늄 박편으로 둘러쌌다.
(2) HIP 테스트를 동일한 조건하에서 행하였다(3개의 시편에 대해).
(3) HIP처리 후, 캡슐을 제거하여 소결된 제품을 끄집어 내었다. CIP성형 공정에서 존재한 틈이 여전히 일부 남아있어서 실시예2와 비교했을 때 인정할 정도로 향상된 밀도를 얻지 못했다. 캡슐화 한후에 계속된 이동시에 알루미늄 박편에 손상이 일어났고, 몇몇 경우에는 HIP처리전에 캡슐을 폐기하여야 했다. 25μm두께의 알루미늄 박편을 SEM 관찰하였을 때 작은 핀홀이 발견되었는데, 그것은 탭슐이 충분히 밀봉된 상태로 유지되지 않았음을 뜻한다. 그러나 50μm두께의 알루미늄 박편은 핀흘과 밀봉에 관한 문제가 없었다.
[비교예 2]
(1) 실시예1에서와 같은 방법에 따라 CIP로 압분체를 만들고 400μm두께의 스테인레스 박편으로 둘러쌌다.
(2) 캡슐안의 가스는 용접 공정에서 진공 펌프로 배기되지만 금속 박편은 압분체의 윤곽과 일치하지는 않았다. 따라서, 제품은 HIP처리시에 불균일한 변형이 일어나고 소결체의 여러 부분에서 밀도가 달랐다. 그외에도, 금속 박편의 두께가 400μm로 두껍기 때문에 틴맨즈 가위로 용이하게 자를 수 없고 절단기를 사용하여 캡슐을 제거하는데 시간이 걸렸다.
본 발명은 바람직한 실시예와 실시예를 통하여 설명되었지만 본 발명의 방법은 본 발명의 정신과 주제에서 벗어나지 않고서 기타 대체 수단을 사용하여 실행할 수 있음을 이해하여야 한다. 또한 본 명세서의 바람직한 실시예는 단지 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하는 것은 아니며, 본 발명에는 첨부한 청구범위에 속하는 모든 수정과 변경이 포함됨을 이해하여야 한다.

Claims (13)

  1. 열간 또는 온간 정수압 성형으로 처리될 재료를 캡슐화 하는 방법에 있어서, (a) 두께가 30μm 내지 300μm인 금속 박편으로 치밀하지 않거나 조밀한 분말 형태의 처리 재료를 싸고 ; (b) 상기한 재료를 상기한 금속 박편에 밀봉된 상태로 캡슐화 하기 위해 상부 및 하부 금속 박편 부분을 용접하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 열간 또는 온간 정수압 성형으로 처리될 재료를 캡슐화 하는 방법에 있어서, (a) 두께가 30μm 내지 300μm인 금속 박편으로 치밀하지 않거나 조밀한 분말 형태의 처리 재료를 싸고 ; (b) 상기한 재료를 상기한 금속 박편에 밀봉된 상태로 캡슐화 하기 위해 비활성 기체분위기 속에서 상부 및 하부 금속 박편부분을 용접하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 열간 또는 온간 정수압 성형으로 처리될 재료를 캡슐화 하는 방법에 있어서, (a) 두께가 30μm 내지 300μm인 금속 박편으로 치밀하지 않거나 조밀한 분말 형태의 처리 재료를 싸고 ; (b) 상기한 처리 재료와 둘러싸는 금속 박편을 창이 있는 챔버에 놓고 ; (c) 상기한 챔버로부터 진공 펌프로 배기시키고 ; (d) 상기한 처리 재료를 상기한 금속 박편에 밀봉된 상태로 캡슐화 하기 위해 상기한 창을 통해 조사되는 빔으로 상부 및 하부 금속 박편부분을 용접하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 열간 또는 온간 정수압 성형으로 처리될 재료를 캡슐화 하는 방법에 있어서, (a) 두께가 30μm 내지 300μm인 금속 박편으로 치밀하지 못하거나 조밀한 분말 형태의 처리 재료를 싸는 공정 ; (b) 상기한 금속박편 부분 사이의 틈새 간격이 상기한 금속 박편 두께의 1/10보다 작도록 상부 및 하부 금속박편부분을 밀접하게 접하도록 지지하고 ; (c) 상기한 처리 재료를 상기한 금속 박편에 밀봉된 상태로 캡슐화 하기 위해 밀접하게 접해 있는 금속 박편부분을 용접하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 열간 또는 온간 정수압 성형으로 처리될 재료를 캡슐화 하는 방법에 있어서, (a) 치밀하지 않거나 조밀한 분말 형태의 처리 재료를 두께가 30μm 내지 300μm인 자루형태의 금속박편내에 넣고 ; (b) 상기한 자루형태의 금속박편내의 구멍에 배기 파이프를 삽입하고 상기한 파이프에 상기한 구멍을 밀봉하고 ; (c) 상기한 배기 파이프를 통해 진공 펌프로 상기한 자루형태의 금속박편으로 부터 배기시키고 ; (d) 상기한 처리 재료를 상기한 금속 박편에 밀봉된 상태로 캡슐화 하기 위해 상기한 처리 재료와 상기한 배기 파이프사이의 라인을 따라 상기한 금속박편을 겹침 용접하는 것으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기한 자루형태의 금속 박편의 상기한 구멍이 접착제를 사용하여 상기한 금속 박편을 상기한 배기 파이프에 접착시켜 밀봉되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기한 처리재료가 상기한 처리 재료와 상기한 금속 박편 사이에 놓인 소결되지 않은 세라믹으로 된 코팅층을 통해 상기한 금속 박편에 둘러싸여 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기한 처리재료가 상기한 금속 박편에 둘러싸이기 전에 세라믹 페이퍼로 덮이는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기한 처리 재료가 지르코늄 박편과 함께 상기한 금속 박편에 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기한 처리 재료가 티타늄 박편과 함께 상기한 금속 박편에 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기한 금속 박편이 상기한 처리 재료를 수용하기 위한 적어도 하나의 우묵한 곳이 있는 트레이 부분과 평평한 뚜껑 부분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 열간 또는 온간 정수압 성형으로 처리될 재료를 캡슐화 하기 위한 장치에 있어서, (a) 처리 재료를 둘러싸는 금속 박편의 상부 및 하부 부분을 밀접하게 접하도록 지지하기 위한 클램프 수단 ; (b) 상기한 금속 박편의 표면에 실제적으로 수직인 방향으로 조사되는 빔으로 상기한 금속 박편 부분을 용접하기 위한 수단 ; (c) 상기한 용접 수단 또는 금속 박편을 상기한 금속박편의 표면에 실제적으로 평행한 평면으로 움직이기 위해 상기한 용접 수단 또는 상기한 금속 박편에 연결된 급송 수단이 결합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 열간 또는 온간 정수압 성형으로 처리될 재료를 캡슐화 하기 위한 장치에 있어서, (a) 처리 재료를 둘러싸는 금속 박편의 상부 및 하부 부분을 밀접하게 접하도록 지지하기 위한 클램프 수단 ; (b) 상기한 클램프 수단을 수용하는 하우징이 있고 창이 구비된 진공 챔버 ; (c) 상기한 진공 챔버 외부에 위치하고, 상기한 박편 부분을 용접하고 상기한 금속 박편의 표면에 실제적으로 수직인 방향으로 상기한 창을 통해 상기한 진공 챔버속으로 빔을 조사하게 되는 용접 수단 ; (d) 상기한 금속 박편의 실제적으로 평행한 평면으로 상기한 용접 수단 또는 금속 박편을 움직이기 위해 상기한 용접 수단 또는 상기한 금속 박편에 연결된 급송 수단이 결합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
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