KR960002413B1 - 아이소스태틱 프레싱에 의한 분말 물질 물품의 제조방법 - Google Patents

아이소스태틱 프레싱에 의한 분말 물질 물품의 제조방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

아이소스태틱 프레싱에 의한 분말 물질 물품의 제조방법
제1도는 본 발명에 따라 장벽층을 구비한 예비 성형체의 개요도.
제2도는 글라스 케이싱에 설치된 예비 성형체의 개요도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 예비 성형체 11 : 장벽층
19 : 케이싱 20 : 흑연 도가니
32 : 해제층
본 발명은 분말 물질을 예비 성형한 성형체를 아이소스태틱(isostatic) 프레싱하여 분말 물질 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
소결 제품에 소정의 밀도를 부여하기 위해 소결온도에서 예비 성형체를 아이소스태틱 프레싱할 때, 통상 가스를 이용하는 압력매체가 분말체로 침투하는 것을 방지할 수 있는 케이싱으로 예비 성형체를 둘러싼다. 여러가지 방법으로 예비 성형체상에 또는 주위에 인가할 수 있는 입자형의 글라스가 케이싱으로 흔히 사용된다. 이어서 글라스 입자가 예비 성형체 주위에 조밀한 케이싱을 형성하는 온도에서, 그리고 통상 진공하에서 상기 케이싱이 인가된 예비 성형체를 가열한다. 차후의 아이소스태틱 프레싱중, 승온상태에서 예비 성형체가 압력을 받으면, 보통 케이싱의 글라스가 예비 성형체의 기공으로 침투하거나 및/또는 성형체의 표면부와 반응하는 문제가 야기된다. 이를 방지하기 위해 분말체를 장벽층(barrier layer)으로 둘러쌀 수 있다. 상기 장벽층은 붕소 질화물 분말로 구성할 수 있음은 공지된 사실이다. 붕소 질화물은 아이소스태틱 프레싱에 의한 물품의 제조에 사용되는 세라믹 및 금속 재료와 반응하는 경향이 거의 없고, 붕소 질화물이 비교적 연하고 강도가 낮아서 용이하게 제거할 수 있으므로 장벽층 물질로서 적합하다. 그러나, 장벽층으로서의 붕소 질화물의 기능은 프레스 및 소결된 최종 제품의 성질에 상당한 요구조건이 부여되는 경우에는 만족스럽지 못한 것으로 밝혀졌다. 그 이유는 붕소 질화물층은 약간의 기공도를 가지고, 따라서 저점도 글라스가 약간 통과하는 경향을 충분히 효율적으로 방지할 수 없고, 그리고 이 글라스가 예비 성형체의 기공으로 침투하거나 및/또는 그 표면에서 반응하는 것을 방지할 수 없음으로 그 내부에 글라스, 또는 글라스와 예비 성형체의 물질의 반응 생성물 때문에 특성이 감쇄된다.
본 발명에 따르면, 용융 글라스의 침투를 완벽하게 저지하거나, 또는 경우에 따라 이를 최소화함으로써 침투에 의한 손상을 제거하거나, 또는 최소화할 수 있으며, 예비 성형체의 물질과 반응하는 경향이 거의 없으며, 또한 강도가 낮기 때문에 프레스 및 소결된 최조 제품으로 부터 장벽을 용이하게 제거할 수 있는 장벽층을 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 붕소 질화물 분말의 하나 이상의 층과, 케이싱에서 용융 글라스와 접촉할 때 붕소 질화물을 함유하는 층이 글라스에 대해 불침투성이 되게 하는 성능을 갖춘 분말 물질과 붕소 질화물 분말의 혼합물의 하나 이상의 층을 조합하여 실시한다.
특히, 본 발명은 분말 물질로 부터의 예비 성형체를 가스 매체로서 아이소스태틱 프레싱하여 분말 물질의 물품을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 글라스 또는 가열시 글라스를 형성하는 물질의 케이싱을 예비 성형체에 구비하고, 케이싱의 내측 예비 성형체에 케이싱으로 부터 융체 형태의 글라스가 예비 성형체로 침투하는 것을 방지하는 붕소 질화물을 함유하는 장벽층을 배치하며, 가열하여 글라스 케이싱을 가스 불침투성으로 한 다음, 예비 성형체를 아이소스태틱 프레싱하는 동시에 소결하는 것으로, 상기 장벽층이 붕소 질화물 분말을 함유하는 적어도 두개의 층으로 형성되어 있으며, 그 한 층(12)이 붕소 질화물로 구성되고, 한 층(13)은 붕소 질화물 분말과 첨가물질 분말의 혼합물로 되어 있으며, 케이싱으로 부터 융체 형태의 글라스와 접촉할 때 붕소 질화물을 함유하는 층이 케이싱의 용융 글라스에 대해 불침투성인 것을 특징으로 한다.
붕소 질화물은 유효 특성을 갖는 시중의 붕소 질화물로 구성할 수 있다. 상기 특성은 붕소 산화물의 형태로 일정량의 산소를 함유한다. 붕소 질화물로 구성되는 층의 붕소 질화물에서 이물질 함량은 많아야 10체적%까지 바람직하다.
첨가물질은 융체의 외피와 글라스가 접촉할 때, 접촉영역에서 글라스의 점성을 상승시키고 따라서 붕소 질화물층과 첨가물질층을 통해 침투하는 성능을 감소시키는 능력이 있는 물질로 구성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 작용할 수 있는 첨가물질의 예로서는 케이싱에서 글라스보다 융점이 높은 실리콘 카바이드, 실리콘 질화물 및 글라스가 있다. 통상의 공업용 품질의 실리콘 카바이드 및 실리콘 질화물의 입자는 이 산화 실리콘의 형태로 일정량의 산소를 함유하는 표면영역을 갖는다. 이러한 성질은 상기 입자가 용융 글라스에 의하여 젖게 되고 입자가 용해되지 않고서도 표면에서 이 글라스와 반응하게 되는 것으로 생각되며, 이는 글라스 점성의 상승으로 이어진다. 실리콘 카바이드와 실리콘 질화물 이외의 산화물 함유 표면을 가지고 대응하는 방법으로 글라스와 반응할 수 있는 다른 물질도 첨가물질로 사용할 수 있다. 첨가제로 사용할 수 있는 글라스의 종류중에서 케이싱에 대해 아래에 예로든 저융점형과 같이 저융점 글라스를 케이싱 물질로서 사용할 수 있다면, 96.7중량% SiO2, 2.9중량% B2O3및 0.4중량% Al2O3(Vycor
Figure kpo00001
)를 함유하는 글라스와 석영 글라스를 언급할 수 있다. 케이싱으로 부터 저융점형 용융 글라스가 장벽층에서 고융점 글라스와 접촉할 때, 저융점형 글라스의 점성이 현저하게 상승하기 때문에 층의 침투가 일어나지 않거나, 또는 상당히 억제된다. 혼합물에서 첨가물질의 체적은 그 혼합물에서 붕소 질화물과 첨가물질의 총체적에 대해 20~80%, 바람직하게는 30~70%가 적절하다.
붕소 질화물과 첨가물질의 입도는 0.1~45㎛, 바람직하게는 0.1~5㎛가 적절하다. 특히, 바람직한 입도는 0.3~2㎛이다.
붕소 질화물로 구성되는 층의 두께는 물론, 붕소 질화물과 첨가물질의 혼합물로 구성되는 층의 두께는 0.05~0.5㎜, 바람직하게는 0.1~0.3㎜가 적절하다.
상기로 부터 분명하듯이. 붕소 질화물은 아이소스태틱 프레싱으로 물품을 제조하는데 사용될 수 있는 대부분의 분말 물질에 대해 불활성이다. 따라서, 약간 덜 불활성인 붕소 질화물과 첨가물질의 혼합물층은 상기 붕소 질화물층의 외측에 배치된다. 보통, 상기 붕소 질화물과 첨가물질의 혼합층의 외측에도 붕소 질화물층만을 이용하는 것이 적절하다.
어떤 경우에는, 최종 완성 제품의 성질이 크게 요구될 때, 상기 붕소 질화물과 첨가물질의 혼합층이 붕소 질화물층과 택일적으로 배치되도록 단지 붕소 질화물 몇개의 층(예컨데, 3 또는 4개의 층)과, 붕소 질화물과 첨가물질의 혼합물의 수개 층을 사용할 필요가 있다.
붕소 질화물 및 붕소 질화물과 첨가물질의 혼합물 층의 각각은 가능한한 부틸 아크릴레이트와 같은 접합제를 포함하는 예를들어, 아세톤, 에타놀 또는 알코올과 같은 용매에 붕소 질화물 또는 붕소 질화물과 첨가물질의 슬러리에 예비 성형체를 담그거나 또는 이 슬러리를 분사시킨 다음, 예비 성형체를 건조하여 얻을 수 있다.
물품을 제조하는 분말 물질은 세라믹 물질 또는 금속성 물질로 하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 이용할 수 있는 세라믹 물질의 예로서, 실리콘 질화물, 특히 글라스와 반응하는 산화물을 함유하는 경우, 실리콘 알류미늄 산화 질화물, 알류미늄 질화물, 티탄 질화물, 지르코늄 질화물 등의 질화물, 알류미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 전부 및 일부 안정화된 망간 산화물 등의 금속 산화물, 실리콘 카바이드, 붕소 카바이드 및 티탄 카바이드 등의 카바이드, 그리고 티탄 붕소화물, 지르코늄 붕소화물 등의 붕소화물과 상기 혼합물을 들 수 있다.
금속성 물질의 예로서 여러가지가 있으나 예를 들면, 0.33% C, 0.30% Si, 0.40% Mn, 0.01% P, 0.01% S, 2.8% Cr, 0.6% Mo, 나머지는 Fe인 3% Cr-Mo 강, 또는 0.18% C, 0.25% Si, 0.60% Mn, 0.01% P, 0.01% S, 11.5% Cr, 0.5% Ni, 0.5% Mo, 0.3% V, 0.25% Nb, 나머지는 Fe인 12% Cr-Mo-V-Nb 강, 또는 1.27% C, 0.3% Si, 0.3% Mn, 6.4% W, 5.0% Mo, 3.1% V, 4.2% Cr, 나머지는 Fe인 합금등의 강, 철기지 합금과, 예를들어 0.03% C, 15% Cr, 17% Co, 5% Mo, 3.5% Ti, 4.4% Al, 0.03% B, 나머지는 Ni인 합금, 또는 0.06% C, 12% Cr, 17% Co, 3% Mo, 0.06% Zr, 4.7% Ti, 5.3% Al, 0.014% B, 1.0% V, 나머지는 Ni인 합금등의 니켈기지 합금을 언급할 수 있다. 여기서 %는 중량%를 말한다.
예비 성형체 주위의 케이싱에서 글라스에 이용할 수 있는 물질의 예로서, 80.3중량% SiO2, 12.2중량% B2O32.8중량% Al2O3,4.0중량% Na2O, 0.4중량% K2O, 및 0.3중량% CaO(Pyrex
Figure kpo00002
)를 함유하는 글라스, 58중량% SiO2, 9중량% B2O320중량% Al2O3,5중량% CaO 및 8중량% MgO를 함유하는 실리케이트,예컨데 가열시 글라스를 형성하는 SiO2, B2O3Al2O3와 알카리 금속 및 알카리 토금속 물질입자의 혼합물과 같은 저융점 글라스를 언급할 수 있다. 고온 소결재료에 대해서는 96.7중량% SiO2, 2.9중량% B2O3및 0.4중량% Al2O3(Vrcor
Figure kpo00003
)를 함유하는 글라스, 석영 글라스 및 가열시 글라스를 형성하는 예컨대 SiO2와 B2O3입자의 혼합물과 같은 고융점 글라스를 사용할 수 있다.
세라믹 또는 금속성 물질의 아이소스태틱 프레싱 및 소결을 위한 압력 및 온도는 물론 이들 물질의 종류에 따라 다르다. 그러나, 정상적으로는 압력이 적어도 100MPa, 온도는 적어도 1000℃이어야 한다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
[실시예 1]
예컨데, 제조할 예비 성형체와 거의 같은 형상의 연질 폴리비닐클로라이드 또는 고무의 플라스틱 캡슐에 입도 0.1~2㎛의 알류미늄 산화물을 위치시킨다. 캡슐을 밀봉하고 그 내용물과 함께 캡슐을 실온에서 5분간 600MPa로 치밀화시킨다. 치밀화가 종료된 후 캡슐을 제거하여 얻은 성형체를 소정의 형상으로 기계 가공한다.
기계 가공하여 얻은 예비 성형체(10)는 제1도와 같이 원통형이다. 그 위에 아이소스태틱 프레싱중 분말을 둘러싸는 글라스 외피로 부터 글라스의 침투를 방지하기 위해 장벽층(11)를 인가한다. 장벽층(11)은 서로 중첩된 5개의 층(12,13,14,15,16)으로 구성된다. 제1도에서 이들 층의 두께는 크게 확대하여 도시한 것이다. 층(12)은 입도 0.3~2㎛의 붕소 질화물 40중량%, 폴리메틸메타크릴레이트 3중량% 및 아세톤 57중량%를 함유하는 슬러리를 사용하여 인가한다. 성형체 위에 이 슬러리를 분사하여 모든 표면이 이 슬러리로 덮히도록 한다. 아세톤이 증발하면 이 층의 두께는 0.2㎜가 된다. 이어서 역시 17중량% 붕소 질화물, 26중량% 실리콘 카바이드, 3중량% 부틸 아크릴레이트 및 54중량% 이소프로파놀을 함유하는 슬러리를 분사하여 층(13)을 인가한다. 건조한 후, 층(13)은 0.2㎜의 두께를 갖는다. 층(13)은 붕소 질화물과 실리콘 카바이드의 총량중에서 붕소 질화물이 50체적%, 실리콘 카바이드 50체적%를 구성한다. 층(13)과 같은 종류의 층(14)을 인가하고, 층(14)에 층(13)과 마찬가지로 층(13)과 같은 종류의 층(15)을 인가하고, 층(15)에 층(12)과 마찬가지로 층(12)과 같은 종류의 층(16)을 인가한다. 층(12~16)의 두께는 1㎜이다.
제2도에서와 같이, 그 내부에 해제층(21)이 구비된 흑연 도가니(20)에 배치된 글라스 입자 형태의 글라스 케이싱(19)을 장벽층(11)이 인가된 상기 예비 성형체(10)에 구비한다. 상기 글라스는 80.8중량% SiO2, 12.2중량% B2O38.2중량% Al2O3,4.0중량% Na2O, 0.4중량% K2O 및 0.3중량% CaO로 구성된다. 그 내용물과 함께 도가니(20)를 노에 넣고, 여기서 장벽층(11)의 접합제, 즉 아크릴레이트를 진공으로 날려버리고, 동시에 400℃까지 점차적으로 온도를 상승시키며, 이 온도에서 몇시간 유지시킨다. 이어서, 그 내용물과 함께 도가니(20)를 예로들어 아르곤 등의 가스를 공급하여 필요한 압력을 얻을 수 있고 통상의 가열장치로써 필요한 온도를 얻을 수 있는 고압로에 넣는다.
우선, 도가니(20)를 대기압에서 1000~1200℃로 가열하여 글라스 케이싱이 용체를 형성하고 가스 불침투성이 되게 한다. 이어서, 압력을 150MPa까지, 온도를 1300~1400℃까지 상승시키고, 이 조건에서 3시간동안 유지한다. 이로써 알류미늄 산화물이 소결되는 동시에 밀도 99.9%의 이론치를 갖는 성형체가 형성된다. 성형체를 냉각하고 캡슐을 제거하면, 강 브러시 또는 블래스팅(blasting)으로써 장벽층(11)을 쉽게 제거할 수 있다.
[실시예 2]
0.18% C, 0.25% Si, 0.60% Mn, 0.01% P, 0.01% S, 11.5% Cr, 0.5% Ni, 0.5% Mo, 0.3% V, 0.25% Nb, 나머지는 Fe이고 800μ보다 작은 입도를 갖는 12% Cr-Mo-V-Nb 강의 물품을 제조하기 위해 실시예 1과 동일한 과정을 개량하여 사용하였다. 그러나, 층(13)과 층(15)에는 실리콘 카바이드 대신에 같은 체적의 실리콘 질화물을 사용한다. 또한, 층(16)에 층(13,15)과 같은 종류, 즉 동일 체적의 붕소 질화물과 실리콘 카바이드를 함유하는 층(17)을 인가하고, 층(17)에 붕소 질화물만을 함유하는 층(18)을 인가한다. 이 경우, 1200℃에서 아이소스태틱 프레싱을 실시한다.
[실시예 3]
층(13)과 층(15)에 실리콘 카바이드 대신에 고융점 글라스를 이용한 점을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 알류미늄 산화물의 물품을 제조한다. 따라서, 이들 층은 동일 체적의 붕소 질화물과 고융점 글라스의 혼합물로 구성된다. 이 글라스는 96.7중량% SiO2, 2.9중량% B2O3및 0.4중량% Al2O3로 구성할 수 있다.

Claims (7)

  1. 분말 물질의 예비 성형체(10)를 가스 압력매체로 아이소스태틱 프레싱하여 분말 물질의 물품을 제조하는 방법으로서, 글라스 또는 가열시 글라스를 형성하는 물질의 케이싱(19)을 예비 성형체에 구비하고, 케이싱의 내측 예비 성형체에 케이싱으로 부터 융체형태의 글라스가 예비 성형체로 침투하는 것을 방지하는 붕소 질화물을 함유하는 장벽층(11)을 배치하며, 가열하여 글라스 케이싱을 가스 불침투성으로 한 다음, 예비 성형체를 아이소스태틱 프레싱하는 동시에 소결하는 방법에 있어서, 상기 장벽층이 붕소 질화물 분말을 함유하는 두개의 층(12,13)으로 형성되어 있으며, 그 한 층(12)이 붕소 질화물로 구성되고, 한 층(13)은 붕소 질화물 분말과 첨가물질 분말의 혼합물로 되어 있으며, 케이싱으로 부터 융체형태의 글라스와 접촉할 때에 붕소 질화물을 함유하는 층이 케이싱의 용융 글라스에 대해 불침투성인 것을 특징으로 하는 아이소스태틱 프레싱에 의한 분말 물질 물품의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 첨가물질이 케이싱의 용융 글라스와 접촉할 때에 접촉 영역에서 글라스의 점성을 상승시키는 물질로 구성됨을 특징으로 하는 아이소스태틱 프레싱에 의한 분말 물질 물품의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 첨가물질이 실리콘 카바이드, 실리콘 질화물 또는 케이싱의 글라스보다 고융점인 글라스로 구성됨을 특징으로 하는 아이소스태틱 프레싱에 의한 분말 물질 물품의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 붕소 질화물 분말로 구성된 층(12)이 붕소 질화물 분말과 첨가물질 분말의 혼합물로 구성되는 층(13)의 내측에 배치됨을 특징으로 하는 아이소스태틱 프레싱에 의한 분말 물질 물품의 제조방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 장벽층(11)이 붕소 질화물 분말로 구성되는 두개의 층(12,14)과 이 사이에 배치된 붕소 질화물 분말과 첨가물질 분말의 혼합물로 구성된 층(13)을 구성함을 특징으로 하는 아이소스태틱 프레싱에 의한 분말 물질 물품의 제조방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 장벽층이 붕소 질화물 분말로 구성된 세개의 층(12,14,16)과, 붕소 질화물 분말과 첨가물질 분말의 혼합물로 구성되고 각각이 붕소 질화물 분말로 구성된 두개의 층 사이에 배치된 두개의 층(13,15)을 구성함을 특징으로 하는 아이소스태틱 프레싱에 의한 분말 물질 물품의 제조방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 장벽층이 붕소 질화물 분말로 구성된 네개의 층(12,14,16,18)과, 붕소 질화물 분말과 첨가물질 분말의 혼합물로 구성되고 각각이 붕소 질화물 분말로 구성된 두개의 층 사이에 배치된 세개의 층(13,15,17)을 구성함을 특징으로 하는 아이소스태틱 프레싱에 의한 분말 물질 물품의 제조방법.
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