KR960010246B1 - 분말물질의 성형방법 - Google Patents

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Description

분말물질의 성형방법

제1도는 본 발명의 방법에 의해 용기내에 분말물질(powdered or granular material)만을 넣은 상태를 보이는 도면.

제2도는 국부적 가압방법을 보이는 도면.

제3도는 얻은 제품을 보이는 도면.

제4도는 코어와 국부적으로 가압되는 용기간의 공간에 분말물질이 충진된 상태를 보이는 도면.

제5도는 분말물질이 용기와 기층물체(substrate)의 내벽간의 공간에 점착된 상태의 도면.

제6도 내지 제8도는 본 발명의 실시예 1∼3의 제품을 보이는 도면.

제9도 내지 제14도는 본 발명의 다른 실시예의 도면.

본 발명은 용기를 사용하여 분말물질을 응집(agglomeerate) 하기에 앞서 분말물질 자체를 어떤 형상으로 성형하거나 또는 용기를 사용하여 기층물체의 외표면 또는 내외표면에 분말물질을 성형하는 방법에 관한 것이다.

각종 금속 또는 세라믹의 분말로 제조된 목적물을 얻기 위한 방법으로서, 분말물질이 소망하는 형상으로 성형되어, 소결 또는 분말단조방법에 의해 응집된다. 이들 경우에, 사용하는 물질의 형상 또는 소결방법에 상응하여 그 물질을 시일링하는 용기가 사용된다. 육성용접을 포함하여, 로울표면에 내마모성, 내열성 또는 내식성 물질을 점착하는 방법은 몇가지가 있다. 그 중에는, 연강과 같은 내열물질로 제조된 용기가 어떤 간격을 두고 로울을 커버하며, 로울과 용기 사이의 공간에 분말물질을 채워넣고, 고온과 고압상태에서 열간 균등 정적 가압방법(hot isostatic pressing method)이 분말물질에 가해지며, 그때에 분말물질은 로울의 외표면에 견고히 점착 및 소결되는 방법도 있다. 이 방법은 기층물체가 중공체이고 분말물질이 기층물체의 중공내벽에 견고히 점착되는 경우에도 동일하게 응용될 수 있다.

분말물질을 응집하는 경우에 분말물질은 소망하는 형상으로 성형된 용기에 장입되고 밀봉된다. 이 경우, 용기의 상부의 간극은 장입된 물질의 밀도가 상층부에서 작은 까닭에 피할 수가 없는 것이다.

열간 균등 정적 가압방법을 사용하여 기층물체의 외표면에 소망하는 물질을 점착하는 경우, 기층물체와 용기간의 공간이 좁은 상태하에서는 균일한 밀도로 분말물질을 채워넣기는 어렵고, 얻은 층의 일부가 불균일하게 된다. 따라서 종래의 방법에서는 기층물체와 용기간의 필요한 공간보다도 더 큰 폭의 용기가 사용되었으며, 분말물질이 용이하게 균일한 밀도의 상태로 되고, 여분의 작은 밀도부를 유발하는 감축에 대비하여 두었다가, 후에 이 두께의 여분이 절취된다. 따라서, 이 방법은 물질의 낭비와 높은 강도를 가지는 소결층을 절취하기 위한 시간의 낭비를 초래하는 것이다.

또한, 비록 강도와 기타 성질들을 지향성으로 섬유물질 또는 섬유구조를 혼합한 물질을 사용하여 향상시켰다 하더라도, 그리고 응집후 제품에 섬유구조에 의하여 지향성이 남도록 한다는 것은, 비록 섬유구조가 사용되었다 하더라도 분말물질을 다지는 통상적인 방법으로서는 성취하기가 어렵다.

본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 기술에서의 문제점을 해결하고, 소망하는 성형체가 분말물질을 성형함과 동시에 쉽게 얻어지며, 다른 부재의 중공 내벽면의 표면에 소결층으로서 분말물질을 성형하며, 그리고 성형된 층의 밀도가 모든 부분에서 균등하게 성형되는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 분말물질이 소망하는 방향에 대하여 균일하게 제조되고, 그리고 분말물질의 일부가 섬유제품과 같이 한쪽으로 긴 형상의 물체를 포함하는 경우에 얻은 제품에 방향성을 부여케 하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 다음과 같은 단계에 의하여 성취된다. 즉, 적어도 금속, 세라믹 및 카아본중의 하나를 포함하는 분말물질이 금속 원통용기내에 넣어지고, 상기 용기가 밀봉되며 상기 용기의 길이방향축을 회전중심으로 회전하며 상기 용기의 외표면으로부터 국부적으로 가압되며, 상기 가압국부가 점차적으로 이동되어 상기 용기를 변형시킴으로써, 상기 분말물질은 거의 모든 부분에서 밀도가 균일한 상태로 상기 용기의 변형에 맞는 형상으로 성형된다. 이 경우, 코어가 미리 원통용기내에 넣어지며, 용기와 상기 코어간의 공간에 상기 분말물질이 장입되어 상기 용기의 외표면으로부터 국부적으로 점진적으로 가압됨으로써, 소망하는 형상을 가지는 상기 분말물질이 상기 용기주위에 성형되며, 상기 금속 원통용기가 기층물체의 중공부에 넣어지며, 상기 중공부는 파이프 또는 기층물체로서 어디든 외부로 개방부를 가진다. 상기 분말이 상기 원통용기 둘레에 장입되어 용기 전체를 회전시키며 상기 원통용기의 내표면으로부터 점진적으로 국부적으로 변형됨으로써, 상기 분말물질이 기층물체의 중고 내벽에 맞는 형상을 갖는 형태로 성형된다.

이하, 본 발명을 첨부도면에 의하여 상세히 설명한다.

분말물질이 다른 물체의 내 또는 외표면에 응집하는 상태 또는 분말물질 자체를 유지하는 때에 분말물질이 소망하는 형상으로 성형된다. 본 발명의 방법으로 소망하는 형상으로 성형된 후 성형된 분말물질은 소결 또는 분말단조와 같은 통상적인 방법으로 응집된다. 따라서, 통상적인 방법에 의하여 응집되는 모든 원료물질은 본 발명의 방법의 분말물질의 원료로서 사용될 수 있다. 따라서, 금속(합금을 포함), 세라믹, 카아본 또는 이들의 혼합물, 또는 여러가지 종류의 세라믹 단독분말 또는 이들의 혼합물, 및 유리로 불려지는 물질 등이 분말물질의 원료로 사용된다.

여러가지 분말물질(1)이 제1도에 보이는 바와 같이 금속(합금을 포함) 용기(2)에 장입되고, 용기(2)가 제2도에 보이는 바와 같이 옆으로 설치되어 회전이 자유롭게 유지되며, 용기(2)는 작은 로울러(3)를 사용하여 외표면으로부터 국부적으로 가압되며 회전되고, 용기(2)는 제3도에 보이는 바와 같이 길이방향을 따라 가압부분을 이동함으로써 변형된다. 여러가지 가압수단, 즉 작은 로울러에 의한 가압, 주걱체로서의 가압 및 햄머로 국부적으로 타격 등이 제2도에서 보여주는 바와 같이 국부적 가압을 위한 도구로서 사용된다. 그리고, 상기 가압도구는 1개로 한정되는 것이 아니며 복수의 가압도구가 적당한 위치에 배치되어 동시에 사용된다. 또한, 국부적 가압은 때로는 용기의 전체 또는 단지 가압부분만을 가열함으로써 수행된다.

다음으로, 제4도는 코어(4)가 금속용기(2)의 내부로 삽입되고, 단부들은 상기 코어(4)의 외표면과 용기(2)의 내벽 사이가 균일한 간격이 되도록 일시적인 스토퍼와 같은 것을 사용하여 용접하여 고정되며, 분말물질(1)이 상기 코어(4)의 외표면과 용기(2)의 내벽 사이의 공간에 장입되고, 용기의 개방부는 봉하여지며, 제2도에 보이는 바와 같은 동일한 방법으로 작은 로울러(3)에 의해 국부적인 가압이 행해진다.

제5도는 금속 원통용기(2)가 중공 기층물체(5)내에 삽입되고, 용기(2)의 외표면과 기층물체(5)의 내벽면간의 공간상태가 어떤 부분에서도 거의 동일한 간격이 되도록 된 것을 보인다. 또, 용기(2)의 필요한 부분들이 분말물질(1)이 외부로 새어나오지 않도록 봉하여지며 작은 로울러(3)에 의해 용기(2)의 내부로부터 국부적으로 가압된다. 제4도와 제5도에 도시된 바와 같은 방법을 사용하여, 분말물질(1)이 코어(4)의 외표면 또는 기층물체(5)의 내면에 형성되며, 용기(2)에 의하여 커버되어 소망하는 형상으로 성형된다.

용기(2)의 변형부분이 제3도에서 보이는 것과 같이 서로 다른 제품을 얻게 되고, 분말물질(1)이 비록 제6도에 보이는 바와 같이 코어(4)의 외경이 부분들에 따라 크게 다른 코어일지라도 거의 균일한 두께로 외표면에 배치될 수 있으며, 홈(16)이 제7도에 도시된 바와 같이 코어(4)의 외표면에 형성된 제품을 얻을 수 있으며, 또한 분말물질(1)이 제8도에 도시된 바와 같이 각 부분들에서 용기(2)의 변형을 다르게 하여 국부적 가압을 함으로써 상이한 형상으로 성형될 수 있다.

제2도, 제4도 및 제5도에 도시된 방법들에 있어서, 용기(2)의 개방부 또는 용기(2)와 코어(4) 또는 기층물체(5)간의 공간 등은 본 발명의 방법에 의하여 분말물질(1)의 최초 충진시 충분히 넓게 취하도록 한다. 용기(2)는 분말물질(1)의 충입후 국부적으로 가압처리에 의해 그 직경이 감소 또는 확대되며, 그러므로 분말물질의 처음 충입은 상기 충입이 상당히 헐겁기 때문에 쉽게 행할 수 있다.

여러가지 종류의 형상으로 분말물질(1)을 최종적으로 성형하는 경우에 있어서도, 단순한 원통형상일지라도 최초로 사용하는 용기(2)로서 충분하다. 작은 로울러 등에 의한 국부적인 가압수단이 분말물질(1)을 단단히 하는데 및 본 발명의 방법의 소망하는 형상으로 성형하는데 사용된다. 따라서, 용기(2)가 부분적으로 파열된 때에 용액이 전체 분말물질(1)에 들어와도 어떤 불이익은 없는 것이다. 그리고, 성형된 분말물질(1)의 두께와 직경은 최초로 사용하는 용기(2)가 단순한 형상이고 분말물질(1)의 충입방법이 제1도에서 보이는 바와 같이 단순한 경우에 국부적인 가압수단에 의하여 부분적으로 변화될 수 있는 것이다.

다음으로, 본 발명의 방법에 있어서 용기(2)내에 또는 용기(2)와 코어(4) 또는 기층물체(5)와의 사이의 공간에 충진된 분말물질(1)의 형태에 관하여 설명하면, 분말물질(1)은 공급수단에 의하거나 또는 압력으로 강제로 충진되지 않으므로, 덩어리져 현가됨으로써 분말물질에 공동이 자연적으로 발생하며 그 피할 수 없는 공동은 충진된 분말물질의 상부 단부에 발생한다. 그때, 분말물질은 용기(2)를 회전시킴으로써 어느 정도의 유동성이 생기며, 각 부분에서의 밀도의 불균일성도 국부적인 가압에 의한 성형의 최종 단계에서 해소된다.

그리고, 이 현상은 최초로 충진하는 분말물질을 위한 공간의 체적보다도 최초로 충진하는 분말물질(1)의 체적을 작게 유지함으로써 일어난다. 분말물질(1)은 유동상태로 유지되며, 분말물질(1)은 용기(2)가 회전하면 원심력 작용에 의하여 약간 외측으로 이동되고, 분말물질(1)의 밀도는 용기(2)를 일정시간 계속 회전시키면 전체부분에서 거의 균일하게 되며, 상기 분말물질은 국부적인 가압에 의한 용기(2)의 변형시에 쉽게 이동되며 형성된 층의 밀도는 거의 전체부분을 통하여 균일하게 된다.

또한, 본 발명의 방법에 있어서, 상기 성형물질은 견고한 상태로 유지되며 따라서 상기 성형물질의 밀도는 상기 성형물질을 취급할 때 분말물질의 이동이 거의 없으므로 불균일하게 되지 않는다. 일부 또는 전체에 섬유 또는 절단와이어 형상을 갖는 분말물질(1)을 사용함으로써 상기 분말물질은 용기(2)를 회전시킴으로써 공간이 점차 감소될때 용기의 길이방향으로 지향될 수 있고, 그러므로 성형층은 큰 지향성을 갖도록 할 수 있다.

또한, 본 발명은 용기(2)의 형상에 따라 국부적인 가압에 있어 용기(2)의 회전세팅을 가로, 세로 또는 경사회전중 적당히 선택할 수 있다. 가로세팅 회전은 용기(2)가 비교적 길이방향으로 긴 경우에 중력에 의하여 분말물질(1)의 충진밀도의 변화가 완화되는 이유로 바람직하다. 세로세팅 회전은 용기(2)가 평편하고 짧은 경우 중력의 영향을 그다지 받지 않는다. 그리고, 세로세팅 회전은 회전의 용이성을 고려하면 가로세팅 회전보다 더욱 바람직하다.

또한, 외측으로 신장된 분기 파이프가 용기(2)에 배치되고, 이 분기파이프를 통하여 분말물질(1)을 충입하는 것이 필요할 때, 세로세팅 회전시키며 원심력으로 중력을 이용하는 것이 바람직하다. 따라서, 용기(2)의 형상, 성형된 층의 형상 및 회전의 용이성 등은 종합적으로 결정되여야 하며, 가로세팅, 세로세팅 및 경사세팅의 문제도 적당히 선택되어야 한다.

본 발명의 방법을 이하 실시예에 의하여 설명한다. 그러나, 본 발명은 다음 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

오오스테나이트 스텐레스강(SUS 316) 분말을 내부공간 체적의 80%를 점유하도록 원통형 연강 용기(1mm 두께, 150mmψ 내경×500mm 길이)에 넣고, 용기의 내부공간을 진공으로 배기한 후 개방부를 시일하였다. 그리고, 회전장치상에 가로로 놓고, 작은 로울러에 의한 가압이 회전하는 용기의 외표면에 가하여지고, 이때 용기의 전체영역에 국부적인 스피닝(spnning)이 이루어진다. 성형체는 열간균등정적 가압장치에서 1150℃, 100Kg/cm²하에 2시간 동안 유지처리한 후, 취출하여 용기를 절제하여 스텐레스강 소결체를 얻었다.

[실시예 2]

용기의 중심에 130mmψ의 개방부를 가지는 연강으로 된 단부판이 실시예 1과 재료, 형상 및 치수가 동일한 용기의 단부 개방부에 세트되었다. 상기 단부판의 개방부와 일치되는 외경과 길이 495mm를 가지는 S45C 강으로 된 봉상의 코어를 준비하여, 코어를 외측 단부가 단부의 개방부에 의하여 지지되도록 용기내에 삽입하고, 코어를 용기의 중심에 놓고, 외주면과 용기간의 공간과 단부판의 개방부와 코어간의 공간을 용접으로 봉하며, 코어 주면공간에 용기의 다른 개방부로부터 Co기 내열합금 분말을 공간체적의 80%만큼 채워넣었다. 다음, 상기 단부판과 동일한 단부판으로 다른 단부의 개방부를 용접한 후, 용기 내부공간을 진공을 배기하고 밀봉하였다. 용기는 가로로 세팅되어 회전되며 국부적으로 가압된 후, 열간 균등 정적 가압장치에 장입되어 1,150℃로 1시간 유지한 후 꺼내어, 용기를 제거하여, 상기 코어의 표면에 균일한 두께와 균일한 밀도를 갖는 소결된 Co기 내열합금의 층을 얻었다.

[실시예 3]

연강제 용기(두께 2mm, 외경 120mm, 길이 500mm)가 원통형 기층물체(두께 10mm, 내경 150mm, 길이 500mm)내에 삽입되고, 기층물체와 용기간의 공간의 체적의 80%를 점하도록 오오스테나이트 스텐레스강(SUS 316) 분말을 넣고, 상기 공간의 양단부를 봉하고, 진공으로 배기한 후, 회전장치 위에 가로세팅되어 회전하는 용기의 내표면으로부터 작은 로울러에 의해 가압하여, 국부적인 직경확장작업이 용기의 전체지역에서 수행되었다. 그리고 성형체는 실시예 1과 같이 열간 균등 정적 가압장치에서 소결되었다. 용기의 내부만을 절단제거하여, 스텐레스강의 소결층이 기층물체의 내표면에 점착된 제품을 얻었다.

또 다른 실시예를 제9 내지 제14도를 참고하여 상세히 설명한다.

제9도에 도시한 실시예는 분말물질(1)의 양과 용기(2)의 변형량이 외표면에 홈(6)을 갖는 코어(4)에 의하여 조절되며, 분말물질(1)이 홈(6)에만 들어간다. 이 실시예는 기층물체(5)와 상이한 성질을 홈(6)과 일치하는 부분에서만 부여하도록 시도하는 경우에 유용하다.

제10도는 외측 용기(2)를 제거한 상태를 도시하는 것으로서, 돌기봉(7)이 용기(2)의 변형과정에서 성형후 성형물질층의 외표면에 형성된 상태를 보이는 것이다.

또, 제11도는 분말물질(1)이 일측 주표면 뿐만 아니라 둥근 형상의 단부표면에 점착되는 실시예를 보인다. 제12도는 제11도에서의 두개의 제품이 동시에 성형된 상태를 도시한다. 이 방법은 용기를 파이프형상의 것을 사용할 수 있으므로 간단하다. 제13도의 실시예는 다른 부품이 기층물체(5)의 내측 요부의 중심에 자리잡은 보다 큰 직경을 가지는 요부를 도시한다. 제14도는 제13도의 (a)에 도시한 부분에 요부(8)를 갖는 실시예를 도시한다.

본 발명은 분말물질을 제한된 공간내에 넣을 때 많은 곤란을 수반하는 종래의 방법과 비교하여 분말물질을 쉽게 넣을 수 있도록 공간을 넓힐 수 있고, 또 본 발명은 후단계에서 공간을 제한함으로써 엷은 코우팅이 되도록 분말물질층을 성형함에 가장 적합하다. 또한 내부의 분말물질은 용기를 회전하면서 국부적인 가압변형이 수행되는 까닭에 유동상태에 있으며, 또한 각 부분의 밀도의 불균일을 피할 수 있고, 변형에 의한 성형후 분말물질의 두께와 직경을 쉽게 선정할 수 있다. 또한, 코어 또는 기층물체의 중심을 세팅하고 회전과 국부적인 가압을 행함으로써 비록 용기가 변형된 형상과 다소의 굴곡된 형상을 가질지라도 소망하는 형상을 갖는 용기를 얻을 수 있다. 또, 분말물질이 용기내에 밀봉되므로, 국부적인 가압이 행해질 때 및 후의 응집을 위한 열처리까지 기다리는 동안 산화와 같은 어떤 오염도 없는 것이다. 또한, 제6 및 제13도에 보이는 바와 같이, 두개 또는 세개로 구분된 타입의 용기가 처음 단계로부터 분말물질을 커버하기 위하여 사용되어야 한다. 이 발명은 공정의 증가, 용접시 구분된 타입의 용기의 변형 및 용기가 성형후에 변형되기 때문에 생기는 분말물질의 오염과 같은 문제를 해결한다.

소성변형은 물과 같은 것을 사용하는 습식처리를 행하지 않으므로, 장치가 간단하고, 전체 분말물질이 결코 오염되지 않으며, 비싼 물질이 재사용될 수 있다.

본 발명에 있어서, 분말물질은 용기 또는 용기와 코어 또는 기층물체간에 충진되어, 소망하는 형상과 두께로 성형된다. 그러므로, 소결체의 치수로부터 중량을 계산하기 위한 정확한 양의 분말물질을 결정할 수 있다. 분말물질의 상대적인 밀도는 예를 들어, 각 생산롯드에서 50∼60%와 같은 넓은 범위에서 변화한다. 그러므로, 종래의 방법에서는 각 상대밀도에 맞는 여러 종류의 용량을 갖는 여러가지의 용기가 사용되어야 하였다. 그러나, 본 발명에서는 상대밀도에 관계없이 중량을 계산하기 위한 정확한 분말물질의 양을 결정하는 것이 가능하다. 본 발명은 제품의 치수가 정확하고, 사용하는 용기의 치수가 거의 일정한 등의 이점이 있는 것이다.

또한, 분말물질이 용기내에서 장시간 회전되면서 유동하며 국부적인 가압에 의한 압력을 받으며, 산화층의 일부가 파괴되며, 그리고, 비록 분말물질이 예를 들어 A1과 같이 나중의 소결공정에서 약간의 지장을 주는 강력한 산화층을 외표면에 갖는다 할지라도 활성 금속표면이 노출되며, 소결성이 향상된다는 것이 충분히 고려된다. 그리고, 이 사실은 분말물질 뿐 아니라 코어와 기층물체의 표면에도 적용될 수 있으며, 따라서 코어 또는 기층물체를 위한 응집후 분말물질의 결착력이 향상된다.

그리고, 다각 선반을 사용하여 국부적으로 가압하기 위하여 다각단면타입의 제품을 성형할 수도 있는 것이다.

Claims (6)

1. (a) 금속 원통형 용기내에 적어도 금속, 세라믹 및 카아본 중의 하나로 된 분말물질을 장입하고, (b) 상기 용기의 주위를 밀봉하며, (c) 상기 용기의 종축을 회전중심으로 회전하는 상기 용기의 외표면을 국부적으로 가압하고, (d) 상기 용기를 변형시키기 위하여 점진적으로 상기 국부적인 가압부를 이동시킴으로써, 상기 분말물질이 상기 용기의 변형에 맞는 형상으로 성형됨을 특징으로 하는 분말물질을 성형하기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 분말물질의 적어도 일부가 섬유와 같은 긴 형상의 것임을 특징으로 하는 분말물질을 성형하기 위한 방법.
3. (a) 금속 원통형 용기내에 적어도 하나의 원통형 또는 봉상의 코어를 헐겁게 세팅하고, (b) 금속, 세라믹 및 카아본 중의 적어도 하나로 된 상기 분말물질을 상기 코어와 상기 용기의 내면간의 적어도 하나의 공간에 장입하고, (c) 상기 용기의 주위를 밀봉하며, (d) 상기 용기의 종축을 회전중심으로 회전하는 상기 용기의 외표면을 국부적으로 가압하며, (e) 상기 용기를 변형시키기 위하여 점진적으로 상기 국부적인 가압부를 이동시킴으로써, 상기 분말물질이 상기 용기의 변형에 맞는 형상으로 성형됨을 특징으로 하는 분말물질을 성형하기 위한 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 분말물질의 적어도 일부가 섬유와 같은 긴 형상의 것임을 특징으로 하는 분말물질을 성형하기 위한 방법.
5. (a) 단면이 둥근 중공부의 적어도 1단부가 외부로 노출된 기층물체의 중공부내에 적어도 하나의 금속 원통형 용기를 헐겁게 세팅하고, (b) 상기 용기와 상기 기층물체간의 적어도 하나의 공간내에 금속, 세라믹 및 카아본 중 적어도 하나로 된 상기 분말물질을 장입하며, (c) 상기 기층물체와 상기 용기간의 외부 노출부를 밀봉하고, (d) 상기 용기의 종축을 회전중심으로 회전하는 상기 용기의 내표면을 국부적으로 가압하며, (e) 상기 용기를 변형시키기 위하여 점진적으로 상기 국부적인 가압부를 이동시킴으로써, 상기 분말물질이 상기 용기의 변형에 맞는 형상으로 성형됨을 특징으로 하는 분말물질을 성형하기 위한 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 분말물질의 적어도 일부가 섬유와 같은 긴 형상임을 특징으로 하는 분말물질을 성형하기 위한 방법.

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