KR960012510B1 - 세라믹 허니콤 구조체의 제조방법 - Google Patents

세라믹 허니콤 구조체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

요약없음

Description

세라믹 허니콤 구조체의 제조방법
제1도는 종래의 허니콤 구조체를 제조하기 위한 압출다이를 나타낸 단면구조도
제2도는 본 발명의 따른 허니콤 구조체 제조방법의 제1실시예를 나타낸 단면구조도
제3도는 본 발명의 제2실시예를 나타낸 공정도
제4도는 본 발명의 제3실시예를 나타낸 공정도.
본 발명은 굽힘이나 압축에 강하며, 유효 표면적을 최대로 증대시킬 수 있는 셀을 갖는 세라믹 허니콤 구조체(Honeycomb Structure)의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 허니콤 구조체는 벌집구조로서 다른 어떤 구조보다 동일 체적에서 유효면적이 넓고 역학적인 면에서 안정된 구조를 갖고 있어 주로 금속과 세라믹이 사용된다. 금속으로는 주로 알루미늄이나 강의 박판이 사용되어 용접 또는 기계적 접합에 의해 벌집구조를 형성하게 된다. 세라믹은 산화 알루미늄과 지르코늄 및 코디에라이트(Cordierite)등이 사용되며, 압출과정을 통해 벌집구조를 형성하게 된다. 본 발명에서는 세라믹을 재료로 한 허니콤 구조에 한한다.
종래의 세라믹 허니콤 구조체는 일반적으로 세라믹 재료와 성형 바인더(Binder), 소결 바인더, 소성 바인더를 적당한 용매에 혼합, 용해하여 압축 페이스트(Paste)를 준비한다. 준비 과정시 첨가되는 소성 바인더는 압출시 복잡한 다이 장치를 통과하기 위한 소성유동을 부여하기 위하여 첨가되며, 성형 바인더는 압축후 성형체가 소결전까지 허니콤 구조체 형상을 유지시키기 위하여 첨가된다. 준비된 상기 페이스트는 원하는 셀모양의 허니콤 구조체를 만들기 위하여 복잡한 다이시스템을 사용하여 압축한다.
종래의 압출과정을 제1도를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 즉, 페이스트는 입구 슬리브(10)에서 시작해서 확산판(12)을 통과하여 유입구 공동(14)을 통해 흐른다. 유입구 공동(14)의 깔대기 형상부(16a)는 페이스트를 화살표(b) 방향으로 반경방향 내향으로 보냄과 동시에 페이스트 깔대기형상부(16a)의 큰 단면적으로부터 작은 단면적으로 화살표(a) 방향으로도 진행시킨다. 깔대기 형상부(16A)의 전단흐름 또는 반경방향 속도 구배특성은 페이스트가 직선부(16b)를 통과하여 흐를때 종료된다. 압출다이(18)에서 페이스트는 복수개의 공급구멍(30)을 갖는 통로들을 통과한다. 이 공급구멍들은 축방향으로 연장하는 복수개의 얇은 벽의 셀(cell : 공동부) 또는 채널들을 갖는 허니콤 구조체를 형성하기 위해 상호연결된 방출슬롯(32)들과 연통된다. 압출다이(18)를 떠날때 구조체의 주변 셀들은 개구(34)를 갖는 마스크(20)에 의해 붕괴된다. 상기 개구(34)는 압출될 구조체이 단면적 또는 형상과 거의 같거나 비슷하며, 주변부(36)는 약간의 통로 즉 공급 구멍(30) 및 슬롯(32)를 차단하며 간극(35)에 의해서 출구면(18b)으로부터 이격됨으로써, 압출된 구조체의 필요수의 주변셀이 붕괴하여 소망하는 두께의 압출 구조체상에 표피부가 형성되는 것에 의해 허니콤 구조체가 형성되는 것이었다.
압출된 상기 허니콤 구조체는 소결 전 과정으로 건조과정을 거치게 되며, 건조 후 성형체는 열 에너지를 이용하여 구조체에 기계적, 열적 강도를 부여하는 소결 과정을 거쳐 허니콤 구조체가 만들어지게 된다.
그러나 이와같은 허니콤 구조체 제조방법은 압출시 복잡한 다이 시스템이 이용되므로써 고가의 제작비용과 고도의 제작기술을 요구하고, 깨짐(Crash)방지용으로 첨가된 결합제는 소결제품의 기계적, 열적 강도를 저하시킨다.
또한 압출과정에서 다이시스템이 마모되어 다이의 수명이 짧아지고, 다이제조의 어려움으로 셀의 형상이 사각형, 삼각형, 육각형 등으로 제한되며, 이러한 형상의 모서리부는 응력집중의 원인이 되어 기계적 강도를 저하시키는 등의 문제점이 있었던 것이다. 또한, 건조과정에서에서는 수분의 증발압력에 의해 성형체가 금이 가거나 표면이 트는 현상이 발생할 수 있으며 입자간의 응집력의 약화로 성형체가 무너지는 현상(Crash)도 발생할 수 있다. 따라서 이러한 결함을 방지할 수 있는 까다로운 조건이 필요하다. 소결과정에서도 재료의 특성에 따라 다소의 차이가 있으나 소결과정시 수축을 하게 되며, 이때 셀 벽의 성형 밀도가 다르게 되면 허니콤 구조체에 비틀림 응력이 발생하게 되고, 불균일한 치수를 갖게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 허니콤 구조체의 셀 형상을 레이저로 가공하여 압출 다이에서 셀을 형성하기 위한 복잡한 구조를 제거할 있도록 함으로써 다이의 형상이 단순해져 다이 제작이 쉽고 가격이 낮아지며, 압출시 마모가 줄어들어 수명을 연장시킬 수 있는 허니콤 구조체의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 압출시에 셀형상이 없어 건조과정에서 깨짐의 위험성이 낮아지므로 깨짐 방지용 결합제의 사용량이 줄거나 불필요한 소결후의 기계적 강도가 증가하며, 압출다이의 형상이 단순하므로 압출시의 파워용량을 줄일 수 있는 허니콤 구조체의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 허니콤 구조체의 셀 형상을 다양하게 형성할 수 있고, 특히 셀의 형상을 원형으로 형성할 수 있어 응력집중현상을 제거함으로써 기계적, 열적강도를 증가시킬 수 있고, 소결시 소결수축과 변형을 감소시킬 수 있는 허니콤 구조체의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기의 목적은 세라믹 압축재료를 압출성형가능하도록 페이스트 상태로 만드는 단계와, 페이스트를 압출 성형하여 성형물을 만드는 단계와, 상기 성형물을 건조시키는 단계와, 건조된 성형물로 허니콤 구조체를 만들기 위해 레이저 가공기로 셀을 형성하는 단계와, 상기 허니콤 구조체를 소결하여 완성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 허니콤 구조체의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 허니콤 구조체의 제조방법을 첨부도면에 의하여 상세하게 설명한다. 제2도는 본 발명의 제1실시예를 나타낸 것으로, 이 실시예에 따른 허니콤 구조체의 제조방법은 압출재료를 페이스트 상태로 준비하는 단계(S10)와, 상기 페이스트를 실린더형상으로 압출하는 단계(S20)와, 압출된 성형물을 건조시키는 단계(S30)와, 허니콤 구조체를 만들기 위해 레이저 가공기로 건조된 성형물에 셀을 형성하는 단계(S40)와, 상기 허니콤 구조체를 소결하여 완성하는 단계(S50)로 이루어 진다.
페이스트 준비단계(S10)에서는, 압출에 적당한 소성 흐름과 성형을 유지할 수 있는 만큼의 강도를 갖도록 결합체(Bibder)를 첨가하여 페이스트를 준비한다.
압출단계(S20)에서는, 페이스트를 압출성형하여 단순한 실린더 형상의 성형물을 만들게 되고, 이때 사용되는 압출다이는 기존의 셀을 형성하기 위한 부분이 제거됨으로써 구조가 간단하여 제작하기에 용이하고, 성형물의 구조가 단순하여 압출시의 파워용량을 줄일 수 있다.
건조단계(S30)에서는 실린더 형상의 성형물을 깨짐이 생기지 않도록 건조시켜 레이저 가공이 용이하도록 한다.
레이저 가공단계(S40)에서는 CO2레이저, ND YAG 레이저 등 산업용 레이저빔을 허니콤 구조체의 셀수에 맞게 다발로 실린더형 성형체에 조사하여 셀을 형성함으로써 허니콤 구조체를 만들게 된다.
소결단계(S50)에서는 상기 허니콤 구조체를 소재의 특성에 따라 적절한 승온속도와 소결온도 및 소결시간으로 소결하여 기계적, 열적 강도를 부여함으로써 허니콤 구조체를 완성한다.
제3도는 본 발명의 제2실시예를 나타낸 것으로, 압출물질을 페이스트 상태로 준비하는 단계(S110)와, 상기 페이스트를 실린더 형상으로 압출하는 단계(S120)와, 압출된 성형물을 건조시키는 단계(S130)와, 건조된 성형물을 예비 소결하는 단계(S140)와, 허니콤 구조체를 만들기 위해 레이저 가공기로 예비소결된 성형물에 셀을 형성하는 단계(S150)와, 상기 허니콤 구조체를 소결하여 완성하는 단계(S160)로 이루어진다.
여기서 페이스트 준비단계(S110), 압출단계(S120), 건조단계(S130), 레이저 가공단계(S150), 소결단계(160)는 전술한 제1실시예와 동일하므로 설명을 생략한다. 예비소결 단계(S140)는 압출된 성형물이 레이저 가공에 필요한 기계적 강도를 얻고, 셀을 형성한 허니콤 구조체의 소결시 소결 수축과 변형을 감소시키기 위하여 행하는 단계이다.
제4도는 본 발명의 제3실시예를 나타낸 것으로, 압출재료를 페이스트 상태로 준비하는 단계(S210)와, 상기 페이스트를 실린더 형상으로 압출하는 단계(S220)와, 압출된 성형물을 건조시키는 단계(S230)와, 건조된 성형물을 소결하는 단계(S240)와, 소결된 성형물을 레이저 가공하여 허니콤 구조체를 완성하는 단계(S250)로 이루어진다.
이 실시예에서는 페이스트 준비단계(S210), 압출단계(S220), 건조단계(S230)가 전술한 제1실시예와 동일하며, 다만 제1실시예와는 레이저 가공단계(S250)를 소결단계(S240)후에 행하는 것이 특징이다.
상기 실시예는 재료에 따라 소결시 상변태가 심하거나 소결온도 구간이 짧은 경우와 예비 소결이 불가능한 경우이다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 허니콤 구조체의 제조방법에 의하면, 페이스트 압출시 셀을 형성하지 않게됨으로써 압출다이의 구조가 간단하고 제작이 쉬워 제작비용이 절감되며, 압출시 페이스트에 의한 마모가 줄어 수명이 길어지는 것이고, 건조시 깨짐(Crash)의 위험이 낮아지고, 깨짐 방지용 결합제(Binder)의 양이 줄거니 불필요하므로 소결후의 기계적 강도가 증가되며, 건조과정 조건이 단순하여 대량생산이 가능하다. 또한, 셀을 형성하지 않은 상태의 압출성형물을 예비 소결하였기 때문에 셀을 형성한 허니콤 구조체의 소결시 소결수축과 변형이 감소되고, 셀의 형상을 원형으로 형상하여 응력집중 현상을 피할 수 있어 기계적, 열적 강도가 증가되며, 압출다이의 형상이 단순하므로 압출의 파워용량을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 압출물질을 압출성형가능하도록 페이스트 상태로 만드는 단계와, 페이스트를 압출성형하여 성형물을 만드는 단계와, 상기 성형물을 건조시키는 단계와, 건조된 성형물로 허니콤 구조체를 만들기 위해 레이저 가공기로 셀을 형성하는 단계와, 상기 허니콤 구조체를 소결하여 완성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 세라믹 허니콤 구조체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 성형물 건조단계와 레이저 가공 단계사이에 성형물을 예비소결하는 단계가 더 포함되는 세라믹 허니콤 구조체의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 레이저 가공단계를 소결단계후에 행하는 세라믹 허니콤 구조체의 제조방법.
  4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 압출단계에서 성형물을 실린더 형상으로 만드는 세라믹 허니콤 구조체의 제조방법.
  5. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 셀은 원형으로 되는 세라믹 허니콤 구조체의 제조방법.
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