KR100491033B1 - 분말사출성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 분말사출성형공정에 있어 대형부품의 치수정밀도를 높이는 동시에 제품생산 단계 및 시간을 줄일 수 있는 분말사출성형방법을 제공함에 있다.

이에 본 발명은 성형하고자 하는 분말과 유기결합제를 일정한 비로 혼합하여 펠렛형으로 제조하는 단계; 목적하는 제품의 소결기 바닥판과 접촉하는 부위에 소결보조링을 일체로 형성한 금형을 통해 상기 혼합체 펠렛을 사출성형하는 단계; 상기 사출성형단계를 통해 사출된 사출성형체에서 결합제를 제거하는 단계; 상기 결합제가 제거된 탈지체를 고온 소결하는 단계; 상기 소결단계를 거친 제품에서 소결보조링을 제거하는 단계를 포함하는 분말사출성형방법을 제공한다.

Description

분말사출성형방법{Powder injection molding Method}

본 발명은 분말사출성형에 관련된 것으로, 특히 분말사출성형된 대형 부품의 치수정밀도를 높이기 위한 분말사출성형방법에 관한 것이다.

일반적으로 분말사출성형(PIM, Powder Injection Molding) 기술은, 금속, 초경 또는 세라믹 등과 같은 소결 가능한 분말을 유기결합제와 혼합하고 이를 기존의 사출성형법을 이용하여 일정한 형상으로 성형한 다음 결합제 제거 공정을 거쳐 최종 고온 소결함으로써 3차원의 복잡한 형상의 부품을 후가공 없이 대량 생산 할 수 있는 신분말 성형 기술이다. 분말사출성형법은1920년도에 개발된 기술로 근래 분말 제조기술 및 사출성형기술의 발달 등에 힘입어 현재 많은 업체에서 생산에 적용하고 있는 기술이다.

분말사출성형의 일반적인 제조 공정을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

(1) 혼합체 제조 : 성형하고자 하는 분말과 유기결합제를 일정한 비로 혼합하고 이 혼합체를 사출성형 하기 쉽도록 펠렛(pellet)형으로 만든다.

(2) 사출성형 : 사출성형기를 이용하여 혼합체 펠렛 금형 내로 사출하여 사출성형체 제조

(3) 결합제 제거 : 사출성형체에서 결합제를 제거하여 탈지체 제조

(4) 소결 : 탈지체를 고온 소결하여 최종 제품 제조

상기한 과정을 거치는 금속분말사출성형의 가장 큰 장점중의 하나는 정밀한 치수 제어가 가능하다는 것이다. 일반적으로 분말사출성형에 의한 치수 정밀도는 약 0.3%이고, 정밀제어의 경우 약 0.1%정도까지 치수 제어가 가능하다. 분말사출성형은 일반 분말야금에 비해 소결시 수축율이 매우 크기 때문으로 전체 크기에 대한 상대 치수정밀도(%)를 사용하게 된다.

그러나 정밀기계 부품들은 이러한 상대 치수정밀도를 요구하는 것이 아니라, 5/1000mm와 같은 절대 치수 정밀도를 요구하게 된다. 만약 치수정밀도가 0.3%인 분말사출성형공정으로 5/1000mm와 같은 치수정밀도를 구하기 위해서는 부품의 크기가 1.67mm이하이어야 하고 0.1%인 경우에는 약 5mm이하이어야 한다.

그리고 절대치수정밀도가 1/100mm인 경우에는 각각 약 8mm, 25mm이하이어야 한다. 이와 같이 분말사출성형에서는 부품이 커질수록 절대 치수정밀도를 맞추기 어려워지는 단점이 있다. 현재 분말사출성형에 의해 제조되는 부품이 대부분 소형인 이유도 여기에 있고 현재 대형부품의 제조에 많은 연구가 진행되는 것도 여기에 있다.

또한 소형 부품에서와는 달리 대형부품에서는 소결부품의 자중이 커서 소결 수축시 바닥판(substrate)과의 마찰이 심각한 문제가 된다. 이러한 마찰은 균일한 수축을 방해하여 제품의 변형 또는 뒤틀림을 유발하기 때문에 절대적인 치수 뿐만 아니라 상대적인 치수정밀도 또한 낮아지게 된다.

대형부품의 치수정밀도 저하는 마찰력뿐만 아니라 부품이 커짐에 따라 절대 수축량도 증가하기 때문에 발생한다. 예를 들어 20%의 수축율을 갖는 10mm크기의 부품의 경우 전체 수축율은 2mm이고 중심으로부터 양 끝이 1mm씩 수축하면 된다. 그러나 100mm크기의 부품의 경우 전체 수축량은 20mm가 되어야 하고 이는 양 끝이 10mm씩 수축해야 하기 때문에 양 끝에서 절대 수축량은 10mm부품의 10배가 된다. 이와 같이 부품이 커짐에 따라 절대 수축량이 증가하게 된다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이 대형부품의 경우 자중으로 인한 마찰력과 절대 수축량의 증가로 인해 부품(100)의 윗면과 바닥판(150)과 접하는 면의 수축율의 차가 발생하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 도 7에 도시된 바와 같이 분말사출성형된 대형부품의 소결시 소결 바닥판(150) 위에 사출체(120)와 동일한 재료, 동일한 충전율로 사출성형된 보조바닥판(130)을 놓고 그 위에 사출체(120)를 놓고 소결하는 방법이 발명되었다.(대한민국특허출원 제2000-0079342호)

이 발명에 의하면 분말사출성형에 의해 대형 부품의 소결시 사출체의 소결바닥판 위에 사출체와 동일한 재료, 동일한 충전율을 갖는 혼합체로 제조된 보조바닥판을 놓고 그 위에 소결하고자 하는 사출체를 올려 놓는다. 그리고 사출체와 보조바닥판이 접착소결되는 것을 막기위해 그 사이에는 비반응성 분말을 깔고 소결한다.

따라서 대형 부품의 소결에서 가장 문제가 되는 것으로 절대 수축량의 증가와 수축시 자중의 증가에 따른 마찰력의 증가임을 고려할 때, 소결할 사출체와 소결바닥판 사이에 보조바닥판을 넣게 되면 소결이 진행되는 동안 보조바닥판도 사출체와 비슷한 수축율로 소결되므로 사출체와 보조바닥판의 접촉면에서는 상대적인 운동이 거의 없어 마찰이 발생되지 않게 된다. 이와 같이 사출체가 상대적 운동이 거의 없어지게 되므로 사출체는 소결되는 동안 저항을 적게 받게 되어 뒤틀림이나 수축불균일에 의한 변형이 적어지게 된다.

그러나 상기한 종래의 구조는 보조바닥판용 금형을 추가로 제조하여야 하는 것은 물론, 제품뿐만 아니라 보조바닥판을 따로 사출해야 하고 사출체와 보조바닥판 사이에 비 반응성 분말을 깔아주어야 하는 등 제품생산 단계가 복잡해지고 생산시간이 증가하게 된다. 뿐만 아니라 사출체와 보조바닥판 사이에 비 반응성 분말을 깔고 소결한다 하더라도 부분적으로 접착소결 되기도 하고 분말에 의한 자국이 남아 소결 후 기계적 가공에 의한 마무리가 필수적이다. 따라서 최종 제품의 생산단가가 급격히 상승하게 된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 분말사출성형공정에 있어 대형부품의 치수정밀도를 높이는 동시에 제품생산 단계 및 시간을 줄일 수 있는 분말사출성형방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 분말사출성형방법에 있어서, 사출성형하고자하는 부품의 바닥에 소결보조링을 형성하여 성형품을 제조하는 단계와, 사출성형품을 소결한 후 기계적 가공에 의해 소결보조링을 제거는 공정을 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 소결보조링은 분말사출성형품과 동일재질로 이루어짐이 바람직하다.

또한, 상기 소결보조링은 상기 분말사출성형품의 중심축에 대해 방사방향 또는 축방향으로 형성될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 일반적인 분말사출성형 공정의 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 따라 소결보조링이 일체로 형성된 분말사출성형품을 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 도 2의 단면도이다.

상기한 도면에 의하면, 먼저 축대칭형태의 사출성형품(10)은 금속분말과 유기결합제분말을 일정한 비율로 혼합하고 이 혼합체를 펠릿으로 제조한 후, 사출성형기를 이용하여 상기 펠릿을 금형 내로 사출성형하여 제조한다.

여기서 본 발명에 따르면 상기 사출성형품(10)의 하단 즉, 소결작업시 소결바닥판과 접촉하는 부분에는 보조바닥판 역할을 하는 소결보조링(20)이 일체로 사출 성형된다.

본 실시예에서 상기 소결보조링(20)은 사출성형품(10)의 중심축에서 방사방향으로 돌출형성됨을 확인할 수 있는 데, 상기 소결보조링(20)의 구조와 크기 등은 특별히 한정되지 않는다.

소결보조링의 형성을 위해 상기 펠릿이 사출되는 금형 또한 하단에 상기 소결보조링 형태의 성형공간이 가공되어야 함은 물론이다.

상기과정을 통해 소결보조링(20)이 더욱 형성된 사출성형품(10)은 다음 공정으로 사출성형품에서 결합제를 제거하여 탈지체를 제조한 후 소결기에서 고온 소결한다.

소결과정을 거친 사출성형품(10)은 후공정으로 기계적가공을 통해 사출성형품 하단에 일체로 형성된 소결보조링(20)을 제거하는 공정을 거쳐 최종 제품으로 완성된다.

상술한 바와 같이 대형 부품의 소결에서 가장 문제가 되는 것은 절대 수축량의 증가와 수축시 자중의 증가에 따른 마찰력의 증가이다. 그러나 소결할 사출체의 하단부에 축에 대해 방사방향으로 보조바닥판 역할을 할 수 있는 소결보조링을 두게 되면 소결이 진행되는 동안 이 소결보조링도 제품부와 비슷한 수축율로 소결되고 보조바닥판에 비해 소결바닥판과의 마찰면적이 적으므로 불균일 수축에 의한 뒤틀림을 이 소결보조링에서 모두 해소할 수 있게 되므로 제품부에는 불균일 수축이 일어나지 않게 된다.

[실시예 1]

도 4에 도시된 바와 같이 라이너(shape liner)로 사용되는 원추형 사출성형품(10)은 소결기의 바닥판(30)과 환형의 접촉면이 발생하게 된다. 이러한 형상은 수축하는 방향이 원추의 중심점을 향하게 된다. 따라서 제품의 두께보다 두꺼운 환형의 소결보조링(20)을 축에 수직한 방사방향으로 가지는 형태로 제품을 사출성형하고 소결기 바닥판(30)에 올려 소결한다.

평균입경 10㎛의 17-4PH STS분말을 사용하여 충전율을 60%로 한 후 소결보조링을 형성시키고 소결한 경우와 소결보조링을 도입하지 않고 소결한 경우 제품부 상대치수정밀도가 각각 0.2%와 0.5%로 나타나 치수정밀도가 현저히 향상됨을 알 수 있다. 또한 소결보조링 없이 보조바닥판을 사용하였을 경우 상대치수 정밀도는 0.3%로 본 발명에 의해 보다 향상된 치수정밀도를 얻을 수 있다.

상기 실험에 사용된 사출성형품(10)의 외부 직경은 105mm, 두께는 3mm, 높이는 108mm이며, 소결보조링(20)의 외부직경은 113mm이고 두께가 6mm이다.

[실시예 2]

도 5에서와 같이 사출성형품(11)의 두께와 같은 환형의 소결보조링(21)을 축에 평행한 방향으로 가지는 형태로 제품을 사출성형하고 소결기 바닥판(30)에 올려 소결한다.

평균입경 10㎛의 17-4PH STS분말을 사용하여 충전율을 60%로 한 후 소결한 경우 제품부 상대치수정밀도가 각각 0.2%로 나타나 실시예 1에서와 같았다. 소결보조링을 도입하지 않고 소결한 경우의 0.5%, 소결보조링 없이 보조바닥판을 사용하였을 경우에 얻어진 0.3%에 비교할 때 본 발명에 의해 보다 향상된 치수정밀도를 얻을 수 있다.

상기 실험에 사용된 사출성형품(11)의 외부 직경은 105mm, 두께는 3mm 였고 높이는 108mm였다. 그리고 소결보조링(21)의 외부직경은 105mm이고 높이는 6mm였다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 분말사출성형방법에 의하면, 제품의 전체적인 수축율을 균일하게 유지할 수 있게 되어 분말사출성형공정을 통해 대형제품의 생산이 가능하게 되며 제품의 품질을 높일 수 있게 된다.

또한, 종래 기술과 비교하여 보조바닥판 사출에 따른 비용을 줄여 원가를 낮출 수 있게 된다.

또한, 제품 생산공정이 단축되어 생산단가를 낮출 수 있게 된다.

도 1은 일반적인 분말사출성형 공정의 흐름도

도 2는 본 발명에 따라 소결보조링이 일체로 형성된 분말사출성형품을 도시한 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 도 2의 단면도,

도 4는 본 발명에 일실시예에 따른 소결보조링이 형성된 분말사출성형품의 소결공정을 도시한 개략적인 단면도,

도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 소결보조링이 형성된 분말사출성형품의 소결공정을 도시한 개략적인 단면도,

도 6는 분말사출성형품의 소결공정시 부품이 불균일하게 수축되는 상태를 도시한 개략적인 도면,

도 7은 종래기술에 따른 분말사출성형제품의 소결방법을 도시한 개략적인 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10,11 : 사출성형품 20,21 : 소결보조링

30 : 소결기 바닥판

Claims (3)

1. 성형하고자 하는 분말과 유기결합제를 일정한 비로 혼합하여 펠렛형으로 제조하는 단계;

   목적하는 제품의 소결기 바닥판과 접촉하는 부위에 소결보조링을 일체로 형성한 금형을 통해 상기 혼합체 펠렛을 사출성형하는 단계;

   상기 사출성형단계를 통해 사출된 사출성형체에서 결합제를 제거하는 단계;

   상기 결합제가 제거된 탈지체를 고온 소결하는 단계;

   상기 소결단계를 거친 제품에서 소결보조링을 제거하는 단계를 포함하는 분말사출성형방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 소결보조링은 목적하는 제품의 축에 대해 방사형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 분말사출성형방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 소결보조링은 목적하는 제품의 축에 대해 축방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 분말사출성형방법.