KR100977828B1 - 경사기능형 압출 및 인발 다이스 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압출 및 인발다이스에 있어서 소결조제를 함유한 초경합금으로 이루어진 초경합금 팁의 제조방법에 관한 것으로 팁의 내측 및 외측의 소결조제의 함유량을 경사화 시켜 소결한 압출 및 인발다이스의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 경사기능형 압출 및 인발 다이스에 의하면 상기와 같이 소결조제의 함량이 경사를 이루도록 조절함으로써 압출 및 인발 시에 고온에서의 내마모성을 유지하면서도 동시에 향상된 인성을 가지므로 최종 제품인 압출 및 인발재의 품질향상과 수명향상을 도모할 수 있어, 압출 및 인발 산업계에 적용되어 실질적인 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.
압출, 인발, 다이스, 경사기능, 소결조제, 초경합금
Description
본 발명은 경사기능형 압출 및 인발 다이스에 관한 것으로, 보다 상세하게는 경사기능 소결접합법을 이용하여 초경합금 다이스용 팁의 내마모성 및 인성을 동시에 향상시킨 다이스용 팁 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일발적으로 동 및 황동봉 등의 비철재료의 압출 및 인발 시에 압출재의 치수안정성, 표면품질 및 생산성을 좌우하는 압출 및 인발공정의 핵심부품으로는 압출재와 직접적으로 접촉되는 압출 및 인발 다이스이다.
현재 국내에서 생산되는 압출 및 인발공정은 약 800℃의 열간에서 행해지고 있으며, 공정 시 다이스에 과도한 압력 및 열충격이 가해지게 되고 이 중 팁 부재에 그 충격이 집중하게 된다. 따라서 이에 사용되는 팁 부재는 필수적으로 신뢰성 있는 열간압출 충격저항성, 열간크립변형 저항성 및 열간 내마모성이 요구된다. 이러한 요구조건을 만족하기 위하여 스틸 케이스에 고경질 내마모 팁이 열간 압입된 삽입형(insert type) 다이스가 이용되고 있으며, 그 소재로는 지르코니아, 질화규소, 초경합금계 및 인코넬(inconel), 분산강화형 Mo 합금 등이 주로 이용되고 있 다.
국내외 황동 및 동의 압출 및 인발 제품의 총 생산량은 연간 30만톤에 이르고 있으며, 이에 수반하여 삽입형 압출 다이스 및 인발 다이스의 수요량이 급증하고 있는 실정이다. 다이스 팁의 제조에 이용되는 초경합금의 경우 초경합금내에 함유되어 있는 코발트의 존재로 인하여 제품의 신뢰성이 세라믹 소재에 비하여 우수한 반면에 내열성이 저하되어 최종 제품의 표면이 양호하지 못하고 수명이 짧은 문제점을 가지고 있어 그 적용범위가 점점 제한되고 있는 추세이다. 또한 세라믹계 압출 및 인발 다이스용 팁은 재료의 신뢰성이 떨어져 아직까지 초기 깨짐이 빈발하고 불량률이 전체의 40% 이상에 육박하고 있어 다이스로서 채택 여부가 불투명한 상태에 이르고 있다.
초경합금 다이스용 팁의 경우, 소결조제인 코발트의 함량이 증가되면 내마모성, 압축강도 및 경도는 저하하는 반면에 인성은 증가하고 다이스의 내마모성을 향상시키기 위하여 소결조제의 함량을 감소시키게 되면 원하는 내마모성은 얻을 수 있지만 또 다른 중요한 특성인 인성이 저하되는 문제점이 발생한다.
따라서 압출 및 인발용 초경합금 다이스용 팁의 제조에 있어서, 내마모성과 인성을 동시에 향상시킴으로써 이를 이용한 압출 및 인발재의 품질 향상 및 수명 향상을 도모할 수 있는 방법이 요구되는 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 경사기능 소결접합법을 이용하여 초경합금 다이스용 팁의 내마모성 및 인성을 동시에 증가시킬 수 있는 경사기능형 압출 및 인발다이스용 팁 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 소결조제를 함유한 초경합금으로 이루어지는 팁이 내측과 외측으로 구분되어 경사기능화 되어있는 압출 및 인발다이스에 있어서 상기 팁의 내측을 이루는 초경합금의 소결조제 함유량이 상기 팁의 외측을 이루는 초경합금의 소결조제 함유량보다 적은 것을 특징으로 하는 경사기능형 압출 및 인발 다이스를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 경사기능 소결접합법을 이용하여 초경합금 다이스용 팁의 내마모성 및 인성을 동시에 증가시킬 수 있는 경사기능형 압출 및 인발다이스용 팁 및 그 제조방법을 제공하는 효과를 갖는다.
또한, 발명에 의한 경사기능형 압출 및 인발 다이스의 초경합금 팁은 내측에는 소결조제의 함유량이 적은 초경합금을 사용하고, 외측에는 소결조제의 함유량이 많은 초경합금을 사용함으로써 압출 및 인발 시에 고온에서의 내마모성을 가지면서 동시에 높은 인성을 가질 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 경사기능형 압출 및 인발 다이스에 의하면 최종 제품인 압출 및 인발재의 품질 향상 및 수명향상을 도모할 수 있어 실제 압출 및 인발 산업에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하고자 예의 연구한 결과, 초경합금 다이스용 팁의 소결조제 함량과 내마모성 및 인성의 관계에 주목하여 팁의 내측은 소결조제 함유량이 적은 초경합금을 사용하고 팁의 외측은 소결조제 함유량이 많은 초경합금을 사용하여 제조한 초경합금 다이스용 팁이 압출 및 인발 시 고온에서의 내마모성을 가지면서도 인성이 향상된 우수한 특성을 가짐을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명은 소결조제를 함유한 초경합금으로 이루어지는 팁 부재 및 스틸 케이스를 포함하는 압출 및 인발 다이스에 있어서, 상기 팁 부재가 내측의 초경합금의 소결조제 함유량이 외측보다 적은 것을 특징으로 하는 경사기능형 압출 및 인발 다이스의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의한 경사기능형 압출 및 인발 다이스용 팁의 내측은 3~10 중량%의 소결조제를 함유하는 초경합금으로 이루어지며, 외측는 10~20 중량%의 소결조제를 함유하는 초경합금으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 압출 및 인발 다이스를 나타낸 것이다. 도면에 나타난 바와 같이 스틸케이스 및 초경합금 팁으로 이루어진다. 또한 상기 초경합금 팁의 내측 및 외측은 각각 소결조제 함유량이 다른 초경합금으로 이루어진다. 본 발명에 이용되는 초경합금은 특히 제한되는 것은 아니지만 텅스텐 카바이드(tungsten carbide)계 초경합금이 바람직하며, 소결조제로서는 코발트 또는 니켈을 예로 들 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 초경합금 팁 중 내측 팁을 이루는 초경합금의 소결조제 함유량이 외측 팁을 이루는 초경합금의 소결조제 함유량 보다 적은 것을 특징으로 한다. 이와 같이 초경합금 팁 부재의 내측과 외측을 이루는 초경합금의 소결조제 함유량을 다르게 하여 경사를 이루도록 제조함으로써 고온에서의 내마모성을 유지하면서도 높은 인성을 유지할 수 있게 된다.
본 발명의 바람직한 일 형태에 있어서, 팁의 내측은 3~10 중량%의 소결조제를 함유하는 초경합금으로 이루어지며, 팁의 외측은 10~20 중량%의 소결조제를 함유하는 초경합금으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 특히 바람직하게는 팁의 내측은 3~10 중량%의 코발트 또는 니켈을 함유하는 텅스텐 카바이드로 이루어지며, 팁의 외측은 10~20 중량%의 코발트 또는 니켈을 함유하는 텅스텐 카바이드로 이루어진 것이다.
도2는 본 발명에 따른 경사기능형 압출 및 인발 다이스 소결조제 함유량에 따른 파괴인성 및 경도분포와 이에 따른 초경합금 팁의 설계방법을 나타낸 것이다.
본 발명에 의한 경사기능형 압출 및 인발 다이스의 제조방법은 상기와 같이 이루어진 초경합금 팁의 내측과 외측을 각각의 소결조제 함유량에 따라 몰드에 적층 한 후 동시에 소결접합하는 과정을 통해 이루어진다.
소결접합하는 방법은 소결과 동시에 소결조제의 함유량이 경사화된 소결체를 얻을 수 있기 때문에 접합부가 매우 견고한 특성을 가진다. 상기 방법에 의하면 팁 부재의 내측 및 외측을 형성하기 위한 소결조제의 함유량이 틀린 초경합금 분말을 스페이서를 사이에 두고 각각 적층하고, 냉간성형한 후 소결함으로써 본 발명에 의한 경사기능형 압출 및 인발 다이스용 팁을 제조한다. 도2에 경사조성 형태의 분말적층방법을 도시하였다.
도3은 본 발명에 따른 소결접합법에 의한 경사기능형 압출 및 인발 다이스제조에 있어서의 재료 분말의 적층방법을 나타낸 것이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 100㎛의 스페이서를 사이에 두고 코어부 재료 분말과 외각디스크 재료 분말을 각각 적층한 후 냉간성형용 지그를 이용하여 각각 냉간성형한 후 지그 및 스페이서를 제거한 후 소결한다.
본 발명을 이루기 위한 소결기술은 기술분야에서 공지된 통상의 방법이 이용될 수 있으나, 특히 바람직한 방법은 시편을 통하여 전류를 흐르게 하여 소결시키는 통전가압소결법이다. 통전가압소결법에 의하면 시편을 통하여 전류가 흐르기 때문에 소결몰드의 발열과 함께 재료 분말에서 자체발열이 발생하며 소결이 진행된다.
한편 본 발명에서의 경사기능형 초경합금 팁의 소결 시 팁의 내측과 외측의 소결조제의 함유량이 틀리기 때문에 팁의 내측 및 외측이 모두 치밀한 소결밀도를 얻기 위해서는 소결조제 함유량이 적은 팁 내측의 소결조건에 맞추어야 한다. 그러나 소결온도가 과도하게 되면 팁 외측은 소결 중 과도한 온도로 인해 결정립 조대화 등의 특성이 저하될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 소결 시 내측과 외측이 온도편차를 주어 내측과 외측이 결정립 조대화 등의 특성저하가 없이 치밀한 소결체를 얻을 수 있도록 해야 한다. 통전가압 소결법은 통상 시편 내측의 온 도가 외측의 온도보다 높다고 알려져 있다. 그러나 이러한 특성은 내측과 외측의 소결조제 함유량 차이가 적어 소결온도의 차이가 적을 때는 유효하다. 그러나 소결조제 함유량 차이가 클 때는 몰드 설계를 통해 전류의 흐름을 제어하여 내측과 외측의 온도편차를 만들어 주어야 한다. 따라서 본 발명에서는 초경합금 팁의 중앙부에 그라파이트를 삽입하여 소결 시 통전량을 중심부에 집중시켜 중심부 온도를 높이는 방법을 고안하였다.
도4는 본 발명에 따른 소결접합법에 의한 경사기능형 압출 및 인발 다이스제조에 있어서의 그라파이트 삽입 소결 몰드의 구조와 전류 흐름을 나타낸 것이다.
도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 소결시편의 중앙부에 전류흐름을 높여 온도를 높일 수 있도록 중심부에 그라파이트(graphite)를 삽입시키는 방법을 이용하여 경사기능형 압출 및 인발 다이스의 제조를 위한 소결조건을 최적화하였다.
이하, 본 발명에 따른 실시예 및 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 제한하는 것은 아니며, 본 발명은 청구 범위에 기재된 사항을 바탕으로 적절한 변형 및 수정이 가능하다.
본 실시예는 황동의 압출을 위한 압출다이스에 적용하기 위하여 소결조제의 함유량이 경사화된 초경합금 팁을 제조하였다. 팁 내측은 초경합금으로는 코발트 또는 니켈이 3 중량% 또는 10 중량% 함유된 텅스텐 카바이드(WC-3%Co, WC-8%Co, WC-8%Ni, 또는 WC-10%Ni)를 사용하였으며 팁 외측은 코발트가 12 중량% 함유된 텅 스텐 카바이드(WC-12%Co) 및 니켈이 13 중량% 함유된 텅스텐 카바이드(WC-13%Ni)를 사용하였다. 소결장치로는 통전가압소결방법중 분말입자간의 방전현상을 통해 분말표면을 청정화 시킴으로서 단시간에 효과적으로 소결이 가능한 방전플라즈마 소결법을 이용하였다. 표.1에 제조된 초경합금 팁의 소결조건 및 밀도측정결과를 나타내었다.
표 1. 소결조제에 따른 소결조건 및 밀도측정결과
제조된 시편을 이용하여 경사기능형 초경합금 팁의 소결조제 함유량에 따른 기본물성 평가를 한 결과 표.2와 같았다. 또한 제조된 경사기능형 초경합금 팁을 이용하여 스틸 케이스에 열박음 한 후 황동을 압출한 결과를 표.3에 보였다. 표. 3에 나타낸 결과로부터 명확하게 확인할 수 있듯이 본 발명에 의한 경사기능형 압출 및 인발 다이스는 팁의 내측과 외측의 소결조제 함량이 경사를 이루도록 조절함으로써 압출 결과 초기깨짐이 발생하지 않으며, 압출 상태가 양호하며 평균 수명 또한 향상되는 특징을 가진다. 도 5에 본 실시예에서 제조된 경사기능 초경합금 팁의 외관을 보였다.
표 2. 소결체의 기본물성평가 결과
표 3. 경사기능형 압출다이스의 시제품 테스트 결과
도5는 실시예 1에 의하여 제조한 경사기능형 압출 및 인발 다이스의용 초경합금 팁의 외관을 나타낸 것이다.
도1은 본 발명에 따른 경사기능형 압출 및 인발 다이스의 구조를 나타내는 도면.
도2는 본 발명에 따른 경사기능형 압출 및 인발 다이스 소결조제 함유량에 따른 파괴인성 및 경도분포와 이에 따른 초경합금 팁의 설계방법
도3은 본 발명에 따른 소결접합법에 의한 경사기능형 압출 및 인발 다이스제조에 있어서의 재료 분말의 적층방법을 나타내는 도면.
도4는 본 발명에 따른 소결접합법에 의한 경사기능형 압출 및 인발 다이스제조에 있어서의 그라파이트 삽입 소결 몰드의 구조와 전류 흐름을 나타내는 도면.
도5는 실시예 1에 의하여 제조한 경사기능형 압출 및 인발 다이스의용 초경합금 팁의 외관
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 그라파이트몰드 2 : 그라파이트 삽입봉
3 : 소결시편 4 : 펀치
Claims (9)
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- 코발트 또는 니켈의 소결조제를 함유한 초경합금으로 이루어지는 팁을 내측과 외측으로 구분하는 단계; 및상기 초경합금 팁의 내측 및 외측을 접합하는 단계를 포함하고,상기 팁의 내측을 이루는 초경합금의 소결조제 함유량이 상기 팁의 외측을 이루는 초경합금의 소결조제 함유량보다 적고;상기 초경합금 팁의 내측 및 외측의 접합은 상기 내측 및 외측을 이루는 소결조제 함유 초경합금 분말을 각각 적층한 후 소결접합하여 이루어지고;상기 소결접합은 초경합금 팁의 내측과 외측의 온도편차를 주어 소결조제 함유량의 차이가 나는 상기 내측 및 외측의 동시 소결접합을 위해서 몰드의 중심부에 그라파이트 봉을 삽입함으로써 전류흐름이 상기 중심부로 집중할 수 있도록 형성하여 이를 이용한경사기능형 압출 및 인발 다이스의 제조방법.
- 제5항에 있어서,상기 초경합금 팁의 내측은 3~10 중량%의 소결조제를 함유하는 초경합금으로 이루어지며 상기 초경합금 팁의 외측은 10~20 중량%의 소결조제를 함유하는 초경합금으로 이루어지는경사기능형 압출 및 인발 다이스의 제조방법.
- 제5항 또는 제6항에 있어서,상기 초경합금은 텅스텐 카바이드(tungsten carbide)계로 이루어지는경사기능형 압출 및 인발 다이스의 제조방법.
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Applications Claiming Priority (2)
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| KR20060128660 | 2006-12-15 |
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|---|---|
| KR20080055724A KR20080055724A (ko) | 2008-06-19 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62234634A (ja) * | 1986-04-02 | 1987-10-14 | San Alloy Kogyo Kk | 接合型熱間圧縮加工用ダイ |
-
2007
- 2007-12-14 KR KR1020070130814A patent/KR100977828B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS62234634A (ja) * | 1986-04-02 | 1987-10-14 | San Alloy Kogyo Kk | 接合型熱間圧縮加工用ダイ |
Also Published As
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| KR20080055724A (ko) | 2008-06-19 |
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