KR101003559B1 - 하이브리드 핫 프레스 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단시간 대면적 소결체 제조를 위한 하이브리드 핫 프레스 장치에 관한 것으로 대면적 소결체를 제작함에 있어 핫프레스 가압축으로 손실되는 온도를 효과적으로 방지 또는 보상하는 것을 통해 소결온도까지 승온 및 유지시 소결체의 중심부와 외곽부의 온도편차를 해소하기 위한 것이다. 이를 위해 본 발명은 내부에 단열재가 구비된 진공챔버, 상기 진공챔버의 내부에 설치되며, 상기 금형의 상, 하부에서 금형을 가압하되, 일단에 상기 보조히터가 구비되는 가압 축, 가열수단으로서 상기 금형의 외부측면에 구비되어 상기 금형을 가열하는 그라파이트 측면히터 및/또는 상기 가압 축과 연결되어 상기 소결체가 내장된 금형을 통전 가열하는 통전수단을 포함하는 하이브리드 핫 프레스 장치를 제공하며 상기 통전수단에 의해 금형을 직접 가열하거나 또는 측면의 그라파이트 측면히터를 통해 금형의 외부를 간접 가열하여 상기 소결체를 소결온도까지 효율적이고 빠르게 가열함에 있어 상하의 가압축에 구비된 상기 보조히터를 통해 축방향 온도손실을 방지 또는 보상하여 소결체의 중심부와 외곽부측의 온도를 균일하게 유지할 수 있게 함으로서 대면적 소결체의 제작시에도 소결체의 중심부와 외곽부측의 온도편차 없이 효율적으로 가열시킬 수 있게 된다.

가압, 소결, 통전, 저항, 히터

Description

하이브리드 핫 프레스 장치{Hybrid hot press apparatus}

본 발명은 통전수단 또는 측면의 그라파이트 측면히터를 통해 금형을 직간접 가열함에 있어 상, 하방향의 보조히터를 통해 축방향 온도손실을 방지 및 보상함에 따라 대면적 소결체의 제작시에도 소결체의 중심부와 외곽부측의 온도편차 없이 효율적으로 빠르게 가열시킬 수 있도록 하는 하이브리드 핫 프레스 장치에 관한 것이다.

일반적으로 고온 가압소결 방법은 고온 무가압 소결 방법에 비해 단시간에 분말 치밀화가 달성 되는 장점을 갖고 있을 뿐만 아니라 99.5%이상의 치밀한 상대밀도를 갖는 소결체를 얻을 수 있다. 이와 같이 단시간의 소결시간에서 치밀한 소결체를 얻을 수 있다는 장점은 보이드에 의한 소결체의 기계적 특성에 미치는 의존성을 줄이고, 소결체 내의 입경성장을 억제할 수 있는 효과로 인해 상대적으로 무가압 소결 방법에 비해 파괴인성, 경도, 강도 등의 기계적 특성이 우수한 고품질의 소결체를 얻을 수 있다. 고온 가압 소결 방법의 종류는 프레스에 의한 단일 축 방향의 핫 프레스(Hot press) 소결방법과 고온가스 압축에 의한 등방향 압축 (Hot Isostatic Press) 소결방법이 있다. 여기서 고온 등방향 압축 소결방법(HIP)은 일 축가압의 핫프레스 방법(HP)에 비해 설비가 고가이고 대면적 소결체 제조시 경제적 비용이 높다.

한편 대면적의 소결체를 제조함에 있어 핫프레스 방법은 본질적이고 구조적인 문제점을 갖고 있다. 즉 그 첫 번째 문제점으로 소결 시 고온에서 소결체에 소결압을 가하기 위해서 고온에서 하중을 견디는 고강도 그라파이트와 같은 소결 몰드를 사용하게 되고, 이것은 소결체내에 탄소 등의 몰드재질의 혼입을 유발하게 된다. 이러한 문제점은 보론나이트라이드 등의 반응차단재 또는 이형재를 사용하여 극복할수 있겠으나 몰드재 대신 이형재물질의 2차 혼입으로 그 실효성이 떨어진다. 또한 세라믹 등의 고온소결 시 이러한 이형재의 역할은 현저히 떨어지게 된다. 실제로 알루 미나 및 지르코니아 등의 산화물 세라믹의 소결 시 소결온도가 1200℃이상이 되면 탄소에 의한 이형재의 고온 분해 반응에 의해 소결체내로의 불순물 혼입을 원천적으로 방지하기 어려워진다. 이러한 불순물의 근본적인 차단이 어려운 것은 핫 프레스 방법의 구조적인 문제점으로서 극복하기 어려운 문제점이라고 할 수 있다. 따라서 이문제를 해결하기 위한 대안으로서 소결 시 고온에서의 승온/유지/냉각 등의 소결시간 및 열싸이클을 단축하는 것이 매우 바람직하다고 할 수 있다. 그러나 종래의 핫프레스 방법을 이용하여 대면적의 소결체의 제조 시 고온에서의 소결시간을 단축하는 것은 다음과 같은 또 다른 핫프레스 방법의 구조적인 문제점으로 인하여 그 실효성이 떨어진다. 도 1은 종래의 핫프레스 소경장치의 개략도로서, 종래의 핫프레스 방법은 도시된 바와 같이, 같이 소결하고자하는 분말을 담은 금형을 측면에 위치한 히타의 열원으로 부터 간접 가열하게 되고 소결온도에서 상 하의 축방향으로 프레스에 의해 가압하여 소결하게 된다. 이때 소결 금형에 가해지는 가압력은 그라파이트 몰드를 사용하게 될 경우 이 몰드가 견딜 수 있는 30～50MPa로 제한적이다. 여기서 핫프레스의 두 번째 구조적인 문제점은 상하의 가압력 방향, 즉 축 방향으로 서로 접촉된 펀치, 프레스 램을 통하여 온도손실이 발생한다는 점이다. 이것은 소결체의 면적이 증가 하면 증가할수록 더욱 심해지는 것이 쉽게 이해된다. 이러한 구조적인 문제 때문에 종래 핫 프레스 방법은 소결체의 중심부와 외곽부의 온도편차가 나타나게 되고 이를 줄이기 위해서 장시간의 승온/유지 등의 소결 시간 및 열싸이클이 필요하다. 따라서 획기적인 소결시간 및 싸이클 단축은 그 한계가 있다.

한편 핫 프레스방법의 또 다른 종류로서 통전 가압 소결방법이 있다. 이것은 소결하고자 하는 분말을 그라파이트(graphite) 등과 같은 도전성 재료로 구성된 금형에 넣은 후 금형을 가압하는 동시에 대용량의 전류를 접촉 통전하여, 금형 재료 및 압분체 재료의 고유 저항에 따른 통전 전류량의 제어를 통한 줄열(Joule's heat)을 발생시킴으로서 원하는 소결 온도까지 효율적으로 가열하여 소결하는 장치이다.

이러한 통전 가압 소결 방식은 종래의 핫 프레스 방식(도 1참조)에 비해 금형에 직접 대용량의 전류를 접촉 통전하여 금형을 가열시킴으로서 원하는 소결 온도까지 효율적으로 빠르게 상승시킬 수 있고, 냉각 속도도 비교적 빨라서 급속 소결이 가능함에 따라 공정 가격이 낮고 소결체의 미세 조직 제어가 용이하여 소결체의 기계적인 물성을 높일 수 있다는 특징을 가진다.

그러나, 상기와 같은 통전가압 소결방법은 소결체의 고유저항 값에 따라 발생되는 줄열이 다르기 때문에 도전성 재료와 비도전성 재료의 소결온도분포는 상이하게 되며, 도전성 소결체의 경우 통전 전류가 중심부에 집중하여 시편의 중심온도가 외각의 온도보다 높게 되고, 비도전성 재료인 세라믹 소결체의 경우, 통전전류가 그라파이트 금형으로 집중하여 소결체의 외각 온도가 내부의 온도보다 높게 된다. 따라서 대면적 시편의 제조 시, 도전성 재료의 경우 소결체의 중심부에 비이상적인 입자성장이 발생할 수 있으며 비도전성 재료의 경우 소결체 중심부는 소결입자가 치밀하지 못한 결과를 얻을 수 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 이시가와지마 이와쿠니 세이사구쇼(Ishikawajima Iwakuni Seisakusho Co., Ltd)사에서 발행된 공개자료(도 2a참조) 및 일본 공개특허공보 2003-328008(도 2b참조)와 같은 기술이 제안되었으며, 상기 기술은 통전방식을 통해 금형을 직접가열하면서도 금형의 외부에 보조히터(A) 또는 고주파 코일(B) 등을 통해 간접가열하는 방식을 혼용하여, 대면적소결체의 제작시 금형 외부로 방출되는 열을 억제함으로서 소결체의 중심부와 외각의 온도를 균일하게 유지할 수 있도록 하였다.

또한 일본 등록특허 제 3629441(도 3 참조)에서는 가열수단으로서 통전방식을 사용하고 측면의 보조히터를 사용하여 간접가열하는 하이브리드 핫 프레스에서 시편 중심부로의 발열량 증가를 위하여 전류 흐름을 조절 할 수 있는 금형의 설계를 제안하였다.

하지만 상기와 같은 기술은 금형 외각으로 방출되는 열을 감소시킬 수는 있 으나, 핫 프레스 방법이 갖고 있는 구조적인 문제점으로서 금형의 가압 축 방향으로의 온도 손실을 방지하지는 못하며, 이로 인해 소결체가 대면적화 될수록 중심부와 외각측의 온도편차가 증가하여 소결체의 원하는 물성을 구현할 수 없게 되는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 측면의 그라파이트 측면히터 또는 통전수단에 의해 금형을 직, 간접적으로 가열하여 상기 소결체를 소결온도까지 균일하고 효율적으로 빠르게 가열함에 있어 상, 하부 가압축에 삽입된 보조히터에 의해 금형의 상하로 방출되는 열을 억제할 뿐만 아니라 상기 보조히터를 통해 축방향 온도손실을 보상하여 소결체의 중심부와 외곽부측의 온도를 균일하게 유지할 수 있게 함으로서 대면적 소결체의 제작시에도 소결체의 중심부와 외곽부측의 온도편차 없이 효율적으로 가열시킬 수 있게 하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 금형, 상기 금형을 가압하는 가압수단 및 상기 가압 수단의 축방향 일단에 구비되는 보조히터를 포함하는 하이브리드 핫 프레스 장치를 제공한다.

상기 본 발명에 따른 하이브리드 핫 프레스 장치는 내부에 단열재가 구비된 진공챔버, 상기 진공챔버의 내부에 설치되며, 상기 금형의 외부에서 금형을 가압하되, 일단에 상기 보조히터가 구비되는 가압 축, 상기 가압 축과 연결되어 상기 소결체가 내장된 금형을 통전 가열하는 통전수단 및/또는 상기 금형의 외부 측면에 구비되어 상기 금형을 가열하는 그라파이트 측면히터를 포함할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 하이브리드 핫 프레스 장치의 상기 보조히터는 상기 가압 축에 삽입고정될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 하이브리드 핫 프레스 장치의 상기 보조히터는 판형의 그라파이트일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 하이브리드 핫 프레스 장치의 상기 소결체와 금형 사이에 비도전성 지그가 삽입될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 하이브리드 핫 프레스 장치의 상기 판형의 그라파이트 보조히터는 판형의 길이방향으로 세워져 상기 가압축에 삽입되며 외부 전극을 통해 고정될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 하이브리드 핫 프레스 장치는 상기 가압축의 축방향으로 슬릿이 형성되고, 상기 슬릿에 상기 판형의 보조히터가 삽입되되, 상기 판형의 보조히터 양측이 상기 가압축 으로부터 소정 간격 이격되어 절연이 유지된 상태로 삽입될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 하이브리드 핫 프레스 장치의 상기 비도전성 지그는, 세라믹일 수 있다.

본 발명에 의하면, 소결체의 중심부와 외곽부측의 온도를 균일하게 유지할 수 있게 함으로서 대면적소결체의 제작시에도 소결체의 중심부와 외곽부측의 온도편차 없이 효율적으로 가열시킬 수 있게 되는 등의 이점을 얻을 수 있게 된다.

상기 본 발명의 목적과 특징 및 장점은 첨부도면 및 다음의 상세한 설명을 참조함으로서 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 구성 및 그 작 용 효과에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 핫프레스 장치의 개략도이고, 도 4b는 도 4a의 측면도이며, 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조히터의 가압 축의 삽입형태에 대한 실시예를 나타내는 측면도로서, 본 발명은 진공챔버(10), 가압 축(20), 축방향 보조히터(30), 통전수단(60) 및/또는 측면 그라파이트 측면히터(40)를 포함하여 구성된다. 또한 금형을 금형을 가열하기 위한 방법으로는 금형의 외각 측면의 그라파이트 측면히터 또는 통전수단 각각의 열원이나 두 방법이 동시에 사용되어 질 수 있다.

상기 진공챔버(10)의 내부에는 단열재(10a)가 설치되어, 장치 내의 열이 외부로 방출되는 것을 차단한다.

상기 가압 축(20)은 상기 진공챔버(10)의 내부에 설치되며, 축 끝단에 부착된 가압램(20b)(도 6참조)을 통해 금형(M)을 가압하는 것으로, 축의 일단에 보조히터(30)가 하나 이상 삽입되고 가압 축(20)이 상하 이동할 수 있는 슬릿(20a)이 구비된다.

상기 보조히터(30)는 열의 축방향 손실을 방지하기 위하여 축방향 양 끝단에 구비되며, 부착, 삽입, 적층 등 다양한 형태로 구비될 수 있으나 도 4a 내지 4c에 도시된 바와 같이, 축방향의 열 손실의 효율적인 보상과 가압 축(20)과 삽입된 보조히터(30) 간의 절연을 목적으로 상기 가압 축(20) 내부에 비접촉식으로 삽입되고 외부전극(30a)에 의해 고정되는 것이 효과적이다.

한편, 상기 보조히터(30)가 가압 축(20) 내에 삽입됨에 있어, 다양한 크기 및 형상으로 삽입될 수 있으나 상기 가압 축(20)에 가해지는 가압 하중 등을 고려할 때, 도 5에 도시된 바와 같이, 가압 축(20) 내에서 많은 부피를 차지하지 않도록 판형으로 제작되는 것이 바람직하며, 상기 판형의 길이방향으로 세워져 상기 가압축(20)에 하나 이상 삽입되는 것이 효과적이다.

아울러, 상기 보조히터(30)가 가압 축(20)에 삽입되는 방법으로서, 다양한 방법을 적용할 수 있으나, 본 발명에서 도 4a, 4b 및 5를 통해 일 실시예로 제안한 방법을 구체적으로 살펴보면, 우선, 상기 보조히터(30)는 상기 가압 축(20)과의 절연성을 확보하기 위하여 상기 가압 축(20)에 일정 간격 이격되어 삽입되며, 가압 축(20)의 상하 이송거리를 확보하기 위하여 상기 보조히터(30)의 길이방향으로 연장된 슬릿(Slit)(20a)이 상기 가압 축(20)에 형성된다. 이때, 상기 가압 축(20)에 형성된 슬릿(20a)만큼 가압 축(20)의 축방향 하중을 지탱하는 단면적이 감소하기 때문에 슬릿(20a)은 최소화되는 것이 바람직하며, 이를 위해 상술한 바와 같이 보조히터(30)가 판형으로 제작되는 것이 단면적 감소율을 20%이하로 되게하여 효과적이다.

더욱 상세하게는 상기 보조히터(30)의 두께를 12mm로 하였으며 슬릿(20a)은 그 두께를 20mm로 하여 양측에 3mm씩의 공간을 확보하였다. 또한 가압 축(20)의 이송거리를 확보하기 위하여 상기 슬릿(20a)의 길이를 300mm로 하였고 보조히터(30)의 길이 60mm 및 절연을 위한 간격을 띄우고 나면 상하방향으로 움질일 수 있는 거리는 최대 200mm가 되며, 이때 상, 하부 가압 축(20)에 모두 200mm의 슬릿(20a) 길이가 있으므로 총 400mm의 이송길이가 확보된다.

또한, 상기 보조히터(30)는 다양한 소재로 제작될 수 있으나, 발열기능과 보온기능이 우수한 그라파이트로도 제작될 수 있다.

상기 통전수단(60)은 상기 가압 축(20)과 연결되어 상기 가압 축(20)을 통해 소결체(S)가 내장된 금형(M)을 교류, 직류, 펄스전류 등 다양한 방식으로 통전 가열하며, 상기 측면 그라파이트 측면히터(40)는 상기 금형(M)의 외부에 구비되어 상기 금형(M)을 간접 가열하는 것으로서, 상기 소결체(S)를 소결온도까지 효율적이고 빠르게 가열할 수 있을 뿐만 아니라 금형(M)의 외부 측으로의 열 손실을 방지할 수 있게 된다.

한편, 상기 통전수단(60)에 의해 금형(M)을 통전함에 있어, 상기 금형(M) 내의 소결체(S)가 도전성 소결분말일 경우, 상기 금형(M)을 가열하기 위한 전류가 중심부로 집중하게 되어 소결체(S)의 중심부의 입자가 비이상적으로 성장하게 될 수 있다, 따라서 이를 방지하기 위해, 본 발명에서는 상기 소결체(S)가 도전성 소결분말일 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 소결체(S)와 금형(M) 사이에 비도전성 지그(50)를 가 삽입하게 된다.

이로 인해, 상기 금형(M) 내의 소결체(S)가 도전성일 경우에도, 도시된 바와 같이, 전류가 비도전성 지그(50)에 의해 소결체(S)로 전달되지 않고 금형(M)으로 유도되게 된다.

이를 위해 상기 비도전성 지그(50)는 전류를 전달하지 않는 다양한 소재를 적용할 수 있으나, 금형(M)에 가해지는 압력을 견딜 수 있는 세라믹을 사용할 수 있다.

또한, 이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1 은 종래 핫프레스 소결장치의 개략도

도 2a 내지 도 2b는 종래 하이브리드 통전가압 소결장치의 개략도

도 3은 종래 하이브리드 통전가압 소결장치 및 균일한 온도분포 형성을 위한 금형설계의 개략도

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 핫프레스 장치의 개략도

도 4b는 도 4a의 측면도

도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조히터의 가압 축의 삽입형태에 대한 실시예를 나타내는 측면도

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 보조히터의 개략도

도 6는 도 4의 본 발명의 일 실시예에 따른 금형의 상세도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

M : 금형 S : 소결체 10 : 진공챔버

10a : 단열재 20 : 가압 축 20a : 슬릿

20b : 가열램 30 : 보조히터 40 : 그라파이트 측면히터

50 : 비도전성 지그 60 : 통전수단

Claims (8)

1. 내부에 소결체가 내장되는 금형；

   상기 금형 및 단열재가 배치되는 진공챔버；

   상기 진공챔버의 내부에 설치되고 상기 금형을 가압하는 가압 축；

   상기 가압 축에 축방향으로 삽입 설치되는 보조히터；및

   상기 가압 축과 연결되고 상기 금형을 통전 가열하는 통전수단을 포함하는 하이브리드 핫 프레스 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 금형의 측벽 외부에 설치되는 그라파이트 측면히터를 더 포함하는 하이브리드 핫 프레스 장치.
3. 삭제
4. 제 1항에 또는 제2항에 있어서,

   상기 보조히터는

   판형의 그라파이트인

   하이브리드 핫 프레스 장치.
5. 제 1항에 또는 제2항에 있어서,

   상기 소결체와 상기 금형 사이에 비도전성 지그가 삽입되는

   하이브리드 핫 프레스 장치.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 판형의 그라파이트는 상기 가압 축의 축 방향으로 세워져 상기 가압 축에 삽입되어 상기 가압 축의 하중손실을 최소화하며 외부전극에 의해 고정되는

   하이브리드 핫 프레스 장치.
7. 제 4항에 있어서,

   상기 가압 축의 축 방향으로 슬릿이 형성되고, 상기 슬릿에 상기 판형의 그라파이트 보조히터가 삽입되되,

   상기 판형의 그라파이트 보조히터는 상기 슬릿 내부의 양측벽으로부터 떨어져 배치되는

   하이브리드 핫 프레스 장치.
8. 제 5항에 있어서,

   상기 비도전성 지그는,

   세라믹인

   하이브리드 핫 프레스 장치.

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