KR102024680B1 - 선택적 통전 소결장치 - Google Patents

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류종훈
박찬
김미영
한흥남
조준영
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 목적물을 수용하는 공간이 마련된 금형; 상기 금형의 공간을 일축 가압하는 펀치; 상기 펀치의 가압 반대방향 말단에 구비되는 통전 제어부; 상기 통전 제어부와 접하는 전극부; 및 상기 전극부로부터 연장되어 상기 금형을 가열하는 히터;를 포함하고, 상기 금형 및 펀치는 전도체로 구성되는, 선택적 통전 소결장치를 제공한다.

Description

선택적 통전 소결장치{SINTERING APPARATUS FOR SELECTIVELY APPLYUNG ELECTRIC CURRENT}
본 발명은 소결장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소결하고자 하는 재료에 따라 선택적으로 통전 또는 비통전 소결을 수행하도록 하는 소결장치에 관한 것이다.
통전 가압 소결은 소결하고자 하는 재료의 분말을 도전성 재료로 구성된 금형에 장입한 후 금형을 가압하는 동시에 전류를 통전시켜, 금형 및 압분체 재료의 통전 전류량 제어를 통한 줄열(Joule's heat)을 발생시킴으로서 목적으로 하는 소결 온도까지 가열하는 소결방법이다.
다만, 상기와 같은 통전 가압 소결방법은 소결하고자 하는 재료의 고유저항 값에 따라 치밀성의 편차가 크고, 특히 세라믹 재료의 경우, 통전전류가 금형으로 집중되어 소결체의 외부 온도가 내부 온도보다 높게 될 수 있다.
또한, 소결하고자 하는 재료에 절연물을 도포하여 통전소결을 수행하고자 할 경우, 부분적인 누설전류까지 완벽히 차단할 수 없고, 절연층과의 화학적 반응이 발생할 우려가 있어 사용 불가능한 재료군이 많아지게 될 수 있다.
관련 선행문헌으로, 한국 공개특허공보 10-2016-0093968에 공개된 플라스마 소결장치 및 그 방법이 있다. 상기 선행문헌은 구체적으로 피 가공분말을 충진하는 실리콘 카바이드(SiC) 금형; 상기 피 가공분말을 가압하기 위한 상부 및 하부 펀치; 상기 상부 및 하부 펀치를 동작시키는 상부 전극 및 하부 전극; 상기 실리콘 카바이드(SiC) 금형의 온도를 측정하는 온도 측정부; 상기 온도 측정부에 의해 측정된 실리콘 카바이드(SiC) 금형 온도를 기초로 가열 전압을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어에 따라 상기 상부 전극 및 하부 전극에 공급하는 직류 전원을 가변하는 직류전원 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스마 소결장치를 제공하고 있다.
한국 공개특허공보 10-2016-0093968
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 소결하고자 하는 재료에 따라 선택적으로 통전 또는 비통전 소결이 가능하도록 하고, 특유 구조의 히터를 구비하여 소결 시 온도 편차를 최소화하며, 통전 이외의 변수가 발생하지 않도록 하는 선택적 통전 소결장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 양태는 목적물을 수용하는 공간이 마련된 금형; 상기 금형의 공간을 일축 가압하는 펀치; 상기 펀치의 가압 반대방향 말단에 구비되는 통전 제어부; 상기 통전 제어부와 접하는 전극부; 및 상기 전극부로부터 연장되어 상기 금형을 가열하는 히터;를 포함하고, 상기 금형 및 펀치는 전도체로 구성되는, 선택적 통전 소결장치를 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 소결하고자 하는 재료가 도전성 재료일 경우, 통전, 외부히터를 통해 가열하며 가압소결을 수행할 수 있다.
또한, 소결하고자 하는 재료가 비도전성 재료일 경우, 금형이 통전되지 않도록 하고, 도전성 재료의 소결조건과 동일하게 외부히터를 통해 가열하며 가압소결을 수행할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 선택적 통전 소결장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 선택적 통전 소결장치의 히터 및 전도성 부재의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 선택적 통전 소결장치의 히터 및 전도성 부재가 결합된 일례를 나타낸 사시도이다.
도 5는 선택적 통전 소결장치의 가압 전 금형, 히터, 전도성 부재 및 커버의 일례를 나타낸 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
나아가, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 양태는,
목적물을 수용하는 공간이 마련된 금형(105);
상기 금형의 공간을 일축 가압하는 펀치(104a, 104b);
상기 펀치의 가압 반대방향 말단에 구비되는 통전 제어부(103a, 103b);
상기 통전 제어부와 접하는 전극부; 및
상기 전극부로부터 연장되어 상기 금형을 가열하는 히터(102);를 포함하고,
상기 금형 및 펀치는 전도체로 구성되는, 선택적 통전 소결장치(100)를 제공한다.
이하, 본 발명의 일 양태에 따른 선택적 통전 소결장치(100) 및 각 구성에 대하여 상세히 설명한다.
상기 펀치(104a, 104b)는 상기 금형(105)의 공간의 일 방향을 가압하는 제1펀치(104a); 및 상기 금형의 공간의 타 방향을 가압하는 제2펀치(104b)를 포함할 수 있다. 상기 금형의 공간에 목적물을 장입 후 상기 펀치를 통해 일축 가압이 수행될 수 있다. 또한, 목적물의 통전 소결을 행할 경우, 상기 펀치를 통해 전류가 흐를 수 있도록, 상기 펀치는 전도체로 구성될 수 있다.
상기 펀치(104a, 104b)는 도 1에 도시한 바와 같이 상하로 금형 내 공간에 장입된 목적물을 가압할 수 있다.
상기 금형(105)는 소결하고자 하는 목적물을 수용할 수 있는 공간이 마련되고 상기 펀치를 통해 상기 공간의 가압이 수행되도록 한다. 상기 금형은 상기 펀치와 마찬가지로 전도체로 구성될 수 있다.
상기 통전 제어부(103a, 103b)는 상기 펀치(104a, 104b)의 가압 반대방향 말단에 구비될 수 있다. 구체적으로 상기 펀치가 기술한 바와 같이 제1펀치(104a) 및 제2펀치(104b)로 구성될 경우, 상기 제1펀치의 가압 반대방향 말단에 제1통전 제어부(103a)가 구비될 수 있고, 상기 제2펀치의 가압 반대방향 말단에 제2통전 제어부(103b)가 구비될 수 있다.
상기 통전 제어부(103a, 103b)는 상기 목적물의 통전 또는 비통전 소결을 수행할 수 있도록, 상기 전극부로부터 금형으로 전류의 흐름을 차단하거나 허용하도록 제어할 수 있다. 상기 목적물이 전도성 재료인 경우, 상기 금형(105)과 전극부가 통전되도록 상기 통전 제어부가 전도체로 구성될 수 있고, 상기 목적물이 비전도성 재료인 경우, 상기 금형과 전극부가 비통전되도록 상기 통전 제어부가 절연체로 구성될 수 있다.
상기 통전 제어부(103a, 103b)는 펀치 및 전극부로부터 탈착 및 부착이 가능하도록 구비될 수 있다.
상기 통전 제어부(103a, 103b)는 전류차단 스위치가 구비될 수 있고, 스위치 조작에 따라 상기 전극부 또는 펀치와 접촉되는 소재가 전도체 또는 절연체로 변경되도록 하여, 선택적 통전이 가능하도록 할 수 있다.
상기 통전 제어부 일부(103a 또는 103b)는 상기 금형(105)의 가압 전, 상기 전극부와 탈리된 상태일 수 있고, 금형의 가압이 수행되면서 전극부와 접할 수 있다.
상기 전극부는 상기 통전 제어부와 접하는 전도성 부재와, 상기 전도성 부재와 연결된 전극을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전극부는 상기 제1통전 제어부(103a) 및 제2통전 제어부(103b)와 각각 접하는 제1전도성 부재(101a); 및 제2전도성 부재(101b);를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전극부는 상기 제1전도성 부재 및 제2전도성 부재와 각각 전기적으로 연결된 제1전극(106a); 및 제2전극(106b);을 포함할 수 있다.
상기 선택적 통전 소결장치(100)는 상기 전극부에 펄스전류를 가하고, 상기 히터를 구동시키는 전원(201)을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 전극부는 상기 펀치(104a, 104b)의 일축 가압 구동력을 발생시키는 가압부(미도시)를 포함할 수 있고, 상기 선택적 통전 소결장치는 상기 전원부 및 가압부와 연결되고 가압부의 압력을 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 전원(201)은 상기 히터(102), 금형(105) 및 금형 내 목적물의 전류량을 제어하여 소결 온도를 조절할 수 잇다.
상기 히터(102)는 도 2를 참조하면, 상기 제1전도성 부재(101a)로부터 상기 제1펀치(104a)의 가압방향으로 연장된 제1히터(102a); 및 상기 제2전도성 부재(101b)로부터 상기 제2펀치(104b)의 가압방향으로 연장된 제2히터(102b);를 포함할 수 있다. 이때, 상기 선택적 통전 소결장치(100)의 가압 수행 시 제1히터의 일측 및 제2히터의 일측이 결합될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 및 제2히터는 사각 형태의 요부 또는 철부가 형성되어 결합 시 맞물리도록 할 수 있다. 이 때, 상기 제1히터 및 제2히터가 결합될 시 도 4에 도시한 바와 같이 소정의 간극(102c)이 형성되도록 하여, 고온 고압 소결시에도 상기 히터의 크랙이 발생되지 않도록 할 수 있다. 나아가, 상기 제1 및 제2히터가 결합시 접촉되는 부분은 그래핀 필름 등을 부착하여 열 손실을 최소화하도록 할 수 있다.
상기 제1 및 제2 히터(102a, 102b)는 결합 후 소결 시 회전 가능하도록, 상기 제1 및 제2 전도성 부재(101a, 101b)에 상기 히터 단면과 대응되는 홈이 형성될 수 있고, 상기 히터는 원통형으로 구비될 수 있다.
상기 히터(102)의 소재는 통상의 소결 온도 범위에서 열에 의한 변형이 거의 나타나지 않고 열전도도, 전기전도도 및 열방사율이 준수한 소재를 사용할 수 있고, 구체적으로 흑연 등을 사용할 수 있다.
상기 히터(102)의 승온 속도는 400 내지 600 ℃/min 일 수 있다.
상기 선택적 소결장치(100)는 도 5를 참조하면, 상기 히터(102) 외주면을 둘러싸는 커버(107)을 더 포함할 수 있다. 이를 통해 히터의 열 및 선택적 통전 시 발생될 수 있는 열의 손실을 최소화할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 양태에 따른 선택적 통전 소결장치(100)는 목적물에 따라 통전 또는 비통전 소결을 수행하되, 통전과 관련된 변수를 제외하고 다른 변수(가압, 기체 분위기, 히터 온도 등)는 변동이 발생하지 않도록 할 수 있는 이점이 있다.
지금까지 본 발명의 일 양태에 따른 선택적 통전 소결장치에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 선택적 통전 소결장치
101a : 제1전도성 부재
101b : 제2전도성 부재
102 : 히터
102a : 제1히터
102b : 제2히터
102c : 간극
103a : 제1통전 제어부
103b : 제2통전 제어부
104a : 제1펀치
104b : 제2펀치
105 : 금형
106a : 제1전극
106b : 제2전극
107 : 커버
201 : 전원

Claims (9)

  1. 목적물을 수용하는 공간이 마련된 금형;
    상기 금형의 공간을 일축 가압하는 제1 및 제2펀치;
    상기 각 펀치의 가압 반대방향 말단에 구비되는 통전 제어부;
    상기 통전 제어부와 접하는 전극부; 및
    상기 전극부로부터 연장되어 상기 금형을 가열하는 히터;를 포함하고,
    상기 금형 및 펀치는 전도체로 구성되고,
    상기 통전 제어부는 상기 목적물의 전도성에 따라, 상기 전극부로부터 금형으로 전류 흐름을 차단 또는 허용하도록 제어하며,
    상기 펀치는,
    상기 금형의 공간의 일 방향 및 타 방향을 각각 가압하는 제1펀치; 및 제2펀치;를 포함하고,
    상기 통전 제어부는,
    상기 제1펀치 및 제2펀치의 가압 반대방향 말단에 각각 구비되는 제1통전 제어부; 및 제2통전 제어부;를 포함하고,
    상기 전극부는,
    상기 제1통전 제어부 및 제2통전 제어부와 각각 접하는 제1전도성 부재; 및 제2전도성 부재;를 포함하며, 상기 제1전도성 부재 및 제2전도성 부재와 각각 연결된 제1전극; 및 제2전극;을 포함하며,
    상기 히터는,
    상기 제1전도성 부재로부터 상기 제1펀치의 가압방향으로 연장된 제1히터; 및 상기 제2전도성 부재로부터 상기 제2펀치의 가압방향으로 연장된 제2히터;를 포함하고,
    상기 제1 및 제2펀치를 통해 가압 수행 시 제1히터의 일측 및 제2히터의 일측이 결합되며,
    상기 제1히터 및 제2히터가 결합될 시 소정의 간극이 형성되고,
    상기 제1히터 및 제2히터가 결합시 접촉되는 부분은 그래핀 필름이 부착되며,
    상기 히터의 외주면은 커버를 더 포함하고,
    상기 제1히터 및 제2히터가 결합 후 소결 시 회전하도록 상기 제1전도성부재 및 제2전도성부재에 상기 히터 단면과 대응되는 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는, 선택적 통전 소결장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극부는,
    상기 통전 제어부와 접하는 전도성 부재; 및
    상기 전도성 부재와 연결된 전극;을 포함하고,
    상기 히터는 상기 전도성 부재로부터 연장되어 상기 금형을 가열하는 것을 특징으로 하는, 선택적 통전 소결장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2히터는,
    사각 형태의 요부 또는 철부가 형성되어 결합 시 맞물리는 것을 특징으로 하는, 선택적 통전 소결장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전극부에 펄스전류를 가하고, 상기 히터를 구동시키는 전원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 선택적 통전 소결장치.
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