KR102399214B1 - 금속분말 기반 합금 판재 제조장치 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 서로 평행한 한쌍의 성형롤;을 포함하는 분말 압연부; 상기 분말 압연부;의 상부에 위치하여 상기 성형롤 사이로 혼합 금속분말을 공급하는 분말 공급부; 및 상기 분말 압연부에서 가압 성형된 분말압연 판재를 소결시키는 소결로;를 포함하고, 상기 분말 공급부;는 대기와 차단되어 밀폐되어 있고 상기 혼합 금속분말을 가열하여 상기 성형롤 사이로 공급하는 밀폐가열 공급부;를 포함하는 금속분말 기반 합금 판재 제조장치 및 이를 이용한 금속분말 기반 합금 판재의 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 적어도 2종 이상의 금속분말을 혼합하여 분말 압연후 소결 처리하여 합금 판재를 제조하는 금속분말 기반 합금 판재 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 성형롤의 폭 방향으로 혼합 금속분말을 균일하게 공급하고, 혼합 금속분말을 가열하여 판재 성형시 기공을 효과적으로 제거하고, 혼합 금속분말의 가열시 금속분말의 산화를 방지하여 우수한 판재 물성을 기대할 수 있는 금속분말 기반 합금 판재 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적인 합금 판재는 연속주조로 슬라브를 제조하고 열간압연 및 냉간압연을 통해서 박판의 판재로 제조되고 있다. 그러나, 일부의 고기능을 발현하는 난가공성 합금 판재는 열간압연이 곤란하거나 혹은 냉간압연시 균열이 발생하여 종래의 주조 압연 방법으로 제조가 불가능한 경우가 많다.
도 1에 도시한 바와 같이, 금속분말 기반 합금 판재 제조방법은 이러한 난가공성 합금 판재를 제조할 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 거의 모든 분말기반 합금 판재는 최종 소결된 판재에 기공이 잔존하는 것으로 알려져 있으며, 이로 인해 기존의 주조 압연판재 대비 물성이 열위하여 현재 실제적인 상업화가 지연되고 있다.
도 2는 지금까지 알려진 분말기반 합금 판재 제조 공정을 보여주고 있다. 도2(가)는 분말압연 판재를 소결로에서 완전하게 합금화 하고 평탄화롤을 거쳐 판재의 평탄도를 제어하고 냉각시켜서 최종 소결합금 판재를 제조하는 것이다. 이러한 경우 분말압연 판재에 존재하던 기공이 소결후에도 그대로 남아서 소결합금 판재의 물성은 좋지 않게 된다.
도 2(나)는 분말압연 판재를 소결로에서 완전하게 합금화하고 바로 열간압연롤을 통해서 고온에서 압연하고 냉각처리하여 소결합금 판재를 제조한다. 이 경우 고온 상태에서 압연하기 때문에 소결합금 판재 내부의 기공을 어느 정도 제거할 수 있으나, 고온에서 대기에 노출되어 판재가 산화되고 열간 압연성이 매우 나쁜 합금 판재는 이 공정을 적용하기 곤란하다는 문제점이 있다.
도 2(다)는 분말압연 판재를 1차 소결로에서 부분적으로 합금화하여 냉간 가공성을 확보하게 하고 냉간압연을 다단으로 거치면서 판재의 두께를 감소시킨다. 이러한 냉간압연 동안 분말압연 판재에 존재하던 기공을 일부 제거할 수 있으나 기공은 여전히 남게 된다. 냉간압연된 판재는 2차 소결로에서 완전히 합금화되어 소결합금 판재가 된다. 이러한 공정은 합금 판재의 냉간가공성이 매우 열악한 합금계에 적용되면 유리하나 최종 합금 판재에서 기공이 여전히 남아서 소결합금 판재의 물성은 좋지 않다.
이와 같이, 종래의 금속분말 기반 합금 판재 제조기술에 따르면, 금속분말의 상온 성형성이 충분하지 못해서 성형롤에 의한 분말압연 동안 기공을 완전히 제거하지 못하기 때문에 분말압연 판재의 성형밀도가 불충분하며 소결 후에 합금 판재의 강도가 열위한 문제점이 있었다.
본 발명은 적어도 2종 이상의 금속분말로 이루어진 혼합 금속분말을 산화를 방지하면서 급속으로 가열함으로써 금속분말의 성형성을 극대화하고, 이를 통해 분말압연 판재 내부에 존재하는 기공의 양을 극소화하여 소결 합금 판재의 강도를 확보할 수 있는 금속분말 기반 합금 판재 제조장치 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는, 서로 평행한 한쌍의 성형롤;을 포함하는 분말 압연부; 상기 분말 압연부;의 상부에 위치하여 상기 성형롤 사이로 혼합 금속분말을 공급하는 분말 공급부; 및 상기 분말 압연부에서 가압 성형된 분말압연 판재를 소결시키는 소결로;를 포함하고, 상기 분말 공급부;는, 대기와 차단되어 밀폐되어 있고 상기 혼합 금속분말을 가열하여 상기 성형롤 사이로 공급하는 밀폐가열 공급부;를 포함하는 금속분말 기반 합금 판재 제조장치를 제공한다.
밀폐가열 공급부;는, 분말 교반수단; 및 밀폐가열 공급부의 하부의 외주부를 둘러싸는 분말 가열수단;을 포함할 수 있다.
분말 가열수단;은, 유도코일 형태의 유도가열수단; 일 수 있다.
분말 공급부;는, 상기 밀폐가열 공급부;의 상단 내부로 관통하여 상기 성형롤 길이 방향으로 왕복 운동하면서 혼합 금속분말을 밀폐가열 공급부에 균일하게 공급하는 균일왕복 공급부;를 더 포함할 수 있다.
균일왕복 공급부;는, 호퍼, 스크류 피더; 및 왕복운동 수단;을 포함할 수 있다.
호퍼;는, 내부에 혼합 교반수단;을 포함할 수 있다.
분말 압연부;의 하부에 위치하여 분말 압연부에서 가압 성형된 분말압연 판재를 바로 냉각시켜 주는 산화방지 냉각수단;을 더 포함할 수 있다.
한쌍의 성형롤;은, 그 내부에 가열수단을 내장한 성형롤; 일 수 있다.
가열수단은, 유도가열 코일; 일 수 있다.
밀폐가열 공급부;는, 상단부에 밀폐가열 공급부 내부의 혼합분말의 산화를 방지하고 혼합분말의 하방 유동을 도와주는 불활성가스 가압공급수단;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예는, 혼합 금속분말을 공급하는 분말 공급단계; 상기 분말 공급단계로부터 공급받은 혼합 금속분말을 서로 평행한 한쌍의 성형롤 사이를 통과시켜 분말압연 판재로 가압 성형하는 분말 압연단계; 및 상기 가압 성형된 분말압연 판재를 소결시켜 합금화된 소결판재를 제조하는 소결단계;를 포함하고, 상기 분말 공급단계;는, 대기와 차단되어 밀폐되어 있는 상태에서 혼합 금속분말을 가열하여 공급하는 밀폐가열 공급단계;를 포함하는 금속분말 기반 합금 판재 제조방법을 제공한다.
분말 공급단계;는, 상기 성형롤 길이 방향으로 왕복 운동하면서 혼합 금속분말을 상기 밀폐가열 공급단계에 균일하게 공급하는 균일왕복 공급단계;를 더 포함할 수 있다.
밀폐가열 공급단계;는, 균일왕복 공급단계에서 공급받은 혼합 금속분말을 균일하게 재배치하는 분말 교반단계; 및 상기 균일하게 재배치된 혼합 금속분말을 가열하는 분말 가열단계;를 포함할 수 있다.
분말 가열단계의 온도는 200 내지 1000℃ 일 수 있다.
균일왕복 공급단계;는, 호퍼 내부에서 혼합 금속분말의 위치별 분포가 균일하도록 혼합하는 혼합 교반단계; 상기 균일하게 혼합된 혼합 금속분말을 공급받아 스크류 피더를 통해 성형롤 길이 방향을 따라 이송하는 이송단계; 및 상기 이송된 혼합 금속분말을 성형롤 길이 방향을 따라서 왕복하며 공급하는 왕복운동 공급단계;를 포함할 수 있다.
분말 압연단계; 직후에, 분말 압연단계에서 가압 성형된 분말압연 판재를 바로 냉각시켜 주는 산화방지 냉각단계;를 더 포함할 수 있다.
분말 압연단계;는, 상기 한쌍의 성형롤을 가열수단을 이용하여 가열하는 성형롤 가열단계;를 더 포함할 수 있다.
성형롤 가열단계의 온도는 200 내지 700℃ 일 수 있다.
밀폐가열 공급단계; 중에는, 혼합분말의 산화를 방지하고 혼합분말의 하방 유동을 돕기위해 불활성가스 가압공급이 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 대기와 밀폐된 챔버형 밀폐가열 공급부 내에서 혼합 금속분말의 산화를 원천적으로 차단할 수 있고, 혼합 금속분말을 급속 가열함으로써 혼합 금속분말의 성형성을 극대화할 수 있으므로 분말압연 판재 내부의 기공을 거의 제거할 수 있다.
또한, 챔버형 밀폐가열 공급부를 관통한 상태로 밀폐가열 공급부 상단 내부에서 왕복운동 하면서 혼합 금속분말을 성형롤 길이 방향으로 균일하게 공급하는 균일왕복 공급부를 적용함으로써, 혼합 금속분말의 산화를 방지하면서 연속적으로 공급할 수 있으므로 분말압연 판재의 연속 생산이 가능한 장점이 있다.
이때, 균일왕복 공급부의 왕복운동 진폭을 제어함으로써, 분말압연 판재의 균질도를 확보하면서 판재 폭을 용이하게 제어할 수 있으므로 다양한 폭을 가진 판재 생산에 유리하다.
도 1은 종래기술에 따른 금속분말 기반 합금 판재 제조장치의 개략도이다.
도 2는 종래기술에 따른 다양한 금속분말 기반 합금 판재 제조공정에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 기반 합금 판재 제조장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 기반 합금 판재 제조장치의 측면 방향 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 기반 합금 판재 제조장치의 정면 방향 단면도이다.
도 2는 종래기술에 따른 다양한 금속분말 기반 합금 판재 제조공정에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 기반 합금 판재 제조장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 기반 합금 판재 제조장치의 측면 방향 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 기반 합금 판재 제조장치의 정면 방향 단면도이다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 3 내지 도 5를 참고하여, 이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 기반 합금 판재 제조장치 및 그 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
금속분말 기반 합금 판재 제조장치
본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 기반 합금 판재 제조장치는, 서로 평행한 한쌍의 성형롤;을 포함하는 분말 압연부; 상기 분말 압연부;의 상부에 위치하여 상기 성형롤 사이로 혼합 금속분말을 공급하는 분말 공급부; 및 상기 분말 압연부에서 가압 성형된 분말압연 판재를 소결시키는 소결로;를 포함할 수 있고, 상기 분말 공급부;는 대기와 차단되어 밀폐되어 있고 상기 혼합 금속분말을 가열하여 상기 성형롤 사이로 공급하는 밀폐가열 공급부;를 포함할 수 있다.
한쌍의 성형롤;은 그 내부에 가열수단을 내장한 성형롤; 일 수 있다. 밀폐가열 공급부에서 산화가 방지된 상태로 고온으로 가열되어 성형롤 사이로 공급된 혼합 금속분말은, 성형롤에 의해서 냉각될 가능성이 매우 크기 때문에 성형롤을 가열하는 것 역시 매우 중요하다. 성형롤 가열수단으로는 유도가열 방식, 열선 히터가열 방식, 고온 유체 순환가열 방식 등을 적용할 수 있으며, 열효율을 고려하면 유도가열 방식을 적용하여 성형롤의 내부에 유도가열 코일을 내장한 유도가열 성형롤을 사용하는 것이 바람직하다.
밀폐가열 공급부;는 분말 교반수단; 및 밀폐가열 공급부의 하부의 외주부를 둘러싸는 분말 가열수단;을 포함할 수 있다.
분말 가열수단;은 유도코일 형태의 유도가열수단; 일 수 있다. 분말 가열수단으로 유도가열 방식과 열선 히터가열 방식, 고온 유체 순환가열 방식 등이 적용될 수 있으며, 금속분말의 급속가열을 위해서는 유도가열수단을 사용하는 것이 바람직하다. 밀폐가열 공급부 내 분말 가열수단에 의해 가열된 혼합 금속분말은 성형성이 매우 향상되어 분말 압연부에서 후속 성형롤 가압 가공시 기공이 거의 없는 분말압연 판재로 성형될 수 있다.
밀폐가열 공급부;는 상단부에 밀폐가열 공급부 내부의 혼합분말의 산화를 방지하고 혼합분말의 하방 유동을 도와주는 불활성가스 가압공급수단;을 더 포함할 수 있다. 불활성가스로는 아르곤 가스 혹은 질소 가스 등이 바람직하며, 밀폐가열 공급부 내부가 외부보다 약간의 양압을 가지도록 가압을 한다. 이러한 양압 상태의 불활성 가스는 혼합 금속분말이 하방으로 용이하게 이송되도록 도와주며, 외부의 대기가 밀폐가열 공급부 내부로 들어오는 것을 차단해 혼합 금속분말의 급속 가열시 혼합 금속분말의 산화를 방지해 준다.
분말 공급부;는 상기 밀폐가열 공급부;의 상단 내부로 관통하여 상기 성형롤 길이 방향으로 왕복 운동하면서 혼합 금속분말을 밀폐가열 공급부에 균일하게 공급하는 균일왕복 공급부;를 더 포함할 수 있다.
균일왕복 공급부;는 호퍼, 스크류 피더; 및 왕복운동 수단;을 포함할 수 있다.
호퍼;는 내부에 혼합 교반수단;을 포함할 수 있다.
외부에서 공급되는 혼합 금속분말은 스크류 피더 일측 끝부분 상부에 연결된 호퍼에 연속적으로 공급되며, 호퍼 내부에는 혼합 교반수단이 있어 호퍼에 공급된 혼합 금속분말의 위치별 분포가 균일하도록 교반한다. 균일하게 교반된 혼합 금속분말은 스크류 피더(Screw Feeder)에 공급되어 성형롤 길이 방향을 따라 이송된 후, 스크류 피더의 타측 끝부분 하부로 유출된다.
스크류 피더의 이송 파이프는 밀폐가열 공급부의 상단을 관통하며, 상호 연결된 호퍼 및 스크류 피더는 유압실린더 혹은 공압실더 등의 왕복운동수단에 의해서 성형롤 길이 방향을 따라서 왕복운동 한다. 스크류 피더의 이송 파이프는 밀폐가열 공급부를 관통하여 왕복운동을 할 때 대기 혼입을 방지할 수 있도록 미끄럼 밀폐처리 하며, 스크류 피더의 혼합 금속분말 유출구는 밀폐가열 공급부의 내부에 위치하도록 한다. 스크류 피더의 끝 부분에서 이송된 혼합 금속분말은 밀폐가열 공급부의 내부에서 균일한 양이 하방으로 유출된다.
금속분말 기반 합금 판재 제조장치는 분말 압연부;의 하부에 위치하여 분말 압연부에서 가압 성형된 분말압연 판재를 바로 냉각시켜 주는 산화방지 냉각수단;을 더 포함할 수 있다. 성형롤 사이를 통과한 분말압연 판재가 고온으로 유지되면 표면이 산화될 가능성이 커지므로, 분말압연 판재가 나오자마자 바로 냉각시켜 주는 산화방지 냉각수단이 구비될 수 있다. 이러한 산화방지 냉각수단은 분말압연 판재의 양쪽 표면 위에 아르곤 가스 혹은 질소 가스 제트를 분사하여 분말압연 판재를 급속하게 냉각시킬 수 있다. 이러한 방식으로 냉각시키는 것이 분말압연 판재의 표면 및 내부 산화를 방지하는데 바람직하다.
소결로에서는 상기 분말 압연부에서 가압 성형된 분말압연 판재가 소결되어 최종적으로 금속분말 기반의 합금 판재가 제조될 수 있다.
금속분말 기반 합금 판재 제조방법
본 발명의 일 실시예에 따른 금속분말 기반 합금 판재 제조방법은 혼합 금속분말을 공급하는 분말 공급단계; 상기 분말 공급단계로부터 공급받은 혼합 금속분말을 서로 평행한 한쌍의 성형롤 사이를 통과시켜 분말압연 판재로 가압 성형하는 분말 압연단계; 및 상기 가압 성형된 분말압연 판재를 소결시켜 합금화된 소결판재를 제조하는 소결단계;를 포함하고, 상기 분말 공급단계;는 대기와 차단되어 밀폐되어 있는 상태에서 혼합 금속분말을 가열하여 공급하는 밀폐가열 공급단계;를 포함할 수 있다.
분말 압연단계;는 상기 한쌍의 성형롤을 가열수단을 이용하여 가열하는 성형롤 가열단계;를 더 포함할 수 있다. 성형롤 가열단계는 유도가열 방식, 열선 히터가열 방식, 고온 유체 순환가열 방식 등을 적용할 수 있으며, 열효율을 고려하면 성형롤의 내부에 유도가열 코일을 내장하여 성형롤을 가열하는 유도가열 방식을 적용하는 것이 바람직하다.
성형롤 가열단계의 온도는 200 내지 700℃ 일 수 있고, 구체적으로는 300 내지 600℃, 더욱 구체적으로는 400 내지 600℃가 바람직하다. 성형롤 가열단계의 온도가 600℃보다 높은 경우에는 일반적으로 성형롤 소재의 템퍼링 온도보다 높아 성형롤이 연화되기 쉽고, 400℃보다 낮은 경우에는 성형롤에 의한 혼합 금속분말의 냉각 효과가 발생할 가능성이 높아진다.
분말 공급단계;는 상기 성형롤 길이 방향으로 왕복 운동하면서 혼합 금속분말을 상기 밀폐가열 공급단계에 균일하게 공급하는 균일왕복 공급단계;를 더 포함할 수 있다.
균일왕복 공급단계;는 호퍼 내부에서 혼합 금속분말의 위치별 분포가 균일하도록 혼합하는 혼합 교반단계; 상기 균일하게 혼합된 혼합 금속분말을 공급받아 스크류 피더를 통해 성형롤 길이 방향을 따라 이송하는 이송단계; 상기 이송된 혼합 금속분말을 성형롤 길이 방향을 따라서 왕복하며 공급하는 왕복운동 공급단계;를 포함할 수 있다.
밀폐가열 공급단계;는 균일왕복 공급단계에서 공급받은 혼합 금속분말을 균일하게 재배치하는 분말 교반단계; 및 상기 균일하게 재배치된 혼합 금속분말을 가열하는 분말 가열단계;를 포함할 수 있다.
외부에서 공급되는 혼합 금속분말은 호퍼에 연속적으로 공급되며, 호퍼 내부에서 위치별 분포가 균일하도록 교반되고, 균일하게 교반된 혼합 금속분말은 스크류 피더(Screw Feeder)에 공급되어 성형롤 길이 방향을 따라 이송되어 밀폐가열 공급단계에 공급된다. 이와 같이, 균일왕복 공급단계를 통해 밀폐가열 공급단계에 공급되는 혼합 금속분말은 성형롤 길이 방향을 따라서 왕복하며 공급되므로 성형롤 길이 방향으로 균일하게 적층되고, 분말 교반단계에서 더욱 균일하게 재배치 되어 분말 가열단계에 공급될 수 있다.
분말 가열단계는 유도가열 방식과 열선 히터가열 방식, 고온 유체 순환가열 방식 등이 적용될 수 있으며, 금속분말의 급속가열을 위해서는 유도가열 방식을 적용하는 것이 바람직하다.
분말 가열단계의 온도는 200 내지 1000℃ 일 수 있다. 분말 가열단계의 온도는 Fe, Ti, Cu 및 Al 등 사용하는 금속분말에 따라서 다르게 설정할 수 있다. Fe 분말을 사용하는 경우에는 500 내지 900℃ 일 수 있고, 구체적으로는 600 내지 800℃, 더욱 구체적으로는 700 내지 800℃가 바람직하다. Ti 분말을 사용하는 경우에는 500 내지 900℃ 일 수 있고, 구체적으로는 600 내지 800℃, 더욱 구체적으로는 700 내지 800℃가 바람직하다. Cu 분말을 사용하는 경우에는 400 내지 800℃ 일 수 있고, 구체적으로는 500 내지 700℃ 일 수 있고, 더욱 구체적으로는 600 내지 700℃ 일 수 있다. Al 분말을 사용하는 경우에는 200 내지 600℃ 일 수 있고, 구체적으로는 300 내지 500℃, 더욱 구체적으로는 400 내지 500℃ 일 수 있다. 분말 가열단계의 온도가 적정 온도보다 높은 경우에는 분말의 성형성은 좋아지나 분말의 산화를 방지하는 것이 매우 어렵고 분말들 사이에 확산이 일어나 서로 붙어서 유동 자체가 안되는 문제점이 발생할 수 있고, 온도가 적정 온도보다 낮은 경우에는 성형성 개선 효과가 그리 크지 않아 분말압연 판재의 높은 기공 제거 효과를 기대하기 어렵다.
밀폐가열 공급단계; 중에는 혼합분말의 산화를 방지하고 혼합분말의 하방 유동을 돕기위해 불활성가스 가압공급이 이루어 질 수 있다. 불활성가스로는 아르곤 가스 혹은 질소 가스 등이 바람직하며, 밀폐가열 공급부 내부가 외부보다 약간의 양압을 가지도록 가압을 한다. 이러한 양압 상태의 불활성 가스는 혼합 금속분말이 하방으로 용이하게 이송되도록 도와주며, 외부의 대기가 밀폐가열 공급부 내부로 들어오는 것을 차단해 혼합 금속분말의 급속 가열시 혼합 금속분말의 산화를 방지해 준다.
분말 압연단계;에서는 분말 공급단계로부터 공급받은 혼합 금속분말을 서로 평행한 한쌍의 성형롤 사이를 통과시켜 분말압연 판재로 가압 성형할 때, 이에 한정되는 것은 아니지만, 400 내지 2000 MPa 압력 조건에서, 1 내지 4mm의 두께 범위로 분말압연 판재를 성형하는 것이 적절하다. 분말 압연단계의 압력조건이 2000MPa를 초과할 경우에는 설비비가 과다하게 소요되며 압력이 더 상승한다 해도 고밀도화 효과가 미미하고, 400 MPa 미만일 경우에는 혼합 금속분말의 온도를 높게 증가 시켜도 성형압력이 낮아 완전하게 기공을 제거할 수 없다. 또한, 판재의 두께가 4 mm 초과할 경우에는 상업적인 생산속도에서 완전하게 고밀도화가 어렵고, 1 mm 미만일 경우에는 사용되는 분말의 크기(직경 100mm 내외)를 고려할 때 두께 위치별 균질도에 문제가 발생할 수 있다.
분말 압연단계; 직후에 분말 압연단계에서 가압 성형된 분말압연 판재를 바로 냉각시켜 주는 산화방지 냉각단계;를 더 포함할 수 있다. 산화방지 냉각단계는 분말압연 판재의 양쪽 표면 위에 아르곤 가스 혹은 질소 가스 제트를 분사하여 냉각시킴으로써 이루어질 수 있고, 분말압연 판재의 온도를 50 내지 100℃ 범위까지 냉각시켜야 분말압연 판재의 표면 및 내부의 산화를 방지할 수 있다.
소결단계에서는 상기 분말 압연단계에서 가압 성형된 분말압연 판재가 소결되어 금속분말 기반의 합금 판재가 제조될 수 있다. 소결단계는 900 내지 1300℃의 온도범위에서 10 내지 240분 동안 이루어지는 것이 바람직하다. 소결온도가 1300℃ 초과일 경우에는 확산이 활발하게 진행되어 합금화는 균질해지나 결정립등의 미세조직이 매우 조대하게 성장하여 최종 기계적 물성이 열악해지고, 900℃ 미만일 경우에는 확산속도가 매우 느려서 균질한 합금화가 곤란하며 분말 입자간의 소결 또한 불완전해지는 문제점이 있다. 또한, 소결시간이 240분 초과일 경우에는 설비비가 과대하게 소요되고 생산속도 또한 저하되어 상업생산 경제성이 결여되며, 10분 미만일 경우에는 확산 균질화 시간이 부족하여 완전한 균질 판재의 제조가 곤란한 문제가 있다.
각 단계의 세부적인 내용 중 전술한 금속분말 기반 합금 판재 제조장치와 관련하여 중복되는 구성 및 효과에 관한 설명은 생략한다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
비교예
순수한 Fe 분말과 순수한 Si 분말을 무게비로 Fe-6.5%Si가 되도록 혼합 금속분말을 제조하였다. 이때 Fe 분말의 평균 직경은 100㎛, Si분말의 평균 직경은 20㎛ 인 것을 이용하였다. 혼합 금속분말을 상온상태로 800MPa의 압력에서 1mm 두께로 압연한 뒤 1200℃에서 2시간 동안 합금화 소결처리 하였다.
실시예
혼합 금속분말을 아르곤 가스 분위기에서 800℃까지 가열한 후 대기를 차단한 상태로 800MPa 압력에서 1mm 두께로 금속분말을 압연하고, 바로 냉각시킨 후 1200℃에서 2시간 동안 합금화 소결처리 한 것을 제외하고는 상기 비교예와 동일한 방법으로 합금 판재를 제조하였다.
실험예
상기 비교예 및 실시예에 의해 제조된 금속분말 기반 합금 판재의 기공도와 인장강도를 하기 표 1에 나타내었다.
| 구분 | 금속분말 가열 여부 | 기공도 (%) | 인장강도 (MPa) | |
| 비교예 | 상온 (비가열) | >9% | <30 MPa | |
| 실시예 | 800℃ 가열 | ~0% | >500 MPa | |
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 혼합 금속분말의 산화를 방지하고 고온까지 가열하여 분말압연하면, 소결 후 합금 판재의 기공을 거의 제거할 수 있으며, 인장강도 또한 월등하게 향상되어 상업용 소재로 활용이 가능한 수준임을 알 수 있다. 그러므로, 본 발명의 기술을 적용하면 현재까지 물성이 열위하여 상용화가 곤란했던 금속분말 기반 합금 판재의 상업화가 가능할 것으로 기대된다.
본 발명은 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (19)
- 서로 평행한 한쌍의 성형롤;을 포함하는 분말 압연부;
상기 분말 압연부;의 상부에 위치하여 상기 성형롤 사이로 혼합 금속분말을 공급하는 분말 공급부; 및
상기 분말 압연부에서 가압 성형된 분말압연 판재를 소결시키는 소결로;를 포함하고,
상기 분말 공급부;는,
대기와 차단되어 밀폐되어 있고 상기 혼합 금속분말을 가열하여 상기 성형롤 사이로 공급하는 밀폐가열 공급부;를 포함하고, 상기 밀폐가열 공급부;의 상단 내부로 관통하여 상기 성형롤 길이 방향으로 왕복 운동하면서 혼합 금속분말을 밀폐가열 공급부에 균일하게 공급하는 균일왕복 공급부;를 더 포함하고,
상기 밀폐가열 공급부;의 온도는 500 내지 900℃인 금속분말 기반 합금 판재 제조장치 - 제 1 항에 있어서,
상기 밀폐가열 공급부;는,
분말 교반수단; 및 밀폐가열 공급부의 하부의 외주부를 둘러싸는 분말 가열수단;을 포함하는 금속분말 기반 합금 판재 제조장치 - 제 2 항에 있어서,
상기 분말 가열수단;은,
유도코일 형태의 유도가열수단;인 금속분말 기반 합금 판재 제조장치 - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 균일왕복 공급부;는,
호퍼, 스크류 피더; 및 왕복운동 수단;을 포함하는 금속분말 기반 합금 판재 제조장치 - 제5항에 있어서,
상기 호퍼;는,
내부에 혼합 교반수단;을 포함하는 금속분말 기반 합금 판재 제조장치 - 제 1 항에 있어서,
상기 분말 압연부;의 하부에 위치하여 분말 압연부에서 가압 성형된 분말압연 판재를 바로 냉각시켜 주는 산화방지 냉각수단;을 더 포함하는 금속분말 기반 합금 판재 제조장치 - 제 1 항에 있어서,
상기 한쌍의 성형롤;은,
그 내부에 가열수단을 내장한 성형롤;인 금속분말 기반 합금 판재 제조장치 - 제 8 항에 있어서,
상기 가열수단은,
유도가열 코일;인 금속분말 기반 합금 판재 제조장치 - 제 1 항에 있어서,
상기 밀폐가열 공급부;는,
상단부에 밀폐가열 공급부 내부의 혼합분말의 산화를 방지하고 혼합분말의 하방 유동을 도와주는 불활성가스 가압공급수단;을 더 포함하는 금속분말 기반 합금 판재 제조장치 - 혼합 금속분말을 공급하는 분말 공급단계;
상기 분말 공급단계로부터 공급받은 혼합 금속분말을 서로 평행한 한쌍의 성형롤 사이를 통과시켜 분말압연 판재로 가압 성형하는 분말 압연단계; 및
상기 가압 성형된 분말압연 판재를 소결시켜 합금화된 소결판재를 제조하는 소결단계;를 포함하고,
상기 분말 공급단계;는,
대기와 차단되어 밀폐되어 있는 상태에서 혼합 금속분말을 가열하여 공급하는 밀폐가열 공급단계;를 포함하고, 상기 성형롤 길이 방향으로 왕복 운동하면서 혼합 금속분말을 상기 밀폐가열 공급단계에 균일하게 공급하는 균일왕복 공급단계;를 더 포함하고,
상기 밀폐가열 공급단계;는,
균일왕복 공급단계에서 공급받은 혼합 금속분말을 균일하게 재배치하는 분말 교반단계; 및 상기 균일하게 재배치된 혼합 금속분말을 가열하는 분말 가열단계;를 포함하고,
상기 분말 가열단계의 온도는 500 내지 900℃인 금속분말 기반 합금 판재 제조방법 - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 11 항에 있어서,
상기 균일왕복 공급단계;는,
호퍼 내부에서 혼합 금속분말의 위치별 분포가 균일하도록 혼합하는 혼합 교반단계;
상기 균일하게 혼합된 혼합 금속분말을 공급받아 스크류 피더를 통해 성형롤 길이 방향을 따라 이송하는 이송단계; 및
상기 이송된 혼합 금속분말을 성형롤 길이 방향을 따라서 왕복하며 공급하는 왕복운동 공급단계;를 포함하는 금속분말 기반 합금 판재 제조방법 - 제 11 항에 있어서,
상기 분말 압연단계; 직후에,
분말 압연단계에서 가압 성형된 분말압연 판재를 바로 냉각시켜 주는 산화방지 냉각단계;를 더 포함하는 금속분말 기반 합금 판재 제조방법 - 제 11 항에 있어서,
상기 분말 압연단계;는,
상기 한쌍의 성형롤을 가열수단을 이용하여 가열하는 성형롤 가열단계;를 더 포함하는 금속분말 기반 합금 판재 제조방법 - 제 17 항에 있어서,
상기 성형롤 가열단계의 온도는 200 내지 700℃인 금속분말 기반 합금 판재 제조방법 - 제 11 항에 있어서,
상기 밀폐가열 공급단계; 중에는,
혼합분말의 산화를 방지하고 혼합분말의 하방 유동을 돕기위해 불활성가스 가압공급이 이루어지는 금속분말 기반 합금 판재 제조방법
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