KR102623463B1 - 근사정형 분말야금 부품 제조방법 및 그 방법으로 제조된 분말야금 부품 - Google Patents
근사정형 분말야금 부품 제조방법 및 그 방법으로 제조된 분말야금 부품 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 목적은, 종래 분말 야금으로 제조되고 있는 분말야금 금속소재의 가공 난이도를 획기적으로 감소시키고 기존 공정 효율을 효과적으로 향상할 수 있는 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법 및 그 방법으로 제조된 분말야금 부품을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 분말야금 부품의 제조방법에 있어서, (a) 제조하고자 하는 부품 소재의 물성에 따른 수축률을 산출하고, 상기 수축률의 해석 결과에 따라 상기 부품 형상과 근사한 분말 용기를 역설계 하는 단계; (b) 상기 수축률의 해석 결과에서 나타나는 분말 충진율을 충족하도록 상기 부품 소재의 분말을 상기 역설계 되어 제조된 분말 용기에 충진하는 단계; 및 (c) 상기 분말 용기에 충진된 분말을 상기 제조하고자 하는 부품의 형상으로 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 분말야금 부품의 제조방법에 있어서, (a) 제조하고자 하는 부품 소재의 물성에 따른 수축률을 산출하고, 상기 수축률의 해석 결과에 따라 상기 부품 형상과 근사한 분말 용기를 역설계 하는 단계; (b) 상기 수축률의 해석 결과에서 나타나는 분말 충진율을 충족하도록 상기 부품 소재의 분말을 상기 역설계 되어 제조된 분말 용기에 충진하는 단계; 및 (c) 상기 분말 용기에 충진된 분말을 상기 제조하고자 하는 부품의 형상으로 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 분말야금 부품 제조방법 및 그 방법으로 제조된 부품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래 분말 야금으로 제조되고 있는 분말야금 금속소재의 가공 난이도를 획기적으로 감소시키고 기존 공정 효율을 효과적으로 향상할 수 있는 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조에 관한 방법 및 이 방법으로 제조된 분말야금 부품에 관한 것이다.
종래의 금속 분말을 이용한 분말 야금 부품 제조 공정을 통해서는 단순한 형태의 부품을 주로 제조해 왔다. 목표하는 부품의 형태와 가장 유사한 형태로 제조할 수 있는 분말 야금 공정은 MIM(Metal Injection Molding)이다.
이 공정은 금형에 금속 분말과 바인더를 혼합한 소재를 주입(Injection), 디바인딩(De-binding), 소결(Sintering)의 공정단계를 포함한다.
소결 단계에서는 금형으로부터 확보된 초기 부품이 소결이 진행됨에 따라 수축이 다량 발생함에 따라 수축량을 예측하여 금형이 제작되어야 한다.
하지만 이 공정의 경우, 근사정형(Near-Net Shape) 부품을 제조할 수 있으나 금속-바인더 소재의 주입시 높은 압력이 필요함에 따라 대형 부품의 제조를 어렵게 하며, 바인더 사용은 금속 분말 소재의 청정도를 저해한다는 단점을 가지고 있다.
그리고, 근사정형가공(NNS) 기술은 1620년대에 주철, 1850 년대에는 주강, 1940년대에는 경합금 주조에 활용되어 왔다. 플라스틱 사출성형은 1920년대에 개발되었고, 폴리에틸렌의 발명과 더불어 1930년대에 제품생산에 적용되기 시작하였다.
1930년대에는 또한 금속과 고분자 외에 포틀랜드 시멘트, 내화물, 서멧, 용융 실리카와 같은 엔지니어링 세라믹 재료들이 근사정형가공으로 성형된 바 있다.
그러나, 근사정형가공(NNS)하기 위해서는 가능한 한 제품을 최종 형태에 가깝도록 성형하고, 소성 후의 작업이 최소화되도록 하여야 하는 문제점이 있다.
반면, 분말야금을 이용한 대형 부품 제조는 단순한 형태(원기둥, 디스크 등)의 분말 소결체를 제조하고 기계가공을 통해 최종 부품 형태로 제작된다.
또한, 분말 야금(powder metallurgy)이나 요업공정(ceramic processing)과 같이 분말을 이용하여 금속 및 세라믹 제품을 제조하는 기술인 분말 공정 기술(powder processing technology)은 기원전 5000년 이전으로 거슬러 올라가는 오랜 역사를 가진 성형 방법이며, 동시에 현대의 금속 및 세라믹 제품의 제조 기술로도 널리 사용되는 방법이다.
분말공정은 주조나 단조와 같은 다른 전통적인 소성가공 공정에 비하여 공정이 간단하며, 복잡한 형상의 성형이 비교적 쉽다. 또한 세라믹과 같이 재료의 취성이 높아 후처리 공정이 어려운 재료에 대한 성형도 가능하게 해주는 장점을 갖는다.
이러한 장점으로 인해 분말공정을 이용한 가공 방법은 자동차 및 기계부품 뿐만 아니라 전자 제품의 제조에 사용되는 LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) 기판과 같은 첨단 소재의 가공에도 널리 이용되고 있다.
일반적으로 분말야금으로 제조되는 금속 소재((예) 내열금속, 초내열합금, 고경도강, 금속-세라믹 복합재 등)는 소성 가공이 어렵고 난삭성으로 인해 기계가공 또한 난이도가 높다.
단순한 형태의 분말 소결체를 분말야금 공정으로 제조하더라도 최종 부품 형태를 확보하기 위하여 기계가공이 필요지만 추가적인 가공은 부품 가공 정밀도 감소, 높은 가공툴 소모, 가공에 의한 다량의 원소재 손실 등과 같이 많은 문제를 발생시킨다. 하지만 대체 공정이 없어서 현재까지도 전술한 공정 절차를 통해 중대형 금속 소결 부품이 제조되고 있는 실정이다.
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 종래 분말 야금으로 제조되고 있는 분말야금 금속소재의 가공 난이도를 획기적으로 감소시키고 기존 공정 효율을 효과적으로 향상할 수 있는 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법을 제공하는 것이다.
기타 실시 예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시 예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법은, 분말야금 부품의 제조방법에 있어서, (a) 제조하고자 하는 부품 소재의 물성에 따른 수축률을 산출하고, 상기 수축률의 해석 결과에 따라 상기 부품 형상과 근사한 분말 용기를 역설계 하는 단계; (b) 상기 수축률의 해석 결과에서 나타나는 분말 충진율을 충족하도록 상기 부품 소재의 분말을 상기 역설계 되어 제조된 분말 용기에 충진하는 단계; 및 (c) 상기 분말 용기에 충진된 분말을 상기 제조하고자 하는 부품의 형상으로 성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (a) 단계는, (a1) 상기 부품 소재의 물성에 따른 수축률을 산출하고 해석하는 단계; 및 (a2) 산출된 상기 수축률 결과에 따라 분말 용기를 역설계 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수축률은, 열간 등압 성형 공정 기반으로 고온 고압에서 분말 수축 거동을 해석할 수 있는 구성방정식을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수축률은, 상기 분말의 물성을 실험으로 미리 정해진 실험값으로 설정하고 상기 구성방정식에 적용하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제조 대상 부품 소재는 타이타늄 및 니켈계 초합금을 포함하는 내열금속인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b) 단계는, 상기 수축률 결과로부터 목표하는 충진율을 확보하기 위해, 진공 또는 불활성 분위기에서 40Hz 내지 70Hz의 진동을 가한 후, 상기 분말 용기에 분말을 충진하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b) 단계에서, 상기 목표하는 충진율의 상대밀도가 0.6 내지 0.7인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 분말이 충진된 상기 분말 용기와 분말 내 잔류 기체를 제거하는 탈가스 공정 단계; (c2) 상기 탈가스 공정 단계 후, 상기 분말 용기를 기밀시키고, 기밀성을 확인하는 단계; 및 (c3) 상기 분말 용기를 950℃ 내지 1300℃의 온도에서 90MPa 내지 110MPa의 압력으로 미리 설정된 시간동안 유지하고 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법은, 분말야금 부품의 제조방법에 있어서, (a) 제조 대상 부품 소재의 물성에 따른 수축률을 산출하여 해석하고, 해석된 상기 수축률의 해석 결과에 따라 분말 용기를 역설계 하는 단계; (b) 상기 수축률의 해석 결과에서 나타나는 분말 충진율을 충족하도록 상기 부품 소재의 분말을 상기 역설계 되어 제조된 분말 용기에 충진하는 단계; (c) 상기 분말 용기에 충진된 분말을 상기 제조 대상 부품의 형상으로 고온 등압 성형하는 단계; 및 (d) 상기 성형된 부품의 형상을 측정하고 내부 결함을 검사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (a) 단계에서, 상기 수축률은, 열간 등압 성형 공정 기반으로 고온 고압에서 분말 수축 거동을 해석할 수 있는 구성방정식을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b) 단계는, 상기 수축률 결과로부터 목표하는 충진율을 확보하기 위해, 진공 또는 불활성 분위기에서 40Hz 내지 70Hz의 진동을 가해서 상기 분말 용기에 분말을 충진하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b) 단계에서, 상기 목표하는 충진율의 상대밀도가 0.6 내지 0.7인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 분말이 충진된 상기 분말 용기와 분말내 잔류 기체를 제거하는 탈가스 공정 단계; (c2) 상기 탈가스 공정 단계 후, 상기 분말 용기를 기밀시키고, 기밀성을 확인하는 단계; 및 (c3) 상기 분말 용기를 950℃ 내지 1300℃의 온도에서 90MPa 내지 110MPa의 압력으로 미리 설정된 시간동안 유지하고 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (d) 단계는, (d1) 상기 성형된 분말야금 부품의 용기를 기계가공으로 제거하는 단계; 및 (d2) 비파괴 검사를 통하여 상기 분말 야금 부품 내부의 결함 유무를 검사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품은, 상술한 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 중대형 근사정형 부품 제작 시간을 획기적으로 감소시킬 수 있으며 가공시 발생할 수 있는 분말야금 부품 개발비 절약, 원소재 소모 감소, 소성 가공 및 기계 가공이 어려운 소재를 분말 야금법으로 중대형, 복잡 형태 부품을 제작할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 열간 등압 성형 공정을 기반으로 고온 고압에서 분말 수축 거동 해석에 있어서, 금속 분말 물성(특성)을 실험으로 구해진 실험값으로 적용하면 더욱 높은 정확도로 해석 결과를 도출할 수 있고, 이를 통해 분말야금 금속소재의 가공 난이도를 획기적으로 감소시키고 기존 공정 효율을 효과적으로 향상할 수 있는 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법에 따라 설계된 분말 용기와 실제 등압 성형 이후 수축량을 비교한 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법에 따라 제조된 부품의 내부 결함을 확인한 결과를 나타낸 사진이다.
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법에 따라 설계된 분말 용기와 실제 등압 성형 이후 수축량을 비교한 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법에 따라 제조된 부품의 내부 결함을 확인한 결과를 나타낸 사진이다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제1", "제2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법은, 분말야금 부품의 제조방법에 있어서, (a) 제조하고자 하는 부품 소재의 물성에 따른 수축률을 산출하고, 상기 수축률 결과에 따라 상기 부품 형상과 근사한 분말 용기를 역설계 하는 단계(S110); (b) 상기 수축률 결과에서 나타나는 분말 충진율을 충족하도록 상기 부품 소재의 분말을 상기 역설계되어 제조된 분말 용기에 충진하는 단계(S120); 및 (c) 상기 분말 용기에 충진된 분말을 상기 제조하고자 하는 부품의 형상으로 성형하는 단계(S130)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법은, 분말야금 부품의 제조방법에 있어서, (a) 제조 대상 부품 소재의 물성에 따른 수축률을 산출하여 해석하고, 해석된 상기 수축률 결과에 따라 분말 용기를 역설계 하는 단계(S210); (b) 상기 수축률 결과에서 나타나는 분말 충진율을 충족하도록 상기 부품 소재의 분말을 상기 역설계 되어 제조된 분말 용기에 충진하는 단계(S220); (c) 상기 분말 용기에 충진된 분말을 상기 제조 대상 부품의 형상으로 고온 등압 성형하는 단계(S230); 및 (d) 상기 성형된 부품의 형상을 측정하고 내부 결함을 검사하는 단계(S240)를 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에서 제시한 분말야금 부품 제조방법은 종래 분말 야금으로 제조되고 있는 분말야금 금속소재의 가공 난이도를 획기적으로 감소시키고 기존 공정 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있는 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법을 제공한다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법은, 제조하고자 하는 부품 소재의 분말 충진 밀도를 고려하여 복잡한 형상의 대형 부품의 수축률을 계산하고 이를 해석하여 고청정 분말의 충진 밀도를 향상시키기 위한 방법과, 고밀도 부품을 제조하기 위한 공정 방법 및 제조 후 부품 결함 확인하는 공정 방법을 모두 포함하여 구성될 수 있다.
이하에서 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법의 단계별 프로세스를 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2에서 예시된 (a) 단계는(S110, S210), (a1) 상기 부품 소재의 물성에 따른 수축률을 산출하고 해석하는 단계와, (a2) 산출된 상기 수축률 결과에 따라 분말 용기를 역설계 하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에서는 분말야금 공정을 적용하는 것이 바람직한데, 이는 분말야금법이 주조나 단조와 같은 기존의 성형 방법에 비하여 많은 장점을 가지고 있기 때문이다.
특히, 서로 다른 이종 물질의 혼합이 용이하다는 장점은 다른 제조 방법에 의해서는 얻을 수 없는 우수한 물리적, 기계적 특성을 가진 제품의 생산을 가능하게 한다. 이와 같은 복합체의 제조는 강성재료와 연성재료는 용융점이 크게 다르기 때문에 분말 야금(powder metallurgy)에 의한 방법이 가장 적절할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 적용되는 수축률은, 열간 등압 성형 공정 기반으로 고온 고압에서 분말 수축 거동을 해석할 수 있는 변형률 계산식인 구성방정식을 이용하여 산출될 수 있고, 분말의 물성을 실험으로 미리 정해진 실험값으로 설정하고 상술한 구성방정식에 적용하여 산출될 수 있다.
여기서, 구성방정식(構成方程式, Constitutive equation)은 물리학이나 공학 등에서 '변형 가능한 물체에 외부 힘이 작용하였을 때 발생된 내부 저항력과 변형도 간의 관계식'을 말한다.
보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법은 고밀도의 결함없는 금속 부품을 제조하기 위하여 고온 등압 성형(Hot isostatic pressure)이 기본 공정으로 구성되며, 분말의 효과적인 압축 성형을 구현하기 위하여 이종 소재 용기(container canning 공정)에 분말을 충진하는 공정을 적용한다.
즉, (a) 단계(S110, S210)에서 적용되는 충진 밀도를 고려하여 복잡한 형상의 중대형 부품의 수축률 해석은 열간 등압 성형 공정을 기반으로 고온 고압에서 분말 수축 거동을 해석할 수 있는 구성방정식을 사용할 수 있다.
일반적으로 세라믹 및 금속 분말 성형체의 소결 치밀화 거동은 다음과 같이 2가지 단계로 구분하여 고려할 수 있다. 1단계는 초기 단계로서 분말 성형체의 상대밀도가 대략 0.9 이하인 치밀화 거동을 의미하며 이 범위에서는 주로 분말 입자 상호간의 접촉 변형에 의하여 치밀화가 되는 단계이다.
2단계는 상대밀도 0.9 이상에서의 치밀화 거동을 말하며 분말 입자가 심하게 변형됨에 따라 입자 사이의 공극이 고립되어 중공구와 같은 형태로 변형되어 중공구의 수축과 유사하게 치밀화가 일어나는 단계를 말한다.
따라서 일반적으로 분말 성형체의 치밀화 기구가 달라짐에 따라 구성이론이 다르게 모델링 되어야 하고, 세라믹의 변형 거동을 해석하기 위해서는 일반 3차원 하중하에서의 크리프 변형률 속도가 적절히 정의되어야 한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법에 적용되는 수축률 해석은 상대밀도가 0.9 이하인 치밀화 거동에 의한 해석을 의미한다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법은 고밀도의 결함없는 금속 부품을 제조하기 위하여 고온 등압 성형(Hot isostatic pressure)이 기본 공정으로 구성되며 분말의 효과적인 압축 성형을 구현하기 위하여 이종 소재 용기(container canning 공정)에 분말을 충진하여 적용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 적용되는 충진 밀도를 고려한 복잡 형상 중대형 부품의 수축률 해석은 열간 등압 성형 공정을 기반으로 고온 고압에서 분말 수축 거동을 해석할 수 있는 구성방정식을 사용한다.
이 때, 수축률 해석은 적용하고자 하는 금속 분말 물성(특성)을 실험으로 구해진 실험값으로 적용함으로써, 더욱 높은 정확도로 해석 결과를 도출할 수 있다.
다음의 [수학식 1]은 제조하고자 하는 부품의 변형률 또는 수축률 해석을 위해 적용되는 크리프 변형률을 나타내는 식이다. 크리프(creep)는 소재에 일정한 하중이 가해진 상태에서 시간의 경과에 따라 소재의 변형이 계속되는 현상을 말하고, [수학식 1]은 이와 같은 크리프 현상(Power-law creep)에 따른 크리프 속도(creep rate) 또는 변형률 속도를 나타내는 식이다.
[수학식 1]에서 Ao는 재료 상수를 나타내고, 는 변형률 속도를 나타내고, σc는 응력을 나타내고, n은 크립 응력 지수, Qc는 활성화 에너지를 나타내고, Rgas은 기체상수를 나타내고, T는 절대온도를 나타낸다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법은 분말의 열간 등가압 소결과 고온 금형 압축 하에서 고온 치밀화 거동의 해석을 통해 제조하고자 하는 부품의 수축률을 산출하기 위하여, 다음 [수학식 2]의 Abouaf 모델을 적용할 수 있다.
,
여기서, A는 상수를 나타내고, D는 성형체의 상대밀도를 나타내고, D0는 분말의 초기 성형체의 상대밀도이고, 는 변형률 속도를 나타내고, σc는 응력을 나타내고, δ는 크로넥커 델타(Kronecker delta)이고, f(D)는 정수 응력이 다공질 금속의 치밀화에 미치는 영향을 나타내며, c(D)는 모재의 항복강도에 대한 다공질 금속의 유동응력비를 나타냄에 따라 실험을 통하여 구할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법은 더욱 정확한 해석을 위하여 용기(container)의 물성을 고려해 주어야 하기 때문에, [수학식 1] 및 [수학식 2]의 적용과 함께 용기의 물성을 고려한 [수학식 3]의 해석 모델을 이용할 수 있다.
여기서, 는 크리프 변형률 속도를 나타내고, 는 기준 변형률 속도를 나타내고, σc는 크리프 응력을 나타내고, σo는 기준 응력을 나타내고, n은 power-law 크리프 지수를 나타내고, Qc는 크리프 활성화 에너지를 나타내고, R은 기체상수를 나타내고, Tm 소재의 융점 절대온도를 나타내고, s는 시간을 나타낸다.
이와 같은 수축 해석을 통해 수축된 분말 용기를 기반으로 수축 전 용기를 역설계할 수 있으며 실제 부품의 형상과 근사한 최적 형태 및 크기의 용기를 구현할 수 있다.
그리고, (b) 단계는(S120, S220), (a) 단계(S110, S210)에서 산출한 수축률 해석 결과에서 적용한 분말 충진율을 충족하도록 역설계 되어 제조된 분말 용기에 충진하는 단계이다.
분말 충진율은 용기의 수축율과 직접적인 관계가 있으므로 설계된 용기에서 부품 형상을 확보하기 위하여 해석에 사용된 충진율을 달성하는 것이 중요하다.
또한, 분말의 청정도 확보를 위하여 분말 충진시 진공 또는 불활성 분위기에서 진동(40 ~ 70Hz)을 가해주며 용기에 목표 금속 분말을 충진할 수 있고, 이 때 분말 충진도는 상대밀도 0.6 ~ 0.7로 달성되어야 하는 것이 바람직하다.
그리고, (c) 단계는(S130, S230), (b) 단계(S120, S220)에서 분말 용기에 충진된 분말을 상기 제조 대상 부품의 형상으로 고온 등압 성형하는 단계로서, (c1) 상기 분말이 충진된 상기 분말 용기와 분말 내 잔류 기체를 제거하는 탈가스 공정 단계와, (c2) 상기 탈가스 공정 단계 후, 상기 분말 용기를 기밀시키고, 기밀성을 확인하는 단계와, (c3) 상기 분말 용기를 950℃ ~ 1300℃의 온도 범위에서 설정된 온도 조건, 90MPa 내지 110MPa의 압력으로 미리 설정된 시간 동안 유지하고 소결하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에서는 고온 등압 성형 공정을 수행하게 되는데, 공정의 목적에 따라 상온 및 오븐(또는 로)을 이용해 가열하면서 용기 및 분말 내 잔류 기체를 제거해 주는 탈가스를 공정이 진행되어야 한다.
그리고 나서, (d) 단계로서 상기 성형된 부품의 형상을 측정하고 내부 결함을 검사하는 단계로서, (d1) 상기 성형된 분말야금 부품의 용기를 기계가공으로 제거하는 단계와, (d2) 비파괴 검사를 통하여 상기 분말 야금 부품 내부의 결함 유무를 검사하는 단계를 포함할 수 있다.
즉, 탈가스 공정을 마친 용기는 클램핑, 용접 또는 적절한 방법을 이용하여 기밀해야 하며 기밀을 확인하기 위하여 형광 침투액을 이용한 결함 확인 단계를 더 포함하여 수행될 수 있다.
상술한 고온 등압 성형 공정을 위해서는 약 950℃ ~ 1300℃의 온도에서 압력은 90MPa ~ 110MPa로 유지하여 충분한 수축 및 분말이 결합할 수 있는 시간 동안 유지하는 단계를 진행하고, 이후, 필요 및 고온 등압 성형 장비의 성능에 따라 냉각 속도를 제어해 줄 수 있고, 이를 통해 소결 공정을 진행할 수 있다.
그리고 나서, 성형된 분말 야금 부품의 용기를 기계가공으로 제거하는 황삭 공정, 그리고 비파괴 검사(초음파 또는 X-ray)를 통하여 부품 내부의 결함 유무를 확인하는 단계를 진행할 수 있다. 무결함으로 확인된 소재는 최소한의 기계 가공을 통해 최종 부품으로 제조될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법에 따라 설계된 분말 용기와 실제 등압 성형 이후 수축량을 비교한 결과를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법에 따라 제조된 부품의 내부 결함을 확인한 결과를 나타낸 사진이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법의 (a) 단계에서 근사정형 부품을 제조하기 위하여 수축률과 수축 형태를 산출하고 산출된 수축률 해석 결과를 이용해 설계되어 제조된 용기와 실제 등압 성형 이후 수축량을 비교한 결과, 실제 설계 부품과 등압성형 후 부품 형상이 유사하게 측정되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 결과는 본 발명의 제시하는 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법이 부품 제작 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있는 분말야금 공정에 매우 효과적임을 알 수 있다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법으로 근사정형 부품을 제조하고 내부 결함을 확인한 결과 건전한 부품으로 제조된 것을 확인할 수 있다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
삭제
S110 : 역설계 하는 단계
S120 : 충진하는 단계
S130 : 성형하는 단계
S120 : 충진하는 단계
S130 : 성형하는 단계
Claims (15)
- 분말야금 부품의 제조방법에 있어서,
(a) 제조하고자 하는 부품 소재의 물성에 따른 수축률을 산출하고, 상기 수축률의 해석 결과에 따라 상기 부품 형상과 근사한 분말 용기를 역설계 하는 단계;
(b) 상기 수축률의 해석 결과에서 나타나는 분말 충진율을 충족하도록 상기 부품 소재의 분말을 상기 역설계 되어 제조된 분말 용기에 충진하는 단계; 및
(c) 상기 분말 용기에 충진된 분말을 상기 제조하고자 하는 부품의 형상으로 성형하는 단계를 포함하되,
상기 (a) 단계의 상기 수축률 산출은,
열간 등압 성형 공정 기반으로 고온 고압에서 분말 수축 거동을 해석할 수 있는 상기 용기(container)의 응력(stress) 및 녹는점(melting point)을 포함하는 물성을 고려한 크리프 변형률 모델을 이용하여 산출되고,
상기 (b) 단계는,
상기 수축률 결과로부터 목표하는 충진율을 확보하기 위해, 진공 또는 불활성 분위기에서 40Hz 내지 70Hz의 진동을 가한 후, 상기 분말 용기에 분말을 충진하는 단계인 것을 특징으로 하는,
근사정형 분말야금 부품 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(a1) 상기 부품 소재의 물성에 따른 수축률을 산출하고 해석하는 단계; 및
(a2) 산출된 상기 수축률 결과에 따라 분말 용기를 역설계 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
근사정형 분말야금 부품 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제조 대상 부품 소재는 타이타늄 및 니켈계 초합금을 포함하는 내열금속인 것을 특징으로 하는,
근사정형 분말야금 부품 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 목표하는 충진율의 상대밀도가 0.6 내지 0.7인 것을 특징으로 하는,
근사정형 분말야금 부품 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
(c1) 상기 분말이 충진된 상기 분말 용기와 분말 내 잔류 기체를 제거하는 탈가스 공정 단계;
(c2) 상기 탈가스 공정 단계 후, 상기 분말 용기를 기밀시키고, 기밀성을 확인하는 단계; 및
(c3) 상기 분말 용기를 950℃ 내지 1300℃의 온도 범위에서 90MPa 내지 110MPa의 압력으로 미리 설정된 시간동안 유지하고 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
근사정형 분말야금 부품 제조방법.
- 분말야금 부품의 제조방법에 있어서,
(a) 제조 대상 부품 소재의 물성에 따른 수축률을 산출하여 해석하고, 해석된 상기 수축률의 해석 결과에 따라 분말 용기를 역설계 하는 단계;
(b) 상기 수축률의 해석 결과에서 나타나는 분말 충진율을 충족하도록 상기 부품 소재의 분말을 상기 역설계 되어 제조된 분말 용기에 충진하는 단계;
(c) 상기 분말 용기에 충진된 분말을 상기 제조 대상 부품의 형상으로 고온 등압 성형하는 단계; 및
(d) 상기 성형된 부품의 형상을 측정하고 내부 결함을 검사하는 단계를 포함하되,
상기 (a) 단계의 상기 수축률 산출은,
열간 등압 성형 공정 기반으로 고온 고압에서 분말 수축 거동을 해석할 수 있는 상기 용기(container)의 응력(stress) 및 녹는점(melting point)을 포함하는 물성을 고려한 크리프 변형률 모델을 이용하여 산출되고,
상기 (b) 단계는,
상기 수축률 결과로부터 목표하는 충진율을 확보하기 위해, 진공 또는 불활성 분위기에서 40Hz 내지 70Hz의 진동을 가한 후, 상기 분말 용기에 분말을 충진하는 단계인 것을 특징으로 하는,
근사정형 분말야금 부품 제조방법.
- 삭제
- 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 목표하는 충진율의 상대밀도가 0.6 내지 0.7인 것을 특징으로 하는,
근사정형 분말야금 부품 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
(c1) 상기 분말이 충진된 상기 분말 용기와 분말내 잔류 기체를 제거하는 탈가스 공정 단계;
(c2) 상기 탈가스 공정 단계 후, 상기 분말 용기를 기밀시키고, 기밀성을 확인하는 단계; 및
(c3) 상기 분말 용기를 950℃ 내지 1300℃의 온도 범위에서 90MPa 내지 110MPa의 압력으로 미리 설정된 시간동안 유지하고 소결하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
근사정형 분말야금 부품 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
(d1) 상기 성형된 분말야금 부품의 용기를 기계가공으로 제거하는 단계; 및
(d2) 비파괴 검사를 통하여 상기 분말 야금 부품 내부의 결함 유무를 검사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
근사정형 분말야금 부품 제조방법.
- 제1항, 제2항, 제5항, 제7항 내지 제9항 및 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항의 중대형 근사정형 분말야금 부품 제조방법으로 제조된 것을 특징으로 하는,
근사정형 분말야금 부품.
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| KR100316342B1 (ko) * | 1999-06-28 | 2001-12-20 | 황해웅 | 분말야금 고속도공구강 |
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| JP2020525643A (ja) * | 2017-07-05 | 2020-08-27 | ボディコート エイチ．アイ．ピー．リミテッドＢｏｄｙｃｏｔｅ Ｈ．Ｉ．Ｐ．Ｌｉｍｉｔｅｄ | 熱間等方圧加圧法のためのカプセル |
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2023
- 2023-03-17 KR KR1020230035220A patent/KR102623463B1/ko active Active
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